(57)【要約】【課題】燃料電池内で水素濃度が局所的に低下した領域が発生しないようにして、出力低下および劣化を防止する。【解決手段】燃料電池１０に供給する燃料ガスの燃料電池１０出口部における水素濃度を水素濃度センサ３６にて計測し、水素濃度に基づいて燃料ガスの供給量を調整することにより、燃料電池１０内で水素不足の領域が発生しないようにする。従って、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止でき、燃費の向上を図ることができる。【選択図】　　　　図１
2004095300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを多数のセルにて電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、
前記燃料電池（１０）に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（３１）と、
前記燃料電池（１０）に供給する前記燃料ガスの前記燃料電池（１０）内に関連する水素濃度を計測する水素濃度計測手段（３６、８２）と、
前記燃料電池（１０）への前記燃料ガスの供給量を調整する燃料量調整手段（３２、３４、３７）と、
前記水素濃度に基づいて前記燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御する制御手段（４０）とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段（４０）は、前記水素濃度が所定範囲になるように前記燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御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。
【請求項３】
前記制御手段（４０）は、前記水素濃度が所定値以下のときに、前記燃料電池（１０）への前記燃料ガスの供給量が増加するように前記燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段（４０）は、前記水素濃度が所定値以上のときに、前記燃料電池（１０）への前記燃料ガスの供給量が減少するように前記燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素濃度計測手段（３６、８２）は前記燃料電池（１０）内に関連する異なる２ヶ所の水素濃度を検出し、前記制御手段（４０）は前記２ヶ所の水素濃度の差が所定範囲内となるように前記燃料量調整手段（３２、３４、３７）を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記水素濃度計測手段（３６、８２）を、前記燃料電池（１０）における前記燃料ガスの出口部に複数個設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水素濃度計測手段（３６、８２）は、前記燃料電池（１０）内部に設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段（４０）は、前記複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した前記水素濃度の濃度差に基づいて、前記多数のセルに対する前記燃料ガスの分配ばらつきを推定することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段（４０）は、前記複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した前記水素濃度の濃度差に基づいて、前記燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御手段（４０）は、前記複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した前記水素濃度の濃度差が所定範囲になるように、前記燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする請求項５ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水素濃度計測手段は、水素濃度に対応した電気信号を出力する水素濃度センサ（３６）であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水素濃度計測手段は、前記燃料ガスの圧力に対応した電気信号を出力する圧力センサ（８２）であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記セルの出力電圧が所定値まで回復しないときには、前記燃料電池（１０）の出力電流値を低減させることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを多数のセルにて電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、
前記燃料電池（１０）に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（３１）と、
前記燃料電池（１０）に供給する前記燃料ガスの前記燃料電池（１０）入口部における水素濃度を計測する水素濃度計測手段（３５、８１）と、
前記燃料電池（１０）への前記燃料ガスの供給量を調整する燃料量調整手段（３２、３４、３７）と、
前記水素濃度に基づいて前記燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御する制御手段（４０）とを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料調整手段（３２、３４、３７）は、前記燃料電池（１０）の出口から排出される燃料ガスの流量を調整するものであることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料調整手段（３２、３４、３７）は、前記燃料電池（１０）の出口側から排出される排出燃料ガスの燃料電池（１０）入口側への循環量を調整するものであることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つ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】
多数のセルで構成された燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料電池内での水素濃度が局所的に低下すると、水素濃度が低下した領域の発電特性が悪化し、燃料電池の出力が低下する。また、水素濃度が局所的に低下した状態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】
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、燃料電池内で水素濃度が局所的に低下した領域が発生しないようにすることを目的とする。
【０００４】
【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、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを多数のセルにて電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（３１）と、燃料電池（１０）に供給する燃料ガスの燃料電池（１０）内に関連する水素濃度を計測する水素濃度計測手段（３６、８２）と、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調整する燃料量調整手段（３２、３４、３７）と、水素濃度に基づいて燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御する制御手段（４０）とを有することを特徴とする。
【０００５】
これによると、水素濃度に基づいて燃料ガスの供給量を調整しているため、燃料電池内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。従って、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止でき、燃費の向上を図ることができる。
【０００６】
また、水素濃度が局所的に低下した状態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るが、水素不足の領域が発生しないようにできるため、燃料電池の劣化を防止ないしは抑制することができる。
【０００７】
ところで、燃料ガス供給方式としては、燃料ガスを循環させる循環方式と、燃料ガスを循環させない非循環方式とがあり、循環方式ではポンプやエジェクタを用いて燃料ガスを循環させ、非循環方式では圧力を利用して燃料ガスを燃料電池に供給するようになっている。
【０００８】
そして、非循環方式の燃料電池システムの場合、循環方式の燃料電池システムと比較して、セル出口付近での水素濃度が低下しやすいことから、請求項１の発明は非循環方式の燃料電池システムに適用したときに、より大きな効果が得られる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、制御手段（４０）は、水素濃度が所定範囲になるように燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする。
【００１０】
これによると、水素濃度を所定範囲に管理することができ、燃料ガスの供給量を必要最小限にすることができる。
【００１１】
また、循環方式の燃料電池システムに適用した場合、燃料ガス循環量を必要最小限にすることができ、燃料ガスを循環させる機器の小型化・低動力化が実現できる。
【００１２】
一方、非循環方式の燃料電池システムに適用した場合、燃料ガス供給量を必要最小限にすることができ、換言すると、圧力を極力低くすることができる。従って、高圧力による電解質膜の機械的破壊を防止できると共に、高圧力による水素の空気極側への透過量の増加を防止できる。
【００１３】
なお、請求項２に記載の発明は、請求項３に記載の発明のように、水素濃度が所定値以下のときに、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量が増加するように燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することができると共に、請求項４に記載の発明のように、水素濃度が所定値以上のときに、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量が減少するように燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することができる。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、水素濃度計測手段（３６、８２）は燃料電池（１０）内に関連する異なる２ヶ所の水素濃度を検出し、制御手段（４０）は２ヶ所の水素濃度の差が所定範囲内となるように燃料量調整手段（３２、３４、３７）を制御することを特徴とする。
【００１５】
これによると、請求項８と同様に、燃料ガスの分配ばらつきを正確に推定することができる。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、水素濃度計測手段（３６、８２）を、燃料電池（１０）における燃料ガスの出口部に複数個設けたことを特徴とする。
【００１７】
ところで、各セルへの燃料ガスの分配が悪化すると、分配が悪化したセルでは水素不足となって出力電圧が低下する。これに対し、請求項６に記載の発明では、水素濃度計測手段を複数個設けているため、セル間の水素濃度のばらつきを検出することができ、その検出結果に基づいて燃料ガスの供給量を調整することにより、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止することができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、水素濃度計測手段（３６、８２）は、燃料電池（１０）内部に設けられていることを特徴とする。
【００１９】
これによると、燃料電池（１０）内部の水素濃度をダイレクトに計測することができるので、燃料電池（１０）内部の燃料ガスのばらつきを正確に計測することができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明では、制御手段（４０）は、複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した水素濃度の濃度差に基づいて、多数のセルに対する燃料ガスの分配ばらつきを推定することを特徴とする。
【００２１】
これによると、燃料ガスの分配が悪化したセルでは水素濃度が他のセルの水素濃度よりも低下するため、燃料ガスの分配ばらつきを正確に推定することができる。
【００２２】
請求項９に記載の発明では、制御手段（４０）は、複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した水素濃度の濃度差に基づいて、燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする。
【００２３】
これによると、水素濃度計測手段を複数個設けているため、セル間の水素濃度のばらつきを検出することができ、その検出結果に基づいて燃料ガスの分配が均一になるように燃料ガスの供給を制御することにより、燃料ガスの分配を均一に制御することができる。
【００２４】
請求項１０に記載の発明では、制御手段（４０）は、複数個の水素濃度計測手段（３６、８２）にて計測した水素濃度の濃度差が所定範囲になるように、燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御することを特徴とする。
【００２５】
これによると、循環方式の燃料電池システムに適用した場合、燃料ガス循環量を必要最小限にすることができ、燃料ガスを循環させる機器の小型化・低動力化が実現できる。
【００２６】
一方、非循環方式の燃料電池システムに適用した場合、燃料ガス供給量を必要最小限にすることができ、換言すると、圧力を極力低くすることができる。従って、高圧力による電解質膜の機械的破壊を防止できると共に、高圧力による水素の空気極側への透過量の増加を防止できる。
【００２７】
請求項１１に記載の発明のように、水素濃度計測手段として、水素濃度に対応した電気信号を出力する水素濃度センサ（３６）を用いることもできるし、請求項１２に記載の発明のように、水素濃度計測手段として、燃料ガスの圧力に対応した電気信号を出力する圧力センサ（８２）を用いることもできる。
【００２８】
請求項１３に記載の発明のように、セルの出力電圧が所定値まで回復しないときには、燃料電池（１０）の出力電流値を低減させることができる。
【００２９】
請求項１４に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを多数のセルにて電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（３１）と、燃料電池（１０）に供給する燃料ガスの燃料電池（１０）入口部における水素濃度を計測する水素濃度計測手段（３５、８１）と、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給量を調整する燃料量調整手段（３２、３４、３７）と、水素濃度に基づいて燃料量調整手段（３２、３４、３７）の作動を制御する制御手段（４０）とを有することを特徴とする。
【００３０】
このように、水素入口濃度に基づいて燃料ガスの供給量を調整しても、燃料電池内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。従って、請求項１４の発明によっても請求項１の発明と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
請求項１５に記載の発明では、燃料調整手段（３２、３４、３７）は、燃料電池（１０）の出口から排出される燃料ガスの流量を調整するものであることを特徴とする。
【００３２】
これによると、燃料電池（１０）の出口側の燃料ガスの排出量を調整することで、燃料電池（１０）内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。
【００３３】
請求項１６に記載の発明では、燃料調整手段（３２、３４、３７）は、燃料電池（１０）の出口側から排出される排出燃料ガスの燃料電池（１０）入口側への循環量を調整するものであることを特徴とする。
【００３４】
これによると、燃料電池（１０）内での未使用燃料ガスを燃料電池に再供給することができるとともに燃料電池（１０）内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。
【００３５】
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。
【００３６】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１は第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。
【００３７】
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１２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。
【００３８】
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。
【００３９】
（燃料極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（空気極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２　＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池１０と２次電池１２との間には、２次電池１２の出力を制御する出力制御器１３が設けられている。また、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ１４が設けられ、セルモニタ１４で検出したセル電圧信号が後述する制御部４０に入力されるようになっている。なお、セルモニタ１４は電圧計測手段に相当する。
【００４０】
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。
【００４１】
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、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が設けられている。なお、空気ポンプ２１は本発明の酸化ガス供給手段に相当する。
【００４２】
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。燃料流路３０における燃料電池１０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が設けられている。
【００４３】
さらに、加湿器３３と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給する水素の燃料電池入口における水素濃度に対応した電気信号を出力する第１水素濃度センサ３５が設けられている。また、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に供給する水素の燃料電池出口における水素濃度に対応した電気信号を出力する第２水素濃度センサ３６が設けられている。
【００４４】
なお、水素ボンベ３１は本発明の燃料ガス供給手段に相当し、各水素濃度センサ３５、３６は本発明の水素濃度計測手段に相当し、水素調圧弁３２および水素出口流量調整弁３４は本発明の燃料量調整手段に相当する。
【００４５】
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、セルモニタ１４からのセル電圧信号、両水素濃度センサ３５、３６からの水素濃度信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、出力制御器１３、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。なお、制御部４０は本発明の制御手段に相当する。
【００４６】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を、図１および図２に基づいて説明する。なお、図２は制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【００４７】
まず、燃料電池１０の目標出力が入力され（ステップＳ１０１）、その目標出力に応じて、予め定められたマップ等により燃料電池１０の目標電流が決定される（ステップＳ１０２）。
【００４８】
次に、燃料電池１０の出口での水素濃度（以下、水素出口濃度という）を第２水素濃度センサ３６で測定し（ステップＳ１１１）、水素出口濃度が所定濃度よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１１２）。
【００４９】
そして、水素出口濃度が所定濃度以下であれば（ステップＳ１１２がＮＯ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を増加させ（ステップＳ１１３）、水素出口濃度が所定濃度よりも高ければ（ステップＳ１１２がＹＥＳ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を減少させる（ステップＳ１１４）。このステップＳ１１１〜ステップＳ１１４の制御により、水素出口濃度は常に所定濃度近辺に制御される。
【００５０】
次に、燃料電池１０の入口での水素濃度（以下、水素入口濃度という）を第１水素濃度センサ３５で測定すると共に（ステップＳ１２１）、水素出口濃度を第２水素濃度センサ３６で再度測定し（ステップＳ１２２）、水素入口濃度と水素出口濃度との差が所定濃度差よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１２３）。
【００５１】
そして、水素出入口濃度差が所定濃度差よりも大きければ（ステップＳ１２３がＹＥＳ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を増加させ（ステップＳ１２４）、これにより、セル内での水素濃度の分布の均一化を図る。一方、水素出入口濃度差が所定濃度差以内であれば（ステップＳ１２３がＮＯ）、燃料電池１０に供給される水素の圧力は変更しない。
【００５２】
以上の制御により、燃料電池１０の燃料極には水素が充分且つ均一に供給されていることになる。そこで、発電状態のチェックを行うため、各セル毎の出力電圧を測定し（ステップＳ１３１）、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上であるか否かを判断する（ステップＳ１３２）。
【００５３】
そして、出力電圧が所定電圧未満のセルが存在する場合（ステップＳ１３２がＮＯ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を増加させ（ステップＳ１３３）、これによりセル内の水素濃度を高める。一方、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上（ステップＳ１３２がＹＥＳ）であれば運転状態は正常であると判断し、燃料電池１０に供給される水素の圧力は変更しない。
【００５４】
次に、ステップＳ１３３にて水素の圧力を増加させた場合、各セル毎の出力電圧を再度測定し（ステップＳ１４１）、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上になったか否かを判断する（ステップＳ１４２）。
【００５５】
そして、出力電圧が所定電圧未満のセルが未だに存在する場合（ステップＳ１４２がＮＯ）、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上になるまで（ステップＳ４４がＹＥＳ）燃料電池１０の出力電流をしぼり（ステップＳ１４３）、燃料電池１０を保護する。具体的には、２次電池１２から電気負荷１１への電力供給量が増加するように出力制御器１３を制御することにより、燃料電池１０の出力電流がしぼられる。
【００５６】
一方、ステップＳ１３３にて水素の圧力を増加させたことにより、全てのセルの出力電圧が所定電圧以上になった場合（ステップＳ１４２がＹＥＳ）、運転状態は準正常であると判断し、燃料電池１０の出力電流の制限はしない。
【００５７】
本実施形態によると、水素濃度に基づいて水素供給量を調整しているため、燃料電池１０内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。従って、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止でき、燃費の向上を図ることができる。
【００５８】
また、水素濃度が局所的に低下した状態で燃料電池システムを運転した場合燃料電池１０の劣化が加速されるが、水素不足の領域が発生しないようにできるため、燃料電池１０の劣化を防止ないしは抑制することができる。
【００５９】
ところで、水素供給方式としては、水素を循環させる循環方式と、本実施形態のように水素を循環させない非循環方式とがあり、非循環方式では圧力を利用して水素を燃料電池１０に供給するようになっている。
【００６０】
そして、本実施形態によると、水素出口濃度は常に所定濃度近辺に制御されるため、水素供給量を必要最小限にすることができ、換言すると、水素供給圧力を極力低くすることができる。従って、高圧力による電解質膜の機械的破壊を防止できると共に、高圧力による水素の空気極側への透過量の増加を防止できる。
【００６１】
なお、本実施形態では、基本的には水素出口濃度に基づいて水素供給量を調整して水素出口濃度を所定濃度近辺に制御したが、水素入口濃度に基づいて水素供給量を調整して水素入口濃度を所定濃度近辺に制御してもよい。この場合でも、燃料電池１０の燃料極には水素が充分且つ均一に供給され、燃料電池内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。
【００６２】
（第２実施形態）
図３および図４は第２実施形態を示すもので、第１実施形態は水素を循環させない非循環方式であったが、本実施形態は水素を循環させる循環方式に変更したものである。なお、第１実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６３】
図３に示すように、燃料流路３０における燃料電池１０の下流側は、水素調圧弁３２の下流側に接続されて燃料流路３０が閉ループに構成されており、これにより燃料流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。
【００６４】
燃料流路３０における燃料電池１０の下流側には、燃料流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３７が設けられている。そして、水素ポンプ３７の回転数を制御部４０にて制御することにより、水素の循環流量、ひいては燃料電池１０への水素供給量を制御するようになっている。
【００６５】
図４は制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図で、第１実施形態におけるステップＳ１１３、１１４、１２４、１３３が変更されている。
【００６６】
まず、ステップＳ１１２がＮＯの場合、水素ポンプ３７の回転数を上げて水素の循環流量を増加させ（ステップＳ１１３Ａ）、ステップＳ１１２がＹＥＳの場合、水素ポンプ３７の回転数を下げて水素の循環流量を減少させ（ステップＳ１１４Ａ）、これにより、水素出口濃度を常に所定濃度近辺に制御する。
【００６７】
また、ステップＳ１２３がＹＥＳの場合、水素ポンプ３７の回転数を上げて水素の循環流量を増加させ（ステップＳ１２４Ａ）、これにより、セル内での水素濃度の分布の均一化を図る。
【００６８】
また、ステップＳ１３２がＮＯの場合、水素ポンプ３７の回転数を上げて水素の循環流量を増加させ（ステップＳ１３３Ａ）、これによりセル内の水素濃度を高める。
【００６９】
本実施形態によると、水素濃度に基づいて水素供給量を調整しているため、燃料電池１０内で水素不足の領域が発生しないようにすることができる。従って、水素不足領域の発生による出力電圧の低下を防止でき、燃費の向上を図ることができる。
【００７０】
また、水素濃度が局所的に低下した状態で燃料電池システムを運転した場合燃料電池１０の劣化が加速されるが、水素不足の領域が発生しないようにできるため、燃料電池１０の劣化を防止ないしは抑制することができる。
【００７１】
また、水素循環量を必要最小限にすることができ、水素を循環させる機器、すなわち水素ポンプ３７の小型化・低動力化が実現できる。
【００７２】
なお、本実施形態では、水素ポンプ３７の回転数制御にて水素の循環流量ひいては燃料電池１０への水素供給量を制御するようにしたが、水素ポンプ３７の回転数と水素調圧弁３２による水素供給圧力とを制御することにより、燃料電池１０への水素供給量を制御してもよいし、あるいは、水素調圧弁３２による水素供給圧力の制御のみで燃料電池１０への水素供給量を制御してもよい。従って、水素調圧弁３２および水素ポンプ３７は本発明の燃料量調整手段に相当する。
【００７３】
また、本実施形態では、水素を循環させる機器として水素ポンプ３７を用いたが、水素ポンプ３７の代わりにエジェクタを用いてもよい。
【００７４】
（第３実施形態）
図５は第３実施形態になる燃料電池システムの要部構成を示すもので、第１実施形態の燃料電池システム或いは第２実施形態の燃料電池システムに、空気や水素の分配・集合を行うマニホールドを追加したものである。なお、第１、第２実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００７５】
図５に示すように、燃料電池１０における空気の出入り口部および水素の出入り口部にマニホールド５１、５２、６１、６２が設けられている。
【００７６】
そして、空気流路２０を介して供給された空気は、空気入口マニホールド５１から各セルの空気極に分配され、各セルを通過した後に空気出口マニホールド５２に集合される。また、燃料流路３０を介して供給された水素は、水素入口マニホールド６１から各セルの燃料極に分配され、各セルを通過した後に水素出口マニホールド６２に集合される。
【００７７】
ここで、セル間の圧力分布のばらつきが生じないように、各マニホールド５１、５２、６１、６２の容積を設定する。因みに、圧力分布のばらつきは燃料電池１０の最大出力時に特に大きくなりやすいため、最大出力時の圧力分布のばらつきが所定範囲に収まるように、各マニホールド５１、５２、６１、６２の容積を設定すればよい。
【００７８】
このように、マニホールド５１、５２、６１、６２を設けてセル間の圧力分布のばらつきを小さくすることにより、セル間の水素濃度の分布を一層均一にすることができる。
【００７９】
（第４実施形態）
図６は第４実施形態になる燃料電池システムの要部構成を示すもので、第３実施形態の燃料電池システムに多数の圧力センサを追加したものである。なお、第１〜第３実施形態と同一若しくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８０】
図６に示すように、各マニホールド５１、５２、６１、６２内の圧力に対応した電気信号を出力する圧力センサ７１、７２、８１、８２が、各マニホールド５１、５２、６１、６２毎に複数個（本例では、各４個）設けられている。
【００８１】
具体的には、空気入口圧力センサ７１にて空気入口マニホールド５１内の４個所の圧力を検出し、空気出口圧力センサ７２にて空気出口マニホールド５２内の４個所の圧力を検出し、水素入口圧力センサ８１にて水素入口マニホールド６１内の４個所の圧力を検出し、水素出口圧力センサ８２にて水素出口マニホールド６２内の４個所の圧力を検出する。
【００８２】
次に、本実施形態において実行される制御処理の要部を、図７に基づいて説明する。
【００８３】
まず、水素出口マニホールド６２内の４個所の圧力（以下、水素出口圧力という）を水素出口圧力センサ８２で測定する（ステップＳ２０１）。
【００８４】
そして、４個所の水素出口圧力のうち最も低い水素出口圧力が設定圧力以下であれば（ステップＳ２０２がＹＥＳ）、水素調圧弁３２（図１参照）を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を増加させ（ステップＳ２０３）、４個所の水素出口圧力がいずれも設定圧力よりも高ければ（ステップＳ２０２がＮＯ）、水素調圧弁３２を制御して燃料電池１０に供給される水素の圧力を減少させる（ステップＳ２０４）。この制御により、水素出口圧力は常に設定圧力近辺に制御される。
【００８５】
このように、水素出口マニホールド６２内の４個所の圧力測定結果に基づいて水素供給圧力を制御することにより、水素出口マニホールド６２内の圧力分布のばらつきが小さくなり、セル間の水素濃度の分布をより一層均一にすることができる。
【００８６】
なお、本実施形態では、水素出口マニホールド６２内の４個所の圧力測定結果に基づいて水素供給圧力を制御したが、水素出口マニホールド６２内の複数個所の水素出口濃度の測定結果に基づいて水素供給圧力を制御してもよい。また、本実施形態では水素供給圧力を制御したが、水素の循環流量を制御してもよい。
【００８７】
（他の実施形態）
上記実施形態では、燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段として、水素ガスが充填された水素ボンベ３１を用いたが、液体水素が充填された液体水素タンク、改質反応により水素を生成する改質装置、或いは水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する吸蔵式水素タンクを、燃料ガス供給手段として用いることができる。そして、液体水素タンクや吸蔵式水素タンクの場合、水素調圧弁３２もしくはタンクの温度制御によって、燃料電池１０へ供給する水素の圧力を制御する。
【００８８】
上記第１〜第３実施形態では、水素濃度を計測する水素濃度計測手段として、水素濃度を直接検出する水素濃度センサ３５、３６を用いたが、燃料電池１０へ供給する水素の圧力と水素濃度とは相関があるため、水素供給圧力を検出する水素圧力センサ８１、８２を、水素濃度計測手段として用いてもよい。
【００８９】
なお、水素濃度センサ３５、３６を燃料電池１０内部に配設するようにしても勿論よい。
【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図である。
【図２】図１の制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【図３】第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図４】図３の制御部４０にて実行される制御処理を示す流れ図である。
【図５】第３実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図６】第４実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図７】第４実施形態にて実行される制御処理の要部を示す流れ図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、２１…空気ポンプ（酸化ガス供給手段）、
３１…水素ボンベ（燃料ガス供給手段）、
３６…水素濃度センサ（水素濃度計測手段）、
３２…水素調圧弁（燃料量調整手段）、
３４…水素出口流量調整弁（燃料量調整手段）、
３７…水素ポンプ（燃料量調整手段）、４０…制御部（制御手段）。
【図１】
2004095300.tif 000003
【図２】
2004095300.tif 000004
【図３】
2004095300.tif 000005
【図４】
2004095300.tif 000006
【図５】
2004095300.tif 000007
【図６】
2004095300.tif 000008
【図７】
2004095300.tif 000009