JP2004158274A

JP2004158274A - 燃料電池の水分状態推定装置および燃料電池システム

Info

Publication number: JP2004158274A
Application number: JP2002322186A
Authority: JP
Inventors: Kiyomi Eimiya; 清美永宮
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-06-03

Abstract

【課題】燃料電池の電解質膜に含まれる水分量をより正確に推定し、この推定された水分量に基づいて水分管理を行なう。
【解決手段】燃料電池３０の重量を重量センサ４０で検出すると共に燃料電池３０の温度と内圧とに基づいて燃料電池３０内に含まれているガスの重量を推定する。そして、検出された燃料電池３０の重量から、推定されたガスの重量と燃料電池３０内に含水がない状態として予め測定された基準重量とを減じて、燃料電池３０内の水分量を推定し、推定した水分量が燃料電池３０の運転に適した水分量となるようにポンプ２４やエアポンプ２８、加湿器２５，２７を駆動制御する。これにより、より直接的で正確に推定された水分量に基づいて燃料電池３０内の水分管理をより適切に行なうことができるから、燃料電池３０の効率をより向上させることができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の水分状態推定装置および燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池の水分状態を推定する水分状態推定装置および燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池システムとして、湿潤状態で良好なプロトン導伝性を呈する電解質膜とこの電解質膜を狭持するアノード電極およびカソード電極とからなる単セルとこのセル間の隔壁をなすセパレータとにより構成された単電池を複数積層した燃料電池スタックを有するものが知られている。セパレータには、アノード電極とにより燃料ガスとしての水素ガスを単セル内に行き渡らせるための燃料ガス通路が形成されると共に、カソード電極とにより酸化ガスとしての空気を単セル内に行き渡らせるための酸化ガス通路が形成されている。
【０００３】
この電解質膜は通常湿潤状態で良好なプロトン導電性を呈する電解質として機能するため、燃料ガスや酸化ガスを予め加湿したうえで供給することにより電解質膜の湿潤状態を維持しているが、種々の理由によりフラッディング現象（水分過多の状態）が発生し種々の不都合が生じることがある。例えばフラッディング現象が発生すると、ガス通路に水が生成してガス流れの抵抗になり、ガス拡散電極に対して十分なガスを供給できなくなることがある。したがって、燃料電池の水分状態を的確に把握して、燃料電池内を適切な水分状態に維持することは、燃料電池を効率よく運転する上で極めて重要である。
【０００４】
この点、燃料電池内の水分状態を判定する燃料電池システムとしては、燃料電池スタックの積層方向を伸縮自在に固定すると共に燃料電池スタックの積層方向の変位量を検出する変位センサを設けたものが提案されている（特許文献１参照）。このシステムでは、燃料電池の電解質膜が乾燥しているとスタックの積層方向の長さが短くなるという前提のもと変位センサにより検出された変位量に基づいて燃料電池の電解質膜の乾燥の有無を判定し、燃料電池への加湿量を調節している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３３２２８０号公報（図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、燃料電池スタックの積層方向を伸縮自在に固定する必要から、構造が複雑になりがちであり、また燃料電池スタックの積層方向の変位量を燃料電池内の水分量と対応させるため燃料電池の水分量の推定として間接的であり必要な精度が得られないことも多い。
【０００７】
本発明の燃料電池の水分状態推定装置は、こうした問題を解決し、燃料電池内の水分状態をより正確に推定することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池内の水分管理をより適切に行なうことを目的の一つとする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池の水分状態推定装置および燃料電池システムは、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００９】
本発明の燃料電池の水分状態推定装置は、
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池内の水分状態を推定する燃料電池の水分状態推定装置であって、
燃料電池本体の重量を検出する重量検出手段と、
前記検出された重量と前記燃料電池本体が所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている燃料電池本体の基準重量とに基づいて前記燃料電池の水分状態を推定する水分状態推定手段と
を備えることを要旨とする。
【００１０】
この本発明の燃料電池の水分状態推定装置では、燃料電池本体の重量を検出し、この検出された燃料電池本体の重量と燃料電池本体が所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている燃料電池本体の基準重量とに基づいて燃料電池の水分状態を推定する。これにより、燃料電池の水分状態を直接的でより正確に推定することができる。
【００１１】
こうした本発明の燃料電池の水分状態推定装置において、前記水分状態推定手段は、前記所定の含水状態として含水がない状態にあるときの重量を前記基準重量として予め設定して前記水分状態を推定する手段であるものとすることもできる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池の水分状態推定装置において、前記燃料電池内に含まれる燃料ガスおよび酸化ガスの重量を推定するガス重量推定手段を備え、前記水分状態推定手段は、前記検出された燃料電池本体の重量と前記燃料電池本体の基準重量と前記推定されたガス重量とに基づいて前記水分状態を推定する手段であるものとすることもできる。燃料電池内に含まれているガスの重量も考慮するから、より正確に水分状態を推定することができる。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池の水分状態推定装置において、前記燃料電池は、車両に搭載されており、前記水分状態推定手段は、前記車両が停車しているときに前記重量検出手段により検出された重量に基づいて前記水分状態を推定する手段であるものとすることもできる。こうすれば、車両に搭載された燃料電池の水分状態を正確に推定することができる。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
上記の各態様の燃料電池の水分状態推定装置と、
該水分状態推定装置により推定された水分状態に基づいて前記燃料電池を運転制御する制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００１５】
この本発明の第１の燃料電池システムでは、上記の各態様の本発明の燃料電池の水分状態推定装置により推定された水分状態に基づいて燃料電池を運転制御する。燃料電池の水分状態は、上述の本発明の燃料電池の水分状態推定装置により正確に推定されるから、この正確に推定された水分状態に基づいて燃料電池を運転制御することにより燃料電池の水分管理をより適切に行なうことができる。この結果、燃料電池の運転効率をより向上させることができる。
【００１６】
こうした本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスおよび／または前記酸化ガス供給手段により供給される酸化ガスを加湿可能な加湿手段とを備え、前記制御手段は、前記水分状態推定装置により推定された水分状態に基づいて前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給および／または前記酸化ガス供給手段による酸化ガスの供給および／または前記加湿手段による加湿を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の水分状態をより適切な状態に維持することができる。
【００１７】
また、本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記加湿制御手段は、前記推定された水分状態が所定の目標水分状態となるよう制御する手段であるものとすることもできる。
【００１８】
本発明の第２の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
燃料電池本体の重量を検出する重量検出手段と、
前記検出された重量と前記燃料電池本体が所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている基準重量とに基づいて前記燃料電池を運転制御する制御手段と
を備えることを要旨とする。
【００１９】
この本発明の第２の燃料電池システムでは、検出された燃料電池本体の重量と、所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている基準重量とに基づいて燃料電池を運転制御するから、燃料電池の水分管理をより直接的で適切に行なうことができる。この結果、燃料電池の運転効率をより向上させることができる。
【００２０】
こうした本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスおよび／または前記酸化ガス供給手段により供給される酸化ガスを加湿可能な加湿手段とを備え、前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給および／または前記酸化ガス供給手段による酸化ガスの供給および／または前記加湿手段による加湿を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、燃料電池の水分状態をより適切な状態に維持することができる。
【００２１】
また、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記検出された重量と前記基準重量との偏差に基づいて制御する手段であるものとすることもできる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、実施例の燃料電池システム２０を自動車１０に搭載したときの構成の概略を示す構成図である。実施例の燃料電池システム２０は、図示するように、水素タンク２２からポンプ２４を介して供給された燃料ガスとしての水素とエアポンプ２６により供給された空気（酸化ガス）中の酸素とにより発電する燃料電池３０と、燃料電池３０の重量を検出する重量センサ４０と、燃料電池３０に供給される燃料ガスおよび空気をそれぞれ加湿する加湿器２５，２７と、燃料電池３０から排出される燃料系の排出ガスと空気系の排出ガスの各排出管路５６，５８にそれぞれ設けられ各排出ガスの流量を調節可能な流量調節弁３４，３６と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット７０とを備える。なお、流量調節弁３４，３６を介して排出された水素系の排出ガスに含まれる未反応の水素は、図示しない燃焼室で燃焼させてから排気されるようになっている。勿論、未反応の水素を燃料電池３０に循環させて再び燃料として使用するものとしてもよい。
【００２３】
燃料電池３０は、例えば、湿潤状態で良好なプロトン導伝性を有する電解質膜とこの電解質膜を狭持するカソード電極およびアノード電極とからなる単セルとセル間の隔壁をなすセパレータとからなる単電池を複数積層した燃料電池スタックとして構成されており、セパレータに形成されたガス流路を通ってアノード電極に供給される水素とカソード電極に供給される空気中の酸素との電気化学反応により水の生成を伴って発電する。この燃料電池３０には、発電に伴って生じる熱を排出するために冷却媒体（例えば、冷却水）の循環路３１が形成されており、循環路３１上には冷却媒体を循環させるポンプ３２と、燃料電池３０と熱交換した冷却媒体を冷却する熱交換器３３とが取り付けられている。このポンプ３２は電子制御ユニット７０による駆動制御を受けている。電子制御ユニット７０は、ポンプ３２を駆動制御して燃料電池３０の温度をその運転に適した温度（実施例では、６５℃〜８５℃）に調節している。
【００２４】
燃料電池３０の出力端子からの電力ラインには、図２に示すように、燃料電池３０から取り出された電力を調節するインバータ１２などを介してモータ１４に接続されており、モータ１４の回転軸には車輪１６が接続されている。したがって、燃料電池３０から電力の供給を受けて駆動するモータ１４からの動力を用いて、自動車１０を走行させることができる。
【００２５】
電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。電子制御ユニット７０には、重量センサ４０により検出された燃料電池重量Ｗｆｃや、水素タンク２２から燃料電池３０への供給管路５２における燃料電池３０への入口近傍に取り付けられた圧力センサ４１からの入口圧力Ｐａｉｎ、排出管路５６における燃料電池３０の出口近傍に取り付けられた圧力センサ４２からの出口圧力Ｐａｏｕｔ、エアポンプ２６から燃料電池３０への供給管路５４における燃料電池３０の入口近傍に取り付けられた圧力センサ４３からの入口圧力Ｐｃｉｎ、排出管路５８における燃料電池３０の出口近傍に取り付けられた圧力センサ４４からの出口圧力Ｐｃｏｕｔ、循環路３１における冷却媒体の燃料電池３０への入口近傍に取り付けられた温度センサ４５からの入口温度Ｔｉｎ、循環路３１における冷却媒体の燃料電池３０からの出口近傍に取り付けられた温度センサ４６からの出口温度Ｔｏｕｔ、車速センサ４７により検出された自動車１０の車速Ｖ、傾斜角センサ４８により検出された自動車１０の傾斜角θなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、ポンプ２４への駆動信号や、エアポンプ２６への駆動信号、加湿器２５，２７への駆動信号、ポンプ３２への駆動信号、流量調節弁３４，３６の各アクチュエータの駆動信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００２６】
こうして構成された電子制御ユニット７０の動作、特に、燃料電池３０内に含まれる水分量を管理するための動作について説明する。図３は、実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット７０により実行される水分管理制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。
【００２７】
水分管理処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０のＣＰＵ７２は、まず、車速センサ４７により検出された車速Ｖや傾斜角センサ４８により検出された傾斜角θを入力し（ステップＳ１００）、入力した車速Ｖや傾斜角θに基づいて車両が停車し且つ車体が水平となった状態が所定時間継続したか否かを判定する（ステップＳ１０２，Ｓ１０４）。所定時間継続して車両が停止していないと判定されたり車体が水平でないと判定されたときには、水分管理を行なうのに不適当であると判断して何もせずに本ルーチンを終了する。なお、車両の停止や車体の水平の状態が所定時間継続するのを判定するのは、車両の振動が落ち着くのを待ち後述する各センサ、特に重量センサ４０の検出精度を向上させるためである。
【００２８】
所定時間継続して車両が停止しており且つ車体が水平であると判定されたときには、重量センサ４０により検出された燃料電池重量Ｗｆｃや、圧力センサ４１〜４４により検出された燃料ガスの入口圧力Ｐａｉｎ，出口圧力Ｐａｏｕｔ，空気の入口圧力Ｐｃｉｎ，出口圧力Ｐｃｏｕｔ、温度センサ４５，４６により検出された入口温度Ｔｉｎ，出口温度Ｔｏｕｔを入力し（ステップＳ１０６）、入力した燃料ガスの入口圧力Ｐａｉｎ，出口圧力Ｐａｏｕｔ，空気の入口圧力Ｐｃｉｎ，出口圧力Ｐｃｏｕｔ，入口温度Ｔｉｎ，出口温度Ｔｏｕｔに基づいて燃料電池３０内に含まれるガスの重量Ｗｇを推定する処理を行なう（ステップＳ１０８）。ガスの重量Ｗｇを推定する処理は、実施例では、以下に示すように行なわれる。
【００２９】
まず、燃料ガスの入口圧力Ｐａｉｎ，出口圧力Ｐａｏｕｔとに基づいて次式（１）によりアノード電極側の流路内の圧力Ｐａを計算すると共に、入口温度Ｔｉｎと出口温度Ｔｏｕｔとに基づいて次式（２）により燃料電池３０内の温度Ｔｆｃを計算する。
【００３０】
Ｐａ＝（Ｐａｉｎ＋Ｐａｏｕｔ）／２（１）
Ｔｆｃ＝（Ｔｉｎ＋Ｔｏｕｔ）／２（２）
【００３１】
次に、計算された圧力Ｐａと燃料電池３０の温度Ｔｆｃとに基づいてアノード電極側の流路内の燃料ガス全体のモル数ｎａを次式（３）の状態方程式を用いて計算する。ここで、Ｖａはアノード電極側の流路内の体積であり予め求めた値が用いられる。また、Ｒは気体定数である。
【００３２】
ｎａ＝Ｐａ・Ｖａ／Ｒ・Ｔｆｃ（３）
【００３３】
そして、計算されたモル数ｎａにアノード電極側の流路内に含まれる燃料ガスの割合（モル比）に応じた分子量を乗じることによりアノード電極側の流路内のガス重量Ｗａｇを算出することができる。実施例では、燃料ガスとして水素タンク２２に充填された水素ガスを用いたから、アノード電極に含まれるガスのほぼ全てを水素ガスとみなしてアノード電極内のガス重量Ｗａｇを算出することができる。なお、炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質して燃料電池の燃料として用いるときには、通常燃料電池に供給される燃料ガスのうち水素ガス以外の不純物も含まれるが、アノード電極内に含まれるガスの割合を予め実験などにより求めておけば、式（３）で計算されたモル数とガスの割合とによりガス重量Ｗａｇを算出することができる。例えば、アノード電極側の流路内に含まれる燃料ガスの割合（モル比）をＮ_２：Ｈ_２：Ｈ_２Ｏ：ＣＯ_２＝ａ：ｂ：ｃ：ｄとすると、アノード電極側の流路内に含まれるガス重量Ｗａｇは次式（４）で計算できる。なお、このときの燃料ガスの割合は、Ｈ_２に関しては供給される分量から燃料電池３０による発電により消費される分量を差し引いたものとして設定することが好適である。
【００３４】
Ｗａｇ＝ｎａ（２８ａ＋２ｂ＋１８ｃ＋４４ｄ）／（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）（４）
【００３５】
カソード電極側の流路内に含まれる酸化ガスの重量Ｗｃｇに関しても、アノード電極側の流路内に含まれる燃料ガスの重量Ｗａｇの計算と同様にして、空気の入口圧力Ｐｃｉｎ，出口圧力Ｐｃｏｕｔとに基づいて次式（５）によりカソード電極側の流路内の圧力Ｐｃを計算し、圧力Ｐｃと式（２）で計算された燃料電池３０の温度Ｔｆｃとに基づいてカソード電極側の流路内のガス全体のモル数ｎｃを次式（６）の状態方程式を用いて計算する。ここで、Ｖｃはカソード電極側の流路内の体積であり予め求めた値が用いられる。また、Ｒは気体定数である。
【００３６】
Ｐｃ＝（Ｐｃｉｎ＋Ｐｃｏｕｔ）／２（５）
ｎｃ＝Ｐｃ・Ｖｃ／Ｒ・Ｔｆｃ（６）
【００３７】
そして、計算されたモル数ｎｃにカソード電極側の流路内に含まれる酸化ガスの割合に応じた分子量を乗じてカソード電極側の流路内のガス重量Ｗｃｇを算出することができる。例えば、カソード電極側の流路内に含まれる酸化ガスの割合（モル比）をＮ_２：Ｏ_２：Ｈ_２Ｏ＝ｘ：ｙ：ｚとすると、カソード電極側の流路内に含まれるガス重量Ｗｃｇは次式（７）で計算できる。なお、酸化ガスの割合は、Ｏ_２に関してはエアポンプ２６により供給される分量から燃料電池３０による発電により消費される分量を差し引いたものとして、Ｈ_２Ｏに関しては加湿器２７による加湿により供給される分量と燃料電池３０による発電により生成される分量とを加算したものとして設定することが好適である。
【００３８】
Ｗｃｇ＝ｎｃ（２８ｘ＋１６ｙ＋１８ｚ）／（ｘ＋ｙ＋ｚ）（７）
【００３９】
アノード電極側の流路内のガス重量Ｗａｇとカソード電極側の流路内のガス重量Ｗｃｇとを計算すると、両者を加算することにより燃料電池３０内のガス重量Ｗｇを算出することができる。以上が燃料電池３０内のガス重量Ｗｇを推定する処理である。
【００４０】
こうしてガス重量Ｗｇが推定されると、次に、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃから燃料電池３０内に含水がない状態として予め設定された基準重量Ｗｆｃ０とステップＳ１０８で推定された燃料電池３０内のガス重量Ｗｇとを減算、すなわち次式（８）を用いて燃料電池３０内に含まれている水分量Ｗｗを推定する処理を行なう（ステップＳ１１０）。
【００４１】
Ｗｗ＝Ｗｆｃ−Ｗｆｃ０−Ｗｇ（８）
【００４２】
ここで、燃料電池３０内に含水がない状態として予め設定された基準重量Ｗｆｃ０は、例えば、燃料電池３０の製造過程において燃料電池として組み付けると共に燃料電池３０内に形成された循環路３１に冷却媒体を充填させたときに、重量計により測定された燃料電池３０本体の重量として設定するものとした。これにより、式（８）により算出される水分量Ｗｗは燃料電池３０（電解質膜）に含まれる水分量とみなすことができるから、燃料電池３０（電解質膜）の含水量を直接的に把握することができる。
【００４３】
こうして水分量Ｗｗが算出されると、算出された水分量Ｗｗが目標水分量Ｗｗｒｅｆとなるよう加湿量Ｑを設定すると共に設定された加湿量Ｑをもって加湿器２５，２７を駆動制御して（ステップＳ１１２）、本ルーチンを終了する。加湿量Ｑの設定は、実施例では、次式（９）を用いたＰＩ（比例積分）制御により行なうものとした。ここで、Ｋ１は比例ゲインを示し、Ｋ２は積分ゲインを示し、ｄｔは本ルーチンの実行時間間隔を示す。もとより、加湿量Ｑの設定を、Ｐ（比例）制御やＰＩＤ（比例積分微分）制御を用いて行なうものとしても構わない。
【００４４】
Ｑ＝Ｋ１（Ｗｗ−Ｗｗｒｅｆ）＋Ｋ２∫（Ｗｗ−Ｗｗｒｅｆ）ｄｔ（９）
【００４５】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃから、燃料電池３０に含水がない状態のときの重量として予め測定されている燃料電池３０の基準重量Ｗｆｃ０と燃料電池３０の流路内に含まれるガス重量Ｗｇとを減じて燃料電池３０（電解質膜）に含まれている水分量Ｗｗを推定し、推定した水分量Ｗｗが目標水分量Ｗｗｒｅｆとなるように加湿器２５，２７を駆動制御するから、燃料電池３０の水分状態を良好に維持することができる。この結果、燃料電池システム２０の効率をより向上させることができる。
【００４６】
実施例の燃料電池システム２０では、基準重量Ｗｆｃ０を、燃料電池３０（電解質膜）に含水がない状態のときに予め測定された重量として設定するものとし、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃから基準重量Ｗｆｃ０とガス重量Ｗｇとを減じて水分量Ｗｗを推定するものとしたが、燃料電池３０が所定の含水量、例えば、燃料電池３０の運転に最適な含水量を予め実験などにより決定し、この状態のときに予め測定された重量を基準重量Ｗｆｃ０として設定し、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃから設定された基準重量Ｗｆｃ０とガス重量Ｗｇとを減じて水分量Ｗｗを推定するものとしても構わない。このときの水分量Ｗｗは所定の含水量を基準とした相対的な水分量として算出されることになる。
【００４７】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、燃料電池３０の重量Ｗｆｃから基準重量Ｗｆｃ０とガス重量Ｗｇとを減じたものを燃料電池３０内の水分量Ｗｗとして推定するものとしたが、ガス重量Ｗｇは考慮せずに燃料電池３０の重量Ｗｆｃから基準重量Ｗｆｃ０を減じたものを燃料電池３０内の水分量Ｗｗとして推定するものとしても構わない。
【００４８】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０（電解質膜）の水分量Ｗｗを推定し、推定された水分量Ｗｗが目標水分量Ｗｗｒｅｆとなるよう水分管理を行なうものとしたが、水分量Ｗｗを推定せずに重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃと基準重量Ｗｆｃ０とに基づいて直接加湿量の制御を行なうものとしても構わない。例えば、基準重量Ｗｆｃ０として燃料電池３０が所定の含水量を有する状態のときに予め測定された重量を設定し、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃ（およびガス重量Ｗｇの和）と基準重量Ｗｆｃ０との偏差が燃料電池３０の運転に適した含水量になるように加湿量を制御するものとすればよい。特に、所定の含水量として燃料電池３０の運転に最適な含水量の状態にあるときの燃料電池３０の重量を基準重量Ｗｆｃ０に設定するものとすれば、重量センサ４０により検出された燃料電池３０の重量Ｗｆｃ（およびガス重量Ｗｇとの和）が基準重量Ｗｆｃ０となるように加湿量を制御すればよいことになる。
【００４９】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０内の水分量の調整を加湿器２５，２７を駆動制御することにより行なうものとしたが、流量調節弁３４，３６での排出ガスの流量の調節による燃料電池３０内の圧力変動を利用すれば、燃料電池３０内の余剰な水分を排出することもできるから、流量調節弁３４，３６の駆動制御により燃料電池３０内の水分量を調節するものとしてもよい。また、ポンプ２４やエアポンプ２６により燃料電池３０へ供給する燃料ガスや酸化ガスの流量を調節することにより燃料電池３０内の水分量を調節するものとしてもよい。さらに、燃料電池３０内に形成された循環路内を流れる冷却媒体の循環量を調節して、燃料電池３０の温度を調節することにより燃料電池３０内の水分量を調節するものとしてもよい。また、これらのうちの２つ以上を組み合わせて水分量を調節するものとしても構わない。
【００５０】
実施例の燃料電池システム２０では、燃料電池３０を自動車１０など車両に搭載するものとして説明したが、燃料電池３０を据え置き型のものに適用するものとしてもよいことは勿論である。このとき、車速センサ４７などが不要なのは勿論である。
【００５１】
実施例では、燃料電池３０（電解質膜）内の水分量を推定して燃料電池３０への加湿制御を行なう燃料電池システム２０の形態として説明したが、燃料電池３０内の水分量（水分状態）を推定する水分状態推定装置の形態とするものとしても構わない。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】実施例の燃料電池システム２０を自動車１０に搭載したときの構成の概略を示す構成図である。
【図３】実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニットにより実行される水分管理制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０自動車、１２インバータ、１４モータ、１６車輪、２０燃料電池システム、２２水素タンク、２４ポンプ、２５加湿器、２６エアポンプ、２７加湿器、３０燃料電池、３１循環路、３２ポンプ、３３熱交換器、３４，３６流量調節弁、４０重量センサ、４１〜４４圧力センサ、４５，４６温度センサ、４７車速センサ、４８傾斜角センサ、５２，５４供給管路、５６，５８排出管路、７０電子制御ユニット、７２ＣＰＵ、７４ＲＯＭ、７６ＲＡＭ。

Claims

燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池内の水分状態を推定する燃料電池の水分状態推定装置であって、
燃料電池本体の重量を検出する重量検出手段と、
前記検出された重量と前記燃料電池本体が所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている燃料電池本体の基準重量とに基づいて前記燃料電池の水分状態を推定する水分状態推定手段と
を備える燃料電池の水分状態推定装置。
請求項１記載の燃料電池の水分状態推定装置であって、
前記水分状態推定手段は、前記所定の含水状態として含水がない状態にあるときの重量を前記基準重量として予め設定して前記水分状態を推定する手段である
燃料電池の水分状態推定装置。
請求項１または２記載の燃料電池の水分状態推定装置であって、
前記燃料電池内に含まれる燃料ガスおよび酸化ガスの重量を推定するガス重量推定手段を備え、
前記水分状態推定手段は、前記検出された燃料電池本体の重量と前記燃料電池本体の基準重量と前記推定されたガス重量とに基づいて前記水分状態を推定する手段である
燃料電池の水分状態推定装置。
請求項１ないし３いずれか記載の燃料電池の水分状態推定装置であって、
前記燃料電池は、車両に搭載されており、
前記水分状態推定手段は、前記車両が停車しているときに前記重量検出手段により検出された重量に基づいて前記水分状態を推定する手段である
燃料電池の水分状態推定装置。
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池の水分状態推定装置と、
該水分状態推定装置により推定された水分状態に基づいて前記燃料電池を運転制御する制御手段と
を備える燃料電池システム。
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、
前記酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスおよび／または前記酸化ガス供給手段により供給される酸化ガスを加湿可能な加湿手段とを備え、
前記制御手段は、前記水分状態推定装置により推定された水分状態に基づいて前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給および／または前記酸化ガス供給手段による酸化ガスの供給および／または前記加湿手段による加湿を制御する手段である
燃料電池システム。
請求項５または６記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記推定された水分状態が所定の目標水分状態となるよう制御する手段である
燃料電池システム。
燃料ガスと酸化ガスとにより発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
燃料電池本体の重量を検出する重量検出手段と、
前記検出された重量と前記燃料電池本体が所定の含水状態にあるときの重量として予め設定されている基準重量とに基づいて前記燃料電池を運転制御する制御手段と
を備える燃料電池システム。
請求項８記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスおよび／または前記酸化ガス供給手段により供給される酸化ガスを加湿可能な加湿手段とを備え、
前記制御手段は、前記検出された重量と前記基準重量とに基づいて前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給および／または前記酸化ガス供給手段による酸化ガスの供給および／または前記加湿手段による加湿を制御する手段である
燃料電池システム。
請求項８または９記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記基準重量と前記検出された重量との偏差に基づいて制御する手段である
燃料電池システム。