(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と該電解質膜を挟持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に酸素を含有する酸化ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスを加湿する加湿手段と、
前記燃料電池から出力される電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量を変更するガス供給量変更手段と、
該ガス供給量変更手段により前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が変更されたときの前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の変更前後での、前記電圧検出手段により検出される電圧値の変化に基づいて前記電解質膜の加湿状態を判定する加湿状態判定手段と、
前記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、を備え、
前記加湿状態判定手段は、前記ガス供給量変更手段により前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が増加されたときであって前記電流検出手段により検出された電流の値が所定値のときの、微小時間経過の前後である前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の増加前後での、前記電圧検出手段により検出された電圧の値の変化の大小に基づいて前記電解質膜の加湿状態を判定する手段である燃料電池システム。
【請求項２】
電解質膜と該電解質膜を挟持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に酸素を含有する酸化ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と、
前記燃料電池から出力される電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの供給量を変更する酸化ガス供給量変更手段と、
該酸化ガス供給量変更手段により酸化ガスの供給量が増加される前に前記電圧検出手段により検出された電圧が、該酸化ガス供給量変更手段により酸化ガスの供給量が増加された後に該電圧検出手段により検出された電圧より大きいときに前記電解質膜の加湿不足と判定する加湿状態判定手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項３】
電解質膜と該電解質膜を挟持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に酸素を含有する酸化ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス供給手段と、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と、
前記燃料電池を構成する各単電池または同数の単電池からなる各電池モジュールの電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの供給量を変更する酸化ガス供給量変更手段と、
該酸化ガス供給量変更手段により酸化ガスの供給量が増加される前に前記電圧検出手段により検出された各単電池または各電池モジュールの電圧値のバラツキを表す分散が、該酸化ガス供給量変更手段により酸化ガスの供給量が増加された後に該電圧検出手段により検出された各単電池または各電池モジュールの電圧値のバラツキを表す分散より大きいときに前記電解質膜の加湿過剰と判定する加湿状態判定手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項４】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて前記燃料電池に供給される酸化ガスまたは燃料ガスの加湿を制御する加湿制御手段を備える請求項１から請求項３のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記加湿手段による前記酸化ガスまたは燃料ガスの加湿量を増加する手段である請求項１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による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記酸化ガス加湿手段による前記酸化ガスの加湿量を増加する手段である請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記燃料電池に接続された酸化ガスまたは燃料ガスの排出管に取り付けられた圧力調節バルブのしめ込みにより前記燃料電池へ供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスの圧力を増加する手段である請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段と、
前記燃料電池の運転温度を制御する運転温度制御手段と、を備え、
前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記運転温度制御手段による前記燃料電池の運転温度を低下させる手段である燃料電池システム。
【請求項９】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、
前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記酸化ガス供給手段または前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段による前記燃料電池への前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量を低減する手段である、請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記加湿手段による前記酸化ガスまたは燃料ガスの加湿量を低減する手段である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記酸化ガス加湿手段による前記酸化ガスの加湿量を低減する手段である請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、
前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記燃料電池に接続された酸化ガスまたは燃料ガスの排出管に取り付けられた圧力調節バルブの開きにより前記燃料電池へ供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスの圧力を低下させる手段である請求項１または請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１または請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段と、
前記燃料電池の運転温度を制御する運転温度制御手段と、を備え、
前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記運転温度制御手段による前記燃料電池の運転温度を上昇させる手段である燃料電池システム。
【請求項１４】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、
前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記酸化ガス供給手段または前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池への前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量を増加する手段である請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、
前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記酸化ガス供給手段による前記燃料電池への前記酸化ガスの供給量を増加する手段である請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて前記燃料電池に供給される酸化ガスまたは燃料ガスの加湿を制御する加湿制御手段と、
前記加湿制御手段による前記酸化ガスまたは燃料ガスの加湿制御を所定時間行ったにも拘わらず前記加湿状態判定手段により加湿不足または加湿過剰と判定されたときに、前記燃料電池システムの異常を検出する異常検出手段と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて前記燃料電池に供給される酸化ガスの加湿を制御する加湿制御手段と、
前記加湿制御手段による前記酸化ガスの加湿制御を所定時間行ったにも拘わらず前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたときに、前記燃料電池システムの異常を検出する異常検出手段と、を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記加湿状態判定手段による判定に基づいて前記燃料電池に供給される酸化ガスの加湿を制御する加湿制御手段と、
前記加湿制御手段による前記酸化ガスの加湿制御を所定時間行ったにも拘わらず前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたときに、前記燃料電池システムの異常を検出する異常検出手段と、を備える請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記異常検出手段により異常を検出したとき、該異常を出力する異常出力手段を備える請求項１６から請求項１８のいずれか１に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記異常検出手段により異常を検出したとき、前記燃料電池システムの運転を停止する異常時運転停止手段を備える請求項１６から請求項１９のいずれか１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、燃料電池システムに関し、詳しくは、電解質膜と該電解質膜を狭持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、固体高分子型の燃料電池の温度と燃料電池から出力される電圧とに基づいて電解質膜に含まれる水分量の不足を判定するものや、燃料電池の温度と燃料電池から出力される電圧の変化量をパラメータとして導出される電流閾値と燃料電池から出力される電流とに基づいて電解質膜に含まれる水分量の不足を判定するものが提案されている（例えば、特開平７−２７２７３６号公報など）。このシステムでは、燃料電池の反応温度と燃料電池から出力される電圧の許容最低電圧との関係のテーブルを用いて検出した燃料電池の反応温度から対応する許容最低電圧を導出し、これを閾値として燃料電池から出力される電圧と比較し、電圧が閾値より小さいときに電解質膜に含まれる水分量が不足していると判定している。また、このシステムでは、燃料電池の温度と燃料電池から出力される電圧の変化量をパラメータとして最大許容電流値を閾値として導出し、この閾値と燃料電池から出力される電流とを比較し、電流が閾値より大きいときに電解質膜に含まれる水分量が不足していると判定している。そして、このシステムでは、電解質膜に含まれる水分量が不足していると判定されたときには、負荷に供給する電流を制限している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の燃料電池システムでは、電解質膜の水分量が燃料電池の温度や燃料ガスの圧力，燃料ガスの供給量などの影響を大きく受けることから、電解質膜の水分量の判定の精度が低くなるという問題があった。また、上述の燃料電池システムでは、電解質膜の水分量が不足していると判定されたときには負荷に供給する電流を制限して電解質膜をその破損から保護しているが、電解質膜の水分量を適切な範囲にすることができないという問題もあった。
【０００４】
本発明の燃料電池システムは、電解質膜の加湿状態をより正確に判定することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、電解質膜の加湿状態が適正な範囲になるよう調節することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池システムは、電解質膜の加湿状態を適正な範囲に調節できないときに異常として判定すると共にこの異常を判定したときには電解質膜をその破損から保護することをも目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
本発明の第１の燃料電池システムは、電解質膜と該電解質膜を挟持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池に酸素を含有する酸化ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池に水素を含有する燃料ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該燃料ガスの圧力を調整する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスを加湿する加湿手段と、前記燃料電池から出力される電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量を変更するガス供給量変更手段と、該ガス供給量変更手段により前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が変更されたときの前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の変更前後での、前記電圧検出手段により検出される電圧値の変化に基づいて前記電解質膜の加湿状態を判定する加湿状態判定手段と、前記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、を備え、前記加湿状態判定手段は、前記ガス供給量変更手段により前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が増加されたときであって前記電流検出手段により検出された電流の値が所定値のときの、微小時間経過の前後である前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の増加前後での、前記電圧検出手段により検出された電圧の値の変化の大小に基づいて前記電解質膜の加湿状態を判定する手段であることを要旨とする。
【００１１】
この本発明の第１の燃料電池システムでは、加湿状態判定手段が、ガス供給量変更手段により燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が変更されたときの電圧検出手段により検出される燃料電池から出力される電圧に基づいて電解質膜の加湿状態を判定する。この判定は、燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の変更が電解質膜の加湿状態に影響を与えることに基づく。
【００１２】
こうした本発明の燃料電池システムによれば、電解質膜の加湿状態に影響を与える因子である燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量と電圧とに基づいて判定するから、電解質膜の加湿状態をより正確に判定することができる。
【００１３】
この発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段は、前記ガス供給量変更手段により前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が増加されたときであって前記電流検出手段により検出された電流の値が所定値のときの前記電圧検出手段により検出された電圧の値の時間変化に基づいて前記電解質膜の加湿状態を判定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、同一の電流のときの電圧の時間変化に基づいて判定されるから、より正確に電解質膜の加湿状態を判定することができる。この態様の本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段は、前記時間変化が所定範囲を上回るときに前記電解質膜は加湿過剰と判定し、前記時間変化が前記所定範囲を下回るときに前記電解質膜は加湿不足と判定する手段であるものとすることもできる。
【００１４】
本発明から外れる燃料電池システムの第１の構成は、電解質膜と該電解質膜を挟持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池に酸素を含有する酸化ガスまたは水素を含有する燃料ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該酸化ガスまたは燃料ガスの圧力を調整するガス供給手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスを加湿する加湿手段と、前記燃料電池から出力される電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量を変更するガス供給量変更手段と、該ガス供給量変更手段により酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が変更される前後に前記電圧検出手段により検出される電圧値の変化に基づいて前記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ることを要旨とする。
【００１５】
この本発明から外れる燃料電池システムの第１の構成では、加湿状態判定手段が、ガス供給量変更手段により燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が変更される前後に電圧検出手段により検出される燃料電池から出力される電圧値の変化に基づいて電解質膜の加湿状態を判定する。この判定は、燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の変更が電解質膜の加湿状態に影響を与えることに基づく。
【００１６】
こうした本発明から外れる燃料電池システムの第１の構成によれば、電解質膜の加湿状態に影響を与える因子である燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量と電圧値の変化とに基づいて判定するから、電解質膜の加湿状態をより正確に判定することができる。
【００１７】
本発明の第２の燃料電池システムは、電解質膜と該電解質膜を挟持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池に酸素を含有する酸化ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と、前記燃料電池から出力される電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの供給量を変更する酸化ガス供給量変更手段と、該酸化ガス供給量変更手段により酸化ガスの供給量が増加される前に前記電圧検出手段により検出された電圧が、該酸化ガス供給量変更手段により酸化ガスの供給量が増加された後に該電圧検出手段により検出された電圧より大きいときに加湿不足と判定する加湿状態判定手段と、を備える燃料電池システムである。
【００１８】
本発明から外れる燃料電池システムの第２の構成は、電解質膜と該電解質膜を挟持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池に酸素を含有する酸化ガスまたは水素を含有する燃料ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該酸化ガスまたは燃料ガスの圧力を調整するガス供給手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスを加湿する加湿手段と、前記燃料電池を構成する各単電池または同数の単電池からなる各電池モジュールの電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量を変更するガス供給量変更手段と、該ガス供給量変更手段により酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が変更される前後での前記電圧検出手段により検出される各単電池または各電池モジュールの電圧値のバラツキを表す分散の変化に基づいて前記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ることを要旨とする。
【００１９】
この本発明から外れる燃料電池システムの第２の構成では、加湿状態判定手段が、ガス供給量変更手段により燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量が変更される前後に電圧検出手段により検出される燃料電池を構成する各単電池または各電池モジュールの電圧値のバラツキを表す分散の変化に基づいて電解質膜の加湿状態を判定する。この判定は、燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の変更が電解質膜の加湿状態に影響を与えること及び電解質膜の加湿状態が各単電池や各電池モジュールの電圧のバラツキとして表われることに基づく。
【００２０】
こうした本発明から外れる燃料電池システムの第２の構成によれば、電解質膜の加湿状態に影響を与える因子である燃料電池への酸化ガスまたは燃料ガスの供給量と電解質膜の加湿状態を反映する各単電池または各電池モジュールの電圧とに基づいて判定するから、電解質膜の加湿状態をより正確に判定することができる。
【００２１】
本発明の第３の燃料電池システムは、電解質膜と該電解質膜を挟持する二つの電極とを有する単電池を積層してなる固体高分子型の燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池に酸素を含有する酸化ガスを供給すると共に該燃料電池へ供給する該酸化ガスの圧力を調整する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と、前記燃料電池を構成する各単電池または同数の単電池からなる各電池モジュールの電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池に供給される前記酸化ガスの供給量を変更する酸化ガス供給量変更手段と、該酸化ガス供給量変更手段により酸化ガスの供給量が増加される前に前記電圧検出手段により検出された各単電池または各電池モジュールの電圧値のバラツキを表す分散が、該酸化ガス供給量変更手段により酸化ガスの供給量が増加された後に該電圧検出手段により検出された各単電池または各電池モジュールの電圧値のバラツキを表す分散より大きいときに加湿過剰と判定する加湿状態判定手段と、を備える燃料電池システムである。
【００２２】
これら各態様を含め本発明の第１ないし第３の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて前記燃料電池に供給される酸化ガスまたは燃料ガスの加湿を制御する加湿制御手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、電解質膜の加湿状態に基づいて電解質膜の加湿状態を調節することができる。
【００２３】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記加湿手段による前記酸化ガスまたは燃料ガスの加湿量を増加する手段であるものとすることもできる。また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記酸化ガス加湿手段による前記酸化ガスの加湿量を増加する手段であるものとすることもできる。こうすれば、電解質膜の加湿不足を解消することができる。
【００２４】
また、本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、燃料電池に接続された酸化ガスまたは燃料ガスの排出管に取り付けられた圧力調節バルブのしめ込みにより前記燃料電池へ供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスの圧力を増加する手段であるものとすることもできる。こうすれば、酸化ガスまたは燃料ガスの圧力の増加に伴って酸化ガスまたは燃料ガス中の水蒸気圧も増加するから、電解質膜の加湿不足を解消することができる。
【００２５】
さらに、本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段と、前記燃料電池の運転温度を制御する運転温度制御手段とを備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記運転温度制御手段による前記燃料電池の運転温度を低下させる手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の運転温度の低下により酸化ガスまたは燃料ガスの温度も低下し、これに伴って酸化ガスまたは燃料ガス中の水蒸気圧が高くなるから、電解質膜の加湿不足を解消することができる。
【００２６】
あるいは、本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたとき、前記ガス供給手段または前記酸化ガス供給手段による前記燃料電池への前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量を低減する手段であるものとすることもできる。こうすれば、酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の低減に伴って電解質膜の水分の蒸発が抑制されるから、電解質膜の加湿不足を解消することができる。
【００２７】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記加湿手段による前記酸化ガスまたは燃料ガスの加湿量を低減する手段であるものとすることもできる。また、本発明の第３の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記酸化ガス加湿手段による前記酸化ガスの加湿量を低減する手段であるものとすることもできる。こうすれば、電解質膜の加湿過剰を解消することができる。
【００２８】
また、本発明の第１または第３の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、燃料電池に接続された酸化ガスまたは燃料ガスの排出管に取り付けられた圧力調節バルブの開きにより前記燃料電池へ供給される前記酸化ガスまたは燃料ガスの圧力を低下させる手段であるものとすることもできる。こうすれば、酸化ガスまたは燃料ガスの圧力の低下に伴って酸化ガスまたは燃料ガス中の水蒸気圧も低下するから、電解質膜の加湿過剰を解消することができる。
【００２９】
さらに、本発明の第１または第３の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段と、前記燃料電池の運転温度を制御する運転温度制御手段とを備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記運転温度制御手段による前記燃料電池の運転温度を上昇させる手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の運転温度の上昇により酸化ガスまたは燃料ガスの温度も上昇し、これに伴って酸化ガスまたは燃料ガス中の水蒸気圧が低くなるから、電解質膜の加湿過剰を解消することができる。
【００３０】
あるいは、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記酸化ガス供給手段または前記燃料ガス供給手段による前記燃料電池への前記酸化ガスまたは燃料ガスの供給量を増加する手段であるものとすることもできる。また、本発明の第３の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて加湿を制御する加湿制御手段を備え、前記加湿制御手段は、前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたとき、前記酸化ガス供給手段による前記燃料電池への前記酸化ガスの供給量を増加する手段であるものとすることもできる。こうすれば、酸化ガスまたは燃料ガスの供給量の増加に伴って電解質膜の水分の蒸発が促進されるから、電解質膜の加湿過剰を解消することができる。
【００３１】
これら各態様を含め、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて前記燃料電池に供給される酸化ガスまたは燃料ガスの加湿を制御する加湿制御手段と、前記加湿制御手段による前記酸化ガスまたは燃料ガスの加湿制御を所定時間行なったにも拘わらず前記加湿状態判定手段により加湿不足または加湿過剰と判定されたときに、前記燃料電池システムの異常を検出する異常検出手段とを備えるものとすることもできる。また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて前記燃料電池に供給される酸化ガスの加湿を制御する加湿制御手段と、前記加湿制御手段による前記酸化ガスの加湿制御を所定時間行なったにも拘わらず前記加湿状態判定手段により加湿不足と判定されたときに、前記燃料電池システムの異常を検出する異常検出手段とを備えるものとすることもできる。また、本発明の第３の燃料電池システムにおいて、前記加湿状態判定手段による判定に基づいて前記燃料電池に供給される酸化ガスの加湿を制御する加湿制御手段と、前記加湿制御手段による前記酸化ガスの加湿制御を所定時間行なったにも拘わらず前記加湿状態判定手段により加湿過剰と判定されたときに、前記燃料電池システムの異常を検出する異常検出手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の異常を検出することができる。この態様の本発明の第１ないし第３の燃料電池システムにおいて、前記異常検出手段により異常を検出したとき、該異常を出力する異常出力手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、操作者は燃料電池に異常が発生したのを迅速に知ることができる。こうした異常検出手段を備える本発明の第１ないし第３の燃料電池システムにおいて、前記異常検出手段により異常を検出したとき、前記燃料電池システムの運転を停止する異常時運転停止手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、異常に運転を継続することにより生じる可能性のある燃料電池の破損等を防止することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、水素を含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２２と、この燃料ガス供給装置２２から供給される燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器２３と、酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気）を供給する酸化ガス供給装置２４と、この酸化ガス供給装置２４から供給される酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿器２５と、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する固体高分子型の燃料電池３０と、燃料電池３０を冷却する冷却装置５０と、燃料電池システム２０の運転をコントロールする電子制御ユニット６０とを備える。
【００３３】
燃料ガス供給装置２２は、水素を含有する燃料ガスを供給する装置であり、例えば、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を改質して水素リッチな燃料ガスを供給する改質器としてもよく、水素を含有する燃料ガスを貯蔵する燃料ガス貯蔵タンクとしてもよい。酸化ガス供給装置２４は、酸素を含有する酸化ガスを供給する装置であり、単に空気を供給するエアポンプとしてもよく、空気以外の酸化ガスを貯蔵する酸化ガス貯蔵タンクとしてもよい。なお、燃料ガス供給装置２２および酸化ガス供給装置２４は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御されるようになっている。
【００３４】
燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、水タンク２６から汲み上げた水を気化させて燃料ガスや酸化ガスに供給する加湿器である。この燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５は、信号ラインで電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０によって燃料ガスの加湿量や酸化ガスの加湿量が制御されるようになっている。
【００３５】
燃料電池３０は、単電池３１を複数積層して構成される固体高分子型の燃料電池である。図２に燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す。図示するように、単電池３１は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜３２と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で電解質膜３２を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード３３およびカソード３４と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード３３およびカソード３４とで燃料ガスや酸化ガスの流路３６，３７を形成すると共に隣接する単電池３１との間の隔壁をなす２つのセパレータ３５とにより構成されている。
【００３６】
燃料電池３０には、燃料電池３０から出力される電圧Ｖを検出する電圧計４０や燃料電池３０から出力される電流Ｉを検出する電流計４２，燃料電池３０の温度を検出する燃料電池温度センサ４４，燃料ガスおよび酸化ガスのガス圧Ｐを検出する圧力センサ４６，燃料電池３０の抵抗値を検出する抵抗値検出器４８などが取り付けられている。これらのセンサは信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されている。ここで、燃料電池３０の抵抗値を検出するものとしては、燃料電池３０の出力端子に交流電圧を作用させたときの電流値から求めるものなどが知られている。燃料電池３０の抵抗は、前述の燃料電池３０の構成から判断すると、アノード３３やカソード３４，セパレータ３５の抵抗と、電解質膜３２のプロトン導電性に基づく抵抗とに大別される。アノード３３やカソード３４，セパレータ３５は導電性材料により形成されているから、加湿されているか否かによってはその抵抗値を変化させない。一方、電解質膜３２は、湿潤状態であるか否かによってプロトン導電性が著しく変化する。したがって、燃料電池３０の抵抗値は、電解質膜３２の保湿状態を反映することになる。
【００３７】
燃料電池３０の燃料ガスおよび酸化ガスの排出管には、それぞれ圧力調節バルブ２７，２８が取り付けられており、燃料電池３０内の燃料ガスや酸化ガスのガス圧を調節できるようになっている。なお、圧力調節バルブ２７，２８の各アクチュエータ２７ａ，２８ａは信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、電子制御ユニット６０による駆動制御を受ける。
【００３８】
冷却装置５０は、燃料電池３０内部に備えられている冷却板と、この冷却板に形成された冷却水の流路と共に循環管路を形成する冷却水管路５２と、冷却水管路５２に取り付けられ外気との熱交換により冷却水を冷却する熱交換器５６と、冷却水を循環管路に循環させる冷却水用ポンプ５４と、冷却水管路５２の燃料電池３０の出口付近における冷却水の温度を検出する冷却水温度センサ５８とを備える。冷却水用ポンプ５４と冷却水温度センサ５８は信号ラインにより電子制御ユニット６０に接続されており、燃料電池３０の冷却の制御が電子制御ユニット６０によって行われるようになっている。即ち、冷却水温度センサ５８により検出される冷却水の温度に基づいて冷却水ポンプ５４が駆動され、冷却水の循環流量の制御がなされるのである。
【００３９】
電子制御ユニット６０は、ＣＰＵ６２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ６４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ６６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット６０には、図示しない流量計や温度計などからの燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から供給される燃料ガスや酸化ガスの供給量や温度，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス供給装置２４の運転状態，電圧計４０からの燃料電池３０から出力される電圧Ｖ，電流計４２からの燃料電池３０から出力される電流Ｉ，燃料電池温度センサ４４からの燃料電池の温度，圧力センサ４６からの燃料電池３０の燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐ，抵抗値検出器４８からの燃料電池３０の抵抗，冷却水温度センサ５８からの冷却水の温度などが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット６０からは、燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４への駆動信号，燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５への駆動信号，冷却水用ポンプ５４への駆動信号，インジケータ６８への点灯信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００４０】
次に、こうして構成された燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池３０の加湿の制御について説明する。図３は、実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される加湿制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、燃料電池システム２０が始動された直後からその運転が停止されるまで所定時間毎に繰り返し実行される。
【００４１】
この加湿制御ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず電解質膜３２の加湿状態を判定する処理を実行する（ステップＳ１００）。この判定処理は、図４ないし図７に例示する加湿状態判定処理ルーチンにより行なわれるが、これらの判定処理の詳細な説明については後述する。なお、この判定処理では、「適正加湿」と「加湿不足」と「加湿過剰」とが結果として出力される。
【００４２】
この加湿状態の判定処理による判定が「適正加湿」であるときにはカウンタＣ１とＣ２とをリセットし（ステップＳ１０２〜Ｓ１０６）、「加湿不足」のときには電解質膜３２の加湿不足を解消する処理を実行すると共にカウンタＣ１をインクリメントし（ステップＳ１０８，Ｓ１１０）、「加湿過剰」のときには電解質膜３２の加湿過剰を解消する処理を実行すると共にカウンタＣ２をインクリメントする（ステップＳ１１２，Ｓ１１４）。
【００４３】
ここで、電解質膜３２の加湿不足を解消する処理としては、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５による燃料ガスや酸化ガスの加湿量を増加する処理や圧力調節バルブ２７，２８を締め込んで燃料電池３０内の燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐを高くする処理，冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４による冷却水の循環流量を増やして燃料電池３０の運転温度を低くする処理，燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から燃料電池３０に供給される燃料ガスや酸化ガスの供給量を低減する処理などを行なうのである。これらの処理のうち、燃料ガスや酸化ガスの加湿量を増加する処理は燃料ガスや酸化ガスの加湿量を増加することにより直接的に電解質膜３２の加湿不足を解消するものであり、燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐを高くする処理はガス圧の増加に伴って燃料ガスや酸化ガスの中の水蒸気圧も増加することに基づいて電解質膜３２の加湿不足を解消するものであり、燃料電池３０の運転温度を低くする処理は燃料電池３０の運転温度の低下により燃料ガスや酸化ガスの温度も低下し、これに伴って燃料ガスや酸化ガスの中の水蒸気圧が高くなることに基づいて電解質膜３２の加湿不足を解消するものであり、燃料ガスや酸化ガスの供給量を低減する処理は燃料ガスや酸化ガスの供給量の低減に伴って電解質膜３２の水分の蒸発が抑制されることに基づいて電解質膜３２の加湿不足を解消するものである。このように電解質膜３２の加湿不足を解消する処理は複数あるが、これらの処理のうちの一つを行なうものとしてもよく、複数を組み合わせて行なうものとしてもよい。また、これらの処理の一つ又は複数を加湿制御ルーチンが実行される毎に順次代えて行なうものとしてもよい。
【００４４】
また、電解質膜３２の加湿過剰を解消する処理としては、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５による燃料ガスや酸化ガスの加湿量を低減する処理や圧力調節バルブ２７，２８を開いて燃料電池３０内の燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐを低くする処理，冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４による冷却水の循環流量を減らして燃料電池３０の運転温度を高くする処理，燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から燃料電池３０に供給される燃料ガスや酸化ガスの供給量を増加する処理などを行なうのである。これらの処理のうち、燃料ガスや酸化ガスの加湿量を低減する処理は燃料ガスや酸化ガスの加湿量を低減することにより直接的に電解質膜３２の加湿過剰を解消するものであり、燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐを低くする処理はガス圧の低下に伴って燃料ガスや酸化ガスの中の水蒸気圧も低下することに基づいて電解質膜３２の加湿過剰を解消するものであり、燃料電池３０の運転温度を高くする処理は燃料電池３２の運転温度の上昇により燃料ガスや酸化ガスの温度も上昇し、これに伴って燃料ガスや酸化ガスの中の水蒸気圧が低くなることに基づいて電解質膜３２の加湿不足を解消するものであり、燃料ガスや酸化ガスの供給量を増加する処理は燃料ガスや酸化ガスの供給量の増加に伴って電解質膜３２の水分の蒸発が促進されることに基づいて電解質膜３２の加湿過剰を解消するものである。このように電解質膜３２の加湿過剰を解消する処理も複数あるが、これらの処理のうちの一つを行なうものとしてもよく、複数を組み合わせて行なうものとしてもよい。また、これらの処理の一つ又は複数を加湿制御ルーチンが実行される毎に順次代えて行なうものとしてもよい。
【００４５】
カウンタＣ１は、図３の加湿制御ルーチンが繰り返して実行されたときに電解質膜３２の加湿不足を解消する処理を続けて行なったときにインクリメントされるものであり、加湿不足を解消する処理の連続処理回数をカウントする。カウンタＣ２は、電解質膜３２の加湿過剰を解消する処理の連続処理回数をカウントするものである。
【００４６】
このように電解質膜３２の加湿状態の判定結果に基づいて加湿不足や加湿過剰を解消する処理などを行なうと、ＣＰＵ６２はカウンタＣ１，Ｃ２のいずれかが閾値Ｃｒｅｆ以上になっていないかを判定する（ステップＳ１１６）。閾値Ｃｒｅｆは、電解質膜３２の加湿不足や加湿過剰を解消するための処理を充分行なったと判断できるのに要する時間や処理の回数に基づいて設定されるものである。したがって、カウンタＣ１，Ｃ２のいずれかが閾値Ｃｒｅｆ以上のときには、燃料電池システム２０に異常が発生していると判断し、異常を操作者に知らせるためにインジケータ６８を点灯し（ステップＳ１１８）、燃料電池３０などの保護のために燃料電池システム２０の運転を停止して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。なお、カウンタＣ１，Ｃ２のいずれもが閾値Ｃｒｅｆ未満のときには、まだ燃料電池システム２０に異常が発生していると判定できないとして本ルーチンを終了する。
【００４７】
以上説明したように実施例の燃料電池システム２０によれば、図３の加湿制御ルーチンを実行することにより、電解質膜３２の加湿状態の判定結果に基づいて電解質膜３２の加湿状態を制御することができる。例えば、燃料ガス加湿器２３や酸化ガス加湿器２５の加湿量を増減することにより電解質膜３２の加湿不足や加湿過剰を解消することができる。また、圧力調節バルブ２７，２８を締め込んだり開いたりして燃料電池３０内の燃料ガスや酸化ガスのガス圧Ｐを高くしたり低くし燃料ガスや酸化ガスの中の水蒸気圧を増減して電解質膜３２の加湿不足や加湿過剰を解消することができる。さらに、冷却装置５０の冷却水用ポンプ５４による冷却水の循環流量を増減して燃料電池３０の運転温度を低くしたり高くし燃料ガスや酸化ガスの中の水蒸気圧を高くしたり低くしたりして電解質膜３２の加湿不足や加湿過剰を解消することができる。あるいは、燃料ガス供給装置２２や酸化ガス供給装置２４から燃料電池３０に供給される燃料ガスや酸化ガスの供給量を増減して電解質膜３２の水分の蒸発を促進したり抑制したりして電解質膜３２の加湿不足や加湿過剰を解消することができる。
【００４８】
また、実施例の燃料電池システム２０によれば、図３の加湿制御ルーチンを実行することにより、繰り返し電解質膜３２の加湿不足や加湿過剰を解消する処理を行なったにも拘わらず電解質膜３２の加湿不足や加湿過剰が解消されないときに、燃料電池システム２０に異常が発生していると判定し、操作者に知らせると共に燃料電池システム２０の運転を停止することができる。この結果、操作者は異常を迅速に知ることができ、異常を発生した状態で燃料電池システム２０が運転されることによって生じうる燃料電池システム２０の破損などを防止することができる。
【００４９】
次に、図３のステップＳ１００の処理、すなわち電解質膜３２の加湿状態を判定する処理について説明する。図４ないし図７はいずれも電解質膜３２の加湿状態を判定する加湿状態判定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。図３のステップＳ１００ではこれらの四つの加湿状態判定処理ルーチンのうちの図５から図７のルーチンのいずれか一つの加湿状態判定処理ルーチンを実行するものとしてもよく、参考例である図４の加湿状態判定処理ルーチンを含む、四つの加湿状態判定処理ルーチンを組み合わせて実行するものとしてもよい。また、これらの各処理ルーチンのうち、図５から図７のルーチンの一つ又は複数を図３の加湿制御ルーチンが実行される毎に順次代えて行なうものとしてもよい。以下、各加湿状態判定処理ルーチンについて説明する。
【００５０】
図４の加湿状態判定処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず電流計４２により検出される燃料電池３０の出力電流Ｉと、抵抗値検出器４８により検出される燃料電池３０の抵抗Ｒとを読み込む処理を実行する（ステップＳ２００）。そして、読み込んだ電流Ｉと所定電流Ｉｓｅｔと比較し（ステップＳ２０２）、電流Ｉが所定電流Ｉｓｅｔに一致しないときには、ステップＳ２００の電流Ｉと抵抗Ｒとを読み込む処理に戻る。ここで、所定電流Ｉｓｅｔは、燃料電池３０から出力される電流としては大きくもなく小さくもない一般的な電流として設定されるものである。したがって、燃料電池３０から出力される電流Ｉは頻繁に所定電流Ｉｓｅｔに一致する。
【００５１】
電流Ｉが所定電流Ｉｓｅｔに一致すると抵抗Ｒを前回抵抗Ｒ０に代入し（ステップＳ２０４）、再び抵抗値検出器４８により検出される燃料電池３０の抵抗Ｒを読み込む処理を実行する（ステップＳ２０６）。そして読み込んだ抵抗Ｒから前回抵抗Ｒ０を減じたものを微小時間Δｔで割って、微分値ｄＲ／ｄｔを算出する（ステップＳ２０８）。ここで、微小時間Δｔは、電流Ｉが所定電流Ｉｓｅｔに一致するときのステップＳ２００の抵抗Ｒの読み込みからステップＳ２０６の抵抗Ｒの読み込みまでに要した時間として設定されるものであり、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２の性能やＣＰＵ６２によって並列処理される程度などにより定められる。なお、微分値ｄＲ／ｄｔは、微小時間Δｔにおける燃料電池３０の抵抗Ｒの変化であるから厳密には微分値ということができないが、厳密な微分値に近い値となることは容易に想到されるから、本実施例では微分値と言うことにする。
【００５２】
微分値ｄＲ／ｄｔを計算すると、計算した微分値ｄＲ／ｄｔが閾値αと閾値βとにより設定される適正加湿範囲にあるか否かの判定を行なう（ステップＳ２１０）。電解質膜３２が加湿不足のときにはそのプロトン導電性が低くなり、電解質膜３２の加湿状態の僅かな差に対する反応は鈍くなるから、微分値ｄＲ／ｄｔは小さな値となる。一方、電解質膜３２が加湿過剰のときにはそのプロトン導電性が高くなり、電解質膜３２の加湿状態の僅かな差に対する反応も素早くなるから、微分値ｄＲ／ｄｔは大きな値となる。したがって、電解質膜３２の加湿状態が適正範囲にあるときの微分値ｄＲ／ｄｔを求め、その下限を閾値αとすると共にその上限を閾値βとして適正加湿範囲設定し、算出した微分値ｄＲ／ｄｔをこの範囲と比較することにより電解質膜３２の加湿状態を判定することができるのである。
【００５３】
算出した微分値ｄＲ／ｄｔが適正加湿範囲にあるときには「適正加湿」を判定結果とし（ステップＳ２１２）、微分値ｄＲ／ｄｔが閾値α以下のときには「加湿不足」を判定結果とし（ステップＳ２１４）、微分値ｄＲ／ｄｔが閾値β以上のときには「加湿過剰」を判定結果として（ステップＳ２１６）、本ルーチンを終了する。
【００５４】
以上説明した図４の加湿状態判定処理ルーチンを実行する実施例の燃料電池システム２０によれば、燃料電池３０から出力される電流Ｉと燃料電池３０の抵抗Ｒとに基づいて電解質膜３２の加湿状態を判定することができる。しかも、燃料電池３０の抵抗Ｒは電解質膜３２の加湿状態を直接的に反映するから、電解質膜３２の加湿状態をより正確に判定することができる。
【００５５】
次に、図５に例示する加湿状態判定処理ルーチンについて説明する。このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず酸化ガス供給装置２４により燃料電池３０に供給される酸化ガスの供給量を増加する処理を実行し（ステップＳ３００）、電流計４２により検出される燃料電池３０から出力される電流Ｉが所定電流Ｉｓｅｔに一致するまで、電流Ｉと電圧計４０により検出される燃料電池３０から出力される電圧Ｖとを読み込む処理と読み込んだ電流Ｉを所定電流Ｉｓｅｔと比較する処理とを繰り返す（ステップＳ３０１，Ｓ３０２）。ここで、所定電流Ｉｓｅｔは図４の加湿状態判定処理ルーチンにおける所定電流Ｉｓｅｔと同一である。
【００５６】
電流Ｉが所定電流Ｉｓｅｔに一致すると電圧Ｖを前回電圧Ｖ０に代入し（ステップＳ３０４）、再び電圧計４０により検出される燃料電池３０の電圧Ｖを読み込む処理を実行する（ステップＳ３０６）。そして読み込んだ電圧Ｖから前回電圧Ｖ０を減じたものを微小時間Δｔで割って、微分値ｄＶ／ｄｔを算出する（ステップＳ３０８）。ここで、微小時間Δｔは、電流Ｉが所定電流Ｉｓｅｔに一致するときのステップＳ３０１の電圧Ｖの読み込みからステップＳ３０６の電圧Ｖの読み込みまでに要した時間として設定されるものであり、電子制御ユニット６０のＣＰＵ６２の性能やＣＰＵ６２によって並列処理される程度などにより定められるのは、図４の加湿状態判定処理ルーチンにおける微小時間Δｔと同様である。なお、微分値ｄＶ／ｄｔについても微分値ｄＲ／ｄｔと同様に厳密性を欠く点もあるが同様に微分値と言うことにする。
【００５７】
微分値ｄＶ／ｄｔを計算すると、計算した微分値ｄＶ／ｄｔが閾値γと閾値δとにより設定される適正加湿範囲にあるか否かの判定を行なう（ステップＳ３１０）。酸化ガスの供給量が増加されることにより電解質膜３２の水分の蒸発が促進されるから、電解質膜３２が加湿不足のときには更に加湿不足となってもプロトン導電性に余り変化が生じないから微分値ｄＶ／ｄｔは小さな値となる。一方、電解質膜３２が加湿過剰のときには酸化ガスの供給量の増加により電解質膜３２の水分の蒸発が促進されて適正加湿に近くなるからプロトン導電性の変化も大きくなり微分値ｄＶ／ｄｔも大きな値となる。したがって、電解質膜３２の加湿状態が適正範囲にあるときの微分値ｄＶ／ｄｔを求め、その下限を閾値γとすると共にその上限を閾値δとして適正加湿範囲設定し、算出した微分値ｄＶ／ｄｔをこの範囲と比較することにより電解質膜３２の加湿状態を判定することができるのである。
【００５８】
算出した微分値ｄＶ／ｄｔが適正加湿範囲にあるときには「適正加湿」を判定結果とし（ステップＳ３１２）、微分値ｄＶ／ｄｔが閾値γ以下のときには「加湿不足」を判定結果とし（ステップＳ３１４）、微分値ｄＶ／ｄｔが閾値δ以上のときには「加湿過剰」を判定結果として（ステップＳ３１６）、本ルーチンを終了する。
【００５９】
以上説明した図５の加湿状態判定処理ルーチンを実行する実施例の燃料電池システム２０によれば、酸化ガスの燃料電池３０への供給量を増加したときの燃料電池３０から出力される電流Ｉと燃料電池３０から出力される電圧Ｖとに基づいて電解質膜３２の加湿状態を判定することができる。
【００６０】
この図５の加湿状態処理判定ルーチンでは、酸化ガスの燃料電池３０への供給量だけを増加したが、この酸化ガスの燃料電池３０への供給量の増加に伴って燃料ガスの燃料電池３０への供給量を増加するものとしてもよい。
【００６１】
次に、図６に例示する加湿状態判定処理ルーチンについて説明する。このルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず電圧計４０により検出される燃料電池３０から出力される電圧Ｖを読み込み（ステップＳ４００）、読み込んだ電圧Ｖを前回電圧Ｖ０に代入する（ステップＳ４０２）。そして、酸化ガスの燃料電池３０への供給量を増加して（ステップＳ４０４）、再び電圧計４０により検出される燃料電池３０の電圧Ｖを読み込む処理を実行する（ステップＳ４０６）。そして、読み込んだ電圧Ｖから前回電圧Ｖ０を減じて電圧偏差ΔＶを算出する（ステップＳ４０８）。
【００６２】
電圧偏差ΔＶを算出すると、この電圧偏差ΔＶの値が負の値になっているかを調べ（ステップＳ４１０）、電圧偏差ΔＶが値０以上のときには「適正加湿」を判定結果とし（ステップＳ４１２）、電圧偏差ΔＶが負の値のときには「加湿不足」を判定結果として（ステップＳ４１４）、本ルーチンを終了する。この判定は、酸化ガスの燃料電池３０への供給量が増加されることにより電解質膜３２の水分の蒸発が促進されるが、電解質膜３２が適正加湿にあるときにはある程度の水分の蒸発が促進されても燃料電池３０から出力される電圧Ｖに変化は見られず、電解質膜３２が加湿不足のときには更に加湿不足となって燃料電池３０から出力される電圧Ｖが小さくなることに基づいている。
【００６３】
以上説明した図６の加湿状態判定処理ルーチンを実行する実施例の燃料電池システム２０によれば、酸化ガスの燃料電池３０への供給量を増加したときの燃料電池３０から出力される電圧Ｖに基づいて電解質膜３２の加湿状態を判定することができる。
【００６４】
この図６の加湿状態処理判定ルーチンでは、酸化ガスの燃料電池３０への供給量だけを増加したが、この酸化ガスの燃料電池３０への供給量の増加に伴って燃料ガスの燃料電池３０への供給量を増加するものとしてもよい。
【００６５】
次に、図７に例示する加湿状態判定処理ルーチンについて説明する。この加湿状態判定処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０では、燃料電池３０に取り付けられている電圧計４０が燃料電池３０を構成する各単電池３１の電圧を検出できるものである必要がある。以下、電圧計４０は、燃料電池３０の各単電池３１の電圧Ｖを検出するものとして説明する。
【００６６】
この図７の加湿状態判定処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ６２は、まず電圧計４０により検出される燃料電池３０を構成する各単電池３１の電圧Ｖを読み込み（ステップＳ５００）、読み込んだ各電圧Ｖの分散σ０を計算する（ステップＳ５０２）。続いて、酸化ガスの燃料電池３０への供給量を増加して（ステップＳ５０４）、再び電圧計４０により検出される各単電池３１の電圧Ｖを読み込み（ステップＳ５０６）、読み込んだ各電圧Ｖの分散σ１を計算する（ステップＳ５０８）。
【００６７】
そして、計算した分散σ０とσ１とを比較して（ステップＳ５１０）、分散σ０が分散σ１以下のときには「適正加湿」を判定結果とし（ステップＳ５１２）、分散σ０が分散σ１より大きいときには「加湿過剰」を判定結果として（ステップＳ５１４）、本ルーチンを終了する。この判定は、酸化ガスの燃料電池３０への供給量が増加されることにより電解質膜３２の水分の蒸発が促進されることにより、加湿過剰の状態にある電解質膜３２が適正加湿状態に近づき、各単電池３１の電圧Ｖのバラツキが小さくなることに基づいている。
【００６８】
以上説明した図７の加湿状態判定処理ルーチンを実行する実施例の燃料電池システム２０によれば、酸化ガスの燃料電池３０への供給量を増加する前後の燃料電池３０を構成する各単電池３１の電圧Ｖのバラツキに基づいて電解質膜３２の加湿状態を判定することができる。
【００６９】
この図７の加湿状態処理判定ルーチンでは、燃料電池３０を構成する各単電池３１の電圧Ｖのバラツキ（分散）より電解質膜３２の加湿状態を判定したが、燃料電池システム２０を複数の単電池３１からなる複数の電池モジュールにより構成し、各電池モジュールの電圧のバラツキ（分散）に基づいて電解質膜３２の加湿状態を判定するものとしてもよい。また、図７の加湿状態処理判定ルーチンでは、酸化ガスの燃料電池３０への供給量だけを増加したが、この酸化ガスの燃料電池３０への供給量の増加に伴って燃料ガスの燃料電池３０への供給量を増加するものとしてもよい。
【００７０】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例である燃料電池システムの構成の概略を示す構成図である。
【図２】  燃料電池３０を構成する単電池３１の概略構成を示す構成図である。
【図３】  実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される加湿制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図４】  実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される加湿状態判定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】  実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される加湿状態判定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図６】  実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される加湿状態判定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図７】  実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット６０により実行される加湿状態判定処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
２０  燃料電池システム、２２  燃料ガス供給装置、２３  燃料ガス加湿器、２４  酸化ガス供給装置、２５  酸化ガス加湿器、２６  水タンク、２７，２８  圧力調節バルブ、２７ａ，２８ａ  アクチュエータ、３０  燃料電池、３１  単電池、３２  電解質膜、３３  アノード、３４  カソード、３５  セパレータ、３６，３７  流路、４０  電圧計、４２  電流計、４４  燃料電池温度センサ、４６  圧力センサ、４８  抵抗値検出器、５０  冷却装置、５２  冷却水管路、５４  冷却水用ポンプ、５６  熱交換器、５８  冷却水温度センサ、６０  電子制御ユニット、６２  ＣＰＵ、６４  ＲＯＭ、６６  ＲＡＭ、６８  インジケータ。
【図１】
0004200576.tif 000002
【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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