JP2005294160A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】水素、または空気の湿度を正確に検出する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】水素と空気によって発電する燃料電池１と、水素、または空気中の湿度を検出する湿度検出器１２、１３、３４、３５を備え、湿度検出器１２、１３、３４、３５内に、燃料電池の温度を調整する冷却液を供給し、湿度検出器１２、１３、３４、３５の温度を湿度検出器１２、１３、３４、３５が検出する水素、または空気とほぼ等しい温度とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に燃料電池に供給する水素または空気の湿度を検出する湿度検出器に関するものである。

燃料電池システムにおいて、燃料電池に固体高分子型燃料電池を使用する場合には、アノードでは高分子電解質膜を水素のプロトンを通過させるためには水分が必要となり、また、カソードでは水が生成される。そのため、燃料電池を高効率で発電させるためには、燃料電池の水分、すなわち湿度の管理が重要になる。そこで、燃料電池には湿度検出器を備え、水素と空気の湿度を制御する。

従来、湿度検出装置に均熱板を設け、湿度検出部の温度を安定させ、正確な湿度検出を行うものが、特許文献１に開示されている。
特開平７−９２１１８号公報

しかし、上記の発明では、湿度検出部から検出された湿度の信号を導線を伝い外部へ伝達する際に、導線を伝わって湿度検出部の熱が外部へ伝わり、実際の流体の温度と湿度検出部の温度が異なる場合が生じる。そのため、湿度検出部が実際の流体の湿度と異なる湿度を電気信号として外部へ伝達し、正確な測定を行うことができない、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、湿度検出部から外部への熱の伝達を小さくし、正確な湿度検出を行うことを目的とする。

本発明では、水素と酸化剤によって発電する燃料電池と、燃料電池と連通する配管内の湿度を検出する湿度検出部と、湿度検出部の信号を取り出す導線と、を有する湿度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、湿度検出手段は、その内部に、例えば燃料電池を冷却する冷却液が通る流体循環部と、流体循環部に冷却液を導入する流体導入配管と、流体循環部から冷却液を排出する流体排出配管を備える。

本発明によると、湿度検出手段に、例えば湿度検出部の温度と近い冷却液を湿度検出手段の内部に循環させるので、湿度検出部から導線を伝い、熱伝導による湿度検出部の温度低下を小さくすることができ、湿度検出部による湿度検出を正確に行うことができる。

本発明の燃料電池システムの第１実施形態の構成を図１の構成図を用いて説明する。この実施形態では、水素と空気（酸化剤）によって発電を行う燃料電池１と、燃料電池１のアノード１ａに水素を供給する水素供給系２と、燃料電池１のカソード１ｂに空気を供給する空気供給系３と、燃料電池１を冷却する冷却系４、燃料電池システムを制御するコントローラ７０と、から構成される。

まず、水素供給系２は、アノード１ａに供給する水素を蓄える水素タンク５と、水素タンク５から供給される水素の温度を調整する加熱器６と、水素タンク５からアノード１ａに供給される水素の流量を調整する水素流量制御弁７と、アノード１ａから排出された排出水素を再びアノード１ａへ循環する循環流路８と、循環流路８に設けられ、排出水素を循環させる水素循環ポンプ９と、排出水素の一部を図示しないバーナーへ送る排出流路１０と、循環流路８と排出流路１０へ流れる排出水素の流量を調整する流量制御弁１１を備える。また、自己加湿機能を有する燃料電池１においては必要ないが、自己加湿機能を有しない燃料電池１においては水素の湿度を制御する加湿器１４と、加湿器１４で使用する加湿用の水を蓄える水タンク１５を備える。また、アノード１ａの上流にアノード１ａに供給される水素の湿度を検出する湿度検出器１２と、アノード１ａの下流にアノード１ａから排出される排出水素の湿度を検出する湿度検出器１３を備える。

加熱器６は水素ボンベ５から供給された水素を燃料電池１と後述する熱交換を行い暖められた冷却液の熱によって水素を温める。また、それとは別に外部からの熱と熱交換を行い、水素を温めてもよい。

自己加湿機能を有しない燃料電池１においては、加湿器１４は、水タンク１５から供給された水によって水素を加湿し、加湿した水素を燃料電池１のアノード１ａに供給する。この加湿器１４は、加湿するために水を温める加熱部を備え、十分に加熱された水によって水素を加湿する。なお、この温められた水を湿度検出器１２、１３内の後述する各空洞部２６に供給してもよい。

湿度検出器１２の詳しい構成について図２を用いて説明する。湿度検出器１２は、湿度検出手段であり、アノード１ａに供給される水素の湿度を検出し、その湿度を電気信号として発信する湿度検出部である湿度センサ２０と、湿度センサ２０で検出された湿度の信号を外部へ伝達する導線である電線２１と、複数の電線２１を束ねる電線カバー２７と、水素が流れる配管２２に湿度検出器１２を取り付るセンサボディ２３を備える。また、センサボディ２３内に冷却液を供給する（導入させる）流体導入配管である冷却液導入配管２４と、冷却液をセンサボディ２３から排出する流体排出配管である冷却液排出配管２５を備える。なお、冷却液は後述する冷却系４によって燃料電池１と熱交換を行い、加熱されている。

湿度センサ２０は、流路を流れる流体の湿度に応じて変化する電気抵抗や電気容量を検出する検出装置である。そして、その変化量に基づく電気信号を発信する。

センサボディ２３は内部に流体循環部である空洞部２６を有しており、その空洞部２６が冷却液導入配管２４と冷却液排出配管２５と連通する。また、空洞部２６に電線２１が配設され、冷却液導入配管２４から供給される冷却液と熱交換を行う。これによって、電線２１を冷却液によって加熱、冷却することができる。なお、電線２１は、絶縁部材で覆われており、冷却液と電気的には接続されていない。また、電線カバー２７とセンサボディ２３との間には、シール材２８が設けられており、冷却液が湿度検出器１２の外部へリークするのを防いでいる。また、電線２１を空洞部２６の外壁に埋め込み、外壁を通じて電線２１を温めてもよい。

冷却液導入配管２４と冷却液排出配管２５は、空洞部２６の一端であり、湿度検出器１２の先端とは反対側に位置する端部において空洞部２６と連通する。

湿度検出器１３の構成は、湿度検出器１２と同じなので、ここでの説明は省略する。なお、湿度検出器１３にはアノード１ａに供給する水素の代わりにアノード１ａから排出された排出空気の湿度を検出する。

次に、空気供給系３は、外部より空気を取り込みカソード１ｂに供給するブロア３０と、ブロア３０によって取り入れた空気を冷却液によって加熱する空気温度調整器３１と、空気温度調整器３１によって加熱（冷却）された空気をカソード１ｂから排出された排出空気の熱によって更に空気の温度を調整し、更にカソード１ｂで生成された水によって、空気を加湿する水熱回収器３２と、を備える。また、カソード１ｂに供給される空気の湿度を検出する湿度検出手段である湿度検出器３３と、カソード１ｂから排出される排出空気の湿度を検出する湿度検出手段である湿度検出器３４を備える。

空気温度調整器３１は、ブロア３０によって取り入れられた空気を後述する冷却液供給路４２から供給される冷却液によって加熱または冷却する。これは水熱回収器３２だけでは空気の温度調整が難しいので、事前に空気温度調整器３１によって空気の温度を調整する。空気温度調整器３１は、冷却液の温度と空気の温度に基づいて冷却液の流量を流量調整弁４７によって調整することで空気の温度を調整できる。例えば氷点下での運転の場合など外部から取り入れる空気が冷たい場合には、冷却液によって空気を温めることができる。

水熱回収器３２は、燃料電池１の発電によって生成された水と熱を、カソード１ｂから排出される排出空気から、カソード１ｂに供給する空気に中空糸膜を介して熱交換と水回収を同時に行い、カソード１ｂに供給する空気の加熱および加湿を行う。

湿度検出器３４、３５の構成は、湿温度検出器１２と同じなので、ここでの説明は省略する。なお、湿度検出器３４ではカソード１ｂに供給する空気の湿度を検出し、湿度検出器３５ではカソード１ｂから排出された排出空気の湿度を検出する。

次に冷却系４は、燃料電池１と熱交換を行い燃料電池１の温度を制御する冷却液を貯留する冷却液貯留手段である冷却液タンク４０と、冷却液を燃料電池１へ供給する冷却液ポンプ４１と、冷却液を燃料電池１へ供給する冷却液供給路４２と、燃料電池１と熱交換を行い温められ、燃料電池１から排出される冷却水を再び冷却液タンク４０へ貯留させる冷却液排出路４３と、冷却液排出路４３内の冷却液を冷却するラジエータ４４と、冷却ファン４８を備える。

冷却液供給路４２では冷却液ポンプ４１によって冷却液タンク４０から燃料電池１に供給される冷却液の一部が分岐部４５において分岐し、湿度検出器１２、３４の冷却液導入配管２５と、空気温度調整器３１に供給される。湿度検出器１２、３４に供給された冷却液は、空洞部２６によって電線２１を温め、その後冷却液排出配管２５から排出され、冷却液タンク４０に戻される。また、空気温度調整器３１に供給された冷却液は、空気と熱交換を行った後に、ラジエータ４４の上流で冷却液排出路４３を流れる冷却液に合流する。なお、分岐部４５と空気温度調整器３１の間には、冷却液の流量を調整する流量調整弁４７を設ける。

冷却液排出路４３では燃料電池１と熱交換を行い加熱された冷却液の一部が、分岐部４６において分岐し、湿度検出器１３、３５の冷却液導入配管２５に供給される。湿度検出器１３、３５に供給された冷却液は、空洞部２６によって電線２１を温め、その後冷却液排出配管２５から排出され、冷却液タンク４０に戻される。残りの冷却液は加熱器６において水素を加熱し、その後ラジエータ４４によって冷却され、冷却液タンク４０に戻される。ラジエータ４４の上流において、空気温度調整器３１を通った冷却液と加熱器６を通った冷却液が合流する。

冷却液は燃料電池１に供給される前、すなわち比較的温度の低い冷却液の一部が並列に接続される湿度検出器１２、３４にそれぞれ供給され、燃料電池１に供給された後、すなわち比較的温度の高い冷却液の一部が並列に接続される湿度検出器１３、３５にそれぞれ供給される。これは、この実施形態の燃料電池システムにおける冷却液の温度と燃料電池１を通る水素、または空気の温度の関係によるものであり、その関係について図３を用いて説明する。なお、図３は、燃料電池１の起動からの時間変化に対する燃料電池１の負荷と冷却液の温度、燃料電池１の入口と出口での水素と空気の温度変化を示した図である。これによると、燃料電池１へ供給される冷却液の温度と、アノード１ａに供給される水素の温度、またはカソード１ｂに供給される空気の温度が近い温度となり、燃料電池１から排出される冷却液の温度と、アノード１ａから排出される排出水素の温度、またはカソード１ｂから排出される排出空気の温度が近い温度となっていることがわかる。

つまり、アノード１ａ、カソード１ｂの上流に設けられる湿度検出器１２、３４の水素、または空気の温度も燃料電池１に供給される冷却液の温度と近い温度となっており、アノード１ａ、カソード１ｂの下流に設けられる湿度検出器１３、３５の排出水素、または空気の温度も燃料電池１から排出される冷却液の温度と近い温度となっている。そのため、湿度検出器１２、３４の内部に設けた空洞部２６において電線２１を温めるために燃料電池１に供給される冷却液の一部を空洞部２６に供給し、湿度検出器１３、３５の内部に設けた空洞部２６において電線２１を温めるために燃料電池１から排出された冷却液の一部を空洞部２６に供給することにより、各湿度検出器１２、１３、３４、３５の内部の温度を各湿度センサ２０の温度と近い温度にすることができる。これによって、例えば湿度センサ２０から電線２１を伝いセンサボディ２３などへの熱伝導による湿度センサ２０の温度低下を防ぐことができ、実際の流体の温度と湿度センサ２０の温度差による測定誤差を小さくすることができる。

ラジエータ４４では、冷却水タンク４０に設けた図示しない温度センサによって検出された温度に基づいて、冷却液タンク４０内の冷却液の温度が、或る所定温度となるように冷却ファン４８が制御される。なお、或る所定温度は、燃料電池１の運転状態、すなわち燃料電池１の負荷、温度によって決まる温度である。

冷却液タンクの冷却液は、冷却液供給路４２、燃料電池１、冷却液排出路４３、加熱器６、ラジエータ４４間を循環する。冷却液の一部は冷却液供給路４２、湿度検出器１２、３４を循環する。また、冷却液排出路４３、湿度検出器１３、３５間を循環する。更に、冷却液供給路４２、空気温度調節器３１、ラジエータ４４間を循環する。

コントローラ７０は、ブロア１５などによる各流量の調整や流量調整弁６４など開度調整を行う。

この実施形態では、燃料電池１のアノード１ａ、カソード１ｂに供給する水素、空気、またはアノード１ａ、カソード１ｂから排出される排出水素、排出空気の湿度を検出する湿度検出器１２、１３、３４、３５の内部に、燃料電池１を冷却する冷却液を流すことにより、湿度検出器１２、１３、３４、３５の温度を検出する水素、空気の温度と近い温度とする。

なお、この実施形態では、湿度検出器１２と湿度検出器３４を並列に、また湿度検出器１３と湿度検出器３５を並列に接続したが、図４に示すように、湿度検出器１２と湿度検出器３４を直列に、また湿度検出器１３と湿度検出器３５を直列に接続してもよい。なお、このとき直列に接続した湿度検出器は検出する流体の温度が高い方を上流とする。

また、図５に示すように、湿度検出器１２、１３、３４、３５を直列に接続し、燃料電池１から排出された冷却液を順次供給してもよい。なお、このとき直列に接続した湿度検出器は検出する流体の温度が高い方を上流とする。

このように湿度検出器を直列に接続することで、冷却液が流れる配管を燃料電池システム内で簡略化することができ、燃料電池システムをシンプルにし、コストを削減することができる。

また、湿度検出器１２、１３、３４、３５の内部に冷却液を供給したが、この代わりに加湿用の水を用いてもよい。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、湿度検出器１２、１３、３４、３５の内部に設けた空洞部２６に燃料電池１と熱交換を行う冷却液を供給し、湿度センサ２０と接続し湿度センサ２０からの電気信号を外部へ伝達する電線２１を各空洞部２６で各湿度センサ２０とほぼ等しい温度の冷却液によって温めるので、湿度センサ２０から電線２１を伝い、例えばセンサボディ２３への熱伝導による湿度センサ２０の温度低下を防ぐことができる。これによって、湿度センサ２０と流体（水素、空気）の温度をほぼ等しくすることができ、流体の湿度を正確に検出することができる。

また、湿温度検出器１２、１３、３４、３５が検出する流体に近い温度の冷却液を各空洞部２６に供給することにより、各湿度検出器の温度を検出する流体の温度に近い温度とすることができ、流体の湿度をより正確に検出することができる。

次に本発明の第２実形態について図６を用いて説明する。第２実施形態は第１実施形態とは湿度検出器１２、１３、３４、３５の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。

この実施形態では、空洞部２６に整流板として仕切り板５０を設ける。その他の構成については、図２に示す構成と同じであるので、ここでの説明は省略する。この構成によって冷却液を空洞部２６の全体に流すことができる。

仕切り板５０は、空洞部２６の２本の電線２１間に設けられ、また冷却液導入配管２４を通り供給される冷却液の流れに対して略垂直となるように設けられる。これにより、空洞部２６の一端に連通する冷却液導入配管２４から供給される冷却液が仕切り板５０に衝突し、空洞部２６の先端、つまり湿度検出器１２、１３、３４、３５の先端側まで確実に送られるので、空洞部２６内、特に空洞部２６の先端側で冷却液が淀むのを防ぐことができる。なお、仕切り板５０には、流体が空洞部２６に均一に分布し、更に仕切り板５０による流れの抵抗が大きくならないように穴などを設けてもよい。

また、この実施形態では、仕切り板５０を設けたが、この代わりに図７に示すように電線２１に受熱板として平面部５１を設けてもよい。なお、この平面部５１は冷却液導入配管２４を通り供給される冷却液の流れに対して略垂直となるように設けられる。

平面部５１を設けるので、冷却液が空洞部２６内で均一に拡がり、電線２１の温度を均一にすることができ、湿度センサ２０から温度が熱伝導により伝達され難くなり、湿度センサ２０と流体の温度差を小さくすることができる。

以上で説明した構成は、湿度検出器１２、１３、３４、３５に適用する。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態によって、湿度検出器１２、１３、３４、３５の各空洞部２６に供給された冷却液が空洞部２６の全体に拡がり、空洞部２６内で冷却液の淀みを少なくするので、電線２１の全体の温度を冷却液の温度に近づけることができ、湿度センサ２０からの熱伝導を小さくし、湿度センサ２０と流体の温度をより近くすることができ、流体の湿度をより正確に検出することができる。

次に本発明の第３実施形態について図８を用いて説明する。第３実施形態は第１実施形態とは湿度検出器１２、１３、３４、３５の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。

この実施形態では、冷却液が供給される冷却液導入配管２４を電線カバー２７の内部を通し、空洞部２６の先端、つまり湿度検出器１２、１３、３４、３５の先端側まで設ける。その他の構成については、図２に示す構成と同じであるので、ここでの説明は省略する。この構成により、冷却液を空洞部２６の先端側まで供給することができる。

冷却液導入配管２４は、電線カバー２７内を通り、空洞部２６では２本の電線２１に挟まれ、空洞部２６の先端側まで延びている。つまり、冷却液導入配管２４が湿度検出器１２の軸方向に沿って空洞部２６内まで突設され、冷却液を空洞部２６に供給する。これにより冷却液が空洞部２６の先端側、つまり湿度検出器１２の先端側へ向けて冷却液が供給され、先端側まで確実に冷却液が送られ、その後空洞部２６の反対側に位置する冷却液排出配管２５から冷却液が排出されるので、空洞部２６内で冷却液が淀むのを防ぐことができる。なお、冷却液導入配管２４と冷却液排出配管２５を入れ替えて配置してもよい。

なお、電線２１については、図９に示すように、冷却液導入配管２４の外壁に沿って螺旋状に巻き付けてもよい。これにより、電線２１と冷却液の接触面積が増加するので、電線２１の温度をより冷却液に近づけることができる。

以上で説明した構成は、湿度検出器１２、１３、３４、３５に適用する。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

冷却液導入配管２４を電線カバー２７内を通し、空洞部２６の先端側まで配置し、冷却液排出配管２５を冷却液導入配管２４とは遠い空洞部２６に連通させるので、空洞部２６内で冷却液が全体に拡がり、空洞部２６内で冷却液の淀みを少なくすることができ、空洞部２６内を冷却液とほぼ等しい温度にすることができる。これにより、湿度センサ２０からの熱伝導を小さくし、湿度センサ２０と流体の温度をより近くすることができ、流体の湿度をより正確に検出することができる。

また、電線２１が冷却液導入配管２４と直接接触するので、冷却液導入配管２４から直接電線２１を温めることができるので、電線２１の温度を素早く温めることができる。また、電線２１と冷却液の接触面積が増加するので、電線２１の温度と冷却液の温度をより近づけることができる。

次に本発明の第４実形態について図１０を用いて説明する。第４実施形態は第１実施形態とは湿度検出器１２、１３、３４、３５の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。

この実施形態では、冷却液導入配管２４に冷却フィン６０、冷却フィン６０を冷却する冷却ファン６１を備える（冷却フィン６０と冷却ファン６１が温度制御装置を構成する）。そして、冷却液排出配管２５の冷却液の温度を検出する流体温度検出手段である温度センサ６２と、湿度センサ２０の温度を検出する湿度検出部温度検出手段である温度センサ６３を備える。その他の構成については、図２に示す構成と同じであるので、ここでの説明は省略する。この構成により冷却液導入配管２４の冷却液の温度が流体の温度よりも高くなった場合に、冷却液の温度を制御することができる。なお、湿度センサ２０の温度を検出する代わりに、湿度センサ２０の近傍、すなわち湿度センサ２０の外部に外部温度検出手段として温度センサ６６を設け、水素、または空気の温度を検出してもよい。

次に冷却ファン６１を制御するコントローラ７０の制御動作について図１１のフローチャートを用いて説明する。なお、この制御は、或る所定の間隔（例えば、１００ｍｓ）で行われる。

ステップＳ１１００では、温度センサ６２によって冷却液の温度Ｔ１を検出する。また、温度センサ６３によって湿度センサ２０付近の流体の温度Ｔ２を検出する。なお、この実施形態では、湿度センサ２０付近の流体の温度を検出したが、湿度センサ２０の外部の流体の温度を検出してもよい。

ステップＳ１１０１では、冷却液の温度Ｔ１と流体の温度Ｔ２の温度差を算出し、温度差が或る所定温度差Ｔ３よりも大きい場合にはステップＳ１１０２へ進み、或る所定温度差Ｔ３よりも小さい場合にはステップＳ１１０３へ進む。

ステップＳ１１０２では、冷却ファン６１を動作させ、冷却フィン６０を冷却し、冷却フィン６０内部の冷却液を冷却し本制御を終了する。

ステップＳ１１０３では、流体の温度Ｔ２と冷却液の温度Ｔ１の温度差を算出し、Ｔ２とＴ１の温度差が或る所定温度差Ｔ４よりも大きくなるとステップＳ１１０４へ進み、或る所定温度差Ｔ４よりも小さい場合には本制御を終了し現状を維持する。

ステップＳ１１０４では、冷却ファン６１を停止し冷却を中止し本制御を終了する。
所定温度差Ｔ４とＴ３は等しくても良いが、放熱等を考慮し違う値に設定し制御温度にオフセットを付けることも可能である。また温度差は或る所定温度差の範囲に収められるとともにハンチングを防止する。（ステップＳ１１００からステップＳ１１０４が流体温度制御手段を構成する）。

この制御により、湿度検出器内の冷却液の温度、すなわち電線２１の温度を湿度センサ２０付近の温度とほぼ等しくすることができる。

以上で説明した構成、制御は、湿度検出器１２、１３、３４、３５に適用する。

本発明の第４実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、湿度検出器１２、１３、３４、３５内に供給される冷却液の温度を冷却ファン６１によって冷却することができ、冷却液の温度が流体の温度よりも高くなった場合でも、湿度検出器内の温度、つまり湿度センサ２０の温度を流体の温度とほぼ等しくすることができ、流体の湿度を正確に検出することができる。

また、湿度検出器１２、１３、３４、３５に供給される各冷却液の温度を制御することができるので、各湿度検出器１２、１３、３４、３５が検出する流体の温度に応じて、電線２１の温度を制御し、流体の湿度をより正確に検出することができる。

次に本発明の第５実形態について図１２を用いて説明する。第５実施形態は第４の実施形態と湿度検出器１２、１３、３４、３５の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。

この実施形態では、冷却フィン６０と冷却ファン６１の代わりに、湿度検出器１２、１３、３４、３５の冷却液導入配管２４の上流に湿度検出器１２、１３、３４、３５に供給される冷却液の流量を制御する流量制御装置である流量制御弁６４をそれぞれ備える。その他の構成については図１０に示す構成と同じなのでここでの説明は省略する。この構成によっても冷却液導入配管２４の冷却液の温度を調整することができる。

次にコントローラ７０の制御動作について図１３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１３００では、温度センサ６２によって冷却液の温度Ｔ１を検出する。また、温度センサ６３によって湿度センサ２０付近の流体の温度Ｔ２を検出する。なお、この実施形態では、湿度センサ２０付近の流体の温度を検出したが、湿度センサ２０の外部の流体の温度を検出してもよい。

ステップＳ１３０１では、冷却液の温度Ｔ１と流体の温度Ｔ２の温度差を算出し、温度差が或る所定温度差Ｔ３よりも大きい場合にはステップＳ１３０２へ進み、或る所定温度差Ｔ３よりも小さい場合にはステップＳ１３０３へ進む。

ステップＳ１３０２では、流量制御弁６４によって湿度検出器へ供給される冷却液の流量を少なくする。なお、この流量は、ステップＳ１３０１によって算出されたＴ１とＴ２の温度差に応じて予め設定される流量であり、図示しないマップなどから読み出す。

ステップＳ１３０３では、流体の温度Ｔ２と冷却液の温度Ｔ１の温度差を算出し、Ｔ２とＴ１の温度差が或る所定温度差Ｔ４よりも大きくなるとステップＳ１３０４へ進み、或る所定温度差Ｔ４よりも小さい場合には本制御を終了し現状を維持する。

ステップＳ１３０４では、流量制御弁６４によって湿度検出器へ供給される冷却液の流量を多くする。なお、この流量は、ステップＳ１３０３によって算出されたＴ１とＴ２の温度差に応じて予め設定される流量であり、図示しないマップなどから読み出す。
所定温度差Ｔ４とＴ３は等しくても良いが、放熱等を考慮し違う値に設定し制御温度にオフセットを付けることも可能である。また温度差は或る所定温度差の範囲に収められるとともにハンチングを防止する。（ステップＳ１３００からステップＳ１３０４が流体温度制御手段を構成する）。

この制御により、湿度検出器内の冷却液の温度、すなわち電線２１の温度を湿度センサ２０付近の温度とほぼ等しくすることができ、冷却液の温度が流体の温度よりも高くなった場合でも、湿度検出器の温度を一定にすることができる。

以上で説明した構成、制御は、湿度検出器１２、１３、３４、３５に適用する。

本発明の第５実施形態でも第４実施形態と同様の効果を得ることができる。

次に本発明の第６実形態について図１４を用いて説明する。第６実施形態の構成については第４実施形態の温度センサ６２、６３の代わりに燃料電池１の負荷を検出する燃料電池出力検出手段として負荷検出センサ６５を備える。その他の構成については第４実施形態と同じなので、ここでの説明は省略する。この構成によっても冷却液導入配管２４の冷却液の温度を制御することができる。

負荷検出センサ６５は、燃料電池１の出力電流を検出する電流検出手段である電流センサである。この電流センサの電流と燃料電池１の負荷の関係を図１５に示す。これよると燃料電池１の出力電流に対応して燃料電池１の負荷が決まり、出力電流が大きくなると燃料電池１の負荷も大きくなる。

また、図１６は燃料電池１の負荷の変化と、そのときの冷却液の温度、水素温度、空気温度の変化を示した図である。これにより、燃料電池１に負荷が変化するとその負荷に応じて冷却液の温度、水素温度、空気温度が変化する。つまり、図１５、１６から燃料電池１の出力電流を検出することで、冷却液、水素、空気の温度を推定することができ、冷却液を冷却するための冷却ファン６１の回転数を推定することができる。

次にコントローラ７０で行う制御について図１７のフローチャートを用いて説明する。

ステップ１７００では、電流センサによって燃料電池１の出力電流Ｉｓを検出する。そして図１５に示すマップより燃料電池１の負荷Ｐを読み出す。

ステップＳ１７０１では、ステップＳ１７００で読み出された負荷Ｐに応じて冷却ファン６１の回転数Ｒｒを図１８に示すマップより読み出す。なお、図１８のマップは、燃料電池１の負荷Ｐと冷却ファン６１の回転数の関係を示した図であり、予め実験などにより求められる。

ステップＳ１７０２では、ステップＳ１７０１で読み出された回転数となるように冷却ファン６１を制御する。

なお、この実施形態では、負荷検出センサ６５として電流センサを設け、燃料電池１の負荷を推定するために燃料電池１の出力電流Ｉｓを検出したが、この代わりに水素流量Ｑａを検出する水素流量検出手段である水素流量センサをアノード１ａの上流、または下流に、もしくは空気流量Ｑｈを検出する酸化剤流量検出手段である空気流量センサをカソード１ｂの上流、または下流に設け、燃料電池１の負荷を推定してもよい。このとき図１５と同じように、図１９に示す水素流量と燃料電池１の負荷の関係、または図２０に示す空気流量と燃料電池１の負荷の関係を予めマップとして備える。また、これらの組み合わせにより、燃料電池の負荷Ｐを推定してもよい。

以上で説明した構成、制御は、湿度検出器１２、１３、３４、３５に適用する。

また、この実施形態の湿度検出器に供給される冷却液の温度制御は、第５実施形態の湿度検出器にも適用することができ、この場合には図２１に示すように、冷却ファン６１の回転数の制御に代えて、流量制御弁６４の開度を調整し、流量を制御する。この時ステップＳ１７０１では、図１８のマップに代えて、図２２に示す燃料電池１の負荷Ｐと流量制御弁６４の開度の関係を示すマップより流量制御弁６４の流量Ｑｌを読み出し、ステップＳ１７０２では、流量制御弁６４の流量を制御する。

本発明の第６実施形態の効果について説明する。

この実施形態によると燃料電池１の負荷に応じて湿度検出器１２、１３、３４、３５に供給する冷却液の温度を制御するので、燃料電池１の負荷変化しても、冷却液の温度を素早く制御することができ、湿度検出器内の温度、つまり湿度センサ２０の温度を流体の温度とほぼ等しくすることができ、流体の湿度を正確に検出することができる。

次に本発明の第７実施形態について図２３を用いて説明する。第７実施形態は第１実施形態とは湿度検出器１２、１３、３４、３５の構成が異なっており、ここではその構成について説明する。

この実施形態では、湿度センサ２０の温度を検出する温度センサ６３と、湿度センサ２０の外部の流体の温度を検出する温度センサ６６を備える。また、湿度センサ２０によって検出された湿度を補正するコントローラ７０を設ける。この構成により、湿度センサ２０で検出される湿度を補正する。

ここで、検出する湿度の補正について説明する。まず或る流体（気体）の相対湿度Ｕは、
Ｕ＝Ｘｖ／Ｘｖｓ×１００≒ｅ／ｅｓ×１００ 式（１）
から算出することができる。ここで、Ｘｖ：水モル分率、Ｘｖｓ：飽和水モル分率、ｅ；水蒸気圧、ｅｓ：飽和水蒸気圧である。

また、水蒸気圧ｅは、
ｅ＝Ｐ×Ｘｖ＝（ｍｖ／Ｖ）×（Ｒ×Ｔ／Ｍｖ） 式（２）
から算出することができる。ここで、ｍｖ：水蒸気質量、Ｖ：気体体積、Ｒ：気体定数、Ｔ：温度、Ｍｖ：水モル質量である。

また、絶対湿度ｄｖは、
ｄｖ＝ｍｖ／Ｖ 式（３）
から算出することができる。

式（１）〜（３）より、ｄｖは、
ｄｖ＝Ｕ／１００×ｅｓ×Ｍｖ／（Ｒ×Ｔ） 式（４）
と表すことができる。

ここで、同一圧力で、同一の気体においては、温度Ｔが変化しても絶対湿度ｄｖは変化しないので温度ＴをＴｇ、Ｔｓとし、式（４）より、
Ｕｇ×ｅｓｇ／Ｔｇ＝Ｕｓ×ｅｓｓ／Ｔｓ 式（５）
と表すことができ、更に、
Ｕｇ＝Ｕｓ×（ｅｓｓ／ｅｓｇ）×（Ｔｇ／Ｔｓ） 式（６）
と表すことができる。なお、末尾ｇの場合は気体温度を示し、末尾ｓの場合は湿度センサ温度を示す。これにより、例えば、湿度センサ２０で検出した湿度を飽和水蒸気圧ｅｓ、流体温度Ｔｇ、湿度センサ２０温度Ｔｓによって補正することができる。

ここでは、まず温度センサ６３によって湿度センサ２０の温度Ｔｓを検出する。また、温度センサ６４によって流体の温度Ｔｇを検出する。そして、図２４に示すマップより各飽和水蒸気圧ｅｓｓ、ｅｓｇを読み出し、式（６）から補正相対湿度Ｕｇを算出する。なお、図２４のマップは予め用意されており、温度Ｔｓ、Ｔｇに対応した飽和水蒸気圧を読み出すことができる。

以上で説明した構成、制御は、湿度検出器１２、１３、３４、３５に適用する。

本発明の第６実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、流体の温度と、湿度センサ２０の温度によって検出された湿度を補正することができ、流体の湿度を更に正確に検出することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

流体の湿度を検出する湿度検出装置に利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明に第１実施形態の湿度検出器の構成を示す図である。 燃料電池の負荷変化による冷却液と、燃料電池の上流、下流での水素温度、または空気温度の温度変化を示すグラフである。 本発明の第１実施形態において、湿度検出器に供給する冷却液経路変更を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態において、湿度検出器に供給する冷却液経路変更を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態の湿度検出器の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態の湿度検出器の構成変更を示す図である。 本発明の第３実施形態の湿度検出器の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態の湿度検出器の構成変更を示す図である。 本発明の第４実施形態の湿度検出器の構成を示す図である。 本発明の第４実施形態の冷却液の温度制御を示すフローチャートである。 本発明の第５実施形態の湿度検出器の構成を示す図である。 本発明の第５実施形態の冷却液の流量制御を示すフローチャートである。 本発明の第６実施形態の湿度検出器の構成を示す図である。 本発明の第６実施形態の燃料電池の出力電流と燃料電池の負荷の関係を示すマップである。 本発明の第６実施形態の燃料電池の負荷変化による冷却液と、燃料電池の上流、下流での水素温度、または空気温度の温度変化を示すグラフである。 本発明の第６実施形態の冷却液の温度制御を示すフローチャートである。 本発明の第６実施形態の燃料電池の負荷と冷却ファンの回転数の関係を示すマップである。 本発明の第６実施形態の水素流量と燃料電池の負荷の関係を示すマップである。 本発明の第６実施形態の空気流量と燃料電池の負荷の関係を示すマップである。 本発明の第６実施形態の変更例を示す図である。 本発明の第６実施形態の変更例における燃料電池の負荷と流量制御弁の開度の関係を示すマップである。 本発明の第７実施形態の湿度検出器の構成を示す図である。 本発明の第７実施形態の温度と飽和蒸気圧の関係を示すマップである。

符号の説明

１ 燃料電池
５ 水素タンク
６ 加熱器
１２ 湿度検出器（湿度検出手段）
１３ 湿度検出器（湿度検出手段）
２０ 湿度センサ（湿度検出部）
２１ 電線（導線）
２２ 配管
２３ センサボディ
２４ 冷却液導入配管（流体導入配管）
２５ 冷却液排出配管（流体排出配管）
２６ 空洞部（流体循環部）
２７ 電線カバー
３２ 水熱回生器
３４ 湿度検出器（湿度検出手段）
３５ 湿度検出器（湿度検出手段）
４０ 冷却液タンク（冷却液貯留手段）
４２ 冷却液供給路
４３ 冷却液排出路
５０ 仕切り板（整流板）
５１ 平面部
６０ 冷却フィン
６１ 冷却ファン
６２ 温度センサ（流体温度検出手段）
６３ 温度センサ（湿度検出部温度検出手段）
６４ 流量制御弁
６５ 負荷検出センサ
６６ 温度センサ（外部温度検出手段）
７０ コントローラ

Claims (17)

1. 水素が供給されるアノードと、酸化剤が供給されるカソードを有し、原料ガスとしての水素と酸化剤によって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される前記原料ガスの流通する配管内の湿度を検出する湿度検出部と、前記湿度検出部の信号を取り出す導線と、を有する湿度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記湿度検出手段は、その内部に流体を循環させる流体循環部と、
   前記流体循環部に前記流体を導入する流体導入配管と、
   前記流体循環部から前記流体を排出する流体排出配管と、を備え、
   前記流体は、前記配管の外部の温度よりも前記配管内の前記原料ガス温度に近い前記燃料電池システム内を流れる流体であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池と熱交換を行い、前記燃料電池の温度を調整する冷却液を蓄える冷却液貯留手段を備え、
   前記流体が前記冷却液であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記湿度検出手段は、前記アノード、または前記カソードに供給される前記原料ガスの湿度を検出する場合には、前記燃料電池内に供給される前の前記冷却液を前記流体循環部に導入し、
   前記アノード、または前記カソードから排出される前記原料ガスの湿度を検出する場合には、前記流体循環部に前記燃料電池から排出した前記冷却液を導入することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 複数の前記湿度検出手段の前記流体循環部を直列に接続し、
   前記アノード、または前記カソードから排出される前記原料ガスの湿度を検出する湿度検出手段を、前記アノード、または前記カソードに供給される前記原料ガスの湿度を検出する湿度検出手段よりも上流に配置し、
   前記燃料電池から排出される前記冷却液を前記湿度検出手段に導入することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記湿度検出手段は、前記流体循環部内に前記流体の流れを整える整流板を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記導線を前記流体循環部内に配置し、
   前記流体循環部内の前記導線の一部を板状にすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記流体導入配管、または前記流体排出配管のどちらか一方を、前記湿度検出手段の軸方向に沿って前記流体循環部内に挿入することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
8. 前記導線を前記流体循環部内に挿入された前記流体導入配管、または前記流体排出配管に巻き付けることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記流体の温度を検出する流体温度検出手段と、
   前記湿度検出部の温度を検出する湿度検出部温度検出手段と、
   前記流体循環部内の前記流体の温度を制御する流体温度制御手段と、を備え、
   前記流体温度検出手段によって検出された流体の温度と、前記湿度検出部温度検出手段によって検出された湿度検出部の温度に基づいて、前記流体循環部内の前記流体の温度を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載燃料電池システム。
10. 前記流体の温度を検出する流体温度検出手段と、
    前記湿度検出部の近傍の温度を検出する外部温度検出手段と、
    前記流体循環部内の前記流体の温度を制御する流体温度制御手段と、を備え、
    前記流体温度検出手段によって検出された流体の温度と、前記外部温度検出手段によって検出された湿度検出部の近傍の温度に基づいて、前記流体温度制御手段により前記流体循環部内の前記流体の温度を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載燃料電池システム。
11. 前記燃料電池の発電状態を検出する燃料電池出力検出手段と、
    前記流体循環部内の前記流体の温度を制御する流体温度制御手段と、を備え、
    前記燃料電池出力検出手段によって検出された前記燃料電池の出力に基づいて、前記流体温度制御手段により前記流体循環部内の前記流体の温度を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載燃料電池システム。
12. 前記燃料電池出力検出手段が、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段であることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池出力検出手段が、前記アノードに供給される前記水素の水素流量検出手段であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料電池出力検出手段が、前記カソードに供給される前記酸化剤の酸化剤流量検出手段であることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
15. 前記流体温度制御手段が、前記流体導入配管内の温度を制御する温度制御装置であることを特徴とする請求項１１から１４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
16. 前記流体温度制御手段が、前記流体導入配管内にを流れる前記流体の流量を制御する流量制御装置であることを特徴とする請求項１１から１５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
17. 前記湿度検出部の温度を検出する湿度検出部温度検出手段と、
    前記湿度検出部の近傍の温度を検出する外部温度検出手段と、を備え、
    前記湿度検出部温度検出手段によって検出される前記湿度検出部の温度と、前記外部温度検出手段によって検出される前記湿度検出部の近傍の温度に基づいて、前記湿度検出手段によって検出される湿度を補正することを特徴とする請求項１から１６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。

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