JP2002164065A - 燃料電池及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池の各セルに参照電極を設けることな
く、湿潤状態を検出して運転を制御する。 【解決手段】 燃料電池スタック４には加湿器３で加湿
された水素含有ガス及び空気が図中右側から供給され
る。冷却水を循環させる冷却水ポンプ７、冷却水の熱を
外部へ放熱するラジエータまたはラジエータとラジエー
タファンの組８、燃料電池スタック４に流れる冷却水の
方向を反転させる４方弁９、及び冷却水温度を測定する
温度計１０は冷却系１２を構成する。冷却系１２は、湿
潤状態を判定するためのセル電圧測定時には左側から燃
料電池スタック４へ冷却水を流入させ、セル配列方向に
相対湿度分布を形成する。制御装置１１は、相対湿度の
低いセルと高いセルとのセル電圧分布により、湿潤状態
を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質型の燃
料電池及びその運転方法に係り、特に電極や電解質膜の
湿度を適切に制御することができる燃料電池及びその運
転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の環境問題、特に自動車の排気ガス
による大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に
対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能
とする電力源、あるいは動力源として、燃料電池技術が
注目されている。

【０００３】燃料電池の単セルは、イオン伝導体である
電解質膜の両側に触媒を含む電極を接合して構成され
る。そして２つの電極にそれぞれ燃料ガスと酸化ガス、
例えば水素を含むガスと空気とを供給する。水素が供給
されるアノード（燃料極）では、水素が水素イオンと電
子とに電離する。電子は外部回路を通って陽極に戻り、
水素イオンは電解質膜を通ってカソード（空気極）に達
する。空気中の酸素が供給されるカソードでは、水素イ
オンと酸素と電子とが反応して水が生成される。

【０００４】燃料電池の単セルの理論的な起電力は、約
１．２Ｖと低いので、通常複数セルを積み重ねて直列接
続としたスタック構造が用いられる。燃料電池の中でも
特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池
が自動車等の移動体用動力源として注目されている。

【０００５】このような燃料電池の運転において重要な
点は、電極触媒及び固体高分子電解質膜の湿潤状態を適
正に保つことである。これらが乾燥気味であれば、イオ
ン伝導度が低下し、発電装置としての内部抵抗が増加す
る。水素と酸素との反応による生成水等により湿潤が過
ぎれば、ガスを取り込む有効電極面積が減少して出力電
流が減少する。

【０００６】従来の燃料電池における電極及び固体高分
子電解質膜の湿潤状態を適正に制御する技術として、特
開平７−２２０４７号公報記載の技術が知られている。
この従来技術によれば、燃料電池内に安定した基準電位
を示す参照電極を設け、この参照電極に対するセルのア
ノード及びカソードの電位を測定し、この電位に基づい
て燃料ガスまたは酸化ガスの加湿量を調節していた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術は、燃料電池内の参照電極に対するアノード及び
カソードの電位を測定するという構成になっていたた
め、参照電極を有していない燃料電池には適用ができな
いという問題点があった。

【０００８】また、上記従来技術は、出力電流に対する
アノード及びカソード電位の変化により、水分の過剰あ
るいは膜の乾燥を判定するという構成になっていたた
め、ある程度以上の出力電流を引き出さないと、特異な
反応が見られず、湿潤状態の判定が困難であるという問
題点があった。

【０００９】さらに、上記従来技術は、アノード及びカ
ソード両極に電位変化の特異性が認められた時、水分の
過剰及び膜の乾燥の両方が原因となる可能性があるた
め、両者の区別に時間がかかる。具体的には一度乾燥状
態にし、その電位変化を測定した後に初めて、両者の区
別が判定できるため、早急な出力回復が困難であるとい
う問題点があった。

【００１０】以上の問題点に鑑み本発明の目的は、燃料
電池の各セルに参照電極を設けることなく、湿潤状態を
検出して運転を制御できる燃料電池及びその運転方法を
提供することである。

【００１１】また本発明の目的は、特に燃料電池の出力
電流を引き出すことなく、湿潤状態の判定が容易に行え
る燃料電池及びその運転方法を提供することである。

【００１２】さらに本発明の目的は、適正な湿潤状態か
ら水分過剰または乾燥のいずれの方向に変移したかを容
易に判定することができる燃料電池及びその運転方法を
提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、燃料電池スタックを構成する
複数のセルから選ばれた少なくとも２つのセルの電圧を
検出する電圧検出手段と、少なくとも電圧検出手段によ
るセル電圧検出時に、燃料電池スタックのセル配列方向
に燃料ガス及び酸化ガスの相対湿度分布を形成する湿度
分布形成手段と、電圧検出手段が検出した各セル毎の電
圧分布を調べて、相対湿度が低いセルの電圧が相対湿度
が高いセルの電圧に比べて低い場合に、燃料電池の湿潤
が不十分と判定する湿潤状態判定手段と、を備えたこと
を要旨とする燃料電池である。

【００１４】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１記載の燃料電池において、前記湿度分
布形成手段は、燃料ガス及び酸化ガスの燃料電池スタッ
クへの流入方向と冷却水流入方向とを通常運転時には同
方向とする一方、前記湿潤状態判定手段による湿潤状態
判定のための前記電圧検出手段による電圧検出時には逆
方向に切り替えることで、燃料電池スタックのセル配列
方向に燃料ガス及び酸化ガスの相対湿度分布を形成する
冷却手段であることを要旨とする。

【００１５】請求項３記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１記載の燃料電池において、前記湿度分
布形成手段は、燃料ガス及び酸化ガスの燃料電池スタッ
クへの流入方向と冷却水流入方向とを常に逆方向とし、
燃料電池スタックのセル配列方向に燃料ガス及び酸化ガ
スの相対湿度分布を形成する冷却手段であることを要旨
とする。

【００１６】請求項４記載の発明は、上記課題を解決す
るため、燃料電池スタック運転中の電圧と電流とを測定
する電圧電流測定手段と、この電圧電流測定手段が測定
した電圧電流特性に基づいて、燃料電池スタックの内部
抵抗値を推定する内部抵抗推定手段と、この推定された
内部抵抗値と予め記憶した標準値との比較に基づいて、
燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、を
備えたことを要旨とする燃料電池である。

【００１７】請求項５記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項４記載の燃料電池において、燃料電池の
温度を測定する温度測定手段と、測定された温度に基づ
いて前記標準値を変更する標準値変更手段と、を更に備
えたことを要旨とする。

【００１８】請求項６記載の発明は、上記課題を解決す
るため、燃料電池スタックへ流入する燃料ガス及び酸化
ガスの水分量を検出する流入水分量検出手段と、燃料電
池スタックから流出する燃料ガス及び酸化ガスの水分量
を検出する流出水分量検出手段と、燃料電池スタック内
部で生成された水分量を推定する生成水分量推定手段
と、前記生成された水分量及び流入水分量及び流出水分
量に基づいて燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤状態判
定手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池である。

【００１９】請求項７記載の発明は、上記課題を解決す
るため、請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の
燃料電池において、前記湿潤状態判定手段が湿潤が不十
分と判定したとき、燃料電池の出力を制限する出力制限
手段を更に備えたことを要旨とする。

【００２０】請求項８記載の発明は、上記課題を解決す
るため、燃料電池スタックのセル配列方向に燃料ガス及
び酸化ガスの相対湿度分布を形成する湿度分布形成過程
と、燃料電池スタックを構成する複数のセルから選ばれ
た少なくとも２つのセルの電圧を検出する電圧検出過程
と、各セル毎の電圧分布を調べて、相対湿度が低いセル
の電圧が相対湿度が高いセルの電圧に比べて低い場合
に、燃料電池の湿潤が不十分と判定する湿潤状態判定過
程と、この湿潤状態判定過程で湿潤が不十分と判定した
とき、燃料電池の出力を制限する出力制限過程と、を備
えたことを要旨とする燃料電池の運転方法である。

【００２１】請求項９記載の発明は、上記課題を解決す
るため、燃料電池スタック運転中の電圧と電流とを測定
する電圧電流測定過程と、この測定された電圧電流特性
に基づいて、燃料電池スタックの内部抵抗値を推定する
内部抵抗推定過程と、この推定された内部抵抗値と予め
記憶した標準値との比較に基づいて、燃料電池の湿潤状
態を判定する湿潤状態判定過程と、この湿潤状態判定過
程で湿潤が不十分と判定したとき、燃料電池の出力を制
限する出力制限過程と、を備えたことを要旨とする燃料
電池の運転方法である。

【００２２】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、燃料電池
スタックを構成する複数のセルから選ばれた少なくとも
２つのセルの電圧を検出する電圧検出手段と、少なくと
も前記電圧検出手段によるセル電圧検出時に、燃料電池
スタックのセル配列方向に燃料ガス及び酸化ガスの相対
湿度分布を形成する湿度分布形成手段と、前記電圧検出
手段が検出した各セル毎の電圧分布を調べて、相対湿度
が低いセルの電圧が相対湿度が高いセルの電圧に比べて
低い場合に、燃料電池の湿潤が不十分と判定する湿潤状
態判定手段と、を備えたので、相対湿度が高いセルの電
圧と相対湿度の低いセルの電圧の測定結果に基づいて燃
料電池の湿潤状態が水分過剰か水分不足かを正確に判定
することができるという効果を奏する。また湿潤状態の
判定が正確になるので、不要な水素パージを低減し、燃
料電池の燃費を向上するという効果を奏する。

【００２３】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果に加えて、前記湿度分布形成手段は、燃
料ガス及び酸化ガスの燃料電池スタックへの流入方向と
冷却水流入方向とを通常運転時には同方向とする一方、
前記湿潤状態判定手段による湿潤状態判定のための前記
電圧検出手段による電圧検出時には逆方向に切り替える
ことで、燃料電池スタックのセル配列方向に燃料ガス及
び酸化ガスの相対湿度分布を形成する冷却手段であると
したので、通常運転時に好適な相対湿度分布と湿潤状態
判定時に好適な相対湿度分布との双方の相対湿度分布を
形成し、通常運転時の発電効率を低下させることなく、
正確な湿潤状態の判定を行うことができるという効果を
奏する。

【００２４】請求項３記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果に加えて、前記湿度分布形成手段は、燃
料ガス及び酸化ガスの燃料電池スタックへの流入方向と
冷却水流入方向とを常に逆方向とし、燃料電池スタック
のセル配列方向に燃料ガス及び酸化ガスの相対湿度分布
を形成する冷却手段であるとしたので、冷却水流入方向
切り替え機能を設けて冷却手段を複雑にすることなく、
正確な湿潤状態の判定を行うことができるという効果を
奏する。

【００２５】請求項４記載の発明によれば、燃料電池ス
タック運転中の電圧と電流とを測定する電圧電流測定手
段と、該電圧電流測定手段が測定した電圧電流特性に基
づいて、燃料電池スタックの内部抵抗値を推定する内部
抵抗推定手段と、前記推定された内部抵抗値と予め記憶
した標準値との比較に基づいて、燃料電池の湿潤状態を
判定する湿潤状態判定手段と、を備えたので、燃料電池
スタックに相対湿度分布を形成することなく、湿潤状態
を判定することができるという効果を奏する。

【００２６】請求項５記載の発明によれば、請求項４記
載の発明の効果に加えて、燃料電池の温度を測定する温
度測定手段と、測定された温度に基づいて前記標準値を
変更する標準値変更手段と、を更に備えたので、燃料電
池の運転温度に変化があっても正確な湿潤状態判定を行
うことができるという効果を奏する。

【００２７】請求項６記載の発明によれば、燃料電池ス
タックへ流入する燃料ガス及び酸化ガスの水分量を検出
する流入水分量検出手段と、燃料電池スタックから流出
する燃料ガス及び酸化ガスの水分量を検出する流出水分
量検出手段と、燃料電池スタック内部で生成された水分
量を推定する生成水分量推定手段と、前記生成された水
分量及び流入水分量及び流出水分量に基づいて燃料電池
の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、を備えたこ
とにより、燃料電池スタック内部の水分量の変化履歴を
正確に追跡し、燃料電池の湿潤状態を正確に判定するこ
とができるという効果を奏する。

【００２８】請求項７記載の発明によれば、請求項１な
いし請求項６記載の発明の効果に加えて、前記湿潤状態
判定手段が湿潤が不十分と判定したとき、燃料電池の出
力を制限する出力制限手段を更に備えたので、燃料電池
の乾燥状態からの回復と運転継続とを両立させることが
できるという効果を奏する。

【００２９】請求項８記載の発明によれば、燃料電池ス
タックのセル配列方向に燃料ガス及び酸化ガスの相対湿
度分布を形成する湿度分布形成過程と、燃料電池スタッ
クを構成する複数のセルから選ばれた少なくとも２つの
セルの電圧を検出する電圧検出過程と、各セル毎の電圧
分布を調べて、相対湿度が低いセルの電圧が相対湿度が
高いセルの電圧に比べて低い場合に、燃料電池の湿潤が
不十分と判定する湿潤状態判定過程と、前記湿潤状態判
定過程で湿潤が不十分と判定したとき、燃料電池の出力
を制限する出力制限過程と、を備えたので、相対湿度が
高いセルの電圧と相対湿度の低いセルの電圧の測定結果
に基づいて燃料電池の湿潤状態が水分過剰か水分不足か
を正確に判定することができるという効果を奏する。ま
た湿潤状態の判定が正確になるので、不要な水素パージ
を低減し、燃料電池の燃費を向上するという効果を奏す
る。

【００３０】請求項９記載の発明によれば、燃料電池ス
タック運転中の電圧と電流とを測定する電圧電流測定過
程と、前記測定された電圧電流特性に基づいて、燃料電
池スタックの内部抵抗値を推定する内部抵抗推定過程
と、前記推定された内部抵抗値と予め記憶した標準値と
の比較に基づいて、燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤
状態判定過程と、前記湿潤状態判定過程で湿潤が不十分
と判定したとき、燃料電池の出力を制限する出力制限過
程と、を備えたので、燃料電池スタックに相対湿度分布
を形成することなく、湿潤状態を判定することができる
という効果を奏する。また湿潤状態の判定が正確になる
ので、不要な水素パージを低減し、燃料電池の燃費を向
上するという効果を奏する。

【００３１】

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。 〔第１の実施形態〕図１は、本発明に係る燃料電池の第
１の実施形態の構成を説明する全体構成図である。図１
において、燃料電池は、燃料ガスとしての水素を含むガ
ス（以下、水素含有ガス）を所望の圧力・流量で供給す
る水素供給部１と、酸化ガスとしての空気を所望の圧力
・流量で供給する空気供給部２と、図示しない純水供給
器から供給される純水で水素含有ガスと空気とをそれぞ
れ加湿する加湿器３と、加湿器３で加湿された水素含有
ガス及び空気が供給される燃料電池スタック４と、使用
されなかった水素を再循環させる燃料循環用ポンプ５
と、水素含有ガスの逆流を防止する逆止弁６と、燃料電
池スタック４を冷却するとともに、湿潤状態判定のため
の電圧測定時には燃料電池スタック４への冷却水の流入
方向を燃料電池スタック４へのガス流入方向とは逆方向
とすることができる冷却系１２と、これらの装置を制御
する制御装置１１とを備えている。

【００３２】燃料電池スタック４には、スタックを構成
する複数のセルから選ばれた２つ以上のセル、好ましく
は全てのセルのそれぞれの電圧を検出する電圧検出手段
である図示しない電圧検出器が設けられ、この電圧検出
器の検出信号は、制御装置１１へ伝えられるようになっ
ている。

【００３３】冷却系１２は、燃料電池スタック４の内部
に設けられた図示しない冷却水流路と、冷却水を循環さ
せる冷却水ポンプ７と、冷却水の熱を外部へ放熱するラ
ジエータまたはラジエータとラジエータファンの組８
と、燃料電池スタック４に流れる冷却水の方向を反転さ
せる４方弁９と、冷却水温度を測定する温度計１０と、
これらを接続する管路と、これらの内部に充填された冷
却水とを備えている。

【００３４】そして、冷却系１２は、電圧検出手段によ
るセル電圧検出時に、燃料電池スタックのセル配列方向
に燃料ガス及び酸化ガスの相対湿度分布を形成する湿度
分布形成手段を構成している。

【００３５】また制御装置１１は、水素供給部１、空気
供給部２及び温度計１０からの検出信号を受信する一
方、水素供給部１、空気供給部２、冷却水ポンプ７、４
方弁９を制御する制御信号を送出するようになってい
る。

【００３６】次に、冷却系１２による相対湿度分布形成
の作用について説明する。水素供給部１及び空気供給部
２から供給される水素含有ガス及び空気は、加湿器３を
通過し、適当な湿度となった後、燃料電池スタック４の
図中右側から供給される。この水素含有ガス及び空気
は、加湿器３によりある絶対湿度に加湿された後、燃料
電池スタック４の内部を右から左へ流れるに従って、発
電により生成する水分により更に加湿されるので、絶対
湿度が下がることはなく、寧ろ絶対湿度が上がると考え
られる。

【００３７】冷却水方向を切り替える４方弁９は、制御
装置１１からの制御に従って、通常運転時には実線の矢
印方向に冷却水を流し、電圧検出器による電圧検出時に
は、破線の矢印方向に冷却水を流すように切り替える。
これにより燃料電池スタック４を流れる冷却水は、通常
運転時には図中右から左へ流れるので、この時の燃料電
池スタック４内の温度分布は、図中右側が低く、左側が
高くなる。

【００３８】一方、湿潤状態判定のための電圧測定時に
は、ガスの流れる方向とは反対に図中左から右へ冷却水
が流れるので、この時の燃料電池スタック４内の温度分
布は、通常運転時とは反対に図中右側が高く、左側が低
くなる。従って、電圧測定時の燃料電池スタック４の相
対湿度分布は、図中右側が低く、左側が高くなる。

【００３９】このような相対湿度分布を形成した状態
で、燃料電池スタック４の複数セルのそれぞれの温度を
測定すると、測定されたセルの位置に応じて、相対湿度
の低いセルの電圧と、相対湿度の高いセルの電圧とを測
定することになる。

【００４０】尚、第１実施形態の変形例として、通常運
転時と湿潤状態判定のための電圧測定時とで冷却水方向
を切り替えることなく、常に燃料電池スタックへのガス
流入方向と冷却水入流方向とを反対方向として、燃料電
池スタックに相対湿度分布が形成されるようにしてもよ
い。この変形例によれば、冷却水方向を切り替える４方
弁を省略して、図２に示す構成となるが、通常運転時の
発電効率に多少の低下が生じるのはやむを得ない。

【００４１】次に、第１実施形態の動作を図３のフロー
チャートを参照して説明する。まずステップ（以下、ス
テップをＳと略す）１０１で燃料電池スタック運転中の
電流及び電圧の検出を行う。次いでＳ１０２では、この
検出された電流／電圧の組み合わせが予め記憶してある
電流電圧特性より電圧低下しているかの判定を行い、電
圧低下が認められなければ、Ｓ１０３以下に示した本実
施形態の処理フローを実施することなく、再びＳ１０１
へと戻る。

【００４２】電圧低下が認められた時は、電圧を適切に
回復すべく、電圧低下の原因を精度よく判定する必要が
あるとし、本実施形態ではＳ１０３で水素や空気といっ
たガスの燃料電池スタック４への入出力方向とは逆方向
に冷却水の循環方向がなるように４方弁９を切り替え
る。この冷却水流入方向の切替により、燃料電池スタッ
ク４内には、上述のようにセル配列方向に相対湿度の分
布が形成される。

【００４３】尚、図２に示した第１実施形態の変形例の
ように、燃料電池スタックへの冷却水の流入方向を常に
ガスの流入方向とは逆方向に設定され、冷却水流入方向
を切り替えない構成となっている場合には、このＳ１０
３は省略される。

【００４４】また、Ｓ１０２では電圧低下の有無を判定
し、電圧低下が判定されたときに本ステップ以下を実行
するとしているが、Ｓ１０１、Ｓ１０２を削除して、Ｓ
１０３以下の処理を定期的に実行する構成としてもよ
い。

【００４５】次いで、セル配列方向に相対湿度の分布が
形成された状態で、Ｓ１０４で燃料電池スタックを構成
する各セルの電圧を電圧検出器で検出し、検出値を制御
装置１１へ伝える。燃料電池スタック４は複数のセルか
ら構成されるが、これら複数個のセル電圧はできるだけ
同一時刻の値を検出できる構成とした方が望ましい。

【００４６】次いで、Ｓ１０５では、各セルの位置によ
るセル電圧の傾向を判定し、Ｓ１０６で、電圧低下の原
因が膜の乾燥によるものであるか否かを判定する。

【００４７】図４は、各セル位置に対応するセル電圧分
布の一例であるが、ガス入口側から出口側に向かって各
セルの電圧を順番に並べて表現した図である。この図４
のように、ガス入口側から出口側にかけてセル電圧が高
くなるような傾向が得られた場合には、膜が十分に湿潤
しておらず乾燥状態にあると判断を行う。

【００４８】これは、相対湿度の低い部分のセルの電圧
が、相対湿度の高いセルの電圧より低いことを意味して
おり、即ち相対湿度の低い部分のセルの膜が十分に湿潤
しておらず、電圧の低下の原因となっていると判断する
ことが可能である。

【００４９】また図５に示すようなセル電圧分布が得ら
れた場合、即ち相対湿度の分布とセル電圧の分布とに特
に相関が見られない場合であるが、この場合には膜は十
分に湿潤していると判断する。セル電圧と相対湿度に相
関がない状態では、もしセル電圧が期待値よりも低いと
しても、膜が乾燥しているのではなく、他の原因、例え
ば水素分圧の低下等によるものと判断してよい。

【００５０】尚、本実施形態において図６に示すような
分布が得られた場合、即ちガス入口側の相対湿度の高い
部分のセル電圧が、ガス出口側の相対湿度の低い部分の
セル電圧に対して低いような分布が得られた場合である
が、この場合には、相対湿度の高い部分のセルに水分が
貯まり、反応面積の低減により電圧が低下していると判
断が可能である。

【００５１】以上のように、電圧低下の原因が膜の乾燥
によるものと判断された場合、燃料電池スタック出力を
制限し、スタック電圧がある設定値以下にならないよう
に制御する（Ｓ１０７〜１０９）、と同時に、燃料電池
制御手段１１へ燃料電池スタックの出力要求を指令する
上位の制御手段（図示せず）に、出力要求可能な上限値
を通知する。

【００５２】これにより上位の制御手段は、燃料電池ス
タックの出し得る電力の最大値を認識しつつ、要求指令
値の演算が可能になるので、予想外に出力されないとい
う状態を防止することができる。

【００５３】尚、燃料電池スタックの出力制限は、Ｓ１
０４〜Ｓ１０６のように各セル電圧の位置に応じた傾向
により膜の湿潤状態を推定した結果によって行ってもよ
い。

【００５４】また、燃料電池スタックの電圧や出力の制
御手段であるが、電流制御機能付きのＤＣ／ＤＣコンバ
ータを燃料電池スタックに接続して実施してもよく、詳
細については省略する。

【００５５】また、電圧低下の原因が膜の乾燥以外であ
った場合には、その原因に対応した処理を行うブロック
を実行する。例えば水素極側において窒素濃度が上が
り、その結果水素分圧が低下しているような場合には、
水素極をパージすることで水素分圧を上げるように制御
を行う（Ｓ１１０）。

【００５６】一例としては、水素が循環系である場合に
は、燃料電池スタックからの排水素を戻すことなくシス
テム外部に排出し、また同時に水素流量を増大させるこ
とで水素極パージが可能であるが、本発明の本質でない
ので、詳細は省略する。

【００５７】〔第２の実施形態〕本実施形態の構成は第
１の実施形態を示す図１と同一である。尚、本実施形態
においては、ガスの流入方向と冷却水の流入方向を必ず
しも逆にする必要はないので、４方弁９を省略すること
ができる。

【００５８】図７に本実施形態のフローチャートを示
す。本実施形態は燃料電池スタックの運転中の電流及び
電圧をある定まった時間以上、あるいは、ある定まった
サンプリング数以上測定し、測定された電流及び電圧か
ら内部抵抗値を演算し、その値から膜の乾燥状態を推定
するものである。

【００５９】ここでいう内部抵抗値とは図１０（ａ）に
示す電流−電圧特性における中間部分の傾きに相当す
る。膜の水分量が減少するに従い、イオン伝導度が低下
し、電気抵抗の増大のような形で観測される。

【００６０】即ち、十分湿潤していれば、図１０（ａ）
における最も高い電圧を示す特性（以下、標準特性とす
る）となるが、乾燥気味になるにつれ、同じ電流値を燃
料電池スタックから引き出した時の電圧が低下し、略直
線部の傾きが急となり、結果、電流−電圧特性は左下の
ような形へと推移することになる。

【００６１】またこの略直線部の傾きが標準特性のそれ
と同じであるが、ある電流値以上を取り出した時にの
み、急激に電圧の低下が認められた場合（図１０
（ｂ））は、膜の湿潤状態は適当だが、ガスの状態（流
量や圧力）が取り出した電流に対して適切ではないと判
断を行う。

【００６２】また図１０（ａ）と図１０（ｂ）の状態が
同時に発生する場合には、図１０（ｃ）に示すような電
圧電流特性となり、略直線部の傾きが標準特性より急
で、かつ、ある電流値以上を取り出した時、特性が直線
から外れて電圧が低下した場合には、膜の湿潤が不足気
味であり、かつ、ガスの状態が適切でないと判断するこ
とができる。

【００６３】以下に、燃料電池スタックの運転中に測定
された電圧電流特性に基づいて内部抵抗を求める図７の
フローチャートを説明する。

【００６４】まずＳ２０１で略同時刻の燃料電池スタッ
クの電流及び電圧を検出する。このタイミングはできる
だけ同時刻の方が望ましい。次いでＳ２０２では検出し
た電流の値によってデータのフィルタリングを行う。こ
れは極小電流域での特性は内部抵抗の影響が出ていない
為、そのような領域のデータをカットする為である。Ｓ
２０３では、後述する内部抵抗演算で参照するために、
測定した電流及び電圧の組データを記録手段に記録す
る。

【００６５】Ｓ２０４では、記録された電流及び電圧の
組データが、内部抵抗算出に十分なものかどうかを判定
する。十分と判定する条件として、電流値が広範囲に十
分散らばっていること、組データ数がある設定値以上記
録されていること、等がある。Ｓ２０５では実際に内部
抵抗を演算する。具体的には複数個の電流及び電圧の組
データを直線で近似し、その直線の傾きから求める。

【００６６】尚、複数個の電流／電圧の組データを直線
で近似する方法については、各組データを示す点から近
似直線までの距離の２乗の合計が最小となる近似直線を
求める最小２乗法や、例えば特開平６−１７４８０８号
公報に示された方法等がある。

【００６７】以上のような方法で求めた略直線部の傾き
と、予め実験等で求めておいた標準特性とを比較し、傾
きが急な場合には膜が乾燥していると判断し、出力の制
限を行う等の処理を行い、スタックの劣化等悪影響を抑
えることが可能となる。また略直線部の傾きが、標準特
性のそれと略同一で、ある電流値以上の場合に電圧の低
下が認められる時は、ガス条件に問題があるとし、パー
ジ処理を行うことで水素極に蓄積された窒素を排出し、
水素分圧を回復し、電圧の標準特性に戻すことが可能と
なる。

【００６８】尚、燃料電池の内部抵抗は、電極の抵抗、
電解質のイオン導電度等、温度特性を有するので、例え
ば冷却水温を測定する温度計１０の測定結果に応じて、
内部抵抗の標準値を変更することが好ましい。具体的に
は、実験的に求めたマップや、補正計算式を用いる。

【００６９】〔第３の実施形態〕図８は、本発明に係る
燃料電池の第３の実施形態の構成を示す全体構成図であ
る。本実施形態は、図１に示した第１の実施形態に対
し、４方弁９を削除して燃料電池スタック４への冷却水
流入方向をガス流入方向と常に同一とし、水素含有ガス
及び空気の燃料電池スタック入出力部に水分流量検出手
段を設けた例である。

【００７０】即ち燃料電池スタック４へ水素供給部１か
ら流入する水分流量を検出する水分流量検出手段２１
と、水素出口から流出する水分流量を検出する水分流量
検出手段２２と、空気供給部２から流入する水分流量を
検出する水分流量検出手段２３と、空気出口のから流出
する水分流量を検出する水分流量検出手段２４とを設け
ている。これらの水分流量検出手段２１、２２、２３、
２４としては、例えば鏡面冷却式等の露点検出手段と、
質量流量検出手段で構成することが可能である。

【００７１】また制御装置１１では、燃料電池スタック
４から取り出した電流値に応じて燃料電池スタック内部
で生成された水分量を演算する手段が設けられている。

【００７２】燃料電池スタック４の入口の水素及び空気
中の水分流量合計にスタック内部で生成された水分量を
加えた値に対し、燃料電池スタック出口の水素及び空気
中の水分流量合計が大きければ、膜から水分のガス中に
出ていることを示し、即ち膜が乾燥傾向にあることを示
している。

【００７３】逆に出口の水素及び空気中の水分量合計が
小さければ、膜にガス中から水分が浸透していることに
なり、即ち膜が湿潤傾向にあることがわかる。よって、
この水分の変化量を積分することにより燃料電池スタッ
ク内の平均的湿潤程度を推定することができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施形態の構成
を示す全体構成図である。

【図２】第１実施形態の変形例の構成を示す全体構成図
である。

【図３】第１の実施形態の動作を説明するフローチャー
トである。

【図４】不十分な湿潤状態におけるセル位置に対するセ
ル電圧分布例を示す図である。

【図５】適度な湿潤状態におけるセル位置に対するセル
電圧分布例を示す図である。

【図６】過剰な湿潤状態におけるセル位置に対するセル
電圧分布例を示す図である。

【図７】第２の実施形態の動作を説明するフローチャー
トである。

【図８】本発明に係る燃料電池の第３の実施形態の構成
を示す全体構成図である。

【図９】（ａ）膜中の水分が減少した場合、（ｂ）水素
分圧が低下した場合、（ｃ）膜中の水分が減少した状態
で水素分圧が低下した場合のそれぞれ燃料電池の電流−
電圧特性の代表例を示す図である。

【符号の説明】

１ 水素供給部 ２ 空気供給部 ３ 加湿器 ４ 燃料電池スタック ５ 燃料循環用ポンプ ６ 逆止弁 ７ 冷却水ポンプ ８ ラジエータ ９ ４方弁 １０ 温度計 １１ 制御装置 １２ 冷却系

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池スタックを構成する複数のセル
   から選ばれた少なくとも２つのセルの電圧を検出する電
   圧検出手段と、 少なくとも前記電圧検出手段によるセル電圧検出時に、
   燃料電池スタックのセル配列方向に燃料ガス及び酸化ガ
   スの相対湿度分布を形成する湿度分布形成手段と、 前記電圧検出手段が検出した各セル毎の電圧分布を調べ
   て、相対湿度が低いセルの電圧が相対湿度が高いセルの
   電圧に比べて低い場合に、燃料電池の湿潤が不十分と判
   定する湿潤状態判定手段と、 を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】 前記湿度分布形成手段は、 燃料ガス及び酸化ガスの燃料電池スタックへの流入方向
   と冷却水流入方向とを通常運転時には同方向とする一
   方、前記湿潤状態判定手段による湿潤状態判定のための
   前記電圧検出手段による電圧検出時には逆方向に切り替
   えることで、燃料電池スタックのセル配列方向に燃料ガ
   ス及び酸化ガスの相対湿度分布を形成する冷却手段であ
   ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 【請求項３】 前記湿度分布形成手段は、 燃料ガス及び酸化ガスの燃料電池スタックへの流入方向
   と冷却水流入方向とを常に逆方向とし、燃料電池スタッ
   クのセル配列方向に燃料ガス及び酸化ガスの相対湿度分
   布を形成する冷却手段であることを特徴とする請求項１
   記載の燃料電池。
4. 【請求項４】 燃料電池スタック運転中の電圧と電流と
   を測定する電圧電流測定手段と、 該電圧電流測定手段が測定した電圧電流特性に基づい
   て、燃料電池スタックの内部抵抗値を推定する内部抵抗
   推定手段と、 前記推定された内部抵抗値と予め記憶した標準値との比
   較に基づいて、燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤状態
   判定手段と、 該湿潤状態判定手段が湿潤が不十分と判定したとき、燃
   料電池の出力を制限する出力制限手段と、 を備えたことを特徴とする燃料電池。
5. 【請求項５】 燃料電池の温度を測定する温度測定手段
   と、 測定された温度に基づいて前記標準値を変更する標準値
   変更手段と、 を更に備えたことを特徴とする請求項４記載の燃料電
   池。
6. 【請求項６】 燃料電池スタックへ流入する燃料ガス及
   び酸化ガスの水分量を検出する流入水分量検出手段と、 燃料電池スタックから流出する燃料ガス及び酸化ガスの
   水分量を検出する流出水分量検出手段と、 燃料電池スタック内部で生成された水分量を推定する生
   成水分量推定手段と、 前記生成された水分量及び流入水分量及び流出水分量に
   基づいて燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手
   段と、 を備えたことを特徴とする燃料電池。
7. 【請求項７】 前記湿潤状態判定手段が湿潤が不十分と
   判定したとき、燃料電池の出力を制限する出力制限手段
   を更に備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項６
   のいずれか１項記載の燃料電池。
8. 【請求項８】 燃料電池スタックのセル配列方向に燃料
   ガス及び酸化ガスの相対湿度分布を形成する湿度分布形
   成過程と、 燃料電池スタックを構成する複数のセルから選ばれた少
   なくとも２つのセルの電圧を検出する電圧検出過程と、 各セル毎の電圧分布を調べて、相対湿度が低いセルの電
   圧が相対湿度が高いセルの電圧に比べて低い場合に、燃
   料電池の湿潤が不十分と判定する湿潤状態判定過程と、 前記湿潤状態判定過程で湿潤が不十分と判定したとき、
   燃料電池の出力を制限する出力制限過程と、 を備えたことを特徴とする燃料電池の運転方法。
9. 【請求項９】 燃料電池スタック運転中の電圧と電流と
   を測定する電圧電流測定過程と、 前記測定された電圧電流特性に基づいて、燃料電池スタ
   ックの内部抵抗値を推定する内部抵抗推定過程と、 前記推定された内部抵抗値と予め記憶した標準値との比
   較に基づいて、燃料電池の湿潤状態を判定する湿潤状態
   判定過程と、 前記湿潤状態判定過程で湿潤が不十分と判定したとき、
   燃料電池の出力を制限する出力制限過程と、 を備えたことを特徴とする燃料電池の運転方法。