WO2016125231A1

WO2016125231A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

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Publication number: WO2016125231A1
Application number: PCT/JP2015/052831
Authority: WO
Inventors: 青木　哲也; 隼人筑後; 敏和小高
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2016-08-11
Anticipated expiration: 2017-08-02

Abstract

　燃料電池の電解質膜に対してアノードガスを供給し、電解質膜に対してカソードガスを供給する燃料電池システムは、カソードガスの供給とアノードガスの供給と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、電解質膜に供給されるカソードガスの供給状態を検出し、湿潤状態を検出した信号に基づいて、電解質膜に供給されるカソードガスの供給量を制御することで燃料電池の発電状態を制御する。そして燃料電池システムは、供給状態を検出した信号によりカソードガスの供給量が不足すると判定された場合には、湿潤状態を検出した信号に優先して、供給状態を検出した信号によりカソードガスの供給量を制御することで燃料電池の発電状態を制御する。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

　この発明は、燃料電池にカソードガス及びアノードガスを供給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。

　特開２００８－１６６０１９号公報には、ガス供給装置から燃料電池に供給されるガスの実流量と目標値の偏差を用いてガス供給装置をフィードバック制御する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、フィードバック制御に用いられる積分ゲインをガスの実流量と目標値の偏差に応じて変更することにより、燃料電池の負荷変動が大きい場合におけるガス供給流量のオーバーシュートを抑制する。

　上述のような燃料電池システムでは、燃料電池に接続された負荷の変動に合わせて燃料電池に供給されるカソードガスの供給量がフィードバック制御される。このようなフィードバック制御では、カソードガスの供給量が、負荷の要求に基づく供給量よりも不足して燃料電池の発電効率が低下するという事態を避けるために、燃料電池の各々に分配されるガス供給量のバラツキや、各燃料電池のガス輸送抵抗のバラツキなどを考慮する必要がある。

　そのため、負荷に基づいてガス供給装置をフィードバック制御するような構成では、燃料電池に供給されるカソードガスの供給量は、負荷の要求を満たす供給量よりも多めに制御されることになるので、ガス供給装置で消費される電力が増加してしまう。

　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、燃料電池の発電効率の低下を抑制しつつ、燃料電池にカソードガスを供給する装置における消費電力の増加を低減する燃料電池システム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、燃料電池の電解質膜に対してアノードガスを供給し、前記電解質膜に対してカソードガスを供給する燃料電池システムは、カソードガスの供給とアノードガスの供給とを制御して前記燃料電池の発電を制御する。燃料電池システムは、前記電解質膜の湿潤状態を検出し、前記電解質膜に供給されるカソードガスの供給状態を検出し、湿潤状態を検出した信号に基づいて、前記電解質膜に供給されるカソードガスの供給量を制御することで発電状態を制御する。そして燃料電池システムは、前記供給状態を検出した信号により前記カソードガスの供給量が不足すると判定された場合には、前記湿潤状態を検出した信号に優先して、前記供給状態を検出した信号により前記カソードガスの供給量を制御することで発電状態を制御することを特徴とする。

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の構成を示す図である。図２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図である。図３は、燃料電池に供給されるカソードガスの供給状態としてカソードガス供給流量の余剰量を演算する機能構成の一例を示す図である。図４Ａは、燃料電池の等価回路を示す図である。図４Ｂは、燃料電池におけるカソード電極の反応抵抗を演算する手法に関する図である。図５は、カソードガスの供給状態としてカソード電極の反応抵抗を演算する機能構成の一例を示す図である。図６は、燃料電池に形成された電解質膜の湿潤状態に応じて、カソードガス供給流量をフィードバック制御する機能構成の一例を示す図である。図７は、燃料電池の出力と電解質膜の目標とする湿潤状態との関係を示す図である。図８は、カソードガス供給流量の下げ過ぎを防止する機能構成の一例を示す図である。図９は、本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１０は、カソードガス供給流量の余剰量を演算する処理の一例を示すフローチャートである。図１１は、カソード電極の反応抵抗を演算する処理の一例を示すフローチャートである。図１２は、カソードガス供給流量の不足を予測する処理の一例を示すフローチャートである。図１３は、カソードガス供給流量の下げ過ぎを防止する処理の一例を示すフローチャートである。図１４は、図１３に示した処理を実行したときのカソードガス供給量の変化の一例を示すタイムチャートである。図１５は、本発明の第２実施形態におけるフィードバック制御に用いられるゲインを変更する機能構成の一例を示す図である。図１６は、燃料電池の酸欠度合いの変化に応じて、積分ゲインを変更する機能構成の一例を示す図である。図１７は、本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１８は、燃料電池の酸欠度合いに応じてフィードバック制御に用いられるゲインを変更する処理の一例を示すフローチャートである。図１９は、フィードバック制御に用いられるゲインを小さくしたときのカソードガス供給流量のオーバーシュートの変化を示すタイムチャートである。図２０は、図１７に示した制御方法を実行したときのカソードガス供給量の変化の一例を示すタイムチャートである。図２１は、本発明の第３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２２は、カソードガス供給流量を演算する機能構成の一例を示す図である。図２３は、本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２４は、図２３に示した制御方法におけるカソードガス供給流量の余剰量を演算する処理の一例を示すフローチャートである。図２５は、図２４に示した処理におけるカソードガス供給流量を演算する処理の一例を示すフローチャートである。図２６は、本発明の第４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２７は、本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２８は、図２７に示した制御方法におけるカソードガス供給流量の余剰量を演算する処理の一例を示すフローチャートである。図２９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）
　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、アノードガス給排装置２と、カソードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、負荷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、負荷５に接続されて負荷５に電力を供給する積層電池である。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。

　燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電極で挟まれる電解質膜とにより構成される。燃料電池では、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とが電解質膜で電気化学反応（発電反応）を起こす。アノード電極及びカソード電極では、以下の電気化学反応が進行する。

　　アノード電極　：　２Ｈ₂ →　４Ｈ+ ＋　４ｅ- 　　・・・（１）
　　カソード電極　：　４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋　Ｏ₂ →　２Ｈ₂Ｏ・・・（２）
　上記（１）及び（２）に示した電気化学反応によって、起電力が発生すると共に水が生成される。燃料電池スタック１における燃料電池の各々は直列に接続されており、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が燃料電池スタック１の出力電圧となる。

　燃料電池スタック１は、アノードガス給排装置２からアノードガスが供給されると共に、カソードガス給排装置３からカソードガスが供給される。

　アノードガス給排装置２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２は、燃料電池スタック１に積層された燃料電池の電解質膜にアノードガスを供給するアノードガス供給手段を構成する。

　アノードガス給排装置２は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、アノード調圧弁２３と、エゼクタ２４と、アノードガス循環通路２５と、アノード循環ポンプ２６とを含む。

　高圧タンク２１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２２は、高圧タンク２１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２２の一端は、高圧タンク２１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２３は、高圧タンク２１とエゼクタ２４との間のアノードガス供給通路２２に設けられる。本実施形態では、アノード調圧弁２３として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２３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２４は、アノード調圧弁２３と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路２２に設けられる。エゼクタ２４は、アノードガス供給通路２２にアノードガス循環通路２５を合流させる機械式ポンプである。エゼクタ２４をアノードガス供給通路２２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２４は、アノード調圧弁２３から供給されるアノードガスの流速を加速して負圧を生じさせることにより、燃料電池スタック１からアノードオフガスを吸引する。エゼクタ２４は、そのアノードオフガスを、アノード調圧弁２３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。

　例えば、エゼクタ２４は、燃料電池スタック１に近づくにつれて開口を狭くした円筒状のノズルと、アノードオフガスの吸引口と連通した合流通路をノズルと同軸上に備えたディフューザとによって構成される。

　アノードガス循環通路２５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２２に循環させる通路である。アノードガス循環通路２５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２４の吸引口に接続される。

　アノード循環ポンプ２６は、アノードガス循環通路２５に設けられる。アノード循環ポンプ２６は、エゼクタ２４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２６の回転速度は、コントローラ２００によって制御される。

　なお、気液分離装置やパージ弁などをアノードガス循環通路２５に設け、アノードオフガス中の窒素ガスや水蒸気を外部に排出するようにしてもよい。

　カソードガス給排装置３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３は、燃料電池スタック１に積層された燃料電池の電解質膜にカソードガスを供給するカソードガス供給手段を構成する。

　カソードガス給排装置３は、カソードガス供給通路３１と、コンプレッサ３２と、カソードガス排出通路３３と、カソード調圧弁３４とを含む。

　カソードガス供給通路３１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３１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３２は、カソードガス供給通路３１に設けられる。コンプレッサ３２は、カソードガス供給通路３１の開口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３２の回転速度は、コントローラ２００によって制御される。

　カソードガス排出通路３３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３３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３４は、カソードガス排出通路３３に設けられる。カソード調圧弁３４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３４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に供給されるカソードガスの圧力が所望の圧力に調節される。カソード調圧弁３４の開度が大きくなるほどカソード調圧弁３４が開き、カソード調圧弁３４の開度が大きくなるほどカソード調圧弁３４が閉じる。

　スタック冷却装置４０は、燃料電池スタック１を発電に適した温度に冷媒を用いて調整する装置である。

　スタック冷却装置４０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、サーモスタット４５と、スタック入口水温センサ４６と、スタック出口水温センサ４７とを含む。

　冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１に冷媒としての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により制御される。

　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により温められた冷却水を冷却する。

　バイパス通路４４は、ラジエータ４３をバイパスして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が設けられた冷却水循環通路４１に接続され、他端は、サーモスタット４５に接続される。なお、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をバイパス通路４４に設けてもよい。

　サーモスタット４５は、三方弁により構成される。サーモスタット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のうちバイパス通路４４が合流する部分に設けられる。

　例えば、サーモスタット４５では、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への冷却水通路が閉じた状態となり、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よりも高温の冷却水が流れることになる。

　一方、サーモスタット４５では、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への冷却水通路が徐々に開き始める。そしてサーモスタット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よりも低温の冷却水が流れることになる。

　スタック入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。スタック入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。スタック入口水温センサ４６は、検出した温度を示す検出信号をコントローラ２００に出力する。

　スタック出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の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。スタック出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。スタック出口水温センサ４７は、検出した温度を示す検出信号をコントローラ２００に出力する。

　負荷５は、燃料電池スタック１の発電電力により駆動する負荷装置である。負荷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、電動モータを制御する制御ユニットなどにより構成される。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３２や、バイパス通路４４に設けられるヒータ（不図示）などが挙げられる。

　あるいは、負荷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が接続され、他方にバッテリが接続されると共に、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が接続される構成であってもよい。なお、負荷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、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、燃料電池スタック１に要求される要求電力は大きくなる。

　負荷５と燃料電池スタック１との間には、電流センサ５１及び電圧センサ５２が設けられている。

　電流センサ５１は、燃料電池スタック１の正極端子１１と負荷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５に出力される電流（以下「スタック出力電流」という。）を検出する。電流センサ５１は、検出したスタック出力電流を示す検出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１１と負極端子１２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の正極端子１１と負極端子１２との間の端子間電圧（以下「スタック出力電圧」という。）を検出する。電圧センサ５２は、検出したスタック出力電圧を示す検出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、燃料電池スタック１に積層された電解質膜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。

　例えば、燃料電池スタック１には、正極端子１１と直列に接続された正極タブと、負極端子１２と直列に接続された負極タブとが設けられ、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。そしてインピーダンス測定装置６は、電解質膜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１１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１１と負極端子１２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１１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。

　あるいは、燃料電池スタック１に積層された各燃料電池のうち、中途に位置する燃料電池に中途タブを設け、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。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１１及び負極端子１２の双方に供給するようにしてもよい。この場合には、中途タブがインピーダンス測定装置６においてコンデンサを介して接地される。インピーダンス測定装置６は、正極端子１１と中途タブとの間の交流電圧の振幅を、正極端子１１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、負極端子１２と中途タブとの間の交流電圧の振幅を、負極端子１２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、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の出力値と負荷５の要求電力とが入力される。コントローラ２００は、これらのパラメータに基づいて、コンプレッサ３２の回転速度とカソード調圧弁３４の開度とを制御する。

　例えば、コントローラ２００は、負荷５から要求される要求電力に応じて、カソードガス目標流量及びアノードガス目標流量を変更する。そして、コントローラ２００は、カソードガス目標流量に基づいてコンプレッサ３２の回転速度とカソード調圧弁３４の開度とを制御するとともに、アノードガス目標流量に基づいてアノード調圧弁２３の開度とアノード循環ポンプ２６の回転速度とを制御する。

　また、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の温度としてスタック入口水温とスタック出口水温との平均値を算出し、その平均値に基づいて、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、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、冷却水ポンプ４２の回転速度を高くする。

　図２は、本実施形態におけるコントローラ２００の機能構成を示すブロック図である。

　コントローラ２００は、膜湿潤状態検出部２１０と、ガス供給状態検出部２２０と、発電制御部３００とを含む。

　膜湿潤状態検出部２１０は、電解質膜の湿潤度（含水量）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を「測定ＨＦＲ」という。膜湿潤状態検出部２１０は、その測定ＨＦＲをガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１に出力する。

　なお、膜湿潤状態検出部２１０は、燃料電池スタック１の温度に基づいて湿潤状態情報を生成してもよい。この場合には、膜湿潤状態検出部２１０は、湿潤状態情報として、スタック入口水温センサ４６及びスタック出口水温センサ４７から、スタック入口水温とスタック出口水温とを取得する。そして膜湿潤状態検出部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の温度として算出し、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する。

　または、膜湿潤状態検出部２１０は、負荷５の要求電力に基づいて湿潤状態情報を生成してもよい。この場合には、膜湿潤状態検出部２１０は、負荷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２１０は、要求電力が大きくなるほど、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湿潤度を大きくする。

　あるいは、膜湿潤状態検出部２１０は、インピーダンス測定装置６からの測定ＨＦＲを、燃料電池スタック１の温度及び負荷５の要求電力に応じて補正するようにしてもよい。

　このように膜湿潤状態検出部２１０は、燃料電池スタック１における電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出手段を構成する。

　ガス供給状態検出部２２０は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量及び供給圧力を示す供給状態情報に基づいて、燃料電池スタック１における燃料電池の酸素欠乏状態を示す酸欠度合いを求める。

　ガス供給状態検出部２２０は、カソードガスの供給状態情報として、負荷５の要求電力と、コンプレッサ３２の回転速度とカソード調圧弁３４の開度と、を取得する。例えば、ガス供給状態検出部２２０は、コンプレッサ３２に備えられた回転速度センサから、コンプレッサ３２の回転速度の実際値を取得するとともに、カソード調圧弁３４に備えられた開度センサから、カソード調圧弁３４の開度の実際値を取得する。なお、ガス供給状態検出部２２０は、コンプレッサ３２及びカソード調圧弁の各指令値に基づいて、コンプレッサ３２の回転速度、及びカソード調圧弁３４の開度を求めるものであってもよい。

　また、ガス供給状態検出部２２０は、供給状態情報として、燃料電池スタック１の出力電力として、電流センサ５１からのスタック出力電流と電圧センサ５２からのスタック出力電圧とを取得する。ガス供給状態検出部２２０は、スタック出力電圧を、酸欠度合いを示す第１のパラメータとして発電制御部３００に出力する。なお、ガス供給状態検出部２２０は、燃料電池スタック１の電圧が小さくなるほど、カソードガスの供給状態が不足状態に近づいていると判定し、その判定結果を出力するようにしてもよい。この測定結果を用いることにより、燃料電池の酸欠度合いを推定することが可能となる。

　また、ガス供給状態検出部２２０は、負荷５の要求電力と、カソードガス給排装置３の制御量であるコンプレッサ３２の回転速度及びカソード調圧弁３４の開度に基づいて、カソードガス供給流量の余剰量を推定する。ガス供給状態検出部２２０は、そのカソードガス供給流量の余剰量を、酸欠度合いを示す第２のパラメータとして発電制御部３００に出力する。なお、ガス供給状態検出部２２０は、カソードガス給排装置３の制御量に基づいて演算されるカソードガスの供給量が大きくなるほど、カソードガスの供給状態が不足状態に近づいていると判定し、その判定結果を出力するようにしてもよい。

　さらに、ガス供給状態検出部２２０は、供給状態情報として、インピーダンス測定装置６から、ＨＦＲの測定周波数よりも低い周波数によって測定された内部インピーダンスを取得する。以下では、ＨＦＲの測定周波数よりも低い周波数で測定される内部インピーダンスをＬＦＩ（Low Frequency Impedance；低周波数インピーダンス）と称する。

　そして、ガス供給状態検出部２２０は、低周波数インピーダンスＬＦＩに基づいて、燃料電池のカソード電極で生じる電極反応に起因する電気抵抗値（以下「カソード極反応抵抗」という。）を演算する。

　一般に、燃料電池スタック１の発電により負荷５の要求電力を賄うのに最低限必要となる酸素量に比べて燃料電池スタック１への酸素量が足りなくなるほど、カソード電極での電極反応が起こり難くなるため、カソード極反応抵抗は大きくなる。

　ガス供給状態検出部２２０は、そのカソード極反応抵抗を、酸欠度合いを示す第３のパラメータとして発電制御部３００に出力する。なお、ガス供給状態検出部２２０は、燃料電池のインピーダンスに基づいて演算されるカソード極の反応抵抗が大きくなるほど、カソードガスの供給状態が不足状態に近づいていると判定し、その判定結果を出力するようにしてもよい。

　このように、ガス供給状態検出部２２０は、燃料電池スタック１内の燃料電池に供給されるカソードガスの供給状態を検出する供給状態検出手段を構成する。

　発電制御部３００は、アノード調圧弁２３及びアノード循環ポンプ２６によるアノードガスの供給と、コンプレッサ３２及びカソード調圧弁３４によるカソードガスの供給とを互いに制御して燃料電池スタック１の発電を制御する発電制御手段を構成する。

　本実施形態では、発電制御部３００は、膜湿潤状態検出部２１０からの湿潤状態を示す３つのパラメータを含む信号に基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給量を制御することで燃料電池スタック１の発電状態を制御する。

　そして発電制御部３００は、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号に基づいて、負荷５の要求電力を発電するのに必要なカソードガスの供給量に比べて燃料電池スタック１へのカソードガス供給量が不足するか否かを判定する。

　カソードガス供給量が不足すると判定された場合には、発電制御部３００は、膜湿潤状態検出部２１０からの湿潤状態を示す信号に優先して、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号を用いてカソードガス供給量を制御することで発電状態を制御する。

　発電制御部３００は、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１と優先制御部３０２とを含む。

　ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、膜湿潤状態検出部２１０からの湿潤状態を示す信号と、電解質膜の湿潤状態に関する目標値との偏差に基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量をフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御する。

　本実施形態では、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、燃料電池スタック１の測定ＨＦＲが、湿潤状態の目標値である目標ＨＦＲと一致するように、カソードガス供給流量を演算する。ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、その演算したカソードガス供給流量を、湿潤要求流量として優先制御部３０２に出力する。

　例えば、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、目標ＨＦＲが急峻に低下する過渡状態では、目標ＨＦＲが低下するほど、湿潤要求流量を下げる。そして、カソードガス供給流量が低下してから定常状態になるまでの間は、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、湿潤要求流量を定常状態でのカソードガス供給流量よりもさらに下げる。すなわち、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、カソードガス供給流量を下げるときにはオーバーシュートさせる。

　優先制御部３０２は、カソードガス供給流量が不足するようなときには、膜湿潤状態検出部２１０からの湿潤状態を示す信号に優先して、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号を用いてカソードガス供給流量を制御する優先制御手段を構成する。

　優先制御部３０２は、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０と、ガス欠乏判定部３３０と、目標流量設定部３４０と、ガス供給系指令部３５０とを含む。

　過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、目標ＨＦＲの低下に伴いカソードガス供給流量が急峻に低下する過渡状態のときには、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１によって算出される湿潤要求流量を制限する。

　例えば、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号に基づいて、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１によって算出されるカソードガス供給流量の下げ幅を制限する。

　本実施形態では、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、カソードガス供給流量の下限値である下限流量として、負荷５の要求電力又は燃料電池スタック１の出力電力に基づき、燃料電池スタック１の発電に最低限必要となる供給流量を演算する。過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、そのカソードガスの下限流量を目標流量設定部３４０に出力する。

　ガス欠乏判定部３３０は、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号に基づいて、カソードガス供給流量が不足する可能性があるか否かを判定する。すなわち、ガス欠乏判定部３３０は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給状態に応じて、燃料電池が酸素欠乏状態（以下「酸欠状態」という。）になるか否かを予測する。

　カソードガス供給流量が不足する可能性があると判定された場合には、ガス欠乏判定部３３０は、燃料電池が酸欠状態になり得ることを示す酸欠フラグをＯＮに設定する。これにより、ガス欠乏判定部３３０から目標流量設定部２４０にＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの判定信号が供給される。

　一方、ガス欠乏判定部３３０は、カソードガス供給流量が不足する可能性がないと判定された場合には、酸欠フラグをＯＦＦに設定する。これにより、ガス欠乏判定部３３０から目標流量設定部２４０にＬ（Ｌｏｗ）レベルの判定信号が供給される。

　目標流量設定部３４０は、酸欠フラグの設定状態に基づいて、カソードガス供給流量の目標値であるカソードガス目標流量を制限する。

　酸欠フラグがＯＮに設定された場合には、目標流量設定部３４０は、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１からの湿潤要求流量と、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０からの下限流量とに基づいて、カソードガス目標流量を設定する。目標流量設定部３４０は、そのカソードガス目標流量をガス供給系指令部３５０に出力する。

　本実施形態では、目標流量設定部３４０は、酸欠フラグがＯＮに設定された場合において、カソードガスの湿潤要求流量が下限流量以上であるときには、湿潤要求流量をカソードガス目標流量に設定する。一方、カソードガスの湿潤要求流量が下限流量よりも低下した場合には、目標流量設定部３４０は、カソードガス目標流量を下限流量に制限する。

　酸欠フラグがＯＦＦに設定された場合には、目標流量設定部３４０は、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１からの湿潤要求流量をカソードガス目標流量に設定する。目標流量設定部３４０は、そのカソードガス目標流量をガス供給系指令部３５０に出力する。

　ガス供給系指令部３５０は、目標流量設定部３４０からのカソードガス目標流量に基づいて、カソードガス給排装置３の動作を制御する。

　本実施形態では、ガス供給系指令部３５０は、燃料電池スタック１の動作状態に基づくカソードガス目標圧力、及び、カソードガス目標流量に基づいて、コンプレッサ３２の回転速度指令値とカソード調圧弁３４の開度指令値とを演算する。そしてガス供給系指令部３５０は、コンプレッサ３２の回転速度指令値をコンプレッサ３２に出力するとともに、カソード調圧弁３４の開度指令値をカソード調圧弁３４に出力する。

　カソードガス目標圧力は、例えば、燃料電池スタック１の温度に基づいて算出される。このように設定される理由は、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、カソードガス中の水蒸気分圧が大きくなって酸素分圧が小さくなり、負荷５の要求電力を確保するのが困難になるからである。そのため、コントローラ２００は、カソードガス中の酸素分圧を維持するために、燃料電池スタック１の温度が高くなるほど、カソードガス目標圧力を大気圧に比べて高くする。

　さらにカソードガス目標圧力は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス供給圧力に応じて変更される。これは、アノードガス供給圧力とカソードガス供給圧力との差圧が電解質膜の許容圧力を超過するのを回避するためである。

　また、ガス供給系指令部３５０は、アノードガス目標流量とアノードガス目標圧力とに基づいて、アノード調圧弁２３の開度指令値とアノード循環ポンプ２６の回転速度指令値とを演算する。そしてガス供給系指令部３５０は、アノード調圧弁２３の開度指令値をアノード調圧弁２３に出力するとともに、アノード循環ポンプ２６の回転速度指令値をアノード循環ポンプ２６に出力する。なお、アノードガス目標流量は、負荷５の要求電力に基づいて算出され、アノードガス目標圧力は、例えばアノードガス中の水蒸気分圧などに基づいて算出される。

　図３は、ガス供給状態検出部２２０の機能構成の一部を例示するブロック図である。ここでは、酸欠度合いを示す信号としてカソードガス供給流量の余剰量ΔＱを演算する構成が示されている。

　ガス供給状態検出部２２０は、カソードガス供給流量推定部２２１と、負荷要求流量演算部２２２と、酸欠度合い算出部２２３とを含む。

　カソードガス供給流量推定部２２１は、カソード調圧弁３４の開度と、コンプレッサ３２の回転速度とに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量Ｑｃを推定する。

　本実施形態では、カソードガス供給流量推定部２２１は、供給通路圧損特性抽出部２２１１と、コンプレッサ動作特性抽出部２２１２と、交点抽出部２２１３とを含む。

　供給通路圧損特性抽出部２２１１には、供給通路圧損マップが予め記録されている。この供給通路圧損マップには、コンプレッサ３２の吐出流量とカソードガス供給通路３１の圧力損失との関係を示す圧力損失特性がカソード調圧弁３４の開度ごとに設定されている。

　供給通路圧損特性抽出部２２１１は、カソード調圧弁３４の開度の検出値を取得すると、供給通路圧損マップを参照し、取得した検出値により特定される圧力損失特性を抽出する。供給通路圧損特性抽出部２２１１は、その抽出した圧力損失特性を交点抽出部２２１３に出力する。

　コンプレッサ動作特性抽出部２２１２には、コンプレッサ動特性マップが予め記録されている。コンプレッサ動特性マップには、コンプレッサ３２の吐出流量とカソードガス供給通路３１の圧力損失との関係を示す吐出流量特性がコンプレッサ３２の回転速度ごとに設定されている。

　コンプレッサ動作特性抽出部２２１２は、コンプレッサ３２の回転速度の検出値を取得すると、コンプレッサ動特性マップを参照し、取得した検出値により特定される吐出流量特性を抽出する。コンプレッサ動作特性抽出部２２１２は、その抽出した吐出流量特性を交点抽出部２２１３に出力する。

　交点抽出部２２１３は、供給通路圧損特性抽出部２２１１からの圧力損失特性と、コンプレッサ動作特性抽出部２２１２からの吐出流量特性との交点を特定する。交点抽出部２２１３は、その交点によって特定される吐出流量を、カソードガス供給流量の推定値Ｑｃとして酸欠度合い算出部２２３に出力する。

　このように、カソードガス供給流量推定部２２１は、カソード調圧弁３４の開度に基づいてカソードガス供給通路３１の供給流量に対する圧力損失特性を特定し、コンプレッサ３２の回転速度に基づいて圧力損失に対する吐出流量特性を特定する。そしてカソードガス供給流量推定部２２１は、カソードガス供給通路３１の圧力損失特性とコンプレッサ３２の吐出流量特性との交点を求めることにより、カソードガス供給流量Ｑｃを推定する。

　負荷要求流量演算部２２２は、燃料電池スタック１の出力電流の目標値であるスタック目標電流に基づいて、燃料電池スタック１の発電に最低限必要となるカソードガス供給流量を演算する。

　上述のスタック目標電流は、負荷５の要求電力に基づいて定められる。例えば、コントローラ２００は、負荷５の要求電力を取得すると、燃料電池スタック１の電流電圧（ＩＶ）特性を参照して、負荷５の要求電力となる電流値をスタック目標電流として算出する。

　例えば、負荷要求流量演算部２２２には、スタック目標電流とカソードガス供給流量との関係を示す発電要求流量マップが予め記録される。そして負荷要求流量演算部２２２は、スタック目標電流を取得すると、発電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係付けられたカソードガス供給流量を算出する。負荷要求流量演算部２２２は、そのカソードガス供給流量を、負荷要求流量Ｑｒ_ｌとして酸欠度合い算出部２２３に出力する。

　酸欠度合い算出部２２３は、カソードガス供給流量Ｑｃから負荷要求流量Ｑｒ_ｌを減算することにより、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱを算出する。酸欠度合い算出部２２３は、そのカソードガス供給流量の余剰量ΔＱを、酸欠度合いを示すパラメータとして、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０とガス欠乏判定部３３０とに出力する。

　次に、燃料電池スタック１におけるカソード極反応抵抗を導出する手法について図面を参照して説明する。

　図４Ａは、燃料電池スタック１に積層される燃料電池の等価回路を示す図である。

　図４Ａに示すように、燃料電池の等価回路は、アノード極反応抵抗Ｒａ及びアノード極電気二重容量Ｃａと、電解質膜抵抗Ｒｍと、カソード極反応抵抗Ｒｃ及びカソード極電気二重容量Ｃｃとを有する。

　燃料電池の等価回路においては、互いに並列接続されたアノード極反応抵抗Ｒａ及びアノード極電気二重容量Ｃａと、電解質膜抵抗Ｒｍと、互いに並列接続されたカソード極反応抵抗Ｒｃ及びカソード極電気二重容量Ｃｂとが直列接続されている。

　アノード極反応抵抗Ｒａは、アノード電極での電気化学反応に起因する電気抵抗であり、アノードガスの電気化学反応に応じて増減する。アノードガスの電気化学反応が円滑に進行しない状態、例えばアノードガスが不足している状態では、アノード極反応抵抗Ｒａは大きくなる傾向にある。

　アノード極電気二重容量Ｃａは、アノード電極が有する電気容量であり、アノード電極を構成する材料やアノード電極の表面積などによって決まる。

　電解質膜抵抗Ｒｍは、電解質膜の電気抵抗であり、電解質膜の湿潤度に応じて増減する。一般的に、電解質膜が乾燥するにつれて、電解質膜抵抗Ｒｍは高くなる傾向にある。

　カソード極反応抵抗Ｒｃは、カソード電極での電気化学反応に起因する電気抵抗であり、カソードガスの電気化学反応に応じて増減する。カソードガスの電気化学反応が円滑に進行しない状態、例えばカソードガスが不足している状態では、カソード極反応抵抗Ｒｃは大きくなる傾向にある。

　カソード極電気二重容量Ｃｃは、カソード電極が有する電気容量であり、カソード電極を構成する材料やカソード電極の表面積などによって決まる。

　このような等価回路で表わされる燃料電池においては、燃料電池に供給される交流電流の周波数の変化に応じて等価回路に流れる電流の経路が異なる。すなわち、燃料電池の等価回路は周波数依存性を有している。そのため、燃料電池のインピーダンスＺは、次式（３）のとおり表わされる。

　なお、ｊは、虚数単位を意味し、ωは、交流電流の角周波数である。角周波数ωは、交流電流の周波数ｆに「２π」を乗算したものである。

　燃料電池スタック１から負荷５に電力を供給しているときの燃料電池スタック１内の電気特性は、ドライバのアクセル操作の速さや、カソードガスの応答遅れなどを考慮し、周波数が大きくとも数Ｈｚ（ヘルツ）程度までの低周波数帯の出力特性を想定すればよい。なお、カソードガスの応答遅れとは、コンプレッサ３２から吐出されたカソードガスが燃料電池スタック１に到達するまでの応答遅れのことである。

　したがって、燃料電池スタック１から負荷５に電力を供給しているときの燃料電池スタック１内の電気特性は、式（３）中の角周波数ωを０（ゼロ）としたときの特性を用いて近似できる。このような定常状態の燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺは、次式（４）により表わされる。

　定常状態の燃料電池スタック１の電気特性は、燃料電池スタック１の電流電圧（ＩＶ）特性である。このため、燃料電池スタック１のＩＶ特性の傾き（ΔＶ／ΔＩ）を求めることで定常状態の燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺが得られる。

　また、図４Ａに示すように、電解質膜応答周波数の交流電流により燃料電池スタック１のＨＦＲを測定することで電解質膜抵抗Ｒｍが得られる。したがって、アノード極反応抵抗Ｒａを求めることができれば、次式（５）に示すように、カソード極反応抵抗Ｒｃを導出することができる。

　ここでアノード極反応抵抗Ｒａを導出する手法について説明する。

　図４Ｂは、図４Ａに示した等価回路においてアノード極反応抵抗Ｒａを導出するための電流経路を示す図である。

　ＨＦＲの測定周波数よりも低い周波数を有する交流電流が燃料電池スタック１に供給された場合に、アノード極反応抵抗Ｒａ及びアノード極電気二重容量Ｃａと電解質膜抵抗Ｒｍとカソード極電気二重容量Ｃｃとに交流電流が流れる。

　図４Ｂに示すような電流経路となる周波数帯のことを以下では「アノード極応答周波数帯」という。アノード極応答周波数帯は、例えば、数十Ｈｚから数百Ｈｚまでの周波数範囲である。

　アノード極応答周波数帯の周波数により測定される内部インピーダンスＺは、次式（６）のとおり表わされる。この内部インピーダンスＺが、上述の低周波数インピーダンスＬＦＩのことである。

　式（６）中の実部Ｚｒを抜き出した後、角周波数の二乗ω²についての一次式の形に変形すると、次式（７）が得られる。

　式（７）の右辺の第２項及び第３項が切片ａである。切片ａは、次式（８）のとおり表わされる。

　切片ａは、アノード極応答周波数帯の少なくとも２点の周波数によって測定された複数のＬＦＩの実部Ｚｒに基づいて算出される。例えば、横軸を角周波数の二乗ω²とし、縦軸をＬＦＩの実部の逆数（１／Ｚｒ）とする座標空間に、アノード極応答周波数帯の２点の周波数ｆ１及びｆ２によって測定されたＬＦＩ（ｆ１）の実部Ｚｒ及びＬＦＩ（ｆ２）の実部Ｚｒをプロットする。そしてＬＦＩ（ｆ１）の実部ＺｒとＬＦＩ（ｆ２）の実部Ｚｒとの間を結ぶ直線が縦軸と交わる点を演算することにより、切片ａが求められる。

　したがって、切片ａと、ＬＦＩ（ｆ１）及びＬＦＩ（ｆ２）の実部Ｚｒと、電解質膜抵抗Ｒｍとを得ることにより、次式（９）のとおり、アノード極反応抵抗Ｒａを求めることができる。

　このように、アノード極応答周波数帯のうちの少なくとも２点の周波数により、燃料電池スタック１のＬＦＩを測定し、測定された少なくとも２点のＬＦＩの実部に基づいて切片ａが求められる。そして、切片ａ、ＬＦＩの実部Ｚｒ、及び、電解質膜抵抗Ｒｍの各値を式（９）に代入することにより、アノード極反応抵抗Ｒａが求められる。

　そして、アノード極反応抵抗Ｒａ、電解質膜抵抗Ｒｍ、及び、定常状態の燃料電池スタック１のＩＶ特性の傾き（ΔＶ／ΔＩ）の各抵抗値を式（５）に代入することにより、カソード極反応抵抗Ｒｃを求めることができる。

　図５は、ガス供給状態検出部２２０におけるカソード極反応抵抗Ｒｃを演算する機能構成の一例を示すブロック図である。

　ガス供給状態検出部２２０は、スタック内部抵抗演算部２２４と、電解質膜抵抗設定部２２５と、アノード極反応抵抗演算部２２６と、カソード極反応抵抗演算部２２７とを含む。

　スタック内部抵抗演算部２２４は、燃料電池スタック１のアノード極反応抵抗Ｒａと電解質膜抵抗Ｒｍとカソード極反応抵抗Ｒｃとを含む全体の抵抗成分を演算する。

　本実施形態では、燃料電池スタック１のＩＶ特性がスタック内部抵抗演算部２２４に保持されている。燃料電池スタック１のＩＶ特性は、予め定められたものである。スタック内部抵抗演算部２２４は、燃料電池スタック１のＩＶ特性の傾き（ΔＶ／ΔＩ）を全体の抵抗成分として算出する。

　なお、燃料電池スタック１のＩＶ特性はスタック温度に応じて変化する。そのため、スタック温度ごとに、燃料電池スタック１のＩＶ特性をスタック内部抵抗演算部２２４に設定してもよい。この場合には、スタック内部抵抗演算部２２４は、スタック入口水温センサ４６及びスタック出口水温センサ４７を用いて求められるスタック温度を取得すると、そのスタック温度により特定されるＩＶ特性を参照してその傾きを算出する。また、スタック出力電流を所定幅で変化させ、そのスタック出力電流とスタック出力電圧とに基づいて燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定するようにしてもよい。

　電解質膜抵抗設定部２２５は、インピーダンス測定装置６からの測定ＨＦＲを電解質膜抵抗Ｒｍとして設定する。

　アノード極反応抵抗演算部２２６は、インピーダンス測定装置６から燃料電池スタック１に供給される交流電流の周波数を、電解質膜応答周波数帯からアノード極応答周波数帯に切り替える指令をインピーダンス測定装置６に出力する。

　アノード極反応抵抗演算部２２６は、インピーダンス測定装置６から、アノード極応答周波数帯のうち第１周波数ｆ１の交流電流によって測定されたＬＦＩ（ｆ１）と、第２周波数ｆ２の交流電流によって測定されたＬＦＩ（ｆ２）とを取得する。なお、ＬＦＩ（ｆ１）及びＬＦＩ（ｆ２）には、それぞれ実部Ｚｒ及び虚部Ｚｘの値が含まれている。

　アノード極反応抵抗演算部２２６は、ＬＦＩ（ｆ１）の実部ＺｒとＬＦＩ（ｆ２）の実部Ｚｒに基づいて、式（８）に示した切片ａを算出する。アノード極反応抵抗演算部２２６は、式（９）に示したとおり、切片ａ、ＬＦＩの実部Ｚｒ、及び電解質膜抵抗Ｒｍの値を用いて、アノード極反応抵抗Ｒａを算出する。アノード極反応抵抗演算部２２６は、アノード極反応抵抗Ｒａをカソード極反応抵抗演算部２２７に出力する。

　カソード極反応抵抗演算部２２７は、アノード極反応抵抗Ｒａと、燃料電池スタック１全体の抵抗成分（ΔＶ／ΔＩ）と、電解質膜抵抗Ｒｍとに基づいて、カソード極反応抵抗Ｒｃを演算する。本実施形態では、カソード極反応抵抗演算部２２７は、式（５）のとおり、アノード極反応抵抗Ｒａと電解質膜抵抗Ｒｍとを加算した値を、燃料電池スタック１全体の抵抗成分（ΔＶ／ΔＩ）から減算することにより、カソード極反応抵抗Ｒｃを算出する。

　そしてカソード極反応抵抗演算部２２７は、カソード極反応抵抗Ｒｃを酸欠度合いを示す第３のパラメータとして過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０とガス欠乏判定部３３０とに出力する。

　なお、本実施形態ではアノード極反応抵抗演算部２２６が互いに異なる２点の周波数でのＬＦＩに基づいて切片ａを演算する例について説明したが、アノード極応答周波数帯の３点以上の周波数でのＬＦＩに基づいて切片ａを演算してもよい。

　図６は、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１の機能構成の一例を示すブロック図である。

　ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、フィードバック制御に伴うオーバーシュートを利用して燃料電池スタック１の電解質膜を早期に湿った状態に遷移するように、カソードガス供給流量を制御する。ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、目標ＨＦＲ演算器３１１と、減算器３１２と、比例器３１３と、加算器３１４と、遅延器３１５と、積分器３１６と、加算器３１７とを含む。

　目標ＨＦＲ演算器３１１は、燃料電池スタック１の動作状態に応じて、燃料電池スタック１における電解質膜の湿潤状態を目標とする状態に制御するために目標ＨＦＲを演算する。

　本実施形態では、スタック目標電流と目標ＨＦＲとの関係を示す膜湿潤制御マップが目標ＨＦＲ演算器３１１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。

　そして、目標ＨＦＲ演算器３１１は、負荷５の要求電力に基づいて算出されたスタック目標電流を取得すると、膜湿潤制御マップを参照して、そのスタック目標電流に関係付けられた目標ＨＦＲを算出する。目標ＨＦＲ演算器３１１は、その目標ＨＦＲを減算器３１２に出力する。このようにスタック目標電流を用いて目標ＨＦＲを算出することにより、湿潤制御が安定するとともに制御遅れを小さくすることができる。

　なお、目標ＨＦＲ演算器３１１は、予め定められた演算式を用いて、スタック目標電流に基づき目標ＨＦＲを演算するものであってもよい。また、目標ＨＦＲ演算器３１１は、スタック目標電流に代えて、電流センサ５１から出力されるスタック出力電流に基づいて目標ＨＦＲを算出するようにしてもよい。

　減算器３１２は、膜湿潤状態検出部２１０からの測定ＨＦＲを目標ＨＦＲから減算することにより、目標ＨＦＲと測定ＨＦＲの偏差を算出する。そして減算器３１２は、算出した偏差を比例器３１３と加算器３１４とに出力する。

　比例器３１３は、減算器３１２から出力される偏差に対してフィードバック制御のための比例ゲインＧｐを乗算し、その乗算した値を加算器３１７に出力する。比例ゲインＧｐは、実験データ等により適宜定められる。

　加算器３１４は、今回の周期において減算器３１２から出力される偏差を、前回の周期から所定の期間だけ、例えば２０周期だけ、前（過去）の各偏差を積算した積算値に加算することにより、各周期の偏差の積算値を新たに算出する。加算器３１４は、その積算値を遅延器３１５と積分器３１６とに出力する。

　遅延器３１５は、加算器３１４から出力される今回の積算値を保持し、この積算値を次回周期において加算器３１４に出力する。これにより、所定の期間の各偏差が積算されることなる。

　積分器３１６は、加算器３１４から出力される積算値に対してフィードバック制御のための積分ゲインＧｉを乗算し、その乗算した値を加算器３１７に出力する。積分ゲインＧｉは、実験データ等により適宜定められる。

　加算器３１７は、比例器３１３から出力される値と、積分器３１６から出力される値とを加算し、その加算した値を、カソードガスの湿潤要求流量Ｑｒ_ｗとして出力する。

　このように、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、電解質膜の湿潤状態に相関のあるＨＦＲを用いて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量をフィードバック制御する。

　図７は、目標ＨＦＲ演算器３１１に記録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、縦軸が目標ＨＦＲであり、この目標ＨＦＲが大きくなるほど燃料電池スタック１の電解質膜を乾燥させる操作が促進され、目標ＨＦＲが小さくなるほど電解質膜を湿らせる操作が促進されることになる。

　膜湿潤制御マップについては、燃料電池スタック１内のカソードガス流路やカソード電極に滞留する液水あるいは、アノードガス流路やアノード電極に滞留する液水が原因でカソードガスあるいはアノードガスの流れが阻害されないように目標ＨＦＲが設定されている。

　スタック目標電流がゼロ（０）から所定の電流値Ｉｐまでの小電流範囲内にあるときは、スタック目標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の供給流量が少なくなるほど、カソードガス流路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５の要求電力が低い低負荷運転状態において、目標ＨＦＲが通常運転時に比べて高く設定されている。

　スタック目標電流が所定の電流値Ｉｐよりも大きい大電流範囲内にあるときには、カソードガス供給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に比べて小さな一定の値に設定されている。

　図８は、優先制御部３０２における過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０の詳細構成の一例を示すブロック図である。

　過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、酸欠防止流量演算部３２１と流量制限部３２２とを含む。

　酸欠防止流量演算部３２１は、燃料電池スタック１の出力電流に基づいて、燃料電池が酸欠するのを防止するためのカソードガス供給流量（以下「酸欠防止流量」という。）Ｑｓを演算する。

　酸欠防止流量Ｑｓは、燃料電池スタック１の発電に最低限必要となるカソードガス流量である。この酸欠防止流量Ｑｓは、燃料電池スタック１の各燃料電池に分配されるガス流量のバラツキや、各燃料電池のガス輸送抵抗のバラツキなどを考慮して定められる。

　図８に示すように、燃料電池スタック１の出力電流とカソードガスの酸欠防止流量Ｑｓとの関係を示す酸欠防止制御マップが酸欠防止流量演算部３２１に予め記録されている。酸欠防止制御マップでは、スタック出力電流Ｉｓが大きくなるほど、酸欠防止流量Ｑｓが緩やかに大きくなる。

　酸欠防止流量演算部３２１は、電流センサ５１からスタック出力電流Ｉｓを取得すると、酸欠防止制御マップを参照して、スタック出力電流Ｉｓに関係付けられた酸欠防止流量Ｑｓを算出する。酸欠防止流量演算部３２１は、酸欠防止流量Ｑｓを流量制限部３３２に出力する。

　流量制限部３２２は、酸欠防止流量Ｑｓを用いて、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１からの湿潤要求流量Ｑｒ_ｗを制限する。流量制限部３２２は、湿潤要求流量Ｑｒ_ｗと酸欠防止流量Ｑｓとのうち大きい方を、カソードガスの下限流量Ｑｌｉｍとして目標流量設定部３４０に出力する。

　目標流量設定部３４０は、ガス欠乏判定部３３０による酸欠フラグの設定状態に応じて、カソードガス目標流量Ｑｔを湿潤要求流量Ｑｒ_ｗから下限流量Ｑｌｉｍに切り替える。

　具体的には、酸欠フラグがＯＦＦに設定された場合には、目標流量設定部３４０は、湿潤要求流量Ｑｒ_ｗをカソードガス目標流量Ｑｔに設定する。また、酸欠フラグがＯＮに設定された場合には、目標流量設定部３４０は、カソードガス目標流量Ｑｔを酸欠防止流量Ｑｓに切り替える。

　すなわち、目標流量設定部３４０は、カソードガス供給流量が不足すると判定された場合において、湿潤要求流量Ｑｒ_ｗが酸欠防止流量Ｑｐよりも低下したときに限り、カソードガスの下限流量Ｑｌｉｍを酸欠防止流量Ｑｐに制限する。

　これにより、燃料電池スタック１の電解質膜を迅速に湿った状態に遷移させること、及び、燃料電池の酸欠に伴う燃料電池の発電性能の低下を抑制することの両立を図ることができる。

　図９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、所定の時間間隔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。具体的には、コントローラ２００は、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、電圧センサ５２を用いて燃料電池スタック１の出力電圧を検出し、コンプレッサ３２の回転速度とカソード調圧弁３４の開度を検出する。

　ステップＳ２においてコントローラ２００は、検出信号に基づいて電解質膜の湿潤状態を推定する。本実施形態では、コントローラ２００は、インピーダンス測定装置６からの測定ＨＦＲを、電解質膜の湿潤状態を示す湿潤状態情報として取得する。

　ステップＳ３においてコントローラ２００は、電解質膜の湿潤状態に基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量をフィードバック制御する。例えば、コントローラ２００は、図６に示したように、燃料電池スタック１の測定ＨＦＲと目標ＨＦＲの偏差がゼロに収束するようにカソードガスの湿潤要求流量Ｑｒ_ｗを演算し、その湿潤要求流量Ｑｒ_ｗをカソードガス目標流量Ｑｔに設定する。なお、ステップＳ３は、膜湿潤状態検出部２１０から出力される信号に基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給量を制御する制御ステップに相当する。

　ステップＳ４においてコントローラ２００は、燃料電池の酸欠度合いを示す第１のパラメータとして、電圧センサ５２からスタック出力電圧Ｖｓを取得する。

　ステップＳ５においてコントローラ２００は、燃料電池の酸欠度合いを示す第２のパラメータとして、カソードガス供給流量の余剰量を演算する処理を実行する。この処理の詳細については、図１０を参照して後述する。

　ステップＳ６においてコントローラ２００は、燃料電池の酸欠度合いを示す第３のパラメータとして、カソード極反応抵抗を演算する処理を実行する。この処理の詳細については、図１１を参照して後述する。

　ステップＳ７においてコントローラ２００は、ステップＳ４からステップＳ６までの各処理によって算出される３つのパラメータに基づいて、燃料電池の酸欠予測処理を実行する。すなわち、コントローラ２００は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量が不足するか否かを判定する。この酸欠予測処理の詳細については、図１２を参照して後述する。

　ステップＳ８においてコントローラ２００は、ステップＳ７の酸欠予測処理により燃料電池が酸欠状態になり得ると判定されたか否かを確認する。燃料電池が酸欠状態になり得ると判定されていない場合には、コントローラ２００は、ステップＳ１０の処理に進む。

　ステップＳ９においてコントローラ２００は、燃料電池が酸欠状態になり得ると判定された場合には、カソードガス供給流量下げ過ぎ防止処理を実行する。すなわち、コントローラ２００は、カソードガスの酸欠防止流量Ｑｐを演算し、カソードガス目標流量Ｑｔを湿潤要求流量Ｑｒ_ｗから酸欠防止流量Ｑｐに切り替える。カソードガス供給流量下げ過ぎ防止処理の詳細については、図１３を参照して後述する。

　なお、ステップＳ９は、ガス供給状態検出部２２０からの信号によりカソードガスの供給量が不足すると判定された場合には、膜湿潤状態検出部２１０からの信号に優先して、ガス供給状態検出部２２０からの信号によりカソードガスの供給量を制御することで燃料電池スタック１の発電状態を制御する優先制御ステップに相当する。

　ステップＳ１０においてコントローラ２００は、カソードガス目標流量Ｑｔに基づいて、コンプレッサ３２の回転速度とカソード調圧弁３４の開度とを制御する。

　図１０は、ステップＳ５において実行されるカソードガス余剰量演算処理の一例を示すフローチャートである。

　ステップＳ５１においてコントローラ２００は、コンプレッサ３２の回転速度とカソード調圧弁３４の開度とを取得する。例えば、コントローラ２００は、コンプレッサ３２に設けられた回転速度センサからの検出信号と、カソード調圧弁３４に設けられた開度センサからの検出信号とを取得する。

　ステップＳ５２においてコントローラ２００は、カソード調圧弁３４の開度に基づいて、カソードガス供給通路３１の圧力損失特性を特定する。ここにいうカソードガス供給通路３１の圧力損失特性は、コンプレッサ３２から吐出されるカソードガスの吐出流量と、コンプレッサ３２から燃料電池スタック１までのカソードガス供給通路３１の圧力損失との関係を示す。

　本実施形態では、コントローラ２００の供給通路圧損特性抽出部２２１１において、カソードガス供給通路３１の圧力損失特性が、カソード調圧弁３４の開度ごとに予め記憶されている。供給通路圧損特性抽出部２２１１は、カソード調圧弁３４の開度センサから検出値を取得すると、その検出値により特定される圧力損失特性を抽出する。

　ステップＳ５３においてコントローラ２００は、コンプレッサ３２の回転速度に基づいて、コンプレッサ３２の吐出流量特性を特定する。ここにいうコンプレッサ３２の吐出流量特性は、コンプレッサ３２から燃料電池スタック１までのカソードガス供給通路３１と、コンプレッサ３２から吐出されるカソードガスの吐出流量との関係を示す。

　本実施形態では、コントローラ２００のコンプレッサ動作特性抽出部２２１２において、コンプレッサ３２の吐出流量特性が、コンプレッサ３２の回転速度ごとに予め記憶されている。コンプレッサ動作特性抽出部２２１２は、コンプレッサ３２の回転速度センサから検出値を取得すると、その検出値により特性される吐出流量特性を抽出する。

　ステップＳ５４においてコントローラ２００の交点抽出部２２１３は、ステップＳ５３の処理により抽出される吐出流量特性と、ステップＳ５４の処理により抽出される圧力損失特性とを互いに重ね合わせたときの交点を抽出する。そして交点抽出部２２１３は、その交点により特定される吐出流量を、カソードガス供給流量Ｑｃとして設定する。

　ステップＳ５５においてコントローラ２００の負荷要求流量演算部２２２は、スタック目標電流に基づいて、カソードガスの負荷要求流量Ｑｒ_ｌを演算する。負荷要求流量Ｑｒ_ｌは、負荷５の要求電力を燃料電池スタック１で発電するのに最低限必要となるカソードガス供給流量である。

　ステップＳ５６においてコントローラ２００の酸欠度合い算出部２２３は、カソードガスの推定供給流量Ｑｃから負荷要求流量Ｑｒ_ｌを減算することにより、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱを算出する。

　この後、カソードガス余剰量演算処理が終了し、図９に示したステップＳ５の処理に戻り、酸欠度合い算出部２２３によってカソードガス供給流量の余剰量ΔＱが酸欠度合いを示す第２のパラメータとして出力され、ステップＳ６の処理が実行される。

　図１１は、図９に示したステップＳ６において実行されるカソード極反応抵抗演算処理の一例を示すフローチャートである。

　ステップＳ６１においてコントローラ２００のガス供給状態検出部２２０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性に基づいて、定常状態の燃料電池スタック１の抵抗成分を演算する。本実施形態では、ガス供給状態検出部２２０は、燃料電池スタック１のＩＶ特性における単位電流ΔＩあたりの電圧幅ΔＶを単位電流ΔＩで除算することにより、燃料電池スタック１のＩＶ特性の傾き（ΔＶ／ΔＩ）を抵抗成分として算出する。

　ステップＳ６２においてガス供給状態検出部２２０は、インピーダンス測定装置６から出力される測定ＨＦＲを電解質膜抵抗Ｒｍとして設定する。

　ステップＳ６３においてガス供給状態検出部２２０は、ＨＦＲの測定周波数よりも低いアノード極応答周波数帯の２点の周波数で燃料電池スタック１のＬＦＩを測定するようにインピーダンス測定装置６に指令する。そしてガス供給状態検出部２２０は、インピーダンス測定装置６から、アノード極応答周波数帯の２点の周波数で測定されたＬＦＩをそれぞれ取得する。

　ステップＳ６４においてガス供給状態検出部２２０は、アノード極応答周波数帯の２点のＬＦＩに基づいて、アノード極反応抵抗Ｒａを演算する。ガス供給状態検出部２２０は、図４Ｂで述べたとおり、アノード極応答周波数帯の２点のＬＦＩの実部に基づいて、式（８）の切片ａを算出し、切片ａと電解質膜抵抗ＲｍとＬＦＩの実部Ｚｒとの各値を式（９）に代入することにより、アノード極反応抵抗Ｒａを算出する。

　ステップＳ６５においてガス供給状態検出部２２０は、燃料電池スタック１の抵抗成分（ΔＶ／ΔＩ）と電解質膜抵抗Ｒｍとアノード極反応抵抗Ｒａとを用いて、式（５）のとおり、カソード極反応抵抗Ｒｃを演算する。そしてカソード極反応抵抗演算処理が終了する。この後、図９に示したステップＳ６の処理に戻り、ガス供給状態検出部２２０は、酸欠度合いを示す第３のパラメータとしてカソード極反応抵抗Ｒｃを出力し、ステップＳ７の処理に進む。

　図１２は、図９に示したステップＳ７において実行される燃料電池酸欠予測処理の一例を示すフローチャートである。

　ステップＳ７１においてコントローラ２００のガス欠乏判定部３３０は、スタック出力電圧Ｖｓが電圧閾値Ｔｈ_ｖよりも大きいか否かを判断する。

　電圧閾値Ｔｈ_ｖは、燃料電池の酸素欠乏が原因で燃料電池スタック１の出力電圧が低下したのか否かを判定するために定められた酸欠閾値である。電圧閾値Ｔｈ_ｖは、実験データ等によって予め定められ、例えば、数十Ｖ（ボルト）に設定される。なお、電圧閾値Ｔｈ_ｖは、例えば、スタック目標電流に基づいて変更されるものであってもよい。

　ガス欠乏判定部３３０は、スタック出力電圧Ｖｓが電圧閾値Ｔｈ_ｖよりも大きい場合には、燃料電池が酸欠状態になると判定し、ステップＳ７５の処理に進む。一方、ガス欠乏判定部３３０は、スタック出力電圧Ｖｓが電圧閾値Ｔｈ_ｖ以下である場合には、燃料電池が酸欠状態にならないと判定し、ステップＳ７２の処理に進む。

　ステップＳ７２においてガス欠乏判定部３３０は、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱがガス流量閾値Ｔｈ_ｑよりも大きいか否かを判断する。

　ガス流量閾値Ｔｈ_ｑは、例えば、ゼロに設定される。なお、ガス流量閾値Ｔｈ_ｑは、判定誤差等を考慮してゼロよりも大きな所定の値に設定されるものでもよく、あるいは、スタック目標電流の単位時間あたりの増加量に応じて大きな値に変更されるものであってもよい。

　ガス欠乏判定部３３０は、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱがガス流量閾値Ｔｈ_ｑよりも大きい場合には、燃料電池が酸欠状態になると判定し、ステップＳ７５の処理に進む。一方、ガス欠乏判定部３３０は、余剰量ΔＱがガス流量閾値Ｔｈ_ｑ以下である場合には、燃料電池が酸欠状態にならないと判定し、ステップＳ７３の処理に進む。

　ステップＳ７３においてガス欠乏判定部３３０は、カソード極反応抵抗Ｒｃが反応抵抗閾値Ｔｈ_ｒよりも小さいか否かを判断する。

　反応抵抗閾値Ｔｈ_ｒは、燃料電池の酸素欠乏が原因で燃料電池スタック１のカソード極反応抵抗が上昇したか否かを判定するために定められた酸欠閾値である。反応抵抗閾値Ｔｈ_ｒは、実験データ等によって予め定められ、例えば、数十Ω（オーム）に設定される。

　ガス欠乏判定部３３０は、カソード極反応抵抗Ｒｃが反応抵抗閾値Ｔｈ_ｒよりも小さい場合には、燃料電池が酸欠状態になると判定し、ステップＳ７５の処理に進む。一方、ガス欠乏判定部３３０は、カソード極反応抵抗Ｒｃが反応抵抗閾値Ｔｈ_ｒ以上である場合には、燃料電池が酸欠状態にならないと判定し、ステップＳ７４の処理に進む。

　ステップＳ７４においてガス欠乏判定部３３０は、スタック出力電圧Ｖｓが電圧閾値Ｔｈ_ｖより大きく、余剰量ΔＱがガス流量閾値Ｔｈ_ｑより大きく、かつ、カソード極反応抵抗Ｒｃが反応抵抗閾値Ｔｈ_ｒより小さい場合に、酸欠フラグをＯＦＦに設定する。すなわち、ガス欠乏判定部３３０は、燃料電池が酸欠状態にならないと判定した場合に、酸欠フラグをＯＦＦに設定する。

　ステップＳ７５においてガス欠乏判定部３３０は、スタック出力電圧Ｖｓが電圧閾値Ｔｈ_ｖ以下である場合、余剰量ΔＱがガス流量閾値Ｔｈ_ｑ以下である場合、又は、カソード極反応抵抗Ｒｃが反応抵抗閾値Ｔｈ_ｒ以上である場合に、酸欠フラグをＯＮに設定する。すなわち、ガス欠乏判定部３３０は、燃料電池が酸欠状態になると判定した場合に、酸欠フラグをＯＮに設定する。これにより、図９に示したステップＳ９のカソードガス供給流量下げ過ぎ防止処理が実行される。

　そして、ステップＳ７４又はＳ７５の処理が終了すると、燃料電池酸欠予測処理が完了し、図９に示したステップＳ７の処理に戻り、ガス欠乏判定部３３０は、酸欠フラグの設定情報を目標流量設定部３４０に出力し、ステップＳ８の処理が実行される。

　図１３は、ステップＳ９において実行されるカソードガス供給流量下げ過ぎ防止処理の一例を示すフローチャートである。

　ステップＳ９１においてコントローラ２００は、電流センサ５１からスタック出力電流Ｉｓを取得する。

　ステップＳ９２においてコントローラ２００の過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、スタック出力電流Ｉｓを取得すると、そのスタック出力電流Ｉｓに基づいて、燃料電池の酸欠を防止するための酸欠防止流量Ｑｐを算出する。

　ステップＳ９３においてコントローラ２００の目標流量設定部３４０は、図９のステップＳ３で算出された湿潤要求流量Ｑｒ_ｗが酸欠防止流量Ｑｐよりも大きいか否かを判断する。

　ステップＳ９４において目標流量設定部３４０は、湿潤要求流量Ｑｒ_ｗが酸欠防止流量Ｑｐよりも大きい場合には、湿潤要求流量Ｑｒ_ｗをカソードガス目標流量Ｑｔに設定する。

　ステップＳ９５において目標流量設定部３４０は、湿潤要求流量Ｑｒ_ｗが酸欠防止流量Ｑｐ以下である場合には、酸欠防止流量Ｑｐをカソードガス目標流量Ｑｔに設定する。これにより、燃料電池スタック１に積層された各燃料電池が酸欠状態になるのを防止することができる。

　ステップＳ９４又はＳ９５の処理が終了すると、カソードガス供給流量下げ過ぎ防止処理が完了する。この後、図９に示したステップＳ９の処理に戻り、目標流量設定部３４０によってカソードガス目標流量Ｑｔがガス供給系指令部３５０に出力され、ステップＳ１０の処理が実行される。

　次に、本実施形態における燃料電池システム１００に供給されるカソードガスの制御手法について図面を参照して説明する。

　図１４は、燃料電池スタック１における電解質膜を湿らせる湿潤制御を実行したときのカソードガス供給流量の変化を示すタイムチャートである。ここでは、スタック出力電流Ｉｓが所定の電流値Ｉｐよりも小さくなり、電解質膜が湿った状態（Ｗｅｔ）にシフトするようにカソードガスの供給流量が下げられる。なお、電解質膜を湿らせる湿潤制御のことを以下では「ＷＥＴ操作」ともいう。

　図１４（ａ）は、電解質膜の目標とする湿潤状態である目標湿潤状態を下げたときの実際の湿潤状態の変化を示す図である。図１４（ａ）には、破線により目標湿潤状態が示され、実線により実際の湿潤状態が示されている。

　図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示した湿潤制御によって燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量の変化を示す図である。図１４（ｂ）には、実線によりカソードガス供給流量が示され、破線により湿潤要求流量Ｑｒ_ｗが示され、点線により酸欠防止流量Ｑｐが示されている。また、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）の横軸は、互いに共通の時間軸である。

　時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間においては、図１４（ａ）に示すように、負荷５の要求電力が上げられて電解質膜が湿った状態となるように目標湿潤状態が急峻に下げられている。

　目標湿潤状態の低下に伴って、測定ＨＦＲと目標ＨＦＲの偏差がゼロよりも小さくなり、これに伴ってガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１から出力される湿潤要求流量Ｑｒ_ｗが小さくなり、図１４（ｂ）に示すようにカソードガス供給流量が低下する。

　カソードガス供給流量の低下により、燃料電池スタック１から取り出される水蒸気量が少なくなるので、図１４（ａ）の実線で示したように、目標湿潤状態に追随するように、実際の湿潤状態が湿った状態に遷移する。

　時刻ｔ１では、図１４（ｂ）に示すように、実際の湿潤状態を目標湿潤状態に早期に遷移させるために、カソードガス供給流量は、目標湿潤状態を維持するのに必要となる供給流量からさらに下げられる。すなわち、コントローラ２００は、目標湿潤状態をＤｒｙ寄りの状態からＷｅｔ寄りの状態に切り替えたときにはカソードガス供給流量をオーバーシュート（アンダーシュート）させる。

　時刻ｔ２の直前において、例えば、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱがガス流量閾値Ｔｈ_ｑよりも小さくなり、ガス欠乏判定部３３０によって酸欠フラグがＯＮに設定される。これに伴って、目標流量設定部３４０によりカソードガス目標流量が過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０の出力値に切り替えられる。

　時刻ｔ２を経過すると、図１４（ｂ）に示すように、湿潤要求流量Ｑｒ_ｗが酸欠防止流量Ｑｐよりも低下するため、酸欠防止流量Ｑｐがアノードガス目標流量Ｑｔに設定される。これにより、カソードガス供給流量が酸欠防止流量Ｑｐに維持されるので、燃料電池が酸欠状態になるのを防ぐことができ、燃料電池の発電効率の低下を防止することができる。

　時刻ｔ３において、図１４（ｂ）に示すように、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱがガス流量閾値Ｔｈ_ｑよりも大きくなるため、ガス欠乏判定部３３０によって酸欠フラグがＯＦＦに設定される。これに伴って、目標流量設定部３４０によりカソードガス目標流量Ｑｔが湿潤要求流量Ｑｒ_ｗに切り替えられる。

　そして、図１４（ａ）に示すように、実際の湿潤状態が目標湿潤状態に近づくにつれて、図１４（ｂ）に示すように、カソードガス供給流量が、定常状態の湿潤要求流量Ｑｒ_ｗまで徐々に上昇する。

　このように、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、電解質膜の湿潤状態を検出した値をフィードバックしてカソードガス供給流量をフィードバック制御する。これにより、湿潤制御が実行されるときには、カソードガス供給流量を定常状態の流量よりもさらに下げることができ、電解質膜の湿潤状態を早期に目標湿潤状態に遷移させることができる。

　また、カソードガス供給流量をオーバーシュートさせることを考慮し、ガス欠乏判定部３３０によって燃料電池が酸欠状態になり得ると判定されたときには、カソードガス供給流量は、湿潤要求流量Ｑｒ_ｗから酸欠防止流量Ｑｐに切り替えられる。これにより、燃料電池が酸欠状態になるのを回避できるので、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。

　さらに、電解質膜の湿潤状態に基づいてフィードバック制御が行われるので、負荷５の要求電力に基づいてフィードバック制御が行われる場合に比べて、カソードガス供給流量の下げ幅や各燃料電池に分配される流量の誤差などを考慮した余裕代を小さくできる。このため、カソードガス供給流量が過剰に増やされることが少なくなるので、コンプレッサ３２の消費電力の増加を低減することができる。

　したがって、燃料電池スタック１における各電解質膜の湿潤状態を早期に目標とする湿潤状態に移行させることができるとともに、燃料電池システム１００の消費電力を低減することができる。

　本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１における燃料電池の電解質膜に対してアノードガスを供給するアノードガス給排装置２と、電解質膜にカソードガスを供給するカソードガス給排装置３とを含む。そして燃料電池システム１００は、カソードガス給排装置３によるカソードガスの供給とアノードガス給排装置２によるアノードガスの供給とを制御して燃料電池の発電を制御するコントローラ２００の発電制御部３００とを含む。

　さらに、燃料電池システム１００は、電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態手段として、インピーダンス測定装置６、及び、膜湿潤状態検出部２１０を備える。そして、電解質膜に供給されるカソードガスの供給状態を検出する供給状態検出手段として、電圧センサ５２、インピーダンス測定装置６、及び、ガス供給状態検出部２２０を備える。

　そして、発電制御部３００は、優先制御部３０２を備え、膜湿潤状態検出部２１０から出力される信号に基づいて、電解質膜に供給されるカソードガスの供給量を制御することで燃料電池の発電状態を制御する。これにより、負荷５の要求電力の変化などに伴って目標とする湿潤状態が大きく低下したときには、カソードガスの供給量がオーバーシュートするので、電解質膜の湿潤状態を迅速に目標とする湿潤状態に移行させることができる。

　また、一般的に、負荷５の要求電力に基づいてカソードガス供給量の制御が行われる場合は、燃料電池の酸欠に伴う発電効率の低下を回避するのに、カソードガス供給量のオーバーシュートや、各燃料電池に分配される流量の誤差、ガス拡散層のガス輸送抵抗の誤差などが考慮される。その結果、カソードガスの供給量は、燃料電池スタック１の発電に最低限必要となる供給量よりも多目に設定されることになるので、コンプレッサ３２の消費電力が定常的に増加してしまう。

　これに対して、本実施形態によれば、膜湿潤状態検出部２１０からの信号に基づいてカソードガス供給量の制御が行われるので、各燃料電池に分配される流量の誤差やガス輸送抵抗の誤差などを考慮しないことが要因で燃料電池の発電効率の低下を招く恐れはない。このため、余裕代を多めに採る必要性がないので、コンプレッサ３２の消費電力を低減することができる。

　優先制御部３０２は、ガス供給状態検出部２２０からの信号によりカソードガスの供給量が不足すると判定された場合には、膜湿潤状態検出部２１０からの信号に優先して、ガス供給状態検出部２２０からの信号によりカソードガスの供給量を制御することで発電状態を制御する。これにより、カソードガス供給量のオーバーシュートが原因で燃料電池が酸欠状態になり得るときであっても、カソードガス供給量が燃料電池スタック１の発電に最低限必要となる供給量に維持されるので、燃料電池の酸欠に起因する発電効率の低下を抑制することができる。

　このように本実施形態によれば、燃料電池の発電効率の低下を抑制しつつ、燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス給排装置３において消費される電力の増加を低減することができる。

　また本実施形態によれば、優先制御部３０２は、カソードガスの供給量が不足すると判定されてから、ガス供給状態検出部２２０からの信号が所定の閾値よりも高くなって供給量が不足しないと判定されるまでの間は、燃料電池スタック１の出力電力に基づいてカソードガスの供給量を制御する。これにより、カソードガスの供給量が不足する可能性があるときには、燃料電池の発電に必要となるガス供給量が確保されるので、燃料電池の酸欠状態を回避することができ、燃料電池の発電効率の低下を防ぐことができる。

　さらに本実施形態によれば、発電制御部３００のガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１は、膜湿潤状態検出部２１０からの信号（測定ＨＦＲ）と湿潤状態の目標値（目標ＨＦＲ）との偏差に基づいて、カソードガスの供給量を制御するための湿潤要求流量を演算する。そして、優先制御部３０２は、カソードガスの供給量が不足すると判定された場合において、湿潤要求流量が、燃料電池スタック１の出力電力に基づく供給量（酸欠防止流量）よりも低下した場合には、カソードガスの供給量を、燃料電池スタック１の出力電力に基づく供給量に設定する。これにより、カソードガスの供給量が急峻に変動するのを抑制することができる。

　また本実施形態によれば、ガス供給状態検出部２２０は、燃料電池スタック１の電圧、カソードガス給排装置３の制御量、及び、燃料電池スタック１の内部インピーダンスのうち少なくともひとつのパラメータに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給状態を検出する。これにより、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給量が、燃料電池スタック１の発電に必要な供給量よりも不足する状態になること、すなわち燃料電池が酸欠状態になることを事前に予測することができる。

　例えば、ガス供給状態検出部２２０は、電圧センサ５２によって検出される燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓが所定値よりも低くなるほど、優先制御部３０２に出力される出力信号を大きくする。または、ガス供給状態検出部２２０は、カソードガス給排装置３の制御量であるコンプレッサ３２の回転速度とカソード調圧弁３４の開度とに基づいて、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱを演算し、余剰量ΔＱが小さくなるほど、出力信号を大きくするようにしてもよい。あるいは、ガス供給状態検出部２２０は、複数の異なる周波数で測定された燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいてカソード極反応抵抗Ｒｃを演算し、カソード極反応抵抗Ｒｃが大きくなるほど、出力信号を大きくするようにしてもよい。

　また、優先制御部３０２は、上述の酸欠度合いを示す複数の出力信号を組み合わせることにより、燃料電池の酸欠状態をより正確に判定することが可能となる。例えば、優先制御部３０２は、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓとカソードガス供給流量の余剰量ΔＱとを用いて燃料電池の酸欠状態を推定してもよく、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓとカソード極反応抵抗Ｒｃとを用いて燃料電池の酸欠状態を推定してもよい。あるいは、優先制御部３０２は、カソード極反応抵抗Ｒｃとカソードガス供給流量の余剰量ΔＱとを用いて燃料電池の酸欠状態を推定してもよい。

　なお、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１のＦ／Ｂゲイン、すなわち比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉは、カソードガス供給流量がオーバーシュートするように大きな値に固定されている。そのため、燃料電池の酸欠を回避した後にカソードガス目標流量が酸欠防止流量から湿潤要求流量に切り替えられたときには、カソードガスの供給流量が変動することが懸念される。

（第２実施形態）
　そこで、本発明の第２実施形態として、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０が、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１のＦ／Ｂゲインを変更する例について説明する。

　本実施形態では、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号に基づいて、カソードガス供給流量の下げ幅が小さくなるようにＦ／Ｂゲインを変更する。例えば、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、酸欠度合いを示す信号が所定の閾値を超えたときには、フィードバック制御に用いられる比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉのうち少なくとも一方のゲインを変更する。

　図１５は、本発明の第２実施形態における過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０の機能構成の一例を示すブロック図である。ここでは、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０が比例ゲインＧｐを変更する例について説明する。過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０が積分ゲインＧｉを変更する例については、図１６を参照して後述する。

　なお、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０以外の構成は、第１実施形態における燃料電池システム１００と同じ構成である。そのため、以下では、第１実施形態と同じ構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

　過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、図８に示した酸欠防止流量演算部３２１及び流量制限部３２２に加えて、第１比例ゲイン演算部３２３Ａと、第２比例ゲイン演算部３２３Ｂと、第３比例ゲイン演算部３２３Ｃと、比例ゲイン設定部３２４とを含んでいる。なお、図１５では、酸欠防止流量演算部３２１及び流量制限部３２２以外の構成についてのみ示されている。

　第１比例ゲイン演算部３２３Ａは、酸欠度合いを示す第１のパラメータである燃料電池スタック１の電圧に基づいて、比例ゲインＧｐを演算する。例えば、第１比例ゲイン演算部３２３Ａは、燃料電池スタック１の電圧が低下するほど、酸欠度合いが大きくなるため、比例ゲインＧｐを小さくする。

　本実施形態では、スタック出力電圧と比例ゲインＧｐとの関係を示す第１比例ゲイン制御マップが、第１比例ゲイン演算部３２３Ａに予め記憶されている。

　第１比例ゲイン制御マップにおいては、スタック出力電圧が第２電圧値ｖ２から最大出力電圧値までの範囲内で比例ゲインが基準値Ｇｐ_ｂに設定されている。比例ゲインの基準値Ｇｐ_ｂは、実験データ等を用いて、目標ＨＦＲが低下したときに電解質膜が早期に湿潤状態に移行するように設定される。すなわち、比例ゲインの基準値Ｇｐ_ｂは、目標ＨＦＲが低下する過渡状態においてカソードガス供給流量がオーバーシュートするように設定される。

　スタック出力電圧Ｖｓが電圧閾値Ｔｈ_ｖよりも大きな第１電圧値ｖ１から第２電圧値ｖ２までの範囲内では、スタック出力電圧Ｖｓが小さくなるほど、比例ゲインＧｐは小さくなる。これにより、スタック出力電圧Ｖｓが小さくなるほど、カソードガス供給流量の下げ幅が小さくなる。このように比例ゲインＧｐをスタック出力電圧に応じて滑らかに変更する理由は、比例ゲインの設定を基準値Ｇｐ_ｂから下限値に急峻に切り替えたときに起こり得るカソードガス供給流量の変動を防止するためである。

　スタック出力電圧Ｖｓがゼロから第１電圧値ｖ１までの範囲内では、比例ゲインＧｐは、予め定められた下限値に設定される。これにより、カソードガス供給流量のオーバーシュートが抑制される。

　このような第１比例ゲイン制御マップが、第１比例ゲイン演算部３２３Ａに記録される。第１比例ゲイン演算部３２３Ａは、電圧センサ５２からスタック出力電圧Ｖｓを取得すると、第１比例ゲイン制御マップを参照し、取得したスタック出力電圧Ｖｓに関係付けられた比例ゲインＧｐを算出する。第１比例ゲイン演算部３２３Ａは、その比例ゲインＧｐを比例ゲイン設定部３２４に出力する。

　第２比例ゲイン演算部３２３Ｂは、酸欠度合いを示す第２のパラメータであるカソードガス供給流量の余剰量ΔＱに基づいて、比例ゲインＧｐを演算する。例えば、第２比例ゲイン演算部３２３Ｂは、余剰量ΔＱが少なくなるほど、酸欠度合いが大きくなるため、比例ゲインＧｐを小さくする。

　本実施形態では、カソードガス供給流量の余剰量と比例ゲインＧｐとの関係を示す第２比例ゲイン制御マップが、第２比例ゲイン演算部３２３Ｂに予め記憶されている。

　第２比例ゲイン制御マップにおいては、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱが第２流量ｑ２から最大流量までの範囲内で比例ゲインＧｐが基準値Ｇｐ_ｂに設定されている。比例ゲインの基準値Ｇｐ_ｂは、第１比例ゲイン制御マップに設定されたものと同じ値である。

　余剰量ΔＱが、ガス流量閾値Ｔｈ_ｑよりも大きな第１余剰量ｑ１から第２余剰量ｑ２までの範囲内では、余剰量ΔＱが小さくなるほど、比例ゲインＧｐは小さくなる。これにより、余剰量ΔＱが小さくなるほど、カソードガス供給流量の下げ幅が小さくなる。このように比例ゲインＧｐを滑らかに変更する理由は、比例ゲインＧｐの設定を基準値Ｇｐ_ｂから下限値に急峻に切り替えたときに起こり得るカソードガス供給流量の変動を防止するためである。

　余剰量ΔＱがゼロから第１余剰量ｑ１までの範囲においては、比例ゲインＧｐは、予め定められた下限値に設定される。これにより、カソードガス供給流量のオーバーシュートが抑制される。

　このような第２比例ゲイン制御マップが、第２比例ゲイン演算部３２３Ｂに記録される。第２比例ゲイン演算部３２３Ｂは、ガス供給状態検出部２２０の酸欠度合い算出部２２３から余剰量ΔＱを取得すると、第２比例ゲイン制御マップを参照し、取得した余剰量ΔＱに関係付けられた比例ゲインＧｐを算出する。第２比例ゲイン演算部３２３Ｂは、その比例ゲインＧｐを比例ゲイン設定部３２４に出力する。

　第３比例ゲイン演算部３２３Ｃは、酸欠度合いを示す第３のパラメータであるカソード極反応抵抗Ｒｃに基づいて、比例ゲインＧｐを演算する。例えば、第３比例ゲイン演算部３２３Ｃは、カソード極反応抵抗Ｒｃが大きくなるほど、酸欠度合いが大きくなるため、比例ゲインＧｐを小さくする。

　本実施形態では、カソード極反応抵抗と比例ゲインＧｐとの関係を示す第３比例ゲイン制御マップが、第３比例ゲイン演算部３２３Ｃに予め記憶されている。

　第３比例ゲイン制御マップにおいては、カソード極反応抵抗がゼロから第１抵抗値ｒ１までの範囲内で比例ゲインＧｐが基準値Ｇｐ_ｂに設定されている。比例ゲインの基準値Ｇｐ_ｂは、第１比例ゲイン制御マップに設定されたものと同じ値である。

　カソード極反応抵抗Ｒｃが第１抵抗値ｒ１から第２抵抗値ｒ２までの範囲内では、カソード極反応抵抗Ｒｃが小さくなるほど、比例ゲインＧｐは小さくなる。これにより、カソード極反応抵抗Ｒｃが小さくなるほど、カソードガス供給流量の下げ幅が小さくなる。このように比例ゲインＧｐを滑らかに変更する理由は、比例ゲインＧｐの設定を基準値Ｇｐ_ｂから下限値に急峻に切り替えたときに起こり得るカソードガス供給流量の変動を防止するためである。

　カソード極反応抵抗Ｒｃが、抵抗閾値Ｔｈ_ｒよりも大きな第２抵抗値ｒ２から最大抵抗値までの範囲内では、比例ゲインＧｐは、予め定められた下限値に設定される。これにより、カソードガス供給流量のオーバーシュートが抑制される。

　このような第３比例ゲイン制御マップが第３比例ゲイン演算部３２３Ｃに記録される。第３比例ゲイン演算部３２３Ｃは、ガス供給状態検出部２２０からカソード極反応抵抗Ｒｃを取得すると、第３比例ゲイン制御マップを参照し、取得したカソード極反応抵抗Ｒｃに関係付けられた比例ゲインＧｐを算出する。第３比例ゲイン演算部３２３Ｃは、その比例ゲインＧｐを比例ゲイン設定部３２４に出力する。

　比例ゲイン設定部３２４は、比例器３１３に設定される比例ゲインＧｐを選択する。比例ゲイン設定部３２４は、第１～第３比例ゲイン演算部３２３Ａ～３２３Ｃから出力される３つの比例ゲインのうち最も小さな値を比例器３１３に設定する。このように３つの出力値のうち最も小さな値を設定することにより、燃料電池の酸欠をより確実に防止することができる。

　図１６は、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０における積分ゲインＧｉを変更する機能構成の一例を示すブロック図である。

　過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、図１５に示した機能構成に加えて、第１積分ゲイン演算部３２５Ａと、第２積分ゲイン演算部３２５Ｂと、第３積分ゲイン演算部３２５Ｃと、積分ゲイン設定部３２６とを含んでいる。

　第１～第３積分ゲイン演算部３２５Ａ～３２５Ｃは、それぞれ、第１～第３比例ゲイン演算部３２３Ａ～３２３Ｃと同様の構成である。すなわち、第１積分ゲイン演算部３２５Ａには、第１積分ゲイン制御マップが記憶されており、第２積分ゲイン演算部３２５Ｂには、第２積分ゲイン制御マップが記憶されており、第３積分ゲイン演算部３２５Ｃには、第３積分ゲイン制御マップが記憶されている。

　第１～第３積分ゲイン制御マップにおける積分ゲインの基準値Ｇｉ_ｂ及び下限値は、比例ゲインの基準値Ｇｐ_ｂ及び下限値と同様に実験データ等により設定される。

　積分ゲイン設定部３２６は、積分器３１６に設定される積分ゲインＧｉを選択する。積分ゲイン設定部３２６は、第１～第３積分ゲイン演算部３２５Ａ～３２５Ｃから出力される３つの積分ゲインのうち最も小さな値を積分器３１６に設定する。

　このように過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０では、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号に基づいて、カソードガス供給流量の下げ幅が小さくなるように比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉが変更される。例えば、スタック出力電圧Ｖｓが第１電圧値ｖ１よりも小さい場合には、燃料電池が酸欠状態になり得ると判定され、比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉが基準値よりも小さな値に設定される。これにより、目標ＨＦＲが前回値よりも小さい値に切り替えられた場合においてカソードガス供給流量を滑らかに下げることが可能となる。

　なお、本実施形態では酸欠度合いを示す３つのパラメータを含む信号に基づいて比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉを同時に変更する例について説明したが、比例ゲインＧｐのみ、又は、積分ゲインＧｉのみを変更するようにしてもよい。この場合であっても、目標ＨＦＲが低下した場合においてカソードガス供給流量を滑らかに下げることができる。

　次に本実施形態における燃料電池システム１００の動作について説明する。

　図１７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、図９に示したステップＳ１からＳ１０までの一連の処理手順に加えて、ステップＳ１１からＳ１３までの各処理が追加されている。そのため、ここでは、ステップＳ１１からステップＳ１３までの各処理についてのみ説明する。

　ステップＳ１１において優先制御部３０２は、ステップＳ６の処理が終了した後、電解質膜を湿らせる湿潤制御であるＷＥＴ操作が実行されるか否かを判断する。すなわち、優先制御部３０２は、ＷＥＴ操作が実行される場合には、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給量が、燃料電池スタック１の発電に最低限必要となる供給量よりも不足する可能性があると判断する。

　例えば、優先制御部３０２は、前回の目標ＨＦＲから今回の目標ＨＦＲを減算した値、すなわち目標ＨＦＲの下げ幅が所定の値を超える場合には、ＷＥＴ操作が実行されると判断する。あるいは、優先制御部３０２は、測定ＨＦＲから目標ＨＦＲを減算した値が所定の値を超える場合には、ＷＥＴ操作が実行されると判断するようにしてもよい。

　そして、ＷＥＴ操作が実行されると判断された場合には、優先制御部３０２は、ステップＳ１２の処理に進む。

　ステップＳ１２において優先制御部３０２の過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示すパラメータの信号に基づいて、カソードガス供給流量の下げ幅を抑制する処理を実行する。

　具体的には、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、酸欠度合いを示す３つのパラメータに基づいて、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１における比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉの両者を小さくする。すなわち、優先制御部３０２は、ＷＥＴ操作が実行されると判定された場合には、ガス供給状態検出部２２０からの信号に応じて、カソードガスの供給状態が酸欠状態に近づくほど、カソードガスの供給量を減らす量を小さくする。このようなカソードガス供給流量下げ幅抑制処理については、図１８を参照して後述する。

　この後、ステップＳ７からステップＳ１０までの一連の処理が実行される。例えば、ステップＳ８で燃料電池が酸欠状態となり得ると判定された場合には、ステップＳ９でカソードガス供給流量下げ過ぎ防止処理が実行される。すなわち、カソードガスの供給状態が、カソードガス供給量の低下を許容できない状態に達したときには、優先制御部３０２は、燃料電池スタック１の出力電力に基づいて、カソードガスの供給量を制限する。そしてステップＳ１０の処理が終了すると、燃料電池システム１００の制御方法が終了する。

　一方、ステップＳ１１で優先制御部３０２によりＷＥＴ操作が実行されないと判断された場合には、ステップＳ１３の処理に進む。

　ステップＳ１３において過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１における比例ゲインＧｐを基準値Ｇｐ_ｂに設定するとともに、積分ゲインＧｉを基準値Ｇｉ_ｂに設定する。すなわち、過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１に設定されるＦ／Ｂゲインをデフォルト値に設定する。その後、ステップＳ７からステップＳ１０までの一連の処理が実行され、燃料電池システム１００の制御方法が終了する。

　このように、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法では、優先制御部３０２は、ＷＥＴ操作が実行されるか否かに応じて、カソードガス供給流量下げ幅抑制処理の要否を判断する。このため、ＷＥＴ操作が実行される場合にのみカソードガス供給流量下げ幅抑制処理が実行され、ＷＥＴ操作が行われない場合にはカソードガス供給流量下げ幅抑制処理が実行されないので、コントローラ２００の演算処理を削減することができる。

　なお、図１７ではステップＳ１１の処理がステップＳ６の処理後に追加されているが、ステップＳ１１の処理は、ステップＳ４の処理とステップＳ５の処理との間に追加してもよい。

　図１８は、図１７に示したステップＳ１２で実行されるカソードガス供給流量下げ幅抑制処理の一例を示すフローチャートである。

　ステップＳ１２１において第１比例ゲイン演算部３２３Ａは、スタック出力電圧Ｖｓに基づいて比例ゲインＧｐを算出する。例えば、第１比例ゲイン演算部３２３Ａは、スタック出力電圧Ｖｓが低下するほど、酸欠度合いが大きくなるため、比例ゲインＧｐを小さくする。

　ステップＳ１２２において第２比例ゲイン演算部３２３Ｂは、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱに基づいて比例ゲインＧｐを算出する。例えば、第２比例ゲイン演算部３２３Ｂは、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱが少なくなるほど、酸欠度合いが大きくなるため、比例ゲインＧｐを小さくする。

　ステップＳ１２３において第３比例ゲイン演算部３２３Ｃは、カソード極反応抵抗Ｒｃに基づいて比例ゲインＧｐを算出する。例えば、第３比例ゲイン演算部３２３Ｃは、カソード極反応抵抗Ｒｃが大きくなるほど、酸欠度合いが大きくなるため、比例ゲインＧｐを小さくする。

　ステップＳ１２４において比例ゲイン設定部３２４は、ステップＳ１２１からステップＳ１２３までの各処理で算出された３つの比例ゲインＧｐのうち最も小さな値を比例器３１３に出力する。これにより、燃料電池が酸欠状態に近づくほど、カソードガス供給流量の下げ幅が小さくなる。

　ステップＳ１２５において第１積分ゲイン演算部３２５Ａは、スタック出力電圧Ｖｓに基づいて積分ゲインＧｉを算出する。例えば、第１積分ゲイン演算部３２５Ａは、スタック出力電圧Ｖｓが低下するほど、酸欠度合いが大きくなるため、積分ゲインＧｉを小さくする。

　ステップＳ１２６において第２積分ゲイン演算部３２５Ｂは、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱに基づいて積分ゲインＧｉを算出する。例えば、第２積分ゲイン演算部３２５Ｂは、カソードガスの余剰量ΔＱが少なくなるほど、酸欠度合いが大きくなるため、積分ゲインＧｉを小さくする。

　ステップＳ１２７において第３積分ゲイン演算部３２５Ｃは、カソード極反応抵抗Ｒｃに基づいて積分ゲインＧｉを算出する。例えば、第３積分ゲイン演算部３２５Ｃは、カソード極反応抵抗Ｒｃが大きくなるほど、酸欠度合いが大きくなるため、積分ゲインＧｉを小さくする。

　ステップＳ１２８において積分ゲイン設定部３２６は、ステップＳ１２５からステップＳ１２７までの各処理で算出された３つの積分ゲインＧｉのうち最も小さな値を積分器３１６に出力する。これにより、燃料電池が酸欠状態に近づくほど、カソードガス供給流量の下げ幅が小さくなる。

　ステップＳ１２８の処理が終了すると、カソードガス供給流量下げ幅抑制処理が完了し、図１７に示したステップＳ１２に戻る。そして過渡時ガス流量下げ幅制限部３２０は、比例器３１３の比例ゲインＧｐ及び積分器３１６の積分ゲインＧｉを変更して、ステップ１３の処理に進む。

　図１９は、ＷＥＴ操作が実行された場合において比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉを小さくしたときのオーバーシュートの変化を示す図である。ここでは、図１４（ａ）に示したように目標ＨＦＲが急峻に低下したときのカソードガス供給流量の下げ幅の変化が示されている。

　図１９に示すように、比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉを小さくするほど、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量については、定常状態の供給流量からの下げ幅が小さくなる。

　このように優先制御部３０２は、ＷＥＴ操作が実行されると判定された場合には、カソードガスの供給状態が酸欠状態に近づくほど、単位時間あたりのカソードガス供給流量の減少量を小さくする。

　図２０は、ＷＥＴ操作を実行したときのカソードガス供給流量の変化の一例を示すタイムチャートである。

　図２０では、カソードガス供給流量下げ幅抑制処理を実行したときの燃料電池システム１００の運転状態が実線により示され、カソードガス供給流量下げ幅抑制処理を実行しなかったときの燃料電池システム１００の運転状態が一点鎖線により示されている。また、酸欠度合いを示すパラメータとして、燃料電池スタック１の出力電圧のみが用いられている。

　図２０（ａ）は、インピーダンス測定装置６から出力される測定ＨＦＲの変化を示す図である。

　図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示した測定ＨＦＲに基づいて比例器３１３に設定される比例ゲインＧｐの変化を示す図である。図２０（ｃ）は、図２０（ａ）に示した測定ＨＦＲに基づいて積分器３１６に設定される積分ゲインＧｉの変化を示す図である。

　図２０（ｄ）は、図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）に示した比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉの変化に伴うカソードガス供給流量の変化を示す図である。図２０（ｅ）は、図２０（ｄ）に示したカソードガス供給流量の変化に伴う燃料電池スタック１の出力電圧Ｖｓの変化を示す図である。図２０（ａ）から図２０（ｄ）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において、図２０（ａ）に示すように、目標ＨＦＲ演算器３１１によって目標ＨＦＲが測定ＨＦＲよりも低い値に設定される。すなわち、電解質膜を湿らせるＷＥＴ操作が実行される。

　そして、ガス流量Ｆ／Ｂ制御部３０１によって測定ＨＦＲが目標ＨＦＲまで下がるように湿潤要求流量Ｑｒ_ｗが演算され、この湿潤要求流量Ｑｒ_ｗがカソードガス目標流量Ｑｔとして設定される。

　これに伴い、時刻ｔ２０から時間が経過するにつれて、図２０（ｄ）に示すように、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量が低下する。これにより、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の流量が少なくなるので、図２０（ａ）に示すように測定ＨＦＲが低下する。

　また、カソードガス供給流量が低下するにつれて、図２０（ｅ）に示すように燃料電池スタック１の出力電圧が低下する。

　時刻ｔ２１において、燃料電池スタック１の出力電圧が第１電圧値ｖ１まで低下する。このため、図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）に示すように、燃料電池スタック１の出力電圧が低下するにつれて、比例ゲインＧｐが基準値Ｇｐ_ｂよりも小さな値に設定されるとともに、積分ゲインＧｉが基準値Ｇｐ_ｂよりも小さな値に設定される。

　これにより、図２０（ｄ）に示すように、実線で示したカソードガス供給流量の下げ幅は、一点鎖線で示したカソードガス供給流量の下げ幅に対して小さくなる。すなわち、優先制御部３０２は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給状態が、供給量の不足した状態に近づくほど、カソードガスの供給量を減らす量を小さくする。

　このように酸欠度合いに応じてＦ／Ｂゲインを小さくすることにより、オーバーシュートが抑制されるので、図２０（ｅ）に示すように、燃料電池スタックの出力電圧が電圧閾値Ｔｈ_ｖまで低下するのを防ぐことができる。すなわち、カソードガス供給流量の下げ過ぎに伴う燃料電池の酸欠を防止することができる。

　一方、カソードガス供給流量下げ幅抑制処理を実行しなかったときには、比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉは共に基準値に固定された状態に維持される。その結果、図２０（ｄ）の一点鎖線に示すように、カソードガス供給流量の下げ幅が大きくなり過ぎ、時刻ｔ２２において燃料電池スタックの出力電圧Ｖｓが電圧閾値Ｔｈ_ｖまで低下してしまう。

　そして、燃料電池スタック１の出力電圧が電圧閾値Ｔｈ_ｖよりも低下すると、カソードガス供給流量が反対に極端に増加し、これに伴い、水蒸気の排出量が増加するため、図２０（ａ）の一点鎖線に示すように測定ＨＦＲが高くなってしまう。この後、時刻ｔ２３においてカソードガス供給流量が急峻に低下することになる。

　このように、Ｆ／Ｂゲインを固定した状態で燃料電池スタック１の出力電圧が電圧閾値Ｔｈ_ｖよりも低下すると、カソードガス供給流量が短時間で大きく変動してしまうので、コンプレッサ３２の音振が大きくなってしまう。さらに、図２０（ａ）に示すように、燃料電池スタック１が目標ＨＦＲに到達するまでの時間が、時刻ｔ２４から時刻ｔ２５までの期間だけ長くなってしまう。

　これ対して本実施形態では、ＷＥＴ操作時においてカソードガス供給流量下げ幅抑制処理が実行されるので、カソードガス供給流量の減り過ぎを防止するとともに、カソードガス供給流量を滑らかに低下させることができる。したがって、燃料電池が酸欠状態になるのを回避しつつ、燃料電池スタック１を早期に目標とする湿潤状態に移行させることができる。

　本発明の第２実施形態によれば、優先制御部３０２は、ＷＥＴ操作が実行されると判定されたとき、すなわちカソードガスの供給量が不足すると判定された場合には、ガス供給状態検出部２２０からの信号に応じて、カソードガスの供給量の下げ幅を小さくする。すなわち、優先制御部３０２は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給状態が、カソードガス供給量が不足した酸欠状態に近づくほど、カソードガスの供給量を減らす量を小さくする。

　これにより、燃料電池スタック１における燃料電池の酸欠を防止することができるとともに、電解質膜の状態を早期に湿った状態に移行させることができる。さらに、ＷＥＴ操作が実行されたときに限りカソードガスの供給量を減らす量を小さくすることで、無用な処理を減らすことができ、発電制御部３００での処理を削減することができる。

　また本実施形態によれば、優先制御部３０２は、図１７のステップＳ１１で膜湿潤状態検出部２１０からの信号に基づいてＷＥＴ操作が実行されると判定された場合において、ステップＳ８の処理のようにカソードガスの供給量が不足するか否かを判定する。そしてカソードガスの供給量が不足すると判定されたときに、優先制御部３０２は、ステップＳ９の処理のように、電流センサ５１からのスタック出力電流Ｉｓに基づいてカソードガスの供給量を制御する。一方、カソードガスの供給量が不足すると判定されなかったときには、優先制御部３０２は、スタック出力電流Ｉｓに基づくカソードガスの供給量の制御を制限（禁止）する。

　これにより、ＷＥＴ操作を実行しているときであっても、燃料電池が酸欠状態でなければ、スタック出力電流Ｉｓに基づくカソードガス供給量の制御が行われないので、無用な処理の実行を抑制することができる。

　また本実施形態によれば、カソードガスの供給量を減らす量を小さくした状態において、図９のステップＳ８の処理のようにガス欠乏判定部３３０は、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号が所定の閾値を超えたか否かを判断する。そしてステップＳ９の処理のように、酸欠度合いを示す信号が所定の閾値を超えたとき、すなわち、カソードガスの供給状態が酸欠状態に達したときには、優先制御部３０２は、燃料電池スタック１の出力電力に基づいて、カソードガスの供給量を制御する。

　これにより、カソードガス供給量の減少量を小さくした状態において燃料電池が酸欠になってしまうような状況であっても、カソードガスの供給量が燃料電池スタック１の発電に最低限必要な供給量（酸欠防止流量）よりも低くなるのを確実に阻止できる。

（第３実施形態）
　次に、本発明の第３実施形態における燃料電池システムについて以下に図面を参照して説明する。

　図２１は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１０１の構成を示す図である。

　燃料電池システム１０１は、図１に示した燃料電池システム１００の構成に加えて、バイパス通路３５及びバイパス弁３６を備えている。なお、バイパス通路３５及びバイパス弁３６以外の構成については、燃料電池システム１００の構成と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

　バイパス通路３５は、コンプレッサ３２から燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの一部を、燃料電池スタック１をバイパスして外部に排出するための通路である。

　バイパス通路３５の一端は、コンプレッサ３２よりも下流のカソードガス供給通路３１に接続され、他端は、カソード調圧弁３４よりも下流のカソードガス排出通路３３に接続される。すなわち、バイパス通路３５は、コンプレッサ３２よりも下流のカソードガス供給通路３１から分岐してカソード調圧弁３４よりも下流のカソードガス排出通路３３に合流する。

　バイパス弁３６は、バイパス通路３５に設けられる。バイパス弁３６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。バイパス弁３６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に供給されるカソードガスの供給流量が所望の流量に調節される。なお、バイパス弁３６の開度が大きくなるほどバイパス弁３６が開き、バイパス弁３６の開度が大きくなるほどバイパス弁３６が閉じる。

　コントローラ２００は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量を調節するために、コンプレッサ３２の回転速度及びカソード調圧弁３４の開度に加えて、バイパス弁の開度を制御する。

　例えば、コントローラ２００は、ＷＥＴ操作が実行される場合に、コンプレッサ３２のサージを回避するためにコンプレッサ３２の回転速度を所定の値よりも下げずに、バイパス弁３６の開度を大きくする。これにより、カソードガスの供給流量が減少するので、燃料電池スタック１における電解質膜を湿った状態にすることができる。

　図２２は、本実施形態におけるカソードガス供給流量推定部２２１Ａの機能構成の一例を示すブロック図である。カソードガス供給流量推定部２２１Ａは、図３に示したカソードガス供給流量推定部２２１に対応する。

　カソードガス供給流量推定部２２１Ａは、カソード調圧弁３４の開度と、バイパス弁３６の開度と、コンプレッサ３２の回転速度とに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量Ｑｃを推定する。

　カソードガス供給流量推定部２２１Ａは、メイン通路圧損特性抽出部２２１１Ａと、バイパス通路圧損特性抽出部２２１１Ｂと、圧力損失合成部２２１１Ｃと、カソードガス供給流量演算部２２１４とを含む。コンプレッサ動作特性抽出部２２１２及び交点抽出部２２１３の構成については、カソードガス供給流量推定部２２１の構成と同じであるため、同一符号を付してここでの説明を省略する。

　メイン通路圧損特性抽出部２２１１Ａには、メイン通路圧損マップが予め記録されている。このメイン通路圧損マップには、コンプレッサ３２の吐出流量と、カソードガス供給通路３１を構成するメイン通路の圧力損失との関係を示す圧力損失特性ΔＰａがカソード調圧弁３４の開度ごとに設定されている。ここにいうメイン通路とは、カソードガス供給通路３１におけるバイパス通路３５との分岐部分から、燃料電池スタック１を介してカソードガス排出通路３３におけるバイパス通路３５との合流部分までの通路のことである。

　メイン通路圧損特性抽出部２２１１Ａは、カソード調圧弁３４の開度の検出値を取得すると、メイン通路圧損マップを参照し、取得した検出値により特定される圧力損失特性を抽出する。メイン通路圧損特性抽出部２２１１Ａは、その抽出した圧力損失特性ΔＰａを圧力損失合成部２２１１Ｃに出力する。

　バイパス通路圧損特性抽出部２２１１Ｂには、バイパス通路圧損マップが予め記録されている。このバイパス通路圧損マップには、コンプレッサ３２の吐出流量と、バイパス通路３５の圧力損失との関係を示す圧力損失特性ΔＰｂがバイパス弁３６の開度ごとに設定されている。

　バイパス通路圧損特性抽出部２２１１Ｂは、バイパス弁３６の開度の検出値を取得すると、バイパス通路圧損マップを参照し、取得した検出値により特定される圧力損失特性を抽出する。バイパス通路圧損特性抽出部２２１１Ｂは、その抽出した圧力損失特性ΔＰｂを圧力損失合成部２２１１Ｃに出力する。

　圧力損失合成部２２１１Ｃは、メイン通路圧損特性抽出部２２１１Ａからメイン通路の圧力損失特性ΔＰａと、バイパス通路圧損特性抽出部２２１１Ｂからバイパス通路３５の圧力損失特性ΔＰｂとを取得する。そして、圧力損失合成部２２１１Ｃは、メイン通路の圧力損失特性ΔＰａ、及び、バイパス通路３５の圧力損失特性ΔＰｂに基づいて、カソードガス給排装置３における通路全体の圧力損失特性ΔＰを演算する。

　具体的には、圧力損失合成部２２１１Ｃは、次式に示すとおり、メイン通路の圧力損失特性ΔＰａ、及び、バイパス通路３５の圧力損失特性ΔＰｂに加えて、共通部分の圧力損失特性ΔＰｃを用いて、通路全体の圧力損失特性ΔＰを算出する。ここにいう共通部分の圧力損失特性ΔＰｃとは、カソードガス供給通路３１及びカソードガス排出通路３３のうち、メイン通路及びバイパス通路３５を除いた部分の圧力損失特性のことである。

　圧力損失合成部２２１１Ｃは、上式（１０）に従って算出された通路全体の圧力損失特性ΔＰを交点抽出部２２１３に出力する。

　交点抽出部２２１３は、圧力損失合成部２２１１Ｃからの圧力損失特性ΔＰと、コンプレッサ動作特性抽出部２２１２からの動作特性との交点を抽出する。交点抽出部２２１３は、その交点によりコンプレッサ３２から通路全体に吐出される吐出流量Ｑｇを特定し、その吐出流量Ｑｇをカソードガス供給流量演算部２２１４に出力する。

　カソードガス供給流量演算部２２１４は、通路全体の吐出流量Ｑｇと、メイン通路の圧力損失特性ΔＰａと、バイパス通路３５の圧力損失特性ΔＰｂとに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給流量の推定値Ｑｃを演算する。

　具体的には、カソードガス供給流量演算部２２１４は、通路全体の吐出流量Ｑｇにおいて、メイン通路の圧力損失ΔＰａとバイパス通路３５の圧力損失ΔＰｂとが一致したときのメイン通路の吐出流量を、カソードガス供給流量の推定値Ｑｃとして算出する。

　このように、カソードガス供給流量推定部２２１Ａは、カソード調圧弁３４及びバイパス弁３６の開度に基づいて通路全体の圧力損失特性ΔＰを特定し、その圧力損失特性ΔＰとコンプレッサ３２の吐出流量特性との交点を求めて吐出流量Ｑｇを推定する。そして、カソードガス供給流量推定部２２１Ａは、吐出流量Ｑｇをメイン通路及びバイパス通路３５に分配した場合においてメイン通路の圧力損失とバイパス通路３５の圧力損失とが一致したときのメイン通路に流れるカソードガスの流量をカソードガス供給流量Ｑｃとして特定する。

　次に、本実施形態における燃料電池システム１０１の動作について図面を参照して説明する。

　図２３は、本実施形態における燃料電池システム１０１の制御方法の一例を示すフローチャートである。

　本実施形態の制御方法では、図１７に示したステップＳ１１の処理に代えて、ステップＳ２１の処理が実行される。他の処理については、図１７で示した処理と同じであるため、ここでの説明を省略する。

　ステップＳ２１において優先制御部３０２は、バイパス弁３６の開度がゼロよりも大きいか否かを判断する。

　そしてバイパス弁３６が開かれている場合には、優先制御部３０２は、燃料電池が酸欠状態となり得ると判定し、ステップＳ１２の処理に進む。すなわち、優先制御部３０２は、バイパス弁３６が開かれた場合には、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの供給量が、燃料電池スタック１の発電に最低限必要となる供給量よりも不足する可能性があると判断する。

　一方、バイパス弁３６が開かれていない場合には、優先制御部３０２は、燃料電池が酸欠状態となり得ないと判定し、ステップＳ１３の処理に進む。

　このように、バイパス弁３６の開度が大きくなるタイミングでは、カソードガス供給流量が低下するので、ステップＳ１２の処理を実行することにより、フィードバック制御に伴う変動を抑制することができる。

　図２４は、本実施形態におけるステップＳ５のカソードガス余剰量演算処理の一例を示すフローチャートである。

　カソードガス余剰量演算処理では、図１０に示したステップＳ５１、Ｓ５２及びＳ５４の各処理に代えて、ステップＳ５１１、Ｓ５２１～Ｓ５２３及びＳ５４１～Ｓ５４２の各処理が実行される。他の処理については、図１０で示した処理と同じであるため、ここでの説明を省略する。

　ステップＳ５１１においてカソードガス供給流量推定部２２１Ａは、コンプレッサ３２の回転速度及びカソード調圧弁３４の開度に加えて、カソードガス給排装置３の制御量として、バイパス弁３６の開度を取得する。バイパス弁３６の開度として、カソードガス供給流量推定部２２１Ａは、例えば、バイパス弁３６に設けられた開度センサからの検出信号を取得する。

　ステップＳ５２１においてメイン通路圧損特性抽出部２２１１Ａは、図２２で述べたとおり、カソード調圧弁３４の開度に基づいて、メイン通路の圧力損失特性ΔＰａを特定する。

　ステップＳ５２２においてバイパス通路圧損特性抽出部２２１１Ｂは、図２２で述べたとおり、バイパス弁３６の開度に基づいて、バイパス通路３５の圧力損失特性ΔＰｂを特定する。

　ステップＳ５２３において圧力損失合成部２２１１Ｃは、式（１０）に示したように、メイン通路の圧力損失特性ΔＰａと、バイパス通路３５の圧力損失特性ΔＰｂと、共通部分の圧力損失特性ΔＰｃとに基づいて、通路全体の圧力損失特性ΔＰを演算する。

　ステップＳ５３においてコンプレッサ動作特性抽出部２２１２は、図１０で述べたとおり、コンプレッサ３２の回転速度に基づいて、コンプレッサ３２の吐出流量特性を特定する。

　ステップＳ５４１において交点抽出部２２１３は、ステップＳ５３の処理で抽出されるコンプレッサ３２の吐出流量特性と、ステップＳ５２３の処理で算出される通路全体の圧力損失特性ΔＰとを互いに重ね合わせたときの交点を特定する。交点抽出部２２１３は、その交点により特定されるコンプレッサ３２の吐出流量、すなわちカソードガスの総流量Ｑｇを算出する。

　ステップＳ５４２においてカソードガス供給流量演算部２２１４は、コンプレッサ３２の吐出流量と、メイン通路の圧力損失特性ΔＰａと、バイパス通路３５の圧力損失特性ΔＰｂとに基づいて、カソードガス供給流量Ｑｃを演算する処理を実行する。このようなカソードガス供給流量演算処理の詳細については、図２５を参照して後述する。

　ステップＳ５５において負荷要求流量演算部２２２は、図１０で述べたとおり、スタック目標電流に基づいて、カソードガスの負荷要求流量Ｑｒ_ｌを演算する。

　ステップＳ５６において酸欠度合い算出部２２３は、図１０で述べたとおり、カソードガス供給流量Ｑｃから負荷要求流量Ｑｒ_ｌを減算することにより、カソードガス供給流量の余剰量ΔＱを算出して、カソードガス余剰量演算処理が終了する。

　図２５は、ステップＳ５４２で実行されるカソードガス供給流量演算処理の一例を示すフローチャートである。

　ステップＳ５４２１においてカソードガス供給流量演算部２２１４は、コンプレッサ３２の吐出流量Ｑｇを半分にした値（Ｑｇ／２）を、メイン通路の暫定供給流量Ｑｔｃ及びバイパス通路３５の暫定バイパス流量Ｑｔｂに初期値として共に設定する。

　ステップＳ５４２１においてカソードガス供給流量演算部２２１４は、ステップＳ５２１の処理で特定されたメイン通路の圧損特性ΔＰａを参照し、暫定供給流量Ｑｔｃに対応する圧力損失ΔＰｔａを算出する。

　ステップＳ５４２２においてカソードガス供給流量演算部２２１４は、ステップＳ５２２の処理で特定されたバイパス通路の圧損特性ΔＰｂを参照し、暫定バイパス流量Ｑｔｂに対応する圧力損失ΔＰｔｂを算出する。

　ステップＳ５４２４においてカソードガス供給流量演算部２２１４は、メイン通路の圧力損失ΔＰｔａとバイパス通路の圧力損失ΔＰｔｂとが互いに等しいか否かを判断する。具体的には、カソードガス供給流量演算部２２１４は、メイン通路の圧力損失ΔＰｔａとバイパス通路の圧力損失ΔＰｔｂとの差分の絶対値を算出し、その絶対値が所定値以下であるか否かを判断する。なお、所定値は、ゼロに対して演算に伴う誤差等を考慮した値が加算されたものである。

　ステップＳ５４２５において、カソードガス供給流量演算部２２１４は、メイン通路の圧力損失ΔＰｔａとバイパス通路の圧力損失ΔＰｔｂとの差分の絶対値が所定値よりも大きい場合には、暫定供給流量Ｑｔｃ及び暫定バイパス流量Ｑｔｂを互いに変更する。

　具体的には、カソードガス供給流量演算部２２１４は、メイン通路の圧力損失ΔＰｔａからバイパス通路の圧力損失ΔＰｔｂを減算した値に係数Ｆを乗算し、この乗算値を暫定供給流量Ｑｔｃから減算する。カソードガス供給流量演算部２２１４は、その減算した値（Ｑｔｃ－（ΔＰｔａ－ΔＰｔｂ）・Ｆ）を新たに暫定供給流量Ｑｔｃに設定し、その後、吐出流量Ｑｇから暫定供給流量Ｑｔを減算した値を新たに暫定バイパス流量Ｑｔｂに設定する。

　そして、カソードガス供給流量演算部２２１４は、メイン通路の圧力損失ΔＰｔａとバイパス通路の圧力損失ΔＰｔｂとの差分の絶対値が所定値以下になるまで、ステップＳ５４２２からステップＳ５４２５までの一連の処理を繰り返す。

　ステップＳ５４２６においてカソードガス供給流量演算部２２１４は、メイン通路の圧力損失ΔＰｔａとバイパス通路の圧力損失ΔＰｔｂとの差分の絶対値が所定値以下になった場合には、暫定供給流量Ｑｔｃをカソードガス供給流量Ｑｃに設定する。そしてカソードガス供給流量演算処理が終了する。この後、図２１に示したステップＳ５４２に戻り、カソードガス供給流量演算部２２１４は、カソードガス供給流量Ｑｃを酸欠度合い算出部２２３に出力する。

　このようにバイパス通路３５及びバイパス弁３６を備えた燃料電池システム１０１では、メイン通路及びバイパス通路の圧力損失が互いに等しくなる関係を利用して、カソードガス供給流量Ｑｃが推定される。

　本発明の第３実施形態によれば、コンプレッサ３２から燃料電池スタック１へ供給されるカソードガスをバイパスさせるバイパス手段として、バイパス通路３５及びバイパス弁３６が備えられている。

　そして優先制御部３０２は、バイパス弁３６が開かれているか否かを判断し、バイパス弁３６が開かれている場合には、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号に応じてＦ／Ｂゲインを変更してカソードガス供給流量の下げ幅を小さくする。これにより、第２実施形態と同様に、燃料電池スタック１の電解質膜を湿らせる湿潤制御が実行されているときに、フィードバック制御に伴うカソードガス供給流量の変動を抑制することができる。

　さらに優先制御部３０２は、バイパス弁３６が開かれた場合において燃料電池が酸欠状態となり得るときには、カソードガス目標流量Ｑｔを酸欠防止流量Ｑｐに制限する。これにより、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１の電解質膜を早期に湿らせつつ、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。

　またガス供給状態検出部２２０は、メイン通路及びバイパス通路の圧力損失が互いに等しくなる関係を利用することによってカソードガスの総流量Ｑｇを演算し、この総流量Ｑｇに基づいて、酸欠度合いを示すカソードガスの余剰量ΔＱを推定する。これにより、コンプレッサ３２から吐出されるカソードガスの総流量Ｑｇを検出することなくカソードガスの余剰量ΔＱを推定できるので、カソードガスの流量を検出するセンサを省略でき、燃料電池システム１０２の構成を簡素にすることができる。

（第４実施形態）
　次に、本発明の第４実施形態における燃料電池システムについて以下に図面を参照して説明する。

　図２６は、本発明の第４実施形態における燃料電池システム１０２の構成を示す図である。

　燃料電池システム１０２は、図２１に示した燃料電池システム１０１の構成に加えて、カソードガス供給通路３１に供給されるカソードガスの総流量Ｑｇを検出する流量センサ３７を備えている。なお、流量センサ３７以外の構成については、燃料電池システム１０１の構成と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

　流量センサ３７は、カソードガス給排装置３に吸入されるカソードガスの吸入量を計測する計測手段を構成する。

　本実施形態では、流量センサ３７は、コンプレッサ３２よりも上流のカソードガス供給通路３１に設けられ、コンプレッサ３２に吸入されるカソードガスの吸入流量を検出する。流量センサ３７は、検出した吸入流量をカソードガスの総流量Ｑｇとしてコントローラ２００に出力する。

　コントローラ２００は、流量センサ３７から出力されるカソードガスの総流量Ｑｇに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの余剰量ΔＱを演算する。

　コントローラ２００は、第３実施形態と同様に、燃料電池の酸欠度合いを示すパラメータとして余剰量ΔＱを用いて、比例ゲインＧｐ及び積分ゲインＧｉを変更するとともに、燃料電池が酸欠状態になり得るか否かを判定する。燃料電池が酸欠状態になり得ると判定された場合には、コントローラ２００は、カソードガス目標流量Ｑｔを湿潤要求流量Ｑｒ_ｗから酸欠防止流量Ｑｐに切り替える。

　図２７は、燃料電池システム１０２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、第３実施形態と異なり、ステップＳ２１の処理が、ステップＳ３の処理とステップＳ４の処理との間で実行される。

　ステップＳ２１において優先制御部３０２は、バイパス弁３６の開度がゼロよりも大きい場合、すなわちバイパス弁３６が開かれている場合にのみ、ステップＳ４の処理に進む。

　一方、バイパス弁３６の開度がゼロである場合、すなわちバイパス弁３６が閉じられている場合には、優先制御部３０２は、ステップＳ１３の処理を実行した後、ステップＳ４～Ｓ９の各処理とステップＳ１２の処理を実行せずにステップＳ１０の処理を実行する。

　このように、バイパス弁３６が開かれるときに限り、ステップＳ４からステップＳ１２までの各処理を実行することにより、コントローラ２００で行われる無用な演算処理を削減することができる。

　図２８は、本実施形態におけるステップＳ５のカソードガス余剰量演算処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態におけるコントローラ２００のカソードガス供給流量推定部２２１Ａには、図２２に示した圧力損失合成部２２１１Ｃ、コンプレッサ動作特性抽出部２２１２、及び、交点抽出部２２１３が省略されている。

　カソードガス余剰量演算処理では、図２４に示したステップＳ５１１の処理に代えてステップＳ５１２の処理が実行され、ステップＳ５２３、Ｓ５３及びＳ５４１の処理に代えてステップＳ５４０の処理が実行される。他の処理については、図２４で示した処理と同じであるためここでの説明を省略し、ステップＳ５１２及びＳ５４０の処理についてのみ説明する。

　ステップＳ５１２においてカソードガス供給流量推定部２２１Ａは、コンプレッサ３２の回転速度とカソード調圧弁３４の開度とバイパス弁３６の開度とに加えて、流量センサ３７から出力されるコンプレッサ３２の吸入流量を取得する。

　ステップＳ５４０においてカソードガス供給流量演算部２２１４は、ステップＳ５１２で取得されるコンプレッサ３２の吸入流量をカソードガスの総流量Ｑｇとして設定する。

　ステップＳ５４２においてカソードガス供給流量演算部２２１４は、カソードガスの総流量Ｑｇと、メイン通路の圧力損失特性ΔＰａと、バイパス通路の圧力損失特性ΔＰｂとに基づいて、カソードガス供給流量Ｑｃを演算する処理を実行する。

　そして、ステップＳ５５で負荷要求流量Ｑｒ_ｌが算出され、ステップＳ５６でカソードガス供給流量の余剰量ΔＱが酸欠度合いを示すパラメータとして算出された後、カソードガス余剰量演算処理が終了する。

　このように、カソードガス供給流量推定部２２１Ａは、流量センサ３７を用いてコンプレッサ３２の吸入流量を計測することにより、第３実施形態におけるステップＳ５２３、Ｓ５３及びＳ５４１の各処理を省略することができる。このため、燃料電池システム１０２は、第３実施形態に比べて、ステップＳ５のカソードガス供給流量演算処理の演算量を低減することができる。

　本発明の第４実施形態によれば、バイパス手段として備えられたバイパス通路３５及びバイパス弁３６に加えて、コンプレッサ３２に吸入されるカソードガスの吸入量を計測する計測手段として流量センサ３７が備えられている。

　そして優先制御部３０２は、第３実施形態と同様に、バイパス弁３６が開かれているか否かを判断し、バイパス弁３６が開かれている場合には、ガス供給状態検出部２２０からの酸欠度合いを示す信号に応じてカソードガス供給流量の下げ幅を小さくする。

　すなわち、優先制御部３０２は、バイパス弁３６によってカソードガスの一部がバイパスされている場合において、ガス供給状態検出部２２０により演算されるカソードガスの供給量Ｑｃに基づいて、カソードガスの供給量を減らす量を制限する。これにより、第３実施形態と同様に、燃料電池スタック１の電解質膜を湿らせる湿潤制御が実行されているときに、フィードバック制御に伴うカソードガス供給流量の変動を抑制することができる。

　また優先制御部３０２は、第３実施形態と同様に、バイパス弁３６が開かれた場合において燃料電池が酸欠状態となり得るときには、カソードガス目標流量Ｑｔを酸欠防止流量Ｑｐに制限する。これにより、第３実施形態と同様に、燃料電池スタック１の電解質膜を早期に湿らせつつ、燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。

　さらに優先制御部３０２は、バイパス弁３６が開いていない場合には、ステップＳ５のカソードガス供給流量下げ幅抑制処理とステップＳ９のカソードガス供給流量下げ過ぎ防止処理とが実行されないので、コントローラ２００の演算処理を削減することができる。

　また、カソードガス供給流量推定部２２１Ａは、流量センサ３７から出力される吸入流量をカソードガスの総流量Ｑｇとして取得して、酸欠度合いを示すカソードガスの余剰量ΔＱを推定する。このため、第３実施形態に比べて、カソードガス余剰量演算処理の演算量を削減することができる。

　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２９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。

　具体的には、インピーダンス演算部６６は、交流電流Ｉ１と位相が同一の同相信号を正極側交流電位差Ｖ１に乗算することにより、正極側交流電位差Ｖ１の実部成分を算出し、正極側交流電位差Ｖ１の実部成分に基づいて内部インピーダンスＺ１の実部を算出する。同様にインピーダンス演算部６６は、交流電流Ｉ１と位相が直交する直交信号を正極側交流電位差Ｖ１に乗算することにより、正極側交流電位差Ｖ１の虚部成分を算出し、正極側交流電位差Ｖ１の虚部成分に基づいて内部インピーダンスＺ１の虚部を算出する。同様にして内部インピーダンスＺ２の実部及び虚部を算出する。そしてインピーダンス演算部６６は、内部インピーダンスＺ１の実部と内部インピーダンスＺ２の実部の和をとることで、内部インピーダンスＺの実部を算出し、内部インピーダンスＺ１の虚部と内部インピーダンスＺ２の虚部の和をとることで、内部インピーダンスＺの虚部を算出する。インピーダンス演算部６６は、内部インピーダンスＺの実部及び虚部を、図１に示したコントローラ２００に出力する。

　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５に流れることが防止されるので、燃料電池１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１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、電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の出力電力Ｖｓを検出したが、燃料電池スタック１に積層された少なくとも１つの燃料電池のセル電圧を検出するものであってもよい。この場合であっても、各燃料電池の総電圧である出力電圧Ｖｓと同様に、優先制御部３０２は、燃料電池スタック１のセル電圧に基づいて、燃料電池の酸欠状態を予測することができる。

　なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

Claims

　燃料電池の電解質膜に対してアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記電解質膜に対してカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、前記カソードガス供給手段によるカソードガスの供給と前記アノードガス供給手段によるアノードガス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、
　前記電解質膜に供給されるカソードガスの供給状態を検出する供給状態検出手段と、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基づいて、前記電解質膜に供給されるカソードガスの供給量を制御することで前記燃料電池の発電状態を制御し、
　前記供給状態検出手段から出力される信号により前記カソードガスの供給量が不足すると判定された場合には、前記湿潤状態検出手段からの信号に優先して、前記供給状態検出手段からの信号により前記カソードガスの供給量を制御することで発電状態を制御する優先制御手段を有する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
　請求項１に記載の燃料電池システムであって、
　前記優先制御手段は、前記供給量が不足すると判定された場合には、前記供給状態検出手段からの信号に応じて、前記供給量が不足している状態に前記カソードガスの供給状態が近づくほど、前記カソードガスの供給量を減らす量を小さくする、
燃料電池システム。
　請求項２に記載の燃料電池システムであって、
　前記優先制御手段は、前記カソードガスの供給状態が、前記供給量の低下を許容できない状態になったときには、前記燃料電池の出力電力に基づいて、前記カソードガスの供給量を制御する、
燃料電池システム。
　請求項１に記載の燃料電池システムであって、
　前記優先制御手段は、前記供給量が不足すると判定された後、前記供給状態検出手段からの信号により前記供給量が不足しないと判定されるまでは、前記燃料電池の出力電力に基づいて前記カソードガスの供給量を、前記湿潤状態検出手段からの信号に基づく供給量よりも増やす、
燃料電池システム。
　請求項４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、前記湿潤状態検出手段からの信号と前記湿潤状態の目標値との偏差に基づいて、前記カソードガスの供給量をフィードバック制御し、
　前記優先制御手段は、前記供給量が不足すると判定された場合において、前記偏差に基づく供給量が、前記燃料電池の出力電力に基づく供給量よりも低下したときには、前記カソードガスの供給量を当該出力電力に基づく供給量に切り替える、
燃料電池システム。
　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であって、
　前記優先制御手段は、前記湿潤状態検出手段からの信号に基づいて前記電解質膜を湿らせる湿潤制御が実行される場合において、前記カソードガスの供給量が不足するか否かを判定する、
燃料電池システム。
　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、
　前記カソードガス供給手段により吸入されるカソードガスの吸入量を計測する計測手段と、
　前記カソードガス供給手段から前記燃料電池へ供給されるカソードガスをバイパスさせるバイパス手段と、をさらに含み、
　前記供給状態検出手段は、前記計測手段により計測されるカソードガスの吸入量に基づいて、燃料電池に供給されるカソードガスの供給量を演算し、
　前記優先制御手段は、前記バイパス手段により前記カソードガスがバイパスされる場合には、前記供給状態検出手段により演算される供給量に基づいて、前記カソードガス供給手段により供給されるカソードガスの供給量を減らす量を制限する、
燃料電池システム。
　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、
　前記供給状態検出手段は、前記燃料電池の電圧、前記燃料電池のインピーダンス、及び、前記カソードガス供給手段の制御量のうちの少なくともひとつのパラメータに基づいて、前記カソードガスの供給状態を検出する、
燃料電池システム。
　請求項８に記載の燃料電池システムであって、
　前記供給状態検出手段は、
　前記燃料電池の電圧が小さくなるほど、前記カソードガスの供給状態が前記供給量の不足している不足状態に近づいていると判定し、
　前記燃料電池のインピーダンスに基づいて演算されるカソード極の反応抵抗が大きくなるほど、前記供給状態が前記不足状態に近づいていると判定し、
　前記カソードガス供給手段の制御量に基づいて演算されるカソードガスの供給量が大きくなるほど、前記供給状態が前記不足状態に近づいていると判定し、
　前記判定した結果のうちの少なくともひとつを前記信号として前記優先制御手段に出力する、
燃料電池システム。
　請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システムであって、
　前記燃料電池が積層された積層電池と、
　前記積層電池のインピーダンスを測定する測定装置と、を備え、
　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インピーダンス演算部と、を含む、
燃料電池システム。
　燃料電池の電解質膜に対してアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、前記電解質膜に対してカソードガスを供給するカソードガス供給手段と、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、前記電解質膜に供給されるカソードガスの供給状態を検出する供給状態検出手段とを備え、前記カソードガス供給手段によるカソードガスの供給と前記アノードガス供給手段によるアノードガスの供給とを制御して前記燃料電池の発電を制御する燃料電池システムの制御方法であって、
　前記湿潤状態検出手段から出力される信号に基づいて、前記電解質膜に供給されるカソードガスの供給量を制御する制御ステップと、
　前記供給状態検出手段から出力される信号により前記カソードガスの供給量が不足すると判定された場合には、前記湿潤状態検出手段からの信号に優先して、前記供給状態検出手段からの信号により前記カソードガスの供給量を制御することで前記燃料電池の発電状態を制御する優先制御ステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。