(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、
前記空気極へ供給する空気を加湿する加湿器と、
前記加湿器に供給する外気の湿度を検出する外気湿度検出手段と、
前記空気極から排出される空気排ガス中の水蒸気を凝縮して前記加湿器へ供給する凝縮水回収手段と、
前記外気湿度検出手段が検出した湿度に応じて前記凝縮水回収手段による凝縮水量を調節する凝縮水量調節手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記凝縮水量調節手段は、
前記凝縮水回収手段に供給する冷却液の温度を制御する冷却液温度制御手段を備え、
前記外気湿度検出手段が検出した湿度が低ければ低いほど、かつ燃料電池の出力が小さければ小さいほど、前記冷却液温度の目標値を低く設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却液温度の最低限度目標値を設定し、
前記外気湿度検出手段が検出した湿度及び燃料電池出力に応じた前記冷却液温度の目標値が前記最低限度目標値以下となる場合には、前記冷却液温度の目標値が前記最低限度目標値となるように燃料電池の出力目標値を補正することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記外気湿度検出手段は、
前記加湿器の出口の空気ガスの温度を検出する加湿器出口温度検出手段と、
外気温を検出する外気温度検出手段と、
加湿器へ導入する外気の吸気量を検出する吸気量検出手段と、
前記加湿器で消費される加湿水量を検出する加湿水量検出手段と、を備え、
前記加湿器出口温度、前記外気温度、前記吸気量及び前記加湿水量に基づいて外気の湿度を演算することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池出力目標値の補正値に制限を設け、補正値が制限に達した場合には、燃料電池へ供給する空気の過剰率を通常運転時よりも小さく補正することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池出力目標値の補正値に制限を設け、補正値が制限に達した場合には、前記加湿器の目標湿度を通常運転時よりも低く補正することを特徴とする請求項２ないし請求項４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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に空気極から排出される空気排ガス中の水分回収技術を改良した燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を燃料ガスとして燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境に優れている。
【０００３】
燃料電池において水素と酸素はそれぞれ燃料極と空気極に供給され、燃料極では水素が水素イオンと電子に電離する。水素イオンは固体高分子膜を通って空気極へ移動し、この水素イオンと酸素と外部回路を流れた電子とが反応して水を生成する。固体高分子膜を水素イオンが通過するには水分が必要であり、また燃料極空気極ともにガスと水分と触媒との３相の接触部で反応が生じるため、水素ガスと空気ガスは十分に水蒸気を含んだ状態で燃料電池本体に送りこまれる方式が良く知られている。燃料電池に送りこまれるガスを水蒸気で加湿するために、燃料電池入り口側には加湿器が備えられることが多いが、加湿に費やされる水分は水貯蔵タンクなどに蓄えられていることが多く、限りがあるので、タンクの水が空になったりしないように外から補給してやる必要がある。
【０００４】
自動車などの移動手段では、外から水を補給するにも限度があるので、同じシステム内で生成する水を回収して、加湿器用の水タンクに回収する方法がよく知られている。ところが、燃料電池の運転状態は常に変化しているので水タンクの水がなくならないように生成水を回収してシステムの水収支を成立させるのはなかなか困難な課題である。
【０００５】
そのため、例えば、特開平１０−２８９７２６号公報では、ガス中の水分を温度降下により凝縮させる凝縮器の排気ガス温度をほぼ一定に保つように凝縮器の冷却水の流量を制御する、という方式が考案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来例では、スチームにより加湿する空気ガスの湿度に関係無く加湿を行うことになるので、例えば外気が非常に乾燥している時などは加湿器により消費される水分が非常に多くなり、凝縮器などで回収される水の回収速度が、加湿器により消費される水の消費速度よりも小さくなり、水収支が成立しなくなる場合がある。このような状況が継続すれば、加湿用水タンクの水が無くなり、燃料電池システムの運転を継続することが出来なくなるという問題点があった。
【０００７】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、外気の湿度に応じて凝縮水回収を制御することによって水収支を成立させ、安定した発電性能を継続して保証出来る燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は上記目的を達成するため、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記空気極へ供給する空気を加湿する加湿器と、前記加湿器に供給する外気の湿度を検出する外気湿度検出手段と、前記空気極から排出される空気排ガス中の水蒸気を凝縮して前記加湿器へ供給する凝縮水回収手段と、前記外気湿度検出手段が検出した湿度に応じて前記凝縮水回収手段による凝縮水量を調節する凝縮水量調節手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記凝縮水量調節手段は、前記凝縮水回収手段に供給する冷却液の温度を制御する冷却液温度制御手段を備え、前記外気湿度検出手段が検出した湿度が低ければ低いほど、かつ燃料電池の出力が小さければ小さいほど、前記冷却液温度の目標値を低く設定することを要旨とする燃料電池システムである。
【００１１】
請求項２記載の発明は上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記冷却液温度の最低限度目標値を設定し、前記外気湿度検出手段が検出した湿度及び燃料電池出力に応じた前記冷却液温度の目標値が前記最低限度目標値以下となる場合には、前記冷却液温度の目標値が前記最低限度目標値となるように燃料電池の出力目標値を補正することを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は上記目的を達成するため、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記外気湿度検出手段は、前記加湿器の出口の空気ガスの温度を検出する加湿器出口温度検出手段と、外気温を検出する外気温度検出手段と、加湿器へ導入する外気の吸気量を検出する吸気量検出手段と、前記加湿器で消費される加湿水量を検出する加湿水量検出手段と、を備え、前記加湿器出口温度、前記外気温度、前記吸気量及び前記加湿水量に基づいて外気の湿度を演算することを要旨とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は上記目的を達成するため、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池出力目標値の補正値に制限を設け、補正値が制限に達した場合には、燃料電池へ供給する空気の過剰率を通常運転時よりも小さく補正することを要旨とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は上記目的を達成するため、請求項２ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池出力目標値の補正値に制限を設け、補正値が制限に達した場合には、前記加湿器の目標湿度を通常運転時よりも低く補正することを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記空気極へ供給する空気を加湿する加湿器と、前記加湿器に供給する外気の湿度を検出する外気湿度検出手段と、前記空気極から排出される空気排ガス中の水蒸気を凝縮して前記加湿器へ供給する凝縮水回収手段と、前記外気湿度検出手段が検出した湿度に応じて前記凝縮水回収手段による凝縮水量を調節する凝縮水量調節手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記凝縮水量調節手段は、前記凝縮水回収手段に供給する冷却液の温度を制御する冷却液温度制御手段を備え、前記外気湿度検出手段が検出した湿度が低ければ低いほど、かつ燃料電池の出力が小さければ小さいほど、前記冷却液温度の目標値を低く設定することにより、外気湿度の変化によって加湿器で消費される水の量が変わっても、常に外気湿度に応じて凝縮水回収手段による凝縮水量を調節することが出来るので、外気湿度に依らず水収支性能を維持し、外部からの給水を不要とすることができるという効果がある。
さらに、外気湿度が低く、かつ、燃料電池の出力が小さく排ガス中の水蒸気発生量が少ない時には、燃料電池の出力が大きい時に比べて、凝縮水回収手段に供給する冷却液の温度をさらに低くすることで、より安定した水収支性能が得られるという効果がある。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記冷却液温度の最低限度目標値を設定し、前記外気湿度検出手段が検出した湿度及び燃料電池出力に応じた前記冷却液温度の目標値が前記最低限度目標値以下となる場合には、前記冷却液温度の目標値が前記最低限度目標値となるように燃料電池の出力目標値を補正するようにしたので、排気ガス中の水分を回収するための冷却液温度が最低限度になっても水収支が成立しなくなるほど加湿消費水量が大きくなるような外気湿度状態でも、燃料電池の出力目標値を増大させ、発電による生成水を増加させて凝縮水回収量を増加させることで、非常に乾燥しているような状態でも水収支を成立させることが出来るという効果がある。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明の効果に加えて、前記外気湿度検出手段は、前記加湿器の出口の空気ガスの温度を検出する加湿器出口温度検出手段と、外気温を検出する外気温度検出手段と、加湿器へ導入する外気の吸気量を検出する吸気量検出手段と、前記加湿器で消費される加湿水量を検出する加湿水量検出手段と、を備え、前記加湿器出口温度、前記外気温度、前記吸気量及び前記加湿水量に基づいて外気の湿度を演算する構成としたので、加湿器出口の温度に対する飽和蒸気水量と、加湿器で消費される水量とから、加湿器に導入される空気中の水量が分かり、外気の温度の飽和水蒸気量と比較して外気の湿度が分かる。このため、外気湿度計などを備えたりすること無く外気湿度を検出することができるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項２または請求項３に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池出力目標値の補正値に制限を設け、補正値が制限に達した場合には、燃料電池へ供給する空気の過剰率を通常運転時よりも小さく補正するようにしたので、外気が異常に乾燥している場合などで、冷却液の温度目標値を下げて凝縮水量を増やし、燃料電池の出力目標値を上げて生成水量を増やしても水収支が成立しないような状態でも、燃料電池における反応空気の量に対する供給空気の量を小さくすることで、燃料電池での未反応空気の量を低減し、結果として燃料電池への供給空気加湿総量を低減することが出来る。このため、排出空気の量も減り、システム全体としてさらに水収支性能を改善することができるという効果がある。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、請求項２ないし請求項４に記載の発明の効果に加えて、前記燃料電池出力目標値の補正値に制限を設け、補正値が制限に達した場合には、前記加湿器の目標湿度を通常運転時よりも低く補正するようにしたので、外気が異常に乾燥している場合などで、冷却液の温度目標値を下げて凝縮水量を増やし、燃料電池の出力目標値を上げて生成水量を増やしても水収支が成立しないような状態でも、加湿器の湿度を低く補正することで、加湿器の消費水量より排ガスの凝縮回収水量を多くするようにして、水収支を成立させることが出来るという効果がある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の要部を説明する構成図である。同図において、燃料電池システムは、燃料極２と空気極３とを有する燃料電池本体であるスタック１と、空気極３へ供給する空気を加湿する加湿器４と、加湿器４に供給する外気の湿度を検出する外気湿度検出装置５と、空気極３から排出される高温排出空気ガス中の水分を凝縮して加湿器４へ供給する凝縮水回収装置６と、外気湿度検出装置５が検出した外気湿度の大きさに応じて凝縮水回収装置６による凝縮水量を調節する凝縮水量調節装置７と、を備えている。尚、図中符号８は、凝縮水回収装置６から加湿器４へ凝縮水を供給する給水経路であるが、実装状態によっては、途中にタンクやポンプを備えてもよい。
【００２３】
また、外気湿度検出装置５としては、セレン（Ｓｅ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒化バナジウム（ＶＮ）などの半導体薄膜の表面に吸着される水分の変化をコンダクタンス変化として検出する半導体湿度センサや、多孔質セラミック湿度センサ等が利用可能である。
【００２４】
図２は、本発明に係る燃料電池システムの各実施形態に共通のガス流路を説明する概略構成図である。スタック１は、固体電解質膜を挟んで対向して設けられた燃料極２と空気極３とを所望の数だけ積層したものである。実際はこれに冷却水の配管が組み込まれるが、本図ではガス系のみを示す。
【００２５】
また図２では、燃料の水素ガスを直接保有する方式を示している。水素貯蔵タンク９は、水素ガスが圧縮されて高圧状態で保有されている。そこから圧力制御弁５を介して減圧されて、スタック１を含む循環管路に送られる。本図では水素貯蔵タンク９と圧力制御弁１０を直接つないであるように示したが、実際は一度減圧するための別の弁を中間に設けるなどする例が多い。
【００２６】
エゼクタ循環装置１１は、水素貯蔵タンク９から来る乾燥した水素ガスと、スタック１の燃料極２を通過した後の水素ガスを混合させて下流に流すものである。スタック１の入り口にエゼクタ循環装置１１で混合された水素ガスを加湿する加湿器１２を設ける。そしてスタック１の燃料極２で水素を消費し、余った残留水素ガスは再び、水回収装置１４を通し水分を回収してエゼクタ循環装置１１へ送られる。スタック１に対する電力出力要求が急に小さくなると、循環管路中の水素がスタック１で消費しきれなくなるので、そのときは、スタック下流に設けたパージ弁１５を開き水素ガスを外部へ放出する。ただし、水素ガスを直接大気へ放出することは好ましくないので、後に説明する余剰空気とともに反応器１９で反応させて水蒸気としてから大気に放出する。スタック１の燃料極２への供給水素圧力制御は圧力制御弁１０にて行うが、その際、燃料極付近の圧力を検出する方法を用いることが多いので、本図では圧力センサ１３をスタック入り口に設置している。
【００２７】
一方、酸化剤ガスとしての空気は、まず最上流に設置された圧縮機１６で圧縮され、スタック入り口に設置された加湿器４で露点まで加湿して空気極３へ供給される。スタック１の空気極３で空気中の酸素分を消費して余った空気ガスは、スタック内で反応して出来た水分も含んでおり、再び凝縮水回収装置６を通過し、さらに空気ラインの圧力制御バルブ１７を通過して大気へ放出する。空気圧力を大きくしたい場合には圧力制御バルブ１７を閉じ側へ制御することとなる。
【００２８】
図３及び図４は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を説明する図である。図３は図１の凝縮水量調節装置７として、排出空気ガスを冷却液にて冷却して凝縮水を発生させる液冷式の凝縮水回収装置６の冷却液の温度を制御する冷却液温度制御装置７０を用いた構成を示す図であり、図４は、この冷却液の温度制御のフローを示す図である。
【００２９】
図３において、凝縮水回収装置６は、排空気ガスと冷却液との間で熱交換を行う水凝縮装置６１（コンデンサ）と、水凝縮装置６１で温められた冷却液の熱を外気へ放出するラジエータ６３と、水凝縮装置６１とラジエータ６３との間で冷却液を循環させるポンプ６２と、冷却液の温度を検出する温度センサ６５と、を備えている。凝縮水回収装置６に用いる冷却液は、純水であってもよいし、純水または精製水にグリコール等を混入して不凍液としたロングライフクーラントであってもよい。
【００３０】
冷却液温度制御装置７０は、ラジエータ６３をバイパスする流路を開閉または開度調節するバイパスバルブ６４と、温度センサ６５が検出した冷却液温度に基づいてバイパスバルブ６４を開閉制御または開度制御することにより冷却液温度を制御する制御回路７１とを備えている。制御回路７１による温度制御は、目標上限温度と目標下限温度の範囲に冷却液の温度が収まるように、バイパスバルブ６４を制御してラジエータ６３へ流す流量とラジエータ６３をバイパスさせる流量を制御したり、あるいは流路を切り替えたりなどして行う。
【００３１】
この変形例としてバイパスバルブ６４を設けず、その代わりに冷却液を循環させるポンプ６２を吐出量可変型のポンプとし、制御回路７１からポンプ６２の吐出量を制御することにより冷却液の温度制御を行うようにしてもよい。
【００３２】
図４は、この温度制御の目標値を外気湿度に応じて制御する制御フローを示したものである。
【００３３】
まず、外気湿度検出装置５により外気の湿度Ｈ＿ａｉｒを検出し（ステップＳ１０）、次いで温度センサ６５により冷却液の温度Ｔ＿ＬＬＣを検出する（ステップＳ１２）。
【００３４】
次いで、検出した外気湿度Ｈ＿ａｉｒの大きさに応じて、冷却液の目標温度ｔＴ＿ＬＬＣを算出して設定する（ステップＳ１４）。本実施形態では、図４（ｂ）に示すようなマップを検索する方式を用いている。図４（ｂ）のマップは、外気湿度Ｈ＿ａｉｒが小さくなるに連れて、目標冷却液温度ｔＴ＿ＬＬＣが小さくなるように設定している。但し、外気湿度Ｈ＿ａｉｒが充分低い領域及び外気湿度Ｈ＿ａｉｒが充分高い領域においては、目標冷却液温度ｔＴ＿ＬＬＣはそれぞれ目標最低値、目標最高値に制限されている。
【００３５】
次に、ステップＳ１６では、冷却液の温度が目標温度ｔＴ＿ＬＬＣになるようにバイパスバルブ６４の開度制御、または開閉制御によって冷却液温度制御を実行する。
【００３６】
図５および図６は、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を説明する図である。図５は図１の凝縮水量調節装置７として、燃料電池スタック１の出力に応じて液冷式の凝縮水回収装置６の冷却液の温度目標値を変更する冷却液温度制御装置７０を用いた構成を示す図である。図５の冷却液温度制御装置７０は、図３の制御回路７１に代えて、外気温度信号及びスタック出力信号に応じて、凝縮水回収装置６の冷却液の温度を制御できる制御回路７２を備えた点が異なっている。図６は、この制御回路７２による冷却液の温度制御のフローを示す図である。
【００３７】
図６において、まず外気湿度検出装置５により外気の湿度Ｈ＿ａｉｒを検出し（ステップＳ２０）、燃料電池スタック１の出力Ｐｗ＿ＳＴＫを検出し（ステップＳ２２）、温度センサ６５により冷却液の温度Ｔ＿ＬＬＣを検出する（ステップＳ２４）。次いで、検出した外気湿度Ｈ＿ａｉｒおよび、燃料電池スタックの出力Ｐｗ＿ＳＴＫの大きさに応じて、冷却液の目標温度ｔＴ＿ＬＬＣを算出して設定する（ステップＳ２６）。本実施形態では、図６（ｂ）に示すようなマップを検索する方式を用いている。図６（ｂ）は、基本的に外気湿度が小さい時には冷却液目標温度を小さくして、凝縮水量を大きくするように構成しているが、燃料電池スタックの出力が小さい時には、さらに冷却液の目標温度ｔＴ＿ＬＬＣが小さくなるように設定する。次いでステップＳ２８では、冷却液の温度が目標温度ｔＴ＿ＬＬＣになるようにバイパスバルブ６４の開度制御、または開閉制御によって冷却液温度制御を実行する。
【００３８】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態を示す制御フロー図で、図７（ａ）は燃料電池の目標出力を演算するフロー、図７（ｂ）は、図６の水凝縮回収用の冷却液目標温度演算に加え、燃料電池スタックの出力補正値を演算するフローである。それぞれ、制御コントローラで演算処理される。
【００３９】
図７（ａ）では、まずステップＳ４２において、運転者のアクセルペダル操作量ＡＰＳと、車両速度ＶＳＰ、バッテリ充電量ＳＯＣを検出する。
【００４０】
次いでステップＳ４４では、車両の推進力の目標値である目標駆動力ｔｇｔ＿ＶＦをアクセル操作量ＡＰＳおよび車両速度ＶＳＰに基づいて演算する。通常はアクセル操作量および車両速度に応じた３次元マップに予め記憶されている目標駆動力ｔｇｔ＿ＶＦを検索して求められることが多い。
【００４１】
次にステップＳ４６では、車両目標駆動力ｔｇｔ＿ＶＦとバッテリ充電量ＳＯＣから、燃料電池の出力目標値ｔｇｔ＿ＰｗＳＴＫを演算する。一般的には、バッテリ残量が多いときは、燃料電池の出力目標値は小さく、逆にバッテリ残量が少ない時には、燃料電池の出力目標値は大きくして、運転者の要求に応じた車両駆動力を実現するための適切な車両馬力を、バッテリおよび燃料電池で並列して出力する。
【００４２】
次に、ステップＳ４８では、図７（ｂ）のフローにより演算される凝縮水量調節用の冷却液温度に応じて定まる燃料電池目標出力の補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫにより、ステップＳ４６で求めた目標燃料電池出力を補正する。フローでは、目標燃料電池出力を以下の式（１）により加算補正している。
【００４３】
【数１】
ｔｇｔ＿ＰｗＳＴＫ＝ｔｇｔ＿ＰｗＳＴＫ＋Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫ  …（１）
図７（ｂ）では、図６のステップＳ２６までは同じ処理であり、ステップＳ２６の後に、ステップＳ４０を実行する。
【００４４】
ステップＳ４０では、ステップＳ２６にて外気湿度Ｈ＿ａｉｒおよび燃料電池スタックの出力Ｐｗ＿ｓｔｋにより補正した目標冷却液温度ｔＴ＿ＬＬＣが、目標冷却液の温度の下限値ｔＬｉｍ＿ＬＬＣに達していないかを判断し、達している（下限値以下の）場合には、燃料電池の出力目標値を加算補正するために、出力補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫを演算する。本ステップＳ４０では、目標冷却液温度ｔＴ＿ＬＬＣと目標冷却液の温度の下限値ｔＬｉｍ＿ＬＬＣとの差に応じて、燃料電池の出力補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫを図７（ｄ）で示されるテーブルから索引して演算する。
【００４５】
冷却液の目標温度ｔＴ＿ＬＬＣが下限値Ｌｉｍ＿ＬＬＣに達していない（下限値より大きい）時には、燃料電池の出力目標補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫは０となるので、図７（ａ）の燃料電池出力目標値ｔｇｔ＿ＰｗＳＴＫは補正しない。逆に冷却液の目標温度ｔＴ＿ＬＬＣが下限値ｔＬｉｍ＿ＬＬＣに達している（下限値以下）時には、燃料電池の出力目標補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫは正の値となるので、図７（ａ）のステップＳ４８により、燃料電池の出力目標値が大きくなるように補正する。
【００４６】
次いで、ステップＳ２８では、図６（ａ）と同様に、冷却液の温度が目標温度ｔＴ＿ＬＬＣになるようにバイパスバルブ６４の開度制御、または開閉制御によって冷却液温度制御を実行する。
【００４７】
図８および図９は、本発明に係る燃料電池システムの第５実施形態を示す図である。図８は空気を加湿する加湿器で消費される水の量と加湿器の前後の空気温度とから外気の湿度を推定するためのシステム構成図で、図９は同じく外気の湿度を推定する演算フローを示す。
【００４８】
図８は、図１の構成図に対し、外気湿度検出装置５の他の実施形態を示す例である。図８において、外気湿度検出装置５は、加湿器４へ導入する外気の吸気量を検出する吸気量センサ５１と、外気温を検出する外気温度センサ５２と、加湿器４の出口の空気ガスの温度を検出する加湿器出口空気温度センサ５３と、加湿器４の入り口の水量を検出する加湿器入口水量センサ５４と、加湿器出口水量センサ５５とを備えている。そして、加湿器出口温度、外気温度、外気の吸気量、及び加湿器入口と出口との水量差である加湿器消費水量に基づいて外気の湿度を演算する構成としたので、加湿器出口の温度に対する飽和蒸気水量と、加湿器で消費される水量とから、加湿器に導入される空気中の水量が分かり、外気の温度の飽和水蒸気量と比較して外気の湿度が分かる。
【００４９】
図９は、外気湿度を推定演算する制御フローであり、外気湿度検出装置５に内蔵した制御装置または車両に搭載された制御装置で演算される。
【００５０】
ステップＳ６０は、吸気量Ｖ＿ａｍｂ、外気温度Ｔ＿ａｍｂ、加湿器出口空気温度Ｔ＿ｈｕｍを検出し、ステップＳ６２は、加湿器の入口純水水量Ｑ＿Ｐｗｉｎ、加湿器の出口純水水量Ｑ＿Ｐｗｏｕｔを検出する。
【００５１】
ステップＳ６４は、加湿器で加湿に消費した純水の量を以下の式（２）により演算する。
【００５２】
【数２】
Ｑ＿Ｐｗｕｓｅ＝（Ｑ＿Ｐｗｉｎ−Ｑ＿Ｐｗｏｕｔ）×ΔＴ  …（２）
ここで、ΔＴは単位時間を示す。
【００５３】
ステップＳ６６では、外気温度Ｔ＿ａｍｂ、および加湿器出口温度Ｔ＿ｈｕｍに応じた飽和水蒸気量ＱＳ＿ａｍｂ、およびＱＳ＿ｈｕｍを予め記憶したテーブル検索により求める。
【００５４】
次にステップＳ６８では、ステップＳ６６で演算された水蒸気量を用いて、外気の湿度Ｈ＿ａｍｂを推定演算する。
【００５５】
【数３】
Ｈ＿ａｍｂ
＝（ＱＳ＿ｈｕｍ×Ｖ＿ａｍｂ−Ｑ＿Ｐｗｕｓｅ）／ＱＳ＿ａｍｂ×１００…（３）
ここで、ステップＳ６６で検索する飽和水蒸気量のテーブルは、図１０に示すように、空気の温度に対する飽和水蒸気量の関係であり、ある温度の時に湿度１００％で加湿した時の空気中に含んでいる水蒸気の量を示すものである。
図１０の関係から、上式のように外気湿度が推定できる。
【００５６】
図１１は、本発明に係る燃料電池システムの第６実施形態を示す図であり、第４実施形態の図７（ｂ）に対し、ステップＳ７０を加えたものである。
【００５７】
ステップＳ７０では、燃料電池の出力目標補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫの大きさに基づいて燃料電池の目標空気過剰率（ストイキ）の補正値を演算している。燃料電池の出力目標補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫが限界値Ｌｉｍ＿ａｄｄＰを超えるまでは、目標空気過剰率補正値ｃｒｃｔＳＴＯＩＫは０なので、補正は行わない。燃料電池の出力目標補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫが限界値Ｌｉｍ＿ＡｄｄＰを超えると、補正値ｃｒｃｔＳＴＯＩＫは大きくなるように図１１（ｂ）は示してある。この補正値を通常の目標空気過剰率から減算することで、新たな目標空気過剰率を設定することで、外気湿度が非常に低い場合に、燃料電池の出力目標値を補正し、この補正値が限界に達した時には燃料電池の目標空気過剰率を小さくする、ことを実現している。
【００５８】
なお、ここで言う「空気過剰率」とは、燃料電池の発電状態から要求される酸素量に応じた空気量（燃料電池へ供給される空気の量）の過剰率、言い換えれば空気の余剰分の度合いを表すものであり、一般的には「空気ストイキ」として表す場合もある。
【００５９】
図１２は、本発明に係る燃料電池システムの第７実施形態を示す図であり、第４実施形態の図７（ｂ）に対し、ステップＳ８０を加えたものである。
【００６０】
ステップＳ８０では、燃料電池の出力目標値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫの大きさに基づいて燃料電池へ送る空気ガスの加湿目標湿度ｔｇｔＨＵＭＩＤを演算している。燃料電池の出力目標補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫが限界値Ｌｉｍ＿ＡｄｄＰを超えるまでは、加湿目標湿度ｔｇｔＨＵＭＩＤは１００％なので、完全に飽和するまで加湿することになる。燃料電池の出力目標補正値Ａｄｄ＿ＰｗＳＴＫが限界値Ｌｉｍ＿ＡｄｄＰを超えると、加湿目標湿度ｔｇｔＨＵＭＩＤは小さくなるように図１２（ｂ）は示してある。これにより、外気湿度が非常に低い場合で、燃料電池の出力目標補正値が限界に達した時には燃料電池へ送る空気ガスの加湿目標湿度を小さくすることを実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】各実施形態に共通のガス流路を説明する概略構成図である。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図４】第２実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図６】第３実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図７】本発明に係る燃料電池システムの第４実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第５実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図９】第５実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図１０】空気の温度に対する飽和水蒸気量の関係を示すグラフである。
【図１１】本発明に係る燃料電池システムの第６実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図１２】本発明に係る燃料電池システムの第７実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１  スタック
２  燃料極
３  空気極
４  加湿器
５  外気湿度検出装置
６  凝縮水回収装置
７  凝縮水量調節装置
８  給水経路
【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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