特許 7405623 燃料電池システムおよびその排気湿度推定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-18

(45)【発行日】2023-12-26

(54)【発明の名称】燃料電池システムおよびその排気湿度推定方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04492 20160101AFI20231219BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20231219BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20231219BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20231219BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231219BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04492

H01M8/04 Z

H01M8/0438

H01M8/0432

H01M8/10 101

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020004839

(22)【出願日】2020-01-16

(65)【公開番号】P2021111599

(43)【公開日】2021-08-02

【審査請求日】2022-12-06

(73)【特許権者】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110000419

【氏名又は名称】弁理士法人太田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】布川 拓未

【審査官】笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－２２２８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０２７６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０７４５８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２５４７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４４９２

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／０４３８

Ｈ０１Ｍ ８／０４３２

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸素と水素の反応により発電する燃料電池システムであって、
燃料電池の吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１と、前記燃料電池の排気側空気における質量流量値ＷＦ_２をそれぞれ計測する質量流量値計測手段と、
前記燃料電池において消費した消費酸素の質量流量値Ｏｗを取得する消費酸素の質量流量値取得手段と、
前記排気側空気における温度値Ｔｏｕｔを取得する排気温度取得手段と、
前記排気側空気における湿度Ｈｏｕｔを推定する排気湿度推定手段と、を含み、
前記排気湿度推定手段は、
前記燃料電池システムの前記吸気側空気における質量流量値ＷＦ _１ と前記排気側空気における質量流量値ＷＦ _２ の差と、前記消費酸素の質量流量値と、に基づいて、前記排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定する、燃料電池システム。

【請求項2】

前記排気湿度推定手段は、
前記ＷＦ_２－（前記ＷＦ_１－前記Ｏｗ）の式に基づいて前記排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔを算出し、前記Ｔｏｕｔに対応した前記排気側空気の飽和水蒸気量に対する、算出した前記水蒸気の流量ＷＶｏｕｔの比に基づいて、前記排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定する、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池の温度を取得する電池温度取得手段をさらに含み、
前記排気湿度推定手段は、前記電池温度取得手段で取得した前記温度に基づいて、前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量を決定する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記吸気側空気における水蒸気量を計測する吸気側湿度計測手段をさらに含み、
前記排気湿度推定手段は、前記吸気側湿度計測手段で計測した湿度に基づいて、前記質量流量値ＷＦ_１から前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量を減算する、請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料電池の吸気側に配置されて前記質量流量値ＷＦ_１を計測する第１質量流量センサと、前記燃料電池の排気側に配置されて前記質量流量値ＷＦ_２を計測する第２質量流量センサと、を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

燃料電池の排気側空気における湿度を推定する燃料電池システムの排気湿度推定方法であって、
前記燃料電池の吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１と、前記燃料電池の排気側空気における質量流量値ＷＦ_２をそれぞれ取得する質量流量値取得工程と、
前記燃料電池において消費した消費酸素の質量流量値Ｏｗを取得する消費酸素の質量流量値取得工程と、
前記排気側空気における温度値Ｔｏｕｔを取得する排気温度取得工程と、
前記燃料電池システムの前記吸気側空気における質量流量値ＷＦ _１ と前記排気側空気における質量流量値ＷＦ _２ の差と、前記消費酸素の質量流量値と、に基づいて、前記排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定する排気側湿度推定工程と、
を有する排気湿度推定方法。

【請求項7】

前記排気側湿度推定工程では、
前記質量流量値ＷＦ_２－（前記質量流量値ＷＦ_１－前記消費酸素の質量流量値Ｏｗ）によって前記排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔを算出し、前記Ｔｏｕｔに対応した前記排気側空気の飽和水蒸気量に対する、算出した前記水蒸気の流量ＷＶｏｕｔの比に基づいて、前記排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定する、請求項６に記載の排気湿度推定方法。

【請求項8】

前記燃料電池の温度を取得する電池温度取得工程をさらに有し、
前記取得した温度に基づいて、前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量が決定される、請求項６又は７に記載の排気湿度推定方法。

【請求項9】

前記吸気側空気における水蒸気量を計測する吸気側湿度計測工程をさらに有し、
前記計測した水蒸気量に基づいて、前記質量流量値ＷＦ_１から前記吸気側空気に含有される水蒸気量が減算される、請求項６～８のいずれか一項に記載の排気湿度推定方法。

【請求項10】

前記燃料電池の吸気側に配置された第１質量流量センサと、前記燃料電池の排気側に配置された第２質量流量センサと、を用いて、前記質量流量値ＷＦ_１および前記質量流量値ＷＦ_２がそれぞれ計測される、請求項６～９のいずれか一項に記載の排気湿度推定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば車両などに適用される燃料電池システムに関し、より具体的には簡易な手法で精度良く排気湿度を推定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

現代社会において移動手段として例えば自動車は不可欠であり、日常において様々な車両が路上を移動している。近年では、鉛蓄電池やリチウムイオン電池に対して代替可能な新たな電池として、環境に対する負荷が比較的小さい燃料電池が注目されてきている。

【0003】

かような燃料電池においては、一方の電極（燃料極）に対して水素を供給するとともに、他方の電極（空気極）に対して酸素を供給し、これらが反応することで電気エネルギーを得ている。ここで燃料電池には固体電解質が用いられており、この固体電解質に対する水分管理が重要となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００８－３０５７００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述した各特許文献に限らず現在の技術では市場のニーズを適切に満たしているとは言えず以下に述べる課題が存在する。
例えば上記した特許文献１では、燃料電池の入口付近に配置された加湿器近傍の温度と、燃料電池内の温度によって、この燃料電池の吸気（エア供給路）を流れる空気の湿度を推定することで発電性能を確保している。

【0006】

しかしながら燃料電池出口側のエア湿度は発電に伴って発生する水分を含有するため、燃料電池のエア供給路側とエア排出路側とでは異なる湿度の値となることが予想される。そして燃料電池の状態管理におけるキーファクターは電解質の水分管理でもあるため、この電解質を通過した排気経路の湿度を用いるほうがよい場合もあり得る。

【0007】

本発明は、上記した課題を一例に鑑みて為されたものであり、燃料電池の状態管理に有用な排気湿度を簡易な構成で取得可能な燃料電池システムおよびその排気湿度の推定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】

【0008】

上記課題を解決するために、本発明の一実施形態における燃料電池システムは、（１）酸素と水素の反応により発電する燃料電池システムであって、燃料電池の吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１と、前記燃料電池の排気側空気における質量流量値ＷＦ_２をそれぞれ計測する質量流量値計測手段と、前記燃料電池において消費した消費酸素の質量流量値Ｏｗを取得する消費酸素の質量流量値取得手段と、前記排気側空気における温度値Ｔｏｕｔを取得する排気温度取得手段と、前記排気側空気における湿度Ｈｏｕｔを推定する排気湿度推定手段と、を含み、前記排気湿度推定手段は、前記燃料電池システムの前記吸気側空気における質量流量値ＷＦ _１ と前記排気側空気における質量流量値ＷＦ _２ の差と、前記消費酸素の質量流量値と、に基づいて、前記排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定する。

【0009】

なお、上記した（１）に記載の燃料電池システムにおいては、（２）前記排気湿度推定手段は、前記ＷＦ_２－（前記ＷＦ_１－前記Ｏｗ）の式に基づいて前記排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔを算出し、前記Ｔｏｕｔに対応した前記排気側空気の飽和水蒸気量に対する、算出した前記水蒸気の流量ＷＶｏｕｔの比に基づいて、前記排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定することが好ましい。

【0010】

また、上記した（１）又は（２）に記載の燃料電池システムにおいては、（３）前記燃料電池の温度を取得する電池温度取得手段をさらに含み、前記排気湿度推定手段は、前記電池温度取得手段で取得した前記温度に基づいて、前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量を決定することが好ましい。

【0011】

また、上記した（１）～（３）のいずれかに記載の燃料電池システムにおいては、（４）前記吸気側空気における水蒸気量を計測する吸気側湿度計測手段をさらに含み、前記排気湿度推定手段は、前記吸気側湿度計測手段で計測した湿度に基づいて、前記質量流量値ＷＦ_１から前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量を減算することが好ましい。

【0012】

また、上記した（１）～（４）のいずれかに記載の燃料電池システムにおいては、（５）前記燃料電池の吸気側に配置されて前記質量流量値ＷＦ_１を計測する第１質量流量センサと、前記燃料電池の排気側に配置されて前記質量流量値ＷＦ_２を計測する第２質量流量センサと、を含むことが好ましい。

【0013】

また、上記課題を解決するため、本発明の一実施形態における燃料電池システムの排気湿度推定方法は、（６）燃料電池の排気側空気における湿度を推定する燃料電池システムの排気湿度推定方法であって、前記燃料電池の吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１と、前記燃料電池の排気側空気における質量流量値ＷＦ_２をそれぞれ取得する質量流量値取得工程と、前記燃料電池において消費した消費酸素の質量流量値Ｏｗを取得する消費酸素の質量流量値取得工程と、前記排気側空気における温度値Ｔｏｕｔを取得する排気温度取得工程と、前記燃料電池システムの前記吸気側空気における質量流量値ＷＦ _１ と前記排気側空気における質量流量値ＷＦ _２ の差と、前記消費酸素の質量流量値と、に基づいて、前記排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定する排気側湿度推定工程と、を有する。

【0014】

また、上記した（６）に記載の排気湿度推定方法においては、（７）前記排気側湿度推定工程では、前記質量流量値ＷＦ_２－（前記質量流量値ＷＦ_１－前記消費酸素の質量流量値Ｏｗ）によって前記排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔを算出し、前記Ｔｏｕｔに対応した前記排気側空気の飽和水蒸気量に対する、算出した前記水蒸気の流量ＷＶｏｕｔの比に基づいて、前記排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定することが好ましい。

【0015】

また、上記した（６）又は（７）に記載の排気湿度推定方法においては、（８）前記燃料電池の温度を取得する電池温度取得工程をさらに有し、前記取得した温度に基づいて、前記吸気側空気に含有される水蒸気の流量が決定されることが好ましい。

【0016】

また、上記した（６）～（８）のいずれかに記載の排気湿度推定方法においては、（９）前記吸気側空気における水蒸気量を計測する吸気側湿度計測工程をさらに有し、前記計測した水蒸気量に基づいて、前記質量流量値ＷＦ_１から前記吸気側空気に含有される水蒸気量が減算されることが好ましい。

【0017】

また、上記した（６）～（９）のいずれかに記載の排気湿度推定方法においては、（１０）前記燃料電池の吸気側に配置された第１質量流量センサと、前記燃料電池の排気側に配置された第２質量流量センサと、を用いて、前記質量流量値ＷＦ_１および前記質量流量値ＷＦ_２がそれぞれ計測されることが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、排気側空気の湿度を簡易な構成で取得することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】一実施形態に係る燃料電池システムの全体ブロック図である。

【図2】一実施形態に係る制御装置（ＥＣＵ）のブロック図である。

【図3】一実施形態に係る排気湿度推定方法を示すフローチャートである。

【図4】図３のフローチャートのうち湿度推定の一例を示すフローチャートである。

【図5】図３のフローチャートのうち湿度推定の他の例を示すフローチャートである。

【図6】他の実施形態に係る燃料電池システムの全体ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

次に本発明を実施するための好適な実施形態について説明する。また、以下で詳述する以外の構成については、上記した特許文献を含む公知の燃料電池システムに関する要素技術や構成を適宜補完してもよい。

【0021】

＜燃料電池システム１００＞
まず本発明の好適な実施形態における係る燃料電池システム１００の構成について、図１を参照しながら説明する。本実施形態における燃料電池システム１００は、例えば燃料電池自動車（ＦＣＶ）に搭載される。以下では燃料電池システム１００の適用例としてＦＣＶの場合を説明するが、本発明はＦＣＶに限られず、住宅設備などの定置型電池システムや航空機などの移動型電池システムにも好適である。

【0022】

ＦＣＶに搭載される燃料電池システム１００は、車両の各部位を制御する制御装置１０（ＥＣＵ）と、この制御装置１０に制御される燃料電池２０と、この燃料電池２０にアノードガスおよびカソードガスを供給するガス供給系３０と、を含んで構成されている。
このうち本実施形態のガス供給系３０は、燃料電池２０のカソード電極側に空気（エア）を供給するカソードガス供給手段としてのエアフィルタ３１、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク３３などを含んで構成されている。

【0023】

図１に示すとおり、エアフィルタ３１を介して車外から取り込まれたエアは、コンプレッサ３２によって圧縮されて空気供給経路を介して燃料電池２０の酸素極２１（空気極）に送られる。このとき、公知の加湿装置（不図示）によって加湿されることが好ましい。そして燃料電池２０内の電気化学反応で酸素が消費された後は、空気圧調整弁１８ａで圧力が調整されつつ排気経路を通ってシステム外へ排気される。

【0024】

なお酸素極２１に供給されるエアの圧力は、燃料電池２０における酸素極２１の入口付近に設けられた公知の空圧計（不図示）によって検出されており、この検出された空圧が所定圧力となるように空気圧調整弁１８ａが制御装置１０によって制御される。
また、燃料電池２０に供給されるエアへの加湿態様としては、排気した空気中の水分を再利用する水蒸気交換膜を用いる態様や、純水などの水分をエアに供給する膜加湿器や噴霧器など公知の種々の装置を用いてもよい。

【0025】

また、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池２０へと供給される吸気側空気（エア）の供給経路上に、この吸気側空気の質量流量を計測する質量流量値計測手段としての質量流量センサ１１ａを有している。より具体的に本実施形態においては、この質量流量センサ１１ａは、上記した供給経路上のうちコンプレッサ３２よりも上流側であって、エアフィルタ３１の下流側に設けられていることが好ましい。

【0026】

また、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池２０へと供給される吸気側空気（エア）の供給経路上に、この吸気側空気の湿度を計測する吸気側湿度計測手段としての湿度センサ１５ａを有していてもよい。なお、この湿度センサ１５ａは必須ではなく、後述する所定の条件下で適宜省略してもよい。

【0027】

一方、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池２０から排気された排気側空気（排気エア）の排気経路上に、この排気側空気の質量流量を計測する質量流量値計測手段としての質量流量センサ１１ｂを有している。より具体的に本実施形態においては、この質量流量センサ１１ｂは、上記した排気経路上のうち空気圧調整弁１８ａよりも上流側に設けられていることが好ましい。これら質量流量センサ１１ａおよび１１ｂは、コリオリ流量計や熱式質量流量計など公知の種々の質量流量センサのうちＦＣＶに好適なものを適宜適用することができる。

【0028】

また、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池２０から排気された排気側空気（排気エア）の排気経路上に、この排気側空気の温度を計測する排気温度計測手段としての温度センサ１３ａを有していることが好ましい。なお、この温度センサ１３ａは必須ではなく、後述する所定の条件下で適宜省略してもよい。

【0029】

図１に示すとおり、水素タンク３３によって供給された水素は、水素供給経路を通って水素調圧弁３４で所望の圧力に調圧された後に、燃料電池２０の水素極２２（燃料極）に送られる。かような水素極２２は、例えば固体高分子型電解質膜を用いた電解質膜２３を介して酸素極２１と対向している。このとき、水素極に送られる水素に対して公知の加湿器（不図示）を用いて加湿を行ってもよい。なお本実施形態における水素ガスの供給系には、発電中に酸素極２１から水素極２２に透過してくる窒素や水素タンク３３内に含まれる不純物などが蓄積してくるため、これらの不純物を系外へ排出する経路と排出弁３７を有していることが好ましい。

【0030】

また、燃料電池２０内における電気化学反応で水素が消費された後で、余分に水素極２２へと供給された水素については、水素循環経路を介して水素循環器３５によって再び水素ガスの供給経路へと再利用される。また、水素極２２に供給される水素の圧力は、この水素極２２の入口付近に設けられた圧力計３６で検出されており、この検出された水素の圧力が所定圧力となるように水素調圧弁３４が制御装置１０によって制御される。なお、このような水素調圧の手段としては、例えば上記所定圧力となるように、インジェクタの水素噴射量を車両のＥＣＵが制御し、あるいは、水素調圧弁３４が機械的に圧力制御することなどが挙げられる。

【0031】

また、燃料電池２０の発電により発生した熱を冷却して電池本体を適温に保つために、冷却水系が設けられている。より具体的には冷却水ポンプ２５によって加圧して送られた冷却水（クーラント）は、燃料電池２０を通過することで上記熱を吸収した後、冷却水の循環経路を通ってラジエータなど公知の熱交換器２４に送られる。そして上記した熱はこの熱交換器２４で系外へ排熱された後、冷却水は再び冷却水ポンプ２５で燃料電池２０へと圧送されて循環する。

【0032】

なお本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池２０から排出された冷却水の温度を検出する温度計１３ｂを有している。したがって制御装置１０は、燃料電池２０を通過した冷却水の水温をこの温度計１３ｂでモニタしながら、燃料電池２０の温度Ｔ_ｆｃｖを発電に適正な温度に調整する制御を行う。

【0033】

燃料電池２０によって発電された電力を消費する負荷装置としては、例えばＦＣＶの駆動モータに電力を供給するインバータ装置などが例示できる。燃料電池２０によって発電される電圧については、不図示の電圧計で検出されるとともに、燃料電池２０からインバータ装置などへ供給される電流は、電流計１２ａにより検出される。

【0034】

［制御装置１０］
次に、図２も参照しつつ、本実施形態の燃料電池システム１００における制御装置１０の構成について説明する。
図２に示すとおり、本実施形態の制御装置１０は、質量流量値計測部１１、消費酸素の質量流量値取得部１２、排気側空気温度取得部１３、飽和水蒸気量取得部１４、吸気側水蒸気量取得部１５、排気側空気湿度推定部１６および報知制御部１７などを含んで構成されている。この制御装置１０としては、不図示のメモリなどを有するＣＰＵなど公知のコンピュータ装置が例示でき、上記した燃料電池システム１００全体を制御する機能を有している。

【0035】

また同図に示すとおり、制御装置１０は、通信装置４０を介してインターネットなどの外部ネットワークと接続可能に構成されていることが好ましい。かような通信装置４０は、ＦＣＶの外部と情報通信を行う機能を備えた公知の車載通信機器が例示できる。また、外部ネットワークとしては、上記したインターネットに限られず、例えば無線通信を介して渋滞情報や道路交通情報などの各種情報を発信する基地局からの情報通信ネットワークなども含まれる。

【0036】

また、制御装置１０は、ＦＣＶに搭載されたセンサ類５０から各種の信号を受信可能に構成されている。これらセンサ類５０は、ＦＣＶに搭載されて各種の情報を検出する種々の機能を有している。本実施形態では、一例として、湿度センサ５１及び外気温センサ５２などが例示できるが、さらに例えば照度センサや路面センサなど車両に搭載される公知のセンサが適用できる。また、制御装置１０は、ＦＣＶにそれぞれ搭載された公知のナビゲーション装置６０、スピーカＳＰおよびディスプレイＤＰと通信可能に構成されている。
なお本実施形態では湿度センサ５１及び外気温センサ５２を図示したが、所望の機能を発揮すべくこれら公知のセンサ類を適宜選択省略してもよい。

【0037】

質量流量値計測部１１は、燃料電池２０の上記した吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１と、燃料電池２０の排気側空気における質量流量値ＷＦ_２をそれぞれ計測する質量流量値計測手段としての機能を有している。より具体的には、質量流量値計測部１１は、制御装置１０と電気的に接続された質量流量センサ１１ａ（第１質量流量センサ）から吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１を取得するとともに、同様に制御装置１０と電気的に接続された質量流量センサ１１ｂ（第２質量流量センサ）から排気側空気における質量流量値ＷＦ_２を取得する。

【0038】

なお、本実施形態では質量流量センサを用いて直接的に質量流量値を計測しているが、例えば公知の体積流量センサを用いて体積流量値を計測した後で公知の手法により質量流量値に換算する形態であってもよい。このように質量流量センサ１１ａと質量流量センサ１１ｂの少なくとも一方を、公知の体積流量センサに代替してもよい。

【0039】

消費酸素の質量流量値取得部１２は、燃料電池２０において発電により消費した消費酸素の質量流量値Ｏｗを取得する消費酸素の質量流量値取得手段としての機能を有している。より具体的には、本実施形態では、消費酸素の質量流量値取得部１２は、制御装置１０と電気的に接続された電流計１２ａにより計測された電流値に基づいて、消費酸素の質量流量値Ｏｗを算出する。本実施形態においては、理論式「４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ→２Ｈ_２Ｏ」を用いて消費酸素の質量流量値Ｏｗを算出する。なお、この質量流量値Ｏｗは、予め燃料電池２０で発電により消費される酸素及び水素と電気エネルギー（電荷量）との関係式を実験またはシミュレーションにより算出して保持しておいてもよい。そしてこの保持した関係式と電流密度及び有効反応面積に基づいて、電荷量（クーロン（Ｃ）＝電流値（Ａ）×秒（ｓ））から消費酸素の質量流量値を公知の手法によって算出している。

【0040】

排気側空気温度取得部１３は、上述した燃料電池２０の排気側空気における温度値Ｔｏｕｔを取得する排気温度取得手段としての機能を有している。より具体的には、排気側空気温度取得部１３は、上記した排気経路上に配置された温度センサ１３ａで計測された排気側空気の温度値Ｔｏｕｔを取得してもよい。
または、上記した温度センサ１３ａを燃料電池システム１００が具備しない場合には、排気側空気の温度値Ｔｏｕｔとして、燃料電池２０から排出された冷却水の温度を検出する温度計１３ｂの温度値で代用してもよい。燃料電池２０から排出された直後の冷却水の温度は、排気側空気の温度と等価であると見做せるからである。

【0041】

飽和水蒸気量取得部１４は、予め制御装置１０と電気的に接続されたメモリＭに保存された飽和水蒸気曲線データから、所定の温度における飽和水蒸気量を取得する機能を有している。なおメモリＭに保存された飽和水蒸気曲線データは、例えば飽和水蒸気量と気温（温度）との関係が、Ｔｅｔｅｎｓ（テテンス）の式やＷａｇｎｅｒ（ワグナー）の式などの公知の換算式に基づいて設定されている。

【0042】

吸気側水蒸気量取得部１５は、燃料電池２０へと供給される吸気側空気（エア）に含まれる水蒸気量（水分量）を取得する吸気側湿度計測手段としての機能を有している。より具体的には、吸気側水蒸気量取得部１５は、燃料電池２０の上記した供給経路上に設けられた湿度センサ１５ａによって計測された水蒸気量（水分量）を取得するように構成されている。

【0043】

排気側空気湿度推定部１６は、燃料電池システム１００における吸気流量と排気流量の差と、上記した消費酸素の質量流量値Ｏｗと、に基づいて、排気側空気における湿度Ｈｏｕｔを推定する排気湿度推定手段としての機能を有している。より具体的には、本実施形態の排気側空気湿度推定部１６は、一例として以下に示すα～γの処理を行ってもよい。
α：上記した排気側空気における質量流量値ＷＦ_２に対し、吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１から消費酸素の質量流量値Ｏｗを引いた値を、減算する。これにより排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔを算出する。
β：取得した排気側空気の温度値Ｔｏｕｔに対応した排気側空気の飽和水蒸気量ａ（Ｔ）ｏｕｔを取得する。
γ：排気側空気の飽和水蒸気量ａ（Ｔ）ｏｕｔに対する、排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔの比（ＷＶｏｕｔ／ａ（Ｔ）ｏｕｔ）に基づいて、排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定する。

【0044】

なおこのとき、排気側空気湿度推定部１６は、燃料電池２０の温度Ｔ_ｆｃｖに基づいて吸気側空気（エア）に含まれる水蒸気（水分）の量（質量流量）を決定することができる。
また、燃料電池システム１００が上記した吸気側湿度計測手段（湿度センサ１５ａ）を具備しているとき、排気側空気湿度推定部１６は、前記した吸気側湿度計測手段で計測した湿度に基づいて、前記した質量流量値ＷＦ_１から吸気側空気に含有される水蒸気の流量を減算する。

【0045】

報知制御部１７は、上記したスピーカＳＰおよびディスプレイＤＰを介した報知を制御する機能を有している。例えば報知制御部１７は、排気側空気湿度推定部１６による排気側空気における湿度Ｈｏｕｔの推定結果に基づいて、スピーカＳＰ又はディスプレイＤＰを介して燃料電池２０の状態を報知することができる。これにより、湿度Ｈｏｕｔの推定結果に基づいて燃料電池２０の不具合が検出された場合に、いち早く乗員などに異常を伝達することが可能となる。
また、排気側空気湿度推定部１６による排気側空気における湿度Ｈｏｕｔの推定結果は、燃料電池システム１００を備えたＦＣＶの状態制御に利用してもよい。例えば、上記した湿度Ｈｏｕｔが低い場合には吸気側で加湿制御してもよいし、湿度Ｈｏｕｔが高い場合には逆に乾燥制御を行ってもよい。これらの加湿制御や乾燥制御の具体的な手法としては、例えば燃料電池２０における温度の昇温／降温や、吸気流量、過給圧の制御などが例示できる。

【0046】

＜排気湿度推定方法＞
次に図３～図５も適宜参照しつつ、本実施形態における燃料電池システム１００の排気湿度推定方法について説明する。
図３に示すとおり、まずステップ１においては、燃料電池２０の排気側空気における湿度を推定するか否かが判定される。ステップ１で湿度推定要と判定された場合には続くステップ２に移行するが、この湿度推定要の判断は例えば所定の周期毎に自動で行ってもよいし、乗員などが手動で湿度推定を要とする入力を行ってもよい。

【0047】

続くステップ２では、燃料電池２０は安定しているかが判定される。そして燃料電池システム１００の起動後でしばらく経過した状態など安定している場合にはステップ３－Ａに移行し、一方で燃料電池システム１００の起動直後の状態など安定していない場合にはステップ３－Ｂに進む。そしてステップ３－Ｂでは、上記したディスプレイＤＰを介して、例えば現在は湿度推定ができない旨などの警告表示を行う。
なお、燃料電池システム１００の起動直後の状態における湿度も推定する場合などがあることから、このステップ２は必須ではなく適宜省略してもよい。

【0048】

［湿度推定処理（その１）］
ステップ３－Ａでは、燃料電池２０の状態管理を行うために、上記した制御装置１０によって、例えば図４に示す排気側空気における湿度推定処理が実行される。
すなわち図４に示すとおり、湿度推定処理においては、まずステップ３１で吸気側空気の水分量が測定される（吸気側湿度計測工程）。より具体的には上述した吸気側湿度計測手段としての湿度センサ１５ａで計測した湿度に基づいて吸気側空気の水分量が測定される。

【0049】

そしてこの湿度推定処理（その１）では、排気側空気における湿度を推定する際には、質量流量センサ１１ａで計測した質量流量値ＷＦ_１の値から吸気側空気に含有される水蒸気の流量値（この吸気側空気の水分量）が減算されたものが「吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１」となる。なお、後述する湿度推定処理（その２）も示すとおり、「吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１」には上記した水蒸気の流量値（この吸気側空気の水分量）が含まれていてもよく、例えば燃料電池が充分に高温である場合などはこの水蒸気の流量値はないもの（乾燥しているもの）として取り扱うことができる。

【0050】

次いでステップ３２では、上記した質量流量センサ１１ａおよび１１ｂを介して、燃料電池２０の吸気側空気における質量流量値ＷＦ_１と、燃料電池２０の排気側空気における質量流量値ＷＦ_２をそれぞれ取得する（質量流量値取得工程）。
そして続くステップ３３では、前記した消費酸素の質量流量値取得手段としての電流計１２ａにより計測された電流値に基づいて、燃料電池２０において消費した消費酸素の質量流量値Ｏｗを取得する（消費酸素の質量流量値取得工程）。

【0051】

そして続くステップ３４～ステップ３６では、上記で得られた各パラメータを用い、燃料電池システム１００における吸気流量と排気流量の差と消費酸素の質量流量値Ｏｗとに基づいて、排気側空気の湿度推定が実行される（排気側湿度推定工程）。
すなわち、ステップ３４では、上記した「質量流量値ＷＦ_２－（前記質量流量値ＷＦ_１－前記消費酸素の質量流量値Ｏｗ）」に基づいて排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔが算出される。

【0052】

また、ステップ３５では、排気温度取得手段としての温度センサ１３ａによって排気側空気における温度値Ｔｏｕｔを取得するとともに（排気温度取得工程）、この排気側空気における温度値Ｔｏｕｔに対応した飽和水蒸気量をメモリＭから読出して取得する。
そしてステップ３６では、前記した排気側空気の飽和水蒸気量ａ（Ｔ）ｏｕｔと、排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔの比（ＷＶｏｕｔ／ａ（Ｔ）ｏｕｔ）に基づいて、排気側空気の湿度Ｈｏｕｔが推定される。

【0053】

以下、上記した排気湿度推定方法を実車に適用した際の一例を示す。
すなわち、本実施形態の燃料電池システム１００を搭載するＦＣＶが、走行中のある一場面において燃料電池２０の状態管理を行っていると仮定する。このとき、上記した各センサによって計測されるパラメータ値はそれぞれ次の値を示したとする。
（ａ）質量流量センサ１１ａで取得した質量流量値ＷＦ_１：１００ｇ／ｓｅｃ
（ｂ）質量流量センサ１１ｂで取得した質量流量値ＷＦ_２：１１０ｇ／ｓｅｃ
（ｃ）電流計１２ａの電流値から導かれた消費酸素の質量流量値Ｏｗ：１０ｇ／ｓｅｃ
（ｄ）温度センサ１３ａによって計測された温度値Ｔｏｕｔ：９０℃
（ｅ）湿度センサ１５ａによって計測された吸気側空気の水分量：０．３ｇ／ｓｅｃ
（ｆ）燃料電池２０の温度Ｔ_ｆｃｖ：９０℃

【0054】

まず吸気側空気の質量流量から水蒸気の質量流量を除いた値を質量流量値ＷＦ_１として算出する。そして湿度センサ１５ａで計測した水蒸気量に基づいて、質量流量値ＷＦ_１から吸気側空気に含有される水蒸気量が減算される。これにより、水蒸気の質量流量分が除かれた質量流量値ＷＦ_１＝１００－０．３＝９９．７ｇ／ｓｅｃが求められる。
次いで「質量流量値ＷＦ_２－（前記質量流量値ＷＦ_１－前記消費酸素の質量流量値Ｏｗ）」に基づいて、「１１０－９９．７＋１０」で排気側空気における水蒸気の流量ＷＶｏｕｔが「２０．３ｇ／ｓｅｃ」と算出される。
次いで、温度値Ｔｏｕｔ（９０℃）に対応した飽和水蒸気量（この場合は４２１．４５ｇ／ｍ^３）をメモリＭから読出す。

【0055】

ここで、排気側空気の気体構成は「窒素：１００×０．８／２８＝２．９ｍｏｌ、酸素：（１００×０．２－１０）／３２＝０．３ｍｏｌ」である。また、上記で算出した水蒸気のモル数は「２０．３／１８＝１．１ｍｏｌ」である。
したがって、排気圧力（測定値又は過給圧から推定される）２４０ｋＰａ(絶対圧)のとき、排気側空気の体積流量はＰＶ＝ｎＲＴを用いて次の式（Ｋ）のとおりとなる。
２４０×（排気側空気の体積流量）＝（２．９＋０．３＋１．１）×８．３１×１０^－３×（９０＋２７３）・・・（Ｋ）

【0056】

したがって、（排気側空気の体積流量）の値としては、０．０５４ｍ^３／ｓｅｃが算出される。ここで、排気湿度［％］＝水蒸気流量［ｇ／ｓｅｃ］／排気側空気の流量［ｍ^３／ｓｅｃ］／飽和水蒸気量［ｇ／ｍ^３］×１００、であることから、推定される排気側空気の湿度Ｈｏｕｔは次の式（Ｌ）で求められた数値（％）となる。
Ｈｏｕｔ＝２０／０．０５４／４２１．４５×１００＝８７．８（％） ・・・（Ｌ）

【0057】

［湿度推定処理（その２）］
次に本実施形態における湿度推定処理における他の例について、図５を参照しつつ説明する。なお本例において、既述した「湿度推定処理（その１）」と同じ内容については同じ参照番号を付すなどして適宜その説明は省略する。

【0058】

図５に示すように、本実施形態における湿度推定処理（その２）では、燃料電池２０の電池温度が充分に高い場合には吸気側空気を乾燥空気（水分量が略ゼロ）と見做して取り扱うことに特徴がある。ここで、「電池温度が充分に高い場合」とは、空気中の水分量が上記した排気側空気の湿度Ｈｏｕｔの推定にほとんど影響しない場合を言い、一例として８０℃以上などに設定することができる。

【0059】

すなわち、湿度推定処理（その２）では、まずステップ３０として、燃料電池２０の温度Ｔ_ｆｃｖが取得され、この電池温度が所定値以上であるかが判定される（電池温度取得工程）。上述のとおり本実施形態では、「所定値」として「８０℃」が設定できる。なお燃料電池２０の温度Ｔ_ｆｃｖを取得する電池温度取得手段としては、特に限定されず、燃料電池に搭載可能な公知の種々の温度計（不図示）を適用できる。

【0060】

そしてステップ３０で燃料電池２０の温度Ｔ_ｆｃｖが所定値以上でない場合（ステップ３０でＮｏの場合）には、ステップ３１Ａに移行して吸気側空気の水分量が測定される。なおこのステップ３１Ａは上述のステップ３１と同じであるからその説明は省略する。
一方で、ステップ３０で燃料電池２０の温度Ｔ_ｆｃｖが所定値以上である場合（ステップ３０でＹｅｓの場合）には、ステップ３１Ｂに移行して吸気側空気を乾燥空気（すなわち水分量がゼロ）として取り扱う設定処理が行われる。このようにステップ３１Ｂでは、取得した燃料電池２０の温度Ｔ_ｆｃｖに基づいて、吸気側空気に含有される水蒸気の流量が決定される。

【0061】

以降は、吸気側空気の水分量がゼロであることを除いて、上記した湿度推定処理（その１）と同様な処理が行われる。
このように湿度推定処理（その２）では、高温となった燃料電池２０周囲の状態は水分量が少ないことから、そのような燃料電池２０に流入する吸気側空気を乾燥気体として取り扱うようにした。これにより、湿度推定処理（その１）に比してより簡易な手法で排気側空気の湿度Ｈｏｕｔを推定できる。

【0062】

以上説明した本実施形態の燃料電池システムおよびその排気湿度推定方法によれば、通常のＦＣＶであれば装備される標準部品を用いるだけで、排気側空気の湿度を容易に取得することが可能となる。
なお上記した各実施形態は本発明の好適な一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて実施形態の各要素を適宜組み合わせて新たな構造や制御を実現してもよい。以下、本実施形態に適用が可能な変形例について説明する。

【0063】

＜変形例＞
図６は上記した実施形態の変形例を示す。
同図に示すとおり、変形例に係る燃料電池システム１１０は、上記した燃料電池システム１００に比して排気経路において少なくとも質量流量センサ１１ｂが省略されている点などに特徴がある。すなわち、本変形例では、もともとＦＣＶに装備されている温度計１３ｂ、空気圧調整弁１８ａおよび排気側圧力センサ１９ａによって質量流量センサ１１ｂを代用することを特徴とする。

【0064】

より具体的には、排気側空気の温度については、上記のとおり燃料電池２０から排出された冷却水の温度を検出する温度計１３ｂの温度値に基づいて算出する。そして制御装置１０は、上記した空気圧調整弁１８ａの開度および排気側圧力センサ１９ａで取得した圧力もさらに取得して、例えば特開２００７－１７２９７１号に開示されるごとき公知の換算式を用いて排気側空気の質量流量値ＷＦ_２を算出する。
このように本変形例によれば、上記した実施形態の効果に加え、排気側空気の湿度を推定するための専用品を装備する必要はなく部品点数をさらに削減することができる。

【0065】

また、上記した湿度推定処理においては、上記した湿度センサ１５ａを用いて実際の吸気側空気の湿度を測定する湿度推定処理（その１）の代替案として湿度推定処理（その２）を説明したが、本発明はこの例に限られない。他の代替案として、例えば吸気側空気の湿度を暫定値（例えば５０％など）として予め設定して暫定的な固定値として扱ってもよいし、車両の位置情報と日時情報と天候情報を取得して当該地域の季節、天気、及び時間帯の少なくとも１つから吸気側空気の湿度を予測してもよい。

【0066】

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態および変形例について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、これら実施形態や変形例に対して更なる修正を試みることは明らかであり、これらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【符号の説明】

【0067】

１００ 制御システム
１０ 制御装置
２０ 燃料電池
３０ ガス供給系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】