JP2007052936A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 燃料電池の内部の湿潤状態をより正確に精度良く判定することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１は、スタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池２を備えている。燃料電池２には、空気供給系３、水素ガス供給系４、出力系５、及び制御部９が接続されている。制御部９には、燃料電池２に流入する空気及び水素ガスの流量等、排出されるそれらの圧力等、及び発電電流の実測信号が出力され、燃料電池２から気体成分及び液体成分として排出されるそれぞれの水分量が算定され、燃料電池２における水収支が判断される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムでは、水素ガスに代表される燃料ガス、及び空気に代表される酸化ガスが燃料電池に供給され、燃料ガスと酸化ガスとの発電反応（水生成反応）により電力が発生する。燃料電池としては、種々のタイプのものが開発されており、それらのなかでは、電解質の散逸・保持等の問題がなく、常温で起動し且つ起動時間が極めて早い等の利点を有する固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cells ）が特に注目され、高電圧を得るためにスタック化されたＰＥＦＣが自動車等の移動体等に採用されつつある。
この固体高分子型燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスとの反応におけるプロトンの伝導を高分子電解質層が担うため、発電反応を効率よく維持するには、高分子電解質層の湿潤状態や温度状態を監視して適正な状態に制御する必要がある。
このような制御を行うべく、例えば特許文献１には、燃料電池への流入ガス及び燃料電池からの排出ガスの温度、湿度、及び流量を測定して燃料電池に対する水分量の収支を算出し、燃料電池の電力から算出された生成水分量との比較を行って流入ガスの流量制御を行い、燃料電池内部に残留している水分量を高分子電解質層に好適な水準内に制御する燃料電池システム及び方法が提案されている。
特開２００４−１９２９７３号公報
ところで、燃料電池システムの運転中において、燃料電池の内部には、水蒸気すなわち気体成分として存在する水のみならず、特に、過飽和の状態が生起されている場合には、例えば微小な水滴となって液体成分として存在する水も含まれている。よって、燃料電池の水収支を確実に把握して残留水分を正確に把握するには、そのように液体成分として燃料電池システムの系外へ持ち去られる水分量を考慮する必要がある。
しかし、上記従来の燃料電池システムでは、水収支の算定においてこのような液体成分として存在し排出される水分についての考慮がされておらず、燃料電池内部の水分量ひいては湿潤状態を正確に把握することが困難であった。
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の内部の水分量をより正確に把握することができ、これにより燃料電池の内部の湿潤状態をより正確に精度良く判定することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明による燃料電池システムは、燃料電池への流入水分量及び排出水分量並びに該燃料電池における生成水分量から、燃料電池における水収支が判断され、燃料電池の湿潤状態が判定される湿潤状態判定部を備えるものであって、湿潤状態判定部では、燃料電池への流入ガスの物理量、燃料電池からの排出ガスの物理量、及び、燃料電池の状態量に基づいて、流入水分量、排出水分量として燃料電池から気体成分として排出される水分量及び液体成分として排出される水分量、並びに生成水分量が算定される。
このような構成の燃料電池システムでは、湿潤状態判定部において、燃料電池への流入水分量、燃料電池からの排出水分量、及び生成水分量が算定され、それらに基づいて燃料電池における水収支が判断され、その結果、燃料電池の内部に残留する水分量が把握され、その内部の湿潤状態が判定される。このとき、排出水分量として、気体成分として排出される水分量のみならず、それに加えて液体成分として排出される水分量が加味されるので、燃料電池の内部の水収支が正確に把握される。
具体的には、湿潤状態判定部は、流入水分量が、流入ガスの物理量としての流量、圧力、及び湿度又は露点温度を用いて算定され、気体成分として排出される水分量が、排出ガスの物理量としての流量、圧力、及び、湿度若しくは露点温度又は温度を用いて算定され、生成水分量が、前記燃料電池の状態量としての発電電流から算定されるものであると好適である。
この場合、流入ガスの流量及び圧力から単位時間あたりの流入ガスの体積が算出され、これと湿度（相対湿度でも絶対湿度でもよい）又は露点温度、つまり流入ガスの気体成分としての水分の含有率とから、燃料電池へ気体成分として持ち込まれる水の量すなわち流入水分量が得られる。また、同様にして排出ガスの流量、圧力、及び湿度又は露点温度から、燃料電池から気体成分として排出される水分量が得られる。さらに、発電電流は、燃料電池における流入ガス（燃料ガスと酸化ガス）の反応量に相当するので、発電電流から単位時間あたりのその反応によって生じる生成水分の量が得られる。
ここで、燃料電池の内部における水収支が正（プラス）、すなわち燃料電池への流入水分量と生成水分量の合計（水の増加量）が、排出水分量（水の減少量）よりも多い場合には、通常、燃料電池の内部が過飽和になっており、水の一部が例えばミスト状の微小液滴となって液体成分として存在し得る。よって、上記のように算定された流入水分量、気体成分として排出される水分量、及び生成水分量の収支の正負（プラス・マイナス）に基づいて、液体成分として排出され得る水分の存否を判断することもできる。
また、燃料電池が運転されているときには、通常、燃料電池の内部のガス及び排出ガスは過飽和になっているので、排出ガスの湿度若しくは露点温度に代えて、その温度から一義的に決定される飽和水蒸気量を用いて燃料電池から気体成分として排出される水分量を算定してもよい。こうすれば、湿度及び露点温度を実測する必要がない。
さらに、湿潤状態判定部は、発電電流から燃料電池の内部で消費される流入ガスの消費流量が算出され、その消費流量と流入ガスの流量とから排出ガスの流量が算定されるものであると好ましい。
上述の如く、発電電流は、燃料電池における流入ガス（燃料ガスと酸化ガス）の反応量つまり消費量に相当するので、流入ガスの消費流量が簡易に算出される。よって、このようにすれば、排出ガスの流量を実測する必要がない。
またさらに、湿潤状態判定部では、燃料電池の実際の運転に先立って予め取得された「排出ガスの流量に対する燃料電池から液体成分として排出される水分量の関係」と、燃料電池が実際に運転されているときの排出ガスの流量とに基づいて、燃料電池が実際に運転されているときの液体成分として排出される水分量が算定されると好ましい。なお、燃料電池から液体成分として排出される水分量は、燃料電池の発電量、排出ガスの温度、及び排出ガスの流量の少なくともいずれか一つにより算定されてもよい。
また、燃料電池の内部に例えば微小液滴のような液体成分として存在する水分は排出ガスの流れと共に燃料電池の外に排出され得るので、排出ガス中の液滴だけを捕捉して、或いは排出ガスをサンプリングして、液体成分として排出される水分量を測定又は評価することも可能である。
燃料電池からの排出ガスが過飽和な状態にあれば、排出ガスに存在し得る気体成分の水分と液体成分の水分との割合は、その温度から決定される飽和水蒸気圧によって決定されるが、排出ガスによって燃料電池の外に排出される液体成分の水分量は、排出ガスの流量に大きく影響される。また、排出ガスの流量は、燃料電池の運転状態においては、燃料電池の発電量（電力出力、発電電流）と相関する傾向にある。
よって、これら燃料電池の発電量負荷及び／又は排出ガスの流量というパラメータと、燃料電池から液体成分として排出される水分量とは相関し得る。したがって、その相関関係を、対象の当該燃料電池に対して予め取得しておき、それらパラメータの実測値と対比することにより、液体成分として排出される水分量が簡易に且つ精度よく算定される。
また、湿潤状態判定部は、燃料電池又は排出ガスの温度が所定の温度以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定するものであると特に好ましい。
排出ガスの温度が低いほど飽和水蒸気圧も下がるので、排出ガス中に存在し得る液体成分の水分量が増大し、もって燃料電池から液体成分として排出される水分量も増大する。よって、特に、燃料電池が低温状態にあり排出ガスの温度がある所定の温度以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定して水収支を判断することにより、そのような低温運転時における燃料電池の内部に残留する水分量がより正確に把握される。
より具体的には、流入ガス及び排出ガスが、燃料ガス及び／又は酸化ガスであると有用である。
一般に、燃料電池では、発電の際に酸化ガスが供給される酸素極（カソード）側で水が生成され、この水が凝縮によって液体化し、結露等によってガス流路内に滞留してしまい、それが系外へ排出できない場合には、酸化ガスの流路が閉塞されるいわゆるフラッディング状態が生起され易くなる。こうなると、発電が阻害され燃料電池の出力が低下してしまう。また、生成した水は、電解質膜を介して燃料極（アノード）側にも浸出し得るので、燃料ガスの流路が閉塞されて同様にフラッディングが生じ得る。よって、かかるフラッディングを防止するための制御に資する観点から、燃料ガス及び酸化ガスの両方に対して液体成分として排出される水分量を算定することが好ましく、燃料ガス及び酸化ガスのいずれか一方に対して行う場合には、酸化ガスに対して行うことが好ましい。
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池から気体成分として排出される水分量のみならず、液体成分として排出される水分量をも加味して、燃料電池における水収支を判断するので、その内部の水分量をより正確に把握することができ、これにより燃料電池の内部の湿潤状態をより正確に精度良く判定することが可能となる。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限られるものではない。
図１は、本発明による燃料電池システムの一実施形態を模式的に示す構成図である。燃料電池システム１は、多数のセルを積層したスタック構造からなる固体高分子電解質型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、酸化ガスとしての空気及び燃料ガスとしての水素ガス（Ｈ2）の供給を受けて電力を発生する。
燃料電池システム１には、空気（流入ガス）を燃料電池２に供給するための供給配管１１と、燃料電池２から排出された空気オフガス（排出ガス）を外部に排出するための排出配管１２とを有する空気供給系３が接続されている。供給配管１１には、フィルタ１３を介して大気を取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される空気を加湿する加湿器１５がそれぞれ配設されている。また、供給配管１１における燃料電池２と加湿器１５との間の部位には、流量計Ｆ１０、圧力計Ｐ１０、及び湿度計Ｈ１０が設けられている。
また、加湿器１５は、排出配管１２上にも配置されるように設けられており、これにより、圧送される空気と空気オフガスとの間で水分交換を行う。水分交換後の空気は、供給配管１１を介して燃料電池２に送られ、燃料電池２での発電に供される。排出配管１２における加湿器１５と燃料電池２との間の部位には、燃料電池２内の空気の圧力を調整する背圧調整弁１６が設置されている。排出配管１２を流れる空気オフガスは、その背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的にシステム外の大気中に排気される。さらに、排出配管１２における燃料電池２と背圧調整弁１６との間の部位には、圧力計Ｐ１１及び温度計Ｔ１１が設けられている。
また、燃料電池システム１には、高圧の水素ガス（流入ガス）を貯蔵した水素供給源としての高圧タンク２１と、高圧タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給配管２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（未反応の水素ガス；排出ガス）を供給配管２２に戻すための循環配管２３と、循環配管２３の水素オフガスを供給配管２２に還流させる水素ポンプ２４と、循環配管２３に分岐接続され且つ下流端が空気供給系３の排出配管１２に接続された排出配管２５とを有する水素ガス供給系４が接続されている。
供給配管２２の上流側には、高圧タンク２１からの新たな水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７が介設され、レギュレータ２７の下流側の合流点Ａに循環配管２３が接続されている。合流点Ａで合流した新たな水素ガスと水素オフガスとからなる混合ガスが燃料電池２に供給される。また、供給配管２２における燃料電池２と合流点Ａとの間の部位には、流量計Ｆ２０、圧力計Ｐ２０、及び湿度計Ｈ２０が設けられている。
循環配管２３の水素ポンプ２４の上流側には、循環配管２３を流れる水素オフガスから水分を分離させる気液分離器３０が介設されている。循環配管２３を流れる流体には、燃料電池２から排出される水素オフガスと、燃料電池２での電気化学反応によって生成された生成水が含まれている。気液分離器３０では、この生成水たる水分を水素オフガスから分離させる。気液分離器３０で分離された水素オフガスは水素ポンプ２４によって合流点Ａに達する一方、気液分離器３０で分離された水分は、ドレイン弁３１を介して流体配管３２から空気供給系３の排出配管１２に排出される。
流体配管３２は、上流端が気液分離器３０のドレイン弁３１に接続され、下流端が空気供給系３の排出配管１２に接続されており、気液分離器３０で分離された水分を排出配管１２に流入させる配管として機能する。さらに、循環配管２３における燃料電池２と気液分離器３０との間の部位には、圧力計Ｐ２１及び温度計Ｔ２１が設けられている。
排出配管２５には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に排出配管２５を通って、酸素系の排出配管１２に排出される。排出配管２５を設けることで、水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素の濃度を上げることができる。排出配管２５を流れる流体には、気液分離器３０を設けてはいるものの、この種の不純物のほかに水分が含有されている。すなわち、排出配管２５は、これに流れる水分を含む流体を空気供給系３の排出配管１２に流入させる流体配管として機能する。
また、燃料電池２には、ＤＣ−ＤＣコンバータ及び蓄電部（共に図示せず）を有する出力系５が図示しないサービスプラグを介して接続されている。さらに、燃料電池システム１は、ＣＰＵやＭＰＵ、及び記憶装置等を有する演算処理・記憶部９１と入出力インターフェイス９２を有し、且つ、その入出力インターフェイス９２を介して空気供給系３、水素ガス供給系４、及び出力系５に接続された制御部９（湿潤状態判定部）を備えている。なお、演算処理・記憶部９１では、後述するように種々の演算が行われ、それらの各演算における計算結果が逐次記憶装置に記憶されるようになっている。
また、この制御部９には、上述した流量計Ｆ１０，Ｆ２０、圧力計Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ２０，Ｐ２１、湿度計Ｈ１０，Ｈ２０、及び温度計Ｔ１１，Ｔ２１が、入出力インターフェイス９２を介して接続されている。
このように構成された燃料電池システム１においては、燃料電池２に空気及び水素ガスの供給が開始され燃料電池２が運転状態になると、空気の供給配管１１に設けられた流量計Ｆ１０、圧力計Ｐ１０、及び湿度計Ｈ１０により、燃料電池２に流入する空気の流量ｆ(air-in)、圧力ｐ(air-in)、及び湿度ｈ(air-in)が実測される。また、空気の排出配管１２に設けられた圧力計Ｐ１１、及び温度計Ｔ１１により、燃料電池２から排出される空気の圧力ｐ(air-out)、及び温度ｔ(air-out)が実測される。
同様に、水素ガスの供給配管２２に設けられた流量計Ｆ２０、圧力計Ｐ２０、及び湿度計Ｈ２０により、燃料電池２に流入する水素ガスの流量ｆ(hyd-in)、圧力ｐ(hyd-in)、及び湿度ｈ(hyd-in)が実測される。また、水素ガスの循環配管２３に設けられた圧力計Ｐ２１、及び温度計Ｔ２１により、燃料電池２から排出される水素ガスの圧力ｐ(hyd-out)、及び温度ｔ(hyd-out)が実測される。
空気及び水素ガスに対するこれら物理量の実測値信号は、連続的に又は所定時間間隔で断続的に制御部９へ出力される。また、出力系５では、燃料電池２の発電によって得られる発電電流Ｉが測定され、その実測値信号が制御部９へ出力される。
制御部９では、それらの実測値信号に基づいて、種々の演算が行われる。すなわち、空気の流入流量ｆ(air-in)、及び流入圧力ｐ(air-in)から、燃料電池２に単位時間あたりに流入する空気の体積（量）が求められ、これと湿度ｈ(air-in)から、空気によって燃料電池２の内部に単位時間あたりに持ち込まれる（流入する）水分量Ｗ(air-in)が算出される。また、水素ガスの流入流量ｆ(hyd-in)、及び流入圧力ｐ(hid-in)から、燃料電池２に単位時間あたりに流入する水素ガスの体積（量）が求められ、これと湿度ｈ(air-in)から、水素ガスによって燃料電池２の内部に単位時間あたりに持ち込まれる（流入する）水分量Ｗ(hyd-in)が算出される。
さらに、発電電流Ｉは、燃料電池２の内部で単位時間に消費される空気に含まれる酸素ガスの量及び水素ガスの量と相関するので、発電電流Ｉから、燃料電池２の内部で消費される空気流量及び水素ガス流量（ともに消費流量）が算出される。そして、それらの消費流量と、燃料電池２への空気の流入流量ｆ(air-in)及び水素ガスの流入流量ｆ(hyd-in)との差分が、それぞれ燃料電池２からの空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)として算定される。
また、そうして得られた空気の排出流量ｆ(air-out)と実測された排出圧力ｐ(air-out)とから、燃料電池２から単位時間あたりに排出される空気の体積（量）が求められ、これと、温度ｔ(air-out)における飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）とから、燃料電池２の内部から空気によって単位時間あたりに気体成分として持ち出される（排出される）水分量Ｗｖ(air-out)が算出される。
同様に、上記の如く得られた水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)と実測された排出圧力ｐ(hyd-out)とから、燃料電池２から単位時間あたりに排出される空気の体積（量）が求められ、これと、温度ｔ(hyd-out)における飽和水蒸気圧（飽和水蒸気量）とから、燃料電池２の内部から水素ガスによって単位時間あたりに気体成分として持ち出される（排出される）水分量Ｗｖ(hyd-out)が算出される。
またさらに、前述の如く、発電電流Ｉは、燃料電池２の内部で単位時間に消費される空気に含まれる酸素ガスの量及び水素ガスの量と相関するので、発電電流Ｉから化学量論的に燃料電池２における生成水量Ｗｇが算出される。
それから、このようにして算出されたＷ(air-in)、Ｗ(hyd-in)、及びＷｇが合算されて燃料電池２における単位時間あたりの水分の増加量が算出され、また、Ｗｖ(air-out)及びＷｖ(hyd-out)が合算されて燃料電池２における単位時間あたりの水分の減少量（但し、気体成分として排出される水分量）が算出される。そして、必要に応じて、そのように得られた水分の増加量から減少量を減じることにより、燃料電池２における水収支の正・負が判断される。
この水収支が負（マイナス）であれば、燃料電池２から気体成分として排出される水分量が、燃料電池２へ流入した水分とその内部で生成した水分の合計量よりも多いことを示すので、通常、燃料電池２の内部の空気及び水素ガスは過飽和とはなっておらず、水分が凝縮により液滴化する等して液体成分として存在している可能性は低い。
それとは逆に、この水収支が正（プラス）であれば、燃料電池２の内部にある空気及び／又は水素ガスが過飽和となっており、そのため凝縮により液滴化する等して液体成分として存在している可能性が高い。この場合、そのように液体成分として存在する水分は、燃料電池２から排出される空気及び水素ガスによって燃料電池２の外部へ排出され得る。
そこで、この水収支が正（プラス）の場合には、上記のように算出された排出される空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)、又は燃料電池２の発電電流Ｉに基づいて、燃料電池２から空気によって液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及び水素ガスによって液体成分として排出される水分量Ｗｌ(hyd-out)、又はそれらの合計量が算出される。
この場合、具体的には、まず、燃料電池システム１の運転に先立って、空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)、又は燃料電池２の発電電流Ｉを種々変化させ、そのとき燃料電池２から液体成分として排出される水分量を測定し、それらの関係を予め取得しておく。それから、得られた関係を、例えば、表データや数式データとして制御部９に記憶させておき、燃料電池システム１の実際の運転時に、実測値に基づいて算出された空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)、又は実測された発電電流Ｉを、その記憶させたデータに当てはめることにより、水分量Ｗｌ(air-out)及び水分量Ｗｌ(hyd-out)、又はその合計量を算定することができる。
ここで、図２は、燃料電池２からの空気の排出流量ｆ(air-out)及び水素ガスの排出流量ｆ(hyd-out)（単位は例えばＬ／ｍｉｎ）と、それぞれのガスによって液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及びＷｌ(hyd-out)（単位は、例えばｇ／ｍｉｎ）との関係を示すグラフである。図中、曲線Ｃ１，Ｃ２は、それぞれ空気及び水素ガスにおける関係を示す。また、図３は、燃料電池２の発電電流Ｉと、液体成分として排出される水分量の合計量（すなわち、Ｗｌ(air-out)＋Ｗｌ(hyd-out)）との関係を示すグラフである。
制御部９では、こうして算定された液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及びＷｌ(hyd-out)、又はそれらの合計量を、燃料電池２における上述した水分の減少量に加えて更に水収支が判断され、その結果に基づいて燃料電池２の内部における湿潤状態が判定される。
このような燃料電池システム１によれば、燃料電池２から排出される水分量として、気体成分として排出される水分量Ｗｖ(air-out)及びＷｖ(hyd-out)のみならず、それに加えて液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及びＷｌ(hyd-out)が加味されるので、燃料電池２の内部の水収支をより正確に把握することができる。よって、燃料電池２の内部の湿潤状態（気相の湿度及び固体高分子電解質層の湿潤度）をより正しく判定することができる。
また、従来のように液体成分として排出される水分量を考慮しない場合には、燃料電池の内部の水分量を過大に判定・評価してしまうおそれがあるのに対し、本発明の燃料電池システム１によれば、燃料電池２の内部の水分量を適正に判定・評価できる。よって、液体成分の排出による水分の過度な持ち出しに起因して固体高分子電解層の湿潤度が不都合に低下するとか、場合によってはセパレータの乾燥によるドライアウトが生じてしまうといった事態を抑止できる。
さらに、燃料電池２の内部の水収支の判定結果に基づいて、燃料電池２の内部に過剰な液体の水が滞留する可能性を予見し得る。もしそのような事態が予見される場合には、結露によって燃料電池２内の空気又は水素ガスの流路にフラッディングが生じることも予想されるので、燃料電池２へ流入する空気及び／又は水素ガスの流量又は流速を増大させて燃料電池２の内部の過剰な水分を強制的に排出させることができる。これにより、フラッディングの発生を確実に防止して発電効率や始動性を高めるといった制御が可能となる。
また、制御部９では、燃料電池２の内部温度（スタック温度）、或いは排出される空気及び／又は水素ガスの温度が所定の温度以下であるときに、液体成分として排出される水分量を算定して上述した水収支及び湿潤状態の判定を行ってもよい。
本発明者の知見によれば、ある燃料電池２のスタック温度が８０℃のときに、排出される空気又は水素ガス中に存在する全水分のうち液滴として存在する水の割合（質量基準）は、概ね５％であった。これに対し、その燃料電池２のスタック温度が２０℃のときには、排出される空気又は水素ガス中に存在する全水分のうち液滴として存在する水の割合（質量基準）は、概ね９５％であった。
このように、排出される空気又は水素ガスの温度が低い場合に液体成分として含まれる水分量は、温度がより高い場合に比して大きいので、燃料電池２の外部へ持ち去られる液体成分の水分量も増大する傾向にある。その場合、燃料電池２の水収支に与える影響が相対的に大きくなる。よって、燃料電池２或いは排出される空気の温度ｔ(air-out)又は水素ガスの温度ｔ(hyd-out)が所定の温度以下であるときに、上述した液体成分として排出される水分量Ｗｌ(air-out)及びＷｌ(hyd-out)を算定すれば、そのような低温時における燃料電池２の水収支及び内部の湿潤状態をより正確に判断できるので、燃料電池システム１の運転性能を一層向上させることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、排出配管１２，２３に流量計及び湿度計を設けて、それらの実測値と圧力の実測値により空気及び水素ガスの排出流量を算出してもよい。また、湿度計Ｈ１０，Ｈ２０に代えて、露点計等を設けて空気及び水素ガス中の水分含有量を実測してもよい。さらに、空気供給系３及び水素ガス供給系４の両方において、液体成分として排出される水分量を加味した水収支の判断を行うことが好ましいが、いずれか一方のみにおいて実施しても構わず、その場合、生成水によるフラッディングが比較的生じ易い空気供給系３において実施することが好ましい。
なお、本発明の燃料電池システム１は、車両や携帯機器等の移動体に搭載することはもちろん、例えば、燃料電池２を定置用として、燃料電池システム１をコージェネレーション（熱電併給）システムに組み入れることもでき、コージェネレーションシステムについては、商用はもちろんのこと家庭用住居にも導入することが可能である。
本発明による燃料電池システムによれば、燃料電池の内部の水分量をより正確に把握することができ、これにより燃料電池の内部の湿潤状態をより正確に精度良く判定することができるので、車両や携帯機器等の移動体に搭載することはもちろん、燃料電池を定置用として用いる商用及び家庭用のコージェネレーション（熱電併給）システム等の設備等にも広く利用することができる。
本発明による燃料電池システムの一実施形態を模式的に示す構成図である。 燃料電池からの空気の排出流量及び水素ガスの排出流量と、液体成分として排出される水分量との関係を示すグラフである。 燃料電池の発電電流と、液体成分として排出される水分量の合計量との関係を示すグラフである。
符号の説明
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…空気供給系、４…水素ガス供給系、５…出力系、９…制御部（湿潤状態判定部）、１１，２２…供給配管、１２，２３，２５…排出配管、１３…フィルタ、１４…コンプレッサ、１５…加湿器、１６…背圧調整弁、２１…高圧タンク、２３…循環配管、２４…水素ポンプ、２７…レギュレータ、３０…気液分離器、３１…ドレイン弁、３２…流体配管、３３…パージ弁、９１…演算処理・記憶部、９２…入出力インターフェイス、Ａ…合流点、Ｆ１０，Ｆ２０…流量計、Ｈ１０，Ｈ２０…湿度計、Ｐ１０，Ｐ１１，Ｐ２０，Ｐ２１…圧力計、Ｔ１１，Ｔ２１…温度計。

Claims (6)

  1. 燃料電池への流入水分量及び排出水分量並びに該燃料電池における生成水分量から、該燃料電池における水収支が判断され、該燃料電池の湿潤状態が判定される湿潤状態判定部を備える燃料電池システムであって、
    前記湿潤状態判定部では、前記燃料電池への流入ガスの物理量、該燃料電池からの排出ガスの物理量、及び、該燃料電池の状態量に基づいて、前記流入水分量、前記排出水分量として該燃料電池から気体成分として排出される水分量及び液体成分として排出される水分量、並びに前記生成水分量が算定される、
    燃料電池システム。
  2. 前記湿潤状態判定部では、
    前記流入水分量が、前記流入ガスの物理量としての流量、圧力、及び湿度又は露点温度を用いて算定され、
    前記気体成分として排出される水分量が、該排出ガスの物理量としての流量、圧力、及び、湿度若しくは露点温度又は温度を用いて算定され、
    前記生成水分量が、前記燃料電池の状態量としての発電電流から算定される、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記湿潤状態判定部では、前記発電電流から前記燃料電池の内部で消費される前記流入ガスの消費流量が算出され、該消費流量と前記流入ガスの流量とから、前記排出ガスの流量が算定される、
    請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記湿潤状態判定部では、前記燃料電池の実際の運転に先立って予め取得された排出ガスの流量に対する燃料電池から液体成分として排出される水分量の関係と、該燃料電池が実際に運転されているときの排出ガスの流量とに基づいて、該燃料電池が実際に運転されているときに液体成分として排出される水分量が算定される、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記湿潤状態判定部は、前記燃料電池又は前記排出ガスの温度が所定の温度以下であるときに、前記液体成分として排出される水分量を算定するものである、
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記流入ガス及び前記排出ガスが、燃料ガス及び／又は酸化ガスである、
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。


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