(57)【要約】【課題】燃料電池の水バランスをより正確に制御する。【解決手段】燃料電池に供給されるエアの供給条件を表すパラメータとしてエア流量ｑ1またはエア圧力Ｐを考慮して冷却水の温度差の目標値ΔＴtagを決定する。この場合、冷却水出口における当該冷却水の温度を基準とし、燃料電池からの排水量が所定量となるように冷却水入口における当該冷却水の温度ΔＴoutを決定することができる。例えば、燃料電池からの排水量を当該燃料電池における生成水量と等しくすることによって水収支バランスをとることができる。【選択図】図３
2007123095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の冷却水出入口における水の温度差を制御するための燃料電池における冷却水温度制御方法であって、
前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給条件に基づいて前記水の温度差を決定することを特徴とする燃料電池における冷却水温度制御方法。
【請求項２】
前記酸化ガスの供給条件を表すパラメータとして、酸化ガス流量または酸化ガス圧力を考慮して前記水の温度差を決定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法。
【請求項３】
冷却水出口における当該冷却水の温度を基準とし、燃料電池からの排水量が所定量となるように冷却水入口における当該冷却水の温度を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法。
【請求項４】
前記排水量を、当該燃料電池における生成水量と等しくして水収支バランスをとることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法。
【請求項５】
前記排水量を、当該燃料電池における生成水量と異ならせることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法。
【請求項６】
燃料電池が発電する電流の大きさを計測する電流計測手段と、
前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給条件を検出する酸化ガス供給条件検出手段と、
前記燃料電池の冷却水出口における当該冷却水の温度を計測する温度計測手段と、
前記冷却水出口における冷却水温度に対する単位体積あたりの前記酸化ガスの飽和水蒸気量を記憶する記憶手段と、
前記計測した電流の大きさから求められる前記燃料電池内の生成水量、前記酸化ガス供給条件、および前記酸化ガスの飽和水蒸気量に基づいて前記燃料電池の冷却水入口における当該冷却水の温度の目標値を算出する計算手段と、
を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記酸化ガス供給条件検出手段は、前記酸化ガスの圧力を計測する酸化ガス圧力計測手段であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記酸化ガス供給条件検出手段は、前記燃料電池における前記酸化ガスの流量を計測する酸化ガス流量計測手段であることを特徴とする請求項６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、燃料電池における冷却水温度制御方法、および燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池に供給される冷却水の温度を制御するための技術の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を冷却するための冷却水を当該燃料電池と放熱器との間で循環させる場合に、燃料電池内における生成水をオフガス（未反応の反応ガス）中に水蒸気として気相で排出（排水）するべく、ウォータポンプを利用する等により、冷却水出入口温度差（燃料電池への入口における冷却水温度と燃料電池からの出口における冷却水温度との差）を所定値に制御する、あるいは積極的に差を設けるといった手法が実施されている（例えば、特許文献１参照）。また、この際、燃料電池の電流あるいは出力に応じて当該冷却水出入口温度差を可変としている場合もある。
【特許文献１】特開２００３−１７１０５号公報
【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、燃料電池内の水を排出するにあたっては、酸化ガス系（例えばエア系）における水分のバランスが重要であるにもかかわらず上述のごとき制御手法では水分のバランスが十分たり得ないという問題がある。すなわち、燃料電池内における水が酸素極（カソード極）側で生成されることからすれば、燃料電池における水収支のバランス（生成水も含めた燃料電池内の水収支のバランス）を考慮するにあたっては供給エア系における水分のバランスが重要であるにもかかわらず、上述のように電流（あるいは出力）に応じて冷却水出入口温度差を可変としているだけではこの点で不十分である。また、実際問題として、水収支を正確に制御することができなければ、燃料電池内においてフラッディングあるいはドライアップ（電解質膜の乾燥）といった水分の過不足に起因する問題が生じるおそれがある。
【０００４】
そこで、本発明は、燃料電池の水バランスをより正確に制御することを可能とした燃料電池における冷却水温度制御方法、および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】
【０００５】
かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討を行った。燃料電池の発電の際に酸素極側で水が生成されることからすれば特に供給エア系における水分のバランスが重要となるのは上述したとおりであるが、冷却水出入口温度の制御の実際は温度差を積極的に設けるといった定性的なものに過ぎず、より具体的に定量的な判断を加えるには至っていないのが実情である。そこでこのような観点からさらに検討を進めると、燃料電池における生成水量は確かに発電量（電流の大きさ）によって定まるものではあるが、供給エア系（供給酸化ガス系）の水分のバランスという観点からは電流以外にも考慮すべきパラメータがあるとの知見を得るに至った。
【０００６】
本発明はかかる知見に基づくもので、請求項１に記載の発明は、燃料電池の冷却水出入口における水の温度差を制御するための燃料電池における冷却水温度制御方法であって、前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給条件に基づいて前記水の温度差を決定することを特徴とするものである。
【０００７】
この場合、請求項２に記載の発明のごとく、前記酸化ガスの供給条件を表すパラメータとして、酸化ガス流量または酸化ガス圧力を考慮して前記水の温度差を決定することができる。
【０００８】
燃料電池スタック内の水バランスは、酸化ガス供給（例えばエア供給）の条件によって変化することから、酸化ガス供給条件を考慮しないと水収支を正確に制御することが難しい。この点についてさらに検討を進めた本発明者は、そもそも、燃料電池からの排出水分量（持去り水量）は酸化ガス体積流量の大小に応じて変化すること、また、温度によって飽和蒸気圧が変化するため持去り水量も変化することからすれば、酸化ガス体積流量と温度も考慮する必要があると考えた。つまり、例えば酸化ガス流量が多くなればその分だけ単位体積あたりの持去り水量も多くなるから、これを考慮することにより現実の水収支に即して燃料電池内の水バランスを考慮することが可能となる。この点、本発明においては、上述のように酸化ガスの供給条件を考慮し、これをパラメータとして水の温度差を決定することから、これら条件を踏まえて水バランスがより向上する状態にて運転を実施することが可能となる。
【０００９】
具体的には、例えば酸化ガス流量の大小に応じて飽和蒸気量（ひいては持去り水量）が異なってくる（図２参照）。そこで、酸化ガス流量（あるいは酸化ガス圧力）をパラメータとし、この条件も加味したうえで冷却水の出入口温度差（ΔＴ）を算出し設定する。こうした場合、電流以外にも考慮すべき要素を踏まえて冷却水温度を設定ないしは制御することができるから、燃料電池内における水バランスを従来よりも正確に制御することが可能となる。
【００１０】
ここで、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池における冷却水温度制御方法において、冷却水出口における当該冷却水の温度を基準とし、燃料電池からの排水量が所定量となるように冷却水入口における当該冷却水の温度を決定するというものである。例えば冷却水出口における冷却水温度が一定である場合、上述のようにして求めた出入口温度差（ΔＴ）に基づいて冷却水入口における冷却水温度を算出して設定することができる。
【００１１】
この場合、請求項４に記載の冷却水温度制御方法のように、前記排水量を、当該燃料電池における生成水量と等しくして水収支バランスをとることができる。生成水量と等しい排水量（持去り水量）を算出して制御することとすれば、水収支を等しくして燃料電池内における水バランスを正確に保つことができるようになる。
【００１２】
あるいは、請求項５に記載の冷却水温度制御方法のように、前記排水量を、当該燃料電池における生成水量と異ならせることとしてもよい。例えば、燃料電池内における含水量が所定量（理想的な量）よりも低く、水分を適宜増やすことによって適正化したい場合であれば、排水量が生成水量を下回るように出入口温度差（ΔＴ）の設定を変更し、水分を増やすことによって水バランスを適正化することが可能である。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明である燃料電池システムは、燃料電池が発電する電流の大きさを計測する電流計測手段と、前記燃料電池に供給される酸化ガスの供給条件を検出する酸化ガス供給条件検出手段と、前記燃料電池の冷却水出口における当該冷却水の温度を計測する温度計測手段と、前記冷却水出口における冷却水温度に対する単位体積あたりの前記酸化ガスの飽和水蒸気量を記憶する記憶手段と、前記計測した電流の大きさから求められる前記燃料電池内の生成水量、前記酸化ガス供給条件、および前記酸化ガスの飽和水蒸気量に基づいて前記燃料電池の冷却水入口における当該冷却水の温度の目標値を算出する計算手段と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
燃料電池内の水分が例えばオフガスに気相として排出される場合、水の排出量すなわち排水量（換言すればガスによる持去り水量）は、酸化ガス流量や酸化ガス圧力によって変化する。つまり、例えば酸化ガス流量が多くなればその分だけ単位体積あたりの持去り水量も多くなるから、これを考慮することにより現実の水収支に即して燃料電池内の水バランスを考慮することが可能となる。この点、本発明においては、上述した各手段を用いて電流、酸化ガス供給条件そして冷却水出口温度を検出し、酸化ガス供給条件を考慮しつつ、これをパラメータとして水の温度差を決定することから、これら条件を踏まえて水バランスがより向上する状態にて運転を実施することが可能となる。
【００１５】
これについて具体的に説明すると、例えば酸化ガス流量の大小に応じて飽和蒸気量（ひいては持去り水量）が異なってくるので（図２参照）、この酸化ガス流量（あるいは酸化ガス圧力であっても同様）をパラメータとし、この条件も加味したうえで冷却水の出入口温度差（ΔＴ）を算出し設定する。こうした場合、電流以外にも考慮すべき要素を踏まえて冷却水温度を設定ないしは制御することができるから、燃料電池内における水収支を従来よりも正確に制御することが可能となる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおける前記酸化ガス供給条件検出手段が前記酸化ガスの圧力を計測する酸化ガス圧力計測手段であるというものである。この燃料電池システムにおいては、計測した酸化ガス圧力をパラメータとして冷却水の出入口温度差（ΔＴ）を算出し、設定することができる。
【００１７】
さらに、請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の燃料電池システムにおける前記酸化ガス供給条件検出手段が前記燃料電池における前記酸化ガスの流量を計測する酸化ガス流量計測手段であるというものである。この燃料電池システムにおいては、計測した酸化ガス流量をパラメータとして冷却水の出入口温度差（ΔＴ）を算出し、設定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池内の水バランスを従来よりも正確に制御することが可能となる。また、これにより、従来ならば起こり得たフラッディングあるいはドライアップといった現象を抑制することが可能となるから、電圧低下といった問題が生じるのを抑え、ひいては燃料電池自体の寿命長期化（延命）を図ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
図１〜図３に本発明にかかる燃料電池システムおよび冷却水温度制御方法の一実施形態を示す。本実施形態における燃料電池システム１は、燃料電池２０の冷却水出入口における水の温度差を制御する場合に、当該燃料電池２０に供給される酸化ガス（例えば空気であり、本実施形態では「エア」ともいう）の供給条件に基づいて冷却水の温度差を決定するというものである。このようにエア供給条件を考慮するにあたっては、例えばエア流量をパラメータとすることができるし、あるいはエア圧力をパラメータとすることができる。以下に示す実施形態では、まず燃料電池システム１の概略から説明し、その後に冷却水温度制御方法の詳細について説明することとする。
【００２１】
図１に本実施形態にかかる燃料電池システム１の概略構成を示す。本実施形態に示す燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるが、これに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム等としても用いることができるのは当然である。また、燃料電池セルスタック（以下、単に燃料電池ともいう）２０は、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を有するものであり、例えば固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。
【００２２】
図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路（酸化ガス供給路）７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出するエア圧力計測手段としての圧力センサＰ４、および空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。また、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出するためのエア流量計測手段としての流量計（エアフローメータ）Ａ２が設けられている。なお、ここでは流量計Ａ２を使用する場合を例示しているが、これ以外として、例えばエアコンプレッサＡ３の回転数からエア体積流量を求めること等も可能である。
【００２３】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、および加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。
【００２４】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数および圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００２５】
また、本実施形態における燃料電池システム１は、記憶手段と計算手段とを備えた構成となっている。これらのうち、記憶手段は、燃料電池２０における冷却水出口における冷却水温度に対する単位体積あたりのエアの飽和水蒸気量をマップとして記憶するものとして機能する。また、計算手段は、燃料電池２０の冷却水入口における当該冷却水の温度の目標値を算出するものとして機能する。このような記憶手段や計算手段は、例えば図示しないＥＣＵ（Electric Control Unit）や上述の制御装置５０の演算処理装置などによって構成されている。
【００２６】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源（燃料供給源）３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等が該当する場合もある。
【００２７】
燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、および水素ガスの燃料電池２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００２８】
水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であってもよい。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。
【００２９】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路（燃料ガス循環路）７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、および逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。
【００３０】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に送信される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００３１】
水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００３２】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。
【００３３】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサ（つまり、燃料電池２０の冷却水出口における当該冷却水の温度を計測する温度計測手段）Ｔ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、および燃料電池２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ（燃料電池２０の冷却水入口における当該冷却水の温度を計測する温度計測手段）Ｔ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００３４】
燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックによって構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータなどが備えられている。燃料電池システム１には、燃料電池２０が発電する電流の大きさを計測するための電流計測手段としての電流計２１が設けられている（図１参照）。
【００３５】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。なお、この制御部５０は、例えば図示はしていない制御コンピュータシステムによって構成されている。制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェースおよびディスプレイなどといった公知の構成から成り、例えば市販されている制御用コンピュータシステムによって構成されている。
【００３６】
なお、本実施形態の燃料電池システム１は、移動体（例えば燃料電池自動車）の制動時における余剰回生電力を上述のエアコンプレッサＡ３によって消費することができる構成となっている。すなわち、二次電池等の蓄電手段を備えた構成の移動体（燃料電池自動車）においては、例えば下り坂道にて駆動モータを回生させることによりエンジンブレーキ相当のトルクを発生させており、このとき発生する回生エネルギーは上述の蓄電手段に蓄積することとしている。ところが、充電容量を超えた場合には他の方法でエネルギーを消費する必要が生じることから、例えば本実施形態においてはエアコンプレッサＡ３を回転させることによって余分な回生エネルギーを消費し、これによって安定したブレーキトルクが得られるようにしている。
【００３７】
さらに、本実施形態にかかる燃料電池システム１は、燃料電池２０の冷却水出入口における水の温度差を制御する際、上述した構成に基づき、燃料電池に供給されるエア（酸化ガス）の供給条件に基づいて水の温度差を決定することとしている。ここでいうエアの供給条件を表すパラメータとしては、例えば、エア流量計測手段としての流量計Ａ２によって検出されるエア流量、あるいはエア圧力計測手段としての圧力センサＰ４によって検出されるエア圧力を利用することができる。また、この場合においては、燃料電池２０の冷却水出口における当該冷却水の温度を基準とし、燃料電池２０からの排水量（持去り水量）が所定量となるように冷却水入口における当該冷却水の温度を決定することができる。以下、グラフやフローチャート、数式も用いて説明する（図２、図３等参照）。
【００３８】
以下に示す本実施形態においては、まず、エア系の水分バランスを保つため、
（エアが受け取る水量）＝（燃料電池生成水量）
という関係を成立させることとする。すなわち、燃料電池２０からの排水量（持去り水量）を、当該燃料電池２０における生成水量と等しくして燃料電池２０内の水収支のバランスを考慮することとし、燃料電池２０内においてフラッディングあるいはドライアップ（電解質膜の乾燥）といった水分の過不足に起因する問題が生じないようにする。
【００３９】
ここで、「エアが受け取る水量」、「出口エアの飽和水蒸気量」、「入口エアの水蒸気量」との間には、
【数１】
2007123095.tif 000003
という関係が成立する。なお、Ｐ(Ｔ)は温度Ｔ［Ｋ］における飽和蒸気圧、ａは入口エアの湿度、Ｒは気体定数を表している。また、添字のinとoutはそれぞれ燃料電池２０への入口、燃料電池２０からの出口を表している。
【００４０】
さらに、ここで
［数２］
（燃料電池の生成水）＝αＩ
である（ただし、αは比例定数、Ｉは燃料電池２０の電流指令値（あるいは目標値）［Ａ］）から、これより、
【数３】
2007123095.tif 000004
と表すことができる。
【００４１】
この数式３中、
【数４】
2007123095.tif 000005
で表される項は、温度Ｔ［Ｋ］の単位体積あたりのエアが取り込むことのできる最大水蒸気量である。そこで、これを温度Ｔの関数としてｆ(Ｔ)と表すことにすると、
【数５】
2007123095.tif 000006
したがって、
【数６】
2007123095.tif 000007
と表すことができる。ただし、数式６中のｎ1，ｎ2はそれぞれ
【数７】
2007123095.tif 000008
である。
【００４２】
上記の数式６によれば、燃料電池２の電流値Ｉ［Ａ］、エア体積流量ｑ2［ｍ3／ｓ］、出口温度Ｔout［Ｋ］が与えられることによって目標である入口冷却水温度Ｔin［Ｋ］が算出できることがわかる。そこで、温度差ΔＴの目標値をΔＴtagとおいた場合、
［数８］
ΔＴtag＝Ｔout−Ｔin
と表すことができる。例えば、ウォータポンプ１０で冷却水の流量を調節することとすればこの目標温度差ΔＴtagを制御（調整）することができる。
【００４３】
また、エア体積流量ｑ2については、エアフローメータの計測値ｑ1［mol／Ｓ］と、燃料電池入口エアの圧力Ｐin［Ｐａ］と、燃料電池２の入口冷却水温度目標値Ｔin［Ｋ］とから、
【数９】
2007123095.tif 000009
という数式によって算出することができる。なお、本実施形態においては入口エア湿度ａを一定とおいて計算することとしている。また、上述した制御方法においては数式５中に温度Ｔの関数としてｆ(Ｔ)を示したが、実装上（例えば燃料電池自動車に搭載されているような場合）、この関数ｆ(Ｔ)はマップｍａｐ（Ｔ）を使って対応付け等を行っている場合がある。
【００４４】
続いて、前述のごとく数式を使って説明した本実施形態の制御方法の内容を、フローチャートを使って説明しておくこととする（図３参照）。なお、図３中では燃料電池をＦＣと表現している。
【００４５】
燃料電池（ＦＣ）２０において冷却水温度制御を開始したら（ステップ１）、燃料電池（ＦＣ）２０の電流指令値Ｉ［Ａ］、ＦＣ入口エア圧力Ｐin［Ｐａ］、エア流量（エアフローメータの計測値）ｑ1［mol／Ｓ］、ＦＣ入口冷却水温度Ｔin［Ｋ］、ＦＣ出口冷却水温度Ｔout［Ｋ］をそれぞれＥＣＵあるいは制御装置５０の演算処理装置に読み込む（ステップ２）。続いて、上述の数式９に基づき、エア体積流量ｑ2［ｍ3／ｓ］を算出する（ステップ３）
【００４６】
さらに、単位体積当たりのエアが燃料電池（燃料電池スタック）２０に流入してから流出するまでに受け取るべき水の物質量のｎ1［mol］を上述の数式７に基づいて計算する（ステップ４）
【００４７】
続いて、単位体積当たりであって出口温度Ｔout［Ｋ］のエアが受け取ることのできる水の物質量ｎ2［mol］を計算する（ステップ５）。なお、上述したように、実装上、関数ｆ(Ｔ)はマップｍａｐ（Ｔ）を持っているため、物質量ｎ2［mol］を求める式は図３中のステップ５のように表現することができる（図３参照）。
【００４８】
その後、燃料電池（燃料電池スタック）２０に流入するエアが含んでいてもよい水の物質量ｎ2−ｎ1［mol］と、入口エアの湿度ａから、冷却水入口温度の目標値Ｔin［Ｋ］を数式６に基づいて算出する。なお、ここでも、関数ｆ(Ｔ)がマップｍａｐ（Ｔ）を持っていることから、Ｔin［Ｋ］を求める式は図３中のステップ６のように表現することができる（図３参照）。
【００４９】
このようにして冷却水入口温度の目標値Ｔin［Ｋ］を求めたら、上述した数式８に基づき、温度差ΔＴの目標値ΔＴtagを求めることができる（ステップ７）。
【００５０】
その後、ステップ８において、燃料電池２０が引き続き運転中であるかどうかを判断する。運転中であればステップ２にループして上述した一連の処理を繰り返す。一方、運転中でなければ一連の処理を終了する（ステップ９）。
【００５１】
以上が本実施形態における燃料電池システム１および冷却水温度制御方法の内容であるが、以下に、水分量算定のための技術について参考までに説明を加えておく。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２０への流入水分量および排出水分量、ならびに燃料電池２０における生成水分量から当該燃料電池２０における水収支を判断できるようにしている。このような判断は、例えば、燃料電池２０への流入ガスの物理量、燃料電池２０からの排出ガスの物理量、および、燃料電池の状態量に基づき、流入水分量、排出水分量として燃料電池２０から気体成分として排出される水分量、および液体成分として排出される水分量、ならびに生成水分量を算定する手段を用いることによって行うことができる。このような燃料電池システム１である場合には、燃料電池２０への流入水分量、燃料電池２０からの排出水分量、および生成水分量を算定し、これら算定値に基づいて当該燃料電池２０における水収支を判断することができる。また、その結果、燃料電池２０の内部に残留する水分量を把握し、内部における湿潤状態を判定することも可能である。この場合、排出水分量としては、気体成分として排出される水分量のみならず、液体成分として排出される水分量も加味されるので、燃料電池２０における水収支を正確に把握することが可能となる。
【００５３】
より具体的に説明すると、燃料電池システム１においては、例えば流入ガスの物理量として流量、圧力、および湿度または露点温度を用い、また、排出ガスの物理量としては、流量、圧力、および、湿度もしくは露点温度または温度を用いることによって水収支を正確に判断することができる。この場合であれば、流入ガスの流量および圧力から単位時間あたりの流入ガスの体積を算出し、これと湿度（相対湿度でも絶対湿度でもよい）または露点温度、つまり流入ガスの気体成分としての水分の含有率とから、燃料電池２０へ気体成分として持ち込まれる水の量すなわち流入水分量が得られる。また、同様にして排出ガスの流量、圧力、および湿度または露点温度から、燃料電池２０から気体成分として排出される水分量が得られる。さらに、発電電流は、燃料電池２０における流入ガス（燃料ガスと酸化ガス）の反応量に相当するので、発電電流から単位時間あたりのその反応によって生じる生成水分の量が得られる。
【００５４】
ここで、燃料電池２０の内部における水収支が正（プラス）、すなわち燃料電池２０への流入水分量と生成水分量の合計（水の増加量）が排出水分量（水の減少量）よりも多い場合には、通常、燃料電池２０の内部が過飽和になっており、水の一部が例えばミスト状の微小液滴となって液体成分として存在し得る。よって、上記のように算定された流入水分量、気体成分として排出される水分量、および生成水分量の収支の正負（プラス・マイナス）に基づいて、液体成分として排出され得る水分の存否を判断することもできる。
【００５５】
また、燃料電池２０の内部に例えば微小液滴のような液体成分として存在する水分は排出ガスの流れとともに燃料電池２０の外に排出され得るので、排出ガス中の液滴だけを捕捉して、あるいは排出ガスをサンプリングして、液体成分として排出される水分量を測定または評価することも可能である。
【００５６】
以上ここまで説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、エアの供給条件を踏まえたうえで冷却水温度（より具体的には、燃料電池２の入口における水と出口における水との温度差）の制御を行う、別の表現をすれば、従来ならば定性的でしかなかったのに対して具体的かつ定量的な判断を加えて制御を行うようにしたことから、燃料電池２０内の水バランスを従来よりも適切なものとすることが可能となる。
【００５７】
また、一般に、燃料電池においては発電の際に酸化ガスが供給される酸素極（カソード）側で水が生成され、この水が凝縮によって液体化し、結露等によってガス流路内に滞留してしまい、それが系外へ排出できなくなると酸化ガスの流路が閉塞されるいわゆるフラッディング現象が引き起こされることがあるが、上述した本実施形態の燃料電池システム１あるいはこれによる冷却水温度制御方法によればこのようなフラッディング、さらにはドライアップといった問題が生じるのを抑制することができる。このため、発電が阻害されて燃料電池２０の出力が低下してしまうといった問題も抑制することが可能となる。
【００５８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに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において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態においては燃料電池２０からの持去り水量を、当該燃料電池２０における生成水量と等しくすることによって水収支バランスをとるようにした場合について説明したが、これは好適な一例に過ぎず他の態様とすることも可能である。すなわち、燃料電池２０の内部における水分の状態によっては、持去り水量を当該燃料電池２０における生成水量と異ならせることによって水バランスをとるということも考慮することができる。これについて説明すると（図４参照）、例えば、燃料電池２０内における含水量が所定量（理想的な量）よりも低く、水分を適宜増やすことによって適正化したいような場合であれば、本実施形態で説明した冷却水の温度差ΔＴよりも幅の狭い温度差ΔＴ’（ΔＴ＞ΔＴ’）を設定することもできる。例えば本実施形態と同様に冷却水出口温度Ｔoutがほぼ一定となっている場合、このように幅狭の温度差ΔＴ’を設定すると、その差分（＝ΔＴ−ΔＴ’）だけ入口冷却水温度Ｔinが上昇することになる（図４参照）。そうすると、これに対応して持去り水量がＶからＶ’（Ｖ＞Ｖ’）へと少なくなるから、その分だけ燃料電池２０内における含水量が増えることになる。換言すれば、冷却水入口温度Ｔinが上昇するのに伴って飽和蒸気量が増えるから、その分だけ燃料電池２０内へと流れ込む水分量が多くなって水バランスが改善するということである（図４参照）。
【００５９】
さらに、燃料電池２０の内部の水収支の判定結果に基づいて、燃料電池２０の内部に過剰な液体の水が滞留する可能性を予見し、この結果を制御に反映させることも可能である。例えばこの場合であれば、結露によって燃料電池２０内の空気または水素ガスの流路にフラッディングが生じることも予想されるので、燃料電池２０へ流入する空気あるいは水素ガスの流量または流速を増大させて燃料電池２０の内部の過剰な水分を強制的に排出させることも可能である。これにより、フラッディングが発生するのを確実に防止して発電効率や始動性を高めるといった制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】冷却水温度Ｔ（横軸）と、燃料電池内の水をオフガスに気相として排出する場合におけるガスの蒸気流量（縦軸）との関係を表すグラフである。
【図３】冷却水温度制御方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図４】本発明の他の実施形態における冷却水温度Ｔ（横軸）とガス飽和蒸気量（縦軸）との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
１…燃料電池システム、２０…燃料電池スタック（燃料電池）、２１…電流計（電流計測手段）、Ａ２…流量計（エア流量計測手段）、Ｐ４…圧力センサ（エア圧力計測手段）、Ｔ１…冷却水出口における冷却水温度センサ（温度計測手段）
【図１】
2007123095.tif 000010
【図２】
2007123095.tif 000011
【図３】
2007123095.tif 000012
【図４】
2007123095.tif 000013