(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電気的特性を測定する測定部と、
前記燃料電池を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の運転を停止させるための信号を受信すると、前記燃料電池の内部に存在する水分を燃料電池の外部に排出させるための掃気処理をおこない、前記掃気処理の後に、前記燃料電池の電圧を降下させる処理と、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を降下させたときに発生する電流を測定し、測定した電流の積算値から電気量を算出する第１の処理と、
（ｉｉ）前記電気量に基づいて、前記電圧の降下の直前において前記燃料電池の内部に存在する反応ガスの物質量を算出する第２の処理と、
（ｉｉｉ）前記反応ガスの物質量から前記燃料電池の内部に存在するガスの体積を算出する第３の処理と、
（ｉｖ）前記ガスの体積から前記燃料電池の内部に存在する液水の体積を算出することによって、前記燃料電池の内部に存在する液水の量を示す含水量を推定する第４の処理と、を実行する、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、
前記含水量が許容値を超えている場合には、さらに掃気処理をおこない、
前記含水量が許容値以下なら掃気処理をおこなわずに停止する、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、
前記燃料電池から発生する電流および前記燃料電池へのガス流入量を含む前記燃料電池の運転状態に関する情報を取得して、前記情報に応じて、前記燃料電池の内部に存在する空気の組成比の補正をおこない、
前記第３の処理において、補正された前記組成比を用いて、前記反応ガスの物質量から前記燃料電池の内部に存在するガスの体積を算出する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか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〜第４の処理を用いた第１の方法によって推定された前記含水量と、前記第１の方法とは異なる第２の方法によって推定された前記含水量との差異に応じて、前記燃料電池に含まれる触媒の還元によって生じる電気量の補正をおこない、
前記第２の処理において、補正された前記電気量を用いて、前記燃料電池の内部に存在する反応ガスの物質量を算出する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第２の方法とは、電解質を含む前記燃料電池の構成部材の抵抗によって、前記含水量を推定する方法である、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の内部に設けられたガス流路の圧損に応じて、前記ガス流路の体積の補正をおこない、
前記第３の処理において、補正された前記ガス流路の体積を用いて、前記反応ガスの物質量から前記燃料電池の内部に存在するガスの体積を算出する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の温度および前記燃料電池へのガス流入量を含む前記燃料電池の運転状態に関する情報を取得して、前記情報から掃気処理前における前記含水量を推定し、前記掃気処理をおこなうときに、掃気処理前に推定された前記含水量に応じて、掃気の内容を変更する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記掃気処理をおこなうときに、電解質を含む前記燃料電池の構成部材の抵抗に応じて、掃気の内容を変更する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記抵抗が所定値以下の場合に、前記掃気処理をおこない、前記掃気処理の後に、前記含水量を推定し、
前記抵抗が所定値を超える場合には、前記掃気処理をおこなわない、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の電池システムにおいて、
前記燃料電池の運転停止時に、前記燃料電池の内部において燃料ガスが電解質膜を透過することによって生じる電圧降下の速度を第１の電圧降下速度としたときに、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧を降下させるときの速度である第２の電圧降下速度を、前記第１の電圧降下速度の２倍以上の速さにする、燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池システムの制御方法であって、
燃料電池の運転を停止させるための信号を受信すると、前記燃料電池の内部に存在する水分を燃料電池の外部に排出させるための掃気処理をおこなう工程と、
前記掃気処理の後に、前記燃料電池の電圧を降下させる工程と、
前記燃料電池の電圧を降下させたときに発生する電流を測定し、測定した電流の積算値から電気量を算出する工程と、
前記電気量に基づいて、前記電圧の降下の直前において前記燃料電池の内部に存在する反応ガスの物質量を算出する工程と、
前記反応ガスの物質量から前記燃料電池の内部に存在するガスの体積を算出する工程と、
前記ガスの体積から前記燃料電池の内部に存在する液水の体積を算出することによって、前記燃料電池の内部に存在する液水の量を示す含水量を推定する工程と、を備える制御方法。
【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、および、燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、運転停止後の電池内部に生成水などの水がある程度以上存在していると、氷点下での再始動時（氷点下始動時）の始動性が低下することが知られている。そのため、燃料電池の運転停止後に電池内部の水を排出するための掃気処理を実行する燃料電池システムが知られている。また、掃気処理を実行するにあたって、電池内部に存在する水の量（含水量）を推定し、推定された含水量に応じて掃気時間や掃気ガスの流量等の掃気内容を変更する燃料電池システムが知られている。
【０００３】
燃料電池の含水量を推定する方法については、従来から、燃料電池のインピーダンスから推定する方法が知られている（特許文献１）。また、燃料電池の運転時に、燃料電池に供給されるガスや、燃料電池から排出されるガスの流量、圧力、温度等から推定する方法が知られている（特許文献２、３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１３５３４１号公報
【特許文献２】特開２００７−０５２９３６号公報
【特許文献３】特開２００７−０５２９３７号公報
【特許文献４】特開２００５−０８５５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、燃料電池のインピーダンスによって含水量を推定するためには、燃料電池の内部を十分に乾燥させる必要があるため、乾燥に時間がかかる問題や、乾燥に要する消費電力が大きいために、燃料電池システム全体の効率（燃費）が低下する問題があるほか、過度の乾燥によって電解質膜等を劣化させる問題があった。また、燃料電池の運転時に、燃料電池に供給されるガスや、燃料電池から排出されるガスの流量、圧力、温度等から含水量を推定する燃料電池システムでは、推定された含水量と実際の含水量との間に誤差が発生しやすい問題があった。推定された含水量と実際の含水量との間に誤差が生じると、掃気を必要以上におこなうことによって消費電力が増大する問題や、電解質膜等が劣化する問題があるほか、掃気が足りないことによって氷点下始動性が低下する問題等があった。このように、燃料電池の運転停止時に掃気処理をおこなう燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転を停止させるときに実行される動作（運転停止動作）については、なお、改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池の運転停止時に掃気処理をおこなう燃料電池システムにおいて、運転停止動作による燃料電池システム全体の効率（燃費）の低下や、電解質膜等の劣化等の不具合の発生を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題の少なくとも一部を解決するために、本願発明は、以下の態様または適用例として実現することが可能である。
［本願発明の第１の態様］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電気的特性を測定する測定部と、
前記燃料電池を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の運転を停止させるための信号を受信すると、前記燃料電池の内部に存在する水分を燃料電池の外部に排出させるための掃気処理をおこない、前記掃気処理の後に、前記燃料電池の電圧を降下させる処理と、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を降下させたときに発生する電流を測定し、測定した電流の積算値から電気量を算出する第１の処理と、
（ｉｉ）前記電気量に基づいて、前記電圧の降下の直前において前記燃料電池の内部に存在する反応ガスの物質量を算出する第２の処理と、
（ｉｉｉ）前記反応ガスの物質量から前記燃料電池の内部に存在するガスの体積を算出する第３の処理と、
（ｉｖ）前記ガスの体積から前記燃料電池の内部に存在する液水の体積を算出することによって、前記燃料電池の内部に存在する液水の量を示す含水量を推定する第４の処理と、を実行する、燃料電池システム。
この構成によれば、燃料電池システムは、掃気処理をおこなった後に、燃料電池の電圧を降下させることによって燃料電池の含水量を推定するため、運転停止動作による不具合の発生を抑制することができる。また、掃気処理をおこなった後に、燃料電池の電圧を降下させたときに発生する電流を積算して燃料電池の含水量を推定するため、運転停止動作による不具合の発生を抑制することができる。
【０００８】
［適用例１］
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電気的特性を測定する測定部と、
前記燃料電池を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の運転を停止させるための信号を受信すると、前記燃料電池の内部に存在する水分を燃料電池の外部に排出させるための掃気処理をおこない、前記掃気処理の後に、前記燃料電池の電圧を降下させて、前記電圧の降下時における前記電気的特性を測定し、その測定結果を用いて前記燃料電池の内部に存在する液水の量を示す含水量を推定する、燃料電池システム。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池システムは、掃気処理をおこなった後に、燃料電池の電圧を降下させることによって燃料電池の含水量を推定するため、運転停止動作による不具合の発生を抑制することができる。
【００１０】
［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、
前記含水量が許容値を超えている場合には、さらに掃気処理をおこない、
前記含水量が許容値以下なら掃気処理をおこなわずに停止する、燃料電池システム。
【００１１】
この構成によれば、燃料電池システムは、推定した含水量に応じて掃気処理をおこなうため、運転停止動作による不具合の発生を抑制することができる。
【００１２】
［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、
（ｉ）前記燃料電池の電圧を降下させたときに発生する電流を測定し、測定した電流の積算値から電気量を算出する第１の処理と、
（ｉｉ）前記電気量に基づいて、前記電圧の降下の直前において前記燃料電池の内部に存在する反応ガスの物質量を算出する第２の処理と、
（ｉｉｉ）前記反応ガスの物質量から前記燃料電池の内部に存在するガスの体積を算出する第３の処理と、
（ｉｖ）前記ガスの体積から前記燃料電池の内部に存在する液水の体積を算出することによって、前記含水量を推定する第４の処理と、を実行する、燃料電池システム。
【００１３】
この構成によれば、燃料電池システムは、掃気処理をおこなった後に、燃料電池の電圧を降下させたときに発生する電流を積算して燃料電池の含水量を推定するため、運転停止動作による不具合の発生を抑制することができる。
【００１４】
［適用例４］
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、
前記燃料電池から発生する電流および前記燃料電池へのガス流入量を含む前記燃料電池の運転状態に関する情報を取得して、前記情報に応じて、前記燃料電池の内部に存在する空気の組成比の補正をおこない、
前記第３の処理において、補正された前記組成比を用いて、前記反応ガスの物質量から前記燃料電池の内部に存在するガスの体積を算出する、燃料電池システム。
【００１５】
この構成によれば、燃料電池システムは、含水量の推定をおこなう前の燃料電池の運転状態に応じて、含水量の推定に用いられる空気の組成比を補正するため、含水量の推定精度の低下を抑制することができる。
【００１６】
［適用例５］
適用例３または適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記第１〜第４の処理を用いた第１の方法によって推定された前記含水量と、前記第１の方法とは異なる第２の方法によって推定された前記含水量との差異に応じて、前記燃料電池に含まれる触媒の還元によって生じる電気量の補正をおこない、
前記第２の処理において、補正された前記電気量を用いて、前記燃料電池の内部に存在する反応ガスの物質量を算出する、燃料電池システム。
【００１７】
この構成によれば、燃料電池システムは、異なる推定方法によって推定された２つの含水量の差異に応じて、含水量の推定に用いられる電気量を補正するため、含水量の推定精度の低下を抑制することができる。
【００１８】
［適用例６］
適用例５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第２の方法とは、電解質を含む前記燃料電池の構成部材の抵抗によって、前記含水量を推定する方法である、燃料電池システム。
【００１９】
この構成によれば、燃料電池システムは、電解質を含む燃料電池の構成部材の抵抗によって、含水量を推定するため、触媒の還元によって生じる電気量の補正精度の向上を図ることができる。
【００２０】
［適用例７］
適用例３ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記燃料電池の内部に設けられたガス流路の圧損に応じて、前記ガス流路の体積の補正をおこない、
前記第３の処理において、補正された前記ガス流路の体積を用いて、前記反応ガスの物質量から前記燃料電池の内部に存在するガスの体積を算出する、燃料電池システム。
【００２１】
この構成によれば、燃料電池システムは、ガス流路の圧損に応じて、含水量の推定に用いられるガス流路体積を補正するため、含水量の推定精度の低下を抑制することができる。
【００２２】
［適用例８］
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の温度および前記燃料電池へのガス流入量を含む前記燃料電池の運転状態に関する情報を取得して、前記情報から掃気処理前における前記含水量を推定し、前記掃気処理をおこなうときに、掃気処理前に推定された前記含水量に応じて、掃気の内容を変更する、燃料電池システム。
【００２３】
この構成によれば、燃料電池システムは、掃気処理をおこなう前に、燃料電池の電圧を降下させることによって燃料電池の含水量を推定する方法以外の方法によって、燃料電池の含水量を推定するため、運転停止動作による不具合の発生を抑制することができる。
【００２４】
［適用例９］
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記掃気処理をおこなうときに、電解質を含む前記燃料電池の構成部材の抵抗に応じて、掃気の内容を変更する、燃料電池システム。
【００２５】
この構成によれば、燃料電池システムは、掃気処理をおこなう前に、燃料電池の電圧を降下させることによって燃料電池の含水量を推定する方法以外の方法によって、燃料電池の含水量を推定するため、運転停止動作による不具合の発生を抑制することができる。
【００２６】
［適用例１０］
適用例９に記載の電池システムにおいて、
前記制御部は、
前記抵抗が所定値以下の場合に、前記掃気処理をおこない、前記掃気処理の後に、前記含水量を推定し、
前記抵抗が所定値を超える場合には、前記掃気処理をおこなわない、燃料電池システム。
【００２７】
この構成によれば、燃料電池システムは、電解質を含む燃料電池の構成部材の抵抗が所定値を超える場合は、燃料電池の内部に存在する水分を燃料電池の外部に排出させるための掃気処理をおこなわないため、運転停止動作による不具合の発生を抑制することができる。
【００２８】
［適用例１１］
適用例１ないし適用例１０のいずれかに記載の電池システムにおいて、
前記燃料電池の運転停止時に、前記燃料電池の内部において燃料ガスが電解質膜を透過することによって生じる電圧降下の速度を第１の電圧降下速度としたときに、
前記制御部は、前記燃料電池の電圧を降下させるときの速度である第２の電圧降下速度を、前記第１の電圧降下速度の２倍以上の速さにする、燃料電池システム。
【００２９】
この構成によれば、燃料電池システムは、含水量を推定するときの電圧降下速度が、燃料電池の運転停止時のクロスオーバーによって生じる電圧降下速度の２倍以上となっているため、含水量の推定精度の向上を図ることができる。
【００３０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える車両、燃料電池を制御する制御装置、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。また、本発明に係る燃料電池システム等は、適宜、他の部材と組み合わせて適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】本実施例で用いられる電圧降下時の含水量の推定方法を説明するための説明図である。
【図３】含水量推定処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図４】運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図５】本実施例の効果の一例を説明するための説明図である。
【図６】従来例における運動停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図７】第２実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図８】第２実施例における運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図９】第２実施例の変形例における運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図１０】第３実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１１】第３実施例における運転停止動作を含む燃料電池システムの運転動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図１２】第４実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１３】ＯＣＶ回避運転を説明するための説明図である。
【図１４】第４実施例における運転停止動作を含む燃料電池システムの運転動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図１５】第５実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１６】第５実施例における運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図１７】触媒の比表面積の低下要因と低下率との関係を説明するための説明図である。
【図１８】第５実施例の変形例における補正処理の流れを説明するためのフローチャートである。
【図１９】第６実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２０】カソードガス流路の体積の減少を説明するための説明図である。
【図２１】燃料電池に供給される空気の流量とカソードガス流路の圧損との関係を説明するための説明図である。
【図２２】カソードガス流路の断面積とカソードガス流路の圧損との関係を説明するための説明図である。
【図２３】第６実施例における運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。
【図２４】変形例１に係る含水量の推定方法を説明するための説明図である。
【図２５】電圧降下処理における電圧降下速度を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、第１実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車や電気自動車等に搭載されて使用される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料ガス供給排出系２００と、酸化ガス供給排出系３００と、燃料電池循環冷却系４００と、電力充放電系５００と、制御装置６００とを備えている。
【００３３】
燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１１０を積層したスタック構造を有している。燃料電池セル１１０は、電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガス（水素）と、カソード側触媒電極層に供給される酸化ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。燃料電池１００は、固体高分子電解質膜等の種々の電解質膜を用いた燃料電池セルにより構成することができる。なお、本例では、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池を用いている。また、触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。燃料電池１００は、積層された燃料電池セル１１０の両端に、総合電極としての２つのターミナルプレート１１１が配置されている。
【００３４】
燃料ガス供給排出系２００は、水素タンク２１０と、流量調整部２２０と、循環コンプレッサ２４０と、気液分離部２５０と、切換弁２６０と、を備えている。燃料ガス供給排出系２００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のアノード側触媒電極層（以後、単に「アノード」とも呼ぶ）に、水素タンク２１０から、流量調整部２２０、燃料ガス供給流路２３１を介して、燃料ガスである水素を供給する。この際、流量調整部２２０は、制御装置６００からの指示に従った流量および圧力で水素を燃料電池１００のアノードへ供給する。
【００３５】
また、燃料ガス供給排出系２００は、切換弁２６０を開くことにより、燃料電池１００のアノードで使用されなかった水素を燃料ガス排出流路２３２、気液分離部２５０、および、切換弁２６０を介して燃料電池システム１０の外部に排出する。また、燃料ガス供給排出系２００は、切換弁２６０を閉じることにより、燃料電池１００のアノードで使用されなかった水素を燃料ガス排出流路２３２、気液分離部２５０、循環流路２３３、循環コンプレッサ２４０を介して燃料ガス供給流路２３１に戻し、再び燃料ガスとして利用する。循環コンプレッサ２４０は、制御装置６００からの指示に従って、水素の循環量および圧力を調整する。
【００３６】
酸化ガス供給排出系３００は、エアクリーナ３１０と、コンプレッサ３２０と、封止弁３４０と、圧力センサ３５０と、を備えている。この酸化ガス供給排出系３００は、燃料電池１００を構成する各燃料電池セル１１０のカソード側触媒電極層（以後、単に「カソード」とも呼ぶ）に、エアクリーナ３１０、コンプレッサ３２０、および、酸化ガス供給流路３３１を介して、酸化ガス（酸素）を含む空気を供給する。この際、コンプレッサ３２０は、エアクリーナ３１０から取り込む空気を制御装置６００からの指示に従った圧力で燃料電池１００に向けて送り出す。
【００３７】
また、酸化ガス供給排出系３００は、燃料電池１００から排出された排気ガスを、酸化ガス排出流路３３２、および、封止弁３４０を介して燃料電池システム１０の外部に排出する。酸化ガス供給排出系３００は、制御装置６００からの指示によって、コンプレッサ３２０を停止状態とし、封止弁３４０を閉状態とすることにより、コンプレッサ３２０から封止弁３４０までの間のカソードガス流路を封止状態とすることができる。ここでの「カソードガス流路」とは、コンプレッサ３２０と燃料電池１００との間の酸化ガス供給流路３３１、燃料電池１００内部の酸化ガス供給マニホールド、単セル内部のガス流路、酸化ガス排出マニホールド、および、燃料電池１００と封止弁３４０との間の酸化ガス排出流路３３２を含んで構成される流路をいう。「単セル内部のガス流路」とは、単セルの内部において酸化ガスが流通可能な空間部をいい、セパレータとカソード側触媒電極層との間の空間と、カソード側触媒電極層の内部の空隙を含んで構成される。
【００３８】
圧力センサ３５０は、酸化ガス排出流路３３２の燃料電池１００との接続部付近に設けられ、酸化ガス排出流路３３２の内部の圧力Ｐｃ［Ｐａ］を測定する。本実施例では、封止状態のカソードガス流路の内部の圧力を測定するため等に使用する。圧力センサ３５０は、制御装置６００と電気的に接続され、測定結果を制御装置６００に出力する。後述する各種センサについても、圧力センサ３５０と同様に測定結果を制御装置６００に出力する。
【００３９】
燃料電池循環冷却系４００は、ラジエータ４１０と、冷媒温度センサ４２０と、冷媒循環ポンプ４３０と、を備えている。ラジエータ４１０は、冷媒供給流路４４１を介して冷却媒体を燃料電池１００に供給し、冷媒排出流路４４２を介して、冷却に供された後の冷却媒体を燃料電池１００から受け取ることにより、冷却媒体を循環させて、燃料電池１００の冷却を実行する。冷却媒体としては、水、空気等を用いることができる。冷媒温度センサ４２０は、冷媒排出流路４４２の燃料電池１００との接続部付近に設けられ、燃料電池１００から流出する冷媒温度Ｔｆ［℃］を測定する。本実施例では、冷媒温度Ｔｆをカソードガス流路の内部の温度Ｔｃとして使用する。
【００４０】
電力充放電系５００は、負荷装置５１０と、インバータ５２０と、電流センサ５３０と、電圧センサ５４０と、バッテリー５５０と、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０と、を備えている。負荷装置５１０は、車両駆動用モータや各種捕機類等であり、燃料電池１００の正極側および負極側のターミナルプレート１１１にそれぞれ接続されている。インバータ５２０は、燃料電池１００及びバッテリー５５０と並列に接続され、燃料電池１００又はバッテリー５５０から供給される直流電流を、交流電流に変換して負荷装置５１０に供給する。電流センサ５３０は、燃料電池１００と直列に接続され、燃料電池１００を流れる電流Ｉｆ［Ａ］を測定する。電圧センサ５４０は、燃料電池１００と並列に接続され、燃料電池１００の電圧Ｅｆ［Ｖ］を測定する。
【００４１】
バッテリー５５０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０を介して負荷装置５１０及び燃料電池１００と並列に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０は、バッテリー５５０の出力電圧を昇圧してインバータ５２０に供給し、また、燃料電池１００の余剰発電力を蓄電するために、出力電圧を降圧してバッテリー５５０に供給する。
【００４２】
制御装置６００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）とを備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。制御装置６００は、燃料電池システム１０の各構成要素と電気的に接続され、各構成要素から受け取る情報に基づいて、各構成要素の動作を制御する。また、制御装置６００は、ＲＯＭに燃料電池システム１０を制御するための図示しない制御プログラムが格納されている。ＣＰＵは、ＲＡＭを利用しながら制御プログラムを実行することにより、運転制御部６１０、含水量推定部６２０、として機能する。また、ＲＯＭには、後述する含水量推定処理などに用いられる各種マップが格納されている。
【００４３】
上記構成の燃料電池システム１０は、運転制御部６１０によって、燃料電池１００の電圧Ｅｆを降下させるための処理である電圧降下処理がおこなわれる。また、含水量推定部６２０によって、燃料電池１００のカソードガス流路に存在する水分の量Ｗｃ（以後「含水量Ｗｃ」とも呼ぶ）を推定するための処理である含水量推定処理がおこなわれる。
【００４４】
運転制御部６１０は、電圧降下処理を実行するときには、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０やインバータ５２０を制御することによって、燃料電池１００の電圧Ｅｆを降下させることができる。また、運転制御部６１０は、電圧降下処理の実行時に、コンプレッサ３２０を制御して、燃料電池１００への空気の供給を停止させ、封止弁３４０を制御して、カソードガス流路を封止状態にする。
【００４５】
含水量推定部６２０は、運転制御部６１０によって電圧降下処理が実行されているときに、含水量推定処理を実行する。すなわち、含水量推定部６２０は、電圧降下処理によって燃料電池１００の電圧Ｅｆが降下しているとき（電圧降下時）の電流Ｉｆ、圧力Ｐｃ、温度Ｔｆを用いて、含水量Ｗｃを推定する。推定方法の詳細と、含水量推定処理の詳細については後述する。
【００４６】
図２は、本実施例で用いられる電圧降下時の含水量の推定方法を説明するための説明図である。燃料電池１００のアノードに燃料ガスを供給し、カソードガス流路は封止状態とした燃料電池に対して、電圧を降下させるための電圧降下処理をおこなったときに生じる電流Ｉｆには、以下の２つの電流が含まれていると考えられる。
（ｉ）触媒に形成される酸化被膜の還元によって生じる電流Ｉｒ［Ａ］（以後「還元電流Ｉｒ」とも呼ぶ）
（ｉｉ）封止されたカソードガス流路に存在する酸素の消費によって生じる電流Ｉｏ［Ａ］（以後「消費電流Ｉｏ」とも呼ぶ）
【００４７】
還元電流Ｉｒとは、カソード側触媒電極層に含まれる触媒（Ｐｔ）に形成された酸化被膜が還元するときに発生する電流である。触媒の還元反応は、以下の式（１）や式（２）で表される。
【００４８】
【数１】
0005454556.tif 000002
【数２】
0005454556.tif 000003
【００４９】
消費電流Ｉｏとは、カソードガス流路の封止前にカソードガス流路に供給され、封止後のカソードガス流路の内部に存在する空気に含まれる酸素（Ｏ2）と、アノードの水素（Ｈ2）との電気化学反応によって生じる電流である。このときのカソードでの反応は式（３）で表され、アノードでの反応は式（４）で表される。
【００５０】
【数３】
0005454556.tif 000004
【数４】
0005454556.tif 000005
【００５１】
電圧降下時の電流Ｉｆは、この還元電流Ｉｒと消費電流Ｉｏとの和（Ｉｆ＝Ｉｒ＋Ｉｏ）であると考えることができる（図２）。また、電圧降下時の電流Ｉｆを時間ｔ［ｓ］で積分して算出される電気量Ｃｆ［Ａ・ｓ］は、還元電流Ｉｒを時間で積分した電気量Ｃｒ［Ａ・ｓ］と、消費電流Ｉｏを時間で積分した電気量Ｃｏ［Ａ・ｓ］との和（Ｃｆ＝Ｃｒ＋Ｃｏ）として考えることができる。なお、電気量Ｃｆを算出するために積分される時間ｔ［ｓ］の長さは、任意に設定することができる。例えば、電圧降下開始時から１〜３秒の間の任意の時間としてもよい。
【００５２】
電気量Ｃｒは、触媒（Ｐｔ）の表面積に比例するため、触媒が劣化するなどして表面積が変化していなければ、燃料電池１００において一定と考えることができる。この電気量Ｃｒは、公知の方法によって予め算出することができる。例えば、式（１）から、カソード側触媒電極層に含まれるＰｔＯの量Ｍｐｔｏ〔ｍｏｌ〕を算出すれば、その２倍のモル量の電荷が発生することがわかる。ＰｔＯの量Ｍｐｔｏは、Ｐｔの酸化被膜被覆率ＣＲと、Ｐｔ有効サイト数Ｎｓ〔ｍｏｌ／ｃｍ2〕とＰｔの比表面積Ａｓ〔ｃｍ2〕から算出することができる。
【００５３】
電流Ｉｆから電気量Ｃｆを算出した後、この電気量Ｃｆから既知の電気量Ｃｒを差し引くことによって電気量Ｃｏを算出することができる（Ｃｏ＝Ｃｆ−Ｃｒ）。上記の式（３）とファラデー定数を用いて、電気量Ｃｏから、封止後のカソードガス流路に存在していた酸素の物質量ｎO2［ｍｏｌ］を算出することができる。また、空気（外気）の組成比Ｒｏは既知のため（Ｏ2：Ｎ2＝２１：７９）、封止されたカソードガス流路の内部に存在していた酸素の物質量ｎO2から、封止されたカソードガス流路の内部に存在する窒素の物質量ｎO2［ｍｏｌ］を算出することができる。
【００５４】
カソードガス流路の内部は、上述した空気と水蒸気からなるガスと、発電などによって生じた生成水を含む液水のみが存在すると考えられるため、カソードガス流路の体積Ｖｃは、カソードガス流路の内部に存在するガスの体積であるガス体積Ｖｃｇと、カソードガス流路の内部に存在する液水の体積である液水体積Ｖｃｌの和（Ｖｃ＝Ｖｃｇ＋Ｖｃｌ）として考えることができる。ガス体積Ｖｃｇは、下記の式（５）に示す状態方程式から算出することができる。
【００５５】
【数５】
0005454556.tif 000006
ここで、Ｐｃは、カソードガス流路の内部の圧力であり、ｎH2Oは、カソードガス流路の内部に存在する水蒸気の物質量である。また、Ｒは、気体定数であり、Ｔｃは、カソードガス流路の内部の温度である。水蒸気の物質量ｎH2Oは、温度Ｔｃにおける飽和水蒸気量Ａから算出することができる。
【００５６】
カソードガス流路の体積Ｖｃは既知であるため、ガス体積Ｖｃｇから液水体積Ｖｃｌを算出することができる（Ｖｃｌ＝Ｖｃ−Ｖｃｇ）。また、液水体積Ｖｃｌに密度をかけることによって含水量Ｗｃを算出することができる。
【００５７】
Ａ−２．含水量推定処理：
図３は、含水量推定処理の流れを説明するためのフローチャートである。まず、運転制御部６１０によって電圧降下処理がおこなわれる。ここでの電圧降下速度は、任意の速さとすることができる。燃料電池１００の電圧Ｅｆが降下すると、含水量推定部６２０によって、電圧センサ５４０、電流センサ５３０、冷媒温度センサ４２０、圧力センサ３５０から、電圧Ｅｆ、電流Ｉｆ、圧力Ｐｃ、および、温度Ｔｆが取得される（ステップＳ１１０）。このとき、含水量推定部６２０は、電圧降下時間として予め設定された時間（例えば１秒）の間、継続して電流Ｉｆを取得する。
【００５８】
その後、含水量推定部６２０によって、電気量Ｃｆが算出される（ステップＳ１２０）。上述したように、含水量推定部６２０は、電流Ｉｆを時間で積算することによって電気量Ｃｆを算出する。また、電気量Ｃｆから電気量Ｃｒ（設定値）を差し引くことによって電気量Ｃｏを算出する。なお、含水量推定部６２０は、電気量Ｃｆと電気量Ｃｏとの関係を示すマップを用いて、電気量Ｃｆから電気量Ｃｏを算出してもよい。マップは、実験的に又はシミュレーションにより事前に得ることができる。
【００５９】
続いて、含水量推定部６２０によって、封止後のカソードガス流路に存在していた酸素の物質量ｎO2が算出される（ステップＳ１３０）。上述したように、含水量推定部６２０は、電気量Ｃｏから酸素の物質量ｎO2を算出する。また、封止されたカソードガス流路の内部に存在する窒素の物質量ｎO2を算出する。
【００６０】
その後、含水量推定部６２０によって、ガス体積Ｖｃｇが算出される（ステップＳ１４０）。含水量推定部６２０は、圧力Ｐｃと冷媒温度Ｔｆを用いて、上記式（５）の状態方程式から、ガス体積Ｖｃｇを算出する。このとき、含水量推定部６２０は、冷媒温度Ｔｆを燃料電池１００の内部の温度Ｔｃとして使用する。なお、含水量推定部６２０は、カソードガス流路内部の酸素の物質量ｎO2と、ガス体積Ｖｃｇとの関係を示すマップを用いて、ガス体積Ｖｃｇを算出してもよい。マップは、実験的に又はシミュレーションにより事前に得ることができる。
【００６１】
その後、含水量推定部６２０によって、含水量Ｗｃが算出される（ステップＳ１５０）。含水量推定部６２０は、既知のカソードガス流路の体積Ｖｃから、算出したガス体積Ｖｃｇを差し引くことによって、カソードガス流路の内部の液水の体積である液水体積Ｖｃｌを算出する。算出した液水体積Ｖｃｌに密度をかけることによって、含水量Ｗｃを算出する。以上が、含水量推定処理の内容である。
【００６２】
Ａ−３．運転停止動作：
以下では、燃料電池システム１０において、燃料電池１００の運転（発電）を停止するときの動作（運転停止動作）について説明する。この運転停止動作は、例えば、燃料電池システム１０を搭載した車両（ＦＣ車両）が停車するとき等に実行される。ここでの「停車」とは、車両のイグニッションスイッチをオフ（イグニッションオフ）にした状態をいい、車両のイグニッションスイッチがオン（イグニッションオン）であり、車両が一時的に停車している状態を「一時停車」と呼ぶ。燃料電池システム１０は、車両が停車すると、燃料電池１００の内部の掃気をおこなった後に、電圧降下処理と含水量推定処理をおこなう。
【００６３】
図４は、運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。イグニッションオフによって車両が一時停車状態から停車状態になったときに、燃料電池システム１０は、運転停止動作を開始する。まず、運転制御部６１０によって、イグニッションオフの信号が受信され、掃気処理がおこなわれる（ステップＳ２１０）。掃気処理とは、燃料電池１００に酸化ガスや燃料ガスなどのガスを送り込むことによって、燃料電池１００の内部の水分を燃料電池１００の外部に排出させる処理である。運転制御部６１０は、酸化ガス供給排出系３００において、封止弁３４０を制御して開弁状態とし、コンプレッサ３２０を制御して、空気を燃料電池１００のカソードに供給する。これによって、カソードガス流路の内部に存在する水分を封止弁３４０から排出させる。また、燃料ガス供給排出系２００において、切換弁２６０を制御して開弁状態とし、流量調整部２２０を制御して燃料ガスを燃料電池１００のアノードに供給する。これによって、アノードガス流路の内部に存在する水分を切換弁２６０から排出させる。
【００６４】
本実施例では、運転制御部６１０は、予め設定された掃気内容（掃気時間や掃気ガス流量等）となるようにコンプレッサ３２０や流量調整部２２０を制御する。なお、掃気内容は、任意に設定することができる。また、運転制御部６１０は、掃気処理を実行する直前の含水量Ｗｃを推定し、推定した含水量Ｗｃに応じて、掃気内容を変更するようにコンプレッサ３２０や流量調整部２２０を制御してもよい。掃気処理を実行する直前の含水量Ｗｃを推定する方法としては、上述した電圧降下による含水量推定方法以外の方法であれば、任意の方法によって推定をおこなってよい。この構成については、第２、３実施例で例示する。
【００６５】
掃気処理の後、運転制御部６１０によって、電圧降下処理がおこなわれ、含水量推定部６２０によって、含水量推定処理がおこなわれる（ステップＳ２２０）。具体的には、運転制御部６１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５６０とインバータ５２０を制御して、電圧Ｅｆを降下させる。また、コンプレッサ３２０を制御して、燃料電池１００への空気の供給を停止させ、封止弁３４０を制御して、カソードガス流路を封止状態にする。含水量推定部６２０は、電圧降下時に含水量推定処理を実行し、電圧Ｅｆ、電流Ｉｆ、圧力Ｐｃ、温度Ｔｆから含水量Ｗｃを推定する。
【００６６】
含水量推定部６２０によって含水量Ｗｃが推定されると、運転制御部６１０によって、含水量Ｗｃが閾値Ｔｈ１以下か否かの判定がおこなわれる（ステップＳ２３０）。閾値Ｔｈ１は、制御装置６００に予め記憶されており、任意の値に設定することができる。含水量Ｗｃが閾値Ｔｈ１以下の場合には（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、燃料電池システム１０は、運転停止動作を終了する。ステップＳ２１０の掃気処理によって、燃料電池１００の内部は、ほぼ水分がない状態と考えられるためである。
【００６７】
一方、含水量Ｗｃが閾値Ｔｈ１より高い場合には（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、運転制御部６１０によって、再度、掃気処理がおこなわれる（ステップＳ２４０）。ステップＳ２１０の（１回目の）掃気処理後においても、燃料電池１００の内部にまだ水分が残っていると考えられるためである。なお、ステップＳ２３０の（２回目の）掃気処理は、１回目の掃気処理と掃気内容（掃気時間や掃気ガス流量等）が同じであってもよいし、異なっていてもよい。２回目の掃気処理の後、運転制御部６１０によって、電圧降下処理がおこなわれる（ステップＳ２５０）。掃気処理によって上昇した電圧Ｅｆを再度低下させるためである。その後、燃料電池システム１０は、運転停止動作を終了する。以上が、運転停止動作の内容である。
【００６８】
図５は、本実施例の効果の一例を説明するための説明図である。図５の上段は、燃料電池の含水量〔ｇ／セル〕と、氷点下−２０℃における燃料電池の始動時間〔ｓ〕との関係を示している。図５の下段は、燃料電池の含水量〔ｇ／セル〕と、燃料電池のインピーダンスとの関係を示している。燃料電池は、内部の含水量が多いと、氷点下始動性が低下する（図５、含水量Ｘ４〜）。そのため、従来から、燃料電池の運転停止後の含水量を氷点下始動が容易な範囲（図５、含水量Ｘ１〜Ｘ４、以後「目標範囲」とも呼ぶ）にするために掃気処理を実行する燃料電池システムが知られている。
【００６９】
掃気処理後の燃料電池の含水量が目標範囲にまで低下したか否かを確認するための方法として、従来から、掃気処理後の燃料電池のインピーダンスから含水量を推定する方法が知られている。しかし、図５の下段に示すように、インピーダンスによって推定可能な含水量の範囲は、目標範囲のうちのより乾燥側（含水量Ｘ１〜Ｘ２）に限られ、目標範囲の湿潤側（含水量Ｘ３〜Ｘ４）では、含水量を推定することは困難であった。そのため、インピーダンスによって含水量が目標範囲に入っているか否かを確認する場合には、燃料電池の内部を十分に乾燥させる必要があり、乾燥に時間がかかる問題や、乾燥に要する消費電力が大きいために、燃料電池システム全体の効率（燃費）が低下する問題があるほか、乾燥によって電解質膜等を劣化させる問題があった。
【００７０】
本実施例の燃料電池システム１０によれば、電圧降下によって含水量Ｗｃを推定するため、目標範囲のうちの湿潤側（含水量Ｘ３〜Ｘ４）において、含水量Ｗｃを検出することができる。そのため、氷点下始動性を確保しつつ、乾燥（掃気処理）に要する時間や消費電力を抑制することができる、また、乾燥による電解質膜等の劣化を抑制することができる。
【００７１】
図６は、従来例における運動停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。電圧降下処理や含水量推定処理をおこなう燃料電池システムでは、運動停止動作を開始すると、掃気内容を決定するために、まず、電圧降下処理と含水量推定処理をおこない、含水量を推定する（ステップＳ３１０）。その後、推定された含水量に応じて掃気処理を実行する（ステップＳ３２０）。掃気処理を実行した後、含水量が目標範囲にあるか否かを確認するために、再度、電圧降下処理と含水量推定処理をおこない、含水量を推定する（ステップＳ３３０）。このように、電圧降下処理と含水量推定処理を複数回おこなうことが一般的であった。
【００７２】
電圧降下時の含水量推定は、目標範囲のうちの湿潤側（含水量Ｘ３〜Ｘ４）において、含水量Ｗｃを検出することができる（図５）という利点を有している反面、燃料電池の電圧降下を伴うため、燃料電池に含まれる触媒（Ｐｔ）の劣化が生じやすいという問題を有している。よって、本実施例の燃料電池システム１０のように、掃気前には電圧降下による含水量推定をおこなわず、掃気後にのみ電圧降下による含水量推定をおこなえば、電圧降下処理の回数を減らすことができる。これにより、電圧降下による触媒の劣化の発生を抑制することができる。
【００７３】
燃料電池は、運転停止時に負荷装置との接続が切断されて電圧が開回路電圧（ＯＣＶ）に近い値まで上昇すると、酸化によって触媒が劣化することから、運転停止時に電圧降下処理がおこなわれるのが一般的である。すなわち、従来の燃料電池システムは、燃料電池の運転停止時に、電圧降下処理がおこなわれる。本実施例の燃料電池システム１０は、この電圧降下処理を利用して含水量の推定をおこなうため、含水量の推定のためにあらためて電圧降下処理をおこなう必要がない。よって、電圧降下処理による触媒の劣化の発生を抑制することができる。
【００７４】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．燃料電池システムの構成：
図７は、第２実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第２実施例では、交流インピーダンス法によって、掃気処理を実行する直前の含水量Ｗｃを推定し、推定した含水量Ｗｃに応じて、掃気内容（掃気時間や掃気ガス流量等）を変化させる燃料電池システム１２について説明する。
【００７５】
第２実施例の燃料電池システム１２は、第１実施例の燃料電池システム１０と比較すると、電力充放電系５０２にインピーダンス測定部５４５を備えている点と、制御装置６０２にＩＭＰ含水量推定部６３０の機能が付加されている点が異なる。インピーダンス測定部５４５は、第１実施例の電圧センサ５４０（図１）と同様に、燃料電池１００の電圧Ｅｆを測定する機能を有するほかに、燃料電池１００に交流電流を重畳させることで、燃料電池１００の内部インピーダンス（以後、単に「インピーダンス」とも呼ぶ）を測定することができる。ＩＭＰ含水量推定部６３０は、燃料電池１００のインピーダンスから、含水量Ｗｃを推定する。
【００７６】
燃料電池１００のインピーダンスは、電解質の湿潤状態によって変化することが知られている。一般的に、燃料電池は、電解質膜やセパレータなどの電気抵抗であるセル抵抗Ｒｃと、電気化学反応が生じるために要する反応抵抗Ｒｒと、静電容量である電気二重層容量Ｃｄによる等価回路で表すことができる。電解質の湿潤状態は、セル抵抗Ｒｃと相関関係があり、電解質が乾燥状態となるほど、セル抵抗Ｒｃが高くなる。そのため、燃料電池１００のインピーダンス（具体的には、セル抵抗Ｒｃ）と含水量Ｗｃとの間には相関性があり、実験やシミュレーションによって、インピーダンスと含水量Ｗｃとの関係を示すマップを作成することができる。制御装置６０２のＲＯＭには、このインピーダンスと含水量Ｗｃとの関係を示したマップが格納されている。
【００７７】
Ｂ−２．運転停止動作：
図８は、第２実施例における運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。燃料電池システム１２の運転停止動作が開始されると、まず、ＩＭＰ含水量推定部６３０によって、含水量Ｗｃの推定がおこなわれる（ステップＳ４００）。具体的には、ＩＭＰ含水量推定部６３０は、インピーダンス測定部５４５を制御して、燃料電池１００のインピーダンスを測定する。その後、ＩＭＰ含水量推定部６３０は、測定されたインピーダンスと含水量Ｗｃとの関係を示したマップを参照して、インピーダンスから含水量Ｗｃを推定する。マップは、実験的に又はシミュレーションにより事前に得ることができ、制御装置６００に格納されている。
【００７８】
含水量Ｗｃが推定された後、運転制御部６１０によって、掃気処理がおこなわれる（ステップＳ４１０）。このとき、運転制御部６１０は、インピーダンスから推定された含水量Ｗｃに応じた掃気内容となるようにコンプレッサ３２０を制御する。本実施例の制御装置６００は、含水量Ｗｃとコンプレッサ３２０の制御内容との関係を示すデータを格納しており、このデータを参照することによって、コンプレッサ３２０を制御する。以降のステップＳ４２０〜Ｓ４５０までの処理は、第１実施例の運転停止動作（図４）のステップＳ２２０〜Ｓ２５０と同様であるため、説明を省略する。なお、燃料電池システム１２は、インピーダンスと掃気内容との関係が示されたマップを制御装置６００に格納している場合には、測定したインピーダンスから含水量Ｗｃを推定せずに、直接、掃気内容を決定してもよい。
【００７９】
以上説明した、第２実施例の燃料電池システム１２によれば、含水量Ｗｃに応じて掃気内容を変更することができるため、必要以上に掃気をおこなう等の不具合の発生を抑制することができる。また、掃気内容を決定するための含水量Ｗｃの推定時に電圧降下処理を実行していないため、運転停止動作全体において電圧降下処理の回数を減らすことができる。一方、掃気処理後の含水量Ｗｃを電圧降下によって推定しているため、図５を用いて説明したように、氷点下始動性を確保しつつ、掃気処理に要する時間や消費電力を抑制することができる。また、乾燥による電解質膜等の劣化を抑制することができる。
【００８０】
Ｂ−３．第２実施例の変形例：
図９は、第２実施例の変形例における運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。ここでは、インピーダンスから推定された含水量Ｗｃから燃料電池１００が乾燥状態か否かを判定し、乾燥状態である場合には、掃気処理をおこなわずに運転停止動作を終了する構成について説明する。
【００８１】
燃料電池システム１２の運転停止動作が開始されると、まず、ＩＭＰ含水量推定部６３０によって、燃料電池１００のインピーダンスの測定がおこなわれる（ステップＳ４０１）。このとき、本実施例のＩＭＰ含水量推定部６３０は、推定されたインピーダンスから含水量Ｗｃの推定をおこなうが、含水量Ｗｃの推定をおこなわなくてもよい。
【００８２】
その後、運転制御部６１０によって、燃料電池１００の内部が乾燥状態か否かの判定がおこなわれる（ステップＳ４０２）。図５の下段で示したように、燃料電池１００の内部の湿潤状態とインピーダンスとの間には相関関係があるため、測定されたインピーダンスが予め設定された閾値Ｔｈ２を超えるか否かによって燃料電池の内部が乾燥状態か否かを判定することができる。なお、ステップＳ４０１において、ＩＭＰ含水量推定部６３０が含水量Ｗｃの推定をおこなっている場合には、含水量Ｗｃから燃料電池１００の内部が乾燥状態か否かを判定してもよい。
【００８３】
燃料電池１００の内部が乾燥状態である場合には（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）、運転制御部６１０によって、所定の掃気がおこなわれる（ステップＳ４０３）。所定の掃気とは、流路内のゴミなどを掃き出すための掃気であり、予め掃気内容が設定されている。燃料電池１００の内部は、乾燥状態であるため、内部を乾燥させるための掃気処理はおこなわれない。なお、このステップＳ４０３は、省略することができる。すなわち、燃料電池１００の内部が乾燥状態であると判定された後には、掃気処理がおこなわれない構成としてもよい。その後、運転制御部６１０によって、電圧降下処理がおこなわれ（ステップＳ４０４）、燃料電池システム１２は、運転停止動作を終了する。
【００８４】
一方、燃料電池１００の内部が乾燥状態ではない場合には（ステップS４０２：ＮＯ）、運転制御部６１０によって、掃気処理がおこなわれる（ステップＳ４１０）。燃料電池１００の内部を乾燥させるためである。掃気処理の後のステップＳ４２０〜Ｓ４５０の処理は、上述した第２実施例のステップＳ４２０〜Ｓ４５０と同様であるため説明を省略する。
【００８５】
以上説明した、第２実施例の変形例に係る燃料電池システム１２によれば、燃料電池１００の内部が乾燥状態である場合には、内部を乾燥させるための掃気処理がおこなわれないため、運転停止動作の短縮を図ることができるほか、運転停止動作に要する消費電力を抑制することができる。また、乾燥による電解質膜等の劣化を抑制することができる。
【００８６】
なお、本実施例では、交流インピーダンス法によって、燃料電池１００のインピーダンスを測定するものとして説明したが、電解質の湿潤状態によって変化するセル抵抗Ｒｃの変化を検出可能な構成であれば、燃料電池１００のインピーダンスを測定する構成は必須ではない。例えば、燃料電池システム１２は、電流遮断法などによってセル抵抗Ｒｃの変化を検出する構成としてもよい。
【００８７】
Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．燃料電池システムの構成：
図１０は、第３実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第３実施例では、燃料電池１００の運転中に燃料電池１００の内部の水の収支をモニタリングすることによって含水量Ｗｃを推定し、推定した含水量Ｗｃに応じて、掃気内容（掃気時間や掃気ガス流量等）を変化させる燃料電池システム１３について説明する。
【００８８】
第３実施例の燃料電池システム１３は、第１実施例の燃料電池システム１０と比較すると、酸化ガス供給排出系３０３に、流量センサ３６１、湿度センサ３６２、圧力センサ３６３、温度センサ３６４、を備えている点と、制御装置６０２にＲＴＭ含水量推定部６４０の機能が付加されている点が異なる。流量センサ３６１、湿度センサ３６２、圧力センサ３６３は、それぞれ、酸化ガス供給流路３３１に設けられ、燃料電池１００に供給される空気の流量Ｆｃｉ［ｌ／ｍｉｎ］、湿度Ｈｃｉ［ｇ／ｌ］、圧力Ｐｃｉ［Ｐａ］を測定する。温度センサ３６４は、酸化ガス排出流路３３２に設けられ、燃料電池１００から排出される空気の温度Ｔｃｏ［℃］を測定する。圧力センサ３５０は、燃料電池１００から排出される空気の圧力Ｐｃｏ［Ｐａ］を測定する。ＲＴＭ含水量推定部６４０は、燃料電池１００の運転中に、燃料電池１００の内部の水の収支（流入量、流出量、発生量等）をモニタリングし、水の収支から含水量Ｗｃを推定する。
【００８９】
ＲＴＭ含水量推定部６４０による燃料電池１００の内部の水の収支のモニタリング方法を説明する。含水量Ｗｃの単位時間当たりの変化量ΔＷｃは、下記式（６）によって算出することができる。
【００９０】
【数６】
0005454556.tif 000007
ここで、ΔＷｃｖは、水蒸気としてカソードガス流路に流入し、または、水蒸気としてカソードガス流路から流出した水の総和量である。ΔＷｃｇは、発電によって生成された水の量である。ΔＷｃａは、カソード側からアノード側へ移動した水の量である。ΔＷｃｌは、液水としてカソードガス流路から排出された水の量である。
【００９１】
ΔＷｃｖは、カソードガス流路に流入する水蒸気の単位時間当たりの流入量ΔＷｃｖｉからカソードガス流路から流出する水蒸気の単位時間当たりの流出量ΔＷｃｖｏを差し引く（ΔＷｃｖ＝ΔＷｃｖｉ−ΔＷｃｖｏ）ことによって算出することができる。流入量ΔＷｃｖｉは、カソードガス流路に流入する空気の流入流量Ｆｃｉと、流入圧力Ｐｃｉと、流入湿度Ｈｃｉから算出することができる。
【００９２】
流出量ΔＷｃｖｏは、カソードガス流路から排出される空気の排出流量Ｆｃｏと、排出圧力Ｐｃｏと、排出される空気の排出温度Ｔｃｏにおける飽和水蒸気量Ａから算出することができる。排出流量Ｆｃｏは、カソードガス流路に流入するの空気の流入流量Ｆｃｉから、発電によって消費された空気（酸素）の消費流量Ｆｃｒを差し引く（Ｆｃｏ＝Ｆｃｉ−Ｆｃｒ）ことによって算出することができる。空気の消費流量Ｆｃｒは、発電電流である電流Ｉｆと、空気に含まれる酸素の比率（Ｏ2：Ｎ2＝２１：７９）から算出することができる。電気化学反応によって生じる電流Ｉｆと、電気化学反応によって消費された酸素の量とは、式（３）に示すような相関関係があるためである。
【００９３】
ΔＷｃｇは、電流Ｉｆから算出することができる。電気化学反応によって生成する水の量と電気化学反応によって生じる電流Ｉｆとの間には相関関係があるためである。ΔＷｃａは、カソードで生じた生成水のうち、電解質膜を通してアノード側へ拡散した水の量であり、ΔＷｃｇに、カソード側からアノード側への生成水の拡散率（移行率）と、経過時間から算出することができる。拡散率は、予め実験などによって求めることができる。
【００９４】
ΔＷｃｌは、電流ＩｆとΔＷｃｌとの関係を示すマップや、空気の排出流量ＦｃｏとΔＷｃｌとの関係を示すマップ等によって算出することができる。これらのマップは、実験などによって得ることができる。なお、ΔＷｃｌは、カソードガス流路の内部において、水蒸気が飽和状態となっている場合にのみ適用し、飽和状態となっていない場合には、０とすることが好ましい。すなわち、式（６）において、ΔＷｃｌを０としたときの変化量ΔＷｃがプラスの場合にのみΔＷｃｌを適用することが好ましい。
【００９５】
Ｃ−２．運転動作：
図１１は、第３実施例における運転停止動作を含む燃料電池システムの運転動作の流れを説明するためのフローチャートである。図１１において、スタートからステップＳ５０２までが燃料電池１００の運転中の動作であり、ステップＳ５１０以降が運転停止動作である。燃料電池システム１３は、燃料電池１００の運転中に、ＲＴＭ含水量推定部６４０によって、含水量Ｗｃのモニタリングをおこなう（ステップＳ５０１）。具体的には、ＲＴＭ含水量推定部６４０は、流量センサ３６１、湿度センサ３６２、圧力センサ３６３、温度センサ３６４、圧力センサ３５０、電流センサ５３０から、流入流量Ｆｃｉ、流入圧力Ｐｃｉ、流入湿度Ｈｃｉ、電流Ｉｆ、排出圧力Ｐｃｏ、排出温度Ｔｃｏを取得し、ΔＷｃｖ、ΔＷｃｇ、ΔＷｃａ、ΔＷｃｌを随時算出する。ＲＴＭ含水量推定部６４０は、ΔＷｃｖ、ΔＷｃｇ、ΔＷｃａ、ΔＷｃｌに式（５）を適用することによって変化量ΔＷｃを算出し、随時含水量Ｗｃを更新する。
【００９６】
運転制御部６１０によって、イグニッションオフが検出されると（ステップＳ５０２：ＹＥＳ）、掃気処理がおこなわれる（ステップＳ５１０）。このとき、運転制御部６１０は、ＲＴＭ含水量推定部６４０によって推定された含水量Ｗｃに応じた掃気内容となるようにコンプレッサ３２０を制御する。制御装置６００は、含水量Ｗｃとコンプレッサ３２０の制御内容との関係を示すデータを参照することによって、コンプレッサ３２０を制御する。以降のステップＳ５２０〜Ｓ５５０までの処理は、第１実施例の運転停止動作（図４）のステップＳ２２０〜Ｓ２５０と同様であるため、説明を省略する。
【００９７】
以上説明した、第３実施例の燃料電池システム１３によれば、第２実施例と同様に、含水量Ｗｃに応じて掃気内容を変更することができるため、必要以上に掃気をおこなう等の不具合の発生を抑制することができる。また、掃気内容を決定するための含水量Ｗｃの推定時に電圧降下処理を実行していないため、運転停止動作全体において電圧降下処理の回数を減らすことができる。一方、掃気処理後の含水量Ｗｃを電圧降下によって推定しているため、水の収支をモニタリングして含水量を推定する場合に比べて、実際の含水量との間の誤差の発生を抑制することができる。
【００９８】
Ｄ．第４実施例：
Ｄ−１．燃料電池システムの構成：
図１２は、第４実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第４実施例では、燃料電池と負荷装置との接続が切断されているときにＯＣＶ回避運転をおこなう燃料電池システム１４について説明する。第４実施例の燃料電池システム１４は、第１実施例の燃料電池システム１０と比較すると、酸化ガス供給排出系３０４に、流量センサ３６１を備えている点が異なる。流量センサ３６１は、酸化ガス供給流路３３１に設けられ、燃料電池１００に供給される空気の流量Ｆｃｉ［ｌ／ｍｉｎ］を測定する。
【００９９】
図１３は、ＯＣＶ回避運転を説明するための説明図である。ＯＣＶ回避運転とは、燃料電池システム１４において、燃料電池１００と負荷装置５１０との接続が切断されているときに、燃料電池１００の電圧Ｅｆが開回路電圧（ＯＣＶ）とならないようにするための運転である。
【０１００】
燃料電池システム１４を搭載した車両（ＦＣ車両）は、一時停車時や停車時に、燃料電池１００と負荷装置５１０（特に、車両駆動用モータ）との接続を切断するため、電圧Ｅｆが上昇する。電圧Ｅｆの上昇によって電圧Ｅｆが開回路電圧（ＯＣＶ）に近い値（Ｅｆ≒ＯＣＶ）となると、燃料電池１００に含まれる触媒が劣化する等の問題がある。そのため、一時停車時や停車時に、燃料電池１００と負荷装置５１０との接続を切断するかわりに、燃料電池１００の電力をバッテリー５５０の充電等に用いることによって、燃料電池１００から電流Ｉｆを引き（Ｉｆ＞０）、電圧ＥｆをＯＣＶより低い状態（Ｅｆ＜ＯＣＶ）で維持する運転をおこなう。なお、燃料電池１００から電流Ｉｆを引くための方法は、バッテリーへの充電に限定されず、車両駆動用モータ以外の補機に電力を供給する構成としてもよい。ＯＣＶ回避運転は、運転制御部６１０がＤＣ−ＤＣコンバータ５６０やインバータ５２０を制御することによっておこなわれる。
【０１０１】
Ｄ−２．運転動作：
図１４は、第４実施例における運転停止動作を含む燃料電池システムの運転動作の流れを説明するためのフローチャートである。図１４において、ステップＳ６０３までが燃料電池１００の運転中の動作であり、ステップＳ６１０以降が運転停止動作である。燃料電池システム１４を搭載したＦＣ車両が一時停車すると（ステップＳ６０１：ＹＥＳ）、運転制御部６１０によって、ＯＣＶ回避運転が開始される（ステップＳ６０２）。その後、運転制御部６１０によって、イグニッションオフが検出されると（ステップＳ６０３：ＹＥＳ）、ＯＣＶ回避運転を継続しつつ、掃気処理がおこなわれる（ステップＳ６１０）。
【０１０２】
掃気処理の後、運転制御部６１０によって、電圧降下処理がおこなわれ、含水量推定部６２０によって、含水量推定処理がおこなわれる（ステップＳ６２０）。本実施例では、含水量推定処理の前にＯＣＶ回避運転がおこなわれているため、含水量推定処理実行時に、カソードガス流路内部の空気の組成比Ｒｍ（Ｏ2：Ｎ2）が、外気の組成比Ｒｏ（Ｏ2：Ｎ2＝２１：７９）から変化している。そのため、含水量推定処理は、含水量測定時におけるカソードガス流路内部の空気の組成比Ｒｍの算出をおこなう。
【０１０３】
ＯＣＶ回避運転によって消費された空気中の酸素の量は、式（３）に示すように、ＯＣＶ回避運転時の電流Ｉｆ（図１３）から算出することができる。そのため、ＯＣＶ回避運転中にカソードガス流路に流入した空気（外気、組成比Ｒｏ）の流入流量Ｆｃｉと、消費された酸素の量から、ＯＣＶ回避運転後におけるカソードガス流路内部の空気の組成比Ｒｍを算出することができる。含水量推定部６２０は、組成比Ｒｍを用いて、含水量Ｗｃを算出する。以降のステップＳ６３０〜Ｓ６５０までの処理は、第１実施例の運転停止動作（図４）のステップＳ２３０〜Ｓ２５０と同様であるため説明を省略する。以上説明した第４実施例の燃料電池システム１４によれば、電圧降下による含水量推定をおこなう前にＯＣＶ回避運転をおこなった場合であっても、含水量Ｗｃの推定精度の低下を抑制することができる。
【０１０４】
Ｅ．第５実施例：
Ｅ−１．燃料電池システムの構成：
図１５は、第５実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第５実施例では、含水量推定時に用いられる電気量Ｃｒの設定値を運転停止後に補正する燃料電池システム１５について説明する。電気量Ｃｒは、触媒（Ｐｔ）に形成される酸化被膜の還元によって生じる電気量である。第５実施例の燃料電池システム１５は、第１実施例の燃料電池システム１０と比較すると、電力充放電系５０５にインピーダンス測定部５４５を備えている点と、制御装置６０５に補正処理部６５０の機能が付加されている点が異なる。インピーダンス測定部５４５は、第２実施例のインピーダンス測定部５４５と同じである。補正処理部６５０は、後述する方法によって、制御装置６００に格納されている電気量Ｃｒの設定値の補正をおこなう。
【０１０５】
電気量Ｃｒは、触媒（Ｐｔ）の表面積に比例するため、触媒が劣化するなどして表面積が変化していなければ、燃料電池１００において一定と考えることができる。しかし、燃料電池１００の運転によって、次第に触媒が劣化すると、比表面積の低下によって、電気量Ｃｒの設定値と、実際の電気量Ｃｒとの間に差異が生じる。具体的には、実際の電気量Ｃｒが設定値よりも小さくなる。この差異が大きくなると、推定される含水量Ｗｃと実際の含水量Ｗｃとの間に誤差が生じる。すなわち、推定される含水量Ｗｃが実際の含水量Ｗｃよりも大きくなる。そこで、本実施例の燃料電池システム１５では、カソードガス流路の内部が乾燥状態、すなわち、含水量Ｗｃがほぼ０（Ｗｃ≒０）と考えられるときに、電圧降下による含水量Ｗｃの推定をおこない、生じた含水量Ｗｃを実際との誤差とすることで電気量Ｃｒ（設定値）の補正をおこなう。
【０１０６】
Ｅ−２．運転停止動作：
図１６は、第５実施例における運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。燃料電池システム１５の運転停止動作が開始されると、まず、補正処理部６５０によって、燃料電池１００のインピーダンスの測定がおこなわれる（ステップＳ７０１）。その後、運転制御部６１０によって、燃料電池１００の内部が乾燥状態か否かの判定がおこなわれる（ステップＳ７０２）。
【０１０７】
燃料電池１００の内部が乾燥状態である場合には（ステップＳ７０２：ＹＥＳ）、運転制御部６１０によって、所定の掃気がおこなわれる（ステップＳ７０３）。ここでの掃気は、流路内のゴミなどを掃き出すための掃気であり、内部を乾燥させるための掃気ではない。なお、このステップＳ７０３は、省略することができる。その後、運転制御部６１０によって、電圧降下処理がおこなわれ、含水量推定部６２０によって、含水量推定処理がおこなわれる（ステップＳ７０４）。これにより、電気量Ｃｒ（設定値）を用いた含水量Ｗｃが推定される。
【０１０８】
その後、補正処理部６５０によって、推定された含水量Ｗｃが閾値Ｔｈ３より小さいか否かの判定がおこなわれる（ステップＳ７０５）。ここでの閾値Ｔｈ３は、燃料電池１００が乾燥状態の時の含水量Ｗｃとして予め設定された値であり、ほぼ０に近い値（Ｔｈ３≒０）である。推定された含水量Ｗｃが閾値Ｔｈ３以下の場合には（ステップＳ７０５：ＹＥＳ）、燃料電池システム１５は、運転停止動作を終了する。電気量Ｃｒ（設定値）を用いて推定された含水量Ｗｃと実際の含水量Ｗｃとの間に誤差が生じていないか、生じていても問題ない範囲であると考えられるためである。
【０１０９】
一方、推定された含水量Ｗｃが閾値Ｔｈ３より大きい場合には（ステップＳ７０５：ＮＯ）、補正処理部６５０によって、電気量Ｃｒ（設定値）の補正処理がおこなわれる（ステップＳ７０６）。補正処理部６５０は、第１実施例で説明した含水量Ｗｃの推定方法において、含水量Ｗｃが０となるときの電気量Ｃｒを逆算することによって、電気量Ｃｒの新たな設定値を算出することができる。
【０１１０】
具体的には、補正処理部６５０は、第１実施例の含水量Ｗｃの推定方法において、液水体積Ｖｃｌを０（Ｖｃｌ≒０）として、ガス体積Ｖｃｇを算出し（Ｖｃｇ＝Ｖｃ−Ｖｃｌ）する。その後、式（５）を用いて、算出したガス体積Ｖｃｇからカソードガス流路内部の酸素の物質量ｎO2を算出する。その後、補正処理部６５０は、式（３）を用いて、算出した酸素の物質量ｎO2から酸素の消費によって生じた電気量Ｃｏを算出する。そして、電気量Ｃｏから電気量Ｃｒを算出する（Ｃｏ＝Ｃｆ−Ｃｒ）。補正処理部６５０は、算出した電気量Ｃｒを新たな設定値として制御装置６００に格納する。補正処理の後、燃料電池システム１５は、運転停止動作を終了する。
【０１１１】
ステップＳ７０１において、燃料電池１００の内部が乾燥状態ではない場合には（ステップＳ７０２：ＹＥＳ）、ステップＳ７１０〜Ｓ７５０の処理がおこなわれる。これらの処理は、第１実施例のステップＳ２１０〜Ｓ２５０と同様であるため説明を省略する。以上説明した第５実施例の燃料電池システム１５によれば、燃料電池１００の運転によって触媒が劣化した場合であっても、含水量Ｗｃの推定精度の低下を抑制することができる。
【０１１２】
Ｅ−３．第５実施例の変形例：
ここでは、電気量Ｃｒの算出に用いられる触媒（Ｐｔ）の比表面積Ａｓを補正する燃料電池システム１５について説明する。具体的には、燃料電池の運転中もしくは運転停止後に触媒の比表面積Ａｓを低下させる低下要因を測定し、測定結果に応じて比表面積Ａｓを補正する燃料電池システム１５について説明する。
【０１１３】
図１７は、触媒の比表面積の低下要因と低下率との関係を説明するための説明図である。図１７（ａ）の横軸は、燃料電池１００における電圧Ｅｆの変動幅（電位変動幅）ΔＥｆを示し、縦軸は、触媒（Ｐｔ）の比表面積Ａｓの低下率ＲＡｓを示している。図１７（ａ）では、燃料電池１００の温度Ｔｆごとに、電位変動幅ΔＥｆと比表面積低下率ＲＡｓとの関係が示されている。図１７（ｂ）の横軸は、時間（経過時間）ｔを示し、縦軸は、触媒（Ｐｔ）の比表面積低下率ＲＡｓを示している。図１７（ｂ）では、燃料電池１００の電圧Ｅｆごとに、時間ｔと比表面積低下率ＲＡｓとの関係が示されている。
【０１１４】
触媒（Ｐｔ）は、燃料電池１００の運転時や停止時における電圧Ｅｆの変動幅（電位変動幅）ΔＥｆが大きいほど劣化する。すなわち、電位変動幅ΔＥｆが大きいほど比表面積Ａｓが低下する。これは、電位変動幅ΔＥｆが大きいと、触媒が酸化・還元される電位をまたぎ、Ｐｔが変形（凝縮）しやすい状態となるためである。また、電圧Ｅｆの変動による比表面積Ａｓの低下は、燃料電池１００の温度Ｔｃが高いほど顕著になる。これらのことから、図１７（ａ）に示すように、比表面積Ａｓの低下率ＲＡｓは、電位変動幅ΔＥｆが大きいほど、また、温度Ｔｃが高くなるほど大きくなる。
【０１１５】
また、触媒（Ｐｔ）は、高電位に長期間さらされるほど劣化する。すなわち、電圧Ｅｆが高いほど、また、時間が長いほど比表面積Ａｓが低下する。これは、触媒が高電位にさらされるほど、Ｐｔの酸化が進行するためである。このことから、図１７（ｂ）に示すように、比表面積Ａｓの低下率は、電圧Ｅｆが高いほど、また、経過時間が長くなるほど大きくなる。本実施例の燃料電池システム１５は、図１７（ａ）（ｂ）で示される２つのマップを制御装置６００に格納している。
【０１１６】
図１８は、第５実施例の変形例における補正処理の流れを説明するためのフローチャートである。本実施例の燃料電池システム１５は、燃料電池１００の運転時および停止時において、図１８に示す補正処理をおこなう。まず、補正処理部６５０によって、電圧Ｅｆのモニタリングがおこなわれる（ステップＳ８０１）。補正処理部６５０は、随時測定される電圧Ｅｆから電位変動幅ΔＥｆを算出する。電位変動幅ΔＥｆは、任意のタイミング、期間における電圧Ｅｆの変化量とすることができる。例えば、電圧降下処理時における電圧降下量であってもよいし、燃料電池１００の運転時において、予め設定された期間における電圧Ｅｆの最大値と最小値との差分であってもよい。
【０１１７】
電位変動幅ΔＥｆを算出すると、補正処理部６５０は、電位変動幅ΔＥｆが閾値Ｔｈ４より大きいか否かを判定する（ステップＳ８０２）。閾値Ｔｈ４は任意に設定することができる。閾値Ｔｈ４は、触媒の酸化が発生しはじめると考えられる変動幅とすることが好ましい。電位変動幅ΔＥｆが閾値Ｔｈ４より大きいとき（ステップＳ８０２：ＹＥＳ）、補正処理部６５０は、冷媒温度センサ４２０を制御して温度Ｔｃを測定した後、比表面積Ａｓの補正おこなう（ステップＳ８０４）。ここでは、図１７（ａ）で表されるマップに温度Ｔｃと電位変動幅ΔＥｆをあてはめることによって、比表面積低下率ＲＡｓを算出する。補正処理部６５０は、比表面積Ａｓの設定値に比表面積低下率ＲＡｓをかけることによって比表面積Ａｓの設定値を補正する。補正処理部６５０は、比表面積Ａｓの補正とあわせて電気量Ｃｒの補正をおこなってもよい。一方、ステップＳ８０２において、電位変動幅ΔＥｆが閾値Ｔｈ４以下のときには（ステップＳ８０２：ＮＯ）、補正処理部６５０は、上述したステップＳ８０３、Ｓ８０４をスキップする。
【０１１８】
補正処理部６５０は、また、モニタリングしている電圧Ｅｆが閾値Ｔｈ５を超えたか否かを判定する（ステップＳ８０５）。閾値Ｔｈ５についても任意に設定することができる。閾値Ｔｈ５は、触媒の酸化が発生しはじめると考えられる電圧値とすることが好ましい。補正処理部６５０は、電圧Ｅｆが閾値Ｔｈ５を超えると（ステップＳ８０５：ＹＥＳ）、超えている時間ｔの測定をおこなう（ステップＳ８０６）。その後、補正処理部６５０は、比表面積Ａｓの補正おこなう（ステップＳ８０７）。ここでは、図１７（ｂ）で表されるマップに電圧Ｒｆと時間ｔをあてはめることによって、比表面積低下率ＲＡｓを算出する。補正処理部６５０は、比表面積低下率ＲＡｓを用いて比表面積Ａｓの設定値を補正する。あわせて電気量Ｃｒの補正をおこなってもよい。以上説明した、第５実施例の変形例に係る燃料電池システム１５によれば、システムの停止後でなくても、電気量Ｃｒの補正をおこなうことができる。
【０１１９】
Ｆ．第６実施例：
Ｆ−１．燃料電池システムの構成：
図１９は、第６実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第６実施例では、含水量推定時に用いられるカソードガス流路の体積Ｖｃの設定値を運転停止後に補正する燃料電池システム１６について説明する。第６実施例の燃料電池システム１６は、第１実施例の燃料電池システム１０と比較すると、電力充放電系５０６にインピーダンス測定部５４５を備えている点と、酸化ガス供給排出系３０６に、流量センサ３６１、圧力センサ３６３、を備えている点と、制御装置６０６に補正処理部６６０の機能が付加されている点が異なる。インピーダンス測定部５４５は、第２実施例のインピーダンス測定部５４５と同じである。流量センサ３６１、圧力センサ３６３は、それぞれ、酸化ガス供給流路３３１に設けられ、燃料電池１００に供給される空気の流量Ｆｃｉ［ｌ／ｍｉｎ］、圧力Ｐｃｉ［Ｐａ］を測定する。圧力センサ３５０は、燃料電池１００から排出される空気の圧力Ｐｃｏ［Ｐａ］を測定する。補正処理部６５０は、後述する方法によって、制御装置６００に格納されているカソードガス流路の体積Ｖｃの設定値の補正をおこなう。
【０１２０】
図２０は、カソードガス流路の体積の減少を説明するための説明図である。カソードガス流路は、時間変化によってガス拡散層（ＧＤＬ）が、ガス流路側に食い込むなどして、ガス流路の断面積（流路断面積）Ｓｃが減少することがある。そうすると、実際のカソードガス流路の体積Ｖｃが、体積Ｖｃの設定値よりも小さくなるため、推定される含水量Ｗｃと実際の含水量Ｗｃとの間に誤差が生じる。すなわち、推定される含水量Ｗｃが実際の含水量Ｗｃよりも大きくなる。そこで、本実施例の燃料電池システム１６では、カソードガス流路の内部が乾燥状態、すなわち、含水量Ｗｃがほぼ０（Ｗｃ≒０）と考えられるときに、カソードガス流路内部の圧損ΔＰｃを測定し、その測定値から、カソードガス流路の体積Ｖｃ（設定値）の補正をおこなう。
【０１２１】
図２１は、燃料電池に供給される空気の流量とカソードガス流路の圧損との関係を説明するための説明図である。図２１の横軸は、燃料電池１００に供給される空気の流量Ｆｃｉを示し、縦軸は、カソードガス流路の圧損ΔＰｃを示している。図２１では、カソードガス流路内部に液水が存在する場合と存在しない場合の２つにおいて、流量Ｆｃｉと圧損ΔＰｃとの関係が示されている。図２１からわかるように、カソードガス流路の圧損ΔＰｃは、流路内部の液水の有無によって、圧損ΔＰｃと流量Ｆｃｉとの関係が異なる。そのため、圧損ΔＰｃから流路断面積Ｓｃを算出するためには、含水量Ｗｃを一定とする必要がある。以下では、含水量Ｗｃがほぼ０（Ｗｃ≒０）と考えられるときの圧損ΔＰｃと流路断面積Ｓｃとの関係について説明する。
【０１２２】
図２２は、カソードガス流路の断面積とカソードガス流路の圧損との関係を説明するための説明図である。図２２の横軸は、流路断面積Ｓｃを示し、縦軸は、圧損ΔＰｃを示している。図２２からわかるように、含水量が一定（ここでは、Ｗｃ≒０）のとき、流路断面積が大きくなるほど圧損ΔＰｃは小さくなる。本実施例の燃料電池システム１６は、図２２で示されるマップを制御装置６００に格納している。
【０１２３】
Ｆ−２．運転停止動作：
図２３は、第６実施例における運転停止動作の流れを説明するためのフローチャートである。燃料電池システム１６の運転停止動作が開始されると、まず、補正処理部６６０によって、燃料電池１００のインピーダンスの測定がおこなわれる（ステップＳ９０１）。その後、運転制御部６１０によって、燃料電池１００の内部が乾燥状態か否かの判定がおこなわれる（ステップＳ９０２）。
【０１２４】
燃料電池１００の内部が乾燥状態である場合には（ステップＳ９０２：ＹＥＳ）、運転制御部６１０によって、流路内のゴミなどを掃き出すための所定の掃気がおこなわれる（ステップＳ９０３）。このステップＳ９０３は、省略することができる。その後、運転制御部６１０によって、圧損ΔＰｃの測定がおこなわれる（ステップＳ９０４）。具体的には、運転制御部６１０は、圧力センサ３６３と圧力センサ３５０を制御して、燃料電池１００に流入する空気の圧力Ｐｃｉと、燃料電池１００から排出される空気の圧力Ｐｃｏを測定する。その後、運転制御部６１０は、圧力Ｐｃｉと圧力Ｐｃｏの差分を圧損ΔＰｃの測定値とする。
【０１２５】
補正処理部６６０は、測定された圧損ΔＰｃが閾値Ｔｈ６より小さいか否かを判定する（ステップＳ９０５）。ここでの閾値Ｔｈ６は、制御装置６００に格納されている体積Ｖｃの設定値と、図２２で表されるマップと、を用いて予め算出される。具体的には、カソードガス流路の長さは既知であるため、体積Ｖｃの設定値から流路断面積Ｓｃの設定値を算出することができる。この流路断面積Ｓｃの設定値とマップから、圧損ΔＰｃの設定値を算出することができる。補正処理部６６０は、この圧損ΔＰｃの設定値をＴｈ６としている。
【０１２６】
ステップＳ９０４において測定された圧損ΔＰｃが閾値Ｔｈ６以下の場合には（ステップＳ９０５：ＹＥＳ）、燃料電池システム１６は、運転停止動作を終了する。カソードガス流路の断面積Ｓｃの減少が生じていないか、生じていても問題ない範囲であると考えられるためである。
【０１２７】
一方、推定された測定された圧損ΔＰｃが閾値Ｔｈ６より大きい場合には（ステップＳ９０５：ＮＯ）、補正処理部６６０によって、体積Ｖｃ（設定値）の補正処理がおこなわれる（ステップＳ９０６）。補正処理部６６０は、図２２のマップを用いて、実測された圧損ΔＰｃから流路断面積Ｓｃを算出し、既知のカソードガス流路の長さをかけることによって、体積Ｖｃの新たな設定値を算出することができる。補正処理部６６０は、算出したＶｃを新たな設定値として制御装置６００に格納する。補正処理の後、燃料電池システム１６は、運転停止動作を終了する。
【０１２８】
ステップＳ９０１において、燃料電池１００の内部が乾燥状態ではない場合には（ステップＳ９０２：ＮＯ）、ステップＳ９１０〜Ｓ９５０の処理がおこなわれる。これらの処理は、第１実施例のステップＳ２１０〜Ｓ２５０と同様であるため説明を省略する。以上説明した第６実施例の燃料電池システム１６によれば、時間的変化などによってカソードガス流路の体積Ｖｃが変化した場合であっても、含水量Ｗｃの推定精度の低下を抑制することができる。
【０１２９】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１３０】
Ｅ１．変形例１：
図２４は、変形例１に係る含水量の推定方法を説明するための説明図である。図２４（ａ）の横軸は、燃料電池１００の電流Ｉｆを示し、縦軸は、電圧Ｅｆを示している。図２４（ｂ）の横軸は、燃料電池１００の電圧降下時の単位電圧降下量（０．１Ｖ）あたりの電流変化量（増加量）ΔＩｆを示し、縦軸は、ＭＥＡの含水量Ｗｍを示している。電圧降下による含水量Ｗｃの推定方法は、第１実施例で説明した方法に限定されず、それ以外の方法であってもよい。例えば、他の第１の方法として、圧降下時の単位電圧降下量（例えば、０．１Ｖ）あたりの電流変化量ΔＩｆからカソードガス流路の含水量Ｗｃを推定してもよい。
【０１３１】
具体的には、図２４（ａ）に示すように、燃料電池１００は、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ／ＭＥＡ）の含水量Ｗｍが多いと、高負荷時にフラッディングによって電圧Ｅｆが低下することが知られている。よって、図２４（ｂ）に示すように、燃料電池１００の電圧Ｅｆを降下させたときの単位降下量あたりの電流Ｉｆの変化量（増加量）ΔＩｆからＭＥＡの含水量Ｗｍを推定することができる。ＭＥＡの含水量Ｗｍとカソードガス流路の含水量Ｗｃとは相関関係があるため、含水量Ｗｍと含水量Ｗｃとの関係を示すマップを予め用意しておけば、ＭＥＡの含水量Ｗｍから、カソードガス流路の含水量Ｗｃを算出することができる。この方法を用いれば、カソードガス流路への空気の供給を停止させる必要がないため、運転停止動作以外のときであっても使用することができる。
【０１３２】
他の第２の方法として、カソードガス流路を封止した状態で燃料電池１００を放置したときの開回路電圧（ＯＣＶ）が０になるまでの時間Ｔｅと、クロスオーバー速度Ｘによって、カソードガス流路の含水量Ｗｃを推定してもよい。燃料電池１００は、カソードガス流路を封止した状態で放置すると、当初はＯＣＶが高い状態となるが、アノード側からカソード側に水素（Ｈ2）が移動し、封止されたカソードガス流路に存在する残留酸素（Ｏ2）と反応することによって、ＯＣＶが次第に低下する。残留酸素が全部消費されると、ＯＣＶは、ほぼ０になる。よって、アノード側からカソード側への水素の移動速度（クロスオーバー速度）Ｘと、ＯＣＶがほぼ０になるまでの時間Ｔｅがわかれば、残留酸素の物質量ｎO2を推定することができる。
【０１３３】
具体的には、クロスオーバー速度をＸ〔ｍｏｌ／ｓｅｃ〕とすると、カソードの残留酸素は、１／２Ｘ〔ｍｏｌ／ｓｅｃ〕の速さで消費される。カソードガス流路を封止した状態で燃料電池１００を放置してから開回路電圧（ＯＣＶ）が０になるまでの時間をＴｅ〔ｓｅｃ〕とすると、残留酸素の物質量ｎO2〔ｍｏｌ〕は、１／２Ｘ／Ｔｅとなる。残留酸素の物質量がわかれば、第１実施例と同様の方法によって、含水量Ｗｃを推定することができる。
【０１３４】
Ｅ２．変形例２：
図２５は、電圧降下処理における電圧降下速度を説明するための説明図である。図２５（ａ）（ｂ）の横軸は、時間ｔを示し、縦軸は、電圧Ｅｆを示している。変形例１で説明したように、カソードガス流路を封止した状態の燃料電池１００は、クロスオーバーによって、電圧Ｅｆが徐々に低下する。そのため、電圧降下処理時の電圧降下量は、電圧降下処理による電圧降下量とクロスオーバーによる電圧降下量との和になる。クロスオーバーによって消費される酸素の量は、電流Ｉｆに現れないため、含水量の推定時に、カソードガス流路内部に残留する酸素の量が実際よりも少なく計算され、含水量Ｗｃに誤差が生じるおそれがある。含水量Ｗｃの誤差は、図２５（ａ）に示すように、電圧降下処理による電圧降下速度が、クロスオーバーによる電圧降下速度に近いほど大きくなる。よって、電圧降下処理による電圧降下速度を、クロスオーバーによる電圧降下速度よりも十分に速くすることによって、クロスオーバーによる電圧降下の影響を抑制することができる。ここでの十分に速い速度とは、電圧降下処理による電圧降下速度を、クロスオーバーによる電圧降下速度の２倍以上とすることをいう。なお、５倍以上とすることがより好ましい。
【０１３５】
Ｅ３．変形例３：
第１〜６実施例では、カソードガス流路の含水量Ｗｃを算出する燃料電池システムについて説明したが、上述した第１〜６実施例は、アノードガス流路の含水量Ｗａの推定にも適用することができる。このとき、燃料電池システム１０は、燃料ガス排出流路２３２の燃料電池１００との接続部付近に圧力センサを備えていることが好ましい。また、運転制御部６１０は、電圧降下処理の実行時に、流量調整部２２０を制御して、燃料電池１００への水素の供給を停止させ、切換弁２６０を制御して、アノード流路を封止状態にすることが好ましい。
【０１３６】
Ｅ４．変形例４：
第１〜６実施例では、燃料電池１００全体の電圧Ｅｆと電流Ｉｆを用いて含水量Ｗｃの推定処理をおこなっているが、単セルごとの電圧Ｅｃと電流Ｉｃから各単セルの含水量Ｗｃｃを推定してもよい。また、単セルの含水量Ｗｃｃから燃料電池１００全体の含水量Ｗｃを推定してもよい。
【０１３７】
Ｅ５．変形例５：
第１〜６実施例の内容と変形例１〜４の内容は適宜組み合わせて実現することができる。例えば、第２、３実施例の掃気処理をおこなう燃料電池システムが、第５、６実施例の補正処理をおこなってもよいし、第２、３、５、６実施例の燃料電池システムが、第４実施例の方法によって含水量を推定してもよい。
【符号の説明】
【０１３８】
１０、１２〜１６…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…燃料電池セル
１１１…ターミナルプレート
２００…燃料ガス供給排出系
２１０…水素タンク
２２０…流量調整部
２３１…燃料ガス供給流路
２３２…燃料ガス排出流路
２３３…循環流路
２４０…循環コンプレッサ
２５０…気液分離部
２６０…切換弁
３００、３０３、３０４、３０６…酸化ガス供給排出系
３１０…エアクリーナ
３２０…コンプレッサ
３３１…酸化ガス供給流路
３３２…酸化ガス排出流路
３４０…封止弁
３５０…圧力センサ
３６１…流量センサ
３６２…湿度センサ
３６３…圧力センサ
３６４…温度センサ
４００…燃料電池循環冷却系
４１０…ラジエータ
４２０…冷媒温度センサ
４３０…冷媒循環ポンプ
４４１…冷媒供給流路
４４２…冷媒排出流路
５００、５０２、５０５、５０６…電力充放電系
５１０…負荷装置
５２０…インバータ
５３０…電流センサ
５４０…電圧センサ
５４５…インピーダンス測定部
５５０…バッテリー
６００、６０２、６０５、６０６…制御装置
６１０…運転制御部
６２０…含水量推定部
６５０、６６０…補正処理部
【図１】
0005454556.tif 000008
【図２】
0005454556.tif 000009
【図３】
0005454556.tif 000010
【図４】
0005454556.tif 000011
【図５】
0005454556.tif 000012
【図６】
0005454556.tif 000013
【図７】
0005454556.tif 000014
【図８】
0005454556.tif 000015
【図９】
0005454556.tif 000016
【図１０】
0005454556.tif 000017
【図１１】
0005454556.tif 000018
【図１２】
0005454556.tif 000019
【図１３】
0005454556.tif 000020
【図１４】
0005454556.tif 000021
【図１５】
0005454556.tif 000022
【図１６】
0005454556.tif 000023
【図１７】
0005454556.tif 000024
【図１８】
0005454556.tif 000025
【図１９】
0005454556.tif 000026
【図２０】
0005454556.tif 000027
【図２１】
0005454556.tif 000028
【図２２】
0005454556.tif 000029
【図２３】
0005454556.tif 000030
【図２４】
0005454556.tif 000031
【図２５】
0005454556.tif 000032