(57)【要約】【課題】燃料電池内部の水分状態を適切に制御可能にする。【解決手段】水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池１０を備える燃料電池システムにおいて、検出手段２４、２５、３５、３６によりガスが流通する部位の水分状態を検出し、その検出結果に基づいて燃料電池１０の内部の水分状態を診断（推定）する。これによると、燃料電池内部の水分状態の診断結果に基づいて燃料電池内部の水分状態を適切に制御することが可能であるため、ガス流路中における液滴滞留や電解質膜の乾燥を防止して、燃料電池１０の出力低下を防止することができる。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、前記ガスが流通する部位の水分状態を検出する検出手段（２４、２５、３５、３６、１００、２００、４００、５００）とを備え、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記燃料電池の内部の水分状態を診断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記検出手段は、前記燃料電池の内部に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記検出手段（１００）は、前記燃料電池の内部における前記ガスの流路（３０５）中に２つの電極（２０１、２０２）を対向して設置して、流通するガスが前記２つの電極間を通過した際の電極間の静電容量を計測することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記検出手段（２００）は、前記燃料電池の内部の拡散層部分に２つの電極を対向して設置して、前記拡散層内を流通するガスが通過した際の電極間の静電容量を計測することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記検出手段（４００）は、電解質膜の表面もしくは内部に２つの電極を対向して設置して、前記燃料電池の電解質膜を挟んだ電極間の静電容量を計測することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記検出手段は、前記燃料電池の外部における前記ガスの流路（２０、３０）中に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
計測した静電容量の大小にて水分状態を診断することを特徴とする請求項１ないし６のいづれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記検出手段は、前記燃料電池の外部における前記ガスの流路（２０、３０）中に２つの電極を対向して設置して、流通するガスが前記２つの電極を通過した際の電極間の静電容量を計測することを特徴とする請求項１または７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記検出手段は、光学特性を利用して前記ガス中の水分量を計測することを特徴とする請求項１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、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、水素や酸素の供給不足、水素や酸素が流れる流路中における液滴滞留、電解質膜の乾燥による導電率低下によって、燃料電池の出力が低下してしまう。そのため、要求された出力を出せない。燃料電池の電力変換効率が低下する。また、このような条件で燃料電池システムを運転した場合、燃料電池の劣化が加速され、信頼性の低下につながる。
【０００３】
因みに、よりマージンを持たせた運転条件で運転させることにより、信頼性を向上させることができるが、水素や酸素の過剰供給、あるいは加湿水の過剰供給により、システムの効率低下を招いてしまう。
【０００４】
そして、上記の問題に対処するためには、燃料電池内部の水分状態を正確に診断（推定）し、より具体的にはセルの電極の水分状態を正確に診断し、その診断結果に基づいて燃料電池内部の水分状態を適切に制御する必要がある。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、燃料電池内部の水分状態を適切に制御可能にすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素を主成分とする燃料ガスと酸素を主成分とする酸化ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、ガスが流通する部位の水分状態を検出する検出手段（２４、２５、３５、３６、１００、２００、４００、５００）とを備え、検出手段の検出結果に基づいて、燃料電池の内部の水分状態を診断することを特徴とする。
【０００７】
これによると、燃料電池内部の水分状態の診断結果に基づいて燃料電池内部の水分状態を適切に制御することが可能であるため、ガス流路中における液滴滞留や電解質膜の乾燥を防止して、燃料電池の出力低下を防止することができる。
【０００８】
なお、請求項１の発明の検出手段は、請求項２に記載の発明のように、燃料電池の内部に設置してもよいし、あるいは請求項６に記載の発明のように、燃電池の外部におけるガスの流路（２０、３０）中に設置してもよい。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、検出手段（１００）は、燃料電池の内部におけるガスの流路（３０５）中に２つの電極（２０１、２０２）を対向して設置して、流通するガスが２つの電極間を通過した際の電極間の静電容量を計測することを特徴とする。
【００１０】
ところで、空気または水素の誘電率よりも水分の誘電率の方が高いため、図５に示すように、水分量の増加に伴って静電容量も増加する。従って、静電容量と燃料電池内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、静電容量に基づいて燃料電池内部の水分状態を診断することができる。また、これによると、請求項４または５に記載の発明に比べ、検出手段の取り付けが容易である。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、検出手段（２００）は、燃料電池の内部の拡散層部分に２つの電極を対向して設置して、拡散層内を流通するガスが通過した際の電極間の静電容量を計測することを特徴とする。
【００１２】
これによると、セルの電極を構成する拡散層部分の静電容量を計測するため、セルの電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、検出手段（４００）は、電解質膜の表面もしくは内部に２つの電極を対向して設置して、燃料電池の電解質膜を挟んだ電極間の静電容量を計測することを特徴とする。
【００１４】
これによると、セルの電極に近い電解質膜の静電容量を計測するため、セルの電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。また、電解質膜内の水分状態を直接測定できることから、電解質膜の乾燥湿潤状態を診断することができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明のように、計測した静電容量の大小にて水分状態を診断することができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明のように、検出手段は、燃料電池の外部におけるガスの流路（２０、３０）中に２つの電極を対向して設置して、流通するガスが２つの電極を通過した際の電極間の静電容量を計測することができる。
【００１７】
請求項９に記載の発明のように、検出手段（５００）は、光学特性を利用してガス中の水分量を計測するものを用いることができる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図で、この燃料電池システムは、例えば燃料電池を電源として走行する電気自動車に適用される。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の電動モータが電気負荷１１に相当する。
【００２１】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２２】
（燃料極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（空気極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の燃料極（負極）側に水素を供給するための燃料流路３０が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。
【００２３】
空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気流路２０における空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。
【００２４】
空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられ、空気流路２０における燃料電池１０と空気調圧弁２３との間には、燃料電池１０から排出された空気の酸素濃度に対応した電気信号を出力する酸素濃度センサ２４と、燃料電池１０から排出された空気中の液滴量に対応した電気信号を出力する空気側液滴センサ２５が設けられている。なお、酸素濃度センサ２４および空気側液滴センサ２５は本発明の検出手段に相当する。
【００２５】
燃料流路３０の最上流部には、水素ガスが充填された水素ボンベ３１が設けられ、燃料流路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整して燃料電池１０への水素供給量を調整する水素調圧弁３２が設けられ、水素調圧弁３２と燃料電池１０との間には、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。
【００２６】
燃料流路３０における燃料電池１０の下流側には、水素ボンベ３１から燃料電池１０に供給される水素の流量を調整する水素出口流量調整弁３４が設けられ、燃料流路３０における燃料電池１０と水素出口流量調整弁３４との間には、燃料電池１０から排出された水素の濃度に対応した電気信号を出力する水素濃度センサ３５と、燃料電池１０から排出された水素中の液滴量に対応した電気信号を出力する水素側液滴センサ３６が設けられている。なお、水素濃度センサ３５および水素側液滴センサ３６は本発明の検出手段に相当する。
【００２７】
制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、各センサ２４、２５、３５、３６からの信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、加湿器３３、水素出口流量調整弁３４に制御信号を出力する。
【００２８】
上記構成になる燃料電池システムは、各センサ２４、２５、３５、３６からの信号に基づいて、ガスが流通する部位の水分状態を検出し、その検出結果に基づいて制御部４０が燃料電池１０の内部の水分状態、より具体的にはセルの電極近傍の水分状態を診断するようになっている。
【００２９】
まず、水素濃度センサ３５および水素側液滴センサ３６による水分状態検出の考え方を、図２を用いて説明する。図２の横軸は水分濃度、縦軸は水素濃度および液滴量であり、図中の実線の特性線は水素濃度を示し、図中の破線の特性線は液滴量を示している。
【００３０】
水素と水の混合流体、水素と水蒸気の混合流体、あるいは水素と水と水蒸気の混合流体が、ある一定空間に存在するとする。このとき、水分濃度が飽和蒸気濃度以下の領域では、水分濃度の増加と共に水素濃度が減少していく。
【００３１】
水分濃度が飽和蒸気濃度になると水蒸気が凝縮して液滴が発生する。そして、水分濃度が飽和蒸気濃度を超えた領域では、気体としても水蒸気濃度の増加がなくなるため水素濃度は一定に保たれるが、液滴の発生量は水分濃度の増加に伴って増加していく。
【００３２】
従って、水素濃度および液滴量を検出することにより、燃料流路３０における両センサ３５、３６設置部の水分状態（すなわち、水分の量と相の状態）を検出することができる。
【００３３】
そして、両センサ３５、３６設置部の水分状態と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、両センサ３５、３６からの信号に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００３４】
また、酸素濃度センサ２４および空気側液滴センサ２５により酸素濃度および液滴量を検出することにより、空気流路２０における両センサ２４、２５設置部の水分状態を検出することができる。従って、両センサ２４、２５設置部の水分状態と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、両センサ２４、２５からの信号に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００３５】
以上のようにして、燃料電池１０内部の水分状態を診断し、その診断結果に基づいて加湿器２２、３３による加湿量を調整して、燃料電池１０内部の水分状態を適切に制御することにより、セルの電極での液滴滞留や電解質膜の乾燥を防止して、燃料電池１０の出力低下を防止することができる。
【００３６】
なお、本実施形態では、空気流路２０における燃料電池１０の下流側、あるいは、燃料流路３０における燃料電池１０の下流側に、各センサ２４、２５、３５、３６を設置したが、各センサ２４、２５、３５、３６は、各流路２０、３０における燃料電池１０の上流側に設置してもよいし、燃料電池１０の内部に設置してもよい。
【００３７】
また、各センサ２４、２５、３５、３６はそれぞれ１つずつ設けたが、多数のセルを複数個のセルグループに分け、各センサ２４、２５、３５、３６をセルグループ毎に設けてもよい。
【００３８】
また、診断を簡素化するために、水素濃度と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておき、４つのセンサ２４、２５、３５、３６のうち水素濃度センサ３５のみを用いて燃料電池１０内部の水分状態を診断するようにしてもよい。この場合、液滴量は検出不可能であるが、飽和蒸気濃度以下の領域の水分濃度と、液滴発生の有無は検出可能である。また、図３に示すように、水素濃度センサ３５は温度が高いほど水分濃度の計測範囲が増加するため、センサ設置部の温度がなるべく高くなるようにして用いるのが望ましい。
【００３９】
また、診断を簡素化するために、酸素濃度と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておき、４つのセンサ２４、２５、３５、３６のうち酸素濃度センサ２４のみを用いて燃料電池１０内部の水分状態を診断するようにしてもよい。
【００４０】
また、液滴量と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておき、４つのセンサ２４、２５、３５、３６のうち、空気側液滴センサ２５のみを用いて、あるいは水素側液滴センサ３６のみを用いて、燃料電池１０内部の水分状態を診断するようにしてもよい。
【００４１】
（第２実施形態）
本実施形態は、液滴センサの具体例を示すもので、図４に示す本実施形態の液滴センサ１００は、静電容量に応じた電気信号を出力する静電容量式センサであり、所定の間隔を隔てて対向して配置された２つの電極１０１、１０２を有し、電極１０１、１０２間を空気または水素のガスが通過するようになっている。なお、液滴センサ１００は本発明の検出手段に相当する。
【００４２】
電極１０１、１０２において対向している部分の面積を対向面積Ｓとすると、通過するガス中の水分量が多いほど対向面積Ｓに占める液滴Ｗの割合が高くなる。空気または水素の誘電率よりも液滴Ｗの誘電率の方が高いため、図５に示すように、水分量（液滴量）の増加に伴って静電容量も増加する。
【００４３】
そして、液滴センサ１００の出力と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、液滴センサ１００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００４４】
なお、電極１０１、１０２の対向面積Ｓが小さい場合は、図６に示すように、液滴通過の有無によって静電容量はオン−オフ的に大きく変化する。この場合は、単位時間当たりの液滴通過回数と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、液滴センサ１００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００４５】
（第３実施形態）
本実施形態は、第２実施形態の液滴センサ（図４参照）の変形例である。図７に示す本実施形態の液滴センサ２００は、静電容量に応じた電気信号を出力する静電容量式センサであり、所定の間隔を隔てて対向して配置された２つの電極２０１、２０２間に、吸水量に応じて誘電率が変化する誘電体２０３を有し、誘電体２０３内を空気または水素のガスが通過するようになっている。なお、液滴センサ２００は本発明の検出手段に相当する。
【００４６】
そして、通過するガス中の水分量が多いほど誘電体２０３の吸水量が増加して静電容量も増加する。従って、液滴センサ２００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００４７】
なお、誘電体２０３の代わりに、水を保持しやすい多孔体を用いて、流れている液滴を多孔体で捕集して、多孔体内に保持された水による静電容量の変化を測定しても良い。
【００４８】
（第４実施形態）
第１実施形態では、燃料電池１０の外部の空気流路２０あるいは燃料流路３０に液滴センサ２５、３６を設置したのに対し、本実施形態では、図８に示すように、図４に示した液滴センサ１００を燃料電池１０の内部に設置している。
【００４９】
図８は燃料電池１０を構成するセル３００の断面構成を示しており、セル３００は、電解質膜３０１と、触媒層３０２と、拡散層３０３と、セパレータ３０４とから構成されている。
【００５０】
電解質膜３０１はプロトン導伝性のイオン交換膜から形成されている。白金等からなる触媒層３０２と、カーボン材により形成された集電材としての拡散層３０３とにより、セル３００の電極を構成している。セパレータ３０４は、ガスが透過しない導電性部材（例えばカーボン材）にて形成されている。
【００５１】
触媒層３０２および拡散層３０３は、電解質膜３０１を両側から挟み込むように配置され、セパレータ３０４は、触媒層３０２および拡散層３０３を両側から挟み込むように配置されている。拡散層３０３とセパレータ３０４との間には、空気または水素が通過するガス流路３０５が形成されている。このガス流路３０５中に、液滴センサ１００が設置されており、空気または水素のガスが通過するようになっている。なお、セパレータ３０４は、隣接するセル間で水素と空気の流路を分離すると共に、セル間の電気的接続を確保する役割も有している。
【００５２】
本実施形態では、セル３００の電極の近傍の水分状態を検出するため、セル３００の電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。しかも、ガス流路３０５、すなわち空間部に、液滴センサ１００を設置するため、液滴センサ１００の取り付けが容易である。
【００５３】
なお、本実施形態では、図４に示す液滴センサ１００を用いたが、図７に示す液滴センサ２００を用いてもよい。
【００５４】
（第５実施形態）
第４実施形態では、液滴センサ１００をセル３００内のガス流路３０５中に設置したのに対し、本実施形態では、図９に示すように、図７に示した液滴センサ２００をセル３００内の拡散層３０３中に設置している。
【００５５】
本実施形態では、セル３００の電極を構成する拡散層３０３部分の静電容量を計測するため、セル３００の電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。
【００５６】
（第６実施形態）
本実施形態は、液滴センサとして、電解質膜３０１の一部を利用した静電容量式センサを用いたものである。
【００５７】
図１０に示すように、液滴センサ４００は、触媒層３０２および拡散層３０３の一部を切り欠き、その切り欠いた部位における電解質膜３０１の両側にセンサの電極４０１を配置している。また、この電極４０１の周囲を絶縁部材４０２にて覆うことにより、触媒層３０２および拡散層３０３と電極４０１との間を絶縁している。なお、液滴センサ４００は本発明の検出手段に相当する。
【００５８】
上記構成になる液滴センサ４００は、図１１に示すように、電解質膜３０１の含水量の増加に伴って静電容量も増加する。従って、液滴センサ４００の出力と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、液滴センサ４００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００５９】
本実施形態では、セル３００の電極に近い電解質膜３０１の静電容量を計測するため、セル３００の電極の水分状態を正確に診断（推定）することができる。
【００６０】
（第７実施形態）
本実施形態は、液滴センサの具体例を示すもので、図１２、図１３に示す本実施形態の液滴センサ５００は、光学特性の変化に応じて電気信号の出力が変化する光学式センサである。なお、液滴センサ５００は本発明の検出手段に相当する。
【００６１】
図１２、図１３に示すように、液滴センサ５００は、光を発する発光素子５０１と、発光素子５０１からの光を受ける受光素子５０２とを有し、両素子５０１、５０２は、空気流路２０または燃料流路３０を形成する配管の外側に対向して設置されている。
【００６２】
流路２０、３０内を通過するガス中に液滴が含まれていると、その液滴が液滴センサ５００部を通過する度に、発光素子５０１から受光素子５０２に向かう光が遮られて出力が変化し、図１４に示すように、水分量（液滴量）の増加に伴って単位時間当たりの受光時間が短くなる。
【００６３】
そして、液滴センサ５００の単位時間当たりの受光時間と燃料電池１０内部の水分状態との相関を予め測定しておくことにより、液滴センサ５００の出力に基づいて燃料電池１０内部の水分状態を診断することができる。
【００６４】
なお、この液滴センサ５００をセル３００内に設置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。
【図２】水分濃度と水素濃度および液滴量との関係を示す図である。
【図３】図１の水素濃度センサ３５の特性図である。
【図４】第２実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの構成図である。
【図５】図４の液滴センサ１００の特性図である。
【図６】図４の液滴センサ１００の対向面積を小さくした場合の特性図である。
【図７】第３実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの構成図である。
【図８】第４実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの近傍の構成図である。
【図９】第５実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの近傍の構成図である。
【図１０】第６実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの近傍の構成図である。
【図１１】図１０の液滴センサ４００の特性図である。
【図１２】第７実施形態の燃料電池システムで用いる液滴センサの近傍の斜視図である。
【図１３】図１２の液滴センサ４００の近傍の断面図である。
【図１４】図１２の液滴センサ４００の特性図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２４、２５、３５、３６、１００、２００、４００、５００…検出手段をなすセンサ。
【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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【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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