JP5002913B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池における未反応水素の透過量の推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、水素を含む燃料ガス（「アノードガス」とも呼ぶ）を用いて発電を行う燃料電池が注目されつつある。ここで、燃料電池に供給される燃料ガスの一部が発電に用いられない場合があった。例えば、燃料電池において、水素の一部が、発電に寄与することなく、アノード側から電解質層を介してカソード側へ透過する場合がある。特許文献１には、このような水素透過量を考慮して燃料ガスの漏洩を判断する方法が提案されている。

特開２００４−２８１１３２号公報 特開２００３−４５４６６号公報 特開２００３−２７２６７５号公報 特開２００４−２６５６６７号公報 特開２００４−１９９９１８号公報

ところで、燃料電池に発電をさせると、電解質層が劣化する場合がある。その結果、水素透過量が変化し、水素透過量の推定の精度が低下するおそれがあった。なお、このような問題は、燃料ガスの漏洩を判断する処理に限らず、水素透過量の推定値を用いた処理に共通する問題であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池における水素透過量の推定の精度を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、この発明における燃料電池システムは、電解質層と、前記電解質層を挟むように配置されたアノード反応ガス流路とカソード反応ガス流路と、を有する燃料電池と、前記電解質層の温度を反映する温度である動作温度を測定する温度センサと、前記燃料電池の開放端電圧を測定可能な電圧センサと、前記動作温度と前記開放端電圧とを用いて、前記アノード反応ガス流路から前記電解質層を介して前記カソード反応ガス流路へ透過する未反応水素の透過量を推定する透過量推定処理を実行するための透過量推定部と、を備え、前記透過量推定部は、前記動作温度が同じ場合の前記水素透過量の推定値が、前記開放端電圧が低いほど大きくなるように、前記透過量推定処理を実行する。

この燃料電池システムによれば、開放端電圧が低いほど水素透過量が多くなるように水素透過量が推定されるので、燃料電池における水素透過量の推定の精度を向上させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、前記透過量推定部は、前記水素透過量の推定値の対数を、前記動作温度の逆数の一次関数で表す透過量対応関係を決定し、さらに、前記一次関数の切片を、前記開放端電圧が低いほど大きくなるように決定するとともに、前記透過量対応関係に従って前記透過量推定処理を実行することとしてもよい。

この構成によれば、一次関数で表された透過量対応関係を用いることによって、水素透過量の推定を容易に行うことが可能となる。

上記各燃料電池システムにおいて、さらに、前記アノード反応ガス流路内の圧力を反映する圧力であるアノード圧力を測定する圧力センサと、前記アノード反応ガス流路と外部とに連通するとともに前記外部との連通を遮断可能な閉流路システムと、を備え、前記閉流路システムは、前記外部と遮断した状態における前記閉流路システム内のガスの減少量に相関のある物理量を測定する物理量センサを有し、前記透過量推定部は、前記透過量推定処理に先立って、前記遮断状態における前記アノード圧力と前記動作温度と前記物理量とを測定する透過量測定処理を、互いに異なる複数の動作温度設定で実行し、前記透過量推定部は、前記透過量推定処理において、現行の動作温度と現行のアノード圧力との測定を実行するとともに、前記複数の透過量測定処理の測定結果と、前記現行動作温度と、前記現行アノード圧力と、を用いて現行の水素透過量の推定を行うこととしてもよい。

この構成によれば、閉流路システムの遮断状態におけるガスの減少量に相関のある物理量と、動作温度と、アノード圧力とが、複数の動作温度設定で測定され、さらに、これらの測定結果を用いて現行の水素透過量の推定が行われるので、水素透過量の推定の精度を、さらに向上させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、前記透過量推定部は、前記水素透過量の推定値を、前記アノード圧力と前記アノード圧力に応じて決定された水素分圧とのいずれかで割った値の対数を、前記動作温度の逆数の一次関数で表す近似直線を用いて、前記複数の透過量測定処理の測定結果を近似し、さらに、前記近似直線と、前記現行動作温度と、前記現行アノード圧力と、を用いて前記現行水素透過量の推定を行うこととしてもよい。

この構成によれば、水素透過量の推定を近似直線を用いて容易に行うことが可能となる。

上記各燃料電池システムにおいて、前記透過量推定部は、前記透過量測定処理で測定したアノード圧力から水素分圧を推定し、さらに、前記透過量推定処理において、現行の動作温度と現行のアノード圧力との測定を実行するとともに、前記水素分圧を含む前記複数の透過量測定処理の測定結果と、前記現行動作温度と、前記現行アノード圧力と、を用いて現行の水素透過量の推定を行うことが好ましい。

この構成によれば、水素分圧に応じて水素透過量の推定が行われるので、水素透過量の推定の精度を、さらに向上させることが可能となる。

上記各燃料電池システムにおいて、前記透過量推定部は、前記透過量推定処理において、現行の動作温度と現行のアノード圧力との測定を実行するとともに、前記現行アノード圧力から現行の水素分圧を推定し、さらに、前記複数の透過量測定処理の測定結果と、前記現行動作温度と、前記現行水素分圧と、を用いて現行の水素透過量の推定を行うことが好ましい。

この構成によれば、水素分圧に応じて水素透過量の推定が行われるので、水素透過量の推定の精度を、さらに向上させることが可能となる。

なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法または装置、これらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、燃料電池システムを駆動用電源として搭載する車両、等の形態で実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム９００の構成を示すブロック図である。この燃料電池システム９００は、燃料電池スタック１００と、イジェクタ２００と、水素流量計３００と、水素タンク４００と、制御部５００と、を備えている。なお、図１では、カソード側のガスの流路については、図示が省略されている。

燃料電池スタック１００（以下、単に「スタック１００」とも呼ぶ）は、図示しない燃料電池セル（「単セル」とも呼ぶ）を複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。燃料電池セル（図示せず）の各々は、電解質層１０６と、アノード側に設けられたアノードガス流路１０２と、カソード側に設けられたカソードガス流路１０４とを、内部に備えている。各流路１０２、１０４は、電解質層１０６を挟むように配置されている。

アノードガス流路１０２には、水素を含む燃料ガスとしての水素ガスが供給される。カソードガス流路１０４には、酸素を含む酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００は、これらの水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う。発電によって生じた電力は、燃料電池スタック１００に接続される負荷（図示せず）に供給される。

燃料電池スタック１００と負荷（図示せず）とは電力ライン６００によって接続されている。電力ライン６００には、電圧センサ６１０と、電流センサ６２０と、スイッチ６３０とが、設けられている。電圧センサ６１０は、電力ライン６００に印可される電圧、すなわち、燃料電池スタック１００の電圧を測定する。電流センサ６２０は、電力ライン６００を流れる電流を測定する。スイッチ６３０は、スタック１００と負荷（図示せず）との間の電気的な接続を遮断することができる。

また、燃料電池スタック１００には、温度センサ１５０が設けられている。この温度センサ１５０は、燃料電池スタック１００内部の温度を測定する。

水素タンク４００は、水素ガスを貯蔵するタンクである。この水素ガスは、第１流路４１０を介して水素流量計３００に供給される。この第１流路４１０には、第１遮断弁４２０と、第１圧力センサ４３０と、第１調圧弁４４０とが、下流側に向かってこの順番に設けられている。第１調圧弁４４０は、水素タンク４００からの水素ガスの圧力を所定の第１圧力まで減圧し、第１圧力で水素ガスを水素流量計３００へ供給する。

水素流量計３００を通過した水素ガスは、第２流路３１０を介してイジェクタ２００に供給される。第２流路３１０には、第２圧力センサ３２０と、第２遮断弁３３０と、第２調圧弁３４０と、第３圧力センサ３５０とが、下流側に向かってこの順番に設けられている。第２調圧弁３４０は、水素流量計３００からの水素ガスの圧力を、さらに、所定の第２圧力まで減圧し、第２圧力で水素ガスをイジェクタ２００に供給する。

イジェクタ２００を通過した水素ガスは、供給路２１０を介してアノードガス流路１０２に供給される。アノードガス流路１０２からの排ガス（以下「アノード排ガス」とも呼ぶ）は、循環流路２２０を介して、再び、イジェクタ２００に導入される。

イジェクタ２００は、イジェクタを通過するガス（第２流路３１０から供給路２１０へ流れるガス）の流れを利用することによって、循環流路２２０のガスを吸引することが可能である。その結果、アノードガス流路１０２から排出された水素ガスは、循環流路２２０と、供給路２１０と、アノードガス流路１０２とを循環する。

なお、イジェクタ２００の構成としては、周知の種々の構成を採用可能である。例えば、ノズルとディフューザとを有する構成を採用可能である。また、水素ガスを循環させる方法としては、周知の任意の方法を採用可能である。例えば、イジェクタ２００の代わりに、循環用のポンプを循環流路２２０に設けても良い。

また、循環流路２２０には、アノード圧力センサ２３０が設けられている。アノード圧力センサ２３０の測定結果は、アノードガス流路１０２内の圧力を反映する圧力（以下「アノード圧力」とも呼ぶ）として、制御部５００に利用される（後述）。

ところで、アノードガス流路１０２を流れる水素は、発電によって消費される。すると、第２調圧弁３４０の下流側の圧力が下がろうとする。ここで、第２調圧弁３４０は、下流側の圧力が第２圧力となるまで水素を供給する。このようにして、アノードガス流路１０２には、消費量に応じた量の水素が供給される。第１調圧弁４４０による水素の供給に関しても同様である。

また、循環流路２２０の途中には、パージ流路２４０が接続されている。パージ流路２４０にはパージバルブ２５０が設けられている。ところで、アノード排ガスには、水素以外の不純物が含まれる場合がある。不純物としては、例えば、電気化学反応によって生成された水分や、カソードガス流路１０４から電解質層１０６を透過してアノードガス流路１０２へ到達した窒素、水分等がある。本明細書において、供給路２１０と循環流路２２０とにおける「不純物」とは、電気化学反応に利用される燃料成分（例えば、水素）以外の成分を意味する。これらの不純物は消費されずに残留する。従って、アノード排ガス中の不純物の濃度は徐々に増加する。そこで、パージバルブ２５０を開くと、不純物を含むガスが、循環流路２２０からパージ流路２４０を介して外部に排出される。その結果、アノードガス流路１０２を循環するガス中の不純物の量を少なくすることが可能となる。燃料電池システム９００では、運転部５４０が発電中にパージバルブ２５０を、適宜、開閉させることによって、不純物量が過剰に多くなることを防止している。以下、パージバルブ２５０を開閉させる処理のことを「パージ処理」とも呼ぶ。

制御部５００は、燃料電池システム９００を構成する各構成要素からデータ信号を受信するとともに、各構成要素に駆動信号を出力することによって、燃料電池システム９００の全体の運転状態を制御する。また、制御部５００は、パラメータ値記憶部５１０としての機能と、対応関係修正部５２０としての機能と、推定実行部５３０としての機能と、運転部５４０としての機能とを、有している（詳細は後述）。制御部５００はＣＰＵとメモリとを有しており、コンピュータプログラムを実行することによって種々の機能を実現する。また、パラメータ値記憶部５１０としての機能は、メモリを用いることによって実現されている。なお、このようなコンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された形態で供給され得る。また、制御部５００の機能の一部、または、全部をハードウェアによって実現してもよい。

図２は、温度Ｔと水素透過度Ｔｒとの関係（以下「透過度対応関係」とも呼ぶ）を示すグラフである。ここで「温度Ｔ」は、電解質層１０６（図１）の絶対温度を意味しており、第１実施例では、温度センサ１５０の測定結果を用いることとしている。また、「水素透過度Ｔｒ」は、電解質層１０６における未反応水素の透過のし易さを意味している。具体的には、「水素透過度Ｔｒ」は、アノードガス流路１０２から電解質層１０６を透過してカソードガス流路１０４へ到達する未反応水素の量（「水素透過量」とも呼ぶ）を、アノードガス流路１０２の圧力と、電解質層１０６の面積と、透過量を測定した時間の長さ（測定時間）とで割った値を意味している。換言すれば、「水素透過度Ｔｒ」は、単位圧力、単位面積、単位時間当たりの水素透過量を意味している。ここで、アノードガス流路１０２における不純物濃度は、十分に小さいこととしている。また、カソードガス流路１０４には、水素が無いこととしている。さらに、アノードガス流路１０２の圧力としては、アノード圧力センサ２３０の測定結果を用いることとしている。

図２のグラフにおいて、縦軸は水素透過度Ｔｒの対数を示し、横軸は温度Ｔの逆数を示している。また、図中の第１グラフＴＰ１は、使用開始前の燃料電池スタック１００の透過度対応関係を示している。水素透過度Ｔｒは、温度Ｔが高いほど高くなる傾向にある。電解質層１０６の温度が高いほど、電解質層１０６の分子運動が活発になり、その結果、水素が透過し易くなる（水素透過度Ｔｒが高くなる）と推定される。また、水素透過度Ｔｒの対数は、温度Ｔの逆数に比例する傾向にある（傾き（比例定数）は負値である）。水素透過度Ｔｒの温度依存性は、化学反応の速度と同様の傾向を示すと推定される。なお、このような、比例関係を表すグラフは「アレニウスプロット」とも呼ばれる。以下、透過度対応関係を示すグラフを「透過度プロット」とも呼ぶ。

また、図中の第２グラフＴＰ２は、電解質層１０６の厚さ（以下「層厚」とも呼ぶ）を、第１グラフＴＰ１における厚さよりも薄くした場合の対応関係を示している。透過度プロットの切片は、電解質層１０６の厚さ（以下「層厚」とも呼ぶ）が薄いほど大きくなる傾向にある。すなわち、水素は、層厚が薄いほど透過し易い傾向にある。また、透過度プロットの傾き（水素透過度Ｔｒの温度依存性）は、層厚が異なる場合でもほぼ同じとなる傾向にある。透過度プロットの傾きは、電解質層の材質の影響を強く受けるとともに、その厚さから受ける影響は小さいと推定される。

ところで、燃料電池では、発電によって電解質層が劣化する。この劣化によって、電解質層の厚さが薄くなる場合が多い。このような厚さの減少は、例えば、電解質層を透過してカソードに到達した水素の燃焼で生じる熱によって電解質が分解されることによって引き起こされると推定される。このように、燃料電池スタック１００が劣化すると、膜厚が薄くなり、水素透過度Ｔｒ、すなわち、透過度プロットの切片が大きくなる。その結果、使用によって劣化した燃料電池の透過度プロットは、電解質層の厚さを薄くした場合の透過度プロットと、ほぼ同じとなる。ここで、使用開始前の透過度プロットＴＰ１の切片を基準とする切片の上昇量（切片の差分）を切片差分Ｄｉと呼ぶ。

なお、パラメータ値記憶部５１０（図１）には、予め、使用開始前の透過度プロットＴＰ１の切片（以下「切片初期値ＩｌｏｇＴｒ」と呼ぶ）と傾き（以下「傾き初期値」と呼ぶ）とが格納されている。切片初期値ＩｌｏｇＴｒと傾き初期値とは、予め、実験に基づいて設定されている。

図３は、燃料電池スタック１００の電流密度／電圧特性を示すグラフである。第１グラフＩＶ１は、燃料電池スタック１００の使用開始前の特性を示し、第２グラフＩＶ２は、使用による劣化後の特性を示している。上述したように、燃料電池スタック１００が劣化すると、電解質層１０６の層厚が薄くなる。すると、発電に寄与することなく、アノードガス流路１０２から電解質層１０６を透過してカソードガス流路１０４に到達する未反応水素量が増加する。カソードガス流路１０４に到達した水素は、発電に寄与するはずであった酸素と反応してしまう。すると、発電に寄与する酸素の量が減少して、カソードの電極電位が低下する。その結果、発電電圧が低下する。特に、電流Ｉがゼロでの電圧Ｖ（以下「開放端電圧」と呼ぶ）は、電解質層１０６が薄くなると低くなる。ここで、使用開始前の第１グラフＩＶ１の開放端電圧（以下「開放端電圧初期値ＩＯＣＶ」と呼ぶ）を基準とする開放端電圧の低下量（開放端電圧の差分）を開放端電圧差分ＤＯＣＶと呼ぶ。また、パラメータ値記憶部５１０には、予め、開放端電圧初期値ＩＯＣＶが格納されている。開放端電圧初期値ＩＯＣＶは、予め、実験に基づいて設定されている。

図４は、切片差分Ｄｉと開放端電圧差分ＤＯＣＶとの関係の一例を示すグラフである。上述したように、電解質層１０６が劣化によって薄くなると、開放端電圧が低下するとともに、さらに、透過度プロットの切片が大きくなる。すなわち、開放端電圧差分ＤＯＣＶが大きいほど切片差分Ｄｉも大きくなる傾向にある。パラメータ値記憶部５１０（図１）には、予め、このような開放端電圧差分ＤＯＣＶと切片差分Ｄｉとの対応関係（以下「差分対応関係」とも呼ぶ）が格納されている。差分対応関係は、予め、実験に基づいて設定されている。

図５は、燃料電池システム９００の起動処理において制御部５００が実行する透過度対応関係修正処理の手順の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１００では、対応関係修正部５２０は、燃料電池スタック１００の開放端電圧を取得する。具体的には、燃料電池スタック１００に発電を実行させるとともに、スイッチ６３０に電力ライン６００を遮断させ、さらに、電圧センサ６１０から電圧（開放端電圧）を取得する。

次のステップＳ１１０では、対応関係修正部５２０は、パラメータ値記憶部５１０に格納されている切片を、開放端電圧に応じて修正する。まず、対応関係修正部５２０は、ステップＳ１００で取得した開放端電圧に応じて開放端電圧差分ＤＯＣＶを算出する。次に、開放端電圧差分ＤＯＣＶに対応付けられた切片差分Ｄｉを取得する。この際、パラメータ値記憶部５１０に格納されている開放端電圧初期値ＩＯＣＶと差分対応関係（図４）とを用いる。次に、対応関係修正部５２０は、パラメータ値記憶部５１０に格納された切片初期値ＩｌｏｇＴｒを切片差分Ｄｉに従って修正し、修正後の切片をパラメータ値記憶部５１０に格納する。

図６は、透過度プロットを示すグラフである。グラフＴＰ１は、使用開始前の透過度プロットを示している。また、グラフＴＰ３は、修正後の透過度プロットを示している。図中には、切片差分Ｄｉが示されている。この切片差分Ｄｉは、開放端電圧差分ＤＯＣＶが大きいほど大きくなる傾向にある（図４）。従って、透過度プロットは、温度Ｔとアノード圧力とが同じ場合の水素透過度Ｔｒが、開放端電圧が低いほど大きくなるように、修正される。パラメータ値記憶部５１０は、このような修正後の透過度プロットＴＰ３を示す切片（修正後切片）と傾き（傾き初期値）とを格納している。

以上のように、切片を修正したら、対応関係修正部５２０は、透過度対応関係修正処理を終了する。その後、制御部５００は、所定の起動処理に戻り、運転部５４０は、燃料電池システム９００を起動させる。

図７は、運転部５４０が実行する水素漏れ検知処理の手順を示すフローチャートである。この水素漏れ検知処理は、燃料ガスの流れる流路からのガス漏れを検知するための処理である。漏れ検知の対象となる流路は、水素流量計３００（図１）からイジェクタ２００を介してアノードガス流路１０２へ至るとともに、再び、イジェクタ２００へ循環する流路の全体（以下「対象流路システムＳＳ」と呼ぶ）である。具体的には、対象流路システムＳＳは、第２流路３１０と、供給路２１０と、アノードガス流路１０２と、循環流路２２０と、パージ流路２４０のパージバルブ２５０よりも上流側と、を含む。運転部５４０は、対象流路システムＳＳに流入する水素量から、スタック１００で消費される水素量と、対象流路システムＳＳから外部へ移動する既知の水素量とを、差し引いた残りを漏れ量として用いる。運転部５４０は、このような漏れ量の検知を、所定の一定時間（以下、「検知時間」と呼ぶ）内における水素の移動量と消費量とを用いることによって行う。また、運転部５４０は、燃料電池システム９００の起動後の発電運転中に、適宜、水素漏れ検知処理を実行する。

ステップＳ２００では、運転部５４０は、水素の供給量を取得する。具体的には、運転部５４０は、検知時間内における水素流量計３００の測定結果（単位時間当たりの流量）を積算することによって、水素の供給量を取得する。

次のステップＳ２１０では、運転部５４０は、スタック１００で消費される水素量を推定する。運転部５４０は、燃料電池スタック１００の発電電力の検知時間内における積算値から理論的に得られる水素消費量を、燃料電池スタック１００で消費された水素量として用いる。発電電力は、電圧センサ６１０と電流センサ６２０との測定結果を用いて算出される。

次のステップＳ２２０では、運転部５４０は、水素透過量の推定値を推定実行部５３０から取得する。推定実行部５３０は、水素透過量推定処理を実行する（詳細は後述）。

次のステップＳ２３０では、運転部５４０は、水素のパージ量を取得する。このパージ量は、パージバルブ２５０を開けることによってパージ流路２４０から外部へ排出される水素量を意味している。運転部５４０は、検知時間内におけるパージバルブ２５０の開時間（以下「パージ時間」と呼ぶ）と、アノード圧力センサ２３０の測定結果（アノード圧力）と、を用いてパージ量を推定する。なお、パラメータ値記憶部５１０には、パージ時間と、アノード圧力と、水素パージ量との対応関係が、予め格納されている。運転部５４０は、この対応関係を参照することによって、水素パージ量を推定する。このような対応関係は、予め実験に基づいて設定可能である。また、検知時間内において、パージバルブ２５０の閉状態が維持された場合には、パージ量はゼロになる。

次のステップＳ２４０では、運転部５４０は、水素の漏れ量を推定する。第１実施例では、以下の式Ｆ１に従って漏れ量を推定する。
水素漏れ量 = 水素供給量 - {水素消費量 + 水素透過量 + 水素パージ量｝...(Ｆ１)

次のステップＳ２５０では、運転部５４０は、水素漏れの可能性の有無を判定する。具体的には、ステップＳ２４０で推定した推定漏れ量が、所定の漏れ量しきい値よりも大きい場合に、水素漏れの可能性が有ると判定する。

運転部５４０は、水素漏れの可能性が有ると判定した場合には、次のステップＳ２６０で、所定の不具合対応処理を実行する。不具合対応処理としては、任意の処理を採用可能である。例えば、燃料電池システム９００の発電を停止させる処理や、発電電力を不具合が無い場合と比べて小さい値に制限する処理等を採用可能である。また、制御部５００に通知部を接続するとともに、運転部５４０が通知部を制御することによって、ユーザに水素漏れの可能性が有る旨を通知することとしてもよい。例えば、表示パネル（図示せず）に水素漏れの可能性の有る旨を表示させる処理や、音を発するスピーカ（図示せず）に警告音を鳴らさせる処理を採用可能である。通知部としては、表示パネルやスピーカに限らず、ユーザに情報を通知可能な任意の装置を採用可能である。

一方、推定漏れ量が、所定の漏れ量しきい値以下である場合には、運転部５４０は、水素漏れの可能性が無いと判定して、水素漏れ検知処理を終了する。

図８は、推定実行部５３０が実行する水素透過量推定処理の手順を示すフローチャートである。この水素透過量推定処理は、図７のステップＳ２２０で実行される。最初のステップＳ３００では、推定実行部５３０は、温度センサ１５０の測定結果と、アノード圧力センサ２３０の測定結果と、を取得する。

次のステップＳ３１０では、推定実行部５３０は、透過度対応関係に従って水素透過量を推定する。推定実行部５３０は、この水素透過量推定処理に先立って修正された透過度プロットＴＰ３（図６）に従って、水素透過量を推定する。この際、電解質層１０６の面積（各単セルの面積の合計値）と、ステップＳ３００で取得した圧力と温度とを用いる。電解質層１０６の面積は、パラメータ値記憶部５１０に予め格納されている。

推定実行部５３０が水素透過量を推定すると、運転部５４０が、その水素透過量を取得する（図７：ステップＳ２２０）。

以上のように、第１実施例では、推定実行部５３０は、開放端電圧に応じて修正された透過度プロットに従って水素透過量を推定するので、燃料電池における水素透過量の推定の精度を向上させることが可能となる。

また、第１実施例では、対応関係修正部５２０は、燃料電池システム９００の起動時に、透過度対応関係修正処理に用いるデータ（開放端電圧）を取得（測定）するので、起動後の発電を妨害せずに、透過度プロットの修正を行うことができる。また、推定実行部５３０は、温度と圧力とを取得（測定）すれば、修正された透過度プロットに従った水素透過量の推定を実行可能であるので、発電を妨害せずに、精度のよい推定を実行可能である。

さらに、第１実施例では、運転部５４０は、推定実行部５３０によって精度よく推定された水素透過量を用いて水素漏れ検知処理を実行するので、水素漏れ検知の精度を向上させることが可能となる。このように、運転部５４０は、アノードガス流路１０２に連通する所定の対象流路システムＳＳにおける水素漏れを、水素透過量の推定値を用いて検知する水素漏れ検知部として機能する。

なお、水素漏れ量の推定に用いる式としては、上述の式Ｆ１に限らず、他の種々の演算式を採用可能である。ただし、開放端電圧に応じて修正された透過度プロットに従って推定された水素透過量を含む演算式を採用することが好ましい。

また、水素透過量の推定値の用途としては、水素漏れの検知に限らず、他の種々の用途を採用可能である。例えば、電解質層の劣化による不具合の可能性の有無の判定に用いても良い。具体的には、水素透過量の推定値が所定のしきい値を超えた場合に、電解質層の劣化による不具合の可能性が有ると判定することができる。

なお、第１実施例では、パラメータ値記憶部５１０と、対応関係修正部５２０と、推定実行部５３０との全体が、本発明における「透過量推定部」に相当する。

ところで、第１実施例において、発電運転中のアノード圧力が所定の一定値（以下、「第１目標圧力」と呼ぶ）となるように制御される場合がある（例えば、アノード圧力が第２調圧弁３４０によって制御される場合）。このような場合には、推定実行部５３０は、アノード圧力センサ２３０の測定結果を用いずに、アノード圧力が第１目標圧力であることとして、水素透過量を推定することができる。ただし、温度Ｔに加えてアノード圧力（アノード圧力センサ２３０の測定結果）を用いることによって水素透過量を推定することが好ましい。こうすれば、アノード圧力が変動する場合でも、水素透過量の推定の精度を向上させることができる。

Ｂ．第２実施例：
図９は、透過度対応関係修正処理の別の例の手順を示すフローチャートである。この透過度対応関係修正処理は、燃料電池システム９００の起動処理において実行される。また、この透過度対応関係修正処理では、対応関係修正部５２０が、水素透過度Ｔｒを測定することによって、透過度プロットを修正する。

ステップＳ４００では、対応関係修正部５２０（図１）は、水素透過度Ｔｒを測定する。まず、対応関係修正部５２０は、パージバルブ２５０を閉じる。すると、水素タンク４００から水素流量計３００へ至るガス流路と、対象流路システムＳＳとを含む流路の全体（以下、「アノード流路システムＡＳ」と呼ぶ）は、外部との連通が遮断される。その結果、水素パージ量がゼロになる。さらに、対応関係修正部５２０は、スイッチ６３０に電力ライン６００を遮断させる。その結果、電流がゼロになるので、水素消費量もゼロになる。ここで、アノード流路システムＡＳに水素漏れの不具合がなければ、アノード流路システムＡＳ内の水素量は、電解質層１０６を透過する水素量だけ減少する。

また、対応関係修正部５２０は、第１遮断弁４２０と第２遮断弁３３０との開状態を維持する。すると、電解質層１０６を透過して減少した水素量（水素透過量）と同じ量の新たな水素が水素タンク４００から供給される。従って、水素流量計３００の測定結果は、そのまま水素透過量を表すこととなる。具体的には、対応関係修正部５２０は、所定の一定時間（以下、「実測時間」と呼ぶ）内における水素流量計３００の測定結果を積算することによって、水素供給量、すなわち、水素透過量を取得する。さらに、対応関係修正部５２０は、アノード圧力センサ２３０の測定値と、温度センサ１５０の測定値とを、取得する。

図１０は、透過度プロットを示すグラフである。測定点Ｍ１は、ステップＳ４００で取得された測定結果（水素透過量、温度、圧力）から算出された水素透過度Ｔｒを示している。このように、ステップＳ４００での測定結果に応じて、透過度対応関係における１つの測定点を取得することができる。

なお、通常は、水素透過量が小さいが、第２実施例では、スタック１００が有する単セルの枚数が多いので（例えば、百枚以上）、水素透過量は水素流量計３００によって測定可能である。

対応関係修正部５２０は、１つ目の測定点Ｍ１を測定した後、スイッチ６３０の動作状態を接続状態に変更し、燃料電池スタック１００に発電を再開させる。なお、対応関係修正部５２０は、燃料電池スタック１００の昇温が完了する前に１つ目の測定点Ｍ１を取得する。従って、スタック１００の温度Ｔは、１つ目の測定点Ｍ１を取得した際の温度Ｔ１から、さらに、上昇する。

次のステップＳ４１０では、対応関係修正部５２０は、互いに異なる複数（第２実施例では、２つ）の動作温度設定における水素透過度Ｔｒを取得したか否かを判断する。複数の動作温度設定での水素透過度Ｔｒの取得が完了していない場合には、再び、ステップＳ４００に戻って、水素透過度Ｔｒを測定する。第２実施例では、対応関係修正部５２０は、温度Ｔが、第１温度Ｔ１よりも高い所定の第２の温度Ｔ２まで上昇した後に、ステップＳ４００に移行して、２つ目の測定点Ｍ２を取得する。取得の方法は、１つ目の測定点Ｍ１を取得した方法と同じである。

２つ目の測定点Ｍ２を取得したら、次のステップＳ４２０で、対応関係修正部５２０は、切片と傾きとを、取得した測定点Ｍ１、Ｍ２に応じて修正する。第２実施例では、２つの測定点Ｍ１、Ｍ２を通る直線を修正後の透過度プロットＴＰ４として採用する。対応関係修正部５２０は、この修正された透過度プロットＴＰ４を示す修正後切片と修正後傾きとを、パラメータ値記憶部５１０に格納する。

以上のように、透過度プロットを修正したら、対応関係修正部５２０は、透過度対応関係修正処理を終了する。その後、制御部５００は、所定の起動処理に戻り、運転部５４０は、燃料電池システム９００を起動させる。

その後、運転部５４０は、上述した第１実施例と同様に、水素漏れ検知処理（図７）を実行する。ステップＳ２２０（図８：ステップＳ３１０）では、推定実行部５３０は、修正された透過度プロットＴＰ４に従って、水素透過量を推定する。

以上のように、第２実施例では、対応関係修正部５２０は、水素透過度Ｔｒの測定結果に応じて透過度プロットを修正するので、燃料電池における水素透過量の推定の精度をさらに向上させることが可能となる。

また、第２実施例では、対応関係修正部５２０は、燃料電池システム９００の起動時に、透過度対応関係修正処理に用いるデータ（水素透過度Ｔｒ）を取得（測定）するので、起動後の発電を妨害せずに、透過度プロットの修正を行うことができる。

なお、対応関係修正部５２０が水素透過度Ｔｒを測定する温度としては、任意の温度を採用可能である。例えば、予め設定された温度を採用可能である。また、測定点の数は、３以上であってもよい。また、水素透過度Ｔｒを測定する際のアノード圧力としても、任意の圧力を採用可能である。例えば、発電運転を行う場合の圧力よりも小さな圧力を採用してもよい。いずれの場合も、対応関係修正部５２０は、各測定点に応じて、修正された透過度プロットの切片と傾きとを推定すればよい。推定方法としては、周知の任意の方法（例えば、最小２乗法）を採用可能である。

なお、水素透過度Ｔｒの測定中のアノード圧力が所定の一定値（以下、「第２目標圧力」と呼ぶ）となるように制御される場合がある。この場合には、対応関係修正部５２０は、アノード圧力センサ２３０の測定結果を用いずに、アノード圧力が第２目標圧力であることとして、水素透過度Ｔｒを算出することができる。ただし、アノード圧力センサ２３０の測定結果を用いて水素透過度Ｔｒを算出することが好ましい。

なお、測定した水素透過度Ｔｒが過剰に大きい場合には、アノード流路システムＡＳに水素漏れの不具合が発生している可能性がある。そこで、対応関係修正部５２０は、水素透過度Ｔｒが透過度しきい値よりも大きい場合には、水素漏れの可能性があると判定し、所定の不具合対応処理を実行することが好ましい。不具合対応処理としては、図７のステップＳ２６０と同様の処理を採用可能である。また、透過度しきい値としては、実験に基づいて予め設定された値を採用可能である。例えば、所定の一定値を採用してもよい。

ところで、対応関係修正部５２０は、図９に示す細かい対応関係修正処理（以下「細修正処理」と呼ぶ）と、図５に示す粗い対応関係修正処理（以下「粗修正処理」と呼ぶ）とを併用することが好ましい。上述したように、細修正処理では、粗修正処理と比べて、より精度の高い修正が可能である。ただし、細修正処理は、粗修正処理と比べて、より長い時間を要する。そこで、細修正処理を実行した後の起動時には、粗修正処理を実行することが好ましい。こうすれば、水素透過量の推定値の精度を向上させるとともに、透過度プロットの修正に過剰な時間がかかることを抑制できる。具体的には、対応関係修正部５２０は、細修正処理において、さらに、開放端電圧（以下、「基準開放端電圧」と呼ぶ）を測定してパラメータ値記憶部５１０に格納する。その後の粗修正処理では、細修正処理で設定された基準開放端電圧と修正後切片と修正後傾きとを基準として用いて、切片を修正すればよい。

なお、対応関係修正部５２０は、細修正処理を実行した後、特定の期間が経過したら、再び、起動時に細修正処理を実行することが好ましい。特定の期間としては、任意の期間を採用可能である。例えば、細修正処理を実行した後の起動回数が所定回数を超えるまでの期間や、細修正処理を実行した後の発電電力の積算値が所定の値を超えるまでの期間や、細修正処理を実行した後の経過時間が所定の値を超えるまでの期間を採用可能である。

また、対応関係修正部５２０が、細修正処理と粗修正処理とのいずれか一方のみを実行することとしてもよい。ただし、燃料電池システム９００の初めての起動時には、細修正処理を実行することが好ましい。こうすれば、パラメータ値記憶部５１０（図１）に、切片初期値と傾き初期値とを予め格納せずに済む。

なお、第２実施例においては、アノード流路システムＡＳが、本発明における「閉流路システム」に相当し、水素流量計３００が「物理量センサ」に相当する。

Ｃ．第３実施例：
図１１は、水素透過量を用いた膜劣化判定処理の手順を示すフローチャートである。この膜劣化判定処理は、電解質層１０６の劣化による不具合の可能性の有無を判定する処理である。運転部５４０（図１）は、図９に示す透過度対応関係修正処理の後に、この膜劣化判定処理を実行する。

最初のステップＳ５００では、運転部５４０は、透過度プロットの傾きの正負を逆転させた値（以下「正傾き」と呼ぶ）が所定の傾きしきい値よりも小さいか否かを判定する。通常は、傾きは負値であるので、正傾きは正値となる。正傾きが傾きしきい値よりも小さい場合、すなわち、透過度プロットの傾きが水平に近い所定の範囲内に有る場合には、劣化による不具合の可能性が有ると判定する。

図１２は、透過度対応関係を示すグラフである。図中の第１グラフＴＰ１１は、劣化の程度が小さい場合の透過度プロットを示し、第２グラフＴＰ１２は、劣化の程度が大きい場合の透過度プロットを示している。上述したように、水素透過度Ｔｒの対数は、温度Ｔの逆数に比例する傾向にある。ところで、電解質層の劣化が進むと、電解質層に穴が生じる場合が多い。電解質層に穴が生じると、水素が、アノードから電解質層の穴を介してカソードへ移動する。この際、水素は、電解質層の温度Ｔとは無関係に穴を通り抜けることが可能である。その結果、水素透過度Ｔｒの温度依存性は、電解質層の劣化の程度が小さい場合と比べて、劣化の程度が大きい場合の方が、小さくなる。すなわち、透過度プロットの正傾きは、劣化の程度が大きいほど小さくなる。従って、運転部５４０は、透過度プロットの正傾きが所定の傾きしきい値よりも小さい場合に、電解質層１０６の劣化による不具合の可能性が有ると判定できる。ここで、傾きしきい値としては、実験に基づいて予め設定された値を採用可能である。例えば、所定の一定値を採用してもよい。

運転部５４０は、不具合の可能性が有ると判定した場合には、次のステップＳ５１０で、所定の不具合対応処理を実行する。不具合対応処理としては、図７のステップＳ２６０と同様の処理を採用可能である。一方、正傾きが傾きしきい値以上である場合には、運転部５４０は、劣化による不具合の可能性が無いと判定して、膜劣化判定処理を終了する。

以上のように、第３実施例では、運転部５４０は、水素透過度Ｔｒの測定結果に基づいて修正された透過度プロットに従って、電解質層の劣化による不具合の可能性の有無を判定する。その結果、電解質層の劣化による不具合の可能性の有無の判定の精度を向上させることが可能となる。

Ｄ．第４実施例：
上述の各実施例では、アノードガス流路１０２における不純物濃度が十分に小さい、すなわち、アノード圧力と水素分圧とがほぼ等しいこととしていたが、アノードガス流路１０２内の不純物濃度が高い場合がある。例えば、燃料電池システム９００の起動直後には、アノードガス流路１０２内の空気量が多い場合がある。このような状態で、図９に示す透過度対応関係修正処理を実行する場合には、アノード圧力をそのまま用いる代わりに、水素分圧を用いることが好ましい。第４実施例では、対応関係修正部５２０は、上述の第２実施例と同様に、図９に示す手順に従って、透過度対応関係修正処理を実行する。第２実施例との差違は、対応関係修正部５２０が、アノード圧力から水素分圧を推定することによって、透過度プロットを修正する点である。

図１３は、対応関係修正部５２０が水素分圧を推定する様子を示す説明図である。図１３は、燃料電池システム９００の起動直後に１つ目の測定点（水素透過度Ｔｒ）を測定する場合を示している（図９：ステップＳ４００）。ところで、図１３の例では、燃料電池システム９００（図１）を停止させる際に、第１遮断弁４２０と第２遮断弁３３０が閉じられることとしている。また、最後の停止後、十分な時間が経過していることとしている。その結果、アノードガス流路１０２には、水素は無く、カソードガス流路１０４から電解質層１０６を透過して移動してきた空気が満ちている。

最初のステップＳ４００（図９）では、対応関係修正部５２０は、アノードガス流路１０２に水素を供給する前、すなわち、第１遮断弁４２０と第２遮断弁３３０との動作状態を閉状態から開状態に変更する前に、アノード圧力（以下「第１アノード圧力ＡＰ１」と呼ぶ）を取得する。アノードガス流路１０２には空気が満たされているので、この第１アノード圧力ＡＰ１は、空気の分圧を示すこととなる。

次に、対応関係修正部５２０は、アノードガス流路１０２に水素を供給する。その後、対応関係修正部５２０は、アノード圧力（以下「第２アノード圧力ＡＰ２」と呼ぶ）を取得する。アノードガス流路１０２には、水素が供給されているので、この第２アノード圧力ＡＰ２は、空気分圧ＡＰ１と水素分圧とを加えた値を示すこととなる。従って、対応関係修正部５２０は、第２アノード圧力ＡＰ２から第１アノード圧力ＡＰ１を差し引いた残りの圧力Ｐｈを水素分圧として採用することができる。

さらに、対応関係修正部５２０は、上述した第２実施例（図９：ステップＳ４００）と同様に、水素流量計３００の測定結果と、温度センサ１５０の測定結果とを、取得する。そして、取得した水素透過量（水素供給量）と、推定した水素分圧Ｐｈと、を用いることによって、１つ目の測定点の水素透過度Ｔｒを算出する。

その後、対応関係修正部５２０は、燃料電池スタック１００に発電を開始させ、温度Ｔが、２つ目の測定点のための所定の第２温度Ｔ２まで上昇するのを待つ。この際、対応関係修正部５２０は、アノードガス流路１０２内の不純物濃度が過剰に高くならないように、パージバルブ２５０を所定のタイミングで開閉する。

温度Ｔが所定の第２温度Ｔ２まで高くなったら、対応関係修正部５２０は２つ目の測定点の水素透過度Ｔｒを測定する。図１４は、この時点でのアノードガス流路１０２内のガスの成分と分圧とを示す説明図である。アノードガス流路１０２内には、水素と、窒素と、水蒸気と、が存在している。

水蒸気の分圧Ｐｗは、アノードガス流路１０２内における飽和水蒸気圧（相対湿度１００％の状態における水蒸気の分圧）と同じとなる。これは、カソードガス流路１０４で生じた水分が電解質層１０６を透過してアノードガス流路１０２へ移動するからである。従って、対応関係修正部５２０は、温度Ｔを用いることによって、水蒸気の分圧Ｐｗを推定することができる。

一方、窒素の分圧Ｐｎに関しては、対応関係修正部５２０は、実験に基づく推定値を採用する。上述したように、対応関係修正部５２０は、パージバルブ２５０を開閉することによって、アノードガス流路１０２内の不純物濃度、具体的には窒素量の上昇を抑えている。ここで、開閉を実行する時期と、開状態を継続する期間とは、アノードガス流路１０２内の窒素量が所定の目標値となるように予め実験に基づいて設定されている。従って、対応関係修正部５２０は、この目標となる窒素量で決まる分圧を、窒素の分圧Ｐｎとして採用する。なお、この窒素分圧Ｐｎは、パラメータ値記憶部５１０に予め格納されている。

さらに、対応関係修正部５２０は、アノード圧力（以下「第３アノード圧力ＡＰ３」と呼ぶ）を取得する。この第３アノード圧力ＡＰ３は、水素分圧と、窒素分圧Ｐｎと、水蒸気分圧Ｐｗと、の合計値を示すこととなる。従って、対応関係修正部５２０は、この第３アノード圧力ＡＰ３から、窒素分圧Ｐｎと水蒸気分圧Ｐｗとを差し引いた残りの圧力Ｐｈを水素分圧として採用することができる。

さらに、対応関係修正部５２０は、上述した第２実施例（図９：ステップＳ４００）と同様に、水素流量計３００の測定結果と、温度センサ１５０の測定結果とを、取得する。そして、取得した水素透過量（水素供給量）と、推定した水素分圧Ｐｈと、を用いることによって、２つ目の測定点の水素透過度Ｔｒを算出する。

このようにして、２つの測定点を取得したら、対応関係修正部５２０は、次のステップＳ４２０で、切片と傾きとを、取得した２つの測定点に応じて修正する。この処理は、上述の第２実施例での処理と同じである。

以上のように、第４実施例では、各測定点における水素透過度Ｔｒは、水素透過量を、アノード圧力の代わりに水素分圧Ｐｈで割ることによって算出される。従って、水素透過度Ｔｒは、水素分圧Ｐｈが小さいほど大きくなる。その結果、アノード圧力をそのまま用いる場合と比べて、水素透過量の推定の精度を向上させることが可能となる。また、アノードガス流路１０２内の窒素量が多いと推定される起動直後においても、水素透過度Ｔｒを精度良く算出できるので、透過度対応関係修正処理を実行するために起動時間が長くなることを抑制できる。

なお、第４実施例では、対応関係修正部５２０は、２つ目の水素透過度Ｔｒを測定する際に用いる窒素分圧Ｐｎとして、所定の値を用いることとしているが、さらに詳細に窒素分圧Ｐｎを推定することとしてもよい。例えば、アノードガス流路１０２内の窒素分圧Ｐｎは、パージ処理の直後には小さくなり、その後、時間の経過とともに徐々に上昇する傾向にある。そこで、パージ処理からの経過時間と窒素分圧Ｐｎとの対応関係を予めパラメータ値記憶部５１０に格納しておくこととしてもよい。こうすれば、対応関係修正部５２０は、パージ処理からの経過時間に応じて、より精度の高い窒素分圧Ｐｎの推定を行うことができる。その結果、水素分圧Ｐｈの推定の精度を高めることが可能となる。なお、経過時間と窒素分圧Ｐｎとの対応関係としては、実験に基づいて予め設定された対応関係を採用可能である。

また、起動直後のアノードガス流路１０２内におけるガスの成分と分圧とは、最後に発電運転を停止してからの経過時間に応じて大きく変化する場合がある。例えば、発電運転を停止すると、アノードガス流路１０２内の水素が電解質層１０６を透過してカソードガス流路１０４へ移動し、アノードガス流路１０２の水素分圧が時間の経過とともに低くなる場合がある。また、発電運転を停止すると、カソードガス流路１０４内の窒素が電解質層１０６を透過してアノードガス流路１０２へ移動し、アノードガス流路１０２の窒素分圧が時間の経過とともに高くなる場合がある。このような場合には、経過時間と、ガス成分と、ガス分圧と、の対応関係を予めパラメータ値記憶部５１０に格納しておくことが好ましい。ここで、対応関係修正部５２０が、最後の運転停止からの経過時間に応じて、各ガス成分の分圧を推定することとすれば、水素分圧Ｐｈの推定の精度を高めることが可能となる。例えば、最後に発電運転を停止してからの経過時間と窒素分圧Ｐｎとの対応関係を予めパラメータ値記憶部５１０に格納しておくこととしてもよい。こうすれば、対応関係修正部５２０は、最後の運転停止から起動処理を開始するまでの経過時間に応じて、起動直後（起動処理の開始時点）での窒素分圧Ｐｎの推定を行うことができる。その結果、１つ目の測定点のための水素分圧Ｐｈの推定の精度を高めることが可能となる。なお、このような対応関係は、起動処理の開始時点での推定に限らず、最後の運転停止から最初のパージ処理までの期間における水素分圧Ｐｈ（窒素分圧Ｐｎ）の推定に利用可能である。また、このような対応関係としては、実験に基づいて予め設定された対応関係を採用可能である。

このように、予めパラメータ値記憶部５１０に水素分圧に関連する情報である分圧情報を格納しておけば、対応関係修正部５２０は、この分圧情報を用いて容易に水素分圧Ｐｈを推定することができる。分圧情報としては、水素と水素以外の成分との少なくとも一方の分圧と、燃料電池スタック１００の運転履歴情報とを、対応付ける情報を用いることができる。運転履歴情報としては、最後の停止時からの経過時間や、最後のパージ処理からの経過時間に限らず、アノード圧力の経時変化や、発電電力の経時変化等の種々の情報を採用可能である。いずれの場合も、分圧情報としては、対応関係修正部５２０が、アノード圧力と実際の運転履歴と分圧情報とを用いて水素分圧を推定可能となるような任意の情報を採用可能である。なお、このような分圧情報は、予め、実験に基づいて設定すればよい。

なお、水素分圧Ｐｈの推定方法としては、上述した方法に限らず、他の種々の方法を採用可能である。例えば、燃料電池システム９００に、アノードガス流路１０２における水素濃度を測定する水素濃度センサを設けることができる。対応関係修正部５２０は、水素濃度センサの測定値と、アノード圧力センサ２３０の測定値（全圧）とから、水素分圧を推定することができる。なお、水素濃度センサが測定する水素濃度は、アノードガス流路１０２における水素濃度を反映した濃度であればよい。例えば、水素濃度センサが、アノードガス流路１０２内のガスの水素濃度を直接測定してもよく、また、循環流路２２０内のガスの水素濃度を測定してもよく、供給路２１０内のガスの水素濃度を測定してもよい。すなわち、水素濃度センサを、アノードガス流路１０２に限らず、循環流路２２０や供給路２１０に設けることができる。

Ｅ．第５実施例：
上述の第４実施例では、対応関係修正部５２０が、透過度対応関係修正処理において水素分圧の推定値を用いていたが、推定実行部５３０が、水素透過量推定処理において水素分圧の推定値を用いてもよい。具体的には、推定実行部５３０は、図８のステップＳ３１０において、ステップＳ３００で取得したアノード圧力（現行アノード圧力）から水素分圧（現行水素分圧）を推定することによって、水素透過量（現行水素透過量）を推定する。具体的には、透過度プロットから得られる水素透過度Ｔｒに、現行水素分圧を乗じることによって、現行水素透過量を推定する。従って、現行水素透過量の推定値は、現行水素分圧が小さいほど小さくなる。その結果、アノード圧力をそのまま用いる場合と比べて、現行の水素透過量の推定の精度を向上させることが可能となる。なお、第５実施例では、透過度プロットが、水素分圧に基づいて設定されていることが好ましい。すなわち、対応関係修正部５２０が、水素分圧を用いて透過度対応関係を修正していることが好ましい。

なお、現行の水素分圧を推定する方法としては、第４実施例における水素分圧を推定する方法と同様の方法を採用可能である。例えば、推定実行部５３０が、水素濃度センサの現行の測定値とアノード圧力センサ２３０の現行の測定値とから現行の水素分圧を推定することとしてもよい。また、発電運転中には、運転部５４０が、アノードガス流路１０２内の窒素量が所定の目標値となるように、適宜、パージバルブ２５０を開閉する場合がある。この場合には、推定実行部５３０は、この目標となる窒素量で決まる分圧を窒素分圧として推定可能である。さらに、推定実行部５３０は、アノード圧力センサ２３０の現行の測定値（全圧）から、窒素分圧の推定値と、水蒸気の分圧（飽和水蒸気圧）と、を差し引いた残りを、現行の水素分圧として推定できる。また、パージ処理からの経過時間と窒素分圧との対応関係を予めパラメータ値記憶部５１０に格納しておいてもよい。こうすれば、推定実行部５３０は、パージ処理からの経過時間に応じて、より精度の高い窒素分圧の推定を行うことができる。その結果、現行の水素分圧の推定の精度を高めることが可能となる。

また、透過度対応関係を修正する時点では（図９）水素分圧が低いが、起動処理が完了した後の発電運転中には、水素分圧がアノード圧力センサ２３０の測定値（全圧）と同程度まで高められる場合がある。このような場合には、対応関係修正部５２０は、水素分圧を用いて透過度対応関係（図９、図１０）を修正し、推定実行部５３０は、水素分圧を用いずにアノード圧力をそのまま用いて現行の水素透過量を推定することとしてもよい。

Ｆ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

変形例１：
上述の第１実施例において、電解質層１０６の温度変化に伴って開放端電圧が変化する場合がある。このような場合には、対応関係修正部５２０は、開放端電圧差分ＤＯＣＶを算出する際に（図５：ステップＳ１１０）、測定した開放端電圧と基準となる開放端電圧（例えば、開放端電圧初期値ＩＯＣＶ）との少なくとも一方を修正することによって、各開放端電圧に対応付けられた温度を一致させることが好ましい。ここで、「ある開放端電圧に対応付けられた温度」とは、その温度で電圧を測定すればその開放端電圧が得られると推定される温度を意味している。ここで、パラメータ値記憶部５１０が、温度の変化量と開放端電圧の変化量との関係を表すＴＯＣＶ対応関係を、予め格納しておくことが好ましい。こうすれば、対応関係修正部５２０は、容易に開放端電圧を修正できる。なお、このようなＴＯＣＶ対応関係は、予め実験に基づいて設定可能である。この代わりに、対応関係修正部５２０が、開放端電圧を取得する際に（図５：ステップＳ１００）、発電量や冷却水量（図示せず）を調整することによって、スタック１００の温度を所定の基準温度に調整することとしてもよい。

変形例２：
上述の第２実施例では、対応関係修正部５２０は、水素流量計３００を用いて水素透過量を測定していたが、水素透過量が小さいと、発電で消費される水素量を測定する水素流量計３００では精度よく水素透過量を測定できない場合がある。このような場合には、燃料電池システム９００に、別途、測定レンジの小さい水素透過量測定用の流量計を設けることとしてもよい。

また、水素透過量の推定に先立って測定される物理量としては、水素流量に限らず、遮断状態にある閉流路システム（例えば、対象流路システムＳＳ（図１））におけるガスの減少量に相関のある種々の物理量を採用可能である。例えば、対応関係修正部５２０が、水素流量の代わりに圧力変動から水素透過量を推定することとしてもよい。例えば、対応関係修正部５２０が、パージバルブ２５０と第２遮断弁３３０とを閉じ、さらに、スイッチ６３０に電力ライン６００を遮断させる。そして、対応関係修正部５２０は、一定時間内におけるアノード圧力（アノード圧力センサ２３０の測定結果）の低下量を用いることによって、ガスの減少量、すなわち、水素透過量を算出することができる。なお、この場合には、アノード流路システムＡＳから第２遮断弁３３０の上流側を除いた残りの流路の全体が、本発明における「閉流路システム」に相当する。また、アノード圧力センサ２３０が「物理量センサ」に相当する。

なお、ガス減少量に相関のある物理量の測定は、閉流路システムに水素を含む燃料ガスを供給した状態で実行することが好ましい。こうすれば、電解質層１０６を透過するガスにおける水素以外の他の成分（例えば、窒素）の割合を小さくすることができるので、物理量からの水素透過量の算出の精度が低下することを抑制できる。例えば、圧力変動から水素透過量を算出する場合には、燃料ガスの供給の後に、圧力変動を測定すればよい。なお、閉流路システムに水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給部としては、図１に示すような水素タンク４００と遮断弁（例えば、第１遮断弁４２０や第２遮断弁３３０）とを用いたものに限らず、種々の装置を採用可能である。例えば、改質器を用いた供給装置を採用してもよい。

変形例３：
上述の第３実施例では、運転部５４０は、透過度プロットの傾きを用いて膜劣化判定処理を実行しているが、膜劣化判定処理としては、他の種々の処理を採用可能である。一般には、互いに異なる複数の動作温度のそれぞれにおける水素透過量の推定値を用いることによって、動作温度の上昇量に対する、推定された水素透過量の増加量の割合を算出し、この割合が所定のしきい値以下である場合に、電解質層の劣化による不具合の可能性が有ると判定することができる。ここで、運転部５４０は、電解質層１０６の劣化による不具合の可能性の有無を、水素透過量の推定値を用いて判定する膜劣化判定部として機能することとなる。この際、図９に示す第２実施例のように、互いに異なる複数の動作温度のそれぞれにおける水素透過度Ｔｒの測定結果に応じて水素透過量を推定することが好ましい。

変形例４：
上述の各実施例において、温度センサ１５０が測定する温度は、電解質層１０６の温度を反映した温度であればよい。例えば、スタック１００の内部の温度を直接測定する代わりに、スタック１００から排出されるガスの温度を測定してもよく、燃料電池スタック１００から排出される冷却水（図示せず）の温度を測定してもよい。また、対応関係修正部５２０と推定実行部５３０とが、温度センサ１５０の測定値に応じて電解質層１０６の温度を推定し、この推定値を上述の各処理で利用することとしてもよい。測定値と推定値との関係は、予め実験に基づいて定めておけばよい。

同様に、アノード圧力センサ２３０が測定する圧力は、アノードガス流路１０２内の圧力を反映した圧力であればよい。例えば、循環流路２２０の圧力を測定する代わりに、アノードガス流路１０２内の圧力を直接測定してもよく、供給路２１０の圧力を測定してもよい。また、対応関係修正部５２０と推定実行部５３０が、アノード圧力センサ２３０の測定値に応じてアノードガス流路１０２内の圧力を推定し、この推定値を上述の各処理で利用することとしてもよい。測定値と推定値との関係は、予め実験に基づいて定めておけばよい。

変形例５：
図１３、図１４に示す第４実施例において、対応関係修正部５２０は、水素分圧を推定する際に、窒素や水蒸気に限らず、不純物の他の種々の成分（例えば、酸素）の分圧を用いることが可能である。ただし、不純物の成分の中の最も量の多い成分（通常は窒素）を少なくとも含む不純物の分圧を用いることが好ましい。以上、対応関係修正部５２０が水素分圧を推定する場合について説明したが、推定実行部５３０が現行の水素分圧を推定する場合についても同様である。

変形例６：
複数の動作温度でのガス減少量（水素透過量）に関する測定値（図９、ステップＳ４００）を用いて、現行の水素透過量を推定する方法としては、これらの複数の測定値（測定点）を近似する近似直線（透過度プロット）を用いる方法に限らず、種々の方法を採用可能である。例えば、複数の測定点を補間することによって、現行の水素透過量を推定する方法を採用可能である。また、複数の測定点を近似する近似曲線（例えば、３次関数）を用いる方法を採用してもよい。ただし、図９、図１０に示す第２実施例のように、互いに異なる２つの動作温度で、ガス減少量に関する測定を実行し、これら２つの測定点を直線で近似することが好ましい。こうすれば、ガス減少量に関する測定に過剰な時間を要することを防止しつつ、現行水素透過量の推定精度の向上を図ることができる。

変形例７：
上述の各実施例では、現行の動作温度と現行のアノード圧力と現行の水素透過量とを関連付ける方法として、透過度プロットを用いる方法を採用しているが、他の種々の方法を採用可能である。例えば、現行の動作温度と現行のアノード圧力と現行の水素透過量との対応関係を表すマップ（テーブル）を用いる方法を採用してもよい。この場合も、第１実施例と同様に、対応関係修正部５２０が、開放端電圧が低いほど現行の水素透過量の推定値が大きくなるようにマップを修正することが好ましい。また、第２実施例と同様に、対応関係修正部５２０が、ガス減少量（水素透過量）に関する測定結果に基づいて、ガス減少量が多いほど現行の水素透過量の推定値が大きくなるようにマップを修正することが好ましい。いずれの場合も、マップを修正する方法としては、上述した近似直線や近似曲線、補間値を用いてマップを修正する方法を採用可能である。また、第３実施例と同様に、対応関係修正部５２０は、マップに基づいて、動作温度の上昇量に対する水素透過量の増加量の割合を算出し、この割合が所定のしきい値以下である場合に、電解質層の劣化による不具合の可能性が有ると判定することが好ましい。また、第４、第５実施例と同様に、水素分圧を用いることによってマップを利用することが好ましい。

変形例８：
上記各実施例において、アノード側のガスの流路の構成としては、図１に示す構成に限らず、任意の構成を採用可能である。同様に、閉流路システムとしても、図１に示すアノード流路システムＡＳの構成に限らず、アノードガス流路１０２と外部とに連通するとともに外部との連通を遮断可能な任意の構成を採用可能である。例えば、アノードガス流路１０２からの排ガスが、循環せずに外部に排出される構成を採用してもよい。

変形例９：
上記各実施例において、燃料電池スタック１００としては、固体高分子電解質型燃料電池に限らず、固体酸化物電解質型や、リン酸電解質型や、アルカリ水溶液電解質型や、溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を採用可能である。ただし、固体高分子電解質型燃料電池を採用すれば、適切に、水素透過量の推定の精度を向上させることが可能となる。

本発明の一実施例としての燃料電池システム９００の構成を示すブロック図。 温度Ｔと水素透過度Ｔｒとの関係を示すグラフ。 燃料電池スタック１００の電流密度／電圧特性を示すグラフ。 切片差分Ｄｉと開放端電圧差分ＤＯＣＶとの関係の一例を示すグラフ。 透過度対応関係修正処理の手順の一例を示すフローチャート。 透過度プロットを示すグラフ。 運転部５４０が実行する水素漏れ検知処理の手順を示すフローチャート。 水素透過量推定処理の手順を示すフローチャート。 透過度対応関係修正処理の別の例の手順を示すフローチャート。 透過度プロットを示すグラフ。 水素透過量を用いた膜劣化判定処理の手順を示すフローチャート。 透過度対応関係を示すグラフ。 対応関係修正部５２０が水素分圧を推定する様子を示す説明図。 アノードガス流路１０２内のガスの成分と分圧とを示す説明図。

符号の説明

１００...燃料電池スタック
１０２...アノードガス流路
１０４...カソードガス流路
１０６...電解質層
１５０...温度センサ
２００...イジェクタ
２１０...供給路
２２０...循環流路
２３０...アノード圧力センサ
２４０...パージ流路
２５０...パージバルブ
３００...水素流量計
３１０...第２流路
３２０...第２圧力センサ
３３０...第２遮断弁
３４０...第２調圧弁
３５０...第３圧力センサ
４００...水素タンク
４１０...第１流路
４２０...第１遮断弁
４３０...第１圧力センサ
４４０...第１調圧弁
５００...制御部
５１０...パラメータ値記憶部
５２０...対応関係修正部
５３０...推定実行部
５４０...運転部
６００...電力ライン
６１０...電圧センサ
６２０...電流センサ
６３０...スイッチ
９００...燃料電池システム

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   電解質層と、前記電解質層を挟むように配置されたアノード反応ガス流路とカソード反応ガス流路と、を有する燃料電池と、
   前記電解質層の温度を反映する温度である動作温度を測定する温度センサと、
   前記燃料電池の開放端電圧を測定可能な電圧センサと、
   前記動作温度と前記開放端電圧とを用いて、前記アノード反応ガス流路から前記電解質層を介して前記カソード反応ガス流路へ透過する未反応水素の透過量を推定する透過量推定処理を実行するための透過量推定部と、
   を備え、
   前記透過量推定部は、前記動作温度が同じ場合の水素透過量の推定値が、前記開放端電圧が低いほど大きくなるように、前記水素透過量の推定値の対数を、前記動作温度の逆数の一次関数で表す透過量対応関係を決定し、さらに、前記一次関数の切片を、前記開放端電圧が低いほど大きくなるように決定するとともに、前記透過量対応関係に従って前記透過量推定処理を実行する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記アノード反応ガス流路内の圧力を反映する圧力であるアノード圧力を測定する圧力センサと、
   前記アノード反応ガス流路と外部とに連通するとともに前記外部との連通を遮断可能な閉流路システムと、を備え、
   前記閉流路システムは、
   前記外部と遮断した状態における前記閉流路システム内のガスの減少量に相関のある物理量を測定する物理量センサを有し、
   前記透過量推定部は、前記透過量推定処理に先立って、前記遮断状態における前記アノード圧力と前記動作温度と前記物理量とを測定する透過量測定処理を、互いに異なる複数の動作温度設定で実行するとともに、前記透過量測定処理により得られた前記アノード圧力と前記動作温度と前記物理量とを用いて前記透過量対応関係を修正し、
   前記透過量推定部は、前記透過量推定処理において、現行の動作温度と現行のアノード圧力との測定を実行するとともに、修正後の前記透過量対応関係と、測定された前記現行の動作温度と、前記現行のアノード圧力と、を用いて前記水素透過量の推定を行う、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記透過量推定部は、前記水素透過量の推定値を、前記アノード圧力と前記アノード圧力に応じて決定された水素分圧とのいずれかで割った値の対数を、前記動作温度の逆数の一次関数で表す近似直線を用いて、前記複数の透過量測定処理の測定結果を近似し、さらに、前記近似直線と、前記現行の動作温度と、前記現行のアノード圧力と、を用いて前記水素透過量の推定を行う、
   燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記透過量推定部は、
   前記透過量測定処理を、互いに異なる複数の動作温度設定で実行するとともに、前記透過量測定処理で測定した前記アノード圧力から水素分圧を推定し、推定された前記水素分圧と、前記透過量測定処理により得られた前記動作温度と前記物理量とを用いて前記透過量対応関係を修正し、
   前記透過量推定処理において、現行の動作温度と現行のアノード圧力との測定を実行するとともに、修正後の前記透過量対応関係と、測定された前記現行の動作温度と、前記現行のアノード圧力と、を用いて前記水素透過量の推定を行う、
   燃料電池システム。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記透過量推定部は、
   前記透過量推定処理において、現行の動作温度と現行のアノード圧力との測定を実行するとともに、前記現行のアノード圧力から現行の水素分圧を推定し、さらに、修正後の前記透過量対応関係と、測定された前記現行の動作温度と、推定された前記現行の水素分圧と、を用いて前記水素透過量の推定を行う、
   燃料電池システム。
6. 電解質層と、前記電解質層を挟むように配置されたアノード反応ガス流路とカソード反応ガス流路と、を有する燃料電池における、前記アノード反応ガス流路から前記電解質層を介して前記カソード反応ガス流路へ透過する未反応水素の透過量を推定する方法であって、
   （Ａ）前記電解質層の温度を反映する温度である動作温度を測定する工程と、
   （Ｂ）前記燃料電池の開放端電圧を測定する工程と、
   （Ｃ）前記動作温度が同じ場合の水素透過量の推定値が、前記開放端電圧が低いほど大きくなるように、前記水素透過量の推定値の対数を、前記動作温度の逆数の一次関数で表す透過量対応関係を決定し、さらに、前記一次関数の切片を、前記開放端電圧が低いほど大きくなるように決定するとともに、前記透過量対応関係に従って前記未反応水素の透過量を推定する透過量推定処理を実行する工程と、
   を備える、推定方法。
7. 電解質層と、前記電解質層を挟むように配置されたアノード反応ガス流路とカソード反応ガス流路と、を有する燃料電池システムにおける、前記アノード反応ガス流路から前記電解質層を介して前記カソード反応ガス流路へ透過する未反応水素の透過量を推定する処理を、コンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
   前記燃料電池システムは、さらに、
   前記電解質層の温度を反映する温度である動作温度を測定する温度センサと、
   前記燃料電池の開放端電圧を測定可能な電圧センサと、
   を備え、
   前記コンピュータプログラムは、
   （Ａ）コンピュータに、前記動作温度を取得させる機能と、
   （Ｂ）コンピュータに、前記開放端電圧を取得させる機能と、
   （Ｃ）コンピュータに、前記動作温度が同じ場合の水素透過量の推定値が、前記開放端電圧が低いほど大きくなるように、前記水素透過量の推定値の対数を、前記動作温度の逆数の一次関数で表す透過量対応関係を決定し、さらに、前記一次関数の切片を、前記開放端電圧が低いほど大きくなるように決定するとともに、前記透過量対応関係に従って前記未反応水素の透過量を推定する透過量推定処理を実行させる機能と、
   を実現させる、コンピュータプログラム。

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