JP5517098B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、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。これは、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いないため、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、システム効率の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。この間欠運転は、主に低負荷運転の際に行われるものであり、その実行中では、燃料電池に反応ガスを供給する補機類の作動が停止される。
しかし、間欠運転中は燃料電池が昇温しないため、単セル内は水が溜まり易い状況となる。特に、外気温が低い場合には単セル内で水蒸気が凝縮する。このため、間欠運転から通常運転に切り替えた場合、間欠運転中に液水（残水量）が多く溜まった単セルでは、反応ガスの供給が阻害されてセル電圧の低下が生じるおそれがある。

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すると共に、間欠運転による水溜りの上昇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、所定の低負荷のときに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、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に応じて、間欠運転を行う頻度（以下、「間欠頻度」といい、次の式で表されるものをいう。）を設定する運転制御部と、備えたものである。
式：Ｘ＝Ｔ_on／（Ｔ_on＋Ｔ_OFF）
ただし、Ｘは間欠頻度であり、Ｔ_onは間欠運転を行うモードであることを示す間欠運転フラグのオン時間であり、Ｔ_OFFは当該間欠運転フラグのオフ時間である。

本発明によれば、電極間の水移動を考慮しているので、セル面内及びセル積層方向それぞれの残水量分布及び含水量分布についての推定精度を向上することができる。また、この向上した推定結果を利用して間欠頻度を設定するので、水溜りの上昇を抑制するような間欠頻度で間欠運転を適切に行うことが可能となる。

好ましくは、運転制御部は、残水量の増加が比較的抑えられる間欠頻度で間欠運転を行うとよい。こうすることで、間欠運転による水溜りの上昇を抑制することができる。

好ましくは、推定部は、所定の低負荷になったときに、この低負荷状態が継続した場合における所定時間後の残水量を二以上の間欠頻度毎に推定し、運転制御部は、間欠頻度毎に推定された残水量のうち、比較的少ない残水量に係る間欠頻度で間欠運転を行うとよい。

より好ましくは、運転制御部は、上記の比較的少ない残水量に係る間欠頻度に代えて、所定時間後の全単セル中の最大残水量と最小残水量との差が比較的小さくなる間欠頻度を用いるとよい。こうすることで、複数の単セルの局所的な水溜りの上昇を抑制することができる。

好ましくは、燃料電池システムは、上記所定時間を記憶する記憶部を備え、記憶部は、燃料電池システムの運転傾向に応じて、前記所定時間を更新して記憶するとよい。こうすることで、例えば燃料電池システムを搭載した車両の運転パターンが人によって異なっていても、その人の運転傾向（低負荷状態の長さ）を踏まえた水溜りの抑制を図ることができる。

より好ましくは、記憶部は、所定の低負荷の状態が最も長く続いたときの継続時間に、上記所定時間を更新するとよい。こうすることで、低負荷状態の継続時間の最大値を学習することができ、この最大値に基づいた間欠頻度で間欠運転を行うことができる。

本発明の別の好ましい一態様によれば、記憶部は、所定の低負荷のたびにその継続時間を記憶すると共に、その記憶した継続時間の中で頻度が高い継続時間に前記所定時間を更新するとよい。こうすることで、低負荷状態がたまたま長く続いたようなレアケースでの継続時間に、上記所定時間が更新されるのを抑制することができる。

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。 実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両の電気系統を示す概略図である。 図２１に示す燃料電池車両において、間欠頻度を設定して間欠運転を実行する場合の処理内容を示すフローチャートである。 実施形態に係る燃料電池システムにおいて、複数の間欠頻度で間欠運転を実行した場合の時間経過と残水量との関係を示す図である。 実施形態に係る燃料電池システムにおいて、所定時間を最大継続時間に更新する場合の処理内容を示すフローチャートである。

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ｓ₁〜ｓ₄とすると、Ｉ＝ｉ₁×ｓ₁＋ｉ₂×ｓ₂＋ｉ₃×ｓ₃＋ｉ₄×ｓ₄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σ₁（相対湿度が１００％を越えた分）及び未飽和度σ₂（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＝ｋ₁×σ₁
Ｖ_liq→_vap＝ｋ₂×σ₂
ここで、係数ｋ1、ｋ₂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ｋ1、ｋ₂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＝ｋ₃×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ｋ₃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ｋ₃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（Ｑ₁＞Ｑ₂）、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、ＴΔＳ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の間欠運転の頻度を設定し、間欠運転による水溜りの上昇を抑制することができるものである。以下、燃料電池システム１００を車両に搭載した例にて、間欠運転を行う頻度（以下、間欠頻度という。）を設定する制御例を説明する。

図２１は、燃料電池システム１００を搭載した車両の電気系統を示す概略図である。
車両は、車輪に連結されたモータ７０１（負荷）を駆動力源とするものであり、モータ７０１には、燃料電池１又は蓄電装置７０２からの電流がインバータ７０３で三相交流に変換されて供給される。蓄電装置７０２は、充放電可能な二次電池又はキャパシタであり、モータ７０１に対し高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７０４を介して燃料電池１に並列接続される。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７０４により、燃料電池１の出力電圧及び蓄電装置７０２の充放電が制御される。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７０４と燃料電池１との間には、燃料電池システム１００の運転に供せられる補機類７０５（例えばコンプレッサ３３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６、冷却ポンプ５０など）が接続される。なお、高圧ＤＣ/ＤＣコンバー７０４の接続位置など、電気系統の各構成は適宜設計変更できる。

ここで、間欠運転及び間欠頻度について説明する。
間欠運転とは、燃料電池１のシステム効率が低下する所定の低負荷時（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。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７０５（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モータ７０１の駆動力及び補機類７０５の補機動力は、蓄電装置７０２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、所定の低負荷のときに、必要に応じて通常運転のモードから間欠運転のモードに切り替える。

間欠頻度Ｘとは、間欠運転モードであることを示す間欠運転フラグのオン時間（Ｔ_on）の時間的割合をいう。具体的に、間欠頻度Ｘとは、次の式で表されるものであり、間欠運転フラグのオン時間（Ｔ_on）を、そのオン時間（Ｔ_on）とオフ時間（Ｔ_OFF）とを加算したスイッチング周期で除したものである。
Ｘ＝Ｔ_on／（Ｔ_on＋Ｔ_OFF）

図２２は、図２１に示す燃料電池車両において、間欠頻度Ｘを設定して間欠運転を実行する処理内容を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００を始動させるスタートスイッチがオン状態になったときから、制御装置６００のＣＰＵによってある時間毎（例えば１０μ秒毎）に実行される（ステップＳ１０１）。

本ルーチンが実行されると、間欠運転を行うほどの所定の低負荷であるかどうか、すなわちモータ７０１の要求負荷（要求パワー）が所定値Ｐｓより小さいか否かが判断される（ステップＳ１０２）。この要求負荷は、制御装置６００によって次の手順で求められる。先ず、上記したアクセル開度センサの出力から、モータ７０１の目標回転数及び目標トルクを設定する。これらの積は、モータ７０１から出力すべき動力となるので、次に、この動力を、トラクションモータ７０１の運転効率、消費電力当たりに出力される動力の比で除する。これにより、要求負荷が求められる。

所定値Ｐｓは、間欠運転モードを行うかどうかの判断基準となるものであり、その一例が本願と同一出願人の特開２００５−７１７９７号公報（特に図４及び００４４）に開示されている。つまり、所定値Ｐｓは、燃料電池１の出力が低いためにシステム効率が低くなる低負荷領域の燃料電池出力の境界値であり、例えば燃料電池１の発電能力の約１０％に設定される。ただし、所定値Ｐｓは、蓄電装置７０２の充放電能力やその残存容量等に応じて適宜設定することが可能であり、上記したものに限られるものではない。

ステップＳ１０２において要求負荷が所定値Ｐｓよりも小さい場合には（ステップＳ１０２；Ｙｅｓ）、この低負荷の状態が所定時間ｔ₁だけ継続すると仮定した場合における単セル２内の残水量について、複数の間欠頻度Ｘごとに推定する（ステップＳ１０３）。
より詳細に説明すると、図２３に示すように、間欠頻度Ｘの大きさにより、時間経過ごとの残水量は異なることになる。例えば、間欠頻度Ｘ＝０．２５である場合の曲線Ｌ１と、間欠頻度Ｘ＝０．５である場合の曲線Ｌ２とでは、燃料電池１の発電による昇温のし易さの関係上、時間経過に伴う残水量の変化量が異なる。間欠運転の開始時（時間ｔ₀）から所定時間ｔ₁が経過した時点では、間欠頻度が低い曲線Ｌ１の方が残水量が多いが、その後の時間₂の時点では、両者の関係は逆転する。

ステップ１０３では、複数の間欠頻度（Ｘ＝０、０．２５、０．５、０．７５、１など）の場合について、それぞれ間欠運転を行った場合に推定される所定時間ｔ₁での残水量を算出する。この残水量の推定は、上記した推定部６７による推定方法を用いて、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を推定することで行われる。

ここで、ステップＳ１０３における所定時間ｔ₁は、所定の低負荷運転が開始されてからの任意又は一定の時間が経過した時点に設定することができるが、好ましくは更新可能に記憶部６５に記憶されるとよい。つまり、所定時間ｔ₁は、燃料電池システム１００の運転傾向に応じて学習されることが好ましい。この場合、所定時間ｔ₁は、以下に順に述べるとおり、最大継続時間又は頻度の高い継続時間に更新されるとよい。

図２４は、所定時間ｔ₁を最大継続時間に更新する場合の処理内容を示すフローチャートである。本ルーチンでは、先ず、モータ７０１の要求負荷が所定値Ｐｓより小さいとき、その継続時間ｔ_mを計測する（ステップＳ１１１）。この継続時間ｔ_mの計測は、制御装置６００に組み込まれたタイマー部（図示省略）によって行われる。なお、要求負荷及び所定値Ｐｓは、上記した図２２のステップＳ１０２における要求負荷及び所定値Ｐｓと同じである。

そして、継続時間ｔ_mが今までに記憶していた最大継続時間を上回る場合には（ステップＳ１１２；Ｙｅｓ）、現在の所定時間ｔ₁である最大継続時間を継続時間ｔ_mに更新する（ステップＳ１１３）。これにより、低負荷状態の継続時間の最大値が記憶部６５で学習される。よって、燃料電池車両の運転パターンが人によって異なっていても、その人の運転傾向（低負荷状態の長さ）を踏まえた所定時間ｔ₁に設定することができる。なお、継続時間ｔ_mが今までに記憶していた最大継続時間以下である場合には、その継続時間を記憶部６５に随時記憶させる必要はない。

次に、所定時間ｔ₁を頻度の高い継続時間に設定・更新する場合を説明する。この場合も、先ず、ステップＳ１１１と同様に、モータ７０１の要求負荷が所定値Ｐｓより小さいときに、その継続時間ｔ_mを計測する。このとき、計測した都度の継続時間ｔ_mを全て記憶部６５に記憶させる。そして、この記憶させた継続時間の頻度分布をとり、その中で最も頻度の高い継続時間に、現在の所定時間ｔ₁を更新する。これにより、低負荷の状態がたまたま長く続いたようなレアケースでの継続時間に、所定時間ｔ₁が更新されるのを抑制することができる。

再び図２２に戻って説明する。
ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で間欠頻度Ｘごとに推定された残水量のうち、残水量の増加（上昇幅）が比較的抑えられる間欠頻度で間欠運転を行う。例えば図２３に示した一例に照らすと、所定時間ｔ₁の時点では曲線Ｌ２（間欠頻度Ｘ＝０．５）の方が残水量が比較的少ないので、この間欠頻度Ｘ＝０．５にて間欠運転を行うように、通常運転モードから間欠運転モードに切り替える。

ここで、ステップ１０４において、間欠頻度Ｘを決定する際に用いる残水量（推定値）について詳述する。この残水量（推定値）としては、所定時間ｔ₁の時点での任意、所定又は全ての単セル２の残水量を用いることができるが、その中でも端部セル２ａの残水量を用いることが好ましい。これは、セル積層体３における複数の単セル２の中で、端部セル２ａが最も残水量が溜まり易いからである。特に、セル積層体３における反応ガスの供給方向下流側に位置する端部セル２ａほど、残水量が溜まり易いので、この端部セル２ａについてステップＳ１０３で推定された間欠頻度Ｘごとの残水量のうち、所定時間ｔ₁における推定値が最も小さくなる間欠頻度Ｘで間欠運転を行うとよい。

別の態様では、間欠頻度Ｘを決定する際に用いる残水量（推定値）として、所定時間ｔ₁の時点での全単セル２中の最大残水量と最小残水量との差を用いることも好ましい。そして、ステップＳ１０３で推定された間欠頻度Ｘごとの残水量のうち、最大残水量と最小残水量との差が比較的小さくなる間欠頻度Ｘで間欠運転を行うとよい。こうすることで、単セル２によって残水量のバラツキがあっても、複数の単セル２の局所的な水溜りの上昇を抑制することができる。なお、比較的小さくなる間欠頻度Ｘには、差が最も小さくなる間欠頻度Ｘを含む。

なお、上記のとおり、ステップＳ１０３では単セル２の水素流路２５Ａ及び空気流路２５Ｂそれぞれの残水量分布が推定されるため、ステップＳ１０４において間欠頻度Ｘを決定する際に用いる残水量（推定値）の種類として、単セル２における総残水量、単セル２の水素流路２５Ａにおける総残水量、単セル２の空気流路２５Ｂにおける総残水量、水素流路２５Ａにおける部分的な残水量、又は空気流路２５Ｂにおける部分的な残水量が考えられる。ステップＳ１０４では、これらのいずれかを用いればよい。ただし、その中でも空気流路２５における総残水量を用いることが好ましい。これは、ユーザーのフィーリング（車両の加速感）を損なうエア不足を確認できるからである。そして、より好ましくは、水素流路２５Ａにおける総残水量を用いることが好ましい。これは、単セル２を劣化させる水素ガス不足を確認できるからである。

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、単セル２内の水溜りの上昇を抑制するような間欠頻度Ｘで間欠運転を行うことができる。また、間欠運転を実際に行う必要が生じたときに残水量の推定を開始し、所定時間ｔ₁の時点での残水量（推定値）を基準として間欠頻度Ｘを設定するので、水溜りの上昇をより確実に抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、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、システム全体としても燃費を向上することができる。

１：燃料電池、２：単セル、２ａ：端部セル、３：セル積層体、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 (7)

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、所定の低負荷のとき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、
   前記推定部により推定された反応ガス流路の残水量に応じて、前記間欠運転を行う頻度（以下、「間欠頻度」といい、次の式で表されるものをいう。）を設定する運転制御部と、備えた、燃料電池システム。
   式：Ｘ＝Ｔ_on／（Ｔ_on＋Ｔ_OFF）
   ただし、Ｘは間欠頻度であり、Ｔ_onは間欠運転を行うモードであることを示す間欠運転フラグのオン時間であり、Ｔ_OFFは当該間欠運転フラグのオフ時間である。
2. 前記運転制御部は、前記残水量の増加が比較的抑えられる間欠頻度で間欠運転を行う、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記推定部は、前記所定の低負荷になったときに、この状態が継続した場合における所定時間後の残水量を二以上の間欠頻度毎に推定し、
   前記運転制御部は、間欠頻度毎に推定された残水量のうち、比較的少ない残水量に係る間欠頻度で間欠運転を行う、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、前記比較的少ない残水量に係る間欠頻度に代えて、前記所定時間後の全単セル中の最大残水量と最小残水量との差が比較的小さくなる間欠頻度を用いる、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記所定時間を記憶する記憶部を更に備え、
   前記記憶部は、当該燃料電池システムの運転傾向に応じて、前記所定時間を更新して記憶する、請求項３又は４に記載の燃料電池システム。
6. 前記記憶部は、前記所定の低負荷の状態が最も長く続いたときの継続時間に、前記所定時間を更新する、請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記記憶部は、前記所定の低負荷のたびにその継続時間を記憶すると共に、その記憶した継続時間の中で頻度が高い継続時間に前記所定時間を更新する、請求項５に記載の燃料電池システム。

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