(57)【要約】  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。
2017042979.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。
【発明の概要】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
上げ側制限：
【数１】
2017042979.tif 000003
【０１２７】
下げ側制限：
【数２】
2017042979.tif 000004
ここで、各文字は以下の内容を示す。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
上げ側制限：
【数３】
2017042979.tif 000005
【０１３３】
下げ側制限：
【数４】
2017042979.tif 000006
ここで、各文字は以下の内容を示す。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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。
【０１８２】
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。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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）。
【０２０１】
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）。
【０２０２】
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）。
【０２０３】
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。
【０２０４】
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）。
【０２０５】
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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
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）。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
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）。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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。
【０２２３】
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）。
【０２２４】
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。
【０２２５】
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。
【０２２６】
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。
【０２２７】
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）。
【０２２８】
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。
【０２２９】
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）。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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）。
【０２３４】
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。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
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。
【０２３９】
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。
【０２４０】
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）。
【０２４１】
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。
【０２４２】
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。
【０２４３】
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。
【０２４４】
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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
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。
【０２４８】
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。
【０２４９】
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。
【０２５０】
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）。
【０２５１】
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）。
【０２５２】
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。
【０２５３】
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。
【０２５４】
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。
【０２５５】
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）。
【０２５６】
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。
【０２５７】
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。
【０２５８】
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。
【０２５９】
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。
【０２６０】
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。
【０２６１】
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。
【０２６２】
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。
【０２６３】
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。
【０２６４】
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。
【０２６５】
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。
【０２６６】
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。
【０２６７】
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。
【０２６８】
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。
【０２６９】
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。
【０２７０】
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。
【０２７１】
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。
【０２７２】
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。
【０２７３】
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。
【図１】
2017042979.tif 000007
【図２】
2017042979.tif 000008
【図３】
2017042979.tif 000009
【図４】
2017042979.tif 000010
【図５】
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【図６】
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【図７】
2017042979.tif 000013
【図８】
2017042979.tif 000014
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2017042979.tif 000021
【図１６】
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【図１７】
2017042979.tif 000023
【図１８】
2017042979.tif 000024
【図１９】
2017042979.tif 000025
【図２０】
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【図２１】
2017042979.tif 000027
【図２２】
2017042979.tif 000028
【図２３】
2017042979.tif 000029
【図２４】
2017042979.tif 000030
【図２５】
2017042979.tif 000031
【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年3月7日(2018.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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操作の優先順位を設定し、
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操作の優先順位を設定する、
燃料電池システムの制御装置。
【請求項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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２９】
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量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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２３３】
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Ｓ４７１）。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０２６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０２６７】
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、無駄な消費電力を抑制することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２３】
2017042979.tif 000033
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２４】
2017042979.tif 000034
【国際調査報告】
2017042979.tif 000035
2017042979.tif 000036