燃料電池システム
【課題】燃料電池の発電性能を適切に維持する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】反応ガス供給流路に設置され、反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の状態値を検出する第１状態値検出手段２３、３２と、燃料電池１０からの電流を検出する電流検出手段５１と、オフガス排出流路に設置され、反応ガス流路から排出されるオフガスの状態値を検出する第２状態値検出手段２４、３３と、反応ガス流路内における流動様式と、反応ガス流路内での水の増加率及び反応ガス流路内でのガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている記憶手段６０と、記憶手段の前記マップを参照して前記流動様式を判定し、前記流動様式の判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合に、調整手段を制御することによって、前記流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させる制御手段６０と、を備える。
【解決手段】反応ガス供給流路に設置され、反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の状態値を検出する第１状態値検出手段２３、３２と、燃料電池１０からの電流を検出する電流検出手段５１と、オフガス排出流路に設置され、反応ガス流路から排出されるオフガスの状態値を検出する第２状態値検出手段２４、３３と、反応ガス流路内における流動様式と、反応ガス流路内での水の増加率及び反応ガス流路内でのガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている記憶手段６０と、記憶手段の前記マップを参照して前記流動様式を判定し、前記流動様式の判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合に、調整手段を制御することによって、前記流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させる制御手段６０と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素（燃料ガス）と、酸素（酸化剤ガス）を含む空気とを、それぞれアノード及びカソードに供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得る構造体である。燃料電池を良好に発電させるためには、その内部で不具合が生じないように燃料電池の状態を監視し、適切な状態となるように制御する必要がある。
【０００３】
前記不具合の例として、燃料電池を構成する膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)の電解質膜（Proton Exchange Membrane：ＰＥＭ）が乾燥し、適切な湿潤状態とならない場合がある。また、前記不具合の他の例として、電極反応が起こることによって燃料電池内の流路（アノード流路又はカソード流路）に流れ出た水で、燃料電池内の流路が閉塞されて、反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）が燃料電池に適切に供給されない場合がある。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池を構成する複数の発電体（単セル）の各抵抗値を、燃料電池内部の湿潤状態の指標値として検出する湿潤状態検出部と、検出された前記各抵抗値のうち少なくとも１つの抵抗値が所定閾値よりも高くなった場合には、電圧回復処理を行う制御部と、を備えた燃料電池システムについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５８３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、前記発電体の抵抗値の上昇を、燃料電池内部の水分量の減少（つまり、燃料電池内が乾燥していること）と対応させることによって、燃料電池内の湿潤状態を判定している。
しかしながら、前記したように、燃料電池内の流路に流れ出た水により、燃料電池内の流路が閉塞されて、反応ガスが適切に供給されない場合もある。また、燃料電池内の気体（水素、酸素、窒素、水蒸気など）及び液体（水）の流動様式は、さまざまな因子によって多様に変化する。つまり、特許文献１に記載の技術では、前記したように、燃料電池内の流路が閉塞されて反応ガスが適切に供給されないという事態に対処することができないという問題がある。
【０００７】
また、特許文献１に記載の技術では、燃料電池を構成する複数の発電体の抵抗値を検出するために、燃料電池に対して電流を供給する電源部（交流電源部）を備える必要があり、製作コストの増大を招くという問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池の発電性能を適切に維持する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に、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記反応ガス流路に向かう反応ガスが通流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るオフガスが通流するオフガス排出流路と、前記反応ガス供給流路に設置され、前記反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の単位時間当たりの流量と、前記気体の圧力と、前記気体の温度と、前記気体の露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する第１状態値検出手段と、前記燃料電池からの電流を検出する電流検出手段と、前記オフガス排出流路に設置され、前記反応ガス流路から排出されるオフガスの単位時間当たりの流量と、前記オフガスの温度と、前記オフガスの露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する第２状態値検出手段と、前記反応ガス流路内における流動様式と、前記反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている記憶手段と、制御手段と、前記制御手段による制御に従って動作することにより、前記反応ガス流路に流入する前記気体の単位時間当たりの流量、前記反応ガス流路内の圧力、前記冷媒流路を通流する冷媒の温度、からなる群から選択されるいずれか一つを調整する調整手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１状態検出手段によって検出される前記気体の各状態値と、前記電流検出手段によって検出される電流値と、前記第２状態検出手段によって検出されるオフガスの各状態値と、から前記反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速を求め、前記記憶手段の前記マップを参照して前記流動様式を判定し、前記流動様式の判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合に、前記調整手段を制御することによって、前記流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、燃料電池の反応ガス供給流路に設置された第１状態値検出手段によって、反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の各状態値（単位時間当たりの流量、圧力、温度、露点）を検出する。また、電流検出手段によって、燃料電池からの電流を検出する。さらに、燃料電池のオフガス排出流路に設置された第２状態値検出手段によって、反応ガス流路から排出されるオフガスの各状態値（単位時間当たりの流量、温度、露点）を検出する。
【００１１】
また、記憶手段には、反応ガス流路内における流動様式と、反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている。
【００１２】
そして、制御手段が、第１状態検出手段及び第２状態検出手段によって検出される各状態値と、電流検出手段によって検出される電流値とから、反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速を求める。さらに、制御手段は記憶手段の前記マップを参照して、前記処理で求めた反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速から、燃料電池内の反応ガス流路内における流動様式を判定する。
【００１３】
そして、制御手段は、前記流動様式の判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合に、反応ガス流路に流入する前記気体の単位時間当たりの流量、反応ガス流路内の圧力、冷媒流路を通流する冷媒の温度、からなる群から選択されるいずれか一つを調整する調整手段を制御することによって、前記流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させる。
【００１４】
これにより、燃料電池の反応ガス流路内における流動様式を適切に判定することができる。また、後記するように、流動様式がスラグ流又はプラグ流であった場合には、反応ガス流路が閉塞するため、燃料電池の発電性能が低下することとなる。本発明は、前記判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合には、反応ガス流路内における流動様式を、スラグ流又はプラグ流から離脱させる（つまり、他の流動様式に変化させる）ことにより、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、前記流動様式を単相流とするように制御することが好ましい。
【００１６】
燃料電池の反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流である場合には、前記したように、燃料電池内の反応ガス流路が閉塞状態となり、燃料電池に反応ガスが適切に供給されなくなってしまう。
前記構成によれば、反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、制御手段が単相流とするように制御するため、反応ガス流路内の状態を閉塞状態から離脱させ、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。
また、流動様式を単層流に移行させる場合には、反応ガスの単位時間当たりの流量を増加させる必要がないため、燃料電池システム全体における消費電力を抑えることができる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、前記流動様式を環状流とするように制御することが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、制御手段を環状流とするように制御するため、反応ガス流路内の状態を閉塞状態から離脱させ、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。
また、流動様式が環状流である場合には、燃料電池に反応ガスが十分に供給されるとともに、燃料電池内を適度な湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池からの出力を安定して確保することができる。
【００１９】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式を単相流とした後に、前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の出力電圧が所定値以下である場合には、前記流動様式を環状流とするように制御することが好ましい。
【００２０】
燃料電池の反応ガス流路内における流動様式が単相流である場合、反応ガスを安定して供給することができるものの、燃料電池内が乾燥状態となって出力電圧が低下する可能性がある。
前記構成によれば、反応ガス流路内における流動様式を単相流とした後に、電圧検出手段によって検出された燃料電池の出力電圧が所定値以下である場合には、制御手段が、流動様式を環状流とするように制御する。したがって、前記したように、燃料電池内を適度な湿潤状態とすることができ、燃料電池からの出力を安定して確保することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、燃料電池の発電性能を適切に維持する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池の反応ガス流路内での流動様式を説明するための断面図であり、（ａ）は単相流の場合の断面図であり、（ｂ）は環状流の場合の断面図であり、（ｃ）はスラグ流の場合の断面図であり、（ｄ）はプラグ流の場合の断面図である。
【図３】燃料電池の反応ガス流路内におけるガス流速及び水流速と、流動様式との対応関係を示すマップである。
【図４】（ａ）は反応ガス流路の配管の各形状における相当直径とガス流速との関係を示すグラフであり、（ｂ）〜（ｅ）は、反応ガス流路の各形状を示す断面図である。
【図５】カソード流路内の流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御の流れを示すフローチャートである。
【図６】アノード流路内の流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】カソード流路内及びアノード流路内の流動様式を単相流又は環状流とした後の制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】（ａ）は、流動様式がスラグ流／プラグ流である状態から単相流又は環状流に変化させた場合のガス流速と、水の増加率との関係を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の説明図に対応したＦＣ内の温度と水蒸気圧との関係を示す説明図である。
【図９】（ａ）は、流動様式が単相流である状態から環状流に変化させた場合のガス流速と、水の増加率との関係を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の説明図に対応したＦＣ内の温度と水蒸気圧との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の記載において、燃料電池１０に供給される燃料ガス（水素）、及び／又は、酸化剤ガス（酸素）を含む空気を総称して、「反応ガス」と記すことがあるものとする。
また、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス及び／又はカソードオフガスを総称して、「オフガス」と記すことがあるものとする。また、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２４】
≪燃料電池システムの構成≫
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四輪車（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１０と、燃料電池１０のアノードに対して燃料ガス（水素）を供給するアノード系と、燃料電池１０のカソードに対して酸化剤ガス（酸素）を含む空気を供給するカソード系と、燃料電池１０を経由するように冷媒を循環させて燃料電池１０を適温に保つ冷媒系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを制御する制御系と、を備えている。
【００２５】
＜燃料電池＞
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、図示しない膜／電極接合体(ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）が複数積層されて構成されている。
【００２６】
また、燃料電池１０の各セパレータには、各膜／電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がアノード流路１１、カソード流路１２として機能している。すなわち、燃料電池１０に対して反応ガスが供給される「反応ガス流路」は、燃料電池１０に対して燃料ガスを供給するアノード流路１１、及び／又は、燃料電池１０に対して酸化剤ガスを供給するカソード流路１２を備えて構成される。
【００２７】
また、セパレータには、燃料電池１０を冷却する冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）が通流する冷媒流路１３が形成されている。
【００２８】
燃料電池１０では、アノード流路１１を介して燃料ガス(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１２を介して酸化剤ガス(酸素)を含む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。
【００２９】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−・・・（式１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ・・・（式２）
【００３０】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、圧力調整弁２２と、エゼクタ２３と、気液分離器２４と、ドレン弁２５と、パージ弁２６と、各種センサ２３ｑ，２３ｐ，２３ｄ，２３ｔ，２４ｑ，２４ｄ，２４ｔと、を備えている。
【００３１】
水素タンク２１は、配管２１ａを介して圧力調整弁２２と接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。圧力調整弁２２は、配管２２ａを介してエゼクタ２３と接続され、その開閉により、水素タンク２１から配管２１ａを介して供給される水素の圧力を調整する。エゼクタ２３は、配管２３ａを介してアノード流路１１の入口と接続され、水素タンク２１から供給された水素をノズルから噴射することによりノズルの周囲に負圧を発生させ、アノード流路１１の出口から排出された未反応の水素を、配管２４ａ，２４ｂを介して吸引する。
【００３２】
気液分離器２４は、配管２４ａを介してアノード流路１１の出口と接続され、アノード流路１１から排出されるアノードオフガスに含まれる水分を分離して一時的に貯留する。ドレン弁２５は、配管２５ａを介して気液分離器２４の下部と接続され、配管２５ｂを介して希釈器３５と接続されている。ドレン弁２５は、開弁することにより、気液分離器２４に貯留された水を希釈器３５に排出する機能を有する。
【００３３】
パージ弁２６は、配管２４ｂから分岐した配管２６ａに接続され、配管２６ｂを介して希釈器３５と接続されている。パージ弁２６は、開弁することにより、循環経路（配管２３ａ、アノード流路１１、配管２４ａ，２４ｂ）に蓄積した不純物（窒素や水分など）を、希釈器３５に排出する機能を有する。
【００３４】
流量センサ２３ｑは、配管２３ａを通流する水素（反応ガス）を含む気体の体積流量を測定し、ＥＣＵ（Electric Control Unit）６０に出力する。流量センサ２３ｑとして、例えば、ベンチュリ流量計やオリフィス流量計などを用いる。
圧力センサ２３ｐは、配管２３ａを通流する水素を含む気体の圧力を測定し、ＥＣＵ６０に出力する。圧力センサ２３ｐとして、例えば、ダイアフラム気圧計などを用いる。
【００３５】
露点センサ２３ｄは、配管２３ａを通流する水素を含む気体の露点を測定し、ＥＣＵ６０に出力する。露点センサ２３ｄとして、例えば、静電容量式の露点計などを用いる。
温度センサ２３ｔは、配管２３ａを通流する水素を含む気体の温度を測定し、ＥＣＵ６０に出力する。温度センサ２３ｔとして、例えば、サーミスタなどを用いる。
【００３６】
なお、配管２４ａを通流するオフガスの各状態値を検出する流量センサ２４ｑ、露点センサ２４ｄ、温度センサ２４ｔについては、前記と同様であるから説明を省略する。また、図１に記載の各センサ及び出力検出器５１からＥＣＵ６０に検出信号が出力されるが、簡単のため、図１では図示を省略している。
【００３７】
＜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３４と、希釈器３５と、各種センサ３２ｑ，３２ｐ，３２ｄ，３２ｔ，３３ｑ，３３ｄ，３３ｔと、を備えている。
【００３８】
コンプレッサ３１は、車外と連通している配管３１ａと接続され、内部の羽根車（図示せず）が回転することによって車外から空気を吸引・圧縮し、燃料電池１０に向けて圧送する。加湿器３２は、配管３１ｂを介してコンプレッサ３１と接続され、配管３１ｂを通流してくる低湿潤の空気と、配管３３ｂを通流してくる高湿潤のオフガスとの間で、中空糸膜３２ｃを介して水分交換を行い、カソード流路１２に向かう空気を加湿する。
【００３９】
背圧弁３４は、配管３４ａを介して加湿器３２と接続され、配管３１ｂ，３２ａ、カソード流路１２、配管３３ｂ，３４ａを通流する気体（反応ガス又はオフガス）の圧力を調整する。希釈器３５は、配管３５ａを介して背圧弁３４と接続され、配管２６ｂからのアノードオフガスと、配管３５ａからのカソードオフガスとを混合し、燃料オフガスに含まれる水素をカソードオフガスで希釈する。ちなみに、希釈器３５内のオフガスなどは、配管３６ａを介して車外に排出される。
【００４０】
流量センサ３２ｑ、圧力センサ３２ｐ、露点センサ３２ｄ、温度センサ３２ｔは、それぞれ、配管３２ａを通流する空気の流量、圧力、露点、温度を検出し、ＥＣＵ６０に出力する。
また、流量センサ３３ｑ、露点センサ３３ｄ、温度センサ３３ｔは、それぞれ、配管３３ｂを通流するオフガスの流量、露点、温度を検出し、ＥＣＵ６０に出力する。
なお、前記各種センサについては、アノード側に設置された各種センサと同様であるから、説明を省略する。
【００４１】
なお、前記で説明した反応ガス流路に向かう反応ガスが通流する「反応ガス供給流路」は、配管２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２４ｂを含んで構成される燃料ガス供給流路、及び／又は、配管３１ａ，３１ｂ，３２ａを含んで構成される酸化剤ガス供給流路を示すものとする。
また、燃料電池１０から排出されるオフガスが通流する「オフガス排出流路」は、配管２４ａ，２４ｂ，２６ａ、２６ｂを含んで構成されるアノードオフガス排出流路、及び／又は、配管３３ｂ，３４ａ，３５ａ，３６ａを含んで構成されるカソードオフガス排出流路を示すものとする。
【００４２】
また、反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の単位時間当たりの流量と、前記気体の圧力と、前記気体の温度と、前記気体の露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する「第１状態値検出手段」は、燃料ガス供給流路に設置される各種センサ２３ｑ，２３ｐ，２３ｄ，２３ｔ、及び／又は、酸化剤ガス供給流路に設置される各種センサ３２ｑ，３２ｐ，３２ｄ，３２ｔを示すものとする。
【００４３】
また、反応ガス流路から排出されるオフガスの単位時間当たりの流量と、前記オフガスの温度と、前記オフガスの露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する「第２状態値検出手段」は、アノードオフガス排出流路に設置される各種センサ２４ｑ，２４ｄ，２４ｔ、及び／又は、カソードオフガス排出流路に設置される各種センサ３２ｑ，３２ｄ，３２ｔを示すものとする。
【００４４】
また、ＥＣＵ６０による制御に従って動作することにより、反応ガス流路１１，１２に流入する気体の単位時間当たりの流量、反応ガス流路１１，１２内の圧力、冷媒流路１３を通流する冷媒の温度、からなる群から選択されるいずれか一つを調整する「調整手段」は、図１に示す圧力調整弁２２、パージ弁２６、コンプレッサ３１、背圧弁３４、後記する冷媒ポンプ４１を示すものとする。
【００４５】
＜冷媒系＞
冷媒系は、冷媒ポンプ４１と、ラジエータ４２と、を備えている。冷媒ポンプ４１は、配管４１ａを介して燃料電池１０の冷媒流路１３の入口と接続され、所定の圧力をかけることによって、配管４１ａ，冷媒流路１３、配管４２ａ，４２ｂ中の冷媒を循環させる。ラジエータ４２は、配管４２ａを介して冷媒流路１３の出口と接続され、配管４２ｂを介して冷媒ポンプ４１と接続されている。ラジエータ４２は、外気との間で熱交換を行うものであり、冷媒を介して燃料電池１０を放熱させる。
【００４６】
＜電力消費系＞
電力消費系は、出力検出器５１と、電力制御器５２と、モータ５３と、を備えている。
出力検出器５１は、電流センサ及び電圧センサを備えており、燃料電池１０の現在（検出時）の電流値、電圧値をそれぞれ検出してＥＣＵ６０に出力する。電力制御器５２は、ＥＣＵ６０からの指令に従って燃料電池１０の発電電力などを制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣ／コンバータなどの電子回路を内蔵している。モータ５３は、電力制御器５２から入力される電力に従って回転する電動モータであり、燃料電池１０が搭載された移動体の動力源となる。
【００４７】
なお、燃料電池１０からの電流を検出する「電流検出手段」、及び、燃料電池１０の出力電圧を検出する「電圧検出手段」は、前記した出力検出器５１を示すものとする。
また、出力検出器５１として、燃料電池１０を構成する各単セル（又は複数の単セル）の出力電圧をそれぞれ検出するセル電圧モニタを含むものとする。
【００４８】
＜制御系＞
ＥＣＵ６０（制御手段）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、各種インタフェース、電子回路などを備えて構成されている。ＥＣＵ６０は、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
また、ＥＣＵ６０には、図１に示す各センサ（出力検出器５１を含む。）からの検出信号が入力され、当該検出信号に応じて圧力調整弁２２、ドレン弁２５、パージ弁２６、コンプレッサ３１、背圧弁３４、冷媒ポンプ４１、電力制御器５２などの動作を制御する。
【００４９】
なお、ＥＣＵ６０は、反応ガス流路内における流動様式と、当該反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている「記憶手段」（図示せず）を備えている。
【００５０】
≪反応ガス流路内における流動様式≫
燃料電池１０内では、アノード流路１１に水素が供給され、カソード流路１２に酸素を含む空気が供給されることによって、前記の（式１）、（式２）で示した電極反応が起こる。
したがって、カソード流路１２内には、（式２）で示した電極反応によって生成された水（水蒸気）が流入する。また、燃料電池１０の電解質膜の膜中において水分子がイオンの動きに伴って移動する電気浸透現象によって、電解質膜を越えてカソード流路１２内に水が流入する。
【００５１】
また、前記電極反応による水分子の移動と、前記電気浸透現象による水分子の移動により、電解質膜内の水分子がアノード側に移動する逆拡散が起こる。これによって、電解質膜を越えてアノード流路１１内に水が流入する。
【００５２】
また、反応ガス流路（アノード流路１１及び／又はカソード流路１２）内に流入した水蒸気の一部は、各流路内における温度及び水蒸気の分圧に応じて結露し、凝縮水となる。つまり、燃料電池１０の反応ガス流路内においては、水（液体）と、水蒸気を含む気体とが混在した状態となる。
ちなみに、反応ガス流路内に流入した水蒸気が結露しない場合には、反応ガス流路内は気体のみが存在する状態となる。
【００５３】
ここで、前記の液体と気体とが混在した流動様式は、流路の断面形状、流路内の圧力、流路内の温度、単位時間当たりの流量（気体流量及び液体流量）などの因子によって多様に変化する。このような、気体（相）と液体（相）の混合体流れを、気液二相流と称する。気液二相流の流動様式として、例えば、後記する環状流、スラグ流、プラグ流などがある。
【００５４】
これに対して、気体又は液体だけの単一の流れを単相流（気体単相流又は液体単相流）という。なお、以下の記載においては説明の便宜上、気体単相流を単に「単相流」と称する。
ちなみに、単相流として、一成分の気体（例えば、水素）のみが流路内を通流する場合の他、複数成分（水素、酸素、窒素、水蒸気など）の気体が混在して流路内を通流する場合も含むものとする。
【００５５】
図２（ａ）に示すように、単相流は、配管内を気体のみが流動する流動様式である。また、図２（ｂ）に示すように、環状流は、液体が配管の内壁面に分布し、気体及び液体が流動する流動様式である。
【００５６】
また、図２（ｃ）に示すように、スラグ流は、配管内に満たされた液体（水）の中で所定の大きさの気体が集まってできた気体領域が、配管の内壁面に接することなく複数存在し、気体及び液体がそれぞれ流動する流動様式である。
【００５７】
また、図２（ｄ）に示すように、プラグ流は、配管内に満たされた液体（水）の中で所定の大きさの気体がさらに集まってできた大きな気体領域が複数存在し、気体及び液体がそれぞれ流動する流動様式である。
【００５８】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、単層流又は環状流の場合には、配管内を気体が連続して通流する流路が形成される。したがって、反応ガス流路における流動様式が単相流又は環状流である場合には、燃料電池１０の電解質膜に反応ガスが安定して供給される。
【００５９】
一方、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、スラグ流又はプラグ流の場合には、配管内を気体が連続して通流する流路が形成されず、気体の流動が閉塞されることとなる。したがって、反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流である場合には、燃料電池１０の電解質膜に反応ガスを安定して供給することができず、燃料電池１０の発電性能が著しく低下する虞がある。
【００６０】
ちなみに、燃料電池１０の反応ガス流路内において、水の量が除々に増加していった場合、まず、反応ガス流路の下流側の流動様式がスラグ流又はプラグ流となる可能性が高い。
これは、気体である反応ガスが電解質膜内での発電によって消費され、下流側にいくほど反応ガスの量が減っていくとともに、前記した電極反応などによって発生した水が反応ガス流路の出口に向けて圧送されるためである。
【００６１】
そして、反応ガス流路の下流側でスラグ流又はプラグ流が発生すると、前記したように、気体の流路が閉塞されるため、スラグ流又はプラグ流の領域が上流側に向けて広がっていくこととなる。
【００６２】
また、図３に示すように、気液混合体のうちの気体の流速である「ガス流速」と、液体である水の流速である「水流速」とによって、前記した各流動様式を特定することができる。ちなみに、図３は、流路内の所定箇所における水流速及びガス流速と、当該箇所での流動様式を示している。
【００６３】
図３に示すように、気液二相流はプラグ流、スラグ流、環状流の順にガス流速が大きくなる。また、スラグ流と環状流との間には、これらの混合状態である遷移領域Ｆが存在する。ちなみに、遷移領域Ｆの流動様式は、具体的には、環状−スラグ流であり、スラグ流から環状流（又はその逆）に変化する際の過渡的な流動状態である。
また、図示は省略したが、単層流と環状流との境界領域にも、噴霧流や液滴流といった流動様式が存在する。
【００６４】
ここで、燃料電池１０の反応ガス流路内における流動様式を判定する際には、後記するように、スラグ流と環状流とを区別する際の閾値となるガス流速（図３の領域Ｆでのガス流速）を求める必要がある。
そこで、図４（ａ）に示すように、流路の断面形状（台形）の寸法を変えて、それぞれの断面形状（形状１〜形状４）の流路について前記遷移領域Ｆに対応するガス流速（遷移流速）の範囲を調べた。
【００６５】
図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示す形状１〜形状４を比較すると、いずれも流路断面が台形であるものの、上底長さ（Ｕ１〜Ｕ４）、下底長さ（Ｌ１〜Ｌ４）、及び高さ（Ｈ１〜Ｈ４）が、いずれも図４（ｂ）に示す形状１が最も小さく、記載順に大きくなり、図４（ｅ）に示す形状４が最も大きくなるように設定されている。
【００６６】
そして、流路の断面が形状１〜形状４の直線状の配管を同じ方向、例えば水平となるように載置し、前記流路に供給する気体及び液体の流量を徐々に変えながら高速度カメラで管路内を撮影して、遷移流速を求めた。
【００６７】
図４（ａ）に示す横軸は、前記した各流路の相当直径である。ここで、相当直径とは、断面形状が円形でない流路について、圧力損失や伝熱などについて等価な断面円形の流路を想定した場合での、前記円の直径である。また、図４（ａ）に示す縦軸は、流路内を流れる気体の流速（ガス流速）である。
【００６８】
図４（ａ）に示すように、混合流（環状−スラグ流）から環状流に遷移する際のガス流速を■印で示し、スラグ流から前記混合流に遷移する際のガス流速を●印でプロットした。図４（ａ）を参照すると、形状１〜形状４の流路においては、スラグ流から環状流に遷移する際の遷移領域Ｆ(図３参照)におけるガス流速（遷移流速）は、０．５ｍ／ｓ〜９．０ｍ／ｓであることが確認された。
【００６９】
なお、遷移流速の範囲は、前記範囲に限定されるものではない。すなわち、流路の断面形状が異なる場合（例えば、長方形）や、流路が水平面となす角度によって、遷移流速の範囲は異なる。前記のような実験結果に基づいて、燃料電池１０内のアノード流路１１及びカソード流路１２における流動様式を判定する際の閾値（遷移流速）を設定することができる。
【００７０】
≪流動様式の判定及び制御処理≫
次に、図５〜図７を参照しつつ、反応ガス流路内の流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御について説明する。
【００７１】
図５のステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２の流動様式の判定処理を開始する。ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内における水の増加率ΔＱが０未満であるか否か判定する。
【００７２】
ここで、カソード流路１２内における水の増加率ΔＱ[Ｌ／ｍｉｎ]は、以下の（式３）で求められる。なお、（式３）においてＱＶＢ[Ｌ／ｍｉｎ]は、燃料電池１０内において生成される水(水蒸気)の体積流量であり、ＱＶＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、カソード流路１２の入口側の配管３２ａ(図１参照)を通流する空気に含まれる水蒸気の体積流量であり、ＱＶＯ[Ｌ／ｍｉｎ]は、カソード流路１２の出口側の配管３３ｂを通流する空気に含まれる水蒸気の体積流量である。また、αはカソード側からアノード側への水移動の割合を決める係数であり、予め実験により計測することで設定することができる。
【００７３】
【数１】
【００７４】
ちなみに、前記（式３）において、燃料電池１０内において生成される水の体積流量ＱＶＢ[Ｌ／ｍｉｎ]は、出力検出器５１（図１参照）から入力される電流値に基づいて、ＥＣＵ６０が算出する。
【００７５】
また、前記（式３）において、配管３２ａ(図１参照)を通流する空気中に含まれる水蒸気の体積流量ＱＶＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、以下の（式４）で求められる。なお、（式４）においてＱＧＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、配管３２ａを通流する空気の体積流量であり、ＰＷ[ｋＰａ]は、配管３２ａを通流する空気に含まれる水蒸気の分圧であり、ＰＡ[ｋＰａ]は、配管３２ａを通流する空気の圧力である。
【００７６】
【数２】
【００７７】
ちなみに、前記（式４）において、配管３２ａを通流する空気の体積流量ＱＧＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、流量センサ３２ｑ（図１参照）によって検出され、ＥＣＵ６０に出力される。
【００７８】
また、前記（式４）において、配管３２ａを通流する空気に含まれる水蒸気の分圧ＰＷ[ｋＰａ]は、露点計３２ｄの検出値に基づいてＥＣＵ６０が求める。なお、ＥＣＵ６０には、図８（ｂ）に示す飽和水蒸気圧曲線のデータが格納されている。
例えば、配管３２ａ(図１参照)中の温度及び水蒸気圧が、状態Ｂ３（図８（ｂ）参照）であった場合、ＥＣＵ６０は、露点センサ３２ｄの検出値である温度Ｔ４から、配管３２ａ中の水蒸気の分圧Ｐ１を求めることができる。
【００７９】
また、前記（式４）において、配管３２ａを通流する空気の圧力ＰＡ[ｋＰａ]は、圧力センサ３２ｐ（図１参照）によって検出され、ＥＣＵ６０に出力される。
【００８０】
また、前記（式４）において、配管３３ｂを通流する空気中に含まれる水蒸気の体積流量ＱＶＯ[Ｌ／ｍｉｎ]も、前記でＱＶＩ[Ｌ／ｍｉｎ]を求めたのと同様の方法で、配管３３ｂに設置された各検出器から入力される検出値に基づいて、ＥＣＵ６０が算出する。
【００８１】
ステップＳ１０２において、カソード流路１２内における水の増加率ΔＱが０未満である（つまり、カソード流路１２内が乾燥しつつある）と判定した場合（Ｓ１０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、カソード流路１２内における水の増加率ΔＱが０以上である（つまり、カソード流路１２内が湿潤しつつある）と判定した場合（Ｓ１０２→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。
【００８２】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内の流動様式が単相流であると判定し、当該判定結果を記憶する。
【００８３】
前記のように判定する理由は、「カソード流路１２内が乾燥しつつあるならば、単相流である」の対偶（「単相流でないならば、カソード流路１２内が湿潤しつつある」）をとって、次のように説明することができる。すなわち、単相流でないならば、カソード流路１２中に液体（水）が存在する。この場合、カソード流路１２内の水蒸気の分圧は飽和蒸気圧に達している（つまり、それ以上水が蒸発できない状態となっている）。したがって、流入してくる空気中の水蒸気の少なくとも一部が凝縮するため、カソード流路１２内が湿潤しつつある状態となる。
【００８４】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧが、遷移流速ｖ１より大きいか否か判定する。遷移流速ｖ１は、前記したように、例えば０．５ｍ／ｓ〜９．０ｍ／ｓの範囲内における特定の値として、予めＥＣＵ６０に記憶されている。
【００８５】
ここで、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧは、以下の（式５）で求められる。なお、（式５）において、ＱＧＯ[Ｌ／ｍｉｎ]は、配管３３ｂ（図１参照）を通流するカソードオフガスの体積流量であり、ｎは燃料電池１０の単セルの積層数であり、Ｓ[ｍ２]は、カソード流路１２の断面積である。
【００８６】
【数３】
【００８７】
ここで、前記（式５）において、配管３３ｂを通流するカソードオフガスの体積流量ＱＧＯ[Ｌ／ｍｉｎ]は、以下の（式６）で求められる。
なお、（式６）においてＱＧＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、配管３２ａ(図１参照)を通流する空気の体積流量であり、ＱＧＣ[Ｌ／ｍｉｎ]は、燃料電池１０内で消費される酸化剤ガス（酸素）の体積流量であり、ＰＷ[ｋＰａ]は、配管３３ｂを通流するオフガスに含まれる水蒸気の分圧であり、ＰＡ[ｋＰａ]は、配管３２ｂを通流する空気の圧力であり、Ｐδ[ｋＰａ]は、カソード流路１２内の気体が受ける圧損である。
【００８８】
【数４】
【００８９】
ちなみに、前記（式６）において、配管３２ａを通流する空気の体積流量ＱＧＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、流量センサ３２ｑ（図１参照）によって検出され、ＥＣＵ６０に出力される。また、燃料電池１０内で消費される酸化剤ガス（酸素）の体積流量ＱＧＣ[Ｌ／ｍｉｎ]は、出力検出器５１（図１参照）から入力される電流値に基づいて、ＥＣＵ６０が算出する。
【００９０】
また、配管３３ｂを通流するオフガスに含まれる水蒸気の分圧ＰＷ[ｋＰａ]は、露点センサ３３ｄの検出値に基づいてＥＣＵ６０が算出する。
また、配管３２ｂを通流する空気の圧力ＰＡ[ｋＰａ]は、圧力センサ３２ｐ（図１参照）によって検出され、ＥＣＵ６０に出力される。また、燃料電池１０内において気体が受ける圧損Ｐδ[ｋＰａ]は、実験やシミュレーションによって求められ、予めＥＣＵ６０に記憶されている。
【００９１】
ちなみに、前記（式６）に記載の（ＰＡ−Ｐδ）は、カソード流路１２の出口側の配管３３ｂにおける圧力を示している。したがって、配管３３ｂに圧力センサを設け、当該圧力センサの検出値に基づいて、配管３３ｂを通流するカソードオフガスの体積流量ＱＧＯ[Ｌ／ｍｉｎ]を求めてもよい。
この場合、カソード流路１２内の気体が受ける圧損Ｐδ[ｋＰａ]を、事前に求めておく必要はない。
【００９２】
ところで、前記（式５）を参照すると、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧを求めるのに際して、カソード流路１２から流出するカソードオフガスの体積流量ＱＧＯを用いている。
これは、前記したように、カソード流路１２内において下流側のほうが上流側よりも、流動様式がスラグ流又はプラグ流となりやすいからである。この場合、下流側でガスの流路が閉塞するため、カソードオフガスの体積流量ＱＧＯが小さくなり、その流速も小さくなる。
【００９３】
つまり、カソード流路１２の出口（配管３３ｂ）におけるカソードオフガスの体積流量ＱＧＯ基づいてカソード流路１２内でのガス流速ｖＧを算出（推定）し、当該ガス流速ｖＧが遷移流速ｖ１よりも大きい場合には（ステップＳ１０４→Ｙｅｓ）、カソード流路１２内での流動様式を環状流として判定すればよいということである。
【００９４】
ステップＳ１０４において、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧが０より遷移流速ｖ１より大きいと判定した場合（Ｓ１０４→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０５に進む。一方、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧが遷移流速ｖ１未満であると判定した場合（Ｓ１０４→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０６に進む。
【００９５】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内の流動様式が環状流であると判定し、当該判定結果を記憶する。
また、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内の流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定する。ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内を乾燥させる（つまり、カソード流路１２内の水を蒸発させる）ように制御する。
なお、当該制御の具体的な処理内容については、後記する。
【００９６】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０７の制御を開始してから所定時間Δｔ１が経過したか否か判定する。所定時間Δｔ１が経過したと判定した場合（Ｓ１０８→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に戻る。所定時間Δｔ１が経過していないと判定した場合（Ｓ１０８→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０８の処理を繰り返す。
【００９７】
つまり、図５に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理は、ＥＣＵ６０が、カソード流路１２内における流動様式を判定し、スラグ流又はプラグ流であると判定した場合には、単相流又は環状流に移行させるように制御を行うことを意味している（図８（ａ）参照）。
【００９８】
このような処理を行うことによって、カソード流路１２内の流動様式をスラグ流又はプラグ流から離脱させ、カソード流路１２において空気が通る流路を形成するようにすることができる（図２（ａ），（ｂ）参照）。つまり、燃料電池１０に酸化剤ガス（酸素）を安定して供給することができる。
【００９９】
次に、ＥＣＵ６０は、アノード側に対して、前記したカソード側に対する処理と同様に、図６に示すステップＳ２０１〜Ｓ２０８の処理を実行する。なお、ステップＳ２０１〜Ｓ２０８の各処理は、図５に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理と同様であるから、説明を省略する。
ちなみに、ステップＳ２０２における、アノード流路１１内における水の増加率ΔＱの計算式は前記（式３）と異なり、以下の（式７）で求められる。
【０１００】
【数５】
【０１０１】
これは、燃料電池１０の電極反応によってカソード側で生成される水の体積流量（ＱＶＩ−ＱＶＯ）に、アノードとカソードとの間で移動する水の体積流量（αＱＶＢ）を加えることによって、水の増加率ΔＱが求められることを示している。
【０１０２】
このように、ＥＣＵ６０は、まず、カソード流路１２の流動様式を単相流又は環状流とするよう制御を行った後に、アノード流路１１の流動様式を単相流又は環状流とするよう制御を行う。
これは、燃料電池１０においてカソード側で水が生成されるため、アノード流路１１よりもカソード流路１２のほうが、スラグ流又はプラグ流が生じやすいためである。
【０１０３】
次に、図７のステップＳ３０１において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内の流動様式が環状流であるか否か判定する。カソード流路１２内が環状流であると判定した場合（Ｓ３０１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０２に進む。カソード流路１２内が環状流でない（つまり、単相流である）と判定した場合（Ｓ３０１→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０６に進む。
【０１０４】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１（又はコンプレッサ３１）での消費電力Ｗが所定電力Ｗ１以上であるか否か判定する。ここで、所定電力Ｗ１は、燃料電池１０に対する発電要求量（例えば、燃料電池１０が燃料電池四輪車に搭載されている場合には、アクセル開度に応じた発電要求量）に対応して、変動する値である。つまり、燃料電池１０に対する発電要求量が大きくなるにしたがって、所定電力Ｗ１も大きくなるように設定されている。
【０１０５】
アノード側における反応ガス（水素）の供給が、圧力調整弁２２（図１参照）の開度によって調整されるのに対して、カソード側における反応ガス（酸素）の供給は、コンプレッサ３１内の羽根車を回転させるためのモータ（図示せず）の回転速度を変化させることによって調整される。
【０１０６】
したがって、ガス流速が高い環状流の状態を維持するためには、それに対応して前記モータの回転数を高くする必要がある。つまり、カソード流路１２内が環状流である場合には、反応ガス（酸素）を十分に供給できるとともに、燃料電池１０の電解質膜の湿潤状態を適度に保つことができる一方、環状流の状態を維持するために消費電力が大きくなる可能性がある。
【０１０７】
ステップＳ３０２において、消費電力Ｗが所定電力Ｗ１以上であると判定した場合（Ｓ３０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０３に進む。一方、消費電力Ｗが所定電力Ｗ１未満であると判定した場合（Ｓ３０３→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０５に進む。
【０１０８】
ステップＳ３０３において、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１（図１参照）の出力を所定量だけ下げるように制御する。つまり、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１内の羽根車に接続されたモータ（図示せず）の回転速度を、所定値だけ下げるように制御する。
なお、前記所定値は、燃料電池１０に対する発電要求量などに対応して、予め設定される値である。
【０１０９】
ステップＳ３０４において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３０３の制御処理を開始してから所定時間Δｔ３が経過したか否か判定する。所定時間Δｔ３が経過した場合（Ｓ３０４→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０２に戻る。一方、所定時間Δｔ３が経過していない場合（Ｓ３０４→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３０４の処理を繰り返す。
【０１１０】
ステップＳ３０５において、ＥＣＵ６０は、所定時間Δｔ４が経過したか否か判定する。なお、当該判定処理を開始する段階では、アノード流路１１内は単相流又は環状流であり、カソード流路１２内は環状流であるため、反応ガス（水素及び酸素）は十分に供給されている。また、この場合、環状流によって燃料電池１０の電解質膜に水分が供給されている。
【０１１１】
ただし、前記モータの回転速度を下げると、それに応じてカソード流路１２に流入する空気の流量も減少する。この場合、カソード流路１２内におけるガス流速は前記した遷移流速ｖ１に近づいていく（図３参照）。
このように、所定時間Δｔ４が経過した後にカソード流路１２内の流動状態を再度判定することが好ましい。
【０１１２】
ステップＳ３０５において所定時間Δｔ４が経過したと判定した場合（Ｓ３０５→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０１（図５参照）にリターンする。ステップＳ３０５において所定時間Δｔ４が経過していないと判定した場合（Ｓ３０５→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３０５の処理を繰り返す。
【０１１３】
ステップＳ３０６において、ＥＣＵ６０は、アノード流路１１内が単相流であるか否か判定する。アノード流路１１内が単相流であると判定した場合（Ｓ３０６→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０７に進む。アノード流路１１内が単相流でない（つまり、環状流である）と判定した場合（Ｓ３０６→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３１１に進む。
【０１１４】
ステップＳ３０７において、ＥＣＵ６０は、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下であるか否か判定する。
なお、ステップＳ３０７の段階では、アノード流路１１内及びカソード流路１２内が単相流となっている。このような場合、反応ガスは十分に供給されるが、単相流に含まれる水蒸気の割合が少ない状態が継続すると、燃料電池１０の電解質膜が乾燥して発電性能が低下する可能性がある。つまり、燃料電池１０の出力電圧Ｖが低くなる可能性がある。
【０１１５】
燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下であると判定した場合（Ｓ３０７→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０８に進む。一方、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１より高いと判定した場合（Ｓ３０７→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３１０に進む。
【０１１６】
ステップＳ３０８において、ＥＣＵ６０は、アノード流路１１内及び／又はカソード流路１２内を湿潤させるよう制御する。なお、当該制御処理の詳細については、後記する。
【０１１７】
ステップＳ３０９において、ＥＣＵ６０は、所定時間Δｔ５が経過したか否か判定する。所定時間Δｔ５が経過したと判定した場合（Ｓ３０９→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０７に戻る。一方、所定時間Δｔ５が経過していないと判定した場合（Ｓ３０９→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３０９の処理を繰り返す。
【０１１８】
ステップＳ３１０において、ＥＣＵ６０は、所定時間Δｔ６が経過したか否か判定する。なお、当該判定処理を開始する段階では、アノード流路１１内及びカソード流路１２内は単相流であるため、反応ガス（水素及び酸素）が十分に供給されている。また、この場合、出力電圧Ｖは所定電圧Ｖ１より高いので、燃料電池１０の電解質膜の湿潤状態も適切に保たれている。
【０１１９】
ステップＳ３１０において所定時間Δｔ６が経過したと判定した場合（Ｓ３１０→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０１（図５参照）にリターンする。ステップＳ３１０において所定時間Δｔ６が経過していないと判定した場合（Ｓ３１０→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３１０の処理を繰り返す。
なお、所定時間Δｔ６は、アノード流路１１及びカソード流路１２の流動様式（単相流）が安定して継続すると推定される時間であり、実験などに基づいて適宜設定すればよい。
【０１２０】
ステップＳ３１１において、ＥＣＵ６０は、所定時間Δｔ７が経過したか否か判定する。なお、当該判定処理を開始する段階では、アノード流路１１内は環状流であり、カソード流路１２内は単相流であるため、反応ガス（水素及び酸素）は十分に供給されている。また、この場合、環状流によって燃料電池１０の電解質膜に水分が十分に供給されている。
【０１２１】
ステップＳ３１１において所定時間Δｔ７が経過したと判定した場合（Ｓ３１１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０１（図５参照）にリターンする。ステップＳ３１１において所定時間Δｔ７が経過していないと判定した場合（Ｓ３１１→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３１１の処理を繰り返す。
なお、所定時間Δｔ７は、アノード流路１１の流動様式（環状流）及びカソード流路１２の流動様式（単相流）が安定して継続すると推定される時間であり、実験などに基づいて適宜設定すればよい。
【０１２２】
≪流動様式を変化させるための制御処理≫
（１．スラグ流／プラグ流からの離脱）
次に、流動様式を変化させる場合のＥＣＵ６０の具体的な処理内容と、反応ガス流路内での状態変化について説明する。
図８（ａ）は、流動様式がスラグ流／プラグ流である状態から単相流又は環状流に変化させた場合のガス流速と、水の増加率との関係を示す説明図である。
【０１２３】
ＥＣＵ６０には、反応ガス流路内における流動様式と、反応ガス流路内での水の増加率及び反応ガス流路内でのガス流速と、の対応関係を示すマップ（図８（ａ）参照）が記憶されている。
【０１２４】
例えば、反応ガス流路内の流動様式がスラグ流又はプラグ流である状態Ａ１であった場合を考える。図５，図６に示した処理では、状態Ａ１であると判定した場合、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内又はアノード流路１１内を乾燥させる制御を行うこととした（図５のＳ１０７、図６のＳ２０７参照）。
【０１２５】
これは、反応ガス流路内における水の増加率（図８（ａ）の縦軸参照）を小さくすることによって、反応ガス流路内の流動状態を、状態Ａ１（スラグ流又はプラグ流）から状態Ｂ１（単相流）に変化させることに相当する。
【０１２６】
図８（ｂ）は、図８（ａ）の説明図に対応した燃料電池内の温度と水蒸気圧との関係を示す説明図である。図８（ｂ）に示す状態Ａ２は図８（ａ）に示す状態Ａ１に対応し、図８（ｂ）に示す状態Ｂ２〜Ｂ４は、図８（ａ）に示す状態Ｂ１に対応している。
【０１２７】
例えば、反応ガス流路内がスラグ流又はプラグ流であった場合に、ＥＣＵ６０が、反応ガス流路内のガス圧力を下げる制御を行うと、図８（ｂ）に示す状態Ａ２は状態Ｂ２に変化する。ここで、状態Ｂ２での水蒸気圧Ｐ２は、温度Ｔ２における飽和蒸気圧より低い。したがって、状態Ｂ２では、反応ガス流路内の水が蒸発する（つまり、反応ガス流路内が乾燥する）こととなる。
【０１２８】
例えば、アノード流路１１内のガス圧力を下げる場合、ＥＣＵ６０は、圧力調整弁２２（図１参照）の開度を小さくする制御を行う。また、カソード流路１２内のガス圧力を下げる場合、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１（図１参照）の羽根車を回すモータの回転速度を下げる制御を行う。
【０１２９】
また、反応ガス流路内がスラグ流又はプラグ流であった場合に、ＥＣＵ６０が、燃料電池１０内の温度を上げる制御を行うと、図８（ｂ）に示す状態Ａ２は状態Ｂ３に変化する。ここで、状態Ｂ３での水蒸気圧Ｐ１は、温度Ｔ３における飽和蒸気圧より低い。したがって、状態Ｂ３では、反応ガス流路内の水が蒸発する（つまり、反応ガス流路内が乾燥する）こととなる。
【０１３０】
なお、反応ガス流路内の温度を上げる場合、ＥＣＵ６０は、冷媒流路１３を循環する冷媒の温度を上げるために、冷媒ポンプ４１の出力を上げて冷媒を圧縮する制御を行う。
ちなみに、前記の２つの制御（圧力制御及び温度制御）を組み合わせることによって、図８（ｂ）に示す状態Ａ２から状態Ｂ４に変化させ、反応ガス流路内を乾燥させることとしてもよい。
【０１３１】
また、前記ではＥＣＵ６０が、図８（ａ）に示す状態Ａ１（スラグ流又はプラグ流）から状態Ｂ１（単相流）に変化させることとしたが、状態Ａ１から状態Ｃ１（環状流）に変化させる制御を行ってもよい。
この場合、ＥＣＵ６０は、反応ガス流路内を通流する反応ガスの単位時間当たりの流量を増加させる制御を行う。
【０１３２】
アノード流路１１を通流するガス流量を増加させる場合、例えばＥＣＵ６０は、パージ弁２６（図１参照）を開状態とする頻度を上げる、及び／又は、１回当たりのパージ時間を長くする制御を行う。パージ弁２６を開いた場合、ＥＣＵ６０は、所定のガス圧力を維持するために圧力調整弁２２の開度を大きくする制御を行うため、アノード流路１１に流入する反応ガスの流量が増加することとなる。
【０１３３】
ちなみに、流動様式が環状流となった場合、反応ガス流路内における水蒸気の分圧は、飽和蒸気圧に達している。
【０１３４】
（２．単相流と環状流との切り替え制御）
図９（ａ）は、流動様式が単相流である状態から環状流に変化させた場合のガス流速と、水の増加率との関係を示す説明図である。
【０１３５】
例えば、反応ガス流路内の流動様式が単相流である状態Ｂ１であった場合を考える。図７に示した処理では、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下である場合にＥＣＵ６０は、カソード流路１２内及び／又はアノード流路１１内を湿潤させる制御を行うこととした（図７のＳ３０７，Ｓ３０８参照）。
【０１３６】
これは、反応ガス流路内における水の増加率（図９（ａ）の縦軸参照）を大きくすることによって、状態Ｂ１（単相流）から状態Ｃ１（環状流）に変化させることに相当する。
【０１３７】
図９（ｂ）は、図９（ａ）の説明図に対応した燃料電池内の温度と水蒸気圧との関係を示す説明図である。図９（ｂ）に示す状態Ｂ２は図９（ａ）に示す状態Ｂ１に対応し、図９（ｂ）に示す状態Ｃ２〜Ｃ４は、図９（ａ）に示す状態Ｃ１に対応している。
ちなみに、状態Ｂ２（単相流）においては、反応ガス流路内の水蒸気圧Ｐ１が、その温度における飽和蒸気圧より低くなっている。
【０１３８】
例えば、反応ガス流路内が単相流であり、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下であった場合に、ＥＣＵ６０が、反応ガス流路内のガス圧力を上げる制御を行うと、図９（ｂ）に示す状態Ｂ２は状態Ｃ２に変化する。ここで、状態Ｃ２での水蒸気圧Ｐ２は、温度Ｔ２における飽和蒸気圧に達している。したがって、状態Ｃ２では、反応ガス流路内において水蒸気の一部が凝縮して水になる。
【０１３９】
また、ＥＣＵ６０が、燃料電池１０内の温度を下げる制御を行うと、図９（ｂ）に示す状態Ｂ２は状態Ｃ３に変化する。ここで、状態Ｃ３での水蒸気圧Ｐ１は、温度Ｔ３における飽和蒸気圧に達している。したがって、状態Ｃ３では、反応ガス流路内において水蒸気の一部が凝縮して水になる。
【０１４０】
ちなみに、前記の２つの制御（圧力制御及び温度制御）を組み合わせることによって、図９（ｂ）に示す状態Ｂ２から状態Ｃ４に変化させ、反応ガス流路内を湿潤させることとしてもよい。
【０１４１】
≪効果≫
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池１０に流入する反応ガスの各状態値（温度、露点、圧力、流量）と、燃料電池１０から流出するオフガスの各状態値（温度、露点、流量）をそれぞれ検出するセンサからの入力値に基づいて、ＥＣＵ６０が燃料電池１０の反応ガス流路内の流動様式を適切に判定するこことができる。
【０１４２】
そして、前記流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合に、ＥＣＵ６０が反応ガス流路内を通流する反応ガスの圧力、温度、流量を制御することによって、その流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させる（つまり、単相流又は環状流に変化させる）ことができる。
【０１４３】
仮に、反応ガス流路における流動様式がスラグ流又はプラグ流となった場合には、反応ガス流路内において断続的に水が滞留することになり、燃料電池１０の出力が不安定となる。このような状態が継続すると、燃料電池１０の触媒及び電解質膜の劣化、構造部材の腐食が進行し、燃料電池１０の耐久性が低下する。
【０１４４】
これに対して、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、前記したような制御を行うことによって、反応ガス流路内の流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させ、必要な量の反応ガスを安定的に燃料電池１０に供給することができる。また、前記したような反応ガス流路内で水が滞留する事態を回避できるため、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【０１４５】
また、アノード流路１１内の流動様式と、カソード流路１２内の流動様式と、をそれぞれ単相流又は環状流とする制御を行った後、ＥＣＵ６０は、その組み合わせや消費電力、出力電圧などの条件に応じて、流動様式を変化させるように制御する。
例えば、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内が環状流であり、消費電力Ｗが所定電力Ｗ１以上である場合には、コンプレッサ３１の出力を下げるように制御する。したがって、コンプレッサ３１で過度に電力が消費されることを防止することができ、燃料電池システム１内において電力を有効に利用することができる。
【０１４６】
また、アノード流路１１内及びカソード流路１２内の流動様式が単相流であり、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下である場合、ＥＣＵ１０は、アノード流路１１内及び／又はカソード流路１２内を湿潤させるよう制御する。これによって、燃料電池１０の電解質膜を適度な湿潤状態に保つことができるため、発電要求量に対応した電極反応を起こし、良好な発電性能を維持することができる。
【０１４７】
また、流動様式を単層流に移行させる場合には、反応ガスの単位時間当たりの流量を増加させる必要がないため、燃料電池システム１全体における消費電力を抑えることができ、燃費効率を向上させることができる。
【０１４８】
また、燃料電池システム１は、反応ガス供給流路及びオフガス排出流路に各種検出器を設けた簡単な構成であり（図１参照）、各検出器から入力される検出値に応じて流動様式を変化させる。したがって、製造コストを抑えることができるとともに、燃料電池１０における発電に適した環境を整えることが可能となる。
【０１４９】
≪変形例≫
以上、本発明に係る燃料電池システム１について、前記実施形態により説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
【０１５０】
例えば、図１においてカソード系の流量センサ３２ｑは、加湿器３２の上流位置にあってもよい。また、配管３１ｂと配管３２ａとに両端が接続され、加湿器３２をバイパスする加湿器バイパス管を設置する構成としてもよい。さらに、アノード系のエゼクタ２３に接続される配管２４ｂに、水素循環用のポンプを別途追加してもよい。
【０１５１】
前記実施形態では、アノード流路１１及びカソード流路１２の流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御を行うこととしたが、これに限らない。すなわち、アノード流路１１とカソード流路１２のいずれか一方のみの流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御を行うこととしてもよい。
【０１５２】
例えば、カソード流路１２の流動様式のみについて判定・制御を行う場合、ＥＣＵ６０は、図５に示す処理を行った後、図５に示す「Ｂ」から図７に示す「Ｄ」に移って、ステップＳ３０１〜Ｓ３０５の処理を行えばよい。
また、アノード流路１１の流動様式のみについて判定・制御を行う場合、ＥＣＵ６０は、図６に示す処理を行った後、図７に示すステップＳ３０６〜Ｓ３１１の処理を行えばよい。
【０１５３】
また、前記実施形態では、反応ガス流路を乾燥させる制御を行う場合に、反応ガス圧力を低下させる、及び／又は、反応ガス温度を上昇させる制御を行うこととした（図８（ｂ）参照）が、これに限らない。
例えば、前記制御に併せて、反応ガス流量を増加させる制御を行ってもよい。
【０１５４】
また、前記実施形態では、反応ガス流路を湿潤させる制御を行う場合に、反応ガス圧力を上昇させる、及び／又は、反応ガス温度を低下させる制御を行うこととした（図９（ｂ）参照）が、これに限らない。
例えば、前記制御に併せて、反応ガス流量を減少させる制御を行ってもよい。
【０１５５】
また、前記実施形態では、反応ガス流路内の流動様式がスラグ流又はプラグ流である状態から、環状流に変化させる制御を行う際に、反応ガス流路内のガス流量を増加させる制御を行うこととしたが、これに限らない。
例えば、前記制御に併せて、反応ガス流路を乾燥させる制御を行ってもよい。
【０１５６】
また、燃料電池システム１が搭載される移動体は、燃料電池四輪車に限定されるものではなく、例えば、二輪車、鉄道車両、船舶などでもよい。また、燃料電池システム１が搭載される対象は、前記に示した移動体に限定されるものではない。すなわち、燃料電池システム１は、工場や家庭などにおいて発電の際に利用される定置式のものであってもよい。
【符号の説明】
【０１５７】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ アノード流路（反応ガス流路）
１２ カソード流路（反応ガス流路）
１３ 冷媒流路
２３ｑ，３２ｑ 流量センサ（第１状態値検出手段）
２３ｄ，３２ｄ 露点センサ（第１状態値検出手段）
２３ｔ，３２ｔ 温度センサ（第１状態値検出手段）
２３ｐ，３２ｐ 圧力センサ（第１状態値検出手段）
２４ｑ，３３ｑ 流量センサ（第２状態値検出手段）
２４ｄ，３３ｄ 露点センサ（第２状態値検出手段）
２４ｔ，３３ｔ 温度センサ（第２状態値検出手段）
５１ 出力検出器（電流検出手段、電圧検出手段）
６０ ＥＣＵ（記憶手段、制御手段）
２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２４ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ 配管（反応ガス供給流路）
２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，３３ｂ，３４ａ，３５ａ，３６ａ 配管（オフガス排出流路）
２２ 圧力調整弁（調整手段）
２６ パージ弁（調整手段）
３１ コンプレッサ（調整手段）
３４ 背圧弁（調整手段）
４１ 冷媒ポンプ（調整手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素（燃料ガス）と、酸素（酸化剤ガス）を含む空気とを、それぞれアノード及びカソードに供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得る構造体である。燃料電池を良好に発電させるためには、その内部で不具合が生じないように燃料電池の状態を監視し、適切な状態となるように制御する必要がある。
【０００３】
前記不具合の例として、燃料電池を構成する膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)の電解質膜（Proton Exchange Membrane：ＰＥＭ）が乾燥し、適切な湿潤状態とならない場合がある。また、前記不具合の他の例として、電極反応が起こることによって燃料電池内の流路（アノード流路又はカソード流路）に流れ出た水で、燃料電池内の流路が閉塞されて、反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）が燃料電池に適切に供給されない場合がある。
【０００４】
特許文献１には、燃料電池を構成する複数の発電体（単セル）の各抵抗値を、燃料電池内部の湿潤状態の指標値として検出する湿潤状態検出部と、検出された前記各抵抗値のうち少なくとも１つの抵抗値が所定閾値よりも高くなった場合には、電圧回復処理を行う制御部と、を備えた燃料電池システムについて記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５８３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の技術では、前記発電体の抵抗値の上昇を、燃料電池内部の水分量の減少（つまり、燃料電池内が乾燥していること）と対応させることによって、燃料電池内の湿潤状態を判定している。
しかしながら、前記したように、燃料電池内の流路に流れ出た水により、燃料電池内の流路が閉塞されて、反応ガスが適切に供給されない場合もある。また、燃料電池内の気体（水素、酸素、窒素、水蒸気など）及び液体（水）の流動様式は、さまざまな因子によって多様に変化する。つまり、特許文献１に記載の技術では、前記したように、燃料電池内の流路が閉塞されて反応ガスが適切に供給されないという事態に対処することができないという問題がある。
【０００７】
また、特許文献１に記載の技術では、燃料電池を構成する複数の発電体の抵抗値を検出するために、燃料電池に対して電流を供給する電源部（交流電源部）を備える必要があり、製作コストの増大を招くという問題もある。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池の発電性能を適切に維持する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に、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記反応ガス流路に向かう反応ガスが通流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るオフガスが通流するオフガス排出流路と、前記反応ガス供給流路に設置され、前記反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の単位時間当たりの流量と、前記気体の圧力と、前記気体の温度と、前記気体の露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する第１状態値検出手段と、前記燃料電池からの電流を検出する電流検出手段と、前記オフガス排出流路に設置され、前記反応ガス流路から排出されるオフガスの単位時間当たりの流量と、前記オフガスの温度と、前記オフガスの露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する第２状態値検出手段と、前記反応ガス流路内における流動様式と、前記反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている記憶手段と、制御手段と、前記制御手段による制御に従って動作することにより、前記反応ガス流路に流入する前記気体の単位時間当たりの流量、前記反応ガス流路内の圧力、前記冷媒流路を通流する冷媒の温度、からなる群から選択されるいずれか一つを調整する調整手段と、を備え、前記制御手段は、前記第１状態検出手段によって検出される前記気体の各状態値と、前記電流検出手段によって検出される電流値と、前記第２状態検出手段によって検出されるオフガスの各状態値と、から前記反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速を求め、前記記憶手段の前記マップを参照して前記流動様式を判定し、前記流動様式の判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合に、前記調整手段を制御することによって、前記流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、燃料電池の反応ガス供給流路に設置された第１状態値検出手段によって、反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の各状態値（単位時間当たりの流量、圧力、温度、露点）を検出する。また、電流検出手段によって、燃料電池からの電流を検出する。さらに、燃料電池のオフガス排出流路に設置された第２状態値検出手段によって、反応ガス流路から排出されるオフガスの各状態値（単位時間当たりの流量、温度、露点）を検出する。
【００１１】
また、記憶手段には、反応ガス流路内における流動様式と、反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている。
【００１２】
そして、制御手段が、第１状態検出手段及び第２状態検出手段によって検出される各状態値と、電流検出手段によって検出される電流値とから、反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速を求める。さらに、制御手段は記憶手段の前記マップを参照して、前記処理で求めた反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速から、燃料電池内の反応ガス流路内における流動様式を判定する。
【００１３】
そして、制御手段は、前記流動様式の判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合に、反応ガス流路に流入する前記気体の単位時間当たりの流量、反応ガス流路内の圧力、冷媒流路を通流する冷媒の温度、からなる群から選択されるいずれか一つを調整する調整手段を制御することによって、前記流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させる。
【００１４】
これにより、燃料電池の反応ガス流路内における流動様式を適切に判定することができる。また、後記するように、流動様式がスラグ流又はプラグ流であった場合には、反応ガス流路が閉塞するため、燃料電池の発電性能が低下することとなる。本発明は、前記判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合には、反応ガス流路内における流動様式を、スラグ流又はプラグ流から離脱させる（つまり、他の流動様式に変化させる）ことにより、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、前記流動様式を単相流とするように制御することが好ましい。
【００１６】
燃料電池の反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流である場合には、前記したように、燃料電池内の反応ガス流路が閉塞状態となり、燃料電池に反応ガスが適切に供給されなくなってしまう。
前記構成によれば、反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、制御手段が単相流とするように制御するため、反応ガス流路内の状態を閉塞状態から離脱させ、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。
また、流動様式を単層流に移行させる場合には、反応ガスの単位時間当たりの流量を増加させる必要がないため、燃料電池システム全体における消費電力を抑えることができる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、前記流動様式を環状流とするように制御することが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、制御手段を環状流とするように制御するため、反応ガス流路内の状態を閉塞状態から離脱させ、燃料電池の発電性能の低下を防止することができる。
また、流動様式が環状流である場合には、燃料電池に反応ガスが十分に供給されるとともに、燃料電池内を適度な湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池からの出力を安定して確保することができる。
【００１９】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式を単相流とした後に、前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の出力電圧が所定値以下である場合には、前記流動様式を環状流とするように制御することが好ましい。
【００２０】
燃料電池の反応ガス流路内における流動様式が単相流である場合、反応ガスを安定して供給することができるものの、燃料電池内が乾燥状態となって出力電圧が低下する可能性がある。
前記構成によれば、反応ガス流路内における流動様式を単相流とした後に、電圧検出手段によって検出された燃料電池の出力電圧が所定値以下である場合には、制御手段が、流動様式を環状流とするように制御する。したがって、前記したように、燃料電池内を適度な湿潤状態とすることができ、燃料電池からの出力を安定して確保することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、燃料電池の発電性能を適切に維持する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】燃料電池の反応ガス流路内での流動様式を説明するための断面図であり、（ａ）は単相流の場合の断面図であり、（ｂ）は環状流の場合の断面図であり、（ｃ）はスラグ流の場合の断面図であり、（ｄ）はプラグ流の場合の断面図である。
【図３】燃料電池の反応ガス流路内におけるガス流速及び水流速と、流動様式との対応関係を示すマップである。
【図４】（ａ）は反応ガス流路の配管の各形状における相当直径とガス流速との関係を示すグラフであり、（ｂ）〜（ｅ）は、反応ガス流路の各形状を示す断面図である。
【図５】カソード流路内の流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御の流れを示すフローチャートである。
【図６】アノード流路内の流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】カソード流路内及びアノード流路内の流動様式を単相流又は環状流とした後の制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】（ａ）は、流動様式がスラグ流／プラグ流である状態から単相流又は環状流に変化させた場合のガス流速と、水の増加率との関係を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の説明図に対応したＦＣ内の温度と水蒸気圧との関係を示す説明図である。
【図９】（ａ）は、流動様式が単相流である状態から環状流に変化させた場合のガス流速と、水の増加率との関係を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）の説明図に対応したＦＣ内の温度と水蒸気圧との関係を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の記載において、燃料電池１０に供給される燃料ガス（水素）、及び／又は、酸化剤ガス（酸素）を含む空気を総称して、「反応ガス」と記すことがあるものとする。
また、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス及び／又はカソードオフガスを総称して、「オフガス」と記すことがあるものとする。また、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２４】
≪燃料電池システムの構成≫
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四輪車（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１０と、燃料電池１０のアノードに対して燃料ガス（水素）を供給するアノード系と、燃料電池１０のカソードに対して酸化剤ガス（酸素）を含む空気を供給するカソード系と、燃料電池１０を経由するように冷媒を循環させて燃料電池１０を適温に保つ冷媒系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、これらを制御する制御系と、を備えている。
【００２５】
＜燃料電池＞
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、図示しない膜／電極接合体(ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）が複数積層されて構成されている。
【００２６】
また、燃料電池１０の各セパレータには、各膜／電極接合体の全面に水素又は酸素を供給するための溝及び貫通孔が形成されており、これらの溝及び貫通孔がアノード流路１１、カソード流路１２として機能している。すなわち、燃料電池１０に対して反応ガスが供給される「反応ガス流路」は、燃料電池１０に対して燃料ガスを供給するアノード流路１１、及び／又は、燃料電池１０に対して酸化剤ガスを供給するカソード流路１２を備えて構成される。
【００２７】
また、セパレータには、燃料電池１０を冷却する冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）が通流する冷媒流路１３が形成されている。
【００２８】
燃料電池１０では、アノード流路１１を介して燃料ガス(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１２を介して酸化剤ガス(酸素)を含む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。
【００２９】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−・・・（式１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ・・・（式２）
【００３０】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、圧力調整弁２２と、エゼクタ２３と、気液分離器２４と、ドレン弁２５と、パージ弁２６と、各種センサ２３ｑ，２３ｐ，２３ｄ，２３ｔ，２４ｑ，２４ｄ，２４ｔと、を備えている。
【００３１】
水素タンク２１は、配管２１ａを介して圧力調整弁２２と接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。圧力調整弁２２は、配管２２ａを介してエゼクタ２３と接続され、その開閉により、水素タンク２１から配管２１ａを介して供給される水素の圧力を調整する。エゼクタ２３は、配管２３ａを介してアノード流路１１の入口と接続され、水素タンク２１から供給された水素をノズルから噴射することによりノズルの周囲に負圧を発生させ、アノード流路１１の出口から排出された未反応の水素を、配管２４ａ，２４ｂを介して吸引する。
【００３２】
気液分離器２４は、配管２４ａを介してアノード流路１１の出口と接続され、アノード流路１１から排出されるアノードオフガスに含まれる水分を分離して一時的に貯留する。ドレン弁２５は、配管２５ａを介して気液分離器２４の下部と接続され、配管２５ｂを介して希釈器３５と接続されている。ドレン弁２５は、開弁することにより、気液分離器２４に貯留された水を希釈器３５に排出する機能を有する。
【００３３】
パージ弁２６は、配管２４ｂから分岐した配管２６ａに接続され、配管２６ｂを介して希釈器３５と接続されている。パージ弁２６は、開弁することにより、循環経路（配管２３ａ、アノード流路１１、配管２４ａ，２４ｂ）に蓄積した不純物（窒素や水分など）を、希釈器３５に排出する機能を有する。
【００３４】
流量センサ２３ｑは、配管２３ａを通流する水素（反応ガス）を含む気体の体積流量を測定し、ＥＣＵ（Electric Control Unit）６０に出力する。流量センサ２３ｑとして、例えば、ベンチュリ流量計やオリフィス流量計などを用いる。
圧力センサ２３ｐは、配管２３ａを通流する水素を含む気体の圧力を測定し、ＥＣＵ６０に出力する。圧力センサ２３ｐとして、例えば、ダイアフラム気圧計などを用いる。
【００３５】
露点センサ２３ｄは、配管２３ａを通流する水素を含む気体の露点を測定し、ＥＣＵ６０に出力する。露点センサ２３ｄとして、例えば、静電容量式の露点計などを用いる。
温度センサ２３ｔは、配管２３ａを通流する水素を含む気体の温度を測定し、ＥＣＵ６０に出力する。温度センサ２３ｔとして、例えば、サーミスタなどを用いる。
【００３６】
なお、配管２４ａを通流するオフガスの各状態値を検出する流量センサ２４ｑ、露点センサ２４ｄ、温度センサ２４ｔについては、前記と同様であるから説明を省略する。また、図１に記載の各センサ及び出力検出器５１からＥＣＵ６０に検出信号が出力されるが、簡単のため、図１では図示を省略している。
【００３７】
＜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３４と、希釈器３５と、各種センサ３２ｑ，３２ｐ，３２ｄ，３２ｔ，３３ｑ，３３ｄ，３３ｔと、を備えている。
【００３８】
コンプレッサ３１は、車外と連通している配管３１ａと接続され、内部の羽根車（図示せず）が回転することによって車外から空気を吸引・圧縮し、燃料電池１０に向けて圧送する。加湿器３２は、配管３１ｂを介してコンプレッサ３１と接続され、配管３１ｂを通流してくる低湿潤の空気と、配管３３ｂを通流してくる高湿潤のオフガスとの間で、中空糸膜３２ｃを介して水分交換を行い、カソード流路１２に向かう空気を加湿する。
【００３９】
背圧弁３４は、配管３４ａを介して加湿器３２と接続され、配管３１ｂ，３２ａ、カソード流路１２、配管３３ｂ，３４ａを通流する気体（反応ガス又はオフガス）の圧力を調整する。希釈器３５は、配管３５ａを介して背圧弁３４と接続され、配管２６ｂからのアノードオフガスと、配管３５ａからのカソードオフガスとを混合し、燃料オフガスに含まれる水素をカソードオフガスで希釈する。ちなみに、希釈器３５内のオフガスなどは、配管３６ａを介して車外に排出される。
【００４０】
流量センサ３２ｑ、圧力センサ３２ｐ、露点センサ３２ｄ、温度センサ３２ｔは、それぞれ、配管３２ａを通流する空気の流量、圧力、露点、温度を検出し、ＥＣＵ６０に出力する。
また、流量センサ３３ｑ、露点センサ３３ｄ、温度センサ３３ｔは、それぞれ、配管３３ｂを通流するオフガスの流量、露点、温度を検出し、ＥＣＵ６０に出力する。
なお、前記各種センサについては、アノード側に設置された各種センサと同様であるから、説明を省略する。
【００４１】
なお、前記で説明した反応ガス流路に向かう反応ガスが通流する「反応ガス供給流路」は、配管２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２４ｂを含んで構成される燃料ガス供給流路、及び／又は、配管３１ａ，３１ｂ，３２ａを含んで構成される酸化剤ガス供給流路を示すものとする。
また、燃料電池１０から排出されるオフガスが通流する「オフガス排出流路」は、配管２４ａ，２４ｂ，２６ａ、２６ｂを含んで構成されるアノードオフガス排出流路、及び／又は、配管３３ｂ，３４ａ，３５ａ，３６ａを含んで構成されるカソードオフガス排出流路を示すものとする。
【００４２】
また、反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の単位時間当たりの流量と、前記気体の圧力と、前記気体の温度と、前記気体の露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する「第１状態値検出手段」は、燃料ガス供給流路に設置される各種センサ２３ｑ，２３ｐ，２３ｄ，２３ｔ、及び／又は、酸化剤ガス供給流路に設置される各種センサ３２ｑ，３２ｐ，３２ｄ，３２ｔを示すものとする。
【００４３】
また、反応ガス流路から排出されるオフガスの単位時間当たりの流量と、前記オフガスの温度と、前記オフガスの露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する「第２状態値検出手段」は、アノードオフガス排出流路に設置される各種センサ２４ｑ，２４ｄ，２４ｔ、及び／又は、カソードオフガス排出流路に設置される各種センサ３２ｑ，３２ｄ，３２ｔを示すものとする。
【００４４】
また、ＥＣＵ６０による制御に従って動作することにより、反応ガス流路１１，１２に流入する気体の単位時間当たりの流量、反応ガス流路１１，１２内の圧力、冷媒流路１３を通流する冷媒の温度、からなる群から選択されるいずれか一つを調整する「調整手段」は、図１に示す圧力調整弁２２、パージ弁２６、コンプレッサ３１、背圧弁３４、後記する冷媒ポンプ４１を示すものとする。
【００４５】
＜冷媒系＞
冷媒系は、冷媒ポンプ４１と、ラジエータ４２と、を備えている。冷媒ポンプ４１は、配管４１ａを介して燃料電池１０の冷媒流路１３の入口と接続され、所定の圧力をかけることによって、配管４１ａ，冷媒流路１３、配管４２ａ，４２ｂ中の冷媒を循環させる。ラジエータ４２は、配管４２ａを介して冷媒流路１３の出口と接続され、配管４２ｂを介して冷媒ポンプ４１と接続されている。ラジエータ４２は、外気との間で熱交換を行うものであり、冷媒を介して燃料電池１０を放熱させる。
【００４６】
＜電力消費系＞
電力消費系は、出力検出器５１と、電力制御器５２と、モータ５３と、を備えている。
出力検出器５１は、電流センサ及び電圧センサを備えており、燃料電池１０の現在（検出時）の電流値、電圧値をそれぞれ検出してＥＣＵ６０に出力する。電力制御器５２は、ＥＣＵ６０からの指令に従って燃料電池１０の発電電力などを制御するものであり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣ／コンバータなどの電子回路を内蔵している。モータ５３は、電力制御器５２から入力される電力に従って回転する電動モータであり、燃料電池１０が搭載された移動体の動力源となる。
【００４７】
なお、燃料電池１０からの電流を検出する「電流検出手段」、及び、燃料電池１０の出力電圧を検出する「電圧検出手段」は、前記した出力検出器５１を示すものとする。
また、出力検出器５１として、燃料電池１０を構成する各単セル（又は複数の単セル）の出力電圧をそれぞれ検出するセル電圧モニタを含むものとする。
【００４８】
＜制御系＞
ＥＣＵ６０（制御手段）は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、各種インタフェース、電子回路などを備えて構成されている。ＥＣＵ６０は、その内部に記憶したプログラムに従って各種機能を発揮する。
また、ＥＣＵ６０には、図１に示す各センサ（出力検出器５１を含む。）からの検出信号が入力され、当該検出信号に応じて圧力調整弁２２、ドレン弁２５、パージ弁２６、コンプレッサ３１、背圧弁３４、冷媒ポンプ４１、電力制御器５２などの動作を制御する。
【００４９】
なお、ＥＣＵ６０は、反応ガス流路内における流動様式と、当該反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている「記憶手段」（図示せず）を備えている。
【００５０】
≪反応ガス流路内における流動様式≫
燃料電池１０内では、アノード流路１１に水素が供給され、カソード流路１２に酸素を含む空気が供給されることによって、前記の（式１）、（式２）で示した電極反応が起こる。
したがって、カソード流路１２内には、（式２）で示した電極反応によって生成された水（水蒸気）が流入する。また、燃料電池１０の電解質膜の膜中において水分子がイオンの動きに伴って移動する電気浸透現象によって、電解質膜を越えてカソード流路１２内に水が流入する。
【００５１】
また、前記電極反応による水分子の移動と、前記電気浸透現象による水分子の移動により、電解質膜内の水分子がアノード側に移動する逆拡散が起こる。これによって、電解質膜を越えてアノード流路１１内に水が流入する。
【００５２】
また、反応ガス流路（アノード流路１１及び／又はカソード流路１２）内に流入した水蒸気の一部は、各流路内における温度及び水蒸気の分圧に応じて結露し、凝縮水となる。つまり、燃料電池１０の反応ガス流路内においては、水（液体）と、水蒸気を含む気体とが混在した状態となる。
ちなみに、反応ガス流路内に流入した水蒸気が結露しない場合には、反応ガス流路内は気体のみが存在する状態となる。
【００５３】
ここで、前記の液体と気体とが混在した流動様式は、流路の断面形状、流路内の圧力、流路内の温度、単位時間当たりの流量（気体流量及び液体流量）などの因子によって多様に変化する。このような、気体（相）と液体（相）の混合体流れを、気液二相流と称する。気液二相流の流動様式として、例えば、後記する環状流、スラグ流、プラグ流などがある。
【００５４】
これに対して、気体又は液体だけの単一の流れを単相流（気体単相流又は液体単相流）という。なお、以下の記載においては説明の便宜上、気体単相流を単に「単相流」と称する。
ちなみに、単相流として、一成分の気体（例えば、水素）のみが流路内を通流する場合の他、複数成分（水素、酸素、窒素、水蒸気など）の気体が混在して流路内を通流する場合も含むものとする。
【００５５】
図２（ａ）に示すように、単相流は、配管内を気体のみが流動する流動様式である。また、図２（ｂ）に示すように、環状流は、液体が配管の内壁面に分布し、気体及び液体が流動する流動様式である。
【００５６】
また、図２（ｃ）に示すように、スラグ流は、配管内に満たされた液体（水）の中で所定の大きさの気体が集まってできた気体領域が、配管の内壁面に接することなく複数存在し、気体及び液体がそれぞれ流動する流動様式である。
【００５７】
また、図２（ｄ）に示すように、プラグ流は、配管内に満たされた液体（水）の中で所定の大きさの気体がさらに集まってできた大きな気体領域が複数存在し、気体及び液体がそれぞれ流動する流動様式である。
【００５８】
図２（ａ），（ｂ）に示すように、単層流又は環状流の場合には、配管内を気体が連続して通流する流路が形成される。したがって、反応ガス流路における流動様式が単相流又は環状流である場合には、燃料電池１０の電解質膜に反応ガスが安定して供給される。
【００５９】
一方、図２（ｃ），（ｄ）に示すように、スラグ流又はプラグ流の場合には、配管内を気体が連続して通流する流路が形成されず、気体の流動が閉塞されることとなる。したがって、反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流である場合には、燃料電池１０の電解質膜に反応ガスを安定して供給することができず、燃料電池１０の発電性能が著しく低下する虞がある。
【００６０】
ちなみに、燃料電池１０の反応ガス流路内において、水の量が除々に増加していった場合、まず、反応ガス流路の下流側の流動様式がスラグ流又はプラグ流となる可能性が高い。
これは、気体である反応ガスが電解質膜内での発電によって消費され、下流側にいくほど反応ガスの量が減っていくとともに、前記した電極反応などによって発生した水が反応ガス流路の出口に向けて圧送されるためである。
【００６１】
そして、反応ガス流路の下流側でスラグ流又はプラグ流が発生すると、前記したように、気体の流路が閉塞されるため、スラグ流又はプラグ流の領域が上流側に向けて広がっていくこととなる。
【００６２】
また、図３に示すように、気液混合体のうちの気体の流速である「ガス流速」と、液体である水の流速である「水流速」とによって、前記した各流動様式を特定することができる。ちなみに、図３は、流路内の所定箇所における水流速及びガス流速と、当該箇所での流動様式を示している。
【００６３】
図３に示すように、気液二相流はプラグ流、スラグ流、環状流の順にガス流速が大きくなる。また、スラグ流と環状流との間には、これらの混合状態である遷移領域Ｆが存在する。ちなみに、遷移領域Ｆの流動様式は、具体的には、環状−スラグ流であり、スラグ流から環状流（又はその逆）に変化する際の過渡的な流動状態である。
また、図示は省略したが、単層流と環状流との境界領域にも、噴霧流や液滴流といった流動様式が存在する。
【００６４】
ここで、燃料電池１０の反応ガス流路内における流動様式を判定する際には、後記するように、スラグ流と環状流とを区別する際の閾値となるガス流速（図３の領域Ｆでのガス流速）を求める必要がある。
そこで、図４（ａ）に示すように、流路の断面形状（台形）の寸法を変えて、それぞれの断面形状（形状１〜形状４）の流路について前記遷移領域Ｆに対応するガス流速（遷移流速）の範囲を調べた。
【００６５】
図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示す形状１〜形状４を比較すると、いずれも流路断面が台形であるものの、上底長さ（Ｕ１〜Ｕ４）、下底長さ（Ｌ１〜Ｌ４）、及び高さ（Ｈ１〜Ｈ４）が、いずれも図４（ｂ）に示す形状１が最も小さく、記載順に大きくなり、図４（ｅ）に示す形状４が最も大きくなるように設定されている。
【００６６】
そして、流路の断面が形状１〜形状４の直線状の配管を同じ方向、例えば水平となるように載置し、前記流路に供給する気体及び液体の流量を徐々に変えながら高速度カメラで管路内を撮影して、遷移流速を求めた。
【００６７】
図４（ａ）に示す横軸は、前記した各流路の相当直径である。ここで、相当直径とは、断面形状が円形でない流路について、圧力損失や伝熱などについて等価な断面円形の流路を想定した場合での、前記円の直径である。また、図４（ａ）に示す縦軸は、流路内を流れる気体の流速（ガス流速）である。
【００６８】
図４（ａ）に示すように、混合流（環状−スラグ流）から環状流に遷移する際のガス流速を■印で示し、スラグ流から前記混合流に遷移する際のガス流速を●印でプロットした。図４（ａ）を参照すると、形状１〜形状４の流路においては、スラグ流から環状流に遷移する際の遷移領域Ｆ(図３参照)におけるガス流速（遷移流速）は、０．５ｍ／ｓ〜９．０ｍ／ｓであることが確認された。
【００６９】
なお、遷移流速の範囲は、前記範囲に限定されるものではない。すなわち、流路の断面形状が異なる場合（例えば、長方形）や、流路が水平面となす角度によって、遷移流速の範囲は異なる。前記のような実験結果に基づいて、燃料電池１０内のアノード流路１１及びカソード流路１２における流動様式を判定する際の閾値（遷移流速）を設定することができる。
【００７０】
≪流動様式の判定及び制御処理≫
次に、図５〜図７を参照しつつ、反応ガス流路内の流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御について説明する。
【００７１】
図５のステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２の流動様式の判定処理を開始する。ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内における水の増加率ΔＱが０未満であるか否か判定する。
【００７２】
ここで、カソード流路１２内における水の増加率ΔＱ[Ｌ／ｍｉｎ]は、以下の（式３）で求められる。なお、（式３）においてＱＶＢ[Ｌ／ｍｉｎ]は、燃料電池１０内において生成される水(水蒸気)の体積流量であり、ＱＶＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、カソード流路１２の入口側の配管３２ａ(図１参照)を通流する空気に含まれる水蒸気の体積流量であり、ＱＶＯ[Ｌ／ｍｉｎ]は、カソード流路１２の出口側の配管３３ｂを通流する空気に含まれる水蒸気の体積流量である。また、αはカソード側からアノード側への水移動の割合を決める係数であり、予め実験により計測することで設定することができる。
【００７３】
【数１】
【００７４】
ちなみに、前記（式３）において、燃料電池１０内において生成される水の体積流量ＱＶＢ[Ｌ／ｍｉｎ]は、出力検出器５１（図１参照）から入力される電流値に基づいて、ＥＣＵ６０が算出する。
【００７５】
また、前記（式３）において、配管３２ａ(図１参照)を通流する空気中に含まれる水蒸気の体積流量ＱＶＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、以下の（式４）で求められる。なお、（式４）においてＱＧＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、配管３２ａを通流する空気の体積流量であり、ＰＷ[ｋＰａ]は、配管３２ａを通流する空気に含まれる水蒸気の分圧であり、ＰＡ[ｋＰａ]は、配管３２ａを通流する空気の圧力である。
【００７６】
【数２】
【００７７】
ちなみに、前記（式４）において、配管３２ａを通流する空気の体積流量ＱＧＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、流量センサ３２ｑ（図１参照）によって検出され、ＥＣＵ６０に出力される。
【００７８】
また、前記（式４）において、配管３２ａを通流する空気に含まれる水蒸気の分圧ＰＷ[ｋＰａ]は、露点計３２ｄの検出値に基づいてＥＣＵ６０が求める。なお、ＥＣＵ６０には、図８（ｂ）に示す飽和水蒸気圧曲線のデータが格納されている。
例えば、配管３２ａ(図１参照)中の温度及び水蒸気圧が、状態Ｂ３（図８（ｂ）参照）であった場合、ＥＣＵ６０は、露点センサ３２ｄの検出値である温度Ｔ４から、配管３２ａ中の水蒸気の分圧Ｐ１を求めることができる。
【００７９】
また、前記（式４）において、配管３２ａを通流する空気の圧力ＰＡ[ｋＰａ]は、圧力センサ３２ｐ（図１参照）によって検出され、ＥＣＵ６０に出力される。
【００８０】
また、前記（式４）において、配管３３ｂを通流する空気中に含まれる水蒸気の体積流量ＱＶＯ[Ｌ／ｍｉｎ]も、前記でＱＶＩ[Ｌ／ｍｉｎ]を求めたのと同様の方法で、配管３３ｂに設置された各検出器から入力される検出値に基づいて、ＥＣＵ６０が算出する。
【００８１】
ステップＳ１０２において、カソード流路１２内における水の増加率ΔＱが０未満である（つまり、カソード流路１２内が乾燥しつつある）と判定した場合（Ｓ１０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、カソード流路１２内における水の増加率ΔＱが０以上である（つまり、カソード流路１２内が湿潤しつつある）と判定した場合（Ｓ１０２→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。
【００８２】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内の流動様式が単相流であると判定し、当該判定結果を記憶する。
【００８３】
前記のように判定する理由は、「カソード流路１２内が乾燥しつつあるならば、単相流である」の対偶（「単相流でないならば、カソード流路１２内が湿潤しつつある」）をとって、次のように説明することができる。すなわち、単相流でないならば、カソード流路１２中に液体（水）が存在する。この場合、カソード流路１２内の水蒸気の分圧は飽和蒸気圧に達している（つまり、それ以上水が蒸発できない状態となっている）。したがって、流入してくる空気中の水蒸気の少なくとも一部が凝縮するため、カソード流路１２内が湿潤しつつある状態となる。
【００８４】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧが、遷移流速ｖ１より大きいか否か判定する。遷移流速ｖ１は、前記したように、例えば０．５ｍ／ｓ〜９．０ｍ／ｓの範囲内における特定の値として、予めＥＣＵ６０に記憶されている。
【００８５】
ここで、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧは、以下の（式５）で求められる。なお、（式５）において、ＱＧＯ[Ｌ／ｍｉｎ]は、配管３３ｂ（図１参照）を通流するカソードオフガスの体積流量であり、ｎは燃料電池１０の単セルの積層数であり、Ｓ[ｍ２]は、カソード流路１２の断面積である。
【００８６】
【数３】
【００８７】
ここで、前記（式５）において、配管３３ｂを通流するカソードオフガスの体積流量ＱＧＯ[Ｌ／ｍｉｎ]は、以下の（式６）で求められる。
なお、（式６）においてＱＧＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、配管３２ａ(図１参照)を通流する空気の体積流量であり、ＱＧＣ[Ｌ／ｍｉｎ]は、燃料電池１０内で消費される酸化剤ガス（酸素）の体積流量であり、ＰＷ[ｋＰａ]は、配管３３ｂを通流するオフガスに含まれる水蒸気の分圧であり、ＰＡ[ｋＰａ]は、配管３２ｂを通流する空気の圧力であり、Ｐδ[ｋＰａ]は、カソード流路１２内の気体が受ける圧損である。
【００８８】
【数４】
【００８９】
ちなみに、前記（式６）において、配管３２ａを通流する空気の体積流量ＱＧＩ[Ｌ／ｍｉｎ]は、流量センサ３２ｑ（図１参照）によって検出され、ＥＣＵ６０に出力される。また、燃料電池１０内で消費される酸化剤ガス（酸素）の体積流量ＱＧＣ[Ｌ／ｍｉｎ]は、出力検出器５１（図１参照）から入力される電流値に基づいて、ＥＣＵ６０が算出する。
【００９０】
また、配管３３ｂを通流するオフガスに含まれる水蒸気の分圧ＰＷ[ｋＰａ]は、露点センサ３３ｄの検出値に基づいてＥＣＵ６０が算出する。
また、配管３２ｂを通流する空気の圧力ＰＡ[ｋＰａ]は、圧力センサ３２ｐ（図１参照）によって検出され、ＥＣＵ６０に出力される。また、燃料電池１０内において気体が受ける圧損Ｐδ[ｋＰａ]は、実験やシミュレーションによって求められ、予めＥＣＵ６０に記憶されている。
【００９１】
ちなみに、前記（式６）に記載の（ＰＡ−Ｐδ）は、カソード流路１２の出口側の配管３３ｂにおける圧力を示している。したがって、配管３３ｂに圧力センサを設け、当該圧力センサの検出値に基づいて、配管３３ｂを通流するカソードオフガスの体積流量ＱＧＯ[Ｌ／ｍｉｎ]を求めてもよい。
この場合、カソード流路１２内の気体が受ける圧損Ｐδ[ｋＰａ]を、事前に求めておく必要はない。
【００９２】
ところで、前記（式５）を参照すると、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧを求めるのに際して、カソード流路１２から流出するカソードオフガスの体積流量ＱＧＯを用いている。
これは、前記したように、カソード流路１２内において下流側のほうが上流側よりも、流動様式がスラグ流又はプラグ流となりやすいからである。この場合、下流側でガスの流路が閉塞するため、カソードオフガスの体積流量ＱＧＯが小さくなり、その流速も小さくなる。
【００９３】
つまり、カソード流路１２の出口（配管３３ｂ）におけるカソードオフガスの体積流量ＱＧＯ基づいてカソード流路１２内でのガス流速ｖＧを算出（推定）し、当該ガス流速ｖＧが遷移流速ｖ１よりも大きい場合には（ステップＳ１０４→Ｙｅｓ）、カソード流路１２内での流動様式を環状流として判定すればよいということである。
【００９４】
ステップＳ１０４において、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧが０より遷移流速ｖ１より大きいと判定した場合（Ｓ１０４→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０５に進む。一方、カソード流路１２内でのガス流速ｖＧが遷移流速ｖ１未満であると判定した場合（Ｓ１０４→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０６に進む。
【００９５】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内の流動様式が環状流であると判定し、当該判定結果を記憶する。
また、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内の流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定する。ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内を乾燥させる（つまり、カソード流路１２内の水を蒸発させる）ように制御する。
なお、当該制御の具体的な処理内容については、後記する。
【００９６】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０７の制御を開始してから所定時間Δｔ１が経過したか否か判定する。所定時間Δｔ１が経過したと判定した場合（Ｓ１０８→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に戻る。所定時間Δｔ１が経過していないと判定した場合（Ｓ１０８→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０８の処理を繰り返す。
【００９７】
つまり、図５に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理は、ＥＣＵ６０が、カソード流路１２内における流動様式を判定し、スラグ流又はプラグ流であると判定した場合には、単相流又は環状流に移行させるように制御を行うことを意味している（図８（ａ）参照）。
【００９８】
このような処理を行うことによって、カソード流路１２内の流動様式をスラグ流又はプラグ流から離脱させ、カソード流路１２において空気が通る流路を形成するようにすることができる（図２（ａ），（ｂ）参照）。つまり、燃料電池１０に酸化剤ガス（酸素）を安定して供給することができる。
【００９９】
次に、ＥＣＵ６０は、アノード側に対して、前記したカソード側に対する処理と同様に、図６に示すステップＳ２０１〜Ｓ２０８の処理を実行する。なお、ステップＳ２０１〜Ｓ２０８の各処理は、図５に示すステップＳ１０１〜Ｓ１０８の処理と同様であるから、説明を省略する。
ちなみに、ステップＳ２０２における、アノード流路１１内における水の増加率ΔＱの計算式は前記（式３）と異なり、以下の（式７）で求められる。
【０１００】
【数５】
【０１０１】
これは、燃料電池１０の電極反応によってカソード側で生成される水の体積流量（ＱＶＩ−ＱＶＯ）に、アノードとカソードとの間で移動する水の体積流量（αＱＶＢ）を加えることによって、水の増加率ΔＱが求められることを示している。
【０１０２】
このように、ＥＣＵ６０は、まず、カソード流路１２の流動様式を単相流又は環状流とするよう制御を行った後に、アノード流路１１の流動様式を単相流又は環状流とするよう制御を行う。
これは、燃料電池１０においてカソード側で水が生成されるため、アノード流路１１よりもカソード流路１２のほうが、スラグ流又はプラグ流が生じやすいためである。
【０１０３】
次に、図７のステップＳ３０１において、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内の流動様式が環状流であるか否か判定する。カソード流路１２内が環状流であると判定した場合（Ｓ３０１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０２に進む。カソード流路１２内が環状流でない（つまり、単相流である）と判定した場合（Ｓ３０１→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０６に進む。
【０１０４】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１（又はコンプレッサ３１）での消費電力Ｗが所定電力Ｗ１以上であるか否か判定する。ここで、所定電力Ｗ１は、燃料電池１０に対する発電要求量（例えば、燃料電池１０が燃料電池四輪車に搭載されている場合には、アクセル開度に応じた発電要求量）に対応して、変動する値である。つまり、燃料電池１０に対する発電要求量が大きくなるにしたがって、所定電力Ｗ１も大きくなるように設定されている。
【０１０５】
アノード側における反応ガス（水素）の供給が、圧力調整弁２２（図１参照）の開度によって調整されるのに対して、カソード側における反応ガス（酸素）の供給は、コンプレッサ３１内の羽根車を回転させるためのモータ（図示せず）の回転速度を変化させることによって調整される。
【０１０６】
したがって、ガス流速が高い環状流の状態を維持するためには、それに対応して前記モータの回転数を高くする必要がある。つまり、カソード流路１２内が環状流である場合には、反応ガス（酸素）を十分に供給できるとともに、燃料電池１０の電解質膜の湿潤状態を適度に保つことができる一方、環状流の状態を維持するために消費電力が大きくなる可能性がある。
【０１０７】
ステップＳ３０２において、消費電力Ｗが所定電力Ｗ１以上であると判定した場合（Ｓ３０２→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０３に進む。一方、消費電力Ｗが所定電力Ｗ１未満であると判定した場合（Ｓ３０３→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０５に進む。
【０１０８】
ステップＳ３０３において、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１（図１参照）の出力を所定量だけ下げるように制御する。つまり、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１内の羽根車に接続されたモータ（図示せず）の回転速度を、所定値だけ下げるように制御する。
なお、前記所定値は、燃料電池１０に対する発電要求量などに対応して、予め設定される値である。
【０１０９】
ステップＳ３０４において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３０３の制御処理を開始してから所定時間Δｔ３が経過したか否か判定する。所定時間Δｔ３が経過した場合（Ｓ３０４→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０２に戻る。一方、所定時間Δｔ３が経過していない場合（Ｓ３０４→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３０４の処理を繰り返す。
【０１１０】
ステップＳ３０５において、ＥＣＵ６０は、所定時間Δｔ４が経過したか否か判定する。なお、当該判定処理を開始する段階では、アノード流路１１内は単相流又は環状流であり、カソード流路１２内は環状流であるため、反応ガス（水素及び酸素）は十分に供給されている。また、この場合、環状流によって燃料電池１０の電解質膜に水分が供給されている。
【０１１１】
ただし、前記モータの回転速度を下げると、それに応じてカソード流路１２に流入する空気の流量も減少する。この場合、カソード流路１２内におけるガス流速は前記した遷移流速ｖ１に近づいていく（図３参照）。
このように、所定時間Δｔ４が経過した後にカソード流路１２内の流動状態を再度判定することが好ましい。
【０１１２】
ステップＳ３０５において所定時間Δｔ４が経過したと判定した場合（Ｓ３０５→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０１（図５参照）にリターンする。ステップＳ３０５において所定時間Δｔ４が経過していないと判定した場合（Ｓ３０５→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３０５の処理を繰り返す。
【０１１３】
ステップＳ３０６において、ＥＣＵ６０は、アノード流路１１内が単相流であるか否か判定する。アノード流路１１内が単相流であると判定した場合（Ｓ３０６→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０７に進む。アノード流路１１内が単相流でない（つまり、環状流である）と判定した場合（Ｓ３０６→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３１１に進む。
【０１１４】
ステップＳ３０７において、ＥＣＵ６０は、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下であるか否か判定する。
なお、ステップＳ３０７の段階では、アノード流路１１内及びカソード流路１２内が単相流となっている。このような場合、反応ガスは十分に供給されるが、単相流に含まれる水蒸気の割合が少ない状態が継続すると、燃料電池１０の電解質膜が乾燥して発電性能が低下する可能性がある。つまり、燃料電池１０の出力電圧Ｖが低くなる可能性がある。
【０１１５】
燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下であると判定した場合（Ｓ３０７→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０８に進む。一方、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１より高いと判定した場合（Ｓ３０７→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３１０に進む。
【０１１６】
ステップＳ３０８において、ＥＣＵ６０は、アノード流路１１内及び／又はカソード流路１２内を湿潤させるよう制御する。なお、当該制御処理の詳細については、後記する。
【０１１７】
ステップＳ３０９において、ＥＣＵ６０は、所定時間Δｔ５が経過したか否か判定する。所定時間Δｔ５が経過したと判定した場合（Ｓ３０９→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０７に戻る。一方、所定時間Δｔ５が経過していないと判定した場合（Ｓ３０９→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３０９の処理を繰り返す。
【０１１８】
ステップＳ３１０において、ＥＣＵ６０は、所定時間Δｔ６が経過したか否か判定する。なお、当該判定処理を開始する段階では、アノード流路１１内及びカソード流路１２内は単相流であるため、反応ガス（水素及び酸素）が十分に供給されている。また、この場合、出力電圧Ｖは所定電圧Ｖ１より高いので、燃料電池１０の電解質膜の湿潤状態も適切に保たれている。
【０１１９】
ステップＳ３１０において所定時間Δｔ６が経過したと判定した場合（Ｓ３１０→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０１（図５参照）にリターンする。ステップＳ３１０において所定時間Δｔ６が経過していないと判定した場合（Ｓ３１０→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３１０の処理を繰り返す。
なお、所定時間Δｔ６は、アノード流路１１及びカソード流路１２の流動様式（単相流）が安定して継続すると推定される時間であり、実験などに基づいて適宜設定すればよい。
【０１２０】
ステップＳ３１１において、ＥＣＵ６０は、所定時間Δｔ７が経過したか否か判定する。なお、当該判定処理を開始する段階では、アノード流路１１内は環状流であり、カソード流路１２内は単相流であるため、反応ガス（水素及び酸素）は十分に供給されている。また、この場合、環状流によって燃料電池１０の電解質膜に水分が十分に供給されている。
【０１２１】
ステップＳ３１１において所定時間Δｔ７が経過したと判定した場合（Ｓ３１１→Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０１（図５参照）にリターンする。ステップＳ３１１において所定時間Δｔ７が経過していないと判定した場合（Ｓ３１１→Ｎｏ）、ＥＣＵ６０は、ステップＳ３１１の処理を繰り返す。
なお、所定時間Δｔ７は、アノード流路１１の流動様式（環状流）及びカソード流路１２の流動様式（単相流）が安定して継続すると推定される時間であり、実験などに基づいて適宜設定すればよい。
【０１２２】
≪流動様式を変化させるための制御処理≫
（１．スラグ流／プラグ流からの離脱）
次に、流動様式を変化させる場合のＥＣＵ６０の具体的な処理内容と、反応ガス流路内での状態変化について説明する。
図８（ａ）は、流動様式がスラグ流／プラグ流である状態から単相流又は環状流に変化させた場合のガス流速と、水の増加率との関係を示す説明図である。
【０１２３】
ＥＣＵ６０には、反応ガス流路内における流動様式と、反応ガス流路内での水の増加率及び反応ガス流路内でのガス流速と、の対応関係を示すマップ（図８（ａ）参照）が記憶されている。
【０１２４】
例えば、反応ガス流路内の流動様式がスラグ流又はプラグ流である状態Ａ１であった場合を考える。図５，図６に示した処理では、状態Ａ１であると判定した場合、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内又はアノード流路１１内を乾燥させる制御を行うこととした（図５のＳ１０７、図６のＳ２０７参照）。
【０１２５】
これは、反応ガス流路内における水の増加率（図８（ａ）の縦軸参照）を小さくすることによって、反応ガス流路内の流動状態を、状態Ａ１（スラグ流又はプラグ流）から状態Ｂ１（単相流）に変化させることに相当する。
【０１２６】
図８（ｂ）は、図８（ａ）の説明図に対応した燃料電池内の温度と水蒸気圧との関係を示す説明図である。図８（ｂ）に示す状態Ａ２は図８（ａ）に示す状態Ａ１に対応し、図８（ｂ）に示す状態Ｂ２〜Ｂ４は、図８（ａ）に示す状態Ｂ１に対応している。
【０１２７】
例えば、反応ガス流路内がスラグ流又はプラグ流であった場合に、ＥＣＵ６０が、反応ガス流路内のガス圧力を下げる制御を行うと、図８（ｂ）に示す状態Ａ２は状態Ｂ２に変化する。ここで、状態Ｂ２での水蒸気圧Ｐ２は、温度Ｔ２における飽和蒸気圧より低い。したがって、状態Ｂ２では、反応ガス流路内の水が蒸発する（つまり、反応ガス流路内が乾燥する）こととなる。
【０１２８】
例えば、アノード流路１１内のガス圧力を下げる場合、ＥＣＵ６０は、圧力調整弁２２（図１参照）の開度を小さくする制御を行う。また、カソード流路１２内のガス圧力を下げる場合、ＥＣＵ６０は、コンプレッサ３１（図１参照）の羽根車を回すモータの回転速度を下げる制御を行う。
【０１２９】
また、反応ガス流路内がスラグ流又はプラグ流であった場合に、ＥＣＵ６０が、燃料電池１０内の温度を上げる制御を行うと、図８（ｂ）に示す状態Ａ２は状態Ｂ３に変化する。ここで、状態Ｂ３での水蒸気圧Ｐ１は、温度Ｔ３における飽和蒸気圧より低い。したがって、状態Ｂ３では、反応ガス流路内の水が蒸発する（つまり、反応ガス流路内が乾燥する）こととなる。
【０１３０】
なお、反応ガス流路内の温度を上げる場合、ＥＣＵ６０は、冷媒流路１３を循環する冷媒の温度を上げるために、冷媒ポンプ４１の出力を上げて冷媒を圧縮する制御を行う。
ちなみに、前記の２つの制御（圧力制御及び温度制御）を組み合わせることによって、図８（ｂ）に示す状態Ａ２から状態Ｂ４に変化させ、反応ガス流路内を乾燥させることとしてもよい。
【０１３１】
また、前記ではＥＣＵ６０が、図８（ａ）に示す状態Ａ１（スラグ流又はプラグ流）から状態Ｂ１（単相流）に変化させることとしたが、状態Ａ１から状態Ｃ１（環状流）に変化させる制御を行ってもよい。
この場合、ＥＣＵ６０は、反応ガス流路内を通流する反応ガスの単位時間当たりの流量を増加させる制御を行う。
【０１３２】
アノード流路１１を通流するガス流量を増加させる場合、例えばＥＣＵ６０は、パージ弁２６（図１参照）を開状態とする頻度を上げる、及び／又は、１回当たりのパージ時間を長くする制御を行う。パージ弁２６を開いた場合、ＥＣＵ６０は、所定のガス圧力を維持するために圧力調整弁２２の開度を大きくする制御を行うため、アノード流路１１に流入する反応ガスの流量が増加することとなる。
【０１３３】
ちなみに、流動様式が環状流となった場合、反応ガス流路内における水蒸気の分圧は、飽和蒸気圧に達している。
【０１３４】
（２．単相流と環状流との切り替え制御）
図９（ａ）は、流動様式が単相流である状態から環状流に変化させた場合のガス流速と、水の増加率との関係を示す説明図である。
【０１３５】
例えば、反応ガス流路内の流動様式が単相流である状態Ｂ１であった場合を考える。図７に示した処理では、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下である場合にＥＣＵ６０は、カソード流路１２内及び／又はアノード流路１１内を湿潤させる制御を行うこととした（図７のＳ３０７，Ｓ３０８参照）。
【０１３６】
これは、反応ガス流路内における水の増加率（図９（ａ）の縦軸参照）を大きくすることによって、状態Ｂ１（単相流）から状態Ｃ１（環状流）に変化させることに相当する。
【０１３７】
図９（ｂ）は、図９（ａ）の説明図に対応した燃料電池内の温度と水蒸気圧との関係を示す説明図である。図９（ｂ）に示す状態Ｂ２は図９（ａ）に示す状態Ｂ１に対応し、図９（ｂ）に示す状態Ｃ２〜Ｃ４は、図９（ａ）に示す状態Ｃ１に対応している。
ちなみに、状態Ｂ２（単相流）においては、反応ガス流路内の水蒸気圧Ｐ１が、その温度における飽和蒸気圧より低くなっている。
【０１３８】
例えば、反応ガス流路内が単相流であり、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下であった場合に、ＥＣＵ６０が、反応ガス流路内のガス圧力を上げる制御を行うと、図９（ｂ）に示す状態Ｂ２は状態Ｃ２に変化する。ここで、状態Ｃ２での水蒸気圧Ｐ２は、温度Ｔ２における飽和蒸気圧に達している。したがって、状態Ｃ２では、反応ガス流路内において水蒸気の一部が凝縮して水になる。
【０１３９】
また、ＥＣＵ６０が、燃料電池１０内の温度を下げる制御を行うと、図９（ｂ）に示す状態Ｂ２は状態Ｃ３に変化する。ここで、状態Ｃ３での水蒸気圧Ｐ１は、温度Ｔ３における飽和蒸気圧に達している。したがって、状態Ｃ３では、反応ガス流路内において水蒸気の一部が凝縮して水になる。
【０１４０】
ちなみに、前記の２つの制御（圧力制御及び温度制御）を組み合わせることによって、図９（ｂ）に示す状態Ｂ２から状態Ｃ４に変化させ、反応ガス流路内を湿潤させることとしてもよい。
【０１４１】
≪効果≫
本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池１０に流入する反応ガスの各状態値（温度、露点、圧力、流量）と、燃料電池１０から流出するオフガスの各状態値（温度、露点、流量）をそれぞれ検出するセンサからの入力値に基づいて、ＥＣＵ６０が燃料電池１０の反応ガス流路内の流動様式を適切に判定するこことができる。
【０１４２】
そして、前記流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合に、ＥＣＵ６０が反応ガス流路内を通流する反応ガスの圧力、温度、流量を制御することによって、その流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させる（つまり、単相流又は環状流に変化させる）ことができる。
【０１４３】
仮に、反応ガス流路における流動様式がスラグ流又はプラグ流となった場合には、反応ガス流路内において断続的に水が滞留することになり、燃料電池１０の出力が不安定となる。このような状態が継続すると、燃料電池１０の触媒及び電解質膜の劣化、構造部材の腐食が進行し、燃料電池１０の耐久性が低下する。
【０１４４】
これに対して、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、前記したような制御を行うことによって、反応ガス流路内の流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させ、必要な量の反応ガスを安定的に燃料電池１０に供給することができる。また、前記したような反応ガス流路内で水が滞留する事態を回避できるため、燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【０１４５】
また、アノード流路１１内の流動様式と、カソード流路１２内の流動様式と、をそれぞれ単相流又は環状流とする制御を行った後、ＥＣＵ６０は、その組み合わせや消費電力、出力電圧などの条件に応じて、流動様式を変化させるように制御する。
例えば、ＥＣＵ６０は、カソード流路１２内が環状流であり、消費電力Ｗが所定電力Ｗ１以上である場合には、コンプレッサ３１の出力を下げるように制御する。したがって、コンプレッサ３１で過度に電力が消費されることを防止することができ、燃料電池システム１内において電力を有効に利用することができる。
【０１４６】
また、アノード流路１１内及びカソード流路１２内の流動様式が単相流であり、燃料電池１０の出力電圧Ｖが所定電圧Ｖ１以下である場合、ＥＣＵ１０は、アノード流路１１内及び／又はカソード流路１２内を湿潤させるよう制御する。これによって、燃料電池１０の電解質膜を適度な湿潤状態に保つことができるため、発電要求量に対応した電極反応を起こし、良好な発電性能を維持することができる。
【０１４７】
また、流動様式を単層流に移行させる場合には、反応ガスの単位時間当たりの流量を増加させる必要がないため、燃料電池システム１全体における消費電力を抑えることができ、燃費効率を向上させることができる。
【０１４８】
また、燃料電池システム１は、反応ガス供給流路及びオフガス排出流路に各種検出器を設けた簡単な構成であり（図１参照）、各検出器から入力される検出値に応じて流動様式を変化させる。したがって、製造コストを抑えることができるとともに、燃料電池１０における発電に適した環境を整えることが可能となる。
【０１４９】
≪変形例≫
以上、本発明に係る燃料電池システム１について、前記実施形態により説明したが、本発明の趣旨はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変更などを行うことができる。
【０１５０】
例えば、図１においてカソード系の流量センサ３２ｑは、加湿器３２の上流位置にあってもよい。また、配管３１ｂと配管３２ａとに両端が接続され、加湿器３２をバイパスする加湿器バイパス管を設置する構成としてもよい。さらに、アノード系のエゼクタ２３に接続される配管２４ｂに、水素循環用のポンプを別途追加してもよい。
【０１５１】
前記実施形態では、アノード流路１１及びカソード流路１２の流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御を行うこととしたが、これに限らない。すなわち、アノード流路１１とカソード流路１２のいずれか一方のみの流動様式を判定し、その判定結果に基づいた制御を行うこととしてもよい。
【０１５２】
例えば、カソード流路１２の流動様式のみについて判定・制御を行う場合、ＥＣＵ６０は、図５に示す処理を行った後、図５に示す「Ｂ」から図７に示す「Ｄ」に移って、ステップＳ３０１〜Ｓ３０５の処理を行えばよい。
また、アノード流路１１の流動様式のみについて判定・制御を行う場合、ＥＣＵ６０は、図６に示す処理を行った後、図７に示すステップＳ３０６〜Ｓ３１１の処理を行えばよい。
【０１５３】
また、前記実施形態では、反応ガス流路を乾燥させる制御を行う場合に、反応ガス圧力を低下させる、及び／又は、反応ガス温度を上昇させる制御を行うこととした（図８（ｂ）参照）が、これに限らない。
例えば、前記制御に併せて、反応ガス流量を増加させる制御を行ってもよい。
【０１５４】
また、前記実施形態では、反応ガス流路を湿潤させる制御を行う場合に、反応ガス圧力を上昇させる、及び／又は、反応ガス温度を低下させる制御を行うこととした（図９（ｂ）参照）が、これに限らない。
例えば、前記制御に併せて、反応ガス流量を減少させる制御を行ってもよい。
【０１５５】
また、前記実施形態では、反応ガス流路内の流動様式がスラグ流又はプラグ流である状態から、環状流に変化させる制御を行う際に、反応ガス流路内のガス流量を増加させる制御を行うこととしたが、これに限らない。
例えば、前記制御に併せて、反応ガス流路を乾燥させる制御を行ってもよい。
【０１５６】
また、燃料電池システム１が搭載される移動体は、燃料電池四輪車に限定されるものではなく、例えば、二輪車、鉄道車両、船舶などでもよい。また、燃料電池システム１が搭載される対象は、前記に示した移動体に限定されるものではない。すなわち、燃料電池システム１は、工場や家庭などにおいて発電の際に利用される定置式のものであってもよい。
【符号の説明】
【０１５７】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ アノード流路（反応ガス流路）
１２ カソード流路（反応ガス流路）
１３ 冷媒流路
２３ｑ，３２ｑ 流量センサ（第１状態値検出手段）
２３ｄ，３２ｄ 露点センサ（第１状態値検出手段）
２３ｔ，３２ｔ 温度センサ（第１状態値検出手段）
２３ｐ，３２ｐ 圧力センサ（第１状態値検出手段）
２４ｑ，３３ｑ 流量センサ（第２状態値検出手段）
２４ｄ，３３ｄ 露点センサ（第２状態値検出手段）
２４ｔ，３３ｔ 温度センサ（第２状態値検出手段）
５１ 出力検出器（電流検出手段、電圧検出手段）
６０ ＥＣＵ（記憶手段、制御手段）
２１ａ，２２ａ，２３ａ，２４ａ，２４ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ 配管（反応ガス供給流路）
２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，３３ｂ，３４ａ，３５ａ，３６ａ 配管（オフガス排出流路）
２２ 圧力調整弁（調整手段）
２６ パージ弁（調整手段）
３１ コンプレッサ（調整手段）
３４ 背圧弁（調整手段）
４１ 冷媒ポンプ（調整手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記反応ガス流路に向かう反応ガスが通流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るオフガスが通流するオフガス排出流路と、
前記反応ガス供給流路に設置され、前記反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の単位時間当たりの流量と、前記気体の圧力と、前記気体の温度と、前記気体の露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する第１状態値検出手段と、
前記燃料電池からの電流を検出する電流検出手段と、
前記オフガス排出流路に設置され、前記反応ガス流路から排出されるオフガスの単位時間当たりの流量と、前記オフガスの温度と、前記オフガスの露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する第２状態値検出手段と、
前記反応ガス流路内における流動様式と、前記反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている記憶手段と、
制御手段と、
前記制御手段による制御に従って動作することにより、前記反応ガス流路に流入する前記気体の単位時間当たりの流量、前記反応ガス流路内の圧力、前記冷媒流路を通流する冷媒の温度、からなる群から選択されるいずれか一つを調整する調整手段と、を備え、
前記制御手段は、前記第１状態検出手段によって検出される前記気体の各状態値と、前記電流検出手段によって検出される電流値と、前記第２状態検出手段によって検出されるオフガスの各状態値と、から前記反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速を求め、前記記憶手段の前記マップを参照して前記流動様式を判定し、
前記流動様式の判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合に、前記調整手段を制御することによって、前記流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、前記流動様式を単相流とするように制御すること
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】
前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、前記流動様式を環状流とするように制御すること
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４】
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式を単相流とした後に、前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の出力電圧が所定値以下である場合には、
前記流動様式を環状流とするように制御すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
反応ガス流路及び冷媒流路を有し、前記反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記反応ガス流路に向かう反応ガスが通流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るオフガスが通流するオフガス排出流路と、
前記反応ガス供給流路に設置され、前記反応ガス流路に流入する反応ガスを含む気体の単位時間当たりの流量と、前記気体の圧力と、前記気体の温度と、前記気体の露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する第１状態値検出手段と、
前記燃料電池からの電流を検出する電流検出手段と、
前記オフガス排出流路に設置され、前記反応ガス流路から排出されるオフガスの単位時間当たりの流量と、前記オフガスの温度と、前記オフガスの露点と、を含む状態値をそれぞれ検出する第２状態値検出手段と、
前記反応ガス流路内における流動様式と、前記反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速と、の対応関係を示すマップが記憶されている記憶手段と、
制御手段と、
前記制御手段による制御に従って動作することにより、前記反応ガス流路に流入する前記気体の単位時間当たりの流量、前記反応ガス流路内の圧力、前記冷媒流路を通流する冷媒の温度、からなる群から選択されるいずれか一つを調整する調整手段と、を備え、
前記制御手段は、前記第１状態検出手段によって検出される前記気体の各状態値と、前記電流検出手段によって検出される電流値と、前記第２状態検出手段によって検出されるオフガスの各状態値と、から前記反応ガス流路内での水の増加率及びガス流速を求め、前記記憶手段の前記マップを参照して前記流動様式を判定し、
前記流動様式の判定結果がスラグ流又はプラグ流であった場合に、前記調整手段を制御することによって、前記流動様式をプラグ流又はスラグ流から離脱させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、前記流動様式を単相流とするように制御すること
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】
前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式がスラグ流又はプラグ流であると判定した場合、前記流動様式を環状流とするように制御すること
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４】
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段を備え、
前記制御手段は、前記反応ガス流路内における流動様式を単相流とした後に、前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の出力電圧が所定値以下である場合には、
前記流動様式を環状流とするように制御すること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８９３３５（Ｐ２０１３−８９３３５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６４１８（Ｐ２０１１−２２６４１８）
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１４日（２０１１．１０．１４）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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