JPWO2010073386A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、水分量の推定精度を向上し、燃料電池システムの始動時の残水による影響を抑制することである。【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、推定部の推定結果に基づいて、燃料電池システムの停止後に燃料電池を掃気処理する際の掃気時間を設定する運転制御部と、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かった。

特に、燃料電池システムの停止後においては、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時に、アノード電極側流路の残水量が多く、圧損が高い状態になっている場合もある。この状態で燃料電池システムを始動すると、アノード電極への水素ガスの供給が不足し、その結果、セル電圧が低下するおそれがある。

本発明の燃料電池システムは、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水分量の推定精度を向上し、燃料電池システムの始動時の残水による影響を抑制することである。

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、推定部の推定結果に基づいて、燃料電池システムの停止後に燃料電池を掃気処理する際の掃気時間を設定する運転制御部と、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、含水量及び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するので、掃気時間を最適化することができる。その結果、燃料電池システムの再始動までに適切に掃気処理して残水量を減らすことができるので、燃料電池システムの再始動時に、例えば反応ガスの供給不足やセル電圧の低下といった残水に起因した影響を抑制することができる。

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

好ましくは、運転制御部は、推定された反応ガス流路の残水量に基づいて、掃気時間を設定するとよい。

このように、システム再始動時の反応ガスの供給に直接影響する残水量に基づくことで、より正確なあるいはより必要十分な掃気時間に設定することができる。

より好ましくは、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。推定部は、燃料ガス流路及び酸化ガス流路のそれぞれについて、セル面内における残水量分布を推定するとよい。また、運転制御部は、燃料ガス流路の推定された残水量、酸化ガス流路の推定された残水量及びこれらの総量の少なくとも一つに基づいて、掃気時間を設定するとよい。

こうすることで、各残水量の大きさに応じた掃気時間に設定することが可能となり、掃気時間の最適化を図ることができる。

より好ましくは、運転制御部は、単セル内の推定された残水が全てアノード電極側へ移動した場合にも、この移動後の残水量がセル電圧の低下を発生させない値となるまで、掃気処理を実行するとよい。

こうすることで、システム再始動時に単セル内の全ての残水がアノード電極側へと移動していても、セル電圧の低下が起きずに済む。よって、単セルの劣化を抑制することができる。

この場合、運転制御部は、セル積層体の端にある単セル（以下、端部セル）内の推定された残水を基準として、掃気処理を実行することが好ましい。

こうすることで、セル積層体で最も残水量が多くなり易い端部セルを基準として掃気処理を実行するので、端部セルはもとより他の単セル内の残水量も確実に低減することができる。

より好ましくは、推定部は、掃気処理中も残水量分布を推定し、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、掃気処理を終了するとよい。

こうすることで、掃気処理の途中経過を踏まえて残水量を減らすことができ、掃気時間をより最適化することができる。

より好ましくは、運転制御部は、掃気処理を酸化ガス流路又は燃料ガス流路に対して実行するとよい。

酸化ガス流路に対して掃気処理を実行すれば、システム停止後に液水が酸化ガス流路から燃料ガス流路へと移動するのを減らすことができる。一方、燃料ガス流路に対して掃気処理を実行すれば、システム停止後に燃料ガス流路の液水を減らすことができるので、システム再始動時までには燃料ガス流路の残水量を減らしておくことができる。よって、いずれの場合も、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。

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
先ず、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、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。

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している。
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２１を再び参照するに、水素流路２５Ａでの圧損が高い状態で燃料電池システム１００を再始動すると（タイムｔ_２）、アノード電極２４Ａに対し水素ガスの供給流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、供給流量不足（水素欠）によるセル電圧の低下、ひいてはＭＥＡ２０の劣化をもたらす可能性が高い。このため、システム再始動時の水素ガス供給不足を抑制するために、システム停止後に単セル２内の残水を排出するとよい。

そこで、本制御例は、上記した推定方法による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掃気処理を行うようにしている。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２３は、本制御例に係るシステム停止後の掃気処理を示すタイミングチャートである。図２３（Ａ）の縦軸は空気流路２５Ｂ内の残水量を示し、図２３（Ｂ）の縦軸はエア供給流量を示す。また、残水量Ｗ_１は、単セル２の水詰り発生残水量を示しており、これをシステム停止後に上回ると、システム再始動時に水素ガス供給不足となるおそれがあるものである。本制御例では、システム停止後に各単セル２の空気流路２５Ｂ内の残水量が残水量Ｗ_１に低下するまで掃気処理を実行する。

具体的には、先ず、燃料電池システム１００の運転を停止する時間ｔ_１までは、一定のベース流量Ｑ_１であるエア供給流量にて通常運転が行われる。そして、システム停止後又は車両停止後である時間ｔ_１にて、掃気処理を開始する。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、空気流路２５Ｂ内の液水を空気で持ち去ることで行われる。このとき、持ち去り量を増やすために、エア供給流量をベース流量Ｑ_１から掃気用流量Ｑ_２にまで増大させるとよい。なお、エア供給流量Ｑ_２の値は、大きくなるほどコンプレッサ３３の騒音も大きくなるので、ＮＶ評価を踏まえて決定される。

掃気処理により、空気流路２５Ｂ内の残水量が残水量Ｗ_１まで減少したところで（時間ｔ_２）、空気の供給を停止して掃気処理を終了する。その後は、燃料電池システム１００は再始動となるまで放置状態となる。なお、上述したように、システム放置中では、水蒸気分圧差により空気流路２５Ｂ内の残水がアノード側へと移動する。

ここで、掃気処理を実行する期間、すなわち掃気時間Ｔ_SCAは、次の式により表すことができる。
掃気時間Ｔ_SCA＝時間ｔ_２−時間ｔ_１

この掃気時間Ｔ_SCAは、一律の値というわけではなく、推定部６７の推定結果に基づいて適宜設定される。例えば、推定された残水量が比較的多い場合には、掃気時間Ｔ_SCAが長く設定される一方、推定された残水量が比較的少ない場合には、掃気時間Ｔ_SCAが短く設定される。一例を挙げると、全ての又は任意の単セル２における空気流路２５Ｂ内の推定された残水量（総量）に基づいて、掃気時間Ｔ_SCAの長さを設定することができる。また、別の例では、全ての又は任意の単セル２における水素流路２５Ａ内の推定された残水量（総量）に基づいて、掃気時間Ｔ_SCAの長さを設定することもできる。あるいは、全ての又は任意の単セル２における、空気流路２５Ｂ内の推定された残水量（総量）と水素流路２５Ａ内の推定された残水量（総量）とを足した合計量（以下、推定合計残水量という。）に基づいて、掃気時間Ｔ_SCAの長さを設定することもできる。

掃気時間Ｔ_SCAの設定に際しては、どの残水量の推定値を用いるかによって、閾値としての残水量Ｗ_１も可変される。例えば、推定合計残水量を用いる場合の方が、空気流路２５Ｂ内又は水素流路２５Ａ内の推定残水量のみを用いる場合に比べて、大きい値の残水量Ｗ_１が用いられる。さらに、セル積層方向における単セル２の位置に応じても、残水量Ｗ_１を可変してもよい。これは、図２２Ａに示したように、主セル２ｂよりも端部セル２ａの方が残水量が多くなるからである。

本制御例の好ましい一例としては、セル積層方向奥側の端部セル２ａ内の推定された残水量（アノード側残水量、カソード側残水量及びこれらの合計量の少なくとも一つ）に基づいて、掃気時間Ｔ_SCAを設定するとよい。なぜなら、この端部セル２ａの残水量（推定値）は、セル積層体３における単セル２の中で最も大きい値となり、これを基準に掃気時間Ｔ_SCAを設定することで、当該端部セル２ａはもちろん、残りの単セル２内の残水量も確実に低減することができるからである。

この場合、端部セル２ａ内の推定合計残水量に基づくのがより好ましい。そして、推定合計残水量と比較する閾値（残水量Ｗ_１）は、セル電圧の低下を発生させない値に設定するとよい。つまり、端部セル２ａ内の推定された残水が全て水素流路２５Ａ内へ移動した場合にも、この移動後の残水量がセル電圧の低下を発生させない値となるまで、掃気処理を実行するとよい。こうすることで、システム再始動時に単セル２内の全ての残水がアノード側へと移動しても、セル電圧の低下が起きずに済む。

また、掃気時間Ｔ_SCAを設定する際に用いる残水量の推定値に関しては、システム停止時（時間ｔ_１）又はその直前に推定した値を用いればよい。ただし、好ましい一例としては、システム停止後の掃気処理中も上記した残水量分布の推定を行い、この掃気処理中に推定した残水量が上記閾値（残水量Ｗ_１）よりも小さくなったか否かを監視するとよい。そして、小さくなった場合に、掃気処理を終了するとよい。こうすることで、掃気処理の途中経過を踏まえて残水量を減らすことができ、掃気時間をより最適化することが可能となる。

図２４Ａ及びＢは、掃気処理前及び掃気処理後のそれぞれについて、セル内残水量とアノード圧損との関係を示す図である。
ここで、横軸におけるセル内残水量とは、単セル２において、水素流路２５Ａ内の推定された残水量と空気流路２５Ｂ内の推定された残水量とを合計したものである。システム放置後に空気流路２５Ｂ内の残水が水素流路２５Ａへと全て移動すると想定すれば、このセル内残水量は、システム停止から一定期間経過したシステム放置後又はシステム再始動時の水素流路２５Ａ内の残水量と同視し得る。また、縦軸におけるアノード圧損とは、水素流路２５Ａでの圧損を意味する。さらに、ラインＬ_１及びＬ_２は、評価により事前に得られる単セル２の特性を示しており、端部セル２ａ及び主セル２ｂに関する推定値がプロットされている。なお、この二つのプロットの間に、端部セル２ａと主セル２ｂとの間にある複数の単セル２に関する値がプロットされることになる。

図２４Ａに示す掃気処理前では、端部セル２ａと主セル２ｂとの間でアノード圧損差Ｐ_Lossが大きくなっている。このため、端部セル２ａに対し水素ガスの分配不良が起こり、端部セル２ａにおいて水素ガス流量が不足してしまう。
図２４Ｂに示す掃気処理後では、端部セル２ａのセル内残水量が閾値（残水量Ｗ_１）よりも小さくなる。また、端部セル２ａと主セル２ｂとの間のアノード圧損差Ｐ_Lossも小さくなる。このアノード圧損差Ｐ_Lossが小さくなるため、端部セル２ａに対する水素ガスの分配不良も抑制され、それにより端部セル２ａにおいて水素ガス流量が不足することが抑制される。

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、システム停止後に最適な掃気時間を設定することができる。これにより、システム再始動までに適切に掃気処理をすることができ、システム停止後に残水が空気流路２５Ｂから水素流路２５Ａへと移動するのを減らすことができる。よって、システム再始動時に水素ガス供給不足などの残水に起因した影響を抑制することができる。

なお、別の実施態様においては、上記したカソード側掃気処理ではなく、アノード側掃気処理を実行してもよい。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。この掃気処理によれば、もともと存在する水素流路２５Ａ内の残水を減らすことができるので、システム再始動時までには水素流路２５Ａ内の残水量を減らしておくことができる。よって、この場合も、システム再始動時に水素ガス供給不足などの残水に起因した影響を抑制することができる。

ただし、図２１に示したように、燃料電池システム１００の運転中では水素流路２５Ａ内よりも空気流路２５Ｂ内の方が残水量が多いため、アノード側掃気処理よりもカソード側掃気処理を実行した方が有効である。なお、アノード側掃気処理を実行する場合の掃気時間の設定方法などは、カソード側掃気処理と同様であるので、説明を省略する。

また、別の実施態様においては、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。この場合の掃気時間の設定の方法なども、カソード側掃気処理と同様の方法を適用することができる。

さらに、別の実施態様においては、残水量の推定結果に基づいて掃気時間だけを設定するのではなく、掃気流量（上記したエア供給流量Ｑ_２など）も設定してもよい。

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。 実施形態の制御例に係るシステム停止後の掃気処理を示すタイミングチャートである。 実施形態の制御例に係る掃気処理を実行する前の、セル内残水量とアノード圧損との関係を示す図である。 実施形態の制御例に係る掃気処理を実行した後の、セル内残水量とアノード圧損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

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、前記反応ガス流路の推定された残水量に基づいて、燃料電池システムの停止後に燃料電池を掃気処理する際の掃気時間を設定する運転制御部と、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、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するので、掃気時間を最適化することができる。特に、システム再始動時の反応ガスの供給に直接影響する残水量に基づくので、より正確なあるいはより必要十分な掃気時間に設定することができる。その結果、燃料電池システムの再始動までに適切に掃気処理して残水量を減らすことができるので、燃料電池システムの再始動時に、例えば反応ガスの供給不足やセル電圧の低下といった残水に起因した影響を抑制することができる。
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 (8)

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、
   前記推定部の推定結果に基づいて、当該燃料電池システムの停止後に前記燃料電池を掃気処理する際の掃気時間を設定する運転制御部と、を備えた、燃料電池システム。
2. 前記運転制御部は、前記反応ガス流路の推定された残水量に基づいて、前記掃気時間を設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 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、
   前記推定部は、前記燃料ガス流路及び前記酸化ガス流路のそれぞれについて、セル面内における残水量分布を推定し、
   前記運転制御部は、前記燃料ガス流路の推定された残水量、前記酸化ガス流路の推定された残水量及びこれらの総量の少なくとも一つに基づいて、前記掃気時間を設定する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記運転制御部は、単セル内の推定された残水が全て前記アノード電極側へ移動した場合にも当該移動後の残水量がセル電圧の低下を発生させない値となるまで、前記掃気処理を実行する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記運転制御部は、前記セル積層体の端にある単セル内の推定された残水を基準として、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。
6. 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所定の閾値よりも小さくなった場合に、前記掃気処理を終了する、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。
7. 前記運転制御部は、前記掃気処理を前記酸化ガス流路に対して実行する、請求項３ないし６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、前記掃気処理を前記燃料ガス流路に対して実行する、請求項３ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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