CN107431226B - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统向燃料电池的电解质膜供给燃料和氧化剂，对氧化剂的供给和燃料的供给进行控制来控制燃料电池的发电。燃料电池系统检测电解质膜的湿润状态，对向燃料电池供给的燃料的流量进行调整，对向燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整。燃料电池系统在根据与湿润状态有关的信号来减少电解质膜的水分时，与增加电解质膜的水分时相比，使燃料的流量减少，并且根据与湿润状态有关的信号来使氧化剂的温度上升。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种对向燃料电池供给的燃料的流量和燃料电池的温度进行调整的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
日本专利第5104950号公报中公开了如下一种燃料电池系统：当降低电解质膜的湿润度(含水量)的烘干操作结束时，通过对向电解质膜供给的燃料的流量进行增减，来维持电解质膜的湿润状态。
发明内容
在如上所述的燃料电池系统中，向燃料电池供给的氧化剂气体被伴随发电而产生的水蒸气所加湿，因此该水蒸气与未被使用的氧化剂气体一起从燃料电池排出。因此，在执行烘干操作时，为了使氧化剂气体所能够保持的水蒸气量增加，而使燃料电池的温度上升。
然而，随着燃料电池的温度上升，燃料气体所能够保持的水蒸气量也增加，因此从氧化剂气体透过电解质膜后混入到燃料气体的水蒸气量也增加。当燃料气体中的水蒸气增加时，由于燃料气体的水分而电解质膜的湿润度难以降低，因此存在烘干操作所需的时间变长的问题。
本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种高效地控制燃料电池的湿润状态的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
根据本发明的某个方式，燃料电池系统具备：燃料供给单元，其向燃料电池的电解质膜供给燃料；氧化剂供给单元，其向所述电解质膜供给氧化剂；以及发电控制单元，其对通过所述氧化剂供给单元进行的氧化剂的供给以及通过所述燃料供给单元进行的燃料的供给进行控制，来控制所述燃料电池的发电。燃料电池系统的特征在于，包括：湿润状态检测单元，其检测所述电解质膜的湿润状态；流量调整单元，其对通过所述燃料供给单元向所述燃料电池供给的燃料的流量进行调整；以及温度调整单元，其对通过所述氧化剂供给单元向所述燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整。在根据从所述湿润状态检测单元输出的信号来减少所述电解质膜的水分时，与增加所述电解质膜的水分时相比，所述发电控制单元使所述燃料的流量减少，并且根据来自所述湿润状态检测单元的信号来使所述氧化剂的温度上升。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式中的燃料电池的结构的立体图。
图2是图1所示的燃料电池的II-II截面图。
图3是表示本实施方式中的燃料电池系统的结构的图。
图4是表示对燃料电池系统进行控制的控制器的功能结构的一例的框图。
图5是表示对燃料电池中的电解质膜的湿润状态进行检测的功能结构的一例的图。
图6是表示连接于燃料电池的负载的大小与燃料电池的最低温度之间的关系的一例的图。
图7是表示连接于燃料电池的负载的大小与电解质膜的作为目标的湿润状态之间的关系的图。
图8是表示对向燃料电池供给的阳极气体的目标流量进行运算的功能结构的一例的图。
图9是表示向燃料电池供给的阳极气体同阴极气体的流量比与阴极气体的相对湿度之间的关系的图。
图10是表示对向燃料电池堆供给的冷却水的目标温度进行运算的功能结构的一例的图。
图11是表示对第一实施方式中的燃料电池系统进行控制的控制方法的一例的流程图。
图12是表示执行减少电解质膜的水分的烘干操作时的燃料电池系统的状态变化的时序图。
图13是表示在烘干操作中使用燃料电池的温度来代替燃料电池的最低温度时的燃料电池系统的状态变化的时序图。
图14是表示对本发明的第二实施方式中的燃料电池的发电进行控制的功能结构的一例的图。
图15是表示阳极循环泵的动作与阳极气体流量之间的关系的图。
图16是表示第二实施方式中的燃料电池系统的控制方法的一例的流程图。
图17是表示执行烘干操作时的燃料电池系统的状态变化的时序图。
图18是表示在过渡时使湿润度下降的烘干操作中的燃料电池系统的状态变化的一例的时序图。
图19是表示使过渡时的下降量增大时的燃料电池系统的状态变化的一例的时序图。
图20是表示阻抗测定装置的结构的一例的图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
燃料电池由作为燃料极的阳极电极、作为氧化剂极的阴极电极以及以夹在这些电极中间的方式配置的电解质膜构成。含有氢的阳极气体作为燃料被供给到燃料电池的阳极电极。含有氧的阴极气体作为氧化剂被供给到燃料电池的阴极电极。
燃料电池使用含有氢的阳极气体和含有氧的阴极气体来进行发电。阳极电极和阴极电极这两个电极处进行的电极反应如下。
阳极电极：2H2→4H++4e-…(1)
阴极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)
通过该(1)、(2)的电极反应，燃料电池产生1V(伏特)左右的电动势。
图1和图2是用于说明本发明的一个实施方式的燃料电池10的结构的图。图1是燃料电池10的立体图，图2是图1所示的燃料电池10的II-II截面图。
如图1和图2所示，燃料电池10具备膜电极组件(MEA)11以及以将MEA 11夹在中间的方式配置的阳极隔板12和阴极隔板13。
MEA 11由电解质膜111、阳极电极112以及阴极电极113构成。MEA 11在电解质膜111的其中一面侧具有阳极电极112，在另一面侧具有阴极电极113。
电解质膜111是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在适度的湿润度下表现出良好的电传导性。在此所说的电解质膜111的湿润度相当于电解质膜111中含有的水分的量(含水量)。湿润度越高，则电解质膜111的水分越多而成为越湿的状态，湿润度越低，则表示电解质膜111的水分越少。
阳极电极112具备催化剂层112A和气体扩散层112B。催化剂层112A是由铂或承载有铂等的炭黑粒子形成的构件，设置成与电解质膜111接触。气体扩散层112B配置于催化剂层112A的外侧。气体扩散层112B是由具有气体扩散性和导电性的碳布形成的构件，设置成与催化剂层112A及阳极隔板12接触。
与阳极电极112同样地，阴极电极113也具备催化剂层113A和气体扩散层113B。催化剂层113A配置于电解质膜111与气体扩散层113B之间，气体扩散层113B配置于催化剂层113A与阴极隔板13之间。
阳极隔板12配置于气体扩散层112B的外侧。阳极隔板12具备用于向阳极电极112供给阳极气体的多个阳极气体流路121。阳极气体流路121形成为槽状通路。即，阳极气体流路121构成对电解质膜111的另一个面流通燃料的燃料流路。
阴极隔板13配置于气体扩散层113B的外侧。阴极隔板13具备用于向阴极电极113供给阴极气体的多个阴极气体流路131。阴极气体流路131形成为槽状通路。即，阴极气体流路131构成对电解质膜111的一个面流通氧化剂的氧化剂流路。
另外，阴极隔板13具备用于供给用于冷却燃料电池10的冷却水的多个冷却水流路141。冷却水流路141形成为槽状通路。即，冷却水流路141构成流通用于冷却燃料电池10的制冷剂的制冷剂流路。
如图2所示，阴极隔板13构成为，使在冷却水流路141中流动的冷却水的流动方向与在阴极气体流路131中流动的阴极气体的流动方向互为同向。此外，也可以构成为使这些流动方向互为反向。另外，还可以构成为使这些流动方向具有规定的角度。
另外，阳极隔板12和阴极隔板13构成为使在阳极气体流路121中流动的阳极气体的流动方向与在阴极气体流路131中流动的阴极气体的流动方向互为反向。另外，也可以构成为使这些流动方向具有规定的角度。
在将这种燃料电池10用作汽车用电源的情况下，由于从电动马达要求的电力大，因此构成将数百块燃料电池10层叠而得到的燃料电池堆1。然后，构成向燃料电池堆1供给阳极气体和阴极气体的燃料电池系统100，取出用于驱动车辆的电力。
图3是表示本发明的第一实施方式中的燃料电池系统100的一例的结构图。
燃料电池系统100构成以下的电源系统：从外部对燃料电池供给发电所需的阳极气体和阴极气体，使燃料电池根据电负载来发电。
燃料电池系统100包括燃料电池堆1、阴极气体供排装置2、阳极气体供排装置3、堆冷却装置4、负载装置5、阻抗测定装置6以及控制器200。
燃料电池堆1是如上所述那样层叠多个燃料电池10而成的层叠电池。燃料电池堆1与负载装置5连接，向负载装置5供给电力。燃料电池堆1例如产生数百V(伏特)的直流的电压。
阴极气体供排装置2是向燃料电池堆1供给阴极气体、并且将从燃料电池堆1排出的阴极排气排出到大气的装置。即，阴极气体供排装置2构成向燃料电池10的电解质膜111供给氧化剂的氧化剂供给单元。
阴极气体供排装置2包括阴极气体供给通路21、压缩机22、流量传感器23、压力传感器24、阴极气体排出通路25以及阴极压力调节阀26。
阴极气体供给通路21是用于向燃料电池堆1供给阴极气体的通路。阴极气体供给通路21的一端开口，另一端与燃料电池堆1的阴极气体入口孔连接。
压缩机22设置于阴极气体供给通路21。压缩机22从阴极气体供给通路21的开口端取入含有氧的空气，将该空气作为阴极气体供给到燃料电池堆1。压缩机22的转速由控制器200来控制。
流量传感器23设置于压缩机22与燃料电池堆1之间的阴极气体供给通路21。流量传感器23对向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量进行检测。下面，将向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量仅称为“阴极气体流量”。流量传感器23将对阴极气体流量进行检测所得到的信号输出到控制器200。
压力传感器24设置于压缩机22与燃料电池堆1之间的阴极气体供给通路21。压力传感器24对向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力进行检测。下面，将向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力仅称为“阴极气体压力”。压力传感器24将对阴极气体压力进行检测所得到的信号输出到控制器200。
阴极气体排出通路25是用于从燃料电池堆1排出阴极排气的通路。阴极气体排出通路25的一端与燃料电池堆1的阴极气体出口孔连接，另一端开口。
阴极压力调节阀26设置于阴极气体排出通路25。作为阴极压力调节阀26，例如使用能够阶梯式地变更阀的开度的电磁阀。阴极压力调节阀26由控制器200来控制开闭。通过该开闭控制来将阴极气体压力调节为期望的压力。随着阴极压力调节阀26的开度变大，阴极压力调节阀26打开，随着阴极压力调节阀26的开度变小，阴极压力调节阀26闭合。
阳极气体供排装置3是向燃料电池堆1供给阳极气体、并且使从燃料电池堆1排出的阳极排气循环到燃料电池堆1的装置。即，阳极气体供排装置3构成向燃料电池10的电解质膜111供给燃料的燃料供给单元。
阳极气体供排装置3包括高压罐31、阳极气体供给通路32、阳极压力调节阀33、引射器34、阳极气体循环通路35、阳极循环泵36、压力传感器37以及放气阀38。
高压罐31将要向燃料电池堆1供给的阳极气体保持为高压状态来进行贮存。
阳极气体供给通路32是用于将高压罐31中贮存的阳极气体供给到燃料电池堆1的通路。阳极气体供给通路32的一端与高压罐31连接，另一端与燃料电池堆1的阳极气体入口孔连接。
阳极压力调节阀33设置于高压罐31与引射器34之间的阳极气体供给通路32。作为阳极压力调节阀33，例如使用能够阶梯式地变更阀的开度的电磁阀。阳极压力调节阀33由控制器200来控制开闭。通过该开闭控制来调节向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力。
引射器34设置于阳极压力调节阀33与燃料电池堆1之间的阳极气体供给通路32。引射器34是在阳极气体循环通路35合流于阳极气体供给通路32的部分处设置的机械式泵。通过在阳极气体供给通路32上设置引射器34，能够以简易的结构来使阳极排气循环到燃料电池堆1。
引射器34使从阳极压力调节阀33供给的阳极气体的流速加快来产生负压，由此吸引来自燃料电池堆1的阳极排气。引射器34将该阳极排气与从阳极压力调节阀33供给的阳极气体一起喷出到燃料电池堆1。
引射器34例如包括使开口随着从阳极压力调节阀33去向燃料电池堆1而变窄的圆锥状的喷嘴以及具备从燃料电池堆1吸引阳极排气的吸引口的扩散器。此外，在本实施方式中使用了引射器34，但是也可以仅使阳极气体循环通路35与阳极气体供给通路32合流。
阳极气体循环通路35是使来自燃料电池堆1的阳极排气循环到阳极气体供给通路32的通路。阳极气体循环通路35的一端与燃料电池堆1的阳极气体出口孔连接，另一端与引射器34的吸引口连接。
阳极循环泵36设置于阳极气体循环通路35。阳极循环泵36借助引射器34来使阳极排气循环到燃料电池堆1。阳极循环泵36的转速由控制器200来控制。由此，对在燃料电池堆1中循环的阳极气体的流量进行调整。下面，将在燃料电池堆1中循环的阳极气体的流量仅称为“阳极气体循环流量”。
放气阀38设置于从阳极气体循环通路35分支出的阳极气体排出通路。放气阀38将阳极排气所含有的杂质排出到外部。杂质是指从阴极气体流路131在电解质膜111处透过来的空气中的氮气、伴随发电的生成水等。放气阀38的开度由控制器200来控制。
此外，虽未进行图示，但是阳极气体排出通路合流到比阴极压力调节阀26更靠下游侧的阴极气体排出通路25。由此，从放气阀38排出的阳极排气在阴极气体排出通路25内与阴极排气混合，因此混合气体中的氢浓度被设定为排出容许浓度以下的值。
堆冷却装置4是将用于冷却燃料电池10的制冷剂供给到燃料电池堆1、将燃料电池堆1调整为适于发电的温度的装置。在本实施方式中，将冷却水用作制冷剂。
另外，堆冷却装置4作为气体温度调整装置而发挥功能，其提高在阴极气体流路131中通过的阴极气体的温度，以增加从燃料电池堆1排出的阴极气体中的水蒸气量。即，堆冷却装置4构成对向燃料电池10供给的氧化剂的温度进行调整的温度调整单元。
堆冷却装置4包括冷却水循环通路41、冷却水泵42、散热器43、旁路通路44、三通阀45、入口水温传感器46以及出口水温传感器47。
冷却水循环通路41是使冷却水循环到燃料电池堆1的通路。冷却水循环通路41的一端与燃料电池堆1的冷却水入口孔连接，另一端与燃料电池堆1的冷却水出口孔连接。
冷却水泵42设置于冷却水循环通路41。冷却水泵42借助散热器43来向燃料电池堆1供给冷却水。冷却水泵42的转速由控制器200来控制。
例如，在燃料电池堆1的温度比冷却水的温度高的状态下，随着冷却水泵42的转速变高，从燃料电池10向冷却水散热的热量增加，因此燃料电池堆1的温度下降。另一方面，随着冷却水泵42的转速变低，热交换率下降，因此燃料电池堆1的温度上升。
散热器43设置于比冷却水泵42更靠下游的冷却水循环通路41。散热器43利用风扇来冷却在燃料电池堆1中被加温的冷却水。
旁路通路44是绕过散热器43的通路，是使从燃料电池堆1排出的冷却水直接循环到燃料电池堆1的通路。旁路通路44的一端连接于冷却水泵42与散热器43之间的冷却水循环通路41，另一端与三通阀45的一端连接。此外，也可以在旁路通路44上设置用于在燃料电池系统100的零下启动时对燃料电池堆1进行暖机的加热器。
三通阀45对向燃料电池堆1供给的冷却水的温度进行调整。三通阀45在本实施方式中通过恒温器来实现。三通阀45设置在散热器43与燃料电池堆1的冷却水入口孔之间的冷却水循环通路41上的与旁路通路44合流的部分处。
在三通阀45中，在冷却水的温度为规定的开阀温度以下时，为从散热器43到燃料电池堆1的冷却水通路被切断的状态，仅将经由旁路通路44而来的冷却水供给到燃料电池堆1。由此，比经由散热器43而来的冷却水高温的冷却水流过燃料电池堆1。
另一方面，当冷却水的温度变得比上述的开阀温度高时，从散热器43到燃料电池堆1的冷却水通路的开口开始逐渐变大。然后，三通阀45将经由旁路通路44而来的冷却水与经由散热器43而来的冷却水进行混合，将这些冷却水供给到燃料电池堆1。由此，比经由旁路通路44而来的冷却水低温的冷却水流过燃料电池堆1。
入口水温传感器46和出口水温传感器47对冷却水的温度进行检测。冷却水的温度被用作燃料电池堆1的温度、阴极气体的温度。下面，也将燃料电池堆1的温度称为“堆温度”。
入口水温传感器46设置于位于燃料电池堆1中形成的冷却水入口孔的附近的冷却水循环通路41。入口水温传感器46对流入燃料电池堆1的冷却水入口孔的冷却水的温度进行检测。下面，将流入燃料电池堆1的冷却水入口孔的冷却水的温度称为“堆入口水温”。入口水温传感器46将对堆入口水温进行检测而得到的信号输出到控制器200。
出口水温传感器47设置于位于燃料电池堆1中形成的冷却水出口孔的附近的冷却水循环通路41。出口水温传感器47对从燃料电池堆1排出的冷却水的温度进行检测。下面，将从燃料电池堆1排出的冷却水的温度称为“堆出口水温”。出口水温传感器47将对堆出口水温进行检测而得到的信号输出到控制器200。
通过接受从燃料电池堆1供给的发电电力来驱动负载装置5。作为负载装置5，例如包括驱动车辆的电动马达、辅助燃料电池堆1发电的辅机的一部分、控制电动马达的控制单元等。作为燃料电池堆1的辅机，例如能够列举出压缩机22、阳极循环泵36、冷却水泵42等。
或者也可以是以下结构：负载装置5具备DC/DC转换器，DC/DC转换器的一方与电动马达逆变器连接，另一方与蓄电池连接，并且DC/DC转换器与蓄电池之间的电源线与辅机的一部分连接。此外，对负载装置5进行控制的控制单元将向燃料电池堆1要求的要求电力输出到控制器200。例如，设置于车辆的加速踏板的踏下量越大，则负载装置5的要求电力越大。
在负载装置5与燃料电池堆1之间配置有电流传感器51和电压传感器52。
电流传感器51连接于燃料电池堆1的正极端子1p与负载装置5之间的电源线。电流传感器51检测从燃料电池堆1输出到负载装置5的电流，将其作为燃料电池堆1的输出电力。下面，将从燃料电池堆1输出到负载装置5的电流称为“堆输出电流”。电流传感器51将对堆输出电流进行检测而得到的信号输出到控制器200。
电压传感器52连接于燃料电池堆1中的正极端子1p与负极端子1n之间。电压传感器52对端子间电压进行检测，该端子间电压是燃料电池堆1中的正极端子1p与负极端子1n之间的电压。下面，将燃料电池堆1的端子间电压称为“堆输出电压”。电压传感器52将对堆输出电压进行检测而得到的信号输出到控制器200。
阻抗测定装置6是对电解质膜111的湿润状态进行检测的装置。阻抗测定装置6对与电解质膜111的湿润状态有相关性的燃料电池堆1的内部阻抗进行测定。
一般来说，电解质膜的含水量越少、即电解质膜越偏干，则内部阻抗的电阻成分越大。另一方面，电解质膜的含水量越多、即电解质膜越偏湿，则内部阻抗的电阻成分越小。因此，作为表示电解质膜111的湿润状态的参数，使用燃料电池堆1的内部阻抗。
燃料电池堆1中设置有与正极端子1p串联连接的正极片以及与负极端子1n串联连接的负极片，正极片和负极片各自与阻抗测定装置6连接。阻抗测定装置6向正极端子1p提供具有适于检测电解质膜111的电阻的频率的交流电流。下面将适于检测电解质膜的电阻的频率称为“电解质膜响应频率”。阻抗测定装置6对由于电解质膜响应频率的交流电流而在正极端子1p与负极端子1n之间产生的交流电压进行检测，用检测出的交流电压的振幅除以提供到正极端子1p的交流电流的振幅，由此计算出内部阻抗。
在本实施方式中，对层叠为燃料电池堆1的各燃料电池10中的位于中途的燃料电池10设置中途片，该中途片也与阻抗测定装置6连接。中途片在阻抗测定装置6中接地。
然后，阻抗测定装置6向正极端子1p和负极端子1n这两方提供电解质膜响应频率的交流电流。阻抗测定装置6用正极端子1p与中途片之间的交流电压的振幅除以提供到正极端子1p的交流电流的振幅，由此计算出正极侧的内部阻抗。并且，阻抗测定装置6用负极端子1n与中途片之间的交流电压的振幅除以提供到负极端子1n的交流电流的振幅，由此计算出负极侧的内部阻抗。
下面，将利用电解质膜响应频率测定的内部阻抗称为HFR(High FrequencyResistance；高频电阻)。阻抗测定装置6将计算出的HFR输出到控制器200。
控制器200由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微型计算机构成。
流量传感器23、压力传感器24、压力传感器37、入口水温传感器46、出口水温传感器47、电流传感器51、电压传感器52及阻抗测定装置6的各输出信号以及负载装置5的要求电力被输入到控制器200。这些信号被用作与燃料电池系统100的运转状态有关的参数。
控制器200根据燃料电池系统100的运转状态，通过控制压缩机22和阴极压力调节阀26来控制阴极气体的流量和压力，并且通过控制阳极压力调节阀33和阳极循环泵36来控制阳极气体的流量和压力。并且，控制器200根据燃料电池系统100的运转状态，通过控制冷却水泵42和三通阀45来控制燃料电池堆1中的燃料电池10的温度和阴极气体的温度。
例如，控制器200基于负载装置5的要求电力来运算阴极气体的目标流量和目标压力以及阳极气体的目标流量和目标压力。控制器200基于阴极气体的目标流量和目标压力来控制压缩机22的转速和阴极压力调节阀26的开度，并且基于阳极气体的目标流量和目标压力来控制阳极循环泵36的转速和阳极压力调节阀33的开度。
另外，控制器200运算用于维持燃料电池堆1的发电性能的堆目标温度，基于该堆目标温度来控制冷却水泵42的转速。例如，相比于堆温度低于堆目标温度的情况，在堆温度高于堆目标温度的情况下，控制器200使冷却水泵42的转速更高。
在这种燃料电池系统100中，当各电解质膜111的湿润度(含水量)过高或过低时，发电性能下降。为了使燃料电池堆1高效地发电，将燃料电池堆1的电解质膜111维持为适度的湿润度是很重要的。因此，控制器200在能够确保负载装置5的要求电力的范围内对燃料电池堆1的湿润状态进行操作，使得燃料电池堆1的湿润状态为适于发电的状态。
下面，将使燃料电池堆1的湿润状态向干燥(烘干)侧转变、即减少电解质膜111的多余的水分称为“烘干操作”。另外，将使燃料电池堆1的湿润状态向湿润(润湿)侧转变、即增加电解质膜111的水分称为“润湿操作”。
在对燃料电池堆1的湿润状态进行操作的湿润控制中，控制器200对阴极气体流量、阴极气体压力、阳极气体流量以及堆温度进行控制。
控制器200的阴极气体流量控制主要由压缩机22执行，阴极气体压力控制主要由阴极压力调节阀26执行。
例如，在烘干操作中，控制器200为了增加从燃料电池堆1排出的水分而使阴极气体流量变大或使阴极气体压力变低。另一方面，在润湿操作中，控制器200使阴极气体流量变小或使阴极气体压力变高。
控制器200的阳极气体流量控制主要由阳极循环泵36执行。
图2所示的流过阳极气体流路121的阳极气体被从阴极气体流路131的下游侧经由电解质膜111泄漏(透过)过来的水蒸气所加湿。当使加湿后的阳极气体流量增加时，阳极气体所含有的水分容易从阳极气体流路121的上游遍及到下游，燃料电池堆1的湿润度容易增加。
因此，控制器200在执行润湿操作的情况下，使在燃料电池堆1中循环的阳极气体流量增加，以增加燃料电池堆1内被加湿的阳极气体的流量。另一方面，在执行烘干操作的情况下，控制器200使在燃料电池堆1中循环的阳极气体流量减少。
控制器200的堆温度控制主要由冷却水泵42执行。
通常，燃料电池10的温度高于堆入口水温，因此当减少图2所示的流过冷却水流路141的冷却水的流量时，流过阴极气体流路131的阴极气体的温度上升，并且燃料电池10自身的温度上升。当阴极气体流路131的阴极气体温度上升时，该阴极气体所能够保持的水蒸气量增加，因此从燃料电池堆1排出的水分增加。这样，当使堆温度上升时，从燃料电池堆1排出的水分增加，因此燃料电池堆1的湿润度下降。
因此，控制器200在执行烘干操作的情况下，使堆温度变高，以使得燃料电池堆1内的阴极气体的温度上升。另一方面，在执行润湿操作的情况下，控制器200使堆温度变低。
然而，当在执行烘干操作的情况下使堆温度变高时，不仅阴极气体的温度上升，阳极气体的温度也上升，因此阳极气体所能够保持的水蒸气量也增加。其结果，从阴极气体流路131经由电解质膜111向阳极气体流路121移动过来的水蒸气量增加，由于该水蒸气，电解质膜111的湿润度变得难以降低，烘干操作所需的时间变长。根据状况不同，存在以下情况：在烘干操作中电解质膜111的水分增加了，其原因是向阳极气体流路121移动过来的水蒸气量增加。发明人们发现了这种事态。
因此，在本实施方式中，在烘干操作中，相比于使堆温度变高的升温控制，控制器200优先执行减少在燃料电池堆1中循环的阳极气体流量的减量控制。
图4是表示本实施方式中的控制器200的功能结构的一例的框图。在此，示出了执行烘干操作时的控制参数。
控制器200包括膜湿润状态检测部201、发电控制部202、阳极气体供排装置指令部203以及堆冷却装置指令部204。发电控制部202包括阳极气体目标流量运算部220和堆目标温度运算部230。
膜湿润状态检测部201构成对燃料电池堆1中的电解质膜111的湿润状态进行检测的湿润状态检测单元。
膜湿润状态检测部201获取由阻抗测定装置6测定的燃料电池堆1的HFR，来作为表示电解质膜111的湿润度的湿润状态信息。下面，将从阻抗测定装置6输出的HFR称为“测定HFR”。
膜湿润状态检测部201基于来自阻抗测定装置6的测定HFR来运算用于将电解质膜111的湿润状态维持为适于发电的状态的目标水收支。目标水收支是表示对于电解质膜111的作为目标的湿润状态而言水分的过量与不足的参数。即，目标水收支是与电解质膜111的湿润度有相关性的参数。
例如，在测定HFR小于作为目标的值的情况下，膜湿润状态检测部201判定为电解质膜111的水分多，将目标水收支设定为小于零(0)的负(minus)的值。在判定为电解质膜111的水分少的情况下，通过发电控制部202来执行增加电解质膜111的水分的润湿操作。
另一方面，在测定HFR大于作为目标的值的情况下，膜湿润状态检测部201判定为电解质膜111的水分少，将目标水收支设定为大于零的正(plus)的值。在判定为电解质膜111的水分少的情况下，通过发电控制部202来执行减少电解质膜111的多余的水分的烘干操作。
膜湿润状态检测部201将运算出的目标水收支输出到阳极气体目标流量运算部220和堆目标温度运算部230。
另外，在执行润湿操作的情况下，膜湿润状态检测部201例如将堆温度作为在燃料电池堆1内流动的阴极气体的温度而输出到阳极气体目标流量运算部220。
另一方面，在执行烘干操作的情况下，膜湿润状态检测部201运算最低堆温度，该最低堆温度是用于通过润湿操作使电解质膜111为最湿的状态的操作温度。
最低堆温度被设定为在润湿操作中堆冷却装置4能够调整燃料电池堆1的温度的范围的下限值。即，最低堆温度是为了在能够稳定地控制燃料电池堆1的发电的范围内使电解质膜111的水分最大而使用的润湿操作时的操作温度。
例如，随着负载装置5的要求电力变大，从燃料电池10散出的热量增加，因此膜湿润状态检测部201使最低堆温度升高。膜湿润状态检测部201将运算出的最低堆温度输出到阳极气体目标流量运算部220。
此外，膜湿润状态检测部201也可以使用燃料电池堆1的温度来生成湿润状态信息，以代替测定HFR。在该情况下，膜湿润状态检测部201计算出堆入口水温与堆出口水温的平均值来作为燃料电池堆1的温度。然后，膜湿润状态检测部201参照预先决定的湿润估计对应图，来生成与计算出的平均值相对应的湿润状态信息，基于该湿润状态信息来计算目标水收支。
或者，膜湿润状态检测部201也可以使用负载装置5的要求电力来生成湿润状态信息，以代替测定HFR。在该情况下，膜湿润状态检测部201从负载装置5的控制单元获取要求电力，参照预先决定的湿润估计对应图，来生成与获取到的要求电力相对应的湿润状态信息。例如，随着负载装置5的要求电力变大，伴随发电的生成水的产生量增加，因此膜湿润状态检测部201使湿润状态信息所表示的电解质膜111的湿润度增大。
发电控制部202构成对通过阳极压力调节阀33和阳极循环泵36进行的阳极气体的供给以及通过压缩机22和阴极压力调节阀26进行的阴极气体的供给进行控制来控制燃料电池10的发电的发电控制单元。
与执行润湿操作的情况相比，在执行烘干操作的情况下，发电控制部202一边减少阳极气体流量，一边与目标水收支的大小相应地提高堆温度。即，在根据来自膜湿润状态检测部201的信号来减少电解质膜111的水分时，与增加电解质膜111的水分时相比，发电控制部202使阳极气体循环流量减少，并且与来自膜湿润状态检测部201的信号相应地使在燃料电池堆1内流动的阴极气体的温度上升。
在本实施方式中，在执行烘干操作的情况下，相比于通过冷却水泵42进行的升高堆温度的控制，发电控制部202优先执行通过阳极循环泵36进行的减少阳极气体流量的控制。
阳极气体目标流量运算部220运算用于对向燃料电池堆1供给的阳极气体流量进行控制的阳极气体目标流量。
阳极气体目标流量运算部220基于负载装置5的要求电力来运算燃料电池堆1的发电所需的阳极气体的负载要求流量，并且运算用于维持燃料电池堆1的湿润状态的阳极气体湿润要求流量。阳极气体目标流量运算部220将阳极气体的负载要求流量和湿润要求流量中的较大的值作为阳极气体目标流量而输出到阳极气体供排装置指令部203。
在本实施方式中，阳极气体目标流量运算部220从膜湿润状态检测部201获取目标水收支和最低堆温度，从流量传感器23获取阴极气体流量的测量值，从压力传感器24获取阴极气体压力的测量值。
阳极气体目标流量运算部220基于目标水收支、最低堆温度、阴极气体流量的测量值以及阴极气体压力的测量值来运算湿润控制中使用的阳极气体湿润要求流量。
目标水收支越大，则阳极气体目标流量运算部220使阳极气体湿润要求流量越大，以增加电解质膜111的水分。另一方面，目标水收支越小，则阳极气体目标流量运算部220使阳极气体湿润要求流量越小，以减少电解质膜111的水分。
最低堆温度越低，阳极气体目标流量运算部220使阳极气体湿润要求流量越小，以减少在燃料电池堆1中循环的阳极气体中的水分。另一方面，最低堆温度越高，阳极气体目标流量运算部220使阳极气体湿润要求流量越大。
在本实施方式中，由膜湿润状态检测部201设定的最低堆温度通常比堆温度的测量值低。因此，在烘干操作中，阳极气体目标流量运算部220能够使阳极气体湿润要求流量与使用堆温度的测量值的情况相比变小。并且，通过使用最低堆温度，能够使阳极气体湿润要求流量在能够安全地运转燃料电池系统100的范围内更快地变小。
阳极气体目标流量运算部220将运算出的阳极气体湿润要求流量输出到堆目标温度运算部230。
堆目标温度运算部230运算用于调整燃料电池堆1的温度的堆目标温度。堆目标温度运算部230将该堆目标温度输出到堆冷却装置指令部204。
堆目标温度运算部230从阳极气体目标流量运算部220获取阳极气体湿润要求流量，从膜湿润状态检测部201获取目标水收支。并且，堆目标温度运算部230从流量传感器23获取阴极气体流量的测量值，从压力传感器24获取阴极气体压力的测量值。
堆目标温度运算部230基于阳极气体湿润要求流量、目标水收支、阴极气体流量的测量值以及阴极气体压力的测量值来运算湿润控制中使用的堆目标温度。
目标水收支越大，则堆目标温度运算部230使堆目标温度越低，以减少从燃料电池堆1排出的阴极气体中的水分。另一方面，目标水收支越小，则堆目标温度运算部230使堆目标温度越高，以增加从燃料电池堆1排出的水分。
阳极气体供排装置指令部203以使在燃料电池堆1中循环的阳极气体的循环流量为阳极气体目标流量的方式控制阳极循环泵36的转速和阳极压力调节阀33的开度。
堆冷却装置指令部204以使燃料电池堆1的温度为堆目标温度的方式控制冷却水泵42的转速。此外，在利用控制器200来控制三通阀45的开度的情况下，堆冷却装置指令部204以使燃料电池堆1的温度为堆目标温度的方式控制冷却水泵42的转速和三通阀45的开度。
图5是表示膜湿润状态检测部201的功能结构的一例的框图。
膜湿润状态检测部201包括优先控制部201A和目标水收支运算部201B。
优先控制部201A设定用于对阳极气体供排装置3的动作和堆冷却装置4的动作进行控制的优先级。在执行减少电解质膜111的水分的烘干操作的情况下，相比于控制堆冷却装置4的动作，优先控制部201A优先控制阳极气体供排装置3的动作。
在本实施方式中，在通过发电控制部202来执行烘干操作的情况下，优先控制部201A对阳极气体目标流量运算部220设定润湿操作时的最低堆温度。优先控制部201A包括堆目标电流运算部211和最低堆温度运算部212。
堆目标电流运算部211基于与燃料电池堆1连接的负载来运算堆目标电流。例如，堆目标电流运算部211中预先记录有燃料电池堆1的IV(电流电压)特性。然后，堆目标电流运算部211当从负载装置5获取到要求电力时，参照燃料电池堆1的IV特性，计算成为获取到的发电电力的电流来作为堆目标电流。此外，也可以基于改变燃料电池堆1的输出电流时的堆输出电流和堆输出电压来估计出燃料电池堆1的IV特性。
堆目标电流运算部211将该堆目标电流输出到阳极气体目标流量运算部220和最低堆温度运算部212。
最低堆温度运算部212基于堆目标电流来运算在堆冷却装置4的动作范围内使燃料电池堆1最冷却时的最低堆温度Tmin。
在本实施方式中，表示堆目标电流与最低堆温度之间的关系的最低堆温度对应图被预先记录在最低堆温度运算部212中。在后面参照图6来叙述最低堆温度对应图的详情。
最低堆温度运算部212当获取到堆目标电流时，参照最低堆温度对应图来计算出与获取到的堆目标电流有关的最低堆温度Tmin。此外，最低堆温度运算部212也可以基于冷却水泵42的转速、三通阀45的开度等来运算最低堆温度Tmin。
另外，最低堆温度运算部212基于来自反馈控制部214的目标水收支来判断执行减少电解质膜111的水分的烘干操作还是执行增加电解质膜111的水分的润湿操作。
例如，在目标水收支大于预先决定的上限阈值的情况下，最低堆温度运算部212判定为开始烘干操作。或者也可以是，最低堆温度运算部212以规定的采样周期获取目标水收支，在目标水收支的本次值小于上次值的情况下，判定为开始烘干操作。
在判定为开始烘干操作的情况下，最低堆温度运算部212将最低堆温度Tmin输出到阳极气体目标流量运算部220。
另外，在冷却水压缩机42、三通阀45发生异常等情况下，有时无法进行提高堆温度的升温控制。在这种情况下，最低堆温度运算部212输出堆温度的测量值来代替最低堆温度Tmin。在该情况下，最低堆温度运算部212计算出将来自入口水温传感器46的检测值与来自出口水温传感器47的检测值进行平均而得到的值来作为堆温度的测量值。此外，在无法进行堆温度控制时，也可以停止最低堆温度运算部212中的运算。
在像这样无法控制堆温度的情况下，使用供给到燃料电池堆1的实际的冷却水的温度(堆温度)来计算阳极气体湿润要求流量，因此能够执行适于堆温度控制系统的异常状态的烘干操作。
另一方面，在判定为开始润湿操作的情况下，最低堆温度运算部212输出堆入口水温与堆出口水温的平均值来作为堆温度的测量值。此外，也可以是，即使在判定为开始润湿操作的情况下，最低堆温度运算部212也与判定为开始烘干操作时同样地输出最低堆温度Tmin。
目标水收支运算部201B包括目标HFR运算部213和反馈控制部214。
目标HFR运算部213根据燃料电池堆1的动作状态来运算用于将电解质膜111的湿润状态控制为作为目标的状态的目标HFR。
在本实施方式中，表示堆输出电流与目标HFR之间的关系的膜湿润控制对应图被预先记录在目标HFR运算部213中。参照图7来详细说明膜湿润控制对应图。
目标HFR运算部213当从电流传感器51获取到堆输出电流Is时，参照膜湿润控制对应图来计算出与获取到的堆输出电流Is有关的目标HFR。
此外，目标HFR运算部213也可以使用预先决定的运算式，基于堆输出电流Is来运算目标HFR。另外，目标HFR运算部213也可以使用负载装置5的要求电力来代替堆输出电流Is以计算目标HFR。
目标HFR运算部213将计算出的目标HFR输出到反馈控制部214。
反馈控制部214以使电解质膜111的湿润状态变为作为目标的状态的方式运算用于使电解质膜111的水分增减的目标水收支Qw_t。
在本实施方式中，反馈控制部214从目标HFR运算部213获取目标HFR，从阻抗测定装置6获取测量HFR。然后，反馈控制部214以使测量HFR与目标HFR之间的偏差收敛为零的方式运算目标水收支Qw_t。
例如，反馈控制部214通过从测量HFR减去目标HFR来求出测量HFR与目标HFR之间的偏差，基于该偏差来执行PI控制，由此计算出目标水收支。
反馈控制部214将计算出的目标水收支输出到最低堆温度运算部212和阳极气体目标流量运算部220。
图6是表示在最低堆温度运算部212中设定的最低堆温度对应图的一例的概念图。在此，横轴是堆目标电流，堆目标电流越大，则燃料电池堆1的输出电力越大。另外，纵轴是最低堆温度。
在膜湿润控制对应图中，按堆目标电流来设定最低堆温度。最低堆温度是事先测量将冷却水泵42、散热器43所具备的风扇的转速设定为规定的上限值时的堆温度而得到的值或者事先计算出的值。
在堆目标电流处于零到规定的电流值I1的小电流范围内时，燃料电池堆1的发热量小，因此最低堆温度固定。
在堆目标电流处于大于规定的电流值I1的大电流范围内时，燃料电池堆1的发热量变大，因此堆目标电流越大，则最低堆温度越大。
图7是表示在目标HFR运算部213中设定的膜湿润控制对应图的一例的概念图。
在图7中，横轴是堆输出电流，堆输出电流越大，则燃料电池堆1的输出电力越大。另外，纵轴是目标HFR，该目标HFR越大，则电解质膜111越容易干，目标HFR越小，则电解质膜111越容易湿。
在膜湿润控制对应图中，以使滞留于阴极气体流路131的液态水不会成为阻碍阴极气体的流动的原因的方式设定目标HFR。
在堆输出电流处于零到规定的电流值I2的小电流范围内时，堆输出电流越大，则目标HFR越小。
这样设定的原因是，向燃料电池堆1供给的阴极气体流量越少，则滞留于阴极气体流路131的液态水越容易阻碍阴极气体的流动。因此，与通常运转时相比，负载装置5的要求电力低的低负载运转时的目标HFR被设定得高。
在堆输出电流处于大于规定的电流值I2的大电流范围内时，阴极气体流量变得足够大，因此滞留于燃料电池堆1内的液态水的影响变小。因此，大电流范围内的目标HFR被设定为小于小电流范围内的目标HFR且固定的值。
图8是表示阳极气体目标流量运算部220的功能结构的一例的框图。
阳极气体目标流量运算部220包括阳极气体负载要求流量运算部221、发电生成水量运算部222、目标排水量计算部223、最低温度饱和水蒸气压力运算部224以及阴极相对湿度运算部225。并且，阳极气体目标流量运算部220包括阳极/阴极流量比运算部226、阳极气体湿润要求流量运算部227以及阳极气体目标流量设定部228。
阳极气体负载要求流量运算部221基于负载装置5的要求电力来运算负载要求流量，该负载要求流量是燃料电池堆1的发电所需的最低限度的阳极气体流量。
例如，阳极气体负载要求流量运算部221中预先记录有表示堆目标电流与阳极气体流量之间的关系的负载要求流量对应图。阳极气体负载要求流量运算部221当从堆目标电流运算部211获取到堆目标电流时，参照负载要求流量对应图，计算出与获取到的堆目标电流相关联的阳极气体流量来作为负载要求流量。
阳极气体负载要求流量运算部221将计算出的负载要求流量输出到阳极气体目标流量设定部228。
发电生成水量运算部222基于燃料电池堆1的输出电流来运算发电生成水量，该发电生成水量是在燃料电池堆1中通过各燃料电池10的发电而生成的水的总量。
在本实施方式中，发电生成水量运算部222从电流传感器51获取堆输出电流Is，基于堆输出电流Is，如下式(3)那样计算发电生成水量Qw_in。
[数式1]
此外，N是燃料电池10的块数，F[C/mol]是法拉第常数(96485.39)。另外，“60”是从秒单位(sec)换算为分单位(min)的换算值，“22.4”是标准状态的理想气体1摩尔(mol)的体积。
发电生成水量运算部222将计算出的发电生成水量Qw_in输出到目标排水量计算部223。
目标排水量计算部223通过计算发电生成水量Qw_in与目标水收支Qw_t之差来计算应该从燃料电池堆1排出的水分即目标排水量Qw_out。在本实施方式中，目标排水量计算部223通过如下式(4)那样从发电生成水量Qw_in减去目标水收支Qw_t来计算目标排水量Qw_out。
[数式2]
Qw_out＝Qw_in-Qw_t...(4)
最低温度饱和水蒸气压力运算部224基于由优先控制部201A设定的最低堆温度Tmin来运算最低堆温度Tmin时的饱和水蒸气压力Psat_min。
在本实施方式中，最低温度饱和水蒸气压力运算部224从最低堆温度运算部212获取最低堆温度Tmin，基于最低堆温度Tmin来如下式(5)那样计算最低温度饱和水蒸气压力Psat_min。
[数式3]
按照式(5)，最低堆温度Tmin越高，则最低温度饱和水蒸气压力Psat_min越高。最低温度饱和水蒸气压力运算部224将计算出的最低温度饱和水蒸气压力Psat_min输出到阴极相对湿度运算部225。
阴极相对湿度运算部225基于最低温度饱和水蒸气压力Psat_min来运算阴极出口相对湿度RHc_out，该阴极出口相对湿度RHc_out表示燃料电池堆1中的阴极气体的湿度相对于阳极气体的湿度的比率。
在本实施方式中，阴极出口相对湿度RHc_out是用图2所示的阴极气体流路131的出口(下游)侧的阴极气体的湿度除以阳极气体流路121的入口(上游)侧的阳极气体的湿度而得到的值。
阴极相对湿度运算部225从流量传感器23获取阴极气体流量的测量值Qc_sens，从压力传感器24获取阴极气体压力的测量值Pc_sens。阴极相对湿度运算部225如下式(6)那样基于最低温度饱和水蒸气压力Psat_min、阴极气体压力Pc_sens、阴极气体流量Qc_sens以及目标排水量Qw_out来计算阴极出口相对湿度RHc_out。
[数式4]
如式(6)那样，最低温度饱和水蒸气压力Psat_min越高，则阴极出口相对湿度RHc_out_min越低。阴极相对湿度运算部225将计算出的阴极出口相对湿度RHc_out_min输出到阳极/阴极流量比运算部226。
阳极/阴极流量比运算部226基于阴极出口相对湿度RHc_out_min来运算阳极/阴极流量比Kac_min，该阳极/阴极流量比Kac_min表示阳极气体流量相对于阴极气体流量的比率。
在本实施方式中，表示阴极出口相对湿度与阳极/阴极流量比之间的关系的流量比对应图被预先记录在阳极/阴极流量比运算部226中。在后面参照图9来叙述流量比对应图的详情。
阳极/阴极流量比运算部226当从阴极相对湿度运算部225获取到阴极出口相对湿度RHc_out_min时，参照流量比对应图来计算与阴极出口相对湿度RHc_out_min有关的阳极/阴极流量比Kac_min。
阳极/阴极流量比运算部226将计算出的阳极/阴极流量比Kac_min输出到阳极气体湿润要求流量运算部227。
阳极气体湿润要求流量运算部227基于阳极/阴极流量比Kac_min来运算用于使燃料电池堆1的湿润状态为作为目标的状态的阳极气体湿润要求流量Qa_rw。
阳极气体湿润要求流量运算部227通过如下式(7)那样将阳极/阴极流量比Kac_min与阴极气体流量的测量值Qc_sens相乘来计算阳极气体湿润要求流量Qa_rw。
[数式5]
Qa_rw＝Kac_min×Qc_sens...(7)
阳极气体湿润要求流量运算部227将计算出的阳极气体湿润要求流量Qa_rw输出到堆目标温度运算部230和阳极气体目标流量设定部228。
阳极气体目标流量设定部228将阳极气体湿润要求流量Qa_rw和来自阳极气体负载要求流量运算部221的负载要求流量中的较大的值作为阳极气体目标流量而输出到阳极气体供排装置指令部203。
图9是表示在阳极/阴极流量比运算部226中设定的流量比对应图的一例的概念图。在此，纵轴是表示从燃料电池堆1排出的阴极气体的相对湿度的阴极出口相对湿度，横轴是表示阳极气体流量相对于阴极气体流量的比率的阳极/阴极流量比。
在本实施方式中利用使阴极气体流量与阳极气体流量彼此发生变化时的实验数据等来预先设定表示阴极出口相对湿度与阳极/阴极流量比之间的关系的流量比对应图。此外，例如使用改变阴极气体压力、堆温度、氢浓度等时的平均值或特性的偏差小的值来设定流量比对应图的特性。
如图9所示，阴极出口相对湿度RHc_out越小，则基于最低堆温度Tmin的阳极/阴极流量比Kac_min越大。因此，在阴极气体流量固定的情况下，阴极出口相对湿度RHc_out越小，则阳极气体流量越大。
因而，在烘干操作时，为了尽可能使阳极气体湿润要求流量Qa_rw小，需要使阴极出口相对湿度RHc_out大。如上所述，为了使阴极出口相对湿度RHc_out大，根据式(6)的关系，必须使饱和水蒸气压力Psat_min小，为了使该饱和水蒸气压力Psat_min小，根据式(5)的关系，需要使堆温度的设定值小。
因此，在本实施方式中，在判定为执行烘干操作的情况下，图5所示的优先控制部201A用最低堆温度Tmin代替堆温度的测量值来对阳极气体目标流量运算部220进行设定。
由此，与仅使用堆温度的测量值的情况相比，饱和水蒸气压力Psat_min变小，因此能够使阴极出口相对湿度RHc_out变大。因此，在烘干操作时，阳极/阴极流量比Kpc_sens变小，因此能够提早降低阳极气体湿润要求流量Qa_rw。
图10是表示堆目标温度运算部230的功能结构的一例的框图。
堆目标温度运算部230包括目标饱和水蒸气压力运算部231和目标冷却水温度变换部232。
目标饱和水蒸气压力运算部231基于阳极气体湿润要求流量Qa_rw来运算用于使电解质膜111的湿润度维持为作为目标的值的目标饱和水蒸气压力Psat_t。
在本实施方式中，目标饱和水蒸气压力运算部231获取阳极气体湿润要求流量Qa_rw，从流量传感器23获取阴极气体流量的测量值Qc_sens。然后，目标饱和水蒸气压力运算部231如下式(8)那样，基于阳极气体湿润要求流量Qa_rw和阴极气体流量Qc_sens来计算阳极/阴极流量比Kac。
[数式6]
目标饱和水蒸气压力运算部231当计算出阳极/阴极流量比Kac时，参照图10所示的流量比对应图来计算与计算出的阳极/阴极流量比Kac有关的阴极出口相对湿度RHc_out。
接着，目标饱和水蒸气压力运算部231从压力传感器24获取阴极气体压力的测量值Pc_sens，从目标排水量计算部223获取目标排水量Qw_out。此外，目标饱和水蒸气压力运算部231也可以如图4所示那样，从膜湿润状态检测部201获取目标水收支Qw_t，基于式(4)来运算目标排水量Qw_out。
然后，目标饱和水蒸气压力运算部231如下式(9)的那样，基于目标排水量Qw_out、阴极气体压力Pc_sens、阴极出口相对湿度RHc_out以及阴极气体流量Qc_sens来计算目标饱和水蒸气压力Psat_t。
[数式7]
目标饱和水蒸气压力运算部231将计算出的目标饱和水蒸气压力Psat_t输出到目标冷却水温度变换部232。
目标冷却水温度变换部232将目标饱和水蒸气压力Psat_t变换为作为燃料电池堆1中的冷却水温度的目标值的目标冷却水温度Tt。目标冷却水温度变换部232如下式(10)那样，基于目标饱和水蒸气压力Psat_t来计算目标冷却水温度Tt。
[数式8]
目标冷却水温度变换部232将目标冷却水温度Tt作为堆目标温度输出到堆冷却装置指令部204。
这样，根据式(8)和式(9)的关系，在考虑到燃料电池10中的阴极出口相对湿度的特性的基础上，随着阳极气体湿润要求流量Qa_rw下降，目标饱和水蒸气压力Psat_t变低。而且，根据式(10)的关系，目标饱和水蒸气压力Psat_t越低，则堆目标温度Tt越低。因此，随着阳极气体湿润要求流量Qa_rw下降，堆目标温度Tt变低。因而，随着使阳极气体流量减少，发电控制部202使堆温度下降。
另一方面，根据式(9)的关系，目标排出量Qw_out越大，则目标饱和水蒸气压力Psat_t越高，因此堆目标温度Tt越高。因而，随着电解质膜111的湿润度变高，发电控制部202使堆温度上升。
由此，即使是降低阳极气体湿润要求流量Qa_rw的状态，只要目标排出量Qw_out不下降，发电控制部202就能够使堆目标温度迅速上升。即，在烘干操作中，在使阳极气体流量减少时，只要燃料电池堆1的湿润度不降低，发电控制部202就能够使堆温度的上升量大。
图11是表示对本实施方式中的燃料电池系统100进行控制的控制方法的一例的流程图。按规定的周期重复执行该控制方法。
在步骤S1中，控制器200对燃料电池堆1的运转状态进行检测。在本实施方式中，控制器200使用图3所示的阻抗测定装置6来检测燃料电池堆1的HFR，使用流量传感器23来检测阴极气体流量，使用压力传感器24来检测阴极气体压力。此外，步骤S1构成对电解质膜111的湿润状态进行检测的湿润状态检测步骤。
在步骤S2中，控制器200从流量传感器23获取阴极气体流量的测量值，从压力传感器24获取阴极气体压力的测量值。
在步骤S3中，控制器200从阻抗测定装置6获取与电解质膜111有相关性的测定HFR，来作为表示燃料电池堆1的湿润状态的参数。
在步骤S4中，控制器200运算用于维持燃料电池堆1的发电性能的目标HFR。在本实施方式中，图5所示的目标HFR运算部213从电流传感器51获取堆输出电流，使用图7所示的目标HFR对应图来计算与获取到的堆输出电流有关的目标HFR。
在步骤S5中，控制器200的膜湿润状态检测部201以使测定HFR收敛为目标HFR的方式运算目标水收支，该目标水收支用于补偿对于电解质膜111的湿润状态而言水分的过量与不足。在本实施方式中，图5所示的反馈控制部214基于目标HFR和测定HFR来计算目标水收支。
在步骤S6中，控制器200基于电解质膜111的湿润状态来判断是否执行烘干操作。例如，在测定HFR小于目标HFR的情况下，控制器200判定为执行烘干操作。在本实施方式中，图5所示的最低堆温度运算部212判断目标水收支是否超过了规定的上限值，在目标水收支超过了规定的上限值的情况下判定为执行烘干操作。
在步骤S7中，控制器200在执行烘干操作的情况下，运算通过堆冷却装置4得到的燃料电池堆1的最低堆温度。在本实施方式中，最低堆温度运算部212获取堆目标电流，使用图6所示的最低堆温度对应图来计算与获取到的堆目标电流相关联的最低堆温度。
在步骤S8中，控制器200在执行烘干操作的情况下，基于最低堆温度、目标水收支、阴极气体流量以及阴极气体压力来运算阳极气体目标流量。
在本实施方式中，发电生成水量运算部222如式(3)那样，基于来自电流传感器51的堆输出电流Is来运算发电生成水量Qw_in。接着，目标排水量计算部223如式(4)那样，从发电生成水量Qw_in减去目标水收支Qw_t来计算目标排水量Qw_out。
然后，最低温度饱和水蒸气压力运算部224如式(5)那样，基于最低堆温度Tmin来计算最低温度饱和水蒸气压力Psat_min。接着，阴极相对湿度运算部225如式(6)那样基于最低温度饱和水蒸气压力Psat_min、阴极气体压力Pc_sens、目标排水量Qw_out以及阴极气体流量Qc_sens来计算阴极出口相对湿度RHc_out_min。
并且，阳极/阴极流量比运算部226使用图10所示的流量比对应图来计算与阴极出口相对湿度RHc_out_min有关的阳极/阴极流量比Kac_min。接着，阳极气体湿润要求流量运算部227如式(7)那样基于阳极/阴极流量比Kac_min来计算阳极气体湿润要求流量Qa_rw。
另外，阳极气体负载要求流量运算部221基于堆目标电流来计算阳极气体负载要求流量，阳极气体目标流量设定部228将阳极气体的负载要求流量和湿润要求流量中的较大一方设定为阳极气体目标流量。
接着，在步骤S9中，发电控制部202基于阳极气体湿润要求流量、目标水收支、阴极气体压力以及阴极气体流量来运算堆目标温度。
在本实施方式中，目标饱和水蒸气压力运算部231如式(8)那样，基于阳极气体湿润要求流量Qa_rw和阴极气体流量Qc_sens来计算阳极/阴极流量比Kac。然后，目标饱和水蒸气压力运算部231使用图10所示的流量比对应图来计算与阳极/阴极流量比Kac有关的阴极出口相对湿度RHc_out。
然后，目标饱和水蒸气压力运算部231如式(9)那样，基于阴极出口相对湿度RHc_out、目标排水量Qw_out、阴极气体压力Pc_sens以及阴极气体流量Qc_sens来计算目标饱和水蒸气压力Psat_t。接着，目标冷却水温度变换部232如式(10)那样，基于目标饱和水蒸气压力Psat_t来计算目标冷却水温度Tt，将目标冷却水温度Tt作为堆目标温度而输出。
该步骤S7至步骤S9构成以下的发电控制步骤：在根据与电解质膜111的湿润状态有关的信号来减少电解质膜111的水分时，与增加电解质膜111的水分时相比，使燃料的流量减少，并且与表示电解质膜111的湿润状态的信号相应地使氧化剂的温度上升。
在步骤S10中，控制器200基于阳极气体目标流量来控制阳极循环泵36的转速，基于堆目标温度来控制冷却水泵42的转速。即，步骤S10构成对向燃料电池10供给的燃料的流量进行调整的流量调整步骤以及对向燃料电池10供给的氧化剂的温度进行调整的温度调整步骤。
另外，在步骤S6中执行润湿操作的情况下，控制器200进入步骤S11的处理。
在步骤S11中，控制器200在判定为执行润湿操作的情况下，计算燃料电池堆1的温度。在本实施方式中，控制器200从入口水温传感器46获取堆入口水温，从出口水温传感器47获取堆出口温度，将对堆入口水温与堆出口水温进行平均而得到的值计算为堆温度。
在步骤S12中，控制器200在判定为执行烘干操作的情况下，基于通过步骤S11计算出的堆温度、目标水收支、阴极气体流量以及阴极气体压力来运算阳极气体目标流量。之后，依次执行步骤S9和步骤S10的各处理，燃料电池系统100的控制方法结束。
图12是表示本实施方式中的烘干操作时的燃料电池系统100的运转状态的变化的时序图。
图12的(A)是表示用于补偿燃料电池堆1中的水分的过量与不足的目标水收支的变化的流程图。在图12的(A)中，目标水收支以使电解质膜111的湿润度维持为作为目标的值的方式在规定的范围内增减。
图12的(B)是表示向燃料电池堆1供给的阳极气体流量的变化的流程图。图12的(C)是表示在燃料电池堆1中循环的冷却水的温度的变化的流程图。当冷却水的温度上升时，通过燃料电池堆1的阴极气体的温度上升，并且堆温度上升。
图12的(D)是表示在燃料电池堆1中循环的阳极气体中的循环储蓄水的变化的流程图。循环储蓄水是指从引射器34经由燃料电池堆1到引射器34的吸引口为止的阳极气体循环路径中储蓄的水蒸气量。图12的(A)至图12的(D)的各图的横轴是彼此公用的时间轴。
在时刻t0，如图12的(A)所示，目标水收支从上升切换为下降。随之，优先控制部201A判定为通过发电控制部202执行烘干操作，优先控制部201A对阳极气体目标流量运算部220设定最低堆温度来作为阴极气体温度。
然后，阳极气体目标流量运算部220基于目标水收支和最低堆温度来计算阳极气体湿润要求流量。在此，阳极气体湿润要求流量大于负载要求流量，因此阳极气体目标流量运算部220将阳极气体湿润要求流量作为阳极气体目标流量而输出。
最低堆温度低于实际的堆温度，因此阳极气体目标流量的每单位时间的减少量、即减少速度变得比使用实际的堆温度时的阳极气体目标流量的减少速度大。由此，阳极循环泵36的转速被降低，通过燃料电池堆1的阳极气体流量下降。随之，阳极气体中混入的水蒸气量减少，因此如图12的(D)所示，循环储蓄水下降。
另一方面，堆目标温度运算部230基于阳极气体湿润要求流量和目标水收支来计算堆目标温度。如上所述，配合目标水收支的下降，阳极气体湿润要求流量被设定为小的值，因此堆目标温度不变大而维持为固定。
因此，如图12的(A)至图12的(C)的各图所示，在冷却水的温度上升之前，阳极气体流量减少以使得目标水收支下降。
这样，在时刻t0至时刻t1，使阳极气体流量减少以追随目标水收支的下降，因此能够抑制堆温度的上升。
在时刻t1，如图12的(B)所示，阳极气体流量下降到规定的下限值。随之，堆目标温度运算部230配合目标水收支的下降来使堆目标温度变高。
与堆目标温度的上升相应地，冷却水泵42的转速被降低，因此冷却水与燃料电池堆1之间的热交换率下降，冷却水的温度下降。此时，如图12的(C)所示，到冷却水的温度达到目标值为止需要一定的时间，因此冷却水的温度逐渐上升。其结果，如图12的(D)所示，循环储蓄水的下降变慢。
在时刻t12至时刻t13，如图12的(A)至图12的(C)的各图所示，在阳极气体流量维持为下限值的状态下，与目标水收支的下降相应地，冷却水的温度上升。由此，如图12的(D)所示那样循环储蓄水下降。
这样，在限制了通过阳极循环泵36进行的减少阳极气体流量的烘干操作(减量控制)之后，执行通过冷却水泵42进行的提高阴极气体温度的烘干操作(升温控制)。即，在烘干操作中，相比于通过冷却水泵42进行的提高阴极气体温度的升温控制，控制器200优先执行通过阳极循环泵36进行的减少阳极气体流量的减量控制。
图13是作为比较例、表示相比于阳极气体流量的减量控制先执行阴极气体温度的升温控制时的燃料电池系统的运转状态的变化的时序图。
在时刻t10开始烘干操作，如图13的(C)所示，在阳极气体流量减少之前，冷却水的温度上升。
随之，阳极气体温度上升，阳极气体中的水蒸气量增加，因此如图13的(D)所示那样循环储蓄水增加。并且，阳极气体流量被维持为固定，因此维持为循环储蓄水增加的状态。其结果，电解质膜111的湿润度难以降低，因此烘干操作需要时间。另外，当想要在规定的时间内使阴极气体流量增加以使目标水收支下降时，压缩机22的消耗电力会增加。
在冷却水的温度达到规定的上限值的时刻t11，阳极循环泵36的转速被降低，如图13的(A)所示那样阳极气体流量被降低。
如图13所示，当相比于阳极气体流量的减量控制先执行冷却水温度的升温控制时，循环储蓄水增加，因此电解质膜111的湿润度难以降低，烘干操作所需的时间变长。另外，时刻t10至时刻t11的到冷却水温度的升温控制完成为止将阳极循环泵36的转速维持为固定的操作是无用的，由于该无用的操作，阳极循环泵36的消耗电力会增加。
根据本发明的第一实施方式，燃料电池系统100包括：作为燃料供给单元的阳极气体供排装置3，其向燃料电池10的电解质膜111供给燃料(阳极气体)；以及作为氧化剂供给单元的阴极气体供排装置2，其向电解质膜111供给氧化剂(阴极气体)。燃料电池系统100具备作为发电控制单元的控制器200，该控制器200对通过阴极气体供排装置2进行的氧化剂的供给以及通过阳极气体供排装置3进行的燃料的供给进行控制来控制燃料电池10的发电。
并且，燃料电池系统100包括：作为湿润状态检测单元的阻抗测定装置6，其对电解质膜111的湿润状态进行检测；作为流量调整单元的阳极循环泵36，其对向燃料电池10供给的燃料的流量进行调整；以及作为温度调整单元的堆冷却装置4，其对向燃料电池10供给的氧化剂的温度进行调整。
该燃料电池系统100由控制器200来控制。控制器200从阻抗测定装置6获取与电解质膜111的湿润度有关的信号，使用所获取到的该信号来判断是执行减少电解质膜111的多余的水分的烘干操作还是执行润湿操作。
然后，在执行烘干操作的情况下，与执行润湿操作的情况相比，控制器200使向燃料电池10供给的燃料的流量减少，并且与来自阻抗测定装置6的信号相应地使流过燃料电池10的氧化剂的温度上升。
因此，在执行降低电解质膜111的湿润度的烘干操作的情况下，控制器200减少阳极气体流量，并且在电解质膜111的湿润度降低不到用于维持发电性能的目标值时，使用堆冷却装置4来使燃料电池10的温度上升。
另外，在执行烘干操作的情况下，在即使减少阳极气体流量、电解质膜111的湿润度也偏离于目标值时，控制器200使阳极气体流量减少并且使燃料电池10的温度上升。
或者，在烘干操作时，在使阳极气体流量减少后电解质膜111的湿润度追随目标值时，抑制燃料电池10的温度的上升。
这样，在减少电解质膜111的水分时，与增加电解质膜111的水分时相比，控制器200减少向燃料电池10供给的阳极气体流量，并且与电解质膜111的湿润度相应地提高阴极气体的温度。
由此，在烘干操作中，能够在减少阳极气体流量之前抑制燃料电池10的温度变高而阳极气体中的水分增加的情况，因此能够缩短减少电解质膜111多余的水分所需的时间。因而，能够高效地控制燃料电池10的湿润状态。
另外，在烘干操作中，与润湿操作相比，控制器200使压缩机22的转速变高以增加阴极气体流量。因此，当烘干操作变长时，压缩机22的消耗电力会增加。与此相对，根据本实施方式，削减图13所示的无用的操作，且使电解质膜111的多余的水分减少，因此能够抑制燃料电池系统100的消耗电力的增加，从而能够高效地控制燃料电池10的湿润状态。
另外，根据本实施方式，在执行烘干操作时，相比于通过冷却水泵42进行的提高阴极气体的温度的升温控制，控制器200优先执行通过阳极循环泵36进行的减少阳极气体的流量的减量控制。
由此，如上所述，能够缩短烘干操作所需的时间。并且，阳极循环泵36的转速先被降低，因此与如图13的(C)所示那样先降低冷却水泵42的转速时相比，能够减少阳极循环泵36的消耗电力。
另外，根据本实施方式，在烘干操作中，控制器200一边使阳极气体流量减少，一边以使目标水收支收敛为零的方式使堆温度上升，其中，该目标水收支与电解质膜111的湿润度有相关性，相当于测定HFR与目标HFR之差。
即，在减少电解质膜111的水分时，发电控制部202使阳极气体流量减少，并且以使电解质膜111的湿润度与目标值之差变小的方式使阴极气体的温度上升。
由此，在仅使阳极气体流量减少时电解质膜111的湿润度不降低这样的状况下，执行提高堆温度的升温控制，因此能够对减少阳极气体流量的减量控制进行补充。因而，即使在电解质膜111的湿润度与目标值之间的偏离大的状态下，能够迅速地排出电解质膜111的多余的水分，从而能够缩短烘干操作所需的时间。
另外，根据本实施方式，控制器200具备优先控制部201A、阳极气体目标流量运算部220以及堆目标温度运算部230。
优先控制部201A设定用于对冷却水泵42的动作和阳极循环泵36的动作进行控制的优先级。而且，在执行烘干操作时，优先控制部201A使阳极循环泵36的动作优先级比冷却水泵42的动作优先级高，相比于冷却水泵42的动作优先使阳极循环泵36进行动作。
在本实施方式中，在执行烘干操作时，优先控制部201A对阳极气体目标流量运算部220设定最低堆温度来作为燃料电池10的阴极气体温度，该最低堆温度是在润湿操作中使电解质膜111的水分增加到上限时设定的堆温度。
在执行烘干操作的情况下，阳极气体目标流量运算部220基于最低堆温度以及基于测定HFR的目标水收支来使阳极气体流量减少。然后，堆目标温度运算部230基于用于湿润控制的阳极气体目标流量以及目标水收支来控制燃料电池堆1的温度。
即，在执行烘干操作的情况下，阳极气体目标流量运算部220基于比燃料电池10的温度低的温度以及电解质膜111的湿润度，来使向燃料电池10供给的阳极气体流量减少。与此同时，堆目标温度运算部230基于阳极气体的目标流量和电解质膜111的湿润度来控制燃料电池10的温度。
在本实施方式中，如图8所述的那样，随着堆温度变低，阳极气体目标流量运算部220使湿润控制用的阳极气体目标流量减少。与此同时，如图10所述的那样，随着阳极气体目标流量减少，堆目标温度运算部230使堆目标温度上升。
这样，在烘干操作时，对阳极气体目标流量运算部220输入润湿操作(低温控制)时的堆温度，因此在阳极气体目标流量运算部220中，识别为堆目标温度运算部230正在执行润湿操作而不是烘干操作。因此，与使用比润湿操作时的堆温度高的当前的堆温度的情况相比，阳极气体目标流量运算部220使阳极气体流量的每单位时间的减少幅度进一步变大。另一方面，对堆目标温度运算部230输入湿润控制用的阳极气体目标流量，因此阳极气体目标流量运算部220如通常那样使堆温度上升。
因而，在执行烘干操作的情况下，相比于提高堆温度的升温控制，控制器200能够优先执行减少阳极气体流量的减量控制。因此，能够缩短烘干操作所需的时间。
另外，根据本实施方式，优先控制部201A将最低堆温度设定为堆冷却装置4能够调整堆温度的范围的规定的下限值。由此，控制器200能够在能够稳定地控制燃料电池堆1的范围内使向燃料电池堆1供给的阳极气体流量的减少速度最大。因此，能够进一步缩短烘干操作所需的时间。
另外，根据本实施方式，在执行烘干操作的情况下，阳极气体目标流量运算部220使减少阳极气体流量的减少速度比使用燃料电池堆1的温度的测量值来代替最低堆温度时的减少速度大。而且，随着湿润控制用的阳极气体目标流量减少，堆目标温度运算部230使堆目标温度下降，并且，随着电解质膜111的湿润度变大，堆目标温度运算部230使堆目标温度上升。
由此，在仅使阳极气体流量减少时电解质膜111的湿润度不降低这样的状况下，提高堆温度，在仅使阳极气体流量时电解质膜111的湿润度就降低这样的状况下，能够抑制堆温度的上升。因而，堆目标温度运算部230能够一边抑制无用的升温控制，一边对通过阳极气体目标流量运算部220进行的烘干操作进行补充。
另外，根据本实施方式，阳极气体供排装置3具备：阳极气体循环通路35，其使从燃料电池10排出的阳极气体循环到燃料电池10；以及阳极循环泵36，其设置于阳极气体循环通路35，对循环到燃料电池10的阳极气体的循环流量进行调整。
在像这样使阳极气体循环到燃料电池堆1的燃料电池系统100中，越增加阳极气体的循环流量，则电解质膜111的湿润度越容易由于阳极气体所含有的水分而变高。
与此相对，根据本实施方式，控制器200在执行烘干操作时，能够通过减少阳极气体的循环流量来使借助阳极气体循环通路35在燃料电池10中循环的阳极气体中的水分变少。
因此，控制器200在减少阳极气体的循环流量之后使堆温度上升。由此，减少燃料电池堆1内的水分后使堆温度上升，因此能够在抑制因阳极气体中的水分引起的电解质膜111的加湿的同时高效地执行烘干操作。
另外，根据本实施方式，如图2所示，燃料电池10包括：阴极气体流路131，其对电解质膜111的一个面流通阴极气体；以及阳极气体流路121，其对电解质膜111的另一个面向与阴极气体流路131中流动的阴极气体的方向相反的方向流通阳极气体。并且，燃料电池10包括冷却水流路141，该冷却水流路141形成于阴极气体流路131的上表面、即阳极气体流路121与阴极气体流路131之间，流通用于对燃料电池10进行冷却的冷却水(制冷剂)。然后，堆冷却装置4沿与阴极气体流路131中流动的阴极气体相同的方向对冷却水流路141供给冷却水，阳极气体供排装置3使从阳极气体流路121的一端排出的阳极气体循环到阳极气体流路121的另一端。
在这种燃料电池10中，利用在冷却水流路141中通过的冷却水，与阴极气体流路131的上游侧的阴极气体的温度相比，下游侧的阴极气体的温度更高。另外，随着阴极气体从阴极气体流路131的上游向下游流动，阴极气体的水分增加。因此，与阴极气体流路131的上游侧的阴极气体相比，下游侧的阴极气体含有大量的水蒸气。
然后，阴极气体流路131的下游侧的水蒸气透过电解质膜111后混入到阳极气体流路121的上游侧的阳极气体。因此，阳极气体流路121的上游侧的阳极气体会包含水蒸气。随着该阳极气体进入阳极气体流路121的下游，阳极气体中的水蒸气透过电解质膜111后返回到阴极气体流路131的上游侧的阳极气体。这样，伴随发电的水蒸气在燃料电池10内循环。
在这种燃料电池10的构造中，当在执行烘干操作时使堆温度变高时，不仅阴极气体的温度变化，阳极气体的温度也变高，因此在燃料电池10内循环的水蒸气量容易增大。因此，如本实施方式那样，在烘干操作中在减少向燃料电池10供给的阳极气体的循环流量之后使堆温度上升，由此能够进一步高效地执行燃料电池堆1的烘干操作。
另外，根据本实施方式，阻抗测定装置6对燃料电池10的阻抗进行检测，将所检测出的该信号作为与电解质膜111的湿润度有相关性的参数而输出到控制器200。膜湿润状态检测部201基于该阻抗来计算与电解质膜111的湿润度有相关性的目标水收支。由此，发电控制部202能够准确地执行降低电解质膜111的湿润度的烘干操作。
(第二实施方式)
此外，在本实施方式中使用阳极气体湿润要求流量来计算堆目标温度。在这种计算手法中，在选择负载要求流量来作为阳极气体目标流量时，存在以下情况：阳极气体湿润要求流量与实际的阳极气体流量大幅偏离，烘干操作需要多余的时间。
因此，在本发明的第二实施方式中，说明使堆目标温度的计算中使用的阳极气体流量的目标值与向燃料电池堆1供给的阳极气体流量之间的偏离小的燃料电池系统的例子。此外，本实施方式的燃料电池系统的结构与图3所示的燃料电池系统100的结构相同。
图14是表示本发明的第二实施方式中的发电控制部202A的结构的一例的框图。
在本实施方式中，发电控制部202A使用阳极气体流量的估计值来代替阳极气体湿润要求流量以计算堆目标温度。另外，发电控制部202A除了具备图4所示的结构以外，还具备阳极气体流量估计部240。其它结构是与第一实施方式同样的结构，因此标注相同标记，省略此处的说明。
阳极气体流量估计部240对向燃料电池堆1供给的阳极气体流量进行估计。阳极气体流量估计部240基于阳极气体供排装置3的运转状态来估计阳极气体流量。
在本实施方式中，表示阳极循环泵36的转速与阳极气体流量之间的关系的流量估计对应图被预先记录在阳极气体流量估计部240中。此外，在后面参照图15来叙述流量估计对应图的详情。
而且，阳极气体流量估计部240从例如设置于阳极循环泵36的转速传感器获取阳极循环泵36的转速。阳极气体流量估计部240当获取到阳极循环泵36的转速时，参照流量估计对应图来计算与获取到的转速有关的阳极气体流量。阳极气体流量估计部240将计算出的阳极气体流量输出到堆目标温度运算部230。
这样，阳极气体流量估计部240对堆目标温度运算部230设定阳极气体流量的估计值来代替阳极气体湿润要求流量。由此，计算与实际的阳极气体流量相应的堆目标温度，因此能够通过堆温度的控制来适当地对利用阳极气体流量的烘干操作进行补充。此外，也可以图5所示的优先控制部201具备阳极气体流量估计部240。
图15是表示在阳极气体流量估计部240中设定的流量估计对应图的一例的图。在此，横轴是阳极循环泵36的转速，纵轴是阳极气体流量。
如图15所示，阳极循环泵36的转速越高，则阳极气体流量越大。
此外，在堆目标温度运算部230中，使用标准状态下的阳极气体流量[NL/min]来计算堆目标温度。NL(Normal Liter)表示标准状态下的升。
因此，阳极气体流量估计部240将根据图15所示的流量估计对应图而计算出的阳极气体流量Q[L/min]变换为标准状态下的阳极气体流量Q0[NL/min]。
具体地说，阳极气体流量估计部240从压力传感器37获取阳极气体压力P，从入口水温传感器46获取堆入口水温T。然后，阳极气体流量估计部240如式(11)那样，基于阳极气体流量Q、阳极气体压力P以及堆入口水温T来计算标准状态下的阳极气体流量Q0。
[数式9]
阳极气体流量估计部240将标准状态下的阳极气体流量Q0输出到堆目标温度运算部230。然后，堆目标温度运算部230将标准状态下的阳极气体流量Q0代入到式(8)中的阳极气体湿润要求流量Qa_rw。
图16是表示本实施方式中的燃料电池系统100的控制方法的一例的流程图。
在此，在步骤S8和步骤S12的处理后追加了步骤S20的处理。因此，下面仅说明步骤S20的处理。
在步骤S20中，阳极气体流量估计部240基于阳极循环泵36的转速来估计在燃料电池堆1中循环的阳极气体的流量。
在本实施方式中，阳极气体流量估计部240当获取到阳极循环泵36的转速时，参照图15所示的流量估计对应图来计算与获取到的转速有关的阳极气体流量。阳极气体流量估计部240如式(11)那样将计算出的阳极气体流量Q变换为标准状态的阳极气体流量Q0。
之后，在步骤S9中堆目标温度运算部230使用阳极气体流量Q0来代替式(8)中的阳极气体湿润要求流量Qa_rw以计算阳极/阴极流量比Kac。堆目标温度运算部230基于计算出的阳极/阴极流量比Kac来计算堆目标温度Tt。
图17是表示本实施方式中的燃料电池系统100的运转状态的变化的时序图。
图17的(A)至图17的(D)各图的纵轴与图12的(A)至图12的(D)的各图的纵轴相同，各图的横轴为彼此共同的时间轴。
在此，通过实线来表示本实施方式的燃料电池系统100的运转状态的变化，通过虚线来表示图12所示的第一实施方式的燃料电池系统100的运转状态的变化。
在时刻t20，与图12同样地，目标水收支从上升切换为下降，开始烘干操作。在此，图8所示的阳极气体负载要求流量运算部221的输出值大于阳极气体湿润要求流量的规定的下限值。
因此，在时刻t21，如图17的(B)所示，阳极气体目标流量被限制为负载要求流量。其结果，实际的阳极气体流量与阳极气体湿润要求流量之间的偏离变大。
在第一实施方式中，阳极气体湿润要求流量被输入到堆目标温度运算部230，因此即使实际的阳极气体流量与阳极气体湿润要求流量之间的偏离变大，冷却水的温度也如图17的(C)的虚线所示那样不上升。
与此相对，在本实施方式中，阳极气体流量估计部240基于阳极循环泵36的转速来估计阳极气体流量，将估计出的值输出到堆目标温度运算部230。
因此，使用阳极气体流量的估计值来运算堆目标温度，因此即使在由于某种要求而限制阳极气体流量的减量控制的状况下，也能够与目标水收支的下降相应地使堆目标温度上升。
因而，在如图17的(B)所示那样阳极气体流量的下降被限制的状况下，如图17的(C)所示，配合目标水收支的下降，冷却水的温度上升。由此，如图17的(D)所示，循环储蓄水与第一实施方式同样地减少。
这样，即使在实际的阳极气体流量与阳极气体湿润要求流量相偏离这样的状态下，发电控制部202A也能够与实际的阳极气体流量相应地使堆温度上升以使得目标水收支下降。即，即使成为通过减少阳极气体流量的减量控制无法完全调整电解质膜111的湿润度的状态，也能够执行提高堆温度的升温控制，因此能够通过升温控制对烘干操作进行补充。
图18是表示目标水收支呈脉冲状下降时的燃料电池系统100的运转状态的变化的流程图。
在图18的(A)至图18的(D)中，各图的纵轴与图17的(A)至图17的(D)的各图的纵轴相同，各图的横轴为彼此共用的时间轴。
在图18的(B)中，通过实线来表示阳极气体流量，通过虚线来表示阳极气体目标流量。此外，即使阳极气体流量急剧地变化，从阳极气体流量估计部240输出的阳极气体流量的估计值也表示与实际的阳极气体流量大致相同的值。
在时刻t30，如图18的(A)所示那样目标水收支迅速下降。作为这种状况，例如设想如下的状况：在车辆加速时，负载装置5的要求输出变得极大，如图7所示，目标HFR在短时间内下降。
如图18的(B)所示，阳极气体目标流量运算部220计算能够达到目标水收支的阳极气体目标流量。与此相对，由于阳极循环泵36的响应延迟等原因，阳极气体流量迟于目标值地下降。
在时刻t30之后，阳极气体流量的估计值与目标值之间的偏离大，因此通过阳极循环泵36进行的烘干控制不足。因此，堆目标温度运算部230使堆目标温度升高与阳极气体流量的估计值同目标值之差相应的量，因此如图18的(C)所示那样冷却水的温度过渡性地上升。其结果，如图18的(D)所示那样循环储蓄水过渡性地增加。
随着从时刻t30起的时间经过，阳极气体流量接近目标值，因此阳极气体流量的估计值与目标值之差变小。随之，堆目标温度运算部230使堆目标温度降低与过渡性地变高的部分相应的量，因此如图18的(C)所示，过渡性地上升的冷却水的温度下降。其结果，如图18的(D)所示，循环储蓄水下降。
在时刻t31，如图18的(B)所示，阳极气体流量下降到目标值，随之，如图18的(C)所示，冷却水的温度下降而成为稳定状态。
这样，发电控制部202A在目标水收支过渡性地下降的情况下，通过阳极循环泵36进行的减量控制产生延迟，因此与该延迟的量相应地执行堆温度的升温控制。即，发电控制部202A在执行过渡时的烘干操作时，使阳极气体流量减少，并且以使电解质膜111的湿润度与用于维持发电性能的目标值之差变小的方式使阴极气体的温度上升。
由此，在要迅速减少电解质膜111的水分时，为了对减少阳极气体流量的减量控制进行补充，而执行提高阴极气体的温度的升温控制，因此能够高效且迅速地减少电解质膜111的水分。
另外，在目标水收支过渡性地下降的情况下，随着阳极气体流量接近目标值，发电控制部202A使堆温度下降。由此，循环储蓄水减少，电解质膜111的湿润度容易降低，因此能够高效地执行烘干操作。
图19是表示与图18相比目标水收支的下降幅度大时的燃料电池系统100的运转状态的变化的流程图。
在时刻t40，与图18的(A)同样地，目标水收支急剧下降。在此，目标水收支的下降幅度比图18的(A)的下降幅度大，因此如图19的(C)所示，冷却水的温度的上升量也大。
另外，目标水收支的下降幅度大，因此如图19的(A)所示，阳极气体目标流量的下降幅度也变大，因此如图19的(D)所示，与阳极气体流量的下降相应地循环储蓄水的减少量也变大。
因此，在本实施方式中，能够在减少循环储蓄水的同时、使冷却水的温度上升，因此能够迅速实现目标水收支。
在像这样过渡状态下的目标水收支的下降幅度大到仅利用阳极气体流量的减量控制无法降低电解质膜111的湿润时，发电控制部202A在阳极气体流量的减量控制完成之前，开始堆温度的升温控制。即，发电控制部202A在阳极气体的流量到达根据湿润控制而决定的下限值之前，使堆温度上升。
因而，在电解质膜111的湿润度的降低幅度超过规定的值时，发电控制部202A与通过阳极循环泵36进行的减少阳极气体流量的减量控制同时地并行执行提高阴极气体的温度的升温控制。由此，能够转变为易于降低电解质膜111的湿润度的状态来高效地执行烘干操作。
此外，在本实施方式中说明了控制器200估计阳极气体流量的例子。然而，也可以是，取代压力传感器37而在比引射器34靠下游的阳极气体供给通路32设置流量传感器，将该流量传感器的检测信号输入到堆目标温度运算部230。由此，能够执行更准确的烘干操作。
根据本发明的第二实施方式，阳极气体目标流量运算部220与第一实施方式同样地，在烘干操作中，基于比燃料电池10的温度低的温度以及与电解质膜111的湿润度有相关性的测定HFR来使阳极气体流量减少。
并且，根据本实施方式，与第一实施方式不同，阳极气体流量估计部240基于阳极循环泵36的转速以及由压力传感器37检测的阳极气体压力来估计在燃料电池堆1中循环的阳极气体流量。然后，堆目标温度运算部230使用阳极气体流量的估计值来代替图4所示的阳极气体湿润要求流量，以使测定HFR与目标HFR之差变小的方式使阴极气体的温度上升。
因此，即使是利用基于与阳极气体湿润要求流量不同的要求的流量、例如负载要求流量来控制阳极气体流量的状态，堆目标温度运算部230也能够基于与实际的阳极气体流量同等的值来控制堆温度。
由此，在过渡时的烘干操作中，能够根据阳极气体流量的估计值同与目标水收支相应的湿润控制用的目标值(阳极气体湿润要求流量)之差来使堆温度上升。
因而，在过渡时的烘干操作中，对堆目标温度运算部230设定阳极气体流量的估计值来代替阳极气体湿润要求流量，由此阳极气体流量估计部240能够与阳极气体流量的估计值同目标值之差相应地使阳极循环泵36和冷却水泵42同时动作。
即，阳极气体流量估计部240构成在过渡时的烘干操作中将阳极循环泵36的动作优先级与冷却水泵42的动作优先级设定为同等的优先控制部。由此，在过渡时的烘干操作中，能够与阳极气体流量的估计值同目标值之差相应地，不等待阳极循环泵36的动作、而是使冷却水泵42与阳极循环泵36的动作并行地动作。
这样，堆目标温度运算部230能够配合实际的阳极气体流量的减少量来使堆温度上升，因此与第一实施方式相比，能够高效地执行烘干操作，从而能够缩短烘干操作所需的时间。
接着，说明上述实施方式中的阻抗测定装置6的结构例。
图20是表示阻抗测定装置6的结构的一例的框图。
阻抗测定装置6除了与燃料电池堆1的正极端子(阴极极侧端子)1B及负极端子(阳极极侧端子)1A连接以外，还与中途端子1C连接。此外，与中途端子1C连接的部分被接地。
阻抗测定装置6包括：正极侧电压测定传感器61，其测定正极端子1B相对于中途端子1C的正极侧交流电位差V1；以及负极侧电压测定传感器62，其测定负极端子1A相对于中途端子1C的负极侧交流电位差V2。
并且，阻抗测定装置6包括：正极侧交流电源部63，其向包括正极端子1B和中途端子1C的电路施加交流电流I1；负极侧交流电源部64，其向包括负极端子1A和中途端子1C的电路施加交流电流I2；控制器65，其对这些交流电流I1和交流电流I2的振幅、相位进行调整；以及阻抗运算部66，其基于正极侧交流电位差V1、V2和交流电流I1、I2来运算燃料电池堆1的内部阻抗Z。
控制器65以使正极侧交流电位差V1与负极侧交流电位差V2相等的方式调节交流电流I1和交流电流I2的振幅及相位。
阻抗运算部66包括未图示的AD变换器、微机芯片等硬件以及计算阻抗的程序等软件结构。
阻抗运算部66用正极侧交流电位差V1除以交流电流I1来计算从中途端子1C到正极端子1B的内部阻抗Z1，用负极侧交流电位差V2除以交流电流I2来计算从中途端子1C到负极端子1A的内部阻抗Z2。并且，阻抗运算部66通过取内部阻抗Z1与内部阻抗Z2之和来计算燃料电池堆1的整体阻抗Z。
根据本实施方式，阻抗测定装置6具有：交流电源部63、64，其与燃料电池堆1连接，向该燃料电池堆1输出交流电流I1、I2；作为交流调整部的控制器65，其基于正极侧交流电位差V1和负极侧交流电位差V2来调整交流电流I1、I2，该正极侧交流电位差V1是从燃料电池堆1的正极侧1B的电位减去中途部分1C的电位而求出的电位差，该负极侧交流电位差V2是从燃料电池堆1的负极侧1A的电位减去中途部分1C的电位而求出的电位差；以及阻抗运算部66，其基于调整后的交流电流I1、I2以及正极侧交流电位差V1和负极侧交流电位差V2来运算燃料电池堆1的阻抗Z。
控制器65以使燃料电池堆1的正极侧的正极侧交流电位差V1与负极侧的负极侧交流电位差V2实质上一致的方式对由正极侧交流电源部63施加的交流电流I1和由负极侧交流电源部64施加的交流电流I2的振幅和相位进行调节。由此，正极侧交流电位差V1的振幅与负极侧交流电位差V2的振幅变为相等，因此正极端子1B与负极端子1A实质上变为等电位(下面将其记载为等电位控制)。因而，防止用于阻抗测量的交流电流I1、I2流过负载装置5，因此防止对燃料电池10的发电造成影响。
另外，即使燃料电池堆1处于发电状态，测量用交流电位也会叠加于通过发电而产生的电压，因此虽然正极侧交流电位差V1和负极侧交流电位差V2的值自身变大，但是正极侧交流电位差V1和负极侧交流电位差V2的相位、振幅自身并不改变，因此能够与燃料电池10未处于发电状态的情况同样地执行高精度的阻抗测量。
并且，用于阻抗Z的测定的电路结构等也能够进行各种变更。例如，也可以是，从规定的电流源向燃料电池堆1提供交流电流，对输出的交流电压进行测定，基于该交流电流和输出交流电压来计算阻抗。
以上说明了本发明的各实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不在于将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
例如，在上述实施方式中发电控制部202使用阴极气体流量和压力的测量值来运算阳极气体目标流量和堆目标温度，但是也可以使用阴极气体流量和压力的平均值来运算阳极气体目标流量和堆目标温度。
另外，在本实施方式中，膜湿润状态检测部201运算目标水收支，将该目标水收支输出到阳极气体目标流量运算部220和堆目标温度运算部230这两方，但是也可以是，膜湿润状态检测部201基于目标水收支来计算目标排出量，取代目标水收支而将目标排出量输出到两方。
另外，在本实施方式中为膜湿润状态检测部201具备优先控制部201A的结构，但是也可以是发电控制部202具备优先控制部201A的结构。
另外，在本实施方式中为发电控制部202A具备阴极气体流量估计部240的结构，但是也可以是优先控制部201A具备阴极气体流量估计部240的结构。
另外，作为其它实施方式，控制器200也可以执行如下的湿润控制。控制器200基于目标水收支(目标排水量)来判定是否执行烘干操作。例如，控制器200判断目标水收支是否小于规定的阈值(例如零)，在目标水收支小于规定的阈值的情况下，执行烘干操作。在该烘干操作中，控制器200通过减量控制，使阳极气体流量减少到规定的下限流量，之后通过升温控制使冷却水流量上升到规定的上限流量来使阴极气体的温度上升。即使是这种简易的控制，也能够迅速完成烘干操作。
此外，上述实施方式能够适当组合。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，具备：燃料供给单元，其向燃料电池的电解质膜供给燃料；氧化剂供给单元，其向所述电解质膜供给氧化剂；以及发电控制单元，其对通过所述氧化剂供给单元进行的氧化剂的供给以及通过所述燃料供给单元进行的燃料的供给进行控制，来控制所述燃料电池的发电，所述燃料电池系统包括：
湿润状态检测单元，其检测所述电解质膜的湿润状态；
流量调整单元，其对通过所述燃料供给单元向所述燃料电池供给的燃料的流量进行调整；以及
温度调整单元，其对通过所述氧化剂供给单元向所述燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整，
其中，在根据从所述湿润状态检测单元输出的信号来减少所述电解质膜的水分时，与增加所述电解质膜的水分时相比，所述发电控制单元使所述燃料的流量减少，并且根据来自所述湿润状态检测单元的信号来使所述氧化剂的温度上升。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池包括：
制冷剂流路，其流通用于冷却该燃料电池的制冷剂；
氧化剂流路，其对所述电解质膜的一个面流通氧化剂；以及
燃料流路，其对所述电解质膜的另一个面向与所述氧化剂流路中流动的氧化剂的方向相反的方向流通燃料，
所述温度调整单元向所述制冷剂流路供给所述制冷剂，
所述燃料供给单元使从所述燃料流路的一端排出的燃料循环到所述燃料流路的另一端。
3.一种燃料电池系统，具备：燃料供给单元，其向燃料电池的电解质膜供给燃料；氧化剂供给单元，其向所述电解质膜供给氧化剂；以及发电控制单元，其对通过所述氧化剂供给单元进行的氧化剂的供给以及通过所述燃料供给单元进行的燃料的供给进行控制，来控制所述燃料电池的发电，
所述燃料电池系统包括：
湿润状态检测单元，其检测所述电解质膜的湿润状态；
流量调整单元，其对通过所述燃料供给单元向所述燃料电池供给的燃料的流量进行调整；以及
温度调整单元，其对通过所述氧化剂供给单元向所述燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整，
所述燃料电池包括：
制冷剂流路，其流通用于冷却该燃料电池的制冷剂；
氧化剂流路，其对所述电解质膜的一个面流通氧化剂；以及
燃料流路，其对所述电解质膜的另一个面向与所述氧化剂流路中流动的氧化剂的方向相反的方向流通燃料，
所述温度调整单元向所述制冷剂流路供给所述制冷剂，
所述燃料供给单元使从所述燃料流路的一端排出的燃料循环到所述燃料流路的另一端，
其中，在根据从所述湿润状态检测单元输出的信号来减少所述电解质膜的水分时，与增加所述电解质膜的水分时相比，所述发电控制单元使在所述燃料流路中循环的燃料的流量减少，并且根据来自所述湿润状态检测单元的信号来使所述氧化剂的温度上升。
4.根据权利要求1或3所述的燃料电池系统，其特征在于，
在减少所述电解质膜的水分时，相比于通过所述温度调整单元进行的升高所述氧化剂的温度的控制，所述发电控制单元优先执行通过所述流量调整单元进行的减少所述燃料的流量的控制。
5.根据权利要求1或3所述的燃料电池系统，其特征在于，
在减少所述电解质膜的水分时，所述发电控制单元使所述燃料的流量减少，并且根据来自所述湿润状态检测单元的信号以使所述电解质膜的湿润度与目标值之差变小的方式使所述氧化剂的温度上升。
6.根据权利要求5所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述温度调整单元包括向所述燃料电池供给制冷剂的冷却装置，
所述发电控制单元包括：
优先控制部，其设定用于对所述温度调整单元的动作和所述流量调整单元的动作进行控制的优先级；
流量运算部，其基于所述燃料电池的温度和所述电解质膜的湿润度，来使向所述燃料电池供给的燃料的流量减少；以及
温度运算部，其基于所述燃料的流量和所述电解质膜的湿润度，来对所述燃料电池的温度进行控制，
其中，在执行减少所述电解质膜的水分的烘干操作的情况下，所述优先控制部对所述流量运算部设定比所述燃料电池的温度低的润湿操作时的温度来作为所述燃料电池的温度。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述润湿操作时的温度被设定为所述冷却装置能够对所述燃料电池的温度进行调整的范围的下限值。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，
在执行所述烘干操作的情况下，所述流量运算部使减少向所述燃料电池供给的燃料的流量的减少速度比使用所述燃料电池的温度来代替所述润湿操作时的温度时的减少速度大，
随着向所述燃料电池供给的燃料的流量减少，所述温度运算部使所述燃料电池的温度下降，并且，随着所述电解质膜的湿润度变大，所述温度运算部使所述燃料电池的温度上升。
9.根据权利要求1或3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料供给单元具备：
循环通路，其使从所述燃料电池排出的燃料循环到所述燃料电池；以及
循环泵，其设置于所述循环通路，对循环到所述燃料电池的燃料的循环流量进行调整，
在减少所述电解质膜的水分时，所述发电控制单元通过减少所述燃料的循环流量，来使借助所述循环通路在所述燃料电池中循环的燃料所包含的水分变少。
10.根据权利要求1或3所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述湿润状态检测单元检测所述燃料电池的阻抗，将该阻抗作为与所述电解质膜的湿润度有关的信号而输出到所述发电控制单元。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述燃料电池由层叠电池构成，
所述湿润状态检测单元包括测定所述层叠电池的阻抗的测定装置，
所述测定装置包括：
交流电源部，其与所述层叠电池连接，向该层叠电池输出交流电流；
交流调整部，其基于正极侧交流电位差和负极侧交流电位差来调整交流电流，其中，所述正极侧交流电位差是从所述层叠电池的正极侧的电位减去位于该层叠电池的正极与负极之间的中途部分的电位而求出的电位差，所述负极侧交流电位差是从所述燃料电池的负极侧的电位减去所述中途部分的电位而求出的电位差；以及
运算部，其基于调整后的所述交流电流、所述正极侧交流电位差以及所述负极侧交流电位差来运算所述燃料电池的阻抗。
12.一种燃料电池系统的控制方法，所述燃料电池系统具备：燃料供给单元，其向燃料电池的电解质膜供给燃料；氧化剂供给单元，其向所述电解质膜供给氧化剂；以及发电控制单元，其对通过所述氧化剂供给单元进行的氧化剂的供给以及通过所述燃料供给单元进行的燃料的供给进行控制，来控制所述燃料电池的发电，所述燃料电池系统的控制方法包括以下步骤：
湿润状态检测步骤，检测所述电解质膜的湿润状态；
流量调整步骤，对通过所述燃料供给单元向所述燃料电池供给的燃料的流量进行调整；
温度调整步骤，对通过所述氧化剂供给单元向所述燃料电池供给的氧化剂的温度进行调整，以及
发电控制步骤，在根据与所述电解质膜的湿润状态有关的信号来减少所述电解质膜的水分时，与增加所述电解质膜的水分时相比，使所述燃料的流量减少，并且根据表示所述电解质膜的湿润状态的信号来使所述氧化剂的温度上升。
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