JP5103719B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は燃料電池システムに係り、特に、車両への搭載に適した燃料電池システムに関する。
従来、例えば特開２００４−１２７５４８号公報に開示されるように、オフガス中の不純物イオン濃度に基づいて異常判定を行う機能を有する燃料電池システムが知られている。燃料電池は、通常、アノード側にH2ガスの供給をうけ、また、カソード側に空気の供給を受けることにより水を生成しながら電気を生成する。
燃料電池のアノード側からは、余剰のH2ガスと、生成された水とを含むオフガスが排出される。一方、カソード側からは、余剰の空気と、生成された水とを含むオフガスが排出される。オフガス中には、所定濃度以上で燃料電池の性能低下の原因となる種々の不純物イオンが溶出する。このため、オフガス中の不純物イオン濃度を検出し所定濃度以下となるように制御すれば、燃料電池の性能低下を抑制することができる。上記従来技術の燃料電池システムは、このような原理を利用して、燃料電池の性能低下を抑制している。
特開２００４−１２７５４８号公報
ところで、燃料電池のオフガス通路には、燃料電池の停止中にはオフガスも水も排出されない。このため、燃料電池の停止中は、オフガス通路内の水分が蒸発し、オフガス通路内の不純物イオン濃度が大きく上昇することがある。また、燃料電池の作動中に生成される水の量は、燃料電池の発電量に応じて増減する。そして、燃料電池からの溶出不純物量が同じであっても、生成される水の量が異なれば、その水分中の不純物イオン濃度は異なったものとなる。
燃料電池のオン・オフ状態や運転状態は、使用者の要求に応じて変化する。特に、車両に搭載される燃料電池に関しては、それらの状態は、運転者の要求に応じて極めて頻繁に、かつ、大きく変化する。燃料電池のオン・オフ状態や運転状態がこのように変化する条件下では、オフガスに含まれる水分中の不純物濃度は、燃料電池からの溶出不純物量に対して正しい相関を示さない。
上記従来の燃料電池システムは、燃料電池の状態を考慮することなくオフガス中の不純物イオン濃度を計測する。このため、このシステムによっては、燃料電池からの溶出不純物量を必ずしも正確に検知することができなかった。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池からの溶出不純物量に対して正しい相関を示す不純物イオン濃度を検知することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
ガスの供給を受けることにより水を生成しながら電気を生成する燃料電池と、
前記燃料電池に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記燃料電池によって生成された水と前記ガスの余剰分とを含むオフガスを前記燃料電池から排出させるためのオフガス通路と、
前記オフガス通路中を流れる凝縮水を一時的に滞留させるための凝縮水滞留部と、
前記凝縮水滞留部の中で、前記凝縮水の不純物濃度を計測する不純物濃度センサと、
前記オフガス通路内に安定水流が生ずる安定水流条件の成立を判定する安定水流条件判定手段と、
前記安定水流条件の成立時に、前記不純物濃度を有効値と認識する計測結果取り込み手段と、
前記燃料電池の始動後に、前記燃料電池から排出されたオフガス量の積算値を算出するオフガス量積算値算出手段を備え、
前記安定水流条件判定手段は、前記オフガス量の積算値が判定値を超える場合に前記安定水流条件の成立を判定する判定手段を含むことを特徴とする。
また、第２の発明は、燃料電池システムであって、
ガスの供給を受けることにより水を生成しながら電気を生成する燃料電池と、
前記燃料電池に前記ガスを供給するガス供給機構と、
前記燃料電池によって生成された水と前記ガスの余剰分とを含むオフガスを前記燃料電池から排出させるためのオフガス通路と、
前記オフガス通路中を流れる凝縮水を一時的に滞留させるための凝縮水滞留部と、
前記凝縮水滞留部の中で、前記凝縮水の不純物濃度を計測する不純物濃度センサと、
前記燃料電池から前記凝縮水滞留部にわたって、前記オフガス経路の洗浄が終了したか否かを、前記燃料電池の起動毎に判断する洗浄終了判定手段と、
前記燃料電池の起動後、前記洗浄の終了が判断された後に、前記不純物濃度を有効値と認識する計測結果取り込み手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記燃料電池の起動後に生成された電流の積算値を算出する電流積算手段を備え、
前記洗浄終了判定手段は、前記電流の積算値が判定値を超える場合に前記洗浄の終了を判定する判定手段を含むことを特徴とする。
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記オフガス経路内に安定水流が生ずる安定水流条件の成立を判定する安定水流条件判定手段を備え、
前記計測結果取り込み手段は、前記洗浄の終了後、かつ、前記安定水流条件の成立時に、前記不純物濃度を有効値と認識することを特徴とする。
また、第５の発明は、第１または第４の発明において、
前記燃料電池の温度を計測するFC温度計測手段を備え、
前記安定水流条件判定手段は、前記燃料電池の温度が判定温度を超える場合に前記安定水流条件の成立を判定する判定手段を含むことを特徴とする。
また、第６の発明は、第１、第４および第５の発明の何れかにおいて、
前記凝縮水滞留部の内部または近傍で前記凝縮水の温度を計測する凝縮水温度計測手段を備え、
前記安定水流条件判定手段は、計測された凝縮水の温度が判定温度を超える場合に前記安定水流条件の成立を判定する判定手段を含むことを特徴とする。
また、第７の発明は、第１および第４乃至第６の発明の何れかにおいて、
前記凝縮水滞留部に流入する単位時間当たりの凝縮水量を算出する流入凝縮水量算出手段を備え、
前記安定水流条件判定手段は、算出された凝縮水量が判定量を超える場合に前記安定水流条件の成立を判定する判定手段を含むことを特徴とする。
また、第８の発明は、第７の発明において、
前記燃料電池から排出されるオフガス量を検出するオフガス量検出手段と、
前記燃料電池の温度を計測するFC温度計測手段と、
前記燃料電池の近傍における前記オフガス通路の内圧を第１内圧として計測する第１内圧計測手段と、
前記オフガス量と、前記燃料電池の温度と、前記第１内圧とに基づいて、燃料電池からオフガス通路への排出水総量を算出する排出水総量算出手段と、
前記凝縮水滞留部の内部または近傍で前記凝縮水の温度を計測する凝縮水温度計測手段と、
前記凝縮水滞留部の内部または近傍における前記オフガス経路の内圧を第２内圧として計測する第２内圧計測手段と、
前記オフガス量と、前記凝縮水の温度と、前記第２内圧とに基づいて、前記凝縮水滞留部をガス状態のまま通過する水蒸気量を算出する通過水蒸気量算出手段とを備え、
前記凝縮水量算出手段は、前記排出水総量から前記水蒸気量を減じることにより、前記凝縮水量を算出する算出手段を含むことを特徴とする。
また、第９の発明は、第８の発明において、
前記燃料電池に対するガス供給量を検出するガス供給量検出手段と、
前記燃料電池の電流を検出する電流検出手段とを備え、
前記オフガス量検出手段は、前記ガス供給量と、前記電流とに基づいて前記オフガス量を算出する算出手段を含むことを特徴とする。
また、第１０の発明は、第１乃至第９の発明の何れかにおいて、前記不純物濃度センサは、前記凝縮水滞留部に設けられた導電率センサであることを特徴とする。
また、第１１の発明は、第１乃至第１０の発明の何れかにおいて、
前記凝縮水滞留部に流入する単位時間当たりの凝縮水量を算出する流入凝縮水量算出手段を備え、
前記計測結果取り込み手段は、算出された凝縮水量が高負荷判定量を超える場合に、前記不純物濃度が有効値と認識されるのを禁止する禁止手段を含むことを特徴とする。
また、第１２の発明は、第１乃至第１１の発明の何れかにおいて、
前記計測結果取り込み手段により有効値と認識された不純物濃度が、異常判定濃度を超える場合に前記燃料電池の異常を判定する異常判定手段と、
前記凝縮水滞留部に流入する単位時間当たりの凝縮水量を算出する流入凝縮水量算出手段と、
前記凝縮水量に基づいて前記異常判定濃度を設定する異常判定濃度設定手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第１３の発明は、第１乃至第１２の発明の何れかにおいて、
前記計測結果取り込み手段により有効値と認識された不純物濃度が、異常判定濃度を超える場合に前記燃料電池の異常を判定する異常判定手段と、
前記燃料電池の異常が判定された場合に、前記オフガス中の液体水分を増量させる液体水分増量手段と、
を備えることを特徴とする。
また、第１４の発明は、第１３の発明において、前記液体水分増量手段は、前記燃料電池から排出されるオフガスを冷却するオフガス冷却手段を含むことを特徴とする。
また、第１５の発明は、第１３または第１４の発明において、
前記ガス供給機構は、前記燃料電池のカソード側に空気を供給する空気供給通路と、前記空気供給通路の中を流れる空気を加湿する加湿ユニットとを備え、
前記液体水分増量手段は、前記加湿ユニットの上流側で前記空気供給通路の中を流れる空気を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする。
また、第１６の発明は、第１乃至第１５の発明の何れかにおいて、前記燃料電池の停止中に、前記オフガス経路に水を流通させる洗浄機構を備えることを特徴とする。
第１の発明によれば、オフガス通路中に安定水流が生じている場合に限り、不純物濃度の計測値が有効値と認識される。不純物濃度センサは、オフガス通路内に安定水流が生じている場合は、滞留不純物の濃度に影響されることなく、燃料電池から排出されてきたオフガス中の不純物イオン濃度を正しく計測する。このため、本発明によれば、燃料電池からの溶出不純物量を正しく表す不純物イオン濃度を検知することができる。
また、この発明によれば、燃料電池の始動後に、燃料電池から排出されたオフガス量の積算値が判定値を超えた段階で安定水流の発生が判定される。オフガスが、積算値を超える程度の流通する段階では、オフガス通路等の壁面に適当な濡れが形成され、安定水流が生じ得る環境が作り出される。このため、本発明によれば、安定水流の発生を精度良く判定することができる。
第２の発明によれば、オフガス通路の洗浄が終了した後に限り、不純物濃度の計測値が有効値と認識される。オフガス通路の洗浄が終了した後であれば、不純物濃度センサは、滞留不純物の濃度に影響されることなく、燃料電池から排出されてきたオフガス中の不純物イオン濃度を正しく計測する。このため、本発明によれば、燃料電池からの溶出不純物量を正しく表す不純物イオン濃度を検知することができる。
第３の発明によれば、燃料電池の起動後に生成された電流の積算値が判定値を超える場合に洗浄の終了が判定される。燃料電池で生成される水の量は、生成された電流の量に比例する。このため、上記の判定によれば、燃料電池からオフガス通路に排出された水の量が一定値に達した段階で、洗浄の完了を適正に判定することができる。
第４の発明によれば、オフガス通路の洗浄が終了しており、かつ、オフガス通路中に安定水流が生じている場合に限り、不純物濃度の計測値が有効値と認識される。不純物濃度センサは、このような状況下では、燃料電池から排出されてきたオフガス中の不純物イオン濃度を極めて正確に計測する。このため、本発明によれば、燃料電池からの溶出不純物量を正しく表す不純物イオン濃度を精度良く検知することができる。
第５の発明によれば、燃料電池の温度が判定温度を超えた段階で、オフガス通路内に安定水流が生じていると判断される。燃料電池は、温度の上昇に伴って発電効率を高め、その結果、単位時間当たりの水の生成量を増大させる。本発明によれば、その生成量が一定値に達した時点で、安定水流の発生を適正に判定することができる。
第６の発明によれば、不純物濃度センサが配置されている凝縮水滞留部の内部または近傍で、凝縮水の温度が判定温度を超えた段階で安定水流が生じていると判断される。凝縮水滞留部における水の温度は、燃料電池の温度と相関を有している。このため、本発明によれば、燃料電池が十分な量の水を生成する状態になった時点で、安定水流の発生を適正に判定することができる。
第７の発明によれば、凝縮水滞留部に流入する凝縮水量が判定量を超えた段階で安定水流が生じていると判断される。不純物濃度センサは、凝縮水滞留部の内部で、凝縮水中の不純物イオン濃度を計測する。このため、そこに流れ込む凝縮水量が判定量を超えているか否かは、不純物濃度センサの周辺に安定水流が生じているか否かと最も密接に関連している。本発明によれば、その判定に従って安定水流の有無が判断されるため、その判断を正確に行うことができる。
第８の発明によれば、燃料電池から排出されるオフガス量と、燃料電池の温度と、燃料電池の近傍における第１内圧とが計測される。燃料電池からオフガス経路に排出される水の総量は、排気ガス中にほぼ飽和の状態で存在する水蒸気と、排気ガス中に気体として存在できずに液体として排出される水との和に等しい。そして、その総量は、排気ガス中にほぼ飽和の状態で存在する水蒸気の量と相関を有している。本発明においては、これらの背景を前提として予め定めた規則に従って、オフガス量、燃料電池温度、および第１内圧に基づいて、燃料電池から排出される水の総量を精度良く算出することができる。更に、本発明によれば、同様の原理により、凝縮水滞留部から排出される水の総量が、凝縮水滞留部の内部または近傍における温度と、その内部または近傍における第２内圧と、オフガス量とに基づいて精度良く算出される。そして、燃料電池から排出される水の総量から、凝縮水滞留部から排出される水の総量を減ずることにより、凝縮水滞留部に流入する水の量が精度良く算出できる。
第９の発明によれば、燃料電池に対するガス供給量と共に、燃料電池の電流量とが検出される。燃料電池から排出されるオフガス量は、ガス供給量から、燃料電池において消費されるガス量を減じた量となる。そして、燃料電池において消費されるガス量は、電流量と相関を有している。このため、本発明によれば、ガス供給量と電流量とを基礎として、オフガス量を精度良く算出することができる。
第１０の発明によれば、凝縮水滞留部に設けた導電率センサにより、凝縮水中の不純物イオン濃度を精度良く計測することができる。
第１１の発明によれば、凝縮水滞留部に流入する凝縮水量が高負荷判定量を超える場合には、計測された不純物濃度が有効値と認識されるのを禁止することができる。凝縮水滞留部に流入する凝縮水量は、燃料電池の負荷が高まるほど多量となる。そして、不純物濃度センサの周囲を流れる水の量が多量になるに連れて、燃料電池の状態と凝縮水中の不純物イオン濃度との関係に変化が生ずる。本発明によれば、その関係が通常の関係でない場合に、燃料電池の状態を表す特性値として不純物イオン濃度が取り込まれるのを確実に防止することができる。
第１２の発明によれば、凝縮水滞留部に流入する単位時間当たりの凝縮水量に基づいて異常判定濃度を設定し、その異常判定濃度に基づいて燃料電池の異常を判定することができる。このため、本発明によれば、不純物濃度センサの周囲を流れる凝縮水量の多少に影響されることなく、燃料電池の異常の有無を正確に判定することができる。
第１３の発明によれば、異常判定濃度を超える不純物濃度が計測され、その結果燃料電池の異常が判定された場合に、オフガス中の液体水分を増量させることができる。オフガス中の液体水分量が増えれば、排出される凝縮水中の不純物濃度が低下する。このため、本発明によれば、燃料電池の異常時においても、排出水中の不純物濃度が不当に高くなるのを防ぐことができる。
第１４の発明によれば、燃料電池から排出されるオフガスを冷却することにより、オフガス中の水蒸気の凝縮を促し、その結果として、オフガス中の液体水分を増量させることができる。
第１５の発明によれば、燃料電池のカソード側に供給される空気を加湿ユニットにより加湿することができる。更に、この発明によれば、加湿ユニットの上流側で空気を加熱することができる。加湿ユニットは、その中を流れる空気が高温であるほど、多くの水分を空気中に加えることができる。このようにしてカソード側に多くの水分を供給すれば、カソード側から排出されるオフガス中の液体水分量を増量することができる。
第１６の発明によれば、燃料電池の停止中に、オフガス通路の洗浄を行うことができる。このため、本発明によれば、燃料電池の起動後に、残留イオンの影響を大きく受けることなく、燃料電池から排出されてくるオフガス中の不純物濃度そのものを、精度良く検出することができる。
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、積層された複数のセル１２を備えていると共に、その両端に、出力取出し用集電板１４と出力取出し用集電板１６を備えている。
出力取出し用集電板１４および出力取出し用集電板１６には、それぞれ、燃料電池１０により生成された電力を取り出すための導電線１８が接続されている。導電線１８には、燃料電池１０から流出する電流を計測するための電流計２０が備わっている。
図２は、燃料電池１０のセル１２の断面を拡大して表した図である。図２に示すように、複数のセル１２は、境界層２２を介して積層されている。境界層２２には、水素通路２４と、空気通路２６と、冷却水通路２８とが形成されている。それらの通路は、導電材料により形成された分離壁３０により互いに分離されている。
水素通路２４は、個々のセル１２のアノード側に水素を供給するための通路である。空気通路２６は、個々のセル１２のカソード側に空気を供給するための通路である。また、冷却水通路２８は、その内部に冷却水を流通させるための通路であり、分離壁３０により個々のセル１２から隔離されている。
個々のセル１２は、電解質層３２を有している。電解質層３２の両側には、それぞれアノード側電極層３４、およびカソード側電極層３６が設けられている。アノード側電極層３４の表面は拡散層３８で覆われている。同様に、カソード側電極層３６の表面も拡散層４０で覆われている。
拡散層３８，４０は、多孔質性の導電物質であり、ガスの流通を許容すると共に電荷の移動を許容する。水素通路２４の内部を流通する水素H2は、拡散層３８を介してアノード側電極層３４に到達する。その結果、アノード側電極層３４では、以下の反応により水素イオンH+と電子e-とが生成される。
H2→2H+＋2e- ・・・（１）
上記の反応により生成された電子e-は、拡散層３８を通って分離壁３０に到達し、そこから隣接するセル１２のカソード側に伝搬される。一方、電子e-と共に生成された水素イオンH+は、電解質３２を通ってカソード側電極層３６に到達する。カソード側電極層３６には、隣接するセル１２から伝搬される電子e-と、空気通路２６の中を流れる酸素O2とが到達する。その結果、カソード側電極層３６では、以下の反応が生ずる。
4H+＋4e-＋O2→2H2O ・・・（２）
燃料電池１０の各セル１２は、上記（１）および（２）の反応を生じさせることにより、水を生成しながら電気エネルギーを発生する。この反応は発熱反応であるため、燃料電池１０の動作中は、その内部温度が上昇する。冷却水通路２８には、その温度を適温に維持するために冷却水が流される。
上記の構造によれば、個々のセル１２は、隣接するセル１２に対して直列に接続された状態となる。このため、全てのセル１２において生成された電気エネルギーは、燃料電池１０の両端に設けられた出力取出し用集電板１４および出力取出し用集電板１６に集約され、ここから外部に取り出される。
図１に示すように、本実施形態のシステムは、燃料電池１０への空気供給通路４２を備えている。空気供給通路４２の端部にはエアフィルタ４４が設けられている。エアフィルタ４４の下流には、駆動源として電動機を備えるコンプレッサ４６が配置されている。また、コンプレッサ４６の近傍には、コンプレッサの回転数の積算値を計数するための回転数センサ４８が設けられている。空気供給通路４２は、個々のセル１２のカソード側に位置する空気通路２６（図２参照）の全てと導通しており、コンプレッサ４６によって圧送された空気を、全てのセル１２の空気通路２６に供給することができる。
燃料電池１０には、更に、カソード側オフガス通路５０が設けられている。カソード側オフガス通路５０は、上述した空気通路２６の全てと連通しており、個々のセル１２のカソード側で生成されるカソード側オフガスは、その全てがカソード側オフガス通路５０に排出される。
上述した通り、燃料電池１０のカソード側では、上記（２）式の反応に伴い、酸素が消費され、水が生成される。このため、カソード側オフガス通路５０には、酸素濃度の下がった空気と水とを含むオフガスが排出される。
燃料電池１０のカソード側には、更に、加湿ユニット５２が設けられている。加湿ユニット５２は、カソード側オフガス通路５０内の水分を、空気供給通路４２内の空気に加えるための機構である。燃料電池１０は、カソード側に供給される空気にある程度水分が含まれている方が高い発電効率を発揮する。加湿ユニット５２によれば、その要求を満たして、燃料電池１０の効率を改善することができる。
カソード側オフガス通路５０は、燃料電池１０からの出口付近に圧力センサ５４を備えている。以下、圧力センサ５４の計測値を「圧力P５４」と称す。また、カソード側オフガス通路５０は、その端部において凝縮器５６に連通していると共に、その直前に温度センサ５８を備えている。以下、温度センサ５８の計測値を「温度T５８」と称す。更に、凝縮器５６には、その内部に滞留する凝縮水の温度を計測するための温度センサ６０と、その凝縮水の導電率を計測するための導電率センサ６２と、その内圧を計測する圧力センサ６３が組み込まれている。以下、温度センサ６０の計測値を「温度T６０」と、導電率センサ６２の計測値を「カソード側導電率Ccw」と、また、圧力センサ６３の計測値を「圧力P６３」と、それぞれ称することにする。
導電率センサ６２の出力は、検出器６４に接続されている。検出器６４は、導電率センサ６２の出力に基づいて、凝縮器５６に流入してくる凝縮水の導電率を検知することができる。
図３は、凝縮器５６の構造を説明するための図である。凝縮器５６は、カソード側オフガス通路５０から流入してくるオフガスを受け入れるハウジング６６を備えている。オフガス中には、空気に加えて、気体状態で存在している水蒸気と、既に液化している凝縮水とが混在している。気体状態で流入した水蒸気の一部も、ハウジング６６の内部で冷却が進むことにより、液化して凝縮水となる。
ハウジング６６の内部には、それらの凝縮水を一時的に滞留させるための凝縮水滞留部６８と、凝縮水をある程度の量貯めておくための貯留部７０とが形成されている。このような構成によれば、凝縮器５６にオフガスが流入すると、凝縮水滞留部６８には凝縮水の流れが発生する。このため、温度センサ６０および導電率センサ６２は、凝縮水が十分に生成されている状況下では、流動している凝縮水の温度および導電率を、それぞれ温度T６０またはカソード側導電率Ccwとして計測することができる。
凝縮水滞留部６８からあふれ出た凝縮水は、貯留部７０に流れ出る。貯留部７０は、電磁弁７１を介して大気に連通している。このため、貯留部７０に流れ込んだ凝縮水は、電磁弁７１を通って大気中に排出される。
図１に示すように、凝縮器５６には、排気通路７２が連通している。排気通路７２には、マフラ７４が組み込まれている。このため、凝縮器５６から流出したオフガスは、最終的に、マフラ７４を通過した後大気中に排気される。また、排気通路７２には、マフラ７４をバイパスするように、混合器７６が設けられている。このため、一部のオフガスは、混合器７６を通って大気に排出されることになる。
本実施形態のシステムは、燃料電池１０に水素を供給する為の水素供給通路７８を備えている。水素供給通路７８には、弁機構８０を介して水素供給機構８２が連通している。水素供給通路７８は、個々のセル１２のアノード側に位置する水素通路２４（図２参照）の全てと導通しており、全てのセル１２の水素通路２４に供給することができる。
燃料電池１０には、更に、アノード側オフガス通路８４が設けられている。アノード側オフガス通路８４は、上述した水素通路２４の全てと連通しており、個々のセル１２のアノード側で生成されるアノード側オフガスは、その全てがアノード側オフガス通路８４に排出される。
上述した通り、燃料電池１０には、水素が供給されている。また、個々のセル１２においては、カソード側からアノード側に、水蒸気と窒素が透過してくる。このため、アノード側オフガス通路８４には、水素と、窒素と、水とを含むオフガスが排出される。
アノード側オフガス通路８４は、燃料電池１０からの出口付近に圧力センサ８６を備えている。以下、圧力センサ８６の計測値を「圧力P８６」と称す。また、アノード側オフガス通路８４は、その端部において凝縮器８８に連通していると共に、その直前に温度センサ９０を備えている。以下、温度センサ９０の計測値を「温度T９０」と称す。更に、凝縮器８８には、その内部に滞留する凝縮水の温度を計測するための温度センサ９２と、その凝縮水の導電率を計測するための導電率センサ９４と、その内圧を検出するための圧力センサ９６が組み込まれている。以下、温度センサ９２の計測値を「温度T９２」と、導電率センサ９４の出力を「アノード側導電率Caw」と、また、圧力センサ９６の出力を「圧力P９６」と、それぞれ証することにする。
凝縮器８８は、カソード側の凝縮器５６と同様の構成を有している。このため、凝縮水が十分に生成されている状況下では、温度センサ９２および導電率センサ９４は、流動している凝縮水の温度および導電率を、それぞれ温度T９２またはアノード側導電率Cawとして計測することができる。
また、導電率センサ９４の出力は、カソード側の導電率センサ６２の出力と同様に、検出器６４に接続されている。従って、検出器６４は、導電率センサ６２の出力を見ることによりカソード側の凝縮水の導電率を、また、導電率センサ９４の出力を見ることによりアノード側の凝縮水の導電率を、それぞれ検知することができる。
凝縮水貯留部６８の底部は、排気弁９８を介して、カソード側オフガス通路５０に連通している。アノード側のオフガスには水素が含まれている。排気弁９８は、その水素が排出されないように、凝縮水貯留部６８内にある程度の凝縮水が貯まった時点で、適当な期間だけ開弁するように制御される。排気弁９８の開弁に伴って排出される凝縮水は、最終的には、カソード側の凝縮水と一緒に、カソード側の凝縮器５６から大気中に排出される。
アノード側の凝縮器８８には、オフガス還流通路１００が連通している。オフガス還流通路１００には、主として、水素と窒素を含むオフガスが流通する。また、オフガス乾留通路１００には、そのオフガスを圧送するための電動ポンプ１０２が組み込まれている。
電動ポンプ１０２の下流において、オフガス還流通路１００は、逆止弁１０４を介して水素供給通路７８に連通していると共に、排気弁１０６を介して混合器７６に連通している。排気弁１０６は、オフガス中の窒素を排気するための弁機構である。
燃料電池１０には、冷却水供給通路１０８と、冷却水排出通路１１０とが連通している。これらの通路１０８，１１０は、何れも、個々のセル１２の間に形成されている冷却水通路２８の全てと連通している。冷却水供給通路１０８の中を流れる冷却水は、冷却水通路２８の中を流れることにより燃料電池１０を冷却した後、冷却水排出通路１１０を通って、図示しないラジエタ等に導かれる。
冷却水排出通路の、燃料電池１０からの出口の近傍において冷却水温を計測するための温度センサ１１２を備えている。以下、温度センサ１１２の計測値を「温度T１１２」と証する。燃料電池１０の出口における冷却水温は、燃料電池１０の温度そのものとして取り扱うことができる。このため、温度T１１２は、燃料電池１０の温度として取り扱うことができる。
図１に示すシステムは、ECU１２０を備えている。ECU１２０には、電流計２０、圧力センサ５４，６３，８６，９６、温度センサ５８，６０，９０，９２、回転数センサ４８、および検出器６４等の出力が供給されている。本実施形態のシステムは、ECU１２０が、それらの出力に基づいて、後述する手法により、燃料電池１０を含むシステムの性能低下の原因となる導電性物質及び／又は配管等からの溶出物質の濃度を精度良く判定する点に特徴を有している。
［実施の形態１における具体的処理］
（溶出不純物量の判定の概要）
図４は、ECU１２０が、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否を判定するために実行するメインルーチンのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、先ず、判定を実行するための判定条件が成立しているか否かが判別される（ステップ１３０）。
本実施形態のシステムは、上述した通り、アノード側およびカソード側に配置された導電率センサ６２，９４により、それぞれのオフガスに含まれる凝縮水の導電率を検知することができる。燃料電池１０は作動時、性能低下の原因となる金属イオン等の導電性物質がオフガス中に溶出してくる。このため、導電率センサ６２，９４により計測される凝縮水の導電率を測定することにより、凝縮水中の導電性物質の濃度を測定することができる。
但し、導電率センサ６２，９４の周囲に存在する凝縮水の導電率は、必ずしも常に燃料電池１０からの溶出不純物量と適正に対応しているものではない。例えば、燃料電池１０の停止中は、新たに水が生成されることがない。このため、オフガス通路５０，８４や凝縮器５６，８８の内部では、水の蒸発に伴って導電性物質の濃縮が生ずる。また、オフガス通路５０，８４や凝縮器５６，８８に予め導電性物質が付着していた場合は、オフガス中にその導電性物質が溶出することにより、導電率センサ６２，９４の周囲には、燃料電池１０からの溶出不純物量に対して過剰に導電性物質を含むオフガスが到達する。
以上に例示した状況下では、導電率センサ６２，９４により計測された導電率に基づいて、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否を正確に判断することはできない。このため、その導電率に基づく判定は、導電率センサ６２，９４が、燃料電池１０からの溶出不純物量と整合する導電率を計測し得る状況において実行することが必要である。上記ステップ１３０において判断される条件は、その状況が形成されているか否かを判断するための条件である。本実施形態のシステムは、ここで厳密な条件判定を行うことにより、高い精度での判定を実現している。尚、その条件判定の内容は、後に図５乃至図１４を参照して詳細に説明する。
図４に示すルーチン中、ステップ１３０において、判定の条件が成立していないと判定された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０からの溶出不純物量と整合していない導電率に基づき、誤った判定が行われるのを有効に防止することができる。
一方、上記ステップ１３０において、判定の条件が成立していると判断された場合は、以後、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否判定のための処理が進められる。ここでは、先ず、導電率センサ９４の出力に基づいて、アノード側導電率Cawが測定される（ステップ１３２）。
次に、アノード側導電率Cawと、アノード側判定値βaとの比較に基づいて、その導電率Cawが正常値であるか否かが判別される（ステップ１３４）。具体的には、アノード側導電率Cawが判定値βa以下である場合は、燃料電池１０から流出してくる導電性物質の濃度が正常値であると判断され、OK判定が成される。一方、アノード側導電率Cawが判定値βaを超えている場合は、導電性物質の濃度が異常値に達していると判断され、NG判定が成される。
ステップ１３４でNG判定がなされた場合、つまり、燃料電池１０のアノード側から、導電性物質が多量に検出されたと判断された場合は、アノード腐食抑制処理が実行される（ステップ１３６）。ここでは、具体的には、アノード側のオフガス中に含まれる水分量を増やすための処理が行われる。燃料電池１０から排出される導電性物質（フッ酸等）は、最終的には、凝縮水と共に大気中に排出される。オフガス中に含まれる水分量が増えれば、凝縮水中の不純物濃度は相対的に低下する。このため、上記の処理によれば、アノードからの溶出不純物量が多量になった状況下でも、導電性物質を高い濃度で含む凝縮水が大気中に排出されるのを有効に防ぐことができる。尚、ここで実行される処理の具体的内容については、後に図１５および図１６を参照して詳細に説明する。
ステップ１３６の処理が終わると、次に、燃料電池１０からの溶出不純物量が過多であることを表すためのアラーム表示がなされる（ステップ１３８）。本ステップ１３８の処理が行われることにより、車両の運転者に、燃料電池１０からの溶出不純物量が過多であることを迅速に知らしめることができる。
図４に示すルーチン中、上記ステップ１３４において、OK判定がなされた場合は、燃料電池１０のアノード側からの溶出不純物量は適正であると判断される。この場合は、次に、カソード側の導電率センサ６２の出力に基づいて、カソード側導電率Ccwが測定される（ステップ１４０）。
次いで、カソード側導電率Ccwと、カソード側判定値βcとの比較に基づいて、その導電率Ccwが正常値であるか否かが判別される（ステップ１４２）。具体的には、カソード側導電率Ccwが判定値βc以下である場合は、燃料電池１０から流出してくる導電性物質の濃度が正常値であると判断され、OK判定が成される。一方、カソード側導電率Ccwが判定値βcを超えている場合は、導電性物質の濃度が異常値に達していると判断され、NG判定が成される。
ステップ１４２でOK判定が成された場合は、アノード側からもカソード側からも過剰な溶出藤生物量は生じていないと判断できる。この場合は、アラーム表示等の処理が行われることなく、今回の処理サイクルが即座に終了される。
一方、上記ステップ１４２において、NG判定がなされた場合は、燃料電池１０のカソード側から溶出不純物が過多に流出していると判断できる。この場合は、次に、カソード腐食抑制処理が実行される（ステップ１４４）。ここでは、具体的には、カソード側のオフガス中に含まれる水分量を増やすための処理が行われる。この処理が行われることにより、カソード側からの溶出不純物量が過多である状況下でも、導電性物質を高い濃度で含む凝縮水が大気中に排出されるのを有効に防ぐことができる。尚、ここで実行される処理の具体的内容については、後に図１７および図１８を参照して詳細に説明する。
ステップ１４４の処理が終わると、ステップ１３８の処理により、アラーム表示がなされた後、今回の処理サイクルが終了される。
［判定条件の詳細］
次に、上記ステップ１３０において実行される条件判定の内容について説明する。ここでは、燃料電池１０からの溶出不純物量と整合する導電率を計測し得る状況が形成されているか否かを判断するために、以下に説明する６種類の条件判定が行われる。
（判定の第１条件）
図５は、第１の条件の成否を判断するためのルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、具体的には、燃料電池１０が起動された後、オフガス通路５０，８４や凝縮器５６，８８の内部に残留していた物質の濃縮をキャンセルするにいたる水流が生じたか否かが判断される。つまり、オフガス通路５０，８４等の洗浄が終了しているか否かが判断される。
図５に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０が停止しているか否かが判断される（ステップ１５０）。燃料電池１０が停止しているか否かは、例えば、車両のイグニッションスイッチの状態に基づいて、或いは、電流計２０の出力に基づいて判断することができる。燃料電池１０の停止中は、オフガス通路５０，８４内に洗浄用の水が流通しないため、判定条件が成立していないと判断される。
この場合、先ず、燃料電池１０によって生成された電流Aの積算値ΣAがゼロとされる（ステップ１５２）。次に、実行条件の不成立（False）が判定される（ステップ１５４）。その後、今回の処理サイクルが終了される。
一方、上記ステップ１５０において、燃料電池１０の停止が否定された場合は、次式に従って、電流積算値ΣAtが算出される（ステップ１５６）。
ΣAt＝ΣAt-1＋At ・・・（３）
但し、「t」および「t-1」は、今回と前回のサンプリングタイミングである。また、Atは、今回のサンプリングタイミングにおいて電流計２０により計測された電流値である。電流積算値ΣAは、燃料電池１０の停止中は０とされている。このため、上記（３）式によれば、燃料電池１０の起動後に生成された電流の積算値を求めることができる。
図５に示すルーチンでは、次に、電流積算値ΣAtが判定値αAを超えているか否かが判別される（ステップ１５８）。燃料電池１０から排出される水の量、つまり、燃料電池１０において生成される水の量は、そこで生成される電流量に比例する。このため、電流積算値ΣAtは、燃料電池１０の起動後にオフガス通路５０，８４の中を流通した水の総量と相関を有している。上記の判定値αAは、オフガス通路５０，８４と凝縮器５６，８８の洗浄を終えるのに必要な水量に相当する電流値である。
このため、ステップ１５８でΣAt＞αAの不成立が判断された場合は、オフガス通路５０，８４等の洗浄が未だ終わっていないと判断することができる。図５に示すルーチンでは、この場合、判定の実行条件が成立していないとして、ステップ１５４の処理が実行される。
一方、上記ステップ１５８において、ΣAt＞αAの成立が認められた場合は、オフガス通路５０，８４等の洗浄が終了していると判断できる。この場合は、洗浄に関する限り、判定の実行条件が成立（Truth）していると判断される（ステップ１５９）。
以上説明した通り、図５に示すルーチンによれば、燃料電池１０の起動後、オフガス通路５０，８４や凝縮器５６，８８の洗浄が終わっていると認められる場合に限り、判定の条件成立が認められる。このため、本実施形態のシステムによれば、残留不純物の影響により誤った判定結果が得られる可能性を十分に下げることができる。
（判定の第２条件）
図６は、燃料電池１０の負荷と、凝縮器５６，８８において生成される凝縮水の量との関係を説明するための図である。具体的には、図６中に実線で示す曲線は、水の飽和蒸気圧と温度との関係を示している。また、「起動直後」「実用運転域」および「高負荷運転域」の文字は、それぞれ、それらの運転領域において実現される燃料電池１０の温度領域に記されている。
燃料電池１０の電力生成反応は、上述した通り発熱反応である。このため、燃料電池１０の温度は、その起動の後に、徐々に通常温度に向かって上昇する。そして、十分な暖機がなされた後は、実用運転域に比して、高負荷運転域においてその温度は高くなる。
図６中に示す３つの○印は、それぞれの運転領域下で、燃料電池１０から排出された直後のオフガスについて成立する温度と蒸気圧との関係を示している。また、ここに示す３つの☆印は、それぞれの運転領域下で、凝縮器５６に到達したオフガスについて成立する温度と受雄気圧との関係を示している。
例えば、高負荷運転域でのオフガス温度は、燃料電池１０の近傍では８０°C程度となり、凝縮器５６に到達する間に６５°C程度に冷却される。そして、オフガス中に気体として存在していた水は、その冷却に伴う蒸気圧の減少分だけ（図中の矢印に相当）液化して凝縮水となる。
燃料電池１０から排出された後、凝縮器５６に到達する過程で凝縮水となる水の量は、起動直後には極めて少量である。そして、その水の量は、燃料電池１０の温度が高温となる高負荷運転域において多量となる。つまり、凝縮器５６に流入する凝縮水の量は、起動直後には極めて少量となり、燃料電池１０の負荷が高いほど多量となる。
導電率センサ６２は、その周囲に凝縮水が滞っている場合に比して、その周囲に安定した水の流れが形成されている場合の方が凝縮水の導電率を正しく計測することができる。このため、導電率に基づく判定は、導電率センサ６２の周囲に、安定した凝縮水の流れが確保されている場合に限って実行することが望ましい。
上記の観点からすれば、高負荷運転域に限って、つまり、燃料電池１０の温度が８０°C程度に上昇している場合に限って判定の実行を認めることも考えられる。しかしながら、高負荷運転域が用いられる頻度は、実用運転域が用いられる頻度に比して著しく希である。このため、高負荷運転域に限って判定の実行を認めることとすると、その実行の頻度を十分に確保することが困難となる。そこで、本実施形態では、燃料電池１０の温度が、実用運転域で生ずるべき温度を超えている場合に、判定の実行条件の成立を判定することとした。
図７は、上記の条件判定を行うためにECU１２０が実行するルーチンのフローチャートである。図７に示すルーチンでは、先ず、温度T１１２が、判定温度αT１１２を超えているか否かが判別される（ステップ１６０）。温度T１１２は、上述した通り、燃料電池１０の温度に相当している。一方、判定温度αT１１２は、実用運転域において生ずる燃料電池１０の温度（例えば５０°C）である。
上記ステップ１６０において、T１１２＞αT１１２の成立が否定された場合は、燃料電池１０が未だ十分に暖機されていないと判断することができる。そして、この場合は、導電率センサ６２，９４の周囲に安定した凝縮水の流れが生じていないと判断され、判定の実行条件が不成立（False）と判定される（ステップ１６２）。
一方、燃料電池温度T１１２が判定温度αT１１２を超えていると判断された場合は、導電率センサ６２，９４の周囲に、安定した水の流れが生じていると判断できる。この場合は、導電率センサ６２，９４が、燃料電池１０からの溶出不純物量を正しく表す導電率を計測し得ると判断され、判定の実行条件が成立（Truth）していると判断される（ステップ１６４）。
以上説明した通り、図７に示すルーチンによれば、導電率センサ６２，９４の周囲に安定した水の流れが生じている場合に限り、判定の実行を許可することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、導電率センサ６２，９４の周囲に、凝縮水が滞っているような状況下で、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否が誤判定されるのを確実に防止することができる。
（判定の第３条件）
図８は、第３の条件の成否を判断するためのルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、図７に示すルーチンとは別の視点で、オフガス通路５０および凝縮器５６の内部に凝縮水の安定流が生じているか否かが判断される。
燃料電池１０の停止中は、新たに水が生成されないため、オフガス通路５０や凝縮器５６の内部が乾いた状態となる。それらの内部に安定した凝縮水の流れが生ずるためには、オフガス通路５０や凝縮器５６の壁面が適当に濡れた状態となることが必要である。
オフガス通路５０や凝縮器５６の壁面の濡れ状態は、その内部を流通したオフガスの流量に対して相関を有している。そこで、本実施形態では、燃料電池１０の起動後に生じたオフガスの積算量が、所定の判定量に達したら、その時点で、適当な濡れが形成され、その結果、凝縮水の安定流が生じたと判断することとした。
図８は、上記の機能を実現するために実行されるルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、先ず、上述したステップ１５０の場合と同様の手法で、燃料電池１０が停止しているか否かが判断される（ステップ１７０）。その結果、燃料電池１０の停止が判断された場合は、オフガスの積算流量ΣQがゼロとされる（ステップ１７２）。次に、判定の実行条件が不成立（False）と判定される（ステップ１７４）。
一方、上記ステップ１７０において、燃料電池１０の停止が否定された場合は、次式に従って、オフガスの積算流量ΣQtが算出される（ステップ１７６）。
ΣQt＝ΣQt-1＋Qt ・・・（４）
但し、「t」および「t-1」は、今回と前回のサンプリングタイミングである。また、Qtは、今回のサンプリングタイミングにおいて算出されたカソード側のオフガスの流量である。積算流量ΣQは、燃料電池１０の停止中は０とされている。このため、上記（４）式によれば、燃料電池１０の起動後に流通したオフガスの積算値を求めることができる。
カソード側のオフガスの流量Qtは、コンプレッサ４６によって圧送された空気の量から、燃料電池１０において消費された酸素の量を減じた量である。圧送された空気の量は、回転数センサ４８により計測されるコンプレッサの回転数に基づいて推定することができる。一方、酸素の消費量は、燃料電池１０によって生成された電流量に基づいて算出することができる。このため、ECU１２０は、回転数センサ４８の計測値、および電流計２０の計測値に基づいて、オフガスの流量Qtを求めることができる。
上記ステップ１７６では、この方法でオフガスの流量Qtが算出される。但し、オフガス流量Qtを求める手法はこれに限定されるものではない。例えば、酸素の消費量が無視できる場合には、コンプレッサ４６により圧送される空気量を、そのままオフガス流量Qtとして取り扱うこととしてもよい。
オフガスの積算流量に基づいて安定流の有無を判定する処理をアノード側について実行する場合には、アノード側オフガス通路８４の中を流れるオフガス流量Qtaを算出する必要がある。このオフガス流量Qtaは、電動ポンプ１０２により圧送されるガス量と、弁機構８０を介して供給される水素量との和から、燃料電池１０で消費される水素量を減じることにより求めることができる。但し、弁機構８０から供給される水素量や、燃料電池１０で諸費される水素量が無視できる場合には、伝導ポンプ１０２により圧送されるガス量を、オフガス量Qtaとして取り扱うこととしてもよい。
図８に示すルーチンでは、次に、オフガスの積算流量ΣQtが判定値αQを超えているか否かが判別される（ステップ１７８）。判定値αQは、オフガス通路５０および凝縮器５６の壁面を適当に濡らすのに必要なオフガスの総流量に設定されている。このため、ΣQt＞αQが成立しないと判断された場合は、オフガス通路５０等の壁面が十分に濡れていないと判断することができる。図８に示すルーチンでは、この場合、判定の実行条件が成立していないとして、ステップ１７４の処理が実行される。
一方、上記ステップ１７８において、ΣQt＞αQの成立が認められた場合は、オフガス通路５０等の壁面が適当に濡れていると判断できる。この場合は、安定した凝縮水流の発生に関して、判定の実行条件が成立（Truth）していると判断される（ステップ１７９）。
以上説明した通り、図８に示すルーチンによれば、オフガスの積算流量ΣQtが十分であるか否かの視点から、凝縮水の安定流の有無を判定し、その発生が推認できる場合に限り、判定の条件成立が判定される。このため、本実施形態のシステムによれば、凝縮水の流れが不安定な状況下で、誤った判定結果が得られる可能性を十分に下げることができる。
（判定の第４条件）
図９は、燃料電池１０の温度である温度T１１２、カソード側の凝縮器５６付近の温度である温度T５８、およびアノード側の凝縮器８８付近の温度である温度T９０の経時的な変化を対比して表した図である。これらの変化は、何れも、燃料電池１０の起動後に生じたものである。
図９に示すように、温度T５８、および温度T９０は、何れも燃料電池の温度T１１２に遅れて上昇し、その温度T１１２が安定した後、ある程度の遅延を伴って安定状態に至る。つまり、カソード側の温度T５８、或いはアノード側の温度T９０が安定温度に達するのを待てば、遅延時間分の遅れは生ずるものの、燃料電池１０の温度T１１２が安定温度に達しているとの判断を下すことができる。
従って、カソード側の温度T５８、或いはアノード側の温度T９０に対して、適当な判定温度を設定しておけば、それらの温度T５８， T９０が判定温度を超えたか否かに基づいて、燃料電池１０が、十分な量の水を生成する状態になっているか、つまり、導電率センサ６２，９４の周囲に、十分な水流が発生しているか否かを判断することが可能である。
図１０は、上記の観点より、導電率センサ６２，９４の周囲に十分な水流が生じているか否かを、カソード側の温度T５８に基づいて判断するためにECU１２０が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンでは、先ず、温度センサ５８により計測される温度T５８が、判定温度αT５８を超えているか否かが判別される（ステップ１８０）。判定温度αT５８は、カソード側の凝縮器５６に流れ込むオフガスが実用運転域において到達する温度である。
上記ステップ１８０において、T５８＞αT５８の成立が否定された場合は、燃料電池１０が未だ十分に暖機されていない可能性があると判断できる。この場合は、導電率センサ６２，９４の周囲に安定した凝縮水の流れが生じていない可能性があると判断され、判定の実行条件が不成立（False）と判定される（ステップ１８２）。
一方、カソード側オフガス温度T５８が判定温度αT５８を超えていると判断された場合は、導電率センサ６２，９４の周囲に、安定した水の流れが生じていると判断できる。この場合は、導電率センサ６２，９４が、燃料電池１０からの溶出不純物量を正しく表す導電率を計測し得ると判断され、判定の実行条件が成立（Truth）していると判断される（ステップ１８４）。
以上説明した通り、図１０に示すルーチンによれば、導電率センサ６２，９４の周囲に安定した水の流れが生じている場合に限り、判定の実行を許可することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、導電率センサ６２，９４の周囲に、凝縮水が滞っているような状況下で、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否が誤判定されるのを確実に防止することができる。
ところで、上述した説明においては、導電率センサ６２，９４の周囲に安定した水の流れが生じているか否かを、温度センサ５８により計測される温度T５８に基づいて判断することとしているが、本実施形態のシステムでは、その判断の基礎はこれに限定されるものではない。すなわち、本実施形態のシステムでは、温度センサ６０により計測される温度T６０、温度センサ９０により計測される温度T９０、および温度センサ９２により計測される温度T９０の何れかを基礎として上記の判断を行うこととしてもよい。
（判定の第５条件）
上述した通り、導電率センサ６２，９４が、燃料電池１０からの溶出不純物量を正しく表す導電率を計測するためには、導電率センサ６２，９４の周囲に、安定した凝縮水の流れが生じていることが必要である。そこで、本実施形態のシステムは、以下に説明する手法により、導電率センサ６２，９４の周囲を流れる凝縮水量を推定し、第５の条件として、その推定値が十分であるか否かを判断することとした。
図１１は、カソード側の導電率センサ６２の周囲を流れる凝縮水の量、つまり、カソード側の凝縮器５６の内部を流れる凝縮水の量を算出する手法を説明するための図である。図１１中の「FC内」の欄は、燃料電池１０のカソード側に存在する水の内訳を示す。また、「FC出口」の欄は、燃料電池１０から排出された直後の水分の総量、およびその位置での水と水蒸気の割合を示す。更に、「凝縮器」の欄は、凝縮器５６に流入する水分の総量、およびその内部における水と水蒸気の割合を示す。
燃料電池１０のカソード側では、電気エネルギーの生成に伴って水が生成される。また、そこには、加湿ユニット５２により空気中に加えられた水分が供給される。一方、カソード側に存在する水分の一部は、電解質層３２を通ってアノード側に透過する。このため、カソード側に残存する水の総量は、生成量と供給量との和から、透過量を減じた量となる。そして、この総量が、燃料電池１０からカソード側オフガス通路５０に排出される水の総量となる。
オフガス中に水蒸気が飽和しているとすれば、オフガス中の水蒸気の分圧は、飽和蒸気圧となる。この飽和蒸気圧は、オフガスの温度に基づいて検知することができる。水蒸気の分圧と共にオフガスの圧力Pと流量QCoutが判れば、燃料電池１０から排出される水蒸気の量を求めることができる。つまり、水蒸気が飽和しているとすれば、燃料電池１０からの水蒸気の排出量（以下、「飽和水蒸気量MWC0」とする）は、燃料電池１０付近におけるオフガスの温度Tおよび圧力P、並びにオフガスの流量QCoutの関数として次式のように表すことが可能である。
MWC0＝f(QCout, T, P) ・・・（５）
オフガスの流量QCoutは、カソード側への空気の供給量QCから、カソードにおける酸素の消費量Q02を減じることにより、次式のように算出できる。
QCout＝QC−QO2 ・・・（６）
上記（６）式中、空気の供給量QCは、コンプレッサ４６の回転数、つまり、回転数センサ４８の出力に基づいて算出することができる。一方、酸素の消費量Q02は、電流の生成量に比例するため、電流計１８の計測値Aから求めることができる。従って、本実施形態のシステムでは、オフガスの流量QCoutを演算により求めることができる。
燃料電池１０付近のオフガス温度Tは、燃料電池の温度とみなすことができる。従って、その温度は、温度T１１２として計測することができる。更に、本実施形態のシステムは、燃料電池１０付近のオフガス圧力Pを、圧力P５４として計測することができる。このため、このシステムによれば、上記の関数fを用いて、飽和水蒸気量MWC0を次式の通り算出することができる。
MWC0＝f(QCout, T１１２, P５４) ・・・（７）
燃料電池１０から排出されるオフガス中の水分量MWCout1は、現実には、飽和に達しない量であったり、或いは、飽和を超える量であったりする。前者の場合は、燃料電池１０から現実に排出される水の総量MWCout1は、飽和水蒸気量MWC0に１より小さな係数Kを乗じた値となる。また、後者の場合は、その総量MWCout1が、飽和水蒸気量MWC0に１より大きな係数Kを乗じた値となる。そして、その係数Kは、一般に０．８≦K≦１．２の範囲内の値となり、システムの固体毎に異なっている。
上記の係数Kは、予め実験的に取得しておくことができる。そして、係数Kが既知であれば、飽和水蒸気量MWC0に係数Kを掛け合わせることにより、燃料電池１０から現実に排出されてくる水の総量MWCout1を、次式のように求めることが可能である。
MWCout1＝f(QCout, T１１２, P５４)＊K
＝F(QCout, T１１２, P５４) ・・・（８）
本実施形態のシステムにおいて、燃料電池１０から排出される水の総量MWCout1と、カソード側の凝縮器５６に流入する水の総量とは、排気弁９８が開いているときを除いて同量である。従って、凝縮器５６の中を流れる凝縮水の量MWCは、原則として、水の排出総量MWCout1から、凝縮器５６の下流に排出される水蒸気量MWCout2を減じることにより、次式にように算出される。
MWC＝MWCout1−MWCout2 ・・・（９）
凝縮器５６の内部では、常に水蒸気が飽和状態となっている。このため、凝縮器５６の内部に存在する水蒸気の分圧は、その内部の温度T、つまり、温度T６０に対応する飽和蒸気圧となる。この飽和蒸気圧と共に、凝縮器５６を流れるオフガスの流量Qと、凝縮器５６の内圧Pとが判れば、凝縮器５６の内部を流れる水蒸気量、つまり、凝縮器５６から排出される水蒸気量MWCout2を演算により求めることができる。
本実施形態において、凝縮器５６を流れるオフガスの流量Qは、燃料電池１０から排出されるオフガスの流量と同じ、つまり、上記（６）式により算出されるQCoutとみなすことができる。また、このシステムにおいて、凝縮器５６の内圧Pは、圧力P６３として計測することができる。このため、凝縮器５６から流出する水蒸気の量は、適当な関数Gを用いて、次式のように表すことができる。
MWCout2＝G(QCout, T60, P63) ・・・（１０）
上記（８）式の演算結果と、上記（１０）式の演算結果とを上記（９）式に代入すると、カソード側の凝縮器５６を流れる凝縮水の量MWCが算出できる。
上述した演算の手法は、アノード側にも殆どそのまま適用することができる。つまり、アノード側オフガス通路８４を流れるオフガスの流量QAoutは、電動ポンプ１０２により圧送される水素流量QAから、燃料電池１０で消費される水素量QH2を減じることで次式のように求めることができる。
QAout＝QA−QH2 ・・・（１１）
また、アノード側における飽和水蒸気量MWA0は、上記のオフガス流量QCout、並びに、温度T１１２および圧力P８６の関数として、次式のように表される。
MWA0＝f(QAout, T１１２, P８６) ・・・（１２）
予め定めた係数Kを用いることにより、燃料電池１０からアノード側オフガス通路８４に現実に排出されてくる水の総量MWAout1は、次式のように求めることができる。
MWAout1＝f(QAout, T１１２, P８６)＊K
＝F(QAout, T１１２, P８６) ・・・（１３）
一方、アノード側の凝縮器８８の下流に流出する水蒸気量MWAout2は、次式の通り、オフガス流量QAout、温度T９２、および圧力P９６の関数として表すことができる。
MWAout2＝G(QAout, T９２, P９６) ・・・（１４）
そして、アノード側の導電率センサ９４の周囲を流れる凝縮水の量MWAは、上記（１３）式の結果と、上記（１４）式の結果とを用いて、次式の通り算出することができる。
MWA＝MWAout1−MWAout2 ・・・（１５）
以上説明した通り、本実施形態のシステムは、カソード側の導電率センサ６２の周囲を流れる凝縮水の量MWC、およびアノード側の導電率センサ９４の周囲を流れる凝縮水の量MWAを、それぞれ演算により求めることができる。従って、このシステムによれば、それらの凝縮水量MWC，MWAを、それぞれ適当な判定値と比較することにより、導電率センサ６２，９４の周囲に安定した水流が生じているか否かを、カソード側およびアノード側の双方において直接的に判断することができる。
図１２は、上記の機能を実現するためにECU１２０が実行するルーチンのフローチャートである。図１２に示すルーチンでは、先ず、カソード側のオフガス流量QCout＝F(QC，A)と、アノード側のオフガス流量QAout＝F(QA，A)がそれぞれ算出される（ステップ１９０）。ECU１２０は、上記（６）式および（１１）式に対応する演算規則を記憶しており、ここでは、それらの規則に従ってオフガス流量QCout，QAoutが算出される。
次に、カソード側のオフガス流量QCout、温度T１１２、および圧力P５４に基づいて、カソード側に排出される水分総量MWCout1が算出されると共に、アノード側のオフガス流量QAout、温度T１１２、および圧力P８６に基づいて、アノード側に排出される水分総量MWAout1が算出される（ステップ１９２）。ECU１２０は、上記（８）式および（１３）式に対応する演算規則を記憶しており、ここでは、それらに従って水分総量MWCout1，MWAout1が算出される。
次に、カソード側のオフガス流量QCout、温度T６０、および圧力P６３に基づいて、カソード側の凝縮器５６から排出される水蒸気量MWCout2が算出されると共に、アノード側のオフガス流量QAout、温度T９２、および圧力P９６に基づいて、アノード側の凝縮器８８から排出される水蒸気量MWAout2が算出される（ステップ１９４）。ECU１２０は、上記（１０）式および（１４）式に対応する演算規則を記憶しており、ここでは、それらに従って水蒸気量MWCout2，MWAout2が算出される。
次に、水分総量MWCout1から水蒸気量MWCout2を減じることにより、カソード側の導電率センサ６２の周囲を流れる凝縮水量MWCが算出されると共に、水分総量MWAout1から水蒸気量MWAout2を減じることにより、アノード側の導電率センサ９４の周囲を流れる凝縮水量MWAが算出される（ステップ１９６）。ECU１２０は、上記（９）式および（１５）式に対応する演算規則を記憶しており、ここでは、それらに従って凝縮水量MWC，MWAが算出される。
次に、カソード側の凝縮水量MWCが、標準域に属しているか、より具体的には、上方判定値αMWCHより小さく、下方判定値αMWCLより大きいかが判別される（ステップ１９８）。上記の標準域は、燃料電池１０が実用運転域で作動している場合に発生する凝縮水量の範囲である。上記の判定が否定された場合は、導電率センサ６２の周囲に安定流が生じていないか、或いは、凝縮水量MWCが過剰であると判断できる。
凝縮水量MWCが過小であると、燃料電池１０からの溶出不純物量を正しく表すカソード側導電率Ccwを計測することはできない。従って、この場合は、判定の実行条件が成立していないと判断すべきである。また、燃料電池１０からの溶出不純物量が過多であると判断するべき導電率は、凝縮水量MWCが多くなるほど低い値となる。他方、本実施形態のシステムは、凝縮水量MWCが標準域に属しているものとして判定を行う。このため、凝縮水量MWCが過剰に生じている状況下で判定が行われると、燃料電池１０からの過度の溶出不純物量が見過ごされる事態が生じ得る。従って、判定の実行条件は、この場合も不成立と判断することが適切である。
上記の観点より、ECU１２０は、上記ステップ１９８において、凝縮水量MWCが標準域に属していないと判別された場合は、カソード側につき、判定の実行条件が成立していない（False）と判断する（ステップ２００）。また、凝縮水量MWCが標準域に属していると判別された場合は、カソード側につき、判定の実行条件が成立している（Truth）と判断される（ステップ２０２）。
図１２に示すルーチンでは、次に、アノード側の凝縮水量MWAが標準域に属しているかが判別される（ステップ２０４）。カソード側について行った判定と同じ理由により、凝縮水量MWAが標準域に属していないと判別された場合は、判定の実行条件が成立していない（False）と判断される（ステップ２０６）。また、凝縮水量MWAが標準域に属していると判別された場合は、アノード側につき、判定の実行条件が成立している（Truth）と判断される（ステップ２０８）。
以上説明した通り、図１２に示すルーチンによれば、導電率センサ６２，９４の周囲を流れる凝縮水の量MWC，MWAを、カソード側およびアノード側のそれぞれについて演算により求めることができる。更に、それらの凝縮水量MWC，MWAが適量である場合にのみ、実行条件の成立を判定することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否判定を、極めて精度良く行うことができる。
（実施の形態１の変形例）
ところで、上記の説明においては、凝縮水量MWC，MWAが標準域に対して過剰である場合に、実行条件の不成立を判定することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、凝縮水量MWC，MWAが過剰であっても、その影響が小さく、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否が正しく判定できる場合には、凝縮水量MWC，MWAが標準域を下回っている場合にのみ実行条件の不成立を判断することとしてもよい（第１変形例）。
或いは、凝縮水量MWC，MWAが標準域を下回っている場合にのみ実行条件の不成立を判断すると共に、凝縮水量MWC，MWAが下方判定値αMWCL，αMWALを超えている状況下では、判定に用いる判定値βc，βaを、凝縮水量MWC，MWAに基づいて適宜設定することとしてもよい（第２変形例）。
上述した第２変形例は、上記ステップ１９８の判定を「MWC＞αMWCL」の判定に変更し、上記ステップ２０４の判定を「MWA＞αMWAL」の判定に変更し、かつ、ECU１２０に、以下に説明する図１３に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
図１３に示すルーチンは、ここでは、図１２に示すルーチンに続いて起動されるものとする。このルーチンでは、先ず、上記ステップ１９６において求めたカソード側の凝縮水量MWCと、アノード側の凝縮水量MWAとが読み込まれる（ステップ２１０）。次に、カソード側判定値βc、つまり、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否をカソード側について判定するための判定値βcが設定される（ステップ２１２；図４中ステップ１４２参照）。
図１４は、カソード側判定値βcを設定するために、ECU１２０に記憶させるべきマップの１例である。上記ステップ２１２において、ECU１２０は、このマップに従って判定値βcを設定するものとする。
溶出不純物量が過多であると判断するべきカソード側導電率Ccwは、既述した通り、凝縮水量MWCが増えるほど低い値となる。このため、適否の判断に用いるカソード側判定値βcは、凝縮水量MWCが増えるに従って小さな値とする必要がある。図１４に示すマップによれば、そのような傾向に適合するようにカソード側判定値βcを定めることができる。このため、第２変形例によれば、カソード側の凝縮水量MWCが多量である状況下でも、高精度な判定を行うことができる。
図１３に示すルーチンでは、次に、アノード側判定値βaが設定される（ステップ２１４；図４中ステップ１３４参照）。アノード側判定値βaも、カソード側判定値βcと同様に、凝縮水量MWAが多いほど小さな値とされる。このため、第２変形例によれば、アノード側の凝縮水量MWAが多量である状況下でも、高精度な判定を行うことができる。
［アノード腐食抑制処理］
（ハードウェア構成の説明）
次に、図１５および図１６を参照して、図４中ステップ１３６において実行される「アノード腐食抑制処理」の詳細について説明する。
図１５は、図１に示す構成に、アノード腐食抑制処理を実行するために必要な要素を書き加えたハードウェア構成を示す。ここでは、具体的には、図１に示す構成に対して、アノード側のオフガスを冷却するための冷却水経路が追加されている。
すなわち、本実施形態のシステムは、図１５に示すように、ラジエタ２２０を備えている。ラジエタ２２０には、冷却水流出通路２２２の一端が連通している。冷却水流出通路２２２の他端は、アノード系冷却弁２２４を介して冷却水供給通路１０８に連通している。また、冷却水流出通路２２２には、ポンプ２２６が組み込まれている。ポンプ２２６は、ラジエタ２２０によって冷却された冷水を、アノード系冷却弁２２４に向けて圧送することができる。
アノード系冷却弁２２４は、冷却水流出通路２２２と冷却水供給通路１０８とを導通状態とする。このため、燃料電池１０には、ラジエタ２２２から流出した冷水が供給される。この冷水は、燃料電池１０の内部を流通した後、冷却水排出通路１１０に流出する。冷却水排出通路１１０は、カソード系加熱弁２２８を介して冷却水流入通路２２９に連通している。冷却水流入通路２２９は、その端部においてラジエタ２２０に連通している。カソード系加熱弁２２８は、冷却水排出通路１１０と冷却水流入通路２２９とを導通状態とする。このため、燃料電池１０から流出した冷却水は、ラジエタ２２０に還流することができる。
冷却水流出通路２２２には、ポンプ２２６の下流において、冷水供給通路２３０が連通している。冷水供給通路２３０は、アノード側オフガス通路８４に配置された熱交換器２３２に連通している。また、熱交換器２３２は、冷水流出通路２３４が連通している。冷水流出通路２３４は、上述したアノード系冷却弁２２４に通じている。
アノード系冷却弁２２４は、ECU１２０が発する制御信号を受けて、冷水流出通路２３４と冷却水供給通路１０８とを導通させるON状態と、それらが遮断されるOFF状態とを選択的に実現する。アノード系冷却弁２２４がON状態となると、ポンプ２２６によって圧送された冷水を、熱交換器２３２を通して循環させることができる。
熱交換器２３２は、燃料電池１０の近傍に配置されており、アノード側オフガス通路８４の中を流れるオフガスを、その位置で冷却することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、アノード系冷却弁２２４をON状態とすることにより、アノード側のオフガスを、燃料電池１０から流出した直後において効率的に冷却することができる。
（具体的処理）
アノード腐食抑制処理は、上述した通り、アノード側のオフガス中に含まれる水分量を増やして、凝縮水中の腐食性物質の濃度を低下させ、下流の腐食環境を改善するために行われる。アノード側のオフガスには膜を透過した水分と、その温度・圧力条件で結露した水と水蒸気が含まれている。液水を増やすにはオフガスの温度を下げることが有効であり、飽和蒸気圧が下がり、凝縮水量を増やすことができる。冷却・濃縮機構を有する場合には、蒸気として持ち去る水分を液水に変える能力が上がるため、オフガスの量を増やす。すなわち、供給するガス量を増やすことで得られる液水量が増加する。
図１６は、上記の観点より、ECU１２０が、アノード腐食抑制処理を実現するために実行するルーチンのフローチャートである。ここに示すように、ECU１２０は、アノード腐食抑制処理の実行が要求されると、先ず、電動ポンプ１０２の回転数を高めて水素の循環量、つまり、オフガスの循環量を増やす（ステップ２４０）。次に、アノード系冷却弁２２４をON状態として、熱交換器２３２に冷水を流通させる。
以上の処理によれば、アノード側のオフガスを増やすことにより、オフガス中に持ち去られる水分量を増やし、更に、オフガスを冷却することにより、凝縮器８８に流入する凝縮水量MWAを増やすことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、アノード腐食抑制処理を実行することにより、アノード側の凝縮水中の腐食性物質の濃度を下げ、配管等の環境を改善することができる。
［カソード腐食抑制処理］
（ハードウェア構成の説明）
次に、図１７および図１８を参照して、図４中ステップ１４４において実行される「カソード腐食抑制処理」の詳細について説明する。
図１７は、図１に示す構成に、カソード腐食抑制処理を実行するために必要な要素を書き加えたハードウェア構成を示す。ここでは、具体的には、カソードへの供給空気を加熱し、かつ、カソード側のオフガスを冷却するための冷却水経路が追加されている。尚、図１７において、図１５に示す要素については、同一の符号を付してその説明を省略又は簡略する。
すなわち、本実施形態のシステムは、図１７に示すように、燃料電池１０のカソード側に通じる空気供給通路４２、およびカソード側オフガス通路５０の双方に、それぞれ熱交換器２５０，２５２を備えている。熱交換器２５０，２５２は、何れも、それぞれの経路において加湿ユニット５２の直前（上流）に位置するように配置されている。
また、本実施形態のシステムは、冷却水流出通路２２２と冷却水供給通路１０８との間に、カソード系冷却弁２５４を備えている。カソード系冷却弁２５４は、それら２つの通路を導通状態に維持する。このため、冷却水流出通路２２２から供給される冷却水は、冷却水供給通路１０８に流入して、燃料電池１０に到達することができる。
冷却水流出通路２２２には、ポンプ２２６の下流において、冷水供給通路２５６が連通している。冷水供給通路２５６は、カソード側オフガス通路５０に配置された熱交換器２５２に連通している。更に、この熱交換器２５２は、冷水流出通路２５８を介して、上記のカソード系冷却弁２５４に連通している。
カソード系冷却弁２５４は、ECU１２０が発する制御信号を受けて、冷水流出通路２５８と冷却水供給通路１０８とを導通させるON状態と、それらが遮断されるOFF状態とを選択的に実現する。カソード系冷却弁２５４がON状態となると、ポンプ２２６によって圧送された冷水を、熱交換器２５２を通して循環させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、カソード系冷却弁２５４をON状態とすることにより、カソード側のオフガスを、加湿ユニット５２の直前で効率的に冷却することができる。
本実施形態のシステムは、更に、カソード系加熱弁２２８に連通する温水供給通路２６０を備えている。温水供給通路２６０は、空気供給通路４２に配置された熱交換器２５０に連通している。熱交換器２５０は、また、温水流出通路２６２を介して、冷却水流入通路２２９に連通している。
カソード系加熱弁２２８は、ECU１２０が発する制御信号を受けて、冷却水排出通路１１０と温水供給通路２６０とを導通させるON状態と、それらが遮断されるOFF状態とを選択的に実現する。また、温水供給通路２６０には、カソード系加熱弁２２８側から熱交換器２５０側へ向けて冷却水を圧送するポンプ２６４が設けられている。上記の構成によれば、カソード系加熱弁２２８をON状態とし、かつ、ポンプ２６４を稼働させることにより、燃料電池１０の内部で加熱された温水を、熱交換器２５０を通して流通させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、その状態を作り出すことにより、加湿ユニット５２の直前で、燃料電池１０への供給空気を効率的に加熱することができる。
加湿ユニット５２は、オフガスの温度が低く、オフガスに含まれる水蒸気が凝縮し易いほど、燃料電池１０への供給空気に多くの水分を加えることができる。また、供給空気は、その温度が高いほど、多量の水分を含むことができる。そして、供給空気に含まれる水分量が多いほど、オフガスに含まれる水分が多量となり、凝縮器５６に流れ込む凝縮水量MWCが多量となる。このため、熱交換器２５２によってオフガスを冷却し、また、熱交換器２５０によって供給空気を加熱すると、凝縮器５６に流れ込む凝縮水量MWCを増やすことができる。
（具体的処理）
カソード腐食抑制処理は、上述した通り、カソード側のオフガス中に含まれる水分量を増やして、凝縮水中の腐食性物質の濃度を低下させるための処理である。本実施形態のシステムでは、この目的は、カソード系冷却弁２５４をON状態とすることで、或いはカソード系加熱弁２２８をON状態とすることで達成することができる。
図１８は、ECU１２０が、上記の観点より、カソード腐食抑制処理を実現するために実行するルーチンのフローチャートである。ここでは、先ず、カソード側への空気の供給量QCが検出される（ステップ２７０）。空気の供給量QCは、上述した通り、コンプレッサ４６の回転数を計測する回転数センサ４８の出力より求めることができる。
次に、空気の供給量QCが、第１判定値QCTH1以下であるかが判別される（ステップ２７２）。供給空気の温度は、コンプレッサ４６によって過圧されることにより上昇する。このため、空気の供給量QCがある程度確保されている状況下では、熱交換器２５０によって供給空気を加熱する利益がさほど生じない。第１判定値QCTH1は、その利益が生ずるか否かを判断するための判定値である。
上記ステップ２７２において、QC≦QCTH1の不成立が認められた場合は、熱交換器２５０による加熱が有効ではないと判断される。この場合、ステップ２７４の処理がジャンプされ、即座にステップ２７６の処理が実行される。一方、上記の判定が肯定された場合は、熱交換器２５０による加熱が有効であると判断される。この場合は、次に、カソード系加熱弁２２８がON状態とされる（ステップ２７４）。その結果、熱交換器２５０に温水が流通し始め、カソード側への供給空気が加熱され始める。そして、供給空気の温度が上がり、飽和蒸気圧が高まることにより、供給空気に含まれる水分量が増加する。
図１８に示すルーチンでは、次に、空気の供給量QCが、第２判定値QCTH2以上であるかが判別される（ステップ２７６）。オフガスと共に排出される熱量は、供給量QCが少ないほど少量となる。このため、供給量QCが十分に少ない間は、熱交換器２５２によってオフガスを冷却する利益がさほど生じない。第２判定値QCTH2は、そのような利益が生ずるか否かを判断するための判定値である。
上記ステップ２７６において、QC≧QCTH2の不成立が認められた場合は、熱交換器２５２による冷却が有効ではないと判断される。この場合、ステップ２７８の処理がジャンプされ、即座に今回の処理サイクルが終了される。一方、上記の判定が肯定された場合は、熱交換器２５２による冷却が有効であると判断される。この場合は、次に、カソード系冷却弁２５４がON状態とされる（ステップ２７８）。その結果、熱交換器２５２に冷水が流通し始め、カソード側のオフガスが冷却され始める。そして、加湿ユニット５２の直前でオフガスの温度が下げられ、加湿ユニット５２内の過飽和状態が強められることにより、供給空気に水を加えやすい状況が作り出される。また、オフガスが冷却されることにより、凝縮水が生成され易い状況が作り出される。
以上説明した通り、図１８に示すルーチンによれば、低温の供給空気を加熱し、また、高温のオフガスを冷却することにより、オフガスに含まれる水分量を増やすと共に、オフガス通路５０内での凝縮水の生成効率を高めることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、カソード腐食抑制処理を実行することにより、カソード側の凝縮水中の導電性物質を有効に希釈化することができる。
ところで、上記の説明においては、カソード系加熱弁２２８は、供給空気量QCが第１判定値QCTH1以下であることを条件にONとし、また、カソード系冷却弁２５４は、供給空気量QCが第２判定値QCTH2以上であることを条件にONとすることとしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、供給空気量QCの多少によらず、カソード腐食抑制処理の実行が求められる場合には、常にそれらをONとすることとしてもよい。
また、上述した実施の形態１では、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否を、凝縮水の導電率に基づいて判断することとしているが、その判定手法は、これに限定されるものではない。すなわち、燃料電池１０から溶出不純物が流出するのに伴ってフッ酸等の導電性物質がオフガス中に流出すると、凝縮水の導電率の他、凝縮水のpHにも変化が生ずる。このため、導電率センサ６２，９４の代わりにpHセンサを配置し、燃料電池１０からの溶出不純物量の適否を凝縮水のpHに基づいて判定することとしてもよい。
また、上述した実施の形態１においては、判定の実行条件として、上述した５種類の条件判定を行うこととしているが、これらは、常に組み合わせて実行する必要はない。すなわち、図４に示すメインルーチン中、ステップ１３０では、上述した５種類の条件判定中、少なくとも１つの判定が実行されればよい。
尚、上述した実施の形態１においては、空気供給通路４２および水素供給通路７８が前記第１または第２の発明における「ガス供給機構」に、カソード側オフガス通路５０およびアノード側オフガス通路８４が前記第１または第２の発明における「オフガス通路」に、導電率センサ６２，９４が前記第１または第２の発明における「不純物濃度センサ」にそれぞれ相当している。
また、ここでは、ECU１２０が、図７、図８、図１０、および図１２に示すルーチンを実行することにより前記第１または４の発明における「安定水流条件判定手段」が、図５に示すルーチンを実行することにより前記第２の発明における「洗浄終了判定手段」が、図４に示すステップ１３２以降の処理を実行することにより前記第１または第２の発明における「計測結果取り込み手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ECU１２０が、ステップ１５６の処理を実行することにより前記第３の発明における「電流積算手段」が、ステップ１５８の処理を実行することにより前記第３の発明における「判定手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ECU１２０が、ステップ１７６の処理を実行することにより前記第１の発明における「オフガス量積算値算出手段」が、ステップ１７８の処理を実行することにより前記第５の発明における「判定手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、温度センサ１１０が前記第６の発明における「FC温度計測手段」に相当していると共に、ECU１２０が、ステップ１６０の処理を実行することにより前記第５の発明における「判定手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、温度センサ５８が前記第６の発明における「凝縮水温度計測手段」に相当していると共に、ECU１２０が、ステップ１８０の処理を実行することにより前記第７の発明における「安定水流条件判定手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ECU１２０が、ステップ１９０〜１９６の処理を実行することにより前記第７の発明における「流入凝縮水量算出手段」が、ステップ１９８および２０４の処理を実行することにより前記第７の発明における「判定手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、温度センサ１１２が前記第８の発明における「FC温度計測手段」に、圧力センサ５４，８６が前記第８の発明における「第１内圧計測手段」に、圧力センサ６３，９６が前記第８の発明における「第２内圧計測手段」に、温度センサ６０，９２が前記第８の発明における「凝縮水温度計測手段」に、それぞれ相当している。更に、ここでは、ＥＣＵ２０が、ステップ１９０の処理を実行することにより前記第８の発明における「オフガス量検出手段」が、ステップ１９２の処理を実行することにより前記第８の発明における「排出水総量算出手段」が、ステップ１９４の処理を実行することにより前記第８の発明における「通過水蒸気量算出手段」が、ステップ１９６の処理を実行することにより前記第８の発明における「算出手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、電流センサ２０が前記第９の発明における「電流検出手段」に相当していると共に、ECU１２０が、回転数センサ４８の出力に基づいて空気供給量QCを検出し、また、電動ポンプ１０２の回転数に基づいて水素供給量QAを検出することにより前記第９の発明における「ガス供給量検出手段」が実現されている。更に、ECU１２０が、ステップ１９０の処理を実行することにより前記第９の発明における「算出手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ECU１２０が、ステップ１９０〜１９６の処理を実行することにより前記第１１の発明における「流入凝縮水量算出手段」が実現されていると共に、ステップ１９８においてαMWCH＞MWCの不成立が判定された際にFalse判定を行い、また、ステップ２０４においてαMACH＞MWCの不成立が判定された際にFalse判定を行うことにより前記第１１の発明における「禁止手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ECU１２０が、ステップ１３４および１４２の処理を実行することにより前記第１２の発明における「異常判定手段」が、ステップ１９０〜１９６の処理を実行することにより前記第１２の発明における「流入凝縮水量算出手段」が、ステップ２１０〜２１４の処理を実行することにより前記第１２の発明における「異常判定濃度設定手段」が、それぞれ実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ECU１２０が、ステップ１３４および１４２の処理を実行することにより前記第１３の発明における「異常判定手段」が、ステップ１３６および１４４の処理を実行することにより前記第１３の発明における「液体水分増量手段」が、それぞれ実現されている。更に、ここでは、熱交換器２３２および２５２が前記第１４の発明における「オフガス冷却手段」に、熱交換器２５０が前記第１５の発明における「加熱手段」に、それぞれ相当している。
実施の形態２．
（実施の形態２の構成）
次に、図１９および図２０を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図１９は、本実施形態のシステムの構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、図１９に示す構成において、ECU１２０に、実施の形態１の場合と同様の処理に加え、後述する図２０に示す処理を実行させることにより実現することができる。
本実施形態のシステムは、カソード側およびアノード側に、純水供給タンク２８０，２８２と、洗浄弁２８４，２８６を備えている点を除き、実施の形態１のシステムと同様のハードウェア構成を有している。以下、図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を用いてその説明を省略または簡略する。
純水供給タンク２８０は、洗浄弁２８４を介して空気供給通路４２に連通している。純水供給タンク２８０には、純水が貯留されており、洗浄弁２８４が開かれると、その純水により、燃料電池内部の空気通路２６、カソード側オフガス通路、および凝縮器５６の内部を洗浄することができる。同様に、アノード側に配置された洗浄弁２８４を開弁すると、純水供給タンク２８２に蓄えられている純水により、燃料電池内部の水素通路２４、アノード側オフガス通路８４、および凝縮器８８の内部を洗浄することができる。
本実施形態のシステムは、燃料電池１０の停止時に、洗浄弁２８４，２８６を開いて上記の洗浄を実行する。このような洗浄によれば、導電率センサ６２，９４の上流に残存する導電性物質を、燃料電池１０の停止中に洗い流すことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０の起動後速やかに、導電率センサ６２，９４の計測値に基づいて、燃料電池１０の状態を正しく判定することができる。
（実施の形態２における具体的処理）
図２０は、上述した洗浄を行うためにECU１２０が実行するルーチンのフローチャートである。図２０に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の停止処理が終了したか否かが判別される（ステップ２９０）。その結果、停止処理が終了していないと判断された場合は、そのまま今回の処理サイクルが終了される。
一方、停止処理が終了していると判別された場合は、次に、洗浄の実行条件が成立（Truth）しているか否かが判別される（ステップ２９２）。その結果、実行条件が成立していないと判別された場合は、そのまま今回の処理が終了される。
洗浄の実行条件の成立が判定された場合は、次に、洗浄弁２８４，２８６が開状態とされる（ステップ２９４）。その結果、純水供給タンク２８０，２８２中の純水による洗浄が開始される。
次に、停止タイマTSがインクリメントされる（ステップ２９６）。停止タイマTSは、燃料電池１０の停止時点では０とされており、その停止後の経過時間を計数するためのものである。
図２０に示すルーチンでは、次に、停止タイマTSの計数値が、第１判定時間αT1を超えているかが判別される（ステップ２９８）。第１判定時間αT1は、洗浄の継続時間として定められた値である。TS＞αT1が否定された場合は、洗浄を継続するべく再び上記ステップ２９４の処理が実行される。一方、TS＞αT1の成立が認められた場合は、洗浄が十分に行われたと判断され、洗浄弁２８４，２８６が閉じられる（ステップ３００）。
次に、コンプレッサ４６が規定の回転数に制御され、かつ、電動ポンプ１０２が規定の回転数に制御される（ステップ３０２）。コンプレッサ４６および電動ポンプ１０２を作動させると、カソード側オフガス通路５０およびアノード側オフガス通路８４の双方に、ガスを流通させることができ、通路内に残存する純水の排出を促進することができる。このため、上記の処理によれば、洗浄の効果を更に高めることができる。
次に、停止タイマTSの計数値が、第２判定時間αT2を超えているか否かが判別される（ステップ３０４）。第２判定時間αT2は、コンプレッサ４６や電動ポンプ１０２による送風の継続時間として定められた値である。TS＞αT2が否定された場合は、更に送風を継続するべく再び上記ステップ２９６の処理が実行される。一方、TS＞αT2の成立が認められた場合は、十分に送風が行われたと判断され、コンプレッサ４６および電動ポンプ１０２が停止される（ステップ３０６）。
以上説明した通り、図２０に示すルーチンによれば、燃料電池１０の停止中に、カソード側およびアノード側の双方において、残留不純物を効果的に洗浄することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、実施の形態１のシステムに比して、燃料電池１０の起動後早期に、高精度な判定を行うことができる。
尚、上述した実施の形態２においては、純水供給タンク２８０，２８２、および洗浄弁２８４，２８６が前記第１６の発明における「洗浄機構」に相当している。
本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。 図１に示す燃料電池のセルの断面を拡大して表した図である。 図１に示す構成においてカソード側に配置される凝縮器の構造を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるメインルーチンのフローチャートである。 判定の第１条件の成否を判断するルーチンのフローチャートである。 燃料電池の負荷と、凝縮器において生成される凝縮水の量との関係を説明するための図である。 判定の第２条件の成否を判断するルーチンのフローチャートである。 判定の第３条件の成否を判断するルーチンのフローチャートである。 燃料電池の温度T１１２と、カソード側の凝縮器付近の温度T５８と、アノード側の凝縮器付近の温度T９０の経時的な変化を対比して表した図である。 判定の第４条件の成否を判断するルーチンのフローチャートである。 カソード側の導電率センサの周囲を流れる凝縮水の量を算出する手法を説明するための図である。 判定の第５条件の成否を判断するルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１の変形例において判定値を設定するために実行されるルーチンのフローチャートである。 図１３に示すルーチン中で判定値を設定するために参照されるマップの一例である。 図１に示す構成に、アノード腐食抑制処理を実行するために必要な要素を書き加えたハードウェア構成を示す。 アノード腐食抑制処理として実行される一連の処理のフローチャートである。 図１に示す構成に、カソード腐食抑制処理を実行するために必要な要素を書き加えたハードウェア構成を示す。 カソード腐食抑制処理として実行される一連の処理のフローチャートである。 本発明の実施の形態２の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において、洗浄のために実行されるルーチンのフローチャートである。
符号の説明
１０ 燃料電池
２０ 電流計
４６ コンプレッサ
４８ 回転数センサ
５２ 加湿ユニット
５４，６３，８６，９６ 圧力センサ
５６，８８ 凝縮器
５８，６０，９０，９２，１１０ 温度センサ
６２，９４ 導電率センサ
６８ 凝縮水滞留部
１０２ 電動ポンプ
１２０ ECU(Electronic Control Unit)
２２０ ラジエタ
２２４ アノード側冷却弁
２３２，２５０，２５２ 熱交換器
２２８ カソード側加熱弁
２５４ カソード側冷却弁
２８０，２８２ 純水供給タンク
２８４，２８６ 洗浄弁
A 電流
Q オフガス流量
QC 空気の供給量
QA 水素の供給量
QCout カソード側のオフガス流量
QAout アノード側のオフガス流量
MWCout1 カソード側に排出される水分総量
MWAout1 アノード側に排出される水分総量
MWCout2 カソード側の凝縮器から流出する水蒸気量
MWAout2 アノード側の凝縮器から流出する水蒸気量
MWC カソード側の凝縮器を流通する凝縮水量
MWA アノード側の凝縮器を流通する凝縮水量
β，βc，βa 判定の判定値

Claims (16)

  1. ガスの供給を受けることにより水を生成しながら電気を生成する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記ガスを供給するガス供給機構と、
    前記燃料電池によって生成された水と前記ガスの余剰分とを含むオフガスを前記燃料電池から排出させるためのオフガス通路と、
    前記オフガス通路中を流れる凝縮水を一時的に滞留させるための凝縮水滞留部と、
    前記凝縮水滞留部の中で、前記凝縮水の不純物濃度を計測する不純物濃度センサと、
    前記オフガス通路内に安定水流が生ずる安定水流条件の成立を判定する安定水流条件判定手段と、
    前記安定水流条件の成立時に、前記不純物濃度を有効値と認識する計測結果取り込み手段と、
    前記燃料電池の始動後に、前記燃料電池から排出されたオフガス量の積算値を算出するオフガス量積算値算出手段を備え、
    前記安定水流条件判定手段は、前記オフガス量の積算値が判定値を超える場合に前記安定水流条件の成立を判定する判定手段を含むことを特徴とする燃料電池システム。
  2. ガスの供給を受けることにより水を生成しながら電気を生成する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記ガスを供給するガス供給機構と、
    前記燃料電池によって生成された水と前記ガスの余剰分とを含むオフガスを前記燃料電池から排出させるためのオフガス通路と、
    前記オフガス通路中を流れる凝縮水を一時的に滞留させるための凝縮水滞留部と、
    前記凝縮水滞留部の中で、前記凝縮水の不純物濃度を計測する不純物濃度センサと、
    前記燃料電池から前記凝縮水滞留部にわたって、前記オフガス経路の洗浄が終了したか否かを、前記燃料電池の起動毎に判断する洗浄終了判定手段と、
    前記燃料電池の起動後、前記洗浄の終了が判断された後に、前記不純物濃度を有効値と認識する計測結果取り込み手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 前記燃料電池の起動後に生成された電流の積算値を算出する電流積算手段を備え、
    前記洗浄終了判定手段は、前記電流の積算値が判定値を超える場合に前記洗浄の終了を判定する判定手段を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記オフガス経路内に安定水流が生ずる安定水流条件の成立を判定する安定水流条件判定手段を備え、
    前記計測結果取り込み手段は、前記洗浄の終了後、かつ、前記安定水流条件の成立時に、前記不純物濃度を有効値と認識することを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池の温度を計測するFC温度計測手段を備え、
    前記安定水流条件判定手段は、前記燃料電池の温度が判定温度を超える場合に前記安定水流条件の成立を判定する判定手段を含むことを特徴とする請求項１または４記載の燃料電池システム。
  6. 前記凝縮水滞留部の内部または近傍で前記凝縮水の温度を計測する凝縮水温度計測手段を備え、
    前記安定水流条件判定手段は、計測された凝縮水の温度が判定温度を超える場合に前記安定水流条件の成立を判定する判定手段を含むことを特徴とする請求項１、４および５の何れか１項記載の燃料電池システム。
  7. 前記凝縮水滞留部に流入する単位時間当たりの凝縮水量を算出する流入凝縮水量算出手段を備え、
    前記安定水流条件判定手段は、算出された凝縮水量が判定量を超える場合に前記安定水流条件の成立を判定する判定手段を含むことを特徴とする請求項１および４乃至６の何れか１項記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池から排出されるオフガス量を検出するオフガス量検出手段と、
    前記燃料電池の温度を計測するFC温度計測手段と、
    前記燃料電池の近傍における前記オフガス通路の内圧を第１内圧として計測する第１内圧計測手段と、
    前記オフガス量と、前記燃料電池の温度と、前記第１内圧とに基づいて、燃料電池からオフガス通路への排出水総量を算出する排出水総量算出手段と、
    前記凝縮水滞留部の内部または近傍で前記凝縮水の温度を計測する凝縮水温度計測手段と、
    前記凝縮水滞留部の内部または近傍における前記オフガス経路の内圧を第２内圧として計測する第２内圧計測手段と、
    前記オフガス量と、前記凝縮水の温度と、前記第２内圧とに基づいて、前記凝縮水滞留部をガス状態のまま通過する水蒸気量を算出する通過水蒸気量算出手段とを備え、
    前記凝縮水量算出手段は、前記排出水総量から前記水蒸気量を減じることにより、前記凝縮水量を算出する算出手段を含むことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃料電池に対するガス供給量を検出するガス供給量検出手段と、
    前記燃料電池の電流を検出する電流検出手段とを備え、
    前記オフガス量検出手段は、前記ガス供給量と、前記電流とに基づいて前記オフガス量を算出する算出手段を含むことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
  10. 前記不純物濃度センサは、前記凝縮水滞留部に設けられた導電率センサであることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載の燃料電池システム。
  11. 前記凝縮水滞留部に流入する単位時間当たりの凝縮水量を算出する流入凝縮水量算出手段を備え、
    前記計測結果取り込み手段は、算出された凝縮水量が高負荷判定量を超える場合に、前記不純物濃度が有効値と認識されるのを禁止する禁止手段を含むことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項記載の燃料電池システム。
  12. 前記計測結果取り込み手段により有効値と認識された不純物濃度が、異常判定濃度を超える場合に前記燃料電池の異常を判定する異常判定手段と、
    前記凝縮水滞留部に流入する単位時間当たりの凝縮水量を算出する流入凝縮水量算出手段と、
    前記凝縮水量に基づいて前記異常判定濃度を設定する異常判定濃度設定手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項記載の燃料電池システム。
  13. 前記計測結果取り込み手段により有効値と認識された不純物濃度が、異常判定濃度を超える場合に前記燃料電池の異常を判定する異常判定手段と、
    前記燃料電池の異常が判定された場合に、前記オフガス中の液体水分を増量させる液体水分増量手段と、
    を備えることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項記載の燃料電池システム。
  14. 前記液体水分増量手段は、前記燃料電池から排出されるオフガスを冷却するオフガス冷却手段を含むことを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム。
  15. 前記ガス供給機構は、前記燃料電池のカソード側に空気を供給する空気供給通路と、前記空気供給通路の中を流れる空気を加湿する加湿ユニットとを備え、
    前記液体水分増量手段は、前記加湿ユニットの上流側で前記空気供給通路の中を流れる空気を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする請求項１３または１４記載の燃料電池システム。
  16. 前記燃料電池の停止中に、前記オフガス経路に水を流通させる洗浄機構を備えることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項記載の燃料電池システム。
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