JP2023102957A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の湿度調整を適切に行うことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１０、燃料ガス供給通路４０、酸化ガス供給通路６０、加湿装置４７，６７、ＥＣＵ、及び抵抗計８１を備えている。加湿装置４７，６７は、燃料ガス供給通路４０及び酸化ガス供給通路６０に設けられるとともに、燃料ガス及び酸化ガスに対して加湿を行う。ＥＣＵは、加湿装置４７，６７を制御可能に構成されている。抵抗計８１は、燃料電池１０の電気抵抗値Ｚを検出する。燃料電池システムは、燃料電池の電流密度Ｊを検出する電流計８２、燃料電池における酸化ガスの圧力損失ΔＰを検出する圧力センサ８３，８４、及び燃料電池において生成される生成水量Ｖを検出する水位センサ８５を備えている。ＥＣＵは、電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖの全てに基づいて加湿装置４７，６７を制御するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池システムが開示されている。
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池）は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとを有するセルが複数積層して構成されたスタックを備えている。アノード側セパレータには、燃料ガスが流通する燃料ガス流路が形成されている。カソード側セパレータには、酸化ガスが流通する酸化ガス流路が形成されている。スタックには、燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給する燃料ガスマニホールドと、酸化ガス流路に対して酸化ガスを供給する酸化ガスマニホールドとが設けられている。燃料ガスマニホールドには、燃料ガス供給通路が接続されている。酸化ガスマニホールドには、酸化ガス供給通路が接続されている。酸化ガス供給通路には、加湿器が設けられたメイン通路と、加湿器をバイパスするとともにバイパス弁が設けられたバイパス通路とが設けられている。バイパス弁の開閉動作は、ＥＣＵにより制御される。また、燃料電池には、燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス計が設けられている。

特許文献１に記載の燃料電池システムでは、ＥＣＵが燃料電池のインピーダンスに基づいてバイパス弁の開閉動作を制御することで、酸化ガスの湿度が調整される。具体的には、ＥＣＵは、インピーダンスが下限値以下の場合には、燃料電池の滞留水が多いとして、バイパス弁を開状態にすることで、燃料電池の滞留水を減少させる滞留水減少制御を実行する。また、ＥＣＵは、インピーダンスが上限値以上の場合には、燃料電池の滞留水が少ない、すなわち乾燥しているとして、バイパス弁を閉状態にすることで、滞留水減少制御を解除する。

特開２０１３－２３９２９０号公報

ところで、燃料電池のインピーダンス、すなわち電気抵抗値が同一であっても、燃料電池の滞留水量が異なることがある。このため、燃料電池の湿度を適切に調整する上では改善の余地がある。

本発明の目的は、セルの湿度に応じて、反応ガスの湿度調整を適切に行うことができる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するための燃料電池システムは、燃料ガスが流通する燃料ガス流路を有するアノード側セパレータ、酸化ガスが流通する酸化ガス流路を有するカソード側セパレータ、及び前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとに挟まれる膜電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料ガス流路に接続され、前記燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、前記酸化ガス流路に接続され、前記酸化ガス流路に対して酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、前記酸化ガス供給通路に設けられ、酸化ガスに対して加湿を行う加湿装置と、前記加湿装置を制御可能に構成された制御部と、前記燃料電池の電気抵抗値を検出する電気抵抗値検出部と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池の電流密度を検出する電流密度検出部、前記燃料電池における酸化ガスの圧力損失を検出する圧力損失検出部、及び前記燃料電池において生成される水の量である生成水量を検出する生成水量検出部の少なくとも１つを備え、前記制御部は、前記電気抵抗値と、前記電流密度、前記圧力損失、及び前記生成水量の少なくとも１つとに基づいて前記加湿装置を制御するように構成されている。

電気抵抗値が同一であっても、電流密度が高いときには低いときに比べてカソード側セパレータの酸化ガス流路（以下、単に燃料電池）の滞留水が多い可能性が高い。また、電気抵抗値が同一であっても、酸化ガスの圧力損失が高いときには低いときに比べて燃料電池の滞留水が多い可能性が高い。また、電気抵抗値が同一であっても、生成水量が多いときには少ないときに比べて燃料電池の滞留水が多い可能性が高い。

上記構成によれば、電気抵抗値に加えて、電流密度、酸化ガスの圧力損失、及び生成水量の少なくとも１つとに基づいて加湿装置が制御される。このため、燃料電池の滞留水の実態に即したかたちで加湿装置が制御されるようになる。したがって、燃料電池の湿度調整を適切に行うことができる。

図１は、第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。 図２は、第１実施形態における燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 図３は、第１実施形態における燃料電池システムの加湿装置の制御の処理手順を示すフローチャートである。 図４は、第２実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。 図５は、第２実施形態における燃料電池システムの電気的構成を示すブロック図である。 図６は、第２実施形態における燃料電池システムの加湿装置の制御の処理手順を示すフローチャートである。

＜第１実施形態＞
以下、図１～図３を参照して、燃料電池システムの第１実施形態について説明する。
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料ガス供給通路４０と、酸化ガス供給通路６０と、制御部９０とを備えている。

まず、燃料電池１０について説明する。
＜燃料電池１０＞
図１に示すように、燃料電池１０は、セル積層体１１と、一対のエンドプレート１６，１７とを備えている。

セル積層体１１は、複数のシート状の単セル１２を厚さ方向において積層して構成されている。
なお、以降において、単セル１２の積層方向を単に積層方向として説明することがある。

単セル１２は、アノード側セパレータ１３、カソード側セパレータ１４、及びアノード側セパレータ１３とカソード側セパレータ１４とに挟まれる膜電極接合体１５を備えている。

アノード側セパレータ１３、カソード側セパレータ１４、及び膜電極接合体１５は、いずれもシート状であり、厚さ方向において積層されている。
アノード側セパレータ１３は、燃料ガスが流通する燃料ガス流路１３ａを有している。

カソード側セパレータ１４は、酸化ガスが流通する酸化ガス流路１４ａを有している。
一対のエンドプレート１６，１７は、セル積層体１１を積層方向の両側から挟むように設けられている。

セル積層体１１には、燃料ガス供給マニホールド２１及び燃料ガス排出マニホールド２２が設けられている。燃料ガス供給マニホールド２１及び燃料ガス排出マニホールド２２は、各アノード側セパレータ１３の燃料ガス流路１３ａの流入部及び流出部にそれぞれ連通している。

セル積層体１１には、酸化ガス供給マニホールド３１及び酸化ガス排出マニホールド３２が設けられている。酸化ガス供給マニホールド３１及び酸化ガス排出マニホールド３２は、各カソード側セパレータ１４の酸化ガス流路１４ａの流入部及び流出部にそれぞれ連通している。

＜燃料ガス供給通路４０及び燃料ガス排出通路５０＞
（燃料ガス供給通路４０）
図１に示すように、燃料ガス流路１３ａには、燃料ガス供給マニホールド２１を介して燃料ガス供給通路４０が接続されている。

燃料ガス供給通路４０は、メイン通路４１とバイパス通路４２とを有している。
メイン通路４１には、上流側から順に、燃料ガス供給部４３、加湿バルブ４４、加湿器４５が設けられている。

燃料ガス供給部４３は、高圧の燃料ガスとしての水素が貯留されているタンク、高圧の燃料ガスを減圧する減圧装置、燃料ガスを噴射する噴射装置などを備えている。
加湿器４５は、燃料ガスに対して水蒸気を加えることで加湿を行う。水蒸気は、燃料電池１０の外部から供給されるものであってもよいし、後述する燃料ガス排出通路５０から供給されるものであってもよい。

バイパス通路４２は、加湿バルブ４４及び加湿器４５を迂回するようにメイン通路４１に対して接続されている。バイパス通路４２には、バイパスバルブ４６が設けられている。

なお、加湿バルブ４４、加湿器４５、及びバイパスバルブ４６によって、加湿装置４７が構成されている。
（燃料ガス排出通路５０）
燃料ガス流路１３ａには、燃料ガス排出マニホールド２２を介して燃料ガス排出通路５０が接続されている。

燃料ガス排出通路５０は、燃料ガス供給通路４０のメイン通路４１において加湿バルブ４４と加湿器４５との間に接続されている。
燃料ガス排出通路５０には、上流側から順に、気液分離器５１及び循環ポンプ５２が設けられている。

燃料ガス排出通路５０において気液分離器５１と循環ポンプ５２との間には、大気に連通するパージ通路５３が接続されている。パージ通路５３には、パージバルブ５４が設けられている。

＜酸化ガス供給通路６０及び酸化ガス排出通路７０＞
（酸化ガス供給通路６０）
図１に示すように、酸化ガス流路１４ａには、酸化ガス供給マニホールド３１を介して酸化ガス供給通路６０が接続されている。

酸化ガス供給通路６０は、メイン通路６１とバイパス通路６２とを有している。
メイン通路６１には、上流側から順に、酸化ガス供給部６３、加湿バルブ６４、加湿器６５が設けられている。

酸化ガス供給部６３は、酸素を含む外気である酸化ガスを濾過するエアクリーナ、酸化ガスを圧送するコンプレッサなどを備えている。
加湿器６５は、酸化ガスに対して水蒸気を加えることで加湿を行う。水蒸気は、燃料電池１０の外部から供給されるものであってもよいし、後述する酸化ガス排出通路７０から供給されるものであってもよい。

バイパス通路６２は、加湿バルブ６４及び加湿器６５を迂回するようにメイン通路６１に対して接続されている。バイパス通路６２には、バイパスバルブ６６が設けられている。

なお、加湿バルブ６４、加湿器６５、及びバイパスバルブ６６によって、本発明に係る加湿装置６７が構成されている。
（酸化ガス排出通路７０）
酸化ガス流路１４ａには、酸化ガス排出マニホールド３２を介して酸化ガス排出通路７０が接続されている。

酸化ガス排出通路７０は、酸化ガス供給通路６０のメイン通路６１において加湿バルブ６４と加湿器６５との間に接続されている。
酸化ガス排出通路７０には、上流側から順に、気液分離器７１及び循環ポンプ７２が設けられている。

酸化ガス排出通路７０において気液分離器７１と循環ポンプ７２との間には、大気に連通するパージ通路７３が接続されている。パージ通路７３には、パージバルブ７４が設けられている。

燃料電池１０においては、燃料ガス供給通路４０を通じて供給される燃料ガスが、各単セル１２の燃料ガス流路１３ａを流通する。このとき、燃料ガスの一部は、膜電極接合体１５に流入する。

また、酸化ガス供給通路６０を通じて供給される酸化ガスは、酸化ガス流路１４ａを流通する。このとき、酸化ガスの一部は、膜電極接合体１５に流入する。
そして、膜電極接合体１５において燃料ガスと酸化ガスとが電気化学反応することにより発電が行われるとともに、水が生成される。

燃料ガスの一部は燃料ガス流路１３ａから燃料ガス排出通路５０を通じて燃料ガス供給通路４０に還流される。このとき、燃料ガスに含まれる水蒸気の一部は、気液分離器７１を通過する際に燃料ガスから分離される。

酸化ガスの一部は酸化ガス流路１４ａから酸化ガス排出通路７０を通じて酸化ガス供給通路６０に還流される。このとき、酸化ガスに含まれる水蒸気の一部は、気液分離器７１を通過する際に酸化ガスから分離される。

＜抵抗計８１＞
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１０の電気抵抗値Ｚ（インピーダンス）を検出する抵抗計８１を備えている。

抵抗計８１が、本発明に係る電気抵抗値検出部に相当する。
＜電流計８２＞
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１０の電流密度Ｊを検出する電流計８２を備えている。

電流計８２は、燃料電池１０により発電された電流が流れる回路において外部負荷８１Ａと直列にて設けられている。
電流計８２が、本発明に係る電流密度検出部に相当する。

＜圧力センサ８３，８４＞
図１に示すように、酸化ガス供給通路６０のメイン通路６１には、燃料電池１０に供給される酸化ガスの圧力Ｐｉｎを検出する供給側圧力センサ８３が設けられている。供給側圧力センサ８３は、メイン通路６１において加湿器６５の下流側に設けられている。

酸化ガス排出通路７０には、燃料電池１０から供給される酸化ガスの圧力Ｐｏｕｔを検出する排出側圧力センサ８４が設けられている。排出側圧力センサ８４は、酸化ガス排出通路７０において気液分離器７１の上流側に設けられている。

供給側圧力センサ８３により検出される酸化ガスの圧力Ｐｉｎと、排出側圧力センサ８４により検出される酸化ガスの圧力Ｐｏｕｔとの差分（＝Ｐｉｎ－Ｐｏｕｔ）が、燃料電池１０における酸化ガスの圧力損失ΔＰとなる。したがって、供給側圧力センサ８３と排出側圧力センサ８４とによって、本発明に係る圧力損失検出部が構成されている。

＜水位センサ８５＞
酸化ガス排出通路７０に設けられる気液分離器７１は、分離した水を貯留する貯留部（図示略）を備えている。気液分離器７１には、貯留部の水位を検出する水位センサ８５が設けられている。燃料電池１０において生成される水の量である生成水量Ｖが多くなるほど、貯留部の水位が多くなる。したがって、貯留部の水位によって生成水量Ｖを把握することができる。本実施形態では、水位センサ８５によって生成水量検出部が構成されている。

＜制御部９０＞
図２に示すように、制御部９０には、燃料ガス供給部４３の噴射装置及び酸化ガス供給部６３のコンプレッサが電気的に接続されている。また、制御部９０には、加湿器４５，６５、加湿バルブ４４，６４、及びバイパスバルブ４６，６６が電気的に接続されている。また、制御部９０には、循環ポンプ５２，７２、及びパージバルブ５４，７４が電気的に接続されている。また、制御部９０には、抵抗計８１，電流計８２，圧力センサ８３，８４，及び水位センサ８５などの各種検出部が電気的に接続されている。

制御部９０は、燃料ガス供給部４３の噴射装置の駆動制御を行うことにより、燃料ガスの供給量を制御するように構成されている。
制御部９０は、酸化ガス供給部６３のコンプレッサの駆動制御を行うことにより、酸化ガスの供給量を制御するように構成されている。

制御部９０は、加湿バルブ４４の開閉制御、加湿器４５の駆動制御、及びバイパスバルブ４６の開閉制御を行うことにより、燃料ガスへの加湿態様を制御するように構成されている。

制御部９０は、加湿バルブ６４の開閉制御、加湿器６５の駆動制御、及びバイパスバルブ６６の開閉制御を行うことにより、酸化ガスへの加湿態様を制御するように構成されている。

また、制御部９０は、パージバルブ５４，７４の開閉制御を行うように構成されている。
ところで、燃料ガス流路１３ａ及び酸化ガス流路１４ａにおいて滞留する生成水（以下、滞留水）の量が多いときほど加湿装置４７，６７による燃料ガス及び酸化ガスへの加湿を抑制する必要がある。

ここで、カソード側セパレータ１４の酸化ガス流路１４ａの滞留水が多いときには少ないときに比べて、燃料電池１０の電気抵抗値Ｚが小さくなる。
そこで、燃料電池１０の電気抵抗値Ｚが小さいときには大きいときに比べて、加湿装置４７，６７による燃料ガス及び酸化ガスへの加湿を抑制する必要がある。

ただし、電気抵抗値Ｚが同一であっても、電流密度Ｊが高いときには低いときに比べてカソード側セパレータ１４の酸化ガス流路１４ａの滞留水が多い可能性が高い。
また、電気抵抗値Ｚが同一であっても、酸化ガスの圧力損失ΔＰが高いときには低いときに比べて燃料電池１０の滞留水が多い可能性が高い。

また、電気抵抗値Ｚが同一であっても、生成水量Ｖが多いときには少ないときに比べて燃料電池１０の滞留水が多い可能性が高い。
そこで、本実施形態では、制御部９０により、燃料電池１０の電気抵抗値Ｚ、燃料電池１０の電流密度Ｊ、燃料電池１０における酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び燃料電池１０において生成される生成水量Ｖの全てに基づいて、加湿装置４７，６７が制御される。

詳しくは、制御部９０は、電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖと、加湿装置４７，６７の目標制御状態との関係を規定するマップを記憶するメモリ９１を有している。

このマップにおいては、電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、生成水量Ｖ、及び酸化ガス流路１４ａにおける滞留水がフラッディング状態であるか否かとの関係がマトリクスとして規定されている。

電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、生成水量Ｖ、及びフラッディング状態であるか否かとの関係は、実験等を通じて予め設定されている。
詳しくは、このマップにおいては、電気抵抗値Ｚが小さいときには大きいときに比べて、他の３つのパラメータ（電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、生成水量Ｖ）が一定であれば、フラッディング状態である可能性が高く設定されている。

また、電流密度Ｊが高いときには低いときに比べて、他の３つのパラメータ（電気抵抗値Ｚ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、生成水量Ｖ）が一定であれば、フラッディング状態である可能性が高く設定されている。

また、酸化ガスの圧力損失ΔＰが高いときには低いときに比べて、他の３つのパラメータ（電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、生成水量Ｖ）が一定であれば、フラッディング状態である可能性が高く設定されている。

また、生成水量Ｖが多いときには少ないときに比べて、他の３つのパラメータ（電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ）が一定であれば、フラッディング状態である可能性が高く設定されている。

そして、フラッディング状態である場合には、加湿装置４７，６７による加湿が停止されるように目標制御状態が設定され、フラッディング状態でない場合には、加湿装置４７，６７による加湿が実行されるように目標制御状態が設定されている。

制御部９０は、マップを参照して加湿装置４７，６７の目標制御状態を決定し、目標制御状態となるように加湿装置４７，６７を制御するように構成されている。
なお、制御部９０は、供給側圧力センサ８３により検出される酸化ガスの圧力Ｐｉｎと、排出側圧力センサ８４により検出される酸化ガスの圧力Ｐｏｕｔとの差分から、燃料電池１０における酸化ガスの圧力損失ΔＰを導出する。

次に、図３のフローチャートを参照して、制御部９０による加湿装置４７，６７の制御の処理手順について説明する。この一連の処理は、燃料電池１０の運転中において制御部９０により所定時間毎に繰り返し実行される。

図３に示すように、この一連の処理では、まず、制御部９０は、抵抗計８１及び電流計８２から、電気抵抗値Ｚ及び電流密度Ｊを読み込む。また、制御部９０は、圧力センサ８３，８４、及び水位センサ８５から、酸化ガスの圧力Ｐｉｎ，Ｐｏｕｔ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖを読み込む（ステップＳ１）。

次に、制御部９０は、マップを参照して、加湿装置４７，６７の目標制御状態を決定する。
ここで、フラッディング状態であると判断した場合（ステップＳ２：「ＹＥＳ」）には、制御部９０は、加湿装置４７，６７による加湿を停止する。すなわち、制御部９０は、加湿バルブ４４，６４を閉じ、バイパスバルブ４６，６６を開き、加湿器４５，６５の駆動を停止させる（ステップＳ３）。

そして、制御部９０は、この一連の処理を終了する。
一方、フラッディング状態ではないと判断した場合（ステップＳ２：「ＮＯ」）には、制御部９０は、加湿装置４７，６７による加湿を実行する。すなわち、制御部９０は、加湿バルブ４４，６４を開き、バイパスバルブ４６，６６を閉じ、加湿器４５，６５を駆動させる（ステップＳ４）。

そして、制御部９０は、この一連の処理を終了する。
次に、本実施形態の作用について説明する。
図３に示すように、電気抵抗値Ｚに加えて、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖの全てに基づいて加湿装置４７，６７が制御される。このため、燃料電池１０の滞留水の実態に即したかたちで加湿装置４７，６７が制御されるようになる。

次に、本実施形態の効果について説明する。
（１－１）制御部９０は、電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖの全てに基づいて加湿装置４７，６７を制御するように構成されている。

こうした構成によれば、上記作用を奏することから、燃料電池１０の湿度調整を一層適切に行うことができる。
（１－２）制御部９０は、マップを参照して加湿装置４７，６７の目標制御状態を決定するとともに、目標制御状態となるように加湿装置４７，６７を制御するように構成されている。

こうした構成によれば、制御部９０のメモリ９１に予め記憶されているマップを参照して加湿装置４７，６７の目標制御状態が決定される。そして、目標制御状態となるように加湿装置４７，６７が制御される。したがって、加湿装置４７，６７の制御を容易に行うことができる。

（１－３）加湿装置４７は、加湿器４５及びバイパスバルブ４６を含んでいる。加湿装置６７は、加湿器６５及びバイパスバルブ６６を含んでいる。制御部９０は、加湿器４５，６５の駆動制御及びバイパスバルブ４６，６６の開閉制御を行うように構成されている。

こうした構成によれば、電気抵抗値Ｚに加えて、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖの全てに基づいて加湿器４５，６５の駆動制御、及びバイパスバルブ４６，６６の開閉制御が制御される。このため、燃料電池１０の滞留水の実態に即したかたちで加湿器４５，６５の駆動制御、及びバイパスバルブ４６，６６の開閉制御が制御されるようになる。したがって、燃料電池１０の湿度調整を適切に行うことができる。

＜第２実施形態＞
以下、図４～図６を参照して、燃料電池システムの第２実施形態について説明する。
本実施形態では、燃料ガスを加湿する加湿装置１４７及び酸化ガスを加湿する加湿装置１６７の構成、並びに加湿装置１４７，１６７の制御態様が、第１実施形態と相違している。

以下、第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、以降において、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を付すことにより重複した説明を省略する。
＜加湿装置１４７，１６７＞
図４に示すように、加湿器４５に代えて、加湿装置１４７が設けられている。なお、本実施形態では、バイパス通路４２、加湿バルブ４４、及びバイパスバルブ４６が設けられていない。

加湿装置１４７は、加湿装置１４７を通過する燃料ガスの湿度を検出する湿度センサ８６を有している。
加湿器６５に代えて、加湿装置１６７が設けられている。なお、本実施形態では、バイパス通路６２、加湿バルブ６４、及びバイパスバルブ６６が設けられていない。

加湿装置１６７は、加湿装置１６７を通過する酸化ガスの湿度を検出する湿度センサ８７を有している。湿度センサ８７が、本発明に係る湿度検出部に相当する。
＜制御部９０＞
図５に示すように、制御部９０には、加湿装置１４７，１６７が電気的に接続されている。制御部９０には、抵抗計８１，電流計８２，及び湿度センサ８６，８７が電気的に接続されている。

制御部９０は、加湿装置１４７の駆動制御を行うことにより、燃料ガスへの加湿態様を制御するように構成されている。
制御部９０は、加湿装置１６７の駆動制御を行うことにより、酸化ガスへの加湿態様を制御するように構成されている。

制御部９０は、電気抵抗値Ｚと電流密度Ｊとに基づいて、加湿装置１４７を通過する燃料ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ１を設定し、湿度センサ８６により検出される燃料ガスの湿度が目標値Ｈｔｒｇ１となるように加湿装置１４７を制御するように構成されている。

詳しくは、制御部９０は、電気抵抗値Ｚと目標値Ｈｔｒｇ１との関係を規定するとともに電流密度Ｊの大きさ毎に設定された複数のマップを記憶するメモリ９１を有している。制御部９０は、マップを参照して目標値Ｈｔｒｇ１を決定し、目標値Ｈｔｒｇ１となるように加湿装置１４７を制御するように構成されている。

このマップにおいては、電気抵抗値Ｚが同一であっても電流密度Ｊが大きいほど、酸化ガス流路１４ａにおける滞留水が多い状態であるとして、燃料ガスの目標値Ｈｔｒｇ１が小さくなるように設定されている。

制御部９０は、電気抵抗値Ｚと電流密度Ｊとに基づいて、加湿装置１６７を通過する酸化ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ２を設定し、湿度センサ８７により検出される酸化ガスの湿度が目標値Ｈｔｒｇ２となるように加湿装置１６７を制御するように構成されている。

詳しくは、制御部９０は、電気抵抗値Ｚと目標値Ｈｔｒｇ２との関係を規定するとともに電流密度Ｊの大きさ毎に設定された複数のマップを記憶するメモリ９１を有している。制御部９０は、マップを参照して目標値Ｈｔｒｇ２を決定し、目標値Ｈｔｒｇ２となるように加湿装置１６７を制御するように構成されている。

このマップにおいては、電気抵抗値Ｚが同一であっても電流密度Ｊが大きいほど、酸化ガス流路１４ａにおける滞留水が多い状態であるとして、酸化ガスの目標値Ｈｔｒｇ２が小さくなるように設定されている。

次に、図６のフローチャートを参照して、制御部９０による加湿装置１４７，１６７の制御の処理手順について説明する。この一連の処理は、燃料電池１０の運転中において制御部９０により所定時間毎に繰り返し実行される。

図６に示すように、この一連の処理では、まず、制御部９０は、電流計８２から電流密度Ｊを読み込む（ステップＳ１１）。
次に、制御部９０は、電流密度Ｊが、前回の制御周期において読み込まれた電流密度Ｊに対して所定値以上変化していないか否かを判断する（ステップＳ１２）。

ここで、電流密度Ｊが所定値以上変化していないと判断した場合（ステップＳ１２：「ＹＥＳ」）には、酸化ガス流路１４ａにおける滞留水の量が前回の制御周期からほとんど変化していない可能性が高い。そこで、制御部９０は、燃料ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ１及び酸化ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ２として、前回の制御周期において設定された値を設定する（ステップＳ１３）。

次に、目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２となるように加湿装置１４７，１６７を制御する（ステップＳ１４）。
そして、制御部９０は、この一連の処理を終了する。

一方、電流密度Ｊが所定値以上変化していると判断した場合（ステップＳ１２：「ＮＯ」）には、制御部９０は、読み込んだ電気抵抗値Ｚが所定の範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ１５）。

ここで、電気抵抗値Ｚが所定の範囲内であると判断した場合（ステップＳ１５：「ＹＥＳ」）には、酸化ガス流路１４ａにおける滞留水の量が前回の制御周期からほとんど変化していない可能性が高いため、ステップＳ１３に移行する。

一方、電気抵抗値Ｚが所定の範囲内ではないと判断した場合（ステップＳ１５：「ＮＯ」）には、制御部９０は、読み込んだ電流密度Ｊに対応するマップを参照して、電気抵抗値Ｚに基づいて目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２を設定する（ステップＳ１６）。そして、ステップＳ１４に移行する。

次に、本実施形態の作用について説明する。
電気抵抗値Ｚと電流密度Ｊとに基づいて、加湿装置１４７，１６７を通過する燃料ガス及び酸化ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２が設定される。そして、湿度センサ８６，８７により検出される燃料ガスの湿度及び酸化ガスの湿度が目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２となるように加湿装置１４７，１６７が制御される。このため、燃料電池１０の滞留水の実態に即したかたちで加湿装置１４７，１６７が制御されるようになる。

次に、本実施形態の効果について説明する。
（２－１）制御部９０は、電気抵抗値Ｚと電流密度Ｊとに基づいて、加湿装置１４７，１６７を通過する燃料ガス及び酸化ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２を設定するように構成されている。制御部９０は、湿度センサ８６，８７により検出される燃料ガス及び酸化ガスの湿度が目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２となるように加湿装置１４７，１６７を制御するように構成されている。

こうした構成によれば、上記作用を奏することから、燃料電池１０の湿度調整を適切に調整することができる。
（２－２）制御部９０は、マップを参照して目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２を決定するとともに、燃料ガス及び酸化ガスの湿度が目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２となるように加湿装置１４７，１６７を制御するように構成されている。

こうした構成によれば、制御部９０のメモリ９１に予め記憶されているマップを参照して加湿装置１４７，１６７を通過する燃料ガス及び酸化ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２が決定される。そして、燃料ガス及び酸化ガスの湿度が目標値Ｈｔｒｇ１，Ｈｔｒｇ２となるように加湿装置１４７，１６７が制御される。したがって、加湿装置１４７，１６７の制御を容易に行うことができる。

＜変更例＞
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・第１実施形態では、電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖの全てに基づいて加湿装置４７，６７を制御するようにしたが、これに限られない。電気抵抗値Ｚと、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖのうちの２つとに基づいて加湿装置４７，６７を制御するようにしてもよい。また、電気抵抗値Ｚと、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖのいずれか１つとに基づいて加湿装置４７，６７を制御するようにしてもよい。

・第１実施形態では、マップを参照して、酸化ガス流路１４ａにおける滞留水がフラッディング状態であるか否かを判断するようにしたが、これに限られない。例えば、電気抵抗値Ｚ、電流密度Ｊ、酸化ガスの圧力損失ΔＰ、及び生成水量Ｖに基づいて、予め設定された演算式を用いて酸化ガス流路１４ａにおける滞留水がフラッディング状態であるか否かを判断するようにしてもよい。

・第２実施形態では、マップを参照して、燃料ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ１及び酸化ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ２を導出しているが、これに限られない。例えば、電気抵抗値Ｚ及び電流密度Ｊに基づいて、予め設定された演算式を用いて燃料ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ１及び酸化ガスの湿度の目標値Ｈｔｒｇ２を導出するようにしてもよい。

・各実施形態では、抵抗計８１は、燃料電池１０全体の電気抵抗値Ｚを検出するようにしたが、複数の単セル１２のうちの少なくとも１つの単セル１２の電気抵抗値Ｚを検出するようにしてもよい。

・燃料ガス供給通路４０に設けられる加湿装置４７，１４７に対しては、各実施形態または変形例において例示した加湿装置の制御を適用しないようにしてもよい。
・加湿装置は、少なくとも酸化ガス供給通路６０に設けられていればよく、燃料ガス供給通路４０に加湿装置を設けないようにしてもよい。

１０…燃料電池
１１…セル積層体
１２…単セル
１３…アノード側セパレータ
１３ａ…燃料ガス流路
１４…カソード側セパレータ
１４ａ…酸化ガス流路
１５…膜電極接合体
１６，１７…エンドプレート
２１…燃料ガス供給マニホールド
２２…燃料ガス排出マニホールド
３１…酸化ガス供給マニホールド
３２…酸化ガス排出マニホールド
４０…燃料ガス供給通路
４１…メイン通路
４２…バイパス通路
４３…燃料ガス供給部
４４…加湿バルブ
４５…加湿器
４６…バイパスバルブ
４７，１４７…加湿装置
５０…燃料ガス排出通路
５１…気液分離器
５２…循環ポンプ
５３…パージ通路
５４…パージバルブ
６０…酸化ガス供給通路
６１…メイン通路
６２…バイパス通路
６３…酸化ガス供給部
６４…加湿バルブ
６５…加湿器
６６…バイパスバルブ
６７，１６７…加湿装置
７０…酸化ガス排出通路
７１…気液分離器
７２…循環ポンプ
７３…パージ通路
７４…パージバルブ
８１…抵抗計（電気抵抗値検出部）
８１Ａ…外部負荷
８２…電流計（電流密度検出部）
８３…供給側圧力センサ（圧力損失検出部）
８４…排出側圧力センサ（圧力損失検出部）
８５…水位センサ（生成水量検出部）
８６…湿度センサ
８７…湿度センサ（湿度検出部）
９０…制御部
９１…メモリ

Claims (6)

1. 燃料ガスが流通する燃料ガス流路を有するアノード側セパレータ、酸化ガスが流通する酸化ガス流路を有するカソード側セパレータ、及び前記アノード側セパレータと前記カソード側セパレータとに挟まれる膜電極接合体を備える燃料電池と、
   前記燃料ガス流路に接続され、前記燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路と、
   前記酸化ガス流路に接続され、前記酸化ガス流路に対して酸化ガスを供給する酸化ガス供給通路と、
   前記酸化ガス供給通路に設けられ、酸化ガスに対して加湿を行う加湿装置と、
   前記加湿装置を制御可能に構成された制御部と、
   前記燃料電池の電気抵抗値を検出する電気抵抗値検出部と、を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の電流密度を検出する電流密度検出部、前記燃料電池における酸化ガスの圧力損失を検出する圧力損失検出部、及び前記燃料電池において生成される水の量である生成水量を検出する生成水量検出部の少なくとも１つを備え、
   前記制御部は、前記電気抵抗値と、前記電流密度、前記圧力損失、及び前記生成水量の少なくとも１つとに基づいて前記加湿装置を制御するように構成されている、
   燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記電気抵抗値、前記電流密度、前記圧力損失、及び前記生成水量の全てに基づいて前記加湿装置を制御するように構成されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記電気抵抗値、前記電流密度、前記圧力損失、及び前記生成水量と、前記加湿装置の目標制御状態との関係を規定するマップを記憶するメモリを有しており、前記マップを参照して前記加湿装置の目標制御状態を決定し、前記目標制御状態となるように前記加湿装置を制御するように構成されている、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化ガス供給通路は、加湿器を備えるメイン通路と、前記加湿器を迂回するとともにバイパスバルブが設けられたバイパス通路と、を有しており、
   前記加湿装置は、前記加湿器及び前記バイパスバルブを含み、
   前記制御部は、前記加湿器の駆動制御及び前記バイパスバルブの開閉制御を行うように構成されている、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記加湿装置は、前記加湿装置を通過する酸化ガスの湿度を検出する湿度検出部を有しており、
   前記制御部は、前記電気抵抗値と前記電流密度とに基づいて、前記加湿装置を通過する酸化ガスの湿度の目標値を設定し、前記湿度検出部により検出される前記酸化ガスの湿度が前記目標値となるように前記加湿装置を制御するように構成されている、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記電気抵抗値と前記目標値との関係を規定するとともに前記電流密度の大きさ毎に設定された複数のマップを記憶するメモリを有しており、前記マップを参照して前記目標値を決定し、前記目標値となるように前記加湿装置を制御するように構成されている、
   請求項５に記載の燃料電池システム。

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