JP4214761B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定ガス中に含まれる水分量を電気化学的に検出する水分量センサおよびこの水分量センサを用いた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、燃料電池内部の電解質膜の導電率を維持するために加湿する必要がある。燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【０００３】
このため、燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要がある。燃料電池より排出される未反応燃料ガスの湿度を湿度センサで検出し、この検出値に基づいて電解質膜への加湿量を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３６９７７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献１に記載の方法では、静電容量型の湿度センサを用いているため応答性が悪い。また、静電容量型の湿度センサは、湿度が１００％を超えると、つまり液滴が存在すると、水分量が測定不能となるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、被測定ガスの湿度に関係なく含水量を検出可能な水分量センサを提供することを目的とし、さらに燃料電池内部の水分状態を把握して内部水分量を適切に制御可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【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、電解質膜（１０１）と電解質膜を挟む一対の集電部（１０２、１０３）とを含む複数のセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、セルの内部水分量を検出する水分量センサと、燃料電池の内部水分量を制御する内部水分量制御手段（２２、２３、２５、３２、３３、３５）とを備え、水分量センサの検出値より燃料電池の内部水分状態を判定し、内部水分状態に基づいて内部水分量制御手段により、燃料電池の内部水分量を制御する燃料電池システムであって、
水分量センサは、一対の集電部それぞれの一部からなる電極（１０２ｂ、１０３ｂ）と、電解質膜（１０１）の一部からなる電解質（１０１ｂ）とを有する電気化学セル（１４０）と、電気化学セル（１４０）の電圧値を検出する電圧検出手段（１４１）と、電気化学セル（１４０）の電流値を検出する電流検出手段（１４２）と、電気化学セル（１４０）の電圧あるいは電気化学セルの電流の少なくとも一方を制御する制御手段（１４３）とを備え、セル（１００）の電解質（１０１）の一方の面に供給される水素とセル（１００）の電解質（１０１）の他方の面に供給される空気の少なくとも一方の含水量を検出し、セルの内部水分量を検出するように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
このように、電気化学セルを有する水分量センサを用いることで燃料電池の内部水分状態を適切に判断することができ、この結果に基づいて内部水分量を制御することで、燃料電池の内部水分量を適切に保つことができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、制御手段（１４３）により電圧を所定電圧値に制御した場合の電気化学セル（１４０）の電流値に基づいて被測定ガスの含水量を検出することを特徴としている。ここでいう「電圧を所定電圧値に制御」とは定電圧制御を意味し、このときの電圧値はガス濃度等に応じて変更しうる値である。このように電気化学セルを定電圧制御することで電流値は被測定ガスの含水量に伴い変化するので、電流値に基づき被測定ガスの含水量を検出することができる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明では、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した場合の電気化学セル（１４０）の電圧値に基づいて被測定ガスの含水量を検出することを特徴としている。ここでいう「電流を所定電流値に制御」とは定電流制御を意味し、このときの電流値はガス濃度等に応じて変更しうる値である。このように電気化学セルを定電流制御することで電圧値は被測定ガスの含水量に伴い変化するので、電圧値に基づき被測定ガスの含水量を検出することができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが同種のガスである場合には制御手段（１４３）により一方の電極と他方の電極との電位差を所定電位差に制御し、被測定ガスと参照ガスとが異種のガスである場合には制御手段（１４３）により電圧を所定電圧値に制御して、電気化学セル（１４０）の電流値が第１の所定電流値を下回った場合に、燃料電池の内部水分量が過剰であると判定することができる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが同種のガスである場合には制御手段（１４３）により一方の電極と他方の電極との電位差を所定電位差に制御し、被測定ガスと参照ガスとが異種のガスである場合には制御手段（１４３）により電圧を所定電圧値に制御して、電気化学セル（１４０）の電流値が第２の所定電流値を上回った場合に、燃料電池の内部水分量が不足であると判定することができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが異種のガスである場合、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した場合の電気化学セル（１４０）の電圧値が第１の所定電圧値を下回った場合に、燃料電池の内部水分量が過剰であると判定することができる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが異種のガスである場合、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した際の電気化学セル（１４０）の電圧値が第２の所定電圧値を上回った場合に、燃料電池の内部水分量が不足であると判定することができる。
【００１８】
また、請求項８に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが同種のガスである場合、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した場合の一方の電極と他方の電極との電位差が第１の所定電位差を上回った場合に、燃料電池の内部水分量が過剰であると判定することができる。
【００１９】
また、請求項９に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが同種のガスである場合、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した際の電気化学セル（１４０）における一方の電極と他方の電極との電位差が第２の所定電位差を下回った場合に、燃料電池の内部水分量が不足であると判定することができる。
【００２０】
また、請求項１０に記載の発明では、燃料電池の酸素極から排出される酸素排ガスが通過する酸素排ガス経路（２１）と、燃料電池の水素極から排出される水素排ガスが通過する水素排ガス経路（３１）とを備え、水分量センサは酸素排ガス経路あるいは水素排ガス経路の少なくとも一方に設けられ、水素排ガスあるいは酸素排ガスの少なくとも一方の含水量を検出することを特徴としている。
【００２１】
このように燃料電池から排出されるガス中の水分量を検出することにより、燃料電池の内部水分状態を得ることができる。
【００２２】
また、請求項１１に記載の発明では、燃料電池の酸素極に供給される酸素ガスが通過する酸素供給経路（２０）と、燃料電池の水素極に供給される水素ガスが通過する水素供給経路（３０）とを備え、水分量センサは水素供給経路あるいは酸素供給経路の少なくとも一方に設けられ、水素ガスあるいは酸素ガスの少なくとも一方の含水量を検出することを特徴としている。
【００２３】
このように燃料電池に供給されるガス中の水分量を検出することにより、燃料電池に供給されるガスの加湿状態を得ることができる。
【００２６】
また、請求項１２に記載の発明では、電解質膜（１０１）と電解質膜を挟む一対の集電部（１０２、１０３）とを含む複数のセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、セルの内部水分量を検出する水分量センサと、燃料電池の内部水分量を制御する内部水分量制御手段（２２、２３、２５、３２、３３、３５）とを備え、水分量センサの検出値より燃料電池の内部水分状態を判定し、内部水分状態に基づいて内部水分量制御手段により、燃料電池の内部水分量を制御する燃料電池システムであって、
水分量センサは、一対の集電部それぞれの一部からなる電極（１０２ｂ、１０３ｂ）と電解質膜（１０１）の一部からなる電解質（１０１ｂ）とを有する電気化学セル（１４０）と、その抵抗値を検出する抵抗検出手段（１４１〜１４９）とを備え、電気化学セルの抵抗値に基づいてセルの内部水分量を検出するものであることを特徴としている。
【００２７】
このように、セル（１００）の抵抗を検出することにより、セル（１００）の含水量を検出することができる。さらに、セル（１００）の集電部（１０２、１０３）の一部を水分量センサ（１４）における電気化学セル（１４０）の電極として用いているため、水分量センサ（１４）の出力電流は、セル１００の出力電流に比較して微少であり、セル（１００）の出力に対する影響が小さい。この結果、燃料電池（１０）の運転中においても、水分量センサ（１４）による燃料電池セル（１００）の水分量測定が可能となる。
【００２８】
また、請求項１３に記載の発明のように、水分量センサは、電気化学セルの出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合の電気化学セルの交流インピーダンスに基づいて、電解質膜の抵抗値と電極反応抵抗とを検出するものとすることができる。
【００２９】
また、燃料電池セル内部の水分量は内部抵抗と相関関係がある。このため、請求項１４に記載の発明のように、電解質膜の抵抗値が第１の所定抵抗値を超えている場合に、電解質膜内部の水分量が不足であると判定することができる。さらに、請求項１５に記載の発明のように、電解質膜の抵抗値が第１の所定抵抗値以下であり、かつ、電極反応抵抗が第２の所定抵抗値を下回っている場合に、電解質膜内部の水分量が適正であると判定することができ、請求項１６に記載の発明のように、電極反応抵抗が第２の所定抵抗値を上回っている場合に、燃料電池内部の水分量が過剰であると判定することができる。
【００３０】
また、請求項１７に記載の発明では、水分量センサは、燃料電池の複数箇所に配置されていることを特徴としている。これにより、燃料電池内部における水分量のバラツキを検出することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
【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５に基づいて説明する。
【００３３】
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２２、水素供給装置３２、加湿器２３、３３、水分量センサ２４、３４、制御部４０等を備えている。
【００３４】
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１０は、電力負荷１１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。
【００３５】
また、燃料電池システムには、燃料電池１０の出力電圧値を検出する出力電圧検出手段としての電圧センサ１２、出力電流値を検出する出力電流検出手段としての電流センサ１３が設けられている。
【００３６】
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に酸素を含んだ空気を供給するための酸素供給経路２０と、上記電気化学反応に用いられなかった酸素を含む酸素排ガスを酸素極から排出するための酸素排ガス経路２１とが設けられている。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供給経路３０と、上記電気化学反応に用いられなかった水素を含む水素排ガスを水素極から排出するための水素排ガス経路３１とが設けられている。
【００３７】
酸素供給経路２０の最上流部には空気供給手段としての空気供給装置２２が設けられている。空気供給装置２２としては、例えばコンプレッサを用いることができる。また、水素供給経路３０の最上流部には水素供給装置３２が設けられている。水素供給装置３２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等を用いることができる。空気供給装置２２および水素供給装置３２は、空気供給量（酸素供給量）および水素供給量を任意に調整することができる。
【００３８】
上記電気化学反応のためには、燃料電池１０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、酸素供給経路２０および水素供給経路３０には、燃料電池１０に供給される空気および水素を加湿するための加湿器２３、３３が設けられている。これらの加湿器２３、３３は、加湿量を任意に調整することができ、燃料電池１０の内部水分量を調整できる。
【００３９】
酸素排ガス経路２１および水素排ガス経路３１には、燃料電池１０から排出される酸素排ガスおよび水素排ガス中の水分量を検出する水分量センサ２４、３４が設けられている。これらの水分量センサ２４、３４については後述する。
【００４０】
また、酸素排ガス経路２１には、酸素供給経路２０および燃料電池１０内部を流れる空気の圧力を調整するための空気背圧調整バルブ２５が設けられている。供給空気はコンプレッサ２２にて加圧されるので、バルブ２５の開度を調整することで酸素供給経路２０および燃料電池１０内部の空気圧を調整することができる。水素排ガス経路３１にも空気背圧調整バルブ２５と同様の構成の水素背圧調整バルブ３５が設けられている。
【００４１】
背圧調整バルブ２５、３５の開度を大きくすることで空気あるいは水素の圧力が低下して、これらのガス流速が速くなるので、燃料電池内部で滞留する水分量が減少し、燃料電池１０の内部水分量を減少させることができる。また、背圧調整バルブ２５、３５の開度を小さくすることで、空気あるいは水素の圧力が増大し、これらのガス流速が低くなるので、燃料電池内部で滞留する水分量が増大し、内部水分量を増大させることができる。
【００４２】
さらに、空気供給装置２２の空気供給量を調整したり水素供給装置３２の水素供給量を調整することでも、これらのガス流速を調整することができ、燃料電池１０の内部水分量を調整することができる。
【００４３】
上記の加湿器２３、３３、背圧調整バルブ２５、３５、空気供給装置２２、水素供給装置３２は、燃料電池１０の内部水分量を増加あるいは減少させて調整する内部水分量制御手段を構成している。これらは、それぞれ単独で用いてもよく、あるいは組み合わせて用いてもよい。
【００４４】
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４０には、電圧センサ１２、電流センサ１３、水分量センサ２４、３４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、空気供給装置２２、水素供給装置３２、加湿器２３、３３、背圧調整バルブ２５、３５に対して制御信号を出力するように構成されている。
【００４５】
図２は、水分量センサ２４、３４の構成を示す概念図である。図２に示すように水分量センサ２４、３４は、被測定ガス側電極２４０ａ、３４０ａと参照ガス側電極２４０ｂ、３４０ｂとこれらの電極に挟まれた固体電解質２４０ｃ、３４０ｃとから構成される電気化学セル２４０、３４０を備えている。これらの電極２４０ａ、３４０ａ、２４０ｂ、３４０ｂには、触媒が担持されている。
【００４６】
さらに水分量センサ２４、３４は、電気化学セル２４０、３４０の電圧値を検出する電圧検出部２４１、３４１、電気化学セル２４０、３４０の電流値を検出する電流検出部２４２、３４２、電気化学セル２４０、３４０の電圧および電流を制御する制御回路２４３、３４３とを備えている。
【００４７】
被測定ガス側電極２４０ａ、３４０ａには、被測定ガスとして水分含有量を測定したい空気排ガスあるいは水素排ガスを流す。参照ガス側電極２４０ｂ、３４０ｂは電位が一定であることが必要なので、参照ガス側電極２４０ｂ、３４０ｂには参照ガスとして水分含有率の明らかな空気あるいは水素を流す。本第１実施形態では被測定ガスと参照ガスは異種のガスの組み合わせであり、被測定ガスが水素の場合は参照ガスは空気を用い、被測定ガスが空気の場合には参照ガスは水素を用いている。
【００４８】
本第１実施形態のように被測定ガスと参照ガスが水素と空気の組み合わせの場合には、電気化学セル２４０、３４０は上述の燃料電池セルと同様の作動をし、電極間で起電力を発生する。
【００４９】
参照ガスが空気の場合には大気を利用することができる。また、参照ガスが水素の場合には水素供給装置３２から配管等を介して水素を供給することができる。
【００５０】
図３は、水分量センサ２４、３４のセンサ特性を示している。図３において被測定ガス中の水分量が適正な場合は実線で示すセンサ特性となる。被測定ガス中の水分量が増加すると、相対的に被測定ガス中の水素濃度あるいは酸素濃度が低下する。この結果、図３中の一点鎖線で示すように電気化学セル２４０、３４０が出力可能な限界電流が低下する。すなわち、電気化学セル２４０、３４０を定電圧で制御することで、被測定ガスの含水量の増加に伴い電流値が低下する。
【００５１】
図４は、被測定ガスと参照ガスが異種のガスの組合せにおいて、水分量センサ２４、３４を定電圧で制御した場合の被測定ガス中の水分量と電気化学セル２４０、３４０の出力電流との関係を示している。図４に示すように被測定ガス中の水分量と出力電流との間には相関関係がある。これについて以下に説明する。
【００５２】
定電圧制御時にセンサ２４、３４の電極間の電位差を一定にするためには、両電極間のガス濃度を一定にする必要がある。被測定ガスの含水量が大きい場合、被測定ガス中の水素濃度または酸素濃度が小さいため、電極上での水素、酸素濃度を所定値にするために消費される水素または酸素量は少なくなる。このため、被測定ガス中の含水量増加に伴い、相対的に被測定ガス中の水素または酸素濃度が低下するので、センサ２４、３４の出力電流値は小さくなる。
【００５３】
従って、センサ２４、３４を定電圧に制御し、そのときの電流値を計測することで、燃料電池１０の内部水分量を判断できる。具体的には、センサ２４、３４の電流値が第１の所定電流値を下回った場合に燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判断できる。また、センサ２４、３４の電流値が第１の所定電流値より高い第２の所定電流値を上回った場合は燃料電池１０の内部水分量が不足していると判断できる。
【００５４】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムにおける水分量制御処理について図５のフローチャートに基づいて説明する。
【００５５】
まず、燃料電池１０の電圧値を検出し（ステップＳ１０）、燃料電池１０の電流値を検出する（ステップＳ１１）。
【００５６】
次に、水素出口側水分量センサ３４のセンサ値（電流値）を読み込み（ステップＳ１２）、センサ出力電流が所定値を下回っているか否か判定する（ステップＳ１３）。この結果、センサ出力電流が所定値を下回っている場合には、燃料電池１０の水素極側が水分過剰であると判定できるので、以下のステップＳ１４〜Ｓ１７で水分量を減少させる水分量制御を行う。
【００５７】
加湿器３３により燃料電池１０に供給される水素の加湿量を減少させる（ステップＳ１４）。背圧調整バルブ３５の開度を大きくして水素圧力を減少させて流速を速くする（ステップＳ１５）。水素供給装置３２から供給する水素の流速を増大させる（ステップＳ１６）。そして、過剰判定フラグを立てる（ステップＳ１７）。
【００５８】
次に、空気出口側水分量センサ２４のセンサ値（電流値）を読み込み（ステップＳ１８）、センサ出力電流が所定値を下回っているか否か判定する（ステップＳ１９）。この結果、センサ出力電流が所定値を下回っている場合には、燃料電池１０の酸素極側が水分過剰であると判定できるので、以下のステップＳ２０〜Ｓ２３で燃料電池１０の内部水分量を減少させる水分量制御を行う。
【００５９】
加湿器２３により燃料電池１０に供給される空気の加湿量を減少させる（ステップＳ２０）。背圧調整バルブ２５の開度を大きくして空気圧力を減少させて流速を速くする（ステップＳ２１）。空気供給装置２２から供給する空気の流速を増大させる（ステップＳ２２）。そして、過剰判定フラグを立てる（ステップＳ２３）。
【００６０】
過剰判定フラグが立っている場合、すなわち水分過剰と判定された場合は水分量制御処理を終了し、過剰判定フラグが立っていない場合、すなわち水分過剰と判定されなかった場合は以下のステップＳ２５〜Ｓ２７の処理を行う（ステップＳ２４）。
【００６１】
まず、燃料電池１０の電圧値が所定値を下回っているか否かを判定する（ステップＳ２５）。制御部４０は燃料電池１０の出力電流と出力電圧との関係を示すマップを有しており、上記ステップＳ１０で検出した出力電圧値が、上記ステップＳ１１で検出した出力電流値に対応する電圧値を下回っているかを判定する。
【００６２】
この結果、所定値を下回っている場合には、燃料電池１０の内部水分量が過剰でなく、かつ、燃料電池の出力が低下している場合なので、燃料電池１０の内部水分量が不足していると判断できる。従って、加湿器２３、３３による加湿量を増加させ、燃料電池１０の内部水分量を増加させる（ステップＳ２６）。さらに、背圧調整バルブ２５、３５の開度を小さくし、空気供給装置２２、水素供給装置３２の供給ガス流速を低下させてもよい。
【００６３】
一方、燃料電池１０の電圧値が所定を下回っていない場合には、燃料電池１０の運転状態が適正であり内部水分量が適正であると判断できるので、加湿器２３、３３による加湿量を通常値に制御し、現在の燃料電池１０の内部水分量を保持するようにする（ステップＳ２７）。
【００６４】
以上のように、電気化学セル２４０、３４０を有する水分量センサ２４、３４を用い、燃料電池１０から排出されるガス中の水分量を検出することで、間接的に燃料電池１０の内部水分状態を診断することができる。また、電気化学セル２４０、３４０を用いることで、被測定ガスの湿度に関係なく含水量を検出することができる。さらに、電気化学セル２４０、３４０を用いることで、例えば静電容量型の湿度センサを用いた場合より応答性を向上させることができる。燃料電池１０の内部水分状態の診断結果に基づいて燃料電池１０の内部水分量を制御することで、燃料電池１０の内部水分状態を適切に保つことができる。
【００６５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６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、水分量センサ２４、３４を定電流制御する点で異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
図６は、被測定ガスと参照ガスが異種のガスの組合せにおいて、水分量センサ２３、３４を定電流で制御した場合の被測定ガス中の水分量と電気化学セル２４０、３４０の電極間の電位差との関係を示している。図６に示すように、被測定ガス中の水分量と電位差との間には相関関係がある。これについて以下に説明する。
【００６７】
定電流制御時にはセンサ２４、３４の電極上で消費される水素または酸素の量は同一であるが、被測定ガスの含水量の低下により被測定ガス側電極２４０ａ、３４０ａにおける水素または酸素の濃度は低下する。この濃度変化により、参照ガス側の電極電位と被測定ガス側の電極電位に変化が生じる。この結果、被測定ガスの含水量が増加することで、相対的に被測定ガス中の水素または酸素濃度が減少して起電力が低下し、電極間の電位差が減少する。従って、電気化学セル２４０、３４０を定電流で制御して両電極間の電位を測定し、電位差が第１の所定電位差を下回った場合に、燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判断でき、電位差が第１の所定電位差より大きい第２の所定電位差を上回った場合に、燃料電池１０の内部水分量が不足であると判断できる。
【００６８】
このように、電気化学セル２４０、３４０を定電流で制御して出力電圧を検出することによっても、水分量センサ２４、３４により被測定ガス中の水分量を測定することができる。
【００６９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７、図８に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、被測定ガスと参照ガスの組み合わせ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同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
本第３実施形態では、水分量センサ２４、３４の被測定ガスと参照ガスは同種のガスの組み合わせとしている。すなわち、被測定ガスが水素の場合は参照ガスは水素を用い、被測定ガスが空気の場合には参照ガスは空気を用いている。本第３実施形態では、制御回路２４３、３４３が電圧印加手段としての機能をも有している。
【００７１】
本第３実施形態のように、被測定ガスと参照ガスが同種のガスの場合には、被測定ガスと参照ガスの含水量の違いによるガス濃度差から水素イオンあるいは酸素イオンが電解質２４０ｃ、３４０ｃを通過し、センサ出力が変化する。被測定ガスと参照ガスを同種のガスとした場合の水分量センサ２４、３４のセンサ特性は、上記第１実施形態の図３で示した異種ガスの組み合わせの場合と同様になる。
【００７２】
参照ガスの供給方法は上記第１実施形態と同様、空気の場合には大気を利用することができ、水素の場合には水素供給装置３２から水素を供給することができる。また、被測定ガスと参照ガスが共に水素である場合には、被測定ガス側電極に３４０ａに水分を含んだ水素を供給することで、電解質３４０ｃを通過した水素イオンが参照ガス側電極３４０ｂにくみ出され、参照ガスとしての水素を得ることもできる。
【００７３】
図７は、被測定ガスと参照ガスが同種のガスの組合せにおいて、水分量センサ２４、３４を定電圧で制御した場合の被測定ガス中の水分量と電気化学セル２４０、３４０の出力電流との関係を示している。
【００７４】
定電圧制御時にセンサ２４、３４の電極間の電位差を一定にするためには、両電極間のガス濃度を一定にする必要がある。被測定ガスの含水量が大きい場合、被測定ガス中の水素濃度または酸素濃度が小さいため、電極上での水素、酸素濃度を所定値にするために消費される水素または酸素量は少なくなる。このため、被測定ガス中の含水量増加に伴い、相対的に被測定ガス中の水素または酸素濃度が低下するので、センサ２４、３４の出力電流値は小さくなる。従って、センサ２４、３４を定電圧に制御し、そのときの電流値を計測することで、電流値が第１の所定値を下回った場合に燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判断でき、電流値が第１の所定値より低い第２の所定値を上回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断できる。
【００７５】
図８は、被測定ガスと参照ガスが同種のガスの組合せにおいて、水分量センサ２４、３４を定電流で制御した場合の被測定ガス中の水分量と電気化学セル２４０、３４０の出力電圧との関係を示している。
【００７６】
定電流制御時にはセンサ２４、３４の電極上で消費される水素または酸素の量は同一であるが、被測定ガスの含水量の低下により被測定ガス側電極２４０ａ、３４０ａにおける水素または酸素の濃度は低下する。この濃度変化により、参照ガス側の電極電位と被測定ガス側の電極電位に変化が生じる。この結果、被測定ガスの含水量が増加することで、相対的に被測定ガス中の水素または酸素濃度が低下し、両電極間の電位差が増大する。従って、両電極間の電位を測定し、電位差が第１の所定値を上回った場合に、燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判断でき、電位差が第１の所定値より高い第２の所定値を下回った場合に、燃料電池１０の内部水分量が不足であると判断できる。
【００７７】
また、定電流制御値をゼロとした場合、すなわち開回路時にも図８に示すセンサ特性となる。この場合には電流等を制御せず、単に電極間の電位差を計測することで燃料電池１０の内部水分量の過剰を判断できる。
【００７８】
以上のように、水分量センサ２４、３４の被測定ガスと参照ガスを同種のガスとした場合にも、センサ２４、３４を定電圧制御あるいは定電流制御することで、被測定ガスの含水量を測定することができ、燃料電池１０の内部水分状態の判断に用いることができる。
【００７９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図９〜図１１に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態と比較して、水分量センサが燃料電池１０内部に配置されている点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同一の符号を付して説明を省略する。
【００８０】
図９は、本第４実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の分解斜視図である。図９に示すように、セル１００は、電解質膜１０１を挟むように一対の集電部１０２、１０３と一対のセパレータ１０４、１０５が積層されて構成されている。集電部１０２、１０３は、例えばカーボンクロスを用いることができる。セパレータ１０４、１０５には、リード線１０６、１０７が接続されている。
【００８１】
電解質膜１０１、集電部１０２、１０３およびセパレータ１０４、１０５には、それぞれ対応する部位に絶縁部１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ、１０５ａが形成されている。これにより、電解質膜１０１、集電部１０２、１０３およびセパレータ１０４、１０５の一部の部位１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂが他の部位から絶縁され分離される。なお、図９では図示を省略しているが、セパレータ１０４、１０５の表面にはガス供給用の溝が形成されている。また、セパレータ１０４、１０５のうちセンサ部分が存在する位置の両外側には、セパレータ１０４、１０５を狭持する金属製ハウジングから絶縁するために絶縁部１０４ａ、１０５ａが形成されている。
【００８２】
図１０はセル１００の部分断面図であり、図１１は水分量センサ１４の構成を示す概念図である。図１０、図１１に示すように、電解質膜１０１、集電部１０２、１０３およびセパレータ１０４、１０５の一部の部位１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂが水分量センサ１４の電気化学セル１４０を構成している。このうち集電部１０２、１０３およびセパレータ１０４、１０５の一部の部位１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂが水分量センサ１４の電極を構成する。
【００８３】
また、図１０に示すように、セパレータ１０４、１０５には、ガス供給用の溝１０４ｃ、１０４ｄ、１０５ｃ、１０５ｄが形成されている。セパレータ１０４、１０５における水分量センサ１４を構成する部位の溝１０４ｃ、１０５ｃには、被測定ガスと参照ガスが流れる。被測定ガスには、発電用ガス（空気、水素）のいずれかが用いられ、参照ガスには、被測定ガスと同種あるいは異種の水分含有量が明らかなガスが用いられる。セパレータ１０４、１０５における他の部位の溝１０４ｄ、１０５ｄには、発電用ガス（空気、水素）が流れる。
【００８４】
以上の構成により、燃料電池１０を構成するセル１００の一部を利用して、燃料電池１０内部に水分量センサ１４を設けることができる。これにより、水分量センサ１４を定電圧制御あるいは定電流制御することによって、燃料電池１０内部における発電用ガス（空気、水素）の含水量を測定することができる。なお、水分量センサ１４は、燃料電池１０を構成する任意のセル１００に配置することができ、例えば相対的に乾燥しやすいセル１００に設けることができる。
【００８５】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１２に基づいて説明する。上記第４実施形態ではセル１００の一部を水分量センサ１４の電気化学セル１４０として利用した構成であるのに対して、本第５実施形態ではセル１００に別体の水分量センサ１４の電気化学セル１４０がはめ込まれて構成されている点が異なるものである。上記第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００８６】
図１２は、本第５実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の斜視図および水分量センサ１４における電気化学セル１４０の分解斜視図である。図１２に示すように、セル１００の一部を切り欠かれており、セル１００に電気化学セル１４０をはめ込めるように構成されている。電気化学セル１４０におけるセル１００と接触する部位は、絶縁部１０１ａ〜１０５ａが形成されている。なお、セパレータ１０４ｂ、１０５ｂの両外側は、絶縁部１０４ａ、１０５ａで覆われている。
【００８７】
水分量センサ１４の電気化学セル１４０はセル１００と同様の構造を有しており、電解質膜１０１ｂを挟むように一対の集電部１０２ｂ、１０３ｂと一対のセパレータ１０４ｂ、１０５ｂが積層されて構成されている。集電部１０２ｂ、１０３ｂは、例えばカーボンクロスを用いることができる。セパレータ１０４ｂ、１０５ｂには、被測定ガス用の溝と参照ガス用の溝が形成されている。被測定ガスには、発電用ガス（空気、水素）のいずれかが用いられ、参照ガスには、被測定ガスと同種あるいは異種の水分含有量が明らかなガスが用いられる。
【００８８】
以上の構成によっても、上記第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１３〜図１８に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第４実施形態と比較して、セル１００の抵抗に基づいてセル１００の含水量を検出するように構成されている点が異なるものである。上記第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００９０】
図１３は本第６実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の斜視図である。図１３に示すように本第６実施形態では、集電部１０２、１０３に絶縁部１０２ａ、１０３ａが形成され、一部の部位１０２ｂ、１０３ｂを他の部位から絶縁している。この集電部１０２、１０３の一部の部位１０２ｂ、１０３ｂは、水分量センサ１４における電気化学セル１４０の電極を構成しており、リード線１０６、１０７が接続されている。また、セパレータ１０４、１０５においても、一部の部位１０４ｂ、１０５ｂを他の部位から絶縁するとともに両外側を覆うように絶縁部１０４ａ、１０５ａが形成されている。
【００９１】
図１４は、水分量センサ１４の構成を示す概念図である。本第６実施形態の水分量センサ１４は、交流インピーダンス法によりセル１００の内部抵抗を検出するものである。図１４に示すように、本第６実施形態における水分量センサ１４の電気化学セル１４０は、電解質膜１０１と電解質膜１０１を挟むように設けられた一対の電極１０２ｂ、１０３ｂとから構成される。また、本第６実施形態の水分量センサ１４には、任意の周波数で正弦波電流を発生する正弦波発振器１４４が設けられている。
【００９２】
図１５は、水分量センサ１４のインピーダンス検出部の構成を示す概念図である。図１５に示すように、水分量センサ１４には、電圧検出部１４１の電圧信号および電流検出部１４２の電流信号からノイズを除去するフィルタ部１４５、１４６と、高速フーリエ変換処理を行うＦＦＴ処理部１４７、１４８と、ＦＦＴ処理された電圧成分、電流成分からインピーダンスを算出するインピーダンス分析部１４９を備えている。なお、本発明の抵抗検出手段は、電圧検出部１４１、電流検出部１４２、制御回路１４３、フィルタ部１４５、１４６、ＦＦＴ処理部１４７、１４８およびインピーダンス分析部１４９から構成されている。
【００９３】
図１６は、燃料電池セル１００内部の水分量と内部抵抗との関係を示している。図１６に示すように、燃料電池セル１００内部の水分量と内部抵抗とは相関関係がある。すなわち、燃料電池セル１００内の水分が不足すると電解質膜１０１の水分量が減少し、電解質膜１０１の導電率が低下する。この結果、電解質膜１０１の抵抗が増大することとなる。従って、電解質膜１０１の抵抗値が第１の所定抵抗値を超えている場合には電解質膜１０１の水分量が不足していると判断することができる。また、水分が過剰になると電極の反応抵抗が増加する。このため、電極の反応抵抗が第２の所定抵抗値を超えている場合には、電解質膜の水分過剰と判断することができる。それら以外の場合には電解質膜１０１の水分量が適正であると判断することができる。
【００９４】
ところで、燃料電池セル１００の電圧降下は、（１）電気化学反応による反応抵抗、（２）燃料電池セル１００の電解質膜抵抗によって生じる。従って、これらの中から交流インピーダンス法により反応抵抗と電解質膜抵抗を測定することで、燃料電池の水分量を検出することが可能となる。
【００９５】
次に、図１７、図１８に基づいて、交流インピーダンス法による反応抵抗と電解質膜抵抗の測定方法について説明する。
【００９６】
図１７は燃料電池セル１００の等価回路を示している。図１７の等価回路におけるＲ１は電解質膜１０１の抵抗に相当し、Ｒ２は反応抵抗に相当している。図１７の等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。
【００９７】
図１８は、図１７の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合の燃料電池セル１００のインピーダンスを複素平面上に表示したものである。印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスは、図１８におけるＲ１となる。また、正弦波電流の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）のインピーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間で周波数を変化させたときのインピーダンスは、図１８に示すような半円を描く。
【００９８】
これらのことより、交流インピーダンス法を用いることで、燃料電池セル１００の等価回路におけるＲ１とＲ２を分離して計測することが可能となる。
【００９９】
上述のようにＲ１は電解質膜１０１の抵抗に相当するため、Ｒ１が第１の所定値を超えている場合には電解質膜１０１の水分量が不足していると判断することができ、Ｒ１が第１の所定値を下回っている場合には電解質膜１０１の水分量が適正であると判断することができる。また、Ｒ２は電極の反応抵抗に相当するため、Ｒ２が第２の所定値を超えている場合は電極上の水分量が過剰と判断でき、Ｒ２が第２の所定値を下回る場合は水分量が適正と判断できる。
【０１００】
また、本第６実施形態では、セル１００の集電部１０２、１０３の一部を水分量センサ１４における電気化学セル１４０の電極として用いている。このため、水分量センサ１４の出力電流は、セル１００の出力電流に比較して微少であり、セル１００の出力に対する影響が小さい。この結果、燃料電池１０の運転中においても、水分量センサ１４による燃料電池セル１００の水分量測定が可能となる。
【０１０１】
（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、水分量センサ２４、３４を酸素排ガス経路２１および水素排ガス経路３１の双方に設けたが、いずれか一方のみに設けるように構成してもよい。
【０１０２】
また、上記第１実施形態では、水分量センサ２４、３４を燃料電池１０の下流側の排ガス経路２１、３１に設けたが、図１９に示すように、水分量センサ２４、３４を燃料電池１０上流側の酸素供給経路２０あるいは水素供給経路３０の少なくとも一方に設けてもよい。この場合には、燃料電池１０に供給される空気あるいは水素の含水量の過不足を判断することができる。さらに、水分量センサ２４、３４を燃料電池１０の上流側および下流側の双方に設けてもよい。
【０１０３】
また、上記第６実施形態の正弦波発振器１４４は正弦波電流を発生するように構成したが、これに限らず、正弦波電圧を発生するように構成し、水分量センサ１４の電気化学セル１４０が出力する直流電圧に正弦波電圧を印加するように構成してもよい。
【０１０４】
また、上記第６実施形態では、交流インピーダンス法により電気化学セル１００の内部抵抗を求めたが、これに限らず、例えば出力電流を徐々に増加させたときの出力電圧を測定し、これらの出力電流と出力電圧とから抵抗を求める電圧降下法で電気化学セル１００の内部抵抗を求めるように構成してもよい。
【０１０５】
また、上記第４〜第６実施形態に示した燃料電池セル１００の一部を水分量センサ１４として利用する構成において、図２０に示すように水分量センサ１４を複数のセル１００に設けるように構成してもよい。このように、水分量センサ１４を燃料電池１０内部の複数箇所に配置することで、燃料電池１０内部における水分量のバラツキを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】水分量センサの概念図である。
【図３】水分量センサのセンサ特性を示す特性図である。
【図４】水分量センサを定電圧制御した場合のセンサ特性を示す特性図である。
【図５】第１実施形態の燃料電池システムの水分量制御を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態の水分量センサを定電流制御した場合のセンサ特性を示す特性図である。
【図７】第３実施形態の水分量センサを定電圧制御した場合のセンサ特性を示す特性図である。
【図８】第３実施形態の水分量センサを定電流制御した場合のセンサ特性を示す特性図である。
【図９】第４実施形態の燃料電池セルの分解斜視図である。
【図１０】第４実施形態の燃料電池セルの部分断面図である。
【図１１】第４実施形態の水分量センサの構成を示す概念図である。
【図１２】第５実施形態における燃料電池セルの斜視図および水分量センサの電気化学セルの分解斜視図である。
【図１３】第６実施形態の燃料電池セルの斜視図である。
【図１４】第６実施形態の水分量センサの構成を示す概念図である。
【図１５】第６実施形態における水分量センサのインピーダンス検出部の構成を示す概念図である。
【図１６】第６実施形態における燃料電池セル内部の水分量と内部抵抗との関係を示す特性図である。
【図１７】第６実施形態の燃料電池セルの等価回路を示す回路図である。
【図１８】図１７の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合の燃料電池セルのインピーダンスを複素平面上に表示した特性図である。
【図１９】燃料電池システムの変形例を示す概念図である。
【図２０】水分量センサを燃料電池の複数箇所に設けた例を示す概念図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１４、２４、３４…水分量センサ、２０…酸素供給経路、２１…酸素排ガス経路、２２…空気供給装置、２３、３３…加湿器、２５、３５…背圧調整バルブ、３０…水素供給経路、３１…水素排ガス経路、３２…水素供給装置、１００…セル、１０１…電解質膜、１０２、１０３…集電部、１０４、１０５…セパレータ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定ガス中に含まれる水分量を電気化学的に検出する水分量センサおよびこの水分量センサを用いた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、燃料電池内部の電解質膜の導電率を維持するために加湿する必要がある。燃料電池の内部水分量が少なく電解質膜が乾燥している場合には、内部抵抗が大きくなり燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の内部水分量が過剰である場合には、燃料電池の電極が水分で覆われてしまうため、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害され、出力電圧が低下する。
【０００３】
このため、燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要がある。燃料電池より排出される未反応燃料ガスの湿度を湿度センサで検出し、この検出値に基づいて電解質膜への加湿量を制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３６９７７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特許文献１に記載の方法では、静電容量型の湿度センサを用いているため応答性が悪い。また、静電容量型の湿度センサは、湿度が１００％を超えると、つまり液滴が存在すると、水分量が測定不能となるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、被測定ガスの湿度に関係なく含水量を検出可能な水分量センサを提供することを目的とし、さらに燃料電池内部の水分状態を把握して内部水分量を適切に制御可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【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、電解質膜（１０１）と電解質膜を挟む一対の集電部（１０２、１０３）とを含む複数のセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、セルの内部水分量を検出する水分量センサと、燃料電池の内部水分量を制御する内部水分量制御手段（２２、２３、２５、３２、３３、３５）とを備え、水分量センサの検出値より燃料電池の内部水分状態を判定し、内部水分状態に基づいて内部水分量制御手段により、燃料電池の内部水分量を制御する燃料電池システムであって、
水分量センサは、一対の集電部それぞれの一部からなる電極（１０２ｂ、１０３ｂ）と、電解質膜（１０１）の一部からなる電解質（１０１ｂ）とを有する電気化学セル（１４０）と、電気化学セル（１４０）の電圧値を検出する電圧検出手段（１４１）と、電気化学セル（１４０）の電流値を検出する電流検出手段（１４２）と、電気化学セル（１４０）の電圧あるいは電気化学セルの電流の少なくとも一方を制御する制御手段（１４３）とを備え、セル（１００）の電解質（１０１）の一方の面に供給される水素とセル（１００）の電解質（１０１）の他方の面に供給される空気の少なくとも一方の含水量を検出し、セルの内部水分量を検出するように構成されていることを特徴としている。
【０００８】
このように、電気化学セルを有する水分量センサを用いることで燃料電池の内部水分状態を適切に判断することができ、この結果に基づいて内部水分量を制御することで、燃料電池の内部水分量を適切に保つことができる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、制御手段（１４３）により電圧を所定電圧値に制御した場合の電気化学セル（１４０）の電流値に基づいて被測定ガスの含水量を検出することを特徴としている。ここでいう「電圧を所定電圧値に制御」とは定電圧制御を意味し、このときの電圧値はガス濃度等に応じて変更しうる値である。このように電気化学セルを定電圧制御することで電流値は被測定ガスの含水量に伴い変化するので、電流値に基づき被測定ガスの含水量を検出することができる。
【００１１】
また、請求項５に記載の発明では、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した場合の電気化学セル（１４０）の電圧値に基づいて被測定ガスの含水量を検出することを特徴としている。ここでいう「電流を所定電流値に制御」とは定電流制御を意味し、このときの電流値はガス濃度等に応じて変更しうる値である。このように電気化学セルを定電流制御することで電圧値は被測定ガスの含水量に伴い変化するので、電圧値に基づき被測定ガスの含水量を検出することができる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが同種のガスである場合には制御手段（１４３）により一方の電極と他方の電極との電位差を所定電位差に制御し、被測定ガスと参照ガスとが異種のガスである場合には制御手段（１４３）により電圧を所定電圧値に制御して、電気化学セル（１４０）の電流値が第１の所定電流値を下回った場合に、燃料電池の内部水分量が過剰であると判定することができる。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが同種のガスである場合には制御手段（１４３）により一方の電極と他方の電極との電位差を所定電位差に制御し、被測定ガスと参照ガスとが異種のガスである場合には制御手段（１４３）により電圧を所定電圧値に制御して、電気化学セル（１４０）の電流値が第２の所定電流値を上回った場合に、燃料電池の内部水分量が不足であると判定することができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが異種のガスである場合、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した場合の電気化学セル（１４０）の電圧値が第１の所定電圧値を下回った場合に、燃料電池の内部水分量が過剰であると判定することができる。
【００１７】
また、請求項７に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが異種のガスである場合、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した際の電気化学セル（１４０）の電圧値が第２の所定電圧値を上回った場合に、燃料電池の内部水分量が不足であると判定することができる。
【００１８】
また、請求項８に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが同種のガスである場合、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した場合の一方の電極と他方の電極との電位差が第１の所定電位差を上回った場合に、燃料電池の内部水分量が過剰であると判定することができる。
【００１９】
また、請求項９に記載の発明のように、被測定ガスと参照ガスとが同種のガスである場合、制御手段（１４３）により電流を所定電流値に制御した際の電気化学セル（１４０）における一方の電極と他方の電極との電位差が第２の所定電位差を下回った場合に、燃料電池の内部水分量が不足であると判定することができる。
【００２０】
また、請求項１０に記載の発明では、燃料電池の酸素極から排出される酸素排ガスが通過する酸素排ガス経路（２１）と、燃料電池の水素極から排出される水素排ガスが通過する水素排ガス経路（３１）とを備え、水分量センサは酸素排ガス経路あるいは水素排ガス経路の少なくとも一方に設けられ、水素排ガスあるいは酸素排ガスの少なくとも一方の含水量を検出することを特徴としている。
【００２１】
このように燃料電池から排出されるガス中の水分量を検出することにより、燃料電池の内部水分状態を得ることができる。
【００２２】
また、請求項１１に記載の発明では、燃料電池の酸素極に供給される酸素ガスが通過する酸素供給経路（２０）と、燃料電池の水素極に供給される水素ガスが通過する水素供給経路（３０）とを備え、水分量センサは水素供給経路あるいは酸素供給経路の少なくとも一方に設けられ、水素ガスあるいは酸素ガスの少なくとも一方の含水量を検出することを特徴としている。
【００２３】
このように燃料電池に供給されるガス中の水分量を検出することにより、燃料電池に供給されるガスの加湿状態を得ることができる。
【００２６】
また、請求項１２に記載の発明では、電解質膜（１０１）と電解質膜を挟む一対の集電部（１０２、１０３）とを含む複数のセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、セルの内部水分量を検出する水分量センサと、燃料電池の内部水分量を制御する内部水分量制御手段（２２、２３、２５、３２、３３、３５）とを備え、水分量センサの検出値より燃料電池の内部水分状態を判定し、内部水分状態に基づいて内部水分量制御手段により、燃料電池の内部水分量を制御する燃料電池システムであって、
水分量センサは、一対の集電部それぞれの一部からなる電極（１０２ｂ、１０３ｂ）と電解質膜（１０１）の一部からなる電解質（１０１ｂ）とを有する電気化学セル（１４０）と、その抵抗値を検出する抵抗検出手段（１４１〜１４９）とを備え、電気化学セルの抵抗値に基づいてセルの内部水分量を検出するものであることを特徴としている。
【００２７】
このように、セル（１００）の抵抗を検出することにより、セル（１００）の含水量を検出することができる。さらに、セル（１００）の集電部（１０２、１０３）の一部を水分量センサ（１４）における電気化学セル（１４０）の電極として用いているため、水分量センサ（１４）の出力電流は、セル１００の出力電流に比較して微少であり、セル（１００）の出力に対する影響が小さい。この結果、燃料電池（１０）の運転中においても、水分量センサ（１４）による燃料電池セル（１００）の水分量測定が可能となる。
【００２８】
また、請求項１３に記載の発明のように、水分量センサは、電気化学セルの出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合の電気化学セルの交流インピーダンスに基づいて、電解質膜の抵抗値と電極反応抵抗とを検出するものとすることができる。
【００２９】
また、燃料電池セル内部の水分量は内部抵抗と相関関係がある。このため、請求項１４に記載の発明のように、電解質膜の抵抗値が第１の所定抵抗値を超えている場合に、電解質膜内部の水分量が不足であると判定することができる。さらに、請求項１５に記載の発明のように、電解質膜の抵抗値が第１の所定抵抗値以下であり、かつ、電極反応抵抗が第２の所定抵抗値を下回っている場合に、電解質膜内部の水分量が適正であると判定することができ、請求項１６に記載の発明のように、電極反応抵抗が第２の所定抵抗値を上回っている場合に、燃料電池内部の水分量が過剰であると判定することができる。
【００３０】
また、請求項１７に記載の発明では、水分量センサは、燃料電池の複数箇所に配置されていることを特徴としている。これにより、燃料電池内部における水分量のバラツキを検出することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
【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５に基づいて説明する。
【００３３】
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２２、水素供給装置３２、加湿器２３、３３、水分量センサ２４、３４、制御部４０等を備えている。
【００３４】
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１０は、電力負荷１１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。
【００３５】
また、燃料電池システムには、燃料電池１０の出力電圧値を検出する出力電圧検出手段としての電圧センサ１２、出力電流値を検出する出力電流検出手段としての電流センサ１３が設けられている。
【００３６】
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に酸素を含んだ空気を供給するための酸素供給経路２０と、上記電気化学反応に用いられなかった酸素を含む酸素排ガスを酸素極から排出するための酸素排ガス経路２１とが設けられている。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供給経路３０と、上記電気化学反応に用いられなかった水素を含む水素排ガスを水素極から排出するための水素排ガス経路３１とが設けられている。
【００３７】
酸素供給経路２０の最上流部には空気供給手段としての空気供給装置２２が設けられている。空気供給装置２２としては、例えばコンプレッサを用いることができる。また、水素供給経路３０の最上流部には水素供給装置３２が設けられている。水素供給装置３２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等を用いることができる。空気供給装置２２および水素供給装置３２は、空気供給量（酸素供給量）および水素供給量を任意に調整することができる。
【００３８】
上記電気化学反応のためには、燃料電池１０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、酸素供給経路２０および水素供給経路３０には、燃料電池１０に供給される空気および水素を加湿するための加湿器２３、３３が設けられている。これらの加湿器２３、３３は、加湿量を任意に調整することができ、燃料電池１０の内部水分量を調整できる。
【００３９】
酸素排ガス経路２１および水素排ガス経路３１には、燃料電池１０から排出される酸素排ガスおよび水素排ガス中の水分量を検出する水分量センサ２４、３４が設けられている。これらの水分量センサ２４、３４については後述する。
【００４０】
また、酸素排ガス経路２１には、酸素供給経路２０および燃料電池１０内部を流れる空気の圧力を調整するための空気背圧調整バルブ２５が設けられている。供給空気はコンプレッサ２２にて加圧されるので、バルブ２５の開度を調整することで酸素供給経路２０および燃料電池１０内部の空気圧を調整することができる。水素排ガス経路３１にも空気背圧調整バルブ２５と同様の構成の水素背圧調整バルブ３５が設けられている。
【００４１】
背圧調整バルブ２５、３５の開度を大きくすることで空気あるいは水素の圧力が低下して、これらのガス流速が速くなるので、燃料電池内部で滞留する水分量が減少し、燃料電池１０の内部水分量を減少させることができる。また、背圧調整バルブ２５、３５の開度を小さくすることで、空気あるいは水素の圧力が増大し、これらのガス流速が低くなるので、燃料電池内部で滞留する水分量が増大し、内部水分量を増大させることができる。
【００４２】
さらに、空気供給装置２２の空気供給量を調整したり水素供給装置３２の水素供給量を調整することでも、これらのガス流速を調整することができ、燃料電池１０の内部水分量を調整することができる。
【００４３】
上記の加湿器２３、３３、背圧調整バルブ２５、３５、空気供給装置２２、水素供給装置３２は、燃料電池１０の内部水分量を増加あるいは減少させて調整する内部水分量制御手段を構成している。これらは、それぞれ単独で用いてもよく、あるいは組み合わせて用いてもよい。
【００４４】
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４０には、電圧センサ１２、電流センサ１３、水分量センサ２４、３４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、空気供給装置２２、水素供給装置３２、加湿器２３、３３、背圧調整バルブ２５、３５に対して制御信号を出力するように構成されている。
【００４５】
図２は、水分量センサ２４、３４の構成を示す概念図である。図２に示すように水分量センサ２４、３４は、被測定ガス側電極２４０ａ、３４０ａと参照ガス側電極２４０ｂ、３４０ｂとこれらの電極に挟まれた固体電解質２４０ｃ、３４０ｃとから構成される電気化学セル２４０、３４０を備えている。これらの電極２４０ａ、３４０ａ、２４０ｂ、３４０ｂには、触媒が担持されている。
【００４６】
さらに水分量センサ２４、３４は、電気化学セル２４０、３４０の電圧値を検出する電圧検出部２４１、３４１、電気化学セル２４０、３４０の電流値を検出する電流検出部２４２、３４２、電気化学セル２４０、３４０の電圧および電流を制御する制御回路２４３、３４３とを備えている。
【００４７】
被測定ガス側電極２４０ａ、３４０ａには、被測定ガスとして水分含有量を測定したい空気排ガスあるいは水素排ガスを流す。参照ガス側電極２４０ｂ、３４０ｂは電位が一定であることが必要なので、参照ガス側電極２４０ｂ、３４０ｂには参照ガスとして水分含有率の明らかな空気あるいは水素を流す。本第１実施形態では被測定ガスと参照ガスは異種のガスの組み合わせであり、被測定ガスが水素の場合は参照ガスは空気を用い、被測定ガスが空気の場合には参照ガスは水素を用いている。
【００４８】
本第１実施形態のように被測定ガスと参照ガスが水素と空気の組み合わせの場合には、電気化学セル２４０、３４０は上述の燃料電池セルと同様の作動をし、電極間で起電力を発生する。
【００４９】
参照ガスが空気の場合には大気を利用することができる。また、参照ガスが水素の場合には水素供給装置３２から配管等を介して水素を供給することができる。
【００５０】
図３は、水分量センサ２４、３４のセンサ特性を示している。図３において被測定ガス中の水分量が適正な場合は実線で示すセンサ特性となる。被測定ガス中の水分量が増加すると、相対的に被測定ガス中の水素濃度あるいは酸素濃度が低下する。この結果、図３中の一点鎖線で示すように電気化学セル２４０、３４０が出力可能な限界電流が低下する。すなわち、電気化学セル２４０、３４０を定電圧で制御することで、被測定ガスの含水量の増加に伴い電流値が低下する。
【００５１】
図４は、被測定ガスと参照ガスが異種のガスの組合せにおいて、水分量センサ２４、３４を定電圧で制御した場合の被測定ガス中の水分量と電気化学セル２４０、３４０の出力電流との関係を示している。図４に示すように被測定ガス中の水分量と出力電流との間には相関関係がある。これについて以下に説明する。
【００５２】
定電圧制御時にセンサ２４、３４の電極間の電位差を一定にするためには、両電極間のガス濃度を一定にする必要がある。被測定ガスの含水量が大きい場合、被測定ガス中の水素濃度または酸素濃度が小さいため、電極上での水素、酸素濃度を所定値にするために消費される水素または酸素量は少なくなる。このため、被測定ガス中の含水量増加に伴い、相対的に被測定ガス中の水素または酸素濃度が低下するので、センサ２４、３４の出力電流値は小さくなる。
【００５３】
従って、センサ２４、３４を定電圧に制御し、そのときの電流値を計測することで、燃料電池１０の内部水分量を判断できる。具体的には、センサ２４、３４の電流値が第１の所定電流値を下回った場合に燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判断できる。また、センサ２４、３４の電流値が第１の所定電流値より高い第２の所定電流値を上回った場合は燃料電池１０の内部水分量が不足していると判断できる。
【００５４】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムにおける水分量制御処理について図５のフローチャートに基づいて説明する。
【００５５】
まず、燃料電池１０の電圧値を検出し（ステップＳ１０）、燃料電池１０の電流値を検出する（ステップＳ１１）。
【００５６】
次に、水素出口側水分量センサ３４のセンサ値（電流値）を読み込み（ステップＳ１２）、センサ出力電流が所定値を下回っているか否か判定する（ステップＳ１３）。この結果、センサ出力電流が所定値を下回っている場合には、燃料電池１０の水素極側が水分過剰であると判定できるので、以下のステップＳ１４〜Ｓ１７で水分量を減少させる水分量制御を行う。
【００５７】
加湿器３３により燃料電池１０に供給される水素の加湿量を減少させる（ステップＳ１４）。背圧調整バルブ３５の開度を大きくして水素圧力を減少させて流速を速くする（ステップＳ１５）。水素供給装置３２から供給する水素の流速を増大させる（ステップＳ１６）。そして、過剰判定フラグを立てる（ステップＳ１７）。
【００５８】
次に、空気出口側水分量センサ２４のセンサ値（電流値）を読み込み（ステップＳ１８）、センサ出力電流が所定値を下回っているか否か判定する（ステップＳ１９）。この結果、センサ出力電流が所定値を下回っている場合には、燃料電池１０の酸素極側が水分過剰であると判定できるので、以下のステップＳ２０〜Ｓ２３で燃料電池１０の内部水分量を減少させる水分量制御を行う。
【００５９】
加湿器２３により燃料電池１０に供給される空気の加湿量を減少させる（ステップＳ２０）。背圧調整バルブ２５の開度を大きくして空気圧力を減少させて流速を速くする（ステップＳ２１）。空気供給装置２２から供給する空気の流速を増大させる（ステップＳ２２）。そして、過剰判定フラグを立てる（ステップＳ２３）。
【００６０】
過剰判定フラグが立っている場合、すなわち水分過剰と判定された場合は水分量制御処理を終了し、過剰判定フラグが立っていない場合、すなわち水分過剰と判定されなかった場合は以下のステップＳ２５〜Ｓ２７の処理を行う（ステップＳ２４）。
【００６１】
まず、燃料電池１０の電圧値が所定値を下回っているか否かを判定する（ステップＳ２５）。制御部４０は燃料電池１０の出力電流と出力電圧との関係を示すマップを有しており、上記ステップＳ１０で検出した出力電圧値が、上記ステップＳ１１で検出した出力電流値に対応する電圧値を下回っているかを判定する。
【００６２】
この結果、所定値を下回っている場合には、燃料電池１０の内部水分量が過剰でなく、かつ、燃料電池の出力が低下している場合なので、燃料電池１０の内部水分量が不足していると判断できる。従って、加湿器２３、３３による加湿量を増加させ、燃料電池１０の内部水分量を増加させる（ステップＳ２６）。さらに、背圧調整バルブ２５、３５の開度を小さくし、空気供給装置２２、水素供給装置３２の供給ガス流速を低下させてもよい。
【００６３】
一方、燃料電池１０の電圧値が所定を下回っていない場合には、燃料電池１０の運転状態が適正であり内部水分量が適正であると判断できるので、加湿器２３、３３による加湿量を通常値に制御し、現在の燃料電池１０の内部水分量を保持するようにする（ステップＳ２７）。
【００６４】
以上のように、電気化学セル２４０、３４０を有する水分量センサ２４、３４を用い、燃料電池１０から排出されるガス中の水分量を検出することで、間接的に燃料電池１０の内部水分状態を診断することができる。また、電気化学セル２４０、３４０を用いることで、被測定ガスの湿度に関係なく含水量を検出することができる。さらに、電気化学セル２４０、３４０を用いることで、例えば静電容量型の湿度センサを用いた場合より応答性を向上させることができる。燃料電池１０の内部水分状態の診断結果に基づいて燃料電池１０の内部水分量を制御することで、燃料電池１０の内部水分状態を適切に保つことができる。
【００６５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６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、水分量センサ２４、３４を定電流制御する点で異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００６６】
図６は、被測定ガスと参照ガスが異種のガスの組合せにおいて、水分量センサ２３、３４を定電流で制御した場合の被測定ガス中の水分量と電気化学セル２４０、３４０の電極間の電位差との関係を示している。図６に示すように、被測定ガス中の水分量と電位差との間には相関関係がある。これについて以下に説明する。
【００６７】
定電流制御時にはセンサ２４、３４の電極上で消費される水素または酸素の量は同一であるが、被測定ガスの含水量の低下により被測定ガス側電極２４０ａ、３４０ａにおける水素または酸素の濃度は低下する。この濃度変化により、参照ガス側の電極電位と被測定ガス側の電極電位に変化が生じる。この結果、被測定ガスの含水量が増加することで、相対的に被測定ガス中の水素または酸素濃度が減少して起電力が低下し、電極間の電位差が減少する。従って、電気化学セル２４０、３４０を定電流で制御して両電極間の電位を測定し、電位差が第１の所定電位差を下回った場合に、燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判断でき、電位差が第１の所定電位差より大きい第２の所定電位差を上回った場合に、燃料電池１０の内部水分量が不足であると判断できる。
【００６８】
このように、電気化学セル２４０、３４０を定電流で制御して出力電圧を検出することによっても、水分量センサ２４、３４により被測定ガス中の水分量を測定することができる。
【００６９】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７、図８に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、被測定ガスと参照ガスの組み合わせ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同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
本第３実施形態では、水分量センサ２４、３４の被測定ガスと参照ガスは同種のガスの組み合わせとしている。すなわち、被測定ガスが水素の場合は参照ガスは水素を用い、被測定ガスが空気の場合には参照ガスは空気を用いている。本第３実施形態では、制御回路２４３、３４３が電圧印加手段としての機能をも有している。
【００７１】
本第３実施形態のように、被測定ガスと参照ガスが同種のガスの場合には、被測定ガスと参照ガスの含水量の違いによるガス濃度差から水素イオンあるいは酸素イオンが電解質２４０ｃ、３４０ｃを通過し、センサ出力が変化する。被測定ガスと参照ガスを同種のガスとした場合の水分量センサ２４、３４のセンサ特性は、上記第１実施形態の図３で示した異種ガスの組み合わせの場合と同様になる。
【００７２】
参照ガスの供給方法は上記第１実施形態と同様、空気の場合には大気を利用することができ、水素の場合には水素供給装置３２から水素を供給することができる。また、被測定ガスと参照ガスが共に水素である場合には、被測定ガス側電極に３４０ａに水分を含んだ水素を供給することで、電解質３４０ｃを通過した水素イオンが参照ガス側電極３４０ｂにくみ出され、参照ガスとしての水素を得ることもできる。
【００７３】
図７は、被測定ガスと参照ガスが同種のガスの組合せにおいて、水分量センサ２４、３４を定電圧で制御した場合の被測定ガス中の水分量と電気化学セル２４０、３４０の出力電流との関係を示している。
【００７４】
定電圧制御時にセンサ２４、３４の電極間の電位差を一定にするためには、両電極間のガス濃度を一定にする必要がある。被測定ガスの含水量が大きい場合、被測定ガス中の水素濃度または酸素濃度が小さいため、電極上での水素、酸素濃度を所定値にするために消費される水素または酸素量は少なくなる。このため、被測定ガス中の含水量増加に伴い、相対的に被測定ガス中の水素または酸素濃度が低下するので、センサ２４、３４の出力電流値は小さくなる。従って、センサ２４、３４を定電圧に制御し、そのときの電流値を計測することで、電流値が第１の所定値を下回った場合に燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判断でき、電流値が第１の所定値より低い第２の所定値を上回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断できる。
【００７５】
図８は、被測定ガスと参照ガスが同種のガスの組合せにおいて、水分量センサ２４、３４を定電流で制御した場合の被測定ガス中の水分量と電気化学セル２４０、３４０の出力電圧との関係を示している。
【００７６】
定電流制御時にはセンサ２４、３４の電極上で消費される水素または酸素の量は同一であるが、被測定ガスの含水量の低下により被測定ガス側電極２４０ａ、３４０ａにおける水素または酸素の濃度は低下する。この濃度変化により、参照ガス側の電極電位と被測定ガス側の電極電位に変化が生じる。この結果、被測定ガスの含水量が増加することで、相対的に被測定ガス中の水素または酸素濃度が低下し、両電極間の電位差が増大する。従って、両電極間の電位を測定し、電位差が第１の所定値を上回った場合に、燃料電池１０の内部水分量が過剰であると判断でき、電位差が第１の所定値より高い第２の所定値を下回った場合に、燃料電池１０の内部水分量が不足であると判断できる。
【００７７】
また、定電流制御値をゼロとした場合、すなわち開回路時にも図８に示すセンサ特性となる。この場合には電流等を制御せず、単に電極間の電位差を計測することで燃料電池１０の内部水分量の過剰を判断できる。
【００７８】
以上のように、水分量センサ２４、３４の被測定ガスと参照ガスを同種のガスとした場合にも、センサ２４、３４を定電圧制御あるいは定電流制御することで、被測定ガスの含水量を測定することができ、燃料電池１０の内部水分状態の判断に用いることができる。
【００７９】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図９〜図１１に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態と比較して、水分量センサが燃料電池１０内部に配置されている点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同一の符号を付して説明を省略する。
【００８０】
図９は、本第４実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の分解斜視図である。図９に示すように、セル１００は、電解質膜１０１を挟むように一対の集電部１０２、１０３と一対のセパレータ１０４、１０５が積層されて構成されている。集電部１０２、１０３は、例えばカーボンクロスを用いることができる。セパレータ１０４、１０５には、リード線１０６、１０７が接続されている。
【００８１】
電解質膜１０１、集電部１０２、１０３およびセパレータ１０４、１０５には、それぞれ対応する部位に絶縁部１０１ａ、１０２ａ、１０３ａ、１０４ａ、１０５ａが形成されている。これにより、電解質膜１０１、集電部１０２、１０３およびセパレータ１０４、１０５の一部の部位１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂが他の部位から絶縁され分離される。なお、図９では図示を省略しているが、セパレータ１０４、１０５の表面にはガス供給用の溝が形成されている。また、セパレータ１０４、１０５のうちセンサ部分が存在する位置の両外側には、セパレータ１０４、１０５を狭持する金属製ハウジングから絶縁するために絶縁部１０４ａ、１０５ａが形成されている。
【００８２】
図１０はセル１００の部分断面図であり、図１１は水分量センサ１４の構成を示す概念図である。図１０、図１１に示すように、電解質膜１０１、集電部１０２、１０３およびセパレータ１０４、１０５の一部の部位１０１ｂ、１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂが水分量センサ１４の電気化学セル１４０を構成している。このうち集電部１０２、１０３およびセパレータ１０４、１０５の一部の部位１０２ｂ、１０３ｂ、１０４ｂ、１０５ｂが水分量センサ１４の電極を構成する。
【００８３】
また、図１０に示すように、セパレータ１０４、１０５には、ガス供給用の溝１０４ｃ、１０４ｄ、１０５ｃ、１０５ｄが形成されている。セパレータ１０４、１０５における水分量センサ１４を構成する部位の溝１０４ｃ、１０５ｃには、被測定ガスと参照ガスが流れる。被測定ガスには、発電用ガス（空気、水素）のいずれかが用いられ、参照ガスには、被測定ガスと同種あるいは異種の水分含有量が明らかなガスが用いられる。セパレータ１０４、１０５における他の部位の溝１０４ｄ、１０５ｄには、発電用ガス（空気、水素）が流れる。
【００８４】
以上の構成により、燃料電池１０を構成するセル１００の一部を利用して、燃料電池１０内部に水分量センサ１４を設けることができる。これにより、水分量センサ１４を定電圧制御あるいは定電流制御することによって、燃料電池１０内部における発電用ガス（空気、水素）の含水量を測定することができる。なお、水分量センサ１４は、燃料電池１０を構成する任意のセル１００に配置することができ、例えば相対的に乾燥しやすいセル１００に設けることができる。
【００８５】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１２に基づいて説明する。上記第４実施形態ではセル１００の一部を水分量センサ１４の電気化学セル１４０として利用した構成であるのに対して、本第５実施形態ではセル１００に別体の水分量センサ１４の電気化学セル１４０がはめ込まれて構成されている点が異なるものである。上記第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００８６】
図１２は、本第５実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の斜視図および水分量センサ１４における電気化学セル１４０の分解斜視図である。図１２に示すように、セル１００の一部を切り欠かれており、セル１００に電気化学セル１４０をはめ込めるように構成されている。電気化学セル１４０におけるセル１００と接触する部位は、絶縁部１０１ａ〜１０５ａが形成されている。なお、セパレータ１０４ｂ、１０５ｂの両外側は、絶縁部１０４ａ、１０５ａで覆われている。
【００８７】
水分量センサ１４の電気化学セル１４０はセル１００と同様の構造を有しており、電解質膜１０１ｂを挟むように一対の集電部１０２ｂ、１０３ｂと一対のセパレータ１０４ｂ、１０５ｂが積層されて構成されている。集電部１０２ｂ、１０３ｂは、例えばカーボンクロスを用いることができる。セパレータ１０４ｂ、１０５ｂには、被測定ガス用の溝と参照ガス用の溝が形成されている。被測定ガスには、発電用ガス（空気、水素）のいずれかが用いられ、参照ガスには、被測定ガスと同種あるいは異種の水分含有量が明らかなガスが用いられる。
【００８８】
以上の構成によっても、上記第４実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８９】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１３〜図１８に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記第４実施形態と比較して、セル１００の抵抗に基づいてセル１００の含水量を検出するように構成されている点が異なるものである。上記第４実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００９０】
図１３は本第６実施形態の燃料電池１０を構成するセル１００の斜視図である。図１３に示すように本第６実施形態では、集電部１０２、１０３に絶縁部１０２ａ、１０３ａが形成され、一部の部位１０２ｂ、１０３ｂを他の部位から絶縁している。この集電部１０２、１０３の一部の部位１０２ｂ、１０３ｂは、水分量センサ１４における電気化学セル１４０の電極を構成しており、リード線１０６、１０７が接続されている。また、セパレータ１０４、１０５においても、一部の部位１０４ｂ、１０５ｂを他の部位から絶縁するとともに両外側を覆うように絶縁部１０４ａ、１０５ａが形成されている。
【００９１】
図１４は、水分量センサ１４の構成を示す概念図である。本第６実施形態の水分量センサ１４は、交流インピーダンス法によりセル１００の内部抵抗を検出するものである。図１４に示すように、本第６実施形態における水分量センサ１４の電気化学セル１４０は、電解質膜１０１と電解質膜１０１を挟むように設けられた一対の電極１０２ｂ、１０３ｂとから構成される。また、本第６実施形態の水分量センサ１４には、任意の周波数で正弦波電流を発生する正弦波発振器１４４が設けられている。
【００９２】
図１５は、水分量センサ１４のインピーダンス検出部の構成を示す概念図である。図１５に示すように、水分量センサ１４には、電圧検出部１４１の電圧信号および電流検出部１４２の電流信号からノイズを除去するフィルタ部１４５、１４６と、高速フーリエ変換処理を行うＦＦＴ処理部１４７、１４８と、ＦＦＴ処理された電圧成分、電流成分からインピーダンスを算出するインピーダンス分析部１４９を備えている。なお、本発明の抵抗検出手段は、電圧検出部１４１、電流検出部１４２、制御回路１４３、フィルタ部１４５、１４６、ＦＦＴ処理部１４７、１４８およびインピーダンス分析部１４９から構成されている。
【００９３】
図１６は、燃料電池セル１００内部の水分量と内部抵抗との関係を示している。図１６に示すように、燃料電池セル１００内部の水分量と内部抵抗とは相関関係がある。すなわち、燃料電池セル１００内の水分が不足すると電解質膜１０１の水分量が減少し、電解質膜１０１の導電率が低下する。この結果、電解質膜１０１の抵抗が増大することとなる。従って、電解質膜１０１の抵抗値が第１の所定抵抗値を超えている場合には電解質膜１０１の水分量が不足していると判断することができる。また、水分が過剰になると電極の反応抵抗が増加する。このため、電極の反応抵抗が第２の所定抵抗値を超えている場合には、電解質膜の水分過剰と判断することができる。それら以外の場合には電解質膜１０１の水分量が適正であると判断することができる。
【００９４】
ところで、燃料電池セル１００の電圧降下は、（１）電気化学反応による反応抵抗、（２）燃料電池セル１００の電解質膜抵抗によって生じる。従って、これらの中から交流インピーダンス法により反応抵抗と電解質膜抵抗を測定することで、燃料電池の水分量を検出することが可能となる。
【００９５】
次に、図１７、図１８に基づいて、交流インピーダンス法による反応抵抗と電解質膜抵抗の測定方法について説明する。
【００９６】
図１７は燃料電池セル１００の等価回路を示している。図１７の等価回路におけるＲ１は電解質膜１０１の抵抗に相当し、Ｒ２は反応抵抗に相当している。図１７の等価回路に所定の周波数を有する正弦波電流を印加した場合、電流の変化に対して電圧の応答が遅れる。
【００９７】
図１８は、図１７の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合の燃料電池セル１００のインピーダンスを複素平面上に表示したものである。印加する正弦波電流の周波数が無限に大きい場合（ω＝∞）のインピーダンスは、図１８におけるＲ１となる。また、正弦波電流の周波数が非常に小さい場合（ω＝０）のインピーダンスは、Ｒ１＋Ｒ２となる。高周波から低周波の間で周波数を変化させたときのインピーダンスは、図１８に示すような半円を描く。
【００９８】
これらのことより、交流インピーダンス法を用いることで、燃料電池セル１００の等価回路におけるＲ１とＲ２を分離して計測することが可能となる。
【００９９】
上述のようにＲ１は電解質膜１０１の抵抗に相当するため、Ｒ１が第１の所定値を超えている場合には電解質膜１０１の水分量が不足していると判断することができ、Ｒ１が第１の所定値を下回っている場合には電解質膜１０１の水分量が適正であると判断することができる。また、Ｒ２は電極の反応抵抗に相当するため、Ｒ２が第２の所定値を超えている場合は電極上の水分量が過剰と判断でき、Ｒ２が第２の所定値を下回る場合は水分量が適正と判断できる。
【０１００】
また、本第６実施形態では、セル１００の集電部１０２、１０３の一部を水分量センサ１４における電気化学セル１４０の電極として用いている。このため、水分量センサ１４の出力電流は、セル１００の出力電流に比較して微少であり、セル１００の出力に対する影響が小さい。この結果、燃料電池１０の運転中においても、水分量センサ１４による燃料電池セル１００の水分量測定が可能となる。
【０１０１】
（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、水分量センサ２４、３４を酸素排ガス経路２１および水素排ガス経路３１の双方に設けたが、いずれか一方のみに設けるように構成してもよい。
【０１０２】
また、上記第１実施形態では、水分量センサ２４、３４を燃料電池１０の下流側の排ガス経路２１、３１に設けたが、図１９に示すように、水分量センサ２４、３４を燃料電池１０上流側の酸素供給経路２０あるいは水素供給経路３０の少なくとも一方に設けてもよい。この場合には、燃料電池１０に供給される空気あるいは水素の含水量の過不足を判断することができる。さらに、水分量センサ２４、３４を燃料電池１０の上流側および下流側の双方に設けてもよい。
【０１０３】
また、上記第６実施形態の正弦波発振器１４４は正弦波電流を発生するように構成したが、これに限らず、正弦波電圧を発生するように構成し、水分量センサ１４の電気化学セル１４０が出力する直流電圧に正弦波電圧を印加するように構成してもよい。
【０１０４】
また、上記第６実施形態では、交流インピーダンス法により電気化学セル１００の内部抵抗を求めたが、これに限らず、例えば出力電流を徐々に増加させたときの出力電圧を測定し、これらの出力電流と出力電圧とから抵抗を求める電圧降下法で電気化学セル１００の内部抵抗を求めるように構成してもよい。
【０１０５】
また、上記第４〜第６実施形態に示した燃料電池セル１００の一部を水分量センサ１４として利用する構成において、図２０に示すように水分量センサ１４を複数のセル１００に設けるように構成してもよい。このように、水分量センサ１４を燃料電池１０内部の複数箇所に配置することで、燃料電池１０内部における水分量のバラツキを検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】水分量センサの概念図である。
【図３】水分量センサのセンサ特性を示す特性図である。
【図４】水分量センサを定電圧制御した場合のセンサ特性を示す特性図である。
【図５】第１実施形態の燃料電池システムの水分量制御を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態の水分量センサを定電流制御した場合のセンサ特性を示す特性図である。
【図７】第３実施形態の水分量センサを定電圧制御した場合のセンサ特性を示す特性図である。
【図８】第３実施形態の水分量センサを定電流制御した場合のセンサ特性を示す特性図である。
【図９】第４実施形態の燃料電池セルの分解斜視図である。
【図１０】第４実施形態の燃料電池セルの部分断面図である。
【図１１】第４実施形態の水分量センサの構成を示す概念図である。
【図１２】第５実施形態における燃料電池セルの斜視図および水分量センサの電気化学セルの分解斜視図である。
【図１３】第６実施形態の燃料電池セルの斜視図である。
【図１４】第６実施形態の水分量センサの構成を示す概念図である。
【図１５】第６実施形態における水分量センサのインピーダンス検出部の構成を示す概念図である。
【図１６】第６実施形態における燃料電池セル内部の水分量と内部抵抗との関係を示す特性図である。
【図１７】第６実施形態の燃料電池セルの等価回路を示す回路図である。
【図１８】図１７の回路に高周波から低周波までの正弦波電流を印加した場合の燃料電池セルのインピーダンスを複素平面上に表示した特性図である。
【図１９】燃料電池システムの変形例を示す概念図である。
【図２０】水分量センサを燃料電池の複数箇所に設けた例を示す概念図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１４、２４、３４…水分量センサ、２０…酸素供給経路、２１…酸素排ガス経路、２２…空気供給装置、２３、３３…加湿器、２５、３５…背圧調整バルブ、３０…水素供給経路、３１…水素排ガス経路、３２…水素供給装置、１００…セル、１０１…電解質膜、１０２、１０３…集電部、１０４、１０５…セパレータ。
Claims (17)
- 電解質膜（１０１）と前記電解質膜を挟む一対の集電部（１０２、１０３）とを含む複数のセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、
前記セルの内部水分量を検出する水分量センサと、
前記燃料電池の内部水分量を制御する内部水分量制御手段（２２、２３、２５、３２、３３、３５）とを備え、
水分量センサの検出値より前記燃料電池の内部水分状態を判定し、前記内部水分状態に基づいて前記内部水分量制御手段により、前記燃料電池の内部水分量を制御する燃料電池システムであって、
前記水分量センサは、
前記一対の集電部それぞれの一部からなる電極（１０２ｂ、１０３ｂ）と、前記電解質膜（１０１）の一部からなる電解質（１０１ｂ）とを有する電気化学セル（１４０）と、
前記電気化学セル（１４０）の電圧値を検出する電圧検出手段（１４１）と、
前記電気化学セル（１４０）の電流値を検出する電流検出手段（１４２）と、
前記電気化学セル（１４０）の電圧あるいは前記電気化学セルの電流の少なくとも一方を制御する制御手段（１４３）とを備え、
前記セル（１００）の電解質（１０１）の一方の面に供給される水素と前記セル（１００）の電解質（１０１）の他方の面に供給される空気の少なくとも一方の含水量を検出し、前記セルの内部水分量を検出するように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御手段（１４３）により前記電圧を所定電圧値に制御した場合の前記電気化学セル（１４０）の電流値に基づいて前記被測定ガスの含水量を検出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。
- 前記被測定ガスと前記参照ガスとが同種のガスである場合には前記制御手段（１４３）により前記一方の電極と前記他方の電極との電位差を所定電位差に制御し、前記被測定ガスと前記参照ガスとが異種のガスである場合には前記制御手段（１４３）により前記電圧を所定電圧値に制御して、前記電気化学セル（１４０）の電流値が第１の所定電流値を下回った場合に、前記燃料電池の内部水分量が過剰であると判定することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記被測定ガスと前記参照ガスとが同種のガスである場合には前記制御手段（１４３）により前記一方の電極と前記他方の電極との電位差を所定電位差に制御し、前記被測定ガスと前記参照ガスとが異種のガスである場合には前記制御手段（１４３）により前記電圧を所定電圧値に制御して、前記電気化学セル（１４０）の電流値が第２の所定電流値を上回った場合に、前記燃料電池の内部水分量が不足であると判定することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段（１４３）により前記電流を所定電流値に制御した場合の前記電気化学セル（１４０）の電圧値に基づいて前記被測定ガスの含水量を検出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。
- 前記被測定ガスと前記参照ガスとが異種のガスである場合、前記制御手段（１４３）により前記電流を所定電流値に制御した際の前記電気化学セル（１４０）の電圧値が第１の所定電圧値を下回った場合に、前記燃料電池の内部水分量が過剰であると判定す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。
- 前記被測定ガスと前記参照ガスとが異種のガスである場合、前記制御手段（１４３）により前記電流を所定電流値に制御した際の前記電気化学セル（１４０）の電圧値が第２の所定電圧値を上回った場合に、前記燃料電池の内部水分量が不足であると判定することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
- 前記被測定ガスと前記参照ガスとが同種のガスである場合、前記制御手段（１４３）により前記電流を所定電流値に制御した際の前記一方の電極と前記他方の電極との電位差が第１の所定電位差を上回った場合に、前記燃料電池の内部水分量が過剰であると判定す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。
- 前記被測定ガスと前記参照ガスとが同種のガスである場合、前記制御手段（１４３）により前記電流を所定電流値に制御した際の前記一方の電極と前記他方の電極との電位差が第２の所定電位差を下回った場合に、前記燃料電池の内部水分量が不足であると判定することを特徴とする請求項５または８に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の酸素極から排出される酸素排ガスが通過する酸素排ガス経路（２１）と、
前記燃料電池の水素極から排出される水素排ガスが通過する水素排ガス経路（３１）とを備え、
前記水分量センサは前記酸素排ガス経路あるいは前記水素排ガス経路の少なくとも一方に設けられ、前記水素排ガスあるいは前記酸素排ガスの少なくとも一方の含水量を検出することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の酸素極に供給される酸素ガスが通過する酸素供給経路（２０）と、
前記燃料電池の水素極に供給される水素ガスが通過する水素供給経路（３０）とを備え、
前記水分量センサは前記水素供給経路あるいは前記酸素供給経路の少なくとも一方に設けられ、前記水素ガスあるいは前記酸素ガスの少なくとも一方の含水量を検出する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。 - 電解質膜（１０１）と前記電解質膜を挟む一対の集電部（１０２、１０３）とを含む複数のセル（１００）を有する燃料電池（１０）と、
前記セルの内部水分量を検出する水分量センサと、前記燃料電池の内部水分量を制御する内部水分量制御手段（２２、２３、２５、３２、３３、３５）とを備え、
前記水分量センサの検出値より前記燃料電池の内部水分状態を判定し、前記内部水分状態に基づいて前記内部水分量制御手段により、前記燃料電池の内部水分量を制御する燃料電池システムであって、
前記水分量センサは、
前記一対の集電部それぞれの一部からなる電極（１０２ｂ、１０３ｂ）と前記電解質膜（１０１）の一部からなる電解質（１０１ｂ）とを有する電気化学セル（１４０）と、
前記電気化学セルの抵抗値を検出する抵抗検出手段（１４１〜１４９）とを備え、
前記電気化学セルの抵抗値に基づいて前記セルの内部水分量を検出するものであることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記水分量センサは、前記電気化学セルの出力信号に周波数を変化させながら正弦波信号を印加した場合の前記電気化学セルの交流インピーダンスに基づいて、前記電解質膜の抵抗値と電極反応抵抗と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。
- 前記電解質膜の抵抗値が第１の所定抵抗値を超えている場合に、前記燃料電池内部の水分量が不足であると判定することを特徴とする請求項１２または１３に記載の燃料電池システム。
- 前記電解質膜の抵抗値が前記第１の所定抵抗値以下であり、かつ、前記電極反応抵抗が第２の所定抵抗値を下回っている場合に、前記燃料電池内部の水分量が適正であると判定することを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
- 前記電極反応抵抗が前記第２の所定抵抗値を上回っている場合に、前記燃料電池内部の水分量が過剰であると判定することを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
- 前記水分量センサは、前記燃料電池の複数箇所に配置されていることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
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