(57)【要約】【課題】  燃料電池の排水量を適切に把握することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池と、燃料ガスの蓄圧装置と、蓄圧装置から流れ込む燃料ガスを噴射するインジェクタと、燃料オフガスが流れる再循環路と、燃料ガスに燃料オフガスを混合して燃料電池のアノードに導入するエジェクタと、燃料電池の電流値を検出する検出装置と、インジェクタの１回の噴射時間及び噴射量を制御する制御装置とを有し、制御装置は、燃料電池のアノード側の含水量、再循環路における圧力損失、及び電流値の相関関係に基づき含水量及び電流値から圧力損失を推定し、推定した圧力損失から、再循環路における圧力損失及び燃料オフガスの流量の相関関係に基づき流量を推定し、流量、噴射量、及び噴射時間に基づき、エジェクタから燃料電池に導入される燃料ガス及び燃料オフガスの力積を算出し、力積及び含水量に基づき前記燃料電池のアノード側の排水量を算出する。【選択図】図２
2019139910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを蓄圧する蓄圧装置と、
前記蓄圧装置から流れ込む前記燃料ガスを間欠的に噴射するインジェクタと、
前記燃料電池に再循環される燃料オフガスが流れる再循環路と、
前記インジェクタから噴射された前記燃料ガスに、前記再循環路からの前記燃料オフガスを混合して前記燃料電池のアノードに導入するエジェクタと、
前記燃料電池から出力される電流値を検出する検出装置と、
前記インジェクタの１回の噴射時間及び噴射量を制御する制御装置とを有し、
前記制御装置は、
前記燃料電池のアノード側の含水量、前記再循環路における圧力損失、及び前記電流値の相関関係に基づき、前記含水量及び前記電流値から前記圧力損失を推定し、
該推定した前記圧力損失から、前記再循環路における前記圧力損失及び前記燃料オフガスの流量の相関関係に基づき前記流量を推定し、
該推定した前記流量、前記噴射量、及び前記噴射時間に基づき、前記エジェクタから前記燃料電池に導入される前記燃料ガス及び前記燃料オフガスの力積を算出し、
前記力積及び前記含水量に基づき前記燃料電池のアノード側の排水量を算出することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムに関し、例えば燃料電池の含水量を制御するため、単セルのアノードの圧力損失に基づいてアノード側の排水を制御する技術が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２５９４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の排水量は、燃料電池の運転状態に応じて動的に変化するため、例えば上記の技術のように排水を制御する場合などにおいて、排水量を適切に把握することは有益である。しかし、特許文献１には、排水量の把握に関する記載がない。
【０００５】
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の排水量を適切に把握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】
【０００６】
本明細書に記載の燃料電池システムは、燃料ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料ガスを蓄圧する蓄圧装置と、前記蓄圧装置から流れ込む前記燃料ガスを間欠的に噴射するインジェクタと、前記燃料電池に再循環される燃料オフガスが流れる再循環路と、前記インジェクタから噴射された前記燃料ガスに、前記再循環路からの燃料オフガスを混合して前記燃料電池のアノードに導入するエジェクタと、前記燃料電池から出力される電流値を検出する検出装置と、前記インジェクタの１回の噴射時間及び噴射量を制御する制御装置とを有し、前記制御装置は、前記燃料電池のアノード側の含水量、前記再循環路における圧力損失、及び前記電流値の相関関係に基づき、前記含水量及び前記電流値から前記圧力損失を推定し、該推定した前記圧力損失から、前記再循環路における前記圧力損失及び前記燃料オフガスの流量の相関関係に基づき前記流量を推定し、該推定した前記流量、前記噴射量、及び前記噴射時間に基づき、前記エジェクタから前記燃料電池に導入される前記燃料ガス及び前記燃料オフガスの力積を算出し、前記力積及び前記含水量に基づき前記燃料電池のアノード側の排水量を算出する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の排水量を適切に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの一例を示す構成図である。
【図２】温度制御の処理の一例を示すフローチャートである。
【図３】含水量、電流値、及び圧力損失の相関関係の一例を示す図である。
【図４】インジェクタに出力される制御信号の一例を示す波形図である。
【図５】再循環路における圧力損失と燃料オフガスの流量の相関関係の一例を示す図である。
【図６】燃料電池の温度、電流値、及び上限値または下限値の相関関係の一例を示す図である。
【図７】制御値と目標温度の相関関係の一例を示す図である。
【図８】湿度ごとの燃料ガスの分圧に対するアノードの過電圧の変化特性の一例を示す図である。
【図９】温度制御の一例を示すタイムチャートである。
【図１０】温度制御の他の例を示すタイムチャートである
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、例えば燃料電池車に搭載されるが、これに限定されない。
【００１０】
燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料タンク２と、調圧弁３と、インジェクタ４と、エジェクタ５と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６と、主止弁７０と、気液分離器７１と、パージ弁７２と、アノード供給路Ｒ２０〜Ｒ２３と、アノード排出路Ｒ２４〜Ｒ２６と、再循環路Ｒ２７とを有する。また、燃料電池システムは、コンプレッサ８０と、加湿器８１と、バイパス弁８２と、ラジエータ９０と、三方弁９１と、ポンプ９２と、温度センサ９３と、電流センサ９４と、バッテリ９５と、カソード供給路Ｒ１０，Ｒ１１と、カソード排出路Ｒ１２，Ｒ１３と、冷却水供給路Ｒ３１，Ｒ３２と、冷却水排出路Ｒ３３、Ｒ３４とを有する。
【００１１】
燃料電池１は、固体高分子型燃料電池であり、膜電極接合体をそれぞれ備えた複数の単セルが積層されることにより構成され、カソードには酸化剤ガスの一例として酸素を含む空気が供給され、アノードには、燃料ガスの一例として水素ガスが供給される。燃料電池１は、各単セルにおいて酸化剤ガスと燃料ガスが化学反応することにより発電する。
【００１２】
酸化剤ガスは、カソード供給路Ｒ１０，Ｒ１１を介して燃料電池１のカソードに供給される。酸化剤オフガスは、カソード排出路Ｒ１２，Ｒ１３を介して燃料電池１のカソードから外部に排出される。
【００１３】
コンプレッサ８０は、外気から酸化剤ガスを導入して圧縮する。コンプレッサ８０は、カソード供給路Ｒ１０を介して酸化剤ガスを加湿器８１に送出する。
【００１４】
加湿器８１は、酸化剤ガスを加湿して、カソード供給路Ｒ１１を介して燃料電池１のカソードに送出する。加湿器８１には、燃料電池１からカソード排出路Ｒ１２を介して燃料オフガスが導入される。加湿器８１は、燃料オフガスに含まれる水分により燃料ガスを加湿する。加湿器８１は、燃料オフガスをカソード排出路Ｒ１３から外部に排出する。
【００１５】
また、カソード供給路Ｒ１０，Ｒ１１は分岐して加湿器８１とバイパス弁８２に接続されている。バイパス弁８２の開度は、ＥＣＵ６からの制御信号により調整される。カソード供給路Ｒ１０内の空気の一部は、バイパス弁８２の開度に応じてバイパス弁８２及びカソード供給路Ｒ１１を経由して燃料電池１に導入される。
【００１６】
燃料タンク２は、蓄圧装置の一例であり、燃料ガスを蓄圧して貯蔵する。燃料タンク２の出口には、主止弁７０が接続されている。主止弁７０は、ＥＣＵ６の制御に従って、燃料電池１の発電時、開放状態に維持されている。燃料ガスは、主止弁７０からアノード供給路Ｒ２０を流れて調圧弁３に入る。
【００１７】
調圧弁３は、燃料タンク２からインジェクタ４に流れ込む燃料ガスの圧力を、ＥＣＵ６からの制御信号に従って調整する。調圧弁３を通った燃料ガスは、アノード供給路Ｒ２１を介しインジェクタ４に流れ込む。インジェクタ４は、燃料タンク２から流れ込む燃料ガスを、ＥＣＵ６からの制御信号に従って間欠的に噴射する。インジェクタ４から噴射された燃料ガスは、アノード供給路Ｒ２２を介しエジェクタ５に流れ込む。
【００１８】
エジェクタ５は、インジェクタ４から噴射された燃料ガスに、燃料電池１に再循環される燃料オフガスを混合して燃料電池１に導入する。エジェクタ５には、再循環路Ｒ２７から燃料オフガスが吸入される。燃料オフガスと混合された燃料ガスは、アノード供給路Ｒ２３から燃料電池１に供給される。このため、インジェクタ４からエジェクタ５への燃料ガスの噴射量をＱｉｎとし、再循環路Ｒ２７からエジェクタ５への燃料オフガスの流量をＱｒｅとすると、エジェクタ５から燃料電池１への燃料ガス及び燃料オフガスの流量はＱｉｎ＋Ｑｒｅとなる。
【００１９】
燃料オフガスは、燃料電池１からアノード排出路Ｒ２４を流れ気液分離器７１に入る。気液分離器７１は、燃料オフガスから液水を分離して貯留し、燃料オフガスを再循環路Ｒ２７に送出する。
【００２０】
パージ弁７２は、アノード排出路Ｒ２５を介して気液分離器７１と接続されている。パージ弁７２は、ＥＣＵ６の制御により開閉される。パージ弁７２が開放されると、気液分離器７１内の燃料オフガス及び液水はアノード排出路Ｒ２５，Ｒ２６から外部に排出される。
【００２１】
また、冷却水は、ラジエータ９０から冷却水供給路Ｒ３１，Ｒ３２を介して燃料電池１に導入され、燃料電池１を冷却する。燃料電池１から排出された冷却水は、冷却水排出路Ｒ３３，Ｒ３４を介してラジエータ９０に戻る。ラジエータ９０は、冷却水排出路Ｒ３４からの冷却水を冷却して冷却水供給路Ｒ３１に再び送出する。
【００２２】
三方弁９１は、冷却水供給路Ｒ３１，Ｒ３２と冷却水排出路Ｒ３４に接続されている。冷却水排出路Ｒ３４は分岐してラジエータ９０と三方弁９１に接続されている。冷却水供給路Ｒ３１及び冷却水排出路Ｒ３４から三方弁９１に導入された冷却水は、冷却水供給路Ｒ３２から燃料電池１に送出される。
【００２３】
三方弁９１の開度は、ＥＣＵ６からの制御信号により制御される。これにより、ＥＣＵ６は、燃料電池１に送出される冷却水における、ラジエータ９０からの冷却水と冷却水排出路Ｒ３４からの冷却水の比率を制御することができる。
【００２４】
冷却水排出路Ｒ３３，Ｒ３４の間にはポンプ９２が接続されている。ポンプ９２は、冷却水を燃料電池１とラジエータ９０の間で循環させる。ポンプ９２の駆動力は、ＥＣＵ６からの制御信号により制御される。これにより、ＥＣＵ６は、冷却水の循環量を制御することができる。
【００２５】
温度センサ９３は、冷却水排出路Ｒ３４を流れる冷却水の温度を検出する。ＥＣＵ６は、温度センサ９３から冷却水の温度を取得する。
【００２６】
また、バッテリ９５は、燃料電池１から出力された電力の一部を蓄電する。電流センサ９４は、検出装置の一例であり、燃料電池１から出力される電流値を検出する。ＥＣＵ６は、電流センサ９４から電流値を取得する。
【００２７】
ＥＣＵ６は、燃料電池システムの動作を制御する。ＥＣＵ６は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）６０、プログラムメモリ６１、及びデータベースメモリ６２などを含む。ＣＰＵ６０は、プログラムメモリ６１に格納されたプログラムに従って動作する。また、データベースメモリ６２には各種のデータベースが保持されている。
【００２８】
ＥＣＵ６は、制御装置の一例であり、インジェクタ４の１回の噴射時間及び噴射量を制御する。インジェクタ４の１回の噴射時間は、ＥＣＵ６からの制御信号のデューティ比に従って制御される。また、インジェクタ４の１回の噴射量は、ＥＣＵ６から調圧弁３に出力される制御信号により制御される。
【００２９】
ＥＣＵ６は、燃料電池１の燃料ガスの排出能力を燃料電池１の運転状態に基づいて推測し、推測した排出能力から燃料電池１のアノード側の含水量を推測する。ＥＣＵ６は、推測した含水量と所定の閾値を比較し、その比較結果に応じて燃料電池１の温度を制御することにより燃料ガスの排水量を制御する。
【００３０】
燃料電池１の温度制御手段としては、例えば以下の手段が挙げられる。
【００３１】
ＥＣＵ６は、燃料電池１の発電する電力を増加させることにより燃料電池１の発熱量を増加させることができる。このとき、電力の余剰分は、例えばバッテリ９５に蓄えられる。
【００３２】
また、ＥＣＵ６は、バイパス弁８２の開度を制御信号で調整することにより、燃料電池１に供給される燃料ガスのうち、加湿器８１を迂回する燃料ガスの流量を制御することができる。加湿器８１を迂回する燃料ガスの流量が増えると、燃料電池１の湿度が下降して温度が上がり、加湿器８１を迂回する燃料ガスの流量が減ると、燃料電池１の湿度が上昇して温度が上がる。
【００３３】
さらに、ＥＣＵ６は、冷却水の循環量を制御することにより、より効果的に燃料電池１の温度を制御することができる。ＥＣＵ６は、例えば三方弁９１の開度、及びポンプ９２の駆動力を制御信号で調整することにより冷却水の循環量を制御することができる。冷却水の循環量が増えると、燃料電池１の温度は下がり、冷却水の循環量が減ると、燃料電池１の温度は上がる。なお、ＥＣＵ６は、上記の温度制御手段のうち、複数の温度制御手段を組み合わせて実行してもよい。
【００３４】
ＥＣＵ６は、温度制御を行うとき、燃料電池１から排出することができる燃料オフガスの量を燃料電池１の運転状態から推測する。
【００３５】
図２は、温度制御の処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、ＥＣＵ６のＣＰＵ６０がプログラムメモリ６１からプログラムを読み込むことにより実行される。
【００３６】
ＥＣＵ６は、例えば周期的に以下のステップＳｔ１〜Ｓｔ１５の各処理を繰り返す。このとき、ＥＣＵ６は、一例として、インジェクタ４の噴射の周期と同じ周期で各処理を繰り返す。つまり、インジェクタ４の噴射に同期するように、ステップＳｔ１〜Ｓｔ１５の各処理が実行される。
【００３７】
また、ＥＣＵ６は、ステップＳｔ１〜Ｓｔ１５の各処理を繰り返すことにより、燃料電池１のアノード側の含水量Ｗを繰り返し算出する。このとき、新たな含水量Ｗの算出には、前回算出された含水量Ｗが用いられる。このため、ＥＣＵ６は、インジェクタ４の噴射の周期分だけ前の時刻（つまり前回の周期）の含水量Ｗから現在時刻（つまり今回の周期）の含水量Ｗを算出する。ＥＣＵ６は、算出した含水量Ｗに応じて燃料電池１の温度を制御する。
【００３８】
まず、ＥＣＵ６は、前回の周期で算出した含水量Ｗを、今回の周期の含水量Ｗの算出に用いる含水量Ｗ’に設定する（ステップＳｔ１）。なお、ＥＣＵ６は、ＣＰＵ６０の起動後、初めてステップＳｔ１の処理を実行する場合、含水量Ｗとして所定の初期値を用いる。含水量Ｗの初期値は、例えば燃料電池１のアノード側の初期の水分量などに基づいて決定される。
【００３９】
次に、ＥＣＵ６は、温度センサ９３から燃料電池１の温度を取得する（ステップＳｔ２）。ＥＣＵ６は、例えば、温度センサ９３が検出した冷却水の温度を補正することにより燃料電池１の温度を取得する。
【００４０】
次に、ＥＣＵ６は、燃料電池１から出力される電流値を電流センサ９４から取得する（ステップＳｔ３）。次に、ＥＣＵ６は、燃料電池１のアノード側の含水量Ｗ’及び燃料電池１から出力される電流値から圧力損失データベースに基づき、再循環路Ｒ２７における圧力損失を推定する（ステップＳｔ４）。
【００４１】
圧力損失データベースは、燃料電池１のアノード側の含水量Ｗ’、再循環路Ｒ２７における圧力損失、燃料電池１から出力される電流値の相関関係を示す。圧力損失データベースはデータベースメモリ６２に予め保持されている。以下に、含水量Ｗ’、電流値、及び圧力損失の相関関係について述べる。
【００４２】
図３は、含水量Ｗ’、電流値、及び圧力損失の相関関係の一例を示す図である。符号Ｇ１は、燃料電池１における電流値Ｉ１，Ｉ２、・・・，Ｉn（ｎ：正の整数）ごとの含水量Ｗ’に対する圧力損失の変化特性のグラフの一例を示す。符号Ｇ１のグラフにおいて、横軸は含水量Ｗ’を示し、縦軸は圧力損失を示す。なお、電流値Ｉ１，Ｉ２、・・・，Ｉｎの間には、矢印で示されるように、Ｉ１＞Ｉ２＞・・・＞Ｉｎの関係が成立している。
【００４３】
圧力損失は、含水量Ｗ’の増加とともに緩やかに増加する。また、圧力損失は、含水量Ｗ’によらず、電流値Ｉ１〜Ｉｎが大きいほど、大きい。
【００４４】
符号Ｇ２は、圧力損失データベースの一例を示す。圧力損失データベースは、符号Ｇ１のグラフが示す相関関係に基づいて構成される。
【００４５】
圧力損失データベースは、一例として、含水量Ｗ’及び電流値に対応する圧力損失が登録されている。ＥＣＵ６は、含水量Ｗ’及び電流値に対応する圧力損失を圧力損失データベースから検索する。例えば、含水量Ｗ’がＷａであり、電流値がＩ１である場合、圧力損失はＰａａとなる。
【００４６】
再び図２を参照すると、ＥＣＵ６は、圧力損失を推定した後、インジェクタ４の噴射時間及び噴射量Ｑｉｎを取得する（ステップＳｔ５）。ＥＣＵ６は、例えば、調圧弁３の開度を制御する制御信号から噴射量Ｑｉｎを取得する。
【００４７】
また、ＥＣＵ６は、インジェクタ４の噴射時間を、例えば、インジェクタ４に出力される制御信号から取得する。
【００４８】
図４は、インジェクタ４に出力される制御信号の一例を示す波形図である。制御信号は、例えば、一定周期のパルスとして生成される。制御信号の電位は、周期Ｔｃで高電位Ｖｏｎと低電位Ｖｏｆｆ（＜Ｖｏｎ）を繰り返す。ここで、周期Ｔｃは、上述したように、ステップＳｔ１〜Ｓｔ１５の各処理が実行される周期に一致する。
【００４９】
制御信号の電位が高電位Ｖｏｎであるとき、インジェクタ４は燃料ガスを噴射し、制御信号の電位が低電位Ｖｏｆｆであるとき、インジェクタ４は燃料ガスの噴射を止める。ＥＣＵ６は、周期Ｔｃのうち、制御信号が高電位Ｖｏｎとなる噴射時間Ｔｏｎを噴射時間として取得する。
【００５０】
再び図２を参照すると、ＥＣＵ６は、インジェクタ４の噴射時間及び噴射量を取得した後、ステップＳｔ４の処理で推定した圧力損失から流量データベースに基づき、再循環路Ｒ２７における燃料オフガスの流量Ｑｒｅを推定する（ステップＳｔ６）。流量データベースは、再循環路Ｒ２７における圧力損失及び燃料オフガスの流量Ｑｒｅの相関関係を示す。流量データベースは、データベースメモリ６２に予め保持されている。以下に、圧力損失及び燃料オフガスの流量Ｑｒｅの相関関係について述べる。
【００５１】
図５は、再循環路Ｒ２７における圧力損失と燃料オフガスの流量の相関関係の一例を示す図である。符号Ｇ１１は、圧力損失に対する流量Ｑｒｅの変化特性のグラフの一例を示す。符号Ｇ１１のグラフにおいて、横軸は圧力損失を示し、縦軸は流量Ｑｒｅを示す。流量Ｑｒｅは、圧力損失の増加に対し一定の割合で減少する。
【００５２】
符号Ｇ１２は、流量データベースの一例を示す。流量データベースは、符号Ｇ１１のグラフが示す相関関係に基づいて構成される。
【００５３】
流量データベースには、例えば、圧力損失と流量Ｑｒｅが対応付けられて登録されている。ＥＣＵ６は、圧力損失データベースにより推定した圧力損失に対応する流量Ｑｒｅを流量データベースから検索する。例えば、圧力損失がＰ１であるとき、流量ＱｒｅはＱ１となる。
【００５４】
再び図２を参照すると、ＥＣＵ６は、燃料オフガスの流量Ｑｒｅを推定した後、推定した流量Ｑｒｅとインジェクタ４の噴射量Ｑｉｎ及び噴射時間Ｔｏｎに基づき、エジェクタ３から燃料電池１に導入される燃料ガス及び燃料オフガスの力積Ａを算出する（ステップＳｔ７）。ここで、燃料電池１に導入される燃料ガス及び燃料オフガスの流量は、燃料ガスの噴射量Ｑｉｎと燃料オフガスの流量Ｑｒｅの合計となる。
【００５５】
Ａ＝（Ｑｉｎ＋Ｑｒｅ）４／７×Ｔｏｎ    ・・・（１）
【００５６】
ＥＣＵ６は、例えば、上記の式（１）から力積Ａを算出する。これにより、エジェクタ５から燃料電池１内のアノード側の流路に送出される燃料ガス及び燃料オフガスの運動量の単位時間の変化量が算出される。
【００５７】
ΔＷ＝ｋ×Ｗ’×Ａ      ・・・（２）
【００５８】
次に、ＥＣＵ６は、力積Ａと含水量Ｗ’に基づき排水量ΔＷを算出する（ステップＳｔ８）。ＥＣＵ６は、例えば、上記の式（２）から排水量ΔＷを算出する。ここで、定数ｋは、燃料電池１内のアノード側の流路の構成や各種の条件に応じて決定される定数である。
【００５９】
このように、ＥＣＵ６は、燃料電池１のアノード側の含水量Ｗ’とインジェクタ４の噴射時間Ｔｏｎ及び噴射量Ｑｉｎと再循環路Ｒ２７における燃料オフガスの流量Ｑｒｅから力積Ａを算出し、力積Ａと含水量Ｗ’から排水量ΔＷを算出する。ここで、力積Ａと含水量Ｗ’は、燃料電池１のアノード側の運転状態に関するパラメータであるため、ＥＣＵ６は、燃料電池１のアノード側の運転状態から排水量ΔＷを適切に把握することができる。
【００６０】
また、ＥＣＵ６は、圧力損失データベースに基づき圧力損失を推定し、流量データベースから流量Ｑｒｅを推定する。このため、燃料電池システムは、圧力損失及び流量Ｑｒｅを検出する各センサを設ける必要がなく、このようなセンサを設けた場合と比較すると、燃料電池システムの規模が縮小される。
【００６１】
Ｗ＝Ｗ’−ΔＷ×Ｔｃ      ・・・（３）
【００６２】
次に、ＥＣＵ６は、含水量Ｗ’と排水量ΔＷから今回の周期の含水量Ｗを算出する（ステップＳｔ９）。ＥＣＵ６は、例えば、上記の式（３）から含水量Ｗを算出する。このとき、含水量Ｗは、Ｔｃ秒前の含水量Ｗ’から周期Ｔｃ内に排出される排水量（ΔＷ×Ｔｃ）を減じた値となる。
【００６３】
次に、ＥＣＵ６は、含水量Ｗの上限値Ｗｕを決定し（ステップＳｔ１０）、含水量Ｗの下限値Ｗｄを決定する（ステップＳｔ１１）。なお、下限値Ｗｄは上限値Ｗｕより先に決定されてもよい。ＥＣＵ６は、例えば、温度センサ９３から取得した燃料電池１の温度、電流センサ９４から取得した電流値、及び上限値Ｗｕの相関関係から上限値Ｗｕを決定し、これと同様に、燃料電池１の温度、電流値、及び下限値Ｗｄの相関関係から下限値Ｗｄを決定する。例えば、上限値Ｗｕ及び下限値Ｗｄは、上記の相関関係を示す上限値データベース及び下限値データベースからそれぞれ決定される。
【００６４】
図６は、燃料電池１の温度、電流値、及び上限値Ｗｕまたは下限値Ｗｄの相関関係の一例を示す図である。符号Ｇ２１は、燃料電池１における電流値Ｉ１，Ｉ２、・・・，Ｉｎごとの温度に対する上限値Ｗｕ（または下限値Ｗｄ）の変化特性のグラフの一例を示す。符号Ｇ２１のグラフにおいて、横軸は温度を示し、縦軸は上限値Ｗｕ（または下限値Ｗｄ）を示す。なお、電流値Ｉ１，Ｉ２、・・・，Ｉｎの間には、矢印で示されるように、Ｉ１＞Ｉ２＞・・・＞Ｉｎの関係が成立している。
【００６５】
上限値Ｗｕ（または下限値Ｗｄ）は、温度の増加に対し一定の割合で減少する。また、上限値Ｗｕ（または下限値Ｗｄ）は、温度によらず、電流値Ｉ１〜Ｉｎが大きいほど、大きい。
【００６６】
符号Ｇ２２は、上限値データベースまたは下限値データベースの一例を示す。上限値データベース及び下限値データベースは、符号Ｇ２１のグラフが示す相関関係に基づいて構成される。
【００６７】
上限値データベースは、一例として、温度及び電流値に対応する上限値Ｗｕが登録されている。また、下限値データベースは、一例として、温度及び電流値に対応する下限値Ｗｄが登録されている。ＥＣＵ６は、温度及び電流値に対応する上限値Ｗｕを上限値データベースから検索し、温度及び電流値に対応する下限値Ｗｄを下限値データベースから検索する。上限値データベースの場合、例えば、温度がＫａであり、電流値がＩ１である場合、上限値ＷｕはＷａａとなる。
【００６８】
再び図２を参照すると、ＥＣＵ６は、上限値Ｗｕ及び下限値Ｗｄを決定した後、含水量Ｗを上限値Ｗｕと比較する（ステップＳｔ１２）。ＥＣＵ６は、含水量Ｗが上限値Ｗｕを上回る場合（ステップＳｔ１２のＹｅｓ）、燃料電池１のアノード側の排水量ΔＷが増加するように燃料電池１の温度を上げる（ステップＳｔ１４）。その後、次の周期でステップＳｔ１以降の各処理が実行される。
【００６９】
また、ＥＣＵ６は、含水量Ｗが上限値Ｗｕ以下である場合（ステップＳｔ１２のＮｏ）、含水量Ｗを下限値Ｗｄと比較する（ステップＳｔ１３）。ＥＣＵ６は、含水量Ｗが下限値Ｗｄを下回る場合（ステップＳｔ１３のＹｅｓ）、燃料電池１のアノード側の排水量ΔＷが減少するように燃料電池１の温度を下げる（ステップＳｔ１５）。その後、次の周期でステップＳｔ１以降の各処理が実行される。
【００７０】
また、含水量Ｗが下限値Ｗｄ以上である場合（ステップＳｔ１３のＮｏ）も、次の周期でステップＳｔ１以降の各処理が実行される。このようにして、温度制御の処理は実行される。なお、温度制御の手段については、上述したとおりである。
【００７１】
ＥＣＵ６は、ステップＳｔ１４，Ｓｔ１５において、温度制御の制御値Δｋを算出し、制御値Δｋから目標温度Ｔｏを決定する。
【００７２】
Δｋ＝（Ｗ−Ｗｕ）／（Ｗ’×Ａ）    ・・・（４）
Δｋ＝（Ｗｄ−Ｗ）／（Ｗ’×Ａ）    ・・・（５）
【００７３】
ＥＣＵ６は、例えば、ステップＳｔ１４において上記の式（４）から制御値Δｋを算出し、ステップＳｔ１５において上記の式（５）から制御値Δｋを算出する。制御値Δｋは、含水量Ｗと上限値Ｗｕまたは下限値Ｗｄの差分に対する上記の式（２）の定数ｋの補正値である。ＥＣＵ６は、制御値Δｋと目標温度Ｔｏの相関関係を示す目標温度データベースに基づき目標温度Ｔｏを決定する。目標温度データベースは、データベースメモリ６２に予め保持されている。以下に、制御値Δｋと目標温度Ｔｏの相関関係について述べる。
【００７４】
図７は、制御値Δｋと目標温度Ｔｏの相関関係の一例を示す図である。符号Ｇ３１は、目標温度Ｔｏに対する制御値Δｋの変化特性のグラフの一例を示す。符号Ｇ３１のグラフにおいて、横軸は目標温度Ｔｏを示し、縦軸は制御値Δｋを示す。制御値Δｋは、目標温度Ｔｏの増加に対し一定の割合で増加する。
【００７５】
符号Ｇ３２は、目標温度データベースの一例を示す。目標温度データベースは、符号Ｇ３１のグラフが示す相関関係に基づいて構成される。
【００７６】
目標温度データベースには、例えば、制御値Δｋと目標温度Ｔｏが対応付けられて登録されている。ＥＣＵ６は、式（４）または式（５）から算出した制御値Δｋに対応する目標温度Ｔｏを目標温度データベースから検索する。例えば、制御値Δｋがｋ１であるとき、目標温度Ｔｏはｘ１となる。
【００７７】
ＥＣＵ６は、燃料電池１の温度が目標温度Ｔｏとなるように温度制御を行う。このとき、ＥＣＵ６は、以下に述べるように、燃料ガスの供給量を増加させずに温度制御を行うことにより、燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池１の湿度を制御することができる。
【００７８】
図８は、湿度ごとの燃料ガスの分圧に対するアノードの過電圧の変化特性の一例を示す図である。図８において、横軸は燃料ガスの分圧［Ｐａ］を示し、縦軸はアノードの過電圧［ｖ］を示す。
【００７９】
符号Ｇ４１，Ｇ４２は、燃料電池１の湿度が２０％ＲＨのときの変化特性のグラフであり、符号Ｇ５１，Ｇ５２は、燃料電池１の湿度が１００％ＲＨのときの変化特性のグラフである。また、符号Ｇ４１，Ｇ５１のグラフは、符号Ｇ４２，Ｇ５２のグラフの場合より燃料電池１のアノード電極の触媒である白金（Ｐｔ）の量を低下させたとき（以下、「低Ｐｔ化」と表記）の変化特性を示す。
【００８０】
アノードの過電圧は、燃料ガスの分圧が増加すると減少し、ほぼ一定の値に収束する。低Ｐｔ化時、湿度が２０％ＲＨ及び１００％ＲＨの何れの場合であっても、過電圧は、分圧の全範囲にわたって上昇する。
【００８１】
例えば、分圧が範囲Ｒａ内となるように燃料ガスが供給されている場合、湿度が２０％ＲＨである環境、つまりドライ環境における低Ｐｔ化時の変化特性（符号Ｇ４１参照）では、低Ｐｔ化されていない時の変化特性（符号Ｇ４２参照）と比較すると、分圧に対する過電圧の変化量が大きくなる。このように過電圧の感度が高いと、燃料ガスの供給量が変化するたびに燃料電池１の発電効率が大きく変化してしまう。
【００８２】
これに対し、例えば、分圧が範囲Ｒｂ（＞Ｒａ）となるように燃料ガスの供給量を増加させれば、分圧に対する過電圧の変化量が小さくなるため、発電効率の変化が抑制される。しかし、燃料ガスの供給量が増加すると、燃費が悪化するおそれがある。
【００８３】
そこで、ＥＣＵ６は、温度制御を行うことにより湿度を、一例として１００％ＲＨに維持することにより、発電効率の変化を抑制することができる。分圧が範囲Ｒａ内となるように燃料ガスが供給されている場合、湿度が１００％ＲＨである環境、つまりウェット環境における低Ｐｔ化時の変化特性（符号Ｇ５１参照）では、低Ｐｔ化されていない時の変化特性（符号Ｇ５２参照）と同様に、分圧に対する過電圧の変化量が小さい。
【００８４】
このように、ＥＣＵ６は、燃料ガスの供給量を増加させずに温度制御を行うことにより、燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池１の湿度を制御することができる。もっとも、例えば、燃費の悪化が問題とならないような場合、ＥＣＵ６は、燃料ガスの供給量を増加させることにより排水量を増加させて湿度を制御してもよい。
【００８５】
次に、ＥＣＵ６による温度制御の例を説明する。以下の例において、ＥＣＵ６は、燃料ガスの供給量を増加させずに温度制御を行う。
【００８６】
図９は、温度制御の一例を示すタイムチャートである。図９には、燃料電池１に要求される負荷（要求負荷）と、燃料電池１への燃料ガスの供給量と、燃料電池１の温度、湿度、及び発電効率と、燃料電池１のアノード側の排水量及び含水量と、燃料電池システムの燃費との時刻に対する変化が示されている。なお、実線は、実施例のＥＣＵ６の温度制御による変化を示し、点線は、比較例の温度制御による変化を示す。
【００８７】
要求負荷は、時刻ｔ１〜ｔ７において一定であると仮定する。また、燃料ガス供給量、温度、排水量、湿度、発電効率、及び燃費は、時刻ｔ１〜ｔ２において、一定であると仮定する。
【００８８】
本例では、含水量Ｗが上限値Ｗｕを上回った場合の温度制御を挙げる。含水量Ｗは、排水量（排水能力）の不足のため、時刻ｔ１〜ｔ３において増加する。
【００８９】
比較例のＥＣＵ６は、含水量Ｗが上限値Ｗｕを上回る時刻ｔ２において、燃料ガス供給量を増加させることにより排水量を増加させる。このため、含水量Ｗは、時刻ｔ３〜ｔ６において徐々に減少するが、燃費は、要求負荷に対して過剰に燃料ガス供給量が増加したため、時刻ｔ２〜ｔ７において徐々に低下する。また、含水量は、時刻ｔ５において下限値Ｗｄを下回るため、湿度及び発電効率は、時刻ｔ５〜ｔ７において徐々に低下する。
【００９０】
一方、実施例のＥＣＵ６は、燃料ガス供給量を増加させることなく、時刻ｔ２〜ｔ４において、徐々に温度を上げることにより排水量を増加させる。温度が上がると、燃料電池１の燃料ガス流路内において燃料ガスに含むことができる水分量が増加する。このため、燃料ガスは、粘性が増加することにより燃料ガス流路内の液水に作用する力が増加する。これにより、排水量が増加する。
【００９１】
ＥＣＵ６は、時刻ｔ４において温度が目標温度Ｔｏに達したため温度制御を停止する。含水量Ｗは、排水量の増加により時刻ｔ３〜ｔ６において減少するが、時刻ｔ６において温度が下がり始めるため、含水量Ｗの減少は抑制される。このため、湿度、発電効率、及び燃費は、比較例とは異なり、実質的に一定に維持される。
【００９２】
図１０は、温度制御の他の例を示すタイムチャートである。図１０において、図９と共通する項目についての説明は省略する。
【００９３】
要求負荷は、時刻ｔ１１〜ｔ１６において一定であると仮定する。また、燃料ガス供給量、温度、排水量、湿度、発電効率、及び燃費は、時刻ｔ１１〜ｔ１２において、一定であると仮定する。
【００９４】
本例では、含水量Ｗが下限値Ｗｄを下回った場合の温度制御を挙げる。含水量Ｗは、過剰な排水量（排水能力）のため、時刻ｔ１１〜ｔ１２において徐々に減少し、時刻ｔ１２では下限値Ｗｄを下回る。
【００９５】
比較例のＥＣＵ６は、要求負荷に応じた燃料ガス供給量を設定しているため、含水量Ｗが減少しても、燃料ガス供給量を減少させることができない。このため、排水量は、時刻ｔ１２以降も一定に維持される。したがって、含水量Ｗは、時刻ｔ１２〜ｔ１５において減少を続け、時刻ｔ１５〜ｔ１６では最小に維持される。
【００９６】
このため、湿度は、時刻ｔ１３〜ｔ１６において徐々に低下する。これにより、発電効率及び燃費も、時刻ｔ１３〜ｔ１６において徐々に低下する。
【００９７】
一方、実施例のＥＣＵ６は、時刻ｔ１２において、含水量Ｗが下限値Ｗｄを下回ったため、時刻ｔ１２〜ｔ１４において温度を下げ、時刻ｔ１４では、温度が目標温度Ｔｏに達したため、温度制御を停止する。このため、温度及び排水量は、時刻ｔ１２〜ｔ１４において低下し、時刻ｔ１４〜ｔ１５においてほぼ一定に維持される。また、含水量Ｗは、時刻ｔ１２〜ｔ１４において、排水量の減少により一定に維持される。
【００９８】
含水量Ｗは、時刻ｔ１４において、温度制御の停止により増加を始めるが、温度及び排水量が、時刻ｔ１５〜ｔ１６において徐々に増加するため、増加が抑制される。このため、湿度、発電効率、及び燃費は、比較例とは異なり、実質的に一定に維持される。
【００９９】
このように、実施例のＥＣＵ６は、燃料ガスの供給量を増加させずに温度制御を行うことにより、燃費の悪化を抑制しつつ、燃料電池１の湿度を制御することができる。
【０１００】
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
【符号の説明】
【０１０１】
１      燃料電池
２      燃料ガスタンク
４      インジェクタ
５      エジェクタ
６      ＥＣＵ
９４      電流センサ
Ｒ２７     再循環路
【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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