JP4868251B2 - 燃料電池システム、アノードガス生成量推定装置及びアノードガス生成量の推定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム、及び燃料電池のカソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定するための技術に関する。
燃料電池自動車などに搭載されている燃料電池は、アノードに供給される水素を含む燃料ガスとカソードに供給される酸素を含む酸化ガスを用いて電力を発生する。燃料電池から排出される水素オフガスは、酸素オフガスと混合・希釈され、水素濃度が低減された状態で車外へ排出される。かかる水素オフガスを排出する際には、高濃度の水素が排出されないように十分に希釈する必要がある（例えば、特許文献１参照）。
また、高濃度の水素が排出されないように十分希釈するためには、水素オフガス濃度を精度良く検知する必要がある。このような水素オフガス濃度を検知する方法として、酸素オフガスが流通するカソードオフガス流路に水素センサを設置し、カソード側から排出される水素オフガスの濃度を水素センサによって検出する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特表２００３−５０４８０７号公報
特開２００３−２９４６７６号公報
また、高濃度の水素が排出されないように十分希釈するためには、水素オフガス濃度を精度良く検知する必要がある。このような水素オフガス濃度を検知する方法として、酸素オフガスが流通するカソードオフガス流路に水素センサを設置し、カソード側から排出される水素オフガスの濃度を水素センサによって検出する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、発電効率が低い状態で燃料電池を運転している場合には、アノードから水素が排出されるだけでなく、カソードからも水素（主にポンピング水素）が排出され、規制範囲を超えた水素がシステム外部に排出されてしまう虞があった。
また、上記従来の水素オフガス濃度の検出方法では、水素オフガスが水素センサに至らなければ濃度を検出することができず、検出までに時間がかかるという問題があった。
本発明は以上説明した事情を鑑みてされたものであり、発電効率が低い状態で燃料電池を運転する場合であっても排気水素濃度を十分に低減することが可能な燃料電池システムなどを提供することを目的とする。さらに、本発明はカソード側から排出される水素オフガスの濃度などを迅速かつ正確に求めることができる技術を提供することを目的とする。
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、第１の効率での運転と、第１の効率よりも低い第２の効率での運転（以下、低効率運転）とを選択的に実行する燃料電池システムであって、燃料電池のカソード排出ガスに含まれるアノードガスのガス量に応じて、前記カソード排出ガスの希釈量を調整する調整手段を備えることを特徴とする。
ここで、上記構成にあっては、前記カソード排出ガスに含まれるアノードガスは、低効率運転の際に前記燃料電池のカソードに発生する水素ガスであり、前記燃料電池のガス供給路を流れるカソードガスの一部を燃料電池をバイパスして排出通路へ導くバイパス通路をさらに備え、前記調整手段は、前記燃料電池のカソード排出ガスに含まれる水素ガスのガス量に応じて、バイパスされる前記カソードガスのガス量を制御するバイパス弁を備える態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記調整手段は、当該システムから外部へ排出される水素の排出濃度が基準値以下となるように、バイパスされる前記カソードガスのガス量を制御する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記燃料電池のカソードに供給するカソードガスは、酸素を含む酸化ガスであり、与えられる指示に従って前記酸化ガスを吐出する酸化ガス供給源と、前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量と前記燃料電池をバイパスする酸化ガス量に基づいて、前記酸化ガス供給源による酸化ガスの吐出量を制御する制御手段とをさらに具備する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記制御手段は、前記酸化ガス供給源から前記燃料電池のカソードへ供給される酸化ガスのガス量を制御する調圧弁を備え、前記低効率運転の際、前記燃料電池のカソードに発生する水素ガスが基準値以下である場合には、前記調整手段は、前記バイパス弁を全閉とする一方、前記制御手段は、前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量に応じて、前記調圧弁の開度を一定に保持したまま前記酸化ガスの吐出量を制御する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記酸化ガス供給源はエアコンプレッサであり、前記制御手段は、前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量に応じて、前記調圧弁を全開に保持したまま前記酸化ガスの吐出量を制御する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記低効率運転の際に前記燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する推定手段をさらに具備する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記推定手段は、前記燃料電池の出力電流と、該燃料電池のエアストイキ比と、該燃料電池の温度に基づいて前記水素量を推定する態様が好ましい。
また、本発明に係る発生水素量の推定方法は、低効率運転の際に燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する方法であって、前記燃料電池の出力電圧及び出力電流に基づき、該燃料電池のエアスイトイキ比を推定する第１推定ステップと、前記出力電流と前記エアストイキ比と前記燃料電池の温度に基づき、該燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する第２推定ステップとを具備することを特徴とする。
また、本発明に係るガス生成量推定装置は、燃料電池のカソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定するガス生成量推定装置であって、所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御手段と、低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池の発電特性に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する推定手段とを具備することを特徴とする。
ここで、上記構成にあっては、前記推定手段は、前記燃料電池の発電特性と前記燃料電池へのカソードガスの供給量とともに、前記燃料電池のカソード側に残存する未反応カソードガスの残存量、または前記燃料電池を構成する各セルの圧力損失のばらつきの少なくともいずれかを考慮して、前記アノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記推定手段は、前記未反応カソードガスの残存量及び前記セルの圧力損失のばらつきの両方を考慮して、前記アノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧モニタをさらに備え、前記推定手段は、前記電圧モニタによって検出される出力電圧に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記電圧モニタは、前記各セルのセル電圧を検出し、前記推定手段は、基準セルにおけるセル電圧とアノードガス生成量の関係をあらわす基準関数を備え、前記推定手段は、前記電圧モニタによって検出される各セルのセル電圧と前記基準関数を利用することで、前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記運転制御手段は、前記燃料電池の暖機が必要な場合、または前記燃料電池の触媒活性を回復させることが必要な場合に、低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記カソードにおいて生成されるアノードガスは水素である態様が好ましい。
また、本発明に係るアノードガス生成量の推定方法は、燃料電池のカソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する方法であって、所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御ステップと、低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池の発電特性に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する推定ステップとを含むことを特徴とする。
ここで、上記構成にあっては、前記推定ステップにおいては、前記燃料電池の発電特性と前記燃料電池へのカソードガスの供給量とともに、前記燃料電池のカソード側に残存する未反応カソードガスの残存量、または前記燃料電池を構成する各セルの圧力損失のばらつきの少なくともいずれかを考慮して、前記アノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記推定ステップにおいては、電圧モニタによって検出される前記燃料電池の出力電圧に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
以上説明したように、本発明によれば、発電効率が低い状態で燃料電池を運転する場合であっても排気水素濃度を十分に低減することが可能となる。また、本発明によれば、カソード側から排出される水素オフガスの濃度などを迅速かつ正確に求めることが可能となる。
また、上記従来の水素オフガス濃度の検出方法では、水素オフガスが水素センサに至らなければ濃度を検出することができず、検出までに時間がかかるという問題があった。
本発明は以上説明した事情を鑑みてされたものであり、発電効率が低い状態で燃料電池を運転する場合であっても排気水素濃度を十分に低減することが可能な燃料電池システムなどを提供することを目的とする。さらに、本発明はカソード側から排出される水素オフガスの濃度などを迅速かつ正確に求めることができる技術を提供することを目的とする。
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、第１の効率での運転と、第１の効率よりも低い第２の効率での運転（以下、低効率運転）とを選択的に実行する燃料電池システムであって、燃料電池のカソード排出ガスに含まれるアノードガスのガス量に応じて、前記カソード排出ガスの希釈量を調整する調整手段を備えることを特徴とする。
ここで、上記構成にあっては、前記カソード排出ガスに含まれるアノードガスは、低効率運転の際に前記燃料電池のカソードに発生する水素ガスであり、前記燃料電池のガス供給路を流れるカソードガスの一部を燃料電池をバイパスして排出通路へ導くバイパス通路をさらに備え、前記調整手段は、前記燃料電池のカソード排出ガスに含まれる水素ガスのガス量に応じて、バイパスされる前記カソードガスのガス量を制御するバイパス弁を備える態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記調整手段は、当該システムから外部へ排出される水素の排出濃度が基準値以下となるように、バイパスされる前記カソードガスのガス量を制御する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記燃料電池のカソードに供給するカソードガスは、酸素を含む酸化ガスであり、与えられる指示に従って前記酸化ガスを吐出する酸化ガス供給源と、前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量と前記燃料電池をバイパスする酸化ガス量に基づいて、前記酸化ガス供給源による酸化ガスの吐出量を制御する制御手段とをさらに具備する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記制御手段は、前記酸化ガス供給源から前記燃料電池のカソードへ供給される酸化ガスのガス量を制御する調圧弁を備え、前記低効率運転の際、前記燃料電池のカソードに発生する水素ガスが基準値以下である場合には、前記調整手段は、前記バイパス弁を全閉とする一方、前記制御手段は、前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量に応じて、前記調圧弁の開度を一定に保持したまま前記酸化ガスの吐出量を制御する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記酸化ガス供給源はエアコンプレッサであり、前記制御手段は、前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量に応じて、前記調圧弁を全開に保持したまま前記酸化ガスの吐出量を制御する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記低効率運転の際に前記燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する推定手段をさらに具備する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記推定手段は、前記燃料電池の出力電流と、該燃料電池のエアストイキ比と、該燃料電池の温度に基づいて前記水素量を推定する態様が好ましい。
また、本発明に係る発生水素量の推定方法は、低効率運転の際に燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する方法であって、前記燃料電池の出力電圧及び出力電流に基づき、該燃料電池のエアスイトイキ比を推定する第１推定ステップと、前記出力電流と前記エアストイキ比と前記燃料電池の温度に基づき、該燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する第２推定ステップとを具備することを特徴とする。
また、本発明に係るガス生成量推定装置は、燃料電池のカソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定するガス生成量推定装置であって、所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御手段と、低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池の発電特性に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する推定手段とを具備することを特徴とする。
ここで、上記構成にあっては、前記推定手段は、前記燃料電池の発電特性と前記燃料電池へのカソードガスの供給量とともに、前記燃料電池のカソード側に残存する未反応カソードガスの残存量、または前記燃料電池を構成する各セルの圧力損失のばらつきの少なくともいずれかを考慮して、前記アノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記推定手段は、前記未反応カソードガスの残存量及び前記セルの圧力損失のばらつきの両方を考慮して、前記アノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧モニタをさらに備え、前記推定手段は、前記電圧モニタによって検出される出力電圧に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記電圧モニタは、前記各セルのセル電圧を検出し、前記推定手段は、基準セルにおけるセル電圧とアノードガス生成量の関係をあらわす基準関数を備え、前記推定手段は、前記電圧モニタによって検出される各セルのセル電圧と前記基準関数を利用することで、前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記運転制御手段は、前記燃料電池の暖機が必要な場合、または前記燃料電池の触媒活性を回復させることが必要な場合に、低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記カソードにおいて生成されるアノードガスは水素である態様が好ましい。
また、本発明に係るアノードガス生成量の推定方法は、燃料電池のカソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する方法であって、所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御ステップと、低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池の発電特性に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する推定ステップとを含むことを特徴とする。
ここで、上記構成にあっては、前記推定ステップにおいては、前記燃料電池の発電特性と前記燃料電池へのカソードガスの供給量とともに、前記燃料電池のカソード側に残存する未反応カソードガスの残存量、または前記燃料電池を構成する各セルの圧力損失のばらつきの少なくともいずれかを考慮して、前記アノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記推定ステップにおいては、電圧モニタによって検出される前記燃料電池の出力電圧に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する態様が好ましい。
以上説明したように、本発明によれば、発電効率が低い状態で燃料電池を運転する場合であっても排気水素濃度を十分に低減することが可能となる。また、本発明によれば、カソード側から排出される水素オフガスの濃度などを迅速かつ正確に求めることが可能となる。
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図２は、同実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示す図である。
図３Ａは、同実施形態に係る通常運転時の電池反応を示す図である。
図３Ｂは、同実施形態に係る低効率運転時の電池反応を示す図である。
図４は、同実施形態に係る低効率運転時の動作を示すフローチャートである。
図５は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図６Ａは、同実施形態に係る通常運転時の出力電力と電力損失の関係を示す図である。
図６Ｂは、同実施形態に係る低効率運転時の出力電力と電力損失との関係を示す図である。
図７Ａは、同実施形態に係る通常運転時の電池反応を示す図である。
図７Ｂは、同実施形態に係る低効率運転時の電池反応を示す図である。
図８は、同実施形態に係るエアストイキ比とポンピング水素の発生量の関係を示す図である。
図９は、第３実施形態に係る燃料電池周辺の構成を示す図である。
図１０は、同実施形態に係る基準関数を説明するための図である。
図１１は、同実施形態に係るエア流量調整マップを示す図である。
図１２は、第４実施形態に係る燃料電池周辺の構成を示す図である。
図１３は、同実施形態に係る動作を示すフローチャートである。
図１４は、同実施形態に係る各運転動作点を説明するための図である。
図１５は、同実施形態に係るプレ低効率運転の動作を示すフローチャートである。
図２は、同実施形態に係るＦＣ電流とＦＣ電圧との関係を示す図である。
図３Ａは、同実施形態に係る通常運転時の電池反応を示す図である。
図３Ｂは、同実施形態に係る低効率運転時の電池反応を示す図である。
図４は、同実施形態に係る低効率運転時の動作を示すフローチャートである。
図５は、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
図６Ａは、同実施形態に係る通常運転時の出力電力と電力損失の関係を示す図である。
図６Ｂは、同実施形態に係る低効率運転時の出力電力と電力損失との関係を示す図である。
図７Ａは、同実施形態に係る通常運転時の電池反応を示す図である。
図７Ｂは、同実施形態に係る低効率運転時の電池反応を示す図である。
図８は、同実施形態に係るエアストイキ比とポンピング水素の発生量の関係を示す図である。
図９は、第３実施形態に係る燃料電池周辺の構成を示す図である。
図１０は、同実施形態に係る基準関数を説明するための図である。
図１１は、同実施形態に係るエア流量調整マップを示す図である。
図１２は、第４実施形態に係る燃料電池周辺の構成を示す図である。
図１３は、同実施形態に係る動作を示すフローチャートである。
図１４は、同実施形態に係る各運転動作点を説明するための図である。
図１５は、同実施形態に係るプレ低効率運転の動作を示すフローチャートである。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
Ａ．第１実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池システム１００は、燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。
燃料ガス循環供給系は燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路２１、燃料電池４０、燃料ガス循環路２２、及びアノードオフガス流路２３を含んで構成され、酸化ガス供給系はエアコンプレッサ６０、酸化ガス供給路１１、及びカソードオフガス流路１２を含んで構成されている。
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
燃料ガス供給源３０は、燃料電池４０へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンク、水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路２１は、燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池４０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３は、各ガス流路２１〜２３又は燃料電池４０へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
燃料ガス循環路２２は、未反応燃料ガスを燃料電池４０へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素ポンプ５０、逆止弁５１が各々配設されている。燃料電池４０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ５０によって適度に加圧され、燃料ガス供給路２１へ導かれる。なお、燃料ガス供給路２１から燃料ガス循環路２２への燃料ガスの逆流は、逆止弁５１によって抑制される。
アノードオフガス流路２３は、燃料電池４０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
エアコンプレッサ６０は、エアフィルタ（図示略）を介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池４０のカソード極に供給する。燃料電池４０のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池４０の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード側で生成されるポンピング水素などが含まれる（詳細は後述）。このカソードオフガスは、燃料電池４０の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
加湿モジュール７０は、酸化ガス供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路１２を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池４０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池４０に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路１２のカソード出口付近に配設されたエア調圧弁Ａ１によって調圧される。
ここで、エアコンプレッサ６０から加湿モジュール７０に至る酸化ガス供給路１１と、加湿モジュール７０から希釈器８０に至るカソードオフガス流路１２との間は、バイパス弁Ｂ１によって接続されている。バイパス弁Ｂ１及びバイパス通路３１は、酸化ガス供給路１１を流れる酸化ガスの一部を燃料電池４０をバイパスしてカソードオフガス流路１２へ導く手段であり、制御装置（調整手段）１６０によってバイパスされる酸化ガス量が調整される。なお、以下の説明では、バイパスされる酸化ガスをバイパスエアと呼ぶ。
希釈器８０は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲（環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。この希釈器８０にはカソードオフガス流路１２の下流及びアノードオフガス流路２３の下流が連通しており、水素オフガス、ポンピング水素、酸素オフガス、バイパスエアを混合希釈してシステム外に排気する。
燃料電池４０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ１３０によって昇降圧され、バッテリ１４０に充電される。
バッテリ１４０は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ１４０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。
トラクションインバータ１１０及び補機インバータ１２０は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ１４０から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。
トラクションモータＭ３は車輪１５０Ｌ、１５０Ｒを駆動するためのモータであり、補機モータＭ４は各種補機類を駆動するためのモータである。なお、補機モータＭ４は水素循環ポンプ５０を駆動するモータＭ１やエアコンプレッサ６０を駆動するモータＭ２等を総称している。
制御装置（調整手段）１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサｓ１、バッテリ１４０の充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサｓ２、トラクションモータＭ３の回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサｓ３、燃料電池４０の出力電圧、出力電流、内部温度をそれぞれ検出する電圧センサｓ４、電流センサｓ５、温度センサｓ６などから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ１１０、１２０の出力パルス幅などを制御する。
また、制御装置１６０は、低温始動時など燃料電池４０を暖機する必要がある場合には、メモリ１７０に格納されている各マップｍｐ１〜ｍｐ５等を利用して発電効率の低い運転を行う。
図２は、燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を示す図であり、発電効率の高い運転（通常運転；第１の効率での運転）を行った場合を実線で示し、酸化ガス量を絞ることによって発電効率の低い運転（低効率運転；第１の効率よりも低い第２の効率での運転）を行った場合を点線で示す。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしている。
通常、燃料電池４０を運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは、ＦＣ電流を発電させるのに必要な理論エア供給量に対する実際のエア供給量の過剰率をいう。
これに対し、燃料電池４０を暖気する場合には、電力損失を大きくして燃料電池４０の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０付近（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して運転すると、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができる一方、該カソードにはポンピング水素が発生する。
図３は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、図３Ａは通常運転時の電池反応を示す図、図３Ｂは低効率運転時の電池反応を示す図である。
各セル４は、電解質膜４ａと、この電解質膜４ａを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素（Ｈ２）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ２）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（Ａ）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜４ａを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（エアストイキ比≧１．０）、下記式（Ｂ）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される（図３Ａ参照）。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（Ｃ）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される（図３Ｂ参照）。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード： Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−・・・（Ａ）
カソード： ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ・・・（Ｂ）
カソード： ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２・・・（Ｃ）
このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態ではカソードオフガスにポンピング水素が含まれるため、本実施形態では、カソードオフガスに含まれるポンピング水素量に応じてバイパスエアの流量を調整することで排気水素濃度を制御する。以下、低効率運転時の燃料電池システム１００の動作について説明する。
図４は、低効率運転時の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
制御装置１６０は、暖機温度などに応じて目標とする低効率運転動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）を決定した後（図２参照）、メモリ１７０に格納されている低効率運転ストイキ比マップｍｐ１を参照する。低効率運転ストイキ比マップｍｐ１は、ＦＣ電流指令値ＩｔとＦＣ電圧指令値Ｖｔからエアストイキ比を決定するものであり、実験などによって求めた値をベースに作成される。制御装置１６０は、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、ＦＣ電圧指令値Ｖｔ、低効率運転ストイキ比マップｍｐ１を利用して該運転動作点におけるエアストイキ比Ｒａを決定する（ステップＳ１）。
制御装置１６０は、エアストイキ比Ｒａを決定すると、メモリ１７０に格納されているポンピング水素量マップｍｐ２及びパージ水素量マップｍｐ３を参照する。ポンピング水素量マップｍｐ２は、ＦＣ電流指令値Ｉｔと、決定したエアストイキ比Ｒａと、温度センサｓ６によって検出される燃料電池４０の温度からポンピング水素の発生量（ポンピング水素量）を推定するものであり、実験などにより求めた値をベースに作成される。また、パージ水素量マップｍｐ３は、ＦＣ電流から水素オフガスを含むアノードオフガスの排出量（パージ水素量）を推定するためのマップである。
制御装置１６０は、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、エアストイキ比Ｒａ、燃料電池４０の温度、ポンピング水素量マップｍｐ２を利用してポンピング水素量Ａｐ１を推定する一方、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、パージ水素量マップｍｐ３を利用してパージ水素量Ａｐ２を推定し、目標とする低効率動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）における総排気水素量Ａｔを求める（ステップＳ２；下記式（１）参照）。
Ａｔ＝Ａｐ１＋Ａｐ２・・・（１）
制御装置１６０は、総排気水素量Ａｔを求めると、排気水素濃度を基準値以下にするのに必要なＦＣ必要エア流量、エア掃気量指令値、バイパスエア流量を導出する（ステップＳ３）。具体的には、まず、下記式（２）を利用して燃料電池４０に必要なエア流量（ＦＣ必要エア流量）Ａｎを求める。
Ａｎ＝Ｉｔ＊｛４００＊２２．４＊６０／（４＊９６４８５）｝＊１００／２１・・・（２）
次に、制御装置１６０は、下記式（３）を利用して燃料電池４０で消費されるエア流量（ＦＣ消費エア流量）Ａｃを求めるとともに、下記式（４）を利用して排気水素濃度を基準値以下に希釈するのに必要なエア流量（総エア流量）Ａｄを求める。
Ａｃ＝Ｉｔ＊４００＊２２．４＊６０／（４＊９６４８５）・・・（３）
Ａｄ＝（Ａｔ＊１００／Ｄｔ）＋Ａｃ・・・（４）
Ｄｔ；排気水素の目標濃度（％）
さらに、制御装置（調整手段）１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎにバイパス最低エア流量Ａｂｌを加算した値と総エア流量Ａｄとを比較し、大きい方をエアコンプレッサ６０のエア送気量指令値Ａｓｐとして設定する（下記式（５）参照）。そして、設定したエア送気量指令値ＡｓｐとＦＣ必要エア流量Ａｎを下記式（６）に代入することで、バイパスエア流量Ａｂｐを求める。なお、バイパス最低エア流量Ａｂｌは、低効率運転時にバイパスライン３１に流すべきエア流量の最小値をあらわす。
Ａｓｐ＝ＭＡＸ｛（Ａｎ＋Ａｂｌ），（Ａｄ）｝・・・（５）
Ａｂｐ＝Ａｓｐ−Ａｎ・・・（６）
制御装置１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎ、バイパスエア流量Ａｂｐを求めると、エア調圧弁開度マップｍｐ４及びバイパス弁開度マップｍｐ５を参照する。エア調圧弁開度マップｍｐ４は、ＦＣ必要エア流量Ａｎとバイパスエア流量Ａｂｐからエア調圧弁Ａ１の弁開度を決定するためのマップであり、バイパス弁開度マップｍｐ５は、ＦＣ必要エア流量Ａｎとバイパスエア流量Ａｂｐからバイパス弁Ｂ１の弁開度を決定するためのマップである。
制御装置１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎ、バイパスエア流量Ａｂｐ、エア調圧弁開度マップｍｐ４、バイパス弁開度マップｍｐ５を利用してエア調圧弁Ａ１の弁開度及びバイパス弁Ｂ１の弁開度を調整する（ステップＳ４）。このとき、エア調圧弁Ａ１の弁開度は、電流計ｓ５によって検出されるＦＣ電流の測定値と目標値の偏差から生成するＰＩＤ補正項にて補正を行う。
さらに、制御装置１６０は、設定したエア送気量指令値Ａｓに従ってエアコンプレッサ６０の駆動を制御すると（ステップＳ５）、ステップＳ６に進み、低効率運転を終了すべきか否か（すなわち燃料電池４０の暖気運転を終了すべきか否か）を判断する。ここで、燃料電池４０の温度が予め設定された基準温度を上回っていれば低効率運転を終了する一方、基準温度以下であればステップＳ１に戻り、上述した処理を継続する。もちろん、これに限ることなく、発熱量や低効率運転の運転時間などに基づいて低効率運転を終了すべきか否かを判断しても良い。
以上説明したように、本実施形態によれば、アノードから排出されるパージ水素量のみならず、カソードから排出されるポンピング水素量も考慮してバイパスエア流量などを決定する。従って、低効率運転を行う場合であっても排気水素濃度を十分に低減することができ、規制範囲を超えた水素がシステム外部に排出されてしまうといった問題を未然に防止することが可能となる。
＜変形例＞
（１）上述した本実施形態では、カソードに供給する酸化ガスが不足した状態で燃料電池を発電させる場合について説明したが、これに代えて（あるいはこれに加えて）アノードに供給する燃料ガスが不足した状態で燃料電池を発電させても良い。
（２）また、本実施形態では、希釈用ガスとしてカソードに供給する酸化ガスを例示したが、水素ガス以外のガスであればどのようなガスであっても良い。
（３）また、本実施形態では、ガス供給路を流れる希釈用ガス（酸化ガス）の一部を燃料電池をバイパスして排出通路へ導くことにより排気水素濃度を低減したが、例えば希釈用ガス供給手段を別途設け、このガス供給手段から希釈用ガスを排出通路へ導くことにより排気水素濃度を低減しても良い。
（４）また、本実施形態では、システム起動時に低効率運転を行う場合を例示したが、例えばシステム要求電力が所定値以下になった場合やシステム停止指示があった場合に低効率運転を行っても良い。
Ｂ．第２実施形態
図５は第２実施形態に係る燃料電池システム１０００の要部構成を示す図である。上述した第１実施形態と同様、第２実施形態においても燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池４００は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４００の燃料極（アノード）には、ガスタンク、水素吸蔵タンク、水素改質器などの燃料ガス供給源１１００から水素を含む燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、エアコンプレッサ７００によって空気を含む酸化ガスが供給される。
バッテリ２００は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ２００に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。このバッテリ２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００を介して燃料電池４００の放電経路に介挿されている。
燃料電池４００とバッテリ２００は各インバータ５００ａ、５００ｂに並列接続されている。燃料電池４００から各インバータ５００ａ、５００ｂへ向かう経路には、バッテリ２００からの電流の逆流を防ぐためのダイオード４２０が設けられている。
各インバータ５００ａ、５００ｂは、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４００またはバッテリ２００から出力される直流電力を三相交流電力に変換して各モータ６００ａ、６００ｂへ供給する。
エアコンプレッサモータ６００ａは、エアコンプレッサ７００による酸化ガスの供給量を調整するためのモータであり、トラクションモータ６００ｂは、車輪８００Ｌ、８００Ｒを駆動するためのモータである。なお、そのほかにも各種補機類（水素ポンプなど）を駆動するモータ及びインバータ等が設けられている。
制御装置（運転制御手段、推定手段）１５００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ１５５０、バッテリ２００の充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサ２１０、トラクションモータ６００ｂの回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサ６１０ｂなどから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ５００ａ、５００ｂの出力パルス幅などを制御する。
また、制御装置１５００は、温度センサ４１０によって検知される燃料電池４００の温度に基づき、暖機運転が必要であるか否かを判断する。制御装置１５００は、暖機運転が必要であると判断すると、カソードに供給する酸化ガスを絞って発電効率の低い運転を行う。
図６Ａは、発電効率の高い運転（通常運転）を行ったときの出力電力と電力損失の関係を示す図であり、図６Ｂは、発電効率の低い運転（低効率運転）を行ったときの出力電力と電力損失との関係を示す図である。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしており、ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；開回路電圧）は、燃料電池４００に電流を流していない状態での電圧をあらわす。
一般に、図６に示すような電流・電圧特性（以下、ＩＶ特性）が得られる燃料電池４００においては、制御装置１５００は、出力電力に対して電力損失の小さな通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）にて運転を行う（図６Ａ参照）。
これに対し、暖機運転を行う場合には、制御装置（運転制御手段）１５００は、電力損失の大きな低効率運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にて運転を行い、燃料電池４００の内部温度を上昇させる（図６Ｂ参照）。かかる低効率運転が行われる過程では、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができる。
低効率運転の制御について詳述すると、制御装置１５００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００を用いてＦＣ電圧を制御するとともに、燃料電池４００への酸化ガスの供給量を絞ることでＦＣ電流を制御する。このように、酸化ガスの供給量を絞ることで燃料電池４００のカソードにはポンピング水素（後述）が発生する。以下、ポンピング水素の発生メカニズムについて説明する。
図７は、燃料電池４００を構成するセル４００ａを模式的に示した図である。
各セル４００ａは、電解質膜４００ｂと、この電解質膜４００ｂを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素（Ｈ２）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ２）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（１１）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜４００ｂを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には、下記式（１２）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される（図７Ａ参照）。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には、不足する酸化ガス量に応じて下記式（１３）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される（図７Ｂ参照）。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。このように、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード： Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−・・・（１１）
カソード： ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ・・・（１２）
カソード： ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２・・・（１３）
図８は、燃料電池におけるエアストイキ比とポンピング水素の発生量の関係（一点鎖線；理論値、実線；実測値）を示す図であり、縦軸にポンピング水素の発生量、横軸にエアストイキ比を示している。ここで、エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。
ポンピング水素の理論発生量は下記式（１４）によってあらわすことができ、理論的にはエアストイキ比が１．０を下回るところでポンピング水素の発生が開始する。このポンピング水素の理論発生量は、下記式（１４）及び図８に一点鎖線で示すようにエアストイキ比の低下に伴って増大する。
Ｖｔ＝（１−Ｓｔ）＊Ｉｆｃ＊｛ｎ／（２＊Ｆ）｝＊２２．４＊６０・・・（１４）
Ｖｔ ； ポンピング水素の理論発生量
Ｓｔ ； エアストイキ比
Ｉｆｃ； 出力電流（発電特性）
Ｆ ； ファラデー定数
ｎ ； セル枚数
理論的には上記のとおりであるが、実際には図８に実線で示すように、エアストイキ比が１．０よりも大きいところでポンピング水素の発生が開始する。本願発明者は、理論値と実測値との間に生じるずれの原因の１つにセル内の未反応酸素分（反応面に届かず反応されなかった酸素；未反応カソードガス）があると推定し、セル評価を行った。この結果、図８に示すオフセット量Δｓについては、未反応酸素分とほぼ一致することが判明した。なお、オフセット量Δｓについては、セルの特性（材質や形状など）に依存するため、予め実験などによって求めたものを使用すれば良い。
さらに、本願発明者は、上記ずれが生じる他の原因として、各セル間の分配バラツキ（≒各セル間の圧力損失バラツキ）によってセルに供給できなかった酸素分があると推定し、各セルの評価を行った。具体的には、各セルについて製造出荷検査時の圧力損失を下記式（１５）〜（１７）に代入し、分配率などを求めてポンピング水素の発生量を計算した。この結果、実線の曲線部分とほぼ一致することが判明した。
Ｄ（ｉ）＝Ｐｌａｖｅ／Ｐｌ（ｉ）・・・（１５）
Ｂ１＝１／Ｄｍｉｎ＋Δｓ・・・（１６）
Ｂ２＝１／Ｄｍａｘ＋Δｓ・・・（１７）
Ｄ（ｉ） ； ｉ番セルの分配率
Ｐｌａｖｅ ； セルの平均圧力損失
Ｐｌ（ｉ） ； ｉ番セルの圧力損失
Ｄｍｉｎ ； 最小分配率
Ｄｍａｘ ； 最大分配率
Ｂ１ ； ポンピング水素の発生が開始されるエアストイキ比
Ｂ２ ； 直線と曲線が交わるエアストイキ比
より具体的に説明すると、例えばセルの平均圧力損失Ｐｌａｖｅが１．０であり、セル間に±２０％の圧力損失のバラツキ（０．８〜１．２）があり、オフセット量Δｓが０．０５であった場合、最小分配率Ｄｍｉｎ、最大分配率Ｄｍａｘ、ポンピング水素の発生が開始されるエアストイキ比Ｂ１、直線と曲線が交わるエアストイキ比Ｂ２は、それぞれ次のようになる。なお、本発明では、ポンピング水素が発生するエアストイキ比での運転を低効率運転と呼び、ポンピング水素が発生しないエアストイキ比での運転を通常運転と呼ぶ。
Ｄｍｉｎ＝１／１．２
Ｄｍａｘ＝１／０．８
Ｂ１＝１／Ｄｍｉｎ＋Δｓ＝１．２／１＋０．０５＝１．２５
Ｂ２＝１／Ｄｍａｘ＋Δｓ＝０．８／１＋０．０５＝０．８５
以上の説明から明らかなように、ポンピング水素の実際の発生量は、セル内の未反応酸素分と分配バラツキによって供給できなかった酸素分とを考慮することで、より正確に推定することができる。具体的には、ストイキ比Ｘのときのポンピング水素の実際の発生量は下記式（１８）によって推定することができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、セル内の未反応酸素分と分配バラツキによって供給できなかった酸素分とを考慮することで、燃料電池のカソードに発生するポンピング水素の発生量をより正確に推定することができる。
＜変形例＞
上述した実施形態では、上記式（１８）などを利用してポンピング水素の検出を行ったが、例えば、ポンピング水素が排出されるカソードオフガス流路に水素センサを設け、水素センサによるポンピング水素の検出と、上記式（１８）などを利用したポンピング水素の検出とを併用しても良い。
また、上述した実施形態では、セル内の未反応酸素分と分配バラツキによって供給できなかった酸素分の両方を考慮してポンピング水素の発生量を推定したが、少なくともいずれか一方を考慮してポンピング水素の発生量を推定しても良い。
例えば、セル内の未反応酸素分のみを考慮した場合には、下記式（１８）’によってポンピング水素の発生量を推定することができる一方、分配バラツキによって供給できなかった酸素分のみを考慮した場合には、下記式（１８）’’によってポンピング水素の発生量を推定することができる。
また、上述した実施形態では、燃料電池４００を暖機する場合に低効率運転動作点にて運転したが、燃料電池４００の触媒活性を回復させる場合に低効率運転動作点にて運転するようにしても良い。
例えば、燃料電池４００の電極触媒が被毒状態にあることを検知した場合に低効率運転動作点にて運転するようにしても良い。また、システム起動時にいったん低効率運転動作点で運転してから通常運転動作点へとシフトするようにしても良い。さらに、システム要求電力が所定値以下になったとき（例えばアイドル出力付近など）、通常運転動作点から低効率運転動作点へとシフトするようにしても良い。さらに、システム停止後に低効率運転動作点にて運転を行うことで、運転中に低下した触媒活性を回復させて次回の起動に備えるようにしても良い。
Ｃ．第３実施形態
図９は、第３実施形態に係る燃料電池周辺の構成を示す図である。上述した各実施形態と同様、第３実施形態においても燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
図９に示す燃料電池２４００は、各セル４５０−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）毎にセルモニタ４６０−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）が設けられている。本実施形態は、セルモニタ４６０−ｋによって検出されるセル電圧に基づいて、ポンピング水素の発生量（またはポンピング水素の濃度）を推定する点に特徴がある。以下、詳細に説明する。
各セルモニタ４６０−ｋは、対応するセル４５０−ｋの電圧値（セル電圧）を検出し、制御装置２５００へ供給する。制御装置２５００は、各セルモニタ４６０−ｋからセル電圧を受け取ると、メモリ２５１０に格納されている基準関数を参照し、各セルにおけるポンピング水素の発生量を推定する。
図１０は、メモリ２５１０に格納されている基準関数を説明するための図であり、左縦軸にポンピング水素の発生量、右縦軸にセル電圧、横軸にエアストイキ比を示している。
これらポンピング水素の発生量、セル電圧、エアストイキ比の関係は、製造出荷時などに所定のセル（以下、基準セル）を評価することによって求める。そして、この評価結果に基づき、基準セルにおけるセル電圧からポンピング水素の発生量を求める基準関数を導出し（式（１９）参照）、メモリ２５１０に格納する。
Ｆｓ＝ｆ（Ｖｓ）・・・（１９）
Ｆｓ ； 基準セルにおけるポンピング水素の発生量
Ｖｓ ； 基準セルにおけるセル電圧
ｆ ； 基準関数（任意の近似関数）
制御装置（推定手段）２５００は、各セルモニタ４６０−ｋからセル電圧を受け取ると、上記式（１９）に示す基準関数ｆに各セル電圧を代入することにより、各セルにおけるポンピング水素の発生量を推定する（式（２０）参照）。そして、求めた各セルにおけるポンピング水素の発生量を合算することにより、燃料電池全体でのポンピング水素の発生量を推定する（式（２１）参照）。
Ｆｋ＝ｆ（Ｖｋ）・・・（２０）
Ｆｋ ； 第ｋ番目のセルにおけるポンピング水素の発生量
Ｖｋ ； 第ｋ番目のセルにおけるセル電圧
制御装置２５００は、この燃料電池全体でのポンピング水素の発生量を燃料電池２４００のカソード出口側のエア流量（酸化オフガス）で除することにより、ポンピング水素濃度を算出する（式（２２）参照）。なお、カソード出口側のエア流量については、カソード出口側に設けた流量計によって検出しても良いが、他の方法で検出しても良い。
Ｄｈ＝Ｆｐ／Ｆａｉｒ・・・（２２）
Ｆａｉｒ ； カソード出口側のエア流量
制御装置２５００は、ポンピング水素濃度を算出すると、メモリ２５１０に格納されているエア流量調整マップｍｐにアクセスし（図１１参照）、燃料電池２４００へ供給する酸化ガスの流量を調整する。一例を挙げて説明すると、例えばポンピング水素濃度Ｄｈが第１の閾値Ｄｔｈ１よりも高い場合、制御装置２５００は、ポンピング水素濃度を下げるべく燃料電池２４００へ供給する酸化ガス流量を増やす一方、ポンピング水素濃度Ｄｈが第２の閾値Ｄｔｈ２よりも低い場合には、ポンピング水素濃度を上げるべく燃料電池２４００へ供給する酸化ガス流量を下げる。ただし、ポンピング水素濃度Ｄｈが第２の閾値Ｄｔｈ２以上、第１の閾値Ｄｔｈ１以下である場合には、ポンピング水素濃度は適正範囲内であると判断し、燃料電池２４００へ供給する酸化ガス流量の変更は行わない。
以上説明したように、本実施形態によれば、セル電圧を検出することによってポンピング水素の発生量、ポンピング水素濃度を求めることができるため、別途検出用のセンサを設ける必要がなく、部品点数および製造コストを低減することが可能となる。
Ｄ．第４実施形態
図１２は、第４実施形態に係る燃料電池周辺の構成を示す図である。上述した各実施形態と同様、第４実施形態においても燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池３４００は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
エアコンプレッサ３７００は、エアフィルタ（図示略）を介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池３４００のカソード極に供給する。エアコンプレッサモータ３６００は、エアコンプレッサ３７００による酸化ガスの供給量（吐出量）を調整するためのモータであり、制御装置３５００から与えられる指令回転数に従ってモータの回転数が制御される。
ところで、燃料電池３４００のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池３４００の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード側で生成されるポンピング水素などが含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池３４００の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。なお、ポンピング水素の発生メカニズム等については、上述した各実施形態で詳細を明らかにしたため、ここでは省略する。
加湿モジュール３７００は、酸化ガス供給路３１１０を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３１２０を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池３４００に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池３４００に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路３１２０のカソード出口付近に配設されたエア調圧弁Ａ１１によって調圧される。
ここで、エアコンプレッサ３６００から加湿モジュール３７００に至る酸化ガス供給路３１１０と、加湿モジュール３７００から希釈器３８００に至るカソードオフガス流路３１２０との間は、バイパス弁Ｂ１１によって接続されている。バイパス弁Ｂ１１及びバイパス通路３１３０は、酸化ガス供給路３１１０を流れる酸化ガスの一部を燃料電池３４００をバイパスしてカソードオフガス流路３１２０へ導く手段であり、制御装置（制御手段、調整手段）３５００によってバイパスされる酸化ガス量が調整される。なお、以下の説明では、バイパスされる酸化ガスをバイパスエアと呼ぶ。
希釈器３８００は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲（環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。この希釈器３８００にはカソードオフガス流路３１２０の下流及びアノードオフガス流路（図示略）の下流が連通しており、水素オフガス、ポンピング水素、酸素オフガス、バイパスエアを混合希釈してシステム外に排気する。
制御装置３５００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサやバッテリの充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサなどに基づいて燃料電池３４００の出力要求電力を求めるほか、燃料電池３４００の出力電圧、出力電流、内部温度をそれぞれ検出する電圧センサｓ１４、電流センサｓ１５、温度センサｓ１６などから入力される各センサ信号に基づいて、エア調圧弁Ａ１１やバイパス弁Ｂ１１の弁開度を制御したり、エアコンプレッサモータ３６００の回転数（すなわち、酸化ガス指令流量）の制御等を行う。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、後述の如くポンピング水素の発生量に応じて２種類の低効率運転を行う。
図１３は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
制御装置３５００は、温度センサｓ１６から出力されるセンサ信号に基づき燃料電池３４００の温度（ＦＣ温度）を検出する（ステップＳ１１０）。制御装置３５００は、検出したＦＣ温度とメモリ（図示略）に登録されている基準温度とを比較することにより、暖機が必要であるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。制御装置３５００は、ＦＣ温度が基準温度を超え、暖機が不要であると判断すると、通常運転処理を行う（ステップＳ１３０）。ここで、通常運転処理とは、暖機することなく効率の高い運転動作点（すなわち電力損失の小さな運転動作点）で運転する処理をいう。
一方、制御装置３５００は、ＦＣ温度が基準温度以下であり、暖機が必要であると判断すると、ステップＳ１４０に進み、プレ低効率運転を実施すべきか、本低効率運転を実施すべきかを判断する。ここで、本低効率運転とは、従来より暖機の際に行っていた低効率運転（第２実施形態の説明、及び図６等参照）をいい、プレ低効率運転とは、本低効率運転よりも電力損失は小さいが、通常運転よりも電力損失が大きな運転動作点（図１４に示す（Ｉｆｃ３，Ｖｆｃ３）参照）で運転することをいい、例えば図１４に示すように燃料電池３４００のＯＣＶが４００Ｖ程度である場合にはプレ低効率運転動作点でのＦＣ電圧Ｖｆｃ３は２００Ｖ程度（本実施形態では固定値）、本低効率運転動作点でのＦＣ電圧Ｖｆｃ４は５０Ｖ程度になる。この説明から明らかなように、本低効率運転よりもプレ低効率運転の方が電力損失は小さいため、燃料電池３４００の温度上昇速度についても本低効率運転よりプレ低効率の方が遅くなる。
本実施形態では、制御装置３５００は、当該車両が走行中である場合にはプレ低効率運転を実施すべきと判断する一方、当該車両が停止中（起動時も含む）である場合には本低効率運転を実施すべきと判断する。ただし、この判断基準はあくまで一例であり、例えばＦＣ温度と基準温度との温度差に基づいて、プレ低効率運転を実施すべきか本低効率運転を実施すべきかを判断しても良い。具体的にはＦＣ温度と基準温度との温度差が設定された閾値を超えている場合には本低効率運転を実施する一方、該温度差が設定された閾値以下である場合にはプレ低効率運転を実施する。このように、本低効率運転を実施するかプレ低効率運転を実施するかの判断基準は、システム設計等に応じて適宜設定可能である。
制御装置３５００は、当該車両が停止していることから本低効率運転を実施すべきと判断すると、ステップＳ１５０に進み、本低効率運転処理を実施する。具体的には、燃料電池３４００に要求される電力（ＦＣ要求電力）と暖機に必要な熱量（電力損失）からＦＣ電流値とＦＣ電圧値を決定し、決定したＦＣ電流指令値、ＦＣ電圧指令値に対応する運転動作点で運転を行う（詳細は第２実施形態等参照）。
一方、制御装置３５００は、当該車両が走行中であることからプレ低効率運転を実施すべきと判断すると、ステップＳ１６０に進み、プレ低効率運転を実施する。
図１５は、プレ低効率運転の動作を示すフローチャートである。
制御装置３５００は、まず、バイパスバルブＢ１１の弁開度を「全閉」とするとともに、エア調圧弁Ａ１１の弁開度を「全開」とする（ステップＳ２１０→ステップＳ２２０）。ここで、バイパスバルブＢ１１の弁開度を「全閉」とするのは、プレ低効率運転時におけるポンピング水素の発生量が少なく、未反応酸化ガスによって希釈する必要がないためである。別言すると、プレ低効率運転時の運転動作点は、ポンピング水素の発生量が少なくなるように制御される（希釈せずとも法規制範囲に収まるなど）。
制御装置３５００は、バイパスバルブＢ１１及びエア調圧弁Ａ１１の弁開度を上記の如く調整すると、予めメモリ（図示略）に登録されたプレ低効率運転用の運転動作点を読み出し（図１４参照）、ＦＣ電流指令値、ＦＣ電圧指令値を決定する（ステップＳ２３０）。
そして、制御装置３５００は、決定したＦＣ電流指令値に基づきエアストイキ比を決定する。詳述すると、制御装置３５００は、メモリ等に予め格納されているＦＣ電流指令値とエアストイキ比との関係を示すＦＣ電流−エアストイキ比マップを参照し、決定したＦＣ電流指令値に対応するストイキ比を決定する（ステップＳ２４０）。そして、制御装置３５００は、決定したエアストイキ比Ａｐを下記式（２２）に代入することにより、ＦＣ必要エア流量Ａｒを求める（ステップＳ２５０）。
Ａｒ＝Ａｃ＊Ａｐ／（９６５００＊４）・・・（２２）
Ａｐ；ＦＣ消費酸素量
なお、ＦＣ消費酸素量Ａｐは、ＦＣ電流指令値と燃料電池を構成するセルの枚数に応じて決定される。
そして、制御装置３５００は、ＦＣ電流指令値と電流センサｓ１５によって検出されるＦＣ電流値（実測値）とを比較し、差分を求める（ステップＳ２６０）。制御装置３５００は、このようにして求めた差分に基づきＦＣ必要エア流量を補正する（ステップＳ２７０）。そして、制御装置３５００は、補正後のＦＣ必要エア流量（酸化ガス指令流量）からエアコンプレッサモータ３６００の回転数を求め、これを指令回転数としてエアコンプレッサモータ３６００に供給することで燃料電池３４００の電流制御を行う（ステップＳ２８０）。
かかる制御を行うと、制御装置３５００は、温度センサｓ１６から供給されるセンサ信号に基づき、検出されるＦＣ温度が基準温度を超えたか、すなわち暖機を終了しても良いか否かを判断する（ステップＳ２９０）。制御装置３５００は、ＦＣ温度が基準温度を超えていない場合には、当該システムの暖機を継続すべく、ステップＳ２３０に戻り、上述した一連の処理を繰り返し実行する。一方、制御装置３５００は、ＦＣ温度が基準温度を超えた場合には、これ以上の暖機は不要であると判断し、以上説明した処理を終了する。
以上説明したように、本実施形態によれば、ポンピング水素の希釈が不要なプレ低効率運転時には、バイパス弁を全閉とするとともにエア調圧弁を全開とし、エアコンプレッサによる供給エア流量を制御することでＦＣ電流制御を行う。これにより、エア調圧弁とエアコンプレッサを利用してＦＣ電流制御を行う通常運転及び本低効率運転に比べて、簡易な制御が可能となる。
＜変形例＞
（１）上述した実施形態では、プレ低効率運転時にバイパス弁を全閉とするとともにエア調圧弁を全開とし、エアコンプレッサによる供給エア流量を制御することでＦＣ電流を制御したが、これに限る趣旨ではなく、バイパス弁やエア調圧弁の弁開度を一定とし、エアコンプレッサによる供給エア流量を制御することでＦＣ電流を制御しても良い。
（２）また、上述した実施形態では、ＦＣ温度を検出して暖機が必要か否か等の判断を行ったが、ＦＣ温度の代わりに外気温度や燃料電池周辺の部品温度を検出して暖気が必要か否か等の判断を行っても良い。
（３）また、上述した実施形態では、プレ低効率運転動作点を固定としたが、ポンピング水素の発生量が規制範囲に収まるような範囲でプレ低効率運転動作点を変えても良い。
Ａ．第１実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池システム１００は、燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。
燃料ガス循環供給系は燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路２１、燃料電池４０、燃料ガス循環路２２、及びアノードオフガス流路２３を含んで構成され、酸化ガス供給系はエアコンプレッサ６０、酸化ガス供給路１１、及びカソードオフガス流路１２を含んで構成されている。
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
燃料ガス供給源３０は、燃料電池４０へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンク、水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路２１は、燃料ガス供給源３０から放出される燃料ガスを燃料電池４０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３は、各ガス流路２１〜２３又は燃料電池４０へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
燃料ガス循環路２２は、未反応燃料ガスを燃料電池４０へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素ポンプ５０、逆止弁５１が各々配設されている。燃料電池４０から排出された低圧の未反応燃料ガスは水素ポンプ５０によって適度に加圧され、燃料ガス供給路２１へ導かれる。なお、燃料ガス供給路２１から燃料ガス循環路２２への燃料ガスの逆流は、逆止弁５１によって抑制される。
アノードオフガス流路２３は、燃料電池４０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
エアコンプレッサ６０は、エアフィルタ（図示略）を介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池４０のカソード極に供給する。燃料電池４０のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池４０の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード側で生成されるポンピング水素などが含まれる（詳細は後述）。このカソードオフガスは、燃料電池４０の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
加湿モジュール７０は、酸化ガス供給路１１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路１２を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池４０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池４０に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路１２のカソード出口付近に配設されたエア調圧弁Ａ１によって調圧される。
ここで、エアコンプレッサ６０から加湿モジュール７０に至る酸化ガス供給路１１と、加湿モジュール７０から希釈器８０に至るカソードオフガス流路１２との間は、バイパス弁Ｂ１によって接続されている。バイパス弁Ｂ１及びバイパス通路３１は、酸化ガス供給路１１を流れる酸化ガスの一部を燃料電池４０をバイパスしてカソードオフガス流路１２へ導く手段であり、制御装置（調整手段）１６０によってバイパスされる酸化ガス量が調整される。なお、以下の説明では、バイパスされる酸化ガスをバイパスエアと呼ぶ。
希釈器８０は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲（環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。この希釈器８０にはカソードオフガス流路１２の下流及びアノードオフガス流路２３の下流が連通しており、水素オフガス、ポンピング水素、酸素オフガス、バイパスエアを混合希釈してシステム外に排気する。
燃料電池４０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ１３０によって昇降圧され、バッテリ１４０に充電される。
バッテリ１４０は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ１４０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。
トラクションインバータ１１０及び補機インバータ１２０は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ１４０から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。
トラクションモータＭ３は車輪１５０Ｌ、１５０Ｒを駆動するためのモータであり、補機モータＭ４は各種補機類を駆動するためのモータである。なお、補機モータＭ４は水素循環ポンプ５０を駆動するモータＭ１やエアコンプレッサ６０を駆動するモータＭ２等を総称している。
制御装置（調整手段）１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサｓ１、バッテリ１４０の充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサｓ２、トラクションモータＭ３の回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサｓ３、燃料電池４０の出力電圧、出力電流、内部温度をそれぞれ検出する電圧センサｓ４、電流センサｓ５、温度センサｓ６などから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ１１０、１２０の出力パルス幅などを制御する。
また、制御装置１６０は、低温始動時など燃料電池４０を暖機する必要がある場合には、メモリ１７０に格納されている各マップｍｐ１〜ｍｐ５等を利用して発電効率の低い運転を行う。
図２は、燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）との関係を示す図であり、発電効率の高い運転（通常運転；第１の効率での運転）を行った場合を実線で示し、酸化ガス量を絞ることによって発電効率の低い運転（低効率運転；第１の効率よりも低い第２の効率での運転）を行った場合を点線で示す。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしている。
通常、燃料電池４０を運転する場合には、電力損失を抑えて高い発電効率が得られるように、エアストイキ比を１．０以上（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の実線部分参照）。ここで、エアストイキ比とは、ＦＣ電流を発電させるのに必要な理論エア供給量に対する実際のエア供給量の過剰率をいう。
これに対し、燃料電池４０を暖気する場合には、電力損失を大きくして燃料電池４０の温度を上昇させるべく、エアストイキ比を１．０付近（理論値）に設定した状態で燃料電池４０を運転する（図２の点線部分参照）。エアストイキ比を低く設定して運転すると、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができる一方、該カソードにはポンピング水素が発生する。
図３は、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、図３Ａは通常運転時の電池反応を示す図、図３Ｂは低効率運転時の電池反応を示す図である。
各セル４は、電解質膜４ａと、この電解質膜４ａを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素（Ｈ２）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ２）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（Ａ）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜４ａを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（エアストイキ比≧１．０）、下記式（Ｂ）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される（図３Ａ参照）。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（エアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（Ｃ）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される（図３Ｂ参照）。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード： Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−・・・（Ａ）
カソード： ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ・・・（Ｂ）
カソード： ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２・・・（Ｃ）
このように、カソードへの酸化ガスの供給が不足した状態ではカソードオフガスにポンピング水素が含まれるため、本実施形態では、カソードオフガスに含まれるポンピング水素量に応じてバイパスエアの流量を調整することで排気水素濃度を制御する。以下、低効率運転時の燃料電池システム１００の動作について説明する。
図４は、低効率運転時の燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
制御装置１６０は、暖機温度などに応じて目標とする低効率運転動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）を決定した後（図２参照）、メモリ１７０に格納されている低効率運転ストイキ比マップｍｐ１を参照する。低効率運転ストイキ比マップｍｐ１は、ＦＣ電流指令値ＩｔとＦＣ電圧指令値Ｖｔからエアストイキ比を決定するものであり、実験などによって求めた値をベースに作成される。制御装置１６０は、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、ＦＣ電圧指令値Ｖｔ、低効率運転ストイキ比マップｍｐ１を利用して該運転動作点におけるエアストイキ比Ｒａを決定する（ステップＳ１）。
制御装置１６０は、エアストイキ比Ｒａを決定すると、メモリ１７０に格納されているポンピング水素量マップｍｐ２及びパージ水素量マップｍｐ３を参照する。ポンピング水素量マップｍｐ２は、ＦＣ電流指令値Ｉｔと、決定したエアストイキ比Ｒａと、温度センサｓ６によって検出される燃料電池４０の温度からポンピング水素の発生量（ポンピング水素量）を推定するものであり、実験などにより求めた値をベースに作成される。また、パージ水素量マップｍｐ３は、ＦＣ電流から水素オフガスを含むアノードオフガスの排出量（パージ水素量）を推定するためのマップである。
制御装置１６０は、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、エアストイキ比Ｒａ、燃料電池４０の温度、ポンピング水素量マップｍｐ２を利用してポンピング水素量Ａｐ１を推定する一方、決定したＦＣ電流指令値Ｉｔ、パージ水素量マップｍｐ３を利用してパージ水素量Ａｐ２を推定し、目標とする低効率動作点（Ｉｔ、Ｖｔ）における総排気水素量Ａｔを求める（ステップＳ２；下記式（１）参照）。
Ａｔ＝Ａｐ１＋Ａｐ２・・・（１）
制御装置１６０は、総排気水素量Ａｔを求めると、排気水素濃度を基準値以下にするのに必要なＦＣ必要エア流量、エア掃気量指令値、バイパスエア流量を導出する（ステップＳ３）。具体的には、まず、下記式（２）を利用して燃料電池４０に必要なエア流量（ＦＣ必要エア流量）Ａｎを求める。
Ａｎ＝Ｉｔ＊｛４００＊２２．４＊６０／（４＊９６４８５）｝＊１００／２１・・・（２）
次に、制御装置１６０は、下記式（３）を利用して燃料電池４０で消費されるエア流量（ＦＣ消費エア流量）Ａｃを求めるとともに、下記式（４）を利用して排気水素濃度を基準値以下に希釈するのに必要なエア流量（総エア流量）Ａｄを求める。
Ａｃ＝Ｉｔ＊４００＊２２．４＊６０／（４＊９６４８５）・・・（３）
Ａｄ＝（Ａｔ＊１００／Ｄｔ）＋Ａｃ・・・（４）
Ｄｔ；排気水素の目標濃度（％）
さらに、制御装置（調整手段）１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎにバイパス最低エア流量Ａｂｌを加算した値と総エア流量Ａｄとを比較し、大きい方をエアコンプレッサ６０のエア送気量指令値Ａｓｐとして設定する（下記式（５）参照）。そして、設定したエア送気量指令値ＡｓｐとＦＣ必要エア流量Ａｎを下記式（６）に代入することで、バイパスエア流量Ａｂｐを求める。なお、バイパス最低エア流量Ａｂｌは、低効率運転時にバイパスライン３１に流すべきエア流量の最小値をあらわす。
Ａｓｐ＝ＭＡＸ｛（Ａｎ＋Ａｂｌ），（Ａｄ）｝・・・（５）
Ａｂｐ＝Ａｓｐ−Ａｎ・・・（６）
制御装置１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎ、バイパスエア流量Ａｂｐを求めると、エア調圧弁開度マップｍｐ４及びバイパス弁開度マップｍｐ５を参照する。エア調圧弁開度マップｍｐ４は、ＦＣ必要エア流量Ａｎとバイパスエア流量Ａｂｐからエア調圧弁Ａ１の弁開度を決定するためのマップであり、バイパス弁開度マップｍｐ５は、ＦＣ必要エア流量Ａｎとバイパスエア流量Ａｂｐからバイパス弁Ｂ１の弁開度を決定するためのマップである。
制御装置１６０は、ＦＣ必要エア流量Ａｎ、バイパスエア流量Ａｂｐ、エア調圧弁開度マップｍｐ４、バイパス弁開度マップｍｐ５を利用してエア調圧弁Ａ１の弁開度及びバイパス弁Ｂ１の弁開度を調整する（ステップＳ４）。このとき、エア調圧弁Ａ１の弁開度は、電流計ｓ５によって検出されるＦＣ電流の測定値と目標値の偏差から生成するＰＩＤ補正項にて補正を行う。
さらに、制御装置１６０は、設定したエア送気量指令値Ａｓに従ってエアコンプレッサ６０の駆動を制御すると（ステップＳ５）、ステップＳ６に進み、低効率運転を終了すべきか否か（すなわち燃料電池４０の暖気運転を終了すべきか否か）を判断する。ここで、燃料電池４０の温度が予め設定された基準温度を上回っていれば低効率運転を終了する一方、基準温度以下であればステップＳ１に戻り、上述した処理を継続する。もちろん、これに限ることなく、発熱量や低効率運転の運転時間などに基づいて低効率運転を終了すべきか否かを判断しても良い。
以上説明したように、本実施形態によれば、アノードから排出されるパージ水素量のみならず、カソードから排出されるポンピング水素量も考慮してバイパスエア流量などを決定する。従って、低効率運転を行う場合であっても排気水素濃度を十分に低減することができ、規制範囲を超えた水素がシステム外部に排出されてしまうといった問題を未然に防止することが可能となる。
＜変形例＞
（１）上述した本実施形態では、カソードに供給する酸化ガスが不足した状態で燃料電池を発電させる場合について説明したが、これに代えて（あるいはこれに加えて）アノードに供給する燃料ガスが不足した状態で燃料電池を発電させても良い。
（２）また、本実施形態では、希釈用ガスとしてカソードに供給する酸化ガスを例示したが、水素ガス以外のガスであればどのようなガスであっても良い。
（３）また、本実施形態では、ガス供給路を流れる希釈用ガス（酸化ガス）の一部を燃料電池をバイパスして排出通路へ導くことにより排気水素濃度を低減したが、例えば希釈用ガス供給手段を別途設け、このガス供給手段から希釈用ガスを排出通路へ導くことにより排気水素濃度を低減しても良い。
（４）また、本実施形態では、システム起動時に低効率運転を行う場合を例示したが、例えばシステム要求電力が所定値以下になった場合やシステム停止指示があった場合に低効率運転を行っても良い。
Ｂ．第２実施形態
図５は第２実施形態に係る燃料電池システム１０００の要部構成を示す図である。上述した第１実施形態と同様、第２実施形態においても燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池４００は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４００の燃料極（アノード）には、ガスタンク、水素吸蔵タンク、水素改質器などの燃料ガス供給源１１００から水素を含む燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、エアコンプレッサ７００によって空気を含む酸化ガスが供給される。
バッテリ２００は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリなど）により構成されている。もちろん、バッテリ２００に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。このバッテリ２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００を介して燃料電池４００の放電経路に介挿されている。
燃料電池４００とバッテリ２００は各インバータ５００ａ、５００ｂに並列接続されている。燃料電池４００から各インバータ５００ａ、５００ｂへ向かう経路には、バッテリ２００からの電流の逆流を防ぐためのダイオード４２０が設けられている。
各インバータ５００ａ、５００ｂは、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池４００またはバッテリ２００から出力される直流電力を三相交流電力に変換して各モータ６００ａ、６００ｂへ供給する。
エアコンプレッサモータ６００ａは、エアコンプレッサ７００による酸化ガスの供給量を調整するためのモータであり、トラクションモータ６００ｂは、車輪８００Ｌ、８００Ｒを駆動するためのモータである。なお、そのほかにも各種補機類（水素ポンプなど）を駆動するモータ及びインバータ等が設けられている。
制御装置（運転制御手段、推定手段）１５００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ１５５０、バッテリ２００の充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサ２１０、トラクションモータ６００ｂの回転数を検知するＴ／Ｃモータ回転数検知センサ６１０ｂなどから入力される各センサ信号に基づいて、インバータ５００ａ、５００ｂの出力パルス幅などを制御する。
また、制御装置１５００は、温度センサ４１０によって検知される燃料電池４００の温度に基づき、暖機運転が必要であるか否かを判断する。制御装置１５００は、暖機運転が必要であると判断すると、カソードに供給する酸化ガスを絞って発電効率の低い運転を行う。
図６Ａは、発電効率の高い運転（通常運転）を行ったときの出力電力と電力損失の関係を示す図であり、図６Ｂは、発電効率の低い運転（低効率運転）を行ったときの出力電力と電力損失との関係を示す図である。なお、横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわしており、ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；開回路電圧）は、燃料電池４００に電流を流していない状態での電圧をあらわす。
一般に、図６に示すような電流・電圧特性（以下、ＩＶ特性）が得られる燃料電池４００においては、制御装置１５００は、出力電力に対して電力損失の小さな通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）にて運転を行う（図６Ａ参照）。
これに対し、暖機運転を行う場合には、制御装置（運転制御手段）１５００は、電力損失の大きな低効率運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にて運転を行い、燃料電池４００の内部温度を上昇させる（図６Ｂ参照）。かかる低効率運転が行われる過程では、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができる。
低効率運転の制御について詳述すると、制御装置１５００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３００を用いてＦＣ電圧を制御するとともに、燃料電池４００への酸化ガスの供給量を絞ることでＦＣ電流を制御する。このように、酸化ガスの供給量を絞ることで燃料電池４００のカソードにはポンピング水素（後述）が発生する。以下、ポンピング水素の発生メカニズムについて説明する。
図７は、燃料電池４００を構成するセル４００ａを模式的に示した図である。
各セル４００ａは、電解質膜４００ｂと、この電解質膜４００ｂを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素（Ｈ２）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ２）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（１１）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜４００ｂを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。
ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には、下記式（１２）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される（図７Ａ参照）。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には、不足する酸化ガス量に応じて下記式（１３）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される（図７Ｂ参照）。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。このように、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード： Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−・・・（１１）
カソード： ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ＋ （１／２）Ｏ２ → Ｈ２Ｏ・・・（１２）
カソード： ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− → Ｈ２・・・（１３）
図８は、燃料電池におけるエアストイキ比とポンピング水素の発生量の関係（一点鎖線；理論値、実線；実測値）を示す図であり、縦軸にポンピング水素の発生量、横軸にエアストイキ比を示している。ここで、エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。
ポンピング水素の理論発生量は下記式（１４）によってあらわすことができ、理論的にはエアストイキ比が１．０を下回るところでポンピング水素の発生が開始する。このポンピング水素の理論発生量は、下記式（１４）及び図８に一点鎖線で示すようにエアストイキ比の低下に伴って増大する。
Ｖｔ＝（１−Ｓｔ）＊Ｉｆｃ＊｛ｎ／（２＊Ｆ）｝＊２２．４＊６０・・・（１４）
Ｖｔ ； ポンピング水素の理論発生量
Ｓｔ ； エアストイキ比
Ｉｆｃ； 出力電流（発電特性）
Ｆ ； ファラデー定数
ｎ ； セル枚数
理論的には上記のとおりであるが、実際には図８に実線で示すように、エアストイキ比が１．０よりも大きいところでポンピング水素の発生が開始する。本願発明者は、理論値と実測値との間に生じるずれの原因の１つにセル内の未反応酸素分（反応面に届かず反応されなかった酸素；未反応カソードガス）があると推定し、セル評価を行った。この結果、図８に示すオフセット量Δｓについては、未反応酸素分とほぼ一致することが判明した。なお、オフセット量Δｓについては、セルの特性（材質や形状など）に依存するため、予め実験などによって求めたものを使用すれば良い。
さらに、本願発明者は、上記ずれが生じる他の原因として、各セル間の分配バラツキ（≒各セル間の圧力損失バラツキ）によってセルに供給できなかった酸素分があると推定し、各セルの評価を行った。具体的には、各セルについて製造出荷検査時の圧力損失を下記式（１５）〜（１７）に代入し、分配率などを求めてポンピング水素の発生量を計算した。この結果、実線の曲線部分とほぼ一致することが判明した。
Ｄ（ｉ）＝Ｐｌａｖｅ／Ｐｌ（ｉ）・・・（１５）
Ｂ１＝１／Ｄｍｉｎ＋Δｓ・・・（１６）
Ｂ２＝１／Ｄｍａｘ＋Δｓ・・・（１７）
Ｄ（ｉ） ； ｉ番セルの分配率
Ｐｌａｖｅ ； セルの平均圧力損失
Ｐｌ（ｉ） ； ｉ番セルの圧力損失
Ｄｍｉｎ ； 最小分配率
Ｄｍａｘ ； 最大分配率
Ｂ１ ； ポンピング水素の発生が開始されるエアストイキ比
Ｂ２ ； 直線と曲線が交わるエアストイキ比
より具体的に説明すると、例えばセルの平均圧力損失Ｐｌａｖｅが１．０であり、セル間に±２０％の圧力損失のバラツキ（０．８〜１．２）があり、オフセット量Δｓが０．０５であった場合、最小分配率Ｄｍｉｎ、最大分配率Ｄｍａｘ、ポンピング水素の発生が開始されるエアストイキ比Ｂ１、直線と曲線が交わるエアストイキ比Ｂ２は、それぞれ次のようになる。なお、本発明では、ポンピング水素が発生するエアストイキ比での運転を低効率運転と呼び、ポンピング水素が発生しないエアストイキ比での運転を通常運転と呼ぶ。
Ｄｍｉｎ＝１／１．２
Ｄｍａｘ＝１／０．８
Ｂ１＝１／Ｄｍｉｎ＋Δｓ＝１．２／１＋０．０５＝１．２５
Ｂ２＝１／Ｄｍａｘ＋Δｓ＝０．８／１＋０．０５＝０．８５
以上の説明から明らかなように、ポンピング水素の実際の発生量は、セル内の未反応酸素分と分配バラツキによって供給できなかった酸素分とを考慮することで、より正確に推定することができる。具体的には、ストイキ比Ｘのときのポンピング水素の実際の発生量は下記式（１８）によって推定することができる。
＜変形例＞
上述した実施形態では、上記式（１８）などを利用してポンピング水素の検出を行ったが、例えば、ポンピング水素が排出されるカソードオフガス流路に水素センサを設け、水素センサによるポンピング水素の検出と、上記式（１８）などを利用したポンピング水素の検出とを併用しても良い。
また、上述した実施形態では、セル内の未反応酸素分と分配バラツキによって供給できなかった酸素分の両方を考慮してポンピング水素の発生量を推定したが、少なくともいずれか一方を考慮してポンピング水素の発生量を推定しても良い。
例えば、セル内の未反応酸素分のみを考慮した場合には、下記式（１８）’によってポンピング水素の発生量を推定することができる一方、分配バラツキによって供給できなかった酸素分のみを考慮した場合には、下記式（１８）’’によってポンピング水素の発生量を推定することができる。
例えば、燃料電池４００の電極触媒が被毒状態にあることを検知した場合に低効率運転動作点にて運転するようにしても良い。また、システム起動時にいったん低効率運転動作点で運転してから通常運転動作点へとシフトするようにしても良い。さらに、システム要求電力が所定値以下になったとき（例えばアイドル出力付近など）、通常運転動作点から低効率運転動作点へとシフトするようにしても良い。さらに、システム停止後に低効率運転動作点にて運転を行うことで、運転中に低下した触媒活性を回復させて次回の起動に備えるようにしても良い。
Ｃ．第３実施形態
図９は、第３実施形態に係る燃料電池周辺の構成を示す図である。上述した各実施形態と同様、第３実施形態においても燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
図９に示す燃料電池２４００は、各セル４５０−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）毎にセルモニタ４６０−ｋ（１≦ｋ≦ｎ）が設けられている。本実施形態は、セルモニタ４６０−ｋによって検出されるセル電圧に基づいて、ポンピング水素の発生量（またはポンピング水素の濃度）を推定する点に特徴がある。以下、詳細に説明する。
各セルモニタ４６０−ｋは、対応するセル４５０−ｋの電圧値（セル電圧）を検出し、制御装置２５００へ供給する。制御装置２５００は、各セルモニタ４６０−ｋからセル電圧を受け取ると、メモリ２５１０に格納されている基準関数を参照し、各セルにおけるポンピング水素の発生量を推定する。
図１０は、メモリ２５１０に格納されている基準関数を説明するための図であり、左縦軸にポンピング水素の発生量、右縦軸にセル電圧、横軸にエアストイキ比を示している。
これらポンピング水素の発生量、セル電圧、エアストイキ比の関係は、製造出荷時などに所定のセル（以下、基準セル）を評価することによって求める。そして、この評価結果に基づき、基準セルにおけるセル電圧からポンピング水素の発生量を求める基準関数を導出し（式（１９）参照）、メモリ２５１０に格納する。
Ｆｓ＝ｆ（Ｖｓ）・・・（１９）
Ｆｓ ； 基準セルにおけるポンピング水素の発生量
Ｖｓ ； 基準セルにおけるセル電圧
ｆ ； 基準関数（任意の近似関数）
制御装置（推定手段）２５００は、各セルモニタ４６０−ｋからセル電圧を受け取ると、上記式（１９）に示す基準関数ｆに各セル電圧を代入することにより、各セルにおけるポンピング水素の発生量を推定する（式（２０）参照）。そして、求めた各セルにおけるポンピング水素の発生量を合算することにより、燃料電池全体でのポンピング水素の発生量を推定する（式（２１）参照）。
Ｆｋ＝ｆ（Ｖｋ）・・・（２０）
Ｆｋ ； 第ｋ番目のセルにおけるポンピング水素の発生量
Ｖｋ ； 第ｋ番目のセルにおけるセル電圧
Ｄｈ＝Ｆｐ／Ｆａｉｒ・・・（２２）
Ｆａｉｒ ； カソード出口側のエア流量
制御装置２５００は、ポンピング水素濃度を算出すると、メモリ２５１０に格納されているエア流量調整マップｍｐにアクセスし（図１１参照）、燃料電池２４００へ供給する酸化ガスの流量を調整する。一例を挙げて説明すると、例えばポンピング水素濃度Ｄｈが第１の閾値Ｄｔｈ１よりも高い場合、制御装置２５００は、ポンピング水素濃度を下げるべく燃料電池２４００へ供給する酸化ガス流量を増やす一方、ポンピング水素濃度Ｄｈが第２の閾値Ｄｔｈ２よりも低い場合には、ポンピング水素濃度を上げるべく燃料電池２４００へ供給する酸化ガス流量を下げる。ただし、ポンピング水素濃度Ｄｈが第２の閾値Ｄｔｈ２以上、第１の閾値Ｄｔｈ１以下である場合には、ポンピング水素濃度は適正範囲内であると判断し、燃料電池２４００へ供給する酸化ガス流量の変更は行わない。
以上説明したように、本実施形態によれば、セル電圧を検出することによってポンピング水素の発生量、ポンピング水素濃度を求めることができるため、別途検出用のセンサを設ける必要がなく、部品点数および製造コストを低減することが可能となる。
Ｄ．第４実施形態
図１２は、第４実施形態に係る燃料電池周辺の構成を示す図である。上述した各実施形態と同様、第４実施形態においても燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池３４００は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、ＭＥＡ（膜／電極接合体）などを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
エアコンプレッサ３７００は、エアフィルタ（図示略）を介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池３４００のカソード極に供給する。エアコンプレッサモータ３６００は、エアコンプレッサ３７００による酸化ガスの供給量（吐出量）を調整するためのモータであり、制御装置３５００から与えられる指令回転数に従ってモータの回転数が制御される。
ところで、燃料電池３４００のカソードからはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池３４００の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード側で生成されるポンピング水素などが含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池３４００の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。なお、ポンピング水素の発生メカニズム等については、上述した各実施形態で詳細を明らかにしたため、ここでは省略する。
加湿モジュール３７００は、酸化ガス供給路３１１０を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３１２０を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池３４００に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池３４００に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路３１２０のカソード出口付近に配設されたエア調圧弁Ａ１１によって調圧される。
ここで、エアコンプレッサ３６００から加湿モジュール３７００に至る酸化ガス供給路３１１０と、加湿モジュール３７００から希釈器３８００に至るカソードオフガス流路３１２０との間は、バイパス弁Ｂ１１によって接続されている。バイパス弁Ｂ１１及びバイパス通路３１３０は、酸化ガス供給路３１１０を流れる酸化ガスの一部を燃料電池３４００をバイパスしてカソードオフガス流路３１２０へ導く手段であり、制御装置（制御手段、調整手段）３５００によってバイパスされる酸化ガス量が調整される。なお、以下の説明では、バイパスされる酸化ガスをバイパスエアと呼ぶ。
希釈器３８００は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲（環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。この希釈器３８００にはカソードオフガス流路３１２０の下流及びアノードオフガス流路（図示略）の下流が連通しており、水素オフガス、ポンピング水素、酸素オフガス、バイパスエアを混合希釈してシステム外に排気する。
制御装置３５００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を中枢的に制御する。具体的には、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサやバッテリの充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサなどに基づいて燃料電池３４００の出力要求電力を求めるほか、燃料電池３４００の出力電圧、出力電流、内部温度をそれぞれ検出する電圧センサｓ１４、電流センサｓ１５、温度センサｓ１６などから入力される各センサ信号に基づいて、エア調圧弁Ａ１１やバイパス弁Ｂ１１の弁開度を制御したり、エアコンプレッサモータ３６００の回転数（すなわち、酸化ガス指令流量）の制御等を行う。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、後述の如くポンピング水素の発生量に応じて２種類の低効率運転を行う。
図１３は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
制御装置３５００は、温度センサｓ１６から出力されるセンサ信号に基づき燃料電池３４００の温度（ＦＣ温度）を検出する（ステップＳ１１０）。制御装置３５００は、検出したＦＣ温度とメモリ（図示略）に登録されている基準温度とを比較することにより、暖機が必要であるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。制御装置３５００は、ＦＣ温度が基準温度を超え、暖機が不要であると判断すると、通常運転処理を行う（ステップＳ１３０）。ここで、通常運転処理とは、暖機することなく効率の高い運転動作点（すなわち電力損失の小さな運転動作点）で運転する処理をいう。
一方、制御装置３５００は、ＦＣ温度が基準温度以下であり、暖機が必要であると判断すると、ステップＳ１４０に進み、プレ低効率運転を実施すべきか、本低効率運転を実施すべきかを判断する。ここで、本低効率運転とは、従来より暖機の際に行っていた低効率運転（第２実施形態の説明、及び図６等参照）をいい、プレ低効率運転とは、本低効率運転よりも電力損失は小さいが、通常運転よりも電力損失が大きな運転動作点（図１４に示す（Ｉｆｃ３，Ｖｆｃ３）参照）で運転することをいい、例えば図１４に示すように燃料電池３４００のＯＣＶが４００Ｖ程度である場合にはプレ低効率運転動作点でのＦＣ電圧Ｖｆｃ３は２００Ｖ程度（本実施形態では固定値）、本低効率運転動作点でのＦＣ電圧Ｖｆｃ４は５０Ｖ程度になる。この説明から明らかなように、本低効率運転よりもプレ低効率運転の方が電力損失は小さいため、燃料電池３４００の温度上昇速度についても本低効率運転よりプレ低効率の方が遅くなる。
本実施形態では、制御装置３５００は、当該車両が走行中である場合にはプレ低効率運転を実施すべきと判断する一方、当該車両が停止中（起動時も含む）である場合には本低効率運転を実施すべきと判断する。ただし、この判断基準はあくまで一例であり、例えばＦＣ温度と基準温度との温度差に基づいて、プレ低効率運転を実施すべきか本低効率運転を実施すべきかを判断しても良い。具体的にはＦＣ温度と基準温度との温度差が設定された閾値を超えている場合には本低効率運転を実施する一方、該温度差が設定された閾値以下である場合にはプレ低効率運転を実施する。このように、本低効率運転を実施するかプレ低効率運転を実施するかの判断基準は、システム設計等に応じて適宜設定可能である。
制御装置３５００は、当該車両が停止していることから本低効率運転を実施すべきと判断すると、ステップＳ１５０に進み、本低効率運転処理を実施する。具体的には、燃料電池３４００に要求される電力（ＦＣ要求電力）と暖機に必要な熱量（電力損失）からＦＣ電流値とＦＣ電圧値を決定し、決定したＦＣ電流指令値、ＦＣ電圧指令値に対応する運転動作点で運転を行う（詳細は第２実施形態等参照）。
一方、制御装置３５００は、当該車両が走行中であることからプレ低効率運転を実施すべきと判断すると、ステップＳ１６０に進み、プレ低効率運転を実施する。
図１５は、プレ低効率運転の動作を示すフローチャートである。
制御装置３５００は、まず、バイパスバルブＢ１１の弁開度を「全閉」とするとともに、エア調圧弁Ａ１１の弁開度を「全開」とする（ステップＳ２１０→ステップＳ２２０）。ここで、バイパスバルブＢ１１の弁開度を「全閉」とするのは、プレ低効率運転時におけるポンピング水素の発生量が少なく、未反応酸化ガスによって希釈する必要がないためである。別言すると、プレ低効率運転時の運転動作点は、ポンピング水素の発生量が少なくなるように制御される（希釈せずとも法規制範囲に収まるなど）。
制御装置３５００は、バイパスバルブＢ１１及びエア調圧弁Ａ１１の弁開度を上記の如く調整すると、予めメモリ（図示略）に登録されたプレ低効率運転用の運転動作点を読み出し（図１４参照）、ＦＣ電流指令値、ＦＣ電圧指令値を決定する（ステップＳ２３０）。
そして、制御装置３５００は、決定したＦＣ電流指令値に基づきエアストイキ比を決定する。詳述すると、制御装置３５００は、メモリ等に予め格納されているＦＣ電流指令値とエアストイキ比との関係を示すＦＣ電流−エアストイキ比マップを参照し、決定したＦＣ電流指令値に対応するストイキ比を決定する（ステップＳ２４０）。そして、制御装置３５００は、決定したエアストイキ比Ａｐを下記式（２２）に代入することにより、ＦＣ必要エア流量Ａｒを求める（ステップＳ２５０）。
Ａｒ＝Ａｃ＊Ａｐ／（９６５００＊４）・・・（２２）
Ａｐ；ＦＣ消費酸素量
なお、ＦＣ消費酸素量Ａｐは、ＦＣ電流指令値と燃料電池を構成するセルの枚数に応じて決定される。
そして、制御装置３５００は、ＦＣ電流指令値と電流センサｓ１５によって検出されるＦＣ電流値（実測値）とを比較し、差分を求める（ステップＳ２６０）。制御装置３５００は、このようにして求めた差分に基づきＦＣ必要エア流量を補正する（ステップＳ２７０）。そして、制御装置３５００は、補正後のＦＣ必要エア流量（酸化ガス指令流量）からエアコンプレッサモータ３６００の回転数を求め、これを指令回転数としてエアコンプレッサモータ３６００に供給することで燃料電池３４００の電流制御を行う（ステップＳ２８０）。
かかる制御を行うと、制御装置３５００は、温度センサｓ１６から供給されるセンサ信号に基づき、検出されるＦＣ温度が基準温度を超えたか、すなわち暖機を終了しても良いか否かを判断する（ステップＳ２９０）。制御装置３５００は、ＦＣ温度が基準温度を超えていない場合には、当該システムの暖機を継続すべく、ステップＳ２３０に戻り、上述した一連の処理を繰り返し実行する。一方、制御装置３５００は、ＦＣ温度が基準温度を超えた場合には、これ以上の暖機は不要であると判断し、以上説明した処理を終了する。
以上説明したように、本実施形態によれば、ポンピング水素の希釈が不要なプレ低効率運転時には、バイパス弁を全閉とするとともにエア調圧弁を全開とし、エアコンプレッサによる供給エア流量を制御することでＦＣ電流制御を行う。これにより、エア調圧弁とエアコンプレッサを利用してＦＣ電流制御を行う通常運転及び本低効率運転に比べて、簡易な制御が可能となる。
＜変形例＞
（１）上述した実施形態では、プレ低効率運転時にバイパス弁を全閉とするとともにエア調圧弁を全開とし、エアコンプレッサによる供給エア流量を制御することでＦＣ電流を制御したが、これに限る趣旨ではなく、バイパス弁やエア調圧弁の弁開度を一定とし、エアコンプレッサによる供給エア流量を制御することでＦＣ電流を制御しても良い。
（２）また、上述した実施形態では、ＦＣ温度を検出して暖機が必要か否か等の判断を行ったが、ＦＣ温度の代わりに外気温度や燃料電池周辺の部品温度を検出して暖気が必要か否か等の判断を行っても良い。
（３）また、上述した実施形態では、プレ低効率運転動作点を固定としたが、ポンピング水素の発生量が規制範囲に収まるような範囲でプレ低効率運転動作点を変えても良い。
Claims (19)
- 第１の効率での運転と、第１の効率よりも低い第２の効率での低効率運転とを選択的に実行する燃料電池システムにおいて、
前記低効率運転の際に、前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池のエアストイキ比及び前記燃料電池の温度に対する前記燃料電池のカソードで生成される水素ガスのガス量の関係を示すマップデータを用い、前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池のエアストイキ比及び前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する推定手段と、
前記推定された前記水素ガスのガス量に基づいて、前記低効率運転の際の前記燃料電池のカソード排出ガスの希釈量を調整する調整手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池のガス供給路を流れるカソードガスの一部を燃料電池をバイパスして排出通路へ導くバイパス通路をさらに備え、
前記調整手段は、前記推定された前記水素ガスのガス量に基づいて、バイパスされる前記カソードガスのガス量を制御するバイパス弁を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記調整手段は、当該システムから外部へ排出される水素の排出濃度が基準値以下となるように、バイパスされる前記カソードガスのガス量を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池のカソードに供給するカソードガスは、酸素を含む酸化ガスであり、
与えられる指示に従って前記酸化ガスを吐出する酸化ガス供給源と、
前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量と前記燃料電池をバイパスする酸化ガス量に基づいて、前記酸化ガス供給源による酸化ガスの吐出量を制御する制御手段とをさらに具備することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記酸化ガス供給源から前記燃料電池のカソードへ供給される酸化ガスのガス量を制御する調圧弁を備え、
前記低効率運転の際、前記燃料電池のカソードに発生する水素ガスが基準値以下である場合には、前記調整手段は、前記バイパス弁を全閉とする一方、前記制御手段は、前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量に応じて、前記調圧弁の開度を一定に保持したまま前記酸化ガスの吐出量を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 - 前記酸化ガス供給源はエアコンプレッサであり、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電に必要な酸化ガス量に応じて、前記調圧弁を全開に保持したまま前記酸化ガスの吐出量を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。 - 低効率運転の際に燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する方法であって、
前記燃料電池の出力電圧及び前記燃料電池の出力電流に対する前記燃料電池のエアストイキ比の関係を示すマップデータを用い、前記燃料電池の出力電圧及び出力電流に基づいて該燃料電池のエアストイキ比を推定する第１推定ステップと、
前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池のエアストイキ比及び前記燃料電池の温度に対する前記燃料電池のカソードで生成される水素ガスのガス量の関係を示すマップデータを用い、前記燃料電池の出力電流、前記燃料電池のエアストイキ比及び前記燃料電池の温度に基づいて該燃料電池のカソードに発生する水素ガスのガス量を推定する第２推定ステップと
を具備することを特徴とする発生水素量の推定方法。 - 燃料電池のカソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定するガス生成量推定装置であって、
所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御手段と、
低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池のエアストイキ比に対する前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスの生成量の関係を示すマップデータ又は関数を用い、前記燃料電池のエアストイキ比、又は前記エアストイキ比と相関関係にある前記燃料電池の出力電圧に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する推定手段と
を具備することを特徴とするアノードガス生成量推定装置。 - 前記関係は、前記燃料電池のエアストイキ比を引数とするマップデータであり、
前記推定手段は、前記燃料電池のエアストイキ比を引数として前記マップデータを利用することで、前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定することを特徴とする請求項８に記載のアノードガス生成量推定装置。 - 前記関係は、前記燃料電池のエアストイキ比を変数とする関数であり、該関数は、前記燃料電池の発電特性に加え、前記燃料電池のカソード側に残存する未反応カソードガスの残存量、又は前記燃料電池を構成する各セルの圧力損失のばらつきの少なくともいずれかを、さらに変数として含み、
前記推定手段は、前記燃料電池のエアストイキ比、前記発電特性、及び、前記未反応カソードガスの残存量又は前記圧力損失のばらつきに基づいて前記関数を利用することで、前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定することを特徴とする請求項８に記載のアノードガス生成量推定装置。 - 前記関数は、前記未反応カソードガスの残存量及び前記セルの圧力損失のばらつきの両方を変数として含む、ことを特徴とする請求項１０に記載のアノードガス生成量推定装置。
- 前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧モニタをさらに備え、
前記関係は、出力電圧を変数とする関数であり、
前記推定手段は、前記電圧モニタによって検出される出力電圧に基づいて前記関数を利用することで、前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定することを特徴とする請求項８に記載のアノードガス生成量推定装置。 - 前記電圧モニタは、前記燃料電池の各セルのセル電圧を検出し、
前記関数は、基準セルにおけるセル電圧と前記アノードガス生成量との関係をあらわす基準関数であり、
前記推定手段は、前記電圧モニタによって検出される各セルのセル電圧に基づいて前記基準関数を利用することで、前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定することを特徴とする請求項１２に記載のアノードガス生成量推定装置。 - 前記運転制御手段は、前記燃料電池の暖機が必要な場合、または前記燃料電池の触媒活性を回復させることが必要な場合に、低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転することを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１の請求項に記載のアノードガス生成量推定装置。
- 前記カソードにおいて生成されるアノードガスは水素であることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか１の請求項に記載のアノードガス生成量推定装置。
- 燃料電池のカソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する方法であって、
所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御ステップと、
低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する際に、前記燃料電池のエアストイキ比に対する前記燃料電池のカソードで生成されるアノードガスの生成量の関係を示すマップデータ又は関数を用い、前記燃料電池のエアストイキ比、又は前記エアストイキ比と相関関係にある前記燃料電池の出力電圧に基づいて前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定する推定ステップとを含むことを特徴とするアノードガス生成量の推定方法。 - 前記関係は、前記燃料電池のエアストイキ比を引数とするマップデータであり、
前記推定ステップにおいては、前記燃料電池のエアストイキ比を引数として前記マップデータを利用することで、前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定することを特徴とする請求項１６に記載のアノードガス生成量の推定方法。 - 前記関係は、エアストイキ比を変数とする関数であり、該関数は、前記燃料電池の発電特性に加え、前記燃料電池のカソード側に残存する未反応カソードガスの残存量、又は前記燃料電池を構成する各セルの圧力損失のばらつきの少なくともいずれかを、さらに変数として含み、
前記推定ステップにおいては、前記燃料電池のエアストイキ比、前記発電特性、及び、前記未反応カソードガスの残存量又は前記圧力損失のばらつきに基づいて前記関数を利用することで、前記カソードにおいて生成される前記アノードガスの生成量を推定することを特徴とする請求項１６に記載のアノードガス生成量の推定方法。 - 前記関係は、出力電圧を変数とする関数であり、
前記推定ステップにおいては、電圧モニタによって検出される前記燃料電池の出力電圧に基づいて前記関数を利用することで、前記カソードにおいて生成されるアノードガスの生成量を推定することを特徴とする請求項１６に記載のガス生成量の推定方法。
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