JPWO2010073381A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】間欠運転のモードを取り入れている燃料電池システムにおいて、残水量の推定精度を向上し、間欠運転による水溜りを起因としたセル電圧の低下を精度良く抑制することを目的とする。【解決手段】燃料電池システムは、セル積層体を含む燃料電池と、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を考慮して、各単セルのセル面内における反応ガス流路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と、推定部により推定された反応ガス流路の残水量が所定の閾値以上である場合に、間欠運転の内容を変更する運転制御部と、を備えたものである。

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の水分量の推定を利用した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おらず、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い。

また一般に、燃費向上のために燃料電池の間欠運転を行うモードを取り入れている燃料電池システムもある。この間欠運転では、アノード電極及びカソード電極に反応ガスを供給する補機類の作動を停止する。
しかし、間欠運転中に、停止前から残る空気及び水素ガスが成り行きで電気化学反応して、水が生成され得る場合がある。また、外気温が低い場合にあっては、水蒸気が凝縮する場合もある。その結果、間欠運転中に、反応ガスの流路に液水としての残水量が多くなり、間欠運転後に、反応ガスを供給して燃料電池から電流を取り出そうとすると、残水量の多い単セルでセル電圧が下がり、電極の触媒が劣化するおそれがある。

本発明は、間欠運転のモードを取り入れている燃料電池システムにおいて、残水量の推定精度を向上し、間欠運転による水溜りを起因としたセル電圧の低下を精度良く抑制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、本発明の燃料電池システムは、アノード電極、カソード電極、これらの間の電解質膜、及び反応ガス流路を有する単セルを複数積層してなるセル積層体を含む燃料電池を備えると共に、燃料電池の間欠運転を行うモードを備えるものにおいて、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を考慮して、各単セルのセル面内における反応ガス流路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と、推定部により推定された反応ガス流路の残水量が所定の閾値以上である場合に、間欠運転の内容を変更する運転制御部と、を備えたものである。

本発明によれば、電極間の水移動を考慮しているので、セル面内のみならずセル積層方向の残水量分布及び含水量分布の推定精度を向上することができる。そして、この向上した推定結果を利用して間欠運転の内容を変更するので、間欠運転による水溜りを起因としたセル電圧の低下を精度良く抑制することができる。例えば、閾値以上の残水量が推定された場合に、残水量のさらなる増加を抑制したり、あるいは残水量の低減を推進したりするように、間欠運転の内容を変更することができる。

好ましい一態様によれば、運転制御部は、閾値以上の残水量が推定された場合に、間欠運転を禁止するとよい。

こうすることで、間欠運転の実行に伴う残水量の増加を抑制することができるため、間欠運転による水溜りを起因としたセル電圧の低下を精度良く抑制することができる。

別の好ましい態様によれば、運転制御部は、アノード電極側及びカソード電極側のうち閾値以上の残水量が推定された方に対してのみ、反応ガスの供給を停止しないようにしてもよい。

こうすることで、反応ガスの供給によって残水量の排出を促進することができ、セル電圧の低下を精度良く抑制することができる。

また別の好ましい態様によれば、運転制御部は、閾値以上の残水量が推定された場合に、燃料電池を掃気処理した後で間欠運転を許可するとよい。

こうすることで、掃気処理により残水量を減らすことができるので、間欠運転を実行しても残水量が過剰にならずに済む。これにより、間欠運転後のセル電圧の低下を抑制することができる。

より好ましくは、運転制御部は、閾値以上の残水量の位置及び大きさの少なくとも一方に応じて、掃気処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを変更するとよい。

これにより、掃気処理の効率を向上することができる。例えば、残水量が比較的少ない場合には、残水量が比較的多い場合よりも掃気処理の制御時間を短くすれば、掃気時間を短縮することができる。

ここで、反応ガスの流れによる反応ガス流路の水の排出性は、セル積層方向の位置及びセル面内の位置で異なる。排出され難い位置に水が溜まっている場合には、セル電圧の低下のおそれがあるので、掃気処理をしっかりと行うことが望ましい。

したがって、本発明の好ましい一態様において、セル積層体が、セル積層方向に反応ガスを供給されることにより各単セルの反応ガス流路に反応ガスを供給されるように構成されている場合、運転制御部は、セル積層体における反応ガスの供給方向下流側の単セルほど、掃気処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを大きくするとよい。また、運転制御部は、セル面内における反応ガス流路への反応ガスの入口側ほど、掃気処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを大きくするとよい。

このような構成によれば、セル積層方向又はセル面内における排出され難い位置に水が溜まっている場合に、掃気処理を適切に行うことができる。

また、好ましくは、反応ガス流路は、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路と、を有するとよい。そして、運転制御部は、閾値以上の残水量が燃料ガス流路にあると推定された場合に、燃料ガス流路に対して掃気処理を実行する一方、閾値以上の残水量が酸化ガス流路にあると推定された場合に、酸化ガス流路に対して掃気処理を実行するとよい。

こうすることで、燃料ガス流路と酸化ガス流路とで切り分けて必要な掃気処理を行うことができる。

さらに、好ましくは、推定部は、掃気処理中も残水量分布を推定するとよく、運転制御部は、掃気処理中に推定された残水量が所定の閾値よりも小さくなった場合に、間欠運転を許可するとよい。

これにより、残水量が低減したことを推定により確認してから間欠運転を許可するので、間欠運転による水溜りを確実性良く抑制することができる。

また、別の好ましい一態様によれば、運転制御部は、閾値以上の残水量が推定された場合に、アノード電極側から排出される燃料ガスを再度アノード電極へ供給する循環運転処理を間欠運転中に行うとよい。

こうすることで、間欠運転中にアノード電極側で残留水が溜まるのを抑制することができ、間欠運転後のセル電圧の低下を抑制することができる。

この場合、運転制御部は、閾値以上の残水量の位置及び大きさの少なくとも一方に応じて、循環運転処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを変更するとよい。

これにより、上記掃気処理の場合と同様に、循環運転処理の効率を向上することができる。

好ましくは、上記した所定の閾値は、燃料ガス流路側と酸化ガス流路側との間、セル積層方向における単セルの位置、又は、セル面内における反応ガス流路への反応ガスの入口側と出口側との間で異なるとよい。

これにより、燃料ガス流路及び酸化ガス流路のそれぞれの特性や、上記した水の排出性に応じた閾値を用いることができる。

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＝外気温×外部温度とし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制御例について説明する。本制御例は、精度の高い推定結果を利用して、燃料電池１の水分布を考えた上で燃料電池１の間欠運転の内容を変更し、セル電圧の低下による劣化を抑制することができるものである。

ここで、間欠運転とは、燃料電池１のシステム効率が低下する軽負荷条件時（アイドリング時など）に燃料電池１の発電を停止する運転をいう。具体的には、間欠運転では、電極２４Ａ，２４Ｂへ水素ガス及び空気を供給する補機類（コンプレッサ３３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６など）の作動を停止すると共に、燃料電池１の発電を停止する。そして、この間欠運転中に必要な駆動力及び燃料電池車両の補機動力は、図示省略した二次電池などの補助電源から供給される。上記した制御装置６００の記憶部６５には、間欠運転を行うモード及び間欠運転を行わない通常運転のモードなどが記憶されており、運転制御部６８が、通常運転のモードから間欠運転のモードに必要に応じて切り替えて、間欠運転を実行する。以下、本制御例における間欠運転の内容を変更する複数の例を説明する。

１．第１の制御例（間欠運転の禁止）
第１の制御例は、間欠運転を禁止するという意味で、間欠運転の内容を変更するものである。

図２１に示すように、先ず、ステップＳ１０１において、上記した推定方法により、全ての単セル２の水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂそれぞれの残水量分布並びに含水量分布を推定する。この推定は、推定部６７によって実行される。次いで、この推定された残水量が閾値以上であるか否かが判断される（ステップＳ１０２）。この判断は運転制御部６８によってなされる。

推定された残水量が閾値未満である場合には（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、運転制御部６８は燃料電池１の間欠運転を許可する。（ステップＳ１０３）。残水量が閾値未満であれば、間欠運転のモードを実行しても、間欠運転後にセル電圧が下がるおそれがないからである。一方で、推定された残水量が閾値以上である場合には（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、運転制御部６８は、間欠運転を禁止する（ステップＳ１０４）。

ここで、ステップＳ１０２において閾値と比較する残水量（推定値）は、水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂのあらゆる部分の残水量である。そして、比較に用いる閾値は、水素流路２５Ａ側と空気流路２５Ｂ側とで異なると共に、セル積層方向における単セル２の位置に応じても異なり、さらには、セル面内における位置に応じても異なる。これは、反応ガスの種類（水素ガス、空気）、セル積層方向の位置及びセル面内の位置に応じて、反応ガスの流れによって持ち去られる液水の排出性が異なるからである。この点について、図２２〜２４を参照して具体的に説明する。

図２２に示すように、セル積層方向の奥側に位置する単セル２（端部セル２ａ）であるほど、マニホールド１５ａでの圧損等に起因して反応ガスが流れにくい。つまり、セル積層方向の手前側に位置する単セル２であるほど、反応ガスがガス入口（２７ａ，２８ａ）からガス出口（２８ａ、２８ｂ）へと流れ易く、液水の排出性が高い。なお、セル積層方向の奥側及び手前側とは、それぞれ、セル積層体３における反応ガスの供給方向下流側及び上流側をいう。また、セル面内においては、ガス入口（２７ａ，２８ａ）側であるほど、ガス出口（２７ｂ、２８ｂ）までの距離が長くなるので、液水が排出されにくい。つまり、セル面内においては、溜まった液水がガス出口（２８ａ、２８ｂ）側に近いほど、反応ガス流路（２５Ａ，２５Ｂ）外へと排出され易い。なお、図２２においては、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、カウンターフローの流路形態を例にしている。

図２３Ａ及び図２３Ｂは、それぞれ、セル積層方向の最も奥側に位置する単セル２で用いる閾値について、水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂにおける位置との関係を示す図である。これらの図に示す横軸の矢印は、セル面内における水素ガス及び空気の流れ方向を示しており、これらの流れ方向は図２２に示す流れ方向と合致している。したがって、例えば、図２３Ａでは、縦軸と横軸との交差点が水素出口２７ｂであり、水素出口２７ｂに近い位置ほど大きな閾値が用いられる。また、図２３Ｂでは、縦軸と横軸との交差点が空気入口２８ａであり、空気出口２８ｂに近い位置ほど大きな閾値が用いられる。このように、ガス出口（２７ｂ、２８ｂ）に近い位置ほど大きな閾値としているのは、上記のとおり、溜まった液水が排出され易いからである。

図２４Ａ及び図２４Ｂは、それぞれ、セル積層方向の最も手前側に位置する単セル２で用いる閾値について、水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂにおける位置との関係を示す図である。図２３Ａと同様に、図２４Ａでは、縦軸と横軸との交差点が水素出口２７ｂであり、水素出口２７ｂに近い位置ほど大きな閾値が用いられる。この点、図２４Ｂも同様である。そして、図２３Ａと図２４Ａとを比較して理解されるように、セル面内の同じ位置に関しては、セル積層方向の奥側よりも手前側の方が大きな閾値が用いられる。例えば、水素出口２７ｂ近傍の閾値は、ｇ_A,1＜ｇ_A,２という関係となる。これは、上記のとおり、セル積層方向の手前側であるほど、溜まった液水が排出され易いからである。

このように、ステップＳ１０２で用いる閾値は、一定値ではなく、排水性を考慮して、液水の存在する位置に応じた所定の値が用いられる。

以上説明したように、第１の制御例によれば、精度の高い水分布の推定結果を利用しているので、残水量が多い場合に間欠運転を精度良く禁止することができる。これにより、間欠運転の実行に伴う残水量の増加を抑制することができ、間欠運転による水溜りを起因としたセル電圧の低下を精度良く抑制することができる。また、システム全体としても燃費を向上することができる。特に、液水の存在する場所及びその量により閾値を変更しているので、間欠運転の禁止を適切に実行することができる。

なお、図２１に示すように、間欠運転の禁止後（ステップＳ１０４）及び間欠運転の許可後（ステップＳ１０３）のいずれも、ステップＳ１０１に戻り、本フローが行われる。

２．第２の制御例（間欠運転前の掃気処理）
第２の制御例は、間欠運転の前に掃気処理を行うという意味で、間欠運転の内容を変更するものである。

図２５に示すように、図２１のステップＳ１０１及びＳ１０２と同様に、全ての単セル２の残水量分布並びに含水量分布が推定され（ステップＳ１１１）、推定された残水量が閾値以上であるか否かが判断される（ステップＳ１１２）。このステップＳ１１２で用いる閾値も、ステップＳ１０２で用いた閾値（参照：図２３Ａ，Ｂ及び図２４Ａ，Ｂ）と同じである。そして同様に、推定された残水量が閾値未満である場合には（ステップＳ１１２：Ｎｏ）、燃料電池１の掃気処理を行うことなく間欠運転を許可する。（ステップＳ１１３）。

一方、推定された残水量が閾値以上である場合には（ステップＳ１１２：Ｙｅｓ）、燃料電池１の掃気処理を実行する（ステップＳ１１４）。掃気処理により残水量が低減されるので、掃気処理を実行した後（ステップＳ１１４）、間欠運転が許可されることになる（ステップＳ１１３）。

ここで、掃気処理は、ある一定の制御量及び制御時間で行うことができる。ただし、推定部６７により推定された燃料電池１の水分布を考えた上で、掃気処理の態様を適宜変更することが望ましい。具体的には、運転制御部６８が、閾値以上の残水量が存在する位置及び大きさの少なくとも一方に応じて、掃気処理を実行するガス系統、並びに掃気処理における制御量及び制御時間を決定する。例えば、閾値以上の残水量が多いほど、掃気処理における制御量及び制御時間を大きくする。また、掃気処理の態様を変更する際に、考慮する残水量の位置の例としては、（１）掃気処理の対象となるアノード側・カソード側の流路、（２）セル積層方向及びセル面内の位置が挙げられる。

（１）アノード側・カソード側の流路
例えば、閾値以上の残水量が水素流路２５Ａにあると推定された場合には、水素流路２５Ａに対して掃気処理を実行する。この場合の掃気処理は、例えば、水素ポンプ４６を回転させ、それにより送り込んだガスで水素流路２５Ａ内の液水を持ち去ることで行うことができる。一方、閾値以上の残水量が空気流路２５Ｂにあると推定された場合には、空気流路２５Ｂに対して掃気処理を実行する。この場合の掃気処理は、例えば、燃料電池１への水素ガスの供給を停止した状態でコンプレッサ３３によって空気を供給し、空気流路２５Ｂ内の液水を空気で持ち去ることで行うことができる。なお、背圧弁３４によりエア背圧を下げてもよい。

このように、アノード側とカソード側とで切り分けた掃気処理を実行することで、閾値以上の残水量が存在する方（カソード側又はアノード側）の残水量を適切に低減することができる。なお、アノード側及びカソード側の両方で閾値以上の残水量が推定された倍には、燃料電池１の発電量を一定にしつつ、水素ガス及び空気の流量を増加させる（つまり、ストイキ比を上げる）ようにすればよい。なお、上記した反応ガスを用いた掃気処理に代えて、不活性ガス（例えば窒素）を反応ガス流路（水素流路２５Ａ、空気流路２５Ｂ及びその両方の少なくとも一つ）に供給することで、掃気処理を行うことも可能である。

（２）セル積層方向及びセル面内の位置
上記したように、セル積層方向における単セル２の位置や、セル面内における位置に応じて、液水の排出性が異なる。この点を考慮し、閾値以上の残水量の存在位置が液水排出性の低い場所であるほど、掃気処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを大きくするとよい。つまり、セル積層方向の奥側やセル面内のガス入口（２７ａ，２８ａ）に近い位置であるほど、反応ガス流路に送り込む掃気ガスの量を増やしたり、掃気時間を長くしたりするとよい。なお、掃気ガスは、コンプレッサ３３からの空気、水素ポンプ４６からの水素ガス又は図示省略した機器からの不活性ガスである。

一方、閾値以上の残水量の存在位置が液水排出性の高い場所であるほど、掃気処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを小さくするとよい。つまり、セル積層方向の手前側やセル面内のガス出口（２７ｂ、２８ｂ）に近い位置であるほど、反応ガス流路に送り込む掃気ガスの量を減らしたり、掃気時間を短くしたりするとよい。このように、液水の排出性も考慮して掃気処理を実行することで、掃気処理の効率を向上することができる。

以上説明したように、第２の制御例によれば、精度の高い水分布の推定結果を利用しているので、残水量が多い場合に精度良く掃気処理を行い、残水量を減らすことができる。これにより、掃気処理後に許可された間欠運転を行っても、残水量が過剰になることを抑制できるため、間欠運転後のセル電圧の低下を抑制することができる。なお、図２５に示すように、間欠運転の許可後（ステップＳ１１３）はステップＳ１１１に戻り、本フローが行われる。

３．第２の制御例の変形例
図２６に示すように、本変形例は、図２５に示すフローにステップＳ１２５及びＳ１２６を追加したものである。なお、ステップＳ１２１〜１２３は、ステップＳ１１１〜Ｓ１１３と同じであるので、説明を省略する。

具体的には、ステップＳ１２４での掃気処理中にも水分布を推定する（ステップＳ１２５）。この水分布の推定は、上記したステップＳ１０１の水分布推定と同様に、全ての単セル２の水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂそれぞれの残水量分布並びに含水量分布を推定する。その後、推定された残水量が閾値未満になったか否かが判断される（ステップＳ１２６）。なお、ステップＳ１２６で用いる閾値は、上記したステップ１０２で用いる閾値と同じである。

そして、推定された残水量が閾値以上であると判断される場合には（ステップＳ１２６：Ｎｏ）、引き続き掃気処理及び水分布の推定を行う（ステップＳ１２４及びＳ１２５）。一方、推定された残水量が閾値未満になったと判断された場合には（ステップＳ１２６：Ｙｅｓ）、掃気処理を終了し、燃料電池１の間欠運転を許可する。（ステップＳ１２３）。

本変形例によれば、掃気処理により残水量が低減したことを、上記した精度の良い推定方法により確認してから間欠運転を許可することができる。これにより、図２５に示した場合よりも、より確実に、間欠運転後のセル電圧の低下を抑制することができる。特に、本変形例によれば、掃気処理をしながら水分布を推定し、それに基づいて掃気処理を終了するようにしている。このため、上記第２の制御例のように、閾値以上の残水量の位置及び大きさに応じて、掃気処理における制御量及び制御時間を決定する必要がない。

なお、掃気処理中に水分布を推定する方法のみならず、次の方法を実行してもよい。すなわち、掃気処理をある程度行ってから、掃気処理を一旦停止して水分布を推定し、推定された残水量が閾値未満になったか否かを判断する。その結果、閾値未満である場合には、掃気処理を行うことなく間欠運転を許可する。一方、閾値以上である場合には、再び掃気処理実行及び水分布の推定を行う。

４．第３の制御例（反応ガスの一方のみ供給停止）
第３の制御例は、閾値以上の残水量が推定された流路に対してのみ、反応ガスの供給を停止しないというものである。この第３の制御例は、水分布を推定せずに一律に間欠運転を行う場合と比較して、水分布を推定してから間欠運転を許可するという意味で、間欠運転の内容を変更するものである。なお、そういう意味では、第１及び第２の制御例とも共通する。

図２７に示すステップＳ１３１〜Ｓ１３３は、図２１に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０３と同じである。本制御例では、推定された残水量が閾値以上である場合に（ステップＳ３２：Ｙｅｓ）、その閾値以上の残水量がある電極側に対してのみ反応ガスを止めないようにする（ステップＳ１３４）。例えば、閾値以上の残水量が水素流路２５Ａにあると推定された場合には、水素流路２５Ａに対しては水素ガスの供給を続行する一方、空気流路２５Ｂに対しては空気の供給を停止する。一方、閾値以上の残水量が空気流路２５Ｂにあると推定された場合には、空気流路２５Ｂに対しては空気の供給を続行する一方、水素流路２５Ａに対しては水素ガスの供給を停止する。

このような方法によれば、発電が止まる燃料電池１で水が新たに生成されるのを抑制しつつ、反応ガスの供給によって、閾値以上の残水量がある反応ガス流路から液水を排出することができる。したがって、閾値以上の残水量を精度良く減らすことができるので、間欠運転による水溜りの懸念がなくなった状態で、間欠運転を実行することができる。よって、間欠運転後のセル電圧の低下を抑制することができる。なお、ステップ１３４における反応ガスの一方のみの供給は、ある一定時間だけ行われ、その後、再びステップＳ１３１に戻って本フローを行う。

５．第４の制御例（間欠運転中の補機類の駆動）
上記のとおり、一般に間欠運転では、電極２４Ａ，２４Ｂへ水素ガス及び空気を供給する補機類（コンプレッサ３３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６など）の作動を停止する。第４の制御例は、燃料電池１の発電を停止したまま、間欠運転中もアノード側の補機類を動かすという意味で、間欠運転の内容を変更するものである。

図２８に示すステップＳ１４１及びＳ１４２は、図２１に示すステップＳ１０１及びＳ１０２と同じであるが、これらは間欠運転中に行われる。ステップ１４２の結果、推定された残水量が閾値未満である場合には（ステップ１４２：Ｎｏ）、アノード電極２４Ａに対して水素ガスの循環は引き続き停止される（ステップＳ１４３）。つまり、燃料電池１は、空気及び水素ガスのいずれも供給されない状態が維持される。

一方、推定された残水量が閾値以上である場合には（ステップＳ１４２：Ｙｅｓ）、間欠運転中の水素ガスの循環がなされることになる（ステップＳ１４４）。つまり、水素オフガスを再度アノード電極２４Ａに供給する循環運転処理を行うべく、水素ポンプ４６が駆動される。このとき、水素供給源４０からの水素ガスはアノード電極２４Ａに供給されず、単に水素オフガスのみがアノード電極２４Ａに対して循環供給されることになる。循環運転処理により、水素流路２５Ａ内から液水を排出することができ、残水量を低減することができる。なお、ステップ１４４での循環運転処理では、所定のタイミングでパージ弁４８を開弁し、水素オフガスが持ち去った液水を排出することが好ましい。

ここで、ステップＳ１４４における水素ポンプ４６の駆動の仕方として、ＯＮ/ＯＦＦで駆動することもできる。ただし、上記のステップＳ１１４に関連して説明した掃気処理の場合と同様に、閾値以上の残水量が存在する位置及び大きさの少なくとも一方に応じて、水素ポンプ４６の駆動の仕方（制御量及び制御時間）を変更することが好ましい。この一例について図２９を参照して説明する。

図２９では、縦軸に水素ポンプ４６の制御量（つまり、回転数）を示し、横軸に水素ポンプ４６の制御時間（つまり、回転させる時間）を示している。図２９の曲線Ｌ_１〜Ｌ_３は、閾値以上の残水量の位置及び大きさに応じて、循環運転処理の際に用いる水素ポンプ４６の制御線である。閾値以上の残水量が比較的多い場合には制御線Ｌ_３が用いられ、閾値以上の残水量が比較的少ない場合には制御線Ｌ_１が用いられる。また、閾値以上の残水量がある位置が、セル積層方向の奥側又はセル面内のガス入口（２７ａ，２８ａ）に近い位置である場合には、制御線Ｌ_３が用いられる。逆に、閾値以上の残水量がある位置が液水排出性の高い場所であるには、制御線Ｌ_１が用いられる。このような方法で、水素ポンプ４６を駆動することで、循環運転処理の効率を向上することができ、燃費損失を最小限に抑えることができる。なお、別の例では、水素ポンプ４６の制御量及び制御時間の一方だけを可変するようにしてもよい。

以上説明したように、第４の制御例によれば、精度の高い水分布の推定結果を利用しているので、間欠運転中に残水量が多い場合に、精度良く循環運転処理を行うことができる。これにより、残水量を減らすことができるので、間欠運転後の水溜りによるセル電圧の低下を抑制することができる。なお、第４の制御例は、水素流路２５Ａに液水が溜まっている場合に有利である。第４の制御例の変形例として、推定された残水量が閾値以上である場合に、間欠運転中にコンプレッサ３３を駆動することも可能である。

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。 実施形態の第１の制御例に係る間欠運転の禁止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積層体における反応ガスの流れ及び液水を模式的に示す図である。 実施形態に係る電流制限の最適化で用いる閾値と、セル積層方向の奥側にある酸化ガス流路における位置との関係を示す図である。 実施形態に係る電流制限の最適化で用いる閾値と、セル積層方向の奥側にある燃料ガス流路における位置との関係を示す図である。 実施形態に係る電流制限の最適化で用いる閾値と、セル積層方向の手前側にある酸化ガス流路における位置との関係を示す図である。 実施形態に係る電流制限の最適化で用いる閾値と、セル積層方向の手前側にある燃料ガス流路における位置との関係を示す図である。 実施形態の第２の制御例に係る間欠運転前の掃気処理フローを示す図である。 第２の制御例の変形例に係る間欠運転前の掃気処理フローを示す図である。 実施形態の第３の制御例に係る間欠運転の内容を変更するフローを示すフローチャートである。 実施形態の第４の制御例に係る間欠運転中の循環運転処理フローを示すフローチャートである。 第４の制御例に係る循環運転処理フローにおける水素ポンプの駆動方法の一例を示す図である。

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

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。

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、アノード電極、カソード電極、これらの間の電解質膜、及び反応ガス流路を有する単セルを複数積層してなるセル積層体を含む燃料電池を備えると共に、燃料電池の間欠運転を行うモードを備えるものにおいて、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を考慮して、各単セルのセル面内における反応ガス流路の残水量分布を推定する推定部と、推定部により推定された反応ガス流路の残水量が所定の閾値以上である場合に、間欠運転の内容を変更する運転制御部と、を備えたものである。

本発明によれば、電極間の水移動を考慮しているので、セル面内のみならずセル積層方向の残水量分布の推定精度を向上することができる。そして、この向上した推定結果を利用して間欠運転の内容を変更するので、間欠運転による水溜りを起因としたセル電圧の低下を精度良く抑制することができる。例えば、閾値以上の残水量が推定された場合に、残水量のさらなる増加を抑制したり、あるいは残水量の低減を推進したりするように、間欠運転の内容を変更することができる。
なお、推定部は、前記水移動を考慮して、各単セルのセル面内における電解質膜の含水量分布も推定することが好ましい。

Claims (14)

1. アノード電極、カソード電極、これらの間の電解質膜、及び反応ガス流路を有する単セルを複数積層してなるセル積層体を含む燃料電池を備えると共に、前記燃料電池の間欠運転を行うモードを備える燃料電池システムにおいて、
   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を考慮して、各単セルのセル面内における前記反応ガス流路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と、
   前記推定部により推定された前記反応ガス流路の残水量が所定の閾値以上である場合に、前記間欠運転の内容を変更する運転制御部と、を備えた燃料電池システム。
2. 前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量が推定された場合に、前記間欠運転を禁止する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記運転制御部は、前記アノード電極側及びカソード電極側のうち前記閾値以上の残水量が推定された方に対してのみ、反応ガスの供給を停止しない、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量が推定された場合に、前記燃料電池を掃気処理した後で前記間欠運転を許可する、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量の位置及び大きさの少なくとも一方に応じて、前記掃気処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを変更する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記セル積層体は、セル積層方向に反応ガスを供給されることにより各単セルの反応ガス流路に反応ガスが供給されるものであり、
   前記運転制御部は、前記セル積層体における反応ガスの供給方向下流側の単セルほど、前記掃気処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを大きくする、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記運転制御部は、セル面内における前記反応ガス流路への反応ガスの入口側ほど、前記掃気処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを大きくする、請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 前記反応ガス流路は、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路と、を有しており、
   前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量が前記燃料ガス流路にあると推定された場合に、前記燃料ガス流路に対して前記掃気処理を実行する一方、前記閾値以上の残水量が前記酸化ガス流路にあると推定された場合に、前記酸化ガス流路に対して前記掃気処理を実行する、請求項４に記載の燃料電池システム。
9. 前記推定部は、前記掃気処理中も前記残水量分布を推定し、
   前記運転制御部は、前記掃気処理中に推定された残水量が前記閾値よりも小さくなった場合に、前記間欠運転を許可する、請求項４ないし８のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
10. 前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量が推定された場合に、前記アノード電極側から排出される燃料ガスを再度アノード電極へ供給する循環運転処理を前記間欠運転中に行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
11. 前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量の位置及び大きさの少なくとも一方に応じて、前記循環運転処理における制御量及び制御時間の少なくとも一つを変更する、請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記反応ガス流路は、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路と、を有しており、
    前記閾値は、前記燃料ガス流路側と前記酸化ガス流路側との間で異なる、請求項１ないし７のいずれか一項、請求項１０又は１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記閾値は、セル積層方向における単セルの位置に応じて異なる、請求項１ないし７のいずれか一項、請求項１０又は１１に記載の燃料電池システム。
14. 前記閾値は、セル面内における前記反応ガス流路への反応ガスの入口側と出口側との間で異なる、請求項１ないし７のいずれか一項、請求項１０又は１１に記載の燃料電池システム。

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