JP5482897B2 - 燃料電池内部の液水量の推定方法、燃料電池から排出される液水量の推定方法、燃料電池内部液水量推定装置、燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体を発電体として備える。電解質膜は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すため、燃料電池では、電解質膜におけるプロトン伝導性を確保できる程度に内部の水分が適切に保持されることが望ましい。一方、燃料電池内部の水分が著しく多くなると、燃料電池内部の反応ガスの流路が水分によって閉塞されてしまうなどの不具合が発生する可能性がある。そのため、燃料電池の内部の水分は適切に排出されることが望ましい。

これまで、燃料電池内部の水分状態を検出して、燃料電池内部の水分状態を制御する種々の技術が提案されてきた（下記特許文献１等）。しかし、燃料電池内部の水分状態を適切に制御するためには、従来の燃料電池内部の水分状態の検出精度では十分ではなかった。

特開２００７−０５２９３６号公報 特開２０１０−２５７６０６号公報

本発明は、燃料電池内部の水分状態の検出精度を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
運転中の燃料電池内部の液水量の推定値を逐次的に取得する方法であって、
（ａ）前回の推定値を取得する工程と、
（ｂ）前記前回の推定値と、現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値と、に基づいて係数を取得する工程と、
（ｃ）前記係数と、前記推定値を取得する周期とを乗算することにより、前記燃料電池内部の液水量の変動に寄与する値を取得する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）で取得した値に基づき、今回の推定値を取得する工程と、
を備える、方法。
この方法によれば、前回からの燃料電池の含水量の変動量が、前回の燃料電池内部の液水量（以下、「燃料電池の含水量」とも呼ぶ）に応じて変化することを反映させて、現在の燃料電池の含水量の推定値を取得することができる。従って、より高い精度で、燃料電池内部の水分状態を検出することができる。

［適用例２］
適用例１記載の方法であって、前記係数は、単位時間あたりに前記燃料電池から排出される液水の量である排水速度であり、前記燃料電池内部の液水量の変動に寄与する値は、前回から今回までの間に前記燃料電池から排出された液水量を示す排水推定量である、方法。
この方法によれば、前回の推定値と、現在の燃料電池における反応ガスの流量とに基づいて、今回の周期において燃料電池から排出された液水の量を、高い精度で推定することができ、燃料電池の含水量の推定精度を向上させることができる。

［適用例３］
適用例２記載の方法であって、前記工程（ｂ）は、前記燃料電池内部の液水量と、前記燃料電池における反応ガスの流量との所定の関係に基づき、前記前回の推定値と、前記現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値とを用いて、前記排水速度を取得する工程であり、前記所定の関係は、前記反応ガスの流量ごとに、異なる変化の度合いで、前記燃料電池内部の液水量が下に凸の曲線を描くように時間変化する関係であって、前記燃料電池内部の液水量が、前記反応ガスの流量ごとに異なる所定の値である排水限界値に収束するように時間変化する関係である、方法。
この方法によれば、実験に基づく、燃料電池の含水量と、燃料電池における反応ガスの流量との所定の関係に基づいて、より高い精度で、燃料電池から排出される液水の量を取得することができる。従って、燃料電池の含水量の推定精度を向上させることができる。

［適用例４］
適用例２または適用例３記載の方法であって、前記工程（ｄ）は、前記排水推定量と、前記燃料電池に流入した水蒸気量と、前記燃料電池から流出した水蒸気量と、前記燃料電池の発電により生成された生成水量とを用いて、今回の推定値を取得する工程である、方法。
この方法によれば、燃料電池の運転状態に基づいた水分状態の変化を反映させた含水量の推定値を取得することができる。従って、燃料電池の含水量を、より高い精度で推定することができる。

［適用例５］
適用例４記載の方法であって、前記燃料電池は、第１と第２の電極に狭持された電解質膜を備え、前記工程（ｄ）では、さらに、前記第１と第２の電極の間における水分の移動量を用いて、今回の推定値を取得し、前記第１と第２の電極の間における水分の移動量は、前記電解質膜に含まれる液水量に関連する値に基づいて決定される、方法。
この方法によれば、燃料電池内部における第１と第２の電極の間の水移動量を反映させた含水量の推定値を取得することができる。従って、燃料電池の含水量を、より高い精度で推定することができる。

［適用例６］
適用例１から適用例３のいずれかに記載の方法であって、さらに、
（ｅ）前記燃料電池内部における所定の乾燥状態を検出する工程と、
（ｆ）前記所定の乾燥状態が検出された場合には、前記工程（ｄ）で取得した前記今回の推定値を破棄して、所定の値を今回の推定値とする工程と、を備える、方法。
この方法によれば、燃料電池内部が乾燥しているときを基準として、燃料電池の含水量の推定値を修正することができる。従って、燃料電池の含水量の推定精度を向上させることができる。

［適用例７］
適用例２から適用例６のいずれかに記載の方法であって、 前記工程（ｃ）は、さらに、（ｃ１）前回から今回までの間に、前記反応ガスの流量が一時的に所定量より低下していた時間帯があることを検出した場合には、前記時間帯の長さに応じて、前記排水推定量を補正する工程、を備える、方法。
この方法によれば、燃料電池に対する反応ガスの供給量が所定の変化をしたときの、燃料電池から排出される液水量の変化を反映させて、燃料電池の含水量を推定することができ、その推定精度が向上する。

［適用例８］
適用例３から適用例７のいずれかに記載の方法であって、さらに、
（Ａ）前記燃料電池内部の液水量の基準値を取得する工程と、
（Ｂ）前回の推定値と、前記工程（Ａ）において取得した前記基準値との差に応じた補正値を取得して、前記補正値を用いて、前記工程（ｂ）において用いる前記所定の関係を補正する工程と、を備える、方法。
この方法によれば、推定値と基準値との差をフィードバックして、燃料電池内部の液水量の推定を行うことができるため、その推定精度を向上させることができる。
［適用例９］
適用例８記載の方法であって、前記工程（Ａ）及び前記工程（Ｂ）は、氷点下において前記燃料電池を起動する際に実行され、前記工程（Ａ）は、前記燃料電池の起動時における、前記燃料電池の内部の水分量に基づく状態変化に基づいて、前記基準値を取得する工程である、方法。
ここで、燃料電池の氷点下起動には、燃料電池内部の水分量に応じた固有の燃料電池の状態変化を検出することができる。この方法によれば、その固有の状態変化に基づいて、含水量の基準値を容易に取得することができ、燃料電池の含水量の推定精度を向上させることができる。

［適用例１０］
適用例９記載の方法であって、前記工程（Ａ）は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池に所定の電圧の出力を継続させたときに検出される電流の最大値に基づいて、前記基準値を取得する工程である、方法。
この方法によれば、燃料電池の氷点下起動における電流変化に基づき、基準値としての燃料電池内部の水分量を容易に取得することができる。

［適用例１１］
適用例９記載の方法であって、前記工程（Ａ）は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の運転温度が、前記起動時から所定の温度変化をするまでの間の時間に基づいて、前記基準値を取得する工程である、方法。
この方法によれば、燃料電池の氷点下起動における温度変化に基づき、基準値としての燃料電池内部の水分量を容易に取得することができる。

［適用例１２］
適用例９から適用例１１のいずれかに記載の方法であって、前記工程（Ｂ）は、前記所定の関係において、今回起動時の前の前記燃料電池の運転時における反応ガスの流量に相当する前記反応ガスの流量に対して求めることができる前記排水限界値を補正の基準として、前記補正値を用いて、前記所定の関係の全体を補正する工程である、方法。
この方法によれば、排水速度を得るための所定の関係を特徴付ける要素である排水限界値を基準として補正するため、より適切な排水速度を得ることが可能となり、燃料電池内部の液水量の推定精度が向上する。

［適用例１３］
適用例８から適用例１２のいずれかに記載の方法であって、前記工程（Ｂ）は、複数回の補正の繰り返しによって推定値の誤差が次第に解消されるように、前記補正値を、前記前回の推定値と前記基準値との差より小さい値に設定する工程である、方法。
この方法によれば、基準値にばらつきがある場合であっても、そのばらつきの影響を緩和させることができる。

［適用例１４］
所定の期間に運転中の燃料電池から排出される液水量の推定値を取得する方法であって、
（ａ）前記所定の期間の直前における前記燃料電池内部に存在する液水量を表す直前値を取得する工程と、
（ｂ）前記直前値と、現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値と、に基づいて係数を取得する工程と、
（ｃ）前記係数と、前記所定の期間とを乗算することにより、前記推定値を取得する工程と、を備える、方法。
この方法によれば、燃料電池から排出される液水量を高い精度で推定することができる。

［適用例１５］
運転中の燃料電池内部の液水量の推定値を逐次的に取得する燃料電池内部液水量推定装置であって、前回の推定値を記憶する前回値記憶部と、現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値であるガス流量を取得するガス流量取得部と、前記前回値記憶部が記憶する前記前回の推定値と、前記反応ガス流量取得部が取得したガス流量と、に基づいて係数を取得し、前記係数と、前記推定値を取得する周期とを乗算することにより、前記燃料電池内部の液水量の変動に寄与する値である変動寄与値を取得し、前記変動寄与値に基づき、今回の推定値を取得する推定値取得部と、を備える、燃料電池内部液水量推定装置。
この装置によれば、燃料電池の含水量を高い精度で推定することができる。

［適用例１６］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、運転中における前記燃料電池内部の液水量の推定値を逐次的に取得する液水量取得部と、前記液水量取得部によって取得された前記液水量の推定値を用いて、前記燃料電池の運転状態を制御する制御部と、を備え、前記液水量取得部は、前回の推定値と、現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値と、に基づいて係数を取得して、前記係数と、前記推定値を取得する周期とを乗算することにより、前記燃料電池内部の液水量の変動に寄与する値を取得し、前記燃料電池内部の液水量の変動に寄与する値に基づき、今回の推定値を取得して出力する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、燃料電池の含水量の推定値に基づいて、燃料電池内部の水分状態を適切に管理することができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池からの液水排出量を推定する方法および燃料電池からの液水排出量を推定する推定装置、燃料電池内部の液水量を推定する方法および燃料電池内部の液水量を推定する推定装置、それらの方法または装置の機能を備える燃料電池システム、そ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等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。 第１実施例の含水量推定部による含水量の推定方法の概略を説明するための説明図。 第１実施例の含水量推定部が実行する含水量推定処理の処理手順を示す説明図。 掃気による燃料電池の含水量の時間変化を示す説明図。 排水速度を取得するためのマップを説明するための説明図。 第２実施例の燃料電池システムの構成を示す概略図。 第２実施例の含水量推定部による含水量の推定方法の概略を説明するための説明図。 第２実施例の含水量推定部が実行する含水量推定処理の処理手順を示す説明図。 水の拡散係数と電解質膜の含水率との関係を示す説明図。 水収支とアノード排水比率との関係を示す説明図。 セル抵抗とアノード排水比率との関係を示す説明図。 第３実施例の含水量推定部が実行する含水量推定処理の処理手順を示す説明図。 反応ガスの供給流量の急激な変動に伴う液水の排出量の変化を示す説明図。 液水排出量の補正係数を取得するためのマップの一例を示す説明図。 第４実施例の含水量推定部が実行する含水量推定処理の処理手順を示す説明図。 第４実施例における排水速度マップの補正処理の処理手順を示す説明図。 燃料電池の氷点下起動時における電流の時間変化の一例を示す説明図。 燃料電池の氷点下起動時におけるＩ−Ｖ特性の変化を説明するための説明図。 基準含水量を取得するためのマップの一例を示す説明図。 補正値取得用マップの一例を示す説明図と、排水速度マップの補正を説明するための説明図。 排水速度マップの補正処理の効果を検証するためのシミュレーションを説明するための説明図。 第５実施例における排水速度マップの補正処理の処理手順を示す説明図。 第５実施例における基準含水量を取得するためのマップの一例を示す説明図。 第６実施例の含水量推定部が実行する含水量推定処理の処理手順を示す説明図。 運転中マップ補正処理の処理手順を示す説明図。 インピーダンスに基づく燃料電池の含水量の計測処理を説明するための説明図。 第７実施例の含水量推定部が実行する含水量推定処理の処理手順を示す説明図。 前回値の修正処理の処理手順を示す説明図。 セル抵抗と燃料電池の含水量との関係を示す説明図。 前回値の修正処理が実行されたときのカソード側の含水量の推定値の時間変化の一例を示す説明図。

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の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環排出部６０と、冷媒供給部７０とを備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、単セルとも呼ばれる複数の発電体１１が積層されたスタック構造を有する。各発電体１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。

燃料電池１０の電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成することができる。また、電極は、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子によって構成することができる。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。なお、膜電極接合体の電極は、前記したような触媒が担持された触媒電極に、反応ガスを電極全体に行き渡らせるためのガス拡散部材が積層された多層構造を有するように構成されるものとしても良い。

制御部２０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御部２０は、出力電力の要求を受け付け、その要求に応じて、以下に説明する各構成部を制御し、燃料電池１０に発電させる発電制御部としての機能を備える。また、制御部２０は、含水量推定部２１としての機能を備える。含水量推定部２１は、運転中の燃料電池１０の内部の液水量である含水量の推定値を所定の周期で逐次的に取得する。含水量推定部２１による含水量の推定方法については後述する。

制御部２０は、含水量推定部２１が出力する推定値に基づいて、燃料電池１０の運転状態を制御する。具体的には、制御部２０は、以下に説明する各構成部３０，４０，５０，６０，７０を制御して、燃料電池１０に供給される反応ガスのストイキ比や、燃料電池１０における反応ガスの圧力、燃料電池１０の運転温度などを制御する。また、制御部２０は、含水量推定部２１が出力する推定値に基づいて、適宜、燃料電池１０の内部の水分を低減させる掃気処理を実行するものとしても良い。このように、本実施例の燃料電池システム１００であれば、燃料電池１０の電解質膜が著しく乾燥せず、反応ガスの流れが水分によって阻害されないように、燃料電池１０の水分状態を適切に管理することができる。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、供給ガス情報検出部３５と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールド（図示せず）に接続された配管である。

エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、その計測結果を制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する供給空気の流量を調整する。

開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられており、カソードガス配管３１における供給空気の流れに応じて開閉する。具体的には、開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。

供給ガス情報検出部３５は、開閉弁３４の下流側に設けられている。供給ガス情報検出部３５は、燃料電池１０の空気供給用のマニホールドの入口近傍における供給空気の状態に関する情報（以下、単に「供給ガス情報」と呼ぶ）を検出して、制御部２０に送信する。供給ガス情報検出部３５は、圧力計や、温度計、露点計、流量計などを備えており、カソード側の供給ガス情報として、燃料電池１０に供給される空気の温度、圧力、流量、水蒸気分圧を取得する。

カソードガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、排ガス情報検出部４３と、調圧弁４４と、を備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側の排出用マニホールド（図示せず）に接続された配管であり、カソード側の排ガス（以下、単に「カソード排ガス」と呼ぶ）を燃料電池システム１００の外部へと排出する。

排ガス情報検出部４３は、燃料電池１０の排ガス用のマニホールドの出口近傍におけるカソード排ガスの状態に関する情報（以下、単に「排ガス情報」と呼ぶ）を検出して、制御部２０に送信する。排ガス情報検出部４３は、圧力計や、温度計、露点計、流量計などを備えており、カソード側の排ガス情報として、カソード排ガスの温度、圧力、流量、水蒸気分圧を取得する。

調圧弁４４は、排ガス情報検出部４３より下流側に設けられており、カソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。制御部２０は、排ガス情報検出部４３が検出したカソード排ガスの圧力の計測値に基づいて調圧弁４４の開度を調整する。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、入口圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード側の供給用マニホールド（図示せず）に接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。

開閉弁５３は、水素タンク５２の下流側に設けられており、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、開閉弁５３と水素供給装置５５との間に設けられており、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁である。レギュレータ５４は、その開度が制御部２０によって制御されている。

水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。入口圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側に設けられており、燃料電池１０の水素供給用マニホールドの入口近傍における水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、入口圧力計測部５６の計測値に基づいて、水素供給装置５５を制御し、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。

アノードガス循環排出部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、出口圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールド（図示せず）と気液分離部６２とを接続する配管である。アノード排ガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった水素を含むアノード側の排ガス（以下、単に「アノード排ガス」と呼ぶ）を気液分離部６２へと誘導する。

気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流側の位置に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、アノードガス配管５１へと再循環される。

アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６６は、アノード排水配管６５に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。

出口圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。出口圧力計測部６７は、燃料電池１０のアノード側の排出用マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に送信する。

冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、三方弁７３と、冷媒循環用ポンプ７５と、２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂと、を備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、バイパス配管７１ｃとで構成される。

上流側配管７１ａは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の出口マニホールド（図示せず）とラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の入口マニホールド（図示せず）とラジエータ７２の出口とを接続する。バイパス配管７１ｃは、一端が、三方弁７３を介して上流側配管７１ａと接続され、他端が、下流側配管７１ｂに接続されている。制御部２０は、三方弁７３の開閉を制御することにより、バイパス配管７１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ７２への冷媒の流入量を制御する。

ラジエータ７２は、冷媒用配管７１に設けられており、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂにおいて、バイパス配管７１ｃの接続箇所より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、制御部２０の指令に基づき駆動する。

２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂはそれぞれ、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂとに設けられており、それぞれの計測値を制御部２０へと送信する。制御部２０は、各冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂのそれぞれの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出する。また、制御部２０は、検出した燃料電池１０の運転温度に基づき、冷媒循環用ポンプ７５の回転数を制御して、燃料電池１０の運転温度を調整する。

図２は、燃料電池システム１００の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、二次電池８１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３とを備える。また、燃料電池システム１００は、セル電圧計測部９１と、電流計測部９２と、インピーダンス計測部９３と、ＳＯＣ検出部９４とを備える。

燃料電池１０は、直流配線ＤＣＬを介してＤＣ／ＡＣインバータ８３に接続されており、ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池車両の駆動力源であるモータ２００に接続されている。二次電池８１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して、直流配線ＤＣＬに接続されている。

二次電池８１は、燃料電池１０の補助電源として機能し、例えば充・放電可能なリチウムイオン電池で構成することができる。制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を制御することにより、燃料電池１０の電流・電圧と、二次電池８１の充放電とを制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。

二次電池８１には、ＳＯＣ検出部９４が接続されている。ＳＯＣ検出部９４は、二次電池８１の充電状態（ＳＯＣ；State of Charge）を検出し、制御部２０に送信する。制御部２０は、ＳＯＣ検出部９４の検出値に基づき、二次電池８１のＳＯＣが所定の範囲内に収まるように、二次電池８１の充放電を制御する。

ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池１０と二次電池８１とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、モータ２００に供給する。そして、モータ２００によって回生電力が発生する場合には、ＤＣ／ＡＣインバータ８３が、その回生電力を直流電力に変換する。直流電力に変換された回生電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８２を介して二次電池８１に蓄電される。

セル電圧計測部９１は、燃料電池１０の各発電体１１と接続されており、各発電体１１の電圧（セル電圧）を計測する。セル電圧計測部９１は、その計測結果を制御部２０に送信する。制御部２０は、セル電圧計測部９１の計測結果に基づき、燃料電池１０が出力する電圧を取得する。電流計測部９２は、直流配線ＤＣＬに接続されており、燃料電池１０の出力する電流値を計測し、制御部２０に送信する。

インピーダンス計測部９３は、燃料電池１０に接続されており、燃料電池１０に交流電流を印加することにより、燃料電池１０全体のインピーダンスを測定し、制御部２０へと送信する。制御部２０は、インピーダンス計測部９３の計測結果から、燃料電池１０の各発電体１１の抵抗（セル抵抗）を取得し、そのセル抵抗に基づき電解質膜の乾燥状態を検出することができる。

ここで、前記したとおり、本実施例の燃料電池システム１００では、制御部２０は、含水量推定部２１によって周期的に取得される燃料電池１０の含水量の推定値に基づき、燃料電池１０の運転状態を制御する。具体的に、含水量推定部２１は、以下のように燃料電池１０の含水量を推定する。

図３は、本実施例の含水量推定部２１による含水量の推定方法の概略を説明するための説明図である。図３には、燃料電池１０の内部構造の模式図を図示してある。燃料電池１０の各発電体１１は、前記したように、電解質膜１の両側に電極（カソード２，アノード３）が設けられた膜電極接合体５を備える。また、膜電極接合体５は、カソード２側に配置されたカソードセパレータ７と、アノード３側に配置されたアノードセパレータ８とに狭持されている。

２枚のセパレータ７，８にはそれぞれ、カソード２またはアノード３に接する側の面に反応ガスのための流路７ｐ，８ｐが設けられている。なお、流路７ｐ，８ｐは、２枚のセパレータ７，８の外表面に設けられた溝などの凹凸によって構成されるものとしても良い。具体的には、流路７ｐ，８ｐは、曲げ加工やプレス加工により、セパレータ７，８の基材である板状部材を凹凸させて形成されるものとしても良い。あるいは、プレス加工や切削加工、エッチング加工などにより、板状部材の表面に凹部を形成することにより形成されるものとしても良い。また、流路７ｐ，８ｐは、２枚のセパレータ７，８の表面に配置された別部材（例えば、いわゆるエキスパンドメタルやパンチングメタル）によって構成されるものとしても良い。

ここで、本明細書における「燃料電池１０の含水量」とは、電解質膜１と、カソード２およびアノード３に含まれる液水の量（即ち、膜電極接合体５に含浸している液水の量）と、各流路７ｐ，８ｐに存在する液水の量とを含む量である。燃料電池１０の含水量は、燃料電池１０の運転中には、燃料電池１０の発電反応における生成水の量と、反応ガスとともに供給される水蒸気の量と、排ガスとともに排出される水蒸気の量と、燃料電池１０から排出される液水の量と、に応じて変動する。

そこで、本実施例の含水量推定部２１では、所定の周期Ｔで、所定の期間Δｔにおける燃料電池１０の含水量の変化量ΔＣを取得することにより、逐次的に燃料電池１０の含水量の推定値を出力する。所定の期間Δｔにおける燃料電池１０の含水量の変化量ΔＣは、以下のように算出することが可能である。

なお、燃料電池１０における水分（水蒸気と液水の両方を含む）の流入出量は、アノード３側よりもカソード２側の方が著しく大きい。そこで、本実施例では、燃料電池１０のアノード３側における水分の流入出量については無視し、燃料電池１０の含水量の変化量ΔＣは、燃料電池１０のカソード２側における含水量の変化量ΔＣｃに等しいものとして考える（ΔＣ＝ΔＣｃ）。

ここで、燃料電池１０の含水量の変化量ΔＣの変動に寄与する値を以下のように表す。
・燃料電池１０の発電反応における生成水の量（生成水量）…ΔＣｇ
・カソード２に供給空気とともに流入した水蒸気量（入口側水蒸気量）…ΔＣｖｃ_in
・カソード２から排ガスとともに排出される水蒸気量（出口側水蒸気量）…ΔＣｖｃ_out
・カソード２における出口側水蒸気量ΔＣｖｃ_outと入口側水蒸気量ΔＣｖｃ_inとの差（カソード水蒸気収支）…ΔＣｖｃ
・カソード２から排出される液水量（液水排出量）…ΔＣｌｃ

このとき、燃料電池１０の含水量の変化量ΔＣは、以下の式（１）によって表すことができる。
ΔＣ＝ΔＣｇ−ΔＣｖｃ−ΔＣｌｃ …（１）

本実施例の含水量推定部２１は、上記の式（１）に基づいて、所定の周期Ｔで、逐次的に燃料電池１０の含水量の変化量ΔＣを求め、前回の周期で取得した含水量推定値に、その変化量ΔＣを反映させて、現在の燃料電池１０の含水量の推定値を取得する。以下に、その具体的な手順を説明する。

図４は、本実施例における含水量推定部２１が実行する含水量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。含水量推定部２１は、燃料電池システム１００の起動とともに、この処理を開始する。ステップＳ１０では、含水量推定部２１は、前回の燃料電池システム１００の運転終了時に、不揮発性記憶部（図示せず）に格納された含水量推定値である運転終了時含水量を読み込む。

ステップＳ２０では、含水量推定部２１は、今回の周期における所定の期間Δｔの間の燃料電池１０の運転状態を示す運転状態情報を取得する。具体的には、含水量推定部２１は、運転状態情報として、燃料電池１０の発電量と、供給ガス情報と、排ガス情報とを取得する。なお、以下では、供給ガス情報と排ガス情報とを合わせて、単に「ガス情報」とも呼ぶ。

ステップＳ３０では、含水量推定部２１は、前回の周期で取得した含水量推定値（前回値）を取得する。なお、燃料電池システム１００の運転開始後の初回の周期である場合には、含水量推定部２１は、ステップＳ１０で取得した運転終了時含水量を、前回値として取得する。

ステップＳ４０では、所定の期間Δｔにおける液水排出量ΔＣｌｃを取得する。具体的には、まず、予め準備されたマップを用いて、ステップＳ３０で取得した前回値と、現在の燃料電池１０における供給空気の流量とに基づいて、単位時間あたりの液水排出量（以下、「排水速度」とも呼ぶ）ｄｒを取得する。そして、その排水速度ｄｒとΔｔとを乗算することにより、液水排出量ΔＣｌｃを取得する（ΔＣｌｃ＝ｄｒ×Δｔ）。ここで、ステップＳ４０において用いられるマップは、以下に説明する本発明の発明者が行った実験によって得られた関係に基づいて設定されたものである。

図５は、本発明の発明者が行った実験により得られたグラフであり、掃気による燃料電池１０の含水量の時間変化を、縦軸を燃料電池１０の含水量とし、横軸を掃気時間として示すグラフである。本発明の発明者は、内部を満水状態にした燃料電池１０に対して、無加湿の掃気ガスを燃料電池１０のマニホールドを介して一定の流量で流入させ、燃料電池１０の含水量の変化を、掃気ガスの流量ごとに調べた。

グラフにおける含水量Ｃ_maxは、燃料電池１０の満水時の含水量であり、流路７ｐ，８ｐ（図３）内の空間体積や、膜電極接合体５の最大含水量など、燃料電池１０の構成によって決まる値である。燃料電池１０の含水量は、満水時の含水量Ｃ_maxから、掃気時間に応じて、下に凸の緩やかな曲線を描くように、徐々に減少していった。

掃気時間に応じた燃料電池１０の含水量の変化の度合いは、掃気ガスがいずれの流量であるときにも、掃気時間が短いほど大きく、掃気時間が長くなるのに従って緩やかになり、ある含水量Ｃ_limに到達した後には、含水量は変化しなくなった。また、掃気時間に応じた燃料電池１０の含水量の変化の度合いは、掃気ガスの流量が小さいほど緩やかであり、含水量が変化しなくなる含水量の収束値Ｃ_limは、掃気ガスの流量が小さいほど大きい値であった。

この実験における掃気ガスの掃気時間は、運転中の燃料電池１０において反応ガスが流された時間に相当し、燃料電池１０の含水量の低下量は、運転中の燃料電池１０からの液水排出量に相当する。このことから、本発明の発明者は、所定の期間Δｔにおける燃料電池１０の液水排出量について以下の知見を得た。
（ａ）所定の期間Δｔにおける燃料電池１０の液水排出量は、燃料電池１０に存在する含水量が多いほど多くなる。
（ｂ）所定の期間Δｔにおける燃料電池１０の液水排出量は、反応ガスの流量が大きいほど多くなる。即ち、排水速度は、反応ガスの流量が大きいほど大きくなる。
（ｃ）燃料電池１０の含水量には、反応ガスの流れによって、それ以上低減させることができなくなる限界値があり、その限界値は、反応ガスの流量が大きいほど小さくなる。以下、その限界値を、「排出限界値」とも呼ぶ。

また、本発明の発明者は、図５のグラフに基づいて、燃料電池１０の含水量をｙとし、燃料電池１０において反応ガスが流された時間をｘとして表したときに、任意の反応ガスの流量ｑのときのｙとｘの関係を、以下の式（２）によって規定できることを見出した。
ｙ＝（Ｃ_lim−Ｃ_max）×ｂ／（ｘ−ｂ）＋Ｃ_lim …（２）
Ｃ_maxは、前記した燃料電池１０の満水時の含水量である。
Ｃ_limは、前記した排出限界値であり、反応ガスの流量ｑによって決まる値である。
ｂは、ｙの変化の度合いを規定する定数であり、反応ガスの流量ｑによって決まる値である。

図６は、縦軸をｙとし、横軸をｘとして、上記の式（２）を表した双曲線グラフの一例である。ここで、燃料電池１０の含水量がＣｔであるとき、即ち、ｙ＝Ｃｔのときの、このグラフ上の点における接線ｔの傾きは、燃料電池１０の含水量がＣｔであるときの排水速度を表している。即ち、排水速度は、上記の式（２）において、ｙをｘで微分することにより得られる下記の式（３）によって表すことができる。
ｙ’＝（Ｃ_max−Ｃ_lim）×ｂ／（ｘ−ｂ）² …（３）

そこで、前回の推定値を、上記の式（２）のｙに代入してｘを求め、そのｘの値を上記の式（３）に代入することにより、前回の推定値が表す燃料電池１０の含水量のときの排水速度ｄｒを得ることができる。

このように、排水速度ｄｒは、前回の推定値と、現在の燃料電池１０における反応ガスの流量とに基づいて一意に求めることができる値である。ステップＳ４０（図４）では、上述したような、排水速度ｄｒと、前回の推定値と、現在の燃料電池１０における反応ガスの流量との関係を表したマップ（以下、「排水速度マップ」とも呼ぶ）を用いる。

なお、排水速度ｄｒは、前回の推定値と、現在の燃料電池１０における反応ガスの流量を表す値と、に基づいて変化する係数であると解釈することができる。即ち、ステップＳ４０は、前回の推定値と、現在の燃料電池１０における反応ガスの流量を表す値と、に基づいて変化する係数を取得し、その係数と、推定値を取得する周期Ｔとに基づいて、液水排出量ΔＣｌｃを取得する工程であると解釈することができる。

ステップＳ５０では、含水量推定部２１は、ステップＳ２０で取得した燃料電池状態の運転情報を用いて、生成水量ΔＣｇと、カソード水蒸気収支ΔＣｖｃとを取得する。具体的には、以下の式（４），（５）に基づいて、生成水量ΔＣｇと、カソード水蒸気収支ΔＣｖｃとを取得することができる。
生成水量ΔＣｇ＝（Ｉ×Ｍ_H20／Ｆ×２）×Δｔ …（４）
カソード水蒸気収支ΔＣｖｃ＝（Ｐｃｖ_out×Ｑｃ_out／Ｐｃ_out×２２．４）−（Ｐｃｖ_in×Ｑｃ_in／Ｐｃ_in×２２．４） …（５）
Ｉ：今回の周期の所定の期間Δｔにおいて燃料電池１０が出力した電流
Ｍ_H2O：水の分子量
Ｆ：ファラデー定数
Ｐｃｖ_out：カソード排ガスにおける水蒸気分圧
Ｑｃ_out：カソード排ガスの流量
Ｐｃ_out：カソード排ガスの圧力
Ｐｃｖ_in：供給空気における水蒸気分圧
Ｑｃ_in：供給空気の流量
Ｐｃ_out：供給空気の圧力

さらに、ステップＳ５０では、上述した式（１）に基づいて、生成水量ΔＣｇと、カソード水蒸気収支ΔＣｖｃと、ステップＳ４０で得た液水排出量ΔＣｌｃとを用いて、カソード側の含水量の変化量ΔＣｃを求める。そして、前回値に、その変化量ΔＣｃを反映させて、今回の燃料電池１０の含水量の推定値を求める。

含水量推定部２１は、ステップＳ２０〜Ｓ５０の処理を、燃料電池１０の運転が終了するまで、所定の周期Ｔで、繰り返し実行する（ステップＳ６０）。なお、燃料電池１０の運転が終了する際には、最終的に取得した燃料電池１０の含水量の推定値を、運転終了時含水量として、不揮発性記憶部に格納する（ステップＳ７０）。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００では、含水量推定部２１が、実験結果に基づいた所定の関係を用いて、燃料電池１０の含水量と、反応ガスの流量とに基づいて変化する排水速度を取得する。これによって、含水量推定部２１は、その排水速度に基づき、燃料電池１０の液水排出量の推定値を高い精度で取得することができ、燃料電池１０の含水量の推定値を高い精度で取得することができる。従って、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０内部の水分状態をより高い精度で検出することができ、燃料電池１０の内部の水分状態の制御を適切に実行することができる。

B．第２実施例：
図７は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの構成を示す概略図である。図７は、アノードガス供給部５０Ａにおいて、入口圧力計測部５６に換えて、供給ガス情報検出部５７が設けられている点と、アノードガス循環排出部６０Ａにおいて、出口圧力計測部６７に換えて、排ガス情報検出部６８が設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。なお、第２実施例の燃料電池システム１００Ａの電気的構成は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様である（図２）。

上述したとおり、第１実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０のアノード側における水分の流入出量については無視して、燃料電池１０の含水量を推定していた（図３）。これに対して、この第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、燃料電池１０のアノード側における水分の流入出量についても考慮して燃料電池１０の含水量を推定する。具体的には以下の通りである。

図８は、第２実施例の含水量推定部２１による含水量の推定方法の概略を説明するための説明図である。図８は、アノード３側における水分の移動を示す矢印や、アノード３側の水分の流入出量を反映させた含水量の推定のための数式等が追加されている点以外は、図３とほぼ同じである。

燃料電池１０の各発電体では、発電反応によってカソード２側で生じた生成水の一部は、電解質膜１を介してアノード３側へと移動する。また、アノード３側においても、水蒸気として水分が流入／流出する。さらに、アノード３側においても、排ガスとともに液水が外部に排出される。

このように、燃料電池１０では、カソード２側における含水量の変化とは別に、アノード３側においても、その含水量が変化する。そこで、第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、含水量推定部２１は、所定の期間Δｔにおける、カソード２側とアノード３側とについてそれぞれの含水量の変化量ΔＣｃ，ΔＣａを求め、カソード２側とアノード３側の含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａを取得する。

ここで、以下では、所定の期間Δｔにおいて、カソード２側からアノード３側へと移動した液水の移動量を「アノード移動液水量ΔＣｔ」と呼ぶ。このとき、カソード２側における含水量の変化量ΔＣｃは、以下の式（１Ａ）によって表せる。
ΔＣｃ＝ΔＣｇ−ΔＣｖｃ−ΔＣｌｃ−ΔＣｔ …（１Ａ）
この式（１Ａ）の右辺は、アノード移動液水量ΔＣｔが減算されている点以外は、第１実施例で説明した式（１）と同じである。

さらに、以下では、アノード移動液水量ΔＣｔ以外の、アノード３側の含水量に関係する値を以下のように表す。
・アノード３に水素とともに流入した水蒸気量（入口側水蒸気量）…ΔＣｖａ_in
・アノード３から排ガスとともに排出される水蒸気量（出口側水蒸気量）…ΔＣｖａ_out
・アノード３における出口側水蒸気量ΔＣｖａ_outと入口側水蒸気量ΔＣｖａ_inとの差（アノード水蒸気収支）…ΔＣｖａ
・アノード３から排出される液水量（排出液水量）…ΔＣｌａ

このとき、燃料電池１０のアノード３側における含水量の変化量ΔＣａは、以下の式（１Ｂ）によって表すことができる。
ΔＣａ＝ΔＣｔ−ΔＣｖａ−ΔＣｌａ …（１Ｂ）

第２実施例の含水量推定部２１は、上記の式（１Ａ），（１Ｂ）に基づいて、所定の周期Ｔで、逐次的に２つの含水量の変化量ΔＣｃ，ΔＣａを求める。そして、前回の周期で取得したカソード２側とアノード３側のそれぞれの含水量推定値に、各変化量ΔＣｃ，ΔＣａを反映させて、現在の燃料電池１０の含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａを取得する。以下に、その具体的な手順を説明する。

図９は、第２実施例における含水量推定部２１が実行する含水量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。図９は、ステップＳ３５が追加されている点以外は、図４とほぼ同じである。ステップＳ１０では、第１実施例で説明したのと同様に、含水量推定部２１は、不揮発性記憶部に格納された運転終了時含水量を取得する。なお、この第２実施例の運転終了時含水量には、カソード側の運転終了時含水量と、アノード側の運転終了時含水量とが含まれる。

ステップＳ２０では、含水量推定部２１は、今回の周期における所定の期間Δｔの間の燃料電池１０の運転状態を示す運転状態情報を取得する。具体的には、含水量推定部２１は、運転状態情報として、燃料電池１０の発電量と、カソード側とアノード側のそれぞれについてのガス情報を取得する。

ステップＳ３０では、含水量推定部２１は、前回の周期で取得した、カソード側とアノード側のそれぞれの含水量推定値（前回値）を取得する。なお、燃料電池システム１００Ａの運転開始後の初回の周期である場合には、含水量推定部２１は、ステップＳ１０で取得した運転終了時含水量を、前回値として取得する。

ステップＳ３５では、含水量推定部２１は、電解質膜における水分状態に基づいてアノード移動液水量ΔＣｔを取得する。ここで、アノード移動液水量ΔＣｔは、水の拡散係数に応じて変動する。また、燃料電池１０の膜電極接合体５における水の拡散係数は、電解質膜に含まれる水分量に応じて変動する。

図１０は、本発明の発明者の実験によって得られた、水の拡散係数と、電解質膜の含水率との関係を示すグラフである。ここで、「電解質膜の含水率」とは、以下の式（６）によって求めることができる値である。
電解質膜の含水率Ｗｒ＝（Ｍｍ_wet／Ｍｍ_dry−１）×１００ …（６）
Ｍｍ_dry…乾燥状態における電解質膜の重量
Ｍｍ_wet…湿潤状態にした後の電解質膜の重量

電解質膜の含水率は、電解質膜に含まれる水分量を表す値である。水の拡散係数は、上に凸の曲線を描くように、電解質膜の含水率が増大するに従って、最大値Ｄｍまで増大し、最大値Ｄｍに到達した後は、緩やかに低下していく。このように、電解質膜に含まれる水分量に応じて、アノード移動液水量ΔＣｔと相関関係がある水の拡散係数が変化する。従って、アノード移動液水量ΔＣｔは、電解質膜に含まれる水分量に基づいて取得することが可能である。

ここで、燃料電池１０の電解質膜に含まれる水分量を示す指標として以下の式（７）によって表される値（以下、「水収支」と呼ぶ）を定義する。
水収支Ｗｂ＝ΔＣｇ−ΔＣｖｃ−ΔＣｖａ …（７）

この水収支Ｗｂは、燃料電池１０において生成された生成水量に相当する水分が、反応ガスの流れによって水蒸気として持ち去られるときに「０」となる値である。水収支Ｗｂは、その値がマイナスのときには、電解質膜が乾燥傾向にあることを示し、その値がプラスのときには、電解質膜が湿潤傾向にあることを示す。

図１１は、本発明の発明者の実験によって得られた、水収支と、アノード排水比率との関係を示すグラフである。ここで、「アノード排水比率」とは、生成水量ΔＣｇのうちのアノード移動液水量ΔＣｔが占める割合を意味する（下記の式（８））。
アノード排水比率ＡＤＲ＝ΔＣｔ／ΔＣｇ …（８）

本発明の発明者は、発電中の燃料電池１０では、カソードからアノードへと移動する液水量の全てが、アノードから液水または水蒸気として排出されるものとして、水収支ごとにアノードからの水分の排出総量を計測し、アノード排水比率を計測した。この実験によって、アノード排水比率と水収支の関係として、そのグラフが水収支が０の点を対象点とする点対称の形状となる関係が得られた。

図１１のグラフに示されるように、水収支をマイナス側に低下させたときには、水収支０の近傍においてアノード排水比率は著しく低下したのちに、その変化の勾配が緩やかとなる。一方、水収支をプラス側に増加させたときには、水収支０の近傍においてアノード排水比率は著しく増大したのちに、その変化の勾配が緩やかとなる。水収支とアノード排水比率とは互いに一意の関係を有しているため、その関係を予め取得しておくことにより、水収支に基づき、アノード排水比率を取得することができる。

第２実施例の含水量推定部２１は、図１１のグラフに示された関係をマップとして予め記憶している。ステップＳ３５（図９）では、含水量推定部２１は、そのマップを用いて、生成水量ΔＣｇと、カソード水蒸気収支ΔＣｖｃと、アノード水蒸気収支ΔＣｖａとに基づいて得られる水収支Ｗｂに対して、アノード排水比率ＡＤＲを取得する。そして、上記の式（８）に基づき、アノード排水比率ＡＤＲと、生成水量ΔＣｇとを用いて、アノード移動液水量ΔＣｔを取得する（ΔＣｔ＝ＡＤＲ×ΔＣｇ）。

ステップＳ４０では、含水量推定部２１は、カソード側とアノード側のそれぞれについての液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａを取得する。ここで、図５で説明した掃気時間と燃料電池の含水量との関係は、満水にした燃料電池に対して、カソード側のみ、または、アノード側のみの掃気を実行することにより、カソード側についての関係と、アノード側についての関係の２つを得ることができる。第２実施例の含水量推定部２１は、それら２つの関係に基づいた、カソード側とアノード側のそれぞれについての排水速度マップを予め記憶している。ステップＳ４０では、それら２種類の排水速度マップを用いて、カソード側とアノード側のそれぞれの排水速度を取得し、それらの排水速度に基づき、液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａを取得する。

ステップＳ５０では、上述した式（１Ａ），（１Ｂ）に基づいて、カソード側の含水量の変化量ΔＣｃとアノード側の含水量の変化量ΔＣａとを求める。そして、前回値に、各含水量の変化量ΔＣｃ，ΔＣａを反映させて、今回のカソード側とアノード側の含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａを求める。

なお、アノード水蒸気収支ΔＣｖａは、上記の式（５）と同様な下記の式（５ａ）によって求めることができる。
アノード水蒸気収支ΔＣｖａ＝（Ｐａｖ_out×Ｑａ_out／Ｐａ_out×２２．４）−（Ｐａｖ_in×Ｑａ_in／Ｐa_in×２２．４） …（５ａ）
Ｐａｖ_out：アノード排ガスにおける水蒸気分圧
Ｑａ_out：アノード排ガスの流量
Ｐａ_out：アノード排ガスの圧力
Ｐａｖ_in：供給水素における水蒸気分圧
Ｑａ_in：供給水素の流量
Ｐａ_out：供給水素の圧力

含水量推定部２１は、ステップＳ２０〜Ｓ５０の処理を、燃料電池１０の運転が終了するまで、所定の周期Ｔで、繰り返し実行する（ステップＳ６０）。なお、燃料電池１０の運転が終了する際には、最終的に取得した２つの含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａを、運転終了時含水量として、不揮発性記憶部に格納する（ステップＳ７０）。

ところで、第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、カソード側とアノード側のそれぞれについての含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａを取得している。制御部２０は、カソード側の含水量の推定値Ｃｃのみを用いて、燃料電池１０の運転制御を行うものとしても良い。この場合であっても、カソード側の含水量の推定値Ｃｃは、アノード側へ移動した水分量が反映された、より精度の高い値となっているため、第１実施例よりも、さらに、適切に、燃料電池１０の内部の水分状態を管理することができる。

また、制御部２０は、カソード側とアノード側の含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａを用いて、アノード側とカソード側のそれぞれの水分状態を制御するものとしても良い。例えば、制御部２０は、燃料電池１０内部の掃気処理の実行の際には、カソード側とアノード側の含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａに基づいて、カソード側とアノード側のそれぞれについての掃気ガスの流量を設定して掃気処理を実行するものとしても良い。

以上のように、第２実施例の燃料電池システム１００Ａでは、含水量推定部２１が、カソードからアノードへと移動した水分量を取得して、アノード側についても、その含水量の推定値Ｃａを取得している。従って、燃料電池１０の内部における水分状態を、第１実施例の燃料電池システム１００よりも、さらに高い精度で検出することができ、燃料電池１０の内部の水分状態を、より適切に管理することができる。

B１．第２実施例の他の構成例：
上記の第２実施例では、電解質膜に含まれる水分量を示す指標として、水収支を用いていた。しかし、電解質膜に含まれる水分量を示す指標としては、水収支に換えて、電解質膜に含まれる水分量と相関関係を有する他の値を用いることが可能である。

図１２は、本発明の発明者の実験によって得られた、セル抵抗と、アノード排水比率との関係を示すグラフである。本発明の発明者は、交流インピーダンス法によってセル抵抗を計測し、セル抵抗に対するアノード排水比率を計測することにより、このグラフを得た。このように、セル抵抗とアノード排水比率とは、互いに一意の関係を有している。含水量推定部２１は、図１２に示したようなセル抵抗とアノード排水比率との関係を表したマップを予め記憶しており、その関係を用いて、インピーダンス計測部９３の計測値から取得したセル抵抗Ｒｃに対して、アノード排水比率ＡＤＲを取得するものとしても良い。

C．第３実施例：
図１３は、本発明の第３実施例としての燃料電池システムにおいて、含水量推定部２１が実行する含水量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。図１３は、ステップＳ２５，Ｓ４５が追加されている点以外は、図９とほぼ同じである。なお、第３実施例の燃料電池システムの構成は、第２実施例の燃料電池システム１００Ａと同様である（図２，図７）。

ここで、本発明の発明者は、運転中の燃料電池１０に対する反応ガスの供給流量が、例えば、一時的に停止された後に再び復帰するなど、急激な低下と増大とを繰り返した場合には、その後に燃料電池１０から排出される液水量が増大することを見出した。そこで、第３実施例の含水量推定部２１は、運転状態情報から反応ガスの供給が一時的に停止されたことを検出した場合には、含水量の推定値を取得するために求めた液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａを補正する。

図１４（Ａ），（Ｂ）は、本願発明の発明者の実験によって得られた、反応ガスの供給流量の急激な変動に伴う液水の排出量の変化を示す説明図である。図１４（Ａ）は、この実験において、燃料電池に対する反応ガスの供給（ＯＮ）／停止（ＯＦＦ）を行ったタイミングを示すタイミングチャートである。

本発明の発明者は、燃料電池に対して、一定流量での反応ガスの供給を所定の期間（約２０秒間）継続した後に停止させる処理を、図１４（Ａ）に示す周期間隔（３秒，５秒，１０秒，２０秒，３０秒，４０秒）で繰り返した。なお、図１４（Ａ）では、所定の期間の反応ガスの供給が継続された各ステップＰ０〜Ｐ６が、上に凸のパルスとして示されている。

図１４（Ｂ）は、所定の期間の反応ガスの供給が継続された各ステップＰ０〜Ｐ６ごとの、燃料電池における圧力の時間変化を示すグラフである。圧力損失は、いずれのステップＰ０〜Ｐ６においても、一時的に増大した後に緩やかに低下していった。また、初回のステップＰ０以降のステップＰ１〜Ｐ４では、圧力損失の最大値は次第に大きくなり、ステップＰ５，Ｐ６では、圧力損失の変化はほぼ一定の変化に収束した。

この各ステップＰ０〜Ｐ６における燃料電池の圧力損失の変化は、燃料電池から排出される液水量と相関関係があった。具体的には、圧力損失の最大値が大きいステップほど、燃料電池から排出される液水量が多かった。より具体的には、初回のステップＰ０のときに最も排出される液水量が多く、続くステップＰ１〜Ｐ４ではステップごとに、排出される液水量が多くなり、ステップＰ５，Ｐ６では、ステップＰ４とほぼ同程度の液水量が排出された。

ステップＰ１〜Ｐ４において液水の排出量が次第に多くなったのは、各ステップＰ１〜Ｐ４の前の反応ガスの供給停止時間が次第に長くなったことにより、膜電極接合体からガス流路に移動する液水の量が多くなったためであると推察される。そして、ステップＰ４〜Ｐ６において液水の排出量がほぼ同程度となったのは、ガス流路への液水の移動が、ある所定の量で停滞するためであると推察される。

このように、反応ガスの流量が一時的に低下すると、ガス流路への液水の移動が発生し、反応ガスの流量が復帰したときに燃料電池の液水の排出量が増大する。そして、その液水の排出量が増大する度合いは、ある排出量に到達するまでは、反応ガスの流量が低下していた期間の長さに応じて大きくなる。

第３実施例の含水量推定部２１は、ステップＳ２０（図１３）において、運転状態情報として、燃料電池１０の発電量と、カソード側およびアノード側のガス情報と、を取得する。そして、ステップＳ２５において、供給ガス情報のうちの供給空気および水素の流量に関する情報から、供給空気または水素の一時的な供給停止を検出した場合には、その供給停止時間を取得する。

ステップＳ３０〜Ｓ４０では、含水量推定部２１は、上記第２実施例で説明したのと同様な処理を実行する。含水量推定部２１は、ステップＳ４０において、液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａを取得した後に、ステップＳ４５において、液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａを補正する。具体的には、含水量推定部２１は、まず、所定のマップに基づき、液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａを補正するための補正係数を取得する。

図１５は、本発明の発明者が実験に基づいて設定した、液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａの補正係数を取得するためのマップの一例を示す説明図である。本発明の発明者は、図１４で説明したような、ある一定の流量ｑでの燃料電池に対する反応ガスの供給と、その供給の一時停止とを繰り返す運転を、反応ガスの供給を一時的に停止する時間（ガス供給停止時間）を変えて行った。そして、ガス供給停止時間ごとに、その後の反応ガスの供給再開時における、単位時間あたりの燃料電池からの液水の排出量Ｅａを計測した。

また、本発明の発明者は、反応ガスを一時的に停止することなく一定の流量ｑで継続して供給し、上記の計測値Ｅｂの計測周期と対応する周期における単位時間あたりの液水の排出量を基準排出量Ｅｂとして得た。ガス供給停止時間ごとの各計測値Ｅａと、それに対応する基準排出量Ｅｂとを用いて、ガス供給停止時間ごとの補正係数γを、γ＝Ｅｂ／Ｅａとして得た（γ≧１）。これによって、図５のグラフに示すような、ガス供給停止時間が増大するのに従って、補正係数γが、上に凸の曲線を描くように徐々に増大して、最大値γ_maxに収束する関係が得られた。

第３実施例の含水量推定部２１は、図１５に示したような関係が設定されたマップを、供給空気と水素のそれぞれの供給流量ごとに予め記憶している。ステップＳ４５では、現在の供給空気または水素の流量に対応するマップを読み込み、ステップＳ２５において検出された供給停止時間ｔｓに対する補正係数γを取得する。そして、ステップＳ４０で得られた液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａに取得した補正係数γを乗算して、液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａを補正する。

以上のように、第３実施例の燃料電池システムでは、反応ガスの供給が一時的に停止されたことが検出された場合には、その停止時間に応じた補正係数γによって補正された液水排出量ΔＣｌｃ，ΔＣｌａを用いて含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａが算出される。従って、より高い精度で、燃料電池１０の内部の水分状態を検出することができる。

D．第４実施例：
図１６は、本発明の第４実施例としての燃料電池システムにおいて、含水量推定部２１が実行する含水量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。図１６は、ステップＳ１５，Ｓ２１が追加されている点と、ステップＳ７０に換えてステップＳ７１が設けられている点以外は、図１３とほぼ同じである。なお、第４実施例の燃料電池システムの構成は、第３実施例の燃料電池システムと同様である（図２，図７）。

第４実施例の含水量推定部２１は、ステップＳ１０において、運転終了時含水量を読み込んだ後に、ステップＳ４０で用いる排水速度マップを補正する補正処理を実行する（ステップＳ１５）。ここで、第２実施例において説明したように、含水量推定部２１は、カソード用とアノード用の２種類の排水速度マップを備えている。しかし、ステップＳ１５の補正処理では、カソード用の排水速度マップのみを補正の対象とする。なお、ステップＳ１５の補正処理の内容については後述する。

ステップＳ２１では、含水量推定部２１は、ステップＳ２０において取得した運転状態情報に含まれる供給ガス情報の中の供給空気の流量の情報を各周期ごとに記録していく。ステップＳ７１では、含水量推定部２１は、ステップＳ２５で記録した供給空気の流量の情報に基づいて、燃料電池１０の運転中における供給空気の流量の時間平均（平均ガス流量）を算出する。そして、その平均ガス流量を、運転終了時含水量とともに、不揮発性記憶部に格納する。含水量推定部２１は、次の燃料電池システムの起動時に実行されるステップ１５の補正処理において、その平均ガス流量を読み込み、補正処理に用いる。

図１７は、ステップＳ１５において実行される排水速度マップの補正処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ１１０では、含水量推定部２１は、冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂによって検出した燃料電池１０の現在の温度に基づき、燃料電池１０が氷点下での起動を開始しているか否かを判定する。

燃料電池１０の温度が氷点より高い温度であった場合には、含水量推定部２１は、この補正処理を終了して、含水量推定処理（図１６）に戻り、ステップＳ１０以降の処理を実行する。一方、燃料電池１０の温度が氷点下であった場合には、含水量推定部２１は、燃料電池１０の起動時に発生する一時的な電流の増大における電流の最大値（以下、「起動時ピーク電流」と呼ぶ）を検出する（ステップＳ１２０）。また、含水量推定部２１は、起動時ピーク電流が検出されたときの燃料電池１０の運転温度を検出する。

図１８は、燃料電池の氷点下起動時における電流の時間変化の一例を示すグラフである。燃料電池では、氷点下での起動時に電圧を所定の一定値で制御すると、電流が、起動直後からほぼ一定の勾配で最大値Ｉｐまで増大し（時刻ｔ₀〜時刻ｔ₁）、その後、低下するような電流変化を観察することができる。このような一時的な電流の増大が生じるのは、以下に説明するような、氷点下起動時における燃料電池のＩ−Ｖ特性の変化に起因するものである。

図１９（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池の氷点下起動時におけるＩ−Ｖ特性の変化を説明するための説明図である。図１９（Ａ）のグラフは、燃料電池の含水量が同じで温度が異なる場合のＩ−Ｖ特性の変化を示している。図１９（Ａ）のグラフでは、燃料電池の温度が高いほど、発電効率が向上する方向にＩ−Ｖ特性が変化している。これは、燃料電池の温度が高いほど、電解質膜や触媒層におけるプロトンの移動抵抗が低下するためである。

一方、図１９（Ｂ）は、燃料電池の温度が同じで含水量が異なる場合のＩ−Ｖ特性の変化を示している。図１９（Ｂ）のグラフでは、燃料電池の含水量が少ないほど、発電効率が向上する方向にＩ−Ｖ特性が変化している。これは、燃料電池の含水量が少ないほど、触媒層における反応ガスの拡散抵抗が小さいためである。

氷点下起動時に、燃料電池の電圧を一定に制御すると、起動直後は、燃料電池の運転温度の上昇に伴うＩ−Ｖ特性の変化によって電流は増加する（図１９（Ａ））。しかし、電流が増大すると、燃料電池では生成水量が増加し、その含水量が増大する。そのため、ある時点で、燃料電池の含水量の増大に伴うＩ−Ｖ特性の変化によって電流は低下し始める（図１９（Ｂ））。

即ち、氷点下起動時における電流の最大値である起動時ピーク電流は、燃料電池の温度と、燃料電池の含水量とに基づいて決まる値である。従って、起動時ピーク電流と、燃料電池の温度と、燃料電池の含水量との間の関係を予め取得しておけば、燃料電池の氷点下起動時に、燃料電池の温度と、起動時ピーク電流とを計測することにより、その関係に基づいて、燃料電池の含水量を求めることが可能である。

ステップＳ１３０（図１７）では、含水量推定部２１は、ステップＳ１２０で取得した起動時ピーク電流と、燃料電池１０の運転温度とに基づき、前記したような関係が設定された所定のマップを用いて、現在の燃料電池１０の含水量を取得する。なお、このとき取得する含水量は、後の処理において、補正のための基準値として用いる。以下、この含水量を「基準含水量」と呼ぶ。

図２０は、ステップＳ１３０において、基準含水量を取得するために用いられるマップの一例を、横軸を起動時ピーク電流とし、縦軸を基準含水量として表したグラフである。本発明の発明者は、燃料電池の運転温度と含水量ごとに起動時ピーク電流を計測することによりこのマップを得た。

このマップには、起動時ピーク電流が低いほど、基準含水量が指数関数的に増大する関係が、燃料電池の運転温度ごとに設定されている。また、このマップには、同じ起動時ピーク電流であっても、燃料電池の運転温度が低いほど低い基準含水量が得られる関係が設定されている。

なお、図２０では、運転温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）のときのグラフのみを図示し、他の運転温度におけるグラフについては省略してある。また、図２０では、この関係に基づき、燃料電池１０の運転温度がＴ１であり、起動時ピーク電流がＩｐであったときには、基準含水量としてＣｓが取得できることを、破線矢印で模式的に図示してある。

ステップＳ１３５（図１７）では、含水量推定部２１は、基準含水量Ｃｓと、図１６のステップＳ１０で読み込んだカソード側の運転終了時含水量Ｃｐとの差に、係数β（０＜β＜１）を乗算して、基準補正量ｄＣを得る（下記の式（９））。
基準補正量ｄＣ＝β×（Ｃｓ−Ｃｐ） …（９）
係数βの機能については後述する。

ステップＳ１４０では、含水量推定部２１は、ステップＳ７１で不揮発性記憶部に格納した平均ガス流量ｑ_avgを読み込む。ステップＳ１４５では、平均ガス流量ｑ_avgと、基準補正量ｄＣとを用いて、液水排水速度マップを補正するための補正係数αを、以下に説明するマップに基づき取得する。

図２１（Ａ）は、補正係数αを取得するために用いるマップ（以下、「補正値取得用マップ」と呼ぶ）の一例を示すグラフである。図５，図６で説明したように、排水速度マップの基になっている関係では、反応ガスの流れによって含水量を低減できなくなる排出限界値Ｃ_limが、反応ガスの流量ごとに存在している。補正値取得用マップには、その関係に基づいた、供給空気の流量ｑと、排出限界値Ｃ_limとの対応関係が設定されている。具体的には、補正値取得用マップには、供給空気の流量ｑが小さいほど、下に凸の曲線を描くように排出限界値Ｃ_limが低下する関係が設定されている。

含水量推定部２１は、補正値取得用マップに基づき、ステップＳ１４０で取得した平均ガス流量ｑ_avgに対する排出限界値Ｃ_{lim_avg}を取得する。そして、その平均ガス流量ｑ_avgに対する排出限界値Ｃ_{lim_avg}を下記の式（１０）に代入して、補正係数αを取得する。
α＝（Ｃ_{lim_avg}＋ｄＣ）／Ｃ_{lim_avg} …（１０）

ステップＳ１５０（図１７）では、含水量推定部２１は、この補正係数αを、補正値取得用マップの全ての排出限界値Ｃ_limに乗算する。これによって、補正値取得用マップに表された、反応ガス流量ｑと排出限界値Ｃ_limとの対応関係が補正される。なお、図２１（Ａ）には、補正前の対応関係を表すグラフを実線で図示し、補正後の対応関係を示すグラフを破線で図示することにより、補正値取得用マップが補正される様子を模式的に示してある。

ステップＳ１５０では、さらに、排水速度マップの排出限界値Ｃ_limを補正する。具体的には、反応ガスの流量ごとに規定された上記の式（３）におけるＣ_limに補正係数αを乗算するものとしても良い。

図２１（Ｂ）は、補正係数αによる排出限界値Ｃ_limの補正に伴う排水速度マップの補正を説明するための説明図である。図２１（Ｂ）には、図６と同様な、式（２）を表す双曲線グラフについて、補正前の状態を実線で図示し、補正後の状態を破線で図示してある。排出限界値Ｃ_limが補正されると、式（２）を表す双曲線はその変化の度合いが変化し、排水速度マップに表された関係（上記の式（３））も変化する。即ち、この補正処理では、運転終了後の燃料電池１０には、前回の燃料電池１０の運転時における平均ガス流量で掃気したときの排出限界量Ｃ_{lim_avg}に相当する含水量が存在するものとして、その含水量を基準として、排水速度マップが補正される。

図２２は、排水速度マップの補正処理の効果を検証するためのシミュレーション結果の一例を示す説明図であり、上記の式（９）における係数βの機能を説明するための説明図である。本発明の発明者は、上述した排水速度マップの補正処理の効果を検証するために、基準含水量として、ばらつきの大きい値を順次入力しつつ、含水量推定処理を繰り返し実行するシミュレーションを行った。

図２２の上段には、縦軸を基準含水量の入力値とし、横軸を含水量推定処理の実行回数とする、入力値のばらつき（分布）を示すグラフを図示してある。図２２の下段には、上段のグラフと対応するように、横軸を含水量推定処理の実行回数とし、縦軸を含水量の推定値とする含水量推定処理の実行結果の変化を示すグラフを図示してある。

ここで、基準含水量として得られる燃料電池１０の含水量の計測値は、実際には誤差などの影響により、ばらつきのある値として取得される可能性がある。そのため、上記の補正処理において、基準含水量と運転終了時含水量との差を、そのまま補正量としてしまうと、そのばらつきの影響が補正に反映されてしまい、かえって、燃料電池１０の含水量の推定値精度が低下してしまう原因となる。

そこで、第４実施例の含水量推定部２１では、上記の式（９）において、基準補正量ｄＣの値が、運転終了時含水量Ｃｐと、基準含水量Ｃｓとの差より小さくるように、係数βを用いる。これによって、補正処理の積み重ねによって、補正の精度が次第に高くなるように、補正の度合いが調整される。

従って、基準含水量と運転終了時含水量との間に著しい差が生じた場合には、図２２の下段に示すように、含水量推定処理の実行結果としては、初期段階において、補正の精度が次第に高くなっていく収束期間ｃｔを経た後に、安定した値が得られるようになる。このように、上記の式（９）の係数βは、基準含水量のばらつきの影響を緩衝する機能を有している。

以上のように、第４実施例の含水量推定部２１では、排水速度に基づいた含水量の推定方法以外の方法で取得した燃料電池１０の含水量を基準値として、排水速度を取得するためのマップを補正する。従って、排水速度に基づいた含水量の推定方法による推定精度がより向上する。

E．第５実施例：
図２３は、本発明の第５実施例としての燃料電池システムにおいて、含水量推定部２１が実行する排水速度マップの補正処理の処理手順を示すフローチャートである。図２３は、ステップＳ１２０に換えてステップＳ１２１が設けられている点以外は、図１７とほぼ同じである。なお、第５実施例の燃料電池システムの構成は、第４実施例の燃料電池システムと同様である（図２，図７）。また、第４実施例における含水量推定処理の処理手順は、第３実施例において説明した処理手順と同様である（図１６）。

ここで、氷点下起動時における燃料電池１０の含水量が多いほど、燃料電池１０の運転温度の上昇は緩やかとなる。そのため、燃料電池１０の運転温度が氷点より高くなるまでの時間（以下、「氷点突破時間」と呼ぶ）は、燃料電池１０の起動時における運転温度と、燃料電池１０の含水量とで決まる。

第５実施例では、含水量推定部２１は、ステップＳ１２１において、燃料電池１０の起動時における運転温度と、氷点突破時間とを検出する。そして、ステップＳ１３０において、含水量推定部２１は、予め準備された、燃料電池１０の起動時における運転温度と、氷点突破時間と、燃料電池１０の含水量との関係が表されたマップを用いて、基準含水量を取得する。

図２４は、ステップＳ１３０において基準含水量を取得するために用いられるマップの一例を、横軸を氷点突破時間とし、縦軸を基準含水量として表したグラフである。このマップには、氷点突破時間が長いほど、下に凸の曲線カーブを描くように、基準含水量が増大する関係が、燃料電池の起動時の運転温度ごとに設定されている。また、このマップには、同じ氷点下突破時間であっても、燃料電池の起動時の運転温度が低いほど低い基準含水量が得られる関係が設定されている。

なお、図２４では、燃料電池１０の起動時の運転温度がＴ１，Ｔ２，Ｔ３（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）のときのグラフのみを図示し、他の運転温度についてのグラフは省略してある。また、図２４では、燃料電池１０の運転温度がＴ１であり、氷点突破時間がｔ_ofpであったときには、基準含水量としてＣｓが取得できることを、破線矢印で模式的に図示してある。

ステップＳ１３０では、含水量推定部２１は、このマップを用いて基準含水量を取得する。そして、ステップＳ１３５〜Ｓ１５０において、第４実施例で説明したのと同様に、限界排出量Ｃ_limを補正することによる排水速度マップの補正を実行する。以上のように、第５実施例の構成であっても、第４実施例と同様に、排水速度に基づいた含水量の推定方法による推定精度を向上させることができる。

F．第６実施例：
図２５は、本発明の第６実施例としての燃料電池システムにおいて、含水量推定部２１が実行する含水量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。図２５は、ステップＳ５５が追加されている点以外は、図１６とほぼ同じである。なお、第６実施例の燃料電池システムの構成は、第５実施例の燃料電池システムと同様である（図２，図７）。

上記第４実施例と第５実施例では、含水量推定部２１は、排水速度マップの補正処理を氷点下起動時に実行していた（ステップＳ１５）。これに対して、第６実施例の含水量推定部２１は、排水速度マップの補正処理を燃料電池１０の運転中にも実行する。具体的には、第６実施例の含水量推定部２１は、ステップＳ５０において、燃料電池１０の含水量の推定値Ｃｃ，Ｃａを取得した後に、カソード用の排水速度マップを対象とする排水速度マップの補正処理を実行する（ステップＳ５５）。

図２６は、ステップＳ５５の排水速度マップの補正処理（以下、「運転中マップ補正処理」とも呼ぶ）の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ２１０では、含水量推定部２１は、インピーダンス計測部９３（図２）の計測結果を取得する。ステップＳ２２０では、そのインピーダンスの計測値Ｚｍに基づく燃料電池１０の含水量の計測が可能か否かを判定する。

図２７は、燃料電池のインピーダンスと、燃料電池の含水量との関係を示すグラフである。このグラフに示されているとおり、燃料電池の含水量が多いほど、燃料電池のインピーダンスは指数関数的に減少する。そのため、燃料電池の含水量が著しく多い場合には、インピーダンスの変動量は著しく小さい。従って、燃料電池の内部が比較的湿潤な状態にある場合には、燃料電池のインピーダンスに基づく含水量の計測は困難となる。

ステップＳ２２０では、含水量推定部２１は、予め設定されたインピーダンスの閾値Ｚｔｈと、ステップＳ１０で取得したインピーダンスの計測値Ｚｍとを比較する。そして、インピーダンスの計測値Ｚｍが閾値Ｚｔｈ以上である場合には、インピーダンスの計測値Ｚｍに基づく燃料電池１０の含水量の計測が可能であると判定する。一方、インピーダンスの計測値Ｚｍが閾値Ｚｔｈより小さい場合には、インピーダンスの計測値Ｚｍに基づく燃料電池１０の含水量の計測は困難であると判定して、補正処理を終了して、含水量推定処理（図２５）に戻る。

ここで、含水量推定部２１は、図２７に示されたような関係が設定されたマップを予め記憶している。ステップＳ２３０では、含水量推定部２１は、そのマップを用いて、インピーダンスの計測値Ｚｍに対する燃料電池１０の現在の含水量Ｃ_Zを、補正の基準となる基準含水量として取得する。

ステップＳ２４０では、含水量Ｃ_Zと、含水量推定処理（図２５）のステップＳ５０において取得された今回の推定値Ｃｃとの差をとり、その差に係数βを乗算して、基準補正量ｄＣを取得する（下記の式（１１））。なお、係数βは、第４実施例で説明した式（９）の係数βと同様なものである。
基準補正量ｄＣ＝β×（Ｃ_z−Ｃｃ） …（１１）

ステップＳ２５０では、基準補正量ｄＣと、現在の供給ガスの供給流量とを用いて、第４実施例で説明した補正処理（図１７）のステップ１４５で説明したのと同様なマップ（図２１（Ａ））を用いて、補正係数αを取得する。そして、ステップＳ２６０では、第４実施例で説明した補正処理のステップ１５０の処理と同様に、補正値取得用マップと、排水速度マップとを補正する。

以上のように、第６実施例の含水量推定部２１であれば、燃料電池１０の運転中に、排水速度マップを補正するためことができるため、より高い精度で、燃料電池１０の含水量を推定することができる。

G．第７実施例：
図２８は、本発明の第７実施例としての燃料電池システムにおいて、含水量推定部２１が実行する含水量推定処理の処理手順を示すフローチャートである。図２８は、ステップＳ３２が追加されている点以外は、図１６とほぼ同じである。なお、第７実施例の燃料電池システムの構成は、第４実施例の燃料電池システムと同様である（図２，図７）。

第７実施例の含水量推定部２１は、ステップＳ３０において前回値を取得した後に、その前回値の修正の必要性が検出された場合には、その修正を実行する（ステップＳ３２）。なお、ステップＳ３２において対象となる前回値は、カソード側とアノード側の両方の含水量の推定値の前回値である。具体的に、ステップＳ３５の処理の具体的な処理内容は、以下の通りである。

図２９は、ステップ３２において含水量推定部２１が実行する前回値の修正処理の処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ３１０では、含水量推定部２１は、インピーダンス計測部９３（図２）の計測結果に基づき、各発電体１１のセル抵抗を取得して、そのセル抵抗に基づき、燃料電池１０の電解質膜の乾燥状態を検出する。

図３０は、セル抵抗と燃料電池の含水量との関係を示すグラフの一例である。このグラフに示されているとおり、燃料電池の含水量が少ないほど、セル抵抗は指数関数的に増大する。そして、燃料電池の電解質膜が乾燥するほど、燃料電池の含水量が少なくなっている状態のときには、セル抵抗は著しく増大する。

ステップＳ３１０（図２９）では、含水量推定部２１は、予め設定されたセル抵抗の閾値Ｒｃ_thを基準として、セル抵抗の計測値が閾値Ｒｃ_thより大きい場合には、燃料電池１０の電解質膜が乾燥状態であると判定し、ステップＳ３２０の処理を実行する。一方、セル抵抗の計測値が閾値Ｒｃ_th以下である場合には、電解質膜は乾燥状態ではないものとして、含水量推定処理（図２８）に戻り、ステップＳ３５以降の処理を再開する。

ステップＳ３２０では、カソード側とアノード側のそれぞれの前回値を、所定の閾値Ｃ₀と比較して許容範囲内の値であるか否かを判定する。所定の閾値Ｃ₀としては、例えば、図３０で示したようなセル抵抗と燃料電池の含水量との関係に基づいて、セル抵抗の閾値Ｒｃ_thに対して求まる含水量を用いることができる。なお、前回値の許容範囲としては、例えば、閾値Ｃ₀に対して±１０％程度の範囲であるものとしても良い。

ステップＳ３２０において、カソード側とアノード側の前回値のうち、いずれか一方でも許容範囲から外れていると判定された場合には、ステップＳ３３０において、その許容範囲から外れた方の前回値を所定の初期値に設定する。所定の初期値としては、例えば、ステップＳ３２０で用いた所定の閾値Ｃ₀と同じ値としても良い。そして、含水量推定部２１は、その修正後の前回値を用いて、含水量推定処理（図２８）のステップＳ３５以降の処理を再開する。一方、カソード側とアノード側の前回値のいずれもが許容範囲内であった場合には、前回値を修正することなく、含水量推定処理のステップＳ３５以降の処理を再開する。

図３１は、ステップＳ３２の前回値の修正処理が実行されたときのカソード側の含水量の推定値Ｃｃの時間変化の一例を示すグラフである。なお、便宜上、アノード側の含水量の推定値Ｃａについての説明は省略する。このグラフでは、時刻ｔｄにおいて、ステップＳ３２の前回値の修正処理が実行され、含水量の推定値Ｃｃが所定の初期値Ｃ₀に変更されており、含水量の推定値Ｃｃの時間変化の軌跡は不連続となっている。

以上のように、第７実施例の含水量推定部２１は、燃料電池１０の電解質膜が乾燥状態にあるときには、予め取得している、そのときの燃料電池１０の含水量を基準として、前回値を修正する。従って、含水量の推定値が誤ったまま推定処理が継続され、累積的に誤差が拡大してしまうことを回避でき、燃料電池１０の含水量の推定精度を向上させることができる。

H．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。

H1．変形例１：
上記実施例では、含水量推定部２１は、排水速度マップを用いて、燃料電池１０の所定の期間における液水排出量を取得して、液水排出量と、生成水量や、カソード水蒸気収支、アノード水蒸気収支、アノード移動液水量などの燃料電池１０の運転状態に応じた値を用いて、燃料電池１０の含水量の推定値を取得していた。しかし、含水量推定部２１は、燃料電池１０の含水量の推定値を取得する際に、生成水量や、カソード水蒸気収支、アノード水蒸気収支、アノード移動液水量などの値を用いなくても良い。含水量推定部２１は、少なくとも、上記実施例で説明した方法により取得した液水排出量を用いて燃料電池１０の含水量の推定値を取得すれば良い。

H2．変形例２：
上記実施例では、供給ガスや排ガスに含まれる水蒸気量を取得するために、供給ガス情報検出部３５，５７や、排ガス情報検出部４３，６８によって、供給ガスや排ガスにおける水蒸気分圧を取得していた。しかし、供給ガス情報検出部３５，５７や、排ガス情報検出部４３，６８は、水蒸気分圧を計測しなくとも良い。供給ガスに含まれる水蒸気量は、外気の水蒸気分圧に基づいて算出するものとしても良いし、排ガスに含まれる水蒸気量は、排ガスの水蒸気圧が飽和水蒸気圧であるものとして算出するものとしても良い。同様に、上記実施例において取得していた他の計測値についても、直接的な計測手段によって取得した値に換えて、制御値や、予め設定された設定値・規定値に基づく値などを用いるものとしても良い。

H3．変形例３：
上記第２実施例では、水収支など、電解質膜の含水量や、電解質膜における水の拡散係数と相関関係を有する値に基づいて、カソードからアノードへの水の移動量を取得していた。しかし、カソードからアノードへの水の移動量は、他の方法によって取得されるものとしても良い。

H4．変形例４：
上記第３実施例では、含水量推定部２１は、反応ガスの供給が一時的に停止されたことを検出した場合に、ステップＳ４５の液水排出量の補正処理を実行していた。しかし、含水量推定部２１は、反応ガスの供給流量についての所定の流量の変化（例えば、急激な流量の低下など）を検出した場合に、ステップＳ４５の液水排出量の補正処理を実行するものとしても良い。この場合には、反応ガスの供給流量が所定の変化をしていた期間に応じて液水排出量が補正されるものとしても良い。

H5．変形例５：
上記第４実施例では、含水量推定部２１は、カソード用の排水速度マップのみを補正していた。しかし、含水量推定部２１は、カソード用の排水速度マップの補正と同様な方法により、アノード用の排水速度マップを補正するものとしても良い。

H6．変形例６：
上記第４実施例では、排水速度マップの補正にあたり、平均ガス流量に対する排出限界値Ｃ_{lim_avg}を基準として補正処理を実行していた。しかし、この補正処理では、平均ガス流量以外の他の所定の流量に対する排出限界値Ｃ_{lim_avg}を基準として用いるものとしても良い。この補正処理では、前回の燃料電池１０の運転時における反応ガスの流量に相当する流量に対する排出限界値Ｃ_{lim_avg}を基準として補正処理が実行されることが好ましい。

H7．変形例７：
上記第５実施例では、含水量推定部２１は、氷点下起動後から燃料電池１０の運転温度が氷点より高くなるまでの時間である氷点突破時間に基づいて、基準含水量を取得していた。しかし、含水量推定部２１は、氷点突破時間に換えて、他の燃料電池１０の温度変化に関するパラメータに基づいて、基準含水量を取得するものとしても良い。例えば、含水量推定部２１は、燃料電池１０の運転温度が所定の温度幅の上昇をするまでの時間に基づいて、基準含水量を取得するものとしても良い。

H8．変形例８：
上記第５実施例および第６実施例では、基準補正量ｄＣを算出する際に、基準含水量のばらつきの影響を緩和するために、係数βを乗算していた。しかし、式（９），（１１）において、係数βは省略されるものとしても良い。また、基準補正量ｄＣを算出する際には、係数βを乗算する以外の方法で、取得される基準補正量を小さくするものとしても良い。

H9．変形例９：
上記第６実施例では、含水量推定部２１は、燃料電池１０のインピーダンスの計測値に基づいて基準含水量を取得していた。しかし、含水量推定部２１は、他の方法により、燃料電池１０の含水量を取得して、基準含水量として用いるものとしても良い。

H10．変形例１０：
上記第７実施例では、含水量推定部２１は、燃料電池１０のセル抵抗に基づき、電解質膜の乾燥状態を検出していた。しかし、含水量推定部２１は、他の方法により、電解質膜の乾燥状態を検出するものとしても良い。例えば、含水量推定部２１は、所定のＩ−Ｖ特性の変化を検出したときに、電解質膜が乾燥状態であると判定するものとしても良い。

H11．変形例１１：
上記第７実施例では、含水量推定部２１は、前回値が許容範囲外であったときに、前回値を所定の値に設定する処理を実行していた（図２９のステップＳ３２０，Ｓ３３０）。しかし、含水量推定部２１は、ステップＳ３２０の判定処理を省略して、電解質膜の乾燥状態が検出された場合には、そのまま前回値を所定の値に修正する処理を実行するものとしても良い。

H12．変形例１２：
上記実施例では、燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載されていたが、燃料電池システム１００は、燃料電池車両以外の移動体に搭載されるものとしても良く、移動体以外の、住宅や施設などの建造物に設置されるものとしても良い。

H13．変形例１３：
上記実施例では、制御部２０は、含水量推定部２１として機能し、燃料電池１０の含水量の推定値を取得して、その推定値に基づき、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池１０の運転状態を制御していた。しかし、制御部２０は、上記実施例のステップＳ４０で取得される燃料電池１０から排出される液水量の推定値に基づいて、燃料電池システム１００の各構成部を制御するものとしても良い。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０から排出される液水量の推定値に基づいて、アノードガス循環排出部６０の排水弁６６を開くタイミングを制御するものとしても良い。

なお、上記実施例において、制御部２０は、所定の期間に燃料電池１０から排出される液水量の推定値を取得する処理であって、
（ａ）所定の期間の直前における燃料電池１０の含水量を表す直前値を取得する工程と、（ｂ）その直前値と、現在の燃料電池１０における反応ガスの流量と、に基づいて係数を取得する工程と、
（ｃ）その係数と、所定の期間とを乗算することにより、前記推定値を取得する工程と、
を備える、処理を実行する、液水排出量推定部として機能しているものと解釈することもできる。

１…電解質膜
２…カソード
３…アノード
３…カソード
５…膜電極接合体
７…カソードセパレータ
７ｐ…流路
８…アノードセパレータ
８ｐ…流路
１０…燃料電池
１１…発電体
２０…制御部
２１…含水量推定部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
３５…供給ガス情報検出部
４０…カソードガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４３…排ガス情報検出部
４４…調圧弁
５０，５０Ａ…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…入口圧力計測部
５７…供給ガス情報検出部
６０，６０Ａ…アノードガス循環排出部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…出口圧力計測部
６８…排ガス情報検出部
７０…冷媒供給部
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７１ｃ…バイパス配管
７２…ラジエータ
７３…三方弁
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ，７６ｂ…冷媒温度計測部
８１…二次電池
８２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ
９１…セル電圧計測部
９２…電流計測部
９３…インピーダンス計測部
９４…ＳＯＣ検出部
１００，１００Ａ…燃料電池システム
２００…モータ
ＤＣＬ…直流配線

Claims (15)

1. 運転中の燃料電池内部の液水量の推定値を逐次的に取得する方法であって、
   （ａ）前回の推定値を取得する工程と、
   （ｂ）前記前回の推定値と、現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値と、に基づいて、単位時間あたりに前記燃料電池から排出される液水の量である排水速度を取得する工程と、
   （ｃ）前記排水速度と、前記推定値を取得する周期とを乗算することにより、前回から今回までの間に前記燃料電池から排出された液水量を示す排水推定量を取得する工程と、
   （ｄ）前記工程（ｃ）で取得した前記排水推定量に基づき、今回の推定値を取得する工程と、
   を備える、方法。
2. 請求項１記載の方法であって、
   前記工程（ｂ）は、前記燃料電池内部の液水量と、前記燃料電池における反応ガスの流量との所定の関係に基づき、
   前記前回の推定値と、前記現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値とを用いて、前記排水速度を取得する工程であり、
   前記所定の関係は、前記反応ガスの流量ごとに、異なる変化の度合いで、前記燃料電池内部の液水量が下に凸の曲線を描くように時間変化する関係であって、
   前記燃料電池内部の液水量が、前記反応ガスの流量ごとに異なる所定の値である排水限界値に収束するように時間変化する関係である、方法。
3. 請求項１または請求項２記載の方法であって、
   前記工程（ｄ）は、前記排水推定量と、前記燃料電池に流入した水蒸気量と、前記燃料電池から流出した水蒸気量と、前記燃料電池の発電により生成された生成水量とを用いて、今回の推定値を取得する工程である、方法。
4. 請求項３記載の方法であって、
   前記燃料電池は、第１と第２の電極に狭持された電解質膜を備え、
   前記工程（ｄ）では、さらに、前記第１と第２の電極の間における水分の移動量を用いて、今回の推定値を取得し、
   前記第１と第２の電極の間における水分の移動量は、前記電解質膜に含まれる液水量に関連する値に基づいて決定される、方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法であって、さらに、
   （ｅ）前記燃料電池内部における所定の乾燥状態を検出する工程と、
   （ｆ）前記所定の乾燥状態が検出された場合には、前記工程（ｄ）で取得した前記今回の推定値を破棄して、所定の値を今回の推定値とする工程と、
   を備える、方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法であって、
   前記工程（ｃ）は、さらに、
   （ｃ１）前回から今回までの間に、前記反応ガスの流量が一時的に所定量より低下していた時間帯があることを検出した場合には、前記時間帯の長さに応じて、前記排水推定量を補正する工程、
   を備える、方法。
7. 請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の方法であって、さらに、
   （Ａ）前記燃料電池内部の液水量の基準値を取得する工程と、
   （Ｂ）前回の推定値と、前記工程（Ａ）において取得した前記基準値との差に応じた補正値を取得して、前記補正値を用いて、前記工程（ｂ）において用いる前記所定の関係を補正する工程と、
   を備える、方法。
8. 請求項７記載の方法であって、
   前記工程（Ａ）及び前記工程（Ｂ）は、氷点下において前記燃料電池を起動する際に実行され、
   前記工程（Ａ）は、前記燃料電池の起動時における、前記燃料電池の内部の水分量に基づく状態変化に基づいて、前記基準値を取得する工程である、方法。
9. 請求項８記載の方法であって、
   前記工程（Ａ）は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池に所定の電圧の出力を継続させたときに検出される電流の最大値に基づいて、前記基準値を取得する工程である、方法。
10. 請求項８記載の方法であって、
    前記工程（Ａ）は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の運転温度が、前記起動時から所定の温度変化をするまでの間の時間に基づいて、前記基準値を取得する工程である、方法。
11. 請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記工程（Ｂ）は、前記所定の関係において、今回起動時の前の前記燃料電池の運転時における反応ガスの流量に相当する前記反応ガスの流量に対して求めることができる前記排水限界値を補正の基準として、前記補正値を用いて、前記所定の関係の全体を補正する工程である、方法。
12. 請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記工程（Ｂ）は、複数回の補正の繰り返しによって推定値の誤差が次第に解消されるように、前記補正値を、前記前回の推定値と前記基準値との差より小さい値に設定する工程である、方法。
13. 所定の期間に運転中の燃料電池から排出される液水量の推定値を取得する方法であって、
    （ａ）前記所定の期間の直前における前記燃料電池内部に存在する液水量を表す直前値を取得する工程と、
    （ｂ）前記直前値と、現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値と、に基づいて、単位時間あたりに前記燃料電池から排出される液水の量である排水速度を取得する工程と、
    （ｃ）前記排水速度と、前記所定の期間とを乗算することにより、前記推定値を取得する工程と、
    を備える、方法。
14. 運転中の燃料電池内部の液水量の推定値を逐次的に取得する燃料電池内部液水量推定装置であって、
    前回の推定値を記憶する前回値記憶部と、
    現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値であるガス流量を取得するガス流量取得部と、
    前記前回値記憶部が記憶する前記前回の推定値と、前記反応ガス流量取得部が取得したガス流量と、に基づいて、単位時間あたりに前記燃料電池から排出される液水の量である排水速度を取得し、前記排水速度と、前記推定値を取得する周期とを乗算することにより、前回から今回までの間に前記燃料電池から排出された液水量を示す排水推定量を取得し、前記排水推定量に基づき、今回の推定値を取得する推定値取得部と、
    を備える、燃料電池内部液水量推定装置。
15. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
    運転中における前記燃料電池内部の液水量の推定値を逐次的に取得する液水量取得部と、
    前記液水量取得部によって取得された前記液水量の推定値を用いて、前記燃料電池の運転状態を制御する制御部と、
    を備え、
    前記液水量取得部は、前回の推定値と、現在の前記燃料電池における反応ガスの流量を表す値と、に基づいて、単位時間あたりに前記燃料電池から排出される液水の量である排水速度を取得して、前記排水速度と、前記推定値を取得する周期とを乗算することにより、前回から今回までの間に前記燃料電池から排出された液水量を示す排水推定量を取得し、前記排水推定量に基づき、今回の推定値を取得して出力する、燃料電池システム。

Images