(57)【要約】      （修正有）【課題】  燃料電池内の水収支を判定する際に、簡便な方法で誤差を低減できる燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】  燃料電池システム１において、まず、単位時間当たりの燃料電池２への流入水分量、燃料電池２内での生成水分量、及び燃料電池２からの排出水分量を算出し、それらを積算して燃料電池２内の含水量を求める。次に、算出された積算含水量を、予め設定しておいた所定値と比較し、積算含水量が所定値以上のときには、燃料電池２へのガス供給量を増大させて、燃料電池２の内部に含まれる水分を外部へ強制的に排出させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へ流入する水分量、該燃料電池内で生成される水分量、及び該燃料電池から排出される水分量のうち少なくともいずれか１つの水分量を積算し、少なくとも該積算された水分量から該燃料電池の内部に含まれる水分量の積算値を算出する水分量積算ステップと、
前記燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、前記水分量の積算値を初期化する初期化ステップと、
を備える燃料電池システムの運転方法。
【請求項２】
前記初期化ステップを、前記燃料電池又は当該燃料電池システムの始動の際に、又は前記水分量積算ステップに先立って実行する、
請求項１記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項３】
前記初期化ステップを、前記水分量積算ステップにおいて算出された積算値が所定の値以上となったときに実行する、
請求項１記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項４】
前記初期化ステップを、前記水分量積算ステップにおける積算時間が所定の値以上となったときに実施し、該初期化ステップにおいては、該積算時間をも初期化する、
請求項１記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項５】
前記初期化ステップにおいては、前記燃料電池内へ供給するガスの流量を所定の値以上に増大させる、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記水分量積算ステップにおいては、前記燃料電池から排出される水分量として、該燃料電池から気体成分として排出される水分量及び液体成分として排出される水分量を算出する、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
前記燃料電池、又は該燃料電池から排出されるガスの温度を測定するガス温度測定ステップを備え、
前記水分量積算ステップにおいては、前記温度が所定の値以下であるときに、前記液体成分として排出される水分量を算定する、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項８】
前記初期化ステップにおいては、前記燃料電池内へ供給するガスが酸化ガスである、
請求項５〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項９】
燃料電池と、
前記燃料電池へ流入する水分量、該燃料電池内で生成される水分量、及び該燃料電池から排出される水分量のうち少なくともいずれか１つの水分量が積算され、少なくとも該積算された水分量から該燃料電池の内部に含まれる水分量の積算値が算出される水分量積算部と、
前記燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、前記水分量の積算値を初期化する初期化部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項１０】
前記初期化部は、前記燃料電池又は当該燃料電池システムの始動の際、前記水分量積算部で算出された積算値が所定の値以上となったとき、又は、前記水分量積算ステップにおける積算時間が所定の値以上となったときに、前記燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させるものである、
請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記初期化部は、前記燃料電池内へ供給するガスの流量を所定の値以上に増大させるものである、
請求項９又は１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記水分量積算部は、前記燃料電池から排出される水分量として、該燃料電池から気体成分として排出される水分量及び液体成分として排出される水分量を算出するものである、
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池、又は該燃料電池から排出されるガスの温度を測定するガス温度測定部を備え、
前記水分量積算部は、前記温度が所定の値以下であるときに、前記液体成分として排出される水分量を算定するものである、
請求項９〜１２のいずれか１項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、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、水素ガスに代表される燃料ガス、及び空気に代表される酸化ガスが燃料電池に供給され、燃料ガスと酸化ガスとの発電反応（水生成反応）により電力が発生する。燃料電池としては、種々のタイプのものが開発されており、それらのなかでは、電解質の散逸・保持等の問題がなく、常温で起動し且つ起動時間が極めて早い等の利点を有する固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells ）が特に注目され、高電圧を得るためにスタック化されたＰＥＦＣが自動車等の移動体等に採用されつつある。
【０００３】
この固体高分子型燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスとの反応におけるプロトンの伝導を高分子電解質層が担うため、発電反応を効率よく維持するには、高分子電解質層の湿潤状態や温度状態を監視して適正な状態に制御する必要がある。
【０００４】
このような制御を行うべく、例えば特許文献１には、燃料電池への流入ガス及び燃料電池からの排出ガスの温度、湿度、及び流量を測定して燃料電池に対する水分量の収支を算出し、燃料電池の電力から算出された生成水分量との比較を行って流入ガスの流量制御を行い、燃料電池内部に残留している水分量を高分子電解質層に好適な水準内に制御する燃料電池システム及び方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１９２９７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の燃料電池システムでは、燃料電池内の水収支の計算において、高分子電解質層の湿潤状態を電流遮断法によって実測し、その実測結果に基づいて水収支の積算値を修正することにより、誤差の蓄積を解消する手法が採られており、高分子電解質層の湿潤状態の実測が必要な点で操作が煩雑であった。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池内の水収支を判定する際に、簡便な方法で誤差を低減できる燃料電池システム及びその運転方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムの運転方法は、燃料電池へ流入する水分量、その燃料電池内で生成される水分量、及び、その燃料電池から排出される水分量のうち少なくともいずれか１つの水分量を積算し、少なくともその積算された水分量から燃料電池の内部に含まれる水分量の積算値を算出する水分量積算ステップと、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、水分量の積算値を初期化する初期化ステップとを備える。
【０００８】
燃料電池が通常の負荷（通常の反応ガス流量）で運転されると、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）によって燃料電池内へ水分が流入し、また、発電に伴って燃料電池の内部で水が生じて燃料電池内の含水量が増大する。一方、燃料電池から排出されるガスによって燃料電池内の水分が排出され、その分燃料電池内の水分が減少する。通常、これらの水分量から計算される水収支は正（プラス）であり、すなわち時間の経過とともに燃料電池内に水分が溜まっていく。
【０００９】
なお、水の生成反応は酸化ガスが供給される酸素極（カソード）側で生じるが、生じた水は、燃料ガスが供給される燃料極（アノード）側へ拡散していくので、程度の差はあれ、酸化ガス供給系及び燃料ガス供給系の双方の極側で、水収支は正（プラス）となって水分が溜まっていく傾向にある。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおける水分量積算ステップでは、単位時間当たりの流入水分量、生成水分量、及び排出水分量のうち少なくともいずれか１つの水分量が算出され、それらの水分量が積算される。このとき、時々刻々求められる水分量には不可避的に誤差が含まれており、それらの積算に伴って各水分量に含まれる誤差が累積されて増大していくので、従来の方法では、水収支の計算判定精度が徐々に低下するおそれがある。
【００１１】
これに対し、初期化ステップでは、燃料電池の内部に含まれる水分が強制的に外部へ排出され、その水分量（含水量）の積算値が初期化（リセット）される。よって、水分量の積算に伴って累積増大した誤差が、その時点で解消される。このとき、水分量の所定値としては、例えば、フラッディングの発生が懸念されるような累積水分量（特に低温時）を予め把握しておき、その水分量に基づいて決定することができる。
【００１２】
より具体的には、初期化ステップを、水分量積算ステップにおいて算出された積算値が所定の値以上となったときに実行すると好ましい。或いは、燃料電池の運転時間によって燃料電池の内部に蓄積される水分量をある程度予測することが可能であり、初期化ステップにおいて、水分量積算ステップにおける水分量の積算時間が所定の値以上となったときに、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、その水分量（含水量）の積算値及び積算時間を初期化（リセット）してもよい。このようにしても、水分量の積算に伴って累積増大した誤差がその時点で解消される。
【００１３】
また、水分量積算ステップと初期化ステップは、その順に実施してもよいし、或いは、初期化ステップを水分量積算ステップに先立って実施してもよい。後者の好ましい具体例としては、初期化ステップを、燃料電池又は燃料電池システムの始動の際に実行する方法が挙げられる。この場合、燃料電池又は燃料電池システムの運転に際して、それまでに燃料電池内に溜まった水分を常に一旦リセットした状態で運転中の水分量の積算が行われるので、例えば、バッテリークリアー等によって燃料電池内の水分量の値が消失してしまったようなときに対応でき、更には、水収支計算の初期値に含まれる誤差を確実に解消することができる。
【００１４】
また、初期化ステップにおいて燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させる好ましい方法としては、燃料電池内の水分量を低減できる方法であれば特に制限されず、例えば、燃料電池内へ供給するガスの流量を予め設定しておいた所定の値よりも増大させる方法が挙げられる。或いは、燃料電池（スタック）の温度を上昇させて内部の水分を気化させる方法、燃料電池内へ供給するガスを加湿している場合にその加湿を停止する方法、等を用いても好適である。
【００１５】
燃料電池の内部に含まれる水分は、気体成分としてガス中に含まれるものに加え、温度条件によっては微小液滴（ミスト）等の液体成分も多いので、燃料電池の内部に通常の運転状態における供給ガス流量よりも大きい流量でガスを供給すれば、燃料電池の内部の水分が掃引されて外部へ排出される。すなわち、燃料電池の反応ガスを、その内部に含まれる水分をパージするためのガスとして使用することができる。
【００１６】
また、水分量積算ステップにおいては、燃料電池から排出される水分量として、燃料電池から気体成分として排出される水分量及び液体成分として排出される水分量を算出することが好ましい。
【００１７】
上述の如く、燃料電池の内部に含まれる水分は、気体成分として存在するほか液体成分としても存在するが、従来の燃料電池システムにおける水収支の計算においては、液体成分として排出される水分量が勘案されない傾向にあった。この場合、燃料電池内の含水量の算定値には、その分が更に誤差として含まれていた。これに対し、水分量積算ステップにおいて、燃料電池から排出される水分量として、気体成分のみならず液体成分として排出される水分量をも加味することにより、水収支の計算精度が一層高められる。
【００１８】
さらに、燃料電池、又は燃料電池から排出されるガスの温度を測定するガス温度測定ステップを更に備え、水分量積算ステップにおいては、実測されたその温度が所定の値以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定するようにしても好ましい。
【００１９】
燃料電池の内部温度、又は燃料電池から排出されるガスの温度が低いほど飽和水蒸気圧が下がるので、排出されるガス中に存在し得る液体成分の水分量が増大する傾向にある。その結果、燃料電池から液体成分として排出される水分量も増大する。よって、ガス温度測定ステップにおいて、燃料電池又は排出ガスの温度を測定し、水分量積算ステップで、その実測温度と所定の温度とを比較し、燃料電池が低温状態にあると判断したときに、液体成分として排出される水分量を算定してそれを水収支の計算に含めることにより、そのような低温運転時における燃料電池の内部に残留する水分量がより正確に把握される。
【００２０】
さらにまた、初期化ステップにおいては、燃料電池内へ供給するガスが酸化ガスであると殊に有用である。
【００２１】
上述したように、燃料電池では、発電の際に酸化ガスが供給されるカソード側で水が生成されるので、この水が凝縮によって液体化してガスの流路が閉塞され、発電が阻害され燃料電池の出力が低下してしまうフラッディング状態は、酸素極側で生じ易い傾向にある。また、水収支を計算する際の積算値の誤差もカソード側の方が比較的大きくなる。よって、初期化ステップにおいて、酸化ガスの流量を増大させてカソード側に含まれる水分を強制的に排出させると処理効率が向上される。
【００２２】
なお、前述したように、カソード側で生成した水は、電解質膜を介してアノード側にも拡散・浸出し得るので、かかるフラッディングをより一層防止するための観点からは、初期化ステップにおいて、燃料ガスの流量をも増大させてアノード側の水分も強制的に排出させると好適である。
【００２３】
また、本発明による燃料電池システムは、本発明の燃料電池システムの運転方法を有効に実施するためのものであり、燃料電池と、燃料電池へ流入する水分量、その燃料電池内で生成される水分量、及び、その燃料電池から排出される水分量のうち少なくともいずれか１つの水分量が積算され、少なくともその積算された水分量から燃料電池の内部に含まれる水分量の積算値が算出される水分量積算部と、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させて、水分量の積算値を初期化する初期化部とを備える。
【００２４】
さらに、初期化部は、燃料電池又は燃料電池システムの始動の際、水分量積算部で算出された積算値が所定の値以上となったとき、又は、水分量積算ステップにおける積算時間が所定の値以上となったときに、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させるものであると好ましい。
【００２５】
またさらに、初期化部は、燃料電池内の水分量を低減するものであれば特に制限されず、例えば、燃料電池内へ供給するガスの流量を所定の値以上に増大させるものが挙げられる。或いは、燃料電池の温度を上昇させて内部の水分を気化させる手段、燃料電池内へ供給するガスを加湿している場合にその加湿を停止する手段、等も好適である。
【００２６】
さらにまた、水分量積算部は、燃料電池から排出される水分量として、燃料電池から気体成分として排出される水分量及び液体成分として排出される水分量を算出するものであると好適である。
【００２７】
加えて、燃料電池、又は燃料電池から排出されるガスの温度を測定するガス温度測定部を備えると共に、水分量積算部は、そのガスの温度が所定の値以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定するものであると特に有用である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の燃料電池システム及びその運転方法によれば、燃料電池の内部に含まれる水分を強制的に外部へ排出させてその水分量の積算値をリセットし、これにより累積した誤差が解消されるので、簡易な処理で精度の高い水収支の計算判定が可能となる。また、強制的な水分の排出を行うことにより、フラッディングの発生を有効に防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
【００３０】
図１は、本発明による運転方法が適用される燃料電池システムの一実施形態を模式的に示す構成図である。燃料電池システム１は、多数のセルを積層したスタック構造からなる固体高分子電解質型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、酸化ガスとしての空気及び燃料ガスとしての水素ガス（Ｈ2）の供給を受けて電力を発生する。
【００３１】
燃料電池システム１には、空気を燃料電池２に供給するための供給配管１１と、燃料電池２から排出された空気オフガス（排出ガス）を外部に排出するための排出配管１２とを有する空気供給系３が接続されている。供給配管１１には、フィルタ１３を介して大気を取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される空気を加湿する加湿器１５がそれぞれ配設されている。また、供給配管１１における燃料電池２と加湿器１５との間の部位には、流量計Ｆ１０、圧力計Ｐ１０、及び湿度計Ｈ１０が設けられている。
【００３２】
また、加湿器１５は、排出配管１２上にも配置されるように設けられており、これにより、圧送される空気と空気オフガスとの間で水分交換を行う。水分交換後の空気は、供給配管１１を介して燃料電池２に送られ、燃料電池２での発電に供される。排出配管１２における加湿器１５と燃料電池２との間の部位には、燃料電池２内の空気の圧力を調整する背圧調整弁１６が設置されている。排出配管１２を流れる空気オフガスは、その背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的にシステム外の大気中に排気される。さらに、排出配管１２における燃料電池２と背圧調整弁１６との間の部位には、圧力計Ｐ１１及び温度計Ｔ１１（ガス温度測定部）が設けられている。
【００３３】
また、燃料電池システム１には、高圧の水素ガスを貯蔵した水素供給源としての高圧タンク２１と、高圧タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給配管２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（未反応の水素ガス；排出ガス）を供給配管２２に戻すための循環配管２３と、循環配管２３の水素オフガスを供給配管２２に還流させる水素ポンプ２４と、循環配管２３に分岐接続され且つ下流端が空気供給系３の排出配管１２に接続された排出配管２５とを有する水素ガス供給系４が接続されている。
【００３４】
供給配管２２の上流側には、高圧タンク２１からの新たな水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７が介設され、レギュレータ２７の下流側の合流点Ａに循環配管２３が接続されている。合流点Ａで合流した新たな水素ガスと水素オフガスとからなる混合ガスが燃料電池２に供給される。また、供給配管２２における燃料電池２と合流点Ａとの間の部位には、流量計Ｆ２０、圧力計Ｐ２０、及び湿度計Ｈ２０が設けられている。
【００３５】
循環配管２３の水素ポンプ２４の上流側には、循環配管２３を流れる水素オフガスから水分を分離させる気液分離器３０が介設されている。循環配管２３を流れる流体には、燃料電池２から排出される水素オフガスと、燃料電池２での電気化学反応によって生成された生成水が含まれている。気液分離器３０では、この生成水たる水分を水素オフガスから分離させる。気液分離器３０で分離された水素オフガスは水素ポンプ２４によって合流点Ａに達する一方、気液分離器３０で分離された水分は、ドレイン弁３１を介して流体配管３２から空気供給系３の排出配管１２に排出される。
【００３６】
流体配管３２は、上流端が気液分離器３０のドレイン弁３１に接続され、下流端が空気供給系３の排出配管１２に接続されており、気液分離器３０で分離された水分を排出配管１２に流入させる配管として機能する。さらに、循環配管２３における燃料電池２と気液分離器３０との間の部位には、圧力計Ｐ２１及び温度計Ｔ２１（ガス温度測定部）が設けられている。
【００３７】
排出配管２５には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に排出配管２５を通って、酸素系の排出配管１２に排出される。排出配管２５を設けることで、水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素の濃度を上げることができる。排出配管２５を流れる流体には、気液分離器３０を設けてはいるものの、この種の不純物のほかに水分が含有されている。すなわち、排出配管２５は、これに流れる水分を含む流体を空気供給系３の排出配管１２に流入させる流体配管として機能する。
【００３８】
また、燃料電池２には、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び蓄電部（共に図示せず）を有する出力系５が図示しないサービスプラグを介して接続されている。さらに、燃料電池システム１は、ＣＰＵやＭＰＵ、及び記憶装置等を有する演算処理・記憶部９１と入出力インターフェイス９２を有し、且つ、その入出力インターフェイス９２を介して空気供給系３、水素ガス供給系４、及び出力系５に接続された制御部９（水分量積算部）を備えている。
【００３９】
なお、演算処理・記憶部９１では、後述するように種々の演算が行われ、それらの各演算における計算結果及び水分量の積算値が、逐次記憶装置に記憶されるようになっている。この記憶装置としては、例えば、書き換え可能なメモリ装置が挙げられ、後述するようにこの記憶装置に記憶された水分量の積算値は、所定の条件下で初期化される。
【００４０】
また、この制御部９には、上述した流量計Ｆ１０，Ｆ２０、圧力計Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ２０，Ｐ２１、湿度計Ｈ１０，Ｈ２０、及び温度計Ｔ１１，Ｔ２１が、入出力インターフェイス９２を介して接続されている。
【００４１】
このように構成された燃料電池システム１の運転方法の一実施形態について以下に説明する。図２は、本実施形態の運転方法の手順を示すフロー図である。まず、燃料電池システム１の運転が開始されると、単位時間当たりの燃料電池２への流入水分量、燃料電池２内での生成水分量、及び燃料電池２からの排出水分量を算出する（ステップＳＰ１１）。
【００４２】
具体的には、燃料電池２に空気及び水素ガスの供給が開始され燃料電池２が運転状態になると、空気の供給配管１１に設けられた流量計Ｆ１０、圧力計Ｐ１０、及び湿度計Ｈ１０により、燃料電池２に流入する空気の流量ｆ(air-in)、圧力ｐ(air-in)、及び湿度ｈ(air-in)を測定する。また、空気の排出配管１２に設けられた圧力計Ｐ１１、及び温度計Ｔ１１により、燃料電池２から排出される空気の圧力ｐ(air-out)、及び温度ｔ(air-out)を測定する。
【００４３】
同様に、水素ガスの供給配管２２に設けられた流量計Ｆ２０、圧力計Ｐ２０、及び湿度計Ｈ２０により、燃料電池２に流入する水素ガスの流量ｆ(hyd-in)、圧力ｐ(hyd-in)、及び湿度ｈ(hyd-in)を測定する。また、水素ガスの循環配管２３に設けられた圧力計Ｐ２１、及び温度計Ｔ２１により、燃料電池２から排出される水素ガスの圧力ｐ(hyd-out)、及び温度ｔ(hyd-out)を測定する。
【００４４】
なお、排出される空気の温度ｔ(air-out)の測定、及び排出される水素ガスの温度ｔ(hyd-out)の測定が、いずれも本発明におけるガス温度測定ステップに相当する。
【００４５】
空気及び水素ガスに対するこれら物理量の実測値信号は、連続的に又は所定時間間隔で断続的に制御部９へ出力される。また、出力系５では、燃料電池２の発電によって得られる発電電流Ｉが測定され、その実測値信号が制御部９へ出力される。
【００４６】
制御部９では、それらの実測値信号に基づいて、種々の演算が行われる。すなわち、空気の流入流量ｆ(air-in)、及び流入圧力ｐ(air-in)から、燃料電池２に単位時間あたりに流入する空気の体積（量）が求められ、これと湿度ｈ(air-in)から、空気によって燃料電池２の内部に単位時間あたりに持ち込まれる（流入する）水分量Ｗ(air-in)を算出する。また、水素ガスの流入流量ｆ(hyd-in)、及び流入圧力ｐ(hid-in)から、燃料電池２に単位時間あたりに流入する水素ガスの体積（量）が求められ、これと湿度ｈ(air-in)から、水素ガスによって燃料電池２の内部に単位時間あたりに持ち込まれる（流入する）水分量Ｗ(hyd-in)を算出する。
【００４７】
さらに、発電電流Ｉは、燃料電池２の内部で単位時間に消費される空気に含まれる酸素ガスの量及び水素ガスの量と相関するので、発電電流Ｉから、燃料電池２の内部で消費される空気流量及び水素ガス流量（ともに消費流量）を算出する。そして、それらの消費流量と、燃料電池２への空気の流入流量ｆ(air-in)及び水素ガスの流入流量ｆ(hyd-in)との差分が、それぞれ燃料電池２からの空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)として算定される。
【００４８】
また、そうして得られた空気の排出流量ｆ(air-out)と実測された排出圧力ｐ(air-out)とから、燃料電池２から単位時間あたりに排出される空気の体積（量）を求め、これと、温度ｔ(air-out)における飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）とから、燃料電池２の内部から空気によって単位時間あたりに気体成分として持ち出される（排出される）水分量Ｗｖ(air-out)を算出する。
【００４９】
同様に、上記の如く得られた水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)と実測された排出圧力ｐ(hyd-out)とから、燃料電池２から単位時間あたりに排出される空気の体積（量）を求め、これと、温度ｔ(hyd-out)における飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）とから、燃料電池２の内部から水素ガスによって単位時間あたりに気体成分として持ち出される（排出される）水分量Ｗｖ(hyd-out)を算出する。
【００５０】
またさらに、前述の如く、発電電流Ｉは、燃料電池２の内部で単位時間に消費される空気に含まれる酸素ガスの量及び水素ガスの量と相関するので、発電電流Ｉから、化学量論的に、燃料電池２における生成水量Ｗｇを算出する。なお、水の生成は、空気が供給される空気供給系３のカソード側で起こるが、その生成水は、時間の経過（燃料電池の運転停止中にあっては放置時間；間欠運転時の停止時間を含む）と共に、固体電解質層を通して、水素ガスが供給される水素ガス供給系４のアノード側へ拡散する傾向にある。そこで、カソード側からアノード側への生成水の拡散率（移行率）を予め取得しておき、実際の運転時には経過時間を考慮してアノード側へ移行した生成水量Ｗｇ(hyd)を算出し、生成水量ＷｇからこのＷｇ(hyd)を減じてカソード側に留まる生成水量Ｗｇ(air)を算出する。
【００５１】
それから、このようにして算出されたＷ(air-in)及びＷｇ(air)を合算してカソード側における単位時間あたりの水分の増加量を算出し、Ｗ(hyd-in)及びＷｇ(hyd)を合算してアノード側における単位時間あたりの水分の増加量を算出する。また、Ｗｖ(air-out)及びＷｖ(hyd-out)は、それぞれカソード側及びアノード側における単位時間あたりの水分の減少量（但し、気体成分として排出される水分量）に相当する。そして、必要に応じて、そのように得られた水分の増加量から減少量を減じることにより、燃料電池２のカソード側及びアノード側における水収支の正・負が判断される。
【００５２】
この水収支が負（マイナス）であれば、燃料電池２から気体成分として排出される水分量が、燃料電池２へ流入した水分とその内部で生成した水分の合計量よりも多いことを示すので、通常、燃料電池２の内部の空気及び水素ガスは過飽和とはなっておらず、水分が凝縮により液滴化する等して液体成分として存在している可能性は低い。
【００５３】
それとは逆に、この水収支が正（プラス）であれば、燃料電池２の内部にある空気及び／又は水素ガスが過飽和となっており、そのため凝縮により液滴化する等して液体成分として存在している可能性が高い。この場合、液体成分として存在する水分は、燃料電池２から排出される空気及び水素ガスによって燃料電池２の外部へ排出され得る。
【００５４】
そこで、この水収支が正（プラス）の場合には、上記のように算出された排出される空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)、又は燃料電池２の発電電流Ｉに基づいて、燃料電池２から空気によって液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及び水素ガスによって液体成分として排出される水分量Ｗｌ(hyd-out)、又はそれらの合計量を算出する。
【００５５】
この場合、具体的には、まず、燃料電池システム１の運転に先立って、空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)、又は燃料電池２の発電電流Ｉを種々変化させ、そのとき燃料電池２から液体成分として排出される水分量を測定し、それらの関係を予め取得しておく。それから、得られた関係を、例えば、表データや数式データとして制御部９の演算処理・記憶部９１に記憶させておき、燃料電池システム１の実際の運転時に、実測値に基づいて算出された空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)、又は実測された発電電流Ｉを、その記憶させたデータに当てはめることにより、水分量Ｗｌ(air-out)及び水分量Ｗｌ(hyd-out)、又はその合計量を算定することができる。
【００５６】
ここで、図３は、燃料電池２からの空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)（単位は例えばＬ／ｍｉｎ）と、それぞれのガスによって液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及びＷｌ(hyd-out)（単位は、例えばｇ／ｍｉｎ）との関係を示すグラフである。図中、曲線Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ空気及び水素ガスにおける関係を示す。また、図４は、燃料電池２の発電電流Ｉと、液体成分として排出される水分量の合計量（すなわち、Ｗｌ(air-out)＋Ｗｌ(hyd-out)）との関係を示すグラフである。
【００５７】
制御部９では、こうして算定された液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及びＷｌ(hyd-out)を、それぞれカソード側及びアノード側における上述した気体成分としての水分の減少量Ｗｖ(air-out)及びＷｖ(hyd-out)に加え、カソード側（空気供給系３）において排出される水分量Ｗ(air-out)、及びアノード側（水素ガス供給系４）において排出される水分量Ｗ(hyd-out)を算出する。なお、液体成分として排出される水分量の合計量（Ｗｌ(air-out)＋Ｗｌ(hyd-out)）を求めた場合には、予め取得しておいたカソード側からアノード側への水分の拡散率に基づいて、カソード側及びアノード側のそれぞれにおける排出水分量へ割り振ることができる。
【００５８】
それから、上記のようにして得られた単位時間当たりの各水分量を積算し、カソード側とアノード側毎に水分の増加量から減少量を差し引いて、燃料電池２における水収支すなわちカソード側及びアノード側における積算含水量を計算する（ステップＳＰ１２）。このようにステップＳＰ１１，ＳＰ１２から水分量積算ステップが構成されている。
【００５９】
次に、この積算含水量と、予め設定しておいた所定の値との比較を行い（ステップＳＰ２１）、カソード側の積算含水量が所定値以上である場合には空気の供給流量を、また、アノード側の積算含水量が所定値以上である場合には水素ガスの供給量を、例えば、通常負荷よりも高負荷状態に対応する流量（所定値）へと増大させる（ステップＳＰ２２）。このようにステップＳＰ２１，ＳＰ２２から初期化ステップが構成されている。
【００６０】
これにより、燃料電池２の内部に含まれる水分（気体成分＋液体成分）を強制的に外部へ排出させ、燃料電池２内の水分量を物理的に初期化する。つまり、水分の累積値（含水量）がゼロとなるように積算値をクリアーする。また、それと共に、各水分量の積算時間も初期化（ゼロクリアー）する。その後、処理をステップＳＰ１１へ移行し、再び、同様の処理を繰り返す。
【００６１】
一方、カソード側の積算含水量が所定値未満である場合、又は、アノード側の積算含水量が所定値以上である場合には、そのような強制的な水分の排出を行わず、次のステップＳＰ３へ移行する。
【００６２】
ステップＳＰ３では、ステップＳＰ１における各水分量の積算時間と、予め設定しておいた所定の値との比較を行い（ステップＳＰ３１）、ステップＳＰ１における各水分量の積算時間が所定の値以上である場合に、空気の供給流量及び水素ガスの供給量を、例えば、通常負荷よりも高負荷状態に対応する流量（所定値）へと増大させる（ステップＳＰ３２）。このように、ステップＳＰ３１，ＳＰ３２からも初期化ステップが構成されている。また、この場合、水分の蓄積速度の相違を考慮して、カソード側とアノード側でそれぞれ異なる積算時間の所定値を設定することもできる。
【００６３】
これにより、燃料電池２内の含水量が所定の値に達していなくても、一定時間間隔毎に、燃料電池２の内部に含まれる水分（気体成分＋液体成分）を強制的に外部へ排出させ、燃料電池２内の水分量を物理的に初期化する。また、それと共に、各水分量の積算時間も初期化（ゼロクリアー）する。その後、処理をステップＳＰ１１へ移行し、再び、同様の処理を繰り返す。
【００６４】
一方、ステップＳＰ１における積算時間が所定値未満の場合には、処理をステップＳＰ１１へ移行し、再び、同様の処理を繰り返し、燃料電池システム１の運転停止により一連の処理を終了する。
【００６５】
なお、終了時点で得られている燃料電池２の内部の含水量積算値を制御部９に記憶させておき、燃料電池システム１の始動時又は運転再開時の初期値とすることができる。ただし、バッテリークリアー等によって、制御部９に記憶させておいた前回値が消失したような場合には、ステップＳＰ２２，ＳＰ３２における処理と同様にして、燃料電池２の内部に含まれる水分（気体成分＋液体成分）を強制的に外部へ排出させ（例えば、燃料電池システム１の始動又は運転再開の際における燃料電池２のイグニッションオンを契機として先ずステップＳＰ２２，ＳＰ３２と同様の処理を実行し）、燃料電池２内の水分量及び積算時間を初期化（リセット）することが望ましい。
【００６６】
或いは、燃料電池２の停止の際に、例えばイグニッションオフを契機としてステップＳＰ２２，ＳＰ３２と同様の処理を実行し、燃料電池システム１の次回の始動又は運転再開に先立って、燃料電池２内の水分量及び積算時間を初期化（リセット）しても好ましい。
【００６７】
このような燃料電池システム１及びその運転方法によれば、時間経過に応じて積算された燃料電池２の内部に含まれる水分量、又はその積算時間が所定の値以上となったときに、燃料電池２の内部の水分を強制的に外部へ排出させて積算値を初期化するので、それまでに累積した誤差が解消される。よって、燃料電池２への供給ガスの流量を増大させる簡易な処理で、精度の高い水収支の計算判定が可能となる。
【００６８】
また、このように強制的な水分の排出を行うことにより、燃料電池２におけるフラッディングの発生を有効に防止できる。さらに、カソード側とアノード側のそれぞれにおいて、水分量の積算と強制的な水分の排出を行うので、水収支計算の精度をより向上させることができると共に、フラッディングが相対的に発生し易いカソード側でのフラッディング発生を一層防止することができる。よって、発電効率や始動性をより高めることが可能となる。
【００６９】
さらに、燃料電池２から排出される水分量として、気体成分として排出される水分量Ｗｖ(air-out)及びＷｖ(hyd-out)のみならず、それに加えて液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及びＷｌ(hyd-out)を加味するので、燃料電池２の内部の水収支をより正確に把握することができる。
【００７０】
またさらに、従来のように液体成分として排出される水分量を考慮しない場合には、燃料電池の内部の水分量を過大に判定・評価してしまうおそれがあるのに対し、本発明の燃料電池システム１の運転方法によれば、燃料電池２の内部の水分量を適正に判定・評価できる。よって、液体成分の排出による水分の過度な持ち出しに起因して固体高分子電解層の湿潤度が不都合に低下するとか、場合によってはセパレータの乾燥によるドライアウトが生じてしまうといった事態を抑止できる。
【００７１】
さらにまた、制御部９では、燃料電池２の内部温度（スタック温度）、或いは排出される空気及び／又は水素ガスの温度が所定の温度以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定して水収支の計算を行ってもよい。
【００７２】
本発明者の知見によれば、ある燃料電池２のスタック温度が８０℃のときに、排出される空気又は水素ガス中に存在する全水分のうち液滴として存在する水の割合（質量基準）は、概ね５％であった。これに対し、その燃料電池２のスタック温度が２０℃のときには、排出される空気又は水素ガス中に存在する全水分のうち液滴として存在する水の割合（質量基準）は、概ね９５％であった。
【００７３】
このように、液体成分として含まれる水分量は、排出される空気又は水素ガスの温度が高い場合に比して低い場合の方が大きい傾向にあるので、低温状態の方が、燃料電池２の外部へ持ち去られる液体成分の水分量も増大する傾向にある。その場合、燃料電池２の水収支に与える影響が相対的に大きくなる。よって、燃料電池２或いは排出される空気の温度ｔ(air-out)又は水素ガスの温度ｔ(hyd-out)が所定の温度以下であるときに、上述した液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及びＷｌ(hyd-out)を算定すれば、そのような低温時における燃料電池２の水収支及び内部の湿潤状態をより正確に判断できるので、燃料電池システム１の運転性能を一層向上させることができる。
【００７４】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、ステップＳＰ２及びＳＰ３のいずれか一方のみ実施してもよく、両方実施する場合には、ステップＳＰ３をステップＳＰ２よりも先に実行しても構わない。また、排出配管１２，２３に流量計及び湿度計を設けて、それらの実測値と圧力の実測値により空気及び水素ガスの排出流量を算出してもよい。さらに、湿度計Ｈ１０，Ｈ２０に代えて、露点計等を設けて空気及び水素ガス中の水分含有量を実測してもよい。
【００７５】
またさらに、空気供給系３及び水素ガス供給系４の両方において、液体成分として排出される水分量を加味した水収支の計算、及び水分の強制的な排出を行うことが好ましいが、いずれか一方のみにおいて実施しても構わず、その場合、生成水によるフラッディングが比較的生じ易い空気供給系３のカソード極側において実施することが好ましい。
【００７６】
さらにまた、燃料電池２の温度を上昇させて内部の水分を気化させたり、加湿器１５による空気の加湿を停止したりすることにより、燃料電池２内の水分を外部へ排出させてもよい。また、燃料電池２への流入水分量、燃料電池２内での生成水分量、及び燃料電池２からの排出水分量の全てを積算しなくともよく、これらのうち少なくともいずれか１つの水分量を積算し、それに基づいて水収支を判定しても構わない。
【００７７】
なお、本発明の燃料電池システムの運転方法及びそれが適用される燃料電池システム１は、車両や携帯機器等の移動体に搭載することはもちろん、例えば、燃料電池２を定置用として、燃料電池システム１をコージェネレーション（熱電併給）システムに組み入れることもでき、コージェネレーションシステムについては、商用はもちろんのこと家庭用住居にも導入することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明による燃料電池システムによれば、燃料電池内の水収支を判定する際に、簡便な方法で誤差を低減でき、しかもフラッディングを有効に防止して運転効率を高めることができるので、車両や携帯機器等の移動体に搭載することはもちろん、燃料電池を定置用として用いる商用及び家庭用のコージェネレーション（熱電併給）システム等の設備等にも広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明による燃料電池システムの一実施形態を模式的に示す構成図である。
【図２】本発明による燃料電池システムの運転方法の一実施形態における手順を示すフロー図である。
【図３】燃料電池からの空気の排出流量及び水素ガスの排出流量と、液体成分として排出される水分量との関係を示すグラフである。
【図４】燃料電池の発電電流と、液体成分として排出される水分量の合計量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８０】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…空気供給系、４…水素ガス供給系、５…出力系、９…制御部、１１，２２…供給配管、１２，２３，２５…排出配管、１３…フィルタ、１４…コンプレッサ、１５…加湿器、１６…背圧調整弁、２１…高圧タンク、２３…循環配管、２４…水素ポンプ、２７…レギュレータ、３０…気液分離器、３１…ドレイン弁、３２…流体配管、３３…パージ弁、９１…演算処理・記憶部、９２…入出力インターフェイス、Ａ…合流点、Ｆ１０，Ｆ２０…流量計、Ｈ１０，Ｈ２０…湿度計、Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ２０，Ｐ２１…圧力計、Ｔ１１，Ｔ２１…温度計。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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