(57)【要約】【課題】燃料電池の加湿状態を精度良く判定し、燃料電池内部の水分量を最適に調節することで、燃料電池の出力低下を効果的に抑制するようにした燃料電池の制御装置を提供する。【解決手段】燃料電池を形成する複数個の単電池のそれぞれの出力電圧を検出し、検出された出力電圧のそれぞれについて偏差Ｖｄを算出し（Ｓ１２）、算出された偏差Ｖｄを用いて出力電圧の分散Ｖｖを算出し（Ｓ１６）、分散Ｖｖと偏差Ｖｄ（具体的には最大偏差Ｖｄｍａｘ）とに基づいて燃料電池の加湿状態を判定する（Ｓ１８からＳ３０）と共に、加湿状態の判定結果に基づいて燃料電池の内部の水分量を調節する（Ｓ３２）。【選択図】図３
2007035394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単電池を複数個積層して形成される燃料電池と、前記燃料電池の内部の水分量を調節する水分量調節手段と、前記水分量調節手段の動作を制御する制御手段とを備えた燃料電池の制御装置において、
ａ．前記複数個の単電池のそれぞれの出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、
ｂ．前記検出された出力電圧の偏差を算出する第１の算出手段と、
ｃ．前記算出された偏差を用いて前記出力電圧の分散または標準偏差を算出する第２の算出手段と、
および
ｄ．前記算出された分散または標準偏差と前記算出された偏差とに基づいて前記燃料電池の加湿状態を判定する加湿状態判定手段と、
を備えると共に、前記制御手段は、前記加湿状態の判定結果に基づいて前記水分量調節手段の動作を制御することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項２】
前記加湿状態判定手段は、
ｅ．前記算出された分散または標準偏差を第１の所定値と比較する第１の比較手段と、
および
ｆ．前記算出された偏差を第２の所定値と比較する第２の比較手段と、
を備えると共に、前記算出された分散または標準偏差が前記第１の所定値以上のとき、前記燃料電池の加湿が不足であると判定する一方、前記算出された偏差が前記第２の所定値以上のとき、前記燃料電池の加湿が過剰であると判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の制御装置。
【請求項３】
前記水分量調節手段は、前記燃料電池に空気を供給する空気供給系、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給系、および前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給系の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、内部の水分量（電解質膜の含水量）が不足すると出力が低下するため、燃料や空気を加湿して水分を供給する必要がある。一方、水分が過剰に供給されると、燃料電池の内部で水分が凝縮してガス通路が閉塞され、ガスの拡散が妨げられて出力低下を招くという不具合が生じる。
【０００３】
そこで、従来、燃料電池の出力低下を監視し、出力低下が検出されたときに燃料電池内部の水分量を調節するようにした技術が提案されている。また、例えば特許文献１に記載されるように、燃料電池から排出されたガスの湿度を検出し、検出された排出ガスの湿度が一定となるようにガスの供給量を調節する（具体的には、排出ガスの湿度が上昇した場合、ガスの供給量を増加し、燃料電池内部で水分が凝縮するのを防止する）ようにした技術も提案されている。
【特許文献１】特開２００３−５１３２８号公報（段落００２１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように、燃料電池は内部の水分量が不足しても過剰となっても出力低下を生じるため、出力低下が検出されても実際の加湿状態がドライ（水分不足）であるのかフラッド（水分過剰）であるのか区別し難い。一方、上記した特許文献１に記載されるように排出ガスの湿度を検出すれば燃料電池の加湿状態を推定することができるが、排出ガスの湿度は燃料電池内部の加湿状態を間接的に示すに過ぎず、実際の加湿状態とずれを生じる可能性があった。このように、従来技術にあっては、燃料電池の加湿状態を精度良く判定することができず、燃料電池内部の水分量を最適に調節することが困難であり、出力低下の抑制という点で改善の余地を残していた。
【０００５】
従ってこの発明の目的は上記した課題を解決し、燃料電池の加湿状態を精度良く判定し、燃料電池内部の水分量を最適に調節することで、燃料電池の出力低下を効果的に抑制するようにした燃料電池の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、単電池を複数個積層して形成される燃料電池と、前記燃料電池の内部の水分量を調節する水分量調節手段と、前記水分量調節手段の動作を制御する制御手段とを備えた燃料電池の制御装置において、前記複数個の単電池のそれぞれの出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記検出された出力電圧の偏差を算出する第１の算出手段と、前記算出された偏差を用いて前記出力電圧の分散または標準偏差を算出する第２の算出手段と、および前記算出された分散または標準偏差と前記算出された偏差とに基づいて前記燃料電池の加湿状態を判定する加湿状態判定手段とを備えると共に、前記制御手段は、前記加湿状態の判定結果に基づいて前記水分量調節手段の動作を制御するように構成した。
【０００７】
また、請求項２に係る燃料電池の制御装置にあっては、前記加湿状態判定手段は、前記算出された分散または標準偏差を第１の所定値と比較する第１の比較手段と、および前記算出された偏差を第２の所定値と比較する第２の比較手段とを備えると共に、前記算出された分散または標準偏差が前記第１の所定値以上のとき、前記燃料電池の加湿が不足であると判定する一方、前記算出された偏差が前記第２の所定値以上のとき、前記燃料電池の加湿が過剰であると判定するように構成した。
【０００８】
また、請求項３に係る燃料電池の制御装置にあっては、前記水分量調節手段は、前記燃料電池に空気を供給する空気供給系、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給系、および前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給系の少なくともいずれかであるように構成した。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に係る燃料電池の制御装置にあっては、燃料電池を形成する複数個の単電池のそれぞれの出力電圧を検出し、検出された各出力電圧の偏差を算出し、算出された各偏差を用いて出力電圧の分散または標準偏差を算出し、算出された分散または標準偏差と算出された偏差とに基づいて燃料電池の加湿状態を判定すると共に、加湿状態の判定結果に基づき、燃料電池の内部の水分量を調節する水分量調節手段の動作を制御するように構成したので、燃料電池の加湿状態を精度良く判定して燃料電池内部の水分量を最適に調節することが可能となり、燃料電池の出力低下を効果的に抑制することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る燃料電池の制御装置にあっては、算出された分散または標準偏差を第１の所定値と比較し、分散または標準偏差が第１の所定値以上のとき、燃料電池の加湿が不足であると判定する一方、算出された偏差を第２の所定値と比較し、偏差が第２の所定値以上のとき、燃料電池の加湿が過剰であると判定するように構成したので、燃料電池の加湿状態を精度良く判定して燃料電池内部の水分量を最適に調節することが可能となり、燃料電池の出力低下を効果的に抑制することができる。
【００１１】
また、請求項３に係る燃料電池の制御装置にあっては、燃料電池に空気を供給する空気供給系、燃料電池に燃料を供給する燃料供給系、および燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給系の少なくともいずれかの動作を制御することで燃料電池内部の水分量を調節するように構成したので、上記した効果に加え、構成を簡素化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池の制御装置の最良の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池の制御装置を示す概略図である。
【００１４】
図１において符号１０は、燃料電池（スタック）を示す。燃料電池１０は、図２に示すように、単電池（セル）１２を複数個（ｎ個）、具体的には４０個積層して形成された公知の固体高分子型燃料電池である。単電池１２は、電解質膜（固体高分子膜）と、それを挟持する空気極と燃料極と、各電極の外側に配置されるセパレータ（いずれも図示せず）とから構成される。尚、正常時の各単電池１２の中心電圧は約０．６３Ｖであり、よって燃料電池１０の出力電圧は２５．２Ｖである。
【００１５】
燃料電池１０の空気極には、燃料電池１０に空気（カソードガス。具体的には酸素ガス）を供給する空気供給系１４が接続される。空気供給系１４は、空気供給路１６と、空気排出路１８と、加湿器２０と、空気ポンプ（エアブロワ）２２とから構成される。
【００１６】
空気供給路１６は空気極の入口側に接続される一方、空気排出路１８は空気極の出口側に接続される。空気供給路１６と空気排出路１８の途中には、加湿器２０が配置される。加湿器２０は、空気供給路１６と空気排出路１８を隔てる水蒸気透過膜（図示せず）を備える。また、空気供給路１６において加湿器２０よりも上流側には、空気ポンプ２２が配置される。
【００１７】
一方、燃料電池１０の燃料極には、燃料電池１０に燃料（アノードガス。具体的には水素ガス）を供給する燃料供給系２６が接続される。燃料供給系２６は、燃料供給路２８と、燃料排出路３０と、燃料還流路３２と、第１から第３の電磁弁３４，３６，３８とから構成される。
【００１８】
燃料供給路２８は燃料極の入口側に接続される一方、燃料排出路３０は燃料極の出口側に接続される。燃料供給路２８の途中には第１の電磁弁３４が配置され、燃料排出路３０の途中には第２の電磁弁３６が配置される。燃料供給路２８の第１の電磁弁３４よりも上流側は、燃料の供給源（図示せず）に接続される。また、燃料供給路２８の第１の電磁弁３４よりも下流側と、燃料排出路３０の第２の電磁弁３６よりも上流側は、燃料還流路３２を介して接続される。燃料還流路３２の途中には、第３の電磁弁３８が配置される。
【００１９】
また、燃料電池１０の冷却水通路には、燃料電池１０に冷却水を供給する冷却水供給系４２が接続される。冷却水供給系４２は、冷却水循環路４４と、ラジエータ４６と、冷却ファン４８と、冷却水ポンプ５０とから構成される。
【００２０】
冷却水循環路４４は燃料電池１０に形成された冷却水通路に接続され、その途中にはラジエータ４６と冷却水ポンプ５０とが配置される。ラジエータ４６には冷却ファン４８が設けられる。冷却水ポンプ５０によって圧送された冷却水は、冷却水循環路４４を介して燃料電池１０とラジエータ４６の間を循環させられる。
【００２１】
また、燃料電池１０には、出力電圧検出部（電圧センサ）５４が接続される。出力電圧検出部５４は、燃料電池１０を形成するｎ個（４０個）の単電池１２のそれぞれの出力電圧Ｖｉ（ｉ：１〜ｎ（＝４０））を検出する。出力電圧検出部５４によって検出された各単電池１２の出力電圧Ｖｉは、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５６に入力される。ＥＣＵ５６はマイクロ・コンピュータからなり、ＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭなど（いずれも図示せず）を備える。
【００２２】
空気ポンプ２２によって吸引された空気は、空気供給路１６と加湿器２０を介して燃料電池１０の空気極に供給される。また、燃料供給路２８に配置された第１の電磁弁３４が開弁されると、燃料の供給源から圧送された燃料が、燃料電池１０の燃料極に供給される。
【００２３】
燃料電池１０に供給された空気と燃料は、電気化学反応を生じる。空気極および燃料極で生じる電極反応は、具体的には下記の通りである。
空気極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
空気極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
従って、全体の反応は下記となる。
全体：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【００２４】
上記の反応によって燃料電池１０が発電した電力（直流電流）は、図示しない出力端子と出力回路を介して電気負荷（外部の電気機器）に供給される。
【００２５】
尚、上記反応に用いられなかった未反応空気は、空気極から空気排出路１８と加湿器２０を介して燃料電池１０の外部に排出される。排出される未反応空気には、発電に伴って空気極で生成された水分（生成水）が含有される。かかる生成水は、加湿器２０の内部に設けられた水蒸気透過膜を透過して空気供給路１６を通過する空気に供給され、よって燃料電池１０に供給される空気が加湿される。
【００２６】
また、同様に上記反応に用いられなかった未反応燃料は、燃料極から燃料排出路３０に排出される。通常、燃料排出路３０に配置された第２の電磁弁３６は閉弁されると共に、燃料還流路３２に配置された第３の電磁弁３８は開弁される。従って、燃料極から排出された未反応燃料は、排出路３０と還流路３２と供給路２８を介し、燃料電池１０の燃料極に再度供給される。
【００２７】
また、第３の電磁弁３８を閉弁し、第２の電磁弁３６を開弁することで、燃料極のパージが実行され、燃料極に滞留した水分などが排出路３０を介して燃料電池１０の外部に排出される。
【００２８】
また、冷却水ポンプ５０から圧送された冷却水は、冷却水循環路４４を介して燃料電池１０（冷却水通路）に供給され、燃料電池１０を冷却する。燃料電池１０を冷却することによって昇温させられた冷却水は、冷却水循環路４４を介してラジエータ４６に流入され、そこで冷却されて再度燃料電池１０に供給される。尚、冷却ファン４８の回転数が高いときほど、ラジエータ４６に流入された冷却水の冷却が促進される。
【００２９】
また、ＥＣＵ５６は、入力された出力電圧Ｖｉに基づいてポンプ２２，５０、電磁弁３４，３６，３８および冷却ファン４８の動作を制御することで、燃料電池１０の内部の水分量を調節する。
【００３０】
図３は、ＥＣＵ５６で実行される燃料電池内部の水分量の調節処理を表すフローチャートである。図示のプログラムは、所定の周期（例えば１０ｍｓｅｃごと）で実行される。
【００３１】
ここで、図３フローチャートを説明する前に、発明者らが知見した出力電圧Ｖｉと燃料電池１０の加湿状態の関係について説明する。
【００３２】
図４は、燃料電池１０の加湿状態が正常であるとき（水分の過不足がないとき）の出力電圧Ｖｉの変化を示すタイム・チャートである。また、図５は、燃料電池１０の加湿状態が正常であるときの出力電圧Ｖｉの分布を示すグラフである。
【００３３】
図４に示すように、燃料電池１０の加湿状態が正常であれば、燃料電池１０を形成するｎ個（４０個）の単電池１２の出力電圧Ｖｉはほぼ等しい値となる（ある値に収束する）。従って、出力電圧Ｖｉの偏差Ｖｄと分散Ｖｖは、共に小さな値となる。
【００３４】
尚、偏差Ｖｄとは、検出された全ての出力電圧Ｖｉを平均して得た平均値Ｖａと、個別の出力電圧Ｖｉの差である。従って偏差Ｖｄは、各単電池１２の出力電圧Ｖｉのそれぞれについて算出される。平均値Ｖａは下記の式１に従って算出されると共に、偏差Ｖｄは下記の式２に従って算出される。
【００３５】
【数１】
2007035394.tif 000003
【００３６】
【数２】
2007035394.tif 000004
【００３７】
また、分散Ｖｖは、各偏差Ｖｄを二乗して算術平均した値であり、下記の式３に従って算出される。分散Ｖｖの数値が小さいほど、各単電池１２の出力電圧Ｖｉが平均値Ｖａの近辺に集まっていることを示す。
【００３８】
【数３】
2007035394.tif 000005
【００３９】
この実施例に係る燃料電池１０にあっては、図５に示すように、加湿状態が正常であるときの最大偏差Ｖｄｍａｘ（算出された全ての偏差Ｖｄのうち最大のもの）が約０．０３であり、分散Ｖｖが約０．０００１であった。
【００４０】
図６は、燃料電池１０の加湿状態がドライであるときの出力電圧Ｖｉの変化を示すタイム・チャートである。また、図７は、燃料電池１０の加湿状態がドライであるときの出力電圧Ｖｉの分布を示すグラフである。
【００４１】
燃料電池１０の加湿状態がドライ（水分不足）になると、電解質膜のイオン伝導性が悪化して単電池１２の内部抵抗が増加し、出力電圧Ｖｉが低下する。そのため、単電池１２の発熱量が増加する。ところで、各単電池１２は冷却水によって冷却されるが、燃料電池１０の構造上、各単電池１２の間で冷却状態にばらつきが生じる。加湿状態がドライになることに伴って単電池の発熱量が増加すると、冷却状態の良くない（冷却能力の低い）単電池の温度が上昇する。そのため、温度上昇した単電池の電解質膜のドライ化が促進され、内部抵抗が増加して発熱量が増加し、さらなる温度上昇と電解質膜のドライ化を招く。即ち、加湿状態がドライになると、冷却状態の良くない単電池で温度上昇、電解質膜のドライ化、発熱量の増加、温度上昇・・・が繰り返され、出力電圧が他の単電池よりも低下することから、図６に示すように各出力電圧Ｖｉの間にバラツキが生じる。
【００４２】
従って、加湿状態がドライであれば、正常時よりも分散Ｖｖが大きくなる。図７に示すように、加湿状態がドライであるときの分散Ｖｖは約０．０００８であり、正常時の約８倍であった。一方で、各単電池間の冷却状態のばらつきの幅は小さく、その分布も滑らかである（具体的には、図８に示すように、積層された単電池のうち、中心付近に位置する単電池の冷却状態が端部付近に位置するものよりも悪化し、温度が上昇する）ため、ドライのときの偏差Ｖｄは、正常であるときのそれと大きな差は生じない。この実施例にあっては、図７に示すように、加湿状態がドライであるときの最大偏差Ｖｄｍａｘは約０．０５であり、正常時の２倍に満たなかった。
【００４３】
図９は、燃料電池１０の加湿状態がフラッドであるときの出力電圧Ｖｉの変化を示すタイム・チャートである。また、図１０は、燃料電池１０の加湿状態がフラッドであるときの出力電圧Ｖｉの分布を示すグラフである。
【００４４】
燃料電池１０の加湿状態がフラッド（水分過剰）になると、燃料電池１０の内部で水分が凝縮してガス通路が閉塞され、ガスの拡散が妨げられて出力電圧の低下を招く。単電池１２の発電量は電極に供給されるガス量の変化に敏感であることから、ガスの拡散が妨げられると、図９に示すように出力電圧の顕著な低下が生じる。そのため、加湿状態がフラッドのときの分散Ｖｖは正常であるときのそれと大きな差は生じないものの、偏差Ｖｄは正常時のそれと大きく相違する。図１０に示すように、加湿状態がフラッドであるときの最大偏差Ｖｄｍａｘは約０．０９であり、正常時のそれの３倍、ドライ時の約２倍であった。また、加湿状態がフラッドであるときの分散Ｖｖは約０．０００３であり、正常時の３倍、ドライ時の約１／３であった。
【００４５】
このように、燃料電池１０の加湿状態に応じて偏差Ｖｄと分散Ｖｖの値が変化する。従って、偏差Ｖｄ（最大偏差Ｖｄｍａｘ）と分散Ｖｖの値から、燃料電池１０の加湿状態が正常、ドライおよびフラッドのいずれにあるか判定することができる。
【００４６】
以上を前提に図３フローチャートの処理について説明すると、先ずＳ１０において、上記した式１に従って各出力電圧Ｖｉの平均値Ｖａを算出する。次いでＳ１２に進み、各出力電圧Ｖｉのそれぞれについて、上記した式２に従って偏差Ｖｄを算出した後、Ｓ１４に進み、算出された各偏差Ｖｄの中から最大偏差Ｖｄｍａｘを選択する。
【００４７】
次いでＳ１６に進み、算出された各偏差Ｖｄを用い、上記した式３に従って分散Ｖｖを算出すると共に、Ｓ１８に進み、算出された分散Ｖｖを所定値Ｖｖｒｅｆ（第１の所定値）と比較する。ここで所定値Ｖｖｒｅｆは、加湿状態がドライのときの分散Ｖｖとフラッドのときの分散Ｖｖの間の値に、実験を通じて予め設定される。この実施例にあっては、ドライのときの分散Ｖｖが０．０００８であり、フラッドのときのそれが０．０００３であることから、所定値Ｖｖｒｅｆは０．０００５に設定した。
【００４８】
次いでＳ２０に進み、分散Ｖｖが所定値Ｖｖｒｅｆ以上か否か判断する。Ｓ２０で肯定されるとき、即ち、分散Ｖｖが所定値Ｖｖｒｅｆ以上であるときはＳ２２に進み、燃料電池１０の加湿状態がドライである（加湿が不足である）と判定する。
【００４９】
一方、Ｓ２０で否定されるとき、即ち、分散Ｖｖが所定値Ｖｖｒｅｆ未満であるときはＳ２４に進み、最大偏差Ｖｄｍａｘを所定値Ｖｄｒｅｆ（第２の所定値）と比較する。所定値Ｖｖｒｅｆは、加湿状態がフラッドのときの最大偏差Ｖｄｍａｘとドライのときの最大偏差Ｖｄｍａｘの間の値に、実験を通じて予め設定される。この実施例にあっては、フラッドのときの最大偏差Ｖｄｍａｘが０．０９であり、ドライのときのそれが０．０５であることから、所定値Ｖｄｒｅｆは０．０６に設定した。
【００５０】
次いでＳ２６に進み、最大偏差Ｖｄｍａｘが所定値Ｖｄｒｅｆ以上か否か判断する。Ｓ２６で肯定されるとき、即ち、最大偏差Ｖｄｍａｘが所定値Ｖｄｒｅｆ以上であるときはＳ２８に進み、燃料電池１０の加湿状態がフラッドである（加湿が過剰である）と判定する。一方、Ｓ２６で否定されるとき、即ち、最大偏差Ｖｄｍａｘが所定値Ｖｄｒｅｆ未満であるときはＳ３０に進み、燃料電池１０の加湿状態が正常であると判定する。
【００５１】
Ｓ２２，Ｓ２８およびＳ３０のいずれかで燃料電池１０の加湿状態が判定された後はＳ３２に進み、加湿状態の判定結果に基づいて空気供給系１４、燃料供給系２６および冷却水供給系４２の動作を実行し、燃料電池１０の内部の水分量を調節する。
【００５２】
図１１は、燃料電池内部の水分量の調節処理を表すサブ・ルーチン・フローチャートである。
【００５３】
図１１フローチャートを説明すると、先ずＳ１００において、燃料電池１０の加湿状態の判定結果が正常、ドライ、フラッドのいずれであるか判断する。判定結果がドライであると判断されるときはＳ１０２に進み、冷却水供給系４２の動作を制御する。具体的には、冷却ファン４８の回転数を上昇させ、冷却ファン４８の風量を増加させる。次いでＳ１０４に進み、空気供給系１４の動作を制御する。具体的には、空気ポンプ２２の回転数を低下させ、空気ポンプ２２の風量を減少させる。さらにＳ１０６において、燃料供給系２６の動作、具体的には、第２の電磁弁３６と第３の電磁弁３８の動作を制御し、燃料のパージ頻度（時間間隔）を減少させる。
【００５４】
このように、燃料電池１０の加湿状態がドライであるときは、冷却ファン４８の風量を増加させることで冷却水温度を低下させ、よって燃料電池１０の温度を低下させることで燃料電池内部の水分の蒸発を抑制する。また、空気ポンプ２２の風量を減少させることで供給空気の圧力による水分の排出を抑制する。さらに、燃料のパージ頻度を減少させることで、パージに伴って排出される水分量を低減させる。これにより、燃料電池１０の内部から排出される水分の量が減少し、加湿状態がドライから正常へと移行する。
【００５５】
一方、加湿状態がフラッドであると判定されたときはＳ１０８に進み、冷却ファン４８の回転数を低下させて冷却ファン４８の風量を減少させると共に、Ｓ１１０で空気ポンプ２２の回転数を上昇させて空気ポンプ２２の風量を増加させる。さらにＳ１１２で第３の電磁弁３６を開弁させる頻度（燃料のパージ頻度）を増加させる。
【００５６】
即ち、燃料電池１０の加湿状態がフラッドであるときは、冷却ファン４８の風量を減少させることで冷却水温度を上昇させ、よって燃料電池１０の温度を上昇させることで燃料電池内部の水分の蒸発を促進すると共に、空気ポンプ２２の風量を増加させることで供給空気の圧力による水分の排出を促進する。さらに、燃料のパージ頻度を増加させることでパージに伴って排出される水分量を増加させる。これにより、燃料電池１０の内部から排出される水分の量が増加し、加湿状態がフラッドから正常へと移行する。
【００５７】
尚、加湿状態が正常であると判定されたときは以降の処理を全てスキップし、各デバイスの現在の動作を維持する。具体的には、空気ポンプ２２と冷却ファン４８の回転数を現在の回転数に保つと共に、燃料のパージ頻度も現在のそれを維持する。
【００５８】
このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池の制御装置にあっては、燃料電池１０を形成する複数個の単電池１２のそれぞれの出力電圧Ｖｉを検出し、検出された各出力電圧Ｖｉの偏差Ｖｄを算出し、算出された各偏差Ｖｄを用いて出力電圧Ｖｉの分散Ｖｖを算出し、分散Ｖｖと偏差Ｖｄ（具体的には最大偏差Ｖｄｍａｘ）とに基づいて燃料電池１０の加湿状態を判定する、具体的には、分散Ｖｖを所定値Ｖｖｒｅｆと比較し、分散Ｖｖが所定値Ｖｖｒｅｆ以上のとき、燃料電池１０の加湿状態がドライである（加湿が不足である）と判定する一方、最大偏差Ｖｄｍａｘを所定値Ｖｄｒｅｆと比較し、最大偏差Ｖｄｍａｘが所定値Ｖｄｒｅｆ以上のとき、燃料電池１０の加湿状態がフラッドである（加湿が過剰である）と判定すると共に、加湿状態の判定結果に基づいて燃料電池１０の内部の水分量を調節するように構成したので、燃料電池の加湿状態を精度良く判定して燃料電池内部の水分量を最適に調節することが可能となり、燃料電池の出力低下を効果的に抑制することができる。
【００５９】
また、燃料電池１０に空気を供給する空気供給系１４（具体的には空気ポンプ２２）、燃料電池１０に燃料を供給する燃料供給系２６（具体的には第２の電磁弁３６と第３の電磁弁３８）、および燃料電池１０に冷却水を供給する冷却水供給系４２（具体的には冷却ファン４８）の動作を制御することで燃料電池１０の内部の水分量を調節するように構成したので、構成を簡素化することができる。
【００６０】
尚、上記において、空気供給系１４、燃料供給系２６および冷却水供給系４２の動作を制御することによって燃料電池１０の水分量を調節するようにしたが、それら全ての動作を制御する必要は必ずしもなく、それらのうちの少なくともいずれかの動作を制御するようにしてもよい。また、空気や燃料を加湿する加湿器を備える場合には、加湿器の動作を制御することにより、燃料電池に供給される水分量を調節してもよい。
【実施例２】
【００６１】
次いで、この発明の第２実施例に係る燃料電池の制御装置について説明する。
【００６２】
第１実施例との相違点に焦点をおいて説明すると、第２実施例にあっては、偏差Ｖｖに代えて標準偏差Ｖｓｄを使用するようにした。尚、標準偏差Ｖｓｄは分散Ｖｖの正の平方根である。
【００６３】
図１２は、この発明の第２実施例に係る燃料電池の制御装置で実行される燃料電池内部の水分量の調節処理のうち、第１実施例で説明した図３フローチャートとの相違点を表すフローチャートである。
【００６４】
以下、図１２フローチャートについて説明する。先ず、第１実施例で説明した図３フローチャートのＳ１０からＳ１４と同じ処理を実行した後、Ｓ１６ｂに進んで標準偏差Ｖｓｄを算出する。次いでＳ１８ｂに進み、算出された標準偏差Ｖｓｄを所定値Ｖｓｄｒｅｆ（第１の所定値）と比較する。ここで所定値Ｖｓｄｒｅｆは、加湿状態がドライのときの標準偏差Ｖｓｄとフラッドのときのそれの間の値に、実験を通じて予め設定される。
【００６５】
次いでＳ２０ｂに進み、標準偏差Ｖｓｄが所定値Ｖｓｄｒｅｆ以上か否か判断する。Ｓ２０ｂで肯定されるとき（標準偏差Ｖｓｄが所定値Ｖｓｄｒｅｆ以上であるとき）は図３フローチャートのＳ２２に進んで加湿状態がドライであると判定する一方、Ｓ２０ｂで否定されるとき（標準偏差Ｖｓｄが所定値Ｖｓｄｒｅｆ未満であるとき）は図３フローチャートのＳ２４以降に進み、加湿状態がフラッドと正常のいずれであるか判定する。
【００６６】
尚、残余の構成は第１実施例と同一であるので、説明を省略する。
【００６７】
このように、第２実施例にあっては、偏差Ｖｖに代え、その正の平方根である標準偏差Ｖｓｄを使用して燃料電池１０の加湿状態を判定するようにしたので、第１実施例で述べたのと同様な効果を得ることができる。
【００６８】
以上のように、この発明の第１および第２実施例にあっては、単電池（１２）を複数個積層して形成される燃料電池（１０）と、前記燃料電池の内部の水分量を調節する水分量調節手段（空気供給系１４、燃料供給系２６、冷却水供給系４２）と、前記水分量調節手段の動作を制御する制御手段（ＥＣＵ５６）とを備えた燃料電池の制御装置において、前記複数個の単電池のそれぞれの出力電圧（Ｖｉ）を検出する出力電圧検出手段（出力電圧検出部５４）と、前記検出された出力電圧の偏差（Ｖｄ）を算出する第１の算出手段（ＥＣＵ５６、図３フローチャートのＳ１２）と、前記算出された偏差を用いて前記出力電圧の分散（Ｖｖ）または標準偏差（Ｖｓｄ）を算出する第２の算出手段（ＥＣＵ５６、図３フローチャートのＳ１６、図１２フローチャートのＳ１６ｂ）と、および前記算出された分散または標準偏差と前記算出された偏差とに基づいて前記燃料電池の加湿状態を判定する加湿状態判定手段（ＥＣＵ５６、図３フローチャートのＳ１８からＳ３０、図１２フローチャートのＳ１８ｂ，Ｓ２０ｂ）とを備えると共に、前記制御手段は、前記加湿状態の判定結果に基づいて前記水分量調節手段の動作を制御する（図３フローチャートのＳ３２、図１１フローチャートのＳ１００からＳ１１２）ように構成した。
【００６９】
また、前記加湿状態判定手段は、前記算出された分散または標準偏差を第１の所定値（所定値Ｖｖｒｅｆ、所定値Ｖｓｄｒｅｆ）と比較する第１の比較手段（図３フローチャートのＳ１８、図１２フローチャートのＳ１８ｂ）と、および前記算出された偏差を第２の所定値（所定値Ｖｄｒｅｆ）と比較する第２の比較手段（図３フローチャートのＳ２４）とを備えると共に、前記算出された分散または標準偏差が前記第１の所定値以上のとき、前記燃料電池の加湿が不足であると判定する（図３フローチャートのＳ２２）一方、前記算出された偏差が前記第２の所定値以上のとき、前記燃料電池の加湿が過剰である（図３フローチャートのＳ２８）と判定するように構成した。
【００７０】
また、前記水分量調節手段は、前記燃料電池に空気を供給する空気供給系（１４）、前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給系（２６）、および前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水供給系（４２）の少なくともいずれかであるように構成した。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】この発明の第１実施例に係る燃料電池の制御装置を示す概略図である。
【図２】図１に示す燃料電池の外観を簡略的に現す斜視図である。
【図３】図１に示すＥＣＵで実行される燃料電池内部の水分量の調節処理を表すフローチャートである。
【図４】図１に示す燃料電池の加湿状態が正常であるときの出力電圧の変化を表すタイム・チャートである。
【図５】図１に示す燃料電池の加湿状態が正常であるときの出力電圧の分布を表すグラフである。
【図６】図１に示す燃料電池の加湿状態がドライであるときの出力電圧の変化を表す、図４と同様なタイム・チャートである。
【図７】図１に示す燃料電池の加湿状態がドライであるときの出力電圧の分布を表す、図５と同様なグラフである。
【図８】図２に示す各単電池の積層位置に対する温度の特性を現す特性図である。
【図９】図１に示す燃料電池の加湿状態がフラッドであるときの出力電圧の変化を表す、図４と同様なタイム・チャートである。
【図１０】図１に示す燃料電池の加湿状態がフラッドであるときの出力電圧の分布を表す、図５と同様なグラフである。
【図１１】図３フローチャートの処理を表すサブ・ルーチン・フローチャートである。
【図１２】この発明の第２実施例に係る燃料電池の制御装置で実行される燃料電池内部の水分量の調節処理のうち、図３フローチャートとの相違点を表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１０：燃料電池、１２：単電池、１４：空気供給系（水分量調節手段）、２６：燃料供給系（水分量調節手段）、４２：冷却水供給系（水分量調節手段）、５４：出力電圧検出部（出力電圧検出手段）、５６：ＥＣＵ（制御手段、第１の算出手段、第２の算出手段、加湿状態判定手段、第１の比較手段、第２の比較手段）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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