(57)【要約】【課題】正確に凝縮水の蒸発量を増大させて燃料電池の発熱量を低減する。【解決手段】燃料電池３の発熱量を推定する発熱量推定部３１と、燃料電池３へ供給されるガスに含まれる含水量を推定するガス含水量推定部３２と、化学的反応により生じる生成水量を推定する生成水量推定部３３と、燃料電池内部に存在する内部水分の蒸発量を推定する蒸発量推定部３４と、内部水分の蒸発量を制御する蒸発量制御部３５とを有し、発熱量が増大した時に、含水量と生成水量と蒸発量とに基づいて、燃料電池３で凝縮水が生じているか否かを判定し、蒸発量制御部３５は内部水分の蒸発量を制御する。【選択図】図１
2006216255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの化学的反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発熱量を推定する発熱量推定手段と、
前記燃料電池へ供給される前記燃料ガス或いは酸化剤ガスに含まれる含水量を推定するガス含水量推定手段と、
前記化学的反応により生じる生成水量を推定する生成水量推定手段と、
前記燃料電池内部に存在する内部水分の蒸発量を推定する蒸発量推定手段と、
前記内部水分の蒸発量を制御する蒸発量制御手段とを有し、
前記発熱量推定手段にて推定した発熱量が増大した時に、前記ガス含水量推定手段にて推定した含水量と、前記生成水量推定手段にて推定した生成水量と、前記蒸発量推定手段にて推定した蒸発量とに基づいて、前記蒸発量制御手段は前記内部水分の蒸発量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記ガス含水量推定手段にて推定した含水量及び前記生成水量推定手段にて推定した生成水量の総和が、前記蒸発量推定手段にて推定した蒸発量より多い場合に、前記蒸発量制御手段は前記内部水分の蒸発量を増大させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の出力電力を制御する電力制御手段を有し、
前記ガス含水量推定手段にて推定した含水量及び前記生成水量推定手段にて推定した生成水量の総和が、前記蒸発量推定手段にて推定した蒸発量以下である場合に、前記電力制御手段は前記出力電力を制限することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の出力電力を制御する電力制御手段と、
前記蒸発量制御手段が前記内部水分の蒸発量を増大させた後の前記燃料電池システムの発熱量を予測する発熱量予測手段とを有し、
前記発熱量予測手段にて予測した予測発熱量が前記発熱量推定手段にて推定した発熱量より多い場合に、前記電力制御手段は前記出力電力を制限することを特徴とする請求項２又は３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の効率を予測する効率予測手段を有し、
前記蒸発量制御手段は、前記燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整手段あるいは前記酸化剤ガスの流量を調整する酸化剤ガス流量調整手段の少なくとも一方を備え、
前記蒸発量制御手段は、前記燃料電池システムの効率が最大となるように、前記燃料ガス流量調整手段による前記燃料ガスの流量の増大あるいは前記酸化剤ガス流量調整手段による前記酸化剤ガスの流量の増大の少なくとも一方を行うことにより前記内部水分の蒸発量を増大させることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池システムの効率を予測する効率予測手段を有し、
前記蒸発量制御手段は、前記燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス圧力調整手段あるいは前記酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス圧力調整手段の少なくとも一方を備え、
前記蒸発量制御手段は、前記燃料電池システムの効率が最大となるように、前記燃料ガス圧力調整手段による前記燃料ガスの圧力の減少あるいは前記酸化剤ガス圧力調整手段による前記酸化剤ガスの圧力の減少の少なくとも一方を行うことにより前記内部水分の蒸発量を増大させることを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記蒸発量制御手段は、前記燃料ガスあるいは前記酸化剤ガスの少なくとも一方の加湿量を調整する加湿量調整手段を備え、
前記蒸発量制御手段は、前記加湿量調整手段が前記加湿量を通常運転時より減少させることにより前記内部水分の蒸発量を増大させることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池へ供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの化学的反応により発電を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池の発熱量を推定するステップと、
前記燃料電池へ供給される前記燃料ガス或いは酸化剤ガスに含まれる含水量を推定するステップと、
前記化学的反応により生じる生成水量を推定するステップと、
前記燃料電池内部に存在する内部水分の蒸発量を推定するステップと、
前記発熱量が増大した時に、前記含水量と前記生成水量と前記蒸発量とに基づいて、前記内部水分の蒸発量を制御するステップ
とを有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
前記内部水分の蒸発量を制御するステップは、前記含水量及び前記生成水量の総和が前記蒸発量より多い場合に、前記内部水分の蒸発量を増大させるステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記含水量及び前記生成水量の総和が前記蒸発量以下である場合、前記内部水分の蒸発量を制御ステップの代わりに、前記燃料電池の出力電力を制限するステップを実施することを特徴とする請求項９記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記内部水分の蒸発量を増大させた後の前記燃料電池システムの発熱量を予測するステップと、
前記予測した発熱量が前記推定した発熱量より多い場合に前記燃料電池の出力電力を制限するステップ
とを更に有することを特徴とする請求項９又は１０記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
前記内部水分の蒸発量を制御するステップは、前記燃料電池システムの効率が最大となるように、前記燃料ガスの流量の増大あるいは前記酸化剤ガスの流量の増大の少なくとも一方を行うことにより前記内部水分の蒸発量を増大させるステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
前記内部水分の蒸発量を制御するステップは、前記燃料電池システムの効率が最大となるように、前記燃料ガスの圧力の減少あるいは前記酸化剤ガスの圧力の減少の少なくとも一方を行うことにより前記内部水分の蒸発量を増大させるステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
前記内部水分の蒸発量を制御するステップは、前記燃料ガスあるいは前記酸化剤ガスの少なくとも一方の加湿量を通常運転時より減少させることにより前記内部水分の蒸発量を増大させるステップであることを特徴とする請求項８記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム及びその制御方法に関し、特に、燃料電池の発熱を放熱器以外の手段により冷却する燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池へ供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの化学的反応により発電を行う発電システムである。燃料電池システムでは、この化学的反応により発熱が生じるが、従来から、この発熱を放熱器以外の手段により冷却するための技術が盛んに行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池の発熱量を検出する発熱量検出手段と、燃料電池内部に存在する内部水分の蒸発量を制御する蒸発量制御手段とを備える。発熱量検出手段にて検出した燃料電池の発熱量に基づいて、蒸発量制御手段により内部水分の蒸発量を制御する。燃料電池の発熱量は、燃料電池が出力する電力、燃料電池が出力する電流、または燃料電池の温度に基づいて検出する。内部水分の蒸発量制御は、燃料電池に供給される水素、酸素の加湿量調整、あるいは燃料電池に供給される水素、酸素の流量調整、燃料電池に供給される水素、酸素の圧力調整により行う。
【特許文献１】特開２００２−３７３６９２号公報（例えば、第１図及び要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、燃料電池内に存在する内部水分の蒸発量を調整することで、内部水分の蒸発潜熱を利用して燃料電池の発熱量を抑制している。また、内部水分の蒸発量制御は、燃料電池に供給する燃料ガス（水素）及び酸化剤ガス（酸素）の流量増大、あるいは燃料電池に供給する水素、酸素の圧力低減により行われている。
【０００５】
そのため、内部水分の蒸発量は、燃料電池へ供給される燃料ガス或いは酸化剤ガスに含まれる含水量と燃料電池での化学的反応により生じる生成水量との総水分量により制限され、内部水分の蒸発潜熱を利用できる流量増大代あるいは圧力低減代には限界値が存在する。したがって、燃料電池システムのガス流量及びガス圧力の動作点によっては、内部水分の蒸発潜熱を利用して発熱量を抑制することができない可能性があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するため、本発明は、燃料電池へ供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの化学的反応により発電を行う燃料電池システム及びその制御方法であって、燃料電池システムは、燃料電池の発熱量を推定する発熱量推定手段と、燃料電池へ供給される燃料ガス或いは酸化剤ガスに含まれる含水量を推定するガス含水量推定手段と、化学的反応により生じる生成水量を推定する生成水量推定手段と、燃料電池内部に存在する内部水分の蒸発量を推定する蒸発量推定手段と、内部水分の蒸発量を制御する蒸発量制御手段とを有し、発熱量推定手段にて推定した発熱量が増大した時に、ガス含水量推定手段にて推定した含水量と、生成水量推定手段にて推定した生成水量と、蒸発量推定手段にて推定した蒸発量とに基づいて、蒸発量制御手段は前記内部水分の蒸発量を制御することを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係わる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池の発熱量が増大した時に、含水量、生成水分量、及び蒸発量に基づいて、燃料電池で凝縮水が生じているか否かを判定し、凝縮水の蒸発潜熱を利用して燃料電池の発熱量を低減することができるので、正確に凝縮水の蒸発量を増大させて燃料電池の発熱量を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【０００９】
（第１の実施の形態）
[燃料電池システムの全体構成]
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムは、その全体構成として、燃料ガス及び酸化剤ガスからなる反応ガスが供給されて当該反応ガスの化学的反応により発電を行う燃料電池３と、燃料電池３へ燃料ガスの一例としての水素ガスを供給するコンプレッサ１と、燃料電池３へ酸化剤ガスの一例としての大気（空気）を供給するコンプレッサ１と、水素ガスを貯蔵する水素タンク２０と、水素ガス及び空気の圧力を検出する圧力センサ１１、１５と、水素ガス及び空気の温度を検出する温度センサ１２、１６と、水素ガス及び空気の湿度を検出する湿度センサ１３、１７と、水素ガス及び空気の流量を検出する流量計１４、１８と、水素ガス及び空気の圧力を調整する圧力調整弁６、７と、燃料電池３での前述した化学的反応により生じる発熱を装置外部へ放出する放熱器の一例としてのラジエータ９及びポンプ８と、ラジエータ９及びポンプ８を循環する冷却水の温度を検出する温度センサ１９と、各センサ及び流量計（１１〜１９）からのセンサ信号を受信してコンプレッサ１、２及び圧力調整弁６、７へ制御信号を送信するシステム制御装置１０とを備える。
【００１０】
「燃料電池」は、水素ガスが供給されるアノード４及び空気が供給されるカソード５が電解質膜を挟持した燃料電池セル（単位セル）のみならず、電気的に直列に接続した複数の単位セルを備える燃料電池スタックをも含む概念である。以後、燃料電池の一例として、燃料電池スタックを例にとり説明を続ける。
【００１１】
燃料ガス（ここでは水素ガス）はアノード４へ供給され、酸化剤ガス（ここでは空気）はカソード５へ供給され、水素ガス及び空気は燃料電池スタック３内で化学的に反応して電力を発生する。その際、カソード５から、空気中の一部の酸素が消費され且つ発電により生成された水分を含んだカソードオフガスが排出される。一方、アノード４から、消費されずに残された水素ガスを含むアノードオフガスが排出される。上述した水素ガス及び空気の流れは、それぞれアノード系流路及びカソード系流路により実現されている。また、冷却液の流れは、冷却水系流路により実現されている。以下に、これらの流路について詳細に説明する。
【００１２】
アノード系流路について説明する。アノード系流路のうちアノード４の上流側には、コンプレッサ１が設けられ、コンプレッサ１は水素タンク２０からの水素ガスを昇圧し、より高圧状態の水素ガスをアノード４に供給することができる。アノード４の下流側には圧力調整弁６が設けられ、圧力調整弁６は燃料電池スタック３の発電量（出力電力）に応じて要求される供給水素圧力（アノード運転圧力）を調整する。コンプレッサ１の下流側には、圧力センサ１１、温度センサ１２、湿度センサ１３、及び流量計１４が設けられ、それぞれアノード運転圧力、アノード入口温度、アノード入口湿度、アノードガス流量を測定できる。なおここでは、圧力センサ１１、温度センサ１２、湿度センサ１３、及び流量計１４は、コンプレッサ１の下流側であってアノード４の上流側に配置されている場合について説明する。
【００１３】
カソード系流路について説明する。カソード系流路のうちカソード５の上流側には、コンプレッサ２が設けられ、コンプレッサ２は大気からの空気を昇圧し、より高圧状態の空気をカソード５に供給することができる。カソード５の下流側には圧力調整弁７が設けられ、圧力調整弁７は燃料電池スタック３の出力電力に応じて要求される供給空気圧力（カソード運転圧力）を調整する。コンプレッサ２の下流側には、圧力センサ１５、温度センサ１６、湿度センサ１７、及び流量計１８が設けられ、それぞれカソード運転圧力、カソード入口温度、カソード入口湿度、カソードガス流量を測定できる。なおここでは、圧力センサ１５、温度センサ１６、湿度センサ１７、及び流量計１８は、コンプレッサ２の下流側であってカソード５の上流側に配置されている場合について説明する。
【００１４】
冷却水系流路について説明する。冷却水系流路は、燃料電池スタック３、ラジエータ９、及びポンプ８を接続する１つの循環流路を構成する。ポンプ８は燃料電池スタック３へ冷却水を供給することで、冷却水は燃料電池スタック３から熱を吸収する。燃料電池スタック３の下流側にはラジエータ９が設けられ、冷却水はラジエータ９から燃料電池システムの外部へ熱を放熱する。燃料電池スタック３の下流側には温度センサ１９が設けられ、温度センサ１９は冷却水の温度を測定する。
【００１５】
[システム制御装置の構成及び動作等]
次に、システム制御装置１０について説明する。システム制御装置１０は、燃料電池スタック３に電気的に接続され、燃料電池スタック３を構成する各燃料電池セルの電流値や電圧値、燃料電池スタック３全体での電流値や電圧値を取得する。なお図示は省略したが、システム制御装置１０は、コンプレッサ１、２、圧力調整弁６、７、各センサ及び流量計（１１〜１９）に電気的に接続され、前述したセンサ信号により各センサ及び流量計（１１〜１９）からセンサ値及び流量値を取得し、前述した制御信号によりコンプレッサ１、２及び圧力調整弁６、７を制御する。
【００１６】
システム制御装置１０の具体的な構成について説明する。図１に示すように、システム制御装置１０は、燃料電池スタック３での化学的反応による発熱量を推定する発熱量推定手段３１（発熱量推定部）と、燃料電池スタック３へ供給される水素ガス或いは空気に含まれる含水量を推定するガス含水量推定手段３２（ガス含水量推定部）と、燃料電池スタック３での化学的反応により生じる生成水量を推定する生成水量推定手段３３（生成水量推定部）と、燃料電池スタック３内部に存在する内部水分の蒸発量を推定する蒸発量推定手段３４（蒸発量推定部）と、当該内部水分の蒸発量を制御する蒸発量制御手段３５（蒸発量制御部）と、燃料電池スタック３の出力電力を制御する電力制御手段３６（電力制御部）と、蒸発量制御部３５が内部水分の蒸発量を増大させた後の燃料電池システムの発熱量を予測する発熱量予測手段３７（発熱量予測部）と、燃料電池システムの効率を予測する効率予測手段３８（効率予測部）とを有する。
【００１７】
発熱量推定部３４にて推定した発熱量が所定発熱量よりも増大した場合に、ガス含水量推定部３２にて推定した含水量と、生成水量推定部３３にて推定した生成水量と、蒸発量推定部３４にて推定した蒸発量とに基づいて、蒸発量制御部３５は内部水分の蒸発量を制御する。ここで、「所定発熱量」は、燃料電池システム構成部品の性能を低下させることのない所要発熱量より低く選定されてある。
【００１８】
ガス含水量推定部３２にて推定した含水量及び生成水量推定部３３にて推定した生成水量の総和が、蒸発量推定部３４にて推定した蒸発量より多い場合に、蒸発量制御部３５は内部水分の蒸発量を増大させる。
【００１９】
一方、ガス含水量推定部３２にて推定した含水量及び生成水量推定部３３にて推定した生成水量の総和が、蒸発量推定部３４にて推定した蒸発量以下である場合に、電力制御部３６は出力電力を制限する。
【００２０】
発熱量予測部３７にて予測した予測発熱量が発熱量推定部３１にて推定した発熱量より多い場合に、電力制御部３６は出力電力を制限する。つまり、含水量及び生成水量の総和が蒸発量より多い場合であっても、予測発熱量が発熱量より多い場合には、蒸発量制御部３５は内部水分の蒸発量を増大させずに、電力制御部３６が出力電力を制限する。
【００２１】
蒸発量制御部３５は、水素ガスの流量を調整する水素ガス流量調整部あるいは空気の流量を調整する空気流量調整部の少なくとも一方を備えることが望ましい。この場合、蒸発量制御部３５は、燃料電池システムの効率が最大となるように、水素ガス流量調整部による水素ガスの流量の増大あるいは空気流量調整部による空気の流量の増大の少なくとも一方を行うことにより内部水分の蒸発量を増大させる。なお、第１の実施の形態において、水素ガス流量調整部及び空気流量調整部の一例として、コンプレッサ１、２によりガス流量が調整される場合について説明する。
【００２２】
蒸発量制御部３５は、水素ガスの圧力を調整する水素ガス圧力調整部あるいは空気の圧力を調整する空気圧力調整部の少なくとも一方を備えていることが望ましい。この場合、蒸発量制御部３５は、燃料電池システムの効率が最大となるように、水素ガス圧力調整部による水素ガスの圧力の減少あるいは空気圧力調整部による空気の圧力の減少の少なくとも一方を行うことにより内部水分の蒸発量を増大させる。なお、後述する第２の実施の形態において、水素ガス圧力調整部及び空気圧力調整部の一例として、圧力調整弁６、７によりガス圧力が調整される場合について説明する。
【００２３】
次に、システム制御装置１０の動作を説明する。
【００２４】
（１）先ず、システム制御装置１０は、図示を省略した外気温センサ及び車速センサから、それぞれの外気温度信号および車速信号を受信する。そして、取得した外気温及び車速に基づいて冷却水の放熱量θradを算出する。
【００２５】
（２）燃料電池スタック３全体での電流値及び電圧値を取得し、当該電流値及び電圧値に基づいて水素ガスと空気との化学的反応により生じる高位発熱量θhh及び反応生成水量（生成水量）を算出する。ここで「高位発熱量θhh」とは化学的反応により生じた生成水が全て凝縮した場合での発熱量を示す。
【００２６】
（３）アノード４及びカソード５へ供給される水素ガス、空気に含まれる水量（含水量）及び排出される水量（蒸発量Ｑout_H2O）を算出する。ここで、含水量は、ガス含水量推定部３２により水素ガス、空気のそれぞれの流量、圧力、温度、及び湿度から算出される。蒸発量Ｑout_H2Oも、蒸発量推定部３４により水素ガス、空気のそれぞれの流量、圧力、温度、及び湿度から算出される。なお、水素ガス、空気の流量は、流量計１４、１８により検出される。燃料電池スタック３のガス供給口での圧力（入口圧力）は、圧力センサ１１、１５により検出される。燃料電池スタック３のガス排出口での圧力（出口圧力）は、入口圧力からアノード系流路及びカソード系流路での圧力損失を減じることにより容易に予測できる。燃料電池スタック３のガス供給口での温度（入口温度）は、温度センサ１２、１６で検出される。燃料電池スタック３のガス排出口での温度（出口温度）は、冷却水の温度と同一と仮定して、温度センサ１９から検出される。燃料電池スタック３のガス供給口での湿度（入口湿度）は、湿度センサ１３、１７で検出される。燃料電池スタック３のガス排出口での湿度（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される。ただし、出口湿度は、含水量と生成水量との総量により蒸発できる水の量が制限されるため、水蒸気圧が飽和することができない場合には、含水量と生成水量に基づき算出される。
【００２７】
（４）蒸発量Ｑout_H2Oから水の蒸発熱θevaを算出して高位発熱量θhhからこの蒸発熱θevaを減算することにより、燃料電池スタック３の発熱量θhを算出する。
【００２８】
（５）次に、含水量と生成水量との総和Ｑin_H2Oから蒸発量Ｑout_H2Oを減算し、燃料電池スタック３での余剰な凝縮水量を算出する。
【００２９】
（６）発熱量θhが放熱量θradより高いか否かを判断し、発熱量θhが放熱量θevaより高いと判断した場合には発熱量θhを放熱量θevaから決まる要求発熱量まで低減する制御を行う。ここで、燃料電池スタック３内に凝縮水が存在する場合には、水の蒸発量の増大による蒸発熱θevaの増大により発熱量θhの低減を行う。凝縮水が存在しない場合には、燃料電池スタック３の出力制限により発熱量θhの低減を行う。
【００３０】
なお、内部水分の蒸発量を増大させるためには、水素ガス、空気の流量増大あるいは圧力低減の少なくとも一方を行う必要がある。
【００３１】
しかしながら、燃料電池スタック３が出力する電力をグロス電力、グロス電力から燃料電池スタック３を駆動する補機の消費電力を減算した電力をネット出力とし、ネット電力を一定に管理する場合について考える。燃料電池スタック３に供給する水素ガス、空気の流量を増大させる場合、蒸発熱が増大する一方、燃料電池スタック３を駆動する補機の一例であるコンプレッサ１、２の消費電力も増大するため、燃料電池スタック３の出力電力を増大させる必要がある。この結果、グロス電力が増大し発熱量が増大するため、ガス流量の増大代によっては燃料電池スタック３の発熱量が増大する可能性があるという問題点がある。
【００３２】
また、燃料電池スタック３に供給する水素ガス、空気の圧力を低減させる場合、蒸発熱が増大する一方、燃料電池スタック３の効率、即ち電流−電圧特性が低下するため、燃料電池スタック３の出力電力を増大させる必要がある。この結果、グロス電力の増大及び電流−電圧特性の低下により発熱量θhが増大するので、圧力の減少代によっては発熱量θhが増大する可能性があるという問題点がある。
【００３３】
そこで、本発明の実施の形態では、まず、燃料電池スタック３内に余剰な凝縮水が存在するか否かを判断する。余剰な凝縮水が存在しないと判断した場合には、内部水分の蒸発潜熱を利用した発熱量θhの低減が困難であるため、燃料電池スタック３の出力制限を行う。一方、余剰な凝縮水が存在すると判断した場合には、内部水分の蒸発量を増大させて発熱量θhを低減できると予測したならば、水素ガス、空気の流量増大或いは水素ガス、空気の圧力低減の少なくとも一方を行う。内部水分の蒸発量を増大させ発熱量θhを低減できないと予測したならば、燃料電池スタック３の出力制限を行う。
【００３４】
システム制御装置１０は、例えば図２に示すような、ラジエータ９の冷却性能、即ちラジエータ９の単位時間当たりの放熱量の情報（マップＡ）を記憶した情報記憶部を備える。図２では、単位時間当たりの放熱量は、外気温が低くなるほど、車速が高くなるほど、大きくなる。なおこれは、冷却水のラジエータ９の入口温度、即ち温度センサ１９の検出した温度を一定とした場合の結果である。したがって、システム制御装置１０は、図２のマップＡを冷却水温度に対して備えておけば、放熱量θradを予測することができる。
【００３５】
システム制御装置１０内の上記情報記憶部は、更に、例えば図３に示すような、燃料電池スタック３での水素ガスと酸素（空気）の化学的反応で生じる単位時間当たりの高位発熱量の情報（マップＢ）を記憶している。図３では、高位発熱量は、燃料電池スタック３の負荷（出力電力）が大きいほど、大きくなる。また運転圧力が高くなると、燃料電池スタック３の効率が高くなるため、高位発熱量は小さくなる。したがって、システム制御装置１０は、図３のマップＢを備えておけば、燃料電池スタック３の高位発熱量θhhを予測することができる。
【００３６】
システム制御装置１０内の上記情報記憶部は、更に、例えば図４に示すような、燃料電池スタック３での水素ガスと空気の化学反応により生じる単位時間当たりの生成水量と燃料電池スタック３の負荷との関係を示す情報（テーブルＡ）を記憶している。図４では、生成水量は、負荷が大きくなるほど、反応に必要な水素ガスと空気がより多く必要になるため、多くなる。したがって、システム制御装置１０は、図４のテーブルＡを備えておけば、燃料電池スタック３の生成水量を予測できる。
【００３７】
システム制御装置１０内の上記情報記憶部は、更に、例えば図５に示すような、燃料電池スタック３の負荷に対する目標運転圧力の関係を示す情報（テーブルＢ）を記憶している。図５では、燃料電池スタック３へ要求される負荷（出力電力）が高くなるにしたがって、目標運転圧力も高くなる。なお、図５のテーブルＢは、通常発電時における燃料電池システムの効率が最大となる圧力として選定している。また、アノード４の目標入口圧力とカソード５の目標入口圧力とは同一として選定している。
【００３８】
システム制御装置１０内の上記情報記憶部は、更に、例えば図６に示すような、燃料電池スタック３の負荷に対するアノードガス流量（水素ガスの流量）の関係を示す情報（テーブルＣ）を記憶している。図６では、燃料電池スタック３へ要求される負荷（出力電力）が高くなるにしたがって、水素ガスの流量も高くなる。なお、図６のテーブルＣは、燃料電池スタック３の発電に必要な水素ガスの最小流量に基づき選定している。
【００３９】
[燃料電池システムの制御方法]
次に、図７のフローチャートを参照して、図１の燃料電池システムを制御する方法を説明する。なお、図７のフローチャートは、水素ガス、空気の流量を制御することにより内部水分の蒸発量を増大させて発熱量を低減する方法を示す。
【００４０】
（イ）先ずＳ１０段階において、システム制御装置１０は、外気温センサ、車速センサを用いて外気温、車速を検出する。Ｓ２０段階に進み、外気温、車速から図２のマップＡを参照して、ラジエータ９の単位時間当たりの放熱量θradを算出する。
【００４１】
（ロ）Ｓ３０段階に進み、燃料電池スタック３の出力電力量を検出し、圧力センサ１１から水素ガスの燃料電池スタック３の入口圧力を検出する。なお、燃料電池スタック３の入口圧力は、アノード４及びカソード５ともに同一となるように圧力調整弁６、７により調整している。よって、圧力センサ１５から空気の入口圧力を検出しても構わない。
【００４２】
（ハ）Ｓ４０段階に進み、発熱量推定部３１は、出力電力量及び入口圧力から図３のマップＢを参照して、燃料電池スタック３の単位時間当たりの高位発熱量θhhを算出する。Ｓ５０段階に進み、圧力センサ１１、１５、温度センサ１２、１６、湿度センサ１３、１７、流量計１４、１８からそれぞれの水素ガスの流量、空気の流量、水素ガスの入口圧力、空気の入口圧力、水素ガスの入口温度、空気の入口温度、水素ガスの入口湿度、空気の入口湿度を検出し、これらのガス状態量の検出値に基づき、ガス含水量推定部３２はアノード４及びカソード５の単位時間当たりの含水量を算出する。次に、出力電力から図４のテーブルＡを参照して、生成水量推定部３３は単位時間当たりの生成水量を算出する。さらに、含水量と生成水量との総和Ｑin_H2Oを算出する。
【００４３】
（ニ）Ｓ６０段階に進み、冷却水の温度、Ｓ５０段階で求めたガス状態量、含水量と生成水量との総和Ｑin_H2Oに基づき、蒸発量推定部３４はアノード４及びカソード５の単位時間当たりの蒸発量Ｑout_H2Oを算出する。Ｓ７０段階に進み、蒸発量Ｑout_H2Oに基づき、単位時間当たりの蒸発熱θevaを算出する。
【００４４】
（ホ）Ｓ８０段階に進み、放熱量θradと燃料電池スタック３での発熱量θh（高位発熱量θhhから蒸発熱θevaを減算した熱量）との比較を行う。放熱量θradが発熱量θhより低い場合（Ｓ８０段階においてＹＥＳ）、発熱量推定部３４にて推定した発熱量が所定発熱量よりも増大したと判断して、Ｓ９０段階に進む。一方、放熱量θradが発熱量θh以上である場合（Ｓ８０段階においてＮＯ）、発熱量が所定発熱量よりも増大していないと判断して、Ｓ１０段階に戻る。
【００４５】
（ヘ）Ｓ９０段階において、含水量と生成水量との総和Ｑin_H2Oと蒸発量Ｑout_H2Oとの比較を行う。含水量と生成水量との総和Ｑin_H2Oが排水量Ｑout_H2Oより多い場合（Ｓ９０段階においてＹＥＳ）、燃料電池スタック３内に余剰な凝縮水が存在すると判断して、Ｓ１１０段階に進む。Ｓ１１０段階以降にて、当該凝縮水の蒸発潜熱を利用して発熱量を低減することができるか否か、換言すれば、内部水分の蒸発量の増大により発熱量の低減が可能であるか否かの判断を行う。含水量と生成水量との総和Ｑin_H2Oが排水量Ｑout_H2Oよ以下である場合（Ｓ９０段階においてＮＯ）、燃料電池スタック３内に余剰な凝縮水が存在しないため、当該凝縮水の蒸発潜熱を利用して発熱量を低減することが困難であると判断して、Ｓ１００段階に進む。Ｓ１００段階において、燃料電池スタック３の出力制限により発熱量θhの低減を行う。
【００４６】
（ト）Ｓ１１０段階において、目標ガス流量（ここでは空気の流量）の仮値を設定する。なお、仮値は、仮値に微増量した値（流量Ｑ’＝Ｑ’ + △Ｑ （Ｑ’：仮値、△Ｑ：微増量））として設定している。仮値の初期値は、現燃料電池システムの運転状態での目標ガス流量として設定している。Ｓ１２０段階に進み、目標ガス流量の仮値に応じた必要出力電力量Ｐ’を算出する。
【００４７】
（チ）Ｓ１３０段階に進み、必要出力電力量Ｐ’から図５のテーブルＢを参照して、燃料電池スタック３の目標入口圧力を算出する。必要電力量Ｐ’と目標入口圧力から図３のマップＢを参照して、燃料電池スタック３の単位時間当たりの高位発熱量θ’hhを算出する。Ｓ１４０段階に進み、必要出力電力量Ｐ’から図６のテーブルＣを参照して、水素ガスの流量（アノードガス流量）を算出する。温度センサ１２、１６、湿度センサ１３、１７からそれぞれの水素ガスの入口温度、空気の入口温度、水素ガスの入口湿度、空気の入口湿度を検出する。ガス状態量の目標値及びこれらの検出値に基づき、アノード４及びカソード５の単位時間当たりの含水量を算出する。次に、必要出力電力量Ｐ’から図４のテーブルＡを参照して、単位時間当たりの生成水量を算出する。さらに、含水量と反応生成水量との総和Ｑ’in_H2Oを算出する。
【００４８】
（リ）Ｓ１５０段階に進み、温度センサ１９から冷却水の温度を検出する。次に、冷却水温度、ガス状態量の目標値及び検出値、含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oに基づき、アノード４及びカソード５の単位時間当たりの蒸発量Ｑ’out_H2Oを算出する。Ｓ１６０段階に進み、蒸発量Ｑ’out_H2Oに基づき、単位時間当たりの蒸発熱θ’evaを算出する。
【００４９】
（ヌ）Ｓ１７０段階に進み、含水量と反応生成水量との総和Ｑ’in_H2Oと蒸発量Ｑ’out_H2Oとの比較を行う。含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oが蒸発量Ｑ’out_H2Oより多い場合（Ｓ１７０段階においてＹＥＳ）、凝縮水が存在すると判断して、Ｓ１８０段階に進む。一方、含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oが蒸発量Ｑ’out_H2O以下である場合（Ｓ１７０段階においてＮＯ）、当該凝縮水が存在しないため蒸発潜熱を利用して発熱量を低減することが困難であると判断して、Ｓ２００段階に進み、Ｓ１００段階と同様に、燃料電池システムの出力制限により発熱量θhの低減を行う。
【００５０】
（ル）Ｓ１８０段階において、放熱量θ’radと燃料電池スタック３での発熱量θ’h（高位発熱量θ’hhから蒸発熱θ’evaを減算した値）との比較を行う。放熱量θ’radが発熱量θ’h以下である場合（Ｓ１８０段階においてＮＯ）、Ｓ１１０段階に戻り、再度、Ｓ１１０段階以降にて、内部水分の蒸発量θ’evaの増大により発熱量θ’hの低減が可能であるか否かの判断を行う。放熱量θ’radが発熱量θ’hより高い場合（Ｓ１８０段階においてＹＥＳ）、凝縮水の蒸発潜熱を利用して燃料電池スタック３の発熱量を低減することができるので、Ｓ１９０段階に進む。
【００５１】
（ヲ）Ｓ１９０段階において、目標カソードガス（空気）流量の変更を行い、目標カソードガス流量となるようにコンプレッサ２を制御する。これにより蒸発量制御部３５は凝縮水の蒸発量を増大させて燃料電池スタック３の発熱量を低減することができる。
【００５２】
[第１の実施の形態による効果]
以上説明したように、第１の実施形態によれば、以下に示すような効果が生じる。
【００５３】
ガス含水量推定部３２にて推定した含水量、生成水量推定部３３にて推定した生成水分量、蒸発量推定部３４にて推定した蒸発量に基づいて、燃料電池スタック３で凝縮水が生じているか否かを判定することができるため、燃料電池スタックの発熱量θ’hが所定発熱量より増大した場合において、凝縮水が生じていることを判定した場合には、凝縮水の蒸発潜熱を利用して燃料電池スタックの発熱量を低減することができるので、蒸発量制御部３５にて凝縮水の蒸発量を増大させて燃料電池スタック３の発熱量を低減することができる＜請求項１の効果＞。
【００５４】
ガス含水量推定部３２にて推定した含水量及び生成水量推定部３３にて推定した生成水量の総和Ｑ’in_H2Oが蒸発量推定部３４にて推定した蒸発量Ｑ’out_H2Oより多い場合、すなわち燃料電池スタック３内に余剰な凝縮水が存在する場合には、当該凝縮水の蒸発潜熱を利用して発熱量を低減することができる。したがって、蒸発量制御部３５にて燃料電池スタック３内の凝縮水の蒸発量を増大させることにより、電力制御部３６にて燃料電池スタック３の出力電力を制限せずに発熱量を低減することができる＜請求項２の効果＞。
【００５５】
ガス含水量推定部３２にて推定した含水量と生成水量推定部３３にて推定した水分量の総和Ｑ’in_H2Oが、蒸発量推定部３４にて推定した蒸発量Ｑ’out_H2Oと等しい場合及び少ない場合、すなわち燃料電池スタック３内に余剰な凝縮水が存在しない場合には、当該凝縮水の蒸発潜熱を利用して発熱量を低減することが困難であるので、電力制御部３６にて出力電力の制限して、発熱量を低減することができる＜請求項３の効果＞。
【００５６】
ガス含水量推定部３２にて推定した含水量と生成水量推定部３３にて推定した生成水量の総和Ｑ’in_H2Oが蒸発量推定部３４にて推定した蒸発量Ｑ’out_H2Oがより多い場合、すなわち燃料電池スタック３に余剰な凝縮水が存在する場合において、
燃料電池スタック３内の凝縮水の蒸発潜熱を利用して発熱量を低減することができる可能性がある一方、燃料電池スタック３の負荷（出力電力）の増大あるいは燃料電池スタック３の効率低下により燃料電池スタック３の発熱量が増大する可能性がある場合には、発熱量予測部３７にて予測した予測発熱量と発熱量推定部３１にて推定した発熱量とを比較する。
【００５７】
これにより、当該予測発熱量が当該発熱量以下である場合には、蒸発量制御部３５にて燃料電池スタック３内の凝縮水の蒸発量を増大させ、電力制御部３６にて出力制限を行うことなく発熱量を低減することができる。一方、当該予測発熱量が当該発熱量より多い場合には、電力制御部３６は出力電力を制限して、発熱量を低減することができる＜請求項４の効果＞。
【００５８】
その他、第１の実施の形態によれば、以下に示す効果が生じる。
【００５９】
燃料電池スタック３の発熱量がラジエータ９の放熱量から決まる要求発熱量より増大している場合において、蒸発量制御部３５は発熱量を低減する制御を行う。
【００６０】
しかし、燃料電池スタック３への入水量（含水量）と生成水量の総和から排水量（蒸発量）を減算して決まる余剰な凝縮水が存在している場合には、燃料電池スタック３のガス流量を増大させることにより、内部水分の蒸発潜熱を利用して燃料電池スタック３の発熱量を低減できる可能性がある。その一方で、燃料電池スタック３の負荷（出力電力量）の増大あるいは燃料電池スタック３の発電効率の低下により燃料電池スタック３の発熱量が増大する可能性がある。従って、内部水分を蒸発させ発熱量を低減できると予測した場合には、燃料電池スタック３のガス流量を増大させる制御を行うことにより、出力制限を行うことなく発熱量を低減することができる。一方、ガス流量を増大させても発熱量を低減できないと予測した場合には、燃料電池スタック３の出力制限を行うことにより発熱量を低減することができる。
【００６１】
また、余剰な凝縮水が存在しない場合には、内部水分の蒸発潜熱を利用した発熱量の低減が困難であるため、燃料電池スタック３の出力制限を行うことにより発熱量を低減することができる。
【００６２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、第１の実施の形態での目標カソードガス（空気）流量の変更を行う代わりに、燃料電池スタック３の目標入口圧力の変更を行うことにより、凝縮水の蒸発量を増大させて燃料電池スタック３の発熱量を低減する場合について説明する。
【００６３】
第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの全体構成は、図１に示すそれと同じであり、図示及び説明を省略する。同様に、システム制御装置１０の構成も、図１と同様であり図示及び説明を省略する。
【００６４】
システム制御装置１０内の上記情報記憶部は、更に、例えば図８に示すような、燃料電池スタック３の負荷に対するカソードガス流量（空気の流量）の関係を示す情報（テーブルＤ）を記憶している。図８では、燃料電池スタック３へ要求される負荷（出力電力）が高くなるにしたがって、空気の流量も高くなる。なお、図８のテーブルＤは、燃料電池スタック３の発電に必要な空気の最小流量に基づき選定している。
【００６５】
次に、図９のフローチャートを参照して、第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。なお、図９のフローチャートは、水素ガス、空気の圧力を制御することにより内部水分の蒸発量を増大させて発熱量を低減する方法を示す。また、図９のフローチャートは、図７のフローチャートの一部を変更したものである。図９のＳ３１０〜Ｓ４００は、図７のＳ１０〜Ｓ１００と同じであるため、説明を省略し、Ｓ４１０より説明する。
【００６６】
（Ａ）Ｓ４１０段階において、燃料電池スタック３の目標入口圧力の仮値を設定する。なお、仮値は、仮値に微減量した値（圧力Ｐr’＝Ｐr’ + △Ｐr （Ｐr’：仮値、△Ｐr：微減量））として設定している。仮値の初期値は、現燃料電池システムの運転状態での目標入口圧力として設定している。
【００６７】
（Ｂ）Ｓ４２０段階に進み、燃料電池スタック３の目標入口圧力の仮値に応じた必要出力電力量Ｐ’を算出する。Ｓ４３０段階に進み、必要電力量Ｐ’と目標入口圧力から図３のマップＢを参照して、燃料電池スタック３の単位時間当たりの高位発熱量θ’hhを算出する。
【００６８】
（Ｃ）Ｓ４４０段階において、必要出力電力量Ｐ’から図６のテーブルＣを参照して、水素ガスの流量を算出する。次に、必要出力電力量Ｐ’から図８のテーブルＤを参照して、空気の流量を算出する。温度センサ１２、１６、湿度センサ１３、１７からそれぞれの水素ガスの入口温度、空気の入口温度、水素ガスの入口湿度、空気の入口湿度を検出する。ガス状態量の目標値及びこれらの検出値に基づき、アノード４及びカソード５の単位時間当たりの含水量を算出する。次に、必要出力電力量Ｐ’から図４のテーブルＡを参照して、単位時間当たりの生成水量を算出する。さらに、含水量と反応生成水量との総和Ｑ’in_H2Oを算出する。
【００６９】
（Ｄ）Ｓ４５０段階に進み、温度センサ１９から冷却水の温度を検出する。次に、冷却水温度、ガス状態量の目標値及び検出値、含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oに基づき、アノード４及びカソード５の単位時間当たりの蒸発量Ｑ’out_H2Oを算出する。Ｓ４６０段階に進み、蒸発量Ｑ’out_H2Oに基づき、単位時間当たりの蒸発熱θ’evaを算出する。
【００７０】
（Ｅ）Ｓ４７０段階に進み、含水量と反応生成水量との総和Ｑ’in_H2Oと蒸発量Ｑ’out_H2Oとの比較を行う。含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oが蒸発量Ｑ’out_H2Oより多い場合（Ｓ４７０段階においてＹＥＳ）、凝縮水が存在すると判断して、Ｓ４８０段階に進む。一方、含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oが蒸発量Ｑ’out_H2O以下である場合（Ｓ４７０段階においてＮＯ）、当該凝縮水が存在しないため蒸発潜熱を利用して発熱量を低減することが困難であると判断して、Ｓ５００段階に進み、Ｓ４００段階と同様に、燃料電池システムの出力制限により発熱量θhの低減を行う。
【００７１】
（Ｆ）Ｓ４８０段階において、放熱量θ’radと燃料電池スタック３での発熱量θ’h（高位発熱量θ’hhから蒸発熱θ’evaを減算した値）との比較を行う。放熱量θ’radが発熱量θ’h以下である場合（Ｓ４８０段階においてＮＯ）、Ｓ４１０段階に戻り、再度、Ｓ４１０段階以降にて、内部水分の蒸発量θ’evaの増大により発熱量θ’hの低減が可能であるか否かの判断を行う。放熱量θ’radが発熱量θ’hより高い場合（Ｓ４８０段階においてＹＥＳ）、凝縮水の蒸発潜熱を利用して燃料電池スタック３の発熱量を低減することができるので、Ｓ４９０段階に進む。
【００７２】
（Ｇ）Ｓ４９０段階において、燃料電池スタック３の目標入口圧力の変更を行い、目標入口圧力となるように圧力調整弁６、７を制御する。これにより蒸発量制御部３５は凝縮水の蒸発量を増大させて燃料電池スタック３の発熱量を低減することができる。
【００７３】
以上説明したように、第２の実施形態によれば、以下に示すような効果が生じる。
【００７４】
燃料電池スタック３の発熱量がラジエータ９の放熱量から決まる要求発熱量より増大している場合において、蒸発量制御部３５は発熱量を低減する制御を行う。
【００７５】
しかし、燃料電池スタック３への入水量（含水量）と生成水量の総和から排水量（蒸発量）を減算して決まる余剰な凝縮水が存在している場合には、燃料電池スタック３のガス流量を増大させることにより、内部水分の蒸発潜熱を利用して燃料電池スタック３の発熱量を低減できる可能性がある。その一方で、燃料電池スタック３の負荷（出力電力量）の増大あるいは燃料電池スタック３の発電効率の低下により燃料電池スタック３の発熱量が増大する可能性がある。従って、内部水分を蒸発させ発熱量を低減できると予測した場合には、燃料電池スタック３のガス圧力を低減させる制御を行うことにより、出力制限を行うことなく発熱量を低減することができる。一方、ガス圧力を低減させても発熱量を低減できないと予測した場合には、燃料電池スタック３の出力制限を行うことにより発熱量を低減することができる。
【００７６】
また、余剰な凝縮水が存在しない場合には、内部水分の蒸発潜熱を利用した発熱量の低減が困難であるため、燃料電池スタック３の出力制限を行うことにより発熱量を低減することができる。
【００７７】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では、第１の実施の形態での目標カソードガス（空気）流量の変更と、第２の実施の形態での燃料電池スタック３の目標入口圧力の変更とを行うことにより、凝縮水の蒸発量を増大させて燃料電池スタック３の発熱量を低減する場合について説明する。
【００７８】
第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの全体構成は、図１に示すそれと同じであり、図示及び説明を省略する。同様に、システム制御装置１０の構成も、図１と同様であり図示及び説明を省略する。
【００７９】
システム制御装置１０内の上記情報記憶部は、更に、例えば図１０に示すような、ガス圧力及びガス流量に対する燃料電池スタックの効率を示す情報（マップＣ）を記憶している。なお、図１０のマップＣは、燃料電池スタック３の負荷を一定とした場合でのシステム効率のマップである。
【００８０】
次に、図１１のフローチャートを参照して、第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。なお、図１１のフローチャートは、水素ガス、空気の圧力を制御する方法を示す。また、図１１のフローチャートは、図７のフローチャートの一部を変更したものである。図７のＳ１０〜Ｓ１００は、内容が同一であるため、図示及び説明を省略し、Ｓ６００より説明する。
【００８１】
（ａ）Ｓ６００段階において、内部水分の蒸発量の増大により発熱量の低減が可能であるか否かの判断を行うために必要なデータとして、フラグをゼロに設定する。Ｓ６１０段階に進み、目標ガス流量（ここでは空気の流量）の仮値を設定する。なお、仮値は、仮値に微増量した値（流量Ｑ’＝Ｑ’ + △Ｑ （Ｑ：仮値、△Ｑ：微増量））として設定してある。仮値の初期値は、現燃料電池システムの運転状態での目標ガス流量として設定している。
【００８２】
（ｂ）Ｓ６１１段階において、目標ガス流量の仮値と所定ガス流量とを比較する。仮値が所定ガス流量より小さい場合（Ｓ６１１段階においてＹＥＳ）、Ｓ６１２段階へ進む。仮値が所定ガス流量以上である場合（Ｓ６１１段階においてＮＯ）、Ｓ６０５段階に進む。なお、「所定ガス流量」は、ガス供給装置が吐出可能な最大ガス流量として選定している。
【００８３】
（ｃ）Ｓ６１２段階において、燃料電池スタック３の目標入口圧力の仮値を設定する。なお、仮値は、仮値に微減量した値（圧力Ｐr’＝Ｐr’ + △Ｐr （Ｐr：仮値、△Ｐr：微減量））として設定してある。仮値の初期値は、現燃料電池システムの運転状態での目標入口圧力として設定している。
【００８４】
（ｄ）Ｓ６１３段階に進み、目標ガス圧力の仮値と所定ガス圧力とを比較する。仮値が所定ガス圧力より大きい場合（Ｓ６１３段階においてＹＥＳ）、Ｓ６２０段階に進む。仮値が所定ガス圧力以下である場合（Ｓ６１３段階においてＮＯ）、Ｓ６１０段階に戻る。
【００８５】
（ｅ）Ｓ６２０段階に進み、燃料電池スタック３の目標入口圧力の仮値に応じた必要出力電力量Ｐ’を算出する。Ｓ６３０段階に進み、必要電力量Ｐ’と目標入口圧力から図３のマップＢを参照して、燃料電池スタック３の単位時間当たりの高位発熱量θ’hhを算出する。
【００８６】
（ｆ）Ｓ６４０に進み、必要出力電力量Ｐ’から図８のテーブルＣを参照して、水素ガス流量を算出する。温度センサ１２、１６、湿度センサ１３、１７からそれぞれの水素ガスの入口温度、空気の入口温度、水素ガスの入口湿度、空気の入口湿度を検出する。ガス状態量の目標値およびこれらの検出値に基づき、アノード４及びカソード５の単位時間当たりの含水量を算出する。次に、出力電力から図５のテーブルＡを参照して、単位時間当たりの生成水量を算出する。さらに、含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oを算出する。
【００８７】
（ｇ）Ｓ６５０段階に進み、温度センサ１９から冷却水の温度を検出する。次に、冷却水温度、ガス状態量の目標値及び検出値、含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oに基づき、アノード４及びカソード５の単位時間当たりの蒸発量Ｑ’out_H2Oを算出する。Ｓ６６０段階に進み、蒸発量Ｑ’out_H2Oに基づき、単位時間当たりの蒸発熱θ’evaを算出する。
【００８８】
（ｈ）Ｓ６７０段階に進み、含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oと蒸発量Ｑ’out_H2Oとの比較を行う。含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oが蒸発量Ｑ’out_H2Oより多い場合（Ｓ６７０段階においてＹＥＳ）、燃料電池スタック３内に余剰な凝縮水が存在すると判断して、Ｓ６８０段階に進む。含水量と生成水量との総和Ｑ’in_H2Oが蒸発量Ｑ’out_H2O以下である場合（Ｓ６７０段階においてＮＯ）、当該凝縮水が存在しないため蒸発潜熱を利用して発熱量を低減することが困難であると判断して、Ｓ６１０段階に戻る。
【００８９】
（ｉ）Ｓ６８０段階において、放熱量θ’radと燃料電池スタック３での発熱量θ’h（高位発熱量θ’hhから蒸発熱θ’evaを減算した値）との比較を行う。放熱量θ’radが発熱量θ’h以下である場合（Ｓ６８０段階においてＮＯ）、Ｓ６１２段階に戻る。放熱量θ’radが発熱量θ’hより高い場合（Ｓ６８０段階においてＹＥＳ）、Ｓ７１０段階に進む。
【００９０】
（ｊ）Ｓ７１０段階において、目標空気流量と目標入口圧力から、図１０に示すマップＣを参照して、燃料電池スタック３の効率βを算出する。ガス圧力を増大すると燃料電池スタック３の発電効率が高くなるが、補機の消費電力が増大するため、システム効率が低下すること、また、ガス流量が増大すると、補機の消費電力が増大するため、システム効率が低下することに基づき算出している。
【００９１】
（ｋ）Ｓ７２０段階に進み、Ｓ７１０段階で算出した効率βと効率β0とを比較する。次に、効率の高い方の目標ガス流量と目標入口圧力との組み合わせを保持する。なお、効率β0の初期値は０として選定している。また、この効率βと効率β0とを比較の終了後には、初期値β0には効率の高い方の値を設定する。
【００９２】
（ｍ）Ｓ７３０段階に進み、内部水分の蒸発量の増大により発熱量の低減が可能であると判断したことを示すデータとして、フラグを１に設定する。その後、Ｓ６１０段階に戻る。
【００９３】
（ｎ）一方、Ｓ６１１段階においてＮＯの場合、Ｓ６０５段階において、フラグが１である場合に、Ｓ６９０段階に進む。フラグが1でないならば、Ｓ７００段階に進み、燃料電池システムの出力制限により発熱量θhの低減を行う。Ｓ６９０段階において、目標ガス流量及び目標入口圧力をＳ７２０段階で保持した値へ変更し、目標ガス流量及び目標入口圧力となるようにコンプレッサ１、２及び圧力調整弁６、７を制御する。
【００９４】
以上説明したように、第３の実施形態によれば、以下に示すような効果が生じる。
【００９５】
電力制御部３６にて出力制限を行うことなく蒸発量制御部３５にて燃料電池スタック３内の余剰水分（内部水分）の蒸発量を増大させて発熱量を低減する場合において、燃料電池システムの効率βがより高くなるガス流量の動作点を選定することにより、燃費の低下を抑制することができる＜請求項５の効果＞。
【００９６】
電力制御部３６にて出力制限を行うことなく蒸発量制御部３５にて燃料電池スタック３内の余剰水分（内部水分）の蒸発量を増大させて発熱量を低減する場合において、燃料電池システムの効率がより高くなるガス流量あるいはガス圧力の動作点を選定することができるので、燃費の低下を抑制することができる＜請求項６の効果＞。 
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第３の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００９７】
例えば、図１に示した燃料電池システムの全体構成には、燃料電池スタック３へ供給する水素ガスあるいは空気の少なくとも一方を加湿する加湿装置を備えていてもよい。即ち、蒸発量制御部３５は、水素ガスあるいは空気の少なくとも一方の加湿量を調整する加湿量調整手段を備えていてもよい。この場合、加湿装置による加湿量を通常運転時より減少させることにより、内部水分の蒸発量を増大させて発熱量を低減することができる。このため、燃料電池スタック３のガス流量あるいはガス圧力の動作点の変更において、ガス流量の増大代あるいはガス圧力の低減代を少なくすることができる。従って、燃料電池システムの効率βがより高くなるガス流量あるいはガス圧力の動作点を選定することができるので、燃費の低下を抑制することができる。
【００９８】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【産業上の利用可能性】
【００９９】
本発明は、放熱器（ラジエータ）以外の手段により燃料電池スタックの冷却能力を向上させる制御装置及び制御方法に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。
【図２】ラジエータの単位時間当たりの放熱量を示すグラフの一例である。
【図３】燃料電池スタック内での水素ガスと空気の化学的反応で生じる単位時間当たりの高位発熱量を示すグラフの一例である。
【図４】燃料電池スタックでの水素ガスと空気の化学的反応により生じる単位時間当たりの生成水量を示すグラフの一例である。
【図５】燃料電池スタックの負荷に対する目標運転圧力の関係の一例を示すグラフである。
【図６】燃料電池スタックの負荷に対するアノードガス流量（燃料ガス流量）の関係の一例を示すグラフである。
【図７】図１の燃料電池システムを制御する方法の手順の一例を示すフローチャートである。
【図８】燃料電池スタックの負荷に対するカソードガス流量（空気流量）の関係の一例を示すグラフである。
【図９】第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。
【図１０】ガス圧力及びガス流量に対する燃料電池スタックの効率の一例を示すグラフである。
【図１１】第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０１】
１、２…コンプレッサ
３…燃料電池スタック（燃料電池）
４…アノード
５…カソード
６、７…圧力調整弁
８…ポンプ
９…ラジエータ
１０…システム制御装置
１１、１５…圧力センサ
１２、１６、１９…温度センサ
１３、１７…湿度センサ
１４、１８…流量計
２０…水素タンク
３１…発熱量推定部（発熱量推定手段）
３２…ガス含水量推定部（ガス含水量推定手段）
３３…生成水量推定部（生成水量推定手段）
３４…蒸発量推定部（蒸発量推定手段）
３５…蒸発量制御部（蒸発量制御手段）
３６…電力制御部（電力制御手段）
３７…発熱量予測部（発熱量予測手段）
３８…効率予測手段
θeva…放熱量
θeva…蒸発熱
θhh…高位発熱量
θh…発熱量
θrad…放熱量
【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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