(57)【要約】【課題】  燃料電池システムにおいて、セル内水分過多状態が検出された場合に、短時間で水分状態を適正化できるようにする。【解決手段】  セパレータ１３０内の空気流路１３１に対向して配置された２本の導線５０と、２本の導線５０間を開閉するスイッチ６０と、スイッチ６０の作動を制御する制御部４０と、２本の導線５０間が開放状態のときに導線５０間の静電容量を検出する検出回路７０と、２本の導線５０間が短絡状態のときに導線５０に電力を供給して発熱させる加熱制御回路８０とを備え、２本の導線５０は、静電容量センサとして機能するとともにヒータとしても機能するようになっている。セル内水分過多状態が検出された場合には、導線５０を発熱させることにより、セル内を速やかに乾燥させることができる。【選択図】        図３
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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セル（１００）を有する燃料電池（１０）と、
前記セル内に対向して配置された２本の導線（５０）と、
前記２本の導線間の短絡・開放を切り替え制御する切替制御手段（４０、６０）と、
前記２本の導線間が開放状態のときに前記導線間の静電容量を検出する検出手段（７０）と、
前記２本の導線間が短絡状態のときに前記導線に電力を供給して発熱させる加熱制御手段（８０）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】
前記切替制御手段（４０、６０）は、前記２本の導線（５０）間を開閉するスイッチ（６０）と、前記スイッチの作動を制御する制御部（４０）とを備え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】
前記セル（１００）は、前記ガスの流路（１３１）が形成されたセパレータ（１３０）を備え、前記セパレータ内のガスの流路に前記導線（５０）が配置されてい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】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
多数のセルを積層して構成された燃料電池を備える燃料電池システムでは、水素や酸素が流れるセル内ガス流路中における液滴滞留や、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。したがって、セル内部の水分状態を検出し、その検出結果に基づいてセル内部の水分状態を適切に制御する必要がある。セル内部の水分状態の検出方法としては、セル電圧から間接的に推定するものや、静電容量式センサで直接的に検出するもの等が提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の装置では、セル内水分過多状態が検出された場合には、加湿器による加湿量を低減して水分状態を適正化するようにしているが、それだけでは水分状態が適正になるまでに時間がかかるという問題があった。
【０００４】
本発明は上記点に鑑みて、セル内水分過多状態が検出された場合に、短時間で水分状態を適正化できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、セル内に対向して配置された２本の導線（５０）と、２本の導線間の短絡・開放を切り替え制御する切替制御手段（４０、６０）と、２本の導線間が開放状態のときに導線間の静電容量を検出する検出手段（７０）と、２本の導線間が短絡状態のときに導線に電力を供給して発熱させる加熱制御手段（８０）とを備えることを特徴とする。
【０００６】
これによると、水分量の増加に伴って静電容量も増加するため、２本の導線により静電容量に基づいてセル内水分状態を検出することができる。そして、セル内水分過多状態が検出された場合には、セル内に配置された２本の導線を発熱させることにより、セル内を速やかに乾燥させることができる。
【０００７】
また、例えば燃料電池を低温で起動する場合に、２本の導線を発熱させて燃料電池を昇温させることにより、燃料電池の低温起動を容易にすることができる。
【０００８】
また、２本の導線は、静電容量センサとして機能するとともにヒータとしても機能するため、少ない搭載スペースで且つ低コストにて実施することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明のように、切替制御手段（４０、６０）は、２本の導線（５０）間を開閉するスイッチ（６０）と、スイッチの作動を制御する制御部（４０）とを備えることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、セル（１００）は、ガスの流路（１３１）が形成されたセパレータ（１３０）を備え、セパレータ内のガスの流路に導線（５０）が配置されていることを特徴とする。
【００１１】
これによると、セパレータ内のガスの流路に導線を配置しているため、導線がヒータとして機能する際にはガスを直接加熱することができ、したがって、セル内を一層速やかに乾燥させることができる。
【００１２】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は本発明の一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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、基本単位となるセル（詳細後述）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。
【００１６】
（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。
【００１７】
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。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。
【００１８】
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が設けられている。
【００１９】
図２は燃料電池１０を構成するセル１００の要部の構成を示す図、図３はセル１００におけるセパレータ１３０および電気回路部の構成を示す図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図、図５は図３の導線５０の断面図である。
【００２０】
図２に示すように、セル１００は、電解質膜１１０、拡散層１２０、セパレータ１３０等を備えている。セパレータ１３０は、ガスが透過しない導電性部材（例えばカーボン材）にて形成されており、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を有している。
【００２１】
図３および図４に示すように、セパレータ１３０における拡散層１２０と対向する面には、空気が通過するセル内空気流路１３１、空気入口１３２、空気出口１３３が形成されている。セル内空気流路１３１は、本発明のガスの流路に相当する。
【００２２】
セル内空気流路１３１内には、２本の導線５０が対向して配置されている。導線５０は、図５に示すように、導体５１が電気絶縁性の皮膜５２にて覆われている。この導体５１の断面形状は、丸でも四角でもよい。導線５０は、並行平板コンデンサとして導線５０間の静電容量に応じた電気信号を出力する静電容量センサの機能を有するとともに、電流を流すことにより発熱するヒータとしても機能するようになっている。因みに、図６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ため、静電容量を検出することにより水分量を検出することができる。
【００２３】
図３および図４に戻り、２本の導線５０の両端はセパレータ１３０の外に導かれている。２本の導線５０の一端側には、２本の導線５０間を開閉するスイッチ６０が接続されており、スイッチ６０の作動は後述する制御部４０によって制御されるようになっている。スイッチ６０と制御部４０により、本発明の切替制御手段を構成している。
【００２４】
２本の導線５０の他端側には、検出回路７０および加熱制御回路８０が接続されている。検出回路７０は、２本の導線５０間がスイッチ６０にて開放状態とされているときに、導線５０間の静電容量に応じた電気信号に基づいてセル１００内の水分状態を検出するものであり、本発明の検出手段に相当する。
【００２５】
加熱制御回路８０は、図示しない電源から導線５０に電力を供給する電力供給回路を開閉するもので、２本の導線５０間がスイッチ６０にて短絡状態とされているときに、電力供給回路を閉じて導線５０に電力を供給することにより、導線５０を発熱させるようになっている。加熱制御回路８０は、本発明の加熱制御手段に相当する。
【００２６】
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、検出回路７０からの水分量信号、および燃料電池１０の温度を検出する温度センサ（図示せず）からの燃料電池温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、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、スイッチ６０および加熱制御回路８０に制御信号を出力する。
【００２７】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を図７に基づいて説明する。図７は制御部４０にて実行される制御処理のうち、水分量信号および燃料電池温度信号に基づいて、燃料電池１０の内部の水分量や燃料電池１０の温度を制御する処理の部分の流れ図である。
【００２８】
図７において、まず、検出回路７０からの水分量信号および温度センサからの燃料電池温度信号を入力する（Ｓ１０１）。そして、燃料電池１０を低温で起動する時のように、燃料電池１０の温度が閾値（例えば１０℃）未満の場合には（Ｓ１０２がＮＯ）、導線５０をヒータして機能させる（Ｓ１０３）。具体的には、スイッチ６０にて２本の導線５０間を短絡状態にするとともに加熱制御回路８０にて電力供給回路を閉じて導線５０に電力を供給し、これにより、導線５０を発熱させて燃料電池１０を昇温させ、燃料電池１０の低温起動を容易にする。
【００２９】
一方、燃料電池１０の温度が閾値以上の場合には（Ｓ１０２がＹＥＳ）、スイッチ６０にて２本の導線５０間を開放状態にするとともに加熱制御回路８０にて電力供給回路を開いて導線５０への電力供給を停止し（Ｓ１０４）、これにより、導線５０のヒータしての機能を停止させる。
【００３０】
次に、セル内の水分量が閾値以上、すなわちセル内水分過多状態の場合には（Ｓ１０５がＹＥＳ）、セル内を乾燥させる運転を行う（Ｓ１０６）。具体的には、導線５０をヒータとして機能させてセル内の水分を蒸発させ、水分を燃料電池１０の外部に排出させる。また、加湿器２２による空気への加湿量を減少させるとともに、加湿器３３による水素への加湿量を減少させる。一方、セル内の水分量が閾値未満、すなわちセル内水分過多状態でない場合には（Ｓ１０５がＮＯ）、セル内を乾燥させる運転を停止する（Ｓ１０７）。
【００３１】
本実施形態では、セル内水分量の検出結果に基づいてセル内水分量を制御しているため、セル内水分過多による燃料電池１０の出力低下を防止できる。
【００３２】
また、燃料電池１０を低温で起動する場合に、導線５０を発熱させて燃料電池１０を昇温させているため、燃料電池１０の低温起動が容易である。
【００３３】
また、導線５０は、静電容量センサとして機能するとともにヒータとしても機能するため、少ない搭載スペースやコストにて実施することができる。
【００３４】
また、セル内空気流路１３１に導線５０を配置しているため、導線５０がヒータとして機能する際には空気を直接加熱することができ、セル内を速やかに乾燥させることができる。
【００３５】
また、セル電圧からセル内水分量を推定する場合は、セル内水分量が過多あるいは過小と推定可能な時点ではすでに状況が悪化（燃料電池１０の出力低下発生等）しており、状況悪化後に対処することになるのに対し、静電容量式センサの場合は、状況悪化前にセル内水分量の過多あるいは過小を検出できるため、全てのセルの水分量をシーケンシャルに観測しても、状況悪化前にセル内水分量を適正値に制御することができる。
【００３６】
また、静電容量式センサの場合は、センサである導線５０と検出回路７０とを交流結合することにより、検出回路７０の耐圧を下げることができる。
【００３７】
なお、導線５０は、一部のセルのみに配置してもよいし、あるいは全てのセルに配置して全てのセルの水分状態を検出するようにしてもよい。導線５０は、セル内空気流路１３１の空間からはみ出なければ、どのように配置してもよい。導線５０は、セパレータ１３０内に埋め込んでもよい。２本の導線５０を途中で分割して、例えばセル上側と下側を分けて水分状態を検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【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】図１の燃料電池１０を構成するセル１００の要部の構成を示す図である。
【図３】図２のセル１００におけるセパレータ１３０および電気回路部の構成を示す図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図５】図３の導線５０の断面図である。
【図６】静電容量と水分量との関係を示す図である。
【図７】第１実施形態の水分量制御処理および温度制御処理の流れ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０…燃料電池、４０…制御部（切替制御手段）、５０…導線、６０…スイッチ（切替制御手段）、７０…検出回路（検出手段）、８０…加熱制御回路（加熱制御手段）、１００…セル。
【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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