JP6540407B2 - 燃料電池システムの湿潤制御装置及び湿潤制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、電解質膜の湿潤状態を制御する燃料電池システムの湿潤制御装置及び湿潤制御方法に関する。

特許文献１には、電解質膜の含水量を増やすウェット操作を実施する場合に、燃料電池に供給される燃料ガスの圧力と、燃料電池を循環する燃料ガスの流量とを制御する燃料電池システムが開示されている。

特許第５１０４９５０号

上述のような燃料電池システムでは、電解質膜の含水量を減らすドライ操作を実施する場合に、燃料電池を循環する燃料の流量よりも先に、燃料電池に供給される燃料の圧力を制御すると、電解質膜の含水量が減少しないことがある。このような状況では、ドライ操作を開始してから燃料の圧力が目標値に達するまでの間は、燃料の流量が無用に維持されることになるため、ドライ操作に要する時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、効率良く燃料電池の湿潤状態を制御する燃料電池システム及び燃料電池システムの湿潤制御装置及び湿潤制御方法を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって上述の課題を解決する。

本発明のある態様によれば、燃料電池システムの湿潤制御装置は、燃料電池の発電のための酸化剤が流れる酸化剤系に備えられ、前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段により前記燃料電池の電解質膜で発生した水を排出する排水手段を含む。また、燃料電池システムの湿潤制御装置は、前記酸化剤系の流れと対向する方向に燃料が流れ、前記電解質膜で発生した水を留保する燃料系に備えられ、前記燃料系に燃料を循環させる燃料循環手段と、前記燃料系の圧力を調整する燃料系圧力調整手段とを含む。そして、燃料電池システムの湿潤制御装置は、前記電解質膜の湿潤状態を示す信号を取得する取得手段と、前記取得手段により取得される前記信号により、少なくとも前記燃料循環手段と前記燃料系圧力調整手段とを操作して前記電解質膜の湿潤状態を制御する制御手段を備える。前記制御手段は、少なくとも前記電解質膜の水分を減らすドライ操作時には、前記燃料循環手段の操作による前記電解質膜の湿潤状態の制御を前記燃料系圧力調整手段の操作による前記電解質膜の湿潤状態の制御よりも優先して実行する。

本発明のある態様によれば、燃料系圧力調整手段を燃料循環手段よりも先に制御しても電解質膜の水分が減り難いような状況では、燃料系圧力調整手段に対する制御を抑制することができる。このように無駄な制御を抑制することにより、ドライ操作に要する時間が短くなるので、効率よく燃料電池の湿潤状態を制御することができる。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、燃料電池の構成の一例を示す斜視図である。 図３は、図２に示した燃料電池のII−II断面図である。 図４は、アノードガス流量制御とアノードガス圧力制御による電解質膜の水分の変化を示す図である。 図５は、燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成の一例を示すブロック図である。 図６は、アノード循環ポンプの回転速度と、燃料電池を循環するアノードガスの流量との関係を示すマップである。 図７は、電解質膜の湿潤状態を示す信号を取得する膜湿潤状態取得部の機能構成の一例を示す図である。 図８は、燃料電池の出力と、電解質膜の目標とする湿潤状態との関係を示すマップである。 図９は、本実施形態における燃料電池システムの湿潤制御方法の一例を示すフローチャートである。 図１０は、電解質膜の水分を減らすドライ操作を実施したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図１１は、本発明の第２実施形態における燃料電池の湿潤状態を制御する湿潤制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１２は、燃料電池システムの出力を重視する出力重視ドライ操作を実施するときの湿潤制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１３は、燃料電池を循環するアノードガスの目標流量を演算するアノード目標流量演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１４は、燃料電池に供給されるアノードガス及びカソードガスの流量比と、燃料電池のカソード出口におけるカソードガス相対湿度との関係を示すマップである。 図１５は、アノードガス及びカソードガスの流量比の補正係数と極間差圧との関係を示すマップである。 図１６は、燃料電池に供給されるアノードガスの目標圧力を演算するアノード目標圧力演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１７は、燃料電池に供給されるカソードガスの目標圧力を演算するカソード目標圧力演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１８は、燃料電池に供給されるカソードガスの目標流量を演算するカソード目標流量演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図１９は、第２実施形態における燃料電池システムの湿潤制御方法の一例を示すフローチャートである。 図２０は、湿潤制御方法で実行される出力重視ドライ操作処理に関するフローチャートである。 図２１は、出力重視ドライ操作処理で実行されるガス状態調整処理に関するフローチャートである。 図２２は、出力重視ドライ操作を実施したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図２３は、出力重視ドライ操作において、アノードガス目標流量の代わりにアノードガス推定流量を用いてアノードガス圧力を制御したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図２４は、燃料電池の目標湿潤状態の変更に伴って出力重視ドライ操作を実施したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図２５は、本発明の第３実施形態における燃費重視ドライ操作時の湿潤制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図２６は、燃費重視ドライ操作時におけるカソード目標圧力演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図２７は、燃費重視ドライ操作時におけるアノード目標流量演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図２８は、燃費重視ドライ操作時におけるカソード目標流量演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図２９は、燃費重視ドライ操作時におけるアノード目標圧力演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図３０は、湿潤制御方法で実行される燃費重視ドライ操作処理に関するフローチャートである。 図３１は、燃費重視ドライ操作処理で実行されるガス状態調整処理に関するフローチャートである。 図３２は、燃費重視ドライ操作を実施したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図３３は、ドライ操作におけるアノードガス流量制御とカソードガス圧力制御との関係を示す図である。 図３４は、燃費重視ドライ操作において、カソードガス目標圧力の代わりにカソードガス圧力の計測値を用いてアノードガス流量を制御したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図３５は、燃料電池の目標湿潤状態の変更に伴って燃費重視ドライ操作を実施したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図３６は、本発明の第４実施形態における速乾性重視ドライ操作時の湿潤制御部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図３７は、速乾性重視ドライ操作時におけるカソード目標圧力演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図３８は、速乾性重視ドライ操作時におけるアノード目標流量演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図３９は、速乾性重視ドライ操作時におけるカソード目標流量演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図４０は、速乾性重視ドライ操作時におけるアノード目標圧力演算部の機能構成の一例を示すブロック図である。 図４１は、湿潤制御方法で実行される速乾性重視ドライ操作処理に関するフローチャートである。 図４２は、速乾性重視ドライ操作処理で実行されるガス状態調整処理に関するフローチャートである。 図４３は、速乾性重視ドライ操作を実施したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図４４は、ドライ操作におけるカソードガス流量制御とアノードガス圧力制御との関係を示す図である。 図４５は、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス目標流量の代わりにカソードガス流量の計測値を用いてアノードガス圧力を制御したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図４６は、燃料電池の目標湿潤状態の変更に伴って燃費重視ドライ操作を実施したときの燃料電池システムの状態変化の一例を示すタイムチャートである。 図４７は、電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池のインピーダンスを測定する測定装置の構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す構成図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池の発電に必要となる燃料を含むアノードガス、及び酸化剤を含むカソードガスをそれぞれ燃料電池スタック１に供給し、電気負荷に応じて燃料電池を発電させる電源システムを構成する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、負荷装置５と、インピーダンス測定装置６と、コントローラ２００とを含む。

燃料電池スタック１は、上述のとおり、複数の燃料電池が積層された積層電池である。燃料電池スタック１は、負荷装置５に接続される電源であり、負荷装置５に電力を供給する。燃料電池スタック１は、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流の電圧を生じる。

カソードガス給排装置２は、カソードガスに含まれる酸化剤が流れる酸化剤系（空気系）を構成する。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを大気に排出する装置である。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、コンプレッサ２２と、流量センサ２３と、カソード圧力センサ２４と、カソードガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６とを含む。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１の一端は開口しており、他端は、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

コンプレッサ２２は、燃料電池の電解質膜に酸化剤を供給する酸化剤供給手段を構成すると共に、酸化剤供給手段により燃料電池の電解質膜で発生した水を排出する排水手段を構成する。コンプレッサ２２は、酸化剤を含む空気を燃料電池に供給するアクチュエータである。コンプレッサ２２は、大気から燃料電池までの経路であるカソードガス供給通路２１の途中に設けられる。

コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１の開口端から酸素を含有する空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。コンプレッサ２２の回転速度はコントローラ２００によって制御される。コンプレッサ２２の回転速度を変化させることにより、カソードガス流路１１３を流れるカソードガスの流量を増減する。

流量センサ２３は、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。流量センサ２３は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量のことを単に「カソードガス流量」という。流量センサ２３は、カソードガス流量を検出した信号をコントローラ２００に出力する。

カソード圧力センサ２４は、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力のことを単に「カソードガス圧力」という。カソード圧力センサ２４は、カソードガス圧力を検出した信号をコントローラ２００に出力する。

カソードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１からカソードオフガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路２５の一端は、燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口している。

カソード調圧弁２６は、酸化剤系の圧力を調整する酸化剤系圧力調整手段を構成する。カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２５に設けられる。カソード調圧弁２６としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。カソード調圧弁２６はコントローラ２００によって開閉制御される。この開閉制御によってカソードガス圧力が所望の圧力に調節される。カソード調圧弁２６の開度が大きくなるほど、カソード調圧弁２６が開き、カソード調圧弁２６の開度が小さくなるほど、カソード調圧弁２６が閉じる。

アノードガス給排装置３は、酸化剤系の流れと対向する方向にアノードガスが流れ、燃料電池スタック１内の電解質膜で発生した水を留保する燃料系（水素系）を構成する。アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１に導入して循環させる装置である。

アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、エゼクタ３４と、アノードガス循環通路３５と、アノード循環ポンプ３６と、アノード圧力センサ３７と、パージ弁３８とを含む。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給される燃料である水素を高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１に貯蔵された燃料をアノードガスとして燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端は、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、燃料系を構成するアノードガス供給通路３２の圧力を調整する燃料系圧力調整手段を構成する。アノード調圧弁３３は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス中の燃料の圧力を調整する。アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１とエゼクタ３４との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３の開度を変化させることにより、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力は上昇又は降下する。

アノード調圧弁３３としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ２００によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力が調節される。

エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。エゼクタ３４は、アノードガス供給通路３２においてアノードガス循環通路３５が合流する部分に設けられる機械式ポンプである。

アノードガス循環通路３５は、燃料電池スタック１からのアノードオフガスをアノードガス供給通路３２に導入して燃料電池スタック１に循環させる通路である。アノードガス循環通路３５の一端は、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端は、エゼクタ３４の吸引口に接続される。

アノード循環ポンプ３６は、アノードガスに含まれる燃料を燃料系のアノードガ循環通路３５で循環させる燃料循環手段を構成する。アノード循環ポンプ３６は、燃料を含むアノードガスの循環流量を調整するアクチュエータである。アノード循環ポンプ３６の回転速度を変化させることにより、アノードガス循環通路３５を流れるアノードガスの循環流量は増加又は減少する。

アノード循環ポンプ３６は、アノードガス循環通路３５に設けられる。アノード循環ポンプ３６は、エゼクタ３４を介してアノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させる。アノード循環ポンプ３６の回転速度はコントローラ２００によって制御される。これにより、アノードガス循環通路３５を循環するアノードガスの流量が調整される。以下では、アノードガス循環通路３５を循環するアノードガスの流量のことを単に「アノードガス循環流量」という。

アノード圧力センサ３７は、エゼクタ３４と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３７は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力のことを単に「アノードガス圧力」という。アノード圧力センサ３７は、アノードガス圧力を検出した信号をコントローラ２００に出力する。

パージ弁３８は、アノードガス循環通路３５から分岐した不図示のアノードガス排出通路に設けられる。パージ弁３８は、アノードオフガスに含まれる不純物を外部に排出する。不純物とは、燃料電池のカソード極から電解質膜を介してアノード極に透過してきた空気中の窒素ガスや、発電に伴う生成水などのことである。パージ弁３８の開度はコントローラ２００によって制御される。

なお、アノードガス排出通路は、図示していないが、カソード調圧弁２６よりも下流側のカソードガス排出通路２５に合流する。これにより、パージ弁３８から排出されるアノードオフガスは、カソードガス排出通路２５のカソードオフガスにより希釈されるので、希釈後のカソードオフガス中の水素濃度は規定値以下に維持される。

スタック冷却装置４は、燃料電池１０の温度を冷却する装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、バイパス通路４４と、三方弁４５と、入口水温センサ４６と、出口水温センサ４７とを含む。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１に冷却水を循環させる通路である。冷却水循環通路４１の一端は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。

冷却水ポンプ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４２は、ラジエータ４３を介して燃料電池スタック１に冷却水を供給する。冷却水ポンプ４２の回転速度は、コントローラ２００によって制御される。

ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも下流の冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４３は、燃料電池スタック１の内部で温められた冷却水をファンによって冷却する。

バイパス通路４４は、ラジエータ４３をバイパスする通路であって、燃料電池スタック１から排出される冷却水を燃料電池スタック１に戻して循環させる通路である。バイパス通路４４の一端は、冷却水ポンプ４２とラジエータ４３との間の冷却水循環通路４１に接続され、他端は、三方弁４５の一端に接続される。

三方弁４５は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度を調整する。三方弁４５は、例えばサーモスタットにより実現される。三方弁４５は、ラジエータ４３と燃料電池スタック１の冷却水入口孔との間の冷却水循環通路４１においてバイパス通路４４が合流する部分に設けられる。

入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７は、冷却水の温度を検出する。入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７によって検出される冷却水の温度は、燃料電池スタック１の温度、又は燃料電池スタック１内のカソードガス及びアノードガスの温度として用いられる。以下では、燃料電池スタック１の温度のことを「スタック温度」ともいう。

入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１に形成された冷却水入口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に流入する冷却水の温度を検出する。以下では、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に流入する冷却水の温度のことを「スタック入口水温」という。入口水温センサ４６は、スタック入口水温を検出した信号をコントローラ２００に出力する。

出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に形成された冷却水出口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。以下では、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度のことを「スタック出口水温」という。出口水温センサ４７は、スタック出口水温を検出した信号をコントローラ２００に出力する。

負荷装置５は、燃料電池スタック１からの発電電力を受けて駆動する。負荷装置５としては、例えば、車両を駆動する電動モータや、電動モータを制御する制御ユニット、燃料電池スタック１の発電を補助する補機などが含まれる。燃料電池スタック１の補機としては、例えば、コンプレッサ２２や、アノード循環ポンプ３６、冷却水ポンプ４２などが挙げられる。

なお、負荷装置５を制御する制御ユニットは、燃料電池スタック１に対して要求する要求電力をコントローラ２００に出力する。例えば、燃料電池システム１００を搭載した車両では、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、負荷装置５の要求電力は大きくなる。

負荷装置５と燃料電池スタック１との間には、電流センサ５１と電圧センサ５２とが配置される。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負荷装置５の正極端子との間の電源線に接続される。電流センサ５１は、燃料電池スタック１から負荷装置５に出力される電流を検出する。以下では、燃料電池スタック１から負荷装置５に出力される電流のことを「スタック出力電流」という。電流センサ５１は、スタック出力電流を検出した信号をコントローラ２００に出力する。

電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間に接続される。電圧センサ５２は、正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間の電圧である端子間電圧を検出する。以下では、燃料電池スタック１の端子間電圧のことを「スタック出力電圧」という。電圧センサ５２は、スタック出力電圧を検出した信号をコントローラ２００に出力する。

インピーダンス測定装置６は、電解質膜１１１の湿潤状態を検出する装置である。インピーダンス測定装置６は、電解質膜１１１の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する。

一般に、電解質膜の含水量（水分）が少なくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスの電気抵抗成分は大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスの電気抵抗成分は小さくなる。このため、電解質膜１１１の湿潤状態を示すパラメータとして、本実施形態では燃料電池スタック１の内部インピーダンスが用いられる。

燃料電池スタック１には、正極端子１ｐと直列に接続された正極タブと、負極端子１ｎと直列に接続された負極タブとが設けられており、正極タブ及び負極タブの各々にインピーダンス測定装置６が接続される。インピーダンス測定装置６は、電解質膜１１１の電気抵抗を検出するのに適した周波数を有する交流電流を正極端子１ｐに供給する。電解質膜の電気抵抗を検出するのに適した周波数のことを以下では「電解質膜応答周波数」という。インピーダンス測定装置６は、電解質膜応答周波数の交流電流によって正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間に生じる交流電圧を検出し、検出した交流電圧の振幅を、正極端子１ｐに供給した交流電流の振幅で除算することにより、内部インピーダンスを算出する。

本実施形態では、燃料電池スタック１に積層された燃料電池の中途に位置する燃料電池に中途タブが設けられ、その中途タブはインピーダンス測定装置６において接地される。インピーダンス測定装置６は、電解質膜応答周波数の交流電流を正極端子１ｐ及び負極端子１ｎの双方に供給する。インピーダンス測定装置６は、正極端子１ｐと中途タブとの間の交流電圧の振幅を、正極端子１ｐに供給した交流電流の振幅で除算して正極側の内部インピーダンスを算出する。インピーダンス測定装置６は、負極端子１ｎと中途タブとの間の交流電圧の振幅を、負極端子１ｎに供給した交流電流の振幅で除算して負極側の内部インピーダンスを算出する。

以下では、電解質膜応答周波数によって測定された内部インピーダンスのことを計測ＨＦＲ（High Frequency Resistance；高周波数抵抗）という。インピーダンス測定装置６は、算出した計測ＨＦＲをコントローラ２００に出力する。

コントローラ２００は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。

コントローラ２００には、流量センサ２３、カソード圧力センサ２４、アノード圧力センサ３７、入口水温センサ４６、出口水温センサ４７、電流センサ５１、電圧センサ５２及びインピーダンス測定装置６の各出力信号と負荷装置５の要求電力とが入力される。これらの入力信号は、燃料電池システム１００の運転状態に関するパラメータとして用いられる。

コントローラ２００は、燃料電池システム１００における燃料電池スタック１の湿潤状態を制御する湿潤制御装置を構成する。コントローラ２００は、燃料電池スタック１の発電状態に応じて、少なくともアノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６を操作して燃料電池スタック１の電解質膜の湿潤状態を制御する制御手段を構成する。また、コントローラ２００は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６を操作して、燃料電池スタック１の湿潤状態を制御する。さらにコントローラ２００は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、冷却水ポンプ４２及び三方弁４５を操作して、燃料電池スタック１の湿潤状態を制御する。

例えば、コントローラ２００は、負荷装置５の要求電力に基づいて、カソードガス流量及び圧力の目標値、並びにアノードガスの流量及び圧力の目標値を演算する。コントローラ２００は、カソードガスの流量及び圧力の目標値に基づいて、コンプレッサ２２の回転速度とカソード調圧弁２６の開度とを制御し、アノードガスの流量及び圧力の目標値に基づいて、アノード循環ポンプ３６の回転速度とアノード調圧弁３３の開度とを制御する。

図２及び図３は、燃料電池スタック１に形成される燃料電池１０の構成の一例を示す図である。図２は、燃料電池１０の斜視図であり、図３は、図２に示した燃料電池１０のＩＩ−ＩＩ断面図である。

燃料電池１０は、燃料極としてのアノード電極と、酸化剤極としてのカソード電極と、これら電極に挟まれるように配置される電解質膜とから構成されている。燃料電池のアノード電極には、燃料である水素を含有するアノードガスが供給される。燃料電池のカソード電極には、酸化剤である酸素を含有するカソードガスが供給される。

燃料電池１０は、アノードガス中の水素及びカソードガス中の酸素を用いて発電する電池である。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

アノード電極： ２Ｈ₂ → ４Ｈ⁺＋４ｅ^- ・・・（Ａ）
カソード電極： ４Ｈ⁺＋４ｅ^-＋Ｏ₂ → ２Ｈ₂Ｏ ・・・（Ｂ）
これら（Ａ）及び（Ｂ）の電極反応によって、燃料電池１０は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。

図２及び図３に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟むように配置されるアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３と、を備えている。

ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とから構成されている。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面側にアノード電極１１２を有しており、他方の面側にカソード電極１１３を有している。

電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、適度な湿潤度で良好な電気伝導性を示す。ここにいう電解質膜１１１の湿潤度とは、電解質膜１１１に含まれる水分の量である含水量に相当する。電解質膜１１１の湿潤度が高くなるほど、電解質膜１１１の水分が増加して湿った状態となり、電解質膜１１１の湿潤度が低くなるほど、電解質膜１１１の水分が減少して乾いた状態となる。

アノード電極１１２は、触媒層１１２Ａとガス拡散層１１２Ｂとを備えている。触媒層１１２Ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子により形成された部材であって、電解質膜１１１と接するように設けられている。ガス拡散層１１２Ｂは、触媒層１１２Ａの外側に配置されている。ガス拡散層１１２Ｂは、ガス拡散性及び導電性を有するカーボンクロスで形成された部材であって、触媒層１１２Ａ及びアノードセパレータ１２と接するように設けられている。

カソード電極１１３についても、アノード電極１１２と同様に、触媒層１１３Ａとガス拡散層１１３Ｂとを備えている。触媒層１１３Ａは、電解質膜１１１とガス拡散層１１３Ｂとの間に配置され、ガス拡散層１１３Ｂは、触媒層１１３Ａとカソードセパレータ１３との間に配置されている。

アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２Ｂの外側に配置されている。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数のアノードガス流路１２１を備える。アノードガス流路１２１は、溝状通路として形成されている。すなわち、アノードガス流路１２１は、電解質膜１１１の他方の面に対して燃料を通す燃料流路を構成する。

カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３Ｂの外側に配置されている。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数のカソードガス流路１３１を備えている。カソードガス流路１３１は、溝状通路として形成される。すなわち、カソードガス流路１３１は、電解質膜１１１の一方の面に対して酸化剤を通す酸化剤流路を構成する。

また、カソードセパレータ１３は、燃料電池１０の冷却水を供給するための複数の冷却水流路１４１を備えている。冷却水流路１４１は、溝状に形成されている。

図２に示すように、カソードセパレータ１３は、冷却水流路１４１を流れる冷却水の流れ方向とカソードガス流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに同じ向きとなるように構成されている。なお、これらの流れ方向が互いに逆向きとなるように構成してもよく、所定の角度をもつように構成してもよい。

また、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。また、これらの流れ方向が所定の角度をもつように構成してもよい。

このような燃料電池１０においては、電解質膜１１１の含水量を示す湿潤度が高くなり過ぎたり低くなり過ぎたりすると、燃料電池スタック１の発電性能が低下する。燃料電池スタック１を効率的に発電させるには、電解質膜１１１を適度な湿潤度に維持することが重要である。そのため、コントローラ２００は、負荷装置５の要求電力を確保できる範囲内で、燃料電池スタック１の湿潤状態が発電に適した状態に維持されるように、燃料電池スタック１の湿潤状態を制御する。

以下では、燃料電池スタック１の湿潤状態が発電に適した状態に維持されるように、アノードガスの流量及び圧力やカソードガスの流量及び圧力などの状態を制御することを「湿潤制御」という。そして、電解質膜１１１の余剰な水分を減らすために、燃料電池スタック１の湿潤状態を乾燥（ドライ）側に遷移させる湿潤制御のことを「ドライ操作」という。また、電解質膜１１１の水分を増やすために、燃料電池スタック１の湿潤状態を湿潤（ウェット）側に遷移させる湿潤制御のことを「ウェット操作」という。

燃料電池スタック１の湿潤制御において、コントローラ２００は、主に、カソードガス流量、カソードガス圧力、アノードガス流量、及びアノードガス圧力の４つのパラメータを制御する。

コントローラ２００によるカソードガス流量制御は、主にコンプレッサ２２を用いて実行され、カソードガス圧力制御は、主にカソード調圧弁２６を用いて実行される。

ドライ操作では、コントローラ２００は、燃料電池スタック１から排出される水分が増加するように、カソードガス流量を大きくしたり、カソードガス圧力を低くしたりする。反対に、ウェット操作では、コントローラ２００は、カソードガス流量を小さくしたり、カソードガス圧力を高くしたりする。

コントローラ２００によるアノードガス流量制御は、主にアノード循環ポンプ３６を用いて実行される。

図２に示したアノードガス流路１２１の上流側を流れるアノードガスは、カソードガス流路１３１の下流側から電解質膜１１１を介してリーク（透過）してきた水蒸気によって加湿される。このため、アノードガス循環流量が増加すると、アノードガス流路１２１の上流側で加湿されたアノードガスが下流側の電解質膜１１１まで行き渡りやすくなると共に、アノードガス流路１２１及びアノードガス循環通路３５を循環するアノードガスに混入する水蒸気の総量が増加する。その結果、電解質膜１１１の水分が増加しやすくなる。

それゆえ、ウェット操作では、コントローラ２００は、アノードガス流路１２１の上流側で加湿されたアノードガスが燃料電池スタック１の全体に行き渡るように、アノードガス循環流量を増加させる。反対に、ドライ操作では、コントローラ２００は、アノードガス循環流量を減少させる。以下では、アノードガス循環流量を減少させる湿潤制御のことを「減量制御」という。

コントローラ２００によるアノードガス圧力制御は、主にアノード調圧弁３３を用いて実行される。

ドライ操作では、コントローラ２００は、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へリークしてくる水蒸気のリーク量が減少するように、アノードガス圧力を上昇させ、ウェット操作では、反対にアノードガス圧力を低下させる。以下では、アノードガス圧力を上昇させる湿潤制御のことを「昇圧制御」という。

このような湿潤制御において、コントローラ２００は、ドライ操作を実施する場合には、アノードガス循環流量を減少させる減量制御と、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御とを実行する。しかしながら、ドライ操作において、アノードガスの減量制御の実行よりも先にアノードガスの昇圧制御を実行すると、電解質膜１１１の水分が減少しない、又は殆ど減少しないことがあるということを発明者らは知見した。

図４は、ドライ操作におけるアノードガス流量制御とアノードガス圧力制御との関係を説明するための図である。図４では、縦軸が燃料電池スタック１の湿潤状態を示し、横軸がアノードガス圧力の変化量を示す。ここでは、「大」、「中」及び「小」のアノードガス循環流量ごとに、アノードガス圧力を高くしたときの燃料電池スタック１の湿潤状態が示されている。

図４に示すように、ドライ操作１においては、アノードガス圧力が低い状態で、アノードガス循環流量を「大」から「中」に減らしたときには、燃料電池スタック１の湿潤状態がドライ側に遷移する。すなわち、アノードガスの減量制御によってドライ操作が効率よく行われる。

一方、ドライ操作２においては、アノードガス循環流量が「大」のときにアノードガス圧力を高くしても、燃料電池スタック１の湿潤状態は変化しない。すなわち、アノードガス循環流量が大きい状態のままアノードガスの昇圧制御を実行しても、電解質膜１１１の水分は減少しない。このように、アノードガスの減量制御の実行よりも先にアノードガスの昇圧制御を実行してしまうと、ドライ操作の完了までに要する時間が長くなってしまうことがある。

これに対して、図４に示したドライ操作１のように、アノードガスの昇圧制御よりも優先してアノードガスの減量制御を実行することにより、ドライ操作が効率よく行われる。

そこで、本発明の実施形態では、コントローラ２００は、少なくともドライ操作を実施する場合には、アノードガス圧力制御よりも優先してアノードガス流量制御を実行する。すなわち、コントローラ２００は、少なくともドライ操作時には、アノード循環ポンプ３６の動作をアノード調圧弁３３の動作よりも優先して制御する。

図５は、本実施形態におけるコントローラ２００の機能構成の一例を示すブロック図である。

コントローラ２００は、膜湿潤状態取得部２１０と、スタック目標電流演算部２２０と、アノードガス循環流量推定部２３０と、カソード系指令部２４０と、アノード系指令部２５０と、湿潤制御部３００とを含む。

膜湿潤状態取得部２１０は、燃料電池スタック１における電解質膜１１１の湿潤状態を示す信号を取得する取得手段を構成する。本実施形態では、膜湿潤状態取得部２１０は、電解質膜１１１の湿潤度を示す湿潤状態情報として、インピーダンス測定装置６から出力される計測ＨＦＲを取得する。

膜湿潤状態取得部２１０は、インピーダンス測定装置６からの計測ＨＦＲに基づいて、電解質膜１１１の湿潤状態を発電に適した状態に維持するための目標水収支を演算する。目標水収支は、電解質膜１１１の目標とする湿潤状態からの水分の過不足を表わすパラメータであり、電解質膜１１１の湿潤度と相関のあるパラメータである。

例えば、膜湿潤状態取得部２１０は、計測ＨＦＲが目標とする値よりも小さい場合には、電解質膜１１１の水分が多いと判定し、目標水収支としてマイナス（負）の値を算出する。電解質膜１１１の水分が多いと判定された場合には、湿潤制御部３００により電解質膜１１１の余剰の水分を減らすためのドライ操作が実施される。

一方、計測ＨＦＲが目標とする値よりも大きい場合には、膜湿潤状態取得部２１０は、電解質膜１１１の水分が少ないと判定し、目標水収支としてプラス（正）の値を算出する。電解質膜１１１の水分が少ないと判定された場合には、湿潤制御部３００により電解質膜１１１の水分を増やすためのウェット操作が実施される。

膜湿潤状態取得部２１０は、算出した目標水収支を湿潤制御部３００に出力する。

なお、膜湿潤状態取得部２１０は、計測ＨＦＲの代わりに、燃料電池スタック１の温度を用いて湿潤状態情報を生成するものであってもよい。この場合には、膜湿潤状態取得部２１０は、スタック入口水温とスタック出口水温の平均値を燃料電池スタック１の温度として算出する。そして膜湿潤状態取得部２１０は、予め定められた湿潤推定マップを参照し、算出した燃料電池スタック１の温度に対応付けられた湿潤状態情報を特定し、特定した湿潤状態情報に基づいて目標水収支を算出する。

あるいは、膜湿潤状態取得部２１０は、負荷装置５の要求電力に基づいて湿潤状態情報を生成するものであってもよい。この場合には、膜湿潤状態取得部２１０は、負荷装置５の制御ユニットから要求電力を取得すると、予め定められた湿潤推定マップを参照し、取得した要求電力に対応付けられた湿潤状態情報を生成する。例えば、膜湿潤状態取得部２１０は、負荷装置５の要求電力が大きくなるほど、発電に伴う生成水の発生量が増加するため、湿潤状態情報に示される電解質膜１１１の湿潤度を大きくする。

スタック目標電流演算部２２０は、負荷装置５の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１から出力されるべき電流の目標値を示すスタック目標電流を演算する。

例えば、燃料電池スタック１のＩＶ（電流−電圧）特性がスタック目標電流演算部２２０に予め記録される。スタック目標電流演算部２２０は、負荷装置５から要求電力を取得すると、予め記憶されたＩＶ特性を参照し、取得した要求電力に関係付けられた電流値をスタック目標電流として算出する。なお、燃料電池スタック１のＩＶ特性は、燃料電池スタック１の出力電流を変化させたときのスタック出力電流とスタック出力電圧との関係から推定したものであってもよい。

スタック目標電流演算部２２０は、算出したスタック目標電流を湿潤制御部３００に出力する。

アノードガス循環流量推定部２３０は、アノードガス給排装置３の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１を循環するアノードガスの循環流量を推定する。本実施形態では、アノード循環ポンプ３６の回転速度とアノードガス循環流量との関係を示す流量推定マップがアノードガス循環流量推定部２３０に予め記録される。流量推定マップについては図６を参照して後述する。

アノードガス循環流量推定部２３０は、例えばアノード循環ポンプ３６に設けられた回転速度センサから、アノード循環ポンプ３６の回転速度を取得する。アノードガス循環流量推定部２３０は、アノード循環ポンプ３６の回転速度を取得すると、流量推定マップを参照し、取得した回転速度に関係付けられたアノードガス循環流量Ｑ_aを算出する。さらに、アノードガス循環流量推定部２３０は、アノード圧力センサ３７からアノードガス圧力Ｐを取得し、入口水温センサ４６からスタック入口水温Ｔ_inを取得する。

そして、アノードガス循環流量推定部２３０は、次式（１）のとおり、アノードガス循環流量Ｑ_aとアノードガス圧力Ｐ_{a_sens}とスタック入口水温Ｔ_inとに基づいて、標準状態でのアノードガス循環流量Ｑ_{a_nl}を算出する。アノードガス循環流量推定部２３０は、算出したアノードガス循環流量Ｑ_{a_nl}をアノードガス流量の計測値として湿潤制御部３００に出力する。

なお、本実施形態ではアノードガス循環流量を推定したが、アノードガス循環通路３５にアノードガス循環流量を検出する流量センサを設け、その流量センサの検出信号を用いてもよい。

湿潤制御部３００は、湿潤状態取得部２１０から出力される信号に応じて、少なくともアノード調圧弁３３とアノード循環ポンプ３６とを操作して燃料電池１０の湿潤状態を制御する制御手段を構成する。

湿潤制御部３００は、目標水収支と、スタック目標電流と、カソードガスの流量及び圧力と、アノードガスの流量及び圧力とに基づいて、カソードガスの流量及び圧力の各目標値と、アノードガスの流量及び圧力の各目標値とを演算する。

本実施形態では、湿潤制御部３００は、ドライ操作を実施する場合には、カソードガスの流量制御及び圧力制御によるドライ操作よりも優先して、アノードガスの流量制御及び圧力制御によるドライ操作を実施する。アノードガスの流量制御及び圧力制御によるドライ操作を実施する場合には、湿潤制御部３００は、アノードガス循環流量を優先して減らし、目標水収支の大きさに応じてアノードガス圧力を上げる。

すなわち、湿潤制御部３００は、膜湿潤状態取得部２１０からの信号に基づいて電解質膜１１１の水分を減らす必要があると判断した場合には、アノードガス循環流量を減少させる。これと共に湿潤制御部３００は、膜湿潤状態取得部２１０からの出力信号に応じて、燃料電池スタック１にのアノードガス圧力を上昇させる。

湿潤制御部３００は、アノードガス循環流量の目標値を示すアノード目標流量と、アノードガス圧力の目標値を示すアノード目標圧力とをアノード系指令部２５０に出力する。そして、湿潤制御部３００は、カソードガス流量の目標値を示すカソード目標流量と、カソードガス圧力の目標値を示すカソード目標圧力とをカソード系指令部２４０に出力する。

カソード系指令部２４０は、カソード目標流量、及びカソード目標圧力に基づいて、コンプレッサ２２の回転速度、及びカソード調圧弁２６の開度のうちの少なくとも一方を制御する。

本実施形態では、カソード系指令部２４０は、カソードガス流量がカソード目標流量に収束するように、コンプレッサ２２の回転速度を制御する。また、カソード系指令部２４０は、カソードガス圧力がカソード目標圧力に収束するように、カソード調圧弁２６の開度を制御する。

アノード系指令部２５０は、アノード目標流量、及びアノード目標圧力に基づいて、アノード循環ポンプ３６の回転速度、及びアノード調圧弁３３の開度のうちの少なくとも一方を制御する。

本実施形態では、アノード系指令部２５０は、アノードガス循環流量がアノード目標流量に収束するように、アノード循環ポンプ３６の回転速度を制御する。また、アノード系指令部２５０は、アノードガス圧力がアノード目標圧力に収束するように、アノード調圧弁３３の開度を制御する。

図６は、アノードガス循環流量推定部２３０に設定される流量推定マップの一例を示す観念図である。ここでは、横軸がアノード循環ポンプ３６の回転速度を示し、縦軸がアノードガス循環流量を示す。図６に示すように、アノード循環ポンプ３６の回転速度が高くなるほど、アノードガス循環流量が大きくなる。

図７は、膜湿潤状態取得部２１０の詳細構成の一例を示すブロック図である。膜湿潤状態取得部２１０は、目標ＨＦＲ演算部２１１と目標水収支演算部２１２とを含む。

目標ＨＦＲ演算部２１１は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、電解質膜１１１の湿潤状態を目標とする状態に操作するための目標ＨＦＲを演算する。

本実施形態では、スタック出力電流と目標ＨＦＲとの関係を示す膜湿潤制御マップが目標ＨＦＲ演算部２１１に予め記録される。目標ＨＦＲ演算部２１１は、電流センサ５１からスタック出力電流Ｉ_sを取得すると、膜湿潤制御マップを参照し、取得したスタック出力電流Ｉ_sに関係付けられた目標ＨＦＲを算出する。膜湿潤制御マップについては図８を参照して後述する。目標ＨＦＲ演算部２１１は、算出した目標ＨＦＲを目標水収支演算部２１２に出力する。

なお、目標ＨＦＲ演算部２１１は、予め定められた演算式を用いてスタック出力電流Ｉｓに基づき目標ＨＦＲを演算するものであってもよい。また、目標ＨＦＲ演算部２１１は、スタック出力電流Ｉ_sの代わりに負荷装置５の要求電力を用いて目標ＨＦＲを算出するものであってもよい。

目標水収支演算部２１２は、電解質膜１１１の湿潤状態が目標とする状態になるように、電解質膜１１１の水分を増減させるための目標水収支Ｑ_{w_t}を演算する。

本実施形態では、目標水収支演算部２１２は、目標ＨＦＲ演算部２１１から目標ＨＦＲを取得し、インピーダンス測定装置６から計測ＨＦＲを取得する。そして目標水収支演算部２１２は、計測ＨＦＲと目標ＨＦＲとの偏差がゼロに収束するように目標水収支Ｑ_{w_t}を演算する。

例えば、目標水収支演算部２１２は、計測ＨＦＲから目標ＨＦＲを減算して計測ＨＦＲと目標ＨＦＲとの偏差を求め、その偏差に基づいてＰＩ制御を実行して目標水収支Ｑ_{w_t}を算出する。目標水収支演算部２１２は、算出した目標水収支Ｑ_{w_t}を湿潤制御部３００に出力する。

図８は、目標ＨＦＲ演算部２１１に設定される膜湿潤制御マップの一例を示す観念図である。ここでは、横軸がスタック出力電流を示し、縦軸が目標ＨＦＲを示す。目標ＨＦＲが大きくなるほど、電解質膜１１１が乾き易くなり、また目標ＨＦＲが小さくなるほど、電解質膜１１１が湿り易くなる。

膜湿潤制御マップの目標ＨＦＲは、燃料電池スタック１の発電に伴って生成される液水が、カソードガス流路１３１に滞留してカソードガスの流れが阻害されないように設定される。

膜湿潤制御マップでは、スタック出力電流が所定の電流値Ｉ₁よりも大きい大電流範囲内にあるときには、カソードガス流量が十分に大きくなるため、燃料電池スタック１内に滞留する液水の影響が小さい。そのため、膜湿潤制御マップでは、大電流範囲内の目標ＨＦＲは、小電流範囲内の目標ＨＦＲよりも小さく、且つ、一定の値に設定される。

一方、スタック出力電流がゼロから電流値Ｉ₁までの小電流範囲内にあるときには、スタック出力電流が小さくなるほど、目標ＨＦＲが大きくなる。このように設定される理由は、カソードガス流量が少なくなるほど、カソードガス流路１３１に滞留する液水によってカソードガスの流れが阻害され易くなるからである。そのため、小電流範囲内の目標ＨＦＲは、大電流範囲内の目標ＨＦＲに比べて高く設定される。

図９は、本実施形態におけるコントローラ２００の湿潤制御方法に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。この湿潤制御方法の処理手順は、所定の制御周期、例えば数ｍｓｅｃ（ミリセカンド）で繰り返し実行される。

ステップＳ１においてコントローラ２００は、燃料電池スタック１の運転状態を検出する。本実施形態では、コントローラ２００の指示に従って、図１に示したインピーダンス測定装置６が燃料電池スタック１のＨＦＲを検出し、流量センサ２３がカソードガス流量を検出し、カソード圧力センサ２４がカソードガス圧力を検出する。

ステップＳ２においてコントローラ２００のスタック目標電流演算部２２０は、負荷装置５から要求電力を取得し、その負荷装置５の要求電力に基づいて、スタック目標電流を演算する。

ステップＳ３においてコントローラ２００は、流量センサ２３からカソードガス流量を取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力を取得し、アノード圧力センサ３７からアノードガス圧力を取得する。さらにコントローラ２００のアノードガス循環流量推定部２３０は、式（１）のように、アノード循環ポンプ３６の回転速度に基づいて、アノードガス循環流量を推定する。

ステップＳ４においてコントローラ２００の膜湿潤状態取得部２１０は、インピーダンス測定装置６から、電解質膜１１１の湿潤状態と相関のある計測ＨＦＲを取得する。

ステップＳ５においてコントローラ２００の目標ＨＦＲ演算部２１１は、燃料電池スタック１の発電性能を維持するための目標ＨＦＲを演算する。具体的には、目標ＨＦＲ演算部２１１は、電流センサ５１からスタック出力電流を取得すると、図８に示した膜湿潤制御マップを用いて、電流センサ５１からのスタック出力電流に関係付けられた目標ＨＦＲを算出する。

ステップＳ６においてコントローラ２００の目標水収支演算部２１２は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに収束するように、電解質膜１１１の水分の過不足を補うための目標水収支を演算する。

ステップＳ７においてコントローラ２００の湿潤制御部３００は、電解質膜１１１の湿潤状態に基づいて、ドライ操作を実施する必要があるか否かを判断する。本実施形態では、湿潤制御部３００は、計測ＨＦＲが所定の下限値に達したか否かを判断し、計測ＨＦＲが下限値に達した場合にドライ操作を実施する必要があると判定する。

ステップＳ８において湿潤制御部３００は、ドライ操作を実施する場合には、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６のうちアノード循環ポンプ３６の動作を優先して制御する。すなわち、湿潤制御部３００は、ドライ操作時にアノード調圧弁３３の負荷に対するアノード循環ポンプ３６の負荷の割合を示す負荷割合を高くする。これにより、アノード循環ポンプ３６の回転速度が優先して下げられるので、アノードガス循環流量が減少する。これにより、図４に示したように、アノードガス圧力を上げることにより電解質膜１１１の湿潤状態がドライ側に遷移する状態を確保することができる。

ステップＳ９において湿潤制御部３００は、ステップＳ６で算出された目標水収支を達成するため、アノード循環ポンプ３６の負荷制御によるドライ操作を補完するようにアノード調圧弁３３の動作を制御する。これにより、アノード調圧弁３３の開度が大きくなるので、燃料電池スタック１のアノードガス圧力が上昇する。したがって、図４に示したように、電解質膜１１１の湿潤状態がさらにドライ側に遷移する。この後、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６の動作が制御される。

ステップＳ１０において湿潤制御部３００は、ドライ操作を実施しない場合には、通常の湿潤制御処理を実行する。例えば、湿潤制御部３００は、目標水収支に基づいて、コンプレッサ２２、カソード調圧弁２６、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６の優先順位を定めずに各アクチュエータを制御する。なお、湿潤制御部３００は、燃料電池スタック１の湿潤状態によってはステップＳ８及びＳ９の一連の処理を実行するものであってもよい。

ステップＳ９及びステップＳ１０の処理が終了すると、コントローラ２００の湿潤制御方法に関する一連の処理手順が終了する。

図１０は、本実施形態の湿潤制御部３００により実施されるドライ操作の一例を示すタイムチャートである。

図１０（Ａ）は、燃料電池スタック１における水収支の変化を示す図である。燃料電池スタック１の水収支とは、燃料電池スタック１の発電に伴って生成される生成水量と、燃料電池スタック１から燃料電池システム１００の外部に排出される排水量との収支のことである。図１０（Ｂ）は、アノードガス循環流量の変化を示す図である。図１０（Ｃ）は、燃料電池スタック１のアノードガス圧力の変化を示す図である。

図１０（Ｄ）は、アノード循環水量の変化を示す図である。アノード循環水量とは、アノードガス流路１２１及びアノードガス循環通路３５内に留保する水の総量のことである。すなわちアノード循環水量は、アノードガス流路１２１及びアノードガス循環通路３５内に保管される水量である。図１０（Ａ）から図１０（Ｄ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図１０の各図面では、アノードガスの減量制御を実行した後にアノードガスの減量制御を実行したときの本実施形態によるドライ操作が実線により示され、アノードガスの昇圧制御を実行した後にアノードガスの減量制御を実行したときのドライ操作が点線により示されている。

時刻ｔ０では、図１０（Ａ）に示すように、燃料電池スタック１の水収支の目標値を示す目標水収支が大幅に低下し、ドライ操作が実施される。例えば、車両のアクセルペダルが踏まれて負荷装置５の要求電力が大幅に上昇すると、燃料電池スタック１の発電に伴い発生する多量の生成水によって電解質膜１１１が加湿され、その後に負荷装置５の要求電力が低下したときに目標水収支が大幅に低下する。

本実施形態では、図１０（Ｂ）の実線で示すように、アノード循環ポンプ３６の回転速度が下げられてアノードガス循環流量が低下する。これに伴って、図１０（Ｄ）の実線で示すようにアノード循環水量が低下し、その結果、図１０（Ａ）の実線で示すように、燃料電池スタック１の水収支が低下する。すなわち、電解質膜１１１の水分が減少する。

時刻ｔ１において、アノードガス循環流量がドライ操作の下限値に到達し、図１０（Ｃ）の実線で示すように、アノード調圧弁３３の開度が徐々に上げられてアノードガス圧力が上昇する。これに伴って、アノードガス流路１２１内の水蒸気分圧が上昇し、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流量する水蒸気量が減少するので、図１０（Ｄ）の実線で示すようにアノード循環水量が減少する。これに伴って、図１０（Ａ）の実線で示すように燃料電池スタック１の水収支が低下する。

時刻ｔ２において、燃料電池スタック１の水収支が目標値に到達してドライ操作が終了する。

ここで、図１０（Ｃ）の点線で示すように、時刻ｔ０においてアノードガス流量制御よりも先にアノードガス圧力を上昇させると、図１０（Ｄ）の点線で示すようにアノード循環水量は殆ど減少しない。その結果、図１０（Ａ）の点線で示すように燃料電池スタック１の水収支は下らない。時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間は、図１０（Ｂ）の点線で示すようにアノードガス循環流量は一定に維持されるため、アノード循環ポンプ３６の電力が無用に消費されてしまう。さらに、図１０（Ａ）の点線で示すように、時刻ｔ２を経過しても燃料電池スタック１の水収支が目標値に到達しないため、ドライ操作に要する時間が長くなってしまう。

これに対し、本実施形態の湿潤制御部３００は、アノード調圧弁３３によるアノードガスの昇圧制御よりも優先して、アノード循環ポンプ３６によるアノードガスの減量制御を実行する。これにより、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減しつつ、早期にドライ操作を完了することができる。

本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、酸化剤を含むカソードガスが流れるカソードガス給排装置（酸化剤系）２と、カソードガス給排装置２の流れと対向する方向に燃料を含むアノードガスが流れるアノードガス給排装置（燃料系）３とを備える。カソードガス給排装置（酸化剤系）２は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスにより燃料電池１０の電解質膜１１１で発生した水を排出する排水手段を構成するコンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６を備える。アノードガス給排装置３は、アノードガスを循環させるアクチュエータであるアノード循環ポンプ（燃料循環手段）３６と、アノードガス給排装置３の圧力を調整するアノード調圧弁（燃料系圧力調整手段）とを備え、電解質膜１１１で発生した水を留保する。

そして、燃料電池システム１００を制御するコントローラ（湿潤制御装置）２００は、燃料電池スタック１に積層された電解質膜１１１の湿潤状態を示す信号を取得する膜湿潤状態取得部（取得手段）２１０を備える。さらにコントローラ２００は、膜湿潤状態取得部２１０からの信号に応じて、少なくともアノード循環ポンプ３６とアノード調圧弁３３とを操作して電解質膜１１１の湿潤状態を制御する湿潤制御部（制御手段）３００を備える。湿潤制御部３００は、少なくとも電解質膜１１１の水分を減らすドライ操作時には、アノード循環ポンプ３６の動作をアノード調圧弁３３の動作よりも優先して制御する。

このため、ドライ操作を実施する場合には、アノード循環ポンプ３６の動作に比べてアノード調圧弁３３の動作が抑制されるので、アノード循環ポンプ３６を先に動作させることができる。これにより、図４に示したように、アノード調圧弁３３の開度を制御しても電解質膜１１１の水分が減り難いような状態では、ドライ操作の開始と共にアノード循環ポンプ３６の動作が制御される。このため、少なくともドライ操作において、アノード調圧弁３３に対する無駄な制御が抑制されるので、無用な待ち時間を削減することができる。したがって、効率よく燃料電池スタック１の湿潤状態を制御することができる。

また、本実施形態によれば、図２に示したように、燃料電池１０は、電解質膜１１１の一方の面に対してカソードガスを通すカソードガス流路１３１と、電解質膜１１１の他方の面に対してカソードガス流路１３１に流れるカソードガスの向きとは反対の向きにアノードガスを通すアノードガス流路１２１とにより構成される。アノードガス給排装置３は、アノードガス流路１２１の一端から排出されるアノードガスをアノードガス流路１２１の他端に導入して循環させるアノードガス循環通路（燃料循環手段）３５をさらに含む。アノードガス循環通路３５に設けられたアノード循環ポンプ３６の回転速度を変化させることにより、アノードガス循環通路３５を流れるアノードガスの循環流量は増減する。そして、湿潤制御部３００は、図１０（Ｄ）及び図１０（Ｂ）に示したように、少なくともドライ操作時において、アノードガス循環通路３５を循環する水量であるアノード循環水量を減らす場合には、アノードガスの循環流量を減少させる。

このため、ドライ操作を実施する場合には、アノードガスの循環流量を減少させるためにアノード循環ポンプ３６の回転速度が下げられるので、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することができる。

このように、アノード循環ポンプ３６の動作をアノード調圧弁３３の動作よりも優先して制御することで、ドライ操作の開始と同時にアノード循環ポンプ３６の回転速度が下げられるので、燃料電池システム１００の消費電力を低減することができる。このため、ドライ操作に要する時間の短縮と、燃料電池システム１００の消費電力の低減とを両立できる。

また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調整するアノード調圧弁３３の開度を変化させることにより、アノードガス流路１２１のアノードガス圧力は昇降する。そして、湿潤制御部３００は、図１０（Ｃ）及び図１０（Ｄ）に示したように、少なくともドライ操作時において、アノード循環水量を減らす場合には、アノードガス流路１２１に供給されるアノードガスの圧力を上昇させる。

このように、ドライ操作を実施する場合には、燃料電池スタック１のアノードガス圧力が上昇するので、電解質膜１１１にアノードガスを十分に供給できる状態が確保される。これにより、負荷装置５の要求電力が急峻に高くなったとしても迅速に燃料電池スタック１の発電電力を増加させることができる。すなわち、ドライ操作を実施しつつ、燃料電池スタック１の出力を確保することができる。

これに加えて、アノード調圧弁３３によるアノードガスの昇圧制御は、アノード循環ポンプ３６によるアノードガスの減量制御の実行中又は実行後に行われる。このため、図４に示したように、アノードガス循環流量が減少してドライ操作への寄与度が得られる状態になってからアノードガスの昇圧制御が行われることになるので、ドライ操作をより効果的に実施することができる。このため、燃料電池スタック１の発電の応答性を確保しつつ、ドライ操作を効果的に実行することができる。

以上のように、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の発電性能を確保しつつ、早期、かつ、効果的にドライ操作を完了することができるので、効率よく電解質膜１１１の湿潤状態を制御することができる。

（第２実施形態）
次に、ドライ操作を実施するときの湿潤制御部３００の構成例について詳細に説明する。

図１１は、本発明の第２実施形態における湿潤制御部３００の機能構成の一例を示すブロック図である。

湿潤制御部３００は、燃料電池スタック１の湿潤制御で実行される複数のガス状態量の制御に関する優先順位を設定する優先順位設定部３０１を含む。優先順位設定部３０１は、ＤＲＹ操作モード切替部３１０と、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１と、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２と、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３とを含む。

優先順位設定部３０１は、燃料電池スタック１の湿潤状態に応じて、アノードガス及びカソードガスの各状態量を制御する制御順位を設定する。すなわち、優先順位設定部３０１は、コンプレッサ２２、カソード調圧弁２６、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６の各動作を制御する優先順位を設定する。このように、優先順位設定部３０１は、燃料電池スタック１の湿潤制御に用いられる複数のアクチュエータの各動作の負荷割合を設定する。

ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、インピーダンス測定装置６からの計測ＨＦＲが、目標ＨＦＲ演算部２１１からの目標ＨＦＲ以上である場合には、ウェット操作を実施する必要があると判断する。ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、ドライ操作を実施する必要があると判断した場合には、燃料電池スタック１の発電状態に応じて、出力重視モード、速乾性重視モード、及び燃費重視モードの中から１つのドライ操作モードを選択する。

出力重視モードは、第１実施形態のドライ操作に対応するものであり、燃料電池スタック１の出力（発電電力）を確保しつつ電解質膜１１１の水分を減らすドライ操作モードである。

速乾性重視モードは、電解質膜１１１の余剰の水分を速やかに減らすドライ操作モードである。燃費重視モードは、燃料電池システム１００の消費電力の増加を低減しつつ電解質膜１１１の水分を減らすドライ操作モードである。

ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、電解質膜１１１の余剰の水分を速やかに減らす必要があるか否かを判断する。本実施形態では、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、計測ＨＦＲと目標ＨＦＲとの差分が所定の速乾要求閾値を超えるか否かを判断する。ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、その差分が速乾要求閾値を超えた場合には、電解質膜１１１の水分を速やかに減らす必要があると判断し、速乾性重視モードを示す選択信号を速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３に出力する。

ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、電解質膜１１１の余剰の水分を速やかに減らす必要がないと判断した場合には、燃料電池スタック１の出力を確保する必要があるか否かを判断する。本実施形態では、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、スタック目標電流演算部２２０からのスタック目標電流が所定の高負荷要求閾値を超えるか否かを判断する。ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、スタック目標電流が高負荷要求閾値を超えた場合には、燃料電池スタック１の出力を確保する必要があると判断し、出力重視モードを示す選択信号を出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１に出力する。

また、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、スタック目標電流が高負荷要求閾値未満である場合には、燃料電池システム１００の消費電力を抑制可能であると判断し、燃費重視モードを示す選択信号を燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２に出力する。

出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、出力重視モードを示す選択信号を受信すると、出力重視ドライ操作を実施するための各制御に関する優先順位を設定する。

燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、燃費重視モードを示す選択信号を受信すると、燃費重視ドライ操作を実施するための各制御に関する優先順位を設定する。

速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、速乾性重視モードを示す選択信号を受信すると、速乾性重視ドライ操作を実施するための各制御に関する優先順位を設定する。

なお、本実施形態では計測ＨＦＲに基づいてドライ操作を実施する必要があるか否かを判定したが、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、目標水収支が所定の閾値よりも大きい場合にはドライ操作を実施する必要があると判定するものであってもよい。あるいは、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、所定のサンプリング周期で目標水収支を取得し、目標水収支の今回値が前回値よりも小さい場合にドライ操作が開始する必要があると判定するものであってもよい。

図１２は、出力重視ドライ操作を実施するときの湿潤制御部３００の詳細構成の一例を示すブロック図である。

湿潤制御部３００は、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１と、アノード目標流量演算部３２０ａと、アノード目標圧力演算部３３０ａと、カソード目標圧力演算部３４０ａと、カソード目標流量演算部３５０ａとを含む。

出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、ＤＲＹ操作モード切替部３１０から選択信号を受信すると、アノードガス流量制御、アノードガス圧力制御、カソードガス流量制御、及びカソードガス圧力制御の各制御についての優先順位を設定する。

例えば、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲ以上である場合には、ウェット操作を実施するためのウェット操作パラメータとして、カソードガス圧力、カソードガス流量、及びアノードガス圧力の各計測値を出力する。

一方、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも低い場合には、各制御の優先順位を設定するためのドライ操作パラメータとして、各計測値の代わりに、電解質膜１１１を現在よりもウェット状態にするときのＷＥＴ操作値を出力する。

例えば、出力重視ドライ操作においては、カソードガス流量制御のＷＥＴ操作値としては、カソードガス流量の計測値よりも小さな値が用いられ、カソードガス圧力制御のＷＥＴ操作値としては、カソードガス圧力の計測値よりも大きな値が用いられる。また、アノードガス圧力制御のＷＥＴ操作値としては、アノードガス圧力の計測値よりも小さな値が用いられる。

本実施形態では、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、ドライ操作パラメータとして、カソード下限流量、カソード上限圧力、及びアノード下限圧力を出力する。これらのドライ操作パラメータは、電解質膜１１１を最も湿った状態に遷移させる場合に用いられるＷＥＴ操作値である。

カソード下限流量は、燃料電池スタック１においてフラッディングが発生しないように定められたカソードガス流量の下限値である。すなわち、カソード下限流量は、燃料電池スタック１の発電性能を確保できる範囲で最も低いカソードガス流量に設定される。カソード下限流量は、実験データやシミュレーションなどを用いて予め設定される。なお、フラッディングとは、燃料電池スタック１の発電に伴う液水が電解質膜１１１に詰まり、燃料電池スタック１の発電が不安定になる状態のことをいう。

カソード上限圧力は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて定められるカソードガス圧力の上限値である。例えば、カソード上限圧力は、負荷装置５の要求電力に基づいて算出されるカソードガス圧力の上限値や、アノードガス圧力と電解質膜１１１の許容差圧とに基づいて設定されるカソードガス圧力の上限値などの中から最も値が小さいカソードガス圧力に設定される。すなわち、カソード上限圧力は、燃料電池スタック１の発電性能を確保できる範囲で最も高いカソードガス圧力値に設定される。

アノード下限圧力は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて定められるアノードガス圧力の下限値である。例えば、アノード下限圧力は、負荷装置５の要求電力に基づいて算出されるアノードガス圧力の下限値や、カソードガス圧力と電解質膜１１１の許容差圧とに基づいて設定されるアノードガス圧力の下限値などの中で値が最も大きいアノードガス圧力に設定される。すなわち、アノード下限圧力は、燃料電池スタック１の発電性能を確保できる範囲で最も低いアノードガス圧力値に設定される。

このように、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、少なくともドライ操作時において、電解質膜１１１を現在よりも高い湿潤状態にするときのアノードガス圧力をアノード目標流量演算部３２０ａに設定し、アノードガス流量の計測値又は推定値をアノード目標圧力演算部３３０ａに設定する優先設定部を構成する。

アノード目標流量演算部３２０ａは、電解質膜１１１の湿潤度と、燃料電池スタック１のアノードガス圧力とに基づいて、アノードガス循環通路３５を循環するアノードガスの流量を制御する第１の流量制御部を構成する。

本実施形態では、アノード目標流量演算部３２０ａは、目標水収支演算部２１２からの目標水収支と、カソードガス流量と、カソードガス圧力と、アノードガス圧力とに基づいて、アノード目標流量を演算する。アノード目標流量演算部３２０ａは、演算したアノード目標流量をアノード系指令部２５０に出力する。

アノード目標流量演算部３２０ａは、目標水収支が大きくなるほど、電解質膜１１１の水分が増加するように、アノード目標流量を大きくする。一方、アノード目標流量演算部３２０ａは、目標水収支が小さくなるほど、電解質膜１１１の水分が減少するように、アノード目標流量を小さくする。

ドライ操作において、カソードガス流量が小さくなるほど、又はカソードガス圧力が大きくなるほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気が減少して電解質膜１１１の水分が増加する。このため、アノード目標流量演算部３２０ａは、カソードガス流量が小さくなるほど、又はカソードガス圧力が大きくなるほど、アノード目標流量を小さくする。また、アノード目標流量演算部３２０ａは、アノードガス圧力が小さくなるほど、アノードガス流路１２１からカソードガス流路１３１に押し出される水蒸気が減少して電解質膜１１１の水分が増加するため、アノード目標流量を小さくする。

本実施形態では、アノード目標流量演算部３２０ａは、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１から、カソード下限流量、カソード上限圧力、及びアノード下限圧力を取得する。このため、アノード目標流量演算部３２０ａは、カソードガス流量、カソードガス圧力、及びアノードガス圧力の各計測値を取得した場合に比べて、アノード目標流量を小さくすることができる。このように、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、ドライ操作において、アノード流量制御の優先順位を、カソードガス流量制御、カソードガス圧力制御、及びアノードガス圧力制御の優先順位よりも高くすることができる。

アノード目標圧力演算部３３０ａは、電解質膜１１１の湿潤度と、アノードガス循環通路３５を循環するアノードガスの流量とに基づいて、燃料電池スタック１のアノードガス圧力を制御する第１の圧力制御部を構成する。

アノード目標圧力演算部３３０ａは、目標水収支と、カソードガス流量と、カソードガス圧力と、アノードガス流量とに基づいて、アノード目標圧力を演算する。アノード目標圧力演算部３３０ａは、演算したアノード目標圧力をアノード系指令部２５０に出力する。

アノード目標圧力演算部３３０ａは、目標水収支が大きくなるほど、電解質膜１１１の水分が増加するように、アノード目標圧力を小さくする。一方、アノード目標圧力演算部３３０ａは、目標水収支が小さくなるほど、電解質膜１１１の水分が減少するように、アノード目標圧力を大きくする。

ドライ操作において、アノード目標圧力演算部３３０ａは、カソードガス流量が小さくなるほど、又はカソードガス圧力が大きくなるほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気が減少するため、アノード目標圧力を大きくする。また、アノード目標圧力演算部３３０ａは、アノードガス循環流量が大きくなるほど、アノード循環水量が増加して電解質膜１１１の水分が増加するため、アノード目標圧力を大きくする。

本実施形態では、アノード目標圧力演算部３３０ａは、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、カソード下限流量、及びカソード上限圧力を取得し、アノードガス循環流量推定部２３０から、アノードガス流量の推定値を取得する。このため、アノード目標圧力演算部３３０ａは、カソードガス流量、カソードガス圧力の各計測値を取得した場合に比べて、アノード目標圧力を大きくすることができる。このように、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、ドライ操作において、アノード圧力制御の優先順位を、カソードガス流量制御及び圧力制御の優先順位よりも高くすることができる。

カソード目標圧力演算部３４０ａは、目標水収支と、カソードガス流量と、アノードガス流量と、アノードガス圧力とに基づいて、カソード目標圧力を演算する。カソード目標圧力演算部３４０は、演算したカソード目標圧力をカソード系指令部２４０に出力する。

カソード目標圧力演算部３４０ａは、目標水収支が大きくなるほど、電解質膜１１１の水分が増加するように、カソード目標圧力を大きくする。一方、カソード目標圧力演算部３４０は、目標水収支が小さくなるほど、電解質膜１１１の水分が減少するように、カソード目標圧力を小さくする。

ドライ操作において、カソード目標圧力演算部３４０ａは、カソードガス流量が小さくなるほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気が減少して電解質膜１１１の水分が増加するため、カソード目標圧力を小さくする。また、カソード目標圧力演算部３４０は、アノードガス循環流量が大きくなるほど、又は、アノードガス圧力が小さくなるほど、アノード循環水量が増加して電解質膜１１１の水分が増加するため、カソード目標圧力を小さくする。

本実施形態では、カソード目標圧力演算部３４０ａは、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１からカソード下限流量を取得し、アノードガス循環流量推定部２３０からアノードガス循環流量の推定値を取得し、アノード圧力センサ３７からアノードガス圧力の計測値を取得する。このため、カソード目標圧力演算部３４０は、カソードガス流量の計測値を取得する場合に比べて、カソード目標圧力を小さくすることができる。このように、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、ドライ操作において、カソード圧力制御の優先順位をカソードガス流量制御よりも高くすることができる。

カソード目標流量演算部３５０ａは、目標水収支と、カソードガス圧力と、アノードガス流量と、アノードガス圧力とに基づいて、カソード目標圧力を演算する。カソード目標圧力演算部３４０は、演算したカソード目標圧力をカソード系指令部２４０に出力する。

カソード目標流量演算部３５０ａは、目標水収支が大きくなるほど、電解質膜１１１の水分が増加するように、カソード目標流量を小さくする。一方、カソード目標流量演算部３５０ａは、目標水収支が小さくなるほど、電解質膜１１１の水分が減少するように、カソード目標流量を大きくする。

ドライ操作において、カソード目標流量演算部３５０ａは、カソードガス圧力が大きくなるほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水分が減少して電解質膜１１１の水分が増加するため、カソード目標流量を大きくする。また、カソード目標流量演算部３５０ａは、アノードガス循環流量が大きくなるほど、又はアノードガス圧力が小さくなるほど、アノード循環水量が増加するため、カソード目標流量を大きくする。

本実施形態では、カソード目標流量演算部３５０ａは、アノードガス循環流量推定部２３０からアノードガス循環流量の推定値を取得し、アノード圧力センサ３７からアノードガス圧力の計測値を取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力の計測値を取得する。このため、カソード目標流量演算部３５０ａは、カソードガス圧力、アノードガス流量、及びアノードガス圧力の計測値に従ってカソード目標圧力を適切に増減させることができる。

以上のように、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、ドライ操作時に、アノードガス流量制御、アノードガス圧力制御、カソードガス圧力制御、カソードガス流量制御の順に優先順位を設定する。これにより、アノードガス圧力制御よりも優先してアノードガス流量制御が実行されるので、図１０（Ｂ）に示したように、アノードガス循環流量が下がり、アノード循環ポンプ３６の消費電力の低減しつつ、ドライ操作に要する時間を短縮することができる。

また、ドライ操作ではカソードガス流量制御を実行する際にはコンプレッサ２２の回転速度を高くするので、コンプレッサ２２の消費電力が増加する。本実施形態では、出力重視ドライ操作において最後にカソードガス流量制御が実行されるので、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。

また、アノード調圧弁３３の異常などが原因でアノード調圧弁３３が作動しない場合には、アノードガス圧力を上昇させる圧力制御が不能となることが懸念される。このような場合に出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、電解質膜１１１を現在よりも高い湿潤状態にするときのアノード下限圧力に代えて、アノードガス圧力の計測値を出力する。すなわち、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、ドライ操作時において、アノード調圧弁３３が作動しない場合には、アノード目標流量演算部３２０ａに設定されるアノードガス圧力を、アノードガス圧力のＷＥＴ操作値からアノードガス圧力の計測値に切り替える。

このようにアノードガス圧力が制御不能な場合には、アノード目標流量演算部３２０ａは、燃料電池スタック１に供給されている実際のアノードガス圧力を用いてアノード目標流量を算出するので、アノード圧力制御系の異常状態に適したドライ操作を実施することができる。なお、アノードガス圧力制御不能時には、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１での演算を停止するようにしてもよい。

図１３は、出力重視ドライ操作を実施するときのアノード目標流量演算部３２０ａの詳細構成の一例を示すブロック図である。

アノード目標流量演算部３２０ａは、飽和水蒸気圧演算部３２１と、発電生成水量演算部３２２と、目標排水量算出部３２３とを含む。さらにアノード目標流量演算部３２０ａは、カソード相対湿度演算部３２４と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５と、アノード湿潤要求流量演算部３２６と、アノード下限流量演算部３２７と、アノード目標流量設定部３２８とを含む。

飽和水蒸気圧演算部３２１は、燃料電池スタック１内の飽和水蒸気圧Ｐ_satを演算する。本実施形態では、飽和水蒸気圧演算部３２１は、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７から、それぞれスタック入口水温Ｔ_in及びスタック出口水温Ｔ_outを取得し、両者を平均した値を、スタック温度Ｔとして算出する。そして、飽和水蒸気圧演算部３２１は、スタック温度Ｔに基づいて、次式（２）のように、飽和水蒸気圧Ｐ_satを算出する。

発電生成水量演算部３２２は、燃料電池スタック１の出力に基づいて、各燃料電池１０の発電により生成される生成水の総量を示す発電生成水量を演算する。

本実施形態では、発電生成水量演算部３２２は、電流センサ５１からスタック出力電流Ｉ_sを取得し、スタック出力電流Ｉ_sに基づいて、次式（３）のように、発電生成水量Ｑ_{w_in}を算出する。

なお、Ｎは、燃料電池スタック１に積層される燃料電池１０の枚数であり、Ｆ［Ｃ／ｍｏｌ］は、ファラデー定数（＝９６４８５．３９）である。また、「６０」は、単位時間あたりの発電生成水量を秒単位［ｓｅｃ］から分単位［ｍｉｎ］に変換するための換算値である。「２２．４」は、標準状態の理想気体１モル［ｍｏｌ］の体積である。

発電生成水量演算部３２２は、算出した発電生成水量Ｑ_{w_in}を目標排水量算出部３２３に出力する。

目標排水量算出部３２３は、発電生成水量Ｑ_{w_in}と目標水収支Ｑ_{w_t}との差分に基づいて、燃料電池スタック１から排出すべき水分を示す目標排水量Ｑ_{w_out}を算出する。本実施形態では、目標排水量算出部３２３は、次式（４）のように、発電生成水量Ｑ_{w_in}から目標水収支Ｑ_{w_t}を減算して目標排水量Ｑ_{w_out}を算出する。

目標排水量算出部３２３は、算出した目標排水量Ｑ_{w_out}をカソード相対湿度演算部３２４に出力する。

カソード相対湿度演算部３２４は、目標排水量Ｑ_{w_out}に基づき、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を演算する。カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}は、カソードガス流路１３１の出口（下流）側のカソードガス湿度をアノードガス流路１２１の入口（上流）側のアノードガス湿度で除算した値である。

本実施形態では、カソード相対湿度演算部３２４は、目標排水量Ｑ_{w_out}と、飽和水蒸気圧Ｐ_satと、カソードガス流量と、カソードガス圧力とを用いて、燃料電池スタック１のカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を演算する。

出力重視ドライ操作においては、カソード相対湿度演算部３２４は、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１から、カソード下限流量Ｑ_{c_min}及びカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を取得する。そして、カソード相対湿度演算部３２４は、次式（５）のように、飽和水蒸気圧Ｐ_satとカソード上限圧力Ｐ_{c_max}とカソード下限流量Ｑ_{c_min}と目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}を算出する。

式（５）に示したように、カソードガス圧力が大きくなるほど、又はカソードガス流量が小さくなるほど、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}は高くなる。したがって、カソード上限圧力Ｐ_{c_max}及びカソード下限流量Ｑ_{c_min}を用いることにより、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}が最も高くなる。これは、カソード側で電解質膜１１１が最も湿り易い状態であることを意味する。

カソード相対湿度演算部３２４は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}をＡｎ／Ｃａ流量比演算部３２５に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}に基づいて、カソードガス流量に対するアノードガス流量の比率を示すＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min}を演算する。

本実施形態では、アノードガス圧力とカソードガス圧力との差圧を示す極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのカソード出口相対湿度とＡｎ／Ｃａ流量比との関係を示す相対湿度／流量比マップが、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５に予め記録される。相対湿度／流量比マップについては、図１４を参照して後述する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、カソード相対湿度演算部３２４からカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}を取得すると、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときの流量比マップを参照し、取得したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}に関係付けられたＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min_0}を算出する。

一般に、Ａｎ／Ｃａ流量比は、極間差圧の大きさに応じて変化する。そのため、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、極間差圧ΔＰ_acに応じてＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min_0}を補正する。

本実施形態では、アノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧とＡｎ／Ｃａ流量比の補正係数との関係を示す流量比補正マップがＡｎ／Ｃａ流量比演算部３２５に予め記録される。なお、流量比補正マップについては図１５を参照して後述する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１からアノード下限圧力Ｐ_{a_min}及びカソード上限圧力Ｐ_{a_max}を取得し、カソード上限圧力Ｐ_{c_max}をアノード下限圧力Ｐ_{a_min}から減算して極間差圧ΔＰ_{ac_min}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、極間差圧ΔＰ_{ac_min}を算出すると、流量比補正マップを参照し、算出した極間差圧ΔＰ_{ac_min}に関係付けられた補正係数Ｅ_{ac_min}を算出する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、次式（６）のように、算出した補正係数Ｅ_{ac_min}を、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min_0}に乗算することにより、極間差圧ΔＰ_{ac_min}に応じたＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、算出したＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min}をアノード湿潤要求流量演算部３２６に出力する。

アノード湿潤要求流量演算部３２６は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min}に基づいて、燃料電池スタック１の湿潤状態を目標とする状態にするためのアノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を演算する。

出力重視ドライ操作において、アノード湿潤要求流量演算部３２６は、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１からカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得する。そして、アノード湿潤要求流量演算部３２６は、次式（７）のように、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min}をカソード下限流量Ｑ_{c_min}に乗算することにより、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を算出する。

アノード湿潤要求流量演算部３２６は、算出したアノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}をアノード目標流量設定部３２８に出力する。

アノード下限流量演算部３２７は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、アノード下限流量を演算する。アノード下限流量は、電解質膜１１１の湿潤要求とは異なる要求によって設定されるアノードガス流量の下限値である。電解質膜１１１の湿潤要求とは異なる要求としては、例えば、負荷装置５の発電要求や、電解質膜１１１の保護要求、フラッディング防止要求などが挙げられる。

例えば、アノード下限流量演算部３２７は、負荷装置５の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガス循環流量を示すアノード負荷要求流量を演算する。この例では、スタック目標電流とアノード負荷要求流量との関係を示す負荷要求流量マップがアノード下限流量演算部３２７に予め記録される。アノード下限流量演算部３２７は、スタック目標電流演算部２２０からスタック目標電流を取得すると、負荷要求流量マップを参照し、取得したスタック目標電流に関連付けられたアノード負荷要求流量を算出する。アノード下限流量演算部３２７は、算出したアノード負荷要求流量を、アノード下限流量としてアノード目標流量設定部３２８に出力する。

アノード目標流量設定部３２８は、アノード下限流量とアノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}とのうち大きい方の値を、アノード目標流量としてアノード系指令部２５０に出力する。

図１４は、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５に設定される相対湿度／流量比マップの一例を示す観念図である。ここでは、横軸が、カソードガス流量に対するアノードガス流量の比率を示すＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_acを示し、縦軸が、カソードガス流路１３１の出口でのカソードガス相対湿度であるカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を示す。

カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}は、アノードガス流量が極めて少なく、発電に伴う生成水のほぼ全てがカソードガス流路１３１から外部に排出されている状態を「１００％」としている。相対湿度／流量比マップは、カソードガス流量とアノードガス流量とを互いに変化させたときの実験データなどを用いて予め設定される。例えば、相対湿度／流量比マップは、スタック温度や、水素濃度などを変化させたときの平均値や、誤差が小さくなるように算術処理された統計値などにより設定される。

相対湿度／流量比マップには、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}の特性が設定される。ここでは、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}が実線により示されている。また、理解を容易にするために極間差圧ΔＰ_acがゼロよりも大きいときのＡｎ／Ｃａ流量比と、極間差圧ΔＰ_acがゼロよりも小さいときのＡｎ／Ｃａ流量比とが破線により示されている。なお、破線により示されたＡｎ／Ｃａ流量比の特性は、図１５に示す流量比補正マップの補正係数Ｅ_acをＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}に掛け合わせることにより求めることができる。

相対湿度／流量比マップでは、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_acが小さくなるほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排水量が増加するため、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}は大きくなる。また、極間差圧ΔＰ_acが大きくなるほど、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へ押し出される水蒸気の流量が減少するため、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}は大きくなる。

図１５は、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５に設定される流量比補正マップの一例を示す観念図である。ここでは、横軸が、アノードガス圧力Ｐ_aからカソードガス圧力Ｐ_cを減算した極間差圧ΔＰ_ac（＝Ｐ_a−Ｐ_c）を示し、縦軸が、Ａｎ／Ｃａ流量比を補正するための補正係数Ｅ_acを示す。補正係数Ｅ_acは、極間差圧ΔＰ_acが０のときに「１」となるように規格化されている。流量比補正マップは、カソードガス圧力とアノードガス圧力とを互いに変化させたときの実験データ等により予め設定される。

流量比補正マップでは、極間差圧ΔＰ_acがゼロよりも大きくなるほど、アノードガス流路１２１からカソードガス流路１３１へリークするアノードガスの流量が増加するため、補正係数Ｅ_acは「１」よりも大きくなる。一方、極間差圧ΔＰ_acがゼロよりも小さくなるほど、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１へリークするカソードガスの流量が増加するため、補正係数Ｅ_acは「１」よりも小さくなる。

このように、燃料電池スタック１では、極間差圧ΔＰ_acに応じてアノードガス流量に対するカソードガス流量のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_acが変化するため、補正係数Ｅ_acを用いてＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_acが補正される。

以上のように、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を大きくするには、上記の式（５）の関係から、カソードガス流量を計測値よりも小さくし、カソードガス圧力を計測値よりも大きくすればよい。また、極間差圧ΔＰ_acを小さくするには、アノードガス圧力を計測値よりも小さくするか、カソードガス圧力を計測値よりも大きくすればよい。

このため、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、アノードガス循環流量を速やかに減少させるために、カソード下限流量Ｑ_{c_min}、カソード上限圧力Ｐ_{c_max}及びアノード下限圧力Ｐ_{c_min}を、計測値の代わりにアノード目標流量演算部３２０ａに出力する。

これにより、出力重視ドライ操作において、単にカソードガスの流量及び圧力の計測値を用いる場合に比べて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}が大きくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min}を小さくすることができる。さらにアノード下限圧力Ｐ_{c_max}及びカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を用いることにより、極間差圧ΔＰ_{ac_min}が小さくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min}をより一層小さくすることができる。したがって、出力重視ドライ操作におけるアノードガス流量制御の優先度（負荷）が最も高くなるので、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を早期に下げることができる。

図１６は、出力重視ドライ操作を実施するときのアノード目標圧力演算部３３０ａの機能構成の一例を示すブロック図である。

アノード目標圧力演算部３３０ａは、アノード上限圧力演算部３３１と、カソード相対湿度演算部３３２と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３と、アノード湿潤要求圧力演算部３３４と、アノード目標圧力設定部３３５とを含む。

アノード上限圧力演算部３３１は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、アノード上限圧力を演算する。アノード上限圧力は、電解質膜１１１の湿潤要求とは異なる要求により設定されるアノードガス圧力の上限値である。

例えば、アノード上限圧力演算部３３１は、予め定められた電解質膜１１１の許容圧力をカソード圧力センサ２４からのカソードガス圧力に加算して電解質膜１１１を保護するためのアノードガス圧力の上限値を示すアノード膜保護要求圧力を算出する。また、アノード上限圧力演算部３３１は、負荷装置５の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるアノードガス圧力を示すアノード負荷要求圧力を算出する。そして、アノード上限圧力演算部３３１は、算出したアノード負荷要求圧力やアノード膜保護要求圧力などを、アノード上限圧力としてアノード目標圧力設定部３３５に出力する。

カソード相対湿度演算部３３２は、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１から、カソード下限流量Ｑ_{c_min}及びカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を取得する。カソード相対湿度演算部３３２は、上述の式（５）のように、カソード下限流量Ｑ_{c_min}とカソード上限圧力Ｐ_{c_max}と飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}を算出する。カソード相対湿度演算部３３２は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}をＡｎ／Ｃａ流量比演算部３３３に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、図１３に示したものと同様の機能を有する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}に基づいて、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min_0}を演算する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}を取得すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}に関係付けられたＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min_0}を算出する。

さらに、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１からカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得し、アノードガス循環流量推定部２３０からアノードガス流量Ｑ_{a_sens}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、カソード下限流量Ｑ_{c_min}をアノードガス流量Ｑ_{a_sens}により除算して、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、次式（８）のように、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin}を、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min_0}により除算して、補正係数Ｅ_{ac_3max}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、補正係数Ｅ_{ac_3max}を算出すると、図１５の流量比補正マップを参照し、補正係数Ｅ_{ac_3max}に関係付けられた極間差圧ΔＰ_{ac_3max}を算出する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、算出した極間差圧ΔＰ_{ac_3max}をアノード湿潤要求圧力演算部３３４に出力する。

アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、極間差圧ΔＰ_{ac_3max}に基づいて、燃料電池スタック１の湿潤状態を目標とする状態にするためのアノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を演算する。

本実施形態では、アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１からカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を取得すると、次式（９）のように、極間差圧ΔＰ_{ac_3max}にカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を加算することにより、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を算出する。

アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}をアノード目標圧力設定部３３５に出力する。

アノード目標圧力設定部３３５は、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}とアノード上限圧力演算部３３１からのアノード上限圧力とのうち小さい方の値を、アノード目標圧力としてアノード系指令部２５０に出力する。

以上のように、出力重視ドライ操作においてアノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を速やかに大きくするには、式（８）の関係から、極間差圧ΔＰ_{ac_3max}を大きくして補正係数Ｅ_{ac_3max}を大きくする必要がある。補正係数Ｅ_{ac_3max}を大きくするには、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}を大きくすればよい。

このため、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、出力重視ドライ操作時に、上式（５）の関係から、カソードガス流量及び圧力の計測値の代わりに、カソード下限流量Ｑ_{c_min}及びカソード上限圧力Ｐ_{c_max}をアノード目標圧力演算部３３０ａに出力する。これにより、出力重視ドライ操作時において、単にカソードガスの流量及び圧力の計測値を用いる場合に比べて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}が大きくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_min_0}が小さくなる。そして、式（８）の関係から補正係数Ｅ_{ac_3max}が大きくなり、これに伴い、図１５に示したように極間差圧ΔＰ_{ac_3max}が大きくなるので、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を大きくすることができる。

例えば、図１０（Ｂ）に示したように、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}が低下してアノードガス循環流量の計測値Ｑ_{a_sens}が低下するほど、アノード目標圧力演算部３３０ａでは、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin}が低下する。Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin}が低下するほど、式（８）の関係から、Ａｎ／Ｃａ流量比の補正係数Ｅ_{ac_3max}が小さくなり、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}は小さくなる。すなわち、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}が低下するほど、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}は小さくなる。

一方、式（５）の関係から、目標水収支Ｑ_{w_t}が小さくなって目標排水量Ｑ_{w_out}が大きくなるほど、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}は大きくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比の比率Ｅ_acが大きくなり、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}が大きくなる。

このように、アノード目標圧力演算部３３０ａは、出力重視ドライ操作において、アノードガス流量を下げている状況であっても、目標排水量Ｑ_{w_out}が減少しなければ、アノード目標圧力を上昇させることができる。すなわち、湿潤制御部３００は、出力重視ドライ操作時には、アノードガス循環流量が増加するほど、アノードガス圧力の上昇を抑制し、かつ、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど、アノードガス圧力を上昇させることができる。

図１７は、出力重視ドライ操作を実施するときのカソード目標圧力演算部３４０ａの機能構成の一例を示すブロック図である。

カソード目標圧力演算部３４０ａは、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１と、カソード相対湿度演算部３４２と、カソード湿潤要求圧力演算部３４３と、カソード下限圧力演算部３４４と、カソード目標圧力設定部３４５とを含む。

出力重視ドライ操作において、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１からカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得し、アノードガス循環流量推定部２３０からのアノードガス循環流量を計測値Ｑ_{a_sens}として取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、アノードガス流量Ｑ_{a_sens}をカソード下限流量Ｑ_{c_min}により除算して、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin}を算出する。

カソード相対湿度演算部３４２は、アノード圧力センサ３７からアノードガス圧力Ｐ_{a_sens}を取得し、アノードガス圧力Ｐ_{a_sens}から暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}を減算して暫定極間差圧ΔＰ_{ac_pr}を算出する。暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}は、所定の範囲で変化するパラメータである。

カソード相対湿度演算部３４２は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin}を取得すると、図１５の流量比補正マップを参照し、暫定極間差圧ΔＰ_{ac_pr}に関係付けられた暫定補正係数Ｅ_{ac_pr}を算出する。カソード相対湿度演算部３４２は、その暫定補正係数Ｅ_{ac_pr}によりＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin}を除算して、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときの暫定Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin_0}を算出する。

カソード相対湿度演算部３４２は、暫定Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin_0}を算出すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、暫定Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin_0}に関係付けられた暫定カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pr}として算出する。

カソード相対湿度演算部３４２は、暫定カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pr}と暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}とをカソード湿潤要求圧力演算部３４３に出力する。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}に基づいて、燃料電池スタック１の湿潤状態を目標とする状態にするためのカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}を演算する。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、カソード相対湿度演算部３４２から暫定カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pr}を取得し、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１からカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得し、飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。そして、カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、次式（１０）のように、暫定カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pr}と、カソード下限流量Ｑ_{c_min}と、飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、暫定カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw_pr}を算出する。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}の圧力値を段階的に変更するようにカソード相対湿度演算部３４２に指示する。そして、カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}と暫定カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw_pr}とが一致したときの圧力値をカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}として設定する。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、設定したカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}をカソード目標圧力設定部３４５に出力する。

カソード下限圧力演算部３４４は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、カソード下限圧力を演算する。カソード下限圧力は、電解質膜１１１の湿潤要求とは異なる要求によって設定されるカソードガス圧力の下限値である。

例えば、カソード下限圧力演算部３４４は、アノード圧力センサ３７からのアノードガス圧力から電解質膜１１１の許容圧力を減算することにより、電解質膜１１１を保護するためのカソードガス圧力の下限値を示すカソード膜保護要求圧力を算出する。また、カソード下限圧力演算部３４４は、負荷装置５の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要なカソードガスの圧力を示すカソード負荷要求圧力を算出する。カソード下限圧力演算部３４４は、算出したカソード負荷要求圧力やカソード膜保護要求圧力などを、カソード下限圧力としてカソード目標圧力設定部３４５に出力する。

カソード目標圧力設定部３４５は、カソード下限圧力とカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}とのうち大きい方の値を、カソード目標圧力としてカソード系指令部２４０に出力する。

図１８は、出力重視ドライ操作を実施するときのカソード目標流量演算部３５０ａの機能構成の一例を示すブロック図である。

カソード目標流量演算部３５０ａは、カソード上限流量演算部３５１と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２と、カソード相対湿度演算部３５３と、カソード湿潤要求流量演算部３５４と、カソード目標流量設定部３５５と、遅延回路３５６とを含む。

カソード上限流量演算部３５１は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、カソード上限流量を演算する。カソード上限流量は、電解質膜１１１の湿潤要求とは異なる要求によって設定されるカソードガス流量の上限値である。

例えば、カソード上限流量演算部３５１は、負荷装置５の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガス流量を示すカソード負荷要求流量を演算する。この例では、スタック目標電流とカソード負荷要求流量との関係を示す負荷要求流量マップがカソード上限流量演算部３５１に予め記録される。カソード上限流量演算部３５１は、スタック目標電流演算部２２０からスタック目標電流を取得すると、負荷要求流量マップを参照し、取得したスタック目標電流に関連付けられたカソード負荷要求流量を算出する。カソード上限流量演算部３５１は、算出したカソード負荷要求流量を、カソード上限流量としてカソード目標流量設定部３５５に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、アノードガス循環流量推定部２３０からのアノードガス循環流量を計測値Ｑ_{a_sens}として取得し、遅延回路３５６からのカソード目標流量の前回値Ｑ_{c_t_dly}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、カソード目標流量の前回値Ｑ_{c_t_dly}によりアノードガス流量Ｑ_{a_sens}を除算して、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qct}を算出し、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qct}をカソード相対湿度演算部３５３に出力する。

カソード相対湿度演算部３５３は、アノード圧力センサ３７からのアノードガス圧力Ｐ_{a_sens}と、カソード圧力センサ２４からのカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}との極間差圧ΔＰ_{ac_sens}を算出する。カソード相対湿度演算部３５３は、極間差圧ΔＰ_{ac_sens}を算出すると、図１５の流量比マップを参照し、極間差圧ΔＰ_{ac_sens}に関係付けられた補正係数Ｅ_{ac_sens}を算出する。

そして、カソード相対湿度演算部３５３は、補正係数Ｅ_{ac_sens}によりＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qct}を除算して、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qct_0}を算出する。カソード相対湿度演算部３５３は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qct_0}を算出すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qct_0}に関連付けられたカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を算出する。カソード相対湿度演算部３５３は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}をカソード湿潤要求流量演算部３５４に出力する。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}に基づいて、燃料電池スタック１の湿潤状態を目標とする状態にするためのカソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を演算する。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力Ｑ_{c_sens}を取得し、飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得し、カソード相対湿度演算部３５３からカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を取得する。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、次式（１１）のように、目標排水量Ｑ_{w_out}と、カソードガス流量Ｑ_{c_sens}と、飽和水蒸気圧Ｐ_satと、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}とに基づいて、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を算出する。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、算出したカソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}をカソード目標流量設定部３５５に出力する。

カソード目標流量設定部３５５は、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}とカソード上限流量とのうち小さい方の値を、カソード目標流量としてカソード系指令部２４０に出力する。

図１９は、本実施形態における湿潤制御方法についての処理手順の一例を示すフローチャートである。この湿潤制御方法の処理手順は、所定の制御周期で繰り返し実行される。

本実施形態の湿潤制御方法では、ステップＳ１〜Ｓ７、Ｓ１０の一連の処理は、図９に示したものと同様であるため、ここでは、ステップＳ７以降の処理手順について説明する。なお、ステップＳ３ａでは、図９に示したステップ３の処理に加えて、湿潤制御部３００の飽和水蒸気圧演算部３２１が、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７からそれぞれスタック入口水温Ｔ_in及びスタック出口水温Ｔ_outを取得し、両者の平均値をスタック温度Ｔとして算出する。スタック温度Ｔは、燃料電池スタック１内の飽和水蒸気圧Ｐ_satの算出に用いられる。

ステップＳ７において湿潤制御部３００のＤＲＹ操作モード切替部３１０は、計測ＨＦＲが所定の下限値に達したか否かを判断し、計測ＨＦＲが下限値に達した場合にドライ操作を実施する必要があると判定する。ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、ドライ操作を実施する必要がないと判定した場合には、図９で示したステップＳ１０の処理に進む。

ステップＳ７１においてＤＲＹ操作モード切替部３１０は、ドライ操作を実施する必要があると判定した場合には、電解質膜１１１の水分を速やかに減らす必要があるか否かを判断する。本実施形態では、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、目標ＨＦＲから計測ＨＦＲを減算した値であるＨＦＲ偏差が所定の速乾要求閾値よりも大きいか否かを判断する。

速乾要求閾値は、早期に電解質膜１１１の湿潤状態を乾燥状態に遷移させる必要性が高いか否かを判定するための閾値である。速乾要求閾値は、例えば１５［Ω・ｃｍ²］に設定される。

ステップＳ４０においてＤＲＹ操作モード切替部３１０は、ＨＦＲ偏差が速乾要求閾値よりも大きい場合には、電解質膜１１１の水分を速やかに減らす必要があると判断し、速乾性重視ドライ操作処理を実行する。速乾性重視ドライ操作処理については第４実施形態で説明する。

ステップＳ７２においてＤＲＹ操作モード切替部３１０は、ＨＦＲ偏差が速乾要求閾値以下である場合には、電解質膜１１１の水分を速やかに減らす必要がないと判断し、燃料電池スタック１の出力を確保する必要があるか否かを判断する。本実施形態では、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、スタック目標電流が所定の高負荷要求閾値よりも大きいか否かを判断する。

高負荷要求閾値は、燃料電池スタック１の出力を増加させる必要性が高いか否かを判定するための閾値である。例えば、高負荷要求閾値は、車両が加速する際に必要となる燃料電池スタック１の出力電流値に基づいて設定される。あるいは、高負荷要求閾値は、高負荷運転が所定時間以上継続した場合に限り設定されるものであってもよい。

ステップＳ３０においてＤＲＹ操作モード切替部３１０は、スタック目標電流が高負荷要求閾値以下である場合には、燃料電池システム１００の消費電力を抑制可能であると判断し、燃費重視ドライ操作処理を実行する。燃費重視ドライ操作処理については第３実施形態で説明する。

ステップＳ２０においてＤＲＹ操作モード切替部３１０は、スタック目標電流が高負荷要求閾値よりも大きい場合には、燃料電池スタック１の出力を確保する必要があると判断し、本実施形態の出力重視ドライ操作処理を実行する。出力重視ドライ操作処理については図２０を参照して説明する。

ステップＳ１０からステップＳ４０までのいずれかの処理が終了すると、燃料電池システム１００の湿潤制御方法の一連の処理が終了する。次にステップＳ２０で実行される出力重視ドライ操作処理について詳細に説明する。

図２０は、本実施形態における湿潤制御部３００の出力重視ドライ操作処理についての処理手順の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ２１において湿潤制御部３００の出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、出力重視ドライ操作で実行される各制御の優先順位を設定する優先制御パラメータ（ＷＥＴ操作値）として、カソード下限流量、カソード上限圧力、及びアノード下限圧力を演算する。

ステップＳ２２において湿潤制御部３００のアノード目標流量演算部３２０ａは、図１２で述べたとおり、優先制御パラメータであるカソード下限流量、カソード上限圧力、及びアノード下限圧力と、目標水収支とに基づいて、アノード目標流量を演算する。３つの優先制御パラメータをアノード目標流量演算部３２０ａに設定することにより、アノードガス循環流量を減少させる減量制御の優先順位が最も高くなる。

このため、アノード目標流量演算部３２０ａは、出力重視ドライ操作において、カソードガス流量制御、カソードガス圧力制御、及びアノードガス圧力制御の３つの制御が全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもアノード目標流量を迅速に下げる。

ステップＳ２３において湿潤制御部３００のアノード目標圧力演算部３３０ａは、図１６で述べたとおり、優先制御パラメータであるカソード下限流量及びカソード上限圧力と、アノードガス流量と、目標水収支とに基づいて、アノード目標圧力を演算する。２つの優先制御パラメータをアノード目標圧力演算部３３０ａに設定することにより、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御の優先順位が２番目に高くなる。

このため、アノード目標圧力演算部３３０ａは、出力重視ドライ操作において、カソードガス流量制御及びカソードガス圧力制御の２つの制御が全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもアノード目標圧力を迅速に上げる。

ステップＳ２４において湿潤制御部３００のカソード目標圧力演算部３４０は、図１７で述べたとおり、優先制御パラメータであるカソード下限流量、アノードガス流量、及びアノードガス圧力と、目標水収支とに基づいて、カソード目標圧力を演算する。１つの優先制御パラメータをカソード目標圧力演算部３４０に設定することにより、カソードガス圧力を降下させる降圧制御の優先順位が３番目に高くなる。

このため、カソード目標圧力演算部３４０は、出力重視ドライ操作においてカソードガス流量制御のみが全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもカソード目標圧力を迅速に下げる。

ステップＳ２５において湿潤制御部３００のカソード目標流量演算部３５０ａは、図１７で述べたとおり、カソードガス圧力、アノードガス流量、及びアノードガス圧力と、目標水収支とに基づいて、カソード目標流量を演算する。優先制御パラメータが用いられていないため、カソード目標流量演算部３５０ａは、通常どおり、カソード目標流量を上げる。したがって、カソードガス流量を増加させる増量制御の優先順位が４番目になる。

ステップＳ２００においてコントローラ２００のカソード系指令部２４０及びアノード系指令部２５０は、アノード目標流量、アノード目標圧力、カソード目標圧力、及びカソード目標流量に基づいて、ガス状態調整処理を実行する。ガス状態調整処理については次図を参照して詳細に説明する。ガス状態調整処理が終了すると、図１９に示した出力重視ドライ操作処理についての一連の処理手順が終了する。

図２１は、ステップＳ２００で実行されるガス状態調整処理に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ２１１においてコントローラ２００は、アノードガス循環流量がアノード目標流量に収束するように、アノード循環ポンプ３６の回転速度を下げる。これにより、アノードガス循環流量が減少する。

ステップＳ２１２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ２１３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、アノードガス循環流量がアノード下限流量に達しているか否かを判断し、アノード下限流量に達していない場合には、ステップＳ２１１の処理に戻る。

ステップＳ２２１においてコントローラ２００は、アノードガス流量がアノード下限流量に達した場合には、アノードガス圧力がアノード目標圧力に収束するように、アノード調圧弁３３の開度を大きくする。これにより、アノードガス圧力が上昇する。

ステップＳ２２２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ２２３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、アノードガス圧力がアノード上限圧力に達しているか否かを判断し、アノード上限圧力に達していない場合には、ステップＳ２２１の処理に戻る。

ステップＳ２３１においてコントローラ２００は、アノードガス圧力がアノード上限圧力に達した場合には、カソードガス圧力がカソード目標圧力に収束するように、カソード調圧弁２６の開度を小さくする。これにより、カソードガス圧力が低下する。

ステップＳ２３２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ２３３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、カソードガス圧力がカソード下限圧力に達したか否かを判断し、カソード下限圧力に達していない場合には、ステップＳ２３１の処理に戻る。

ステップＳ２４１においてコントローラ２００は、カソードガス圧力がカソード下限圧力に達した場合には、カソードガス流量がカソード目標流量に収束するように、コンプレッサ２２の回転速度を上げる。これにより、カソードガス流量が増加する。

ステップＳ２４２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ２４３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、カソードガス流量がカソード上限流量に達したか否かを判断する。カソードガス流量がカソード上限流量に達していない場合には、コントローラ２００は、ステップＳ２４１の処理に戻り、カソードガス流量を増加させる。そして、ステップＳ２４２で計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合、又は、ステップＳ２４３でカソードガス流量がカソード上限流量に達した場合に、ガス状態調整処理が終了する。

図２２は、本実施形態の出力重視ドライ操作における燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図２２（Ａ）は、燃料電池スタック１の計測ＨＦＲの変化を示す図である。図２２（Ｂ）及び図２２（Ｃ）は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量及び圧力の変化を示す図である。図２２（Ｄ）及び図２２（Ｅ）は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力及び流量の変化を示す図である。図２２（Ｆ）は、燃料電池スタック１の目標電流を示す図である。図２２（Ａ）から図２２（Ｆ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ１０では、図２２（Ａ）に示すように、例えば、加速後に負荷装置５の要求電力の大幅な低下に伴って目標ＨＦＲが大幅に上昇する。これに伴って、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも低くなるため、ドライ操作を実施する必要があると判定する。

そして、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、計測ＨＦＲと目標ＨＦＲとの差分が速乾要求閾値よりも小さいため、電解質膜１１１の水分を迅速に減らす必要はないと判断する。次にＤＲＹ操作モード切替部３１０は、スタック目標電流が高負荷要求閾値よりも高いか否かを判断する。図２２（Ｆ）に示すように、スタック目標電流が高負荷要求閾値よりも高いため、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、燃料電池スタック１の出力を確保する必要があると判断し、３つのドライ操作モードの中から出力重視ドライ操作モードを選択する。

このため、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、アノード目標流量演算部３２０ａに対し、カソード下限流量、カソード上限圧力、アノード下限圧力を各計測値に代えて設定する。さらに出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、アノード目標圧力演算部３３０ａに対し、計測値に代えてカソード下限流量、及びカソード上限圧力を設定すると共に、カソード目標圧力演算部３４０に対し、計測値に代えてカソード下限流量を設定する。すなわち、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、出力重視ドライ操作時に、アノードガス流量制御、アノードガス圧力制御、カソードガス圧力制御、カソードガス流量制御の順に各制御に関する優先順位を設定する。

これにより、図２２（Ｂ）に示すように、アノード目標流量演算部３２０ａにより、他の制御よりも優先してアノード循環ポンプ３６の回転速度が下げられてアノードガス循環流量が減少する。これに伴い、アノードガス循環通路３５に保管されるアノード循環水量が減少するため、電解質膜１１１の水分が減少し、図２２（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かって上昇する。このように、出力重視ドライ操作において、１番目に、アノードガス循環流量を減少させる減量制御を実行することにより、アノード循環ポンプ３６の消費電力を早期に低減させることができる。

時刻ｔ１１では、図２２（Ｂ）及び図２２（Ｃ）に示すように、アノードガス循環流量がドライ操作の下限値に到達する。このため、アノードガス流量制御を補完するようにアノード目標圧力演算部３３０ａによりアノード調圧弁３３が開かれてアノードガス圧力が上昇する。これに伴って、アノードガス流路１２１中の水蒸気分圧が上昇し、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水蒸気の流量が減少し、アノード循環水量が減少するので、図２２（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。また、アノードガス圧力を上昇させることにより、燃料電池スタック１の発電に必要となる水素を十分に確保することができるようになる。

このように、出力重視ドライ操作において、２番目に、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御を実行することにより、電解質膜１１１の水分を減らしつつ、燃料電池スタック１の高負荷運転時においける水素不足を回避することができる。

時刻ｔ１２において、図２２（Ｃ）及び図２２（Ｄ）に示すように、アノードガス圧力がドライ操作の上限値に到達する。このため、アノードガス圧力制御を補完するようにカソード目標圧力演算部３４０によりカソード調圧弁２６が開かれてカソードガス圧力が低下する。これに伴って、アノード循環水量が減少するので、図２２（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。

このように、出力重視ドライ操作において、３番目に、カソードガス圧力を降下させる降圧制御を実行することにより、コンプレッサ２２によるカソードガス流量制御よりも優先してカソード調圧弁２６によるカソードガス圧力制御が実行されることになる。このため、カソード調圧弁２６の応答性がコンプレッサ２２の応答性よりも良いので、カソードガス流量よりも迅速に、カソードガス圧力をドライ操作の限界値に収束させることができる。

時刻ｔ１３において、図２２（Ｄ）及び図２２（Ｅ）に示すように、カソードガス圧力がドライ操作の下限値に到達する。このため、カソードガス圧力制御を補完するようにカソード目標流量演算部３５０ａによりコンプレッサ２２の回転速度が上げられてカソードガス流量が増加する。これに伴って、燃料電池スタック１からカソードガスによって持ち出される水蒸気の排出量も増加するので、図２２（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。

このように、出力重視ドライ操作において、４番目に、カソードガス流量を増加させる増量制御を実行することにより、コンプレッサ２２の消費電力を増加させる機会を減らすことができる。

時刻ｔ１４において、図２２（Ｅ）に示すように、カソードガス流量がドライ操作の上限値に到達し、図２２（Ａ）に示すように、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに到達する。

以上のように、出力重視ドライ操作において、アノードガス流量、アノードガス圧力、カソードガス圧力、カソードガス流量の順にそれぞれを制御することで、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減しつつ、燃料電池スタック１の出力を確保することができる。

なお、図２２（Ｂ）では出力重視ドライ操作においてカソードガス循環流量が電解質膜１１１の湿潤要求によって設定されるＤＲＹ操作の下限値まで下げられたが、電解質膜１１１の湿潤要求とは異なる要求により設定される下限値により制限されることもある。

図２３は、出力重視ドライ操作において、アノードガスの減量制御が湿潤要求とは異なる要求によって制限されたときの燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図２３（Ａ）は、燃料電池スタック１の目標ＨＦＲを示す図である。図２３（Ｂ）及び図２３（Ｃ）は、それぞれアノードガス循環流量及びアノードガス圧力を示す図である。図２３（Ｄ）は、アノード循環水量を示す図である。これらの図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

ここでは、本実施形態の出力重視ドライ操作が実線により示され、図１２に示したアノード目標圧力演算部３３０ａがアノードガス流量の計測値の代わりにアノード湿潤要求流量を用いてアノード目標圧力を算出したときのドライ操作が点線により示されている。

時刻ｔ２０において、図２３（Ａ）に示すように、目標ＨＦＲが大幅に上昇する。そして、図２３（Ｂ）に示すように、アノードガス循環流量が減少する。

時刻ｔ２１において、湿潤要求とは別の要求により設定された下限流量にアノードガス循環流量が到達したため、ドライ操作におけるアノードガス流量制御が制限される。この下限流量は、例えば、図１３に示したアノード下限流量演算部３２７の演算結果である。

本実施形態では、アノード目標圧力演算部３３０ａがアノードガス循環流量の推定値を用いてアノード目標圧力を演算するので、アノードガス流量制御が制限された直後にアノードガス圧力が上昇する。すなわち、アノードガスの減量制御によって電解質膜１１１の湿潤状態を操作しきれない部分を補完するようにアノードガスの昇圧制御が実行される。このため、図２３（Ａ）の実線で示すように、アノードガス流量制御が制限されたとしても計測ＨＦＲを継続して上昇させることができる。

一方、アノード目標圧力演算部３３０ａが、図１３で示したアノード湿潤要求流量演算部３２６の演算結果を用いてアノード目標圧力を演算したとすると、図２３（Ｃ）の点線で示すように、時刻ｔ３１から時刻ｔ３２までの間、アノードガスの昇圧制御が実行されない。その結果、図２３（Ａ）の点線で示すように、ドライ操作が完了するのに要する時間が長くなってしまう。

このように、本実施形態では、アノード目標圧力演算部３３０ａが、アノードガス流量として推定値を用いてアノード目標圧力を演算するので、アノード湿潤要求流量を用いる場合に比べて、ドライ操作に要する時間を短縮することができる。

図２４は、目標ＨＦＲが急峻に上昇したときのドライ操作における燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図２４（Ａ）は、目標ＨＦＲの変化を示す図である。図２４（Ｂ）から図２４（Ｄ）までの各図面の縦軸は、図２３（Ｂ）から図２３（Ｄ）までの各図面の縦軸と同じであり、図２４（Ａ）から図２４（Ｄ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。また、図２４（Ｂ）には、アノードガス循環流量が実線により示され、アノード目標流量が破線により示されている。

時刻ｔ３０において、図２４（Ａ）に示すように目標ＨＦＲがパルス状に上昇する。例えば、車両が加速状態から減速状態に切り替わることで負荷装置５の要求電力が極端に下った場合に、図８の特性から目標ＨＦＲが大幅に上昇する。

図２４（Ｂ）に示すように、アノード目標流量演算部３２０ａは、目標ＨＦＲを達成できるアノード目標流量を算出する。しかしながら、アノードガス循環流量は、アノード循環ポンプ３６の応答遅れが原因でアノード目標流量よりも遅れて低下する。

時刻ｔ３０の直後は、アノードガス循環流量とアノード目標流量との乖離が大きいため、アノード循環ポンプ３６によるドライ操作が十分に行われない。そのため、アノード目標圧力演算部３３０ａが、アノードガス循環流量とアノード目標流量との差分を補完するようにアノード目標圧力を高くするので、図２４（Ｃ）に示すようにアノードガス圧力が過渡的に上昇する。

時刻ｔ３０から時間が経過するにつれて、アノードガス循環流量とアノード目標流量との差分が小さくなるため、アノード目標圧力演算部３３０ａは、過渡的に高くした分だけアノード目標圧力を下げる。このため、図２４（Ｃ）に示すように、過渡的に上昇した後にアノードガス圧力が低下する。

時刻ｔ３１において、図２４（Ｂ）に示すようにアノードガス循環流量がアノード目標流量に到達し、図２４（Ｃ）に示すようにアノードガス圧力が定常状態となる。

このように、湿潤制御部３００は、目標ＨＦＲが大幅に上昇する場合には、アノード循環ポンプ３６による減量制御に遅れが生じるため、その遅れた分だけアノードガスの昇圧制御を実行する。すなわち、湿潤制御部３００は、過渡状態での出力重視ドライ操作時には、アノードガス循環流量を減少させると共に、目標ＨＦＲと計測ＨＦＲとの差分が小さくなるようにアノードガス圧力を上昇させる。

以上のように、出力重視ドライ操作を実施するときには、アノードガス循環流量を減らす減量制御で調整しきれない部分を補完するように、アノードガス圧力を高くする昇圧制御が実行される。すなわち、出力重視ドライ操作では、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて、アノードガスの減量制御及び昇圧制御のうち少なくとも減量制御が実行される。これにより、燃料電池スタック１の発電性能を維持しつつ、電解質膜１１１の水分を減らすことができる。

本発明の第２実施形態によれば、湿潤制御部３００は、少なくともドライ操作時には、アノードガス循環流量が増加するほど、アノードガス圧力の上昇を抑制し、かつ、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど、アノードガス圧力を上昇させる。これにより、アノードガス循環流量を減少させる減量制御を実行しても電解質膜１１１の水分が減らないときには、その減らない部分を補完するようにアノードガス圧力を上昇させることができる。したがって、図２３に示したように、ドライ操作に要する時間の増加を低減することができる。

また、本実施形態によれば、湿潤制御部３００のアノード目標流量演算部３２０ａは、電解質膜１１１の湿潤度と相関のある計測ＨＦＲとアノードガス圧力の計測値とに基づいて、アノード循環ポンプ３６を用いてアノードガス循環流量を制御する。そして、湿潤制御部３００のアノード目標圧力演算部３３０ａは、計測ＨＦＲとアノードガス流量の計測値とに基づいて、アノード調圧弁３３を用いてアノードガス圧力を制御する。

そして、ドライ操作を実施する場合には、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、計測ＨＦＲに基づく目標水収支と、電解質膜１１１を現在よりも高い湿潤状態にするときのアノードガス圧力であるＷＥＴ操作値とをアノード目標流量演算部３２０ａに設定する。さらに、出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１は、計測ＨＦＲとアノードガス流量とをアノード目標圧力演算部３３０ａに設定する。これにより、ドライ操作において、アノードガス循環流量を減少させる減量制御の優先順位、すなわち負荷割合を、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御よりも高くすることができる。

また、本実施形態によれば、ドライ操作において電解質膜１１１を現在よりも高い湿潤状態にするときのアノードガス圧力は、燃料電池１０の性能を確保できる範囲で最も低い圧力値に設定される。これにより、アノードガスの昇圧制御に比べて、アノードガスの減量制御をより一層迅速に実行することができる。

また、本実施形態によれば、湿潤制御部３００は、出力重視ドライ操作を実行する場合には、図２２に示したように、アノードガス流量制御、アノードガス圧力制御、カソードガス圧力制御、カソードガス流量制御の順に各制御を実行する。

このため、アノードガスの昇圧制御よりも優先してアノードガスの減量制御が実行されるので、図４に示したように、ドライ操作に寄与しない状況でのアノードガスの昇圧制御の実行を抑制することができる。また、カソードガスの降圧制御よりも優先してアノードガスの昇圧制御が実行されるので、応答性の良いアノード調圧弁３３を駆動してアノードガス圧力を迅速に高くするので、アノードガス流量制御で調整しきれない分を早期に補完ことができる。さらに、カソードガスの降圧制御よりも優先してアノードガスの昇圧制御が実行されるので、燃料電池スタック１の発電性能の確保を優先することができる。また、カソードガスの降圧制御がカソードガスの増量制御よりも優先して実行されるので、出力重視ドライ操作におけるコンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、湿潤制御部３００は、少なくともドライ操作を実施する場合において、燃料電池スタック１の出力を確保する必要があるときに限り、アノードガス循環流量をアノードガス圧力よりも優先して制御する。これにより、ドライ操作を実施しつつ、燃料電池スタック１の発電性能の低下を抑制することができる。

（第３実施形態）
第２実施形態では出力重視ドライ操作を実施するときの湿潤制御部３００の構成について説明したが、次の実施形態では、燃費重視ドライ操作を実施するときの湿潤制御部３００の構成について詳細に説明する。

図２５は、本発明の第３実施形態における湿潤制御部３００の詳細構成の一例を示すブロック図である。

湿潤制御部３００は、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２と、カソード目標圧力演算部３４０ｂと、アノード目標流量演算部３２０ｂと、カソード目標流量演算部３５０ｂと、アノード目標圧力演算部３３０ｂとを含む。

なお、アノード目標流量演算部３２０ｂ、アノード目標圧力演算部３３０ｂ、カソード目標圧力演算部３４０ｂ、及びカソード目標流量演算部３５０ｂの各構成は、図１２に示したものと基本的に同様の構成である。本実施形態の各構成は、第２実施形態に比べて入力パラメータの一部又は全部が相違し、また、各制御の優先順位も相違している。

燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、ＤＲＹ操作モード切替部３１０から選択信号を受信すると、アノードガス流量制御、アノードガス圧力制御、カソードガス流量制御、及びカソードガス圧力制御の各制御に関する優先順位を設定する。すなわち、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、アノード循環ポンプ３６、アノード調圧弁３３、コンプレッサ２２、及びカソード調圧弁２６の各動作を制御する順番を、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて調整する。

燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲ以上である場合には、ウェット操作パラメータとして、カソードガス圧力、カソードガス流量、及びアノードガス圧力の各計測値を出力する。一方、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも低い場合には、各制御の優先順位を設定するためのドライ操作パラメータとして、各計測値の代わりに、電解質膜１１１を現在よりもウェット状態にするときのＷＥＴ操作値を出力する。

燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、燃料電池スタック１の計測ＨＦＲが目標ＨＦＲ以上である場合には、ウェット操作パラメータとして、カソードガス流量、カソードガス流量、及びアノードガス圧力の各計測値を出力する。

一方、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも低い場合には、各計測値の代わりに、ドライ操作パラメータとして、電解質膜１１１をウェット状態にするときのＷＥＴ操作値をそれぞれ出力する。

例えば、燃費重視ドライ操作において、カソードガス流量制御のＷＥＴ操作値としては、カソードガス流量の計測値よりも小さな値が用いられ、アノードガス流量制御のＷＥＴ操作値としては、アノードガス流量の計測値よりも大きな値が用いられる。また、アノードガス圧力制御のＷＥＴ操作値としては、アノードガス圧力の計測値よりも小さな値が用いられる。

本実施形態では、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、ドライ操作パラメータとして、カソード下限流量、アノード上限流量、及びアノード下限圧力を出力する。これらのドライ操作パラメータは、電解質膜１１１を最も湿った状態に遷移させる場合に用いられるＷＥＴ操作値である。

カソード下限流量、及びアノード下限圧力は、それぞれ、図１２で述べたとおり、燃料電池スタック１の発電性能を確保できる範囲で最も小さな値に設定される。

アノード上限流量は、アノード循環ポンプ３６の動作特性により定められたアノードガス循環流量の上限値である。具体的には、アノード上限流量は、アノード循環ポンプ３６のＰ−Ｑ特性と、アノードガス循環系の圧力損失と、アノード循環ポンプ３６の回転速度が上限値に達したときのアノードガス流量と、に基づいて設定される。すなわち、アノード上限流量は、燃料電池スタック１の発電性能を確保できる範囲で最も大きなアノードガス流量に設定される。

カソード目標圧力演算部３４０ｂは、電解質膜１１１の湿潤度と、燃料電池スタック１のアノードガス循環流量とに基づいて、燃料電池スタック１のカソードガス圧力を制御する第２の圧力制御部を構成する。

本実施形態では、カソード目標圧力演算部３４０ｂは、目標水収支演算部２１２からの目標水収支と、カソードガス流量と、アノードガス流量と、アノードガス圧力とに基づいて、カソード目標圧力を演算する。カソード目標圧力演算部３４０ｂは、演算したカソード目標圧力をカソード系指令部２４０に出力する。

燃費重視ドライ操作においては、カソード目標圧力演算部３４０ｂは、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２から、アノード上限流量、アノード下限圧力、及びカソード下限流量をＷＥＴ操作値として取得する。このため、カソード目標圧力演算部３４０ｂは、アノードガス流量、アノードガス圧力、及びカソードガス流量の各計測値を取得する場合に比べて、カソード目標圧力を小さくすることができる。このように、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、ドライ操作において、カソード圧力制御の優先順位を、アノードガス流量制御、アノードガス圧力制御、及びカソードガス流量制御の優先順位よりも高くすることができる。

アノード目標流量演算部３２０ｂは、電解質膜１１１の湿潤度と、燃料電池スタック１のカソードガス圧力とに基づいて、燃料電池スタック１のアノードガス循環流量を制御する第２の流量制御部を構成する。

本実施形態では、アノード目標流量演算部３２０ｂは、目標水収支と、カソードガス流量と、カソードガス圧力と、アノードガス圧力とに基づいて、アノード目標流量を演算する。アノード目標流量演算部３２０ｂは、演算したアノード目標流量をアノード系指令部２５０に出力する。

燃費重視ドライ操作において、アノード目標流量演算部３２０ｂは、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２から、カソード下限流量、及びアノード下限圧力をＷＥＴ操作値として取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力の計測値を取得する。このため、アノード目標流量演算部３２０ｂは、カソードガス流量、及びアノードガス圧力の各計測値を取得した場合に比べて、アノード目標流量を小さくすることができる。したがって、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、ドライ操作において、アノード流量制御の優先順位を、カソードガス流量制御、及びアノードガス圧力制御の優先順位よりも高くすることができる。

カソード目標流量演算部３５０ｂは、目標水収支と、カソードガス圧力と、アノードガス流量と、アノードガス圧力とに基づいて、カソード目標流量を演算する。カソード目標流量演算部３５０ｂは、演算したカソード目標流量をアノード系指令部２５０に出力する。

燃費重視ドライ操作では、カソード目標流量演算部３５０ｂは、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２からアノード下限圧力をＷＥＴ操作値として取得する。そして、カソード目標流量演算部３５０ｂは、アノードガス循環流量推定部２３０からアノードガス循環流量の推定値を計測値として取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力の計測値を取得する。このため、カソード目標流量演算部３５０ｂは、アノードガス圧力の計測値を取得した場合に比べて、カソード目標流量を大きくすることができる。したがって、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、ドライ操作において、カソードガス流量制御の優先順位を、アノードガス圧力制御の優先順位よりも高くすることができる。

アノード目標圧力演算部３３０ｂは、目標水収支と、カソードガス流量と、カソードガス圧力と、アノードガス流量とに基づいて、アノード目標圧力を演算する。アノード目標圧力演算部３３０ｂは、演算したアノード目標圧力をアノード系指令部２５０に出力する。

燃費重視ドライ操作では、アノード目標圧力演算部３３０ｂは、流量センサ２３及びカソード圧力センサ２４から、それぞれカソードガス流量及びカソードガス圧力の計測値を取得し、アノードガス循環流量推定部２３０から計測値としてアノードガス循環流量を取得する。このため、アノード目標圧力演算部３３０ｂは、カソードガス流量、カソードガス圧力、及びアノードガス流量の各計測値に従ってアノード目標圧力を適切に増減させることができる。

以上のように、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、燃費重視ドライ操作を実施する時に、カソードガス圧力制御、アノードガス流量制御、カソードガス流量制御、アノードガス圧力制御の順に各制御の優先順位を設定する。これにより、アノードガス流量制御よりも優先してカソードガス圧力制御が実行されることになるので、早期にコンプレッサ２２の消費電力を低減することができる。

また、ドライ操作においてカソードガス流量制御を実行すると、コンプレッサ２２の回転速度が高くなるため、コンプレッサ２２の消費電力が増加する。上述のように、アノードガス流量制御がカソードガス流量制御よりも先に実行されるので、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。

さらに、アノード循環ポンプ３６の異常などによりアノード循環ポンプ３６が作動しない場合には、アノードガス循環流量を減少させる減量制御が不能となる。このような場合には、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、アノード上限流量に代えて、アノードガス流量の計測値を出力する。

このように、アノードガス流量が制御不能な場合には、カソード目標圧力演算部３４０ｂは、燃料電池スタック１に供給されている実際のアノードガス流量を用いてカソード目標圧力を算出するので、アノード流量制御系の異常状態に適したドライ操作を実行することができる。なお、アノードガス流量制御の不能時には、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２での演算を停止するようにしてもよい。

次に、本実施形態におけるカソード目標圧力演算部３４０ｂ、アノード目標流量演算部３２０ｂ、カソード目標流量演算部３５０ｂ、及びアノード目標圧力演算部３３０ｂの各構成について説明する。なお、本実施形態の各構成については、第２実施形態の構成と基本的に同じであるため、同一符号を付して説明する。

図２６は、燃費重視ドライ操作を実施するときのカソード目標圧力演算部３４０ｂの詳細構成の一例を示すブロック図である。

カソード目標圧力演算部３４０ｂは、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１と、カソード相対湿度演算部３４２と、カソード湿潤要求圧力演算部３４３と、カソード下限圧力演算部３４４と、カソード目標圧力設定部３４５とを含む。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、燃料電池スタック１内のカソードガス流量に対するアノードガス流量の比率を示すＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_max}を演算する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２から、アノード上限流量Ｑ_{a_max}及びカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、次式（１２）のように、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_max}を演算する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、演算したＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_max}を、アノードガス圧力とアノードガス圧力との極間差圧ΔＰ_acに応じて補正する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２からアノード下限圧力Ｐ_{a_min}を取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力の計測値Ｐ_{c_sens}を取得する。そして、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を減算して、極間差圧ΔＰ_{ac_amin}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、極間差圧ΔＰ_{ac_pamin}を算出すると、図１５の流量比補正マップを参照し、極間差圧ΔＰ_{ac_pamin}に関係付けられた補正係数Ｅ_{ac_pamin}を算出する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、次式（１３）のように、算出した補正係数Ｅ_{ac_pamin}に基づいて、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_max}を、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max_0}に補正する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max_0}をカソード相対湿度演算部３４２に出力する。

カソード相対湿度演算部３４２は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max_0}に基づいて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min}を演算する。

本実施形態では、カソード相対湿度演算部３４２は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max_0}を取得すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max_0}に関連付けられたカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min}を算出する。

カソード相対湿度演算部３４２は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min}をカソード湿潤要求圧力演算部３４３に出力する。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、図１３に示した目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}と、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min}とに基づいて、カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}を演算する。

燃費重視ドライ操作において、カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２からカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得し、図１３に示した飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。そして、カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、次式（１４）のように、カソード下限流量Ｑ_{c_min}と飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min}とに基づいて、カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}を算出する。

式（１４）に示したように、カソード下限流量Ｑ_{c_min}が小さくなるほど、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}は小さくなる。したがって、カソードガス流量の計測値Ｑ_{c_sens}の代りにカソード下限流量Ｑ_{c_min}を用いることにより、カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}を早期に下げることができる。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、算出したアノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}をカソード目標圧力設定部３４５に出力する。

カソード下限圧力演算部３４４は、図１７に示したカソード下限圧力演算部と同一の構成である。カソード下限圧力演算部３４４は、燃料電池スタック１の運転状態に応じてカソード下限圧力を演算し、演算したカソード下限圧力をカソード目標圧力設定部３４５に出力する
カソード目標圧力設定部３４５は、カソード下限圧力とカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}とのうち大きい方の値を、カソード目標圧力としてカソード系指令部２４０に出力する。

このように、カソード目標圧力演算部３４０ｂにおいて、燃費重視ドライ操作を実施する場合にカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}を速やかに小さくするには、式（１４）の関係から、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を小さくすると共にカソードガス流量Ｑ_cを小さくする必要がある。

カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を小さくするには、図１４に示した相対湿度／流量比マップの関係からＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}を大きくすればよい。Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}を大きくするには、カソードガス流量Ｑ_cを小さくし、アノードガス流量Ｑ_aを大きくすると共に、図１５に示した流量比補正マップの関係から補正係数Ｅ_acが小さくなるようにアノードガス圧力Ｐ_aを小さくすればよい。

本実施形態では、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、燃費重視ドライ操作において、ＷＥＴ操作値として、カソード下限流量Ｑ_{c_min}、アノード上限流量Ｑ_{a_max}及びアノード下限圧力Ｐ_{a_min}を計測値の代わりにカソード目標圧力演算部３４０ｂに出力する。これにより、カソードガス流量及びアノードガス流量の計測値を用いる場合に比べて、式（１２）中のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_max}が大きくなるので、式（１３）中のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max_0}を大きくすることができる。さらに、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}を用いることにより、Ａｎ／Ｃａ流量比の補正係数Ｅ_{ac_pamin}が小さくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max_0}をより一層大きくすることができる。

このため、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max_0}が最も大きくなり、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}が最も小さくなる。したがって、燃費重視ドライ操作におけるカソードガス圧力制御の優先度が最も高くなるので、カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}を早期に下げることができる。

図２７は、燃費重視ドライ操作を実施するときのアノード目標流量演算部３２０ｂの機能構成の一例を示すブロック図である。

アノード目標流量演算部３２０ｂは、カソード相対湿度演算部３２４と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５と、アノード湿潤要求流量演算部３２６と、アノード下限流量演算部３２７と、アノード目標流量設定部３２８とを含む。

カソード相対湿度演算部３２４は、目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}に基づいて、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}を演算する。

本実施形態では、カソード相対湿度演算部３２４は、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２からカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を取得し、飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。

そして、カソード相対湿度演算部３２４は、次式（１５）のように、カソード下限流量Ｑ_{c_min}とカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}と飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}を算出する。

カソード相対湿度演算部３２４は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}をＡｎ／Ｃａ流量比演算部３２５に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}に基づいて、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin_0}を演算する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}を取得すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}に関係付けられたＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin_0}を算出する。

また、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２からアノード下限圧力Ｐ_{a_min}を取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を減算して極間差圧ΔＰ_{ac_pamin}を算出すると、図１５の流量比補正マップを参照し、極間差圧ΔＰ_{ac_pamin}に関係付けられた補正係数Ｅ_{ac_pamin}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、次式（１６）のように、算出した補正係数Ｅ_{ac_pamin}を、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qcmin_0}に乗算して、極間差圧ΔＰ_{ac_pamin}のときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、算出したＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}をアノード湿潤要求流量演算部３２６に出力する。

アノード湿潤要求流量演算部３２６は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}に基づいて、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を演算する。

本実施形態では、アノード湿潤要求流量演算部３２６は、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２からカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得する。そして、アノード湿潤要求流量演算部３２６は、次式（１７）のように、カソード下限流量Ｑ_{c_min}とＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}とに基づいて、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を算出する。

アノード湿潤要求流量演算部３２６は、算出したアノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}をアノード目標流量設定部３２８に出力する。

アノード下限流量演算部３２７は、図１３に示したアノード下限流量演算部と同一の構成である。アノード下限流量演算部３２７は、燃料電池スタック１の運転状態に応じてアノード下限流量を演算し、演算したアノード下限流量をアノード目標流量設定部３２８に出力する。

アノード目標流量設定部３２８は、アノード下限流量とアノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}とのうち大きい方の値を、アノード目標流量としてアノード系指令部２５０に出力する。

このように、アノード目標流量演算部３２０ｂにおいて、ドライ操作時にアノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を速やかに小さくするには、式（１７）の関係から、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_acを小さくすると共にカソードガス流量Ｑ_cを小さくする必要がある。

Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_acを小さくするには、補正係数Ｅ_acを小さくし、図１４に示した相対湿度／流量比マップの関係からカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を大きくすればよい。補正係数Ｅ_acを小さくするには、カソードガス圧力Ｐ_c、又はアノードガス圧力Ｐ_aを小さくすればよく、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を小さくするには、カソードガス流量Ｑ_cを小さくすればよい。

本実施形態では、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、燃費重視ドライ操作において、ＷＥＴ操作値であるカソード下限流量Ｑ_{c_min}、及びアノード下限圧力Ｐ_{a_min}を計測値の代わりにアノード目標流量演算部３２０ｂに出力する。これにより、カソードガス流量、及びアノードガス圧力の計測値を用いる場合に比べて、式（１６）中のカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}が大きくなるので、式（１７）中のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}を小さくすることができる。さらに、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}を用いることにより、Ａｎ／Ｃａ流量比の補正係数Ｅ_{ac_min}が小さくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}がより一層小さくなる。

このように、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}を小さくすると共に、式（１７）中のカソードガス流量にカソード下限流量Ｑ_{c_min}を設定することにより、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を早期に下げることができる。

以上のように、アノード目標流量演算部３２０ｂでは、式（１５）の関係から、カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}が低下してカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}が低下するほど、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}が小さくなる。カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}が小さくなるほど、図１４に示した相対湿度／流量比マップの関係からＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}が大きくなり、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}は大きくなる。すなわち、カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}が低下するほど、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}は大きくなるため、アノードガス循環流量を減少させる減量制御は抑制される。

一方、目標水収支Ｑ_{w_t}が小さくなって目標排水量Ｑ_{w_out}が大きくなるほど、式（１５）の関係から、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qcmin}は大きくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_2min}が小さくなり、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}は小さくなる。

このように、アノード目標流量演算部３２０ｂは、燃費重視ドライ操作において、カソードガス圧力を下げている状況であっても、目標排水量Ｑ_{w_out}が減少しなければ、アノード目標流量を減少させることができる。すなわち、湿潤制御部３００は、燃費重視ドライ操作時には、カソードガス圧力が低下するほど、アノードガス循環流量の減少を抑制し、かつ、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど、アノードガス循環流量を減少させることができる。

図２８は、燃費重視ドライ操作を実施するときのカソード目標流量演算部３５０ｂの機能構成の一例を示すブロック図である。

カソード目標流量演算部３５０ｂは、カソード上限流量演算部３５１と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２と、カソード相対湿度演算部３５３と、カソード湿潤要求流量演算部３５４と、カソード目標流量設定部３５５と、遅延回路３５６とを含む。

カソード上限流量演算部３５１は、図１８に示したカソード上限流量演算部と同一の構成である。カソード上限流量演算部３５１は、燃料電池システム１００の運転状態に応じてカソード上限流量を演算し、演算したカソード上限流量をカソード目標流量設定部３５５に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、アノードガス循環流量推定部２３０からのアノードガス循環流量を計測値Ｑ_{a_sens}として取得し、遅延回路３５６からカソード目標流量の前回値Ｑ_{c_t_dly}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、カソード目標流量Ｑ_{c_t_dly}とアノードガス流量Ｑ_{a_sens}とに基づいて、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_ct}を算出する。

そして、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２からアノード下限圧力Ｐ_{a_min}を取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を減算して極間差圧ΔＰ_{ac_pamin}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、極間差圧ΔＰ_{ac_pamin}を算出すると、図１５の流量比補正マップを参照し、極間差圧ΔＰ_{ac_pamin}に関係付けられた補正係数Ｅ_{ac_pamin}を算出する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_ct}を補正係数Ｅ_{ac_pamin}により除算して、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pamin_0}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、算出したＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pamin_0}をカソード相対湿度演算部３５３に出力する。

カソード相対湿度演算部３５３は、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２からＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pamin_0}を取得し、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pamin_0}に関連付けられたカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pamin}を算出する。

カソード相対湿度演算部３５３は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pamin}をカソード湿潤要求流量演算部３５４に出力する。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、図１３に示した目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}と、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pamin}とに基づいて、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を演算する。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を取得し、図１３に示した飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。そして、カソード湿潤要求流量演算部３５４は、次式（１８）のように、カソードガス圧力Ｐ_{c_sens}と飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を算出する。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、算出したカソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}をカソード目標流量設定部３５５に出力する。

カソード目標流量設定部３５５は、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}と、カソード上限流量演算部３５１からのカソード上限流量とのうち小さい方の値を、カソード目標流量Ｑ_{c_t}としてカソード系指令部２４０に出力する。また、カソード目標流量設定部３５５は、カソード目標流量Ｑ_{c_t}を遅延回路３５６に出力する。

遅延回路３５６は、カソード目標流量設定部３５５からのカソード目標流量Ｑ_{c_t}を制御周期の１周期分だけ遅延させる。すなわち、遅延回路３５６は、カソード目標流量Ｑ_{c_t}を取得すると、前回のカソード目標流量Ｑ_{c_t_dly}をＡｎ／Ｃａ流量比演算部３５２に出力する。

図２９は、燃費重視ドライ操作を実施するときのアノード目標圧力演算部３３０ｂの機能構成の一例を示すブロック図である。

アノード目標圧力演算部３３０ｂは、アノード上限圧力演算部３３１と、カソード相対湿度演算部３３２と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３と、アノード湿潤要求圧力演算部３３４と、アノード目標圧力設定部３３５とを含む。

アノード上限圧力演算部３３１は、図１６に示したアノード上限圧力演算部と同一の構成である。アノード上限圧力演算部３３１は、燃料電池システム１００の運転状態に応じてアノード上限圧力を演算し、演算したアノード上限圧力をアノード目標圧力設定部３３５に出力する
カソード相対湿度演算部３３２は、図１３に示した目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}に基づいて、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を演算する。

本実施形態では、カソード相対湿度演算部３３２は、カソード圧力センサ２４及び流量センサ２３からそれぞれカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}及びカソードガス流量Ｑ_{c_sens}を取得し、図１３に示した飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。

そして、カソード相対湿度演算部３３２は、次式（１９）のように、カソードガス圧力Ｐ_{c_sens}とカソードガス流量Ｑ_{c_sens}と飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を算出する。

カソード相対湿度演算部３３２は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}をＡｎ／Ｃａ流量比演算部３３３に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}に基づいて、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens_0}を演算する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を取得すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}に関係付けられたＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens_0}を算出する。

そして、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、アノードガス循環流量推定部２３０からのアノードガス循環流量を計測値Ｑ_{a_sens}として取得し、流量センサ２３からカソードガス流量Ｑ_{c_sens}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、アノードガス流量Ｑ_{a_sens}をカソードガス流量Ｑ_{c_sens}により除算して、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}と、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens_0}とをアノード湿潤要求圧力演算部３３４に出力する。

アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}と、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens_0}とに基づいて、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を演算する。

本実施形態では、アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、次式（２０）のように、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens_0}と、実際のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}とに基づいて、補正係数Ｅ_{ac_sens}を算出する。

アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、補正係数Ｅ_{ac_sens}を算出すると、図１５の流量比補正マップを参照し、補正係数Ｅ_{ac_sens}に関係付けられた極間差圧ΔＰ_{ac_sens}を算出する。アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、次式（２１）のように、極間差圧ΔＰ_{ac_sens}と、カソードガス圧力Ｐ_{c_sens}とに基づいて、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を算出する。

アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}をアノード目標圧力設定部３３５に出力する。

アノード目標圧力設定部３３５は、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}と、アノード上限圧力演算部３３１からのアノード上限圧力とのうち小さい方の値を、アノード目標圧力としてアノード系指令部２５０に出力する。

図３０は、本実施形態における湿潤制御部３００の燃費重視ドライ操作処理についての処理手順の一例を示すフローチャートである。本実施形態の燃費重視ドライ操作処理は、図１９に示したステップＳ３０の処理に対応する。

ステップＳ３１において湿潤制御部３００の燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、アノードガス及びカソードガスの各制御に関する優先順位を設定する優先制御パラメータとして、カソード下限流量、カソード上限圧力、及びアノード下限圧力を演算する。これらのパラメータは、電解質膜１１１を最も湿った状態にするときのＷＥＴ操作値である。

ステップＳ３２において湿潤制御部３００のカソード目標圧力演算部３４０ｂは、図２６で述べたとおり、優先制御パラメータであるアノード上限流量、アノード下限圧力、及びカソード下限流量と、目標水収支とに基づいて、カソード目標圧力を演算する。３つの優先制御パラメータをカソード目標圧力演算部３４０ｂに設定することにより、カソードガス圧力を降下させる降圧制御の優先順位が最も高くなる。

このため、カソード目標圧力演算部３４０ｂは、燃費重視ドライ操作において、カソードガス流量制御、アノードガス流量制御、及びアノードガス圧力制御の３つの制御が全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもカソード目標圧力を迅速に下げる。

ステップＳ３３において湿潤制御部３００のアノード目標流量演算部３２０ｂは、図２７で述べたとおり、優先制御パラメータであるカソード下限流量及びアノード上限流量と、カソードガス圧力と、目標水収支とに基づいて、アノード目標流量を演算する。２つの優先制御パラメータをアノード目標流量演算部３２０ｂに設定することにより、アノードガス循環流量を減少させる減量制御の優先順位が２番目に高くなる。

このため、アノード目標流量演算部３２０ｂは、燃費重視ドライ操作において、カソードガス流量制御及びアノードガス圧力制御の２つの制御が全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもアノード目標流量を迅速に下げる。

ステップＳ３４において湿潤制御部３００のカソード目標流量演算部３５０ｂは、図２８で述べたとおり、優先制御パラメータであるアノード下限圧力と、カソードガス圧力、及びアノードガス流量と、目標水収支とに基づいて、カソード目標流量を演算する。１つの優先制御パラメータをカソード目標流量演算部３５０ｂに設定することにより、カソードガス流量を増加させる増量制御の優先順位が３番目に高くなる。

このため、カソード目標流量演算部３５０ｂは、燃費重視ドライ操作においてアノードガス圧力制御のみが全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもカソード目標流量を迅速に上げる。

ステップＳ３５において湿潤制御部３００のアノード目標圧力演算部３３０ｂは、図２９で述べたとおり、カソードガス流量、カソードガス圧力、及びアノードガス流量と、目標水収支とに基づいて、アノード目標圧力を演算する。優先制御パラメータが用いられていないため、アノード目標圧力演算部３３０ｂは、通常の湿潤制御どおり、アノード目標圧力を上げる。したがって、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御の優先順位が４番目になる。

ステップＳ３００においてコントローラ２００のカソード系指令部２４０及びアノード系指令部２５０は、カソード目標圧力、アノード目標流量、カソード目標流量、及びアノード目標圧力に基づいて、ガス状態調整処理を実行する。ガス状態調整処理については次図を参照して詳細に説明する。ステップＳ３００でガス状態調整処理が終了すると、図１９に示したステップＳ３０の燃費重視ドライ操作処理に戻る。

図３１は、ステップＳ３００で実行されるガス状態調整処理に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ３１１においてコントローラ２００は、カソードガス圧力がカソード目標圧力に収束するように、カソード調圧弁２６の開度を大きくする。これにより、カソードガス圧力が低下する。

ステップＳ３１２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ３１３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、カソードガス圧力がカソード下限圧力に達したか否かを判断し、カソード下限圧力に達していない場合には、ステップＳ２１１の処理に戻る。

ステップＳ３２１においてコントローラ２００は、カソードガス圧力がカソード下限圧力に達した場合には、アノードガス循環流量がアノード目標流量に収束するように、アノード循環ポンプ３６の回転速度を下げる。これにより、アノードガス循環流量が減少する。

ステップＳ３２２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ３２３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、アノードガス循環流量がアノード下限流量に達したか否かを判断し、アノード下限流量に達していない場合には、ステップＳ３２１の処理に戻る。

ステップＳ３３１においてコントローラ２００は、アノードガス循環流量がアノード下限流量に達した場合には、カソードガス流量がカソード目標流量に収束するように、コンプレッサ２２の回転速度を上げる。これにより、カソードガス流量が上昇する。

ステップＳ３３２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ３３３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、カソードガス流量がカソード上限流量に達したか否かを判断し、カソード上限流量に達していない場合には、ステップＳ２３１の処理に戻る。

ステップＳ３４１においてコントローラ２００は、カソードガス流量がカソード上限流量に達した場合には、アノードガス圧力がアノード目標圧力に収束するように、アノード調圧弁３３の開度を大きくする。これにより、アノードガス圧力が上昇する。

ステップＳ３４２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ３４３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、アノードガス圧力がアノード上限圧力に達したか否かを判断する。アノードガス圧力がアノード上限圧力に達していない場合には、コントローラ２００は、ステップＳ３４１の処理に戻り、アノードガス圧力を上昇させる。

そして、ステップＳ３４２で計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合、又は、ステップＳ３４３でアノードガス圧力がアノード上限圧力に達した場合には、ガス状態調整処理が終了し、図３０に示したステップＳ３００の燃費重視ドライ操作処理に戻る。

図３２は、本実施形態の燃費重視ドライ操作における燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図３２（Ａ）は、燃料電池スタック１の計測ＨＦＲの変化を示す図である。図３２（Ｂ）及び図３２（Ｄ）は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力及び流量の変化を示す図である。図３２（Ｃ）及び図３２（Ｅ）は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量及び圧力の変化を示す図である。図３２（Ｆ）は、燃料電池スタック１の目標電流を示す図である。図３２（Ａ）から図３２（Ｅ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ４０では、図３２（Ａ）に示すように、例えば、加速後に負荷装置５の要求電力の大幅な低下に伴って目標ＨＦＲが大幅に上昇する。これに伴って、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも低くなるため、図１１に示したＤＲＹ操作モード切替部３１０は、ドライ操作を実施する必要があると判定する。

また、計測ＨＦＲと目標ＨＦＲとの差分が速乾要求閾値よりも小さいため、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、電解質膜１１１の水分を迅速に減らす必要はないと判断する。次にＤＲＹ操作モード切替部３１０は、スタック目標電流が高負荷要求閾値よりも高いか否かを判断する。図３２（Ｆ）に示すように、スタック目標電流は高負荷要求閾値よりも低いため、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、燃料電池システム１００の消費電力を低減可能であると判断し、ドライ操作モードの中から燃費重視ドライ操作を選択する。

そして、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、カソード目標圧力演算部３４０ｂに対し、測定値に代えてＷＥＴ操作値であるカソード下限流量、アノード上限流量、及びアノード下限圧力を設定する。さらに燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、アノード目標流量演算部３２０ｂに対し、カソード下限流量、及びアノード下限圧力を設定すると共に、カソード目標流量演算部３５０ｂに対し、アノード下限圧力を設定する。すなわち、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、燃費重視ドライ操作において、カソードガス圧力制御、アノードガス流量制御、カソードガス流量制御、アノードガス圧力制御の順に各制御に関する優先順位を設定する。

これにより、図３２（Ｂ）に示すように、カソード目標圧力演算部３４０ｂにより、他の制御よりも優先してカソード調圧弁２６が開かれてカソードガス圧力が低下する。これに伴い、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水量が減少し、アノード循環水量が減少するので、図３２（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かって上昇する。

このように、燃費重視ドライ操作において、１番目に、カソードガス圧力を降下させる降圧制御を実行することにより、応答遅れの小さいカソード調圧弁２６が作動するので、電解質膜１１１の水分を迅速に減らすことができる。さらにカソードガス圧力を降下させることにより、コンプレッサ２２のトルクが低下するので、コンプレッサ２２の消費電力を低減することができる。

時刻ｔ４１において、図３２（Ｂ）及び図３２（Ｃ）に示すように、カソードガス圧力がドライ操作の下限値に到達する。このため、カソードガス降圧制御を補完するようにアノード目標流量演算部３２０ｂによりアノード循環ポンプ３６の回転速度が下げられてアノードガス循環流量が減少する。これに伴って、アノード循環水量が減少するので、電解質膜１１１の水分が減り易くなり、図３２（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。

このように、燃費重視ドライ操作において、２番目に、アノードガス循環流量を減少させる減量制御を実行することにより、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減することができる。このため、カソードガス圧力を下げた後にアノードガス循環流量を下げることにより、湿潤制御の応答性を確保しつつ、燃料電池システム１００の消費電力を抑制することができる。

さらに、カソードガス圧力をアノードガス循環流量よりも優先して制御することにより、ドライ操作時においてアノードガス循環流量を先に下げたことが原因となり、反って電解質膜１１１がウェット状態になってしまうという事態を回避することができる。

時刻ｔ４２において、図３２（Ｃ）及び図３２（Ｄ）に示すように、アノードガス循環流量がドライ操作の上限値に到達する。このため、アノードガス減量制御を補完するように、カソード目標流量演算部３５０ｂによりコンプレッサ２２の回転速度が上げられてカソードガス流量が増加する。これに伴って、カソードガスによってカソードガス流路１３１から外部に持ち出される水蒸気の排水量が増加するため、アノード循環水量が減少し、図２０（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。

このように、燃費重視ドライ操作において、３番目に、カソードガス流量を増加させる増量制御を実行することにより、コンプレッサ２２の消費電力が増加する機会を極力減らしつつ、迅速に電解質膜１１１の水分を減少させることができる。

時刻ｔ４３において、図３２（Ｄ）及び図３２（Ｅ）に示すように、カソードガス流量がドライ操作の上限値に到達する。このため、カソードガス増量制御を補完するようにアノード目標圧力演算部３３０ｂによりアノード調圧弁３３が開かれてアノードガス圧力が上昇する。これに伴って、アノードガス流路１２１中の水蒸気分圧が上昇してカソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水量が減少するので、アノード循環水量が減少し、図３２（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。

このように、燃費重視ドライ操作において、４番目に、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御を実行することにより、応答性の良いアノード調圧弁３３が作動するので、コンプレッサ２２によるカソードガス増量制御の応答性の悪さを迅速に補うことができる。

時刻ｔ４４において、図３２（Ｅ）に示すように、アノードガス圧力がドライ操作の上限値に到達し、図３２（Ａ）に示すように、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに到達する。

以上のように、燃費重視ドライ操作において、カソードガス圧力、アノードガス循環流量、カソードガス流量、アノードガス圧力の順に物理量を制御することで、燃料電池システム１００の消費電力を抑制しつつ迅速に電解質膜１１１の水分を減らすことができる。

ここで、燃費重視ドライ操作において、アノードガス循環流量よりも優先してカソードガス圧力を制御することによる効果について説明する。

図３３は、ドライ操作におけるアノードガス流量制御とカソードガス圧力制御との関係を説明するための図である。図３３においては、縦軸が燃料電池スタック１の湿潤状態を示し、横軸がアノードガス循環流量を示す。ここでは、「大」、「中」及び「小」の各々のカソードガス圧力ごとに、アノードガス循環流量を大きくしたときの燃料電池スタック１の湿潤状態が示されている。

図３３に示すように、ドライ操作１においては、アノードガス循環流量が多い状態で、カソードガス圧力を「大」から「中」に下げると、燃料電池スタック１の湿潤状態がドライ側に遷移する。すなわち、カソードガスの降圧制御によってドライ操作が効率よく行われる。

一方、ドライ操作２においては、カソードガス圧力が「大」のときにアノードガス循環流量を減らすと、燃料電池スタック１の電解質膜１１１は反って湿ってしまう。すなわち、ドライ操作において、カソードガス圧力が高い状態でアノードガスの減量制御を実行すると、電解質膜１１１の水分が減少せずに増加してしまう。

このように、カソードガスの降圧制御の実行よりも先にアノードガスの減量制御を実行してしまうと、ドライ操作に要する時間が長くなる可能性がある。これに対して、図３３に示したドライ操作１のように、アノードガス循環流量を下げる前にカソードガス圧力を下げることにより、ドライ操作を効率よく実施することができる。

このため、燃費重視ドライ操作を実施する場合において、アノードガスの減量制御よりも優先してカソードガスの降圧制御を実行することにより、迅速、かつ、効率よく、電解質膜１１１を乾燥させることができる。

図３４は、燃費重視ドライ操作時において、湿潤要求とは異なる要求によりカソードガス降圧制御が制限されたときの燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図３４（Ａ）は、燃料電池スタック１の目標ＨＦＲの変化を示す図である。図３４（Ｂ）及び図３４（Ｃ）は、それぞれ、カソードガス圧力及びアノードガス循環流量の変化を示す図である。図３４（Ｄ）は、アノード循環水量の変化を示す図である。これらの図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

ここでは、本実施形態のドライ操作が実線により示され、図２５に示したアノード目標流量演算部３２０ｂがカソードガス圧力の計測値Ｐ_{c_sens}の代わりにカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}を用いてアノード目標流量を算出したときのドライ操作が点線により示されている。

時刻ｔ５０において、図３４（Ａ）に示すように目標ＨＦＲが大幅に上昇する。そして、図３４（Ｂ）に示すようにカソードガス圧力が低下する。

時刻ｔ５１において、湿潤要求とは別の要求により設定された下限圧力にカソードガス圧力が到達したため、図３４（Ｂ）の実線で示すように、燃費重視ドライ操作におけるカソードガスの降圧制御が制限される。この下限圧力は、例えば、図２６に示したカソード下限圧力演算部３４４の演算結果である。

本実施形態では、アノード目標流量演算部３２０ｂがカソーガス圧力の計測値Ｐ_{_sens}を用いてアノード目標流量を演算するので、図３４（Ｃ）の実線で示すように、カソードガスの降圧制御が制限された直後にアノードガス循環流量が減少する。すなわち、カソードガスの降圧制御によって電解質膜１１１の湿潤状態を操作しきれない部分を補完するようにアノードガスの減量制御が実行される。このため、図３４（Ａ）の実線で示すように、カソードガスの降圧制御が制限された直後であっても計測ＨＦＲを上昇させることができる。

仮にアノード目標流量演算部３２０ｂが、図２６で示したカソード湿潤要求圧力演算部３４３の演算結果を用いてアノード目標流量を演算したとすると、図３４（Ｃ）の点線で示すように時刻ｔ５１から時刻ｔ５２までの間、アノードガスの減量制御が実行されない。その結果、図３４（Ａ）の点線で示すように、時刻ｔ５３では目標ＨＦＲに到達しないため、ドライ操作が完了するのに要する時間が長くなってしまう。

このように、本実施形態では、アノード目標流量演算部３２０ｂが、カソードガス圧力の測定値を用いてアノード目標流量を演算するので、カソード湿潤要求圧力を用いる場合に比べて、ドライ操作に要する時間を短縮することができる。

図３５は、目標ＨＦＲが急峻に上昇したときのドライ操作における燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図３５（Ａ）は、目標ＨＦＲの変化を示す図である。図３５（Ｂ）から図３５（Ｄ）までの各図面の縦軸は、図３３（Ｂ）から図３３（Ｄ）までの各図面の縦軸と同じであり、図３５（Ａ）から図３５（Ｄ）までの図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図３５（Ｂ）には、カソードガス圧力の計測値が実線により示され、カソード目標圧力が破線により示されている。

時刻ｔ４０において、図３５（Ａ）に示すように目標ＨＦＲがパルス状に上昇する。このような状況としては、例えば、車両が加速状態から減速状態に切り替わることで負荷装置５の要求電力が極端に小さくなったときに、図８の特性に起因して目標ＨＦＲが大幅に上昇する。

図３５（Ｂ）の破線で示すように、カソード目標圧力演算部３４０ｂは、目標ＨＦＲを達成できるカソード目標圧力を算出する。一方、カソードガス圧力は、燃料電池スタック１の容積や配管抵抗などが原因でカソード目標圧力に比べて緩やかに低下する。

時刻ｔ６０の直後は、カソードガス圧力とカソード目標圧力との乖離が大きいため、カソードガスの降圧制御によるドライ操作が十分に行われない。その結果、アノード目標流量演算部３２０ｂが、カソードガス圧力とカソード目標圧力との差分を補完するようにアノード目標流量を下げるので、図３５（Ｃ）に示すようにアノードガス循環流量が減少する。

時刻ｔ６０から時間が経過するにつれて、カソードガス圧力とカソード目標圧力との差分が小さくなるため、図３５（Ｃ）に示すように、アノード目標流量演算部３２０ｂは、減らし過ぎた分だけアノード目標流量を上げる。このように、過渡的に減少したアノードガス循環流量は上昇し始める。

時刻ｔ６１において、図３５（Ｂ）に示すようにカソードガス圧力がカソード目標圧力に到達し、図３５（Ｃ）に示すようにアノードガス循環流量は若干上昇してから定常状態となる。

このように、湿潤制御部３００は、目標ＨＦＲが大幅に上昇する場合には、カソードガスの降圧制御に若干の遅れが生じるため、その遅れた分だけアノードガスの減量制御を実行する。すなわち、過渡状態における燃費重視ドライ操作では、湿潤制御部３００は、カソードガス圧力を降下させると共に、目標ＨＦＲと計測ＨＦＲとの差分が小さくなるようにアノードガス循環流量を減少させる。

このため、燃費重視ドライ操作時に電解質膜１１１の水分を速やかに減らす必要があるときには、カソードガスの降圧制御を実行しても電解質膜１１１の水分が減少しない部分を補完するように、アノードガスの減量制御が実行される。これにより、効率的、かつ、早期に、電解質膜１１１の水分を減らすことができる。

本発明の第３実施形態によれば、湿潤制御部３００は、燃費重視ドライ操作時において、カソードガス圧力を降下させる降圧制御を実行しても電解質膜１１１の水分が減らないときには、その減らない部分を補完するようにアノードガス循環流量を減少させる減量制御を実行する。これにより、図３２（Ｃ）に示したように、カソードガスの降圧制御を補完するようにアノードガスの減量制御が実行されるので、図３３で述べたとおり、電解質膜１１１がウェット側に遷移することを回避することができる。したがって、電解質膜１１１の水分を効率よく減らすことができる。

また、本実施形態によれば、燃費重視ドライ操作時において、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、計測ＨＦＲと、電解質膜１１１を現在よりも高い湿潤状態にするときのアノードガス流量を示すＷＥＴ操作値とをカソード目標圧力演算部３４０ｂに設定する。そして、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、計測ＨＦＲとカソードガス圧力の計測値とをアノード目標流量演算部３２０ｂに設定する。これにより、燃費重視ドライ操作において、カソードガスの降圧制御の優先順位を、アノードガスの減量制御の優先順位よりも高くすることができる。

また、本実施形態によれば、燃費重視ドライ操作において、電解質膜１１１を現在よりも高い湿潤状態にするときのアノードガス流量は、燃料電池１０の性能を確保できる範囲で最も大きい流量に設定される。これにより、燃費重視ドライ操作において、カソードガス圧力をより一層迅速に下げることができる。

また、本実施形態によれば、アノード目標流量演算部３２０ｂは、燃費重視ドライ操作を実施する場合には、カソードガス圧力が低下するほど、アノードガス循環流量の減少を抑制しつつ、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど、アノードガス循環流量を減少させる。これにより、アノードガスの減量制御において、カソードガスの降圧制御によるドライ操作を早期に補完することができる。

また、本実施形態によれば、図３２に示したように、燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２は、ドライ操作を実行する場合には、カソードガスの降圧制御、アノードガスの減量制御、カソードガスの増量制御、アノードガスの昇圧制御の順に各制御を実行する。

このため、アノードガスの減量制御よりも優先してカソードガスの降圧制御が実行されるので、迅速にドライ操作を開始できると共に、ドライ操作に寄与しない状況でアノードガスの減量制御が実行されるのを抑制することができる。また、カソードガスの増量制御よりも優先してアノードガスの減量制御が実行されるので、アノード循環ポンプ３６の消費電力を低減しつつ、コンプレッサ２２の消費電力の増加を抑制することができる。すなわち、燃料電池システム１００の消費電力を抑制しつつ、迅速、かつ、的確にドライ操作を実施することができる。さらに、アノードガスの昇圧制御よりも優先してカソードガスの増量制御が実行されるので、効果的に電解質膜１１１の水分を減らすことができる。

また、本実施形態によれば、湿潤制御部３００は、速乾性重視ドライ操作を実施する必要がない場合において、燃料電池システム１００の消費電力を抑える必要があるときには、燃料電池スタック１のカソードガス圧力をアノードガス循環流量よりも優先して制御する。これにより、ドライ操作を実施しつつ、燃料電池システム１００の消費電力を低減することができる。

（第４実施形態）
第３実施形態では燃費重視ドライ操作を実施するときの湿潤制御部３００の構成について説明したが、次の実施形態では、速乾性重視ドライ操作を実施するときの湿潤制御部３００の構成について詳細に説明する。

図３６は、本発明の第４実施形態における湿潤制御部３００の詳細構成の一例を示すブロック図である。

湿潤制御部３００は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３と、カソード目標流量演算部３５０ｃと、アノード目標圧力演算部３３０ｃと、カソード目標圧力演算部３４０ｃと、アノード目標流量演算部３２０ｃとを含む。

なお、アノード目標流量演算部３２０ｃ、アノード目標圧力演算部３３０ｃ、カソード目標圧力演算部３４０ｃ、及びカソード目標流量演算部３５０ｃの各構成は、図１２に示したものと基本的に同様の構成である。本実施形態の各構成は、第１実施形態に比べて入力パラメータの一部又は全部が相違している。

速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、ＤＲＹ操作モード切替部３１０から選択信号を受信すると、アノードガス流量制御、アノードガス圧力制御、カソードガス流量制御、及びカソードガス圧力制御の各制御に関する優先順位を設定する。すなわち、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、アノード循環ポンプ３６、アノード調圧弁３３、コンプレッサ２２、及びカソード調圧弁２６の各動作を制御する順番を、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて調整する。

速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲ以上である場合には、ウェット操作パラメータとして、カソードガス圧力、カソードガス流量、及びアノードガス圧力の各計測値を出力する。一方、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲ未満である場合には、各制御の優先順位を設定するためのドライ操作パラメータとして、電解質膜１１１を現在よりもウェット状態にするときのＷＥＴ操作値を各計測値の代わりに出力する。

例えば、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス流量制御のＷＥＴ操作値としては、カソードガス流量の計測値よりも小さな値が用いられ、アノードガス流量制御のＷＥＴ操作値としては、アノードガス流量の計測値よりも大きな値が用いられる。また、アノードガス圧力制御のＷＥＴ操作値としては、アノードガス圧力の計測値よりも小さな値が用いられる。

本実施形態では、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、ドライ操作パラメータとして、カソード上限圧力、アノード上限流量、及びアノード下限圧力を出力する。これらのドライ操作パラメータは、電解質膜１１１を最も湿った状態に遷移させる場合に用いられるＷＥＴ操作値である。

カソード上限圧力、アノード上限流量、及びアノード下限圧力は、図１２の出力重視ＤＲＹ操作設定部３１１、及び図２５の燃費重視ＤＲＹ操作設定部３１２で用いられるＷＥＴ操作値と同じものである。

カソード目標流量演算部３５０ｃは、電解質膜１１１の湿潤度と、燃料電池スタック１のアノードガス圧力とに基づいて、カソードガス流量を制御する第３の流量制御部を構成する。

本実施形態では、カソード目標流量演算部３５０ｃは、図７に示した目標水収支演算部２１２からの目標水収支と、カソードガス圧力と、アノードガス流量と、アノードガス圧力とに基づいて、カソード目標流量を演算する。カソード目標流量演算部３５０ｃは、演算したカソード目標流量をカソード系指令部２４０に出力する。

速乾性重視ドライ操作において、カソード目標流量演算部３５０ｃは、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３から、アノード上限流量、アノード下限圧力、及びカソード上限圧力をＷＥＴ操作値として取得する。このため、カソード目標流量演算部３５０ｃは、アノードガス流量、アノードガス圧力、及びカソードガス圧力の各計測値を取得する場合に比べて、カソード目標流量を小さくすることができる。このように、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、速乾性ドライ操作において、カソード流量制御の優先順位を、アノードガス流量制御、アノードガス圧力制御、及びカソードガス圧力制御の優先順位よりも高くすることができる。

アノード目標圧力演算部３３０ｃは、電解質膜１１１の湿潤度と、燃料電池スタック１のカソードガス流量とに基づいて、燃料電池スタック１のアノードガス圧力を制御する第３の圧力制御部を構成する。

本実施形態では、アノード目標圧力演算部３３０ｃは、目標水収支と、カソードガス流量と、カソードガス圧力と、アノードガス流量とに基づいて、アノード目標圧力を演算する。アノード目標圧力演算部３３０ｃは、演算したアノード目標圧力をアノード系指令部２５０に出力する。

速乾性重視ドライ操作において、アノード目標圧力演算部３３０ｃは、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３から、カソード上限圧力、及びアノード上限流量をＷＥＴ操作値として取得し、流量センサ２３からカソードガス流量の計測値を取得する。このため、アノード目標圧力演算部３３０ｃは、カソードガス圧力、及びアノードガス流量の各計測値を取得した場合に比べて、アノード目標圧力を大きくすることができる。このように、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、ドライ操作において、アノードガス圧力制御の優先順位を、カソードガス圧力制御、及びアノードガス流量制御の優先順位よりも高くすることができる。

カソード目標圧力演算部３４０ｃは、目標水収支と、カソードガス流量と、アノードガス流量と、アノードガス圧力とに基づいて、カソード目標圧力を演算する。カソード目標圧力演算部３４０ｃは、演算したカソード目標圧力をアノード系指令部２５０に出力する。

速乾性重視ドライ操作において、カソード目標圧力演算部３４０ｃは、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３からアノード上限流量をＷＥＴ操作値として取得し、流量センサ２３からカソードガス流量の計測値を取得し、アノード圧力センサ３７からアノードガス圧力の計測値を取得する。このため、カソード目標圧力演算部３４０ｃは、アノードガス流量の計測値を取得した場合に比べて、カソード目標圧力を小さくすることができる。このように、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、ドライ操作において、カソードガス圧力制御の優先順位を、アノードガス流量制御の優先順位よりも高くすることができる。

アノード目標流量演算部３２０ｃは、目標水収支と、カソードガス流量と、カソードガス圧力と、アノードガス圧力とに基づいて、アノード目標流量を演算する。アノード目標流量演算部３２０ｃは、演算したアノード目標流量をアノード系指令部２５０に出力する。

速乾性重視ドライ操作において、アノード目標流量演算部３２０ｃは、流量センサ２３及びカソード圧力センサ２４からそれぞれカソードガス流量及びカソードガス圧力の計測値を取得し、アノード圧力センサ３７からアノードガス圧力の計測値を取得する。このため、アノード目標流量演算部３２０ｃは、カソードガス流量、カソードガス圧力、及びアノードガス圧力の計測値に従ってアノード目標流量を適切に増減させることができる。

以上のように、速乾性重視ドライ操作において、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、カソードガス流量制御、アノードガス圧力制御、カソードガス圧力制御、アノードガス流量制御の順に各制御の優先順位を設定する。これにより、アノードガス圧力制御よりも優先してカソードガス流量制御が実行されるので、アノード循環ポンプ３６の消費電力の増加を抑制することができると共に、ドライ操作に要する時間を短縮することができる。

また、アノード調圧弁３３の異常などが原因でアノード調圧弁３３が作動しない場合には、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御が不能となる。このような場合には、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、アノード下限圧力に代えて、アノードガス圧力の計測値を出力する。

このように、アノードガス圧力が制御不能な場合には、カソード目標流量演算部３５０ｃは、燃料電池スタック１に供給されている実際のアノードガス圧力を用いてカソード目標流量を算出するので、アノードガス圧力制御系の異常状態に適したドライ操作を実行することができる。なお、アノードガス圧力制御の不能時には、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３での演算を停止するようにしてもよい。

次に、本実施形態におけるカソード目標流量演算部３５０ｃ、アノード目標圧力演算部３３０ｃ、カソード目標圧力演算部３４０ｃ及びアノード目標流量演算部３２０ｃの各構成について説明する。なお、本実施形態の各構成については、第２実施形態の構成と基本的に同じであるため、同一符号を付して説明する。

図３７は、速乾性重視ドライ操作を実施するときのカソード目標流量演算部３５０ｃの詳細構成の一例を示すブロック図である。

カソード目標流量演算部３５０ｃは、カソード上限流量演算部３５１と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２と、カソード相対湿度演算部３５３と、カソード湿潤要求流量演算部３５４と、カソード目標流量設定部３５５と、遅延回路３５６とを含む。

カソード上限流量演算部３５１は、図１８に示したカソード上限流量演算部と同じ構成である。カソード上限流量演算部３５１は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、カソード上限流量を演算し、演算したカソード上限流量をカソード目標流量設定部３５５に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、燃料電池スタック１内のカソードガス流量に対するアノードガス流量の比率を示すＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を演算する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３からアノード上限流量Ｑ_{a_max}を取得し、遅延回路３５６からのカソード目標流量の前回値Ｑ_{c_t_dly}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、次式（５）のように、アノード上限流量Ｑ_{a_max}とカソード目標流量Ｑ_{c_t_dly}とに基づいて、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、アノードガス圧力及びカソードガス圧力の極間差圧ΔＰ_acに応じてＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を補正する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３から、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}及びカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を取得し、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}からカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を減算して、極間差圧ΔＰ_{ac_min}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、極間差圧ΔＰ_{ac_min}を算出すると、図１５の流量比補正マップを参照し、極間差圧ΔＰ_{ac_min}に関係付けられた補正係数Ｅ_{ac_min}を算出する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、次式（２３）のように、算出した補正係数Ｅ_{ac_min}に基づいて、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max2_0}に補正する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max2_0}をカソード相対湿度演算部３５３に出力する。

カソード相対湿度演算部３５３は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max2_0}に基づいて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min2}を演算する。

本実施形態では、カソード相対湿度演算部３５３は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max2_0}を取得すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max2_0}に関連付けられたカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min2}を算出する。

カソード相対湿度演算部３５３は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min2}をカソード湿潤要求流量演算部３５４に出力する。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min2}と、図１３に示した目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を演算する。

速乾性重視ドライ操作において、カソード湿潤要求流量演算部３５４は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３からカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を取得し、図１３に示した飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。そして、カソード湿潤要求流量演算部３５４は、次式（２４）のように、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}とカソード上限圧力Ｐ_{c_max}と飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を算出する。

式（２４）に示したように、カソード上限圧力Ｐ_{c_max}が大きくなるほど、又は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min2}が小さくなるほど、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}は大きくなる。このように、ＷＥＴ操作値であるアノード上限流量Ｑ_{a_max}、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}、及びカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を用いることにより、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を早期に上げることができる。

カソード湿潤要求流量演算部３５４は、算出したカソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}をカソード目標流量設定部３５５に出力する。

カソード目標流量設定部３５５は、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}と、カソード上限流量演算部３５１からのカソード上限流量とのうち小さい方の値を、カソード目標流量Ｑ_{c_t}としてカソード系指令部２４０及び遅延回路３５６に出力する。

遅延回路３５６は、カソード目標流量設定部３５５からのカソード目標流量Ｑ_{c_t}を制御周期の１周期分だけ遅延させる。すなわち、遅延回路３５６は、カソード目標流量Ｑ_{c_t}を取得すると、前回のカソード目標流量Ｑ_{c_t_dly}をＡｎ／Ｃａ流量比演算部３５２に出力する。

以上のように、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を小さくするには、図１４に示した相対湿度／流量比マップの関係からＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}を大きくすればよい。Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}を大きくするには、アノードガス流量Ｑ_aを大きくすると共に、図１５に示した流量比補正マップの関係から補正係数Ｅ_acが小さくなるように、アノードガス圧力Ｐ_aを小さくし、カソードガス圧力Ｐ_cを大きくすればよい。

本実施形態では、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、速乾性重視ドライ操作において、ＷＥＴ操作値であるカソード上限圧力Ｐ_{c_max}、アノード上限流量Ｑ_{a_max}及びアノード下限圧力Ｐ_{a_min}をカソード目標流量演算部３５０ｃに出力する。これにより、アノードガス圧力の計測値を用いる場合に比べて、式（２２）中のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}が大きくなるので、式（６）中のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max2_0}を大きくすることができる。さらに、アノード下限圧力Ｐ_{a_min}及びカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を用いることにより、Ａｎ／Ｃａ流量比の補正係数Ｅ_{ac_min}が小さくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max2_0}をより一層大きくすることができる。

このため、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_3max2_0}が最も大きくなるので、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_3min2}が最も小さくなる。これにより、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス流量制御の優先度が最も高くなるので、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を早期に下げることができる。

図３８は、速乾性重視ドライ操作を実施するときのアノード目標圧力演算部３３０ｃの機能構成の一例を示すブロック図である。

アノード目標圧力演算部３３０ｃは、アノード上限圧力演算部３３１と、カソード相対湿度演算部３３２と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３と、アノード湿潤要求圧力演算部３３４と、アノード目標圧力設定部３３５とを含む。

アノード上限圧力演算部３３１は、図１６に示したアノード上限圧力演算部と同一の構成である。アノード上限圧力演算部３３１は、燃料電池システム１００の運転状態に応じてアノード上限圧力を演算し、演算したアノード上限圧力をアノード目標圧力設定部３３５に出力する
カソード相対湿度演算部３３２は、図１３に示した目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}に基づいて、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}を演算する。

本実施形態では、カソード相対湿度演算部３３２は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３からカソードガス圧力Ｐ_{c_max}を取得し、流量センサ２３からカソードガス流量Ｑ_{c_sens}を取得し、図１３に示した飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。

そして、カソード相対湿度演算部３３２は、次式（２５）のように、カソード上限圧力Ｐ_{c_max}とカソードガス流量Ｑ_{c_sens}と飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}を算出する。

カソード相対湿度演算部３３２は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}をＡｎ／Ｃａ流量比演算部３３３に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}に基づいて、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pcmax_0}を演算する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}を取得すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}に関係付けられたＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pcmax_0}を算出する。

そして、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３からアノード上限流量Ｑ_{a_max}を取得し、流量センサ２３からカソードガス流量Ｑ_{c_sens}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、アノード上限流量Ｑ_{a_max}をカソードガス流量Ｑ_{c_sens}により除算して、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３３３は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}と、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pcmax_0}とをアノード湿潤要求圧力演算部３３４に出力する。

アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}と、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pcmax_0}とに基づいて、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を演算する。

本実施形態では、アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、次式（２６）のように、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pcmax_0}と、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}とに基づいて、補正係数Ｅ_{ac_2max}を算出する。

アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、補正係数Ｅ_{ac_2max}を算出すると、図１５の流量比補正マップを参照し、補正係数Ｅ_{ac_2max}に関係付けられた極間差圧ΔＰ_{ac_2max}を算出する。アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、次式（２７）のように、極間差圧ΔＰ_{ac_2max}と、カソード上限圧力Ｐ_{c_max}とに基づいて、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を算出する。

アノード湿潤要求圧力演算部３３４は、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}をアノード目標圧力設定部３３５に出力する。

アノード目標圧力設定部３３５は、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}と、アノード上限圧力演算部３３１からのアノード上限圧力とのうち小さい方の値を、アノード目標圧力としてアノード系指令部２５０に出力する。

このように、アノード目標圧力演算部３３０ｃにおいて、速乾性重視ドライ操作時にアノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}を速やかに大きくするには、式（２７）の関係から、極間差圧ΔＰ_acを大きくすると共に、カソードガス圧力Ｐ_cを大きくする必要がある。

極間差圧ΔＰ_acを大きくするには、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_acを大きくして補正係数Ｅ_acを大きくすればよい。Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_acを大きくするには、アノードガス流量Ｑ_aを大きくし、カソードガス流量Ｑ_cを小さくすればよい。

また、補正係数Ｅ_acを大きくするには、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を大きくして極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}を小さくすればよい。カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を大きくするには、カソードガス圧力Ｐ_cを大きくすればよい。

本実施形態では、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、ドライ操作において、ＷＥＴ操作値として、カソード上限圧力Ｐ_{c_max}及びアノード上限流量Ｑ_{c_max}をアノード目標圧力演算部３３０ｃに出力する。カソード上限圧力Ｐ_{c_max}を用いることより、カソードガス圧力の計測値を用いる場合に比べて、式（２５）中のカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}が大きくなるので、図１４に示した相対湿度／流量比の関係からＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pcmax_0}を小さくすことができる。それゆえ、式（２６）の補正係数Ｅ_{ac_2max}を大きくすることができる。

さらに、アノード上限流量Ｑ_{a_max}を用いることにより、アノードガス流量の計測値を用いる場合に比べて、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}が大きくなるので、補正係数Ｅ_{ac_2max}をより一層大きくすることができる。これにより、極間差圧ΔＰ_{ac_2max}が大きくなると共に、式（２７）中のカソードガス圧力にカソード上限圧力Ｐ_{c_max}が設定されるので、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を早期に下げることができる。

以上のように、アノード目標圧力演算部３３０ｃでは、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}が増加してカソードガス流量Ｑ_{c_sens}が増加するほど、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}が小さくなる。カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_ps}が小さくなるほど、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pcmax_0}が大きくなるので、補正係数Ｅ_{ac_2max}が大きくなってカソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}が大きくなる。すなわち、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}が低下するほど、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}は小さくなるため、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御が抑制される。

一方、目標水収支Ｑ_{w_t}が小さくなって目標排水量Ｑ_{w_out}が大きくなるほど、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_pcmax}は大きくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_pcmax_0}が小さくなり、アノード湿潤要求圧力Ｐ_{a_rw}は大きくなる。

このように、アノード目標圧力演算部３３０ｃは、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス流量を上げている状況であっても、目標排水量Ｑ_{w_out}が減少しなければ、アノード目標圧力を上昇させることができる。すなわち、湿潤制御部３００は、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス流量が増加するほど、アノードガス圧力の上昇を抑制し、かつ、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど、アノードガス圧力を上昇させることができる。

図３９は、速乾性重視ドライ操作を実施するときのカソード目標圧力演算部３４０ｃの機能構成の一例を示すブロック図である。

カソード目標圧力演算部３４０ｃは、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１と、カソード相対湿度演算部３４２と、カソード湿潤要求圧力演算部３４３と、カソード下限圧力演算部３４４とを含む。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、燃料電池スタック１内のカソードガス流量に対するアノードガス流量の比率を示すＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を演算する。

本実施形態において、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３からアノード上限流量Ｑ_{a_max}を取得し、流量センサ２３からカソードガス流量Ｑ_{c_sens}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、アノード上限流量Ｑ_{a_max}をカソードガス流量Ｑ_{c_sens}により除算して、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、算出したＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}をカソード相対湿度演算部３４２に出力する。

カソード相対湿度演算部３４２は、アノード圧力センサ３７からアノードガス圧力Ｐ_{a_sens}を取得し、アノードガス圧力Ｐ_{a_sens}から暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}を減算して暫定極間差圧ΔＰ_{ac_pr}を算出する。暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}は、所定の範囲で変化するパラメータである。

カソード相対湿度演算部３４２は、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１からＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を取得すると、図１５の流量比補正マップを参照し、暫定極間差圧ΔＰ_{ac_pr}に関係付けられた暫定補正係数Ｅ_{ac_pr}を算出する。カソード相対湿度演算部３４２は、その暫定補正係数Ｅ_{ac_pr}によりＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を除算して、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときの暫定Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax_0}を算出する。

カソード相対湿度演算部３４２は、暫定Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax_0}を算出すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、暫定Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax_0}に関係付けられた暫定カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qamax_pr}を算出する。

カソード相対湿度演算部３４２は、暫定カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qamax_pr}と暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}とをカソード湿潤要求圧力演算部３４３に出力する。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}に基づいて、カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}を演算する。

速乾性重視ドライ操作において、カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３からカソード下限流量Ｑ_{c_min}を取得し、カソード相対湿度演算部３４２から暫定カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qamax_pr}を取得する。さらに、カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、図１３に示した飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、次式（２８）のように、暫定カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_qamax_pr}と、カソード下限流量Ｑ_{c_min}と、飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、暫定カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw_pr2}を算出する。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}の圧力値を変化させるようにカソード相対湿度演算部３４２に指示する。そして、カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、暫定カソードガス圧力Ｐ_{c_pr}と暫定カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw_pr2}とが一致したときの圧力値をカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}として設定する。

カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、カソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}をカソード目標圧力設定部３４５に出力する。

カソード下限圧力演算部３４４は、図１７に示したカソード下限圧力演算部と同一の構成である。カソード下限圧力演算部３４４は、燃料電池システム１００の運転状態に応じてカソード下限圧力を演算し、演算したカソード下限圧力をカソード目標圧力設定部３４５に出力する
カソード目標圧力設定部３４５は、カソード下限圧力とカソード湿潤要求圧力Ｐ_{c_rw}とのうち大きい方の値を、カソード目標圧力としてカソード系指令部２４０に出力する。

図４０は、速乾性重視ドライ操作を実施するときのアノード目標流量演算部３２０ｃの機能構成の一例を示すブロック図である。

アノード目標流量演算部３２０ｃは、カソード相対湿度演算部３２４と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５と、アノード湿潤要求流量演算部３２６と、アノード下限流量演算部３２７と、アノード目標流量設定部３２８とを含む。

カソード相対湿度演算部３２４は、図１３に示した目標排水量算出部３２３からの目標排水量Ｑ_{w_out}に基づいて、目標とするカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を演算する。

速乾性重視ドライ操作において、カソード相対湿度演算部３２４は、流量センサ２３及びカソード圧力センサ２４からそれぞれカソードガス流量Ｑ_{c_sens}及びカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を取得し、飽和水蒸気圧演算部３２１から飽和水蒸気圧Ｐ_satを取得する。そして、カソード相対湿度演算部３２４は、次式（２９）のように、カソードガス流量Ｑ_{c_sens}とカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}と飽和水蒸気圧Ｐ_satと目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を算出する。

カソード相対湿度演算部３２４は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}をＡｎ／Ｃａ流量比演算部３２５に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}に基づいて、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens_0}を演算する。

本実施形態では、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を取得すると、図１４の相対湿度／流量比マップを参照し、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}に関係付けられたＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens_0}を算出する。

また、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、アノード圧力センサ３７からのアノードガス圧力Ｐ_{a_sens}を取得し、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を取得する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、アノードガス圧力Ｐ_{a_sens}からカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}を減算して、極間差圧ΔＰ_{ac_sens}を算出する。Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、極間差圧ΔＰ_{ac_sens}を算出すると、図１５の流量比補正マップを参照し、算出した極間差圧ΔＰ_{ac_sens}に関係付けられた補正係数Ｅ_{ac_sens}を算出する。

そして、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、式（３０）のように、補正係数Ｅ_{ac_sens}を、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens_0}に乗算することにより、極間差圧ΔＰ_{ac_sens}に応じたＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}を算出する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、算出したＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}をアノード湿潤要求流量演算部３２６に出力する。

アノード湿潤要求流量演算部３２６は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}に基づいて、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を演算する。

本実施形態では、アノード湿潤要求流量演算部３２６は、流量センサ２３からカソードガス流量Ｑ_{c_sens}を取得し、次式（３１）のように、カソードガス流量Ｑ_{c_sens}とＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}とに基づいて、アノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を算出する。

アノード湿潤要求流量演算部３２６は、算出したアノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}をアノード目標流量設定部３２８に出力する。

アノード下限流量演算部３２７は、図１３に示したアノード下限流量演算部と同一の構成である。アノード下限流量演算部３２７は、燃料電池システム１００の運転状態に応じてアノード下限流量を演算し、演算したアノード下限流量をアノード目標流量設定部３２８に出力する。

アノード目標流量設定部３２８は、アノード下限流量とアノード湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}とのうち小さい方の値を、アノード目標流量としてアノード系指令部２５０に出力する。

図４１は、本実施形態における湿潤制御部３００の速乾性重視ドライ操作処理に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。本実施形態の速乾性重視ドライ操作処理は、図１９に示したステップＳ４０の処理に対応する。

ステップＳ４１において湿潤制御部３００の速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、アノードガス及びカソードガスに対する各制御の優先順位を設定する優先制御パラメータとして、カソード上限圧力、アノード上限流量、及びアノード下限圧力を演算する。これらのパラメータは、電解質膜１１１を最も湿った状態にするときのＷＥＴ操作値である。

ステップＳ４２において湿潤制御部３００のカソード目標流量演算部３５０ｃは、図３７で述べたとおり、優先制御パラメータであるアノード上限流量、アノード下限圧力、及びカソード上限圧力と、目標水収支とに基づいて、カソード目標流量を演算する。３つの優先制御パラメータをカソード目標流量演算部３５０ｃに設定することにより、カソードガス流量を増量させる増量制御の優先順位を最も高くすることができる。

このため、カソード目標流量演算部３５０ｃは、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス圧力制御、アノードガス流量制御、及びアノードガス圧力制御の３つの制御が全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもカソード目標流量を迅速に上げる。

ステップＳ４３において湿潤制御部３００のアノード目標圧力演算部３３０ｃは、図３８で述べたとおり、優先制御パラメータであるカソード上限圧力及びアノード上限流量と、カソードガス流量と、目標水収支とに基づいて、アノード目標圧力を演算する。２つの優先制御パラメータをアノード目標圧力演算部３３０ｃに設定することにより、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御の優先順位を２番目に高くすることができる。

このため、アノード目標圧力演算部３３０ｃは、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス圧力制御、及びアノードガス流量制御の２つの制御が全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもアノード目標圧力を迅速に上げる。

ステップＳ４４において湿潤制御部３００のカソード目標圧力演算部３４０ｃは、図３９で述べたとおり、優先制御パラメータであるアノード上限流量と、アノードガス圧力及びカソードガス流量と、目標水収支とに基づいて、カソード目標圧力を演算する。１つの優先制御パラメータをカソード目標圧力演算部３４０ｃに設定することにより、カソードガス圧力を降下させる降圧制御の優先順位を３番目に高くすることができる。

カソード目標圧力演算部３４０ｃは、速乾性重視ドライ操作において、アノードガス流量制御のみが全く行われていないと判断し、通常の湿潤制御よりもカソード目標圧力を迅速に下げる。

ステップＳ４５において湿潤制御部３００のアノード目標流量演算部３２０ｃは、図４０で述べたとおり、カソードガス流量、カソードガス圧力、及びアノードガス圧力と、目標水収支とに基づいて、アノード目標流量を演算する。優先制御パラメータが用いられていないため、アノードガス循環流量を減少させる減量制御の優先順位は４番目になり、アノード目標流量演算部３２０ｃは、通常の湿潤制御どおり、アノード目標流量を増減させる。

ステップＳ４００においてコントローラ２００のカソード系指令部２４０及びアノード系指令部２５０は、カソード目標流量、アノード目標圧力、カソード目標圧力、及びアノード目標流量に基づいて、ガス状態調整処理を実行する。このガス状態調整処理については次図を参照して詳細に説明する。

ステップＳ４００で実行されるガス状態調整処理が終了すると、図１９に示したステップＳ４０の速乾性重視ドライ操作処理に戻る。

図４２は、ステップＳ４００で実行されるガス状態調整処理に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ４１１においてコントローラ２００は、カソードガス流量がカソード目標流量に収束するように、コンプレッサ２２の回転速度を上げる。これにより、カソードガス流量が増加する。

ステップＳ４１２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ４１３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、カソードガス流量がカソード上限流量に達したか否かを判断し、カソード上限流量に達していない場合には、ステップＳ４１１の処理に戻る。

ステップＳ４２１においてコントローラ２００は、カソードガス流量がカソード上限流量に達した場合には、アノードガス圧力がアノード目標圧力に収束するように、アノード調圧弁３３の開度を上げる。これにより、アノードガス圧力が上昇する。

ステップＳ４２２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ４２３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、アノードガス圧力がアノード上限圧力に達したか否かを判断し、アノード上限圧力に達していない場合には、ステップＳ４２１の処理に戻る。

ステップＳ４３１においてコントローラ２００は、アノードガス圧力がアノード上限圧力に達した場合には、カソードガス圧力がカソード目標圧力に収束するように、カソード調圧弁２６の開度を下げる。これにより、カソードガス圧力が低下する。

ステップＳ４３２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ４３３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、カソードガス圧力がカソード下限圧力に達したか否かを判断し、カソード下限圧力に達していない場合には、ステップＳ４３１の処理に戻る。

ステップＳ４４１においてコントローラ２００は、カソードガス圧力がカソード下限圧力に達した場合には、アノードガス循環流量がアノード目標流量に収束するように、アノード循環ポンプ３６の回転速度を下げる。これにより、アノードガス循環流量が減少する。

ステップＳ４４２においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達したか否かを判断する。計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合には、ガス状態調整処理を終了する。

ステップＳ４４３においてコントローラ２００は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達していない場合には、アノードガス流量がアノード下限流量に達したか否かを判断する。アノードガス流量がアノード下限流量に達していない場合には、コントローラ２００は、ステップＳ２４１の処理に戻り、アノードガス循環流量を減少させる。

そして、ステップＳ４４２で計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに達した場合、又は、ステップＳ２４３でアノードガス循環流量がアノード下限流量に達した場合には、ガス状態調整処理が終了し、図４１に示したステップＳ４０の速乾性重視ドライ操作処理に戻る。

図４３は、本実施形態の速乾性重視ドライ操作における燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図４３（Ａ）は、燃料電池スタック１に関する計測ＨＦＲの変化を示す図である。図４３（Ｂ）及び図４３（Ｄ）は、それぞれ、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量及び圧力の変化を示す図である。図４３（Ｃ）及び図４３（Ｅ）は、それぞれ、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力及び流量の変化を示す図である。図４３（Ａ）から図４３（Ｅ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ７０では、例えば車両の加速後に負荷装置５の要求電力が大幅に低下して、図４３（Ａ）に示すように目標ＨＦＲが大幅に上昇する。これに伴って、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも低くなり、計測ＨＦＲと目標ＨＦＲとの差分が速乾要求閾値よりも大きくなるため、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、電解質膜１１１の水分を迅速に減らす必要があると判断する。これにより、ＤＲＹ操作モード切替部３１０は、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３に対し速乾性重視ドライ操作の実施を指示する。

速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、カソード目標流量演算部３５０ｃに対し、測定値に代えてＷＥＴ操作値であるカソード上限圧力、アノード上限流量、及びアノード下限圧力を設定する。さらに速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、アノード目標圧力演算部３３０ｃに対し、ＷＥＴ操作値であるカソード上限圧力、及びアノード上限流量を設定すると共に、カソード目標圧力演算部３４０ｃに対し、ＷＥＴ操作値であるアノード上限流量を設定する。すなわち、速乾性重視ＤＲＹ操作設定部３１３は、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス流量制御、アノードガス圧力制御、カソードガス圧力制御、アノードガス流量制御の順に、各制御の優先順位を設定する。

これにより、図４３（Ｂ）に示すように、カソード目標流量演算部３５０ｃにより、他の制御よりも優先してコンプレッサ２２の回転速度が上げられてカソードガス流量が増加する。これに伴って、カソードガス流路１３１から排出される排水量が増加し、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水量が減少してアノード循環水量が減少するので、図４３（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かって上昇する。

このように、ドライ操作において、１番目に、カソードガス流量を増加させる増量制御を実行することにより、燃料電池スタック１から排出される排水量が他の制御に比べて短時間で増加するので、電解質膜１１１の水分を迅速に減らすことができる。また、アノードガスの増量制御を１番目に実行することにより、その後に実行されるアノードガスの昇圧制御、及びカソードガスの降圧制御によるドライ操作の効果を高めることができる。

時刻ｔ７１において、図４３（Ｂ）及び図４３（Ｃ）に示すように、カソードガス流量がドライ操作の上限値に到達する。このとき、カソードガスの増量制御を補完するようにアノード目標圧力演算部３３０ｃによりアノード調圧弁３３が開かれてアノードガス圧力が上昇する。これに伴って、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水量が減少してアノード循環水量が減少するので、図４３（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。

このように、速乾性ドライ操作において、２番目に、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御を実行することにより、カソードガス流量が多い状態でアノードガス圧力が上げられるので、効率よく電解質膜１１１の水分を下げることができる。

また、カソードガスの増量制御の実行後に、コンプレッサ２２よりも応答性の良いアノード調圧弁３３を作動させるので、コンプレッサ２２の応答遅れに起因する計測ＨＦＲの上昇量の低下を迅速に補完することができる。このように、カソードガス流量を上げた後にアノードガス圧力を上げることにより、電解質膜１１１の湿潤状態を迅速に乾いた状態に遷移させることができる。

時刻ｔ７２において、図４３（Ｃ）及び図４３（Ｄ）に示すように、アノードガス圧力がドライ操作の上限値に到達する。このとき、アノードガスの昇圧制御を補完するようにカソード目標圧力演算部３４０ｃによりカソード調圧弁２６が開かれてカソードガス圧力が低下する。これに伴って、カソードガスによってカソードガス流路１３１から外部に持ち出される排水量が増加すると共に、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水蒸気の流量が減少する。その結果、アノード循環水量が減少するので、図４３（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。

このように、速乾性重視ドライ操作において、３番目に、カソードガス圧力を降下させる降圧制御を実行することにより、排水量が増加しやすい状態で応答性の良いカソード調圧弁２６を駆動するので、迅速に電解質膜１１１の水分を除去することができる。

時刻ｔ７３において、図４３（Ｄ）及び図４３（Ｅ）に示すように、カソードガス圧力がドライ操作の下限値に到達する。このとき、カソードガス降圧制御を補完するようにアノード目標流量演算部３２０ｃによりアノード循環ポンプ３６の回転速度が下げられてアノードガス循環流量が減少する。これに伴って、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水量が減少するので、アノード循環水量が減少し、図４３（Ａ）に示すように計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに向かってさらに上昇する。

このように、速乾性重視ドライ操作において、４番目に、アノードガス循環流量を減少させる減量制御を実行することにより、アノード循環水量が減少して電解質膜１１１の水分を減らすことができる。

時刻ｔ７４において、図４３（Ｅ）に示すように、アノードガス循環流量がドライ操作の下限値に到達し、図４３（Ａ）に示すように、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに到達する。

以上のように、速乾性重視ドライ操作において、カソードガス流量、アノードガス圧力、カソードガス圧力、アノードガス循環流量の順に各物理量を制御することで、迅速に電解質膜１１１の水分を減らすことができる。

具体的には、燃料電池スタック１の排水量が最も増やしやすいカソードガス流量制御を１番目に実行することにより、迅速に電解質膜１１１の水分を減らすことができる。またカソードガス流量を増加させることにより、アノードガス圧力制御、及びカソードガス圧力制御によるドライ操作の効果が得られやすくなる。アノードガス圧力制御は圧力の操作幅をカソードガス圧力制御に比べて確保しやすいので、アノードガス圧力制御を２番目に実行することにより、迅速にカソードガス流量制御の応答遅れを補完しつつ、より確実に電解質膜１１１の水分を減らすことができる。そして、カソードガス圧力制御を３番目に実行することにより、効果的に電解質膜１１１の水分を除去しつつ、４番目に実行されるアノードガス流量制御による効果が得られやすい状態にすることができる。

ここで、速乾性重視ドライ操作においてアノードガス圧力よりも優先してカソードガス流量を制御することによる効果について説明する。

図４４は、ドライ操作における燃料電池スタック１の湿潤状態とカソードガス流量との関係、及び燃料電池スタック１の湿潤状態とアノードガス圧力との関係を説明するための図である。図４４では、縦軸が、燃料電池スタック１の湿潤状態を示し、横軸が、アノードガス圧力の変化量を示す。ここでは、「大」、「中」及び「小」の各々のカソードガス流量ごとに、カソードガス圧力を一定にした状態でアノードガス圧力を高くしたときの燃料電池スタック１の湿潤状態が示されている。

図４４に示すように、ドライ操作１においては、アノードガス圧力が低い状態で、カソードガス流量を「小」から「中」に上げると、燃料電池スタック１の湿潤状態がドライ側に遷移する。すなわち、カソードガスの増量制御によってドライ操作が効率よく行われる。

一方、ドライ操作２においては、カソードガス流量が「小」のときにアノードガス圧力を上げても、燃料電池スタック１の電解質膜１１１の湿潤状態は殆ど変化しない。すなわち、ドライ操作において、コンプレッサ２２から燃料電池スタック１に供給されるカソード流量が少ない状態では、アノードガスの昇圧制御を実行しても、ドライ操作が効率よく行われない。

このように、カソードガスの増量制御よりも先にアノードガスの昇圧制御を実行すると、ドライ操作に要する時間が長くなる可能性がある。これに対して、図４４に示したドライ操作１のように、アノードガス圧力を上げる前にカソードガス流量を上げることにより、ドライ操作を効率よく実施することができる。

このため、速乾性重視ドライ操作を実施する場合において、アノードガスの昇圧制御よりも優先してカソードガスの増量制御を実行することにより、迅速、かつ、効率よく、電解質膜１１１を乾燥させることができる。

図４４は、速乾性重視ドライ操作において、湿潤要求とは異なる要求によりカソードガスの増量制御が制限されたときの燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図４４（Ａ）は、燃料電池スタック１の目標ＨＦＲの変化を示す図である。図４４（Ｂ）及び図４４（Ｃ）は、それぞれ、カソードガス流量及びアノードガス圧力の変化を示す図である。図４４（Ｄ）は、アノード循環水量の変化を示す図である。これらの図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

ここでは、本実施形態の速乾性重視ドライ操作が実線により示されている。さらに、図１２に示したアノード目標圧力演算部３３０ｃがカソードガス流量の計測値Ｑ_{c_sens}の代わりにカソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を用いてアノード目標圧力を算出したときのドライ操作が点線により示されている。

時刻ｔ８０において、図４４（Ａ）に示すように、目標ＨＦＲが大幅に上昇する。そして、図４４（Ｂ）に示すように、カソードガス流量が増加する。

時刻ｔ８１において、湿潤要求とは別の要求により設定された上限流量にカソードガス流量が到達したため、図４４（Ｂ）の実線で示すように、ドライ操作におけるカソードガスの増量制御が制限される。この上限流量は、例えば、図３７に示したカソード上限流量演算部３５１の演算結果である。

本実施形態では、アノード目標圧力演算部３３０ｃがカソーガス流量の計測値Ｑ_{c_sens}を用いてアノード目標圧力を演算するので、図４４（Ｃ）の実線で示すように、カソードガスの増量制御が制限された直後にアノードガス圧力が上昇する。すなわち、カソードガスの増量制御でも電解質膜１１１の湿潤状態を操作しきれない部分については、その部分が補完されるようにアノードガスの昇圧制御が実行される。このため、カソードガスの降圧制御が制限されたタイミングにおいて、直ぐにアノードガスの昇圧制御が実行されるので、図４４（Ａ）の実線で示すように、計測ＨＦＲを継続して上昇させることができる。

仮にアノード目標圧力演算部３３０ｃが、図３７で示したカソード湿潤要求流量演算部３５４の演算結果を用いてアノード目標圧力を演算したとすると、図４４（Ｃ）の点線で示すように時刻ｔ８１から時刻ｔ８２までの間は、アノードガスの昇圧制御が停止状態となる。その結果、図４４（Ａ）の点線で示すように、時刻ｔ８３を経過しても計測ＨＦＲが目標ＨＦＲに到達しないので、ドライ操作が完了するのに要する時間が長くなってしまう。

このように、本実施形態では、アノード目標圧力演算部３３０ｃが、カソードガス流量の測定値を用いてアノード目標圧力を演算するので、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を用いる場合に比べて、ドライ操作に要する時間を短縮することができる。

図４６は、目標ＨＦＲが急峻に上昇したときの速乾性重視ドライ操作における燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すタイムチャートである。

図４６（Ａ）は、目標ＨＦＲの変化を示す図である。図４６（Ｂ）から図４６（Ｄ）までの各図面の縦軸は、図４４（Ｂ）から図４４（Ｄ）までの各図面の縦軸と同じであり、図４６（Ａ）から図４６（Ｄ）までの図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図４６（Ｂ）には、カソードガス流量の計測値が実線により示され、カソード目標流量が破線により示されている。

時刻ｔ９０において、図４６（Ａ）に示すように目標ＨＦＲがパルス状に上昇する。

図４６（Ｂ）の破線で示すように、カソード目標流量演算部３５０ｃは、目標ＨＦＲを達成できるカソード目標流量を算出する。一方、実際のカソードガス流量は、コンプレッサ２２の応答遅れなどが原因でカソード目標流量に比べて緩やかに増加する。

時刻ｔ９０の直後は、実線のカソードガス流量と破線のカソード目標流量との乖離が大きいため、カソードガスの増量制御によるドライ操作が十分に行われない。その結果、アノード目標圧力演算部３３０ｃが、カソードガス流量とカソード目標流量との差分を補完するようにアノード目標圧力を上げるので、図４６（Ｃ）に示すようにアノードガス圧力が上昇する。

時刻ｔ９０から時間が経過するにつれて、カソードガス流量とカソード目標流量との差分が小さくなるため、図４６（Ｃ）に示すように、アノード目標圧力演算部３３０ｃは、アノードガス圧力を上げ過ぎた分だけアノード目標圧力を下げる。このため、アノードガス圧力は過渡的に上昇した後に下がり始める。

時刻ｔ９１において、図４６（Ｂ）に示すようにカソードガス流量がカソード目標流量に到達し、図４６（Ｃ）に示すようにアノードガス圧力は若干低下してから定常状態となる。

このように、湿潤制御部３００は、目標ＨＦＲが大幅に上昇する場合には、カソードガスの増量制御に若干の遅れが生じるため、その遅れた分をアノードガスの昇圧制御により補完する。すなわち、過渡状態における速乾性重視ドライ操作では、湿潤制御部３００は、カソードガス流量を増加させると共に、目標ＨＦＲと計測ＨＦＲとの差分が小さくなるようにアノードガス圧力を上昇させる。

すなわち、電解質膜１１１の水分を速やかに減らす必要があるときには、カソードガスの増量制御を実行しても電解質膜１１１の水分が減少しない部分を補完するように、アノードガスの昇圧制御が実行される。これにより、効率的、かつ、早期に、電解質膜１１１の水分を減らすことができる。

本発明の第４実施形態によれば、湿潤制御部３００は、速乾性重視ドライ操作時において、カソードガス流量を増加させる増量制御を実行しても電解質膜１１１の水分が減らないときには、その減らない部分を補完するようにアノードガス圧力を上昇させる昇圧制御を実行する。これにより、図４４（Ｃ）に示したように、カソードガスの増量制御を補完するようにアノードガスの昇圧制御が実行されるので、ドライ操作に要する時間を短縮することができる。

また、本実施形態によれば、速乾性重視ドライ操作においては、カソード目標流量演算部３５０ｃは、計測ＨＦＲと、電解質膜１１１を現在よりも高い湿潤状態にするときのアノードガス圧力を示すＷＥＴ操作値とを用いてカソードガス流量を増加させる。これと共に、アノード目標圧力演算部３３０ｃは、計測ＨＦＲとカソードガス流量の計測値とを用いてアノードガス圧力を制御する。これにより、速乾性重視ドライ操作において、カソードガスの増量制御の優先順位を、アノードガスの昇圧制御の優先順位よりも高くすることができる。

また、本実施形態によれば、速乾性重視ドライ操作において電解質膜１１１を現在よりも高い湿潤状態にするときのアノードガス圧力は、燃料電池１０の性能を確保できる範囲で最も小さい圧力に設定される。これにより、ドライ操作において、カソードガス流量をより一層迅速に増加させることができる。

また、本実施形態によれば、ドライ操作を実施する場合において、アノード目標圧力演算部３３０ｃは、カソードガス流量が増加するほど、アノードガス圧力の上昇を抑制しつつ、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど、アノードガス圧力を上昇させる。これにより、アノードガスの昇圧制御において、カソードガスの増量制御によるドライ操作を迅速に補完することができる。

さらに、本実施形態によれば、湿潤制御部３００は、速乾性重視ドライ操作において、図４３に示したように、カソードガスの増量制御、アノードガスの昇圧制御、カソードガスの降圧制御、アノードガスの減量制御の順に各制御を実行する。

このため、アノードガスの昇圧制御よりも優先してカソードガスの増量制御が実行されるので、燃料電池スタック１からの排水量を増やしつつ、ドライ操作に寄与しない状況でアノードガスの昇圧制御が実行されるのを抑制することできる。また、カソードガスの降圧制御よりも優先してアノードガスの昇圧制御が実行されるので、極間差圧ΔＰ_acを早期に確保でき、かつ、効果的に燃料電池スタック１の排水量を増加させることができる。すなわち、効率よく電解質膜１１１を乾燥状態に遷移させることができる。さらに、アノードガスの減量制御よりも優先してカソードガスの降圧制御が実行されるので、電解質膜１１１の水分を減らしつつ、アノードガスの減量制御によるドライ操作の効果を高めることができる。

また、本実施形態によれば、湿潤制御部３００は、少なくともドライ操作を実施する場合において、電解質膜１１１の水分を速やか減らす必要があるときには、燃料電池スタック１の出力を確保する必要がある否かに関わらず、カソードガス流量をアノードガス圧力よりも優先して制御する。これにより、電解質膜１１１の水分を早期に減らすことができる。

次に、上記実施形態におけるインピーダンス測定装置６の構成例について説明する。

図４７は、インピーダンス測定装置６の構成の一例を示すブロック図である。

インピーダンス測定装置６は、燃料電池スタック１の正極端子（カソード極側端子）１Ｂ及び負極端子（アノード極側端子）１Ａの他に、中途端子１Ｃに接続されている。なお、中途端子１Ｃに接続された部分はアースされている。

インピーダンス測定装置６は、中途端子１Ｃに対する正極端子１Ｂの正極側交流電位差Ｖ１を測定する正極側電圧測定センサ６１と、中途端子１Ｃに対する負極端子１Ａの負極側交流電位差Ｖ２を測定する負極側電圧測定センサ６２と、を含む。

さらに、インピーダンス測定装置６は、正極端子１Ｂと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ１を印加する正極側交流電源部６３と、負極端子１Ａと中途端子１Ｃからなる回路に交流電流Ｉ２を印加する負極側交流電源部６４と、これら交流電流Ｉ１及び交流電流Ｉ２の振幅や位相を調整するコントローラ６５と、正極側交流電位差Ｖ１、Ｖ２及び交流電流Ｉ１、Ｉ２に基づいて、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを演算するインピーダンス演算部６６と、を含む。

コントローラ６５は、正極側交流電位差Ｖ１と負極側交流電位差Ｖ２が等しくなるように、交流電流Ｉ１と交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。

インピーダンス演算部６６は、図示しないＡＤ変換器やマイコンチップ等のハードウェア、及びインピーダンスを算出するプログラム等のソフトウェア構成を含む。

インピーダンス演算部６６は、正極側交流電位差Ｖ１を交流電流Ｉ１で除して、中途端子１Ｃから正極端子１Ｂまでの内部インピーダンスＺ１を算出し、負極側交流電位差Ｖ２を交流電流Ｉ２で除して、中途端子１Ｃから負極端子１Ａまでの内部インピーダンスＺ２を算出する。さらに、インピーダンス演算部６６は、内部インピーダンスＺ１と内部インピーダンスＺ２の和をとることで、燃料電池スタック１の全インピーダンスＺを算出する。

本実施形態によれば、インピーダンス測定装置６は、燃料電池スタック１に接続されて、該燃料電池スタック１に交流電流Ｉ１，Ｉ２を出力する交流電源部６３，６４と、燃料電池スタック１の正極側１Ｂの電位から中途部分１Ｃの電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差Ｖ１と、燃料電池スタック１の負極側１Ａの電位から中途部分１Ｃの電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差Ｖ２と、に基づいて交流電流Ｉ１，Ｉ２を調整する交流調整部としてのコントローラ６５と、調整された交流電流Ｉ１，Ｉ２並びに正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２に基づいて燃料電池スタック１のインピーダンスＺを演算するインピーダンス演算部６６と、を有する。

コントローラ６５は、燃料電池スタック１の正極側の正極側交流電位差Ｖ１が負極側の負極側交流電位差Ｖ２と実質的に一致するように、正極側交流電源部６３により印加される交流電流Ｉ１及び負極側交流電源部６４により印加される交流電流Ｉ２の振幅及び位相を調節する。これにより、正極側交流電位差Ｖ１の振幅と負極側交流電位差Ｖ２の振幅とが等しくなるので、正極端子１Ｂと負極端子１Ａが実質的に等電位となる（以下ではこれを等電位制御と記載する）。したがって、インピーダンス計測のための交流電流Ｉ１、Ｉ２が負荷装置５に流れることが防止されるので、燃料電池１０による発電に影響を与えることが防止される。

また、燃料電池スタック１が発電状態であっても、発電により生じた電圧に計測用交流電位が重畳されることとなるので、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の値自体は大きくなるが、正極側交流電位差Ｖ１及び負極側交流電位差Ｖ２の位相や振幅自体が変わるわけではないので、燃料電池１０が発電状態ではない場合と同様に高精度なインピーダンス計測を実行することができる。

さらに、インピーダンスＺの測定のための回路構成等も種々の変更が可能である。例えば、燃料電池スタック１に所定の電流源から交流電流を供給するようにして、出力される交流電圧を測定し、当該交流電流と出力交流電圧に基づきインピーダンスを計算するようにしても良い。

以上、本発明の各実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、本実施形態では膜湿潤状態取得部２１０において、目標水収支Ｑ_{w_t}を演算して湿潤制御部３００に出力したが、演算した目標水収支Ｑ_{w_t}に基づいて目標排水量Ｑ_{w_out}を算出し、目標排水量Ｑ_{w_out}を目標水収支_{w_t}の代りに出力してもよい。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

１ 燃料電池スタック（燃料電池）
２ カソードガス給排装置（酸化剤系）
３ アノードガス給排装置（燃料系）
１０ 燃料電池
２２ コンプレッサ（酸化剤供給手段、排水手段）
２６ カソード調圧弁（排水手段）
３３ アノード調圧弁（燃料系圧力調圧手段、調圧弁）
３６ アノード循環ポンプ（燃料循環手段、アクチュエータ）
３７ アノード循環通路（燃料循環手段、循環通路）
６５ コントローラ
６６ インピーダンス演算部（演算部）
１００ 燃料電池システム
１１１ 電解質膜
１２１ アノードガス流路（燃料流路）
１３１ カソードガス流路（酸化剤流路）
２００ コントローラ（湿潤制御装置）
２１０ 湿潤状態取得部（取得手段）
３００ 湿潤制御部（制御手段）
３１１ 出力重視ドライ操作設定部（優先設定部）
３２０ アノード目標流量演算部（流量制御部）
３３０ アノード目標圧力演算部（圧力制御部）

Claims (14)

1. 燃料電池の発電のための酸化剤が流れる酸化剤系に備えられ、前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給手段により前記燃料電池の電解質膜で発生した水を排出する排水手段と、
   前記酸化剤系の流れと対向する方向に燃料が流れ、前記電解質膜で発生した水を留保する燃料系に備えられ、前記燃料系に燃料を循環させる燃料循環手段と、
   前記燃料系の圧力を調整する燃料系圧力調整手段と、
   前記電解質膜の湿潤状態を示す信号を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得される前記信号により、少なくとも前記燃料循環手段と前記燃料系圧力調整手段とを操作して前記電解質膜の湿潤状態を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、少なくとも前記電解質膜の水分を減らすドライ操作時には、前記燃料循環手段の操作による前記電解質膜の湿潤状態の制御を前記燃料系圧力調整手段の操作による前記電解質膜の湿潤状態の制御よりも優先して実行する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
   前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作時に前記燃料循環手段の動作を優先して制御する場合において、当該燃料循環手段の動作により前記電解質膜の水分が減少しないときは、当該減少しない部分を補完するように前記燃料系圧力調整手段の動作を制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
   前記制御手段は、
   前記電解質膜の湿潤度と前記燃料系の圧力とに基づいて、前記燃料系を循環する燃料の流量を制御する流量制御部と、
   前記電解質膜の湿潤度と前記燃料の流量とに基づいて、前記燃料系の圧力を制御する圧力制御部と、
   少なくとも前記ドライ操作時には、前記流量制御部に対して前記電解質膜を現在よりも高い湿潤状態にするときの燃料の圧力を設定し、前記圧力制御部に対して前記燃料の流量を設定する優先設定部と、を含む、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
   前記電解質膜を現在よりも高い湿潤状態にするときの燃料の圧力は、前記燃料電池の性
   能を確保できる範囲で最も低い圧力に設定される、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
5. 請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
   前記制御手段は、前記ドライ操作時において、前記燃料系圧力調整手段が作動しない場合には、前記流量制御部に設定される燃料の圧力を、前記電解質膜を現在よりも高い湿潤状態にするときの燃料の圧力から、前記燃料電池における燃料の圧力に切り替える、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
   前記燃料電池は、
   前記電解質膜の一方の面に対して酸化剤を通す酸化剤流路と、
   前記電解質膜の他方の面に対して前記酸化剤流路に流れる酸化剤の向きとは反対の向きに燃料を通す燃料流路と、を含み、
   前記燃料循環手段は、
   前記燃料流路の一端から排出される燃料を前記燃料流路の他端に導入して循環させる循環通路と、前記循環通路に設けられ、燃料を含むガスの循環流量を調整するアクチュエータと、を含み、
   前記アクチュエータの回転速度を変化させることにより前記循環通路を流れる前記ガスの循環流量を増減し、
   前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作時において、前記循環通路を循環する水量を減らす場合には、前記ガスの循環流量を減少させる、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
   前記燃料系圧力調整手段は、前記燃料電池に供給される燃料の圧力を調整する調圧弁を含み、前記調圧弁の開度を変化させることにより前記燃料流路に供給される前記ガスの圧力を昇降し、
   前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作時において、前記循環通路を循環する水量を減らす場合には、前記ガスの圧力を上昇させる、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
   前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作時には、前記ガスの循環流量が増加するほど、前記ガスの圧力の上昇を抑制し、かつ、前記電解質膜の湿潤度が大きくなるほど、前記ガスの圧力を上昇させる、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
   前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作時には、前記燃料系の流量、前記燃料系の圧力、前記酸化剤系の圧力、前記酸化剤系の流量の順に優先して各状態量を制御する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
    前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作を実施する場合において、前記燃料電池の出力を確保する必要があるときには、前記燃料系の流量を前記燃料系の圧力よりも優先して制御する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
    前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作を実施する場合において、前記電解質膜の水分を速やか減らす必要があるときには、前記燃料電池の出力を確保する必要がある否かに関わらず、前記酸化剤系の流量を前記燃料系の圧力よりも優先して制御する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
12. 請求項１１に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
    前記制御手段は、前記電解質膜の水分を速やか減らす必要がない場合において、前記燃料電池システムの消費電力を抑える必要があるときには、前記酸化剤系の圧力を前記燃料系の流量よりも優先して制御する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの湿潤制御装置であって、
    前記燃料電池は、積層電池により構成され、
    前記燃料電池システムは、前記積層電池に接続されて当該積層電池に交流電流を出力する測定装置をさらに含み、
    前記積層電池の正極側の電位から該積層電池の中途部分の電位を引いて求めた電位差である正極側交流電位差と、前記燃料電池の負極側の電位から前記中途部分の電位を引いて求めた電位差である負極側交流電位差とに基づいて、交流電流を調整する交流調整部と、
    前記交流調整部で調整された交流電流、前記正極側交流電位差及び前記負極側交流電位差に基づいて、前記積層電池のインピーダンスを演算する演算部と、を含み、
    前記取得手段では、前記演算部で演算される前記積層電池のインピーダンスを、前記信号として取得する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御装置。
14. 燃料電池に酸化剤を流す酸化剤系に備えられた酸化剤供給手段により供給される酸化剤により前記燃料電池の電解質膜で発生した水を排出する排水手段と、
    前記酸化剤系の流れと対向する方向に燃料を流し、前記電解質膜で発生した水を留保する燃料系に備えられ、前記燃料系に燃料を循環させる燃料循環手段と、
    前記燃料系の圧力を調整する燃料系圧力調整手段と、
    前記電解質膜の湿潤状態を示す信号を取得する取得手段と、
    前記取得手段により取得される前記信号により、少なくとも前記燃料循環手段と前記燃料系圧力調整手段とを操作して前記電解質膜の湿潤状態を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムの湿潤制御方法であって、
    少なくとも前記電解質膜の水分を減らすドライ操作時には、前記燃料循環手段の操作による前記電解質膜の湿潤状態の制御を前記燃料系圧力調整手段の操作による前記電解質膜の湿潤状態の制御よりも優先して実行する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの湿潤制御方法。

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