(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池内において水の凍結による触媒層の電解質膜からの剥離を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜と複数の細孔を有し電解質膜に接して配置されたカソード側触媒層及びアノード側触媒層との組合せを少なくとも１つ有する燃料電池１０と、燃料電池の発電に伴って生じる水の燃料電池の起動後におけるカソード流入水量を決定するカソード流入水量決定部２１１と、カソード側触媒層の細孔合計体積を取得する細孔体積取得部と、カソード流入量を細孔合計体積以下の範囲とするために、燃料電池を流れる電流の電流値及び電流が流れる期間の上限値を含む燃料電池の動作条件を、決定されたカソード流入水量と取得された細孔合計体積とに基づき決定する動作条件決定部２１２と、決定された動作条件となるように、電流値及び電流値の電流を流す期間を調整する電流調整部２１３と、を備える。【選択図】図１
2011113774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質膜と、複数の細孔を有し前記電解質膜に接して配置されたカソード側触媒層及びアノード側触媒層と、の組合せを少なくとも１つ有する燃料電池と、
前記燃料電池の発電に伴って生じる水の、前記燃料電池の起動後における前記電解質膜を介した前記カソード側触媒層への流入量であるカソード流入水量を決定するカソード流入水量決定部と、
前記カソード側触媒層の前記複数の細孔の体積である細孔合計体積を取得する細孔体積取得部と、
前記カソード流入水量が前記細孔合計体積以下の範囲となるための、前記燃料電池を流れる電流の電流値及び前記電流が前記燃料電池に流れる期間の上限値を含む前記燃料電池の動作条件を、前記決定されたカソード流入水量と前記取得された細孔合計体積とに基づき決定する動作条件決定部と、
前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流値の電流を流す期間を調整する電流調整部と、
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、
前記燃料電池には、アノード側反応ガスとして水素を含むガスが供給され、
前記カソード流入水量決定部は、
前記電解質膜のアノード側からカソード側への水素イオンの移動に伴って前記電解質膜をアノード側からカソード側に移動する水の、前記燃料電池の起動後における前記カソード側触媒層への流入量である電気浸透水量を決定する電気浸透水量決定部と、
前記カソード側触媒層と前記アノード側触媒層との間の水濃度差により前記電解質膜をカソード側からアノード側に移動する水の、前記燃料電池の起動後における前記カソード側触媒層からの流出量である逆拡散水量を決定する逆拡散水量決定部と、
を有し、前記電気浸透水量から前記逆拡散水量を減ずることにより、前記カソード流入水量を決定する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電気浸透水量決定部は、式１の算出式を用いて前記電気浸透水量を決定する、燃料電池システム。
【数１】
2011113774.tif 000013
ただし、上記式１において、Ｑｅは電気浸透水量を，ｉは電流密度を，Ｆはファラデー定数を，βは電気浸透係数を，ｔは起動後期間を，それぞれ示す。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記カソード側触媒層は、スルホン酸基を含むアイオノマを有し、
前記逆拡散水量決定部は、式２を用いて前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層のそれぞれの水濃度を求めることにより、前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層の水濃度差を求め、式３を用いて前記逆拡散水量を決定する、燃料電池システム。
【数２】
2011113774.tif 000014
ただし、上記式２において、Ｃｗは水濃度を，εはアイオノマの体積分率を，ρはアイオノマ密度を，λは膜含水量を，ＥＷは酸基密度を，それぞれ示す。
【数３】
2011113774.tif 000015
ただし、上記式３において、Ｑｉは逆拡散水量を，Ｄは自己拡散係数を，ΔＣは水濃度差を，Δmtは電解質膜の厚みを，ｔは起動後期間を，それぞれ示す。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記カソード側触媒層における前記膜含水量（λ）及び前記アノード側触媒層における前記膜含水量（λ）として、それぞれ予め定められた値を記憶する記憶部を備える、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、さらに、
前記電流値を計測する電流値計測部と、
前記燃料電池の起動後の経過期間を計測する期間計測部と、
を備え、
前記電流調整部は、前記計測された経過期間が、前記計測された電流値に対応する前記動作条件における前記上限期間に達する以前に、前記電流値を低下させる、燃料電池システム。
【請求項７】
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、
前記動作条件は、前記カソード流入水量が０以下となる動作条件である、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得部を備え、
前記電流調整部は、前記取得された温度が０℃よりも低い場合に、前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流を流す期間を調整する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池が、発電を行うことができない状態である閉塞状態であるか否かを検知する閉塞状態検知部を備え、
前記電流調整部は、前記燃料電池が前記閉塞状態であると検知された場合に、前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流を流す期間を調整する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池における電圧を測定する電圧測定部を備え、
前記閉塞状態検知は、前記測定された電圧が０Ｖよりも低い場合に、前記燃料電池が前記閉塞状態であると検知する、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
複数の前記燃料電池からなる第１の燃料電池群の電圧値である第１電圧値と、前記第１の燃料電池群の燃料電池の数と同数の前記燃料電池からなる第２の燃料電池群の電圧値である第２電圧値とを比較する電圧値比較部を備え、
前記閉塞状態検知部は、前記第１電圧値が前記第２電圧値よりも低い場合に、前記第１の燃料電池群のいずれかの燃料電池が前記閉塞状態であると検知する、燃料電池システム。
【請求項１２】
電解質膜と、複数の細孔を有し前記電解質膜に接して配置されたカソード側触媒層及びアノード側触媒層と、の組合せを少なくとも１つ有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池の発電に伴って生じる水の、前記燃料電池の起動後における前記電解質膜を介した前記カソード側触媒層への流入量であるカソード流入水量を決定する工程と、
（ｂ）前記カソード側触媒層の前記複数の細孔の体積である細孔合計体積を取得する工程と、
（ｃ）前記カソード流入水量が前記細孔合計体積以下の範囲となるための、前記燃料電池を流れる電流の電流値及び前記電流が前記燃料電池に流れる期間の上限値を含む前記燃料電池の動作条件を、前記決定されたカソード流入水量と前記取得された細孔合計体積とに基づき決定する工程と、
（ｄ）前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流値の電流を流す期間を調整する工程と、
を備える、燃料電池システム制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池として、電解質膜を両極（カソード及びアノード）の触媒層で挟み、さらに両極のガス拡散層で挟んだ構造を有する燃料電池が知られている。この燃料電池を氷点下の温度条件下で停止させておくと、燃料電池内（ガス拡散層や、触媒層とガス拡散層との間）に残存する水が凍結するおそれがある。残存水が凍結した状態で燃料電池を起動させると、電解質膜への反応ガスの供給が抑制されるおそれがあるため、燃料電池の温度に応じて残留水を掃気する燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。また、このような残留水を掃気する構成では、水分の過剰な除去による燃料電池の性能劣化を起こすおそれがある。そこで、燃料電池の電圧値に基づき電解質膜の乾燥状態を推定し、電解質膜が乾燥している場合には、出力電流を抑えることによって燃料電池の電圧が０Ｖ以下になることを抑制する燃料電池システムが提案されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１４０７３４号公報
【特許文献２】特開２００７−３５５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
カソード側の残存水が凍結した状態で燃料電池を起動させると、電解質膜へのカソード側の反応ガス（空気等）の供給が抑制されるため、カソード側において、通常の発電時に起きる水の生成反応に代えて、水素イオン（以下、「プロトン」とも呼ぶ）の還元反応が起こる。この還元反応によりプロトンの消費が進むと、プロトンが電解質膜を介してアノード側からカソード側へと移動する。このとき、プロトンの移動に伴い多量の水がカソード側へと移動することとなる。
【０００５】
ここで、カソード側において、ガス拡散層や、触媒層とガス拡散層との間は凍結しているため、プロトンの移動に伴いカソード側に移動した水（電気浸透水）は、ガス拡散層を介して外部に排出されず、触媒層に留まって凍結する。一般に、触媒層は、多数の細孔を有しており、この細孔において電気浸透水を溜める。電気浸透水の流入量が次第に増加してカソード側触媒層の細孔の合計体積を超える量に達すると、電気浸透水は電解質膜とカソード側触媒層との間に滞留して凍結することとなる。その結果、カソード側の触媒層が電解質膜から剥離して燃料電池が損傷するという問題があった。
【０００６】
しかしながら、従来においては、このような問題に対し十分な工夫がなされていないのが実情であった。例えば、上述したような残留水を掃気する構成においては、十分な掃気がなされず残留水が存在する場合に上記の問題は発生し得る。また、燃料電池の電圧値に基づき乾燥状態を推定し、乾燥している場合に出力電流を抑制する構成では、電解質膜の乾燥状態を推定しているために残留水の有無が正確に検出できず、上記問題が発生し得ると共に不要な出力制限が行われるおそれがある。
【０００７】
本発明は、燃料電池内において水の凍結による触媒層の電解質膜からの剥離を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
［適用例１］燃料電池システムであって、電解質膜と、複数の細孔を有し前記電解質膜に接して配置されたカソード側触媒層及びアノード側触媒層と、の組合せを少なくとも１つ有する燃料電池と、前記燃料電池の発電に伴って生じる水の、前記燃料電池の起動後における前記電解質膜を介した前記カソード側触媒層への流入量であるカソード流入水量を決定するカソード流入水量決定部と、前記カソード側触媒層の前記複数の細孔の体積である細孔合計体積を取得する細孔体積取得部と、前記カソード流入水量が前記細孔合計体積以下の範囲となるための、前記燃料電池を流れる電流の電流値及び前記電流が前記燃料電池に流れる期間の上限値を含む前記燃料電池の動作条件を、前記決定されたカソード流入水量と前記取得された細孔合計体積とに基づき決定する動作条件決定部と、前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流値の電流を流す期間を調整する電流調整部と、を備える、燃料電池システム。
【００１０】
適用例１の燃料電池システムでは、カソード流入水量がカソード側触媒層の複数の細孔の体積以下の範囲となるための燃料電池の動作条件（燃料電池を流れる電流の電流値及び電流が燃料電池に流れる期間の上限値）を決定し、決定された動作条件となるように、電流値及び電流を流す期間を調整するので、カソード流入量を細孔合計体積以下とすることができる。したがって、細孔の体積よりも多い水のカソード側触媒層への流入を抑制できるので、滞留する水の凍結によるカソード側触媒層の電解質膜からの剥離を抑制することができる。
【００１１】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池には、アノード側反応ガスとして水素を含むガスが供給され、前記カソード流入水量決定部は、前記電解質膜のアノード側からカソード側への水素イオンの移動に伴って前記電解質膜をアノード側からカソード側に移動する水の、前記燃料電池の起動後における前記カソード側触媒層への流入量である電気浸透水量を決定する電気浸透水量決定部と、前記カソード側触媒層と前記アノード側触媒層との間の水濃度差により前記電解質膜をカソード側からアノード側に移動する水の、前記燃料電池の起動後における前記カソード側触媒層からの流出量である逆拡散水量を決定する逆拡散水量決定部と、を有し、前記電気浸透水量から前記逆拡散水量を減ずることにより、前記カソード流入水量を決定する、燃料電池システム。
【００１２】
このような構成により、カソード流入水量を決定付ける水量である電気浸透水量及び逆拡散水量をそれぞれ決定し、これらの水量を利用してカソード流入水量を決定するので、カソード流入水量を正確に求めることができる。
【００１３】
［適用例３］適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記電気浸透水量決定部は、式１の算出式を用いて前記電気浸透水量を決定する、燃料電池システム。
【数１】
2011113774.tif 000003
ただし、上記式１において、Ｑｅは電気浸透水量を，ｉは電流密度を，Ｆはファラデー定数を，βは電気浸透係数を，ｔは起動後期間を，それぞれ示す。
【００１４】
このような構成により、電流密度及び電気浸透係数を取得して、これらの値を算出式に代入することにより電気浸透水量を決定できるので、電気浸透水量を正確に、かつ、短期間で決定することができる。
【００１５】
［適用例４］適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記カソード側触媒層は、スルホン酸基を含むアイオノマを有し、前記逆拡散水量決定部は、式２を用いて前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層のそれぞれの水濃度を求めることにより、前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層の水濃度差を求め、式３を用いて前記逆拡散水量を決定する、燃料電池システム。
【数２】
2011113774.tif 000004
ただし、上記式２において、Ｃｗは水濃度を，εはアイオノマの体積分率を，ρはアイオノマ密度を，λは膜含水量を，ＥＷは酸基密度を，それぞれ示す。
【数３】
2011113774.tif 000005
ただし、上記式３において、Ｑｉは逆拡散水量を，Ｄは自己拡散係数を，ΔＣは水濃度差を，Δmtは電解質膜の厚みを，ｔは起動後期間を，それぞれ示す。
【００１６】
このような構成により、取得した各パラメータの値を算出式に代入することにより逆拡散水量を決定できるので、逆拡散水量を正確に、かつ、短期間のうちに決定することができる。なお、アイオノマ体積分率（ε）とは、前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層のそれぞれにおける単位体積当たりの前記アイオノマの体積を意味し、アイオノマ密度（ρ）とは、前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層のそれぞれにおける単位体積当たりの前記アイオノマの重量を意味し、膜含水量（λ）とは、前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層のそれぞれにおける前記アイオノマのスルホン酸基１個が保持する水分子数を意味し、酸基密度（ＥＷ）とは、前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層のそれぞれにおける前記アイオノマのスルホン酸基を有する側鎖の前記アイオノマにおける密度を意味し、自己拡散係数（Ｄ）は、前記電解質膜における水の自己拡散係数を意味し、電解質膜の厚み（Δｍｔ）は、前記電解質膜が前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層に接する方向の前記電解質膜の厚み（長さ）を意味する。
【００１７】
［適用例５］適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記カソード側触媒層における前記膜含水量（λ）及び前記アノード側触媒層における前記膜含水量（λ）として、それぞれ予め定められた値を記憶する記憶部を備える、燃料電池システム。
【００１８】
このような構成により、記憶部より、カソード側触媒層及びアノード側触媒層における膜含水量（λ）を、短期間のうちに取得することができる。また、逆拡散水量を決定するための処理負荷を軽減することができる。
【００１９】
［適用例６］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記電流値を計測する電流値計測部と、前記燃料電池の起動後の経過期間を計測する期間計測部と、を備え、前記電流調整部は、前記計測された経過期間が、前記計測された電流値に対応する前記動作条件における前記上限期間に達する以前に、前記電流値を低下させる、燃料電池システム。
【００２０】
このような構成により、上限期間に達する以前に電流値を低下させるので、上限期間に達する以前に、電気浸透水量を減少させることができる。したがって、カソード流入水量が細孔の体積を超えてしまうことを抑制できると共に、カソード流入水量が細孔の体積に達するまでの上限期間を延長することができる。
【００２１】
［適用例７］適用例１ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、  前記動作条件は、前記カソード流入水量が０以下となる動作条件である、燃料電池システム。
【００２２】
このような構成により、カソード流入水量が０以下、すなわち、電気浸透水量が逆拡散水量以下となるように、電流値及び電流を流す期間を調整するので、カソード流入水量が細孔体積よりも大きくなることを確実に抑制することができる。
【００２３】
［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、さらに、前記燃料電池の温度を取得する温度取得部を備え、前記電流調整部は、前記取得された温度が０℃よりも低い場合に、前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流を流す期間を調整する、燃料電池システム。
【００２４】
このような構成により、燃料電池の温度が０℃よりも低く、残留水の凍結により、カソード流入水がカソード側触媒層から排出されない状況が発生し得る場合にのみ、決定された動作条件となるように、電流値及び電流を流す期間を調整することができる。したがって、燃料電池の温度が０℃以上の場合には、このような調整を行わずに済み、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２５】
［適用例９］適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池が、発電を行うことができない状態である閉塞状態であるか否かを検知する閉塞状態検知部を備え、前記電流調整部は、前記燃料電池が前記閉塞状態であると検知された場合に、前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流を流す期間を調整する、燃料電池システム。
【００２６】
このような構成により、燃料電池が、残留水の凍結によりカソード側触媒層に反応ガスが供給されず閉塞状態となっている可能性が高い場合にのみ、決定された動作条件となるように電流値及び電流を流す期間を調整することができる。したがって、燃料電池が閉塞状態となっていない場合には、このような調整を省略でき、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２７】
［適用例１０］適用例９に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池における電圧を測定する電圧測定部を備え、前記閉塞状態検知は、前記測定された電圧が０Ｖよりも低い場合に、前記燃料電池が前記閉塞状態であると検知する、燃料電池システム。
【００２８】
このような構成により、燃料電池の閉塞状態を確実に検知することができる。
【００２９】
［適用例１１］適用例９に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、複数の前記燃料電池からなる第１の燃料電池群の電圧値である第１電圧値と、前記第１の燃料電池群の燃料電池の数と同数の前記燃料電池からなる第２の燃料電池群の電圧値である第２電圧値とを比較する電圧値比較部を備え、前記閉塞状態検知部は、前記第１電圧値が前記第２電圧値よりも低い場合に、前記第１の燃料電池群のいずれかの燃料電池が前記閉塞状態であると検知する、燃料電池システム。
【００３０】
このような構成により、各燃料電池について閉塞状態であるか否かを判定せずに済み、閉塞状態の燃料電池の有無を短時間のうちに検知することができる。
【００３１】
［適用例１２］電解質膜と、複数の細孔を有し前記電解質膜に接して配置されたカソード側触媒層及びアノード側触媒層と、の組合せを少なくとも１つ有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、（ａ）前記燃料電池の発電に伴って生じる水の、前記燃料電池の起動後における前記電解質膜を介した前記カソード側触媒層への流入量であるカソード流入水量を決定する工程と、（ｂ）前記カソード側触媒層の前記複数の細孔の体積である細孔合計体積を取得する工程と、（ｃ）前記カソード流入水量が前記細孔合計体積以下の範囲となるための、前記燃料電池を流れる電流の電流値及び前記電流が前記燃料電池に流れる期間の上限値を含む前記燃料電池の動作条件を、前記決定されたカソード流入水量と前記取得された細孔合計体積とに基づき決定する工程と、（ｄ）前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流値の電流を流す期間を調整する工程と、
を備える、燃料電池システム制御方法。
【００３２】
適用例１２の燃料電池システム制御方法では、カソード流入水量がカソード側触媒層の複数の細孔の体積以下の範囲となるための燃料電池の動作条件（燃料電池を流れる電流の電流値及び電流が燃料電池に流れる期間の上限値）を決定し、決定された動作条件となるように、電流値及び電流を流す期間を調整するので、カソード流入量を細孔合計体積以下とすることができる。したがって、細孔の体積よりも多い水のカソード側触媒層への流入を抑制できるので、滞留する水の凍結によるカソード側触媒層の電解質膜からの剥離を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】図１に示す燃料電池１０の詳細構成を示す断面図である。
【図３】図１の膜含水量テーブル格納部２２１に格納されている膜含水量テーブルを模式的に示す説明図である。
【図４】図１の拡散係数テーブル格納部２２２に格納されている拡散係数テーブルを模式的に示す説明図である。
【図５】図１に示す電気浸透係数テーブル格納部２２３に格納されている電気浸透係数テーブルを模式的に示す説明図である。
【図６】燃料電池システム１００において実行される始動処理の手順を示すフローチャートである。
【図７】第１実施例におけるカソード流入水量算出処理の手順を示すフローチャートである。
【図８】始動処理実行時における限界期間ｔＬの一例を示す説明図である。
【図９】第２実施例における始動処理の手順を示すフローチャートである。
【図１０】第２実施例における動作点の変化を示す説明図である。
【図１１】第３実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１２】第３実施例における始動処理の手順を示すフローチャートである。
【図１３】第３実施例におけるカソード流入水量算出処理の手順を示すフローチャートである。
【図１４】図１１に示すカソード流入水量テーブル格納部２２５に格納されているカソード流入水量テーブルを模式的に示す説明図である。
【図１５】第３実施例のステップＳ３１５において膜含水量差（Δλ）の求め方を示す説明図である。
【図１６】変形例５における限界期間ｔＬの第１の例を示す説明図である。
【図１７】変形例５における限界期間ｔＬの第２の例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
Ａ．第１実施例：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、水素タンク４０と、電磁バルブ４１と、循環ポンプ４２と、燃焼ガス供給路９３と、燃焼ガス排出路９４と、エアコンプレッサー５０と、酸化剤ガス供給路９１と、酸化剤ガス排出路９２と、電流測定部７１と、インピーダンス測定部７２と、電圧測定部７３と、温度測定部７４と、制御ユニット２０とを備えている。
【００３５】
燃料電池スタック１１０は、積層された複数の燃料電池１０と、２つのターミナルプレート１１１と、２つのエンドプレート１１２を備えている。２つのターミナルプレート１１１は、いずれも燃料電池スタック１１０全体としての電極（アノード及びカソード）であり、積層された燃料電池１０を挟み込むように配置されている。２つのターミナルプレート１１１は、負荷としての駆動用モーター６２と電気的に接続されている。２つのエンドプレート１１２は、２つのターミナルプレート１１１を挟み込むように配置されている。２つのエンドプレート１１２は、図示しないテンションプレートにより互いに結合されており、各燃料電池１０は、積層方向に所定の圧縮力で締結されている。
【００３６】
図２は、図１に示す燃料電池１０の詳細構成を示す断面図である。図２の上段に示すように、燃料電池１０は、電解質膜１２と、カソード側触媒層１３ｃと、カソード側ガス拡散層１４ｃと、カソード側セパレータ１５ｃと、アノード側触媒層１３ａと、アノード側ガス拡散層１４ａと、アノード側セパレータ１５ａとを備えている。なお、図２の下段は、図２の上段における領域Ｘの拡大図を示している。かかる拡大図については後述する。
【００３７】
電解質膜１２は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、Flemion（登録商標）やAciplex（登録商標）等を用いることができる。なお、電解質膜１２としては、スルホン酸基に限らず、リン酸基やカルボン酸基など、他のイオン交換基を含む膜を用いることができる。
【００３８】
カソード側触媒層１３ｃは、電解質膜１２に接して配置されている。このカソード側触媒層１３ｃは、触媒を導電性粒子に担持させた部材と、プロトン導電体であるアイオノマとを用いて構成されている。触媒としては、例えば、白金や、白金とルテニウムや鉄等の金属との合金を用いることができる。導電性粒子としては、例えば、カーボンブラック等の炭素粒子や、炭素繊維などを用いることができる。アイオノマとしては、スルホン酸基を含むフッ素樹脂を採用することができる。アイオノマは、触媒を担持した導電性粒子同士を結着させる。カソード側触媒層１３ｃは、図示しない多数の細孔を有している。この細孔は、触媒を担持した導電性粒子の２次粒子（１次粒子が複数集まったクラスタ状の粒子）同士の間に形成された空隙である。
【００３９】
カソード側ガス拡散層１４ｃは、反応ガスである空気を拡散し、また、電気化学反応等により生じた水を排出するために多孔質部材により構成されている。具体的には、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュや発泡金属等の金属多孔質体により構成されている。
【００４０】
カソード側セパレータ１５ｃは、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。カソード側セパレータ１５ｃは、凹凸形状を有しており、カソード側セパレータ１５ｃとカソード側ガス拡散層１４ｃとが接することにより、カソード側セパレータ１５ｃとカソード側ガス拡散層１４ｃとの間に酸化剤ガス流路１７ｃが形成される。この酸化剤ガス流路１７ｃは、エアコンプレッサー５０から供給される空気を、カソード側ガス拡散層１４ｃに導くと共に、カソード側ガス拡散層１４ｃから排出されるガス（余剰空気及び水蒸気）を燃料電池１０の外部へと排出する。
【００４１】
アノード側の構成は、カソード側の構成と同様である。すなわち、アノード側触媒層１３ａは、カソード側触媒層１３ｃと同じ構成を有している。また、アノード側ガス拡散層１４ａはカソード側ガス拡散層１４ｃと、アノード側セパレータ１５ａはカソード側セパレータ１５ｃと、それぞれ同じ構成を有している。なお、アノード側セパレータ１５ａとアノード側ガス拡散層１４ａとの間に形成された燃料ガス流路１７ａは、水素タンク４０及び循環ポンプ４２によって供給される水素ガスをアノード側ガス拡散層１４ａに導くと共に、アノード側ガス拡散層１４ａから排出されるガス（余剰水素ガス）を燃焼ガス排出路９４へと排出する。
【００４２】
低温環境下において燃料電池システム１００が停止している状態では、図２に示すように、燃料電池１０の内部に残留した水が凍結して氷が形成され得る。図２の例では、カソード側ガス拡散層１４ｃや、カソード側ガス拡散層１４ｃとカソード側触媒層１３ｃとの境界付近において、氷の層１９が形成されている。カソード側では、電気化学反応に伴って水が生成されるため氷が形成され易い。
【００４３】
図１に示す水素タンク４０は、高圧水素ガスを貯蔵しており、燃焼ガス供給路９３を介して水素ガスを燃料電池スタック１１０に供給する。電磁バルブ４１は、燃焼ガス供給路９３に配置されており、燃料電池スタック１１０に供給する水素ガスの量を調整する。循環ポンプ４２は、燃焼ガス排出路９４に配置されており、燃料電池スタック１１０から排出された水素ガスを、燃焼ガス排出路９４から燃焼ガス供給路９３へと循環させる。エアコンプレッサー５０は、圧縮空気（酸化剤ガス）を、酸化剤ガス供給路９１を介して燃料電池スタック１１０に供給する。燃料電池スタック１１０から排出された空気は、酸化剤ガス排出路９２を介して大気へと放出される。
【００４４】
電流測定部７１は、燃料電池スタック１１０とモーター６２との間に配置されており、燃料電池システム１００を流れる電流を測定する。インピーダンス測定部７２は、各燃料電池１０と接続されており、各燃料電池１０を構成する電解質膜（後述）の抵抗値（膜抵抗値）を測定する。抵抗測定の方式としては、例えば、交流インピーダンス法を採用することができる。電圧測定部７３は、各燃料電池１０と接続されており、各燃料電池１０の電圧を測定する。温度測定部７４は、酸化剤ガス排出路９２に配置されており、排出される酸化剤ガス（空気）の温度を測定する。なお、燃料電池システム１００では、かかる排出ガスの温度を、燃料電池スタック１１０内部の温度として用いる。
【００４５】
制御ユニット２０は、電磁バルブ４１，循環ポンプ４２，及びエアコンプレッサー５０と接続されており、これら各要素を制御する。また、制御ユニット２０は、電流測定部７１，インピーダンス測定部７２，電圧測定部７３，及び温度測定部７４と接続されており、これら各測定部７１〜７４において得られた測定値を取得する。また、制御ユニット２０は、アクセルポジションセンサー３２と接続されており、アクセルペダル３０の踏み込み量を検知する。
【００４６】
制御ユニット２０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１０と、メモリ２２０とを備えている。メモリ２２０には、燃料電池システム１００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おり、ＣＰＵ２１０は、この制御プログラムを実行することにより、カソード流入水量決定部２１１，動作条件決定部２１２，電流調整部２１３，閉塞燃料電池検知部２１４，期間計測部２１５，及び発電制御部２１６として機能する。
【００４７】
カソード流入水量決定部２１１は、後述する始動処理において、カソード側触媒層１３ｃに流入する水の量を決定する。動作条件決定部２１２は、後述する始動処理において、動作条件（燃料電池システム１００を流れる電流の電流値、及び電流を流す期間）を決定する。電流調整部２１３は、アクセルペダル３０の踏み込み量等に基づき、燃料電池システム１００（燃料電池スタック１１０）に流れるべき電流値（要求電流値）を決定する。閉塞燃料電池検知部２１４は、複数の燃料電池１０のうち、残留水の凍結により発電を行うことができない状態（以下、「閉塞状態」と呼ぶ）の燃料電池を検知する。期間計測部２１５は、図示しないタイマを有し、燃料電池システム１００が始動してからの期間を計測する。発電制御部２１６は、決定された要求電流値となるように燃料電池スタック１１０における発電量を制御する。具体的には、発電制御部２１６は、電磁バルブ４１及びエアコンプレッサー５０を制御して反応ガス（水素ガス及び空気）の供給量を制御することにより、燃料電池スタック１１０における発電量を制御する。
【００４８】
メモリ２２０は、膜含水量テーブル格納部２２１と、拡散係数テーブル格納部２２２と、電気浸透係数テーブル格納部２２３と、定数格納部２２４とを備えている。膜含水量テーブル格納部２２１には、膜含水量テーブルが予め格納されている。同様に、拡散係数テーブル格納部２２２には拡散係数テーブルが、電気浸透係数テーブル格納部２２３には電気浸透係数テーブルが、定数格納部２２４には所定の定数が、それぞれ予め格納されている。
【００４９】
図３は、図１の膜含水量テーブル格納部２２１に格納されている膜含水量テーブルを模式的に示す説明図である。図３において、横軸は膜抵抗値を示し、縦軸は膜含水量（λ）を示す。膜含水量テーブルは、燃料電池１０における膜抵抗値と膜含水量とを対応付けたテーブルである。本実施例では、膜含水量テーブルとして、燃料電池スタック１１０の温度に応じた複数のテーブルが予め膜含水量テーブル格納部２２１に格納されている。図３では、２つの温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）に対応する２つのテーブルＬ１，Ｌ２を模式的に例示している。
【００５０】
膜抵抗値とは、燃料電池１０を構成する電解質膜１２の抵抗値を意味する。膜含水量とは、アイオノマに含まれるスルホン酸基１つが保持可能な水の平均分子数を意味する。一般に、電解質膜１２が乾燥状態にある場合に膜含水量は小さく、電解質膜１２が湿潤状態にある場合に膜含水量は大きい。
【００５１】
図３に示すように、各膜含水量テーブルでは、より大きな膜抵抗値に対し、より小さな膜含水量が設定されている。また、高い温度に対応するテーブルＬ２では、同じ膜抵抗値に対応する膜含水量（λ）として、低い温度に対応するテーブルＬ１よりも大きな値が設定されている。なお、図３では、模式的に各テーブルＬ１，Ｌ２を曲線として（連続的な値が設定されているとして）表わしているが、離散的な値に設定することもできる。膜抵抗値と膜含水量との対応関係は、予め実験を行って設定することができる。また、膜抵抗値と膜含水量との間の公知の関係式に基づき設定することもできる。かかる公知の関係式としては、例えば、Journal of The Electrochemical Society (JES), Vol.154 B341 (2007)に記載の関係式を用いることができる。
【００５２】
図４は、図１の拡散係数テーブル格納部２２２に格納されている拡散係数テーブルを模式的に示す説明図である。図４において、横軸は膜含水量（λ）を示し、縦軸は電解質膜１２における水の自己拡散係数（Ｄ）を示す。拡散係数テーブルは、膜含水量（λ）と、電解質膜１２における水の自己拡散係数（Ｄ）とを対応付けたテーブルである。本実施例では、拡散係数テーブルとして、燃料電池スタック１１０の温度に応じた複数のテーブルが予め拡散係数テーブル格納部２２２に格納されている。図３では、２つの温度Ｔ１１，Ｔ１２（Ｔ１１＜Ｔ１２）に対応する２つのテーブルＬ１１，Ｌ１２を模式的に例示している。なお、自己拡散係数（Ｄ）は、媒質（電解質膜１２）内における媒体（水）の拡散し易さを示し、自己拡散係数（Ｄ）が大きいほど、電解質膜１２において水は拡散し易いことを示している。なお、図４では、模式的に各テーブルＬ１１，Ｌ１２を曲線として（連続的な値が設定されているとして）表わしているが、離散的な値に設定することもできる。膜含水量（λ）と自己拡散係数（Ｄ）との対応関係は、予め実験を行って設定することができる。また、公知の実験結果に基づき設定することもできる。公知の実験結果としては、例えば、ECS Transactions (ECST) Vol.16 341pp (2008)に記載の実験結果を採用することができる。
【００５３】
図５は、図１に示す電気浸透係数テーブル格納部２２３に格納されている電気浸透係数テーブルを模式的に示す説明図である。図５において、横軸は膜含水量（λ）を示し、縦軸は電気浸透係数を示す。電気浸透係数テーブルＬ２０は、膜含水量（λ）と、電気浸透係数（β）とを対応付けたテーブルである。電気浸透係数は、イオン交換膜（電解質膜１２）を介したイオン（プロトン）の移動に伴う水の移動し易さを示し、電気浸透係数（β）が大きいほど、より多くの水が移動することを示している。したがって、図５に示すように、膜含水量（λ）が大きいほど、より多くの水が移動する。なお、図５では、模式的に電気浸透係数テーブルＬ２０を曲線として（連続的な値が設定されているとして）表わしているが、離散的な値に設定することもできる。膜含水量（λ）と電気浸透係数（β）との対応関係は、予め実験を行って設定することができる。また、公知の実験結果に基づき設定することもできる。公知の実験結果としては、例えば、Journal of The Electrochemical Society (JES), Vol.153 A1443 (2006)に記載の実験結果を採用することができる。
【００５４】
図２の下段に示すように、カソード側ガス拡散層１４ｃ、及びカソード側触媒層１３ｃとカソード側ガス拡散層１４ｃとの境界部分に氷の層１９が形成されている状態において、燃料電池システム１００が起動されると、電解質膜１２への空気の供給が抑制されるため、カソード側において、下記式４に示す水の生成反応は起こらず、式５に示すプロトンの還元反応が起こる。
【００５５】
【数４】
2011113774.tif 000006
【００５６】
【数５】
2011113774.tif 000007
【００５７】
この還元反応によりプロトンの消費が進むと、電解質膜１２においてアノードからカソードにプロトンの移動が起こる。このとき、プロトンは、電解質膜１２内の水を伴ってカソード側へと移動する。このプロトンの移動に伴ってアノード側からカソード側に移動する水を電気浸透水Ｗ１と呼ぶ。
【００５８】
電気浸透水Ｗ１によりカソード側が湿潤状態になると、カソード側水分圧とアノード側水分圧とに差が生じ、この水分圧差によりカソード側からアノード側へと水が移動する。なお、この両極間の水分圧差によりカソード側からアノード側に移動する水を逆拡散水Ｗ２と呼ぶ。電解質膜１２からカソード側触媒層１３ｃに流入する水の量（以下、「カソード流入水量」と呼ぶ）は、前述の電気浸透水Ｗ１の量及び逆拡散水Ｗ２の量により決定され得る。具体的には、カソード流入水量は、電気浸透水Ｗ１の量から逆拡散水Ｗ２の量を減じて得られた量となる。
【００５９】
本実施例の燃料電池システム１００は、上述した構成を有すると共に、後述する始動処理を実行することにより、各燃料電池１０のカソード側（カソード側ガス拡散層１４ｃ、及びカソード側ガス拡散層１４ｃとカソード側触媒層１３ｃとの境界部分）において残留水が凍結した状態で燃料電池システム１００を始動した場合であっても、電解質膜１２のカソード側触媒層１３ｃからの剥離を抑制できる。
【００６０】
前述の動作条件決定部２１２は、請求項における細孔体積取得部，動作条件決定部，電気浸透水量決定部，及び逆拡散水量決定部に相当する。また、メモリ２２０は請求項における記憶部に、インピーダンス測定部７２は請求項における閉塞状態検知部に、それぞれ相当する。
【００６１】
Ａ２．始動処理：
図６は、燃料電池システム１００において実行される始動処理の手順を示すフローチャートである。図示しない電気自動車のイグニッションがオンされると、燃料電池システム１００において、始動処理が開始される。
【００６２】
図１に示す動作条件決定部２１２は、温度測定部７４から燃料電池スタック１１０の温度（Ｔ）を取得し（ステップＳ１０５）、温度（Ｔ）が０℃よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１１０）。燃料電池スタック１１０の温度（Ｔ）が０℃以上である場合には、始動処理は終了し、通常運転、すなわち、要求電流値に応じた燃料電池スタック１１０の発電が実行される。
【００６３】
前述のステップＳ１１０において、温度（Ｔ）が０℃よりも低い場合には、電圧測定部７３は、各燃料電池１０の電圧を測定し動作条件決定部２１２に通知する（ステップＳ１１５）。動作条件決定部２１２は、いずれかの燃料電池１０において電圧が０よりも低い値となっているか否かを判定する（ステップＳ１２０）。いずれかの燃料電池１０において電圧が０よりも低い値となっている場合、当該燃料電池１０は、閉塞状態（残留水の凍結により酸化剤ガス（空気）が供給されずに正常に発電が行われていない状態）にあると考えられる。そこで、ステップＳ１２０では、各燃料電池１０の電圧が０Ｖよりも低いか否かを判定することにより、各燃料電池１０が閉塞状態であるか否かを判定している。すべての燃料電池１０が閉塞状態でない（電圧が０以上である）場合には、前述のステップＳ１０５に戻る。
【００６４】
前述のステップＳ１２０において、いずれかの燃料電池１０が、電圧が０よりも低い状態（閉塞状態）であると判定された場合、インピーダンス測定部７２は、該当する燃料電池１０のうち、１つの燃料電池１０について膜抵抗を測定する（ステップＳ１２５）。膜抵抗を測定する１つの燃料電池１０としては、例えば、ステップＳ１１５において各燃料電池１０の電圧を所定の順序で測定する構成においては、最初に電圧が０よりも低いと測定された燃料電池１０を採用することができる。また、例えば、所定の順序のうち、中央に位置する燃料電池１０や、最後の燃料電池１０を採用することもできる。
【００６５】
燃料電池１０の膜抵抗が測定されると、ステップＳ１２５において膜抵抗値を測定した燃料電池１０について、カソード流入水量（Ｑｃ）算出処理が実行され、カソード流入水量が算出される（ステップＳ１３０）。
【００６６】
図７は、第１実施例におけるカソード流入水量算出処理の手順を示すフローチャートである。カソード流入水量決定部２１１は、電流測定部７１により測定された電流値に基づき、電流密度を算出する（ステップＳ２０５）。電流密度の算出は、測定された電流値を、電解質膜１２の積層面の面積で除算して実行することができる。なお、電解質膜１２の積層方向の面積値は、予め定数格納部２２４に格納しておくことができる。
【００６７】
カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ１０５において測定された燃料電池スタック１１０の温度（Ｔ）、及びステップＳ１２５において測定された膜抵抗値に基づき、膜含水量テーブルを参照して膜含水量（λ）を取得する（ステップＳ２１０）。図３に示すように、燃料電池スタック１１０の温度（Ｔ）に基づき参照するテーブルを決定し、決定したテーブルにおいて、膜抵抗値に基づき膜含水量（λ）を取得することができる。
【００６８】
カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ２１０で取得した膜含水量（λ）に基づき、電気浸透係数テーブルを参照して電気浸透係数（β）を取得する（ステップＳ２１５）。図５に示すように、電気浸透係数テーブルＬ２０によると、膜含水量（λ）に基づき、電気浸透係数（β）を取得することができる。
【００６９】
カソード流入水量決定部２１１は、ステップ２０５において取得した電流密度（ｉ）及びステップＳ２１５において取得した電気浸透係数（β）を用いて、下記式６により電気浸透水Ｗ１の水量（Ｑｅ）を求める（ステップＳ２２０）。式６において、「Ｆ」は、ファラデー定数を示す。この定数は、予め定数格納部２２４に格納しておくことができる。なお、式６において「ｔ」は、残留水の凍結によるカソード流入水のカソード側触媒層１３ｃにおける滞留が開始してからの期間（以下、「起動後期間」と呼ぶ）を示す変数である。したがって、式６によると、電気浸透水量（Ｑｅ）を起動後期間「ｔ」の関数として求めることができる。式６に示すように、電気浸透水量（Ｑｅ）は、起動後期間「ｔ」に比例している。これは、燃料電池スタック１１０の起動後において、プロトンの移動に伴う水の移動が継続して起こるためである。
【００７０】
【数６】
2011113774.tif 000008
【００７１】
なお、氷点下の温度環境下で燃料電池システム１００が起動した場合、既に残留水が凍結している可能性が高いので、起動と同時に残留水の凍結によるカソード流入水のカソード側触媒層１３ｃにおける滞留は開始され得る。そこで、本実施例では、起動後期間「ｔ」は、燃料電池システム１００が起動してからの期間を示すものとする。
【００７２】
カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ１０５において測定された燃料電池スタック１１０の温度（Ｔ）、及びステップＳ２１０において取得した膜含水量（λ）に基づき、拡散係数テーブルを参照して電解質膜１２における水の自己拡散係数（Ｄ）を取得する（ステップＳ２２５）。図４に示すように、燃料電池スタック１１０の温度（Ｔ）に基づき参照するテーブルを決定し、決定したテーブルにおいて、膜含水量（λ）に基づき自己拡散係数（Ｄ）を取得することができる。
【００７３】
カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ２１０において取得した膜含水量（λ）に基づき、下記式７を用いてカソード側触媒層１３ｃの水濃度（Ｃｗ）及びアノード側触媒層１３ａの水濃度（Ｃｗ）を求め、カソード側の水濃度からアノード側の水濃度を減じることにより、両極の水濃度差（ΔＣ）を求める（ステップＳ２３０）。
【００７４】
【数７】
2011113774.tif 000009
【００７５】
式７において、「ε」は、各極の触媒層の単位体積当たりのアイオノマの体積（アイオノマの体積分率）を示す定数であり、「ρ」は、各極の触媒層の単位体積あたりのアイオノマの重量（アイオノマ密度）を示す定数である。また、式７において「ＥＷ」は、アイオノマにおけるスルホン酸基を有する側鎖の密度（酸基密度）を示す定数である。これらの定数「ε」，「ρ」，「ＥＷ」は、予め定数格納部２２４に格納しておくことができる。なお、膜含水量（λ）は、カソード側触媒層１３ｃ及びアノード側触媒層１３ａについて、それぞれ求める必要があるが、本実施例では、ステップＳ２１０で求めた電解質膜１２における膜含水量を、カソード側触媒層１３ｃ及びアノード側触媒層１３ａのそれぞれにおける膜含水量として用いる。
【００７６】
カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ２２５において取得した自己拡散係数（Ｄ）及びステップＳ２３０において取得した水濃度差（ΔＣ）に基づき、下記式８を用いて逆拡散水Ｗ２の量（逆拡散水量Ｑｉ）を求める（ステップＳ２３５）。式８において「Δｍｔ」は、電解質膜１２の積層方向の厚みを示す定数である。この定数「Δｍｔ」は、予め定数格納部２２４に格納しておくことができる。なお、式８において「ｔ」は、起動後期間を示す変数である。したがって、逆拡散水量（Ｑｉ）を、電気浸透水量（Ｑｅ）と同様に、起動後期間「ｔ」の関数として求めることができる。式８に示すように、逆拡散水量（Ｑｉ）は、期間「ｔ」に比例している。これは、燃料電池スタック１１０の起動後において、継続的に両極間の水濃度差（水蒸気分圧の差）に基づく水の流れが発生するためである。
【００７７】
【数８】
2011113774.tif 000010
【００７８】
カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ２２０において算出した電気浸透水量（Ｑｅ）から、ステップＳ２３５において算出した逆拡散水量（Ｑｉ）を減ずることにより、カソード流入水量（Ｑｃ）を求める（ステップＳ２４０）。電気浸透水量（Ｑｅ）及び逆拡散水量（Ｑｉ）は、いずれも起動後期間「ｔ」の関数であるので、ステップ２４０では、カソード流入水量（Ｑｃ）を、起動後期間「ｔ」の関数として求めることができる。
【００７９】
図６に戻って、ステップＳ１３０の実行後、動作条件決定部２１２は、カソード側触媒層１３ｃの細孔の合計体積（Ｖｃ）を取得する（ステップＳ１３５）。細孔の合計体積は、予め実験により求めて、定数格納部２２４に格納しておくことができる。細孔の合計体積の測定方法としては、例えば、水銀圧入法を採用することができる。
【００８０】
電気浸透水量（Ｑｅ）が、逆拡散水量（Ｑｉ）よりも大きい場合には、燃料電池スタック１１０の起動後の期間の経過にしたがって、カソード側触媒層１３ｃの細孔に流入する合計水量（カソード流入水量Ｑｃ）は増加する。
【００８１】
動作条件決定部２１２は、ステップＳ１３０において求めたカソード流入水量（Ｑｃ）がカソード側触媒層１３ｃの細孔の合計体積（Ｖｃ）に達するまでの期間（以下、「限界期間」と呼ぶ）ｔＬを、下記式９を用いて求める（ステップＳ１４０）。
【００８２】
【数９】
2011113774.tif 000011
【００８３】
限界期間ｔＬが求められると、期間計測部２１５は、起動後期間ｔｎを計測する（ステップＳ１４５）。カソード流入水量決定部２１１は、起動後期間ｔｎが、限界期間ｔＬに達しているか否かを判定する（ステップＳ１５０）。起動後期間ｔｎが限界期間ｔＬに達していない場合（ｔｎ＜ｔＬ）には、ステップＳ１０５に戻る。一方、起動後期間ｔｎが限界期間ｔＬに達している場合（ｔｎ≧ｔＬ）、電流調整部２１３は、燃料電池スタック１１０を流れる電流値を低下させる（ステップＳ１５５）。具体的には、電流調整部２１３は、アクセルペダル３０の踏み込み量に関わらず、要求電流値を、電流測定部７１により測定された電流値から所定量だけ低下させる。低下させる量としては、例えば、一定量（１Ａ等）や、一定の割合（２０％等）とすることができる。
【００８４】
図８は、始動処理実行時における限界期間ｔＬの一例を示す説明図である。図８において、横軸は電流密度（ｉ）を示し、縦軸は起動後期間（ｔ）を示す。図８に示すように、限界期間ｔＬは、電流密度（ｉ）に応じて変化する。具体的には、電流密度が大きいほど、限界期間ｔＬの値は小さくなる。これは、電流密度が大きいほど、電気浸透水量（Ｑｅ）が大きくなるため、より短い期間でカソード流入水量（Ｑｃ）が細孔合計体積（Ｖｃ）に達するからである。
【００８５】
図８において、限界期間ｔＬよりも下の領域Ａ１は、カソード流入水量が細孔合計体積よりも少ない状態を示し、限界期間ｔＬよりも上の領域Ａ２は、カソード流入水量が細孔合計体積よりも多い状態を示している。領域Ａ２においては、カソード流入水量が細孔合計体積よりも多いため、すべてのカソード流入水量を細孔内に収容（溜める）ことはできず、電解質膜１２とカソード側触媒層１３ｃとの間に溢れることとなる。領域Ａ１は、起動後期間の長さに関わらず、限界期間ｔＬに達しない領域Ａ３を有する。この領域Ａ３は、電気浸透水量（Ｑｅ）が、逆拡散水量（Ｑｉ）よりも少ないため、カソード側触媒層１３ｃに水が溜まらない状態を示している。図８では、領域Ａ３では、電気密度がｃ０以下である。なお、このときの電流値を、しきい電流値Ｉｔｈと呼ぶ。領域Ａ３は、カソード側触媒層１３ｃに水が溜まらない状態ではあるが、燃料電池スタック１１０における電流値が比較的低いしきい電流値Ｉｔｈ以下の電流であり、燃料電池スタック１１０の発電性能は低い状態となる。したがって、例えば、電気自動車は、アクセルを踏み込んでも、なかなか加速しない状態となる。
【００８６】
上述した始動処理を行った場合の具体的な動作を、図８を用いて説明する。例えば、電流密度ｃ１（電流値Ｉ１）の状態において、ステップＳ１０５〜Ｓ１４５を実行した結果、動作点が、起動後期間ｔｎがｔ１（＜ｔＬ）である動作点Ｐ１である場合、ステップＳ１５０において限界期間ｔＬに達していないものと判例され、再びステップＳ１０５〜Ｓ１４５が実行される。この場合、電流値Ｉ１は変化しない。その後、ステップＳ１０５〜Ｓ１４５が実行された後、起動後期間ｔｎがｔ２（＝ｔＬ）である動作点Ｐ２に達した場合、ステップＳ１５５が実行され、電流値がＩ１からＩ２（電流密度ｃ２）に変化する。この場合、図８に示すように、電流値Ｉ２における限界期間ｔＬは、ｔ２よりも長いｔ３であり、動作点Ｐ２は、領域Ａ１内にある。このように、限界期間ｔＬがｔ２からｔ３に延びたのは、電流値低下に起因する電気浸透水量の減少により、逆拡散水量が相対的に増加し、カソード側触媒層１３ｃの細孔から水がアノード側へと排出されたためである。
【００８７】
図８に示す例からも理解できるように、本実施例では、ステップＳ１５５において電流値を低下させる際に、低下後の電流値がしきい電流値Ｉｔｈを上回る範囲で、電流値を低下させる。具体的には、予めしきい電流値Ｉｔｈを実験等により求めておき、このしきい電流値Ｉｔｈ上回るように、所定量や所定割合だけ電流値を低下させる。これは、電流値をしきい電流値Ｉｔｈ以下の非常に低い状態とすることによる、燃料電池スタック１１０の発電性能の極端な低下を抑制するためである。
【００８８】
以上説明したように、燃料電池システム１００では、カソード流入水量がカソード側触媒層１３ｃの細孔合計体積を超えるか否かを判定し、カソード流入水量が細孔合計体積以上となった場合に、燃料電池スタック１１０を流れる電流を低下させることにより、カソード側触媒層１３ｃから水をアノード側へと排出させるので、カソード側触媒層１３ｃから溢れた水が、カソード側触媒層１３ｃと電解質膜１２との間に常時存在することを抑制できる。したがって、電解質膜１２とカソード側触媒層１３ｃとの間に滞留した水の凍結によるカソード側触媒層１３ｃの電解質膜１２からの剥離を抑制することができる。
【００８９】
加えて、燃料電池スタック１１０の温度が０℃以上であって、残留水の凍結により燃料電池１０が閉塞しない状況では通常運転に移行させるので、ステップＳ１１５〜Ｓ１５５の処理を実行せずに済み、制御ユニット２０の処理負荷を低減させることができる。同様に、各燃料電池１０が閉塞しているか否かを判定し、閉塞した燃料電池１０がない場合には、ステップＳ１３０〜Ｓ１５５を実行しないので、制御ユニット２０の処理負荷を低減させることができる。
【００９０】
また、電気浸透水量及び逆拡散水量をそれぞれ求めて、これらの水量に基づきカソード流入水量を求めているので、カソード流入水量を推定する構成に比べて、正確にカソード流入水量を求めることができる。したがって、カソード側触媒層１３ｃと電解質膜１２との間に水が滞留しないようなカソード流入水量の制御を正確に行うことができる。
【００９１】
また、低下後の電流値がしきい電流値Ｉｔｈよりも上回るように、電流値（要求電流値）を低下させるので、燃料電池スタック１１０の発電性能の極端な低下を抑制することができる。
【００９２】
Ｂ．第２実施例：
図９は、第２実施例における始動処理の手順を示すフローチャートである。第２実施例の燃料電池システム１００は、始動処理においてステップＳ１５２を追加した点と、ステップＳ１５５に代えてステップＳ１５５ａを実行する点とにおいて、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は第１実施例と同じである。
【００９３】
図９に示すステップＳ１５０の結果、起動後期間ｔｎが限界期間ｔＬに達している場合（ｔｎ≧ｔＬ）、動作条件決定部２１２は、しきい電流値（Ｉｔｈ）を算出する（ステップＳ１５２）。しきい電流値（Ｉｔｈ）は、図８に示すしきい電流値Ｉｔｈと同じである。しきい電流値（Ｉｔｈ）の算出は、電気浸透水量（Ｑｅ）と逆拡散水量（Ｑｉ）とが等しいことを意味する下記式１０により電流密度（ｉ）を求め、得られた電流密度（ｉ）に電解質膜１２の積層面の面積を掛け合わせて算出することができる。
【００９４】
【数１０】
2011113774.tif 000012
【００９５】
しきい電流値（Ｉｔｈ）を算出した後、動作条件決定部２１２は、電流値を、しきい電流値（Ｉｔｈ）以下に低下させる（ステップＳ１５５ａ）。
【００９６】
図１０は、第２実施例における動作点の変化を示す説明図である。図１０における横軸及び縦軸は、図８と同じである。第２の実施例では、動作点が動作点Ｐ２にあると、ｔｎ≧ｔＬを満たすので、ステップＳ１５２が実行され、しきい電流値Ｉｔｈが求められる。その後、電流値がＩ５（＜Ｉｔｈ）に低下され、動作点は、領域Ａ３内の動作点Ｐ３ａに移ることとなる。前述のように、領域Ａ３は、起動後期間の長さに関わらず、カソード流入水量が細孔合計体積を超えない状態（領域）を示している。したがって、その後、カソード流入水が細孔から溢れて、カソード側触媒層１３ｃと電解質膜１２との間に滞留することを抑制できる。
【００９７】
以上の構成を有する第２実施例の燃料電池システム１００は、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、ステップＳ１５５ａは１回のみ実行されるので、低下後の電流値を求める処理を繰り返し実行せずに済み、制御ユニット２０の処理負荷を低減させることができる。
【００９８】
Ｃ．第３実施例：
図１１は、第３実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図１２は、第３実施例における始動処理の手順を示すフローチャートである。図１３は、第３実施例におけるカソード流入水量算出処理の手順を示すフローチャートである。第３実施例の燃料電池システム１００ａは、メモリ２２０ａがカソード流入水量テーブル格納部２２５を備えている点と、始動処理においてステップＳ１２７を追加する点と、カソード流入量算出処理においてカソード流入水量テーブルに基づきカソード流入水量を求める点とにおいて、第１実施例の燃料電池システム１００と異なり、他の構成は、第１実施例と同じである。
【００９９】
図１４は、図１１に示すカソード流入水量テーブル格納部２２５に格納されているカソード流入水量テーブルを模式的に示す説明図である。図１４において、横軸は膜含水量差（Δλ）を示し、縦軸はカソード流入水量（Ｑｃ）を示す。膜含水量差とは、始動処理開始直後の膜含水量と、始動処理開始後の任意の時刻における膜含水量との差を意味する。カソード流入水量テーブルは、膜含水量（λ）の差とカソード流入水量（Ｑｃ）とを対応付けたテーブルである。図１４では、カソード流入水量テーブルＬ３０を曲線として（連続的な値が設定されているとして）表わしているが、離散的な値に設定することもできる。
【０１００】
一般に、電解質膜１２が多湿であるほど、膜含水量（λ）は大きくなる。したがって、燃料電池システム１００の起動により、電解質膜１２が乾燥状態から湿潤状態に変化するのにしたがって膜含水量（λ）は増加する。このとき、電解質膜１２が乾燥状態から湿潤状態に変化するのに伴い、カソード流入水量（合計水量）も増加する。したがって、図１４に示すように、膜含水量の差が大きいほど、カソード流入水量も多くなる。なお、膜含水量差とカソード流入水量との対応関係は、予め実験により求めておき、カソード流入水量テーブルとしてカソード流入水量テーブル格納部２２５に格納しておくことができる。
【０１０１】
図１２に示すように、ステップＳ１２５において、燃料電池１０の膜抵抗を測定した後、動作条件決定部２１２は、得られた膜抵抗値に基づき膜含水量テーブルを参照して、初期状態における膜含水量（λ０）を取得して、メモリ２２０ａに記憶させる（ステップＳ１２７）。なお、このステップＳ１２７の処理は、始動処理開始直後の１回のみ実行し、その後は省略される。
【０１０２】
図１３に示すように、カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ１２５において膜抵抗を測定した燃料電池１０について、膜抵抗値を再度測定して膜抵抗値（Ｒ１）をメモリ２２０ａに記憶させる（ステップＳ３０５）。カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ１２５において取得された初期状態の膜抵抗値（Ｒ０）と、ステップＳ３０５において取得された膜抵抗値（Ｒ１）とに基づき、膜含水量テーブルを参照して、それぞれの膜抵抗値に対応する膜含水量（λ０，λ１）を取得する（ステップＳ３１０）。カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ３１０において得られた２つの膜含水量（λ０，λ１）の差（Δλ）を求める（ステップＳ３１５）。
【０１０３】
図１５は、第３実施例のステップＳ３１５において、膜含水量差（Δλ）の求め方を示す説明図である。図１５において、横軸，縦軸，及びテーブルＬ１，Ｌ２は、図３と同じである。
【０１０４】
図１５に示すように、ステップＳ１２５において取得された初期状態の膜抵抗値（Ｒ０）に対応する膜含水量として、テーブルＬ１を参照することにより、膜含水量λ０が求められる。その後、燃料電池システム１００の起動により電解質膜１２の湿度が増して膜抵抗値が低下した状態で、ステップＳ３０５において膜抵抗値Ｒ１が測定されると、膜抵抗値Ｒ１に対応する膜含水量として、膜含水量λ０よりも大きな値の膜含水量λ１が求められる。したがって、ステップＳ３１５では、膜含水量λ１から膜含水量λ０を減ずることにより、膜含水量差Δλ１が求められる。
【０１０５】
膜含水量差（Δλ）を取得すると、カソード流入水量決定部２１１は、ステップＳ３１５において得られた膜含水量差（Δλ）に基づき、カソード流入量テーブルを参照して、カソード流入量（Ｑｃ）を求める（ステップＳ３２０）。図１４に示すように、膜含水量差Δλ１が得られた場合、この膜含水量差Δλ１に基づきテーブルＬ３０を参照することにより、カソード流入水量Ｑ１を求めることができる。
【０１０６】
以上の構成を有する第３実施例の燃料電池システム１００ａは、第１実施例の燃料電池システム１００と同様な効果を有する。加えて、カソード流入水量（Ｑｃ）を、膜抵抗値の変化から得られる膜含水量差に基づき、カソード流入水量テーブルを参照することにより求めるので、カソード流入水量を求めるための演算が不要となり、制御ユニット２０の処理負荷を軽減することができる。
【０１０７】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、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。
【０１０８】
Ｄ１．変形例１：
カソード流入水量を得るために、第１，２実施例では、電気浸透水量（Ｑｅ）及び逆拡散水量（Ｑｉ）をそれぞれ算出して、これらに基づきカソード流入水量を算出していた。また、第３の実施例では、膜抵抗値の変化から膜含水量差を求め、この膜含水量差に基づきカソード流入水量テーブルを参照してカソード流入水量を得ていた。しかしながら、本発明は、これらの例に限定されるものではない。例えば、電解質膜１２の寸法の変化に基づき、カソード流入水量を得ることもできる。
【０１０９】
電解質膜１２からカソード側触媒層１３ｃに水が移動するのに従って、電解質膜１２の体積（寸法）は小さくなる。そこで、電解質膜１２の寸法とカソード流入水量との対応関係を、予め実験により求めてテーブルとしてメモリ２２０，２２０ａに格納しておき、電解質膜１２の寸法を測定して、得られた寸法に基づきテーブルを参照してカソード流入水量を求めることもできる。電解質膜１２の寸法は、例えば、ひずみゲージ用いて各燃料電池１０の寸法の変化を測定し、得られた寸法変化に基づき求めることができる。
【０１１０】
また、例えば、カソード側触媒層１３ｃで発生した水素量に基づき、カソード流入水量を求めることもできる。上記式５に示すように、プロトンの移動量が増えるほど、カソード側触媒層１３ｃにおいて生成される水素量も増える。また、プロトンの移動量が増えるほど、電気浸透水量（Ｑｅ）も増える。したがって、カソード側触媒層１３ｃにおいて生成される水素量が増えるほど、カソード流入水量は増える。そこで、生成される水素量とカソード流入水量との対応関係を、予め実験により求めてテーブルとしてメモリ２２０，２２０ａに格納しておき、生成された水素量を測定して、得られた水素量に基づきテーブルを参照してカソード流入水量を求めることもできる。水素量は、例えば、酸化剤ガス排出路９２に水素量を検知するセンサを設け、かかるセンサを用いて測定することもできる。
【０１１１】
Ｄ２．変形例２：
各実施例では、閉塞状態の燃料電池１０の有無を判定するために、電圧測定部７３を用いて、各燃料電池１０の電圧値を測定していたが、本発明は、これに限定されるものではない。具体的には、例えば、以下の構成を採用することができる。電圧測定部７３に代えて、隣接する複数の燃料電池１０（以下、「燃料電池群」と呼ぶ）の電圧を測定可能な電圧測定部を配置し、燃料電池スタック１１０を同じ数の燃料電池から成る複数の燃料電池群に分けて、各燃料電池群の電圧を測定する。そして、いずれかの燃料電池群の電圧が、他の燃料電池群の電圧に比べて、所定量だけ低い場合には、かかる燃料電池群に閉塞状態の燃料電池１０が含まれていると判定することもできる。このような構成により、各燃料電池１０について閉塞状態であるか否かを判定する必要がないので、閉塞状態の燃料電池１０の有無を短時間で判定することができる。
【０１１２】
Ｄ３．変形例３：
各実施例では、始動処理において、いずれかの燃料電池１０が閉塞状態にあるか否かを、燃料電池１０の電圧が０Ｖよりも低い値となっているか否かにより判定していたが、０Ｖに代えて、任意の電圧値を採用することもできる。例えば、電圧が０．５Ｖよりも低い場合に、燃料電池１０が閉塞状態であると判定することもできる。また、始動処理において、ステップＳ１１５，１２０（電圧値の取得，及び電圧値による閉塞状態の有無の判定）を省略することもできる。具体的には、燃料電池スタック１１０の温度が０℃よりも低い場合には、閉塞状態の燃料電池１０が存在するという想定の下、各燃料電池１０の電圧の測定（ステップＳ１１５）及び閉塞状態の燃料電池１０の有無の判定（ステップＳ１２０）を省略することもできる。このような構成により、始動処理をシンプルにでき、制御ユニット２０の処理負担を軽減できると共に、電圧測定部７３を省略できるので、燃料電池システム１００の製造コストを低廉化できる。
【０１１３】
Ｄ４．変形例４：
第１，２実施例では、膜含水量（λ）を求める方法として、測定した膜抵抗値に基づき、膜含水量テーブルを参照していたが、これに代えて、膜含水量として予め定数を設定してメモリ２２０に格納しておき、かかる定数をメモリ２２０から読み出すことにより取得することもできる。たとえば、拡散係数テーブル及び電気浸透係数テーブルを参照する際に用いる膜含水量（λ）として、「８」を設定しておき、式７（両極の水濃度を求めるための式）において用いる膜含水量として、アノード側膜含水量として「２」を、カソード側膜含水量として「１４」を、それぞれ設定することもできる。このような構成により、カソード側触媒層１３ｃ及びアノード側触媒層１３ａの水濃度をそれぞれ求める際に、電解質膜１２における膜含水量（λ）に代えて、各極の特性（アノード側は乾燥状態であり、カソード側は湿潤状態である）を考慮した実測値に近い値を膜含水量として用いることができる。したがって、水濃度を、より正確に求めることができる。加えて、制御ユニット２０の処理負担を軽減できると共に、インピーダンス測定部７２を省略できるので、燃料電池システム１００の製造コストを低廉化できる。なお、定数として設定する膜含水量は、前述の値に限らず、任意の値を設定することができる。ただし、アノード側は乾燥状態にあり、カソード側は湿潤状態であるので、アノード側膜含水量がカソード側膜含水量よりも小さい範囲となるように、各極の膜含水量を設定することが好ましい。
【０１１４】
Ｄ５．変形例５：
第１，２実施例において、定数として予め定められていた値について、定数に代えて、変数とすることもできる。例えば、細孔合計体積（Ｖｃ）を、変数とすることもできる。カソード側触媒層１３ｃを構成するカーボン粒子は、酸化による経年劣化が起こり得る。具体的には、カーボン粒子（２次粒子）が、生成水により腐食されて互いに結着することにより、カーボン粒子間の空隙（すなわち、細孔）が消失し得る。そこで、細孔合計体積として、燃料電池システム１００の設置からの経過期間に応じて異なる値（経過期間が長いほど小さな値）を、予め設定しておき、ステップＳ１３５において、経過期間を取得し、取得した経過期間に応じた細孔合計体積を取得することもできる。
【０１１５】
図１６は、変形例５における限界期間ｔＬの第１の例を示す説明図である。図１６における横軸及び縦軸は、図８と同じである。前述のように、カソード側触媒層１３ｃにおけるカーボン粒子の酸化により細孔合計体積が次第に減少するので、同じ電流密度における限界期間ｔＬは、次第に短くなる。
【０１１６】
また、例えば、電解質膜１２の厚みΔｍｔを変数とすることもできる。電解質膜１２を構成するアイオノマの主鎖は、過酸化水素により次第に切断されてゆく。また、電解質膜１２には、各燃料電池１０を締結させるための圧縮力が常に加わっている。これらの化学的及び機械的な作用により、電解質膜１２の厚みは、運転期間の経過に従って次第に薄くなる。そこで、電解質膜１２の厚みΔｍｔとして、燃料電池システム１００の設置からの経過期間に応じて異なる値（経過期間が長いほど小さな値）を、予め設定しておき、ステップＳ２３５において、経過期間を取得し、取得した経過期間に応じた厚みΔｍｔを取得することもできる。
【０１１７】
図１７は、変形例５における限界期間ｔＬの第２の例を示す説明図である。図１７における横軸及び縦軸は、図８と同じである。電解質膜１２の厚みΔｍｔは、使用期間の経過に従って次第に小さくなる（薄くなる）ので、上記式８からも理解できるように、逆拡散水量Ｑｉは、次第に多くなる。それゆえ、カソード流入水量Ｑｃは次第に少なくなり、図１７に示すように同じ電流密度における限界期間ｔＬは、次第に長くなる。
【０１１８】
Ｄ６．変形例６：
第１，２実施例において、拡散係数テーブルは、図４に示すように、温度に応じて複数設定されていたが、温度に加えて、燃料電池システム１００の設置からの経過期間に応じて複数設定しておくこともできる。電解質膜１２には、運転期間の経過に従って、より多くの不純物が混入し得る。その結果、電解質膜１２における水の自己拡散係数（Ｄ）は、次第に減少することとなる。そこで、拡散係数テーブルとして、燃料電池システム１００の設置からの経過期間に応じて異なる拡散係数テーブルを予め設定しておき、ステップＳ２２５において、経過期間を取得し、取得した経過期間に応じた拡散係数テーブルを参照して自己拡散係数（Ｄ）を取得することもできる。この場合、自己拡散係数（Ｄ）が次第に小さくなるので、上記式８からも理解できるように、逆拡散水量Ｑｉは、次第に少なくなる。それゆえ、カソード流入水量Ｑｃは次第に多くなり、前述の図１６と同様に、同じ電流密度における限界期間ｔＬは、次第に短くなる。
【０１１９】
Ｄ７．変形例７：
各実施例において、ステップＳ１４５で取得する起動後期間は、燃料電池システム１００が起動してからの期間であったが、これに代えて、ステップＳ１２０において、いずれかの燃料電池１０において電圧が０よりも低いと判定してからの期間とすることもできる。このような構成により、燃料電池システム１００起動後において燃料電池１０が閉塞した場合に、閉塞が発生してからの正確な期間を求めることができるため、カソード流入水量を正確に求めることができる。
【０１２０】
Ｄ８．変形例８：
各実施例では、燃料電池スタック１１０の温度が０℃よりも低いか否かを判定し、０℃よりも低い場合に、ステップＳ１１５以降の処理を実行していたが、これに代えて、燃料電池スタック１１０の温度に関わらずステップＳ１１５以降の処理を実行することもできる。この場合、燃料電池スタック１１０の温度取得（ステップＳ１０５）及び判定（ステップＳ１１０）の各処理を省略することができる。燃料電池スタック１１０の温度が０℃以上であっても、０℃に近い低温環境下では、凍結していた残留水が溶解せずに凍結状態を維持している可能性もある。そこで、燃料電池スタック１１０の温度に関わらず、閉塞した燃料電池１０の有無により、ステップＳ１３０以降の処理を行うことで、閉塞した燃料電池１０が存在する場合に、確実にステップＳ１３０以降の処理を行うことができる。したがって、カソード側触媒層１３ｃの電解質膜１２からの剥離を確実に抑制することができる。なお、かかる構成では、例えば、燃料電池システム１００，１００ａの起動から所定の期間経過後に始動処理を終了し、通常運転に移行することもできる。
【０１２１】
Ｄ９．変形例９：
各実施例では、起動後期間ｔｎが限界期間ｔＬに達した後に、電流値を低下させていたが、これに代えて、起動後期間ｔｎが限界期間ｔＬに達する前に、電流値を低下させることもできる。例えば、起動後期間ｔｎが、限界期間ｔＬよりも所定期間だけオフセットした期間（時刻）に達した場合に、電流値を低下させることもできる。このような構成により、起動後期間ｔｎが限界期間ｔＬに達したことを判定してから、実際に電気浸透水量が減少するまでの時間差を縮めることができ、カソード流入水量が細孔合計体積を超えてしまうことを確実に抑制することができる。
【０１２２】
Ｄ１０．変形例１０：
各実施例では、燃料電池システム１００，１００ａは、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車，船舶，ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、移動体に搭載するのに代えて、定置型電源や携帯型電源として適用することもできる。
【０１２３】
Ｄ１１．変形例１１：
各実施例では、起動後期間ｔｎが限界期間ｔＬを超えた場合に、電流値を低下させていたが（ステップＳ１５５，Ｓ１５５ａ）、これに代えて、電流値を上げることもできる。例えば、電流値を上昇させた後の動作点が、少なくとも、図８に示す領域Ａ１内に存在するように電流値を上昇させる構成とすることができる。このような構成により、カソード流入水量が細孔合計体積を上回ることを抑制できると共に、燃料電池スタック１１０の発電性能を向上させることができる。
【０１２４】
Ｄ１２．変形例１２：
各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、各機能部を、さらに細かな機能部に分けて実現することもできる。例えば、カソード流入水量決定部２１１を、電気浸透水量を決定する電気浸透水量決定部と、逆拡散水量を決定する逆拡散水量決定部とを含むように構成することもできる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０…燃料電池、１２…電解質膜、１３ａ…アノード側触媒層、１３ｃ…カソード側触媒層、１４ａ…アノード側ガス拡散層、１４ｃ…カソード側ガス拡散層、１５ａ…アノード側セパレータ、１５ｃ…カソード側セパレータ、１７ａ…燃料ガス流路、１７ｃ…酸化剤ガス流路、１９…氷の層、２０…制御ユニット、３０…アクセルペダル、３２…アクセルポジションセンサー、４０…水素タンク、４１…電磁バルブ、４２…循環ポンプ、５０…エアコンプレッサー、６２…駆動用モーター、７１…電流測定部、７２…インピーダンス測定部、７３…電圧測定部、７４…温度測定部、９１…酸化剤ガス供給路、９２…酸化剤ガス排出路、９３…燃焼ガス供給路、９４…燃焼ガス排出路、１００，１００ａ…燃料電池システム、１１０…燃料電池スタック、１１１…ターミナルプレート、１１２…エンドプレート、２１０…ＣＰＵ、２１１…カソード流入水量決定部、２１２…動作条件決定部、２１３…電流調整部、２１４…閉塞燃料電池検知部、２１５…期間計測部、２１６…発電制御部、２２０，２２０ａ…メモリ、２２１…膜含水量テーブル格納部、２２２…拡散係数テーブル格納部、２２３…電気浸透係数テーブル格納部、２２４…定数格納部、２２５…カソード流入水量テーブル格納部、Ｗ１…電気浸透水、Ｗ２…逆拡散水、Ｘ…領域、Ｐ１〜Ｐ３，Ｐ３ａ…動作点、Ｌ１，Ｌ２…膜含水量テーブル、Ｌ１１，Ｌ１２…拡散係数テーブル、Ｌ２０…電気浸透係数テーブル、Ｌ３０…カソード流入水量テーブル、ｔＬ…限界期間、Ａ１〜Ａ２…領域、Ｉｔｈ…しきい電流値
【図１】
2011113774.tif 000016
【図２】
2011113774.tif 000017
【図３】
2011113774.tif 000018
【図４】
2011113774.tif 000019
【図５】
2011113774.tif 000020
【図６】
2011113774.tif 000021
【図７】
2011113774.tif 000022
【図８】
2011113774.tif 000023
【図９】
2011113774.tif 000024
【図１０】
2011113774.tif 000025
【図１１】
2011113774.tif 000026
【図１２】
2011113774.tif 000027
【図１３】
2011113774.tif 000028
【図１４】
2011113774.tif 000029
【図１５】
2011113774.tif 000030
【図１６】
2011113774.tif 000031
【図１７】
2011113774.tif 000032