(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給され、発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池内の電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路と、
前記反応ガス流路に供給される前記反応ガスが流通する反応ガス供給流路と、
前記反応ガス流路から排出されたオフガスが流通するオフガス排出流路と、
前記反応ガス供給流路及び前記オフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐した分岐流路と、
前記分岐流路上に配置された絶対湿度計測手段と、を備え、
前記分岐部から前記絶対湿度計測手段までの前記分岐流路に、加熱手段が設けられ、
前記分岐流路上の前記加熱手段の下流側には、圧力損失形成手段が設けられ、
前記分岐流路の下流端は、前記オフガス排出流路のうち、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出流路に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記加熱手段は、前記分岐流路内を流通する流体を、前記燃料電池の動作温度以上に加熱することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記反応ガス流路として、前記燃料電池内のアノードに沿ってアノード反応ガスを流通させるアノード反応ガス流路を備え、
前記反応ガス供給流路として、前記アノード反応ガス流路に供給される前記アノード反応ガスが流通するアノード反応ガス供給流路を備え、
前記オフガス排出流路として、前記アノード反応ガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路を備え、
前記分岐流路は、前記アノード反応ガス供給流路及び前記アノードオフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐し、
前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁が設けられ、
前記燃料電池システムは、前記アノード反応ガスの圧力を計測するアノード反応ガス計測手段と、
前記アノード反応ガス計測手段の計測結果に基づいて、前記開閉弁の開閉制御を行う圧力制御部とを備え、
前記圧力制御部は、
前記燃料電池の起動時において前記アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、前記開閉弁を開成し、
前記燃料電池を停止する場合に、前記開閉弁を閉成することを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記湿度計測手段は、前記分岐流路を流通する前記反応ガスの露点を計測する露点計であり、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池に冷媒を流通させて前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
前記露点計により計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記燃料電池を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記反応ガスの温度に対する前記反応ガスの第１相対湿度、前記冷媒の温度に対する前記反応ガスの第２相対湿度、及び前記燃料電池の水分保持量のうち、少なくとも一つの状態量を求めるステップと、
求めた前記状態量を用いて、前記燃料電池を制御するステップと、を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両等に用いられる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス（反応ガス）として水素が供給され、カソードにカソードガス（反応ガス）として空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。
【０００３】
上述した燃料電池では、所望の発電性能を発揮させるために、電解質膜を湿潤な状態に維持する必要がある。そこで、下記の特許文献には、露点計を用いて燃料電池内の加湿状態（水分量等）を把握する技術が開示されている。
具体的に、特許文献１には、燃料電池で発電に供されたカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出路に露点計を設置し、露点計により計測されるカソードオフガスの露点に基づいて、燃料電池から排出される水分量を測定する構成が知られている。
また、特許文献２には、アノードガスを燃料電池に供給するためのアノードガス供給路において、加湿器と燃料電池との間に露点計を設置し、露点計による計測結果に基づいてアノードガスを加熱または冷却することで、アノードガスの露点（加湿状態）を制御する構成が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３１１０８１号公報
【特許文献１】特開２００５−１６６３０９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において、カソードオフガス排出路を流通するカソードオフガスは、常に高湿である。そのため、燃料電池システムの起動時や、過渡時等、カソードオフガスの温度が比較的低い状況では、カソードオフガス排出路においてカソードオフガス中の水蒸気が結露し易い。そして、結露した水が露点計に付着することで、露点計で計測誤差が発生したり、応答性が低下したりして、カソードオフガスの露点が正確に測定できないという問題がある。
また、特許文献２の構成では、加湿器よりも下流側を流通するアノードガスは、加湿器で加湿されることで、比較的高湿である。そのため、上述した特許文献１と同様に結露等によって露点計に水が付着し、正確な測定ができないという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、絶対湿度計測手段による測定精度を向上させるとともに、絶対湿度計測手段の計測結果に基づいて燃料電池内の状態量を正確に把握できる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスが供給され、発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池スタック２）と、前記燃料電池内の電極に沿って反応ガスを流通させる反応ガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路２１及びカソードガス流路２２）と、前記反応ガス流路に供給される前記反応ガスが流通する反応ガス供給流路（例えば、実施形態におけるアノードガス供給流路２３及びカソードガス供給流路２４）と、前記反応ガス流路から排出されたオフガスが流通するオフガス排出流路（例えば、実施形態におけるアノードガス排出流路３５及びカソードガス排出流路３８）と、前記反応ガス供給流路及び前記オフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐した分岐流路（例えば、実施形態における分岐流路４１〜４４）と、前記分岐流路上に配置された絶対湿度計測手段（例えば、実施形態における露点計５１〜５４）と、を備え、前記分岐部から前記絶対湿度計測手段までの前記分岐流路に、加熱手段（例えば、実施形態におけるヒーター４５〜４８）が設けられ、前記分岐流路上の前記加熱手段の下流側には、圧力損失形成手段（例えば、実施形態における細管部５５〜５８）が設けられ、前記分岐流路の下流端は、前記オフガス排出流路のうち、前記燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出流路（例えば、実施形態におけるカソードオフガス排出流路３８）に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載した発明では、前記加熱手段は、前記分岐流路内を流通する流体を、前記燃料電池の動作温度以上に加熱することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載した発明では、前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁が設けられていることを特徴とする。
請求項４に記載した発明では、前記反応ガス流路として、前記燃料電池内のアノードに沿ってアノード反応ガスを流通させるアノード反応ガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス流路２１）を備え、前記反応ガス供給流路として、前記アノード反応ガス流路に供給される前記アノード反応ガスが流通するアノード反応ガス供給流路（例えば、実施形態におけるアノードガス供給流路２３）を備え、前記オフガス排出流路として、前記アノード反応ガス流路から排出されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路（例えば、実施形態におけるアノードガス排出流路３５）を備え、前記分岐流路は、前記アノード反応ガス供給流路及び前記アノードオフガス排出流路のうち、少なくとも一つの流路上の分岐部から分岐し、前記分岐流路には、前記分岐流路内を開閉可能とする開閉弁（例えば、実施形態における開閉弁５９，６０）が設けられ、前記燃料電池システムは、前記アノード反応ガスの圧力を計測するアノード反応ガス計測手段と、前記アノード反応ガス計測手段の計測結果に基づいて、前記開閉弁の開閉制御を行う圧力制御部（例えば、実施形態におけるアノードガス圧力判定手段６１）とを備え、前記圧力制御部は、前記燃料電池の起動時において前記アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、前記開閉弁を開成し、前記燃料電池を停止する場合に、前記開閉弁を閉成することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載した発明は、請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、前記湿度計測手段は、前記分岐流路を流通する前記反応ガスの露点を計測する露点計であり、前記燃料電池システムは、前記燃料電池に冷媒を流通させて前記燃料電池を冷却する冷却手段（例えば、実施形態における冷却手段１３）と、前記露点計により計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記燃料電池を制御する制御部（例えば、加湿状態判定手段６４）とを備え、前記制御部は、計測された前記反応ガスの露点を用いて、前記反応ガスの温度に対する前記反応ガスの第１相対湿度、前記冷媒の温度に対する前記反応ガスの第２相対湿度、及び前記燃料電池の水分保持量のうち、少なくとも一つの状態量を求めるステップと、求めた前記状態量を用いて、前記燃料電池を制御するステップと、を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
ところで、燃料電池システムのメイン流路（反応ガス供給流路や反応ガス排出流路）には、燃料電池から排出される生成水が多く存在している。そのため、メイン流路に湿度計測手段を直接配置する構成では、上述したように絶対湿度計測手段への水の付着により計測誤差や、応答性の低下を引き起こす可能性がある。
そこで、請求項１に記載した発明によれば、メイン流路から分岐した分岐流路を形成することで、分岐流路内への生成水の流入を抑制できる。これにより、絶対湿度計測手段の計測時において、生成水による影響を可能な限り排除して、絶対湿度計測手段による測定精度を向上させることができる。
また、分岐流路上に加熱手段を介して絶対湿度計測手段を配置することで、分岐流路内を流通する反応ガス温度を上昇させ、分岐流路内の反応ガスの相対湿度を低減することができる。これにより、反応ガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制できるので、分岐流路内を流通する反応ガスの絶対湿度を正確に測定できる。そのため、燃料電池システムの起動時や過渡時等、反応ガス温度が比較的低い場合であっても、水蒸気の結露を抑制して絶対湿度計測手段による測定精度を向上させることができる。なお、上述したように分岐流路内は加熱手段によって反応ガスの相対湿度の低減が図られているため、仮に反応ガス中の水蒸気（絶対湿度を計測すべき水分）が分岐流路内で結露したとしても、この結露水を速やかに蒸発させることができる。したがって、絶対湿度計測手段の計測をより正確に行い、信頼性を向上できる。
【００１３】
また、圧力損失形成手段により分岐流路内で圧力損失を得ることで、分岐流路内を流通する反応ガスの流量を調整でき、絶対湿度計測手段による測定精度をより向上させることができる。
【００１４】
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池システム内の最高温度である燃料電池の動作温度以上に分岐流路内の反応ガスを加熱することで、分岐流路内での水蒸気の結露を確実に抑制でき、より正確に絶対湿度計測手段での計測を行うことができる。
【００１５】
ところで、燃料電池システムでは、システム停止時において、アノード側の分岐流路が開成状態であると、外部から分岐流路内に向けて大気が逆流して、大気中に含まれる塵埃等がアノード反応ガス流路等に侵入してくる虞がある。
そこで、請求項４に記載した発明によれば、燃料電池の停止時に開閉弁を閉成しておくことで、燃料電池停止中における大気の逆流を防ぐことができる。これにより、アノード側の反応ガス流路内等への塵埃の侵入を防止できる。また、アノード反応ガスの圧力が所定以上の場合に、開閉弁を開成することで、開閉弁の開成した時点での大気の逆流を防止し、反応ガスを所望の流通方向に流通させることができる。よって、絶対湿度計測手段の計測をより正確に行い、信頼性を向上できる。
【００１６】
請求項５に記載した発明によれば、露点計による計測結果に基づいて求めた第１相対湿度や、第２相対湿度、水分保持量を用いて燃料電池を制御することで、燃料電池を常に湿潤な状態に保持できる。これにより、所望の発電性能を維持できる。
特に、本発明の構成によれば、上記本発明の燃料電池システムを用いているため、絶対湿度計測手段の露点計によって反応ガスの露点を正確に計測できる。これにより、第１相対湿度や、第２相対湿度、水分保持量をより高精度に算出することができるので、燃料電池内の状態量を正確に把握して、燃料電池の制御の信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】ＥＣＵのシステムブロック図である。
【図３】燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】燃料電池システム（カソード側）での水収支を説明するための説明図である。
【図５】第１相対湿度φｇ（％）と第２相対湿度φｗ（％）とに基づいて加湿状態を判定するためのグラフである。
【図６】加湿水量Ｑに基づいて加湿状態を判定するためのグラフである。
【図７】時間（ｍｉｎ）に対する加湿水量Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）及び電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガス（反応ガス）である空気を供給するためのカソードガス供給手段１１と、アノードガス（反応ガス）である水素を供給するためのアノードガス供給手段１２と、これら各構成品を統括的に制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）６（図２参照）とを主に備えている。
【００１９】
燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。そして、燃料電池２のアノードにはアノードガスとして水素ガスが、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）により発生した水素イオンが電解質を透過してカソードに移動し、カソードで酸素と電気化学反応（Ｈ２＋Ｏ２／２→Ｈ２Ｏ）して発電するようになっている。
【００２０】
カソードガス供給手段１１は、カソードガスを燃料電池２に向けて送出するエアポンプ３３を備えている。エアポンプ３３には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのカソードガス供給流路（反応ガス供給流路）２４が接続されている。カソードガス供給流路２４は、加湿器２９を介して燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソードガス流路（反応ガス流路）２２に接続されている。一方、カソードガス流路２２の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池２で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出流路（反応ガス排出流路）３８が接続されている。
【００２１】
なお、上述したエアポンプ３３には、エアポンプ３３から送出されるカソードガスの流量（以下、エア量ともいう）を計測する図示しない流量センサが接続されており、燃料電池２のカソードに供給されるエア量を計測できるようになっている。また、カソードガス流路２２の入口側及び出口側付近には、それぞれでのカソードガスの温度（カソード入口ガス温度及びカソード出口ガス温度）を計測するための温度センサ（不図示）と、カソードガスの圧力（カソード入口ガス圧力及びカソード出口ガス圧力）を計測するための圧力センサ（不図示）とが接続されている。
【００２２】
カソードオフガス排出流路３８は、加湿器２９を介して希釈ボックス３１に接続されている。加湿器２９は、内部に中空糸状の水透過膜（中空糸膜）を多数束ねた状態でハウジング（不図示）に収容されて構成されている。そして、中空糸膜の内部と外部とにそれぞれ水分含量の異なるガスが流通すると、水分含量の多いガス中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ないガスへと移動する。すなわち、本実施形態では、中空糸膜の内部にエアポンプ３３から送出されるカソードガスが流通し、外部に生成水を含んだカソードオフガスが流通することで、燃料電池２で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池２に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。
【００２３】
そして、エアポンプ３３によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路２４を通過した後、燃料電池２のカソードガス流路２２に供給される。そして、カソードガス流路２２において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路３８に排出される。カソードオフガス排出流路３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、カソードオフガスは車外へと排気される。また、カソードオフガス排出流路３８には燃料電池２のカソードガス流路２２におけるカソードガスの圧力を調整するための背圧弁３４が設けられている。
【００２４】
一方、アノードガス供給手段１２は、アノードガスが充填された水素タンク３０を備えている。水素タンク３０は、アノードガス供給流路（反応ガス供給流路）２３を介して燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノードガス流路（反応ガス流路）２１に接続されている。一方、アノードガス流路２１の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路（反応ガス供給流路）３５が接続されている。また、アノードガス流路２１の入口側及び出口側付近には、それぞれでのアノードガスの温度（アノード入口ガス温度及びアノード出口ガス温度）を計測するための温度センサ（不図示）と、アノードガスの圧力（アノード入口ガス圧力Ｐａ１及びアノード出口ガス圧力Ｐａ２）を計測するための圧力センサ（不図示）とが接続されている。
【００２５】
アノードガス供給流路２３には、上流側から順に、遮断弁２５、レギュレータ２８、エゼクタ２６が接続されている。
遮断弁２５は電磁駆動式のものであり、水素タンク３０からのアノードガスの供給を遮断可能に構成されている。
【００２６】
レギュレータ２８は、燃料電池２に供給されるカソードガスの圧力（カソード入口ガス圧力）を信号圧として、水素タンク３０から供給される高圧のアノードガスを、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧（減圧）するものである。これにより、燃料電池２のカソードとアノードとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、レギュレータ２８により調圧されたアノードガスは、エゼクタ２６を通り、燃料電池２に供給される。なお、図示しないが、アノードガス供給流路２３には、水素タンク３０から供給されるアノードガスと熱交換を行う熱交換器が設けられている。これにより、燃料電池２の作動温度付近までアノードガスを加熱した状態で燃料電池２に供給することができる。
【００２７】
また、アノードオフガス排出流路３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを循環させ、燃料電池２のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出流路３５は、途中で流路が分岐して構成されたパージガス排出流路３７を有している。パージガス排出流路３７は希釈ボックス３１に接続されている。また、パージガス排出流路３７には電磁駆動式のパージ弁２７が設けられている。
【００２８】
希釈ボックス３１は、パージガス排出流路３７から導入されたアノードオフガスを滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室にカソードオフガス排出流路３８が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出通路３６から車外に排出される。なお、希釈ボックス３１には、パージガス排出流路３７から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。
【００２９】
また、燃料電池システム１は、燃料電池２内に冷媒を流通させて燃料電池２を冷却する冷却手段１３を備えている。冷却手段１３は、燃料電池２内に冷媒を流通させる冷媒通路１５と、冷媒を冷却するラジエータ１０と、ラジエータ１０から排出された冷媒を冷媒通路１５に向けて流通させる冷媒供給通路１４と、冷媒通路１５から排出された冷媒をラジエータ１０に向けて流通させる冷媒排出通路１７とを備えている。また、冷媒供給通路１４には、燃料電池２とラジエータ１０との間で冷媒を循環させるウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）１８が設けられている。さらに、冷媒供給通路１４には燃料電池２内に供給される冷媒の温度（入口冷媒温度Ｔｗｉｎ）を検出するための冷媒温度センサ１９が接続されている。さらに、燃料電池２から取り出される電流値を計測する発電電流計（不図示）が燃料電池２に設けられている。
【００３０】
ここで、カソードガス供給流路２４及びカソードオフガス排出流路３８、並びにアノードガス供給流路２３及びアノードオフガス排出流路３５には、各流路２４，３８，２３，３５の分岐部から分岐した分岐流路４１〜４４が接続されている。
具体的に、まず分岐流路４１（以下、カソードガス分岐流路４１ともいう）は、カソードガス供給流路２４における加湿器２９と燃料電池２の間であって、燃料電池２の入口付近を分岐部として分岐している。分岐流路４２（以下、カソードオフガス分岐流路４２ともいう）は、カソードオフガス排出流路３８における燃料電池２と加湿器２９との間であって、燃料電池２の出口付近を分岐部として分岐している。
また、分岐流路４３（以下、アノードガス分岐流路４３ともいう）は、アノードガス供給流路２３におけるエゼクタ２６と燃料電池２との間であって、燃料電池２の入口付近を分岐部として分岐している。分岐流路４４（以下、アノードオフガス分岐流路４４ともいう）は、アノードオフガス排出流路３５における燃料電池２の出口付近を分岐部として分岐している。
【００３１】
各分岐流路４１〜４４には、それぞれ露点計（絶対湿度計測手段）５１〜５４が接続されており、各分岐流路４１〜４４内を流通する反応ガスの露点を計測できるようになっている。そして、各分岐流路４１〜４４において、上流端（各流路２４，３８，２３，３５と分岐流路４１〜４４との分岐部）から露点計５１〜５４までの間にそれぞれヒーター（加熱手段）４５〜４８が設置されており、各分岐流路４１〜４４内を流通する反応ガス（カソードガス、カソードオフガス、アノードガス、及びアノードオフガス）を加熱しうるように構成されている。すなわち、各分岐流路４１〜４４の流通方向において、ヒーター４５〜４８が設置された領域（分岐部から露点計５１〜５４までの領域）は、加熱領域となっている。
【００３２】
また、各分岐流路４１〜４４における露点計５１〜５４よりも下流側は、流路の内径が上流側に比べて小さく形成された細管部（圧力損失形成手段）５５〜５８を構成している。なお、細管部５５〜５８に代えて流路内にオリフィスを設ける構成にしても構わない。
【００３３】
さらに、各分岐流路４１〜４４のうち、アノードガス分岐流路４３及びアノードオフガス分岐流路４４における露点計５３，５４よりも下流側には、開閉弁５９，６０が設けられ、分岐流路４３，４４内を開閉可能に構成されている。
そして、分岐流路４１〜４４は、その下流側でカソードオフガス排出流路３８における背圧弁３４と希釈ボックス３１との間に接続されている。すなわち、各流路２４，３８，２３，３５から分岐流路４１〜４４に分岐した流体は、分岐流路４１〜４４内を通ってカソードオフガス排出流路３８に流出するように構成されている。
【００３４】
（ＥＣＵ）
図２はＥＣＵのブロック図である。
図２に示すように、ＥＣＵ６は、燃料電池システム１の各構成品を統括的に制御するものであり、アノードガス圧力判定手段（圧力制御部）６１と、湿度算出手段６２と、水収支算出手段６３と、加湿状態判定手段（制御部）６４とを備えている。
【００３５】
アノードガス圧力判定手段６１は、上述した分岐流路４３，４４に設けられた開閉弁５９，６０の開閉制御を行うものである。具体的に、アノードガス圧力判定手段６１には、開閉弁５９，６０の開閉判定を行うためのアノード入口ガス圧力閾値Ｐａｌ１及びアノード出口ガス圧力閾値Ｐａｌ２が記憶されており、燃料電池２の圧力センサにより検出されたアノードガス圧力Ｐａ（アノード入口ガス圧力Ｐａ１及びアノード出口ガス圧力Ｐａ２）が、アノードガス圧力閾値Ｐａｌよりも高い場合に開閉弁５９，６０を開弁するようになっている。
【００３６】
湿度算出手段６２は、露点計５１〜５４で計測された反応ガスの露点を用いて、分岐流路４１〜４４を流通する反応ガスの温度に対する第１相対湿度φｇを算出するとともに、入口冷媒温度Ｔｗｉｎに対する第２相対湿度φｗを算出する。これらの算出方法については後述する。
水収支算出手段６３は、露点計５１〜５４で計測された反応ガスの露点を用いて、燃料電池２での発電電流に対する加湿水量Ｑ（燃料電池２での水分保持量）を算出する。
【００３７】
加湿状態判定手段６４は、燃料電池２の加湿状態を判定するものであり、第１相対湿度判定手段６５と、第２相対湿度判定手段６６と、加湿量判定手段６７とを備えている。
第１相対湿度判定手段６５には、第１相対湿度閾値φｇｌが記憶されており、この第１相対湿度閾値φｇｌと湿度算出手段６２により算出された第１相対湿度φｇとを比較して、燃料電池２の加湿状態を判定する。
【００３８】
第２相対湿度判定手段６６には、第２相対湿度閾値φｗｌが記憶されており、この第２相対湿度閾値φｗｌと湿度算出手段６２により算出された第２相対湿度φｗとを比較して、燃料電池２の加湿状態を判定する。
加湿量判定手段６７には、加湿水量閾値Ｑｌが記憶されており、この加湿水量閾値Ｑｌと水収支算出手段６３により算出された加湿水量Ｑとを比較して、燃料電池２の加湿状態を判定する。
【００３９】
そして、加湿状態判定手段６４は、上述した各判定手段６５〜６７での判定結果に基づいて、燃料電池２の加湿状態を最終的に判定する。具体的には、各判定手段６５〜６７において、算出された第１相対湿度φｇ、第２相対湿度φｗ及び加湿水量Ｑが全て所定閾値以上であると判定された場合に、燃料電池２が湿潤な状態に保たれ、効率的な発電が行われていると判定する。
【００４０】
（作用）
次に、上述した燃料電池システム１の作用について説明する。なお、以下の説明では、各分岐流路４１〜４４のうち、主にカソード側の分岐流路（カソードガス分岐流路４１及びカソードオフガス分岐流路４２）での作用について説明するが、その他の分岐流路４３〜４４の作用についてもカソードガス分岐流路４１及びカソードオフガス分岐流路４２での作用とほぼ同様である。
まず、エアポンプ３３からカソードガス供給流路２４に向けて送出されたカソードガスは、加湿器２９内でカソードオフガスによって加湿された後、燃料電池２のアノードに向かって流通する。なお、加湿器２９を流通するカソードオフガスは、燃料電池２で発電に供されたため、比較的高温となっている。そのため、加湿器２９内では、カソードガスとカソードオフガスとの間で熱交換も行われ、カソードガスが加熱されるようになっている。
【００４１】
その後、カソードガスの一部が、燃料電池２の入口直前でカソードガス分岐流路４１内に流入する。この際、カソードガス分岐流路４１内に分岐したカソードガスの流量は、燃料電池２での発電効率や、露点計５１による測定可能な流量範囲を考慮して、予め決定する。すなわち、バイパスするカソードガスの流量が比較的多いと、露点計５１での応答性は向上するが、燃料電池２へ供給されるカソードガスの流量が低下して燃料電池２での発電効率が低下するため好ましくない。一方、カソードガス分岐流路４１に分岐するカソードガスの流量が比較的少ないと、燃料電池２での発電効率は維持されるが、露点計５１での応答性が悪くなるため好ましくない。
そこで、本実施形態においては、カソードガス分岐流路４１に分岐するカソードガスの流量は、燃料電池２の発電出力に依らず、エアポンプ３３により送出されるカソードガスの流量に対して、例えば好ましい割合として０．８〜１．５％に設定する。これにより、燃料電池２での発電効率を維持した上で、露点計５１による応答性も確保できる。
【００４２】
そして、カソードガス分岐流路４１内に分岐したカソードガスは、加熱領域でヒーター４５により加熱された後、露点計５１で露点が計測される。この際、加熱領域では、ヒーター４５によってカソードガスを燃料電池２の作動温度以上（例えば、約８５℃程度）まで加熱する。このように、燃料電池システム１内の最高温度である燃料電池２の動作温度以上にカソードガス分岐流路４１内のカソードガスを加熱することで、カソードガス分岐流路４１内での水蒸気の結露を確実に抑制できる。
また、加熱領域において、カソードガス分岐流路４１を流通するカソードガスを、カソードガス流路２２に供給されるカソードガスに比べて１０℃以上加熱するようにしても構わない。これによっても、カソードガス分岐流路４１内での水蒸気の結露を確実に抑制できる。但し、加熱温度が高すぎると、ヒーター４５の消費電力が大きくなるため好ましくない。
【００４３】
また、カソードガス分岐流路４１内に分岐したカソードガスは、露点計５１の下流側で細管部５５を通った後、カソードオフガス排出流路３８内へ流入する。この場合、細管部５５において、所定の排気圧損を得られるように設定することで、カソードガス分岐流路４１内を流通するカソードガスの流量を調整することができ、カソードガス分岐流路４１内に常に一定以上の流量でカソードガスを供給できる。これにより、応答遅れの無いリアルタイムでの計測が実現できる。その後、カソードオフガス排出流路３８内へ流入したカソードガスは、希釈ボックス３１を通って排出通路３６から排出される。
【００４４】
一方、カソードガス分岐流路４１へ分岐せずに、カソードガス供給流路２４を燃料電池２に向けて流通するカソードガスは、燃料電池２の入口側でカソードガス流路２２に供給される。そして、カソードガスは、カソードガス流路２２において発電に供された後、カソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路３８に排出される。カソードオフガス排出流路３８に排出されたカソードオフガスのうち、一部のカソードオフガスは、燃料電池２の出口付近でカソードオフガス分岐流路４２内に分岐する。そして、カソードオフガス分岐流路４２内に分岐したカソードガスは、加熱領域でヒーター４６により加熱された後、露点計５２で露点が計測される。その後、カソードオフガス分岐流路４２内に分岐したカソードオフガスは、露点計５２の下流側で細管部５６を通った後、カソードオフガス排出流路３８内へ再び合流する。
【００４５】
ところで、燃料電池システム１では、システム停止時に、アノードガス分岐流路４３及びアノードオフガス分岐流路４４が開放状態であると、外部からアノードガス分岐流路４３やアノードオフガス分岐流路４４内に大気が逆流して、大気中に含まれる塵埃等がアノードガス供給手段１２や燃料電池２内に侵入してくる虞がある。
【００４６】
そこで、本実施形態では、アノードガス分岐流路４３及びアノードオフガス分岐流路４４に開閉弁５９，６０を設け、燃料電池システム１の停止時に開閉弁５９，６０を閉弁しておくことで、燃料電池システム１の停止中における大気の逆流を防ぐことができる。これにより、アノードガス供給手段１２や燃料電池２内等への塵埃の侵入を防止できる。また、後述するステップＳ１において、燃料電池システム１の起動後、アノードガス圧力判定手段６１により燃料電池２内のアノードガス圧力Ｐａ１，Ｐａ２が、アノードガス圧力閾値Ｐａｌ１，Ｐａｌ２以上であると判定された場合に、開閉弁５９，６０を開弁することで、開閉弁５９，６０の開弁した時点での大気の逆流を防止し、反応ガス（アノードガス及びアノードオフガス）を所望の流通方向に流通させることができる。
【００４７】
また、メイン流路（アノードガス供給流路２３、カソードガス供給流路２４、アノードガス排出流路３５、及びカソードガス排出流路３８）には、燃料電池２から排出される生成水が多く存在している。そのため、メイン流路に露点計５１〜５４を直接配置する構成では、露点計５１〜５４への水の付着により計測誤差や、応答性の低下を引き起こす可能性がある。
【００４８】
そこで、本実施形態では、メイン流路の分岐部から分岐する分岐流路４１〜４４を形成する構成とした。
この構成によれば、分岐流路４１〜４４を形成することで、メイン流路から分岐流路４１〜４４内への生成水の流入を抑制できる。これにより、露点計５１〜５４の計測時において、生成水による影響を可能な限り排除して、分岐流路４１〜４４内を流通する反応ガスの露点を正確に計測できる。
【００４９】
また、分岐流路４１〜４４上にヒーター４５〜４８を介して露点計５１〜５４を配置することで、分岐流路４１〜４４内を流通する反応ガス温度を上昇させ、分岐流路４１〜４４内での反応ガスの相対湿度φｇ，φｗを低減することができるため、反応ガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制できるので、分岐流路４１〜４４内を流通する反応ガスの露点（絶対湿度）を正確に測定できる。そのため、燃料電池システム１の起動時や過渡時等、流体温度が比較的低い場合であっても、水蒸気の結露を抑制して反応ガスの露点を正確に計測できる。なお、上述したように分岐流路４１〜４４内ではヒーター４５〜４８によって反応ガスの相対湿度φｇ，φｗの低減が図られているため、仮に分岐流路４１〜４４内を流通する反応ガス中の水蒸気（露点を計測すべき水分）が結露したとしても、この結露水を速やかに蒸発させることができる。したがって、露点計５１〜５４でより正確に露点を計測できる。さらに、露点計５１〜５４よりも上流側で燃料電池２の動作温度以上に高めることで、例えば露点計５１〜５４を直接加熱するような構成に比べて、露点計５１〜５４の熱による誤作動等を防止して、反応ガスの露点を正確に計測できる。
【００５０】
また、上述したエゼクタ２６により循環されるアノードオフガスには、水蒸気が多量に含まれているため、アノードガス供給流路２３内で結露し易いという問題がある。さらに、燃料電池システム１の起動時等においては、アノードガスを加熱するための熱交換器が温まっておらず、燃料電池２に供給されるアノード入口ガス温度が比較的低い。そのため、アノードガス供給流路２３内で結露が生じやすいという問題がある。
これらの問題に対しても、本実施形態では、アノードガス分岐流路４３上にヒーター４７を介して露点計５３を配置することで、アノードガス分岐流路４３内を流通するアノードガス温度を上昇させ、分岐流路４３での相対湿度φｇ，φｗを低減することができる。これにより、アノードガス中に含まれる水蒸気の結露を抑制して、露点計５３によってアノードガスの露点を正確に計測できる。
【００５１】
（燃料電池システムの制御方法）
次に、上述した燃料電池システム１の制御方法について説明する。具体的には、燃料電池２の加湿状態制御について説明する。図３は、燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、燃料電池システム１の起動後、圧力センサにより検出されたアノードガス圧力Ｐａ（アノード入口ガス圧力Ｐａ１及びアノード出口ガス圧力Ｐａ２）が、アノードガス圧力判定手段６１に記憶されたアノードガス圧力閾値（アノード入口ガス圧力閾値Ｐａ１ｌ及びアノード出口ガス圧力閾値Ｐａ２ｌ）よりも高いか否かを判定する。
【００５２】
ステップＳ１における判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｐａ１≦Ｐａｌ、かつＰａ２≦Ｐａｌの場合）は、開閉弁５９，６０を開弁せずに、ステップＳ１の判定を定期的に繰り返す。
一方、ステップＳ２における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｐａ１＞Ｐａｌ、かつＰａ２＞Ｐａｌの場合）は、ステップＳ２に進む。そして、ステップＳ２において、開閉弁５９，６０を開弁すると、アノードガス分岐流路４３及びアノードオフガス分岐流路４４内にアノードガス及びアノードオフガスが流通する。
【００５３】
次に、ステップＳ３において、各分岐流路４１〜４４に接続された露点計５１〜５４により、分岐流路４１〜４４での反応ガスの露点温度（アノード入口側でのアノードガスの露点温度Ｔｈａｉｎ及び出口側でのアノードオフガスの露点温度Ｔｈａｏｕｔ並びにカソード入口側でのカソードガスの露点温度Ｔｈｃｉｎ及び出口側でのカソードオフガスの露点温度Ｔｈｃｏｕｔ）を計測する。
【００５４】
続いて、ステップＳ４において、ステップＳ３で計測した露点温度に基づいて、第１相対湿度φｇ、入口冷媒温度Ｔｗｉｎに対する第２相対湿度φｗ及び加湿水量Ｑを算出する。
【００５５】
（湿度算出方法）
ここで、ステップＳ４における第１相対湿度φｇ及び第２相対湿度φｗの算出方法について説明する。なお、以下の説明では、カソード入口側での第１相対湿度φｇ及び第２相対湿度φｗの算出方法を例にして説明するが、他の箇所についても同様の方法で計測することができる。
湿度算出手段６２は、まず露点計５１で計測されたカソード入口側でのカソードガスの露点温度Ｔｈｃｉｎ（以下、ガス露点温度Ｔｈｃｉｎという）を数式１に示す近似式に代入し、カソード入口側でのガス露点温度Ｔｈｃｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｔｈｉｎ（ｋＰａ）を算出する。
【００５６】
【数１】
0005396325.tif 000002
【００５７】
次に、温度センサにより計測された燃料電池２のカソード入口ガス温度Ｔｃｉｎを、数式２に示す近似式に代入し、燃料電池２のカソード入口ガス温度Ｔｃｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｔ（ｋＰａ）を算出する。
【００５８】
【数２】
0005396325.tif 000003
【００５９】
そして、数式３に基づいて、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｔに対するカソード入口側でのガス露点温度Ｔｈｃｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｔｈの割合から、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎに対するカソードガスの第１相対湿度φｇを算出する。
【００６０】
【数３】
0005396325.tif 000004
【００６１】
一方、燃料電池２の入口側での第２相対湿度φｗを算出するためには、まず燃料電池２における入口冷媒温度Ｔｗｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｗ（ｋＰａ）を算出する。具体的には、冷媒温度センサ１９により計測された入口冷媒温度Ｔｗｉｎを数式４に示す近似式に代入し、入口冷媒温度Ｔｗｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｗ（ｋＰａ）を算出する。
【００６２】
【数４】
0005396325.tif 000005
【００６３】
そして、数式５に基づいて、入口冷媒温度Ｔｗｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｔに対するカソード入口ガス露点温度Ｔｈｃｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｗの割合から、入口冷媒温度Ｔｗｉｎに対するカソードガスの第２相対湿度φｗを算出する。
【００６４】
【数５】
0005396325.tif 000006
【００６５】
なお、第２相対湿度φｗを求める理由としては、燃料電池システム１では、冷媒温度（例えば、入口冷媒温度Ｔｗｉｎ）と露点温度（例えば、カソード入口側でのガス露点温度Ｔｈｃｉｎ）との関係、すなわち入口冷媒温度Ｔｗｉｎに対するカソードガスの第２相対湿度φｗによって、燃料電池２内で生成される生成水量ＱＷ（燃料電池２の加湿に使われる水量）が異なるためである。例えば、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎが５０℃、カソード入口側でのガス露点温度Ｔｈｃｉｎが３０℃、入口冷媒温度Ｔｗｉｎが２５℃の場合であれば、燃料電池２内でのカソードガスと冷媒との熱交換により、カソードガスの熱は冷媒に向けて放熱される。この場合、燃料電池２内でのカソードガス温度がカソード入口ガス露点温度Ｔｈｃｉｎに達すると、カソードガス中の水蒸気が燃料電池２内で結露することで、燃料電池２に水分を供給しやすくなる。
このように、入口冷媒温度Ｔｗｉｎに対するカソードガスの第２相対湿度φｗを求めることで、燃料電池２内でのカソードガスの結露状況を把握でき、燃料電池２への加湿し易さを把握できる。
【００６６】
（加湿水量算出方法）
次に、燃料電池２での加湿水量Ｑ（燃料電池２の加湿に使われる水の量）を算出する。図４は、燃料電池システム（カソード側）での水収支を説明するための説明図である。
図４に示すように、燃料電池２に供給されるカソードガス中に含まれる水分量を投入水分量Ｑｉｎ（ｇ／ｓｅｃ）、燃料電池２で発電や結露等によって生成される生成水の量を生成水量ＱＷ（ｇ／ｓｅｃ）、燃料電池２から排出されるカソードオフガス中に含まれる水分量を排出水分量Ｑｏｕｔ（ｇ／ｓｅｃ）とすると、燃料電池２内での加湿水量Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）は、数式６で表すことができる。
【００６７】
【数６】
0005396325.tif 000007
【００６８】
そこで、本実施形態では、水収支算出手段６３により、まず上述した投入水分量Ｑｉｎ、生成水量ＱＷ、排出水分量Ｑｏｕｔをそれぞれ算出する。
投入水分量Ｑｉｎ（ｇ／ｓｅｃ）を算出するためには、まずエアポンプ３３の流量センサで検出されたカソードに供給されるエア量をＧｉｎ（ＮＬ／ｓｅｃ）、標準状態（１気圧・０℃）の時の１ｍｏｌあたりのエアの体積を２２．４（ＮＬ）、水の分子量を１８としたときに、エアのモル数に対する水のモル数の比は数式７で表される。
【００６９】
【数７】
0005396325.tif 000008
【００７０】
一方で、上述した数式１で算出したカソード入口側でのガス露点温度Ｔｈｃｉｎにおける飽和水蒸気圧をＰｃｔｈｉｎ、圧力センサにより検出されたカソード入口ガス圧力をＰｃｉｎとし、数式８によりエア分圧に対する水蒸気分圧の比を算出する。
【００７１】
【数８】
0005396325.tif 000009
【００７２】
数式７のモル比と、数式８の分圧比は等しくなるので、数式９が成り立つ。
【００７３】
【数９】
0005396325.tif 000010
【００７４】
数式９をＱｉｎについて解くと、数式１０を得ることができる。そして、数式１０にそれぞれ値を代入することで、投入水分量Ｑｉｎ（ｇ／ｓｅｃ）を算出する。
【００７５】
【数１０】
0005396325.tif 000011
【００７６】
次に、燃料電池２での生成水量ＱＷ（ｋＰａ）を算出するために、まず発電電流計を用いて燃料電池２での電流値Ｉ（Ｃ／ｓｅｃ）を計測し、計測した電流値Ｉ（Ｃ／ｓｅｃ）を用いて、水素使用量Ｌ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を算出する。具体的には、燃料電池２での水素（アノードガス）使用量をＬ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）、発電反応中（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）の１個の水素分子から取り出される電子数を２、ファラデー定数を９６５００（Ｃ／ｍｏｌ）とすると、各セルでの電流値Ｉ（Ｃ／ｓｅｃ）は数式１１で表すことができる。
【００７７】
【数１１】
0005396325.tif 000012
【００７８】
そして、数式１１をＬ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）について解くとともに、燃料電池２の積層セル数ｎを掛けることで、数式１２により燃料電池２全体における水素消費量Ｌｚ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）を算出する。
【００７９】
【数１２】
0005396325.tif 000013
【００８０】
この場合、水素の消費量Ｌｚ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）に対して、同じモル数だけ水分が発生するため（Ｈ２＋Ｏ２／２→Ｈ２Ｏ）、生成水量ＱＷ（ｇ／ｓｅｃ）は、水の分子量１８を用いて、数式１３により表すことができる。
以上により、生成水量ＱＷ（ｇ／ｓｅｃ）を算出する。
【００８１】
【数１３】
0005396325.tif 000014
【００８２】
次に、排出水分量Ｑｏｕｔ（ｇ／ｓｅｃ）を算出するために、燃料電池２におけるカソード出口でのエア量（カソードオフガス量）Ｇｏｕｔ（ＮＬ／ｓｅｃ）を算出する。カソードオフガス量Ｇｏｕｔ（ＮＬ／ｓｅｃ）は、燃料電池２での酸素消費量（２２．４×Ｌｚ／２）をＧｏ２とすると、数式１４により表すことができる。
【００８３】
【数１４】
0005396325.tif 000015
【００８４】
続いて、数式１５に示す近似式に露点計５２で計測されたカソード出口側でのガス露点温度Ｔｈｃｏｕｔを代入し、ガス露点温度Ｔｈｃｏｕｔにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｔｈｏｕｔ（ｋＰａ）を算出する。
【００８５】
【数１５】
0005396325.tif 000016
【００８６】
上述した数式１５で算出したガス露点温度Ｔｈｃｏｕｔにおける飽和水蒸気圧をＰｃｔｈｏｕｔ、圧力センサにより検出されたカソード出口ガス圧力をＰｃｏｕｔとし、上述した数式７〜数式９と同様に計算を行うと、排出水分量Ｑｏｕｔ（ｇ／ｓｅｃ）は数式１６のように算出できる。そして、数式１６にそれぞれ値を代入することで、排出水分量Ｑｏｕｔ（ｇ／ｓｅｃ）を算出できる。
【００８７】
【数１６】
0005396325.tif 000017
【００８８】
そして、水収支算出手段６３は、上述した数式（６）に投入水分量Ｑｉｎ（ｇ／ｓｅｃ）、生成水量ＱＷ（ｇ／ｓｅｃ）、排出水分量Ｑｏｕｔ（ｇ／ｓｅｃ）をそれぞれ代入して、加湿水量Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）を算出する。
【００８９】
次に、図３に戻り、ステップＳ５において、ステップＳ４で算出した第１相対湿度φｇ、第２相対湿度φｗ、及び加湿水量Ｑに基づいて、燃料電池２の加湿状態を判定する。具体的には、加湿状態判定手段６４の各判定手段６５〜６７により、ステップＳ４で算出された値が所定閾値（第１相対湿度閾値φｇｌ、第２相対湿度閾値φｗｌ、及び加湿水量閾値Ｑｌ）以上であるか否かで判定する。そして、加湿状態判定手段６４は、ステップＳ４で算出された値が全て所定閾値以上であった場合に加湿状態が良好であると判定する。
【００９０】
図５，図６は、加湿状態判定を説明するためのグラフであり、図５は第１相対湿度φｇ（％）と第２相対湿度φｗ（％）とに基づいて加湿状態を判定するためのグラフであり、図６は加湿水量Ｑに基づいて加湿状態を判定するためのグラフである。
本実施形態では、図５に示すように、第１相対湿度判定手段６５及び第２相対湿度判定手段６６により、第１相対湿度φｇ及び第２相対湿度φｗが何れも所定閾値以上（φｇ≧φｇｌ、かつφｗ≧φｗｌ）であると判定された場合（図５中領域Ａ）であって、図６に示すように、加湿量判定手段６７により、加湿水量Ｑが加湿水量閾値Ｑｌ以上（Ｑ≧Ｑｌ）であると判定された場合（図６中領域Ｙ）の場合に、加湿状態が良好であると判定する。すなわち、燃料電池２が湿潤な状態に保たれ、効率的な発電が行われていると判定する。この場合は、図３のフローを終了する。
【００９１】
一方で、図５，図６に示すように、第１相対湿度φｇ、第２相対湿度φｗ、及び発電電流に対する加湿水量Ｑのうち、何れかが所定閾値未満の場合には、加湿不良と判定してステップＳ６に進む。
ステップＳ６では、加湿状態を回復するために、加湿増制御を行う。図５中領域Ｂのように、第１相対湿度φｇは高いものの、第２相対湿度φｗが所定値未満の場合（φｇ≧φｇｌ、かつφｗ＜φｗｌ）には、入口冷媒温度Ｔｗｉｎが高い虞があるため、入口冷媒温度Ｔｗｉｎを低下させる制御を行う。具体的に、燃料電池２に供給する冷媒流量を増加させることで入口冷媒温度Ｔｗｉｎを低下させ、入口冷媒温度Ｔｗｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｗを低下させ、入口冷媒温度Ｔｗｉｎに対するカソードガスの第２相対湿度φｗを高める。
また、第２相対湿度φｗが所定値未満であって、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎが低い虞がある場合には、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎを上げるために、燃料電池２に供給するカソード流量（エア量）を低下させる（ストイキを下げる）ことで、加湿器２９内でのカソードオフガスとの熱交換による温度上昇を促進させることができる。これにより、カソード入口ガス温度Ｔｗｉｎを上昇させ、入口冷媒温度Ｔｗｉｎに対するカソードガスの第２相対湿度φｗを高める。なお、ストイキとは、燃料電池２でのカソードガスの必要消費量に対する投入量である。
【００９２】
一方、図５中領域Ｃのように、第２相対湿度φｗは高いものの、第１相対湿度φｇが所定値未満の場合（φｗ≧φｗｌ、かつφｇ＜φｇｌ）には、第２相対湿度φｗを維持したままで、第１相対湿度φｇを増加させる必要がある。この場合には、入口冷媒温度Ｔｗｉｎを維持した状態でカソード入口ガス温度Ｔｃｉｎを低下させる。カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎを低下させるには、例えば、カソード流量（エア量）を増加させる（ストイキを上げる）等の処置が考えられる。これにより、加湿器２９内でのカソードオフガスとの熱交換による温度上昇を抑制させ、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎを低下させる。その結果、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎにおける飽和水蒸気圧Ｐｃｔを低下させ、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎに対するカソードガスの第１相対湿度φｇを高めることができる。
【００９３】
また、図５中領域Ｄのように、第１相対湿度φｇ、及び第２相対湿度φｗの双方が所定値未満の場合（φｇ＜φｇｌ、かつφｗ＜φｗｌ）には、上述した各方法を適宜採用して、第１相対湿度φｇ、及び第２相対湿度φｗが所定値以上（図５中領域Ａ）になるように制御する。また、カソードガス圧力を増加（カソードガスの流速低下）させて、カソード入口ガス温度Ｔｃｉｎを増加させることも可能である。
【００９４】
また、図６中領域Ｘのように、加湿水量Ｑが加湿水量閾値Ｑｌ未満の場合（Ｑ＜Ｑｌ）、加湿水量Ｑを増加させる必要がある。この場合には、例えば、加湿器２９での水分交換の効率を上げる等の処置が考えられる。
【００９５】
ここで、図７は時間（ｍｉｎ）に対する加湿水量Ｑ（ｇ／ｓｅｃ）及び電圧（Ｖ）の関係を示すグラフである。
図７に示すように、加湿水量Ｑが３（ｇ／ｓｅｃ）以上の場合には、燃料電池２での発電電圧が２４０〜２５０（Ｖ）程度の高い発電性能を維持していることがわかる。一方、加湿水量Ｑが３（ｇ／ｓｅｃ）未満になると、加湿水量Ｑの低下とともに、発電電圧も低下していることがわかる。そのため、本実施形態では、加湿水量閾値Ｑｌを例えば、３（ｇ／ｓｅｃ）程度に設定することが好ましく、算出される加湿水量Ｑが３（ｇ／ｓｅｃ）以上になるように加湿水量Ｑを制御する。なお、加湿水量Ｑが負の値の状態は、投入水分量Ｑｉｎ（ｇ／ｓｅｃ）よりも排出水分量（ｇ／ｓｅｃ）が少ない状態、すなわち燃料電池２内で水分が持ち去られている状態を示している。
【００９６】
ところで、第１相対湿度φｇ、第２相対湿度φｗ及び加湿水量Ｑが高すぎると、燃料電池２内でフラッディング現象（生成水が燃料電池２内に局所的に滞留してガス供給を阻害する現象）が生じる虞がある。そこで、図３に示すように、上述した所定閾値（第１相対湿度閾値φｇｌ、相対湿度閾値φｗ及び加湿水量閾値Ｑｌ）に上限値を設定し、ステップＳ４において第１相対湿度φｇ、第２相対湿度φｗ及び加湿水量Ｑが上限値よりも高いと判定された場合には、ステップＳ７において、加湿減制御を行う構成とすることが好ましい。加湿減制御については、上述した加湿増制御と逆の方法を行うことで実現できる。
以上により、加湿状態制御のフローを終了する。
【００９７】
なお、上述した実施形態では、第１相対湿度φｇ、第２相対湿度φｗ及び加湿水量Ｑの判定方法として、所定閾値以上であるか否かを判定する方法に加え、所定閾値に上限値を設ける方法について説明したが、これとは別に第１相対湿度φｇ、第２相対湿度φｗ及び加湿水量Ｑの目標値を設定し、この目標値に近づけるように加湿増制御または加湿減制御を行う構成にしても構わない。
また、本実施形態では、加湿過剰時にはステップＳ７で加湿減制御を行う場合について説明したが、必ずしも加湿減制御を行う必要はない。
さらに、ステップＳ５の加湿状態判定において、確定時間を設定し、確定時間内で継続的に算出された第１相対湿度φｇ、第２相対湿度φｗ、及び加湿水量Ｑに基づいて、加湿状態を判定することが好ましい。これにより、過渡的な応答遅れの影響を排除でき、より正確な制御を行うことができるので、燃料電池システム１の信頼性を向上できる。
【００９８】
このように、本実施形態では、露点計５１〜５４による計測結果に基づいて第２相対湿度φｗや、第１相対湿度φｇ、加湿水量Ｑのような状態量を算出することで、この算出結果に基づいて燃料電池２の加湿状態を制御できる。これにより、燃料電池２を常に湿潤な状態に保持できるので、所望の発電性能を維持できる。
特に、本実施形態では、上述したように露点計５１〜５４によって反応ガスの露点を正確に計測できるため、第２相対湿度φｗや、第１相対湿度φｇ、加湿水量Ｑをより高精度に算出することができ、燃料電池２の加湿状態制御の信頼性を向上できる。
【００９９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両に搭載した場合を例にして説明したが、これに限らず、例えばオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができる。
【０１００】
また、上述した実施形態では、アノード側及びカソード側の各流路（アノードガス供給流路２３、カソードガス供給流路２４、アノードガス排出流路３５、及びカソードガス排出流路３８）にそれぞれ分岐流路４１〜４４を設ける構成について説明したが、これに限らず、アノード側の流路（アノードガス供給流路２３、及びアノードガス排出流路３５）または、カソード側の流路（カソードガス供給流路２４、及びカソードガス排出流路３８）のみに設けても構わない。また、アノード側及びカソード側の各流路のうち、何れか１つのみに設ける構成でも構わない。
さらに、上述した実施形態では、第２相対湿度φｗや、第１相対湿度φｇ、加湿水量Ｑの全ての状態量を用いて燃料電池２の制御を行う構成について説明したが、これに限らず、上述した状態量の少なくとも一つを用いれば構わない。
【符号の説明】
【０１０１】
１…燃料電池システム  ２…燃料電池スタック（燃料電池）  １３…冷却手段  ２１…アノードガス流路（反応ガス流路、アノード反応ガス流路）  ２２…カソードガス流路（反応ガス流路）  ２３…アノードガス供給流路（反応ガス供給流路、アノード反応ガス供給流路）  ２４…カソードガス供給流路（反応ガス供給流路）  ３５…アノードガス排出流路（反応ガス排出流路、アノード反応ガス排出流路）  ３８…カソードガス排出流路（反応ガス排出流路）  ４１〜４４…分岐流路  ４５〜４８…ヒーター（加熱手段）  ５１〜５４…露点計（絶対湿度測定手段）  ５５〜５８…細管部（圧力損失形成手段）  ５９，６０…開閉弁  ６１…アノードガス圧力判定手段（圧力制御部）  ６４…加湿状態判定手段（制御部）
【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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【図６】
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【図７】
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