JPWO2010073385A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、放置中の水分量の推定精度を向上することができる燃料電池システムを提供することである。【解決手段】燃料電池システムは、単セルを複数積層した燃料電池と、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燃料ガス流路及び酸化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を有する。推定部は、燃料電池システムの停止から再始動されるまでの放置期間中に取得した各単セルの温度情報に基づいて、放置期間中に燃料ガス流路の残水量を推定する。また、燃料電池システムは、放置期間中に推定された燃料ガス流路の残水量が所定の閾値を越えた場合に、燃料ガス流路に対して掃気処理を実行し得る。

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池の水分量を推定する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、特許文献１は、燃料電池システムの停止後の放置中に水分量の分布を推定し制御することは何ら開示していない。実際、燃料電池システムの放置中では、水蒸気分圧差（温度差）によりカソード電極側に溜まった水が電解質膜を介してアノード電極側へと移動する。その結果、燃料電池システムを次に始動するときに、アノード電極側流路の残水量が多くて、その圧損が高い状態になっている場合もある。このため、再始動したときにアノード電極への水素ガスの供給が不足し、単セルのＭＥＡが劣化するおそれがある。

本発明は、放置中の水分量の推定精度を向上することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、アノード電極、カソード電極、これらの間の電解質膜、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路、及び、カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する単セルを複数積層した燃料電池と、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燃料ガス流路及び酸化ガス流路の残水量分布並びに電解質膜の含水量分布を推定する推定部と、を有する。推定部は、燃料電池システムの停止から再始動されるまでの放置期間中に取得した各単セルの温度情報に基づいて、放置期間中に燃料ガス流路の残水量を推定する。

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。また、放置期間中に温度情報を取得することで、放置期間中の水移動を精度良く把握することができ、燃料ガス流路の残水量を精度良く推定することができる。これにより、例えば残水量が多い場合には、その対策制御を燃料電池システムの再始動前に的確に行うことが可能となる。

以下の説明では、燃料電池システムの停止、放置及び再始動をそれぞれ「システム停止」、「システム放置」及び「システム再始動」と略記する場合がある。

好ましくは、燃料電池システムは、燃料電池に関する温度を検出する温度センサを更に備え、推定部は、温度センサにより検出された一つの温度を用いて、各単セルの温度を算出するとよい。

これにより、全ての単セルに対して個々に温度センサを設ける場合に比べて、部品点数及びコストを低減しながら各単セルの温度情報を取得することができる。

好ましくは、温度情報は、放置期間中の各単セルの温度変化を示す温度プロファイルであるとよい。

本発明者らは、どのような温度プロファイルとなるかで、セル積層方向における単セル間の温度分布が異なり、電極間温度差による燃料ガス流路への水移動量が異なることを見出した。上記の好ましい態様のように温度プロファイルを取得することで、単セル間の温度分布の推移を推定することが可能となり、放置期間中の燃料ガス流路の残水量をより正確に推定することが可能となる。

好ましくは、燃料電池システムは、放置期間中に推定された燃料ガス流路の残水量が所定の閾値を越えた場合に、燃料ガス流路に対して掃気処理を実行する運転制御部を備えるとよい。

この構成によれば、掃気処理により燃料ガス流路内の残水を減らすことができるので、システム放置中に燃料ガス流路で水詰りが発生するのを抑制することができる。よって、システム再始動時に燃料ガス供給不足を抑制することができる。また、システム再始動時又はシステム停止時に掃気処理する場合には、その時間を短縮することも可能となる。

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．システム放置中の推定及びその推定結果を利用した制御例
先ず、図２１〜図２４を参照して、燃料電池システム１００の運転停止、放置及び再始動のパターンにおける一般的な残水量の変動について説明し、次に、図２５及び図２６を参照して、燃料電池システム１００の放置期間中のアノード側残水量の推定について説明する。そして最後に、図２７Ａ，Ｂを参照して、放置期間中の推定結果を利用した制御例について説明する。

図２１は、本実施形態に係る制御例を実行しない場合の時間経過に伴う単セル２の残水量の変化の一例を示す図である。
図２１に示すように、燃料電池システム１００の運転中の区間（タイムｔ_１まで）では、カソード側の残水量はアノード側の残水量よりも多くなっている。これは、上述したように、カソード側では単セル２の発電に伴って水が生成されるからである。タイムｔ_１で燃料電池システム１００の運転を停止すると、その後の放置区間（タイムｔ_１〜ｔ_２）では、水蒸気分圧差（温度差）によりカソード側からアノード側へと水が移動し、残水量の大きさが逆転し得る。また、アノード側の残水量が、システム停止時（タイムｔ_１）よりもシステム再始動時（タイムｔ_２）の方が大きくなることがある。

図２２Ａ及びＢは、図９に示すセル積層体３をモデルにした場合におけるシステム再始動時（タイムｔ_２）の水素流路２５Ａの残水量分布及び圧損分布の一例を示す。
図２２Ａに示すように、端部セル２ａほど残水量が多く、セル積層方向の中央部にある単セル２（以下、これを主セル２ｂという。図９参照。）の残水量が少ないことが分かる。特に、セル積層方向の奥側（セル積層体３における反応ガスの供給方向下流側）の端部セル２ａは、セル積層方向の手前側の端部セル２ａよりも残水量が多くなる。この残水量が多いほど、水素ガスの流れが阻害されるため、水素流路２５Ａでの圧損が高くなる（図２２Ｂ参照）。

図２３は、図９に示すセル積層体３をモデルにした場合におけるシステム放置中のセル温度の変化の一例を示す。
図２３の曲線Ｌ_１〜Ｌ_３に示すように、燃料電池システム１００の放置期間（＝ｔ_２−ｔ_１）が長くなるほど、セル温度は大きく低下する。セル温度は、セル積層体３での単セル２の位置に応じて異なり、端部セル２ａのセル温度が最も低くなる。これは、セル積層体３の端部ほど放熱量が大きいからである。なお、セル温度とは、例えば、上記したセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}である。

図２４は、システム放置中における単セル２の温度と飽和水蒸気圧との関係の一例を示す。
図２４に示すように、任意の単セル２において、セル積層方向外側のアノード電極２４Ａの温度Ｔ_ＡＮは、これよりもセル積層方向内側のカソード電極２４Ｂの温度Ｔ_ＣＡよりも低くなり易い。この温度差△Ｔは、主セル２ｂよりも端部セル２ａの方が大きくなり易い。これは、上記した放熱量の違いからである。温度差△Ｔによって、電極２４Ａ，２４Ｂ間に水蒸気分圧の差が発生し、カソード電極２４Ｂ側からアノード電極２４Ａ側へと電解質膜２３を透過して水が移動する。この温度差△Ｔが大きいほど水蒸気分圧の差が大きくなるため、水の移動量が多くなる。

システム放置中の水移動の結果、システム再始動時に、水素流路２５Ａに対し水素ガスの供給量が不足するおそれがある。特に、燃料電池システム１００の車両搭載状態でのＷＯＴ（Wide Open Throttle:スロットルバルブ全開）など、急速な出力上昇要求がある場合、水素ガスの供給量不足となる可能性が高い。供給量不足となると、ＭＥＡ２０が劣化するおそれがある。システム再始動時の水素ガスの供給量不足を抑制するためには、システム放置中の水移動を精度良く把握して、水素流路２５Ａ内の残水量を適切な状態に維持することが望ましい。

そこで、本実施形態では、システム放置中にも水素流路２５Ａ内の残水量分布を推定するようにしており、そのために、システム放置中に単セル２の温度を取得するようにしている。この場合、単セル２の温度として、上記したセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を取得する。つまり、本実施形態では、上記「（３）セル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}の算出について」に記載の方法を用いることで、温度センサＴ２により一つのスタック出口温度Ｔ_ＯＵＴを検出し、推定部６７がこの検出値から各単セル２のセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を算出する。

ここで、上記したシステム運転中のセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}の算出では、次の関数を用いた。
Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}＝ｆ（Ｑ_{ｃｅｌｌ，ｉ}、Ｑ_{ＬＬＣ，ｉ}、Ｔ_ＯＵＴ、Ｔ_外気、Ｖ_車速）
しかし、システム放置中のセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}の算出では、発熱量Ｑ_{ｃｅｌｌ，ｉ}、冷媒流量Ｑ_{ＬＬＣ，ｉ}、及びＶ_車速のパラメータは用いなくてよい。システム放置中では、これらの値はゼロとなるからである。
したがって、システム放置中のセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}としては、セル積層体３における放熱量のバラツキを考慮した次の関数から算出されるものが用いられる。
Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}＝ｆ（Ｔ_ＯＵＴ、Ｔ_外気）

ここで、システム放置中にセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を算出する回数は、少なくとも１回であるが、好ましくは複数回であるとよい。この理由について図２５を参照して説明する。

図２５は、システム停止からシステム再始動まで（すなわちシステム放置中）のセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}の時間変化を示す。燃料電池システム１００がおかれる条件によって、システム放置中のセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}の降温プロファイルは異なる。このため、図２５に点線で示す降温プロファイル１と、同じく実線で示す降温プロファイル２とでは、セル積層体３における温度分布のつきかたも異なり、電極間の温度差△Ｔによる水素流路２５Ａ内への水移動量が異なることになる。

この点、仮に、システム停止時及びシステム再始動時におけるセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}の温度情報のみで推定を行おうとすると、システム放置中にセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}がどのような降温プロファイルをたどるのかを把握することができない。その結果、水素流路２５内の残水量分布の推定精度が悪くなる。また、システム放置中にセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を１回しか算出しない場合には、ある程度の降温プロファイルを把握することができるが、より高精度に把握するにはセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を複数回算出することが好ましい。

そこで、図２６に示すように、本実施形態では、システム放置中に各単セル２のセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を複数回算出し（参照：プロットＡ_１〜Ａ_３）、この複数回の算出結果から、システム放置中のセル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}の温度変化を示す温度プロファイルを高精度に取得するようにしている。そして、その取得した温度プロファイルからシステム放置中の温度分布の推移を推定し、上記の「１．セル面内での水分布の推定方法」を用いることで、システム放置中のアノード側の残水量分布を含む水分量の分布を推定している。

したがって、以上説明した本実施形態に係るシステム放置中のアノード側残水量の推定によれば、システム放置中の水移動を精度良く把握することができるので、システム放置中の水素流路２５Ａ内の残水量を精度良く推定することができる。これにより、水素流路２５Ａ内の残水量に応じた対策制御（例えば後述する掃気処理）を的確に行うことができる。

なお、システム放置中にタイマーを用いて、システム停止からシステム再始動までのある一時的な期間のみ、上記推定（セル出口温度Ｔ_{ＯＵＴ，ｉ}を取得し、それに基づく水素流路２５Ａ内の残水量の推定）を行ってもよい。

次に、図２７Ａ，Ｂを参照して、システム放置中の水素流路２５Ａ内の残水量についての上記推定結果を利用した制御例を説明する。この制御例は、上記した温度プロファイルの監視によりシステム放置中に推定された水素流路２５Ａ内の残水量が所定の閾値に達したときに、水素流路２５Ａに対して掃気処理を実行するものである。なお、この掃気処理に関連する制御は、推定部６７からの信号を受けた運転制御部６８によって実行される。

図２７Ａの縦軸は単セル２の残水量を示しており、同図には単セル２におけるアノード残水量（水素流路２５Ａ内の残水量の総量の推定値）及びカソード残水量（空気流路２５Ｂ内の残水量の総量の推定値）の推移が表されている。残水量Ｗ_１は、掃気処理の実行の有無を決定する閾値であり、水素流路２５Ａ内の水詰り発生残水量を示している。

図２７Ａに示すように、システム放置中は上記のとおり水移動が行われるため、時間経過に伴いカソード残水量が減る一方、その分、アノード残水量が増加する。本制御例では、図２７Ｂに示すように、このアノード残水量が残水量Ｗ_１に達した場合に（時間ｔ_１）、水素ポンプ４６を一定期間（＝時間ｔ_２−ｔ_１）だけ回転させることで掃気処理を行う。この場合、残水量Ｗ_１に達したか否かを比較するアノード残水量は、少なくとも一つの単セル２又は端部セル２ａのアノード残水量であればよい。そして、このような掃気処理によって、水素ポンプ４６から圧送されたガスが水素流路２５Ａ内の液水を持ち去り、アノード残水量が低下することになる。その後、時間ｔ_３に示されるように、アノード残水量が再び残水量Ｗ_１に達することがあれば、再度、水素ポンプ４６を回転させて掃気処理を実行するようにする。

このように、本実施形態の制御例によれば、精度の高い水分布の推定結果を利用しているので、システム放置中に適切に掃気処理することができる。これにより、システム再始動時に過剰な残水量に対する対策を施さなくて済むので、ユーザのドラビリの向上に寄与できる。また、システム再始動時に掃気処理のために水素ポンプ４６を回転させなくて済み、騒音が低減されるので、ＮＶを向上することもできる。さらに、システム再始動時に、水素流路２５Ａへの水素ガス供給不足を抑制することができ、燃費の向上にもつながる。一方、システム放置中に掃気処理を実行することにより、システム停止時及びシステム再始動時に掃気処理する場合の掃気処理時間を短縮することができる。

なお、別の実施態様においては、不活性ガス（例えば窒素）を水素流路２５Ａに供給することで、掃気処理を行うことも可能である。

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。 実施形態に係る制御例を実行しない場合の時間経過に伴う単セルの残水量の変化の一例を示す図である。 図９に示すセル積層体をモデルにした場合におけるシステム再始動時の水素流路の残水量分布の一例を示す図である。 図９に示すセル積層体をモデルにした場合におけるシステム再始動時の水素流路の圧損分布の一例を示す図である。 図９に示すセル積層体をモデルにした場合におけるシステム放置中のセル温度の変化の一例を示す図である。 図９に示すセル積層体をモデルにした場合におけるシステム放置中の単セルの温度と飽和水蒸気圧との関係の一例を示す図である。 実施形態に係るシステム放置中のアノード側残水量の推定について説明するのに用いられる図であり、システム放置中の単セルの温度変化の態様を示す図である。 実施形態に係るシステム放置中に取得した単セルの温度プロファイルを示す図である。 実施形態の制御例に係るシステム放置中の掃気処理を示すタイミングチャートであり、縦軸に各セルの残水量を示す図である。 実施形態の制御例に係るシステム放置中の掃気処理を示すタイミングチャートであり、縦軸に水素ポンプの回転数を示す図である。

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、アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路、及び、カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する単セルを複数積層した燃料電池と、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燃料ガス流路の残水量分布を推定する推定部と、を有する。推定部は、燃料電池システムの停止から再始動されるまでの放置期間中に取得した各単セルの温度情報に基づいて、放置期間中に燃料ガス流路の残水量を推定する。

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。また、放置期間中に温度情報を取得することで、放置期間中の水移動を精度良く把握することができ、燃料ガス流路の残水量を精度良く推定することができる。これにより、例えば残水量が多い場合には、その対策制御を燃料電池システムの再始動前に的確に行うことが可能となる。
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酸化ガス流の残水量分布及び電解質膜の含水量分布の少なくとも一つを推定することが好ましい。

Claims (4)

1. アノード電極、カソード電極、これらの間の電解質膜、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路、及び、前記カソード電極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を有する単セルを複数積層した燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   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燃料ガス流路及び前記酸化ガス流路の残水量分布並びに前記電解質膜の含水量分布を推定する推定部を有し、
   前記推定部は、当該燃料電池システムの停止から再始動されるまでの放置期間中に取得した前記各単セルの温度情報に基づいて、当該放置期間中に前記燃料ガス流路の残水量を推定する、燃料電池システム。
2. 前記燃料電池に関する温度を検出する温度センサを更に備え、
   前記推定部は、前記温度センサにより検出された一つの温度を用いて、前記各単セルの温度を算出する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記温度情報は、前記放置期間中の前記各単セルの温度変化を示す温度プロファイルである、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記放置期間中に推定された前記燃料ガス流路の残水量が所定の閾値に達した場合に、前記燃料ガス流路に対して掃気処理を実行する運転制御部を、更に備えた、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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