JP4608892B2

JP4608892B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4608892B2
Application number: JP2004025589A
Authority: JP
Inventors: 朋範今村; 英嗣伊豆原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-02
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-02-02
Also published as: JP2004265862A

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電力を発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体発電機、あるいは家庭用小型発電機に好適である。

燃料電池を運転する際に、燃料電池内部の固体電解質膜の含水量が不足すると固体電解質膜の導電率が低下し、固体電解質膜の電気抵抗が増加して電池出力が低下する。また、逆にアノード・カソード電極に過剰な水が存在する場合には、電極表面における電気化学反応が阻害されるため、電池出力が低下する。そのため、電解質膜内の含水量を最適に維持しつつ、アノード・カソード電極上の水分量を適正に保つ必要がある。

これに対し、燃料電池の発電電流を制御することにより燃料電池の生成水量を制御して燃料電池内部の水分量を制御する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２５６９８８号公報

上記特許文献１に記載の制御方法では、燃料電池内が水分不足の場合には発電電流を増加させ、逆に燃料電池内が水分過剰となる場合は発電電流を減少させることで、燃料電池内の水分量が適正値となるように制御している。しかしながら、この制御方法を実際の燃料電池車両に適用する場合には、水分状態に応じて燃料電池の発電電力を制御することにより、走行に必要な電力に対して燃料電池の発電電力が不足する場合が発生したり、逆に過剰となる場合が発生する。これにより、走行中に発電電流を制御しようとすると走行に影響をきたすという問題がある。

本発明は上記の点に鑑み、発電電流を制御して燃料電池内の水分量を制御するとともに、燃料電池車両に適用した場合に、車両走行に影響をあたえることを抑制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。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの化学反応により電力を発生し、電気負荷（１１）に電力を供給する燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）の発電電流を制御する電流制御手段（４０、Ｓ１１１）と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段（３１）と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、電気エネルギーを蓄える電力貯蔵手段（１２）と、電力貯蔵手段（１２）の充・放電を制御する充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）と、燃料電池（１０）内部の水分状態を診断する診断手段（４０、Ｓ１０４）とを備え、
電流制御手段（４０、Ｓ１１１）は、診断手段（４０、Ｓ１０４）による水分状態の診断結果に応じて燃料電池（１０）の発電電流を制御して燃料電池（１０）内部の水分量を制御するとともに、充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）は、燃料電池（１０）に対する要求発電電力に対して、電流制御手段により制御された燃料電池（１０）の発電電流における燃料電池（１０）の発電電力が過剰である場合には、燃料電池（１０）の余剰電力を電力貯蔵手段（１２）に充電し、要求発電電力に対して発電電力が不足する場合には、電力貯蔵手段（１２）から放電して電気負荷（１１）に電力を供給するように制御し、診断手段（４０、Ｓ１０４）により燃料電池（１０）内部の水分量が不足していると診断された場合には、電流制御手段（４０、Ｓ１１１）は燃料電池（１０）の発電電流を増加させることを特徴としている。

このように、燃料電池（１０）の発電電流に応じて生成水量が増減することを利用して燃料電池（１０）内部の水分量を制御することにより、燃料電池１０内部の水分状態を最適に制御することが可能になる。また、電気エネルギーを蓄える電力貯蔵手段（１２）を設け、燃料電池（１０）の発電電力と要求発電電力との過不足分を、電力貯蔵手段（１２）の充・放電により調整することで、燃料電池システムを燃料電池車両に適用した場合に、車両走行に影響をあたえることを抑制できる。

また、燃料電池（１０）内部の水分状態を診断する診断手段（４０、Ｓ１０４）を設けることで、制御手段（４０、Ｓ１１１）は、診断手段（４０、Ｓ１０４）による水分状態の診断結果に応じて燃料電池（１０）の発電電流を制御することができる。

さらに、診断手段（４０、Ｓ１０４）により燃料電池（１０）内部の水分量が不足していると診断された場合には、制御手段（４０、Ｓ１１１）は燃料電池（１０）の発電電流を増加させることができ、請求項２、３に記載の発明のように、診断手段（４０、Ｓ１０６）により燃料電池（１０）内部の水分量が過剰であると診断された場合には、制御手段（４０、Ｓ１１１）は燃料電池（１０）の発電電流を減少させることができる。

このように、燃料電池の発電電流に応じて生成水量が増減することを利用して燃料電池内部の水分量を制御することにより、燃料電池内部の水分状態を最適に制御することが可能になるとともに、燃料ガスや酸化ガスを加湿するための加湿器を不要にすることができる。

請求項４に記載の発明では、燃料電池を複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に分割し、制御手段（４０、Ｓ３０６、Ｓ３０８）は各発電領域の発電電流を個別に制御することを特徴とする。

ところで、燃料電池の水分状態の制御のために発電電流を制御すると、燃料電池の発電電力が要求電力に対して過剰もしくは不足する可能性がある。これに対し、請求項４に記載の発明によれば、各発電領域の発電電流を個別に制御することにより、燃料電池の水分状態を制御しつつ、発電電力の過不足を調整することができる。例えば、燃料電池が乾燥し電解質膜の含水量増加のために発電電流の増加が必要であれば、少数の発電領域のみで発電を行い発電電力が過剰となるのを調整する。一方、燃料電池内の水分が過剰となった場合には、一部の発電領域の発電電流を低減させて含水量を低下させる一方、他の発電領域の発電電流を増加させて不足する電力を調整する。

請求項８に記載の発明では、複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に燃料ガスを導く水素経路（３０）と、複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に酸化ガスを導く空気経路（２０）と、複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）の水分状態を個別に診断する診断手段（４０）を有し、複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）は、水素経路（３０）および空気経路（２０）の少なくとも一方に対して直列に配置され、制御手段（４０）は、診断手段（４０）による下流側の発電領域（１０Ｂ）の水分状態の診断結果に応じて上流側の発電領域（１０Ａ）の発電電流を制御することを特徴とする。

これによると、上流側の発電領域の生成水を下流側の発電領域の加湿水として利用することができ、その際に、上流側の発電領域の発電電流を制御することにより下流側の発電領域への供給水量を制御して、下流側の発電領域の水分状態を最適に制御することができる。

因みに、請求項９に記載の発明のように、診断手段（４０）により下流側の発電領域（１０Ｂ）の水分量が不足していると診断された場合には、制御手段（４０）は上流側の発電領域（１０Ａ）の発電電流を増加させる。

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。

（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１は、本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、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１０を備えている。この燃料電池（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
燃料電池１０により発生させた電力は、電気エネルギーを消費する電気負荷１１や、電気エネルギーを蓄える二次電池１２に供給される。二次電池１２の充放電量は、電力分配制御器１３により制御される。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷１１に相当する。また、二次電池１２は本発明の電力貯蔵手段に相当する。なお、電力貯蔵手段としては二次電池１２に代えて、キャパシタ等を用いることができる。

燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気経路（酸素経路）２０と、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経路３０が設けられている。

空気経路２０の最上流部には、空気を圧送する電動式のコンプレッサ２１が設けられている。コンプレッサ２１は、その回転数を変動させることで、燃料電池１０への空気供給量（酸素供給量）を調整することができる。

水素経路３０の最上流部には、高圧水素を充填した水素ボンベ３１が設けられている。水素経路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０への水素供給量を調整するための流量調整弁３２が設けられている。なお、水素ボンベ３１の代わりに、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を用いることができる。

燃料電池システムは、燃料電池１０内部の水分量を検出するための水分量センサ５０を備えており、水分量センサ５０は燃料電池１０の空気出口部に配置されている。

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、水分量センサ５０、図示しないアクセル開度センサ等から、各センサ信号が入力されるように構成されている。また、制御部４０は、電力分配制御器１３、コンプレッサ２１、流量調整弁３２等に対して制御信号を出力するように構成されている。制御部４０は、本発明の電流制御手段、充・放電制御手段および診断手段に相当する。

次に、本実施形態の燃料電池システムにおける水分量制御について図２に基づいて説明する。図２は水分制御の手順を示すフローチャートである。以下の水分制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。

まず、アクセル開度等から車両走行に必要な電力を算出し、燃料電池１０の要求電力を決定する（Ｓ１０１）。続いて二次電池１２の充電・放電可能な電力を計測する（Ｓ１０２）。続いて、水分量センサ５０により燃料電池１０の出口部の水分量を測定する（Ｓ１０３）。

次に、Ｓ１０３で測定した水分量が下限値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１０４）。下限値は、水分量不足を診断するために予め設定された値である。測定水分量が下限値を下回っていると判定された場合、すなわち水分量が不足している場合には、補正電流値＝Ｋ１×（目標水分量−測定水分量）で補正電流値を求める（Ｓ１０５）。Ｋ１は補正電流値を求める際の正の値を持つ係数であり、適正値である目標水分量よりも測定水分量が少ないため（目標水分量−測定水分量）は正の値となることにより、補正電流値は正の値となる。これにより燃料電池１０の運転電流を増加させて生成水を増加させ、燃料電池１０内部の水分量を増加させることができる。

一方、測定水分量が下限値を下回っていないと判定された場合には、Ｓ１０３で測定した水分量が上限値を上回っているか否かを判定する（Ｓ１０６）。上限値は、水分過剰を診断するために予め設定された値である。測定水分量が上限値を上回っていると判定された場合、すなわち水分量が過剰である場合には、補正電流値＝Ｋ２×（目標水分量−測定水分量）で補正電流値を求める（Ｓ１０７）。Ｋ２は補正電流値を求める際の負の値を持つ係数であり、適正値をである目標水分量よりも測定水分量が多いため（目標水分量−測定水分量）は負の値となることにより、補正電流値は負の値となる。これにより燃料電池１０の運転電流を減少させて生成水を減少させ、燃料電池１０内部の水分量を減少させることができる。

次に、Ｓ１０４で測定水分量が下限値を下回っていると判定された場合と、Ｓ１０６で測定水分量が上限値を上回っていると判定された場合には、燃料電池目標発電量と二次電池充放電量を決定する（Ｓ１０８）。この燃料電池目標発電量、二次電池充放電量の決定処理については、後で詳細に説明する。

一方、Ｓ１０６で測定水分量が上限値を上回っていないと判定された場合、すなわち水分量が適正である場合には、水分制御を行う必要がないので、補正電流値を０とする（Ｓ１０９）。この場合、要求電力を燃料電池目標発電量とし、二次電池充放電量を０とする（Ｓ１１０）。

次に、Ｓ１０８、Ｓ１１０で求めた燃料電池目標発電量に基づいて、コンプレッサ２１の回転数を調整して燃料電池１０への空気供給量を制御するとともに、流量調整弁３２により燃料電池１０への水素供給量を制御して燃料電池１０の発電量を制御する（Ｓ１１１）。次に、Ｓ１０８で求めた二次電池充放電量に基づいて二次電池１２の充放電量を電力分配器１３によって制御する（Ｓ１１２）。

次に、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池目標発電量・二次電池充放電量決定処理について図３〜図５に基づいて説明する。図３は燃料電池目標発電量・二次電池充放電量決定の手順を示すフローチャートであり、図２のＳ１０８のサブルーチンに相当する。図４、図５は燃料電池１０の電流Ｉと電力Ｐとの関係を示す特性図であり、図４は水分不足の場合、図５は水分過剰の場合を示している。図４、図５に示すＩ−Ｐ特性のマップは、制御部４０のＲＯＭ等の記憶装置に格納されている。

まず、図４、図５のＩ−Ｐ特性を読み込み（Ｓ２０１）、Ｓ１０１で求めた要求電力を出力するために必要な要求電流をＩ−Ｐ特性から演算する（Ｓ２０２）。次に、燃料電池１０の補正発電量を演算する（Ｓ２０３）。具体的には、Ｓ２０２で求めた要求電流にＳ１０５、Ｓ１０７で求めた補正電流値を加えて目標電流値を算出し、Ｉ−Ｐ特性から目標電流値で発電する際の燃料電池目標発電量を求め、要求発電量と燃料電池目標発電量との差を補正発電量とする。水分不足の場合、補正発電量は正の値となり、水分過剰の場合、補正発電量は負の値となる。

次に、補正発電量が正であるか否かを判定する（Ｓ２０４）。補正発電量が正であると判定された場合、すなわち水分量が不足している場合には、Ｓ１０２で求めた二次電池１２の充電可能電力が補正発電量を上回っているか否かを判定する（Ｓ２０５）。二次電池充電可能電力が補正発電量を上回っていない場合、すなわち余剰発電量である補正発電量を二次電池１２の充電で吸収しきれない場合には、補正発電量を二次電池充電可能電力とする（Ｓ２０６）。

次に、燃料電池目標発電量を要求発電量に補正発電量を加えた値とし（Ｓ２０７）、二次電池１２の充電量を補正発電量とする（Ｓ２０８）。

Ｓ２０４で補正発電量が正でないと判定された場合、すなわち水分量が過剰である場合には、Ｓ１０２で求めた二次電池１２の放電可能電力が補正発電量の絶対値を上回っているか否かを判定する（Ｓ２０９）。二次電池放電可能電力が補正発電量の絶対値を上回っていない場合、すなわち不足発電量である補正発電量を二次電池１２の放電で補えない場合には、補正発電量の絶対値を二次電池放電可能電力とする（Ｓ２１０）。

次に、燃料電池目標発電量を要求発電量から補正発電量の絶対値を引いた値とし（Ｓ２１１）、二次電池１２の放電量を補正発電量の絶対値とする（Ｓ２１２）。

以上、本実施形態のように、燃料電池１０の発電電流に応じて生成水量が増減することを利用して燃料電池１０内部の水分量を制御することにより、燃料電池１０内部の水分状態を最適に制御することが可能になるとともに、燃料ガスや酸化ガスを加湿するための加湿器を不要にすることができる。

また、燃料電池１０の水分状態の制御のために発電電流を制御すると、燃料電池１０の発電電力が要求電力に対して過剰もしくは不足する可能性がある。これに対し、本実施形態では、燃料電池１０の発電が要求電力に対して過剰である場合には二次電池１２に充電し、燃料電池１０の発電が要求電力に対して不足する場合には二次電池１２から不足電力を電気負荷１１に供給するようにしている。

このように、燃料電池１０に対する要求電力と、水分状態を調整するために制御された電流値（目標電流値）における燃料電池１０の発電電力（目標発電量）との差に基づいて、二次電池１２の充・放電を制御することで、燃料電池１０内部の水分状態を最適に制御しつつ、燃料電池１０の発電電力の過不足を吸収することができる。これにより、燃料電池システムを燃料電池車両に適用した場合、燃料電池車両に適用した場合に、車両走行に影響をあたえることを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６および図７に基づいて説明する。上記第１実施形態と同一もしくは均等部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図６は、本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６に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、第１および第２燃料電池１０Ａ、１０Ｂを備えており、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂの発電電流を個別に制御可能になっている。なお、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂは、本発明の発電領域に相当する。

空気経路はコンプレッサ２１の下流側で２つに分岐されており、第１空気経路２０Ａを介して第１燃料電池１０Ａに空気が供給され、第２空気経路２０Ｂを介して第２燃料電池１０Ｂに空気が供給される。第２空気経路２０Ｂには、第１燃料電池１０Ａに供給される空気と、第２燃料電池１０Ｂに供給される空気の、分配比率を調整する空気分配調整弁２２が配置されている。

水素経路は水素ボンベ３１の下流側で２つに分岐されており、第１水素経路３０Ａを介して第１燃料電池１０Ａに水素が供給され、第２水素経路３０Ｂを介して第２燃料電池１０Ｂに水素が供給される。第２水素経路３０Ｂには、第１燃料電池１０Ａに供給される水素と、第２燃料電池１０Ｂに供給される水素の、分配比率を調整する水素分配調整弁３３が配置されている。

各燃料電池１０Ａ、１０Ｂの空気出口部には、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂ内部の水分量を検出するための第１および第２水分量センサ５０Ａ、５０Ｂが配置されている。本実施形態では、電力分配制御器１３により、第１燃料電池１０Ａの発電量と、第２燃料電池１０Ｂの発電量の、発電比率が制御される。

制御部４０には、両水分量センサ５０Ａ、５０Ｂ、図示しないアクセル開度センサ等から、各センサ信号が入力されるように構成されている。また、制御部４０は、電力分配制御器１３、コンプレッサ２１、空気分配調整弁２２、水素分配調整弁３３等に対して制御信号を出力するように構成されている。

次に、本実施形態の燃料電池システムにおける水分量制御について図７に基づいて説明する。図７は水分制御の手順を示すフローチャートである。以下の水分制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。

まず、アクセル開度等から車両走行に必要な電力を算出し、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂの合計の電力を決定する（Ｓ３０１）。

次に、第１水分量センサ５０Ａにより第１燃料電池１０Ａの水分量を測定し（Ｓ３０２）、第２水分量センサ５０Ｂにより第２燃料電池１０Ｂの水分量を測定し（Ｓ３０３）、Ｓ３０２およびＳ３０３での測定結果に基づいて、第１燃料電池１０Ａの水分量と第２燃料電池１０Ｂの水分量とを比較し、どちらの水分量が多いかあるいは少ないかを決定する（Ｓ３０４）。

次に、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂ内部の水分量の過不足を診断し、その診断結果に応じて所定の制御を行う。

まず、水分量が少ない方の燃料電池について水分不足か否かを判定し（Ｓ３０５）、水分不足の場合には水分量が少ない方の燃料電池の運転電流を増加させるとともに、合計発電電力が過剰になるのを防止するために水分量が多い方の燃料電池の運転電流を減少させる（Ｓ３０６）。これにより、水分不足の燃料電池においては、運転電流の増加により生成水が増加するため、電解質膜の含水量を増加させることができる。

水分量が少ない方の燃料電池が水分不足でない場合には（Ｓ３０５がＮ０）、水分量が多い方の燃料電池について水分過剰か否かを判定し（Ｓ３０７）、水分過剰の場合には水分量が多い方の燃料電池の運転電流を減少させるとともに、合計発電電力が不足するのを防止するために水分量が少ない方の燃料電池の運転電流を増加させる（Ｓ３０８）。これにより、水分過剰の燃料電池においては、運転電流の減少により生成水が減少するため、内部を乾燥させることができる。

水分量が適正な場合は（Ｓ３０５およびＳ３０７がともにＮＯ）、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂの運転電流を等しくする（Ｓ３０９）。

次に、Ｓ３０６、Ｓ３０８およびＳ３０９で設定された運転電流に基づいて、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂへの空気供給量および水素供給量を決定し（Ｓ３１０）、その決定値に基づいて、空気分配調整弁２２および水素分配調整弁３３により分配比率を調整して、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂへの空気供給量および水素供給量を制御する（Ｓ３１１）。

本実施形態のように、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂの発電電流に応じて生成水量が増減することを利用して各燃料電池１０Ａ、１０Ｂの内部の水分量を制御することにより、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂの内部の水分状態を最適に制御することが可能になるとともに、燃料ガスや酸化ガスを加湿するための加湿器を不要にすることができる。

また、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂの発電電流を個別に制御することにより、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂの内部の水分状態を最適に制御しつつ、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂの合計発電電力の過不足を吸収することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８および図９に基づいて説明する。上記第１実施形態と同一もしくは均等部分については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図８は、本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８に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、第１および第２燃料電池１０Ａ、１０Ｂを備えており、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂの発電電流を個別に制御可能になっている。なお、各燃料電池１０Ａ、１０Ｂは、本発明の発電領域に相当する。

両燃料電池１０Ａ、１０Ｂは、空気経路２０および水素経路３０中に直列に配置されている。具体的には、第１燃料電池１０Ａが第２燃料電池１０Ｂの上流側に配置されており、したがって、空気および水素は、最初に第１燃料電池１０Ａに供給され、第１燃料電池１０Ａを通過後第２燃料電池１０Ｂに供給される。

制御部４０には、両水分量センサ５０Ａ、５０Ｂ、図示しないアクセル開度センサ等から、各センサ信号が入力されるように構成されている。また、制御部４０は、電力分配制御器１３、コンプレッサ２１、流量調整弁３２等に対して制御信号を出力するように構成されている。

次に、本実施形態の燃料電池システムにおける水分量制御について図９に基づいて説明する。図９は水分制御の手順を示すフローチャートである。以下の水分制御は、所定の制御間隔で繰り返し行われる。

まず、アクセル開度等から車両走行に必要な電力を算出し、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂの合計の電力を決定する（Ｓ４０１）。次に、第１水分量センサ５０Ａにより第１燃料電池１０Ａの水分量を測定し（Ｓ４０２）、第２水分量センサ５０Ｂにより第２燃料電池１０Ｂの水分量を測定する（Ｓ４０３）。

次に、Ｓ４０２およびＳ４０３での測定結果に基づいて、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂの内部の水分量の過不足を診断し、その診断結果に応じて所定の制御を行う。

まず、第２燃料電池１０Ｂの水分量が不足し（Ｓ４０４がＹＥＳ）、且つ、第１燃料電池１０Ａの水分量が過剰な場合には（Ｓ４０５がＹＥＳ）、第１燃料電池１０Ａの運転電流を減少させることにより、第１燃料電池１０Ａの生成水を減少させて第１燃料電池１０Ａの内部を乾燥させるとともに（Ｓ４０６）、第２燃料電池１０Ｂの運転電流を増加させることにより、第２燃料電池１０Ｂの生成水を増加させて第２燃料電池１０Ｂの電解質膜の含水量を増加させる（Ｓ４０７）。

第２燃料電池１０Ｂの水分量が不足し（Ｓ４０４がＹＥＳ）、且つ、第１燃料電池１０Ａの水分量が過剰でない場合には（Ｓ４０５がＮＯ）、第１燃料電池１０Ａの運転電流を増加させるとともに（Ｓ４０８）、第２燃料電池１０Ｂの運転電流を減少させる（Ｓ４０９）。

ここで、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂは空気経路２０および水素経路３０中に直列に配置されているため、第１燃料電池１０Ａの生成水は第２燃料電池１０Ｂの加湿水として利用することができる。したがって、Ｓ４０８のように第１燃料電池１０Ａの運転電流を増加させて第１燃料電池１０Ａの生成水を増加させることにより、第２燃料電池１０Ｂの電解質膜の含水量が増加する。また、Ｓ４０６のように第１燃料電池内部の過剰水を加湿水として利用することにより、第２燃料電池１０Ｂの電解質膜の含水量を増加させることができる。

第２燃料電池１０Ｂの水分が過剰の場合には（Ｓ４０４がＮＯで、Ｓ４１０がＹＥＳ）、第２燃料電池１０Ｂの運転電流を減少させることにより、第２燃料電池１０Ｂの生成水を減少させて第２燃料電池１０Ｂの内部を乾燥させるとともに第２燃料電池１０Ｂの運転電流の減少分を調整するために第１燃料電池１０Ａの運転電流値を増加させる。（Ｓ４１１、Ｓ４１１’）。

第２燃料電池１０Ｂの水分が過剰で（Ｓ４０４がＮＯで、Ｓ４１０がＹＥＳ）、且つ、第１燃料電池１０Ａの水分も過剰な場合には（Ｓ４１２がＹＥＳ）、エアコンプレッサにより空気供給量を増加させ燃料電池１０Ａを乾燥させる。（Ｓ４１３）。

第２燃料電池１０Ｂの水分が過剰で（Ｓ４０４がＮＯで、Ｓ４１０がＹＥＳ）、且つ、第１燃料電池１０Ａの水分量が過剰でない場合には（Ｓ４１２がＮＯ）、Ｓ４１１による第２燃料電池１０Ｂの運転電流の減少分を調整するために、Ｓ４１１’による第１燃料電池１０Ａの運転電流を増加させる動作をそのまま継続する。

第２燃料電池１０Ｂの水分が適正で（Ｓ４０４およびＳ４１０がともにＮＯ）、且つ、第１燃料電池１０Ａの水分が過剰な場合には（Ｓ４１５がＹＥＳ）、第１燃料電池１０Ａの運転電流を減少させることにより、第１燃料電池１０Ａの生成水を減少させて第１燃料電池１０Ａの内部を乾燥させるとともに（Ｓ４１６）、Ｓ４１６による第１燃料電池１０Ａの運転電流の減少分を調整するために、第２燃料電池１０Ｂの運転電流を増加させる（Ｓ４１７）。

本実施形態のように、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂを空気経路２０および水素経路３０中に直列に配置することにより、第１燃料電池１０Ａの生成水を第２燃料電池１０Ｂの加湿水として利用することができる。したがって、第２燃料電池１０Ｂの水分量が不足する際に、第１燃料電池１０Ａの生成水を増加させることにより第２燃料電池１０Ｂの水分状態を最適に制御することができる。

（他の実施形態）
上記第２、第３実施形態では、２つの燃料電池１０Ａ、１０Ｂを用いたが、３個以上の燃料電池を用いてもよい。

上記第３実施形態では、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂを、空気経路２０および水素経路３０に対して直列に配置したが、両燃料電池１０Ａ、１０Ｂを、空気経路２０および水素経路３０の一方に対して直列に配置し、空気経路２０および水素経路３０の他方に対して並列に配置してもよい。

上記第１、第２、第３実施形態では、水分量センサを燃料電池の空気経路出口に設置したが、燃料電池の水素経路出口に設置しても良い。

上記第１、第２、第３実施形態では、水分量で燃料電池内部の水分量を測定したが、燃料電池スタックを構成する各セルの電圧ばらつきから間接的に推定するようにしてもよい。

第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。第１実施形態の水分制御を示すフローチャートである。燃料電池目標発電量・二次電池充放電量決定の手順を示すフローチャートである。燃料電池の電流Ｉと電力Ｐとの関係を示す特性図である。燃料電池の電流Ｉと電力Ｐとの関係を示す特性図である。第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。第２実施形態の水分制御を示すフローチャートである。第３実施形態の燃料電池システムの概念図である。第３実施形態の水分制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ…燃料電池、４０…制御部（制御手段、診断手段）。

Claims

水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの化学反応により電力を発生し、電気負荷（１１）に電力を供給する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）の発電電流を制御する電流制御手段（４０、Ｓ１１１）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段（３１）と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、
電気エネルギーを蓄える電力貯蔵手段（１２）と、
前記電力貯蔵手段（１２）の充・放電を制御する充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）と、
前記燃料電池（１０）内部の水分状態を診断する診断手段（４０、Ｓ１０４）とを備え、
前記電流制御手段（４０、Ｓ１１１）は、前記診断手段（４０、Ｓ１０４）による水分状態の診断結果に応じて前記燃料電池（１０）の発電電流を制御して前記燃料電池（１０）内部の水分量を制御するとともに、
前記充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）は、前記燃料電池（１０）に対する要求発電電力に対して、前記電流制御手段により制御された前記燃料電池（１０）の発電電流における前記燃料電池（１０）の発電電力が過剰である場合には、前記燃料電池（１０）の余剰電力を前記電力貯蔵手段（１２）に充電し、前記要求発電電力に対して前記発電電力が不足する場合には、前記電力貯蔵手段（１２）から放電して前記電気負荷（１１）に電力を供給するように制御し、
前記診断手段（４０、Ｓ１０４）により前記燃料電池（１０）内部の水分量が不足していると診断された場合には、前記電流制御手段（４０、Ｓ１１１）は前記燃料電池（１０）の発電電流を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
前記診断手段（４０、Ｓ１０６）により前記燃料電池（１０）内部の水分量が過剰であると診断された場合には、前記電流制御手段（４０、Ｓ１１１）は前記燃料電池（１０）の発電電流を減少させ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。
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの化学反応により電力を発生し、電気負荷（１１）に電力を供給する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）の発電電流を制御する電流制御手段（４０、Ｓ１１１）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段（３１）と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、
電気エネルギーを蓄える電力貯蔵手段（１２）と、
前記電力貯蔵手段（１２）の充・放電を制御する充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）と、
前記燃料電池（１０）内部の水分状態を診断する診断手段（４０、Ｓ１０６）とを備え、
前記電流制御手段（４０、Ｓ１１１）は、前記診断手段（４０、Ｓ１０６）による水分状態の診断結果に応じて前記燃料電池（１０）の発電電流を制御して前記燃料電池（１０）内部の水分量を制御するとともに、
前記充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）は、前記燃料電池（１０）に対する要求発電電力に対して、前記電流制御手段により制御された前記燃料電池（１０）の発電電流における前記燃料電池（１０）の発電電力が過剰である場合には、前記燃料電池（１０）の余剰電力を前記電力貯蔵手段（１２）に充電し、前記要求発電電力に対して前記発電電力が不足する場合には、前記電力貯蔵手段（１２）から放電して前記電気負荷（１１）に電力を供給するように制御し、
前記診断手段（４０、Ｓ１０６）により前記燃料電池（１０）内部の水分量が過剰であると診断された場合には、前記電流制御手段（４０、Ｓ１１１）は前記燃料電池（１０）の発電電流を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池を複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に分割し、前記電流制御手段（４０、Ｓ３０６、Ｓ３０８）は各発電領域の発電電流を個別に制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの化学反応により電力を発生し、電気負荷（１１）に電力を供給する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）の発電電流を制御する電流制御手段（４０、Ｓ３０６）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段（３１）と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、
電気エネルギーを蓄える電力貯蔵手段（１２）と、
前記電力貯蔵手段（１２）の充・放電を制御する充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）と、
前記燃料電池を複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に分割し、前記複数の発電領域の水分状態を個別に診断する診断手段（４０、Ｓ３０２〜Ｓ３０５）とを備え、
前記電流制御手段（４０、Ｓ３０６）は、前記燃料電池（１０）の発電電流を制御して前記燃料電池（１０）内部の水分量を制御するとともに、
前記充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）は、前記燃料電池（１０）に対する要求発電電力に対して、前記電流制御手段により制御された前記燃料電池（１０）の発電電流における前記燃料電池（１０）の発電電力が過剰である場合には、前記燃料電池（１０）の余剰電力を前記電力貯蔵手段（１２）に充電し、前記要求発電電力に対して前記発電電力が不足する場合には、前記電力貯蔵手段（１２）から放電して前記電気負荷（１１）に電力を供給するように制御し、
前記電流制御手段（４０、Ｓ３０６）は前記複数に分割された各発電領域の発電電流を個別に制御し、
前記診断手段（４０、Ｓ３０５）により水分量が最も少ないと診断された発電領域の水分量が不足していると診断された場合に、前記電流制御手段（４０、Ｓ３０６）は水分量が最も不足している発電領域が適正な水分量となるまで電流を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
前記診断手段（４０、Ｓ３０７）により水分量が最も多いと診断された発電領域の水分量が過剰であると診断された場合に、前記電流制御手段（４０、Ｓ３０８）は水分量が最も過剰な発電領域が適正な水分量となるまで電流を減少させ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。
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの化学反応により電力を発生し、電気負荷（１１）に電力を供給する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）の発電電流を制御する電流制御手段（４０、Ｓ３０６）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段（３１）と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、
電気エネルギーを蓄える電力貯蔵手段（１２）と、
前記電力貯蔵手段（１２）の充・放電を制御する充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）と、
前記燃料電池を複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に分割し、前記複数の発電領域の水分状態を個別に診断する診断手段（４０、Ｓ３０２〜Ｓ３０４、Ｓ３０７）とを備え、
前記電流制御手段（４０、Ｓ３０６）は、前記燃料電池（１０）の発電電流を制御して前記燃料電池（１０）内部の水分量を制御するとともに、
前記充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）は、前記燃料電池（１０）に対する要求発電電力に対して、前記電流制御手段により制御された前記燃料電池（１０）の発電電流における前記燃料電池（１０）の発電電力が過剰である場合には、前記燃料電池（１０）の余剰電力を前記電力貯蔵手段（１２）に充電し、前記要求発電電力に対して前記発電電力が不足する場合には、前記電力貯蔵手段（１２）から放電して前記電気負荷（１１）に電力を供給するように制御し、
前記電流制御手段（４０、Ｓ３０６）は前記複数に分割された各発電領域の発電電流を個別に制御し、
前記診断手段（４０、Ｓ３０７）により水分量が最も多いと診断された発電領域の水分量が過剰であると診断された場合に、前記電流制御手段（４０、Ｓ３０８）は水分量が最も過剰な発電領域が適正な水分量となるまで電流を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの化学反応により電力を発生し、電気負荷（１１）に電力を供給する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）の発電電流を制御する電流制御手段（４０、Ｓ４０６〜Ｓ４０９、Ｓ４１１、Ｓ４１１’、Ｓ４１６、Ｓ４１７）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料供給手段（３１）と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段（２１）と、
電気エネルギーを蓄える電力貯蔵手段（１２）と、
前記電力貯蔵手段（１２）の充・放電を制御する充・放電制御手段（４０）と、
前記燃料電池を複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に分割し、前記複数の発電領域の水分状態を個別に診断する診断手段（４０、Ｓ４０４、Ｓ４１０）と、
前記複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に前記燃料ガスを導く水素経路（３０）と、
前記複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）に前記酸化ガスを導く空気経路（２０）とを備え、
前記電流制御手段（４０、Ｓ４０６〜Ｓ４０９、Ｓ４１１、Ｓ４１１’、Ｓ４１６、Ｓ４１７）は、前記燃料電池（１０）の発電電流を制御して前記燃料電池（１０）内部の水分量を制御するとともに、
前記充・放電制御手段（４０、Ｓ１１２）は、前記燃料電池（１０）に対する要求発電電力に対して、前記電流制御手段により制御された前記燃料電池（１０）の発電電流における前記燃料電池（１０）の発電電力が過剰である場合には、前記燃料電池（１０）の余剰電力を前記電力貯蔵手段（１２）に充電し、前記要求発電電力に対して前記発電電力が不足する場合には、前記電力貯蔵手段（１２）から放電して前記電気負荷（１１）に電力を供給するように制御し、
前記電流制御手段（４０、Ｓ４０６〜Ｓ４０９、Ｓ４１１、Ｓ４１１’、Ｓ４１６、Ｓ４１７）は前記複数に分割された各発電領域の発電電流を個別に制御し、
前記複数の発電領域（１０Ａ、１０Ｂ）は、前記水素経路（３０）および前記空気経路（２０）の少なくとも一方に対して直列に配置され、
前記電流制御手段（４０、Ｓ４０６〜Ｓ４０９、Ｓ４１１、Ｓ４１１’、Ｓ４１６、Ｓ４１７）は、前記診断手段（４０、Ｓ４０４、Ｓ４１０）による下流側の前記発電領域（１０Ｂ）の水分状態の診断結果に応じて上流側の前記発電領域（１０Ａ）の発電電流を制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記診断手段（４０、Ｓ４０４）により前記下流側の発電領域（１０Ｂ）の水分量が不足していると診断された場合には、前記電流制御手段（４０、Ｓ４０８）は前記上流側の発電領域（１０Ａ）の発電電流を増加させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。