(57)【要約】【課題】加湿器の加湿効率を好適に維持可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素及び空気が供給されることで発電する燃料電池スタック１０と、水分交換性の中空糸膜３２ｄを有し、中空糸膜３２ｄを介して、燃料電池スタック１０に向かう空気と燃料電池スタック１０から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換し、燃料電池スタック１０に向かう空気を加湿する加湿器３２と、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの湿度が１００％未満とならないように、システム運転条件を制御するＥＣＵ６０と、を備える燃料電池システム１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
水分交換性の水分交換膜を有し、当該水分交換膜を介して、前記燃料電池に向かう反応ガスと当該燃料電池から排出された多湿のオフガスとの間で水分交換し、前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器に導入されるオフガスの湿度が１００％未満とならないように、システム運転条件を制御する運転条件制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿器に導入されるオフガスの圧力を検出する圧力センサと、
前記加湿器に導入されるオフガスの温度を検出する温度センサと、
を備え、
前記運転条件制御手段は、前記圧力センサが検出するオフガスの圧力と、前記温度センサが検出するオフガスの温度とに基づいて、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定する
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】
前記加湿器に導入される加湿前の反応ガスの流量を検出する流量センサを備え、
前記運転条件制御手段は、前記圧力センサが検出するオフガスの圧力と、前記温度センサが検出するオフガスの温度と、前記流量センサが検出する加湿前の反応ガスの流量と、所定関係式とに基づいて、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記運転条件制御手段は、前記燃料電池の出力電流、前記加湿器に導入されるオフガスの流量、及び、前記加湿器に導入されるオフガスの圧力の少なくとも１つを制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加湿器を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池は、これを構成する電解質膜を湿潤状態にしてプロトン交換膜として機能させることが必要とされる。そこで、例えば、水分交換性を有する中空糸膜（水分交換膜）が装填された加湿器によって、燃料電池のカソードから排出された多湿のカソードオフガスと、燃料電池のカソードに向かう空気との間で水分交換させ、カソードに向かう空気を加湿することで、電解質膜を湿潤状態にする技術が提案されている（特許文献１、２参照）。
【０００３】
このような水分交換性を有する中空糸膜は、その膜内に、内外を連通する微細な連続細孔を有している。そして、この微細な連続細孔に水分が保有された状態において、例えば、中空糸膜内をカソードに向かう加湿すべき空気が通流し、中空糸膜外を多湿のカソードオフガスが通流すると、カソードオフガス中の水分（水蒸気）が連続細孔に流入する。このように流入すると、水分が連続細孔を中空糸膜内に向かって移動した後、中空糸膜内を通流する空気に移動し、その結果、中空糸膜内を通流しカソードに向かう空気が加湿される。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１３２０３８号公報
【特許文献２】特開平８−２７３６８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、空気及びカソードオフガスの流量が増加したり、カソードオフガスの湿度が低下すると、カソードオフガスから前記微細な連続細孔に水分が良好に移動せず、しかも、連続細孔に保有されていた水分が、空気やカソードオフガスに移動（蒸発）し、連続細孔中の水分量が減少してしまう。その結果、中空糸膜が乾燥状態（ドライアップ状態）に近づいてしまう。
【０００６】
そして、このように連続細孔の水分量が減少した状態では、カソードに向かう空気が好適に加湿されず、つまり、加湿器における加湿効率が大幅に低下してしまう。これにより、燃料電池の電解質膜を良好な湿潤状態に維持することができず、プロトン交換膜としての機能が低下し、燃料電池の発電性能が低下したり、電解質膜等が電気分解され、燃料電池が劣化し、その耐久性が低下してしまう。
【０００７】
また、中空糸膜が一旦ドライアップ状態になると、その後、多湿のカソードオフガスを通流させるのみでは、微細な連続空隙に水分が十分に保有された状態に回復することはできず、加湿器を分解し、例えば、中空糸膜を脱イオン水に浸す等の処理が必要であり、手間が掛かってしまう。
【０００８】
そこで、本発明は、加湿器の加湿効率を好適に維持可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、水分交換性の水分交換膜を有し、当該水分交換膜を介して、前記燃料電池に向かう反応ガスと当該燃料電池から排出された多湿のオフガスとの間で水分交換し、前記燃料電池に向かう反応ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度が１００％未満とならないように、システム運転条件を制御する運転条件制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、運転条件制御手段が、加湿器に導入されるオフガスの湿度が１００％未満とならないように（１００％以上となるように）、システム運転条件を制御する。このように、加湿器に導入されるオフガスの湿度が１００％未満とならないので、水分交換膜の微細な連続細孔の保有されている水分が、オフガスに移動することはない。つまり、連続細孔の水分が減少（気化）することもなく、水分交換膜が乾燥状態（ドライアップ状態）になることもない。よって、加湿器を分解する必要もない。
【００１１】
これにより、水分交換膜を介して、湿度が１００％未満とならないオフガスによって、燃料電池に向かう反応ガスを良好に加湿でき、加湿器の加湿効率を好適に維持できる。そして、良好に加湿された反応ガスが燃料電池に供給されるので、電解質膜が湿潤状態に維持され、プロトン交換膜として好適に機能する。したがって、燃料電池の発電性能が低下することもなく、燃料電池が劣化することもない。
【００１２】
また、前記加湿器に導入されるオフガスの圧力を検出する圧力センサと、前記加湿器に導入されるオフガスの温度を検出する温度センサと、を備え、前記運転条件制御手段は、前記圧力センサが検出するオフガスの圧力と、前記温度センサが検出するオフガスの温度とに基づいて、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定することを特徴とする。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、運転条件制御手段は、圧力センサが検出するオフガスの圧力と、温度センサが検出するオフガスの温度とに基づいて、加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定する。そして、運転条件制御手段は、この推定された湿度に基づいて、システム運転条件を制御できる。
【００１４】
また、前記加湿器に導入される加湿前の反応ガスの流量を検出する流量センサを備え、前記運転条件制御手段は、前記圧力センサが検出するオフガスの圧力と、前記温度センサが検出するオフガスの温度と、前記流量センサが検出する加湿前の反応ガスの流量と、所定関係式とに基づいて、前記加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定することを特徴とする。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、前記運転条件制御手段は、圧力センサが検出するオフガスの圧力と、温度センサが検出するオフガスの温度と、流量センサが検出する加湿前の反応ガスの流量と、所定関係式（後記する実施形態では式（３））とに基づいて、加湿器に導入されるオフガスの湿度を推定する。そして、運転条件制御手段は、この推定された湿度に基づいて、システム運転条件を制御できる。
【００１６】
また、前記運転条件制御手段は、前記燃料電池の出力電流、前記加湿器に導入されるオフガスの流量、及び、前記加湿器に導入されるオフガスの圧力の少なくとも１つを制御することを特徴とする。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電流、加湿器に導入されるオフガスの流量、及び、加湿器に導入されるオフガスの圧力の少なくとも１つであるシステム運転条件を制御することにより、加湿器に導入されるオフガスの湿度が１００％未満とならないようにすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、加湿器の加湿効率を好適に維持可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
【００２０】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費等する電力消費系と、アクセルペダル５１と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２１】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１は直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００２２】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００２３】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１２（燃料ガス流路）、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００２４】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、ＯＣＶが所定ＯＣＶ以上となった状態で、後記するＶＣＵ４２が制御され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
よって、発電に伴いカソードにおいて消費される酸素の量は、燃料電池スタック１０の出力電流と、式（２）とに基づいて算出可能である。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００２５】
また、このような燃料電池スタック１０は、発電すると自己発熱する。
すなわち、燃料電池スタック１０の出力電流が大きくなると、カソードにおける電極反応による生成水（水蒸気）が増加するものの、自己発熱量が大きくなり、カソード流路１３（カソード）から排出されるカソードオフガスの温度が上昇するため、生成水を含むカソードオフガスの飽和水蒸気圧が高くなり、カソードオフガスの（相対）湿度が低くなる。
【００２６】
一方、燃料電池スタック１０の出力電流が小さくなると、カソードにおける電極反応による生成水（水蒸気）が減少するものの、カソード流路１３（カソード）から排出されるカソードオフガスの温度が低下するため、生成水を含むカソードオフガスの飽和水蒸気圧が低くなり、カソードオフガスの（相対）湿度が高くなる。
なお、出力電流が小さくなると、自己発熱量が小さくなるうえ、燃料電池スタック１０及びラジエータを経由する冷媒によって、燃料電池スタック１０が急激に冷却されるため、燃料電池スタック１０及びカソードオフガスの温度が低下する。
【００２７】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１を備えている。水素タンク２１は、配管２１ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されており、水素タンク２１の水素が、アノード流路１２に供給されるようになっている。なお、配管２１ａには、ＥＣＵ６０によって開閉される遮断弁や、水素の圧力を所定圧力に減圧する減圧弁（ともに図示しない）が設けられている。
【００２８】
アノード流路１２の出口は、配管２１ｂを介して、後記する希釈器３４に接続されている。そして、アノード流路１２（アノード）から排出された未消費の水素を含むアノードオフガスが、希釈器３４に排出されるようになっている。
【００２９】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１と、加湿器３２と、背圧弁３３と、希釈器３４と、質量流量センサ３５と、温度センサ３６と、圧力センサ３７とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１が、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、この空気をカソード流路１３に供給するようになっている。なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０及び／又は後記するバッテリ４４を電源として作動する。
【００３０】
カソード流路１３は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃ、背圧弁３３、配管３３ａを介して、希釈器３４に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスが、配管３２ｂ等を通って、希釈器３４に排出されるようになっている。
【００３１】
加湿器３２は、水分交換性（水分透過性）を有する中空糸膜３２ｄを複数本備えており、この中空糸膜３２ｄを介して、カソード流路１３に向かう加湿すべき空気と、多湿のカソードオフガスとの間で水分交換し、カソード流路１３に向かう空気を加湿するものである。
【００３２】
中空糸膜３２ｄは、ポリイミド等から形成され、中空糸膜３２ｄ内外を連通する微細な連続細孔を有している。そして、中空糸膜３２ｄは、脱イオン水への含浸等によって、前記連続細孔に水分が十分保水された後、加湿器３２に組み付けられており、カソードオフガスによって空気を好適に加湿可能な状態にある。
【００３３】
背圧弁３３は、例えばバタフライ等から構成され、その開度はＥＣＵ６０によって制御される。そして、例えば、背圧弁３３の開度が小さくなると、カソード流路１３における空気の圧力、及び、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの圧力が、上昇するようになっている。
【００３４】
希釈器３４は、アノード系から導入されるアノードオフガス中の水素を、配管３３ａから導入されるカソードオフガスによって希釈するものであり、内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管３４ａを介して、車外に排出されるようになっている。
【００３５】
質量流量センサ３５は、コンプレッサ３１の吸気口に設けられている。そして、質量流量センサ３５は、コンプレッサ３１に吸気される空気の質量流量（ｇ／ｍｉｎ）を検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００３６】
温度センサ３６は、配管３２ｂに設けられている。そして、温度センサ３６は、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの温度を検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００３７】
圧力センサ３７は、配管３２ｂに設けられている。そして、圧力センサ３７は、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの圧力を検出し、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００３８】
＜電力消費系＞
電力消費系は、モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit、電力制御手段）と、電流センサ４３と、バッテリ４４と、を備えている。そして、モータ４１は、ＶＣＵ４２を介して、燃料電池スタック１０の出力端子に接続されており、バッテリ４４はＶＣＵ４２に接続されている。
【００３９】
モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる電動モータである。
ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ６０の指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）及びバッテリ４４の充放電を制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を内蔵している。
【００４０】
バッテリ４４は、燃料電池スタック１０の余剰発電電力や、モータ４１からの回生電力を蓄えたり、燃料電池スタック１０の発電電力が小さい場合、その充電電力を放電し燃料電池スタック１０をアシスト（補助）するものである。このようなバッテリ４４は、例えば、複数のリチウムイオン型の二次電池を備えて構成される。
【００４１】
電流センサ４３は、燃料電池スタック１０の電流値（出力電流）を検出するセンサであり適所に設けられている。そして、電流センサ４３は、検出した電流値をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４２】
＜アクセルペダル＞
アクセルペダル５１は、運転者が燃料電池自動車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１は、その踏み込み量（アクセル開度）をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００４３】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
【００４４】
＜ＥＣＵ−湿度算出機能＞
ＥＣＵ６０は、式（３）に基づいて、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの相対湿度（オフガス湿度）を算出（推定）する機能を備えている。そして、ＥＣＵ６０は、オフガス湿度が１００％以下であるか否か判定する機能を備えている。
【数１】
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【００４５】
式（３）において、生成水量ａ（ｇ／ｍｉｎ）は、発電に伴って燃料電池スタック１０で生成する水蒸気量であり、電流センサ４３から入力される電流値と、カソードにおける電極反応式（２）とに基づいて算出される。
水蒸気回収率αは、加湿器３２におけるカソードオフガス中の水蒸気の回収率（０．５〜０．７（５０〜７０％））であり、加湿器３２の仕様（中空糸膜３２ｄの材質、膜厚、連続細孔の大きさ等）に依存する固定値であり、事前試験等により求められる。
【００４６】
オフガス圧力（Ｐａ）は、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの圧力（全圧）であり、圧力センサ３７によって検出される。
飽和水蒸気圧（Ｐａ）は、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの飽和水蒸気圧である。そして、飽和水蒸気圧（Ｐａ）は、温度センサ３６から入力されるカソードオフガスの温度と、飽和水蒸気圧曲線とに基づいて算出される。
【００４７】
エアガス質量（ｇ／ｍｉｎ）は、加湿器３２に導入されるカソードオフガスから水蒸気を除いたガス（これをエアガスという）の質量である。そして、エアガス質量（ｇ／ｍｉｎ）は、質量流量センサ３５から入力され、コンプレッサ３１に吸気されるドライ空気（湿度０％）から、発電に伴って燃料電池スタック１０で消費された酸素の質量流量を差し引くことにより、算出される。
なお、前記消費された酸素の質量流量は、燃料電池スタック１０の電流値と、前記した式（２）とに基づいて算出される。また、ここでは簡単に説明するため、コンプレッサ３１に吸気される空気をドライ空気（湿度０％）としている。
ただし、湿度センサによって、吸気される空気の湿度を検出可能であれば、これに基づいて、この空気中の水分量（ｇ／ｍｉｎ）を算出し、加湿器３２に導入されるオフガス中の水分量を補正すればよい。
【００４８】
次に、式（３）がどのようにして導かれるかについて説明する。
加湿器３２に導入されるカソードオフガスの混合比（カソードオフガス（湿り空気）中に含まれている水蒸気質量と、カソードオフガスから水蒸気を除外したエアガス（乾燥空気）質量との比）は、「化学工学通論、疋田晴男著、１９８２年発行」によれば、式（４）で与えられ、式（５）に変形される。式（５）において、「１８」は水の分子量であり、「２９」はエアガスの分子量である。そして、式（５）は、式（６）、さらに、式（７）に変形される。
【００４９】
【数２】
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【００５０】
次に、式（４）、式（７）から得られた式（８）において、オフガス湿度について解くと、式（９）を得る。
ここで、加湿器３２における加湿量をｂ（ｇ／ｍｉｎ）とすると、カソードオフガス中の水蒸気質量（ｇ／ｍｉｎ）は、ａ＋ｂ（ｇ／ｍｉｎ）で与えられるから、式（１０）に変形される。
【００５１】
【数３】
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【００５２】
一方、加湿量ｂ（ｇ／ｍｉｎ）は式（１１）で与えられ、これを加湿量ｂ（ｇ／ｍｉｎ）について解くと、式（１２）を得る。
【数４】
2010129417.tif 000006
【００５３】
そして、式（１０）に式（１２）を代入すると、式（３）を得る。
【数５】
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【００５４】
＜ＥＣＵ−運転条件制御機能＞
ＥＣＵ６０（運転条件制御手段）は、燃料電池システム１を、通常に運転する通常モード、又は、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの湿度を増加させる湿度増加モードで、運転する機能を備えている。
【００５５】
［通常モード］
具体的には、通常モードにおいては、ＥＣＵ６０は、アクセル開度等（発電要求量）に対応して、燃料電池スタック１０に水素及び空気を供給しつつ、ＶＣＵ４２を制御し、燃料電池スタック１０を発電させるようになっている。
【００５６】
［湿度増加モード］
湿度増加モードにおいては、ＥＣＵ６０は、式（３）に基づいて算出されるオフガス湿度が増加するように、システム運転条件を制御する機能を備えている。具体的制御内容については後で説明する。
【００５７】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、図２を参照して、燃料電池システム１の動作を、ＥＣＵ６０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。なお、初期状態において、燃料電池システム１は通常モードで運転しており、燃料電池スタック１０はアクセルペダル５１の開度等からの発電要求量に基づいて通常発電している。
【００５８】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、式（３）に基づいて算出される現在のオフガス湿度が１００％以下であるか否か判定（推定）する。
そして、現在のオフガス湿度が１００％以下であると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、現在のオフガス湿度が１００％以下でないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。ただし、判定閾値は１００％に限定されず、１００％以上であって、後記するステップＳ１０４の判定閾値（ここでは１０５％）よりも低ければよい。
【００５９】
＜通常モード＞
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を、通常モードで運転させる。その後、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１０１に進む。
【００６０】
＜湿度増加モード＞
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、式（３）に基づいて算出されるオフガス湿度が増加するように、燃料電池システム１を湿度増加モードで運転させる。
【００６１】
具体的には、ＥＣＵ６０は、（Ａ）ＶＣＵ４２を制御して、燃料電池スタック１０の出力電流を低下し、燃料電池スタック１０の自己発熱量を低下することで、カソードオフガスの温度を低下させ、飽和水蒸気圧（Ｐａ）を下げる方法、（Ｂ）コンプレッサ３１の回転速度を下げ、加湿器３２に導入されるエアガス質量（ｇ／ｍｉｎ）を下げる方法、（Ｃ）背圧弁３３の開度を小さくし、カソードオフガス圧力を高めて、飽和水蒸気圧（Ｐａ）を下げる方法、の少なくとも１つの方法を採用する。因みに、飽和水蒸気圧（Ｐａ）を下げると、水蒸気分圧が上昇する。
なお、（Ｃ）の方法において、カソードオフガス圧力（全圧）を高めると、水蒸気分圧も高まるので、オフガス湿度が上昇する。また、カソードオフガスの温度を下げると、飽和水蒸気圧が大きく下がり、オフガス湿度が上昇するので、（Ａ）方法を選択することが好ましい。
【００６２】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、式（３）に基づいて算出される現在のオフガス湿度が、１０５％以上であるか否か判定（推定）する。湿度１０５％は、湿度増加モードから通常モードに切り替え可能と判断される切替閾値であり、事前試験等により求められる。ただし、切替閾値は１０５％に限定されず、適宜変更してよい。
【００６３】
現在のオフガス湿度が１０５％以上であると判定した場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１０２に進み、湿度増加モードから通常モードに移行する。
一方、現在のオフガス湿度が１０５％以上でないと判定した場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進み、継続して湿度増加モードで運転させる。
【００６４】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
オフガス湿度が１００％以下である場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、湿度増加モードでシステムを運転し（Ｓ１０３）、オフガス湿度を増加させるので、オフガス湿度が１００％未満とならない。これにより、中空糸膜３２ｄの連続細孔に保有される水分が気化（蒸発）しにくくなり、加湿器３２の加湿効率は好適に維持される。したがって、中空糸膜３２ｄを介して、カソードに向かう空気を好適に加湿でき、ＭＥＡを構成する電解質膜を湿潤状態に維持することができ、燃料電池スタック１０の発電性能が低下することはなく、また、劣化することもない。
【００６５】
≪燃料電池システムの動作例≫
次に、燃料電池システム１の一動作例について、図３〜図５を参照して説明する。
図３に示すように、カソードオフガス湿度が１００％に低下した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＶＣＵ４２により、燃料電池スタック１０の出力電流を低下させると、燃料電池スタック１０の自己発熱量が低下し、その結果、カソードオフガス温度が低下する。これにより、カソードオフガスの飽和水蒸気圧が下がり、式（３）で算出されるカソードオフガスの湿度が上昇する。
なお、このように燃料電池スタック１０の出力電流（電力）を低下させる場合、この不足分をアシストするように、バッテリ４４を放電させ、モータ４１を回転することが好ましい。これにより、燃料電池自動車のドライブフィーリングが低下することはない。
【００６６】
次に、図４に示すように、カソードオフガス湿度が１００％に低下した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、コンプレッサ３１の回転速度を低下させ、加湿器３２に導入されるエアガス流量を減少すると、式（３）で算出されるカソードオフガスの湿度が上昇する。
【００６７】
次に、図５に示すように、カソードオフガス湿度が１００％に低下した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、背圧弁３３の開度を小さくし、カソードオフガスの圧力を高めると、式（３）で算出されるカソードオフガスの湿度が上昇する。
【００６８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
前記した実施形態では、水分交換膜が中空糸膜３２ｄである構成を例示したが、その他に例えば、板状、スパイラル状の水分交換膜でもよい。
【００６９】
前記した実施形態では、カソード流路１３に向かう空気をカソードオフガスで加湿する加湿器３２に本発明を適用したが、その他に例えば、アノード流路１２に向かう水素をアノードオフガスで加湿する加湿器に適用してもよい。この場合、アノード流路１２に向かう水素の流量は、例えば、バタフライ等からなる流量制御弁で制御すればよい。
【００７０】
前記した実施形態では、圧力センサ３７が配管３２ｂに設けられた構成を例示したが、その他に例えば、配管３１ａや、配管３２ａに設けられた構成でもよい。なお、この構成の場合、加湿器３２や、燃料電池スタック１０の圧力損失を考慮して、加湿器３２に導入されるカソードオフガスの圧力を算出すればよい。
【００７１】
前記した実施形態では、質量流量センサ３５がコンプレッサ３１の吸気口に設けられた構成を例示したが、その他に例えば、配管３２ｂに設けられた構成でもよい。
【００７２】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶等の燃料電池移動体に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図４】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図５】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００７４】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    単セル（燃料電池）
３１    コンプレッサ
３２    加湿器
３２ｄ  中空糸膜（水分交換膜）
３３    背圧弁
３５    質量流量センサ
３６    温度センサ
３７    圧力センサ
４３    電流センサ
６０    ＥＣＵ（運転条件制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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