JP4678132B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池システムに関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池の一例としては、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層することで構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォン酸基を有する固体高分子電解質膜が介在している。

アノードには燃料ガス（水素ガス又は炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス、一例として空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生される。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気化学反応を起す。この電気化学反応により発電される構成となっている。

ところで、固体高分子電解質膜の機能としては、良好に水素イオンを通過させることである。したがって、導電率は極力高いことが望まれる。このように、固体高分子電解質膜の導電率を向上させるため、供給するガスを加湿して固体高分子電解質膜に水分を含ませ、固体高分子電解質膜の乾燥を防止している。

一方で、アノードやカソード等の電極は、触媒層とガス拡散層とにより構成されている。さらに、触媒層は白金（プラチナ：Ｐｔ）等の触媒を担持した触媒担持炭素と電解質とが適度に混ざり合ったマトリックスになっており、炭素に担持された触媒と電解質の界面との間で電気化学反応が行なわれる。

したがって、触媒と電解質の界面との間に反応ガスを供給するための供給路、すなわち、ガスチャンネルを確保しなくてはならない。ところで、燃料電池は水素と酸素との電気化学反応で発電する構造であるため、この電気化学反応では水が生成される。ここで、このように電気化学反応（すなわち、発電）に伴う生成水の生成量が過剰であると、ガスチャンネルであるところの触媒層中の空隙が生成水で埋まってしまい、反応ガスの流通が妨げられると言う問題がある。

このように、固体高分子電解質膜に含水させるためには加湿を行なわなければならないが、その一方で、ガスチャンネルを確保するためには生成水の排水を行なわなければならない。このため、燃料電池システムのスタック内の水分量を高い精度で検出しなくてはならない。

このような燃料電池システムのスタック内の水分量の検出するため、例えば、下記特許文献１では、スタックに供給する空気の水分量と、スタックから排出される空気の水分量と、及びスタックにおいて発電量に基づく生成水量と、から算出している。

ここで、この特許文献１に開示されている技術では、スタック内に供給される空気の水分量を、湿度センサによる空気の湿度の検出結果に基づいて算出している。湿度センサは水分が凝固している場合、この凝固した水分に関しては湿度センサで検出することができない。

このため、湿度センサでの検出結果に基づく水分変化量の計算結果は信頼性が低く、スタック内の水分変化量を正確に算出することができない。

一方、下記特許文献２では、スタックから排出された空気の温度、圧力、及び流量から、スタックから排出された空気の飽和蒸気圧を算出し、スタックでの発電量に基づき算出された生成水分量と飽和蒸気圧との比率を水量制御比として算出している。さらに、特許文献２では、上記のようにして算出された水量制御比が所定の範囲にとなるように燃料電池システムを運転することで、空気の加湿を廃することができるとしている。

すなわち、上記の水量制御比は、電気化学反応により生成された生成水の量に対して、排出された水蒸気の量がどれだけであるかを示すものである。しかしながら、特許文献２では算出される水蒸気量は、あくまでも飽和水蒸気量である。このため、水蒸気量が飽和していないと、算出した水蒸気量と実際の水蒸気量との間に大きな誤差が生じる。このため、このような特許文献２に開示された技術に基づいて算出したスタック内の水分変化量は信頼性が低く、スタック内の水分変化量を正確に算出することができない。
特開２００３−１７１０４公報 特開２００１−２５６９８８公報

本発明は、上記事実を考慮して、燃料電池スタック内の水分量を精度良く正確に得ることができる燃料電池システムを得ることが目的である。

請求項１に記載の本発明に係る燃料電池システムは、固体高分子を含めて構成された電解質膜を介してアノード及びカソードが対向配置され、アノード側スタック入口から水素を含む燃料ガスを前記アノード側に供給すると共に、カソード側スタック入口から酸素を含む酸化ガスを前記カソード側に供給することにより電気化学反応で発電する燃料電池スタックを含めて構成した燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックにおける水素イオンと電子と酸素との電気化学反応により生成された生成水の量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記生成水量を前記電流量に基づき推定すると共に、前記燃料電池スタックに供給された前記酸化ガスのうち前記電気化学反応で消費された酸素の量である消費酸素量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記消費酸素量を前記電流量に基づいて推定し、前記生成水のうち前記酸化ガスと共に前記燃料電池スタックから水蒸気として排出されるカソード側の排出水蒸気の量を、前記燃料電池スタックからの前記酸化ガスの排出量と前記消費酸素量とを加えた値と前記燃料電池スタックに供給された前記酸化ガスの供給量との差異から推定し、前記生成水の量と前記カソード側の排出水蒸気量との差異を前記燃料電池スタック内に残留した水分量として前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する水分変化量推定手段を備える、ことを特徴としている。

請求項１に記載の本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタックのアノード側に水素を含む燃料ガスが供給され、燃料電池スタックのカソード側に酸素を含む酸化ガス（酸化剤）が供給される。アノード側では電気化学反応により水素分子が水素イオンと電子が分解され、水素イオンは電解質膜を透過してカソード側へ移動する。一方、電子は外部回路を介して負荷へ向かう。

カソード側では、カソードに供給された酸化ガス中の酸素分子と、電解質膜を透過した水素イオンと、負荷からの電子とで電気化学反応が生じて水が生成される（以下、この水を「生成水」と称する）。このように、アノード側とカソード側とで生じる電気化学反応で電子が負荷へと向かうことにより電流が生じ、これにより、発電がなされる。

ところで、上記のように水素イオンと電子と酸化ガス中の酸素との電気化学反応により水（生成水）が生成されることから、基本的に生成水の量は発電量（電流値）に比例しており、このため発電量（電流値）に基づいて生成水量を算出できる。

また、燃料電池スタックから排出された酸化ガスに含まれる水蒸気の量は、燃料電池スタックから排出される酸化ガスの量に燃料電池スタック内にて消費された酸素（すなわち、上記の電気化学反応に供された酸素）の量を加えた値と、燃料電池スタックに供給される酸化ガスの量との差異として算出できる。

上記の生成水が全て水蒸気となって酸化ガスと共に燃料電池スタックから排出されるのであれば、生成水量と排出水蒸気量とは一致する筈である。したがって、排出水蒸気量と生成水量との差異は、燃料電池スタック内に残留した水分量と考えることができる。

ここで、本発明に係る燃料電池システムは水分変化量推定手段を備えており、水分変化量推定手段では、燃料電池スタックでの発電量に基づき生成水量が算出される。さらに、燃料電池スタック内での消費酸素量は、電気化学反応に供された酸素量であるため、水分変化量推定手段では燃料電池スタックでの発電量に比例しており、このため発電量（電流値）に基づいて消費酸素量が算出される。このようにして算出された生成水量と消費酸素量、更に、燃料電池スタックに供給された酸化ガスの量と燃料電池スタックから排出された酸化ガスの量とに基づいて水分変化量推定手段では、燃料電池スタック内における水分量の変化が推定される。

このようにして得られた水分変化量は外気の湿度や水分凝固の影響を受けないため、酸化ガス中の湿度を検出する湿度センサでの検出結果に基づく水分変化量に比べて精度が高い。このため、このような水分変化量の推定値に基づいて燃料電池システムを制御することで、アノードやカソードを構成する触媒層やガス拡散層のガスチャンネルが水分に埋められることや、電解質膜の乾燥と言った不具合の発生を効果的に防止又は抑制でき、本燃料電池システムの発電効率や信頼性を向上できる。

請求項２に記載の本発明に係る燃料電池システムは、請求項１に記載の本発明において、前記水分変化量推定手段は、前記生成水量をＷｐ、前記消費酸素量をＯｅ、前記燃料電池スタックに供給された酸化ガス量をＡｓ、及び前記燃料電池スタックから排出された酸化ガス量をＧｓとした場合、前記燃料電池スタック内の水分の変化量Ｗｃを、Ｗｃ＝Ａｓ−Ｇｓ＋Ｗｐ−Ｏｅの式に基づいて計算する、ことを特徴としている。

請求項２に記載の本発明に係る燃料電池システムによれば、水分変化量推定手段において燃料電池スタックで発電した電気の電流量に基づき電気化学反応にて生じた生成水量と、電気化学反応にて消費された酸化ガス中の酸素量（以下、この酸素量を、便宜上、「消費酸素量」と称する）が算出される。

さらに、水分変化量推定手段では、生成水量をＷｐ、消費酸素量をＯｅ、燃料電池スタックに供給される酸化ガス量をＡｓ、燃料電池スタックから排出された酸化ガス量をＧｓとした場合、燃料電池スタック内の水分変化量Ｗｃが、
Ｗｃ＝Ａｓ−Ｇｓ＋Ｗｐ−Ｏｅ
の式に基づいて算出される。

このように、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の水分変化量を外気の湿度や水分凝固の影響を受けることなく、発電により生じた電流値と、燃料電池スタックに供給された酸化ガスの量と、燃料電池スタックから排出された酸化ガスの量とに基づき、燃料電池スタック内の水分変化量を求めることができる。

請求項３に記載の本発明に係る燃料電池システムは、請求項１に記載の本発明において、前記燃料電池スタックに供給された前記燃料ガスのうち前記電気化学反応で消費された水素の量である消費水素量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記消費水素量を前記電流量に基づいて推定し、前記生成水のうち前記燃料ガスと共に前記燃料電池スタックから水蒸気として排出されるアノード側の排出水蒸気の量を、前記燃料電池スタックからの前記燃料ガスの排出量と前記消費水素量とを加えた値と前記燃料電池スタックに供給された前記燃料ガスの供給量との差異から推定し、前記生成水量と前記カソード側の排出水蒸気の量と前記アノード側の排出水蒸気の量とから前記水分変化量推定手段が前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する、ことを特徴としている。

請求項３に記載の本発明に係る燃料電池システムでは、上記のように水素イオンと電子と酸化ガス中の酸素との電気化学反応にて燃料ガスの水素が消費されることから、基本的に消費水素量は発電量（電流値）に比例しており、このため発電量（電流値）に基づいて消費水素量算出できる。

一方で、燃料電池スタックから排出された燃料ガスに生成水の水蒸気が含まれているとすれば、この燃料ガスに含まれる水蒸気の量は、燃料電池スタックから排出された燃料ガスの量に燃料電池スタック内にて消費された水素（すなわち、上記の電気化学反応に供された水素）の量を加えた値から燃料電池スタックに供給される燃料ガスの量を差異を差し引くことで算出できる。

ここで、本発明に係る燃料電池システムの水分変化量推定手段では、生成水量、消費酸素量に加えて消費水素量が算出される。さらに、水分変化量推定手段では、算出した生成水量、消費酸素量、消費水素量、更に、燃料電池スタックに供給された酸化ガス及び燃料ガスの量と燃料電池スタックから排出された酸化ガス及び燃料ガスの量とに基づいて燃料電池スタック内における水分量の変化が推定される。

このように、本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガスが供給される燃料電池スタックのカソード側のみならず燃料電池スタックのアノード側における水素の消費量や燃料ガスの供給、排出量を加味して水分変化量が推定される。このため、仮に、生成水が全て水蒸気となっても、その全てが酸化ガスと共に燃料電池スタックから排出されず、一部が燃料ガスと共に排出されるような条件下であっても、推定した燃料電池スタック内における水分量の変化の信頼性を高めることできる。

請求項４に記載の本発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の本発明において、前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流路である供給路と前記燃料電池スタックから排出された酸化ガスの流路である排気路とを接続し、前記燃料電池スタックから排出された酸化ガスを前記供給路に供給可能にすると共に、前記供給路の前記排気路との接続部分よりも前記燃料電池スタック側に前記供給路の酸化ガスを前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス供給手段を備え、更に、前記酸化ガス供給手段の駆動力の大きさから前記水分変化量推定手段が前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を算出する、ことを特徴としている。

請求項４に記載の本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガスを燃料電池スタックに供給する流路である供給路と、燃料電池スタックから排出された酸化ガスが通過する流路である排気路とが接続される。したがって、燃料電池スタックから排出された酸化ガスが供給路に流れ込むことで、供給路には新たに吸入した酸化ガスと燃料電池スタックから排出された酸化ガスとの混合気が通過し、この混合気が燃料電池スタックに供給される。

燃料電池スタックから排出された酸化ガスには、燃料電池スタック内での電気化学反応で生じた生成水が含まれため、供給路にて新たに吸入した酸化ガスに比べて水分の含有率が高い。このため、混合気は新たに吸入した酸化ガスよりも湿度が高くなり、この混合気を燃料電池スタックに供給することで、特別な制御を必要とする加湿器等を用いなくても電解質膜の乾燥が効果的に防止又は抑制される。

一方で、本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガス供給手段が設けられており、この酸化ガス供給手段が作動することで、燃料電池スタックに酸化ガスが供給される。 また、本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガス供給手段は上記の供給路の排気路との接続部分よりも供給路の燃料電池スタック側に設けられる。このため、酸化ガス供給手段は、新たに吸入した酸化ガスのみならず、燃料電池スタックから排出されて供給路に流れ込んだ酸化ガスも燃料電池スタックに供給する。

ここで、本発明に係る燃料電池システムでは、酸化ガス供給手段がモータ等の駆動手段の駆動力により作動しているのであれば駆動力の大きさに基づいて燃料電池スタックに供給される酸化ガスの量が算出される。上記のように、酸化ガス供給手段により燃料電池スタックに供給される酸化ガスは、新たに吸入した酸化ガスと、燃料電池スタックから排出されて供給路に流れ込んだ酸化ガスとの混合気である。このため、燃料電池スタックから排出されて供給路に流れ込んだ酸化ガスに含まれる水分量に影響されず、精度良く燃料電池スタック内の水分量を算出できる。

以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池スタック内の水分の変化量を精度良く正確に得ることができる。

＜第１の実施の形態の構成＞
図１には本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０の全体構成の概略がブロック図により示されている。

この図に示されるように、本燃料電池システム１０は、燃料電池スタック又は燃料電池本体としてのスタック１２を備えている。図４に示されるように、スタック１２はセル１４を備えている。セル１４は電解質膜１６を備えている。

電解質膜１６は、例えば、イオン交換基としてスルフォン酸基を有する固体高分子により薄膜状に形成されている。この電解質膜１６の厚さ方向一方の側にはアノード１８が設けられている。

アノード１８は略板状のセパレータ２０を備えている。セパレータ２０には電解質膜１６側へ向けて開口したガス流通溝２２が形成されている。ガス流通溝２２は一端がスタック１２のアノード側入口２４に接続されている。

図１に示されるように、アノード側入口２４は燃料ガス供給路２６を介して燃料ガスタンク２８に接続されており、アノード側入口２４からは水素を含む燃料ガスがスタック１２内に供給されている。また、燃料ガス供給路２６には流量計３０が設けられており、単位時間当たりに燃料ガス供給路２６中を流れてアノード側入口２４に供給される燃料ガスの流量が計測されている。

図２に示されるように、流量計３０は、本燃料電池システム１０の水分変化量推定手段としての制御部３２の入力ポートに接続されており、流量計３０から出力された電流値に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「燃料ガス流量信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３２に入力される構成となっている。

アノード側入口２４から供給された燃料ガスは上記のガス流通溝２２を通過する。図２に示されるように、セパレータ２０と電解質膜１６との間にはガス拡散層３４が設けられている。

ガス拡散層３４は撥水化したカーボンペーパやカーボンクロスにより形成されており良好な導電性及び通気性を有している。ガス拡散層３４と電解質膜１６との間には触媒層３６が設けられている。触媒層３６は触媒としての白金や白金系合金を担持した炭素と、電解質とが適度に混ざり合ったマトリックスになっており、ガス流通溝２２から供給されてガス拡散層３４を通過した燃料ガスが触媒層３６に送られる構造となっている。

一方、ガス流通溝２２の他端はスタック１２のアノード側出口３８に接続されている。図１に示されるように、アノード側出口３８には燃料ガス排気路４０が接続されており、この燃料ガス排気路４０を介して気液分離器４２に接続されている。気液分離器４２ではアノード側出口３８から排出された燃料ガスの排気ガス（以下、この排気ガスを燃料ガスや後述のカソード排気ガスと区別するため、「アノード排気ガス」と称する）が供給されると、アノード排気ガスに含まれる水分が分離される。

さらに、気液分離器４２の一対の出口の一方には排気路４４が接続されており、排気路４４を介して排気部４６に接続され、排気路４４を通過したアノード排気ガスのガス成分が排気部４６から排気される構成となっている。また、この排気路４４には流量計４８が設けられており、単位時間当たりに排気路４４を流れて排気部４６から排気されるアノード排気ガスのガス成分の流量が計測されている。

図２に示されるように、流量計４８は、本燃料電池システム１０の制御部３２の入力ポートに接続されており、流量計４８から出力された電流値に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「アノード排気ガス流量信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３２に入力される構成となっている。

これに対して、図１に示されるように、気液分離器４２の一対の出口の他方には排水路５０が接続されており、排水路５０を介して排水部５２に接続され、排水路５０を通過したアノード排気ガスに含まれていた水分が排水路５０から排水される構成となっている。また、この排水路５０には流量計５４が設けられており、単位時間当たりに排水路５０を流れて排水部５２から排気される水分の流量が計測されている。

図２に示されるように、流量計５４は、本燃料電池システム１０の制御部３２の入力ポートに接続されており、流量計５４から出力された電流値に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「アノード水分流量信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３２に入力される構成となっている。

一方、図４に示されるように、上記の電解質膜１６を介してアノード１８の反対側にはカソード５６が設けられている。カソード５６もまたセパレータ２０、ガス拡散層３４、触媒層３６を備えている。但し、アノード１８とは異なり、カソード５６のセパレータ２０に形成されたガス流通溝２２の一端はスタック１２のカソード側入口５８に接続されており、他端がスタック１２のカソード側出口６０に接続されている。

カソード側入口５８からは酸素を含む酸化ガス又は酸化剤としての空気がスタック１２内に供給され、カソード側入口５８から供給された空気がカソード５６を構成するセパレータ２０のガス流通溝２２を通過する。以上の構成のセル１４は、その厚さ方向、すなわち、アノード１８とカソード５６との対向方向に複数積層されており、このように、セル１４を複数積層することでスタック１２が構成されている。

また、図１に示されるように、スタック１２のアノード側及びカソード側にはそれぞれ端子６２が取り付けられている。端子６２は、コード等の電気的な接続部材を介して負荷６４に接続されており、スタック１２で発電された電気を負荷６４に供給している。

さらに、アノード１８側の端子に接続されたコード等の接続部材には電流計６６が設けられており、負荷６４に供給される電気の電流値を計測している。

図２に示されるように、電流計６６は、本燃料電池システム１０の水分変化量推定手段としての制御部３２の入力ポートに接続されており、電流計６６から出力された電流値に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「電流値信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３２に入力される構成となっている。

一方、図１に示されるように、スタック１２のカソード側入口５８は、供給路としての空気供給路６８を介して空気吸入部７０に接続されている。空気吸入部７０よりもカソード側入口５８側にはエアフィルタ７２が設けられている。さらに、エアフィルタ７２よりもカソード側入口５８側には、酸化ガス供給手段（又は酸化剤供給手段）としてのエアコンプレッサ７４が設けられている。

エアコンプレッサ７４はモータ７６を備えており、モータ７６の駆動力によって空気吸入部７０側に負圧を生じさせ、モータ７６の回転数に対応した量の空気を外部から吸入する。エアコンプレッサ７４により空気吸入部７０から吸入された空気はエアフィルタ７２を通過することで空気と共に吸入された微小な塵等が除去される構成となっている。

また、図３に示されるように、エアコンプレッサ７４の駆動手段であるモータ７６は、上記の制御部３２に設けられたエアストイキ比制御器７８の出力ポートに直接又はモータドライバ等を介して間接的に接続されており、エアストイキ比制御器７８から出力された電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「コンプレッサ制御信号」と称する）に基づいてモータ７６が駆動される構成となっている。また、図１に示されるように、エアフィルタ７２とエアコンプレッサ７４との間には流量計８０が設けられており、エアフィルタ７２とエアコンプレッサ７４との間を単位時間当たりに流れる空気の流量が計測されている。

図２に示されるように、流量計８０は制御部３２の入力ポートに接続されており、流量計８０から出力された空気の流量に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「供給流量信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３２に入力される構成となっている。

一方、図１に示されるように、スタック１２のカソード側出口６０は排気路としての空気排気路８２が接続されており、この空気排気路８２を介して気液分離器８４に接続されている。気液分離器８４ではカソード側出口６０から排出された燃料ガスの排気ガス（以下、この排気ガスを燃料ガスや上記のアノード排気ガスと区別するため、「カソード排気ガス」と称する）が供給されると、カソード排気ガスに含まれる水分が分離される。

さらに、気液分離器８４の一対の出口の一方には排気路８６が接続されており、排気路８６を介して排気部８８に接続され、排気路８６を通過したカソード排気ガスのガス成分が排気部８８から排気される構成となっている。また、この排気路８６には流量計９０が設けられており、単位時間当たりに排気路８６を流れて排気部８８から排気されるカソード排気ガスのガス成分の流量が計測されている。

図２に示されるように、流量計９０は制御部３２の入力ポートに接続されており、流量計９０から出力された電流値に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「カソード排気ガス流量信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３２に入力される構成となっている。

これに対して、図１に示されるように、気液分離器８４の一対の出口の他方には排水路９２が接続されており、排水路９２を介して排水部９４に接続され、排水路９２を通過したカソード排気ガスに含まれていた水分が排水路９２から排水される構成となっている。また、この排水路９２には流量計９６が設けられており、単位時間当たりに排水路９２を流れて排水部９４から排気される水分の流量が計測されている。

図２に示されるように、流量計９６は制御部３２の入力ポートに接続されており、流量計９６から出力された電流値に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「カソード水分流量信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３２に入力される構成となっている。

また、図１及び図４における図示は省略するが、本燃料電池システム１０は、温度センサ９８（図２参照）を備えており、上記のスタック１２内の温度が温度センサ９８により検出されている。温度センサ９８は制御部３２の入力ポートに接続されており、温度センサ９８から出力された電圧値に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「温度検出信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部３２に入力される構成となっている。

さらに、図３に示されるように、制御部３２には冷却水温度制御器１００が設けられており、この冷却水温度制御器１００の出力ポートには冷却水ポンプ１０２の駆動源（例えば、モータ）が接続されている。図１における図示は省略するが、冷却水ポンプ１０２には、スタック１２の内側又は外側を通過する冷却水管が接続されており、冷却水温度制御器１００から出力された電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「ポンプ制御信号」と称する）に基づいて冷却水ポンプ１０２が作動すると、冷却水ポンプ１０２の状態（例えば、冷却水ポンプ１０２の駆動源がモータであるならば、モータの回転数）に応じた速度で冷却水管内を冷却水が流れ、スタック１２の内外の熱を吸収してスタック１２の内外を冷却する構成となっている。

＜第１の実施の形態の作用、効果＞
次に、本実施の形態の作用並びに効果について説明する。

本燃料電池システム１０では、燃料ガスタンク２８からスタック１２に供給された燃料ガスは、セル１４のアノード１８側にてセパレータ２０のガス流通溝２２を通過する。ガス流通溝２２を流れる燃料ガスは、通気性を有するガス拡散層３４を通過して触媒層３６に到達する。

一方、エアコンプレッサ７４が作動することでスタック１２に供給された空気は、セル１４のカソード５６側にてセパレータ２０のガス流通溝２２を通過する。ガス流通溝２２を流れる空気は、通気性を有するガス拡散層３４を通過して触媒層３６に到達する。

このように、アノード１８側の触媒層３６に水素を含む燃料ガスが供給され、カソード５６側の触媒層３６に酸素を含む空気が供給されると、両触媒層３６にて電気化学反応が生じる。アノード１８側の触媒層３６では、水素分子（Ｈ₂）から水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）が生じる。水素イオンは電解質膜１６を透過してカソード５６側の触媒層３６に到達する。

一方、電子は外部回路を介して負荷６４へ流れる電流となり、負荷６４の動力として供される。カソード５６側の触媒層３６では、電解質膜１６を透過した水素イオンと空気中の酸素分子（Ｏ₂）、及び負荷６４からの外部回路を介してカソード５６側の触媒層３６に到達した電子によって電気化学反応が生じ、その結果、水が生成される（このようにして生成された水を以下、「生成水」と称する）。生成水は電気化学反応終了後の空気であるカソード排気ガスと共にカソード側出口６０から排出される。

ところで、本燃料電池システム１０では、電気化学反応で生じて負荷６４へ向かう電子、すなわち、本燃料電池システム１０にて発電された電気の電流値が電流計６６により検出される。電流計６６では、検出した電流値に対応する電気信号、すなわち、電流値信号が出力される。この電流値信号は例えばＡ／Ｄ変換器等により変換されて制御部３２に入力される。

ここで、本燃料電池システム１０で発電された電気の電流値Ｉと、上記の電気化学反応により生成された水の量、すなわち、生成水量Ｗｐとの間には、次の式（１）に示される関係がある。

Ｗｐ[mol/s]＝Ｉ[A]×Ｓ[枚数]÷２ｅ[e]÷Ｆ [C/mol]・・・（１）
また、電流値Ｉと、上記の電気化学反応にて消費された酸素の量、すなわち、消費酸素量Ｏｅとの間には、次の式（２）に示される関係がある。

Ｏｅ[mol/s]＝Ｉ[A]×Ｓ[枚数]÷４ｅ[e]÷Ｆ [C/mol]・・・（２）
さらに、電流値Ｉと、上記の電気化学反応にて消費された水素の量、すなわち、消費水素量Ｈｅとの間には、次の式（３）に示される関係がある。

Ｈｅ[mol/s]＝Ｉ[A]×Ｓ[枚数]÷２ｅ[e]÷Ｆ [C/mol]・・・（３）
なお、上記の式（１）乃至式（３）において、Ｉは電流値信号に基づく電流計６６が計測した電流値、Ｓはスタック１２のセル１４の枚数、ｅは電荷、Ｆはファラデー定数であり、基本的にＩ以外は既知の数値である。制御部３２では、入力された電流値信号と、これらの式（１）乃至式（３）に基づいて生成水量Ｗｐ、消費酸素量Ｏｅ、及び消費水素量Ｈｅが計算される。

一方、上述したように、制御部３２の入力ポートには、流量計３０〜９６が接続されており、これらの流量計３０〜９６での計測値に基づく各電気信号、すなわち、燃料ガス流量信号、アノード排気ガス流量信号、アノード水分流量信号、供給流量信号、カソード排気ガス流量信号、及びカソード水分流量信号が入力される。制御部３２では、これらの流量信号のからアノード１８側での排出水蒸気量ＡＶｅと、カソード５６側での排出水蒸気量ＣＶｅと、が以下の式（４）及び式（５）に基づき計算される。

ＡＶｅ[mol/s]＝ＡＧｅ[mol/s]−（ＡＧｓ[mol/s]−Ｈｅ[mol/s]）・・・（４）
ＣＶｅ[mol/s]＝ＣＧｅ[mol/s]−（ＣＧｓ[mol/s]−Ｏｅ[mol/s]）・・・（５）
なお、上記の式（４）及び式（５）において、ＡＧｅはアノード排気ガス流量信号に基づく流量計４８の計測値、ＡＧｓは燃料ガス流量信号に基づく流量計３０の計測値、ＣＧｅはカソード排気ガス流量信号に基づく流量計９０の計測値、ＣＧｓは供給流量信号に基づく流量計８０の計測値である。

さらに、このようにして計算された排出水蒸気量ＡＶｅ、ＣＶｅ、生成水量Ｗｐ、そして、アノード水分流量信号及びカソード水分流量信号から本燃料電池システム１０における水分の変化量である水分量収支Ｗｃが以下の式（６）に基づき計算される。

Ｗｃ[mol/s]＝Ｗｐ[mol/s]−Ｖｅ[mol/s]−Ｗｅ[mol/s]・・・（６）
但し、
Ｖｅ[mol/s]＝ＣＶｅ[mol/s]＋ＡＶｅ[mol/s] ・・・（７）
Ｗｅ[mol/s]＝ＣＷｅ[mol/s]＋ＡＷｅ[mol/s] ・・・（８）
なお、上記の式（８）におけるＣＷｅはカソード水分流量信号に基づく流量計９６の計測値で、ＡＷｅはアノード水分流量信号に基づく流量計５４の計測値である。すなわち、Ｗｅはアノード１８側及びカソード５６側の双方の気液分離器４２、８４において分離された水分の総和である。

一方、制御部３２には水分量マップが予め設定されており、上記のカソード５６側での排出水蒸気量ＣＶｅ、電流計６６からの電流値信号、温度センサ９８からの温度検出信号、及び流量計８０での計測値に基づく供給流量信号の各々からカソード５６側での水分量計測値が導き出される。

このようにして求められた水分量計測値と水分量収支Ｗｃとは水分量推定オブザーバ１０４に入力される。水分量推定オブザーバ１０４では、水分量収支Ｗｃの時間積分値である保有水分変化量Ｗｄ[mol]が計算される。さらに、この保有水分変化量Ｗｄ[mol]と、ある時刻での水分量計測値との和が保有水分量の推定値（以下、「水分量推定値」と称する）として計算される。

次に、図３に示されるように、制御部３２にはＲＯＭ１０６が設けられており、このＲＯＭ１０６には適正保有水分量がマップ等の状態で予め記憶されている。制御部３２では、ＲＯＭ１０６から適正保有水分量を読み込み、更に、水分量推定オブザーバ１０４にて計算された水分量推定値と適正保有水分量との差が、保有水分量偏差として計算される。

このようにして計算された保有水分量偏差は、冷却水温度制御器１００やエアストイキ比制御器７８に入力される。

冷却水温度制御器１００では、入力された保有水分量偏差に基づいてポンプ制御信号を生成して出力する。冷却水温度制御器１００から出力されたポンプ制御信号は冷却水ポンプ１０２の駆動源（例えば、モータ）のドライバ等に入力され、これにより、冷却水ポンプ１０２の駆動源が出力する駆動力が増減される。

例えば、上記の保有水分量偏差が負となって水分が失われたと推定できる状態では、冷却水ポンプ１０２の動作速度を上昇させて冷却水の温度を低下させる。これにより、スタック１２内の水分の排出が抑制され、電解質膜１６の乾燥等が防止される。

また、上記の保有水分量偏差が正となって水分が過剰であると推定できる状態では、冷却水ポンプ１０２の動作速度を低下させて冷却水の温度を上昇させる。これにより、スタック１２内の水分の蒸発が促され、水蒸気となった水分がカソード排気ガスやアノード排気ガスと共にスタック１２の外部に効果的に排出される。これにより、過剰な水分がガス拡散層３４や触媒層３６におけるガスの流通部分（ガスチャンネル）を埋めてしまうことを防止できる。

一方、エアストイキ比制御器７８では、入力された保有水分量偏差に基づいてコンプレッサ制御信号を生成して出力する。エアストイキ比制御器７８から出力されたコンプレッサ制御信号はエアコンプレッサ７４のモータ７６を駆動制御するドライバ等に入力され、これにより、モータ７６の回転数が増減される。このようにモータ７６の回転数が増減されることでスタック１２に供給される空気量が増減される。スタック１２に供給される空気量が増減されることで、燃料ガスと空気との比率、すなわち、エアストイキ比が増減する。

例えば、上記の保有水分量偏差が負の状態では、エアストイキ比が小さくなるようにモータ７６を駆動させる。これにより、スタック１２内の水分の排出が抑制され、電解質膜１６の乾燥等が防止される。

また、上記の水分量偏差が正の状態では、エアストイキ比が大きくなるようにモータ７６を駆動させる。これにより、水分がカソード排気ガスと共にスタック１２の外部に効果的に排出される。これにより、過剰な水分がガス拡散層３４や触媒層３６におけるガスの流通部分（ガスチャンネル）を埋めてしまうことを防止できる。

このように、本燃料電池システム１０では、保有水分量偏差に基づいてスタック１２内の水分量を調節しているため、上記のような電解質膜１６の乾燥や、過剰な水分がガスチャンネルを埋めてしまうという不具合の発生を極めて効果的に防止できる。これにより、本燃料電池システム１０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

また、本燃料電池システム１０では、基本的にスタック１２での発電量（電流計６６における計測結果）、各流量計３０〜９６での計測結果に基づいて水分量偏差を推定している。このため、湿度センサ等の水分量を直接検出する検出手段を用いる場合に比べ、水分凝固等に起因する誤差が極めて少ない。

これにより、得られる水分量偏差（又は、水分量収支）の信頼性が極めて高く、上記のようなスタック１２内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム１０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

一方で、カソード５６側から排出される水蒸気は、スタック１２内の温度、発電量、及び空気の流量により変化するが、これら同じ状態であってもスタック１２内の水分量が異なるとスタック１２内における水分の拡散速度が異なるが故にカソード５６側から排出される水蒸気量が変化する。

ここで、本実施の形態では、電流計６６、温度センサ９８、流量計８０での各計測値をパラメータとして水分量計測値が制御部３２に設定された水分量マップにより導き出される。このため、水分量計測値の精度が高く、これにより、スタック１２内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム１０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

しかも、水分量マップを用いていることで空気を流しさえすれば水分量計測値を得ることが可能である。このため、燃料電池システム１０の運転開始時や終了時を含め、基本的に燃料電池システム１０で発電を行っていない状態でも水分量計測値を得ることが可能である。

したがって、このような燃料電池システム１０で発電を行っていない状態では、水分量計測値に基づいてスタック１２内の水分を検出できる。これにより、例えば、燃料電池システム１０を運転開始前や運転終了後等にスタック１２内の水分量を調節することが可能となる。このため、低温時のスタック１２内の水分の凍結を防止でき、また、燃料電池システム１０の運転開始直後における不要な乾燥や加湿等を行なうことを防止できる。

なお、本実施の形態では、上記のように保有水分量偏差に基づいて、冷却水の循環速度や温度とエアストイキ比を調節する構成であったが、保有水分量偏差に基づいて、冷却水の循環速度や温度、エアストイキ比の双方を全て調節する構成に限定されるものではなく、何れか１つを調節する構成としてもよい。

また、本実施の形態では、保有水分量偏差に基づいて、冷却水の循環速度や温度やエアストイキ比を調節したが、これら以外にも例えば、保有水分量偏差に基づいてスタック１２における発電量や空気の流速を調節する構成としてもよい。すなわち、例えば、保有水分量偏差が閾値を下回った場合には、燃料ガス及び空気の双方の流量を低減させてスタック１２における発電量を抑制する。これにより、所謂「ドライアップ」を防止できる。また、保有水分量偏差が閾値を上回った場合には、空気の流量を増加させる。これにより、所謂「フラッディング」を防止できる。

＜第２の実施の形態の構成＞
次に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下の各実施の形態を説明するにあたり、前記第１の実施の形態を含めて説明している実施の形態よりも前出の実施の形態と基本的に同一に構成に関しては、同一の符号を付与してその説明を省略する。

図５には本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム１２０の全体構成の概略がブロック図により示されている。

この図に示されるように、本燃料電池システム１２０は、気液分離器４２及び流量計３０〜５４を備えていない。したがって、基本的にはアノード側入口２４が燃料ガス供給路２６を介して燃料ガスタンク２８に直接接続され、アノード側出口３８は燃料ガス排気路４０を介して排気部１２２に接続されている。

また、本燃料電池システム１２０は、気液分離器８４及び流量計９０、９６を備えておらず、代わりに、空気排気路８２にはマフラ（消音器）１２４が設けられており、カソード側出口６０はマフラ１２４を介して排気部１２６に接続されている。

さらに、マフラ１２４とカソード側出口６０との間には圧力調整バルブ１２８が設けられており、圧力調整バルブ１２８を開閉すること、すなわち、圧力調整バルブ１２８の弁体を開閉移動させるための駆動源であるモータを駆動させることで、カソード側出口６０から出るカソード排気ガスの圧力を調整できる。

また、図６に示されるように、圧力調整バルブ１２８には弁体の開度を検出する回転角センサ１３０が設けられている。回転角センサ１３０は、上記の制御部１３２の入力ポートに直接又は間接的に接続されており、圧力調整バルブ１２８の弁体の開度に対応した電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「バルブ開閉信号」と称する）が制御部１３２に入力される。

さらに、圧力調整バルブ１２８は制御部１３２に設けられたカソードガス圧力制御器１３４の出力ポートにも直接又は間接的に接続されており、カソードガス圧力制御器１３４から出力された電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「バルブ制御信号」と称する）に基づいて圧力調整バルブ１２８の弁体が開閉移動させられる。

また、図５に示されるように、圧力調整バルブ１２８とカソード側出口６０との間には、圧力センサ１３６が設けられており、カソード側出口６０から圧力調整バルブ１２８へ流れるカソード排気ガスの圧力が検出されている。また、圧力センサ１３６とカソード側出口６０との間には、温度センサ１３８が設けられており、カソード側出口６０から圧力調整バルブ１２８へ流れるカソード排気ガスの温度が検出されている。

図６に示されるように、圧力センサ１３６及び温度センサ１３８は制御部１３２の入力ポートに直接又は間接的に接続されている。圧力センサ１３６からは、圧力センサ１３６が検出したカソード排気ガスの圧力に対応した電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「圧力信号」と称する）が出力され、この圧力信号が制御部１３２に入力される。また、温度センサ１３８からは、温度センサ１３８が検出したカソード排気ガスの温度に対応した電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「ガス温度信号」と称する）が出力され、このガス温度信号が制御部１３２に入力される。

＜第２の実施の形態の作用、効果＞
次に、本実施の形態の作用並びに効果について説明する。

本燃料電池システム１２０では、前記第１の実施の形態と同様に、本燃料電池システム１２０にて発電された電気の電流値が電流計６６により検出される。電流計６６では、検出した電流値に対応する電気信号、すなわち、電流値信号が出力される。この電流値信号は例えばＡ／Ｄ変換器等により変換されて制御部１３２に入力される。

ここで、前記第１の実施の形態では、式（１）に基づいて生成水量Ｗｐを計算したが、一定の条件では式（１）の右辺に、電解質膜１６の性質等により決まる生成水アノード非透過係数Ｒｃ（０＜Ｒｃ＜１）が掛け合わされ、すなわち、次の式（９）で生成水量Ｗｐが求められる。

Ｗｐ[mol/s]＝Ｉ[A]×Ｓ[枚数]÷２ｅ[e]÷Ｆ [C/mol]×Ｒｃ・・・（９）
また、温度センサ１３８からのガス温度信号、圧力センサ１３６からの圧力信号、及び回転角センサ１３０からのバルブ開閉信号に基づいてカソード側出口６０からのカソード排気ガスの流量であるカソード排気ガス流量ＣＧｓが演算される。さらに、制御部１３２では、流量計８０からの供給流量信号に基づくカソード側入口５８へ向かう空気の流量である供給空気流量ＡＧｓが演算される。

ここで、本燃料電池システム１２０においてスタック１２内で酸素と水蒸気以外のガス成分が変化しないとした場合、カソード排気ガスに含まれる水蒸気量とスタック１２内に供給される空気に含まれる水蒸気との差、すなわち、空気がスタック１２内を通過してカソード排気ガスとなることで生じる水蒸気量であるカソード５６側の排出水蒸気量ＣＶｅと、消費酸素量Ｏｅ、供給空気量ＡＧｓ、及びカソード排気ガス流量ＣＧｓとの間には、次の式（１０）に示される関係がある。

ＣＶｅ[mol/s]＝ＣＧｓ[mol/s]−（ＡＧｓ[mol/s]−Ｏｅ[mol/s]）・・・（１０）
制御部１３２では、上記の式（３）に基づいて排出水蒸気量ＣＶｅが計算され、更に、上記の生成水量Ｗｐと排出水蒸気量ＣＶｅとの差である水分量収支Ｗｃ（すなわち、Ｗｃ＝Ｗｐ−ＣＶｅ）が計算される。

このようにして水分量収支Ｗｃが計算されると、更に、この水分量収支Ｗｃの時間積分値である保有水分変化量Ｗｄ[mol]が計算される。さらに、前記第１の実施の形態と同様に、保有水分変化量Ｗｄ[mol]と、ある時刻での水分量計測値との和が水分量推定値として計算され、更に、水分量推定値と、ＲＯＭ１０６から読み込まれた適正保有水分量との差が、保有水分量偏差として計算される。

このようにして計算された保有水分量偏差は、前記第１の実施の形態と同様に、冷却水温度制御器１００及びエアストイキ比制御器７８に入力されると共に、更に、図７に示されるように、本実施の形態では、カソードガス圧力制御器１３４に保有水分量偏差が入力される。

カソードガス圧力制御器１３４では、保有水分量偏差に基づいてバルブ制御信号を生成して出力する。カソードガス圧力制御器１３４から出力されたバルブ制御信号は圧力調整バルブ１２８の弁体を駆動する駆動源（例えば、モータ）を駆動制御するドライバ等に入力され、これにより弁体の開度が増減される。このように弁体の開度が増減されることでカソード排気ガスの流量が増減され、この結果、カソード排気ガスの圧力が増減される。

例えば、上記の保有水分量偏差が負の状態では、圧力調整バルブ１２８の弁体の開度が大きくなるように調整され、これにより、カソード排気ガスの圧力が増加する。このようにカソード排気ガスの圧力が増加することで、スタック１２内の水分の排出が抑制され、電解質膜１６の乾燥等が防止される。

また、上記の保有水分量偏差が正の状態では、圧力調整バルブ１２８の弁体の開度が小さくなるように調整され、これにより、カソード排気ガスの圧力が低下する。このようにカソード排気ガスの圧力が低下することで、水分がカソード排気ガスと共にスタック１２の外部に効果的に排出される。これにより、過剰な水分がガス拡散層３４や触媒層３６におけるガスの流通部分（ガスチャンネル）を埋めてしまうことを防止できる。

このように、本燃料電池システム１２０では、保有水分量偏差に基づいてスタック１２内の水分量を調節しているため、上記のような電解質膜１６の乾燥や、過剰な水分がガスチャンネルを埋めてしまうという不具合の発生を極めて効果的に防止できる。これにより、本燃料電池システム１２０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

また、本燃料電池システム１２０では、スタック１２での発電量（電流計６６における計測結果）、スタック１２内への空気の流量（流量計８０での計測結果）、及びカソード排気ガスの流量（温度センサ１３８、圧力センサ１３６、及び圧力調整バルブ１２８の弁体の開度）に基づいて保有水分量偏差を推定している。このため、湿度センサ等の水分量を直接検出する検出手段を用いる場合に比べ、水分凝固等に起因する誤差が極めて少ない。

これにより、得られる保有水分量偏差の信頼性が極めて高く、上記のようなスタック１２内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム１２０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

＜第３の実施の形態＞
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。

図８及び図９には、本実施の形態に係る燃料電池システム１５０の水分変化量推定手段としての制御部１５２における演算工程（各種計算手順）が前記第２の実施の形態を説明する図６及び図７に対応したブロック図により示されている。

本燃料電池システム１５０は、その構成が基本的に前記第２の実施の形態に係る燃料電池システム１２０と同じである。但し、燃料電池システム１２０とは異なり本燃料電池システム１５０はスタック１２における内部抵抗を検出する内部抵抗検出器１５４を備えている。内部抵抗検出器１５４は制御部１５２の入力ポートに接続されており、スタック１２における内部抵抗に対応した電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「内部抵抗信号」と称する）。

本燃料電池システム１５０の制御部１５２では、上記の内部抵抗検出器１５４からの内部抵抗信号に基づいてスタック１２内の保有水分量が計測され、この保有水分量計測値が所謂「プラント観測信号」として水分量測定オブザーバ１５６に入力される。また、前記第２の実施の形態と同様に計算された水分量収支Ｗｃは所謂「プラント入力信号」として水分量測定オブザーバ１５６に入力される。

水分量測定オブザーバ１５６では、この保有水分量計測値と水分量収支Ｗｃとに基づき水分量推定値が計算され、更に、ＲＯＭ１０６から読み込まれた適正保有水分量との差が、保有水分量偏差として計算される。

ここで、水分量推定値に代わって保有水分量計測値とＲＯＭ１０６から読み込んだ適正保有水分量との差を保有水分量偏差として計算しても構わない。しかしながら、このようにして計算された保有水分量偏差は、ノイズや計測誤差の影響が大きい。

一方、水分量収支Ｗｃを得るにあたっても当然ノイズや計測誤差の影響がある。しかしながら、水分量収支Ｗｃと保有水分量計測値とから水分量推定値を求める構成として所謂「プラント動特性」を織り込むことにより、単純に保有水分量計測値だけを用いる場合に比べて高い信頼性を得ることができる。

このように、本実施の形態では、前記第２の実施の形態とは異なり水分量収支Ｗｃを時間積分せずに、保有水分量計測値、水分量収支Ｗｃ、及び適正保有水分量から保有水分量偏差が計算される。しかしながら、上記のように、保有水分量偏差の信頼性が高いため、上記のようなスタック１２内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム１５０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

しかも、湿度センサ等の水分量を直接検出する検出手段を用いる場合に比べ、水分凝固等に起因する誤差が極めて少ない。したがって、得られる水分量偏差（又は、水分量収支）の信頼性が極めて高く、上記のようなスタック１２内の水分量の調節を適切に行なうことができ、この意味でも、本燃料電池システム１５０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

＜第４の実施の形態＞
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。

図１０には、本実施の形態に係る燃料電池システム１７０の全体構成の概略が示されており、図１１には本燃料電池システム１７０の水分変化量推定手段としての制御部１７２における演算工程（各種計算手順）が前記第１の実施の形態を説明する図２に対応したブロック図により示されている。

図１０に示されるように、本燃料電池システム１７０は前記第２の実施の形態に係る燃料電池システム１２０とは異なり、温度センサ１３８及び圧力センサ１３６を備えておらず、代わりに、圧力調整バルブ１２８とマフラ１２４との間に流量計１７４が設けられている。流量計１７４は流量計８０と基本的に同じ構成で、圧力調整バルブ１２８を通過してマフラ１２４へ向かうカソード排気ガスの流量を計測している。

図１１に示されるように、流量計１７４は制御部１７２に接続されており、流量計１７４から出力されたカソード排気ガスの流量に対応する電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「排気流量信号」と称する）が直接又はＡ／Ｄ変換器等を介して制御部１７２に入力される構成となっている。

また、本燃料電池システム１７０では、圧力調整バルブ１２８と流量計１７４との間に加湿手段としての加湿装置１７６が設けられており、圧力調整バルブ１２８から流量計１７４に向かうカソード排気ガスが通過する。

また、加湿装置１７６はエアコンプレッサ７４からカソード側入口５８へ向かう空気が通過し、カソード排気ガスに含まれる水分の一部又は全部が加湿装置１７６により吸収される。さらに、カソード排気ガスから吸収した水分又は加湿装置１７６に設けられた図示しない貯水部に予め溜められた水がエアコンプレッサ７４からカソード側入口５８へ向かう空気に湿気として付与される。

本燃料電池システム１７０の制御部１７２では、流量計１７４によってカソード排気ガスの流量が計測され、流量計１７４からの排気流量信号に基づいて制御部１７２ではカソード排気ガス出口流量が計算される。このカソード排気ガス出口流量計算結果は、前記第２の実施の形態と同様に、水分量収支Ｗｃの計算に供される。

さらに、本燃料電池システム１７０では、流量計１７４からの排気流量信号に基づくカソード排気ガス出口流量の計算結果と、流量計８０からの供給流量信号に基づく空気流入量の計算結果との差が計算される。すなわち、流量計１７４の計測結果は、スタック１２内で生じた水分を含むカソード排気ガスの流量であるのに対し、流量計８０の計測結果は空気がスタック１２に供給される前の状態での流量である。したがって、その差はカソード排気ガスに含まれるスタック１２内で生じた水分の量、すなわち、前記第２の実施の形態でスタック１２の内部抵抗に基づき計算された保有水分量に他ならない。

このように、本燃料電池システム１７０では、その検出のための手段が異なるものの現状の保有水分量と適正保有水分量、及び水分量収支Ｗｃからエアコンプレッサ７４及び流量計１７４よりもスタック１２側における保有水分量偏差が計算されることになる。

したがって、この保有水分量偏差に基づいて、冷却水温度制御器１００、エアストイキ比制御器７８、及びカソードガス圧力制御器１３４等を制御することで、特別に加湿装置１７６を制御しなくても電解質膜１６の乾燥や、過剰な水分がガスチャンネルを埋めてしまうという不具合の発生を極めて効果的に防止できる。これにより、本燃料電池システム１７０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

＜第５の実施の形態＞
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。

図１２には、本実施の形態に係る燃料電池システム１９０の全体構成の概略が示されている。

この図に示されるように、本燃料電池システム１９０は基本的に前記第２の実施の形態に係る燃料電池システム１２０と同じ構成である。但し、図１２に示されるように、本燃料電池システム１９０では、流量計８０とエアコンプレッサ７４との間と、圧力調整バルブ１２８とマフラ１２４との間が繋がっている。このため、本燃料電池システム１９０では、カソード側出口６０から排気されて圧力調整バルブを通過したカソード排気ガスの一部又は全部を、流量計８０とエアコンプレッサ７４との間に供給できる構成となっている。

また、本燃料電池システム１９０は、循環バルブ１９２を備えており、循環バルブ１９２の弁体の開度に応じて圧力調整バルブ１２８を通過したカソード排気ガスの、流量計８０とエアコンプレッサ７４との間への供給量を調節できる構成となっている。

一方、図１３に示されるように、本燃料電池システム１９０の水分変化量推定手段としての制御部１９４は、基本的に前記第２の実施の形態に係る燃料電池システム１２０の制御部１３２と同じである。但し、制御部１３２とは異なり制御部１９４では、流量計８０が制御部１９４に接続されていない。

代わりに、本燃料電池システム１９０の制御部１９４の入力ポートには、速度検出器１９６が制御部１９４に接続されている。速度検出器１９６は、エアコンプレッサ７４のモータ７６の回転速度を検出しており、モータ７６の回転速度に応じた電気信号（以下、この電気信号を他の電気信号と区別するため、便宜上、「速度検出信号」と称する）を出力する。速度検出器１９６から出力された速度検出信号に基づいてカソード側入口５８に供給される空気の量が計算される。

本燃料電池システム１９０では、上記のようにスタック１２内で生じた水分を含むカソード排気ガスが、カソード側入口５８へ向かう空気に供給されることで、スタック１２内で生じてカソード排気ガスと共に排出された水分がカソード側入口５８へ向かう空気に付与され、これにより、空気の湿度が上昇する。このように、本燃料電池システム１９０では、加湿装置１７６を設けなくても、カソード側入口５８に向かう空気に水分を付与できるため、装置構成を簡素化できる。

また、前記第２の実施の形態と同様に保有水分量偏差が計算されるため、保有水分量偏差に基づいて、冷却水温度制御器１００、エアストイキ比制御器７８、及びカソードガス圧力制御器１３４等を制御することで、圧力調整バルブ１２８を通過したカソード排気ガスに含まれる水分量を適切に調節でき、この結果、エアコンプレッサ７４からカソード側入口５８に向かう空気に含まれる水分量を適切に調節できる。

これにより、電解質膜１６の乾燥や、過剰な水分がガスチャンネルを埋めてしまうという不具合の発生を極めて効果的に防止でき、本燃料電池システム１９０の信頼性や効率を効果的に向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の出力ポート側での概略を示す図である。 セルの構成の概略を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の出力ポート側での概略を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の出力ポート側での概略を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成の概略を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る燃料電池システムの制御部の入力ポート側での概略を示す図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム
１２ スタック（燃料電池）
１６ 電解質膜
１８ アノード
３２ 制御部（水分変化量推定手段）
５６ カソード
６８ 空気供給路（供給路）
８２ 空気排気路（排気路）
１２０ 燃料電池システム
１３２ 制御部（水分変化量推定手段）
１５０ 燃料電池システム
１５２ 制御部（水分変化量推定手段）
１７０ 燃料電池システム
１７２ 制御部（水分変化量推定手段）
１９０ 燃料電池システム
１９４ 制御部（水分変化量推定手段）

Claims (4)

1. 固体高分子を含めて構成された電解質膜を介してアノード及びカソードが対向配置され、アノード側スタック入口から水素を含む燃料ガスを前記アノード側に供給すると共に、カソード側スタック入口から酸素を含む酸化ガスを前記カソード側に供給することにより電気化学反応で発電する燃料電池スタックを含めて構成した燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックにおける水素イオンと電子と酸素との電気化学反応により生成された生成水の量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記生成水量を前記電流量に基づき推定すると共に、前記燃料電池スタックに供給された前記酸化ガスのうち前記電気化学反応で消費された酸素の量である消費酸素量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記消費酸素量を前記電流量に基づいて推定し、
   前記生成水のうち前記酸化ガスと共に前記燃料電池スタックから水蒸気として排出されるカソード側の排出水蒸気の量を、前記燃料電池スタックからの前記酸化ガスの排出量と前記消費酸素量とを加えた値と前記燃料電池スタックに供給された前記酸化ガスの供給量との差異から推定し、
   前記生成水の量と前記カソード側の排出水蒸気量との差異を前記燃料電池スタック内に残留した水分量として前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する水分変化量推定手段を備える、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水分変化量推定手段は、
   前記生成水量をＷｐ、前記消費酸素量をＯｅ、前記燃料電池スタックに供給された酸化ガス量をＡｓ、及び前記燃料電池スタックから排出された酸化ガス量をＧｓとした場合、前記燃料電池スタック内の水分の変化量Ｗｃを、
   Ｗｃ＝Ａｓ−Ｇｓ＋Ｗｐ−Ｏｅ
   の式に基づいて計算する、
   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. 前記燃料電池スタックに供給された前記燃料ガスのうち前記電気化学反応で消費された水素の量である消費水素量が、前記燃料電池スタックで発電した電気の電流量に比例する関係にあることから、前記消費水素量を前記電流量に基づいて推定し、
   前記生成水のうち前記燃料ガスと共に前記燃料電池スタックから水蒸気として排出されるアノード側の排出水蒸気の量を、前記燃料電池スタックからの前記燃料ガスの排出量と前記消費水素量とを加えた値と前記燃料電池スタックに供給された前記燃料ガスの供給量との差異から推定し、
   前記生成水量と前記カソード側の排出水蒸気の量と前記アノード側の排出水蒸気の量とから前記水分変化量推定手段が前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックに供給する酸化ガスの流路である供給路と前記燃料電池スタックから排出された酸化ガスの流路である排気路とを接続し、前記燃料電池スタックから排出された酸化ガスを前記供給路に供給可能にすると共に、前記供給路の前記排気路との接続部分よりも前記燃料電池スタック側に前記供給路の酸化ガスを前記燃料電池スタックに供給する酸化ガス供給手段を備え、
   更に、前記酸化ガス供給手段の駆動力の大きさから前記水分変化量推定手段が前記燃料電池スタックへの前記酸化ガスの供給量を算出する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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