JP6304366B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
燃料電池では、電解質膜の湿潤度が高くなり過ぎたり低くなり過ぎたりすると、発電性能が低下する。燃料電池を効率的に発電させるためには、燃料電池の電解質膜を適度な湿潤度に維持することが重要である。
特表２０１０−５３８４１５号公報には、アノードガス流量及びカソードガス流量の少なくとも一方を制御することで、燃料電池の湿潤度を調整する燃料電池システムが開示されている。
上記公報には、アノードガス流量制御やカソードガス流量制御によって燃料電池の湿潤度が調整可能であることが開示されているにすぎず、アノードガス流量制御及びカソードガス流量制御に基づいて湿潤度を適切に調整することは開示されていない。
一方、本願発明者らは、燃料電池の湿潤制御に関し、カソードガス流量が多い場合にアノードガス流量を変更しても、アノードガス流量制御によって燃料電池の湿潤度をほとんど調整することができないことを見出した。つまり、アノードガス流量を制御して燃料電池の湿潤度を調整する場合には、カソードガス流量をできる限り少なくしておくことが必要である。そのため、この点について考慮していない従来の燃料電池システムでは、湿潤制御の際に、コンプレッサ又はポンプ等によって構成されるカソードガス流量制御部やアノードガス流量制御部を必要以上に動作させてしまうおそれがある。
本発明の目的は、カソードガス流量制御部やアノードガス流量制御部を適切に制御し、燃料電池の湿潤度を調整可能な燃料電池システムを提供することである。
本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを当該燃料電池に供給するように構成された循環機構と、を備える燃料電池システムが提供される。燃料電池システムは、前記燃料電池の湿潤状態の目標値である湿潤目標値を算出する湿潤目標値算出部と、前記燃料電池に対する発電要求に基づいてカソードガス要求流量を算出するガス要求流量算出部と、ドライ制御時に少なくとも前記湿潤目標値と前記カソードガス要求流量とに基づいて湿潤制御用アノードガス循環流量を算出する湿潤制御用アノードガス流量算出部と、前記湿潤制御用アノードガス循環流量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流量制御部と、を備える。また、燃料電池システムは、ドライ制御時に少なくとも前記湿潤目標値と前記アノードガス流量制御部により制御されるアノードガス循環流量の測定値又は推定値とに基づいて湿潤制御用カソードガス流量を算出する湿潤制御用カソードガス流量算出部と、前記カソードガス要求流量と前記湿潤制御用カソードガス流量に基づいてカソードガス流量を制御するカソードガス流量制御部と、を備える。
図１は、本発明の実施形態による燃料電池の斜視図である。 図２は、図１の燃料電池のＩＩ−ＩＩ断面図である 図３は、本発明の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図４は、アノードガスとカソードガスの流量比と、燃料電池スタックから排出されるカソードガスの相対湿度との関係を示す特性図である。 図５は、燃料電池システムに備えられるコントローラの構成を示すブロック図である。 図６は、ドライ制御時におけるガス流量算出部での目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量の算出処理を示す図である。 図７は、ドライ制御時における湿潤制御用アノードガス流量算出部での算出処理を示す図である。 図８は、燃料電池スタックに対する発電要求に基づくカソードガス要求流量の特性図である。 図９は、燃料電池スタックに対する発電要求に基づくアノードガス要求循環流量の特性図である。 図１０は、ドライ制御時における湿潤制御用カソードガス流量算出部での算出処理を示す図である。 図１１は、ウェット制御時におけるガス流量算出部での目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量の算出処理を示す図である。 図１２は、ウェット制御時における湿潤制御用アノードガス流量算出部での算出処理を示す図である。 図１３は、ウェット制御時における湿潤制御用カソードガス流量算出部での算出処理を示す図である。 図１４は、本発明の実施形態による燃料電池システムでの湿潤制御の一例を示すタイミングチャートである。 図１５は、参考例による燃料電池システムでの湿潤制御の一例を示すタイミングチャートである。 図１６は、本発明の実施形態による燃料電池システムでの湿潤制御の一例を示すタイミングチャートである。 図１７は、カソードガス流量制御が不能となった場合におけるドライ制御時の目標アノードガス循環流量の算出処理を示す図である。 図１８は、アノードガス循環流量制御が不能となった場合におけるウェット制御時の目標カソードガス流量の算出処理を示す図である。
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
燃料電池は、燃料極としてのアノード電極と、酸化剤極としてのカソード電極と、これら電極に挟まれるように配置される電解質膜と、から構成されている。燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガスを用いて発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
アノード電極： ２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ− ・・・（１）
カソード電極： ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ ・・・（２）
これら（１）（２）の電極反応によって、燃料電池は１Ｖ（ボルト）程度の起電力を生じる。
図１及び図２は、本発明の一実施形態による燃料電池１０の構成を説明するための図である。図１は燃料電池１０の斜視図であり、図２は図１の燃料電池１０のＩＩ−ＩＩ断面図である。
図１及び図２に示すように、燃料電池１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１１と、ＭＥＡ１１を挟むように配置されるアノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３と、を備える。
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３とから構成されている。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面側にアノード電極１１２を有しており、他方の面側にカソード電極１１３を有している。
電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、適度な湿潤度で良好な電気伝導性を示す。
アノード電極１１２は、触媒層１１２Ａとガス拡散層１１２Ｂとを備える。触媒層１１２Ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子により形成された部材であって、電解質膜１１１と接するように設けられる。ガス拡散層１１２Ｂは、触媒層１１２Ａの外側に配置される。ガス拡散層１１２Ｂは、ガス拡散性及び導電性を有するカーボンクロスで形成された部材であって、触媒層１１２Ａ及びアノードセパレータ１２と接するように設けられる。
アノード電極１１２と同様に、カソード電極１１３も触媒層１１３Ａとガス拡散層１１３Ｂとを備える。触媒層１１３Ａは電解質膜１１１とガス拡散層１１３Ｂとの間に配置され、ガス拡散層１１３Ｂは触媒層１１３Ａとカソードセパレータ１３との間に配置される。
アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２Ｂの外側に配置される。アノードセパレータ１２は、アノード電極１１２にアノードガス（水素ガス）を供給するための複数のアノードガス流路１２１を備えている。アノードガス流路１２１は、溝状通路として形成されている。
カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３Ｂの外側に配置される。カソードセパレータ１３は、カソード電極１１３にカソードガス（空気）を供給するための複数のカソードガス流路１３１を備えている。カソードガス流路１３１は、溝状通路として形成されている。
図２に示すように、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、アノードガス流路１２１を流れるアノードガスの流れ方向とカソードガス流路１３１を流れるカソードガスの流れ方向とが互いに逆向きとなるように構成されている。なお、アノードセパレータ１２及びカソードセパレータ１３は、これらガスの流れ方向が同じ向きに流れるように構成されてもよい。
このような燃料電池１０を自動車用電源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタック１が構成される。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両を駆動させるための電力を取り出す。
図３は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力システム５と、コントローラ６０と、を備える。
燃料電池スタック１は、複数の燃料電池１０を積層した電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソード流量センサ２４と、カソード圧力センサ２５と、カソード調圧弁２６と、を備える。カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、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外部に排出する。
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１の一端はカソードコンプレッサ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口部に接続される。
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口部に接続され、他端は開口端として形成される。カソードオフガスは、カソードガスや電極反応によって生じた水蒸気等を含む混合ガスである。
カソードコンプレッサ２３は、カソードガス供給通路２１の先端に設けられる。カソードコンプレッサ２３は、カソードガスとしての空気を取り込み、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する。
カソード流量センサ２４は、カソードコンプレッサ２３よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード流量センサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。
カソード圧力センサ２５は、カソード流量センサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２５は、燃料電池スタック１のカソードガス入口部の近傍に配置される。カソード圧力センサ２５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。カソード圧力センサ２５で検出されたカソードガス圧力は、燃料電池スタック１のカソードガス流路１３１等を含むカソード系全体の圧力を代表する。
カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２６は、コントローラ６０によって開閉制御され、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調整する。
次に、アノードガス給排装置３について説明する。
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カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード流量センサ３４と、アノード圧力センサ３５と、アノードガス排出通路３６と、パージ弁３７と、を備える。さらに、アノードガス給排装置３は、アノードガス供給通路３２とアノードガス排出通路３６とを接続する還流通路３８、及び還流通路３８に設置される還流ポンプ３９を備えている。
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する容器である。
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給する通路である。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部に接続される。
アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１よりも下流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は、コントローラ６０によって開閉制御され、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調整する。
アノードガス排出通路３６は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスを流す通路である。アノードガス排出通路３６の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口部に接続され、他端はカソード調圧弁２６よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。
パージ弁３７は、アノードガス排出通路３６に設けられる。パージ弁３７は、コントローラ６０によって開閉制御され、アノードガス排出通路３６からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスのパージ流量を制御する。
パージ弁３７が開弁状態となるパージ制御が実行されると、アノードオフガスは、アノードガス排出通路３６及びカソードガス排出通路２２を通じて外部に排出される。この時、アノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合される。このようにアノードオフガスとカソードオフガスとを混合させて外部に排出することで、混合ガス中の水素濃度が排出許容濃度以下の値に設定される。
還流通路３８は、アノードガス排出通路３６のアノードオフガスをアノードガス供給通路３２に流す通路である。還流通路３８の一端はアノードガス出口部とパージ弁３７との間のアノードガス排出通路３６に接続され、還流通路３８の他端はアノードガス入口部とアノード調圧弁３３との間のアノードガス供給通路３２に接続される。
還流通路３８には、還流ポンプ３９が設けられる。還流ポンプ３９は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスを還流通路３８を通じてアノードガス供給通路３２に還流する。このように、還流通路３８及び還流ポンプ３９は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスを再び燃料電池スタック１に供給する循環機構を構成する。
アノード流量センサ３４は、還流通路３８の接続部よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード流量センサ３４は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの循環流量を検出する。
アノード圧力センサ３５は、アノード流量センサ３４よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３５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を検出する。アノード圧力センサ３５で検出されたアノードガス圧力は、燃料電池スタック１のアノードガス流路１２１等を含むアノード系全体の圧力を代表する。
スタック冷却装置４は、不凍液等である冷却水によって燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に調整する温度調整装置である。スタック冷却装置４は、循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、入口水温センサ４６と、出口水温センサ４７と、を備える。
循環通路４１は、冷却水が循環するループ状通路を構成する。循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口部に接続される。
ラジエータ４２は、循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の熱を外部に放熱する熱交換器である。
バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を流す通路である。バイパス通路４３の一端はラジエータ４２より上流の循環通路４１に接続され、他端はラジエータ４２より下流の循環通路４１に設けられた三方弁４４に接続される。
三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水温度が所定温度よりも高い場合、三方弁４４は燃料電池スタック１から排出された冷却水がラジエータ４２を通じて再び燃料電池スタック１に供給されるように切り換えられる。これに対して、冷却水温度が所定温度よりも低い場合、三方弁４４は燃料電池スタック１から排出された冷却水がバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように切り換えられる。
循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流の循環通路４１に設けられ、冷却水を循環させる。
入口水温センサ４６は燃料電池スタック１の冷却水入口部近傍の循環通路４１に設けられ、出口水温センサ４７は燃料電池スタック１の冷却水出口部近傍の循環通路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に流入する冷却水の温度を検出し、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。入口水温センサ４６によって検出された入口水温と出口水温センサ４７によって検出された出口水温とから算出される平均水温が、燃料電池スタック１の内部温度、いわゆるスタック温度となる。
電力システム５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。
電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の出力電圧、つまり燃料電池スタック１の端子間電圧を検出する。
走行モータ５３は、三相交流同期モータであって、車輪を駆動するための駆動源である。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、外力によって回転駆動されることで発電する発電機としての機能とを有する。
インバータ５４は、ＩＧＢＴ等の複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６０によってスイッチング制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は交流電力が直流電力に変換される。走行モータ５３を電動機として機能させる場合、インバータ５４は、燃料電池スタック１の出力電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換し、走行モータ５３に供給する。これに対して、走行モータ５３を発電機として機能させる場合、インバータ５４は、走行モータ５３の回生交流電力を直流電力に変換し、バッテリ５５に供給する。
バッテリ５５は、燃料電池スタック１の出力電力の余剰分及び走行モータ５３の回生電力が充電されるように構成されている。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２３等の補機類や走行モータ５３に供給される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流等が調整される。
コントローラ６０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ６０には、カソード流量センサ２４やアノード流量センサ３４等の各種センサからの信号の他、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ７等の車両運転状態を検出するセンサからの信号が入力される。
コントローラ６０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、アノード調圧弁３３及び還流ポンプ３９を制御することでアノードガスの圧力及び循環流量を調整するとともに、カソード調圧弁２６及びカソードコンプレッサ２３を制御することでカソードガスの圧力及び流量を調整する。
また、コントローラ６０は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電力を算出する。コントローラ６０は、走行モータ５３の要求電力や補機類の要求電力、バッテリ５５の充放電要求等に基づいて、目標出力電力を算出する。コントローラ６０は、目標出力電力に基づいて、予め定められた燃料電池スタック１の電流電圧特性を参照し、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。そして、コントローラ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を用いて、燃料電池スタック１の出力電流が目標出力電流となるように燃料電池スタック１の出力電圧を制御する。
上記した燃料電池システム１００の燃料電池スタック１では、各燃料電池１０の電解質膜１１１の湿潤度（含水量）が高くなり過ぎたり低くなり過ぎたりすると、発電性能が低下する。燃料電池スタック１を効率的に発電させるためには、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、燃料電池システム１００では、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、カソードガス流量及びアノードガス循環流量が制御される。
カソードガス流量制御は主にカソードコンプレッサ２３により実行され、カソードコンプレッサ２３は目標カソードガス流量に応じてカソードガス流量を制御するカソードガス流量制御部として機能する。また、アノードガス循環流量制御は主に還流ポンプ３９により実行され、還流ポンプ３９は目標アノードガス循環流量に応じてアノードガス循環流量を制御するアノードガス流量制御部として機能する。
例えば、カソードガス流量を増加させる場合には、カソードガスとともに燃料電池スタック１から排出される水分が増えるため、電解質膜１１１の湿潤度が低下する。これにより、燃料電池スタック１の湿潤度をドライ側に調整することができる。これに対して、カソードガス流量を減少させる場合には、カソードガスとともに燃料電池スタック１から排出される水分が減るため、電解質膜１１１の湿潤度が増加する。これにより、燃料電池スタック１の湿潤度をウェット側に調整することができる。
一方、アノードガスは、カソードガス流路１３１（図２参照）の下流側から電解質膜１１１を介してリークしてきた水分によって加湿される。このように加湿される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（図２参照）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の電解質膜１１１の湿潤度を高めることができる。これにより、燃料電池スタック１の湿潤度をウェット側に調整することができる。これに対して、アノードガス循環流量を減少させる場合には、電解質膜１１１の湿潤度が低下する。これにより、燃料電池スタック１の湿潤度をドライ側に調整することができる。
なお、燃料電池システム１００は、カソードガス流量及びアノードガス循環流量を制御するだけでなく、カソードガス圧力や冷却水温度等を制御することで、燃料電池スタック１の湿潤度を調整するように構成されてもよい。
ところで、本願発明者らは、燃料電池スタック１の湿潤制御に関し、カソードガス流量が多い場合にアノードガス循環流量を変更しても、アノードガス循環流量制御によって燃料電池スタック１の湿潤度をほとんど調整することができないことを見出した。
図４は、アノードガスとカソードガスの流量比と、燃料電池スタック１から排出されるカソードガスの相対湿度との関係を示す特性図である。カソードガス相対湿度は、燃料電池スタック１から排出されるカソードガスに含まれる水分量を示す指標である。カソードガス相対湿度が低くなるほど、燃料電池スタック１の電解質膜１１１はウェットな状態となる。本願発明者らは、カソードガス相対湿度と、アノードガス流量（循環流量）をカソードガス流量で除算して得られる流量比との間に、図４に示すような関係があることを見出した。
つまり、アノードガス循環流量制御に基づいて湿潤制御を実行する場合、アノードガス循環流量が小さく、流量比が小さい領域（破線領域）では、カソードガス相対湿度はほとんど変化せず、燃料電池スタック１の湿潤度をほとんど調整することができない。これに対して、流量比が大きい領域では、流量比に応じてカソードガス相対湿度を変更することができ、燃料電池スタック１の湿潤度を調整することが可能となる。本願発明者らが見出した知見によれば、アノードガス循環流量を制御して燃料電池スタック１の湿潤度を調整する場合には、例えばカソードガス流量をできる限り少なく抑えて、流量比を大きく設定する必要がある。
そこで、燃料電池システム１００は、上述した知見に基づき、アノードガス循環流量及びカソードガス流量の制御によって燃料電池スタック１の湿潤度を適切に制御できるように構成されている。
アノードガス循環流量及びカソードガス流量の制御は、燃料電池スタック１の運転状態に応じてコントローラ６０が算出した目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量に基づいて実行される。そして、還流ポンプ３９が目標アノードガス循環流量に応じて燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量を制御し、カソードコンプレッサ２３が目標カソードガス流量に応じて燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を制御する。
次に、図５を参照して、コントローラ６０が実行するガス流量算出処理について説明する。図５は、燃料電池システム１００に備えられるコントローラ６０の構成を示すブロック図である。
図５に示すように、コントローラ６０は、燃料電池スタック１の湿潤状態の目標値である湿潤目標値を算出する湿潤目標値算出部６１と、燃料電池スタック１に対する発電要求に基づいてカソードガス要求流量及びアノードガス要求循環流量を算出するガス要求流量算出部６３と、湿潤目標値やこれら要求流量に基づいて目標アノードガス流量及び目標カソードガス流量を算出するガス流量算出部６２と、を備える。
湿潤目標値算出部６１は、基本湿潤値算出部６１Ａと、減算部６１Ｂと、ＰＩ制御実行部６１Ｃと、加算部６１Ｄとから構成されている。
基本湿潤値算出部６１Ａは、燃料電池スタック１の内部インピーダンス（ＨＦＲ）の目標値に基づいて基本湿潤値を算出する。基本湿潤値は、ＨＦＲ目標値が大きくなるほど小さな値に設定される。
なお、燃料電池スタック１の内部インピーダンス（ＨＦＲ）と燃料電池スタック１の電解質膜１１１の湿潤度との間には相関関係がある。燃料電池スタック１の内部インピーダンスは、湿潤度が低下するほど、つまり電解質膜１１１が乾燥するほど大きな値となる。ＨＦＲ目標値は、燃料電池スタック１の発電負荷が大きくなるほど小さな値に設定される。また、ＨＦＲ目標値は、燃料電池スタック１の発電負荷が同一である場合にスタック温度が高くなるほど小さな値となるように補正される。
減算部６１Ｂは、ＨＦＲ目標値から、燃料電池スタック１の内部インピーダンスの計測値を減算し、ＨＦＲ目標値とＨＦＲ計測値との差分（ＨＦＲ偏差）を算出する。ＨＦＲ計測値は、電流センサ５１により検出される燃料電池スタック１の出力電流及び電圧センサ５２により検出される燃料電池スタック１の出力電圧に基づいて算出される。
ＰＩ制御実行部６１Ｃは、減算部６１Ｂで算出されたＨＦＲ偏差に基づいてフィードバック補正値を算出する。
加算部６１Ｄは、基本湿潤値とフィードバック補正値とを加算して、湿潤目標値を算出する。湿潤目標値は燃料電池スタック１の湿潤度の目標値に相当するものであり、この湿潤目標値に応じて燃料電池スタック１の湿潤制御が実行される。
このように、湿潤目標値算出部６１は、ＨＦＲ目標値及びＨＦＲ計測値に基づいて湿潤目標値を算出するように構成されている。湿潤目標値算出部６１による湿潤目標値の算出方法は一例であり、その他の手法を用いて湿潤目標値を算出してもよい。
ガス要求流量算出部６３は、燃料電池スタック１に対する発電要求に基づいてカソードガス要求流量Ｑｃ（図８参照）及びアノードガス要求循環流量Ｑａ（図９参照）を算出する。
ガス流量算出部６２は、これら要求流量や湿潤目標値算出部６１により算出された湿潤目標値に基づいて、目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量を算出する。ガス流量算出部６２は、燃料電池スタック１の湿潤度が運転状態に適した状態となるように、目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量を演算する。
次に、図６から図１０を参照して、コントローラ６０のガス流量算出部６２が実行するドライ制御時の目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量の算出処理について説明する。
図６は、ドライ制御時におけるガス流量算出部６２での目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量の算出処理を示す図である。図７は、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０での算出処理を示す図である。図８は、燃料電池スタック１に対する発電要求に基づくカソードガス要求流量Ｑｃの特性図である。図９は、燃料電池スタック１に対する発電要求に基づくアノードガス要求循環流量Ｑａの特性図である。図１０は、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０での算出処理を示す図である。
図６に示すように、コントローラ６０のガス流量算出部６２は、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０と、目標アノードガス流量設定部９１と、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０と、目標カソードガス流量設定部９２と、から構成されている。
燃料電池スタック１の湿潤度を低下させるドライ制御時には、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、湿潤目標値算出部６１により算出された湿潤目標値と、カソードガス圧力の計測値と、冷却水温度の計測値と、カソードガス要求流量Ｑｃとに基づいて、湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａを算出する。なお、コントローラ６０は、例えば現在の湿潤目標値を前回値と比較することによって、ドライ制御時であるかウェット制御時であるかを判断する。
図７に示すように、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、加算部７１と、除算部７２、カソードガス相対湿度算出部７３と、流量比算出部７４と、乗算部７５と、を備えている。
湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、加算部７１において湿潤目標値と図８から求められるカソードガス要求流量Ｑｃとを加算し、除算部７２において湿潤目標値をこの加算値で除することで、カソードガス湿潤状態値を算出する。
湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａの算出に使用されるカソードガス要求流量Ｑｃは、図８に示す特性図を参照し、車両運転状態に基づいて求められる燃料電池スタック１に対する発電要求、つまり燃料電池スタック１から取り出される発電電流に応じて算出される。
図８に示すように、カソードガス要求流量Ｑｃは、発電電流が０からＩ１までは一定値となり、Ｉ１以上では発電電流の増加に伴って大きな値となる。カソードガス要求流量Ｑｃは、燃料電池スタック１に対する発電要求に応じて規定されており、例えば燃料電池スタック１が正常状態で発電する際に最低限必要なカソードガス流量として規定されている。この正常状態には、燃料電池スタック１の湿潤度が適切な範囲内に制御されている状態のほか、フラッディングの発生が防止されている状態やカソードコンプレッサ２３の回転数が最低回転数を下回らない状態等が含まれる。
湿潤制御用アノードガス流量算出部７０のカソードガス相対湿度算出部７３は、カソードガス圧力の計測値と、除算部７２で算出されたカソードガス湿潤状態値とを乗算し、その乗算値を冷却水温度の計測値から求められる飽和水蒸気圧力で除することで、カソードガス相対湿度を算出する。カソードガス相対湿度は、図４において説明したように、燃料電池スタック１から排出されるカソードガスに含まれる水分量を示す指標である。
なお、カソードガス相対湿度算出部７３で使用されるカソードガス圧力の計測値はカソード圧力センサ２５の検出値に基づいて算出され、冷却水温度の計測値は入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７の検出値に基づいて算出される。また、カソードガス圧力及び冷却水温度の計測値を使用する代わりに、カソードガス圧力及び冷却水温度の推定値を用いてもよい。
流量比算出部７４は、図４で説明した流量比−カソードガス相対湿度特性マップを参照し、カソードガス相対湿度算出部７３で算出されたカソードガス相対湿度に基づき、湿潤制御に必要な流量比を算出する。流量比算出部７４で算出される流量比は、カソードガス流量に対するアノードガス循環流量の割合である。
乗算部７５は、流量比算出部７４で算出された流量比と、加算部７１で使用されたカソードガス要求流量Ｑｃとを乗算することで、湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａを算出する。
なお、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、カソードガス圧力及び冷却水温度を用いずに、湿潤目標値とカソードガス要求流量とからカソードガス相対湿度を算出し、そのカソードガス相対湿度を用いて湿潤制御用アノードガス循環流量を算出するように構成されてもよい。
図６に示すように、ガス流量算出部６２は、目標アノードガス流量設定部９１において、上記のように算出された湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａと、燃料電池スタック１に対する発電要求から求められたアノードガス要求循環流量Ｑａとを比較し、それら流量の大きい方をドライ制御時の目標アノードガス循環流量Ｑｔａに設定する。
目標アノードガス循環流量Ｑｔａを設定する際に使用されるアノードガス要求循環流量Ｑａは、図９に示す特性図を参照し、車両運転状態に基づいて求められる燃料電池スタック１に対する発電要求、つまり燃料電池スタック１から取り出される発電電流に応じて算出される。
図９に示すように、アノードガス要求循環流量Ｑａは、発電電流が０からＩ２までは一定値となり、Ｉ２以上では発電電流の増加に伴って大きな値となる。アノードガス要求循環流量Ｑａは、燃料電池スタック１に対する発電要求に応じて規定されており、例えば燃料電池スタック１が正常状態で発電する際に最低限必要なアノードガス循環流量として規定されている。この正常状態には、燃料電池スタック１の湿潤度が適切な範囲内に制御されている状態のほか、フラッディングの発生が防止されている状態や還流ポンプ３９の回転数が最低回転数を下回らない状態等が含まれる。
一方、ドライ制御時には、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、湿潤目標値算出部６１により算出された湿潤目標値と、カソードガス圧力の計測値と、冷却水温度の計測値と、アノードガス循環流量の計測値とに基づいて、湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃを算出する。
図１０に示すように、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、加算部８１と、第一除算部８２、カソードガス相対湿度算出部８３と、流量比算出部８４と、第二除算部８５と、を備えている。
湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、加算部８１において湿潤目標値と目標カソードガス流量Ｑｔｃの前回値とを加算し、第一除算部８２において湿潤目標値をこの加算値で除することで、カソードガス湿潤状態値を算出する。カソードガス湿潤状態値の算出には、目標カソードガス流量Ｑｔｃの前回値の代わりに、カソードガス流量の計測値を使用してもよい。
湿潤制御用カソードガス流量算出部８０のカソードガス相対湿度算出部８３は、カソードガス圧力の計測値と、第一除算部８２で算出されたカソードガス湿潤状態値とを乗算し、その乗算値を冷却水温度の計測値から求められる飽和水蒸気圧力で除することで、カソードガス相対湿度を算出する。なお、カソードガス圧力及び冷却水温度の計測値を使用する代わりに、カソードガス圧力及び冷却水温度の推定値を用いてもよい。
流量比算出部８４は、図４で説明した流量比−カソードガス相対湿度特性マップを参照し、カソードガス相対湿度算出部８３で算出されたカソードガス相対湿度に基づき、湿潤制御に必要な流量比を算出する。流量比算出部８４で算出される流量比は、カソードガス流量に対するアノードガス循環流量の割合である。
第二除算部８５は、アノードガス循環流量の計測値を流量比算出部８４で算出された流量比で除することで、湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃを算出する。なお、アノードガス循環流量の計測値は、アノード流量センサ３４の検出値に基づいて算出される。また、アノードガス循環流量の計測値ではなく、アノードガス循環流量の推定値を用いてもよい。
なお、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、カソードガス圧力及び冷却水温度を用いずに、湿潤目標値と目標カソードガス流量Ｑｔｃの前回値又はカソードガス流量の計測値（推定値）とからカソードガス相対湿度を算出し、そのカソードガス相対湿度を用いて湿潤制御用カソードガス流量を算出するように構成されてもよい。
図６に示すように、ガス流量算出部６２は、目標カソードガス流量設定部９２において、上記のように算出された湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃと、燃料電池スタック１に対する発電要求から求められたカソードガス要求流量Ｑｃ（図８参照）とを比較し、それら流量の大きい方をドライ制御時の目標カソードガス流量Ｑｔｃに設定する。
このように、ガス流量算出部６２では、ドライ制御時の湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａは、少なくとも湿潤目標値と、燃料電池スタック１が正常状態で発電する際に必要なカソードガス要求流量Ｑｃとに基づいて算出される。一方、ドライ制御時の湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃは、少なくとも湿潤目標値と、アノードガス循環流量の計測値又は推定値とに基づいて算出される。つまり、ドライ制御時における湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量は、アノードガス循環流量制御に基づいて湿潤度をドライ側に制御できない場合に、ドライ制御の不足分をカソードガス流量制御により補うように算出される。このように両ガス流量を算出することで、図１４を参照して後述するように、カソードガス流量制御によるドライ制御よりもアノードガス循環流量制御によるドライ制御に優位性を持たせることが可能となる。
次に、図１１〜図１３を参照して、コントローラ６０のガス流量算出部６２が実行するウェット制御時の目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量の算出処理について説明する。
図１１は、ウェット制御時におけるガス流量算出部６２での目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量の算出処理を示す図である。図１２は、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０での算出処理を示す図である。図１３は、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０での算出処理を示す図である。
図１１及び図１２に示すように、燃料電池スタック１の湿潤度を増加させるウェット制御時には、ガス流量算出部６２の湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、湿潤目標値と、カソードガス圧力の計測値と、冷却水温度の計測値と、カソードガス流量の計測値とに基づいて、湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａを算出する。図１２に示す湿潤制御用アノードガス流量算出部７０での各算出処理は、カソードガス要求流量Ｑｃの代わりにカソードガス流量の計測値を用いる点以外は、図７に示した算出処理と同様である。このように、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、ドライ制御時にはカソードガス要求流量Ｑｃを用いて湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａを算出するのに対し、ウェット制御時にはカソードガス流量の計測値を用いて湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａを算出する。
なお、ウェット制御時の湿潤制御用アノードガス循環流量の算出では、カソードガス圧力、冷却水温度、及びカソードガス流量の計測値を使用する代わりに、カソードガス圧力、冷却水温度、及びカソードガス流量の推定値を用いてもよい。湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、カソードガス圧力及び冷却水温度を用いずに、湿潤目標値と燃料電池スタック１に供給されるカソードガス流量の計測値又は推定値とからカソードガス相対湿度を算出し、そのカソードガス相対湿度を用いて湿潤制御用アノードガス循環流量を算出するように構成されてもよい。
図１１に示すように、ガス流量算出部６２は、目標アノードガス流量設定部９１において、上記のように算出された湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａと、燃料電池スタック１に対する発電要求から求められたアノードガス要求循環流量Ｑａ（図９参照）とを比較し、それら流量の大きい方をウェット制御時の目標アノードガス循環流量Ｑｔａに設定する。
一方、図１１及び図１３に示すように、ウェット制御時には、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、湿潤目標値と、カソードガス圧力の計測値と、冷却水温度の計測値と、燃料電池スタック１に対する発電要求から求められたアノードガス要求循環流量Ｑａ（図９参照）とに基づいて、湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃを算出する。図１３に示す湿潤制御用カソードガス流量算出部８０での各算出処理は、アノードガス循環流量の計測値の代わりにアノードガス要求循環流量Ｑａを用いる点以外は、図１０に示した算出処理と同様である。このように、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、ドライ制御時にはアノードガス循環流量の計測値を用いて湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃを算出するのに対し、ウェット制御時にはアノードガス要求循環流量Ｑａを用いて湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃを算出する。
なお、ウェット制御時の湿潤制御用カソードガス流量の算出では、カソードガス圧力及び冷却水温度の計測値を使用する代わりに、カソードガス圧力及び冷却水温度の推定値を用いてもよい。
図１１に示すように、ガス流量算出部６２は、目標カソードガス流量設定部９２において、上記のように算出された湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃと、燃料電池スタック１に対する発電要求から求められたカソードガス要求流量Ｑｃ（図８参照）とを比較し、それら流量の大きい方をウェット制御時の目標カソードガス流量Ｑｔｃに設定する。
このように、ガス流量算出部６２では、ウェット制御時の湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃは、少なくとも湿潤目標値と、燃料電池スタック１が正常状態で発電する際に必要なアノードガス要求循環流量Ｑａとに基づいて算出される。一方、ウェット制御時の湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａは、少なくとも湿潤目標値と、カソードガス流量の計測値又は推定値とに基づいて算出される。つまり、ウェット制御時における湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量は、カソードガス流量制御に基づいて湿潤度をウェット側に制御できない場合に、ウェット制御の不足分をアノードガス循環流量制御により補うように算出される。このように両ガス流量を算出することで、図１４を参照して後述するように、アノードガス循環流量制御によるウェット制御よりもカソードガス流量制御によるウェット制御に優位性を持たせることが可能となる。
次に、図１４を参照して本実施形態による燃料電池システム１００での湿潤制御について説明するとともに、図１５を参照して参考例による燃料電池システムでの湿潤制御について説明する。
図１５に示すように、参考例による燃料電池システムでは、時刻ｔ０〜ｔ２までの間、湿潤目標値に応じてウェット制御が実行される。
時刻ｔ０〜ｔ１では、カソードガス流量が多い状態のままアノードガス循環流量を増加させるため（流量比が小さくなるため）、アノードガス循環流量を増加させても湿潤度をウェット側に制御することができない。したがって、ＨＦＲ計測値（破線）はほとんど減少せず、ＨＦＲ目標値（実線）から大きくずれている。時刻ｔ１以降にカソードガス流量が低下することで、ＨＦＲ計測値がＨＦＲ目標値に向かって収束する。このように、カソードガス流量が多い状態ではアノードガス循環流量を増加させても、効果的にウェット制御を実行することができない。
また、参考例による燃料電池システムでは、時刻ｔ３〜ｔ５までの間、湿潤目標値に応じてドライ制御が実行される。
時刻ｔ３〜ｔ４では、カソードガス流量が増大されることでドライ制御が実行され、ＨＦＲ計測値（破線）はＨＦＲ目標値（実線）に追従する。しかしながら、時刻ｔ４〜ｔ５においては、カソードガス流量が多い状態でアノードガス循環流量を低下させるため（流量比が小さくなるため）、アノードガス循環流量を低下させても湿潤度をドライ側に制御することができない。したがって、ＨＦＲ計測値は、ほとんど増加せずにＨＦＲ目標値からずれ始める。このように、カソードガス流量が多い状態ではアノードガス循環流量を低下させても、効果的にドライ制御を実行することができない。
一方、図１４に示すように、燃料電池システム１００では、時刻ｔ０〜ｔ２までの間、湿潤目標値に応じてウェット制御が実行される。
ウェット制御時には、湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃは、少なくとも湿潤目標値と、燃料電池スタック１が正常状態で発電する際に必要なアノードガス要求循環流量Ｑａとに基づいて算出され、湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａは少なくとも湿潤目標値とカソードガス流量の計測値とに基づいて算出される。つまり、ウェット制御時における湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量は、カソードガス流量制御によるウェット制御の不足分をアノードガス循環流量制御により補うように算出される。これら湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃ及び湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａを利用して目標カソードガス流量及び目標アノードガス循環流量を設定することで、カソードガス流量制御によるウェット制御がアノードガス循環流量制御によるウェット制御よりも優位的に機能する。これにより、カソードガス流量の減少によるウェット制御が実行可能である限り、アノードガス循環流量の増大によるウェット制御の実行が抑制される。
したがって、時刻ｔ０〜ｔ１までの間は、アノードガス循環流量が低流量を維持したままカソードガス流量が減少され、カソードガス流量制御によるウェット制御が先行して実行される。カソードガス流量の減少制御だけではウェット制御を実行できなくなる時刻ｔ１以降においては、アノードガス循環流量が増大され、アノードガス循環流量制御によるウェット制御が実行される。この時、カソードガス流量は低く抑えられており、カソードガス流量に対するアノードガス循環流量の比は大きくなっているので、アノードガス循環流量の増大制御により燃料電池スタック１の電解質膜１１１を加湿することが可能となる。これにより、ＨＦＲ計測値は、ｔ１以降もＨＦＲ目標値に対してずれることなく追従する。
なお、ＨＦＲは燃料電池スタック１の電解質膜１１１がウェットになるほど変化しにくくなる傾向を有しているため、時刻ｔ１〜ｔ２でのＨＦＲの変化量は時刻ｔ０〜ｔ１でのＨＦＲの変化量と比較して小さい。
このように、燃料電池システム１００は、カソードガス流量制御に基づいて湿潤度をウェット側に制御できない場合にウェット制御の不足分をアノードガス循環流量制御により補うように構成されている。したがって、燃料電池システム１００によれば、アノードガス循環流量やカソードガス流量を無駄に制御することなく、燃料電池スタック１の湿潤度を適切にウェット側に調整することが可能となる。
また、燃料電池システム１００では、時刻ｔ３〜ｔ５までの間、湿潤目標値に応じてドライ制御が実行される。
ドライ制御時には、湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａは、少なくとも湿潤目標値と、燃料電池スタック１が正常状態で発電する際に必要なカソードガス要求流量Ｑｃとに基づいて算出され、湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃは、少なくとも湿潤目標値と、アノードガス循環流量の計測値とに基づいて算出される。つまり、ドライ制御時における湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量は、アノードガス循環流量制御によるドライ制御の不足分をカソードガス流量制御により補うように算出される。これら湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃ及び湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａを利用して目標カソードガス流量及び目標アノードガス循環流量を設定することで、アノードガス循環流量制御によるドライ制御がカソードガス流量制御によるドライ制御よりも優位的に機能する。これにより、アノードガス循環流量の減少によるドライ制御が実行可能である限り、カソードガス流量の増大によるドライ制御の実行が抑制される。
したがって、時刻ｔ３〜ｔ４までの間は、カソードガス流量が低く抑えられた状態でアノードガス循環流量が減少され、アノードガス循環流量制御によるドライ制御が先行して実行される。アノードガス循環流量の減少制御だけではドライ制御を実行できなくなる時刻ｔ４以降においては、カソードガス流量が増大され、カソードガス流量制御によるドライ制御が実行される。このようにアノードガス循環流量の減少制御の後にカソードガス流量の増大制御が実行されるので、これらガス流量制御によって燃料電池スタック１の電解質膜１１１を適切に乾燥させることができる。これにより、ＨＦＲ計測値は、ＨＦＲ目標値に対してずれることなく追従する。
このように、燃料電池システム１００は、アノードガス循環流量制御に基づいて湿潤度をドライ側に制御できない場合にドライ制御の不足分をカソードガス流量制御により補うように構成されている。したがって、燃料電池システム１００によれば、アノードガス循環流量やカソードガス流量を無駄に制御することなく、燃料電池スタック１の湿潤度を適切にドライ側に調整することが可能となる。
図１４では、湿潤目標値が緩やかに変化した場合における湿潤制御について説明した。しかしながら、車両の運転状態によっては湿潤目標値が急激に変化する場合がある。以下では、図１６を参照して、時刻ｔ６及び時刻ｔ７で湿潤目標値が急増した場合におけるウェット制御について説明する。
前述したように燃料電池システム１００では、カソードガス流量を調整してウェット制御が実行可能である限り、アノードガス循環流量制御によるウェット制御の実行が抑制されるように、湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量は算出される。
したがって、時刻ｔ６において湿潤目標値が急増した場合には、カソードガス流量が減少制御されるとともに、目標カソードガス流量に対する実際のカソードガス流量の応答遅れ分を補うようにアノードガス循環流量が一時的に増大制御される。このように、カソードガス流量制御だけでは湿潤度をウェット側に調整できない部分が、アノードガス循環流量制御に基づくウェット制御により補われる。その結果、湿潤目標値が急増した場合であっても、ＨＦＲ目標値（実線）からのＨＦＲ計測値（破線）のずれを最小限に抑制することができる。
時刻ｔ６の後、時刻ｔ７において湿潤目標値が急増した場合には、カソードガス流量は既に低流量となっておりそれ以上減少させることができないので、アノードガス循環流量を増大制御することによってウェット制御が実行される。アノードガス循環流量制御によるウェット制御時にはカソードガス流量が低くなっているので、ＨＦＲ計測値（破線）は僅かな応答遅れを有するもののＨＦＲ目標値（実線）に向かって収束していく。
なお、燃料電池システム１００において湿潤目標値が急減する場合には、アノードガス循環流量制御だけでは湿潤度をドライ側に調整できない部分が、カソードガス流量制御に基づくドライ制御により補われる。その結果、湿潤目標値が急減した場合であっても、ドライ制御を効果的に実行することが可能となる。
上記した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の湿潤状態の目標値を算出する湿潤目標値算出部６１と、燃料電池スタック１に対する発電要求に基づいてカソードガス要求流量を算出するガス要求流量算出部６３と、ドライ制御時に少なくとも湿潤目標値とカソードガス要求流量とに基づいて湿潤制御用アノードガス循環流量を算出する湿潤制御用アノードガス流量算出部７０と、湿潤制御用アノードガス循環流量に基づいてアノードガス循環流量を制御する還流ポンプ３９（アノードガス流量制御部）と、を備える。さらに、燃料電池システム１００は、ドライ制御時に少なくとも湿潤目標値とアノードガス循環流量の測定値又は推定値とに基づいて湿潤制御用カソードガス流量を算出する湿潤制御用カソードガス流量算出部８０と、カソードガス要求流量と湿潤制御用カソードガス流量に基づいてカソードガス流量を制御するカソードコンプレッサ２３（カソードガス流量制御部）と、を備える。このような燃料電池システム１００によれば、アノードガス循環流量制御によるドライ制御の不足分をカソードガス流量制御により補うことができ、図１４に示したように燃料電池スタック１の湿潤度をドライ側へ適切に制御することができる。
一方、ウェット制御時には、ガス要求流量算出部６３は、燃料電池スタック１に対する発電要求に基づいてアノードガス要求循環流量を算出し、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、少なくとも湿潤目標値とアノードガス要求循環流量とに基づいて湿潤制御用カソードガス流量を算出する。この時、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、少なくとも湿潤目標値とカソードガス流量の測定値又は推定値とに基づいて湿潤制御用アノードガス循環流量を算出する。このような燃料電池システム１００によれば、カソードガス流量制御によるウェット制御の不足分をアノードガス循環流量制御により補うことができ、図１４に示したように燃料電池スタック１の湿潤度をウェット側へ適切に制御することができる。
上述の通り、燃料電池システム１００によれば燃料電池スタック１の湿潤制御を適切に実行できるため、アノードガス循環流量やカソードガス流量を無駄に制御することがない。したがって、湿潤制御の際に還流ポンプ３９やカソードコンプレッサ２３を効率的に作動させることができ、燃料電池システム１００における電力消費性能を改善することが可能となる。
燃料電池システム１００を上記とは異なる視点で見た場合、燃料電池システム１００は、目標アノードガス循環流量に応じてアノードガス循環流量を制御する還流ポンプ３９と、目標カソードガス流量に応じてカソードガス流量を制御するカソードコンプレッサ２３と、を備える。また、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の湿潤状態の目標値を算出する湿潤目標値算出部６１と、燃料電池スタック１に対する発電要求に基づいてカソードガス要求流量及びアノードガス要求循環流量を算出するガス要求流量算出部６３と、を備える。さらに、燃料電池システム１００は、ドライ制御時に少なくとも湿潤目標値とアノードガス循環流量の測定値又は推定値とに基づいて湿潤制御用カソードガス流量を算出する湿潤制御用カソードガス流量算出部８０と、ドライ制御時に少なくとも湿潤目標値とカソードガス要求流量とに基づいて湿潤制御用アノードガス循環流量を算出する湿潤制御用アノードガス流量算出部７０と、カソードガス要求流量と湿潤制御用カソードガス流量に基づいて目標カソードガス流量を設定する目標カソードガス流量設定部９２と、アノードガス要求循環流量と湿潤制御用アノードガス循環流量に基づいて目標アノードガス流量を設定する目標アノードガス流量設定部９１と、を備える。ドライ制御時における湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量は、アノードガス循環流量制御によるドライ制御の不足分をカソードガス流量制御により補うように算出される。これら湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量を用いて目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量を設定することで、カソードガス流量制御によるドライ制御よりもアノードガス循環流量制御によるドライ制御に優位性を持たせることができ、図１４に示したように燃料電池スタック１の湿潤度をドライ側へ適切に制御することができる。
一方、ウェット制御時には、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は少なくとも湿潤目標値とカソードガス流量の測定値又は推定値とに基づいて湿潤制御用アノードガス循環流量を算出し、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は少なくとも湿潤目標値とアノードガス要求循環流量とに基づいて湿潤制御用カソードガス流量を算出する。ウェット制御時における湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量は、カソードガス流量制御によるウェット制御の不足分をアノードガス循環流量制御により補うように算出される。これら湿潤制御用アノードガス循環流量及び湿潤制御用カソードガス流量を用いて目標アノードガス循環流量及び目標カソードガス流量を設定することで、アノードガス循環流量制御によるウェット制御よりもカソードガス流量制御によるウェット制御に優位性を持たせることができ、図１４に示したように燃料電池スタック１の湿潤度をウェット側へ適切に制御することができる。
上述した燃料電池システム１００によっても、湿潤制御の際に還流ポンプ３９やカソードコンプレッサ２３を効率的に作動させることができ、燃料電池システム１００における電力消費性能を改善することが可能となる。
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。
図１７及び図１８を参照して、変形例による燃料電池システム１００について説明する。図１７は、カソードガス流量制御が不能となった場合におけるドライ制御時の目標アノードガス循環流量の算出処理を示す。図１８は、アノードガス循環流量制御が不能となった場合におけるウェット制御時の目標カソードガス流量の算出処理を示す。
燃料電池システム１００では、カソードコンプレッサ２３に異常が発生した場合等に、カソードガス流量制御が不能となることがある。このような場合、ドライ制御時の湿潤制御用アノードガス循環流量の算出に際し、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、図８から求められるカソードガス流量Ｑｃを用いる代わりに、カソードガス流量の計測値又は推定値を用いる。つまり、図１７に示すように、湿潤制御用アノードガス流量算出部７０は、湿潤目標値、カソードガス圧力の計測値、冷却水温度の計測値、及びカソードガス流量の計測値（推定値）に基づいて、ドライ制御時の湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａを算出する。なお、カソードガス流量制御不能時には、ガス流量算出部６２での目標カソードガス流量Ｑｔｃの算出を停止してもよい。
このようにカソードガス流量が制御不能な場合には、燃料電池スタック１に供給されている実際のカソードガス流量を用いて求めた湿潤制御用アノードガス循環流量Ｑｗａに基づいて目標アノードガス循環流量Ｑｔａが算出されるので、カソードガス流量制御系の異常状態に適したドライ制御を実行することができる。
さらに、燃料電池システム１００では、還流ポンプ３９に異常が発生した場合等に、アノードガス循環流量制御が不能となることがある。このような場合、ウェット制御時の湿潤制御用目標カソードガス流量の算出に際し、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、図９から求められるアノードガス循環流量Ｑａを用いる代わりに、アノードガス循環流量の計測値又は推定値を用いる。つまり、図１８に示すように、湿潤制御用カソードガス流量算出部８０は、湿潤目標値、カソードガス圧力の計測値、冷却水温度の計測値、及びアノードガス循環流量の計測値（推定値）に基づいて、湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃを算出する。なお、アノードガス循環流量制御不能時には、ガス流量算出部６２は目標アノードガス循環流量Ｑｔａの算出を停止してもよい。
このようにアノードガス循環流量が制御不能な場合には、燃料電池スタック１に供給されている実際のアノードガス循環流量を用いて求めた湿潤制御用カソードガス流量Ｑｗｃに基づいて目標カソードガス流量Ｑｔｃが算出されるので、アノードガス循環流量制御系の異常状態に適したウェット制御を実行することができる。

Claims (6)

  1. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを当該燃料電池に供給するように構成された循環機構と、を備える燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の湿潤状態の目標値である湿潤目標値を算出する湿潤目標値算出部と、
    前記燃料電池に対する発電要求に基づいてカソードガス要求流量を算出するガス要求流量算出部と、
    ドライ制御時に、少なくとも前記湿潤目標値と前記カソードガス要求流量とに基づいて、湿潤制御用アノードガス循環流量を算出する湿潤制御用アノードガス流量算出部と、
    前記湿潤制御用アノードガス循環流量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流量制御部と、
    ドライ制御時に、少なくとも前記湿潤目標値と前記アノードガス流量制御部により制御されるアノードガス循環流量の測定値又は推定値とに基づいて、湿潤制御用カソードガス流量を算出する湿潤制御用カソードガス流量算出部と、
    前記カソードガス要求流量と前記湿潤制御用カソードガス流量に基づいてカソードガス流量を制御するカソードガス流量制御部と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記アノードガス流量制御部及び前記カソードガス流量制御部は、ドライ制御時に、アノードガス循環流量の減少制御後に、カソードガス流量の増大制御を実行するように構成される、
    燃料電池システム。
  3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
    前記ガス要求流量算出部は、前記燃料電池に対する発電要求に基づいてアノードガス要求循環流量を算出し、
    前記湿潤制御用カソードガス流量算出部は、ウェット制御時に、少なくとも前記湿潤目標値と前記アノードガス要求循環流量とに基づいて、前記湿潤制御用カソードガス流量を算出し、
    前記湿潤制御用アノードガス流量算出部は、ウェット制御時に、少なくとも前記湿潤目標値と前記カソードガス流量制御部により制御されるカソードガス流量の測定値又は推定値とに基づいて、前記湿潤制御用アノードガス循環流量を算出する、
    燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記アノードガス流量制御部及び前記カソードガス流量制御部は、ウェット制御時に、カソードガス流量の減少制御後に、アノードガス循環流量の増大制御を実行するように構成される、
    燃料電池システム。
  5. 請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
    前記湿潤制御用アノードガス流量算出部は、ドライ制御時に前記カソードガス流量制御部による流量制御が実行不能な場合には、前記湿潤目標値とカソードガス流量の測定値又は推定値とに基づいて前記湿潤制御用アノードガス循環流量を算出する、
    燃料電池システム。
  6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システムであって、
    前記湿潤制御用カソードガス流量算出部は、ウェット制御時に前記アノードガス流量制御部による循環流量制御が実行不能な場合には、前記湿潤目標値とアノードガス循環流量の測定値又は推定値とに基づいて前記湿潤制御用カソードガス流量を算出する、
    燃料電池システム。
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