CN108028402A - 燃料电池系统的控制装置以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

燃料电池系统的野控制装置具备：阳极气体循环流量控制部，其基于由湿润状态检测部检测出的电解质膜的湿润状态来控制阳极气体循环流量；以及优先级设定部，其针对由湿润状态控制部操作的多个物理量设定稳定的操作的优先级，并且，阳极气体循环流量控制部包括：阳极气体循环流量限制部，其在改变电解质膜的湿润状态的过渡运转时，对阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制；以及控制量补充部，其在阳极气体循环流量的变化率被阳极气体循环流量限制部所限制的情况下，通过由优先级设定部设定的稳定的操作的优先级比对阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的物理量的操作，来对由于阳极气体循环流量的限制而不足的湿润状态的控制量部分进行补充。

Description

燃料电池系统的控制装置以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本发明涉及一种通过对多个物理量进行控制来控制燃料电池的电解质膜的湿润状态的燃料电池系统的控制装置及其控制方法。
背景技术
作为燃料电池系统，提出了阳极气体非循环型燃料电池系统和阳极气体循环型燃料电池系统，在该阳极气体非循环型燃料电池系统中，不使作为燃料气体的阳极气体循环，将反应后的阳极排气与阴极排气一起排出，在该阳极气体循环型燃料电池系统中，使阳极气体循环，根据需要来从高压罐追加供给阳极气体。
在燃料电池系统中，在阴极电极的电极反应中生成的水、水蒸气(下面称为“水分”)通过交叉泄漏而流入到阳极电极侧的阳极气体流路。在阳极气体循环型燃料电池系统中，能够利用该水分来控制燃料电池内的电解质膜的湿润状态(湿润度)，因此不需要在阳极气体供给通路、阳极气体循环通路设置加湿器。
在JP5104950B中公开了如下一种燃料电池系统：在阳极气体循环型燃料电池系统中，测定燃料电池整体的电阻值，基于测定出的电阻值，来判定燃料电池的氧化剂气体流路的入口附近和出口附近的水分量的过量与不足，在判定为该水分量过剩或者不足的情况下，对燃料气体、氧化剂气体的化学计量比(流量)、压力进行调整。
在如上所述的燃料电池系统中，在燃料电池整体的电阻值大于规定值的情况下，判定为水分量不足，例如进行以下控制：增加燃料气体的化学计量比，并且减少燃料气体的供给压力。由此，燃料气体与氧化剂气体发生反应而生成水，并且能够增加阳极气体循环通路的体积流量。因而，能够增加能够保持在阳极气体循环通路侧的水分量。
另一方面，在燃料电池整体的电阻值小于规定值的情况下，判定为水分量过剩，例如进行以下控制：减少燃料气体的化学计量比，并且增加燃料气体的供给压力。由此，抑制燃料气体与氧化剂气体的反应来减少水的生成，并且能够减少阳极气体循环通路的体积流量。因而，能够增加通过包含于氧化剂气体而排出到燃料电池外的水分量，从而减少能够保持在阳极气体循环通路侧的水分量。
在进行如上所述的控制的情况下，在要增加燃料气体的化学计量比时，启动设置于阳极气体循环通路的阳极循环泵，使阳极循环泵的转速上升，并且根据需要打开设置于氢罐的下游的阳极压力调节阀，来供给燃料气体。另外，在要减少燃料气体的化学计量比时，使设置于阳极气体循环通路的阳极循环泵的转速下降，并且根据需要打开设置于阳极气体循环通路的放气阀，来排出阳极排气。
发明内容
然而，在这种情况下，有时会过渡性地变为与原本期望的控制相反的操作。即，当想要使燃料电池内的水分量增加而使阳极循环泵的转速上升时，从使阳极循环泵的转速上升的瞬间起，从燃料电池内带出的阳极排气的量过渡性地增加，燃料电池内的水分量也过渡性地减少该阳极排气中包含的水或水蒸气的量。另外，当想要使燃料电池内的水分量减少而使阳极循环泵的转速下降时，从使阳极循环泵的转速下降的瞬间起，流入到燃料电池内的阳极排气的量过渡性地增加到比从燃料电池排出的阳极排气多，燃料电池内的水分量过渡性地增加该阳极排气中包含的水或水蒸气的量。
在这种过渡性的状况下，存在以下问题：不仅燃料电池的水分量控制延迟，而且有可能使燃料电池内的电解质膜损坏或劣化，并有可能由于所生成的水将阳极气体流路的出口附近堵塞而使燃料电池内的氢(阳极气体)缺乏。
本发明是着眼于这种问题而完成的，其目的在于提供一种能够在对燃料电池内的水分量进行控制的过渡状态下减轻与控制方向成反效果的影响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，一种燃料电池系统的控制装置，该燃料电池系统将阳极气体和阴极气体供给到燃料电池来使该燃料电池进行发电，是阳极气体循环型的燃料电池系统，其具备：阳极气体循环通路，其将从燃料电池排出的阳极排气与向燃料电池供给的阳极气体混合后供给到燃料电池；湿润状态检测部，其检测燃料电池的电解质膜的湿润状态；以及湿润状态控制部，其通过对包括在阳极气体循环通路中流动的阳极气体循环流量在内的多个物理量进行操作(控制致动器)，来控制电解质膜的湿润状态。而且，燃料电池系统的控制装置具备：阳极气体循环流量控制部，其基于由湿润状态检测部检测出的电解质膜的湿润状态来控制阳极气体循环流量；以及优先级设定部，其针对由湿润状态控制部操作的多个物理量设定稳定的操作的优先级。在该情况下，阳极气体循环流量控制部包括：阳极气体循环流量限制部，其在改变电解质膜的湿润状态的过渡运转时，对阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制；以及控制量补充部，其在阳极气体循环流量的变化率被阳极气体循环流量限制部所限制的情况下，通过由优先级设定部设定的稳定的操作的优先级比对阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的物理量的操作，来对由于该阳极气体循环流量的限制而不足的湿润状态的控制量部分进行补充。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式中的燃料电池系统的整体结构的一例的图。
图2是用于说明图1所示的燃料电池堆内包含的燃料电池的结构的图。
图3是用于测定图1所示的燃料电池堆的内部阻抗的阻抗测定装置的电路图。
图4是表示对本实施方式中的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是表示图4所示的阳极气体循环流量限制部和冷却水温度限制部的变化率的限制方法的一例的图。
图6是表示图4所示的阳极气体循环流量限制部和冷却水温度限制部的变化率的限制方法的一例的图。
图7是表示图4所示的控制量补充部的烘干操作中的功能结构的一例的图。
图8是表示以往的燃料电池系统中的烘干操作时的各物理量的状态变化的时序图。
图9是表示对阳极气体循环流量的变化率进行限制的情况下的烘干操作时的各物理量的状态变化的时序图。
图10是表示对阳极气体循环流量和冷却水温度的变化率进行限制的情况下的烘干操作时的各物理量的状态变化的时序图。
图11是表示图4所示的控制量补充部的润湿操作中的功能结构的一例的图。
图12是表示以往的燃料电池系统中的润湿操作时的各物理量的状态变化的时序图。
图13是表示对阳极气体循环流量的变化率进行限制的情况下的润湿操作时的各物理量的状态变化的时序图。
图14是表示由本实施方式中的控制器执行的控制量补充处理的一例的流程图。
图15是表示作为控制量补充处理的副例程的系统运转状态检测处理的一例的流程图。
图16是表示作为控制量补充处理的副例程的目标水收支运算处理的一例的流程图。
图17是表示作为控制量补充处理的副例程的烘干操作用控制量运算处理的一例的流程图。
图18是表示作为烘干操作用控制量运算处理的副例程的目标阴极气体压力运算处理(烘干)的一例的流程图。
图19是表示作为烘干操作用控制量运算处理的副例程的目标阳极气体循环流量运算处理(烘干)的一例的流程图。
图20是表示作为烘干操作用控制量运算处理的副例程的目标冷却水温度运算处理(烘干)的一例的流程图。
图21是表示作为烘干操作用控制量运算处理的副例程的目标阴极气体流量运算处理(烘干)的一例的流程图。
图22是表示作为控制量补充处理的副例程的润湿操作用控制量运算处理的一例的流程图。
图23是表示作为润湿操作用控制量运算处理的副例程的目标阴极气体流量运算处理(润湿)的一例的流程图。
图24是表示作为润湿操作用控制量运算处理的副例程的目标冷却水温度运算处理(润湿)的一例的流程图。
图25是表示作为润湿操作用控制量运算处理的副例程的目标阳极气体循环流量运算处理(润湿)的一例的流程图。
图26是表示作为润湿操作用控制量运算处理的副例程的目标阴极气体压力运算处理(润湿)的一例的流程图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的一个实施方式中的燃料电池系统100的整体结构的一例的图。关于本实施方式的燃料电池系统100，在未图示的具备强电电池和驱动马达的电动汽车中，能够将其燃料电池(燃料电池堆)用作驱动源之一。
燃料电池系统100构成以下的电源系统：从外部对燃料电池堆1供给发电所需的阳极气体(氢)和阴极气体(空气)，使燃料电池堆1根据电负载来发电。本实施方式的燃料电池系统100及其控制装置专用于后述的阳极气体的循环控制时的过渡状态下的控制。因此，在下面的说明中，专门说明过渡时的控制，适当地省略通常的控制、公知的控制的说明。
如图1所示，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。
由于从作为负载装置5的驱动马达要求的电力大，因此燃料电池堆1是层叠数百块燃料电池而成的层叠电池。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产生例如数百V(伏特)的直流的电压。
图2是用于说明图1所示的燃料电池堆1内包含的燃料电池10的结构的图。在燃料电池堆1中，该燃料电池10是沿从图2的纸面的面前去向里面的方向层叠的。
如图2所示，燃料电池10被膜电极组件(MEA)11划分为阳极气体流路121和阴极气体流路131。此外，虽然省略了图示，但是配置有阳极隔板以使得形成阳极气体流路121，配置有阴极隔板以使得形成阴极气体流路131和冷却水流路141。
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)。
虽未进行图示，但是阳极电极112是层叠催化剂层和气体扩散层而构成的。催化剂层设置成与电解质膜111接触，由铂或承载有铂等的炭黑粒子形成。气体扩散层以与催化剂层及阳极隔板接触的方式配置于催化剂层的外侧，由具有气体扩散性和导电性的碳布形成。
虽未进行图示，但是阴极电极113与阳极电极112同样地，是层叠催化剂层和气体扩散层而构成的。
阳极气体流路121在阳极隔板内形成为多个槽状通路。阳极气体流路121构成用于向阳极电极112供给阳极气体的燃料流路。
阴极气体流路131在阴极隔板内形成为多个槽状通路。阴极气体流路131构成用于向阴极电极113供给阴极气体的氧化剂流路。
冷却水流路141与阴极气体流路131相邻，在阴极隔板内形成为多个槽状通路。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，该燃料电池在阳极气体与阴极气体的电化学反应中温度上升。在本实施方式中，将冷却水用作制冷剂。
如图2所示，阴极隔板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反向。此外，也可以构成为使这些流动方向互为同向。另外，也可以构成为使这些流动方向具有规定的角度。
另外，阳极隔板和阴极隔板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。此外，也可以构成为使这些流动方向具有规定的角度。
通过如上所述那样构成MEA 11，如图2的箭头X所示，阳极气体从阳极气体流路121泄漏到阴极气体流路131，并且阴极气体中的氮气、在电化学反应中生成的水蒸气(水分)从阴极气体流路131泄漏到阳极气体流路121。
返回到图1，阴极气体供排装置2是向燃料电池堆1供给阴极气体(氧化剂气体)、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(空气)的氧化剂供给单元。
如图1所示，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的转速数据由控制器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的阴极气体供给的流量进行检测。下面，将向燃料电池堆1的阴极气体供给的流量仅称为“阴极气体流量”。由该流量传感器23检测出的阴极气体流量数据被输出到控制器200。这样检测出的阴极气体流量被利用在后述的控制量补充处理中。
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的阴极气体供给的压力进行检测。下面，将向燃料电池堆1的阴极气体供给的压力仅称为“阴极气体压力”。由该压力传感器24检测出的阴极气体压力数据被输出到控制器200。这样检测出的阴极气体压力被利用在后述的控制量补充处理中。
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，阴极排气的排出量增加。另一方面，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，阴极排气的排出量减少。
阳极气体供排装置3是向燃料电池堆1供给阳极气体(燃料气体)、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(氢)的燃料供给单元。
如图1所示，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将所吸引的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。
虽然未具体地进行图示，但是引射器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，作为阳极气体供给通路32与阳极气体循环通路35的接合部，使用了引射器34，但是该接合部也可以是仅使阳极气体循环通路35与阳极气体供给通路32合流的结构。
阳极气体循环通路35是使从燃料电池堆1排出的阳极排气与从高压罐31经由阳极压力调节阀33向燃料电池堆1供给的阳极气体混合后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(及阳极排气)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称为“阳极气体循环流量”。
在此，控制器200基于阳极循环泵36的每单位时间的转速、后述的燃料电池堆1内的温度(或者由未图示的温度传感器检测出的阳极气体供排装置3的环境温度)以及由后述的压力传感器37检测出的阳极气体循环通路35内的阳极气体的压力，来估计(运算)阳极气体循环流量作为标准状态的流量。这样估计的阳极气体循环流量被利用在后述的控制量补充处理的各种运算中。
压力传感器37设置于引射器34与燃料电池堆1之间的阳极气体供给通路32。压力传感器37对阳极气体循环系统中的阳极气体的压力进行检测。下面，将向燃料电池堆1供给的阳极气体的压力仅称为“阳极气体压力”。由该压力传感器37检测出的阳极气体压力数据被输出到控制器200。
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将阳极排气所包含的杂质排出到外部。杂质是指从燃料电池堆1内的燃料电池10的阴极气体流路131)在电解质膜111处透过来的阴极气体中的氮气、通过伴随发电的阳极气体与阴极气体的电化学反应而生成的水等。放气阀38的开度、开闭频度由控制器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。由此，能够将混合气体中的氢浓度控制为排出容许浓度(4％)以下。
堆冷却装置4是将用于冷却燃料电池堆1内的各燃料电池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。
如图1所示，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、出口水温传感器47以及散热风扇48。
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、三通阀45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。
在燃料电池堆1内的温度比流入到燃料电池堆1的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。由此，燃料电池堆1的温度下降。另一方面，在相同状态下，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利用后述的散热风扇48的旋转所带来的送风来冷却在燃料电池堆1中被加温的冷却水。
旁路通路44是用于使一部分冷却水绕过散热器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的一个喷嘴连接。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通过使借助散热器43冷却的冷却水与通过旁路通路44的未被冷却的冷却水混合来调整向燃料电池堆1供给的冷却水的温度。在本实施方式中，三通阀45例如通过恒温器来实现。然而，三通阀45也可以是各喷嘴的开度(阀开度)被控制器200所控制的电动阀等。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的冷却水循环通路41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规定的开阀温度高时，从散热器43到燃料电池堆1的喷嘴的阀开度开口开始逐渐变大。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，将混合后的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”。由入口水温传感器46检测出的堆入口水温数据被输出到控制器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”。由出口水温传感器47检测出的堆出口水温数据被输出到控制器200。
散热风扇48设置于散热器43的附近，通过使散热风扇48旋转来对在散热器43内通过的冷却水进行空冷。由控制器200基于堆入口水温和堆出口水温来控制散热风扇48的转速。
冷却水的温度通过实施规定的处理而被用作燃料电池堆1的温度、阴极气体的温度。例如，只要将由入口水温传感器46检测出的堆入口水温与由出口水温传感器47检测出的堆出口水温的平均值作为冷却水的温度或燃料电池堆1的温度即可。下面，将冷却水的温度称为“冷却水温度”，将燃料电池堆1的温度称为“堆温度”。
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驱动马达(电动马达)、辅助燃料电池堆1的发电的辅机的一部分、控制驱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。
另外，负载装置5也可以在燃料电池堆1的输出侧包括升降燃料电池堆1的输出电压的DC/DC转换器，并且在DC/DC转换器与驱动马达之间包括将直流电力变换为交流电力的驱动逆变器。在该情况下，也可以设置高压电池并使得该高压电池与燃料电池堆1并联地电连接于驱动马达。并且，负载装置5也可以是将辅机的一部分连接于DC/DC转换器与高压电池之间的电力线的结构。此外，对负载装置5进行控制的控制单元(未图示)将向燃料电池堆1要求的要求电力输出到控制器200。例如，随着设置于车辆的加速踏板的踏下量变大，负载装置5的要求电力变大。
在负载装置5与燃料电池堆1之间的电力线上配置有电流传感器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之间的电力线。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”。由电流传感器51检测出的堆输出电流数据被输出到控制器200。
电压传感器52连接于燃料电池堆1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的正极端子1p与负极端子1n之间的电位差。下面，将燃料电池堆1的端子间电压称为“堆输出电压”。由电压传感器52检测出的堆输出电压数据被输出到控制器200。
阻抗测定装置6是测定燃料电池堆1的内部阻抗的装置。燃料电池堆1的内部阻抗与电解质膜111的湿润状态有相关性。因此，通过测定燃料电池堆1的内部阻抗，能够基于其测定结果来检测(估计)电解质膜111的湿润状态。
一般来说，电解质膜的含水量越少、即电解质膜越偏干，则燃料电池堆1的内部阻抗越大。另一方面，电解质膜的含水量越多、即电解质膜越偏湿，则燃料电池堆1的内部阻抗越小。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。
在此，说明阻抗测定装置6的结构。图3是用于测定图1所示的燃料电池堆1的内部阻抗的阻抗测定装置6的电路图。实线所示的连接表示电连接，虚线(dash line)所示的连接表示电信号的连接。
该阻抗测定装置6与从燃料电池堆1的正极端子(阴极极侧端子)1p伸出的端子1B、从负极端子(阳极极侧端子)1n伸出的端子1A以及中途端子1C连接。此外，与中途端子1C连接的部分如图所示那样接地。
如图3所示，阻抗测定装置6具备正极侧电压传感器62、负极侧电压传感器63、正极侧电源部64、负极侧电源部65、交流调整部66以及阻抗运算部61。
正极侧电压传感器62与端子1B及中途端子1C连接，测定规定的频率下的端子1B相对于中途端子1C的正极侧交流电位差V1，将其测定结果输出到交流调整部66和阻抗运算部61。负极侧电压传感器63与中途端子1C及端子1A连接，测定规定的频率下的端子1A相对于中途端子1C的负极侧交流电位差V2，将其测定结果输出到交流调整部66和阻抗运算部61。
正极侧电源部64例如通过利用未图示的运算放大器的电压电流变换电路来实现，通过交流调整部66来控制该正极侧电源部64，使得规定的频率的交流电流I1流过包括端子1B和中途端子1C的闭合电路。另外，负极侧电源部65例如通过利用运算放大器(OP Amp)的电压电流变换电路来实现，通过交流调整部66来控制该负极侧电源部65，使得规定的频率的交流电流I2流过包括端子1A和中途端子1C的闭合电路。
在此，“规定的频率”是指适于检测(测定)电解质膜111的阻抗的频率。下面，将该规定的频率称为“电解质膜响应频率”。
交流调整部66例如通过未图示的PI控制电路来实现，生成向正极侧电源部64和负极侧电源部65的指令信号，使得如上所述的交流电流I1、I2流过各闭合电路。根据这样生成的指令信号来增加正极侧电源部64和负极侧电源部65的输出，由此各端子间的交流电位差V1及V2均被控制为规定的水平(规定值)。由此，交流电位差V1及V2变为等电位。
阻抗运算部61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61通过AD变换器将从各部62、63、64、65输入的交流电压(V1、V2)和交流电流(I1、I2)变换为数字数值信号，进行用于阻抗测定的处理。
具体地说，阻抗运算部61通过用正极侧交流电位差V1的振幅除以交流电流I1的振幅来计算从中途端子1C到端子1B的第一阻抗Z1。另外，阻抗运算部61通过用负极侧交流电位差V2的振幅除以交流电流I2的振幅来计算从中途端子1C到端子1A的第二阻抗Z2。并且，阻抗运算部61将第一阻抗Z1与第二阻抗Z2相加来运算燃料电池堆1的内部阻抗Z。
此外，在作为负载装置5具备DC/DC转换器的情况下，在测定燃料电池堆1的内部阻抗时，控制器200只要首先使该DC/DC转换器升高燃料电池堆1的输出电压即可。由此起到以下效果：从驱动逆变器看燃料电池堆1侧时的阻抗上升，即使存在负载变动也不会对阻抗测定产生不良影响。
在图3中，为了便于图示，示为将端子1B及端子1A与燃料电池堆1的各输出端子直接连接。然而，在本实施方式的燃料电池系统100中，不限于这种连接，端子1B及端子1A也可以与在燃料电池堆1内层叠的多个燃料电池的最靠正极侧的燃料电池的正极端子以及最靠负极侧的燃料电池的负极端子连接。
另外，在本实施方式中，阻抗运算部61为以下结构：由微机芯片等硬件执行预先存储在未图示的存储器中的程序，由此运算燃料电池堆1的内部阻抗。然而，阻抗运算部61不限于这种结构。例如，阻抗运算部61也可以由使用模拟运算IC的模拟运算电路来实现。通过使用模拟运算电路，能够输出在时间上连续的阻抗的变化。
在此，在本实施方式中，阻抗测定装置6将由正弦波信号构成的交流信号用作交流电流和交流电压。然而，这些交流信号不限于正弦波信号，也可以是矩形波信号、三角波信号、锯齿波信号等。
下面，将基于电解质膜响应频率而测定出的内部阻抗称为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。
返回到图1，虽未进行图示，但是控制器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以及阻抗测定装置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来控制向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量和压力。另外，控制器200通过控制阳极压力调节阀33和阳极循环泵36来控制向燃料电池堆1供给的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、三通阀45以及散热风扇48来控制燃料电池堆1内的各燃料电池10的温度(冷却水温度或堆温度)以及向燃料电池堆1供给的阴极气体的温度。
例如，如后所述，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、阳极气体的目标流量和目标压力、以及冷却水的目标温度(目标冷却水温度)。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。另外，控制器200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的发电性能的目标冷却水温度，基于该目标冷却水温度来控制冷却水泵42的转速。例如，控制器200以如下方式进行控制：相比于冷却水温度低于目标冷却水温度的情况，在冷却水温度高于目标冷却水温度的情况下，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”。
在本实施方式中，控制器200对阴极气体流量、阴极气体压力、阳极气体流量以及冷却水温度中的至少一个进行控制，以进行对燃料电池堆1的湿润状态进行操作的湿润控制。具体的湿润控制在后面叙述。
接着，说明对本实施方式的燃料电池系统100进行控制的控制器200的控制功能。图4是表示对本实施方式中的燃料电池系统100进行控制的控制器200的功能结构的一例的框图。此外，图4所示的控制器200的功能框图主要记载了与本发明有关的功能，有时会省略一部分与燃料电池系统100的通常的运转控制有关的功能。
如图4所示，本实施方式的控制器200具备湿润状态检测部210、运转状态检测部220、湿润状态控制部230、优先级设定部240以及阳极气体循环流量控制部250。另外，阳极气体循环流量控制部250包括控制量补充部260、阳极气体循环流量限制部270以及冷却水温度限制部280。
湿润状态检测部210对燃料电池堆1内的燃料电池10的电解质膜111的湿润状态进行检测。具体地说，湿润状态检测部210获取由阻抗测定装置6测定出的燃料电池堆1的HFR。然后，湿润状态检测部210参照预先保存在未图示的存储器中的阻抗-湿润度对应表，来检测电解质膜111的湿润度。检测出的湿润度数据被输出到湿润状态控制部230。此外，下面，将从阻抗测定装置6输出的HFR称为“测定HFR”。
在本实施方式中，设湿润状态检测部210基于由阻抗测定装置6测定出的燃料电池堆1的HFR来检测/运算燃料电池堆1内的燃料电池10的电解质膜111的湿润状态来进行说明。然而，湿润状态检测部210也可以将获取到的HFR直接输出到后级，由后级的各部使用该HFR来进行控制。
运转状态检测部220获取由入口水温传感器46和出口水温传感器47检测出的堆入口水温数据和堆出口水温数据，运算堆入口水温与堆出口水温的平均值，来检测燃料电池堆1的堆温度(冷却水温度)。另外，运转状态检测部220获取由电流传感器51和电压传感器52检测出的燃料电池堆1的堆输出电流数据和堆输出电压数据，将堆输出电流与堆输出电压相乘，由此检测燃料电池堆1的输出电力。
并且，运转状态检测部220获取由流量传感器23检测出的阴极气体流量数据以及由压力传感器24检测出的阴极气体压力数据，来检测阴极气体供排装置2的运转状态。同样地，运转状态检测部220获取由压力传感器37检测出的阳极气体压力数据，来估计阳极气体循环流量，由此检测阳极气体供排装置3的运转状态。
此外，运转状态检测部220还获取由控制器200内的未图示的各种运算部运算出的各种指令值数据。作为各种指示数据，至少包括压缩机22的转速数据、阴极压力调节阀26的开度数据、阳极压力调节阀33的开度数据、阳极循环泵36的转速数据、冷却水泵42的转速数据、三通阀45的各喷嘴的开度数据以及散热风扇48的转速数据。
另外，在本实施方式中，设运转状态检测部220如上所述那样基于获取到的数据来进行检测/运算来进行说明。然而，运转状态检测部220也可以与湿润状态检测部210同样地，将获取到的数据直接输出到后级，由后级的各部使用这些数据来进行控制。
湿润状态控制部230通过对包括阳极气体循环流量在内的多个物理量进行操作(控制对应的致动器)，来控制燃料电池10的电解质膜111的湿润状态。湿润状态控制部230获取由湿润状态检测部210检测出的电解质膜111的测定HFR以及与由运转状态检测部220检测出的湿润度有关的运转数据，运算当前的水收支并且运算目标水收支。然后，湿润状态控制部230将运算出的目标水收支输出到控制量补充部260。此外，目标水收支是与电解质膜111的湿润度有相关性的、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。在烘干操作时，目标水收支表示向燃料电池堆1的目标供水量/生成量(即，经由阳极气体循环通路35供给的水量和通过电化学反应而生成的水量)，在润湿操作时，目标水收支表示目标排出水量(即，经由阴极气体排出通路25排出的水量和经由放气阀38排出的水量)。
在此，湿润状态控制部230也可以基于根据燃料电池系统100的运转状态而设定的燃料电池10的电解质膜111的湿润状态目标值以及由湿润状态检测部210检测出的当前的燃料电池10的电解质膜111的湿润状态检测值来控制多个致动器(阳极循环泵36等)，由此控制燃料电池10的电解质膜111的湿润状态。
此外，本实施方式中的“水收支”是指将通过燃料电池堆1的发电(电化学反应)而生成的水分量与阳极气体循环通路35中储蓄(保持)的循环储蓄水的水分量相加后、从该相加值减去包含于阴极排气内而从燃料电池堆1排出的水分量而得到的值。在稳定状态下，通过发电而生成的水分量大致等于与阴极排气一起排出的水分量，因此电解质膜111的湿润状态是基于循环储蓄水的增减而决定的。
例如，在测定HFR小于作为目标的值的情况下，湿润状态控制部230判定为电解质膜111的水分多，将小于零(0)的负(minus)的值设定为目标水收支。另一方面，在测定HFR大于作为目标的值的情况下，湿润状态控制部230判定为电解质膜111的水分少，将大于零的正(plus)的值设定为目标水收支。
在此，在本实施方式中，“多个物理量”除了包括在阳极气体循环通路35中流动的阳极气体循环流量以外，还包括从压缩机22向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量(下面仅称为“阴极气体流量”)和压力(下面仅称为“阴极气体压力”)以及通过冷却水泵42供给到燃料电池堆1的冷却水的温度(下面仅称为“冷却水温度”)。作为冷却水温度，例如既可以利用堆入口水温、也可以利用作为堆入口水温与堆出口水温的平均值的堆温度。
优先级设定部240针对由湿润状态控制部230操作的多个物理量(即，阳极气体循环流量、阴极气体流量、阴极气体压力以及冷却水温度)设定稳定的操作的优先级，这尤其是为了烘干操作、润湿操作的开始时。在烘干操作的情况下，优先级设定部240以使优先级按(1)阴极气体压力的下降、(2)阳极气体流量的下降、(3)冷却水温度的上升、(4)阴极气体流量的增加这样的顺序逐渐下降的方式，对多个物理量设定优先级。另一方面，在润湿操作的情况下，优先级设定部240以使优先级按(1)阴极气体流量的下降、(2)冷却水温度的下降、(3)阳极气体流量的增加、(4)阴极气体压力的增加这样的顺序逐渐下降的方式，对多个物理量设定优先级。
在此，简单说明各物理量的控制方法。阴极气体流量控制主要由压缩机22来执行，阴极气体压力控制主要由阴极压力调节阀26来执行。另外，阳极气体循环流量控制主要由阳极循环泵36来执行。冷却水温度控制主要由冷却水泵42来执行。
例如，在烘干操作中，控制器200的阳极气体循环流量控制部250和控制量补充部260为使阴极气体压力变低、或使阳极气体流量变小、或使冷却水温度变高、或使阴极气体流量变大，以增加从燃料电池堆1排出的水分。另一方面，在润湿操作中，控制器200的阳极气体循环流量控制部250和控制量补充部260使阴极气体流量变小，或使冷却水温度变低，或使阳极气体流量变大，或使阴极气体压力变高。此外，水收支根据阴极气体压力的增减而增减是由于阴极气体所包含的水分(水蒸气)的体积流量发生变化。
像这样对多个物理量设定优先级除了为了尽早实现由湿润状态控制部230运算出的目标水收支这一目的以外，也是为了将用于控制多个物理量的压缩机22、阴极压力调节阀26、阳极循环泵36以及冷却水泵42的消耗电力及其响应性纳入考虑。
压缩机22的转速的上升特别会导致消耗电力的增加，冷却水泵42、阳极循环泵36的转速的上升也会导致消耗电力的增加。另一方面，阴极压力调节阀26的开闭不那么消耗消耗电力。因此，由优先级设定部240设定的优先级在烘干操作和润湿操作中正好相反。
另外，不同时控制多个物理量而是赋予优先级来进行控制是由于，无法实时地确认这些辅机22、26、36、42的控制对目标水收支有多少帮助，有可能进行过量的控制或引起波动。特别是，在进行过量的烘干操作控制的情况下，还有可能使燃料电池10的电解质膜111损坏、劣化等，因此在本实施方式中，对多个物理量赋予优先级来进行控制。
阳极气体循环流量控制部250基于由湿润状态检测部210检测出的电解质膜111的湿润状态来控制在阳极气体循环通路35中流动的阳极气体循环流量。阳极气体循环流量控制部250基于由运转状态检测部220估计出的阳极气体循环流量、从负载装置5输入的负载装置5的要求电力以及由运转状态检测部220检测出的燃料电池堆1的输出电力，来控制阳极压力调节阀33的开度并且控制阳极循环泵36的转速。由此，能够控制在阳极气体循环通路35中循环的阳极气体循环流量。
此外，在从阳极循环泵36的转速为规定速度以下的状态(包括使阳极循环泵36停止的怠速停止控制时)起使转速上升的过渡状态下，阳极气体循环流量控制部250运算如后所述的目标阳极气体循环流量。在此，如上所述，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。当使被加湿的阳极气体的循环流量增加时，阳极气体所包含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，例如，在开始烘干操作时，若考虑阳极气体流路121内的状态，则使阳极气体循环流量变小，因此相对于从燃料电池堆1带出的水分，流入到燃料电池堆1的水分变多。因此，在开始烘干操作时，会过渡性地进行润湿操作。
另一方面，在开始润湿操作时，若考虑阳极气体流路121内的状态，则使阳极气体循环流量变大，因此相对于从燃料电池堆1带出的水分，流入到燃料电池堆1的水分变少。因此，在开始润湿操作时，会过渡性地进行烘干操作。
在本实施方式的燃料电池系统100中，为了减少或抑制这种问题，如后所述，在使阳极气体循环流量增减的情况下，对阳极气体循环流量的变化率(变化量)进行限制，并且按照优先级来对其它物理量进行控制。
如后所述，控制量补充部260在至少通过阳极气体循环流量限制部270对阳极气体循环流量的变化率进行限制的情况下，通过由优先级设定部240设定的稳定的操作的优先级比对阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的物理量的操作，来对由于阳极气体循环流量的限制而不足的湿润状态的控制量部分(到达目标水收支所需的控制量部分)进行补充。在后面详细叙述控制量补充部260的动作。
如上所述，阳极气体循环流量限制部270在改变燃料电池10的电解质膜111的湿润状态的过渡运转时，对阳极气体循环流量的每单位时间的变化率(或变化量)进行限制，以抑制在开始烘干操作、润湿操作时过渡性地进行相反的操作的情况。
在本实施方式中，阳极气体循环流量限制部270在烘干操作中以如下方式设定指令值(限制值)：在由阳极气体循环流量控制部250设定的目标阳极气体循环流量小于当前的阳极气体循环流量的情况下，对该目标阳极气体循环流量的变化率进行限制。
另外，阳极气体循环流量限制部270在润湿操作中以如下方式设定指令值：在由阳极气体循环流量控制部250设定的目标阳极气体循环流量大于当前的阳极气体循环流量的情况下，对该目标阳极气体循环流量的变化率进行限制。
在此，简单说明决定针对阳极气体循环流量的变化率的限制值的方法的一例。考虑从燃料电池堆1排出的阳极排气经由阳极气体循环通路35、引射器34以及阳极气体供给通路32返回到燃料电池堆1为止的时间来决定针对阳极气体循环流量的变化率。特别是，决定即使在阳极气体循环通路35长、走一圈要耗费时间的情况下也不会产生过渡性的反操作的变化率。
具体地说，通过以下的运算式来进行运算。阳极气体循环流量限制部270基于该运算式(1)、(2)，例如每10毫秒进行一次运算，来控制阳极气体循环流量的变化率。
上升侧限制：
[数式1]
下降侧限制：
[数式2]
在此，各字符表示下面的内容。
tmax：以最低流量将阳极气体循环通路35走一圈(一周)所花费的时间，
ΔQ：最低流量与最大流量之差，
Δt：控制周期(在本实施方式中，如上所述那样为10毫秒)，
Qn：当前的目标流量，
Qtarget：不限制变化率的下一次的目标流量，
Qn+1：下一次的目标流量。
在改变电解质膜111的湿润状态的过渡运转时，冷却水温度限制部280对冷却水的温度的每单位时间的变化率进行限制，以抑制在开始烘干操作时过渡性地进行反的操作的情况。在本实施方式中，冷却水温度限制部280仅在以下情况下对冷却水温度的每单位时间的变化率进行限制：即使对烘干操作中的与冷却水温度相比优先级高的物理量、即阴极气体压力和阳极气体流量进行控制，也没有完成阳极气体循环流量限制部270对目标阳极气体循环流的变化率的限制。
简单说明决定针对冷却水温度的变化率的限制值的方法的一例。考虑针对阴极气体流量的响应时间(时间常数、静定时间)来决定针对冷却水温度的变化率，使得在烘干操作的过渡时，利用与冷却水温度相比优先级低的阴极气体流量进行的补充起作用。在该情况下，以如下方式来决定：针对目标冷却水温度的响应时间越长，则越严格地限制针对冷却水温度的变化率。特别是，与其它物理量相比，冷却水温度的响应性更缓慢，因此将变化率决定成避免进行过量的控制。
具体地说，通过以下的运算式来进行运算。冷却水温度限制部280基于该运算式，例如每10毫秒进行一次运算，来控制冷却水温度的变化率。
上升侧限制：
[数式3]
下降侧限制：
[数式4]
在此，各字符表示以下的内容。
τmax：阴极气体流量的响应(静定)时间，
ΔTmax：最低冷却水温度与最高冷却水温度之差，
Δt：控制周期(在本实施方式中，如上所述，10毫秒)，
Tn：当前的目标冷却水温度，
Ttarget：不限制变化率的下一次的目标冷却水温度，
Tn+1：下一次的目标冷却水温度。
在此，说明阳极气体循环流量限制部270和冷却水温度限制部280的控制量的变化率的限制方法的一例。图5和图6是表示图4所示的阳极气体循环流量限制部和冷却水温度限制部的变化率的限制方法的一例的图。此外，点线表示不限制控制量的变化率的情况下的指令值，实线表示限制控制量的变化率的情况下的指令值。此外，在本例中，仅图示了使控制量增加的情况，但是在使控制量减少的情况下，为相对于表示初始值与最终指令值的平均值的线S(参照图5的(a))呈线对称的指令值。
图5的(a)是单纯地限制控制量的变化率的图。能够通过使每单位时间的指令值的变化量固定、即，使过渡时的指令值相对于时间的斜率固定，来设置该控制量的变化率的限制。
在本实施方式中，阳极气体循环流量限制部270和冷却水温度限制部280的控制量的变化率的限制方法不限定于这种单纯的变化率的限制。例如，也可以使用一阶滞后处理(参照图5的(b))、二阶滞后处理(参照图5的(c))来限制控制量的变化率。
另外，如图6的(a)～图6的(c)所示，也可以先针对图5的(a)～图5的(c)所示的变化率的限制方法设定一个无用时间，由此使阳极气体循环流量、冷却水温度的变化率进一步缓和。并且，在本实施方式中，也可以不仅利用一阶滞后或二阶滞后、还利用非线性滤波等来限制变化率。
由阳极气体循环流量控制部250以及其中的控制量补充部260、阳极气体循环流量限制部270及冷却水温度限制部280运算出的各种指令值被分别输出到作为对象的压缩机22、阴极压力调节阀26、阳极压力调节阀33及冷却水泵42。
接着，分为烘干操作的情况和润湿操作的情况来说明本实施方式的控制器200的控制量补充部260的功能。
首先，说明烘干操作的情况下的控制器200的控制量补充部260的功能。图7是表示图4所示的控制量补充部260的烘干操作中的功能结构的一例的图。在此，示出了由控制器200执行烘干操作时的控制参数。如图7所示，阳极气体循环流量控制部250包括目标阳极气体循环流量运算部251。另外，控制量补充部260包括目标阴极气体压力运算部261、目标冷却水温度运算部262以及目标阴极气体流量运算部263。
在本实施方式中，如上所述，优先级设定部240在烘干操作中按以下顺序设定控制对象的优先级：越靠图的上方，控制对象的优先级越高。下面，各运算部261～263、251按优先级从高到低的顺序来运算对应的目标控制量。
首先，湿润状态控制部230获取由湿润状态检测部210检测出的电解质膜111的湿润度数据以及与由运转状态检测部220检测出的湿润度有关的运转数据，运算当前的水收支并且运算目标水收支。运算出的目标水收支被分别输出到目标阴极气体压力运算部261、目标阳极气体循环流量运算部251、目标冷却水温度运算部262以及目标阴极气体流量运算部263。
接着，目标阴极气体压力运算部261运算用于设定向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力的阴极气体压力的目标值(下面称为“目标阴极气体压力”)。在本实施方式中，阴极气体压力是烘干操作中优先级最高的物理量。
目标阴极气体压力运算部261基于目标水收支以及预先保存在控制器200的未图示的存储器中的各泵/压缩机的额定值，来运算目标阴极气体压力。各泵/压缩机的额定值包括能够利用阳极循环泵36喷出的阳极气体循环流量的最大值(下面称为“最大阳极气体循环流量”)、不需要利用冷却水泵42冷却的冷却水温度的最低值(下面称为“最低冷却水温度”)、以及能够利用压缩机22喷出的阴极气体流量的最小值(最小阴极气体流量)。在像这样运算优先级最高的物理量的情况下，设定成对其它物理量的控制完全无助于烘干操作。
具体地说，目标阴极气体压力运算部261基于目标水收支、最大阳极气体循环流量、最低冷却水温度以及最小阴极气体流量来运算目标阴极气体压力。然后，目标阴极气体压力运算部261基于运算出的目标阴极气体压力来运算阴极压力调节阀26的目标开度、基于运算出的该目标开度来控制阴极压力调节阀26的开闭。
目标阴极气体压力运算部261设定成：目标水收支越小，则使阴极压力调节阀26的开度越大，以减少电解质膜111的湿润度(水分)。由此，燃料电池10的阴极气体流路131内的水分的体积流量增加，从燃料电池堆1排出的水分增加。
接着，目标阳极气体循环流量运算部251运算用于设定在阳极气体循环通路35中循环的阳极气体的循环流量的阳极气体循环量的目标值(下面称为“目标阳极气体循环流量”)。在本实施方式中，阳极气体循环流量是烘干操作中优先级第二高的物理量。目标阳极气体循环流量运算部251基于目标水收支、阴极气体压力的测量值、最低冷却水温度以及最小阴极气体流量来运算目标阳极气体循环流量。这样，随着优先级下降，使用优先级比自身的优先级高的物理量的实测值或估计值等，来运算作为对象的目标值。由此，在仅利用优先级高的物理量的控制未达到期望的水收支(湿润度)时，能够通过优先级次高的物理量的控制来对烘干操作的控制量(湿润状态的控制量部分)进行补充。
具体地说，目标阳极气体循环流量运算部251获取由压力传感器24检测出并被输出到运转状态检测部220的阴极气体压力(下面也称为“测量阴极气体压力”)。然后，目标阳极气体循环流量运算部251基于目标水收支、测量阴极气体压力、最低冷却水温度以及最小阴极气体流量来运算目标阳极气体循环流量。目标阳极气体循环流量运算部251将运算出的目标阳极气体循环流量输出到阳极气体循环流量限制部270。
阳极气体循环流量限制部270基于由运转状态检测部220检测出的当前的阳极气体循环流量(参照图4)以及从目标阳极气体循环流量运算部251获取到的目标阳极气体循环流量，来运算用于对阳极气体循环流量的每单位控制时间(在本实施方式中，10毫秒)的变化率进行限制的限制值。
阳极气体循环流量限制部270将运算出的上述指令值(转速的限制值)作为阳极气体循环流量的指令值输出到阳极循环泵36。阳极循环泵36基于该指令值来使转速逐渐下降。这样，不以比较大的阶跃状的指令值来控制阳极气体循环流量的目标值，而是以微小的阶梯状的(或者具有无缝的斜率的)指令值来控制阳极气体循环流量的目标值，由此能够有效地减轻/抑制在烘干操作的过渡状态下燃料电池堆1内的燃料电池10的电解质膜111变为与控制方向相反的润湿状态的情况。
接着，目标冷却水温度运算部262运算用于设定用于对燃料电池堆1进行冷却的冷却水温度的冷却水温度的目标值(下面称为“目标冷却水温度”)。在本实施方式中，冷却水温度是烘干操作中优先级第三高的物理量。目标冷却水温度运算部262基于目标水收支、测量阴极气体压力、阳极气体循环流量的估计值以及最小阴极气体流量来运算目标冷却水温度。
具体地说，目标冷却水温度运算部262获取由运转状态检测部220基于阳极气体供排装置3的运转状态而估计出的阳极气体循环流量的估计值(下面称为“估计阳极气体循环流量”)。然后，目标冷却水温度运算部262基于目标水收支、测量阴极气体压力、估计阳极气体循环流量以及最小阴极气体流量来运算目标冷却水温度。目标冷却水温度运算部262将运算出的目标冷却水温度输出到冷却水温度限制部280。
冷却水温度限制部280判定是否能够利用与冷却水温度相比优先级高的物理量的控制、即阴极气体压力和阳极气体循环流量的控制来实现目标水收支。冷却水温度限制部280在判定为无法实现目标水收支的情况下，运算用于对冷却水温度的每单位控制时间(在本实施方式中，10毫秒)的变化率进行限制的限制值。即，冷却水温度限制部280基于由运转状态检测部220检测出的当前的冷却水温度(参照图4)以及从目标冷却水温度运算部262获取到的目标冷却水温度，来运算用于对冷却水温度的每单位控制时间(在本实施方式中，10毫秒)的变化率进行限制的限制值。
冷却水温度限制部280将所运算出的上述指令值(转速的限制值)作为冷却水温度的指令值输出到冷却水泵42。冷却水泵42基于该指令值来使转速逐渐下降。这样，不以比较的大的阶跃状的指令值来控制冷却水温度的目标值，而是以微小的阶梯状的(或者具有无缝的斜率的)指令值来控制冷却水温度的目标值，由此能够有效地减轻/抑制在烘干操作的过渡状态中燃料电池堆1内的燃料电池10的电解质膜111变为与控制方向相反的润湿状态的情况。
此外，冷却水温度限制部280在判定为能够实现目标水收支的情况下，不运算冷却水温度的变化率的限制值，而是基于由目标冷却水温度运算部262运算出的目标冷却水温度来运算冷却水泵42的转速，将运算出的转速作为指令值输出到冷却水泵42。
另外，在本实施方式中，为了对冷却水温度(堆入口水温或堆温度)进行控制，将冷却水泵42的转速用作参数。然而，也可以根据需要将三通阀45的各喷嘴的开度、散热风扇48的转速等也用作参数。
接着，目标阴极气体流量运算部263运算用于设定向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量的阴极气体流量的目标值(下面称为“目标阴极气体流量”)。在本实施方式中，阴极气体流量是烘干操作中优先级第四高的(即，最低的)物理量。目标阴极气体流量运算部263基于目标水收支、测量阴极气体压力、估计阳极气体循环流量以及冷却水温度的测量值来运算目标阴极气体流量。
具体地说，目标阴极气体流量运算部263获取由运转状态检测部220获取/运算的冷却水温度的测量值(下面称为“测量冷却水温度”)。然后，目标阴极气体流量运算部263基于目标水收支、测量阴极气体压力、估计阳极气体循环流量以及测量冷却水温度来运算目标阴极气体流量。目标阴极气体流量运算部263基于运算出的目标阴极气体流量来运算压缩机22的目标转速，基于所运算出的该目标转速来控制压缩机22的运转。
接着，说明燃料电池系统100的烘干操作中的各物理量的状态变化。首先，说明不具备本实施方式的阳极气体循环流量限制部270和冷却水温度限制部280的以往的燃料电池系统的动作。
图8是表示以往的燃料电池系统中的烘干操作时的各物理量的状态变化的时序图。此外，图8中的点线表示指令值，实线表示实际的值。另外，在图8中，省略了与阳极气体循环流量相比优先级高的冷却水温度的时序图。
在该情况下，阳极气体循环流量的指令值阶跃状地变化，因此会使阳极循环泵36的转速急剧地下降。由此，阳极气体循环流量急剧地减少。因此，阴极气体压力和阴极气体流量相对于初始的指令值几乎不上升/增加，在中途追上指令值，之后跟随其下降，最终变为稳定状态。
然而，由于阳极气体循环流量的急剧的减少，在过渡状态下，对于燃料电池堆1内的水分而言，流入的量比排出的量多。然后，如图所示，尽管根据目标水收支需要使水收支下降，但是水收支在过渡状态下上升。
即，在燃料电池堆1的燃料电池10内，过渡性地变为过湿润的状态，产生以下可能性：水堵在阳极气体流路121的出口附近，燃料电池10内的阳极气体(氢)缺乏。
接着，说明本实施方式的燃料电池系统100中的烘干操作时的各物理量的状态变化。在此，分别说明仅阳极气体循环流量限制部270进行物理量的变化率的限制的情况(参照图9)、以及阳极气体循环流量限制部270和冷却水温度限制部280这两方进行物理量的变化率的限制的情况(参照图10)。
图9是表示对阳极气体循环流量的变化率进行了限制的情况下的烘干操作时的各物理量的状态变化的时序图。此外，图9中的点线表示指令值，实线表示实际的值。另外，在图9中，省略了阴极气体压力的时序图。
首先，基于未图示的阴极气体压力的指令值，阴极压力调节阀26的开度增加。由于对阳极气体循环流量施加了变化率的限制，因此阳极气体循环流量的指令值缓慢地减少。因此，阳极循环泵36的转速基于变化率限制的指令值而逐渐下降。另外，在本例中，通过限制变化率，仅利用阳极气体循环流量的控制无法达到目标水收支，因此接着进行冷却水温度的控制、再进行阴极气体流量的控制。冷却水温度和阴极气体流量不上升至初始的指令值，而是在中途追上指令值，之后跟随其下降，最终变为稳定状态。
另一方面，通过有其它物理量的控制跟随，阳极气体循环流量从中途起下降速度进一步和缓，最终变为稳定状态。通过进行这种控制，如图所示，水收支不会在短时间内达到阶跃状的初始的指令值，但是在过渡状态下，不会向与控制方向(减少方向)相反的方向增加，而是可靠地逐渐减少。这样，根据图9所示的控制，水收支不会变为与控制方向相反的方向的控制，因此能够防止如以往那样的阳极气体的缺乏。
图10是表示对阳极气体循环流量和冷却水温度的变化率进行了限制的情况下的烘干操作时的各物理量的状态变化的时序图。此外，图10中的点线表示指令值，实线表示实际的值。另外，在图10中，与图9同样地，省略了阴极气体压力的时序图。
首先，基于未图示的阴极气体压力的指令值，阴极压力调节阀26的开度增加。由于对阳极气体循环流量施加了变化率的限制，因此阳极气体循环流量的指令值缓慢地减少。因此，阳极循环泵的转速基于变化率限制的指令值而逐渐下降。
在本例中，仅利用阳极气体循环流量的控制无法实现目标水收支，因此进行冷却水温度和阴极气体流量的控制，对冷却水温度也施加变化率的限制。因此，如图所示，冷却水温度的指令值逐渐上升，在某种程度的上升后下降，变为稳定状态。与冷却水温度的指令值对应地，冷却水泵42的转速的指令值逐渐上升，从中途起下降。
冷却水温度的控制的响应性低，因此冷却水温度不跟随指令值地变为稳定状态。另外，阴极气体流量不上升至初始的指令值，而是在中途追上指令值，之后跟随其下降，最终变为稳定状态。
在本例中，与图9所示的控制相比，水收支达到目标水收支为止的时间稍微变长。然而，能够可靠地防止水收支变为与控制方向相反的方向的控制，因此能够更可靠地防止如以往那样的阳极气体的缺乏。
接着，说明润湿操作的情况下的控制器200的控制量补充部260的功能。图11是表示图4所示的控制量补充部260的润湿操作中的功能结构的一例的图。在此，示出了由控制器200执行润湿操作时的控制参数。如图11所示，阳极气体循环流量控制部250包括目标阳极气体循环流量运算部251。另外，控制量补充部260与烘干操作的情况同样地，包括目标阴极气体压力运算部261、目标冷却水温度运算部262以及目标阴极气体流量运算部263。
在本实施方式中，如上所述，优先级设定部240在润湿操作中按以下顺序设定控制对象的优先级：越靠图的下方，控制对象的优先级越高。下面，各运算部263～261、251按优先级从高到低的顺序来运算对应的目标控制量。
首先，湿润状态控制部230获取由湿润状态检测部210检测出的电解质膜111的湿润度数据以及与由运转状态检测部220检测出的湿润度有关的运转数据，运算当前的水收支并且运算目标水收支。运算出的目标水收支被分别输出到目标阴极气体压力运算部261、目标阳极气体循环流量运算部251、目标冷却水温度运算部262以及目标阴极气体流量运算部263。
接着，目标阴极气体流量运算部263运算用于设定向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量的目标阴极气体流量。在本实施方式中，阴极气体流量是润湿操作中优先级最高的物理量。
目标阴极气体流量运算部263基于目标水收支以及预先保存在控制器200的未图示的存储器中的各泵/压缩机的进行最干操作时的额定值(下面称为“最干操作额定值”)，来运算目标阴极气体流量。最干操作额定值是在燃料电池系统100中进行最干操作时的各指令值，包括最干操作时的阴极气体压力(下面称为“最干阴极气体压力”)、阳极气体循环流量(下面称为“最干阳极气体循环流量”)以及冷却水温度(下面称为“最干冷却水温度”)。在像这样运算优先级最高的物理量的情况下，设定成对其它物理量的控制完全无助于润湿操作。
具体地说，目标阴极气体流量运算部263基于目标水收支、最干阴极气体压力、最干阳极气体循环流量以及最干冷却水温度来运算目标阴极气体流量。然后，目标阴极气体流量运算部263基于运算出的目标阴极气体流量来运算压缩机22的目标转速，基于运算出的该目标转速来控制压缩机22的运转。
目标阴极气体流量运算部263设定成：目标水收支越大，则使压缩机22的转速越小，以增加电解质膜111的湿润度(水分)。由此，从燃料电池堆1排出的水分减少。
接着，目标冷却水温度运算部262运算用于设定用于冷却燃料电池堆1的冷却水温度的目标冷却水温度。在本实施方式中，冷却水温度是润湿操作中优先级第二高的物理量。目标冷却水温度运算部262基于目标水收支、最干阴极气体压力、最干阳极气体循环流量以及阴极气体流量的测量值(下面称为“测量阴极气体流量”)来运算目标冷却水温度。这样，随着优先级下降，使用优先级比自身的优先级高的物理量的实测值或估计值等，来运算作为对象的目标值。由此，在仅利用优先级高的物理量的控制未达到期望的水收支(湿润度)时，能够通过优先级次高的物理量的控制来对润湿操作的控制量(湿润状态的控制量部分)进行补充。
具体地说，目标冷却水温度运算部262获取由流量传感器23检测并被输送到运转状态检测部220的阴极气体流量(下面也称为“测量阴极气体流量”)。然后，目标冷却水温度运算部262基于目标水收支、最干阴极气体压力、最干阳极气体循环流量以及测量阴极气体流量来运算目标冷却水温度。目标冷却水温度运算部262基于运算出的目标冷却水温度来运算冷却水泵42的目标转速，基于运算出的该目标转速来控制冷却水泵42的运转。
接着，目标阳极气体循环流量运算部251运算用于设定在阳极气体循环通路35中循环的阳极气体的循环流量的目标阳极气体循环流量。在本实施方式中，阳极气体循环流量是润湿操作中优先级第三高的物理量。目标阳极气体循环流量运算部251基于目标水收支、最干阴极气体压力、冷却水温度的测量值以及测量阴极气体流量来运算目标阳极气体循环流量。
具体地说，目标阳极气体循环流量运算部251获取由运转状态检测部220获取/运算的冷却水温度的测量值(下面称为“测量冷却水温度”)。然后，目标阳极气体循环流量运算部251基于目标水收支、最干阴极气体压力、测量冷却水温度以及测量阴极气体流量来运算目标阳极气体循环流量。目标阳极气体循环流量运算部251将运算出的目标阳极气体循环流量输出到阳极气体循环流量限制部270。
阳极气体循环流量限制部270基于由运转状态检测部220检测出的当前的阳极气体循环流量(参照图4)以及从目标阳极气体循环流量运算部251获取到的目标阳极气体循环流量，来运算用于对阳极气体循环流量的每单位控制时间(在本实施方式中，10毫秒)的变化率进行限制的限制值。
阳极气体循环流量限制部270将运算出的上述指令值(转速的限制值)作为阳极气体循环流量的指令值输出到阳极循环泵36。阳极循环泵36基于该指令值来使转速逐渐上升。这样，不以比较大的阶跃状的指令值来控制阳极气体循环流量的目标值，而是以微小的阶梯状的(或者具有无缝的斜率的)指令值来控制阳极气体循环流量的目标值，由此能够有效地减轻/抑制在润湿操作的过渡状态下燃料电池堆1内的燃料电池10的电解质膜111变为与控制方向相反的烘干状态的情况。由此，能够有效地抑制损坏或劣化燃料电池10内的电解质膜111的可能性。
接着，目标阴极气体压力运算部261运算用于设定向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力的目标阴极气体压力。在本实施方式中，阴极气体压力是润湿操作中优先级第四高的(即，最低的)物理量。目标阴极气体压力运算部261基于目标水收支、阳极气体循环流量的估计值、测量冷却水温度以及测量阴极气体流量来运算目标阴极气体压力。
具体地说，目标阴极气体压力运算部261获取由运转状态检测部220基于阳极气体供排装置3的运转状态而估计出的阳极气体循环流量的估计值(下面称为“估计阳极气体循环流量”)。然后，目标阴极气体压力运算部261基于目标水收支、估计阳极气体循环流量、测量冷却水温度以及测量阴极气体流量来运算目标阴极气体压力。目标阴极气体压力运算部261基于运算出的目标阴极气体压力来运算阴极压力调节阀26的目标开度，基于运算出的该目标开度来控制阴极压力调节阀26的开闭。
在本例中，在润湿操作时，与阳极气体循环流量相比优先级低的物理量只有阴极气体压力，因此不限制阴极气体压力的变化率。在通过润湿操作使燃料电池堆1内的水分增加时，特别是阳极循环泵36的急剧的运转容易产生过渡性的问题。因此，在本实施方式中，仅对与阳极气体循环流量相比优先级低、不对水收支的控制产生不良影响的物理量施加限制。
接着，说明燃料电池系统100的润湿操作中的各物理量的状态变化。首先，说明不具备本实施方式的阳极气体循环流量限制部270的以往的燃料电池系统的动作。
图12是表示以往的燃料电池系统中的润湿操作时的各物理量的状态变化的时序图。此外，图12中的点线表示指令值，实线表示实际的值。另外，在图12中，省略了与阳极气体循环流量相比优先级高的阴极气体流量和冷却水温度的时序图。
在该情况下，阳极气体循环流量的指令值阶跃状地变化，因此会使阳极循环泵36的转速急剧地增加。由此，阳极气体循环流量急剧地增加。因此，阴极气体压力相对于初始的指令值几乎不增加，在中途追上指令值，之后跟随其下降，最终变为稳定状态。
然而，由于阳极气体循环流量的急剧的增加，在过渡状态下，对于燃料电池堆1内的水分而言，排出的量比流入的量多。然后，如图所示，尽管根据目标水收支需要使水收支上升，但是水收支在过渡状态下下降。
即，在燃料电池堆1的燃料电池10内，过渡性地变为过干燥的状态，产生损坏或劣化燃料电池10内的电解质膜111的可能性。
接着，说明本实施方式的燃料电池系统100中的润湿操作时的各物理量的状态变化。图13是表示对阳极气体循环流量的变化率进行了限制的情况下的润湿操作时的各物理量的状态变化的时序图。图13中的点线表示指令值，实线表示实际的值。另外，在图13中，省略了阴极气体流量和冷却水温度的时序图。
首先，基于未图示的阴极气体流量的指令值，压缩机22的转速下降。另外，基于未图示的冷却水温度的指令值，冷却水泵42的转速增加。由于对阳极气体循环流量施加了变化率的限制，因此阳极气体循环流量的指令值缓慢地增加。因此，阳极循环泵36的转速基于变化率限制的指令值而逐渐增加。
在本例中，通过限制变化率，仅利用阳极气体循环流量的控制无法达到目标水收支，因此进行阴极气体压力的控制。阴极气体压力上升至初始的指令值附近后追上指令值，之后跟随其下降，最终变为稳定状态。
另一方面，通过有其它物理量的控制跟随，阳极气体循环流量从中途起增加速度进一步和缓，最终变为稳定状态。通过进行这种控制，如图所示，水收支不会在短时间内达到阶跃状的初始的指令值，但是在过渡状态下，不会向与控制方向相反的方向减少，而可靠地逐渐增加。这样，根据图13所示的控制，水收支不会变为与控制方向相反的方向的控制，因此能够有效地抑制如以往那样的电解质膜111的损坏或劣化的可能性。
接着，使用图14～图26所示的流程图来说明本实施方式的燃料电池系统100的动作。图14是表示由本实施方式中的控制器200执行的控制量补充处理的一例的流程图。如上所述，由燃料电池系统100的控制器200例如每10毫秒执行一次该控制量补充处理。此外，也可以在不产生矛盾的范围内变更各流程图的步骤的顺序。
在该控制量补充处理中，首先，控制器200的运转状态检测部220执行用于对燃料电池系统100整体的运转状态进行检测的系统运转状态检测处理(步骤S1)。然后，控制器200的湿润状态控制部230基于燃料电池系统100的运转状态来执行用于运算目标水收支的目标水收支运算处理(步骤S2)。
接着，控制器200的湿润状态控制部230基于在步骤S2中获取到的目标水收支以及根据与从湿润状态检测部210获取到的湿润度有关的运转数据而运算出的当前的水收支，来判定是否需要对燃料电池堆1进行烘干操作(步骤S3)。
在判定为需要对燃料电池堆1进行烘干操作的情况下，控制器200执行用于运算烘干操作时的各物理量的控制量的烘干操作用控制量运算处理(步骤S4)。另一方面，在判定为不需要对燃料电池堆1进行烘干操作、而是需要进行润湿操作的情况下，控制器200执行用于运算润湿操作时的各物理量的控制量的润湿操作用控制量运算处理(步骤S5)。
接着，控制器200基于步骤S4或S5中的运算结果，来执行用于对作为进行水收支的控制时的致动器的压缩机22、阴极压力调节阀26、阳极循环泵36以及冷却水泵42进行控制的各致动器控制处理(步骤S6)，结束该控制量补充处理。此外，使用图7和图11在上面叙述了作为控制量补充处理的副例程的各致动器控制处理，因此省略流程图的图示及其说明。下面，详细说明其它副例程。
图15是表示作为与控制量补充处理的步骤S1对应的副例程的系统运转状态检测处理的一例的流程图。在该系统运转状态检测处理中，运转状态检测部220首先使用压力传感器24来检测阴极气体的压力(步骤S11)，使用流量传感器23来检测阴极气体的流量(步骤S12)。
接着，运转状态检测部220运算燃料电池堆1的堆温度(冷却水温度)(步骤S13)。如上所述，运转状态检测部220从入口水温传感器46和出口水温传感器47获取堆入口水温和堆出口水温，通过运算其平均值来运算燃料电池堆1的堆温度、即上述的冷却水温度。
接着，运转状态检测部220基于阳极循环泵36的转速、由压力传感器37检测出的阳极气体压力以及堆温度来估计阳极气体循环流量(步骤S14)。然后，运转状态检测部220结束该系统运转状态检测处理，返回到控制量补充处理的主流程。如上所述，基于燃料电池堆1的堆温度以及由压力传感器37检测的阳极气体循环通路35内的阳极气体的压力，来估计阳极循环流量作为标准状态的流量。
运转状态检测部220对湿润状态控制部230和阳极气体循环流量控制部250输出这样检测/运算/估计出的各种物理量。此外，运转状态检测部220基于由电流传感器51检测的堆输出电流以及由电压传感器52检测的堆输出电压来运算燃料电池系统100的输出电力。这些控制与本实施方式的控制没什么关系，因此省略进一步的说明。
图16是表示作为与控制量补充处理的步骤S2对应的副例程的目标水收支运算处理的一例的流程图。在该目标水收支运算处理中，湿润状态检测部210首先使阻抗测定装置6测定/运算燃料电池堆1的HFR(步骤S21)。阻抗测定装置6如上所述那样测定燃料电池堆1的内部阻抗，将测定出的内部阻抗(测定HFR)输出到湿润状态检测部210。然后，湿润状态控制部230经由湿润状态检测部210来获取测定HFR(步骤S22)。
接着，湿润状态控制部230基于从运转状态检测部220获取到的燃料电池系统100的运转状态来运算目标HFR(步骤S23)。湿润状态控制部230以使在步骤S22中获取到的测定HFR变为在步骤S23中运算出的目标HFR的方式运算目标水收支(步骤S24)。然后，湿润状态控制部230结束该目标水收支运算处理，返回到控制量补充处理的主流程。
此外，在相对于目标HFR而言测定HFR大的情况下，燃料电池10内的电解质膜111与目标值相比偏干燥，因此，湿润状态控制部230设定目标水收支使得执行润湿操作。另一方面，在相对于目标HFR而言测定HFR小的情况下，燃料电池10内的电解质膜111与目标值相比偏湿润。因此，湿润状态控制部230设定目标水收支使得执行烘干操作。
图17是表示作为与控制量补充处理的步骤S4对应的副例程的烘干操作用控制量运算处理的一例的流程图。在控制量补充处理的步骤S3中判定为需要对燃料电池堆1进行烘干操作的情况下，执行该烘干操作用控制量运算处理。此外，主要由阳极气体循环流量控制部250、控制量补充部260、阳极气体循环流量限制部270以及冷却水温度限制部280来执行烘干操作用控制量运算处理。
在该烘干操作用控制量运算处理中，阳极气体循环流量控制部250基于由运转状态检测部220检测出的燃料电池系统100的运转状态来运算最大阳极气体循环流量(步骤S41)。此外，也可以基于燃料电池系统100的系统设计、各泵类的额定输出等来预先设定最大阳极气体循环流量，保存在未图示的存储器中。
接着，控制量补充部260基于由运转状态检测部220检测出的燃料电池系统100的运转状态来运算最低冷却水温度(步骤S42)。此外，既可以将最低冷却水温度设为由未图示的温度传感器检测的燃料电池系统100的环境温度(外部气温)，也可以基于燃料电池系统100的系统设计、各泵类的额定输出等来预先设定最低冷却水温度并保存在未图示的存储器中。
接着，控制量补充部260基于由运转状态检测部220检测出的燃料电池系统100的运转状态来运算最小阴极气体流量(步骤S43)。此外，也可以基于燃料电池系统100的系统设计、各泵类的额定输出等来预先设定最小阴极气体流量，保存在未图示的存储器中。
接着，控制量补充部260基于在步骤S41～S43中运算出的最大阳极气体循环流量、最低冷却水温度以及最小阴极气体流量，来执行目标阴极气体压力运算处理(烘干)(步骤S44)。然后，阳极气体循环流量控制部250基于最低冷却水温度和最小阴极气体流量等来执行目标阳极气体循环流量运算处理(烘干)(步骤S45)。
接着，控制量补充部260基于最小阴极气体流量等来执行目标冷却水温度运算处理(烘干)(步骤S46)。最后，控制量补充部260基于各种测量值、估计值来执行目标阴极气体流量运算处理(烘干)(步骤S47)。然后，阳极气体循环流量控制部250和控制量补充部260结束该烘干操作用控制量运算处，返回到控制量补充处理的主流程。
此外，烘干操作用控制量运算处理的步骤S44～S47的顺序是基于由优先级设定部240设定的各物理量的优先级而设定的。因此，不应变更这些步骤的顺序。
图18是表示作为与烘干操作用控制量运算处理的步骤S44对应的副例程的目标阴极气体压力运算处理(烘干)的一例的流程图。当到烘干操作用控制量运算处理的步骤S43为止运算出最大阳极气体循环流量、最低冷却水温度和最小阴极气体流量时，控制量补充部260执行该目标阴极气体压力运算处理(烘干)。
控制量补充部260首先读出在烘干操作用控制量运算处理的步骤S41～S43中运算出的最大阳极气体循环流量、最低冷却水温度及最小阴极气体流量以及在目标水收支运算处理的步骤S24中运算出的目标水收支(步骤S441)。根据需要将这些数据保存在未图示的存储器中。
接着，控制量补充部260基于读出的各种数据来运算目标阴极气体压力(步骤S442)。然后，控制量补充部260结束该目标阴极气体压力运算处理(烘干)，返回到烘干操作用控制量运算处理的主流程。
图19是表示作为与烘干操作用控制量运算处理的步骤S45对应的副例程的目标阳极气体循环流量运算处理(烘干)的一例的流程图。阳极气体循环流量控制部250在目标阴极气体压力运算处理(烘干)结束后执行该目标阳极气体循环流量运算处理(烘干)。
阳极气体循环流量控制部250首先获取(测量)由压力传感器24检测出的阴极气体压力(步骤S451)。然后，阳极气体循环流量控制部250读出在步骤S451中获取到的阴极气体压力、在步骤S42～S43中运算出的最低冷却水温度和最小阴极气体流量以及在步骤S24中运算出的目标水收支(步骤S452)。根据需要将这些数据保存在未图示的存储器中。
接着，阳极气体循环流量控制部250基于读出的各种数据来运算目标阳极气体循环流量(步骤S453)。另外，阳极气体循环流量控制部250获取由运转状态检测部220基于阳极循环泵36的转速、由压力传感器37检测出的阳极气体压力以及堆温度而估计出的当前的阳极气体循环流量(步骤S454)。
接着，阳极气体循环流量限制部270基于获取到的当前的阳极气体循环流量以及目标阳极气体循环流量来运算阳极气体循环流量的变化率的限制值(步骤S455)。此外，在上面详细叙述了变化率的限制值的计算方法，因此在此省略其详细的说明。
然后，阳极气体循环流量控制部250结束该目标阳极气体循环流量运算处理(烘干)，返回到烘干操作用控制量运算处理的主流程。
图20是表示作为与烘干操作用控制量运算处理的步骤S46对应的副例程的目标冷却水温度运算处理(烘干)的一例的流程图。控制量补充部260在目标阴极气体压力运算处理(烘干)和目标阳极气体循环流量运算处理(烘干)结束后执行该目标冷却水温度运算处理(烘干)。
控制量补充部260首先读出在步骤S451中测量出的测量阴极气体压力、在步骤S454中获取到的阳极气体循环流量、在步骤S43中运算出的最小阴极气体流量以及在步骤S24中运算出的目标水收支(步骤S461)。然后，控制量补充部260基于读出的各种数据来运算目标冷却水温度(步骤S462)。
接着，控制量补充部260基于在步骤S455中运算出的阳极气体循环流量的变化率的限制值以及目标水收支等来判定是否即使对阳极气体循环流量进行限制也能够实现目标水收支(步骤S463)。在判定为能够实现目标水收支的情况下，控制量补充部260直接结束该目标冷却水温度运算处理(烘干)，返回到烘干操作用控制量运算处理的主流程。
另一方面，在判定为无法实现目标水收支的情况下，控制量补充部260基于由入口水温传感器46和出口水温传感器47检测出的堆入口水温和堆出口水温来运算/测量当前的冷却水温度(步骤S464)。
接着，冷却水温度限制部280基于在步骤S464中测量出的当前的冷却水温度以及在步骤S462中运算出的目标冷却水温度来运算冷却水温度的变化率的限制值(步骤S465)。此外，在上面详细叙述了变化率的限制值的计算方法，因此在此省略其详细的说明。
然后，控制量补充部260结束该目标冷却水温度运算处理(烘干)，返回到烘干操作用控制量运算处理的主流程。
图21是表示作为与烘干操作用控制量运算处理的步骤S47对应的副例程的目标阴极气体流量运算处理(烘干)的一例的流程图。控制量补充部260在目标阴极气体压力运算处理(烘干)、目标阳极气体循环流量运算处理(烘干)以及目标冷却水温度运算处理(烘干)结束后执行该目标阴极气体流量运算处理(烘干)。
控制量补充部260首先读出在步骤S451中测量出的测量阴极气体压力、在步骤S464中测量出的冷却水温度、在步骤S454中获取到的阳极气体循环流量以及在步骤S24中运算出的目标水收支(步骤S461)。
控制量补充部260基于读出的各种数据来运算目标阴极气体流量(步骤S472)。然后，控制量补充部260结束该目标阴极气体流量运算处理(烘干)，返回到烘干操作用控制量运算处理的主流程。
当如以上那样运算烘干操作中的各目标值时，控制器200返回到控制量补充处理的主流程，基于运算出的各目标值来执行用于对各致动器进行驱动控制的各致动器控制处理(步骤S6)，结束该控制量补充处理。
图22是表示作为与控制量补充处理的步骤S5对应的副例程的润湿操作用控制量运算处理的一例的流程图。在控制量补充处理的步骤S3中判定为需要对燃料电池堆1进行润湿操作的情况下，执行该润湿操作用控制量运算处理。此外，主要由阳极气体循环流量控制部250、控制量补充部260以及阳极气体循环流量限制部270来执行润湿操作用控制量运算处理。
在该润湿操作用控制量运算处理中，控制量补充部260基于由运转状态检测部220检测出的燃料电池系统100的运转状态来运算最低阴极气体压力(即，最干阴极气体压力)(步骤S51)。此外，也可以基于燃料电池系统100的系统设计、各泵类的额定输出等来预先设定最低阴极气体压力，保存在未图示的存储器中。
接着，阳极气体循环流量控制部250基于由运转状态检测部220检测出的燃料电池系统100的运转状态，来运算最小阳极气体循环流量(即，最干阳极气体循环流量)(步骤S52)。此外，也可以基于燃料电池系统100的系统设计、各泵类的额定输出等来预先设定最小阳极气体循环流量，保存在未图示的存储器中。
接着，控制量补充部260基于由运转状态检测部220检测出的燃料电池系统100的运转状态来运算最高冷却水温度(即，最干冷却水温度)(步骤S53)。此外，既可以将最高冷却水温度设为由未图示的温度传感器检测的燃料电池系统100的环境温度(外部气温)，也可以基于燃料电池系统100的系统设计、各泵类的额定输出等来预先设定最高冷却水温度，保存在未图示的存储器中。
接着，控制量补充部260基于在步骤S51～S53中运算出的最低阴极气体压力、最小阳极气体循环流量以及最高冷却水温度来执行目标阴极气体流量运算处理(润湿)(步骤S54)。然后，控制量补充部260基于最低阴极气体压力和最小阳极气体循环流量等来执行目标冷却水温度运算处理(润湿)(步骤S55)。
接着，阳极气体循环流量控制部250基于最低阴极气体压力等来执行目标阳极气体循环流量运算处理(润湿)(步骤S56)。最后，控制量补充部260基于各种测量值、估计值来执行目标阴极气体压力运算处理(润湿)(步骤S57)。然后，阳极气体循环流量控制部250和控制量补充部260结束该润湿操作用控制量运算处理，返回到控制量补充处理的主流程。
此外，润湿操作用控制量运算处理的步骤S54～S57的顺序是基于由优先级设定部240设定的各物理量的优先级而设定的。因此，不应变更这些步骤的顺序。
图23是表示作为与润湿操作用控制量运算处理的步骤S54对应的副例程的目标阴极气体流量运算处理(润湿)的一例的流程图。当到润湿操作用控制量运算处理的步骤S53为止运算出最低阴极气体压力、最小阳极气体循环流量以及最高冷却水温度时，控制量补充部260执行该目标阴极气体流量运算处理(润湿)。
控制量补充部260首先读出在润湿操作用控制量运算处理的步骤S51～S53中运算出的最低阴极气体压力、最小阳极气体循环流量及最高冷却水温度以及在目标水收支运算处理的步骤S24中运算出的目标水收支(步骤S541)。根据需要将这些数据保存在未图示的存储器中。
接着，控制量补充部260基于读出的各种数据来运算目标阴极气体流量(步骤S542)。然后，控制量补充部260结束该目标阴极气体流量运算处理(润湿)，返回到润湿操作用控制量运算处理的主流程。
图24是表示作为与润湿操作用控制量运算处理的步骤S55对应的副例程的目标冷却水温度运算处理(润湿)的一例的流程图。控制量补充部260在目标阴极气体流量运算处理(润湿)结束后执行该目标冷却水温度运算处理(润湿)。
控制量补充部260首先获取(测量)由流量传感器23检测出的阴极气体流量(步骤S551)。然后，控制量补充部260读出在步骤S551中获取到的阴极气体流量、在润湿操作用控制量运算处理的步骤S51～S52中运算出的最低阴极气体压力和最小阳极气体循环流量以及在目标水收支运算处理的步骤S24中运算出的目标水收支(步骤S552)。根据需要将这些数据保存在未图示的存储器中。
接着，控制量补充部260基于读出的各种数据来运算目标冷却水温度(步骤S553)。然后，控制量补充部260结束该目标冷却水温度运算处理(润湿)，返回到润湿操作用控制量运算处理的主流程。
图25是表示作为与润湿操作用控制量运算处理的步骤S56对应的副例程的目标阳极气体循环流量运算处理(润湿)的一例的流程图。阳极气体循环流量控制部250在目标阴极气体流量运算处理(润湿)和目标冷却水温度运算处理(润湿)结束后执行该目标阳极气体循环流量运算处理(润湿)。
阳极气体循环流量控制部250首先获取(测量)基于由入口水温传感器46和出口水温传感器47检测出的堆入口水温和堆出口水温而运算出的冷却水温度(步骤S561)。然后，阳极气体循环流量控制部250读出在步骤S551中获取到的阴极气体流量、在步骤S561中获取到的冷却水温度、在步骤S51中运算出的最低阴极气体压力以及在目标水收支运算处理的步骤S24中运算出的目标水收支(步骤S562)。
接着，阳极气体循环流量控制部250基于读出的各种数据来运算目标阳极气体循环流量(步骤S563)。另外，阳极气体循环流量控制部250获取由运转状态检测部220基于阳极循环泵36的转速、由压力传感器37检测出的阳极气体压力以及堆温度而估计出的当前的阳极气体循环流量(步骤S564)。
接着，阳极气体循环流量限制部270基于获取到的当前的阳极气体循环流量和目标阳极气体循环流量来运算阳极气体循环流量的变化率的限制值(步骤S565)。此外，在上面详细叙述了变化率的限制值的计算方法，因此在此省略其详细的说明。
然后，阳极气体循环流量控制部250结束该目标阳极气体循环流量运算处理(润湿)，返回到润湿操作用控制量运算处理的主流程。
图26是表示作为与润湿操作用控制量运算处理的步骤S57对应的副例程的目标阴极气体压力运算处理(润湿)的一例的流程图。控制量补充部260在目标阴极气体流量运算处理(润湿)、目标冷却水温度运算处理(润湿)以及目标阳极气体循环流量运算处理(润湿)结束后执行该目标阴极气体压力运算处理(润湿)。
控制量补充部260首先读出在步骤S564中估计出的阳极气体循环流量、在步骤S561中获取出的冷却水温度、在步骤S551中获取到的阴极气体流量以及在目标水收支运算处理的步骤S24中运算出的目标水收支(步骤S571)。
接着，控制量补充部260基于读出的各种数据来运算目标阴极气体压力(步骤S572)。然后，控制量补充部260结束该目标阴极气体压力运算处理(润湿)，返回到润湿操作用控制量运算处理的主流程。
当如以上那样运算出润湿操作中的各目标值时，控制器200返回到控制量补充处理的主流程，基于运算出的各目标值来执行用于对各致动器进行驱动控制的各致动器控制处理(步骤S6)，结束该控制量补充处理。
如以上所说明的那样，本实施方式的燃料电池系统100将阳极气体和阴极气体供给到燃料电池10(燃料电池堆1)来使其发电，该燃料电池系统100具备：阳极气体循环通路35，其将从燃料电池10排出的阳极排气与向燃料电池10供给的阳极气体混合后供给到燃料电池10；湿润状态检测部210，其检测燃料电池10的电解质膜111的湿润状态；以及湿润状态控制部230，其通过对包括阳极气体循环流量在内的多个物理量(在本实施方式中，阴极气体流量、阴极气体压力以及冷却水温度)进行操作，来控制电解质膜111的湿润状态。而且，本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)具备：阳极气体循环流量控制部250，其基于由湿润状态检测部210检测出的电解质膜111的湿润状态来控制阳极气体循环通路35的阳极气体循环流量；以及优先级设定部240，其对由湿润状态控制部230操作的多个物理量设定稳定的操作的优先级。在此，阳极气体循环流量控制部250包括：阳极气体循环流量限制部270，其在改变电解质膜111的湿润状态的过渡运转时，对阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制；以及控制量补充部260，其在阳极气体循环流量的变化率被阳极气体循环流量限制部270所限制的情况下，通过由优先级设定部240设定的稳定的操作的优先级比对阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的物理量的操作，来对由于阳极气体循环流量的限制而不足的湿润状态的控制量部分进行补充。
本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)这样构成，因此通过在阳极气体循环流量的控制中对其变化率设置限制，能够有效地抑制过渡性地变为与想要的控制(例如，烘干操作或润湿操作)相反的控制。而且，在对阳极气体循环流量的变化率设置了限制的情况下，能够利用与阳极气体循环流量相比优先级低的物理量来对不足的控制量部分进行补充。因而，根据本实施方式的燃料电池系统100的控制装置，能够保持稳定的优先级、并且减轻如在控制开始时过渡性地变为反效果这样的影响。
在本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)中，在使燃料电池10的电解质膜111湿润的操作中，作为稳定的操作的优先级比对阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的操作对象，包括向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力(阴极气体压力)，当开始使燃料电池10湿润的操作时，阳极气体循环流量限制部270对阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制，并且控制量补充部260(目标阴极气体压力运算部261)利用提高所供给的阴极气体的压力的操作来对由于阳极气体循环流量的限制而不足的湿润状态的控制量部分进行补充。当在润湿操作中对阳极气体循环流量进行控制的情况下阶跃状地急剧地改变阳极气体循环流量的指令值时，存在过渡性地变为烘干电解质膜111的可能性。因此，在本实施方式中，设为对阳极气体循环流量的变化率设置限制，并且通过控制阴极气体压力来对不足部分的控制量进行补充。由此，能够保持阳极气体循环流量和阴极气体压力的稳定的优先级、并且减轻如在控制开始时过渡性地变为反效果这样的影响。
在本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)中，在使燃料电池10的电解质膜111干燥的操作中，作为稳定的操作的优先级比对阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的操作对象，包括对燃料电池堆1进行冷却的冷却水的温度(冷却水温度)以及向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量(阴极气体流量)，当开始使燃料电池10的电解质膜111干燥的操作时，阳极气体循环流量限制部270对阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制，并且控制量补充部260(目标冷却水温度运算部262或目标阴极气体流量运算部263)通过提高冷却水的温度的操作和增加阴极气体流量的操作中的至少一个，来对由于阳极气体循环流量的变化率的限制而不足的湿润状态的控制量部分进行补充。当在烘干操作中对阳极气体循环流量进行控制的情况下阶跃状地急剧地改变阳极气体循环流量的指令值时，存在过渡性地变为润湿电解质膜11的可能性。因此，在本实施方式中，设为对阳极气体循环流量的变化率设置限制，并且通过控制冷却水温度或控制阴极气体流量来对不足部分的控制量进行补充。由此，能够保持阳极气体循环流量、冷却水温度以及阴极气体流量的稳定的优先级、并且减轻如在控制开始时过渡性地变为反效果这样的影响。
在本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)中，阳极气体循环流量控制部250还具备冷却水温度限制部280，在改变电解质膜111的湿润状态的过渡运转时，该冷却水温度限制部280对冷却水的温度(冷却水温度)的每单位时间的变化率进行限制，控制量补充部260对于由于冷却水温度的限制而不足的湿润状态的控制量部分，也通过增加阴极气体的流量的操作来进行补充。在本实施方式中，设为在烘干操作中，对阳极气体循环流量的变化率施加限制，并且对冷却水温度的变化率也施加限制，利用阴极气体的流量来对不足部分的控制量进行补充。由此，能够减轻由于阳极气体循环流量的操作而引起的过渡性的向反方向的操作、并且也同时减轻由于冷却水温度与阳极气体循环流量的关系而变为向反方向的操作的情况。
在本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)中，构成为：在担心改变电解质膜111的湿润状态的过渡运转时氢缺乏的情况下、或者要在燃料电池系统100启动时尽快向燃料电池堆1供给阳极气体以防止因氢边界引起的阴极催化剂层的劣化的情况下，阳极气体循环流量限制部270解除阳极气体循环流量的变化率的限制。像这样，在需要尽早向燃料电池10供给阳极气体的情况下，能够通过解除本实施方式的阳极气体循环流量的变化率的限制来向燃料电池10供给多的阳极气体。由此，能够有效地防止，燃料电池堆1的燃料电池10的阳极气体流路121的出口附近的水堵塞、启动时的催化剂劣化等。
在本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)中，由湿润状态检测部210检测的湿润状态只要是水收支即可，该水收支是作为流入到燃料电池堆1的水(水分)及在燃料电池堆1内部生成的水的量与从燃料电池排出的水的量之间的收支而计算出的。通过像这样使用水收支，能够在压力、流量、温度等不同的物理单位(维度：次元)之间也实现不足的控制量部分的补充。
在本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)中，阳极气体循环流量控制部250构成为包括阳极循环泵36。通过使用阳极循环泵36，即使与引射器的多级切换等相比，也能够无缝地进行流量控制。由此，阳极气体循环流量限制部270的变化率的限制也能够容易地进行。
在本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)中，多个物理量包括以下4个物理量：除了包括阳极气体循环流量以外，还包括向燃料电池堆1供给的阴极气体的压力、向燃料电池堆1供给的阴极气体的流量以及对燃料电池堆1进行冷却的冷却水的温度。通过像这样依次控制4个物理量，能够抑制控制的回弹、过量来有效地控制燃料电池10的电解质膜111的湿润状态。另一方面，在将堆输出电流用作多个物理量之一的情况下，燃料电池堆1的输出本身发生变动，因此有可能发生控制的过量、回弹。因此，在本实施方式中，将上述4个物理量作为控制对象。
在本实施方式的燃料电池系统100的控制装置(控制器200)中，优先级设定部240在使燃料电池10的电解质膜111干燥的操作中，设定按以下顺序下降的稳定的优先级：所述顺序是降低阴极气体压力的操作、降低阳极气体循环流量的操作、升高冷却水的温度的操作、升高阴极气体的流量的操作这样的顺序。另外，优先级设定部240在使燃料电池10的电解质膜111湿润的操作中，设定按以下顺序下降的稳定的优先级：所述顺序是降低阴极气体的流量的操作、降低冷却水的温度的操作、升高阳极气体循环流量的操作、升高阴极气体的压力的操作这样的顺序。像这样对作为控制对象的多个物理量赋予优先级是为了考虑各辅机的消耗电力并且防止同时对它们进行操作的情况下的与其它物理量的控制之间的干扰。由此，能够排除无用的操作，抑制无用的消耗现力。
此外，在烘干操作中，作为优先级，与降低阳极气体循环流量相比先降低阴极气体压力。这是由于考虑到消耗电力而先对降低消耗电力的物理量进行操作。例如，在利用压缩机22供给阴极气体的情况下，阴极气体压力越高，则压缩机22的消耗电力越大。另外，与阳极循环泵36的消耗电力相比压缩机22的消耗电力更大，因此使阴极气体压力的操作优先。
另外，在润湿操作中，不使阳极气体循环流量的优先级为最后是由于无法进行控制量的补充。并且，在润湿操作中，与降低冷却水温度相比先降低阴极气体的流量。这是由于不仅考虑到消耗电力、还考虑到控制的响应性。冷却水温度的操作响应性与其它物理量相比差，因此这是为了防止控制性的恶化。
关于本实施方式中的燃料电池系统100的控制方法，该燃料电池系统100将阳极气体和阴极气体供给到燃料电池堆1来使其发电，并且具备将从燃料电池堆1排出的阳极排气与向燃料电池堆1供给的阳极气体混合后供给到燃料电池堆1的阳极气体循环通路35，该燃料电池系统100的控制方法包括以下步骤：检测燃料电池10的电解质膜111的湿润状态；基于所检测出的电解质膜111的湿润状态来控制阳极气体循环通路35的阳极气体循环流量；通过对包括阳极气体循环流量在内的、被分别设定了稳定的操作的优先级的多个物理量进行操作(控制对应的致动器)，来控制电解质膜111的湿润状态；在改变电解质膜111的湿润状态的过渡运转时，对阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制；以及在阳极气体循环流量的变化率被限制的情况下，通过稳定的操作的优先级比对阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的物理量的操作，来对由于阳极气体循环流量的限制而不足的湿润状态的控制量部分进行补充。通过像这样控制燃料电池系统100，能够得到与上述同样的效果。
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技术范围限定于上述实施方式的具体结构。
在上述实施方式中，作为在烘干操作和润湿操作中被控制的物理量，除了阳极气体循环流量以外，列举了阴极气体压力、冷却水温度以及阴极气体流量来进行说明。然而，本发明不限于这些物理量，例如也可以在控制对象的物理量中不包含它们之一。在该情况下，由于需要对阳极气体循环流量的变化率施加限制，因此需要至少1个与阳极气体循环流量相比优先级低的物理量。因此，能够从烘干操作和润湿操作这两方排除的物理量仅为阴极气体流量。
另外，在上述实施方式中，作为控制对象的物理量，列举了阳极气体循环流量、阴极气体压力、冷却水温度以及阴极气体流量这4个，但是本发明不限于这4个。例如，作为控制对象，也可以除了4个物理量以外还包括循环储蓄水。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统的控制装置，该燃料电池系统将阳极气体和阴极气体供给到燃料电池，根据负载的要求来进行发电，
所述燃料电池系统是阳极气体循环型的燃料电池系统，
所述燃料电池系统具备：
阳极气体循环通路，其将从所述燃料电池排出的阳极排气与向所述燃料电池供给的阳极气体混合后供给到所述燃料电池；
湿润状态检测部，其检测所述燃料电池的电解质膜的湿润状态；以及
湿润状态控制部，其通过对包括在所述阳极气体循环通路中流动的阳极气体循环流量在内的多个物理量进行操作，来控制所述电解质膜的湿润状态，
所述控制装置具备：
阳极气体循环流量控制部，其基于由所述湿润状态检测部检测出的所述电解质膜的湿润状态来控制所述阳极气体循环流量；以及
优先级设定部，其针对由所述湿润状态控制部操作的所述多个物理量设定稳定的操作的优先级，
其中，所述阳极气体循环流量控制部包括：
阳极气体循环流量限制部，其在改变所述电解质膜的湿润状态的过渡运转时，对所述阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制；以及
控制量补充部，其在所述阳极气体循环流量的变化率被所述阳极气体循环流量限制部所限制的情况下，通过由所述优先级设定部设定的稳定的操作的优先级比对所述阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的物理量的操作，来对由于该阳极气体循环流量的限制而不足的所述湿润状态的控制量部分进行补充。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
在使所述燃料电池的电解质膜湿润的操作中，作为稳定的操作的优先级比对所述阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的操作对象，包括向所述燃料电池供给的阴极气体的压力，
当开始使所述燃料电池湿润的操作时，所述阳极气体循环流量限制部对所述阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制，并且，所述控制量补充部通过提高所述供给的阴极气体的压力的操作，来对由于所述阳极气体循环流量的限制而不足的湿润状态的控制量部分进行补充。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
在使所述燃料电池的电解质膜干燥的操作中，作为稳定的操作的优先级比对所述阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的操作对象，包括对所述燃料电池进行冷却的冷却水的温度以及向所述燃料电池供给的阴极气体的流量，
当开始使所述燃料电池的电解质膜干燥的操作时，所述阳极气体循环流量限制部对所述阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制，并且，所述控制量补充部通过提高所述冷却水的温度的操作以及增加所述阴极气体的流量的操作中的至少一个，来对由于所述阳极气体循环流量的限制而不足的湿润状态的控制量部分进行补充。
4.根据权利要求3所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
所述阳极气体循环流量控制部还具备冷却水温度限制部，在改变所述电解质膜的湿润状态的过渡运转时，该冷却水温度限制部对所述冷却水的温度的每单位时间的变化率进行限制，
所述控制量补充部对于由于所述温度的限制而不足的湿润状态的控制量部分，也通过增加所述阴极气体的流量的操作来进行补充。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
在担心改变所述电解质膜的湿润状态的过渡运转时氢缺乏的情况下、或者在所述燃料电池系统启动时要尽快向所述燃料电池供给阳极气体的情况下，所述阳极气体循环流量限制部解除所述阳极气体循环流量的变化率的限制。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
所述湿润状态检测部所检测的湿润状态是由水收支决定的，该水收支是作为流入到所述燃料电池的水及在所述燃料电池内部生成的水的量与从所述燃料电池排出的水的量之间的收支而计算出的。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
所述阳极气体循环流量控制部包括阳极循环泵。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
所述多个物理量除了包括所述阳极气体循环流量以外，还包括向所述燃料电池供给的阴极气体的压力、向所述燃料电池供给的阴极气体的流量以及对所述燃料电池进行冷却的冷却水的温度。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统的控制装置，其特征在于，
所述优先级设定部在使所述燃料电池的电解质膜干燥的操作中，设定按以下顺序下降的所述稳定的优先级：所述顺序是降低所述阴极气体的压力的操作、降低所述阳极气体循环流量的操作、升高所述冷却水的温度的操作、升高所述阴极气体的流量的操作这样的顺序，
所述优先级设定部在使所述燃料电池的电解质膜湿润的操作中，设定按以下顺序下降的所述稳定的优先级：所述顺序是降低所述阴极气体的流量的操作、降低所述冷却水的温度的操作、升高所述阳极气体循环流量的操作、升高所述阴极气体的压力的操作这样的顺序。
10.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统将阳极气体和阴极气体供给到燃料电池来使该燃料电池进行发电，并且具备将从所述燃料电池排出的阳极排气与向所述燃料电池供给的阳极气体混合后供给到所述燃料电池的阳极气体循环通路，所述燃料电池系统的控制方法包括以下步骤：
检测所述燃料电池的电解质膜的湿润状态；
基于所检测出的所述电解质膜的湿润状态来控制所述阳极气体循环通路的阳极气体循环流量；以及
通过对包括所述阳极气体循环流量在内的、被分别设定了稳定的操作的优先级的多个物理量进行操作，来控制所述电解质膜的湿润状态，
控制所述电解质膜的湿润状态的步骤包括以下步骤：
在改变所述电解质膜的湿润状态的过渡运转时，对所述阳极气体循环流量的每单位时间的变化率进行限制；以及
在所述阳极气体循环流量的变化率被限制的情况下，通过稳定的操作的优先级比对所述阳极气体循环流量设定的稳定的操作的优先级低的物理量的操作，来对由于该阳极气体循环流量的限制而不足的所述湿润状态的控制量部分进行补充。
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