(57)【要約】【課題】燃料電池の膜湿潤状態をリアルタイムに判定する。【解決手段】大気圧と、エアポンプ２の吸気温度と、加湿器４の入口空気温度に基づいて加湿器入口空気湿度を求めるとともに、燃料電池スタック１のカソード出口空気温度と燃料電池スタック１の冷媒出口における冷媒温度に基づいてカソード出口空気湿度を求め、加湿器入口空気湿度とカソード出口空気湿度に基づいてマップを参照して燃料電池スタック１のカソードの仮の湿度を求め、空気オフガス通路５に設けたカソード側キャッチタンク２６の水位を水位センサ２７で検出し、検出された実水位と燃料電池スタック１の定常運転状態におけるカソード側キャッチタンク２６にの基準水位との水位差に基づいて補正係数を求め、前記仮のカソード湿度に前記補正係数を乗じることでカソード湿度を求める。【選択図】図１
2011216415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスが流通するカソード排出流路と、
前記カソード排出流路に設けられカソードオフガスに含まれる水分の結露水を一時貯留するカソード排出水貯留部と、
前記カソード排出水貯留部の水位を測定する水位測定手段と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記カソードの湿度を演算するカソード湿度演算手段と、
を備え、
前記カソード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記２つの判定値から前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算部と、
前記水位測定手段によって測定された前記カソード排出水貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記カソード排出水貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮カソード湿度演算部により求められた仮カソード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスが流通するアノード排出流路と、
前記アノード排出流路に設けられアノードオフガスに含まれる水分の結露水を一時貯留するアノード排出水貯留部と、
前記アノード排出水貯留部の水位を測定する水位測定手段と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段と、
を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記２つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部と、
前記水位測定手段によって測定された前記アノード排出水貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記アノード排出水貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記燃料電池のアノードへ戻すアノード反応ガス循環流路と、
前記アノード反応ガス循環流路に設けられた燃料ポンプと、
前記燃料ポンプ内でアノードオフガスに含まれる水分の結露水が一時的に溜まる貯留部の水位を測定する水位測定手段と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段と、
を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記２つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部と、
前記水位測定手段によって測定された前記貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段と、前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算工程と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる水分の結露水の実水量と、前記燃料電池の定常運転状態で前記カソードオフガスに含まれる水分の結露水の基準水量との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正工程と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法。
【請求項５】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段と、前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算工程と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分の結露水の実水量と、前記燃料電池の定常運転状態で前記アノードオフガスに含まれる水分の結露水の基準水量との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記アノードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正工程と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法。
【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、および燃料電池システムにおける燃料電池の膜湿潤状態判定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜型の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、燃料電池内部の加湿状態が燃料電池の発電性能に大きく影響を与えるため、燃料電池内部の湿度管理が大変に重要である。
【０００３】
従来の前記湿度の判定方法としては、例えば、燃料電池のセル電圧が低下した時に、酸化剤ガスの流量を増大させた後、平均セル電圧と最低セル電圧の電圧差を検出し、該電圧差が判定値以下の場合は加湿不足であると判定し、前記判定値よりも大きい場合は過加湿であると判定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、別の湿度判定方法として、セル電圧が正常範囲を下回るセルを検出し、その異常セルの燃料電池スタックにおける積層位置に基づいて燃料電池スタックの加湿状態を判定する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１９４１７７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の湿度判定方法はいずれも、燃料電池内部の湿度状態が標準か湿度不足か過加湿かといった定性的な判定しかできない。
しかしながら、燃料電池システムを常に最適な作動状態に保つためには、燃料電池内部の湿度を定量的且つリアルタイムに把握することが求められており、従来の湿度判定方法ではこの要求に応えることができなかった。
【０００７】
そこで、この発明は、燃料電池の膜湿潤状態を定量的且つリアルタイムに把握することができる燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス（例えば、後述する実施例における空気オフガス）が流通するカソード排出流路（例えば、後述する実施例における空気オフガス通路５）と、
前記カソード排出流路に設けられカソードオフガスに含まれる水分の結露水を一時貯留するカソード排出水貯留部（例えば、後述する実施例におけるカソード側キャッチタンク２６）と、
前記カソード排出水貯留部の水位を測定する水位測定手段（例えば、後述する実施例における水位センサ２７）と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記カソードの湿度を演算するカソード湿度演算手段（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、を備え、
前記カソード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０１，Ｓ０２）と、
前記２つの判定値から前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０３）と、
前記水位測定手段によって測定された前記カソード排出水貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記カソード排出水貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮カソード湿度演算部により求められた仮カソード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
請求項２に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガス（例えば、後述する実施例における水素オフガス）が流通するアノード排出流路（例えば、後述する実施例における水素オフガス回収路１２）と、
前記アノード排出流路に設けられアノードオフガスに含まれる水分の結露水を一時貯留するアノード排出水貯留部（例えば、後述する実施例におけるアノード側キャッチタンク１３）と、
前記アノード排出水貯留部の水位を測定する水位測定手段（例えば、後述する実施例における水位センサ４１）と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、
前記２つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）と、
前記水位測定手段によって測定された前記アノード排出水貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記アノード排出水貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
請求項３に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスを再び前記燃料電池のアノードへ戻すアノード反応ガス循環流路（例えば、後述する実施例における水素供給通路８、水素オフガス回収路１２）と、
前記アノード反応ガス循環流路に設けられた燃料ポンプ（例えば、後述する実施例における水素ポンプ４２）と、
前記燃料ポンプ内でアノードオフガスに含まれる水分の結露水が一時的に溜まる貯留部の水位を測定する水位測定手段（例えば、後述する実施例における水位センサ４３）と、
前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、
前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、
前記２つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）と、
前記水位測定手段によって測定された前記貯留部の実水位と、前記燃料電池の定常運転状態における前記貯留部の基準水位との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
請求項４に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０１，Ｓ０２）と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０３）と、
前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスに含まれる水分の結露水の実水量と、前記燃料電池の定常運転状態で前記カソードオフガスに含まれる水分の結露水の基準水量との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８）と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法である。
【００１２】
請求項５に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池の環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、前記燃料電池の温度条件を測定する燃料電池温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池温度条件測定手段により測定された燃料電池の温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）と、
前記燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスに含まれる水分の結露水の実水量と、前記燃料電池の定常運転状態で前記アノードオフガスに含まれる水分の結露水の基準水量との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記アノードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８）と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法である。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池スタックのカソードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池スタックのアノードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項３に係る発明によれば、燃料電池スタックのアノードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項４に係る発明によれば、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、カソードの湿度の推定値に基づいて極めて正確に把握することができる。
請求項５に係る発明によれば、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、アノードの湿度の推定値に基づいて極めて正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例１における概略構成図である。
【図２】実施例１におけるカソードの湿度判定処理を示すフローチャートである。
【図３】実施例１において用いられる加湿器入口空気湿度マップである。
【図４】実施例１において用いられるカソード出口空気湿度マップである。
【図５】実施例１において用いられるカソード湿度マップである。
【図６】カソード側キャッチタンクの水位のタイムチャートである。
【図７】実施例１において用いられるカソード側キャッチタンクの水位差をパラメータとする補正係数マップである。
【図８】この発明に係る燃料電池システムの実施例２における概略構成図である。
【図９】実施例２におけるアノードの湿度判定処理を示すフローチャートである。
【図１０】実施例２において用いられるアノード湿度マップである。
【図１１】この発明に係る燃料電池システムの実施例３における要部構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例を図１から図１１の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施例は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに適用した態様である。
【００１６】
＜実施例１＞
初めに、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例１を図１から図７の図面を参照して説明する。
図１は実施例１の燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池スタック（燃料電池）１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで構成された単位燃料電池（以下、単セルという）を複数積層して構成されており、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極と、冷却液が供給される冷却通路とを備えている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。また、この発電に伴う発熱により燃料電池スタック１が上限温度を越えないように、前記冷却通路を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
【００１７】
外気はエアポンプ（コンプレッサ）２によって加圧され、供給空気通路３、加湿器４を通って燃料電池スタック１の空気極に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック１から空気オフガス（カソードオフガス）として排出され、空気オフガス通路（カソード排出流路）５、前記加湿器４を通って希釈ボックス（希釈器）６に排出される。なお、以下の説明では、燃料電池スタック１から排出される空気オフガスと区別するため、燃料電池スタック１に供給される空気を供給空気と称す。
【００１８】
加湿器４よりも上流の空気オフガス通路５には、燃料電池スタック１のカソードから排出される空気オフガスに含まれる水分の結露水を一時的に貯留するカソード側キャッチタンク２６が設けられている。
カソード側キャッチタンク２６には、貯留された水の水位を測定する水位センサ２７が設けられている。また、カソード側キャッチタンク２６は、ドレンバルブ２８を備えたドレン通路２９を介して希釈ボックス６に接続されており、ドレンバルブ２８は所定時間毎に開弁制御され、カソード側キャッチタンク２６に溜まった水を希釈ボックス６に排水する。
【００１９】
加湿器４は、例えば中空糸膜等の水透過膜を備えて構成されており、燃料電池スタック１から排出された空気オフガスを、反応ガスとして燃料電池スタック１に供給される供給空気に対する加湿ガスとして利用している。加湿器４において、水透過膜を介して供給空気と空気オフガスが接触し、空気オフガスに含まれる水分が水透過膜の膜孔を透過して供給空気に移動することにより、供給空気が加湿される。このように加湿された空気が燃料電池スタック１に供給されることにより、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
エアポンプ２は、燃料電池スタック１に要求されている出力に応じた質量の空気が空気極に供給されるように回転数制御される。
【００２０】
一方、水素タンク７から放出された水素ガスは、水素供給通路８，水素遮断弁９、圧力制御弁１０、エゼクタ１１を通って燃料電池スタック１の水素極に供給される。この水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスは燃料電池スタック１から水素オフガス（アノードオフガス）として排出され、水素オフガス回収路（アノード排出流路）１２を通ってエゼクタ１１に吸引され、水素タンク７から供給される水素ガスと合流し再び燃料電池スタック１に供給されるようになっている。
【００２１】
なお、圧力制御弁１０は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアポンプ２から供給される供給空気の圧力を信号圧として空気信号導入路１９を介して入力され、圧力制御弁１０の出口側の水素ガス圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように水素ガスの圧力を減圧制御する。このように供給空気の圧力を基準圧として、圧力制御弁１０で燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を制御することによって、エゼクタ１１を通過する水素ガスの流量が制御されるとともに、燃料電池スタック１内の固体高分子電解質膜を介した空気圧と水素ガス圧との差圧が所定の範囲に収まるように制御される。
【００２２】
水素オフガス回収路１２は、パージ弁１４を備えた水素オフガスパージ通路１５が分岐し、希釈ボックス６に接続されている。パージ弁１４は通常は閉じていて、燃料電池スタック１の運転状態に応じて開弁制御され、水素オフガス回収路１２を流れる水素オフガスを希釈ボックス６へ排出する。
希釈ボックス６に排出された水素オフガスは、希釈ボックス６に排出された空気オフガスによって希釈され、排気通路１８を介して外気に放出される。希釈ボックス６の出口には、外気に放出されるガスの水素濃度を検出するための水素センサ４０が設けられている。
【００２３】
また、燃料電池スタック１を冷却するための冷却液は、ウォーターポンプ２０によって昇圧されて燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１内の冷却通路を通る際に燃料電池スタック１から熱を奪って燃料電池スタック１を冷却し、これにより熱せられた冷却液はラジエタ（放熱器）２１に送られ、ラジエタ２１において外部に放熱することにより冷却液は冷却され、再びウォーターポンプ２０に戻るようになっている。この冷却液の循環回路２２に、ラジエタ２１を迂回するバイパス通路２３が接続されており、循環回路２２とバイパス通路２３との連結部に設けられたサーモスタットバルブ２４によって、冷却液をバイパス通路２３を通さずラジエタ２１を経由して循環させるか、ラジエタ２１を通さずバイパス通路２３を経由して循環させるかが決定される。つまり、冷却液が所定温度よりも低いときには、冷却液を冷却する必要がないので、ラジエタ２１を通さずバイパス通路２３を経由し燃料電池スタック１との間で冷却液を循環させ、冷却液が所定温度よりも高いときには、冷却液を冷却する必要があるので、バイパス通路２３を通さずラジエタ２１を経由し燃料電池スタック１との間で冷却液を循環させる。なお、図中、符号２５はリザーブタンクであり、ラジエタ２１およびウォータポンプ２０に接続されている。
【００２４】
また、この燃料電池システムには、燃料電池スタック１内のカソードまたはアノードの湿度を推定するために必要な物理量を検出するための各種センサが設置されている。すなわち、燃料電池システムは、大気圧Ｐを検出する大気圧センサ３０と、エアポンプ２に吸引される空気の温度（以下、エアポンプ吸気温度という）Ｔ１を検出する吸気温度センサ３１と、加湿器４に供給される空気の温度（以下、加湿器入口空気温度という）Ｔ２を検出する加湿器入口温度センサ３２と、燃料電池スタック１から排出され加湿器４に供給される前の空気オフガスの温度（以下、カソード出口空気温度という）Ｔ３を検出するカソード出口温度センサ３３と、燃料電池スタック１から排出された直後の冷却液の温度（以下、冷媒出口温度という）Ｔ４を検出する冷媒出口温度センサ３４と、を備え、これらセンサ３０〜３４の出力信号が電子制御装置（ＥＣＵ）５０に入力される。
【００２５】
なお、この実施例において、大気圧センサ３０と吸気温度センサ３１は環境条件測定手段を構成し、加湿器入口温度センサ３２とカソード出口温度センサ３３と冷媒出口温度センサ３４は燃料電池スタック温度条件測定手段を構成し、電子制御装置５０はカソード湿度演算手段を構成する。
【００２６】
次に、この燃料電池システムにおいて燃料電池スタック１内のカソードの湿度あるいはアノードの湿度を推定する方法を説明する。
本出願の発明者は、このように構成された燃料電池システムに対して行った多くの実験を通して、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、加湿器４に供給される空気の湿度（以下、加湿器入口空気湿度という）Ａとの間には相関があること、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４と、燃料電池スタック１のカソードから排出された空気の湿度（以下、カソード出口空気湿度という）Ｂとの間には相関があること、さらに、加湿器入口空気湿度Ａと、カソード出口空気湿度Ｂと、燃料電池スタック１内のカソードにおける湿度（以下、カソード湿度という）Ｈｃおよびアノードにおける湿度（以下、アノード湿度という）Ｈａとの間には相関があることを、経験的な知見として得た。
【００２７】
なお、加湿器入口空気湿度Ａと、カソード出口空気湿度Ｂと、燃料電池スタック１内のアノード湿度Ｈａとの間に相関があるのは、この燃料電池システムでは、前述したように、カソード側の供給空気の圧力を基準圧として圧力制御弁１０を制御することによって、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を制御し、エゼクタ１１を通過する水素ガスの流量を制御していることによる。
【００２８】
そこで、この発明では、実際に燃料電池車両用に組み立てられた標準モデルとしての前記燃料電池システムに対して、予め、燃料電池スタック１の周りの環境条件や燃料電池スタック１の運転条件を種々変化させて、前記相関関係のある各物理量のデータを多数採取し、これに基づいて図３〜図５、および図１０に示すようなマップを予め作成し、電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。なお、この事前のデータ採取のときには、前記標準モデルの燃料電池システムに、加湿器入口空気湿度Ａ、カソード出口空気湿度Ｂ、カソード湿度Ｈｃ、アノード湿度Ｈａを検出するためのセンサを設置して行う。
【００２９】
図３に示される加湿器入口空気湿度マップは、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、加湿器入口空気湿度Ａのデータに基づいて作成されたマップであり、大気圧Ｐの大きさ（大気圧値）毎に、エアポンプ吸気温度Ｔ１と加湿器入口空気温度Ｔ２から加湿器入口空気湿度Ａを検索することができるように構成されている。つまり、図３に示すマップは、大気圧がある値のときの加湿器入口空気湿度マップであり、このようなマップが大気圧値毎に多数作成されているのである。
【００３０】
図４に示されるカソード出口空気湿度マップは、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４と、カソード出口空気湿度Ｂのデータに基づいて作成されたマップであり、カソード出口空気温度Ｔ３と冷媒出口温度Ｔ４からカソード出口空気湿度Ｂを検索することができるように構成されている。
【００３１】
図５に示されるカソード湿度マップは、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂとカソード湿度Ｈｃのデータに基づいて作成されたマップであり、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂからカソード湿度Ｈｃを検索することができるように構成されている。
【００３２】
図１０に示されるアノード湿度マップは、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂとアノード湿度Ｈａのデータに基づいて作成されたマップであり、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂからアノード湿度Ｈａを検索することができるように構成されている。
【００３３】
図３の加湿器入口空気湿度マップと図４のカソード出口空気湿度マップと図５のカソード湿度マップを用いることにより、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４とに基づいて、燃料電池スタック１内のカソード湿度Ｈｃを予測することができる。
【００３４】
また、図３の加湿器入口空気湿度マップと図４のカソード出口空気湿度マップと図１０のアノード湿度マップを用いることにより、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４とに基づいて、燃料電池スタック１内のアノード湿度Ｈａを予測することができる。
【００３５】
ただし、このようにして予測されるカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａは、標準モデルの燃料電池システムに当てはめた場合の予測値であり、実際に現在運転している燃料電池システムにおける燃料電池スタック１内部の水分状況が反映されているとは言い難い。
【００３６】
そこで、この発明では、前記マップに基づいて予測されるカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度として、この仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度に対して、現在運転中の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１内部の水分状況に応じた補正を行うことで、より真値に近いカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａをリアルタイムに推定することができるようにする。
【００３７】
次に、実施例１における仮のカソード湿度に対する補正方法を説明する。
空気オフガスの単位時間当たりの結露水量と、燃料電池スタックのカソード湿度には相関関係があり、カソード湿度が高いほど、空気オフガスの単位時間当たりの結露水量が多くなる。そこで、実施例１では、所定時間における空気オフガスの結露水量を測定し、これをカソード湿度が標準加湿状態（例えば、湿度７０％）のときの基準となる結露水量（基準結露水量）と比較し、その比較値から補正係数を求めて仮のカソード湿度を補正することとした。
【００３８】
具体的には、空気オフガスの結露水は、カソード側キャッチタンク２６に貯留され、所定のインターバルでドレンバルブ２８が開き排水されるので、この排水前のカソード側キャッチタンク２６の水位から、所定時間（前記インターバルの間）における空気オフガスの結露水量を求めることができる。
図６は、ドレンバルブ２８の開閉タイミングと、カソード側キャッチタンク２６に貯留される水の水位の時間的変化を表したタイムチャートである。
【００３９】
一方、燃料電池スタック１が定常運転状態で、カソード湿度が標準加湿状態のときの空気オフガスの単位時間当たりの結露水量は実験的に既知であるので、この既知の結露水量に前記インターバルの時間を乗じれば、前記基準結露水量を求めることができ、カソード側キャッチタンク２６の大きさは予めわかっているので、その時の水位（基準水位）も算出することができる。
【００４０】
そして、この実施例１では、カソード側キャッチタンク２６に貯留された結露水量を比較する代わりに、カソード側キャッチタンク２６に貯留された結露水の水位を比較することとし、実際のカソード側キャッチタンク２６の水位が基準水位よりも大きい場合には、カソード湿度が標準加湿状態よりも高いことが推定されるので、この場合には増大させるように補正係数Ｙを設定し、実際のカソード側キャッチタンク２６の水位が基準水位よりも小さい場合には、カソード湿度が標準加湿状態よりも低いことが推定されるので、この場合には減少させるように補正係数Ｙを設定する。
【００４１】
これを実現するために、前述したように、カソード側キャッチタンク２６に水位センサ２７を設け、水位センサ２７の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
図７は、カソード側キャッチタンク２６の水位差をパラメータとする補正係数マップの一例であり、水位差に応じて補正係数Ｙが設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００４２】
次に、カソード側キャッチタンク２６の水位差に基づいて補正を行う場合のカソードの湿度判定処理を図２のフローチャートに従って説明する。このカソード湿度判定処理は電子制御装置５０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップＳ０１において、吸気温度センサ３１により検出された現在のエアポンプ吸気温度Ｔ１と、大気圧センサ３０により検出された現在の大気圧Ｐと、加湿器入口温度センサ３２により検出された現在の加湿器入口空気温度Ｔ２に基づき、図３の加湿器入口空気湿度マップを参照して、加湿器入口空気湿度Ａを検索する。
【００４３】
次に、ステップＳ０２に進み、カソード出口温度センサ３３により検出された現在のカソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度センサ３４により検出された現在の冷媒出口温度Ｔ４に基づき、図４のカソード出口空気湿度マップを参照して、カソード出口空気湿度Ｂを検索する。
【００４４】
次に、ステップＳ０３に進み、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂに基づき、図５のカソード湿度マップを参照して、カソード湿度Ｈｃ（仮のカソード湿度）を検索する。
次に、ステップＳ０４に進み、ステップＳ０３の処理により得られたカソード湿度Ｈｃが６０％未満か否かを判定する。
ステップＳ０４における判定結果が「ＮＯ」（６０％以上）である場合には、ステップＳ０５に進み、ステップＳ０３の処理により得られたカソード湿度Ｈｃが８０％を越えているか否かを判定する。
【００４５】
ステップＳ０５における判定結果が「ＮＯ」（８０％以下）である場合には、ステップＳ０６に進み、カソード湿度Ｈｃが６０％〜８０％であるので、カソードは乾燥状態でもなく湿潤状態でもない標準状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙを乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙは、ドレンバルブ２８を開弁する直前に水位センサ２７により検出したカソード側キャッチタンク２６の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、図７の補正係数マップを参照して検索し、決定する。
【００４６】
ステップＳ０４における判定結果が「ＹＥＳ」（６０％未満）である場合には、ステップＳ０７に進み、カソードは乾燥状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙを乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙは、ドレンバルブ２８を開弁する直前に水位センサ２７により検出したカソード側キャッチタンク２６の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、図７の補正係数マップを参照して検索し、決定する。
【００４７】
ステップＳ０５における判定結果が「ＹＥＳ」（８０％を越えている）である場合には、ステップＳ０８に進み、カソードは湿潤状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙを乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙは、ドレンバルブ２８を開弁する直前に水位センサ２７により検出したカソード側キャッチタンク２６の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、図７の補正係数マップを参照して検索し、決定する。
ここで、図７に示す補正係数マップは、標準状態、乾燥状態、湿潤状態とも同じマップとしてもよいし、標準状態、乾燥状態、湿潤状態で互いに異なる専用のマップとしてもよい。
【００４８】
このように、図５のカソード湿度マップを検索することによって求めた仮のカソード湿度Ｈｃに対して、補正係数Ｙを乗じて補正を行うと、真値に近いカソード湿度Ｈｃをリアルタイムに推定することができる。また、このカソード湿度Ｈｃの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
【００４９】
その結果、このカソード湿度Ｈｃに基づき燃料電池スタック１の運転を制御することで、カソードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、カソード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック１からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、カソード湿度を上げる方向に進ませることができ、カソード湿度の適正化を図ることができる。
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からカソード湿度を把握することができるので、そのときのカソード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
【００５０】
＜実施例２＞
次に、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例２を図８から図１０の図面を参照して説明する。
図８は実施例２の燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池システムの基本的な構成は、実施例１のものと同じであるので同一態様部分に同一符号を付して説明を省略し、実施例１との相違点だけを以下に説明する。
【００５１】
実施例２の燃料電池システムでは、空気オフガス通路５にカソード側キャッチタンク２６が設けられていない。
実施例２の燃料電池システムでは、水素オフガス回収路１２に、水素オフガスに含まれる水分の結露水を一時的に貯留するアノード側キャッチタンク（アノード排出水貯留部）１３が設けられており、エゼクタ１１には水分を除去された水素オフガスが供給されるようになっている。
【００５２】
アノード側キャッチタンク１３には、貯留された水の水位を測定する水位センサ４１が設けられている。また、アノード側キャッチタンク１３は、ドレンバルブ１６を備えたドレン通路１７を介して希釈ボックス６に接続されており、ドレンバルブ１６は燃料電池スタック１の運転状態に応じて設定される所定時間毎に開弁制御され、キャッチタンク１３に溜まった水を希釈ボックス６に排水する。
実施例２の燃料電池システムでは、パージ弁１４を備えた水素オフガスパージ通路１５が、キャッチタンク１３よりも下流の水素オフガス回収路１２から分岐している。
【００５３】
前述したように、図３の加湿器入口空気湿度マップと図４のカソード出口空気湿度マップと図１０のアノード湿度マップを用いることにより、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４とに基づいて、燃料電池スタック１内のアノード湿度Ｈａを予測することができる。
【００５４】
この実施例２では、前記マップに基づいて予測されるアノード湿度Ｈａを仮のアノード湿度として、この仮のアノード湿度に対して、現在運転中の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１内部の水分状況に応じた補正を行うことで、より真値に近いアノード湿度Ｈａをリアルタイムに推定することができるようにする。
【００５５】
実施例２における仮のアノード湿度に対する補正方法を説明する。
水素オフガスの単位時間当たりの結露水量と、燃料電池スタックのアノード湿度には相関関係があり、アノード湿度が高いほど、水素オフガスの単位時間当たりの結露水量が多くなる。そこで、実施例２では、所定時間における水素オフガスの結露水量を測定し、これをアノード湿度が標準加湿状態（例えば、湿度５０％）のときの基準となる結露水量（基準結露水量）と比較し、その比較値から補正係数を求めて仮のアノード湿度を補正することとした。
【００５６】
具体的には、水素オフガスの結露水は、アノード側キャッチタンク１３に貯留され、燃料電池スタック１の運転状態に応じた所定のインターバルでドレンバルブ１６が開き排水されるので、この排水前のアノード側キャッチタンク１３の水位から、所定時間（前記インターバルの間）における水素オフガスの結露水量を求めることができる。
ドレンバルブ１６の開閉タイミングと、アノード側キャッチタンク１３に貯留される水の水位の時間的変化は、図６のタイムチャートに示すカソード側キャッチタンク２６の場合と同様である。
【００５７】
一方、燃料電池スタック１が定常運転状態で、アノード湿度が標準加湿状態のときの空気オフガスの単位時間当たりの結露水量は実験的に既知であるので、この既知の結露水量に前記インターバルの時間を乗じれば、前記基準結露水量を求めることができ、アノード側キャッチタンク１３の大きさは予めわかっているので、その時の水位（基準水位）も算出することができる。
【００５８】
そして、この実施例２では、アノード側キャッチタンク１３に貯留された結露水量を比較する代わりに、アノード側キャッチタンク１３に貯留された結露水の水位を比較することとし、実際のアノード側キャッチタンク１３の水位が基準水位よりも大きい場合には、アノード湿度が標準加湿状態よりも高いことが推定されるので、この場合には増大させるように補正係数Ｙを設定し、実際のアノード側キャッチタンク１３の水位が基準水位よりも小さい場合には、アノードの湿度が標準加湿状態よりも低いことが推定されるので、この場合には減少させるように補正係数Ｙを設定する。
【００５９】
これを実現するために、前述したように、アノード側キャッチタンク１３に水位センサ４１を設け、水位センサ４１の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにし、電子制御装置５０の記憶手段に、予め作成されたアノード側キャッチタンク１３の水位差をパラメータとする補正係数マップを記憶しておく。
なお、アノード側キャッチタンク１３の水位差をパラメータとする補正係数マップは、前述した実施例１におけるカソード側キャッチタンク２６の水位差をパラメータとする補正係数マップと同様であるので、図７を援用して説明を省略する。
【００６０】
次に、アノードの湿度判定処理を図９のフローチャートに従って説明する。このアノード湿度判定処理は電子制御装置５０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップＳ１０１において、吸気温度センサ３１により検出された現在のエアポンプ吸気温度Ｔ１と、大気圧センサ３０により検出された現在の大気圧Ｐと、加湿器入口温度センサ３２により検出された現在の加湿器入口空気温度Ｔ２に基づき、図３の加湿器入口空気湿度マップを参照して、加湿器入口空気湿度Ａを検索する。
【００６１】
次に、ステップＳ１０２に進み、カソード出口温度センサ３３により検出された現在のカソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度センサ３４により検出された現在の冷媒出口温度Ｔ４に基づき、図４のカソード出口空気湿度マップを参照して、カソード出口空気湿度Ｂを検索する。
【００６２】
次に、ステップＳ１０３に進み、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂに基づき、図１０のアノード湿度マップを参照して、アノード湿度Ｈａ（仮のアノード湿度）を検索する。
次に、ステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３の処理により得られたアノード湿度Ｈａが４０％未満か否かを判定する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（４０％以上）である場合には、ステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０３の処理により得られたアノード湿度Ｈａが６０％を越えているか否かを判定する。
【００６３】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（６０％以下）である場合には、ステップＳ１０６に進み、アノード湿度Ｈａが４０％〜６０％であるので、アノードは乾燥状態でもなく湿潤状態でもない標準状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに補正係数Ｙを乗じて、補正後のアノード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙは、ドレンバルブ１６を開弁する直前に水位センサ４１により検出したアノード側キャッチタンク１３の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、アノード側キャッチタンク１３の水位差をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
【００６４】
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（４０％未満）である場合には、ステップＳ１０７に進み、アノードは乾燥状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに補正係数Ｙを乗じて、補正後のアノード湿度Ｈａを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙは、ドレンバルブ１６を開弁する直前に水位センサ４１により検出したアノード側キャッチタンク１３の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、アノード側キャッチタンク１３の水位差をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
【００６５】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（６０％を越えている）である場合には、ステップＳ１０８に進み、アノードは湿潤状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに補正係数Ｙを乗じて、補正後のアノード湿度Ｈａを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙは、ドレンバルブ１６を開弁する直前に水位センサ４１により検出したアノード側キャッチタンク１３の実水位と前記基準水位との水位差に基づいて、アノード側キャッチタンク１３の水位差をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
この実施例２において、電子制御装置５０はアノード湿度演算手段を構成する。
【００６６】
ここで、アノード側キャッチタンク１３の水位差をパラメータとする補正係数マップは、標準状態、乾燥状態、湿潤状態とも同じマップとしてもよいし、標準状態、乾燥状態、湿潤状態で互いに異なる専用のマップとしてもよい。
【００６７】
このように、図１０のアノード湿度マップを検索することによって求めた仮のアノード湿度Ｈａに対して、アノード側キャッチタンク１３の水位差をパラメータとする補正係数Ｙを乗じて補正を行うと、真値に近いアノード湿度Ｈａをリアルタイムに推定することができる。また、このアノード湿度Ｈａの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
【００６８】
その結果、このアノード湿度Ｈａに基づき燃料電池スタック１の運転を制御することで、アノードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、アノード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック１からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、アノード湿度を上げる方向に進ませることができ、アノード湿度の適正化を図ることができる。
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からアノード湿度を把握することができるので、そのときのアノード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
【００６９】
＜実施例３＞
次に、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例３を図１１の図面を参照して説明する。
図１１は実施例３の燃料電池システムの要部構成図である。燃料電池システムの基本的な構成は、実施例２のものと同じであり、図１１は実施例２の燃料電池システムと相違する部分だけを示した図である。
以下、実施例２との相違点についてだけ説明する。
【００７０】
実施例３の燃料電池システムでは、水素オフガス回収路１２にアノードカソード側キャッチタンク２６が設けられていない。
実施例３の燃料電池システムでは、水素オフガス回収路１２に、水素ポンプ４２が設けられており、燃料電池スタック１のアノードから排出された水素オフガスは水素ポンプ４２で昇圧されてエゼクタ１１に供給されるように構成されている。水素ポンプ４２としては、容積形ポンプ（回転式、ルーツ式）やターボ形ポンプを例示することができる。
【００７１】
このように、水素オフガス回収路１２に水素ポンプ４２を設けると、水素ポンプ４２内で水素オフガス中の水分が結露し、その結露水が水素ポンプ４２内に溜まる。そこで、この水素ポンプ４２内に溜まった結露水の水位を検出する水位センサ４３を水素ポンプ４２に設けるとともに、水素ポンプ４２を、ドレンバルブ４４を備えたドレン通路４５を介して希釈ボックス６に接続し、ドレンバルブ４４を燃料電池スタック１の運転状態に応じて設定される所定時間毎に開弁制御して、水素ポンプ４２に溜まった水を希釈ボックス６に排水する。
【００７２】
なお、この実施例３において、水素供給通路８においてエゼクタ１１よりも下流の部分と、水素オフガス回収路１２は、アノード反応ガス循環流路を構成し、水素ポンプ４２はアノード反応ガス循環流路に設けられている。
【００７３】
このように構成すると、実施例２におけるアノード側キャッチタンク１３に溜まった水の水位に代えて、実施例３では水素ポンプ４２に溜まった水の水位に基づいて、仮のアノード湿度に対する補正を行うことが可能となる。なお、仮のアノード湿度に対する補正の原理は、実施例２の場合と同じであるので、その説明は省略する。
【００７４】
実施例３では、水素ポンプ４２に溜まった水の実水位と、燃料電池スタック１が定常運転状態でアノード湿度が標準加湿状態のときの水素ポンプ４２に溜まる水の基準水位との水位差をパラメータとする補正係数マップを作成し、これを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００７５】
そして、ドレンバルブ４４を開弁する直前に水位センサ４３により検出した水素ポンプ４２の実水位と、水素ポンプ４２の前記基準水位との水位差に基づいて、前記水位差をパラメータとする補正係数マップを参照して補正係数Ｙを決定し、仮のアノード湿度にこの補正係数Ｙを乗じることで、補正後のアノード湿度を算出する。
なお、実施例３におけるアノードの湿度判定処理は、図９のフローチャートに示す実施例２におけるアノードの湿度判定処理を同じであるので、説明を省略する。
【００７６】
この実施例３の場合にも、図１０のアノード湿度マップを検索することによって求めた仮のアノード湿度Ｈａに対して、水素ポンプ４２の水位差をパラメータとする補正係数Ｙを乗じて補正を行うと、真値に近いアノード湿度Ｈａをリアルタイムに推定することができる。また、このアノード湿度Ｈａの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
【００７７】
その結果、このアノード湿度Ｈａに基づき燃料電池スタック１の運転を制御することで、アノードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、アノード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック１からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、アノード湿度を上げる方向に進ませることができ、アノード湿度の適正化を図ることができる。
【００７８】
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からアノード湿度を把握することができるので、そのときのアノード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
なお、水素オフガスに含まれる水分の結露水を、実施例２ではアノード側キャッチタンク１３に一時的に溜め、実施例３では水素ポンプ４２の液溜まり部に一時的に溜めて、その結露水の水量を測定したが、これらに代えて、水素オフガス回収路１２を構成する配管中に、水素オフガスの結露水を溜める液溜まり部を形成し、この液溜まり部に溜まった水の水位に基づいて補正係数Ｙを決定し、仮のアノード湿度にこの補正係数Ｙを乗じることで、補正後のアノード湿度を算出することも可能である。
【００７９】
なお、カソードの湿度判定処理とアノードの湿度判定処理のいずれか一方を実行することにより、燃料電池スタック１の膜湿潤状態を判定することができる。
【符号の説明】
【００８０】
１  燃料電池スタック（燃料電池）
５  空気オフガス通路（カソード排出流路）
８  水素供給通路（アノード反応ガス循環流路）
１２  水素オフガス回収路（アノード排出流路、アノード反応ガス循環流路）
１３  アノード側キャッチタンク（アノード排出水貯留部）
２６  カソード側キャッチタンク（カソード排出水貯留部）
２７  水位センサ（水位測定手段）
３０  大気圧センサ（環境条件測定手段）
３１  吸気温度センサ（環境条件測定手段）
３２  加湿器入口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
３３  カソード出口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
３４  冷媒出口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
４１  水位センサ（水位測定手段）
４２  水素ポンプ（燃料ポンプ）
４３  水位センサ（水位測定手段）
５０  電子制御装置（カソード湿度演算手段、アノード湿度演算手段）
【図１】
2011216415.tif 000003
【図２】
2011216415.tif 000004
【図３】
2011216415.tif 000005
【図４】
2011216415.tif 000006
【図５】
2011216415.tif 000007
【図６】
2011216415.tif 000008
【図７】
2011216415.tif 000009
【図８】
2011216415.tif 000010
【図９】
2011216415.tif 000011
【図１０】
2011216415.tif 000012
【図１１】
2011216415.tif 000013