JP2008071597A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は燃料電池システムに関し、反応ガスに加湿を施しつつ、燃料電池に対して反応成分を適切な圧力で供給することを目的とする。
【解決手段】この発明は燃料電池１０を備える。燃料電池の要求する反応ガス圧を基本ガス圧として算出する基本ガス圧算出手段を備える。反応ガスへ加湿を行うインジェクタ５６を備える。加湿後の水蒸気分圧を取得する水蒸気分圧取得手段を備える。基本ガス圧と加湿後の水蒸気分圧を加えた圧に基づいて目標ガス圧を算出する目標ガス圧算出手段を備える。燃料電池で目標ガス圧となるように反応ガスを調節して燃料電池に供給する調節弁３６を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は燃料電池システムに関する。

従来、例えば特開２００５−３０２５５５号公報には、アノード側の水や窒素などの分圧を考慮して、アノードガスを供給する燃料電池システムが開示されている。燃料電池の動作の際、燃料電池のアノード側にアノードガスとして水素ガスが供給される。水素ガスを適度に供給すると、燃料電池の良好な性能が得られる。また、燃料電池の動作中、燃料電池のカソード側から水や窒素などがアノード側に移行する。そこで、上記従来の燃料電池システムでは、アノード側での水や窒素などの分圧はカソード側でのそれらの分圧と同等と仮定し、アノード側での水や窒素などの分圧を推定している。そして、水や窒素などの分圧を考慮して目標のガス圧を定め、燃料電池内部のアノード側のガス圧が目標のガス圧となるよう制御している。

特開２００５−３０２５５５号公報

ところで、燃料電池の良好な電池性能を得るためには、燃料電池内部に水が十分に存在することが重要である。そこで、燃料電池内部を加湿するために、燃料電池の反応ガスを加湿する場合がある。アノードガスを加湿すると、アノード側での水蒸気分圧が加湿に応じて上昇する。このとき、アノード側の水蒸気分圧は、カソード側の水蒸気分圧と同等に考えることはできない。よって、上記従来の技術では、反応ガスの加湿を行う場合に、水蒸気分圧を精度良く推定できない恐れがあった。従って、上記従来の技術では、反応ガスに加湿が施される場合には、真に反応に用いられる成分の分圧を正しく目標圧力に制御することが困難であった。

この発明は、上記のような課題を解決するためのもので、反応ガスに加湿を施しつつ、燃料電池に対して反応成分を適切な圧力で供給することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上述の目的を達成するため、燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池の要求する反応ガス圧を基本ガス圧として算出する基本ガス圧算出手段と、反応ガスへ加湿を行う加湿器と、加湿後の水蒸気分圧を取得する水蒸気分圧取得手段と、基本ガス圧と加湿後の水蒸気分圧を加えた圧に基づいて目標ガス圧を算出する目標ガス圧算出手段と、前記燃料電池で目標ガス圧となるように反応ガスを調節して前記燃料電池に供給する調節手段と、を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明１記載の燃料電池システムであって、前記加湿器は、反応ガスの水蒸気分圧が飽和水蒸気分圧になるように反応ガスへ加湿を行い、前記水蒸気分圧取得手段は飽和水蒸気分圧を取得することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明記載の燃料電池システムであって、反応ガスへの加湿量を取得する加湿量取得手段を備え、前記水蒸気分圧取得手段は、加湿量取得手段で取得された加湿量に基づいて加湿後の水蒸気分圧を取得し、前記加湿器は加湿量取得手段で取得された加湿量で反応ガスへ加湿を行うことを特徴とする。

第４の発明は、第３の発明記載の燃料電池システムであって、反応ガスはアノードガスであり、前記加湿量取得手段は、燃料電池内部に必要な水分量を加湿量として取得することを特徴とする。

第５の発明は、第３の発明記載の燃料電池システムであって、反応ガスはアノードガスであり、前記加湿量取得手段は、燃料電池のアノード側に必要な水分量を取得する必要水分量取得手段と、燃料電池のカソード側からアノード側に移行する水分量を算出する移行水分量算出手段とを含み、必要水分量から移行水分量を引いた量に基づいて加湿量を取得することを特徴とする。

第６の発明は、第３−５の発明のうちいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、反応ガスはアノードガスであり、前記水蒸気分圧取得手段は、燃料電池のカソード側からアノード側に移行する水分量を算出する移行水分量算出手段を含み、加湿量と移行水分量の和に基づいて加湿後の水蒸気分圧を取得することを特徴とする。

第７の発明は、第１−６の発明のうちいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、目標ガス圧よりも高い圧力で反応ガスを貯蔵する貯蔵器を備え、前記調節手段は、前記貯蔵器から供給された反応ガスを減圧する減圧器を含むことを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池に所望される反応ガス圧と加湿後の水蒸気分圧を加えた圧に基づいて目標のガス圧を定める。そして、燃料電池でのガス圧力が目標ガス圧になるように、反応ガスを調節して供給する。よって、本発明によれば、反応ガスへ加湿を行う際にも、適切な圧力で反応ガスを供給することができる。

第２の発明によれば、反応ガスの水蒸気分圧が飽和水蒸気分圧になるように反応ガスへ加湿を行う。このとき、加湿後の水蒸気分圧は飽和水蒸気分圧となる。飽和水蒸気分圧は温度により一義に算出できる。よって、本発明によれば、加湿後の水蒸気分圧を温度により一義に算出できる。

第３の発明によれば、反応ガスへの加湿量を取得し、取得した加湿量に基づいて水蒸気分圧を取得する。加湿量が多いと、加湿後の水蒸気分圧は高い。加湿量が少ないと、加湿後の水蒸気分圧は低い。加湿量に基づいて加湿後の水蒸気分圧を取得することで、加湿量の多少にかかわらず、加湿後の水蒸気分圧を精度良く推定することができる。

第４の発明によれば、燃料電池内部に必要な水分量を加湿量として取得し、取得した加湿量での加湿を行う。よって、本発明によれば、燃料電池に所望される水分量を適切に加湿することができる。

第５の発明によれば、カソード側から移行する水分量を燃料電池内部に必要な水分量から引いた量に基づいて、加湿量を算出する。燃料電池のアノード側には、カソード側から移行する水が所在する。カソード側から移行する水は、燃料電池内部を湿潤する。よって、燃料電池に真に加えるべき水分量は、必要な水分量からカソード側から移行する水分量を引いた量に相当する。これより、本発明によれば、燃料電池に所望される水分量を適切に加湿することができる。

第６の発明によれば、カソード側からアノード側に移行する水分量と加湿量の和に基づいて加湿後の水蒸気分圧を算出する。燃料電池のアノード側には、カソード側から移行する水が所在する。燃料電池のアノード側に所在する水分量は、カソード側から移行する水分量と加湿量の和になる。よって、カソード側から移行する水分量を考慮すると、燃料電池のアノード側の水分量をより正確に取得することができる。よって、本発明によれば、加湿後の水蒸気分圧を精度良く取得することができる。

第７の発明によれば、減圧器より目標ガス圧に減圧された反応ガスが燃料電池に供給される。つまり、目標ガス圧を減圧のみで実現することができる。所望のガス圧を得るために、増圧の必要が生ずるとすれば、その増圧を実現するためのエネルギーが必要になる。そこで、本発明の構成を用いれば、常に、特別なエネルギー消費を伴うことなく、目標ガス圧を得ることができる。従って、本発明よれば、優れた省電力特性を得ることができる。

実施の形態１．
[実施の形態１の構成]
図１は、実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。本実施の形態１の燃料電池システムは燃料電池１０を備える。燃料電池１０のカソード側にはカソード管路系１２を備える。燃料電池１０のアノード側にはアノード管路系１４を備える。また、燃料電池１０は温度センサ１１を備える。温度センサ１１は燃料電池の温度を測定する。燃料電池１０は電流センサ１３を備える。電流センサ１３は燃料電池１０の出力電流を測定する。

カソード管路系１２について説明する。カソード管路系１２はカソードガス源からカソードガス吸入を行う管路１６を備える。管路１６はコンプレッサ１８と接続される。コンプレッサ１８は管路２０を介し燃料電池１０と接続される。コンプレッサ１８は管路１６から管路２０へガスを流通させる。また、燃料電池１０は燃料電池１０から外部への管路２２を備える。管路２２は、調圧弁２４を介し希釈器２６と結ばれる。希釈器２６は希釈器２６内部のガスの濃度を希釈する役割を持つ。希釈器２６は、気液分離器２８を介し、燃料電池システム外部への管路３０と接続される。気液分離器２８は気液分離器内の気体と液体の混合物を気体と液体に分離する役割を持つ。

アノード管路系１４について説明する。アノード管路系１４は、アノードガス源としての高圧タンク３１と接続された管路３２を備える。高圧タンク３１には、燃料電池１０が必要とする圧力に比して十分に高い圧力で、水素ガスが貯蔵されている。管路３２は遮断弁３４を備える。遮断弁３４は遮断弁３４内部のガスの流れを遮断できる。遮断弁３４は管路３５を介して調圧弁３６と結ばれる。調圧弁３６はアノードガスの燃料電池への管路４０と結ばれる。調圧弁３６は、調圧弁３６を流通するガスを調整し、管路４０内のガス圧力を所定の圧力となるよう調整する。アノードガスの燃料電池への管路４０は圧力センサ４２を備える。圧力センサ４２は管路４０内部のガスの圧力を測定する。管路４０は燃料電池１０と接続される。また、燃料電池１０は、アノードガスの燃料電池外部への管路４３を備える。管路４３は、気液分離器４４を介して遮断弁４８と結ばれる。遮断弁４８は、管路５０を介し、アノード管路系の希釈器２６と接続される。また、気液分離器４４は水タンク５２と接続される。さらに、水タンク５２はカソード管路系１２の気液分離器２８と接続されている。水タンク５２は気液分離器４４，２８によって分離された液体（水）を貯蔵することができる。水タンク５２は、水排出弁５３を介して燃料電池システム外部に接続する。水タンクに貯蔵された水は、水排出弁５３により燃料電池システム外部に排出され得る。水タンク５２はコンプレッサ５４を介してインジェクタ５６と接続される。コンプレッサ５４は、水タンク５２内部の水をインジェクタ５６に向けて圧送する。インジェクタ５６は、外部から供給される信号を受けて、その水を管路５８に、つまり、燃料電池１０に供給されるアノードガス中に噴射することができる。インジェクタ５６は管路５８を介し、アノードガスの燃料電池への管路４０と接続される。

さらに、本実施形態の燃料電池システムはＥＣＵ６０を備える。ＥＣＵ６０には、温度センサ１１と電流センサ１３と圧力センサ４２が接続される。温度センサ１１と電流センサ１３と圧力センサ４２とでそれぞれ測定された測定値はＥＣＵ６０に送信される。また、ＥＣＵ６０は調圧弁３６と接続される。調圧弁３６はＥＣＵ６０の信号に従い、アノードガスの燃料電池への管路４０内のガスの圧力を調節できる。ＥＣＵ６０はインジェクタ５６と接続される。インジェクタ５６は、ＥＣＵ６０の信号に従い、水の噴射量を調節できる。

[実施の形態１の作用]
燃料電池の動作の際には、カソードガス源からカソードガス（空気（酸素））が供給され、カソードガスは燃料電池１０に送られる。アノードガス源としての高圧タンク３１から高圧のアノードガス（水素ガス）が供給される。高圧の水素ガスは調圧弁３６で減圧され、燃料電池１０に供給される。燃料電池１０では、水素ガスと空気の供給に伴い、発電反応が生ずる。発電反応に伴って、燃料電池１０のカソード側で水が生成する。カソード側で生成した水は、カソードガスの流れに伴い、カソードガスに含まれる形で燃料電池１０外部に排出される。ここで、燃料電池１０から燃料電池１０外部に排出されるカソードガスをカソードオフガスと呼ぶ。カソードオフガスは、気液分離器２８で気体成分と液体成分に分離される。カソードオフガスの気体成分は、燃料電池システムの外部へ排出される。気液分離器２８の液体成分は水タンク５２に移動して貯蔵される。また、燃料電池１０のカソード側に所在する空気の一部（窒素や酸素など）は、アノード側へ透過する。

燃料電池１０のカソード側に所在する水の一部は、アノード側へ移行する。また、インジェクタ５６は、水タンク５２に貯蔵された水を調圧弁３６の下流側のアノードガスに噴射して加湿を行う。インジェクタ５６より加湿された調圧弁３６の下流側のアノードガスは燃料電池のアノード側に供給される。よって、燃料電池１０のアノード側には、インジェクタ５６の加湿により加えられた水とカソード側から移行した水が所在する。これらの水は燃料電池１０内部を湿潤させる。燃料電池１０内部が十分に湿潤していると、良好な電池性能が得られる。

アノード側に所在する水は、アノードガスの流れに伴い、アノードガスに含まれる形で燃料電池１０の外部に排出される。燃料電池１０から排出されたアノードガスは気液分離器４４で気体成分と液体成分に分離される。排出されたアノードガスの気体成分は希釈器２６に移される。排出されたアノードガスの液体成分は水タンク５２に移され、水タンク５２で貯蔵される。

燃料電池１０のアノード側には、燃料電池１０の動作状態に応じた適切な圧力で水素ガスを供給することが望ましい。ここで、燃料電池１０内部のアノード側には、加湿によって加わった水が水蒸気として存在する。従って、燃料電池１０のアノード側でのガス圧力は、所望の水素ガス圧と加湿後の水蒸気分圧を加算したガス圧力であることが望まれる。そこで、本実施形態では、所定の水素ガス圧と加湿後の水蒸気分圧を加えた圧力を目標ガス圧として、燃料電池１０アノード側のガス圧力がその目標ガス圧となるように、水素ガスを調圧弁３６で調整して燃料電池１０に供給する。このような処理によれば、燃料電池１０のアノード側に適切な圧力で水素ガスを供給することができる。

[実施の形態１の効果]
上述のとおり、燃料電池１０のアノード側の圧力が目標ガス圧となるように、水素ガスを調圧弁３６で調整する。目標ガス圧は燃料電池１０の運転状態に応じた所望の水素ガス圧と加湿後の水蒸気分圧の和を用いている。燃料電池１０のアノード側でガス圧力が目標ガス圧になると、水素ガス圧は所望の圧力になる。よって、燃料電池１０のアノード側で目標ガス圧となるよう水素ガスを調整して供給すると、適切な圧力で水素ガスを供給することができる。

加湿量が多くなると、水蒸気分圧は高くなる。水蒸気分圧が高くなると、その分目標ガス圧は高くなる。また、加湿量が少なくなると、水蒸気分圧は低くなる。水蒸気分圧が低くなると、その分目標ガス圧は低くなる。これらのとき、燃料電池１０のアノード側で目標ガス圧となるように水素ガスの供給を調整すると、適切な水素ガス圧が達成される。以上により、加湿後の水蒸気分圧を考慮した目標ガス圧とすることで、加湿量の多少にかかわらず、燃料電池１０のアノード側に適切な圧力で水素ガスを供給することができる。

上述のとおり、燃料電池１０のアノード側で目標ガス圧となるように、水素ガスは高圧タンク３１から調圧弁３６で減圧されて供給される。所望のガス圧を得るために、増圧の必要が生ずるとすれば、その増圧を実現するためのエネルギーが必要になる。これに対して、本実施形態のシステムによれば、所望のガス圧を減圧のみで実現することができる。つまり、本実施形態のシステムによれば、所望のガス圧を、常に、特別なエネルギー消費を伴うことなく得ることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、優れた省電力特性を得ることができる。

なお、本実施の形態では、インジェクタ５６を用いて加湿を行っているが、これに限られるものではない。一般的に用いられる加湿器を用いて加湿を行えばよい。例えば、中空子型加湿器や平膜型加湿器に代表される、水を透過させる膜を備えた加湿器を用いて加湿を行ってもよい。より具体的には、加湿室と被加湿室と水分を透過させる透過膜を備え、加湿室から被加湿室へ膜を通して水分を移行させる加湿器を考える。加湿室にカソードオフガスを流通させ、被加湿室にアノードガスを流通させる。ここで、カソードオフガスは、燃料電池１０のカソード側で生成した水を含み、十分に湿潤している。カソードオフガスに含まれる水が水分透過膜を通してアノードガス中に移行する。よって、アノードガスを加湿することができる。さらには、加湿室と被加湿室のガス圧力差や温度を調整すると、アノードガスへの加湿量を調節できる。

なお、本実施の形態では、高圧タンク３１は水素ガスを高圧で貯蔵する水素貯蔵タンクである。しかし、これに限られるものではなく、水素を高圧で供給する貯蔵器であればよい。例えば、液体水素を貯蔵する液体水素タンクでもよい。また、水素を吸蔵して貯蔵する水素吸蔵タンクでもよい。

なお、本実施の形態では、燃料電池１０のアノード側で目標ガス圧を算出し、目標ガス圧となるように水素ガスを供給しているが、これに限られるものではない。燃料電池１０のカソード側に用いる場合、カソード側で目標ガス圧を算出し、目標ガス圧となるようにカソードガスを供給してもよい。

[実施の形態１の具体的処理]
図２は実施の形態１のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図２に示すルーチンでは、まず、燃料電池１０の出力電流Ｉを取得する（ステップ１００）。上述のとおり、電流センサ１３は燃料電池１０の出力電流Ｉを測定する。本ステップ１００において、ＥＣＵ６０は電流センサ１３で測定された出力電流Ｉを取得する。

次に、基本アノードガス圧Ｐａｂａｓｅを算出する（ステップ１０２）。ここで、基本アノードガス圧Ｐａｂａｓｅは、燃料電池１０アノード側で所望される水素ガス圧である。基本アノードガス圧Ｐａｂａｓｅは、燃料電池１０の運転状態に応じたガス圧とすることが望まれる。ここでは、燃料電池１０の運転状態は、燃料電池の出力電流の大小で判断される。ステップ１０２では、出力電流Ｉを用いて燃料電池１０の運転状態を推定し、このときに所望される水素ガス圧を推定する。出力電流Ｉが大きくなるほど、所望の水素ガス圧は大きく。出力電流Ｉが小さくなるほど、所望の水素ガス圧が小さくなる。これらの関係となるよう、予め出力電流Ｉに対するＰａｂａｓｅをマップで準備する。そして、本ステップ１０２では、このマップを参照して出力電流ＩからＰａｂａｓｅを算出する。

そして、燃料電池１０の温度Ｔを取得する（ステップ１０４）。上述のとおり、温度センサ１１は燃料電池１０の温度Ｔを測定する。本ステップ１０４では、温度センサ１１で測定された温度Ｔを取得する。
続いて、インジェクタ５６で噴射する加湿量を算出する（ステップ１０６）。ここでは、燃料電池１０のアノード側の水蒸気分圧が飽和するような加湿を行う。本ステップ１０６では、まず、温度Ｔでの飽和水蒸気分圧Ｐｆを算出する。続いて、飽和水蒸気分圧Ｐｆとなるように加湿量を算出する。そして、インジェクタ５６は、ステップ１０６で算出した加湿量での噴射を行う。
続いて、加湿後の水蒸気分圧Ｐｗを算出する（ステップ１０８）。ここでは、ステップ１０６で行われた加湿により、燃料電池１０のアノード側の水蒸気分圧は飽和している。そこで、本ステップ１０８では、加湿後の水蒸気分圧Ｐｗを飽和水蒸気分圧Ｐｆとして、加湿後の水蒸気分圧Ｐｗを算出する。

続いて、目標ガス圧Ｐａを算出する（ステップ１１０）。目標ガス圧Ｐａは、基本アノードガス圧Ｐａｂａｓｅと水蒸気分圧Ｐｗの和とする。ここでは、目標ガス圧Ｐａは、加湿後の水蒸気分圧を考慮した圧力となっている。
そして、燃料電池１０のアノード側で目標ガス圧Ｐａとなるように、供給される水素ガスを制御する（ステップ１１２）。本ステップ１１２では、具体的にはまず、圧力センサ４２で測定されたガス圧力を取得する。圧力センサ４２でのガス圧力は、燃料電池１０のアノード側でのガス圧力と同等と考えられる。そこで、圧力センサでのガス圧力が目標ガス圧Ｐａとなるように、水素ガスの供給を調圧弁３６で調節する。これより、燃料電池１０のアノード側でのガス圧力は目標ガス圧Ｐａとなる。ここでは、燃料電池１０のアノード側で目標ガス圧Ｐａとなるように水素ガスを調整すると、所望の水素ガス圧が達成される。以上により、加湿後の水蒸気分圧を考慮した目標ガス圧とすることで、燃料電池１０のアノード側に適切な圧力で水素ガスを供給することができる。

本実施の形態では、ステップ１０８において、加湿後の水蒸気分圧を飽和水蒸気分圧として得ている。従って、加湿後の水蒸気分圧を温度により一義に決めることができる。

本実施の形態では、ステップ１１０において、目標ガス圧Ｐａは、加湿後の水蒸気分圧を考慮した圧力となっている。しかしながら、本実施の形態はこれに限られるものではない。すなわち、水蒸気分圧に加えて、窒素ガスや酸素ガスなどの気体不純物を考慮した目標ガス圧としてもよい。このとき、気体不純物を考慮した目標ガス圧となるように水素ガスを供給すれば、より望ましい圧力で水素ガスを供給することができる。より具体的には、アノード側での窒素の圧力を推定する。そして、窒素の圧力と加湿後の水蒸気分圧と所望される水素ガス圧を加えた圧を目標ガス圧とする。

実施の形態２．
実施の形態２のシステムについて説明する。実施の形態２の燃料電池システムは、図１の燃料電池システムと同様である。図３は実施の形態２のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図３において図２と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。

図３に示すルーチンでは、ステップ１０２での基本アノードガス圧Ｐａｂａｓｅの算出に続き、燃料電池１０のアノード側で所望される必要水分量を算出する（ステップ１１６）。ここでは、燃料電池１０の運転状態に従って、燃料電池１０のアノード側で所望される所定の水分量が算出される。ここでは、燃料電池１０の運転状態は、燃料電池１０の出力電流Ｉの大小より判断される。すなわち、ステップ１１６では、ステップ１００で取得した出力電流Ｉに基づいて、必要水分量を算出する。具体的には、出力電流Ｉが大きくなるほど、必要水分量が多くなる。出力電流Ｉが小さくなるほど、必要水分量が少なくなる。これらの関係となるよう、予め出力電流Ｉに対する必要水分量をマップで準備する。そして、本ステップ１１６では、このマップを参照して出力電流Ｉから必要水分量を算出する。

続いて、インジェクタ５６で噴射する加湿量を算出する（ステップ１１８）。ここでは、アノード側に所望される水分量すべてをインジェクタ５６の加湿で補うように、加湿量を算出する。本ステップ１１８では、ステップ１１６で算出した必要水分量を加湿量として算出する。そして、インジェクタ５６は、ステップ１１８で算出した加湿量での噴射を行う。
次に、アノード側での水蒸気分圧Ｐｗを算出する（ステップ１２０）。ここでは、インジェクタ５６で噴射される加湿量が、新たにアノード側に加わる水分量である。インジェクタ５６での加湿量がすべて水蒸気となると仮定し、水蒸気分圧Ｐｗを推定する。本ステップ１２０では、まず、前回のルーチンで算出した水蒸気分圧をＰｗ１として取得する。そして、ステップ１１８で得た加湿量がすべて水蒸気となったときの水蒸気分圧をＰｗ２として算出する。Ｐｗ１とＰｗ２を加えた圧を、アノード側での加湿後の水蒸気分圧Ｐｗとして算出する。なお、初回のルーチン時には、Ｐｗ１を０として取得する。なお、インジェクタ５６の動作していないときには、ＰＷを所定の割合で減少させる。ここで、所定の割合とは、燃料電池１０の運転状態と温度により定まる値である。

ステップ１０４では、燃料電池１０の温度Ｔを取得する。そして、ステップ１０４で取得した温度Ｔでの飽和水蒸気分圧Ｐｆを算出する（ステップ１２１）。
続いて、水蒸気分圧Ｐｗと飽和水蒸気分圧Ｐｆを比較する（ステップ１２２）。ステップ１２０で算出した水蒸気分圧Ｐｗが飽和水蒸気分圧Ｐｆより高い場合、水蒸気分圧Ｐｗは、飽和しており、飽和水蒸気分圧Ｐｆとなっていると判断できる。この場合、水蒸気分圧Ｐｗを飽和水蒸気分圧Ｐｆとなるように補正する（ステップ１２４）。他方、ステップ１２１で水蒸気分圧Ｐｗが飽和水蒸気分圧Ｐｆより高くないと判断された場合は、水蒸気分圧Ｐｗをそのまま用いる。以後、ステップ１１０、１１２と、目標ガス圧Ｐａを算出し、目標ガス圧Ｐａとなるように水素ガスを供給する。

以上の具体的処理を行うことにより、加湿後の水蒸気分圧を考慮した目標ガス圧とすることで、燃料電池１０のアノード側に適切な圧力で水素ガスを供給することができる。さらには、ステップ１１８において、燃料電池１０のアノード側で所望される水分量を加湿することにより、燃料電池に所望される水分量を適切に供給することができる。そして、ステップ１２２、１２４において、飽和水蒸気分圧Ｐｆより水蒸気分圧Ｐｗが大きいか否かに基づいて水蒸気分圧Ｐｗを補正することより、加湿後の水蒸気分圧をより精度良く推定することができる。

なお、本実施の形態では、ステップ１１６において、燃料電池１０のアノード側で所望される必要水分量は、出力電流Ｉを用いて算出したが、これに限られるものではない。

なお、本実施の形態ではステップ１１８において、加湿量は、ステップ１１６で算出した必要水分量を加湿量として算出したが、これに限られるものではない。上述のとおり、燃料電池１０のアノード側に所在する水は、アノードガスに含まれる形で燃料電池１０外部に排出される。そこで、アノード側から排出される水分量を考慮して、加湿量を算出してもよい。具体的には、まず、アノード側から排出される水分量を公知の手法により算出する。そして、必要水分量にアノード側から排出される水分量を加えた量を、加湿量とする。

なお、本実施の形態では、ステップ１１８で算出した加湿量に従ってインジェクタ５６で噴射を行ったが、これに限られるものではない。例えば、ステップ１２４で水蒸気分圧Ｐｗを飽和水蒸気分圧Ｐｆとする補正を行った後、補正後の水蒸気分圧Ｐｗとなるように加湿量を算出する。その算出した加湿量で、インジェクタ５６で加湿を行ってもよい。このとき、ステップ１２２で水蒸気分圧Ｐｗをそのまま用いると判断した場合は、ステップ１１８で算出した加湿量に従って、インジェクタ５６の噴射を行う。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３の燃料電池システムを説明するための図である。実施の形態３の燃料電池システムは、圧力センサ６２および流量センサ６４を新たに備える点を除いて、図１の燃料電池システムと同様である。実施の形態３において実施の形態１と同じ部分は、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。図４に示す燃料電池システムは、燃料電池１０カソード側から外部への管路２２に圧力センサ６２を備える。圧力センサ６２は、管路２２でのカソード側から排出されるカソードオフガスの圧力（以下、「エア背圧Ｐｃ」と称す）を測定する。また、カソードガス源とコンプレッサ１８を結ぶ管路１６に流量センサ６４を備える。流量センサ６４は、燃料電池１０での酸素消費量が補正され、管路２２でのカソードオフガスの流量（以下、「カソードオフガス流量ｖ」と称す）を取得する。ここで、燃料電池１０での酸素消費量は電流より推定される。圧力センサ６２と流量センサ６４で測定された測定値はＥＣＵ６０に送信される。

図５は実施の形態３のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。図５において図３と同じ部分には、同じ符号を用い、詳細な説明を省略する。
図５に示すルーチンでは、ステップ１０２での基本アノードガス圧Ｐａｂａｓｅの算出に続き、エア背圧Ｐｃとカソードオフガス流量ｖを取得する（ステップ１２６）。ＥＣＵ６０は、具体的には、圧力センサ６２で測定されたエア背圧Ｐｃと、流量センサ６４で測定されたカソードオフガス流量ｖを本ステップで取得する。
続いて、ステップ１０４では、燃料電池１０の温度Ｔを取得する。ステップ１２１では、ステップ１０４で取得した温度Ｔでの飽和水蒸気分圧Ｐｆを算出する。

次に、カソード側の持ち去り水分量を算出する（ステップ１２８）。ここで、カソード側の持ち去り水分量とは、燃料電池１０のカソード側から燃料電池外部に持ち去られる水分量である。ここでは、上述のとおり、カソード側で生成した水は、カソードオフガスに含まれる形で燃料電池１０の外部に排出される。カソードオフガスには、飽和するのに十分な水が含まれていると考えられる。よって、カソード側から持ち去られる水分量は、カソードオフガスでの飽和水蒸気分圧に相当する水分量と考えられる。そこで、カソード側から持ち去られる水分量は、カソードオフガスの圧力と流量と、飽和水蒸気分圧に基づいて推定される。本ステップ１２８では、カソード側での持ち去り水分量を、上記のステップで算出したカソードオフガス流量ｖと水蒸気分圧Ｐｆとエア背圧Ｐｃとを用いて、式（１）より算出する。

持ち去り水分量 ＝ カソードオフガス流量ｖ×飽和水蒸気分圧Ｐｆ/（エア背圧Ｐｃ−飽和水蒸気分圧Ｐｆ） ・・・・（１）

持ち去り水分量は式（１）であらわされることから、エア背圧Ｐｃが高くなると持ち去り水分量は少なくなり、エア背圧Ｐｃが低くなると持ち去り水分量は多くなる。また、カソードオフガス流量ｖが多くなると持ち去り水分量は多くなり、カソードオフガス流量ｖが少なくなると持ち去り水分量は少なくなる。

続いて、生成水分量を算出する（ステップ１３０）。ここで、生成水分量は、燃料電池１０のカソード側で生成する水分量である。燃料電池１０は、上述のとおり、発電反応に伴って、カソード側で水を生成する。燃料電池１０の出力電流Ｉが大きい場合、発電反応が多く行われ、水が多く生成される。燃料電池１０の出力電流Ｉが小さい場合、発電反応はあまり行われておらず、生成される水は少ない。本ステップ１３０では、電流センサ１３での出力電流Ｉを取得し、出力電流Ｉの大小に伴ってカソード側の生成水分量を算出する。具体的には、生成水分量を出力電流Ｉ×セル数/２/ファラデー定数として算出する。ここで、セル数は燃料電池１０を構成する燃料電池セルの枚数であり、ファラデー定数は９６４８５．３mol/sである。

続いて、カソード側からの移行水分量を算出する（ステップ１３２）。上述のとおり、燃料電池１０のカソード側に所在する水の一部は、アノード側へ移行する。カソード側には、カソード側で生成する水からカソードオフガスにより持ち去られた後の水が所在する。さらに、カソード側に所在する水の一部は、アノード側とカソード側との水蒸気分圧差に従い、アノード側に浸透する。本ステップ１３２では、まず、ステップ１３０で算出した生成水分量からステップ１２８で算出した持ち去り水分量を引いた量を算出する。この生成水分量から持ち去り水分量を引いた量に基づいて、カソード側からアノード側へ移行する移行水分量を算出する。

続いて、ステップ１１６で、アノード側での必要水分量を算出する。そして、インジェクタ５６での加湿量を算出する（ステップ１３６）。上述のとおり、アノード側には、カソード側から移行した水が所在する。アノード側で必要とされる水の一部は、アノード側へ移行した水で補われている。そこで、アノード側で必要とされる水のうち、アノード側へ移行した水を除いた部分を、加湿により付加する。本ステップ１３６では、ステップ１１６で算出した必要水分量から、ステップ１３２で算出したアノード側への移行水分量を引いた量を、インジェクタ５６で加湿すべき加湿量とする。インジェクタ５６は算出した加湿量での噴射を行う。

そして、水蒸気分圧Ｐｗを算出する（ステップ１３８）。燃料電池１０のアノード側には、アノード側へ移行した水に加え、インジェクタ５６により加湿された水が所在する。そこで、アノード側での水蒸気分圧Ｐｗは、アノード側へ移行した水と加湿量を水蒸気として換算した分圧となる。本ステップ１３８では、ステップ１３２で算出したアノード側への移行水分量とステップ１３６で算出した加湿量を加算する。加算された水分量が、すべて水蒸気であると考え、水蒸気分圧Ｐｗを算出する。以下、ステップ１２２、１２４、１１０、１１２を行い、目標ガス圧Ｐａとなるように水素ガスを調整する。

本実施形態では、ステップ１３８において、カソード側から移行する水分量を考慮した水蒸気分圧を算出している。これより、非常に精度良く加湿後の水蒸気分圧を得ることができる。

本実施の形態では、ステップ１３６において、カソード側から移行する水分量を考慮して加湿量を算出している。これより、精密に加湿量を得ることができる。

なお、本実施の形態では、ステップ１２６において、カソードオフガス流量ｖの取得は、流量センサ６４で測定しているが、その取得方法は、これに限られるものではない。例えば、燃料電池１０のカソード出口に備えられた管路２２に流量センサを設けてカソードオフガスの流量を取得してもよい。例えば、コンプレッサ１８で送られるカソードガスの流量を測定し、このカソードガスの流量からカソードオフガスの流量を推定してもよい。このとき、流量センサ６４は備えていなくてもよい。

なお、本実施の形態では、ステップ１３２において、カソード側から移行する移行水分量は、生成水分量から持ち去り水分量を引いた量に基づいて取得したが、これに限られるものではない。アノード側での圧力とカソード側での圧力と燃料電池の温度と燃料電池の電流に基づいて、移行水分量を推定することとしてもよい。

図１は、実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。 図２は実施の形態１のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。 図３は実施の形態２のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。 図４は、実施の形態３の燃料電池システムを説明するための図である。 図５は、実施の形態３のＥＣＵでの具体的処理をあらわすフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池
１１ 温度センサ
１３ 電流センサ
３１ アノードガス源
３６ 調圧弁
４０ アノードガスの燃料電池への管路
４２ 圧力センサ
５６ インジェクタ
５２ 水タンク
６０ ＥＣＵ

Claims (7)

1. 燃料電池と、
   燃料電池の要求する反応ガス圧を基本ガス圧として算出する基本ガス圧算出手段と、
   反応ガスへ加湿を行う加湿器と、
   加湿後の水蒸気分圧を取得する水蒸気分圧取得手段と、
   基本ガス圧と加湿後の水蒸気分圧を加えた圧に基づいて目標ガス圧を算出する目標ガス圧算出手段と、
   前記燃料電池で目標ガス圧となるように反応ガスを調節して前記燃料電池に供給する調節手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記加湿器は、反応ガスの水蒸気分圧が飽和水蒸気分圧になるように反応ガスへ加湿を行い、
   前記水蒸気分圧取得手段は飽和水蒸気分圧を取得することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   反応ガスへの加湿量を取得する加湿量取得手段を備え、
   前記水蒸気分圧取得手段は、加湿量取得手段で取得された加湿量に基づいて加湿後の水蒸気分圧を取得し、
   前記加湿器は、加湿量取得手段で取得された加湿量で反応ガスへ加湿を行うことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   反応ガスはアノードガスであり、
   前記加湿量取得手段は、燃料電池内部に必要な水分量を加湿量として取得することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３記載の燃料電池システムであって、
   反応ガスはアノードガスであり、
   前記加湿量取得手段は、燃料電池のアノード側に必要な水分量を取得する必要水分量取得手段と、燃料電池のカソード側からアノード側に移行する水分量を算出する移行水分量算出手段とを含み、必要水分量から移行水分量を引いた量に基づいて加湿量を取得することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項３−５のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
   反応ガスはアノードガスであり、
   前記水蒸気分圧取得手段は、燃料電池のカソード側からアノード側に移行する水分量を算出する移行水分量算出手段を含み、加湿量と移行水分量の和に基づいて加湿後の水蒸気分圧を取得することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１−６のいずれか１項記載の燃料電池システムであって、
   目標ガス圧よりも高い圧力で反応ガスを貯蔵する貯蔵器を備え、
   前記調節手段は、前記貯蔵器から供給された反応ガスを減圧する減圧器を含むことを特徴とする燃料電池システム。

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