JP4577313B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、所定ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、詳しくは燃料電池からの排出ガスに含まれる水分を利用した加湿の制御に関する。

反応ガスとしての空気と水素ガスとを燃料電池に供給し、空気に含まれる酸素と、水素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムでは、所定の発電効率を確保するため、燃料電池に供給される空気を加湿する必要がある。従来から、燃料電池システムでは、電気化学反応により酸素極側で生成された水分を含む排ガスを利用した加湿器を備え、燃料電池に供給する空気の加湿を行なう技術が知られている（例えば、特開２００２−７５４１８号公報参照）。
例えば、下記特許文献１では、燃料電池を通過した空気（以下、排ガスと呼ぶ）を、加湿器を介して外部に排出するシステムが開示されている。このシステムでは、排ガスの流路上であって、燃料電池と加湿器との間（つまり、加湿器の上流側）に第１の圧力制御弁を、加湿器の下流側に第２の圧力制御弁を、それぞれ備え、燃料電池に供給される空気の湿度が低い場合に、第２の圧力制御弁の開度を増やすことで加湿器内の圧力を下げる制御を行なっている。こうすることで、排ガスに含まれる水分を水蒸気とすることができ、加湿器の加湿効率を高めることができるとされている。

しかしながら、かかる技術では、燃料電池の外部へ排出される排ガスについては考慮されておらず、排出される排ガスの量によっては加湿器の加湿性能が低下するという問題があった。すなわち、排ガス中の水分量は、加湿器により全て使用されるわけではなく、その一部は排ガスとしての空気と共に外部に排出されてしまうからである。排ガス中に含まれる水分量は、燃料電池の発電に伴う生成水であり、発電量に応じて定まる量である。例えば、発電量を増大するため燃料電池への供給空気の流速を増やすと、排ガスの流速も増大する。こうした状況で水蒸気の量を増やしても、排ガスとして外部へ排出される水分量が増大し、結果的に、加湿に使用できる水分量が低下し、加湿器の加湿性能が低下してしまうおそれがあった。
本発明は、こうした加湿器の加湿性能の低下といった問題を踏まえて、適切な加湿の制御を実行する燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の燃料電池システムは、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、所定ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池からの排出ガスの配管路に設けられ、該燃料電池に供給される供給ガスの少なくとも一種類を、該燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分を用いて加湿する加湿器と、
前記排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量の検出を行なう排出水分量検出手段と、
前記検出結果に基づいて、前記排出水分量が所定量以上であると判断した場合に、前記加湿器の下流へ排出される前記排出水分置を制限する処理を行なう調整処理手段と
を備えることを要旨としている。
本発明の燃料電池システムによれば、加湿器の下流へ排出される排出水分量を検出し、排出水分量が所定量以上となる場合には排出水分量を制限する。したがって、加湿器下流へ排出されてしまう水分量を抑制し、排出ガスに含まれる水分の多くを加湿器内での供給ガスの加湿に利用することができる。その結果、加湿器の加湿効率の低下を抑え、加湿器での適切な加湿に効果を奏する。
上記の構成の燃料電池システムの排出水分量検出手段は、前記排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量に影響を与える物理量により検出する手段であるものとしても良い。
かかる燃料電池システムによれば、排出水分量に影響を与える物理量を検出し、検出した物理量に基づき排出水分量を検出するから、物理量から間接的に排出水分量を求めることができる。
なお、こうした物理量としては、大気圧、燃料電池の排出ガスの出口温度、燃料電池の排出ガスの流速などが考えられるが、排出水分量に影響を与えるものであればどのような物理量であっても良い。
物理量が、大気圧である場合には、検出した大気圧が所定圧よりも低い場合に、排出水分量が所定量以上であると判断する。すなわち、大気圧が低い場合には加湿器内の圧力が低下し、排出水分量が所定量以上であると判断し、この場合に加湿器下流へ排出される水分量を抑制する。したがって、大気圧の低い環境下で燃料電池システムを稼動する場合であっても、適切な加湿を実行することができる。
また、物理量が出口温度である場合には、検出した出口温度が所定値よりも高い場合に、排出水分量が所定量以上であると判断する。すなわち、燃料電池から排出される排出ガスの温度が高い場合には、排ガスの含まれる水分が多く、排出水分量が所定量以上であると判断し、この場合に加湿器下流へ排出される水分量を抑制する。こうした一般的に検出される温度を用いることで、排出水分量の判断を容易に行なうことができる。
さらに、物理量が排出ガスの流速である場合には、検出した流速が所定値よりも高い場合に、排出水分量が所定量以上であると判断する。すなわち、排出ガスの流速が高い場合には、加湿器内を通過する流速も高くなり、加湿器内では十分な加湿が行なわれない。こうした流速が高い場合には排出水分量が所定量以上であると判断し、加湿器下流へ排出される水分量を抑制する。したがって、加湿器での適切な加湿を行なうことができる。
上記の構成の燃料電池システムは、さらに、前記排出ガスの流路上であって前記加湿器よりも下流側に、該排出ガスの圧力を調整することで前記燃料電池内の供給ガスの圧力を調整する下流側圧力調整弁を備え、前記流量調整処理手段は、前記加湿器下流への前記排出水分量の制限を、前記下流側圧力調整弁による圧力調整で実行するものとしても良い。
かかる燃料電池システムによれば、下流側圧力調整弁による圧力調整を実行することで、結果的に、排出される流量を制限することができる。つまり、圧力調整弁を加湿器の下流側に配置するのみで、比較的容易にシステムを構築することができる。
上記の構成の燃料電池システムは、さらに、前記排出ガスの流路上であって前記加湿器よりも上流側に、該排出ガスの圧力を調整することで前記燃料電池内の供給ガスの圧力を調整する上流側圧力調整弁を備え、前記流量調整処理手段は、前記排出水分量が所定量よりも少ないと判断した場合には、前記下流側圧力調整弁による圧力調整に代えて、前記上流側圧力調整弁による圧力調整を実行するものとしても良い。
かかる燃料電池システムによれば、排出水分量が少ない場合には、加湿器下流への流量を制限することなく、上流側圧力調整弁による圧力調整を実行する。燃料電池に近い上流側の圧力調整弁によって制御を行なうため、応答遅れなどを低減し、制御性の低下を抑制することができる。
上記の構成の燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池における発電の状態に見合った要求加湿量を推定する要求加湿量推定手段を備え、前記流量調整処理手段は、前記推定された要求加湿量が所定値以下である場合には、前記排出水分量が所定量以上であるか否かの判断に係わらず、前記上流側圧力調整弁による圧力調整を実行するものとしても良い。
かかる燃料電池システムによれば、要求加湿量が少ない場合には、上流側圧力調整弁による処理を実行する。すなわち、排出水分量が所定量以上であると判断された場合であっても、必要とされる加湿量が少なくて良い場合には、加湿器の加湿効率よりも制御性を優先して上流側圧力調整弁による制御を実行する。したがって、必要なときに適切な加湿を実行することができる。
また、本発明は、燃料電池運転方法としても把握することもでき他、以下の態様を備えた燃料電池システムとして把握することができる。一つは、所定ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池に供給される供給ガスを該燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分を用いて加湿する加湿器とを有する燃料電池システムであって、前記排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量の検出を行なう排出水分量検出手段と、前記検出結果に基づいて、前記排出水分量が所定量以上であると判断した場合に、前記加湿器の下流へ排出される前記排出ガスの流量を制限する処理を行なう流量調整処理手段とを備えたシステムである。
また、もう一つは、所定ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池からの排出ガスの配管路に設けられ、該燃料電池に供給される供給ガスの少なくとも一種類を、該燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分を用いて加湿する加湿器と、前記排出ガスの状態量に基づいて、該排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量が増加する条件が成立するか否かを判断する判断手段と、前記排出水分量が増加する条件が成立すると判断した場合には、前記加湿器における加湿効率が向上するよう、該加湿器における前記排出ガスの圧力を増加する圧力増加手段とを備えるシステムである。

図１は、本発明の実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。
図２は、本実施例の燃料電池システムにおける第１実施例の圧力調整処理を示すフローチャートである。
図３は、本実施例の燃料電池システムにおける第２実施例の圧力調整処理を示すフローチャートである。
図４は、第１実施例の圧力調整処理に要求加湿量の判断処理を加えた圧力調整処理のフローチャートである。

本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
Ｂ．第１実施例の圧力調整処理：
Ｃ．第２実施例の圧力調整処理：
Ｄ．変形例：
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システムの概略構成図である。この燃料電池システム１０は、反応ガスとしての水素ガスと空気との供給を受け、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池２０を備え、燃料電池２０の発電した電力を動力とする図示しない車両に搭載されている。このシステム１０は、図示するように、燃料電池２０の他、燃料電池２０に水素ガスを供給する水素系統３０，燃料電池２０に空気を供給するエア系統４０，各部を制御する制御ユニット１２０などから構成されている。
燃料電池２０は、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを備えた単セル２１を複数枚有し、積層された複数枚の単セル２１を両端からエンドプレート２８，２９で挟み込んで形成されている。単セル２１は、セパレータ、アノード、電解質膜、カソード、セパレータを順に重ね合わせて構成され、セパレータには水素ガス，空気の流路がそれぞれ設けられている。これらの各種流体の流路は、エンドプレート２８に設けられた各種流体の入口ポートとそれぞれ接続されており、燃料電池２０の外部から入口ポートに供給された水素ガス，空気は、複数の単セル２１のそれぞれに滞りなく供給される。なお、エンドプレート２８には、冷媒の入口ポートも設けられており、外部から供給された冷媒は燃料電池２０を冷却している。
各単セル２１内のアノードに供給された水素ガスは、アノードを構成する触媒層の触媒作用を受けて水素イオンを発生する。この水素イオンは、電解質膜をカソード側へ透過し、カソードに供給された空気中の酸素と反応する。この電気化学反応により、単セル２１は発電する。燃料電池２０は、こうした単セル２１を複数直列に接続することで、高い電力を出力している。なお、本実施例では、電解質膜に固体高分子膜を使用している。こうした電解質膜は、所定範囲の湿潤状態で良好に作用する。
水素系統３０は、高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンク３１，水素循環ポンプ３２や図示しないバルブ等から構成され、バルブにより圧力，流量を調整した水素ガスを燃料電池２０に供給している。燃料電池２０に供給された水素ガス中の水素は、上述の電気化学反応により消費されるが、その一部が消費されずに燃料電池２０から排出される場合がある。水素循環ポンプ３２は、燃料電池２０から排出された水素ガスを再度、燃料電池２０へ供給し、電気化学反応に使用されずに排出された水素を有効に利用している。なお、燃料電池２０への水素ガスの供給は、水素タンク３１からの供給に代えて、例えば、メタン、メタノール等を改質して水素を生成し、これを供給するものとしても良い。
エア系統４０は、大きくは、燃料電池２０に空気を供給する供給ラインと、燃料電池２０から排出された空気を後述する排気系統８０へ導く排気ラインとから構成されている。
供給ラインは、燃料電池２０に供給される空気の流れの上流から順に、内部に半導体のゲージを備えた大気圧センサ４７，空気中のごみやほこりを除去するエアクリーナ４１，熱線式のエアフロメータ４２，動力源としてモータを備えたエアコンプレッサ４３，空気を冷却して空気密度を高めるインタークーラ４４，供給される空気を加湿する加湿器４８と、こうした機器を接続する供給配管４５，４６等から構成され、エアコンプレッサ４３の駆動により大気中の空気を取り込んで、燃料電池２０に供給している。
エアコンプレッサ４３の駆動により外部から取り込む空気は、まず、エアクリーナ４１により浄化され、エアフロメータ４２を通過する。エアフロメータ４２を通過した空気は、エアコンプレッサ４３による圧縮の後、インタークーラ４４により冷却されて、加湿器４８により加湿される。こうして加湿された湿潤状態の空気は、燃料電池２０のエンドプレート２８と接続された供給配管４６を流れて、燃料電池２０に供給される。
本実施例では、加湿器４８として中空糸膜型の加湿装置を使用している。この加湿器４８内部には複数本の中空糸膜が設けられており、中空糸膜の外側（これを一次側と呼ぶ）に乾燥ガスを、中空糸膜の内側（これを二次側と呼ぶ）に湿潤ガスを、それぞれ通過させることで、一次側の乾燥ガスを加湿する。中空糸膜は、内側から外側に至る微細な毛管を複数備えており、二次側を通過する湿潤ガスの水蒸気は毛管現象により水分として吸い出される。こうして吸い出された水分は、一次側の乾燥ガスに供給される。
本実施例では、供給ライン上に加湿器４８の一次側を配置し、後述するように排気ライン上に加湿器４８の二次側を配置する。燃料電池２０から排出される空気は、上述の電気化学反応によりカソード側で発生した生成水を水蒸気として含んでいるため、湿潤状態のガスとなっている。この湿潤状態の排出された空気を利用することで、燃料電池２０に供給される空気を加湿している。
こうした空気の供給ラインにおいて、大気圧センサ４７は外部の大気圧として圧力Ｐ１を検出し、エアフロメータ４２は空気の流量ｑを検出する。検出された圧力Ｐ１，流量ｑは制御ユニット１２０に出力され、燃料電池システム１０の運転の制御、例えば、要求される発電量に対応した空気量を供給するためのエアコンプレッサ４３のモータ回転数の制御などに利用されている。
他方、排気ラインは、燃料電池２０から排出される空気の流れの上流から順に、サーミスタを内蔵した温度センサ５５，半導体式の圧力センサ５６，弁の開度により圧力を調整する第１調圧バルブ５０，上述の加湿器４８（二次側），第１調圧バルブ５０と同様な構造の第２調圧バルブ５８およびこれらを接続する排気配管５１，５２等から構成され、燃料電池２０から排出された空気は排気配管５１，５２を経て外部へ排出される。
この排気ライン上には、上述のように２つの調圧バルブ５０，５８を備えている。２つの調圧バルブ５０，５８は共に、燃料電池２０の出口における空気の圧力を調整し、燃料電池２０内に供給する空気の圧力を所定範囲に制御する。こうした出口圧力の調整（以下、これを出口圧力調整処理と呼ぶ）により、燃料電池２０内の電解質膜等に過大な負荷をかけることなく、適切に空気を供給することができる。なお、調圧バルブ５０，５８にはポペットタイプの弁体を使用しており、ポペット弁の進退動作によりバルブ開度を調整することで、圧力の調整を行なっている。バルブ開度の制御は、制御ユニット１２０により実行され、ポペット弁の駆動用モータの回転角を制御することで行なわれる。
こうした空気の排気ラインにおいて、温度センサ５５は燃料電池２０から排出された空気の温度Ｔを検出し、圧力センサ５６は燃料電池２０から排出された空気の圧力Ｐ２を検出する。検出された温度Ｔ，圧力Ｐ２は制御ユニット１２０に出力され、燃料電池システム１０の運転の制御に利用される。特に、本実施例では、加湿器４８における供給空気の加湿を適切に行なうための圧力調整処理に利用されている。圧力調整処理とは、上述の出口圧力調整処理を、所定条件に応じて、２つの調圧バルブ５０，５８のいずれかにより実行する処理である。例えば、加湿器４８の下流側である第２調圧バルブ５８により出口圧力調整処理が実行される場合には、加湿器４８内も所定範囲の圧力に調整され、加湿器４８内を通過して外部へ排出される空気の流量が調整される。こうして外部へ排出される空気の流量を調整することで、加湿器４８の加湿性能を向上することができる。この圧力調整処理については、後に詳しく説明する。
制御ユニット１２０は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマ，入出力ポート等を備えている。ＲＯＭには上述の圧力調整処理を行なうためのプログラムや、燃料電池システム１０全体を制御する種々のプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、これらのプログラムをＲＡＭ上に展開して処理を実行している。入出力ポートには、各種センサおよび各種アクチュエータが接続されている。制御ユニット１２０は、各種センサからの信号を受け、車両の運転状態を判断し、各種アクチュエータを制御している。
具体的には、上述の大気圧センサ４７，圧力センサ５６，温度センサ５５，エアフロメータ４２，後述する出力系統９０の電流計９５，図示しないアクセルポジションセンサ，車速センサ等の各種センサから、それぞれ圧力Ｐ１，Ｐ２、温度Ｔ、空気流量ｑ、出力電流Ａ、アクセル開度θ、車速Ｖ等を入力し、要求される出力（電力）に対応して、エアコンプレッサ４３，第１調圧バルブ５０，第２調圧バルブ５８，水素循環ポンプ３２，後述する冷却系統７０のポンプ７２等を制御して燃料電池システム１０を運転している。
こうした構成からなる燃料電池システム１０の燃料電池２０は、上述の水素系統３０，エア系統４０の他、冷却系統７０，排気系統８０，出力系統９０等とも接続している。
冷却系統７０は、ラジエータ７１，ポンプ７２と、これらを接続する配管等から構成され、配管を介して燃料電池２０のエンドプレート２８と接続されている。燃料電池２０内部での電気化学反応は発熱反応であるため、内部の温度は上昇する。この温度上昇を抑えるために燃料電池２０に流入する冷却水（冷媒）は、ラジエータ７１にて冷却され、ポンプ７２により循環されている。
排気系統８０は、主にマフラ８１を備えており、エア系統４０の排気配管５２から流れてきた空気を、マフラ８１を介して大気中に排出する。なお、空気中に含まれる窒素は電解質膜を介してアノード側に漏れ出すことがあり、水素系統３０での水素ガスの循環により高濃度の窒素が生成される場合がある。図示は省略したが、排気系統８０は、水素系統３０とも接続しており、こうした窒素を空気で希釈し、所定のタイミングで外部へ排出している。
出力系統９０は、インバータ９１、車両の走行モータ９２、ＤＣ／ＤＣコンバータ９３、二次電池９４等から構成されている。燃料電池２０に供給された水素ガスと空気との電気化学反応により発電された電力は、インバータ９１を介して車両の走行モータ９２の駆動に使用され、例えば、定常走行時や減速時などに発生する余剰分は、モータ９２を発電機として用いて回生し、ＤＣ／ＤＣコンバータ９３を介して二次電池９４に蓄電されている。
以上の構成の本実施例の燃料電池システム１０において、大気圧センサ４７，温度センサ５５，エアフロメータ４２（エアコンプレッサ４３）と、制御ユニット１２０とは、特許請求の範囲における排出水分量検出手段を構成する。また、第１調圧バルブ５０は特許請求の範囲における上流側圧力調整弁を、第２調圧バルブ５８は特許請求の範囲における下流側圧力調整弁を、それぞれ示し、これらのバルブと制御ユニット１２０とは、特許請求の範囲の流量調整処理手段を構成する。
Ｂ．第１実施例の圧力調整処理：
図２は、本実施例の燃料電池システム１０における第１実施例としての圧力調整処理を示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１０の起動によりエアコンプレッサ４３が外部からの空気を燃料電池２０に供給した後に、制御ユニット１２０にて実行される処理である。なお、燃料電池システム１０の起動と共に、第１調圧バルブ５０は所定の開度（デフォルト値）に設定され、また、第２調圧バルブ５８の開度は全開に設定される。すなわち、初期段階では、第１調圧バルブ５０により燃料電池２０の空気の出口圧力は所定範囲に調整される。
処理を開始すると、制御ユニット１２０は、大気圧センサ４７の検出値である圧力Ｐ１を入力する（ステップＳ２００）。続いて、入力した圧力Ｐ１が所定の基準圧力αよりも低いか否かを判断する（ステップＳ２１５）。
大気圧は、外部へ排出される空気流量中の水分量（排出水分量と呼ぶ）に影響を与える物理量であり、この大気圧を用いることで排出水分量、排出水分量の増減等が推定できる。ここでの判断ステップＳ２１５は、大気圧から排出水分量を求め、求めた排出水分量が所定量以上であるか否かの判断を、圧力に置き換えて行なうステップである。つまり、ここでの所定の基準圧力αは、排出水分量に基づく基準値として予め設定され、制御ユニット１２０のＲＯＭ内に記憶されている。なお、こうして排出水分量に基づき設定される基準圧力αは、燃料電池システム１０の外部環境が、いわゆる「高地」であるか否かを判断する基準圧力となる。
ステップＳ２１５で、圧力Ｐ１が基準圧力αよりも低い、つまり、大気圧が基準値よりも低く「高地」（高地条件）に該当する（Ｙｅｓ）と判断した場合には、第１調圧バルブ５０の開度を全開に設定し（ステップＳ２３０）、第２調圧バルブ５８による出口圧力調整処理を実行する（ステップＳ２４０）。初期段階で第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理が行なわれていた場合には、このステップにより、出口圧力調整処理を実行するバルブを切り換えることとなる。
第２調圧バルブ５８による出口圧力調整処理では、燃料電池２０の空気の出口圧力（結果的に入口圧力）を所定の圧力範囲内に収める制御が行なわれる。例えば、制御ユニット１２０において要求発電量に対して燃料電池２０の現状の発電量が過剰であると判断されると、制御ユニット１２０はエアコンプレッサ４３のモータ回転数を減少し、燃料電池２０に供給する空気の流量を減少させる制御を行なう。これに伴い排気配管５１の圧力は低下する。制御ユニット１２０は、圧力センサ５６の圧力値Ｐ２に基づいて排気配管５１の圧力低下を判断し、第２調圧バルブ５８の開度を減少し（つまり、流路を絞り）、低下した圧力値Ｐ２を上昇させる制御を行なう。
これに対し、制御ユニット１２０において燃料電池２０の現状の発電量が不足すると判断されると、制御ユニット１２０はエアコンプレッサ４３のモータ回転数を増加し、燃料電池２０に供給する空気の流量を増加させる制御を行なう。これに伴い排気配管５１の圧力は上昇する。制御ユニット１２０は、圧力センサ５６の圧力値Ｐ２に基づいて排気配管５１の圧力上昇を判断し、第２調圧バルブ５８の開度を増加し（つまり、流路を開放し）、上昇した圧力値Ｐ２を低下させる制御を行なう。
こうした処理を繰り返すことで、制御ユニット１２０は、燃料電池２０内の圧力を略一定に保持している。出口圧力調整処理の結果、加湿器４８の下流に排出される空気の流量は第２調圧バルブ５８により制限され、第２調圧バルブ５８よりも上流側に配置されている加湿器４８内の圧力は、大気圧よりも高い所定範囲の圧力に調整される。こうした処理を所定期間、実行した後、ＮＥＸＴに抜ける。この結果、上述した一連の処理は所定のタイミングで繰り返される。なお、第２調圧バルブ５８は、燃料電池２０の出口の目標圧力値から、加湿器４８の圧力損失（圧損）分を差し引いた圧力値に制御されている。
他方、ステップＳ２１５で、圧力Ｐ１が基準圧力α以上、つまり、大気圧が基準値よりも高く、高地条件に該当しない（Ｎｏ）と判断した場合には、第２調圧バルブ５８の開度を全開に設定し（ステップＳ２６０）、第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理を実行する（ステップＳ２７０）。初期段階で第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理が行なわれていた場合には、そのまま処理を継続することとなる。
第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理は、上述した第２調圧バルブ５８による処理と同様に実行され、燃料電池２０内の圧力を略一定に保持する。こうした処理を所定期間、実行した後、ＮＥＸＴに抜ける。この結果、上述した一連の処理は所定のタイミングで繰り返される。なお、第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理が実行されている場合には、第１調圧バルブ５０よりも下流側に配置された加湿器４８内の圧力は調圧されず、ほぼ大気圧程度となる。
以上の第１実施例の圧力調整処理によれば、大気圧が低く、高地条件に該当する場合には、加湿器４８の下流側の第２調圧バルブ５８を用いて、燃料電池２０内の圧力を調整する（空気の出口圧力を調整する）。つまり、制御ユニット１２０は、第２調圧バルブ５８の開度を減少し、流路を絞ることで、燃料電池２０内の空気の圧力を大気圧よりも高い所定範囲に調整する。その結果、加湿器４８内は大気圧より高い所定圧力に調整され、加湿器４８の加湿効率は、圧力が低い（例えば高地の大気圧）ときと比べて向上する。加湿効率が向上すると、加湿器４８を通過する空気の加湿に用いられる水分の割合は増加する。なお、加湿器４８の加湿効率が向上して加湿に用いられる水分の割合が増加すると、排出ガスと共に排出される水分量は結果的に低減するのである。
したがって、高地条件の環境下で、加湿器４８上流側の第１調圧バルブ５０により圧力調整を行なう場合に比べて、加湿器４８の外部へ排出してしまう水分量（排出水分量）を抑えることができる。換言すると、加湿器４８における水蒸気の交換効率の低下を抑制することができ、高地条件の環境下でも、空気の加湿を十分に行なうことができる。
例えば、高地条件の環境下において、加湿器４８の上流側の第１調圧バルブ５０により燃料電池２０内の圧力を調整した場合には、加湿器４８内（厳密には湿潤状態の空気が流れる側）の圧力は大気圧程度まで低下し、加湿効率は低くなるから、加湿に用いられる水分は減り、加湿器４８を通過する空気中の水蒸気量は増大する。これをそのまま外部に排出すると、多量の水蒸気（水分）が空気と共に排出される。本実施例の処理によれば、燃料電池２０から排出される空気の水分量（排出水分量）の所定量以上の増大を大気圧により判断し、加湿器４８内から持ち去られてしまう水分量を低減する。したがって、大気圧が低い高地条件での燃料電池システム１０の運転であっても、水分のバランスを確保した適切な加湿を行なうことができ、燃料電池２０の性能の低下を抑制することができる。
なお、高地条件に該当しない場合には、加湿器４８上流側での出口圧力調整処理を実行しているが、この場合には加湿器４８の加湿性能が大きく低下することはないため、適切な加湿を実行することができる。かかる場合に、燃料電２０の空気の出口に近い位置の調圧バルブ（第１調圧バルブ５０）により出口圧力調整処理を実行することで、出口圧力調整処理における応答性を向上することができる。なお、高地条件に該当するか否かについて、本実施例では、空気の取り入れ側に設けた大気圧センサ４７により検出した大気圧を用いたが、加湿器４８における排出ガスの状態量の一つとしてその圧力を検出し、この圧力が所定以下になれば、高地条件となっていると判断しても良い。またカーナビなどの装置から、標高のデータを取得して高地条件を判断しても差し支えない。排出ガスの状態量としては、後述する実施例、変形例で説明するように、排出ガスの温度や、流量（流速で代替）などを考えることができる。
本実施例では、固体高分子膜を電解質膜として用いるものとしたが、所定範囲の湿潤状態で良好に作用する電解質膜であれば、どのような電解質膜であっても良い。こうした電解質膜を有する燃料電池と、排出ガス中の水分を利用して供給空気を加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムであれば、本実施例の圧力調整処理を適用し、適切な加湿を行なうことができる。
Ｃ．第２実施例の圧力調整処理：
第１実施例の圧力調整処理では、加湿器４８から排出される排出水分量の所定量以上の増大を、大気圧を基準として判断するものとしたが、第２実施例の圧力調整処理では、燃料電池２０の出口温度を基準として判断する。すなわち、第２実施例の圧力調整処理は、第１実施例の圧力調整処理とは水分量の増大の判断処理が異なり、その他の処理（いずれかの調圧バルブによる出口圧力調整処理）は第１実施例の圧力調整処理と同様である。したがって、出口圧力調整処理の部分については簡単に説明する。なお、第２実施例の圧力調整処理を実行するハード構成は、図１に示した燃料電池システム１０と基本的に同様であるため説明を省略する。
図３は、本実施例の燃料電池システム１０における第２実施例としての圧力調整処理を示すフローチャートである。この処理は、処理プログラムとして制御ユニット１２０のＲＯＭ内に記憶されており、ＣＰＵがＲＯＭ内からプログラムを読み出し、ＲＡＭ上に展開することで処理が実行される。
処理を開始すると、制御ユニット１２０は、温度センサ５５の検出値である燃料電池２０の空気の出口温度Ｔを入力する（ステップＳ３００）。続いて、出口温度Ｔが所定の基準温度βよりも高いか否かを判断する（ステップＳ３１５）。
第１実施例の大気圧の場合と同様、燃料電池２０の空気の出口温度は、排出水分量に影響を与える物理量であり、この出口温度を用いることで排出水分量、排出水分量の増減等が推定できる。ここでの判断ステップＳ３１５は、出口温度から排出水分量を求め、求めた排出水分量が所定量以上であるか否かの判断を、温度に置き換えて行なうステップである。つまり、ここでの所定の基準温度βは、排出水分量に基づく基準値として予め設定され、制御ユニット１２０のＲＯＭ内に記憶されている。
ステップＳ３１５で出口温度Ｔが基準温度βよりも高い、すなわち、空気中に含まれる水蒸気が増大していると判断した（Ｙｅｓ）場合には、第１調圧バルブ５０の開度を全開に設定し（ステップＳ３３０）、第２調圧バルブ５８による出口圧力調整処理を所定期間実行して（ステップＳ３４０）、ＮＥＸＴに抜ける。この結果、上述の一連の処理は所定のタイミングで繰り返される。この出口圧力調整処理は、図２に示した第１実施例の圧力調整処理のステップＳ２３０，Ｓ２４０と同様である。
他方、ステップＳ３１５で出口温度Ｔが基準温度βよりも低い、すなわち、空気中に含まれる水蒸気が増大していないと判断した（Ｎｏ）場合には、第２調圧バルブ５８の開度を全開に設定し（ステップＳ３６０）、第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理を所定期間実行して（ステップＳ３７０）、ＮＥＸＴに抜ける。この結果、上述の一連の処理は所定のタイミングで繰り返される。この出口圧力調整処理は、図２に示した第１実施例の圧力調整処理のステップＳ２６０，Ｓ２７０と同様である。
以上の第２実施例の圧力調整処理によれば、出口温度Ｔが高く、空気中に含まれる水蒸気が増大している場合に、第２調圧バルブ５８による出口圧力調整を実行し、加湿器４８下流へ排出される空気の流量を制限する。したがって、第１実施例の圧力調整処理と同様、加湿器４８の外部へ排出してしまう水分量（排出水分量）を抑え、加湿器４８による適切な加湿を行なうことができる。
また、燃料電池２０の空気の出口温度Ｔといった反応ガスの物理量は、燃料電池システム１０の制御上、一般的に検出されている。こうした物理量を圧力調整処理に用いることで、比較的容易にシステムを構築することができる。なお、排出水分量の所定量以上の増大を判断するに際し、出口温度Ｔに代えて、燃料電池２０に供給される空気の流量ｑを用いるものとしても良い。
この場合、図２のステップＳ３００，Ｓ３１５に代えて、制御ユニット１２０は、エアフロメータ４２の検出値（流量ｑ）を入力し、流量ｑと所定の基準値とを比較するものとすれば良い。流量ｑが所定の基準値を超えた場合には、ステップＳ３３０，Ｓ３４０の第２調圧バルブ５８による出口圧力調整処理を実行し、流量ｑが所定の基準値を超えない場合には、ステップＳ３６０，Ｓ３７０の第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理を実行する。
すなわち、単位時間あたりの供給流量ｑが所定基準値を超えるほど増大した場合には、燃料電池２０から排出される空気の流速も増大し、加湿器４８の加湿性能が低下すると判断する。この所定基準値も、第１，第２実施例と同様、排出水分量に基づいて設定される基準値である。
かかる場合には、加湿器４８の下流側の第２調圧バルブ５８による出口圧力調整処理を行なうことで、加湿器４８の下流へ排出される空気の流量を制限する。こうすることで、第１調圧バルブ５０を用いて出口圧力調整処理を実行した場合に比べて、加湿器４８の外部へ排出される水分量（排出水分量）を低減することができる。なお、供給される空気の流量（送気量）は、エアコンプレッサ４３のモータ回転数から推定するものとしても良い。
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。本実施例では、所定の基準値（αやβ）を設定するに際し、大気圧や出口温度などの物理量から排出水分量を求めるものとしたが、必ずしも排出水分量そのものを求める必要はない。例えば、排出水分量そのものは分からなくても、実験的に、物理量と排出水分量との間に強い相関があることが分かっていれば、圧力や温度の所定の基準値を設定することができる。
本実施例では、所定の基準値を境に、加湿器４８下流へ排出される流量を制限するものとしたが、排出水分量が大きいほど、流量の制限度合を大きくする制御（リニア制御）を行なうものとしても良い。例えば、大気圧を用いる場合には、検出した圧力値に応じて制限する流量を予め設定しておけば良い。
本実施例では、大気圧や出口温度、あるいは、供給空気の送気量などをそれぞれ単独で判断基準として用いるものとしたが、これらを全て入力し、いずれか一つが条件を満たせば、加湿器の下流に備えた調圧バルブによる出口圧力調整処理を実行するものとしても良い。
また、第１実施例の圧力調整処理および第２実施例の圧力調整処理では、大気圧や出口温度（あるいは、供給空気の送気量）に基づいて、加湿器の上流、下流に備えた２つの調圧バルブのいずれで出口圧力調整処理を実行するかを決定するものとしたが、さらに、燃料電池２０による適切な発電を行なうために必要となる要求加湿量を考慮して、出口圧力調整処理を実行する調圧バルブを決定するものとしても良い。
図４は、第１実施例の圧力調整処理に要求加湿量の判断処理を加えた圧力調整処理のフローチャートである。この処理は、図２に示した第１実施例の圧力調整処理と同様、制御ユニット１２０にて実行される。なお、第１実施例の圧力調整処理と同じ処理には、同一のステップ番号を付している。
処理を開始すると、制御ユニット１２０は、大気圧である圧力Ｐ１を入力し（ステップＳ２００）、大気圧が基準値より低いか否かを判断する（ステップＳ２１５）。ステップＳ２１５で、大気圧が基準値以上である（Ｎｏ）と判断した場合には、第２調圧バルブ５８を全開とし（ステップＳ２６０）、第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理（ステップＳ２７０）を所定期間実行して、ＮＥＸＴに抜ける。すなわち、所定の期間、加湿器４８の上流側で出口圧力調整処理を行なう。ＮＥＸＴに抜けた結果、上述の一連の処理は所定のタイミングで繰り返される。
これに対し、ステップＳ２１５で、大気圧が基準値よりも低い（Ｙｅｓ）と判断した場合には、各種センサの検出値から要求加湿量を算出する（ステップＳ４２０）。
具体的には、エアフロメータ４２の検出値から供給空気の量を、電流計９５の検出値から電気化学反応に使用された酸素の消費量，生成された水量を、温度センサ５５，圧力センサ５６，調圧バルブ５０，５８の開度から排出される空気の流量を、それぞれ算出し、これらの算出値から現状の燃料電池２０内の空気の保有水分量を求める。この保有水分量と、予め発電量に対して設定された水分量のマップとを比較し、適切な発電のために必要となる要求加湿量を算出する。
続いて、制御ユニット１２０は、こうして求めた要求加湿量が所定値γよりも大きいか否かを判断する（ステップＳ４２５）。
ステップＳ４２５で、要求加湿量が所定値γよりも大きい（Ｙｅｓ）と判断した場合には、第１調圧バルブ５０を全開とし（ステップＳ２３０）、第２調圧バルブ５８による出口圧力調整処理（ステップＳ２４０）を所定期間実行して、ＮＥＸＴに抜ける。すなわち、所定の期間、加湿器４８の下流側で出口圧力調整処理を行なう。ＮＥＸＴに抜けた結果、上述の一連の処理は所定のタイミングで繰り返される。
他方、ステップＳ４２５で、要求加湿量が所定値γ以下である（Ｎｏ）と判断した場合には、第２調圧バルブ５８を全開とし（ステップＳ２６０）、第１調圧バルブ５０による出口圧力調整処理（ステップＳ２７０）を所定期間実行して、ＮＥＸＴに抜ける。すなわち、所定の期間、加湿器４８の上流側で出口圧力調整処理を行なう。ＮＥＸＴに抜けた結果、上述の一連の処理は所定のタイミングで繰り返される。
以上の圧力調整処理によれば、大気圧が低く、高地条件に該当すると判断しても、要求される加湿量が所定値以下である場合には、加湿器４８の上流側で出口圧力調整処理を実行する。つまり、排出水分量が所定量以上に増大すると判断しても、現状の燃料電池２０内で必要とされる加湿量は所定量以下であるため、加湿の必要性は高くない。こうした場合には、燃料電池２０の空気の出口圧力の応答性（制御性）を優先し、燃料電池２０の空気の出口に近い位置の第１調圧バルブ５０により出口圧力調整処理を実行する。こうすることで、応答性よく出口圧力の制御を行なうことができる。
本実施例では、加湿器の上流側と下流側に、それぞれ調圧バルブを設け、所定の条件で燃料電池の空気の出口圧力を調整するバルブを切り換えるものとしたが、必ずしもどちらかのバルブに切り換えて出口圧力調整処理を行なう必要はない。例えば、出口圧力調整処理は、基本的に加湿器の上流側のバルブで常に調圧するものとし、大気圧の低下、出口温度の上昇、排出される空気の流速の増大など、排出水分量が所定量以上に増大する可能性のある場合に、加湿器の下流側のバルブの開度を減少する（流路を絞る）ものとしても良い。こうすることで、外部へ排出される水分量を抑え、加湿器の加湿性能の低下を抑制することができる。さらには、２つのバルブの制御を容易なものとすることができる。

Claims (14)

1. 所定ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池からの排出ガスの配管路に設けられ、該燃料電池に供給される供給ガスの少なくとも一種類を、該燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分を用いて加湿する加湿器と、
   前記排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量の検出を行なう排出水分量検出手段と、
   前記検出結果に基づいて、前記排出水分量が所定量以上であると判断した場合に、前記加湿器の下流へ排出される前記排出水分量を制限する処理を行なう調整処理手段と
   を備える。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出水分量検出手段は、前記排出水分量を、該排出水分量に影響を与える物理量により検出する。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出水分量検出手段は、前記物理量として、大気圧を検出する圧力検出センサであり、
   前記調整処理手段は、前記検出された大気圧が所定圧以下の場合に、前記排出水分量が所定量以上であると判断する。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、
   前記排出水分量検出手段は、前記物理量として、前記燃料電池の排出ガスの出口での温度を検出する温度センサであり、
   前記調整処理手段は、前記検出された温度が所定温度以上の場合に、前記排出水分量が所定量以上であると判断する。
5. 請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記排出水分量検出手段は、前記物理量として、前記燃料電池の排出ガスの流速を検出する流速センサであり、
   前記調整処理手段は、前記検出された流速が所定値以上の場合に、前記排出水分量が所定量以上であると判断する。
6. 請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記調整処理手段は、
   前記排出ガスの配管路であって前記加湿器よりも下流側に、該排出ガスの圧力を調整することで前記燃料電池内の供給ガスの圧力を調整する下流側圧力調整弁を備え、
   前記加湿器下流への前記排出水分量の制限を、前記下流側圧力調整弁による圧力調整で実行する。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記調整処理手段は、
   前記排出ガスの配管路であって前記加湿器よりも上流側に、該排出ガスの圧力を調整することで前記燃料電池内の供給ガスの圧力を調整する上流側圧力調整弁を備え、
   前記排出水分量が所定量よりも少ないと判断した場合には、前記下流側圧力調整弁による圧力調整に代えて、前記上流側圧力調整弁による圧力調整を実行する
   燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記燃料電池における発電の状態に見合った要求加湿量を推定する要求加湿量推定手段を備え、
   前記流量調整処理手段は、前記推定された要求加湿量が所定値以下である場合には、前記排出水分量が所定量以上であるか否かの判断に係わらず、前記上流側圧力調整弁による圧力調整を実行する
   燃料電池システム。
9. 所定ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池からの排出ガスの配管路に設けられ、該燃料電池に供給される供給ガスの少なくとも一種類を、該燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分を用いて加湿する加湿器と、
   前記排出ガスの状態量に基づいて、該排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量が増加する条件が成立するか否かを判断する判断手段と、
   前記排出水分量が増加する条件が成立すると判断した場合には、前記加湿器における加湿効率が向上するよう、該加湿器における前記排出ガスの圧力を増加する圧力増加手段と
   を備える。
10. 請求項９記載の燃料電池システムであって、
    前記判断手段は、前記排出ガスの前記加湿器における圧力、温度、流量のいずれか一つに基づいて、前記条件の成立を判断する手段である。
11. 請求項９または１０記載の燃料電池システムであって、
    前記圧力増加手段は、前記加湿器の下流側に圧力調整弁を備え、該圧力調整弁を制御することにより前記圧力の増加を行なう。
12. 所定ガスの供給を受けて発電する燃料電池の運転方法であって、
    前記燃料電池からの排出ガスの配管路に設けられた加湿器により、該燃料電池に供給される供給ガスを、該燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分を用いて加湿し、
    前記排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量の検出を行ない、
    該検出された排出水分量に基づいて、前記加湿器の下流側に排出される前記排出水分量が所定量以上とならないように、該排出水分量を制限する。
13. 燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池の運転方法であって、
    前記燃料電池からの排出ガスの配管路に設けられた加湿器により、該燃料電池に供給される供給ガスを、該燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分を用いて加湿し、
    前記排出ガスの状態量に基づいて、該排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量が増加する条件が成立するか否かを判断し、
    前記排出水分量が増加する条件が成立すると判断した場合には、前記加湿器における加湿効率が向上するよう、該加湿器における前記排出ガスの圧力を増加する。
14. 燃料ガスとしての水素ガスと酸化ガスとしての空気との供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記前記燃料電池からの前記空気系統の排出ガスの配管路に設けられ、該燃料電池に供給される前記空気を、該燃料電池から排出される排出ガスに含まれる水分を用いて加湿する加湿器と、
    前記排出ガスに含まれて前記加湿器の下流へ排出される排出水分量の多寡に対応した物理量としての大気圧，該排出ガスの温度、および流量のうちの少なくとも一つを検出するセンサと、
    前記加湿器の下流側に設けられ、該センサの検出結果に基づいて、前記排出水分量が所定量以上であると判断した場合に、前記排出ガスの流路を絞って、前記加湿器における前記排出ガスの圧力を増加する調圧弁と
    を備える。

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