JP6540408B2 - 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酸化剤の流量と、燃料電池に供給される燃料の圧力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際に、燃料電池に供給される酸化剤の流量よりも先に、燃料電池に供給される燃料の圧力を制御すると、酸化剤の流量によっては電解質膜の含水量が殆ど減らないことがある。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、酸化剤の流量制御が行われず無用に維持されることになるので、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、少なくとも前記酸化剤供給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。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、前記酸化剤供給手段を前記燃料系圧力調整手段よりも優先して制御することを特徴とする。

本発明のある態様によれば、燃料系圧力調整手段を酸化剤供給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、効率良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、カソードガス流量制御及び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に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、目標とする電解質膜の湿潤状態との関係を示す図である。 図９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１０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１１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極間差圧との関係を示す図である。 図１３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でのカソードガス相対湿度との関係を示す図である。 図１４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機能構成の一例を示すブロック図である。 図１５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機能構成の一例を示すブロック図である。 図１６は、燃料電池に供給されるアノードガスの目標流量を演算する機能構成の一例を示すブロック図である。 図１７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１８は、燃料電池システムの湿潤制御方法で実行されるドライ操作処理に関するフローチャートである。 図１９は、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２０は、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２１は、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目標圧力を算出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２２は、電解質膜の目標とする湿潤状態の大幅な変化に伴って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、第３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２４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、燃料電池に対して外部から発電に必要となるアノードガス及びカソードガスを供給し、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に接続されて負荷装置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に供給されるアノードガス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に貯蔵されたアノードガスを燃料電池スタック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、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に対し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、燃料系を構成する通路であり、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に循環させる。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、燃料系を構成するアノードガス循環通路３５に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、燃料電池スタック１に循環されるアノードガスの流量のことを「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、カソードガス流路１３１から電解質膜１１１を透過（リーク）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、図示されていないアノードガス排出通路は、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でカソードオフガスと混合されるので、混合ガス中の水素濃度が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。冷却水の温度は、燃料電池スタック１の温度、又はカソ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から供給される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挙げられる。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、負荷装置５の作動に必要な電力を、燃料電池スタック１に対する要求電力としてコントローラ２００に出力する。例えば、車両に設けられた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、本実施形態では、電解質膜１１１の湿潤状態を示すパラメータとして、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うち中途に位置する燃料電池１０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。そして、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。さらに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の交流信号を用いて測定された内部インピーダンス（High Frequency Resistance；高周波数抵抗）のことを「計測ＨＦＲ」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からの要求電力とを取得する。これらの信号は、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、燃料電池システム１００の運転状態に関するパラメータに応じて、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６を用いて、カソードガスの流量及び圧力を制御する。さらにコントローラ２００は、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６を用いて、アノードガスの流量及び圧力を制御する。また、コントローラ２００は、燃料電池システム１００の運転状態に関するパラメータに応じて、冷却水ポンプ４２及び三方弁４５を用いて、燃料電池スタック１の温度を制御する。

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、燃料として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、酸化剤として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、水素を含有するアノードガス及び酸素を含有するカソードガス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（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、各電解質膜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において、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で維持されるように、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燃料電池システム１００の運転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から外部に排出される水の排水量が増加するように、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。以下では、カソードガス流量を増加させる流量制御のことを「増量制御」という。

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を介してリークしてきた水蒸気によって加湿される。それゆえ、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、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、コントローラ２００は、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。

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量が減少するように、アノードガス圧力を上昇させる。以下では、アノードガス圧力を上昇させる圧力制御のことを「昇圧制御」という。反対にウェット操作では、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量が増加するように、コントローラ２００は、アノードガス圧力を低下させる。

このような湿潤制御において、ドライ操作を実施する場合には、コントローラ２００は、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御と、カソードガス流量を増加させる増量制御とを実行する。しかしながら、ドライ操作において、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、電解質膜１１１の水分が殆ど減少しない場合があることを発明者らは知見した。

図４は、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説明図である。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、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、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ってしまう。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。

そこで、本実施形態では、コントローラ２００は、ドライ操作を実施する場合に、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、アノード調圧弁３３の動作よりも優先してコンプレッサ２２の動作を制御する。

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、カソードガス給排装置指令部２４０と、アノードガス給排装置指令部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である。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の水分の不足分を増やすためのドライ操作が実施される。

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特定する。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、燃料電池スタック１に接続される負荷装置５の要求電力に基づいて、スタック目標電流を演算する。

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対応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の作動状態に基づいて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス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、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_a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、アノードガス流量を検出する流量センサをアノードガス循環通路３５に設けてその流量センサの出力信号を用いてもよい。

湿潤制御部３００は、膜湿潤状態取得部２１０から出力される信号に応じて、少なくともコンプレッサ２２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。

湿潤制御部３００は、ドライ操作を実施する場合には、アノードガス流量制御及びカソードガス圧力制御によるドライ操作よりも優先して、カソードガス流量制御及びアノードガス圧力制御によるドライ操作を実施する。カソードガス流量制御及びアノードガス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、カソードガス流量を増加させつつ、目標水収支の大きさに応じてアノードガス圧力を上昇させる。

すなわち、湿潤制御部３００は、膜湿潤状態取得部２１０からの出力信号に基づき電解質膜１１１の水分を減らすときには、電解質膜１１１の水分を増やすときに比べて、カソードガス流量を増加させる。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アノードガス圧力を上昇させる。

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ガス給排装置指令部２４０に出力する。そして、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ガス給排装置指令部２５０に出力する。

カソードガス給排装置指令部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の作動を制御する。

本実施形態では、カソードガス給排装置指令部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、カソードガス給排装置指令部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。

アノードガス給排装置指令部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の作動を制御する。

本実施形態では、アノードガス給排装置指令部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、アノードガス給排装置指令部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７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Ｉ_s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、その偏差に基づき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。

目標ＨＦＲは、燃料電池スタック１の発電に伴う生成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くなる。そのため、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、かつ、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り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、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９（Ａ）は、燃料電池スタック１内の水収支の変化を示す図である。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水量との収支のことである。図９（Ｂ）は、カソードガス圧力の変化を示す図である。図９（Ｃ）は、アノードガス圧力の変化を示す図である。図９（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内に保持される水の総量のことである。図９（Ａ）から図９（Ｄ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図９の各図面では、カソードガスの増量制御を実行した後にアノードガスの昇圧制御を実行したときの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カソードガスの増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９（Ａ）に示すように、燃料電池スタック１の水収支の目標値である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、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の発電に伴う多量の生成水によって電解質膜１１１が加湿され、その後、負荷装置５の要求電力が低下したときに、図８に示したように目標ＨＦＲが増加して目標水収支が大幅に低下する。

本実施形態では、図９（Ｂ）の実線で示すように、コンプレッサ２２の回転速度が徐々に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排水量が増加するため、図９（Ｄ）の実線で示すように、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１への水蒸気量が減少してアノード循環水量が低下する。これにより、図９（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、カソードガス流量がドライ操作の上限値に到達し、図９（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内の水蒸気分圧も上昇するため、図９（Ｄ）の実線で示すように、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１への水蒸気量が減少して、アノード循環水量が減少する。これにより、図９（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、ドライ操作が終了する。

一方、図９（Ｂ）及び図９（Ｃ）の点線で示すように、時刻ｔ０において、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、図９（Ｄ）の点線で示すようにアノード循環水量が減少しない。これは、カソードガスの流量が少ないため、カソードガス流路１３１から持ち出される排水量が少なく、アノードガス圧力を上げたとしても排水量は殆ど増加しないからである。そのため、図９（Ａ）の点線で示すように、燃料電池スタック１の水収支も低下しない。

このとき、図９（Ｃ）の点線で示すように、アノードガス圧力が高くなるほど、アノード循環ポンプ３６の消費電力は高くなるため、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間は、水収支が減少しないままの状態でアノード循環ポンプ３６の消費電力が増加してしまう。さらに、図９（Ａ）の点線で示すように、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ないことから、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、アノードガス圧力を上昇させる昇圧制御よりも優先してカソードガス流量を増加させる増量制御を実行するので、アノード循環ポンプ３６の消費電力の増加を低減しつつ、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にカソードガスを供給するコンプレッサ（酸化剤供給手段）２２を備え、コンプレッサ２２から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出手段を構成する。アノードガス給排装置３は、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）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、少なくともコンプレッサ２２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、コンプレッサ２２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、コンプレッサ２２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、コンプレッサ２２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コンプレッサ２２が最初に作動する。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、図９（Ｂ）の点線で示した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。コンプレッサ２２は、大気から燃料電池１０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、燃料電池１０に空気を供給するアクチュエータである。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１３１を流れるカソードガスの流量を増減する。そして、湿潤制御部３００は、図９（Ｂ）及び図９（Ｄ）に示したように、少なくともドライ操作時において、アノードガス流路１２１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、カソードガス流量を増加させる。

このため、ドライ操作を実施する場合においてカソードガスの増量制御を実行することにより、直接的に燃料電池スタック１からの排水量を増やして、速やかにアノード循環水量を減らすことができる。したがって、ドライ操作の速効性を高めることができる。

また、本実施形態によれば、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９（Ｃ）及び図９（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のアノードガス圧力を上昇させる。

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、コンプレッサ２２によるカソードガスの増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、アノードガスの昇圧制御は、カソードガス流量の増加によってドライ操作への寄与度が得られる状態になってから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、ドライ操作を効果的に実行することができると共に、燃料電池スタック１の発電の応答性を向上させることができる。

以上のように、本実施形態によれば、早期に、かつ、効果的に、ドライ操作を完了することができるので、効率良く電解質膜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１０は、本発明の第２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。ここでは、ドライ操作を実施するときの湿潤制御部３００の構成が示されている。

湿潤制御部３００は、ＤＲＹ操作優先順位設定部（以下、単に「優先順位設定部」という。）３１０と、カソード目標流量演算部３２０と、アノード目標圧力演算部３３０と、カソード目標圧力演算部３４０と、アノード目標流量演算部３５０とを含む。

優先順位設定部３１０は、燃料電池スタック１の湿潤状態に応じて、湿潤制御に用いられるアノードガス及びカソードガスの各状態量を制御する各制御処理の優先度を設定する。

本実施形態では、優先順位設定部３１０は、インピーダンス測定装置６からの計測ＨＦＲに基づいて、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、優先順位設定部３１０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位を、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて調整する。

まず、優先順位設定部３１０は、燃料電池スタック１の計測ＨＦＲと目標ＨＦＲとに基づいて、電解質膜１１１の水分を減らすドライ操作を実施する必要があるか、電解質膜１１１の水分を増やすウェット操作を実施する必要があるかの判断を行う。優先順位設定部３１０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必要があると判断し、ウェット操作パラメータを出力する。また、優先順位設定部３１０は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも低い場合には、ドライ操作を実施する必要があると判断し、各制御に関する優先順位を設定するためのドライ操作パラメータを出力する。

優先順位設定部３１０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、優先順位設定部３１０は、計測ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも低い場合には、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、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、優先順位設定部３１０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、電解質膜１１１の許容圧力とアノードガス圧力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小さい値に設定される。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圧力に設定される。

アノード上限流量は、アノード循環ポンプ３６の動作特性を用いて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、から設定される。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流量に設定される。

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、電解質膜１１１の許容圧力とカソードガス圧力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から最も大きい値に設定される。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圧力に設定される。

なお、本実施形態では優先順位設定部３１０が計測ＨＦＲに基づいて湿潤制御がドライ操作であるかウェット操作であるかを判定したが、目標水収支が所定の閾値よりも大きい場合にドライ操作が実施されると判定するものであってもよい。あるいは、優先順位設定部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されると判定するものであってもよい。

カソード目標流量演算部３２０は、電解質膜１１１の湿潤度と、燃料電池１０に供給される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３２０は、電解質膜１１１の湿潤度と相関のある目標水収支と、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３２０は、演算したカソード目標流量をカソードガス給排装置指令部２４０に出力する。

カソード目標流量演算部３２０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３２０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３２０は、アノードガス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の水分が増加してしまうので、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３２０は、カソードガス圧力が大きくなるほど、カソードガスにより燃料電池スタック１から持ち出される排水量が減少して電解質膜１１１の水分が増加してしまうので、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３２０は、優先順位設定部３１０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３２０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、優先順位設定部３１０は、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３３０は、電解質膜１１１の湿潤度と、燃料電池１０に供給されるカソードガス流量とに基づいて、アノードガス圧力を制御する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３３０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３３０は、演算したアノード目標圧力をアノードガス給排装置指令部２５０に出力する。

アノード目標圧力演算部３３０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３３０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３３０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、カソードガス流路１３１から持ち出される排水量が減少してしまうので、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３３０は、アノードガス圧力が小さくなるほど、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水量が増加してしまうので、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３３０は、優先順位設定部３１０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３３０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、優先順位設定部３１０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３４０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３４０は、カソードガス流量が小さくなるほど、カソードガス流路１３１から持ち出される排水量が減少してしまうので、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、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水量が増加してしまうので、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３４０は、優先順位設定部３１０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３４０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、優先順位設定部３１０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３５０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３５０は、演算したアノード目標流量をアノードガス給排装置指令部２５０に出力する。

アノード目標流量演算部３５０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３５０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、アノード目標流量演算部３５０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、カソードガス流路１３１から持ち出される排水量が減少してしまうので、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３５０は、アノードガス圧力が小さくなるほど、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１に流入する水量が増加してしまうので、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３５０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３５０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、ドライ操作において、優先順位設定部３１０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ことになるので、図９で述べたとおり、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、優先順位設定部３１０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３２０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、優先順位設定部３１０での演算を停止するようにしてもよい。

図１１は、ドライ操作を実施するときのカソード目標流量演算部３２０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３２０は、カソード上限流量演算部３２１と、発電生成水量演算部３２２と、目標排水量算出部３２３と、飽和水蒸気圧演算部３２４とを含む。さらにカソード目標流量演算部３２０は、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５と、カソード相対湿度演算部３２６と、カソード湿潤要求流量演算部３２７と、カソード目標流量設定部３２８と、遅延回路３２９とを含む。

カソード上限流量演算部３２１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り設定されるカソードガス流量の上限値である。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、カソード上限流量演算部３２１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３２１に予め記録される。カソード上限流量演算部３２１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３２１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３２８に出力する。

発電生成水量演算部３２２は、燃料電池スタック１の出力電流に基づいて、各燃料電池１０の発電に伴い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、次式（２）のように、スタック出力電流Ｉ_sに基づいて、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}との差分を算出することにより、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（３）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}をカソード湿潤要求流量演算部３２７に出力する。これと共に目標排水量算出部３２３は、目標排水量Ｑ_{w_out}をアノード目標圧力演算部３３０、カソード目標圧力演算部３４０、及びアノード目標流量演算部３５０に出力する。

飽和水蒸気圧演算部３２４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３２４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、これらの平均値を、燃料電池スタック１の温度Ｔとして算出する。そして、飽和水蒸気圧演算部３２４は、次式（４）のように、燃料電池スタック１の温度Ｔに基づいて、飽和水蒸気圧Ｐ_satを算出する。

式（４）に示したように、スタック温度Ｔが高くなるほど、飽和水蒸気圧Ｐ_satは高くなる。飽和水蒸気圧演算部３２４は、算出した飽和水蒸気圧Ｐ_satをカソード湿潤要求流量演算部３２７に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、カソードガス流路１３１から排出される排水量を把握するために、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。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、優先順位設定部３１０からアノード上限流量Ｑ_{a_max}を取得し、遅延回路３２９から出力される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３２５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。

一般に、Ａｎ／Ｃａ流量比は、アノードガス圧力とカソードガス圧力との差圧である極間差圧の変化に応じて変化する。そのため、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、極間差圧に応じてＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax}を補正する。

本実施形態では、アノードガス圧力及びカソードガス圧力の極間差圧と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１２を参照して後述する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、優先順位設定部３１０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}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_qamax_0}に補正する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３２５は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax_0}をカソード相対湿度演算部３２６に出力する。

カソード相対湿度演算部３２６は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax_0}に基づいて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}を演算する。カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}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により除算した値である。

本実施形態では、極間差圧ΔＰ_acがゼロのときのＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_0}とカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}との関係を示す相対湿度／流量比マップがカソード相対湿度演算部３２６に予め記録される。相対湿度／流量比マップについては、図１３を参照して後述する。

カソード相対湿度演算部３２６は、補正後のＡｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax_0}を取得すると、相対湿度／流量比マップを参照し、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax_0}に関連付けられた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３２６は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}をカソード湿潤要求流量演算部３２７に出力する。

カソード湿潤要求流量演算部３２７は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}と目標排水量Ｑ_{w_out}とに基づいて、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。

ドライ操作において、カソード湿潤要求流量演算部３２７は、優先順位設定部３１０からカソード上限圧力Ｐ_{c_max}を取得し、飽和水蒸気圧演算部３２４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３２７は、次式（７）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（７）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_min}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、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}を計測値の代りに用いることで、カソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を上げることができる。

カソード湿潤要求流量演算部３２７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３２８に出力する。

カソード目標流量設定部３２８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３２１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}としてカソードガス給排装置指令部２４０及び遅延回路３２９に出力する。

遅延回路３２９は、カソード目標流量設定部３２８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３２９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３２５に出力する。

図１２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。

図１３は、カソード相対湿度演算部３２６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}の特性が設定されている。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１２に示した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へ流入す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。

このように、カソード目標流量演算部３２０において、ドライ操作を実施する場合にカソード湿潤要求流量Ｑ_{c_rw}を極力速やかに大きくするには、式（７）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を大きくする必要がある。

カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を小さくするには、図１３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１２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、優先順位設定部３１０は、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３２０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（５）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_qamax_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が小さくなるので、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_qamax_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_qamax_0}が最も大きくなるので、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}が最も小さくなる。これにより、ドライ操作における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１４は、ドライ操作を実施するときのアノード目標圧力演算部３３０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３３０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、カソード圧力センサ２４からカソードガス圧力を取得し、そのカソードガス圧力を、予め定められた電解質膜１１１の許容圧力に加算して電解質膜１１１を保護するための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。

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、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、優先順位設定部３１０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、飽和水蒸気圧演算部３２４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（８）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１３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、優先順位設定部３１０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、電解質膜１１１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、次式（９）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１２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（１０）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ガス給排装置指令部２５０に出力する。

このように、アノード目標圧力演算部３３０において、ドライ操作を実施する場合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（１０）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、優先順位設定部３１０は、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}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３３０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（８）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１３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（９）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（１０）中のカソードガス圧力Ｐ_cとしてカソード上限圧力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３３０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３３０は、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、少なくともドライ操作時には、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、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。

図１５は、ドライ操作を実施するときのカソード目標圧力演算部３４０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３４０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/cs}を演算する。

本実施形態において、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３４１は、優先順位設定部３１０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、次式（１１）のように、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/cs}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/cs}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_min_cs}を取得すると、図１２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/cs}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/cs_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_cs_0}を算出すると、図１３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/cs_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。

本実施形態では、カソード湿潤要求圧力演算部３４３は、優先順位設定部３１０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１１に示した飽和水蒸気圧演算部３２４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（１２）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_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、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り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からアノードガス圧力を取得し、そのアノードガス圧力から電解質膜１１１の許容圧力を減算して、電解質膜１１１を保護するための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の発電に必要となるカソードガス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ガス給排装置指令部２４０に出力する。

図１６は、ドライ操作を実施するときのアノード目標流量演算部３５０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３５０は、カソード相対湿度演算部３５１と、Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２と、アノード湿潤要求流量演算部３５３と、アノード下限流量演算部３５４と、アノード目標流量設定部３５５とを含む。

カソード相対湿度演算部３５１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_3sens}を演算する。

本実施形態では、カソード相対湿度演算部３５１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３２４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３５１は、次式（１３）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３５１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３５２に出力する。

Ａｎ／Ｃａ流量比演算部３５２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３５２は、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_sens}を取得すると、図１３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３５２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、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}を算出すると、図１２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３５２は、式（１４）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３５２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３５３に出力する。

アノード湿潤要求流量演算部３５３は、Ａｎ／Ｃａ流量比Ｋ_{ac_sens}に基づいて、電解質膜１１１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。

本実施形態では、アノード湿潤要求流量演算部３５３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（１５）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３５３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３５５に出力する。

アノード下限流量演算部３５４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り設定されるアノードガス流量の下限値である。

例えば、アノード下限流量演算部３５４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３５４に予め記録される。アノード下限流量演算部３５４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３５４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３５５に出力する。

アノード目標流量設定部３５５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ガス給排装置指令部２５０に出力する。

図１７は、本実施形態における湿潤制御部３００を備えるコントローラ２００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。この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。

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。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。また、湿潤制御部３００の飽和水蒸気圧演算部３２４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及びスタック出口水温を取得し、両者の平均値をスタック温度として算出する。スタック温度は、燃料電池スタック１内の飽和水蒸気圧の算出に用いられる。

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。なお、ステップＳ４は、電解質膜１１１の湿潤状態を示す信号を取得する取得ステップに対応する。

ステップＳ５においてコントローラ２００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。本実施形態では、図７に示した目標ＨＦＲ演算部２１１が、電流センサ５１からスタック出力電流を取得し、図８に示した目標ＨＦＲマップを用いて、取得した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。本実施形態では、図７に示した目標水収支演算部２１２が、目標ＨＦＲと計測ＨＦＲとに基づいて目標水収支を算出する。

ステップＳ７においてコントローラ２００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か否かを判断する。本実施形態では、図１０に示した優先順位設定部３１０が、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が実施されると判定する。

ステップＳ８においてコントローラ２００は、ドライ操作が実施されていないと判定された場合には、通常の湿潤制御処理を実行する。例えば、コントローラ２００は、目標水収支に基づいて、アノードガスの流量及び圧力の計測値と、カソードガスの流量及び圧力の計測値とを用いてアノードガスの流量及び圧力と、カソードガスの流量及び圧力とを制御する。

ステップＳ１０においてコントローラ２００の湿潤制御部３００は、ドライ操作が実施されると判定された場合には、ドライ操作処理を実行する。テップＳ１０のドライ操作処理が完了すると、コントローラ２００の制御方法についての一連の処理手順が終了する。次にドライ操作処理について図１８を参照して詳細に説明する。

図１８は、ステップ１０で実行される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。

ステップＳ１１において湿潤制御部３００の優先順位設定部３１０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Ｓ１２において湿潤制御部３００のカソード目標流量演算部３２０は、目標水収支と、優先制御パラメータアノード上限流量、アノード下限圧力、及びカソード上限圧力とに基づいて、図１１で述べたとおり、カソード目標流量を演算する。このように、３つの優先制御パラメータをカソード目標流量演算部３２０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。

すなわち、カソード目標流量演算部３２０は、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Ｓ１３において湿潤制御部３００のアノード目標圧力演算部３３０は、目標水収支と、カソードガス流量と、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に基づいて、図１４で述べたとおり、アノード目標圧力を演算する。このように、２つの優先制御パラメータをアノード目標圧力演算部３３０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。

すなわち、アノード目標圧力演算部３３０は、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Ｓ１４において湿潤制御部３００のカソード目標圧力演算部３４０は、目標水収支と、アノードガス圧力及びカソードガス流量と、優先制御パラメータであるアノード上限流量とに基づいて、図１５で述べたとおり、カソード目標圧力を演算する。このように、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を３番目に高くすることができる。

すなわち、カソード目標圧力演算部３４０は、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Ｓ１５において湿潤制御部３００のアノード目標流量演算部３５０は、目標水収支と、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に基づいて、図１６で述べたとおり、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３５０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Ｓ２０においてコントローラ２００のカソードガス給排装置指令部２４０及びアノードガス給排装置指令部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。ガス状態調整処理については図１９を参照して詳細に説明する。

ステップＳ２０で実行されるガス状態調整処理が終了すると、図１７に示したドライ操作処理に戻る。

図１９は、ステップＳ２０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、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、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Ｓ２１１の処理に戻る。

ステップＳ２２１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、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、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Ｓ２４２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１８に示したステップＳ２０のドライ操作処理に戻る。

図２０は、本実施形態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２０（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２０（Ｂ）及び図２０（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２０（Ｃ）及び図２０（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２０（Ａ）から図２０（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ｔ２０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２０（Ａ）に示すように、目標ＨＦＲが大幅に上昇する。これに伴って、優先順位設定部３１０は、ドライ操作が実施されると判断し、優先制御パラメータとしてＷＥＴ操作値を演算する。

そして、優先順位設定部３１０は、カソード目標流量演算部３２０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。さらに優先順位設定部３１０は、アノード目標圧力演算部３３０に対し、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３４０に対し、アノード上限流量を設定する。すなわち、優先順位設定部３１０は、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２０（Ｂ）に示すように、他の制御よりも優先してカソード目標流量演算部３２０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２０（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ｔ２１において、図２０（Ｂ）及び（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ため、アノード目標圧力演算部３３０により、カソードガスの増量制御を補完するようにアノード調圧弁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、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、確実に電解質膜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ｔ２２において、図２０（Ｃ）及び（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ため、カソード目標圧力演算部３４０により、アノードガスの昇圧制御を補完するようにカソード調圧弁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、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ｔ２３において、図２０（Ｄ）及び（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ため、アノード目標流量演算部３５０により、カソードガス降圧制御を補完する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、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ｔ２４において、図２０（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２０（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、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それぞれを制御することで、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の排水量を最も増やすことができる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。ここで、アノードガス圧力制御及びカソードガス圧力制御のうち圧力の変化幅を確保しやすい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、効果的に電解質膜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を発揮し易くする状態にすることができる。

なお、図２０（Ｂ）ではカソードガス流量を電解質膜１１１の湿潤要求により設定されたドライ操作の上限値まで増やしたが、電解質膜１１１の湿潤要求とは異なる要求により設定された上限値に達してカソードガス流量が制限されることもある。

図２１は、ドライ操作において、湿潤要求とは異なる要求によって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２１（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２１（Ｂ）及び図２１（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２１（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ている。さらに、図１０に示したアノード目標圧力演算部３３０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ｔ３０において、図２１（Ａ）に示すように、目標ＨＦＲが大幅に上昇する。そして、図２１（Ｂ）に示すように、カソードガス流量が増加する。

時刻ｔ３１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２１（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１１に示したカソード上限流量演算部３２１により算出される。

本実施形態では、アノード目標圧力演算部３３０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２１（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、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直後であっても、直ぐにアノードガスの昇圧制御が実行されるので、図２１（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３３０が、図１１で示したカソード湿潤要求流量演算部３２７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２１（Ｃ）の点線で示すように時刻ｔ３１から時刻ｔ３２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２１（Ａ）の点線で示すように、時刻ｔ３３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、アノード目標圧力演算部３３０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２２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２２（Ａ）は、目標ＨＦＲの変化を示す図である。図２２（Ｂ）から図２２（Ｄ）までの各図面の縦軸は、図２１（Ｂ）から図２１（Ｄ）までの各図面の縦軸と同じであり、図２２（Ａ）から図２２（Ｄ）までの図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図２２（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ｔ４０において、図２２（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２２（Ｂ）の破線で示すように、カソード目標流量演算部３２０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ｔ４０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３３０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２２（Ｃ）に示すようにアノードガス圧力が上昇する。

時刻ｔ４０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２２（Ｃ）に示すように、アノード目標圧力演算部３３０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ｔ４１において、図２２（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２２（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、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。これにより、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ことができる。したがって、図２１（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、カソードガス給排装置２は、燃料電池１０にカソードガスを供給するコンプレッサ２２を含み、アノードガス給排装置３は、燃料電池１０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を含む。湿潤制御部３００のカソード目標流量演算部３２０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、コンプレッサ２２を用いてカソードガス流量を制御する。そして、湿潤制御部３００のアノード目標圧力演算部３３０は、計測ＨＦＲとカソ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、優先順位設定部３１０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操作値とをカソード目標流量演算部３２０に設定する。さらに、優先順位設定部３１０は、計測ＨＦＲとアノードガス流量の計測値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、カソードガスの増量制御の優先順位（負荷割合）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、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値に設定される。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３３０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。

また、本実施形態によれば、図２０に示したように、湿潤制御部３００の優先順位設定部３１０は、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からの排水量を直接増やしながら、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の実行を回避できる。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。

なお、本実施形態ではドライ操作の速効性は高いものの、コンプレッサ２２の消費電力が増加し、カソードガスの増量制御及びアノードガスの昇圧制御により燃料電池スタック１の発電量が増加する。そこで、電解質膜１１１の水分を早期に減らす必要性が高い場合に本実施形態のドライ操作を実施する例について、次図を参照して説明する。

（第３実施形態）
図２３は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１００の制御方法に関する処理手順例を示すフローチャートである。

本実施形態の制御方法は、図１７に示した制御方法の各処理に加えて、ステップＳ３０の処理を備えている。ここでは、ステップＳ３０の処理についてのみ説明し、その他の処理については、図１７に示した処理と同じであるため、同一符号を付して説明を省略する。

ステップＳ３０において、図１０に示した優先順位設定部３１０は、ステップＳ７でドライ操作が実施されると判定された場合に、図７に示した目標ＨＦＲ演算部２１１から目標ＨＦＲを取得し、図１に示した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、優先順位設定部３１０は、目標ＨＦＲから計測ＨＦＲを減算した偏差が所定の速乾閾値Ｔｈよりも大きいか否かを判断する。速乾閾値Ｔｈ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り、例えば、１５［Ω・ｃｍ²］に設定される。

目標ＨＦＲと計測ＨＦＲの偏差が速乾閾値Ｔｈよりも大きい場合には、ステップＳ１０の処理に進み、目標ＨＦＲと計測ＨＦＲの偏差が速乾閾値Ｔｈ以下である場合には、ステップＳ８の処理に進む。

本実施形態では、速乾閾値Ｔｈは予め設定されるものであるが、必要に応じて設定されるものであってもよい。例えば、燃料電池スタック１の周囲温度が氷点温度よりも低い場合において燃料電池システム１００を停止する停止処理を実行する際に、速乾閾値Ｔｈが設定されてもよい。この場合には、優先順位設定部３１０は、燃料電池システム１００の停止用の目標ＨＦＲと計測ＨＦＲとの偏差が速乾閾値Ｔｈを超えるか否かを判断し、偏差が速乾閾値Ｔｈを超える場合にＷＥＴ操作値を出力する。

このように、本発明の第３実施形態によれば、燃料電池スタック１の湿潤状態を早期に乾燥状態に遷移させる必要性が高いときに限りステップＳ１０のドライ操作処理が実行される。これにより、ドライ操作の速乾性を確保しつつ、燃料電池システム１００の燃費の向上を図ることができる。

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２４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が、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（積層電池）
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）
６ インピーダンス測定装置（測定装置）
１０ 燃料電池
２１ カソードガス供給通路（大気から燃料電池までの経路）
２２ コンプレッサ（酸化剤供給手段、排水手段、アクチュエータ）
３３ アノード調圧弁（燃料系圧力調整手段、調圧弁）
６６ コントローラ（交流調整部）
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）
２１０ 湿潤状態取得部（取得手段）
３００ 湿潤制御部（制御手段）
３１０ 優先順位設定部（優先設定部）
３２０ カソ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 (11)

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、少なくとも前記酸化剤供給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、前記酸化剤供給手段を前記燃料系圧力調整手段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。
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酸化剤供給手段の動作を優先して制御する場合において、当該酸化剤供給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、前記燃料電池に供給される酸化剤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酸化剤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酸化剤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、
   前記酸化剤供給手段は、大気から前記燃料電池までの経路の途中に設けられ、前記燃料電池に空気を供給するアクチュエータを含み、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、前記酸化剤流路を流れる前記酸化剤の流量を増減し、
   前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作時において、前記燃料流路を循環する水量を減らす場合には、前記酸化剤の流量を増加させる、
   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燃料の圧力を昇降し、
   前記制御手段は、少なくとも前記ドライ操作時において、前記燃料流路を循環する水量を減らす場合には、前記燃料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、前記酸化剤の流量が増加するほど、前記燃料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、前記燃料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、前記酸化剤系の流量、前記燃料系の圧力、前記酸化剤系の圧力、前記燃料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。
11. 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、少なくとも前記酸化剤供給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、前記酸化剤供給手段を前記燃料系圧力調整手段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方法。

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