(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス状の燃料として燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記酸化ガスを加湿する加湿手段と、
前記加湿手段による前記酸化ガスの加湿の状態を検出する加湿状態検出手段と、
前記加湿された酸化ガスに霧状の液滴を供給する液滴供給手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度状態検出手段と、
前記検出された燃料電池の温度および前記燃料電池を冷却するのに必要な水分量と、前記加湿状態検出手段により検出される前記酸化ガスの加湿の状態とに基づいて前記液滴供給手段による前記酸化ガスへの液滴の供給を制御する液滴供給制御手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記液滴供給手段は、前記加湿された酸化ガスに液滴を噴霧するインジェクタである請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記液滴は水からなる液滴である請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記液滴供給手段は、前記加湿手段により加湿された酸化ガスの水分の一部を凝縮させることにより前記液滴を形成して前記酸化ガスに供給する手段である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記液滴供給制御手段は、前記温度状態検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定温度以上のときに該燃料電池の温度に応じて前記液滴を前記酸化ガスに供給するよう前記液滴供給手段を制御する手段である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし５のうちいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の出力を検出する出力状態検出手段を備える燃料電池システム。
【請求項７】
前記液滴供給制御手段は、前記出力状態検出手段により検出された前記燃料電池の出力が所定出力以上のときに該燃料電池の出力に応じて前記液滴を前記酸化ガスに供給するよう前記液滴供給手段を制御する手段である請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のうちいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の異常を検出する異常状態検出手段を備える燃料電池システム。
【請求項９】
前記異常状態検出手段は、前記燃料電池の温度の変化率が所定値以上のときに前記燃料電池の異常を検出する手段である請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記液滴供給制御手段は、前記異常状態検出手段により前記燃料電池の異常が検出されたときに前記液滴を前記酸化ガスに供給するよう前記液滴供給手段を制御する手段である請求項８または９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、燃料電池システムおよび燃料電池の冷却方法に関し、詳しくは、ガス状の燃料の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムおよび加湿されたガス状の燃料の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池の冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、単位セルと共に冷却水の流路を備える冷却板を複数積層して燃料電池を構成すると共に冷却板の流路に冷却水を供給する循環管路を備えるものが提案されている（例えば、特開平９−９２３１０号公報など）。この燃料電池システムでは、冷却水は循環管路に設けられた熱交換器により冷却されこれにより燃料電池を冷却する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、固体高分子型の燃料電池システムでは、燃料電池の運転温度が低く、外気との温度差が大きくとれないために、熱交換器が大きくなるという問題があった。この問題は、車両に燃料電池システムを搭載するように、限られたスペースに燃料電池システムを設置する場合にクローズアップされる。
【０００４】
本発明の燃料電池システムは、熱交換器を大きくすることなく燃料電池を冷却することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、冷却水を循環させる循環管路により燃料電池を冷却するシステムとは異なる手法により燃料電池を冷却する燃料電池システムを提案することを目的の一つとする。本発明の燃料電池の冷却方法は、冷却水を循環させる循環管路により燃料電池を冷却するシステムとは異なる手法を提案することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムおよび燃料電池の冷却方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、
ガス状の燃料の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料を加湿する加湿手段と、
該加湿された燃料に霧状の液滴を供給する液滴供給手段と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池システムでは、液滴供給手段により燃料に供給された霧状の液滴が燃料と共に燃料電池に供給されたときに燃料電池内で気化する際の潜熱により燃料電池を冷却することができる。この結果、熱交換器を必要としないから燃料電池システムを小型化することができる。ここで、燃料は、電解質を挟んで配置される二つの電極に供給されるものの双方を意味する。また、液滴は燃料電池内で気化可能な液体によるものであればよいから、液滴には水からなるものが含まれる他、水と他の液体の混合液によるものや水以外の液体によるものも含まれる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記液滴供給手段は、前記燃料に液滴を噴霧するインジェクタであるものとすることもできる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記液滴供給手段は、前記加湿手段により加湿された燃料の水分の一部を凝縮させることにより前記液滴を形成して前記燃料に供給する手段であるものとすることもできる。こうすれば、液滴としての水の供給は加湿手段のみで行なうから、液滴供給用のパイプなどを不要とし燃料電池システムを小型化することができる。
【００１０】
これら各態様を含め本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、該検出された燃料電池の状態に基づいて前記液滴供給手段による前記燃料への液滴の供給を制御する液滴供給制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の状態に応じて燃料電池を冷却することができる。
【００１１】
この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記状態検出手段は、前記燃料電池の温度を検出する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の温度に基づいて燃料電池を冷却することができる。この態様の燃料電池システムにおいて、前記液滴供給制御手段は、前記状態検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定温度以上のときに該燃料電池の温度に応じて前記液滴を前記燃料に供給するよう前記液滴供給手段を制御する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
状態検出手段と液滴供給制御手段とを備える本発明の燃料電池システムにおいて、前記状態検出手段は、前記燃料電池の出力を検出する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の出力に基づいて燃料電池を冷却することができる。この態様の燃料電池システムにおいて、前記液滴供給制御手段は、前記状態検出手段により検出された前記燃料電池の出力が所定出力以上のときに該燃料電池の出力に応じて前記液滴を前記燃料に供給するよう前記液滴供給手段を制御する手段であるものとすることもできる。
【００１３】
また、状態検出手段と液滴供給制御手段とを備える本発明の燃料電池システムにおいて、前記状態検出手段は、前記燃料電池の異常を検出する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の異常に基づいて燃料電池を冷却することができる。この態様の燃料電池システムにおいて、前記状態検出手段は、前記燃料電池の温度の変化率が所定値以上のときに前記燃料電池の異常を検出する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の温度の変化率により燃料電池の異常を検出することができ、これに基づいて燃料電池を冷却することができる。こうした燃料電池の異常に基づいて燃料電池を冷却する態様の燃料電池システムにおいて、前記液滴供給制御手段は、前記状態検出手段により前記燃料電池の異常が検出されたときに前記液滴を前記燃料に供給するよう前記液滴供給手段を制御する手段であるものとすることもできる。
【００１４】
これら各態様を含め状態検出手段と液滴供給制御手段とを備える本発明の燃料電池システムにおいて、前記加湿手段による前記燃料の加湿の状態を検出する加湿状態検出手段を備え、前記液滴供給制御手段は前記燃料電池の状態に加えて前記加湿状態検出手段により検出される前記燃料の加湿の状態に基づいて前記液滴供給手段による前記燃料への前記液滴の供給を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の状態に加えて燃料の加湿状態に基づいて液滴の供給を制御するから、過剰加湿などをも防止することができると共により適切に燃料電池を冷却することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池の冷却方法は、
加湿されたガス状の燃料の供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池の冷却方法であって、
前記燃料に霧状の液滴を供給し、該供給された液滴が前記燃料電池内で気体になる際の蒸発潜熱により該燃料電池を冷却する
ことを要旨とする。
【００１６】
この本発明の燃料電池の冷却方法によれば、燃料に供給された霧状の液滴が燃料電池内で気体になる際の蒸発潜熱により燃料電池を冷却することができる。この燃料電池の冷却方法では熱交換器を用いないから、燃料電池システムを小型化することができる。
【００１７】
こうした本発明の燃料電池の冷却方法において、前記燃料電池の状態を検出し、該検出された状態に基づいて前記燃料に供給される前記液滴の量を調整して前記燃料電池の冷却を制御する手法を採ることもできる。こうすれば、燃料電池の状態に応じて燃料電池を冷却することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２２と、この燃料ガス供給装置２２から供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器２３と、酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気）を供給する酸化ガス供給装置２４と、この酸化ガス供給装置２４から供給される酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿器２５と、酸化ガスに霧状の液滴を供給する液滴供給装置２７と、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池３０と、燃料電池３０を冷却する冷却装置５０と、燃料電池システム２０の運転をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００１９】
燃料ガス供給装置２２は、水素を含有する燃料ガスを供給する装置であり、例えば、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器としてもよく、水素を含有する燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵タンクとしてもよい。酸化ガス供給装置２４は、酸素を含有する酸化ガスを供給する装置であり、単に空気を供給するエアポンプとしてもよく、空気以外の酸化ガスを貯蔵する酸化ガス貯蔵タンクとしてもよい。なお、燃料ガス供給装置２２および酸化ガス供給装置２４は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されるようになっている。
【００２０】
燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、水タンク２６から汲み上げた水を気化させて燃料ガスや酸化ガスに供給する加湿器であり、例えばバブラーとしてもよい。この燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの加湿量や酸化ガスの加湿量が制御されるようになっている。
【００２１】
液滴供給装置２７は、酸化ガス中に液滴を噴霧するインジェクタ２８とこのインジェクタ２８による噴霧に必要な水圧を与える液滴供給用ポンプ２９とから構成されている。インジェクタ２８は信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によってその開弁タイミングや開弁頻度が制御されるようになっている。また、液滴供給用ポンプ２９も信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０による駆動制御を受けるようになっている。
【００２２】
燃料電池３０は、単電池３１を複数積層して構成される固体高分子型の燃料電池である。図２に燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す。図示するように、単電池３１は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜３２と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で電解質膜３２を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード３３およびカソード３４と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３３およびカソード３４とで燃料ガスや酸化ガスの流路３６，３７を形成すると共に隣接する単電池３１との間の隔壁をなす２つのセパレータ３５とにより構成されている。
【００２３】
燃料電池３０の出力端子３８，３９には、燃料電池３０からの出力を検出するための電圧計４０と電流計４２とが取り付けられている。また、燃料電池３０には、その内部の温度ＴＦを検出するための燃料電池温度センサ４４が取り付けられている。
【００２４】
冷却装置５０は、燃料電池３０内部に備えられている冷却板と、この冷却板に形成された冷却水の流路と共に循環管路を形成する冷却水管路５２と、冷却水管路５２に取り付けられ外気との熱交換により冷却水を冷却する熱交換器５６と、冷却水を循環管路に循環させる冷却水用ポンプ５４と、冷却水管路５２の燃料電池３０の出口付近における冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ５８とを備える。冷却水用ポンプ５４と冷却水温度センサ５８は信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、燃料電池３０の冷却の制御が電子制御ユニット６０によって行なわれるようになっている。即ち、冷却水温度センサ５８により検出される冷却水の温度に基づいて冷却水用ポンプ５４が駆動され、冷却水の循環流量の制御がなされるのである。
【００２５】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ６４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ６６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット６０には、図示しない流量計や温度計などからの燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から供給される燃料ガスや酸化ガスの供給量や温度や燃料ガス加湿器２３や酸化ガス供給装置２４の運転状態，燃料電池温度センサ４４からの燃料電池の温度ＴＦ，電圧計４０からの燃料電池３０の出力電圧Ｖ，電流計４２からの燃料電池３０の出力電流Ｉ，冷却水温度センサ５８からの冷却水の温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４への駆動信号，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５への駆動信号，インジェクタ２８への駆動信号，液滴供給用ポンプ２９への駆動信号，冷却水用ポンプ５４への駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２６】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池３０の冷却の制御について説明する。図３は、実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される冷却制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間毎（例えば、８ｍｓ毎）に繰り返し実行される。実施例の燃料電池３０の冷却は冷却装置５０によって行なわれているが、この冷却制御ルーチンは冷却装置５０による冷却に加えて行なわれるものであり、酸化ガスに水の液滴を噴霧し、この液滴の燃料電池３０内部で気化する際の蒸発潜熱により燃料電池３０を冷却するためのものである。
【００２７】
この冷却制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず燃料電池温度センサ４４により検出される燃料電池３０の温度ＴＦを読み込み（ステップＳ１０２）、読み込んだ温度ＴＦを閾値ＴＦｒｅｆと比較する（ステップＳ１０４）。閾値ＴＦｒｅｆは、燃料電池３０の冷却が必要とされる温度またはこの温度より若干低い温度として設定されるものである。燃料電池３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆ以下のときには、冷却装置５０による冷却で燃料電池３０は冷却されていると判断して、インジェクタ２８を閉弁し（ステップＳ１０６）、液滴供給用ポンプ２９の駆動を停止して（ステップＳ１０８）、本ルーチンを終了する。このルーチンでは、インジェクタ２８や液滴供給用ポンプ２９の状態に拘わらずインジェクタ２８を閉弁し液滴供給用ポンプ２９を停止するようになっているが、インジェクタ２８が閉弁状態であったり、液滴供給用ポンプ２９が駆動していないときには、何もしないでこのルーチンを終了するものとしてもよいのは勿論である。
【００２８】
燃料電池３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆより大きいときには、冷却装置５０による冷却に加えて燃料電池３０の冷却が必要と判断して、燃料電池３０に供給される酸化ガスにインジェクタ２８から噴霧する水の液滴量ＱＷを求めると共に（ステップＳ１１０）、求めた液滴量ＱＷからインジェクタ２８の開弁時間を設定する（ステップＳ１１２）。インジェクタ２８から酸化ガスへ噴霧する水の液滴量ＱＷは、燃料電池３０を冷却するために必要な熱量と水の蒸発潜熱とにより定まるものである。実施例では燃料電池３０の温度ＴＦと燃料電池３０を冷却するのに必要な水分量（インジェクタ２８から噴霧する液滴量ＱＷ）との関係を図４に例示するようなマップとして電子制御ユニット６０のＲＯＭ６４に予め記憶させておき、燃料電池３０の温度ＴＦが与えられるとＲＯＭ６４に記憶させたマップから液滴量ＱＷを導出するものとした。インジェクタ２８の開弁時間は、単位時間あたりにインジェクタ２８から噴霧される液滴量がステップＳ１１０で求められた液滴量ＱＷとなるための単位時間あたりの開弁時間を意味し、水圧とこの水圧を受けているときにインジェクタ２８による噴霧量とに基づいて定められる。
【００２９】
インジェクタ２８の開弁時間が設定されると、液滴供給用ポンプ２９を駆動してインジェクタ２８による噴霧に必要な水圧を確保すると共に（ステップＳ１１４）、設定された単位時間あたりの開弁時間となるようインジェクタ２８を開弁駆動して（ステップＳ１１６）、本ルーチンを終了する。こうした処理で酸化ガスに水の液滴が単位時間あたり液滴量ＱＷの割合で供給され、この液滴が酸化ガスと共に燃料電池３０に供給されて燃料電池３０内で気化する。燃料電池３０は、この液滴の気化の際の蒸発潜熱により冷却される。図５に導入される水分量（液滴量）と燃料電池３０の必要な放熱量との関係の一例を示す。なお、図中ハッチ部は、液滴を酸化ガスに噴霧することにより得られる冷却の効果を示している。
【００３０】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、燃料電池３０に供給される酸化ガスに液体状の水を噴霧することにより燃料電池３０を冷却することができる。しかも、燃料電池３０の温度ＴＦに基づいて酸化ガスに噴霧する液滴量ＱＷを調節することにより燃料電池３０の冷却の程度を調節することができる。この結果、冷却装置５０の熱交換器５６を小さなものとすることができるから、燃料電池システム２０をコンパクトなものとすることができる。
【００３１】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０に取り付けられた燃料電池温度センサ４４を用いて燃料電池３０の温度ＴＦを検出し、この温度ＴＦに基づいて燃料電池３０を冷却するものとしたが、冷却装置５０が備える冷却水温度センサ５８により検出される冷却水の温度に基づいて燃料電池３０の温度ＴＦを推定し、推定された燃料電池３０の温度ＴＦに基づいて燃料電池３０を冷却するものとしてもよい。
【００３２】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０の温度ＴＦに基づいて燃料電池３０を冷却するものとしたが、燃料電池３０の出力ＰＦに基づいて燃料電池３０を冷却するものとしてもよい。このシステムでは、図３の冷却制御ルーチンに代えて図６に例示する冷却制御ルーチンを実行する。以下に、図６に例示する冷却制御ルーチンを用いて燃料電池３０の出力ＰＦに基づいて燃料電池３０を冷却する処理について説明する。
【００３３】
このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず燃料電池３０の出力ＰＦを読み込み（ステップＳ２０２）、読み込んだ出力ＰＦを閾値ＰＦｒｅｆと比較する（ステップＳ２０４）。ここで、燃料電池３０の出力ＰＦは、電圧計４０により検出される出力電圧Ｖと電流計４２により検出される出力電流Ｉとの積として求められるから、ステップＳ２０２の処理は、出力電圧Ｖと出力電流Ｉとを読み込んでこれらの積をとって出力ＰＦとしてもよく、図示しない出力演算ルーチンにより出力電圧Ｖと出力電流Ｉとの積を演算して出力ＰＦを求めてＲＡＭ６６の所定アドレスに記憶させたものを読み込むものとしてもよい。また、閾値ＰＦｒｅｆは、燃料電池３０の冷却が必要とされる出力またはこの出力より若干低い出力として設定されるものである。
【００３４】
燃料電池３０の出力ＰＦが閾値ＰＦｒｅｆより大きいときには、冷却装置５０による冷却に加えて燃料電池３０の冷却が必要と判断して、燃料電池３０の出力ＰＦに基づいてインジェクタ２８から噴霧する水の液滴量ＱＷを求めると共に（ステップＳ２１０）、求めた液滴量ＱＷからインジェクタ２８の開弁時間を設定し（ステップＳ２１２）、液滴供給用ポンプ２９を駆動すると共に（ステップＳ２１４）、インジェクタ２８を開弁駆動する（ステップＳ２１６）。インジェクタ２８から酸化ガスへ噴霧する水の液滴量ＱＷは、前述したとおりであり、実施例では燃料電池３０の出力ＰＦと燃料電池３０を冷却するのに必要な水分量との関係を図７に例示するようなマップとして電子制御ユニット６０のＲＯＭ６４に予め記憶させておき、燃料電池３０の出力ＰＦが与えられるとＲＯＭ６４に記憶させたマップから液滴量ＱＷを導出するものとした。なお、ステップＳ２１２ないしＳ２１６の処理は、図３の冷却制御ルーチンにおけるステップＳ１１２ないしＳ１１６の処理と同一であるから、その詳細な説明は省略する。
【００３５】
一方、燃料電池３０の出力ＰＦが閾値ＰＦｒｅｆ以下のときには、冷却装置５０による冷却で燃料電池３０は冷却されていると判断して、インジェクタ２８を閉弁し（ステップＳ２０６）、液滴供給用ポンプ２９の駆動を停止して（ステップＳ２０８）、本ルーチンを終了する。このステップＳ２０６およびＳ２０８の処理も図３の冷却制御ルーチンにおけるステップＳ１０６およびＳ１０８の処理と同一であるから、その詳細な説明は省略する
【００３６】
以上説明した図６の冷却制御ルーチンを実行する変形例の燃料電池システム２０によれば、燃料電池３０の出力ＰＦに基づいて酸化ガスに噴霧する液滴量ＱＷを調節することにより燃料電池３０の冷却の程度を調節することができる。もとより、燃料電池３０に供給される酸化ガスに液体状の水を噴霧することにより燃料電池３０を冷却することができ、燃料電池システム２０をコンパクトなものとすることもできる。
【００３７】
実施例の燃料電池システム２０では燃料電池３０の温度ＴＦのみに基づいて燃料電池３０を冷却し、変形例の燃料電池システム２０では燃料電池３０の出力ＰＦのみに基づいて燃料電池３０を冷却したが、燃料電池３０の温度ＴＦに基づく冷却と燃料電池３０の出力ＰＦに基づく冷却とを複合して行なってもよい。
【００３８】
さらに、実施例の燃料電池システム２０は、燃料電池３０の温度ＴＦに加えて酸化ガス加湿器２５による加湿量ＨＦにも基づいて燃料電池３０を冷却するものとしてもよい。このシステムでは、図３の冷却制御ルーチンに代えて図８に例示する冷却制御ルーチンを実行する。以下に、図８に例示する冷却制御ルーチンを用いて燃料電池３０の温度ＴＦと加湿量ＨＦとに基づいて燃料電池３０を冷却する処理について説明する。
【００３９】
このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず燃料電池３０の温度ＴＦを読み込み（ステップＳ３０２）、読み込んだ温度ＴＦを閾値ＴＦｒｅｆと比較する（ステップＳ３０４）。燃料電池３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆ以下のときには、冷却装置５０による冷却で燃料電池３０は冷却されていると判断して、インジェクタ２８を閉弁し（ステップＳ３０６）、液滴供給用ポンプ２９の駆動を停止して（ステップＳ３０８）、本ルーチンを終了する。なお、これらの処理は図３のステップＳ１０２ないしＳ１０８の処理と同一である。
【００４０】
燃料電池３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆより大きいときには、冷却装置５０による冷却に加えて燃料電池３０の冷却が必要と判断して、まず酸化ガス加湿器２５による酸化ガスの加湿量ＨＦを読み込む処理を実行する（ステップＳ３０９）。実施例では、電子制御ユニット６０の出力ポートから酸化ガス加湿器２５に出力されている駆動信号を読み込むことにより加湿量ＨＦを読み込むものとした。そして、温度ＴＦと加湿量ＨＦとに基づいてインジェクタ２８から噴霧する水の液滴量ＱＷを求めると共に（ステップＳ３１０）、求めた液滴量ＱＷからインジェクタ２８の開弁時間を設定し（ステップＳ３１２）、液滴供給用ポンプ２９を駆動すると共に（ステップＳ３１４）、インジェクタ２８を開弁駆動する（ステップＳ３１６）。インジェクタ２８から酸化ガスへ噴霧する水の液滴量ＱＷは、加湿過剰とならない範囲内で決定され、実施例では、燃料電池３０の温度ＴＦを用いて図４に示したマップから液滴量を求め、この液滴量から加湿量ＨＦの大小に基づいて定まる若干量を増減して液滴量ＱＷを算出するものとした。なお、ステップＳ３１２ないしＳ３１６の処理は、図３の冷却制御ルーチンにおけるステップＳ１１２ないしＳ１１６の処理と同一である。
【００４１】
以上説明した図８の冷却制御ルーチンを実行する変形例の燃料電池システム２０によれば、酸化ガス加湿器２５による酸化ガスの加湿量ＨＦを考慮するから、燃料電池３０の過剰加湿を防止することができる。もとより、燃料電池３０に供給される酸化ガスに液体状の水を噴霧することにより燃料電池３０を冷却することができ、燃料電池システム２０をコンパクトなものとすることもできる。
【００４２】
図８の冷却制御ルーチンを実行する変形例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０の温度ＴＦに加えて酸化ガス加湿器２５による加湿量ＨＦにも基づいて燃料電池３０を冷却するものとしたが、燃料電池３０の出力ＰＦに加えて酸化ガス加湿器２５による加湿量ＨＦにも基づいて燃料電池３０を冷却するものとしてもよく、燃料電池３０の温度ＴＦに基づく冷却と燃料電池３０の出力ＰＦに基づく冷却とを複合して行なう冷却に加えて酸化ガス加湿器２５による加湿量ＨＦにも基づいて燃料電池３０を冷却するものとしてもよい。
【００４３】
実施例の燃料電池システム２０は、こうした冷却制御の他に燃料電池３０の異常時の制御も行なう。以下に、この燃料電池３０の異常時の制御について説明する。図９は、燃料電池３０の異常を検出すると共に燃料電池３０の異常時の制御の一例を示す異常時制御ルーチンである。このルーチンは、燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間毎（例えば、８ｍｓ毎）に繰り返し実行される。なお、燃料電池３０の異常時の処理として後述するように燃料電池３０を冷却するが、通常、燃料電池３０が異常のときには、燃料電池３０の温度管理ができなくなり、燃料電池３０の温度ＴＦが上昇することに基づいている。
【００４４】
この異常時制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず燃料電池温度センサ４４により検出される燃料電池３０の温度ＴＦを読み込み（ステップＳ４０２）、読み込んだ温度ＴＦから前回このルーチンが起動されたときに読み込んだ燃料電池３０の温度ＴＦを減じて偏差ΔＴＦをを求める（ステップＳ４０３）。そして、求めた偏差ΔＴＦを閾値Ｔｒｅｆと比較する（ステップＳ４０４）。閾値Ｔｒｅｆは、燃料電池３０が正常に動作しているときに許容される温度上昇率の上限値またはこの上限値より若干低い値として設定されるものであり、燃料電池３０の特性や異常時制御ルーチンの起動される頻度などによって定められる。偏差ΔＴＦが閾値Ｔｒｅｆ以下のときには、燃料電池３０は正常に動作していると判断して、インジェクタ２８を閉弁し（ステップＳ４０６）、液滴供給用ポンプ２９の駆動を停止して（ステップＳ４０８）、本ルーチンを終了する。これらの処理は図３のステップＳ１０２ないしＳ１０８の処理と同一である。
【００４５】
偏差ΔＴＦが閾値Ｔｒｅｆより大きいときには、燃料電池３０に異常が発生したと判断して、インジェクタ２８から噴霧する水の液滴量ＱＷに所定値ＱＷ１を設定して（ステップＳ４１０）、設定した液滴量ＱＷからインジェクタ２８の開弁時間を設定し（ステップＳ４１２）、液滴供給用ポンプ２９を駆動すると共に（ステップＳ４１４）、インジェクタ２８を開弁駆動する（ステップＳ４１６）。ここで、所定値ＱＷ１は、燃料電池３０を初期冷却するのに十分な液滴量として設定されるものであり、燃料電池３０の大きさや燃料電池３０の特性などによって定められる。なお、ステップＳ４１２ないしＳ４１６の処理は、図３の冷却制御ルーチンにおけるステップＳ１１２ないしＳ１１６の処理と同一である。
【００４６】
以上説明した燃料電池システム２０によれば、燃料電池３０の異常時にインジェクタ２８から酸化ガスに水を噴霧することにより、燃料電池３０を冷却することができ、燃料電池３０を過熱状態とすることから防止することができる。
【００４７】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０の温度ＴＦの前回の温度ＴＦとの偏差ΔＴＦにより燃料電池３０の異常を検出したが、燃料電池３０の温度ＴＦが所定温度以上のときに燃料電池３０の異常を検出するものとしてもよく、燃料電池３０の出力ＰＦが所定出力以上のときに燃料電池３０の異常を検出するものとしてもよい。また、燃料電池３０の出力ＰＦの変化量が所定変化量以上のときに燃料電池３０の異常を検出するものとしてもよい。
【００４８】
次に、本発明の第２の実施例としての燃料電池システム１２０について説明する。図１０は、第２実施例の燃料電池システム１２０の概略の構成を示す構成図である。図示するように、第２実施例の燃料電池システム１２０は、液滴供給装置２７に代えて凝縮装置１７０を備える点を除いて第１実施例の燃料電池システム２０と同一の構成をしている。そこで、第２実施例の燃料電池システム１２０の構成のうち第１実施例の燃料電池システム２０の構成と同一の構成については１００を加えた符号を付し、その説明を省略する。なお、その他の符号についても第１実施例の燃料電池システム２０の説明で用いた符号は同じ意味で用いる。
【００４９】
第２実施例の燃料電池システム１２０は、酸化ガスの供給管に取り付けられた凝縮装置１７０を備える。凝縮装置１７０は、燃料電池１３０に供給される酸化ガスの温度を一定に保つ熱交換器として構成されており、冷却媒体（例えば、水など）により酸化ガスを冷却する第１熱交換器１７２と、外気と熱交換して冷却媒体を冷却する第２熱交換器１７４と、第１熱交換器１７２と第２熱交換器１７４とを連絡して冷却媒体の循環管路を形成する冷却媒体管路１７６と、冷却媒体を循環管路に循環させる冷却媒体用ポンプ１７８と、冷却媒体管路１７６の第１熱交換器１７２の出口付近における冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度センサ１７９とを備える。冷却媒体用ポンプ１７８と冷却媒体温度センサ１７９は信号ラインにより電子制御ユニット１６０に接続されており、電子制御ユニット１６０によって燃料電池１３０に供給される酸化ガスの温度が燃料電池１３０に適した温度となるよう制御される。したがって、酸化ガス加湿器１２５による酸化ガスの加湿量によっては過剰加湿となる状態とすることができ、この過剰加湿の酸化ガスを凝縮装置１７０によって冷却することにより、酸化ガス中に液体状態の水を霧状として含ませることができる。
【００５０】
こうして構成された第２実施例の燃料電池システム１２０の動作、特に燃料電池１３０の加湿と冷却の制御について説明する。図１１は、第２実施例の燃料電池システム１２０の電子制御ユニット１６０により実行される加湿冷却制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、燃料電池システム１２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間毎（例えば、８ｍｓ毎）に繰り返し実行される。なお、第２実施例の燃料電池１３０の冷却も冷却装置１５０によって行なわれているが、この加湿冷却制御ルーチンは冷却装置１５０による冷却に加えて行なわれるものであるのは、第１実施例と同様である。
【００５１】
この加湿冷却制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ１６２は、まず燃料電池温度センサ１４４により検出される燃料電池１３０の温度ＴＦと、酸化ガスの供給量ＱＯとを読み込み（ステップＳ５０２）、読み込んだ温度ＴＦを閾値ＴＦｒｅｆと比較する（ステップＳ５０４）。酸化ガスの供給量ＱＯは、電子制御ユニット１６０から酸化ガス供給装置１２４へ出力されている駆動信号から読み込むこともできるし、酸化ガス供給装置１２４に流量計を設けてこの流量計により検出される流量を読み込むこともできる。燃料電池１３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆ以下のときには、冷却装置１５０による冷却で燃料電池１３０は冷却されていると判断して液滴量ＱＷに値０を設定し（ステップＳ５０６）、燃料電池１３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆより大きいときには、冷却装置１５０による冷却に加えて燃料電池１３０の冷却が必要と判断して、燃料電池１３０に供給される酸化ガス中に凝縮させる液滴量ＱＷを求める（ステップＳ５０８）。第２実施例では、液滴量ＱＷを第１実施例で用いた図４に例示するマップにより求めた。
【００５２】
そして、酸化ガスの供給量ＱＯと液滴量ＱＷとに基づいて酸化ガス加湿器１２５による酸化ガスの加湿量ＨＦを設定し（ステップＳ５１０）、酸化ガス加湿器１２５により酸化ガスが設定した加湿量ＨＦで加湿されるよう酸化ガス加湿器１２５を制御して（ステップＳ５１２）、本ルーチンを終了する。第２実施例では、加湿量ＨＦは、酸化ガスの供給量ＱＯによって定まる通常の加湿量に液滴量ＱＷを加えたものとして設定した。このように燃料電池１３０の温度ＴＦが閾値ＴＦｒｅｆより大きいときには酸化ガス加湿器１２５により酸化ガスを過剰加湿とし、凝縮装置１７０で液滴量ＱＷに相当する分だけ凝縮させることにより、凝縮した液滴が、酸化ガスと共に燃料電池１３０に供給されて燃料電池１３０内で気化し、その蒸発潜熱により燃料電池１３０を冷却するのである。
【００５３】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１２０によれば、凝縮装置１７０により酸化ガス中の水蒸気を凝縮させることにより、燃料電池１３０を冷却することができる。しかも、燃料電池１３０の温度ＴＦに基づいて酸化ガスの加湿量を調節すると共に酸化ガス中の水蒸気の凝縮量を調節することにより燃料電池１３０の冷却の程度を調節することができる。この結果、冷却装置１５０の熱交換器１５６を小さなものとすることができるから、燃料電池システム１２０をコンパクトなものとすることができる。また、第２実施例の燃料電池システム１２０を第１実施例の燃料電池システム２０と比べれば、インジェクタ２８へ供給される水の配管を不要とすることができる。
【００５４】
第２実施例の燃料電池システム１２０では、燃料電池１３０の温度ＴＦに基づいて燃料電池１３０を冷却するものとしたが、燃料電池１３０の出力ＰＦに基づいて燃料電池１３０を冷却するものとしてもよく、さらに、燃料電池１３０の温度ＴＦに基づく冷却と燃料電池１３０の出力ＰＦに基づく冷却とを複合して行なってもよい。
【００５５】
第１実施例の燃料電池システム２０や第２実施例の燃料電池システム１２０では、酸化ガスに霧状の水の液滴を供給して燃料電池３０，１３０を冷却したが、水以外の液体を霧状の液滴として酸化ガスに供給するものとしてもよい。
【００５６】
また、第１実施例の燃料電池システム２０や第２実施例の燃料電池システム１２０では、酸化ガスに霧状の水の液滴を供給して燃料電池３０，１３０を冷却したが、水の液滴や水以外の液体の液滴を燃料ガスに供給して燃料電池１３０を冷却するものとしてもよく、あるいは、水の液滴や水以外の液体の液滴を酸化ガスと燃料ガスの双方に供給して燃料電池１３０を冷却するものとしてもよい。
【００５７】
第１実施例の燃料電池システム２０や第２実施例の燃料電池システム１２０では、冷却装置５０，１５０を備え、冷却装置５０，１５０により燃料電池３０，１３０を冷却するものとしたが、冷却装置５０，１５０を備えず、酸化ガスに液滴を供給するもののみを備え、酸化ガスに液滴を供給することにより燃料電池３０，１３０を冷却するものとしてもよい。この場合、常に燃料電池３０，１３０の冷却が必要になるから、この通常の冷却に必要な液滴量を図４や図７のマップから導出される液滴量ＱＷに加えて液滴量の制御を行なえばよい。
【００５８】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。
【図２】  燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す構成図である。
【図３】  実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される冷却制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】  燃料電池３０の温度ＴＦと燃料電池３０を冷却するのに必要な水分量との関係を例示するマップである。
【図５】  導入される水分量と燃料電池３０の必要な放熱量との関係の一例を示す説明図である。
【図６】  変形例の冷却制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図７】  燃料電池３０の出力ＰＦと燃料電池３０を冷却するのに必要な水分量との関係を例示するマップである。
【図８】  変形例の冷却制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図９】  実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される異常時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図１０】  第２実施例の燃料電池システム１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図１１】  第２実施例の燃料電池システム１２０の電子制御ユニット１６０により実行される加湿冷却制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０，１２０  燃料電池システム、２２，１２２  燃料ガス供給装置、２３，１２３  燃料ガス加湿器、２４，１２４  酸化ガス供給装置、２５，１２５  酸化ガス加湿器、２７  液滴供給装置、２８  インジェクタ、２９  液滴供給用ポンプ、３０，１３０  燃料電池、３１  単電池、３２  電解質膜、３３  アノード、３４  カソード、３５  セパレータ、３６，３７  流路、３８，３９，１３８，１３９  出力端子、４０，１４０  電圧計、４２，１４２  電流計、４４，１４４  燃料電池温度センサ、５０，１５０  冷却装置、５２，１５２  冷却水管路、５４，１５４  冷却水用ポンプ、５６，１５６  熱交換器、５８，１５８冷却水温度センサ、６０，１６０  電子制御ユニット、６２，１６２  ＣＰＵ、６４，１６４  ＲＯＭ、６６，１６６  ＲＡＭ、１７０  凝縮装置、１７２  第１熱交換器、１７４  第２熱交換器、１７６  冷却媒体管路、１７８  冷却媒体用ポンプ、１７９  冷却媒体温度センサ。
【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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