(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスの供給を受けて発電する膜電極接合体と、  前記膜電極接合体の面内が、それぞれの領域内で発電環境が均一であるとみなせる複数の領域に分割されているものとして、それぞれの領域の特性を離散的に推定する特性推定手段と、を備え、 前記特性は、前記膜電極接合体内の電流密度と、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量とを含み、 前記特性推定手段は、 前記膜電極接合体内に生ずる電流密度と発電環境との関係を定義した電流密度マップ、並びに、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定義した水移動量マップを記憶するマップ記憶手段と、 前記電流密度及び前記水移動量を、特定の方向に沿って、前段領域の前記電流密度及び前記水移動量に基づいて、領域毎に順次推定する領域毎推定手段と、 全領域中の一部の特定領域に配置され、前記電流密度を実測するセンサと、を備え、 前記領域毎推定手段は、 １番目の領域における発電環境を予測する手段と、 前記電流密度マップ及び前記水移動量マップに処理対象領域の発電環境を当てはめて、当該領域の電流密度及び水移動量を算出する手段と、 当該領域の電流密度及び水移動量に基づいて、前記発電環境に生ずる変化量を算出する手段と、 当該領域の発電環境と前記変化量とに基づいて、当該領域の直後に続く後段領域の発電環境を推定する手段と、を備え、 前記特定領域では、前記センサによる実測値に基づいて、当該特定領域における電流密度を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスの供給を受けて発電する膜電極接合体と、 前記膜電極接合体の面内が、それぞれの領域内で発電環境が均一であるとみなせる複数の領域に分割されているものとして、それぞれの領域の特性を離散的に推定する特性推定手段と、を備え、 前記特性は、前記膜電極接合体内の電流密度と、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量とを含み、 前記特性推定手段は、 前記膜電極接合体内に生ずる電流密度と発電環境との関係を定義した電流密度マップ、並びに、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定義した水移動量マップを記憶するマップ記憶手段と、 前記電流密度及び前記水移動量を、特定の方向に沿って、前段領域の前記電流密度及び前記水移動量に基づいて、領域毎に順次推定する領域毎推定手段と、を備え、 前記領域毎推定手段は、 １番目の領域における発電環境を予測する手段と、 前記電流密度マップ及び前記水移動量マップに処理対象領域の発電環境を当てはめて、当該領域の電流密度及び水移動量を算出する手段と、 当該領域の電流密度及び水移動量に基づいて、前記発電環境に生ずる変化量を算出する手段と、 当該領域の発電環境と前記変化量とに基づいて、当該領域の直後に続く後段領域の発電環境を推定する手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
複数のサンプル領域の特性の組み合わせと、前記膜電極接合体の状態との関係を記憶した関係記憶手段と、
前記複数のサンプル領域の特性の実測値を前記関係に照らし合わせることにより、前記膜電極接合体の状態を診断するセル状態診断手段と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記複数の領域は、面積の異なる領域を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記複数の領域は、アノードガスの入口付近に比して、アノードガスの出口付近において面積が小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記複数の領域は、アノードガスの入口付近と出口付近において、膜電極接合体の中央付近に比して面積が小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに係り、特に、車載用のシステムとして好適な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開平９−８２３４８号公報には、膜電極接合体の面内を流れる電流の分布を、等電流密度線で示す方法が開示されている。膜電極接合体を効率的に稼働させるためには、膜電極接合体の稼働状態に関わる種々のパラメータが、その面内でどのような分布を示しているのかが精度良く検出できることが好ましい。上記公報に開示されるように、膜電極接合体の電流分布を等電流密度線で表すこととすれば、電流に関して、この要求を満たすことが可能である。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−８２３４８号公報
【特許文献２】特開平９−２５９９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、等電流密度線を得るためには、膜電極接合体の面内で、電流密度を連続的に得ることが必要である。このため、上記従来の方法で膜電極接合体面内のパラメータ分布を得ようとした場合、煩雑な演算を行うことが必要となる。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、膜電極接合体の面内における特性分布を、低い演算負荷で推定することのできる燃料電池システム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】
【０００６】  第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、  酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスの供給を受けて発電する膜電極接合体と、  前記膜電極接合体の面内が、それぞれの領域内で発電環境が均一であるとみなせる複数の領域に分割されているものとして、それぞれの領域の特性を離散的に推定する特性推定手段と、を備え、 前記特性は、前記膜電極接合体内の電流密度と、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量とを含み、 前記特性推定手段は、 前記膜電極接合体内に生ずる電流密度と発電環境との関係を定義した電流密度マップ、並びに、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定義した水移動量マップを記憶するマップ記憶手段と、 前記電流密度及び前記水移動量を、特定の方向に沿って、前段領域の前記電流密度及び前記水移動量に基づいて、領域毎に順次推定する領域毎推定手段と、 全領域中の一部の特定領域に配置され、前記電流密度を実測するセンサと、を備え、 前記領域毎推定手段は、 １番目の領域における発電環境を予測する手段と、 前記電流密度マップ及び前記水移動量マップに処理対象領域の発電環境を当てはめて、当該領域の電流密度及び水移動量を算出する手段と、 当該領域の電流密度及び水移動量に基づいて、前記発電環境に生ずる変化量を算出する手段と、 当該領域の発電環境と前記変化量とに基づいて、当該領域の直後に続く後段領域の発電環境を推定する手段と、を備え、 前記特定領域では、前記センサによる実測値に基づいて、当該特定領域における電流密度を補正することを特徴とする。【０００７】  また、第２の発明は、燃料電池システムであって、  酸素を含むカソードガスと水素を含むアノードガスの供給を受けて発電する膜電極接合体と、 前記膜電極接合体の面内が、それぞれの領域内で発電環境が均一であるとみなせる複数の領域に分割されているものとして、それぞれの領域の特性を離散的に推定する特性推定手段と、を備え、 前記特性は、前記膜電極接合体内の電流密度と、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量とを含み、 前記特性推定手段は、 前記膜電極接合体内に生ずる電流密度と発電環境との関係を定義した電流密度マップ、並びに、前記膜電極接合体のカソードからアノードへの水移動量と発電環境との関係を定義した水移動量マップを記憶するマップ記憶手段と、 前記電流密度及び前記水移動量を、特定の方向に沿って、前段領域の前記電流密度及び前記水移動量に基づいて、領域毎に順次推定する領域毎推定手段と、を備え、 前記領域毎推定手段は、 １番目の領域における発電環境を予測する手段と、 前記電流密度マップ及び前記水移動量マップに処理対象領域の発電環境を当てはめて、当該領域の電流密度及び水移動量を算出する手段と、 当該領域の電流密度及び水移動量に基づいて、前記発電環境に生ずる変化量を算出する手段と、 当該領域の発電環境と前記変化量とに基づいて、当該領域の直後に続く後段領域の発電環境を推定する手段と、を備えることを特徴とする。【０００８】
また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
複数のサンプル領域の特性の組み合わせと、前記膜電極接合体の状態との関係を記憶した関係記憶手段と、
前記複数のサンプル領域の特性の実測値を前記関係に照らし合わせることにより、前記膜電極接合体の状態を診断するセル状態診断手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、前記複数の領域は、面積の異なる領域を含むことを特徴とする。
【００１０】
また、第５の発明は、第４の発明において、前記複数の領域は、アノードガスの入口付近に比して、アノードガスの出口付近において面積が小さくなるように設定されていることを特徴とする。
【００１１】
また、第６の発明は、第４の発明において、前記複数の領域は、アノードガスの入口付近と出口付近において、膜電極接合体の中央付近に比して面積が小さくなるように設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、膜電極接合体の面内に含まれる複数の領域のそれぞれにつき、離散的に特性を推定することにより、膜電極接合体の面内の特性分布を、軽度の演算負荷で取得することができる。
【００１３】
第２の発明によれば、前段の領域の特性を基礎として順次推定を進めることにより、膜電極接合体の面内全域における特性分布を取得することができる。また、推定の過程で、特定領域においては、特定パラメータの推定値に、その実測値を反映させることができる。このため、本発明によれば、特性分布の推定精度を高めることができる。
【００１４】
第３の発明によれば、複数のサンプル領域における特性の推定結果に基づいて、膜電極接合体の状態を精度良く診断することができる。
【００１５】
第４の発明によれば、複数の領域の面積を異ならせることにより、特性の推定密度を、膜電極接合体の面内において変化させることができる。
【００１６】
第５の発明によれば、アノードガスの入口付近に比して、アノードガスの出口付近において特性の推定密度を高めることができる。膜電極接合体の特性は、アノードガスの出口付近において大きく変化することがある。本発明によれば、そのような状況下で、膜電極接合体の面内全域における特性分布を、少ない演算負荷で精度良く取得することができる。
【００１７】
第６の発明によれば、アノードガスの入口付近と出口付近において、膜電極接合体の中央付近に比して推定密度を高めることができる。膜電極接合体の特性は、アノードガスの中央付近に比して、その入口付近及び出口付近において大きく変化することがある。本発明によれば、そのような状況下で、膜電極接合体の面内全域における特性分布を、少ない演算負荷で精度良く取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
特性分布の推定方法の第１例．
［システム構成］
以下、本発明の実施形態を説明するのに先立って、本発明の実施形態に適用が可能な特性分布の推定方法の例について説明する。
【００１９】
図１は、ここで説明する推定方法の例が適用可能なシステムの構成を示す。図１に示すシステムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、積層された複数の膜電極接合体１２を備えている。膜電極接合体１２は、図１の紙面奥行き方向に広がりを有する板状の構造物である。
【００２０】
膜電極接合体１２の内部には、電解質膜を挟んでアノードとカソードが形成されている。アノード側には、水素を含む燃料ガス（ここでは水素ガスとする）を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。また、カソード側には、酸素を含む酸化ガス（ここでは空気とする）を面内に流通させるためのガス流路が形成されている。更に、個々の膜電極接合体の境界には、冷却水を流通させるための冷却水通路が形成されている。燃料電池１０及び膜電極接合体１２の構成は公知であるため、ここでは、これ以上の説明は省略する。
【００２１】
燃料電池１０には、酸化ガス供給通路１４と酸化ガス排出通路１６が連通している。酸化ガス供給通路１４は、加湿器１８を介してコンプレッサ２０に連通している。コンプレッサ２０は、エアフィルタ２２を通して吸入した空気を、酸化ガス供給通路１４を介して燃料電池１０に供給することができる。
【００２２】
酸化ガス供給通路１４から燃料電池１０に供給された空気は、積層された複数の膜電極接合体１２のそれぞれが備えるカソード側のガス流路に分配される。このようにして分配された空気は、それぞれの膜電極接合体のカソード側の面内を伝って流れた後、酸化ガス排出通路１６から排出される。
【００２３】
燃料電池１０は、酸素と水素を反応させて発電を行うにあたり、カソード側において水を生成する。このため、酸化ガス排出通路１６から排出されるガスには、水分が含まれている。加湿器１８は、酸化ガス排出通路１６に含まれる水分を利用して、酸化ガス供給通路１４側の空気を加湿する機能を有している。このため、図１に示すシステムによれば、燃料電池１０のカソード側に、加湿空気を供給することができる。
【００２４】
燃料電池１０には、燃料ガス供給通路２４及び燃料ガス排出通路２６が連通している。燃料ガス供給通路２４には、調整バルブ２８を介して水素タンク３０が連通している。この構成によれば、調整バルブ２８の開度を調整することで、所望の圧力の水素ガスを燃料電池１０に供給することができる。
【００２５】
燃料電池１０に供給された水素ガスは、積層された複数の膜電極接合体１２のそれぞれが備えるアノード側のガス流路に分配される。アノード側に供給された水素ガスは、それぞれの膜電極接合体の面内を伝って流れた後、燃料ガス排出通路２６から排出される。
【００２６】
図１に示すシステムにおいて、膜電極接合体１２は、コフロー流路を有している。すなわち、膜電極接合体１２のカソード側ガス流路と、アノード側ガス流路は、それぞれ、同じ方向に反応ガスを流通させるように設けられている。より具体的には、このシステムが備える膜電極接合体１２は、図１に示す状態において、アノード側の燃料ガス、及びカソード側の酸化ガスを、何れも紙面の上方から下方に向けて流通させるように構成されている。
【００２７】
燃料電池１０には、更に、冷却水供給通路３２と、冷却水排出通路３４とが連通している。冷却水供給通路３２から流入した冷却水は、個々の膜電極接合体１２の境界を流れた後、冷却水排出通路３４から排出される。燃料電池１０の温度は、この冷却水により、例えば８０℃程度に制御される。
【００２８】
図１に示すシステムは、酸化ガス供給通路１４に、圧力計３６及び露点計３８を備えている。また、酸化ガス排出通路１６には、圧力計４０が配置されている。前者の圧力計３６及び露点計３８によれば、膜電極接合体１２のカソード側入口における圧力及び湿度を検知することができる。後者の圧力計４０によれば、膜電極接合体１２のカソード側出口における圧力を検知することができる。
【００２９】
このシステムは、更に、燃料ガス供給通路２４に配置された圧力計４２及び露点計４４、燃料ガス排出通路２６に配置された圧力計４６、及び、冷却水排出通路３４に配置された温度計４８を備えている。これらの計器によれば、膜電極接合体１２のアノード側入口における圧力及び湿度、アノード側出口における圧力、及び、膜電極接合体１２の温度を検知することができる。
【００３０】
圧力計３６，４０，４２，４６、露点計３８，４４、及び温度計４８の出力は、ECU（Electronic Control Unit）５０に供給されている。ECU５０は、それらの計器の出力により、膜電極接合体１２の圧力及び温度に関する環境を検知することができる。
【００３１】
［ECU内のマップ］
図１に示すシステムでは、燃料電池１０が備える個々の膜電極接合体１２の発電分布を正確に予測することができる。ECU５０は、この機能を実現するために、図２乃至図４に示す複数のマップを記憶している。
【００３２】
図２は、電流密度Iのマップを示す。膜電極接合体１２は、その面内において、発電環境に応じた電流密度Iで発電を行う。図２は、膜電極接合体１２を取りまく発電環境と、膜電極接合体１２が発生する電流密度Iとの関係を定義したマップを示す。
【００３３】
膜電極接合体１２の発電状態は、以下に説明する複数のパラメータにより決定される。ここでは、それらのパラメータを総称して「発電環境」と称することとする。
１．アノードを流れる燃料ガスの相対湿度An_RH
２．カソードを流れる酸化ガスの相対湿度Ca_RH
３．アノードの圧力P_An
４．カソードの圧力P_Ca
５．アノードを流れる燃料ガス中の水素濃度
６．カソードを流れる酸化ガス中の酸素濃度
７．膜電極接合体１２の温度
但し、「相対湿度」は、（蒸気圧）／（飽和蒸気圧）×１００である。
【００３４】
上記７つのパラメータのうち、アノードの圧力P_An（３）と、カソードの圧力P_Ca（４）とは、ほぼ同じ圧力である。加えて、前者が発電状態に与える影響は、後者による影響に比して十分に小さい。このため、ここでは、アノード圧力P_An（３）の影響は無視することとする。また、上記のパラメータのうち、水素濃度（５）は、位置によらずほぼ１００％であり、膜電極接合体１２の温度（７）は、位置によらずほぼ冷却水温と同じである。このため、ここでは、水素濃度（５）と温度（７）も一定値として取り扱うこととする。
【００３５】
図２は、残る４つのパラメータで決まる発電環境と、電流密度Iとの関係を定義している。より具体的には、図２（Ａ）は、カソード圧力P_Ca（４）が１４０Kpaである場合に発生する電流密度Iを、アノード相対湿度An_RH（１）、カソード相対湿度Ca_RH（２）、及び酸素濃度（６）との関係で定義したマップである。また、図２（Ｂ）は、カソード圧力P_Ca（４）が２００Kpaである場合に発生する電流密度Iを、アノード相対湿度An_RH（１）、カソード相対湿度Ca_RH（２）、及び酸素濃度（６）との関係で定義したマップである。
【００３６】
図３は、図２の場合と同様の規則に従って、膜電極接合体１２の抵抗値Rと発電環境との関係を定義したマップである。また、図４は、同様の規則に従って、膜電極接合体１２のカソードからアノードへの水移動量H2O_mと発電環境との関係を定義したマップである。ECU５０は、膜電極接合体１２の発電環境が特定されると、これらのマップを参照することにより、その発電環境下で発生する電流密度I、抵抗値R、及び水移動量H2O_mを予測することができる。
【００３７】
［マップの作成方法］
次に、図５を参照して、図２乃至図４に示すマップの作成方法について説明する。図１に示す膜電極接合体１２は、酸化ガスが流入してくる箇所と流出する箇所との間に十分に長い距離を有している。燃料ガスの流入経路についても同様である。このため、酸化ガスの圧力、及び燃料ガスの圧力は、膜電極接合体１２の面内において一定にはならない。
【００３８】
また、膜電極接合体１２は、発電に伴い、カソード側において水を生成する。生成された水は、酸化ガスの流れに伴って下流側に流される。このため、カソード側の水量は、膜電極接合体１２の面内において均一にはならない。その結果、カソード側の相対湿度Ca_RHには、ガスの流れに沿った分布が生ずる。
【００３９】
膜電極接合体１２のアノード側には、上述した通り、カソード側から水が移動してくる。このようにして移動してきた水は、燃料ガスの流れにより、その下流側に流される。このため、アノード側においても、水の量は面内で均一にはならない。その結果、アノード側の相対湿度An_RHにも、ガスの流れに沿った分布が生ずる。
【００４０】
更に、膜電極接合体１２は、カソードに供給される空気中の酸素を消費することで発電を行う。このため、カソードの面内における酸素濃度は、空気の入口に近いほど高くなり、空気の出口に近づくに連れて低くなる。このように、膜電極接合体１２においては、カソード側の酸素濃度にも、面内に分布が発生する。
【００４１】
図２乃至図４に示すマップを作成するにあたっては、発電環境を特定して、その結果生ずる結果を測定することが必要である。これらのマップを作成するにあたって特定するべき発電環境のうち、温度T及び圧力P_Caは、膜電極接合体１２の全面において比較的容易に均一化することができる。しかしながら、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度は、上述したように、膜電極接合体１２の全面において均一にすることは難しい。このため、フルサイズの膜電極接合体１２を用いた場合、発電環境を特定することが困難となる。そこで、ここでは、サイズを除いて膜電極接合体１２と同じ構造を有する膜電極接合体小片を作成し、この小片を用いて上記マップを作成することとした。
【００４２】
図５は、膜電極接合体小片６０を用いて、特定の発電環境下での発電状態を測定するためのシステムの図である。膜電極接合体小片６０は、電解質膜の両側に、カソード側のガス流路と、アノード側のガス流路とを、コフロー流路の関係で備えている。膜電極接合体小片６０は、それらのガス流路の入口から出口までの発電環境、具体的には、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、酸素濃度、及び圧力が均一であるとみなせる程度の大きさを有している。ここでは、上記の観点から、膜電極接合体６０のサイズを１cm×１cmとしている。
【００４３】
図５に示すシステムは、膜電極接合体小片６０のカソード側に連通する酸化ガス供給通路６２及び酸化ガス排出通路６４を備えている。酸化ガス供給通路６２には、コンプレッサ６６が連通している。コンプレッサ６６は、エアフィルタ６８を介して吸入した空気を膜電極接合体小片６０に向けて供給することができる。
【００４４】
酸化ガス供給通路６２には、調整バルブ７２を介して窒素タンク７２が連通している。窒素タンク７２は、調整バルブ７２の開度に応じた量の窒素を酸化ガス供給通路６２に供給することができる。
【００４５】
酸化ガス供給通路６２は、バブラー７４を備えている。バブラー７４は、ヒータ７６と温度計７８とを内蔵した加湿器である。バブラー７４によれば、設定温度における水蒸気の飽和状態を作り出すことができる。例えば、設定温度が４０℃であれば、膜電極接合体小片６０に流れ込む酸化ガスを４０℃における飽和状態になるように加湿することができる。
【００４６】
バブラー７４の下流には、圧力計８０と、ヒータ８２が配置されている。膜電極接合体小片６０は、上述した通り、その内部における圧力の分布が無視できる大きさとされている。このため、圧力計８０の計測値は、膜電極接合体小片６０のカソードにおける圧力P_Ca（均一値）として取り扱うことができる。
【００４７】
ヒータ８２は、膜電極接合体小片６０の前段での結露を防止するために設けられている。このような構成によれば、バブラー７４で加湿された酸化ガスを、そのままの湿度で膜電極接合体小片６０に供給することができる。従って、図５に示すシステムによれば、膜電極接合体小片６０に供給する酸化ガスの湿度を、極めて精度良く制御することができる。
【００４８】
膜電極接合体小片６０のカソードに供給された酸化ガスは、酸化ガス排出通路６４から流出する。酸化ガス排出通路６４には、露点計８４が設けられている。露点計８４によれば、膜電極接合体小片６０から流出してくる酸化ガスの湿度を正確に測定することができる。
【００４９】
図５に示すシステムは、膜電極接合体小片６０のアノード側に連通する燃料ガス供給通路８６及び燃料ガス排出通路８８を備えている。燃料ガス供給通路８６には、調整バルブ９０を介して水素タンク９２が連通している。この構成によれば、調整バルブ９０の開度を制御することで、所望の圧力で水素ガスを膜電極接合体小片６０に供給することができる。
【００５０】
燃料ガス供給通路８６は、調整バルブ９０の下流に、バブラー９４を備えている。バブラー９４は、カソード側のバブラー７４と同様に、ヒータ９６及び温度計９８を備えており、設定温度下での飽和状態が形成されるように燃料ガスを加湿することができる。
【００５１】
バブラー９４の下流には、圧力計１００と、ヒータ１０２が配置されている。圧力計１００の計測値は、膜電極接合体小片６０のアノードにおける圧力P_An（均一値）として取り扱うことができる。また、ヒータ１０２によれば、膜電極接合体小片６０の前段での結露を防止することができる。このような構成によれば、膜電極接合体小片６０のアノードに流入する燃料ガスの湿度を、極めて精度良く制御することができる。
【００５２】
膜電極接合体小片６０のアノードに供給された燃料ガスは、燃料ガス排出通路８８から流出する。燃料ガス排出通路８８には、露点計１０４が設けられている。露点計１０４によれば、膜電極接合体小片６０から流出してくる燃料ガスの湿度を正確に測定することができる。
【００５３】
膜電極接合体小片６０には、冷却水供給通路１０６及び冷却水排出通路１０８が連通している。冷却水排出通路１０８には、温度計１１０が設けられている。図５に示すシステムは、温度計１１０の計測値をフィードバックすることにより、膜電極接合体小片６０を流れる冷却水の温度を正確に制御することができる。また、このシステムにおいては、その冷却水の温度を、膜電極接合体小片６０の温度として取り扱うことができる。
【００５４】
図５に示すシステムは、更に、膜電極接合体小片６０のアノード側電極とカソード側電極とを結ぶ測定回路１１２を備えている。測定回路１１２は、電流計１１４と可変抵抗１１６を備えている。この構成によれば、可変抵抗１１６を調整することで、アノード電極とカソード電極との間に生ずる電位差を所望の値（例えば０．６V、或いは０．８V）に制御した状態で、膜電極接合体小片６０が発する電流量（電流密度I）を計測することができる。
【００５５】
上述した通り、図２乃至図４に示すマップを作成するためには、膜電極接合体を取りまく発電環境を特定することが必要である。具体的には、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH、カソード圧力P_Ca、水素濃度、酸素濃度、及び温度Tを特定することが必要である。
【００５６】
アノード相対湿度An_RH、及びカソード相対湿度Ca_RHは、それぞれ下記の演算式により求めることができる。
An_RH＝（燃料ガスの蒸気圧）／（温度Tにおける飽和水蒸気圧）×１００
・・・（１）
Ca_RH＝（酸化ガスの蒸気圧）／（温度Tにおける飽和水蒸気圧）×１００
・・・（２）
【００５７】
図５に示すシステムによれば、冷却水温が「温度T」であるから、その温度を決めることで、右辺第２項における「飽和水蒸気圧」を決めることができる。そして、このシステムによれば、バブラー７４，９４の温度を変化させることにより、（１）式の「燃料ガスの湿度」、並びに（２）式の「酸化ガスの湿度」を任意に変化させることができる。従って、図５に示すシステムによれば、膜電極接合体６０のアノード相対湿度An_RH及びカソード相対湿度Ca_RHを、正確かつ簡単に、任意の値に制御することができる。
【００５８】
また、図５に示すシステムによれば、コンプレッサ６６の運転状態を制御することで、カソード圧力P_Caを任意の値に制御することができる。更に、調整バルブ７０によって、酸化ガス供給通路６２に流れ込む窒素の量を調整することにより、膜電極接合体小片６０に流れ込む酸化ガス中の酸素濃度も正確に制御することができる。このように、図５に示すシステムによれば、図２乃至図４に示すマップを設定するにあたって特定するべき全てのパラメータを、容易かつ正確に設定することが可能である。
【００５９】
図１に示す膜電極接合体１２には、それぞれが目標（０．６V程度）の起電力を発生することが求められる。このため、図２乃至図４に示すマップは、膜電極接合体１２が目標の起電力を発生している状況下での「電流密度I」、「抵抗値R」、及び「水移動量H2O_m」を定義している必要がある。
【００６０】
図５に示すシステムでは、可変抵抗１１６を調整することにより、膜電極接合体小片６０の起電力を調整しながら、電流計１１４により電流密度Iを計測することができる。また、その際の電流と電圧との関係から、膜電極接合体小片６０の抵抗値Rを計算することができる。更に、カソードで生成される水量は、電流密度Iに比例するため、電流密度Iが判れば水生成量が計算できる。そして、カソードに流入する酸化ガスの湿度（つまり水量）と、カソードにおける生成水量と、カソードから流出する酸化ガスの湿度（つまり水量）とが判れば、膜電極接合体小片６０の内部でカソードからアノードに移動する水量H2O_mは計算することができる。
【００６１】
つまり、図５に示すシステムによれば、膜電極接合体小片６０を取りまく発電環境を適宜変更しながら、電流密度I及び抵抗値Rを計測し、また、水移動量H2O_mを算出することができる。このため、このシステムを用いれば、図２乃至図４に示すマップを、簡単な処理により、極めて正確に設定することが可能である。
【００６２】
［膜電極接合体の面内状態の予測］
図６は、図１に示す燃料電池１０が備える膜電極接合体１２の仮想的な分割方法を説明するための図である。より具体的には、図６（Ａ）は、膜電極接合体１２のアノード面を示す斜視図である。膜電極接合体１２の内部には、上述した通り、アノード側及びカソード側の双方に、燃料ガス又は酸化ガスを流通させるためのガス流路が形成されている。膜電極接合体１２は、それらのガス流路が、コフロー流路を形成するように、つまり、アノード側の燃料ガスと、カソード側の酸化ガスとが、膜電極接合体１２の一端から他端へ、同じ方向（図６（Ａ）中に矢印で示す方向）に進むように構成されている。
【００６３】
図６（Ｂ）は、膜電極接合体１２の一部を帯状に切り出した部分（以下、「帯状部分１２０」と称す）を示す。膜電極接合体１２は、仮想的には、この帯状部分１２０が縦方向に複数連なって構成されたものとみなすことができる。帯状部分１２０において、カソード側の酸化ガス、及びアノード側の燃料ガスは、図６（Ｂ）中に矢印で示すように、長手方向に向かって互いに平行に流通する。
【００６４】
帯状部分１２０は、図６（Ｂ）に示すように、反応ガスの流れ方向に並んだｓ個の小領域で構成されているとみなすことができる。ここでは、これらの小領域は、図５に示す膜電極接合体小片６０と同様に、１cm×１cmの大きさを有しているものとする。
【００６５】
膜電極接合体１２を、図６（Ｂ）に示す小領域に分解して考えた場合、個々の小領域においては、発電環境が均一であるとみなすことができる。また、この場合、n-1番目の小領域（以下、「n-1領域」と称す）における発電環境が判れば、その領域における発電状態を予測することができる。そして、n-1領域における発電環境と発電状態が判れば、ｎ領域における発電環境が予測できる。このため、膜電極接合体１２を図６（Ｂ）に示すような小領域に区分して考えると、１番目の小領域における発電環境が判れば、以後、順番に、ｓ領域に至るまで、個々の小領域における発電環境と発電状態とを予測することが可能である。
【００６６】
図７は、n-1領域における発電環境を基礎として、n領域における発電環境を予測する手順を説明するための図である。n-1領域のカソードには、n-2領域のカソードから酸化ガスが流入し、また、n-2領域のカソードに存在する水が流入する。ここでは、n-2領域から流入する酸素量O2(n-1)及び水量H2O_Ca(n-1)が既知であるものとする（符号１２２参照）。
【００６７】
カソード相対湿度Ca_RHは、カソード圧力P_Ca、カソード水量H2O_Ca、酸化ガス量（窒素量N2＋酸素量O2）から次式によって算出することができる。
Ca_RH＝[P_Ca×H2O_Ca／{(N2＋O2)＋H2O_Ca}]／（飽和水蒸気圧）×１００
・・・（３）
【００６８】
上記（３）式右辺に含まれる全てのパラメータは、下記の通り、n-1領域において特定することが可能である。従って、n-1領域のカソード相対湿度Ca_RHは、上記（３）式を用いることにより算出することができる（符号１２４参照）。
・カソード圧力P_Ca(n-1)は、膜電極接合体１２のカソード側入口及び出口における圧力計３６，４０の測定値から比例計算による求めることができる（符号１２５参照）。
・水量H2O_Ca(n-1)は、上記の通り既知である。
・N2は、流通過程で一定とみなせるため膜電極接合体１２に流入する空気流量から算出することができる。
・酸素量O2(n-1)は、上記の通り既知である。
・飽和水蒸気圧は、温度計４８により検知される温度Tから特定することができる。
【００６９】
酸化ガス中の酸素濃度は、窒素量N2及び酸素量O2から、次式に従って算出することができる。
酸素濃度＝O2／(N2＋O2)              ・・・（４）
従って、n-1領域における酸素濃度（O2濃度(n-1)）は、膜電極接合体１２に流入する窒素量N2と、n-2領域から流入してくる酸素量O2(n-1)から算出することができる（符号１２６参照）。
【００７０】
n-1領域のアノードには、n-2領域のアノードから燃料ガスが流入し、また、n-2領域のアノードに存在する水が流入する。ここでは、n-2領域から流入してくる水素量H2(n-1)及び水量H2O_An(n-1)が既知であるものとする（符号１２８参照）。
【００７１】
アノード相対湿度An_RHは、アノード圧力P_An、アノード水量H2O_An、水素量H2から次式によって算出することができる。
An_RH＝{P_An×H2O_An／(H2＋H2O_An)}／（飽和水蒸気圧）×１００
・・・（５）
【００７２】
上記（５）式右辺に含まれる全てのパラメータは、下記の通り、n-1領域において特定することが可能である。従って、n-1領域のアノード相対湿度Ca_Anは、上記（５）式を用いることにより算出することができる（符号１３０参照）。
・アノード圧力P_An(n-1)は、膜電極接合体１２のアノード側入口及び出口における圧力計４２，４６の測定値から比例計算により求めることができる（符号１３１参照）。
・水量H2O_An(n-1)、及び水素量H2(n-1)は、上記の通り既知である。
・飽和水蒸気圧は、温度計４８により検知される温度Tから特定することができる。
【００７３】
アノード相対湿度An_RH(n-1)（１３０）、カソード相対湿度Ca_RH(n-1)（１２４）、及びO2濃度(n-1)（１２６）が判ると、図２（Ａ）に示すマップから、カソード圧力P_Ca＝１４０kPaの下での電流密度Iを読み出すことができる。また、図２（Ｂ）に示すマップから、カソード圧力P_Ca＝２００kPaの下での電流密度Iを読み出すことができる。
【００７４】
他方、n-1領域におけるカソード圧力P_Ca(n-1)は、上述した通り、圧力計３６，４０の計測値を用いた比例計算により求めることができる。電流密度Iは、カソード圧力P_Caに対して比例的な関係を示すため、n-1領域の電流密度I(n-1)は、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すマップからそれぞれ読み出した電流密度Iに基づいて、比例計算により算出することができる（符号１３２参照）。
【００７５】
同様に、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すマップを参照することで、n-1領域における抵抗値Rを算出することができる（符号１３４参照）。更に、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すマップを参照することで、n-1領域における水移動量H2O_mを算出することができる（符号１３６参照）。
【００７６】
膜電極接合体１２のカソード側では、電流密度Iに応じた量の酸素が消費される。この酸素消費量O2_offは、次式により算出することができる。但し、次式におけるFはファラデー定数である。
O2_off＝I／４／F×２２．４×６０        ・・・（６）
【００７７】
従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域におけるカソード側の酸素消費量O2_0ff(n-1)を求めることができる（符号１３８参照）。そして、n-1領域から流出してn領域に流入する酸素量O2(n)は、n-1領域に流入してくる酸素量O2(n-1)から、n-1領域で消費される酸素量O2_off(n-1)を減じた量となるから、次式により求めることができる（符号１４０参照）。
O2(n)＝O2(n-1)−O2_off(n-1)            ・・・（７）
【００７８】
また、膜電極接合体１２のカソード側では、電流密度Iに応じた量の水が生成される。この生成水量H2Oは、次式により算出することができる。
H2O＝I／２／F×２２．４×６０          ・・・（８）
【００７９】
従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域のカソードで生成される水量H2O (n-1)を求めることができる（符号１４２参照）。そして、n-1領域から流出してｎ領域のカソードに流入する水の量H2O_Ca(n)は、n-1領域に流入してくる水量H2O_Ca(n-1)とn-1領域で生成される水量H2O(n-1)との和から、n-1領域においてカソードからアノードに移動する水量H2O_m(n-1)を減じた量であるから、次式により求めることができる（符号１４４参照）。
H2O_Ca(n)＝H2O_Ca(n-1)＋H2O(n-1)−H2O_m(n-1)        ・・・（９）
【００８０】
次に、アノード側の発電状態の予測について説明する。すなわち、膜電極接合体１２のアノード側では、電流密度Iに応じた量の水素が消費される。この水素消費量H2_offは、次式により算出することができる。
H2_off＝I／２／F×２２．４×６０        ・・・（１０）
【００８１】
従って、n-1領域の電流密度I(n-1)が判れば、その領域におけるアノード側の水素消費量H2_0ff(n-1)を求めることができる（符号１４６参照）。そして、n-1領域から流出してn領域に流入する水素量H2(n)は、n-1領域に流入してくる水素量H2(n-1)から、n-1領域で消費される水素量H2_off(n-1)を減じた量となるから、次式により求めることができる（符号１４８参照）。
H2(n)＝H2(n-1)−H2_off(n-1)            ・・・（１１）
【００８２】
アノードの水量は、カソード側から移動してくる水量だけ増加する。このため、n-1領域から流出してｎ領域のアノードに流入する水の量H2O_An(n)は、n-1領域に流入してくる水量H2O_An(n-1)に、n-1領域における水移動H2O_m(n-1)を加えた量となる。この水量H2O_An(n)は、次式により求めることができる（符号１５０参照）。
H2O_An(n)＝H2O_An(n-1)＋H2O_m(n-1)      ・・・（１２）
【００８３】
以上説明した通り、上記の処理によれば、n-1領域の発電環境が判れば、この領域における発電状態を予測することができる。より具体的には、以下の値が判ればn-1領域における電流密度I(n-1)、抵抗値R(n-1)、及び水移動量H2０_mを算出することができる。
・n-1領域のカソードに流入する酸素量O2(n-1)、水量H2０_Ca(n-1)
・n-1領域のアノードに流入する水素量H2(n-1)、水量H2O_An(n-1)
・n-1領域のカソード圧力P_Ca、アノード圧P_An
【００８４】
また、n-1領域の発電環境に、上記の処理により予測される発電状態を反映させると、次段のｎ領域における発電環境を特定することができる。このため、以上の処理によれば、１番目の小領域における発電環境さえ特定できれば、ｓ領域に至るまで、個々の小領域における発電環境及び発電状態を、順次演算により求めることができる。
【００８５】
図１に示すシステムにおいて、１番目の領域のカソードに流入する酸素量O2(1)は、コンプレッサ２０によって圧送される空気の量に、空気中の酸素濃度（既知）を掛け合わせることで求めることができる。１番目の領域のカソードに流れ込む水量H2０_Ca(1)は、カソード側の露点計３８の出力に基づいて算出することができる。
【００８６】
また、１番目の領域のアノードに流入する水素量H2(1)は、調整バルブ２８の開度等に基づいて検知することができる。１番目の領域のアノードに流れ込む水量H2O_An(1)は、アノード側の露点計４４の出力に基づいて算出することができる。
【００８７】
更に、１番目の領域のカソード圧力P_Caは、カソード入口の圧力計３６の出力と、カソード出口の圧力計４０の出力とを基礎として比例計算を行うことで算出することができる。同様に、１番目の領域のアノード圧力P_Anは、アノード入口の圧力計４２の出力と、アノード出口の圧力計４６の出力とを基礎として比例計算を行うことで算出することができる。
【００８８】
このように、図１に示すシステムによれば、１番目の領域における発電状態を予測するために必要な全ての数値を取得することが可能である。従って，図１に示すシステムでは、膜電極接合体１２の１領域からs領域のそれぞれが、どのような発電環境の下で、どのような発電状態にあるのかを、演算により予測することができる。
【００８９】
[特性分布を推定するための具体的処理]
図８は、上記の処理を実現するためにECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。図８に示すルーチンでは、先ず、領域番号ｎに１がセットされる（ステップ１６０）。
【００９０】
次に、領域ｎのカソード状態量が算出される（ステップ１６２）。具体的には、ｎ＝１の領域を対象として、カソードに流入する酸素量O2(n)及び水量H2０_Ca(n)が算出される（図７中、符号１２２参照）。次いで、圧力計３６，４０の出力を基礎とする比例計算によりカソード圧力P_Ca(n)が算出される（図７中、符号１２５参照）。更に、上記（３）式に従ってカソード相対湿度Ca_RH(n)が、また、上記（４）式に従ってカソードの酸素濃度O2濃度(n)が、それぞれ算出される（図７中、符号１２４，１２６参照）。
【００９１】
図８に示すルーチンでは、次に、領域ｎのアノード状態量が算出される（ステップ１６４）。具体的には、ｎ＝１の領域を対象として、アノードに流入する水素H2(n)及び水量H2０_An(n)が算出される（図７中、符号１２８参照）。次いで、圧力計４２，４６の出力を基礎とする比例計算によりアノード圧力P_An(n)が算出される（図７中、符号１３１参照）。更に、上記（５）式に従ってアノード相対湿度An_RH(n)が算出される（図７中、符号１３０参照）。
【００９２】
次に、ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１６６）。具体的には、先ず、図２（Ａ）に示すマップ、及び図２（Ｂ）に示すマップから、それぞれ、電流密度Iが読み出される。次に、図２（Ａ）に示すマップからは、カソード圧力P_Caが１４０kPaである場合の電流密度Iが読み出される。また、図２（Ｂ）に示すマップからは、カソード圧力P_Caが２００kPaである場合の電流密度Iが読み出される。本ステップでは、それらのマップ値に比例計算を施すことで、カソード圧P_Ca(n)に対応する電流密度Iが算出される（図７中、符号１３２参照）。
【００９３】
上記ステップ１６６では、また、図３（Ａ）に示すマップ、及び図３（Ｂ）に示すマップを参照して、抵抗値R(n)が算出される（図７中、符号１３４参照）。更に、ここでは、図４（Ａ）に示すマップ、及び図４（Ｂ）に示すマップを参照して、水移動量H2O_m(n)が算出される（図７中、符号１３６参照）。２つのマップ値からカソード圧P_Ca(n)に応じた抵抗値R(n)及び水移動量H2O_m(n)を算出する手法は、電流密度Iの場合と同様であるため、ここではその詳細は省略する。
【００９４】
次に、ｎ領域における生成・消費量が算出される（ステップ１６８）。具体的には、カソード側で消費される酸素量O2_off(n)が上記（６）式に従って、また、生成される水の量H2O(n)が上記（８）式に従って、それぞれ算出される（図７中、符号１３８、１４２参照）。更に、アノード側で消費される水素量H2_off(n)が、上記（１０）式に従って算出される（図７中、符号１４６参照）。
【００９５】
以上の処理が終わると、領域番号ｎが、最終値ｓに達しているかが判別される（ステップ１７０）。その結果、ｎがｓに達していないと判断された場合は、ｎがインクリメントされた後（ステップ１７２）、再び、上記ステップ１６２以降の処理が実行される。
【００９６】
ｎが２以上である場合、ステップ１６２では、カソードの酸素量O2(n)及び水量H2O_Caが、それぞれ上記（７）式又は（９）式に従って算出される（図７中、符号１４０，１４４参照）。また、この場合は、ステップ１６４において、アノードの水素量H2(n)及び水量H2O_Anが、それぞれ上記（１１）式又は（１２）式に従って算出される。
【００９７】
以後、ステップ１７０において、ｎ＝ｓの成立が判定されるまで、上記の処理が繰り返し実行される。その結果、１番目の領域からｓ領域まで、全ての領域において、発電環境と、発電状態とが算出される。つまり、以上の処理によれば、上記の小領域をメッシュの単位として、膜電極接合体１２の発電環境及び発電状態の分布を予測することができる。
【００９８】
ところで、上述した特性分布の推定方法の第１例では、膜電極接合体１２の温度が、全面において均一であることとしているが、その温度は均一でなくてもよい。すなわち、膜電極接合体１２の温度が面内で分布を持つ場合には、その分布を考慮して発電状態の分布を予測することとしてもよい。温度分布を考慮した予測は、例えば、以下のような手法により実現することができる。
【００９９】
電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mに関するマップを、複数の温度についてそれぞれ準備する。それぞれのマップは、膜電極接合体小片６０の温度を変えて（図５参照）電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mを測定することで設定する。膜電極接合体１２の個々の小領域における温度は、反応ガスの流れの上流側に位置する小領域の温度に、当該領域の発熱量を反映させることにより予測する。発熱量は、当該領域の電流密度Iに基づいて算出する。当該領域の温度が判ったら、温度別に準備された複数のマップから読み出したマップ値を基礎として、比例計算により、当該領域の温度に対応する電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_mを算出する。
【０１００】
また、上述した特性分布の推定方法の第１例では、膜電極接合体１２の抵抗値Rの分布をも予測することとしているが、抵抗値Rの予測は、必要がなければ省略してもよい。
【０１０１】
また、上述した特性分布の推定方法の第１例では、マップ設定の作業を簡単化するために膜電極接合体小片１２を用いた測定（図５参照）を行うこととしているが、図２乃至図４に示すマップを設定する手法は、これに限定されるものではない。例えば、膜電極接合体１２を計測の対象としてマップ設定の作業を行うこととしてもよい。
【０１０２】
また、上述した特性分布の推定方法の第１例では、燃料電池１０のアノードに加湿された水素ガスが供給される場合に備えて、アノード側の入口にも露点計４４を配置することとしているが、この発明はこれに限定されるものではない。すなわち、アノードに供給する燃料ガスが加湿されない場合には、上記の露点計４４は省略することとしてもよい。
【０１０３】
また、上述した特性分布の推定方法の第１例では、アノード圧P_Anを予測するために、入口と出口の２カ所に圧力計４２，４６を配置することとしているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体１２内部での圧力分布は、入口及び出口の一方で圧力が判れば推定することが可能である。このため、アノード側の圧力計は、入口側及び出口側の何れか一方にのみ配置することとしてもよい。この点は、カソード側の圧力計についても同様である。
【０１０４】
特性分布の推定方法の第２例．
次に、図９乃至図１２を参照して、本発明の実施形態に適用が可能な特性分布の推定方法の第２例について説明する。この例に用いるハードウェア構成は、膜電極接合体１２の酸化ガス流路と燃料ガス流路がカウンター流路を形成するように構成されている点を除いて、図１に示す構成と同様である。以下に説明する第２例は、このようなハードウェア構成において、ECU５０に、後述する図１１に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【０１０５】
上述した通り、特性分布の推定方法の第１例では、膜電極接合体１２の酸化ガス流路と燃料ガス流路がコフロー流路を形成している。つまり、上述した第１例では、カソード側の酸化ガスと、アノード側の燃料ガスが、同じ方向に向かって流通する。この場合、アノード側でもカソード側でも、n-1領域の発電環境及び発電状態が、ｎ領域の発電環境を決めることになる。このため、上述した第１例では、アノード入口の状態と、カソード入口の状態とに基づいて、１番目の領域における発電環境及び発電状態を予測することが可能であり、以後、ｓ領域に至るまで、小領域毎に発電環境と発電状態を、順次予測することが可能である。
【０１０６】
しかしながら、カソード側の燃料通路とアノード側の燃料通路がカウンター流路を形成する場合は、カソードの入口が１番目の領域につながっているとすれば、アノードの入口はｓ領域につながることになる。この場合、カソード側では、n-1領域の状態がｎ領域の状態を決めることとなり、他方、アノード側では、n+1領域の状態がｎ領域の状態を決めることになる。
【０１０７】
例えば、カソード及びアノードの双方において、入口に隣接する小領域から予測を始めるとすれば、カソード側では、先ず、カソード入口の状態に基づいて１番目の小領域の発電状態が予測される。他方、アノード側では、そのタイミングにおいて、アノード入口の状態に基づいて、ｓ領域の発電状態が予測される。つまり、このタイミングにおいて、１番目の領域については、カソード側の発電環境は予測できるが、アノード側の発電環境が予測できないという事態が生ずる。ｓ領域においては、その逆の状況が生ずる。
【０１０８】
図７を参照して説明した通り、ある小領域（(n-1)領域とする）における電流密度I(n-1)、抵抗値R(n-1)、水移動量H2O_m(n-1)は、その領域におけるカソード側の環境と、アノード側の環境が共に特定されていない限りは予測することができない。また、電流密度I(n-1)及び水移動量H2O_m(n-1)が定まらなければ、(n-1)領域における酸素消費量O2_off(n-1)、水素消費量H2_off(n-1)、並びに生成水量H2O(n-1)は予測することができない。このため、酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合は、上述した第１例と同じ手法によっては、複数の小領域の全てについて、発電環境と発電状態を順次予測することはできない。
【０１０９】
図９及び図１０は、酸化ガス通路と燃料ガス通路がカウンター流路を形成する場合に、個々の小領域の発電環境及び発電状態を予測するための手法を説明するための図である。より具体的には、図９は、カソード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。また、図１０は、アノード側の発電環境と発電状態を順次予測するための手法を説明するための図である。
【０１１０】
ここで説明する推定方法の第２例において、ECU５０は、カソードメモリ領域（図９（Ａ）、図１０（Ｃ）参照）と、アノードメモリ領域（図９（Ｃ）及び図１０（Ａ）参照）を有している。カソードメモリ領域は、個々の小領域におけるカソード相対湿度Ca_RHとO2濃度を記憶するための領域である。他方、アノードメモリ領域は、個々の小領域におけるアノード相対湿度An_RHを記憶するための領域である。
【０１１１】
図９に示すように、ECU５０は、アノードメモリ領域に、個々の小領域に対応するアノード相対湿度An_RHを記憶している。図７を参照して説明した通り、ある小領域（i領域とする）の電流密度I(i)、抵抗値R(i)及び水移動量H2O_m(i)は、カソード側の発電環境に加えて、アノード相対湿度An_RH(i)が特定できれば算出することができる。このため、i領域におけるカソード側の発電環境が特定できれば、アノードメモリ領域からアノード相対湿度An_RH(i)を読み出してくることで、i領域の発電状態を予測し、更に、次段に位置する(i+1)領域の発電環境を予測することが可能である。そして、この処理を繰り返すことにより、１番目の小領域からｓ領域に至るまで、全ての小領域における発電環境と発電状態を順次予測することができる。
【０１１２】
特性分布の推定方法の第２例において、ECU５０は、上述した手法によって、カソード側の酸化ガスの流れに沿う順番で、個々の小領域におけるカソード側の発電環境と、個々の小領域における発電状態とを演算する。この演算の過程では、それぞれの小領域(i)において、カソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)が算出される。ECU５０は、図９に示すように、このようにして算出されたカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を、次段のデータとして、つまり、i+1領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する。
【０１１３】
図１０は、ECU５０が、カソードメモリ領域に記憶されているカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度を用いて、アノード側の状態を順次計算する手順を示している。すなわち、ECU５０は、i領域において、アノード側の発電環境と共に、カソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)が特定できれば、電流密度I(i)、抵抗値R(i)及び水移動量H2O_m(i)算出することができる。このため、i領域におけるアノード側の発電環境が特定できれば、カソードメモリ領域からカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を読み出してくることで、i領域の発電状態を予測し、更に、その前段に位置する (i-1) 領域の発電環境を予測することが可能である。そして、この処理を繰り返すことで、ｓ領域から１番目の領域に至るまで、全ての小領域における発電環境と発電状態を順次予測することができる。
【０１１４】
特性分布の推定方法の第２例において、ECU５０は、上述した手法によって、アノード側の燃料ガスの流れに沿う順番で、個々の小領域におけるアノード側の発電環境と、個々の小領域における発電状態とを演算する。この演算の過程では、それぞれの小領域(i)において、アノード相対湿度An_RH(i)が算出される。ECU５０は、図１０に示すように、このようにして算出されたアノード相対湿度An_RH(i)を、前段のデータとして、つまり、i-1領域のデータとしてアノードメモリ領域に記憶する。
【０１１５】
上述した通り、推定方法の第２例において、ECU５０は、発電環境と発電状態を順次予測する処理を、カソード側とアノード側の双方で並行して実行する。そして、カソード側の処理は、１サイクル前にアノードメモリ領域に記憶されたアノード相対湿度An_RHを用いて実行される。他方、アノード側の処理は、１サイクル前にカソードメモリ領域に記憶されたカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度を用いて行われる。
【０１１６】
従って、時刻t1において、カソード側では、時刻t1におけるカソード側の発電環境と、時刻t1から１サイクル分だけ遡った時刻t0におけるアノード相対湿度An_RHとを用いた予測処理が実行される。同様に、アノード側では、時刻t1におけるアノード側の発電環境と、時刻t0におけるカソード相対湿度Ca_RH及びO2濃度による予測処理が実行される。
【０１１７】
特性分布の推定方法の第２例では、上述した時間差の影響を排除するため、i領域で得られたカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を(i+1)領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する。カソード側では、酸化ガスの流れに伴い、i領域の状態が時間の経過によって後段側に移行する事態が生ずる。このため、i領域で得られたデータをi+1領域のデータとして記憶すると、上述した１サイクル分の時間差の影響を抑制することができる。同様の理由により、推定方法の第２例によれば、アノード側においても、１サイクル分の時間差の影響を十分に抑えることができる。従って、推定方法の第２例によれば、カソード側の処理、及びアノード側の処理のそれぞれにより、精度良く発電環境及び発電状態を予測することができる。
【０１１８】
図１１は、推定方法の第２例を実現するためにECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。図１１に示すルーチンでは、先ず、領域番号の初期化が行われる（ステップ１８０）。具体的には、カソード側の処理対象を示す領域番号ｎに１がセットされる。また、アノード側の処理対象を示す領域番号Ｎにｓがセットされる。
【０１１９】
次に、ｎ領域（１番目の領域）のカソード状態量が算出される（ステップ１８２）。本ステップ１８２では、図８に示すステップ１６２と同様の処理により、カソードにおける酸素量O2(ｎ)、水量H2O_Ca(ｎ)、カソード相対湿度Ca_RH(ｎ)、O2濃度(ｎ)及びカソード圧力P_Ca(ｎ)が算出される（図７中、符号１２２、１２４，１２５、１２６参照）。
【０１２０】
次に、アノードメモリ領域から、ｎ領域に対応するアノード相対湿度An_RH(n)が読み出される（ステップ１８４）。
【０１２１】
次いで、ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１８６）。図７を参照して説明した通り、カソード側の発電環境に加えて、アノード相対湿度An_RH(n) （図７中、符号１３０参照）が決まれば、図２乃至図４に示すマップから、電流密度I(ｎ)、抵抗値R(ｎ)、及び水移動量H2O_m(ｎ)を読み出すことができる。ここでは、上記ステップ１８２及び１８４の処理により特定されたパラメータに基づいて、マップからそれらの値が読み出される。
【０１２２】
次に、カソード側で消費される酸素量O2_off(ｎ)、及びカソード側で生成される水量H2O(n)が算出される（ステップ１８８）。酸素消費量O2_off(n)は、上記（６）式に従って算出される。また、水生成量H2O(n)は上記（８）式に従って算出される（図７中、符号１３８、１４２参照）。
【０１２３】
次に、Ｎ領域（ｓ領域）のアノード状態量が算出される（ステップ１９０）。本ステップ１９０では、図８に示すステップ１６４と同様の処理により、アノードにおける水素量H2(Ｎ)、水量H2O_An(Ｎ)、アノード相対湿度An_RH(Ｎ)、及びアノード圧力P_Ca(Ｎ)が算出される（図７中、符号１２８、１３０，１３１参照）。
【０１２４】
次に、カソードメモリ領域から、Ｎ領域に対応するカソード相対湿度Ca_RH(Ｎ)が読み出される（ステップ１９２）。更に、カソード側の圧力計３６，４０の出力に基づいてカソード圧力P_Ca(Ｎ)が算出される（ステップ１９３）。
【０１２５】
続いて、Ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１９４）。図７を参照して説明した通り、アノード側の発電環境に加えて、カソード相対湿度Ca_RH(Ｎ)、カソード圧力P_Ca(Ｎ)及びO2濃度(Ｎ)が決まれば（図７中、符号１２４、１２５、１２６参照）、図２乃至図４に示すマップから、電流密度I(Ｎ)、抵抗値R(Ｎ)、及び水移動量H2O_m(Ｎ)を読み出すことができる。ここでは、上記ステップ１９０〜１９３の処理により特定されたパラメータに基づいて、マップからそれらの値が読み出される。
【０１２６】
次に、アノード側で消費される水素量H2_off(Ｎ)が算出される（ステップ１９６）。水素消費量H2_off(Ｎ)は、上記（１０）式に従って算出される（図７中、符号１４６参照）。
【０１２７】
以上の処理が終わると、カソード側の領域番号ｎがｓに達しているか、及びアノード側の領域番号Ｎが１に達しているかが判別される（ステップ１９８）。その結果、この判定が否定された場合は、ｎがインクリメントされ、かつ、Ｎがデクリメントされた後（ステップ２００）、再び、上記ステップ１８２以降の処理が実行される。
【０１２８】
ｎが２以上である場合、ステップ１８２では、カソードの酸素量O2(n)及び水量H2O_Caが、それぞれ上記（７）式又は（９）式に従って算出される（図７中、符号１４０，１４４参照）。また、この場合は、ステップ１９０において、アノードの水素量H2(n)及び水量H2O_Anが、それぞれ上記（１１）式又は（１２）式に従って算出される。
【０１２９】
以後、ステップ１９８において、ｎ＝ｓ、Ｎ＝１の成立が判定されるまで、上記の処理が繰り返し実行される。その結果、１番目の領域からｓ領域まで、全ての領域において、発電環境と、発電状態とが算出される。
【０１３０】
上記の処理が繰り返され、カソード側及びアノード側の双方で１サイクルの処理が終わると、ステップ１９８の条件が成立する。この場合、ECU５０は、次に、i領域（i＝１〜ｓ）のカソード相対湿度Ca_RH(i)及びO2濃度(i)を、(i+1)領域のデータとしてカソードメモリ領域に記憶する（ステップ２０２）。
【０１３１】
更に、ECU５０は、i領域（i＝１〜ｓ）のアノード相対湿度An_RH(i)を、(i-1)領域のデータとしてアノードメモリ領域に記憶する（ステップ２０４）。以上の処理により、図９を参照して説明した処理が実現される。その結果、次回の処理サイクル時に、カソード側及びアノード側の双方で、精度良く発電環境及び発電状態を予測するための準備が整えられる。
【０１３２】
図１１に示すルーチンによると、ステップ１８６では、カソード側の発電環境がリアルタイムに反映された発電状態が算出される。また、上記ステップ１９４では、アノード側の発電環境がリアルタイムに反映された発電状態が算出される。これら２つの発電状態は、予測演算が繰り返されることにより、やがては実質的に同じ値に収束する。そして、両者が同じ値に収束した時点での発電環境及び発電状態の分布は、定常状態における分布として認識することができる。このため、推定方法の第２例では、ステップ１８６で得られる発電状態と、ステップ１９４で得られる発電状態とが同等となった時点で予測演算を終了することとしてもよい。
【０１３３】
図１２は、推定方法の第２例により予測した特性分布である。図１２において、例えば、O2濃度は、カソード入口から遠ざかるに連れて、ほぼ比例的に低下している。また、電流密度Iは、カソード入口から遠ざかるに従って、一端増加した後減少する傾向を示している。これらは、膜電極接合体１２において、現実に生ずる傾向と精度良く一致している。図１２に示す他の値（抵抗値R、アノード相対湿度An_RH、カソード相対湿度Ca_RH）についても同様である。これらの予測結果が示すように、推定方法の第２例によれば、膜電極接合体１２の面内に生ずる分布を正確に予測することができる。
【０１３４】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
次に、図１３乃至図１５を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
図１３は、本実施形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。図１３に示すシステムは、アノードデッドエンド型のシステムであり、アノード側の燃料ガス排出通路２６に排気弁２１０を備えている。また、このシステムは、図１に示すシステムと同様に、コフロー流路を有しているものとする。
【０１３５】
排気弁２１０は、通常閉じられている。このため、このシステムでは、燃料電池１０の内部で消費された水素を補う量の水素が、燃料ガス供給通路２４側から、燃料ガス排出通路２６に向かって流通する。この場合、燃料電池１０の内部における水素流量は、アノード側の入口（燃料ガス供給通路２４との接続部）から、アノード側の出口（燃料ガス排出通路２６との接続部）に向かうに連れて少量となる。
【０１３６】
［実施の形態１の特徴］
図１４は、アノードデッドエンド型のシステムにおける水素流量の分布を示す。図１４に示すように、アノードデッドエンド型システムのアノード側を流れる水素量は、アノード入口付近では大きな減少を示さず、アノード出口の近傍で急激に減少する。このため、アノードデッドエンド型のシステムでは、その運転状態に関わる種々のパラメータが、アノード出口付近で大きく変化する。
【０１３７】
上述した第１及び第２の特性分布の推定方法例では、燃料電池１０の内部を、同じ大きさを有する複数領域に区分し、それぞれの領域について各種のパラメータを推定することとしている。この場合、パラメータに大きな変化が生じないアノード入口付近と、パラメータが急変するアノード出口付近とで、同じ密度で推定処理が行われることになる。
【０１３８】
演算の負荷を抑えながら、燃料電池１０の内部におけるパラメータ分布を精度良く推定するためには、変化の少ない領域では推定の密度を下げ、変化が激しい領域において高密度に推定処理を行うことが望ましい。そこで、本実施形態では、この要求に応えるべく、アノード入口付近では推定の密度を下げ、アノード出口近傍で推定の密度を上げることとした。
【０１３９】
図１５（Ａ）は、上記の機能を実現するべく、本実施形態のシステムが採用する領域の区分を説明するための図である。本実施形態においても、上述した第１例及び第２例の場合と同様に、膜電極接合体１２の内部は、複数の領域i(i＝１〜s)に区分されている。アノードデッド型のシステムでは、図１４を参照して説明した理由により、アノード入口の付近では、燃料電池の運転状態に関するパラメータが均一であると見なせる領域が広く、アノード出口に近づくに連れてその領域が小さくなる。図１５（Ａ）に示す領域i（i＝１〜s）は、その傾向に合わせて、アノード出口に近づくに連れて小さくなるように設定されている。本実施形態のシステムは、領域i（i＝１〜s）の大きさが、図１５（Ａ）に示すように変化するものとして、上述した第１例又は第２例により電流密度Ｉ等のパラメータを推定する。
【０１４０】
図１５（Ａ）に示す領域の区分は、アノード側の領域と同様に、カソード側の領域も、アノード入口側からアノード出口側に向かって徐々に小さくなるように設定されている。アノードデッドエンド型のシステムでも、カソード側には、十分な量の酸化ガス（空気）が流通している。この場合、燃料電池の状態は、主としてアノード側の状態により決定される。そこで、本実施形態では、図１５に示すように、カソード側の領域の大きさは、アノード側の領域の大きさに合わせることとしている。
【０１４１】
燃料電池の状態が、主としてアノード側の状態により決定されるという特性は、膜電極接合体１２のガス流路がカウンター流量であっても同様に生ずる。このため、カソード側の領域の大きさをアノード側の領域の大きさに合わせる手法は、コフロー流路を備えるシステムに限らず、カウンター流路を備えるシステムにも適用することが可能である（図１５中、括弧書き参照）。
【０１４２】
図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）に示す領域i（i＝１〜s）から、単位体積分の大きさのみを抜き取って並べた状態を示す。図１５（Ａ）に示す領域i（i＝１〜s）は、その内部でパラメータが均一であるとみなせる大きさである。このため、図１５（Ａ）に示す１番目の領域(1)については、その全域で、図１５（Ｂ）に示す領域(1)と同じ状態が形成されているとみなすことができる。同様の近似は、他の全ての領域においても成立する。従って、図１５（Ｂ）に示す領域i（i＝１〜s）のそれぞれにつき所望のパラメータが推定できれば、その推定結果は、図１５（Ａ）に示す領域i（i＝１〜s）における単位体積当たりの状態として取り扱うことができる。
【０１４３】
燃料電池の特性分布を推定するための第１例及び第２例では、個々の領域(n)につき、以下のパラメータが特定されると、その領域(n)における電流密度I(n)、抵抗値R(n)、水移動量H2O_(n)を算出することができる。また、それらが算出できると、その領域(n)から次段(n+1)に送られる酸素量O2(n)、水量H2O_Ca(N)及びH2O_An(n)、並びに水素量H2(n)が算出できる（図７、（３）式、（５）式参照）。
【０１４４】
＜カソード側＞
(a)前段から流入してくる酸素量O2(n)
(b)前段から流入してくる水量H2O_Ca(n)
(c)膜電極接合体１２に流入してくる窒素量N2
(d)領域(n)における圧力P_Ca(n)
＜アノード側＞
(e)前段から流入してくる水素量H2(n)
(f)前段から流入してくる水量H2O_An(n)
(g)領域(n)における圧力P_An(n)
＜共通＞
(h)膜電極接合体１２の温度T
【０１４５】
図１５（Ｂ）に示す領域i(i＝１〜s）の区分を設定した場合、上記のパラメータのうち(a)，(b)，(e)及び(f)は、上述した第１例又は第２例の場合と同じ手法で特定することができる。すなわち、それらのパラメータは、カソード入口又はアノード入口において初期値を測定し、以後、領域毎に順次演算を進めていくことで、全ての領域i(i＝１〜s）について特定することができる。
【０１４６】
(c)については、膜電極接合体１２の内部でほぼ一定であるため、カソード入口で特定した値を全ての領域i(i＝１〜s）において用いることができる。(h)の温度Tは、全ての領域i(i＝１〜s）において、温度センサ４８により検出される冷却水温Tで代用することができる。
【０１４７】
また、(d)及び(g)の圧力P_Ca(n)、P_An(n)は、例えば、個々の領域(n)の中心位置の圧力で代用することができる。より具体的には、本実施形態において、図１５（Ｂ）に示す領域i(i＝１〜s）の中心位置は、予めECU５０に記憶させておくことができる。ECU５０は、その記憶の内容と、カソード側の圧力センサ３６，４０の出力とに基づき、比例計算によりカソード側の圧力P_Ca(n)を特定することができる。また、ECU５０は、その記憶の内容と、アノード側の圧力センサ４２，４６の出力とに基づき、比例計算によりアノード側の圧力P_An(n)を特定することができる。
【０１４８】
以上説明した通り、図１５（Ｂ）に示す領域の区分によれば、第１例又は第２例により特性分布を推定するために必要な全てのパラメータを領域毎に特定することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、上述した第１例又は第２例の推定方法により、図１５（Ｂ）に示す各領域(n)につき、電流密度I、抵抗値R、水移動量H2O_m等の特性値を特定することができる。
【０１４９】
上述した通り、図１５（Ｂ）に示す領域i(i＝１〜s）で得られた特性は、図１５（Ａ）に示す領域i(i＝１〜s）の、単位体積当たりの状態とみなすことができる。このため、本実施形態のシステムによれば、膜電極接合体１２の全域で、単位体積毎に、どの様な電流密度Iが生じており、どの様な抵抗値Rが形成されており、また、どの程度の水移動量H2O_mが生じているのかを推定することができる。そして、この推定の手法によれば、アノード入口付近では推定の密度を低くし、他方、アノード出口付近では推定の密度を高くすることにより、膜電極接合体１２の全域で同じ密度で推定処理を行う場合に比して、演算負荷を下げることができる。
【０１５０】
ところで、上述した実施の形態１では、排気弁２１０が、通常は閉じられていることとしているが、実施の形態１の推定手法が適用できるシステムは、これに限定されるものではない。すなわち、実施の形態１の推定手法は、アノードの出口側から、燃料ガスを少量だけ排出し続ける少量排気型のシステムに適用することとしてもよい。
【０１５１】
実施の形態２．
［実施の形態２の構成］
次に、図１６乃至図１８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図１６は、本実施形態のシステムの構成を説明するための図である。図１６に示すシステムは、燃料ガスを循環させるタイプのシステムであり、アノード側の燃料ガス排出通路２６と燃料ガス供給通路２４との間に循環ポンプ２２０を備えている。このシステムは、排気弁２１０が循環ポンプ２２０に置き換えられている点を除いて実施の形態１のシステム（図１３参照）と同様である。但し、本実施形態では、説明の便宜上、膜電極接合体１２が、カウンター流路を備えているものとする。
【０１５２】
「実施の形態２の特徴］
図１７は、本実施形態のシステムにおいて、つまり、カウンター流路を備える循環型のシステムにおいて、膜電極接合体１２の内部に形成される各種パラメータの分布を示す。図１７に示すように、循環型のシステムでは、アノード及びカソードの入口及び出口の付近で各種パラメータに大きな変化が生じ、膜電極接合体１２の中央付近では、それらのパラメータが比較的安定した状態となる。この傾向は、カウンター流路の場合に限らず、コフロー流路の場合にも生ずる。このため、循環型のシステムを対象として特性分布を推定する場合は、アノード及びカソードの入口及び出口付近で推定の密度を上げ、膜電極接合体１２の中央付近では、推定の密度を下げることが望ましい。
【０１５３】
図１８は、上記の要求に鑑みて本実施形態のシステムが採用する領域の区分を説明するための図である。図１８に示すように、本実施形態において用いられる領域i（i＝１〜s）は、膜電極接合体１２の中央付近から、アノード及びカソードの入口或いは出口に近づくに連れて小さくなるように設定されている。
【０１５４】
特性分布の推定方法の第１例及び第２例は、実施の形態１の場合（図１５参照）と同様に、図１８に示すように区分された膜電極接合体１２に対しても適用することができる。具体的には、本実施形態において、ECU５０は、(a)酸素量O2(n)、(b)水量H2O_Ca(n)、(e)水素量H2(n)、(f)水量H2O_An(n)を、領域毎に順次演算により求める。また、ECU５０は、カソードに流れ込む空気量から(c)窒素量N2を特定し、温度センサ４８により(g)温度Tを検出する。そして、ECU５０は、個々の領域(n)の中心位置を記憶しており、圧力センサ３６，４０，４２，４６の出力に基づき、比例計算により(d)圧力P_Ca(n)及び(g)圧力P_An(n)を算出する。
【０１５５】
以上の処理によれば、実施の形態１の場合と同様に、第１例又は第２例の推定方法を用いて、膜電極接合体１２の内部における特性分布を推定することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、循環型のシステムが備える膜電極接合体１２の特性分布を、低い演算負荷で精度良く推定することができる。
【０１５６】
実施の形態３．
次に、図１９乃至図２２を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。図１９は、本実施形態のシステムが備える膜電極接合体１２の内部構造を説明するための図である。図１９に示すように、本実施形態のシステムは、個々の膜電極接合体１２の内部に、複数の電流計２３０，２３２，２３４を備えている。また、本実施形態において、膜電極接合体１２の内部には、カウンター流路が形成されている。これらの点を除いて、本実施形態のシステムは、図１に示す構成と同様の構成を有している。
【０１５７】
電流計２３０は、カソード入口（アノード出口）付近のａ点に配置されている。電流計２３２は、膜電極接合体１２の中央付近のｂ点に配置されている。また、電流計２３４は、カソード出口（アノード入口）付近のｃ点に配置されている。電流計２３０，２３２，２３４の出力はECU５０に供給されている。ECU５０は、それらの出力に基づいて、ａ点、ｂ点およびｃ点において生じている局所的な電流密度を検出することができる。
【０１５８】
図２０は、本実施形態のシステムが実行する特性分布の推定処理の概要を説明するための図である。このシステムは、上述した第２例の推定方法（図９参照）で膜電極接合体１２内部の特性分布を推定する。図２０（Ａ）は、膜電極接合体１２の内部が、仮想的に複数の領域に区分されている様子を示している。また、図２０（Ｂ）は、第２例の推定方法による推定の結果を示す。
【０１５９】
上述した第２例の推定手法では、カソード側では、カソード入口からカソード出口に向かって領域毎に順次推定処理が進められる（図９参照）。また、アノード側では、アノード入口からアノード出口に向かって領域毎に順次推定処理が進められる（図１０参照）。これらの推定処理の過程で、本実施形態におけるECU５０は、ａ点、ｂ点、ｃ点では、推定による電流密度I(n)と共に、実測による電流密度Iを取得することができる。
【０１６０】
図２１は、本実施形態のシステムが実行する特性分布の推定処理の特徴を説明するための図である。図２１中に実線で示す曲線は、カソード入口からカソード出口に向かって、第２例の推定手法を用いて順次推定処理を進めた結果得られた電流密度Iの分布を示す。また、図２１中、ａ点、ｂ点およびｃ点に示す星印は、それらの点における電流密度の実測値を示す。そして、図２１中に破線で示す曲線は、第２例による推定の結果に実測値に基づく補正を施した結果を示す。
【０１６１】
第２例の推定手法によれば、前段の領域(n-1)の状態に基づいて後段の領域(n)の電流密度I(n)が推定される。そして、そのようにして推定した電流密度I(n)を基礎として、その後段の領域(n+1)に流れ込む酸素量O2等が演算される（図７参照）。この場合、a点において電流密度I(n)の推定結果に誤差が重畳していると、その誤差は、a点の後段に位置する全ての領域に伝達される。
【０１６２】
図２１に示すように、本実施形態のシステムは、カソード側の流れに沿って進行する推定処理がａ点の領域(n)まで進行すると、その領域(n)において推定された電流密度I(n)を、電流計２３０による実測値に近づける補正を行う（例えば、推定値と実測値の中央値を補正後の推定値とする）。
【０１６３】
ａ点の領域(n)では、補正後の電流密度I(n)に基づいて、生成水量H2O_Ca(n)、酸素消費量O2_Off(n)、水素消費量H2_Off(n)が算出される。以後、そのようにして算出されたパラメータに基づいて、後段の推定処理が進められる。
【０１６４】
本実施形態のシステムは、カソード側の流れに沿って進行する推定処理が、ｂ点、ｃ点に達した際にも、ａ点の場合と同様に、実測値に基づく推定値の補正が行われる。このような処理によれば、複数の点で特性分布の推定に重畳している誤差をリセット（小さく）することができ、全体的に特性分布の推定精度を高めることができる。
【０１６５】
第２例の推定手法では、図９及び図１０を参照して説明した通り、カソード側の流れに沿った推定処理と共に、アノード側の流れに沿った推定処理が実行される。アノード側の流れに沿った推定処理は、アノード入口（カソード出口）側から、アノード出口（カソード入口）に向かって順次進められる。本実施形態のシステムは、この処理の過程では、推定処理がｃ点の領域(n)に達した段階で初回の補正を行い、以後、推定処理がｂ点、ａ点に達する毎に、２回目及び３回目の補正を行う。
【０１６６】
［実施の形態３における具体的処理］
図２２は、実施の形態３においてECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。図２２に示すフローチャートは、ステップ１８６の後にステップ２３６〜２４０が挿入されている点、及びステップ１９４の後にステップ２４２〜２４６が挿入されている点を除き図１１に示すルーチンと同様である。以下、図２２において、図１１に示すステップと同一のステップについては、説明を省略又は簡略する。
【０１６７】
図２２に示すルーチンでは、ステップ１８０〜１８８の処理により、カソード側の流れに沿った推定処理が行われる。この処理の過程で、ステップ１８６の処理が終わると、つまり、領域(n)の電流密度I(n)、水移動量H2O_m(n)、及び抵抗値R(n)が算出されると、次に、その領域(n)が実測点（ａ点、ｂ点又はｃ点）であるかが判別される（ステップ２３６）。その結果、領域(n)が実測点ではないと判断された場合は、ステップ２３８及び２４０がジャンプされ、ステップ１８８以降の処理が即座に実行される。
【０１６８】
他方、領域(n)が実測点であると判断された場合は、その点に配置されている電流計２３０，２３２又は２３４の出力に基づいて、電流密度Iの実測値が取り込まれる（ステップ２３８）。次いで、電流密度Iの実測値に基づいて、電流密度の推定値I(n)が補正される（ステップ２４０）。ここでは、例えば、ステップ１８６において推定された電流密度I(n)と、電流密度Iの実測値との平均値が、補正後の電流密度I(n)とされる。以後、補正後の電流密度I(n)に基づいて、ステップ１８８以降の処理が実行される。
【０１６９】
図２２に示すルーチンでは、ステップ１９０〜１９６の処理により、アノード側の流れに沿った推定処理が行われる。この処理の過程で、ステップ１９４の処理が終わると、つまり、領域(N)の電流密度I(N)、水移動量H2O_m(N、及び抵抗値R(N)が算出されると、次に、その領域(N)が実測点（ａ点、ｂ点又はｃ点）であるかが判別される（ステップ２４２）。その結果、領域(N)が実測点ではないと判断された場合は、ステップ２４４及び２４６がジャンプされ、ステップ１９６以降の処理が即座に実行される。
【０１７０】
他方、領域(N)が実測点であると判断された場合は、その点に配置されている電流計２３０，２３２又は２３４の出力に基づいて、電流密度Iの実測値が取り込まれる（ステップ２４４）。次いで、電流密度Iの実測値に基づいて、電流密度の推定値I(N)が補正される（ステップ２４６）。ここでは、例えば、ステップ１９４において推定された電流密度I(N)と、電流密度Iの実測値との平均値が、補正後の電流密度I(N)とされる。以後、補正後の電流密度I(N)に基づいて、ステップ１９６以降の処理が実行される。
【０１７１】
以上の処理によれば、カソード側及びアノード側で、それぞれガスの流れに沿って特性分布が推定される過程で、３つの実測点（ａ点、ｂ点、ｃ点）において、推定結果を実測値に近づけることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、膜電極接合体１２の全域における特性分布の推定精度を向上させることができる。
【０１７２】
ところで、上述した実施の形態３においては、膜電極接合体１２が、カウンター流路を備えることとしているが、その構成はこれに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体１２の内部には、コフロー流路が形成されていてもよい。この場合、特性分布の推定方法の第１例により推定を進め、実測点で推定結果を補正することとすれば、実施の形態３の場合と同様の機能を実現することが可能である。
【０１７３】
また、上述した実施の形態３においては、実測点に電流計２３０，２３２，２３４を配置し、電流密度I(n)の推定値に補正を施すこととしているが、補正の対象はこれに限定されるものではない。例えば、実測点に露点計を配置して、相対湿度Ca_RH(n)又はAn_RH(n)を補正の対象としてもよい。或いは、実測点に抵抗計を配置して、抵抗値R(n)を補正の対象としてもよい。
【０１７４】
また、上述した実施の形態３では、膜電極接合体１２の両端付近と中央に、３点の実測点（補正を施す点）を設けることとしているが、実測点の数及び配置はこれに限定されるものではない。すなわち、実測点は、任意の位置に少なくとも１点設定されていればよい。
【０１７５】
尚、上述した実施の形態３においては、ECU５０が、図２２に示すルーチンを実行することにより前記第１又は第２の発明における「領域毎推定手段」が実現されている。また、実施の形態３では、電流計２３０，２３２，２３４が前記第１の発明における「センサ」に相当している。
【０１７６】
実施の形態４．
次に、図２３及び図２４を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。本実施形態のシステムは、上述した実施の形態３のシステムにおいて、ECU５０に、図２４に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。
【０１７７】
図２３は、膜電極接合体１２の内部に形成される電流密度の分布パターンを説明するための図である。以下、ａ点における電流密度Iの実測値を「ａ」、その点における推定値I(n)を「Ａ」とする。また、ｂ点における電流密度Iの実測値を「ｂ」、その点における推定値I(n)を「Ｂ」とする。更に、c点における電流密度Iの実測値を「ｃ」、その点における推定値I(n)を「Ｃ」とする。
【０１７８】
より具体的には、図２３（Ａ）は、正常時における電流密度分布の幅を示す。本実施形態のシステムは、実施の形態３の場合と同様に、第１例又は第２例の推定手法で領域毎に電流密度I(n)を推定する。この推定手法によれば、膜電極接合体１２が正常に作動している場合に生ずる特性分布を推定することができる。このため、本実施形態では、推定により得られた電流密度I(i)（i＝１〜s）の分布（Ａ、Ｂ、Ｃを通る曲線）を、正常な電流密度分布の下限とし、図２３（Ａ）中に「範囲内」として示した幅を電流密度の正常範囲として取り扱うこととしている。
【０１７９】
図２３（Ｂ）は、膜電極接合体１２のａ点及びｃ点で電流密度の実測値が低下したパターン（以下、状態パターン１と称す）を示す。状態パターン１は、膜電極接合体１２の内部で水の分布に偏りが生じたことに起因して形成されることが多い。そこで、本実施形態では、ECU５０に、状態パターン１を正常な分布に戻すための対策を記憶させておき、状態パターン１が検知された場合には、その対策をとらせることとしている。ここでは、その対策が「アノード入口からカソード入口に水を移動させる」ことであるものとする。本実施形態のシステム（図１参照）において、その対策は、加湿器１８やコンプレッサ２０の状態を制御することで実現することができる。
【０１８０】
図２３（Ｃ）は、膜電極接合体１２のａ点及びｂ点で電流密度の実測値が低下したパターン（以下、状態パターン２と称す）を示す。状態パターン２を正常分布に戻すための対策は、ここでは、「カソード入口へ集中的に水を移動させる」ことであるものとする。ECU５０は、加湿器１８やコンプレッサ２０を制御することで、その対策を実現することができる。
【０１８１】
図２３（Ｄ）は、膜電極接合体１２のｂ点及びｃ点で電流密度の実測値が低下したパターン（以下、状態パターン３と称す）を示す。状態パターン３を正常分布に戻すための対策は、ここでは、「アノード出口から他部へ水を分散、移動させる」ことであるものとする。ECU５０は、加湿器１８やコンプレッサ２０を制御することで、その対策を実現することができる。
【０１８２】
図２３（Ｅ）は、ａ点、ｂ点及びｃ点の全てで電流密度の実測値が低下したパターン（以下、異常・劣化判定パターンと称す）を示す。異常・劣化判定パターンは、膜電極接合体１２自身に異常又は劣化が生じた場合に発生するパターンである。ECU５０は、このパターンを認識した場合は、異常・劣化判定を行い、車両の運転者に警報を発する。
【０１８３】
図２４は、本実施形態において、ECU５０が実行するルーチンのフローチャートである。図２４に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の初期運転の条件が設定される（ステップ２５０）。
【０１８４】
次に、状態推定シミュレーションが行われる（ステップ２５２）。ECU５０は、膜電極接合体１２がコフロー流路を備えている場合は、推定手法の第１例によりシミュレーションを行う。また、カウンター流路の場合は、推定手法の第２例によりシミュレーションが実行される。ECU５０は、ａ点、ｂ点及びｃ点で推定した電流密度I(n)を、それぞれ推定結果Ａ、Ｂ、Ｃとして記憶する。
【０１８５】
次に、電流計２３０，２３２，２３４の出力に基づいて、ａ点、ｂ点及びｃ点における電流密度が実測される（ステップ２５４）。ECU５０は、本ステップで測定した値を、それぞれ実測値ａ、ｂ、ｃとして記憶する。
【０１８６】
次に、シミュレーションにより推定した電流プロファイルと、実測値ａ，ｂ，ｃの比較が行われる（ステップ２５６）。具体的には、推定値Ａと実測値ａとの比較、推定値Ｂと実測値ｂとの比較、及び推定値Ｃと実測値ｃとの比較が行われる。
【０１８７】
次に、ａ点，ｂ点，ｃ点の全てにおいて、実測値ａ，ｂ，ｃが推定値Ａ，Ｂ，Ｃを下回っているかが判別される（ステップ２５８）。この条件の成立が認められた場合は、図２３（Ｅ）に示す異常・劣化パターンが生じていると判断することができる。この場合、次に、その異常・劣化パターンが、所定期間継続して生じているかが判断される（ステップ２６０）。
【０１８８】
上記の判別の結果、異常・劣化パターンの継続が認められない場合は、誤判定を避けるため、再びステップ２５０以下の処理が繰り返される。他方、異常・劣化パターンの継続が認められる場合は、膜電極接合体１２に異常又は劣化が生じていると判断され、車両の運転者に対して警報が発せられる（ステップ２６２）。
【０１８９】
上記ステップ２５８の条件が成立しないと判断された場合は、何れかの実測点では、実測値ａ，ｂ，ｃが推定値Ａ，Ｂ，Ｃに達していると判断することができる。この場合は、次に、ａ点とｃ点で実測値ａ，ｃが推定値Ａ，Ｃを下回っているかが判断される（ステップ２６４）。
【０１９０】
ステップ２６４の条件が成立する場合は、図２３（Ｂ）に示す状態パターン１が生じていると判断できる。この場合、ECU５０は、状態パターン１の発生を判定し（ステップ２６６）、そのパターンを正常分布に戻すための条件変更を行う（ステップ２６８）。
【０１９１】
その後、ECU５０は、全ての実測点において、実測値ａ，ｂ，ｃが、図２３（Ａ）に示す正常範囲に収まったか否かを判断する（ステップ２７０）。その結果、実測値ａ，ｂ，ｃが正常範囲に収まっていると判断された場合は、正常判定がなされた後（ステップ２７２）、ルーチンが終了される。他方、何れかの実測値ａ，ｂ，ｃが正常範囲から外れていると判断された場合は、ステップ２５２以降の処理が再び実行される。
【０１９２】
上記ステップ２６４の条件が成立しないと判断された場合は、次に、ａ点とｂ点で実測値ａ，ｂが推定値Ａ，Ｂを下回っているかが判断される（ステップ２７４）。
【０１９３】
ステップ２７４の条件が成立する場合は、図２３（Ｃ）に示す状態パターン２が生じていると判断できる。この場合、ECU５０は、状態パターン２の発生を判定し（ステップ２７６）、そのパターンを正常分布に戻すための条件変更を行う（ステップ２７８）。その後、ECU５０は、ステップ２７０の処理を行い、その判断の結果に応じて、正常判定、又はステップ２５２以降の処理を実行する。
【０１９４】
上記ステップ２７４の条件が成立しないと判断された場合は、次に、ｂ点とｃ点で実測値ｂ，ｃが推定値Ｂ，Ｃを下回っているかが判断される（ステップ２８０）。
【０１９５】
ステップ２８０の条件が成立する場合は、図２３（Ｄ）に示す状態パターン３が生じていると判断できる。この場合、ECU５０は、状態パターン３の発生を判定し（ステップ２８２）、そのパターンを正常分布に戻すための条件変更を行う（ステップ２８４）。その後、ECU５０は、ステップ２７０の処理を行い、その判断の結果に応じて、正常判定、又はステップ２５２以降の処理を実行する。
【０１９６】
以上説明した通り、図２４に示すルーチンによれば、シミュレーションにより推定した電流密度Ａ，Ｂ，Ｃと、実測した電流密度ａ，ｂ，ｃとの比較に基づいて、膜電極接合体１２に現実に生じている状態を予測することができる。また、このルーチンによれば、対策可能な状態パターンが検知された場合には、加湿器１８やコンプレッサ２０の条件を変更して、電流密度の分布を正常分布に近づけることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、燃料電池１０を、安定的に正常動作させることができる。
【０１９７】
ところで、上述した実施の形態４では、状態パターン１，２，３をのそれぞれに対して、「アノード入口からカソード入口に水を移動させる」こと、「カソード入口へ集中的に水を移動させる」こと、及び「アノード出口から他部へ水を分散、移動させる」ことをそれぞれ対策として挙げているが、それらの対策は、これに限定されるものではない。すなわち、それらの対策は、制御の対象となるシステムにおいて異常なパターンを正常なパターンに戻すのに適したものであれば、どの様な対策であってもよい。
【０１９８】
尚、上述した実施の形態４においては、実測点ａ，ｂ，ｃに位置する領域が前記第３の発明における「サンプル領域」に相当している。また、ECU５０が、ステップ２５８、２６４、２７４及び２８０の条件と、異常・劣化パターン、状態パターン１〜３とを結びつけて記憶していることにより前記第３の発明における「関係記憶手段」が実現されている。また、ECU５０が、ステップ２６２、２６６、２７６又は２８２の処理を実行することにより前記第３の発明における「セル状態診断手段」が実現されている。
【図面の簡単な説明】
【０１９９】
【図１】本発明の実施の形態に適用が可能な特性分布の推定方法の第１例で用いるシステムの構成を説明するための図である。
【図２】推定方法の第１例で用いる電流密度Iのマップを示す。
【図３】推定方法の第１例で用いる抵抗値Rのマップを示す。
【図４】推定方法の第１例で用いる水移動量H2O_mのマップを示す。
【図５】膜電極接合体小片を用いて、特定の発電環境下での発電状態を測定するためのシステムの図である。
【図６】図１に示す燃料電池が備える膜電極接合体の仮想的な分割方法を説明するための図である。
【図７】推定方法の第１例で、n-1領域における発電環境を基礎として、n領域における発電環境を予測する手順を説明するための図である。
【図８】推定方法の第１例を実現するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態に適用が可能な特性分布の推定方法の第２例においてカソード側で実行される処理の内容を説明するための図である。
【図１０】推定方法の第２例においてアノード側で実行される処理の内容を説明するための図である。
【図１１】推定方法の第２例を実現するために実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１２】推定方法の第２例で予測された特性分布を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図１４】アノードデッドエンド型のシステムにおける水素流量の分布を示す。
【図１５】本発明の実施の形態１のシステムが採用する領域の区分を説明するための図である。
【図１６】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成を説明するための図である。
【図１７】カウンター流路を備える循環型の燃料電池システムにおいて膜電極接合体の内部に形成される各種パラメータの分布を示す。
【図１８】本発明の実施の形態２のシステムが採用する領域の区分を説明するための図である。
【図１９】本発明の実施の形態３のシステムが備える膜電極接合体の内部構造を説明するための図である。
【図２０】本発明の実施の形態３のシステムが実行する特性分布の推定処理の概要を説明するための図である。
【図２１】本発明の実施の形態３のシステムが実行する特性分布の推定処理の特徴を説明するための図である。
【図２２】本発明の実施の形態３においてECUが実行するルーチンのフローチャートである。
【図２３】膜電極接合体の内部に形成される電流密度の分布パターンを説明するための図である。
【図２４】本発明の実施の形態４においてECUが実行するルーチンのフローチャートである。
【符号の説明】
【０２００】
１０  燃料電池
１２  膜電極接合体
２０  コンプレッサ
２８  調整バルブ
３０  水素タンク
３６，４０，４２，４６  圧力計
３８，４４  露点計
４８  温度計
５０  ECU（Electronic Control Unit）
２１０  排気弁
２２０  排気ポンプ
Ｉ  電流密度
Ｒ  抵抗値
An_RH  アノード相対湿度
Ca_RH  カソード相対湿度
水移動量  H2O_m
生成水量  H2O
酸素消費量  O2_off
水素消費量  H2_off
カソード側水量  H2O_Ca
アノード側水量  H2O_An
カソード圧力  P_Ca
アノード圧力  P_An
【図１】
0005098659.tif 000002
【図２】
0005098659.tif 000003
【図３】
0005098659.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
0005098659.tif 000013
【図１３】
0005098659.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0005098659.tif 000018
【図１８】
0005098659.tif 000019
【図１９】
0005098659.tif 000020
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
0005098659.tif 000024
【図２４】
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