(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数のセル（１０ａ〜１０ｅ）を有するとともに、前記セルにて水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、
前記複数のセル（１０ａ〜１０ｅ）のうち、少なくとも２以上のセルそれぞれのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（１１）と、
前記燃料電池（１０）内の湿度を制御する湿度制御手段（２２、３２）とを備え、
前記電圧検出手段（１１）により検出した前記セル電圧に基づいて、前記湿度制御手段（２２、３２）による前記燃料電池（１０）内の湿度制御を行い、
前記燃料電池（１０）は、水素および酸素とが供給されるガス供給口（１０ｆ）を有し、
前記電圧検出手段（２２、３２）は、前記複数のセル（１０ａ〜１０ｅ）のうち、少なくとも前記ガス供給口（１０ｆ）の近傍に位置する近傍セル（１０ａ）のセル電圧（Ｖｎ）と前記ガス供給口（１０ｆ）から最も離れた側に位置する遠方セル（１０ｅ）のセル電圧（Ｖｆ）とを検出するものであり、
前記近傍セル電圧（Ｖｎ）より前記遠方セル電圧（Ｖｆ）の方が高い場合には、前記湿度制御手段（２２、３２）により前記燃料電池（１０）内の湿度を低くし、前記遠方セル電圧（Ｖｆ）より前記近傍セル電圧（Ｖｎ）の方が高い場合には、前記湿度制御手段（２２、３２）により前記燃料電池（１０）内の湿度を高くすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電圧検出手段（１１）により検出したセル電圧から平均セル電圧（Ｖａｖ）を求め、
前記近傍セル電圧（Ｖｎ）および前記遠方セル電圧（Ｖｆ）の双方が前記平均セル電圧（Ｖａｖ）より低い場合には、前記湿度制御手段（２２、３２）による湿度制御を行わない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】
前記燃料電池（１０）に供給される水素および酸素を加湿する加湿手段（２１、３１）を備え、
前記湿度制御手段は、前記加湿手段（２１、３１）にて加湿され前記燃料電池（１０）に供給される前記水素および前記酸素の温度を制御するガス温度制御手段（２２、３２）か、あるいは、前記燃料電池（１０）本体の温度を制御する燃料電池温度制御手段の少なくとも一方であ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池からな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器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車に搭載される燃料電池システムでは、燃料電池が車両走行に必要な電力を発電するための水素量および酸素量（空気量）を導出し、これらのガスを燃料電池に供給している。燃料電池は複数の単セルが積層して構成されており、水素等の燃料ガスは各セルに並列的に供給されるように構成されている。
【０００３】
発電時における燃料電池の内部抵抗は、燃料電池内部の電解質膜の湿潤度に影響することが知られており、充分な湿潤が得られず電解質膜が乾燥した場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池内における電力損失が増大する。このため、効率のよい電力供給を行うためには、水素および空気を加湿した状態で供給し、燃料電池内部の湿潤を保つ必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、現状では燃料電池に供給される水素および空気に対する加湿量の制御は行われていない。このため、燃料電池内部の水分が不足あるいは過剰となる場合がある。
【０００５】
水分が過剰である場合には、燃料電池内部のガス供給口近傍のセルでは、加湿された水分が凝縮して電極を覆うことで電極の有効面積が減少し、出力電圧の低下を招く。また、水分が不足した場合には、燃料電池内部のガス供給口から遠方のセルでは、上記のように内部抵抗の増大により出力電圧が低下する。
【０００６】
すなわち、燃料電池内部において、ガス供給口の近辺および遠方のセルでは電圧が低下し、中央部付近のセルでは電圧が高くなり、セルの位置によって電圧にばらつきが発生してしまうこととなる。このように各セル間で出力電圧にばらつきがある場合には、低電圧のセルを基準にして要求電力を満たすように水素を供給するため、高電圧のセルでは要求以上の電力が発生してしまい、余分に供給される水素が無駄となって発電効率が悪化する。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池内部の水分状態を最適に保つことにより燃料電池を構成する各セル間の出力電圧のばらつきを抑え、高効率な発電を可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【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、積層された複数のセル（１０ａ〜１０ｅ）を有するとともに、セルにて水素と酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）を備える燃料電池システムであって、複数のセル（１０ａ〜１０ｅ）のうち、少なくとも２以上のセルそれぞれのセル電圧を検出するセル電圧検出手段（１１）と、燃料電池（１０）内の湿度を制御する湿度制御手段（２２、３２）とを備え、電圧検出手段（１１）により検出したセル電圧に基づいて、湿度制御手段（２２、３２）による燃料電池（１０）内の湿度制御を行い、燃料電池（１０）は、水素および酸素とが供給されるガス供給口（１０ｆ）を有し、電圧検出手段（２２、３２）は、燃料電池（１０）を構成する複数のセル（１０ａ〜１０ｅ）のうち、少なくともガス供給口（１０ｆ）近傍のセル（１０ａ）の近傍セル電圧（Ｖｎ）とガス供給口（１０ｆ）から最も離れた側のセル（１０ｅ）の遠方セル電圧（Ｖｆ）とを検出するものであり、近傍セル電圧（Ｖｎ）より遠方セル電圧（Ｖｆ）の方が高い場合には、湿度制御手段（２２、３２）により燃料電池（１０）内の湿度を低くし、遠方セル電圧（Ｖｆ）より近傍セル電圧（Ｖｎ）の方が高い場合には、湿度制御手段（２２、３２）により燃料電池（１０）内の湿度を高くすることを特徴としている。
【０００９】
このようにセル電圧に基づいて燃料電池内の湿度を制御することで、燃料電池内部の水分状態を最適に保つことができ、各セル間の出力電圧のばらつきを抑えて高効率な発電を行うことができる。
【００１１】
ガス供給口の近傍のセル電圧が高い場合には、ガス供給口から離れた側のセルが水分不足であり、内部抵抗が増加して電圧低下している状態であると判断できる。従って、この場合には、燃料電池内部の湿度を高くすることで、ガス供給口から離れた側のセルにおける水分量を増加させることができ、遠方セル電圧を高くすることができる。逆に、ガス供給口から離れた位置のセル電圧が高い場合には、ガス供給口の近傍のセルが水分過剰であり、電極が凝縮水に覆われて電圧低下している状態であると判断できる。従って、この場合には、燃料電池内の湿度を低下させることで、ガス供給口近傍のセルの水分量を減少させることができ、近傍セル電圧を高くすることができる。
【００１２】
このような湿度制御により、燃料電池を構成する各セル間の出力電圧のばらつきを抑制することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明では、電圧検出手段（１１）により検出したセル電圧から平均セル電圧（Ｖａｖ）を求め、近傍セル電圧（Ｖｎ）および遠方セル電圧（Ｖｆ）の双方が平均セル電圧（Ｖａｖ）より低い場合には、湿度制御手段（２２、３２）による湿度制御を行わないことを特徴としている。この場合には、ガス供給口近傍のセルおよびガス供給口から離れた位置のセルともに水分状態が適正であると判断できるので、湿度制御を行う必要がない。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１０）に供給される水素および酸素を加湿する加湿手段（２１、３１）を備え、湿度制御手段は、加湿手段（２１、３１）にて加湿され燃料電池（１０）に供給される水素および酸素の温度を制御するガス温度制御手段（２２、３２）か、あるいは、燃料電池（１０）本体の温度を制御する燃料電池温度制御手段の少なくとも一方であることを特徴としている。
【００１５】
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。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００１７】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。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（ＦＣスタック）１０を備えている。ＦＣスタック１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）や図示しない２次電池等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００１８】
ＦＣスタック１０では、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。
（負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2 ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
本実施形態ではＦＣスタック１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、図２に示すように基本単位となるセル１０ａ〜１０ｅが複数積層されて構成されている。各セル１０ａ〜１０ｅは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。
【００１９】
ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック１０を構成する各セル１０ａ〜１０ｅの出力電圧（セル電圧）を検出する電圧検出器（セル電圧検出手段）１１が設けられている。図３に示すように、電圧検出器１１はセル１０ａ〜１０ｅのアノード側とカソード側に接続されている。
【００２０】
燃料電池システムには、ＦＣスタック１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気経路２０と、ＦＣスタック１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素経路３０が設けられている。空気経路２０には図示しない送風機（ガス圧縮機）により空気が供給され、水素経路３０には図示しない水素供給装置より水素が供給される。
【００２１】
ＦＣスタック１０内部には、図２に示すようにガス供給口１０ｆより空気および水素が供給され、ＦＣスタック１０を構成する各セル１０ａ〜１０ｅには並列的に空気および水素が供給されるように構成されている。
【００２２】
また、発電時における電気化学反応のために、ＦＣスタック１０内の電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にしておく必要がある。このため、空気経路２０および水素経路３０には、加湿器（加湿手段）２１、３１が設けられている。これらの加湿器２１、３１により空気経路２０を通過する空気および水素経路３０を通過する水素に加湿が行われ、ＦＣスタック１０には加湿された空気および水素が供給される。これにより、ＦＣスタック１０内部は湿潤状態で作動することとなる。本実施形態の加湿器２１、３１は、タンク内に貯蔵された水にガスを通過させることで、通過ガスに加湿を行うものである。
【００２３】
さらに、空気経路２０および水素経路３０における加湿器２１、３１の下流側には、加湿器２１、３１を通過したガスの温度を制御する温調器（湿度制御手段）２２、３２が設けられている。これらの温調器２２、３２によって加湿器２１、３１で加湿されたガスの温度を変化させることで、ＦＣスタック１０に供給されるガスに含まれる水分量を調整することができる。すなわち、ガス温調器２２、３２にてガス温度を上げることでガスを低湿度にすることができ、ガス温度を下げることでガスを高湿度とすることができる。これにより、ＦＣスタック１０内の水分量（電解質膜の湿潤度）を調整することができる。
【００２４】
ＦＣスタック１０は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、ＦＣスタック１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程度）となるよう冷却システム４０、４１が設けられている。
【００２５】
冷却システムには、冷却水といった熱媒体を冷却する冷却装置４０と、ＦＣスタック１０に冷却水を循環させる冷却水経路４１が設けられている。冷却装置４０には、例えばファンを備えたラジエータを用いることができる。また、冷却装置４０には、冷却水を循環させる図示しないウォータポンプが設けられている。
【００２６】
本実施形態の燃料電池システムには各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０には、負荷からの要求電力信号、電圧検出器１１からの電圧信号等が入力される。また、制御部５０は、温調装置２２、３２、冷却装置４０等に制御信号を出力するように構成されている。制御部５０は、電圧検出器１１により検出した各セル１０ａ〜１０ｅのセル電圧から、測定したセル電圧の平均セル電圧Ｖａｖ、ガス供給口１０ｆの近傍に位置するセル１０ａのセル電圧（近傍セル電圧）Ｖｎ、ガス供給口１０ｆから離れた側に位置するセル１０ｅのセル電圧（遠方セル電圧）Ｖｆを求めることができるように構成されている。
【００２７】
次に、本実施形態の燃料電池システムの加湿制御を図４、図５に基づいて説明する。図４は本実施形態の加湿制御を示すフローチャートであり、図５は加湿量を増減する前後のセル電圧の変化を示している。
【００２８】
まず、電圧検出器１１により各セル１０ａ〜１０ｅのセル電圧を検出する（ステップＳ１０）。次に、近傍セル電圧Ｖｎおよび遠方セル電圧Ｖｆとが、平均セル電圧Ｖａｖより高いか否かを判定する（ステップＳ１１）。この結果、近傍セル電圧Ｖｎおよび遠方セル電圧Ｖｆの双方が平均セル電圧Ｖａｖより高い場合には、ＦＣスタック１０内部ではガス供給口１０ｆの近傍、遠方ともに水分が足りていると判断でき、ガスの加湿量はそのまま変更しない。
【００２９】
一方、近傍セル電圧Ｖｎおよび遠方セル電圧Ｖｆの少なくとも一方が平均セル電圧Ｖａｖより低い場合には、近傍セル電圧Ｖｎあるいは遠方セル電圧Ｖｆのいずれが高いかを判定する（ステップＳ１２）。
【００３０】
この結果、遠方セル電圧Ｖｆより近傍セル電圧Ｖｎの方が高い場合には、ガス供給口１０ｆから離れた側のセル１０ｅが水分不足であり、内部抵抗が増加して電圧低下している状態であると判断できる。従って、この場合には、ガス温調器２２、３２によりガス温度を低下させることで、ガスの加湿量を増加させる（ステップＳ１３）。これにより、ガス供給口１０ｆから離れた側のセル１０ｅにおける水分量を増加させることができ、図５（ａ）に示すようにガス供給口１０ｆから離れた側のセル１０ｅの電圧Ｖｆを高くすることができる。
【００３１】
逆に、近傍セル電圧Ｖｎより遠方セル電圧Ｖｆの方が高い場合には、ガス供給口１０ｆの近傍のセル１０ａが水分過剰であり、電極が凝縮水に覆われて電圧低下している状態であると判断できる。従って、この場合には、ガス温調器２２、３２によりガス温度を上昇させることで、ガスの加湿量を低下させる（ステップＳ１４）。これにより、ガス供給口１０ｆの近傍に位置するセル１０ａの水分量を減少させることができ、図５（ｂ）に示すようにガス供給口１０ｆの近傍に位置するセル１０ａの電圧Ｖｎを高くすることができる。
【００３２】
以上のように、ＦＣスタック１０内における各セルの１０ａ〜１０ｅの出力電圧を検出し、ＦＣスタック１０内におけるセル電圧の分布に基づいて供給ガスの加湿量を制御することで、セル電圧を平均化することができる。これにより、セル間の出力電圧のばらつきを抑制することができ、ＦＣスタック１０の発電効率を向上させることができる。
【００３３】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、加湿器２１、３１とＦＣスタック１０との間に設けたガス温調器２２、３２によって、ＦＣスタック１０内部の湿度を制御したが、ＦＣスタック１０自身の温度を上昇あるいは下降させることにより、ＦＣスタック１０内の湿度を制御するように構成してもよい。
【００３４】
具体的には、冷却装置（燃料電池温度制御手段）４０にヒータを設け、ラジエータ等による冷却水の冷却に加えて冷却水を加熱できるようにする。これにより、ＦＣスタック１０自身の温度を上昇させることでＦＣスタック１０内部の湿度を低下させることができ、ＦＣスタック１０自身の温度を下降させることでＦＣスタック１０内部の湿度を上昇させることができる。
【００３５】
また、このＦＣスタック１０温度制御と、上記実施形態のガス温調器２２、３２によるガス温度制御とを組み合わせて、ＦＣスタック１０内の湿度を調整するようにしてもよい。
【００３６】
また、上記実施形態では、タンク内に貯蔵された水にガスを通過させることで、通過ガスに加湿を行う形式の加湿器２１、３１を用いたが、これに限らず、例えばインジェクタ式の加湿器を用いることもできる。インジェクタ式加湿器を用いた場合には、加湿器単体でガスへの加湿量を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける燃料電池の概念図である。
【図３】燃料電池を構成するセルを示す斜視図である。
【図４】上記実施形態の加湿制御を示すフローチャートである。
【図５】加湿制御を行う前後のセル電圧の変化を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、２０、３０…ガス経路、２１、３１…加湿器、２２、３２…ガス温調器（湿度制御手段）、５０…制御部。
【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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