(57)【要約】【課題】この発明は、膜電極接合体を介して一方のガス流路の出口側から他方のガス流路の入口側へと移動する水の量を、調整することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池スタック１０を、カウンターフロー流路を備える単位燃料電池１１を積層して構成する。単位燃料電池１１の面内に、冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃをそれぞれ設ける。冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃを、それぞれ、冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃに連通させる。冷却液通路５０ａ、５０ｃに、それぞれ、熱交換器５３、５４を設ける。【選択図】図１
2009224045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に触媒層を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面に接して設けられた第１ガス流路と、前記膜電極接合体の他方の面に接して設けられた第２ガス流路とを有し、前記第１ガス流路の入口側部分と前記第２ガス流路の出口側部分とが前記膜電極接合体を挟んで対向している燃料電池と、
前記燃料電池の前記第１ガス流路側の面における該第１ガス流路の入口側の領域と、該燃料電池の前記第２ガス流路側の面における該第２ガス流路の出口側の領域とのうち少なくとも一方の領域に設けられ、入口を有し該燃料電池の発電中にその内部に冷媒が流れる第１冷媒通路と、
前記燃料電池における前記第１ガス流路側の面と前記第２ガス流路側の面とのうち少なくとも一方の面の中央領域に設けられ、前記第１冷媒通路の入口とは異なる入口を備えて該燃料電池の発電中にその内部に冷媒が流れる第２冷媒通路と、
前記第１、２冷媒通路のそれぞれの入口に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記第１冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度または流量を、前記第２冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度または流量とは独立に調整することができる調整機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足しているか否かを判定する不足判定手段と、
前記不足判定手段により前記水移動量が不足していると判定されたら、前記第１冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度が低下し、または／および、該冷媒の流量が増加するように、前記調整機構を制御する冷却制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１ガス流路の入口側部分の湿度を表す第１ガス流路入口湿度を、計測または推定により取得する入口側湿度取得手段を備え、
前記不足判定手段は、前記第１ガス流路入口湿度が所定の下限値を下回ったら、前記第１ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足していると判定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記電解質膜を介して前記第２ガス流路の出口側部分から前記第１ガス流路の入口側部分へと向かう水移動量を取得する水移動量取得手段を備え、
前記不足判定手段は、前記水移動量取得手段が取得した水移動量が所定の下限値を下回ったら、前記第１ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足していると判定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水移動量取得手段は、
前記第１ガス流路の入口側部分の湿度、温度および圧力と、前記第２ガス流路の出口側部分の湿度、温度および圧力とを計測または推定により取得するガス流路環境取得手段と、
前記電解質膜の周囲の環境と、該電解質膜の前記第２ガス流路側の面から前記第１ガス流路側の面への水移動量との関係を定めた水移動特性を記憶した水移動特性記憶手段と、
前記ガス流路環境取得手段が取得した取得値を用いて、前記水移動特性に従って、水移動量を推定演算する推定演算手段と、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１ガス流路の入口側部分の湿度を表す第１ガス流路入口湿度を、計測または推定により取得する入口側湿度取得手段と、
前記第２ガス流路の出口側部分の湿度を表す第２ガス流路出口湿度を、計測または推定により取得する出口側湿度取得手段と、
前記第１ガス流路入口湿度と前記第２ガス流路出口湿度の差が、所定の判定値よりも大きいか否かを判定する環境判定手段と、を備え、
前記冷却制御手段は、前記不足判定手段により前記水移動量が不足していると判定され、かつ、前記環境判定手段により前記差が前記判定値よりも大きいと判定されたら、前記調整機構を制御することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第１ガス流路の前記入口側部分への水移動量が過剰であるか否かを判定する過剰判定手段と、
前記不足判定手段により前記水移動量が過剰であると判定されたら、前記第１冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度が上昇し、または／および、該冷媒の流量が減少するように、前記調整機構を制御する昇温制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記膜電極接合体は、面内における前記第１ガス流路の入口側部分と前記第２ガス流路の出口側部分とによって挟まれる特定部位が、面内における中央側の部位に比して、厚み方向に水が透過し易いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記膜電極接合体の面内における前記第１ガス流路の入口側部分と前記第２ガス流路の出口側部分とによって挟まれる特定部位は、該膜電極接合体の面内における中央側の部位に比して、単位面積あたりの、周囲湿度の上昇量に対する水透過量の増加量が大きいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に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関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特開２００２−１８４４２８号公報に開示されているように、アノードとカソードのガスの流れを対向させた、いわゆるカウンターフロー流路を備える燃料電池が知られている。燃料電池が備える膜電極接合体（或いは電解質膜）は、適度な湿潤状態で良好な電気特性を発揮する。また、膜電極接合体の全体がより均一に潤っている状態で発電が行われることが好ましい。カウンターフロー流路によれば、燃料電池内部を循環するような水の流れを作り出し、燃料電池内部にバランスよく水を分布させることができる。これにより、上記の要求を満たすことができる。
【０００３】
具体的には、カウンターフロー流路によれば、膜電極接合体を介して、カソードガス流路とアノードガス流路とが、それらのガスの流れ方向が逆向きになるように向かい合う。よって、カウンターフロー流路では、カソードガス流路の入口側とアノードガス流路の出口側とが対向し、また、カソードガス流路の出口側とアノードガス流路の入口側とが対向する。
【０００４】
燃料電池が発電する際には、カソードで水が生成する。カソードガス流路内のガス（カソードガス）は、この生成水を含みながら流れる。このため、カソードガス流路の出口側は相対的に湿度が高くなり、当該位置ではカソードとアノードの間の湿度差が大きくなる。カソードとアノードの間に湿度差があると、湿度の低い側へと膜電極接合体を介して水が移動する。このため、上記従来の燃料電池では、カソードガス流路の出口側からアノードのガス流路の入口側へと、膜電極接合体を介して水が積極的に移動することになる。
【０００５】
アノードガス流路の入口側へと移動してきた水は、当該位置を流れるアノードガスに持ち去られる。換言すれば、アノードガス流路の入口側へ移動してきた水により、アノードガスの加湿が行われる。加湿されたアノードガスがアノードガス流路の下流へと流れていく過程で、当該アノードガスに含まれる水分が膜電極接合体へと供給される。
【０００６】
アノードガスも同様に、アノードガス流路内の水分を含みながら流れる。従って、アノードガス流路の出口側は相対的に湿度が高くなり、当該出口側ではアノードとカソードの湿度差が大きくなる。その結果、アノードガス流路の出口側からカソードガス流路の入口側へと水が移動し、カソードガス流路の入口部分でカソードガスが加湿される。加湿されたカソードガスがカソードガス流路内を流れていく過程で、カソードガス中の水分が膜電極接合体に供給される。以上のように、カウンターフロー流路構造によれば、発電に伴う生成水を利用して膜電極接合体の加湿を効率よく行うことができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１８４４２８号公報
【特許文献２】特開２００１−４３８７１号公報
【特許文献３】特開２００１−１１８５８８号公報
【特許文献４】特開平９−２４５８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、相対的に湿度が高いガス流路出口と相対的に湿度が低いガス流路入口とを膜電極接合体を介して対向させることにより、当該ガス流路出口から当該ガス流路入口に向かって水を移動させることができる。
【０００９】
このように膜電極接合体を介してガス流路間を移動する水の量（水移動量とも称す）を、なるべく過不足のない適切な量に近づけたいという要求がある。例えば、燃料電池が比較的乾燥しやすい環境で用いられているとすれば、上述したガス流路の出口と入口を対向させた結果得られる水移動量に加えて、更に多くの量の水を移動させたくなる状況も想定される。そこで、本願発明者は、このような要求を満たすべく鋭意研究を行った結果、水の移動量を調整することができる効果的な手法に想到した。
【００１０】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、膜電極接合体を介して一方のガス流路の出口側から他方のガス流路の入口側へと移動する水の量を、調整することが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】
【００１１】
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、
電解質膜の両側に触媒層を備える膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一方の面に接して設けられた第１ガス流路と、前記膜電極接合体の他方の面に接して設けられた第２ガス流路とを有し、前記第１ガス流路の入口側部分と前記第２ガス流路の出口側部分とが前記膜電極接合体を挟んで対向している燃料電池と、
前記燃料電池の前記第１ガス流路側の面における該第１ガス流路の入口側の領域と、該燃料電池の前記第２ガス流路側の面における該第２ガス流路の出口側の領域とのうち少なくとも一方の領域に設けられ、入口を有し該燃料電池の発電中にその内部に冷媒が流れる第１冷媒通路と、
前記燃料電池における前記第１ガス流路側の面と前記第２ガス流路側の面とのうち少なくとも一方の面の中央領域に設けられ、前記第１冷媒通路の入口とは異なる入口を備えて該燃料電池の発電中にその内部に冷媒が流れる第２冷媒通路と、
前記第１、２冷媒通路のそれぞれの入口に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記第１冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度または流量を、前記第２冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度または流量とは独立に調整することができる調整機構と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第１ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足しているか否かを判定する不足判定手段と、
前記不足判定手段により前記水移動量が不足していると判定されたら、前記第１冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度が低下し、または／および、該冷媒の流量が増加するように、前記調整機構を制御する冷却制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記第１ガス流路の入口側部分の湿度を表す第１ガス流路入口湿度を、計測または推定により取得する入口側湿度取得手段を備え、
前記不足判定手段は、前記第１ガス流路入口湿度が所定の下限値を下回ったら、前記第１ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足していると判定することを特徴とする。
【００１４】
また、第４の発明は、第２の発明において、
前記電解質膜を介して前記第２ガス流路の出口側部分から前記第１ガス流路の入口側部分へと向かう水移動量を取得する水移動量取得手段を備え、
前記不足判定手段は、前記水移動量取得手段が取得した水移動量が所定の下限値を下回ったら、前記第１ガス流路の前記入口側部分への水移動量が不足していると判定することを特徴とする。
【００１５】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記水移動量取得手段は、
前記第１ガス流路の入口側部分の湿度、温度および圧力と、前記第２ガス流路の出口側部分の湿度、温度および圧力とを計測または推定により取得するガス流路環境取得手段と、
前記電解質膜の周囲の環境と、該電解質膜の前記第２ガス流路側の面から前記第１ガス流路側の面への水移動量との関係を定めた水移動特性を記憶した水移動特性記憶手段と、
前記ガス流路環境取得手段が取得した取得値を用いて、前記水移動特性に従って、水移動量を推定演算する推定演算手段と、
を含むことを特徴とする。
【００１６】
また、第６の発明は、第２乃至５のいずれかの発明において、
前記第１ガス流路の入口側部分の湿度を表す第１ガス流路入口湿度を、計測または推定により取得する入口側湿度取得手段と、
前記第２ガス流路の出口側部分の湿度を表す第２ガス流路出口湿度を、計測または推定により取得する出口側湿度取得手段と、
前記第１ガス流路入口湿度と前記第２ガス流路出口湿度の差が、所定の判定値よりも大きいか否かを判定する環境判定手段と、を備え、
前記冷却制御手段は、前記不足判定手段により前記水移動量が不足していると判定され、かつ、前記環境判定手段により前記差が前記判定値よりも大きいと判定されたら、前記調整機構を制御することを特徴とする。
【００１７】
また、第７の発明は、第１乃至６のいずれかの発明において、
前記第１ガス流路の前記入口側部分への水移動量が過剰であるか否かを判定する過剰判定手段と、
前記不足判定手段により前記水移動量が過剰であると判定されたら、前記第１冷媒通路の入口に流入する冷媒の温度が上昇し、または／および、該冷媒の流量が減少するように、前記調整機構を制御する昇温制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１８】
また、第８の発明は、第１乃至７のいずれかの発明において、
前記膜電極接合体は、面内における前記第１ガス流路の入口側部分と前記第２ガス流路の出口側部分とによって挟まれる特定部位が、面内における中央側の部位に比して、厚み方向に水が透過し易いことを特徴とする。
【００１９】
また、第９の発明は、第１乃至８のいずれかの発明において、
前記膜電極接合体の面内における前記第１ガス流路の入口側部分と前記第２ガス流路の出口側部分とによって挟まれる特定部位は、該膜電極接合体の面内における中央側の部位に比して、単位面積あたりの、周囲湿度の上昇量に対する水透過量の増加量が大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
第１の発明によれば、第１冷媒通路の冷媒の温度を調整することができるので、第１、２ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域（対向領域）を流れるガスの湿度を、所望の値に変化させることができる。膜電極接合体は、周囲の湿度環境に応じて水の透過特性が変化し、周囲の湿度が高いほどより多くの水を透過させる。第１の発明によれば、必要に応じて、対向領域における膜電極接合体の水透過特性を変化させ、対向領域において膜電極接合体を介して移動する水の量を調整することができる。
【００２１】
第２の発明によれば、第１ガス流路の入口側部分への水移動量が不足しているか否かを判定し、その判定結果に応じて、第１、２ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域（対向領域）を低温にすることができる。これにより、必要なときに水移動量を増加させ、水移動量を好適な値に近づけることができる。
【００２２】
第３の発明によれば、第１ガス流路の入口側部分の湿度を監視して、当該入口側部分の湿度が過度に低下して水移動量の増加が急務となった場合に、水移動量の増加を迅速に実行することができる。
【００２３】
第４の発明によれば、水移動量そのものの情報を取得して、水移動量が不足しているか否かを精度良く判定し、燃料電池内部の水移動量を調整することができる。
【００２４】
第５の発明によれば、第１、２ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域（対向領域）の環境に関する情報（具体的には、湿度、温度、圧力）に基づいて、水移動量を推定により把握することができる。
【００２５】
第６の発明によれば、第１ガス流路の入口側部分の湿度と第２ガス流路の出口側部分の湿度の差に基づき、水移動の促進が可能な状況にあることを確実に把握した上で、水移動量の増加のための制御を行うことができる。
【００２６】
第７の発明によれば、水移動量が過剰であると判定されたら、第１、２ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域（対向領域）の温度を上昇させることができる。これにより、必要なとき速やかに水移動量を低減し、対向領域におけるアノードとカソードの間の水移動量を好適な値に近づけることができる。
【００２７】
第８の発明によれば、膜電極接合体の構成の工夫により、膜電極接合体（若しくは電解質膜）を介して一方のガス流路の出口側から他方のガス流路の入口側へと移動する水の量を増やすことができる。
【００２８】
第９の発明によれば、膜電極接合体の構成の工夫により、周囲の湿度の上昇幅が小さくとも、大きな水移動促進効果を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
実施の形態１． 
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステムの構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、複数の膜電極接合体１２と複数の集電板（ともに図示せず）とが、交互に積層されたものである。この集電板は、ガス流路および冷却液通路を備えており、２枚の隣り合う膜電極接合体１２を隔てるセパレータとしても機能する。本実施形態では、１枚の膜電極接合体１２およびこれを挟み込む１対のセパレータによって構成される構造を、１つの単位燃料電池１１と考える。燃料電池スタック１０は、複数の単位燃料電池１１が積層されて構成されたものである。
【００３０】
（単位燃料電池１１の構成の詳細）
単位燃料電池１１の構成について、図２、３を用いて説明する。図２は、本実施形態の単位燃料電池１１の積層構造を示す図である。具体的には、図２は、単位燃料電池１１の１つを、積層方向に切断した場合の断面図である。図２には、膜電極接合体１２およびその両面に位置するガス流路１３、１４（便宜上、矢印で簡略に示している）が示されている。
【００３１】
膜電極接合体１２は、固体高分子電解質膜１２ａ（以下、単に電解質膜１２ａとも称す）の両面に、電極触媒層１２ｂ、１２ｃが一体化されたものである。電極触媒層１２ｂはアノードの電極触媒層として、電極触媒層１２ｃはカソードの電極触媒層として、それぞれ形成される。さらに、膜電極接合体１２の各面には、カーボンシート等で作られたガス拡散層（図示せず）が一体化されている。
【００３２】
図２では図示を省略しているが、膜電極接合体１２の上下の面には、それぞれ、セパレータ（図示せず）が位置する。このセパレータは、膜電極接合体１２と接する側の面に、その面内に沿って延びる溝を有している。セパレータと膜電極接合体１２とが積層されることにより、この溝を膜電極接合体１２の表面を延びる溝状ガス流路として機能させることができる。この溝状ガス流路が、すなわち、ガス流路１３、１４である。以下、ガス流路１３をアノードガス流路１３とも称し、ガス流路１４をカソードガス流路１４とも称す。
【００３３】
ガス流路１３は、水素を含む燃料ガス（本実施形態では水素ガスとする）を膜電極接合体１２の面内に流通させるために用いられる。また、ガス流路１４は、酸素を含む酸化ガス（本実施形態では空気とする）を膜電極接合体１２の面内に流通させるために用いられる。
【００３４】
図２において各ガス流路を示す矢印は、それぞれのガス流路においてガスが流れる方向を示している。本実施形態では、図２に示すように、膜電極接合体１２を挟んで、ガス流路１３内の燃料ガスの流れ方向と、ガス流路１４内の酸化ガスの流れ方向とが逆向きになる。このように、本実施形態における単位燃料電池１１は、いわゆるカウンターフロー流路の構造を有している。
【００３５】
なお、カウンターフロー流路を実現するガス流路の形状および構成は、本実施形態で述べる溝状の流路に限定されるものではない。例えば、セパレータと膜電極接合体１２との間に導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってガス流路を形成してもよい。
【００３６】
図３（ａ）、（ｂ）は、単位燃料電池１１の平面図である。図３（ａ）、（ｂ）は、図２における矢印Ａの方向（つまり、紙面上方側）から単位燃料電池１１を見た様子を示している。図３（ａ）は、ガス流路１３、１４が、膜電極接合体１２の面内を延びる様子を示している。図３（ｂ）は、ガス流路１３、１４は省略し、膜電極接合体１２の面方向に沿って伸びる冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ（便宜上、矢印で示す）を示した図である。冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、積層方向に見てガス流路１３、１４の外側に位置し、両者は立体的に交差している。
【００３７】
図３（ａ）において、膜電極接合体１２を挟んで、紙面の表側にはガス流路１３が位置し（実線矢印で示す）、紙面の裏面側にガス流路１４が位置している（破線矢印で示す）。正確には、図３（ａ）の紙面手前側にセパレータが存在し、このセパレータの紙面裏面側の面（つまり膜電極接合体１２と接する面）に、溝状のガス流路１３が形成されている。また、正確には、図３（ａ）の紙面奥側に他のセパレータが存在し、このセパレータの紙面手前側の面（つまり膜電極接合体１２と接する面）に、溝状のガス流路１４が形成されている。
【００３８】
図３（ａ）に示すように、ガス流路１３は、単位燃料電池１１の面内で複数に分岐して、入口側と出口側でそれぞれ１箇所に合流している（図３（ａ）右下側のガス流路入口１３ａと、図３（ａ）左下側のガス流路出口１３ｂ）。また、ガス流路１４についても、ガス流路１３と同様に、単位燃料電池１１の面内で複数に分岐しており、入口側と出口側でそれぞれ１箇所に合流している（図３（ａ）右下側のガス流路入口１４ａと、図３（ａ）左下側のガス流路出口１４ｂ）。
【００３９】
実施の形態１では、単位燃料電池１１を平面方向に見た領域を、図３（ｂ）に示す３つの領域に区分して考える（図３中の破線で区切られた領域）。以下、この３つの領域を、図３の紙面左側から順に、Ａ領域、Ｂ領域、Ｃ領域とも呼称する。Ａ領域は、ちょうど、ガス流路１３の出口側部分と、ガス流路１４の入口側部分とが対向している領域である。Ｂ領域は、単位燃料電池１１の中央の領域である。Ｃ領域は、ちょうど、ガス流路１３の入口側部分と、ガス流路１４の出口側部分とが対向している領域である。
【００４０】
実施の形態１では、図３（ｂ）のように、１つの単位燃料電池１１の面内に、独立した３つの冷却液通路（冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）を設ける。具体的には、本実施形態では、図３の紙面手前側および紙面裏面側に位置するセパレータのそれぞれに、その内部を貫通しながらＡ、Ｂ、Ｃ領域上をそれぞれ伸びる貫通穴を設ける。これらの貫通穴を、それぞれ、冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃとして利用する。なお、ガス流路１３、１４はセパレータの両面に、冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃはセパレータの内部に、それぞれ形成されることになり、両者は立体的に交差している。
【００４１】
各冷却液通路の入口は、セパレータの図３紙面上方側端面にそれぞれ設けられている。各冷却液通路の出口は、セパレータの図３紙面下方側端面にそれぞれ設けられている。このように、冷却液通路１５ａはＡ領域上を、冷却液通路１５ｂはＢ領域上を、冷却液通路１５ｃはＣ領域上を、それぞれ独立に延びており、各々の冷却液通路内の冷却液によりＡ、Ｂ、Ｃ領域がそれぞれ冷やされる。
【００４２】
図３では、Ａ、Ｂ、Ｃ領域のそれぞれへの冷却液の流れを、紙面下方に向かう矢印で示している。以下の説明では、冷却液通路１５ａから流れ出た冷却液の温度をｔａと、冷却液通路１５ｂから流れ出た冷却液の温度をｔｂと、冷却液通路１５ｃから流れ出た冷却液の温度をｔｃと、それぞれ称す。
【００４３】
燃料電池スタック１０を構成する際には、個々の単位燃料電池１１のガス流路入口１３ａ、１４ａ、ガス流路出口１３ｂ、１４ｂ、および冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの入口と出口が、それぞれ、流体の種類毎に別々のマニホールド（アノードガス供給マニホールド、カソードガス供給マニホールド、アノードガス排出供給マニホールド、カソードガス排出マニホールド）にまとめられる。
【００４４】
実施の形態１では、燃料電池スタック１０が、互いに独立した６つの冷却液マニホールドを備えている。図３（ｂ）に、説明の便宜上、仮想的に、冷却液供給マニホールド１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、および冷却液排出マニホールド１８ｅ、１８ｄ、１８ｆを破線で示す。これら６本の冷却液マニホールドは、単位燃料電池１１の積層方向つまり図３の紙面奥行方向に延びながら、個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの入口や出口にそれぞれ接続している。
【００４５】
具体的には、個々の単位燃料電池１１について、冷却液通路１５ａの入口と冷却液供給マニホールド１８ａが、冷却液通路１５ｂの入口と冷却液供給マニホールド１８ｂが、冷却液通路１５ｃの入口と冷却液供給マニホールド１８ｃが、それぞれ連通する。また、個々の単位燃料電池１１について、冷却液通路１５ａの出口と冷却液排出マニホールド１８ｄが、冷却液通路１５ｂの出口と冷却液排出マニホールド１８ｅが、冷却液通路１５ｃの出口と冷却液排出マニホールド１８ｆが、それぞれ連通する。
【００４６】
なお、上述した各種ガス流路及び冷却液通路を備えたセパレータは、従来の公知の技術を用いて作製することができる。例えば、金属製の平板を準備し、当該平板の両面に溝を形成してガス流路とし、当該平板の内部に、面方向に伸びる貫通穴を形成して冷却液通路としても良い。また、従来公知となっているような、面内に種々の形状の貫通穴を備える平板を複数枚（例えば３枚）積層させた、多層構造のセパレータを用いても良い。
【００４７】
また、複数の単位燃料電池を積層させて燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックにマニホールドを設けて各ガス流路および各冷却液通路を合流させる技術は、既に公知となっている。このため、ここではその詳細な説明は行わない。
【００４８】
（システムの構成の詳細）
再び図１を用いて、実施の形態１のシステム構成について説明する。燃料電池スタック１０には、酸化ガス供給通路１７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１７はカソードガス供給マニホールドに、酸化ガス排出通路１６はカソードガス排出マニホールドに、それぞれ連通している。酸化ガス供給通路１７は、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１７を介して燃料電池スタック１０に供給することができる。
【００４９】
酸化ガス供給通路１７から燃料電池スタック１０に供給された空気は、既述したカソードガス供給マニホールドを介して、積層された複数の単位燃料電池１１のそれぞれが備えるガス流路１３に分配される。このようにして分配された空気は、それぞれの単位燃料電池１１の内部で膜電極接合体１２のカソード側の面内を伝って流れた後、既述したカソードガス排出マニホールドを介して、酸化ガス排出通路１６から排出される。
【００５０】
燃料電池スタック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スタック１０に供給することができる。
【００５１】
燃料電池スタック１０に供給された水素ガスは、既述したアノードガス供給マニホールドを介して、積層された複数の単位燃料電池１１のそれぞれが備えるガス流路１４に分配される。アノード側に供給された水素ガスは、それぞれの単位燃料電池１１の内部で膜電極接合体１２のアノード側の面内を伝って流れた後、既述したアノードガス排出マニホールドを介して、燃料ガス排出通路２６から排出される。
【００５２】
（冷却系の詳細）
燃料電池スタック１０には、更に、冷却液通路５０が接続されている。冷却液通路５０の途中には、ラジエータ５１およびポンプ５２が接続されている。ポンプ５２が駆動することにより、冷却液通路５０内を冷却液（Long Life Coolant（LLCとも称される）などと称される）が循環する。冷却液通路５０は、燃料電池スタック１０の上流側で冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃに分岐する。
【００５３】
冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃは、それぞれ、燃料電池スタック１０の各冷却液マニホールドに接続する。具体的には、冷却液通路５０ａに関しては、冷却液通路５０ａ上流側→冷却液供給マニホールド１８ａ→単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａ→冷却液排出マニホールド１８ｄ→冷却液通路５０ａ下流側の順に、それらが連通する。よって、冷却液通路５０ａの上流側から流れてきた冷却液は、先ず、冷却液供給マニホールド１８ａから個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａに分配され、その後、個々の単位燃料電池１１のＡ領域上を伝って流れる。この冷却液は、その後、冷却液排出マニホールド１８ｄにまとめられて、冷却液通路５０ａの下流側へと流出する。図１では、燃料電池スタック１０に対する冷却液の流入および流出の様子を、紙面下方を向く矢印でも表している。
【００５４】
また、冷却液通路５０ｂ、５０ｃに関しても、同様に、冷却液供給マニホールド１８ｂ、１８ｃおよび冷却液排出マニホールド１８ｅ、１８ｆにそれぞれ連通する。従って、冷却液通路５０ｂ、５０ｃを流れる冷却液は、それぞれ冷却液供給マニホールド１８ｂ、１８ｃから個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ｂ、１５ｃに分配される。冷却液通路１５ｂ、１５ｃにそれぞれ流入した冷却液は、各々の単位燃料電池１１のＢ、Ｃ領域上をそれぞれ伝って流れた後、冷却液排出マニホールド１８ｅ、１８ｆへとそれぞれ合流して、再び冷却液通路５０ｂ、５０ｃのそれぞれへと流出する。下流側では、冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃが再び合流してラジエータ５１に接続する。
【００５５】
以上述べたように、本実施形態では、冷却液通路５０が途中で分岐して冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃとなり、これら３つの冷却液通路が個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃに個別に連通する。より具体的にいえば、実施の形態１においては、冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃを介して上流側と下流側とで合流させることにより、個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの各々を互いに並列接続の関係にしている。本実施形態によれば、このような構成により、冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃの冷却液を、互いに、温度、流量に関して独立的な関係においている。
【００５６】
実施の形態１のシステムは、冷却液通路５０ａ、５０ｃに、それぞれ熱交換器５３、５４を備えている。熱交換器５３は冷却液通路５０ａ内の冷却液の温度を、熱交換器５４は冷却液通路５０ｃ内の冷却液の温度を、それぞれ独立に調整することができる。このような構成によれば、熱交換器５３、５４の出力を適宜調整することにより、冷却液通路５０ａ、５０ｃ内の冷却液の温度を、冷却液通路５０ｂ内の冷却液の温度と相違させることができる。
【００５７】
ポンプ５２の流量を増加すれば、冷却液通路５０内全体で冷却液の循環量も増加する。この場合には、冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃ全てについて、冷却液の温度を変化させることができる。従って、熱交換器５３、５４による冷却液温度の調整とポンプ５２の流量調整とを併用すれば、冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃの各通路内の冷却液の温度を、それぞれ所望の値に調整することが可能である。
【００５８】
以上述べた本実施形態のシステムの冷却系によれば、燃料電池スタック１０内の個々の単位燃料電池１１の、冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃを流れる冷却液の温度を、独立に調整することができる。よって、例えば、冷却液通路１５ａ、１５ｃ内の冷却液を冷却液通路１５ｂ内の冷却液とは異なる温度にして、１つの単位燃料電池１１内でＡ、Ｃ領域の温度とＢ領域の温度とを異ならしめることができる。また、冷却液通路１５ａ、１５ｃ内の冷却液の温度を相違させて、Ａ、Ｃ領域を異なる温度に冷却することもできる。
【００５９】
なお、通常、発電中には、単位燃料電池１１内の温度は、冷却液により、面内の全域でなるべく均一化される。本実施形態でこのような状態を実現する場合は、熱交換器５３、５４を停止して、冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ内の冷却液を同じ温度にする。これにより、面内全領域（つまりＡ、Ｂ、Ｃ領域全て）がほぼ均一な温度となるように、単位燃料電池１１の冷却を行うことができる。
【００６０】
（システムの計器など）
本実施形態のシステムは、図１に示すように、酸化ガス供給通路１７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、単位燃料電池１１のアノード側のガス流路の入口（ガス流路入口１３ａ）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、単位燃料電池１１のカソード側のガス流路の出口（ガス流路出口１３ｂ）における圧力を検知することができる。
【００６１】
本実施形態のシステムは、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を備えている。これらの計器によれば、単位燃料電池１１のアノード側入口（ガス流路入口１４ａ）における圧力及び湿度、アノード側出口（ガス流路出口１４ｂ）における圧力を検知することができる。
【００６２】
また、本実施形態のシステムは、冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃの下流側に、それぞれ、温度計５５、５６、５７を備えている。温度計５５、５６、５７は、燃料電池スタック１０から冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃへとそれぞれ流れ出た冷却液の温度を計測することができる。温度計５５、５６、５７がそれぞれ示す温度は、個々の単位燃料電池１１内の膜電極接合体１２のＡ、Ｂ、Ｃ領域部分のそれぞれの温度として考えることができる。
【００６３】
圧力計３６，４０，４２，４６、露点計３８，４４、及び温度計５５、５６、５７の計測値は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５８に供給されている。ＥＣＵ５８は、それらの計器の出力により、単位燃料電池１１内部（言い換えれば、膜電極接合体１２の周囲）の圧力及び温度に関する環境を検知することができる。なお、ＥＣＵ５８は、既述した調整バルブ２８、コンプレッサ２０、ポンプ５２、熱交換器５３、５４に接続され、各構成の開度や出力を変更可能とされる。
【００６４】
（燃料電池面内状態推定のルーチン）
本実施形態では、ＥＣＵ５８が、単位燃料電池１１の内部の状態を推定することができる推定ルーチンを記憶している。この推定ルーチンによれば、上記の各計器の出力に基づいて、単位燃料電池１１の内部の発電状態や発電環境を正確に予測することができる。
【００６５】
実施の形態１では、この推定ルーチンを、特願２００７−１３８３３３号に記載の推定方法を用いて実現する。特願２００７−１３８３３３号の推定方法によれば、燃料電池（膜電極接合体）のガス流路の入口の環境（ガスの湿度、圧力、濃度など）や膜電極接合体の温度を特定することができれば、膜電極接合体の面内の全域にわたって発電環境や発電状態を特定することができる。
【００６６】
実施の形態１のシステムにおいても、上記説明した各種計器の計測値を用いて、特願２００７−１３８３３３号と同様にガス流路の入口の環境を特定することができる。また、温度計５５、５６、５７が示す計測値によれば、膜電極接合体１２の温度をその面内の全域にわたって把握することができる。このように、実施の形態１のシステムによれば、特願２００７−１３８３３３号に記載の推定方法に必要な情報を全て取得可能とされているので、特願２００７−１３８３３３号と同様の手法によって燃料電池面内状態の推定を行うことができる。
【００６７】
図４は、上記推定ルーチンにより得られる単位燃料電池１１内の湿度分布の推定結果を表す図である。図４では、ガス流れ方向に沿う、アノードを流れるガスの湿度の推定値の分布と、カソードを流れるガスの湿度の推定値の分布とを、それぞれ図示している。図４中のＡ、Ｂ、Ｃで区分した領域は、それぞれ、単位燃料電池１１のＡ、Ｂ、Ｃ領域にあたる。以下の説明では、ＥＣＵ５８の推定ルーチンによって推定された湿度の分布を、「推定湿度分布」とも称す。
【００６８】
なお、本明細書の末尾に、特願２００７−１３８３３３号の推定方法の内容を記載しておく。
【００６９】
［実施の形態１のシステムの水移動量調整機能］
以下、図１乃至４を参照しながら、実施の形態１のシステムの水移動量調整機能について説明する。先ず、図２を用いて、単位燃料電池１１内部における水の流れ及び湿潤環境について説明する。続いて、本実施形態のシステムにおける水移動量調整機能について説明する。
【００７０】
図２において、膜電極接合体１２の内部に記載した矢印は、単位燃料電池１１内部の水の動きの概要を示している。単位燃料電池１１の発電時には、カソードの電極触媒層１２ｃで水が生成する。カソードのガス流路１４内のガスはこの生成水を含みながら流れるため、カソードガス流路１４内は下流側ほど湿度が高くなる。その結果、カソードのガス流路１４の出口側の部分は、特に湿度が高くなる。
【００７１】
従って、カソードのガス流路１４の出口側の部分ではカソードとアノードの間の湿度差が大きくなり、膜電極接合体１２を介して、カソードガス流路１４の出口側からアノードガス流路１３の入口側へと、水が移動することになる。以下の説明では、便宜上、この水の移動を図２に矢印ｆ２で示すとともに、矢印ｆ２に沿う水の移動量を水移動量ｆ２と称すこととする。なお、図２で電解質膜１２ａ中に示す紙面右方を向く矢印は、ガスにより搬送される水分の移動を便宜的に表現したものである。
【００７２】
ガス流路１３の入口側へと移動した水は、ガス流路１３に流れ込んでくる水素ガスに含まれて（換言すれば、水素ガスを加湿して）、ガス流路１３内の下流側に向かって搬送される。水素ガス中の水分は、ガス流路１３内を流れる過程で、アノード側から、膜電極接合体１２の加湿に寄与する。なお、図２で電解質膜１２ａ内に示す紙面左方を向く矢印は、水素ガスにより搬送される水分の移動を表現したものである。
【００７３】
一方、アノードガス流路１３の出口側とカソードガス流路１４の入口側についても、同様のことがいえる。すなわち、カソードガス流路１４の入口の空気は比較的乾いているのに対し、アノードガス流路１３の出口は湿度が高い状態にある。従って、当該位置でもカソードとアノードの間の湿度差が生じ、アノードガス流路１３の出口側からカソードガス流路１４の入口側へと、膜電極接合体１２を介して、水が移動する。以下の説明では、便宜上、この水の移動を図２に矢印ｆ１で示すとともに、矢印ｆ１に沿う水の移動量を、水移動量ｆ１と称すこととする。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態の単位燃料電池１１では、カウンターフロー流路を用いることにより、アノードガス流路１３とカソードガス流路１４との間における、矢印ｆ１、ｆ２に示すような水の移動を促している。これにより、単位燃料電池１１内部を循環するような水の流れを作り出すことができる。
【００７５】
次に、本実施形態における水移動量ｆ１、ｆ２の調整手法について述べる。水移動量ｆ１、ｆ２を決める要因には、アノードとカソードとの間の湿度差の大小に加え、膜電極接合体１２の周囲の湿度が全体的に高いか低いかという事項も含まれる。膜電極接合体を形成する材料である電解質が、周囲の湿度の高低に応じて水の透過特性が変化するという性質を有しているからである。
【００７６】
電解質の水透過特性は、周囲の湿度が高くなるほど水を透過し易く、逆に、周囲の湿度が低いほど水を透過し難くなるように変化する。そこで実施の形態１では、この特性を利用して、以下のように水移動量ｆ１、ｆ２の調整を行う。
【００７７】
システム構成の説明で述べたとおり、実施の形態１のシステムでは、単位燃料電池１１が３つの冷却液通路（冷却液通路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）を備えている。そして、熱交換器５３、５４やポンプ５２を制御することにより、これら３つの冷却液通路内の冷却液を、それぞれ所望の温度に調整することができる。
【００７８】
水移動量ｆ１を増加させたい場合には、熱交換器５３を操作して冷却液通路５０ａを流れる冷却液の温度を低下させる。その結果、個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａを流れる冷却液の温度が低下し、単位燃料電池１１のＡ領域、すなわち、アノードガス流路１３の出口側とカソードガス流路１４の入口側とが対向している領域の温度が低下する。
【００７９】
Ａ領域上を流れる冷却液の温度を低下させると、これに応じて、アノードガス流路１３の出口側とカソードガス流路１４の入口側のガスの相対湿度が上昇する。膜電極接合体１２のＡ領域部分の周囲の湿度が上昇すれば、当該部分の水透過特性が変化してより水を透過し易くなる。その結果、アノードガス流路１３の出口側からカソードガス流路１４の入口側へと向かう水の移動量（つまり水移動量ｆ１）を増加させることができる。
【００８０】
水移動量ｆ２の調整についても、同様に、熱交換器５４を操作することによりＣ領域上の冷却液の温度を変化させて行うことができる。なお、熱交換器５３を操作して冷却液通路５０ａを流れる冷却液の温度を上昇させれば、上記の水移動量増加とは逆に、水移動量ｆ１を低減することもできる。水移動量ｆ２の低減についても同様に行うことが可能である。
【００８１】
以上説明したように、実施の形態１によれば、冷却液通路１５ａ、１５ｃの冷却液の温度を調整することにより、ガス流路１３、１４の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域（Ａ、Ｃ領域）のガスの湿度を、所望の値に変化させることができる。その結果、必要に応じて、Ａ、Ｃ領域における膜電極接合体の水透過特性を変化させ、水移動量ｆ１、ｆ２を調整することができる。
【００８２】
なお、本実施形態では、水移動量ｆ１、ｆ２に係る、単位燃料電池１１のＡ、Ｃ領域側部分のみについて、局所的に温度制御を行うこととしている。このような技術によれば、次のような効果も得られる。
【００８３】
燃料電池の発電性能に影響を及ぼす要素の一つに、発電時における燃料電池内部の温度がある。燃料電池内の温度が低下すると、電極触媒層中の触媒の活性が低くなるからである。この点、実施の形態１によれば、Ａ、Ｃ領域の温度調整を、中央側のＢ領域とは独立に行うことができる。従って、Ｂ領域では通常の温度状態で発電を行い、Ａ、Ｃ領域では水移動量ｆ１、ｆ２の調整のために低温状態或いは高温状態で発電を行うということが可能になる。その結果、単位燃料電池１１の通常時の発電性能をできるだけ維持しつつ、水移動量ｆ１、ｆ２を調整することができる。
【００８４】
［実施の形態１のシステムの動作］
以下、実施の形態１のシステムの動作について説明する。本実施形態のシステムの動作は、水移動量の不足を判定し、この判定結果に応じて上述した水移動量調整機能を活用する点に特徴を有している。
【００８５】
実施の形態１では、アノードガス流路１３の入口側の湿度、および、カソードガス流路１４の入口側の湿度に着目して、水移動量の不足の判定を行う。実施の形態１のシステムは、ＥＣＵ５８が記憶する推定ルーチンにより、図４に示すような、単位燃料電池１１内の各ガス流路の湿度分布を推定することができる。この湿度分布を参照すれば、アノードガス流路１３の入口または出口の付近の湿度の値や、カソードガス流路１４の入口または出口の付近の湿度の推定値を取得できる。実施の形態１では、これらの推定値を利用する。
【００８６】
また、本実施形態では、実験或いはシミュレーションなどを用いて、予め、アノードガス流路１３の入口側の湿度の許容範囲を決定しておく。この許容範囲は、例えば、単位燃料電池１１が良好な発電特性を示しうるようなアノードガス流路１３の入口側の湿度範囲とすることができる。同様に、カソードガス流路１４の入口側の湿度の許容範囲も決定しておく。なお、この湿度範囲は種々の観点から決定することができ、例えば、膜電極接合体１２が良好な湿潤状態にあると判断できる湿度範囲や、膜電極接合体１２の電気的特性）が許容可能な範囲にあると判断できる湿度範囲などとしても良い。
【００８７】
「アノードガス流路１３の入口側の湿度が湿度許容範囲の下限（以下、単に下限値とも称す）より低くなっている状況」は、言い換えれば、「アノードガス流路１３の入口側の湿度を所望の湿潤状態に保つには水移動量ｆ２が十分でない状況」ということができる。矢印ｆ２に沿って水が潤沢に供給されていれば（つまり、水移動量ｆ２が十分であれば）、アノードガス流路１３の入口側の湿度が過度に低くなるのを防止できる筈だからである。よって、本実施形態では、アノードガス流路１３の入口側の湿度が下限値を下回ったら、水移動量ｆ２が不足していると考えることにする。同様に、カソードガス流路１４の入口側の湿度の推定値が下限値を下回れば、水移動量ｆ１が不足していると考えることにする。
【００８８】
本実施形態では、先ず、上記の水移動量不足を検出すべく、燃料電池スタック１０の発電中に、随時、推定ルーチンに基づいて取得した推定値と、許容湿度範囲の下限値とを比較する。アノードガス流路１３入口側の湿度の推定値が下限値を下回った場合には、熱交換器５３の冷却能力を上昇させる。同様に、カソードガス流路１４入口側の湿度の推定値が下限値を下回った場合には、熱交換器５４の冷却能力を上昇させる。その結果、必要なとき速やかに、冷却液通路１５ａや１５ｃの温度を低下させ、水移動量ｆ１やｆ２を増加することが出来る。
【００８９】
以上説明したように、実施の形態１によれば、水移動量ｆ１、ｆ２が不足していると予想されるとき、これに速やかに対処して、水移動量ｆ１、ｆ２を好適な量に調整することができる。これにより、単位燃料電池１１内を良好な湿潤環境に保ちながら発電を行うことができる。
【００９０】
なお、水移動量を増加すべく冷却液通路１５ａ、１５ｃの冷却液温度を低下させる際、当該冷却液温度を各ガス流路中のガスの水分が凝縮する程度まで低下させた場合には、これにより生じた水で当該Ｃ領域部分を潤すこともできる。
【００９１】
［実施の形態１のシステムでＥＣＵが実行する具体的処理］
以下、図５および６を用いて、実施の形態１のシステムが行う具体的処理を説明する。図５は、実施の形態１においてＥＣＵ５８が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、実施の形態１のシステムの発電中に実行される。
【００９２】
図６は、出力電流値Ｉａと冷却液目標温度との関係を規定したマップである。図６（ａ）、（ｂ）のそれぞれのマップは、燃料電池スタック１０の出力電流値Ｉａの値が大いほど、目標温度Ｔ１、Ｔ２の値が高くなるように決定しておく。但し、本実施形態では、冷却液温度ｔａ、ｔｃと、冷却液温度ｔｂの温度差が、所定の範囲内（本実施形態では１０℃とする）に収まるようにしておく。
【００９３】
本実施形態では、図６のマップにおいて、最低目標温度Ｔ１_ｍｉｎと最高目標温度Ｔ１_ｍａｘの差、および、最低目標温度Ｔ２_ｍｉｎと最高目標温度Ｔ２_ｍａｘの差を１０℃とする。Ｔ１_ｍａｘおよびＴ２_ｍａｘを、燃料電池スタック１０の通常発電時の冷却液温度（つまり、通常発電時における冷却液温度ｔｂの値）に一致させる。これらのマップは、事前に作成してＥＣＵ５８に記憶させておく。
【００９４】
図５に示すルーチンでは、先ず、推定ルーチンによる湿度分布の推定が実行される（ステップＳ１００）。このステップでは、ＥＣＵ５８が、システムの各種計器の出力値を用いて、内部に記憶している推定ルーチンを実行する。これにより、図４に示すような推定湿度分布を得る。
【００９５】
本実施形態では、説明の簡略化のため、燃料電池スタック１０の中から１つの単位燃料電池１１を代表として選び、この代表の単位燃料電池１１についての推定湿度分布を用いて処理を進めることとする。但し、本実施形態の動作に用いる推定湿度分布を得る方法は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池スタック１０内の全ての単位燃料電池１１について推定湿度分布をそれぞれ算出して、これらの複数の推定湿度分布を平均した結果を用いるなどしても良い。
【００９６】
続いて、ステップＳ１０２の処理が実行される。ステップＳ１０２では、上記ステップＳ１００で求めた推定湿度分布を用いて、アノードガス流路１３における、入口側部分の湿度の代表値haiおよび出口側部分の湿度の代表値haoが算出される。また、同じく、推定湿度分布を用いて、カソードガス流路１４における、入口側部分の湿度の代表値hciおよび出口側部分の湿度の代表値hcoが算出される（以下、単に、「湿度hai、hao、hci、hco」とも呼称する）。
【００９７】
本実施形態では、湿度haiおよび湿度haoは、図４に示すように、アノードの推定湿度分布におけるＡ、Ｃ領域それぞれの中央位置の湿度の値とする。湿度hciおよび湿度hcoも同様に、カソードの推定湿度分布におけるＡ、Ｃ領域それぞれの中央位置の湿度の値とする。なお、これ以外の他の手法で湿度hai、hao、hci、hcoを決定しても良い。例えば、推定湿度分布のＡ、Ｃ領域内の部分を用いて、アノードとカソードそれぞれのＡ、Ｃ領域内の推定湿度の平均値を求める。そして、アノードのＡ領域内の推定湿度の平均値を湿度haiとして用い、アノードのＣ領域内の推定湿度の平均値を湿度haoとして用いてもよい。湿度hci、hcoも、同様に、カソードのＡ、Ｃ領域内それぞれの推定湿度の平均値を用いることができる。
【００９８】
続いて、ステップＳ１０２で算出された湿度を用いて、カソードガス流路１４入口側の湿度環境の評価が行われる（ステップＳ１０４）。具体的には、先ず、ステップＳ１０４では、湿度hciが、下限値Ｈ１を下回っているか否かが判定される。つまり、下記の（１）式の成立の有無が判定される。
hci＜Ｈ１  ・・・（１）
下限値Ｈ１は、前述したように、予め実験などにより決定しておく。この判定により、現時点でカソードガス流路１４の入口側が乾燥して水移動量の増加が必要な状況にあるか否かを、判定することができる。
【００９９】
また、ステップＳ１０４では、湿度haoから湿度hciを減じた値が、所定の湿度差ΔＨ１よりも大きいか否かも判定される。前述したように、水の移動量を決定する要因には、膜電極接合体（或いは電解質膜）の二面間の湿度の差の大小（つまり、アノード側の湿度とカソード側の湿度の差の大小）がある。この湿度差が小さすぎると、膜電極接合体１２の周囲の湿度を上げて水の透過特性を向上させようとしても、水移動量増加の効果を期待する程度には得られないおそれがある。
【０１００】
そこで、本実施形態では、水移動の促進が可能な状況にあることを確実に把握した上で水移動量の増加のための処理を行うために、次のような処理をＥＣＵ５８に実行させる。先ず、湿度haoから湿度hciを減じることにより、アノードガス流路１３の出口側の湿度がカソードガス流路１４の入口側の湿度に対してどの程度大きいかを示す値を求める。そして、haoからhciを減じて得た値が、予め決定しておいた基準の湿度差ΔＨ１と比較される。つまり、下記の（２）式の成立の有無が判定される。
hao−hci＞ΔＨ１  ・・・（２）
【０１０１】
そして、本実施形態では、ステップＳ１０４における２つの判定条件、つまり（１）式および（２）式の双方が成立した場合に、水移動量の増加のための処理（次のステップＳ１０６）が実行される。これにより、本実施形態では、水移動量ｆ１の増加が必要であり、かつ、所望の水移動促進効果を得ることが可能であることを確実に把握した上で、水移動量ｆ１の増加の処理へと移行することができる。
【０１０２】
湿度差ΔＨ１は、予め実験などにより適当な大きさに決定しておくことができる。なお、２つの極の間の水移動を確実に促進するには、少なくとも、水の移動元にしたい極の湿度が、水の移動先にしたい極の湿度よりも高いことが求められる。このため、水移動量ｆ１を確実に増加するには、上記判定式においては、ΔＨ１を少なくとも零より大きな値にしておくことが必要である。
【０１０３】
ステップＳ１０４の判定条件（hci＜Ｈ１、hao−hci＞ΔＨ１）の少なくとも一方が成立しなかった場合には、現時点では水移動量ｆ１の増加の処理を実行すべきではないと判断される。その後、ステップＳ１００に戻る。
【０１０４】
ステップＳ１０４の判定条件の成立が認められた場合には、冷却液通路１５ａに流れ込む冷却液の温度を低下させる処理が実行される（ステップＳ１０６）。具体的には、温度計５５の計測する冷却液温度ｔａが目標温度Ｔ１に一致するように、ＥＣＵ５８が、熱交換器５３を操作して冷却液通路５０ａの冷却液の温度を調整する。これにより、個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａに流れ込む冷却液の温度が低下し、個々の単位燃料電池１１における水移動量ｆ１を増加することができる。
【０１０５】
既述したように、本実施形態では、ＥＣＵ５８が、図６（ａ）に示す目標温度Ｔ１を取得するためのマップを記憶している。図６（ａ）のマップは、燃料電池スタック１０の出力電流値Ｉａの値が大いほど、目標温度Ｔ１も高くなるように決定されている。出力電流値Ｉａが大きい場合、発電反応に伴う生成水量が多くなる等の理由から、単位燃料電池１１内部の水量が比較的多いと予想される。本実施形態では、これを考慮して、出力電流値Ｉａが相対的に大きい場合には冷却液の目標温度を高めに、出力電流値Ｉａが相対的に小さい場合には冷却液の目標温度を低めに設定している。
【０１０６】
図５のフローチャートによれば、ステップＳ１０４、Ｓ１０６側の処理と並行して、ステップＳ１０８、Ｓ１１０も実行される。ステップＳ１０８、Ｓ１１０では、下記のように、ステップＳ１０４、Ｓ１０６と同様の処理が湿度hai、hcoを用いて行われる。
【０１０７】
先ず、ステップＳ１０８では、湿度hai、hcoを用いて、アノードガス流路１３入口側の湿度環境の評価が行われる。具体的には、下記（３）式の成立の有無が判定され、湿度haiが、下限値Ｈ２を下回っているか否かが判定される。下限値Ｈ２は、前述した下限値Ｈ１と同様に、予め実験などにより決定しておく。また、ステップＳ１０８では、下記（４）式の成立の有無も判定される。
hai＜Ｈ２          ・・・（３）
hco−hai＞ΔＨ２  ・・・（４）
【０１０８】
これらの判定により、上述したステップＳ１０４と同様に、水移動量ｆ２の増加が必要であり、かつ、所望の水移動促進効果を得ることが可能であることを確実に把握した上で、水移動量ｆ２の増加の処理（ステップＳ１１０）へと移行することができる。ステップＳ１０８の判定条件（hai＜Ｈ２、hco−hai＞ΔＨ２）の少なくとも一方が成立しなかった場合には、現時点では水移動量ｆ２の増加の処理を実行すべきではないと判断され、ステップＳ１００に戻る。
【０１０９】
ステップＳ１０８の判定条件の成立が認められた場合には、冷却液通路１５ｃに流れ込む冷却液の温度を低下させる処理が実行される（ステップＳ１１０）。ステップＳ１１０では、具体的には、ステップＳ１０６の処理と同様に、温度計５７の計測値である冷却液温度ｔｃが目標温度Ｔ２に一致するように、ＥＣＵ５８が熱交換器５４を操作する。これにより、個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ｃに流れ込む冷却液の温度が低下し、個々の単位燃料電池１１の水移動量ｆ２を増加することができる。
【０１１０】
ＥＣＵ５８は、図６（ｂ）に示すような目標温度Ｔ２を取得するためのマップも記憶している。図６（ｂ）のマップも、図６（ａ）のマップと同様の理由から、燃料電池スタック１０の出力電流値Ｉａの値が大きいほど、目標温度Ｔ２が高くなるように決定されている。
【０１１１】
ステップＳ１０６またはステップＳ１１０の処理が実行されたあとは、今回のルーチンが終了する。その後、本実施形態では、冷却液温度ｔａ、ｔｃをそれぞれＴ１、Ｔ２に設定したまま、システムの運転を継続する。
【０１１２】
なお、実施の形態１では、ルーチン終了後は図５のルーチンを停止し、次の処理を行う。先ず、ステップＳ１００で用いた推定ルーチンを繰り返し実行して、単位燃料電池１１内の推定湿度分布を継続的に更新する。そして、湿度hai、hciの値を監視して、それらの値が十分に高く（例えば、hciがＨ１以上、haiがＨ２以上の値に）なったら、冷却液温度ｔａ、ｔｃを、冷却液温度ｔｂと同じ温度に戻す。その後、図５のルーチンの実行を再開して、水移動量不足の判定を再開する。
【０１１３】
以上説明したように、本実施形態の具体的処理によれば、水移動量ｆ１、ｆ２が不足していると考えられる場合に、ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域（Ａ、Ｃ領域）を低温にすることができる。これにより、必要なとき速やかに水移動量を増加させ、アノードとカソードの間の水移動量ｆ１、ｆ２を好適な値に近づけることができる。
【０１１４】
特に、本実施形態によれば、各ガス流路の入口側部分の湿度の推定値（hai、hci）を所定の判定値（Ｈ１、Ｈ２）と比較している。各ガス流路の入口側部分は、単位燃料電池１１内でも比較的乾燥しやすい部位である。よって、本実施形態によれば、単位燃料電池１１内の潤いが不足して水移動量の増加が急務となった場合に、これに迅速に対応することができる。また、本実施形態によれば、Ａ、Ｃ領域側それぞれについてのアノードとカソードの湿度差を、所定の判定値（ΔＨ１、ΔＨ２）と比較している。これにより、水移動の促進が可能な状況にあること（十分な効果が得られること）を確実に把握した上で水移動量の増加のための処理を行うことができる。
【０１１５】
なお、図５のルーチン終了後のシステムの制御は、上記の実施の形態１の態様に限られるものではない。例えば、単位燃料電池１１内の湿潤環境が理想的な状態に落ち着く時期を見計らって、冷却液温度ｔａ、ｔｃをそれぞれ元の温度（例えば冷却液温度ｔｂと同じ温度）に戻しても良い。湿潤環境が落ち着く時期は、例えばルーチン終了時刻からの経過時間など、種々の観点から決定すればよい。
【０１１６】
尚、上述した実施の形態１では、膜電極接合体１２が前記第１の発明における「膜電極接合体」に、単位燃料電池１１が前記第１の発明における「燃料電池」に、それぞれ相当している。そして、本実施形態では単位燃料電池１１のガス流路がカウンターフロー流路の構造とされているので、アノードガス流路１３とカソードガス流路１４は、ともに、前記第１の発明における「第１ガス流路」と「第２ガス流路」に相当しうる。
【０１１７】
つまり、実施の形態１では、カソードガス流路１４が前記第１の発明における「第１ガス流路」に相当し、かつ、アノードガス流路１３が前記第１の発明における「第２ガス流路」に相当すると考えた場合には、カソードガス流路１４の入口側部分とアノードガス流路１３の出口側部分が対向するＡ領域に備えられた冷却液通路１５ａが、前記第１の発明における「第１冷媒通路」に相当する。また、実施の形態１では、アノードガス流路１３が前記第１の発明における「第１ガス流路」に相当し、かつ、カソードガス流路１４が前記第１の発明における「第２ガス流路」に相当すると考えた場合には、アノードガス流路１３の入口側部分とカソードガス流路１４の出口側部分が対向するＣ領域に備えられた冷却液通路１５ｃが、前記第１の発明における「第１冷媒通路」に相当する。
【０１１８】
そして、実施の形態１では、冷却液通路１５ｂが前記第１の発明における「第２冷媒通路」に相当している。また、実施の形態１では、冷却液通路５０、ラジエータ５１、ポンプ５２が、前記第１の発明における「冷媒供給手段」に相当している。そして、熱交換器５３、５４が、前記第１の発明における「調整機構」に相当している。
【０１１９】
また、実施の形態１では、ＥＣＵ５８が、上記図５のルーチンにおけるステップＳ１０４または／およびＳ１０８の処理を実行することにより、前記第２の発明における「不足判定手段」が、ステップＳ１０６または／およびＳ１１０の処理を実行することにより、前記第２の発明における「冷却制御手段」が実現されている。
【０１２０】
また、実施の形態１では、ＥＣＵ５８が、図５のルーチンにおけるステップＳ１００およびＳ１０２を実行することにより、前記第３の発明における「入口側湿度取得手段」が実現されている。そして、実施の形態１では、湿度hciまたはhaiが、前記第３の発明における「第１ガス流路入口湿度」に相当し、下限値Ｈ１またはＨ２が前記第３の発明における「下限値」に相当している。
【０１２１】
また、実施の形態１では、ＥＣＵ５８が、図５のルーチンにおけるステップＳ１００およびＳ１０２を実行することにより、前記第６の発明における「出口側湿度取得手段」が実現されている。また、実施の形態１では、湿度hcoまたはhaoが、前記第６の発明における「第２ガス流路入口湿度」に相当している。また、ＥＣＵ５８が、図５のルーチンにおけるステップＳ１０４または／およびＳ１０８を実行することにより、前記第６の発明における「環境判定手段」が実現されている。また、実施の形態１では、湿度差ΔＨ１またはΔＨ２が、前記第６の発明における「判定値」に相当している。
【０１２２】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、冷却液通路５０ａ、５０ｃに熱交換器５３、５４をそれぞれ設け、これらを適宜操作することにより単位燃料電池１１の面内の温度を部分的に相違させている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、他の態様によって単位燃料電池１１の面内の温度を部分的に相違させてもよい。
【０１２３】
図７は、実施の形態１の変形例を示している。図７のシステムは、冷却系の構成以外のシステム構成は、図１のシステムと同じ構成のため図示を省略している。図７のシステムは、図１のシステムにおける熱交換器５３、５４の代わりに、バルブ２５３、２５４を備えている。バルブ２５３、２５４によれば、冷却液通路５０ａ、５０ｃにおける冷却液の流量を調整することができる。
【０１２４】
冷却液通路５０ａや５０ｃにおける冷却液の流量が多ければ、これに応じて個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａや１５ｃ内の冷却液の流量も増加し、結果的に膜電極接合体１２のＡ領域やＣ領域の温度が低下する。このようにして、単位燃料電池１１内の冷却液温度を部分的に相違させてもよい。
【０１２５】
上述した実施の形態１の変形例では、バルブ２５３、２５４が、前記第１の発明の「調整機構」に相当している。なお、図７の第１変形例によれば、バルブ２５３、２５４の調整に応じて冷却液通路５０ａ、５０ｃ内の冷却液流量が変化すると、冷却液通路５０ｂ内の冷却液の流量も影響を受ける。例えば、第１変形例の場合に、冷却液通路５０ａ、５０ｃの冷却液流量を増加して個々の単位燃料電池１１内のＡ、Ｃ領域の冷却温度を低下させた場合、これに応じて、冷却液通路５０ｂの冷却液流量が減少して、個々の単位燃料電池１１内のＢ領域の温度が上昇することも予想される。
【０１２６】
この場合には、例えば、このようなＢ領域の温度上昇分を相殺するように、ポンプ５２の流量増加やラジエータ５１の冷却温度を低下させることができる。このようにして、個々の単位燃料電池１１に対し、Ｂ領域の温度を通常発電時の状態に維持しながら、Ａ、Ｃ領域の温度を低下させることができる。このように、冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃの冷却液流量変化が互いに影響を受けるものの、図７の変形例の態様によっても、それらの冷却液通路内の冷却液温度を互いに独立に変化させることができる。
【０１２７】
なお、実施の形態１では、冷却液通路５０を冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃに分岐させることにより、１つの共通の冷却系で、単位燃料電池１１内の各冷却液通路への冷却液の温度を独立に調整可能としている。しかしながら、互いに独立した３つの冷却系を構成して、冷却液通路５０ａ、５０ｂ、５０ｃの代わりに、それぞれの冷却系を燃料電池スタック１０に接続しても良い。
【０１２８】
また、実施の形態１では、独立した冷却液通路を並列接続の関係に構成することにより、単位燃料電池１１のＡ、Ｃ領域の温度を部分的に低下させることを可能としている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、単位燃料電池１１のＡ、Ｃ領域の温度調整を、先行技術文献として挙げた特許文献２（特開２００１−４３８７１号公報）にあるような、冷却液通路を熱交換器を介して直列的に接続するシステム構成を利用して実現してもよい。
【０１２９】
（第２変形例）
実施の形態１では、単位燃料電池１１内のアノードとカソードのそれぞれにおける湿度分布を推定し、この推定値を利用して、水移動量が水不足しているか否かを判定した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。各ガス流路の入口側部分および出口側部分のそれぞれに湿度センサを取り付けて、各位置の湿度を計測してもよい。
【０１３０】
なお、湿度センサによる直接計測と、単位燃料電池１１内部の湿度を推定により求める手法とを比較した場合、推定を用いる手法には次のような利点がある。
【０１３１】
水移動量の調整を的確に行うには、単位燃料電池１１内部における、冷却液通路１５ａや１５ｃの中央位置の湿度（Ａ、Ｃ領域中央側におけるガス流路の湿度）を把握できることが好ましい。従って、センサを用いて湿度の直接計測を行う場合には、単位燃料電池１１のガス流路内側にセンサを配置して、計測を行うことが好ましい。具体的には、ガス流路の端（入口または出口）から少し奥側の位置（Ａ領域やＣ領域の中央に対応する位置）の湿度を、センサにて直接計測できることが好ましい。しかしながら、そのような場所をセンサにて直接計測することが困難あるいは煩雑な場合もある。
【０１３２】
この点、実施の形態１によれば、システム構成図（図１）にあるように、酸化ガス供給通路１７や酸化ガス排出通路１６、あるいは燃料ガス供給通路２４や燃料ガス排出通路２６にセンサを配置して、単位燃料電池１１のガス流路の内部の環境を推定により把握している。従って、上記のような煩雑さを回避しつつ、水移動量ｆ１やｆ２の調整を的確に行うことができる。 
【０１３３】
また、実施の形態１のように単位燃料電池１１の面内の全域にわたって発電環境を推定するのではなく、ガス流路の入口や出口の湿度を局所的に推定するような推定手法を用いても良い。
【０１３４】
なお、実施の形態１の単位燃料電池１１は、カウンターフロー流路の構造、つまり、膜電極接合体を挟んだ２つのガス流路の流れが反対方向に向く構造を備えている。しかしながら、本発明は、２つのガス流路の流れが完全に反対向きになっていなくとも、膜電極接合体を挟んだ一方のガス流路の出口側部分と他方のガス流路の入口側部分とが対向している燃料電池であれば適用することができる。
【０１３５】
例えば、膜電極接合体を介してカソードガス流路出口側部分とアノードガス流路入口側部分のみが対向している燃料電池に、本発明を適用することができる。この場合には、燃料電池面内の領域を、カソードガス流路出口側部分とアノードガス流路入口側部分が対向している領域と、それ以外の他の領域とに区分する。
【０１３６】
そして、区分したそれぞれの領域に冷却液通路を個別に設け、冷却液の温度または流量を、個々の冷却液通路の間で互いに独立に調整できるようにすればよい。
【０１３７】
なお、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。実施の形態１のシステムでは用いていないが、加湿器をシステムに加え、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１７側の空気を加湿してもよい。
【０１３８】
実施の形態２．
実施の形態２のシステム構成は、図１に示した実施の形態１のシステムと同様である。従って、実施の形態２のシステム構成の説明は省略する。
【０１３９】
［実施の形態２のシステムの動作］
実施の形態１では、ガス流路の入口側の湿度に基づいて、水移動量が不足しているか否かを判定した。これに対し、実施の形態２は、水移動量そのもの（つまり、水移動量の絶対値）が大きいか小さいかに着目して、水移動量が不足しているか否かを判定する。
【０１４０】
具体的には、実施の形態２では、湿度および他の各種物理量を用いて水移動量の推定値を求め、この推定値の大小に基づいて水移動量が不足しているか否かを判定する。これにより、水移動量の不足をより直接的に検出することができ、より高精度に水移動量を調節、管理することができる。
【０１４１】
また、実施の形態２では、水移動量の不足の判定に加え、水移動量が過剰であるか否かの判定も行う。水移動量が過剰であると推定される状況下では、膜電極接合体１２が水分含有量が過剰になり、種々の不具合が生じるおそれがある（例えば、発電性能の低下、フラッディング等）。実施の形態２では、この点も考慮して、水移動量が過剰となっているかの判定も行い、単位燃料電池１１内の湿潤環境をより適切な状態に維持する。
【０１４２】
［実施の形態２のシステムでＥＣＵが実行する具体的処理］
以下、図８乃至２４を用いて、実施の形態２のシステムが行う具体的処理を説明する。図８は、実施の形態２においてＥＣＵ５８が実行するルーチンのフローチャートである。このルーチンは、実施の形態２のシステムの発電中に実行される。
【０１４３】
図９は、膜電極接合体１２の水透過係数を、膜電極接合体１２の周囲の環境（湿度平均値と温度）との関係で規定したマップである。具体的には、図９（ａ）は、膜電極接合体１２のＡ領域側における水透過係数Ｋ１を、アノード側の湿度とカソード側の湿度の平均値（ここでは、（hao＋hci）／２、すなわち、湿度haoとhciの和の平均）と、Ａ領域側における周囲温度（本実施形態では冷却液温度ｔａ）との関係で規定した２次元マップである。
【０１４４】
図９（ｂ）は、膜電極接合体１２のＣ領域側における水透過係数Ｋ２を、同じく湿度の平均値（ここでは、（hai＋hco）／２、すなわち、湿度haiとhcoの和の平均）と、Ａ領域側における周囲温度（本実施形態では冷却液温度ｔc）との関係で規定した２次元マップである。これらのマップを用いて、温度ｔａ、ｔｃおよび湿度hao、hci、hai、hcoに応じて、膜電極接合体１２のＡ、Ｃ領域それぞれにおける水透過係数Ｋ１、Ｋ２を特定できるようにしておく。
【０１４５】
図９のマップは、例えば、実験、シミュレーションあるいは理論式等に基づいて事前に作成し、ＥＣＵ５８に記憶させておく。
【０１４６】
また、図１０（ａ）および（ｂ）は、水移動量の調整を行う際に水移動量ｆ１、ｆ２の目標値として用いる目標水移動量Ｆ１、Ｆ２を、燃料電池スタック１０の出力電流値Ｉａおよび運転温度（本実施形態では、冷却液温度ｔｂとする）に応じて定めた２次元マップである。
【０１４７】
出力電流値Ｉａが大きい場合、発電反応に伴う生成水量が多くなる等の理由から、単位燃料電池１１内部の水量が比較的多いと予想される。実施の形態２では、これを考慮して、出力電流値Ｉａが大きいほど、目標水移動量Ｆ１、Ｆ２を小さく規定する。また、燃料電池スタック１０の運転温度が高い場合には、燃料電池スタック１０内部の環境（個々の単位燃料電池１１の内部の環境）が、比較的乾燥しやすい状況にあると考えることが出来る。本実施形態では、これを考慮して、冷却液温度ｔｂが高いほど目標水移動量Ｆ１、Ｆ２が大きくなるように、マップの数値を規定する。
【０１４８】
図８のルーチンでは、先ず、実施の形態１の図５のルーチンと同様に、ステップＳ１００の処理が実行され、状態推定モデルによる湿度分布の推定が行われる。
【０１４９】
続いて、カソードガス流路１４とアノードガス流路１３のそれぞれについて、ガス流路の入口、出口の湿度および圧力を求める処理が実行される（ステップＳ３０２）。このステップでは、具体的には、先ず、実施の形態１のステップＳ１０２と同様の処理により、湿度hao、hci、hai、およびhcoが算出される。
【０１５０】
また、圧力計４２、４６、３６、４０の測定値に基づく比例計算により、アノードガス流路１３の入口側圧力paiおよび出口側圧力paoや、カソードガス流路１４の入口側圧力pciおよび出口側圧力pcoが、それぞれ算出される。なお、これらの圧力値は、例えば、単位燃料電池１１のガス流路の入口及び出口における圧力計の測定値に基づいて比例計算により求めることができる。なお、図２の単位燃料電池１１の断面図に、対応する位置がわかるようにpai、pao、pci、pcoをそれぞれ図示する。
【０１５１】
次に、実施の形態２では、水移動量ｆ１の推定値ｆ１_ａと、水移動量ｆ２の推定値ｆ２_ａをそれぞれ算出する処理が実行される（ステップＳ３０４）。具体的には、先ず、ＥＣＵ５８が、ステップＳ３０２で求めた各種の物理量の推定値および冷却液温度ｔａ、ｔｃに応じたＫ１、Ｋ２の値を、図９のマップから取得する。続いて、下記の式（５）および（６）に従って、水移動量推定値ｆ１_ａと、水移動量推定値ｆ２_ａとが算出される。
ｆ１_ａ  ＝  Ｋ１  ×  （pao×hao  −  pci×hci）    ・・・（５）
ｆ２_ａ  ＝  Ｋ２  ×  （pai×hai  −  pco×hco）    ・・・（６）
【０１５２】
上記式（５）および（６）において、それぞれ右辺括弧内に示した式は、膜電極接合体１２を挟んだアノードとカソードの水蒸気分圧差を算出する式に相当している。このように、実施の形態２では、水透過係数と水蒸気分圧差の積に基づいて水移動量を推定している。
【０１５３】
続いて、図８のルーチンでは、水移動量ｆ１に関する処理（ステップＳ３０６、Ｓ３０８、Ｓ３１０、Ｓ３１２）、および、水移動量ｆ２に関する処理（ステップＳ３１４、Ｓ３１６、Ｓ３１８、Ｓ３２０）が実行される。以下、それぞれ説明する。
【０１５４】
（水移動量ｆ１に関する処理）
ステップＳ３０６では、ステップＳ３０４にて算出された水移動量推定値ｆ１_ａが、所定の上限値Ｆ１＋αよりも大きいか否かが判定される。ここでは、先ず、ＥＣＵ５８が、図１０（ａ）のマップを参照し、現在の出力電流値Ｉａおよび冷却液温度ｔｂに応じた目標水移動量Ｆ１を取得する。そして、目標水移動量Ｆ１に所定値αを加えた値を上限値Ｆ１＋αとし、ｆ１_ａがこの上限値Ｆ１＋αを上回っているかの判定を行う。
【０１５５】
ステップＳ３０６の条件の成立が認められた場合には、水移動量ｆ１が過剰であるとの判断が下され、冷却液温度ｔａを上昇させる処理が実行される（ステップＳ３０８）。ここでは、冷却液温度ｔａが現在の温度から所定温度だけ上昇するように、ＥＣＵ５８が熱交換器５３を操作する。これにより、個々の単位燃料電池１１の冷却液通路１５ａに流れ込む冷却液の温度が上昇し、これに応じて、アノードガス流路１３の出口側とカソードガス流路１４の入口側の湿度が低下する（つまり、hao、hciが低下する）。その結果、個々の単位燃料電池１１の水移動量ｆ１を低減することができる。
【０１５６】
なお、ステップＳ３０８における冷却液温度制御の際、冷却液温度ｔａは、例えば、現在の冷却液温度ｔｂに対して１０℃程度高い温度となるように上昇させることができる。但し、冷却液温度ｔａの温度には上限を設けることが好ましい。本実施形態では、ステップＳ３０８実行時の冷却液温度ｔｂに対する温度差が１０℃を超えない範囲内で、冷却液温度ｔａを上昇させるようにする。ステップＳ３０８の処理が終了したら、今度は水移動量ｆ２の調整に関する処理を行うべく、ステップＳ３１４へと移行する。
【０１５７】
ステップＳ３０６の条件の成立が認められない場合には、水移動量推定値ｆ１_ａが、所定の下限値Ｆ１−αよりも小さいか否かが判定される（ステップＳ３１０）。下限値としたＦ１−αは、上記ステップＳ３０６とは逆に、目標水移動量Ｆ１の値から所定値αを減じた値である。
【０１５８】
ステップＳ３１０の条件の成立が認められた場合には、水移動量ｆ１が不足しているとの判断が下され、冷却液温度ｔａを低下させる処理が実行される（ステップＳ３１２）。ここでは、ステップＳ３０８の処理とは逆に、冷却液温度ｔａが現在の温度から所定温度だけ低下するように、ＥＣＵ５８が熱交換器５３を操作する。これにより、個々の単位燃料電池１１の水移動量ｆ１を増加することができる。
【０１５９】
なお、ステップＳ３１２における冷却液温度制御の際、冷却液温度ｔａは、例えば、現在の冷却液温度ｔｂに対して１０℃程度低い温度となるように低下させることができる。但し、ステップＳ３０８と同様に、冷却液温度ｔａの温度には下限を設ける。本実施形態では、ステップＳ３１２実行時の冷却液温度ｔｂに対する温度差が１０℃を超えない範囲内で、冷却液温度ｔａを低下させるようにする。なお、実施の形態１の図６のマップを流用することもできる。ステップＳ３１２の処理が終了したら、今度は水移動量ｆ２の調整に関する処理を行うべく、ステップＳ３１４へと移行する。
【０１６０】
ステップＳ３０６の条件の成立が認められず、かつ、ステップＳ３１０の条件の成立も認められなかった場合には、水移動量ｆ１の調整に関する処理を行うことなく、水移動量ｆ２の調整に関する処理（ステップＳ３１４）へと移行する。ここで、ステップＳ３０６、Ｓ３１０の条件が共に不成立の場合には、Ｆ１−α≦ｆ１_ａ≦Ｆ１＋αの条件が成立していることを意味する。
【０１６１】
つまり、ステップＳ３０６、Ｓ３０８、Ｓ３１０、Ｓ３１２の一連の処理が繰り返し実行されることにより、推定値ｆ１_ａが特定の範囲内（Ｆ１−α≦ｆ１_ａ≦Ｆ１＋α）に収まるように、冷却液温度ｔａが調節されることになる。これに応じて、推定の対象である水移動量ｆが特定の範囲内に維持される。
【０１６２】
（水移動量ｆ２に関する処理）
次に、水移動量ｆ２の調整に関する処理を行うべく、ステップＳ３１４の処理が実行される。このステップでは、上記のステップＳ３０６と同様の処理を、水移動量推定値ｆ２_ａを対象として行う。先ず、ＥＣＵ５８が、図１０（ｂ）のマップから、現在の出力電流値Ｉａと冷却液温度ｔｂに応じた目標水移動量Ｆ２を取得する。続いて、目標水移動量Ｆ２の値と所定値βとの和で上限値Ｆ２＋βが決定され、水移動量推定値ｆ２_ａがこの上限値Ｆ２＋βを上回っているか否かが判定される。
【０１６３】
ステップＳ３１４の条件の成立が認められた場合には、水移動量ｆ２が過剰であるとの判断が下され、冷却液温度ｔｃを上昇させる処理が実行される（ステップＳ３１６）。ステップＳ３１６の処理は、冷却液温度ｔｃを対象にして、上記のステップＳ３０８と同様の処理を行うことにより実現できる。このため、説明は省略する。ステップＳ３１６の処理が完了したら、今回のルーチンが終了する。
【０１６４】
ステップＳ３１４の条件の成立が認められない場合には、水移動量推定値ｆ２_ａが、所定の下限値Ｆ２−βよりも小さいか否かが判定される（ステップＳ３１８）。このステップでは、水移動量推定値ｆ２_ａが、下限値Ｆ２−βを下回っているか否かが判定される。
【０１６５】
ステップＳ３１４の条件の成立が認められた場合には、水移動量ｆ２が過剰であるとの判断が下され、冷却液温度ｔｃを上昇させる処理が実行される（ステップＳ３１６）。ステップＳ３２０の処理は、冷却液温度ｔｃを対象にして、上記のステップＳ３１２と同様の処理を行うことにより実現できる。このため、説明は省略する。ステップＳ３２０の処理が完了したら、今回のルーチンが終了する。
【０１６６】
ステップＳ３１４の条件の成立が認められず、かつ、ステップＳ３１８の条件の成立も認められなかった場合には、水移動量ｆ２の調整に関する処理を行うことなく、今回のルーチンが終了する。ステップＳ３１４、Ｓ３１８の条件が共に不成立の場合には、Ｆ２−β≦ｆ２_ａ≦Ｆ２＋βの条件が成立していることを意味する。よって、水移動量ｆ１に関する処理で述べたのと同様に、本ルーチンが繰り返し実行されることにより、推定値ｆ２_ａが特定の範囲内（Ｆ２−β≦ｆ２_ａ≦Ｆ２＋β）に収まるように、冷却液温度ｔｃが調節されることになる。これに応じて、推定の対象である水移動量ｆ２が特定の範囲内に維持される。
【０１６７】
以上説明したように、実施の形態２の具体的処理によれば、水移動量ｆ１、ｆ２が不足していると考えられる場合に、ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域（Ａ、Ｃ領域）を低温にすることができる。これにより、必要なとき速やかに水移動量を増加させ、水移動量ｆ１、ｆ２を、なるべく過不足のない好適な値に近づけることができる。
【０１６８】
特に、実施の形態２によれば、水移動量ｆ１、ｆ２を推定演算して推定値ｆ１_ａ、ｆ２_ａを求め、推定値ｆ１_ａ、ｆ２_ａの大小に応じてシステムの制御を行っている。このように、実施の形態２では、単位燃料電池１１内の湿度環境の変化（例えば各ガス流路の入口の湿度の変化）ではなく、水移動量ｆ１、ｆ２そのものに着目して水移動量の不足の判定を行っている。これにより、水移動量の調整を、水移動量ｆ１、ｆ２の絶対的な量の変化に応じて的確に行うことができる。
【０１６９】
そして、実施の形態１によれば、現実に計測、計量することは困難であると考えられる水移動量ｆ１、ｆ２を、各ガス流路の入口側部分及び出口側部分が対向して位置する領域（Ａ、Ｃ領域）の環境に関する情報（具体的には、湿度、温度、圧力）に基づいて、推定により把握することができる。
【０１７０】
また、実施の形態２では、水移動量ｆ１、ｆ２が過剰であるか否かの判定も行い、その判定結果に応じて、水移動量ｆ１、ｆ２の抑制も行っている。これにより、水移動量ｆ１、ｆ２が過剰であると考えられる場合に速やかに水移動量ｆ１、ｆ２を低減することができる。
【０１７１】
尚、上記説明した実施の形態２では、ＥＣＵ５８が、上記図８のルーチンにおけるステップＳ３１０または／およびＳ３１８の処理を実行することにより、前記第２の発明における「不足判定手段」が実現されている。また、ステップＳ３０８または／およびＳ３１２の処理を実行することにより、前記第２の発明における「冷却制御手段」が実現されている。
【０１７２】
また、実施の形態２では、ＥＣＵ５８が、上記図８のルーチンにおけるステップＳ３０４の処理を実行することにより、前記第４の発明における「水移動量取得手段」が実現されている。また、ステップＳ３１０または／およびＳ３１８の処理を実行することにより、前記第４の発明において「不足判定手段」が実現する機能が実現されている。そして、実施の形態２では、下限値Ｆ１−αと下限値Ｆ２−βが、前記第４の発明における「下限値」に相当している。
【０１７３】
また、実施の形態１では、ＥＣＵ５８が、図８のルーチンにおけるステップＳ１００およびＳ３０２を実行することにより、前記第５の発明における「ガス流路環境取得手段」が、ステップＳ３０４の処理を実行することにより、前記第５の発明における「推定演算手段」が、それぞれ実現されている。またＥＣＵ５８が上述した式（５）および（６）を記憶していることにより、前記第５の発明における「水移動特性記憶手段」が実現されている。
【０１７４】
また、上記説明した実施の形態２では、ＥＣＵ５８が、上記図８のルーチンにおけるステップＳ３０６または／およびＳ３１４の処理を実行することにより、前記第７の発明における「過剰判定手段」が、ステップＳ３０８または／およびＳ３１６の処理が実行されることにより、前記第７の発明における「昇温制御手段」が、それぞれ実現されている。
【０１７５】
［実施の形態２の変形例］
実施の形態２では、図８に示すルーチンのステップＳ３０４の処理を実行することにより、水移動量の推定値ｆ１_ａ、ｆ２_ａを取得した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、特願２００７−１３８３３３号に記載の推定方法の中で、膜電極接合体１２を介した水移動量H2O_mを小領域ごとに算出するステップがある。本実施形態では特願２００７−１３８３３３号に記載の推定方法に基づく推定ルーチンを実行するので、本実施形態においても、この水移動量H20_mの計算を行うステップが存在する。この情報を利用して、例えば、膜電極接合体１２上の複数の小領域のうち、Ａ領域に属する複数の小領域における水移動量H2O_mの総和を求め、この総和の値を用いて水移動量ｆ１を推定してもよい。
【０１７６】
また、実施の形態２では、水移動量の不足判定および過剰判定の両方を行っている。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。不足判定と過剰判定のどちらか一方のみを単独で用いてもよい。つまり、不足判定による水移動量不足対策の思想と、過剰判定による水移動量過剰対策の思想は、それぞれ個別に利用されることが可能である。
【０１７７】
実施の形態３．
上述した実施の形態２の制御は、燃料電池システムの通常運転時を含めて、種々の状況において実行することが出来る。しかしながら、例えばシステム起動時やシステム終了時の状況は、通常運転時の状況とは異なる。そこで、実施の形態３では、燃料電池システムの運転状態に応じて、適切な水移動量の調整を行う。
【０１７８】
本発明の実施の形態３は、燃料電池システムの起動時（始動中）に関して好適な水移動量の調整を提供する。本発明にかかる実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態２と同様の構成において同様の動作を行うことができるシステムとする。以下の説明では、図８のルーチンが、便宜上、システムの通常運転時に実行されるものとして説明を行う。
【０１７９】
システムの起動時には、燃料電池スタック１０は低温状態にある。起動時の低温状況下においては、膜電極接合体１２が過度に乾燥するという状況は、比較的発生しにくいと考えられる。従って、起動時においては、膜電極接合体１２の乾燥を防止すべく単位燃料電池１１内のアノードの水量を増加させる必要性は、それほど高くないと考えられる。また、単位燃料電池１１内のアノード側に存在する水の量が過度に多くなると、アノードにおいて所謂フラッディングなどの弊害を招くおそれもある。
【０１８０】
そこで、実施の形態３では、システム起動時においては、通常運転時に比して、アノード側からカソード側へ向かう水移動を促進し（水移動量ｆ１を増加し）、逆に、カソード側からアノード側へ向かう水移動を抑制する（水移動量ｆ２を低減する）こととする。このようにすることで、単位燃料電池１１内のアノード側の水量が不必要に増加することを避けることができる。
【０１８１】
具体的には、実施の形態３では、実施の形態２で述べた目標水移動量Ｆ１、Ｆ２の値を通常運転時と異なる値に変更して、システム起動時に図８のルーチンを実行する。本実施形態では、図８（ａ）のマップの各値に所定の増量係数を乗じることにより、目標水移動量Ｆ１の値を全体的に増加させ、図８（ｂ）のマップの各値に所定の減量係数を乗ずることにより、目標水移動量Ｆ２の値を全体的に減少させる。
【０１８２】
目標水移動量Ｆ１の値が全体的に増加すれば、図８のルーチン中ステップＳ３０６の判定条件およびＳ３１０の判定条件が、ともに、水移動量ｆ１を増量する側にシフトする。逆に、目標水移動量Ｆ２の値が全体的に減少すれば、図８のルーチン中ステップＳ３１４の判定条件およびＳ３１８の判定条件が、ともに、水移動量ｆ２を減量する側にシフトする。その結果、水移動量ｆ１を相対的に多めに調整し、かつ、水移動量ｆ２を相対的に少なめに調整することが可能となる。
【０１８３】
システムの起動後、通常運転状態への移行が完了したら、適宜のタイミングで、目標水移動量Ｆ１、Ｆ２のマップを通常運転時の値に戻せばよい。
【０１８４】
以上説明したように、実施の形態３によれば、水移動量の調整を、燃料電池システムの起動時の状況に合わせて行うことができる。
【０１８５】
なお、実施の形態３では、図８（ａ）（ｂ）のマップの値に、増量係数または減量係数を乗じて、目標水移動量Ｆ１、Ｆ２の値を変更した。しかしながら、例えば、目標水移動量Ｆ１、Ｆ２の値を変更した起動時用マップを個別に作成しておいて、システム起動時に当該起動時用マップに切り換えても良い。
【０１８６】
実施の形態４．
本発明にかかる実施の形態４は、システムの暖機運転の制御に特徴を有している点で、実施の形態３に相違する。なお、実施の形態４のシステムは、実施の形態３と同様の構成を備え、同様の動作を行うことができるものとする。
【０１８７】
実施の形態３では、システム起動時には、単位燃料電池１１のアノード側の水量が比較的少なくなるように、水移動量の調整を行っている。一方、システムを起動した後、システムの暖機運転を行う際には、できるだけ早く燃料電池スタック１０の温度を上昇させたいという要求がある。このような観点からは、単位燃料電池１１のアノード側の水量を十分に多くし、単位燃料電池１１の出力を早急に確保することが好ましい。膜電極接合体１２が乾いていると、出力を確保できないからである。
【０１８８】
そこで、実施の形態４では、先ず、システムの起動時に実施の形態３にかかる制御を実行する。その後、システムの暖機運転中には、実施の形態３とは逆に、通常運転時に比して、アノード側からカソード側へ向かう水移動を抑制し、逆に、カソード側からアノード側へ向かう水移動を促進することとする。このようにすることで、システムの暖機運転中に、単位燃料電池１１内のアノード側の水量を増加させることができる。
【０１８９】
具体的には、実施の形態４では、実施の形態３と逆に、図８（ａ）のマップの各値に減量係数を乗じて、目標水移動量Ｆ１の値を全体的に減少させ、図８（ｂ）のマップの各値に増量係数を乗じて、目標水移動量Ｆ２の値を全体的に増加させる。これにより、実施の形態３とは反対に、水移動量ｆ１を相対的に少なめに調整し、かつ、水移動量ｆ２を相対的に多めに調整することが可能となる。なお、ここで述べた減量係数や増量係数は、実施の形態３で述べた係数と同じ値にしなくともよい。
【０１９０】
システム起動時とシステムの暖機運転時との間での目標水移動量Ｆ１、Ｆ２の値の切換は、例えば、システムの各種機器の状態や、システム起動時からの経過時間など、適宜のタイミングで行えばよい。その後、システムの暖機運転が完了し、通常運転状態への移行が完了したら、適宜のタイミングで、目標水移動量Ｆ１、Ｆ２のマップを通常運転時の値に戻せばよい。
【０１９１】
以上説明したように、実施の形態４によれば、燃料電池システムの起動後、暖機運転を行う状況に合わせて、水移動量の調整を行うことができる。なお、実施の形態４においても、実施の形態３で述べたように、暖機運転時用マップを個別に準備して切り換えても良い。
【０１９２】
実施の形態５．
上述したように、実施の形態３はシステム起動時に好適な制御を、実施の形態４はシステムの暖機運転時に好適な制御を、それぞれ提供している。これに対し、本発明にかかる実施の形態５は、システムの終了時（停止時）の状況に対して好適である。なお、実施の形態５の燃料電池システムは、実施の形態２と同様の構成において同様の動作を行うことができるものとする。
【０１９３】
単位燃料電池１１内（又は燃料電池スタック１０内）に残存する水をできるだけ少なくした状態で、システムを停止したいという要求がある。さらには、残存水量をより一層減らし、膜電極接合体１２のアノードとカソード両面を十分に乾かした状態で、システムを停止したい場合もある。例えば、システムが寒冷地に置かれうる状況下では、凍結により、膜電極接合体１２やシステムの各種機器に悪影響が生じることが懸念されるからである。
【０１９４】
そこで、実施の形態５では、上記のような残存水量低減の要求を満足すべく、システム終了時に、次のような手法を用いて、単位燃料電池１１内の水量を減少させる。
【０１９５】
既述したように、実施の形態５のシステムは、実施の形態１乃至４と同様に、図１に示す構成を有している。図１のシステムでは、コンプレッサ２０が作動することにより、燃料電池スタック１０内の個々の単位燃料電池１１のカソードガス流路１４を通って空気が流通する。この空気の流通の過程で、カソードガス流路１４内の水分および膜電極接合体１２のカソード側の面の水分が、酸化ガス排出通路１６へと持ち去られる。
【０１９６】
そこで、実施の形態５では、この点を利用して、システム終了時には、単位燃料電池１１内におけるアノード側からカソード側に向かう水移動を促進し、カソード側からアノード側に向かう水移動を抑制する。これにより、単位燃料電池１１内の水をカソード側へと集め、この水を酸化ガス排出通路１６へと排出することができる。
【０１９７】
具体的には、本実施形態では、システムの終了時に、目標水移動量Ｆ１、Ｆ２の値を実施の形態３と同様に変更（Ｆ１の値を増量、Ｆ２の値を減量）して、図８のルーチンを実行する。但し、目標水移動量Ｆ１、Ｆ２の変更に用いる減量係数や増量係数は、実施の形態３で述べた係数と同じ値にしなくともよい。
【０１９８】
以上説明したように、実施の形態５によれば、燃料電池システムの終了時に、単位燃料電池１１内の残存水量を低減するように、水移動量の調整を行うことができる。なお、実施の形態５においても、実施の形態３および４で述べたのと同様に、システム終了時用マップを個別に準備しても良い。なお、燃料電池システムの運転終了時にカソード側の系についていわゆる掃気運転を実行する場合に、実施の形態５を組み合わせることも有効である。
【０１９９】
尚、上述の実施の形態３乃至５では、目標水移動量Ｆ１、Ｆ２の両方を変更したが、Ｆ１、Ｆ２のうち片方のみの値を変更してもよい。例えば、目標水移動量Ｆ１を増加すれば、これに応じてアノード側からカソード側へ向かう水移動量ｆ１を増加することができる。その結果、目標水移動量Ｆ２を変更しなくとも、全体的に見れば、通常運転時に比して、アノード側からカソード側へ向かう水移動を増加させることができる。
【０２００】
実施の形態６．
本発明にかかる実施の形態６の燃料電池システムは、実施の形態１乃至５と同じシステム構成を有するものの、膜電極接合体１２の構成が実施の形態１乃至５と相違する。
【０２０１】
既述したように、相対的に湿度が高いガス流路出口と相対的に湿度が低いガス流路入口とを膜電極接合体１２を介して対向させることにより、図２の矢印ｆ１、ｆ２のように、ガス流路出口からガス流路入口に向かって水を移動させることができる。実施の形態６では、膜電極接合体１２のうち、このような水移動に関与する部位（つまり、Ａ、Ｃ領域）を、中央側の部位（Ｂ領域）とは異なる構成にする。
【０２０２】
具体的には、実施の形態６では、膜電極接合体１２のＡ、Ｃ領域部分を形成する材料を、Ｂ領域部分を形成する材料とは異なる組成にし、Ａ、Ｃ領域部分の材料をより水が移動しやすい組成の材料にする。例えば、Ａ、Ｃ領域部分は、Ｂ領域部分に比べて、水透過係数がより高い電解質材料を用いる。これにより、水移動量ｆ１、ｆ２を、増加させることができる。
【０２０３】
なお、材料を変更する代わりに、または、材料の変更とともに、膜電極接合体１２のＡ、Ｃ領域部分の厚さを、Ｂ領域部分に比して薄くしてもよい。膜電極接合体１２を薄くすれば、その分だけ水が透過しやすくなり、水移動量を増やすことができるからである。
【０２０４】
なお、材料や厚みの変更は、膜電極接合体１２のうち電解質膜１２ａ、触媒層１２ｂ、１２ｃのいずれかを対象にして、またはそれらの中から２以上を対象にして、行うことができる。膜電極接合体が上記の電解質膜、電極触媒層以外の層をも含む３層以上の多層構造である場合にも、それらの層のうち１層以上を対象にして、同層内でＡ、Ｃ領域に相当する部位の材料や厚みを変更すればよい。なお、「相対的に水が移動しやすい構成」とは、「アノード側とカソード側との間で水交換しやすい構成」とも言い換えることができる。
【０２０５】
なお、実施の形態１乃至５おシステムとの組み合わせではなく、実施の形態６の思想のみを単独で用いてもよい。
【０２０６】
実施の形態７．
既述したように、電解質は、周囲の湿度の高低に応じて水透過特性が変化するという特性を有している。電解質の材料の組成が異なれば、周囲の湿度の上昇量に対する水透過特性の増加量も異なってくる。
【０２０７】
そこで、実施の形態７では、膜電極接合体１２のＡ、Ｃ領域部分を、湿度の変化に対して水透過係数がより敏感に（大きく）変化するような電解質材料を用いて形成する。その結果、周囲の湿度の上昇量が同じである場合には、Ａ、Ｃ領域部分の電解質材料は水透過係数の増大が相対的に大きく、Ｂ領域部分の電解質材料は水透過係数の増大が相対的に小さくなる。周囲の湿度の上昇量に対する水透過特性の増加量が大きければ、冷却液の温度を大きく低下させなくとも、大きな水移動促進効果を得ることができる。
【０２０８】
このような構成により、冷却液温度ｔａ、ｔｃを大きく低下させなくとも、水移動量ｆ１、ｆ２を十分に増加させることができる。
【０２０９】
なお、実施の形態７の構成によれば、少なくとも、次のような効果が得られる。実施の形態１で述べたように、発電時における燃料電池内部の（特に触媒層）の温度は、発電性能に影響を及ぼす要因の一つである。水移動量ｆ１、ｆ２を増加させるためではあっても、Ａ、Ｃ領域部分の温度が過度に低下することは、発電性能への影響を考えるとなるべく避けたい。この点、実施の形態７によれば、小さな温度低下幅や温度上昇幅で、水移動量ｆ１、ｆ２を大きく増加あるいは低減することができる。よって、発電性能への影響を小さくしつつ水移動量の調整を行うことができる。
【０２１０】
また、実施の形態７の思想のみを個別に利用することができる。
【０２１１】
特願２００７−１３８３３３号にかかる燃料電池面内状態推定方法.
以下、特願２００７−１３８３３３号に記載の推定方法の内容について記載する。但し、図面や符号の番号については、既述した本発明の内容と混同を避けるため、特願２００７−１３８３３３号の図面や符号の番号から適宜変更している。
【０２１２】
特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１．
［特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステム構成］
図１１は、特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムの構成を説明するための図である。図１１に示すシステムは、燃料電池１０１０を備えている。燃料電池１０１０は、積層された複数の膜電極接合体１０１２を備えている。膜電極接合体１０１２は、図１１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。
【０２１３】
膜電極接合体１０１２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（本実施形態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（本実施形態では空気とする）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１０１０及び膜電極接合体１０１２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。
【０２１４】
燃料電池１０１０には、酸化ガス供給通路１０１４と酸化ガス排出通路１０１６が連通している。酸化ガス供給通路１０１４は、加湿器１０１８を介してコンプレッサ１０２０に連通している。コンプレッサ１０２０は、エアフィルタ１０２２を通して吸入した空気を、酸化ガス供給通路１０１４を介して燃料電池１０１０に供給することができる。
【０２１５】
酸化ガス供給通路１０１４から燃料電池１０１０に供給された空気は、積層された複数の膜電極接合体１０１２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１０１６から排出される。
【０２１６】
燃料電池１０１０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１０１６から排出されるガスには、水分が含まれている。加湿器１０１８は、酸化ガス排出通路１０１６に含まれる水分を利用して、酸化ガス供給通路１０１４側の空気を加湿する機能を有している。このため、図１１に示すシステムによれば、燃料電池１０１０のカソード側に、加湿空気を供給することができる。
【０２１７】
燃料電池１０１０には、燃料ガス供給通路１０２４及び燃料ガス排出通路１０２６が連通している。燃料ガス供給通路１０２４には、調整バルブ１０２８を介して水素タンク１０３０が連通している。この構成によれば、調整バルブ１０２８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１０１０に供給することができる。
【０２１８】
燃料電池１０１０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１０１２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１０２６から排出される。
【０２１９】
本実施形態において、膜電極接合体１０１２は、コフロー流路を有している。すなわち、膜電極接合体１０１２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、本実施形態の膜電極接合体１０１２は、図１１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。
【０２２０】
燃料電池１０１０には、更に、冷却水供給通路１０３２と、冷却水排出通路１０３４とが連通している。冷却水供給通路１０３２から流入した冷却水は、個々の膜電極接合体１０１２の境界を流れた後、冷却水排出通路１０３４から排出される。燃料電池１０１０の温度は、この冷却水により、例えば８０℃程度に制御される。
【０２２１】
本実施形態のシステムは、図１１に示すように、酸化ガス供給通路１０１４に、圧力計１０３６及び露点計１０３８を備えている。また、酸化ガス排出通路１０１６には、圧力計１０４０が配置されている。前者の圧力計１０３６及び露点計１０３８によれば、膜電極接合体１０１２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１０４０によれば、膜電極接合体１０１２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。
【０２２２】
本実施形態のシステムは、更に、燃料ガス供給通路１０２４に配置された圧力計１０４２及び露点計１０４４、燃料ガス排出通路１０２６に配置された圧力計１０４６、及び、冷却水排出通路１０３４に配置された温度計１０４８を備えている。これらの計器によれば、膜電極接合体１０１２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１０１２の温度を検知することができる。
【０２２３】
圧力計１０３６，１０４０，１０４２，１０４６、露点計１０３８，１０４４、及び温度計１０４８の出力は、ECU（Electronic Control Unit）１０５０に供給されている。ECU１０５０は、それらの計器の出力により、膜電極接合体１０１２の圧力及び温度に関する環境を検知することができる。
【０２２４】
［ECU内のマップ］
本実施形態のシステムは、燃料電池１０１０が備える個々の膜電極接合体１０１２の発電分布を正確に予測する点に特徴を有している。ECU１０５０は、この機能を実現するために、図１２乃至図１４に示す複数のマップを記憶している。
【０２２５】
図１２は、電流密度Iのマップを示す。膜電極接合体１０１２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１２は、膜電極接合体１０１２を取りまく発電環境と、膜電極接合体１０１２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。
【０２２６】
膜電極接合体１０１２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１０１２の温度
但し、「相対湿度」は、（蒸気圧）／（飽和蒸気圧）×１００である。
【０２２７】
上記７つのパラメータのうち、３のアノードの圧力P_Anと、４のカソードの圧力P_Ca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、本実施形態では、３のアノード圧力P_An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、５の水素濃度は、位置によらずほぼ１００％であり、７の温度は、位置によらずほぼ冷却水温と同じである。このため、本実施形態では、５の水素濃度と７の温度も一定値として取り扱うこととする。
【０２２８】
図１２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１２（Ａ）は、カソード圧力P_Ca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、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度との関係で定義したマップである。また、図１２（Ｂ）は、カソード圧力P_Ca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、カソード相対湿度Ca_RH、及び酸素濃度との関係で定義したマップである。
【０２２９】
図１３は、図１２の場合と同様の規則に従って、膜電極接合体１０１２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１４は、同様の規則に従って、膜電極接合体１０１２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。ECU１０５０は、膜電極接合体１０１２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。
【０２３０】
［マップの作成方法］
次に、図１５を参照して、図１２乃至図１４に示すマップの作成方法について説明する。図１１に示す膜電極接合体１０１２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１０１２の面内において一定にはならない。
【０２３１】
また、膜電極接合体１０１２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１０１２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。
【０２３２】
膜電極接合体１０１２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。
【０２３３】
更に、膜電極接合体１０１２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１０１２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。
【０２３４】
図１２乃至図１４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１０１２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１０１２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１０１２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、本実施形態では、サイズを除いて膜電極接合体１０１２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。
【０２３５】
図１５は、膜電極接合体小片１０６０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１０６０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１０６０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１０６０のサイズを１cm×１cmとしている。  
【０２３６】
図１５に示すシステムは、膜電極接合体小片１０６０のカソード側に連通する酸化ガス供給通路１０６２及び酸化ガス排出通路１０６４を備えている。酸化ガス供給通路１０６２には、コンプレッサ１０６６が連通している。コンプレッサ１０６６は、エアフィルタ１０６８を介して吸入した空気を膜電極接合体小片１０６０に向けて供給することができる。
【０２３７】
酸化ガス供給通路１０６２には、調整バルブ１０７２を介して窒素タンク１０７２が連通している。窒素タンク１０７２は、調整バルブ１０７２の開度に応じた量の窒素を酸化ガス供給通路１０６２に供給することができる。
【０２３８】
酸化ガス供給通路１０６２は、バブラー１０７４を備えている。バブラー１０７４は、ヒータ１０７６と温度計１０７８とを内蔵した加湿器である。バブラー１０７４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１０６０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。
【０２３９】
バブラー１０７４の下流には、圧力計１０８０と、ヒータ１０８２が配置されている。膜電極接合体小片１０６０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１０８０の計測値は、膜電極接合体小片１０６０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。
【０２４０】
ヒータ１０８２は、膜電極接合体小片１０６０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１０７４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１０６０に供給することができる。従って、図１５に示すシステムによれば、膜電極接合体小片１０６０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。
【０２４１】
膜電極接合体小片１０６０のカソードに供給された酸化ガスは、酸化ガス排出通路１０６４から流出する。酸化ガス排出通路１０６４には、露点計１０８４が設けられている。露点計１０８４によれば、膜電極接合体小片１０６０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。
【０２４２】
図１５に示すシステムは、膜電極接合体小片１０６０のアノード側に連通する燃料ガス供給通路１０８６及び燃料ガス排出通路１０８８を備えている。燃料ガス供給通路１０８６には、調整バルブ１０９０を介して水素タンク１０９２が連通している。この構成によれば、調整バルブ１０９０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１０６０に供給することができる。
【０２４３】
燃料ガス供給通路１０８６は、調整バルブ１０９０の下流に、バブラー１０９４を備えている。バブラー１０９４は、カソード側のバブラー１０７４と同様に、ヒータ１０９６及び温度計１０９８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。
【０２４４】
バブラー１０９４の下流には、圧力計１１００と、ヒータ１１０２が配置されている。圧力計１１００の計測値は、膜電極接合体小片１０６０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１１０２によれば、膜電極接合体小片１０６０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１０６０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。
【０２４５】
膜電極接合体小片１０６０のアノードに供給された燃料ガスは、燃料ガス排出通路１０８８から流出する。燃料ガス排出通路１０８８には、露点計１１０４が設けられている。露点計１１０４によれば、膜電極接合体小片１０６０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。
【０２４６】
膜電極接合体小片１０６０には、冷却水供給通路１１０６及び冷却水排出通路１１０８が連通している。冷却水排出通路１１０８には、温度計１１１０が設けられている。図１５に示すシステムは、温度計１１１０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１０６０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１０６０の温度として取り扱うことができる。
【０２４７】
図１５に示すシステムは、更に、膜電極接合体小片１０６０のアノード側電極とカソード側電極とを結ぶ測定回路１１１２を備えている。測定回路１１１２には、電流計１１１４と可変抵抗１１１６を備えている。この構成によれば、可変抵抗１１１６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１０６０が発する電流量（電流密度I）を計測することができる。
【０２４８】
上述した通り、図１２乃至図１４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。
【０２４９】
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
・・・（７）
Ca_RH＝（酸化ガスの蒸気圧）／（温度Tにおける飽和水蒸気圧）×１００
・・・（８）
【０２５０】
図１５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１０７４，１０９４の温度を変化させることにより、（７）式の「燃料ガスの湿度」、並びに（８）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１５に示すシステムによれば、膜電極接合体１０６０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。
【０２５１】
また、図１５に示すシステムによれば、コンプレッサ１０６６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１０７０によって、酸化ガス供給通路１０６２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１０６０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１５に示すシステムによれば、図１２乃至図１４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。
【０２５２】
図１１に示す膜電極接合体１０１２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１２乃至図１４に示すマップは、膜電極接合体１０１２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。
【０２５３】
図１５に示すシステムでは、可変抵抗１１１６を調整することにより、膜電極接合体小片１０６０の起電力を調整しながら、電流計１１１４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１０６０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１０６０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。
【０２５４】
つまり、図１５に示すシステムによれば、膜電極接合体小片１０６０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１２乃至図１４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。
【０２５５】
［膜電極接合体の面内状態の予測］
図１６は、図１１に示す燃料電池１０１０が備える膜電極接合体１０１２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１６（Ａ）は、膜電極接合体１０１２のアノード面を示す斜視図である。膜電極接合体１０１２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。本実施形態では、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１０１２の一端から他端へ、同じ方向（図１６（Ａ）中に矢印で示す方向）に進むように構成されている。
【０２５６】
図１６（Ｂ）は、膜電極接合体１０１２の一部を帯状に切り出した部分（以下、「帯状部分１１２０」と称す）を示す。膜電極接合体１０１２は、仮想的には、この帯状部分１１２０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１１２０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１６（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。
【０２５７】
帯状部分１１２０は、図１６（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。本実施形態では、これらの小領域は、図１５に示す膜電極接合体小片１０６０と同様に、１cm×１cmの大きさを有しているものとする。
【０２５８】
膜電極接合体１０１２を、図１６（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１０１２を図１６（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。
【０２５９】
図１７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１１２２参照）。
【０２６０】
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
・・・（９）
【０２６１】
上記（９）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（９）式を用いることにより算出することができる（符号１１２４参照）。
・カソード圧力P_Ca（n-1)は、膜電極接合体１０１２のカソード側入口及び出口における圧力計１０３６,１０４０の測定値から比例計算による求めることができる（符号１１２５参照）。
・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１０１２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１０４８により検知される温度Tから特定することができる。
【０２６２】
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)              ・・・（１０）
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１０１２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１１２６参照）。
【０２６３】
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１１２８参照）。
【０２６４】
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
・・・（１１）
【０２６５】
上記（１１）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（１１）式を用いることにより算出することができる（符号１１３０参照）。
・アノード圧力P_An（n-1)は、膜電極接合体１０１２のアノード側入口及び出口における圧力計１０４２，１０４６の測定値から比例計算により求めることができる（符号１１３１参照）。
・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１０４８により検知される温度Tから特定することができる。
【０２６６】
アノード相対湿度An_RH（n-1)（１１３０）、カソード相対湿度Ca_RH（n-1)（１１２４）、及びO2濃度（n-1)（１１２６）が判ると、図１２（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１２（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。
【０２６７】
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１０３６,１０４０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１２（Ａ）及び図１２（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１１３２参照）。
【０２６８】
同様に、図１３（Ａ）及び図１３（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１１３４参照）。更に、図１４（Ａ）及び図１４（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１１３６参照）。
【０２６９】
膜電極接合体１０１２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        ・・・（１２）
【０２７０】
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１１３８参照）。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１１４０参照）。
O2（n)＝O2（n-1)−O2_off（n-1)            ・・・（１３）
【０２７１】
また、膜電極接合体１０１２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          ・・・（１４）
【０２７２】
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１１４２参照）。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１１４４参照）。
H2O_Ca（n)＝H2O_Ca（n-1)＋H2O（n-1)−H2O_m（n-1)        ・・・（１５）
【０２７３】
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１０１２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        ・・・（１６）
【０２７４】
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１１４６参照）。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１１４８参照）。
H2（n)＝H2（n-1)−H2_off（n-1)            ・・・（１７）
【０２７５】
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１１５０参照）。
H2O_An（n)＝H2O_An（n-1)＋H2O_m（n-1)      ・・・（１８）
【０２７６】
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
【０２７７】
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。
【０２７８】
図１１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１０２０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１０３８の出力に基づいて算出することができる。
【０２７９】
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１０２８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１０４４の出力に基づいて算出することができる。
【０２８０】
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１０３６の出力と、カソード出口の圧力計１０４０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１０４２の出力と、アノード出口の圧力計１０４６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。
【０２８１】
このように、図１１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，本実施形態のシステムでは、膜電極接合体１０１２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。
【０２８２】
[特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１における具体的処理]
図１８は、上記の処理を実現するためにECU１０５０が実行するルーチンのフローチャートである。図１８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１１６０）。
【０２８３】
次に、領域ｎのカソード状態量が算出される（ステップ１１６２）。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１７中、符号１１２２参照）。次いで、圧力計１０３６,１０４０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１７中、符号１１２５参照）。更に、上記（９）式に従ってカソード相対湿度Ca_RH（n)が、また、上記（１０）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１７中、符号１１２４，１１２６参照）。
【０２８４】
図１８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１１６４）。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１７中、符号１１２８参照）。次いで、圧力計１０４２，１０４６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１７中、符号１１３１参照）。更に、上記（１１）式に従ってアノード相対湿度An_RH（n)が算出される（図１７中、符号１１３０参照）。
【０２８５】
次に、ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１１６６）。具体的には、先ず、図１２（Ａ）に示すマップ、及び図１２（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１２（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１２（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１７中、符号１１３２参照）。
【０２８６】
上記ステップ１１６６では、また、図１３（Ａ）に示すマップ、及び図１３（Ｂ）に示すマップを参照して、抵抗値R（n)が算出される（図１７中、符号１１３４参照）。更に、ここでは、図１４（Ａ）に示すマップ、及び図１４（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１７中、符号１１３６参照）。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。
【０２８７】
次に、ｎ領域における生成・消費量が算出される（ステップ１１６８）。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（１２）式に従って、また、生成される水の量H2O（n)が上記（１４）式に従って、それぞれ算出される（図１７中、符号１１３８、１１４２参照）。更に、アノード側で消費される水素量H2_off（n)が、上記（１０１０）式に従って算出される（図１７中、符号１１４６参照）。
【０２８８】
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１１７０）。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１１７２）、再び、上記ステップ１１６２以降の処理が実行される。
【０２８９】
ｎが２以上である場合、ステップ１１６２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（１３）式又は（１５）式に従って算出される（図１７中、符号１１４０，１１４４参照）。また、この場合は、ステップ１１６４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（１７）式又は（１８）式に従って算出される。
【０２９０】
以後、ステップ１１７０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１０１２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。
【０２９１】
ところで、上述した特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１においては、膜電極接合体１０１２の温度が、全面において均一であることとしているが、特願２００７−１３８３３３号に記載の発明は、これに限定されるものではない。すなわち、膜電極接合体１０１２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。
【０２９２】
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１０６０の温度を変えて（図１５参照）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１０１２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。
【０２９３】
また、上述した特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１では、膜電極接合体１０１２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。
【０２９４】
また、上述した特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１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１０１２を用いた測定（図１５参照）を行うこととしているが、図１２乃至図１４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１０１２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。
【０２９５】
また、上述した特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１では、燃料電池１０１０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１０４４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１０４４は省略することとしてもよい。
【０２９６】
また、上述した特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１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１０４２，１０４６を配置することとしているが、特願２００７−１３８３３３号に記載の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１０１２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。
【０２９７】
特願２００７−１３８３３３号の実施の形態２．
次に、図１９乃至図２２を参照して、特願２００７−１３８３３３号の実施の形態２について説明する。本実施形態のハードウェア構成は、膜電極接合体１０１２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１１に示す構成と同様である。本実施形態のシステムは、このようなハードウェア構成において、ECU１０５０に、後述する図２１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。
【０２９８】
上述した通り、特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムでは、膜電極接合体１０１２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、特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１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、特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムでは、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。
【０２９９】
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。
【０３００】
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。
【０３０１】
図１７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、特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１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。
【０３０２】
図１９及び図２０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１９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２０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。
【０３０３】
本実施形態において、ECU１０５０は、カソードメモリ領域（図１９（Ａ）、図２０（Ｃ）参照）と、アノードメモリ領域（図１９（Ｃ）及び図２０（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。
【０３０４】
図１９に示すように、ECU１０５０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１７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。
【０３０５】
本実施形態において、ECU１０５０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。ECU１０５０は、図１９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。
【０３０６】
図２０は、ECU１０５０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、ECU１０５０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。
【０３０７】
本実施形態において、ECU１０５０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。ECU１０５０は、図２０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。
【０３０８】
上述した通り、本実施形態において、ECU１０５０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。
【０３０９】
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。
【０３１０】
本実施形態では、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、本実施形態の手法によれば、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、本実施形態のシステムによれば、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。
【０３１１】
図２１は、本実施形態において、ECU１０５０が実行するルーチンのフローチャートである。図２１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１１８０）。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。
【０３１２】
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１１８２）。本ステップ１１８２では、図１８に示すステップ１１６２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１７中、符号１１２２、１１２４，１１２５、１１２６参照）。
【０３１３】
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１１８４）。
【０３１４】
次いで、ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１１８６）。図１７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１７中、符号１１３０参照）が決まれば、図１２乃至図１４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１１８２及び１１８４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。
【０３１５】
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１１８８）。酸素消費量O2_off（n)は、上記（１２）式に従って算出される。また、水生成量H2O（n)は上記（１４）式に従って算出される（図１７中、符号１１３８、１１４２参照）。
【０３１６】
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１１９０）。本ステップ１１９０では、図１８に示すステップ１１６４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１７中、符号１１２８、１１３０，１１３１参照）。
【０３１７】
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１１９２）。更に、カソード側の圧力計１０３６,１０４０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１１９３）。
【０３１８】
続いて、Ｎ領域における発電状態が算出される（ステップ１１９４）。図１７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１７中、符号１１２４、１１２５、１１２６参照）、図１２乃至図１４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１１９０〜１１９３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。
【０３１９】
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１１９６）。水素消費量H2_off（Ｎ)は、上記（１６）式に従って算出される（図１７中、符号１１４６参照）。
【０３２０】
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１１９８）。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１２００）、再び、上記ステップ１１８２以降の処理が実行される。
【０３２１】
ｎが２以上である場合、ステップ１１８２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（１３）式又は（１５）式に従って算出される（図１７中、符号１１４０，１１４４参照）。また、この場合は、ステップ１１９０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（１７）式又は（１８）式に従って算出される。
【０３２２】
以後、ステップ１１９８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。
【０３２３】
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１１９８の条件が成立する。この場合、ECU１０５０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１２０２）。
【０３２４】
更に、ECU１０５０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１２０４）。以上の処理により、図１９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。
【０３２５】
図２１に示すルーチンによると、ステップ１１８６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１１９４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、本実施形態のシステムを用いる場合は、ステップ１１８６で得られる発電状態と、ステップ１１９４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。
【０３２６】
図２２は、本実施形態のシステムが実行した分布予測の結果である。図２２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１０１２において、現実に生ずる傾向と精度良く一致している。図２２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、本実施形態のシステムは、膜電極接合体１０１２の面内に生ずる分布を正確に予測することができる。
【図面の簡単な説明】
【０３２７】
【図１】本発明の実施の形態１のシステムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１の単位燃料電池１１の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１の単位燃料電池１１の平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１においてＥＣＵ５８が燃料電池面内状態推定のルーチンを実行した結果として得られる、推定湿度分布のイメージである。
【図５】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１のシステムで用いられるマップである。
【図７】本発明の実施の形態１のシステムの変形例である。
【図８】本発明の実施の形態２のシステムにおいて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２のシステムで用いられるマップである。
【図１０】本発明の実施の形態２のシステムで用いられるマップである。
【図１１】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムの構成を説明するための図である。
【図１２】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムが用いる電流密度Iのマップを示す。
【図１３】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムが用いる抵抗値Rのマップを示す。
【図１４】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムが用いる水移動量H2O_mのマップを示す。
【図１５】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１６】図１１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１７】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムが、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１８】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態１のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１９】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態２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２０】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態２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２１】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態２のシステムにおいて実行されるルーチンのフローチャートである。
【図２２】特願２００７−１３８３３３号の実施の形態２のシステムによる分布予測の結果を示す図である。
【符号の説明】
【０３２８】
１０  燃料電池スタック
１１  単位燃料電池
１２  膜電極接合体
１２ａ  固体高分子電解質膜    １２ｂ  電極触媒層    １２ｃ  電極触媒層
１３  ガス流路（アノードガス流路）
１３ａ  アノードガス流路入口    １３ｂ  アノードガス流路出口
１４  ガス流路（カソードガス流路）
１４ａ  カソードガス流路入口    １４ｂ  カソードガス流路出口
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ  冷却液通路
１６  酸化ガス排出通路    １７  酸化ガス供給通路
１８  冷却液マニホールド
２０  コンプレッサ
２２  エアフィルタ
２４  燃料ガス供給通路    ２６  燃料ガス排出通路
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  冷却系
５０ａ、５０ｂ、５０ｃ  冷却液通路
５１  ラジエータ
５２  ポンプ
５３、５４  熱交換器
５５、５６、５７  温度計
【図１】
2009224045.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【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】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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