JP5310738B2 - 燃料電池の水分量推定装置及び燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の水分量を推定する技術に関し、特に、燃料電池のセル面内における水分量を推定する、燃料電池の水分量推定装置及び燃料電池システムに関する。

従来から広く知られているように、固体高分子型燃料電池で効率良く発電を行うには、電解質膜を適度な湿潤状態とし、燃料電池内の水分量を過不足な状態にしないことが望ましい。燃料電池のセル面内における水分量を制御する技術として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１は、反応ガス（空気に代表される酸化ガス及び水素ガスに代表される燃料ガスの総称。）の圧力、湿度、温度、流量及び流路形状による圧損特性の少なくとも一つを調整して、セル面内の液滴または水蒸気としての水分量の分布を制御することを開示している。
特開２００４−３３５４４４号公報

しかしながら、実際の単セルでは、アノード電極とカソード電極との間で電解質膜を通った水分の移動がある。この点、特許文献１では、電極間の水移動を考慮していないため、セル面内における水分量の分布を精度良く推定し制御することが難しかった。
また、セル面内における水分量としては、反応ガスの流路に液水として存在する残水量のほか、電解質膜に含浸されている含水量があり、残水量と含水量とはそれぞれ単セルに与える影響が異なる。この点、特許文献１では、含水量について何ら考慮していないため、例えば残水量を減らそうとして、電解質膜を乾燥させ過ぎてしまうといった制御を行うおそれがあった。

本発明は、セル面内における水分量を精度良く把握することができる燃料電池の水分量推定装置及び燃料電池システムを提供することをその目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池の水分量推定装置は、アノード電極、カソード電極、これらの間にある電解質膜、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路、及び前記カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する単セルが複数積層されてなるセル積層体を含む燃料電池の水分量を推定するものにおいて、電解質膜を介してアノード電極とカソード電極との間で行われる水移動、並びに前記セル積層体のセル積層方向における単セルの位置に応じた温度分布及び圧損分布を考慮して、各単セルに関して、セル面内における前記燃料ガス流路及び前記酸化ガス流路のそれぞれの残水量分布及び電解質膜の含水量分布を推定する推定部を有するものである。

本発明によれば、電極間の水移動を考慮しているので、電解質膜の含水量及び反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化ガス流路）の残水量を精度良く把握できる。また、セル積層方向の位置に応じて水分量が異なる原因（温度分布、圧損分布）を考慮しているので、全ての単セルに関して、残水量分布及び含水量分布をより精度良く推定することができる。よって、セル面内における残水量分布及び含水量分布の推定の精度を向上することができ、推定に基づく対策制御も的確に行うことが可能となる。例えば、燃料ガス流路及び酸化ガス流路の一方の残水量分布を考慮しながら、他方の残水量を調整するなどの対策制御を的確に且つ個別に行えるようになる。

より好ましくは、温度分布は、セル積層方向における単セルの位置に応じた放熱量のバラツキを含むとよい。また、各単セルには冷媒が供給されるように構成されている場合には、推定部は、外気温及びセル積層体への冷媒流量の少なくとも一つを考慮して、各単セルに関する温度を算出することが好ましい。より好ましくは、推定部は、各単セルに関する温度として、各単セルの冷媒の入口側及び出口側における温度を算出するとよい。

好ましくは、圧損分布は、セル積層方向における単セルの位置に応じた燃料ガス及び酸化ガスの配流バラツキを含むとよい。また、各単セルに冷媒が供給されるように構成されている場合には、圧損分布は、単セルのセル積層方向における位置に応じた冷媒の配流バラツキを含むことが好ましい。

好ましくは、推定部は、アノード電極側とカソード電極側との水蒸気分圧の差に基づいて、電解質膜を介した両電極間での水移動速度を算出し、算出した水移動速度を用いて残水量分布及び含水量分布を推定するとよい。より好ましくは、推定部は、算出した水移動速度を用いて反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化ガス流路）及び電解質膜の湿度分布を算出し、算出した電解質膜の湿度分布を用いて含水量分布を推定するとよい。また、より好ましくは、推定部は、算出した反応ガス流路の湿度分布に、反応ガス流路での液水の変化を加味して、残水量分布を推定するとよい。さらに、好ましくは、推定部は、アノード電極側の露点とカソード電極側の露点とを計測又は算出することで、水蒸気分圧の差を算出するとよい。

本発明の燃料電池システムは、上記した本発明の燃料電池の水分量推定装置と、推定部による推定結果に基づき、燃料電池が所定の水分状態となるように燃料電池システムの運転を制御する運転制御部と、を備えたものである。

本発明の燃料電池システムによれば、精度の高い推定結果を利用するので、全ての単セル内部の残水量及び含水量を最適にすることができ、補機動力損などを回避することができる。例えば、セル積層方向で最も不利な状態にある単セルに応じた対策制御を施すことができ、単セルの劣化を抑制することができる。

好ましくは、運転制御部は、セル積層体の端にある単セル（以下、端部セルという。）の残水量が所定の上限値を越えないように、水低減制御を実行するとよい。

これにより、残水量が低減された端部セルでは、反応ガスの圧損が小さくなるので、例えば車両搭載状態でＷＯＴ要求があっても、必要なストイキを確保することができる。また、セル積層方向で最も残水量が多くなり易い端部セルの残水量を基準として水低減制御を実行するので、他の単セル内の残水量も所定の上限値を越えないように低減することができる。

より好ましくは、運転制御部は、セル積層体の中央部にある単セルの残水量又は含水量が所定の下限値を超えるように、水低減制御の実行を停止するとよい。

これにより、水低減制御の実行による電解質膜の乾き過ぎを抑制することができる。セル積層体で比較的残水量が少ない中央部の単セルを基準とするので、これ以外の単セルの電解質膜の乾き過ぎも抑制することができる。

好ましくは、運転制御部は、燃料電池への燃料ガス又は酸化ガスの状態量を可変する機器を制御することにより、水低減制御を実行するとよい。より好ましくは、機器は、燃料電池に燃料ガスを圧送するポンプ、燃料電池に酸化ガスを圧送するコンプレッサ、及び、燃料電池における酸化ガスの背圧を調整する背圧弁の少なくとも一つを含むとよい。

これらの構成によれば、燃料電池システムに通常搭載される機器を有効に利用して、水低減制御を実行することができる。

本発明の好ましい一態様の燃料電池システムは、各単セルに冷媒を供給する冷媒配管系を更に備えるとよく、運転制御部は、端部セルの残水量が温度低下によって増大したと推定された場合、セル積層体のセル積層方向における温度分布を均一化するように冷媒配管系を制御するとよい。

これにより、冷媒配管系を有効に利用されて、セル積層体の温度分布ひいては圧損のバラツキが均一化されるので、ストイキ不足による単セルの劣化等を抑制することができる。

本発明の別の好ましい一態様によれば、運転制御部は、セル面内における残水量が局所的に多いと推定された場合、セル面内における残水量を均一化するように、燃料電池への燃料ガス又は酸化ガスの状態量を可変するとよい。

こうすることで、単セルの水分状態を最適状態とすることができ、補機動力損を低減することできる。なお、残水量を均一化する方法としては、例えば上記のポンプ又はコンプレッサの回転数を上げる方法などが挙げられる。

好ましくは、運転制御部は、燃料ガス流路の残水量が局所的に多いと推定された場合には、燃料電池への燃料ガスの状態量を可変する一方、酸化ガス流路の残水量が局所的に多いと推定された場合には、燃料電池への酸化ガスの状態量を可変するとよい。

こうすることで、燃料ガス流路及び酸化ガス流路のそれぞれの残水量に対応した処理をすることができる。

本発明のまた別の好ましい一態様によれば、運転制御部は、電解質膜に関し任意の位置での含水量が少ないと推定された場合には、電解質膜の乾燥を抑制するように、燃料電池への燃料ガス又は酸化ガスの状態量を可変するとよい。

こうすることで、電解質膜の乾燥による劣化を抑制することができる。例えば酸化ガスの状態量を可変することで電解質膜の乾燥を抑制する方法として、供給量を下げたり、背圧を上げたりする方法が挙げられる。

本発明の別の好ましい一態様によれば、運転制御部は、推定された燃料ガス流路の残水量に基づき、急速な出力上昇要求によってセル電圧の低下が予測される場合、燃料電池への燃料ガスの燃料濃度を増加させるとよい。

こうすることで、例えば、アノード電極及びカソード電極が燃料欠によって酸化することを抑制できる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。先ず、燃料電池及びその水分量推定装置を含む燃料電池システムの概要について説明し、次いで、燃料電池の水分量の推定及びその推定を利用した制御例について説明する。以下では、燃料ガスとして水素ガスを例に説明し、酸化ガスとして空気を例に説明し、燃料ガス及び酸化ガスを反応ガスと総称することがある。

Ａ．燃料電池の概要
図１及び図２に示すように、スタック構造の燃料電池１は、固体高分子電解質型の単セル２を複数積層してなるセル積層体３を有する。セル積層体３の両端にある単セル２（以下、「端部セル２ａ」という。）の外側に、それぞれ、集電板５ａ、５ｂ、絶縁板６ａ、６ｂ及びエンドプレート７ａ、７ｂが配置される。テンションプレート８，８がエンドプレート７ａ、７ｂ間に架け渡されてボルト９で固定され、エンドプレート７ｂと絶縁板６ｂとの間に弾性モジュール１０が設けられる。

水素ガス、空気及び冷媒は、エンドプレート７ａの供給口１１ａ，１２ａ及び１３ａに接続した供給管１４からセル積層体３内のマニホールド１５ａに供給される。その後、水素ガス、空気及び冷媒は、単セル２の平面方向に流れて、セル積層体３内のマニホールド１５ｂに至り、エンドプレート７ａの排出口１１ｂ，１２ｂ及び１３ｂに接続した排出管１６から燃料電池１外に排出される。なお、供給管１４、マニホールド１５ａ，１５ｂ及び排出管１６は、水素ガス、空気及び冷媒の各流体に対応して設けられているが、図２では同一符号を付して説明を省略している。

図３に示すように、単セル２は、ＭＥＡ２０及び一対のセパレータ２２Ａ，２２Ｂを備える。ＭＥＡ２０（膜―電極アッセンブリ）は、イオン交換膜からなる電解質膜２３と、電解質膜２３を挟んだアノード電極２４Ａ及びカソード電極２４Ｂと、で構成される。電極２４Ａにはセパレータ２２Ａの水素流路２５Ａが面し、電極２４Ｂにはセパレータ２２Ｂの空気流路２５Ｂが面する。また、セパレータ２２Ａ，２２Ｂの冷媒流路２６Ａ，２６Ｂが、隣接する単セル２，２間で連通する。

図４は、セパレータ２２Ａの平面図である。セパレータ２２Ａは、水素流路２５Ａの外側にそれぞれ貫通形成された水素入口２７ａ、空気入口２８ａ、冷媒入口２９ａ、水素出口２７ｂ、空気出口２８ｂ及び冷媒出口２９ｂを有する。入口２７ａ、２８ａ及び２９ａは、それぞれの流体に対応するマニホールド１５ａの一部を構成し、同様に、出口２７ｂ、２８ｂ及び２９ｂは、それぞれの流体に対応するマニホールド１５ｂの一部を構成する。

セパレータ２２Ａでは、水素ガスが入口２７ａから水素流路４０に導入され、出口２７ｂへと排出される。この点、冷媒の流れも同様である。また、詳述しないが、セパレータ２２Ａと同様に構成されたセパレータ２２Ｂでも、その平面方向に空気が流れる。このようにして、単セル２内の電極２４Ａ、２４Ｂに水素ガス及び空気が供給され、それによりＭＥＡ２０内で電気化学反応が生じ、起電力が得られる。また、この電気化学反応により、電極２４Ｂ側に水が生成されると共に発熱する。そして、冷媒が流れることで、各単セル２の熱が低減される。

図５Ａ〜Ｃは、本実施形態を適用可能なセパレータの他の流路形状を示す概略平面図である。図４に示した直線溝流路（凹凸の繰り返しが一方向に延びるもの。）の態様に代えて、図５Ａに示すように、流路２５Ａ、２５Ｂ、２６Ａ，２６Ｂの流路形状を、途中に折り返し部があるサーペンタイン流路形状とすることもできる。また、図５Ｂに示すように、流路２５Ａ，２５Ｂ，２６Ａ，２６Ｂを波状とすることもできるし、図５Ｃに示すように、凹凸をなくした平板状とすることもできる。さらに、反応ガスの流し方についても、図１及び図４から理解されるようなコフロータイプ（水素ガス及び空気が同方向に流れる。）に代えて、水素ガスと空気とが逆方向に流れるカウンターフロータイプを採用することもできる。また、セパレータ２２Ａ，２２Ｂの向きも縦、横のどちらでもよい。つまり、後述する燃料電池１の水分量の推定は、燃料電池１のハード構成に限定されるものではない。

Ｂ．燃料電池システムの概要
図６に示すように、燃料電池システム１００は、空気配管系３００、水素配管系４００、冷媒配管系５００及び制御装置６００を備える。燃料電池システム１００は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム１００を例に説明する。

空気配管系３００は、燃料電池１に空気を給排するものであり、加湿装置３０、供給流路３１、排出流路３２及びコンプレッサ３３を有する。コンプレッサ３３により大気中のエア（低湿潤状態の空気）が取り込まれて加湿装置３０に圧送され、加湿装置３０にて高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換が行われる。その結果、適度に加湿された空気が供給流路３１から燃料電池１に供給される。排出流路３２には、燃料電池１のエア背圧を調整する背圧弁３４が設けられる。また、背圧弁３４の近傍には、エア背圧を検出する圧力センサＰ１が設けられる。コンプレッサ３３には、燃料電池１へのエア供給流量を検出する流量センサＦ１が設けられる。

水素配管系４００は、燃料電池１に水素ガスを給排するものであり、水素供給源４０、供給流路４１、循環流路４２及びシャットバルブ４３などを有する。水素供給源４０からの水素ガスは、レギュレータ４４によって減圧された後、インジェクタ４５によって流量及び圧力を高精度に調整される。その後、水素ガスは、循環流路４２上の水素ポンプ４６によって圧送された水素オフガスと合流点Ａで合流して、燃料電池１に供給される。循環流路４２には、パージ弁４８付きのパージ路４７が分岐接続されており、パージ弁４８を開弁することで、水素オフガスが排出流路３２に排出される。合流点Ａの下流側には、燃料電池１への水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられる。また、水素ポンプ４６には、流量センサＦ２が設けられる。なお、別の実施態様では、燃料オフガスを水素希釈器などに導入してもよいし、循環流路４２に気液分離器を設けてもよい。

冷媒配管系５００は、燃料電池１に冷媒（例えば冷却水）を循環供給するものであり、冷却ポンプ５０、冷媒流路５１、ラジエータ５２、バイパス流路５３及び切替え弁５４を有する。冷却ポンプ５０は、冷媒流路５１内の冷媒を燃料電池１内へと圧送する。冷媒流路５１は、燃料電池１の冷媒入口側にある温度センサＴ１と、燃料電池１の冷媒出口側にある温度センサＴ２と、を有する。ラジエータ５２は、燃料電池１から排出される冷媒を冷却する。切替え弁５４は、例えばロータリーバルブにより構成され、必要に応じて、ラジエータ５２とバイパス流路５３との間で冷媒の通流を切り替える。

制御装置６００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御装置６００には、各配管系３００，４００，５００を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサ（Ｐ１，Ｐ２，Ｆ１，Ｆ２，Ｔ１，Ｔ２）の検出情報が入力される。また、制御装置６００には、燃料電池１が発電した電流値を検出する電流センサ６１の検出情報のほか、外気温センサ６２、車速センサ６３、アクセル開度センサなどの検出情報が入力される。制御装置６００は、これら検出情報等に応じて、システム１００内の各種機器（コンプレッサ３３、シャットバルブ４３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６、パージ弁４８、冷却ポンプ５０、切替え弁５４など）を制御し、燃料電池システム１００の運転を統括制御する。また、制御装置６００は、各種検出情報を読み込み、ＲＯＭに格納されている各種マップを利用して、燃料電池１の水分量を推定する。

図７に示すように、制御装置６００は、燃料電池１の水分量を推定してそれに基づく制御を実現するための機能ブロックとして、記憶部６５、検出部６６、推定部６７及び運転制御部６８を備える。記憶部６５は、燃料電池１の水分量の推定及び制御を実現するための各種のプログラムや、各種のマップを記憶する。なお、マップは、実験又はシミュレーションにより事前に得られたものである。検出部６６は、各種センサ（Ｐ１，Ｐ２，Ｆ１，Ｆ２，Ｔ１，Ｔ２，６１〜６３）などの検出情報を読み込む。運転制御部６８は、推定部６７による推定結果に基づいて、各種機器に制御指令を送信し、燃料電池１が所望の運転状態（例えば水分状態、温度状態など）となるように運転を制御する。このとき、運転制御部６８は、必要に応じて、アノード側とカソード側とを区別した制御を実行する。

推定部６７は、検出部６６で取得された情報に基づいて、記憶部６５にある各種マップを参照して燃料電池１の水分量を推定する。具体的には、推定部６７は、電解質膜２３を介して電極２４Ａ、２４Ｂ間で行われる水移動を考慮し、単セル２のセル面内における残水量分布及び含水量分布を推定する。また、推定部６７は、各単セル２の積層方向（以下、セル積層方向という。）の残水量分布及び含水量分布も推定する。

ここで、「セル面内」とは、単セル２の平面方向（図４の紙面と平行な方向をいい、セル積層方向と直交する方向をいう。）における単セル２の内部を意味する。「残水量」とは、単セル２の反応ガス流路内に存在する液水の量を意味する。反応ガス流路とは、水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂを総称した概念である。「含水量」とは、単セル２の電解質膜２３に含まれる水の量を意味する。

Ｃ．燃料電池の水分量の推定方法
本実施形態の水分量の推定方法では、残水量と含水量とを区別して推定し、その際、アノード側とカソード側とを分けて残水量分布を推定する。また、残水量と含水量とについて、セル面内での分布のみならずセル積層方向での分布も推定する。以下では、先ず、セル面内での水分布（残水量分布及び含水量分布）の推定方法について説明する。次いで、推定に際してセル積層方向の温度バラツキ・配流バラツキをどのように考慮するかについて説明し、セル積層方向での水分布の推定方法に言及する。

１．セル面内での水分布の推定方法
図８に示すように、先ず、電流値Ｉ、セル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉ、セル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}、エア流量Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}、水素流量Ｑ_Ｈ２，ｉ、エア背圧Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}及び水素圧Ｐ_Ｈ２，ｉを読み込む（ステップＳ１）。

ここで、電流値Ｉは、電流センサ６１によって検出されたものである。セル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉ等における下付き添え字の「ｉ」は、セル積層体３における単セル２の位置を示すセルチャンネルである。具体的には、図９に示すセル積層体３をモデルにした場合、反応ガスの供給口（図１の供給口１１ａ，１２ａに相当する。）及び排出口（図１の排出口１１ｂ，１２ｂに相当する。）に最も近い端部セル２ａのセルチャンネル「ｉ」は１となる。２００枚の単位セル２が積層されている場合には、もう一方の端部セル２ａのセルチャンネル「ｉ」は２００となる。

セル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉ及びセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}は、それぞれ、単セル２（セルチャンネル：ｉ）の冷媒入口２９ａ及び冷媒出口２９ｂでの冷媒温度である。エア流量Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}及び水素流量Ｑ_Ｈ２，ｉは、それぞれ、単セル２_ｉの空気入口２８ａ及び水素入口２７ａに流入する空気及び水素ガスの供給流量である。エア背圧Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}及び水素圧Ｐ_Ｈ２，ｉは、それぞれ、単セル２_ｉの空気出口２８ｂ及び水素入口２７ａでの空気及び水素ガスの圧力である。燃料電池が一つの単セル２しか有しない場合や、セル積層方向の温度バラツキ・配流バラツキを考慮しない場合は、次のとおりとなる。
Ｔ_ｉｎ，ｉ：温度センサＴ１による検出値
Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}：温度センサＴ２による検出値
Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}：流量センサＦ１による検出値
Ｑ_Ｈ２，ｉ：流量センサＦ２による検出値から求めた水素供給流量
Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}：圧力センサＰ１による検出値
Ｐ_{Ｈ２，ｉ：}：圧力センサＰ２による検出値

一方、燃料電池１が複数の単セル２を有する場合には、セル積層方向の位置に応じて放熱量や圧損等が異なるので、単セル２間で放熱量バラツキ並びに反応ガス及び冷媒の配流バラツキがある。したがって、この点を考慮したセル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉ等を用いることが望ましい。この考慮の仕方については後述する。

なお、セル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉ等として用いる各検出値は、上記センサ以外のセンサや算出方法による値を用いることもできる。換言すると、温度センサ、流量センサ及び圧力センサは、図６に示す以外の位置にも設けられてもよく、その数及び位置は、適宜設計変更することができる。例えば、水素流量センサを燃料電池１の水素供給口１１ａの近くに設けて、その検出値を水素流量Ｑ_Ｈ２，ｉとして用いるようにしてもよい。また、セル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉ及びセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}は端部セル２ａもしくはエンドプレート７ａ，７ｂに温度センサを取り付けることで、推定することも可能である。このように、冷媒の温度に代えて燃料電池スタック自体の温度を測定することで、より精度の高い水分推定が可能となる。

図８に示すステップＳ２では、セル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉから各単セル２_ｉのカソード入口露点Ｔ_ｄ、ＣＡ及びアノード入口露点Ｔ_ｄ、ＡＮを算出する。本実施形態では、燃料電池システム１に加湿器３０が用いられているので、カソード入口露点Ｔ_ｄ、ＣＡ及びアノード入口露点Ｔ_ｄ、ＡＮとして、それぞれセル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉを用いることができる。すなわち、空気入口２８ａ及び水素入口２７ａが冷媒入口２９ａに近い場合は、次のとおり表すことができ、露点の積層バラツキを考慮することができる。
Ｔ_ｄ、ＣＡ＝Ｔ_ｄ、ＡＮ＝Ｔ_ｉｎ，ｉ

なお、ステップＳ２では、セル出口温度Ｔ_{ｏｕｔ，ｉ}から各単セル２_ｉのカソード入口露点Ｔ_ｄ、ＣＡ及びアノード入口露点Ｔ_ｄ、ＡＮを算出してもよい。また、別の実施態様によれば、露点計を用いてもよい。例えば、燃料電池システム１に加湿器が用いられていない場合や、セル入口温度Ｔ_ｉｎ，ｉを利用しない場合には、燃料電池１のスタック入口（アノード側供給口１１ａ及びカソード側供給口１２ａ）にそれぞれ露点計を設置し、その検出値をカソード入口露点Ｔ_ｄ、ＣＡ及びアノード入口露点Ｔ_ｄ、ＡＮと設定することもできる。こうすることで、より精度の高い推定が可能となる。

また、空気配管系３００に加湿器３０が搭載されていないエア系無加湿システムでは、カソード入口露点Ｔ_d、_CAを０℃として計算することもできる。あるいは、外気温及び外部湿度センサにより、カソード入口露点Ｔ_d、_CA を外気温及び外部湿度の関数によって計算することも可能である。つまり、本推定方法は無加湿システムにも適用可能である。

図８に示すステップＳ３では、電極２４Ａ，２４Ｂ間の水移動速度Ｖ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ→ＡＮ}を求める。水移動速度Ｖ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ→ＡＮ}は、次式により算出される。
Ｖ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ→ＡＮ}＝Ｄ_Ｈ２Ｏ×（Ｐ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ}−Ｐ_{Ｈ２Ｏ、ＡＮ}）

ここで、Ｐ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ}は、単セル２_ｉの電極２４Ｂ側の水蒸気分圧であり、カソード入口露点Ｔ_ｄ、ＣＡにより算出される。また、Ｐ_{Ｈ２Ｏ、ＡＮ}は、単セル２_ｉの電極２４Ａ側の水蒸気分圧であり、アノード入口露点Ｔ_ｄ、ＡＮにより算出される。Ｄ_Ｈ２Ｏは、電解質膜２３中の水拡散係数である。Ｄ_Ｈ２Ｏは、一定値を用いることもできるが、湿度により変化するものであるため、この点を考慮することが望ましい。

例えば、図１０に示すような電解質膜２３の相対湿度とＤ_Ｈ２Ｏとの関係を表す特性マップを予め作成しておき、この特性マップを用いて電解質膜２３の相対湿度に対応するＤ_Ｈ２Ｏの値を用いることができる。具体的には、燃料電池ステム１の前回運転におけるシャットダウン時に推定した電解質膜２３の相対湿度α、燃料電池ステム１の放置（停止）中に推定した電解質膜２３の相対湿度α、又は、燃料電池ステム１において今回の推定の直前に推定した電解質膜２３の相対湿度αを用いて、今回の推定に用いるＤ_Ｈ２Ｏの値（β）をマップから決定することができる。

図８に示すステップＳ４では、水移動速度Ｖ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ→ＡＮ}、露点Ｔ_ｄ、ＣＡ、露点Ｔ_ｄ、ＡＮ、温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}、エア背圧Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}、水素圧Ｐ_Ｈ２，ｉ、エア流量Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}、水素流量Ｑ_Ｈ２，ｉ及び電流値Ｉから、マップを用いて電流密度ｉ_ｘ（ただし、ｘは任意の自然数。）を算出する。電流密度ｉ_ｘは、セル面内の任意の面積での電流密度であり、例えばｘ＝４のときの各面積をｓ_１〜ｓ_４とすると、Ｉ＝ｉ_１×ｓ_１＋ｉ_２×ｓ₂＋ｉ_３×ｓ_３＋ｉ_４×ｓ_４となる。電流密度ｉ_ｘの分布を算出した結果の一例を図１１に示す。

また、ステップＳ４では、セル面内の電流分布及び相対湿度分布を算出する。これらを示す関数Ｉ及びＲＨは、以下のとおり表される。なお、関数Ｉ及びＲＨのそれぞれのパラメータ（Ｔ_ｄ、ＣＡ、Ｔ_ｄ、ＡＮ、Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}、Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}、Ｐ_Ｈ２，ｉ、Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}、Ｑ_Ｈ２，ｉ、Ｖ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ→ＡＮ}、ｉ_ｘ）に対する感度が予めマップ化される。また、これらのパラメータにより、セル面内の過電圧分布も算出するようにしてもよい。
Ｉ＝ｆ（Ｔ_ｄ、ＣＡ、Ｔ_ｄ、ＡＮ、Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}、Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}、Ｐ_Ｈ２，ｉ、Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}、Ｑ_Ｈ２，ｉ、Ｖ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ→ＡＮ}、ｉ_ｘ）
ＲＨ＝ｆ（Ｔ_ｄ、ＣＡ、Ｔ_ｄ、ＡＮ、Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}、Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}、Ｐ_Ｈ２，ｉ、Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}、Ｑ_Ｈ２，ｉ、Ｖ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ→ＡＮ}、ｉ_ｘ）

図１２は、ステップＳ４で算出したセル面内の相対湿度分布（反応ガス流路及び電解質膜の相対湿度分布）の一例を示す図である。図１２において、セル面内位置に関連して水素ガス及び空気の流れが示されるように、本実施形態ではカウンターフローの流路形態を例にしている。図１２に示されるように、ＡＮ流路（水素流路２５Ａ）では水素入口２７ａから水素出口２７ｂにかけて相対湿度が１００％を越えて過飽和の状態にある一方、ＣＡ流路（空気流路２５Ｂ）では空気出口２８ｂ側で相対湿度が１００％を下回る。また、電解質膜２３では、その中央部（単セル２の中心部）が過飽和の状態になっている。

図８に示すステップＳ５では、アノード側及びカソード側のそれぞれについて、図１２に示す相対湿度分布の結果から過飽和度σ_１（相対湿度が１００％を越えた分）及び未飽和度σ_２（相対湿度が１００％を下回った分）を算出し、液水生成速度Ｖ_vap→liq及び液水蒸発速度Ｖ_liq→vapを以下の式により算出する。これは、反応ガス流路での水の相（気相、液相）が変化することに鑑みて、水素流路２５Ａ及び空気流路２５ＢにおけるＶ_vap→liq及びＶ_liq→vapをそれぞれ算出することにしたものである。
Ｖ_vap→liq＝ｋ_１×σ_１
Ｖ_liq→vap＝ｋ_２×σ_２
ここで、係数ｋ_１、ｋ_２は、温度や撥水性による因子であり、反応ガス流路の物性によるものである。係数ｋ_１、ｋ_２は、実験から予めマップ化される。

図８に示すステップＳ６では、アノード側及びカソード側のそれぞれについて、反応ガス流路での水移動速度Ｖ_liqを以下の式により算出する。反応ガス流路での反応ガスの流れによって液水が吹き飛ばされてセル面内から排出されるので、このことを考慮して、水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂのそれぞれにおける水移動速度Ｖ_liqを算出することにしたものである。
Ｖ_liq＝ｋ_３×Ｖ_gas

ここで、水移動速度Ｖ_liqとは、反応ガスによって吹き飛ばされる液水の移動速度である。また、Ｖ_gasとは、反応ガス流路での水蒸気流量であり、反応ガスの供給流量や水蒸気分圧等の状態量に関するマップから算出されたものが用いられる。係数ｋ_３は、温度や撥水性による因子であり、反応ガス流路の物性によるものである。係数ｋ_３は、実験から予めマップ化される。

図１３は、ステップＳ４〜Ｓ６を経て算出したセル面内の残水量分布の一例を示す図である。この残水量分布は、ステップＳ４で算出した反応ガス流路の相対湿度分布（図１２）に、反応ガス流路での液水の変化（すなわち、上記ステップＳ５及びＳ６で算出したＶ_vap→liq、Ｖ_liq→vap及びＶ_liq）を考慮することで求められる。図１３から理解されるように、水素流路２５Ａでは水素出口２７ｂ側の方が水素入口２７ａ側よりも残水量が多く、空気流路２５Ｂでは空気出口２８ｂ側に向かうにつれて徐々に残水量が減っている。なお、図面として表さないが、セル面内の含水量分布は、ステップＳ４で算出した電解質膜２３の相対湿度分布（図１２）から求めることができるものであり、この相対湿度分布と近似したものとなる。

以上説明した手順により、ある計算時間における単セル２_ｉの残水量及び含水量の変化量（水収支）が計算でき、水素流路２５Ａの残水量分布、空気流路２５Ｂの残水量分布及び電解質膜２３の含水量分布を求めることができる。セル面内を感度のあるメッシュ（例えば図１３に示す５つのメッシュ）の粗さで水収支を計算することができ、どの部分にどれだけの残水量及び含水量があるのかを精度良く推定することができる。

２．推定に際してのセル積層方向の温度バラツキ・配流バラツキの考慮
各単セル２_ｉについてのＴ_ＩＮ，ｉ、Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}、Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}、Ｐ_Ｈ２，ｉ、Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}及びＱ_Ｈ２，ｉを求めるには、次のように行う。

（１）セル入口温度Ｔ _ＩＮ，ｉ の算出について
図１４に示すように、先ず、スタック入口温度Ｔ_ｉｎ、冷媒流量Ｑ_ＬＬＣ、外気温Ｔ_外気、及び車速Ｖ_車速を読み込む（ステップＳ１１）。ここで、Ｔ_ｉｎは、温度センサＴ１による検出値である。Ｑ_ＬＬＣは、燃料電池１に供給される冷媒流量であり、冷却ポンプ５０の回転数その他の検出値から推定することができる。あるいは、冷媒流路５１に流量センサを設け、流量センサによる検出値を用いてもよい。Ｔ_外気は、外気温センサ６２による検出値であり、Ｖ_車速は、車速センサ６３による検出値である。

一般に、セル積層体３では、反応ガスの供給口１４から遠ざかるにつれて、つまりセルチャンネル「ｉ」が大きくなるにつれて放熱量が大きくなる。また、放熱の影響は、冷媒流量、外気温及び車速に応じて変化する。例えば、図１５Ａに示すように、冷媒流量Ｑ_ＬＬＣが多いほど（Ｑ_１＞Ｑ_２）、スタック入口温度Ｔ_ＩＮは放熱の影響を受けずに済む。つまり、セル入口温度Ｔ_ＩＮ，ｉがスタック入口温度Ｔ_ＩＮよりも低下せずに済む。また、図１５Ｂに示すように、Ｔ_外気が高いほど（Ｔ_外気１＞Ｔ_外気１）、スタック入口温度Ｔ_ＩＮは放熱の影響を受けずに済む。

そこで、このような放熱による冷媒温度の低下を考慮し、セル入口温度Ｔ_ＩＮ，ｉを次の関数として算出する（ステップＳ１２）。
Ｔ_ＩＮ，ｉ＝ｆ（Ｑ_ＬＬＣ、Ｔ_ＩＮ、Ｔ_外気、Ｖ_車速）
これにより、上記したＱ_ＬＬＣ、Ｔ_ＩＮ、Ｔ_外気及び車速の各値からセルチャンネルｉに対応するセル入口温度Ｔ_ＩＮ，ｉを求めることができる。

（２）エア流量Ｑ _{ａｉｒ，ｉ} 及びエア背圧Ｐ _{ａｉｒ，ｉ} の算出について
図１６に示すように、先ず、エア流量Ｑ_ａｉｒ、エア背圧Ｐ_ａｉｒ、スタック入口温度Ｔ_ＩＮ、スタック出口温度Ｔ_ＯＵＴ及び電流値Ｉを読み込む（ステップＳ２１）。ここで、エア流量Ｑ_ａｉｒ、エア背圧Ｐ_ａｉｒ及びスタック出口温度Ｔ_ＯＵＴは、それぞれ、流量センサＦ１、圧力センサＰ１及び温度センサＴ２による検出値である。また、ステップＳ２１では、マニホールド１５ａに流入するエアのガス密度をスタック入口温度Ｔ_ＩＮ及びエア流量Ｑ_ａｉｒの関数として算出する。

次のステップＳ２２では、単セル２_ｉにおける残水量に基づいて、当該単セル２_ｉのＰ−Ｑ特性（エア背圧とエア流量との関係を表す特性）を決定する。例えば、図１７に示すような、複数の残水量（ｘ＞ｙ）に応じたＰ−Ｑ特性（圧力―流量特性）を示すマップを予め取得しておき、図８に示すフローによって算出した直前の残水量（単セル２_ｉのカソード側残水量の合計量。）に対応するＰ−Ｑ特性を決定する。

次に、エア流量Ｑ_ａｉｒ、エア背圧Ｐ_ａｉｒ、スタック出口温度Ｔ_ＯＵＴ、上記で算出したガス密度及び各単セル２_ｉのＰ−Ｑ特性の関数として、セル入口圧力分布、セル流入流量分布及びセル出口圧力分布をマップより算出する（ステップＳ２３）。これらの一例を示すと、図１８Ａ〜Ｃに示すとおりとなる。ここで、図１８Ｂに示すセル流入流量及び図１８Ｃに示すセル出口圧力は、セルチャンネルｉに対応するエア流量Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}及びエア背圧Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}に相当するので、これらを求めることができる（ステップＳ２４）。

なお、詳述しないが、単セル２_ｉの水素流量Ｑ_Ｈ２,i及び水素圧Ｐ_Ｈ２,iについても、エア流量Ｑ_{ａｉｒ，ｉ}及びエア背圧Ｐ_{ａｉｒ，ｉ}の算出と同様の手法により算出することができる。この場合には、図１８Ａに示すセル入口圧力が水素圧Ｐ_Ｈ２,iに相当し、図１８Ｂに示すセル流入流量が水素流量Ｑ_Ｈ２,iに相当するので、これらを求めることができる。

（３）セル出口温度Ｔ _{ＯＵＴ，ｉ} の算出について
図１９に示すように、先ず、温度センサＴ２の検出値として、スタック出口温度Ｔ_ＯＵＴを読み込む（ステップＳ３１）。また、上述したスタック入口温度Ｔ_ＩＮの場合と同様に、冷媒流量Ｑ_ＬＬＣ、外気温Ｔ_外気、及び車速Ｖ_車速を読み込む。さらに、セル電圧Ｖ_ｉ及び電流値Ｉを読み込み、単セル２_ｉごとのＩ−Ｖ特性から各単セル２_ｉの発熱量Ｑ_{ｃｅｌｌ，ｉ}を推定する。

ここで、セル電圧Ｖ_ｉは、図示省略したセルモニタによって検出される各単セル２_ｉの電圧値を用いることができる。ただし、セルモニタ等のセンサを使うのではなく、各単セル２_ｉにＩ−Ｖマップ（発電量、エア流量、水素流量、エア背圧、水素圧に依存）をもたせることでセル電圧Ｖ_ｉを推定することもできる。なお、発熱量Ｑ_{ｃｅｌｌ，ｉ}は、Ｔ△Ｓによる発熱と過電圧による熱損失とに起因したものである。

上述したスタック入口温度Ｔ_ＩＮと同様に、セル積層体３における単セル２_ｉの位置に応じて、スタック出口温度Ｔ_ＯＵＴは放熱の影響を受ける。例えば、図２０に示すように、冷媒流量Ｑ_ＬＬＣが多いほど（Ｑ_ＬＬＣ１＜Ｑ_ＬＬＣ２）、スタック出口温度Ｔ_ＯＵＴは放熱の影響を受けずに済む。

そこで、発熱量Ｑ_{ｃｅｌｌ，ｉ}のほか、冷媒流量Ｑ_{ＬＬＣ，ｉ}及び放熱を考慮し、セル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を次の関数として算出する（ステップＳ３２）。
Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}＝ｆ（Ｑ_{ｃｅｌｌ，ｉ}、Ｑ_{ＬＬＣ，ｉ}、Ｔ_ＯＵＴ、Ｔ_外気、Ｖ_車速）
これにより、これらのパラメータに示す各検出値又は推定値からセルチャンネルｉに対応するセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を求めることができる。

なお、Ｑ_{ＬＬＣ，ｉ}は、各単セル２に供給される冷媒流量であり、燃料電池スタック１を一点として考えたときの上記の冷媒流量Ｑ_ＬＬＣについて配流バラツキを考慮したものである。具体的には、冷媒流量Ｑ_ＬＬＣとセルチャンネルｉとの関係を表すマップをいくつかの冷媒流量Ｑ_ＬＬＣごとに予め作成しておくことで、このマップを用いて、セルチャンネルｉに対応するＱ_{ＬＬＣ，ｉ}を算出することができる。

以上説明した（１）〜（３）の手順によれば、図８に示すフロー（ステップＳ１，Ｓ２及びＳ４）において、各単セル２_ｉの状態量についてセル積層方向の温度分布（放熱量のバラツキなど）及び圧損分布（酸化ガス、燃料ガス及び冷媒の配流バラツキなど）を考慮した値を用いることができる。これにより、燃料電池１をスタックとしての一点で捉える場合に比べて、全ての単セル２について（つまりセル積層方向において）残水量分布及び含水量分布を精度良く推定することができる。

Ｄ．推定結果を利用した制御例
次に、上記推定方法による推定結果を利用した複数の制御例について説明する。本実施形態によれば、精度の高い推定結果を利用するので、水分布を考えた上での適切な制御を適切なタイミングで行うことができ、燃料電池１全体を最適な水分量状態で運転できる。例えば、セル積層方向で最も不利な状態にある単セルに応じた対策制御（水排出、電解質膜の濡らし）を施すことができ、電解質膜の部分的な劣化を抑制することができると共に、過剰な対策制御による補機動力損の減少に寄与できる。

１．カソード側の水低減制御
図２１は、上記推定方法により推定したセル積層方向におけるカソード側の残水量分布の一例を示したものである。図２１に示すように、端部セル２ａほど残水量が多く、積層方向の中央部にある単セル２（以下、これを主セル２ｂという。図９参照。）の残水量が少ないことが分かる。残水量が多い部分ほど、反応ガスとしての空気の流れが阻害されるため、圧損が大きくなる。したがって、図２１に示す残水量分布に基づいてセル積層方向の圧損分布を推定すると、例えば図２２に示すようなものとなる。なお、図２２に示すセル圧損とは、空気流路２５Ｂでの圧損をいう。

図２３は、セル圧損と残水量との関係を示す図である。図２３に示すラインＬ_１は、評価により事前に得られる単セル２の特性を示しており、ラインＬ_１には、図２１に示す残水量分布及び図２２に示す圧損分布から求められる端部セル２ａ及び主セル２ｂに関する値がプロットされている。なお、この二つのプロットの間のラインＬ_１の部分に、端部セル２ａと主セル２ｂとの間にある複数の単セル２に関する値がプロットされる。

燃料電池システム１００の車両搭載状態でのＷＯＴ（Wide Open Throttle:スロットルバルブ全開）時など、急速な出力上昇要求がある場合、セル圧損の値がＰ_limitを越える単セル２ではストイキが不足し劣化するおそれがある。したがって、Ｐ_limitを越える単セル２については、その内部の残水量を低減する運転をし、端部セル２ａのセル圧損がＰ_limitを下回る程度にする必要がある。

図２４は、反応ガスの流量とセル圧損との関係を示す図であり、図２３に示す対残水量の関係を対流量の関係に置き換えたものである。図２４に示すラインＬ_２は、評価により事前に得られる単セル２の特性を示しており、ラインＬ_２には、図２２に示す圧損分布から求めた端部セル２ａ及び主セル２ｂのセル圧損の値に対応する点がプロットされている。なお、同様に、この二つのプロットの間のラインＬ_２の部分に、端部セル２ａと主セル２ｂとの間にある複数の単セル２に関する値がプロットされる。

ＷＯＴ時などにおいて必要なストイキを満たすためには、各単セル２への反応ガスの流量として流量Ｑ_minが必要となる。つまり、図２４に示すラインＬ_２において、流量Ｑ_minを下回る単セル２では、ＷＯＴ時にストイキが不足して劣化するおそれがある。したがって、ＷＯＴ時に必要流量を確保できるように、流量Ｑ_minを下回る単セル２については、その内部の残水量を低減する運転をする必要がある。

残水量を低減する運転は、運転制御部６８の指令のもとで実行され、燃料電池１への酸化ガスの状態量を可変することで行うことができる。この代表的な運転方法としては、（１）エア供給流量の増大、（２）エア背圧の低減が挙げられる。なお、これらは、単独で実行されてもよいし、互いに組み合わせて実行されてもよい。

（１）エア供給流量の増大
エア供給流量は、コンプレッサ３３により増減できる。そこで、残水量低減運転の際には、燃料電池１への空気の供給流量を通常運転（残水量低減運転でない運転。）の時よりも増えるように、コンプレッサ３３の回転数を上げる。これにより、単セル２内の残水をエアで強制的に排出することができる。一方で、残水量低減運転の際には、最も残水量が少ない単セル２（ここでは、主セル２ｂ）が乾き過ぎないように運転を制御することが望ましい。

図２５は、主セル２ｂが乾き過ぎないように端部セル２ａの残水量を低減する方法の一例を示すタイミングチャートである。図２５に示す残水量Ｗ_１は、主セル２ｂの電解質膜２３が最適な濡れ状態となる残水量であり、これを下回ると、主セル２ｂの電解質膜２３が乾燥気味となる。また、残水量Ｗ_２は、ＷＯＴ時に必要なエア供給流量を確保できる最大の残水量であり、これを上回るとセル圧損が図２３に示すＰ_limitを越えてしまう。本方法では、主セル２ｂの残水量の下限値を残水量Ｗ_１と設定し、且つ、端部セル２ａの残水量の上限値を残水量Ｗ_２と設定し、これらの範囲内となるようにエア供給流量の制御を行う。

具体的には、時間ｔ_１までは、一定のベース流量であるエア供給流量Ｑ_１にて通常運転を行う。この場合、各単セル２で発電反応が起こって水が生成されるので、主セル２ｂ及び端部セル２ａの残水量が次第に増えていく。時間ｔ_１において、端部セル２ａの残水量が残水量Ｗ_２に達した際に、エア供給流量をＱ_２にまで増大させる。すると、エアによる液水の持ち去り量が増えるので、端部セル２ａ及び主セル２ｂの残水量が低減されていく。一方で、時間ｔ_２において、主セル２ｂの残水量が残水量Ｗ_１に達した際には、エア供給流量を元のＱ_１に戻す。つまり、残水量低減運転を停止して、通常運転に切り替えるようにする。その後は、時間ｔ_１〜ｔ_２までの制御と同様に、残水量を一定の範囲内とするように制御する。

このような水低減制御を実行することで、燃料電池１の全ての単セル２内のカソード側残水量を最適にすることができ、過剰な水の排出による電解質膜２３の乾燥（部分的な劣化）や、電流集中及び補機動力損を回避することができる。なお、エア供給流量Ｑ_２の値は、ＮＶ評価により決定すればよい。また、単セル２の特性等に起因して、エア供給流量の増加による液水排出に大きな効果が得られない場合には、ベース流量Ｑ_１を大きな値に設定することで、液水を徐々に排出することが好ましい。さらに、エア供給流量の制御を行う際に、主セル２ｂの残水量の下限値をみるのではなく、主セル２ｂの含水量の下限値をみてもよい。すなわち、主セル２ｂの含水量が所定の下限値（例えば、主セル２ｂの電解質膜２３が乾燥気味とならない程度の値。）を越えるように、上記のエア供給流量の制御を行い、残水量低減運転を停止する。

（２）エア背圧の低減
単セル２のエア背圧は、背圧弁３４により調整することができる。そこで、残水量低減運転の際には、燃料電池１のエア背圧を通常運転時よりも低下させるように、背圧弁３４の開度を大きくする。これにより、エアの体積流量が増大し、単セル２内の残水をエアで強制的に排出することができ、単セル２内のカソード側残水量を低減することができる。この場合も、上記「（１）エア供給流量の増大」の場合と同様に、主セル２ｂの残水量の下限値を残水量Ｗ_１と設定し、且つ、端部セル２ａの残水量の上限値を残水量Ｗ_２と設定し、これらの範囲内となるようにエア背圧を制御するとよい。なお、本制御についての詳細な説明は省略する。

２．アノード側の水低減制御
アノード側の残水量についても、セル積層方向における分布が推定されるので、残水量が多い場合には、上記「１．カソード側の水低減制御」と同様に残水量低減運転を実行する。なお、アノード側についても、カソード側に関する図２１〜２４に示す状態と同様の状態となり得る。

アノード側の残水量を低減する運転方法として、水素ポンプ４６の回転数を通常運転時よりも増大する方法が挙げられる。この方法によれば、単セル２内のアノード側残水量を低減することができる。この場合も、上記（１）のエア供給流量の増大の場合と同様に、主セル２ｂの残水量の下限値を残水量Ｗ_１と設定し、且つ、端部セル２ａの残水量の上限値を残水量Ｗ_２と設定し、これらの範囲内となるように水素ポンプ４６の回転数の制御を行うとよい。

３．温度分布の均一化制御
上述したように、放熱量のバラツキにより、セル積層体３のセル積層方向における温度分布は一定ではない。一般には、端部セル２ａの温度が最も低下する傾向にある。この温度低下により、端部セル２ａ内で水蒸気が凝縮すると、残水量が増加する。上述したように、残水量がある上限値（上記の例では残水量Ｗ_２）を越えると、ＷＯＴ時にストイキ不足になってしまう。そこで、温度低下により端部セル２ａの残水量が増大したと推定された場合には、セル積層体３のセル積層方向の温度分布を均一化するための制御を行うとよい。

図２６に示すように、先ず、端部セル２ａ内の残水量（アノード側の残水量、カソード側の残水量又はこれらの合計量）が閾値（例えばＷ_２）を越えているか否かを判断する（ステップＳ４１）。越えていない場合には（ステップＳ４１：Ｎｏ）、本制御フローを抜ける。一方、越えている場合には（ステップＳ４１：Ｙｅｓ）、冷媒配管系５００を制御することにより、セル積層方向の温度分布の均一化を図るようにする（ステップＳ４２）。具体的には、切替え弁５４をバイパス流路５３側に切り替えて（例として、ロータリーバルブ開度をバイパス側に全開とする。）、燃料電池１の電気化学反応に伴う排熱によって暖められた冷媒を、ラジエータ５２で放熱させることなく燃料電池１に供給する。この際、冷却ポンプ５０の回転数を増大させるようにしてもよい。これにより、端部セル２ｂを含む燃料電池１が積極的に昇温するようになる。

その後、温度分布が均一化されたこと又は端部セル２ａ内の残水量が閾値を下回ったことを確認して、冷媒配管系５００の制御をもとに戻すようにする。なお、温度分布が均一化されたか否かの確認は、例えば上記した方法によりセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を算出することで行うことができる。また、端部セル２ａ内の残水量が閾値を下回ったか否かの確認は、上記した水移動速度Ｖ_{Ｈ２Ｏ、ＣＡ→ＡＮ}を考慮した残水量分布の推定方法を利用することで行うことができる。

このような制御例によれば、セル積層体３の温度分布がセル積層方向で均一化されるので、セル圧損のバラツキも均一化され、ＷＯＴ時などにストイキ不足による端部セル２ａの劣化を回避することができる。

なお、上記した「１．カソード側の水低減制御」、「２．アノード側の水低減制御」及び「３．温度分布の均一化制御」は、互いに組み合わせて実行してもよい。

４．単セル内の残水量の均一化制御
上記したセル面内での残水量分布の推定の結果、セル積層体３の任意の単セル２において、局所的に残水量が多く滞留していることが推定される場合もある。そこで、このような場合には、単セル２のセル面内において残水量を均一化するための制御を行うとよい。

図２７に示すように、先ず、一つ又は全ての単セル２の水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂの少なくとも一つの任意の位置での残水量が閾値を越えているか否かを判断する（ステップＳ５１）。越えていない場合（ステップＳ５１：Ｎｏ）、すなわち残水量が局所的に多く滞留していない場合には、本制御フローを抜ける。なお、閾値は、実験等により任意に設定することができ、例えばＷＯＴ時に必要な反応ガス流量を確保できる残水量に設定される。

残水量が局所的に多く滞留している場合には（ステップＳ５１：Ｙｅｓ）、セル面内での水循環を向上させる処理を行う（ステップＳ５２）。例えば、水素ポンプ４６の回転数を増大させたり、コンプレッサ３３の回転数を増大させたりする。前者の処理は水素流路２５Ａの一部で残留水が滞留している場合に有効であり、後者の処理は空気流路２５Ｂの一部で残留水が滞留している場合に有効である。なお、電極間の水移動を考慮しているため、カウンターフロー効果を加味した対策制御が可能である。水循環を向上させるその他の処理として、背圧弁３４の開度又はインジェクタ４５の開度を調整することで、燃料電池１への空気又は水素ガスの状態量を可変してもよい。

このように、セル面内の残水量分布を考慮した処理を行うことで、セル面内での水の循環を促進することができ、セル面内の残水量を均一化することができる。この均一化が図られることで、補機損を低減することができると共に、最適状態で燃料電池１を運転することが可能となる。なお、セル面内の残水量が均一化されたか否かの確認は、再度、上記したセル面内の残水量分布を推定することで行うことができる。

５．電解質膜の乾燥抑制制御
上記した電解質膜２３の含水量分布の推定の結果、セル積層体３の任意の単セル２における電解質膜２３が全体として又はその一部分に関して、含水量が少ないと確認される場合がある。上述のとおり、含水量が少ないと、電解質膜２３が乾燥してしまう。電解質膜２３が乾燥すると、抵抗過電圧が増加し、単セル２の性能が悪化する。そこで、このような場合には、電解質膜２３の乾燥を抑制するための制御を行うとよい。

図２８に示すように、先ず、上記の含水量分布の推定方法によって電解質膜２３の含水量がセル積層方向及びセル面内にて推定されていることを利用して、任意の位置での含水量が閾値を超えているか否かを判断する（ステップＳ６１）。ここで、任意の位置での含水量には、各電解質膜２３のセル面内での総含水量と、各電解質膜２３のセル面内での任意の位置における含水量との少なくとも一つが含まれる。判断の結果、任意の位置での含水量が閾値を越えている場合には（ステップＳ６１：Ｎｏ）、本制御フローを抜ける。なお、閾値は、実験等により任意に設定することができ、例えばドライアップのおそれとなる含水量に設定することができる。

含水量が閾値を下回る場合（ステップＳ６１：Ｙｅｓ）、すなわち電解質膜２３がドライアップとなるおそれがある場合には、反応ガスの状態量を変化させることで、電解質膜２３の乾燥防止処理を行う（ステップＳ６２）。例えば、コンプレッサ３３によってエア供給流量を減らすこと、背圧弁３４によってエア背圧を上昇させること、及び、水素ポンプ４６またはインジェクタ４５によって水素供給流量を減らすことの少なくとも一つを行う。

このよう処理を行うことで、電解質膜２３の含水状態を最適な状態で運転でき、乾燥による劣化防止やＩ−Ｖ最適運転による燃費の向上を図ることができる。なお、電解質膜２３がドライアップとなるおそれがなくなったか否かの確認は、再度、上記した含水量分布を推定することで行うことができる。

６．セル電圧の低下防止制御
アノード側の残水量が多い場合には、ＷＯＴ時にセル電圧が低下するおそれがある。そこで、セル電圧の低下を防止する制御として、次の制御を行うとよい。

図２９に示すように、先ず、上記の推定方法により推定された水素流路２５Ａの残水量（総量としての残水量または局所的な残水量）に基づき、ＷＯＴによってセル電圧の低下のおそれがあるか否かを予測する（ステップＳ７１）。例えば、水素流路２５Ａの推定した残水量が、予め実験等により得られた閾値（例：ＷＯＴ時にセル電圧の低下をもたらすことになる残水量）を越えるか否かの判断をする。セル電圧の低下のおそれがないと予測した場合には（ステップＳ７１：Ｎｏ）、本制御フローを抜ける。

セル電圧の低下のおそれがあると予測した場合には（ステップＳ７１：Ｙｅｓ）、残水量による圧損増加に起因する配流悪化を考慮し、水素循環系内の水素濃度（燃料濃度）を増加させる処理を実行する（ステップＳ７２）。例えば、インジェクタ４５を制御することで、燃料電池１への水素供給流量を増加させて、必要水素ストイキを確保する。あるいは、パージ弁４８の開閉頻度を増やし、不純物を含む水素オフガスを積極的に排出することで、水素循環系内の水素濃度を増加させる。もちろん、インジェクタ４５及びパージ弁４８の制御を一緒に行うこともできる。なお、水素循環系とは、循環流路４２と、合流点Ａよりも下流側にある供給流路４１の部分と、で構成されるものである。

このような処理を行うことで、水素不足に起因して単セル２の電極（アノード電極２４Ａ、カソード電極２４Ｂ）が酸化する頻度を軽減することができる。これにより、単セル２の耐久性を向上することができる。なお、セル電圧の低下のおそれがなくなったか否かの確認は、再度、上記した残水量分布を推定することで行うことができる。

実施形態に係る燃料電池の斜視図である。 実施形態に係る燃料電池の内部の一部を示す側面図である。 実施形態に係る単セルの断面図である。 実施形態に係るセパレータの平面図である。 実施形態の第１の変形例に係るセパレータの流路形状を示す概略平面図である。 実施形態の第２の変形例に係るセパレータの流路形状を示す概略平面図である。 実施形態の第３の変形例に係るセパレータの流路形状を示す概略平面図である。 実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。 実施形態に係るセル面内での水分布の推定方法を示すフローチャートである。 実施形態に係るセル積層体について、反応ガスの供給及び排出とセルチャンネルとの関係を示す図である。 実施形態に係る電解質膜の相対湿度とＤ_Ｈ２Ｏとの関係を表す特性マップである。 実施形態に係るセル面内位置に対する電流密度を示す図である。 実施形態に係るセル面内における反応ガス流路及び電解質膜の相対湿度分布を示す図である。 実施形態に係るセル面内の残水量分布を示す図である。 実施形態に係るセル入口温度の算出方法を示すフローチャートである。 実施形態に係るスタック入口温度が受ける放熱の影響について、単セルの位置及び冷媒流量との関係を示す図である。 実施形態に係るスタック入口温度が受ける放熱の影響について、単セルの位置及び外気温との関係を示す図である。 実施形態に係る単セルごとのエア流量及びエア背圧の算出方法を示すフローチャートである。 実施形態に係る残水量に応じた単セルのＰ−Ｑ特性を示すマップである。 実施形態に係るセル入口圧力分布を示す図である。 実施形態に係るセル流入流量分布を示す図である。 実施形態に係るセル出口圧力分布を示す図である。 実施形態に係るセル出口温度の算出方法を示すフローチャートである。 実施形態に係るスタック出口温度が受ける放熱の影響について、単セルの位置及び冷媒流量との関係を示す図である。 実施形態に係る推定方法により推定したセル積層方向におけるカソード側の残水量分布を示す図である。 図２１に示す残水量分布から推定したセル積層方向におけるカソード側の圧損分布を示す図である。 実施形態に係るセル圧損と残水量との関係を示す図である。 実施形態に係る反応ガスの流量とセル圧損との関係を示す図である。 実施形態に係る残水量低減運転について、カソード側での処理を示すタイミングチャートである。 実施形態に係る温度分布の均一化制御の処理フローを示すフローチャートである。 実施形態に係る単セル内の残水量の均一化制御の処理フローを示すフローチャートである。 実施形態に係る電解質膜の乾燥防止制御の処理フローを示すフローチャートである。 実施形態に係るセル電圧の低下防止制御の処理フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１：燃料電池、２：単セル、２ａ：主セル、２ｂ：端部セル、２３：電解質膜、２４Ａ：アノード電極、２４Ｂ：カソード電極、２５Ａ：水素流路（燃料ガス流路）、２５Ｂ：空気流路（酸化ガス流路）、６７：推定部、６８：運転制御部、１００：燃料電池システム、３００：空気配管系、４００：水素配管系、５００：冷媒配管系、６００：制御装置

Claims (20)

1. アノード電極、カソード電極、これらの間の電解質膜、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路、及び前記カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する単セルが複数積層されてなるセル積層体を含む燃料電池の水分量を推定する、燃料電池の水分量推定装置において、
   前記電解質膜を介して前記アノード電極と前記カソード電極との間で行われる水移動、並びに前記セル積層体のセル積層方向における単セルの位置に応じた温度分布及び圧損分布を考慮して、前記各単セルに関して、セル面内における前記燃料ガス流路及び前記酸化ガス流路のそれぞれの残水量分布及び前記電解質膜の含水量分布を推定する推定部を有する、燃料電池の水分量推定装置。
2. 前記温度分布は、セル積層方向における単セルの位置に応じた放熱量のバラツキを含む、請求項１に記載の燃料電池の水分量推定装置。
3. 前記各単セルには冷媒が供給されるように構成されており、
   前記推定部は、外気温及び前記セル積層体への冷媒流量の少なくとも一つを考慮して、各単セルに関する温度を算出する、請求項１又は２に記載の燃料電池の水分量推定装置。
4. 前記推定部は、前記各単セルに関する温度として、当該各単セルの冷媒の入口側及び出口側における温度を算出する、請求項３に記載の燃料電池の水分量推定装置。
5. 前記圧損分布は、セル積層方向における単セルの位置に応じた反応ガスの配流バラツキを含む、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池の水分量推定装置。
6. 前記各単セルには冷媒が供給されるように構成されており、
   前記圧損分布は、セル積層方向における単セルの位置に応じた冷媒の配流バラツキを含む、請求項１又は２に記載の水分量推定装置。
7. 前記推定部は、前記アノード電極側と前記カソード電極側との水蒸気分圧の差に基づいて、前記電解質膜を介した両電極間での水移動速度を算出し、算出した水移動速度を用いて残水量分布及び含水量分布を推定する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池の水分量推定装置。
8. 前記推定部は、算出した水移動速度を用いて前記燃料ガス流路及び前記酸化ガス流路並びに前記電解質膜の湿度分布を算出し、算出した電解質膜の湿度分布を用いて前記含水量分布を推定する、請求項７に記載の燃料電池の水分量推定装置。
9. 前記推定部は、算出した燃料ガス流路及び酸化ガス流路の湿度分布に、燃料ガス流路及び酸化ガス流路での液水の変化を加味して前記残水量分布を推定する、請求項８に記載の燃料電池の水分量推定装置。
10. 前記推定部は、前記アノード電極側の露点と前記カソード電極側の露点とを計測又は算出することで、前記水蒸気分圧の差を算出する、請求項７ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池の水分量推定装置。
11. 請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池の水分量推定装置を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記推定部による推定結果に基づき、前記燃料電池が所定の水分状態となるように当該燃料電池システムの運転を制御する運転制御部を更に備えた燃料電池システム。
12. 前記運転制御部は、前記セル積層体の端にある単セルの残水量が所定の上限値を越えないように、水低減制御を実行する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記運転制御部は、前記セル積層体の中央部にある単セルの残水量又は含水量が所定の下限値を超えるように、水低減制御の実行を停止する、請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記運転制御部は、前記燃料電池への燃料ガス又は酸化ガスの状態量を可変する機器を制御することにより、水低減制御を実行する、請求項１２又は１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記機器には、前記燃料電池に燃料ガスを圧送するポンプ、前記燃料電池に酸化ガスを圧送するコンプレッサ、及び、前記燃料電池における酸化ガスの背圧を調整する背圧弁の少なくとも一つが含まれる、請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記各単セルに冷媒を供給する冷媒配管系を更に備えており、
    前記運転制御部は、前記セル積層体の端にある単セルの残水量が温度低下によって増大したと推定された場合、前記セル積層体のセル積層方向における温度分布を均一化するように前記冷媒配管系を制御する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
17. 前記運転制御部は、セル面内における残水量が局所的に多いと推定された場合、セル面内における残水量を均一化するように、前記燃料電池への燃料ガス又は酸化ガスの状態量を可変する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
18. 前記運転制御部は、前記燃料ガス流路の残水量が局所的に多いと推定された場合には、前記燃料電池への燃料ガスの状態量を可変する一方、前記酸化ガス流路の残水量が局所的に多いと推定された場合には、前記燃料電池への酸化ガスの状態量を可変する、請求項１７に記載の燃料電池システム。
19. 前記運転制御部は、前記電解質膜に関し任意の位置での含水量が少ないと推定された場合には、前記電解質膜の乾燥を抑制するように、前記燃料電池への燃料ガス又は酸化ガスの状態量を可変する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
20. 前記運転制御部は、推定された前記燃料ガス流路の残水量から急速な出力上昇要求によってセル電圧の低下が予測される場合、前記燃料電池への燃料ガスの燃料濃度を増加させる、請求項１１に記載の燃料電池システム。

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