JP7136016B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
複数枚の単セルが積層された燃料電池において、一部の単セルに燃料ガスが十分に供給されずに燃料が欠乏した状態となり、その単セルの電圧が低下して燃料電池全体の発電効率が低下する場合がある（例えば特許文献１参照）。
特開２００６－０４９２５９号
ところで、燃料電池には、その燃料電池を制御するために燃料電池の電圧を検出する電圧検出装置が取り付けられている。このような電圧検出装置を用いて何れかの単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを精度よく判定するためには、電圧検出装置は１枚毎に単セルの電圧を検出するものが好ましい。
ここで、電圧検出装置は少ない枚数毎に単セルの電圧を検出する方が製造コストは高くなり、１枚毎に単セルの電圧を検出する方が、複数枚毎に電圧を検出するものや燃料電池全体の電圧のみを検出するものに比べて製造コストは高くなる。また、複数の燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、燃料電池のそれぞれについて何れかの単セルが燃料欠乏状態であるか否かを精度よく判定するためには、複数の燃料電池のそれぞれにこのような製造コストの高い電圧検出装置を取り付けることが好ましいが、燃料電池システムの製造コストが増大する。
そこで、製造コストを削減しつつ燃料欠乏状態の判定精度の低下を抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され複数枚の第１単セルが積層された第１燃料電池と、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され複数枚の第２単セルが積層された第２燃料電池と、前記第１及び第２燃料電池にそれぞれ取り付けられた第１及び第２電圧検出装置と、前記第１及び第２電圧検出装置の検出結果に基づいてそれぞれ前記第１及び第２燃料電池を制御する制御装置と、を備え、前記第１単セルは、第１電解質膜、前記第１電解質膜の一方の面に設けられた第１アノード触媒層、及び前記第１電解質膜の他方の面に設けられた第１カソード触媒層、を含み、前記第２単セルは、第２電解質膜、前記第２電解質膜の一方の面に設けられた第２アノード触媒層、及び前記第２電解質膜の他方の面に設けられた第２カソード触媒層、を含み、前記第１及び第２電解質膜は、材料が同じであって、厚みが略同じであり、前記第１及び第２アノード触媒層は、材料が同じであって、単位面積当たりの量も略同じであり、前記第１及び第２カソード触媒層は、材料が同じであって、単位面積当たりの量も略同じであり、前記第１電圧検出装置は、平均Ｎ枚毎の前記第１単セルの電圧を検出し、前記第２電圧検出装置は、前記第２燃料電池全体の電圧、又は前記Ｎ枚よりも多い平均Ｍ枚毎の前記第２単セルの電圧を検出し、前記制御装置は、前記第１及び第２燃料電池の状態が近似しているとみなすことができる所定条件が成立している場合に、前記第１電圧検出装置の検出結果に基づいて、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する、燃料電池システムによって達成できる。
前記所定条件は、前記第１燃料電池の温度と前記第２燃料電池の温度との差分が所定値未満であることを含んでもよい。
前記所定条件は、前記第１燃料電池に供給される燃料ガスのストイキ比と前記第２燃料電池に供給される燃料ガスのストイキ比との差分が所定値未満であることを含んでもよい。
前記所定条件は、前記第１燃料電池内で燃料ガスが流れる第１燃料ガス流路内の圧力と前記第２燃料電池内で燃料ガスが流れる第２燃料ガス流路内の圧力との差分が所定値未満であることを含んでもよい。
前記所定条件は、前記第１燃料電池に供給される酸化剤ガスのストイキ比と前記第２燃料電池に供給される酸化剤ガスのストイキ比との差分が所定値未満であることを含んでもよい。
前記所定条件は、前記第１燃料電池内を流れる冷却水の流量と前記第２燃料電池内を流れる冷却水の流量との差分が所定値未満であることを含んでもよい。
前記所定条件は、前記第１単セルの出力電流密度と前記第２単セルの出力電流密度との差分が所定値未満であることを含んでもよい。
前記制御装置は、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあると判定した場合には、前記第２燃料電池に対して燃料欠乏状態を解消するための解消処理を実行してもよい。
前記制御装置は、前記第１電圧検出装置の検出結果に基づいて、何れかの前記第１単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定してもよい。
前記制御装置は、何れかの前記第１単セルが燃料欠乏状態にあると判定した場合には、前記第１燃料電池に対して燃料欠乏状態を解消するための解消処理を実行してもよい。
前記制御装置は、何れかの前記第１単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する前に、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定し、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあると判定した場合には、前記第１燃料電池に対して前記解消処理を実行する前に、前記第２燃料電池に対して前記解消処理を実行してもよい。
前記制御装置は、前記第２燃料電池の電圧に相関する電圧パラメータが前記第２燃料電池の電圧が所定の閾値未満であることを示す場合、前記第２燃料電池の温度に相関する温度パラメータが前記第２燃料電池の温度が所定の閾値未満であることを示す場合、の少なくとも何れかの場合には、何れかの前記第１単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する前に、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定し、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあると判定した場合には、前記第１燃料電池に対して前記解消処理を実行する前に、前記第２燃料電池に対して前記解消処理を実行してもよい。
前記制御装置は、前記所定条件は不成立であるが、何れかの前記第２単セルが何れの前記第１単セルよりも燃料欠乏状態が生じやすい状態を示す条件が成立した場合に前記第１電圧検出装置の検出結果に基づいて、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定してもよい。
前記第１単セルと前記第２単セルとは、同一の部材であってもよい。
製造コストを削減しつつ燃料欠乏状態の判定精度の低下を抑制する燃料電池システムを提供できる。
図１は、車両に搭載された燃料電池システムの構成図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ電圧センサの説明図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ単セルの模式的な部分断面図である。 図４は、本実施例の燃料欠乏判定制御の一例を示したフローチャートである。 図５は、燃料欠乏判定制御の第１変形例を示したフローチャートである。 図６は、燃料欠乏判定制御の第２変形例を示したフローチャートである。 図７は、燃料欠乏判定制御の第３変形例を示したフローチャートである。 図８は、燃料欠乏判定制御の第４変形例を示したフローチャートである。 図９は、燃料欠乏判定制御の第５変形例を示したフローチャートである。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ電圧センサの第１変形例の説明図である。 図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ電圧センサの第２変形例の説明図である。
［燃料電池システムの概略構成］
図１は、車両に搭載された燃料電池システム１の構成図である。燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３、燃料電池（以下、ＦＣと称する）４ａ及び４ｂ、二次電池（以下、ＢＡＴと称する）８ａ及び８ｂ、酸化剤ガス供給系１０ａ及び１０ｂ、燃料ガス供給系２０ａ及び２０ｂ、電力制御系３０ａ及び３０ｂ、及び冷却系４０ａ及び４０ｂを含む。また、車両には、走行用のモータ５０や、車輪５、及びアクセル開度センサ６を備えている。
ＦＣ４ａ及び４ｂは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池である。ＦＣ４ａ及び４ｂは、それぞれ、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。ＦＣ４ａ及び４ｂ内のそれぞれには、酸化剤ガスが流れるカソード流路４ａＣ及び４ｂＣと、燃料ガスが流れるアノード流路４ａＡ及び４ｂＡとが形成されている。単セルは、膜電極ガス拡散層接合体（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、それを挟持する一対のセパレータとを含む。アノード流路４ａＡは、複数の単セルのセパレータを貫通したアノード入口マニホールド及びアノード出口マニホールドと、各単セルに設けられたＭＥＧＡのアノード側に配置されたセパレータとＭＥＧＡとの間の空間とを含む。カソード流路４ａＣは、複数の単セルのセパレータを貫通したカソード入口マニホールド及びカソード出口マニホールドと、各単セルに設けられたＭＥＧＡのカソード側に配置されたセパレータとＭＥＧＡとの間の空間とを含む。ＦＣ４ａ及び４ｂはそれぞれ第１及び第２燃料電池の一例である。
酸化剤ガス供給系１０ａ及び１０ｂは、それぞれ、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。具体的には、酸化剤ガス供給系１０ａ及び１０ｂは、それぞれ、供給管１１ａ及び１１ｂ、排出管１２ａ及び１２ｂ、バイパス管１３ａ及び１３ｂ、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、インタークーラ１６ａ及び１６ｂ、及び背圧弁１７ａ及び１７ｂを含む。
供給管１１ａ及び１１ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード入口マニホールドに接続されている。排出管１２ａ及び１２ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード出口マニホールドに接続されている。バイパス管１３ａは供給管１１ａ及び排出管１２ａを連通しており、同様にバイパス管１３ｂも供給管１１ｂ及び排出管１２ｂを連通している。バイパス弁１５ａは、供給管１１ａとバイパス管１３ａとの接続部分に設けられており、同様にバイパス弁１５ｂは、供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの接続部分に設けられている。バイパス弁１５ａは供給管１１ａとバイパス管１３ａとの連通状態を切り替え、同様にバイパス弁１５ｂは供給管１１ｂとバイパス管１３ｂとの連通状態を切り替える。エアコンプレッサ１４ａ、バイパス弁１５ａ、及びインタークーラ１６ａは、供給管１１ａ上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７ａは、排出管１２ａ上であって、排出管１２ａとバイパス管１３ａとの接続部分よりも上流側に配置されている。同様に、エアコンプレッサ１４ｂ、バイパス弁１５ｂ、及びインタークーラ１６ｂは、供給管１１ｂ上に上流側から順に配置されている。背圧弁１７ｂは、排出管１２ｂ上であって、排出管１２ｂとバイパス管１３ｂとの接続部分よりも上流側に配置されている。
エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂは、それぞれ、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を、供給管１１ａ及び１１ｂを介してＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。ＦＣ４ａ及び４ｂに供給された酸化剤ガスは、ＦＣ４ａ及び４ｂ内で燃料ガスとの化学反応により電気を発生させた後、それぞれ、排出管１２ａ及び１２ｂを介して排出される。インタークーラ１６ａ及び１６ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂに供給される酸化剤ガスを冷却する。背圧弁１７ａ及び１７ｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのカソード側の背圧を調整する。
燃料ガス供給系２０ａ及び２０ｂは、それぞれ、燃料ガスとして水素ガスをＦＣ４ａ及び４ｂに供給する。具体的には、燃料ガス供給系２０ａ及び２０ｂは、それぞれ、タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂ、供給管２１ａ及び２１ｂ、排出管２２ａ及び２２ｂ、圧力センサＰａ及びＰｂ、循環管２３ａ及び２３ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、インジェクタ（以下、ＩＮＪと称する）２６ａ及び２６ｂ、気液分離器２７ａ及び２７ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、及び水素循環ポンプ（以下、ＨＰと称する）２９ａ及び２９ｂを含む。
タンク２０ＴａとＦＣ４ａのアノード入口マニホールドは、供給管２１ａにより接続されている。同様に、タンク２０ＴｂとＦＣ４ｂのアノード入口マニホールドは、供給管２１ｂにより接続されている。タンク２０Ｔａ及び２０Ｔｂには、燃料ガスである水素ガスが貯留されている。排出管２２ａ及び２２ｂの一端は、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂのアノード出口マニホールドに接続され、排出管２２ａ及び２２ｂの他端は、それぞれ酸化剤ガス供給系１０ａ及び１０ｂの排出管１２ａ及び１２ｂに接続されている。循環管２３ａ及び２３ｂは、それぞれ、気液分離器２７ａ及び２７ｂと供給管２１ａ及び２１ｂとを連通している。タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、及びＩＮＪ２６ａは、供給管２１ａの上流側から順に配置されている。タンク弁２４ａが開いた状態で、調圧弁２５ａの開度が調整され、ＩＮＪ２６ａが燃料ガスを噴射する。これにより、ＦＣ４ａに燃料ガスが供給される。タンク弁２４ａ、調圧弁２５ａ、及びＩＮＪ２６ａの駆動は、ＥＣＵ３により制御される。タンク弁２４ｂ、調圧弁２５ｂ、及びＩＮＪ２６ｂについても同様である。
排出管２２ａには、圧力センサＰａ、気液分離器２７ａ、及び排水弁２８ａが、上流側から順に配置されている。圧力センサＰａは、ＦＣ４ａのアノード出口マニホールド近傍に設けられており、ＦＣ４ａのアノード流路４ａＡの出口側での圧力を検出する。気液分離器２７ａは、ＦＣ４ａから排出された燃料ガスから水分を分離して貯留する。気液分離器２７ａに貯留された水は、排水弁２８ａが開くことにより、排出管２２ａ及び１２ａを介して燃料電池システム１の外部へと排出される。排水弁２８ａの駆動は、ＥＣＵ３により制御される。圧力センサＰｂについても同様に、ＦＣ４ｂのアノード出口マニホールド近傍に設けられており、ＦＣ４ｂのアノード流路４ｂＡの出口側での圧力を検出する。気液分離器２７ｂ及び排水弁２８ｂについても、気液分離器２７ａ及び排水弁２８ａと同様である。
循環管２３ａは、燃料ガスをＦＣ４ａへ還流させるため配管であり、上流側の端部が気液分離器２７ａに接続され、ＨＰ２９ａが配置されている。ＦＣ４ａから排出された燃料ガスは、ＨＰ２９ａによって適度に加圧され、供給管２１ａへ導かれる。ＨＰ２９ａの駆動は、ＥＣＵ３により制御される。循環管２３ｂ及びＨＰ２９ｂについても同様である。
冷却系４０ａ及び４０ｂは、それぞれ、冷却水を所定の経路を経て循環させることによりＦＣ４ａ及び４ｂを冷却する。冷却系４０ａ及び４０ｂは、それぞれ、供給管４１ａ及び４１ｂ、排出管４２ａ及び４２ｂ、バイパス管４３ａ及び４３ｂ、ラジエータ４４ａ及び４４ｂ、バイパス弁４５ａ及び４５ｂ、ウォータポンプ（以下、ＷＰと称する）４６ａ及び４６ｂ、及び温度センサＴａ及びＴｂを含む。
供給管４１ａは、ＦＣ４ａの冷却水入口マニホールドに接続されている。排出管４２ａは、ＦＣ４ａの冷却水出口マニホールドに接続されている。バイパス管４３ａは供給管４１ａ及び排出管４２ａを連通している。バイパス弁４５ａは、供給管４１ａとバイパス管４３ａとの接続部分に設けられている。バイパス弁４５ａは供給管４１ａとバイパス管４３ａとの連通状態を切り替える。ラジエータ４４ａは、供給管４１ａと排出管４２ａとに接続されている。バイパス弁４５ａ及びＷＰ４６ａは、供給管４１ａ上に上流側から順に配置されている。ＷＰ４６ａは、冷媒としての冷却水を、供給管４１ａ及び排出管４２ａを介してＦＣ４ａとラジエータ４４ａとの間で循環させる。ラジエータ４４ａは、ＦＣ４ａから排出された冷却水を外気と熱交換することにより冷却する。バイパス弁４５ａ、及びＷＰ４６ａの駆動は、ＥＣＵ３により制御される。温度センサＴａは、排出管４２ａ上に設けられて、ＦＣ４ａから排出された冷却水の温度を検出し、ＥＣＵ３はその検出結果を取得する。供給管４１ｂ、排出管４２ｂ、バイパス管４３ｂ、ラジエータ４４ｂ、バイパス弁４５ｂ、及びＷＰ４６ｂ、及び温度センサＴｂについても、同様である。
電力制御系３０ａ及び３０ｂは、それぞれ、燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＤＣと称する）３２ａ及び３２ｂ、バッテリＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＢＤＣと称する）３４ａ及び３４ｂ、補機インバータ（以下、ＡＩＮＶと称する）３９ａ及び３９ｂ、電圧センサＶａ及びＶｂ、及び電流センサＡａ及びＡｂを含む。また、電力制御系３０ａ及び３０ｂは、モータ５０に接続されたモータインバータ（以下、ＭＩＮＶと称する）３８を共用している。ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂは、それぞれ、ＦＣ４ａ及び４ｂからの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８に出力する。ＢＤＣ３４ａ及び３４ｂは、それぞれ、ＢＡＴ８ａ及び８ｂからの直流電力を調整してＭＩＮＶ３８に出力する。ＦＣ４ａ及び４ｂの発電電力は、それぞれＢＡＴ８ａ及び８ｂに蓄電可能である。ＭＩＮＶ３８は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ５０へ供給する。モータ５０は、車輪５を駆動して車両を走行させる。
ＦＣ４ａ及びＢＡＴ８ａの電力は、ＡＩＮＶ３９ａを介してモータ５０以外の負荷装置に供給可能である。同様に、ＦＣ４ｂ及びＢＡＴ８ｂの電力は、ＡＩＮＶ３９ｂを介して負荷装置に供給可能である。ここで負荷装置は、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機と、車両用の補機とを含む。ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機とは、上述したエアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、背圧弁１７ａ及び１７ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、ＨＰ２９ａ及び２９ｂを含む。車両用の補機は、例えば空調装置や、照明装置、ハザードランプ等を含む。
電流センサＡａ及び電圧センサＶａは、ＦＣ４ａに取り付けられており、電流センサＡｂ及び電圧センサＶｂは、ＦＣ４ｂに取り付けられている。電流センサＡａ及びＡｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂの出力電流を検出し、ＥＣＵ３はその検出結果を取得する。電圧センサＶａは、ＦＣ４ａの単セル１枚毎の電圧を検出し、ＥＣＵ３はその検出結果を取得する。電圧センサＶｂは、ＦＣ４ｂ全体の電圧を検出し、ＥＣＵ３はその検出結果を取得する。電流センサＡａ及び電圧センサＶａや電流センサＡｂ及び電圧センサＶｂは、それぞれＦＣ４ａ及び４ｂの運転を制御するために用いられる。例えば、ＥＣＵ３は電流センサＡａ及び電圧センサＶａに基づいて、ＦＣ４ａの電流電圧特性を取得し、ＦＣ４ａの電流電圧特性を参照してＦＣ４ａの実際の出力とＦＣ４ａへの要求出力とが一致するようにＦＣ４ａの目標電流値を設定し、ＦＤＣ３２ａを制御することによりＦＣ４ａの掃引電流値を目標電流値に制御する。尚、電圧センサＶａはＦＣ４ａの単セル１枚毎の電圧を検出するが、ＥＣＵ３は各単セルの電圧を加算することによりＦＣ４ａ全体の電圧を算出し、これに基づいてＦＣ４ａの電流電圧特性を取得する。同様に、ＥＣＵ３は電流センサＡｂ及び電圧センサＶｂに基づいて、ＦＣ４ｂの出力電流と出力電圧との関係からＦＣ４ｂの電流電圧特性を取得し、ＦＣ４ｂの電流電圧特性を参照して、ＦＣ４ｂの実際の出力とＦＣ４ｂへの要求出力とが一致するようにＦＣ４ｂの目標電流値を設定し、ＦＤＣ３２ｂを制御することによりＦＣ４ｂの掃引電流値を目標電流値に制御する。このように、ＥＣＵ３は、電圧センサＶａ及びＶｂの検出結果に基づいてそれぞれＦＣ４ａ及び４ｂを制御する。電圧センサＶａ及びＶｂは、それぞれ第１及び第２電圧検出装置の一例であり、詳しくは後述する。
ＥＣＵ３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６、イグニッションスイッチ７、エアコンプレッサ１４ａ及び１４ｂ、バイパス弁１５ａ及び１５ｂ、背圧弁１７ａ及び１７ｂ、タンク弁２４ａ及び２４ｂ、調圧弁２５ａ及び２５ｂ、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂ、排水弁２８ａ及び２８ｂ、ＦＤＣ３２ａ及び３２ｂ、及び、ＢＤＣ３４ａ及び３４ｂが電気的に接続されている。ＥＣＵ３は、アクセル開度センサ６の検出値や上述した車両用の補機及びＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機の駆動状態、ＢＡＴ８ａ及び８ｂの蓄電電力等に基づいて、ＦＣ４ａ及び４ｂ全体への要求出力Ｐを算出する。また、ＥＣＵ３は、要求出力Ｐに応じて、ＦＣ４ａ及び４ｂ用の補機等を制御して、ＦＣ４ａ及び４ｂの合計の発電電力を制御する。尚、要求出力Ｐは、複数の燃料電池からなる燃料電池ユニットに要求される出力であり、ＢＡＴ８ａ及び８ｂ等の燃料電池以外に要求される出力は含まない。
［電圧センサＶａ及びＶｂ］
図２Ａ及び図２Ｂは、電圧センサＶａ及びＶｂの説明図である。最初にＦＣ４ａ及び４ｂについて説明する。ＦＣ４ａは、複数の単セル４ａ２が積層された積層体４ａ１を有している。積層体４ａ１の一端には、不図示のターミナルプレート、インシュレータ、エンドプレートが積層体４ａ１側から順に積層され、他端にも同様に、ターミナルプレート、インシュレータ、エンドプレートが積層体４ａ１側から順に積層され、ＦＣ４ａはこれらの部材を含む。同様に、ＦＣ４ｂは、複数の単セル４ｂ２が積層された積層体４ｂ１を有し、更に２つのターミナルプレート、２つのインシュレータ、及び２つのエンドプレートを有している。単セル４ａ２は、単セル４ｂ２と同じである。また、単セル４ａ２の合計積層枚数も単セル４ｂ２と同じである。
電圧センサＶａは、ＦＣ４ａの全ての単セル４ａ２について１枚毎に電圧を検出する。即ち、電圧センサＶａの検出チャンネル数は、単セル４ａ２の合計積層枚数と一致する。これに対して電圧センサＶｂは、積層体４ｂ１全体、即ちＦＣ４ｂ全体の電圧を検出する。従って、電圧センサＶｂの検出チャンネル数は１である。このように、電圧センサＶｂは電圧センサＶａよりも検出チャンネル数が少ないため、電圧センサＶｂは電圧センサＶａよりも製造コストが低い。従って、ＦＣ４ｂに対してもＦＣ４ａと同様に１枚毎の単セル４ｂ２の電圧を検出する電圧センサを設ける場合と比較して、本実施例の燃料電池システム１は製造コストが削減されている。
［単セル４ａ２及び４ｂ２］
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ単セル４ａ２及び４ｂ２の模式的な部分断面図である。図３Ａに示すように、単セル４ａ２は、膜電極ガス拡散層接合体４１０（以下、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）と称する）と、ＭＥＧＡ４１０を挟持するアノードセパレータ（以下、セパレータと称する）４２０及びカソードセパレータ（以下、セパレータと称する）４４０とを有している。ＭＥＧＡ４１０は、拡散層４１６ａ及び４１６ｃと、ＭＥＡ４１１とを有している。ＭＥＡ４１１は、電解質膜４１２と、電解質膜４１２の一方の面及び他方の面のそれぞれに形成されたアノード触媒層４１４ａ及びカソード触媒層４１４ｃとを含む。電解質膜４１２は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜であり、例えばフッ素系のイオン交換膜である。触媒層４１４ａ及び４１４ｃは、例えば白金（Ｐｔ）などを担持したカーボン担体とプロトン伝導性を有するアイオノマとを含む触媒インクを、電解質膜４１２に塗布することにより形成される。拡散層４１６ａ及び４１６ｃは、ガス透過性及び導電性を有する材料、例えば炭素繊維や黒鉛繊維などの多孔質の繊維基材で形成されている。拡散層４１６ａ及び４１６ｃは、それぞれ触媒層４１４ａ及び４１４ｃに接合されている。
セパレータ４２０及び４４０には、燃料ガス、酸化剤ガス、及び冷却水を導入及び排出するための複数のマニホールドが形成されている。また、セパレータ４２０及び４４０のそれぞれには、表裏一体に複数の溝が設けられており、拡散層４１６ａ側のセパレータ４２０の溝は、アノード流路４ａＡの一部を画定し、拡散層４１６ｃ側のセパレータ４４０の溝は、カソード流路４ａＣの一部を画定する。また、拡散層４１６ａとは反対側のセパレータ４２０の溝、及び拡散層４１６ｃとは反対側のセパレータ４４０の溝は、冷却水流路の一部を画定する。
図３Ｂに示すように、単セル４ｂ２は、単セル４ａ２と同一の部材であるため、各部材についても同一の符号を付している。即ち、単セル４ａ２及び４ｂ２は、電解質膜４１２の材料、厚み、及び平面方向の大きさが同じである。また、触媒層４１４ａの材料、単位面積当たりの量、及び平面方向の大きさが同じである。触媒層４１４ｃの材料、単位面積当たりの量、及び平面方向の大きさも同じである。また、拡散層４１６ａも材料、厚み、形状、及び、平面方向の大きさが同じである。拡散層４１６ｃも材料、厚み、形状、及び、平面方向の大きさが同じである。セパレータ４２０も材料、形状、及び大きさが同じである。セパレータ４４０も材料、形状、及び大きさが同じである。即ち、単セル４ａ２及び４ｂ２は、同一の出力性能を有しているものとみなすことができる。
［燃料欠乏状態］
次に、燃料欠乏状態について説明する。例えば、ＦＣ４ａにＩＮＪ２６ａから燃料ガスが供給されていても、何れかの単セル４ａ２に燃料ガスが十分に供給されない燃料欠乏状態となる可能性がある。例えば、発電反応によって生じた液水がアノード流路４ａＡ内に滞留して、燃料ガスが一部の単セル４ａ２の少なくとも一部の発電領域にまで十分に供給されない場合に、燃料欠乏状態となる。また、例えば燃料電池システム１の停止中に外気温が低下してＦＣ４ａのアノード流路４ａＡ内に残留していた液水が凍結し、燃料電池システム１の始動後であっても、凍結した氷により燃料ガスが一部の単セル４ａ２の少なくとも一部の発電領域にまで十分に供給されない場合にも、その単セル４ａ２は燃料欠乏状態となる。燃料欠乏状態となった単セル４ａ２の電圧は、本来予定されていた電圧よりも低下し、発電効率が低下する。更に、燃料欠乏状態が継続すると、その単セル４ａ２のアノード触媒を担持するカーボンやカソード触媒を担持するカーボンが酸化腐食してアノード触媒及びカソード触媒が溶出して、発電性能が低下する可能性がある。ここで、単セル４ａ２に供給される酸化剤ガスが欠乏した場合には発電性能が一時的に低下するだけだが、上記のように燃料ガスが欠乏すると、以降の発電性能が恒久的に低下するおそれがあるため、酸化剤不足よりも適切に検出する必要がある。ＦＣ４ｂの単セル４ｂ２についても、同様の原理により燃料欠乏状態となる場合が考えられ、同様の問題が生じ得る。
このため、本実施例では、ＥＣＵ３は、電圧センサＶａに基づいて各単セル４ａ２の電圧を検出し、この検出結果に基づいて、ＦＣ４ａの何れかの単セル４ａ２が燃料欠乏状態にあるか否かを判定し、何れかの単セル４ａ２が燃料欠乏状態にあると判定した場合には、ＦＣ４ａに対して燃料欠乏状態を解消するための解消処理を実行する。上述したようにＦＣ４ａに取り付けられている電圧センサＶａは、複数の単セル４ａ２の１枚毎の電圧を検出するため、何れかの単セル４ａ２の電圧の低下を精度よく検出でき、燃料欠乏状態であるか否かを精度よく判定できる。
上述したように燃料欠乏状態は、ＦＣ４ｂの単セル４ｂ２にも同様に起こり得るが、ＦＣ４ｂに取り付けられた電圧センサＶｂは、ＦＣ４ｂ全体の電圧を検出するため、何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態となって電圧が低下しても、その単セル４ｂ２の電圧の低下分は積層体４ｂ１全体の電圧には十分に反映されない。このため電圧センサＶｂの検出結果に基づいて、何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態であるか否かを精度よく判定することは困難である。本実施例では、ＥＣＵ３は、電圧センサＶｂではなく電圧センサＶａの検出結果に基づいて、何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態であるか否かを判定する燃料欠乏判定制御を実行する。
［燃料欠乏判定制御］
図４は、本実施例の燃料欠乏判定制御の一例を示したフローチャートである。本制御は、繰り返し実行される。最初にＥＣＵ３は、電圧センサＶａの検出結果に基づいて、単セル４ａ２の各電圧のうちの最小値Ｖａｍｉｎが、閾値α未満であるか否かを判定する（ステップＳ１）。閾値αは、単セル４ａ２が燃料欠乏状態にあるとみなすことができる電圧値であり、発電中のＦＣ４ａが正常運転状態で単セル４ａ２の電圧が積極的にその電圧値に制御されることはない電圧の下限値よりも小さい値である。
閾値αは、例えば０．１Ｖであるがこれに限定されない。閾値αは、例えば－０．２Ｖ以上であり０．２Ｖ未満であればよく、好ましくは０Ｖ以上であり０．１５Ｖ未満である。閾値αが－０．２Ｖ以上である理由は、単セル４ａ２の電圧が－０．２Ｖ以下になると、単セル４ａ２のアノード触媒やカソード触媒の溶出が大きく進行して、以降の単セル４ａ２の発電性能が低下する可能性があるからである。閾値αが０Ｖ以上であることが好ましい理由は、燃料欠乏状態である単セル４ａ２の電圧が負電圧に至る前に、後述する燃料欠乏状態を解消する解消処理を実行することで、発電効率の低下を抑制できるからである。閾値αが０．２Ｖ未満である理由は、上述したように予め設定されている単セル４ａ２の電圧の下限値よりも大きい値とすると、正常状態であるにもかかわらず単セル４ａ２の何れかが燃料欠乏状態にあると判定されないようにするためである。閾値αが０．１５Ｖ未満が好ましい理由は、アノード流路４ａＡ内で液水が一時的に滞留して何れかの単セル４ａ２の電圧が低下して一時的に燃料欠乏状態となるが、ＦＣ４の運転状態の変化により滞留した液水が直ちに排出されて燃料欠乏状態が直ちに解消される場合もあるからである。
ステップＳ１でＮｏの場合には、ＦＣ４ａの何れの単セル４ａ２も燃料欠乏状態ではないものとして、本制御は終了する。ステップＳ１でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ａの何れかの単セル４ａ２は燃料欠乏状態にあると判定して、ＦＣ４ａに対して燃料欠乏状態を解消する解消処理を実行する（ステップＳ２）。即ち、最小値Ｖａｍｉｎが閾値α未満であることは、換言すれば、何れかの単セル４ａ２で燃料欠乏状態が生じているとみなすことができるほど、その単セルの電圧の低下度合が大きいことを示す。
［解消処理］
ＦＣ４ａに対する解消処理は、ＦＣ４ａから液水の排出を促進させる排水促進処理と、ＦＣ４ａを昇温させる昇温処理とがある。
排水促進処理とは、アノード流路４ａＡ内に滞留している液水の排出を促進することにより、アノード流路４ａＡ内での液水の滞留を原因とする燃料欠乏状態を解消する処理である。ＦＣ４ａの排水促進処理は、例えば、
（ａ）通常運転状態よりもＩＮＪ２６ａの開弁時間を増大させる処理
（ｂ）通常運転状態よりもＨＰ２９ａの回転速度を増大させる処理
の少なくとも一つである。上記の（ａ）の処理により、ＩＮＪ２６ａから噴射される燃料ガスの圧力が増大し、アノード流路４ａＡ内に滞留している液水の排出を促進できる。上記の（ａ）の処理は、ＩＮＪ２６ａの開弁時間と閉弁時間の合計である全体時間に対する開弁時間の比を、通常運転状態よりも増大させることにより実現できる。また、上記の（ｂ）の処理によっても、アノード流路４ａＡを循環する燃料ガスの圧力が増大して、アノード流路４ａＡ内からの液水の排出を促進できる。尚、上記の（ａ）及び（ｂ）の双方を実行してもよい。
昇温処理とは、ＦＣ４ａを昇温させることにより、アノード流路４ａＡ内に滞留している液水の蒸発を促進し、又はアノード流路４ａＡ内に存在する氷の溶融を促進することにより、燃料欠乏状態を解消する処理である。ＦＣ４ａの昇温処理は、例えば、
（ｃ）通常運転状態よりもＦＣ４ａに供給される酸化剤ガスのストイキ比を低下させてＦＣ４ａの発電効率を低下させる処理
（ｄ）通常運転状態よりもＷＰ４６ａの回転速度を低下又は停止させてＦＣ４ａを循環する冷却水の流量を低下又は停止させる処理
（ｅ）バイパス弁４５ａの開度を制御することにより通常運転状態よりもラジエータ４４ａを流れる冷却水の流量を低下させる処理
の少なくとも一つである。上記の（ｃ）の処理により、ＦＣ４ａの発熱量が増大して、ＦＣ４ａを昇温させることができる。尚、「ストイキ比」は、要求される発電量に基づく理論上の反応ガス量に対する供給される反応ガス量の比を示す。また、（ｄ）の処理により、ＦＣ４ａの冷却効率が低下して、ＦＣ４ａを昇温させることができる。（ｅ）の処理によって、冷却水の温度を上昇させることができ、ＦＣ４ａを昇温させることができる。尚、上記の（ｃ）、（ｄ）、及び（ｅ）のうち、２以上の処理を同時に実行してもよい。
上記の解消処理は、例えば外気温が氷点下以上であって燃料電池システム１の起動から所定時間経過後である場合には、燃料欠乏の原因はアノード流路４ａＡ内に滞留している液水であるとして、排水促進処理を実行してもよい。また、外気温度が氷点下以下であって燃料電池システム１の起動から所定時間経過前にあっては、燃料欠乏の原因はアノード流路４ａＡ内にある氷であるとして、昇温処理を実行してもよい。また、上記の排水促進処理と昇温処理とを同時に実行してもよい。
次に、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ａ及び４ｂの状態が近似しているものとみなすことができる「所定条件」が成立しているか否かを判定する（ステップＳ３）。「所定条件」の詳細については後述する。ステップＳ３でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２は燃料欠乏状態にあると判定して、ＦＣ４ｂに対して燃料欠乏状態を解消する解消処理を実行する（ステップＳ４）。ＦＣ４ｂに対する解消処理として実施される具体的な処理は、上述したＦＣ４ａに対する解消処理として実施される処理と同じである。即ち、上述した（ａ）～（ｅ）の処理のうち、同じ処理がＦＣ４ａ及び４ｂの双方に対して実行される。ステップＳ３でＮｏの場合には、ＥＣＵ３はステップＳ４の処理は実行しない。
次にＥＣＵ３は、最小値Ｖａｍｉｎが閾値βよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。閾値βは、閾値αよりも大きい値であり、燃料欠乏状態が解消された単セル４ａ２が取り得る電圧値の最小値よりも所定のマージン分だけ高い電圧値に設定されている。閾値βは、例えば０．２Ｖであるがこれに限定されない。ステップＳ５でＮｏの場合には、燃料欠乏状態は十分に解消されていないものとして、再度ステップＳ５の処理が実行される。即ち、上述した解消処理が継続される。
ステップＳ５でＹｅｓの場合には、燃料欠乏状態は解消されたものとして、ＥＣＵ３は実行中の解消処理を停止する（ステップＳ６）。即ち、ＦＣ４ａに対してのみ解消処理が実行されている場合には、ＦＣ４ａに対する解消処理が停止され、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方に対して解消処理が実行されている場合には、ＦＣ４ａ及び４ｂの双方に対する解消処理が停止される。ＦＣ４ａ及び４ｂの双方に対する解消処理が実行されている場合に、ＦＣ４ａの単セル４ａ２で燃料欠乏状態が解消されていれば、ＦＣ４ｂの単セル４ｂ２でも燃料欠乏状態は解消されているものとみなすことができるからである。
以上のように、電圧センサＶａよりも製造コストが低い電圧センサＶｂを採用することにより製造コストを削減しつつ、ＦＣ４ａに取り付けられた電圧センサＶａの検出結果に基づいてＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあるか否かを判定することにより、単セル４ｂ２の燃料欠乏状態の判定精度の低下が抑制される。
［所定条件］
次に、上述したステップＳ３における「所定条件」について説明する。所定条件とは、ＦＣ４ａ及び４ｂの状態が近似しているとみなすことができる条件であり、ＦＣ４ａの何れかの単セル４ａ２が燃料欠乏状態にある場合に、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にある可能性が高いとみなすことができる条件である。所定条件には、
（Ａ）ＦＣ４ａの温度とＦＣ４ｂの温度との差分が所定値未満であること
（Ｂ）ＦＣ４ａに供給される燃料ガスのストイキ比とＦＣ４ｂに供給される燃料ガスのストイキ比との差分が所定値未満であること
（Ｃ）ＦＣ４ａ内で燃料ガスが流れるアノード流路４ａＡ内の圧力とＦＣ４ｂ内で燃料ガスが流れるアノード流路４ｂＡ内の圧力との差分が所定値未満であること
（Ｄ）ＦＣ４ａに供給される酸化剤ガスのストイキ比とＦＣ４ｂに供給される酸化剤ガスのストイキ比との差分が所定値未満であること
（Ｅ）単セル４ａ２の１枚当たりの有効発電面積に対する単セル４ａ２の１枚当たりの出力電流（以下、出力電流密度と称する）と、単セル４ｂ２の１枚当たりの有効発電面積に対する単セル４ｂ２の１枚当たりの出力電流（以下、出力電流密度と称する）との差分が所定値未満であること
のうち少なくとも一つを含む。
ここで、ＦＣ４ａ及び４ｂの温度が高いほど、それぞれアノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量又は氷の量は少ない。従って、条件（Ａ）のように、ＦＣ４ａ及び４ｂの温度が近似していると、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量又は氷の量も近似する可能性が高い。ＦＣ４ａ及び４ｂの温度が近似していると、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内で発生する凝縮水の量も近似し、又は溶融せずに存在している氷の量も近似している可能性が高いからである。条件（Ａ）における「所定値」は、例えば５℃未満の値である。尚、ＦＣ４ａ及び４ｂの各温度は、例えば温度センサＴａ及びＴｂに基づいてＥＣＵ３が推定してもよいし、ＦＣ４ａ及び４ｂにそれぞれ直接設けられた温度センサにより取得してもよい。
また、ＦＣ４ａ及び４ｂの燃料ガスのストイキ比が大きいほどそれぞれアノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内の液水がガス流れにより外部に排出されやすくなり、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量は少ない。従って、条件（Ｂ）のように、ＦＣ４ａ及び４ｂの燃料ガスのストイキ比が近似していると、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量が近似する可能性が高い。条件（Ｂ）における「所定値」は、例えば０．２未満の値である。尚、ＦＣ４ａの燃料ガスのストイキ比は、実際にＩＮＪ２６ａからＦＣ４ａに供給される燃料ガス量を、予めＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されているＦＣ４ａへの要求発電量に基づく理論上の燃料ガス量で除算することにより算出できる。ＦＣ４ｂの燃料ガスのストイキ比についても、同様に算出できる。
また、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内の圧力が高いほど露点温度、飽和水蒸気圧が高くなり、それぞれアノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量が多くなる。条件（Ｃ）のように、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内の圧力が近似していると、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量が近似する可能性が高い。条件（Ｃ）における「所定値」は、例えば２０ｋＰａ未満の値である。アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内の圧力は、それぞれ圧力センサＰａ及びＰｂにより検出できる。尚、本実施例では、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内の圧力をそれぞれＦＣ４ａ及び４ｂの出口側で取得しているが、これに限定されない。例えば、ＦＣ４ａ及び４ｂそれぞれの入口側で圧力を取得し、これらを比較してもよい。
また、ＦＣ４ａ及び４ｂの酸化剤ガスのストイキ比が大きいほど、それぞれカソード流路４ａＣ及び４ｂＣ内部の液水がガス流れにより外部に排出されるため、電解質膜を介してカソード流路４ａＣからアノード流路４ａＡに移動する液水の量とカソード流路４ｂＣからアノード流路４ｂＡに移動する液水の量もそれぞれ少なくなり、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量も少なくなる。条件（Ｄ）のように、ＦＣ４ａ及び４ｂの酸化剤ガスのストイキ比が近似していると、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量が近似する可能性が高い。条件（Ｄ）における「所定値」は、例えば０．２未満の値である。尚、ＦＣ４ａの酸化剤ガスのストイキ比は、実際にエアコンプレッサ１４ａやバイパス弁１５ａによりＦＣ４ａに供給される酸化剤ガス量を、予めＥＣＵ３のＲＯＭに記憶されているＦＣ４ａへの要求発電量に基づく理論上の酸化剤ガス量で除算することにより算出できる。ＦＣ４ｂの酸化剤ガスのストイキ比についても、同様に算出できる。
単セル４ａ２及び４ｂ２の出力電流密度が大きいほど、単セル４ａ２及び４ｂ２のそれぞれの１枚あたりの生成水量が多くなり、それぞれアノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内部に滞留している液水の量が多くなる。条件（Ｅ）のように、単セル４ａ２及び４ｂ２の出力電流密度が近似していると、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に滞留している液水の量が近似する可能性が高い。単セル４ａ２の出力電流密度は、電流センサＡａにより検出されるＦＣ４ａの電流値を、単セル４ａ２の有効発電面積で除算することにより得ることができる。同様に、単セル４ｂ２の出力電流密度は、電流センサＡｂにより検出されるＦＣ４ｂの電流値を、単セル４ｂ２の有効発電面積で除算することにより得ることができる。このため、ＥＣＵ３のＲＯＭには、単セル４ａ２及び４ｂ２のそれぞれの１枚当たりの有効発電面積を予め記憶させておく。ここで、条件（Ｅ）における「所定値」は、例えば０．１Ａ／ｃｍ－２未満の値である。
本実施例では、単セル４ａ２及び４ｂ２が同一の部材であるが、上記の条件（Ｅ）は、単セル４ａ２及び４ｂ２について、有効発電面積が異なっている場合にも、適用できる条件である。
本実施例では、単セル４ａ２及び４ｂ２が同一の部材であるため、単セル４ａ２及び４ｂ２は有効発電面積の大きさも同じであるため、上述した条件（Ｅ）の代わりに、
（Ｅ´）ＦＣ４ａの出力電流とＦＣ４ｂの出力電流との差分が所定値未満であること
を用いてもよい。条件（Ｅ´）における「所定値」は、例えば５０Ａ未満の値である。この場合、ＦＣ４ａ及び４ｂの出力電流は、それぞれ電流センサＡａ及びＡｂにより直接検出できる。
このように、電圧センサＶａの検出結果のみならず、上記の所定条件の成立の有無をもって、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２で燃料欠乏状態にあるか否かが判定されるため、この判定精度が向上している。また、この判定精度が向上するため、何れかの単セル４ｂ２で燃料欠乏状態にある可能性が高い場合にのみＦＣ４ｂに対して解消処理を実行することができ、燃料欠乏状態が生じていない可能性が高い場合にも解消処理が実行されるという無駄を回避できる。なお、上記の「所定条件」に、少なくとも条件（Ａ）を含んでいることが好ましい。凝縮水の生成量や氷の量は、温度に対する相関が最も大きいと考えられるからである。また、「所定条件」に、条件（Ｂ）、（Ｃ）を含んでいることがさらに好ましい。アノードにおける水分量は、アノード側の運転条件の寄与が大きいと考えられるからである。
本実施例のように、ＦＣ４ａ及び４ｂが同一の燃料電池である場合には、所定条件は、条件（Ａ）～（Ｅ）のうち少なくとも一つ含んでいればよいが、全て含んでいる必要はない。条件（Ａ）～（Ｅ）のうち所定条件に含まれる条件が多いと、単セル４ｂ２に関する燃料欠乏状態の判定精度が厳密になり過ぎ、実際には単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあるにもかかわらず、所定条件が不成立であるとしてＦＣ４ｂに対して解消処理も実行されない可能性もあるからである。また、本実施例では単セル４ａ２と単セル４ｂ２とは同じ単セルであるが、これに限定されない。例えば、単セル４ａ２及び４ｂ２について、セパレータ４２０及び４４０や拡散層４１６ａ及び４１６ｃの少なくとも一つの形状や大きさが異なっていてもよい。
ここで、単セル４ａ２及び４ｂ２に関して、電解質膜４１２の材料が同じであって厚みが略同じであり、触媒層４１４ａの材料が同じであって単位面積当たりの量が略同じであり、触媒層４１４ｃの材料が同じであって単位面積当たりの量が略同じであることが好ましい。この場合、単セル４ａ２及び４ｂ２に関して、（同じ運転条件で運転した場合に、）単セル４ａ２及び４ｂ２における発電特性が略同じであり、液水の量も同等になるため、燃料欠乏の発生しやすさも同等になる。また、上述した条件（Ａ）～（Ｅ）の少なくとも一つが成立した場合には、更にその可能性が高くなり、何れかの単セル４ｂ２で燃料欠乏状態であるか否かの判定精度が向上している。ここで、上述した「略同じ」とは、例えば、同一条件下で出力電力密度が±５％程度の範囲内でずれている場合での厚みや量の相違を含むと共に、厚みや量自体が±１０％程度の範囲内でずれている場合をも含む意味である。製品毎の厚みや量のばらつきや、経年劣化による厚みや量の変化を考慮した値である。
［燃料欠乏判定制御の第１変形例］
図５は、燃料欠乏判定制御の第１変形例を示したフローチャートである。上記の実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
ＥＣＵ３は、最小値Ｖａｍｉｎが閾値γ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１－１）。閾値γは、上述した閾値αよりも大きく閾値β未満であり、例えば０．１５Ｖである。ステップＳ１－１においてＮｏの場合には、本制御を終了する。ステップＳ１－１においてＹｅｓの場合には、ＥＣＵ３は、「所定条件」が成立したか否かを判定し（ステップＳ３）、ステップＳ３でＹｅｓの場合には、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２は燃料欠乏状態にあると判定して、ＦＣ４ｂに対して燃料欠乏状態を解消する解消処理を実行する（ステップＳ４）。ステップＳ３でＮｏの場合には、ステップＳ４の処理は実行されない。
ステップＳ３でＹｅｓの場合、及びステップＳ４の実行後、ＥＣＵ３は最小値Ｖａｍｉｎが閾値α未満であるか否かを判定する（ステップＳ４－１）。閾値αは、上述した本実施例のステップＳ１と同様に例えば０．１Ｖであるがこれに限定されない。ステップＳ４－１でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ａの何れかの単セル４ａ２が燃料欠乏状態にあると判定して、ＦＣ４ａに対して解消処理を実行する（ステップＳ４－２）。ステップＳ４－２が実行されると、ＥＣＵ３は、最小値Ｖａｍｉｎが閾値βよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。ステップＳ５でＮｏの場合には、燃料欠乏状態が十分に解消されていないものとして、再度ステップＳ５の処理が実行され、ステップＳ５でＹｅｓの場合には、ＥＣＵ３は実行中の解消処理を停止する（ステップＳ６）。
ステップＳ４－１でＮｏの場合には、ＥＣＵ３はＦＣ４ｂに対する解消処理の実行を開始してからＦＣ４ｂの電圧の上昇量ΔＶｂが閾値ｂよりも大きくなったか否かを判定する（ステップＳ４－３）。閾値ｂは、少なくとも何れかの単セル４ｂ２において燃料欠乏状態が解消した場合に、ＦＣ４ｂが取り得る電圧の上昇量に設定されている。ステップＳ４－３でＹｅｓの場合、ＦＣ４ｂでの燃料欠乏状態は十分に解消されたものとして、解消処理が停止される（ステップＳ６）。ステップＳ４－３でＮｏの場合、再度ステップＳ４－１が実行される。
以上のように燃料欠乏判定制御の第１変形例では、ＦＣ４ａよりも先にＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあるか否かが判定され、何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあると判定された場合には、ＦＣ４ａよりも先にＦＣ４ｂに対して解消処理が実行される。ＦＣ４ｂの単セル４ｂ２の各電圧について正確に検出することができないため、ＦＣ４ａよりも先にＦＣ４ｂの方が燃料欠乏状態が進行している可能性がある。このため、ＦＣ４ａよりも先にＦＣ４ｂに対して判定することにより、ＦＣ４ｂの電圧の低下が進行する前に早期に判定をし、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態であると判定された場合には、早期に解消処理が実行される。
尚、燃料欠乏判定制御の第１変形例において、例えばステップＳ４－１の処理を実行することなく、ステップＳ１－１及びＳ３でＹｅｓと判定されてステップＳ４でＦＣ４ｂに対して解消処理の実行が開始されてから所定時間経過後に、Ｓ４－２でＦＣ４ａに対して解消処理を実行してもよい。
［燃料欠乏判定制御の第２変形例］
図６は、燃料欠乏判定制御の第２変形例を示したフローチャートである。上記の実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。ＥＣＵ３は、最初に電圧センサＶｂにより検出された電圧値Ｖｂ１が所定の閾値δ未満であるが否かを判定する（ステップＳ１－０）。電圧値Ｖｂ１は、ＦＣ４ｂの電圧に相関する電圧パラメータの一例である。ステップＳ１－０でＮｏの場合、上述した実施例と同様にステップＳ１～Ｓ６の処理が実行される。ステップＳ１－０でＹｅｓの場合、ステップＳ１－１、Ｓ３－ａ、Ｓ４－ａ、Ｓ４－１、及びＳ４－２、又はＳ４－３の処理が実行される。ステップＳ１－１、Ｓ４－１、Ｓ４－２、及びＳ４－３は、上述した燃料欠乏判定制御の第１変形例で示した処理と同じである。また、ステップＳ３－ａ、Ｓ４－ａは、それぞれ、ステップＳ３及びＳ４と同じ内容である。
即ち、電圧値Ｖｂ１が閾値δ以上の場合には、本実施例のようにＦＣ４ａの次にＦＣ４ｂに対して燃料欠乏状態であるか否かが判定されるが、電圧値Ｖｂ１が閾値δ未満である場合には第１変形例のようにＦＣ４ａよりも先にＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあるか否かが判定され、何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあると判定された場合には、ＦＣ４ａよりも先にＦＣ４ｂに対して解消処理が実行される。ＦＣ４ｂの電圧値Ｖｂ１が低い方が、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２で燃料欠乏状態が生じて電圧の低下が進行している可能性が高いからである。
閾値δは固定値であってもよいし、ＦＣ４ｂに対する要求出力に応じて異なる値に設定してもよい。例えば、ＦＣ４ｂに対する要求出力が大きいほど、閾値δの値が減少するように設定してもよい。ＦＣ４ｂの出力が増大するほどＦＣ４ｂの電圧は低下するからである。
ステップＳ１－０において、例えばＦＣ４ｂに例えば複数枚毎に電圧を検出する電圧センサが設けられている場合に、電圧センサが検出した複数の検出値のうち何れかが閾値未満となった場合には、ＦＣ４ｂの電圧は閾値δ未満であることを示していると判定してもよい。また、例えばＦＣ４ｂに例えば複数枚毎に電圧を検出する電圧センサが設けられている場合に、電圧センサが検出した複数の検出値の平均値が閾値未満となった場合に、ＦＣ４ｂの電圧は閾値δ未満であることを示していると判定してもよい。また、電圧値Ｖｂ１の逆数が所定の閾値以上となった場合には、ＦＣ４ｂの電圧は閾値δ未満であることを示していると判定してもよい。このように電圧センサが検出した複数の検出値や、その平均値、電圧値Ｖｂ１の逆数等も、ＦＣ４ｂの電圧に相関する電圧パラメータの一例である。
［燃料欠乏判定制御の第３変形例］
図７は、燃料欠乏判定制御の第３変形例を示したフローチャートである。上記の実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。燃料欠乏判定制御の第３変形例では、燃料欠乏判定制御の第２変形例で示したステップＳ１－０の代わりに、ＥＣＵ３は、温度センサＴｂが検出した温度Ｔｂ１が閾値ε未満であるか否かを判定し（ステップＳ１－０－ａ）、それ以外の処理については第２変形例と同じである。温度Ｔｂ１は、ＦＣ４ｂの温度に相関する温度パラメータの一例である。
即ち、温度Ｔｂ１が閾値ε以上である場合には、本実施例のようにＦＣ４ａの次にＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあるか否かが判定され、温度Ｔｂ１が閾値ε未満である場合には第１変形例のようにＦＣ４ａよりも先にＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあるか否かが判定され、何れかの単セル４ｂ２が燃料欠乏状態にあると判定された場合にはＦＣ４ａよりも先にＦＣ４ｂに対して解消処理が実行される。ＦＣ４ｂの温度Ｔｂ１が低い方が、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２で燃料欠乏状態が生じて電圧の低下が進行している可能性が高いからである。閾値εは例えば３０℃であるがこれに限定されない。
ＦＣ４ｂの温度Ｔｂ１は、ＦＣ４ｂに流れる冷却水の温度を検出する温度センサＴｂに基づいて推定できるが、これに限定されず、ＦＣ４ｂの温度を直接検出する温度センサを用いてもよいし、ＦＣ４ｂに直接接触はしていないがＦＣ４ｂの温度が十分に伝わるＦＣ４ｂの近傍に配置された温度センサを用いてもよい。従って、ステップＳ１－０－ａでは、これらの温度センサにより検出された温度が閾値未満の場合には、ＦＣ４ｂの温度は閾値ε未満であることを示していると判定してもよい。また、温度Ｔｂ１の逆数が所定の閾値以上である場合には、ＦＣ４ｂの温度は閾値ε未満であることを示していると判定してもよい。上記のように検出された温度や温度Ｔｂ１の逆数等も、ＦＣ４ｂの温度に相関する温度パラメータの一例である。
尚、電圧値Ｖｂ１が電圧閾値δ未満であって温度Ｔｂ１が温度閾値ε未満である場合に、ステップＳ１以降の処理を実行し、充足しない場合には、ステップＳ１－１以降の処理を実行してもよい。
［燃料欠乏判定制御の第４変形例］
図８は、燃料欠乏判定制御の第４変形例を示したフローチャートである。上記の実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。燃料欠乏判定制御の第４変形例では、図４に示した本実施例の燃料欠乏判定制御と類似しているが、ステップＳ１の実行の前に、以下に説明する状態制御処理が実行される点で異なっている（ステップＳ１－ａ）。
［状態制御処理］
状態制御処理とは、ＦＣ４ｂの単セル４ｂ２の何れもＦＣ４ａの単セル４ａ２の何れよりも燃料欠乏状態が生じにくい状態又は同等の状態となるように、ＦＣ４ａ及び４ｂの状態を制御する処理であり、ＥＣＵ３により実行される。例えば、図４に示した本実施例の燃料欠乏判定制御では、何らかの理由によりＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２がＦＣ４ａの何れの単セル４ａ２よりも燃料欠乏状態が進行している場合には、ステップＳ１及びＳ３でＹｅｓと判定されない限り、即ち、ＦＣ４ａの何れかの単セル４ａ２が燃料欠乏状態とならない限り、ＦＣ４ｂに対して解消処理は実行されない。このため、何れかの単セル４ｂ２の出力性能が低下する可能性がある。このような場合には、第４変形例のように状態制御処理が実行されることにより、何れの単セル４ｂ２についても燃料欠乏状態が進行することを抑制することができる。なお、状態制御処理は、燃料電池システムの運転中常に実施されていてもよいし、燃料電池が燃料欠乏しやすい条件（例えば燃料電池の温度が低い等）のときのみ実施されてもよい。
状態制御処理では、ＦＣ４ｂのアノード流路４ｂＡ内に存在し得る液水又は氷の量を、ＦＣ４ａのアノード流路４ａＡ内に存在し得る液水又は氷の量よりも少なくなくする又は同等とすることにより、何れの単セル４ｂ２もが何れの単セル４ａ２よりも燃料欠乏状態が生じにくい状態又は同等にする処理である。例えば、
（１）ＦＣ４ｂの温度をＦＣ４ａの温度以上にする
（２）ＦＣ４ｂに供給される燃料ガスのストイキ比をＦＣ４ａに供給される燃料ガスのストイキ比以上とする
（３）ＦＣ４ｂ内で燃料ガスが流れるアノード流路４ｂＡ内の圧力をＦＣ４ａ内で燃料ガスが流れるアノード流路４ａＡ内の圧力以下とする
（４）ＦＣ４ｂに供給される酸化剤ガスのストイキ比がＦＣ４ａに供給される酸化剤ガスのストイキ比以上とする
（５）単セル４ｂ２の出力電流密度を単セル４ａ２の出力電流密度以下にする
の少なくとも一つを実現することにより、ＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも燃料欠乏状態が生じにくい状態又は同等となる。
例えば上記の（１）については、例えば、ＷＰ４６ｂの回転速度をＷＰ４６ａよりも低下させる、バイパス弁４５ｂの開度を制御することによりラジエータ４４ｂを流れる冷却水の流量をラジエータ４４ａを流れる冷却水よりも低下させる、等により実現できる。
上記（２）については、例えば、ＩＮＪ２６ａ及び２６ｂが単位時間当たりの燃料ガスの噴射量が同じであった場合にはＩＮＪ２６ｂの開弁時間と閉弁時間の合計である全体時間に対する開弁時間の比をＩＮＪ２６ａよりも大きくすることにより実現できる。尚、燃料ガスのストイキ比が１未満の場合にはそもそも燃料が不足した状態であるため、上記（２）については、ＦＣ４ａ及び４ｂの何れに供給される燃料ガスのストイキ比は１以上であることが前提である。上記（３）については、例えば、ＩＮＪ２６ｂの全体時間に対する開弁時間の比をＩＮＪ２６ａよりも小さくすることにより実現できる。尚、上記（２）及び（３）は、両立することが困難であるため、何れか一方のみを実現してもよい。例えば、外気温度が比較的低く、アノード流路４ａＡ及び４ｂＡ内に凝縮水が発生しやすい状態においては、ＦＣ４ａ及び４ｂの何れの燃料ガスのストイキ比も１以上のほぼ同等に制御しつつ上記（３）を実現することにより、アノード流路４ｂＡ内での凝縮水の発生量をアノード流路４ａＡよりも抑制できる。また、外気温度が比較的高い状態においては、上記（３）ではなく、上記（２）を実現してもよい。上記（４）については、例えば、エアコンプレッサ１４ｂの回転速度をエアコンプレッサ１４ａよりも増大させることにより実現できる。
上記（５）については、ＦＣ４ｂから掃引される電流値をＦＣ４ａから掃引される電流値よりも小さくなるようにＦＤＣ３２ａ及び３２ｂを制御することにより実現できる。尚、この場合、ＦＣ４ａ及び４ｂに対する要求出力Ｐを充足するようにＦＣ４ｂの出力を低下させた分、ＦＣ４ａの出力を増大させることが好ましい。
尚、上記（１）でのＦＣ４ａ及び４ｂの温度の差分や、上記の（２）や（４）でのストイキ比の差分、（３）の圧力の差分、（５）の出力電流密度の差分は、ＦＣ４ａ及び４ｂへの要求出力Ｐを充足することができ且つＦＣ４ａ及び４ｂの運転に支障がでない範囲で設定することが好ましい。
このように、状態制御処理で定められるパラメータの差分の大きさと、上述したＦＣ４ａ及び４ｂの状態が近似しているものとみなすことができる「所定条件」が成立するとみなされる場合での各パラメータの差分の大きさとによっては、状態制御処理を実行しているが「所定条件」が成立していると判定される場合が有り得る。また、本来であれば「所定条件」は成立しないように状態制御処理でのパラメータの差分を設定しているにも関わらず、一時的に「所定条件」が成立する場合もあり得る。例えば、状態制御処理として上記の（１）の処理を実行しているにもかかわらず、高速走行時に走行風によってＦＣ４ｂの方がＦＣ４ａよりも冷却されやすい位置に配置されている場合等である。このような場合を考慮して、状態制御処理を実行している場合であっても、「所定条件」が成立する場合には、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２は燃料欠乏状態にあると判定されて、ＦＣ４ｂに対して解消処理が実行される（ステップＳ４）。
状態制御処理は、第１～第３変形例において実行してもよい。
［燃料欠乏判定制御の第５変形例］
図９は、燃料欠乏判定制御の第５変形例を示したフローチャートである。上記の実施例の制御と同一の処理については同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。燃料欠乏判定制御の第５変形例では、図４に示した本実施例の燃料欠乏判定制御と類似しているが、ステップＳ３でＮｏの場合に、ＦＣ４ｂの温度Ｔｂ１は、ＦＣ４ａの温度Ｔａ１未満であるか否かが判定される（ステップＳ３－１）。ステップＳ３－１でＹｅｓの場合、ＥＣＵ３は、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２は燃料欠乏状態にあると判定して、ＦＣ４ｂに対して燃料欠乏状態を解消する解消処理を実行する（ステップＳ４）。ステップＳ３－１でＮｏの場合には、ＥＣＵ３は、最小値Ｖａｍｉｎが閾値βよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。
ステップＳ３でＮｏであってステップＳ３－１でＹｅｓの場合とは、ＦＣ４ａ及び４ｂの状態は近似していないが、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２がＦＣ４ａの何れの単セル４ａ２よりも燃料欠乏状態となりやすい場合である。このような場合においても、ＦＣ４ｂの燃料欠乏状態を解消することができる。尚、ステップＳ３及びＳ３－１でＮｏの場合とは、ＦＣ４ａ及び４ｂの状態は近似しておらず、ＦＣ４ｂの何れの単セル４ｂ２もＦＣ４ａの何れかの単セル４ａ２よりも燃料欠乏状態となり難い場合である。
上述したように、ステップＳ３－１は、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２がＦＣ４ａの何れの単セル４ａ２よりも燃料欠乏状態が生じやすい状態を示す条件が成立したか否かを判定する処理である。従って、ステップＳ３－１では、例えば
（１ａ）ＦＣ４ｂの温度はＦＣ４ａの温度未満であるか否か
（２ａ）ＦＣ４ｂに供給される燃料ガスのストイキ比はＦＣ４ａに供給される燃料ガスのストイキ比未満であるか否か
（３ａ）ＦＣ４ｂ内で燃料ガスが流れるアノード流路４ｂＡ内の圧力はＦＣ４ａ内で燃料ガスが流れるアノード流路４ａＡ内の圧力より大きいか否か
（４ａ）ＦＣ４ｂに供給される酸化剤ガスのストイキ比はＦＣ４ａに供給される酸化剤ガスのストイキ比未満であるか否か
（５ａ）単セル４ｂ２の出力電流密度は単セル４ａ２の出力電流密度より大きいか否か
の少なくとも一つを判定してもよい。上述したように、（１ａ）に関しては、ＦＣ４ｂの温度が低いほど、アノード流路４ｂＡ内に滞留している液水の量又は氷の量は多くなるからである。また、（２ａ）～（５ａ）に関しても、ＦＣ４ｂの燃料ガスのストイキ比が小さいほど、アノード流路４ｂＡ内の圧力が高いほど、ＦＣ４ｂに供給される酸化剤ガスのストイキ比が小さいほど、及び単セル４ｂ２の出力電流密度が大きいほど、アノード流路４ｂＡ内に滞留している液水の量は多くなるからである。
上記ステップＳ３－１の処理は、上述した第１～第３変形例において採用してもよい。また、第４変形例においても採用してもよい。状態制御処理を実行していても、ＦＣ４ａ及び４ｂの周辺環境やそれまでの運転状態によっては、ＦＣ４ｂの何れかの単セル４ｂ２がＦＣ４ａの何れの単セル４ａ２よりも燃料欠乏状態が生じやすい状態となる場合があり得るからである。
［その他］
図３～図９に示したステップＳ１、Ｓ１－１、Ｓ４－１、及びＳ５において、電圧センサＶａが検出する電圧の最小値Ｖａｍｉｎを参照するがこれに限定されない。例えば、電圧センサＶａにより検出された単セル４ａ２の各電圧のうち、その低下速度が最も大きい最大値が閾値以上であるか否か判定してもよい。また、複数の単セル４ａ２の各電圧の合計値を単セル４ａ２の枚数で除算して１枚当たりの電圧の平均値を算出し、この平均値から単セル４ａ２の各電圧を減算した値のうちの最大値が、閾値以上であるか否かを判定してもよい。上記の判定でＹｅｓと判定されることは、その単セルの電圧の低下度合が大きいことを示し、何れかの単セル４ａ２で燃料欠乏状態が生じているとみなすことができる。また、上記の方法を組み合わせてもよい。
［電圧センサの第１変形例］
図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ電圧センサの第１変形例の説明図である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、それぞれ電圧センサＶａａ及びＶｂａの一部を示している。電圧センサＶａａは、ＦＣ４ａの全ての単セル４ａ２について２枚毎に電圧を検出する。即ち、電圧センサＶａａの検出チャンネル数は、単セル４ａ２の合計積層枚数の２分の１である。これに対して電圧センサＶｂａは、全ての単セル４ｂ２について４枚毎に電圧を検出する。従って、電圧センサＶｂａの検出チャンネル数は単セル４ｂ２の合計積層枚数の４分の１である。この場合においても、電圧センサＶｂａは電圧センサＶａａよりも検出チャンネル数が少ないため、電圧センサＶｂａは電圧センサＶａａよりも製造コストが低い。従って、ＦＣ４ｂに対してもＦＣ４ａと同様に２枚毎の単セル４ｂ２の電圧を検出する電圧センサを設ける場合と比較して、製造コストが削減されている。
上述したステップＳ１、Ｓ１－１、Ｓ４－１、及びＳ５において、電圧センサＶａａにより検出された電圧のうち最小値を用いてもよいし、電圧センサＶａａにより検出された電圧から１枚当たりの単セル４ａ２の電圧を算出してこれらの電圧のうち最小値を用いてもよい。同様に、ステップＳ１－０において、電圧センサＶｂａにより検出された電圧の合計値を電圧値Ｖｂ１として用いてもよいし、検出された電圧から１枚当たりの単セル４ｂ２の電圧の平均値を算出して、この平均値を電圧値Ｖｂ１として用いてもよい。また、ステップＳ４－３においても同様に、これらの電圧値から算出した上昇量ΔＶｂを用いてもよい。
電圧センサＶａａは単セル４ａ２の電圧を２枚毎に検出し、電圧センサＶｂａは単セル４ｂ２の電圧を４枚毎に検出するがこれに限定されず、電圧センサＶａａはｎ枚毎の単セル４ａ２の電圧を検出し、電圧センサＶｂａはｎ枚よりも多いｍ枚毎の単セル４ｂ２の電圧を検出してもよい。
［電圧センサの第２変形例］
図１１Ａ及び図１１Ｂは、それぞれ電圧センサの第２変形例の説明図である。電圧センサＶａｂは、一部の単セル４ａ２に関しては１枚毎に電圧を検出し、一部の単セル４ａ２に関しては２枚毎に電圧を検出する。電圧センサＶｂｂは、一部の単セル４ｂ２に関しては２枚毎に電圧を検出し、一部の単セル４ｂ２に関しては４枚毎に電圧を検出する。この場合も、電圧センサＶａｂがＦＣ４ａ全体で平均Ｎ枚毎の単セル４ａ２の電圧を検出し、電圧センサＶｂｂがＦＣ４ｂ全体の電圧、又はＦＣ４ｂ全体でＮ枚よりも多い平均Ｍ枚毎の単セル４ｂ２の電圧を検出すればよい。この場合であれば電圧センサＶｂｂは電圧センサＶａｂよりも製造コストが低いためである。
また、上記の場合には、例えば、ステップＳ１、Ｓ１－１、Ｓ４－１、及びＳ５においては、電圧センサＶａｂの検出結果から１枚毎の単セル４ａ２の電圧を算出して、その電圧の最小値を用いてもよい。ステップＳ１－０においては、電圧センサＶｂｂにより検出された電圧値の合計値を電圧値Ｖｂ１として用いてもよいし、検出された電圧から１枚当たりの単セル４ｂ２の電圧の平均値を算出して、この平均値を電圧値Ｖｂ１として用いてもよい。また、ステップＳ４－３においても同様に、これらの電圧値から算出した上昇量ΔＶｂを用いてもよい。
電圧センサＶａｂは、詳細には、積層体４ａ１の両端周辺に配置された単セル４ａ２については１枚毎に電圧を検出し、積層体４ａ１の中央部に配置された単セル４ａ２については２枚毎に電圧を検出する。同様に、電圧センサＶｂｂは、詳細には、積層体４ｂ１の両端周辺に配置された単セル４ｂ２については２枚毎に電圧を検出し、積層体４ｂ１の中央部に配置された単セル４ｂ２については４枚毎に電圧を検出する。ここで、積層体４ａ１の両端部周辺に配置されている単セル４ａ２の方が、積層体４ａ１の中央部に配置されている単セル４ａ２よりも燃料欠乏状態が生じやすい。積層体４ａ１の両端部の方が中央部よりも外気温の影響により冷却されやすく、積層体４ａ１の両端部周辺の単セル４ａ２で凝縮水の発生や液水の凍結が生じやすいためである。従って、ステップＳ１、Ｓ１－１、Ｓ４－１、及びＳ５において、積層体４ａ１の両端周辺に配置された単セル４ａ２の電圧のうちの最小値Ｖａｍｉｎを用いることが好ましい。これにより、燃料欠乏状態となって電圧が低下しやすい積層体４ａ１の両端周辺に配置された単セル４ａ２については、精度よく電圧の低下を検出でき、更に、全ての単セル４ａ２について１枚毎に電圧を検出する場合よりも電圧センサＶａｂの製造コストを削減できるからである。
例えば、ＦＣ４ａが１００枚以上の単セル４ａ２を備えている場合には、電圧センサＶａｂは積層体４ａ１の一端に配置された２０枚の単セル４ａ２と他端に配置された２０枚の単セル４ａ２とに関しては１枚毎に電圧を検出し、それ以外の積層体４ａ１の中央部に配置された単セル４ａ２に関しては２枚毎に電圧を検出してもよい。電圧センサＶｂｂに関しては、例えばＦＣ４ｂも１００枚以上の単セル４ｂ２を備えている場合には、電圧センサＶｂｂは積層体４ｂ１の一端に配置された２０枚の単セル４ｂ２と他端に配置された２０枚の単セル４ｂ２に関しては２枚毎の電圧を検出し、それ以外の積層体４ｂ１の中央部に配置された単セル４ｂ２に関しては４枚毎の電圧を検出してもよい。
何れの場合でも、ＦＣ４ａに取り付けられた電圧センサは、ＦＣ４ａ全体で平均Ｎ枚毎の単セル４ａ２の電圧を検出し、ＦＣ４ｂに取り付けられた電圧センサは、ＦＣ４ｂ全体の電圧、又はＦＣ４ｂ全体でＮ枚よりも多い平均Ｍ枚毎の単セル４ｂ２の電圧を検出すればよい。
尚、上述した平均Ｎ枚は、単セル４ａ２の合計積層枚数をＦＣ４ａに取り付けられた電圧センサの検出チャンネル数で除算することにより算出できる。例えば、ＦＣ４ａの単セル４ａ２の合計積層枚数が１００枚であり、積層体４ａ１の一端の２０枚と他端の２０枚の単セル４ａ２が１枚毎に電圧が検出され、残りの６０枚の単セル４ａ２に関しては２枚毎に電圧が検出される場合を想定する。合計積層枚数は１００枚であり、検出チャンネル数は７０であるため、１００÷７０≒１．４と算出でき、この場合、ＦＣ４ａに取り付けられた電圧センサは平均約１．４枚毎に単セル４ａ２の電圧を検出する。
平均Ｍ枚についても、同様に、単セル４ｂ２の合計積層枚数をＦＣ４ｂに取り付けられた電圧センサＶｂの検出チャンネル数で除算することにより算出できる。例えば、ＦＣ４ｂの単セル４ｂ２の合計積層枚数が１００枚であり、積層体４ｂ１の一端の２０枚と他端の２０枚の単セル４ｂ２が２枚毎に電圧が検出され、残りの６０枚の単セル４ｂ２に関しては４枚毎に電圧が検出される場合を想定する。合計積層枚数は１００枚であり、電圧センサの検出チャンネル数は３５であるため、１００÷３５≒２．９と算出でき、この場合、ＦＣ４ｂに取り付けられた電圧センサは平均約２．９枚毎に単セル４ｂ２の電圧を検出する。
尚、ＦＣ４ａの単セル４ａ２の合計積層枚数が、ＦＣ４ｂの単セル４ｂ２の合計積層枚数よりも少ない場合には、上述したようにＦＣ４ａに取り付けられた電圧センサが平均Ｎ枚毎の単セル４ａ２の電圧を検出し、ＦＣ４ｂに取り付けられた電圧センサが平均Ｍ枚毎の単セル４ｂ２の電圧を検出する場合であっても、ＦＣ４ａに取り付けられた電圧センサがＦＣ４ｂに取り付けられた電圧センサよりも検出チャンネル数が小さくなる場合がある。しかしながらこの場合であっても、単セル４ｂ２の１枚当たりのＦＣ４ｂに取り付けられた電圧センサの製造コストは、ＦＣ４ｂに平均Ｎ枚毎の単セル４ｂ２に電圧センサを取り付けた場合の電圧センサの製造コストよりも安いため、このようなＦＣ４ｂに取り付けられた電圧センサを採用することにより燃料電池システムの製造コストを削減できる。
上述した実施例及び変形例では、２つのＦＣ４ａ及び４ｂを備えた燃料電池システム１を例に説明した、燃料電池システムは３つ以上の燃料電池を備えていてもよい。３つ以上の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、例えば、複数の燃料電池にそれぞれ取り付けられている電圧センサのうち、最も少ない枚数毎の単セルの電圧を検出する電圧センサの検出結果に基づいて、この電圧センサが取り付けられている燃料電池以外の燃料電池の何れかの単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定してもよい。
上述した燃料電池システムは、車両に搭載されるが、これに限定されず、据置型の燃料電池システムであってもよい。また、車両は、自動車のみならず、二輪車、鉄道車両や、船舶、航空機等であってもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１ 燃料電池システム
３ ＥＣＵ（制御装置）
４ａ 燃料電池（第１燃料電池）
４ｂ 燃料電池（第２燃料電池）
Ｖａ 電圧センサ（第１電圧検出装置）
Ｖｂ 電圧センサ（第２電圧検出装置）

Claims (14)

  1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され複数枚の第１単セルが積層された第１燃料電池と、
    燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され複数枚の第２単セルが積層された第２燃料電池と、
    前記第１及び第２燃料電池にそれぞれ取り付けられた第１及び第２電圧検出装置と、
    前記第１及び第２電圧検出装置の検出結果に基づいてそれぞれ前記第１及び第２燃料電池を制御する制御装置と、を備え、
    前記第１単セルは、第１電解質膜、前記第１電解質膜の一方の面に設けられた第１アノード触媒層、及び前記第１電解質膜の他方の面に設けられた第１カソード触媒層、を含み、
    前記第２単セルは、第２電解質膜、前記第２電解質膜の一方の面に設けられた第２アノード触媒層、及び前記第２電解質膜の他方の面に設けられた第２カソード触媒層、を含み、
    前記第１及び第２電解質膜は、材料が同じであって、厚みが略同じであり、
    前記第１及び第２アノード触媒層は、材料が同じであって、単位面積当たりの量も略同じであり、
    前記第１及び第２カソード触媒層は、材料が同じであって、単位面積当たりの量も略同じであり、
    前記第１電圧検出装置は、平均Ｎ枚毎の前記第１単セルの電圧を検出し、
    前記第２電圧検出装置は、前記第２燃料電池全体の電圧、又は前記Ｎ枚よりも多い平均Ｍ枚毎の前記第２単セルの電圧を検出し、
    前記制御装置は、前記第１及び第２燃料電池の状態が近似しているとみなすことができる所定条件が成立している場合に前記第１電圧検出装置の検出結果に基づいて、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する、燃料電池システム。
  2. 前記所定条件は、前記第１燃料電池の温度と前記第２燃料電池の温度との差分が所定値未満であることを含む、請求項１の燃料電池システム。
  3. 前記所定条件は、前記第１燃料電池に供給される燃料ガスのストイキ比と前記第２燃料電池に供給される燃料ガスのストイキ比との差分が所定値未満であることを含む、請求項１又は２の燃料電池システム。
  4. 前記所定条件は、前記第１燃料電池内で燃料ガスが流れる第１燃料ガス流路内の圧力と前記第２燃料電池内で燃料ガスが流れる第２燃料ガス流路内の圧力との差分が所定値未満であることを含む、請求項１乃至３の何れかの燃料電池システム。
  5. 前記所定条件は、前記第１燃料電池に供給される酸化剤ガスのストイキ比と前記第２燃料電池に供給される酸化剤ガスのストイキ比との差分が所定値未満であることを含む、請求項１乃至４の何れかの燃料電池システム。
  6. 前記所定条件は、前記第１燃料電池内を流れる冷却水の流量と前記第２燃料電池内を流れる冷却水の流量との差分が所定値未満であることを含む、請求項１乃至５の何れかの燃料電池システム。
  7. 前記所定条件は、前記第１単セルの出力電流密度と前記第２単セルの出力電流密度との差分が所定値未満であることを含む、請求項１乃至６の何れかの燃料電池システム。
  8. 前記制御装置は、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあると判定した場合には、前記第２燃料電池に対して燃料欠乏状態を解消するための解消処理を実行する、請求項１乃至７の何れかの燃料電池システム。
  9. 前記制御装置は、前記第１電圧検出装置の検出結果に基づいて、何れかの前記第１単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する、請求項１乃至８の何れかの燃料電池システム。
  10. 前記制御装置は、何れかの前記第１単セルが燃料欠乏状態にあると判定した場合には、前記第１燃料電池に対して燃料欠乏状態を解消するための解消処理を実行する、請求項９の燃料電池システム。
  11. 前記制御装置は、何れかの前記第１単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する前に、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定し、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあると判定した場合には、前記第１燃料電池に対して前記解消処理を実行する前に、前記第２燃料電池に対して前記解消処理を実行する、請求項１０の燃料電池システム。
  12. 前記制御装置は、前記第２燃料電池の電圧に相関する電圧パラメータが前記第２燃料電池の電圧が所定の閾値未満であることを示す場合、前記第２燃料電池の温度に相関する温度パラメータが前記第２燃料電池の温度が所定の閾値未満であることを示す場合、の少なくとも何れかの場合には、何れかの前記第１単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する前に、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定し、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあると判定した場合には、前記第１燃料電池に対して前記解消処理を実行する前に、前記第２燃料電池に対して前記解消処理を実行する、請求項１０又は１１の燃料電池システム。
  13. 前記制御装置は、前記所定条件は不成立であるが、何れかの前記第２単セルが何れの前記第１単セルよりも燃料欠乏状態が生じやすい状態を示す条件が成立した場合に前記第１電圧検出装置の検出結果に基づいて、何れかの前記第２単セルが燃料欠乏状態にあるか否かを判定する、請求項１乃至１２の何れかの燃料電池システム。
  14. 前記第１単セルと前記第２単セルとは、同一の部材である、請求項１乃至１３の何れかの燃料電池システム。
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