JPWO2016157320A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、燃料電池の電解質膜に燃料と酸化剤を供給し、酸化剤の供給と燃料の供給を制御して燃料電池の発電を制御する。燃料電池システムは、電解質膜の湿潤状態を検出し、燃料電池に供給される燃料の流量を調整し、燃料電池に供給される酸化剤の温度を調整する。燃料電池システムは、湿潤状態に関する信号により電解質膜の水分を減らすときには、電解質膜の水分を増やすときに比べて、燃料の流量を減少させるとともに、湿潤状態に関する信号に応じて酸化剤の温度を上昇させる。

Description

この発明は、燃料電池に供給される燃料の流量と燃料電池の温度を調整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に関する。

特許第５１０４９５０号公報には、電解質膜の湿潤度（含水量）を下げるドライ操作が終了すると、電解質膜に供給される燃料の流量を増減することにより、電解質膜の湿潤状態を維持する燃料電池システムが開示されている。

上述のような燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される酸化剤ガスは、発電に伴う水蒸気によって加湿されるため、その水蒸気は、使用されなかった酸化剤ガスと共に燃料電池から排出される。このため、ドライ操作を実行するときには、酸化剤ガスに保持できる水蒸気量を増やすために、燃料電池の温度を上昇させる。

しかしながら、燃料電池の温度上昇に伴って燃料ガスで保持できる水蒸気量も増加するため、酸化剤ガスから電解質膜を透過して燃料ガスに混入する水蒸気量も増加する。燃料ガス中の水蒸気が増加すると、燃料ガスの水分によって電解質膜の湿潤度が下がりにくくなるため、ドライ操作に要する時間が長くなるという問題がある。

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。

本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池の電解質膜に燃料を供給する燃料供給手段と、前記電解質膜に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給と前記燃料供給手段による燃料の供給とを制御して前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段とを備える。燃料電池システムは、前記電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段と、前記燃料供給手段により前記燃料電池に供給される燃料の流量を調整する流量調整手段と、前記酸化剤供給手段により前記燃料電池に供給される酸化剤の温度を調整する温度調整手段と、を含む。前記発電制御手段は、前記湿潤状態検出手段から出力される信号により前記電解質膜の水分を減らすときには、前記電解質膜の水分を増やすときに比べて、前記燃料の流量を減少させるとともに、前記湿潤状態検出手段からの信号に応じて前記酸化剤の温度を上昇させることを特徴とする。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池の構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示した燃料電池のII−II断面図である。 図３は、本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４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５は、燃料電池における電解質膜の湿潤状態を検出する機能構成の一例を示す図である。 図６は、燃料電池に接続される負荷の大きさと燃料電池の最低温度との関係の一例を示す図である。 図７は、燃料電池に接続される負荷の大きさと電解質膜の目標とする湿潤状態との関係を示す図である。 図８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図である。 図９は、燃料電池に供給されるアノードガスとカソードガスの流量比と、カソードガスの相対湿度との関係を示す図である。 図１０は、燃料電池スタックに供給される冷却水の目標温度を演算する機能構成の一例を示す図である。 図１１は、第１実施形態における燃料電池システムを制御する制御方法の一例を示すフローチャートである。 図１２は、電解質膜の水分を減らすドライ操作を実行したときの燃料電池システムの状態変化を示すタイムチャートである。 図１３は、ドライ操作において燃料電池の最低温度の代わりに燃料電池の温度を用いたときの燃料電池システムの状態変化を示すタイムチャートである。 図１４は、本発明の第２実施形態における燃料電池の発電を制御する機能構成の一例を示す図である。 図１５は、アノード循環ポンプの動作とアノードガス流量との関係を示す図である。 図１６は、第２実施形態における燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。 図１７は、ドライ操作を実行したときの燃料電池システムの状態変化を示すタイムチャートである。 図１８は、過渡時において湿潤度を低下させるドライ操作における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１９は、過渡時の低下量を大きく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２０は、インピーダンス測定装置の構成の一例を示す図である。

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）
燃料電池は、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。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： ２Ｈ^２ → ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ ・・・（１）
カソード電極： ４Ｈ^＋＋４ｅ⁻＋Ｏ^２ → ２Ｈ^２Ｏ ・・・（２）
これら（１）（２）の電極反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。

図１及び図２は、本発明の一実施形態における燃料電池１０の構成を説明するための図である。図１は、燃料電池１０の斜視図であり、図２は、図１に示した燃料電池１０のＩＩ−ＩＩ断面図である。

図１及び図２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。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、湿潤度が低くなるほど、電解質膜１１１の水分が減少することを意味する。

アノード電極１１２は、触媒層１１２Ａとガス拡散層１１２Ｂとを備える。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る。ガス拡散層１１２Ｂは、触媒層１１２Ａの外側に配置される。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る。

アノード電極１１２と同様に、カソード電極１１３も触媒層１１３Ａとガス拡散層１１３Ｂとを備える。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を備えている。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ている。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を冷却するため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、溝状通路として形成されている。すなわち、冷却水流路１４１は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を通す冷媒流路を構成する。

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されてもよい。また、これらの流れ方向が所定の角度をもつように構成されてもよい。

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されてもよい。

このような燃料電池１０を自動車用電源として使用する場合には、電動モータから要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１が構成される。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。

図３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１０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、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。すなわち、カソードガス給排装置２は、燃料電池１０の電解質膜１１１に酸化剤を供給する酸化剤供給手段を構成する。

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、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、カソードガス供給通路２１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。

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。

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。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。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、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の開度が大きくなるほど、カソード調圧弁２６が閉じる。

アノードガス給排装置３は、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に循環させる装置である。すなわち、アノードガス給排装置３は、燃料電池１０の電解質膜１１１に燃料を供給する燃料供給手段を構成する。

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、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、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。エゼクタ３４をアノードガス供給通路３２に設けることにより、簡易な構成で燃料電池スタック１にアノードオフガスを循環させることができる。

エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３から供給されるアノードガスの流速を加速させて負圧を生じさせることにより、燃料電池スタック１からのアノードオフガスを吸引する。エゼクタ３４は、そのアノードオフガスを、アノード調圧弁３３から供給されるアノードガスと共に燃料電池スタック１に吐出する。

エゼクタ３４は、例えば、アノード調圧弁３３から燃料電池スタック１に向かって開口を狭くした円錐状のノズルと、燃料電池スタック１からアノードオフガスを吸引する吸引口を備えたディフューザとにより構成される。なお、本実施形態ではエゼクタ３４を用いたが、単にアノードガス供給通路３２にアノードガス循環通路３５を合流させるものであってもよい。

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を介して燃料電池スタック１にアノードオフガスを循環させる。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、燃料電池スタック１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。

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、図示されていないが、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内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排出許容濃度以下の値に設定される。

スタック冷却装置４は、燃料電池１０を冷却するための冷媒を燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に調整する装置である。本実施形態では冷媒として冷却水が用いられる。

また、スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１から排出されるカソードガス中の水蒸気量を増やすために、カソードガス流路１３１を通過するカソードガスの温度を高くするガス温度調整装置として機能する。すなわち、スタック冷却装置４は、燃料電池１０に供給される酸化剤の温度を調整する温度調整手段を構成する。

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。

例えば、燃料電池スタック１の温度が冷却水の温度よりも高い状態においては、冷却水ポンプ４２の回転速度が高くなるほど、燃料電池１０から冷却水へ熱が放散される熱量が増加するため、燃料電池スタック１の温度が低下する。一方、冷却水ポンプ４２の回転速度が低くなるほど、熱交換率が低下するため、燃料電池スタック１の温度が上昇する。

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において温められた冷却水をファンにより冷却する。

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に直接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。なお、バイパス通路４４には、燃料電池システム１００の零下起動時に燃料電池スタック１を暖機するためのヒータが設けられてもよい。

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、本実施形態では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におけるバイパス通路４４が合流する部分に設けられる。

三方弁４５においては、冷却水の温度が所定の開弁温度以下のときにはラジエータ４３から燃料電池スタック１への冷却水通路が遮断された状態となり、バイパス通路４４を経由してきた冷却水のみを燃料電池スタック１に供給する。これにより、燃料電池スタック１には、ラジエータ４３を経由してくる冷却水に比べて高温の冷却水が流れることになる。

一方、冷却水の温度が上述の開弁温度よりも高くなると、ラジエータ４３から燃料電池スタック１への冷却水通路の開口が徐々に大きくなり始める。そして三方弁４５は、バイパス通路４４を経由してきた冷却水と、ラジエータ４３を経由してきた冷却水とを混合して、これらの冷却水を燃料電池スタック１に供給する。これにより、燃料電池スタック１には、バイパス通路４４を経由してくる冷却水に比べて低温の冷却水が流れることになる。

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の温度や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ることにより駆動する。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、燃料電池スタック１の発電を補助する補機の一部、電動モータを制御する制御ユニットなどによって構成される。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。

あるいは、負荷装置５は、ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータの一方に電動モータインバータを接続し、他方にバッテリを接続すると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータとバッテリとの間の電源線に補機の一部を接続する構成であってもよい。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に要求する要求電力をコントローラ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み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燃料電池スタック１の出力電力として検出する。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における正極端子１ｐと正極端子１ｎとの間に接続される。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１における正極端子１ｐと正極端子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、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、正極端子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と正極端子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に積層された各燃料電池１０のうち、中途に位置する燃料電池１０に中途タブを設け、その中途タブにもインピーダンス測定装置６が接続される。中途タブが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及び正極端子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することにより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、正極端子１ｎと中途タブとの間の交流電圧の振幅を、正極端子１ｎに供給した交流電流の振幅で除算することにより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る内部インピーダンスのことを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、圧力センサ２４、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を制御することでカソードガスの流量及び圧力を制御すると共に、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６を制御することでアノ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、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を制御することで燃料電池スタック１における燃料電池１０の温度、及びカソードガスの温度を制御する。

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、カソードガスの目標流量及び目標圧力、並びにアノードガスの目標流量及び目標圧力を演算する。コントローラ２００は、カソードガスの目標流量及び目標圧力に基づいて、コンプレッサ２２の回転速度とカソード調圧弁２６の開度とを制御すると共に、アノードガスの目標流量及び目標圧力に基づいて、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。

また、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スタック目標温度を演算し、そのスタック目標温度に基づいて、冷却水ポンプ４２の回転速度を制御する。例えば、コントローラ２００は、スタック温度がスタック目標温度よりも高い場合には、冷却水ポンプ４２の回転速度を、スタック温度がスタック目標温度よりも低い場合に比べて高くする。

このような燃料電池システム１００では、各電解質膜１１１の湿潤度（含水量）が高くなり過ぎたり低くなり過ぎたりすると、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、燃料電池スタック１の電解質膜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となるように、燃料電池スタック１の湿潤状態を操作する。

以下では、燃料電池スタック１の湿潤状態を乾燥（ドライ）側に遷移させること、すなわち電解質膜１１１の余計な水分を減らすことを「ドライ操作」という。また、燃料電池スタック１の湿潤状態を湿潤（ウェット）側に遷移させること、すなわち電解質膜１１１の水分を増やすことを「ウェット操作」という。

燃料電池スタック１の湿潤状態を操作する湿潤制御においては、コントローラ２００は、カソードガス流量、カソードガス圧力、アノードガス流量、及びスタック温度を制御する。

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により実行され、カソードガス圧力制御は、主にカソード調圧弁２６により実行される。

例えば、ドライ操作では、コントローラ２００は、燃料電池スタック１から排出する水分を増やすために、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。一方、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により実行される。

図２に示したアノードガス流路１２１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。加湿されたアノードガス流量を増加させると、アノードガスに含まれる水分が、アノードガス流路１２１の上流から下流まで行き渡りやすくなり、燃料電池スタック１の湿潤度が増加しやすくなる。

そのため、コントローラ２００は、ウェット操作を実行する場合には、燃料電池スタック１内で加湿されるアノードガスの流量を増やすために、燃料電池スタック１を循環するアノードガス流量を増加させる。一方、ドライ操作を実行する場合には、コントローラ２００は、燃料電池スタック１を循環するアノードガス流量を減少させる。

コントローラ２００によるスタック温度制御は、主に冷却水ポンプ４２により実行される。

通常、燃料電池１０の温度はスタック入口水温よりも高いため、図２に示した冷却水流路１４１を流れる冷却水の流量を減らすと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスの温度が上昇すると共に燃料電池１０自体の温度が上昇する。カソードガス流路１３１のカソードガス温度が上昇すると、そのカソードガスで保持できる水蒸気量が増加するため、燃料電池スタック１から排出される水分が増加する。このように、スタック温度を上昇させると、燃料電池スタック１から排出される水分が増えるので、燃料電池スタック１の湿潤度が低下する。

そのため、コントローラ２００は、ドライ操作を実行する場合には、燃料電池スタック１内のカソードガスの温度が上昇するようにスタック温度を高くする。一方、ウェット操作を実行する場合には、コントローラ２００は、スタック温度を低くする。

しかしながら、ドライ操作を実行する場合にスタック温度を高くすると、カソードガスの温度が上昇するだけでなく、アノードガスの温度も上昇するので、アノードガスで保持できる水蒸気量も増加する。その結果、カソードガス流路１３１から電解質膜１１１を介してアノードガス流路１２１に移動してくる水蒸気量が増加し、この水蒸気によって電解質膜１１１の湿潤度が下がりにくくなり、ドライ操作に要する時間が長くなる。状況によっては、アノードガス流路１２１に移動してくる水蒸気量が増加することが原因となり、ドライ操作中に電解質膜１１１の水分が増加してしまう場合がある。このような事態を発明者らは知見した。

そこで本実施形態では、コントローラ２００は、ドライ操作においてスタック温度を高くする昇温制御よりも優先して、燃料電池スタック１を循環するアノードガス流量を減らす減量制御を実行する。

図４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。ここでは、ドライ操作を実行するときの制御パラメータが示されている。

コントローラ２００は、膜湿潤状態検出部２０１と、発電制御部２０２と、アノードガス給排装置指令部２０３と、スタック冷却装置指令部２０４とを含む。発電制御部２０２は、アノードガス目標流量演算部２２０とスタック目標温度演算部２３０とを含む。

膜湿潤状態検出部２０１は、燃料電池スタック１における電解質膜１１１の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段を構成する。

膜湿潤状態検出部２０１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により測定される燃料電池スタック１のＨＦＲを取得する。以下では、インピーダンス測定装置６から出力されるＨＦＲのことを「測定ＨＦＲ」という。

膜湿潤状態検出部２０１は、インピーダンス測定装置６からの測定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に対しての水分の過不足を示すパラメータである。すなわち、目標水収支は、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、膜湿潤状態検出部２０１は、測定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、目標水収支をゼロ（０）よりも小さなマイナス（負）の値を設定する。電解質膜１１１の水分が少ないと判定された場合には、発電制御部２０２により電解質膜１１１の水分を増やすウェット操作が実行される。

一方、測定ＨＦＲが目標とする値よりも大きい場合には、膜湿潤状態検出部２０１は、電解質膜１１１の水分が少ないと判定し、目標水収支をゼロよりも大きなプラス（正）の値に設定する。電解質膜１１１の水分が少ないと判定された場合には、発電制御部２０２により電解質膜１１１の余剰の水分を減らすドライ操作が実行される。

膜湿潤状態検出部２０１は、演算した目標水収支を、アノードガス目標流量演算部２２０とスタック目標温度演算部２３０とに出力する。

また、膜湿潤状態検出部２０１は、ウェット操作が実行される場合には、燃料電池スタック１内を流れるカソードガスの温度として、例えばスタック温度をアノードガス目標流量演算部２２０に出力する。

一方、膜湿潤状態検出部２０１は、ドライ操作が実行される場合には、ウェット操作によって電解質膜１１１を最も湿った状態にするための操作温度である最低スタック温度を演算する。

最低スタック温度は、ウェット操作においてスタック冷却装置４が燃料電池スタック１の温度を調整できる範囲の下限値に設定される。すなわち、最低スタック温度は、燃料電池スタック１の発電を安定して制御できる範囲で電解質膜１１１の水分を最大にするために用いられるウェット操作時の操作温度である。

例えば、膜湿潤状態検出部２０１は、負荷装置５の要求電力が大きくなるほど、燃料電池１０から放熱される熱量が増加することになるため、最低スタック温度を高くする。膜湿潤状態検出部２０１は、演算した最低スタック温度をアノードガス目標流量演算部２２０に出力する。

なお、膜湿潤状態検出部２０１は、測定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、膜湿潤状態検出部２０１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。そして膜湿潤状態検出部２０１は、予め定められた湿潤推定マップを参照して、算出した平均値に対応付けられた湿潤状態情報を生成し、その湿潤状態情報に基づいて目水収支を算出する。

または、膜湿潤状態検出部２０１は、測定ＨＦＲの代わりに、負荷装置５の要求電力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、膜湿潤状態検出部２０１は、負荷装置５の制御ユニットから要求電力を取得し、予め定められた湿潤推定マップを参照して、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、膜湿潤状態検出部２０１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。

発電制御部２０２は、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６によるアノードガスの供給と、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６によるカソードガスの供給とを制御して燃料電池１０の発電を制御する発電制御手段を構成する。

発電制御部２０２は、ドライ操作を実行する場合には、ウェット操作を実行する場合に比べて、アノードガス流量を減らしつつ、目標水収支の大きさに応じてスタック温度を高くする。すなわち、発電制御部２０２は、膜湿潤状態検出部２０１からの信号により電解質膜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、アノードガス循環流量を減少させると共に、膜湿潤状態検出部２０１からの信号に応じて、燃料電池スタック１内を流れるカソードガスの温度を上昇させる。

本実施形態では、発電制御部２０２は、ドライ操作が実行される場合には、冷却水ポンプ４２によるスタック温度を高くする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流量を減らす制御を実行する。

アノードガス目標流量演算部２２０は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス流量を制御するためのアノードガス目標流量を演算する。

アノードガス目標流量演算部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の発電に必要なアノードガスの負荷要求流量を演算すると共に、燃料電池スタック１の湿潤状態を維持するためのアノードガス湿潤要求流量を演算する。アノードガス目標流量演算部２２０は、アノードガスの負荷要求流量と湿潤要求流量のうち大きい方の値を、アノードガス目標流量としてアノードガス給排装置指令部２０３に出力する。

本実施形態では、アノードガス目標流量演算部２２０は、膜湿潤状態検出部２０１から目標水収支と最低スタック温度を取得し、流量センサ２３からカソードガス流量の計測値を取得し、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。

アノードガス目標流量演算部２２０は、目標水収支と、最低スタック温度と、カソードガス流量の計測値と、カソードガス圧力の計測値とに基づいて、湿潤制御に用いられるアノードガス湿潤要求流量を演算する。

アノードガス目標流量演算部２２０は、目標水収支が大きくなるほど、電解質膜１１１の水分を増やすために、アノードガス湿潤要求流量を大きくする。一方、アノードガス目標流量演算部２２０は、目標水収支が小さくなるほど、電解質膜１１１の水分を減らすために、アノードガス湿潤要求流量を小さくする。

アノードガス目標流量演算部２２０は、最低スタック温度が低くなるほど、燃料電池スタック１を循環するアノードガス中の水分を減らすために、アノードガス湿潤要求流量を小さくする。一方、アノードガス目標流量演算部２２０は、最低スタック温度が高くなるほど、アノードガス湿潤要求流量を大きくする。

本実施形態では、膜湿潤状態検出部２０１により設定される最低スタック温度は、通常、スタック温度の計測値よりも低い。このため、アノードガス目標流量演算部２２０は、ドライ操作において、スタック温度の計測値を用いる場合に比べて、アノードガス湿潤要求流量を小さくすることができる。さらに最低スタック温度を用いることにより、燃料電池システム１００を安全に運転できる範囲で、アノードガス湿潤要求流量をより一層速く小さくすることができる。

アノードガス目標流量演算部２２０は、演算したアノードガス湿潤要求流量をスタック目標温度演算部２３０に出力する。

スタック目標温度演算部２３０は、燃料電池スタック１の温度を調整するためのスタック目標温度を演算する。スタック目標温度演算部２３０は、そのスタック目標温度をスタック冷却装置指令部２０４に出力する。

スタック目標温度演算部２３０は、アノードガス目標流量演算部２２０からアノードガス湿潤要求流量を取得し、膜湿潤状態検出部２０１から目標水収支を取得する。さらにスタック目標温度演算部２３０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、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。

スタック目標温度演算部２３０は、アノードガス湿潤要求流量と、目標水収支と、カソードガス流量の計測値と、カソードガス圧力の計測値とに基づいて、湿潤制御に用いられるスタック目標温度を演算する。

スタック目標温度演算部２３０は、目標水収支が大きくなるほど、燃料電池スタック１から排出されるカソードガス中の水分を減らすために、スタック目標温度を低くする。一方、スタック目標温度演算部２３０は、目標水収支が小さくなるほど、燃料電池スタック１から排出される水分を増やすために、スタック目標温度を高くする。

アノードガス給排装置指令部２０３は、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がアノードガス目標流量となるように、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。

スタック冷却装置指令部２０４は、燃料電池スタック１の温度がスタック目標温度となるように、冷却水ポンプ４２の回転速度を制御する。なお、三方弁４５の開度がコントローラ２００で制御される場合には、スタック冷却装置指令部２０４は、燃料電池スタック１の温度がスタック目標温度となるように、冷却水ポンプ４２の回転速度と三方弁４５の開度とを制御する。

図５は、膜湿潤状態検出部２０１の機能構成の一例を示すブロック図である。

膜湿潤状態検出部２０１は、優先制御部２０１Ａと目標水収支演算部２０１Ｂとを含む。

優先制御部２０１Ａは、アノードガス給排装置３の動作とスタック冷却装置４の動作とを制御する順位を設定する。優先制御部２０１Ａは、電解質膜１１１の水分を減らすドライ操作を実行する場合には、アノードガス給排装置３の動作をスタック冷却装置４の動作よりも優先して制御する。

本実施形態では、優先制御部２０１Ａは、発電制御部２０２によりドライ操作が実行される場合には、アノードガス目標流量演算部２２０にウェット操作時の最低スタック温度を設定する。優先制御部２０１Ａは、スタック目標電流演算部２１１と最低スタック温度演算部２１２とを含む。

スタック目標電流演算部２１１は、燃料電池スタック１に接続される負荷に基づいて、スタック目標電流を演算する。例えば、スタック目標電流演算部２１１には、燃料電池スタック１のＩＶ（電流電圧）特性が予め記録されている。そしてスタック目標電流演算部２１１は、負荷装置５から要求電力を取得すると、燃料電池スタック１のＩＶ特性を参照して、取得した発電電力となる電流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に基づいて推定したものであってもよい。

スタック目標電流演算部２１１は、そのスタック目標電流をアノードガス目標流量演算部２２０と最低スタック温度演算部２１２とに出力する。

最低スタック温度演算部２１２は、スタック目標電流に基づいて、スタック冷却装置４の動作範囲内で燃料電池スタック１を最も冷却したときの最低スタック温度Ｔｍｉｎを演算する。

本実施形態では、スタック目標電流と最低スタック温度との関係を示す最低スタック温度マップが、最低スタック温度演算部２１２に予め記録されている。最低スタック温度マップの詳細については、図６を参照して後述する。

最低スタック温度演算部２１２は、スタック目標電流を取得すると、最低スタック温度マップを参照して、取得したスタック目標電流に関係付けられた最低スタック温度Ｔ_minを算出する。なお、最低スタック温度演算部２１２は、冷却水ポンプ４２の回転速度や三方弁４５の開度などに基づいて、最低スタック温度Ｔ_minを演算するものであってもよい。

また、最低スタック温度演算部２１２は、フィードバック制御部２１４からの目標水収支に基づいて、電解質膜１１１の水分を減らすドライ操作が実行されるか、電解質膜１１１の水分を増やすウェット操作が実行されるかを判断する。

例えば、最低スタック温度演算部２１２は、目標水収支が、予め定められた上限閾値よりも大きい場合には、ドライ操作が開始されると判定する。あるいは、最低スタック温度演算部２１２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は、ドライ操作が開始されると判定するようにしてもよい。

ドライ操作が開始されると判定された場合には、最低スタック温度演算部２１２は、最低スタック温度Ｔ_minをアノードガス目標流量演算部２２０に出力する。

また、冷却水コンプレッサ４２や三方弁４５に異常が発生した場合等には、スタック温度を高くする昇温制御が不能となることがある。このような場合には、最低スタック温度演算部２１２は、最低スタック温度Ｔ_minに代えて、スタック温度の計測値を出力する。この場合には、最低スタック温度演算部２１２は、入口水温センサ４６からの検出値と出口水温センサ４７からの検出値を平均した値をスタック温度の計測値として算出する。なお、スタック温度制御不能時には、最低スタック温度演算部２１２での演算を停止するようにしてもよい。

このようにスタック温度が制御不能な場合には、燃料電池スタック１に供給されている実際の冷却水の温度（スタック温度）を用いてアノードガス湿潤要求流量が算出されるので、スタック温度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。

一方、ウェット操作が開始されると判定された場合には、最低スタック温度演算部２１２は、スタック入口水温とスタック出口水温の平均値を、スタック温度の計測値として出力する。なお、最低スタック温度演算部２１２は、ウェット操作が開始されると判定された場合であっても、ドライ操作が開始されると判定されたときと同じように、最低スタック温度Ｔ_minを出力するようにしてもよい。

目標水収支演算部２０１Ｂは、目標ＨＦＲ演算部２１３とフィードバック制御部２１４とを含む。

目標ＨＦＲ演算部２１３は、燃料電池スタック１の動作状態に応じて、電解質膜１１１の湿潤状態を目標とする状態に制御するための目標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２１３に予め記録される。膜湿潤制御マップについては、図７を参照して詳細に説明する。

目標ＨＦＲ演算部２１３は、電流センサ５１からスタック出力電流Ｉｓを取得すると、膜湿潤制御マップを参照して、取得したスタック出力電流Ｉｓに関係付けられた目標ＨＦＲを算出する。

なお、目標ＨＦＲ演算部２１３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２１３は、スタック出力電流Ｉｓ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ＨＦＲ演算部２１３は、算出した目標ＨＦＲをフィードバック制御部２１４に出力する。

フィードバック制御部２１４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、フィードバック制御部２１４は、目標ＨＦＲ演算部２１３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。そしてフィードバック制御部２１４は、計測ＨＦＲと目標ＨＦＲ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、フィードバック制御部２１４は、計測ＨＦＲから目標ＨＦＲを減算することにより、計測ＨＦＲと目標ＨＦＲとの偏差を求め、その偏差に基づいてＰＩ制御を実行することにより、目標水収支を算出する。

フィードバック制御部２１４は、算出した目標水収支を最低スタック温度演算部２１２とアノードガス目標流量演算部２２０とに出力する。

図６は、最低スタック温度演算部２１２に設定される最低スタック温度マップの一例を示す観念図である。ここでは、横軸がスタック目標電流であり、スタック目標電流が大きくなるほど、燃料電池スタック１の出力電力が大きくなる。また、縦軸が最低スタック温度である。

膜湿潤制御マップには、スタック目標電流ごとに最低スタック温度が設定される。最低スタック温度は、冷却水ポンプ４２やラジエータ４３に備えられたファンの回転速度を所定の上限値に設定したときのスタック温度を事前に計測した値、又は事前に計算した値である。

スタック目標電流がゼロから所定の電流値Ｉ₁までの小電流範囲内にあるときは、燃料電池スタック１の発熱量が小さいため、最低スタック温度は一定である。

スタック目標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、燃料電池スタック１の発熱量が大きくなるため、スタック目標電流が大きくなるほど、最低スタック温度は大きくなる。

図７は、目標ＨＦＲ演算部２１３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。

図７では、横軸がスタック出力電流であり、スタック出力電流が大きくなるほど、燃料電池スタック１の出力電力が大きくなる。また、縦軸が目標ＨＦＲであり、この目標ＨＦＲが大きくなるほど、電解質膜１１１が乾き易くなり、目標ＨＦＲが小さくなるほど、電解質膜１１１が湿りやすくなる。

膜湿潤制御マップには、カソードガス流路１３１に滞留する液水が原因でカソードガスの流れが阻害されないように目標ＨＦＲが設定される。

スタック出力電流がゼロから所定の電流値Ｉ₂までの小電流範囲内にあるときは、スタック出力電流が大きくなるほど、目標ＨＦＲが小さくなる。

このように設定される理由は、燃料電池スタック１に供給される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、負荷装置５の要求電力が低い低負荷運転時の目標ＨＦＲは、通常運転時に比べて高く設定される。

スタック出力電流が所定の電流値Ｉ₂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、且つ、一定の値に設定される。

図８は、アノードガス目標流量演算部２２０の機能構成の一例を示すブロック図である。

アノードガス目標流量演算部２２０は、アノードガス負荷要求流量演算部２２１と、発電生成水量演算部２２２と、目標排水量算出部２２３と、最低温度飽和水蒸気圧演算部２２４と、カソード相対湿度演算部２２５とを含む。さらにアノードガス目標流量演算部２２０は、アノード／カソード流量比演算部２２６と、アノードガス湿潤要求流量演算部２２７と、アノードガス目標流量設定部２２８とを含む。

アノードガス負荷要求流量演算部２２１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の発電に最低限必要となるアノードガス流量である負荷要求流量を演算する。

例えば、アノードガス負荷要求流量演算部２２１には、スタック目標電流とアノードガス流量との関係を示す負荷要求流量マップが予め記録される。アノードガス負荷要求流量演算部２２１は、スタック目標電流演算部２１１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て、取得したスタック目標電流に関連付けられたアノードガス流量を、負荷要求流量として算出する。

アノードガス負荷要求流量演算部２２１は、算出した負荷要求流量をアノードガス目標流量設定部２２８に出力する。

発電生成水量演算部２２２は、燃料電池スタック１の出力電流に基づいて、燃料電池スタック１において各燃料電池１０の発電により生成される水の総量である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２２２は、電流センサ５１からスタック出力電流Ｉｓを取得し、スタック出力電流Ｉｓに基づいて、次式（３）のとおり、発電生成水量Ｑｗ_ｉｎを算出する。

なお、Ｎは燃料電池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」は秒単位（ｓｅｃ）から分単位（ｍｉｎ）への換算値であり、「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２２２は、算出した発電生成水量Ｑ_{w_in}を目標排水量算出部２２３に出力する。

目標排水量算出部２２３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である目標排水量Ｑ_{w_out}を算出する。本実施形態では、目標排水量算出部２２３は、次式（４）のとおり、発電生成水量Ｑ_{w_in}から目標水収支Ｑ_{w_t}を減算することにより、目標排水量Ｑ_{w_out}を算出する。

最低温度飽和水蒸気圧演算部２２４は、優先制御部２０１Ａにより設定される最低スタック温度Ｔ_minに基づいて、最低スタック温度Ｔ_minのときの飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}を演算する。

本実施形態では、最低温度飽和水蒸気圧演算部２２４は、最低スタック温度演算部２１２から最低スタック温度Ｔ_minを取得し、最低スタック温度Ｔ_minに基づいて、次式（４）のとおり、最低温度飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}を算出する。

式（５）に従って、最低スタック温度Ｔ_minが高くなるほど、最低温度飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}は高くなる。最低温度飽和水蒸気圧演算部２２４は、算出した最低温度飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}をカソード相対湿度演算部２２５に出力する。

カソード相対湿度演算部２２５は、最低温度飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}に基づいて、燃料電池スタック１におけるアノードガスの湿度に対するカソードガスの湿度の比率を示すカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を演算する。

本実施形態では、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}は、図２に示したカソードガス流路１３１の出口（下流）側におけるカソードガスの湿度を、アノードガス流路１２１の入口（上流）側におけるアノードガスの湿度により除算した値である。

カソード相対湿度演算部２２５は、流量センサ２３からカソードガス流量の計測値Ｑ_{c_sens}を取得し、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。カソード相対湿度演算部２２５は、次式（６）のとおり、最低温度飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}とカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}とカソードガス流量Ｑ_{c_sens}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}を算出する。

式（６）のように、最低温度飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}が高くなるほど、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}は低くなる。カソード相対湿度演算部２２５は、算出したカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}をアノード／カソード流量比演算部２２６に出力する。

アノード／カソード流量比演算部２２６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アノード／カソード流量比Ｋ_{ac_min}を演算する。

本実施形態では、カソード出口相対湿度とアノード／カソード流量比との関係を示す流量比マップが、アノード／カソード流量比演算部２２６に予め記録される。流量比マップの詳細については、図９を参照して後述する。

アノード／カソード流量比演算部２２６は、カソード相対湿度演算部２２５からカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}を取得すると、流量比マップを参照して、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}に関係付けられたアノード／カソード流量比Ｋ_{ac_min}を算出する。

アノード／カソード流量比演算部２２６は、算出したアノード／カソード流量比Ｋ_{ac_min}をアノードガス湿潤要求流量演算部２２７に出力する。

アノードガス湿潤要求流量演算部２２７は、アノード／カソード流量比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ガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を演算する。

アノードガス湿潤要求流量演算部２２７は、次式（７）のとおり、アノード／カソード流量比Ｋ_{ac_min}をカソードガス流量の計測値Ｑ_{c_sense}に乗算することにより、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を算出する。

アノードガス湿潤要求流量演算部２２７は、算出したアノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を、スタック目標温度演算部２３０とアノードガス目標流量設定部２２８とに出力する。

アノードガス目標流量設定部２２８は、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}とアノードガス負荷要求流量演算部２２１からの負荷要求流量とのうち大きい方の値をアノードガス目標流量としてアノードガス給排装置指令部２０３に出力する。

図９は、アノード／カソード流量比演算部２２６に設定される流量比マップの一例を示す観念図である。ここでは、縦軸が、燃料電池スタック１から排出されるカソードガスの相対湿度を示すカソード出口相対湿度であり、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アノード／カソード流量比である。

カソード出口相対湿度とアノード／カソード流量比との関係を示す流量比マップは、本実施形態において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等によって予め設定される。なお、流量比マップの特性は、例えば、カソードガス圧力や、スタック温度、水素濃度などを変化させたときの平均値や、特性のバラツキが小さい値を用いて設定される。

図９に示すように、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}が小さくなるほど、最低スタック温度Ｔ_minに基づくアノード／カソード流量比Ｋ_{ac_min}は大きくなる。このため、カソードガス流量が一定の場合には、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}が小さくなるほど、アノードガス流量が大きくなる。

したがって、ドライ操作時において、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を極力小さくするには、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を大きくする必要がある。上述のとおり、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を大きくするには、式（６）の関係から、飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}を小さくしなければならず、この飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}を小さくするには、式（５）の関係から、スタック温度の設定値を小さくする必要がある。

そのため、本実施形態では、図５に示した優先制御部２０１Ａが、ドライ操作が実行されると判定された場合には、スタック温度の計測値の代わりに、最低スタック温度Ｔ_minをアノードガス目標流量演算部２２０に設定する。

これにより、単にスタック温度の計測値を用いる場合に比べて、飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}が小さくなるので、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を大きくすることができる。このため、ドライ操作時には、アノード／カソード流量比Ｋ_{pc_sens}が小さくなるので、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を早期に下げることができる。

図１０は、スタック目標温度演算部２３０の機能構成の一例を示すブロック図である。

スタック目標温度演算部２３０は、目標飽和水蒸気圧演算部２３１と目標冷却水温度変換部２３２とを含む。

目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}に基づいて、電解質膜１１１の湿潤度を目標とする値に維持するための目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}を演算する。

本実施形態では、目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を取得し、流量センサ２３からカソードガス流量の計測値Ｑ_{c_sens}を取得する。そして目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、次式（８）のとおり、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}とカソードガス流量Ｑ_{c_sens}とに基づいて、アノード／カソード流量比Ｋ_acを算出する。

目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、アノード／カソード流量比Ｋ_acを算出すると、図１０に示した流量比マップを参照して、算出したアノード／カソード流量比Ｋ_acに関係付けられたカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を算出する。

次に目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、圧力センサ２４からカソードガス圧力の計測値Ｐ_{c_sens}を取得し、目標排水量算出部２２３から目標排水量Ｑ_{w_out}を取得する。なお、目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、図４に示したように、膜湿潤状態検出部２０１から目標水収支Ｑ_{w_t}を取得し、式（４）に基づいて目標排水量Ｑ_{w_out}を演算するものであってもよい。

そして、目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、次式（９）のとおり、目標排水量Ｑ_{w_out}とカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}とカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}とカソードガス流量Ｑ_{c_sens}とに基づいて、目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}を算出する。

目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、算出した目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}を目標冷却水温度変換部２３２に出力する。

目標冷却水温度変換部２３２は、目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}を、燃料電池スタック１における冷却水温度の目標値である目標冷却水温度Ｔ_tに変換する。目標冷却水温度変換部２３２は、次式（１０）のとおり、目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}に基づいて、目標冷却水温度Ｔ_tを算出する。

目標冷却水温度変換部２３２は、目標冷却水温度Ｔ_tをスタック目標温度としてスタック冷却装置指令部２０４に出力する。

このように、式（８）及び式（９）の関係から、燃料電池１０におけるカソード出口相対湿度の特性を考慮した上で、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}が低下するほど、目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}が低くなる。そして、式（１０）の関係から、目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}が低くなるほど、スタック目標温度Ｔｔが低くなる。このため、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}が低下するほど、スタック目標温度Ｔ_tが低くなる。したがって、発電制御部２０２は、アノードガス流量を少なくするほど、スタック温度を低下させる。

一方、式（９）の関係から、目標排出量Ｑ_{w_out}が大きくなるほど、目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}は高くなるので、スタック目標温度Ｔｔが高くなる。したがって、発電制御部２０２は、電解質膜１１１の湿潤度が高くなるほど、スタック温度を上昇させる。

これにより、発電制御部２０２は、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を下げている状態であっても、目標排出量Ｑ_{w_out}が低下しなければ、スタック目標温度を迅速に上昇させることができる。すなわち、発電制御部２０２は、ドライ操作において、アノードガス流量を減少させたときに、燃料電池スタック１の湿潤度が下がらなければ、スタック温度の上昇量を大きくすることができる。

図１１は、本実施形態における燃料電池システム１００を制御する制御方法の一例を示すフローチャートである。この制御方法は、所定の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は、図３に示したインピーダンス測定装置６を用いて燃料電池スタック１のＨＦＲを検出し、流量センサ２３を用いてカソードガス流量を検出し、圧力センサ２４を用いてカソードガス圧力を検出する。なお、ステップＳ１は、電解質膜１１１の湿潤状態を検出する湿潤状態検出ステップを構成する。

ステップＳ２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、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。

ステップＳ３においてコントローラ２００は、燃料電池スタック１の湿潤状態を示すパラメータとして、インピーダンス測定装置６から、電解質膜１１１と相関のある測定ＨＦＲを取得する。

ステップＳ４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５に示した目標ＨＦＲ演算部２１３が、電流センサ５１からスタック出力電流を取得し、図７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Ｓ５においてコントローラ２００の膜湿潤状態検出部２０１は、測定ＨＦＲが目標ＨＦＲに収束するように、電解質膜１１１の湿潤状態に対する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５に示したフィードバック制御部２１４が、目標ＨＦＲと測定ＨＦＲとに基づいて目標水収支を算出する。

ステップＳ６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、ドライ操作が実行されるか否かを判断する。例えば、コントローラ２００は、測定ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも小さい場合には、ドライ操作が実行されると判定する。本実施形態では、図５に示した最低スタック温度演算部２１２が、目標水収支が所定の上限値を超えたか否かを判断し、目標水収支が所定の上限値を超えた場合にドライ操作が実行されると判定する。

ステップＳ７においてコントローラ２００は、ドライ操作が実行される場合には、スタック冷却装置４による燃料電池スタック１の最低スタック温度を演算する。本実施形態では、最低スタック温度演算部２１２が、スタック目標電流を取得し、図６に示した最低スタック温度マップを用いて、取得したスタック目標電流に関連付けられた最低スタック温度を算出する。

ステップＳ８においてコントローラ２００は、ドライ操作が実行される場合には、最低スタック温度と目標水収支とカソードガス流量とカソードガス圧力とに基づいて、アノードガス目標流量を演算する。

本実施形態では、発電生成水量演算部２２２が、式（３）のとおり、電流センサ５１からのスタック出力電流Ｉ_sに基づいて発電生成水量Ｑ_{w_in}を演算する。次に目標排水量算出部２２３が、式（４）のとおり、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。

そして、最低温度飽和水蒸気圧演算部２２４が、式（５）のとおり、最低スタック温度Ｔ_minに基づいて、最低温度飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}を算出する。次にカソード相対湿度演算部２２５が、式（６）のとおり、最低温度飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_min}とカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}と目標排水量Ｑ_{w_out}とカソードガス流量Ｑ_{c_sens}とに基づいて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}を算出する。

さらに、アノード／カソード流量比演算部２２６が、図１０に示した流量比マップを用いて、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out_min}に関係付けられたアノード／カソード流量比Ｋ_{ac_min}を算出する。次にアノードガス湿潤要求流量演算部２２７が、式（７）のとおり、アノード／カソード流量比Ｋ_{ac_min}に基づいて、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}を算出する。

また、アノードガス負荷要求流量演算部２２１が、スタック目標電流に基づいてアノードガス負荷要求流量を算出し、アノードガス目標流量設定部２２８は、アノードガスの負荷要求流量と湿潤要求流量のうち大きい方をアノードガス目標流量として設定する。

次にステップＳ９において、発電制御部２０２は、アノードガス湿潤要求流量と目標水収支とカソードガス圧力とカソードガス流量とに基づいて、スタック目標温度を演算する。

本実施形態では、目標飽和水蒸気圧演算部２３１が、式（８）のとおり、アノードガス湿潤要求流量Ｑ_{r_w}とカソードガス流量Ｑ_{c_sens}とに基づいて、アノード／カソード流量比Ｋ_acを算出する。そして目標飽和水蒸気圧演算部２３１は、図１０に示した流量比マップを用いて、アノード／カソード流量比Ｋ_acに関連付けられたカソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}を算出する。

そして、目標飽和水蒸気圧演算部２３１が、式（９）のとおり、カソード出口相対湿度ＲＨ_{c_out}と目標排水量Ｑ_{w_out}とカソードガス圧力Ｐ_{c_sens}とカソードガス流量Ｑ_{c_sens}とに基づいて、目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}を算出する。次に、目標冷却水温度変換部２３２が、式（１０）のとおり、目標飽和水蒸気圧Ｐ_{sat_t}に基づいて、目標冷却水温度Ｔ_tを算出し、目標冷却水温度Ｔ_tをスタック目標温度として出力する。

このステップＳ７からステップＳ９までは、電解質膜１１１の湿潤状態に関する信号により電解質膜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、燃料の流量を減少させるとともに、電解質膜１１１の湿潤状態を示す信号に応じて酸化剤の温度を上昇させる発電制御ステップを構成する。

ステップＳ１０においてコントローラ２００は、アノードガス目標流量に基づいてアノード循環ポンプ３６の回転速度を制御し、スタック目標温度に基づいて冷却水ポンプ４２の回転速度を制御する。すなわち、ステップＳ１０は、燃料電池１０に供給される燃料の流量を調整する流量調整ステップと、燃料電池１０に供給される酸化剤の温度を調整する温度調整ステップとを構成する。

また、ステップＳ６でウェット操作が実行される場合には、コントローラ２００は、ステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１においてコントローラ２００は、ウェット操作が実行されると判定された場合には、燃料電池スタック１の温度を算出する。本実施形態では、コントローラ２００は、入口水温センサ４６からスタック入口水温を取得し、出口水温センサ４７からスタック出口温度を取得し、スタック入口水温とスタック出口水温を平均した値をスタック温度として算出する。

ステップＳ１２においてコントローラ２００は、ドライ操作が実行されると判定された場合には、ステップＳ１１で算出したスタック温度と目標水収支とカソードガス流量とカソードガス圧力とに基づいて、アノードガス目標流量を演算する。この後、ステップＳ９及びステップＳ１０の各処理が順次実行されて、燃料電池システム１００の制御方法が終了する。

図１２は、本実施形態におけるドライ操作時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１２（Ａ）は、燃料電池スタック１における水分の過不足を補うための目標水収支の変化を示すフローチャートである。図１２（Ａ）では、電解質膜１１１の湿潤度が目標とする値に維持されるように目標水収支が所定の範囲で増減する。

図１２（Ｂ）は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス流量の変化を示すフローチャートである。図１２（Ｃ）は、燃料電池スタック１を循環する冷却水の温度の変化を示すフローチャートである。冷却水の温度が上昇すると、燃料電池スタック１を通過するカソードガスの温度が上昇すると共にスタック温度が上昇する。

図１２（Ｄ）は、燃料電池スタック１を循環するアノードガス中の循環保管水の変化を示すフローチャートである。循環保管水とは、エゼクタ３４から燃料電池スタック１を介してエゼクタ３４の吸引口までのアノードガス循環経路中に保管される水蒸気量のことである。図１２（Ａ）から図１２（Ｄ）までの各図の横軸は、互いに共通の時間軸である。

時刻１において、図１２（Ａ）に示すように、目標水収支が上昇から低下に切り替わる。これに伴って優先制御部２０１Ａは、発電制御部２０２によりドライ操作が実行されると判定し、優先制御部２０１Ａが、カソードガス温度として最低スタック温度をアノードガス目標流量演算部２２０に設定する。

そして、アノードガス目標流量演算部２２０は、目標水収支と最低スタック温度とに基づいて、アノードガス湿潤要求流量を算出する。ここでは、アノードガス湿潤要求流量が負荷要求流量よりも大きいため、アノードガス目標流量演算部２２０は、アノードガス湿潤要求流量をアノードガス目標流量として出力する。

最低スタック温度は、実際のスタック温度よりも低いため、アノードガス目標流量の単位時間あたりの減少量、すなわち減少速度は、実際のスタック温度を用いたときのアノードガス目標流量の減少速度に比べて大きくなる。これにより、アノード循環ポンプ３６の回転速度が下げられ、燃料電池スタック１を通過するアノードガス流量が低下する。これに伴い、アノードガス中に混入する水蒸気量が減少するため、図１２（Ｄ）に示すように、循環保管水が低下する。

一方、スタック目標温度演算部２３０は、アノードガス湿潤要求流量と目標水収支とに基づいて、スタック目標温度を算出する。上述のとおり、目標水収支の低下に合わせてアノードガス湿潤要求流量は小さな値に設定されるので、スタック目標温度は大きくならずに一定に維持される。

このため、図１２（Ａ）から図１２（Ｃ）までの各図に示すように、冷却水の温度が上昇する前に、目標水収支が低下するようにアノードガス流量が減少する。

このように時刻ｔ０から時刻１までは、目標水収支の低下に追随するようにアノードガス流量を減少させるので、スタック温度の上昇を抑制することができる。

時刻ｔ１では、図１２（Ｂ）に示すようにアノードガス流量が所定の下限値まで低下する。これに伴って、スタック目標温度演算部２３０は、目標水収支の低下に合わせて、スタック目標温度を高くする。

スタック目標温度の上昇に応じて冷却水ポンプ４２の回転速度が下げられるので、冷却水と燃料電池スタック１との間の熱交換率が低下し、冷却水の温度が低下する。このとき、図１２（Ｃ）に示すように、冷却水の温度が目標値に達するまでには一定の時間を要するため、冷却水の温度は徐々に上昇する。その結果、図１２（Ｄ）に示すように循環保管水の低下が遅くなる。

時刻ｔ１２から時刻ｔ１３までは、図１２（Ａ）から図１２（Ｃ）までの各図に示すように、アノードガス流量が下限値に維持された状態において、目標水収支の低下に応じて冷却水の温度が上昇する。これにより、図１２（Ｄ）に示すように循環保管水が低下する。

このように、アノード循環ポンプ３６によるアノードガス流量を減らすドライ操作（減量制御）が制限された後に、冷却水ポンプ４２によるカソードガス温度を高くするドライ操作（昇温制御）が実行される。すなわち、コントローラ２００は、ドライ操作において、アノード循環ポンプ３６によるアノードガス流量を減らす減量制御を、冷却水ポンプ４２によるカソードガス温度を高くする昇温制御よりも優先して実行する。

図１３は、比較例として、アノードガス流量の減量制御よりも先にカソードガス温度の昇温制御を実行したときの燃料電池システムの運転状態の変化を示すタイムチャートである。

時刻ｔ１０においてドライ操作が開始され、図１３（Ｃ）に示すように、アノードガス流量が減少する前に、冷却水の温度が上昇する。

これに伴い、アノードガス温度が上昇してアノードガス中の水蒸気量が増加するため、図１３（Ｄ）に示すように循環保管水が増加する。さらにアノードガス流量は一定に維持されるため、循環保管水が増加した状態で維持される。その結果、電解質膜１１１の湿潤度が下がりにくくなるため、ドライ操作に時間を要することになる。また、所定の時間内に目標水収支が低下するようにカソードガス流量を増加させようとすると、コンプレッサ２２の消費電力が増加してしまう。

冷却水の温度が所定の上限値に達した時刻ｔ１１において、アノード循環ポンプ３６の回転速度が下げられ、図１３（Ａ）に示すようにアノードガス流量が下げられる。

図１３に示すように、アノードガス流量の減量制御よりも先に冷却水温度の昇温制御を実行すると、循環保管水が増加するため、電解質膜１１１の湿潤度が下がりにくくなり、ドライ操作に要する時間が長くなる。また、時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までの冷却水温度の昇温制御が完了するまでアノード循環ポンプ３６の回転速度を一定に維持する操作は無駄であり、この無駄な操作によってアノード循環ポンプ３６の消費電力が増加してしまう。

本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池１０の電解質膜１１１に燃料（アノードガス）を供給する燃料供給手段としてのアノードガス給排装置３と、電解質膜１１１に酸化剤（カソードガス）を供給する酸化剤供給手段としてのカソードガス給排装置２とを含む。燃料電池システム１００は、カソードガス給排装置２による酸化剤の供給とアノードガス給排装置３による燃料の供給とを制御して燃料電池１０の発電を制御する発電制御手段としてのコントローラ２００を備える。

さらに、燃料電池システム１００は、電解質膜１１１の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段としてのインピーダンス測定装置６と、燃料電池１０に供給される燃料の流量を調整する流量調整手段としてのアノード循環ポンプ３６と、燃料電池１０に供給される酸化剤の温度を調整する温度調整手段としてのスタック冷却装置４とを含む。

この燃料電池システム１００は、コントローラ２００により制御される。コントローラ２００は、インピーダンス測定装置６から電解質膜１１１の湿潤度に関する信号を取得し、その取得した信号を用いて電解質膜１１１の余分な水分を減らすドライ操作を実行するか、ウェット操作を実行するかを判断する。

そしてドライ操作を実行する場合には、コントローラ２００は、ウェット操作を実行する場合に比べて、燃料電池１０に供給される燃料の流量を減少させると共に、インピーダンス測定装置６からの信号に応じて燃料電池１０を流れる酸化剤の温度を上昇させる。

このため、電解質膜１１１の湿潤度を下げるドライ操作を実行する場合において、コントローラ２００は、アノードガス流量を減らしつつ、電解質膜１１１の湿潤度が発電性能を維持するための目標値まで下がらないときには、スタック冷却装置４を用いて燃料電池１０の温度を上昇させる。

また、ドライ操作を実行する場合において、アノードガス流量を減らしても電解質膜１１１の湿潤度が目標値から乖離するときには、コントローラ２００は、アノードガス流量を減少させると共に燃料電池１０の温度を上昇させる。

あるいは、ドライ操作時において、アノードガス流量を減少させて電解質膜１１１の湿潤度が目標値に追随するときには、燃料電池１０の温度の上昇を抑制する。

このようにコントローラ２００は、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、燃料電池１０に供給されるアノードガス流量を減らすと共に、電解質膜１１１の湿潤度に応じてカソードガスの温度を高くする。

これにより、ドライ操作において、アノードガス流量を減らす前に、燃料電池１０の温度が高くなってアノードガス中の水分が増加するのを抑制できるので、電解質膜１１１の余分な水分を減らすのに要する時間を短くすることができる。したがって、燃料電池１０の湿潤状態を効率よく制御することができる。

また、ドライ操作では、コントローラ２００は、ウェット操作に比べて、カソードガス流量を増やすためにコンプレッサ２２の回転速度を高くする。このため、ドライ操作が長くなると、コンプレッサ２２の消費電力が増加してしまう。これに対して本実施形態によれば、図１３に示した無駄な操作を削減し、かつ、電解質膜１１１の余分な水分を減らせるので、燃料電池システム１００の消費電力の増加を抑制でき、効率よく燃料電池１０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、コントローラ２００は、ドライ操作を実行するときには、アノード循環ポンプ３６によるアノードガスの流量を減らす減量制御を、冷却水ポンプ４２によるカソードガスの温度を高くする昇温制御よりも優先して実行する。

これにより、上述のとおり、ドライ操作に要する時間を短くすることができる。さらに、アノード循環ポンプ３６の回転速度が先に下げられるので、図１３（Ｃ）に示したように冷却水ポンプ４２の回転速度を先に下げたときに比べて、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。

また本実施形態によれば、コントローラ２００は、ドライ操作では、アノードガス流量を減少させながら、電解質膜１１１の湿潤度と相関のある測定ＨＦＲと目標ＨＦＲとの差分に相当する目標水収支がゼロに収束するようにスタック温度を上昇させる。

すなわち、発電制御部２０２は、電解質膜１１１の水分を減らすときには、アノードガス流量を減少させると共に、電解質膜１１１の湿潤度と目標値との差分が小さくなるように、カソードガスの温度を上昇させる。

これにより、アノードガス流量を減少させただけでは、電解質膜１１１の湿潤度が下がらないような状況において、スタック温度を高くする昇温制御が実行されるので、アノードガス流量を減らす減量制御を補完することができる。したがって、電解質膜１１１の湿潤度と目標値との乖離が大きい状態であっても、電解質膜１１１の余分な水分を迅速に排出でき、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、コントローラ２００は、優先制御部２０１Ａとアノードガス目標流量演算部２２０とスタック目標温度演算部２３０とを備える。

優先制御部２０１Ａは、冷却水ポンプ４２の動作とアノード循環ポンプ３６の動作とを制御する順位を設定する。そして優先制御部２０１Ａは、ドライ操作を実行するときには、アノード循環ポンプ３６の動作順位を冷却水ポンプ４２の動作順位よりも高くし、冷却水ポンプ４２の動作よりも優先してアノード循環ポンプ３６を動作させる。

本実施形態では、優先制御部２０１Ａは、ドライ操作を実行するときには、ウェット操作で電解質膜１１１の水分を上限まで増やすときに設定される最低スタック温度を燃料電池１０のカソードガス温度としてアノードガス目標流量演算部２２０に設定する。

アノードガス目標流量演算部２２０は、ドライ操作を実行する場合には、最低スタック温度と、測定ＨＦＲに基づく目標水収支とに基づいて、アノードガス流量を減少させる。そしてスタック目標温度演算部２３０は、湿潤制御のためのアノードガス目標流量と目標水収支とに基づいて、燃料電池スタック１の温度を制御する。

すなわち、アノードガス目標流量演算部２２０は、ドライ操作を実行する場合には、燃料電池１０の温度よりも低い温度と電解質膜１１１の湿潤度とに基づいて、燃料電池１０に供給されるアノードガス流量を減少させる。これと共にスタック目標温度演算部２３０は、アノードガスの目標流量と電解質膜１１１の湿潤度とに基づいて、燃料電池１０の温度を制御する。

本実施形態では、アノードガス目標流量演算部２２０は、図８で述べたように、スタック温度が低くなるほど、湿潤制御用のアノードガス目標流量を減少させる。これと共にスタック目標温度演算部２３０は、図１０で述べたように、アノードガス目標流量が減少するほど、スタック目標温度を上昇させる。

このように、ドライ操作時には、アノードガス目標流量演算部２２０に対してウェット操作（低温制御）時のスタック温度が入力されるので、アノードガス目標流量演算部２２０では、スタック目標温度演算部２３０によってドライ操作ではなくウェット操作が実行されていると認識される。このため、アノードガス目標流量演算部２２０は、ウェット操作時のスタック温度よりも高い現在のスタック温度を用いた場合に比べて、アノードガス流量の単位時間あたりの減少幅をより一層大きくする。一方、スタック目標温度演算部２３０に対しては湿潤制御用のアノードガス目標流量が入力されるので、アノードガス目標流量演算部２２０は、通常どおり、スタック温度を上昇させる。

したがって、コントローラ２００は、ドライ操作を実行する場合には、アノードガス流量を減らす減量制御を、スタック温度を高くする昇温制御よりも優先して実行することができる。このため、ドライ操作に要する時間を短くすることができる。

また本実施形態によれば、優先制御部２０１Ａは、最低スタック温度を、スタック冷却装置４がスタック温度を調整できる範囲の所定の下限値に設定する。これにより、コントローラ２００は、燃料電池スタック１を安定に制御できる範囲で、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス流量の減少速度を最大にすることができる。このため、ドライ操作に要する時間をより短くすることができる。

また本実施形態によれば、アノードガス目標流量演算部２２０は、ドライ操作を実行する場合には、アノードガス流量を減少させる減少速度を、最低スタック温度の代わりに燃料電池スタック１の温度の計測値を用いたときの減少速度に比べて大きくする。そして、スタック目標温度演算部２３０は、湿潤制御用のアノードガス目標流量が減少するほど、スタック目標温度を低下させ、かつ、電解質膜１１１の湿潤度が大きくなるほど、スタック目標温度を上昇させる。

これにより、アノードガス流量を減少させただけでは電解質膜１１１の湿潤度が下がらないような状況では、スタック温度を高くし、アノードガス流量を減少させるだけで電解質膜１１１の湿潤度が下がるような状況では、スタック温度の上昇を抑制できる。したがって、スタック目標温度演算部２３０は、無駄な昇温制御を抑制しつつ、アノードガス目標流量演算部２２０によるドライ操作を補完することができる。

また本実施形態によれば、アノードガス給排装置３は、燃料電池１０から排出されるアノードガスを燃料電池１０に循環させるアノードガス循環通路３５と、アノードガス循環通路３５に設けられ、燃料電池１０に循環されるアノードガスの循環流量を調整するアノード循環ポンプ３６とを備える。

このように、アノードガスを燃料電池スタック１に循環させる燃料電池システム１００では、アノードガスの循環流量を増やすほど、アノードガスに含まれる水分によって電解質膜１１１の湿潤度が高くなりやすい。

これに対して本実施形態によれば、コントローラ２００は、ドライ操作を実行するときには、アノードガスの循環流量を減らすことにより、アノードガス循環通路３５を介して燃料電池１０を循環するアノードガス中の水分を少なくすることができる。

このため、コントローラ２００は、アノードガスの循環流量を減らした後に、スタック温度を上昇させる。これにより、燃料電池スタック１内の水分を減らしてから、スタック温度を上昇させるので、アノードガス中の水分に起因する電解質膜１１１の加湿を抑えながら、効率的にドライ操作を実行することができる。

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とを含む。さらに燃料電池１０は、カソードガス流路１３１の上面、すなわちアノードガス流路１２１とカソードガス流路１３１との間に形成され、燃料電池１０を冷却するための冷却水（冷媒）を通す冷却水流路１４１を含む。そして、スタック冷却装置４は、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスと同じ向きに冷却水を冷却水流路１４１に供給し、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の他端に循環させる。

このような燃料電池１０では、冷却水流路１４１を通過する冷却水により、カソードガス流路１３１の上流側のカソードガスの温度よりも下流側のカソードガスの温度が高くなる。また、カソードガス流路１３１の上流から下流へカソードガスが流れるについて、カソードガスの水分が増加する。このため、カソードガス流路１３１の下流側のカソードガスには、上流側のカソードガスに比べて水蒸気が多量に含まれる。

そして、カソードガス流路１３１の下流側の水蒸気は、電解質膜１１１を透過してアノードガス流路１２１の上流側のアノードガスに混入する。このため、アノードガス流路１２１の上流側のアノードガスには水蒸気が含まれることになる。そのアノードガスがアノードガス流路１２１の下流に進むにつれて、アノードガス中の水蒸気が電解質膜１１１を透過してカソードガス流路１３１の上流側のアノードガスに戻る。このように、発電に伴う水蒸気は燃料電池１０内で循環する。

このような燃料電池１０の構造においては、ドライ操作を実行する際にスタック温度を高くすると、カソードガスの温度だけでなく、アノードガスの温度も高くなるため、燃料電池１０内で循環する水蒸気量が増大しやすい。そのため、本実施形態のように、ドライ操作において燃料電池１０に供給されるアノードガスの循環流量を減らした後に、スタック温度を上昇させることにより、燃料電池スタック１のドライ操作をより一層効率的に実行することができる。

また、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１０のインピーダンスを検出し、その検出した信号を電解質膜１１１の湿潤度と相関のあるパラメータとしてコントローラ２００に出力する。膜湿潤状態検出部２０１が、そのインピーダンスに基づいて電解質膜１１１の湿潤度と相関のある目標水収支を算出する。これにより、発電制御部２０２は、電解質膜１１１の湿潤度を下げるドライ操作を正確に実行することができる。

（第２実施形態）
なお、本実施形態ではアノードガス湿潤要求流量を用いてスタック目標温度を算出した。このような算出手法では、アノードガス目標流量として負荷要求流量が選択されているときには、アノードガス湿潤要求流量と実際のアノードガス流量とが大きく乖離してドライ操作に余計な時間を要する場合がある。

そこで本発明の第２実施形態では、スタック目標温度の算出に用いられるアノードガス流量の目標値と燃料電池スタック１に供給されるアノードガス流量との乖離を小さくした燃料電池システムの例について説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は、図３に示した燃料電池システム１００の構成と同様である。

図１４は、本発明の第２実施形態における発電制御部２０２Ａの構成の一例を示すブロック図である。

本実施形態では、発電制御部２０２Ａは、アノードガス湿潤要求流量の代わりにアノードガス流量の推定値を用いてスタック目標温度を演算する。また、発電制御部２０２Ａは、図４に示した構成に加えて、アノードガス流量推定部２４０を備えている。他の構成については、第１実施形態と同様の構成であるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。

アノードガス流量推定部２４０は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス流量を推定する。アノードガス流量推定部２４０は、アノードガス給排装置３の運転状態に基づいて、アノードガス流量を推定する。

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流量との関係を示す流量推定マップが、アノードガス流量推定部２４０に予め記録される。なお、流量推定マップの詳細については、図１５を参照して後述する。

そして、アノードガス流量推定部２４０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。アノードガス流量推定部２４０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て、取得した回転速度に関係付けられたアノードガス流量を算出する。アノードガス流量推定部２４０は、算出したアノードガス流量をスタック目標温度演算部２３０に出力する。

このように、アノードガス流量推定部２４０は、アノードガス湿潤要求流量の代りに、アノードガス流量の推定値をスタック目標温度演算部２３０に設定する。これにより、実際のアノードガス流量に応じたスタック目標温度が算出されるので、アノードガス流量によるドライ操作をスタック温度の制御によって適切に補完することができる。なお、アノードガス流量推定部２４０は、図５に示した優先制御部２０１に備えられてもよい。

図１５は、アノードガス流量推定部２４０に設定される流量推定マップの一例を示す図である。ここでは、横軸がアノード循環ポンプ３６の回転速度であり、縦軸がアノードガス流量である。

図１５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、アノードガス流量が大きくなる。

なお、スタック目標温度演算部２３０では、スタック目標温度は、標準状態でのアノードガス流量［ＮＬ／ｍｉｎ］を用いて算出される。ＮＬ（Normal Liter）は、標準状態でのリットルを示す。

そのため、アノードガス流量推定部２４０は、図１５に示した流量推定マップにより算出したアノードガス流量Ｑ［Ｌ／ｍｉｎ］を標準状態でのアノードガス流量Ｑ₀［ＮＬ／ｍｉｎ］に変換する。

具体的には、アノードガス流量推定部２４０は、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を取得する。そしてアノードガス流量推定部２４０は、次式（１１）のとおり、アノードガス流量Ｑとアノードガス圧力Ｐとスタック入口水温Ｔとに基づいて、標準状態でのアノードガス流量Ｑ₀を算出する。

アノードガス流量推定部２４０は、標準状態でのアノードガス流量Ｑ₀をスタック目標温度演算部２３０に出力する。そしてスタック目標温度演算部２３０は、標準状態でのアノードガス流量Ｑ₀を、式（８）中のアノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}に代入する。

図１６は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法の一例を示すフローチャートである。

ここでは、ステップＳ８及びステップＳ１２の処理後にステップＳ２０の処理が追加されている。そのため、以下ではステップＳ２０の処理についてのみ説明する。

ステップＳ２０においてアノードガス流量推定部２４０は、アノード循環ポンプ３６の回転速度に基づいて、燃料電池スタック１を循環するアノードガスの流量を推定する。

本実施形態では、アノードガス流量推定部２４０は、アノード循環ポンプ３６の回転速度を取得すると、図１５に示した流量推定マップを参照して、取得した回転速度に関係付けられたアノードガス流量を算出する。アノードガス流量推定部２４０は、式（１１）のとおり、算出したアノードガス流量Ｑを標準状態のアノードガス流量Ｑ₀に変換する。

この後、ステップＳ９でスタック目標温度演算部２３０は、式（８）中のアノードガス湿潤要求流量Ｑ_{a_rw}の代りにアノードガス流量Ｑ₀を用いて、アノード／カソード流量比Ｋ_acを算出する。スタック目標温度演算部２３０は、算出したアノード／カソード流量比Ｋ_acに基づいて、スタック目標温度Ｔｔを算出する。

図１７は、本実施形態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１７（Ａ）から図１７（Ｄ）まで各図の縦軸は、図１２（Ａ）から図１２（Ｄ）までの各図の縦軸と同じであり、各図の横軸は、互いに共通の時間軸である。

ここでは、本実施形態による燃料電池システム１００の運転状態の変化が実線により示され、図１２で示した第１実施形態による燃料電池システム１００の運転状態の変化が破線により示されている。

時刻ｔ２０においては、図１２と同じように、目標水収支が上昇から低下に切り替えられ、ドライ操作が開始される。ここでは、図８で示したアノードガス負荷要求流量演算部２２１の出力値が、アノードガス湿潤要求流量の所定の下限値よりも大きい。

そのため、時刻ｔ２１において、図１７（Ｂ）に示すように、アノードガス目標流量が負荷要求流量により制限される。その結果、実際のアノードガス流量とアノードガス湿潤要求流量との乖離が大きくなる。

第１実施形態では、アノードガス湿潤要求流量が、スタック目標温度演算部２３０に入力されるため、実際のアノードガス流量とアノードガス湿潤要求流量との乖離が大きくなっても、図１７（Ｃ）の破線に示すように冷却水の温度は上昇しない。

これに対して本実施形態では、アノードガス流量推定部２４０が、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流量を推定し、推定した値をスタック目標温度演算部２３０に出力する。

このため、アノードガス流量の推定値を用いてスタック目標温度が演算されるので、アノードガス流量の減量制御が何らかの要求により制限されている状況であっても、目標水収支の低下に応じてスタック目標温度を上昇させることができる。

したがって、図１７（Ｂ）に示すようにアノードガス流量の低下が制限されている状況では、図１７（Ｃ）に示すように、目標水収支の低下に合わせて冷却水の温度が上昇する。これにより、図１７（Ｄ）に示すように、循環保管水が、第１実施形態と同じように減少する。

このように、発電制御部２０２Ａは、実際のアノードガス流量とアノードガス湿潤要求流量とが乖離するような状態であっても、実際のアノードガス流量に応じて、目標水収支が低下するようにスタック温度を上昇させることができる。すなわち、電解質膜１１１の湿潤度が、アノードガス流量を減らす減量制御にて調整しきれない状態になっても、スタック温度を高くする昇温制御が実行されるので、昇温制御によってドライ操作を補完することができる。

図１８は、目標水収支がパルス状に低下したときの燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すフローチャートである。

図１８（Ａ）から図１８（Ｄ）まで各図の縦軸は、図１７（Ａ）から図１７（Ｄ）までの各図の縦軸と同じであり、各図の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図１８（Ｂ）には、アノードガス流量が実線により示され、アノードガス目標流量が破線により示されている。なお、アノードガス流量が急峻に変化したとしても、アノードガス流量推定部２４０から出力されるアノードガス流量の推定値は、実際のアノードガス流量とほぼ同じ値を示す。

時刻ｔ３０において、図１８（Ａ）に示すように目標水収支が素早く低下する。このような状況としては、例えば、車両の加速時において負荷装置５の要求出力が極端に大きくなり、図７に示したように、目標ＨＦＲが短時間に低下するような状況が想定される。

図１８（Ｂ）に示すように、アノードガス目標流量演算部２２０は、目標水収支を達成できるアノードガス目標流量を算出する。これに対して、アノード循環ポンプ３６の応答遅れなどが原因となり、アノードガス流量は目標値よりも遅れて低下する。

時刻ｔ３０の直後は、アノードガス流量の推定値と目標値との乖離が大きいため、アノード循環ポンプ３６によるドライ制御が十分に行われない。そのため、スタック目標温度演算部２３０が、アノードガス流量の推定値と目標値の差分だけ、スタック目標温度を高くするので、図１８（Ｃ）に示すように冷却水の温度が過渡的に上昇する。その結果、図１８（Ｄ）に示すように循環保管水が過渡的に増加する。

時刻ｔ３０から時間が経過するにつれて、アノードガス流量が目標値に近づくため、アノードガス流量の推定値と目標値の差分が小さくなる。これに伴い、スタック目標温度演算部２３０が、過渡的に高くした分だけスタック目標温度を低くするので、図１８（Ｃ）に示すように、過渡的に上昇した冷却水の温度が低下する。その結果、図１８（Ｄ）に示すように、循環保管水が低下する。

時刻ｔ３１において、図１８（Ｂ）に示すようにアノードガス流量が目標値まで低下し、これに伴って、図１８（Ｃ）に示すように冷却水の温度が低下して定常状態となる。

このように、発電制御部２０２Ａは、目標水収支が過渡的に低下する場合には、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、その遅れた分だけスタック温度の昇温制御を実行する。すなわち、発電制御部２０２Ａは、過渡時のドライ操作を実行するときには、アノードガス流量を減少させると共に、電解質膜１１１の湿潤度と発電性能を維持するための目標値との差分が小さくなるようにカソードガスの温度を上昇させる。

これにより、電解質膜１１１の水分を迅速に減らすときには、アノードガス流量を減らす減量制御を補完するように、カソードガスの温度を高くする昇温制御が実行されるので、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。

また、発電制御部２０２Ａは、目標水収支が過渡的に低下する場合には、アノードガス流量が目標値に近づくに従って、スタック温度を低下させる。これにより、循環保管水が減少し、電解質膜１１１の湿潤度が下がりやすくなるので、ドライ操作を効率的に実行することができる。

図１９は、図１８に比べて、目標水収支の低下幅が大きいときの燃料電池システム１００の運転状態の変化を示すフローチャートである。

時刻ｔ４０において、図１８（Ａ）と同様に、目標水収支が急峻に低下する。ここでは、目標水収支の低下幅が、図１８（Ａ）と比較して大きいため、図１９（Ｃ）に示すように、冷却水の温度の上昇量も大きい。

また、目標水収支の低下幅が大きいことから、図１９（Ａ）に示すようにアノードガス目標流量の低下幅も大きくなるので、図１９（Ｄ）に示すようにアノードガス流量の低下に応じて循環保管水の減少量も大きくなる。

このため、本実施形態では、循環保管水を減らしつつ、冷却水の温度を上昇させることができるので、素早く目標水収支を達成することができる。

このように、過渡状態での目標水収支の低下幅が、アノードガス流量の減量制御だけで電解質膜１１１の湿潤度を下げられないほど大きいときは、発電制御部２０２Ａは、アノードガス流量の減量制御が完了する前に、スタック温度の昇温制御を開始する。すなわち、発電制御部２０２Ａは、アノードガスの流量が湿潤制御により定められた下限値に達する前に、スタック温度を上昇させる。

したがって、発電制御部２０２Ａは、電解質膜１１１の湿潤度の下げ幅が所定の値を超えたときには、アノード循環ポンプ３６によるアノードガス流量を減らす減量制御と共に、カソードガスの温度を高くする昇温制御を並行して実行する。これにより、電解質膜１１１の湿潤度を下げやすい状態にシフトさせながら、効率よくドライ操作を実行することができる。

なお、本実施形態ではコントローラ２００がアノードガス流量を推定する例について説明した。しかしながら、圧力センサ３７の代りに流量センサをエゼクタ３４よりも下流のアノードガス供給通路３２に設け、その流量センサの検出信号をスタック目標温度演算部２３０に入力するようにしてもよい。これにより、より正確なドライ操作を実行することができる。

本発明の第２実施形態によれば、アノードガス目標流量演算部２２０は、第１実施形態と同じように、ドライ操作において、燃料電池１０の温度よりも低い温度と、電解質膜１１１の湿潤度と相関のある測定ＨＦＲとに基づいて、アノードガス流量を減少させる。

さらに本実施形態によれば、第１実施形態とは異なり、アノードガス流量推定部２４０が、アノード循環ポンプ３６の回転速度と、圧力センサ３７で検出されるアノードガス圧力とに基づいて、燃料電池スタック１を循環するアノードガス流量を推定する。そして、スタック目標温度演算部２３０は、図４に示したアノードガス湿潤要求流量の代わりにアノードガス流量の推定値を用いて、測定ＨＦＲと目標ＨＦＲとの差分が小さくなるように、カソードガスの温度を上昇させる。

このため、アノードガス湿潤要求流量とは別の要求に基づく流量、例えば負荷要求流量によりアノードガス流量が制御されている状態であっても、スタック目標温度演算部２３０は、実際のアノードガス流量と同等の値に基づいて、スタック温度を制御できる。

これにより、過渡時のドライ操作において、アノードガス流量の推定値と目標水収支に応じた湿潤制御用の目標値（アノードガス湿潤要求流量）との差分に応じて、スタック温度を上昇させることができる。

したがって、過渡時のドライ操作において、アノードガス湿潤要求流量の代りにアノードガス流量の推定値をスタック目標温度演算部２３０に設定することにより、アノードガス流量推定部２４０は、アノードガス流量の推定値と目標値の差分に応じて、アノード循環ポンプ３６と冷却水ポンプ４２とを同時に動作させることができる。

すなわち、アノードガス流量推定部２４０は、過渡時のドライ操作においては、アノード循環ポンプ３６の動作順位と冷却水ポンプ４２の動作順位とを同等に設定する優先制御部を構成する。これにより、過渡時のドライ操作において、アノードガス流量の推定値と目標値の差分に応じて、アノード循環ポンプ３６の動作を待つことなく、アノード循環ポンプ３６の動作をと冷却水ポンプ４２とを並行して動作させることができる。

このようにスタック目標温度演算部２３０は、実際のアノードガス流量の減少量に合わせてスタック温度を上昇させることができるようになるので、第１実施形態に比べて、効率良くドライ操作を実行でき、ドライ操作に要する時間を短縮することができる。

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２０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、上記実施形態では発電制御部２０２がカソードガス流量及び圧力の計測値を用いてアノードガス目標流量及びスタック目標温度を演算したが、カソードガス流量及び圧力の平均的な値を用いてアノードガス目標流量及びスタック目標温度を演算するようにしてもよい。

また、本実施形態では膜湿潤状態検出部２０１が目標水収支を演算し、その目標水収支をアノードガス目標流量演算部２２０及びスタック目標温度演算部２３０の両者に出力したが、膜湿潤状態検出部２０１が目標水収支に基づいて目標排出量を算出し、目標水収支の代りに目標排出量を両者に出力するようにしてもよい。

また、本実施形態では優先制御部２０１Ａを膜湿潤状態検出部２０１に備える構成であったが、優先制御部２０１Ａを発電制御部２０２に備える構成であってもよい。

また、本実施形態ではカソードガス流量推定部２４０を発電制御部２０２Ａに備える構成であったが、カソードガス流量推定部２４０を優先制御部２０１Ａに備える構成であってもよい。

また、他の実施形態としてコントローラ２００は次のような湿潤制御を実行するものであってもよい。コントローラ２００は、目標水収支（目標排水量）に基づいて、ドライ操作を実行するか否かを判定する。例えば、コントローラ２００は、目標水収支が所定の閾値（例えばゼロ）よりも小さいか否かを判断し、目標水収支が所定の閾値よりも小さい場合には、ドライ操作を実行する。このドライ操作においては、コントローラ２００は、減量制御により、アノードガス流量を、所定の下限流量まで減少させ、その後、昇温制御により冷却水流量を所定の上限流量まで上昇させてカソードガスの温度を上昇させる。このような簡易な制御であっても、ドライ操作を早期に完了することができる。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

Claims (11)

1. 燃料電池の電解質膜に燃料を供給する燃料供給手段と、前記電解質膜に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給と前記燃料供給手段による燃料の供給とを制御して前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段と、
   前記燃料供給手段により前記燃料電池に供給される燃料の流量を調整する流量調整手段と、
   前記酸化剤供給手段により前記燃料電池に供給される酸化剤の温度を調整する温度調整手段と、を含み、
   前記発電制御手段は、前記湿潤状態検出手段から出力される信号により前記電解質膜の水分を減らすときには、前記電解質膜の水分を増やすときに比べて、前記燃料の流量を減少させるとともに、前記湿潤状態検出手段からの信号に応じて前記酸化剤の温度を上昇させる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電制御手段は、前記電解質膜の水分を減らすときには、前記流量調整手段による前記燃料の流量を減らす制御を、前記温度調整手段による前記酸化剤の温度を高くする制御よりも優先して実行する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電制御手段は、前記電解質膜の水分を減らすときには、前記燃料の流量を減少させるとともに、前記湿潤状態検出手段からの信号により前記電解質膜の湿潤度と目標値との差分が小さくなるように前記酸化剤の温度を上昇させる、
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記温度調整手段は、前記燃料電池に冷媒を供給する冷却装置を含み、
   前記発電制御手段は、
   前記温度調整手段の動作と前記流量調整手段の動作とを制御する順位を設定する優先制御部と、
   前記燃料電池の温度と前記電解質膜の湿潤度とに基づいて、前記燃料電池に供給される燃料の流量を減少させる流量演算部と、
   前記燃料の流量と前記電解質膜の湿潤度とに基づいて、前記燃料電池の温度を制御する温度演算部と、を含み、
   前記優先制御部は、前記電解質膜の水分を減らすドライ操作を実行する場合には、前記燃料電池の温度よりも低いウェット操作時の温度を前記燃料電池の温度として前記流量演算部に設定する、
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記ウェット操作時の温度は、前記冷却装置が前記燃料電池の温度を調整できる範囲の下限値に設定される、
   燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記流量演算部は、前記ドライ操作を実行する場合には、前記燃料電池に供給される燃料の流量を減少させる減少速度を、前記ウェット操作時の温度の代わりに前記燃料電池の温度を用いたときの減少速度に比べて大きくし、
   前記温度演算部は、前記燃料電池に供給される燃料の流量が減少するほど、前記燃料電池の温度を低下させ、かつ、前記電解質膜の湿潤度が大きくなるほど、前記燃料電池の温度を上昇させる、
   燃料電池システム。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料供給手段は、
   前記燃料電池から排出される燃料を前記燃料電池に循環させる循環通路と、
   前記循環通路に設けられ、前記燃料電池に循環される燃料の循環流量を調整する循環ポンプと、を備え、
   前記発電制御手段は、前記電解質膜の水分を減らすときには、前記燃料の循環流量を減らすことにより、前記循環通路を介して前記燃料電池を循環する燃料に含まれる水分を少なくする、
   燃料電池システム。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池は、
   当該燃料電池を冷却するための冷媒を通す冷媒流路と、
   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通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、
   前記温度調整手段は、前記冷媒流路に前記冷媒を供給し、
   前記燃料供給手段は、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循環させる、
   燃料電池システム。
9. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記湿潤状態検出手段は、前記燃料電池のインピーダンスを検出し、当該インピーダンスを前記電解質膜の湿潤度に関する信号として前記発電制御手段に出力する、
   燃料電池システム。
10. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池は、積層電池により構成され、
    前記湿潤状態検出手段は、前記積層電池のインピーダンスを測定する測定装置を含み、
    前記測定装置は、
    前記積層電池に接続されて該積層電池に交流電流を出力する交流電源部と、
    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、前記燃料電池のインピーダンスを演算する演算部と、を含む、
    燃料電池システム。
11. 燃料電池の電解質膜に燃料を供給する燃料供給手段と、前記電解質膜に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、前記酸化剤供給手段による酸化剤の供給と前記燃料供給手段による燃料の供給とを制御して前記燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、を備えた燃料電池システムの制御方法であって、
    前記電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出ステップと、
    前記燃料供給手段により前記燃料電池に供給される燃料の流量を調整する流量調整ステップと、
    前記酸化剤供給手段により前記燃料電池に供給される酸化剤の温度を調整する温度調整ステップと、を含み、
    前記電解質膜の湿潤状態に関する信号により前記電解質膜の水分を減らすときには、前記電解質膜の水分を増やすときに比べて、前記燃料の流量を減少させるとともに、前記電解質膜の湿潤状態を示す信号に応じて前記酸化剤の温度を上昇させる発電制御ステップと、
    を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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