燃料電池システム
【課題】簡単な構成で燃料電池スタック内部の水分布を推定して、燃料電池の発電を適切に制御する。
【解決手段】燃料電池システムであって、単セル６１０と、前記単セルが積層されて構成されている燃料電池スタック６００と、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系７００と、前記燃料電池スタックに、前記酸化ガスが流れる方向と交わる方向に流れる冷媒を供給する冷却系７５０と、前記燃料電池スタックから排出される冷媒の温度を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部においてそれぞれ測定する温度測定部７９０と、前記２つの冷媒温度の差を用いて前記燃料電池スタック内の乾燥状態を判断し、前記乾燥状態に基づいて前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給、排出を制御する制御部５３０と、を備える。
【解決手段】燃料電池システムであって、単セル６１０と、前記単セルが積層されて構成されている燃料電池スタック６００と、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系７００と、前記燃料電池スタックに、前記酸化ガスが流れる方向と交わる方向に流れる冷媒を供給する冷却系７５０と、前記燃料電池スタックから排出される冷媒の温度を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部においてそれぞれ測定する温度測定部７９０と、前記２つの冷媒温度の差を用いて前記燃料電池スタック内の乾燥状態を判断し、前記乾燥状態に基づいて前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給、排出を制御する制御部５３０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、単セルの加湿度は、発電状態に影響を与えることが知られている。また、電圧低下を起こした単セルの加湿不足の判断および加湿過剰の判断を、単セルの積層位置によらず行うことができる燃料電池の加湿状態判定装置が知られている（例えば特許文献１）。この加湿状態判定装置では、電圧低下を起こした単セルに隣接する単セルの電圧に基づいて加湿不足か加湿過剰かを判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６５９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来から、燃料電池スタック内部の乾燥の状態を推定するとともに、この推定に基づいて燃料電池システムを適切に制御できるような様々な工夫が更に望まれていた。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、簡単な構成で燃料電池スタック内部の乾燥状態を推定して、燃料電池システムを適切に制御することを一つの目的とする。また、簡単な構成で、燃料電池スタック内部が乾燥状態なのか、水溜まり状態なのかを推定し、その原因に応じて燃料電池システムを適切に制御することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、前記燃料電池スタックに、前記酸化ガスが流れる方向と交わる方向に流れる冷媒を供給する冷却系と、前記燃料電池スタックから排出される冷媒の温度を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部においてそれぞれ測定する温度測定部と、前記２つの冷媒温度の差を用いて前記燃料電池スタックの乾燥状態を判断し、前記燃料電池スタック内が乾燥している場合には、前記燃料電池スタックの乾燥を抑制する乾燥抑制運転を実行する制御部と、を備える燃料電池システム。
この適用例によれば、酸化ガスの流れの上流部と下流部において測定された、燃料電池スタックから排出された冷媒の温度差を用いて燃料電池スタック内の乾燥を推定するので、簡単な構成で燃料電池スタック内部の乾燥の状態を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転として、
（１）前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を減少する、
（２）前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの背圧を上げる、
（３）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
（４）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも１つを実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池スタック内の乾燥を抑制、緩和することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記２つの冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなった場合には、前記乾燥抑制運転を行い、前記２つの冷媒温度の差が前記あらかじめ定められた差分値以上になった場合には、前記乾燥抑制運転を停止する、燃料電池システム。
この適用例によれば、排出される２つの冷媒温度の差があらかじめ定められた値よりも小さくなった場合には、燃料電池スタックが乾燥していると判断できるので、簡単な構成で燃料電池スタック内部の乾燥状態を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池スタックにおける前記酸化ガスの圧力損失を測定する圧力損失測定部を備え、前記制御部は、前記２つ冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなり、かつ、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失があらかじめ定められた損失値よりも小さくなった場合には、
（３）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
（４）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも一方を含む乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池がさらに乾燥したときに、酸化ガスの圧力損失によりそれを検知して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記２つの冷媒温度の差が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
この適用例によれば、冷媒の温度の差が小さいほど乾燥が進んでいると判断できるので、調整量を大きくすることにより、早期に乾燥状態から回復させることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
この適用例によれば、酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど乾燥が進んでいると判断できるので、調整量を大きくすることにより、早期に乾燥状態から回復させることが可能となる。
【００１３】
［適用例７］
適用例１から適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記単セル毎の起電力を測定する電圧計を備え、前記制御部は、前記各単セルの起電力の大きさに基づいて乾燥している単セルの位置を検出し、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っているときと、の間で異ならせるパラメータの値を補正するための第１の補正係数を決定し、前記第１の補正係数を用いて前記パラメータの値を補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置に基づいて制御するパラメータの値を補正するので、乾燥した単セルの乾燥の抑制、緩和を促進し、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１４】
［適用例８］
適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１の補正係数を用いて前記酸化ガスの供給量を補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置により、酸化ガスの供給量を補正することにより、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１５】
［適用例９］
適用例７または適用例８に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記制御部は、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記燃料電池スタックの出口部における前記酸化ガスの背圧を補正するための第２の補正係数を決定し、前記第２の補正係数を用いて、前記背圧の大きさを補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置により、酸化ガスの背圧を補正することにより、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１６】
［適用例１０］
燃料電池システムであって、積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、前記単セル毎の起電力を測定する電圧計と、前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、いずれかの単セルの電圧低下を検知した場合には、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流量が、前記酸化ガスの流量を増大させると前記単セルの電圧が上がる第１の酸化ガス流量領域と、前記酸化ガスの流量を増大させると前記単セルの電圧が下がる第２の酸化ガス流量領域のいずれにあるかを判断し、前記第１の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、水排出運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、乾燥抑制運転を実行し、前記第２の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、前記乾燥抑制運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、前記水排出運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、単セルの電圧低下の原因が、乾燥によるものか、水溜まりによるものか、を判断し、それぞれに適した制御を行うことが可能となる。
【００１７】
［適用例１１］
燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの温度を取得する温度取得部と、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記酸化ガスの流量と、前記酸化ガスの温度とを用いて、前記燃料電池スタック内の乾燥状態を判断し、前記乾燥状態に基づいて前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給、排出を制御する、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で燃料電池スタック内部の水分布を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１８】
［適用例１２］
適用例１１に記載の燃料電池システムおいて、前記制御部は、あらかじめ定められた期間における前記酸化ガスの流量の変化があらかじめ定められた範囲内にある準定常状態か否かを判断し、前記酸化ガスの流量が準定常状態にある場合には、前記酸化ガスの温度があらかじめ定められた温度より大きい場合に、乾燥抑制運転を実行し、前記酸化ガスの流量が準定常状態にない場合に、前記酸化ガスの流量が増加傾向にあり、かつ、前記あらかじめ定められた期間における酸化ガスの温度の下がり幅があらかじめ定められた温度よりも大きい場合に、前記乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で燃料電池スタック内部の水分布を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。なお、酸化ガス流量が準定常状態の場合には水の気化量と、凝集量は釣り合っていると判断でき、酸化排ガスの温度が高いほど水の排出量が大きいので、燃料電池スタック内が乾燥し易いと言える。また、酸化ガスの流量が一定以上の速さで増加している場合には、水の気化量＞凝集量であると判断され、水の気化量が大きいと、燃料電池スタックは、気化熱を奪われて温度が下がる。そして、酸化ガスの温度も下がる。したがって、酸化ガスの温度が下がっている場合には、燃料電池内の温度が上がる場合には、燃料電池スタック内部が乾燥し易くなっていると言える。
【００１９】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、 燃料電池の制御方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池システムを搭載した車両を示す説明図である。
【図２】燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池スタックの構成を示す説明図である。
【図４】以下に示す複数の実施例に共通する制御手順を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施例の処理内容を模式的に示す説明図である。
【図６】単セル中の位置と電流密度との関係を示す説明図である。
【図７】第１の実施例における制御のフローチャートである。
【図８】カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差とエア背圧との制御マップの一例を示す説明図である。
【図９】図５（Ｃ）に示す状態よりもさらに電解質膜６２０の乾燥が進んだ状態を示す説明図である。
【図１０】第２の実施例における制御フローチャートを示す。
【図１１】カソード圧力損失と冷却水量の制御マップの一例を示す説明図である。
【図１２】他の方法による冷却水の水量Ｑｆｃｃの求め方を示す説明図である。
【図１３】第３の実施例を模式的に示す説明図である。
【図１４】カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差とエアストイキ比との制御マップの一例を示す説明図である。
【図１５】第４の実施例における制御フローチャートを示す。
【図１６】ガス流量を増やすと電圧があがる領域か否かを判断するためのマップの一例を示す説明図である。
【図１７】第５の実施例における制御フローチャートを示す。
【図１８】時間と酸化ガス流量を示すグラフである。
【図１９】酸化ガス流量と酸化排ガス温度の閾値Ｔｃのとの関係を示すマップの一例である。
【図２０】酸化ガス流量の時間変化を示すグラフである。
【図２１】酸化排ガス温度の時間変化を示すグラフである。
【図２２】乾燥抑制運転の制御マップの一例を示す説明図である。
【図２３】乾燥抑制運転の制御マップの別の一例を示す説明図である。
【図２４】燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差と時間当たりの酸化ガスの変化量についての制御マップの一例である。
【図２５】燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差と燃料電池の時間当たりの電流の変化量についての制御マップの一例である。
【図２６】第６の実施例における制御フローチャートを示す説明図である。
【図２７】第６の実施例を模式的に示す説明図である。
【図２８】酸化ガスの背圧と乾燥抑制運転における水排出量の関係を示すマップである。
【図２９】補正係数αが０．９７、βが１．３であったときの酸化ガスの背圧と乾燥抑制運転における水排出量の関係を示すマップである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、燃料電池システムを搭載した車両を示す説明図である。車両５００は、燃料電池５１０と、制御部５３０（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも呼ぶ。）と、要求出力検知部５３５と、二次電池５４０と、分配コントローラ５５０と、駆動モータ５６０と、ドライブシャフト５７０と、分配ギア５８０と、車輪５９０と、を備える。
【００２２】
燃料電池５１０は、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学的に反応させて電力を取り出すための発電装置である。燃料電池５１０の構成については、後述する。制御部５３０は、要求出力検知部５３５から取得した要求出力値に基づいて、燃料電池５１０と二次電池５４０の動作を制御する。要求出力検知部５３５は、車両のアクセル（図示せず）の踏み込み量を検知し、その踏み込み量の大きさから、運転手からの要求出力を検知する。二次電池５４０として、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池を採用することが可能である。二次電池５４０への充電は、例えば、燃料電池５１０から出力される電力を用いて直接充電することや、車両５００が減速するときに車両５００の運動エネルギーを駆動モータ５６０により回生して充電すること、により行うことが可能である。分配コントローラ５５０は、制御部５３０からの命令を受けて、燃料電池５１０から駆動モータ５６０への引き出す電力量と、二次電池５４０から駆動モータ５６０へ引き出す電力量を制御する。また、分配コントローラ５５０は、車両５００の減速時には、制御部５３０からの命令を受けて、駆動モータ５６０により回生された電力を二次電池５４０に送る。駆動モータ５６０は、車両５００を動かすための電動機として機能する。また、駆動モータ５６０は、車両５００が減速するときには、車両５００の運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機として機能する。ドライブシャフト５７０は、駆動モータ５６０が発する駆動力を分配ギア５８０に伝達するための回転軸である。分配ギア５８０は、左右の車輪５９０へ駆動力を分配する。
【００２３】
図２は、燃料電池システムの構成を示す説明図である。燃料電池５１０は、燃料電池スタック６００と、燃料ガス供給系（アノード系）６５０と、酸化ガス供給系（カソード系）７００と、冷却系７５０と、を備えている。
【００２４】
燃料電池スタック６００は、多数の単セル（図示せず）が積層して構成されている。燃料電池には、燃料電池スタック６００に流れる電流及び電圧を測定するための電流電圧計６０５が接続されている。なお、電流電圧計６０５は、単セル毎の電流、電圧を測定できるように構成されていてもよい。
【００２５】
燃料ガス供給系６５０は、燃料ガスタンク６５５と、燃料ガス供給管６６０と、燃料ガス排気管６６５と、開閉バルブ６７０と、レギュレータ６７５と、燃料ガスポンプ６８０と、圧力計６８５、６８７と、露点計６９０と、流量計６９５と、を備える。燃料ガスタンク６５５は、燃料ガスを貯蔵する。本実施例では、燃料ガスとして、水素を用いている。燃料ガスタンク６５５と、燃料電池スタック６００とは、燃料ガス供給管６６０で接続されている。燃料ガス供給管６６０上には、燃料ガスタンク６５５からの燃料ガスの供給をオンオフするための開閉バルブ６７０と、燃料電池スタック６００に供給される燃料ガスの圧力を調整するためのレギュレータ６７５が設けられている。
【００２６】
燃料電池スタック６００には、燃料排ガスを排出するための燃料ガス排気管６６５の一端が接続されている。そして、燃料ガス排気管６６５の他端は、燃料ガス供給管６６０に接続されている。燃料ガス排気管６６５には、未反応の燃料ガスが含まれているが、これにより、未反応の燃料ガスを再び燃料電池スタック６００に供給することが可能となる。
【００２７】
燃料ガス供給管６６０上には、燃料電池スタック６００に供給される燃料ガスの圧力を測定するための圧力計６８５、燃料ガスの露点を測定するための露点計６９０、燃料ガスの流量を測定するための流量計６９５が設けられている。なお、露点計６９０の代わりに湿度計を設けてもよい。また、燃料ガス排気管６６５上には、燃料電池スタック６００から排出される燃料排ガスの圧力を測定するための圧力計６８７が設けられている。
【００２８】
酸化ガス供給系７００は、コンプレッサ７０５と、酸化ガス供給管７１０と、酸化ガス排気管７１５と、加湿装置７２０と、背圧弁７２５と、圧力計７３０、７３２と、露点計７３５と、温度計７３７と、流量計７４０と、を備える。本実施例では、酸化ガスとして空気を用いる。コンプレッサ７０５は、大気中の空気を取り込んで圧縮する。コンプレッサ７０５は、酸化ガス供給管７１０により、燃料電池スタック６００に接続されている。燃料電池スタック６００には、酸化排ガスを排出するための酸化ガス排気管７１５が接続されている。ここで、酸化ガス供給管７１０と酸化ガス排気管７１５には、加湿装置７２０が設けられている。燃料電池では、例えば、水素と、空気中の酸素と、を反応させて発電を行う。このとき、水素と酸素とが反応して水が生成する。生成した水は、酸化排ガスとともに燃料電池スタック６００から排出される。加湿装置７２０は、酸化排ガス中に含まれる水分を用いて、燃料電池スタック６００に供給される酸化ガスを加湿する。加湿装置７２０は、例えば、酸化ガス流路と、酸化排ガス流路とを備え、その２つの流路の間に加湿膜を備える構成であってもよい（図示せず）。これにより、加湿膜を介して、酸化配ガス中の水分を、酸化ガスに移動させることが可能である。酸化ガス排気管７１５には、背圧弁７２５が設けられている。背圧弁７２５は、燃料電池スタック６００内の空気の圧力を調整するために用いられる。
【００２９】
酸化ガス供給管７１０上には、燃料電池スタック６００に供給される酸化ガスの圧力を測定するための圧力計７３０、酸化ガスの露点を測定するための露点計７３５、酸化ガスの流量を測定するための流量計７４０が設けられている。なお、露点計７３５の代わりに湿度計を設けてもよい。また、酸化ガス排気管７１５上には、燃料電池スタック６００から排出される酸化排ガスの圧力を測定するための圧力計７３２が設けられている。酸化ガス排気管７１５上には、酸化排ガスの温度を測るための温度計７３７は設けられている。
【００３０】
また、本実施例では、燃料ガス排気管６６５と酸化ガス排気管７１５とを繋ぐ第２の燃料ガス排気管７４５と、第２の燃料ガス排気管７４５に設けられた排気弁７４７を備える。上述のように本実施例では、燃料ガス排気管６６５は燃料ガス供給管６６０に接続されており、燃料ガスを還流して再利用している。ここで、燃料電池スタック６００を長時間運転すると、燃料排ガス中に、反応に寄与しない窒素が増えてくる。この窒素は、酸化ガス（空気中）の窒素が、燃料電池の電解質膜（図示せず）を透過してきたものと考えられる。燃料排ガス中に窒素が増えると、燃料ガス中にも窒素が増え、燃料電池スタック６００の反応性が落ちる。従って、本実施例では、燃料排ガス中の窒素の量が増えた場合には、排気弁７４７を開け、窒素を酸化ガス排気管７１５に流し、燃料ガス中の窒素の量を排気する。なお、このとき水素も一部が酸化ガス排気管７１５に流れる。しかし、酸化ガス排気管７１５や加湿装置７２０には、触媒が存在しないので、水素は酸化ガス排気管７１５に流れても、空気中の酸素と反応しない。また、水素の自然発火温度は、空気中で５７０℃、酸素中で５６０℃であるので、自然発火もしない。
【００３１】
冷却系７５０は、ポンプ７５５と、冷却水供給管７６０と、冷却水排出管７６５と、冷却水還流管７７５と、ラジエータ７７０と、ロータリー弁７８０と、温度計７８５、７９０と、を備える。ポンプ７５５は、冷却水に圧力をかけて、燃料電池スタック６００に送る。ポンプ７５５と、燃料電池スタック６００とは、冷却水供給管７６０により接続されている。燃料電池スタック６００には、冷却水を排出するための冷却水排出管７６５が接続されている。冷却水供給管７６０と、冷却水排出管７６５とは、ラジエータ７７０及び冷却水還流管７７５により接続されている。ラジエータ７７０は、冷却水排出管７６５を流れる温度の高い冷却水を冷却して冷却水供給管７６０に送る。冷却水還流管７７５は、冷却水排出管７６５を流れる冷却水をそのまま冷却水供給管７６０に送る。冷却水供給管７６０は、ロータリー弁７８０により、ラジエータ７７０と、冷却水還流管７７５とに接続されている。すなわち、ロータリー弁７８０の開度を変更することにより、燃料電池スタック６００に供給する冷却水の温度を調整することが可能である。また、冷却水供給管７６０には燃料電池スタック６００に供給される冷却水の温度を測定する温度計７８５が設けられ、冷却水排出管７６５には燃料電池スタック６００から排出される冷却水の温度を測定する温度計７９０が設けられている。
【００３２】
図３は、燃料電池スタックの構成を示す説明図である。燃料電池スタック６００は、複数の単セル６１０が積層されている。各単セル６１０は、電解質膜６２０と、アノード電極６３０と、カソード電極６３５と、アノードガス流路６４０と、カソードガス流路６４５と、を備えている。本実施例では、電解質膜６２０として、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。アノード電極６３０、カソード電極６３５は、電解質膜の両面に配置されている。アノード電極６３０、カソード電極６３５は、燃料電池における電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。なお、電解質膜６２０と、アノード電極６３０、カソード電極を合わせて膜電極接合体１２とも呼ぶ。アノードガス流路６４０、カソードガス流路６４５は、膜電極接合体１２の両面にそれぞれ配置されている。アノードガス流路６４０、カソードガス流路６４５は、例えば、多孔体や、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーや、エキスパンドメタルを用いて形成することが可能である。なお、アノードガス流路６４０は、図示しないマニホールドを介して、図２に示す燃料ガス供給管６６０、燃料ガス排気管６６５と接続されている。また、カソードガス流路６４５は、図示しないマニホールドを介して、図２に示す酸化ガス供給管７１０、酸化ガス排気管７１５と接続されている。
【００３３】
図４は、以下に示す複数の実施例に共通する制御手順を示すフローチャートである。以下では、各ステップの概略の内容について説明する。各ステップの詳細については、実施例毎に詳述する。ステップＳ４００では、制御部５３０は、燃料電池システムに設けられた各種センサー（例えば、図２に示す圧力計６８５、６８７、７３０、７３２、露点計６９０、７３５、流量計６９５、７４０、温度計７８５、７９０、電流電圧計６０５など）から出力されるセンサー値（計測値）を取得する。
【００３４】
ステップＳ４１０では、制御部５３０は、ステップＳ４００で取得したセンサー値を用いて燃料電池スタック６００の水分布（乾燥状態）を推定する。制御部５３０は、単セル６１０の面内の水分布の他、単セル６１０の積層方向の水分布を取得してもよい。
【００３５】
ステップＳ４４０では、制御部５３０は、水分布が異常か否かを判断する。例えば、単セル６１０のある部分が乾燥しているか、また、ある部分が水溜まりになっているか、を判断する。制御部５３０は、水分布が正常であれば、処理をステップＳ４５０に移行し、通常運転、すなわち、現在の運転状態を維持する制御を行う。ここで、現在の運転状態とは、車両５００の利用者からの要求出力に応じた出力を発生させる運転状態をいう。一方、異常が有った場合には、制御部５３０は、その異常を解消するため、処理をステップＳ４６０に移行し、分布正常化制御を行う。
【００３６】
［第１の実施例］
図５は、第１の実施例の処理内容を模式的に示す説明図である。第１の実施例では、制御部５３０は、燃料電池スタック６００から排出される冷却水の温度を用いて、水分布（乾燥状態）を推定し、この水分布に基づいて燃料電池スタック６００（図２）への反応ガスの供給を制御する。本実施例では、燃料電池５１０（図１）を冷却する冷媒として水（以下「冷却水」と呼ぶ。）を用いている。図５（Ａ）は、単セル６１０における酸化ガスと冷却水の流れる方向を示している。酸化ガスは、図面の下方から上方に向かって流れている。冷却水は図面の左方から右方に流れている。したがって、酸化ガスの流れる向きと冷却水の流れる向きは、直交している。なお、図５では、燃料ガスの流れる向きについては、図示していないが、酸化ガスの流れの向きと、反対向き（カウンターフロー）とすることが好ましい。但し、燃料ガスの流れる向きと酸化ガスの流れの向きを同方向（コフロー）としてもよい。
【００３７】
冷却水には、酸化ガスの上流側に当たる位置を冷却するカソード上流側冷却水と、酸化ガスの下流側に当たる位置を冷却するカソード下流側冷却水とがある。これらの２つは、単セル６１０内において、整流部材（図示せず）により明確に区分されていてもよく、また区分されていなくてもよい。冷却水の出口部には、冷却排水の温度を測定する温度計７９０ａ、７９０ｂが、カソード上流側冷却水とカソード下流側冷却水に対応して設けられている。なお、この温度計７９０ａ、７９０ｂは、図２で説明した温度計７９０を構成するものである。本実施例では、このように、図２で説明した温度計７９０は、単セル６１０毎に２つずつ設けられていることが好ましい。
【００３８】
図５（Ｂ）は、単セル６１０の電解質膜６２０の加湿が適切な状態の一例を示している。電解質膜６２０（図３）における電流の分布（電流密度）は、例えば、カソード上流部で２．０Ａ／ｃｍ２であり、カソード下流部で１．２Ａ／ｃｍ２である。なお、この電流密度は、単セル６１０が積層された実際の燃料電池スタック６００を用いて測定したのではなく、単セル６１０を１つ取り出して行った実験により得られたものである。このように、カソード上流部と、カソード下流部では、電流密度が異なり、カソード上流部の方が、電流密度が大きい。この理由については後述する。一般に、電流密度が大きいほどその部分での化学反応が活発なため、反応熱が大きい。したがって、電流密度が大きいカソード上流部の方がより発熱する。例えば、冷却水として、７０℃の水を単セル６１０に流したとき、単セル６１０から出てくるカソード上流側冷却排水の温度Ｔ１は８０℃、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２は７６℃である。そして、この時の２つの冷却排水の温度差（Ｔ１−Ｔ２）は４℃である。
【００３９】
図５（Ｃ）は、単セル６１０の電解質膜６２０が乾燥し始めている状態の一例を示している。電解質膜６２０の加湿が適切な状態と比べると、カソード上流部の電流密度が小さくなっており、カソード下流部の電流密度が大きくなっている。このとき、カソード上流部の電流密度は１．７Ａ／ｃｍ２であり、カソード下流部の電流密度は１．５Ａ／ｃｍ２である。同様に、冷却水として、７０℃の水を単セル６１０に流したとき、単セル６１０から出てくるカソード上流側冷却排水の温度Ｔ１は７８．５℃であり、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２は７７．５℃である。そして、この時の２つの冷却排水の温度差（Ｔ１−Ｔ２）は１℃である。以上のことからわかるように、乾燥すると、カソード上流側冷却排水温度Ｔ１からカソード下流側冷却排水温度Ｔ２を引いた値は、小さくなることがわかる。
【００４０】
図６は、単セル中の位置と電流密度との関係を示す説明図である。図６において、縦軸は電流密度を示し、横軸は酸化ガス流れ方向の位置を示し、右側がカソード上流側、左側がカソード下流側を示している。実線は、図５（Ｂ）における電流分布を示し、破線は、図５（Ｃ）における電流分布を示している。
【００４１】
電解質膜６２０（図３）が湿潤している場合、カソード上流部では、酸素分圧が高いため、電気化学反応が促進され、電流密度は大きくなる。このとき、電気化学反応で生じた生成水が酸化ガスの流れに乗って下流に流れるため、カソード入口よりもやや下流側の方が、電解質膜６２０が湿潤する。そのため、カソード入口よりもやや下流側の方が、電気化学反応の反応性が高く、電流も多くなる。すなわち、カソード上流側では、左上がりのグラフとなる。
【００４２】
一方、電気化学反応によりカソードガス中の酸素が消費される。したがって、カソード下流ほど酸素分圧が低くなる。そのため電気化学反応の反応性が小さくなり、電流が減少する。従って、カソード下流側では、右上がりのグラフとなる。以上のように、電流を示すグラフは、上記２つの現象が重なり合った結果を示し、山形形状のグラフとなる。そして、電流密度のピークは、ややカソード上流側に生じる。その結果、カソード上流側で電流密度が大きく、カソード下流側で電流密度が小さくなる。
【００４３】
一方、電解質膜６２０が乾燥していると、カソード上流では、電気化学反応の反応性が下がり、電解質膜６２０が湿潤していた時に比べ電流値は減少方向に移動する。また、このように、カソード上流で、電気化学反応の反応性が低下するため、カソード上流での酸素の消費が少なくなる。その結果、カソード下流での酸素分圧が湿潤時に比べ上昇する。そのため、カソード下流側では電気化学反応が促進され、湿潤時に比べ電流値は増加方向に移動する。すなわち図６の破線に示すように、電流密度のピーク位置はカソード下流側に移動する。その結果、カソード上流側で電流密度と、カソード下流側で電流密度は、差が小さくなる。
【００４４】
図６で説明したように、電解質膜６２０が湿潤していると、カソード上流部で電流密度が大きく、カソード下流部で電流密度が小さい。そのため、カソード上流部とカソード下流部で発熱量が異なり、カソード上流部の方が、カソード下流部よりも温度が高くなる。そのため、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１と、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差は大きい。一方、電解質膜６２０が乾燥していると、カソード上流部と、カソード下流部では、電流密度の差が少ない、そのため、カソード上流部の温度と、カソード下流部の温度の差は小さくなる。したがって、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１と、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２とを求め、その差（Ｔ１−Ｔ２）を求めることにより、電解質膜６２０の乾燥度を推定することが可能である。
【００４５】
図７は、第１の実施例における制御のフローチャートである。ステップＳ７００では、制御部５３０は、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１と、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２とを取得する。次にステップＳ７１０では、温度Ｔ１と温度Ｔ２の差（Ｔ１−Ｔ２）を取得する。この温度差（Ｔ１−Ｔ２）は上述したように、電解質膜６２０の乾燥度（水分布）に依存している。ステップＳ７４０では、制御部５３０は、温度差（Ｔ１−Ｔ２）があらかじめ定められた閾値Ｔαよりも小さいか否かを判断する。ここで閾値Ｔαは、実験によりあらかじめ求めておくことが好ましい。図５（Ｂ）、（Ｃ）に示す例では、制御部５３０は、閾値Ｔαとして２℃を用いている。温度差（Ｔ１−Ｔ２）が閾値Ｔα以上の場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０が十分湿潤していると判断し、処理をステップＳ７５０に移行する。ステップＳ７２０では、制御部５３０は、通常運転、すなわち、現在の運転状態を維持する。一方、温度差（Ｔ１−Ｔ２）が閾値Ｔαよりも小さい場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０が乾燥していると判断し、処理をステップＳ７６０に移行する。ステップＳ７６０では、制御部５３０は、乾燥抑制運転を実行する。なお、上記ステップＳ７００からＳ７６０の各ステップは、図４に示したステップＳ４００からＳ４６０にそれぞれ対応している。
【００４６】
制御部５３０は、乾燥抑制運転として、例えば、以下の制御のうち１つ以上を行うことが可能である。
（１）エア背圧を上げる。
（２）エアストイキ比を下げる。
（３）冷却水の流量を増す。
【００４７】
ここでエア背圧とは、燃料電池スタック６００（図２）から酸化ガスが排出されるときの、燃料電池スタック６００排出口（図示せず）における酸化ガスの圧力をいう。この背圧は、圧力計７３２を用いて測定することが可能である。エア背圧を上げた場合、酸素分圧が上がるため、電気化学反応の反応性が増し、生成水量が多くなって電解質膜６２０（図３）を湿潤させることができる。例えば、制御部５３０は、背圧弁７２５（図２）を調整することにより、エア背圧を上げることが可能である。
【００４８】
エアストイキ比とは、所定の電流を発電させるのに必要な酸化ガスの供給量の理論に対する、実際の酸化ガス供給量の過剰率をいう。エアストイキ比が１の場合には、供給された酸化ガス中の酸素は全て消費される。エアストイキ比を下げることは、酸化ガスの流量を減らすことを意味する。酸化ガスの流量が少なくなれば、酸化ガスによる水の持ち去り量を減らすことができ、電解質膜６２０の乾燥を抑制できる。例えば、制御部５３０は、コンプレッサ７０５（図２）の回転数を調整することにより、エアストイキ比を下げることが可能である。
【００４９】
冷却水量を増やした場合には、電解質膜６２０からの水の蒸発を抑制し、電解質膜６２０の乾燥を抑制することが可能となる。例えば、制御部５３０は、ポンプ７５５の回転数を調整することにより、冷却水量を増やすことが可能である。なお、冷却水量を増やす代わりに、あるいは増やすと共に、冷却水の温度を下げてもよい。例えば、制御部は、ラジエータ７７０のフィン（符合を付せず）の回転数やロータリー弁７８０の開度を調整して冷却水の温度を下げることが可能である。
【００５０】
図８は、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差と、エア背圧との制御マップの一例を示す説明図である。制御部５３０は、このマップに基づいて、エア背圧を制御する。カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）が閾値Ｔα以上の場合には、エア背圧を一定（１１０ｋＰａ）にしている。一方、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）が閾値Ｔαより小さい場合には、その差（Ｔ１−Ｔ２）の大きさにより、制御部５３０は、制御するエア背圧の値を変える。本実施例では、制御するエア背圧の値と、温度差がＴαの時のエア背圧の値との差、すなわち、通常運転時からどれだけエア背圧の大きさを変えるかのその大きさを「調整量」と呼ぶ。本実施例では、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差が小さくなるほど、調整量を大きくしている。このように、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差に基づいて、調整量を変化させてもよい。調整量を大きくすることにより、乾燥状態からの回復を早く実行することが可能となる。なお、本実施例では、制御パラメータの値をとして背圧を用いているが、他のパラメータを用いて制御する場合には、そのパラメータによる値を、通常運転時からどれだけ変えるか、を調整量と呼んでもよい。
【００５１】
また、図７のステップＳ７１０では、制御部５３０は、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）に加え、燃料電池のインピーダンスＺに基づいて電解質膜の乾燥度（湿潤度）を判断してもよい。例えば、制御部５３０は、インピーダンスを取得し、このインピーダンスＺの値が、あらかじめ定められた閾値Ｚβよりも大きいか否かにより、電解質膜６２０（図３）の乾燥度を推定してもよい。具体的には、制御部は、インピーダンスＺの値が、閾値Ｚβよりも大きい場合には、電解質膜６２０が乾燥していると判断することができる。インピーダンスは、例えば、交流インピーダンス法を用いて測定することが可能である。
【００５２】
以上、第１の実施例によれば、制御部５３０は、酸化ガスの流れの上流部と下流部において冷却水の温度Ｔ１、Ｔ２を、それぞれ測定し、その温度差（Ｔ１−Ｔ２）から、電解質膜６２０の乾燥度を推定し、その乾燥度に応じて燃料電池への酸化ガスの供給や、冷却水の流量Ｑｆｃｃを制御し、燃料電池５１０の発電を適切に制御することが可能となる。
【００５３】
また、温度差（Ｔ１−Ｔ２）が小さいときには、調整量を大きくするので、乾燥状態からの回復を早めることが可能となる。
【００５４】
［第２の実施例］
第２の実施例では、第１の実施例よりも乾燥が進んだ場合を考慮した制御を実行する。図９は、図５（Ｃ）に示す状態よりもさらに電解質膜６２０の乾燥が進んだ状態を示す説明図である。電解質膜６２０の乾燥がさらに進むと、以下の理由により、冷却水の下流部から電解質膜６２０が乾燥してくる。すなわち、冷却水上流部では、冷却水の温度が低いため、冷却水により冷やされて酸化ガス中の水分が結露し、電解質膜６２０の乾燥を緩和する。一方、冷却水下流部では、冷却水の温度が上がっているため、酸化ガス中の水分が結露しにくく、電解質膜６２０を湿潤させにくい。そのため、乾燥が進むと、電解質膜６２０は、冷却水下流部側から乾燥する。そのため、電気化学反応は、冷却水上流部に集中し、乾燥した冷却水下流部では、電気化学反応が起こりにくくなる。また、このような乾燥状態になると、冷却水下流部では、酸化ガスが流れやすくなり、酸化ガスの圧力損失ＰΔ（以下「カソード圧力損失ＰΔ」または「カソード圧損ＰΔ」とも呼ぶ。）が低下する。以上のことから、カソード圧力損失ＰΔを取得することにより、制御部５３０は、電解質膜６２０の乾燥状態が、図５（Ｃ）に示す状態にとどまっているか、それとも、図９に示す状態まで進行してしまったか、を判断することができる。すなわち、カソード圧力損失ＰΔが、あらかじめ定められた閾値Ｐθよりも小さい場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０の乾燥状態が、図９に示す状態まで進行してしまったと判断することが可能となる。
【００５５】
図１０は、第２の実施例における制御フローチャートを示す。ステップＳ１０００からステップＳ１０５０までの動作は、図７に示した第１の実施例のステップＳ７００からステップＳ７５０までの動作と同じであるので、説明を省略する。ステップＳ１０７０では、制御部５３０は、カソード圧力損失ＰΔが、あらかじめ定められた閾値Ｐθよりも小さいか否かを判断する。カソード圧力損失ＰΔが、あらかじめ定められた閾値Ｐθ以上の場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０の乾燥状態がまだ図５（Ｃ）に示す状態にとどまっていると判断し、処理をステップＳ１０８０に移行し、第１の乾燥抑制運転を実行する。また、カソードの圧力損失ＰΔが、あらかじめ定められた閾値Ｐθより小さい場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０の乾燥状態が図９に示す状態まで進行したと判断し、処理をステップＳ１０９０に移行し、第２の乾燥抑制運転を実行する。
【００５６】
第１の乾燥抑制運転では、上述した３種の乾燥抑制運転（（１）エア背圧を上げる。（２）エアストイキ比を下げる。（３）冷却水の流量を増す。）のうち、（１）エア背圧を上げる、（２）エアストイキ比を下げる、の一方又は両方を実行する。また、第２の乾燥抑制運転では、（３）冷却水の流量を増す、を実行する。電解質膜の乾燥状態が、図９に示す状態まで進行した場合、エア背圧を上げたり、エアストイキ比を下げたりしても、酸化ガスは、通気抵抗が低く、電気化学反応が起こりにくい、電解質膜６２０の乾燥した部分を流れるだけである。これに対し、冷却水を増すと、電解質膜６２０の冷却水下流部まで冷却することが可能になる。その結果、酸化ガス中の水を結露させて、電解質膜６２０を湿潤させることができる。これにより、電解質膜６２０の冷却水下流部における電気化学反応を回復、促進することが可能となる。なお、同様に、冷却水の温度を下げてもよい。
【００５７】
図１１は、カソード圧力損失と冷却水量の制御マップの一例を示す説明図である。本実施例では、閾値Pθを２５ｋＰａとしている。そして、カソード圧力損失が２５ｋＰａよりも小さい場合には、冷却水の流量Ｑｆｃｃ（以下「冷却水量Ｑｆｃｃ」とも呼ぶ。）を増加させる。例えば、燃料電池の電流をＩ＝１．７Ａ、電圧をＶ＝０．５Ｖ、カソードの圧力損失を、ＰΔ＝２２．５ｋＰａとする。図１１に示すマップからカソードの圧力損失から冷却水の流量Ｑｆｃｃを求めると、Ｑｆｃｃ＝１２５Ｌ／ｍｉｎとなる。すなわち、制御部５３０は、冷却水の流量Ｑｆｃｃを、１２５Ｌ／ｍｉｎとすればよい。
【００５８】
冷却水の流量Ｑｆｃｃは他の方法によっても求めることが可能である。図１２は、他の方法による冷却水の水量Ｑｆｃｃの求め方を示す説明図である。図１２（Ａ）は、発熱量と放熱量の釣り合いを示す式である。
I×(Vo−V)＝k×AA×Qfcc×(dT/dt) …（１）
ここで左辺のＩは平均電流［Ａ］を示し、Ｖｏは、ギブスエネルギーから求めた発電電圧の理論値［Ｖ］、Ｖは測定された燃料電池の電圧［Ｖ］を示している。Ｖｏ−Ｖは電圧の損失であり、左辺のＩ×（Ｖｏ−Ｖ）は、発熱量を示している。
【００５９】
右辺のｋは熱移動係数であり、ＡＡは電流集中面積［ｍ２］を示し、Ｑｆｃｃは冷却水の流量［Ｌ／ｍｉｎ］、（ｄＴ／ｄｔ）［℃／ｓ］は時間当たりの冷却水の温度変化を示している。すなわち、右辺のＫ×ＡＡ×Ｑｆｃｃ×（ｄＴ／ｄｔ）は冷却水による放熱量を示している。発熱量と放熱量は釣り合うので、上記式（１）が成り立つ。ここで、電流集中面積ＡＡとは、単セル６１０の乾燥状態が図９に示す状態になった場合において、あらかじめ定められた一定以上の電流密度を有する部分の面積（例えば、平均電流密度よりも高い電流密度を有する部分）を意味する。
【００６０】
式（１）から冷却水の流量Ｑｆｃｃを求めるには、制御部５３０は各変数の値を取得することが必要である。ここで、電流Ｉおよび電圧Ｖは、制御部５３０は、すでに取得しており、それぞれＩ＝１．７Ａ、Ｖ＝０．５Ｖであるとする。Ｖｏは上述のようにギブスエネルギーから求めることができ、Ｖｏ＝１．２Ｖである。熱移動係数ｋは実験によりあらかじめ求めておくことができ、実験で求めた値は、ｋ＝０．０５である。
【００６１】
電流集中面積ＡＡは、カソード圧損と電流集中面積の関係を示すマップから求めることが可能である。図１２（Ｂ）は、カソード圧損と電流集中面積の関係を示すマップの一例である。このマップは、例えば実験により求めることが可能である。図１２（Ｂ）は、カソード圧損が小さくなると、電流集中面積ＡＡが小さくなる関係を示している。カソード圧損が小さいと、反応ガスは流れやすい。すなわち、乾燥した部分の面積が大きく、湿潤した部分の面積は小さい。すなわち、電気化学反応が盛んな部分の面積が小さく、電流集中面積ＡＡも小さくなる。本実施例では、カソード圧損が２２．５ｋＰａであるので、マップから電流集中面積ＡＡを求めると、電流集中面積ＡＡは、０．７５ｍ２となる。
【００６２】
時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）の目標値は、電流集中面積ＡＡと時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）の関係を示すマップから求めることが可能である。図１２（Ｃ）は、電流集中面積と温度変化量の目標値との関係を示すマップの一例である。図１２（Ｃ）は、電流集中面積ＡＡが大きくなると、時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）は小さくなる関係を示している。本実施例では、電流集中面積は０．７５ｍ２であるので、時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）の目標値は０．２５℃／ｓｅｃとなる。
【００６３】
以上、求めた値を式（１）に代入して冷却水の流量Ｑｆｃｃを求めると、Ｑｆｃｃ＝１２７Ｌ／ｍｉｎとなり、図１１に示すマップを用いて求めた冷却水の流量Ｑｆｃｃ＝１２５Ｌ／ｍｉｎとほぼ一致した。
【００６４】
以上、第２の実施例によれば、制御部５３０は、カソード圧損により、電解質膜６２０の乾燥の程度を推定し、乾燥度に対応した乾燥抑制運転を実行することが可能となる。
【００６５】
［第３の実施例］
図１３は、第３の実施例を模式的に示す説明図である。第３の実施例では、乾燥した単セル６１０の積層方向の位置に基づいて、調整量の補正を行う。燃料電池スタック６００は、複数の単セル６１０を備えている。単セル６１０は、積層されている。燃料電池スタック６００は、単セル６１０に酸化ガスを供給排出するための酸化ガス供給マニホールド６４２、酸化ガス排出マニホールド６４７を備えている。また、図２に示す電流電圧計６０５は、単セル６１０毎に電圧を測定できるように構成されている。
【００６６】
制御部５３０は、単セル６１０毎の電圧（起電力）Ｖ１、Ｖ２、…、Ｖｎを取得する。制御部５３０は、電圧Ｖ１、Ｖ２、…、Ｖｎを用いて、電解質膜６２０（図３）が乾燥した単セル６１０を特定する。例えば、電解質膜６２０が乾燥すると、単セル６１０の起電力が小さくなるので、制御部５３０が、起電力が最も小さい単セル６１０に乾燥が起こっていると判断して、乾燥した単セルを特定することが可能である。以下、起電力が最も小さい単セル（乾燥した単セル）を「注目する単セル」とも呼ぶ。本実施例では、酸化ガス入口部から最も遠い単セル６１０に乾燥が起こっているとして説明する。
【００６７】
酸化ガス供給マニホールド６４２の最も入口部に近い単セルの位置における圧力をＰ１とし、注目する単セル（乾燥した単セル）の位置における酸化ガス供給マニホールド６４２の圧力をＰ２、酸化ガス排出マニホールド６４７の注目する単セル（乾燥した単セル）の位置における圧力をＰ３、最も入口部に近い単セルの位置における酸化ガス排出マニホールド６４７の圧力をＰ４とする。補正係数αをα＝（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐ４）とする。補正係数αは、（注目単セルにおける圧力損失）／（入口部の単セルにおける圧力損失）を意味する。補正係数αの値は、単セル６１０毎にあらかじめ実験により求めておくことが可能である。
【００６８】
図１４は、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差と、エアストイキ比との制御マップの一例を示す説明図である。この制御マップでは、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差が小さくなると、エアストイキ比を小さくしている。エアストイキ比を下げた場合には、上述したように、酸化ガスにより水持ち去り量を減らすことができ、電解質膜６２０の乾燥を抑制できる。
【００６９】
制御部５３０は、第１、２の実施例では、エア背圧を用いて制御したが、第３の実施例では、エアストイキ比を用いて燃料電池５１０の動作を制御する。なお、制御部５３０は、第１、２の実施例において、エアストイキ比を用いて燃料電池５１０の動作を制御してもよく、第３の実施例において、エア背圧を用いて燃料電池５１０の動作を制御してもよい。
【００７０】
上記第３の実施例において、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差が１．５℃、注目する単セル（乾燥した単セル）の補正係数αの値が０．９７であったとする。制御部５３０は、図１４に示す制御マップを用い、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差が１．５℃のときのエアストイキ比を取得する。本実施例では、エアストイキ比は１．４であったとする。次に、制御部５３０は、乾燥した単セル６１０についてエアストイキ比が１．４になるように、燃料電池スタック６００に供給する酸化ガスのエアストイキ比を求める。実際に制御できるのは、燃料電池スタック６００に供給する酸化ガスのエアストイキ比だからである。具体的には、制御マップで求めたエアストイキ比を補正係数αで割ることにより、燃料電池スタック６００に供給すべき酸化ガスのエアストイキ比を推定することが可能である。本実施例の場合、図１４に示す制御マップから求めたエアストイキ比１．４を補正係数α（＝０．９７）で割った１．４４が燃料電池スタック６００に供給すべき酸化ガスのエアストイキ比となる。この算出方法は、厳密なものではないが、供給すべき酸化ガスのエアストイキ比を推定する簡易な方法として十分実用的なものである。
【００７１】
補正係数αを含む熱収支の式（２）を示す。
I×(Vo−V)＝k×AA×α×Qfcc×(dT/dt)＋K’×(T-Tb) … （２）
ここで式（２）の左辺は、上述した式（１）の左辺と同じである。式（２）の右辺第１項は、式（１）の右辺と同様に、冷却水による放熱量を示している。右辺第２項は、燃料電池スタックから大気への放熱量を示している。ここでｋ’は、外部放熱係数であり、実験により求めることが可能である。実験により得られた外部放熱係数ｋ’の値は０．００１である。Ｔは、燃料電池スタック６００の温度を示し、冷却排水の温度と等しい。Ｔｂは外気温である。
【００７２】
電流Ｉ＝１．７Ａ、電圧Ｖ＝０．５Ｖ、α＝０．９７、カソード圧損＝２２．２ｋＰａ、Ｔ＝８０℃、Ｔｂ＝２０℃として、図１２に示す制御マップ及び式（２）を用いて、冷却水流量を求めると、１１３Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００７３】
以上、第３の実施例によれば、制御部５３０は、単セル６１０の電圧に基づいて乾燥した単セル６１０の積層方向における位置を取得し、その位置に基づいて、あらかじめ求めておいた補正係数αを取得する。そして、制御部５３０は、補正係数αを用いて調整量を補正するので、乾燥した単セルの位置に応じて適切な燃料電池５１０の制御を行うことが可能となる。
【００７４】
［第４の実施例］
図１５は、第４の実施例における制御フローチャートを示す。第４の実施例では、セル電圧が低下した単セルを検知し、その単セルの電圧低下が、乾燥によるものか、あるいは水溜まりによるものか、を判断し、それぞれの原因に対応する制御を行うものである。
【００７５】
ステップＳ１５００では、制御部５３０は、単セル６１０毎の電圧を取得し、電圧が低下した単セル６１０があるか否かを判断する。この電圧をＶｍｉｎとする。制御部５３０は、あらかじめ定められた閾値Ｖａよりもセル電圧が低いか否かを判断の基準として用いることが可能である（Ｖｍｉｎ＜Ｖａ）。また、制御部５３０は、単セルの電圧の平均値ＶａｖｅからＶｍｉｎを引いた値があらかじめ定められた閾値Ｖｂよりも大きいか否かを判断の基準に用いることが可能である（Ｖａｖｅ−Ｖｍｉｎ＞Ｖｂ）。
【００７６】
電圧が低下した単セル６１０が無ければ、制御部５３０は、処理をステップＳ１５１０に移行し、今までの運転（通常運転）を継続する。電圧が低下した単セル６１０があれば、制御部５３０は、処理をステップＳ１５２０に移行する。ステップＳ１５２０では、制御部５３０は、当該電圧が低下した単セル６１０について、ガス流量を増やすと電圧があがる領域か否かを判断する。
【００７７】
図１６は、ガス流量を増やすと電圧があがる領域か否かを判断するためのマップの一例を示す説明図である。図１６（Ａ）において、横軸は、エアストイキ比であり、縦軸は単セルの電圧である。エアストイキ比とは、上述のしたように所定の電流を発電させるのに必要な酸化ガスの供給量の理論に対する、実際の酸化ガス供給量の過剰率をいうので、エアストイキ比を大きくすることは、酸化ガスの流量を多くすることを意味する。以下、「酸化ガス流量を多くする」との意味で、「エアストイキ比を大きくする」との用語を用いる場合もある。一般に酸化ガスのエアストイキ比が大きくなると（酸化ガスの供給量が多くなると）、酸素分圧が大きくなるので、単セル６１０の電圧は上がる。しかし、エアストイキ比が大きくなりすぎると（酸化ガスの供給量が多くなりすぎると）、酸化ガスの流れにより水が持ち去られ、電解質膜６２０（図３）が乾燥して、単セル６１０の電圧が下がる。したがって、燃料電池スタック６００には、最適なエアストイキ比があり、それよりもエアストイキ比が高くても、低くても単セル６１０の電圧は低くなる。すなわち、エアストイキ比を大きくすると、すなわち、酸化ガス流量を多くすると、単セル６１０のセル電圧が上がる領域（第１の酸化ガス流量領域）と、単セル６１０のセル電圧が下がる領域（第２の酸化ガス流量領域）とがある。制御部５３０は、図１６の示すマップを用いて、現在どちらの領域であるかを判断する。なお、この最適なエアストイキ比は、燃料電池スタック６００の温度によっても異なる。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）の破線Ｘで囲まれた部分を拡大した図である。
【００７８】
図１５のステップＳ１５２０において、ガス流量を増やすと電圧が上がる領域である場合には、制御部５３０は、ステップＳ１５３０に処理を移行し、電圧が低下した単セルの近傍の単セル６１０の電圧があらかじめ定められた電圧よりも高いか否かを判断する。たとえば、単セル６１０の電圧の平均値Ｖａｖｅから近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒを引いた値があらかじめ定められた電圧Ｖｃよりも低いか否かを判断する（Ｖａｖｅ−Ｖｎｅａｒ＜Ｖｃ）。近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが大きければ、Ｖａｖｅ−Ｖｎｅａｒは小さくなる。
【００７９】
近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１５４０に移行して加湿過剰と判定し、ステップＳ１５４５に処理を移行して水排出運転を行う。かかる場合には、近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが高いことから、図１６に示すグラフより、近傍の単セル６１０に酸化ガスが多く流れていると判断することができる。そして、電圧が下がった単セル６１０には酸化ガスが流れにくくなっていると考えることができる。すなわち、電圧が低下した単セル６１０に過剰の水が存在しているため、当該単セルの電圧が下がっていると考えることが可能である。したがって、制御部５３０は、水排出運転を行うことが好ましい。水排出運転制御の例としては、例えば、エアストイキ比を上げる（酸化ガス流量を増やす）、酸化ガスの背圧を下げる、という制御の一方又は両方を採用可能である。
【００８０】
近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが小さい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１５５０に移行して加湿不足と判定し、ステップＳ１５５５に処理を移行して乾燥抑制運転を行う。かかる場合には、近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが低いことから、図１６に示すグラフより、近傍の単セル６１０に酸化ガスが少なく流れていると判断することができる。そして、電圧が下がった単セル６１０には酸化ガスが多く流れていると考えることができる。にも関わらず単セル６１０の電圧が低いということは、単セル６１０の電解質膜が乾燥し発電しにくくなっていると考えられる。したがって、制御部５３０は、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。乾燥抑制運転の例としては、例えば、エアストイキ比を下げる（酸化ガス流量を減らす）、酸化ガスの背圧を上げる、という制御の一方又は両方を採用可能である。
【００８１】
ステップＳ１５２０において、ガス流量を増やすと電圧が下がる領域である場合には、制御部５３０は、ステップＳ１５６０に処理を移行し、電圧が低下した単セル６１０の近傍の単セル６１０の電圧があらかじめ定められた電圧よりも高いか否かを判断する。この処理は、ステップＳ１５３０における処理と同様である。なお、制御部５３０は、判定基準である閾値Ｖｃの値を変更してもよい。
【００８２】
近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１５７０に移行して加湿不足と判定し、ステップＳ１５７５に処理を移行して乾燥抑制運転を行う。かかる場合、近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが高いことから、図１６に示すグラフより、近傍の単セル６１０に酸化ガスが少なく流れ、一方、電圧が低下した単セル６１０には酸化ガスが多く流れていると考えることができる。にも関わらず単セル６１０の電圧が低いということは、単セル６１０の電解質膜が乾燥し発電しにくくなっていると考えられる。したがって、制御部５３０は、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。乾燥抑制運転の例としては、例えば、エアストイキ比を下げる（酸化ガス流量を減らす）、酸化ガスの背圧を上げる、という制御の一方又は両方を採用可能である。
【００８３】
近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが小さい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１５８０に移行して加湿過剰と判定し、ステップＳ１５８５に処理を移行して水排出運転を行う。かかる場合には、近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが低いことから、図１６に示すグラフより、近傍の単セル６１０に酸化ガスが多く流れていると判断することができる。そして、電圧が下がった単セル６１０には酸化ガスが流れにくくなっていると考えることができる。すなわち、電圧が低下した単セル６１０に過剰の水が存在しているため、当該単セルの電圧が下がっていると考えることが可能である。したがって、制御部５３０は、水排出運転を行うことが好ましい。水排出運転制御の例としては、例えば、エアストイキ比を上げる（酸化ガス流量を増やす）、酸化ガスの背圧を下げる、という制御の一方又は両方を採用可能である。
【００８４】
以上、第４の実施例によれば、制御部５３０は、電圧が低下した単セル６１０の電圧低下の原因が乾燥（加湿不足）によるものなのか、水溜まり（加湿過剰）によるものなのか、を判断し、それぞれの原因に応じて適切な制御を行うことが可能となる。
【００８５】
なお電圧が低下した単セル６１０に隣接する単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒ大きくても、電圧が低下した単セル６１０が乾燥している場合もあり得る。本実施例によれば、このような場合にも対応することが可能となる。
【００８６】
［第５の実施例］
図１７は、第５の実施例における制御フローチャートを示す。第５の実施例は、酸化ガスの流量と、酸化ガスの温度とを用いて、燃料電池スタック６００内の乾燥状態を判断し、その乾燥状態に基づいて燃料電池スタック６００への酸化ガスの供給、排出を制御する。
【００８７】
ステップＳ１７００では、制御部５３０は、酸化ガスの流れが準定常か否かを判断する。図１８は、時間と酸化ガス流量を示すグラフである。制御部５３０は、例えば、一定期間内に複数回測定された酸化ガス流量の分散Ｑσがあらかじめ定められた閾値Ｑａよりも小さいか、あるいは、一定期間内の酸化ガスの流量の最大値Ｑｍａｘと最小値Ｑｍｉｎの差Ｑｍａｘ−Ｑｍｉｎがあらかじめ定められた閾値Ｑｂよりも小さい、の２つの条件のうち少なくとも一方を満たすこと、あるいは両方を満たすことにより、酸化ガスの流れが準定常か否かを判断することが可能である。図１７のステップＳ１７００において、酸化ガスの流れが準定常である場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７１０に移行する。
【００８８】
ステップＳ１７１０では、制御部５３０は、酸化排ガスの温度が、あらかじめ定められた閾値Ｔｃよりも大きいか否かを判断する。酸化排ガス温度が、閾値Ｔｃ以下の場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７２０に移行し、現在の運転状態（通常運転）を維持する。一方、酸化排ガス温度が、閾値Ｔｃよりも大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７３０に移行し、乾燥抑制運転を行う。酸化ガスの流量が準定常状態の場合、水の気化量と、凝集量は釣り合っていると判断される。そして、酸化排ガスの温度が高いほど水の排出量が大きいを判断される。したがって、かかる場合には、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。乾燥抑制運転として、例えば、エアストイキ比を下げること（酸化ガスの流量を少なくすること）や、エア背圧を上げることが可能である。
【００８９】
図１９は、酸化ガス流量と、酸化排ガス温度の閾値Ｔｃのとの関係を示すマップの一例である。横軸は酸化ガスの流量を示し、縦軸は酸化排ガスの温度を示している。燃料電池スタック６００（図３）の温度が６０℃で酸化ガスの流量が１０００Ｌ／ｍｉｎ、酸化排ガスの温度が６３℃とする。なお、酸化ガスは準定常状態とする。ガス流量が１０００Ｌ／ｍｉｎのときの酸化排ガス温度の閾値Ｔｃをマップから求めると、６２℃となる。酸化排ガスの温度は６３℃であり、閾値Ｔｃの温度６２℃よりも高い。したがって、かかる場合には、制御部５３０は、乾燥抑制運転を行う。マップから、閾値Ｔｃを６３℃にするためには、酸化ガス流量を９５０Ｌ／ｍｉｎにすればよいことから、制御部５３０は、酸化ガス流量を９５０Ｌ／ｍｉｎとすることにより、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。
【００９０】
図１７に示すステップＳ１７００において、酸化ガスの流量が準定常状態でない場合、制御部５３０は、処理をステップＳ１７４０に移行し、酸化ガスの流量が増加傾向にあるか否かを判断する。
【００９１】
図２０は、酸化ガス流量の時間変化を示すグラフである。この実施例では、時間Δｔの間に酸化ガスの流量がΔＱ増加している。このときの変化量ΔＱ／Δｔがあらかじめ定められた閾値Ｑｂよりも大きいか否かにより、酸化ガスの流量が増加傾向か否かを判断する。酸化ガスの流量が増加傾向にない場合には、制御部５３０は、処理を図１７に示すステップＳ１７２０に移行し、通常運転を維持する。酸化ガスの流量が増加傾向にある場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７５０に移行する。
【００９２】
ステップＳ１７５０では、制御部５３０は、一定期間における酸化排ガスの温度の下がり幅があらかじめ定められた閾値Ｔｄよりも大きいか否かを判断する。図２１は、酸化排ガス温度の時間変化を示すグラフである。一定期間Δｔにおける酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴがあらかじめ定められた閾値Ｔｄよりも大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７６０に移行し、乾燥抑制運転を行う。また、一定期間Δｔにおける酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴがあらかじめ定められた閾値Ｔｄ以下の場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７２０に移行し通常運転を維持する。酸化ガスの流量が一定以上の速さで増加している場合には、水の気化量＞凝集量であると判断される。水の気化量が大きいと、電解質膜６２０は、気化熱を奪われて温度が下がる。そして、電解質膜６２０に隣接する酸化ガスの温度も下がる。かかる場合、酸化排ガスの温度の下がり幅が大きいほど水の排出が大きいと考えられる。したがって、制御部５３０は、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。
【００９３】
図２２は、乾燥抑制運転の制御マップの一例を示す説明図である。このマップは、酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴに対する、酸化ガス流量の変化量を表している。図２３は、乾燥抑制運転の制御マップの別の一例を示す説明図である。このマップは、酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴに対する、燃料電池スタックの電流の変化を表している。このように、酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴの大きさに対して、酸化ガスの流量の変化量や、燃料電池スタックの電流の変化を制御することにより、酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴの大きさに応じた乾燥抑制運転を行うことが可能である。
【００９４】
図２４は、燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差と、時間当たりの酸化ガスの変化量についての制御マップの一例である。燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差が大きい場合、酸化ガスを大容量で流すと、酸化ガスによる水の持ち去り量が増えるため、冷却水の出口側のみ乾燥し、水分布が悪化する恐れがある。かかる場合には、制御部５３０は、図２４に示すマップを用い、酸化ガスの流量の変化量に対し、制限を設けてもよい。
【００９５】
図２５は、燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差と、燃料電池の時間当たりの電流の変化量についての制御マップの一例である。燃料電池スタックの電流の変化を制御することにより乾燥抑制運転を制御する場合には、制御部５３０は、図２４に示す場合と同様に、図２５に示すマップを用い、燃料電池の時間当たりの電流の変化量について、制限を設けてもよい。
【００９６】
以上のように、第５の実施例によれば、酸化ガスの流量と、酸化ガスの温度とを用いて、燃料電池スタック６００内の乾燥状態を判断し、その乾燥状態に基づいて燃料電池スタック６００への酸化ガスの供給、排出を制御することが可能となる。
【００９７】
［第６の実施例］
図２６は、第６の実施例における制御フローチャートを示す説明図である。第６の実施例では、単セル６１０の背圧に基づいて、乾燥抑制運転の調整量を決定し、適切な燃料電池の制御を行う。
【００９８】
ステップＳ２６００では、制御部は、単セル６１０毎の電圧を所得し、乾燥した単セル６１０の位置を取得する。そして、ステップＳ２６１０では、補正係数αを求める。なお、ここまでの制御については、第２の実施例と同様である。ステップＳ２６２０では、制御部５３０は、単セル６１０の積層方向の補正を行うか否かを選択する。なお、単セル６１０の積層方向の補正を行うか否かは、あらかじめ定められている。補正を行わない場合には、制御部５３０は処理をステップＳ２６３０に移行し、調整量を決定した後、ステップＳ２６４０において、乾燥抑制運転を実行する。補正を行う場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ２６２５に移行し、第２の補正係数βを取得する。ステップＳ２６３０において、制御部５３０は、補正係数βをも用いて調整量を決定した後、ステップＳ２６４０において、乾燥抑制運転を実行する。
【００９９】
図２７は、第６の実施例を模式的に示す説明図である。図２７（Ａ）は、図１３と同じ図である。なお、図２７では、圧力計７３２が記載してある。圧力計７３２は、酸化ガスの背圧Ｐａｌｌを取得する。
【０１００】
図２８は、酸化ガスの背圧と、乾燥抑制運転における水排出量の関係を示すマップである。酸化ガスの背圧が大きい場合には、水排出量が少なく、背圧が小さい場合には、水排出量が多くなる。例えば、制御部５３０が、乾燥抑制運転において、水の排出量を１ｇ／（ｃｅｌｌ・ｓｅｃ）減らす目標を立てたとする。このとき、現在の酸化ガスの背圧が１４０ｋＰａであったとすると、図２８から、水の排出量を１ｇ／（ｃｅｌｌ・ｓｅｃ）減らすためには、酸化ガスの背圧を１５０ｋＰａにすればよいことがわかる。また、現在の酸化ガスの背圧が１６０ｋＰａであったとすると、図２８から、水の排出量を１ｇ／（ｃｅｌｌ・ｓｅｃ）減らすためには、酸化ガスの背圧を１８０ｋＰａにすればよいことがわかる。これは、背圧の上げ幅を一定とすると、全圧が大きいほど、背圧の上げ幅に対する効果が小さく、全圧が小さいほど、背圧の上げ幅に対する効果が大きいことによる。したがって、同じ効果を上げるためには、全圧が大きければ、より背圧を変化させることが必要である。
【０１０１】
燃料電池からの水の排出量Ｑｗａｔは以下の式（３）で表すことが可能である。
Qwat＝(Pwat/(Pall-Pwat))×Qdry …（３）
ここで、Ｐｗａｔは、水蒸気分圧、Ｐａｌｌは、酸化ガスの背圧、Ｑｄｒｙは、酸化ガスの流量から発電で消費される酸素量を引いた量である。なお、この式（３）をマップとしたものが、図２８に示すグラフである。
【０１０２】
図２７（Ｂ）は、酸化ガス排出マニホールド６４７の圧力を示している。ステップＳ２６２５における第２の補正係数βは、Ｐ３／Ｐ４で表すことができる。Ｐ３、Ｐ４の意味は、図１３における意味と同じである。単セル６１０を１個の燃料電池を考えれば、Ｐ３、Ｐ４は、単セル６１０から排出される酸化ガスの背圧と考えることが可能である。すなわち、背圧の比をもって補正を行う。
【０１０３】
乾燥した単セル６１０の積層方向の位置を考慮すると、燃料電池からの水の排出量Ｑｗａｔは以下の式（４）で表すことが可能である。
Qwat＝(Pwat/(Pall×β-Pwat))×Qdry’ …（４）
ここで、Qdry’は、酸化ガスの流量を第３の実施例における補正係数αで補正した値であり、Qdry’＝Qdry／αである。なお式（４）は、変形して、
Pall＝Pwat×(1＋Qdry’/ Qwat) /β …（４）’
で示すことが出来る。
【０１０４】
図２９は、補正係数αが０．９７、βが１．３であったときの、酸化ガスの背圧と乾燥抑制運転における水排出量の関係を示すマップである。このマップは、式（４）をグラフに表したものである。現在の背圧が１４０ｋＰａであったときに、水の排出量を１ｇ／（ｃｅｌｌ・ｓｅｃ）減らすためには、酸化ガスの背圧を１５４ｋＰａにすればよいことがわかる。
【０１０５】
以上第６の実施例によれば、単セル６１０の背圧に基づいて、乾燥抑制運転の調整量を決定し、適切な燃料電池の制御を行うことが可能となる。また、乾燥した単セル６１０の積層方向の位置に基づいて乾燥抑制運転の調整量を容易に求めることが可能となる。
【０１０６】
なお、上記各実施例で用いた数値は一例であり、燃料電池システムの構成により、適正な値は異なる。
【０１０７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【０１０８】
１２…膜電極接合体
５００…車両
５１０…燃料電池
５３０…制御部
５３５…要求出力検知部
５４０…二次電池
５５０…分配コントローラ
５６０…駆動モータ
５７０…ドライブシャフト
５８０…分配ギア
５９０…車輪
６００…燃料電池スタック
６０５…電流電圧計
６１０…単セル
６２０…電解質膜
６３０…アノード電極
６３５…カソード電極
６４０…アノードガス流路
６４２…酸化ガス供給マニホールド
６４５…カソードガス流路
６４７…酸化ガス排出マニホールド
６５０…燃料ガス供給系
６５５…燃料ガスタンク
６６０…燃料ガス供給管
６６５…燃料ガス排気管
６７０…開閉バルブ
６７５…レギュレータ
６８０…燃料ガスポンプ
６８５…圧力計
６８７…圧力計
６９０…露点計
６９５…流量計
７００…酸化ガス供給系
７０５…コンプレッサ
７１０…酸化ガス供給管
７１５…酸化ガス排気管
７２０…加湿装置
７２５…背圧弁
７３０…圧力計
７３２…圧力計
７３５…露点計
７３７…温度計
７４０…流量計
７４５…第２の燃料ガス排気管
７４７…排気弁
７５０…冷却系
７５５…ポンプ
７６０…冷却水供給管
７６５…冷却水排出管
７７０…ラジエータ
７７５…冷却水還流管
７８０…ロータリー弁
７８５…温度計
７９０…温度計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池においては、単セルの加湿度は、発電状態に影響を与えることが知られている。また、電圧低下を起こした単セルの加湿不足の判断および加湿過剰の判断を、単セルの積層位置によらず行うことができる燃料電池の加湿状態判定装置が知られている（例えば特許文献１）。この加湿状態判定装置では、電圧低下を起こした単セルに隣接する単セルの電圧に基づいて加湿不足か加湿過剰かを判断している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２６５９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来から、燃料電池スタック内部の乾燥の状態を推定するとともに、この推定に基づいて燃料電池システムを適切に制御できるような様々な工夫が更に望まれていた。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決し、簡単な構成で燃料電池スタック内部の乾燥状態を推定して、燃料電池システムを適切に制御することを一つの目的とする。また、簡単な構成で、燃料電池スタック内部が乾燥状態なのか、水溜まり状態なのかを推定し、その原因に応じて燃料電池システムを適切に制御することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、前記燃料電池スタックに、前記酸化ガスが流れる方向と交わる方向に流れる冷媒を供給する冷却系と、前記燃料電池スタックから排出される冷媒の温度を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部においてそれぞれ測定する温度測定部と、前記２つの冷媒温度の差を用いて前記燃料電池スタックの乾燥状態を判断し、前記燃料電池スタック内が乾燥している場合には、前記燃料電池スタックの乾燥を抑制する乾燥抑制運転を実行する制御部と、を備える燃料電池システム。
この適用例によれば、酸化ガスの流れの上流部と下流部において測定された、燃料電池スタックから排出された冷媒の温度差を用いて燃料電池スタック内の乾燥を推定するので、簡単な構成で燃料電池スタック内部の乾燥の状態を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転として、
（１）前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を減少する、
（２）前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの背圧を上げる、
（３）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
（４）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも１つを実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池スタック内の乾燥を抑制、緩和することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記２つの冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなった場合には、前記乾燥抑制運転を行い、前記２つの冷媒温度の差が前記あらかじめ定められた差分値以上になった場合には、前記乾燥抑制運転を停止する、燃料電池システム。
この適用例によれば、排出される２つの冷媒温度の差があらかじめ定められた値よりも小さくなった場合には、燃料電池スタックが乾燥していると判断できるので、簡単な構成で燃料電池スタック内部の乾燥状態を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池スタックにおける前記酸化ガスの圧力損失を測定する圧力損失測定部を備え、前記制御部は、前記２つ冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなり、かつ、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失があらかじめ定められた損失値よりも小さくなった場合には、
（３）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
（４）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも一方を含む乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池がさらに乾燥したときに、酸化ガスの圧力損失によりそれを検知して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１１】
［適用例５］
適用例３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記２つの冷媒温度の差が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
この適用例によれば、冷媒の温度の差が小さいほど乾燥が進んでいると判断できるので、調整量を大きくすることにより、早期に乾燥状態から回復させることが可能となる。
【００１２】
［適用例６］
適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
この適用例によれば、酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど乾燥が進んでいると判断できるので、調整量を大きくすることにより、早期に乾燥状態から回復させることが可能となる。
【００１３】
［適用例７］
適用例１から適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記単セル毎の起電力を測定する電圧計を備え、前記制御部は、前記各単セルの起電力の大きさに基づいて乾燥している単セルの位置を検出し、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っているときと、の間で異ならせるパラメータの値を補正するための第１の補正係数を決定し、前記第１の補正係数を用いて前記パラメータの値を補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置に基づいて制御するパラメータの値を補正するので、乾燥した単セルの乾燥の抑制、緩和を促進し、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１４】
［適用例８］
適用例７に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１の補正係数を用いて前記酸化ガスの供給量を補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置により、酸化ガスの供給量を補正することにより、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１５】
［適用例９］
適用例７または適用例８に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記制御部は、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記燃料電池スタックの出口部における前記酸化ガスの背圧を補正するための第２の補正係数を決定し、前記第２の補正係数を用いて、前記背圧の大きさを補正する、燃料電池システム。
この適用例によれば、乾燥した単セルの積層方向の位置により、酸化ガスの背圧を補正することにより、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１６】
［適用例１０］
燃料電池システムであって、積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、前記単セル毎の起電力を測定する電圧計と、前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、いずれかの単セルの電圧低下を検知した場合には、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流量が、前記酸化ガスの流量を増大させると前記単セルの電圧が上がる第１の酸化ガス流量領域と、前記酸化ガスの流量を増大させると前記単セルの電圧が下がる第２の酸化ガス流量領域のいずれにあるかを判断し、前記第１の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、水排出運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、乾燥抑制運転を実行し、前記第２の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、前記乾燥抑制運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、前記水排出運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、単セルの電圧低下の原因が、乾燥によるものか、水溜まりによるものか、を判断し、それぞれに適した制御を行うことが可能となる。
【００１７】
［適用例１１］
燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの温度を取得する温度取得部と、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記酸化ガスの流量と、前記酸化ガスの温度とを用いて、前記燃料電池スタック内の乾燥状態を判断し、前記乾燥状態に基づいて前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給、排出を制御する、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で燃料電池スタック内部の水分布を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。
【００１８】
［適用例１２］
適用例１１に記載の燃料電池システムおいて、前記制御部は、あらかじめ定められた期間における前記酸化ガスの流量の変化があらかじめ定められた範囲内にある準定常状態か否かを判断し、前記酸化ガスの流量が準定常状態にある場合には、前記酸化ガスの温度があらかじめ定められた温度より大きい場合に、乾燥抑制運転を実行し、前記酸化ガスの流量が準定常状態にない場合に、前記酸化ガスの流量が増加傾向にあり、かつ、前記あらかじめ定められた期間における酸化ガスの温度の下がり幅があらかじめ定められた温度よりも大きい場合に、前記乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、簡単な構成で燃料電池スタック内部の水分布を推定して、燃料電池の発電を適切に制御することが可能となる。なお、酸化ガス流量が準定常状態の場合には水の気化量と、凝集量は釣り合っていると判断でき、酸化排ガスの温度が高いほど水の排出量が大きいので、燃料電池スタック内が乾燥し易いと言える。また、酸化ガスの流量が一定以上の速さで増加している場合には、水の気化量＞凝集量であると判断され、水の気化量が大きいと、燃料電池スタックは、気化熱を奪われて温度が下がる。そして、酸化ガスの温度も下がる。したがって、酸化ガスの温度が下がっている場合には、燃料電池内の温度が上がる場合には、燃料電池スタック内部が乾燥し易くなっていると言える。
【００１９】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、 燃料電池の制御方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池システムを搭載した車両を示す説明図である。
【図２】燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図３】燃料電池スタックの構成を示す説明図である。
【図４】以下に示す複数の実施例に共通する制御手順を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施例の処理内容を模式的に示す説明図である。
【図６】単セル中の位置と電流密度との関係を示す説明図である。
【図７】第１の実施例における制御のフローチャートである。
【図８】カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差とエア背圧との制御マップの一例を示す説明図である。
【図９】図５（Ｃ）に示す状態よりもさらに電解質膜６２０の乾燥が進んだ状態を示す説明図である。
【図１０】第２の実施例における制御フローチャートを示す。
【図１１】カソード圧力損失と冷却水量の制御マップの一例を示す説明図である。
【図１２】他の方法による冷却水の水量Ｑｆｃｃの求め方を示す説明図である。
【図１３】第３の実施例を模式的に示す説明図である。
【図１４】カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差とエアストイキ比との制御マップの一例を示す説明図である。
【図１５】第４の実施例における制御フローチャートを示す。
【図１６】ガス流量を増やすと電圧があがる領域か否かを判断するためのマップの一例を示す説明図である。
【図１７】第５の実施例における制御フローチャートを示す。
【図１８】時間と酸化ガス流量を示すグラフである。
【図１９】酸化ガス流量と酸化排ガス温度の閾値Ｔｃのとの関係を示すマップの一例である。
【図２０】酸化ガス流量の時間変化を示すグラフである。
【図２１】酸化排ガス温度の時間変化を示すグラフである。
【図２２】乾燥抑制運転の制御マップの一例を示す説明図である。
【図２３】乾燥抑制運転の制御マップの別の一例を示す説明図である。
【図２４】燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差と時間当たりの酸化ガスの変化量についての制御マップの一例である。
【図２５】燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差と燃料電池の時間当たりの電流の変化量についての制御マップの一例である。
【図２６】第６の実施例における制御フローチャートを示す説明図である。
【図２７】第６の実施例を模式的に示す説明図である。
【図２８】酸化ガスの背圧と乾燥抑制運転における水排出量の関係を示すマップである。
【図２９】補正係数αが０．９７、βが１．３であったときの酸化ガスの背圧と乾燥抑制運転における水排出量の関係を示すマップである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１は、燃料電池システムを搭載した車両を示す説明図である。車両５００は、燃料電池５１０と、制御部５３０（ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも呼ぶ。）と、要求出力検知部５３５と、二次電池５４０と、分配コントローラ５５０と、駆動モータ５６０と、ドライブシャフト５７０と、分配ギア５８０と、車輪５９０と、を備える。
【００２２】
燃料電池５１０は、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学的に反応させて電力を取り出すための発電装置である。燃料電池５１０の構成については、後述する。制御部５３０は、要求出力検知部５３５から取得した要求出力値に基づいて、燃料電池５１０と二次電池５４０の動作を制御する。要求出力検知部５３５は、車両のアクセル（図示せず）の踏み込み量を検知し、その踏み込み量の大きさから、運転手からの要求出力を検知する。二次電池５４０として、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池を採用することが可能である。二次電池５４０への充電は、例えば、燃料電池５１０から出力される電力を用いて直接充電することや、車両５００が減速するときに車両５００の運動エネルギーを駆動モータ５６０により回生して充電すること、により行うことが可能である。分配コントローラ５５０は、制御部５３０からの命令を受けて、燃料電池５１０から駆動モータ５６０への引き出す電力量と、二次電池５４０から駆動モータ５６０へ引き出す電力量を制御する。また、分配コントローラ５５０は、車両５００の減速時には、制御部５３０からの命令を受けて、駆動モータ５６０により回生された電力を二次電池５４０に送る。駆動モータ５６０は、車両５００を動かすための電動機として機能する。また、駆動モータ５６０は、車両５００が減速するときには、車両５００の運動エネルギーを電気エネルギーに回生する発電機として機能する。ドライブシャフト５７０は、駆動モータ５６０が発する駆動力を分配ギア５８０に伝達するための回転軸である。分配ギア５８０は、左右の車輪５９０へ駆動力を分配する。
【００２３】
図２は、燃料電池システムの構成を示す説明図である。燃料電池５１０は、燃料電池スタック６００と、燃料ガス供給系（アノード系）６５０と、酸化ガス供給系（カソード系）７００と、冷却系７５０と、を備えている。
【００２４】
燃料電池スタック６００は、多数の単セル（図示せず）が積層して構成されている。燃料電池には、燃料電池スタック６００に流れる電流及び電圧を測定するための電流電圧計６０５が接続されている。なお、電流電圧計６０５は、単セル毎の電流、電圧を測定できるように構成されていてもよい。
【００２５】
燃料ガス供給系６５０は、燃料ガスタンク６５５と、燃料ガス供給管６６０と、燃料ガス排気管６６５と、開閉バルブ６７０と、レギュレータ６７５と、燃料ガスポンプ６８０と、圧力計６８５、６８７と、露点計６９０と、流量計６９５と、を備える。燃料ガスタンク６５５は、燃料ガスを貯蔵する。本実施例では、燃料ガスとして、水素を用いている。燃料ガスタンク６５５と、燃料電池スタック６００とは、燃料ガス供給管６６０で接続されている。燃料ガス供給管６６０上には、燃料ガスタンク６５５からの燃料ガスの供給をオンオフするための開閉バルブ６７０と、燃料電池スタック６００に供給される燃料ガスの圧力を調整するためのレギュレータ６７５が設けられている。
【００２６】
燃料電池スタック６００には、燃料排ガスを排出するための燃料ガス排気管６６５の一端が接続されている。そして、燃料ガス排気管６６５の他端は、燃料ガス供給管６６０に接続されている。燃料ガス排気管６６５には、未反応の燃料ガスが含まれているが、これにより、未反応の燃料ガスを再び燃料電池スタック６００に供給することが可能となる。
【００２７】
燃料ガス供給管６６０上には、燃料電池スタック６００に供給される燃料ガスの圧力を測定するための圧力計６８５、燃料ガスの露点を測定するための露点計６９０、燃料ガスの流量を測定するための流量計６９５が設けられている。なお、露点計６９０の代わりに湿度計を設けてもよい。また、燃料ガス排気管６６５上には、燃料電池スタック６００から排出される燃料排ガスの圧力を測定するための圧力計６８７が設けられている。
【００２８】
酸化ガス供給系７００は、コンプレッサ７０５と、酸化ガス供給管７１０と、酸化ガス排気管７１５と、加湿装置７２０と、背圧弁７２５と、圧力計７３０、７３２と、露点計７３５と、温度計７３７と、流量計７４０と、を備える。本実施例では、酸化ガスとして空気を用いる。コンプレッサ７０５は、大気中の空気を取り込んで圧縮する。コンプレッサ７０５は、酸化ガス供給管７１０により、燃料電池スタック６００に接続されている。燃料電池スタック６００には、酸化排ガスを排出するための酸化ガス排気管７１５が接続されている。ここで、酸化ガス供給管７１０と酸化ガス排気管７１５には、加湿装置７２０が設けられている。燃料電池では、例えば、水素と、空気中の酸素と、を反応させて発電を行う。このとき、水素と酸素とが反応して水が生成する。生成した水は、酸化排ガスとともに燃料電池スタック６００から排出される。加湿装置７２０は、酸化排ガス中に含まれる水分を用いて、燃料電池スタック６００に供給される酸化ガスを加湿する。加湿装置７２０は、例えば、酸化ガス流路と、酸化排ガス流路とを備え、その２つの流路の間に加湿膜を備える構成であってもよい（図示せず）。これにより、加湿膜を介して、酸化配ガス中の水分を、酸化ガスに移動させることが可能である。酸化ガス排気管７１５には、背圧弁７２５が設けられている。背圧弁７２５は、燃料電池スタック６００内の空気の圧力を調整するために用いられる。
【００２９】
酸化ガス供給管７１０上には、燃料電池スタック６００に供給される酸化ガスの圧力を測定するための圧力計７３０、酸化ガスの露点を測定するための露点計７３５、酸化ガスの流量を測定するための流量計７４０が設けられている。なお、露点計７３５の代わりに湿度計を設けてもよい。また、酸化ガス排気管７１５上には、燃料電池スタック６００から排出される酸化排ガスの圧力を測定するための圧力計７３２が設けられている。酸化ガス排気管７１５上には、酸化排ガスの温度を測るための温度計７３７は設けられている。
【００３０】
また、本実施例では、燃料ガス排気管６６５と酸化ガス排気管７１５とを繋ぐ第２の燃料ガス排気管７４５と、第２の燃料ガス排気管７４５に設けられた排気弁７４７を備える。上述のように本実施例では、燃料ガス排気管６６５は燃料ガス供給管６６０に接続されており、燃料ガスを還流して再利用している。ここで、燃料電池スタック６００を長時間運転すると、燃料排ガス中に、反応に寄与しない窒素が増えてくる。この窒素は、酸化ガス（空気中）の窒素が、燃料電池の電解質膜（図示せず）を透過してきたものと考えられる。燃料排ガス中に窒素が増えると、燃料ガス中にも窒素が増え、燃料電池スタック６００の反応性が落ちる。従って、本実施例では、燃料排ガス中の窒素の量が増えた場合には、排気弁７４７を開け、窒素を酸化ガス排気管７１５に流し、燃料ガス中の窒素の量を排気する。なお、このとき水素も一部が酸化ガス排気管７１５に流れる。しかし、酸化ガス排気管７１５や加湿装置７２０には、触媒が存在しないので、水素は酸化ガス排気管７１５に流れても、空気中の酸素と反応しない。また、水素の自然発火温度は、空気中で５７０℃、酸素中で５６０℃であるので、自然発火もしない。
【００３１】
冷却系７５０は、ポンプ７５５と、冷却水供給管７６０と、冷却水排出管７６５と、冷却水還流管７７５と、ラジエータ７７０と、ロータリー弁７８０と、温度計７８５、７９０と、を備える。ポンプ７５５は、冷却水に圧力をかけて、燃料電池スタック６００に送る。ポンプ７５５と、燃料電池スタック６００とは、冷却水供給管７６０により接続されている。燃料電池スタック６００には、冷却水を排出するための冷却水排出管７６５が接続されている。冷却水供給管７６０と、冷却水排出管７６５とは、ラジエータ７７０及び冷却水還流管７７５により接続されている。ラジエータ７７０は、冷却水排出管７６５を流れる温度の高い冷却水を冷却して冷却水供給管７６０に送る。冷却水還流管７７５は、冷却水排出管７６５を流れる冷却水をそのまま冷却水供給管７６０に送る。冷却水供給管７６０は、ロータリー弁７８０により、ラジエータ７７０と、冷却水還流管７７５とに接続されている。すなわち、ロータリー弁７８０の開度を変更することにより、燃料電池スタック６００に供給する冷却水の温度を調整することが可能である。また、冷却水供給管７６０には燃料電池スタック６００に供給される冷却水の温度を測定する温度計７８５が設けられ、冷却水排出管７６５には燃料電池スタック６００から排出される冷却水の温度を測定する温度計７９０が設けられている。
【００３２】
図３は、燃料電池スタックの構成を示す説明図である。燃料電池スタック６００は、複数の単セル６１０が積層されている。各単セル６１０は、電解質膜６２０と、アノード電極６３０と、カソード電極６３５と、アノードガス流路６４０と、カソードガス流路６４５と、を備えている。本実施例では、電解質膜６２０として、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマなどのフッ素系樹脂から成るプロトン伝導性のイオン交換膜を用いている。アノード電極６３０、カソード電極６３５は、電解質膜の両面に配置されている。アノード電極６３０、カソード電極６３５は、燃料電池における電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金触媒、あるいは白金と他の金属から成る白金合金触媒を含んでいる。なお、電解質膜６２０と、アノード電極６３０、カソード電極を合わせて膜電極接合体１２とも呼ぶ。アノードガス流路６４０、カソードガス流路６４５は、膜電極接合体１２の両面にそれぞれ配置されている。アノードガス流路６４０、カソードガス流路６４５は、例えば、多孔体や、カーボン不織布を用いたカーボンクロスやカーボンペーパーや、エキスパンドメタルを用いて形成することが可能である。なお、アノードガス流路６４０は、図示しないマニホールドを介して、図２に示す燃料ガス供給管６６０、燃料ガス排気管６６５と接続されている。また、カソードガス流路６４５は、図示しないマニホールドを介して、図２に示す酸化ガス供給管７１０、酸化ガス排気管７１５と接続されている。
【００３３】
図４は、以下に示す複数の実施例に共通する制御手順を示すフローチャートである。以下では、各ステップの概略の内容について説明する。各ステップの詳細については、実施例毎に詳述する。ステップＳ４００では、制御部５３０は、燃料電池システムに設けられた各種センサー（例えば、図２に示す圧力計６８５、６８７、７３０、７３２、露点計６９０、７３５、流量計６９５、７４０、温度計７８５、７９０、電流電圧計６０５など）から出力されるセンサー値（計測値）を取得する。
【００３４】
ステップＳ４１０では、制御部５３０は、ステップＳ４００で取得したセンサー値を用いて燃料電池スタック６００の水分布（乾燥状態）を推定する。制御部５３０は、単セル６１０の面内の水分布の他、単セル６１０の積層方向の水分布を取得してもよい。
【００３５】
ステップＳ４４０では、制御部５３０は、水分布が異常か否かを判断する。例えば、単セル６１０のある部分が乾燥しているか、また、ある部分が水溜まりになっているか、を判断する。制御部５３０は、水分布が正常であれば、処理をステップＳ４５０に移行し、通常運転、すなわち、現在の運転状態を維持する制御を行う。ここで、現在の運転状態とは、車両５００の利用者からの要求出力に応じた出力を発生させる運転状態をいう。一方、異常が有った場合には、制御部５３０は、その異常を解消するため、処理をステップＳ４６０に移行し、分布正常化制御を行う。
【００３６】
［第１の実施例］
図５は、第１の実施例の処理内容を模式的に示す説明図である。第１の実施例では、制御部５３０は、燃料電池スタック６００から排出される冷却水の温度を用いて、水分布（乾燥状態）を推定し、この水分布に基づいて燃料電池スタック６００（図２）への反応ガスの供給を制御する。本実施例では、燃料電池５１０（図１）を冷却する冷媒として水（以下「冷却水」と呼ぶ。）を用いている。図５（Ａ）は、単セル６１０における酸化ガスと冷却水の流れる方向を示している。酸化ガスは、図面の下方から上方に向かって流れている。冷却水は図面の左方から右方に流れている。したがって、酸化ガスの流れる向きと冷却水の流れる向きは、直交している。なお、図５では、燃料ガスの流れる向きについては、図示していないが、酸化ガスの流れの向きと、反対向き（カウンターフロー）とすることが好ましい。但し、燃料ガスの流れる向きと酸化ガスの流れの向きを同方向（コフロー）としてもよい。
【００３７】
冷却水には、酸化ガスの上流側に当たる位置を冷却するカソード上流側冷却水と、酸化ガスの下流側に当たる位置を冷却するカソード下流側冷却水とがある。これらの２つは、単セル６１０内において、整流部材（図示せず）により明確に区分されていてもよく、また区分されていなくてもよい。冷却水の出口部には、冷却排水の温度を測定する温度計７９０ａ、７９０ｂが、カソード上流側冷却水とカソード下流側冷却水に対応して設けられている。なお、この温度計７９０ａ、７９０ｂは、図２で説明した温度計７９０を構成するものである。本実施例では、このように、図２で説明した温度計７９０は、単セル６１０毎に２つずつ設けられていることが好ましい。
【００３８】
図５（Ｂ）は、単セル６１０の電解質膜６２０の加湿が適切な状態の一例を示している。電解質膜６２０（図３）における電流の分布（電流密度）は、例えば、カソード上流部で２．０Ａ／ｃｍ２であり、カソード下流部で１．２Ａ／ｃｍ２である。なお、この電流密度は、単セル６１０が積層された実際の燃料電池スタック６００を用いて測定したのではなく、単セル６１０を１つ取り出して行った実験により得られたものである。このように、カソード上流部と、カソード下流部では、電流密度が異なり、カソード上流部の方が、電流密度が大きい。この理由については後述する。一般に、電流密度が大きいほどその部分での化学反応が活発なため、反応熱が大きい。したがって、電流密度が大きいカソード上流部の方がより発熱する。例えば、冷却水として、７０℃の水を単セル６１０に流したとき、単セル６１０から出てくるカソード上流側冷却排水の温度Ｔ１は８０℃、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２は７６℃である。そして、この時の２つの冷却排水の温度差（Ｔ１−Ｔ２）は４℃である。
【００３９】
図５（Ｃ）は、単セル６１０の電解質膜６２０が乾燥し始めている状態の一例を示している。電解質膜６２０の加湿が適切な状態と比べると、カソード上流部の電流密度が小さくなっており、カソード下流部の電流密度が大きくなっている。このとき、カソード上流部の電流密度は１．７Ａ／ｃｍ２であり、カソード下流部の電流密度は１．５Ａ／ｃｍ２である。同様に、冷却水として、７０℃の水を単セル６１０に流したとき、単セル６１０から出てくるカソード上流側冷却排水の温度Ｔ１は７８．５℃であり、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２は７７．５℃である。そして、この時の２つの冷却排水の温度差（Ｔ１−Ｔ２）は１℃である。以上のことからわかるように、乾燥すると、カソード上流側冷却排水温度Ｔ１からカソード下流側冷却排水温度Ｔ２を引いた値は、小さくなることがわかる。
【００４０】
図６は、単セル中の位置と電流密度との関係を示す説明図である。図６において、縦軸は電流密度を示し、横軸は酸化ガス流れ方向の位置を示し、右側がカソード上流側、左側がカソード下流側を示している。実線は、図５（Ｂ）における電流分布を示し、破線は、図５（Ｃ）における電流分布を示している。
【００４１】
電解質膜６２０（図３）が湿潤している場合、カソード上流部では、酸素分圧が高いため、電気化学反応が促進され、電流密度は大きくなる。このとき、電気化学反応で生じた生成水が酸化ガスの流れに乗って下流に流れるため、カソード入口よりもやや下流側の方が、電解質膜６２０が湿潤する。そのため、カソード入口よりもやや下流側の方が、電気化学反応の反応性が高く、電流も多くなる。すなわち、カソード上流側では、左上がりのグラフとなる。
【００４２】
一方、電気化学反応によりカソードガス中の酸素が消費される。したがって、カソード下流ほど酸素分圧が低くなる。そのため電気化学反応の反応性が小さくなり、電流が減少する。従って、カソード下流側では、右上がりのグラフとなる。以上のように、電流を示すグラフは、上記２つの現象が重なり合った結果を示し、山形形状のグラフとなる。そして、電流密度のピークは、ややカソード上流側に生じる。その結果、カソード上流側で電流密度が大きく、カソード下流側で電流密度が小さくなる。
【００４３】
一方、電解質膜６２０が乾燥していると、カソード上流では、電気化学反応の反応性が下がり、電解質膜６２０が湿潤していた時に比べ電流値は減少方向に移動する。また、このように、カソード上流で、電気化学反応の反応性が低下するため、カソード上流での酸素の消費が少なくなる。その結果、カソード下流での酸素分圧が湿潤時に比べ上昇する。そのため、カソード下流側では電気化学反応が促進され、湿潤時に比べ電流値は増加方向に移動する。すなわち図６の破線に示すように、電流密度のピーク位置はカソード下流側に移動する。その結果、カソード上流側で電流密度と、カソード下流側で電流密度は、差が小さくなる。
【００４４】
図６で説明したように、電解質膜６２０が湿潤していると、カソード上流部で電流密度が大きく、カソード下流部で電流密度が小さい。そのため、カソード上流部とカソード下流部で発熱量が異なり、カソード上流部の方が、カソード下流部よりも温度が高くなる。そのため、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１と、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差は大きい。一方、電解質膜６２０が乾燥していると、カソード上流部と、カソード下流部では、電流密度の差が少ない、そのため、カソード上流部の温度と、カソード下流部の温度の差は小さくなる。したがって、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１と、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２とを求め、その差（Ｔ１−Ｔ２）を求めることにより、電解質膜６２０の乾燥度を推定することが可能である。
【００４５】
図７は、第１の実施例における制御のフローチャートである。ステップＳ７００では、制御部５３０は、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１と、カソード下流側冷却排水の温度Ｔ２とを取得する。次にステップＳ７１０では、温度Ｔ１と温度Ｔ２の差（Ｔ１−Ｔ２）を取得する。この温度差（Ｔ１−Ｔ２）は上述したように、電解質膜６２０の乾燥度（水分布）に依存している。ステップＳ７４０では、制御部５３０は、温度差（Ｔ１−Ｔ２）があらかじめ定められた閾値Ｔαよりも小さいか否かを判断する。ここで閾値Ｔαは、実験によりあらかじめ求めておくことが好ましい。図５（Ｂ）、（Ｃ）に示す例では、制御部５３０は、閾値Ｔαとして２℃を用いている。温度差（Ｔ１−Ｔ２）が閾値Ｔα以上の場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０が十分湿潤していると判断し、処理をステップＳ７５０に移行する。ステップＳ７２０では、制御部５３０は、通常運転、すなわち、現在の運転状態を維持する。一方、温度差（Ｔ１−Ｔ２）が閾値Ｔαよりも小さい場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０が乾燥していると判断し、処理をステップＳ７６０に移行する。ステップＳ７６０では、制御部５３０は、乾燥抑制運転を実行する。なお、上記ステップＳ７００からＳ７６０の各ステップは、図４に示したステップＳ４００からＳ４６０にそれぞれ対応している。
【００４６】
制御部５３０は、乾燥抑制運転として、例えば、以下の制御のうち１つ以上を行うことが可能である。
（１）エア背圧を上げる。
（２）エアストイキ比を下げる。
（３）冷却水の流量を増す。
【００４７】
ここでエア背圧とは、燃料電池スタック６００（図２）から酸化ガスが排出されるときの、燃料電池スタック６００排出口（図示せず）における酸化ガスの圧力をいう。この背圧は、圧力計７３２を用いて測定することが可能である。エア背圧を上げた場合、酸素分圧が上がるため、電気化学反応の反応性が増し、生成水量が多くなって電解質膜６２０（図３）を湿潤させることができる。例えば、制御部５３０は、背圧弁７２５（図２）を調整することにより、エア背圧を上げることが可能である。
【００４８】
エアストイキ比とは、所定の電流を発電させるのに必要な酸化ガスの供給量の理論に対する、実際の酸化ガス供給量の過剰率をいう。エアストイキ比が１の場合には、供給された酸化ガス中の酸素は全て消費される。エアストイキ比を下げることは、酸化ガスの流量を減らすことを意味する。酸化ガスの流量が少なくなれば、酸化ガスによる水の持ち去り量を減らすことができ、電解質膜６２０の乾燥を抑制できる。例えば、制御部５３０は、コンプレッサ７０５（図２）の回転数を調整することにより、エアストイキ比を下げることが可能である。
【００４９】
冷却水量を増やした場合には、電解質膜６２０からの水の蒸発を抑制し、電解質膜６２０の乾燥を抑制することが可能となる。例えば、制御部５３０は、ポンプ７５５の回転数を調整することにより、冷却水量を増やすことが可能である。なお、冷却水量を増やす代わりに、あるいは増やすと共に、冷却水の温度を下げてもよい。例えば、制御部は、ラジエータ７７０のフィン（符合を付せず）の回転数やロータリー弁７８０の開度を調整して冷却水の温度を下げることが可能である。
【００５０】
図８は、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差と、エア背圧との制御マップの一例を示す説明図である。制御部５３０は、このマップに基づいて、エア背圧を制御する。カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）が閾値Ｔα以上の場合には、エア背圧を一定（１１０ｋＰａ）にしている。一方、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）が閾値Ｔαより小さい場合には、その差（Ｔ１−Ｔ２）の大きさにより、制御部５３０は、制御するエア背圧の値を変える。本実施例では、制御するエア背圧の値と、温度差がＴαの時のエア背圧の値との差、すなわち、通常運転時からどれだけエア背圧の大きさを変えるかのその大きさを「調整量」と呼ぶ。本実施例では、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差が小さくなるほど、調整量を大きくしている。このように、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差に基づいて、調整量を変化させてもよい。調整量を大きくすることにより、乾燥状態からの回復を早く実行することが可能となる。なお、本実施例では、制御パラメータの値をとして背圧を用いているが、他のパラメータを用いて制御する場合には、そのパラメータによる値を、通常運転時からどれだけ変えるか、を調整量と呼んでもよい。
【００５１】
また、図７のステップＳ７１０では、制御部５３０は、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）に加え、燃料電池のインピーダンスＺに基づいて電解質膜の乾燥度（湿潤度）を判断してもよい。例えば、制御部５３０は、インピーダンスを取得し、このインピーダンスＺの値が、あらかじめ定められた閾値Ｚβよりも大きいか否かにより、電解質膜６２０（図３）の乾燥度を推定してもよい。具体的には、制御部は、インピーダンスＺの値が、閾値Ｚβよりも大きい場合には、電解質膜６２０が乾燥していると判断することができる。インピーダンスは、例えば、交流インピーダンス法を用いて測定することが可能である。
【００５２】
以上、第１の実施例によれば、制御部５３０は、酸化ガスの流れの上流部と下流部において冷却水の温度Ｔ１、Ｔ２を、それぞれ測定し、その温度差（Ｔ１−Ｔ２）から、電解質膜６２０の乾燥度を推定し、その乾燥度に応じて燃料電池への酸化ガスの供給や、冷却水の流量Ｑｆｃｃを制御し、燃料電池５１０の発電を適切に制御することが可能となる。
【００５３】
また、温度差（Ｔ１−Ｔ２）が小さいときには、調整量を大きくするので、乾燥状態からの回復を早めることが可能となる。
【００５４】
［第２の実施例］
第２の実施例では、第１の実施例よりも乾燥が進んだ場合を考慮した制御を実行する。図９は、図５（Ｃ）に示す状態よりもさらに電解質膜６２０の乾燥が進んだ状態を示す説明図である。電解質膜６２０の乾燥がさらに進むと、以下の理由により、冷却水の下流部から電解質膜６２０が乾燥してくる。すなわち、冷却水上流部では、冷却水の温度が低いため、冷却水により冷やされて酸化ガス中の水分が結露し、電解質膜６２０の乾燥を緩和する。一方、冷却水下流部では、冷却水の温度が上がっているため、酸化ガス中の水分が結露しにくく、電解質膜６２０を湿潤させにくい。そのため、乾燥が進むと、電解質膜６２０は、冷却水下流部側から乾燥する。そのため、電気化学反応は、冷却水上流部に集中し、乾燥した冷却水下流部では、電気化学反応が起こりにくくなる。また、このような乾燥状態になると、冷却水下流部では、酸化ガスが流れやすくなり、酸化ガスの圧力損失ＰΔ（以下「カソード圧力損失ＰΔ」または「カソード圧損ＰΔ」とも呼ぶ。）が低下する。以上のことから、カソード圧力損失ＰΔを取得することにより、制御部５３０は、電解質膜６２０の乾燥状態が、図５（Ｃ）に示す状態にとどまっているか、それとも、図９に示す状態まで進行してしまったか、を判断することができる。すなわち、カソード圧力損失ＰΔが、あらかじめ定められた閾値Ｐθよりも小さい場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０の乾燥状態が、図９に示す状態まで進行してしまったと判断することが可能となる。
【００５５】
図１０は、第２の実施例における制御フローチャートを示す。ステップＳ１０００からステップＳ１０５０までの動作は、図７に示した第１の実施例のステップＳ７００からステップＳ７５０までの動作と同じであるので、説明を省略する。ステップＳ１０７０では、制御部５３０は、カソード圧力損失ＰΔが、あらかじめ定められた閾値Ｐθよりも小さいか否かを判断する。カソード圧力損失ＰΔが、あらかじめ定められた閾値Ｐθ以上の場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０の乾燥状態がまだ図５（Ｃ）に示す状態にとどまっていると判断し、処理をステップＳ１０８０に移行し、第１の乾燥抑制運転を実行する。また、カソードの圧力損失ＰΔが、あらかじめ定められた閾値Ｐθより小さい場合には、制御部５３０は、電解質膜６２０の乾燥状態が図９に示す状態まで進行したと判断し、処理をステップＳ１０９０に移行し、第２の乾燥抑制運転を実行する。
【００５６】
第１の乾燥抑制運転では、上述した３種の乾燥抑制運転（（１）エア背圧を上げる。（２）エアストイキ比を下げる。（３）冷却水の流量を増す。）のうち、（１）エア背圧を上げる、（２）エアストイキ比を下げる、の一方又は両方を実行する。また、第２の乾燥抑制運転では、（３）冷却水の流量を増す、を実行する。電解質膜の乾燥状態が、図９に示す状態まで進行した場合、エア背圧を上げたり、エアストイキ比を下げたりしても、酸化ガスは、通気抵抗が低く、電気化学反応が起こりにくい、電解質膜６２０の乾燥した部分を流れるだけである。これに対し、冷却水を増すと、電解質膜６２０の冷却水下流部まで冷却することが可能になる。その結果、酸化ガス中の水を結露させて、電解質膜６２０を湿潤させることができる。これにより、電解質膜６２０の冷却水下流部における電気化学反応を回復、促進することが可能となる。なお、同様に、冷却水の温度を下げてもよい。
【００５７】
図１１は、カソード圧力損失と冷却水量の制御マップの一例を示す説明図である。本実施例では、閾値Pθを２５ｋＰａとしている。そして、カソード圧力損失が２５ｋＰａよりも小さい場合には、冷却水の流量Ｑｆｃｃ（以下「冷却水量Ｑｆｃｃ」とも呼ぶ。）を増加させる。例えば、燃料電池の電流をＩ＝１．７Ａ、電圧をＶ＝０．５Ｖ、カソードの圧力損失を、ＰΔ＝２２．５ｋＰａとする。図１１に示すマップからカソードの圧力損失から冷却水の流量Ｑｆｃｃを求めると、Ｑｆｃｃ＝１２５Ｌ／ｍｉｎとなる。すなわち、制御部５３０は、冷却水の流量Ｑｆｃｃを、１２５Ｌ／ｍｉｎとすればよい。
【００５８】
冷却水の流量Ｑｆｃｃは他の方法によっても求めることが可能である。図１２は、他の方法による冷却水の水量Ｑｆｃｃの求め方を示す説明図である。図１２（Ａ）は、発熱量と放熱量の釣り合いを示す式である。
I×(Vo−V)＝k×AA×Qfcc×(dT/dt) …（１）
ここで左辺のＩは平均電流［Ａ］を示し、Ｖｏは、ギブスエネルギーから求めた発電電圧の理論値［Ｖ］、Ｖは測定された燃料電池の電圧［Ｖ］を示している。Ｖｏ−Ｖは電圧の損失であり、左辺のＩ×（Ｖｏ−Ｖ）は、発熱量を示している。
【００５９】
右辺のｋは熱移動係数であり、ＡＡは電流集中面積［ｍ２］を示し、Ｑｆｃｃは冷却水の流量［Ｌ／ｍｉｎ］、（ｄＴ／ｄｔ）［℃／ｓ］は時間当たりの冷却水の温度変化を示している。すなわち、右辺のＫ×ＡＡ×Ｑｆｃｃ×（ｄＴ／ｄｔ）は冷却水による放熱量を示している。発熱量と放熱量は釣り合うので、上記式（１）が成り立つ。ここで、電流集中面積ＡＡとは、単セル６１０の乾燥状態が図９に示す状態になった場合において、あらかじめ定められた一定以上の電流密度を有する部分の面積（例えば、平均電流密度よりも高い電流密度を有する部分）を意味する。
【００６０】
式（１）から冷却水の流量Ｑｆｃｃを求めるには、制御部５３０は各変数の値を取得することが必要である。ここで、電流Ｉおよび電圧Ｖは、制御部５３０は、すでに取得しており、それぞれＩ＝１．７Ａ、Ｖ＝０．５Ｖであるとする。Ｖｏは上述のようにギブスエネルギーから求めることができ、Ｖｏ＝１．２Ｖである。熱移動係数ｋは実験によりあらかじめ求めておくことができ、実験で求めた値は、ｋ＝０．０５である。
【００６１】
電流集中面積ＡＡは、カソード圧損と電流集中面積の関係を示すマップから求めることが可能である。図１２（Ｂ）は、カソード圧損と電流集中面積の関係を示すマップの一例である。このマップは、例えば実験により求めることが可能である。図１２（Ｂ）は、カソード圧損が小さくなると、電流集中面積ＡＡが小さくなる関係を示している。カソード圧損が小さいと、反応ガスは流れやすい。すなわち、乾燥した部分の面積が大きく、湿潤した部分の面積は小さい。すなわち、電気化学反応が盛んな部分の面積が小さく、電流集中面積ＡＡも小さくなる。本実施例では、カソード圧損が２２．５ｋＰａであるので、マップから電流集中面積ＡＡを求めると、電流集中面積ＡＡは、０．７５ｍ２となる。
【００６２】
時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）の目標値は、電流集中面積ＡＡと時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）の関係を示すマップから求めることが可能である。図１２（Ｃ）は、電流集中面積と温度変化量の目標値との関係を示すマップの一例である。図１２（Ｃ）は、電流集中面積ＡＡが大きくなると、時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）は小さくなる関係を示している。本実施例では、電流集中面積は０．７５ｍ２であるので、時間当たりの温度変化（ｄＴ／ｄｔ）の目標値は０．２５℃／ｓｅｃとなる。
【００６３】
以上、求めた値を式（１）に代入して冷却水の流量Ｑｆｃｃを求めると、Ｑｆｃｃ＝１２７Ｌ／ｍｉｎとなり、図１１に示すマップを用いて求めた冷却水の流量Ｑｆｃｃ＝１２５Ｌ／ｍｉｎとほぼ一致した。
【００６４】
以上、第２の実施例によれば、制御部５３０は、カソード圧損により、電解質膜６２０の乾燥の程度を推定し、乾燥度に対応した乾燥抑制運転を実行することが可能となる。
【００６５】
［第３の実施例］
図１３は、第３の実施例を模式的に示す説明図である。第３の実施例では、乾燥した単セル６１０の積層方向の位置に基づいて、調整量の補正を行う。燃料電池スタック６００は、複数の単セル６１０を備えている。単セル６１０は、積層されている。燃料電池スタック６００は、単セル６１０に酸化ガスを供給排出するための酸化ガス供給マニホールド６４２、酸化ガス排出マニホールド６４７を備えている。また、図２に示す電流電圧計６０５は、単セル６１０毎に電圧を測定できるように構成されている。
【００６６】
制御部５３０は、単セル６１０毎の電圧（起電力）Ｖ１、Ｖ２、…、Ｖｎを取得する。制御部５３０は、電圧Ｖ１、Ｖ２、…、Ｖｎを用いて、電解質膜６２０（図３）が乾燥した単セル６１０を特定する。例えば、電解質膜６２０が乾燥すると、単セル６１０の起電力が小さくなるので、制御部５３０が、起電力が最も小さい単セル６１０に乾燥が起こっていると判断して、乾燥した単セルを特定することが可能である。以下、起電力が最も小さい単セル（乾燥した単セル）を「注目する単セル」とも呼ぶ。本実施例では、酸化ガス入口部から最も遠い単セル６１０に乾燥が起こっているとして説明する。
【００６７】
酸化ガス供給マニホールド６４２の最も入口部に近い単セルの位置における圧力をＰ１とし、注目する単セル（乾燥した単セル）の位置における酸化ガス供給マニホールド６４２の圧力をＰ２、酸化ガス排出マニホールド６４７の注目する単セル（乾燥した単セル）の位置における圧力をＰ３、最も入口部に近い単セルの位置における酸化ガス排出マニホールド６４７の圧力をＰ４とする。補正係数αをα＝（Ｐ２−Ｐ３）／（Ｐ１−Ｐ４）とする。補正係数αは、（注目単セルにおける圧力損失）／（入口部の単セルにおける圧力損失）を意味する。補正係数αの値は、単セル６１０毎にあらかじめ実験により求めておくことが可能である。
【００６８】
図１４は、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差と、エアストイキ比との制御マップの一例を示す説明図である。この制御マップでは、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差が小さくなると、エアストイキ比を小さくしている。エアストイキ比を下げた場合には、上述したように、酸化ガスにより水持ち去り量を減らすことができ、電解質膜６２０の乾燥を抑制できる。
【００６９】
制御部５３０は、第１、２の実施例では、エア背圧を用いて制御したが、第３の実施例では、エアストイキ比を用いて燃料電池５１０の動作を制御する。なお、制御部５３０は、第１、２の実施例において、エアストイキ比を用いて燃料電池５１０の動作を制御してもよく、第３の実施例において、エア背圧を用いて燃料電池５１０の動作を制御してもよい。
【００７０】
上記第３の実施例において、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差が１．５℃、注目する単セル（乾燥した単セル）の補正係数αの値が０．９７であったとする。制御部５３０は、図１４に示す制御マップを用い、カソード上流側冷却排水の温度Ｔ１とカソード下流側冷却排水の温度Ｔ２との差が１．５℃のときのエアストイキ比を取得する。本実施例では、エアストイキ比は１．４であったとする。次に、制御部５３０は、乾燥した単セル６１０についてエアストイキ比が１．４になるように、燃料電池スタック６００に供給する酸化ガスのエアストイキ比を求める。実際に制御できるのは、燃料電池スタック６００に供給する酸化ガスのエアストイキ比だからである。具体的には、制御マップで求めたエアストイキ比を補正係数αで割ることにより、燃料電池スタック６００に供給すべき酸化ガスのエアストイキ比を推定することが可能である。本実施例の場合、図１４に示す制御マップから求めたエアストイキ比１．４を補正係数α（＝０．９７）で割った１．４４が燃料電池スタック６００に供給すべき酸化ガスのエアストイキ比となる。この算出方法は、厳密なものではないが、供給すべき酸化ガスのエアストイキ比を推定する簡易な方法として十分実用的なものである。
【００７１】
補正係数αを含む熱収支の式（２）を示す。
I×(Vo−V)＝k×AA×α×Qfcc×(dT/dt)＋K’×(T-Tb) … （２）
ここで式（２）の左辺は、上述した式（１）の左辺と同じである。式（２）の右辺第１項は、式（１）の右辺と同様に、冷却水による放熱量を示している。右辺第２項は、燃料電池スタックから大気への放熱量を示している。ここでｋ’は、外部放熱係数であり、実験により求めることが可能である。実験により得られた外部放熱係数ｋ’の値は０．００１である。Ｔは、燃料電池スタック６００の温度を示し、冷却排水の温度と等しい。Ｔｂは外気温である。
【００７２】
電流Ｉ＝１．７Ａ、電圧Ｖ＝０．５Ｖ、α＝０．９７、カソード圧損＝２２．２ｋＰａ、Ｔ＝８０℃、Ｔｂ＝２０℃として、図１２に示す制御マップ及び式（２）を用いて、冷却水流量を求めると、１１３Ｌ／ｍｉｎとなる。
【００７３】
以上、第３の実施例によれば、制御部５３０は、単セル６１０の電圧に基づいて乾燥した単セル６１０の積層方向における位置を取得し、その位置に基づいて、あらかじめ求めておいた補正係数αを取得する。そして、制御部５３０は、補正係数αを用いて調整量を補正するので、乾燥した単セルの位置に応じて適切な燃料電池５１０の制御を行うことが可能となる。
【００７４】
［第４の実施例］
図１５は、第４の実施例における制御フローチャートを示す。第４の実施例では、セル電圧が低下した単セルを検知し、その単セルの電圧低下が、乾燥によるものか、あるいは水溜まりによるものか、を判断し、それぞれの原因に対応する制御を行うものである。
【００７５】
ステップＳ１５００では、制御部５３０は、単セル６１０毎の電圧を取得し、電圧が低下した単セル６１０があるか否かを判断する。この電圧をＶｍｉｎとする。制御部５３０は、あらかじめ定められた閾値Ｖａよりもセル電圧が低いか否かを判断の基準として用いることが可能である（Ｖｍｉｎ＜Ｖａ）。また、制御部５３０は、単セルの電圧の平均値ＶａｖｅからＶｍｉｎを引いた値があらかじめ定められた閾値Ｖｂよりも大きいか否かを判断の基準に用いることが可能である（Ｖａｖｅ−Ｖｍｉｎ＞Ｖｂ）。
【００７６】
電圧が低下した単セル６１０が無ければ、制御部５３０は、処理をステップＳ１５１０に移行し、今までの運転（通常運転）を継続する。電圧が低下した単セル６１０があれば、制御部５３０は、処理をステップＳ１５２０に移行する。ステップＳ１５２０では、制御部５３０は、当該電圧が低下した単セル６１０について、ガス流量を増やすと電圧があがる領域か否かを判断する。
【００７７】
図１６は、ガス流量を増やすと電圧があがる領域か否かを判断するためのマップの一例を示す説明図である。図１６（Ａ）において、横軸は、エアストイキ比であり、縦軸は単セルの電圧である。エアストイキ比とは、上述のしたように所定の電流を発電させるのに必要な酸化ガスの供給量の理論に対する、実際の酸化ガス供給量の過剰率をいうので、エアストイキ比を大きくすることは、酸化ガスの流量を多くすることを意味する。以下、「酸化ガス流量を多くする」との意味で、「エアストイキ比を大きくする」との用語を用いる場合もある。一般に酸化ガスのエアストイキ比が大きくなると（酸化ガスの供給量が多くなると）、酸素分圧が大きくなるので、単セル６１０の電圧は上がる。しかし、エアストイキ比が大きくなりすぎると（酸化ガスの供給量が多くなりすぎると）、酸化ガスの流れにより水が持ち去られ、電解質膜６２０（図３）が乾燥して、単セル６１０の電圧が下がる。したがって、燃料電池スタック６００には、最適なエアストイキ比があり、それよりもエアストイキ比が高くても、低くても単セル６１０の電圧は低くなる。すなわち、エアストイキ比を大きくすると、すなわち、酸化ガス流量を多くすると、単セル６１０のセル電圧が上がる領域（第１の酸化ガス流量領域）と、単セル６１０のセル電圧が下がる領域（第２の酸化ガス流量領域）とがある。制御部５３０は、図１６の示すマップを用いて、現在どちらの領域であるかを判断する。なお、この最適なエアストイキ比は、燃料電池スタック６００の温度によっても異なる。図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）の破線Ｘで囲まれた部分を拡大した図である。
【００７８】
図１５のステップＳ１５２０において、ガス流量を増やすと電圧が上がる領域である場合には、制御部５３０は、ステップＳ１５３０に処理を移行し、電圧が低下した単セルの近傍の単セル６１０の電圧があらかじめ定められた電圧よりも高いか否かを判断する。たとえば、単セル６１０の電圧の平均値Ｖａｖｅから近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒを引いた値があらかじめ定められた電圧Ｖｃよりも低いか否かを判断する（Ｖａｖｅ−Ｖｎｅａｒ＜Ｖｃ）。近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが大きければ、Ｖａｖｅ−Ｖｎｅａｒは小さくなる。
【００７９】
近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１５４０に移行して加湿過剰と判定し、ステップＳ１５４５に処理を移行して水排出運転を行う。かかる場合には、近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが高いことから、図１６に示すグラフより、近傍の単セル６１０に酸化ガスが多く流れていると判断することができる。そして、電圧が下がった単セル６１０には酸化ガスが流れにくくなっていると考えることができる。すなわち、電圧が低下した単セル６１０に過剰の水が存在しているため、当該単セルの電圧が下がっていると考えることが可能である。したがって、制御部５３０は、水排出運転を行うことが好ましい。水排出運転制御の例としては、例えば、エアストイキ比を上げる（酸化ガス流量を増やす）、酸化ガスの背圧を下げる、という制御の一方又は両方を採用可能である。
【００８０】
近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが小さい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１５５０に移行して加湿不足と判定し、ステップＳ１５５５に処理を移行して乾燥抑制運転を行う。かかる場合には、近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが低いことから、図１６に示すグラフより、近傍の単セル６１０に酸化ガスが少なく流れていると判断することができる。そして、電圧が下がった単セル６１０には酸化ガスが多く流れていると考えることができる。にも関わらず単セル６１０の電圧が低いということは、単セル６１０の電解質膜が乾燥し発電しにくくなっていると考えられる。したがって、制御部５３０は、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。乾燥抑制運転の例としては、例えば、エアストイキ比を下げる（酸化ガス流量を減らす）、酸化ガスの背圧を上げる、という制御の一方又は両方を採用可能である。
【００８１】
ステップＳ１５２０において、ガス流量を増やすと電圧が下がる領域である場合には、制御部５３０は、ステップＳ１５６０に処理を移行し、電圧が低下した単セル６１０の近傍の単セル６１０の電圧があらかじめ定められた電圧よりも高いか否かを判断する。この処理は、ステップＳ１５３０における処理と同様である。なお、制御部５３０は、判定基準である閾値Ｖｃの値を変更してもよい。
【００８２】
近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１５７０に移行して加湿不足と判定し、ステップＳ１５７５に処理を移行して乾燥抑制運転を行う。かかる場合、近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが高いことから、図１６に示すグラフより、近傍の単セル６１０に酸化ガスが少なく流れ、一方、電圧が低下した単セル６１０には酸化ガスが多く流れていると考えることができる。にも関わらず単セル６１０の電圧が低いということは、単セル６１０の電解質膜が乾燥し発電しにくくなっていると考えられる。したがって、制御部５３０は、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。乾燥抑制運転の例としては、例えば、エアストイキ比を下げる（酸化ガス流量を減らす）、酸化ガスの背圧を上げる、という制御の一方又は両方を採用可能である。
【００８３】
近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが小さい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１５８０に移行して加湿過剰と判定し、ステップＳ１５８５に処理を移行して水排出運転を行う。かかる場合には、近傍の単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒが低いことから、図１６に示すグラフより、近傍の単セル６１０に酸化ガスが多く流れていると判断することができる。そして、電圧が下がった単セル６１０には酸化ガスが流れにくくなっていると考えることができる。すなわち、電圧が低下した単セル６１０に過剰の水が存在しているため、当該単セルの電圧が下がっていると考えることが可能である。したがって、制御部５３０は、水排出運転を行うことが好ましい。水排出運転制御の例としては、例えば、エアストイキ比を上げる（酸化ガス流量を増やす）、酸化ガスの背圧を下げる、という制御の一方又は両方を採用可能である。
【００８４】
以上、第４の実施例によれば、制御部５３０は、電圧が低下した単セル６１０の電圧低下の原因が乾燥（加湿不足）によるものなのか、水溜まり（加湿過剰）によるものなのか、を判断し、それぞれの原因に応じて適切な制御を行うことが可能となる。
【００８５】
なお電圧が低下した単セル６１０に隣接する単セル６１０の電圧Ｖｎｅａｒ大きくても、電圧が低下した単セル６１０が乾燥している場合もあり得る。本実施例によれば、このような場合にも対応することが可能となる。
【００８６】
［第５の実施例］
図１７は、第５の実施例における制御フローチャートを示す。第５の実施例は、酸化ガスの流量と、酸化ガスの温度とを用いて、燃料電池スタック６００内の乾燥状態を判断し、その乾燥状態に基づいて燃料電池スタック６００への酸化ガスの供給、排出を制御する。
【００８７】
ステップＳ１７００では、制御部５３０は、酸化ガスの流れが準定常か否かを判断する。図１８は、時間と酸化ガス流量を示すグラフである。制御部５３０は、例えば、一定期間内に複数回測定された酸化ガス流量の分散Ｑσがあらかじめ定められた閾値Ｑａよりも小さいか、あるいは、一定期間内の酸化ガスの流量の最大値Ｑｍａｘと最小値Ｑｍｉｎの差Ｑｍａｘ−Ｑｍｉｎがあらかじめ定められた閾値Ｑｂよりも小さい、の２つの条件のうち少なくとも一方を満たすこと、あるいは両方を満たすことにより、酸化ガスの流れが準定常か否かを判断することが可能である。図１７のステップＳ１７００において、酸化ガスの流れが準定常である場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７１０に移行する。
【００８８】
ステップＳ１７１０では、制御部５３０は、酸化排ガスの温度が、あらかじめ定められた閾値Ｔｃよりも大きいか否かを判断する。酸化排ガス温度が、閾値Ｔｃ以下の場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７２０に移行し、現在の運転状態（通常運転）を維持する。一方、酸化排ガス温度が、閾値Ｔｃよりも大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７３０に移行し、乾燥抑制運転を行う。酸化ガスの流量が準定常状態の場合、水の気化量と、凝集量は釣り合っていると判断される。そして、酸化排ガスの温度が高いほど水の排出量が大きいを判断される。したがって、かかる場合には、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。乾燥抑制運転として、例えば、エアストイキ比を下げること（酸化ガスの流量を少なくすること）や、エア背圧を上げることが可能である。
【００８９】
図１９は、酸化ガス流量と、酸化排ガス温度の閾値Ｔｃのとの関係を示すマップの一例である。横軸は酸化ガスの流量を示し、縦軸は酸化排ガスの温度を示している。燃料電池スタック６００（図３）の温度が６０℃で酸化ガスの流量が１０００Ｌ／ｍｉｎ、酸化排ガスの温度が６３℃とする。なお、酸化ガスは準定常状態とする。ガス流量が１０００Ｌ／ｍｉｎのときの酸化排ガス温度の閾値Ｔｃをマップから求めると、６２℃となる。酸化排ガスの温度は６３℃であり、閾値Ｔｃの温度６２℃よりも高い。したがって、かかる場合には、制御部５３０は、乾燥抑制運転を行う。マップから、閾値Ｔｃを６３℃にするためには、酸化ガス流量を９５０Ｌ／ｍｉｎにすればよいことから、制御部５３０は、酸化ガス流量を９５０Ｌ／ｍｉｎとすることにより、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。
【００９０】
図１７に示すステップＳ１７００において、酸化ガスの流量が準定常状態でない場合、制御部５３０は、処理をステップＳ１７４０に移行し、酸化ガスの流量が増加傾向にあるか否かを判断する。
【００９１】
図２０は、酸化ガス流量の時間変化を示すグラフである。この実施例では、時間Δｔの間に酸化ガスの流量がΔＱ増加している。このときの変化量ΔＱ／Δｔがあらかじめ定められた閾値Ｑｂよりも大きいか否かにより、酸化ガスの流量が増加傾向か否かを判断する。酸化ガスの流量が増加傾向にない場合には、制御部５３０は、処理を図１７に示すステップＳ１７２０に移行し、通常運転を維持する。酸化ガスの流量が増加傾向にある場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７５０に移行する。
【００９２】
ステップＳ１７５０では、制御部５３０は、一定期間における酸化排ガスの温度の下がり幅があらかじめ定められた閾値Ｔｄよりも大きいか否かを判断する。図２１は、酸化排ガス温度の時間変化を示すグラフである。一定期間Δｔにおける酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴがあらかじめ定められた閾値Ｔｄよりも大きい場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７６０に移行し、乾燥抑制運転を行う。また、一定期間Δｔにおける酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴがあらかじめ定められた閾値Ｔｄ以下の場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ１７２０に移行し通常運転を維持する。酸化ガスの流量が一定以上の速さで増加している場合には、水の気化量＞凝集量であると判断される。水の気化量が大きいと、電解質膜６２０は、気化熱を奪われて温度が下がる。そして、電解質膜６２０に隣接する酸化ガスの温度も下がる。かかる場合、酸化排ガスの温度の下がり幅が大きいほど水の排出が大きいと考えられる。したがって、制御部５３０は、乾燥抑制運転を行うことが好ましい。
【００９３】
図２２は、乾燥抑制運転の制御マップの一例を示す説明図である。このマップは、酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴに対する、酸化ガス流量の変化量を表している。図２３は、乾燥抑制運転の制御マップの別の一例を示す説明図である。このマップは、酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴに対する、燃料電池スタックの電流の変化を表している。このように、酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴの大きさに対して、酸化ガスの流量の変化量や、燃料電池スタックの電流の変化を制御することにより、酸化排ガスの温度の下がり幅ΔＴの大きさに応じた乾燥抑制運転を行うことが可能である。
【００９４】
図２４は、燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差と、時間当たりの酸化ガスの変化量についての制御マップの一例である。燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差が大きい場合、酸化ガスを大容量で流すと、酸化ガスによる水の持ち去り量が増えるため、冷却水の出口側のみ乾燥し、水分布が悪化する恐れがある。かかる場合には、制御部５３０は、図２４に示すマップを用い、酸化ガスの流量の変化量に対し、制限を設けてもよい。
【００９５】
図２５は、燃料電池の冷却水の入口温度と出口温度との差と、燃料電池の時間当たりの電流の変化量についての制御マップの一例である。燃料電池スタックの電流の変化を制御することにより乾燥抑制運転を制御する場合には、制御部５３０は、図２４に示す場合と同様に、図２５に示すマップを用い、燃料電池の時間当たりの電流の変化量について、制限を設けてもよい。
【００９６】
以上のように、第５の実施例によれば、酸化ガスの流量と、酸化ガスの温度とを用いて、燃料電池スタック６００内の乾燥状態を判断し、その乾燥状態に基づいて燃料電池スタック６００への酸化ガスの供給、排出を制御することが可能となる。
【００９７】
［第６の実施例］
図２６は、第６の実施例における制御フローチャートを示す説明図である。第６の実施例では、単セル６１０の背圧に基づいて、乾燥抑制運転の調整量を決定し、適切な燃料電池の制御を行う。
【００９８】
ステップＳ２６００では、制御部は、単セル６１０毎の電圧を所得し、乾燥した単セル６１０の位置を取得する。そして、ステップＳ２６１０では、補正係数αを求める。なお、ここまでの制御については、第２の実施例と同様である。ステップＳ２６２０では、制御部５３０は、単セル６１０の積層方向の補正を行うか否かを選択する。なお、単セル６１０の積層方向の補正を行うか否かは、あらかじめ定められている。補正を行わない場合には、制御部５３０は処理をステップＳ２６３０に移行し、調整量を決定した後、ステップＳ２６４０において、乾燥抑制運転を実行する。補正を行う場合には、制御部５３０は、処理をステップＳ２６２５に移行し、第２の補正係数βを取得する。ステップＳ２６３０において、制御部５３０は、補正係数βをも用いて調整量を決定した後、ステップＳ２６４０において、乾燥抑制運転を実行する。
【００９９】
図２７は、第６の実施例を模式的に示す説明図である。図２７（Ａ）は、図１３と同じ図である。なお、図２７では、圧力計７３２が記載してある。圧力計７３２は、酸化ガスの背圧Ｐａｌｌを取得する。
【０１００】
図２８は、酸化ガスの背圧と、乾燥抑制運転における水排出量の関係を示すマップである。酸化ガスの背圧が大きい場合には、水排出量が少なく、背圧が小さい場合には、水排出量が多くなる。例えば、制御部５３０が、乾燥抑制運転において、水の排出量を１ｇ／（ｃｅｌｌ・ｓｅｃ）減らす目標を立てたとする。このとき、現在の酸化ガスの背圧が１４０ｋＰａであったとすると、図２８から、水の排出量を１ｇ／（ｃｅｌｌ・ｓｅｃ）減らすためには、酸化ガスの背圧を１５０ｋＰａにすればよいことがわかる。また、現在の酸化ガスの背圧が１６０ｋＰａであったとすると、図２８から、水の排出量を１ｇ／（ｃｅｌｌ・ｓｅｃ）減らすためには、酸化ガスの背圧を１８０ｋＰａにすればよいことがわかる。これは、背圧の上げ幅を一定とすると、全圧が大きいほど、背圧の上げ幅に対する効果が小さく、全圧が小さいほど、背圧の上げ幅に対する効果が大きいことによる。したがって、同じ効果を上げるためには、全圧が大きければ、より背圧を変化させることが必要である。
【０１０１】
燃料電池からの水の排出量Ｑｗａｔは以下の式（３）で表すことが可能である。
Qwat＝(Pwat/(Pall-Pwat))×Qdry …（３）
ここで、Ｐｗａｔは、水蒸気分圧、Ｐａｌｌは、酸化ガスの背圧、Ｑｄｒｙは、酸化ガスの流量から発電で消費される酸素量を引いた量である。なお、この式（３）をマップとしたものが、図２８に示すグラフである。
【０１０２】
図２７（Ｂ）は、酸化ガス排出マニホールド６４７の圧力を示している。ステップＳ２６２５における第２の補正係数βは、Ｐ３／Ｐ４で表すことができる。Ｐ３、Ｐ４の意味は、図１３における意味と同じである。単セル６１０を１個の燃料電池を考えれば、Ｐ３、Ｐ４は、単セル６１０から排出される酸化ガスの背圧と考えることが可能である。すなわち、背圧の比をもって補正を行う。
【０１０３】
乾燥した単セル６１０の積層方向の位置を考慮すると、燃料電池からの水の排出量Ｑｗａｔは以下の式（４）で表すことが可能である。
Qwat＝(Pwat/(Pall×β-Pwat))×Qdry’ …（４）
ここで、Qdry’は、酸化ガスの流量を第３の実施例における補正係数αで補正した値であり、Qdry’＝Qdry／αである。なお式（４）は、変形して、
Pall＝Pwat×(1＋Qdry’/ Qwat) /β …（４）’
で示すことが出来る。
【０１０４】
図２９は、補正係数αが０．９７、βが１．３であったときの、酸化ガスの背圧と乾燥抑制運転における水排出量の関係を示すマップである。このマップは、式（４）をグラフに表したものである。現在の背圧が１４０ｋＰａであったときに、水の排出量を１ｇ／（ｃｅｌｌ・ｓｅｃ）減らすためには、酸化ガスの背圧を１５４ｋＰａにすればよいことがわかる。
【０１０５】
以上第６の実施例によれば、単セル６１０の背圧に基づいて、乾燥抑制運転の調整量を決定し、適切な燃料電池の制御を行うことが可能となる。また、乾燥した単セル６１０の積層方向の位置に基づいて乾燥抑制運転の調整量を容易に求めることが可能となる。
【０１０６】
なお、上記各実施例で用いた数値は一例であり、燃料電池システムの構成により、適正な値は異なる。
【０１０７】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【０１０８】
１２…膜電極接合体
５００…車両
５１０…燃料電池
５３０…制御部
５３５…要求出力検知部
５４０…二次電池
５５０…分配コントローラ
５６０…駆動モータ
５７０…ドライブシャフト
５８０…分配ギア
５９０…車輪
６００…燃料電池スタック
６０５…電流電圧計
６１０…単セル
６２０…電解質膜
６３０…アノード電極
６３５…カソード電極
６４０…アノードガス流路
６４２…酸化ガス供給マニホールド
６４５…カソードガス流路
６４７…酸化ガス排出マニホールド
６５０…燃料ガス供給系
６５５…燃料ガスタンク
６６０…燃料ガス供給管
６６５…燃料ガス排気管
６７０…開閉バルブ
６７５…レギュレータ
６８０…燃料ガスポンプ
６８５…圧力計
６８７…圧力計
６９０…露点計
６９５…流量計
７００…酸化ガス供給系
７０５…コンプレッサ
７１０…酸化ガス供給管
７１５…酸化ガス排気管
７２０…加湿装置
７２５…背圧弁
７３０…圧力計
７３２…圧力計
７３５…露点計
７３７…温度計
７４０…流量計
７４５…第２の燃料ガス排気管
７４７…排気弁
７５０…冷却系
７５５…ポンプ
７６０…冷却水供給管
７６５…冷却水排出管
７７０…ラジエータ
７７５…冷却水還流管
７８０…ロータリー弁
７８５…温度計
７９０…温度計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、
前記燃料電池スタックに、前記酸化ガスが流れる方向と交わる方向に流れる冷媒を供給する冷却系と、
前記燃料電池スタックから排出される冷媒の温度を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部においてそれぞれ測定する温度測定部と、
前記２つの冷媒温度の差を用いて前記燃料電池スタックの乾燥状態を判断し、前記燃料電池スタック内が乾燥している場合には、前記燃料電池スタックの乾燥を抑制する乾燥抑制運転を実行する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転として、
（１）前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を減少する、
（２）前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの背圧を上げる、
（３）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
（４）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも１つを実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記２つの冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなった場合には、前記乾燥抑制運転を行い、前記２つの冷媒温度の差が前記あらかじめ定められた差分値以上になった場合には、前記乾燥抑制運転を停止する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池スタックにおける前記酸化ガスの圧力損失を測定する圧力損失測定部を備え、
前記制御部は、前記２つ冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなり、かつ、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失があらかじめ定められた損失値よりも小さくなった場合には、
（３）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
（４）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも一方を含む乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記２つの冷媒温度の差が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
【請求項７】
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において、さらに、
前記単セル毎の起電力を測定する電圧計を備え、
前記制御部は、
前記各単セルの起電力の大きさに基づいて乾燥している単セルの位置を検出し、
前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っているときと、の間で異ならせるパラメータの値を補正するための第１の補正係数を決定し、
前記第１の補正係数を用いて前記パラメータの値を補正する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記第１の補正係数を用いて前記酸化ガスの供給量を補正する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記制御部は、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記燃料電池スタックの出口部における前記酸化ガスの背圧を補正するための第２の補正係数を決定し、
前記第２の補正係数を用いて、前記背圧の大きさを補正する、燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池システムであって、
積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、
前記単セル毎の起電力を測定する電圧計と、
前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、
前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
いずれかの単セルの電圧低下を検知した場合には、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流量が、前記酸化ガスの流量を増大させると単セルの電圧が上がる第１の酸化ガス流量領域と、前記酸化ガスの流量を増大させると単セルの電圧が下がる第２の酸化ガス流量領域のいずれにあるかを判断し、
前記第１の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、前記あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、水排出運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、乾燥抑制運転を実行し、
前記第２の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、前記乾燥抑制運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、前記水排出運転を実行する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、
前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの温度を取得する温度取得部と、
前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記酸化ガスの流量と、前記酸化ガスの温度とを用いて、前記燃料電池スタック内の乾燥状態を判断し、前記乾燥状態に基づいて前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給、排出を制御する、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムおいて、
前記制御部は、
あらかじめ定められた期間における前記酸化ガスの流量の変化があらかじめ定められた範囲内にある準定常状態か否かを判断し、
前記酸化ガスの流量が準定常状態にある場合には、前記酸化ガスの温度があらかじめ定められた温度より大きい場合に、乾燥抑制運転を実行し、
前記酸化ガスの流量が準定常状態にない場合に、前記酸化ガスの流量が増加傾向にあり、かつ、前記あらかじめ定められた期間における酸化ガスの温度の下がり幅があらかじめ定められた温度よりも大きい場合に、前記乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに酸化ガスを供給する酸化ガス供給系と、
前記燃料電池スタックに、前記酸化ガスが流れる方向と交わる方向に流れる冷媒を供給する冷却系と、
前記燃料電池スタックから排出される冷媒の温度を、前記酸化ガスの流れの上流部と下流部においてそれぞれ測定する温度測定部と、
前記２つの冷媒温度の差を用いて前記燃料電池スタックの乾燥状態を判断し、前記燃料電池スタック内が乾燥している場合には、前記燃料電池スタックの乾燥を抑制する乾燥抑制運転を実行する制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転として、
（１）前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を減少する、
（２）前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの背圧を上げる、
（３）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
（４）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも１つを実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記２つの冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなった場合には、前記乾燥抑制運転を行い、前記２つの冷媒温度の差が前記あらかじめ定められた差分値以上になった場合には、前記乾燥抑制運転を停止する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池スタックにおける前記酸化ガスの圧力損失を測定する圧力損失測定部を備え、
前記制御部は、前記２つ冷媒温度の差があらかじめ定められた差分値よりも小さくなり、かつ、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失があらかじめ定められた損失値よりも小さくなった場合には、
（３）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の量を増加する、
（４）前記燃料電池スタックに供給される冷媒の温度を下げる、
のうち少なくとも一方を含む乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記２つの冷媒温度の差が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っていると、の間で異ならせるパラメータの値の差である調整量を、前記酸化ガスの前記燃料電池スタック内の圧力損失が小さいほど、大きくする、燃料電池システム。
【請求項７】
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において、さらに、
前記単セル毎の起電力を測定する電圧計を備え、
前記制御部は、
前記各単セルの起電力の大きさに基づいて乾燥している単セルの位置を検出し、
前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記乾燥抑制運転を行っていないときと、前記乾燥抑制運転を行っているときと、の間で異ならせるパラメータの値を補正するための第１の補正係数を決定し、
前記第１の補正係数を用いて前記パラメータの値を補正する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記第１の補正係数を用いて前記酸化ガスの供給量を補正する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７または請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記制御部は、前記乾燥している単セルの位置に基づいて、前記燃料電池スタックの出口部における前記酸化ガスの背圧を補正するための第２の補正係数を決定し、
前記第２の補正係数を用いて、前記背圧の大きさを補正する、燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池システムであって、
積層された複数の単セルを含む燃料電池スタックと、
前記単セル毎の起電力を測定する電圧計と、
前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、
前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
いずれかの単セルの電圧低下を検知した場合には、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流量が、前記酸化ガスの流量を増大させると単セルの電圧が上がる第１の酸化ガス流量領域と、前記酸化ガスの流量を増大させると単セルの電圧が下がる第２の酸化ガス流量領域のいずれにあるかを判断し、
前記第１の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、前記あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、水排出運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、乾燥抑制運転を実行し、
前記第２の酸化ガス流量領域にある場合には、前記単セルの近傍の他の単セルの電圧が、あらかじめ定められた電圧よりも高い場合には、前記乾燥抑制運転を実行し、前記あらかじめ定められた電圧よりも低い場合には、前記水排出運転を実行する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される酸化ガスの流量を取得する流量取得部と、
前記燃料電池スタックから排出される酸化排ガスの温度を取得する温度取得部と、
前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力、流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記酸化ガスの流量と、前記酸化ガスの温度とを用いて、前記燃料電池スタック内の乾燥状態を判断し、前記乾燥状態に基づいて前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給、排出を制御する、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムおいて、
前記制御部は、
あらかじめ定められた期間における前記酸化ガスの流量の変化があらかじめ定められた範囲内にある準定常状態か否かを判断し、
前記酸化ガスの流量が準定常状態にある場合には、前記酸化ガスの温度があらかじめ定められた温度より大きい場合に、乾燥抑制運転を実行し、
前記酸化ガスの流量が準定常状態にない場合に、前記酸化ガスの流量が増加傾向にあり、かつ、前記あらかじめ定められた期間における酸化ガスの温度の下がり幅があらかじめ定められた温度よりも大きい場合に、前記乾燥抑制運転を実行する、燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２０１１−１１３６４７（Ｐ２０１１−１１３６４７Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６６０２５（Ｐ２００９−２６６０２５）
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２４日（２００９．１１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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