燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法
【課題】燃料電池の膜湿潤状態をリアルタイムに判定する。
【解決手段】大気圧と、エアポンプ２の吸気温度と、加湿器４の入口空気温度に基づいて加湿器入口空気湿度を求めるとともに、燃料電池スタック１のカソード出口空気温度と燃料電池スタック１の冷媒出口における冷媒温度に基づいてカソード出口空気湿度を求め、加湿器入口空気湿度とカソード出口空気湿度に基づいてマップを参照して燃料電池スタック１のカソードの仮の湿度を求め、荷重センサ３５により燃料電池スタック１における単位燃料電池の積層方向に加わる荷重を検出し、検出された荷重と該荷重の基準値との比較値に基づいて補正係数を求め、前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることでカソードの湿度を求める。
【解決手段】大気圧と、エアポンプ２の吸気温度と、加湿器４の入口空気温度に基づいて加湿器入口空気湿度を求めるとともに、燃料電池スタック１のカソード出口空気温度と燃料電池スタック１の冷媒出口における冷媒温度に基づいてカソード出口空気湿度を求め、加湿器入口空気湿度とカソード出口空気湿度に基づいてマップを参照して燃料電池スタック１のカソードの仮の湿度を求め、荷重センサ３５により燃料電池スタック１における単位燃料電池の積層方向に加わる荷重を検出し、検出された荷重と該荷重の基準値との比較値に基づいて補正係数を求め、前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることでカソードの湿度を求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システム、および燃料電池システムにおける燃料電池の膜湿潤状態判定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜型の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、燃料電池内部の加湿状態が燃料電池の発電性能に大きく影響を与えるため、燃料電池内部の湿度管理が大変に重要である。
【０００３】
従来の前記湿度の判定方法としては、例えば、燃料電池のセル電圧が低下した時に、酸化剤ガスの流量を増大させた後、平均セル電圧と最低セル電圧の電圧差を検出し、該電圧差が判定値以下の場合は加湿不足であると判定し、前記判定値よりも大きい場合は過加湿であると判定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、別の湿度判定方法として、セル電圧が正常範囲を下回るセルを検出し、その異常セルの燃料電池スタックにおける積層位置に基づいて燃料電池スタックの加湿状態を判定する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１９４１７７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の湿度判定方法はいずれも、燃料電池内部の湿度状態が標準か湿度不足か過加湿かといった定性的な判定しかできない。
しかしながら、燃料電池システムを常に最適な作動状態に保つためには、燃料電池内部の湿度を定量的且つリアルタイムに把握することが求められており、従来の湿度判定方法ではこの要求に応えることができなかった。
【０００７】
そこで、この発明は、燃料電池の膜湿潤状態を定量的且つリアルタイムに把握することができる燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単セル６１）を複数積層して構成された燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、
前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、
前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて前記カソードの湿度を演算するカソード湿度演算手段（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、
を備え、
前記カソード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０１，Ｓ０２）と、
前記２つの判定値から前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０３）と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮カソード湿度演算部により求められた仮カソード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
請求項２に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単セル６１）を複数積層して構成された燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、
前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、
前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、
を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、
前記２つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
請求項３に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単セル６１）を複数積層して構成された燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０１，Ｓ０２）と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０３）と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８）と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法である。
【００１１】
請求項４に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単セル６１）を複数積層して構成された燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記アノードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８）と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池スタックのカソードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池スタックのアノードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項３に係る発明によれば、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、カソードの湿度の推定値に基づいて極めて正確に把握することができる。
請求項４に係る発明によれば、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、アノードの湿度の推定値に基づいて極めて正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例における概略構成図である。
【図２】実施例におけるカソードの湿度判定処理を示すフローチャートである。
【図３】実施例において用いられる加湿器入口空気湿度マップである。
【図４】実施例において用いられるカソード出口空気湿度マップである。
【図５】実施例において用いられるカソード湿度マップである。
【図６】実施例において用いられるＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップである。
【図７】実施例における燃料電池スタックの外観斜視図である。
【図８】燃料電池スタック内の単セルの積層状態を模式的に示した図である。
【図９】前記単セルが膨潤したときの積層状態を模式的に示した図である。
【図１０】実施例において用いられるスタックたわみ量をパラメータとする補正係数マップである。
【図１１】燃料電池スタックが歪む様子を模式的に示した図である。
【図１２】実施例において用いられるスタック歪み量をパラメータとする補正係数マップである。
【図１３】実施例において用いられる希釈ボックス重量をパラメータとする補正係数マップである。
【図１４】実施例におけるアノードの湿度判定処理を示すフローチャートである。
【図１５】実施例において用いられるアノード湿度マップである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例を図１から図１５の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施例は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに適用した態様である。
【００１５】
図１は燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池スタック１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで構成された単位燃料電池（以下、単セルという）を複数積層して構成されており、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極と、冷却液が供給される冷却通路とを備えている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。また、この発電に伴う発熱により燃料電池スタック１が上限温度を越えないように、前記冷却通路を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
【００１６】
外気はエアポンプ（コンプレッサ）２によって加圧され、供給空気通路３、加湿器４を通って燃料電池スタック１の空気極に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック１から空気オフガスとして排出され、空気オフガス通路５、前記加湿器４を通って希釈ボックス（希釈器）６に排出される。なお、以下の説明では、燃料電池スタック１から排出される空気オフガスと区別するため、燃料電池スタック１に供給される空気を供給空気と称す。
【００１７】
加湿器４は、例えば中空糸膜等の水透過膜を備えて構成されており、燃料電池スタック１から排出された空気オフガスを、反応ガスとして燃料電池スタック１に供給される供給空気に対する加湿ガスとして利用している。加湿器４において、水透過膜を介して供給空気と空気オフガスが接触し、空気オフガスに含まれる水分が水透過膜の膜孔を透過して供給空気に移動することにより、供給空気が加湿される。このように加湿された空気が燃料電池スタック１に供給されることにより、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００１８】
エアポンプ２は、燃料電池スタック１に要求されている出力に応じた質量の空気が空気極に供給されるように回転数制御される。
一方、水素タンク７から放出された水素ガスは、水素供給通路８，水素遮断弁９、圧力制御弁１０、エゼクタ１１を通って燃料電池スタック１の水素極に供給される。この水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスは燃料電池スタック１から水素オフガスとして排出され、水素オフガス回収路１２を通ってエゼクタ１１に吸引され、水素タンク７から供給される水素ガスと合流し再び燃料電池スタック１に供給されるようになっている。なお、水素オフガス回収路１２には、水素オフガスに含まれる水分を除去するキャッチタンク１３が設けられており、エゼクタ１１には水分を除去された水素オフガスが供給される。
【００１９】
なお、圧力制御弁１０は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアポンプ２から供給される供給空気の圧力を信号圧として空気信号導入路１９を介して入力され、圧力制御弁１０の出口側の水素ガス圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように水素ガスの圧力を減圧制御する。このように供給空気の圧力を基準圧として、圧力制御弁１０で燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を制御することによって、エゼクタ１１を通過する水素ガスの流量が制御されるとともに、燃料電池スタック１内の固体高分子電解質膜を介した空気圧と水素ガス圧との差圧が所定の範囲に収まるように制御される。
【００２０】
水素オフガス回収路１２はキャッチタンク１３の下流において、パージ弁１４を備えた水素オフガスパージ通路１５が分岐し、希釈ボックス６に接続されている。パージ弁１４は通常は閉じていて、燃料電池スタック１の運転状態に応じて開弁制御され、水素オフガス回収路１２を流れる水素オフガスを希釈ボックス６へ排出する。
また、キャッチタンク１３もドレンバルブ１６を備えたドレン通路１７を介して希釈ボックス６に接続されており、ドレンバルブ１６は燃料電池スタック１の運転状態に応じて設定される所定時間毎に開弁制御され、キャッチタンク１３に溜まった水を希釈ボックス６に排水する。
希釈ボックス６に排出された水素オフガスは、希釈ボックス６に排出された空気オフガスによって希釈され、キャッチタンク１３から排出された水とともに、排気通路１８を介して外気に放出される。希釈ボックス６の出口には、外気に放出されるガスの水素濃度を検出するための水素センサ４０が設けられている。
【００２１】
また、燃料電池スタック１を冷却するための冷却液は、ウォーターポンプ２０によって昇圧されて燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１内の冷却通路を通る際に燃料電池スタック１から熱を奪って燃料電池スタック１を冷却し、これにより熱せられた冷却液はラジエタ（放熱器）２１に送られ、ラジエタ２１において外部に放熱することにより冷却液は冷却され、再びウォーターポンプ２０に戻るようになっている。この冷却液の循環回路２２に、ラジエタ２１を迂回するバイパス通路２３が接続されており、循環回路２２とバイパス通路２３との連結部に設けられたサーモスタットバルブ２４によって、冷却液をバイパス通路２３を通さずラジエタ２１を経由して循環させるか、ラジエタ２１を通さずバイパス通路２３を経由して循環させるかが決定される。つまり、冷却液が所定温度よりも低いときには、冷却液を冷却する必要がないので、ラジエタ２１を通さずバイパス通路２３を経由し燃料電池スタック１との間で冷却液を循環させ、冷却液が所定温度よりも高いときには、冷却液を冷却する必要があるので、バイパス通路２３を通さずラジエタ２１を経由し燃料電池スタック１との間で冷却液を循環させる。なお、図中、符号２５はリザーブタンクであり、ラジエタ２１およびウォータポンプ２０に接続されている。
【００２２】
また、この燃料電池システムには、燃料電池スタック１内のカソードまたはアノードの湿度を推定するために必要な物理量を検出するための各種センサが設置されている。すなわち、燃料電池システムは、大気圧Ｐを検出する大気圧センサ３０と、エアポンプ２に吸引される空気の温度（以下、エアポンプ吸気温度という）Ｔ１を検出する吸気温度センサ３１と、加湿器４に供給される空気の温度（以下、加湿器入口空気温度という）Ｔ２を検出する加湿器入口温度センサ３２と、燃料電池スタック１から排出され加湿器４に供給される前の空気オフガスの温度（以下、カソード出口空気温度という）Ｔ３を検出するカソード出口温度センサ３３と、燃料電池スタック１から排出された直後の冷却液の温度（以下、冷媒出口温度という）Ｔ４を検出する冷媒出口温度センサ３４と、を備え、これらセンサ３０〜３４の出力信号が電子制御装置（ＥＣＵ）５０に入力される。
【００２３】
なお、この実施例において、大気圧センサ３０と吸気温度センサ３１は環境条件測定手段を構成し、加湿器入口温度センサ３２とカソード出口温度センサ３３と冷媒出口温度センサ３４は燃料電池スタック温度条件測定手段を構成し、電子制御装置５０はカソード湿度演算手段およびアノード湿度演算手段を構成する。
【００２４】
次に、この燃料電池システムにおいて燃料電池スタック１内のカソードの湿度を推定する方法を説明する。
本出願の発明者は、このように構成された燃料電池システムに対して行った多くの実験を通して、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、加湿器４に供給される空気の湿度（以下、加湿器入口空気湿度という）Ａとの間には相関があること、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４と、燃料電池スタック１のカソードから排出された空気の湿度（以下、カソード出口空気湿度という）Ｂとの間には相関があること、さらに、加湿器入口空気湿度Ａと、カソード出口空気湿度Ｂと、燃料電池スタック１内のカソードにおける湿度（以下、カソード湿度という）Ｈｃおよびアノードにおける湿度（以下、アノード湿度という）Ｈａとの間には相関があることを、経験的な知見として得た。
【００２５】
なお、加湿器入口空気湿度Ａと、カソード出口空気湿度Ｂと、燃料電池スタック１内のアノード湿度Ｈａとの間に相関があるのは、この燃料電池システムでは、前述したように、カソード側の供給空気の圧力を基準圧として圧力制御弁１０を制御することによって、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を制御し、エゼクタ１１を通過する水素ガスの流量を制御していることによる。
【００２６】
そこで、この発明では、実際に燃料電池車両用に組み立てられた標準モデルとしての前記燃料電池システムに対して、予め、燃料電池スタック１の周りの環境条件や燃料電池スタック１の運転条件を種々変化させて、前記相関関係のある各物理量のデータを多数採取し、これに基づいて図３〜図５、および図１５に示すようなマップを予め作成し、電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。なお、この事前のデータ採取のときには、前記標準モデルの燃料電池システムに、加湿器入口空気湿度Ａ、カソード出口空気湿度Ｂ、カソード湿度Ｈｃ、アノード湿度Ｈａを検出するためのセンサを設置して行う。
【００２７】
図３に示される加湿器入口空気湿度マップは、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、加湿器入口空気湿度Ａのデータに基づいて作成されたマップであり、大気圧Ｐの大きさ（大気圧値）毎に、エアポンプ吸気温度Ｔ１と加湿器入口空気温度Ｔ２から加湿器入口空気湿度Ａを検索することができるように構成されている。つまり、図３に示すマップは、大気圧がある値のときの加湿器入口空気湿度マップであり、このようなマップが大気圧値毎に多数作成されているのである。
【００２８】
図４に示されるカソード出口空気湿度マップは、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４と、カソード出口空気湿度Ｂのデータに基づいて作成されたマップであり、カソード出口空気温度Ｔ３と冷媒出口温度Ｔ４からカソード出口空気湿度Ｂを検索することができるように構成されている。
【００２９】
図５に示されるカソード湿度マップは、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂとカソード湿度Ｈｃのデータに基づいて作成されたマップであり、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂからカソード湿度Ｈｃを検索することができるように構成されている。
【００３０】
図１５に示されるアノード湿度マップは、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂとアノード湿度Ｈａのデータに基づいて作成されたマップであり、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂからアノード湿度Ｈａを検索することができるように構成されている。
【００３１】
図３の加湿器入口空気湿度マップと図４のカソード出口空気湿度マップと図５のカソード湿度マップを用いることにより、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４とに基づいて、燃料電池スタック１内のカソード湿度Ｈｃを予測することができる。
【００３２】
また、図３の加湿器入口空気湿度マップと図４のカソード出口空気湿度マップと図１５のアノード湿度マップを用いることにより、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４とに基づいて、燃料電池スタック１内のアノード湿度Ｈａを予測することができる。
【００３３】
ただし、このようにして予測されるカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａは、標準モデルの燃料電池システムに当てはめた場合の予測値であり、実際に現在運転している燃料電池システムにおける燃料電池スタック１内部の水分状況が反映されているとは言い難い。
【００３４】
そこで、この発明では、前記マップに基づいて予測されるカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度として、この仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度に対して、現在運転中の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１内部の水分状況に応じた補正を行うことで、より真値に近いカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａをリアルタイムに推定することができるようにした。
【００３５】
次に、仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度に対する補正方法を説明する。
図７は、実施例の燃料電池システムに使用される燃料電池スタック１の外観斜視図であり、燃料電池スタック１の箱形のフレーム６０の内部には、図８の模式図に示すように、多数の単セル６１が水平方向に積層されて収容されるとともに、積層方向の両側にエンドプレート６２，６３が収容されている。単セル６１およびエンドプレート６２，６３は、熱膨張や単セル６１の膨潤に対応することができるように、単セル６１の積層方向に移動可能に支持されており、エンドプレート６２，６３はフレーム６０の内壁との間に配置されたバネ部材（図示略）によって単セル６１の積層方向内側に付勢されている。
【００３６】
このように構成された燃料電池スタック１においては、燃料電池スタック１のカソードあるいはアノードにおける湿度が高いときには、単セル６１が膨潤するため、エンドプレート６２，６３に作用する積層方向の荷重（以下、ＥＰ荷重と称す）が増大し、一方、カソードあるいはアノードにおける湿度が低いときには、単セル６１は殆ど膨潤しないため、ＥＰ荷重が低減する。
【００３７】
そこで、このＥＰ荷重をパラメータとして補正係数Ｙ１を設定し、この補正係数Ｙ１を用いて仮のカソード湿度Ｈｃあるいは仮のアノード湿度Ｈａを補正することとした。そして、これを実現するために、図１に示すように、燃料電池スタック１に、ＥＰ荷重を検出するための荷重センサ３５を設置し、荷重センサ３５の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
図６は、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップの一例であり、初期締結荷重との荷重差に応じて補正係数Ｙ１が設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００３８】
次に、ＥＰ荷重に基づいて補正を行う場合のカソードの湿度判定処理を図２のフローチャートに従って説明する。このカソード湿度判定処理は電子制御装置５０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップＳ０１において、吸気温度センサ３１により検出された現在のエアポンプ吸気温度Ｔ１と、大気圧センサ３０により検出された現在の大気圧Ｐと、加湿器入口温度センサ３２により検出された現在の加湿器入口空気温度Ｔ２に基づき、図３の加湿器入口空気湿度マップを参照して、加湿器入口空気湿度Ａを検索する。
【００３９】
次に、ステップＳ０２に進み、カソード出口温度センサ３３により検出された現在のカソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度センサ３４により検出された現在の冷媒出口温度Ｔ４に基づき、図４のカソード出口空気湿度マップを参照して、カソード出口空気湿度Ｂを検索する。
【００４０】
次に、ステップＳ０３に進み、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂに基づき、図５のカソード湿度マップを参照して、カソード湿度Ｈｃ（仮のカソード湿度）を検索する。
次に、ステップＳ０４に進み、ステップＳ０３の処理により得られたカソード湿度Ｈｃが６０％未満か否かを判定する。
ステップＳ０４における判定結果が「ＮＯ」（６０％以上）である場合には、ステップＳ０５に進み、ステップＳ０３の処理により得られたカソード湿度Ｈｃが８０％を越えているか否かを判定する。
【００４１】
ステップＳ０５における判定結果が「ＮＯ」（８０％以下）である場合には、ステップＳ０６に進み、カソード湿度Ｈｃが６０％〜８０％であるので、カソードは乾燥状態でもなく湿潤状態でもない標準状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙ１を乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１は、荷重センサ３５で検出した現在のＥＰ荷重と初期締結荷重との荷重差に基づいて、図６のＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
【００４２】
ステップＳ０４における判定結果が「ＹＥＳ」（６０％未満）である場合には、ステップＳ０７に進み、カソードは乾燥状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙ１を乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１は、荷重センサ３５で検出した現在のＥＰ荷重と初期締結荷重との荷重差に基づいて、図６のＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
【００４３】
ステップＳ０５における判定結果が「ＹＥＳ」（８０％を越えている）である場合には、ステップＳ０８に進み、カソードは湿潤状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙ１を乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１は、荷重センサ３５で検出した現在のＥＰ荷重と初期締結荷重との荷重差に基づいて、図６のＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
ここで、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップは、標準状態、乾燥状態、湿潤状態とも同じマップとしてもよいし、標準状態、乾燥状態、湿潤状態で互いに異なる専用のマップとしてもよい。
【００４４】
次に、別のパラメータを用いたカソード湿度の補正方法を説明する。
前述したように、この燃料電池システムの燃料電池スタック１においては、燃料電池スタック１のカソードあるいはアノードにおける湿度が高いときには単セル６１が膨潤し、カソードあるいはアノードにおける湿度が低いときには単セル６１は殆ど膨潤しない。
【００４５】
ここで、単セル６１が膨潤する場合、水分は重力の作用によって下方に集まるため、単セル６１の下側が大きく膨潤し、単セル６１の上側は下側ほどには膨潤しない状態となる。その結果、単セル６１の積層体は、図９に示すように扇状となり、下方にたわんだ形態となる。なお、図９では実際よりも誇張して示している。
【００４６】
そこで、この単セル６１の積層体の積層方向に直交する方向のたわみ量（以下、スタックたわみ量という）をパラメータとして補正係数Ｙ２を設定し、この補正係数Ｙ２を用いて、カソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを補正することとした。そして、これを実現するために、図１に示すように、スタックたわみ量を検出する変位センサ３６を設置し、変位センサ３６の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
【００４７】
ここで、この実施例の燃料電池スタック１の場合には、図７に示すように、フレーム６０の側面６４に、単セル６１の積層方向に細長い開口６４ａが設けられており、この開口６４ａから、各単セル６１のセル電圧測定端子６１ａが突出しているので、例えば積層方向の中央付近に位置するセル電圧端子６１ａに対して予め基準位置を決めておき、この基準位置からの変位を変位センサ３６で検出し、これをスタックたわみ量とすることができる。なお、各セル電圧測定端子６１ａはフレーム６０の上部に設置された制御部６５に電気的に接続される。
【００４８】
図１０は、スタックたわみ量をパラメータとする補正係数マップの一例であり、たわみ量測定の対象となるセル電圧測定端子６１ａの基準位置からのたわみ量に応じて補正係数Ｙ２が設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００４９】
このスタックたわみ量に基づいてカソード湿度を補正する場合のカソードの湿度判定処理は、前述したＥＰ荷重に基づいてカソード湿度を補正する場合と、基本的に同じであり、異なるところは、図２のフローチャートにおけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８において、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ１を用いる代わりに、図１０に示されるスタックたわみ量をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ２を用いることだけであるので、説明は省略する。
【００５０】
次に、さらに別のパラメータを用いたカソード湿度の補正方法を説明する。
前述したように、この燃料電池システムの燃料電池スタック１においては、燃料電池スタック１のカソードあるいはアノードにおける湿度の湿度に応じてエンドプレート６２，６３に作用する積層方向の荷重、すなわちＥＰ荷重が変化する。このＥＰ加重は燃料電池スタック１のフレーム６０に作用するため、図１１において矢印で示すように、燃料電池スタック１によるフレーム６０の歪みとしても現れる。
そこで、このフレーム６０の歪み量（以下、スタック歪み量という）をパラメータとして補正係数Ｙ３を設定し、この補正係数Ｙ３を用いて、カソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを補正することとした。そして、これを実現するために、図１に示すように、スタック歪み量を検出する歪みセンサ３７を設置し、歪みセンサ３７の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
具体的には、図７および図１１に示すように、歪みセンサ３７を、フレーム６０の側面６４の下部に、燃料電池スタック１の積層方向に略並行となるように添付する。これにより、特にＥＰ荷重による積層方向の変位が大きく現れる燃料電池スタック１の下方側面で歪みを明確に検出することができる。
【００５１】
図１２は、スタック歪み量をパラメータとする補正係数マップの一例であり、歪み量に応じて補正係数Ｙ３が設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００５２】
このスタック歪み量に基づいてカソード湿度を補正する場合のカソードの湿度判定処理は、前述したＥＰ荷重に基づいてカソード湿度を補正する場合と、基本的に同じであり、異なるところは、図２のフローチャートにおけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８において、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ１を用いる代わりに、図１２に示されるスタック歪み量をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ３を用いることだけであるので、説明は省略する。
【００５３】
次に、さらに別のパラメータを用いたカソード湿度の補正方法を説明する。
燃料電池スタック１のカソードから排出される空気オフガス中の水分量と燃料電池スタック１のカソード湿度とは極めて関連性があり、カソード湿度が高いほど空気オフガス中の水分量が多くなる。また、燃料電池スタック１のアノードから排出される水素オフガス中の水分量と燃料電池スタック１のアノード湿度とは極めて関連性があり、アノード湿度が高いほど水素オフガス中の水分量が多くなる。これら空気オフガスおよび水素オフガスは希釈ボックス６に排出される。したがって、カソード湿度が高いときには、水分を多く含む空気オフガスが希釈ボックス６に流入し、アノード湿度が高いときには、水分を多く含む水素オフガスが希釈ボックス６に流入するため、希釈ボックス６の重量が大きくなる。
そこで、希釈ボックス６の重量をパラメータとして補正係数Ｙ４を設定し、この補正係数Ｙ４を用いて、カソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを補正することとした。そして、これを実現するために、図１に示すように、希釈ボックス６の重量を検出する重量センサ３８を設置し、重量センサ３８の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
【００５４】
なお、キャッチタンク１３には、水素オフガスの凝縮水が貯められており、燃料電池スタック１の運転状態に応じて定期的にドレンバルブ１６が開いて、キャッチタンク１３から排水された水が希釈ボックス６に導入されるため、ドレンバルブ１６の開弁から所定時間の間は希釈ボックス６の重量が一時的に大きくなる。この間に希釈ボックス６の重量を測定してカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを補正しては、却って誤差が大きくなるので、この時間帯を外して希釈ボックス６の重量測定を行い、補正を行うようにする。
【００５５】
図１３は、希釈ボックス重量をパラメータとする補正係数マップの一例であり、重量センサ３８で検出される重量と希釈ボックス６の基準重量との重量差に応じて補正係数Ｙ４が設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００５６】
この希釈ボックス重量差に基づいてカソード湿度を補正する場合のカソードの湿度判定処理は、前述したＥＰ荷重に基づいてカソード湿度を補正する場合と、基本的に同じであり、異なるところは、図２のフローチャートにおけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８において、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ１を用いる代わりに、図１３に示される希釈ボックス重量をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ４を用いることだけであるので、説明は省略する。
【００５７】
このように、図５のカソード湿度マップを検索することによって求めた仮のカソード湿度Ｈｃに対して、補正係数Ｙ１または補正係数Ｙ２または補正係数Ｙ３または補正係数Ｙ４を乗じて補正を行うと、真値に近いカソード湿度Ｈｃをリアルタイムに推定することができる。また、このカソード湿度Ｈｃの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
【００５８】
その結果、このカソード湿度Ｈｃに基づき燃料電池スタック１の運転を制御することで、カソードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、カソード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック１からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、カソード湿度を上げる方向に進ませることができ、カソード湿度の適正化を図ることができる。
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からカソード湿度を把握することができるので、そのときのカソード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
【００５９】
次に、アノードの湿度判定処理を図１４のフローチャートに従って説明する。このアノード湿度判定処理は電子制御装置５０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップＳ１０１において、吸気温度センサ３１により検出された現在のエアポンプ吸気温度Ｔ１と、大気圧センサ３０により検出された現在の大気圧Ｐと、加湿器入口温度センサ３２により検出された現在の加湿器入口空気温度Ｔ２に基づき、図３の加湿器入口空気湿度マップを参照して、加湿器入口空気湿度Ａを検索する。
【００６０】
次に、ステップＳ１０２に進み、カソード出口温度センサ３３により検出された現在のカソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度センサ３４により検出された現在の冷媒出口温度Ｔ４に基づき、図４のカソード出口空気湿度マップを参照して、カソード出口空気湿度Ｂを検索する。
【００６１】
次に、ステップＳ１０３に進み、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂに基づき、図１５のアノード湿度マップを参照して、アノード湿度Ｈａ（仮のアノード湿度）を検索する。
次に、ステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３の処理により得られたアノード湿度Ｈａが４０％未満か否かを判定する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（４０％以上）である場合には、ステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０３の処理により得られたアノード湿度Ｈａが６０％を越えているか否かを判定する。
【００６２】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（６０％以下）である場合には、ステップＳ１０６に進み、アノード湿度Ｈａが４０％〜６０％であるので、アノードは乾燥状態でもなく湿潤状態でもない標準状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに、ＥＰ荷重の補正係数Ｙ１、またはスタックたわみ量の補正係数Ｙ２、またはスタック歪み量の補正係数Ｙ３、または希釈ボックス重量の補正係数Ｙ４を乗じて、補正後のアノード湿度Ｈａを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の決定方法は前述したカソード湿度判定処理の場合と同じであるので説明を省略する。
【００６３】
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（４０％未満）である場合には、ステップＳ１０７に進み、アノードは乾燥状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに補正係数Ｙ１またはＹ２またはＹ３またはＹ４を乗じて、補正後のアノード湿度Ｈａを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の決定方法は前述したカソード湿度判定処理の場合と同じであるので説明を省略する。
【００６４】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（６０％を越えている）である場合には、ステップＳ１０８に進み、アノードは湿潤状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに補正係数Ｙ１またはＹ２またはＹ３またはＹ４を乗じて、補正後のアノード湿度Ｈａを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の決定方法は前述したカソード湿度判定処理の場合と同じであるので説明を省略する。
【００６５】
ここで、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップ、スタックたわみ量をパラメータとする補正係数マップ、スタック歪み量をパラメータとする補正係数マップ、希釈ボックス重量をパラメータとする補正係数マップは、標準状態、乾燥状態、湿潤状態とも同じマップとしてもよいし、標準状態、乾燥状態、湿潤状態で互いに異なる専用のマップとしてもよい。
【００６６】
このように、図１５のアノード湿度マップを検索することによって求めた仮のアノード湿度Ｈａに対して、補正係数Ｙ１または補正係数Ｙ２または補正係数Ｙ３または補正係数Ｙ４を乗じて補正を行うと、真値に近いアノード湿度Ｈａをリアルタイムに推定することができる。また、このアノード湿度Ｈａの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
【００６７】
その結果、このアノード湿度Ｈａに基づき燃料電池スタック１の運転を制御することで、アノードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、アノード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック１からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、アノード湿度を上げる方向に進ませることができ、アノード湿度の適正化を図ることができる。
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からアノード湿度を把握することができるので、そのときのアノード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
【００６８】
なお、カソードの湿度判定処理とアノードの湿度判定処理のいずれか一方を実行することにより、燃料電池スタック１の膜湿潤状態を判定することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 燃料電池スタック
６ 希釈ボックス（希釈器）
３０ 大気圧センサ（環境条件測定手段）
３１ 吸気温度センサ（環境条件測定手段）
３２ 加湿器入口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
３３ カソード出口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
３４ 冷媒出口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
５０ 電子制御装置（カソード湿度演算手段、アノード湿度演算手段）
６１ 単セル（単位燃料電池）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システム、および燃料電池システムにおける燃料電池の膜湿潤状態判定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜型の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、燃料電池内部の加湿状態が燃料電池の発電性能に大きく影響を与えるため、燃料電池内部の湿度管理が大変に重要である。
【０００３】
従来の前記湿度の判定方法としては、例えば、燃料電池のセル電圧が低下した時に、酸化剤ガスの流量を増大させた後、平均セル電圧と最低セル電圧の電圧差を検出し、該電圧差が判定値以下の場合は加湿不足であると判定し、前記判定値よりも大きい場合は過加湿であると判定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、別の湿度判定方法として、セル電圧が正常範囲を下回るセルを検出し、その異常セルの燃料電池スタックにおける積層位置に基づいて燃料電池スタックの加湿状態を判定する方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１９４１７７号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の湿度判定方法はいずれも、燃料電池内部の湿度状態が標準か湿度不足か過加湿かといった定性的な判定しかできない。
しかしながら、燃料電池システムを常に最適な作動状態に保つためには、燃料電池内部の湿度を定量的且つリアルタイムに把握することが求められており、従来の湿度判定方法ではこの要求に応えることができなかった。
【０００７】
そこで、この発明は、燃料電池の膜湿潤状態を定量的且つリアルタイムに把握することができる燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単セル６１）を複数積層して構成された燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、
前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、
前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて前記カソードの湿度を演算するカソード湿度演算手段（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、
を備え、
前記カソード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０１，Ｓ０２）と、
前記２つの判定値から前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０３）と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮カソード湿度演算部により求められた仮カソード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
請求項２に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単セル６１）を複数積層して構成された燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、
前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、
前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段（例えば、後述する実施例における電子制御装置５０）と、
を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、
前記２つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８）と、
を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
請求項３に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単セル６１）を複数積層して構成された燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０１，Ｓ０２）と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０３）と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８）と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法である。
【００１１】
請求項４に係る発明は、固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池（例えば、後述する実施例における単セル６１）を複数積層して構成された燃料電池スタック（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック１）と、前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段（例えば、後述する実施例における大気圧センサ３０、吸気温度センサ３１、）と、前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサ３２、カソード出口温度センサ３３、冷媒出口温度センサ３４）と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１，Ｓ１０２）と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０３）と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記アノードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正工程（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８）と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池スタックのカソードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項２に係る発明によれば、燃料電池スタックのアノードの湿度を真値に極めて近い値でリアルタイムに推定することができる。
請求項３に係る発明によれば、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、カソードの湿度の推定値に基づいて極めて正確に把握することができる。
請求項４に係る発明によれば、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、アノードの湿度の推定値に基づいて極めて正確に把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例における概略構成図である。
【図２】実施例におけるカソードの湿度判定処理を示すフローチャートである。
【図３】実施例において用いられる加湿器入口空気湿度マップである。
【図４】実施例において用いられるカソード出口空気湿度マップである。
【図５】実施例において用いられるカソード湿度マップである。
【図６】実施例において用いられるＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップである。
【図７】実施例における燃料電池スタックの外観斜視図である。
【図８】燃料電池スタック内の単セルの積層状態を模式的に示した図である。
【図９】前記単セルが膨潤したときの積層状態を模式的に示した図である。
【図１０】実施例において用いられるスタックたわみ量をパラメータとする補正係数マップである。
【図１１】燃料電池スタックが歪む様子を模式的に示した図である。
【図１２】実施例において用いられるスタック歪み量をパラメータとする補正係数マップである。
【図１３】実施例において用いられる希釈ボックス重量をパラメータとする補正係数マップである。
【図１４】実施例におけるアノードの湿度判定処理を示すフローチャートである。
【図１５】実施例において用いられるアノード湿度マップである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明に係る燃料電池システム、および燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法の実施例を図１から図１５の図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施例は、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに適用した態様である。
【００１５】
図１は燃料電池システムの概略構成図である。燃料電池スタック１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで構成された単位燃料電池（以下、単セルという）を複数積層して構成されており、燃料ガスとして水素ガスが供給される水素極と、酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給される空気極と、冷却液が供給される冷却通路とを備えている。そして、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。また、この発電に伴う発熱により燃料電池スタック１が上限温度を越えないように、前記冷却通路を流れる冷却液で熱を奪い冷却するようになっている。
【００１６】
外気はエアポンプ（コンプレッサ）２によって加圧され、供給空気通路３、加湿器４を通って燃料電池スタック１の空気極に供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック１から空気オフガスとして排出され、空気オフガス通路５、前記加湿器４を通って希釈ボックス（希釈器）６に排出される。なお、以下の説明では、燃料電池スタック１から排出される空気オフガスと区別するため、燃料電池スタック１に供給される空気を供給空気と称す。
【００１７】
加湿器４は、例えば中空糸膜等の水透過膜を備えて構成されており、燃料電池スタック１から排出された空気オフガスを、反応ガスとして燃料電池スタック１に供給される供給空気に対する加湿ガスとして利用している。加湿器４において、水透過膜を介して供給空気と空気オフガスが接触し、空気オフガスに含まれる水分が水透過膜の膜孔を透過して供給空気に移動することにより、供給空気が加湿される。このように加湿された空気が燃料電池スタック１に供給されることにより、燃料電池スタック１の固体高分子電解質膜のイオン導電性が所定の状態に確保される。
【００１８】
エアポンプ２は、燃料電池スタック１に要求されている出力に応じた質量の空気が空気極に供給されるように回転数制御される。
一方、水素タンク７から放出された水素ガスは、水素供給通路８，水素遮断弁９、圧力制御弁１０、エゼクタ１１を通って燃料電池スタック１の水素極に供給される。この水素ガスは発電に供された後、未反応の水素ガスは燃料電池スタック１から水素オフガスとして排出され、水素オフガス回収路１２を通ってエゼクタ１１に吸引され、水素タンク７から供給される水素ガスと合流し再び燃料電池スタック１に供給されるようになっている。なお、水素オフガス回収路１２には、水素オフガスに含まれる水分を除去するキャッチタンク１３が設けられており、エゼクタ１１には水分を除去された水素オフガスが供給される。
【００１９】
なお、圧力制御弁１０は、例えば空気式の比例圧力制御弁からなり、エアポンプ２から供給される供給空気の圧力を信号圧として空気信号導入路１９を介して入力され、圧力制御弁１０の出口側の水素ガス圧力が前記信号圧に応じた所定圧力範囲となるように水素ガスの圧力を減圧制御する。このように供給空気の圧力を基準圧として、圧力制御弁１０で燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を制御することによって、エゼクタ１１を通過する水素ガスの流量が制御されるとともに、燃料電池スタック１内の固体高分子電解質膜を介した空気圧と水素ガス圧との差圧が所定の範囲に収まるように制御される。
【００２０】
水素オフガス回収路１２はキャッチタンク１３の下流において、パージ弁１４を備えた水素オフガスパージ通路１５が分岐し、希釈ボックス６に接続されている。パージ弁１４は通常は閉じていて、燃料電池スタック１の運転状態に応じて開弁制御され、水素オフガス回収路１２を流れる水素オフガスを希釈ボックス６へ排出する。
また、キャッチタンク１３もドレンバルブ１６を備えたドレン通路１７を介して希釈ボックス６に接続されており、ドレンバルブ１６は燃料電池スタック１の運転状態に応じて設定される所定時間毎に開弁制御され、キャッチタンク１３に溜まった水を希釈ボックス６に排水する。
希釈ボックス６に排出された水素オフガスは、希釈ボックス６に排出された空気オフガスによって希釈され、キャッチタンク１３から排出された水とともに、排気通路１８を介して外気に放出される。希釈ボックス６の出口には、外気に放出されるガスの水素濃度を検出するための水素センサ４０が設けられている。
【００２１】
また、燃料電池スタック１を冷却するための冷却液は、ウォーターポンプ２０によって昇圧されて燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１内の冷却通路を通る際に燃料電池スタック１から熱を奪って燃料電池スタック１を冷却し、これにより熱せられた冷却液はラジエタ（放熱器）２１に送られ、ラジエタ２１において外部に放熱することにより冷却液は冷却され、再びウォーターポンプ２０に戻るようになっている。この冷却液の循環回路２２に、ラジエタ２１を迂回するバイパス通路２３が接続されており、循環回路２２とバイパス通路２３との連結部に設けられたサーモスタットバルブ２４によって、冷却液をバイパス通路２３を通さずラジエタ２１を経由して循環させるか、ラジエタ２１を通さずバイパス通路２３を経由して循環させるかが決定される。つまり、冷却液が所定温度よりも低いときには、冷却液を冷却する必要がないので、ラジエタ２１を通さずバイパス通路２３を経由し燃料電池スタック１との間で冷却液を循環させ、冷却液が所定温度よりも高いときには、冷却液を冷却する必要があるので、バイパス通路２３を通さずラジエタ２１を経由し燃料電池スタック１との間で冷却液を循環させる。なお、図中、符号２５はリザーブタンクであり、ラジエタ２１およびウォータポンプ２０に接続されている。
【００２２】
また、この燃料電池システムには、燃料電池スタック１内のカソードまたはアノードの湿度を推定するために必要な物理量を検出するための各種センサが設置されている。すなわち、燃料電池システムは、大気圧Ｐを検出する大気圧センサ３０と、エアポンプ２に吸引される空気の温度（以下、エアポンプ吸気温度という）Ｔ１を検出する吸気温度センサ３１と、加湿器４に供給される空気の温度（以下、加湿器入口空気温度という）Ｔ２を検出する加湿器入口温度センサ３２と、燃料電池スタック１から排出され加湿器４に供給される前の空気オフガスの温度（以下、カソード出口空気温度という）Ｔ３を検出するカソード出口温度センサ３３と、燃料電池スタック１から排出された直後の冷却液の温度（以下、冷媒出口温度という）Ｔ４を検出する冷媒出口温度センサ３４と、を備え、これらセンサ３０〜３４の出力信号が電子制御装置（ＥＣＵ）５０に入力される。
【００２３】
なお、この実施例において、大気圧センサ３０と吸気温度センサ３１は環境条件測定手段を構成し、加湿器入口温度センサ３２とカソード出口温度センサ３３と冷媒出口温度センサ３４は燃料電池スタック温度条件測定手段を構成し、電子制御装置５０はカソード湿度演算手段およびアノード湿度演算手段を構成する。
【００２４】
次に、この燃料電池システムにおいて燃料電池スタック１内のカソードの湿度を推定する方法を説明する。
本出願の発明者は、このように構成された燃料電池システムに対して行った多くの実験を通して、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、加湿器４に供給される空気の湿度（以下、加湿器入口空気湿度という）Ａとの間には相関があること、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４と、燃料電池スタック１のカソードから排出された空気の湿度（以下、カソード出口空気湿度という）Ｂとの間には相関があること、さらに、加湿器入口空気湿度Ａと、カソード出口空気湿度Ｂと、燃料電池スタック１内のカソードにおける湿度（以下、カソード湿度という）Ｈｃおよびアノードにおける湿度（以下、アノード湿度という）Ｈａとの間には相関があることを、経験的な知見として得た。
【００２５】
なお、加湿器入口空気湿度Ａと、カソード出口空気湿度Ｂと、燃料電池スタック１内のアノード湿度Ｈａとの間に相関があるのは、この燃料電池システムでは、前述したように、カソード側の供給空気の圧力を基準圧として圧力制御弁１０を制御することによって、燃料電池スタック１に供給される水素ガスの圧力を制御し、エゼクタ１１を通過する水素ガスの流量を制御していることによる。
【００２６】
そこで、この発明では、実際に燃料電池車両用に組み立てられた標準モデルとしての前記燃料電池システムに対して、予め、燃料電池スタック１の周りの環境条件や燃料電池スタック１の運転条件を種々変化させて、前記相関関係のある各物理量のデータを多数採取し、これに基づいて図３〜図５、および図１５に示すようなマップを予め作成し、電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。なお、この事前のデータ採取のときには、前記標準モデルの燃料電池システムに、加湿器入口空気湿度Ａ、カソード出口空気湿度Ｂ、カソード湿度Ｈｃ、アノード湿度Ｈａを検出するためのセンサを設置して行う。
【００２７】
図３に示される加湿器入口空気湿度マップは、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、加湿器入口空気湿度Ａのデータに基づいて作成されたマップであり、大気圧Ｐの大きさ（大気圧値）毎に、エアポンプ吸気温度Ｔ１と加湿器入口空気温度Ｔ２から加湿器入口空気湿度Ａを検索することができるように構成されている。つまり、図３に示すマップは、大気圧がある値のときの加湿器入口空気湿度マップであり、このようなマップが大気圧値毎に多数作成されているのである。
【００２８】
図４に示されるカソード出口空気湿度マップは、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４と、カソード出口空気湿度Ｂのデータに基づいて作成されたマップであり、カソード出口空気温度Ｔ３と冷媒出口温度Ｔ４からカソード出口空気湿度Ｂを検索することができるように構成されている。
【００２９】
図５に示されるカソード湿度マップは、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂとカソード湿度Ｈｃのデータに基づいて作成されたマップであり、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂからカソード湿度Ｈｃを検索することができるように構成されている。
【００３０】
図１５に示されるアノード湿度マップは、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂとアノード湿度Ｈａのデータに基づいて作成されたマップであり、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂからアノード湿度Ｈａを検索することができるように構成されている。
【００３１】
図３の加湿器入口空気湿度マップと図４のカソード出口空気湿度マップと図５のカソード湿度マップを用いることにより、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４とに基づいて、燃料電池スタック１内のカソード湿度Ｈｃを予測することができる。
【００３２】
また、図３の加湿器入口空気湿度マップと図４のカソード出口空気湿度マップと図１５のアノード湿度マップを用いることにより、大気圧Ｐと、エアポンプ吸気温度Ｔ１と、加湿器入口空気温度Ｔ２と、カソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度Ｔ４とに基づいて、燃料電池スタック１内のアノード湿度Ｈａを予測することができる。
【００３３】
ただし、このようにして予測されるカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａは、標準モデルの燃料電池システムに当てはめた場合の予測値であり、実際に現在運転している燃料電池システムにおける燃料電池スタック１内部の水分状況が反映されているとは言い難い。
【００３４】
そこで、この発明では、前記マップに基づいて予測されるカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度として、この仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度に対して、現在運転中の燃料電池システムにおける燃料電池スタック１内部の水分状況に応じた補正を行うことで、より真値に近いカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａをリアルタイムに推定することができるようにした。
【００３５】
次に、仮のカソード湿度あるいは仮のアノード湿度に対する補正方法を説明する。
図７は、実施例の燃料電池システムに使用される燃料電池スタック１の外観斜視図であり、燃料電池スタック１の箱形のフレーム６０の内部には、図８の模式図に示すように、多数の単セル６１が水平方向に積層されて収容されるとともに、積層方向の両側にエンドプレート６２，６３が収容されている。単セル６１およびエンドプレート６２，６３は、熱膨張や単セル６１の膨潤に対応することができるように、単セル６１の積層方向に移動可能に支持されており、エンドプレート６２，６３はフレーム６０の内壁との間に配置されたバネ部材（図示略）によって単セル６１の積層方向内側に付勢されている。
【００３６】
このように構成された燃料電池スタック１においては、燃料電池スタック１のカソードあるいはアノードにおける湿度が高いときには、単セル６１が膨潤するため、エンドプレート６２，６３に作用する積層方向の荷重（以下、ＥＰ荷重と称す）が増大し、一方、カソードあるいはアノードにおける湿度が低いときには、単セル６１は殆ど膨潤しないため、ＥＰ荷重が低減する。
【００３７】
そこで、このＥＰ荷重をパラメータとして補正係数Ｙ１を設定し、この補正係数Ｙ１を用いて仮のカソード湿度Ｈｃあるいは仮のアノード湿度Ｈａを補正することとした。そして、これを実現するために、図１に示すように、燃料電池スタック１に、ＥＰ荷重を検出するための荷重センサ３５を設置し、荷重センサ３５の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
図６は、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップの一例であり、初期締結荷重との荷重差に応じて補正係数Ｙ１が設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００３８】
次に、ＥＰ荷重に基づいて補正を行う場合のカソードの湿度判定処理を図２のフローチャートに従って説明する。このカソード湿度判定処理は電子制御装置５０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップＳ０１において、吸気温度センサ３１により検出された現在のエアポンプ吸気温度Ｔ１と、大気圧センサ３０により検出された現在の大気圧Ｐと、加湿器入口温度センサ３２により検出された現在の加湿器入口空気温度Ｔ２に基づき、図３の加湿器入口空気湿度マップを参照して、加湿器入口空気湿度Ａを検索する。
【００３９】
次に、ステップＳ０２に進み、カソード出口温度センサ３３により検出された現在のカソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度センサ３４により検出された現在の冷媒出口温度Ｔ４に基づき、図４のカソード出口空気湿度マップを参照して、カソード出口空気湿度Ｂを検索する。
【００４０】
次に、ステップＳ０３に進み、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂに基づき、図５のカソード湿度マップを参照して、カソード湿度Ｈｃ（仮のカソード湿度）を検索する。
次に、ステップＳ０４に進み、ステップＳ０３の処理により得られたカソード湿度Ｈｃが６０％未満か否かを判定する。
ステップＳ０４における判定結果が「ＮＯ」（６０％以上）である場合には、ステップＳ０５に進み、ステップＳ０３の処理により得られたカソード湿度Ｈｃが８０％を越えているか否かを判定する。
【００４１】
ステップＳ０５における判定結果が「ＮＯ」（８０％以下）である場合には、ステップＳ０６に進み、カソード湿度Ｈｃが６０％〜８０％であるので、カソードは乾燥状態でもなく湿潤状態でもない標準状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙ１を乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１は、荷重センサ３５で検出した現在のＥＰ荷重と初期締結荷重との荷重差に基づいて、図６のＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
【００４２】
ステップＳ０４における判定結果が「ＹＥＳ」（６０％未満）である場合には、ステップＳ０７に進み、カソードは乾燥状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙ１を乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１は、荷重センサ３５で検出した現在のＥＰ荷重と初期締結荷重との荷重差に基づいて、図６のＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
【００４３】
ステップＳ０５における判定結果が「ＹＥＳ」（８０％を越えている）である場合には、ステップＳ０８に進み、カソードは湿潤状態であると判定し、ステップＳ０３で得られたカソード湿度Ｈｃに補正係数Ｙ１を乗じて、補正後のカソード湿度Ｈｃを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１は、荷重センサ３５で検出した現在のＥＰ荷重と初期締結荷重との荷重差に基づいて、図６のＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップを参照して検索し、決定する。
ここで、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップは、標準状態、乾燥状態、湿潤状態とも同じマップとしてもよいし、標準状態、乾燥状態、湿潤状態で互いに異なる専用のマップとしてもよい。
【００４４】
次に、別のパラメータを用いたカソード湿度の補正方法を説明する。
前述したように、この燃料電池システムの燃料電池スタック１においては、燃料電池スタック１のカソードあるいはアノードにおける湿度が高いときには単セル６１が膨潤し、カソードあるいはアノードにおける湿度が低いときには単セル６１は殆ど膨潤しない。
【００４５】
ここで、単セル６１が膨潤する場合、水分は重力の作用によって下方に集まるため、単セル６１の下側が大きく膨潤し、単セル６１の上側は下側ほどには膨潤しない状態となる。その結果、単セル６１の積層体は、図９に示すように扇状となり、下方にたわんだ形態となる。なお、図９では実際よりも誇張して示している。
【００４６】
そこで、この単セル６１の積層体の積層方向に直交する方向のたわみ量（以下、スタックたわみ量という）をパラメータとして補正係数Ｙ２を設定し、この補正係数Ｙ２を用いて、カソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを補正することとした。そして、これを実現するために、図１に示すように、スタックたわみ量を検出する変位センサ３６を設置し、変位センサ３６の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
【００４７】
ここで、この実施例の燃料電池スタック１の場合には、図７に示すように、フレーム６０の側面６４に、単セル６１の積層方向に細長い開口６４ａが設けられており、この開口６４ａから、各単セル６１のセル電圧測定端子６１ａが突出しているので、例えば積層方向の中央付近に位置するセル電圧端子６１ａに対して予め基準位置を決めておき、この基準位置からの変位を変位センサ３６で検出し、これをスタックたわみ量とすることができる。なお、各セル電圧測定端子６１ａはフレーム６０の上部に設置された制御部６５に電気的に接続される。
【００４８】
図１０は、スタックたわみ量をパラメータとする補正係数マップの一例であり、たわみ量測定の対象となるセル電圧測定端子６１ａの基準位置からのたわみ量に応じて補正係数Ｙ２が設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００４９】
このスタックたわみ量に基づいてカソード湿度を補正する場合のカソードの湿度判定処理は、前述したＥＰ荷重に基づいてカソード湿度を補正する場合と、基本的に同じであり、異なるところは、図２のフローチャートにおけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８において、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ１を用いる代わりに、図１０に示されるスタックたわみ量をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ２を用いることだけであるので、説明は省略する。
【００５０】
次に、さらに別のパラメータを用いたカソード湿度の補正方法を説明する。
前述したように、この燃料電池システムの燃料電池スタック１においては、燃料電池スタック１のカソードあるいはアノードにおける湿度の湿度に応じてエンドプレート６２，６３に作用する積層方向の荷重、すなわちＥＰ荷重が変化する。このＥＰ加重は燃料電池スタック１のフレーム６０に作用するため、図１１において矢印で示すように、燃料電池スタック１によるフレーム６０の歪みとしても現れる。
そこで、このフレーム６０の歪み量（以下、スタック歪み量という）をパラメータとして補正係数Ｙ３を設定し、この補正係数Ｙ３を用いて、カソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを補正することとした。そして、これを実現するために、図１に示すように、スタック歪み量を検出する歪みセンサ３７を設置し、歪みセンサ３７の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
具体的には、図７および図１１に示すように、歪みセンサ３７を、フレーム６０の側面６４の下部に、燃料電池スタック１の積層方向に略並行となるように添付する。これにより、特にＥＰ荷重による積層方向の変位が大きく現れる燃料電池スタック１の下方側面で歪みを明確に検出することができる。
【００５１】
図１２は、スタック歪み量をパラメータとする補正係数マップの一例であり、歪み量に応じて補正係数Ｙ３が設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００５２】
このスタック歪み量に基づいてカソード湿度を補正する場合のカソードの湿度判定処理は、前述したＥＰ荷重に基づいてカソード湿度を補正する場合と、基本的に同じであり、異なるところは、図２のフローチャートにおけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８において、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ１を用いる代わりに、図１２に示されるスタック歪み量をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ３を用いることだけであるので、説明は省略する。
【００５３】
次に、さらに別のパラメータを用いたカソード湿度の補正方法を説明する。
燃料電池スタック１のカソードから排出される空気オフガス中の水分量と燃料電池スタック１のカソード湿度とは極めて関連性があり、カソード湿度が高いほど空気オフガス中の水分量が多くなる。また、燃料電池スタック１のアノードから排出される水素オフガス中の水分量と燃料電池スタック１のアノード湿度とは極めて関連性があり、アノード湿度が高いほど水素オフガス中の水分量が多くなる。これら空気オフガスおよび水素オフガスは希釈ボックス６に排出される。したがって、カソード湿度が高いときには、水分を多く含む空気オフガスが希釈ボックス６に流入し、アノード湿度が高いときには、水分を多く含む水素オフガスが希釈ボックス６に流入するため、希釈ボックス６の重量が大きくなる。
そこで、希釈ボックス６の重量をパラメータとして補正係数Ｙ４を設定し、この補正係数Ｙ４を用いて、カソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを補正することとした。そして、これを実現するために、図１に示すように、希釈ボックス６の重量を検出する重量センサ３８を設置し、重量センサ３８の出力信号を電子制御装置５０に出力するようにした。
【００５４】
なお、キャッチタンク１３には、水素オフガスの凝縮水が貯められており、燃料電池スタック１の運転状態に応じて定期的にドレンバルブ１６が開いて、キャッチタンク１３から排水された水が希釈ボックス６に導入されるため、ドレンバルブ１６の開弁から所定時間の間は希釈ボックス６の重量が一時的に大きくなる。この間に希釈ボックス６の重量を測定してカソード湿度Ｈｃあるいはアノード湿度Ｈａを補正しては、却って誤差が大きくなるので、この時間帯を外して希釈ボックス６の重量測定を行い、補正を行うようにする。
【００５５】
図１３は、希釈ボックス重量をパラメータとする補正係数マップの一例であり、重量センサ３８で検出される重量と希釈ボックス６の基準重量との重量差に応じて補正係数Ｙ４が設定されており、この補正係数マップを予め電子制御装置５０の記憶手段に記憶しておく。
【００５６】
この希釈ボックス重量差に基づいてカソード湿度を補正する場合のカソードの湿度判定処理は、前述したＥＰ荷重に基づいてカソード湿度を補正する場合と、基本的に同じであり、異なるところは、図２のフローチャートにおけるステップＳ０６，Ｓ０７，Ｓ０８において、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ１を用いる代わりに、図１３に示される希釈ボックス重量をパラメータとする補正係数マップに基づいて決定された補正係数Ｙ４を用いることだけであるので、説明は省略する。
【００５７】
このように、図５のカソード湿度マップを検索することによって求めた仮のカソード湿度Ｈｃに対して、補正係数Ｙ１または補正係数Ｙ２または補正係数Ｙ３または補正係数Ｙ４を乗じて補正を行うと、真値に近いカソード湿度Ｈｃをリアルタイムに推定することができる。また、このカソード湿度Ｈｃの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
【００５８】
その結果、このカソード湿度Ｈｃに基づき燃料電池スタック１の運転を制御することで、カソードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、カソード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック１からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、カソード湿度を上げる方向に進ませることができ、カソード湿度の適正化を図ることができる。
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からカソード湿度を把握することができるので、そのときのカソード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
【００５９】
次に、アノードの湿度判定処理を図１４のフローチャートに従って説明する。このアノード湿度判定処理は電子制御装置５０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
まず、ステップＳ１０１において、吸気温度センサ３１により検出された現在のエアポンプ吸気温度Ｔ１と、大気圧センサ３０により検出された現在の大気圧Ｐと、加湿器入口温度センサ３２により検出された現在の加湿器入口空気温度Ｔ２に基づき、図３の加湿器入口空気湿度マップを参照して、加湿器入口空気湿度Ａを検索する。
【００６０】
次に、ステップＳ１０２に進み、カソード出口温度センサ３３により検出された現在のカソード出口空気温度Ｔ３と、冷媒出口温度センサ３４により検出された現在の冷媒出口温度Ｔ４に基づき、図４のカソード出口空気湿度マップを参照して、カソード出口空気湿度Ｂを検索する。
【００６１】
次に、ステップＳ１０３に進み、加湿器入口空気湿度Ａとカソード出口空気湿度Ｂに基づき、図１５のアノード湿度マップを参照して、アノード湿度Ｈａ（仮のアノード湿度）を検索する。
次に、ステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０３の処理により得られたアノード湿度Ｈａが４０％未満か否かを判定する。
ステップＳ１０４における判定結果が「ＮＯ」（４０％以上）である場合には、ステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０３の処理により得られたアノード湿度Ｈａが６０％を越えているか否かを判定する。
【００６２】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（６０％以下）である場合には、ステップＳ１０６に進み、アノード湿度Ｈａが４０％〜６０％であるので、アノードは乾燥状態でもなく湿潤状態でもない標準状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに、ＥＰ荷重の補正係数Ｙ１、またはスタックたわみ量の補正係数Ｙ２、またはスタック歪み量の補正係数Ｙ３、または希釈ボックス重量の補正係数Ｙ４を乗じて、補正後のアノード湿度Ｈａを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の決定方法は前述したカソード湿度判定処理の場合と同じであるので説明を省略する。
【００６３】
ステップＳ１０４における判定結果が「ＹＥＳ」（４０％未満）である場合には、ステップＳ１０７に進み、アノードは乾燥状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに補正係数Ｙ１またはＹ２またはＹ３またはＹ４を乗じて、補正後のアノード湿度Ｈａを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の決定方法は前述したカソード湿度判定処理の場合と同じであるので説明を省略する。
【００６４】
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（６０％を越えている）である場合には、ステップＳ１０８に進み、アノードは湿潤状態であると判定し、ステップＳ１０３で得られたアノード湿度Ｈａに補正係数Ｙ１またはＹ２またはＹ３またはＹ４を乗じて、補正後のアノード湿度Ｈａを算出し、本ルーチンの実行を一旦終了する。なお、補正係数Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４の決定方法は前述したカソード湿度判定処理の場合と同じであるので説明を省略する。
【００６５】
ここで、ＥＰ荷重をパラメータとする補正係数マップ、スタックたわみ量をパラメータとする補正係数マップ、スタック歪み量をパラメータとする補正係数マップ、希釈ボックス重量をパラメータとする補正係数マップは、標準状態、乾燥状態、湿潤状態とも同じマップとしてもよいし、標準状態、乾燥状態、湿潤状態で互いに異なる専用のマップとしてもよい。
【００６６】
このように、図１５のアノード湿度マップを検索することによって求めた仮のアノード湿度Ｈａに対して、補正係数Ｙ１または補正係数Ｙ２または補正係数Ｙ３または補正係数Ｙ４を乗じて補正を行うと、真値に近いアノード湿度Ｈａをリアルタイムに推定することができる。また、このアノード湿度Ｈａの推定値に基づいて、燃料電池スタックの固体高分子電解質膜の湿潤状態を、極めて正確に把握することができる。
【００６７】
その結果、このアノード湿度Ｈａに基づき燃料電池スタック１の運転を制御することで、アノードの湿度管理を適正に実行することが可能となる。例えば、アノード湿度が乾燥状態の領域にあるときには、燃料電池スタック１からの取り出し電流を抑制することで、単セル面内での湿度不足に伴う電力集中を未然に防いだり、アノード湿度を上げる方向に進ませることができ、アノード湿度の適正化を図ることができる。
また、燃料電池システムを長時間停止していた場合にも、起動した瞬間からアノード湿度を把握することができるので、そのときのアノード湿度に応じた燃料電池スタックの起動制御が可能となり、発電し易い環境へ移行することができる。
【００６８】
なお、カソードの湿度判定処理とアノードの湿度判定処理のいずれか一方を実行することにより、燃料電池スタック１の膜湿潤状態を判定することができる。
【符号の説明】
【００６９】
１ 燃料電池スタック
６ 希釈ボックス（希釈器）
３０ 大気圧センサ（環境条件測定手段）
３１ 吸気温度センサ（環境条件測定手段）
３２ 加湿器入口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
３３ カソード出口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
３４ 冷媒出口温度センサ（燃料電池スタック温度条件測定手段）
５０ 電子制御装置（カソード湿度演算手段、アノード湿度演算手段）
６１ 単セル（単位燃料電池）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて前記カソードの湿度を演算するカソード湿度演算手段と、
を備え、
前記カソード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記２つの判定値から前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算部と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮カソード湿度演算部により求められた仮カソード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段と、
を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記２つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段と、前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算工程と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正工程と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法。
【請求項４】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段と、前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算工程と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記アノードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正工程と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法。
【請求項１】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて前記カソードの湿度を演算するカソード湿度演算手段と、
を備え、
前記カソード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記２つの判定値から前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算部と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮カソード湿度演算部により求められた仮カソード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段と、
前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段と、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値と前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて前記アノードの湿度を演算するアノード湿度演算手段と、
を備え、
前記アノード湿度演算手段は、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を演算する判定値演算部と、
前記２つの判定値から前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算部と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算部と、
前記仮アノード湿度演算部により求められた仮アノード湿度に前記補正係数演算部により求められた補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段と、前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記カソードの仮の湿度を求める仮カソード湿度演算工程と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記カソードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記カソードの湿度を求めるカソード湿度補正工程と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法。
【請求項４】
固体高分子電解質膜を挟むアノードとカソードとを備え反応ガスを供給されることにより発電を行う単位燃料電池を複数積層して構成された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの環境条件を測定する環境条件測定手段と、前記燃料電池スタックの温度条件を測定する燃料電池スタック温度条件測定手段と、を備える燃料電池システムにおける前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定する方法において、
前記環境条件測定手段により測定された環境条件値および前記燃料電池スタック温度条件測定手段により測定された燃料電池スタックの温度条件値に基づいて２つの判定値を求める判定値演算工程と、
予め作成されたマップを用いて前記２つの判定値に基づいて前記アノードの仮の湿度を求める仮アノード湿度演算工程と、
前記燃料電池スタックにおける単位燃料電池の積層方向に加わる荷重と、前記単位燃料電池の積層方向に直交する方向のたわみ量と、前記燃料電池スタックによる歪み量と、燃料電池スタックから排出される反応ガスを希釈する希釈器の重量のうちのいずれか１つとその基準値との比較値に基づいて補正係数を求める補正係数演算工程と、
前記アノードの仮の湿度に前記補正係数を乗じることで前記アノードの湿度を求めるアノード湿度補正工程と、
を順に用いて前記固体高分子電解質膜の湿潤状態を判定することを特徴とする燃料電池システムの膜湿潤状態判定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−２１６４１７（Ｐ２０１１−２１６４１７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８５３９７（Ｐ２０１０−８５３９７）
【出願日】平成２２年４月１日（２０１０．４．１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１日（２０１０．４．１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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