JP5310740B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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かった。
また、一般に、反応ガスの流路に液水として存在する残水量が多いと、反応ガスの流れが阻害される（つまり圧損が大きくなる）。このような状態で、要求出力に応じた出力電流を燃料電池から取り出そうとすると、残水量の多い単セルでは、セル電圧が下がって電極の触媒が劣化してしまう。このため、残水量が多い状態では出力電流に制限をかけることが望ましいが、そもそもの残水量の推定精度が悪いと、精度良く電流制限をすることも難しい。

本発明は、残水量の推定精度を向上して精度良く電流制限を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、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、燃料電池から取り出す電流を制限する運転制御部と、を備え、前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量の位置に応じて、前記燃料電池の電流制限量を変更するものである。

本発明によれば、電極間の水移動を考慮しているので、残水量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電流制限をかけるので、精度良く電流制限をすることができ、例えば、セル電圧の低下による燃料電池の劣化を抑制することができる。また、運転制御部は、閾値以上の残水量の位置に応じて、燃料電池の電流制限量を変更するので、電流制限量を一律とする場合に比べて、発電量を多く確保することでき、効率を向上することができる。
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。

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、電流制限値を小さくするとよい。一方、排出され易い位置に水が溜まっている場合には、電流制限値を大きくすれば、その大きくした分だけ発電量を確保することができる。

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、前記閾値以上の残水量のある場所が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であるほど、電流制限量としての電流制限値を小さくするとよい。また、運転制御部は、前記閾値以上の残水量のある場所がセル積層体における反応ガスの供給方向上流側の単セルであるほど、電流制限値を大きくすることが好ましい。さらに、運転制御部は、前記閾値以上の残水量のある場所がセル面内における反応ガス流路への反応ガスの入口側であるほど電流制限値を小さくするとよく、前記閾値以上の残水量のある場所がセル面内における反応ガス流路への反応ガスの出口側であるほど電流制限値を大きくするとよい。

このような構成によれば、セル積層方向の位置及びセル面内の位置に応じて、セル電圧及び発電量を考慮した電流制限値を設定することができる。

より好ましくは、運転制御部は、時間が経っても前記閾値以上の残水量が減らない又は増えるときは、電流制限値を小さくするとよい。

これにより、セル電圧の低下による燃料電池の劣化を抑制することができる。

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、を有しており、上記の閾値は、燃料ガス流路側と酸化ガス流路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に応じた閾値を用いることができ、電流制限の精度をより高めることができる。

好ましくは、運転制御部は、閾値以上の残水量が多いほど、燃料電池の電流制限値を小さくするとよい。

こうすることで、閾値以上の残水量が比較的少ない場合には発電量を多く確保することできる一方、閾値以上の残水量が比較的多い場合にはセル電圧の低下を確実性良く抑制することができる。

好ましくは、推定部は、燃料電池システムの始動時に、残水量分布を推定し、運転制御部は、燃料電池から取り出す電流の制限を燃料電池システムの始動時に実行するとよい。

好ましくは、運転制御部は、推定部により推定された反応ガス流路の残水量が閾値以上である場合、燃料電池を掃気処理した後で、燃料電池から取り出す電流を制限するとよい。

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、発電開始後、電流制限値を下げずに済み、電流制限時間を短縮することができる。

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 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。

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の最適な電流制限を行い、燃費向上や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。

図２１は、水分布推定による電流制限の最適化を示すフローチャートである。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から取り出す電流の制限を行わない（ステップＳ１０３）。残水量が閾値未満であれば、燃料電池１の要求出力に応じた出力電流を燃料電池１から取り出しても、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、電流制限値決定ロジックを経て（ステップＳ１０４）、燃料電池１から取り出す電流の制限を行う（ステップＳ１０５）。

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。そして、燃料電池１の少なくとも一つの単セル２で液水が閾値以上に溜まっていることが確認された場合には（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、その単セル２の劣化を抑制するために、燃料電池１の電流制限量を決定する（ステップＳ１０４）。このとき、運転制御部６８は、閾値以上の残水量が存在する位置及びその大きさの少なくとも一つに応じて、電流制限量を変更することが好ましい。

具体的には、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、燃料電池１の電流制限値を小さくする（ステップＳ１０４）。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、燃料電池１から取り出す電流の最大値を小さくし、それほど電流を取り出さないように設定する（ステップＳ１０４）。これにより、ステップＳ１０５で電流制限しながら燃料電池１の発電を行った場合に、セル電圧の低下を抑制することができる。

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、燃料電池１の電流制限値を大きくする（ステップＳ１０４）。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、燃料電池１から取り出す電流の最大値を大きくし、発電できる分はできるだけ燃料電池１を発電させることが可能な設定にする（ステップＳ１０４）。これにより、ステップＳ１０５で電流制限しながら燃料電池１の発電を行った場合に、電流制限値を大きくした分だけ燃料電池１の発電量を多く確保することができる。

また、閾値以上の残水量が多いほど燃料電池１の電流制限値を小さくし、閾値以上の残水量が少ないほど燃料電池１の電流制限値を大きくする（ステップＳ１０４）。仮に、残水量の大きさに関わらず、電流制限値を小さい値で一律にしたのでは、燃料電池１の発電量を多く確保することできなくなる。また、電流制限値を大きい値で一律にしたのでは、セル電圧の低下を招く可能性が高くなる。したがって、上記のように残水量の大きさに応じて電流制限値を変更することで、多くの発電量の確保とセル電圧の低下抑制とを図ることができる。

図２５は、電流制限の最適化に関して、時間と電流制限値との関係を示す図である。例えば、時間ｔ₁は、燃料電池システム１００の始動時に燃料電池１が発電を開始するタイミングであり、時間ｔ₂は、燃料電池車両の加速（急速な出力上昇）を許可するタイミングである。図中の点線Ｍ_１は、時間ｔ₁から時間ｔ₂までの間で電流制限値をＩ₁に設定し、時間ｔ₂でステップ状に電流制限値をＩ_２に設定する例を示している。なお、電流制限値Ｉ₁は上記したステップＳ１０４で設定される。この例によれば、残水量の位置及び大きさに応じた電流制限値の下で燃料電池１を発電できる。

図２５における曲線Ｍ_２は、本実施形態のより好ましい一例を示している。この例では、ステップＳ１０４で発電開始時（時間ｔ₁）の電流制限値をＩ₁に設定した後、時間の経過と共に電流制限値を徐々に増大させ、時間ｔ₂で電流制限値をＩ_２に設定している。この例によれば、過渡的に電流制限値を大きくするので、この大きくした分だけ（図２５において曲線Ｍ_２と点線Ｍ_１とで囲まれる領域だけ）、燃料電池１の発電量を多く確保することができる。したがって、本例によれば、効率を向上できると共に、アクセルの踏み込み（加速要求）があってもそれに応答することが可能となる。

以上説明したように、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、電流制限を精度良く行うことができる。特に、液水の存在する場所及びその量により電流制限量を変更しているので、電流制限を最適化することができる。これにより、セル電圧の低下による電極２４Ａ，２４Ｂの触媒の劣化を抑制することができると共に、燃料電池１の発電量を多く確保することができ、燃費を向上することができる。

また、図２５に示す曲線Ｍ_２のように電流制限値を変化させるようにしているので、燃料電池車両のユーザーにとっては、加速の遅れを感じることによる違和感を軽減することができる。詳述すると、車両（燃料電池システム１００）の始動時に液水が溜まっていない場合には電流制限を行わないので、ユーザーは始動時から車両の加速を体感できる。しかし、始動時に液水が溜まっている場合に一定の電流制限をかけるとすると、加速のためのアクセルを踏みこんだユーザーにとっては、今回は加速しないという違和感を体感することになる。この点、曲線Ｍ_２のように電流制限することで、燃料電池１の発電量を多く確保できる。これにより、ユーザーは始動時から加速を体感でき、ドラビリを向上することができる。また、図示省略したバッテリ（二次電池）の電力を消費しなくても済む。

なお、以上説明した水分布推定による電流制限は、燃料電池システム１００の始動時に行うことが好ましい。始動時以外、例えば燃料電池システム１００の運転中であれば、水分布推定に基づく対策制御（例えば、反応ガスの状態量を可変することで液水を低減させる制御）を行うことで、残水量の過多に起因したセル電圧の低下などを抑制することができるからである。

上記の例では、時間の経過と共に電流制限値を徐々に増大させたが（時間ｔ₁→ｔ_２）、時間が経っても閾値以上の残水量が減らない又は増えるときは、電流制限値を小さくすることが好ましい。すなわち、時間の経過とともに推定される残水量も変化するが、ある時間の経過後（例えば時間ｔ_２）に推定される残水量が、減っていないために依然として比較的多い場合や、逆に増えている場合には、電流制限値を小さくするとよい。これにより、セル電圧の低下による燃料電池１の劣化を抑制することができる。一方、ある時間の経過後（例えば時間ｔ_２）に推定される残水量が比較的少ない場合には、電流制限値を大きくするよい。なお、時間の経過は、図示省略したタイマーなどにより計測することができる。

次に、図２６及び図２７を参照して、水分布推定に基づく制御による掃気の最適化について説明する。図２６に示すステップＳ１１１では、図２１のステップＳ１０１と同様に、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が推定される。次いで、図２１のステップＳ１０２と同様に、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）。

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の掃気処理を行わずに発電を開始させる（ステップＳ１１７）。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Ｓ１１３）。この掃気処理は、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、燃料電池１内の水分を空気で持ち去ることで行われる。なお、掃気処理はこの方法に限らず、例えば、不活性ガス（例えば窒素）を燃料電池１内の反応ガス流路に供給する方法を用いてもよい。

掃気処理後、上記推定方法により、再び残水量分布並びに含水量分布を推定する（ステップＳ１１４）。その後、運転制御部６８は、電流制限値決定ロジックにて、燃料電池１の電流制限値を決定する（ステップＳ１１５）。電流制限値の決定は、上記ステップＳ１０４と同様の手法により行うことができる。すなわち、液水の存在する場所及び量に応じて電流制限値Ｉ_３を決定する。

次いで、ステップＳ１１６において、この決定した電流制限値Ｉ_３が閾値以上であるか否かを判断する。この閾値は、例えば、燃料電池１から所定の電流の取り出しを許可し得る値に設定される。その結果、電流制限値Ｉ_３が閾値を越えない場合（ステップＳ１１６：Ｎｏ）、つまり出力電流の取り出しを許可できない場合には、再度、燃料電池１の掃気処理を行って内部の水分を減少させるようにする（ステップＳ１１３）。一方、電流制限値Ｉ_３が閾値以上である場合（ステップＳ１１６：Ｎｏ）、つまり出力電流の取り出しを許可できる場合には、燃料電池１の発電を開始する（ステップＳ１１７）。その後は、図２１に示した電流制限の最適化のフローを行うようにする。

図２７は、電流制限の前に掃気処理を行った場合の時間と電流制限値との関係の一例を示す図である。図２５と異なる点は、時間ｔ₀から発電開始タイミングｔ₁の間に曲線Ｍ_３を追加したことである。時間ｔ₀では、図２６のステップＳ１１１及びＳ１１２が行われる。時間ｔ₀から時間ｔ₁の間で、ステップＳ１１３〜Ｓ１１６（Ｙｅｓ）が行われる。曲線Ｍ_３に示すように、ステップＳ１１５で決定した電流制限値を過渡的に増大させるようにしている。

このように、必要に応じて掃気処理を行うことで、残水量を減らすことができる。これにより、発電開始後、燃料電池１の電流制限値を下げずに済み、電流制限時間を短縮することができる。

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。 実施形態に係る水分布推定による電流制限の最適化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。 実施形態に係る電流制限の最適化に関して、時間と電流制限値との関係を示す図である。 実施形態の変形例に係る水分布推定に基づく制御による掃気の最適化を示すフローチャートである。 実施形態の変形例に係る電流制限の最適化に関して、時間と電流制限値との関係を示す図である。

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

Claims (11)

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た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、前記燃料電池から取り出す電流を制限する運転制御部と、を備え、
   前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量の位置に応じて、前記燃料電池の電流制限量を変更する、燃料電池システム。
2. 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を供給されるものであり、
   前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量のある場所が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であるほど、前記電流制限量としての電流制限値を小さくする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 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を供給されるものであり、
   前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量のある場所が前記セル積層体における反応ガスの供給方向上流側の単セルであるほど、前記電流制限量としての電流制限値を大きくする、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のある場所が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であるほど、前記電流制限量としての電流制限値を小さくする、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ある場所がセル面内における前記反応ガス流路への反応ガスの出口側であるほど、前記電流制限量としての電流制限値を大きくする、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記運転制御部は、時間が経っても前記閾値以上の残水量が減らない又は増えるときは、前記電流制限値を小さくする、請求項２ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 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５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記運転制御部は、前記閾値以上の残水量が多いほど、前記燃料電池の電流制限値を小さくする、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記推定部は、当該燃料電池システムの始動時に、前記残水量分布を推定し、
   前記運転制御部は、前記燃料電池から取り出す電流の制限を当該燃料電池システムの始動時に実行する、請求項１ないし５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、前記推定部により推定された前記反応ガス流路の残水量が前記閾値以上である場合、前記燃料電池を掃気処理した後で、前記燃料電池から取り出す電流を制限する、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
11. 前記推定部は、前記水移動を考慮して、各単セルのセル面内における前記電解質膜の含水量分布も推定する、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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