(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の湿潤状態を調整するときに、カソードガスの圧力及び流量のいずれか一方を優先して制御する優先制御部と、
前記優先制御部による制御では燃料電池の湿潤状態を調整しきれないときに、冷却水の温度を制御する水温制御部と、
前記水温制御部の応答遅れを補完するように、カソードガスの圧力及び流量のいずれか他方を制御する補完制御部と、
を有する燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させる場合には、
前記優先制御部は、カソードガスの圧力を優先して下げ、
前記水温制御部は、前記優先制御部による制御では燃料電池の湿潤状態を調整しきれないときに、冷却水の温度を上げ、
前記補完制御部は、前記水温制御部の応答遅れを補完するように、カソードガスの流量を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させる場合には、
前記優先制御部は、燃料電池が現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量及び冷却水の温度に基づいてカソードガスの圧力を下げ、
前記水温制御部は、カソードガスの実圧力及び前記現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量に基づいて冷却水の温度を上げ、
前記補完制御部は、カソードガスの圧力及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの流量を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い流量であり、
現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項５】
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
前記水温制御部が作動しない場合であって燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させるときには、前記優先制御部は、前記現在よりも高湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に代えて、冷却水の実温度を用いる、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項６】
請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
前記補完制御部が作動しない場合であって燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させるときには、前記優先制御部及び前記水温制御部は、前記現在よりも高湿潤状態にするときに供給するカソードガスの流量に代えて、カソードガスの実流量を用いる、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【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の湿潤状態制御装置において、
燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させる場合には、
前記優先制御部は、カソードガスの流量を優先して下げ、
前記水温制御部は、前記優先制御部による制御では燃料電池の湿潤状態を調整しきれないときに、冷却水の温度を下げ、
前記補完制御部は、前記水温制御部の応答遅れを補完するように、カソードガスの圧力を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【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の湿潤状態制御装置において、
燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させる場合には、
前記優先制御部は、燃料電池が現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガス圧力及び冷却水の温度に基づいてカソードガスの流量を下げ、
前記水温制御部は、カソードガスの実流量及び燃料電池が現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力に基づいて冷却水の温度を下げ、
前記補完制御部は、カソードガスの流量及び冷却水の実温度に基づいてカソードガスの圧力を制御する、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も低い圧力であり、
現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度とは、燃料電池の性能を確保できる範囲で最も高い温度である、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項１０】
請求項８又は請求項９に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
前記水温制御部が作動しない場合であって燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させるときには、前記優先制御部は、前記現在よりも低湿潤状態にするときに供給する冷却水の温度に代えて、冷却水の実温度を用いる、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【請求項１１】
請求項８から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池の湿潤状態制御装置において、
前記補完制御部が作動しない場合であって燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させるときには、前記優先制御部及び前記水温制御部は、前記現在よりも低湿潤状態にするときに供給するカソードガスの圧力に代えて、カソードガスの実圧力を用いる、
燃料電池の湿潤状態制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池の湿潤状態を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を効率よく発電させるには、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが重要である。すなわち、電解質膜の湿潤状態が高すぎればフラッディングが生じたり零下起動に備えて停止時のパージ動作が必要になる。また電解質膜の湿潤状態が低すぎれば燃料電池スタックの電圧が落ち込んで出力が大きく低下するおそれがある。そこで特許文献１では、電解質膜を適度な湿潤状態に維持するカソードガス圧力及びカソードガス流量となるように調圧弁やカソードコンプレッサーを制御していた。特に燃費を考慮して湿潤側に制御する場合は、カソードコンプレッサー野消費電力を下げるために回転速度を先に低下させ、その後、調圧弁を開いて圧力を上げる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１１５４８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
湿潤度を制御するパラメーターとしては冷却水温もある。しかしながら、前述した手法では、湿潤調整するために、冷却水温を制御していなかった。そのため過渡時の湿潤制御において、燃費を改善する余地のあることが本件発明者らによって知見された。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、冷却水の制御を含めて燃費の悪化を抑制しつつ、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することができる燃料電池の湿潤状態制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の燃料電池の湿潤状態制御装置は、燃料電池の湿潤状態を調整するときに、カソードガスの圧力及び流量のいずれか一方を優先して制御する優先制御部を有する。そして、前記優先制御部による制御では燃料電池の湿潤状態を調整しきれないときに、冷却水の温度を制御する水温制御部をさらに有する。そして、前記水温制御部の応答遅れを補完するように、カソードガスの圧力及び流量のいずれか他方を制御する補完制御部をさらに有する。
【発明の効果】
【０００８】
一般的に燃料電池の温度は、冷却水の制御によって達成する。冷却水の温度を調整することで湿潤度を制御すれば、流量や圧力を調整する場合に比べて燃費に優れるという効果がある。しかしながら、冷却水の温度を調整することは、流量や圧力を調整する場合に比べて応答に時間を要する。したがって、温度による湿潤制御を最も優先にすると、制御の応答性が遅い。その一方で温度による制御の優先順位を最も遅くすると、温度による制御によって湿潤制御の目標値に到達しない場合に、目標値への乖離を他のパラメータがフォローできなってしまう。そこで、上記のように優先順位を決めることで、たとえば、湿潤状態を下げるドライ操作時は、圧力→温度→流量の順に制御するようにした。このようにすることで、温度の応答性の低さを圧力が補い、湿潤度の目標値に対して温度制御でカバーできない分を流量が補うこととなる。したがって、圧力や温度でウェット状態が満足できる場合はコンプレッサーの流量のアップを抑制でき、上記の従来技術よりも燃費が向上するのである。
【０００９】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用するシステムの一例を示す図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【図３】図３は、コントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【図４】図４は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図５】図５は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【図６】図６は、本発明による湿潤状態制御装置の第２実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【図７】図７は、本発明による湿潤状態制御装置の第３実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【図８】図８は、本発明による湿潤状態制御装置の第４実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用するシステムの一例を示す図である。
【００１２】
最初に図１を参照して、本発明による燃料電池の湿潤状態制御装置を適用する基本的なシステムについて説明する。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。そこで燃料電池スタック１０には、カソードライン２０と、アノードライン３０と、冷却水循環ライン４０と、が接続される。なお燃料電池スタック１０の発電電流は、電流センサー１０１で検出される。燃料電池スタック１０の発電電圧は、電圧センサー１０２で検出される。
【００１４】
カソードライン２０には、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスＯ2が流れる。カソードライン２０には、コンプレッサー２１と、カソード調圧弁２２と、が設けられる。
【００１５】
コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０よりも上流のカソードライン２０に設けられる。コンプレッサー２１は、モーターＭによって駆動される。コンプレッサー２１は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量を調整する。カソードガスＯ2の流量は、コンプレッサー２１の回転速度によって調整される。
【００１６】
カソード調圧弁２２は、燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に設けられる。カソード調圧弁２２は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力を調整する。カソードガスＯ2の圧力は、カソード調圧弁２２の開度によって調整される。
【００１７】
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の流量は、カソード流量センサー２０１で検出される。このカソード流量センサー２０１は、コンプレッサー２１よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。
【００１８】
カソードライン２０を流れるカソードガスＯ2の圧力は、カソード圧力センサー２０２で検出される。このカソード圧力センサー２０２は、コンプレッサー２１よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。さらに図１では、カソード圧力センサー２０２は、カソード流量センサー２０１の下流に位置する。
【００１９】
アノードライン３０には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスＨ2が流れる。アノードライン３０には、アノード再循環ライン３００が並設される。アノード再循環ライン３００は、燃料電池スタック１０よりも下流のアノードライン３０から分岐し、燃料電池スタック１０よりも上流のアノードライン３０に合流する。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、エゼクター３３と、アノードポンプ３４と、パージ弁３５と、が設けられる。
【００２０】
ボンベ３１には、アノードガスＨ2が高圧状態で貯蔵されている。ボンベ３１は、アノードライン３０の最上流に設けられる。
【００２１】
アノード調圧弁３２は、ボンベ３１の下流に設けられる。アノード調圧弁３２は、ボンベ３１から新たにアノードライン３０に供給するアノードガスＨ2の圧力を調整する。アノードガスＨ2の圧力は、アノード調圧弁３２の開度によって調整される。
【００２２】
エゼクター３３は、アノード調圧弁３２よりも下流に設けられる。エゼクター３３は、アノード再循環ライン３００がアノードライン３０に合流する部分に位置する。このエゼクター３３で、アノード再循環ライン３００を流れたアノードガスＨ2が、ボンベ３１から新たに供給されたアノードガスＨ2に混合される。
【００２３】
アノードポンプ３４は、エゼクター３３の下流に位置する。アノードポンプ３４は、エゼクター３３を流れたアノードガスＨ2を燃料電池スタック１０に送る。
【００２４】
パージ弁３５は、燃料電池スタック１０の下流であって、さらにアノード再循環ライン３００の分岐部分の下流のアノードライン３０に設けられる。パージ弁３５が開くと、アノードガスＨ2がパージされる。
【００２５】
アノードライン３０を流れるアノードガスＨ2の圧力は、アノード圧力センサー３０１で検出される。このアノード圧力センサー３０１は、アノードポンプ３４よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。
【００２６】
冷却水循環ライン４０には、燃料電池スタック１０に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン４０には、ラジエーター４１と、三方弁４２と、ウォーターポンプ４３と、が設けられる。また冷却水循環ライン４０には、バイパスライン４００が並設される。バイパスライン４００は、ラジエーター４１よりも上流から分岐し、ラジエーター４１よりも下流に合流する。このためバイパスライン４００を流れる冷却水は、ラジエーター４１をバイパスする。
【００２７】
ラジエーター４１は、冷却水を冷却する。ラジエーター４１には、クーリングファン４１０が設けられている。
【００２８】
三方弁４２は、バイパスライン４００の合流部分に位置する。三方弁４２は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。
【００２９】
ウォーターポンプ４３は、三方弁４２の下流に位置する。ウォーターポンプ４３は、三方弁４２を流れた冷却水を燃料電池スタック１０に送る。
【００３０】
冷却水循環ライン４０を流れる冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出される。この水温センサー４０１は、バイパスライン４００が分岐する部分よりも上流に設けられる。
【００３１】
コントローラーは、電流センサー１０１、電圧センサー１０２、カソード流量センサー２０１、カソード圧力センサー２０２、アノード圧力センサー３０１、水温センサー４０１の信号を入力する。そしてコントローラーは、制御信号を出力して、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。
【００３２】
このような構成によって、燃料電池スタック１０は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１を介してバッテリー１２や負荷１３に供給される。
【００３３】
図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【００３４】
次に、図２を参照して、発明者らの技術思想について説明する。
【００３５】
上述のように、燃料電池スタック１０は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。なお図２(Ａ)は１枚のＭＥＡを示している。ここではＭＥＡにカソードガスが供給されて(カソードイン)対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給されて(アノードイン)対角側から排出される(アノードアウト)例が示されている。
【００３６】
各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。
【００３７】
【数１】
0005765064.tif 000002
【００３８】
図２(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(１−１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。するとカソード流路の下流側では相対湿度が高くなる。この結果、カソード側とアノード側との相対湿度差が大きくなる。この相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側が加湿される。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流のＭＥＡを加湿する。
【００３９】
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。
【００４０】
そこで、本件発明者らは、カソードガスＯ2の流量及び圧力並びに燃料電池スタック１の温度に着目した。
【００４１】
すなわち、カソードガスＯ2の流量を増やせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の流量を減らせば、カソードガスＯ2とともに排出される水分が減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４２】
カソードガスＯ2の圧力が減るのは、カソード調圧弁２２の開度が大きくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を大きくしてカソードガスＯ2の圧力を下げれば、カソードガスＯ2が排出されやすくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、カソードガスＯ2の圧力が増えるのは、カソード調圧弁２２の開度が小さくなるときである。したがって、カソード調圧弁２２の開度を小さくしてカソードガスＯ2の圧力を上げれば、カソードガスＯ2が排出されにくくなる。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４３】
燃料電池スタック１の温度が高くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が増える。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も増える。したがって、電解質膜の湿潤状態を低下させることができる。一方、燃料電池スタック１の温度が低くなれば、カソードガスＯ2に含まれる水分量が減る。この結果、カソードガスＯ2とともに排出される水分も減る。したがって、電解質膜の湿潤状態を上昇させることができる。
【００４４】
発明者らは、このような知見を得た。さらにカソードガスＯ2の流量を増やすためにコンプレッサー２１の回転速度を上げると、消費電力が増大して燃費が悪化する。そこでできる限りコンプレッサー２１の回転速度を低く抑えることが望ましい。発明者らは、このような着想に基づいて本発明を完成するに至った。以下では具体的な内容を説明する。
【００４５】
図３は、コントローラの湿潤状態制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【００４６】
なおブロック図に示される各ブロックは、コントローラーの各機能を仮想ユニットとして示すものであり、各ブロックは物理的な存在を意味しない。
【００４７】
湿潤状態制御装置は、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御して、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を制御する。具体的には、湿潤状態制御装置は、湿潤状態減少部１００と、湿潤状態増大部２００と、を含む。
【００４８】
湿潤状態減少部１００は、目標排水量ＱH2O_outが増える、すなわち湿潤状態が減少するときに、実行される制御部である。湿潤状態減少部１００は、目標圧力演算ブロックＢ１０１と、目標温度演算ブロックＢ１０２と、目標流量演算ブロックＢ１０３と、を含む。
【００４９】
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを演算する。
【００５０】
なお目標排水量ＱH2O_out[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(2)によって求まる。ここでＮＬは、Normal Liter、すなわち標準状態でのリットルを示す。
【００５１】
【数２】
0005765064.tif 000003
【００５２】
なお燃料電池内部での生成水量ＱH2O_in[ＮＬ／ｍｉｎ]は次式(3)によって求まる。
【００５３】
【数３】
0005765064.tif 000004
【００５４】
目標水収支Ｑnet_water[ＮＬ／ｍｉｎ]は、燃料電池の運転状態（負荷状態）に応じて決められた電解質膜の目標湿潤状態を実現するように設定される。
【００５５】
目標圧力演算ブロックＢ１０１は、このようにして求められた目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(4-1)(4-2)によって、目標圧力Ｐtargetを求める。
【００５６】
【数４】
0005765064.tif 000005
【００５７】
ここで最低スタック温度Ｔminとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、燃料電池スタック１の温度を低くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いスタック温度である。同様に、最低カソード流量Ｑminとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最高にするときのカソード流量である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を上昇させるには、カソード流量を減らす。なおカソード流量は、低すぎると供給量不足による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると音振性能が悪化するおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード流量とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード流量である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。
【００５８】
またＰsat_minは、最低スタック温度Ｔminに対する飽和水蒸気圧であり、アントワンの式に基づいて上式(4-2)が求められる。
【００５９】
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標圧力Ｐtargetを求める。なお目標圧力演算ブロックＢ１０１は特許請求の範囲の優先制御部に対応する。
【００６０】
目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(5-1)(5-2)によって求める。なお式(5-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
【００６１】
【数５】
0005765064.tif 000006
【００６２】
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。なお本実施形態では、圧力Ｐsensは、カソード圧力センサー２０２で検出されたが、予め実験によって燃料電池スタックの圧力損失を求めておいて、それに基づいて推定してもよい。
【００６３】
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ１０２は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。なお目標温度演算ブロックＢ１０２は特許請求の範囲の水温制御部に対応する。
【００６４】
目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(6-1)(6-2)によって求める。
【００６５】
【数６】
0005765064.tif 000007
【００６６】
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensにおける飽和水蒸気圧である。
【００６７】
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ１０３は、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。なお目標流量演算ブロックＢ１０３は特許請求の範囲の補完制御部に対応する。
【００６８】
湿潤状態増大部２００は、目標排水量ＱH2O_outが減る、すなわち湿潤状態が増大するときに、実行される制御部である。湿潤状態増大部２００は、目標流量演算ブロックＢ２０３と、目標温度演算ブロックＢ２０２と、目標圧力演算ブロックＢ２０１と、を含む。
【００６９】
目標流量演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。具体的には、次式(7-1)(7-2)によって求める。
【００７０】
【数７】
0005765064.tif 000008
【００７１】
ここで最高スタック温度Ｔmaxとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、燃料電池スタック１の温度を高くする。なお燃料電池スタック１の温度は、低すぎると凝縮水による発電不良が生じるおそれがある。その一方で、高すぎると燃料電池スタック１の劣化が早まる。したがって、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのスタック温度とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も高いスタック温度である。同様に、最低カソード圧力Ｐminとは、燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力である。上述のように、電解質膜の湿潤状態を下降させるには、カソード圧力を減らす。なおカソード圧力は、低すぎると圧力不足による性能悪化が生じるおそれがある。その一方で、高すぎるとコンプレッサーで実現できないおそれがある。したがって燃料電池スタックの湿潤状態を最低にするときのカソード圧力とは、これらを総合的に考慮して燃料電池スタックの性能を確保できる範囲で最も低いカソード圧力である。これらは、予め実験によって燃料電池の運転状態に応じて設定されている。
【００７２】
以上のようにして、目標流量演算ブロックＢ２０３は、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて、目標カソード流量Ｑtargetを求める。なお目標流量演算ブロックＢ２０３は特許請求の範囲の優先制御部に対応する。
【００７３】
目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。具体的には、次式(8-1)(8-2)によって求める。なお式(8-1)は、アントワンの式の逆引きによって求められる。
【００７４】
【数８】
0005765064.tif 000009
【００７５】
Ｐsat_targetは、目標飽和水蒸気圧である。
【００７６】
以上のようにして、目標温度演算ブロックＢ２０２は、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、に基づいて、目標温度Ｔtargetを求める。なお目標温度演算ブロックＢ２０２は特許請求の範囲の水温制御部に対応する。
【００７７】
目標圧力演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outと、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。具体的には、次式(9-1)(9-2)によって、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。
【００７８】
【数９】
0005765064.tif 000010
【００７９】
Ｐsat_sensは、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensに対する飽和水蒸気圧であり、式(9-2)は、アントワンの式に基づいて求められる。
【００８０】
以上のようにして、目標圧力演算ブロックＢ２０１は、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて、目標カソード圧力Ｐtargetを求める。なお目標圧力演算ブロックＢ２０１は特許請求の範囲の補完制御部に対応する。
【００８１】
図４は、目標湿潤状態が下がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【００８２】
以上の制御ロジックが実行されると、目標湿潤状態が下がるときは、湿潤制御装置は以下のように作動する。
【００８３】
時刻ｔ１１で、目標湿潤状態が下がると、湿潤制御装置の湿潤状態減少部１００が作動を開始する。
【００８４】
目標圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低スタック温度Ｔminと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、最低カソード流量Ｑminと、に基づいて、設定される。目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実圧力Ｐsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。
【００８５】
目標圧力Ｐtargetは、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標圧力Ｐtargetが下がる。そして、この目標圧力Ｐtargetが実現されるように、カソード調圧弁２２が制御される。するとカソード圧力がほとんど応答遅れなく低下する。
【００８６】
目標圧力Ｐtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ１２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード流量Ｑmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード圧力のセンサー検出値Ｐsensがフィードバックされる。このためカソード圧力だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード流量が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード流量で補完される。
【００８７】
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ１３で、目標カソード流量Ｑtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード流量が決められるので、目標圧力Ｐtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード流量で補完されることとなる。
【００８８】
図５は、目標湿潤状態が上がるときの湿潤制御装置の作動を示すタイミングチャートである。
【００８９】
時刻ｔ２１で、目標湿潤状態が上がると、湿潤制御装置の湿潤状態増大部２００が作動を開始する。
【００９０】
目標カソード流量Ｑtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最高スタック温度Ｔmaxと、最低カソード圧力Ｐminと、に基づいて設定される。目標温度Ｔtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、最低カソード圧力Ｐminと、実流量Ｑsensと、に基づいて設定される。目標カソード圧力Ｐtargetは、目標排水量ＱH2O_outと、実流量Ｑsensと、実水温Ｔsensと、に基づいて設定される。
【００９１】
目標流量Ｑtargetは、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）に基づいて設定されるので、最も変動しやすい。そこでまず最初は優先的に目標流量Ｑtargetが下がる。そして、この目標流量Ｑtargetが実現されるように、コンプレッサー２１が制御される。するとカソード流量がほとんど応答遅れなく低下する。
【００９２】
目標流量Ｑtargetの変更だけでは、調整しきれなければ、時刻ｔ２２で、目標温度Ｔtargetが変動しはじめる。すなわち目標温度Ｔtargetの設定には、限界値（最低カソード圧力Ｐmin）が用いられる。また上述のようにして調整されたカソード流量のセンサー検出値Ｑsensがフィードバックされる。このためカソード流量だけは調整しきれない分が、冷却水の温度の変更で調整されることとなる。なお冷却水の温度は、目標値が変わっても変動しにくく応答遅れが生じやすい。冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出されており、この温度がフィードバックされてカソード圧力が決められるので、冷却水の温度の応答遅れがカソード圧力で補完される。
【００９３】
目標温度Ｔtargetの変更でも、調整しきれなければ、時刻ｔ２３で、目標カソード圧力Ｐtargetが変動しはじめる。すなわち、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensと、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensと、がフィードバックされて、カソード圧力が決められるので、目標流量Ｑtarget及び目標温度Ｔtargetの変更で調整しきれない分がカソード圧力で補完されることとなる。
【００９４】
本実施形態によれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を下げるときには、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなる。コンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化するが、本実施形態では、可能な限りコンプレッサー２１の回転速度の上昇が抑制されるので、消費電力が抑えられて燃費が向上する。
【００９５】
また本実施形態によれば、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標冷却水温を下げて三方弁４２を制御する。そして最後に目標圧力を上げてカソード調圧弁２２を閉じる。このようにすることで、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなる。上述のようにコンプレッサーの回転速度が上昇するほど、消費電力が増大し燃費が悪化する。換言すれば、コンプレッサーの回転速度が低下するほど、消費電力が抑えられて燃費が向上する。本実施形態では、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下するので、燃費が向上するのである。
【００９６】
さらに本実施形態では、目標圧力演算ブロックＢ１０１と目標圧力演算ブロックＢ２０１との制御ロジックは同じである。また目標温度演算ブロックＢ１０２と目標温度演算ブロックＢ２０２との制御ロジックも同じである。さらに目標流量演算ブロックＢ１０３と目標流量演算ブロックＢ２０３との制御ロジックも同じである。そしてこれらの制御ブロックに入力される信号をのみ変えることで、燃料電池の湿潤状態を低めて乾燥させたり、燃料電池の湿潤状態を高めて湿潤させたりしている。このように同一の制御ロジックでありながら、入力値を変えるだけで、圧力・温度・流量の制御順位を変えて、燃料電池の湿潤状態を制御できるのである。
【００９７】
（第２実施形態）
図６は、本発明による湿潤状態制御装置の第２実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【００９８】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００９９】
運転モードによっては、三方弁４２を制御しない。また何らかのトラブルによって三方弁４２を制御できない可能性がある。このようなときには、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、最低スタック温度Ｔminに代えて、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensを用いて目標圧力Ｐtargetを演算する。また目標流量演算ブロックＢ２０３は、最高スタック温度Ｔmaxに代えて、水温センサー４０１で検出された水温Ｔsensを用いて目標圧力Ｐtargetを演算する。
【０１００】
本実施形態のようにすることで、三方弁４２を制御しない運転モードや、何らかのトラブルによって三方弁４２を制御できない場合にも対応することができる。また本実施形態でも、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を下げるときには、まず目標圧力を下げてカソード調圧弁２２を開く。次に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようになるので、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなり、消費電力が抑えられて燃費が向上する。また、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標圧力を上げてカソード調圧弁２２を閉じる。このようになるので、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなり、消費電力が抑えられて燃費が向上するのである。
【０１０１】
（第３実施形態）
図７は、本発明による湿潤状態制御装置の第３実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【０１０２】
運転モードによっては、カソード調圧弁２２を制御しない。また何らかのトラブルによってカソード調圧弁２２を制御できない可能性がある。このようなときには、目標流量演算ブロックＢ２０３は、最低カソード圧力Ｐminに代えて、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensを用いて目標カソード流量Ｑtargetを求める。また目標温度演算ブロックＢ２０２は、最低カソード圧力Ｐminに代えて、カソード圧力センサー２０２で検出された圧力Ｐsensを用いて目標温度Ｔtargetを求める。
【０１０３】
本実施形態のようにすることで、カソード調圧弁２２を制御しない運転モードや、何らかのトラブルによってカソード調圧弁２２を制御できない場合にも対応することができる。また本実施形態でも、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を下げるときには、まず目標冷却水温を上げて三方弁４２を制御する。次に目標流量を上げてコンプレッサー２１の回転速度を上げる。このようになるので、コンプレッサー２１の回転速度の上昇が、可能な限り抑制されることとなり、燃費が向上する。また、燃料電池の目標湿潤状態が変更されて、湿潤状態を上げるときには、まず目標流量を下げてコンプレッサー２１の回転速度を下げる。次に目標冷却水温を下げて三方弁４２を制御する。このようになるので、コンプレッサー２１の回転速度が、可能な限り早めに低下することとなり、燃費が向上するのである。
【０１０４】
（第４実施形態）
図８は、本発明による湿潤状態制御装置の第４実施形態におけるコントローラの制御にかかる機能をブロック図として表したものである。
【０１０５】
運転モードによっては、コンプレッサー２１を制御しない。また何らかのトラブルによってコンプレッサー２１を制御できない可能性がある。このようなときには、目標圧力演算ブロックＢ１０１は、最低カソード流量Ｑminに代えて、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensを用いて目標カソード圧力Ｐtargetを求める。また目標温度演算ブロックＢ１０２は、最低カソード流量Ｑminに代えて、カソード流量センサー２０１で検出された流量Ｑsensを用いて、目標温度Ｔtargetを求める。
【０１０６】
本実施形態のようにすることで、コンプレッサー２１を制御しない運転モードや、何らかのトラブルによってコンプレッサー２１を制御できない場合にも対応することができる。
【０１０７】
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。
【０１０８】
たとえば、燃料電池の湿潤状態とは、燃料電池の水収支（たとえば「水収支=生成される水−排出される水」で定義される）であってもよいし、燃料電池の電解質膜の抵抗であってもよいし、その他の燃料電池の湿潤状態を表すものであってもよい。
【０１０９】
また冷却水の温度に代えて、燃料電池自体の温度や、空気の温度を用いてもよい。
【０１１０】
さらに上記各実施形態では、目標圧力演算ブロックＢ１０１では、目標圧力Ｐtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのスタック温度(最低スタック温度Ｔmin)及びカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ１０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最高にするときのカソード流量（最低カソード流量Ｑmin）を用いる。目標流量演算ブロックＢ２０３では、目標流量Ｑtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのスタック温度(最高スタック温度Ｔmax)及びカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。目標温度演算ブロックＢ２０２では、目標温度Ｔtargetを設定するときに、湿潤状態を最低にするときのカソード圧力（最低カソード圧力Ｐmin）を用いる。このように限界値(最大値、最小値)を用いれば、最も効果が大きい。しかしながら、最大値よりも小さめ、最小値よりも大きめのものを使用してもよい。このようにしても相応の効果は得られる。
【０１１１】
さらにまた、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０１１２】
１０  燃料電池スタック
２０  カソードライン
２１  コンプレッサー
２２  カソード調圧弁
２０１  カソード流量センサー
２０２  カソード圧力センサー
３０  アノードライン
４０  冷却水循環ライン
４００  バイパスライン
４１  ラジエーター
４２  三方弁
４３  ウォーターポンプ
４０１  水温センサー
１００  湿潤状態減少部
Ｂ１０１  目標圧力演算ブロック（優先制御部）
Ｂ１０２  目標温度演算ブロック（水温制御部）
Ｂ１０３  目標流量演算ブロック（補完制御部）
２００  湿潤状態増大部
Ｂ２０１  目標圧力演算ブロック（補完制御部）
Ｂ２０２  目標温度演算ブロック（水温制御部）
Ｂ２０３  目標流量演算ブロック（優先制御部）
【図１】
0005765064.tif 000011
【図２】
0005765064.tif 000012
【図３】
0005765064.tif 000013
【図４】
0005765064.tif 000014
【図５】
0005765064.tif 000015
【図６】
0005765064.tif 000016
【図７】
0005765064.tif 000017
【図８】
0005765064.tif 000018