WO2021010066A1

WO2021010066A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2021010066A1
Application number: PCT/JP2020/022991
Authority: WO
Inventors: 福田　健太郎; 山田　貴史; 亮介山田
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2020-06-11
Publication date: 2021-01-21
Also published as: JP2021015774A

Abstract

燃料電池システムは、酸化ガス供給装置から燃料電池に向かって流れる酸化ガスの流路部を形成している上流側流路部と、燃料電池から大気に開放されている外部空間に向かって流れる酸化ガスの流路部を形成している下流側流路部とを備えている。燃料電池システムは、上流側流路部の内部における圧力を計測する酸化ガス圧力センサと、燃料電池における含水量を推定する含水量推定モードを実行可能な制御部と備えている。制御部は、酸化ガス流量と酸化ガス圧力とを取得する物理量取得部と、燃料電池を流れる前後における酸化ガスの圧力損失である酸化ガス圧損を演算する圧損演算部とを備えている。制御部は、酸化ガス流量と酸化ガス圧損とに基づいて燃料電池における含水量を演算する含水量演算部とを備えている。

Description

燃料電池システム

関連出願の相互参照

　この出願は、２０１９年７月１６日に日本に出願された特許出願第２０１９－１３１２５４号を基礎としており、基礎の出願の内容を、全体的に、参照により援用している。

　この明細書における開示は、燃料電池システムに関する。

　特許文献１は、燃料電池の含水量を算出して燃料電池内の含水量を制御する燃料電池監視装置を開示している。燃料電池監視装置は、燃料電池の出力信号に異なる周波数の信号を重畳することで、燃料電池のインピーダンスを算出し、このインピーダンスに基づいて燃料電池の含水量を算出している。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２０１４－２０３５６２号公報

　先行技術文献の構成では、含水量を算出するために、燃料電池の出力信号に異なる周波数の信号を重畳している。このため、含水量を算出する際には、発電を行うために燃料電池に燃料ガスを供給する必要があった。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、燃料電池システムにはさらなる改良が求められている。

　開示される１つの目的は、燃料ガスの供給によらず含水量を推定可能な燃料電池システムを提供することにある。

　ここに開示された燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給装置と、酸化ガス供給装置から燃料電池に向かって流れる酸化ガスの流路部を形成している上流側流路部と、燃料電池から大気に開放されている外部空間に向かって流れる酸化ガスの流路部を形成している下流側流路部とを有する酸化ガス流路部と、上流側流路部の内部における圧力を計測する酸化ガス圧力センサと、燃料電池における含水量を推定する含水量推定モードを実行可能な制御部と備え、制御部は、燃料電池を流れる酸化ガス流量と、上流側流路部における酸化ガス圧力とを取得する物理量取得部と、上流側流路部における酸化ガス圧力と下流側流路部における圧力とに基づいて、燃料電池を流れる前後における酸化ガスの圧力損失である酸化ガス圧損を演算する圧損演算部と、酸化ガス流量と酸化ガス圧損とに基づいて燃料電池における含水量を演算する含水量演算部とを備えている。

　開示された燃料電池システムによると、酸化ガス流量と酸化ガス圧損とに基づいて燃料電池における含水量を演算する含水量演算部を備えている。このため、酸化ガスの供給によって変化する流量や圧力損失の変化から含水量を推定できる。したがって、燃料ガスの供給によらず含水量を推定可能な燃料電池システムを提供できる。

　この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

燃料電池システム全体を示す構成図である。空気供給部を示す部分拡大図である。正常時の燃料電池を流れる空気流量を示す斜視図である。水詰まり時の燃料電池を流れる空気流量を示す斜視図である。燃料電池システムの制御に関するブロック図である。含水量推定モードに関するフローチャートである。図６のステップＳ１２１の処理に用いるマップを示す図である。第２実施形態における含水量推定モードに関するフローチャートである。第３実施形態における含水量推定モードに関するフローチャートである。

　図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

　第１実施形態
　燃料電池システム１は、例えば燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ）に搭載されて走行用モータへ供給する電力を発電する。また、定置型燃料電池システムとして、電気と熱を同時に取り出して給湯や暖房などを行う。以下では、燃料電池システム１が車両に搭載されている車両用の燃料電池システム１として利用される場合を例に説明を行う。

　燃料電池システム１は、燃料電池セル１０において、燃料ガスと酸化ガスとの化学反応によって、発電を行うシステムである。以下では、燃料ガスとして水素を用い、酸化ガスとして酸素を含む空気を用いる場合を例に説明を行う。

　図１において、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、水素供給部２０と、水素減圧部３０と、空気供給部５０と、ＦＣ冷却部６０とを備えている。燃料電池１１は、燃料電池セル１０を備えている。燃料電池セル１０は、水素イオンを透過可能な電解質膜の一方の面に正極を備え、他方の面に負極を備えて構成されている。燃料電池セル１０は、正極に酸化剤として機能する酸素を含む空気が供給され、負極に還元剤として機能する水素が供給されることで、化学反応によって発電を行う固体高分子形燃料電池である。燃料電池１１は、複数の燃料電池セル１０がセパレータを介して重なるように構成されている。燃料電池１１は、ＦＣあるいはＦＣスタックとも呼ばれる。

　水素供給部２０は、燃料電池システム１において、燃料電池１１に燃料である水素を供給するための部分である。水素供給部２０は、充填部２１と水素貯蔵部２５とを備えている。充填部２１は、水素ステーションから燃料電池システム１に水素を充填する際に、水素の入口として機能する開口である充填口を形成している部分である。水素貯蔵部２５は、高圧の水素を貯蔵するための装置である。水素貯蔵部２５は、複数のタンクを有している。

　水素供給部２０は、充填部２１と水素貯蔵部２５とを接続して、水素の流路部を提供する充填流路部２９ｕを備えている。充填流路部２９ｕは、複数のタンクそれぞれに水素を分配して流入させる分配部２２を備えている。分配部２２には、水素の圧力を計測するための充填側圧力センサ２２ｐが設けられている。

　水素供給部２０は、水素貯蔵部２５から燃料電池１１に向かって水素を供給するための流路部の一部を構成する高圧流路部２９ｄを備えている。高圧流路部２９ｄは、水素貯蔵部２５と燃料電池１１との間での水素の流れを制御するためのタンク開閉弁２６を備えている。タンク開閉弁２６は、開度を電気的に制御可能な電気的駆動弁である。タンク開閉弁２６は、タンクシャットバルブとも呼ばれる。高圧流路部２９ｄは、複数のタンクから燃料電池１１に向かって流出した水素を合流させる合流部２８を備えている。合流部２８には、水素の圧力を計測するための高圧センサ２８ｐが設けられている。

　水素減圧部３０は、水素供給部２０と燃料電池１１との間に設けられている。水素減圧部３０は、燃料電池システム１において、燃料電池１１に水素を供給する過程で水素の圧力を減圧するための部分である。水素減圧部３０は、レギュレータ３１とインジェクタ３５との２つの減圧装置を備えている。

　レギュレータ３１は、高圧流路部２９ｄを流れてきた高圧の水素を高圧よりも低い圧力である中圧に減圧する装置である。レギュレータ３１は、レギュレータ３１の上流側と下流側との圧力差を所定の値に保つ機械式の駆動弁である。ただし、レギュレータ３１として、開度を電気的に制御可能な電気的駆動弁を用いて、上流側と下流側との圧力差を電気的に制御してもよい。

　インジェクタ３５は、レギュレータ３１で減圧され、中圧となった水素を中圧よりも低い圧力である低圧に減圧する装置である。インジェクタ３５は、開度を電気的に制御可能な電気的駆動弁を複数並列に配置して構成されている。インジェクタ３５は、例えば３つの電気的駆動弁で構成されている。インジェクタ３５は、燃料電池１１に流す水素の量を制御するための装置として機能する。言い換えると、燃料電池１１で消費する水素の量が少ない場合には、インジェクタ３５を構成する弁のうち、開状態とする弁の数を少なくする。一方、燃料電池１１で消費する水素の量が多い場合には、インジェクタ３５を構成する弁のうち、開状態とする弁の数を多くする。このように、インジェクタ３５を構成する複数の弁のうち、開状態とする弁の数を制御することで燃料電池１１に流す水素の量を制御する。

　水素減圧部３０は、高圧流路部２９ｄとインジェクタ３５とを接続して、水素の流路部を提供する中圧流路部３９ｕを備えている。レギュレータ３１は、高圧流路部２９ｄと中圧流路部３９ｕとの境界上に位置することとなる。中圧流路部３９ｕには、水素の圧力を計測するための中圧センサ３３ｐが設けられている。

　水素減圧部３０は、中圧流路部３９ｕと燃料電池１１とを接続して、水素の流路部を提供する低圧流路部３９ｄを備えている。インジェクタ３５は、中圧流路部３９ｕと低圧流路部３９ｄとの境界上に位置することとなる。低圧流路部３９ｄには、水素の圧力を計測するための低圧センサ３６ｐが設けられている。

　燃料電池システム１において、水素は、高圧流路部２９ｄ、中圧流路部３９ｕ、低圧流路部３９ｄの順に燃料電池１１に向かって段階的に圧力を低下させながら流れることとなる。ただし、水素の圧力は、高圧と中圧と低圧との３段階に低下する場合に限られない。

　燃料電池システム１は、燃料電池１１での化学反応に使用されなかった水素を循環させる水素循環部を備えている。水素循環部は、水素ポンプ４１と排水弁４３とを備えている。水素ポンプ４１は、燃料電池１１から流出した水素を吸い込んで低圧流路部３９ｄに戻すための流体輸送装置である。水素ポンプ４１は、出力の大きさを電気的に制御可能な電動ポンプである。排水弁４３は、燃料電池１１において水素と酸素との化学反応によって生じた水を排水するための装置である。排水弁４３は、水を排水する際に一部の水素も排水と同時に排気することがある。

　水素循環部は、燃料電池１１と水素ポンプ４１と排水弁４３とを接続して水素などの流体が流れる水素循環流路部４９を備えている。水素循環流路部４９は、燃料電池１１における水素と水の流出部分から低圧流路部３９ｄまでを接続して流体の循環する流路部を構成している。

　空気供給部５０は、燃料電池システム１において、燃料電池１１に酸化剤である酸素を含む空気を供給するための部分である。空気供給部５０の詳細な構成については、後に説明する。

　ＦＣ冷却部６０は、燃料電池システム１において、発電にともなって発熱する燃料電池１１を冷却するための部分である。ＦＣ冷却部６０は、冷却水ポンプ６１とラジエータ６４と送風機６６とを備えている。冷却水ポンプ６１は、燃料電池１１に冷却水を流すためのポンプである。冷却水ポンプ６１は、出力の大きさを電気的に制御可能な電動ポンプである。冷却水に代えて、気相と液相の間での相変化を利用して燃料電池１１を冷却する冷媒を冷却用熱媒体としてもよい。また、冷却用熱媒体としては、冷却水のような液体に限られず気体を用いてもよい。

　ラジエータ６４は、冷却水と空気とを熱交換させて冷却水を冷却するための装置である。送風機６６は、ラジエータ６４を流れる空気の量を制御して、ラジエータ６４による冷却水の冷却効果を制御する装置である。送風機６６は、回転数を電気的に制御可能な電動送風機である。

　ＦＣ冷却部６０は、燃料電池１１と冷却水ポンプ６１とラジエータ６４とを環状に接続する冷却流路部６９を備えている。冷却流路部６９は、ラジエータ６４を経由せずに冷却水を燃料電池１１に循環させるための冷却水バイパス流路部６９ｉを備えている。冷却水バイパス流路部６９ｉには、冷却水バイパス流路部６９ｉに流れる冷却水の量を制御する冷却水バイパス弁６３が設けられている。

　冷却流路部６９には、燃料電池１１よりも冷却水の流れの下流側であって、冷却水バイパス弁６３よりも上流側に高温温度センサ６２ｔが設けられている。高温温度センサ６２ｔは、発熱部品である燃料電池１１との熱交換によって加熱され、高温になった冷却水の温度を計測するセンサである。高温温度センサ６２ｔで計測した温度から燃料電池１１の温度を推定できる。冷却流路部６９には、ラジエータ６４よりも冷却水の流れの下流側であって、冷却流路部６９における冷却水バイパス流路部６９ｉとの接続部分よりも上流側に低温温度センサ６５ｔが設けられている。低温温度センサ６５ｔは、ラジエータ６４との熱交換によって冷却され、低温になった冷却水の温度を計測するセンサである。低温温度センサ６５ｔで計測した温度からラジエータ６４の温度を推定できる。

　空気供給部５０の詳細な構成について、以下に説明する。図２において、空気供給部５０は、エアクリーナ５１とエアコンプレッサ５２とを備えている。エアクリーナ５１は、空気に含まれる異物を除去するための装置である。エアクリーナ５１の内部には、フィルタが設けられており、エアクリーナ５１を通過する空気から異物を除去する。エアコンプレッサ５２は、吸い込んだ空気を圧縮して燃料電池１１に送る装置である。エアコンプレッサ５２は、運転制御を電気的に制御可能な電動コンプレッサである。エアコンプレッサ５２は、酸化ガス供給装置の一例を提供する。エアコンプレッサ５２に代えて、送風装置を酸化ガス供給装置として機能させてもよい。

　空気供給部５０は、燃料電池１１とエアクリーナ５１とエアコンプレッサ５２とを接続して空気などの流体が流れる空気流路部５９を備えている。空気流路部５９は、燃料電池１１に空気を供給するまでの流路部である上流側流路部５９ｕと、燃料電池１１を流れた空気を外部に排出するまでの流路部である下流側流路部５９ｄとを備えている。下流側流路部５９ｄには、マフラー５８が設けられている。マフラー５８は、燃料電池システム１の内部から外部に流体を適切に排出するための装置である。空気流路部５９は、酸化ガス流路部の一例を提供する。

　下流側流路部５９ｄは、排水弁４３と接続している。このため、排水弁４３から排水された水および水素と燃料電池１１を流れた空気とが合流した後に、マフラー５８を通過して大気に開放されている外部空間へと排出されることとなる。

　空気流路部５９は、燃料電池１１を経由せずにマフラー５８に空気を流す空気バイパス流路部５９ｉを備えている。上流側流路部５９ｕには、空気バイパス流路部５９ｉに流す空気の量を制御する分流バルブ５３が設けられている。分流バルブ５３は、排水弁４３から排出される水素の量が多い場合に、空気バイパス流路部５９ｉに流れる空気の量を多くする。これにより、マフラー５８から外部に排出される水素を希釈して、外部に排出される水素濃度が高くなり過ぎることを抑制している。下流側流路部５９ｄには、調圧バルブ５４が設けられている。調圧バルブ５４の開度制御によって、燃料電池１１に供給される空気の量が調整される。調圧バルブ５４は、燃料電池システム１が駆動を停止している際に流路を閉じることで、燃料電池１１における酸化を抑制する機能を発揮可能である。分流バルブ５３と調圧バルブ５４とは、開度を電気的に制御可能な電気的駆動弁である。

　分流バルブ５３を１つのバルブで燃料電池１１側の流路と空気バイパス流路部５９ｉ側の流路とに切り替える構成としなくてもよい。例えば、分流バルブ５３を燃料電池１１側の流路を開閉するバルブと、空気バイパス流路部５９ｉ側の流路を開閉するバルブとの２つのバルブで構成してもよい。空気バイパス流路部５９ｉは、酸化ガスバイパス流路部の一例を提供する。分流バルブ５３は、酸化ガスバイパス弁の一例を提供する。

　空気バイパス流路部５９ｉを備えない構成としてもよい。この場合、エアコンプレッサ５２から吐き出された空気は、必ず燃料電池１１を流れることとなる。これによると、空気バイパス流路部５９ｉを省略できるとともに、分流バルブ５３や調圧バルブ５４などのバルブを省略できる。このため、空気供給部５０の構成をシンプルにしやすい。

　上流側流路部５９ｕには、エアコンプレッサ５２で圧縮する空気である吸気の温度を計測する吸気温度センサ５１ｔが設けられている。吸気温度センサ５１ｔは、エアクリーナ５１よりも空気の流れの上流側に設けられている。上流側流路部５９ｕには、吸気の流れる量を計測するためのエアフロメータ５１ｓが設けられている。エアフロメータ５１ｓは、エアクリーナ５１とエアコンプレッサ５２との間に設けられている。

　上流側流路部５９ｕには、供給空気温度センサ５２ｔが設けられている。供給空気温度センサ５２ｔは、エアコンプレッサ５２で圧縮された空気の温度を計測している。供給空気温度センサ５２ｔは、エアコンプレッサ５２と分流バルブ５３との間に設けられている。ただし、供給空気温度センサ５２ｔを分流バルブ５３と燃料電池１１との間に設けてもよい。供給空気温度センサ５２ｔは、上流側温度センサの一例を提供する。

　上流側流路部５９ｕには、エアコンプレッサ５２よりも空気の流れの下流側であって、分流バルブ５３よりも上流側の空気の圧力を計測する空気圧力センサ５２ｐが設けられている。空気圧力センサ５２ｐは、エアコンプレッサ５２から吐き出された空気の圧力を計測している。空気圧力センサ５２ｐは、エアコンプレッサ５２と分流バルブ５３との間に設けられている。ただし、空気圧力センサ５２ｐを分流バルブ５３と燃料電池１１との間に設けてもよい。空気圧力センサ５２ｐは、酸化ガス圧力センサの一例を提供する。

　図３において、複数の燃料電池セル１０は、互いに等間隔に積層配置されている。両端に位置している燃料電池セル１０を除いて、各燃料電池セル１０の一方の面は、燃料電池セル１０に水素を供給するためのセル間水素流路部１１１を形成している。各燃料電池セル１０の他方の面は、燃料電池セル１０に空気を供給するためのセル間空気流路部１１２を形成している。言い換えると、各燃料電池セル１０は、セル間水素流路部１１１とセル間空気流路部１１２との２つの流路部に挟まれて構成されている。

　図３中の矢印は、エアコンプレッサ５２によって燃料電池１１へ供給される空気の流れを示している。セル間空気流路部１１２の流路面積は、互いに等しい大きさである。このため、空気は、各燃料電池セル１０に均等に分配されている状態である。この状態では、各燃料電池セル１０が適切に空気の供給を受けられる。したがって、燃料電池１１が効率よく発電できる状態である。言い換えると、燃料電池１１における正常状態である。

　図４において、一部のセル間空気流路部１１２には、水Ｗが溜まっている。言い換えると、燃料電池１１における水詰まり状態である。水Ｗは、水素と酸素の化学反応によって生成される生成水である。生成水は、酸素が供給されている側であるセル間空気流路部１１２に集中して生成されることとなる。また、水Ｗは、燃料電池１１に供給される空気が燃料電池セル１０の表面で冷やされ、その空気中に含まれる水分が凝縮した凝縮水である。凝縮水は、水分を含む空気が供給されている側であるセル間空気流路部１１２に集中して生成されることとなる。このような理由で生じた水Ｗが、セル間空気流路部１１２に滞留することでセル間空気流路部１１２の一部を塞いでしまう。これにより、セル間空気流路部１１２における空気の流通可能な面積が減少する。

　図４中の矢印は、エアコンプレッサ５２によって燃料電池１１へ供給される空気の流れを示している。水Ｗの溜まっていないセル間空気流路部１１２には、水Ｗの溜まっているセル間空気流路部１１２よりも多くの空気が流れている。この状態では、燃料電池セル１０によっては、空気の供給量が過少となり、適切に発電ができない燃料電池セル１０が存在する。言い換えると、燃料電池セル１０毎に発電量にバラツキのある状態である。

　セル間空気流路部１１２に溜まった水Ｗの多い状態が、含水量の多い状態である。含水量が増えるほど、空気の流路が狭くなるため、圧力損失が大きくなる。ただし、セル間空気流路部１１２に空気を流すことで、セル間空気流路部１１２に溜まった水Ｗを除去することができる。セル間空気流路部１１２に溜まった水や異物を除去するために空気を流すことは、掃気と呼ばれる。掃気には、燃料電池１１の非発電中において、空気を燃料電池１１に流す態様が含まれる。掃気には、燃料電池１１の発電中において、発電に必要な量以上の空気を燃料電池１１に流す態様が含まれる。

　燃料電池１１において、含水量が少なすぎると、水素と酸素との化学反応が適切に引き起こされず、発電効率が低くなる。一方、含水量が多すぎるいわゆるフラッディング状態では、燃料電池セル１０に適切な量の空気を供給できない。このため、水素と酸素との化学反応が適切に引き起こされず、発電効率が低くなる。まとめると、燃料電池１１が発電を行う際には、燃料電池１１において適切な含水量を維持している状態が好ましい。

　燃料電池１１の温度が冷え過ぎると、燃料電池１１の水分が凍結する可能性がある。このため、燃料電池１１が発電をしない状態が長く続く場合には、燃料電池１１の含水量を減らして水分の凍結を防ぐことが好ましい。言い換えると、燃料電池システム１が駆動を停止している間は、燃料電池１１の含水量の少ない乾燥した状態を維持することが好ましい。このように燃料電池システム１において、発電状態によらず最新の含水量を適切に把握することは非常に重要である。

　図５は、制御システムを示す図である。この明細書における制御装置（ＥＣＵ）は、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）とも呼ばれる場合がある。制御装置は、（ａ）ｉｆ－ｔｈｅｎ－ｅｌｓｅ形式と呼ばれる複数の論理としてのアルゴリズム、または（ｂ）機械学習によってチューニングされた学習済みモデル、例えばニューラルネットワークとしてのアルゴリズムによって提供される。

　制御装置は、少なくとも１つのコンピュータを含む制御システムによって提供される。制御システムは、データ通信装置によってリンクされた複数のコンピュータを含む場合がある。コンピュータは、ハードウェアのプロセッサである少なくとも１つのハードウェアプロセッサを含む。ハードウェアプロセッサは、以下の（ｉ）、（ｉｉ）、または（ｉｉｉ）により提供することができる。

　（ｉ）ハードウェアプロセッサは、少なくとも１つのメモリに格納されたプログラムを実行する少なくとも１つのプロセッサコアである場合がある。この場合、コンピュータは、少なくとも１つのメモリと、少なくとも１つのプロセッサコアとによって提供される。プロセッサコアは、ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、ＧＰＵ：Ｇｒａｐｈｉｃｓ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ、ＲＩＳＣ－ＣＰＵなどと呼ばれる。メモリは、記憶媒体とも呼ばれる。メモリは、プロセッサによって読み取り可能な「プログラムおよび／またはデータ」を非一時的に格納する非遷移的かつ実体的な記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリ、磁気ディスク、または光学ディスクなどによって提供される。プログラムは、それ単体で、またはプログラムが格納された記憶媒体として流通する場合がある。

　（ｉｉ）ハードウェアプロセッサは、ハードウェア論理回路である場合がある。この場合、コンピュータは、プログラムされた多数の論理ユニット（ゲート回路）を含むデジタル回路によって提供される。デジタル回路は、ロジック回路アレイ、例えば、ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ、ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ、ＰＧＡ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ、ＣＰＬＤ：Ｃｏｍｐｌｅｘ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｌｏｇｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅなどとも呼ばれる。デジタル回路は、プログラムおよび／またはデータを格納したメモリを備える場合がある。コンピュータは、アナログ回路によって提供される場合がある。コンピュータは、デジタル回路とアナログ回路との組み合わせによって提供される場合がある。

　（ｉｉｉ）ハードウェアプロセッサは、上記（ｉ）と上記（ｉｉ）との組み合わせである場合がある。（ｉ）と（ｉｉ）とは、異なるチップの上、または共通のチップの上に配置される。これらの場合、（ｉｉ）の部分は、アクセラレータとも呼ばれる。

　制御装置と信号源と制御対象物とは、多様な要素を提供する。それらの要素の少なくとも一部は、ブロック、モジュール、またはセクションと呼ぶことができる。さらに、制御システムに含まれる要素は、意図的な場合にのみ、機能的な手段と呼ばれる。

　この開示に記載の制御部およびその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された１つまたは複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。代替的に、この開示に記載の制御部およびその手法は、１つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。代替的に、この開示に記載の制御部およびその手法は、１つまたは複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリと１つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された１つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

　図５において、制御部９０には、各圧力センサ２２ｐ、２８ｐ、３３ｐ、３６ｐ、５２ｐ、各温度センサ５１ｔ、５２ｔ、６２ｔ、６５ｔが接続されている。制御部９０は、充填側圧力センサ２２ｐで計測した充填側圧力を取得する。制御部９０は、高圧センサ２８ｐで計測した高圧の供給側圧力を取得する。制御部９０は、中圧センサ３３ｐで計測した中圧の供給側圧力を取得する。制御部９０は、低圧センサ３６ｐで計測した低圧の供給側圧力を取得する。制御部９０は、空気圧力センサ５２ｐで計測した圧縮後の空気の圧力を取得する。制御部９０は、吸気温度センサ５１ｔで計測した吸気温度を取得する。制御部９０は、供給空気温度センサ５２ｔで計測した圧縮後の空気の温度を取得する。制御部９０は、高温温度センサ６２ｔで計測した燃料電池１１を流出した直後の冷却水温度を取得する。制御部９０は、低温温度センサ６５ｔで計測したラジエータ６４を流出した直後の冷却水温度を取得する。

　制御部９０には、エアフロメータ５１ｓと大気圧センサ８４ｐとが接続されている。制御部９０は、エアフロメータ５１ｓで計測した吸気流量を取得する。制御部９０は、大気圧センサ８４ｐで計測した大気圧を取得する。

　制御部９０には、冷却水ポンプ６１と冷却水バイパス弁６３と送風機６６とが接続されている。制御部９０は、冷却水ポンプ６１を制御して冷却流路部６９を流れる冷却水の量を制御する。制御部９０は、冷却水バイパス弁６３の開度を制御して冷却水バイパス流路部６９ｉを流れる冷却水の量を制御する。制御部９０は、送風機６６を制御してラジエータ６４を流れる空気の量を制御する。

　制御部９０には、燃料電池１１とタンク開閉弁２６とインジェクタ３５と水素ポンプ４１とが接続されている。制御部９０は、燃料電池１１を制御して発電量や発熱量を制御する。制御部９０は、タンク開閉弁２６の開度を制御して燃料電池１１に供給する水素の量を制御する。制御部９０は、インジェクタ３５を制御して燃料電池１１に供給する水素の量を制御する。制御部９０は、水素ポンプ４１を制御して水素循環流路部４９を循環する水素の量を制御する。

　制御部９０には、エアコンプレッサ５２と分流バルブ５３と調圧バルブ５４とが接続されている。制御部９０は、エアコンプレッサ５２を制御して燃料電池１１に供給する空気の量を制御する。制御部９０は、分流バルブ５３を制御して燃料電池１１に供給する空気の量を制御する。制御部９０は、調圧バルブ５４を制御して燃料電池１１に供給する空気の量を制御する。

　制御部９０は、物理量取得部９１と圧損演算部９２と含水量演算部９３と記憶部９４とを備えている。制御部９０は、物理量取得部９１と圧損演算部９２と含水量演算部９３と記憶部９４とを用いて、燃料電池１１の含水量を推定する含水量推定モードを実行可能である。物理量取得部９１は、含水量の推定に必要な様々な物理量を取得する。圧損演算部９２は、物理量取得部９１が取得した空気の圧力などの物理量から燃料電池１１における圧損を演算する。含水量演算部９３は、燃料電池１１における圧損や空気流量などの物理量から燃料電池１１における含水量を演算する。記憶部９４は、圧損演算部９２の演算に使用する演算式を記憶する。記憶部９４は、含水量演算部９３の演算に使用するマップＭを記憶する。

　含水量推定モードの制御内容について、以下に説明する。含水量推定モードは、燃料電池１１における含水量を推定するためのモードである。燃料電池システム１は、推定した含水量に応じて、含水量を増加させる制御や含水量を低下させる制御などを行うことができる。含水量推定モードは、燃料電池システム１が駆動している間、繰り返し実行されて最新の含水量を推定し続ける。ただし、燃料電池１１が発電している場合には、インピーダンスに基づいて含水量を取得し、燃料電池１１が発電していない場合や燃料電池１１の発電量が微小である場合には、含水量推定モードを実行するなどしてもよい。また、燃料電池システム１が駆動していない場合であっても、外気温度が低温であるなどの条件に基づき自動で燃料電池システム１を監視する際に含水量推定モードを実行してもよい。

　含水量推定モードを実行する前には、エアフロメータ５１ｓや供給空気温度センサ５２ｔや空気圧力センサ５２ｐなどの各種センサにおける異常の有無を確認することが好ましい。仮に、各種センサにおいて異常がある場合には、含水量を正確に推定できない可能性が高い。このため、含水量推定モードを実行せずに、各種センサに異常が発生していることをユーザに報知することが好ましい。

　図６において、含水量推定モードを開始すると、ステップＳ１０１で、エアコンプレッサ５２を駆動する。これにより燃料電池１１に圧縮された空気が供給されている状態とする。この時、燃料電池１１への空気の供給量は、少なくとも燃料電池１１への水素の供給量以上であることが好ましい。エアコンプレッサ５２を駆動した後、ステップＳ１１１に進む。

　ステップＳ１１１では、推定用パラメータを取得する。ここで、推定用パラメータとは、燃料電池１１における空気流量や空気圧損の推定に用いるパラメータのことである。推定用パラメータとしては、例えば、エアフロメータ５１ｓで計測した空気の流量や、供給空気温度センサ５２ｔで計測した圧縮後の空気の温度や、空気圧力センサ５２ｐで計測した圧縮後の空気の圧力などの物理量が含まれる。また、推定用パラメータには、例えば、エアコンプレッサ５２の回転数などの装置や部品の状態に関する情報が含まれる。推定用パラメータを取得した後、ステップＳ１１２に進む。

　ステップＳ１１２では、燃料電池１１を流れる空気の流量を推定する。燃料電池１１を流れる空気流量は、エアフロメータ５１ｓで計測した流量と同等であるとみなす。ここで、エアフロメータ５１ｓで計測した流量が０℃、１ａｔｍを基準状態としたノルマル流量である場合には、大気圧の値と空気圧力センサ５２ｐで計測した空気の圧力の値を用いて実際に流れている流量である実流量に変換する必要がある。ノルマル流量から実流量への変換は、空気圧力センサ５２ｐで計測した空気の圧力に対する大気圧の比をノルマル流量に掛けることで算出できる。具体的には、エアコンプレッサ５２によって空気を大気圧の２倍の圧力に圧縮した場合には、ノルマル流量の１／２倍の大きさが実流量となる。空気流量は、酸化ガス流量の一例を提供する。

　エアコンプレッサ５２の仕様によって決まる回転数と圧縮比と流量との３つのパラメータの関係性が示されている特性図である圧縮特性図を用いることで、エアフロメータ５１ｓで流量を計測することなく、空気の流量を推定することも可能である。この場合、エアコンプレッサ５２の回転数と、エアコンプレッサ５２による圧縮の前後での圧縮比との情報を取得することで圧縮特性図から空気の流量を推定できる。空気流量を推定した後、ステップＳ１１３に進む。

　ステップＳ１１３では、燃料電池１１を流れる空気圧損を推定する。燃料電池１１における空気圧損は、燃料電池１１に流入する直前の圧力から燃料電池１１を流出した直後の圧力を引くことで推定することができる。ここで、燃料電池１１に流入する直前の圧力には、空気圧力センサ５２ｐで測定した圧力を用いることができる。燃料電池１１を流出した直後の圧力には、大気圧センサ８４ｐで計測した大気圧を用いることができる。したがって、空気圧力センサ５２ｐで計測した圧力から大気圧を引くことで、燃料電池１１における空気圧損を推定することができる。ただし、大気圧センサ８４ｐを備えていない場合には、大気圧として所定値を予め設定しておいてもよい。空気圧損は、酸化ガス圧損の一例を提供する。空気圧損を推定した後、ステップＳ１１４に進む。

　ステップＳ１１４では、補正用パラメータを取得する。ここで、補正用パラメータとは、推定した燃料電池１１の空気流量や空気圧損をより正確な値にするための補正に用いるパラメータのことである。補正用パラメータには、例えば、分流バルブ５３や調圧バルブ５４の開度の情報が含まれる。補正用パラメータには、例えば、供給空気温度センサ５２ｔで計測した圧縮後の空気温度の情報が含まれる。補正用パラメータを取得した後、ステップＳ１１５に進む。

　ステップＳ１１５では、ステップＳ１１２で推定した空気流量やステップＳ１１３で推定した空気圧損を補正する。分流バルブ５３が上流側流路部５９ｕと空気バイパス流路部５９ｉとの両方の流路部に空気を分けて流している場合には、分流バルブ５３の開度に基づいて推定した空気流量を補正する。より具体的には、空気バイパス流路部５９ｉ側の開度が大きいほど、推定した空気流量が小さくなるように補正する。すなわち、エアコンプレッサ５２の吐き出し量から空気バイパス流路部５９ｉを通過した分の流量を引くことで燃料電池１１に流れる空気流量を補正する。また、空気圧損についても同様に、分流バルブ５３の開度に基づいて推定した空気圧損を補正することとなる。

　調圧バルブ５４の開度に基づいて空気圧損を補正する。より具体的には、調圧バルブ５４の開度が小さいほど、調圧バルブ５４における圧損が大きくなる。このため、調圧バルブ５４の開度が小さいほど、推定した燃料電池１１の空気圧損が小さくなるように補正することとなる。ここで、調圧バルブ５４の開度が最大であっても、調圧バルブ５４を空気が通過することによる圧損が存在している場合には、調圧バルブ５４での圧損を踏まえて燃料電池１１の空気圧損を補正することが好ましい。

　供給空気温度センサ５２ｔで計測した空気温度に基づいて空気流量を補正する。言い換えると、０℃を基準としたノルマル流量を実際の空気の温度で補正することで、実流量に変換する。供給空気温度センサ５２ｔで計測した空気温度をＴα℃とすると、ノルマル流量から実流量への変換は、ノルマル流量に（２７３＋Ｔα）／２７３を掛けることで算出できる。例えば、空気温度が２７．３℃であれば、ノルマル流量を１．１倍した値が実流量となる。空気流量や空気圧損の推定値に補正を加えた後、ステップＳ１２１に進む。

　ステップＳ１２１では、含水量を推定する。含水量は、補正を加えた後の空気流量と空気圧損から推定する。含水量の推定には、図７に示すマップＭを用いる。マップＭは、記憶部９４に予め記憶されたものであり、空気流量と空気圧損と含水量との相関関係を示している。マップＭには、複数の特性線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が記憶されている。特性線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、互いに略等しい形である。特性線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、いずれも圧損が多いほど含水量が多くなる傾向を示している。

　複数の特性線のうち、いずれの特性線を用いて含水量を推定するかは、空気流量によって決まる。空気流量が少ない場合には、特性線Ｌ１を用いて空気圧損から含水量を推定する。一方、空気流量が多い場合には、特性線Ｌ３を用いて空気圧損から含水量を推定する。同じ含水量であっても、空気流量が多いほど空気圧損が大きくなる。

　含水量の推定においては、複数の特性線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の中から推定した空気流量が最も近い値のものを選択する。ここで、特性線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３以外にも空気流量に応じた特性線を記憶していてもよい。記憶している特性線の本数が多いほど、現在の空気流量に近い特性線を選択できるため、含水量の推定精度を高めることができる。空気流量に基づいて特性線を選択し、空気圧損に基づいて含水量を読み取ることで、含水量を推定できる。ただし、含水量の推定方法はマップＭを用いる上述の方法に限られない。例えば、マップＭを用いる代わりに、演算式を用いて含水量を推定してもよい。含水量を推定した後、含水量推定モードを終了する。

　上述した実施形態によると、制御部９０は、空気流量と空気圧損とに基づいて燃料電池１１における含水量を演算する含水量演算部９３を備えている。このため、インピーダンス以外の物理量から燃料電池１１の含水量を推定できる。したがって、水素を供給していない非発電時や、水素の供給量が少ない微小発電時であっても、燃料電池１１の含水量を推定できる。言い換えると、燃料ガスである水素の供給によらず燃料電池１１の含水量を推定可能な燃料電池システム１を提供できる。

　水素の供給によらずに含水量を推定できるため、タンク開閉弁２６を閉じた状態のまま含水量を推定できる。したがって、燃料である水素の消費量を低く抑えやすい。また、燃料電池１１の発電によらず含水量を推定できるため、含水量を推定する目的で燃料電池１１を発電させる必要がない。したがって、燃料電池システム１の燃料消費を抑えて効率よく発電を行いやすい。さらに、含水量を推定するタイミングを自由に設定しやすい。例えば、燃料電池システム１が駆動を停止してから再び駆動を開始するまでのいわゆるソーク中においても、含水量を推定可能である。あるいは、燃料電池１１が発電を停止する直前の状態における含水量を推定可能である。したがって、燃料電池１１の発電停止中における掃気を適切な含水量に基づいて制御しやすい。

　制御部９０は、含水量推定モードにおいて、分流バルブ５３の開度に基づいて空気流量を補正する。このため、空気バイパス流路部５９ｉに一部の空気が流れている場合であっても、燃料電池１１に流れている空気流量を精度よく推定することができる。

　圧損演算部９２は、含水量推定モードにおいて、空気圧力センサ５２ｐで計測した空気圧力と大気圧センサ８４ｐで計測した大気圧との差から空気圧損を演算する。このため、大気圧をあらかじめ設定した所定値として取り扱う場合に比べて、精度よく空気圧損を推定することができる。特に、燃料電池システム１を高地や低地で駆動する場合には、実際の大気圧の値が予め設定した所定値から乖離しやすい。このため、大気圧センサ８４ｐで実際の大気圧を計測することは、燃料電池システム１が車両に搭載される場合など、燃料電池システム１の周囲の大気圧が変化しやすい場合に重要である。

　制御部９０は、含水量推定モードにおいて、供給空気温度センサ５２ｔで計測した空気の温度を用いて空気流量を補正する。このため、空気の温度変化を無視して空気流量を演算する場合に比べて、精度よく空気流量を推定することができる。

　ステップＳ１２１において、マップＭを用いて含水量を推定した後、燃料電池１１の温度に基づいて、含水量を補正してもよい。燃料電池１１の温度が高いほど、セル間空気流路部１１２が大きく熱膨張して流路面積が大きくなる。このため、セル間空気流路部１１２の空気圧損が小さくなりやすい。言い換えると、燃料電池１１の温度が高いことで、実際の含水量よりも含水量を少なく推定してしまう可能性がある。したがって、燃料電池１１の温度が高いほど、含水量が多くなるように補正することで、セル間空気流路部１１２の熱膨張による含水量の誤差を補正することができる。これにより、含水量の推定精度を高めやすい。

　制御部９０は、マップＭを用いて含水量を推定している。このため、マップＭの代わりに複雑な演算式を用いて含水量を推定する場合に比べて、簡単に含水量を推定しやすい。したがって、短時間で含水量の推定結果を得やすい。よって、含水量の推定値として、現在の含水量に近い値を得やすい。

　第２実施形態
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、含水量推定モードにおいて、エアコンプレッサ５２の回転数を推定開始回転数としている。また、含水量推定モードにおいて、空気流量と空気圧損の大きさに応じてマップＭを補正している。

　図８において、含水量推定モードを開始すると、ステップＳ２０１で、エアコンプレッサ５２を推定開始回転数で駆動する。ここで、推定開始回転数は、空気圧力センサ５２ｐで計測する圧力が大気圧よりも十分大きな圧力となる回転数である。エアコンプレッサ５２を推定開始回転数で駆動することで、空気の供給量が燃料電池１１での発電に必要な空気の供給量よりも多い量に設定された推定開始供給量となる。言い換えると、エアコンプレッサ５２を推定開始回転数で駆動することで、燃料電池１１における含水量の変化を空気圧損として検出可能な量の空気が供給されることとなる。これにより、燃料電池１１に対して圧縮された空気が十分に供給されている状態とする。エアコンプレッサ５２が推定開始回転数で回転駆動されている場合、燃料電池１１への空気の供給量は、燃料電池１１への水素の供給量よりも多くなる。

　エアコンプレッサ５２の回転数を推定開始回転数で維持するのではなく、推定開始回転数以上の回転数で変動させてもよい。あるいは、エアコンプレッサ５２を複数の空気圧縮装置で構成している場合には、駆動する空気圧縮装置の数を増やすことで空気の供給量を増やしてもよい。エアコンプレッサ５２を駆動した後、ステップＳ２０２に進む。

　ステップＳ２０２では、分流バルブ５３と調圧バルブ５４とを制御する。具体的には、分流バルブ５３の開度を制御して、空気バイパス流路部５９ｉに空気が流れないようにする。それに加えて、調圧バルブ５４を全開にすることで、調圧バルブ５４によって下流側流路部５９ｄを流れる空気に生じる圧損が最小となるようにする。以上により、空気の流れにおいて、燃料電池１１以外の部分で生じる圧力損失が燃料電池１１で生じる圧力損失に比べて十分に小さい状態とする。分流バルブ５３と調圧バルブ５４とを制御した後、ステップＳ１１１に進む。

　ステップＳ１１１で推定用パラメータを取得した後、ステップＳ１１２に進む。ステップＳ１１２で空気流量を推定した後、ステップＳ１１３に進む。ステップＳ１１３で空気圧損を推定した後、ステップＳ１２１に進む。ステップＳ１２１で含水量を推定した後、ステップＳ２３１に進む。

　ステップＳ２３１では、発電が継続中であるか否かを判定する。燃料電池１１での発電が継続中である場合には、燃料電池１１における水素と酸素との化学反応によって水が生成されていると判断して含水量推定モードを終了する。一方、燃料電池１１での発電が継続していない場合には、燃料電池１１では新たに水が生成されていないと判断して、ステップＳ２３２に進む。

　ステップＳ２３２では、燃料電池１１が乾燥状態にあるか否かを判定する。燃料電池１１が乾燥状態にある場合は、ステップＳ２３３に進む。一方、燃料電池１１が乾燥状態にない場合には、含水量推定モードを終了する。

　燃料電池１１が乾燥状態にあるか否かの判定方法の一例は、空気流量が乾燥状態流量以上であるか否かを判定することである。ここで、乾燥状態流量とは、燃料電池１１の含水量が略ゼロの乾燥状態において、燃料電池１１を流れる流量のことである。燃料電池１１の乾燥状態においては、燃料電池１１の内部における空気の流れを妨げる水がほとんど存在しない。このため、エアコンプレッサ５２を同じ出力で駆動した場合に、燃料電池１１の含水量が多い湿潤状態の燃料電池１１に比べて、乾燥状態の燃料電池１１の方が、空気流量が多くなる。空気流量が乾燥状態流量以上である場合には、空気の流れを妨げる水がほとんどないと判断して、燃料電池１１が乾燥状態にあると判定できる。一方、空気流量が乾燥状態流量未満である場合には、空気の流れを妨げる水が存在していると判断して、燃料電池１１が乾燥状態にないと判定できる。

　燃料電池１１が乾燥状態にあるか否かの判定方法の一例は、エアコンプレッサ５２の出力を一定にした状態で、空気流量の変化量が所定値以下であるか否かを判定することである。燃料電池１１の湿潤状態においては、エアコンプレッサ５２の駆動によって水が除去され、空気流量が徐々に増加することになる。一方、燃料電池１１の乾燥状態においては、除去される水が存在せず、空気流量が一定になる。したがって、空気流量の変化量がゼロの状態となる。よって、空気流量の変化量が所定値以下である場合には、燃料電池１１が乾燥状態にあると判定できる。

　燃料電池１１が乾燥状態にあるか否かの判定方法の一例は、空気圧損が乾燥状態圧損未満であるか否かを判定することである。ここで、乾燥状態圧損とは、燃料電池１１の含水量が略ゼロの乾燥状態において、燃料電池１１で生じる圧損のことである。乾燥状態の燃料電池１１においては、燃料電池１１の内部における空気の流れを妨げる水がほとんど存在しない。このため、エアコンプレッサ５２を同じ出力で駆動した場合に、燃料電池１１の含水量が多い湿潤状態の燃料電池１１に比べて、乾燥状態の燃料電池１１の方が、空気圧損が小さくなる。空気圧損が乾燥状態圧損未満である場合には、空気の流れを妨げる水がほとんどないと判断して、燃料電池１１が乾燥状態にあると判定できる。空気流量が乾燥状態圧損以上である場合には、空気の流れを妨げる水が存在していると判断して、燃料電池１１が乾燥状態にないと判定できる。

　燃料電池１１が乾燥状態にあるか否かの判定方法の一例は、エアコンプレッサ５２の出力を一定にした状態で、空気圧損の変化量が所定値以下であるか否かを判定することである。燃料電池１１の湿潤状態においては、エアコンプレッサ５２の駆動によって水が除去され、空気圧損が徐々に低下することになる。一方、燃料電池１１の乾燥状態においては、除去される水が存在せず、空気圧損が一定になる。したがって、空気圧損の変化量がゼロの状態となる。よって、空気圧損の変化量が所定値以下である場合には、燃料電池１１が乾燥状態にあると判定できる。

　ステップＳ２３３では、乾燥状態にある燃料電池１１の空気流量と空気圧損とに基づいてマップＭを補正する。より詳細には、乾燥状態における空気流量と空気圧損の値で、含水量が最小となるように特性線全体を平行移動させる。この時、１つの特性線だけを平行移動させるのではなく、複数の特性線全体を平行移動させることが好ましい。これにより、１回の補正でマップＭ全体を補正することができる。

　上述した実施形態によると、制御部９０は、含水量推定モードにおいて、エアコンプレッサ５２による空気の供給量が推定開始供給量以上になるようにエアコンプレッサ５２を制御する。このため、燃料電池１１を流れる空気流量が少なすぎることで含水量の推定値が実際の含水量と大きく乖離してしまうといった事態を抑制しやすい。したがって、燃料電池１１の含水量を安定して精度よく推定できる。特に、燃料電池１１が発電していない状態や、発電量が微小な状態では、発電に必要な空気の供給量が少ないため、含水量の推定精度が低下しやすい。しかしながら、強制的に空気の供給量を推定開始供給量以上にすることで、含水量の推定精度を高く保ちやすい。

　制御部９０は、含水量推定モードを実行する場合に、燃料電池１１への水素の供給量よりも、燃料電池１１への酸素の供給量の方が多くなるようにエアコンプレッサ５２を制御する。このため、燃料電池１１の発電に必要な酸素の量を確保するとともに、燃料電池１１を流れる空気流量を多く確保し、含水量の推定を精度よく行うことができる。

　制御部９０は、含水量推定モードにおいて、分流バルブ５３を制御して空気バイパス流路部５９ｉに空気が流れない状態を維持する。このため、燃料電池１１をバイパスして空気バイパス流路部５９ｉに流れる空気流量をゼロとすることができる。したがって、エアコンプレッサ５２から吐き出された空気の流量から空気バイパス流路部５９ｉに流れた空気の分を補正することなく、燃料電池１１を流れた空気流量を推定できる。よって、燃料電池１１を流れた空気流量を精度よく推定しやすい。

　制御部９０は、含水量推定モードにおいて、燃料電池１１が発電していない状態、かつ、燃料電池１１が乾燥状態である場合に、含水量が最も低い状態であるとみなしてマップＭを補正する。このため、燃料電池システム１の機種毎のバラツキや経年変化などを考慮して、マップＭを最適化できる。したがって、最適化したマップＭを用いて含水量を推定することで、含水量の推定精度を高めやすい。

　制御部９０は、含水量推定モードにおいて、エアコンプレッサ５２の回転数を推定開始回転数で一定制御している。このため、含水量の変化のみが流量の変化や圧損の変化に影響を与える状態とすることとができる。したがって、空気の流量変化や圧力変化から含水量の変化をとらえやすい。よって、エアコンプレッサ５２の回転数を変更しながら含水量を推定する場合に比べて、精度よく含水量を推定しやすい。

　第３実施形態
　この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、含水量推定モードにおいて、空気流量が一定となるようにエアコンプレッサ５２を制御している。

　図９において、含水量推定モードを開始すると、ステップＳ３０１で、エアコンプレッサ５２から吐き出される空気の吐き出し量が一定になるようにエアコンプレッサ５２を駆動する。ここで、空気流量は、含水量に依存して変化する。言い換えると、含水量が増えると燃料電池１１に空気が流れにくいため、吐き出し量が減少しやすい。したがって、エアコンプレッサ５２の回転数を高くすることで、空気流量の減少分を補って吐き出し量を一定に保つ。一方、含水量が減ると燃料電池１１に空気が流れやすいため、吐き出し量が増加しやすい。したがって、エアコンプレッサ５２の回転数を低くすることで、吐き出し量の増加分を吸収して空気流量を一定に保つ。このように吐き出し量が一定になるようにフィードバック制御を実行しながらエアコンプレッサ５２を駆動した後、ステップＳ３１１に進む。

　ステップＳ３１１では、推定用パラメータを取得する。ここでは、推定用パラメータとして空気圧力センサ５２ｐで計測した圧縮後の空気の圧力を取得する。推定用パラメータである圧縮後の空気圧力を取得した後、ステップＳ３１２に進む。

　ステップＳ３１２では、燃料電池１１を流れる空気の流量を推定する。燃料電池１１を流れる空気流量は、エアコンプレッサ５２の吐き出し量と同等であるとみなす。燃料電池１１を流れる空気の流量を推定した後、ステップＳ３１３に進む。

　ステップＳ３１３では、燃料電池１１を流れる空気の圧損を推定する。燃料電池１１における空気の圧損は、空気圧力センサ５２ｐで測定した圧力から大気圧センサ８４ｐで計測した大気圧を引くことで推定することができる。空気圧損を推定した後、ステップＳ３１４に進む。

　ステップＳ３１４では、補正用パラメータを取得する。ここでは、補正用パラメータとして、例えば、分流バルブ５３や調圧バルブ５４の開度の情報を取得する。補正用パラメータを取得した後、ステップＳ３１５に進む。

　ステップＳ３１５では、ステップＳ３１２で推定した空気流量やステップＳ３１３で推定した空気圧損を補正する。分流バルブ５３が上流側流路部５９ｕと空気バイパス流路部５９ｉとの両方の流路部に空気を分けて流している場合には、分流バルブ５３の開度に基づいて推定した空気流量と空気圧損とを補正する。また、調圧バルブ５４による圧損に基づいて燃料電池１１の空気圧損を補正する。ここで、空気流量に加えるべき補正がない場合は、エアコンプレッサ５２の吐き出し量がそのまま燃料電池１１の空気流量となる。空気流量や空気圧損の推定値に補正を加えた後、ステップＳ３２１に進む。

　ステップＳ３２１では、含水量を推定する。含水量は、補正後の空気流量と補正後の空気圧損から推定する。含水量の推定には、図７に示すマップＭを使用する。マップＭは、記憶部９４に予め記憶されたものであって、空気流量と空気圧損と含水量との相関関係を示している。マップＭには、複数の特性線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が記憶されており、特性線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、互いに略等しい形である。

　いずれの特性線を用いて含水量を推定するかは、燃料電池１１を流れる空気流量によって決定する。空気流量が少ない場合には、特性線Ｌ１を用いて空気圧損から含水量を推定することになる。一方、空気流量が多い場合には、特性線Ｌ３を用いて空気圧損から含水量を推定することになる。したがって、ステップＳ３０１において、空気流量を特性線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３のいずれかの流量と一致するように一定制御することで、精度よく含水量を推定することができる。含水量を推定した後、含水量推定モードを終了する。

　上述した実施形態によると、制御部９０は、含水量推定モードにおいて、吐き出し量が一定になるようにエアコンプレッサ５２を制御している。このため、エアコンプレッサ５２の吐き出し量を燃料電池１１の空気流量とみなせる場合には、燃料電池１１の圧力損失のみを推定することで、含水量を推定できる。したがって、含水量を素早く推定しやすい。

　他の実施形態
　空気流路部５９において、エアコンプレッサ５２と燃料電池１１との間にインタークーラなどの空気冷却装置を備えてもよい。これによると、エアコンプレッサ５２で圧縮されて温度の上昇した空気を冷却してから燃料電池１１に流すことができる。このため、燃料電池１１の温度上昇を抑制しやすい。したがって、燃料電池１１の劣化を抑制して、発電効率が高い状態を維持しやすい。この場合、空気圧力センサ５２ｐと供給空気温度センサ５２ｔとをインタークーラよりも下流側に設けることが好ましい。

　冷却水バイパス流路部６９ｉに、イオン交換器を備えてもよい。これによると、燃料電池１１を冷却するための冷却水の絶縁性を安定して確保することができる。したがって、燃料電池システム１の安全性を高めやすい。

　この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

　明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

Claims

　酸化ガスと燃料ガスとの化学反応により発電する燃料電池（１１）と、
　前記燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給装置（５２）と、
　前記酸化ガス供給装置から前記燃料電池に向かって流れる酸化ガスの流路部を形成している上流側流路部（５９ｕ）と、前記燃料電池から大気に開放されている外部空間に向かって流れる酸化ガスの流路部を形成している下流側流路部（５９ｄ）とを有する酸化ガス流路部（５９）と、
　前記上流側流路部の内部における圧力を計測する酸化ガス圧力センサ（５２ｐ）と、
　前記燃料電池における含水量を推定する含水量推定モードを実行可能な制御部（９０）と備え、
　前記制御部は、
　前記燃料電池を流れる酸化ガス流量と、前記上流側流路部における酸化ガス圧力とを取得する物理量取得部（９１）と、
　前記上流側流路部における前記酸化ガス圧力と前記下流側流路部における圧力とに基づいて、前記燃料電池を流れる前後における酸化ガスの圧力損失である酸化ガス圧損を演算する圧損演算部（９２）と、
　前記酸化ガス流量と前記酸化ガス圧損とに基づいて前記燃料電池における含水量を演算する含水量演算部（９３）とを備えている燃料電池システム。
　前記制御部は、前記含水量推定モードにおいて、前記酸化ガス供給装置による酸化ガスの供給量が前記燃料電池での発電に必要な酸化ガスの供給量よりも多い量に設定された推定開始供給量以上になるように前記酸化ガス供給装置を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
　前記酸化ガス流路部は、
　前記上流側流路部と前記下流側流路部とを接続して、前記燃料電池を経由せずに酸化ガスが流れる流路部を形成している酸化ガスバイパス流路部（５９ｉ）と、
　前記酸化ガスバイパス流路部を開閉するための酸化ガスバイパス弁（５３）とを備え、
　前記制御部は、前記含水量推定モードにおいて、前記酸化ガスバイパス弁を制御して前記酸化ガスバイパス流路部に酸化ガスが流れない状態を維持する請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
　前記酸化ガス流路部は、
　前記上流側流路部と前記下流側流路部とを接続して、前記燃料電池を経由せずに酸化ガスが流れる流路部を形成している酸化ガスバイパス流路部（５９ｉ）と、
　前記酸化ガスバイパス流路部を開閉するための酸化ガスバイパス弁（５３）とを備え、
　前記制御部は、前記含水量推定モードにおいて、前記酸化ガスバイパス弁の開度に基づいて前記酸化ガス流量または前記酸化ガス圧損を補正する請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
　大気圧を計測する大気圧センサ（８４ｐ）を備え、
　前記圧損演算部は、前記含水量推定モードにおいて、前記酸化ガス圧力と前記大気圧センサで計測した大気圧との差から前記酸化ガス圧損を演算する請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
　前記上流側流路部を流れる酸化ガスの温度を計測する上流側温度センサ（５２ｔ）を備え、
　前記制御部は、前記含水量推定モードにおいて、前記上流側温度センサで計測した酸化ガスの温度を用いて前記酸化ガス流量を補正する請求項１から請求項５のいずれかに記載の燃料電池システム。
　前記制御部は、前記燃料電池の含水量と前記酸化ガス流量と前記酸化ガス圧損との相関関係を示すマップ（Ｍ）を記憶する記憶部（９４）を備え、
　前記含水量演算部は、前記含水量推定モードにおいて、前記マップと前記酸化ガス流量と前記酸化ガス圧損とに基づいて含水量を演算し、
　前記制御部は、前記含水量推定モードにおいて、前記燃料電池が発電していない状態、かつ、前記燃料電池が乾燥状態である場合に、含水量が最も低い状態であるとみなして前記マップを補正する請求項１から請求項６のいずれかに記載の燃料電池システム。