(57)【要約】      （修正有）【課題】  構成および制御方法が簡単になり、運転条件を変更することなく燃料電池の加湿状態を判定できる加湿状態判定手段を備えた燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  燃料電池システムＳを、水素タンク３２から送られる水素ガスと、エアブロア３７から送られる空気中の酸素ガスとを反応させて電力を発生する燃料電池２５と、エアブロア３７の消費電力と設定しきい値との差に基づいて燃料電池２５の加湿状態を判定する電源システム制御装置５０とで構成した。燃料電池２５に供給する空気の圧力を、燃料電池２５から排出される空気の圧力より高圧で、かつその圧力に近似する圧力に設定した。燃料電池２５が加湿過剰のときに、ラジエータ２７の冷却能力を調整することにより、燃料電池２５の温度を上昇させるようにした。エアブロア３７の消費電力としきい値との差が大きいほど、ラジエータ２７の冷却水温度がより上昇するようにした。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素供給装置から供給される水素ガスと、電動機を備えた空気供給装置から供給される空気中の酸素ガスとを反応させて電力を発生する燃料電池と、
前記空気供給装置から前記燃料電池に空気が供給される際に前記電動機が消費する電力と、予め設定された消費電力のしきい値との差に基づいて前記燃料電池内の加湿状態を判定する加湿状態判定手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記消費電力のしきい値を、加湿状態が変動する前記燃料電池に対して一定量の空気を供給する際に、前記電動機が消費する電力に基づいて設定した請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記空気供給装置から前記燃料電池に供給される空気の圧力を、前記燃料電池内を通過して前記燃料電池の外部に排出される空気の圧力より高圧で、かつ前記排出される空気の圧力に近似する圧力に設定した請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加湿状態判定手段が、前記燃料電池内の加湿状態を加湿過剰と判定したときに、前記燃料電池の運転時温度を上昇させる運転温度制御手段を備えている請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池を冷却する冷却水装置を備えており、前記運転温度制御手段が、前記冷却水装置の冷却能力を調整することにより、前記燃料電池の運転時温度を上昇させる冷却水温度調整手段で構成されている請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿状態判定手段が、前記燃料電池内の加湿状態を加湿過剰と判定したときに、前記冷却水温度調整手段が、前記電動機で消費される電力と予め設定された消費電力のしきい値との差が大きいほど、前記冷却水装置の冷却水温度がより上昇するように調整する請求項５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、燃料電池の加湿状態を判定するための加湿状態判定手段を供えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両等の装置の中には、燃料電池を備えた燃料電池システムが発生する電力を利用して作動するものがある。このような燃料電池システムの作動状態は、燃料電池が備える電解質膜に溜まる水分量（加湿量）によって大きく左右される。このため、燃料電池システムに良好な作動状態を維持させるために、燃料電池の電解質膜に含まれる水分量の過不足を判定するとともに、その判定に応じて燃料電池内の加湿状態を制御する加湿制御手段を備えた燃料電池システムが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この燃料電池システムは、燃料電池から出力される電流を検出する電流検出手段と、電流掃引時の燃料電池の抵抗を検出する抵抗検出手段と、電流検出手段により検出される電流と抵抗検出手段により検出される抵抗とに基づいて電解質膜の加湿状態を判定する加湿状態判定手段とを備えている。さらに、この燃料電池システムは、燃料の加湿量を制御する加湿制御手段を備えており、加湿状態判定手段が、電解質膜の加湿状態が過剰であると判定すると、加湿制御手段が燃料の加湿を低減させるように構成されている。
【特許文献１】特開２０００−２４３４１８号公報
【発明の開示】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムでは、燃料電池のセルまたはセルスタックに抵抗検出手段を設ける必要があるため装置の数が多くなって燃料電池システム全体の構成が複雑になる。また、燃料電池の内部抵抗を検出する際に、出力電流を掃引する必要があるため制御方法が複雑になる。すなわち、この燃料電池システムでは、出力電流の変化から燃料電池の内部抵抗を求めるようになっているため、出力電流に変化がない場合には加湿状態の判定ができない。また、抵抗検出手段を電圧検出手段で代用することもできるが、これによると加湿状態の判定の際に燃料電池に供給する空気の量を増加させるという運転条件の変更が必要になる。
【０００５】
本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、構成および制御方法が簡単になり、運転条件を変更することなく燃料電池の加湿状態を判定できる加湿状態判定手段を備えた燃料電池システムを提供することである。
【０００６】
前述した目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムの構成上の特徴は、水素供給装置から供給される水素ガスと、電動機を備えた空気供給装置から供給される空気中の酸素ガスとを反応させて電力を発生する燃料電池と、空気供給装置から燃料電池に空気が供給される際に電動機が消費する電力と、予め設定された消費電力のしきい値との差に基づいて燃料電池内の加湿状態を判定する加湿状態判定手段を備えたことにある。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムでは、加湿状態の判定を、空気供給装置を駆動させる電動機が消費する電力と、予め設定された消費電力のしきい値との差に基づいて行うようにしている。すなわち、燃料電池内が加湿過剰になったときには、燃料電池内は目詰まりが生じた状態になるため空気供給装置から燃料電池に供給される空気が燃料電池内を通過し難くなる。このため、加湿過剰の状態の燃料電池に一定量の空気を供給しようとすると空気供給装置を駆動させる電動機のトルクが大きくなり、消費電力も大きくなる。このため、電動機の消費電力を測定することにより燃料電池の加湿状態を知ることができる。
【０００８】
この場合、消費電力のしきい値を予め設定しておき、このしきい値を基準として加湿状態を判定する。例えば、電動機の消費電力がこのしきい値を超えたときに加湿過剰であると判定する。本発明によると、燃料電池システムが元々備えている装置を利用して加湿状態の判定が行われるため、燃料電池の内部抵抗を検出するための抵抗検出手段や、空気供給装置から燃料電池に供給される空気の圧力を検出するための圧力センサ等を、別途設ける必要がなくなり燃料電池システムの構成が簡単になる。また、装置の数を少なくできるため燃料電池システムの小型化が図れ、レイアウトに自由度が増すようになるとともに、各装置を接続するための継ぎ手等の部材の数も減少するため空気供給用の配管等の信頼性も向上する。さらに、電動機の消費電力を測定するだけで加湿状態を判定するため、燃料電池の運転条件を変化させる必要がなくなり制御方法も簡単になる。
【０００９】
また、本発明に係る燃料電池システムの他の構成上の特徴は、消費電力のしきい値を、加湿状態が変動する燃料電池に対して一定量の空気を供給する際に、電動機が消費する電力に基づいて設定したことにある。この場合、消費電力のしきい値をマップデータとして用いることができ、これによるとマップを用いた簡単な制御で燃料電池の加湿状態の判定ができる。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、空気供給装置から燃料電池に供給される空気の圧力を、燃料電池内を通過して燃料電池の外部に排出される空気の圧力より高圧で、かつ排出される空気の圧力に近似する圧力に設定したことにある。
【００１１】
これによると、空気供給装置から吐出される空気の圧力を低くすることができるため、その分空気供給装置を小型化することができる。また、空気供給装置から燃料電池に供給される空気の圧力と、燃料電池から排出される排出空気の圧力との差圧の変化が小さくても加湿状態の変化に伴う空気供給装置の電動機の消費電力の変化は大きいため、加湿状態の判定が容易になり、かつその判定の信頼性が向上する。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、加湿状態判定手段が、燃料電池内の加湿状態を加湿過剰と判定したときに、燃料電池の運転時温度を上昇させる運転温度制御手段を備えていることにある。
【００１３】
これによると、簡単な方法で確実に加湿過剰の状態を解消することができる。すなわち、加湿過剰な状態を解消するためには、水素ガスや空気の加湿量を低減させたり、燃料電池に供給する水素ガスや空気の量を増加させたりする等の方法があるが、本発明では、燃料電池の運転温度を上昇させるという簡単な方法で加湿過剰を解消することができる。この場合の運転温度制御手段としては、燃料電池を加熱するヒータ等の加熱装置や、燃料電池を冷却する冷却装置の冷却機能を低下させることにより燃料電池の温度を上昇させる手段等を用いることができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、燃料電池を冷却する冷却水装置を備えており、運転温度制御手段が、冷却水装置の冷却能力を調整することにより、燃料電池の運転時温度を上昇させる冷却水温度調整手段で構成されていることにある。
【００１５】
運転温度制御手段によって、燃料電池の運転時の温度を上昇させる方法としては、前述したようにヒータ等の加熱装置を設けることもできるが、本発明では、冷却水装置の冷却能力を調整することにより、燃料電池の運転時温度を上昇させるようにしているため、新たな装置を設ける必要がなく、燃料電池システムの構造の単純化や小型化が図れる。また、燃料電池システムが備える補機で電力が無駄に消費されることもなくなる。
【００１６】
また、本発明に係る燃料電池システムのさらに他の構成上の特徴は、加湿状態判定手段が、燃料電池内の加湿状態を加湿過剰と判定したときに、冷却水温度調整手段が、電動機で消費される電力と予め設定された消費電力のしきい値との差が大きいほど、冷却水装置の冷却水温度がより上昇するように調整することにある。この場合に、冷却水温度を上昇させる方法としては、冷却水装置から燃料電池に送る冷却水の流速を低速にしたり、弁の切り換え等により冷却水の流路を短くして冷却機能を低下させたりする等がある。これによると、加湿過剰を適切に解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを図面を用いて詳しく説明する。図１は、同実施形態に係る燃料電池システムＳ（図２参照）を備えた自動二輪車１０を示している。この自動二輪車１０は、前輪１１と後輪１２とからなる一対の車輪と、この一対の車輪が取り付けられた車体１０ａとを備えている。また、車体１０ａは、車体１０ａの主要部分を構成する車体フレーム１３と、車体フレーム１３に着脱自在に取り付けられるサブフレーム１４を備えている。そして、車体フレーム１３は、車体１０ａの前部側部分を構成するヘッドパイプ１５と、ヘッドパイプ１５から後方に延びるダウンチューブ１６とで構成されている。
【００１８】
また、前輪１１は、下方が二股に分岐したフロントフォーク１７の下端部に回転可能に支持されている。すなわち、フロントフォーク１７の両下端部は前輪１１の中心軸（図示せず）の両側部分を回転可能に支持しており、これによって、前輪１１は、中心軸を中心として回転可能になっている。また、フロントフォーク１７の上端部には、ヘッドパイプ１５内に配置されたステアリング軸１８の下端部が連結されている。このステアリング軸１８は、ヘッドパイプ１５内に、ヘッドパイプ１５の軸周り方向に回転可能な状態で取り付けられており、上端部がヘッドパイプ１５から突出して上方に延びている。
【００１９】
そして、ステアリング軸１８の上端部に略水平方向に配置され左右に延びるハンドル１９の中央部が連結されている。このため、ハンドル１９を回転操作して、ステアリング軸１８を軸周り方向に回転させると、ステアリング軸１８の回転量に応じて前輪１１はフロントフォーク１７の軸方向を中心として左右に方向を変える。また、ハンドル１９の左右両端には、グリップ（図示せず）が設けられている。
【００２０】
このグリップのうちの一方のグリップは、軸回り方向に回転可能な状態で設けられており、手で持つための把持部として使用される外、後述する駆動モータ４３の駆動力を調節するためのアクセル操作子を構成する。そして、他方のグリップは、ハンドル１９に固定され手で持つための把持部として使用される。また、グリップの近傍には、それぞれ、グリップから離れるように付勢され、グリップ側に引っ張られることにより前輪１１または後輪１２の回転を抑制するブレーキレバー（図示せず）が設置されている。
【００２１】
ダウンチューブ１６は、湾曲した一対のメインフレーム１６ａ（一方しか図示せず）で構成されており、その前端部（上端部）はヘッドパイプ１５の下部側部分の両側部に連結されている。そして、各メインフレーム１６ａは、ヘッドパイプ１５との連結部からそれぞれ互いの間隔を広げるようにして、後方に向って斜め下方に延びたのちに湾曲して後方水平方向に延びている。さらに、各メインフレーム１６ａの後端側部分は、互いの間隔を保って後方斜め上方に向って延びている。そして、両メインフレーム１６ａの後端部は、水平方向に配置された板状の取付部材２１に連結されている。
【００２２】
また、両メインフレーム１６ａにおける後部側部分の上面には、クロスメンバ２２が掛け渡されている。このクロスメンバ２２は両端側部分が略直角に屈曲した略コ字状の棒状に形成されており、屈曲した両端部をそれぞれメインフレーム１６ａに連結して本体部分が両メインフレーム１６ａの上側に突出している。また、両メインフレーム１６ａの下端部には、両メインフレーム１６ａ間の下方に突出する設置台２３が掛け渡されている。この設置台２３の上面は、凹部に形成され、その凹部に燃料電池収容部２４が設けられている。そして、この燃料電池収容部２４の内部には燃料電池２５（図２参照）が収容されている。
【００２３】
また、ダウンチューブ１６を構成する両メインフレーム１６ａの前部側部分と、両メインフレーム１６ａの後部に設けられたクロスメンバ２２との間に板状のサブフレーム１４が取り付けられている。そして、サブフレーム１４の上面における中央よりもやや前部側部分にリチウムイオン電池からなる二次電池２６が固定され、サブフレーム１４の上面における後部側部分に燃料電池システムＳが備える各装置を制御する電源システム制御装置５０が固定されている。
【００２４】
また、ヘッドパイプ１５の前部には、固定部材２７ａを介してラジエータ２７が取り付けられ、ラジエータ２７の裏面（ラジエータ２７とヘッドパイプ１５との間）には、ラジエータ２７を空冷するためのファン２７ｂが取り付けられている。このファン２７ｂはモータ２７ｃの作動により駆動される。そして、ダウンチューブ１６の前部側部分における燃料電池収容部２４の前側でかつサブフレーム１４（二次電池２６）の下方部分にウォーターポンプ２８が取り付けられている。
【００２５】
ラジエータ２７と燃料電池２５との間は、冷却水がラジエータ２７から燃料電池２５側に向って流れる冷却水配管２９ａで接続されており、ウォーターポンプ２８は、冷却水配管２９ａに設けられている。すなわち、冷却水配管２９ａは、ラジエータ２７からウォーターポンプ２８に延び、さらにウォーターポンプ２８から燃料電池収容部２４に向って延びて燃料電池収容部２４の前面部から内部に入って燃料電池２５に接続されている。
【００２６】
また、燃料電池２５とラジエータ２７との間は、燃料電池２５を冷却した冷却水が燃料電池２５側からラジエータ２７側に向って流れる冷却水配管２９ｂで接続されており、この冷却水配管２９ｂは、燃料電池２５から燃料電池収容部２４の前面部を通過してラジエータ２７に向って延びている。このため、ウォーターポンプ２８が作動すると、ラジエータ２７内の冷却水が冷却水配管２９ａを通って燃料電池２５に送られ燃料電池２５を冷却する。そして、燃料電池２５を冷却することによって熱を吸収した冷却水は、冷却水配管２９ｂを通ってラジエータ２７に戻され、ラジエータ２７を通過する間にファン２７ｂによって冷却される。
【００２７】
また、冷却水配管２９ａにおけるウォーターポンプ２８の上流側部分と、冷却水配管２９ｂの所定部分との間には、バイパス通路２９ｃが掛け渡され、このバイパス通路２９ｃと冷却水配管２９ｂとの合流点には三方弁３１が設けられている。この三方弁３１は、切り換え操作されることにより、冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分との間を開閉し、冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分との間を閉じたときには、冷却水配管２９ｂの上流側部分とバイパス通路２９ｃとを連通させる。したがって、三方弁３１によって、冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分との間が閉じられたときには、冷却水配管２９ｂの上流側部分、バイパス通路２９ｃおよび冷却水配管２９ａの下流側部分が燃料電池２５を介して長さの短い流路を形成する。
【００２８】
この場合、燃料電池２５を冷却する能力が低下して燃料電池２５の温度が上昇する。すなわち、三方弁３１を作動させることによって、冷却水配管２９ｂの上流側部分とバイパス通路２９ｃとを連通させると燃料電池２５の温度を上昇させることができ、冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分とを連通させると、燃料電池２５を冷却する能力を向上させることができる。また、冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分とを連通させた状態で、モータ２７ｃの駆動力を大きくすることにより、その冷却能力をさらに大きくすることができる。
【００２９】
また、両メインフレーム１６ａの後端部に連結された取付部材２１の上面には、燃料電池２５に供給するための水素が充填された水素タンク３２が取り付けられている。この水素タンク３２は、コネクタ３２ａを介して燃料電池２５に接続されている。すなわち、水素タンク３２は、図２に示したように、水素供給用のガス配管３３ａによって燃料電池２５の水素ガス供給口に接続されており、コネクタ３２ａは、このガス配管３３ａに設けられている。
【００３０】
また、燃料電池２５の水素ガス排出口は循環用のガス配管３３ｂによって、ガス配管３３ａにおけるコネクタ３２ａ近傍の下流側部分に接続されている。そして、ガス配管３３ａにおける水素タンク３２側部分にガス配管３３ａを開閉するバルブ３２ｂが設けられている。また、ガス配管３３ｂに燃料電池２５の水素ガス排出口から排出される水素ガスをガス配管３３ａに送り返すための循環ポンプ３４が設けられている。このため、バルブ３２ｂを開けることにより、水素タンク３２内の水素ガスを、ガス配管３３ａを介して燃料電池２５に供給することができる。
【００３１】
また、その状態で、循環ポンプ３４を作動させることにより、燃料電池２５内で反応しないまま残った水素ガスを、ガス配管３３ｂを通過させてガス配管３３ａに送り返し、水素タンク３２から新たにガス配管３３ａに送り出される水素ガスと合流させることができる。そして、水素ガスは、燃料電池２５内で酸素ガスと反応するまでガス配管３３ａ，３３ｂ内を循環する。また、水素タンク３２の前部側部分の上部にシート３５が配置されている。このシート３５は、支持部材３５ａを介して両メインフレーム１６ａの後部側に連結されている。
【００３２】
また、両メインフレーム１６ａの後部側部分におけるクロスメンバ２２の後方にエアフィルタ３６が取り付けられ、両メインフレーム１６ａの後部側部分におけるクロスメンバ２２の前方に、本発明の電動機としてのモータを備えたエアブロア３７が取り付けられている。なお、両メインフレーム１６ａの後部側部分における両メインフレーム１６ａ間には、設置台（図示せず）が設けられており、エアフィルタ３６およびエアブロア３７は、この設置台を介してダウンチューブ１６に固定されている。
【００３３】
また、エアフィルタ３６とエアブロア３７との間およびエアブロア３７と燃料電池２５との間はそれぞれ図２に示したガス配管３８ａ，３８ｂによって接続されており、エアブロア３７の作動により、外部の空気がエアフィルタ３６を介して吸引され、燃料電池２５に供給される。エアフィルタ３６に吸引された空気はエアフィルタ３６内を通過する際に、異物を除去される。このエアフィルタ３６やエアブロア３７で本発明の空気供給装置が構成される。また、燃料電池２５には、燃料電池２５内で水素ガスと反応した酸素ガスを除く残りの空気を外部に排出するための空気排出口２５ａが設けられている。そして、エアブロア３７からガス配管３８ｂを介して燃料電池２５に供給される空気の圧力は、空気排出口２５ａから排出される空気の圧力よりも僅かに大きくなるように設定される。
【００３４】
また、両メインフレーム１６ａの後部側部分の下部には、後方に向って延びる一対のアーム部材からなるリヤアーム（図示せず）が連結部材４１を介して連結されている。そして、リヤアームの両アーム部材の後端部に、後輪１２の中心軸の両側部分が回転可能に支持されており、これによって、後輪１２は、中心軸を中心として回転可能になっている。また、リヤアームの一方のアーム部材の外面側には、アーム部材を覆うようにして、モータユニット４２が取り付けられている。このモータユニット４２内には、燃料電池２５が発生する電力によって作動する駆動モータ４３や減速機が収容されている。この駆動モータ４３の作動により後輪１２が回転して自動二輪車１０が走行する。
【００３５】
また、両メインフレーム１６ａの後端部と、リヤアームの後端上部との間には、リヤクッション４４がそれぞれ掛け渡されている。このリヤクッション４４の伸縮によって、リヤアームの後端側が揺動自在になっている。また、モータユニット４２の内側面側にはドラムブレーキ（図示せず）が取り付けられている。駆動モータ４３は、電源システム制御装置５０の制御によってグリップの操作量に応じて作動し、後輪１２に駆動力を自動的に発生させる。
【００３６】
また、この自動二輪車１０は、静止状態のときに、自動二輪車１０を起立状態に維持させるための回転式のスタンド４５を備えており、自動二輪車１０を走行させるときには、図１に実線で示したように、スタンド４５を上方に上げておき、自動二輪車１０を静止させておくときには、図１に二点鎖線で示したようにスタンド４５を下方に下ろして、スタンド４５に自動二輪車１０を支持させる。さらに、この燃料電池システムＳは、燃料電池２５が発生する電力の電圧を昇圧する昇圧装置４６および逆流防止用のダイオード４７も備えており、燃料電池２５、二次電池２６、駆動モータ４３、昇圧装置４６、ダイオード４７およびこれらを接続する配線で電気回路４８が形成されている。
【００３７】
さらに、この燃料電池システムＳを構成する各装置には、各装置の種々の状態を検出するための各種のセンサが設けられており、これらのセンサと電源システム制御装置５０との間が各電気配線を介して接続されている。すなわち、エアブロア３７には、エアブロア３７に供給される電流を検出するための電流センサ５１およびエアブロア３７に印加される電圧を検出するための電圧センサ５２が設けられ、ガス配管３８ｂには、エアブロア３７から燃料電池２５に供給される空気の圧力を検出するための圧力センサ５３が設けられている。
【００３８】
また、水素タンク３２には、水素タンク３２内の水素の残量を検出するための圧力センサからなる残量検出センサ５４が設けられ、冷却水配管２９ｂには、ラジエータ２７から燃料電池２５に送られ燃料電池２５を冷却したのちに燃料電池２５からラジエータ２７に送られる冷却水の温度を検出するための温度センサ５５が設けられている。また、燃料電池２５には、燃料電池２５の温度を検出するための温度センサ５６および電圧値を検出するための電圧センサ５７が設けられ、二次電池２６には二次電池２６の温度を検出するための温度センサ５８が設けられている。
【００３９】
そして、電気回路４８には、燃料電池２５から供給される電流の値を検出するための電流センサ６１および駆動モータ４３に流れる電流の値を検出するための電流センサ６２および駆動モータ４３に印加される電圧値を検出するための電圧センサ６３が設けられている。また、電気回路４８における二次電池２６に接続された配線４８ａには、二次電池２６に流れる電流の値を検出するための電流センサ６４が設けられている。これらの各センサはそれぞれ配線５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ，５５ａ，５６ａ，５７ａ，５８ａ，６１ａ，６２ａ，６３ａ，６４ａを介して電源システム制御装置５０に接続されており、検出した値を電気信号として電源システム制御装置５０に送信する。
【００４０】
また、電源システム制御装置５０から、バルブ３２ｂ、循環ポンプ３４、モータ２７ｃ、ウォーターポンプ２８、三方弁３１、昇圧装置４６および駆動モータ４３にそれぞれ指示信号を送信するための配線６５，６６，６７，６８，６９，７１，７２がそれぞれ電源システム制御装置５０と対応する装置との間を接続している。なお、エアブロア３７は、配線５１ａを介して電源システム制御装置５０から送られてくる流量指示信号に応じて作動して空気を燃料電池２５に供給する。そして、バルブ３２ｂは電源システム制御装置５０からの開閉指示信号に応じて開閉して、水素タンク３２から水素ガスを燃料電池２５に供給させる。
【００４１】
また、燃料電池２５は、エアブロア３７から供給される空気中の酸素と、水素タンク３２から供給される水素とを反応させて水を発生させるとともに電気を発生させる。昇圧装置４６は、電源システム制御装置５０からの電圧指示信号に応じて燃料電池２５が発生した電気を昇圧して、駆動モータ４３に送ったり、二次電池２６に送って二次電池２６を充電したりする。また、循環ポンプ３４は、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動して、燃料電池２５内で酸素ガスと反応しなかった水素ガスを、ガス配管３３ｂを介してガス配管３３ａに戻し、水素タンク３２から新たにガス配管３３ａに送り出される水素ガスと合流させる。
【００４２】
また、ウォーターポンプ２８は、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動して、ラジエータ２７と燃料電池２５との間で冷却水を循環させて燃料電池２５の温度を所定の温度に維持する。そして、モータ２７ｃは、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動してファン２７ｂを駆動させ、ラジエータ２７を空冷する。また、三方弁３１は、電源システム制御装置５０からの動作指示信号に応じて作動して、冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分との間を開閉することにより、冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分との間を連通させたり、冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分との間を閉じて、冷却水配管２９ｂの上流側部分とバイパス通路２９ｃとを連通させたりする。
【００４３】
駆動モータ４３は、アクセル操作子を構成するグリップの操作量に応じた動作信号を電源システム制御装置５０から受信し、その動作信号に応じて作動する。また、電源システム制御装置５０は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ，タイマ等を備えており、ＲＯＭには、予め用意された各種のプログラムやマップ等のデータが記憶されている。そして、ＣＰＵは、運転者によるグリップ等の操作や、予め用意されたプログラム等に基づいて、モータ２７ｃ、ウォーターポンプ２８、三方弁３１、バルブ３２ｂ、循環ポンプ３４、エアブロア３７、駆動モータ４３および昇圧装置４６を制御する。さらに、この自動二輪車１０は、電源スイッチおよびメインスイッチ（図示せず）も備えている。なお、図２において、実線で示した冷却水配管２９ａ等は配管または駆動電流が流れる電線を示し、破線で示した配線５２ａ等は信号線を示している。
【００４４】
この構成において、運転者が自動二輪車１０を運転する場合には、運転者は、まず、シート３５を跨いで座る。ついで、電源スイッチおよびメインスイッチをオン状態にする。これによって、燃料電池２５には、エアブロア３７から空気が供給されるとともに、水素タンク３２から水素が供給され、燃料電池２５は、供給される空気中の酸素と水素を反応させて電気を発生する。この電気により駆動モータ４３が作動して自動二輪車１０は走行を開始する。その際、燃料電池２５は、ウォーターポンプ２８の作動によりラジエータ２７から送られる冷却水によって冷却され所定温度に維持される。また、燃料電池２５は、酸素と水素との反応によって発生した水を排気とともに外部に放出する。この排気は空気排出口２５ａから外部の大気中に排出される。
【００４５】
この自動二輪車１０が走行する際に、燃料電池２５内に水分が溜まって、燃料電池２５内が加湿過剰になる場合がある。燃料電池２５が、この加湿過剰の状態になると、水素ガスと空気中の酸素ガスとの反応が生じ難くなって発電の効率が低下し、自動二輪車１０の走行状態が悪くなる。このため、電源システム制御装置５０は、図３のフローチャートに示したプログラムを実行して加湿過剰を解消しながら燃料電池２５に発電させて自動二輪車１０の良好な走行状態を維持する。また、この加湿状態を解除しながら燃料電池２５に発電させるためのプログラムはＲＯＭに記憶されており、電源スイッチがオン状態になったのちに、ＣＰＵによって所定時間ごとに繰り返し実行される。
【００４６】
このプログラムは、まず、ステップ１００でスタートしたのちに、ステップ１０２に進み、電圧センサ５２が検出するエアブロア３７のモータに印加された電圧の値Ｖを読み込む処理が行われる。この印加電圧値Ｖは、一旦ＲＡＭに記憶される。つぎに、プログラムは、ステップ１０４に進み、電流センサ５１が検出するエアブロア３７に供給される電流の値Ａを読み込む処理が行われる。この電流値Ａも、一旦ＲＡＭに記憶される。ついで、ステップ１０６において、ＲＡＭが記憶する印加電圧値Ｖと電流値Ａとのデータからエアブロア３７の消費電力Ｗを算出する処理が行われる。この消費電力Ｗは印加電圧値Ｖと電流値Ａとの積として求められ、この処理はＣＰＵによって実行される。
【００４７】
そして、ステップ１０８において、燃料電池２５の加湿量が適正であるか否かの判定が行われる。ここでは、前回にプログラムを実行した際に、後述するステップ１１２，１１８，１２４，１２８のうちのいずれかのステップにおいて判定された加湿量が適正であったか否かの判定に基づいて、この判定を再度確認するための判定が行われる。そして、プログラム開始後の初期には、加湿量は適正であると設定されている。したがって、ステップ１０８で「ＹＥＳ」と判定して、プログラムはステップ１１０に進む。そして、ステップ１１０において、消費電力Ｗがしきい値よりも小さいか否かの判定を行う。
【００４８】
ここでは、ステップ１０６の処理で求めた消費電力Ｗの値と、図４に示したマップとの関係から加湿量が適正であるか過剰であるかの判定が行われる。このマップは予め作成されてＲＯＭに記憶されているものであり、エアブロア３７を作動させるモータの消費電力Ｗと、エアブロア３７から燃料電池２５に供給される空気量との関係を示している。このマップの破線ａはしきい値を示しており、この破線ａよりも上方に位置する領域が加湿過剰と判定する領域であり、破線ａよりも下方に位置する領域が加湿量が適正であると判定する領域である。また、図４のマップにおける実線ｂは、通常運転時の適正な状態での消費電力Ｗと、燃料電池２５に供給される空気量との関係を示している。
【００４９】
この消費電力Ｗは、圧力センサ５３が検出するガス配管３８ｂ内の圧力であるエアブロア３７から燃料電池２５に供給される空気の圧力Ｐ1と、燃料電池２５の空気排出口２５ａから外部の大気中に排出される排気の圧力Ｐ2（大気圧）との差に応じて増減する。すなわち、燃料電池２５の加湿量が増加していくと、エアブロア３７から燃料電池２５に供給される空気が燃料電池２５内を通過し難くなって、燃料電池２５に供給される空気の圧力Ｐ1と、空気排出口２５ａから排出される排気の圧力Ｐ2との差が大きくなる。
【００５０】
このため、エアブロア３７はモータの駆動力を大きくして、燃料電池２５に所定量の空気を供給するように制御され、その消費電力Ｗは、圧力Ｐ1と圧力Ｐ2との差が大きくなるとその差に応じて大きくなる。このため、ステップ１０８では、圧力Ｐ1と、圧力Ｐ2との最大差を予め設定値Ｐ0に設定しておき、圧力Ｐ1と、圧力Ｐ2との差が、設定値Ｐ0以下であるか否かを判定することによって、燃料電池２５が加湿過剰の状態であるか適正な状態であるかの判定を行うこともできる。
【００５１】
ここで、燃料電池２５の加湿量が過剰でなく適正状態、すなわち、消費電力Ｗの値が、図４の破線ａよりも下方の領域内に位置して、ステップ１１０において「ＹＥＳ」と判定すると、プログラムはステップ１１２に進んで、加湿量が適正であると判定する。そして、プログラムはステップ１１４に進んで、一旦終了する。このとき、燃料電池２５は通常運転により作動し、エアブロア３７が供給する空気量と、消費電力との関係は、図４に示した実線ｂまたはその近傍部分に対応するようになる。また、プログラムは、再度、ステップ１００から開始され、ステップ１０２〜１０６の処理を行い、検出や算出で得られた各データを更新する。
【００５２】
そして、ステップ１０８においては、前回のプログラム実行の際に、ステップ１１２で加湿量が適正であると判定しているため、「ＹＥＳ」と判定する。そして、ステップ１１０において「ＹＥＳ」と判定する間は、加湿量は適正であると判定して、燃料電池２５は、図４のマップにおける実線ｂに沿った消費電力Ｗと、空気量との関係を略満たしながら作動する。また、ステップ１０８において「ＹＥＳ」と判定したのちに、ステップ１１０において「ＮＯ」と判定すると、プログラムは、ステップ１１６に進んで、ステップ１１０において「ＮＯ」と判定してからの経過時間ｔが、予め設定された設定時間ｔ1よりも大きいか否かの判定が行われる。
【００５３】
この設定時間ｔ1は、ステップ１１０の処理で得られた「ＮＯ」の判定が、ばらつき等による誤差によるものか信頼できる検出によるものかを判定するために設けられたもので、経過時間ｔは、電源システム制御装置５０が備えるタイマが測定する時間である。そして、経過時間ｔが、設定時間ｔ1よりも大きければステップ１１０における「ＮＯ」の判定は正しく、燃料電池２５の加湿量は過剰であると判定する。ここで、経過時間ｔが、設定時間ｔ1よりも小さく「ＮＯ」と判定すると、プログラムはステップ１１２に進んで、加湿量が適正であると判定する。そして、プログラムはステップ１１４に進んで、一旦終了する。この場合、燃料電池２５は、通常運転を継続する。
【００５４】
また、経過時間ｔが、設定時間ｔ1よりも大きく、ステップ１１６において「ＹＥＳ」と判定すると、プログラムはステップ１１８に進んで、加湿量が過剰であると判定する。そして、ステップ１２０において、燃料電池２５を冷却するための冷却水の温度を上昇させるための処理が行われる。この処理は、上昇させる温度にしたがって、電源システム制御装置５０が、モータ２７ｃの回転速度やウォーターポンプ２８の作動状態を変更したり、三方弁３１を切り換えたりする制御を実行することによって行われる。
【００５５】
すなわち、燃料電池２５の温度を僅かに上昇させる際には、ウォーターポンプ２８の作動を低速にしたり、モータ２７ｃの回転を低速にしたり停止させたりする。また、燃料電池２５の温度を大幅に上昇させる際には、三方弁３１を切り換えて冷却水配管２９ｂの上流側部分と下流側部分との間を閉じ、冷却水配管２９ｂの上流側部分、バイパス通路２９ｃ、冷却水配管２９ａの下流側部分および燃料電池２５で流路を形成する。これらの操作を上昇させる温度に応じて選択して適宜実行することにより、燃料電池２５の温度を上昇させてその熱により加湿量を減少させる。この結果、燃料電池２５の加湿量は、適正な状態（図４の破線ａよりも下方の領域）に戻り、燃料電池２５の発電状態が適正になる。
【００５６】
ステップ１２０において、燃料電池２５の温度を上昇させるための処理が終了すると、プログラムは、ステップ１１４に進み、一旦終了する。また、プログラムは、再度、ステップ１００から開始され、ステップ１０２〜１０６の処理を行ったのちにステップ１０８に進む。ここでは、前回のプログラム実行の際に、ステップ１１８で加湿量が過剰であると判定しているため、「ＮＯ」と判定して、プログラムはステップ１２２に進む。そして、ステップ１２２において、消費電力Ｗがしきい値よりも大きいか否かの判定を行う。
【００５７】
ここで、消費電力Ｗの値が、図４の破線ａよりも上方の領域内に位置して、ステップ１２２において「ＹＥＳ」と判定すると、プログラムはステップ１２４に進んで、加湿量が過剰であると判定する。そして、プログラムはステップ１２０に進んで、前述したステップ１２０における燃料電池２５を冷却するための冷却水の温度を上昇させるための処理を行う。そして、プログラムは、ステップ１１４に進んで一旦終了する。
【００５８】
また、プログラムは、再度、ステップ１００から開始され、ステップ１０８において「ＮＯ」と判定したのちに、ステップ１２２において「ＹＥＳ」と判定する間は、ステップ１０２〜１０６の処理で求めた各データを更新しながら、ステップ１２４において、加湿量が過剰であると判定して、ステップ１２０において燃料電池２５を冷却するための冷却水の温度を上昇させるための処理を行う。また、ステップ１２２において、消費電力Ｗがしきい値よりも小さくて「ＮＯ」と判定すると、ステップ１２６に進み、ステップ１２２において「ＮＯ」と判定してからの経過時間ｔが、予め設定された設定時間ｔ2よりも大きいか否かの判定が行われる。
【００５９】
この設定時間ｔ2も前述した設定時間ｔ1と同様、ステップ１２２の処理で得られた「ＮＯ」の判定が、ばらつき等による誤差によるものか信頼できる検出によるものかを判定するために設けられたもので、経過時間ｔが、設定時間ｔ2よりも大きければステップ１２２における「ＮＯ」の判定は正しく燃料電池２５の加湿量は適正であると判定する。ここで、経過時間ｔが、設定時間ｔ2よりも小さく「ＮＯ」と判定すると、プログラムはステップ１２４に進んで、加湿量が過剰であると判定する。そして、プログラムはステップ１２０に進んで、燃料電池２５を冷却するための冷却水の温度を上昇させるための処理を行ったのちにステップ１１４に進んで一旦終了する。
【００６０】
また、ステップ１２６の処理の際に、経過時間ｔが、設定時間ｔ2よりも大きく、ステップ１２６において「ＹＥＳ」と判定すると、プログラムはステップ１２８に進んで、加湿量が適正であると判定する。そして、燃料電池２５は通常運転を行う。そして、プログラムは、ステップ１１４に進んで一旦終了する。以後、前述した各処理が所定時間ごとに繰り返され、燃料電池２５は、加湿量が過剰になると、冷却水の温度を上昇させることにより加湿量過剰を解消し、良好な作動状態を継続していく。これによって、自動二輪車１０は良好な状態を維持しながら走行する。
【００６１】
このように、本実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池２５の加湿状態の判定を、エアブロア３７を駆動させるために消費される電力と、予め設定された消費電力のしきい値との差に基づいて行うようにしている。このため、燃料電池システムＳが元々備えている装置だけを利用して加湿状態の判定を行うことができ、燃料電池システムＳの構成を簡単にすることができる。また、装置の数を少なくできるため燃料電池システムＳの小型化が図れ、レイアウトに自由度が増すようになるとともに、別途所定の装置を設けた場合に必要になる継ぎ手等の部材も不要になるため各種の配管等の信頼性も向上する。
【００６２】
また、消費電力のしきい値を、加湿状態が変動する燃料電池２５に対して一定量の空気を供給する際に、エアブロア３７が消費する電力に基づいて設定し、これをマップデータとして用いるため、簡単な制御で燃料電池２５の加湿状態の判定ができる。さらに、エアブロア３７からガス配管３８ｂを介して燃料電池２５に供給される空気の圧力を、空気排出口２５ａから排出される空気の圧力よりも僅かに大きくなるように設定しているため、エアブロア３７から吐出される空気の圧力を低くすることができ、その分エアブロア３７を小型化することができる。
【００６３】
また、燃料電池２５に供給される空気の圧力Ｐ1と、空気排出口２５ａから排出される排気の圧力Ｐ2との差圧の変化がエアブロア３７のモータの消費電力の大きな変化として現れるため、加湿状態の判定が容易になり、かつその判定の信頼性が向上する。さらに、燃料電池２５内が加湿過剰になったときに、ラジエータ２７の冷却能力を調整したり、三方弁３１を切り換えて短い流路を形成したりすることにより、燃料電池２５の温度を上昇させるため、新たな装置を設ける必要がなく、燃料電池システムＳの構造の単純化や小型化が図れる。また、燃料電池システムＳが備える補機で電力が無駄に消費されることもなくなる。また、燃料電池２５内が加湿過剰になったときに、エアブロア３７が消費される電力と消費電力のしきい値との差が大きいほど、冷却水の温度がより上昇するように調整するため、加湿過剰をその加湿量に応じて適切に解消することができる。
【００６４】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更して実施することが可能である。例えば、前述した実施形態では、燃料電池システムＳを自動二輪車１０に設けているが、この燃料電池システムを利用する装置としては、自動二輪車１０に限らず、自動三輪車や自動四輪車等の車両であってもよいし、車両以外の電力を利用する装置であってもよい。また、前述した実施形態では、ラジエータ２７の冷却能力を調整したり、三方弁３１を切り換えて短い流路を形成したりすることにより、燃料電池２５の温度を上昇させているが、これに変えて、ヒータ等の加熱装置を設けて燃料電池２５を加熱するようにすることもできる。
【００６５】
これによると、短時間で燃料電池２５の温度を上昇させることができる。さらに、ラジエータ２７の冷却能力を調整したり、三方弁３１を切り換えることにより、燃料電池２５の温度を上昇させる際にも、ウォーターポンプ２８やモータ２７ｃの駆動速度を低下させたり停止させたりすることを組み合わせて行うことができ、これらの処理にさらに三方弁３１の切り換えを前後に組み合わせて行うことができる。また、本発明に係る燃料電池システムを構成するそれ以外の部分についても、本発明の技術的範囲内で適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを備えた自動二輪車を示した側面図である。
【図２】燃料電池システムの構成図である。
【図３】燃料電池の加湿状態を制御するためのプログラムを示したフローチャートである。
【図４】燃料電池に供給される空気量とエアブロアが消費する消費電力との関係を示したマップである。
【符号の説明】
【００６７】
２５…燃料電池、２７…ラジエータ、２７ｂ…ファン、２７ｃ…モータ、２８…ウォーターポンプ、２９ａ，２９ｂ…冷却水配管、２９ｃ…バイパス通路、３１…三方弁、３２…水素タンク、３７…エアブロア、３８ｂ…ガス配管、５０…電源システム制御装置、５１…電流センサ、５２…電圧センサ、５３…圧力センサ、５５，５６…温度センサ、Ｐ1，Ｐ2…圧力、Ｓ…燃料電池システム、Ｗ…消費電力。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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