JP6187412B2 - 燃料電池のアノードにおける液体の水の量を推定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法に関する。

従来、燃料電池内部の水分量を推定する技術が存在する（特許文献１）。この技術においては、次のような処理が行われる。すなわち、燃料電池の運転中に、出力電流を検出する。また、各セルにおいて、水素局側の表面に設けられた第１参照極と、水素局側の触媒層内部に設けられた第２参照極との間の電位差を、検出する。それらの測定値から、第１参照極と第２参照極の間の抵抗、すなわち、水素極側の電荷移動抵抗を算出する。そして、電荷移動抵抗と燃料電池の内部水分量とが関連付けられた制御マップを用いて、内部水分量の診断を行う。

特開２００９−１９３９００号公報 国際公開ＷＯ２０１１／０３６７８５号公報

しかし、上記の技術においては、燃料電池が発電をしている間以外には、水分量の推定を行うことができない。たとえば、燃料電池車において、アクセルがＯＦＦとなり、燃料電池の発電が停止した後、再びアクセルがＯＮになる際に、発電開始直前の状態において、燃料電池のセル面内に液水が存在しているか否かの検出を行うことはできない。再びアクセルがＯＮになったときに、燃料電池のセル面の一部に液水が存在していると、その部分において反応ガスがセルの電解質膜に到達することができない。このため、燃料電池のセル面の所定量以上の部分に液水が存在していると、燃料電池のセルにおいて十分な量の電気化学反応が起こらず、十分な出力を確保することができない。また、燃料電池のセル面の一部に液水が存在していると、反応ガスがセルの電解質膜に到達しにくいため、反応過電圧が大きくなる。この点からも、十分な出力を確保することができない。そのほか、従来の燃料電池システムにおいては、液水の存在の正確な推定、液水の存在の推定処理の低コスト化、そのための装置の小型化、燃料電池の安定した出力の確保等が望まれていた。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池のアノードにおける液体の水の量を推定する方法が提供される。この方法は、（ａ）燃料電池と負荷とが電気的に接続されておらず、前記燃料電池のカソードが不活性ガス雰囲気下にあり、前記燃料電池のアノードが水素雰囲気下にあるときに、前記燃料電池と負荷とを電気的に接続し、燃料電池と負荷との間に流れる電流の値を測定する工程と；（ｂ）前記アノードにおける液体の水の量を推定する工程であって；前記測定された電流値が、所定値よりも小さい場合に、前記アノードの液体の水が所定量よりも多いと推定し；前記測定された電流値が、前記所定値よりも大きい場合に、前記アノードの液体の水が前記所定量よりも少ないと推定する工程と、を備える。
このような態様とすれば、燃料電池の発電開始前に、アノードにおける液体の水の量を推定することができる。

（２）上記形態の方法において、さらに、（ｃ）前記測定された電流値が前記所定値よりも小さい場合に、前記燃料電池による発電の開始前に、前記アノードにおける液体の水を排出する処理を実行する工程を含む、態様とすることができる。
このような態様とすれば、液体の水を排出する処理を実行しない態様に比べて、燃料電池による発電を開始した際に、負荷要求に応じた十分な出力で発電を行うことができる可能性が高い。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える車両、燃料電池を制御する制御装置、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。また、本発明に係る燃料電池システム等は、適宜、他の部材と組み合わせて適用することができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池セル１１０の膜電極接合体１１２と液体の水Ｌｗの関係を示す図である。 ＭＥＡ１１２においてアノードの電位に対するカソードの電位の差Ｖとアノードからカソードに流れる電流Ｉとの関係示したグラフである。 本実施形態におけるアノードの液体の水の量を推定する含水量推定処理を示すフローチャートである。 燃料電池車の通常運転においてアクセルがＯＦＦされたときに図４で説明した含水量推定処理を実行する態様の電圧Ｖ１１の変化を示すグラフである。 燃料電池車において燃料電池１００を起動する際に図４で説明した含水量推定処理を実行する態様の電圧Ｖ２１の変化を示すグラフである。 燃料電池車において燃料電池１００の運転を停止する際に図４で説明した含水量推定処理を実行する態様の電圧Ｖ３１の変化を示すグラフである。

Ａ．実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車や電気自動車等に搭載されて使用される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給排出系２００と、酸化ガス供給排出系３００と、燃料電池循環冷却系４００と、電力充放電系５００と、制御装置６００とを備えている。

燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０を積層したスタック構造を有している。燃料電池セル１１０は、電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガス（水素）と、カソード側触媒電極層に供給される酸化ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。燃料電池１００は、固体高分子電解質膜等の種々の電解質膜を用いた燃料電池セルにより構成することができる。なお、本例では、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池を用いている。また、触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。燃料電池１００は、積層された燃料電池セル１１０の両端に、総合電極としての２つのターミナルプレート１１１が配置されている。

燃料ガス供給排出系２００は、水素タンク２１０と、流量調整部２２０と、循環コンプレッサ２４０と、気液分離部２５０と、切換弁２６０と、を備えている。燃料ガス供給排出系２００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のアノード側触媒電極層（以後、単に「アノード」とも呼ぶ）に、水素タンク２１０から、流量調整部２２０、燃料ガス供給流路２３１を介して、燃料ガスである水素を供給する。この際、流量調整部２２０は、制御装置６００からの指示に従った流量および圧力で水素を燃料電池１００のアノードへ供給するインジェクタである。

また、燃料ガス供給排出系２００は、切換弁２６０を開くことにより、燃料電池１００のアノードで使用されなかった水素を燃料ガス排出流路２３２、気液分離部２５０、および、切換弁２６０を介して燃料電池システム１０の外部に排出する。また、燃料ガス供給排出系２００は、切換弁２６０を閉じることにより、燃料電池１００のアノードで使用されなかった水素を燃料ガス排出流路２３２、気液分離部２５０、循環流路２３３、循環コンプレッサ２４０を介して燃料ガス供給流路２３１に戻し、再び燃料ガスとして利用する。循環コンプレッサ２４０は、制御装置６００からの指示に従って、水素の循環量および圧力を調整する。

酸化ガス供給排出系３００は、エアクリーナ３１０と、コンプレッサ３２０と、封止弁３４０と、圧力センサ３５０と、を備えている。この酸化ガス供給排出系３００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のカソード側触媒電極層（以後、単に「カソード」とも呼ぶ）に、エアクリーナ３１０、コンプレッサ３２０、および、酸化ガス供給流路３３１を介して、酸化ガス（酸素）を含む空気を供給する。この際、コンプレッサ３２０は、エアクリーナ３１０から取り込む空気を制御装置６００からの指示に従った圧力で燃料電池１００に向けて送り出す。

また、酸化ガス供給排出系３００は、燃料電池１００から排出された排気ガスを、酸化ガス排出流路３３２、および、封止弁３４０を介して燃料電池システム１０の外部に排出する。酸化ガス供給排出系３００は、制御装置６００からの指示によって、コンプレッサ３２０を停止状態とし、封止弁３４０を閉状態とすることにより、コンプレッサ３２０から封止弁３４０までの間のカソードガス流路を封止状態とすることができる。ここでの「カソードガス流路」とは、コンプレッサ３２０と燃料電池１００との間の酸化ガス供給流路３３１、燃料電池１００内部の酸化ガス供給マニホールド、単セル内部のガス流路、酸化ガス排出マニホールド、および、燃料電池１００と封止弁３４０との間の酸化ガス排出流路３３２を含んで構成される流路をいう。「単セル内部のガス流路」とは、単セルの内部において酸化ガスが流通可能な空間部をいい、セパレータとカソード側触媒電極層との間の空間と、カソード側触媒電極層の内部の空隙を含んで構成される。

圧力センサ３５０は、酸化ガス排出流路３３２の燃料電池１００との接続部付近に設けられ、酸化ガス排出流路３３２の内部の圧力を測定する。本実施形態では、封止状態のカソードガス流路の内部の圧力を測定するため等に使用する。圧力センサ３５０は、制御装置６００と電気的に接続され、測定結果を制御装置６００に出力する。後述する各種センサについても、圧力センサ３５０と同様に測定結果を制御装置６００に出力する。

燃料電池循環冷却系４００は、ラジエータ４１０と、冷媒温度センサ４２０と、冷媒循環ポンプ４３０と、を備えている。ラジエータ４１０は、冷媒供給流路４４１を介して冷却媒体を燃料電池１００に供給し、冷媒排出流路４４２を介して、冷却に供された後の冷却媒体を燃料電池１００から受け取ることにより、冷却媒体を循環させて、燃料電池１００の冷却を実行する。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができる。冷媒温度センサ４２０は、冷媒排出流路４４２の燃料電池１００との接続部付近に設けられ、燃料電池１００から流出する冷媒温度を測定する。

電力充放電系５００は、負荷装置５１０と、インバータ５２０と、接続スイッチ５２５と、電流センサ５３０と、電圧センサ５４０と、バッテリー５５０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０と、を備えている。負荷装置５１０は、車両駆動用モータや各種捕機類等であり、燃料電池１００の正極側および負極側のターミナルプレート１１１にそれぞれ接続されている。インバータ５２０は、燃料電池１００およびバッテリー５５０と並列に接続され、燃料電池１００またはバッテリー５５０から供給される直流電流を、交流電流に変換して負荷装置５１０に供給する。接続スイッチ５２５は、燃料電池１００と、負荷装置５１０およびインバータ５２０と、の電気的接続をＯＮ／ＯＦＦする。電流センサ５３０は、燃料電池１００と直列に接続され、燃料電池１００を流れる電流Ｉｆ［Ａ］を測定する。電圧センサ５４０は、燃料電池１００と並列に接続され、燃料電池１００の電圧Ｅｆ［Ｖ］を測定する。

バッテリー５５０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０を介して負荷装置５１０および燃料電池１００と並列に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０は、バッテリー５５０の出力電圧を昇圧してインバータ５２０に供給し、また、燃料電池１００の余剰発電力を蓄電するために、出力電圧を降圧してバッテリー５５０に供給する。

制御装置６００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）とを備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。制御装置６００は、燃料電池システム１０の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御する。また、制御装置６００は、ＲＯＭに燃料電池システム１０を制御するための図示しない制御プログラムが格納されている。ＣＰＵは、ＲＡＭを利用しながら制御プログラムを実行することにより、運転制御部６１０、含水量推定部６２０、として機能する。また、ＲＯＭには、後述する含水量推定処理などに用いられる各種マップが格納されている。

運転制御部６１０は、車両のアクセルの操作やイグニッションスイッチのＯＮ／ＯＦＦなどのユーザからの入力に応じて、燃料電池システム１０の運転状態を切り替え、燃料電池１００の運転を制御する。燃料電池システム１０の運転状態については、後述する。

含水量推定部６２０は、所定の条件下で、燃料電池１００のカソードガス流路に存在する液体の水の量を推定するための処理である含水量推定処理を行う。含水量推定部６２０は、電流Ｉｆを用いて、液体の水の量を推定する。推定方法の詳細と、含水量推定処理の詳細については後述する。

図２は、燃料電池セル１１０の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ／ＭＥＡ）１１２と液体の水Ｌｗの関係を示す図である。図２において矢印Ｆｈ示すように、燃料電池セル１１０のＭＥＡ１１２のアノード側の面１１２ａ（図２において上面）には、所定方向に沿って燃料ガス（水素）が供給される。また、図２において矢印Ｆａで示すように、燃料電池セル１１０のＭＥＡ１１２のカソード側の面１１２ｃ（図２において下面）には、燃料ガスとは逆の方向に沿って酸化ガス（空気）が供給される。アノード側に存在する液体の水は、供給される燃料ガスに吹き寄せられて、アノードの下流側（図２の右側）に集中しやすい。

また、アノードに供給された燃料ガスは、ＭＥＡ１１２と接触して反応に使用されるため、下流になるほど少なくなる。その結果、アノードの下流側になるほど、燃料ガスの流量は小さくなる。このため、アノードの上流側においては、液体水は多量の燃料ガスで下流側に移動させられるのに対して、燃料ガスの流量が低下しいているアノードの下流側においては、液体水をセルから排出する力が弱い。よって、この点からも、アノード側に存在する液体の水は、アノードの下流側に集中しやすい。

図２に示すように、ＭＥＡ１１２のアノードの下流側の一部の領域１１３を液体水が覆うと、当該部分１１３において燃料ガスは、ＭＥＡ１１２に接触することができない。このため、このセルにおいては、十分な量の電気化学反応が起こらず、十分な発電をすることができない。また、反応過電圧が大きくなる点からも、セルは、十分な発電をすることができない。

図３は、ＭＥＡ１１２において、アノードの電位に対するカソードの電位の電位差Ｖと、アノードからカソードに流れる電流Ｉと、の関係示したグラフである。図３において、グラフＧ０は、アノードにおいて液体水が存在しない場合のアノードとカソードの電位差を表すグラフである。グラフＧ１は、アノードにおいて液体水が存在する場合のアノードとカソードの電位差を表すグラフである。なお、図３において、電位差が０より小さい領域、すなわち、カソードの電位がアノードの電位よりも低い領域の測定値は、セルに外部電源を接続してアノードとカソードに電圧を印加し、電流を測定することによって、得られる。

図３のＩ−Ｖグラフにおいて、電流が大きい側の領域（図３の右側の領域）においては、アノードに液体水が存在しない場合のグラフＧ０と、アノードに液体水が存在する場合のグラフＧ１とは、ほぼ平行である。すなわち、電流の増加量に対する電圧の低下量がほぼ等しい。これは、電流が大きい側の領域においては、アノードとカソードの電位差Ｖの要素としては、抵抗過電圧が主であるためと考えられる。

これに対して、電流が小さい側の領域（図３の左側の領域）においては、アノードに液体水が存在しない場合のグラフＧ０に比べて、アノードに液体水が存在する場合のグラフＧ１は、電流の増加量に対する電圧の低下量が大きい。これは、電流が小さい側の領域においては、電位差Ｖの要素としては、活性化過電圧が主であるためであると考えられる。なお、「活性化過電圧」は、電極（ここではアノード）での電気化学反応における電子授受に要するエネルギー損失を表す。アノードに液体水が存在する場合、電子授受に要するエネルギー損失が大きい。

図３のＩ−Ｖグラフにおいて、電流が小さい側の領域において、アノードに液体水が存在しない場合のグラフＧ０と、アノードに液体水が存在する場合のグラフＧ１との傾きが異なることから、アノードとカソードの電位差Ｖが０であるときの電流量は、アノードに液体水が存在しない場合（Ｉ０）と、アノードに液体水が存在する場合（Ｉ１）とで異なることが分かる。このことから、アノードとカソードの電位差Ｖが０近傍であるときの電流量を測定すれば、アノードに液体水が存在するか否かを判定することができる。

たとえば、しきい値ＴｈｉをＩ１とＩ０の間に設定すれば、以下のような判定が可能である。すなわち、アノードとカソードの電位差Ｖが０近傍であるときの電流量Ｉが、しきい値Ｔｈｉよりも大きいときには、アノードに液体水が存在しない、または存在する液体水は少ないと判定することができる。そして、アノードとカソードの電位差Ｖが０近傍であるときの電流量Ｉが、しきい値Ｔｈｉよりも小さいときには、アノードに液体水が存在する、または存在する液体水は多いと判定することができる。

Ａ−２．燃料電池システムにおける処理：
図４は、本実施形態におけるアノードの液体の水の量を推定する含水量推定処理を示すフローチャートである。ここでは、様々な状況下で行われる含水量推定処理について、まず、一般的な説明をする。

ステップＳ１０において、制御装置６００の含水量推定部６２０（図１参照）は、燃料電池１００と負荷装置５１０との電気的接続が切断されているか否かを判定する。具体的には、接続スイッチ５２５が開（ＯＦＦ）となっているかを判定する。燃料電池１００と負荷装置５１０とが電気的に接続されている場合には（Ｓ１０：Ｎｏ）、処理は、Ｓ１０に戻って、燃料電池１００と負荷装置５１０との電気的接続が切断されるまで繰り返される。燃料電池１００と負荷装置５１０とが電気的に接続されていない場合には（Ｓ１０：Ｙｅｓ）、処理は、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０においては、含水量推定部６２０は、酸化ガスの供給が停止されているか否かを判定する。具体的には、コンプレッサ３２０（図１参照）が停止しており、または、カソードガス流路が、封止弁３４０によって閉じられているか否かを判定する。
なお、本実施形態においては、コンプレッサ３２０が運転されているときには、常に封止弁３４０は開いている。酸化ガスの供給が停止されていない場合には（Ｓ２０：Ｎｏ）、処理は、Ｓ１０に戻る。酸化ガスの供給が停止されている場合には（Ｓ２０：Ｙｅｓ）、処理は、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０においては、含水量推定部６２０は、アノードとカソードの電位差が０近傍の範囲内であるか否かを判定する。具体的には、電圧センサ５４０（図１参照）の検出値が所定値（たとえば、０．１５Ｖ）以下であるか否かを判定する。電位差が所定値より大きい場合には（Ｓ３０：Ｎｏ）、処理は、Ｓ１０に戻る。電位差が所定値以下である場合には（Ｓ３０：Ｙｅｓ）、処理は、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ３０において、アノードとカソードの電位差が０近傍の値であるということは、酸化ガスが供給されていない（Ｓ２０：Ｙｅｓ）カソードにおいて、酸素がほぼなくなった状態であるということである。すなわち、カソードが不活性ガス雰囲気下にあるということである。負荷との接続がＯＦＦされた後も（Ｓ１０参照）、カソードにおいて酸素が消費されるのは、ＭＥＡ１１２を通過してアノード側の燃料ガスがカソード側にリークして、カソードにおいて酸素と反応するためである。すなわち、アノード側に十分な燃料ガスがあれば、燃料ガスのリークによって、カソード側の酸素はほぼすべて消費される。

なお、制御装置６００は、酸化ガスの供給をＯＦＦした後（Ｓ２０参照）、カソードにおいて、酸素が消費され、カソードが不活性ガス雰囲気になるように、酸化ガスの供給および停止と、燃料ガスの供給および停止とを制御するものとする。よって、燃料ガスは、ステップＳ１０〜Ｓ３０の処理の間、アノードに供給されていてもよいし、カソードの酸素を十分消費できるだけの燃料ガスをアノードに残した状態で、アノードへの燃料ガスの供給が停止されていてもよい。ステップＳ３０において、電位差が所定値以下である場合には（Ｓ３０：Ｙｅｓ）、燃料電池のカソードが不活性ガス雰囲気下にあり、燃料電池のアノードが水素雰囲気下にある。

なお、本明細書において、「セルのカソードが不活性ガス雰囲気下にある」とは、セルのアノードに十分な燃料ガスが存在しても、燃料ガスと反応して起電力が生じる量の酸化ガスが存在しないことを意味する。また、「セルのアノードが水素雰囲気下にある」とは、セルのカソードに十分な酸化ガスが存在すれば、酸化ガスと反応して起電力が生じる量の水素ガスが存在することを意味する。

ステップＳ４０においては、含水量推定部６２０は、燃料電池１００と負荷装置５１０とを電気的に接続する。具体的には、接続スイッチ５２５（図１参照）を閉（ＯＮ）とする。その結果、燃料電池１００と負荷装置５１０との間に、電流が流れる。

ステップＳ５０においては、含水量推定部６２０は、燃料電池１００と負荷装置５１０との間に流れる電流を測定する。具体的には、電流は、電流センサ５３０（図１参照）によって、測定される。

ステップＳ６０においては、含水量推定部６２０は、電流の測定値Ｉがしきい値Ｔｈｉより小さいか否かを判定する。電流の測定値Ｉがしきい値Ｔｈｉ以上である場合には（Ｓ３０：Ｎｏ）、処理は、終了する。電流の測定値Ｉがしきい値Ｔｈｉより小さい場合には（Ｓ３０：Ｙｅｓ）、処理は、Ｓ７０に進む。

電流の測定値Ｉがしきい値Ｔｈｉ以上であり、処理が終了する場合には、含水量推定部６２０は、アノードの液体の水がその後の要求に応じた燃料電池の発電に支障をきたす所定量よりも少ないと推定している。電流の測定値Ｉがしきい値Ｔｈｉより小さく、ステップＳ７０の処理が行われる場合には、含水量推定部６２０は、アノードの液体の水がその後の燃料電池の発電に支障をきたす所定量以上である推定している。含水量推定部６２０が、これらの推定の結果を車両の出力パネルなどのユーザインターフェイスに出力することもでき、また、制御装置６００が備える図示しないメモリに記録することもできる。

ステップＳ７０においては、含水量推定部６２０は、アノードから液体の水を排出するための所定の処理を実行する。この処理については、後で説明する。その後、含水量推定部６２０は、処理を終了する。

以上のような処理を行うことにより、燃料電池１００が発電を行っていないときにも（図４のＳ１０参照）、燃料電池１００のアノードにおける液体水の有無や量を推定することができる。そして、その際、使用される設備のは、燃料電池の通常の制御に使用される設備である。このため、液体水の有無を推定するために、専用の設備を燃料電池システム１０に設ける必要がない。

図５は、燃料電池車の通常運転においてアクセルがＯＦＦされたときに、図４で説明した含水量推定処理を実行する態様の電圧Ｖ１１の変化を示すグラフである。横軸は時間ｔを表し、縦軸は、アノードとカソードの間の電位差を表す。本実施形態の含水量推定処理を実行する態様の電圧Ｖ１１は、図５において実線で示される。

まず、最初の時間区間Ｐ１１においては、通常運転が行われている。燃料電池１００が負荷装置５１０に接続され、燃料電池１００が負荷の大きさに応じた電力を負荷装置５１０に供給する運転状態を、「通常運転」と呼ぶ。通常運転においては、車両のアクセルの踏み込み量に応じて、燃料電池１００の運転状態が変わるため、電圧Ｖ１１も変化している。

時刻ｔ１１において、車両のアクセルの踏み込み量が０となり、アイドル運転が開始される。燃料ガスと酸化ガスは燃料電池１００に供給されているが、負荷装置５１０からの電力要求が通常運転時よりも小さいときの運転状態を、「アイドル運転」と呼ぶ。アイドル運転が行われている時間区間Ｐ１２においては、電位差Ｖ１１は、開回路電圧（ＯＣＶ）近傍の値となる。なお、通常運転、アイドル運転、および後述する間欠運転などの運転状態の切り替えの制御は、制御装置６００の運転制御部６１０（図１参照）が行う。

その後、アクセルの踏み込み量が０の状態が継続すると、時刻ｔ１２において、燃料電池１００への酸化ガスおよび燃料ガスの供給が停止され、間欠運転が開始される。燃料電池１００と負荷装置５１０の接続が遮断されており、燃料ガスと酸化ガスが燃料電池１００に供給されていない運転状態を、「間欠運転」と呼ぶ。このとき、車両の補機類などの負荷装置５１０に対しては、バッテリー５５０から電力が供給される（図１参照）。間欠運転が行われている時間区間Ｐ１３においては、燃料ガスとしての水素ガスがＭＥＡ１１２を通過してカソード側に移動し、酸化ガスとしての空気に含まれる酸素と反応する。その結果、カソードの酸素が消費されてほぼなくなり、アノードとカソードの電位差Ｖ１１は、０近傍に低下する。なお、このとき、アノードには、水素が残っている。

カソードにおいて酸素が消費され、ほぼ窒素のみの不活性ガス雰囲気となっており、アノードにおいて、燃料ガスとしての水素ガスがある水素雰囲気下にある状態において、アノードとカソードの間のＯＣＶは、０．１Ｖ近傍である。よって、アノードとカソードの電位差Ｖ１１は、０．１Ｖ近傍で安定する（図５の中央下部参照）。

制御装置６００の含水量推定部６２０は、車両の運転状態が間欠運転になると（図５の時刻ｔ１２）、図４の含水量推定処理を実行する。間欠運転においては、燃料電池１００と負荷装置５１０の接続が遮断されており、燃料ガスと酸化ガスが燃料電池１００に供給されていない。このため、図４のステップＳ１０，Ｓ２０の判定は、「Ｙｅｓ」となる。なお、本実施形態では、図４の処理全体を実行することとして説明するが、間欠運転開始後に含水量推定処理を実行する場合には、図４のステップＳ１０，Ｓ２０の処理を省略して、ステップＳ３０から処理を開始してもよい。

間欠運転（図５のＰ１３参照）において、アノードとカソードの電位差Ｖ１１が、所定値（たとえば、０．１５Ｖ）以下となった場合には、図４のステップＳ３０の判定結果は「Ｙｅｓ」となる。そして、図５の時刻ｔ１３において、燃料電池１００と負荷装置５１０とが電気的に接続される（図４のＳ４０）。具体的には、接続スイッチ５２５（図１参照）が閉（ＯＮ）となる。その結果、燃料電池１００のカソードから負荷装置５１０を経て燃料電池１００のアノードに電流が流れ、燃料電池１００とアノードとカソードの電位差Ｖ１１は、０となる。

その後、時刻ｔ１４において、含水量推定部６２０は、図４のＳ６０の判定を行う。そして、電流の測定値Ｉがしきい値Ｔｈｉより小さい場合には（Ｓ６０：Ｙｅｓ）、含水量推定部６２０は、アクセルが再び踏み込まれる時刻ｔ１６より前の時刻ｔ１５において、アノードから液体の水を排出するための所定の処理を実行する（Ｓ７０）。

間欠運転中（時間区間Ｐ１３）に行われる液水排出処理は、以下のようなものである。たとえば、含水量推定部６２０は、図１に示す流量調整部２２０（インジェクタ）の開度を大きくすること、または、循環コンプレッサ２４０の回転数を増大させること、の少なくとも一方により、アノードに流通する燃料ガスの流量を増大させる。その結果、燃料ガスの流れによって、液体の水は、セルから外部に排出される。

また、含水量推定部６２０は、図１に示す切換弁２６０を開いて、水素ガスの一部を系外に排出することもできる。その際の水素ガスの流れによっても、液体の水は、セルから外部に排出され得る。

さらに、含水量推定部６２０は、間欠運転を終了し、燃料ガスと酸化ガスを燃料電池１００に供給して、アイドル運転を開始することもできる。燃料ガスがアノードに供給されることにより、液体の水は、セルから外部に排出され得る。また、発電の電気化学反応によって、セルの温度が上昇するため、液体の水の一部が気化する。よって、液体の水を減らすことができる。

このような態様とすれば、時刻ｔ１６において再びアクセルが踏み込まれたときには、アノードには液体の水が存在しないか、またはアノードに存在した液体の水は減少している。このため、各セルにおいて十分な量の発電を行うことができる。その結果、燃料電池システム１０は、アクセルの踏み込み量に応じて十分な電力を、負荷装置５１０（車両駆動用モータ）に供給することができる。

図５においては、電位差０Ｖ近傍における電流値に基づく液水の有無の判断を行わない比較例における、アノードとカソードの電位差を一点鎖線Ｖ１２および破線Ｖ１３で示す。比較例においては、時刻ｔ１１においてアクセルがＯＦＦとなった後も燃料ガスおよび酸化ガスの供給は間欠的に継続される。その結果、アノードとカソードの電位差は、高い状態に維持される（グラフＶ１２参照）。しかし、電位差０Ｖ近傍における電流値に基づく液水の有無の判断を行わない比較例においては、時刻ｔ１６でアクセルが踏み込まれ発電が開始される前に、アノードの液水を検出して、液水の排出処理を行うことができない。このため時刻ｔ１６でアクセルがＯＮになると、十分な発電を行うことができず、グラフＶ１３に示すように、十分な出力を供給できないおそれがある。

これに対して、本実施形態においては、アノードとカソードの電位差が０近傍にあるときの電流値に基づいて、アノードの液水が多いと推定される場合には（図４のＳ６０）、アノードから液体の水を排出する（同、Ｓ７０）。このため、再びアクセルが踏み込まれたときには、アクセルの踏み込み量に応じて十分な電力を、負荷装置（車両駆動用モータ）に供給することができる。

図６は、燃料電池車において燃料電池１００を起動する際に、図４で説明した含水量推定処理を実行する態様の電圧Ｖ２１の変化を示すグラフである。横軸は時間ｔを表し、縦軸は、アノードとカソードの間の電位差を表す。本実施形態の含水量推定処理を実行する態様の電圧Ｖ２１は、図６において実線で示される。

まず、最初は、カソードにおける酸素の濃度はほぼ０であり、アノードにおける水素の濃度もほぼ０である。そして、アノードとカソードの間の電位差も０である。その後、燃料電池システム１０を起動すべき旨の指示を受けた制御装置６００の運転制御部６１０は、時刻ｔ２１において、まず、燃料ガスの供給を開始する。

運転を停止していた燃料電池１００に対して、まず燃料ガスの供給が開始されると、カソードは不活性ガス雰囲気下にあり、アノードは水素雰囲気となる。この状態にあるとき、アノードとカソードの間のＯＣＶは、０．１Ｖ近傍であるため、電位差Ｖ２１も、０．１Ｖ近傍の値となる。

その後、制御装置６００の含水量推定部６２０は、図４の含水量推定処理を実行する。この状態において、まだ燃料電池１００と負荷装置５１０は接続されていないため、図４のステップＳ１０の判断結果は、「Ｙｅｓ」となる。また、まだ酸化ガスは供給されていないため、ステップＳ２０の判断結果も、「Ｙｅｓ」となる。そして、アノードとカソードの間の電位差Ｖ２１は、０．１Ｖ近傍であるため、ステップＳ３０の判断結果も、「Ｙｅｓ」となる。

なお、本実施形態では、図４の処理全体を実行することとして説明するが、燃料電池の起動時に含水量推定処理を実行する場合には、図４のステップＳ１０〜Ｓ３０の処理を省略して、ステップＳ４０から処理を開始してもよい。

その後、図６の時刻ｔ２２において、燃料電池１００と負荷装置５１０とが電気的に接続される（図４のＳ４０）。具体的には、接続スイッチ５２５（図１参照）が閉（ＯＮ）となる。その結果、燃料電池１００のカソードから負荷装置５１０を経て燃料電池１００のアノードに電流が流れ、燃料電池１００とアノードとカソードの電位差Ｖ２１は、０となる。

その後、時刻ｔ２３において、含水量推定部６２０は、図４のＳ６０の判定を行う。そして、電流の測定値Ｉがしきい値Ｔｈｉより小さい場合には（Ｓ６０：Ｙｅｓ）、含水量推定部６２０は、酸化ガスが供給される時刻ｔ２６より前の時刻ｔ２４において、燃料電池１００と負荷装置５１０の接続を遮断する。その後、時刻ｔ２５において、アノードから液体の水を排出するための所定の処理を実行する（Ｓ７０）。

燃料電池の起動時に（時間区間Ｐ２１）に行われる液水排出処理は、以下のようなものである。たとえば、間欠運転の際と同様に、含水量推定部６２０は、図１に示す流量調整部２２０（インジェクタ）の開度を大きくし、循環コンプレッサ２４０の回転数を増大させて、アノードに流通する燃料ガスの流量を増大させる。

その後、時刻ｔ２６で、制御装置６００の運転制御部６１０は、燃料電池１００への酸化ガスの供給を開始する。このとき、燃料電池１００と負荷装置５１０の接続は、まだ遮断されている。すなわち、時刻ｔ２６からアイドル運転が開始される（時間区間Ｐ２２）。

その後、時刻ｔ２７でアクセルが踏み込まれると、燃料電池１００と負荷装置５１０が接続され、燃料電池１００は、負荷要求の大きさに応じた電力を負荷装置５１０に供給する。すなわち、時刻ｔ２７から通常運転が開始される（時間区間Ｐ２３）。

このような態様とすれば、時刻ｔ２７において再びアクセルが踏み込まれたときには、アノードには液体の水が存在しないか、またはアノードに存在した液体の水は減少している。このため、各セルにおいて十分な量の発電を行うことができる。その結果、燃料電池システム１０は、アクセルの踏み込み量に応じて十分な電力を、負荷装置５１０（車両駆動用モータ）に供給することができる。

図６においては、電位差０Ｖ近傍における電流値に基づく液水の有無の判断を行わない比較例における、アノードとカソードの電位差を破線Ｖ２２で示す。電位差０Ｖ近傍における電流値に基づく液水の有無の判断を行わない比較例においては、時刻ｔ２７でアクセルが踏み込まれ発電が開始される前に、アノードの液水を検出して、液水の排出処理を行うことができない。このため時刻ｔ２７でアクセルがＯＮになると、十分な発電を行うことができず、グラフＶ２２に示すように、十分な出力を供給できないおそれがある。

これに対して、本実施形態においては、アノードとカソードの電位差が０近傍にあるときの電流値に基づいて、アノードの液水が多いと推定される場合には（図４のＳ６０）、アノードから液体の水を排出する（同、Ｓ７０）。このため、燃料電池システム１０の起動後、アクセルが踏み込まれたときには、アクセルの踏み込み量に応じて十分な電力を、負荷装置（車両駆動用モータ）に供給することができる。

図７は、燃料電池車において燃料電池１００の運転を停止する際に、図４で説明した含水量推定処理を実行する態様の電圧Ｖ３１の変化を示すグラフである。横軸は時間ｔを表し、縦軸は、アノードとカソードの間の電位差を表す。

まず、最初の時間区間Ｐ３１においては、通常運転が行われている。通常運転においては、車両のアクセルの踏み込み量に応じて、燃料電池１００の運転状態が変わるため、電圧Ｖ３１も変化している。

時刻ｔ３１において、車両のアクセルの踏み込み量が０となり、アイドル運転が開始される。アイドル運転が行われている時間区間Ｐ３２においては、電位差Ｖ３１は、開回路電圧（ＯＣＶ）近傍の値となる。

その後、時刻ｔ３２でイグニッションスイッチがＯＦＦされると、運転制御部６１０は、掃気処理を行う。「掃気処理」とは、燃料電池１００に酸化ガスや燃料ガスなどのガスを送り込むことによって、燃料電池１００の内部の水分を燃料電池１００の外部に排出させる処理である。

時刻ｔ３３は、運転制御部６１０は、掃気処理を終了し、アノードへの燃料ガスの供給およびカソードへの燃料ガスの供給を停止する。その後、燃料ガスとしての水素ガスがＭＥＡ１１２を通過してカソード側に移動し、酸化ガスとしての空気に含まれる酸素と反応する。その結果、カソードの酸素が消費されてほぼなくなり、アノードとカソードの電位差Ｖ３１は、０近傍に低下する。なお、このとき、アノードには、水素が残っている。

制御装置６００の含水量推定部６２０は、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦされると（図７の時刻ｔ３２）、図４の含水量推定処理を実行する。イグニッションスイッチがＯＦＦされた後の状態においては（時間区間Ｐ３３）、燃料電池１００と負荷装置５１０は接続されていないため、図４のステップＳ１０の判断結果は、「Ｙｅｓ」となる。また、まだ酸化ガスは供給されていないため、ステップＳ２０の判断結果も、「Ｙｅｓ」となる。なお、本実施形態では、図４の処理全体を実行することとして説明するが、燃料電池の運転終了時に含水量推定処理を実行する場合には、図４のステップＳ１０，Ｓ２０の処理を省略して、ステップＳ３０から処理を開始してもよい。

時刻ｔ３４において、アノードとカソードの電位差Ｖ３１が、所定値（たとえば、０．１５Ｖ）以下となった場合には、図４のステップＳ３０の判定結果は「Ｙｅｓ」となる。そして、図７の時刻ｔ３４において、燃料電池１００と負荷装置５１０とが電気的に接続される（図４のＳ４０）。具体的には、接続スイッチ５２５（図１参照）が閉（ＯＮ）となる。その結果、燃料電池１００のカソードから負荷装置５１０を経て燃料電池１００のアノードに電流が流れ、燃料電池１００とアノードとカソードの電位差Ｖ３１は、０となる。

その後、時刻ｔ３５において、含水量推定部６２０は、図４のＳ６０の判定を行う。そして、電流の測定値Ｉがしきい値Ｔｈｉより小さい場合には（Ｓ６０：Ｙｅｓ）、含水量推定部６２０は、時刻ｔ３６において、アノードから液体の水を排出するための所定の処理を実行する（Ｓ７０）。燃料電池の運転終了時（時間区間Ｐ３３）に行われる液水排出処理は、掃気処理である。掃気処理よって、液体の水は、セルから外部に排出され得る。

このような態様とすれば、燃料電池の運転終了後は、アノードには液体の水が存在しないか、またはアノードに存在した液体の水は減少している。このため、環境温度が氷点下まで低下した場合にも、燃料電池１００内部で液体の水が凍結し、その後、燃料電池１００の運転が再開された際にガスの流通を阻害すること可能性が低い。

Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の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。

Ｂ１．変形例１：
上記実施形態においては、液体の水の量または有無を判定する際のしきい値Ｔｈｉは、固定値である。しかし、液体の水の量または有無を判定する際のしきい値Ｔｈｉは、燃料電池の温度や運転時間などのパラメータに応じて設定されてもよい。

また、上記実施形態においては、一つのしきい値Ｔｈｉに基づいて、要求に応じた燃料電池の発電に支障をきたす所定量よりも、液体の水が少ないか否かを判定している。しかし、大きさの異なる複数のしきい値を用意し、それら複数のしきい値で区切られる区間のいずれに電流の測地値が含まれるかに応じて、液体の水の量を推定することもできる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、燃料電池１００全体におけるアノードとカソードの電位差Ｖおよび電流Ｉを用いて液体の水の量の推定処理をおこなっている。しかし、単セルごとのアノードとカソードの電位差と電流Ｉから各単セルにおける液体の水の量を推定してもよい。また、１以上のセルの液体の水野推定量から燃料電池１００全体の液体の水の量を推定してもよい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施形態で説明した個々の技術内容は適宜組み合わせて実現することができる。たとえば、間欠運転時の含水量推定処理の結果、Ｓ７０の処理として、掃気処理をおこなうこともできる。

本発明は、上述の実施形態、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…燃料電池セル
１１１…ターミナルプレート
１１２…膜電極接合体
１１３…膜電極接合体のうち液体の水で覆われた部分
２００…燃料ガス供給排出系
２１０…水素タンク
２２０…流量調整部
２３１…燃料ガス供給流路
２３２…燃料ガス排出流路
２３３…循環流路
２４０…循環コンプレッサ
２５０…気液分離部
２６０…切換弁
３００…酸化ガス供給排出系
３１０…エアクリーナ
３２０…コンプレッサ
３３１…酸化ガス供給流路
３３２…酸化ガス排出流路
３４０…封止弁
３５０…圧力センサ
４００…燃料電池循環冷却系
４１０…ラジエータ
４２０…冷媒温度センサ
４３０…冷媒循環ポンプ
４４１…冷媒供給流路
４４２…冷媒排出流路
５００…電力充放電系
５１０…負荷装置
５２０…インバータ
５２５…接続スイッチ
５３０…電流センサ
５４０…電圧センサ
５５０…バッテリー
６００…制御装置
６１０…運転制御部
６２０…含水量推定部
Ｆａ…酸化ガス（空気）の流れを示す矢印
Ｆｈ…燃料ガスの流れを示す矢印
Ｇ０…アノードにおいて液体水が存在しない場合のアノードとカソードの電位差
Ｇ１…アノードにおいて液体水が存在する場合のアノードとカソードの電位差
Ｉ…カソードからアノードに流れる電流
Ｌｗ…水
Ｐ１１，Ｐ１４…通常運転が行われる時間区間
Ｐ１２…アイドル運転が行われる時間区間
Ｐ１３…間欠運転が行われる時間区間
Ｐ２１…燃料電池の起動前の時間区間
Ｐ２２…アイドル運転が行われる時間区間
Ｐ２３…通常運転が行われる時間区間
Ｐ３１…通常運転が行われる時間区間
Ｐ３２…アイドル運転が行われる時間区間
Ｐ３３…燃料電池の運転停止後の時間区間
Ｖ１１，２１，３１…アノードに対するカソードの電位差
ｔ…時間
ｔ１１…アクセルの踏み込み量が０となった時刻
ｔ１２…酸化ガスおよび燃料ガスの供給が停止される時刻
ｔ１３…燃料電池１００と負荷装置５１０とが電気的に接続される時刻
ｔ１４…図４のＳ６０の判定を行う時刻
ｔ１５…アノードから液体の水を排出するための処理を実行する時刻
ｔ１６…再びアクセルが踏み込まれた時刻
ｔ２１…燃料ガスの供給を開始する時刻
ｔ２２…燃料電池１００と負荷装置５１０とが電気的に接続される時刻
ｔ２３…図４のＳ６０の判定を行う時刻
ｔ２４…燃料電池１００と負荷装置５１０の接続を遮断する時刻
ｔ２５…アノードから液体の水を排出するための処理を実行する時刻
ｔ２６…酸化ガスの供給を開始する時刻
ｔ２７…アクセルが踏み込まれた時刻
ｔ３１…アクセルの踏み込み量が０となった時刻
ｔ３２…イグニッションスイッチがＯＦＦされた時刻
ｔ３３…燃料ガスおよび燃料ガスの供給を停止する時刻
ｔ３４…アノードとカソードの電位差が、所定値以下となった時刻
ｔ３５…図４のＳ６０の判定を行う時刻
ｔ３６…アノードから液体の水を排出するための処理を実行する時刻

Claims (2)

1. 燃料電池のアノードにおける液体の水の量を推定する方法であって、
   （ａ）燃料電池と負荷とが電気的に接続されておらず、前記燃料電池のカソードが不活性ガス雰囲気下にあり、前記燃料電池のアノードが水素雰囲気下にあるときに、前記燃料電池と負荷とを電気的に接続し、燃料電池と負荷との間に流れる電流の値を測定する工程と、
   （ｂ）前記アノードにおける液体の水の量を推定する工程であって、
   前記測定された電流値が、所定値よりも小さい場合に、前記アノードの液体の水が所定量よりも多いと推定し、
   前記測定された電流値が、前記所定値よりも大きい場合に、前記アノードの液体の水が前記所定量よりも少ないと推定する工程と、を備える方法。
2. 請求項１記載の方法であって、さらに、
   （ｃ）前記測定された電流値が前記所定値よりも小さい場合に、前記燃料電池による発電の開始前に、前記アノードにおける液体の水を排出する処理を実行する工程を含む、方法。

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