(57)【要約】【課題】  燃料電池システムを負荷が過渡的に変化する状況で使用した場合や、燃料電池内部における反応ガスの圧力を一定に制御する燃料電池システムに適用した場合においても、燃料電池内部の水分を従来よりも的確に診断することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システムの構成において、燃料電池１０に接続された水素ガス排出経路２１中に、熱交換器２２、気液分離器２３、水回収タンク２４を設ける。そして、熱交換器２２で、燃料電池１０から排出された水素ガス等を冷却し、水素ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる。凝縮により生成した水を、気液分離器２３で、気体と分離させ、水回収タンク２４で回収する。さらに、水回収タンク２４のセンサ部で水分回収量を測定する。ＥＣＵ６１により、水回収タンク２４のセンサ部による水分回収量の測定結果に基づいて、燃料電池１０の内部の水分量を診断する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質型燃料電池（１０）と、前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料電池（１０）の燃料極（２）で起電反応に用いられなかった水素ガスを前記燃料電池（１０）内から排出するための水素ガス排出経路（２１）とを有する燃料電池システムにおいて、
前記水素ガス排出経路（２１）に接続され、前記燃料電池（１０）内から排出される水素ガスに含まれる水分量を測定する測定手段（２４）と、
前記測定手段（２４）の測定結果に基づいて、前記燃料電池（１０）内の水分量を判定する判定手段（６１）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素ガス排出経路（２１）に接続され、前記燃料電池（１０）から排出される前記水素ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮手段（２２）を有し、
前記測定手段（２４）は、前記凝縮手段（２２）による前記水蒸気の凝縮により生成した水の量を測定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】
前記凝縮手段（２２）は、露点温度を一定にして、前記水蒸気を凝縮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】
前記燃料電池（１０）の出力電流値を測定する電流測定手段（４２）を有し、
前記判定手段（６１）には、適正な水分状態時における水素ガスの排出量に対する前記凝縮により生成した水の量の割合を示すマップデータが、あらかじめ記憶されており、
前記判定手段（６１）は、前記電流測定手段（４２）が測定した電流値から所定時間内における電流量を算出し、当該電流量から所定時間内における水素ガスの排出量を算出し、前記測定手段（２４）が測定した水の量から、所定時間内での水素ガスに含まれる水分量を算出し、前記水素ガスの排出量に対する前記水素ガスに含まれる水の量の割合を、前記マップデータと比較することで、前記燃料電池（１０）内の水分量を判定することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池（１０）内の水分を調整する調整手段（３５）と、前記判定手段（６１）の判定結果に応じて、前記調整手段（３５）を制御する制御手段（６１）とを備えることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１つに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、燃料電システムに関するものであり、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体への適用に対して有効なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池には、例えば、車両等の駆動電源としての応用が検討されている高分子電解質型燃料電池がある。この高分子電解質型燃料電池は、電解質として固体高分子膜が用いられている。この燃料電池の単セルは、例えば、電解質膜の両面が電極触媒層（燃料極、酸化剤極）で挟まれ、電極触媒層の外側に拡散層が付されたものが、セパレータによって狭持されている。そして、この燃料電池ではこのような単セルが集合化され、スタックとなっている。
【０００３】
上記した高分子電解質型燃料電池では、一般に、以下の理由等により、電解質中や電解質近傍等のセル内部の水分を管理する必要がある。
【０００４】
第１に、固体高分子膜が、十分な水素イオンの導電性を有するためには、膜中に水分が十分に存在していることが必要であるが、燃料電池内部の電極に対して、燃料ガスおよび酸化剤ガス（反応ガス）が供給されるため、固体高分子膜中の水分は蒸発しやすく、固体高分子膜が乾きやすいからである。
【０００５】
第２に、酸化剤極では、発電により水が生成されるが、この生成水の生成量が多い場合、この生成水よって、反応ガスの拡散が阻害されたり、いわゆる３相界面が水分で覆われたりすること等により、燃料電池の出力低下が起きるからである。
【０００６】
また、セル内部の水分量を管理するためには、制御手段等によって、セル内部の水分量（水分状態）を診断する必要がある。
【０００７】
そこで、従来の高分子電解質型燃料電池を用いた燃料電池システムでは、例えば、燃料電池通過時における反応ガスの圧力損失、または単セル電圧出力の時間差分値等の絶対値を求め、これをあらかじめ定めておいた設定値と大小比較を行うことで、燃料電池内部の水分状態の診断を行っていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
この水分状態の診断は、以下の原理に基づくものである。反応ガスの圧力は、ガスの流量で決まる。したがって、燃料ガスおよび酸化剤ガスを一定の流量で燃料電池に供給している場合、燃料電池内に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力は一定である。この場合、燃料ガスおよび酸化剤ガスの圧力は、燃料電池内の水分量が増加すると、飽和水蒸気圧力が増加するため、これらの反応ガスの圧力が変化する。そこで、燃料電池通過時における反応ガスの圧力損失をモニタすることで、燃料電池内の水分量を知ることができる。
【特許文献１】特開２００１−１４８２５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記した燃料電池システムでは、燃料電池を負荷が過渡的に変化する状況で使用する場合、以下の理由により、燃料電池内部の水分を的確に診断できないという問題がある。
【００１０】
燃料電池を負荷が過渡的に変化する状況で使用する場合としては、例えば、燃料電池を車両に搭載する場合が該当する。車両は種々の走行モードを有しており、走行モードの種類によって使用する電力量が変わる。また、燃料電池の出力の大きさは、燃料電池に供給される反応ガスの供給量によって決まる。また、燃料電池内における反応ガスの容積は一定であるため、燃料電池内の反応ガスが多量に使用された場合、燃料電池内における反応ガスの圧力は急激に下がる。
【００１１】
したがって、例えば、走行モードを切り替えた場合、これにより、電力量が多く必要となる場合がある。この場合、反応ガスを多く使用するため、燃料電池内における反応ガスの圧力が急激に下がることがある。
【００１２】
このように、上記した燃料電池システムを車両に搭載する場合では、燃料電池の出力が変動するため、燃料電池内の水分量にかかわらず、燃料電池内における反応ガスの圧力は変動している。このため、燃料電池内における反応ガスの圧力損失からでは、燃料電池内の水分診断を的確に行うことができない。
【００１３】
また、上記した燃料電システムを、燃料電池内における反応ガスの圧力が一定となるように制御されている燃料電池システムに適用した場合においても、以下の理由により、燃料電池内部の水分を的確に診断できないという問題がある。
【００１４】
燃料電池システムは、一般に、燃料電池内の反応ガスの圧力を調整するための調整弁を有しており、燃料電池内の反応ガスの圧力を、強制的に一定にしている。これは、燃料電池に供給される反応ガスの流量を一定にすることで燃料電池を安定的に運転させたり、セル内での反応ガスの拡散速度を高くしたりするためである。また、燃料電池内において、燃料極側と空気極側の圧力を一定に保たないと、電解質膜が凹んだり、物理的に破損したりするので、電解質膜の形状を保つために、燃料電池内では、反応ガスの圧力が強制的に一定にされている。
【００１５】
このように、燃料電池内の水分量が変化しても、反応ガスの圧力は、一定となるように制御される。このため、燃料電池内における反応ガスの圧力損失からでは、燃料電池内の水分診断を的確に行うことができない。
【００１６】
なお、このことは、上記した燃料電池システムを、燃料電池内の起電反応に使用されなかった未反応燃料ガスを再利用するために、燃料ガスを循環して供給するシステムに適用した場合においても言える。燃料ガスを循環して供給するシステムでは、一般に、燃料電池内の反応ガスの圧力が一定となるように、燃料電池内の反応ガスの圧力を調整しているからである。
【００１７】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池システムを負荷が過渡的に変化する状況で使用した場合や、燃料電池内部における反応ガスの圧力を一定に制御する燃料電池システムに適用した場合においても、燃料電池内部の水分を従来よりも的確に診断することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素ガス排出経路（２１）に接続され、燃料電池（１０）内から排出される水素ガスに含まれる水分量を測定する測定手段（２４）と、測定手段（２４）の測定結果に基づいて、燃料電池（１０）内の水分量を判定する判定手段（６１）とを備えることを特徴としている。
【００１９】
ここで、燃料電池から排出された水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内部の水分量に応じて変化する。例えば、燃料電池の電解質膜中や、電解質膜近辺に存在する水分が少ない場合、燃料電池から排出される水素ガスに含まれる水分量は少なく、燃料電池の電解質膜中や、電解質膜近辺に存在する水分が多い場合、燃料電池から排出される水素ガスに含まれる水分量は多い。
【００２０】
そして、燃料電池から排出された水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内部の水分量に応じてのみ変化する。すなわち、水素ガスに含まれる水分量は、上記した従来技術で水分診断の対象としていた反応ガスの圧力のように、燃料電池内部の水分量の他に、負荷の状況によって変化することはなく、燃料電池内の反応ガスの圧力を一定に制御しても、それによって、変化することはない。
【００２１】
したがって、本発明によれば、燃料電池システムを負荷が過渡的に変化する状況で使用した場合や、燃料電池内部における反応ガスの圧力を一定に制御する燃料電池システムに適用した場合においても、燃料電池内部の水分量を従来よりも的確に診断することができる。
【００２２】
測定手段（２４）に関して、例えば、請求項２に示すように、水素ガス排出経路（２１）に接続され、燃料電池（１０）から排出される水素ガス中の水蒸気を凝縮する凝縮手段（２２）を有し、測定手段（２４）に、凝縮手段（２２）による凝縮により生成した水の量を測定させることもできる。
【００２３】
また、請求項３に示すように、例えば、凝縮手段（２２）が、露点温度を一定にして、水蒸気を凝縮するようにすることもできる。
【００２４】
かりに、露点温度が一定でない場合、水素ガス中に同じ量の水蒸気が含まれていても、凝縮により生じる水の量が異なってしまう。このため、この場合では、燃料電池内部の水分量を的確に診断することができない。
【００２５】
これに対して、本発明では、露点温度を一定にしているので、水素ガス中に同じ量の水蒸気が含まれている場合、凝縮によって生じる水の量は常に一定である。したがって、本発明によれば、燃料電池内部の水分量を的確に診断することができる。
【００２６】
また、具体的には、請求項４に示すように、燃料電池（１０）内の水分量を判定することができる。
【００２７】
すなわち、判定手段（６１）には、適正な水分状態時における水素ガスの排出量に応じた凝縮により生成した水の量の割合を示すマップデータが、あらかじめ記憶されており、判定手段（６１）は、電流測定手段（４２）が測定した電流値から所定時間内における電流量を算出し、当該電流量から所定時間内における水素ガスの排出量を算出し、測定手段（２４）が測定した水の量から、所定時間内での水素ガスに含まれる水分量を算出し、水素ガスの排出量に対する水素ガスに含まれる水の量の割合を、マップデータと比較することで、燃料電池（１０）内の水分量を判定することができる。
【００２８】
また、燃料電池システムの構成を、請求項５に示すように、例えば、燃料電池（１０）内の水分を調整する調整手段（３５）と、判定手段（６１）の判定結果に応じて、調整手段（３５）を制御する制御手段（６１）とを備える構成とすることもできる。
【００２９】
これにより、燃料電池内部の水分量を適切な量に調整することができる。
【００３０】
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一例である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、固体高分子電解質型燃料電池１０と、水素ガス供給経路２０と、水素ガス排出経路２１と、空気供給経路３１と、空気排出経路３２と、負荷４１と、放熱器５１と、ＥＣＵ６１とを備えている。また、この燃料電池システムは、水素ガス排出経路２１内に配置された熱交換器２２と、気液分離器２３と、水回収タンク２４とを備えており、これらの熱交換器２２、気液分離器２３、水回収タンク２４等を用いて、燃料電池１０内部の水分状態を診断する点が、従来の燃料電池システムと異なっている。
【００３２】
燃料電池（スタック）１０は、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。図２にセルの構造を示す。各セルは、図２に示すように、電解質膜１が一対の電極２、３で挟まれた構成となっている。電解質膜１および電極２、３としては、例えば、固体高分子膜１の両面に電極（水素極２、酸素極３）が接合されたＭＥＡ（Membrane Electrode assembly）が用いられている。電解質膜１および電極２、３は、例えば、水素や酸素といった反応ガスの供給通路を兼ねているセパレータ４、５によって狭持されている。
【００３３】
燃料電池１０は、図１に示すように、空気供給口１１と、空気排出口１２とを有している。空気（酸素）は、後述するように、加湿されて水分とともに、空気供給口１１から燃料電池１０の内部に入り、図２に示すように、各セルの酸素極３に供給される。そして、空気は、酸素極３で後述する起電反応に用いられ、酸素極３で起電反応に用いられなかった空気は、図２に示すように、各セルから排出される。そして、各セルから排出された空気は、空気排出口１２から燃料電池１０の外部に放出される。
【００３４】
また、燃料電池１０は、図１に示すように、水素ガス供給口１３と、水素ガス排出口１４とを有している。水素ガスは、水素ガス供給口１３から燃料電池１０の内部に入り、図２に示すように、各セルの水素極２に供給される。そして、水素は、水素極２で後述する起電反応に用いられ、起電反応に用いられなかった水素が、図２に示すように、各セルから排出される。各セルから排出された水素ガスは、水素ガス排出口１４から燃料電池１０の外部に排出される。このとき、起電反応に用いられなかった水素ともに酸素極３から電解質膜１を通過して混入した窒素、酸素、水（水蒸気）等も水素ガス排出口１４から排出される。
【００３５】
燃料電池１０では、電極２、３に水素ガス、酸素が供給されると、以下の水素と酸素の電気化学反応（起電反応）が起こり、電気エネルギが発生する。なお、酸素が本発明の酸化剤ガスに相当し、水素極、酸素極がそれぞれ、本発明の燃料極、酸化剤極に相当する。
アノード（水素極側）Ｈ2→２Ｈ＋＋２ｅ-
カソード（酸素極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
全体  Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
水素ガス供給経路２０は、燃料電池１０の水素ガス供給口１３に接続されている。水素ガス供給経路２０は、水素極２に供給される水素が通る経路である。水素ガス供給経路２０には、水素ガスが充填された水素ボンベ２５、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁２６および水素ガス供給経路２０を開閉する水素ガス供給経路開閉弁２７が設けられている。水素調圧弁２６および水素ガス供給経路開閉弁２７は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。
【００３６】
そして、燃料電池１０に水素を供給する際では、ＥＣＵ６１によって、水素ガス供給経路開閉弁２７が開弁されるとともに、水素調圧弁２６が調整されることで、供給される水素の圧力が所望の大きさとなる。
【００３７】
水素ガス排出経路２１は、燃料電池１０の水素ガス排出口１４に接続されている。水素ガス排出経路２１は、燃料電池１０から排出された起電反応に使用されなかった水素ガス等が通る経路である。水素ガス排出経路２１には、燃料電池１０に近い側から順に、熱交換器２２、気液分離器２３、水素ガス排出経路開閉弁２８が設けられている。水素ガス排出経路開閉弁２８は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。
【００３８】
そして、水素ガスを燃料電池１０から排出する際では、ＥＣＵ６１によって、水素ガス排出経路開閉弁２８が開弁される。これにより、水素ガス等が、燃料電池１０の水素ガス排出口１４から熱交換器２２、気液分離器２３を経由して、燃料電池システムの外部に放出される。
【００３９】
熱交換器２２は、水素ガス等と一緒に燃料電池１０の水素ガス排出口１４から排出された水蒸気を凝縮させためのものである。熱交換器２２としては一般的なものを用いることができる。熱交換器２２には、後述する冷却水経路５０が接続されており、本実施形態の熱交換器２２は、冷却水を用いて、水素ガス等を冷却するようになっている。なお、熱交換器２２を通る冷却水は、後述するように、一定の温度となっている。これにより、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる（水素ガスと一緒に排出された）水蒸気は、水となる。なお、この熱交換器２２が、本発明の凝縮手段に相当する。
【００４０】
気液分離器２３は、水素ガス排出経路２１中を通る水素ガス等（気体）から、水（液体）を分離するものである。気液分離器２３としては、一般的なものを用いることができる。また、気液分離器２３には、水回収タンク２４が接続されている。
【００４１】
水回収タンク２４は、気液分離器２３で水素ガス等から分離された水を回収するためのものである。水回収タンク２４には、図示しないが、タンク内の水分量を測定するセンサ部が設けられている。センサ部は、ＥＣＵ６１に向けて測定結果を出力するようになっている。このセンサ部が、本発明の水素ガスに含まれる水分量を測定する測定手段に相当する。なお、センサ部には、周知のセンサが用いられる。
【００４２】
さらに、水回収タンク２４には、水回収タンク２４に溜まった水を排水するための排水弁２９が接続されている。排水弁２９を開弁することで、水回収タンク２４に溜まった水が排水される。
【００４３】
空気供給経路３１は、燃料電池１０の空気供給口１１に接続されている。空気供給経路３１は、燃料電池１０の酸素極３に供給される空気が通る経路である。空気供給経路３１には、空気圧送用のポンプ（ガス圧縮機）３３が設けられている。
【００４４】
一方、空気排出経路３２は、燃料電池１０の空気排出口１２に接続されている。空気排出経路３２は、燃料電池１０から排出された空気が通る経路である。空気排出経路３２には、燃料電池１０の排出側の空気圧力を調整する空気調圧弁３４が設けられている。空気調圧弁３４は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。
【００４５】
そして、燃料電池１０に空気を供給する際では、ＥＣＵ６１によって、ポンプ３３が駆動され、空気調圧弁２６で空気圧が調整される。
【００４６】
また、空気供給経路３１と空気排出経路３２には、加湿器３５が設けられている。この加湿器３５は、燃料電池１０から排出される湿った排出空気に含まれる水分を用いてポンプ３３の吐出後の空気を加湿するものである。加湿器３５は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。そして、ＥＣＵ６１によって、加湿器３５が作動することで、燃料電池１０内の固体高分子膜１が、水分を含んだ湿潤状態に維持され、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようになっている。この加湿器３５が本発明の調整手段に相当する。
【００４７】
負荷４１は、電流センサ４２を介して、燃料電池１０と接続されている。負荷４１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）に適用した場合であれば、電動モータに相当する。電動モータ４１には、図示しないインバータを介して、燃料電池１０で発電した電力が供給される。
【００４８】
電流センサ４２は、燃料電池１０の出力電流値を測定するものである。電流センサ４２は、ＥＣＵ６１に接続されており、測定結果をＥＣＵ６１に向けて出力するようになっている。この電流センサ４２が本発明の電流量測定手段に相当する。
【００４９】
放熱器５１は、燃料電池１０を冷却するための冷却システム５０〜５３の一部である。冷却システムは、一般的なものである。冷却システムは、一般に、燃料電池１０は発電に伴って熱を生じるので、燃料電池１０の作動温度が起電反応に適した温度（例えば８０℃）に維持するように冷却するためのものである。しかし、本実施形態では、この冷却システムを、水素ガス排出経路２１中の水素ガス等を冷却するためにも用いている。
【００５０】
具体的には、冷却システムは、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路５０と、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ５２と、ファン５３を有する放熱器５１とを備えている。冷却水循環ポンプ５２および放熱器５１は冷却水経路５０内に配置されている。また、冷却水循環ポンプ５２およびファン５３は、ＥＣＵ６１によって制御されるようになっている。
【００５１】
冷却水経路５０の両端５０ａ、５０ｂのうち、一端５０ａは、燃料電池１０の冷却水出口に接続されており、他端５０ｂは、熱交換器２２を介して、燃料電池１０の冷却水入口に接続されている。冷却水は、燃料電池１０の冷却水入口から燃料電池１０の内部（各セル）に入り、燃料電池１０の冷却水出口から、冷却水経路５０に出るようになっている。本実施形態では、冷却水循環ポンプ５２によって、燃料電池１０の内部と、放熱器５１と、熱交換器２２との間で冷却水が循環するようになっている。
【００５２】
また、冷却水経路５０のうち、放熱器５１と燃料電池１０の冷却水出口側端部５０ａとの間には、燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４が配置されている。また、冷却水経路５０のうち、放熱器５１と熱交換器２２との間には、燃料電池入口側冷却水温度センサ５５が配置されている。燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４および燃料電池入口側冷却水温度センサ５５は、測定結果をＥＣＵ６１に出力するようになっている。
【００５３】
そして、ＥＣＵ６１によって、燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４および燃料電池入口側冷却水温度センサ５５による測定結果に基づいて、ファン５３の風量が制御されることで、冷却水の温度が一定に保たれるようになっている。
【００５４】
ＥＣＵ６１は、燃料電池システムにおける各種制御を行うものである。ＥＣＵ６１は、一般的なものであり、例えば、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ）等を有している。ＥＣＵ６１には、水回収タンク２４のセンサ部による測定結果や、電流センサ４２の測定結果や、燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４、燃料電池入口側冷却水温度センサ５５の側手結果等が入力されるようになっている。また、ＥＣＵ６１は、水素調圧弁２６、水素ガス供給経路開閉弁２７、水素ガス排出経路開閉弁２８、ポンプ３３、空気調圧弁３４、加湿器３５、冷却水循環ポンプ５２、ファン５３等に対して、作動指示信号（制御信号）を出力するようになっている。
【００５５】
また、ＥＣＵ６１は、燃料電池１０の内部の水分状態を診断するようになっている。そして、その診断結果に基づいて、ＥＣＵ６１は、燃料電池１０の内部の水分量が適正な状態に維持されるように、燃料電池システムの各種制御を行う。すなわち、ＥＣＵ６１は、燃料電池１０の内部の水分量を管理するものである。このＥＣＵ６１が本発明の判定手段、制御手段に相当する。
【００５６】
なお、燃料電池システムは、図示しないバッテリを有しており、ＥＣＵ６１は、このバッテリから給電されることで作動する。また、上記した燃料電システムを構成する各構成部は、燃料電池１０を除いて、燃料電池１０もしくは図示しないバッテリから給電されることで作動する。
【００５７】
次に、上記した構成の燃料電池システムの作動について説明する。本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０から排出されたガス中に含まれる水分により、燃料電池内部の水分診断を行い、燃料電池１０の内部の水分量を管理している。
【００５８】
まず、ＥＣＵ６１が行う燃料電池内部の水分診断の原理について説明する。本発明は、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量が、セル内の水分量によって、異なることに着目したものである。
【００５９】
燃料電池１０の電解質膜１の内部や、電解質膜１の近辺に存在する水分が多い場合、それらの水分が、供給された水素ガスに触れることで、蒸発するため、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量は多い。一方、燃料電池１０の電解質膜の内部や、電解質膜１の近辺に存在する水分が少ない場合、それらの水分が、供給された水素ガスに触れることで、蒸発するため、燃料電池１０の水素ガス排出口１４から排出される水素ガスに含まれる水分量は少ない。
【００６０】
図３に、所定時間内における燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量と、酸素極３への加湿器３５の加湿量との関係を示す。横軸の水分量は、所定時間における所定量の排気水素ガス中に含まれる水分量を示している。
【００６１】
具体的には、酸素極３への加湿器３５の加湿量が適正であり、電解質膜１の内部等における水分量が適正な状態である場合であっても、水素極２に水素ガスが供給されると、この水素ガスによって、電解質膜１の水素極２側の表面から、電解質中の水分が蒸発する。このため、図３中の中央部に示すように、起電反応に用いられなかった未反応水素ガスには、ある量の水蒸気（水分）が含まれる。
【００６２】
これに対して、酸素極３への加湿量が多いため、酸素極３の近傍に生成水が多く存在し、酸素極３の近傍における水分の排出が間に合わない場合、酸素極３の近傍に存在する水分が、電解質膜１に浸透し、電解質膜１に含まれる水分が増加する。また、その水分が電解質膜１を透過して、酸素極３から水素極２の近傍にも水分が移動する。このため、供給された水素ガスによって、電解質膜１の水素極２側の表面から蒸発する水分の量や、未反応水素ガスとともに排出される水の量が、セル内部における水分量が適正な状態よりも多くなる。したがって、図３中の右側部分に示すように、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量が、セル内部における水分量が適正な状態の時と比較して、多くなる。
【００６３】
一方、酸素極３への加湿量が少ないため、セル内部の水分が少ない場合、例えば、電解質膜１の水分が少ない場合では、供給された水素ガスによって、電解質膜１の水素極２側の表面から蒸発する水分の量が、セル内部における水分量が適正な状態よりも少ない。したがって、図３中に左側部分に示すように、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量は、セル内部における水分量が適正な状態の時と比較して、少ない。
【００６４】
なお、電解質膜１に同じ量の水分が含まれている場合であっても、供給された水素ガスの蒸気圧やガス流量が異なると、電解質膜１の水素極２側の表面から蒸発する水分の量は異なる。したがって、燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量は、供給された水素ガスの蒸気圧やガス流量によって、変動する。
【００６５】
以上のことから、セル内部の水分量が適切な状態の時における燃料電池１０から排出される水素ガスに含まれる水分量をあらかじめ調査し、マップデータを作成しておく。そして、燃料電池１０から排出された水分量を測定し、その測定値と、あらかじめ調査した適正な状態の時における水分量（判定基準しきい値６、７）とを比較することで、燃料電池１０の内部の水分状態を診断することができる。
【００６６】
上記したマップデータは、任意のｔ時間の間に水回収タンク２４で回収された水分量と、電流センサ４２で測定されたｔ時間での電流量の積算から算出した排気水素量および酸素極３での生成水量とに基づいて作成される。
【００６７】
すなわち、燃料電池内部の水分量が適正な状態である場合のｔ時間での排気水素量に対する回収された水分量の割合を調べる。そして、図３に示すように、燃料電池内部の水分量が適正な状態である場合の回収された水分量の最小しきい値６と、最大しきい値７とを算出する。このとき、最小しきい値６と、最大しきい値７を、生成水量毎に決定する。これは、生成水量によって、排気水素ガスに含まれる水分量が変化するからである。また、熱交換器２２による水蒸気の露点温度に基づいて、最小しきい値６と、最大しきい値７を決定する。水蒸気の露点温度によっても、排気水素ガスに含まれる水分量が変化するからである。
【００６８】
このようにして、作成されたマップデータは、ＥＣＵ６１が有するメモリに記憶されている。
【００６９】
次に、ＥＣＵ６１が実行する燃料電池１０の内部の水分管理処理について説明する。図４に、ＥＣＵ６１が実行する燃料電池１０の内部の水分管理処理のフローチャートを示す。なお、ステップ７１〜７８が水分診断処理である。また、図４に示す水分管理処理は、イグニッションスイッチがオンになったときに実行され、イグニッションスイッチがオフになったときに終了する。また、水分管理処理はイグニッションスイッチがオフになるまでの間、所定周期で繰り返し実行される。
【００７０】
まず、イグニッションスイッチがオンになると、燃料電池１０に反応ガスが供給され、燃料電池１０の発電が開始される。
【００７１】
そして、未反応水素ガスが燃料電池１０から水素ガス排出経路２１に排出される。この未反応水素ガスは、熱交換器２２で一定の温度に保たれた冷却水により冷却される。このため、未反応水素ガスに含まれる水蒸気が凝縮され、水となる。凝縮により生じたこの水は、気液分離器２３で、水素ガス等の気体と分離され、水回収タンク２４に回収される。なお、燃料電池１０の内部から液体の状態で排出された水分も、気液分離器２３を介して、水回収タンク２４に回収される。
【００７２】
水回収タンク２４では、センサ部によって水の量が測定され、その測定値がセンサ部からＥＣＵ６１に出力される。また、燃料電池１０から出力された電力の電流量が電流センサ４２によって測定されており、電流センサ４２から測定された電流値がＥＣＵ６１に出力される。
【００７３】
そこで、ステップ７１では、水回収タンク２４のセンサ部からＥＣＵ６１に入力された測定値から、所定時間（ｔ時間）内における水回収タンク２４に回収された水分量（水分回収量）が算出される。
【００７４】
ステップ７２では、電流センサ４２からＥＣＵ６１に入力された測定値から、同じ所定時間（ｔ時間）内における電流量が積算される。そして、その電流量の積算値から、同じｔ時間での排出水素量、生成水量が算出される。
【００７５】
ステップ７３では、ステップ７２で算出された排出水素量、生成水量の時における水回収タンク２４による水分回収量と燃料電池内部の水分状態との関係を示すマップデータが、メモリから読み出される。すなわち、排出水素量、生成水量が、ステップ７２で算出された数値の場合において、燃料電池内部の水分状態が適正であるときの水分回収量の上限値（最大しきい値）７と下限値（最小しきい値６）とが算出される。
【００７６】
ステップ７４では、ｔ時間における水回収タンク２４での水分回収量（排気水素ガス量に対する割合）が、ステップ７３で算出された水分回収量の下限値よりも小さいか否か判定される。回収タンク２４での水分回収量が下限値よりも小さい（ＹＥＳ）と判定された場合、ステップ７５で、燃料電池１０の内部が乾燥していると判定される。この場合、さらに、ステップ７９、８０が実行される。一方、回収タンク２４での水分回収量が下限値よりも小さくない（ＮＯ）と判定された場合、ステップ７６に進む。
【００７７】
ステップ７６では、ｔ時間における水回収タンク２４での水分回収量が、ステップ７３で算出された水分回収量の上限値よりも大きいか否か判定される。回収タンク２４での水分回収量が上限値よりも大きい（ＹＥＳ）と判定された場合、ステップ７７で、燃料電池１０の内部が水分過多の状態であると判定される。この場合、さらに、ステップ８１、８２が実行される。一方、回収タンク２４での水分回収量が上限値よりも大きくない（ＮＯ）と判定された場合、ステップ７８で燃料電池１０の内部の水分状態は適正であると判定される。この場合、ＥＣＵ６１は、ステップ７９〜８１のような燃料電池１０の内部の水分を調整する制御を行わずに、水分管理処理の一周期分が終了する。
【００７８】
燃料電池１０の内部が乾燥していると判定された場合、ステップ７９で、加湿器３５に対して、空気への加湿量を増加させる旨の指示信号が出力される。これにより、加湿器３５によって、燃料電池１０に供給される空気の加湿量が増加され、燃料電池１０の内部の水分量が増加される。
【００７９】
さらに、ステップ８０で、空気供給経路３１に設けられたポンプ３３に対して、燃料電池１０への空気の供給量を減少させる旨の指示信号が出力される。これにより、ポンプ３３は、燃料電池１０への空気の供給量を減少させる。ここで、空気の供給量が多い場合では、固体高分子膜１の近傍や、固体高分子膜１の表面から水分が蒸発しやすい。したがって、燃料電池１０への空気の供給量を減少させることで、燃料電池１０の内部からの水分の蒸発が抑制される。
【００８０】
一方、燃料電池１０の内部が水分過多であると判定された場合、ステップ８１で、加湿器３５に対して、空気への加湿を停止させる旨の指示信号が出力される。これにより、加湿器３５が停止し、燃料電池１０に加湿されていない空気が供給される。この結果、加湿されていない空気により、燃料電池１０の内部の水分が蒸発し、燃料電池１０の内部の水分量が減少される。
【００８１】
さらに、ステップ８２で、空気供給経路３１に設けられたポンプ３３に対して、燃料電池１０への空気の供給量を増加させる旨の指示信号が出力される。これにより、ポンプ３３は、燃料電池１０への空気の供給量を増加させる。この結果、燃料電池１０の内部における水分の蒸発が促進され、燃料電池１０の内部からの水分排出量が増加される。
【００８２】
なお、一般に、反応ガスの供給量の増加に伴って、燃料電池の出力が増加するため、生成水の量も増加する。しかし、本実施形態では、燃料電池１０に対して、起電反応に必要な空気よりも過剰の量の空気を供給している。このため、空気の供給量が起電反応に必要な量よりも多い場合での供給量の増減は、生成水の量に特に寄与せず、むしろ、燃料電池内部の水分の蒸発量に寄与する。
【００８３】
本実施形態では、上記したように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素ガス排出経路２１に設けられた熱交換器２２で、燃料電池１０から排出された水素ガス等を冷却し、水素ガス中に含まれる水蒸気を凝縮させている。凝縮により生成した水を、気液分離器２３で、気体と分離させ、水回収タンク２４で回収している。さらに、水回収タンク２４のセンサ部で水分回収量を測定している。
【００８４】
そして、ＥＣＵ６１は、ステップ７１〜７８に示すように、水回収タンク２４のセンサ部による水分回収量の測定結果に基づいて、燃料電池１０の内部の水分量を診断している。すなわち、ステップ７１で、ｔ時間内における水回収タンク２４の水分回収量を算出し、ステップ７２で、ｔ時間内における電流量から、ｔ時間での排出水素量、生成水量を算出する。続いて、ステップ７３で、ステップ７２で算出された排出水素量、生成水量の時における水分回収量と燃料電池内部の水分状態との関係を示すマップデータを読み出す。その後、ステップ７４、７６で、測定した水分回収量と、マップデータとを比較することで、燃料電池１０の内部の水分状態を診断（ステップ７５、７７、７８）している。
【００８５】
ここで、上記したように、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内部の水分量に応じて変化する。
【００８６】
また、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内部の水分量に応じてのみ変化する。すなわち、水素ガスに含まれる水分量は、上記背景技術の欄に記載した従来技術において、水分診断の対象とされていた反応ガスの圧力のように、燃料電池内部の水分量の他に、負荷４１の状況によって変化することはない。
【００８７】
言い換えると、上記した従来技術では、負荷が過渡的に変化して、燃料電池の出力が変化した場合、起電反応に使用される反応ガスの量も変化するため、燃料電池の内部での反応ガスの圧力が、燃料電池の内部の水分量に関係なく変化する。このため、上記した従来技術では、負荷が過渡的に変化した場合に、このことを考慮して、燃料電池１０の内部の水分状態を診断することができなかった。
【００８８】
これに対して、本実施形態では、供給された反応ガス（水素ガス）の量に対する水回収タンク２４に回収される水分量を測定していることから、負荷が過渡的に変化し、起電反応に使用される水素ガスの量が変化しても、それを考慮して、燃料電池１０の内部の水分状態を診断することができる。
【００８９】
また、水素ガスに含まれる水分量は、燃料電池内の反応ガスの圧力を一定に制御しても、それによって、変化することはない。
【００９０】
したがって、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池システムを負荷が過渡的に変化する状況で使用した場合や、燃料電池内部における反応ガスの圧力を一定に制御する燃料電池システムに適用した場合においても、燃料電池内部の水分状態を従来技術よりも的確に診断することができる。
【００９１】
また、本実施形態では、燃料電池出口側冷却水用温度センサ５４および燃料電池入口側冷却水温度センサ５５からＥＣＵ６１に入力された冷却水の測定温度に基づいて、ファン５３をＥＣＵ６１で制御して、冷却水を一定の温度に維持している。すなわち、本実施形態では、熱交換器２２において、水蒸気の露点温度を一定にして、水蒸気を凝縮している。
【００９２】
ここで、かりに露点温度が一定でない場合、水素ガス中に同じ量の水蒸気が含まれていても、凝縮により生じる水の量が異なってしまう。このため、この場合では、燃料電池内部の水分量を的確に診断することができない。
【００９３】
これに対して、本実施形態のように、露点温度を一定にして、水蒸気を凝縮することで、水素ガス中に同じ量の水蒸気が含まれている場合、凝縮によって生じる水の量を常に一定にすることができる。したがって、本実施形態によれば、燃料電池内部の水分量を的確に診断することができる。
【００９４】
また、本実施形態では、上記した燃料電池１０の内部における水分状態の診断結果に応じて、ＥＣＵ６１により、ポンプ３３や加湿器３５を制御している。これにより、燃料電池１０の内部の水分量を適切な量に調整することができる。
【００９５】
（第２実施形態）
図５に、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す。本実施形態は、燃料電池への水素ガスの供給方法が、第１実施形態と異なるものである。なお、図５では、図１と同様の構成部に、図１と同じ符号を付している。
【００９６】
第１実施形態では、いわゆる水素閉塞型の燃料電池システムに本発明を適用した場合を説明したが、第２実施形態では、いわゆる水素循環供給型の燃料電池システムに本発明を適用した場合を説明する。
【００９７】
本実施形態では、図５に示すように、燃料電池１０における空気供給口１１、空気排出口１２、水素ガス供給口１３、水素ガス排出口１４の位置や、水素ガス排出経路開閉弁２８が燃料電池１０の水素ガス排出口１４と熱交換器２２との間に配置されている点が、図１に示す第１実施形態の燃料電池１０と異なっている。
【００９８】
また、図５に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、水素ガス排出経路２１が水素ガス供給経路２０のうち、水素ボンベ２５よりも燃料電池１０側の部位に接続されている。これにより、燃料電池１０から排出された水素ガスが再び、水素ガス供給経路２０を通って、燃料電池１０に供給される。
【００９９】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、燃料電池１０から排出された水素ガスに含まれる水分量を測定することで、燃料電池１０の内部の水分診断を行う。したがって、第１実施形態で説明した理由と同様の理由により、燃料電池内の反応ガスの圧力が一定となるように、燃料電池内の反応ガスの圧力が調整されるいわゆる水素循環供給型の燃料電池システムにおいても、本発明を適用することができる。
【０１００】
（他の実施形態）
第１、第２実施形態では、酸素のみを加湿して、酸素および水素を供給する場合を説明したが、水素ガス供給経路２０に加湿器を設け、水素のみ、また、酸素と水素の両方に対して加湿することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】図１中の燃料電池１０における単セルの構成を示す断面図である。
【図３】所定時間内における排気水素ガス中の水分量と加湿器による加湿量との関係を示す図である。
【図４】図１中のＥＣＵ６１が実行する燃料電池１０の内部の水分管理処理を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、２１…水素ガス排出経路、
２２…熱交換器、２３…気液分離器、２４…水回収タンク、
２５…水素ボンベ、２６…水素調圧弁、２７…水素ガス供給経路開閉弁、
２８…水素ガス排出経路開閉弁、２９…排水弁、３１…空気供給経路、
３２…空気排出経路、３３…ポンプ、３４…空気調圧弁、３５…加湿器、
４１…負荷、４２…電流センサ、５０…冷却水経路、５１…放熱器、
５２…冷却水循環ポンプ、５３…ファン、
５４…燃料電池出口側冷却水用温度センサ、
５５…燃料電池入口側冷却水温度センサ、６１…ＥＣＵ。
【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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