JP2002373692A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 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。 【解決手段】 燃料電池１０の発熱量を検出する発熱量
検出手段１２、１３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
を備え、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２２、３２によ
り内部水分の蒸発量を制御する。燃料電池の発熱量は、
燃料電池１０が出力する電力ＰF、燃料電池１０の出力
電流ＩF、または燃料電池１０の温度ＴFに基づいて検出
する。内部水分の蒸発量制御は、燃料電池１０に供給さ
れる水素、酸素の加湿量調整、あるいは燃料電池１０に
供給される水素、酸素の流量調整により行う。
増大させることが可能な燃料電池システムを提供する。 【解決手段】 燃料電池１０の発熱量を検出する発熱量
検出手段１２、１３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
を備え、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２２、３２によ
り内部水分の蒸発量を制御する。燃料電池の発熱量は、
燃料電池１０が出力する電力ＰF、燃料電池１０の出力
電流ＩF、または燃料電池１０の温度ＴFに基づいて検出
する。内部水分の蒸発量制御は、燃料電池１０に供給さ
れる水素、酸素の加湿量調整、あるいは燃料電池１０に
供給される水素、酸素の流量調整により行う。
Description
【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。
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。
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。
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。
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。
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）とを備え、発熱量検出手
段（１２）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ことを特徴としている。
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）とを備え、発熱量検出手
段（１２）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。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。
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。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。
【０００８】また、請求項２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。
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。
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３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。
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２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。
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４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。
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。
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５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。
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６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。
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６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７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。
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。
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９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。
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１０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。
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１０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１１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。
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。
【００２１】また、請求項１２に記載の発明では、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）を備え、水分量検出手段により検出した
内部水分量に基づいて、蒸発量制御手段（２２、３２）
による水分蒸発量の制御を行うか否かを判定することを
特徴としている。
電池（１０）の内部水分量を検出する水分量検出手段
（１２、１４）を備え、水分量検出手段により検出した
内部水分量に基づいて、蒸発量制御手段（２２、３２）
による水分蒸発量の制御を行うか否かを判定することを
特徴としている。
【００２２】これにより、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。
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。
【００２３】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１３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。
圧が降下するので、請求項１３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。
【００２４】具体的には、請求項１４に記載の発明のよ
うに、水分量検出手段を、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
し、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ができる。
うに、水分量検出手段を、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
し、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ができる。
【００２５】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１５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。
抗が増大するので、請求項１５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。
【００２６】具体的には、請求項１６に記載の発明で
は、水分量検出手段を、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）とから構成し、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ができる。
は、水分量検出手段を、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）とから構成し、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。
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。
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。
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１
０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。
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１
０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。
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Ｉ
ｏ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。
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Ｉ
ｏ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。
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３
１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。
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３
１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１
０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。
０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２
３、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。
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２
３、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。
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４
０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。
各種制御を行う制御部４０が設けられている。制御部４
０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。
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。
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）。
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Ｓ１
０４）。
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Ｓ１
０４）。
【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）。
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）。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
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）。
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。
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１
０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）。
０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。
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。
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。
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。
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。
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。
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２
２、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。
空気供給装置２１および水素供給装置３１と、加湿器２
２、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。
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３
１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）。
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３
１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。
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。
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ｔ
ｘ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）。
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ｔ
ｘ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）。
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。
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。
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Ｓ５
０２）。
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Ｓ５
０２）。
【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Ｓ５
０４）。
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Ｓ５
０４）。
【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）。
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Ｓ５
１０）。
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Ｓ５
１０）。
【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）。
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。
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）。
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Ｓ５
１６）。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。
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Ｓ５
１６）。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）。
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。
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。
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２
２、３２による加湿停止に加えて、背圧調整バルブ２
３、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Ｓ６１
６、Ｓ６１７）。
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２
２、３２による加湿停止に加えて、背圧調整バルブ２
３、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Ｓ６１
６、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。
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１
２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。
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１
２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Ｒ
F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。
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Ｒ
F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。
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１
０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。
０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。
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。
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１】上記実施形態の燃料電池システムの概念図であ
る。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
を示すフローチャートである。
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、２０…空気経路、２
１…コンプレッサ（空気供給装置）、２２…加湿器、２
３…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。
１…コンプレッサ（空気供給装置）、２２…加湿器、２
３…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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 晴彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 岡本 邦夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA14 CC06 DD00 KK02 KK05 KK22 KK25 KK46 KK51 KK52 KK54 KK56 MM03 MM08
Claims (16)
- 【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（２
２、３２）とを備え、 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
御することを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項２】 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に記載の燃料電池システム。 - 【請求項３】 前記発熱量検出手段は、前記燃料電池
（１０）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）の温度（ＴF）を検出する温度検出手段（１
３）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に記載の燃料電池システム。 - 【請求項５】 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（１
０）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４のいずれか１つに記載の燃料電池
システム。 - 【請求項６】 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
５に記載の燃料電池システム。 - 【請求項７】 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
６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 - 【請求項８】 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７に記載の燃料電池システム。 - 【請求項９】 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
８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 - 【請求項１０】 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９に記載
の燃料電池システム。 - 【請求項１１】 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１０
のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 - 【請求項１２】 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）を備え、前記水
分量検出手段により検出した前記内部水分量に基づい
て、前記蒸発量制御手段（２２、３２）による水分蒸発
量の制御を行うか否かを判定する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。 - 【請求項１３】 前記水分量検出手段は、前記燃料電池
（１０）の出力電圧に基づいて前記内部水分量を検出す
るものであることを特徴とする請求項１２に記載の燃料
電池システム。 - 【請求項１４】 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、３
２）による水分蒸発量の制御を中止することを特徴とす
ることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池システ
ム。 - 【請求項１５】 前記水分量検出手段は、前記燃料電池
（１０）の内部抵抗に基づいて前記内部水分量を検出す
るものであることを特徴とする請求項１２に記載の燃料
電池システム。 - 【請求項１６】 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
を特徴とすることを特徴とする請求項１５に記載の燃料
電池システム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002032345A JP3900952B2 (ja) | 2001-04-11 | 2002-02-08 | 燃料電池システム |
| US10/119,978 US6790550B2 (en) | 2001-04-11 | 2002-04-10 | Water control for a fuel cell system |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001-113082 | 2001-04-11 | ||
| JP2001113082 | 2001-04-11 | ||
| JP2002032345A JP3900952B2 (ja) | 2001-04-11 | 2002-02-08 | 燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002373692A true JP2002373692A (ja) | 2002-12-26 |
| JP3900952B2 JP3900952B2 (ja) | 2007-04-04 |
Family
ID=26613455
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002032345A Expired - Fee Related JP3900952B2 (ja) | 2001-04-11 | 2002-02-08 | 燃料電池システム |
Country Status (2)
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|---|---|
| US (1) | US6790550B2 (ja) |
| JP (1) | JP3900952B2 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
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| JP2007250287A (ja) * | 2006-03-15 | 2007-09-27 | Tokyo Gas Co Ltd | 高温作動型燃料電池システム |
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