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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023074538
(43)【公開日】2023-05-30
(54)【発明の名称】燃料電池の湿度管理方法および装置
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04119 20160101AFI20230523BHJP
H01M 8/04492 20160101ALI20230523BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20230523BHJP
H01M 8/04828 20160101ALI20230523BHJP
H01M 8/0432 20160101ALI20230523BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20230523BHJP
H01M 8/04302 20160101ALI20230523BHJP
H01M 8/04858 20160101ALI20230523BHJP
H01M 8/04291 20160101ALI20230523BHJP
B60L 58/30 20190101ALI20230523BHJP
B60L 58/40 20190101ALI20230523BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04119
H01M8/04492
H01M8/04537
H01M8/04828
H01M8/0432
H01M8/00 Z
H01M8/04302
H01M8/04858
H01M8/04291
B60L58/30
B60L58/40
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021187481
(22)【出願日】2021-11-18
(71)【出願人】
【識別番号】000006286
【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100089875
【弁理士】
【氏名又は名称】野田 茂
(72)【発明者】
【氏名】竹井 力
(72)【発明者】
【氏名】水下 佳紀
(72)【発明者】
【氏名】山浦 潔
【テーマコード（参考）】
5H125
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H125AA01
5H125AC07
5H125AC12
5H125BD06
5H125EE27
5H125EE35
5H125EE36
5H125EE37
5H127AB04
5H127AB29
5H127AC10
5H127AC11
5H127BA02
5H127BA22
5H127BA28
5H127BA57
5H127BA59
5H127BA60
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB32
5H127BB37
5H127CC01
5H127DB47
5H127DB48
5H127DB53
5H127DB63
5H127DB68
5H127DB99
5H127DC42
5H127DC43
(57)【要約】
【課題】燃料電池の構造を複雑化することなく高精度の湿度管理を実現できる燃料電池の湿度管理方法および装置を提供する。
【解決手段】燃料電池（１００）の湿度管理装置（２００）は、燃料電池の稼働開始時の制御電圧Ｖｘに対する電流値と燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップ（２０２）を予め格納した記憶部と、燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流Ｉを入力し、内部湿度マップを参照して実測電流に対応する内部湿度ＲＨｃを算出する湿度演算部（２０１）と、算出された内部湿度を用いて燃料電池の内部湿度を制御する湿度制御部（２０３）と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池（１００）の湿度管理装置（２００）は、燃料電池の稼働開始時の制御電圧Ｖｘに対する電流値と燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップ（２０２）を予め格納した記憶部と、燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流Ｉを入力し、内部湿度マップを参照して実測電流に対応する内部湿度ＲＨｃを算出する湿度演算部（２０１）と、算出された内部湿度を用いて燃料電池の内部湿度を制御する湿度制御部（２０３）と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池の湿度管理装置であって、
前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する電流値と前記燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップを予め格納した記憶部と、
前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流を入力し、前記内部湿度マップを参照して前記実測電流に対応する内部湿度を算出する湿度演算部と、
前記算出された内部湿度を用いて前記燃料電池の内部湿度を制御する湿度制御部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の湿度管理装置。
前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する電流値と前記燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップを予め格納した記憶部と、
前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流を入力し、前記内部湿度マップを参照して前記実測電流に対応する内部湿度を算出する湿度演算部と、
前記算出された内部湿度を用いて前記燃料電池の内部湿度を制御する湿度制御部と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の湿度管理装置。
【請求項2】
前記内部湿度マップは、前記燃料電池の作動温度をパラメータとして、前記電流値と、前記制御電圧および前記電流値から算出された抵抗値に対応する内部湿度と、を対応付けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の湿度管理装置。
【請求項3】
前記燃料電池がバッテリを充電するためのレンジエクステンダ用燃料電池であり、
前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が所定値を下回ったときに前記燃料電池を稼働させる制御部を更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の湿度管理装置。
前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が所定値を下回ったときに前記燃料電池を稼働させる制御部を更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の湿度管理装置。
【請求項4】
前記内部湿度マップにおいて複数の制御電圧を設定し、それぞれの制御電圧が前記燃料電池の発電効率および発電出力に関する異なった発電態様に対応し、
前記制御部は、前記バッテリの充電状態が高いほど高い発電効率に対応する制御電圧に、前記バッテリの充電状態が低いほど高い発電出力に対応する制御電圧に、それぞれ設定する、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の湿度管理装置。
前記制御部は、前記バッテリの充電状態が高いほど高い発電効率に対応する制御電圧に、前記バッテリの充電状態が低いほど高い発電出力に対応する制御電圧に、それぞれ設定する、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の湿度管理装置。
【請求項5】
管理ユニットによる燃料電池の湿度管理方法であって、
前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する電流値と前記燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップが記憶部に予め格納され、
前記管理ユニットが、前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流を入力し、前記内部湿度マップを参照して前記実測電流に対応する内部湿度を算出し、前記算出された内部湿度を用いて前記燃料電池の内部湿度を制御する、
ことを特徴とする燃料電池の湿度管理方法。
前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する電流値と前記燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップが記憶部に予め格納され、
前記管理ユニットが、前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流を入力し、前記内部湿度マップを参照して前記実測電流に対応する内部湿度を算出し、前記算出された内部湿度を用いて前記燃料電池の内部湿度を制御する、
ことを特徴とする燃料電池の湿度管理方法。
【請求項6】
前記内部湿度マップは、前記燃料電池の作動温度をパラメータとして、前記電流値と、前記制御電圧および前記電流値から算出された抵抗値に対応する内部湿度と、を対応付けたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の湿度管理方法。
【請求項7】
前記燃料電池がバッテリを充電するためのレンジエクステンダ用燃料電池であり、
前記管理ユニットが、前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が所定値を下回ったときに前記燃料電池を稼働させることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池の湿度管理方法。
前記管理ユニットが、前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が所定値を下回ったときに前記燃料電池を稼働させることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池の湿度管理方法。
【請求項8】
前記内部湿度マップにおいて複数の制御電圧を設定し、それぞれの制御電圧が前記燃料電池の発電効率および発電出力に関する異なった発電態様に対応し、
前記管理ユニットが、前記バッテリの充電状態が高いほど高い発電効率に対応する制御電圧に、前記バッテリの充電状態が低いほど高い発電出力に対応する制御電圧に、それぞれ設定する、ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の湿度管理方法。
前記管理ユニットが、前記バッテリの充電状態が高いほど高い発電効率に対応する制御電圧に、前記バッテリの充電状態が低いほど高い発電出力に対応する制御電圧に、それぞれ設定する、ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の湿度管理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は燃料電池の湿度管理技術に関する。
【背景技術】
【0002】
自動車や家庭用の電源として有望視されている固体高分子形燃料電池では、電解質膜を常時適切な湿度範囲に維持することが必要であり、特に乾燥状態では急激な電圧低下が発生し、発電効率や電池の寿命に影響を与えることが知られている。このような電解質膜の湿度を適切に維持するために種々の湿度管理技術が提案されている。
【0003】
たとえば特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃料電池の入口および出口ガス配管に湿度センサを設け、それらの検出湿度、燃料電池作動温度および発電電流から内部湿度を推定している。また、特許文献２に開示された燃料電池用湿度計測装置では、湿度センサを設けた特殊な基材を各セルの電極と電解質膜との間に挿入することでセル毎の電解質膜の湿度を高精度に計測している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１６－０５８２９４号公報
【特許文献2】特開２０１４－２２５４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上述した特許文献１では、入口／出口湿度、作動温度、電流等の複数の測定値から燃料電池の内部湿度を推定しているために、複雑な制御設計が必要となり、さらに直接的に内部湿度を測定していないので精度の向上が困難である。また、特許文献２では、燃料電池の各セル内に湿度センサを設けた基材を挿入するために、構造が複雑化しスタック本体の体積が増大して実用性の観点から難点がある。
【0006】
本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は燃料電池の構造を複雑化することなく高精度の湿度管理を実現できる燃料電池の湿度管理方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
前記目的を達成するため本発明の一実施の形態によれば、燃料電池の湿度管理装置であって、前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する電流値と前記燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップを予め格納した記憶部と、前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流を入力し、前記内部湿度マップを参照して前記実測電流に対応する内部湿度を算出する湿度演算部と、前記算出された内部湿度を用いて前記燃料電池の内部湿度を制御する湿度制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記内部湿度マップは、前記燃料電池の作動温度をパラメータとして、前記電流値と、前記制御電圧および前記電流値から算出された抵抗値に対応する内部湿度と、を対応付けたことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記燃料電池がバッテリを充電するためのレンジエクステンダ用燃料電池であり、前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が所定値を下回ったときに前記燃料電池を稼働させる制御部を更に備えたことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記内部湿度マップにおいて複数の制御電圧を設定し、それぞれの制御電圧が前記燃料電池の発電効率および発電出力に関する異なった発電態様に対応し、前記制御部は、前記バッテリの充電状態が高いほど高い発電効率に対応する制御電圧に、前記バッテリの充電状態が低いほど高い発電出力に対応する制御電圧に、それぞれ設定する、ことを特徴とする。
前記目的を達成するため本発明の一実施の形態によれば、管理ユニットによる燃料電池の湿度管理方法であって、前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する電流値と前記燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップが記憶部に予め格納され、前記管理ユニットが、前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流を入力し、前記内部湿度マップを参照して前記実測電流に対応する内部湿度を算出し、前記算出された内部湿度を用いて前記燃料電池の内部湿度を制御する、ことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記内部湿度マップは、前記燃料電池の作動温度をパラメータとして、前記電流値と、前記制御電圧および前記電流値から算出された抵抗値に対応する内部湿度と、を対応付けたことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記燃料電池がバッテリを充電するためのレンジエクステンダ用燃料電池であり、前記管理ユニットが、前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が所定値を下回ったときに前記燃料電池を稼働させることを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記内部湿度マップにおいて複数の制御電圧を設定し、それぞれの制御電圧が前記燃料電池の発電効率および発電出力に関する異なった発電態様に対応し、前記管理ユニットが、前記バッテリの充電状態が高いほど高い発電効率に対応する制御電圧に、前記バッテリの充電状態が低いほど高い発電出力に対応する制御電圧に、それぞれ設定する、ことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記内部湿度マップは、前記燃料電池の作動温度をパラメータとして、前記電流値と、前記制御電圧および前記電流値から算出された抵抗値に対応する内部湿度と、を対応付けたことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記燃料電池がバッテリを充電するためのレンジエクステンダ用燃料電池であり、前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が所定値を下回ったときに前記燃料電池を稼働させる制御部を更に備えたことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記内部湿度マップにおいて複数の制御電圧を設定し、それぞれの制御電圧が前記燃料電池の発電効率および発電出力に関する異なった発電態様に対応し、前記制御部は、前記バッテリの充電状態が高いほど高い発電効率に対応する制御電圧に、前記バッテリの充電状態が低いほど高い発電出力に対応する制御電圧に、それぞれ設定する、ことを特徴とする。
前記目的を達成するため本発明の一実施の形態によれば、管理ユニットによる燃料電池の湿度管理方法であって、前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する電流値と前記燃料電池の内部湿度とを対応づけた内部湿度マップが記憶部に予め格納され、前記管理ユニットが、前記燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流を入力し、前記内部湿度マップを参照して前記実測電流に対応する内部湿度を算出し、前記算出された内部湿度を用いて前記燃料電池の内部湿度を制御する、ことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記内部湿度マップは、前記燃料電池の作動温度をパラメータとして、前記電流値と、前記制御電圧および前記電流値から算出された抵抗値に対応する内部湿度と、を対応付けたことを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記燃料電池がバッテリを充電するためのレンジエクステンダ用燃料電池であり、前記管理ユニットが、前記バッテリの充電状態（ＳＯＣ）が所定値を下回ったときに前記燃料電池を稼働させることを特徴とする。
また、本発明の一実施の形態によれば、前記内部湿度マップにおいて複数の制御電圧を設定し、それぞれの制御電圧が前記燃料電池の発電効率および発電出力に関する異なった発電態様に対応し、前記管理ユニットが、前記バッテリの充電状態が高いほど高い発電効率に対応する制御電圧に、前記バッテリの充電状態が低いほど高い発電出力に対応する制御電圧に、それぞれ設定する、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明の一実施の形態によれば、燃料電池の稼働開始時の制御電圧に対する実測電流から内部湿度マップを参照して内部湿度を算出し湿度管理を行うので、燃料電池内部湿度を簡便かつ精度良く管理することができ、燃料電池の構造を複雑化することなく高精度の湿度管理が可能となる。
【0009】
また、稼働開始時の制御電圧に対する実測電流から燃料電池の抵抗を算出できるので、一般的な交流インピーダンス測定による抵抗算出方法のように発電電流の一部を消費する必要がなく水素燃費を向上させることができる。さらに電圧制御を採用することで、低湿度環境における過大な電流制御による転極を回避でき、燃料電池の品質保証を高めることができる。
【0010】
また、燃料電池内部が乾燥状態に晒される可能性が高くなるレンジエクステンダ用燃料電池に適用することで、燃料電池の内部湿度を高感度で高精度に把握することができ、システムの信頼性を向上させることができる。
【0011】
また、バッテリの充電状態に応じて発電効率および発電出力が異なる制御電圧に設定することで、燃料電池をバッテリの充電量に適した発電態様に設定できる。たとえば、バッテリが高い充電状態にあれば高効率発電に設定することでバッテリの材料劣化を抑制することができる。また、低い充電状態にあれば高出力発電に設定することで充電時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の一実施形態による燃料電池の管理装置の概略的構成を示すブロック図である。
【図2】本実施形態による管理装置に用いられる内部湿度マップの一例を示す図である。
【図3】本実施形態による管理装置における燃料電池の電流に対する効率および電圧の変化の一例を示すグラフである。
【図4】本実施形態による管理装置における燃料電池稼働時のセル電流（Ａ）、電圧（Ｂ）および抵抗値（Ｃ）の変化の一例を示すグラフである。
【図5】本実施形態による管理装置における燃料電池の電流－抵抗特性を示すグラフである。
【図6】本実施形態による管理装置の動作を示すフローチャートである。
【図7】本発明の一実施例による管理装置を搭載した燃料電池車両の概略的構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に記載する機能および構成ならびに各種数値は本発明の構成および動作を説明するための一例であり、本発明をこれらに限定するものではない。
【0014】
本実施形態の制御対象である燃料電池は複数のセルが積層されたスタック構成を有し、水素ガスおよび空気（酸素）を供給することで発生した電力を負荷へ供給することができる。燃料電池の発電電圧は個々のセル電圧の総和である。以下、１つのセルの開回路状態でのＯＣＶ(Open Circuit Voltage)を基準とし、稼働時のセル電圧および電流の変化から相対湿度を算出し湿度制御を行う方法を説明する。
【0015】
図１に例示するように、燃料電池１００は複数セルが積層された構成を有し、管理ユニット２００に本実施形態による湿度管理装置が含まれる。燃料電池１００は管理ユニット２００の制御の下で起電力を負荷１０１へ供給する。ここでは管理ユニット２００が燃料電池１００を任意の制御電圧Ｖｘ（＜ＯＣＶ）で発電するように制御する。本実施形態では、電圧検出器１０２、電流検出器１０３および温度検出器１０４が燃料電池１００の出力電圧、出力電流および作動温度をそれぞれ実測する。管理ユニット２００は、以下に述べるように、実測された電圧、電流および温度を用いて加湿器１０５を制御し、燃料電池１００の内部湿度を管理する。なお図１では燃料電池１００のガス供給／排出系、冷却系などは省略されている。
【0016】
管理ユニット２００は湿度演算部２０１、内部湿度マップ２０２および湿度制御部２０３の他に、図示されていないが負荷１０１等の制御を行う機能も有する。本実施形態による管理ユニット２００はＣＰＵ(Central Processing Unit)等のプロセッサ上でコンピュータプログラムを実行することにより湿度演算部２０１および湿度制御部２０３の機能を実現可能である。ただし内部湿度マップ２０２は管理ユニット２００内の記憶部あるいは外部の記憶部に格納されても良い。なお、図１ではコンピュータプログラムを格納する記憶装置を省略している。
【0017】
湿度演算部２０１は、電流検出器１０３から燃料電池１００の電流Ｉを、温度検出器１０４から燃料電池１００の作動温度Ｔをそれぞれ入力する。湿度演算部２０１は、後述するように制御電圧Ｖｘとこれらの検出値ＩおよびＴとに基づいて内部湿度マップ２０２を参照し現在の燃料電池１００の湿度ＲＨｃを算出する。湿度制御部２０３は現在の湿度ＲＨｃと目標湿度ＲＨｔとを入力し、湿度ＲＨｃが目標湿度ＲＨｔに近づくように加湿器１０５を制御する。加湿器１０５は、管理ユニット２００の制御に従って、たとえば燃料電池１００に供給される空気の湿度を調整することで燃料電池１００の湿度を変化させる。
【0018】
図２に例示するように、内部湿度マップ２０２には、燃料電池１００の作動温度Ｔをパラメータ（Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔｎ）として、稼働時の検出電流Ｉｙおよび制御電圧Ｖｘの組合せと抵抗Ｒ（Ω）／相対湿度（％ＲＨ）との対応が予め設定されている。抵抗ＲはＶｘ／Ｉｙにより計算されるが、電気抵抗変化形湿度計と同様の原理で抵抗Ｒの値により燃料電池の内部湿度を決定することができる。
【0019】
図２の例では制御電圧Ｖｘが３段階（０．６Ｖ、０．７Ｖ，０．８Ｖ）に、検出電流Ｉｙが４つの電流範囲（１０ｍＡ未満、５０ｍＡ未満、１００ｍＡ未満、１００ｍＡ以上）にそれぞれ設定されているが、これは一例であり任意の段階に設定可能である。
【0020】
図２の例において、作動温度Ｔ１で燃料電池１００が高出力発電（ここでは制御電圧Ｖｘ＝０．６Ｖ）に設定された場合、稼働時の検出電流Ｉｙが１０ｍＡ未満の第１範囲内にあれば抵抗Ｒ１および相対湿度ａ（％ＲＨ）、Ｉｙが１０ｍＡ以上５０ｍＡ未満の第２範囲内にあれば抵抗Ｒ２および相対湿度ｂ（％ＲＨ）、Ｉｙが５０ｍＡ以上１０００ｍＡ未満の第３範囲内にあれば抵抗Ｒ３および相対湿度ｃ（％ＲＨ）、Ｉｙが１００ｍＡ以上の第４範囲内にあれば抵抗Ｒ４および相対湿度ｄ（％ＲＨ）というように抵抗／湿度を決定できる。
【0021】
燃料電池１００が高効率発電（ここでは制御電圧Ｖｘ＝０．８Ｖ）に設定された場合、稼働時の検出電流Ｉｙが１０ｍＡ未満の第１範囲内にあれば抵抗Ｒ９および相対湿度ｉ（％ＲＨ）、Ｉｙが１０ｍＡ以上５０ｍＡ未満の第２範囲内にあれば抵抗Ｒ１０および相対湿度ｊ（％ＲＨ）・・・というように抵抗／湿度を決定できる。同様に、燃料電池１００が通常発電（ここでは制御電圧Ｖｘ＝０．７Ｖ）に設定された場合も内部湿度マップ２０２を参照することで稼働時の検出電流Ｉｙにより抵抗／湿度を決定できる。
【0022】
図２の例では内部湿度マップ２０２の制御電圧Ｖｘが高効率発電（Ｖｘ＝０．８Ｖ）、通常発電（Ｖｘ＝０．７Ｖ）および高出力発電（Ｖｘ＝０．６Ｖ）の３段階に区分されているが、これは燃料電池セルの効率／出力が電流／電圧によって以下のように変化するからである。
【0023】
図３に例示するように、燃料電池のセル電圧Ｖは電流Ｉが増加するに従って低下する（電圧曲線Ｃｖ）。また燃料電池の効率は電流Ｉに従って効率曲線ＣＥのように変化し、ピーク値を有する。したがって高効率発電が必要であれば、セル電圧Ｖを効率曲線ＣＥのピーク領域（ここでは制御電圧Ｖｘ＝０．８Ｖ）に設定し、高出力発電が必要であれば、効率が比較的低下しない領域で電流Ｉが大きくなるセル電圧Ｖ（ここでは制御電圧Ｖｘ＝０．６Ｖ）に設定し、通常発電でよければ、その間にあるセル電圧Ｖ（ここでは制御電圧Ｖｘ＝０．７Ｖ）に設定する。
【0024】
また図２の内部湿度マップ２０２における検出電流Ｉｙおよび制御電圧Ｖｘと、それらから計算される抵抗Ｒについては以下の通りである。
【0025】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、燃料電池１００の各セルは開回路状態で電流Ｉ＝０、電圧Ｖ＝ＯＣＶである。この状態から時点ｔ０で燃料電池１００が稼働し、電流が流れ始めたとする。時点ｔ０直後の電流Ｉと内部抵抗によるＩＲドロップによりセル電圧はＯＣＶから制御電圧Ｖｘまで低下する。時点ｔ０の稼働開始時にセル電流Ｉが上昇する電流値がＩｙであり、その時に制御されるセル電圧がＶｘである。上述したように、この電流値Ｉｙが内部湿度マップ２０２のどのレベルにあるかによって抵抗Ｒ／相対湿度を決定することができる。
【0026】
図４（Ｃ）に示すように、燃料電池セルの抵抗ＲはＶ／Ｉにより計算されるから、時点ｔ０でセル電圧Ｖが制御電圧Ｖｘに設定され、セル電流ＩがＩｙまで上昇すると、抵抗ＲはＶｘ／Ｉｙにより計算される。それに対応する相対湿度は内部湿度マップ２０２を参照することで決定される。したがって稼働開始時ｔ０で電流Ｉの上昇速度および上昇幅、すなわち抵抗Ｒの低下速度および低下幅ΔＲが大きいほど感度が高く高精度の湿度演算が可能となる。燃料電池の特性として、このような応答速度および応答幅が大きいことが望ましい。
【0027】
図４（Ｃ）に実線と破線の曲線で示すように、本実施形態で使用される燃料電池１００は電極にセラミックス触媒を採用することで、カーボン触媒を採用したものと比べて稼働開始時の抵抗Ｒの応答速度および低下幅ΔＲを大きくすることができる。カーボン触媒の場合は、生成水が燃料電池材料に含水して抵抗が低下するまで時間を要するために応答速度が遅くなる。これに対してセラミックス触媒を用いた燃料電池では半導体原理を応用しているために応答速度が速くなり、特に相対湿度が低い状態で抵抗の低下速度および低下幅ΔＲが大きくなる。これにより特に乾燥状態において高感度で高精度の湿度演算が可能となる。セラミックス触媒の場合の電流－抵抗特性を図５に示す。
【0028】
図５において、相対湿度が２０％ＲＨ、５０％ＲＨ、１００％ＲＨと上昇するに従って、それぞれの抵抗低下幅Δ（２０％ＲＨ）、Δ（５０％ＲＨ）、Δ（１００％ＲＨ）は減少する。したがって乾燥状態になるほど抵抗の低下速度および低下幅ΔＲが大きくなり、高感度で高精度の抵抗／湿度の演算が可能となる。
【0029】
管理ユニット２００は、上述した内部湿度マップ２０２を参照しながら燃料電池１００を次のように制御する。内部湿度マップ２０２には図２に例示する対応データが格納されているものとする。
【0030】
図６において、管理ユニット２００は燃料電池１００を稼働するか否かを判定する（ステップ３０１）。たとえば負荷１０１に電力を供給する必要が発生した時に稼働判定が行われる。燃料電池１００を稼働しない場合（ステップ３０１のＮＯ）、以下の処理は実行されない。稼働する場合（ステップ３０１のＹＥＳ）、管理ユニット２００は負荷１０１に必要な発電出力に対応した制御電圧Ｖｘで燃料電池１００を発電させ、その発電直後の電圧降下時に生じた電流Ｉと温度Ｔを入力する（ステップ３０２）。
【0031】
管理ユニット２００の湿度演算部２０１は、稼働直後の制御電圧Ｖｘ、電流Ｉおよび温度Ｔを用いて内部湿度マップ２０２を参照し、現在の燃料電池１００の相対湿度ＲＨｃを算出する（ステップ３０３）。上述したように、図２に例示する内部湿度マップ２０２を用いれば、たとえば検出温度Ｔ１で制御電圧Ｖｘ＝０．６Ｖの場合、稼働直後の検出電流Ｉｙが１０ｍＡ未満の第１範囲内にあれば相対湿度ａ（％ＲＨ）、１０ｍＡ以上５０ｍＡ未満の第２範囲内にあれば相対湿度ｂ（％ＲＨ）・・・というように相対湿度が決定できる。
【0032】
管理ユニット２００の湿度制御部２０３は算出された相対湿度ＲＨｃと目標湿度ＲＨｔとを入力し、湿度ＲＨｃが目標湿度ＲＨｔに近づくように加湿器１０５を制御する（ステップ３０４）。目標湿度ＲＨｔは燃料電池１００から負荷１０１へ供給されるべき目標電力に対応した相対湿度である。管理ユニット２００は、燃料電池１００の必要出力とそれに適した相対湿度範囲との対応マップを予め保持している。
【0033】
上述したように本実施形態によれば、燃料電池を所定の制御電圧Ｖｘで稼働させたとき、その稼働直後の検出電流Ｉから抵抗Ｒを算出し、内部湿度マップ２０２を参照して相対湿度を求めることができる。すなわち燃料電池発電時における電圧制御ＩＲドロップから得られた検出電流から抵抗値および湿度演算することで、燃料電池内部湿度を簡便かつ精度良く管理することができる。したがって燃料電池の構造を複雑化することなく高精度の湿度管理が可能となる。
【0034】
また、稼働直後の検出電流Ｉから抵抗Ｒを算出できるので、一般的な交流インピーダンス測定による抵抗算出方法のように発電電流の一部を消費する必要がなく水素燃費を向上させることができる。さらに電圧制御を採用することで、低湿度環境における過大な電流制御による転極を回避でき、燃料電池の品質保証を高めることができる。
【0035】
また、セラミックス触媒は燃料電池内部の湿度が低下するに従って抵抗が増加する固有特性を有し、これによりカーボン触媒に比べて応答性、特に低湿度環境での応答性を高めることができる。本実施形態ではセラミックス触媒を採用した燃料電池１００を用い、この固有特性を利用して内部湿度マップ２０２を設定する。したがって、カーボン触媒を採用したものより精度のよい内部湿度マップを定義することが可能となる。
【0036】
上述した実施形態において、燃料電池１００の負荷１０１は駆動モータのような動力源でもよいし駆動モータに電力を供給するバッテリであってもよい。ただし、本実施形態による湿度管理はバッテリの充電に特化したレンジエクステンダ用燃料電池に適用することが望ましい。なぜならばレンジエクステンダ用燃料電池の場合、ユーザの使用環境によっては燃料電池の稼働頻度が少なくなるため、燃料電池内部が乾燥状態、すなわち低湿度状態に晒される可能性が高くなる。したがって、特にレンジエクステンダ用燃料電池の場合、燃料電池の内部湿度を把握することがシステムの信頼性向上に極めて重要となるからである。またレンジエクステンダ用燃料電池は充電に特化しているため、要求駆動出力に依存せず本実施形態による湿度制御が可能となることも利点である。
【0037】
以下、本発明の一実施例による湿度管理装置を燃料電池自動車のレンジエクステンダ用燃料電池に適用した場合について詳細に説明する。なお、図１と同様の機能を有する部材には同一参照番号を付して説明は簡略化する。
【0038】
図７に例示するように、燃料電池１００が搭載された燃料電池自動車では、燃料電池１００からの電力をＤＣ－ＤＣコンバータ４０１を通して駆動用バッテリ４０２へ供給することができ、駆動用バッテリ４０２からの電力をＤＣ－ＤＣコンバータ４０１およびインバータ４０３を通してモータ４０４へ供給してモータ４０４を駆動することができる。
【0039】
本実施例によれば、駆動用バッテリ４０２を充電する場合、あるいは駆動用バッテリ４０２からモータ４０４に供給する電力が不足する場合（モータ４０４の出力が不足する場合）に燃料電池１００が稼働される。上述したように、燃料電池１００が稼働すると、必要な発電態様（高出力、通常あるいは高効率）に対応した制御電圧Ｖｘで発電し駆動用バッテリ４０が充電される。その稼働直後の電流Ｉと作動温度Ｔとがそれぞれ電流検出器１０３および温度検出器１０４により検出され、これらの検出値を用いて管理ユニット２００が上述した湿度管理を行う。
【0040】
水素タンク５０１は水素（燃料ガス）を供給可能な供給源であり、元弁５０２および減圧弁５０３により燃料電池１００への水素供給／停止および水素供給量の調整が可能である。空気圧縮機５０４は燃料電池１００へ空気（酸化ガス）を供給可能な供給源であるが、走行時には自然吸気も可能である。空気圧縮機５０４は、たとえば大気から導入される無加湿の空気を圧縮し、加湿器１０５を通して燃料電池１００へ供給する。既に述べたように、加湿器１０５による空気の加湿は管理ユニット２００により制御される。
【0041】
水素再循環ポンプ５０５は燃料電池１００から排出された水素を再循環させ、ラジエータ５０６は燃料電池１００の放熱に利用される。
【0042】
管理ユニット２００は燃料電池自動車のＥＣＵ(Electronic Control Unit)に実装され、燃料電池１００が制御電圧Ｖｘで稼働を開始すると、稼働直後の電流Ｉと作動温度Ｔとを用いて相対湿度を算出し、算出された現在の湿度が目標湿度となるように加湿器１０５を制御する。その他、管理ユニット２００はモータ４０４の出力および駆動用バッテリ４０２の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を入力し、上述した湿度制御を実行し、またＤＣ－ＤＣコンバータ４０１、インバータ４０３、モータ４０４、元弁５０２、減圧弁５０３、空気圧縮機５０４、水素再循環ポンプ５０５およびラジエータ５０６を制御する。
【0043】
以下、上述した燃料電池自動車のレンジエクステンダ用燃料電池を一例として、本実施例による管理ユニット２００の湿度管理方法について詳細に説明する。
【0044】
図８を参照すると、管理ユニット２００は、モータ４０４に要求される駆動力に必要な出力がバッテリ最大出力より大きいか否かを判断し（ステップ６０１）、要求出力がバッテリ最大出力以下であれば（ステップ６０１のＮＯ）、駆動用バッテリ４０２の現在のＳＯＣが所定ＳＯＣより大きいか否かを判断する（ステップ６０２）。現在のＳＯＣが所定ＳＯＣより大きい場合（ステップ６０２のＹＥＳ）、現在の駆動用バッテリ４０２で要求出力に十分対応できるために燃料電池１００は稼働しない。所定ＳＯＣは燃料電池稼働の要否を判断する閾値であり、ここでは一例として所定ＳＯＣを９０％として説明する。
【0045】
現在のＳＯＣが所定ＳＯＣ以下（ステップ６０２のＮＯ）あるいは要求出力がバッテリ最大出力より大きい場合（ステップ６０１のＹＥＳ）、管理ユニット２００は、要求出力とバッテリ最大出力との差あるいは現在のＳＯＣの値に応じて燃料電池発電出力を制御することができる（ステップ６０３～６０６）。たとえば上記所定ＳＯＣ（ここでは９０％）より低い複数の閾値ＳＯＣを用意し、これらの閾値ＳＯＣと現在のＳＯＣとを比較することで現在のＳＯＣに応じた発電制御を行うことができる。
【0046】
本実施例では、上述した実施形態の内部湿度マップ２０２の発電態様と整合するように、上記所定ＳＯＣ（ここでは９０％）より低い２つの異なる閾値ＳＯＣを用意する。以下、一例として第１の閾値ＳＯＣを８０％、第２の閾値ＳＯＣを３０％として説明する。
【0047】
駆動用バッテリ４０２のＳＯＣが第１の閾値ＳＯＣ（８０％）以上であれば、管理ユニット２００は駆動用バッテリ４０２が高ＳＯＣ状態であると判定し、駆動用バッテリ４０２の材料劣化を抑制するために制御電圧Ｖｘ＝０．８Ｖの高効率発電に設定する（ステップ６０４）。
【0048】
駆動用バッテリ４０２のＳＯＣが第１の閾値ＳＯＣ（８０％）未満かつ第２の閾値ＳＯＣ（３０％）以上であれば、管理ユニット２００は駆動用バッテリ４０２が標準ＳＯＣ状態であると判定し、比較的高い効率となる制御電圧Ｖｘ＝０．７Ｖの通常発電に設定する（ステップ６０５）。
【0049】
駆動用バッテリ４０２のＳＯＣが第２の閾値ＳＯＣ（３０％）未満であれば、管理ユニット２００は駆動用バッテリ４０２が低ＳＯＣ状態であると判定し、充電時間を短縮するために制御電圧Ｖｘ＝０．６Ｖの高出力発電に設定する（ステップ６０６）。
【0050】
以上のように制御電圧Ｖｘが設定され発電が開始すると、管理ユニット２００は電流検出器１０３から電流Ｉの実測値を入力し（ステップ６０７）、さらに温度検出器１０４から作動温度Ｔの実測値を入力する（ステップ６０８）。管理ユニット２００は、制御電圧Ｖｘで実測された稼働直後の電流Ｉおよび作動温度Ｔを用いて内部湿度マップ２０２を参照し、上述したように抵抗Ｒ／相対湿度ＲＨｃを算出する（ステップ６０９）。
【0051】
続いて管理ユニット２００は、燃料電池１００の必要出力とそれに対応した相対湿度範囲との対応マップを参照し、算出された現在の相対湿度ＲＨｃの対応値が燃料電池発電出力未満か否かを判断する（ステップ６１０）。燃料電池発電出力未満であれば（ステップ６１０のＹＥＳ）、管理ユニット２００は加湿器１０５を制御して相対湿度が目標値ＲＨｔとなるように加湿を行う（ステップ６１１）。現在の相対湿度ＲＨｃの対応値が燃料電池発電出力以上であれば（ステップ６１０のＮＯ）、加湿は実行されない。
【0052】
上述したように本実施例による湿度管理は、燃料電池内部が乾燥状態に晒される可能性が高くなるレンジエクステンダ用燃料電池に適用されるので、燃料電池の内部湿度を高感度で高精度に把握してシステムの信頼性をより向上させることができる。
【0053】
また、本実施例によれば、燃料電池を所定の制御電圧Ｖｘで稼働させたとき、その稼働直後の検出電流Ｉから抵抗Ｒを算出し、内部湿度マップ２０２を参照して相対湿度を求めることができる。したがって燃料電池の電圧および電流を実測することで燃料電池の内部抵抗を求めることができ、燃料電池の構造を複雑化することなく高精度の湿度管理が可能となる。
【0054】
さらに燃料電池１００にセラミックス触媒を採用することで、カーボン触媒に比べて応答性、特に低湿度環境での応答性を高めることができ、より精度のよい内部湿度マップ２０２を定義することが可能となる。また電圧制御を採用することで、低湿度環境における過大な電流制御による転極を回避でき燃料電池の品質保証を向上可能である。
【符号の説明】
【0055】
１００ 燃料電池
１０１ 負荷
１０２ 電圧検出器
１０３ 電流検出器
１０４ 温度検出器
１０５ 加湿器
２００ 管理ユニット
２０１ 湿度演算部
２０２ 内部湿度マップ
２０３ 湿度制御部
１０１ 負荷
１０２ 電圧検出器
１０３ 電流検出器
１０４ 温度検出器
１０５ 加湿器
２００ 管理ユニット
２０１ 湿度演算部
２０２ 内部湿度マップ
２０３ 湿度制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】