(57)【要約】【課題】エネルギー効率が良く、水分の回収も十分可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】外気温度Ｔairと、燃料電池スタック１００の出力電流Ｉ[Ａ]、及び流入する外気の流量ｑから、燃料電池システム１内に保有する水量が減らない目標温度Ｔdを決定し、この目標温度Ｔｄとなるように、凝縮器５１内エバポレータのコンプレッサ５１２を制御する。目標温度Ｔdを変更することによって、水タンク５３１内の水量の調整も可能となる。【選択図】図１
2008047328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
酸化ガスを燃料電池の導入口へ送り込む送風手段と、
前記燃料電池の導出口から排出される酸化ガスを冷却して水を回収する冷却手段と、
前記冷却手段の冷却能力を調整する冷却制御手段と、
導入口に送り込まれる酸化ガスの温度を測定する気体温度検出手段と、
燃料電池の出力電流値を検出する電流検出手段と、
前記送風手段の送風量を検出する流量検出手段とを備え、
前記冷却制御手段は、導入口に送り込まれる酸化ガスの気体温度と、燃料電池の出力電流値と、送風手段の送風量に基づいて冷却手段の冷却能力を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却制御手段は、燃料電池の導出口から排出される酸化ガスに含まれる水蒸気のうち、導入口において酸化ガスが含む水蒸気量と、燃料電池内で発生する生成水量との和から、露点を決定する手段と、
前記冷却手段から排出される酸化ガスの温度が、前記露点となるように、冷却手段の冷却能力を調節する調節手段とを有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却制御手段は、前記冷却手段から排出される酸化ガスの温度を測定する排出温度検出手段を有し、前記調節手段は、前記排出温度検出手段により検出された温度に基づき冷却能力を調節する請求項２記載の燃料電池システム。
【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かかり、より詳細には、燃料電池より排出される水を回収するシステムを有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスが燃料極を介し、或いは、酸素室における酸化ガス（主として空気中の酸素）が酸素極を介し、イオン化し、そのイオンを、電解質膜を介して取り出して電力を得ている。このように電解質膜を介してイオンを取り出している際に、電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率が低下し、エネルギー変換効率が低下してしまう。よって、良好なイオン伝導を保つために電解質膜に水分を供給する必要がある。
【０００３】
ところで、所定値以下の厚さの電解質膜により、燃料電池を構成した場合に、上記のようにイオンを取り出す際に、酸素極において空気中の酸素と反応して生成された水は、電解質膜中を酸素極から燃料極へ逆浸透する。この逆浸透された水により、電解質膜を好適な湿潤状態に維持することができるため、燃料極側で燃料ガスを加湿する必要がない。しかし、酸素極側において、導入される酸化ガス流により、電解質膜の酸素極側の水分が蒸発するため、電解質膜の酸素極側の水分が不足する。そこで、酸化ガスを加湿して、加湿された酸化ガスで電解質膜の酸素極に水分を供給している。 
このように水分を供給する構成を有する場合、燃料電池で生成された水を回収し、加湿するための水として再利用する構成が採られている。
【特許文献１】特開２０００-１２０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に示されているように、酸化ガス供給経路が開放されている構成においては、燃料電池の発熱により供給された酸化ガスは多湿度となり、酸化ガスの供給量が多い場合には、燃料電池で生成された水を回収しきれず、システム外へ水が排出されてしまう。このような状況下で運転が継続されると、固体高分子燃料電池の発電に必要な水量が確保できなくなり、メンテナンスフリーである理想的な燃料電池システムの構築が不可能となる。
【０００５】
また、従来の水回収構造は、プレートフィン型熱交換器を用いているが、気温の高い夏場では、十分の水回収能力が得られない。さらに、水回収効率を上げるために、冷凍機ユニットを設ける構成を採用すると、冷凍機ユニットの駆動のためのエネルギー消費量が増加し、燃料電池システム全体のエネルギー効率が低下する。 
本発明の目的は、上記事実に鑑み成されたもので、エネルギー効率が良く、水分の回収も十分可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。 
（１）  燃料ガスが流入される燃料室と、酸化ガスが流入される導入口及び反応後の酸化ガスが排出される導出口を有する酸化ガス室とを電解質層を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
酸化ガスを燃料電池の導入口へ送り込む送風手段と、
前記燃料電池の導出口から排出される酸化ガスを冷却して水を回収する冷却手段と、
前記冷却手段の冷却能力を調整する冷却制御手段と、
導入口に送り込まれる酸化ガスの温度を測定する気体温度検出手段と、
燃料電池の出力電流値を検出する電流検出手段と、
前記送風手段の送風量を検出する流量検出手段とを備え、
前記冷却制御手段は、導入口に送り込まれる酸化ガスの気体温度と、燃料電池の出力電流値と、送風手段の送風量に基づいて冷却手段の冷却能力を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【０００７】
（２）  前記冷却制御手段は、燃料電池の導出口から排出される酸化ガスに含まれる水蒸気のうち、導入口において酸化ガスが含む水蒸気量と、燃料電池内で発生する生成水量との和から、露点を決定する手段と、
前記冷却手段から排出される酸化ガスの温度が、前記露点となるように、冷却手段の冷却能力を調節する調節手段とを有する上記（１）に記載の燃料電池システム。
【０００８】
（３）  前記冷却制御手段は、前記冷却手段から排出される酸化ガスの温度を測定する排出温度検出手段を有し、前記調節手段は、前記排出温度検出手段により検出された温度に基づき冷却能力を調節する上記（２）に記載の燃料電池システム。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１記載の発明によれば、導入口に送り込まれる酸化ガスの気体温度と、燃料電池の出力電流値と、送風手段の送風量に基づいて、排ガスに含まれる水蒸気量を把握することができるので、飽和水蒸気曲線に基づいて排ガスを冷却する温度を調整すれば、回収し得る水の量を調節することができる。これにより、常時必要な量の水の回収を可能とし、全体としてエネルギー効率の良い燃料電池システムを得ることができる。
【００１０】
請求項２記載の発明によれば、導入口において酸化ガスが含む水蒸気量と、燃料電池内で発生する生成水量との和から、露点を決定することによって、システム内の水量が一定になるように調整することができる。 
請求項３記載の発明によれば、最終的に冷却手段から排出される酸化ガスの温度を検出し、その検出値に基づいて冷却手段を調整するので、より正確に冷却手段による水回収量を設定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０、空気供給系１２、水供給系５０、負荷系７とに大略構成される。
【００１２】
この燃料電池スタック１００の構成について説明する。燃料電池スタック１００は、複数の燃料電池単位セル１５と燃料電池セパレータ１３とを交互に積層するなどし、燃料電池を直列接続して構成されている。図２は、燃料電池用セパレータ１３を示す全体正面図、図３は、燃料電池セパレータ１３で構成された燃料電池スタック１００の部分断面平面図（図２におけるＡ‐Ａ断面図）、図４は、燃料電池用セパレータ１３の全体背面図、図５は、集電部材３、４及び隔壁７の位置関係を示す部分拡大斜視図である。
【００１３】
セパレータ１３は、単位セル１５の電極に接触して電流を外部に取り出すための集電部材３、４と、各集電部材３、４の周端部に外装される枠体８、９と、集電部材3、４の間に介挿された隔壁７とを備えている。隔壁７によって、燃料ガスと酸化ガスの直接の接触(混合)が阻止される。集電板である集電部材３、４と隔壁７は、金属で構成されている。集電部材３、４と隔壁７の構成金属は、それぞれ導電性と耐食性を備えた金属で、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等に耐蝕導電処理を施したもの等が挙げられる。耐食導電処理としては、例えば、金メッキなどか挙げられる。集電部材３は、単位セル１５の燃料極に接触し、集電部材４は酸素極に接触する。集電部材３には、プレス加工によって、突出形成された複数の凸状部３２が形成されている。
【００１４】
凸状部３２は、板材の長辺とに沿って短辺方向へ向けて、等間隔で配列されている。長辺に沿って（図２における横方向）配置された凸状部３２の間に形成された溝によって、凸状部３２の間には水素流路３０１が形成され、図３に示されているように、凸状部３２の裏側に形成された溝３３によって、水素流路３０２が形成されている。この凸状部３２の頂点部分の面は、燃料極が接触する当接部３２１となっている。集電部材３が網体であるため、当接部３２１が接触する部分においても、孔３２０を介して、燃料極は燃料ガスを供給することができる。また、図５に示されているように、水素流路３０１と水素流路３０２の間も、孔３２０を介して、水素ガスが相互に流通可能となる。集電部材３の両端部は、セパレータ１３を積層した場合に形成される水素供給路(１７a又は１７b)に及んでいる。
【００１５】
集電部材４は、プレス加工によって、複数の凸状部４２が形成されている。凸状部４２は、板材の短辺に平行(鉛直方向)に直線状に連続して形成されており、等間隔で配置されている。凸状部４２の間には、溝が形成されて、空気が流通する空気流路４０が形成されている。この凸状部４２の頂点部分の面は、酸素極が接触する当接部４２１となっている。集電部材４は、網体であるため当接部４２１が接触する部分においても孔４２０を介して酸化ガス(空気中の酸素)を供給することができる。また、凸状部４２の裏側は溝状の中空部４１となっている。
【００１６】
以上のような集電部材３、４は、各凸状部３２と凸状部４２が外側となるように重ね合わされて固定される。このとき、集電部材３の裏側面３４と空気流路４０の裏側面４０３は、それぞれ隔壁７の表裏面に当接した状態となり、相互に通電可能な状態となる。また、空気流路４０は、図３に示されているように、単位セル１５に重ね合わされ、溝の開口部４００を閉鎖することにより、管状の流路が構成され、空気流路４０の内壁の一部が酸素極で構成される。この空気流路４０から、単位セル１５の酸素極に酸素と水が供給される。また、中空部４１からは、集電部材４の網目を介して酸素極に酸素と水が供給される。酸素極に供給される酸素は、空気流路４０、中空部４１を通過する空気中に含有される酸素である。
【００１７】
空気流路４０の一端側開口部は、空気と水が流入する導入口４３となり、他端の開口部は、空気と水が流出する導出口４４となっている。また、中空部４１の一端側開口部は、空気と水が流入する流入開放口４５となり、他端の開口部は、空気と水が流出する流出開放口４６となっている。以上のような構成において、空気流路４０と中空部４１は、交互に平行に配置され、相互に側壁４７を挟んで隣接した構成となっている。この導入口４３から導出口４４までの空気流路４０及び流入開放口４５から流出開放口４６までの中空部４１、並びにこれらの集合体が、固体電解質膜に酸素を供給する酸素室（酸化ガス室）として機能する。 
隔壁７の両端部には、通気孔７３が形成されており、通気孔７３の長辺は、集電部材３の短辺と同じ長さに形成されており、通気孔７３は、水素供給路(１７a又は１７b)を構成する。
【００１８】
集電部材３、４には、枠体８、９がそれぞれ重ねられる。図２に示されているように、集電部材３に重ねられる枠体８は、隔壁７と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材３を収納する窓８１が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁７の流通孔７３に合致する位置に孔８３が形成されており、この孔８３ａ、８３ｂと窓８１との間には、集電部材３を収容する凹部が形成され、水素流通経路８４が設けられている。また、集電部材３に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓８１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部８２が設けられている。この収納部８２に収納された単位セル１５の燃料極表面と、交互に配された複数の水素流路３０１、３０２と、窓８１とによって、燃料室３０が画成される。このように、燃料室は、燃料極に隣接して設けられ、酸素室は酸素極に隣接して設けられている。
【００１９】
集電部材４に重ねられる枠体９は、枠体８及び隔壁７と同じ大きさに構成され、中央には、集電部材４を収納する窓９１が形成されている。また、両端部近傍には、隔壁７の流通孔７３に合致する位置に孔９３ａ、９３ｂが形成されている。 
枠体９の集電部材４が重ねられる側の面には、枠体９の対向する一対の長辺に沿って溝９４１、９５１がそれぞれ形成され、溝９４１、９５１内に集電部材４の上下端部が収容される。溝９４１、９５１と集電部材４で構成された通路は、酸素室に連通している。
【００２０】
また、枠体９の、集電部材４に接触する面に対して、反対側の平面には、輪郭が窓９１に沿って形成された凹部が形成され、単位セル１５が収納される収納部９２が設けられている。上記溝９４１の集電部材４の上端に有する開口部の集合体によって、燃料電池スタック１００の上面には、矩形状の開口９４０（導入口被覆領域（断面は長方形））が形成され、この開口９４０に、空気マニホールド５４から空気が流入する。
【００２１】
図６は単位セル１５の拡大断面図である。単位セル１５は、固体高分子電解質膜１５ａと、該固体高分子電解質膜1５ａの両側面にそれぞれ重ねられた酸化剤極である酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとを備えていて、固体高分子電解質膜１５ａは、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃとで挟持されている。固体高分子電解質膜1５ａは、収納部８２、９２に合致した大きさに形成され、酸素極１５ｂと燃料極１５ｃは、窓９１、８１に合致した大きさに形成されている。単位セル１５の厚さは、枠体８、９や集電部材３、４の厚さに比べると極めて薄いので、図面では、一体の部材として表示している。空気流路４０の内壁には、親水性処理が施されている。内壁表面と水の接触角が４０°以下、好ましくは３０°以下となるように表面処理が施されているとよい。処理方法としては、親水処理剤を、表面に塗布する方法が取られる。塗布される処理剤としては、ポリアクリルアミド、ポリウレタン系樹脂、酸化チタン（ＴｉＯ2）等が挙げられる。
【００２２】
以上のように構成された枠体８、９によって集電部材３、４を保持してセパレータ１３が構成され、セパレータ１３と単位セル１５を交互に積層して、燃料電池スタック１００が構成される。図７は燃料電池スタック１００の部分平面図である。燃料電池スタック１００の上面には、多数の導入口４３が開口し、この導入口４３に、後述するように、空気マニホールド５４から空気が流入するとともに、空気マニホールド５４内で、第１及び第２のノズル５５a、５５bから噴射された水が同時に流入する。この第１及び第２のノズル５５a、５５bは、水を液滴の状態（霧状）で、燃料電池スタック１００に供給する。導入口４３から流入した空気と液滴状の水は、潜熱冷却により集電部材３、４を冷却する。また、燃料電池スタック１００の底面には、図7に示されている導入口４３に対向する位置に、多数の導出口４４が開口し、この導出口４４から空気と、噴射供給された水が流出する。即ち、導入口４３は、燃料電池スタック１００の上面に、縦横に多数開口し、同様に、導出口４４は、燃料電池スタック１００の底面に、縦横に多数開口することとなる。
【００２３】
次に、図１に示されている燃料電池システムの構成について説明する。燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００のガス取入口に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａの一端には水素貯蔵タンク１１が接続され、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、元電磁弁２０、圧力センサＳ１及び水素調圧弁２１、供給電磁弁２２が水素の流通方向に向けて順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａの他端には、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端が接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の上記ガス取入口２０１ＢのＩＮに接続されている。燃料ガス供給路２０１Ｂの一端には、前記燃料ガス供給路２０１Ａの他端の他、後述するガス排出流路２０２の一端が接続されている。燃料ガス供給路２０１Ｂには、圧力センサＳ２、安全弁Ｖsfがガスの燃料ガスの流通方向に向けて順に配置されており、安全弁Ｖsfの上流側には、外気流路２０５の一端が接続されている。外気流路２０５の他端にはフィルタが接続され、このフィルタによって流入する外気から不純物がろ過される。また、外気流路２０５には、外気電磁弁２３が設けられている。
【００２４】
燃料電池スタック１００のガス排出口ＯＵＴには、排気循環路であるガス排出流路２０２の他端が接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ｂと、ガス排出流路２０２によって、燃料電池スタック１００のガス取入口ＩＮとガス排出口ＯＵＴを接続する循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環電磁弁２６、循環手段である循環ポンプ２５が配置されている。トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００２５】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である空気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気ファン１２２の回転数から、燃料電池スタック１００の導入口に流入する空気（酸化ガス）の流量ｑを算出することができる。また、空気導入路１２３には、外気温度を検出する温度センサＳ５が設けられている。この温度センサＳ５で検出される温度Ｔairと、大気相対湿度Ｒｈから、後述するように、外気に含まれている水分量Ｗairを算出することができる。
【００２６】
空気導入路１２３の下流側では、空気マニホールド５４内の直前位置に、各々上記開口９４０へ冷却水を霧状に噴射するノズル５５が設けられている。このノズル５５は、空気マニホールド５４内に設けられていてもよい。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の導入口４３に空気を分割して流入させる。 
燃料電池スタック１００の導出口４４には、排気マニホールド５３Ａ１が接続され、導出口４４から排出された空気は、排気マニホールド５３Ａ１によって合流され、空気ダクト１２４へ送られる。
【００２７】
空気ダクト１２４は、導出口４４から流出した空気を、凝縮器５１を介して外部へ導流する。空気ダクト１２４の終端部には、冷却装置が取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分取り出す。また、ノズル５５から供給された水の内、燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。また、凝縮器５１の排気口には、排気温度を検出する温度センサＳ６が設けられている。凝縮器５１は、プレートフィン型の熱交換器と、ガスの圧縮膨張時のエネルギーを利用して冷却するエバポレータが、ガスの流通方向に向けて直列に設けられており、冷却手段であるエバポレータには、冷媒を送る管５１１を介してコンプレッサ５１２が接続されている。管５１１には、図示されていないが、暖められた冷媒冷却する冷却部がコンプレッサ５１２の上流側とエバポレータの間に配置されている。凝縮器５１による水回収能力は、エバポレータによる冷却温度を低下させれば、それに応じて向上し、エバポレータの冷却温度は、コンプレッサ５１２のモータの回転を制御することで、間接的に制御することができる。
【００２８】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水路５７と、水タンク５３１の水をノズル５５へ導く給水路５６とを有する。導水路５７には、回収ポンプ６２が設けられている。回収ポンプ６２は、凝縮器５１で排気ガスから取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。給水路５６には、フィルタ６４が設けられると共に、水供給手段である、ノズル５５に水を供給するポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、水位センサＳ５と、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。
【００２９】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、スイッチ手段であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor／絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、バッテリ、キャパシタなどで構成することができる。この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００３０】
燃料電池システム１の制御系は、冷却制御手段としての制御装置ＥＣＵを備えている。なお、この制御装置ＥＣＵには、他のセンサＳ０〜Ｓ６、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０から検出値が入力され、各電磁弁２０、２２、２３、２６、２７他のポンプ２５、６２、空気ファン１２２、凝縮器５１のファン、インバータ７３、ＩＧＢＴ７５を制御している。空気ファン１２２は、回転数を制御することで、流量が制御され、また、回転数から流量を算出することができる。これにより流量検出手段が構成される。なお、この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
【００３１】
以上のように構成された燃料電池システム１において、水回収制御動作について説明する。図８はガスの飽和水蒸気曲線を示すグラフである。燃料電池スタック１００の排ガス温度と凝縮器５１入り口部の温度はほぼ等しいと仮定してＴinと定義する。仮に凝縮器５１の入り口部の相対湿度分の水分Ｗtinから生成水Wfcと酸化ガス供給による外気持込水量Ｗairを足した量を引いた分（ΔW）だけ、燃料電池排気部下流で回収しなければ、システム内の供給水量は減少することになる。逆に、システム内部で増加する水分量である空気供給ファンからの外気持込水分Ｗairと燃料電池生成水Ｗfcの量は、捨てても良いことになる。よって外気持ち込み量Ｗair＋燃料電池生成量Ｗfcの合計水量を飽和水蒸気曲線状の露点とし、凝縮器５１により排ガスの温度を、その露点まで制御低下させてやれば、凝縮水量ΔWをえることができ、つねにシステム内の水分量は理論的には保存されることとなる。
【００３２】
水収支を満足させる制御としては、外気持込水分量Ｗairと燃料電池生成水量Ｗfcの合計水分量を露点とする制御目標温度Ｔdが、凝縮器５１出口の温度となるように、制御装置ＥＣＵにより、コンプレッサのON-OFFを繰り返して、エバポレータを動作し温度制御を行う。このような制御内容について、図９に示されているフローチャートに基づき説明する。
【００３３】
温度センサＳ５により、取り入れる酸化ガスとして取り入れる外気温度Ｔairと、電流計Ｓ３より、燃料電池スタック１００の出力電流Ｉ[Ａ]を取得する（ステップＳ１０１）。次に、外気持込水分量Wairと、燃料電池部生成水量Ｗfcを計算する（ステップＳ１０３）。空気供給ファンによる外気持込水分量Wairは、
Ｗair[g/ｍ3]＝5.03exp（0.061×Ｔair）×Rh   −式（１）
で得られる。また、ここでＴairは外気温度[℃]、Ｒhは図示されていない湿度センサにより測定された大気相対湿度である。 
また、燃料電池の発電による生成水量Wfcは
Wfc[mol/sec]＝Ｉｎ/２Ｆ  −式（２）
で与えられる。ここでＦはファラデー定数96500[c/mol]、Ｉは発電時の出力電流[A]、ｎはスタック積層数を示している。
【００３４】
次に露点温度Ｔｄを計算する（ステップＳ１０５）。この露点温度Ｔｄは、制御目標温度とされる。例えば、以下のように計算される。 
定式生成水のモル重量は18.02[g/mol]、燃料電池システム内での流量q[m3/sec]とすると式（２）は、
Ｗfc[g/ｍ3]＝18.02[g/mol]/（2×96500[c/mol]）×Ｉ[c/sec]×n/q[ｍ3/sec]  式（３）
として得られる。よって外気持込量と燃料電池生成水量の総和ＷToutは、
ＷTout [g/ｍ3]＝Ｗair＋Ｗfc  −式（４）
として得られる。このＷToutを露点とする温度とし、熱交換器のエバポレータ出口の目標温度をコンプレッサーのON-OFFにて制御する。
【００３５】
露点量ＷToutが式（1）−式（3）にて導かれるので、制御目標温度Ｔｄは
Ｔｄ[℃]＝1/0.061×lｎ（ＷTout/5.03・RH）＝1/0．061×ln（（Ｗair+Ｗfc）/5.03）
−式（５）
で得られる。このように、外気取り込み口の温度Ｔair、燃料電池の電流量I［Ａ］、ファンの流量q[m3/sec]をシステム内にて計測すれば、目標温度Ｔｄを得ることができる。
【００３６】
次に、凝縮器５１出口温度Ｔoutを温度センサＳ６によって検出（ステップＳ１０７）する。
【００３７】
コンプレッサ５１２を駆動させる（ステップＳ１０９）。 
その後、ＴoutとＴｄとを比較し、ＴoutよりＴｄが大きいか否か判断する（ステップＳ１１１）。ＴoutよりＴｄが大きい場合には、水の回収が十分に行われていることを意味する。（図８は、ＴoutとＴｄが等しい状態を示す。）換言すると、Ｗair＋Ｗfcより少ない量の水分が外部へ放出され、ノズル５５から供給された水量以上の水量が回収されていることを意味するので、コンプレッサ５１２をオフにする（ステップＳ１１３）。次に、水タンク５３１の水量をチェックする（ステップＳ１１５）。水位センサＳ７から検出された水量が適正量にある場合には、メインルーチンへリターンされる。
【００３８】
水量が適正量でない場合には、ステップ１１７へ移行し、コンプレッサ制御の内容を変更する制御を行う。つまり、水量が適正量よりも過剰に溜まっている場合には、目標温度Ｔｄを、ステップＳ１０５で算出した値よりも高く設定し、コンプレッサをオンし（ステップＳ１０９）、ステップＳ１０７を実行する。或いは、目標温度Ｔｄを変更する代わりに、ステップＳ１１７において、コンプレッサ５１２の動作をＯＮ状態となる時間がより短くなるように制御内容を変更する。これによって、排気ガスの温度が高くなり、より多くの水量が、酸化ガスに含まれる水蒸気として外部に排出される。
【００３９】
一方、水タンク５３１内の水量が不足している場合には、ステップＳ１１７において、目標温度Ｔｄを、ステップＳ１０５で算出した値よりも低く設定し、コンプレッサをオンし（ステップＳ１０９）、ステップＳ１０７を実行する。或いは、目標温度Ｔｄを変更する代わりに、ステップＳ１１７において、コンプレッサ５１２の動作をＯＮ状態となる時間がより長くなるように制御内容を変更する。これによって、排気ガスの温度が低くなり、より多くの水量を、酸化ガスの排ガスから回収することができ、水タンク５３１の水量を補充することができる。 
以上のような、ステップＳ１０７、Ｓ１０９、Ｓ１１１、Ｓ１１３、Ｓ１１５、Ｓ１１７、Ｓ１０９の制御ループを実行することで、水タンクの水量の制御が行われる。
【００４０】
水タンク５３１内の水量が過剰な場合で、外気温センサにより検出された外気温度が低く、酸化ガスの含む水蒸気のみでは、水分の排出を十分に行えない場合には、水タンク５３１に設けられている排水弁を開け、水を排出してもよい。これは、意図的にシステム内の水質改善を目的とした点においても有効な手段となる。 
ステップＳ１１１において、ＴoutがＴｄよりも大きい場合には、ステップＳ１１７を実行し、Ｔoutが低下するように制御する。 
以上のように、Ｗair＋Ｗfcで得られる露点を中心として制御目標温度を変更することで、水量の調節を図ることができ、かつ、過剰に大型の冷却装置も不要となるので、システム全体のエネルギー効率も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。
【図２】燃料電池用セパレータを示す全体正面図である。
【図３】燃料電池セパレータで構成された燃料電池スタックの部分断面平面図（Ａ‐Ａ断面図）である。
【図４】燃料電池セパレータの全体背面図である。
【図５】集電部材及び隔壁の位置関係を示す部分拡大斜視図である。
【図６】単位セルの構成を示す拡大側面断面図である。
【図７】燃料電池スタックの上面の構成を示す部分平面図である。
【図８】飽和水蒸気曲線を示すグラフである。
【図９】水回収制御の動作フローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１      燃料電池システム
１００  燃料電池スタック
１２３    空気導入路
５１    凝縮器
５３１    水タンク
５３Ａ１    排気マニホールド
５４      空気マニホールド
５５      ノズル
６１      供給ポンプ
５１２    コンプレッサ
【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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