WO2017042979A1 - 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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青木　哲也
修久 池田
敏和 小高
大剛 岩崎
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a control device for a fuel cell system that controls the wet state of an electrolyte membrane of a fuel cell by controlling a plurality of physical quantities, and a control method therefor.
  • the anode gas that is the fuel gas is not circulated, and the anode off-gas fuel cell system that discharges the reacted anode off-gas together with the cathode off-gas, and the anode gas is circulated and, if necessary, a high-pressure tank And an anode gas circulation fuel cell system for additionally supplying anode gas from the fuel cell.
  • water water or water vapor (hereinafter referred to as “water”) generated by the electrode reaction at the cathode electrode flows into the anode gas channel on the anode electrode side due to cross leak.
  • this moisture can be used to control the wet state (wetness) of the electrolyte membrane in the fuel cell. Therefore, a humidifier is installed in the anode gas supply passage and the anode gas circulation passage. There is no need to provide it.
  • JP5104950B in an anode gas circulation fuel cell system, the resistance value of the entire fuel cell is measured, and based on the measured resistance value, an excess amount of water near the inlet and outlet of the oxidant gas flow path of the fuel cell is measured.
  • a fuel cell system is disclosed that adjusts the stoichiometric ratio (flow rate) and pressure of fuel gas and oxidant gas when it is determined that the amount of water is excessive or insufficient. .
  • the resistance value of the entire fuel cell is larger than a predetermined value, it is determined that the amount of water is insufficient, and for example, the fuel gas stoichiometric ratio is increased and the fuel gas is increased. Control to reduce the supply pressure is performed. As a result, the fuel gas reacts with the oxidant gas to generate water, and the volume flow rate of the anode gas circulation passage can be increased. Therefore, it is possible to increase the amount of water that can be held on the anode gas circulation passage side.
  • the resistance value of the entire fuel cell is smaller than the predetermined value, it is determined that the amount of water is excessive, and for example, control is performed to reduce the stoichiometric ratio of the fuel gas and increase the supply pressure of the fuel gas. Is called.
  • control is performed to reduce the stoichiometric ratio of the fuel gas and increase the supply pressure of the fuel gas. Is called.
  • the reaction between the fuel gas and the oxidant gas can be suppressed to reduce the production of water, and the volume flow rate of the anode gas circulation passage can be reduced. Therefore, it is possible to increase the amount of moisture discharged outside the fuel cell by being contained in the oxidant gas, and to reduce the amount of moisture that can be held on the anode gas circulation passage side.
  • the anode circulation pump provided in the anode gas circulation passage is started, or the rotation speed of the anode circulation pump is increased and, if necessary, Then, an anode pressure regulating valve provided downstream of the hydrogen tank is opened to supply fuel gas.
  • the rotational speed of the anode circulation pump provided in the anode gas circulation passage is reduced and, if necessary, the purge valve provided in the anode gas circulation passage is opened. The anode off gas is discharged.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and in a transient state in which the amount of water in the fuel cell is controlled, a fuel cell system capable of reducing the adverse effect of the control direction. And it aims at providing the control method of a fuel cell system.
  • a fuel cell system is a control device for a fuel cell system that generates power by supplying an anode gas and a cathode gas to the fuel cell, the anode off-gas discharged from the fuel cell, and the fuel cell
  • An anode gas circulation passage that is mixed with the anode gas supplied to the fuel cell and supplied to the fuel cell, a wet state detection unit that detects a wet state of the electrolyte membrane of the fuel cell, and an anode gas circulation flow rate that flows through the anode gas circulation passage
  • An anode gas circulation fuel cell system comprising a wet state control unit that controls a wet state of an electrolyte membrane by manipulating a plurality of physical quantities (controlling an actuator).
  • the control device of the fuel cell system includes an anode gas circulation flow rate control unit that controls the anode gas circulation flow rate based on the wet state of the electrolyte membrane detected by the wet state detection unit, and a plurality of operations operated by the wet state control unit.
  • a priority order setting unit that sets the priority order of routine operations for the physical quantity.
  • the anode gas circulation flow rate control unit includes an anode gas circulation flow rate restriction unit that limits a rate of change per unit time of the anode gas circulation flow rate during the transient operation that changes the wet state of the electrolyte membrane, and an anode gas circulation flow rate.
  • the control amount in the wet state that is insufficient due to the restriction of the anode gas circulation flow rate is determined based on the anode gas circulation flow rate set by the priority setting unit.
  • a control amount complementing unit that complements with a manipulation of a physical quantity having a low priority of regular operations.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the configuration of the fuel cell included in the fuel cell stack shown in FIG.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of an impedance measuring apparatus for measuring the internal impedance of the fuel cell stack shown in FIG.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of a controller that controls the fuel cell system according to the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a method for limiting the rate of change of the anode gas circulation flow rate limiting unit and the cooling water temperature limiting unit illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a method for limiting the rate of change of the anode gas circulation flow rate limiting unit and the cooling water temperature limiting unit illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a functional configuration in the dry operation of the control amount complementing unit illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 8 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the dry operation in the conventional fuel cell system.
  • FIG. 9 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the dry operation when the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited.
  • FIG. 10 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the dry operation when the change rate of the anode gas circulation flow rate and the cooling water temperature is limited.
  • FIG. 8 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the dry operation in the conventional fuel cell system.
  • FIG. 9 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the dry operation when the change rate of the anode gas circulation flow
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a functional configuration in the wet operation of the control amount complementing unit illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 12 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the wet operation in the conventional fuel cell system.
  • FIG. 13 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the wet operation when the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating an example of a control amount complementing process executed by the controller in the present embodiment.
  • FIG. 15 is a flowchart illustrating an example of a system operation state detection process that is a subroutine of the control amount complement process.
  • FIG. 12 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the wet operation in the conventional fuel cell system.
  • FIG. 13 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the wet operation when the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating an
  • FIG. 16 is a flowchart illustrating an example of a target water balance calculation process that is a subroutine of the control amount complementing process.
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating an example of a dry operation control amount calculation process which is a subroutine of the control amount complementing process.
  • FIG. 18 is a flowchart illustrating an example of target cathode gas pressure calculation processing (dry), which is a subroutine of dry operation control amount calculation processing.
  • FIG. 19 is a flowchart showing an example of target anode gas circulation flow rate calculation processing (dry), which is a subroutine of dry operation control amount calculation processing.
  • FIG. 20 is a flowchart illustrating an example of target cooling water temperature calculation processing (dry) that is a subroutine of dry operation control amount calculation processing.
  • FIG. 21 is a flowchart showing an example of target cathode gas flow rate calculation processing (dry), which is a subroutine of dry operation control amount calculation processing.
  • FIG. 22 is a flowchart illustrating an example of a wet operation control amount calculation process which is a subroutine of the control amount complement process.
  • FIG. 23 is a flowchart showing an example of target cathode gas flow rate calculation processing (wet), which is a subroutine of wet operation control amount calculation processing.
  • FIG. 24 is a flowchart illustrating an example of target coolant temperature calculation processing (wet), which is a subroutine of wet operation control amount calculation processing.
  • FIG. 25 is a flowchart showing an example of the target anode gas circulation flow rate calculation process (wet), which is a subroutine of the wet operation control amount calculation process.
  • FIG. 26 is a flowchart showing an example of target cathode gas pressure calculation processing (wet), which is a subroutine of wet operation control amount calculation processing.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 of the present embodiment uses this fuel cell (fuel cell stack) as one of drive sources in an electric vehicle including a high-power battery and a drive motor (not shown).
  • the fuel cell system 100 supplies an anode gas (hydrogen) and a cathode gas (air) necessary for power generation to the fuel cell stack 1 from the outside, and generates power in the fuel cell stack 1 according to an electric load.
  • the fuel cell system 100 and the control device thereof according to the present embodiment are specialized in control in a transient state during the anode gas circulation control described later. Therefore, in the following description, the description will be given specifically for the control at the time of transition, and the description of the normal control and the known control will be omitted as appropriate.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, a cathode gas supply / discharge device 2, an anode gas supply / discharge device 3, a stack cooling device 4, a load device 5, and an impedance measurement device 6. And the controller 200.
  • the fuel cell stack 1 is a laminated battery in which several hundred fuel cells are laminated because a large amount of power is required from the drive motor as the load device 5.
  • the fuel cell stack 1 is connected to the load device 5 and supplies power to the load device 5.
  • the fuel cell stack 1 generates a DC voltage of, for example, several hundred V (volts).
  • FIG. 2 is a view for explaining the configuration of the fuel cell 10 included in the fuel cell stack 1 shown in FIG.
  • the fuel cell 10 is stacked in a direction from the front to the back in FIG.
  • the fuel cell 10 is divided into an anode gas channel 121 and a cathode gas channel 131 by a membrane electrode assembly (MEA) 11.
  • MEA membrane electrode assembly
  • an anode separator is disposed so as to form the anode gas flow path 121
  • a cathode separator is disposed so as to form the cathode gas flow path 131 and the cooling water flow path 141.
  • the MEA 11 includes an electrolyte membrane 111, an anode electrode 112, and a cathode electrode 113.
  • the MEA 11 has an anode electrode 112 on one surface side of the electrolyte membrane 111 and a cathode electrode 113 on the other surface side.
  • the electrolyte membrane 111 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin.
  • the electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity with an appropriate degree of wetness.
  • the wetness of the electrolyte membrane 111 here corresponds to the amount of moisture (water content) contained in the electrolyte membrane 111.
  • the anode electrode 112 is configured by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer.
  • the catalyst layer is provided so as to be in contact with the electrolyte membrane 111 and is formed of platinum or carbon black particles carrying platinum or the like.
  • the gas diffusion layer is disposed outside the catalyst layer so as to be in contact with the catalyst layer and the anode separator, and is formed of carbon cloth having gas diffusibility and conductivity.
  • the cathode electrode 113 is configured by laminating a catalyst layer and a gas diffusion layer in the same manner as the anode electrode 112.
  • the anode gas channel 121 is formed as a plurality of groove-shaped passages in the anode separator.
  • the anode gas flow path 121 constitutes a fuel flow path for supplying anode gas to the anode electrode 112.
  • the cathode gas channel 131 is formed as a plurality of groove-shaped passages in the cathode separator.
  • the cathode gas channel 131 constitutes an oxidant channel for supplying cathode gas to the cathode electrode 113.
  • the cooling water passage 141 is formed as a plurality of groove-like passages in the cathode separator adjacent to the cathode gas passage 131.
  • the cooling water channel 141 constitutes a refrigerant channel through which a refrigerant for cooling the fuel cell 10 whose temperature has risen due to an electrochemical reaction between the anode gas and the cathode gas is passed.
  • cooling water is used as the refrigerant.
  • the cathode separator is configured such that the flow direction of the cooling water flowing through the cooling water flow channel 141 and the flow direction of the cathode gas flowing through the cathode gas flow channel 131 are opposite to each other.
  • the flow directions may be the same as each other.
  • the anode separator and the cathode separator are configured such that the flow direction of the anode gas flowing through the anode gas flow path 121 and the flow direction of the cathode gas flowing through the cathode gas flow path 131 are opposite to each other. In addition, you may comprise so that these flow directions may have a predetermined angle.
  • the anode gas leaks from the anode gas flow path 121 to the cathode gas flow path 131 and the anode gas flow from the cathode gas flow path 131 as indicated by an arrow X in FIG.
  • Nitrogen gas in the cathode gas or water vapor (moisture) generated by the electrochemical reaction leaks into the channel 121.
  • the cathode gas supply / discharge device 2 is a device that supplies cathode gas (oxidant gas) to the fuel cell stack 1 and discharges cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the atmosphere. That is, the cathode gas supply / discharge device 2 constitutes an oxidant supply means for supplying an oxidant (air) to the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10.
  • the cathode gas supply / discharge device 2 includes a cathode gas supply passage 21, a compressor 22, a flow rate sensor 23, a pressure sensor 24, a cathode gas discharge passage 25, and a cathode pressure regulating valve 26. .
  • the cathode gas supply passage 21 is a passage for supplying cathode gas to the fuel cell stack 1. One end of the cathode gas supply passage 21 is open, and the other end is connected to the cathode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the compressor 22 is provided in the cathode gas supply passage 21.
  • the compressor 22 takes in oxygen-containing air from the open end of the cathode gas supply passage 21 and supplies the air to the fuel cell stack 1 as cathode gas.
  • the rotation speed data of the compressor 22 is controlled by the controller 200.
  • the flow sensor 23 is provided in the cathode gas supply passage 21 between the compressor 22 and the fuel cell stack 1.
  • the flow sensor 23 detects the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 is simply referred to as “cathode gas flow rate”.
  • the cathode gas flow rate data detected by the flow rate sensor 23 is output to the controller 200.
  • the cathode gas flow rate detected in this way is used in a control amount complementing process described later.
  • the pressure sensor 24 is provided in the cathode gas supply passage 21 between the compressor 22 and the fuel cell stack 1.
  • the pressure sensor 24 detects the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 is simply referred to as “cathode gas pressure”.
  • Cathode gas pressure data detected by the pressure sensor 24 is output to the controller 200.
  • the cathode gas pressure detected in this way is used in a control amount complementing process described later.
  • the cathode gas discharge passage 25 is a passage for discharging the cathode off gas from the fuel cell stack 1.
  • One end of the cathode gas discharge passage 25 is connected to the cathode gas outlet hole of the fuel cell stack 1, and the other end is opened.
  • the cathode pressure regulating valve 26 is provided in the cathode gas discharge passage 25.
  • the cathode pressure regulating valve 26 for example, an electromagnetic valve capable of changing the opening degree of the valve stepwise is used.
  • the opening and closing of the cathode pressure regulating valve 26 is controlled by the controller 200.
  • the cathode gas pressure is adjusted to a desired pressure by this open / close control.
  • the degree of opening of the cathode pressure regulating valve 26 increases, the cathode pressure regulating valve 26 opens and the amount of cathode off-gas discharged increases.
  • the opening degree of the cathode pressure regulating valve 26 becomes smaller, the cathode pressure regulating valve 26 is closed and the discharge amount of the cathode off gas decreases.
  • the anode gas supply / discharge device 3 is a device for supplying anode gas (fuel gas) to the fuel cell stack 1 and circulating the anode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the fuel cell stack 1. That is, the anode gas supply / discharge device 3 constitutes a fuel supply means for supplying fuel (hydrogen) to the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10.
  • the anode gas supply / discharge device 3 includes a high pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, an anode pressure regulating valve 33, an ejector 34, an anode gas circulation passage 35, an anode circulation pump 36, A pressure sensor 37 and a purge valve 38 are included.
  • the high pressure tank 31 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 in a high pressure state.
  • the anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas stored in the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1.
  • One end of the anode gas supply passage 32 is connected to the high-pressure tank 31, and the other end is connected to the anode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the anode pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32 between the high pressure tank 31 and the ejector 34.
  • As the anode pressure regulating valve 33 for example, an electromagnetic valve capable of changing the opening degree of the valve in stages is used.
  • the opening and closing of the anode pressure regulating valve 33 is controlled by the controller 200. By this opening / closing control, the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 is adjusted.
  • the ejector 34 is provided in the anode gas supply passage 32 between the anode pressure regulating valve 33 and the fuel cell stack 1.
  • the ejector 34 is a mechanical pump provided at a portion where the anode gas circulation passage 35 joins the anode gas supply passage 32.
  • the ejector 34 sucks the anode off gas from the fuel cell stack 1 by accelerating the flow rate of the anode gas supplied from the anode pressure regulating valve 33 to generate a negative pressure.
  • the ejector 34 discharges the sucked anode off gas to the fuel cell stack 1 together with the anode gas supplied from the anode pressure regulating valve 33.
  • the ejector 34 includes, for example, a conical nozzle whose opening is narrowed from the anode pressure regulating valve 33 toward the fuel cell stack 1 and a suction port for sucking the anode off gas from the fuel cell stack 1. And a diffuser.
  • the ejector 34 is used at the junction between the anode gas supply passage 32 and the anode gas circulation passage 35, but this junction simply joins the anode gas circulation passage 35 to the anode gas supply passage 32. It may be a configuration.
  • the anode gas circulation passage 35 mixes the anode off gas discharged from the fuel cell stack 1 and the anode gas supplied from the high-pressure tank 31 via the anode pressure regulating valve 33 to the fuel cell stack 1, thereby providing an anode gas supply passage.
  • This is a passage that circulates to 32.
  • One end of the anode gas circulation passage 35 is connected to the anode gas outlet hole of the fuel cell stack 1, and the other end is connected to the suction port of the ejector 34.
  • the anode circulation pump 36 is provided in the anode gas circulation passage 35.
  • the anode circulation pump 36 circulates the anode off gas through the fuel cell stack 1 via the ejector 34.
  • the rotation speed of the anode circulation pump 36 is controlled by the controller 200. Thereby, the flow rate of the anode gas (and anode off gas) circulating through the fuel cell stack 1 is adjusted.
  • the flow rate of the anode gas circulating through the fuel cell stack 1 is referred to as “anode gas circulation flow rate”.
  • the controller 200 determines the number of rotations per unit time of the anode circulation pump 36 and the temperature in the fuel cell stack 1 described later (or the ambient temperature of the anode gas supply / discharge device 3 detected by a temperature sensor (not shown)). Then, based on the pressure of the anode gas in the anode gas circulation passage 35 detected by the pressure sensor 37 described later, the anode gas circulation flow rate is estimated (calculated) as the standard state flow rate. The estimated anode gas circulation flow rate is used for various calculations in a control amount complementing process described later.
  • the pressure sensor 37 is provided in the anode gas supply passage 32 between the ejector 34 and the fuel cell stack 1.
  • the pressure sensor 37 detects the pressure of the anode gas in the anode gas circulation system.
  • the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 is simply referred to as “anode gas pressure”.
  • the anode gas pressure data detected by the pressure sensor 37 is output to the controller 200.
  • the purge valve 38 is provided in the anode gas discharge passage branched from the anode gas circulation passage 35.
  • the purge valve 38 discharges impurities contained in the anode off gas to the outside. Impurities are generated by the electrochemical reaction between the nitrogen gas in the cathode gas that has passed through the electrolyte membrane 111 from the cathode gas flow path 131) of the fuel cell 10 in the fuel cell stack 1 and the anode gas and the cathode gas accompanying power generation. It is the water that is used.
  • the opening degree and opening / closing frequency of the purge valve 38 are controlled by the controller 200.
  • the anode gas discharge passage joins the cathode gas discharge passage 25 on the downstream side of the cathode pressure regulating valve 26.
  • the anode off gas discharged from the purge valve 38 is mixed with the cathode off gas in the cathode gas discharge passage 25.
  • the hydrogen concentration in the mixed gas can be controlled to the discharge allowable concentration (4%) or less.
  • the stack cooling device 4 is a device that supplies a coolant for cooling each fuel cell 10 in the fuel cell stack 1 to the fuel cell stack 1 and adjusts the fuel cell stack 1 to a temperature suitable for power generation.
  • cooling water is used as the refrigerant.
  • the stack cooling device 4 functions as a gas temperature adjusting device for increasing the temperature of the cathode gas passing through the cathode gas flow path 131 in order to increase the amount of water vapor in the cathode gas discharged from the fuel cell stack 1. That is, the stack cooling device 4 constitutes temperature adjusting means for adjusting the temperature of the oxidant supplied to the fuel cell 10.
  • the stack cooling device 4 includes a cooling water circulation passage 41, a cooling water pump 42, a radiator 43, a bypass passage 44, a three-way valve 45, an inlet water temperature sensor 46, and an outlet water temperature sensor 47. And a radiator fan 48.
  • the cooling water circulation passage 41 is a passage for circulating cooling water through the fuel cell stack 1. One end of the cooling water circulation passage 41 is connected to the cooling water inlet hole of the fuel cell stack 1, and the other end is connected to the cooling water outlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the cooling water pump 42 is provided in the cooling water circulation passage 41.
  • the cooling water pump 42 supplies the cooling water to the fuel cell stack 1 via the radiator 43 and the three-way valve 45.
  • the rotation speed of the cooling water pump 42 is controlled by the controller 200.
  • the radiator 43 is provided in the cooling water circulation passage 41 downstream of the cooling water pump 42.
  • the radiator 43 cools the cooling water heated in the fuel cell stack 1 by blowing air by rotation of a radiator fan 48 described later.
  • the bypass passage 44 is a passage for bypassing the radiator 43 to a part of the cooling water, and is a passage for directly circulating the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 to the fuel cell stack 1.
  • One end of the bypass passage 44 is connected to the cooling water circulation passage 41 between the cooling water pump 42 and the radiator 43, and the other end is connected to one nozzle of the three-way valve 45.
  • the bypass passage 44 may be provided with a heater for warming up the fuel cell stack 1 when the fuel cell system 100 is started below zero.
  • the three-way valve 45 adjusts the temperature of the cooling water supplied to the fuel cell stack 1 by mixing the cooling water cooled via the radiator 43 and the cooling water not cooled through the bypass passage 44. To do.
  • the three-way valve 45 is realized by, for example, a thermostat.
  • the three-way valve 45 may be an electric valve or the like in which the opening degree (valve opening degree) of each nozzle is controlled by the controller 200.
  • the three-way valve 45 is provided at a portion where the bypass passage 44 in the coolant circulation passage 41 joins between the radiator 43 and the coolant inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the three-way valve 45 is in a state where the cooling water circulation passage 41 from the radiator 43 to the fuel cell stack 1 is shut off when the temperature of the cooling water is equal to or lower than a predetermined valve opening temperature, and only the cooling water passing through the bypass passage 44 is fueled. Supply to the battery stack 1. As a result, cooling water having a higher temperature than the cooling water passing through the radiator 43 flows through the fuel cell stack 1.
  • the valve opening degree of the nozzle from the radiator 43 to the fuel cell stack 1 starts to gradually increase.
  • the three-way valve 45 mixes the cooling water that has passed through the bypass passage 44 and the cooling water that has passed through the radiator 43, and supplies the mixed cooling water to the fuel cell stack 1. As a result, cooling water having a temperature lower than that of the cooling water passing through the bypass passage 44 flows through the fuel cell stack 1.
  • the inlet water temperature sensor 46 is provided in the cooling water circulation passage 41 located in the vicinity of the cooling water inlet hole formed in the fuel cell stack 1.
  • the inlet water temperature sensor 46 detects the temperature of the cooling water flowing into the cooling water inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the temperature of the cooling water flowing into the cooling water inlet hole of the fuel cell stack 1 is referred to as “stack inlet water temperature”.
  • the stack inlet water temperature data detected by the inlet water temperature sensor 46 is output to the controller 200.
  • the outlet water temperature sensor 47 is provided in the cooling water circulation passage 41 located in the vicinity of the cooling water outlet hole formed in the fuel cell stack 1.
  • the outlet water temperature sensor 47 detects the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 1.
  • the temperature of the cooling water discharged from the fuel cell stack 1 is referred to as “stack outlet water temperature”.
  • the stack outlet water temperature data detected by the outlet water temperature sensor 47 is output to the controller 200.
  • the radiator fan 48 is provided in the vicinity of the radiator 43, and rotates the radiator fan 48 to cool the cooling water passing through the radiator 43 with air.
  • the rotation speed of the radiator fan 48 is controlled by the controller 200 based on the stack inlet water temperature and the stack outlet water temperature.
  • the temperature of the cooling water is used as the temperature of the fuel cell stack 1 and the temperature of the cathode gas by performing a predetermined treatment.
  • an average value of the stack inlet water temperature detected by the inlet water temperature sensor 46 and the stack outlet water temperature detected by the outlet water temperature sensor 47 may be set as the temperature of the cooling water or the temperature of the fuel cell stack 1.
  • the temperature of the cooling water is referred to as “cooling water temperature”
  • the temperature of the fuel cell stack 1 is referred to as “stack temperature”.
  • the load device 5 is driven by receiving the generated power supplied from the fuel cell stack 1.
  • the load device 5 includes, for example, a drive motor (electric motor) that drives the vehicle, a part of auxiliary equipment that assists the power generation of the fuel cell stack 1, a control unit that controls the drive motor, and the like.
  • Examples of the auxiliary equipment of the fuel cell stack 1 include the compressor 22, the anode circulation pump 36, the cooling water pump 42, and the like.
  • the load device 5 includes, on the output side of the fuel cell stack 1, a DC / DC converter that steps up and down the output voltage of the fuel cell stack 1, and direct current power is exchanged between the DC / DC converter and the drive motor.
  • a drive inverter that converts power may also be included.
  • a high voltage battery may be provided so as to be electrically in parallel with the fuel cell stack 1 with respect to the drive motor.
  • the load device 5 may be configured to connect a part of the auxiliary machine to a power line between the DC / DC converter and the high voltage battery.
  • a control unit (not shown) that controls the load device 5 outputs the required power required for the fuel cell stack 1 to the controller 200. For example, the required power of the load device 5 increases as the amount of depression of an accelerator pedal provided in the vehicle increases.
  • a current sensor 51 and a voltage sensor 52 are arranged on the power line between the load device 5 and the fuel cell stack 1.
  • the current sensor 51 is connected to a power line between the positive terminal 1p of the fuel cell stack 1 and the load device 5.
  • the current sensor 51 detects the current output from the fuel cell stack 1 to the load device 5 as the output power of the fuel cell stack 1.
  • the current output from the fuel cell stack 1 to the load device 5 is referred to as “stack output current”.
  • the stack output current data detected by the current sensor 51 is output to the controller 200.
  • the voltage sensor 52 is connected between the positive terminal 1p and the negative terminal 1n of the fuel cell stack 1.
  • the voltage sensor 52 detects an inter-terminal voltage that is a potential difference between the positive terminal 1p and the negative terminal 1n of the fuel cell stack 1.
  • the terminal voltage of the fuel cell stack 1 is referred to as “stack output voltage”.
  • the stack output voltage data detected by the voltage sensor 52 is output to the controller 200.
  • the impedance measuring device 6 is a device that measures the internal impedance of the fuel cell stack 1.
  • the internal impedance of the fuel cell stack 1 correlates with the wet state of the electrolyte membrane 111. Therefore, by measuring the internal impedance of the fuel cell stack 1, the wet state of the electrolyte membrane 111 can be detected (estimated) based on the measurement result.
  • the internal impedance of the fuel cell stack 1 is used as a parameter indicating the wet state of the electrolyte membrane 111.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the impedance measuring device 6 for measuring the internal impedance of the fuel cell stack 1 shown in FIG.
  • a connection indicated by a solid line indicates an electrical connection
  • a connection indicated by a broken line indicates an electrical signal connection.
  • the impedance measuring device 6 is connected to a terminal 1B extending from a positive electrode terminal (cathode electrode side terminal) 1p, a terminal 1A extending from a negative electrode terminal (anode electrode side terminal) 1n, and an intermediate terminal 1C. Yes.
  • the part connected to the midway terminal 1C is grounded as shown in the figure.
  • the impedance measuring device 6 includes a positive voltage sensor 62, a negative voltage sensor 63, a positive power supply 64, a negative power supply 65, an AC adjustment unit 66, and an impedance calculation unit. 61.
  • the positive side voltage sensor 62 is connected to the terminal 1B and the halfway terminal 1C, measures the positive side AC potential difference V1 of the terminal 1B with respect to the halfway terminal 1C at a predetermined frequency, and measures the measurement on the AC adjustment unit 66 and the impedance calculation unit 61. Output the result.
  • the negative side voltage sensor 63 is connected to the halfway terminal 1C and the terminal 1A, measures the negative side AC potential difference V2 of the terminal 1A with respect to the halfway terminal 1C at a predetermined frequency, and measures the measurement in the AC adjustment unit 66 and the impedance calculation unit 61. Output the result.
  • the positive power supply unit 64 is realized by, for example, a voltage-current conversion circuit using an operational amplifier (not shown), and is controlled by the AC adjustment unit 66 so that an alternating current I1 having a predetermined frequency flows through a closed circuit including the terminal 1B and the intermediate terminal 1C. Is done.
  • the negative power supply unit 65 is realized by a voltage-current conversion circuit using an operational amplifier (OP amplifier), for example, and an AC adjustment is performed so that an AC current I2 having a predetermined frequency flows through a closed circuit including the terminal 1A and the intermediate terminal 1C. Controlled by the unit 66.
  • the “predetermined frequency” is a frequency suitable for detecting (measuring) the impedance of the electrolyte membrane 111.
  • this predetermined frequency is referred to as “electrolyte membrane response frequency”.
  • the AC adjustment unit 66 is realized by, for example, a PI control circuit (not shown), and command signals to the positive power supply unit 64 and the negative power supply unit 65 so that the AC currents I1 and I2 as described above flow in the respective closed circuits. Is generated.
  • the outputs of the positive power supply unit 64 and the negative power supply unit 65 are increased / decreased according to the command signal generated in this manner, so that the AC potential differences V1 and V2 between the terminals are both set to a predetermined level (predetermined value). Be controlled. As a result, the AC potential differences V1 and V2 are equipotential.
  • the impedance calculation unit 61 includes hardware such as an AD converter and a microcomputer chip (not shown) and a software configuration such as a program for calculating impedance.
  • the impedance calculation unit 61 converts the AC voltage (V1, V2) and the AC current (I1, I2) input from each unit 62, 63, 64, 65 into a digital numerical signal using an AD converter, and measures impedance. Process.
  • the impedance calculation unit 61 calculates the first impedance Z1 from the midway terminal 1C to the terminal 1B by dividing the amplitude of the positive-side AC potential difference V1 by the amplitude of the AC current I1.
  • the impedance calculation unit 61 calculates the second impedance Z2 from the midway terminal 1C to the terminal 1A by dividing the amplitude of the negative-side AC potential difference V2 by the amplitude of the AC current I2.
  • the impedance calculation unit 61 calculates the internal impedance Z of the fuel cell stack 1 by adding the first impedance Z1 and the second impedance Z2.
  • the controller 200 when measuring the internal impedance of the fuel cell stack 1, the controller 200 first outputs the output voltage of the fuel cell stack 1 to the DC / DC converter. Can be boosted. Thereby, the impedance when the fuel cell stack 1 side is viewed from the drive inverter is increased, and there is an effect that the impedance measurement is not adversely affected even if there is a load variation.
  • the terminals 1 ⁇ / b> B and 1 ⁇ / b> A are shown to be directly connected to the output terminals of the fuel cell stack 1.
  • the terminal 1B and the terminal 1A are not limited to such connection, and the positive terminal of the fuel cell on the most positive side of the plurality of fuel cells stacked in the fuel cell stack 1 is used. And the negative electrode terminal of the fuel cell on the most negative electrode side.
  • the impedance calculation unit 61 is configured to calculate the internal impedance of the fuel cell stack 1 by executing a program stored in advance in a memory (not shown) by hardware such as a microcomputer chip.
  • the impedance calculation unit 61 is not limited to such a configuration.
  • the impedance calculation unit 61 may be realized by an analog calculation circuit using an analog calculation IC. By using an analog arithmetic circuit, it is possible to output a temporally continuous impedance change.
  • the impedance measuring device 6 uses an AC signal composed of a sine wave signal as an AC current and an AC voltage.
  • these AC signals are not limited to sine wave signals, but may be rectangular wave signals, triangular wave signals, sawtooth wave signals, or the like.
  • HFR High Frequency Resistance
  • the controller 200 includes a central processing unit (CPU), a read-only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface) (not shown). Consists of.
  • the controller 200 includes output signals from the flow sensor 23, the pressure sensor 24, the pressure sensor 37, the inlet water temperature sensor 46, the outlet water temperature sensor 47, the current sensor 51, the voltage sensor 52, and the impedance measuring device 6, and the load device 5 requests Power is input. These signals are used as parameters relating to the operating state of the fuel cell system 100.
  • the controller 200 controls the flow rate and pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 by controlling the compressor 22 and the cathode pressure regulating valve 26 according to the operating state of the fuel cell system 100. Further, the controller 200 controls the flow rate and pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 by controlling the anode pressure regulating valve 33 and the anode circulation pump 36. Further, the controller 200 controls the cooling water pump 42, the three-way valve 45, and the radiator fan 48 in accordance with the operating state of the fuel cell system 100, whereby the temperature (cooling water) of each fuel cell 10 in the fuel cell stack 1 is controlled. Temperature or stack temperature) and the temperature of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 are controlled.
  • the controller 200 based on the required power of the load device 5, the target flow rate and target pressure of the cathode gas, the target flow rate and target pressure of the anode gas, and the target temperature of the cooling water (target cooling water). Temperature).
  • the controller 200 controls the rotation speed of the compressor 22 and the opening of the cathode pressure regulating valve 26 based on the target flow rate and target pressure of the cathode gas.
  • the controller 200 controls the rotational speed of the anode circulation pump 36 and the opening of the anode pressure regulating valve 33 based on the target flow rate and the target pressure of the anode gas.
  • the controller 200 calculates a target cooling water temperature for maintaining the power generation performance of the fuel cell stack 1, and controls the rotation speed of the cooling water pump 42 based on the target cooling water temperature. For example, the controller 200 controls the rotation speed of the cooling water pump 42 to be higher when the cooling water temperature is higher than the target cooling water temperature compared to when the cooling water temperature is lower than the target cooling water temperature. To do.
  • the controller 200 operates the wet state of the fuel cell stack 1 so that the wet state of the fuel cell stack 1 is suitable for power generation within a range where the required power of the load device 5 can be secured.
  • dry operation shifting the wet state of the fuel cell stack 1 to the dry (dry) side, that is, reducing excess moisture in the electrolyte membrane 111 is referred to as “dry operation”. Further, the transition of the wet state of the fuel cell stack 1 to the wet (wet) side, that is, increasing the moisture of the electrolyte membrane 111 is referred to as “wet operation”.
  • the controller 200 controls at least one of the cathode gas flow rate, the cathode gas pressure, the anode gas flow rate, and the cooling water temperature in order to control the wet state of the fuel cell stack 1. Specific wetting control will be described later.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of a functional configuration of the controller 200 that controls the fuel cell system 100 according to the present embodiment. Note that the functional block diagram of the controller 200 shown in FIG. 4 mainly describes functions according to the present invention, and some of the functions related to normal operation control of the fuel cell system 100 are omitted.
  • the controller 200 of the present embodiment includes a wet state detection unit 210, an operation state detection unit 220, a wet state control unit 230, a priority setting unit 240, and an anode gas circulation flow rate control unit 250.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 includes a control amount complementing unit 260, an anode gas circulation flow rate limiting unit 270, and a cooling water temperature limiting unit 280.
  • the wet state detection unit 210 detects the wet state of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 in the fuel cell stack 1. Specifically, the wet state detection unit 210 acquires the HFR of the fuel cell stack 1 measured by the impedance measurement device 6. The wet state detection unit 210 detects the wetness of the electrolyte membrane 111 with reference to an impedance-wetness map stored in advance in a memory (not shown). The detected wetness data is output to the wet state control unit 230.
  • the HFR output from the impedance measurement device 6 is referred to as “measurement HFR”.
  • the wet state detection unit 210 detects and calculates the wet state of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 in the fuel cell stack 1 based on the HFR of the fuel cell stack 1 measured by the impedance measuring device 6.
  • the wet state detection unit 210 may output the acquired HFR as it is to the subsequent stage, and each unit in the subsequent stage may perform control using the HFR.
  • the operation state detector 220 acquires the stack inlet water temperature data and the stack outlet water temperature data detected by the inlet water temperature sensor 46 and the outlet water temperature sensor 47, calculates the average value of the stack inlet water temperature and the stack outlet water temperature, and calculates the fuel cell stack. 1 stack temperature (cooling water temperature) is detected. Further, the operating state detection unit 220 acquires the stack output current data and the stack output voltage data of the fuel cell stack 1 detected by the current sensor 51 and the voltage sensor 52, and multiplies the stack output current and the stack output voltage by The output power of the fuel cell stack 1 is detected.
  • the operation state detection unit 220 acquires the cathode gas flow rate data detected by the flow sensor 23 and the cathode gas pressure data detected by the pressure sensor 24, and detects the operation state of the cathode gas supply / discharge device 2. Similarly, the operation state detector 220 detects the operation state of the anode gas supply / discharge device 3 by acquiring the anode gas pressure data detected by the pressure sensor 37 and estimating the anode gas circulation flow rate.
  • the operation state detection unit 220 also acquires various command value data calculated by various calculation units (not shown) in the controller 200.
  • various instruction data the rotational speed data of the compressor 22, the opening degree data of the cathode pressure regulating valve 26, the opening degree data of the anode pressure regulating valve 33, the rotational speed data of the anode circulation pump 36, the rotational speed data of the cooling water pump 42, three-way It includes at least opening data of each nozzle of the valve 45 and rotational speed data of the radiator fan 48.
  • the operation state detection unit 220 has been described as performing detection / calculation based on the acquired data as described above. However, similarly to the wet state detection unit 210, the operation state detection unit 220 may output the acquired data as it is to the subsequent stage, and each unit in the subsequent stage may perform control using these data.
  • the wet state control unit 230 controls the wet state of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 by manipulating a plurality of physical quantities including the anode gas circulation flow rate (controlling the corresponding actuator).
  • the wet state control unit 230 obtains the measured HFR of the electrolyte membrane 111 detected by the wet state detection unit 210 and the operation data related to the wetness detected by the operation state detection unit 220, calculates the current water balance, Calculate the target water balance. Then, the wet state control unit 230 outputs the calculated target water balance to the control amount complementing unit 260.
  • the target water balance has a correlation with the wetness of the electrolyte membrane 111 and is a parameter indicating the excess or deficiency of moisture with respect to the target wet state of the electrolyte membrane 111.
  • the target water balance means the target water supply / generation amount (that is, the amount of water supplied through the anode gas circulation passage 35 and the amount of water generated by the electrochemical reaction) to the fuel cell stack 1 during the dry operation. During operation, it means the target discharged water amount (that is, the amount of water discharged through the cathode gas discharge passage 25 and the amount of water discharged through the purge valve 38).
  • the wet state control unit 230 sets the wet state target value of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 set based on the operation state of the fuel cell system 100 and the current fuel cell 10 detected by the wet state detection unit 210.
  • the wet state of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 may be controlled by controlling a plurality of actuators (such as the anode circulation pump 36) based on the detected wet state value of the electrolyte membrane 111.
  • the “water balance” in the present embodiment refers to the amount of water generated by power generation (electrochemical reaction) of the fuel cell stack 1 and the amount of water stored in (retained) the circulating storage water stored (held) in the anode gas circulation passage 35. And the amount of water contained in the cathode off gas and discharged from the fuel cell stack 1 is subtracted from the added value. In the steady state, the amount of water generated by power generation is approximately equal to the amount of water discharged together with the cathode off gas, and therefore the wet state of the electrolyte membrane 111 is determined based on the increase or decrease of the circulating storage water.
  • the wet state control unit 230 determines that the water content of the electrolyte membrane 111 is large, and the target water balance is negative (negative) smaller than zero (0). Set the value.
  • the wet state control unit 230 determines that the moisture in the electrolyte membrane 111 is low, and sets the target water balance to a positive (positive) value larger than zero. To do.
  • the “plural physical quantities” include the flow rate of the cathode gas supplied from the compressor 22 to the fuel cell stack 1 in addition to the circulation rate of the anode gas flowing through the anode gas circulation passage 35 (hereinafter, simply “ Cathode gas flow rate ”) and pressure (hereinafter simply referred to as“ cathode gas pressure ”), and the temperature of cooling water supplied to the fuel cell stack 1 by the cooling water pump 42 (hereinafter simply referred to as“ cooling water temperature ”) Is included.
  • the cooling water temperature for example, a stack inlet water temperature may be used, or a stack temperature that is an average value of the stack inlet water temperature and the stack outlet water temperature may be used.
  • the priority setting unit 240 has a plurality of physical quantities operated by the wet state control unit 230 (that is, an anode gas circulation flow rate, a cathode gas flow rate, a cathode gas pressure, and Set the priority of regular operations for (cooling water temperature).
  • the priority order setting unit 240 (1) decreases the cathode gas pressure, (2) decreases the anode gas flow rate, (3) increases the cooling water temperature, (4) increases the cathode gas flow rate, Priorities are set for a plurality of physical quantities so that the priorities are lowered in the order.
  • the priority order setting unit 240 (1) decreases the cathode gas flow rate, (2) decreases the coolant temperature, (3) increases the anode gas flow rate, and (4) the cathode gas pressure is increased. Priorities are set for a plurality of physical quantities so that the priority decreases in the order of increasing.
  • the cathode gas flow rate control is mainly executed by the compressor 22, and the cathode gas pressure control is mainly executed by the cathode pressure regulating valve 26.
  • the anode gas circulation flow rate control is mainly executed by the anode circulation pump 36.
  • the cooling water temperature control is mainly executed by the cooling water pump 42.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 and the control amount complementing unit 260 of the controller 200 reduce the cathode gas pressure or decrease the anode gas flow rate in order to increase the moisture discharged from the fuel cell stack 1. Increase the cooling water temperature, or increase the cathode gas flow rate.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 and the control amount complementing unit 260 of the controller 200 reduce the cathode gas flow rate, lower the cooling water temperature, increase the anode gas flow rate, Increase the pressure.
  • the reason why the water balance increases and decreases with the increase and decrease of the cathode gas pressure is that the volume flow rate of moisture (water vapor) contained in the cathode gas changes.
  • An increase in the rotational speed of the compressor 22 particularly leads to an increase in power consumption, and an increase in the rotational speed of the cooling water pump 42 and the anode circulation pump 36 also leads to an increase in power consumption.
  • the opening and closing of the cathode pressure regulating valve 26 does not consume much power. Therefore, the priority order set by the priority order setting unit 240 is exactly opposite between the dry operation and the wet operation.
  • a plurality of physical quantities are not controlled at the same time, but are given priority and controlled because how much the control of these auxiliary machines 22, 26, 36, 42 contributes to the target water balance in real time. This is because there is a possibility that the control will go too far or cause hunting. In particular, when the dry operation control is excessive, there is a possibility that the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 may be damaged or deteriorated. Therefore, in the present embodiment, control is performed with priority given to a plurality of physical quantities. ing.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 controls the anode gas circulation flow rate flowing through the anode gas circulation passage 35 based on the wet state of the electrolyte membrane 111 detected by the wet state detection unit 210.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 is configured to detect the anode gas circulation flow rate estimated by the operation state detection unit 220, the required power of the load device 5 input from the load device 5, and the fuel cell stack 1 detected by the operation state detection unit 220.
  • the opening degree of the anode pressure regulating valve 33 is controlled, and the rotational speed of the anode circulation pump 36 is controlled. Thereby, the anode gas circulation flow rate circulating through the anode gas circulation passage 35 can be controlled.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 A target anode gas circulation flow rate as described later is calculated.
  • the anode gas flowing through the anode gas passage 121 shown in FIG. 2 is humidified by the water vapor leaking (permeating) through the electrolyte membrane 111 from the downstream side of the cathode gas passage 131.
  • the circulation flow rate of the humidified anode gas is increased, the moisture contained in the anode gas easily spreads from the upstream to the downstream of the anode gas flow path 121, and the wetness of the fuel cell stack 1 is easily increased.
  • the anode gas circulation flow rate is reduced in consideration of the state in the anode gas flow path 121, so that the moisture taken out from the fuel cell stack 1 flows into the fuel cell stack 1. More moisture comes. Therefore, when the dry operation is started, the wet operation is transiently performed.
  • the anode gas circulation flow rate is increased in consideration of the state in the anode gas flow path 121. Therefore, the moisture flowing into the fuel cell stack 1 with respect to the moisture taken out from the fuel cell stack 1 Less. Therefore, when the wet operation is started, the dry operation is transiently performed.
  • the change rate (change amount) of the anode gas circulation flow rate is set.
  • other physical quantities are controlled according to priority.
  • control amount complementing unit 260 controls the damp state deficient due to the limitation of the anode gas circulation flow rate at least when the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited by the anode gas circulation flow rate limiting unit 270.
  • the amount of control (the amount of control necessary to reach the target water balance) is supplemented by an operation with a physical quantity that has a lower priority of the regular operation than the anode gas circulation flow rate set by the priority setting unit 240.
  • the operation of the control amount complementing unit 260 will be described later in detail.
  • the anode gas circulation flow restriction unit 270 controls the wet state of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 in order to prevent the reverse operation from being performed transiently at the start of the dry operation or the wet operation. During the transient operation to be changed, the rate of change (or amount of change) per unit time of the anode gas circulation flow rate is limited.
  • the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 sets the target anode gas circulation flow rate when the target anode gas circulation flow rate set by the anode gas circulation flow rate control unit 250 is smaller than the current anode gas circulation flow rate.
  • a command value (limit value) is set so as to limit the rate of change of the anode gas circulation flow rate.
  • anode gas circulation flow rate limiting unit 270 in the wet operation, when the target anode gas circulation flow rate set by the anode gas circulation flow rate control unit 250 is larger than the current anode gas circulation flow rate, Set the command value to limit the rate of change of flow rate.
  • the rate of change with respect to the anode gas circulation flow rate takes into account the time until the anode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 returns to the fuel cell stack 1 via the anode gas circulation passage 35, ejector 34 and anode gas supply passage 32. And decide. In particular, even when the anode gas circulation passage 35 is long and it takes a long time to complete a cycle, the change rate is determined so as not to cause a transient reverse operation.
  • the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 performs an operation, for example, every 10 milliseconds based on the arithmetic expressions (1) and (2), and controls the change rate of the anode gas circulation flow rate.
  • t max time required to make a round (one round) of the anode gas circulation passage 35 at the minimum flow rate; ⁇ Q: difference between the minimum flow rate and the maximum flow rate, ⁇ t: control period (in this embodiment, 10 ms as described above), Q n : current target flow rate, Q target : Next target flow rate without change rate limitation, Q n + 1 : Next target flow rate.
  • the cooling water temperature limiting unit 280 is a unit of the temperature of the cooling water in the transient operation in which the wet state of the electrolyte membrane 111 is changed in order to prevent the reverse operation from being performed transiently at the start of the dry operation. Limit the rate of change per hour.
  • the cooling water temperature limiting unit 280 has a higher physical priority than the cooling water temperature in the dry operation, that is, even if the cathode gas pressure and the anode gas flow rate are controlled, the anode gas circulation flow rate limiting unit Only when the restriction of the change rate of the target anode gas circulation flow by 270 is not completed, the change rate of the cooling water temperature per unit time is restricted.
  • the rate of change with respect to the cooling water temperature takes into account the response time (time constant and settling time) to the cathode gas flow rate so that complementation with the cathode gas flow rate, which has a lower priority than the cooling water temperature, works during the transition of the dry operation. To decide. In this case, the longer the response time with respect to the target cooling water temperature, the more the change rate with respect to the cooling water temperature is determined to be severely limited. In particular, since the responsiveness of the cooling water temperature is slower than other physical quantities, the rate of change is determined so that the control does not go too far.
  • the cooling water temperature limiting unit 280 performs a calculation, for example, every 10 milliseconds based on this calculation formula, and controls the rate of change in the cooling water temperature.
  • ⁇ max Cathode gas flow rate response (settling) time
  • ⁇ T max difference between the minimum cooling water temperature and the maximum cooling water temperature
  • ⁇ t control period (in this embodiment, 10 ms as described above)
  • T n current target cooling water temperature
  • T target Next target cooling water temperature without change rate limitation
  • T n + 1 Next target cooling water temperature.
  • 5 and 6 are diagrams illustrating an example of a method of limiting the rate of change of the anode gas circulation flow rate limiting unit and the cooling water temperature limiting unit illustrated in FIG.
  • a dotted line indicates a command value when the control rate change rate is not limited
  • a solid line indicates a command value when the control rate change rate is limited.
  • the line S (see FIG. 5A) indicating the average value of the initial value and the final command value is illustrated.
  • the command value is line symmetrical.
  • FIG. 5 (a) simply limits the rate of change of the controlled variable. By limiting the amount of change in the command value per unit time, that is, by making the slope of the command value constant with respect to the time during the transition, it is possible to limit the change rate of the control amount.
  • the method for limiting the rate of change of the control amount of the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 and the cooling water temperature limiting unit 280 is not limited to such simple rate of change limitation.
  • the rate of change of the controlled variable may be limited using first-order lag processing (see FIG. 5B) or second-order lag processing (see FIG. 5C).
  • the rate of change of the anode gas circulation flow rate and the cooling water temperature may be further moderated.
  • the rate of change may be limited not only by the first-order lag and second-order lag but also by a non-linear filter or the like.
  • Various command values calculated by the anode gas circulation flow rate control unit 250, the control amount complementing unit 260 therein, the anode gas circulation flow rate restriction unit 270, and the cooling water temperature restriction unit 280 are the target compressor 22, cathode adjustment, and the like.
  • the pressure is output to each of the pressure valve 26, the anode pressure regulating valve 33, and the cooling water pump 42.
  • control amount complementing unit 260 of the controller 200 of this embodiment will be described separately for the dry operation and the wet operation.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a functional configuration in the dry operation of the control amount complementing unit 260 illustrated in FIG. 4.
  • control parameters when a dry operation is executed by the controller 200 are shown.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 includes a target anode gas circulation flow rate calculation unit 251.
  • the control amount complementing unit 260 includes a target cathode gas pressure calculating unit 261, a target cooling water temperature calculating unit 262, and a target cathode gas flow rate calculating unit 263.
  • the priority order setting unit 240 sets the priority order of the control target in order from the top of the figure in the dry operation.
  • the target control amounts corresponding to the calculation units 261 to 263 and 251 are calculated in descending order of priority.
  • the wet state control unit 230 obtains the wetness data of the electrolyte membrane 111 detected by the wet state detection unit 210 and the operation data related to the wetness detected by the operation state detection unit 220, and calculates the current water balance. And calculate the target water balance.
  • the calculated target water balance is output to each of the target cathode gas pressure calculation unit 261, the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251, the target cooling water temperature calculation unit 262, and the target cathode gas flow rate calculation unit 263.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 calculates a target value (hereinafter referred to as “target cathode gas pressure”) of the cathode gas pressure for setting the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • target cathode gas pressure is the highest physical quantity in the dry operation.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 calculates the target cathode gas pressure based on the target water balance and the rated value of each pump / compressor stored in advance in a memory (not shown) of the controller 200.
  • the rated value of each pump / compressor is the maximum value of the anode gas circulation flow rate that can be discharged by the anode circulation pump 36 (hereinafter referred to as “maximum anode gas circulation flow rate”) and the cooling water temperature that does not require cooling by the cooling water pump 42. It includes a minimum value (hereinafter referred to as “minimum cooling water temperature”) and a minimum value of the cathode gas flow rate that can be discharged by the compressor 22 (minimum cathode gas flow rate). As described above, when the physical quantity with the highest priority is calculated, the control for the other physical quantities is set so as not to contribute to the dry operation at all.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 calculates the target cathode gas pressure based on the target water balance, the maximum anode gas circulation flow rate, the minimum cooling water temperature, and the minimum cathode gas flow rate.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 calculates the target opening of the cathode pressure regulating valve 26 based on the calculated target cathode gas pressure, and opens / closes the cathode pressure regulating valve 26 based on the calculated target opening. Control.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 sets the opening of the cathode pressure regulating valve 26 to be larger in order to reduce the wetness (moisture) of the electrolyte membrane 111 as the target water balance decreases. As a result, the volume flow rate of moisture in the cathode gas flow path 131 of the fuel cell 10 increases, and the moisture discharged from the fuel cell stack 1 increases.
  • the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 sets a target value (hereinafter referred to as “target anode gas circulation flow rate”) of the anode gas circulation amount for setting the circulation flow rate of the anode gas circulating in the anode gas circulation passage 35. Calculate.
  • the anode gas circulation flow rate is the second highest physical quantity in the dry operation.
  • the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 calculates the target anode gas circulation flow rate based on the target water balance, the measured value of the cathode gas pressure, the minimum cooling water temperature, and the minimum cathode gas flow rate.
  • the target value to be processed is calculated using the actual measurement value or the estimated value for a physical quantity having a higher priority level than its own priority level.
  • the desired water balance wetting degree
  • the control quantity of the dry operation is controlled by the control of the physical quantity having the next highest priority. Can be complemented.
  • the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 acquires the cathode gas pressure (hereinafter also referred to as “measured cathode gas pressure”) detected by the pressure sensor 24 and output to the operation state detection unit 220. Then, the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 calculates the target anode gas circulation flow rate based on the target water balance, the measured cathode gas pressure, the minimum cooling water temperature, and the minimum cathode gas flow rate. The target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 outputs the calculated target anode gas circulation flow rate to the anode gas circulation flow rate restriction unit 270.
  • the cathode gas pressure hereinafter also referred to as “measured cathode gas pressure”
  • the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 is based on the current anode gas circulation flow rate (see FIG. 4) detected by the operating state detection unit 220 and the target anode gas circulation flow rate acquired from the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251.
  • a limit value for limiting the rate of change per unit control time (10 msec in this embodiment) of the anode gas circulation flow rate is calculated.
  • the anode gas circulation flow restriction unit 270 outputs the calculated command value (rotation speed restriction value) to the anode circulation pump 36 as a command value for the anode gas circulation flow.
  • the anode circulation pump 36 gradually decreases the rotational speed based on this command value.
  • the target value of the anode gas circulation flow rate is not controlled by a relatively large step-like command value, but is controlled by a minute step-like (or having a seamless slope) command value.
  • the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 in the fuel cell stack 1 can be effectively reduced or suppressed from becoming a wet state opposite to the control direction.
  • the target cooling water temperature calculation unit 262 calculates a target value of cooling water temperature for setting the cooling water temperature for cooling the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “target cooling water temperature”).
  • the cooling water temperature is the third highest physical quantity in the priority order in the dry operation.
  • the target coolant temperature calculator 262 calculates the target coolant temperature based on the target water balance, the measured cathode gas pressure, the estimated value of the anode gas circulation flow rate, and the minimum cathode gas flow rate.
  • the target cooling water temperature calculation unit 262 calculates an estimated value of the anode gas circulation flow rate (hereinafter referred to as “estimated anode gas circulation flow rate” estimated by the operation state detection unit 220 based on the operation state of the anode gas supply / discharge device 3. "). Then, the target coolant temperature calculator 262 calculates the target coolant temperature based on the target water balance, the measured cathode gas pressure, the estimated anode gas circulation flow rate, and the minimum cathode gas flow rate. The target coolant temperature calculator 262 outputs the calculated target coolant temperature to the coolant temperature limiter 280.
  • the cooling water temperature limiting unit 280 determines whether or not the target water balance can be achieved by controlling the physical quantity having a higher priority than the cooling water temperature, that is, controlling the cathode gas pressure and the anode gas circulation flow rate.
  • the cooling water temperature limiting unit 280 is a limit for limiting the rate of change of the cooling water temperature per unit control time (10 msec in this embodiment). Calculate the value. That is, the cooling water temperature limiting unit 280 performs cooling based on the current cooling water temperature (see FIG. 4) detected by the operation state detection unit 220 and the target cooling water temperature acquired from the target cooling water temperature calculation unit 262. A limit value for limiting the rate of change per unit control time of water temperature (10 msec in this embodiment) is calculated.
  • the cooling water temperature limiting unit 280 outputs the calculated command value (rotation speed limit value) to the cooling water pump 42 as the cooling water temperature command value.
  • the cooling water pump 42 gradually decreases the rotational speed based on this command value. In this way, by controlling the target value of the cooling water temperature with a small stepped (or with a seamless inclination) command value without controlling it with a relatively large stepped command value, the dry operation is performed. In the transient state, it is possible to effectively reduce or suppress the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 in the fuel cell stack 1 from being in a wet state opposite to the control direction.
  • the cooling water temperature limiting unit 280 determines that the target water balance can be achieved, the cooling water temperature limiting unit 280 calculates the limiting value of the rate of change of the cooling water temperature without calculating the limiting value of the cooling water temperature. Based on the target cooling water temperature, the rotation speed of the cooling water pump 42 is calculated, and the calculated rotation speed is output to the cooling water pump 42 as a command value.
  • the rotational speed of the cooling water pump 42 is used as a parameter.
  • the opening of each nozzle of the three-way valve 45, the rotational speed of the radiator fan 48, and the like may be used as parameters as necessary.
  • the target cathode gas flow rate calculation unit 263 calculates a target value of the cathode gas flow rate (hereinafter referred to as “target cathode gas flow rate”) for setting the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • the cathode gas flow rate is the fourth highest (ie lowest) physical quantity of priority in the dry operation.
  • the target cathode gas flow rate calculation unit 263 calculates the target cathode gas flow rate based on the target water balance, the measured cathode gas pressure, the estimated anode gas circulation flow rate, and the measured value of the cooling water temperature.
  • the target cathode gas flow rate calculation unit 263 acquires a measured value of the cooling water temperature acquired and calculated by the operation state detection unit 220 (hereinafter referred to as “measured cooling water temperature”). Then, the target cathode gas flow rate calculation unit 263 calculates the target cathode gas flow rate based on the target water balance, the measured cathode gas pressure, the estimated anode gas circulation flow rate, and the measured cooling water temperature. The target cathode gas flow rate calculation unit 263 calculates the target rotation speed of the compressor 22 based on the calculated target cathode gas flow rate, and controls the operation of the compressor 22 based on the calculated target rotation speed.
  • FIG. 8 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the dry operation in the conventional fuel cell system.
  • the dotted line in FIG. 8 shows a command value
  • a continuous line shows an actual value.
  • a time chart of the cooling water temperature having a higher priority than the anode gas circulation flow rate is omitted.
  • the amount of moisture in the fuel cell stack 1 flows in more than the amount discharged in a transient state. And as shown in the figure, the water balance increases in a transient state although it needs to be lowered based on the target water balance.
  • the fuel cell 10 of the fuel cell stack 1 is transiently overhumid, clogged with water near the outlet of the anode gas passage 121, and the anode gas (hydrogen) in the fuel cell 10 is deficient. The possibility to do.
  • FIG. 9 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the dry operation when the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited. Note that the dotted line in FIG. 9 indicates the command value, and the solid line indicates the actual value. In FIG. 9, the time chart of the cathode gas pressure is omitted.
  • the opening degree of the cathode pressure regulating valve 26 is increased. Since the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited, the command value of the anode gas circulation flow rate decreases slowly. Therefore, the rotation speed of the anode circulation pump 36 gradually decreases based on the change rate limit command value. In this example, because the rate of change is limited, the target water balance cannot be reached only by controlling the anode gas circulation flow rate. Then, the cooling water temperature is controlled and the cathode gas flow rate is further controlled. The cooling water temperature and the cathode gas flow rate do not rise to the initial command value, but catch up with the command value in the middle, and then follow and decrease to finally reach a steady state.
  • the rate of decrease further decreases from the middle, and finally becomes a steady state.
  • the water balance does not reach the stepped initial command value in a short time, but in the transient state, the direction opposite to the control direction (decreasing direction) It will surely decrease without increasing.
  • the control shown in FIG. 9 since the water balance is not controlled in the reverse direction, the conventional deficiency of the anode gas can be prevented.
  • FIG. 10 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the dry operation when the anode gas circulation flow rate and the cooling water temperature change rate are limited. Note that the dotted line in FIG. 10 indicates the command value, and the solid line indicates the actual value. Also, in FIG. 10, the time chart of the cathode gas pressure is omitted as in FIG.
  • the opening degree of the cathode pressure regulating valve 26 is increased. Since the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited, the command value of the anode gas circulation flow rate decreases slowly. For this reason, the rotation speed of the anode circulation pump gradually decreases based on the command value for limiting the change rate.
  • the target water balance cannot be reached only by controlling the anode gas circulation flow rate, so the cooling water temperature and the cathode gas flow rate are controlled, but the rate of change is also imposed on the cooling water temperature. . Therefore, as shown in the figure, the command value of the cooling water temperature gradually increases, decreases after a certain increase, and becomes a steady state. Corresponding to the command value for the coolant temperature, the command value for the rotational speed of the coolant pump 42 gradually increases and then drops from the middle.
  • the cooling water temperature is in a steady state without following the command value because the control response is low. Further, the cathode gas flow rate does not increase to the initial command value, catches up with the command value in the middle, and then decreases following the command value, and finally becomes a steady state.
  • the time until the water balance reaches the target water balance is somewhat longer than in the control shown in FIG.
  • it is possible to reliably prevent the water balance from being controlled in the direction opposite to the control direction it is possible to more reliably prevent the conventional anode gas deficiency.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a functional configuration in the wet operation of the control amount complementing unit 260 illustrated in FIG. 4.
  • control parameters when a wet operation is executed by the controller 200 are shown.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 includes a target anode gas circulation flow rate calculation unit 251.
  • the control amount complementing unit 260 includes a target cathode gas pressure calculation unit 261, a target cooling water temperature calculation unit 262, and a target cathode gas flow rate calculation unit 263, as in the case of the dry operation.
  • the priority order setting unit 240 sets the priority order of the control target in order from the bottom of the figure in the wet operation.
  • each of the calculation units 263 to 261, 251 calculates the corresponding target control amount in descending order of priority.
  • the wet state control unit 230 obtains the wetness data of the electrolyte membrane 111 detected by the wet state detection unit 210 and the operation data related to the wetness detected by the operation state detection unit 220, and calculates the current water balance. And calculate the target water balance.
  • the calculated target water balance is output to each of the target cathode gas pressure calculation unit 261, the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251, the target cooling water temperature calculation unit 262, and the target cathode gas flow rate calculation unit 263.
  • the target cathode gas flow rate calculation unit 263 calculates a target cathode gas flow rate for setting the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • the cathode gas flow rate is the physical quantity having the highest priority in the wet operation.
  • the target cathode gas flow rate calculation unit 263 has a target water balance and a rated value when the most dry operation of each pump / compressor stored in advance in a memory (not shown) of the controller 200 is performed (hereinafter referred to as “the most dry operation rated value”). )), The target cathode gas flow rate is calculated.
  • the dry operation rated value is each command value when performing the dry operation most in the fuel cell system 100.
  • the cathode gas pressure at the time of the dry operation hereinafter referred to as “the dry dry cathode gas pressure” and the anode gas circulation.
  • dryest anode gas circulation flow rate The flow rate (hereinafter referred to as “dryest anode gas circulation flow rate”) and the cooling water temperature (hereinafter referred to as “dryest cooling water temperature”) are included.
  • dryest cooling water temperature the cooling water temperature
  • the target cathode gas flow rate calculation unit 263 calculates the target cathode gas flow rate based on the target water balance, the dryest cathode gas pressure, the dryest anode gas circulation flow rate, and the dryest cooling water temperature. To do. Then, the target cathode gas flow rate calculation unit 263 calculates the target rotation speed of the compressor 22 based on the calculated target cathode gas flow rate, and controls the operation of the compressor 22 based on the calculated target rotation speed.
  • the target cathode gas flow rate calculation unit 263 sets the rotational speed of the compressor 22 to decrease as the target water balance increases to increase the wetness (moisture) of the electrolyte membrane 111. Thereby, the water
  • the target coolant temperature calculation unit 262 calculates a target coolant temperature for setting a coolant temperature for cooling the fuel cell stack 1.
  • the cooling water temperature is the second highest physical quantity in the wet operation.
  • the target cooling water temperature calculation unit 262 is based on the target water balance, the most dry cathode gas pressure, the most dry anode gas circulation flow rate, and the measured value of the cathode gas flow rate (hereinafter referred to as “measured cathode gas flow rate”).
  • the target cooling water temperature is calculated.
  • the target value to be processed is calculated using the actual measurement value or the estimated value for a physical quantity having a higher priority level than its own priority level.
  • the control quantity of the wet operation (the control quantity in the wet state) is controlled by the control of the physical quantity having the next highest priority. Can be complemented.
  • the target cooling water temperature calculation unit 262 acquires the cathode gas flow rate (hereinafter also referred to as “measured cathode gas flow rate”) detected by the flow rate sensor 23 and output to the operation state detection unit 220. Then, the target cooling water temperature calculation unit 262 calculates the target cooling water temperature based on the target water balance, the most dry cathode gas pressure, the most dry anode gas circulation flow rate, and the measured cathode gas flow rate. The target cooling water temperature calculation unit 262 calculates a target rotation speed of the cooling water pump 42 based on the calculated target cooling water temperature, and controls the operation of the cooling water pump 42 based on the calculated target rotation speed. .
  • the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 calculates a target anode gas circulation flow rate for setting the circulation flow rate of the anode gas circulating in the anode gas circulation passage 35.
  • the anode gas circulation flow rate is the third highest physical quantity in the priority order in the wet operation.
  • the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 calculates the target anode gas circulation flow rate based on the target water balance, the dryest cathode gas pressure, the measured value of the cooling water temperature, and the measured cathode gas flow rate.
  • the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 acquires a measured value of the cooling water temperature acquired and calculated by the operation state detection unit 220 (hereinafter referred to as “measured cooling water temperature”). Then, the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 calculates the target anode gas circulation flow rate based on the target water balance, the dryest cathode gas pressure, the measured cooling water temperature, and the measured cathode gas flow rate. The target anode gas circulation flow rate calculation unit 251 outputs the calculated target anode gas circulation flow rate to the anode gas circulation flow rate restriction unit 270.
  • the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 is based on the current anode gas circulation flow rate (see FIG. 4) detected by the operating state detection unit 220 and the target anode gas circulation flow rate acquired from the target anode gas circulation flow rate calculation unit 251.
  • a limit value for limiting the rate of change per unit control time (10 msec in this embodiment) of the anode gas circulation flow rate is calculated.
  • the anode gas circulation flow restriction unit 270 outputs the calculated command value (rotation speed restriction value) to the anode circulation pump 36 as a command value for the anode gas circulation flow.
  • the anode circulation pump 36 gradually increases the rotational speed based on this command value.
  • the target value of the anode gas circulation flow rate is controlled by a minute step-like (or seamless slope) command value without being controlled by a relatively large step-like command value.
  • the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 in the fuel cell stack 1 can be effectively reduced / suppressed from being in a dry state opposite to the control direction. Thereby, the possibility that the electrolyte membrane 111 in the fuel cell 10 is damaged or deteriorated can be effectively suppressed.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 calculates a target cathode gas pressure for setting the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • the cathode gas pressure is the fourth highest (ie lowest) physical quantity of priority in the wet operation.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 calculates the target cathode gas pressure based on the target water balance, the estimated value of the anode gas circulation flow rate, the measured cooling water temperature, and the measured cathode gas flow rate.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 determines the estimated value of the anode gas circulation flow rate (hereinafter referred to as “estimated anode gas circulation flow rate” estimated by the operation state detection unit 220 based on the operation state of the anode gas supply / discharge device 3. "). Then, the target cathode gas pressure calculation unit 261 calculates the target cathode gas pressure based on the target water balance, the estimated anode gas circulation flow rate, the measured cooling water temperature, and the measured cathode gas flow rate.
  • the target cathode gas pressure calculation unit 261 calculates a target opening degree of the cathode pressure regulating valve 26 based on the calculated target cathode gas pressure, and controls opening / closing of the cathode pressure regulating valve 26 based on the calculated target opening degree. .
  • the only physical quantity that has a lower priority than the anode gas circulation flow rate is the cathode gas pressure, so the rate of change of the cathode gas pressure is not limited.
  • priority is lower than the anode gas circulation flow rate, and only physical quantities that do not adversely affect the control of the water balance are limited.
  • FIG. 12 is a time chart showing a change in state of each physical quantity during a wet operation in a conventional fuel cell system. Note that the dotted line in FIG. 12 indicates the command value, and the solid line indicates the actual value. In FIG. 12, a time chart of the cathode gas flow rate and the cooling water temperature, which has a higher priority than the anode gas circulation flow rate, is omitted.
  • the amount of water in the fuel cell stack 1 is discharged more than the amount that flows in the transient state. And, as shown in the figure, the water balance needs to be raised based on the target water balance, but is lowered in the transient state.
  • a transient overdrying state may occur, and the electrolyte membrane 111 in the fuel cell 10 may be damaged or deteriorated.
  • FIG. 13 is a time chart showing the state change of each physical quantity during the wet operation when the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited.
  • the dotted line in FIG. 13 indicates the command value, and the solid line indicates the actual value.
  • a time chart of the cathode gas flow rate and the cooling water temperature is omitted.
  • the rotational speed of the compressor 22 is reduced based on a command value of the cathode gas flow rate (not shown). Further, the rotational speed of the cooling water pump 42 is increased based on a command value for the cooling water temperature (not shown). Since the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited, the command value of the anode gas circulation flow rate increases slowly. Therefore, the rotational speed of the anode circulation pump 36 gradually increases based on the change rate limiting command value.
  • the target water balance cannot be reached only by controlling the anode gas circulation flow rate, so the cathode gas pressure is controlled.
  • the cathode gas pressure rises to near the initial command value, catches up with the command value, then decreases following the command value, and finally reaches a steady state.
  • the anode gas circulation flow rate is further increased gradually from the middle as the control of other physical quantities follows, and finally becomes a steady state.
  • the water balance does not reach the stepped initial command value in a short time, but decreases in the opposite direction to the control direction in the transient state. It will definitely increase.
  • the water balance is not controlled in the direction opposite to the control direction, so that the possibility of damage or deterioration of the electrolyte membrane 111 as in the conventional case is effectively suppressed. can do.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating an example of a control amount complementing process executed by the controller 200 in the present embodiment.
  • This control amount complementing process is executed by the controller 200 of the fuel cell system 100, for example, every 10 milliseconds as described above. Note that the order of steps in each flowchart may be changed within a range where no contradiction occurs.
  • the operating state detecting unit 220 of the controller 200 executes a system operating state detecting process for detecting the operating state of the entire fuel cell system 100 (step S1). Then, the wet state control unit 230 of the controller 200 executes a target water balance calculation process for calculating the target water balance based on the operation state of the fuel cell system 100 (step S2).
  • the wet state control unit 230 of the controller 200 determines the fuel based on the target water balance acquired in step S2 and the current water balance calculated according to the operation data regarding the wetness acquired from the wet state detection unit 210. It is determined whether or not a dry operation is necessary for the battery stack 1 (step S3).
  • the controller 200 executes a dry operation control amount calculation process for calculating the control amount of each physical quantity at the time of the dry operation (step S4).
  • the controller 200 uses a wet operation for calculating the control amount of each physical quantity during the wet operation. Control amount calculation processing is executed (step S5).
  • the controller 200 controls the compressor 22, the cathode pressure regulating valve 26, the anode circulation pump 36, and the cooling water pump 42 that are actuators for controlling the water balance based on the calculation result in step S 4 or S 5.
  • Each actuator control process is executed (step S6), and this control amount complementing process is terminated. Note that each actuator control process, which is a subroutine of the control amount complementing process, has been described above with reference to FIGS. Hereinafter, other subroutines will be described in detail.
  • FIG. 15 is a flowchart showing an example of a system operation state detection process which is a subroutine corresponding to step S1 of the control amount complementing process.
  • the operation state detection unit 220 first detects the pressure of the cathode gas using the pressure sensor 24 (step S11), and detects the flow rate of the cathode gas using the flow rate sensor 23. (Step S12).
  • the operation state detection unit 220 calculates the stack temperature (cooling water temperature) of the fuel cell stack 1 (step S13). As described above, the operation state detection unit 220 acquires the stack inlet water temperature and the stack outlet water temperature from the inlet water temperature sensor 46 and the outlet water temperature sensor 47, and calculates the average value thereof, thereby obtaining the stack temperature of the fuel cell stack 1, That is, the above-described cooling water temperature is calculated.
  • the operating state detection unit 220 estimates the anode gas circulation flow rate based on the rotation speed of the anode circulation pump 36, the anode gas pressure detected by the pressure sensor 37, and the stack temperature (step S14). And the driving
  • the anode circulation flow rate is estimated as a standard state flow rate based on the stack temperature of the fuel cell stack 1 and the pressure of the anode gas in the anode gas circulation passage 35 detected by the pressure sensor 37. .
  • the operation state detection unit 220 outputs various physical quantities thus detected, calculated, and estimated to the wet state control unit 230 and the anode gas circulation flow rate control unit 250.
  • the operating state detection unit 220 calculates the output power of the fuel cell system 100 based on the stack output current detected by the current sensor 51 and the stack output voltage detected by the voltage sensor 52. Since these controls are not so much related to the control of this embodiment, further explanation is omitted.
  • FIG. 16 is a flowchart showing an example of a target water balance calculation process that is a subroutine corresponding to step S2 of the control amount complementing process.
  • the wet state detection unit 210 first causes the impedance measuring device 6 to measure and calculate the HFR of the fuel cell stack 1 (step S21).
  • the impedance measuring device 6 measures the internal impedance of the fuel cell stack 1 as described above, and outputs the measured internal impedance (measured HFR) to the wet state detection unit 210.
  • the wet state control unit 230 acquires the measurement HFR via the wet state detection unit 210 (step S22).
  • the wet state control unit 230 calculates the target HFR based on the operation state of the fuel cell system 100 acquired from the operation state detection unit 220 (step S23).
  • the wet state control unit 230 calculates the target water balance so that the measured HFR acquired in step S22 becomes the target HFR calculated in step S23 (step S24). Then, the wet state control unit 230 ends the target water balance calculation process and returns to the main flow of the control amount complementing process.
  • the wet state control unit 230 causes the target operation to execute the wet operation. Set water balance.
  • the wet state control unit 230 sets the target water balance so that the dry operation is performed.
  • FIG. 17 is a flowchart showing an example of the dry operation control amount calculation process, which is a subroutine corresponding to step S4 of the control amount complementing process.
  • this dry operation control amount calculation process is executed.
  • the dry operation control amount calculation process is mainly executed by the anode gas circulation flow rate control unit 250, the control amount complementing unit 260, the anode gas circulation flow rate restriction unit 270, and the cooling water temperature restriction unit 280. .
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 calculates the maximum anode gas circulation flow rate based on the operation state of the fuel cell system 100 detected by the operation state detection unit 220 (step S41). .
  • the maximum anode gas circulation flow rate may be set in advance based on the system design of the fuel cell system 100, the rated output of each pump, etc., and stored in a memory (not shown).
  • the control amount complementing unit 260 calculates the minimum cooling water temperature based on the operating state of the fuel cell system 100 detected by the operating state detecting unit 220 (step S42).
  • the minimum cooling water temperature may be the ambient temperature (outside temperature) of the fuel cell system 100 detected by a temperature sensor (not shown). Based on the system design of the fuel cell system 100, the rated output of each pump, etc. It may be set in advance and stored in a memory (not shown).
  • control amount complementing unit 260 calculates the minimum cathode gas flow rate based on the operating state of the fuel cell system 100 detected by the operating state detecting unit 220 (step S43).
  • the minimum cathode gas flow rate may be set in advance based on the system design of the fuel cell system 100, the rated output of each pump, etc., and stored in a memory (not shown).
  • control amount complementing unit 260 executes a target cathode gas pressure calculation process (dry) based on the maximum anode gas circulation flow rate, the minimum cooling water temperature, and the minimum cathode gas flow rate calculated in steps S41 to S43 (step S44). ). Then, the anode gas circulation flow rate control unit 250 executes target anode gas circulation flow rate calculation processing (dry) based on the minimum cooling water temperature, the minimum cathode gas flow rate, and the like (step S45).
  • control amount complementing unit 260 executes a target cooling water temperature calculation process (dry) based on the minimum cathode gas flow rate and the like (step S46). Finally, the control amount complementing unit 260 performs a target cathode gas flow rate calculation process (dry) based on various measurement values and estimated values (step S47). Then, the anode gas circulation flow rate control unit 250 and the control amount complementing unit 260 end the control amount calculation process for dry operation, and return to the main flow of the control amount complementing process.
  • steps S44 to S47 of the dry operation control amount calculation process is set based on the priority order of each physical quantity set by the priority order setting unit 240. Therefore, these steps should not change their order.
  • FIG. 18 is a flowchart showing an example of target cathode gas pressure calculation processing (dry), which is a subroutine corresponding to step S44 of the dry operation control amount calculation processing.
  • dry target cathode gas pressure calculation processing
  • the control amount complementing unit 260 performs the target cathode gas pressure calculation processing (dry). Execute.
  • control amount complementing unit 260 performs the maximum anode gas circulation flow rate, the minimum cooling water temperature and the minimum cathode gas flow rate calculated in steps S41 to S43 of the dry operation control amount calculation process, and the target water balance calculation process in step S24.
  • the calculated target water balance is read (step S441). These data are stored in a memory (not shown) as necessary.
  • control amount complementing unit 260 calculates a target cathode gas pressure based on the read various data (step S442). Then, the control amount complementing unit 260 ends the target cathode gas pressure calculation process (dry), and returns to the main flow of the dry operation control amount calculation process.
  • FIG. 19 is a flowchart showing an example of target anode gas circulation flow rate calculation processing (dry), which is a subroutine corresponding to step S45 of the control amount calculation processing for dry operation.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 executes the target anode gas circulation flow rate calculation process (dry) after the completion of the target cathode gas pressure calculation process (dry).
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 first acquires (measures) the cathode gas pressure detected by the pressure sensor 24 (step S451). Then, the anode gas circulation flow rate controller 250 reads out the cathode gas pressure acquired in step S451, the minimum cooling water temperature and the minimum cathode gas flow rate calculated in steps S42 to S43, and the target water balance calculated in step S24. (Step S452). These data are stored in a memory (not shown) as necessary.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 calculates the target anode gas circulation flow rate based on the read various data (step S453).
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 also determines the current anode gas estimated by the operation state detection unit 220 based on the rotation speed of the anode circulation pump 36, the anode gas pressure detected by the pressure sensor 37, and the stack temperature.
  • a circulation flow rate is acquired (step S454).
  • the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 calculates the limit value of the change rate of the anode gas circulation flow rate based on the acquired current anode gas circulation flow rate and the target anode gas circulation flow rate (step S455). Since the calculation method of the limit value of the change rate has been described in detail above, the detailed description thereof is omitted here.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 ends this target anode gas circulation flow rate calculation process (dry), and returns to the main flow of the dry operation control amount calculation process.
  • FIG. 20 is a flowchart showing an example of the target cooling water temperature calculation process (dry) which is a subroutine corresponding to step S46 of the dry operation control amount calculation process.
  • the control amount complementing unit 260 firstly measures the measured cathode gas pressure measured in step S451, the anode gas circulation flow rate acquired in step S454, the minimum cathode gas flow rate calculated in step S43, and the target water balance calculated in step S24. Are read out (step S461). Then, the control amount complementing unit 260 calculates the target cooling water temperature based on the read various data (step S462).
  • control amount complementing unit 260 achieves the target water balance even if the anode gas circulation flow rate is limited based on the limit value of the change rate of the anode gas circulation flow rate calculated in step S455 and the target water balance. It is determined whether or not it is possible (step S463). When it is determined that the target water balance can be achieved, the control amount complementing unit 260 ends the target cooling water temperature calculation process (dry) as it is and returns to the main flow of the dry operation control amount calculation process.
  • control amount complementing unit 260 determines the current water temperature based on the stack inlet water temperature and the stack outlet water temperature detected by the inlet water temperature sensor 46 and the outlet water temperature sensor 47.
  • the cooling water temperature is calculated and measured (step S464).
  • the cooling water temperature limiting unit 280 calculates a limiting value for the rate of change of the cooling water temperature based on the current cooling water temperature measured in step S464 and the target cooling water temperature calculated in step S462 (step S462). S465). Since the calculation method of the limit value of the change rate has been described in detail above, the detailed description thereof is omitted here.
  • control amount complementing unit 260 ends this target coolant temperature calculation process (dry), and returns to the main flow of the control amount calculation process for dry operation.
  • FIG. 21 is a flowchart showing an example of target cathode gas flow rate calculation processing (dry), which is a subroutine corresponding to step S47 of dry operation control amount calculation processing.
  • control amount complementing unit 260 measures the measured cathode gas pressure measured in step S451, the coolant temperature measured in step S464, the anode gas circulation flow rate obtained in step S454, and the target water balance calculated in step S24. Is read (step S461).
  • the control amount complementing unit 260 calculates the target cathode gas flow rate based on the read various data (step S472). Then, the control amount complementing unit 260 ends the target cathode gas flow rate calculation process (dry), and returns to the main flow of the dry operation control amount calculation process.
  • step S6 the controller 200 returns to the main flow of the control amount complementing process and performs each actuator control process for driving and controlling each actuator based on each calculated target value. This is executed (step S6), and the control amount complementing process is terminated.
  • FIG. 22 is a flowchart showing an example of a control amount calculation process for wet operation, which is a subroutine corresponding to step S5 of the control amount complementing process.
  • this control amount calculation process for wet operation is executed.
  • the wet operation control amount calculation processing is mainly executed by the anode gas circulation flow rate control unit 250, the control amount complementing unit 260, and the anode gas circulation flow rate restriction unit 270.
  • the control amount complementing unit 260 sets the minimum cathode gas pressure (that is, the dryest cathode gas pressure) based on the operation state of the fuel cell system 100 detected by the operation state detection unit 220. Calculation is performed (step S51).
  • the minimum cathode gas pressure may be set in advance based on the system design of the fuel cell system 100, the rated output of each pump, etc., and stored in a memory (not shown).
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 calculates the minimum anode gas circulation flow rate (that is, the most dry anode gas circulation flow rate) based on the operation state of the fuel cell system 100 detected by the operation state detection unit 220 (step). S52).
  • the minimum anode gas circulation flow rate may be set in advance based on the system design of the fuel cell system 100, the rated output of each pump, and the like, and may be stored in a memory (not shown).
  • the control amount complementing unit 260 calculates the maximum cooling water temperature (that is, the most dry cooling water temperature) based on the operation state of the fuel cell system 100 detected by the operation state detection unit 220 (step S53).
  • the maximum cooling water temperature may be the ambient temperature (outside temperature) of the fuel cell system 100 detected by a temperature sensor (not shown), and is based on the system design of the fuel cell system 100, the rated output of each pump, and the like. , May be set in advance and stored in a memory (not shown).
  • control amount complementing unit 260 performs a target cathode gas flow rate calculation process (wet) based on the minimum cathode gas pressure, the minimum anode gas circulation flow rate, and the maximum cooling water temperature calculated in steps S51 to S53 (step S54). ). Then, the control amount complementing unit 260 performs a target coolant temperature calculation process (wet) based on the minimum cathode gas pressure, the minimum anode gas circulation flow rate, and the like (step S55).
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 executes a target anode gas circulation flow rate calculation process (wet) based on the minimum cathode gas pressure or the like (step S56).
  • the control amount complementing unit 260 executes target cathode gas pressure calculation processing (wet) based on various measured values and estimated values (step S57). Then, the anode gas circulation flow rate control unit 250 and the control amount complementing unit 260 end this wet operation control amount calculation process and return to the main flow of the control amount complementing process.
  • FIG. 23 is a flowchart showing an example of the target cathode gas flow rate calculation process (wet), which is a subroutine corresponding to step S54 of the wet operation control amount calculation process.
  • the control amount complementing unit 260 performs the target cathode gas flow rate calculation process (wet). Execute.
  • step S24 of the target water balance calculation process the control amount complementing unit 260 first calculates the minimum cathode gas pressure, the minimum anode gas circulation flow rate and the maximum cooling water temperature calculated in steps S51 to S53 of the wet operation control amount calculation process.
  • the calculated target water balance is read (step S541). These data are stored in a memory (not shown) as necessary.
  • control amount complementing unit 260 calculates a target cathode gas flow rate based on the read various data (step S542). Then, the control amount complementing unit 260 ends the target cathode gas flow rate calculation process (wet) and returns to the main flow of the control amount calculation process for wet operation.
  • FIG. 24 is a flowchart showing an example of the target coolant temperature calculation process (wet) which is a subroutine corresponding to step S55 of the wet operation control amount calculation process.
  • the control amount complementing unit 260 executes the target cooling water temperature calculation process (wet) after the target cathode gas flow rate calculation process (wet) ends.
  • the control amount complementing unit 260 first acquires (measures) the cathode gas flow rate detected by the flow rate sensor 23 (step S551).
  • the control amount complementing unit 260 then calculates the cathode gas flow rate acquired in step S551, the minimum cathode gas pressure and minimum anode gas circulation flow rate calculated in steps S51 to S52 of the wet operation control amount calculation process, and the target water balance calculation.
  • the target water balance calculated in step S24 of the process is read (step S552). These data are stored in a memory (not shown) as necessary.
  • control amount complementing unit 260 calculates the target cooling water temperature based on the read various data (step S553). Then, the control amount complementing unit 260 ends the target cooling water temperature calculation process (wet), and returns to the main flow of the control amount calculation process for wet operation.
  • FIG. 25 is a flowchart showing an example of the target anode gas circulation flow rate calculation process (wet), which is a subroutine corresponding to step S56 of the wet operation control amount calculation process.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 executes the target anode gas circulation flow rate calculation process (wet) after completion of the target cathode gas flow rate calculation process (wet) and the target cooling water temperature calculation process (wet).
  • the anode gas circulation flow rate controller 250 first acquires (measures) the coolant temperature calculated based on the stack inlet water temperature and the stack outlet water temperature detected by the inlet water temperature sensor 46 and the outlet water temperature sensor 47 (step S561). Then, the anode gas circulation flow rate controller 250 obtains the cathode gas flow rate acquired in step S551, the cooling water temperature acquired in step S561, the lowest cathode gas pressure calculated in step S51, and step S24 of the target water balance calculation process. The target water balance calculated in step S562 is read (step S562).
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 calculates a target anode gas circulation flow rate based on the read various data (step S563).
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 also determines the current anode gas estimated by the operation state detection unit 220 based on the rotation speed of the anode circulation pump 36, the anode gas pressure detected by the pressure sensor 37, and the stack temperature.
  • a circulation flow rate is acquired (step S564).
  • the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 calculates a limit value for the change rate of the anode gas circulation flow rate based on the acquired current anode gas circulation flow rate and the target anode gas circulation flow rate (step S565). Since the calculation method of the limit value of the change rate has been described in detail above, the detailed description thereof is omitted here.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 ends this target anode gas circulation flow rate calculation process (wet), and returns to the main flow of the control amount calculation process for wet operation.
  • FIG. 26 is a flowchart showing an example of the target cathode gas pressure calculation process (wet), which is a subroutine corresponding to step S57 of the wet operation control amount calculation process.
  • the control amount complementing unit 260 performs this target cathode gas pressure calculation process (wet).
  • control amount complementing unit 260 calculates the anode gas circulation flow rate estimated in step S564, the cooling water temperature acquired in step S561, the cathode gas flow rate acquired in step S551, and step S24 of the target water balance calculation process.
  • the target water balance is read out (step S571).
  • control amount complementing unit 260 calculates a target cathode gas pressure based on the read various data (step S572). Then, the control amount complementing unit 260 ends this target cathode gas pressure calculation process (wet), and returns to the main flow of the control amount calculation process for wet operation.
  • step S6 the controller 200 returns to the main flow of the control amount complementing process, and performs each actuator control process for driving and controlling each actuator based on each calculated target value. This is executed (step S6), and the control amount complementing process is terminated.
  • the fuel cell system 100 of the present embodiment is a fuel cell system 100 that generates power by supplying anode gas and cathode gas to the fuel cell 10 (fuel cell stack 1), and discharges from the fuel cell 10.
  • the anode gas circulation passage 35 for mixing the anode off gas to be supplied with the anode gas supplied to the fuel cell 10 and supplying the anode gas to the fuel cell 10, and the wet state detection unit 210 for detecting the wet state of the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10.
  • a plurality of physical quantities including the anode gas circulation flow rate (in this embodiment, the cathode gas flow rate, the cathode gas pressure, and the cooling water temperature), thereby controlling the wet state of the electrolyte membrane 111.
  • the control device (controller 200) of the fuel cell system 100 of this embodiment controls the anode gas circulation flow rate in the anode gas circulation passage 35 based on the wet state of the electrolyte membrane 111 detected by the wet state detection unit 210.
  • An anode gas circulation flow rate control unit 250 and a priority order setting unit 240 that sets a priority order of steady operations for a plurality of physical quantities operated by the wet state control unit 230 are provided.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 includes an anode gas circulation flow rate restriction unit 270 that restricts the rate of change per unit time of the anode gas circulation flow rate during transient operation in which the wet state of the electrolyte membrane 111 is changed.
  • the anode set by the priority setting unit 240 is set for the control amount in the wet state that is insufficient due to the limitation of the anode gas circulation flow rate.
  • a control amount complementing unit 260 that supplements with a physical quantity operation having a lower priority of the regular operation than the gas circulation flow rate is provided.
  • control device (controller 200) of the fuel cell system 100 is configured in this way, by limiting the rate of change in the control of the anode gas circulation flow rate, a transiently intended control (for example, It is possible to effectively suppress the reverse control to the dry operation or the wet operation).
  • a transiently intended control for example, It is possible to effectively suppress the reverse control to the dry operation or the wet operation.
  • the change rate of the anode gas circulation flow rate is limited, the deficient control amount can be compensated for by a physical quantity having a lower priority than the anode gas circulation flow rate. Therefore, according to the control device of the fuel cell system 100 of the present embodiment, it is possible to reduce the influence that transiently has an adverse effect at the start of the control while maintaining a steady priority.
  • the fuel cell in the operation of wetting the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10, the fuel cell is set as an operation target having a lower priority of the regular operation than the anode gas circulation flow rate.
  • the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 limits the rate of change per unit time of the anode gas circulation flow rate.
  • the control amount complementing unit 260 (target cathode gas pressure calculating unit 261) supplements the operation by increasing the pressure of the cathode gas that supplies the control amount in the wet state that is insufficient due to the limitation of the anode gas circulation flow rate.
  • the control amount complementing unit 260 (target cathode gas pressure calculating unit 261) supplements the operation by increasing the pressure of the cathode gas that supplies the control amount in the wet state that is insufficient due to the limitation of the anode gas circulation flow rate.
  • the fuel cell in the operation of drying the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10, the fuel cell is set as an operation target having a lower priority of the regular operation than the anode gas circulation flow rate.
  • the operation of drying the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10 is started, including the temperature of the cooling water for cooling the stack 1 (cooling water temperature) and the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 (cathode gas flow rate).
  • the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 limits the rate of change per unit time of the anode gas circulation flow rate, and the control amount complementing unit 260 (target cooling water temperature calculation unit 262 or target cathode gas flow rate calculation unit 263) An operation to raise the temperature of the cooling water by the control amount of the damp state that is insufficient due to the restriction of the change rate of the anode gas circulation flow rate. And it is supplemented by at least one operation to increase the cathode gas flow rate.
  • the control amount complementing unit 260 target cooling water temperature calculation unit 262 or target cathode gas flow rate calculation unit 263
  • the rate of change in the anode gas circulation flow rate is limited, and the deficient control amount is supplemented by controlling the cooling water temperature or the cathode gas flow rate.
  • the rate of change in the anode gas circulation flow rate is limited, and the deficient control amount is supplemented by controlling the cooling water temperature or the cathode gas flow rate.
  • the anode gas circulation flow rate controller 250 controls the temperature of the cooling water (cooling water temperature) during the transient operation that changes the wet state of the electrolyte membrane 111.
  • the system further includes a cooling water temperature limiting unit 280 that limits the rate of change per unit time, and the control amount complementing unit 260 complements the control amount in the wet state that is insufficient due to the limitation of the cooling water temperature by an operation that increases the flow rate of the cathode gas. is doing.
  • the rate of change of the anode gas circulation flow rate is limited and the rate of change of the cooling water temperature is also limited, and the control amount for the shortage is complemented by the flow rate of the cathode gas. .
  • the operation in the reverse direction due to the operation of the anode gas circulation flow rate is reduced, and the operation in the reverse direction due to the relationship between the cooling water temperature and the anode gas circulation flow rate is also reduced at the same time. Can do.
  • control device (controller 200) of the fuel cell system 100 of the present embodiment when there is a concern about hydrogen deficiency during a transient operation that changes the wet state of the electrolyte membrane 111, or when the fuel cell system 100 is started up, In order to prevent the deterioration of the cathode catalyst layer, when the anode gas should be quickly supplied to the fuel cell stack 1, the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 cancels the restriction on the change rate of the anode gas circulation flow rate. It is composed.
  • the wet state detected by the wet state detection unit 210 is generated in the water (moisture) flowing into the fuel cell stack 1 and inside the fuel cell stack 1.
  • the water balance may be calculated as a balance between the amount of water generated and the amount of water discharged from the fuel cell. As described above, by using the water balance, it is possible to realize the complement of the control amount that is insufficient even between different physical units (dimensions: dimensions) such as pressure, flow rate, and temperature.
  • the anode gas circulation flow rate control unit 250 is configured to include the anode circulation pump 36.
  • the flow rate can be controlled seamlessly even when compared with the multistage switching of the ejector. Thereby, the rate of change of the anode gas circulation flow rate limiting unit 270 can be easily limited.
  • the plurality of physical quantities includes the anode gas circulation flow rate, the cathode gas pressure supplied to the fuel cell stack 1, and the cathode supplied to the fuel cell stack 1. It includes four of the flow rate of gas and the temperature of cooling water that cools the fuel cell stack 1.
  • the priority order setting unit 240 lowers the cathode gas pressure and lowers the anode gas circulation flow rate in the operation of drying the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10.
  • a steady priority is set in order of operation, operation for increasing the temperature of the cooling water, and operation for increasing the flow rate of the cathode gas.
  • the priority setting unit 240 also operates to lower the cathode gas flow rate, to lower the cooling water temperature, to increase the anode gas circulation flow rate, and to increase the cathode gas pressure in the operation of wetting the electrolyte membrane 111 of the fuel cell 10.
  • a steady priority order is set to decrease in the order of the operation to increase.
  • the priority is given to the plurality of physical quantities to be controlled in this way in order to consider the power consumption of each auxiliary machine and to prevent interference with the control of other physical quantities when these are operated simultaneously. It is. As a result, it is possible to suppress wasteful current consumption while eliminating wasteful operations.
  • the cathode gas pressure is lowered before the anode gas circulation flow rate is lowered. This is because, in consideration of power consumption, the one that reduces power consumption is operated first. For example, when the cathode gas is supplied by the compressor 22, the power consumption of the compressor 22 increases as the cathode gas pressure increases. Further, since the power consumption of the compressor 22 is larger than the power consumption of the anode circulation pump 36, the operation of the cathode gas pressure is prioritized.
  • the priority of the anode gas circulation flow rate is not set last because the control amount cannot be complemented. Furthermore, in the wet operation, the flow rate of the cathode gas is lowered before the cooling water temperature is lowered. This is because not only power consumption but also control responsiveness is considered. This is to prevent the controllability from being deteriorated because the operation responsiveness of the cooling water temperature is poor compared to other physical quantities.
  • the anode gas and the cathode gas are supplied to the fuel cell stack 1 to generate power, and the anode off gas discharged from the fuel cell stack 1 and the fuel cell stack 1 are supplied.
  • the electrolyte membrane 111 By operating (controlling the corresponding actuator), the electrolyte membrane 111 The step of controlling the wet state, the step of limiting the change rate per unit time of the anode gas circulation flow rate, and the rate of change of the anode gas circulation flow rate during the transient operation for changing the wet state of the electrolyte membrane 111 are limited. If the control amount is in a damp state due to the limitation of the anode gas circulation flow rate, the control step includes a step of supplementing with a physical amount operation having a lower priority of the regular operation than the anode gas circulation flow rate.
  • the cathode gas pressure, the cooling water temperature, and the cathode gas flow rate are listed and described as physical quantities controlled by the dry operation and the wet operation in addition to the anode gas circulation flow rate.
  • the present invention is not limited to these physical quantities.
  • one of these may not be included in the physical quantity to be controlled.
  • at least one physical quantity having a lower priority than the anode gas circulation flow rate is required. Therefore, the physical quantity that can be excluded from both the dry operation and the wet operation is only the cathode gas flow rate.

Abstract

燃料電池システムの野制御装置は、湿潤状態検出部により検出した電解質膜の湿潤状態に基づいて、アノードガス循環流量を制御するアノードガス循環流量制御部と、湿潤状態制御部により操作される複数の物理量に対して、定常的な操作の優先順位を設定する優先順位設定部とを備え、アノードガス循環流量制御部は、電解質膜の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するアノードガス循環流量制限部と、アノードガス循環流量制限部によりアノードガス循環流量の変化率が制限されている場合には、アノードガス循環流量の制限により不足した湿潤状態の制御量分について、優先順位設定部により設定されたアノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い物理量の操作で補完する制御量補完部とを含む。

Description

燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法
　本発明は、複数の物理量を制御することにより、燃料電池の電解質膜の湿潤状態を制御する燃料電池システムの制御装置及びその制御方法に関する。
　燃料電池システムとして、燃料ガスであるアノードガスを循環させず、反応後のアノードオフガスをカソードオフガスとともに排出するアノードガス非循環型燃料電池システムと、アノードガスを循環させ、必要に応じて、高圧タンクからアノードガスを追加供給するアノードガス循環型燃料電池システムとが提案されている。
　燃料電池システムでは、カソード電極における電極反応で生成した水や水蒸気（以下、「水分」という）がクロスリークによりアノード電極側のアノードガス流路に流入する。アノードガス循環型燃料電池システムでは、この水分を利用して、燃料電池内の電解質膜の湿潤状態（湿潤度）を制御することができるため、アノードガス供給通路やアノードガス循環通路に加湿器を設ける必要がない。
　ＪＰ５１０４９５０Ｂには、アノードガス循環型燃料電池システムにおいて、燃料電池全体の抵抗値を測定し、測定した抵抗値に基づいて、燃料電池の酸化剤ガス流路の入口近傍及び出口近傍の水分量の過不足を判定し、その水分量が過剰であるか、あるいは不足していると判定した場合には、燃料ガスや酸化剤ガスのストイキ比（流量）や圧力を調整する燃料電池システムが開示される。
　上述のような燃料電池システムでは、燃料電池全体の抵抗値が所定値よりも大きい場合には、水分量が不足していると判定して、例えば、燃料ガスのストイキ比を増やすとともに、燃料ガスの供給圧力を減らす制御が行われる。これにより、燃料ガスが酸化剤ガスと反応して水が生成されるとともに、アノードガス循環通路の体積流量を増やすことができる。したがって、アノードガス循環通路側に保持することができる水分量を増やすことができる。
　一方、燃料電池全体の抵抗値が所定値よりも小さい場合には、水分量が過剰であると判定して、例えば、燃料ガスのストイキ比を減らすとともに、燃料ガスの供給圧力を増やす制御が行われる。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応を抑制して水の生成を減らすとともに、アノードガス循環通路の体積流量を減らすことができる。したがって、酸化剤ガスに含まれることにより燃料電池外に排出される水分量を増やし、アノードガス循環通路側に保持することができる水分量を減らすことができる。
　上述のような制御を行う場合において、燃料ガスのストイキ比を増やすときには、アノードガス循環通路に設けられたアノード循環ポンプを起動し、あるいは、アノード循環ポンプの回転数を上昇させるとともに、必要に応じて、水素タンクの下流に設けられたアノード調圧弁を開弁して燃料ガスを供給している。また、燃料ガスのストイキ比を減らすときには、アノードガス循環通路に設けられたアノード循環ポンプの回転数を低下させるとともに、必要に応じて、アノードガス循環通路に設けられたパージ弁を開弁してアノードオフガスを排出している。
　しかしながら、このような場合には、過渡的に、本来所望している制御とは逆の操作になる場合がある。すなわち、燃料電池内の水分量を増加させようとして、アノード循環ポンプの回転数を上昇させると、アノード循環ポンプの回転数を上昇させた瞬間から過渡的に、燃料電池内から持ち出されるアノードオフガスの量が増え、その中に含まれる水又は水蒸気の分だけ燃料電池内の水分量も減ってしまう。また、燃料電池内の水分量を減らそうとして、アノード循環ポンプの回転数を低下させると、アノード循環ポンプの回転数を低下させた瞬間から過渡的に、燃料電池から排出されるアノードオフガスよりも燃料電池内に流入するアノードオフガスの量が増え、その中に含まれる水又は水蒸気の分だけ燃料電池内の水分量が増えてしまう。
　このような過渡的な状況においては、燃料電池の水分量制御が遅れるだけではなく、燃料電池内の電解質膜を破損又は劣化する可能性や、生成した水によりアノードガス流路の出口付近が詰まり、燃料電池内の水素（アノードガス）が欠乏する可能性があるという問題があった。
　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、燃料電池内の水分量を制御する過渡状態において、制御方向とは逆効果となる影響を軽減することができ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、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムの制御装置であって、燃料電池から排出されるアノードオフガスと、燃料電池に供給するアノードガスとを混合させて燃料電池に供給するアノードガス循環通路と、燃料電池の電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出部と、アノードガス循環通路を流れるアノードガス循環流量を含む複数の物理量を操作（アクチュエータを制御）することにより、電解質膜の湿潤状態を制御する湿潤状態制御部と、を備えるアノードガス循環型の燃料電池システムである。そして、燃料電池システムの制御装置は、湿潤状態検出部により検出した電解質膜の湿潤状態に基づいて、アノードガス循環流量を制御するアノードガス循環流量制御部と、湿潤状態制御部により操作される複数の物理量に対して、定常的な操作の優先順位を設定する優先順位設定部と、を備える。この場合、アノードガス循環流量制御部は、電解質膜の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するアノードガス循環流量制限部と、アノードガス循環流量制限部によりアノードガス循環流量の変化率が制限されている場合には、該アノードガス循環流量の制限により不足した湿潤状態の制御量分について、優先順位設定部により設定されたアノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い物理量の操作で補完する制御量補完部と、を含む。
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システムの全体構成の一例を示す図である。 図２は、図１に示す燃料電池スタック内に含まれる燃料電池の構成を説明するための図である。 図３は、図１に示す燃料電池スタックの内部インピーダンスを測定するためのインピーダンス測定装置の回路図である。 図４は、本実施形態における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、図４に示すアノードガス循環流量制限部及び冷却水温度制限部の変化率の制限方法の一例を示す図である。 図６は、図４に示すアノードガス循環流量制限部及び冷却水温度制限部の変化率の制限方法の一例を示す図である。 図７は、図４に示す制御量補完部のドライ操作における機能構成の一例を示す図である。 図８は、従来の燃料電池システムにおけるドライ操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。 図９は、アノードガス循環流量の変化率を制限した場合におけるドライ操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。 図１０は、アノードガス循環流量及び冷却水温度の変化率を制限した場合におけるドライ操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。 図１１は、図４に示す制御量補完部のウェット操作における機能構成の一例を示す図である。 図１２は、従来の燃料電池システムにおけるウェット操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。 図１３は、アノードガス循環流量の変化率を制限した場合におけるウェット操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。 図１４は、本実施形態におけるコントローラにより実行される制御量補完処理の一例を示すフローチャートである。 図１５は、制御量補完処理のサブルーチンであるシステム運転状態検出処理の一例を示すフローチャートである。 図１６は、制御量補完処理のサブルーチンである目標水収支演算処理の一例を示すフローチャートである。 図１７は、制御量補完処理のサブルーチンであるドライ操作用制御量演算処理の一例を示すフローチャートである。 図１８は、ドライ操作用制御量演算処理のサブルーチンである目標カソードガス圧力演算処理（ドライ）の一例を示すフローチャートである。 図１９は、ドライ操作用制御量演算処理のサブルーチンである目標アノードガス循環流量演算処理（ドライ）の一例を示すフローチャートである。 図２０は、ドライ操作用制御量演算処理のサブルーチンである目標冷却水温度演算処理（ドライ）の一例を示すフローチャートである。 図２１は、ドライ操作用制御量演算処理のサブルーチンである目標カソードガス流量演算処理（ドライ）の一例を示すフローチャートである。 図２２は、制御量補完処理のサブルーチンであるウェット操作用制御量演算処理の一例を示すフローチャートである。 図２３は、ウェット操作用制御量演算処理のサブルーチンである目標カソードガス流量演算処理（ウェット）の一例を示すフローチャートである。 図２４は、ウェット操作用制御量演算処理のサブルーチンである目標冷却水温度演算処理（ウェット）の一例を示すフローチャートである。 図２５は、ウェット操作用制御量演算処理のサブルーチンである目標アノードガス循環流量演算処理（ウェット）の一例を示すフローチャートである。 図２６は、ウェット操作用制御量演算処理のサブルーチンである目標カソードガス圧力演算処理（ウェット）の一例を示すフローチャートである。
　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。
　図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の全体構成の一例を示す図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、図示しない強電バッテリ及び駆動モータを備える電気自動車において、この燃料電池（燃料電池スタック）を駆動源の１つとして用いられるものである。
　燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して発電に必要となるアノードガス（水素）及びカソードガス（空気）を外部から供給して、電気負荷に応じて燃料電池スタック１を発電させる電源システムを構成する。本実施形態の燃料電池システム１００及びその制御装置は、後述するアノードガスの循環制御時の過渡状態における制御に特化している。そのため、以下の説明では、過渡時の制御に特化して説明し、通常の制御や公知の制御については適宜その説明を省略している。
　燃料電池システム１００は、図１に示すように、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、負荷装置５としての駆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。
　図２は、図１に示す燃料電池スタック１内に含まれる燃料電池１０の構成を説明するための図である。燃料電池スタック１には、この燃料電池１０が図２の紙面の手前から奥に向かう方向に積層されている。
　図２に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１により、アノードガス流路１２１と、カソードガス流路１３１とに分けられている。なお、図示を省略するが、アノードガス流路１２１を形成するようにアノードセパレータが配置されており、カソードガス流路１３１及び冷却水流路１４１を形成するようカソードセパレータが配置されている。
　ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とから構成されている。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面側にアノード電極１１２を有しており、他方の面側にカソード電極１１３を有している。
　電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、適度な湿潤度で良好な電気伝導性を示す。ここでいう電解質膜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。
　アノード電極１１２は、図示しないが、触媒層とガス拡散層とを積層して構成される。触媒層は、電解質膜１１１と接するように設けられ、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る。ガス拡散層は、触媒層及びアノードセパレータと接するように触媒層の外側に配置され、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る。
　カソード電極１１３は、図示しないが、アノード電極１１２と同様に、触媒層とガス拡散層とを積層して構成される。
　アノードガス流路１２１は、アノードセパレータ内に複数の溝状通路として形成される。アノードガス流路１２１は、アノード電極１１２にアノードガスを供給するための燃料流路を構成する。
　カソードガス流路１３１は、カソードセパレータ内に複数の溝状通路として形成される。カソードガス流路１３１は、カソード電極１１３にカソードガスを供給するための酸化剤流路を構成する。
　冷却水流路１４１は、カソードガス流路１３１に隣接して、カソードセパレータ内に複数の溝状通路として形成される。冷却水流路１４１は、アノードガスとカソードガスの電気化学反応で温度が上昇した燃料電池１０を冷却するための冷媒を通す冷媒流路を構成する。本実施形態では、冷媒として、冷却水が用いられる。
　図２に示すように、カソードセパレータは、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逆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同じ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及びカソードセパレータは、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。なお、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。
　ＭＥＡ１１が上記のように構成されることにより、図２の矢印Ｘで示すように、アノードガス流路１２１からカソードガス流路１３１にアノードガスがリークするとともに、カソードガス流路１３１からアノードガス流路１２１にカソードガス中の窒素ガスや電気化学反応で生成された水蒸気（水分）がリークする。
　図１に戻って、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（酸化剤ガス）を供給するとともに、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（空気）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、図１に示すように、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の回転速度データは、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。この流量センサ２３により検出したカソードガス流量データは、コントローラ２００に出力される。このように検出したカソードガス流量は、後述する制御量補完処理において利用される。
　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。この圧力センサ２４により検出したカソードガス圧力データは、コントローラ２００に出力される。このように検出したカソードガス圧力は、後述する制御量補完処理において利用される。
　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によってその開閉が制御される。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、カソードオフガスの排出量が増加する。一方、カソード調圧弁２６の開度が小さくなるほど、カソード調圧弁２６が閉じ、カソードオフガスの排出量が減少する。
　アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガス（燃料ガス）を供給するとともに、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（水素）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、図１に示すように、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によってその開閉が制御される。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、アノード調圧弁３３から供給されるアノードガスとともに、吸引したアノードオフガスを燃料電池スタック１に吐出する。
　エゼクタ３４は、具体的には図示しないが、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、アノードガス供給通路３２とアノードガス循環通路３５との接合部にエゼクタ３４を用いたが、この接合部は、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を合流させる構成であってもよい。
　アノードガス循環通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスと、高圧タンク３１からアノード調圧弁３３を介して燃料電池スタック１に供給されるアノードガスとを混合させて、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（及びアノードオフガス）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「アノードガス循環流量」という。
　ここで、コントローラ２００は、アノード循環ポンプ３６の単位時間当たりの回転数と、後述する燃料電池スタック１内の温度（又は、図示しない温度センサにより検出されるアノードガス給排装置３の雰囲気温度）と、後述する圧力センサ３７により検出されるアノードガス循環通路３５内のアノードガスの圧力とに基づいて、標準状態の流量として、アノードガス循環流量を推定（演算）する。このように推定されるアノードガス循環流量は、後述する制御量補完処理における各種演算に利用される。
　圧力センサ３７は、エゼクタ３４と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３７は、アノードガス循環系におけるアノードガスの圧力を検出する。以下では、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力のことを単に「アノードガス圧力」という。この圧力センサ３７により検出したアノードガス圧力データは、コントローラ２００に出力される。
　パージ弁３８は、アノードガス循環通路３５から分岐したアノードガス排出通路に設けられる。パージ弁３８は、アノードオフガスに含まれる不純物を外部に排出する。不純物とは、燃料電池スタック１内の燃料電池１０のカソードガス流路１３１）から電解質膜１１１を透過してきたカソードガス中の窒素ガスや、発電に伴うアノードガスとカソードガスの電気化学反応により生成される水などのことである。パージ弁３８の開度や開閉頻度は、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。これにより、混合ガス中の水素濃度を排出許容濃度（４％）以下に制御することができる。
　スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１内の各燃料電池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、図１に示すように、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、ラジエータファン４８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や三方弁４５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。
　燃料電池スタック１内の温度が燃料電池スタック１に流入する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から冷却水へ放熱する熱量が増加する。これにより、燃料電池スタック１の温度が低下する。一方、同じ状態においては、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、後述するラジエータファン４８の回転による送風によって、燃料電池スタック１において温められた冷却水を冷却する。
　バイパス通路４４は、一部の冷却水にラジエータ４３をバイパスさせるための通路であって、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１つのノズルに接続される。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、ラジエータ４３を介して冷却された冷却水と、バイパス通路４４を通って冷却されていない冷却水とを混合させることにより、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ものである。本実施形態では、三方弁４５は、例えば、サーモスタットにより実現される。しかしながら、三方弁４５は、各ノズルの開度（弁開度）がコントローラ２００により制御される電動弁などであってもよい。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への冷却水循環通路４１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、冷却水の温度が所定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へのノズルの弁開度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、混合した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により検出したスタック入口水温データは、コントローラ２００に出力される。
　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により検出したスタック出口水温データは、コントローラ２００に出力される。
　ラジエータファン４８は、ラジエータ４３の近傍に設けられ、ラジエータファン４８を回転させることにより、ラジエータ４３内を通過する冷却水を空冷する。ラジエータファン４８の回転速度は、スタック入口水温及びスタック出口水温に基づいて、コントローラ２００により制御される。
　冷却水の温度は、所定の処理を施すことにより、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。例えば、入口水温センサ４６により検出したスタック入口水温と、出口水温センサ４７により検出したスタック出口水温との平均値を冷却水の温度又は燃料電池スタック１の温度とすればよい。以下では、冷却水の温度のことを「冷却水温度」といい、燃料電池スタック１の温度のことを「スタック温度」という。
　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、車両を駆動する駆動モータ（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、駆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。
　また、負荷装置５は、燃料電池スタック１の出力側に、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータを含むとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータと駆動モータとの間に、直流電力を交流電力に変換する駆動インバータを含んでもよい。この場合、駆動モータに対して燃料電池スタック１と電気的に並列になるように、高圧バッテリが設けられてもよい。さらに、負荷装置５は、ＤＣ／ＤＣコンバータと高圧バッテリとの間の電力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（図示せず）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との間の電力線には、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との間の電力線に接続される。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により検出したスタック出力電流データは、コントローラ２００に出力される。
　電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間に接続される。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間の電位差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により検出したスタック出力電圧データは、コントローラ２００に出力される。
　インピーダンス測定装置６は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する装置である。燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、電解質膜１１１の湿潤状態と相関がある。そのため、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定することにより、その測定結果に基づいて、電解質膜１１１の湿潤状態を検出（推定）することができる。
　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、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは大きくなる。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、燃料電池スタック１の内部インピーダンスは小さくなる。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。
　ここで、インピーダンス測定装置６の構成を説明する。図３は、図１に示す燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するためのインピーダンス測定装置６の回路図である。実線により示される接続は、電気的な接続を示し、破線（ダッシュ線）で示される接続は、電気信号の接続を示す。
　この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）１ｐから伸びる端子１Ｂと、負極端子（アノード極側端子）１ｎから伸びる端子１Ａと、中途端子１Ｃとに接続されている。なお、中途端子１Ｃに接続された部分は図に示すようにアースされている。
　図３に示すように、インピーダンス測定装置６は、正極側電圧センサ６２と、負極側電圧センサ６３と、正極側電源部６４と、負極側電源部６５と、交流調整部６６と、インピーダンス演算部６１と、を備えている。
　正極側電圧センサ６２は、端子１Ｂと中途端子１Ｃとに接続され、所定の周波数における中途端子１Ｃに対する端子１Ｂの正極側交流電位差Ｖ１を測定し、交流調整部６６及びインピーダンス演算部６１にその測定結果を出力する。負極側電圧センサ６３は、中途端子１Ｃと端子１Ａとに接続され、所定の周波数における中途端子１Ｃに対する端子１Ａの負極側交流電位差Ｖ２を測定し、交流調整部６６及びインピーダンス演算部６１にその測定結果を出力する。
　正極側電源部６４は、例えば、図示しないオペアンプによる電圧電流変換回路によって実現され、端子１Ｂと中途端子１Ｃからなる閉回路に所定の周波数の交流電流Ｉ１が流れるように、交流調整部６６により制御される。また、負極側電源部６５は、例えば、オペアンプ（ＯＰアンプ）による電圧電流変換回路によって実現され、端子１Ａと中途端子１Ｃからなる閉回路に所定の周波数の交流電流Ｉ２が流れるように、交流調整部６６により制御される。
　ここで、「所定の周波数」とは、電解質膜１１１のインピーダンスを検出（測定）するのに適した周波数である。以下、この所定の周波数のことを「電解質膜応答周波数」という。
　交流調整部６６は、例えば、図示しないＰＩ制御回路によって実現され、上述のような交流電流Ｉ１、Ｉ２が各閉回路に流れるように、正極側電源部６４及び負極側電源部６５への指令信号を生成する。このように生成された指令信号に応じて正極側電源部６４及び負極側電源部６５の出力が増減されることにより、各端子間の交流電位差Ｖ１及びＶ２がともに所定のレベル（所定値）に制御される。これにより、交流電位差Ｖ１及びＶ２は等電位になる。
　インピーダンス演算部６１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６１は、各部６２，６３，６４，６５から入力された交流電圧（Ｖ１、Ｖ２）及び交流電流（Ｉ１、Ｉ２）をＡＤ変換器によりデジタル数値信号に変換し、インピーダンス測定のための処理を行う。
　具体的には、インピーダンス演算部６１は、正極側交流電位差Ｖ１の振幅を交流電流Ｉ１の振幅で除算することにより、中途端子１Ｃから端子１Ｂまでの第１インピーダンスＺ１を算出する。また、インピーダンス演算部６１は、負極側交流電位差Ｖ２の振幅を交流電流Ｉ２の振幅で除算することにより、中途端子１Ｃから端子１Ａまでの第２インピーダンスＺ２を演算する。さらに、インピーダンス演算部６１は、第１インピーダンスＺ１と第２インピーダンスＺ２を加算することにより、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。
　なお、負荷装置５としてＤＣ／ＤＣコンバータを備えている場合には、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定する際に、コントローラ２００は、まず、そのＤＣ／ＤＣコンバータに燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧させればよい。これにより、駆動インバータから燃料電池スタック１側を見た場合のインピーダンスが上昇し、負荷変動があってもインピーダンス測定に悪影響を与えないという効果を奏する。
　図３では、図示の都合上、端子１Ｂ及び端子１Ａを燃料電池スタック１の各出力端子に直接的に接続するように示している。しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１００では、このような結線に限らず、端子１Ｂ及び端子１Ａは、燃料電池スタック１内に積層される複数の燃料電池の最も正極側の燃料電池の正極端子と、最も負極側の燃料電池の負極端子とに接続されてもよい。
　また、本実施形態では、インピーダンス演算部６１は、マイコンチップ等のハードウェアが図示しないメモリに予め記憶されているプログラムを実行することにより、燃料電池スタック１の内部インピーダンスを演算する構成としている。しかしながら、インピーダンス演算部６１は、このような構成に限らない。例えば、インピーダンス演算部６１は、アナログ演算ＩＣを用いたアナログ演算回路で実現されてもよい。アナログ演算回路を用いることにより、時間的に連続したインピーダンスの変化を出力することができる。
　ここで、本実施形態では、インピーダンス測定装置６は、交流電流及び交流電圧として、正弦波信号からなる交流信号を用いている。しかしながら、これらの交流信号は、正弦波信号に限らず、矩形波信号や三角波信号、鋸波信号などであってもよい。
　以下では、電解質膜応答周波数に基づい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。
　図１に戻って、コントローラ２００は、図示しないが、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を制御することにより、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量及び圧力を制御する。また、コントローラ２００は、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６を制御することにより、燃料電池スタック１に供給する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、三方弁４５及びラジエータファン４８を制御することにより、燃料電池スタック１内の各燃料電池１０の温度（冷却水温度又はスタック温度）、及び、燃料電池スタック１に供給した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、後述するように、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と、アノードガスの目標流量及び目標圧力と、冷却水の目標温度（目標冷却水温度）とを演算する。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。また、コントローラ２００は、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目標冷却水温度を演算し、その目標冷却水温度に基づいて、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、冷却水温度が目標冷却水温度よりも高い場合には、冷却水温度が目標冷却水温度よりも低い場合に比べて、冷却水ポンプ４２の回転速度を高くするように制御する。
　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、その発電性能が低下する。燃料電池スタック１を効率的に発電させるためには、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の湿潤状態を操作している。
　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の余剰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。
　本実施形態では、燃料電池スタック１の湿潤状態を操作する湿潤制御のために、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、及び冷却水温度の少なくとも一つを制御する。具体的な湿潤制御については、後述する。
　次に、本実施形態の燃料電池システム１００を制御するコントローラ２００の制御機能について説明する。図４は、本実施形態における燃料電池システム１００を制御するコントローラ２００の機能構成の一例を示すブロック図である。なお、図４に示すコントローラ２００の機能ブロック図は、本発明に係る機能を主として記載しており、燃料電池システム１００の通常の運転制御に関する機能については一部省略しているものもある。
　図４に示すように、本実施形態のコントローラ２００は、湿潤状態検出部２１０と、運転状態検出部２２０と、湿潤状態制御部２３０と、優先順位設定部２４０と、アノードガス循環流量制御部２５０とを備える。また、アノードガス循環流量制御部２５０は、制御量補完部２６０と、アノードガス循環流量制限部２７０と、冷却水温度制限部２８０とを含む。
　湿潤状態検出部２１０は、燃料電池スタック１内の燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態を検出する。具体的には、湿潤状態検出部２１０は、インピーダンス測定装置６により測定した燃料電池スタック１のＨＦＲを取得する。そして、湿潤状態検出部２１０は、図示しないメモリに予め格納されているインピーダンス－湿潤度マップを参照して、電解質膜１１１の湿潤度を検出する。検出した湿潤度データは、湿潤状態制御部２３０に出力される。なお、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。
　本実施形態では、湿潤状態検出部２１０は、インピーダンス測定装置６により測定した燃料電池スタック１のＨＦＲに基づいて、燃料電池スタック１内の燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態を検出・演算するものとして説明した。しかしながら、湿潤状態検出部２１０は、取得したＨＦＲをそのまま後段に出力し、後段の各部がそのＨＦＲを用いて制御を行ってもよい。
　運転状態検出部２２０は、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７により検出したスタック入口水温データ及びスタック出口水温データを取得し、スタック入口水温とスタック出口水温の平均値を演算して、燃料電池スタック１のスタック温度（冷却水温度）を検出する。また、運転状態検出部２２０は、電流センサ５１及び電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１のスタック出力電流データ及びスタック出力電圧データを取得し、スタック出力電流とスタック出力電圧を乗算することにより、燃料電池スタック１の出力電力を検出する。
　さらに、運転状態検出部２２０は、流量センサ２３により検出したカソードガス流量データと、圧力センサ２４により検出したカソードガス圧力データとを取得し、カソードガス給排装置２の運転状態を検出する。同様に、運転状態検出部２２０は、圧力センサ３７により検出したアノードガス圧力データを取得し、アノードガス循環流量を推定することにより、アノードガス給排装置３の運転状態を検出する。
　なお、運転状態検出部２２０は、コントローラ２００内の図示しない各種演算部により演算した各種指令値データも取得する。各種指示データとしては、コンプレッサ２２の回転速度データ、カソード調圧弁２６の開度データ、アノード調圧弁３３の開度データ、アノード循環ポンプ３６の回転速度データ、冷却水ポンプ４２の回転速度データ、三方弁４５の各ノズルの開度データ、及びラジエータファン４８の回転速度データを少なくとも含む。
　また、本実施形態では、運転状態検出部２２０は、上述のように、取得したデータに基づいて、検出・演算をするものとして説明した。しかしながら、運転状態検出部２２０は、湿潤状態検出部２１０と同様に、取得したデータをそのまま後段に出力し、後段の各部がそれらのデータを用いて制御を行ってもよい。
　湿潤状態制御部２３０は、アノードガス循環流量を含む複数の物理量を操作（対応するアクチュエータを制御）することにより、燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態を制御する。湿潤状態制御部２３０は、湿潤状態検出部２１０により検出した電解質膜１１１の測定ＨＦＲと、運転状態検出部２２０により検出した湿潤度に関する運転データとを取得し、現在の水収支を演算するとともに、目標水収支を演算する。そして、湿潤状態制御部２３０は、演算した目標水収支を制御量補完部２６０に出力する。なお、目標水収支は、電解質膜１１１の湿潤度と相関があり、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。目標水収支は、ドライ操作時には、燃料電池スタック１への目標給水・生成量（すなわち、アノードガス循環通路３５を介して供給される水量及び電気化学反応により生成される水量）を意味し、ウェット操作時には、目標排出水量（すなわち、カソードガス排出通路２５を介して排出される水量及びパージ弁３８を介して排出される水量）を意味する。
　ここで、湿潤状態制御部２３０は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて設定された燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態目標値と、湿潤状態検出部２１０により検出した現在の燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態検出値とに基づいて、複数のアクチュエータ（アノード循環ポンプ３６等）を制御することにより、燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態を制御してもよい。
　なお、本実施形態における「水収支」とは、燃料電池スタック１の発電（電気化学反応）により生成した水分量と、アノードガス循環通路３５に保管（保持）している循環保管水の水分量とを加算して、その加算値からカソードオフガス内に含まれて燃料電池スタック１から排出されてしまった水分量を減算した値をいう。定常状態では、発電により生成した水分量がカソードオフガスとともに排出される水分量と概ね等しいため、循環保管水の増減に基づいて、電解質膜１１１の湿潤状態が決まることとなる。
　例えば、湿潤状態制御部２３０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、目標水収支としてゼロ（０）よりも小さなマイナス（負）の値を設定する。一方、湿潤状態制御部２３０は、測定ＨＦＲが目標とする値よりも大きい場合には、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。
　ここで、本実施形態では、「複数の物理量」には、アノードガス循環通路３５を流れるアノードガス循環流量に加え、コンプレッサ２２から燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下、単に「カソードガス流量」という）及び圧力（以下、単に「カソードガス圧力」という）と、冷却水ポンプ４２により燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度（以下、単に「冷却水温度」という）とが含まれる。冷却水温度としては、例えば、スタック入口水温を利用してもよく、スタック入口水温及びスタック出口水温の平均値であるスタック温度を利用してもよい。
　優先順位設定部２４０は、特に、ドライ操作やウェット操作の開始時のために、湿潤状態制御部２３０により操作される複数の物理量（すなわち、アノードガス循環流量、カソードガス流量、カソードガス圧力、及び冷却水温度）に対して、定常的な操作の優先順位を設定する。優先順位設定部２４０は、ドライ操作の場合には、（１）カソードガス圧力の低下、（２）アノードガス流量の低下、（３）冷却水温度の上昇、（４）カソードガス流量の増加、の順番に優先度が下がっていくように、複数の物理量に優先順位を設定する。一方、優先順位設定部２４０は、ウェット操作の場合には、（１）カソードガス流量の低下、（２）冷却水温度の低下、（３）アノードガス流量の増加、（４）カソードガス圧力の増加、の順番に優先度が下がっていくように、複数の物理量に優先順位を設定する。
　ここで、各物理量の制御方法を簡単に説明する。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。また、アノードガス循環流量制御は、主にアノード循環ポンプ３６により実行される。冷却水温度制御は、主に冷却水ポンプ４２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のアノードガス循環流量制御部２５０及び制御量補完部２６０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、カソードガス圧力を低くしたり、アノードガス流量を小さくしたり、冷却水温度を高くしたり、カソードガス流量を大きくしたりする。一方、ウェット操作では、コントローラ２００のアノードガス循環流量制御部２５０及び制御量補完部２６０は、カソードガス流量を小さくしたり、冷却水温度を低くしたり、アノードガス流量を大きくしたり、カソードガス圧力を高くしたりする。なお、カソードガス圧力の増減により水収支が増減するのは、カソードガスに含まれる水分（水蒸気）の体積流量が変化するためである。
　複数の物理量に対してこのように優先順位を設定するのは、湿潤状態制御部２３０により演算した目標水収支をできるだけ早く達成するという目的に加え、複数の物理量を制御するコンプレッサ２２、カソード調圧弁２６、アノード循環ポンプ３６、及び冷却水ポンプ４２の消費電力やその応答性を考慮したためである。
　コンプレッサ２２の回転数の上昇は、特に消費電力を増加につながり、冷却水ポンプ４２やアノード循環ポンプ３６の回転数の上昇も消費電力の増加につながる。一方、カソード調圧弁２６の開閉はそれほど消費電力を消費しない。そのため、優先順位設定部２４０により設定される優先順位は、ドライ操作とウェット操作とでちょうど反対になっている。
　また、複数の物理量を同時に制御せず、優先順位をつけて制御しているのは、これらの補機２２、２６、３６、４２の制御が目標水収支に対してどれだけ寄与しているかリアルタイムで確認することはできず、制御が行き過ぎたり、ハンチングを起こしたりする可能性があるからである。特に、ドライ操作制御が行き過ぎてしまう場合には、燃料電池１０の電解質膜１１１の破損や劣化等の可能性もあるため、本実施形態では、複数の物理量に優先順位をつけて制御するようにしている。
　アノードガス循環流量制御部２５０は、湿潤状態検出部２１０により検出した電解質膜１１１の湿潤状態に基づいて、アノードガス循環通路３５を流れるアノードガス循環流量を制御する。アノードガス循環流量制御部２５０は、運転状態検出部２２０により推定したアノードガス循環流量と、負荷装置５から入力される負荷装置５の要求電力と、運転状態検出部２２０により検出した燃料電池スタック１の出力電力とに基づいて、アノード調圧弁３３の開度を制御するとともに、アノード循環ポンプ３６の回転速度を制御する。これにより、アノードガス循環通路３５を循環するアノードガス循環流量を制御することができる。
　なお、アノード循環ポンプ３６の回転速度が所定速度以下の状態（アノード循環ポンプ３６を停止させるアイドルストップ制御時を含む）から回転速度を上昇させる過渡状態においては、アノードガス循環流量制御部２５０は、後述するような目標アノードガス循環流量を演算する。ここで、上述したように、図２に示すアノードガス流路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の循環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、例えば、ドライ操作の開始時には、アノードガス流路１２１内の状態を考慮すると、アノードガス循環流量を小さくするので、燃料電池スタック１から持ち出される水分に対し、燃料電池スタック１に流入してくる水分が多くなる。そのため、ドライ操作の開始時には、過渡的にウェット操作が行われることとなってしまう。
　一方、ウェット操作の開始時には、アノードガス流路１２１内の状態を考慮すると、アノードガス循環流量を大きくするので、燃料電池スタック１から持ち出される水分に対し、燃料電池スタック１に流入してくる水分が少なくなる。そのため、ウェット操作の開始時には、過渡的にドライ操作が行われることとなってしまう。
　本実施形態の燃料電池システム１００では、このような問題を低減又は抑制するために、後述するように、アノードガス循環流量を増減させる場合には、アノードガス循環流量の変化率（変化量）を制限するとともに、その他の物理量を優先順位に従って制御している。
　制御量補完部２６０は、後述するように、少なくともアノードガス循環流量制限部２７０によりアノードガス循環流量の変化率が制限されている場合には、アノードガス循環流量の制限により不足した湿潤状態の制御量分（目標水収支に到達するために必要な制御量分）について、優先順位設定部２４０により設定されたアノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い物理量の操作で補完する。制御量補完部２６０の動作については、詳細に後述する。
　アノードガス循環流量制限部２７０は、上述のように、ドライ操作やウェット操作の開始時に過渡的に逆の操作を行ってしまうことを抑制するために、燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率（又は変化量）を制限する。
　本実施形態では、アノードガス循環流量制限部２７０は、ドライ操作においては、アノードガス循環流量制御部２５０により設定される目標アノードガス循環流量が現在のアノードガス循環流量よりも小さい場合に、その目標アノードガス循環流量の変化率を制限するように指令値（制限値）を設定する。
　また、アノードガス循環流量制限部２７０は、ウェット操作においては、アノードガス循環流量制御部２５０により設定される目標アノードガス循環流量が現在のアノードガス循環流量よりも大きい場合に、その目標アノードガス循環流量の変化率を制限するように指令値を設定する。
　ここで、アノードガス循環流量に対する変化率の制限値を決定する方法の一例について簡単に説明する。アノードガス循環流量に対する変化率は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスがアノードガス循環通路３５、エゼクタ３４及びアノードガス供給通路３２を介して燃料電池スタック１に戻ってくるまでの時間を勘案して決定する。特に、アノードガス循環通路３５が長く、一巡するまでに時間が掛かる場合であっても、過渡的な逆操作とならないような変化率が決定される。
　具体的には、以下の演算式により演算される。アノードガス循環流量制限部２７０は、この演算式（１）、（２）に基づいて、例えば、１０ｍ秒毎に演算を行い、アノードガス循環流量の変化率を制御する。
　上げ側制限：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　下げ側制限：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　　ここで、各文字は以下の内容を示す。
　ｔmax：最低流量でアノードガス循環通路３５を一巡（一周）するのに掛かる時間、
　ΔＱ：最低流量と最大流量との差、
　Δｔ：制御周期（本実施形態では、上述のように、１０ｍ秒）、
　Ｑn：現在の目標流量、
　Ｑtarget：変化率制限なしの次回の目標流量、
　Ｑn+1：次回の目標流量。
　冷却水温度制限部２８０は、ドライ操作の開始時に過渡的に逆の操作を行ってしまうことを抑制するために、電解質膜１１１の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、冷却水の温度の単位時間当たりの変化率を制限する。本実施形態では、冷却水温度制限部２８０は、ドライ操作における冷却水温度よりも優先順位が高い物理量、すなわち、カソードガス圧力及びアノードガス流量の制御を行ったとしても、アノードガス循環流量制限部２７０による目標アノードガス循環流の変化率の制限が完了していない場合のみ、冷却水温度の単位時間当たりの変化率を制限する。
　冷却水温度に対する変化率の制限値を決定する方法の一例について簡単に説明する。冷却水温度に対する変化率は、ドライ操作の過渡時において、冷却水温度よりも優先順位が低いカソードガス流量による補完が働くように、カソードガス流量に対する応答時間（時定数や整定時間）を勘案して決定する。この場合、目標冷却水温度に対する応答時間が長いほど、冷却水温度に対する変化率が厳しく制限されるように決定する。特に、冷却水温度の応答性は、他の物理量に比べて緩慢であるので、制御が行き過ぎないように変化率を決定する。
　具体的には、以下の演算式により演算される。冷却水温度制限部２８０は、この演算式に基づいて、例えば、１０ｍ秒毎に演算を行い、冷却水温度の変化率を制御する。
　上げ側制限：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　下げ側制限：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　ここで、各文字は以下の内容を示す。
　τmax：カソードガス流量の応答（整定）時間、
　ΔＴmax：最低冷却水温度と最高冷却水温度との差、
　Δｔ：制御周期（本実施形態では、上述のように、１０ｍ秒）、
　Ｔn：現在の目標冷却水温度、
　Ｔtarget：変化率制限なしの次回の目標冷却水温度、
　Ｔn+1：次回の目標冷却水温度。
　ここで、アノードガス循環流量制限部２７０及び冷却水温度制限部２８０の制御量の変化率の制限方法の一例を説明する。図５及び図６は、図４に示すアノードガス循環流量制限部及び冷却水温度制限部の変化率の制限方法の一例を示す図である。なお、点線は、制御量の変化率を制限しない場合の指令値を示し、実線は、制御量の変化率を制限した場合の指令値を示す。なお、本例では、制御量を増加させる場合のみを図示するが、制御量を減少させる場合には、初期値と最終指令値の平均値を示す線Ｓ（図５（ａ）参照）に対して線対称にした指令値となる。
　図５（ａ）は、制御量の変化率を単純に制限したものである。単位時間当たりの指令値の変化量を一定、すなわち、過渡時における時間に対する指令値の傾きを一定にすることにより、この制御量の変化率の制限を設けることができる。
　本実施形態では、アノードガス循環流量制限部２７０及び冷却水温度制限部２８０の制御量の変化率の制限方法は、このような単純な変化率の制限に限定するものではない。例えば、一次遅れ処理（図５（ｂ）参照）や二次遅れ処理（図５（ｃ）参照）を用いて制御量の変化率を制限してもよい。
　また、図６（ａ）～図６（ｃ）に示すように、図５（ａ）～図５（ｃ）に示す変化率の制限方法に対して、無駄時間を先に設定することにより、アノードガス循環流量や冷却水温度の変化率をさらに緩やかにしてもよい。さらに、本実施形態では、一次遅れや二次遅れだけでなく、非線形フィルタ等により変化率を制限してもよい。
　アノードガス循環流量制御部２５０、並びに、その中の制御量補完部２６０、アノードガス循環流量制限部２７０及び冷却水温度制限部２８０により演算された各種指令値は、対象となるコンプレッサ２２、カソード調圧弁２６、アノード調圧弁３３及び冷却水ポンプ４２のそれぞれに出力される。
　次に、本実施形態のコントローラ２００の制御量補完部２６０の機能について、ドライ操作の場合とウェット操作の場合に分けて説明する。
　まず、ドライ操作の場合のコントローラ２００の制御量補完部２６０の機能について説明する。図７は、図４に示す制御量補完部２６０のドライ操作における機能構成の一例を示す図である。ここでは、コントローラ２００により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。図７に示すように、アノードガス循環流量制御部２５０は、目標アノードガス循環流量演算部２５１を含む。また、制御量補完部２６０は、目標カソードガス圧力演算部２６１と、目標冷却水温度演算部２６２と、目標カソードガス流量演算部２６３とを含む。
　本実施形態では、上述のように、優先順位設定部２４０により、ドライ操作においては、図の上から順に制御対象の優先順位が高く設定されている。以下、優先順位の高い順に各演算部２６１～２６３、２５１が対応する目標制御量を演算する。
　まず、湿潤状態制御部２３０は、湿潤状態検出部２１０により検出した電解質膜１１１の湿潤度データと、運転状態検出部２２０により検出した湿潤度に関する運転データとを取得し、現在の水収支を演算するとともに、目標水収支を演算する。演算した目標水収支は、目標カソードガス圧力演算部２６１、目標アノードガス循環流量演算部２５１、目標冷却水温度演算部２６２、及び目標カソードガス流量演算部２６３のそれぞれに出力される。
　次いで、目標カソードガス圧力演算部２６１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設定するためのカソードガス圧力の目標値（以下、「目標カソードガス圧力」という）を演算する。本実施形態では、カソードガス圧力は、ドライ操作において優先順位の一番高い物理量である。
　目標カソードガス圧力演算部２６１は、目標水収支と、コントローラ２００の図示しないメモリに予め保存されている各ポンプ・コンプレッサの定格値とに基づいて、目標カソードガス圧力を演算する。各ポンプ・コンプレッサの定格値は、アノード循環ポンプ３６による吐出可能なアノードガス循環流量の最大値（以下、「最大アノードガス循環流量」という）と、冷却水ポンプ４２により冷却不要な冷却水温度の最低値（以下、「最低冷却水温度」という）と、コンプレッサ２２により吐出可能なカソードガス流量の最小値（最小カソードガス流量）とを含む。このように、優先順位の一番高い物理量を演算する場合には、その他の物理量に対する制御がドライ操作に全く寄与しないように設定される。
　具体的には、目標カソードガス圧力演算部２６１は、目標水収支と、最大アノードガス循環流量と、最低冷却水温度と、最小カソードガス流量とに基づいて、目標カソードガス圧力を演算する。そして、目標カソードガス圧力演算部２６１は、演算した目標カソードガス圧力に基づいて、カソード調圧弁２６の目標開度を演算し、その演算した目標開度に基づいて、カソード調圧弁２６の開閉を制御する。
　目標カソードガス圧力演算部２６１は、目標水収支が小さくなるほど、電解質膜１１１の湿潤度（水分）を減らすために、カソード調圧弁２６の開度を大きくなるように設定する。これにより、燃料電池１０のカソードガス流路１３１内の水分の体積流量が増え、燃料電池スタック１から排出される水分が増えることとなる。
　次いで、目標アノードガス循環流量演算部２５１は、アノードガス循環通路３５を循環するアノードガスの循環流量を設定するためのアノードガス循環量の目標値（以下、「目標アノードガス循環流量」という）を演算する。本実施形態では、アノードガス循環流量は、ドライ操作において優先順位の二番目に高い物理量である。目標アノードガス循環流量演算部２５１は、目標水収支と、カソードガス圧力の計測値と、最低冷却水温度と、最小カソードガス流量とに基づいて、目標アノードガス循環流量を演算する。このように、優先順位が下がるにつれて、自身の優先順位よりも高い優先順位の物理量については、実測値又は推定値等を用いて、対象となる目標値を演算することとなる。これにより、優先順位の高い物理量の制御だけでは所望の水収支（湿潤度）まで到達しないときに、次に優先順位の高い物理量の制御によりドライ操作の制御量（湿潤状態の制御量分）を補完することができる。
　具体的には、目標アノードガス循環流量演算部２５１は、圧力センサ２４により検出され、運転状態検出部２２０に出力されたカソードガス圧力（以下、「計測カソードガス圧力」ともいう）を取得する。そして、目標アノードガス循環流量演算部２５１は、目標水収支と、計測カソードガス圧力と、最低冷却水温度と、最小カソードガス流量とに基づいて、目標アノードガス循環流量を演算する。目標アノードガス循環流量演算部２５１は、演算した目標アノードガス循環流量をアノードガス循環流量制限部２７０に出力する。
　アノードガス循環流量制限部２７０は、運転状態検出部２２０により検出した現在のアノードガス循環流量（図４参照）と、目標アノードガス循環流量演算部２５１から取得した目標アノードガス循環流量とに基づいて、アノードガス循環流量の単位制御時間（本実施形態では、１０ｍ秒）当たりの変化率を制限するための制限値を演算する。
　アノードガス循環流量制限部２７０は、アノードガス循環流量の指令値として、上記演算した指令値（回転速度の制限値）をアノード循環ポンプ３６に出力する。アノード循環ポンプ３６は、この指令値に基づいて、徐々に回転速度を下げていく。このように、アノードガス循環流量の目標値を比較的大きなステップ状の指令値で制御することなく、微小な階段状の（又は、シームレスな傾きを持った）指令値で制御することにより、ドライ操作の過渡状態において、燃料電池スタック１内の燃料電池１０の電解質膜１１１が制御方向とは逆のウェット状態になることを効果的に軽減・抑制することができる。
　次いで、目標冷却水温度演算部２６２は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水温度を設定するための冷却水温度の目標値（以下、「目標冷却水温度」という）を演算する。本実施形態では、冷却水温度は、ドライ操作において優先順位の三番目に高い物理量である。目標冷却水温度演算部２６２は、目標水収支と、計測カソードガス圧力と、アノードガス循環流量の推定値と、最小カソードガス流量とに基づいて、目標冷却水温度を演算する。
　具体的には、目標冷却水温度演算部２６２は、アノードガス給排装置３の運転状態に基づいて運転状態検出部２２０により推定したアノードガス循環流量の推定値（以下、「推定アノードガス循環流量」という）を取得する。そして、目標冷却水温度演算部２６２は、目標水収支と、計測カソードガス圧力と、推定アノードガス循環流量と、最小カソードガス流量とに基づいて、目標冷却水温度を演算する。目標冷却水温度演算部２６２は、演算した目標冷却水温度を冷却水温度制限部２８０に出力する。
　冷却水温度制限部２８０は、冷却水温度よりも優先順位の高い物理量の制御、すなわち、カソードガス圧力及びアノードガス循環流量の制御では目標水収支を達成することができるか否かを判定する。冷却水温度制限部２８０は、目標水収支を達成することができないと判定した場合には、冷却水温度の単位制御時間当たり（本実施形態では、１０ｍ秒）の変化率を制限するための制限値を演算する。すなわち、冷却水温度制限部２８０は、運転状態検出部２２０により検出した現在の冷却水温度（図４参照）と、目標冷却水温度演算部２６２から取得した目標冷却水温度とに基づいて、冷却水温度の単位制御時間（本実施形態では、１０ｍ秒）当たりの変化率を制限するための制限値を演算する。
　冷却水温度制限部２８０は、冷却水温度の指令値として、上記演算した指令値（回転速度の制限値）を冷却水ポンプ４２に出力する。冷却水ポンプ４２は、この指令値に基づいて、徐々に回転速度を下げていく。このように、冷却水温度の目標値を比較的大きなステップ状の指令値で制御することなく、微小な階段状の（又は、シームレスな傾きを持った）指令値で制御することにより、ドライ操作の過渡状態において、燃料電池スタック１内の燃料電池１０の電解質膜１１１が制御方向とは逆のウェット状態になることを効果的に軽減・抑制することができる。
　なお、冷却水温度制限部２８０は、目標水収支を達成することができると判定した場合には、冷却水温度の変化率の制限値を演算することなく、目標冷却水温度演算部２６２により演算した目標冷却水温度に基づいて、冷却水ポンプ４２の回転速度を演算し、演算した回転速度を指令値として冷却水ポンプ４２に出力する。
　また、本実施形態では、冷却水温度（スタック入口水温又はスタック温度）を制御するために、冷却水ポンプ４２の回転速度をパラメータとして用いている。しかしながら、必要に応じて、三方弁４５の各ノズルの開度やラジエータファン４８の回転速度などもパラメータとして利用してもよい。
　次いで、目標カソードガス流量演算部２６３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設定するためのカソードガス流量の目標値（以下、「目標カソードガス流量」という）を演算する。本実施形態では、カソードガス流量は、ドライ操作において優先順位の四番目に高い（すなわち、一番低い）物理量である。目標カソードガス流量演算部２６３は、目標水収支と、計測カソードガス圧力と、推定アノードガス循環流量と、冷却水温度の計測値とに基づいて、目標カソードガス流量を演算する。
　具体的には、目標カソードガス流量演算部２６３は、運転状態検出部２２０により取得・演算した冷却水温度の計測値（以下、「計測冷却水温度」という）を取得する。そして、目標カソードガス流量演算部２６３は、目標水収支と、計測カソードガス圧力と、推定アノードガス循環流量と、計測冷却水温度とに基づいて、目標カソードガス流量を演算する。目標カソードガス流量演算部２６３は、演算した目標カソードガス流量に基づいて、コンプレッサ２２の目標回転速度を演算し、その演算した目標回転速度に基づいて、コンプレッサ２２の運転を制御する。
　次に、燃料電池システム１００のドライ操作における各物理量の状態変化について説明する。まず、本実施形態のアノードガス循環流量制限部２７０及び冷却水温度制限部２８０を備えていない従来の燃料電池システムの動作を説明する。
　図８は、従来の燃料電池システムにおけるドライ操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。なお、図８における点線は指令値を示し、実線は実際の値を示す。また、図８では、アノードガス循環流量よりも優先順位の高い冷却水温度のタイムチャートを省略している。
　この場合、アノードガス循環流量の指令値がステップ状に変化しているので、アノード循環ポンプ３６の回転速度を急激に低下させることとなる。これにより、アノードガス循環流量が急激に減少する。そのため、カソードガス圧力及びカソードガス流量は、初期の指令値に対してほとんど上昇・増加することなく、途中で指令値に追いついて、その後は追従して低下し、最終的に定常状態になる。
　しかしながら、アノードガス循環流量の急激な減少により、燃料電池スタック１内の水分は、過渡状態では、排出される量よりも流入してくる量が多くなる。そして、図示のように、水収支は、目標水収支に基づいて低下させる必要があるにもかかわらず、過渡状態では上昇してしまう。
　すなわち、燃料電池スタック１の燃料電池１０内では、過渡的に過湿潤の状態となり、アノードガス流路１２１の出口付近において、水が詰まってしまい、燃料電池１０内のアノードガス（水素）が欠乏する可能性が生じる。
　次いで、本実施形態の燃料電池システム１００におけるドライ操作時の各物理量の状態変化について説明する。ここでは、アノードガス循環流量制限部２７０のみが物理量の変化率の制限をする場合（図９参照）と、アノードガス循環流量制限部２７０及び冷却水温度制限部２８０の両方が物理量の変化率の制限をする場合（図１０参照）とをそれぞれ説明する。
　図９は、アノードガス循環流量の変化率を制限した場合におけるドライ操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。なお、図９における点線は指令値を示し、実線は実際の値を示す。また、図９では、カソードガス圧力のタイムチャートを省略している。
　まず、図示しないカソードガス圧力の指令値に基づいて、カソード調圧弁２６の開度が増加する。アノードガス循環流量には、変化率の制限が掛かっているため、アノードガス循環流量の指令値はゆっくりと減少する。そのため、アノード循環ポンプ３６の回転速度は、変化率制限の指令値に基づいて、徐々に低下していく。また、本例では、変化率の制限により、アノードガス循環流量の制御だけでは目標水収支に到達することができないので、次いで、冷却水温度の制御を行い、さらにカソードガス流量の制御を行う。冷却水温度及びカソードガス流量は、初期の指令値まで上昇することなく、途中で指令値に追いついて、その後は追従して低下し、最終的に定常状態になる。
　一方、アノードガス循環流量は、他の物理量の制御が追従することにより、途中からさらに低下速度が緩まり、最終的に定常状態になる。このような制御を行うことにより、図示のように、水収支は、ステップ状の初期の指令値に短時間で到達することはないが、過渡状態において、制御方向（減少方向）とは逆方向に増えることなく、確実に減少していく。このように、図９に示す制御によれば、水収支が制御方向は逆方向の制御となることがないので、従来のようなアノードガスの欠乏を防止することができる。
　図１０は、アノードガス循環流量及び冷却水温度の変化率を制限した場合におけるドライ操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。なお、図１０における点線は指令値を示し、実線は実際の値を示す。また、図１０では、図９と同様に、カソードガス圧力のタイムチャートを省略している。
　まず、図示しないカソードガス圧力の指令値に基づいて、カソード調圧弁２６の開度が増加する。アノードガス循環流量には、変化率の制限が掛かっているため、アノードガス循環流量の指令値はゆっくりと減少する。そのため、アノード循環ポンプの回転速度は、変化率制限の指令値に基づいて、徐々に低下していく。
　本例では、アノードガス循環流量の制御だけでは目標水収支に到達することができないので、冷却水温度及びカソードガス流量の制御を行うが、冷却水温度についても、変化率の制限をかけている。そのため、図示のように、冷却水温度の指令値は徐々に上昇し、ある程度の上昇後低下して、定常状態となる。冷却水温度の指令値に対応して、冷却水ポンプ４２の回転速度の指令値は、徐々に上昇し、途中から低下することになる。
　冷却水温度は、制御の応答性が低いため、指令値に追従することなく、定常状態となる。また、カソードガス流量は、初期の指令値まで上昇することなく、途中で指令値に追いついて、その後は追従して低下し、最終的に定常状態になる。
　本例では、図９に示す制御に比べて、水収支が目標水収支に到達するまでの時間が多少長くなってしまう。しかしながら、水収支が制御方向とは逆方向の制御となることを確実に防止することができるので、従来のようなアノードガスの欠乏をより確実に防止することができる。
　次に、ウェット操作の場合のコントローラ２００の制御量補完部２６０の機能について説明する。図１１は、図４に示す制御量補完部２６０のウェット操作における機能構成の一例を示す図である。ここでは、コントローラ２００によりウェット操作を実行するときの制御パラメータが示されている。図１１に示すように、アノードガス循環流量制御部２５０は、目標アノードガス循環流量演算部２５１を含む。また、制御量補完部２６０は、ドライ操作の場合と同様に、目標カソードガス圧力演算部２６１と、目標冷却水温度演算部２６２と、目標カソードガス流量演算部２６３とを含む。
　本実施形態では、上述のように、優先順位設定部２４０により、ウェット操作においては、図の下から順に制御対象の優先順位が高く設定されている。以下、優先順位の高い順に各演算部２６３～２６１、２５１が対応する目標制御量を演算する。
　まず、湿潤状態制御部２３０は、湿潤状態検出部２１０により検出した電解質膜１１１の湿潤度データと、運転状態検出部２２０により検出した湿潤度に関する運転データとを取得し、現在の水収支を演算するとともに、目標水収支を演算する。演算した目標水収支は、目標カソードガス圧力演算部２６１、目標アノードガス循環流量演算部２５１、目標冷却水温度演算部２６２、及び目標カソードガス流量演算部２６３のそれぞれに出力される。
　次いで、目標カソードガス流量演算部２６３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設定するための目標カソードガス流量を演算する。本実施形態では、カソードガス流量は、ウェット操作において優先順位の一番高い物理量である。
　目標カソードガス流量演算部２６３は、目標水収支と、コントローラ２００の図示しないメモリに予め保存されている各ポンプ・コンプレッサの最もドライ操作を行ったときの定格値（以下、「最ドライ操作定格値」という）とに基づいて、目標カソードガス流量を演算する。最ドライ操作定格値は、燃料電池システム１００において最もドライ操作を行う際の各指令値であり、最ドライ操作時におけるカソードガス圧力（以下、「最ドライカソードガス圧力」という）と、アノードガス循環流量（以下、「最ドライアノードガス循環流量」という）と、冷却水温度（以下、「最ドライ冷却水温度」という）とを含む。このように、優先順位の一番高い物理量を演算する場合には、その他の物理量に対する制御がウェット操作に全く寄与しないように設定される。
　具体的には、目標カソードガス流量演算部２６３は、目標水収支と、最ドライカソードガス圧力と、最ドライアノードガス循環流量と、最ドライ冷却水温度とに基づいて、目標カソードガス流量を演算する。そして、目標カソードガス流量演算部２６３は、演算した目標カソードガス流量に基づいて、コンプレッサ２２の目標回転速度を演算し、その演算した目標回転速度に基づいて、コンプレッサ２２の運転を制御する。
　目標カソードガス流量演算部２６３は、目標水収支が大きくなるほど、電解質膜１１１の湿潤度（水分）を増やすために、コンプレッサ２２の回転速度を小さくなるように設定する。これにより、燃料電池スタック１から排出される水分が減ることとなる。
　次いで、目標冷却水温度演算部２６２は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水温度を設定するための目標冷却水温度を演算する。本実施形態では、冷却水温度は、ウェット操作において優先順位の二番目に高い物理量である。目標冷却水温度演算部２６２は、目標水収支と、最ドライカソードガス圧力と、最ドライアノードガス循環流量と、カソードガス流量の計測値（以下、「計測カソードガス流量」という）とに基づいて、目標冷却水温度を演算する。このように、優先順位が下がるにつれて、自身の優先順位よりも高い優先順位の物理量については、実測値又は推定値等を用いて、対象となる目標値を演算することとなる。これにより、優先順位の高い物理量の制御だけでは所望の水収支（湿潤度）まで到達しないときに、次に優先順位の高い物理量の制御によりウェット操作の制御量（湿潤状態の制御量分）を補完することができる。
　具体的には、目標冷却水温度演算部２６２は、流量センサ２３により検出され、運転状態検出部２２０に出力されたカソードガス流量（以下、「計測カソードガス流量」ともいう）を取得する。そして、目標冷却水温度演算部２６２は、目標水収支と、最ドライカソードガス圧力と、最ドライアノードガス循環流量と、計測カソードガス流量とに基づいて、目標冷却水温度を演算する。目標冷却水温度演算部２６２は、演算した目標冷却水温度に基づいて、冷却水ポンプ４２の目標回転速度を演算し、その演算した目標回転速度に基づいて、冷却水ポンプ４２の運転を制御する。
　次いで、目標アノードガス循環流量演算部２５１は、アノードガス循環通路３５を循環するアノードガスの循環流量を設定するための目標アノードガス循環流量を演算する。本実施形態では、アノードガス循環流量は、ウェット操作において優先順位の三番目に高い物理量である。目標アノードガス循環流量演算部２５１は、目標水収支と、最ドライカソードガス圧力と、冷却水温度の計測値と、計測カソードガス流量とに基づいて、目標アノードガス循環流量を演算する。
　具体的には、目標アノードガス循環流量演算部２５１は、運転状態検出部２２０により取得・演算した冷却水温度の計測値（以下、「計測冷却水温度」という）を取得する。そして、目標アノードガス循環流量演算部２５１は、目標水収支と、最ドライカソードガス圧力と、計測冷却水温度と、計測カソードガス流量とに基づいて、目標アノードガス循環流量を演算する。目標アノードガス循環流量演算部２５１は、演算した目標アノードガス循環流量をアノードガス循環流量制限部２７０に出力する。
　アノードガス循環流量制限部２７０は、運転状態検出部２２０により検出した現在のアノードガス循環流量（図４参照）と、目標アノードガス循環流量演算部２５１から取得した目標アノードガス循環流量とに基づいて、アノードガス循環流量の単位制御時間（本実施形態では、１０ｍ秒）当たりの変化率を制限するための制限値を演算する。
　アノードガス循環流量制限部２７０は、アノードガス循環流量の指令値として、上記演算した指令値（回転速度の制限値）をアノード循環ポンプ３６に出力する。アノード循環ポンプ３６は、この指令値に基づいて、徐々に回転速度を上げていく。このように、アノードガス循環流量の目標値を比較的大きなステップ状の指令値で制御することなく、微小な階段状の（又は、シームレスな傾きを持った）指令値で制御することにより、ウェット操作の過渡状態において、燃料電池スタック１内の燃料電池１０の電解質膜１１１が制御方向とは逆のドライ状態になることを効果的に軽減・抑制することができる。これにより、燃料電池１０内の電解質膜１１１を破損又は劣化する可能性を効果的に抑制することができる。
　次いで、目標カソードガス圧力演算部２６１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設定するための目標カソードガス圧力を演算する。本実施形態では、カソードガス圧力は、ウェット操作において優先順位の四番目に高い（すなわち、一番低い）物理量である。目標カソードガス圧力演算部２６１は、目標水収支と、アノードガス循環流量の推定値と、計測冷却水温度と、計測カソードガス流量とに基づいて、目標カソードガス圧力を演算する。
　具体的には、目標カソードガス圧力演算部２６１は、アノードガス給排装置３の運転状態に基づいて運転状態検出部２２０により推定したアノードガス循環流量の推定値（以下、「推定アノードガス循環流量」という）を取得する。そして、目標カソードガス圧力演算部２６１は、目標水収支と、推定アノードガス循環流量と、計測冷却水温度と、計測カソードガス流量とに基づいて、目標カソードガス圧力を演算する。目標カソードガス圧力演算部２６１は、演算した目標カソードガス圧力に基づいて、カソード調圧弁２６の目標開度を演算し、その演算した目標開度に基づいて、カソード調圧弁２６の開閉を制御する。
　本例では、ウェット操作時において、アノードガス循環流量よりも優先順位の低い物理量は、カソードガス圧力だけであるので、カソードガス圧力の変化率の制限を行っていない。ウェット操作により燃料電池スタック１内の水分を増加させる際、特に、アノード循環ポンプ３６の急激な運転が過渡的な問題を発生させやすい。そのため、本実施形態では、アノードガス循環流量よりも優先順位が低く、水収支の制御に悪影響を及ぼさない物理量のみに制限をかけるようにしている。
　次に、燃料電池システム１００のウェット操作における各物理量の状態変化について説明する。まず、本実施形態のアノードガス循環流量制限部２７０を備えていない従来の燃料電池システムの動作を説明する。
　図１２は、従来の燃料電池システムにおけるウェット操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。なお、図１２における点線は指令値を示し、実線は実際の値を示す。また、図１２では、アノードガス循環流量よりも優先順位の高いカソードガス流量及び冷却水温度のタイムチャートを省略している。
　この場合、アノードガス循環流量の指令値がステップ状に変化しているので、アノード循環ポンプ３６の回転速度を急激に増加させることとなる。これにより、アノードガス循環流量が急激に増加する。そのため、カソードガス圧力は、初期の指令値に対してほとんど増加することなく、途中で指令値に追いついて、その後は追従して低下し、最終的に定常状態になる。
　しかしながら、アノードガス循環流量の急激な増加により、燃料電池スタック１内の水分は、過渡状態では、流入される量よりも排出してくる量が多くなる。そして、図示のように、水収支は、目標水収支に基づいて上昇させる必要があるにもかかわらず、過渡状態では低下してしまう。
　すなわち、燃料電池スタック１の燃料電池１０内では、過渡的に過乾燥の状態となり、燃料電池１０内の電解質膜１１１を破損又は劣化する可能性が生じる。
　次いで、本実施形態の燃料電池システム１００におけるウェット操作時の各物理量の状態変化について説明する。図１３は、アノードガス循環流量の変化率を制限した場合におけるウェット操作時の各物理量の状態変化を示すタイムチャートである。図１３における点線は指令値を示し、実線は実際の値を示す。また、図１３では、カソードガス流量及び冷却水温度のタイムチャートを省略している。
　まず、図示しないカソードガス流量の指令値に基づいて、コンプレッサ２２の回転速度が低下する。また、図示しない冷却水温度の指令値に基づいて、冷却水ポンプ４２の回転速度が増加する。アノードガス循環流量には、変化率の制限が掛かっているため、アノードガス循環流量の指令値はゆっくりと増加する。そのため、アノード循環ポンプ３６の回転速度は、変化率制限の指令値に基づいて、徐々に増加していく。
　本例では、変化率の制限により、アノードガス循環流量の制御だけでは目標水収支に到達することができないので、カソードガス圧力の制御を行う。カソードガス圧力は、初期の指令値近くまで上昇して指令値に追いつき、その後は追従して低下し、最終的に定常状態になる。
　一方、アノードガス循環流量は、他の物理量の制御が追従することにより、途中からさらに増加速度が緩まり、最終的に定常状態になる。このような制御を行うことにより、図示のように、水収支は、ステップ状の初期の指令値に短時間で到達することはないが、過渡状態において、制御方向とは逆方向に減少することなく、確実に増加していく。このように、図１３に示す制御によれば、水収支が制御方向とは逆方向の制御となることがないので、従来のような電解質膜１１１の破損又は劣化の可能性を効果的に抑制することができる。
　次に、図１４～図２６に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。図１４は、本実施形態におけるコントローラ２００により実行される制御量補完処理の一例を示すフローチャートである。この制御量補完処理は、上述のように、燃料電池システム１００のコントローラ２００により、例えば、１０ｍ秒毎に実行される。なお、各フローチャートのステップの順序は、矛盾の生じない範囲において変更してもよい。
　この制御量補完処理では、まず、コントローラ２００の運転状態検出部２２０は、燃料電池システム１００全体の運転状態を検出するためのシステム運転状態検出処理を実行する（ステップＳ１）。そして、コントローラ２００の湿潤状態制御部２３０は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、目標水収支を演算するための目標水収支演算処理を実行する（ステップＳ２）。
　次いで、コントローラ２００の湿潤状態制御部２３０は、ステップＳ２において取得した目標水収支と、湿潤状態検出部２１０から取得した湿潤度に関する運転データに応じて演算した現在の水収支とに基づいて、燃料電池スタック１に対してドライ操作が必要であるか否かを判定する（ステップＳ３）。
　燃料電池スタック１に対してドライ操作が必要であると判定した場合には、コントローラ２００は、ドライ操作時における各物理量の制御量を演算するためのドライ操作用制御量演算処理を実行する（ステップＳ４）。一方、燃料電池スタック１に対してドライ操作が必要ではなく、ウェット操作が必要であると判定した場合には、コントローラ２００は、ウェット操作時における各物理量の制御量を演算するためのウェット操作用制御量演算処理を実行する（ステップＳ５）。
　次いで、コントローラ２００は、ステップＳ４又はＳ５における演算結果に基づいて、水収支の制御を行う際のアクチュエータとなるコンプレッサ２２、カソード調圧弁２６、アノード循環ポンプ３６、及び冷却水ポンプ４２を制御するための各アクチュエータ制御処理を実行し（ステップＳ６）、この制御量補完処理を終了する。なお、制御量補完処理のサブルーチンである各アクチュエータ制御処理については、図７及び図１１を用いて上述しているので、フローチャートの図示及びその説明を省略する。以下、その他のサブルーチンについて詳細に説明する。
　図１５は、制御量補完処理のステップＳ１に対応するサブルーチンであるシステム運転状態検出処理の一例を示すフローチャートである。このシステム運転状態検出処理では、運転状態検出部２２０は、まず、圧力センサ２４を用いて、カソードガスの圧力を検出し（ステップＳ１１）、流量センサ２３を用いて、カソードガスの流量を検出する（ステップＳ１２）。
　次いで、運転状態検出部２２０は、燃料電池スタック１のスタック温度（冷却水温度）を演算する（ステップＳ１３）。上述のように、運転状態検出部２２０は、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７からスタック入口水温とスタック出口水温を取得し、その平均値を演算することにより、燃料電池スタック１のスタック温度、すなわち、上述の冷却水温度を演算する。
　次いで、運転状態検出部２２０は、アノード循環ポンプ３６の回転速度と、圧力センサ３７により検出したアノードガス圧力と、スタック温度とに基づいて、アノードガス循環流量を推定する（ステップＳ１４）。そして、運転状態検出部２２０は、このシステム運転状態検出処理を終了し、制御量補完処理のメインフローに戻る。上述のように、アノード循環流量は、燃料電池スタック１のスタック温度と、圧力センサ３７により検出されるアノードガス循環通路３５内のアノードガスの圧力とに基づいて、標準状態の流量として推定される。
　運転状態検出部２２０は、湿潤状態制御部２３０及びアノードガス循環流量制御部２５０に対して、このように検出・演算・推定した各種物理量を出力する。なお、運転状態検出部２２０は、電流センサ５１により検出されるスタック出力電流と、電圧センサ５２により検出されるスタック出力電圧とに基づいて、燃料電池システム１００の出力電力を演算する。これらの制御は、本実施形態の制御とはあまり関係がないので、更なる説明は省略する。
　図１６は、制御量補完処理のステップＳ２に対応するサブルーチンである目標水収支演算処理の一例を示すフローチャートである。この目標水収支演算処理では、湿潤状態検出部２１０は、まず、インピーダンス測定装置６に対して、燃料電池スタック１のＨＦＲを測定・演算させる（ステップＳ２１）。インピーダンス測定装置６は、上述のように燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定し、測定した内部インピーダンス（測定ＨＦＲ）を湿潤状態検出部２１０に出力する。そして、湿潤状態制御部２３０は、湿潤状態検出部２１０を介して、測定ＨＦＲを取得する（ステップＳ２２）。
　次いで、湿潤状態制御部２３０は、運転状態検出部２２０から取得した燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、目標ＨＦＲを演算する（ステップＳ２３）。湿潤状態制御部２３０は、ステップＳ２２において取得した測定ＨＦＲがステップＳ２３において演算した目標ＨＦＲになるように、目標水収支を演算する（ステップＳ２４）。そして、湿潤状態制御部２３０は、この目標水収支演算処理を終了し、制御量補完処理のメインフローに戻る。
　なお、目標ＨＦＲに対して測定ＨＦＲが大きい場合には、燃料電池１０内の電解質膜１１１が目標値よりも乾燥気味である、そのため、湿潤状態制御部２３０は、ウェット操作を実行させるように目標水収支を設定する。一方、目標ＨＦＲに対して測定ＨＦＲが小さい場合には、燃料電池１０内の電解質膜１１１が目標値よりも湿潤気味である。そのため、湿潤状態制御部２３０は、ドライ操作をさせるように目標水収支を設定する。
　図１７は、制御量補完処理のステップＳ４に対応するサブルーチンであるドライ操作用制御量演算処理の一例を示すフローチャートである。制御量補完処理のステップＳ３において燃料電池スタック１に対してドライ操作が必要であると判定した場合には、このドライ操作用制御量演算処理が実行される。なお、ドライ操作用制御量演算処理は、主に、アノードガス循環流量制御部２５０と、制御量補完部２６０と、アノードガス循環流量制限部２７０と、冷却水温度制限部２８０とにより実行される。
　このドライ操作用制御量演算処理では、アノードガス循環流量制御部２５０は、運転状態検出部２２０により検出した燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、最大アノードガス循環流量を演算する（ステップＳ４１）。なお、最大アノードガス循環流量は、燃料電池システム１００のシステム設計や各ポンプ類の定格出力等に基づいて、予め設定され、図示しないメモリに格納されていてもよい。
　次いで、制御量補完部２６０は、運転状態検出部２２０により検出した燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、最低冷却水温度を演算する（ステップＳ４２）。なお、最低冷却水温度は、図示しない温度センサにより検出される燃料電池システム１００の雰囲気温度（外気温）としてもよく、燃料電池システム１００のシステム設計や各ポンプ類の定格出力等に基づいて、予め設定され、図示しないメモリに格納されていてもよい。
　次いで、制御量補完部２６０は、運転状態検出部２２０により検出した燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、最小カソードガス流量を演算する（ステップＳ４３）。なお、最小カソードガス流量は、燃料電池システム１００のシステム設計や各ポンプ類の定格出力等に基づいて、予め設定され、図示しないメモリに格納されていてもよい。
　次いで、制御量補完部２６０は、ステップＳ４１～Ｓ４３において演算した最大アノードガス循環流量、最低冷却水温度及び最小カソードガス流量に基づいて、目標カソードガス圧力演算処理（ドライ）を実行する（ステップＳ４４）。そして、アノードガス循環流量制御部２５０は、最低冷却水温度及び最小カソードガス流量等に基づいて、目標アノードガス循環流量演算処理（ドライ）を実行する（ステップＳ４５）。
　次いで、制御量補完部２６０は、最小カソードガス流量等に基づいて、目標冷却水温度演算処理（ドライ）を実行する（ステップＳ４６）。最後に、制御量補完部２６０は、各種計測値や推定値に基づいて、目標カソードガス流量演算処理（ドライ）を実行する（ステップＳ４７）。そして、アノードガス循環流量制御部２５０及び制御量補完部２６０は、このドライ操作用制御量演算処理を終了し、制御量補完処理のメインフローに戻る。
　なお、ドライ操作用制御量演算処理のステップＳ４４～Ｓ４７は、優先順位設定部２４０により設定された各物理量の優先順位に基づいてその順番が設定されている。そのため、これらのステップは、その順序を変更すべきではない。
　図１８は、ドライ操作用制御量演算処理のステップＳ４４に対応するサブルーチンである目標カソードガス圧力演算処理（ドライ）の一例を示すフローチャートである。ドライ操作用制御量演算処理のステップＳ４３までに最大アノードガス循環流量、最低冷却水温度及び最小カソードガス流量が演算されると、制御量補完部２６０は、この目標カソードガス圧力演算処理（ドライ）を実行する。
　制御量補完部２６０は、まず、ドライ操作用制御量演算処理のステップＳ４１～Ｓ４３において演算した最大アノードガス循環流量、最低冷却水温度及び最小カソードガス流量と、目標水収支演算処理のステップＳ２４において演算した目標水収支とを読み出す（ステップＳ４４１）。これらのデータは、必要に応じて、図示しないメモリに格納されている。
　次いで、制御量補完部２６０は、読み出した各種データに基づいて、目標カソードガス圧力を演算する（ステップＳ４４２）。そして、制御量補完部２６０は、この目標カソードガス圧力演算処理（ドライ）を終了し、ドライ操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　図１９は、ドライ操作用制御量演算処理のステップＳ４５に対応するサブルーチンである目標アノードガス循環流量演算処理（ドライ）の一例を示すフローチャートである。アノードガス循環流量制御部２５０は、目標カソードガス圧力演算処理（ドライ）の終了後、この目標アノードガス循環流量演算処理（ドライ）を実行する。
　アノードガス循環流量制御部２５０は、まず、圧力センサ２４により検出したカソードガス圧力を取得（計測）する（ステップＳ４５１）。そして、アノードガス循環流量制御部２５０は、ステップＳ４５１において取得したカソードガス圧力と、ステップＳ４２～Ｓ４３において演算した最低冷却水温度及び最小カソードガス流量と、ステップＳ２４において演算した目標水収支とを読み出す（ステップＳ４５２）。これらのデータは、必要に応じて、図示しないメモリに格納されている。
　次いで、アノードガス循環流量制御部２５０は、読み出した各種データに基づいて、目標アノードガス循環流量を演算する（ステップＳ４５３）。また、アノードガス循環流量制御部２５０は、アノード循環ポンプ３６の回転速度と、圧力センサ３７により検出したアノードガス圧力と、スタック温度とに基づいて、運転状態検出部２２０により推定した現在のアノードガス循環流量を取得する（ステップＳ４５４）。
　次いで、アノードガス循環流量制限部２７０は、取得した現在のアノードガス循環流量と、目標アノードガス循環流量とに基づいて、アノードガス循環流量の変化率の制限値を演算する（ステップＳ４５５）。なお、変化率の制限値の計算方法は、上記で詳述したので、ここではその詳細な説明を省略する。
　そして、アノードガス循環流量制御部２５０は、この目標アノードガス循環流量演算処理（ドライ）を終了し、ドライ操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　図２０は、ドライ操作用制御量演算処理のステップＳ４６に対応するサブルーチンである目標冷却水温度演算処理（ドライ）の一例を示すフローチャートである。制御量補完部２６０は、目標カソードガス圧力演算処理（ドライ）及び目標アノードガス循環流量演算処理（ドライ）の終了後、この目標冷却水温度演算処理（ドライ）を実行する。
　制御量補完部２６０は、まず、ステップＳ４５１において計測した計測カソードガス圧力と、ステップＳ４５４において取得したアノードガス循環流量と、ステップＳ４３において演算した最小カソードガス流量と、ステップＳ２４において演算した目標水収支とを読み出す（ステップＳ４６１）。そして、制御量補完部２６０は、読み出した各種データに基づいて、目標冷却水温度を演算する（ステップＳ４６２）。
　次いで、制御量補完部２６０は、ステップＳ４５５において演算したアノードガス循環流量の変化率の制限値と、目標水収支等に基づいて、アノードガス循環流量を制限したとしても、目標水収支を達成することができるか否かを判定する（ステップＳ４６３）。目標水収支が達成可能であると判定した場合には、制御量補完部２６０は、そのままこの目標冷却水温度演算処理（ドライ）を終了し、ドライ操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　一方、目標水収支を達成することができないと判定した場合には、制御量補完部２６０は、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７により検出したスタック入口水温とスタック出口水温に基づいて、現在の冷却水温度を演算・計測する（ステップＳ４６４）。
　次いで、冷却水温度制限部２８０は、ステップＳ４６４において計測した現在の冷却水温度と、ステップＳ４６２において演算した目標冷却水温度とに基づいて、冷却水温度の変化率の制限値を演算する（ステップＳ４６５）。なお、変化率の制限値の計算方法は、上記で詳述したので、ここではその詳細な説明を省略する。
　そして、制御量補完部２６０は、この目標冷却水温度演算処理（ドライ）を終了し、ドライ操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　図２１は、ドライ操作用制御量演算処理のステップＳ４７に対応するサブルーチンである目標カソードガス流量演算処理（ドライ）の一例を示すフローチャートである。制御量補完部２６０は、目標カソードガス圧力演算処理（ドライ）、目標アノードガス循環流量演算処理（ドライ）及び目標冷却水温度演算処理（ドライ）の終了後、この目標カソードガス流量演算処理（ドライ）を実行する。
　制御量補完部２６０は、まず、ステップＳ４５１において計測した計測カソードガス圧力と、ステップＳ４６４において計測した冷却水温度と、ステップＳ４５４において取得したアノードガス循環流量と、ステップＳ２４において演算した目標水収支とを読み出す（ステップＳ４６１）。
　制御量補完部２６０は、読み出した各種データに基づいて、目標カソードガス流量を演算する（ステップＳ４７２）。そして、制御量補完部２６０は、この目標カソードガス流量演算処理（ドライ）を終了し、ドライ操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　以上のようにドライ操作における各目標値を演算すると、コントローラ２００は、制御量補完処理のメインフローに戻り、演算した各目標値に基づいて、各アクチュエータを駆動制御するための各アクチュエータ制御処理を実行し（ステップＳ６）、この制御量補完処理を終了する。
　図２２は、制御量補完処理のステップＳ５に対応するサブルーチンであるウェット操作用制御量演算処理の一例を示すフローチャートである。制御量補完処理のステップＳ３において燃料電池スタック１に対してウェット操作が必要であると判定した場合には、このウェット操作用制御量演算処理が実行される。なお、ウェット操作用制御量演算処理は、主に、アノードガス循環流量制御部２５０と、制御量補完部２６０と、アノードガス循環流量制限部２７０により実行される。
　このウェット操作用制御量演算処理では、制御量補完部２６０は、運転状態検出部２２０により検出した燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、最低カソードガス圧力（すなわち、最ドライカソードガス圧力）を演算する（ステップＳ５１）。なお、最低カソードガス圧力は、燃料電池システム１００のシステム設計や各ポンプ類の定格出力等に基づいて、予め設定され、図示しないメモリに格納されていてもよい。
　次いで、アノードガス循環流量制御部２５０は、運転状態検出部２２０により検出した燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、最小アノードガス循環流量（すなわち、最ドライアノードガス循環流量）を演算する（ステップＳ５２）。なお、最小アノードガス循環流量は、燃料電池システム１００のシステム設計や各ポンプ類の定格出力等に基づいて、予め設定され、図示しないメモリに格納されていてもよい。
　次いで、制御量補完部２６０は、運転状態検出部２２０により検出した燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、最高冷却水温度（すなわち、最ドライ冷却水温度）を演算する（ステップＳ５３）。なお、最高冷却水温度は、図示しない温度センサにより検出される燃料電池システム１００の雰囲気温度（外気温）にしてもよく、燃料電池システム１００のシステム設計や各ポンプ類の定格出力等に基づいて、予め設定され、図示しないメモリに格納されていてもよい。
　次いで、制御量補完部２６０は、ステップＳ５１～Ｓ５３において演算した最低カソードガス圧力、最小アノードガス循環流量及び最高冷却水温度に基づいて、目標カソードガス流量演算処理（ウェット）を実行する（ステップＳ５４）。そして、制御量補完部２６０は、最低カソードガス圧力及び最小アノードガス循環流量等に基づいて、目標冷却水温度演算処理（ウェット）を実行する（ステップＳ５５）。
　次いで、アノードガス循環流量制御部２５０は、最低カソードガス圧力等に基づいて、目標アノードガス循環流量演算処理（ウェット）を実行する（ステップＳ５６）。最後に、制御量補完部２６０は、各種計測値や推定値に基づいて、目標カソードガス圧力演算処理（ウェット）を実行する（ステップＳ５７）。そして、アノードガス循環流量制御部２５０及び制御量補完部２６０は、このウェット操作用制御量演算処理を終了し、制御量補完処理のメインフローに戻る。
　なお、ウェット操作用制御量演算処理のステップＳ５４～Ｓ５７は、優先順位設定部２４０により設定された各物理量の優先順位に基づいてその順番が設定されている。そのため、これらのステップは、その順序を変更すべきではない。
　図２３は、ウェット操作用制御量演算処理のステップＳ５４に対応するサブルーチンである目標カソードガス流量演算処理（ウェット）の一例を示すフローチャートである。ウェット操作用制御量演算処理のステップＳ５３までに最低カソードガス圧力、最小アノードガス循環流量及び最高冷却水温度が演算されると、制御量補完部２６０は、この目標カソードガス流量演算処理（ウェット）を実行する。
　制御量補完部２６０は、まず、ウェット操作用制御量演算処理のステップＳ５１～Ｓ５３において演算した最低カソードガス圧力、最小アノードガス循環流量及び最高冷却水温度と、目標水収支演算処理のステップＳ２４において演算した目標水収支とを読み出す（ステップＳ５４１）。これらのデータは、必要に応じて、図示しないメモリに格納されている。
　次いで、制御量補完部２６０は、読み出した各種データに基づいて、目標カソードガス流量を演算する（ステップＳ５４２）。そして、制御量補完部２６０は、この目標カソードガス流量演算処理（ウェット）を終了し、ウェット操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　図２４は、ウェット操作用制御量演算処理のステップＳ５５に対応するサブルーチンである目標冷却水温度演算処理（ウェット）の一例を示すフローチャートである。制御量補完部２６０は、目標カソードガス流量演算処理（ウェット）の終了後、この目標冷却水温度演算処理（ウェット）を実行する。
　制御量補完部２６０は、まず、流量センサ２３により検出したカソードガス流量を取得（計測）する（ステップＳ５５１）。そして、制御量補完部２６０は、ステップＳ５５１において取得したカソードガス流量と、ウェット操作用制御量演算処理のステップＳ５１～Ｓ５２において演算した最低カソードガス圧力及び最小アノードガス循環流量と、目標水収支演算処理のステップＳ２４において演算した目標水収支とを読み出す（ステップＳ５５２）。これらのデータは、必要に応じて、図示しないメモリに格納されている。
　次いで、制御量補完部２６０は、読み出した各種データに基づいて、目標冷却水温度を演算する（ステップＳ５５３）。そして、制御量補完部２６０は、この目標冷却水温度演算処理（ウェット）を終了し、ウェット操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　図２５は、ウェット操作用制御量演算処理のステップＳ５６に対応するサブルーチンである目標アノードガス循環流量演算処理（ウェット）の一例を示すフローチャートである。アノードガス循環流量制御部２５０は、目標カソードガス流量演算処理（ウェット）及び目標冷却水温度演算処理（ウェット）の終了後、この目標アノードガス循環流量演算処理（ウェット）を実行する。
　アノードガス循環流量制御部２５０は、まず、入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７により検出したスタック入口水温とスタック出口水温に基づいて演算した冷却水温度を取得（計測）する（ステップＳ５６１）。そして、アノードガス循環流量制御部２５０は、ステップＳ５５１において取得したカソードガス流量と、ステップＳ５６１において取得した冷却水温度と、ステップＳ５１において演算した最低カソードガス圧力と、目標水収支演算処理のステップＳ２４において演算した目標水収支とを読み出す（ステップＳ５６２）。
　次いで、アノードガス循環流量制御部２５０は、読み出した各種データに基づいて、目標アノードガス循環流量を演算する（ステップＳ５６３）。また、アノードガス循環流量制御部２５０は、アノード循環ポンプ３６の回転速度と、圧力センサ３７により検出したアノードガス圧力と、スタック温度とに基づいて、運転状態検出部２２０により推定した現在のアノードガス循環流量を取得する（ステップＳ５６４）。
　次いで、アノードガス循環流量制限部２７０は、取得した現在のアノードガス循環流量と、目標アノードガス循環流量とに基づいて、アノードガス循環流量の変化率の制限値を演算する（ステップＳ５６５）。なお、変化率の制限値の計算方法は、上記で詳述したので、ここではその詳細な説明を省略する。
　そして、アノードガス循環流量制御部２５０は、この目標アノードガス循環流量演算処理（ウェット）を終了し、ウェット操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　図２６は、ウェット操作用制御量演算処理のステップＳ５７に対応するサブルーチンである目標カソードガス圧力演算処理（ウェット）の一例を示すフローチャートである。制御量補完部２６０は、目標カソードガス流量演算処理（ウェット）、目標冷却水温度演算処理（ウェット）及び目標アノードガス循環流量演算処理（ウェット）の終了後、この目標カソードガス圧力演算処理（ウェット）を実行する。
　制御量補完部２６０は、まず、ステップＳ５６４において推定したアノードガス循環流量と、ステップＳ５６１において取得した冷却水温度と、ステップＳ５５１において取得したカソードガス流量と、目標水収支演算処理のステップＳ２４において演算した目標水収支とを読み出す（ステップＳ５７１）。
　次いで、制御量補完部２６０は、読み出した各種データに基づいて、目標カソードガス圧力を演算する（ステップＳ５７２）。そして、制御量補完部２６０は、この目標カソードガス圧力演算処理（ウェット）を終了し、ウェット操作用制御量演算処理のメインフローに戻る。
　以上のようにウェット操作における各目標値を演算すると、コントローラ２００は、制御量補完処理のメインフローに戻り、演算した各目標値に基づいて、各アクチュエータを駆動制御するための各アクチュエータ制御処理を実行し（ステップＳ６）、この制御量補完処理を終了する。
　以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池１０（燃料電池スタック１）に供給して発電させる燃料電池システム１００であって、燃料電池１０から排出されるアノードオフガスと、燃料電池１０に供給するアノードガスとを混合させて燃料電池１０に供給するアノードガス循環通路３５と、燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態を検出する湿潤状態検出部２１０と、アノードガス循環流量を含む複数の物理量（本実施形態では、カソードガス流量、カソードガス圧力、及び冷却水温度）を操作することにより、電解質膜１１１の湿潤状態を制御する湿潤状態制御部２３０と、を備えている。そして、本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）は、湿潤状態検出部２１０により検出した電解質膜１１１の湿潤状態に基づいて、アノードガス循環通路３５のアノードガス循環流量を制御するアノードガス循環流量制御部２５０と、湿潤状態制御部２３０により操作される複数の物理量に対して、定常的な操作の優先順位を設定する優先順位設定部２４０とを備える。ここで、アノードガス循環流量制御部２５０は、電解質膜１１１の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するアノードガス循環流量制限部２７０と、アノードガス循環流量制限部２７０によりアノードガス循環流量の変化率が制限されている場合には、アノードガス循環流量の制限により不足した湿潤状態の制御量分について、優先順位設定部２４０により設定されたアノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い物理量の操作で補完する制御量補完部２６０とを備えている。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）をこのように構成しているので、アノードガス循環流量の制御においてその変化率に制限を設けることにより、過渡的に意図した制御（例えば、ドライ操作又はウェット操作）とは逆の制御になることを効果的に抑制することができる。そして、アノードガス循環流量の変化率に制限を設けた場合には、アノードガス循環流量よりも優先順位の低い物理量で不足した制御量分を補うことができる。したがって、本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置によれば、定常的な優先順位を守りつつ、制御の開始時に過渡的に逆効果となるような影響を軽減することができる。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）では、燃料電池１０の電解質膜１１１を湿潤させる操作において、アノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い操作対象として、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの圧力（カソードガス圧力）を含み、燃料電池１０を湿潤させる操作を開始すると、アノードガス循環流量制限部２７０は、アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するとともに、制御量補完部２６０（目標カソードガス圧力演算部２６１）は、アノードガス循環流量の制限により不足した湿潤状態の制御量分を供給するカソードガスの圧力を上げる操作で補完している。ウェット操作においてアノードガス循環流量を制御する場合、アノードガス循環流量の指令値をステップ状に急激に変化させると、過渡的に電解質膜１１１がドライになる可能性がある。そのため、本実施形態では、アノードガス循環流量の変化率に制限を設けるとともに、不足分の制御量をカソードガス圧力の制御により補完することとしている。これにより、アノードガス循環流量とカソードガス圧力における定常的な優先順位を守りつつ、制御の開始時に過渡的に逆効果となるような影響を軽減することができる。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）では、燃料電池１０の電解質膜１１１を乾燥させる操作において、アノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い操作対象として、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度（冷却水温度）と、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量（カソードガス流量）とを含み、燃料電池１０の電解質膜１１１を乾燥させる操作を開始すると、アノードガス循環流量制限部２７０は、アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するとともに、制御量補完部２６０（目標冷却水温度演算部２６２又は目標カソードガス流量演算部２６３）は、アノードガス循環流量の変化率の制限により不足した湿潤状態の制御量分を冷却水の温度を上げる操作及びカソードガス流量を増やす操作の少なくとも一つで補完している。ドライ操作においてアノードガス循環流量を制御する場合、アノードガス循環流量の指令値をステップ状に急激に変化させると、過渡的に電解質膜１１１がウェットになる可能性がある。そのため、本実施形態では、アノードガス循環流量の変化率に制限を設けるとともに、不足分の制御量を冷却水温度の制御又はカソードガス流量の制御により補完することとしている。これにより、アノードガス循環流量と、冷却水温度及びカソードガス流量とにおける定常的な優先順位を守りつつ、制御の開始時に過渡的に逆効果となるような影響を軽減することができる。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）では、電解質膜１１１の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、アノードガス循環流量制御部２５０は、冷却水の温度（冷却水温度）の単位時間当たりの変化率を制限する冷却水温度制限部２８０をさらに備え、制御量補完部２６０は、冷却水温度の制限により不足した湿潤状態の制御量分もカソードガスの流量を増やす操作で補完している。本実施形態では、ドライ操作において、アノードガス循環流量の変化率に制限を加えるとともに、冷却水温度の変化率にも制限を加え、不足分の制御量をカソードガスの流量により補完することとしている。これにより、アノードガス循環流量の操作による過渡的な逆方向への操作を軽減しつつ、冷却水温度とアノードガス循環流量との関係によって逆方向への操作になってしまうことも同時に軽減することができる。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）では、電解質膜１１１の湿潤状態を変化させる過渡運転時において水素欠乏が懸念される場合や、燃料電池システム１００の起動時に、水素フロントによるカソード触媒層の劣化を防止するために、燃料電池スタック１に素早くアノードガスを供給すべき場合には、アノードガス循環流量制限部２７０は、アノードガス循環流量の変化率の制限を解除するように構成している。このように、燃料電池１０にアノードガスを素早く供給する必要がある場合には、本実施形態のアノードガス循環流量の変化率の制限を解除することにより、多くのアノードガスを燃料電池１０に供給することができる。これにより、燃料電池スタック１の燃料電池１０のアノードガス流路１２１の出口近傍の水詰まりや起動時の触媒劣化等を効果的に防止することができる。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）では、湿潤状態検出部２１０により検出される湿潤状態は、燃料電池スタック１に流入する水（水分）及び燃料電池スタック１内部で生成される水の量と、燃料電池から排出される水の量との収支として計算される水収支であればよい。このように、水収支を用いることにより、圧力、流量、温度等の異なる物理単位（ディメンジョン：次元）間でも不足した制御量分の補完を実現することができる。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）では、アノードガス循環流量制御部２５０は、アノード循環ポンプ３６を含むように構成される。アノード循環ポンプ３６を用いることにより、エゼクタの多段切り換え等と比較しても、流量制御をシームレスに行うことができる。これにより、アノードガス循環流量制限部２７０の変化率の制限も容易に行うことができる。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）では、複数の物理量は、アノードガス循環流量に加え、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの圧力と、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの流量と、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度の４つを含む。このように４つの物理量を順次制御することにより、制御の跳ね返りや行き過ぎを抑制しつつ、燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態を効率的に制御することができる。一方、複数の物理量の１つとしてスタック出力電流を用いる場合には、燃料電池スタック１の出力自体が変動してしまうので、制御の行き過ぎや跳ね返りが起こり得る。そのため、本実施形態では、上記４つの物理量を制御対象としている。
　本実施形態の燃料電池システム１００の制御装置（コントローラ２００）では、優先順位設定部２４０は、燃料電池１０の電解質膜１１１を乾燥させる操作では、カソードガス圧力を下げる操作、アノードガス循環流量を下げる操作、冷却水の温度を上げる操作、カソードガスの流量を上げる操作の順に下がる定常的な優先順位を設定している。また、優先順位設定部２４０は、燃料電池１０の電解質膜１１１を湿潤させる操作では、カソードガスの流量を下げる操作、冷却水の温度を下げる操作、アノードガス循環流量を上げる操作、カソードガスの圧力を上げる操作の順に下がる定常的な優先順位を設定している。このように制御対象となる複数の物理量に優先順位を付けているのは、各補機の消費電力を考慮するとともに、これらを同時に操作した場合における他の物理量の制御との干渉を防止するためである。これにより、無駄な操作を排除しつつ、無駄な消費現力を抑制することができる。
　なお、ドライ操作では、優先順位として、アノードガス循環流量を下げるよりも先にカソードガス圧力を下げている。これは、消費電力を考慮して、消費電力を下げるものを先に操作しているためである。例えば、コンプレッサ２２でカソードガスを供給する場合、カソードガス圧力が高いほど、コンプレッサ２２の消費電力が大きくなる。また、アノード循環ポンプ３６の消費電力よりもコンプレッサ２２の消費電力が大きいので、カソードガス圧力の操作を優先させている。
　また、ウェット操作において、アノードガス循環流量の優先順位を最後にしないのは、制御量の補完ができないためである。さらに、ウェット操作では、冷却水温度を下げるよりも先にカソードガスの流量を下げている。これは、消費電力だけでなく、制御の応答性を考慮したためである。冷却水温度の操作応答性は、他の物理量に比べて悪いので、制御性の悪化を防止するためである。
　本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック１に供給して発電させるとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスと、燃料電池スタック１に供給するアノードガスとを混合させて燃料電池スタック１に供給するアノードガス循環通路３５を備える燃料電池システム１００の制御方法であって、燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤状態を検出するステップと、検出した電解質膜１１１の湿潤状態に基づいて、アノードガス循環通路３５のアノードガス循環流量を制御するステップと、アノードガス循環流量を含み、定常的な操作の優先順位がそれぞれに設定された複数の物理量を操作（対応するアクチュエータを制御）することにより、電解質膜１１１の湿潤状態を制御するステップと、電解質膜１１１の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するステップと、アノードガス循環流量の変化率が制限されている場合には、アノードガス循環流量の制限により不足した湿潤状態の制御量分について、アノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い物理量の操作で補完するステップと、を含んでいる。燃料電池システム１００をこのように制御することにより、上述と同様の効果を得ることができる。
　以上、本発明の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。
　上記実施形態では、アノードガス循環流量以外にドライ操作及びウェット操作で制御される物理量として、カソードガス圧力と、冷却水温度と、カソードガス流量とを列挙して説明した。しかしながら、本発明は、これらの物理量に限らず、例えば、これらの１つが制御対象の物理量に含まれなくてもよい。この場合、アノードガス循環流量の変化率に制限をかける必要があるので、アノードガス循環流量よりも優先順位が低い物理量が少なくとも１つ必要となる。そのため、ドライ操作とウェット操作の両方から排除可能な物理量は、カソードガス流量のみとなる。
　また、上記実施形態では、制御対象の物理量として、アノードガス循環流量と、カソードガス圧力と、冷却水温度と、カソードガス流量との４つを列挙したが、本発明は、これら４つに限らない。例えば、制御対象として、４つの物理量に加え、循環保管水を含めてもよい。

Claims (10)

  1. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給し、負荷の要求に応じて発電する燃料電池システムの制御装置であって、
    　前記燃料電池システムは、
    　前記燃料電池から排出されるアノードオフガスと、前記燃料電池に供給するアノードガスとを混合させて前記燃料電池に供給するアノードガス循環通路と、
    　前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を検出する湿潤状態検出部と、
    　前記アノードガス循環通路を流れるアノードガス循環流量を含む複数の物理量を操作することにより、前記電解質膜の湿潤状態を制御する湿潤状態制御部と、
    　を備えるアノードガス循環型の燃料電池システムであり、
    　前記制御装置は、
    　前記湿潤状態検出部により検出した前記電解質膜の湿潤状態に基づいて、前記アノードガス循環流量を制御するアノードガス循環流量制御部と、
    　前記湿潤状態制御部により操作される前記複数の物理量に対して、定常的な操作の優先順位を設定する優先順位設定部と、
    　を備え、
    　前記アノードガス循環流量制御部は、
    　前記電解質膜の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、前記アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するアノードガス循環流量制限部と、
    　前記アノードガス循環流量制限部により前記アノードガス循環流量の変化率が制限されている場合には、該アノードガス循環流量の制限により不足した前記湿潤状態の制御量分について、前記優先順位設定部により設定された前記アノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い物理量の操作で補完する制御量補完部と、
    を含む、燃料電池システムの制御装置。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置であって、
    　前記燃料電池の電解質膜を湿潤させる操作において、前記アノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い操作対象として、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を含み、
    　前記燃料電池を湿潤させる操作を開始すると、前記アノードガス循環流量制限部は、前記アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するとともに、前記制御量補完部は、前記アノードガス循環流量の制限により不足した湿潤状態の制御量分を前記供給するカソードガスの圧力を上げる操作で補完する、
    燃料電池システムの制御装置。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置であって、
    　前記燃料電池の電解質膜を乾燥させる操作において、前記アノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い操作対象として、前記燃料電池を冷却する冷却水の温度と、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量とを含み、
    　前記燃料電池の電解質膜を乾燥させる操作を開始すると、前記アノードガス循環流量制限部は、前記アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するとともに、前記制御量補完部は、前記アノードガス循環流量の制限により不足した湿潤状態の制御量分を前記冷却水の温度を上げる操作及び前記カソードガスの流量を増やす操作の少なくとも一つで補完する、
    燃料電池システムの制御装置。
  4. 　請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置であって、
    　前記アノードガス循環流量制御部は、前記電解質膜の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、前記冷却水の温度の単位時間当たりの変化率を制限する冷却水温度制限部をさらに備え、
    　前記制御量補完部は、前記温度の制限により不足した湿潤状態の制御量分も前記カソードガスの流量を増やす操作で補完する、
    燃料電池システムの制御装置。
  5. 　請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置であって、
    　前記電解質膜の湿潤状態を変化させる過渡運転時において水素欠乏が懸念される場合、又は、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池に素早くアノードガスを供給すべき場合には、前記アノードガス循環流量制限部は、前記アノードガス循環流量の変化率の制限を解除する、
    燃料電池システムの制御装置。
  6. 　請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置であって、
    　前記湿潤状態検出部により検出される湿潤状態は、前記燃料電池に流入する水及び前記燃料電池内部で生成される水の量と、前記燃料電池から排出される水の量との収支として計算される水収支により定められる、
    燃料電池システムの制御装置。
  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の制御装置であって、
    　前記アノードガス循環流量制御部は、アノード循環ポンプを含む、
    燃料電池システムの制御装置。
  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の制御装置であって、
    　前記複数の物理量は、前記アノードガス循環流量に加え、前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力と、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量と、前記燃料電池を冷却する冷却水の温度とを含む、
    燃料電池システムの制御装置。
  9. 　請求項８に記載の燃料電池システムの制御装置であって、
    　前記優先順位設定部は、前記燃料電池の電解質膜を乾燥させる操作では、前記カソードガス圧力を下げる操作、前記アノードガス循環流量を下げる操作、前記冷却水の温度を上げる操作、前記カソードガス流量を上げる操作の順に下がる前記定常的な優先順位を設定し、
    　前記優先順位設定部は、前記燃料電池の電解質膜を湿潤させる操作では、前記カソードガス流量を下げる操作、前記冷却水の温度を下げる操作、前記アノードガス循環流量を上げる操作、前記カソードガス圧力を上げる操作の順に下がる前記定常的な優先順位を設定する、
    燃料電池システムの制御装置。
  10. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させるとともに、前記燃料電池から排出されるアノードオフガスと、前記燃料電池に供給するアノードガスとを混合させて前記燃料電池に供給するアノードガス循環通路を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記燃料電池の電解質膜の湿潤状態を検出するステップと、
    　前記検出した電解質膜の湿潤状態に基づいて、前記アノードガス循環通路のアノードガス循環流量を制御するステップと、
    　前記アノードガス循環流量を含み、定常的な操作の優先順位がそれぞれに設定された複数の物理量を操作することにより、前記電解質膜の湿潤状態を制御するステップと、
    　を含み、
    　前記電解質膜の湿潤状態を制御するステップは、
    　前記電解質膜の湿潤状態を変化させる過渡運転時において、前記アノードガス循環流量の単位時間当たりの変化率を制限するステップと、
    　前記アノードガス循環流量の変化率が制限されている場合には、該アノードガス循環流量の制限により不足した前記湿潤状態の制御量分について、前記アノードガス循環流量より定常的な操作の優先順位が低い物理量の操作で補完するステップと、
    を含む燃料電池システムの制御方法。
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