(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿機能及び水回収機能を有する燃料電池本体と、
燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素供給系と、
燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、
燃料電池本体の温度を制御する冷却装置と、
燃料電池本体に水を供給する水供給装置と、
を有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体の発熱量を予測する発熱量予測手段と、
前記冷却装置の冷却性能を予測する冷却性能予測手段と、
前記予測された発熱量及び前記予測された冷却性能に基づいて燃料電池本体の温度を予測する温度予測手段と、
前記燃料電池本体の水回収量を予測する水回収量予測手段と、
前記予測された燃料電池本体の温度及び前記予測された水回収量に基づいて前記燃料電池本体の水回収量を制御する水回収量制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池本体と、
燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素供給系と、
燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、
燃料電池本体に供給するガスを加湿する加湿する加湿装置と、
燃料電池本体から排出されたガスから水を回収する水回収装置と、
燃料電池本体及び前記加湿装置及び前記水回収装置の少なくとも一つに水を供給する水供給装置と、
燃料電池本体及び前記加湿装置及び前記水回収装置の温度を制御する冷却装置と、
を有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池本体の発熱量を予測する発熱量予測手段と、
前記冷却装置の冷却性能を予測する冷却性能予測手段と、
前記予測された発熱量及び前記予測された冷却性能に基づいて燃料電池システムの温度を予測する温度予測手段と、
前記燃料電池本体の水回収量を予測する水回収量予測手段と、
前記予測された燃料電池本体の温度及び前記予測された水回収量に基づいて前記燃料電池本体の水回収量を制御する水回収量制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度をそれぞれ検出あるいは予測する入口ガス状態取得手段を備え、
前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度に基づいて水回収量を予測することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システム出口のガス温度を検出あるいは予測する出口ガス温度取得手段を更に備え、
前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度、及び燃料電池システム出口のガス温度に基づいて水回収量を予測することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システム出口のガス量、ガス温度、ガス湿度を検出あるいは予測する出口ガス状態取得手段を更に備え、
前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口及び出口のガス量、ガス温度、ガス湿度に基づいて水回収量を予測することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水回収制御手段は、前記燃料電池システム内の水収支が平衡するように制御することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システム内の水量を検出する水量検出手段を備え、前記水回収量は前記燃料電池システム内の水量に応じて変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池に供給するガス圧力を制御する圧力制御手段を備え、前記水回収量は、前記ガス圧力によって制御することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池に供給するガスの利用率を制御する利用率制御手段を備え、前記水回収量は、前記ガス利用率によって制御することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段を備え、前記水回収量は、前記燃料電池の出力によって制御することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池に供給するガスの圧力および利用率を制御する圧力／利用率制御手段と、燃料電池システムの効率を予測する効率予測手段と、を備え、
前記ガス圧力および利用率は燃料電池システムの効率が最大となるように制御することを特徴とする請求項１ないし請求項５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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、システム内で必要とされる純水の量を保持しつつ、燃料電池の効率を改善した燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（例えば、特開平８−１０６９１４号公報参照）。
【０００３】
【化１】
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                 …（１）
カソード反応：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ      …（２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用されている。
【０００４】
こうした燃料電池においては電解質膜の性能を引き出し、発電効率を向上させるためには、電解質膜の水分状態を最適に保つ必要がある。このため、燃料電池に導入する燃料ガス、空気を加湿することが行われる。また前述したように燃料ガスを改質して水素を取り出す場合においては、改質用に水を利用することが行なわれる。例えば、メタノールを改質して水素を取り出す場合には、以下の化学反応式（３）により水素を取り出している。
【０００５】
【化２】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２                …（３）
従って、燃料電池を自動車用に利用するためには、燃料電池あるいは改質器を含めた燃料電池システム内で水収支が保たれなければならない。これは、水が不足し、定期的な純水の補給が必要となると燃料電池自動車の実用性が著しく低下するためである。
【０００６】
また一方では、燃料電池を運転すると電池から熱が排出される。このため、燃料電池には水等の冷媒を流し、ラジエータ等の熱交換器を用いる冷却装置を設置し、電池からの発熱を車外に放出している。この際の、車外に放出できる熱の量は外気温や車速等の影響を受ける。従って、電池の発熱量が冷却装置の放熱量を上回ると燃料電池の温度が上昇し、運転を続けることが困難になる。よって、燃料電池システムは熱収支が保たれなければならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムの水収支に関する従来技術として、特開平１０−１７２５９９号公報には、燃料電池の運転圧力を制御することにより水収支を成立させる技術が開示されている。この従来技術によれば、外気温度が高くなった場合には、燃料電池システムから排出される排出ガス含まれる水の量が増加し、システムの水収支が成立しなくなる。この場合に燃料電池の運転圧力を増加させて、燃料電池から排出される水の量を減らすように制御している。しかしながら、運転圧力を増加したガスに含まれる気相の水を液相の水として回収する場合には、水の凝縮熱が発生し、燃料電池システムから外部へ放熱すべき熱量が増加する。このため水収支を改善するために運転圧力を増加していくと、前述した熱収支が成立しなくなり、燃料電池の運転継続が困難になるという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池システムの水収支と熱収支を同時に成立させ、しかも効率良く燃料電池を運転することができる燃料電池システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するために、加湿機能及び水回収機能を有する燃料電池本体と、燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素供給系と、燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、燃料電池本体の温度を制御する冷却装置と、燃料電池本体に水を供給する水供給装置と、を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の発熱量を予測する発熱量予測手段と、前記冷却装置の冷却性能を予測する冷却性能予測手段と、前記予測された発熱量及び前記予測された冷却性能に基づいて燃料電池本体の温度を予測する温度予測手段と、前記燃料電池本体の水回収量を予測する水回収量予測手段と、前記予測された燃料電池本体の温度及び前記予測された水回収量に基づいて前記燃料電池本体の水回収量を制御する水回収量制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するために、燃料電池本体と、燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素供給系と、燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、燃料電池本体に供給するガスを加湿する加湿する加湿装置と、燃料電池本体から排出されたガスから水を回収する水回収装置と、燃料電池本体及び前記加湿装置及び前記水回収装置の少なくとも一つに水を供給する水供給装置と、燃料電池本体及び前記加湿装置及び前記水回収装置の温度を制御する冷却装置と、を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の発熱量を予測する発熱量予測手段と、前記冷却装置の冷却性能を予測する冷却性能予測手段と、前記予測された発熱量及び前記予測された冷却性能に基づいて燃料電池システムの温度を予測する温度予測手段と、前記燃料電池本体の水回収量を予測する水回収量予測手段と、前記予測された燃料電池本体の温度及び前記予測された水回収量に基づいて前記燃料電池本体の水回収量を制御する水回収量制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１１】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度をそれぞれ検出あるいは予測する入口ガス状態取得手段を備え、前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度に基づいて水回収量を予測することを要旨とする。
【００１２】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム出口のガス温度を検出あるいは予測する出口ガス温度取得手段を更に備え、前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度、及び燃料電池システム出口のガス温度に基づいて水回収量を予測することを要旨とする。
【００１３】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システム出口のガス量、ガス温度、ガス湿度を検出あるいは予測する出口ガス状態取得手段を更に備え、前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口及び出口のガス量、ガス温度、ガス湿度に基づいて水回収量を予測することを要旨とする。
【００１５】
請求項６記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収制御手段は、前記燃料電池システム内の水収支が平衡するように制御することを要旨とする。
【００１６】
請求項７記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池システム内の水量を検出する水量検出手段を備え、前記水回収量は前記燃料電池システム内の水量に応じて変化させることを要旨とする。
【００１７】
請求項８記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給するガス圧力を制御する圧力制御手段を備え、前記水回収量は、前記ガス圧力によって制御することを要旨とする。
【００１８】
請求項９記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給するガスの利用率を制御する利用率制御手段を備え、前記水回収量は、前記ガス利用率によって制御することを要旨とする。
【００１９】
請求項１０記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段を備え、前記水回収量は、前記燃料電池の出力によって制御することを要旨とする。
【００２０】
請求項１１記載の発明は、上記課題を解決するために、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給するガスの圧力および利用率を制御する圧力／利用率制御手段と、燃料電池システムの効率を予測する効率予測手段と、を備え、前記ガス圧力および利用率は燃料電池システムの効率が最大となるように制御することを要旨とする。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、加湿機能及び水回収機能を有する燃料電池本体と、燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素供給系と、燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、燃料電池本体の温度を制御する冷却装置と、燃料電池本体に水を供給する水供給装置と、を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の発熱量を予測する発熱量予測手段と、前記冷却装置の冷却性能を予測する冷却性能予測手段と、前記予測された発熱量及び前記予測された冷却性能に基づいて燃料電池本体の温度を予測する温度予測手段と、前記燃料電池本体の水回収量を予測する水回収量予測手段と、前記予測された燃料電池本体の温度及び前記予測された水回収量に基づいて前記燃料電池本体の水回収量を制御する水回収量制御手段と、を備えたことにより、燃料電池システムの熱収支が成立する条件において水回収量を制御できるようになり、燃料電池の熱収支と水収支を同時に成立させる運転状態を実現することができるという効果がある。
【００２２】
請求項２記載の本発明によれば、燃料電池本体と、燃料電池本体に水素含有ガスを供給する水素供給系と、燃料電池本体に酸素含有ガスを供給する酸素供給系と、燃料電池本体に供給するガスを加湿する加湿する加湿装置と、燃料電池本体から排出されたガスから水を回収する水回収装置と、燃料電池本体及び前記加湿装置及び前記水回収装置の少なくとも一つに水を供給する水供給装置と、燃料電池本体及び前記加湿装置及び前記水回収装置の温度を制御する冷却装置と、を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池本体の発熱量を予測する発熱量予測手段と、前記冷却装置の冷却性能を予測する冷却性能予測手段と、前記予測された発熱量及び前記予測された冷却性能に基づいて燃料電池システムの温度を予測する温度予測手段と、前記燃料電池本体の水回収量を予測する水回収量予測手段と、前記予測された燃料電池本体の温度及び前記予測された水回収量に基づいて前記燃料電池本体の水回収量を制御する水回収量制御手段と、を備えたことにより、加湿装置と水回収装置とを燃料電池本体外部に有する燃料電池システムにおいてもシステムの熱収支が成立する条件において水回収量を制御できるようになり、燃料電池システムの熱収支と水収支を同時に成立させる運転状態を実現することができるという効果がある。
【００２３】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度をそれぞれ検出あるいは予測する入口ガス状態取得手段を備え、前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度に基づいて水回収量を予測するようにしたので、燃料電池の水回収量を正確に予測し、水回収量の誤差を可能な限り小さくすることができるという効果がある。
【００２４】
請求項４記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池システム出口のガス温度を検出あるいは予測する出口ガス温度取得手段を更に備え、前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口のガス量、ガス温度、ガス湿度、及び燃料電池システム出口のガス温度に基づいて水回収量を予測するようにしたので、更に正確に燃料電池の水回収量を予測することができるという効果がある。
【００２５】
請求項５記載の発明によれば、請求項３に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池システム出口のガス量、ガス温度、ガス湿度を検出あるいは予測する出口ガス状態取得手段を更に備え、前記水回収量予測手段は、燃料電池システム入口及び出口のガス量、ガス温度、ガス湿度に基づいて水回収量を予測するようにしたので、更に正確に燃料電池の水回収量を予測することができるという効果がある。
【００２７】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５に記載の発明の効果に加えて、前記水回収制御手段は、前記燃料電池システム内の水収支が平衡するように制御するようにしたので、環境条件等が変化した場合においても、燃料電池システムの水収支を成立させることができるという効果がある。
【００２８】
請求項７記載の発明によれば、請求項１ないし請求項６に記載の発明の効果に加えて、燃料電池システム内の水量を検出する水量検出手段を備え、前記水回収量は前記燃料電池システム内の水量に応じて変化させるようにしたので、燃料電池が運転を開始した時や、システム内の水量が目標値に達しなかった場合においても、水収支を成立させることができるという効果がある。
【００２９】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし請求項７に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池に供給するガス圧力を制御する圧力制御手段を備え、前記水回収量は、前記ガス圧力によって制御するようにしたので、水回収量を精度良く制御することができるという効果がある。
【００３０】
請求項９記載の発明によれば、請求項１ないし請求項７に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池に供給するガスの利用率を制御する利用率制御手段を備え、前記水回収量は、前記ガス利用率によって制御するようにしたので、水回収量を精度良く制御することができるという効果がある。
【００３１】
請求項１０記載の発明によれば、請求項１ないし請求項７に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段を備え、前記水回収量は、前記燃料電池の出力によって制御するようにしたので、水回収量を精度良く制御することができるという効果がある。
【００３２】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池に供給するガスの圧力および利用率を制御する圧力／利用率制御手段と、燃料電池システムの効率を予測する効率予測手段と、を備え、前記ガス圧力および利用率は燃料電池システムの効率が最大となるように制御するようにしたので、水収支を成立させつつ燃料消費率を改善することができるという効果がある。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示すシステム構成図である。本実施形態においては、加湿機能及び水回収機能を有する燃料電池本体（燃料電池スタックとも呼ぶ）を備え、燃料電池本体に導入されるガス圧力を制御することによってシステムの水回収量を制御することを特徴とする。
【００３４】
図１において、燃料電池システムは、燃料供給手段から供給される燃料ガス流量を検出する燃料系流量計１０と、空気供給手段から供給される空気流量を検出する空気系流量計１１と、燃料ガス流量を制御する燃料ガス量制御弁１２と、空気流量を制御する空気量制御弁１３と、燃料ガスを所望の圧力に加圧するコンプレッサ１４と、空気を所望の圧力に加圧するコンプレッサ１５と、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ１６と、空気の圧力を検出する圧力センサ１７と、燃料ガスの湿度を検出する湿度センサ１８と、空気の湿度を検出する湿度センサ１９と、燃料ガス及び空気が供給され電気化学反応により発電する燃料電池本体２０と、燃料電池本体２０の運転状態である出力電圧及び出力電流、或いは出力電力を検出する燃料電池運転状態検出手段２１と、冷却水を貯蔵する冷却水タンク２２と、冷却水を循環させる冷却水ポンプ２３と、冷却水の熱をシステムの外部へ放出するラジエータ２４と、これらシステム構成要素を制御するシステム制御装置１と、を備えている。
【００３５】
ここで、燃料電池本体２０の内部には、冷却機能に加えて、燃料極または空気極または両極の導電性多孔質部材と水分の授受を行うことにより加湿機能及び水回収機能を実現する冷却水経路が設けられている。この冷却水経路と、冷却水タンク２２と、冷却水ポンプ２３と、ラジエータ２４とは、冷却装置を構成している。
【００３６】
この冷却装置の動作は以下の通りである。冷却水ポンプ２３は、冷却水タンク２２から冷却水を汲み上げ、この冷却水を前記冷却水経路へ圧送する。冷却水は、冷却水経路を通過する際に燃料電池本体２０から熱を吸収するとともに燃料極または空気極または両極の導電性多孔質部材と水分の授受を行う。次いで冷却水はラジエータ２４からシステムの外部へ放熱して、冷却水タンク２２へ戻る。
【００３７】
燃料電池システムを制御するシステム制御装置１は、前記冷却装置の冷却性能を予測する冷却性能予測手段２と、燃料電池本体２０の発熱量を予測する発熱量予測手段３と、予測された冷却性能及び発熱量に基づいて燃料電池本体２０の温度を予測する温度予測手段４と、燃料電池本体２０の水回収量を予測する水回収量予測手段５と、予測された燃料電池本体２０の温度及び水回収量に基づいて水回収量を制御する水回収量制御手段６と、コンプレッサ１４，１５を制御することにより燃料ガス及び空気の圧力を制御する圧力制御手段７と、燃料ガスの利用率を制御する利用率制御手段８と、燃料電池の出力を制御する出力制御手段９とを備えている。
【００３８】
システム制御装置１は、特に限定されないがマイクロコンピュータを内蔵し、冷却性能予測手段２、発熱量予測手段３、温度予測手段４、水回収量予測手段５、水回収量制御手段６、圧力制御手段７、利用率制御手段８、及び出力制御手段９をマイクロコンピュータのプログラム制御により実現している。
【００３９】
次に、システム制御装置１の動作を説明する。システム制御装置１は、図外の外気温センサ及び車速センサからそれぞれ外気温度信号及び車速信号を入力し、外気温度及び車速に基づいて冷却性能を予測し、燃料電池運転状態から発熱量を予測する。次いで、これら予測した冷却性能及び発熱量から燃料電池温度を予測し、その温度をもとに水回収量を予測する。そして、熱収支を満足させながら要求の水回収量となるように、燃料ガス及び空気の圧力、燃料ガス利用率、燃料電池出力を制御する。
【００４０】
ここで、燃料電池を効率良く運転するためには、電解質膜の水分を適切に保つ必要があり、加湿装置、水回収装置を利用する燃料電池システムがある。しかし、燃料電池システムによっては加湿装置、水回収装置を燃料電池内に持つシステムも公知である。その一例として、冷却媒体として純水を利用し、ポーラスタイプのバイポーラプレートを通して、電解質膜を加湿する燃料電池（例えば、特開平８−２５０１３０号公報）も公知である。本実施形態は加湿装置、水回収装置を燃料電池本体内に持つシステムの場合の実施形態である。
【００４１】
本実施形態における燃料電池内の水収支は以下の式（４）で計算できる。
【００４２】
【数３】
Ｗrcyc＝Ｗproduct＋Ｆin＋Ａin−Ｆout−Ａout    …（４）
ここで、
Ｆin     ：燃料極入水量
Ａin     ：空気極入水量
Ｆout    ：燃料極排水量
Ａout    ：空気極排水量
Ｗproduct：反応生成水量
Ｗrcyc   ：回収水量
とする。式（４）の回収水量（Ｗrcyc）が０以上となれば、燃料電池システムの水収支が成立する。
【００４３】
反応生成水量（Ｗproduct）は、燃料電池の運転状態すなわち出力電力（または出力電流）の時間積分値である出力電力量（または出力電荷量）から算出できる。また燃料極及び空気極の入水量は、それぞれのガスの流量、圧力、温度、湿度から算出できる。燃料極及び空気極の排水量もそれぞれのガスの流量、圧力、温度、湿度から算出できる。
【００４４】
本実施形態では電力量は燃料電池運転状態検出手段２１から算出される。ガスの流量は流量計１０，１１で検出される。
圧力は燃料電池入口の圧力センサ１６，１７で検出している。出口圧力は入口圧力から流路の圧力損失から容易に予測できる。尚、ガス圧力はセンサを使用せずに、コンプレッサ１４，１５の運転状態と燃料ガス量制御弁１２と空気量制御弁１３との開度から予測しても良い。
【００４５】
本実施形態は入口温度は外気温から算出しているが、更に正確を期するには温度センサを設けても良い。出口温度は燃料電池本体２０の温度と同じとして算出している。入口湿度は湿度センサ１８，１９で検出している。出口湿度は水蒸気圧が飽和していると仮定して、出口温度に応じた飽和蒸気圧を用いて算出しているが、出口に湿度センサを設置しても良い。
【００４６】
図２には燃料電池温度Ｔfcの変化に対して、水収支がバランスする運転圧力Ｐfcを示している。燃料電池温度Ｔfcが高くなると飽和蒸気圧が大きくなるので、水収支がバランスする圧力が高くなり、水収支バランスラインは、右肩上がりの曲線となる。そして水収支バランスラインより運転圧力が高ければ水収支は＋となってシステム内の水量は増加し、水収支バランスラインより運転圧力が低ければ水収支は−となってシステム内の水量は減少する。
【００４７】
従って、燃料電池システムの水収支を成立させるためには、燃料電池の温度Ｔfcに応じて運転圧力Ｐfc を制御する必要がある。尚、運転圧力は余裕代を確保して、バランス点よりもやや高い圧力で運転しても良い。
【００４８】
燃料電池の温度は冷却性能と発熱量から算出できる。本実施形態においては、ラジエータ２４は、自然空冷式のラジエータとしているが、低速時に電力消費量の多い車両においては、電動式ラジエータファンを備えてもよい。図４には冷却性能すなわちラジエータ２４の単位時間当たりの放熱量を示す。これは燃料電池の温度Ｔfcを一定とした場合の結果である。外気温度が低いほど、また車速が高いほどラジエータの放熱量は大きくなる。従って、図４のマップを各燃料電池の温度Ｔfcに対して備えておけば、放熱量を予測することができる。
【００４９】
図５には燃料電池の単位時間当たりの発熱量を示す。燃料電池の発熱量は負荷（出力電力）Ｗが大きいほど大きくなる。また運転圧力Ｐfcが高くなると、燃料電池の効率が高くなるため、発熱量は小さくなる。
従って、燃料電池の負荷Ｗ、運転圧力Ｐfc、外気温度Ｔatm 、車速Ｖ等がわかれば、燃料電池の発熱量および放熱量が計算でき、熱量が釣合う燃料電池の温度を予測できる。図３は、燃料電池の負荷Ｗが一定の時の、冷却性能を段階的に変化させたときの発熱量＝放熱量となる熱収支バランスラインを示す図である。
【００５０】
図６には水収支と熱収支が成立する圧力制御点を示す。図２の水収支バランスラインと図３の熱収支バランスラインが交わる所が水収支と熱収支とを同時に満足する圧力制御点になる。このようにこれまで説明してきた方法によって、設定すべき圧力制御点を算出できる。圧力の制御は水収支、熱収支がバランスする点よりも余裕代を取ってやや高めに設定しても良い。但し、圧力を高めに設定すると水収支には有利であるが、あまり高めに設定すると水の凝縮熱が増加し熱収支が成立しなくなり、燃料電池の温度が上昇する。その結果、電解質膜の性能が低下し燃料電池の運転が困難になるため、適切な範囲に設定する。
【００５１】
図７は、本実施形態における圧力制御方法を実現するフローチャートである。まず、ステップ１１（以下Ｓ１１）で外気温Ｔatm、車速Ｖを検出する。Ｓ１２で外気温Ｔatm、車速Ｖをもとに図４のマップから放熱量を算出する。Ｓ１３で燃料電池運転状態検出手段２１により燃料電池の運転状態を検出する。Ｓ１４で図５のマップから燃料電池の発熱量を算出する。Ｓ１６で運転圧力Ｐfcを検出する。Ｓ１７で図２、図３のマップをもとに水収支、熱収支を算出し、目標範囲にあるか判断する。水収支、熱収支ともに目標範囲にあればＳ１９に進み、圧力Ｐfcはそのままとして、Ｓ１１へ戻る。熱収支が目標範囲にあって水収支が目標範囲にない（ＮＧ）の場合にはＳ１８に進み、圧力Ｐfcを所定値だけ増加（ｕｐ）して、Ｓ１１へ戻る。水収支が目標範囲にあって熱バランスが目標範囲にない（ＮＧ）の場合にはＳ２０に進み、圧力Ｐfcを所定値だけ減少（ｄｏｗｎ）して、Ｓ１１へ戻る。
【００５２】
〔第２実施形態〕
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の構成図を図８に示す。第２の実施形態は第１実施形態の構成図に対して、冷却水量を検出するために冷却水タンク２２に水位センサ２５を追加したものである。第２実施形態では水位センサ２５で検出した冷却水タンク２２の水位に応じて圧力制御点を変える所が特徴である。
【００５３】
例えば燃料電池が長期間運転されなかった場合に、水蒸気の漏れ等により、冷却水タンク２２の水位が適正範囲よりも少ない場合も考えられる。このような場合には、水収支がバランスする条件よりも更に運転圧力Ｐfcを増加して、冷却水タンク２２の水位が早く適正値に戻るようにする。
【００５４】
図９に第２実施形態における圧力制御の考え方を示す。冷却水タンク２２の水位が適正範囲にある場合には、水収支と熱収支がバランスする点を圧力制御点とする。これに対して、冷却水タンク２２の水位が適正範囲に満たない場合には、水位の適正範囲の下限からの差に応じて運転圧力Ｐfcを増加し、水回収速度を増加する。これによって早い時期に冷却水タンク２２の水位を適正範囲に戻すことができる。
【００５５】
図１０は、第２の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。第２の実施形態の制御フローチャートは、第１の実施形態の制御フローチャート（図７）とほぼ同様であり、異なる所のみを説明する。まず、Ｓ３０で水位センサ２５により冷却水タンク２２の水位を検出する。Ｓ３１で図９に示したような制御マップを参照して制御圧力点を算出する。Ｓ３２以下の処理は、図７のＳ１１以下の処理と同様である。
【００５６】
〔第３実施形態〕
次に、第３の実施形態について説明する。第３の実施形態の構成図は第１実施形態の構成図（図１）と同じである。第３実施形態では水収支、熱収支を成立させるパラメータをガスの利用率とする所が特徴である。
【００５７】
ガスの利用率を大きくすると、燃料電池を通過するガスの流量が少なくなる。従って、燃料電池からの排水量を少なくできるため、水収支をバランス点で有利である。図１１は、燃料電池温度Ｔfcとガス利用率Ｕfcを変えた場合の水収支バランスラインを示す。燃料電池温度Ｔfcが特定の範囲内にあれば、ガス利用率Ｕfcによって水収支をバランスさせることができる。第１の実施形態で示したように、燃料電池の圧力を制御しても水収支、熱収支をバランスさせることができる。しかしながら、圧力を増加させると燃料電池自身の効率が高くなるが、コンプレッサ１４，１５等の補機の駆動仕事が増加するため、システムの効率は低下する。よってガス利用率で制御できる範囲の場合にはガス利用率を利用した方が有利である。
【００５８】
このガス利用率の制御にガスの圧力制御を組み合わせて、ガス利用率で制御できなくなった場合にはガス圧力制御を利用するようにしても良い。
【００５９】
図１２は、第３の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。第３の実施形態の制御フローチャートは第１の実施形態の制御フローチャート（図７）とほぼ同様であり、異なる所のみ説明する。まず、外気温Ｔatm及び車速Ｖを検出するＳ５１から燃料電池温度Ｔfcを検出するＳ５５までは、図７のＳ１１からＳ１５までと同じである。次いで、Ｓ５６で燃料ガスのガス利用率Ｕfcを検出する。Ｓ５７で水収支及び熱収支のバランスを判断する。水収支及び熱収支が所定の範囲内であれば共にＯ．Ｋ．として、Ｓ５９でガス利用率はそのままとして、Ｓ５１へ戻る。水収支のバランスが所定範囲よりマイナスであれば、水バランスＮＧとして、Ｓ５８でガス利用率Ｕfcを増加（ｕｐ）させて、Ｓ５１へ戻る。
【００６０】
熱収支バランスが所定範囲を越えていれば、熱バランスＮＧとして、Ｓ６０でガス利用率Ｕfcを減少（ｄｏｗｎ）させて、Ｓ５１へ戻る。
【００６１】
〔第４実施形態〕
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態の構成図は第１実施形態の構成図（図１）と同じである。第４実施形態では水収支、熱収支を成立させるパラメータを燃料電池の出力とする所が特徴である。
【００６２】
図５で示したように、燃料電池の出力を小さくすると燃料電池からの発熱量が少なくなる。その結果、燃料電池の温度が低下して、水収支をバランス点で有利となる。但し、要求される出力に対して燃料電池出力が不足する場合には、二次電池やコンデンサ等の蓄電手段からの電気で補うことになる。出力を小さくした場合には、燃料電池のからの発熱量が低下しかつ燃料電池の温度も下がるために、水収支、熱収支ともに成立することになる。
【００６３】
図１３は、第４の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。第４の実施形態の制御フローチャートは、第１の実施形態の制御フローチャート（図７）とほぼ同様であり、異なる所のみ説明する。まず、外気温Ｔatm及び車速Ｖを検出するＳ７１から燃料電池温度Ｔfcを検出するＳ７５までは、図７のＳ１１からＳ１５までと同じである。次いで、Ｓ７６で水収支及び熱収支のバランスを判断する。水収支及び熱収支が共に所定範囲内であれば共にＯ．Ｋ．として、Ｓ７８で燃料電池出力はそのままとして、Ｓ７１へ戻る。水収支のバランスが所定範囲よりマイナスであれば、Ｓ７７で燃料電池出力を減少（ｄｏｗｎ）させて、Ｓ７１へ戻る。水収支が設定範囲以上の場合にはＳ７９で燃料電池出力を増加（ｕｐ）させて、Ｓ７１へ戻る。
【００６４】
〔第５実施形態〕
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態の構成図は第１実施形態の構成図（図１）と同じである。第５実施形態では水収支、熱収支を成立させるパラメータとして、運転圧力と利用率の両方を用い、その組み合わせとしては、燃料電池システムの効率が最大となる組み合わせとする所が特徴である。
【００６５】
図１４にガス圧力とガス利用率に対するシステム効率を示す。前述したようにガス圧力を増加させると補機の駆動仕事が増加してシステム効率が低下する。ガス利用率を増加させると無駄ガスが低減するため効率が増加する。しかしながら適正値よりも更にガス利用率を増加すると、燃料電池で濃度過電圧が増加し、効率は低下してしまう。よって、効率が最適となるようなガス利用率が存在する。
【００６６】
図１５には燃料電池温度、ガス圧力およびガス利用率に対して水収支が成立する条件を示す。利用率が大きいほど、圧力が高いほど、燃料電池温度が高温の状態においても水収支が成立するようになる。
【００６７】
このように図１４と図１５に基づくと、効率が最も高い状態で水収支、熱収支を成立させることができる利用率と圧力の組み合わせを求めることができる。
【００６８】
図１６は、第５の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。第５の実施形態の制御フローチャートは、第１実施形態の制御フローチャート（図７）、第３の実施形態の制御フローチャート（図１２）とほぼ同様であり、異なる所のみ説明する。まず、外気温Ｔatm及び車速Ｖを検出するＳ９１から燃料電池温度Ｔfcを検出するＳ９５までは、図７のＳ１１からＳ１５までと同じである。
【００６９】
次いで、Ｓ９６で燃料電池の運転圧力及びガス利用率を検出する。Ｓ９７で水収支及び熱収支のバランスを判断する。水収支バランスが所定範囲よりマイナスでＮ．Ｇ．の場合にはＳ９８で圧力、利用率を所定値だけ増加（ｕｐ）させて、Ｓ１０１へ進む。Ｓ９７の判定で水収支及び熱収支のバランスが共に所定範囲内でＯ．Ｋ．の場合はＳ９９で圧力、利用率はそのままとして、Ｓ１０１へ進む。Ｓ９７の判定で熱収支のバランスが所定範囲を上回ってプラスでＮ．Ｇ．の場合にはＳ１００で圧力、利用率を所定値だけ減少（ｄｏｗｎ）させて、Ｓ１０１へ進む。
【００７０】
次いで、Ｓ１０１で図１４のマップをもとに効率がベストがどうか判断する。効率がベストの場合にはＳ１０２で圧力、利用率はそのままとして、Ｓ９１へ戻る。Ｓ１０１で効率がベストでないと判断された場合にはＳ１０１で圧力、利用率の組み合わせを変更して、Ｓ９１へ戻る。
【００７１】
〔第６実施形態〕
次に、第６の実施形態について説明する。図１７は、第６の実施形態の構成を示すシステム構成図である。第１実施形態では燃料電池の加湿、水回収を燃料電池本体２０の内部で行っていた。第６の実施形態では燃料電池本体２０とは別に加湿装置２６及び水回収装置２７を設けた点が特徴であり、加湿装置２６、燃料電池本体２０、水回収装置２７を合わせて燃料電池システムと考えて、全体の水収支及び熱収支の制御を行う。
【００７２】
図１７の第６実施形態の構成図において、第１の実施形態の構成図（図１）との相違は、燃料電池本体２０の上流に加湿装置２６、下流に水回収装置２７を設けている。また燃料電池の冷却系から水循環系が分離され、冷却系は温度制御動作だけを行い、水循環系が加湿装置２６への純水供給と燃料電池本体２０及び水回収装置２７からの水回収を行う。このため、燃料電池システムの水収支は水循環系で制御する一方、燃料電池システムの熱収支は冷却系で制御することになる。また、水循環系と冷却系とが分離されたため、冷却系に使用する冷媒は、純水でなくてもよくなり、例えば防錆剤や不凍液を混入したロングライフクーラント（以下、ＬＬＣと略す）を利用することができる。
【００７３】
水循環系は水タンク２８、ポンプ２９を備え、ポンプ２９により水タンク２８から汲み上げた純水を給水管３３を介して加湿装置２６へ圧送するとともに、排水管３４，３５により、燃料電池本体２０，水回収装置２７から回収した純水を水タンク２８へ戻している。
【００７４】
また冷却系はＬＬＣタンク３０、ポンプ３１、ラジエータ３２を備え、ＬＣＣタンク３０からポンプ３１で汲み上げられたＬＬＣは、ラジエータ３２で冷却され、水回収装置２７で排ガスと熱交換し、排ガス中の水蒸気を凝縮させ、次いで燃料電池本体２０の冷却水経路を通過して燃料電池本体２０との熱交換を行い、最後に加湿装置２６で加湿用の純水を加熱して、ＬＬＣタンク３０に戻る経路を循環する。
【００７５】
本実施形態における水収支、熱収支の制御方法は第１の実施形態と同じである。但し、発熱量は加湿装置２６、燃料電池本体２０、水回収装置２７を含めた燃料電池システム全体の発熱量となる。また、燃料電池の温度は水回収装置２７の出口温度となる。制御フローチャートは、第１の実施形態から第５の実施形態の制御フローと同じものを使用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】燃料電池温度Ｔfcと運転圧力Ｐfcに対する水収支バランスラインを説明する図である。
【図３】各冷却性能における燃料電池温度Ｔfcと運転圧力Ｐfcに対する熱収支バランスラインを説明する図である。
【図４】外気温度Ｔatm と車速Ｖに対する放熱量を説明する図である。
【図５】燃料電池負荷Ｗと圧力Ｐfcに対して燃料電池発熱量を説明する図である。
【図６】水収支、熱収支を考慮した圧力制御点を説明する図である。
【図７】第１の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図９】水回収速度を考慮した圧力制御点を説明する図である。
【図１０】第２の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１１】燃料電池温度Ｔfcと利用率Ｕfcに対する水収支バランスラインを説明する図である。
【図１２】第３の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１３】第４の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１４】圧力Ｐfcと利用率fcに対するシステム効率を説明する図である。
【図１５】各利用率における燃料電池温度Ｔfcと運転圧力Ｐfcに対する熱収支バランスラインを説明する図である。
【図１６】第５の実施形態の動作を説明する制御フローチャートである。
【図１７】本発明に係る燃料電池システムの第６の実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【符号の説明】
１…システム制御装置
２…冷却性能予測手段
３…発熱量予測手段
４…燃料電池温度予測手段
５…水回収量予測手段
６…水回収量制御手段
７…圧力制御手段
８…利用率制御手段
９…出力制御手段
１０…燃料系流量計
１１…空気系流量計
１２…燃料ガス量制御弁
１３…空気量制御弁
１４、１５…コンプレッサ
１６、１７…圧力センサ
１８、１９…湿度センサ
２０…燃料電池本体
２１…燃料電池運転状態検出手段
２２…冷却水タンク
２３…水ポンプ
２４…ラジエータ
２５…水位センサ
２６…加湿装置
２７…水回収装置
２８…水タンク
２９…ポンプ
３０…ＬＬＣタンク
３１…ポンプ
３２…ラジエータ
【図１】
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【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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