燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法
【課題】固体高分子膜の含水量が低下した場合に、この固体高分子膜の劣化を抑制しつつ発電できる燃料電池ステムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、固体高分子膜と、この固体高分子膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが固体高分子膜を介して反応して発電する燃料電池と、固体高分子膜の含水率を算出する含水率算出手段４３と、含水率算出手段４３で算出した固体高分子膜の含水率に基づいて、燃料電池の発電量を制限する上限発電電流算出手段４４および電流コントローラ３３と、を備える。
【解決手段】燃料電池システムは、固体高分子膜と、この固体高分子膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが固体高分子膜を介して反応して発電する燃料電池と、固体高分子膜の含水率を算出する含水率算出手段４３と、含水率算出手段４３で算出した固体高分子膜の含水率に基づいて、燃料電池の発電量を制限する上限発電電流算出手段４４および電流コントローラ３３と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
【０００５】
ところで、このような燃料電池では、固体高分子電解質膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、燃料電池として発電ができなくなる。そこで、燃料電池システムに純粋タンク装置を設け、この純粋タンク装置内に純粋を貯留しておき、この純水を利用して固体高分子膜を速やかに加湿することが行われている（特許文献１参照）。
【０００６】
ここで、燃料電池システムを小型化するため、燃料電池システム内に純粋タンク装置を設けず、加湿器を設ける場合がある。この加湿器は、具体的には、例えば、燃料電池から排出される反応ガスに含まれる水分を、燃料電池に供給される反応ガスに移動することで、固体高分子膜に水分を供給するものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２１４０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような加湿器では、固体高分子膜の含水量が低下しても、オフガスに含まれる水分を回収するのに時間がかかるため、純粋タンク装置のように急速に加湿を行うことは困難である。
このように固体高分子膜の含水量が低下した場合に、発電ができないと、運転者に違和感を与えてしまい、商品性が低下するおそれがある。一方、運転者の操作に従って発電を行うと、固体高分子膜に負担がかかって、膜の劣化が促進されるおそれがあった。
【０００９】
本発明は、固体高分子膜の含水量が低下した場合に、この固体高分子膜の劣化を抑制しつつ発電できる燃料電池ステムおよび燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１） 膜（例えば、実施の形態における固体高分子膜１２３）と、この膜を挟んで設けられたアノード電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極１２１）およびカソード電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極１２２）と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、前記膜の含水率を算出する含水率算出手段（例えば、実施の形態における含水率算出手段４３）と、前記含水率算出手段で算出した前記膜の含水率に基づいて、前記燃料電池の発電量を制限する発電量制限手段（例えば、実施の形態における上限発電電流算出手段４４および電流コントローラ３３）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）。
【００１１】
ここで、反応ガスとしては、例えば、水素ガスや、酸素を含む空気が挙げられる。
【００１２】
（１）の発明によれば、燃料電池システムに含水率算出手段および発電量制限手段を設けた。これにより、燃料電池を構成する膜の含水率を算出し、この算出した含水率に基づいて、燃料電池の発電量を制限する。よって、膜の含水率が低下した場合に、膜が劣化しない程度にまで燃料電池の発電量を制限できるから、膜の劣化を抑制しつつ発電できる。
【００１３】
（２） 前記燃料電池の停止時間を測定する停止時間測定手段（例えば、実施の形態におけるタイマ４０）と、前記燃料電池の発電量を算出する発電量算出手段（例えば、実施の形態における電流センサ３２および電流積算手段４１）と、をさらに備え、前記含水率算出手段は、少なくとも前記燃料電池の停止時間および発電量に基づいて、含水率を算出することを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。
【００１４】
（２）の発明によれば、燃料電池システムに停止時間測定手段および発電量算出手段をさらに設け、含水率算出手段では、少なくとも停止時間測定手段で測定した燃料電池の停止時間と、発電量算出手段で算出した発電量とに基づいて、含水率を算出した。
燃料電池システムを停止すると、停止時間および発電量に比例して含水率が低下することから、特に、燃料電池システムの起動時において、含水率を精度良く算出できる。
【００１５】
（３） 前記燃料電池から排出される反応ガスの湿度を測定する湿度測定手段（例えば、実施の形態におけるガス湿度センサ３８、３９）をさらに備え、前記含水率算出手段は、前記湿度測定手段で測定した反応ガスの湿度に基づいて、含水率を算出することを特徴とする（１）または（２）に記載の燃料電池システム。
【００１６】
（３）の発明によれば、燃料電池システムに湿度測定手段をさらに設け、含水率算出手段では、湿度測定手段で検出した反応ガスの湿度に基づいて、含水率を算出した。
よって、湿度測定手段で反応ガスの湿度を監視することで、膜の含水率の低下を迅速に把握でき、膜の劣化をより確実に抑制できる。
【００１７】
（４） 前記燃料電池から排出される反応ガスと前記燃料電池に供給される反応ガスとの間で水分を移動する加湿手段（例えば、実施の形態における加湿器２９）をさらに備え、前記発電量制限手段は、前記膜の含水率が所定値以下である場合に、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００１８】
上述のように、燃料電池から排出される反応ガスと燃料電池に供給される反応ガスとの間で水分を移動する加湿手段は、膜を速やかに加湿することは困難であり、運転者に違和感を与えたり、膜の劣化が促進されるおそれがある。
しかしながら、（４）の発明によれば、燃料電池システムに加湿手段を設け、発電量制限手段により、膜の含水率が所定値以下である場合に、燃料電池の発電量を制限した。
よって、膜の加湿に時間がかかる加湿手段を設けても、膜の含水率が低下した場合には、燃料電池の発電量を制限することで、運転者に違和感を与えたり膜の劣化を促進させたりすることなく、発電できる。
【００１９】
（５） 膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池の制御方法であって、前記膜の含水率を算出し、この算出した前記膜の含水率に基づいて、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【００２０】
（５）の発明によれば、上述の（１）と同様の効果がある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池システムに含水率算出手段および発電量制限手段を設けた。これにより、燃料電池を構成する膜の含水率を算出し、この算出した含水率に基づいて、燃料電池の発電量を制限する。よって、膜の含水率が低下した場合に、膜が劣化しない程度にまで燃料電池の発電量を制限できるから、膜の劣化を抑制しつつ発電できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガスや空気を供給する反応ガス供給手段としての供給装置２０と、この供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０とを有する。
【００２３】
図２は、燃料電池１０を構成するセル１１の断面図である。
すなわち、燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセル１１が積層されたスタック構造である。各セル１１は、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２を一対のセパレータ１３Ａ、１３Ｂで挟持して構成される。ＭＥＡ１２は、固体高分子膜１２３と、この固体高分子膜１２３を挟持するアノード電極（陽極）１２１およびカソード電極（陰極）１２２と、で構成される。
両電極１２１、１２２は、固体高分子膜１２３に接して酸化・還元反応を行う触媒層１２１Ａ、１２２Ａと、この触媒層１２１Ａ、１２２Ａに接するガス拡散層１２１Ｂ、１２２Ｂとから形成される。
ガス拡散層１２１Ｂに接合されたセパレータ１３Ａには、水素流通溝１３１が形成され、また、ガス拡散層１２２Ｂとセパレータ１３Ｂとの間には、空気流通溝１３２が形成されている。
また、この燃料電池１０の内部には、ＭＥＡ温度センサ３１が設けられている（図１参照）。
【００２４】
図１に戻って、このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に反応ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に反応ガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
また、燃料電池１０には、負荷１４が接続され、負荷１４と燃料電池１０との間には、発電量算出手段としての電流センサ３２および電流コントローラ３３が設けられている。
【００２５】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するコンプレッサ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、を含んで構成される。
【００２６】
コンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、背圧弁２４１が設けられる。
【００２７】
また、エア供給路２３およびエア排出路２４には、加湿手段としての加湿器２９が設けられている。この加湿器２９は、燃料電池１０から排出される反応ガスと燃料電池１０に供給される反応ガスとの間で水分を移動することで、固体高分子膜を加湿するものである。
具体的には、加湿器２９は、エア排出路２４内の反応ガスから水分を回収して、この回収した水分を、エア供給路２３内の反応ガスに供給する。水分が供給された反応ガスは、燃料電池１０内の固体高分子膜１２３に到達し、この固体高分子膜１２３に水分を供給する。これにより、固体高分子膜１２３が加湿される。
このエア排出路２４のうち燃料電池１０の近傍には、ガス温度センサ３４およびガス圧力センサ３５が設けられている。
【００２８】
水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、上述のエゼクタ２８が設けられている。
【００２９】
また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端側には、パージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうち燃料電池１０の近傍には、ガス温度センサ３６およびガス圧力センサ３７が設けられている。また、水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。
【００３０】
エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。
エア供給路２３と水素供給路２５とは、バイパス２７で接続され、このバイパス２７には、エア導入弁２７１が設けられている。
【００３１】
また、上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、パージ弁２６１、エア導入弁２７１、加湿器２９、および電流コントローラ３３は、後述の制御装置３０により制御される。また、この制御装置３０には、上述のＭＥＡ温度センサ３１、電流センサ３２、ガス温度センサ３４、３６、およびガス圧力センサ３５、３７のほか、停止時間測定手段としてのタイマ４０が接続されている。
【００３２】
燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、水素排出路２６に流れた水素ガスは、エゼクタ２８に還流されて再利用される。また、加湿器２９により、エア排出路２４内の反応ガスから水分を回収して、この回収した水分を、エア供給路２３内の反応ガスに供給することで、燃料電池１０内の固体高分子膜１２３の含水率を調整する。
その後、パージ弁２６１および背圧弁２４１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、空気、および残留水が、水素排出路２６およびエア排出路２４から排出される。
【００３３】
図３は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、発電量算出手段としての電流積算手段４１、掃気手段４２、含水率算出手段４３、および上限発電電流算出手段４４を備える。
【００３４】
ＭＥＡ温度センサ３１は、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の温度を測定して、制御装置３０に送信する。
ガス温度センサ３４、３６は、それぞれ、エア排出路２４および水素排出路２６内の水素ガスの温度を測定して、制御装置３０に送信する。
ガス圧力センサ３５、３７は、それぞれ、エア排出路２４および水素排出路２６内の水素ガスの圧力を測定して、制御装置３０に送信する。
電流センサ３２は、燃料電池１０で発電した電流値を計測して、制御装置３０に送信する。
タイマ４０は、制御装置３０で設定された時刻からの経過時間を測定するものである。具体的には、タイマ４０は、燃料電池１０の駆動が停止すると、制御装置３０によりセットされ、このセットされた時刻からの経過時間を制御装置３０に送信する。したがって、タイマ４０は、燃料電池１０の停止時間を測定する。
電流コントローラ３３は、上限発電電流算出手段４４から出力される発電電流の上限値に従って、燃料電池１０で発電する電流値を制限する。
【００３５】
また、制御装置３０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従ってオン／オフ信号を制御装置３０に送信する。制御装置３０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の発電を行う。
【００３６】
電流積算手段４１は、電流センサ３２で計測された電流値を積算して、燃料電池の発電量を算出し、この発電量を出力する。
【００３７】
掃気手段４２は、燃料電池１０の掃気処理を行う。すなわち、パージ弁２６１、背圧弁２４１、およびエア導入弁２７１を制御して掃気処理を行い、掃気が完了すると、掃気フラグを“０”から“１”にする。
【００３８】
具体的には、エア導入弁２７１、パージ弁２６１、および背圧弁２４１を開いて、コンプレッサ２１を駆動する。すると、コンプレッサ２１から送られた空気は、エア供給路２３、燃料電池１０のカソード側、およびエア排出路２４を介して、外部に排出される。また、同時に、エア供給路２３、バイパス２７、水素供給路２５、燃料電池１０のアノード側、および水素排出路２６を介して、外部に排出される。これにより、上述したエア供給路２３、エア排出路２４、水素供給路２５、および水素排出路２６が掃気される。
【００３９】
含水率算出手段４３は、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を算出する。
具体的には、前回発電を停止した際のＭＥＡ含水率をメモリに記憶しておき、この前回のＭＥＡ含水率のほか、電流積算手段４１で算出した燃料電池１０の発電量、掃気手段４２から出力された掃気フラグの履歴、タイマ４０で測定した燃料電池１０の停止時間、ＭＥＡ温度センサ３１で測定した膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の温度、ガス温度センサ３４、３６で測定した反応ガスの温度、および、ガス圧力センサ３５、３７で測定した反応ガスの圧力に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定し、算出する。
【００４０】
図４は、燃料電池の停止時間とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。図４中、二点鎖線は、掃気していない場合のＭＥＡ含水率の変化であり、実線は、掃気した場合のＭＥＡ含水率の変化である。
掃気をしていない場合、燃料電池の停止中では、カソード系が大気に開放されており、このカソード系の水分が放出されるため、ＭＥＡの含水率は徐々に低下する。
一方、掃気手段４２を作動させて掃気した場合には、掃気処理によりＭＥＡが一気に乾燥するため、ＭＥＡの含水率は急激に低下する。その後、掃気をしていない場合と同様に、時間の経過に従って、ＭＥＡの含水率は徐々に低下する。
図５は、電流値および反応ガスの圧力・温度とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
反応ガスの圧力・温度が一定の状態では、電流値すなわち発電量が増加するに従って、ＭＥＡ含水率が低下する。また、電流値が一定の状態では、反応ガスの圧力または温度が上昇するに従って、ＭＥＡ含水率が低下する。
【００４１】
上限発電電流算出手段４４は、含水率算出手段４３で算出した膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率の推定値に基づいて、発電電流の上限値を算出し、この発電電流の上限値を電流コントローラ３３に出力する。
図６は、ＭＥＡ含水率の推定値と発電電流の上限値との関係を示す図である。
ＭＥＡ含水率の推定値がほぼ０％では、燃料電池の発電電流の上限値はほぼ０であり、発電を停止する。この状態から、ＭＥＡ含水率の推定値が上昇するに従って、発電電流の上限値を上昇させて、発電電流の制限を緩和する。そして、ＭＥＡ含水率の推定値が所定値Ａ以上になると、発電電流を制限せず、発電電流の上限値は最大（燃料電池１０のフルスペック値）となる。
なお、この所定値Ａは、カソード電極（陰極）で生成された水素イオンを水和して、固体高分子膜中を移動させるのに十分な水分が確保される値として、設定される。
【００４２】
以上の燃料電池システム１の動作について、図７のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、燃料電池システム１が停止した状態から、イグニッションスイッチ（ＩＧ＿ＳＷ）をオンする（ＳＴ１）。
すると、含水率算出手段４３により、前回の発電停止時のＭＥＡ含水率がメモリから読み出され（ＳＴ２）、掃気を実施したか否かを判別する（ＳＴ３）。具体的には、掃気フラグが“０”であるか“１”であるかを判別することで、掃気を実施したか否かを判別する。この判別が“ＹＥＳ”のときは、ＳＴ４に移り、“ＮＯ”のときは、ＳＴ５に移る。
【００４３】
ＳＴ４では、含水率算出手段４３により、掃気した場合におけるＭＥＡ含水率の変化に従い、停止時間に基づいてＭＥＡの含水率の推定値を算出する（図４参照）。一方、ＳＴ５では、含水率算出手段４３により、掃気していない場合におけるＭＥＡ含水率の変化に従い、停止時間に基づいてＭＥＡの含水率の推定値を算出する（図４参照）。
【００４４】
次に、含水率算出手段４３により、燃料電池１０の発電量、反応ガスの圧力および温度、ＭＥＡの温度に基づいて、ＭＥＡ含水率の推定値を算出する（ＳＴ６）。
続いて、上限発電電流算出手段４４により、このＭＥＡ含水率の推定値に基づいて、発電電流の上限値を算出する（ＳＴ７）。そして、この発電電流上限値に従って、電流コントローラ３３により発電電流を制限する（ＳＴ８）。
その後、制御装置３０により、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフされたか否かを判別する（ＳＴ９）。この判別が“ＮＯ”のときは、ＳＴ６に戻って発電を継続し、“ＹＥＳ”のときは、燃料電池システム１を停止する（ＳＴ１０）。
【００４５】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池システム１に、含水率算出手段４３、上限発電電流算出手段４４、および電流コントローラ３３を設けた。これにより、燃料電池を構成する固体高分子膜１２３の含水率を算出し、この算出した含水率に基づいて、燃料電池１０の発電量を制限する。よって、固体高分子膜１２３の含水率が低下した場合に、固体高分子膜１２３が劣化しない程度にまで燃料電池１０の発電量を制限できるから、固体高分子膜１２３の劣化を抑制しつつ発電できる。
【００４６】
（２）燃料電池システム１に、タイマ４０、電流センサ３２および電流積算手段４１をさらに設け、含水率算出手段４３では、少なくともタイマ４０で測定した燃料電池１０の停止時間と、電流積算手段４１で算出した発電量とに基づいて、含水率を算出した。
燃料電池システム１を停止すると、停止時間および発電量に比例して含水率が低下することから、特に、燃料電池システム１の起動時において、含水率を精度良く算出できる。
【００４７】
（３）燃料電池システム１に加湿器２９を設け、上限発電電流算出手段４４および電流コントローラ３３で、固体高分子膜１２３の含水率が所定値Ａ以下である場合に、燃料電池１０の発電量を制限した。
よって、固体高分子膜１２３の加湿に時間がかかる加湿器２９を設けても、固体高分子膜１２３の含水率が低下した場合には、燃料電池１０の発電量を制限することで、固体高分子膜１２３の劣化を抑制できる。
【００４８】
［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａのブロック図である。
本実施形態では、ＭＥＡ温度センサ３１、ガス温度センサ３４、３６、ガス圧力センサ３５、３７、およびタイマ４０が設けられておらず、代わりに、ガス湿度センサ３８、３９が設けられている点、および、制御装置３０Ａの構成が、第１実施形態と異なり、他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００４９】
すなわち、エア排出路２４のうち燃料電池１０の近傍には、ガス温度センサ３４およびガス圧力センサ３５が設けられておらず、湿度測定手段としてのガス湿度センサ３８が設けられている。
また、水素排出路２６のうち燃料電池１０の近傍には、ガス温度センサ３６およびガス圧力センサ３７が設けられておらず、湿度測定手段としてのガス湿度センサ３９が設けられている。
【００５０】
図９は、制御装置３０Ａのブロック図である。
ガス湿度センサ３８、３９は、制御装置３０Ａに接続されており、それぞれ、エア排出路２４および水素排出路２６内の水素ガスの湿度を測定して、燃料電池１０のカソード側およびアノード側の出口部の湿度として、制御装置３０に送信する。
含水率算出手段４３Ａは、ガス湿度センサ３８、３９で測定した反応ガスの湿度に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定し、算出する。
【００５１】
図１０は、燃料電池のカソード側（あるいはアノード側）の出口部の湿度とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
燃料電池の出口部の湿度がほぼ０％では、ＭＥＡ含水率もほぼ０％である。この状態から、燃料電池の出口部の湿度が上昇するに従って、ＭＥＡ含水率も上昇するが、燃料電池の出口部の湿度が所定値Ｂを超えると、ＭＥＡに含まれる水分は飽和状態となり、ＭＥＡ含水率は一定値となる。
【００５２】
以上の燃料電池システム１の動作について、図１１のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、燃料電池システム１が停止した状態から、イグニッションスイッチ（ＩＧ＿ＳＷ）をオンする（ＳＴ２１）。
すると、含水率算出手段４３により、燃料電池１０の出口部の湿度に基づいて、ＭＥＡの含水率の推定値を算出する（ＳＴ２２）。
続いて、上限発電電流算出手段４４により、発電電流の上限値を算出する（ＳＴ２３）。そして、この発電電流上限値に従って、電流コントローラ３３により発電電流を制限する（ＳＴ２４）。
その後、制御装置３０により、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフされたか否かを判別する（ＳＴ２５）。この判別が“ＮＯ”のときは、ＳＴ２２に戻って発電を継続し、“ＹＥＳ”のときは、燃料電池システム１を停止する（ＳＴ２６）。
【００５３】
本実施形態によれば、上述の（１）、（３）の効果に加え、以下のような効果がある。
（４）燃料電池システム１にガス湿度センサ３８、３９をさらに設け、含水率算出手段４３Ａでは、ガス湿度センサ３８、３９で検出した反応ガスの湿度に基づいて、含水率を算出した。
よって、ガス湿度センサ３８、３９で反応ガスの湿度を監視することで、固体高分子膜１２３の含水率の低下を迅速に把握でき、固体高分子膜１２３の劣化をより確実に抑制できる。
【００５４】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上述の各実施形態では、カソード系に加湿器２９を設けたが、これに限らず、アノード系に設けてもよい。すなわち、水素供給路２５および水素排出路２６に加湿器を設け、この加湿器で、水素供給路２５内の反応ガスから水分を回収して、この回収した水分を、水素供給路２５内の反応ガスに供給することで、固体高分子膜１２３に水分を供給してもよい。
【００５５】
また、第１実施形態では、前回のＭＥＡ含水率のほか、燃料電池１０の発電量、掃気フラグの履歴、燃料電池１０の停止時間、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の温度、反応ガスの温度、および反応ガスの圧力に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定し、第２実施形態では、反応ガスの湿度に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定したが、これに限らない。例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせて、前回のＭＥＡ含水率、燃料電池１０の発電量、掃気フラグの履歴、燃料電池１０の停止時間、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の温度、反応ガスの温度、反応ガスの圧力、および反応ガスの湿度に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る燃料電池を構成するセルの断面図である。
【図３】前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。
【図４】前記実施形態に係る燃料電池の停止時間とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
【図５】前記実施形態に係る燃料電池の電流値および反応ガスの圧力・温度とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
【図６】前記実施形態に係る燃料電池のＭＥＡ含水率の推定値と発電電流の上限値との関係を示す図である。
【図７】前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図９】前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。
【図１０】前記実施形態に係る燃料電池のカソード側（あるいはアノード側）の出口部の湿度とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
【図１１】前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ…燃料電池システム
１０…燃料電池
２９…加湿器（加湿手段）
３１…温度センサ（温度検出手段）
３２…電流センサ（発電量算出手段）
３３…電流コントローラ（発電量制限手段）
３８、３９…ガス湿度センサ（湿度測定手段）
４０…タイマ（停止時間測定手段）
４１…電流積算手段（発電量算出手段）
４３、４３Ａ…含水率算出手段
４４…上限発電電流算出手段（発電量制限手段）
１２１…アノード電極
１２２…カソード電極
１２３…固体高分子膜（膜）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜と、で構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
【０００５】
ところで、このような燃料電池では、固体高分子電解質膜の含水量が不足すると、イオン抵抗が高くなり、燃料電池として発電ができなくなる。そこで、燃料電池システムに純粋タンク装置を設け、この純粋タンク装置内に純粋を貯留しておき、この純水を利用して固体高分子膜を速やかに加湿することが行われている（特許文献１参照）。
【０００６】
ここで、燃料電池システムを小型化するため、燃料電池システム内に純粋タンク装置を設けず、加湿器を設ける場合がある。この加湿器は、具体的には、例えば、燃料電池から排出される反応ガスに含まれる水分を、燃料電池に供給される反応ガスに移動することで、固体高分子膜に水分を供給するものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２１４０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、このような加湿器では、固体高分子膜の含水量が低下しても、オフガスに含まれる水分を回収するのに時間がかかるため、純粋タンク装置のように急速に加湿を行うことは困難である。
このように固体高分子膜の含水量が低下した場合に、発電ができないと、運転者に違和感を与えてしまい、商品性が低下するおそれがある。一方、運転者の操作に従って発電を行うと、固体高分子膜に負担がかかって、膜の劣化が促進されるおそれがあった。
【０００９】
本発明は、固体高分子膜の含水量が低下した場合に、この固体高分子膜の劣化を抑制しつつ発電できる燃料電池ステムおよび燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１） 膜（例えば、実施の形態における固体高分子膜１２３）と、この膜を挟んで設けられたアノード電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極１２１）およびカソード電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極１２２）と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、前記膜の含水率を算出する含水率算出手段（例えば、実施の形態における含水率算出手段４３）と、前記含水率算出手段で算出した前記膜の含水率に基づいて、前記燃料電池の発電量を制限する発電量制限手段（例えば、実施の形態における上限発電電流算出手段４４および電流コントローラ３３）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）。
【００１１】
ここで、反応ガスとしては、例えば、水素ガスや、酸素を含む空気が挙げられる。
【００１２】
（１）の発明によれば、燃料電池システムに含水率算出手段および発電量制限手段を設けた。これにより、燃料電池を構成する膜の含水率を算出し、この算出した含水率に基づいて、燃料電池の発電量を制限する。よって、膜の含水率が低下した場合に、膜が劣化しない程度にまで燃料電池の発電量を制限できるから、膜の劣化を抑制しつつ発電できる。
【００１３】
（２） 前記燃料電池の停止時間を測定する停止時間測定手段（例えば、実施の形態におけるタイマ４０）と、前記燃料電池の発電量を算出する発電量算出手段（例えば、実施の形態における電流センサ３２および電流積算手段４１）と、をさらに備え、前記含水率算出手段は、少なくとも前記燃料電池の停止時間および発電量に基づいて、含水率を算出することを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。
【００１４】
（２）の発明によれば、燃料電池システムに停止時間測定手段および発電量算出手段をさらに設け、含水率算出手段では、少なくとも停止時間測定手段で測定した燃料電池の停止時間と、発電量算出手段で算出した発電量とに基づいて、含水率を算出した。
燃料電池システムを停止すると、停止時間および発電量に比例して含水率が低下することから、特に、燃料電池システムの起動時において、含水率を精度良く算出できる。
【００１５】
（３） 前記燃料電池から排出される反応ガスの湿度を測定する湿度測定手段（例えば、実施の形態におけるガス湿度センサ３８、３９）をさらに備え、前記含水率算出手段は、前記湿度測定手段で測定した反応ガスの湿度に基づいて、含水率を算出することを特徴とする（１）または（２）に記載の燃料電池システム。
【００１６】
（３）の発明によれば、燃料電池システムに湿度測定手段をさらに設け、含水率算出手段では、湿度測定手段で検出した反応ガスの湿度に基づいて、含水率を算出した。
よって、湿度測定手段で反応ガスの湿度を監視することで、膜の含水率の低下を迅速に把握でき、膜の劣化をより確実に抑制できる。
【００１７】
（４） 前記燃料電池から排出される反応ガスと前記燃料電池に供給される反応ガスとの間で水分を移動する加湿手段（例えば、実施の形態における加湿器２９）をさらに備え、前記発電量制限手段は、前記膜の含水率が所定値以下である場合に、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の燃料電池システム。
【００１８】
上述のように、燃料電池から排出される反応ガスと燃料電池に供給される反応ガスとの間で水分を移動する加湿手段は、膜を速やかに加湿することは困難であり、運転者に違和感を与えたり、膜の劣化が促進されるおそれがある。
しかしながら、（４）の発明によれば、燃料電池システムに加湿手段を設け、発電量制限手段により、膜の含水率が所定値以下である場合に、燃料電池の発電量を制限した。
よって、膜の加湿に時間がかかる加湿手段を設けても、膜の含水率が低下した場合には、燃料電池の発電量を制限することで、運転者に違和感を与えたり膜の劣化を促進させたりすることなく、発電できる。
【００１９】
（５） 膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池の制御方法であって、前記膜の含水率を算出し、この算出した前記膜の含水率に基づいて、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【００２０】
（５）の発明によれば、上述の（１）と同様の効果がある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池システムに含水率算出手段および発電量制限手段を設けた。これにより、燃料電池を構成する膜の含水率を算出し、この算出した含水率に基づいて、燃料電池の発電量を制限する。よって、膜の含水率が低下した場合に、膜が劣化しない程度にまで燃料電池の発電量を制限できるから、膜の劣化を抑制しつつ発電できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガスや空気を供給する反応ガス供給手段としての供給装置２０と、この供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０とを有する。
【００２３】
図２は、燃料電池１０を構成するセル１１の断面図である。
すなわち、燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセル１１が積層されたスタック構造である。各セル１１は、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２を一対のセパレータ１３Ａ、１３Ｂで挟持して構成される。ＭＥＡ１２は、固体高分子膜１２３と、この固体高分子膜１２３を挟持するアノード電極（陽極）１２１およびカソード電極（陰極）１２２と、で構成される。
両電極１２１、１２２は、固体高分子膜１２３に接して酸化・還元反応を行う触媒層１２１Ａ、１２２Ａと、この触媒層１２１Ａ、１２２Ａに接するガス拡散層１２１Ｂ、１２２Ｂとから形成される。
ガス拡散層１２１Ｂに接合されたセパレータ１３Ａには、水素流通溝１３１が形成され、また、ガス拡散層１２２Ｂとセパレータ１３Ｂとの間には、空気流通溝１３２が形成されている。
また、この燃料電池１０の内部には、ＭＥＡ温度センサ３１が設けられている（図１参照）。
【００２４】
図１に戻って、このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に反応ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に反応ガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
また、燃料電池１０には、負荷１４が接続され、負荷１４と燃料電池１０との間には、発電量算出手段としての電流センサ３２および電流コントローラ３３が設けられている。
【００２５】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するコンプレッサ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、を含んで構成される。
【００２６】
コンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、背圧弁２４１が設けられる。
【００２７】
また、エア供給路２３およびエア排出路２４には、加湿手段としての加湿器２９が設けられている。この加湿器２９は、燃料電池１０から排出される反応ガスと燃料電池１０に供給される反応ガスとの間で水分を移動することで、固体高分子膜を加湿するものである。
具体的には、加湿器２９は、エア排出路２４内の反応ガスから水分を回収して、この回収した水分を、エア供給路２３内の反応ガスに供給する。水分が供給された反応ガスは、燃料電池１０内の固体高分子膜１２３に到達し、この固体高分子膜１２３に水分を供給する。これにより、固体高分子膜１２３が加湿される。
このエア排出路２４のうち燃料電池１０の近傍には、ガス温度センサ３４およびガス圧力センサ３５が設けられている。
【００２８】
水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、上述のエゼクタ２８が設けられている。
【００２９】
また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端側には、パージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうち燃料電池１０の近傍には、ガス温度センサ３６およびガス圧力センサ３７が設けられている。また、水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。
【００３０】
エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。
エア供給路２３と水素供給路２５とは、バイパス２７で接続され、このバイパス２７には、エア導入弁２７１が設けられている。
【００３１】
また、上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、パージ弁２６１、エア導入弁２７１、加湿器２９、および電流コントローラ３３は、後述の制御装置３０により制御される。また、この制御装置３０には、上述のＭＥＡ温度センサ３１、電流センサ３２、ガス温度センサ３４、３６、およびガス圧力センサ３５、３７のほか、停止時間測定手段としてのタイマ４０が接続されている。
【００３２】
燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、水素排出路２６に流れた水素ガスは、エゼクタ２８に還流されて再利用される。また、加湿器２９により、エア排出路２４内の反応ガスから水分を回収して、この回収した水分を、エア供給路２３内の反応ガスに供給することで、燃料電池１０内の固体高分子膜１２３の含水率を調整する。
その後、パージ弁２６１および背圧弁２４１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、空気、および残留水が、水素排出路２６およびエア排出路２４から排出される。
【００３３】
図３は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、発電量算出手段としての電流積算手段４１、掃気手段４２、含水率算出手段４３、および上限発電電流算出手段４４を備える。
【００３４】
ＭＥＡ温度センサ３１は、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の温度を測定して、制御装置３０に送信する。
ガス温度センサ３４、３６は、それぞれ、エア排出路２４および水素排出路２６内の水素ガスの温度を測定して、制御装置３０に送信する。
ガス圧力センサ３５、３７は、それぞれ、エア排出路２４および水素排出路２６内の水素ガスの圧力を測定して、制御装置３０に送信する。
電流センサ３２は、燃料電池１０で発電した電流値を計測して、制御装置３０に送信する。
タイマ４０は、制御装置３０で設定された時刻からの経過時間を測定するものである。具体的には、タイマ４０は、燃料電池１０の駆動が停止すると、制御装置３０によりセットされ、このセットされた時刻からの経過時間を制御装置３０に送信する。したがって、タイマ４０は、燃料電池１０の停止時間を測定する。
電流コントローラ３３は、上限発電電流算出手段４４から出力される発電電流の上限値に従って、燃料電池１０で発電する電流値を制限する。
【００３５】
また、制御装置３０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従ってオン／オフ信号を制御装置３０に送信する。制御装置３０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の発電を行う。
【００３６】
電流積算手段４１は、電流センサ３２で計測された電流値を積算して、燃料電池の発電量を算出し、この発電量を出力する。
【００３７】
掃気手段４２は、燃料電池１０の掃気処理を行う。すなわち、パージ弁２６１、背圧弁２４１、およびエア導入弁２７１を制御して掃気処理を行い、掃気が完了すると、掃気フラグを“０”から“１”にする。
【００３８】
具体的には、エア導入弁２７１、パージ弁２６１、および背圧弁２４１を開いて、コンプレッサ２１を駆動する。すると、コンプレッサ２１から送られた空気は、エア供給路２３、燃料電池１０のカソード側、およびエア排出路２４を介して、外部に排出される。また、同時に、エア供給路２３、バイパス２７、水素供給路２５、燃料電池１０のアノード側、および水素排出路２６を介して、外部に排出される。これにより、上述したエア供給路２３、エア排出路２４、水素供給路２５、および水素排出路２６が掃気される。
【００３９】
含水率算出手段４３は、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を算出する。
具体的には、前回発電を停止した際のＭＥＡ含水率をメモリに記憶しておき、この前回のＭＥＡ含水率のほか、電流積算手段４１で算出した燃料電池１０の発電量、掃気手段４２から出力された掃気フラグの履歴、タイマ４０で測定した燃料電池１０の停止時間、ＭＥＡ温度センサ３１で測定した膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の温度、ガス温度センサ３４、３６で測定した反応ガスの温度、および、ガス圧力センサ３５、３７で測定した反応ガスの圧力に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定し、算出する。
【００４０】
図４は、燃料電池の停止時間とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。図４中、二点鎖線は、掃気していない場合のＭＥＡ含水率の変化であり、実線は、掃気した場合のＭＥＡ含水率の変化である。
掃気をしていない場合、燃料電池の停止中では、カソード系が大気に開放されており、このカソード系の水分が放出されるため、ＭＥＡの含水率は徐々に低下する。
一方、掃気手段４２を作動させて掃気した場合には、掃気処理によりＭＥＡが一気に乾燥するため、ＭＥＡの含水率は急激に低下する。その後、掃気をしていない場合と同様に、時間の経過に従って、ＭＥＡの含水率は徐々に低下する。
図５は、電流値および反応ガスの圧力・温度とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
反応ガスの圧力・温度が一定の状態では、電流値すなわち発電量が増加するに従って、ＭＥＡ含水率が低下する。また、電流値が一定の状態では、反応ガスの圧力または温度が上昇するに従って、ＭＥＡ含水率が低下する。
【００４１】
上限発電電流算出手段４４は、含水率算出手段４３で算出した膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率の推定値に基づいて、発電電流の上限値を算出し、この発電電流の上限値を電流コントローラ３３に出力する。
図６は、ＭＥＡ含水率の推定値と発電電流の上限値との関係を示す図である。
ＭＥＡ含水率の推定値がほぼ０％では、燃料電池の発電電流の上限値はほぼ０であり、発電を停止する。この状態から、ＭＥＡ含水率の推定値が上昇するに従って、発電電流の上限値を上昇させて、発電電流の制限を緩和する。そして、ＭＥＡ含水率の推定値が所定値Ａ以上になると、発電電流を制限せず、発電電流の上限値は最大（燃料電池１０のフルスペック値）となる。
なお、この所定値Ａは、カソード電極（陰極）で生成された水素イオンを水和して、固体高分子膜中を移動させるのに十分な水分が確保される値として、設定される。
【００４２】
以上の燃料電池システム１の動作について、図７のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、燃料電池システム１が停止した状態から、イグニッションスイッチ（ＩＧ＿ＳＷ）をオンする（ＳＴ１）。
すると、含水率算出手段４３により、前回の発電停止時のＭＥＡ含水率がメモリから読み出され（ＳＴ２）、掃気を実施したか否かを判別する（ＳＴ３）。具体的には、掃気フラグが“０”であるか“１”であるかを判別することで、掃気を実施したか否かを判別する。この判別が“ＹＥＳ”のときは、ＳＴ４に移り、“ＮＯ”のときは、ＳＴ５に移る。
【００４３】
ＳＴ４では、含水率算出手段４３により、掃気した場合におけるＭＥＡ含水率の変化に従い、停止時間に基づいてＭＥＡの含水率の推定値を算出する（図４参照）。一方、ＳＴ５では、含水率算出手段４３により、掃気していない場合におけるＭＥＡ含水率の変化に従い、停止時間に基づいてＭＥＡの含水率の推定値を算出する（図４参照）。
【００４４】
次に、含水率算出手段４３により、燃料電池１０の発電量、反応ガスの圧力および温度、ＭＥＡの温度に基づいて、ＭＥＡ含水率の推定値を算出する（ＳＴ６）。
続いて、上限発電電流算出手段４４により、このＭＥＡ含水率の推定値に基づいて、発電電流の上限値を算出する（ＳＴ７）。そして、この発電電流上限値に従って、電流コントローラ３３により発電電流を制限する（ＳＴ８）。
その後、制御装置３０により、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフされたか否かを判別する（ＳＴ９）。この判別が“ＮＯ”のときは、ＳＴ６に戻って発電を継続し、“ＹＥＳ”のときは、燃料電池システム１を停止する（ＳＴ１０）。
【００４５】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池システム１に、含水率算出手段４３、上限発電電流算出手段４４、および電流コントローラ３３を設けた。これにより、燃料電池を構成する固体高分子膜１２３の含水率を算出し、この算出した含水率に基づいて、燃料電池１０の発電量を制限する。よって、固体高分子膜１２３の含水率が低下した場合に、固体高分子膜１２３が劣化しない程度にまで燃料電池１０の発電量を制限できるから、固体高分子膜１２３の劣化を抑制しつつ発電できる。
【００４６】
（２）燃料電池システム１に、タイマ４０、電流センサ３２および電流積算手段４１をさらに設け、含水率算出手段４３では、少なくともタイマ４０で測定した燃料電池１０の停止時間と、電流積算手段４１で算出した発電量とに基づいて、含水率を算出した。
燃料電池システム１を停止すると、停止時間および発電量に比例して含水率が低下することから、特に、燃料電池システム１の起動時において、含水率を精度良く算出できる。
【００４７】
（３）燃料電池システム１に加湿器２９を設け、上限発電電流算出手段４４および電流コントローラ３３で、固体高分子膜１２３の含水率が所定値Ａ以下である場合に、燃料電池１０の発電量を制限した。
よって、固体高分子膜１２３の加湿に時間がかかる加湿器２９を設けても、固体高分子膜１２３の含水率が低下した場合には、燃料電池１０の発電量を制限することで、固体高分子膜１２３の劣化を抑制できる。
【００４８】
［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１Ａのブロック図である。
本実施形態では、ＭＥＡ温度センサ３１、ガス温度センサ３４、３６、ガス圧力センサ３５、３７、およびタイマ４０が設けられておらず、代わりに、ガス湿度センサ３８、３９が設けられている点、および、制御装置３０Ａの構成が、第１実施形態と異なり、他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００４９】
すなわち、エア排出路２４のうち燃料電池１０の近傍には、ガス温度センサ３４およびガス圧力センサ３５が設けられておらず、湿度測定手段としてのガス湿度センサ３８が設けられている。
また、水素排出路２６のうち燃料電池１０の近傍には、ガス温度センサ３６およびガス圧力センサ３７が設けられておらず、湿度測定手段としてのガス湿度センサ３９が設けられている。
【００５０】
図９は、制御装置３０Ａのブロック図である。
ガス湿度センサ３８、３９は、制御装置３０Ａに接続されており、それぞれ、エア排出路２４および水素排出路２６内の水素ガスの湿度を測定して、燃料電池１０のカソード側およびアノード側の出口部の湿度として、制御装置３０に送信する。
含水率算出手段４３Ａは、ガス湿度センサ３８、３９で測定した反応ガスの湿度に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定し、算出する。
【００５１】
図１０は、燃料電池のカソード側（あるいはアノード側）の出口部の湿度とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
燃料電池の出口部の湿度がほぼ０％では、ＭＥＡ含水率もほぼ０％である。この状態から、燃料電池の出口部の湿度が上昇するに従って、ＭＥＡ含水率も上昇するが、燃料電池の出口部の湿度が所定値Ｂを超えると、ＭＥＡに含まれる水分は飽和状態となり、ＭＥＡ含水率は一定値となる。
【００５２】
以上の燃料電池システム１の動作について、図１１のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、燃料電池システム１が停止した状態から、イグニッションスイッチ（ＩＧ＿ＳＷ）をオンする（ＳＴ２１）。
すると、含水率算出手段４３により、燃料電池１０の出口部の湿度に基づいて、ＭＥＡの含水率の推定値を算出する（ＳＴ２２）。
続いて、上限発電電流算出手段４４により、発電電流の上限値を算出する（ＳＴ２３）。そして、この発電電流上限値に従って、電流コントローラ３３により発電電流を制限する（ＳＴ２４）。
その後、制御装置３０により、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフされたか否かを判別する（ＳＴ２５）。この判別が“ＮＯ”のときは、ＳＴ２２に戻って発電を継続し、“ＹＥＳ”のときは、燃料電池システム１を停止する（ＳＴ２６）。
【００５３】
本実施形態によれば、上述の（１）、（３）の効果に加え、以下のような効果がある。
（４）燃料電池システム１にガス湿度センサ３８、３９をさらに設け、含水率算出手段４３Ａでは、ガス湿度センサ３８、３９で検出した反応ガスの湿度に基づいて、含水率を算出した。
よって、ガス湿度センサ３８、３９で反応ガスの湿度を監視することで、固体高分子膜１２３の含水率の低下を迅速に把握でき、固体高分子膜１２３の劣化をより確実に抑制できる。
【００５４】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、上述の各実施形態では、カソード系に加湿器２９を設けたが、これに限らず、アノード系に設けてもよい。すなわち、水素供給路２５および水素排出路２６に加湿器を設け、この加湿器で、水素供給路２５内の反応ガスから水分を回収して、この回収した水分を、水素供給路２５内の反応ガスに供給することで、固体高分子膜１２３に水分を供給してもよい。
【００５５】
また、第１実施形態では、前回のＭＥＡ含水率のほか、燃料電池１０の発電量、掃気フラグの履歴、燃料電池１０の停止時間、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の温度、反応ガスの温度、および反応ガスの圧力に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定し、第２実施形態では、反応ガスの湿度に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定したが、これに限らない。例えば、第１実施形態と第２実施形態とを組み合わせて、前回のＭＥＡ含水率、燃料電池１０の発電量、掃気フラグの履歴、燃料電池１０の停止時間、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の温度、反応ガスの温度、反応ガスの圧力、および反応ガスの湿度に基づいて、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２の含水率を推定してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る燃料電池を構成するセルの断面図である。
【図３】前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。
【図４】前記実施形態に係る燃料電池の停止時間とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
【図５】前記実施形態に係る燃料電池の電流値および反応ガスの圧力・温度とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
【図６】前記実施形態に係る燃料電池のＭＥＡ含水率の推定値と発電電流の上限値との関係を示す図である。
【図７】前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図９】前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。
【図１０】前記実施形態に係る燃料電池のカソード側（あるいはアノード側）の出口部の湿度とＭＥＡ含水率との関係を示す図である。
【図１１】前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ…燃料電池システム
１０…燃料電池
２９…加湿器（加湿手段）
３１…温度センサ（温度検出手段）
３２…電流センサ（発電量算出手段）
３３…電流コントローラ（発電量制限手段）
３８、３９…ガス湿度センサ（湿度測定手段）
４０…タイマ（停止時間測定手段）
４１…電流積算手段（発電量算出手段）
４３、４３Ａ…含水率算出手段
４４…上限発電電流算出手段（発電量制限手段）
１２１…アノード電極
１２２…カソード電極
１２３…固体高分子膜（膜）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池と、
前記膜の含水率を算出する含水率算出手段と、
前記含水率算出手段で算出した前記膜の含水率に基づいて、前記燃料電池の発電量を制限する発電量制限手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の停止時間を測定する停止時間測定手段と、
前記燃料電池の発電量を算出する発電量算出手段と、をさらに備え、
前記含水率算出手段は、少なくとも前記燃料電池の停止時間および発電量に基づいて、含水率を算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。
【請求項３】
前記燃料電池から排出される反応ガスの湿度を測定する湿度測定手段をさらに備え、
前記含水率算出手段は、前記湿度測定手段で測定した反応ガスの湿度に基づいて、含水率を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池から排出される反応ガスと前記燃料電池に供給される反応ガスとの間で水分を移動する加湿手段をさらに備え、
前記発電量制限手段は、前記膜の含水率が所定値以下である場合に、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池の制御方法であって、
前記膜の含水率を算出し、
この算出した前記膜の含水率に基づいて、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項１】
膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池と、
前記膜の含水率を算出する含水率算出手段と、
前記含水率算出手段で算出した前記膜の含水率に基づいて、前記燃料電池の発電量を制限する発電量制限手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の停止時間を測定する停止時間測定手段と、
前記燃料電池の発電量を算出する発電量算出手段と、をさらに備え、
前記含水率算出手段は、少なくとも前記燃料電池の停止時間および発電量に基づいて、含水率を算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。
【請求項３】
前記燃料電池から排出される反応ガスの湿度を測定する湿度測定手段をさらに備え、
前記含水率算出手段は、前記湿度測定手段で測定した反応ガスの湿度に基づいて、含水率を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池から排出される反応ガスと前記燃料電池に供給される反応ガスとの間で水分を移動する加湿手段をさらに備え、
前記発電量制限手段は、前記膜の含水率が所定値以下である場合に、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池の制御方法であって、
前記膜の含水率を算出し、
この算出した前記膜の含水率に基づいて、前記燃料電池の発電量を制限することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−３２９０２８（Ｐ２００７−３２９０２８Ａ）
【公開日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５９６０５（Ｐ２００６−１５９６０５）
【出願日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【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１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【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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