JP3894026B2 - 燃料電池内部の水分測定方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体発電機、家庭用小型発電機に適した燃料電池に関し、詳細にはその燃料電池内部の水分測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、燃料電池は水分の供給量が少ないと、燃料電池内部の固体電解質膜が乾燥することで該固体電解質膜の内部抵抗が増加し、同じ電流で動作させた場合でも出力電圧が低下する。逆に、水分が過剰である場合は、燃料電池内部に存在する水により反応面へのガスの拡散が阻害されることで出力電圧が低下する。
【０００３】
従来では、燃料電池内部の水分量の過剰・不足が判断できないため、水分量を最適に制御することはできなかった。
【０００４】
しかし、燃料電池を高効率に運転させるために該燃料電池内部の水分の管理を最適に行う必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来においては、燃料電池内部の水分量を計測する手法がない。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池に係る物理量から燃料電池内部の水分量を推算することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、次のような手段を採用した。
【００１２】
即ち、請求項１記載に発明は、燃料電池内部の水分を現在水分量の指標値として測定し、この測定時点から所定時間経過後の該燃料電池内部の水分を、上記測定時点における将来水分量の指標値として推定し、現在水分量の指標値と将来水分量の指標値との相対比較により、現在における燃料電池内部の水分量が過剰・不足を判定するようにしたものであり、燃料電池内部の現在水分量の指標値は、燃料電池の計測電圧から燃料電池を構成する固体電解質の電気抵抗による電圧降下量を測定し、その電圧降下量を計測電流値で除して得られる導電率とする。また、請求項２では請求項１のように求めた計測導電率に加えて、固体電解質の入口導電率、飽和導電率を求め、これら計測導電率、入口導電率、飽和導電率に基いて導電率の飽和位置を求め、この飽和位置を現在水分量の指標値とすることもできる。具体的には請求項２の飽和位置は請求項３に記載した式により求めることができる。
【００１３】
将来水分量の指標値は、請求項４に記載したように、固体電解質の空気流路内部の飽和蒸気濃度、前記空気流路入口の水分濃度、および前記空気出口の水分濃度に基いて空気流路の凝縮水発生位置を求めることで得られる。具体的には請求項５に記載した数式により求めることができる。
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池内部、即ち固体電解質内部の水分量に応じて燃料電池に供給される空気、水素に対する加湿量を制御し、固体電解質の湿潤状態を適正にして内部抵抗の変動を所定範囲に抑えて、燃料電池の出力電圧の低下を防ぐようにすることが可能である。
【００１５】
つまり、燃料電池を運転するシステムにおいて、その運転条件の瞬時瞬時における水分量を測定するだけでは過剰な水分量が燃料電池内部に存在することによる見かけ上の導電率の低下か、あるいは水分量の低下による導電率の低下か、を区別できないため、水分の過剰、不足を判断できない。水分の過剰、不足を判断するため、先ず所定の時期に測定した水分量を現在水分量とし、この水分量と将来水分量の予測値との比較から現在の水分量が今後、増加するか、減少するかを判定するものである。
【００１６】
次に、将来の水分量が現在の水分量よりも多いと判断された場合には、燃料電池内部が湿潤状態に移行すると考え、導電率が上昇すると仮定する。その仮定のもと、導電率の上昇が観察される場合は、燃料電池の内部水分量は不足状態から最適状態に近づいていると判断し、逆に導電率が下降する場合は、水分量が増加することで導電率が低下することから、水分量が最適状態から過剰状態に移行しつつあると判断する。将来の水分量が現在の内部水分量が少ないと判断された場合には燃料電池内部が乾燥状態に移行すると考え、導電率が低下するものと仮定する。その仮定のもと、導電率の低下が観察される場合には、水分量は最適状態から不足状態へ移行していると判断し、逆に導電率が増加する場合は、水分量が減少することで導電率が増加していることから、水分量が過剰状態から最適状態へ移行しつつあると判断する。導電率の変化を観察する方法としては、一例として、現在の導電率と過去の導電率とを比較し、導電率の時間変化を見るといったことが考えれられる。
【００１７】
このように、ある運転条件下において、燃料電池内部の水分量が過剰・不足を判定することができるため、この判定結果を基にして燃料電池への燃料ガスあるいは酸化性ガスの少なくとも何れか一方に対する加湿量を先回りして制御することで、燃料電池の固体電解質を適正な湿潤状態にすることができる。
【００１８】
請求項６記載の発明によれば、請求項３と請求項５との組合せにより、導電率の飽和位置と凝縮水位置とを比較し、時間の経過により前記発生位置に対して前記飽和位置が近づく方向に変化した場合において、両位置の差が所定範囲では前記空気流路内の水分量が適切であると判定し、この範囲外では水分量が不足していると判定し、一方、前記両位置が時間の経過により離れる場合は前記空気流路内の水分量が過剰であると判定するようにしたものである。これにより、燃料電池の出力低下を、過剰な水分による電池反応の阻害か、固体電解質の乾燥による導電率の該固体電解質の導電率の低下か、を区別することができる。
【００１９】
請求項７記載の発明では、燃料電池内部の水分量の判定結果に基づいてその燃料電池に対する燃料ガスまたは酸化性ガスの少なくとも何れか一方への加湿量を制御するものである。請求項７記載の発明によれば、燃料電池の固体電解質の水分量を適正に制御することができるため、燃料電池の出力電圧を運転条件に合致したものとすることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は本発明における燃料電池システム図である。図１において、１は燃料電池であり、固体電解質膜１０とこの固体電解質膜１０の燃料ガス流路及び酸化ガス流路（図示しない）の表面に形成された触媒層（図示しない）及び拡散層（図示しない）とにより、構成されている。２は燃料電池１に空気を供給するコンプレッサ、３は燃料電池１に水素を供給する水素供給装置、４，５はそれぞれ空気加湿器、水素加湿器を示す。
【００２２】
６は燃料電池１から排出される空気側の通路に配置された空気側背圧制御弁、７は燃料電池１から排出される水素側背圧調整弁である。
【００２３】
なお、Ａは燃料電池１と負荷との間に直列接続した電流センサ、Ｆはコンプレッサ２の出口側に配置した質量流量センサ、Ｈは燃料電池１の空気流入側における空気通路に配置した湿度センサ、Ｐは空気側の圧力センサ、Ｑは水素側の圧力センサ、Ｒは空気排出側の圧力センサ、Ｔは燃料電池１の温度を測定する温度センサまたは燃料電池１に供給される空気の温度を測定する温度センサあるいは燃料電池１の水素排出側の水素温度を測定する温度センサをそれぞれ示している。Ｖは燃料電池１と負荷との間に並列接続された電圧センサである。
【００２４】
各センサの出力信号はμコンピュータにより構成される制御部に入力され、そしてこの制御部はこれらの入力信号の入力により後述するロジックに基づいてコンプレッサ２、水素供給装置３、加湿器４、５、背圧調整弁６、７を制御する。
【００２５】
ところで、公知のように、燃料電池１内部の水分量の増減によって、燃料電池１の出力電圧が変化する。よって、逆の見方をすれば、燃料電池１の出力電圧の変化から、燃料電池の内部水分量が推算できる。
【００２６】
その原理を簡単に説明する。燃料電池は、水素と酸素の反応により電力を取り出すため、電流発生量に応じて水が生成する。燃料電池では、図２のように空気と水素との電気化学的反応により生成した空気流路側の水がその流路側の下流に運ばれるため、生成水が多いときは空気流路の上流から下流に向けて水分量の分布が形成される。この水分量の分布により、固体電解質膜の導電率分布が形成されることで導電率の平均値が変化する。よって、燃料電池の内部抵抗より導電率が推定できれば、導電率の平均値が推定した導電率に等しくなるような分布状態を逆算することで導電率の分布が推定できる。導電率の分布が推定できれば、そこから逆算し水分量の分布を推算できる。
【００２７】
具体的な推定ロジックを図３に示す。燃料電池の電圧・電流を計測し、計測時の燃料電池内部水分量を推算し、現在値（現在水分量）とする（Ａ）。
【００２８】
一方、この計測時点から所定時間経過後の燃料電池内部の水分を、この計測時点における将来水分量として推定する。つまり、この計測時点での燃料電池の運転条件（ガス流量、温度、圧力）から、燃料電池の定常状態の水分量を推算し、その値を将来値とする（Ｂ）。この値を将来値とする理由は、現在（計測時点）の条件を連続的に維持すれば、最終的に定常状態（所定時間経過後）での水分量になり、計測時点においても定常状態に移行しつつあると考えれらためである。
【００２９】
推算した現在水分量と将来水分量との比較と、燃料電池の運転状態の時間変化（導電率等）から現在の水分量が所定時間経過後の将来において燃料電池に対して過剰となるのか不足するのかを判定する（Ｃ）。
【００３０】
次に、図３で説明した各制御ロジックＡ〜Ｃを更に詳細に展開し、説明する。先ず、制御ロジックＡの、電流、電圧から燃料電池１の内部水分量を現在値として算出する手法を説明する。
【００３１】
【制御ロジックＡ】
図４において、燃料電池の電圧、電流を計測する（４０１、４０２）。起電圧に影響を与える物理量（空気入口圧力（４０３）、流量（４０６）、水素入口圧力（４０５）、セル温度（４０４））を計測し、計測データから燃料電池起電圧を算出する。
【００３２】
燃料電池の起電圧と活性化過電圧、抵抗損失電圧との関係は図７に示したとおりであり、図７において、燃料電池起電圧（４０７）と燃料電池出力電圧とから活性化過電圧を差し引いた量を計測電流値で割ることで燃料電池内部抵抗（４０８）を推算することとした。
【００３３】
このようにして推算した内部抵抗の逆数をとり、燃料電池の導電率（４０９）としてこれを推算することとした。燃料電池の導電率は、固体電解質膜自体の導電率と、拡散層の水による化学反応の抵抗とによってほぼ決定されると考えられるので、上記のようにして電流・電圧から算出した導電率を電解質膜の導電率とした（４０９）。
【００３４】
導電率分布の算出法を説明する。まず、燃料電池の入口空気湿度を湿度センサＨ（図１参照）にて検出する（４１０）。入口空気湿度を基に、入口の電解質膜の導電率を推算する（４１１）。入口空気湿度と固体電解質膜の入口側導電率との関係を予め図８のようにマップ化しておく。そして、図９の電解質膜導電率マップより、その湿度における入口の電解質膜導電率を算出する。図９において、横軸は固体電解質膜上の空気流路の長さ方向の空気湿度を示し、０ポイントは空気流路の入口座標、１ポイントは空気流路の出口座標を示す。この図８から理解されるごとく、空気流路の出口座標では導電率が飽和領域に達する。これは、前述したように、空気流路においては、空気流路で生成した水がその下流域に運ばれるため、自ずと固体電解質膜は水を飽和状態に含み、かつ固体電解質膜上に水分が凝縮した過飽和状態となっているからである。
【００３５】
なお、図９では０ポイントにおける湿度に対応する導電率を電解質膜入口導電率として示してあり、この図９は一例である。
【００３６】
次に、燃料電池１の計測温度（温度センサＴに基く）における飽和導電率（σMAX）を推算する（４１２）。固体電解質膜の導電率の分布は、図９のように入口導電率から１次関数的に増加し、飽和導電率に到達すると電解質膜の含水量が飽和することで導電率が飽和する。このため、飽和導電率に到達した下流域は、飽和導電率で一定となる。空気流路の出口座標を１となるように規格化すると、ｘ軸、ｙ軸、飽和導電率ラインで囲まれた面積が平均的な導電率となる。このことから、飽和導電率との交点がどこになるかによって、平均導電率を変化させることができる。よって、電流・電圧から計測した導電率（σmesured）と同じ平均導電率になるように交点の位置を決定することで、導電率分布を推算することができる。
【００３７】
上記交点の求め方（４１３）を図１０に示す。交点のｘ座標をｘ1として、面積を算出する。それをｘ1について解くことで、交点のｘ座標が求まる。交点のｘ座標が０≦ｘ1≦１ならばｘ1で飽和導電率となる分布となる。１＜ｘ1のとき、飽和導電率ラインと交点を持たないとして、空気流路出口位置の水分量をｙ1と仮定し図１０に示す台形▲２▼の面積を算出する。ｙ1について解くことで、空気流路出口水分量を算出できる。この手順によって、導電率分布を算出できる（４１４）。
【００３８】
導電率から、燃料電池の内部水分量を推定する方法（４１５）を示す。図１１において、位置の増加に対して１次関数的に導電率が増加する領域では、図８の関係より、導電率に基き空気流路の水分分布を算出できる。流路出口にかけて比例的に増加する▲２▼の場合は、前述の方法から流路出口まで水分の分布を求めることが可能である。
【００３９】
一方、途中で飽和導電率となる▲１▼のような分布の場合は、比例に増加する直線を延長した水分分布と考える。これは、空気流路に凝縮水が発生して水分量自体は増加するが導電率が飽和するため導電率には変化がないことに相当している。
【００４０】
このときに、飽和蒸気圧での水分量を超えた水分（斜線部）は燃料電池内部で凝縮している水分量と考えられる（４１６）。一連の手順により、電流と電圧の関係から現在の導電率分布、内部水分分布、凝縮水分布、凝縮水量、出口水分量の算出が可能となる。
【００４１】
ちなみに、具体的に平均導電率と入口導電率との算出方法を説明する。
【００４２】
（１）平均導電率σmesuredの算出
反応抵抗と電解質膜の抵抗による電圧降下から、電解質膜の抵抗による電圧降下のみを抽出し、電解質膜の導電率を算出するため、反応抵抗による電圧抵抗を除いた電流‐電圧特性をあらかじめマップ化する。この電流‐電圧特性と、運転中に計測した電流・電圧との差をとることで、電解質膜の抵抗による電圧降下を算出することができる。算出した電解質膜抵抗による電圧降下を用いて、電解質膜の導電率は以下のように算出することができる。
【００４３】
σmesured＝ｔＩ／Ｓ（ＶＲ2−Ｖ）
但し、ＶＲ2は固体電解質抵抗による電圧降下を除いた電流−電圧特性（Ｖ）、Ｖは出力電圧（Ｖ）、ｔは電解質膜厚（ｍ）、Ｓは電極面積（ｍ2）をそれぞれ示す。
【００４４】
（２）空気流路入口の電解質膜導電率σinの算出
空気流路入口近傍の電解質膜導電率は、空気流路入口の水分濃度によって決定されると考える。電解質膜の導電率は水分濃度の１次関数と考えると以下のような式で表される。
【００４５】
σin＝Ｋ1（Ｃin／Ｃs）＋Ｋ2
但し、Ｃinは空気入口水分濃度（ｍｏｌ／ｍ3）、Ｃsは：飽和蒸気濃度（ｍｏｌ／ｍ3）、Ｋ1、Ｋ2は定数をそれぞれ示す。
【００４６】
ここで、空気入口水分濃度Ｃinは制御ロジックＢで説明する。
【００４７】
【制御ロジックＢ】
燃料電池内部水分の将来値の算出手法を図５に従って説明する。
【００４８】
先ず、燃料電池の電流を電流センサＡにて計測（５０１）し、また燃料電池空気入口湿度を湿度センサＨにて計測（または推算）（５０２）する。なお、この空気入口湿度は空気入口水分濃度でもある。
【００４９】
次に、燃料電池の空気入口圧力（５０３）、その入口温度（５０４）、その質量流速（５０５）をそれぞれ圧力センサＰ、温度センサＴ、質量流量センサＦにて計測し、これらの計測結果に基づき燃料電池の空気入口の酸素濃度（５０６）、その空気入口の窒素濃度（５０７）を算出する。なお、予めこれら計測結果と酸素濃度、窒素濃度との関係をマップ化して前記制御部に格納してあり、このマップに基いて酸素濃度、窒素濃度を求める。なお、これら濃度をセンサにより直接に計測するようにしても勿論よい。
【００５０】
次に、空気入口圧力、空気入口水分濃度、酸素濃度、窒素濃度、空気入口温度に基いて空気入口体積流量を算出する（５０８）。
【００５１】
燃料電池内部での酸素の消費量、水の生成量から、空気出口の質量流速を算出する（５０９）。
【００５２】
空気出口ガス圧力（５１０）とその出口温度（５１１）を計測し、その空気出口体積流量を算出する（５１２）。
【００５３】
空気入口水分濃度（５０２）、空気入口体積流量（５０８）、空気出口体積流量（５１２）、電流センサＡで測定した電流値に基いて空気出口の水分濃度（５１３）を算出する。
【００５４】
空気入口酸素濃度（５０６）、空気入口体積流量（５０８）、空気出口体積流量（５１２）、電流センサＡで測定した電流値（５０１）に基いて空気出口の酸素濃度（５１４）を算出する。
【００５５】
空気入口体積流量（５０８）、空気出口体積流量（５１２）、空気入口窒素濃度から出口窒素濃度（５１５）を算出する。
【００５６】
空気入口水分濃度の推算結果と空気出口水分濃度の算出結果とにより、固体電解質空気入口から空気出口に従って水分濃度が線形に増加すると仮定すれば、燃料電池内水分量分布（５１６）を推算できる。
【００５７】
空気入口水分濃度と空気出口水分濃度との算出方法の一例を以下に説明する。
【００５８】
（１）空気入口水分濃度Ｃinの算出
入口水分濃度Ｃinは、投入した加湿水量Ｗと加湿された空気の体積流量Ｖinから以下ように算出される。
【００５９】
Ｃin＝Ｗ／Ｖin（Ｐin，Ｗ，Ｔin）
但し、Ｖinは加湿空気流量（ｍ3／ｓｅｃ）、Ｗは加湿水量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、Ｐinは入口圧力（Ｐａ）、Ｔは入口空気温度（Ｋ）をそれぞれ示す。
【００６０】
なお、加湿水量Ｗは、インジェクタでの噴射水量とすることもできるし、湿度センサ、水分濃度センサ等を利用して算出することも可能である。
【００６１】
上式の空気の体積流量は、加湿に用いた水分はすべて気化すると仮定すると、以下のように算出される。
【００６２】
Ｖin＝（ｎair＋Ｗ）ＲＴin／Ｐin
但しｎairは空気質量流量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、Ｗは加湿水量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、Ｐinは入口圧力（Ｐａ）、Ｔは入口空気温度（Ｋ）をそれぞれ示す。
【００６３】
（２）空気出口水分濃度Ｃoutの算出
生成した水は発電により空気流路に発生し、すべて蒸気で存在すると仮定すると、空気出口水分濃度Ｃoutは以下のように算出される。
【００６４】
Ｃout＝（ＣinＶin／Ｖout）＋Ｉ／２ＦＶout
但し、Ｖoutは出口体積流量（ｍ3／ｓｅｃ）、Ｖinは入口空気流量（ｍ3／ｓｅｃ）、Ｆはファラデー定数、Ｉは出力電流（Ａ）をそれぞれ示す。
【００６５】
また、出口の体積流量Ｖoutは以下のような式で算出される。右辺分子の第２項は、反応による酸素の消費量を、第４項は生成水量を表す。
【００６６】
Ｖout＝｛（ｎair−Ｉ／４Ｆ）＋Ｗ＋１／２Ｆ｝ＲＴ／Ｐout
但し、Ｐoutは出口空気圧力（Ｐａ）Ｔはセル温度（Ｋ）をそれぞれ示す。
【００６７】
次に、固体電解質の温度により飽和蒸気濃度が変化するので、固体電解質の温度を温度センサＴにて計測し（５１７）、この温度を考慮した上で電池内凝縮水量を推定する（５１８）。ここまでは、定常状態の推算をおこなっているので、現在の運転状態で運転をし続けた場合の最終状態に相当するため、この推定結果（５１８）を将来値と定める。
【００６８】
【制御ロジックＣ】
推定した内部水分量現在値と将来値とに基いて、内部水分状態（乾燥ｏｒフラッデイング）の判定方法（６０１）を図６より説明する。内部水分量の現在値（６０２）と将来値を入力（６０３）する。導電率の現在値（６０４）と前回値（６０５）を入力する。
【００６９】
一方、推算した現在の導電率と導電率の前回値の差をΔσとして算出する（６０６）。燃料電池内部水分量の将来値が現在値以上のとき（６８０）には、湿潤方向に進行と予測する（６１１）。
【００７０】
湿潤方向に燃料電池内部状態が推移すると、燃料電池の導電率は減少すると予想される（６１２）。導電率が時間変化とともに増加していれば（６１３）、湿潤により導電率が増加していると判断（６２１）し、現在は乾燥状態あると推測する（６２２）。
【００７１】
その他の条件についての判定は、フローチャートの通りである。
【００７２】
【制御ロジックＤ】
最終的に判定した燃料電池の内部状態を保存しリターンする（６０７）。
【００７３】
なお、上記実施形態においては、例えば制御ロジックＡにおいては、燃料電池における空気入口湿度を直接湿度センサＨにて検出するようにしたが、燃料電池の温度と飽和蒸気圧特性曲線との関係、及び飽和蒸気圧と導電率との関係を予めマップ化しておき、これらマップにより燃料電池の空気入口温度から飽和蒸気圧、そして飽和蒸気圧から導電率を求めるようにしてもよい。
【００７４】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。この他の実施形態は燃料電池内部（固体電解質の空気流路）の将来水分量の指標値を凝縮水発生位置Ｘｐとし、燃料電池内部（固体電解質の空気流路）の現在水分量の指標値を固体電解質の導電率の飽和位置Ｘｐ’とし、これらの指標値の比較により、燃料電池内部の水分が過剰か、不足かを判定することができる。
【００７５】
先ず、固体電解質の空気流路の将来水分量の指標値を求める方法を説明する。
【００７６】
１．空気流路の凝縮水発生位置Ｘｐの算出法
空気入口水分濃度Ｃinと空気出口水分濃度Ｃoutからセル内の水分濃度の分布を図１３のように入口から出口に沿って比例的に増加すると仮定する。このとき、セル温度により飽和蒸気濃度が変化することから内部に気体として存在できる水の濃度は限定される。セル温度を考慮した上で、気体として存在できる水濃度、すなわち飽和蒸気濃度Ｃsは以下の式で表される。
【００７７】
Ｃs＝Ｐs（Ｔ）／ＲＴ
但し、Ｐsは飽和蒸気圧（Ｐａ）Ｃsは飽和蒸気濃度（ｍｏｌ／ｍ3）をそれぞれ示す。
【００７８】
空気流路の凝縮水発生位置は、水分濃度分布の直線上で飽和濃度と等しくなる位置となり以下の式で算出される。
【００７９】
Ｘｐ＝Ｃs−Ｃin／Ｃout−Ｃin
次に、固体電解質の空気流路の現在水分量の指標値を求める方法を説明する。
【００８０】
２．導電率飽和位置Ｘｐ’の算出法
電解質膜の導電率は、図１４に示すように分布を持つが、平均導電率は図９および図１０で説明したように、電流・電圧から計測した導電率の値と等しくなる。
【００８１】
そのため、逆に平均導電率と等しくなるような分布を推定することで、電解質膜導電率の飽和位置を算出することが可能となる。導電率の分布がないとした場合、固体電解質入口から出口にかけての導電率の分布はσmesured一定となる。また、固体電解質の導電率はその表面で凝縮水が発生するときに最大となることから、飽和導電率σMAXも既知の値として利用できる。固体電解質の導電率の分布は、固体電解質の入口の導電率を（２）で算出した値として、導電率の平均値が計測した平均導電率と等しくなるように導電率の飽和位置を設定することで算出することができる。これは、以下の式で算出することができる。
【００８２】
Ｘｐ’＝２（σMAX−σmesured）／（σMAX−σin）
但し、σMAXは飽和導電率（Ｓ／ｍ）、σmesuredは計測導電率（Ｓ／ｍ）、σinは固体電解質の入口導電率（Ｓ／ｍ）をそれぞれ示す。
【００８３】
３．水分過剰・不足の判定方法
燃料電池の運転状態が定常状態であるときには、互いに相関関係にある固体電解質の空気流路内部の水の状態と固体電解質自身の水の状態は一致する。そのため、定常状態にあるときには、空気流路の凝縮水発生位置Ｘｐと固体電解質の導電率の飽和値Ｘｐ’は一致する。また、瞬時瞬時における、空気流路の水分状態と固体電解質の導電率の状態とは常に定常状態に近づいていくため、始めは一致していなかった空気流路の凝縮水発生位置Ｘｐと固体電解質の導電率の飽和位置Ｘｐ’とは時間の経過に従って一致する方向に変化する（図１４、１５）。このとき、両位置の差が所定範囲内では空気流路内の水分量が適切な状態であると判定し、この範囲外では水分量が不足していると判定する。つまり、図１４では、導電率の飽和位置が低い位置から高い位置へ向かうため、固体電解質の空気流路内の水分量は適切状態に向かうと判定される。図１５では、導電率の飽和位置が高い位置から低い位置へ向かうため、固体電解質の空気流路内の水分量は乾燥状態に向かうと判定される。
【００８４】
一方、図１６のように、固体電解質の空気流路の凝縮水発生位置Ｘｐと固体電解質の導電率の飽和位置Ｘｐ’とが遠ざかるつまり、時間の経過により導電率の飽和位置が高い位置にシフトする場合は、空気流路内に過剰な水が存在することにより、電池反応が阻害されて燃料電池の出力電圧が低下し、その結果固体電解質の導電率（計測導電率）が低下することが原因である。このような場合は、空気流路内の水が過剰であると判定する。
【００８５】
以上のように、燃料電池のプロセス値である、上記Ｘｐ、Ｘｐ’の説明で述べた空気の加湿量、空気流路の入口側の空気圧力、温度、流量等の上記各種パラメータを使うことにより、燃料電池内部の水分を現在水分量の指標値として導き出すこができ、また燃料電池内部の将来水分量の指標値として導き出すことができる。
【００８６】
なお、本実施形態では上記Ｘｐ、Ｘｐ’は、固体電解質の空気流路側における空気にかかわる各種のパラメータを用いたが、例えばＸｐに関しては、固体電解質の水素流路側における入口水分濃度、出口水分濃度等を用いることにより、前述のＣin、Ｃout、Ｖin、Ｖout、Ｃsを求めることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステム図である。
【図２】本発明の説明に供する図である。
【図３】本発明を説明する基本的制御ロジックのフローチャートである。
【図４】本発明を説明する、燃料電池内部水分量現在値推算のフローチャートである。
【図５】本発明を説明する、燃料電池内部水分量将来値推算のフローチャートである。
【図６】本発明を説明する、燃料電池内部状態の判定、燃料電池内部水分量推定値の確定フローチャートである。
【図７】本発明の説明に供する燃料電池の電流電圧特性図である。
【図８】本発明の説明に供する湿度と導電率との関係を示す特性図である。
【図９】本発明の説明に供する導電率の分布を示す特性図である。
【図１０】本発明の説明に供する導電率算出法を示す図である。
【図１１】本発明の説明に供する導電率から燃料電池内部水分量を推定する図である。
【図１２】本発明の説明に供する凝縮水発生位置の算出方法の図である。
【図１３】本発明の説明に供する導電率飽和位置の算出方法の図である。
【図１４】本発明の説明に供する水分過剰・不足を表す図である。
【図１５】本発明の説明に供する水分過剰・不足を表す図である。
【図１６】本発明の説明に供する水分過剰・不足を表す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ コンプレッサ
３ 水素供給装置
４、５ 加湿器
１０ 固体電解質膜

Claims (7)

  1. 燃料電池内部の水分を現在水分量の指標値として測定すること、この測定時点から所定時間経過後の該燃料電池の水分量を前記測定時点における将来水分量の指標値として推定すること、前記現在水分量の指標値と将来水分量の指標値との相対比較により、現在における前記燃料電池内部の水分量が過剰か不足かを測定することであり、前記燃料電池内部の前記現在水分量の指標値は、前記燃料電池の計測電圧から前記燃料電池を構成する固体電解質の電気抵抗による電圧降下量を測定し、その電圧降下量を計測電流値で除して得られる導電率とすることを特徴とする燃料電池内部の水分測定方法。
  2. 燃料電池内部の水分を現在水分量の指標値として測定すること、この測定時点から所定時間経過後の該燃料電池の水分量を前記測定時点における将来水分量の指標値として推定すること、前記現在水分量の指標値と将来水分量の指標値との相対比較により、現在における前記燃料電池内部の水分量が過剰か不足かを測定することであり、前記燃料電池の計測電圧から前記固体電解質の電気抵抗による電圧降下量を推定し、その電圧降下量を計測電流値で除して得られる計測導電率、固体電解質の入口導電率、および固体電解質の飽和導電率に基いて導電率の飽和位置を求め、この飽和位置を、前記燃料電池内部の前記現在水分量の指標値とすることを特徴とする燃料電池内部の水分測定方法。
  3. 前記飽和位置は、下記の式に基いて求められることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池内部の水分測定方法。
    Ｘｐ’＝２（σ MAX −σ mesured ）／（σ MAX −σ in ）
    但し、Ｘｐ’は飽和位置、σ MAX は飽和導電率、σ mesured は計測導電率、
    σ in は固体電解質の入口導電率をそれぞれ示す。
  4. 燃料電池内部の水分を現在水分量の指標値として測定すること、この測定時点から所定時間経過後の該燃料電池の水分量を前記測定時点における将来水分量の指標値として推定すること、前記現在水分量の指標値と将来水分量の指標値との相対比較により、現在における前記燃料電池内部の水分量が過剰か不足かを測定することであり、前記固体電解質の空気流路内部の飽和蒸気濃度、前記空気流路入口の水分濃度、および前記空気出口の水分濃度に基いて空気流路の凝縮水発生位置を求め、この発生位置を、前記燃料電池内部の前記将来水分量の指標値とすることを特徴とする燃料電池内部の水分測定方法。
  5. 前記発生位置は、下記の式に基いて求められることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池内部の水分測定方法。
    Ｘｐ＝Ｃ s −Ｃ in ／Ｃ out −Ｃ in Ｘｐは発生位置、Ｃ s は飽和蒸気濃度、Ｃ in は空気流路入口水分濃度、Ｃ out は空気流路出口水分濃度をそれぞれ示す。
  6. 前記請求項３と請求項５との組合せにより、前記固体電解質の導電率の飽和位置と前記空気流路の凝縮水発生位置とを比較し、時間の経過により前記発生位置に対して前記飽和位置が近づく方向に変化した場合において、両位置の差が所定範囲では前記空気流路内の水分量が適切であると判定し、この範囲外では水分量が不足していると判定し、一方、前記両位置が時間の経過により離れる場合は前記空気流路内の水分量が過剰であると判定することを特徴とする燃料電池内部の水分測定方法。
  7. 前記水分量の過剰、不足の判定結果により、燃料電池の前記固体電解質へ導入される水素および空気に対する加湿量、その流量、その圧力、その温度の少なくとも一つを制御することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の燃料電池内部の水分測定方法。
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