(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素とを化学反応させて、電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）の発熱量を検出する発熱量検出手段（１２、１３）と、
前記燃料電池（１０）内部に存在する内部水分の蒸発量を制御する蒸発量制御手段（２２、３２）と、
前記燃料電池（１０）の内部水分量を検出する水分量検出手段（１２、１４）とを備え、
前記水分量検出手段は、前記燃料電池（１０）の出力電流（ＩF）を検出する電流検出手段（１２）と出力電圧（ＶF）を検出する電圧検出手段（１２）とから構成され、
前記発熱量検出手段（１２、１３）にて検出した前記燃料電池の発熱量に基づいて、前記蒸発量制御手段（２１〜２３、３１〜３３）により前記内部水分の蒸発量を制御するとともに、
前記電流検出手段（１２）にて検出した出力電流（ＩF）に対する基準電圧（Ｖｏ）と、前記電圧検出手段（１２）にて検出した出力電圧（ＶF）との差が所定値以上になった場合に、前記蒸発量制御手段（２２、３２）による水分蒸発量の制御を中止することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素と酸素とを化学反応させて、電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）の発熱量を検出する発熱量検出手段（１２、１３）と、
前記燃料電池（１０）内部に存在する内部水分の蒸発量を制御する蒸発量制御手段（２２、３２）と、
前記燃料電池（１０）の内部水分量を検出する水分量検出手段（１２、１４）とを備え、
前記水分量検出手段は、前記燃料電池（１０）の出力電流（ＩF）を検出する電流検出手段と内部抵抗（ＲF）を検出する内部抵抗検出手段（１４）とから構成され、
前記発熱量検出手段（１２、１３）にて検出した前記燃料電池の発熱量に基づいて、前記蒸発量制御手段（２１〜２３、３１〜３３）により前記内部水分の蒸発量を制御するとともに、
前記電流検出手段（１２）にて検出した出力電流（ＩF）に対する基準内部抵抗（Ｒｏ）と、前記内部抵抗検出手段（１４）にて検出した内部抵抗（ＲF）との差が所定値以上になった場合に、前記蒸発量制御手段（２２、３２）による水分蒸発量の制御を中止することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記発熱量検出手段は、前記燃料電池（１０）が出力する電力（ＰF）を検出する電力検出手段（１２）であり、
前記出力電力（ＰF）が所定電力（Ｐ0）を超えた場合に、前記内部水分の蒸発量を増加させ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。
【請求項４】
前記発熱量検出手段は、前記燃料電池（１０）の出力電流（ＩF）を検出する電流値検出手段（１２）であり、
前記出力電流（ＩF）が所定電流値を超えた場合に、前記内部水分の蒸発量を増加させ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。
【請求項５】
前記発熱量検出手段は、前記燃料電池（１０）の温度（ＴF）を検出する温度検出手段（１３）であり、
前記燃料電池温度（ＴF）が所定温度を超えた場合に、前記内部水分の蒸発量を増加させ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。
【請求項６】
前記蒸発量制御手段は、前記燃料電池（１０）に供給される水素あるいは前記燃料電池（１０）に供給される酸素の少なくとも一方の加湿量を調整する加湿量調整手段（２２、３２）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加湿量調整手段（２２、３２）による加湿量を通常運転時より減少させることにより、前記内部水分の蒸発量を増加させ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】
前記蒸発量制御手段は、前記燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を調整する水素圧力調整手段（３３）あるいは前記燃料電池（１０）に供給される酸素の圧力を調整する酸素圧力調整手段（２３）の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記水素圧力調整手段による前記水素の圧力の減少あるいは前記酸素圧力調整手段による前記酸素の圧力の減少の少なくとも一方を行うことにより、前記内部水分の蒸発量を増加させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記蒸発量制御手段は、前記燃料電池（１０）に供給される水素の流量を調整する水素流量調整手段（３１）あるいは前記燃料電池（１０）に供給される酸素の流量を調整する酸素流量調整手段（２１）の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記水素流量調整手段による水素流量の増加あるいは前記酸素流量調整手段による酸素流量の増加の少なくとも一方を行うことにより、前記内部水分の蒸発量を増加させることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記蒸発量制御手段により前記内部水分の蒸発量を制御する前に、前記燃料電池の内部水分量を増加させておくことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池からな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器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素と酸素（空気）との化学反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。燃料電池では、発電時の化学反応により発熱を生じる。燃料電池は、発電効率のため定温（８０℃程度）に維持する必要があり、発電時に発生する熱を冷却水を介してラジエータ（放熱器）により大気に放出している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料電池は内燃機関に比較して発熱量が小さいが、排気による放熱が小さいため冷却水が処理する熱量は逆に多くなる。さらに冷却水温度と外気温度との気水温度差が小さいため、ラジエータによる冷却には不利である。このため、燃料電池の廃熱をすべてラジエータで放熱させようとすると、ラジエータの体格を大きくする必要がある。
【０００４】
ところが、燃料電池を例えば車両の駆動電源として適用する場合には、車両に搭載可能な空間サイズは限定されるためラジエータ小型化の要求があり、ラジエータの体格を大きくすることは困難である。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、放熱器以外の手段により燃料電池の冷却量を増大させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素とを化学反応させて、電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）を有する燃料電池システムであって、燃料電池（１０）の発熱量を検出する発熱量検出手段（１２）と、燃料電池（１０）内部に存在する内部水分の蒸発量を制御する蒸発量制御手段（２２、３２）と、燃料電池（１０）の内部水分量を検出する水分量検出手段（１２、１４）とを備え、水分量検出手段は、燃料電池（１０）の出力電流（ＩF）を検出する電流検出手段（１２）と出力電圧（ＶF）を検出する電圧検出手段（１２）とから構成され、発熱量検出手段（１２、１３）にて検出した燃料電池の発熱量に基づいて、蒸発量制御手段（２１〜２３、３１〜３３）により内部水分の蒸発量を制御するとともに、電流検出手段（１２）にて検出した出力電流（ＩF）に対する基準電圧（Ｖｏ）と、電圧検出手段（１２）にて検出した出力電圧（ＶF）との差が所定値以上になった場合に、蒸発量制御手段（２２、３２）による水分蒸発量の制御を中止することを特徴としている。
【０００７】
このように燃料電池（１０）内部に存在する水分の蒸発量を調整することで、水の蒸発潜熱を利用して燃料電池本体を冷却することが可能となる。これにより、放熱器による冷却負担を軽減することができ、放熱器の小型化を図ることができる。さらに、燃料電池では内部水分の減少に伴い出力電圧が降下するので、請求項１に記載の発明のように、燃料電池（１０）の出力電圧に基づいて内部水分量を検出することができる。そして、燃料電池の内部水分量が発電に充分ではない場合には、内部水分の蒸発量増加による燃料電池冷却を抑制し、燃料電池の出力の確保を図ることができる。なお、本明細書中の「酸素」には、空気中に含まれた状態の酸素を含む。
また、請求項２に記載の発明では、水分量検出手段は、燃料電池（１０）の出力電流（ＩF）を検出する電流検出手段と内部抵抗（ＲF）を検出する内部抵抗検出手段（１４）とから構成され、発熱量検出手段（１２、１３）にて検出した燃料電池の発熱量に基づいて、蒸発量制御手段（２１〜２３、３１〜３３）により内部水分の蒸発量を制御するとともに、電流検出手段（１２）にて検出した出力電流（ＩF）に対する基準内部抵抗（Ｒｏ）と、内部抵抗検出手段（１４）にて検出した内部抵抗（ＲF）との差が所定値以上になった場合に、蒸発量制御手段（２２、３２）による水分蒸発量の制御を中止することを特徴とすることを特徴としている。燃料電池では内部水分の減少に伴い内部抵抗が増大するので、請求項２に記載の発明のように、燃料電池（１０）の内部抵抗に基づいて内部水分量を検出することができる。
【０００８】
また、請求項３に記載の発明では、発熱量検出手段は、燃料電池（１０）が出力する電力（ＰF）を検出する電力検出手段であり、出力電力（ＰF）が所定電力（Ｐ0）を超えた場合に、内部水分の蒸発量を増加させることを特徴としている。
【０００９】
燃料電池の出力と発熱量との間には相関関係があるので、このように燃料電池の出力の増大により間接的に発熱量増大を判断することができる。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明では、発熱量検出手段は、燃料電池（１０）の出力電流（ＩF）を検出する電流値検出手段（１２）であり、出力電流（ＩF）が所定電流値を超えた場合に、内部水分の蒸発量を増加させることを特徴としている。
【００１１】
上記請求項３と同様に、燃料電池の出力電流と発熱量との間には相関関係があるので、このように燃料電池の出力電流の増大により間接的に発熱量増大を判断することもできる。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明では、発熱量検出手段は、燃料電池（１０）の温度（ＴF）を検出する温度検出手段（１３）であり、燃料電池温度（ＴF）が所定温度を超えた場合に、内部水分の蒸発量を増加させることを特徴としている。
【００１３】
このように、燃料電池本体の温度増大により、直接的に発熱量増大を判断することもできる。
【００１４】
また、請求項６に記載の発明では、蒸発量制御手段は、燃料電池（１０）に供給される水素あるいは燃料電池（１０）に供給される酸素の少なくとも一方の加湿量を調整する加湿量調整手段（２２、３２）であることを特徴としている。
【００１５】
このように、燃料電池（１０）に供給される水素あるいは酸素（空気）の加湿量を調整することで、内部水分の蒸発量を制御することができる。具体的には、請求項７に記載の発明のように、加湿量を低減させることで燃料電池の内部水分の蒸発量を増加できる。また、加湿量を増加させることで燃料電池の内部水分の蒸発量を低減できる。
【００１６】
また、請求項８に記載の発明では、蒸発量制御手段は、燃料電池（１０）に供給される水素の圧力を調整する水素圧力調整手段（３３）あるいは燃料電池（１０）に供給される酸素の圧力を調整する酸素圧力調整手段（２３）の少なくとも一方であることを特徴としている。
【００１７】
このように、燃料電池（１０）に供給される水素あるいは酸素（空気）の圧力を調整することによっても、内部水分の蒸発量を制御することができる。具体的には、請求項８に記載の発明のように、水素圧力調整手段による水素の圧力の減少あるいは酸素圧力調整手段による酸素の圧力の減少の少なくとも一方を行うことにより、内部水分の蒸発量を増加させることができる。
【００１８】
また、請求項１０に記載の発明では、蒸発量制御手段は、燃料電池（１０）に供給される水素の流量を調整する水素流量調整手段（３３）あるいは燃料電池（１０）に供給される酸素の流量を調整する酸素流量調整手段（２１）の少なくとも一方であることを特徴としている。
【００１９】
このように、燃料電池（１０）に供給される水素あるいは酸素（空気）の供給量を調整することでも、内部水分の蒸発量を制御することができる。具体的には、請求項１１に記載の発明のように、水素流量調整手段による水素流量の増加あるいは酸素流量調整手段による酸素流量の増加の少なくとも一方を行うことにより、内部水分の蒸発量を増加させることができる。また、供給量を減少させることで内部水分の蒸発量を減少させることができる。
【００２０】
また、請求項１２に記載の発明のように、蒸発量制御手段により内部水分の蒸発量を制御する前に、燃料電池の内部水分量を増加させておくことにより、内部水分を蒸発させる際の蒸発潜熱を大きくすることができ、燃料電池システムの冷却性能をより向上させることができる。
【００２７】
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。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本第１実施形態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（燃料電池車両）に好適に用いることができる。
【００２９】
図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０、空気供給装置２１、水素供給装置３１、加湿器２２、３２、制御部４０等を備えている。
【００３０】
燃料電池（ＦＣスタック）１０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ものである。本第１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が複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１０は、走行用モータ（負荷）１１や図示しない２次電池等の電気機器に電力を供給するように構成されている。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。
（水素極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2  ＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
この電気化学反応により生成水が発生するともに、後述のように燃料電池１０には加湿された水素、空気が供給され、燃料電池内部で凝縮水が発生する。このため、燃料電池１０内部において、水素が通過する水素経路と空気が通過する空気経路には水分が存在することとなる。
【００３１】
図２は燃料電池１０に設けられた電流電圧検出部１２の拡大図であり、図２に示すように燃料電池１０には、燃料電池１０の出力電圧ＶFおよび出力電流ＩFを検出する電圧電流検出部１２が設けられている。また、燃料電池１０には、燃料電池１０の温度ＴFを検出する温度検出部１３、燃料電池１０の内部抵抗を検出する内部抵抗検出部１４が設けられている。
【００３２】
図３は、燃料電池１０の出力電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとの関係を示すＩＶ特性マップである。図３に示すように、出力電流Ｉｏと出力電圧Ｖｏとの間には相関関係があり、ＩＶ特性マップに基づいて出力電流Ｉｏに対する基準電圧Ｖｏを求めることができる。また、図４は、燃料電池１０の出力電流Ｉｏと内部抵抗Ｒｏとの関係を示すＩＲ特性マップである。図４に示すように、出力電流Ｉｏと内部抵抗Ｒｏとの間には相関関係があり、ＩＲ特性マップに基づいて出力電流Ｉｏに対する基準内部抵抗Ｒｏを求めることができる。これらのマップは後述の制御部４０に記憶されている。
【００３３】
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気経路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素経路３０が設けられている。空気経路２０の最上流部には空気供給装置２１が設けられ、水素経路３０の最上流部には水素供給装置３１が設けられている。
【００３４】
空気供給装置２１としては、例えばコンプレッサを用いることができる。水素供給装置３１としては、例えば改質反応により水素を生成する改質装置、あるいは水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。空気供給装置２１は空気供給量（空気流量）を任意に調整できる空気流量調整手段として構成されており、水素供給装置３１は水素供給量（水素流量）を任意に調整できる水素流量調整手段として構成されている。
【００３５】
上記電気化学反応のためには、燃料電池１０内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態となっている必要がある。このため、空気経路２０には燃料電池１０に供給される空気を加湿するための加湿器２２が設けられている。同様に、水素経路３０にも燃料電池１０に供給される水素を加湿するための加湿器３２が設けられている。これらの加湿器２２、３２は、ガス加湿量を任意に調整できる加湿量調整手段として構成されている。本第１実施形態では、加湿器２２、３２が蒸発量制御手段を構成している。
【００３６】
また、空気経路２０における燃料電池１０下流側には、空気経路２０を流れる空気圧力（酸素圧力）を調整する酸素圧力調整手段としての空気背圧調整バルブ２３が設けられている。水素経路３０における燃料電池１０下流側には、水素経路３０を流れる水素圧力を調整する水素圧力調整手段としての水素背圧調整バルブ３３が設けられている。これらの背圧調整バルブ２３、３３は、開度を調整することにより空気圧力あるいは水素圧力を調整することができる。
【００３７】
燃料電池１０では発電の際、化学反応により熱が発生する。燃料電池１０は発電効率のために運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池システムには燃料電池１０で発生した熱を系外に放出する放熱器（ラジエータ）を有する冷却システム（図示せず）が設けられている。
【００３８】
本第１実施形態の燃料電池システムには、各種制御を行う制御部４０が設けられている。制御部４０には、電圧電流検出部１２、温度検出部１３、内部抵抗検出部１４から、各センサ信号が入力するように構成されている。また、制御部４０は、コンプレッサ２１、水素供給装置３１、加湿器２２、３２、背圧調整バルブ２３、３３に対して制御信号を出力するように構成されている。
【００３９】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムの冷却制御について図５、図６に基づいて説明する。図５は冷却制御を示すフローチャートであり、図６は燃料電池１０の出力（電力）と発熱量との関係を示す特性図である。以下の冷却制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。
【００４０】
まず、燃料電池１０の冷却が必要か否か、すなわち燃料電池１０の発熱量が所定値を超えているか否かを判定する。図６に示すように、燃料電池１０の出力と発熱量には相関関係があり、出力が増大すると発熱量が増大する。従って、燃料電池１０の出力を検出することにより、燃料電池１０の発熱量を間接的に検出することができる。
【００４１】
電圧電流検出部１２により燃料電池１０の電圧ＶF、電流ＩFを検出し（ステップＳ１００）、燃料電池１０の出力ＰFをＰF＝ＶF×ＩFにより算出する（ステップＳ１０１）。燃料電池出力ＰFが、冷却制御開始出力である第１所定出力Ｐ0を超えているか否かを判定する（ステップＳ１０２）。
【００４２】
燃料電池出力ＰFが第１所定出力Ｐ0より高い場合には、発熱量が過大であると判定することができ、冷却制御フラグ＝１として、燃料電池１０の冷却制御を行う冷却制御モードにする（ステップＳ１０３）。一方、燃料電池出力ＰFが第１所定出力Ｐ0より低い場合には、冷却制御フラグ＝１か否か、すなわち現在冷却制御モードとなっているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。
【００４３】
冷却フラグ＝１でない場合、すなわち現在冷却制御モードでない場合には、通常制御を行う（ステップＳ１０５）。すなわち、加湿器２２、３２による加湿量を通常量に制御する。一方、冷却制御フラグ＝１の場合、すなわち現在冷却制御モードである場合には、燃料電池出力ＰFが冷却制御終了出力である第２所定出力Ｐ1より低いか否かを判定する（ステップＳ１０６）。
【００４４】
ＰFがＰ1より高い場合には、依然冷却制御が必要であると判断できるので、そのまま冷却制御を行う。一方、ＰFがＰ1より低い場合には、もはや冷却制御が必要ではないと判断できるので、冷却制御フラグ＝０として、冷却制御モードを解除して通常制御モードとし（ステップＳ１０７）、加湿器２２、３２による加湿量を通常量に制御する（ステップＳ１０８）。
【００４５】
次に、燃料電池１０の冷却に先立ち、燃料電池１０内部の水分量が充分か否かを確認する（ステップＳ１０９、Ｓ１１０）。まず、計測電流値ＩFに基づいて、ＩＶ特性マップにより、電流値ＩFに対する基準電圧Ｖｏを求める（ステップＳ１０９）。基準電圧Ｖｏと計測電圧ＶFとの電圧差ＶO−ＶFが所定電圧差ΔＶを下回っているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。
【００４６】
ＶO−ＶFがΔＶを下回っている場合には、燃料電池１０内部に水分が充分あり、内部抵抗は充分低いと判断できるので、燃料電池１０内部の水分を蒸発させる。本第１実施形態では、加湿器２２、３２による水素および空気（酸素）の加湿量を通常制御時より減少させる（ステップＳ１１１）。これにより、燃料電池１０には低湿度の水素、空気が供給され、燃料電池１０内部に存在する水分の蒸発量が増大する。この結果、水の蒸発潜熱により燃料電池１０本体が冷却される。
【００４７】
一方、ＶO−ＶFがΔＶを上回っている場合には、燃料電池１０内部の水分不足によって内部抵抗の増大により出力電圧が低下していると判断できる。この場合には、燃料電池１０の出力電圧を確保することを優先し、水素および空気の加湿量減少を行わず、燃料電池１０の冷却を行わない。従って、加湿器２２、３２による加湿量を通常量に制御する（ステップＳ１１２）。このとき、燃料電池１０内の水分量を増加させるためにガス加湿量を増加させてもよい。
【００４８】
以上のように、燃料電池内部に存在する水分の蒸発潜熱を利用することで、燃料電池１０を冷却することが可能となる。このように、本第１実施形態では新たな構成部品を追加することなく、燃料電池システム全体の冷却能力を増大させることができる。これにより、放熱器にて負担する放熱量を減少させることができ、放熱器を小型化することができる。
【００４９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図７、図８に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、冷却制御の内容が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００５０】
図７は、本第２実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すタイムチャートである。
【００５１】
図７に示すように本第２実施形態では、燃料電池温度ＴFが上昇して、第１所定温度Ｔ0より高くなった場合で、かつ、燃料電池１０の出力電圧ＶFと基準電圧ＶOとの差ＶO−ＶFが所定電圧差ΔＶより小さい場合には、加湿器２２、３２による加湿を停止して加湿量をゼロとする（ｔ１、ｔ３、ｔ５）。
【００５２】
そして、加湿器２２、３２による加湿を停止している際に、燃料電池温度ＴFが第２所定温度Ｔ1を下回った場合には、加湿器２２、３２による加湿を開始して通常の加湿制御を行う（ｔ２、ｔ６）。さらに、加湿器２２、３２による加湿を停止している際、ＶO−ＶFがΔＶを上回った場合にも、加湿器２２、３２による加湿を開始する（ｔ４）。
【００５３】
次に、本第２実施形態の燃料電池システムの冷却制御について図８に基づいて説明する。図８は本第２実施形態の冷却制御を示すフローチャートである。以下の冷却制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。
【００５４】
まず上記第１実施形態と同様、燃料電池１０の冷却が必要か否か、すなわち燃料電池１０の発熱量が所定値を超えているか否かを判定する。本第２実施形態では、温度検出部１３により燃料電池温度ＴFを検出して燃料電池１０の発熱量を直接的に検出する（ステップＳ２０１）。そして、燃料電池温度ＴFが冷却制御開始温度である第１所定温度Ｔ0を上回っているか否か、冷却制御終了出力である第２所定温度Ｔ1を下回っているか否かを判定する（ステップＳ２０２、Ｓ２０６）。
【００５５】
そして、燃料電池１０の冷却が必要であり、燃料電池１０内部の水分量が充分である場合には、本第２実施形態では、加湿器２２、３２による水素および空気（酸素）の加湿を停止し、加湿量をゼロとする（ステップＳ２１１）。これにより、燃料電池１０には加湿されていない水素、空気が供給され、燃料電池１０内部の水分の蒸発量をより増大させることができ、蒸発潜熱による冷却量を増大させることができる。
【００５６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記各実施形態に比較して、蒸発量制御手段が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００５７】
本第３実施形態では、蒸発量調整手段は背圧調整バルブ２３、３３から構成されている。
【００５８】
図９は、本第３実施形態の冷却制御を示すフローチャートである。図９に示すように、本第３実施形態では、背圧調整バルブ２３、３３による圧力減少制御を行う（ステップＳ３１１）。具体的には、背圧調整バルブ２３、３３の開度を大きくして、燃料電池１０内部における空気圧力および水素圧力を低くする。これにより、燃料電池１０の内部水分の蒸発量を増大させることができる。
【００５９】
このように、燃料電池１０内部のガス圧力を制御することによっても、燃料電池１０の内部水分の蒸発量を制御することができる。
【００６０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０、図１１に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記各実施形態に比較して、蒸発量制御手段が複数の手段の組み合わせより構成される点が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分については説明を省略し、相違点を中心に説明する。
【００６１】
本第４実施形態では、蒸発量調整手段は、空気供給装置２１および水素供給装置３１と、加湿器２２、３２と、背圧調整バルブ２３、３３とを組み合わせて構成されている。
【００６２】
上記各実施形態では、加湿器２２、３２による加湿量の調整、あるいは背圧調整バルブ２３、３３による圧力調整で燃料電池１０内での水分蒸発量を調整したが、空気供給装置２１および水素供給装置３１によりガス供給量を調整することによっても同様の効果を得ることができる。すなわち、ガス供給量を増加させることで水分蒸発量を増加させることができ、ガス供給量を減少させることで水分蒸発量を減少させることができる。
【００６３】
図１０は本第４実施形態の冷却制御を示すタイムチャートであり、図１１は本第４実施形態の冷却制御を示すフローチャートである。図１０、図１１に示すように、本第４実施形態では、加湿器２２、３２による加湿停止に加えて、背圧調整バルブ２３、３３による圧力減少制御、空気供給装置２１および水素供給装置３１によるガス流量増加制御を行うことにより、燃料電池１０の内部水分を蒸発させている（ステップＳ４１１〜４１３）。
【００６４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態を図１２、図１３について説明する。本第５実施形態は、上記第２実施形態に比較して、燃料電池１０の内部水分を蒸発させる前に燃料電池１０に供給される空気および水素の加湿量を増加させ、燃料電池１０の内部水分量を増加させておく点が異なるものである。
【００６５】
図１２は、本第５実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すタイムチャートである。
【００６６】
図１２に示すように本第５実施形態では、燃料電池温度ＴFが上昇して、第１所定温度Ｔ0より高くなった場合で、かつ、燃料電池１０の出力電圧ＶFと基準電圧ＶOとの差ＶO−ＶFが所定電圧差ΔＶより小さい場合には、加湿器２２、３２による加湿量を所定時間ｔｘだけ増加させる（ｔ１、ｔ４、ｔ７）。その後、加湿器２２、３２による加湿を停止して加湿量をゼロとする（ｔ２、ｔ５、ｔ８）。
【００６７】
そして、加湿器２２、３２による加湿を停止している際に、燃料電池温度ＴFが第２所定温度Ｔ1を下回った場合には、加湿器２２、３２による加湿を開始して通常の加湿制御を行う（ｔ３、ｔ９）。さらに、加湿器２２、３２による加湿を停止している際、ＶO−ＶFがΔＶを上回った場合にも、加湿器２２、３２による加湿を開始する（ｔ６）。
【００６８】
以下、本第５実施形態の燃料電池システムの冷却制御について図１３に基づいて説明する。図１３は本第５実施形態の冷却制御を示すフローチャートである。以下の冷却制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。
【００６９】
まず、燃料電池１０の冷却が必要か否か、すなわち燃料電池１０の発熱量が所定値を超えているか否かを判定する。
【００７０】
電圧電流検出部１２により燃料電池１０の電圧ＶF、電流ＩFを検出し（ステップＳ５００）、温度検出部１３により燃料電池１０の温度ＴFを検出する（ステップＳ５０１）。燃料電池温度ＴFが、第１所定温度Ｔ0を超えているか否かを判定する（ステップＳ５０２）。
【００７１】
燃料電池温度ＴFが第１所定温度Ｔ0より高い場合には、発熱量が過大であると判定することができ、冷却制御フラグ＝１として、燃料電池１０の冷却制御を行う冷却制御モードにする（ステップＳ５０３）。一方、燃料電池温度ＴFが第１所定温度Ｔ0より低い場合には、冷却制御フラグ＝１か否か、すなわち現在冷却制御モードとなっているか否かを判定する（ステップＳ５０４）。
【００７２】
冷却フラグ＝１でない場合、すなわち現在冷却制御モードでない場合には、通常制御を行い（ステップＳ５０５）、加湿量増加制御時間ｔを初期化しておく（ステップＳ５０６）。一方、冷却制御フラグ＝１の場合、すなわち現在冷却制御モードである場合には、燃料電池温度ＴFが第２所定温度Ｔ1より低いか否かを判定する（ステップＳ５０７）。
【００７３】
ＴFがＴ1より高い場合には、依然冷却制御が必要であると判断できるので、そのまま冷却制御を行う。一方、ＴFがＴ1より低い場合には、もはや冷却制御が必要ではないと判断できるので、冷却制御フラグ＝０として、冷却制御モードを解除して通常制御モードとし（ステップＳ５０８）、加湿器２２、３２による加湿量を通常量に制御する（ステップＳ５０９）。この場合も加湿量増加制御時間ｔを初期化しておく（ステップＳ５１０）。
【００７４】
次に、計測電流値ＩFに基づいて、ＩＶ特性マップにより、電流値ＩFに対する基準電圧Ｖｏを求める（ステップＳ５１１）。
【００７５】
ここで、燃料電池１０の内部水分の蒸発制御を行う前に、加湿器２２、３２による加湿量を所定時間増加させる（ステップＳ５１２〜Ｓ５１４）。加湿量の増加制御は、加湿量増加制御時間ｔが所定時間ｔｘを超えるまで行う。
【００７６】
次に、基準電圧Ｖｏと計測電圧ＶFとの電圧差ＶO−ＶFが所定電圧差ΔＶを下回っているか否かを判定する（ステップＳ５１５）。
【００７７】
ＶO−ＶFがΔＶを下回っている場合には、燃料電池１０内部に水分が充分あり、内部抵抗は充分低いと判断できるので、燃料電池１０内部の水分を蒸発させる。本第５実施形態では、加湿器２２、３２による水素および空気（酸素）の加湿を停止する（ステップＳ５１６）。これにより、燃料電池１０内部に存在する水分の蒸発量が増大し、水の蒸発潜熱により燃料電池１０本体が冷却される。
【００７８】
一方、ＶO−ＶFがΔＶを上回っている場合には、燃料電池１０内部の水分不足によって内部抵抗の増大により出力電圧が低下していると判断できる。この場合には、燃料電池１０の出力電圧を確保することを優先し、水素および空気の加湿量減少を行わず、燃料電池１０の冷却を行わない。従って、加湿器２２、３２による加湿量を通常量に制御する（ステップＳ５１７）。この場合も加湿量増加制御時間ｔを初期化しておく（ステップＳ５１８）。
【００７９】
このように、燃料電池１０の内部水分を蒸発させる前に内部水分量を予め増加させておくことにより、内部水分が蒸発する際の蒸発潜熱を大きくすることができる。これにより、燃料電池システムの冷却性能をより向上させることができる。
【００８０】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態を図１４について説明する。本第６実施形態は、上記第５実施形態に比較して、加湿制御に加えて圧力制御を行う点が異なるものである。
【００８１】
図１４は、本第６実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すフローチャートである。図１４に示すように本第６実施形態では、加湿器２２、３２による加湿量を所定時間ｔｘだけ増加させた後、加湿器２２、３２による加湿停止に加えて、背圧調整バルブ２３、３３による圧力減少制御を行うことにより、燃料電池１０の内部水分を蒸発させている（ステップＳ６１６、Ｓ６１７）。
【００８２】
（他の実施形態）
上記実施形態の燃料電池システムは、以下のように種々変更可能である。
【００８３】
１）上記各実施形態では燃料電池１０の出力ＰFあるいは燃料電池温度ＴFに基づいて燃料電池１０の発熱量を間接的あるいは直接的に検出したが、これらに限らず、他の方法により燃料電池１０の発熱量を検出するように構成してもよい。例えば、燃料電池１０の出力電流と発熱量との間には相関関係があり、出力電流の増大に従って発熱量が増大するので、電圧電流検出部１２により検出した出力電流ＩFに基づいて燃料電池１０の発熱量を間接的に検出することができる。
【００８４】
２）また、上記各実施形態では、燃料電池１０の出力電圧により燃料電池１０内部の水分量を判定したが、これに限らず、燃料電池１０の内部抵抗に基づいて内部水分量を判定するように構成してもよい。具体的には、燃料電池１０内部の水分が不足すると燃料電池１０の内部抵抗ＲFが上昇することを利用する。図４のＩＲ特性マップから計測電流ＩFに対する基準内部抵抗Ｒｏを求め、基準内部抵抗Ｒｏに対して計測内部抵抗ＲFが所定値以上大きくなった場合に、燃料電池１０の内部水分量が不足していると判定することができる。
【００８５】
３）また、上記第１実施形態では、燃料電池１０に供給される水素および空気（酸素）の双方の加湿量を調整して、燃料電池１０内の水分蒸発量を調整したが、これに限らず、供給水素あるいは供給空気のいずれ一方のみの加湿量を減少させるように構成してもよい。この場合には、供給水素より供給空気の方が流量が大きいので、供給空気の加湿量を制御する方が燃料電池１０の冷却効果が大きい。
【００８６】
４）また、上記実施形態では、燃料電池１０に供給される空気および水素の双方の供給量を調整して、燃料電池１０内での水分蒸発量を調整したが、これに限らず、空気あるいは水素のいずれか一方の供給量を調整するように構成してもよい。加湿量制御の場合と同様に、水素および空気のいずれか一方の供給量を調整する場合には、供給水素より供給空気の方が流量が大きいので、供給空気の供給量を制御する方が燃料電池１０の冷却効果が大きい。
【００８７】
５）また、上記第３実施形態では、燃料電池１０に供給される空気および水素の双方の圧力を調整して、燃料電池１０内での水分蒸発量を調整したが、これに限らず、空気あるいは水素のいずれか一方の圧力を調整するように構成してもよい。
【００８８】
６）また、上記第４実施形態では、蒸発量調整手段を、空気供給装置２１および水素供給装置３１と、加湿器２２、３２と、背圧調整バルブ２３、３３とを組み合わせて構成したが、これらは任意の組み合わせで用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図２】電圧電流検出部の概念図である。
【図３】燃料電池の出力電流と出力電圧との関係を示す特性図である。
【図４】燃料電池の出力電流と内部抵抗との関係を示す特性図である。
【図５】第１実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すフローチャートである。
【図６】燃料電池の出力と発熱量との関係を示す特性図である。
【図７】第２実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すタイムチャートである。
【図８】第２実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すフローチャートである。
【図９】第３実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すフローチャートである。
【図１０】第４実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すタイムチャートである。
【図１１】第４実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すフローチャートである。
【図１２】第５実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すタイムチャートである。
【図１３】第５実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すフローチャートである。
【図１４】第６実施形態の燃料電池システムの冷却制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、２０…空気経路、２１…コンプレッサ（空気供給装置）、２２…加湿器、２３…空気背圧調整バルブ、３０…水素経路、３１…水素供給装置、３２…加湿器、３３…水素背圧調整バルブ、４０…制御部。
【図１】
0003900952.tif 000002
【図２】
0003900952.tif 000003
【図３】
0003900952.tif 000004
【図４】
0003900952.tif 000005
【図５】
0003900952.tif 000006
【図６】
0003900952.tif 000007
【図７】
0003900952.tif 000008
【図８】
0003900952.tif 000009
【図９】
0003900952.tif 000010
【図１０】
0003900952.tif 000011
【図１１】
0003900952.tif 000012
【図１２】
0003900952.tif 000013
【図１３】
0003900952.tif 000014
【図１４】
0003900952.tif 000015