JP6052245B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは、燃料ガスと酸素含有の酸化剤ガスの供給を受けて発電し、その発電電力を外部の負荷に出力する。こうした燃料電池システムでは、通常、外部の負荷が要求する要求電力に対応したガス量で上記の燃料ガスと酸化剤ガス、例えば水素ガスと空気が供給される。燃料電池の発電は、プロトン伝導性を有する電解質膜を介した水素ガス中の水素と空気中の酸素の電気化学的な反応に基づいており、電解質膜は適宜な湿潤状態でプロトン伝導性を発揮し、出力は安定する。このため、電解質膜が過乾燥であったり過湿潤であると出力が安定しないので、電解質膜の過乾燥や過湿潤を抑制することが望ましい。ところで、要求される負荷は、一律とは限らず、例えば燃料電池システムを搭載した車両では、アクセルの急踏込に伴う負荷の急増やアクセルの戻しに伴う負荷の低減が往々にして繰り返される。こうした負荷変動の過渡において電解質膜が過乾燥であったり過湿潤であると、出力の安定が損なわれることから、電解質膜の過乾燥や過湿潤を上記した負荷低減の過渡期においても抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献１等）。

特開２０１２−１０９１８２号公報

上記した特許文献では、負荷低減の過渡期における電解質膜の過乾燥や過湿潤を抑制するに当たり、カソードガスのガス流量自体を、電解質膜の過乾燥や過湿潤の検知に伴って制御したり、カソードガスのガス圧力の制御を通したガス通過時間の制御を、電解質膜の過乾燥や過湿潤の検知に伴って実行している。電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制に、ガス流量制御やガス圧力制御は有益であるが、このいずれかの制御では電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制に限界があるので、負荷変動過渡期における電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性を高めて、出力の安定化を図ることが要請されるに到った。

本発明は、上記した課題を踏まえ、負荷変動過渡期における燃料電池の出力の安定化を高め得る新たな手法を提供することを目的とする。

上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに求められる負荷要求に基づく制御パラメータにガス流量とガス圧力とを含み、前記負荷要求に基づいた前記制御パラメータで前記燃料電池スタックへの前記反応ガスのガス供給を制御するガス供給制御部と、前記負荷要求に基づいて、負荷変動の過渡の状況か否かを判断する負荷変動判断部と、前記燃料電池スタックの湿潤状態を判断する湿潤判断部とを備える。そして、前記ガス供給制御部は、前記負荷変動判断部が負荷変動の過渡の状況にあると判断すると、前記制御パラメータのうち、前記湿潤判断部の判断した湿潤状態を湿潤適正の側に推移させることに寄与するガス流量或いはガス圧力の一方の制御パラメータの変更タイミングに対して、他方の制御パラメータの変更タイミングを遅延側にずらす。

この形態の燃料電池システムは、要求負荷に増大或いは低減の変動を来した負荷変動の過渡の状況において燃料電池スタックの湿潤状態が湿潤適正の状態から逸脱すると、湿潤状態を湿潤適正の側に推移させることに寄与するガス流量或いはガス圧力の一方の制御パラメータの変更を行い、この変更に遅延して、他方の制御パラメータを変更する。こうした変更タイミングのズレにより、変更遅延の間においては、他方の制御パラメータは負荷変動前の状況が維持される。こうして維持された負荷変動前のガス流量或いはガス圧力の状況は、負荷要求の変動に対応したガス流量或いはガス圧力に対して、ガス流量の低減や増大、ガス圧力の低減や増大の状況となる。よって、湿潤状態を湿潤適正の側に推移させるのに有益なガス流量或いはガス圧力とされた一方の制御パラメータと、負荷変動前の状況が維持されたガス流量或いはガス圧力の他方の制御パラメータとでもたらされるガス供給状況は、例えば、湿潤状態が過乾燥であるためにこれを適正の側に推移させるのに有益な水分持ち去りの低減や水分保持をもたらすガス流量低減やガス圧力の増大の状況、或いは、適正推移に有益なガス流量増大やガス圧力の低減の状況といった種々のガス流量・圧力状況となり、こうしたガス供給状況が、負荷変動の過渡において実現される。湿潤状態が過湿潤であれば、これを適正の側に推移させるのに有益な水分持ち去りの増大をもたらすガス流量増大とガス圧力の低減の状況、或いは、適正推移に有益なガス流量低減とガス圧力の増大の状況といった種々のガス流量・圧力状況が、負荷変動の過渡において実現される。この結果、この形態の燃料電池システムによれば、負荷変動過渡期における燃料電池スタック、詳しくは電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性を高めて、出力の安定化を図ることができる。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給制御部は、前記一方の制御パラメータを変更するに当たり、前記湿潤判断部の判断した湿潤状態を湿潤適正の側に推移させ得る適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力に前記一方の制御パラメータを変更し、前記適正化調整を経ないガス流量或いはガス圧力である前記他方の制御パラメータの変更タイミングを前記適正化調整を経た変更タイミングに対して遅延側にずらすようにしてもよい。こうすれば、燃料電池スタックへのガス供給状況は、湿潤状態の適正に有益な水分持ち去りの低減や水分保持、或いは水分持ち去りの増大をもたらすガス流量・圧力の増大または低減の各種状況となり、こうした状況を実現できる。この結果、この形態の燃料電池システムによれば、負荷変動の過渡期における燃料電池スタック、詳しくは電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性をより高めて、負荷に対応した出力を安定して得ることができる。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給制御部は、前記負荷変動判断部が負荷増大の過渡にあると判断すると、前記適正化調整をガス流量或いはガス圧力の増大適正化調整とし、該増大適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力に前記一方の制御パラメータを変更するようにしてもよい。こうすれば、燃料電池スタックへのガス供給状況は、湿潤状態の適正に有益な水分持ち去りの低減や水分保持、或いは水分持ち去りの増大をより効果的にもたらすガス流量の増大またはガス圧力の増大の状況となり、こうした状況を実現できる。この結果、この形態の燃料電池システムによれば、負荷の増大変動の過渡期における燃料電池スタック、詳しくは電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性をより高めて、増大負荷に対応した出力を安定して得ることができる。

（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給制御部は、前記増大適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力への前記一方の制御パラメータの変更を、前記湿潤判断部が湿潤適正と判断した湿潤状態の時における前記負荷要求に基づいた増大調整目標値より一時的に大きい増大調整目標値となるように実行するようにしてもよい。こうすれば、燃料電池スタックへのガス供給は、増大する負荷に対応してガス流量或いはガス圧力を増大させる際の増大調整目標値より大きい増大調整目標値に一時的になるようなガス流量或いはガス圧力でなされる。こうしたガス流量或いはガス圧力の増大は、負荷の増大変動の過渡期において、湿潤状態の適正に有益な水分持ち去りの低減や水分保持、或いは水分持ち去りの増大がより顕著に現れるガス供給状況となる。この結果、この形態の燃料電池システムによれば、負荷増大の過渡期における燃料電池スタック、詳しくは電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性をより高めて、より増大負荷に対応した出力の安定化が可能となる。

（５）先の形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給制御部は、前記負荷変動判断部が負荷低減の過渡にあると判断すると、前記適正化調整をガス流量或いはガス圧力の低減適正化調整とし、該低減適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力に前記一方の制御パラメータを変更するようにしてもよい。こうすれば、燃料電池スタックへのガス供給状況は、湿潤状態の適正に有益な水分持ち去りの低減や水分保持、或いは水分持ち去りの増大をより効果的にもたらすガス流量の低減またはガス圧力の低減の状況となり、こうした状況を実現できる。この結果、この形態の燃料電池システムによれば、負荷の低減変動の過渡期における燃料電池スタック、詳しくは電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性をより高めて、低減負荷に対応した出力を安定して得ることができる。

（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給制御部は、前記低減適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力への前記一方の制御パラメータの変更を、前記湿潤判断部が湿潤適正と判断した湿潤状態の時における前記負荷要求に基づいた低減調整目標値より一時的に小さい低減調整目標値となるように実行するようにしてもよい。こうすれば、燃料電池スタックへのガス供給は、低減する負荷に対応してガス流量或いはガス圧力を低減させる際の低減調整目標値より小さい低減調整目標値に一時的になるようなガス流量或いはガス圧力でなされる。こうしたガス流量或いはガス圧力の低減は、負荷の低減変動の過渡期において、湿潤状態の適正に有益な水分持ち去りの低減や水分保持、或いは水分持ち去りの増大がより顕著に現れるガス供給状況となる。この結果、この形態の燃料電池システムによれば、負荷低減の過渡期における燃料電池スタック、詳しくは電解質膜の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性をより高めて、より低減負荷に対応した出力の安定化が可能となる。

本発明は、燃料電池スタックの運転方法や、燃料電池システムを搭載してその発電電力を駆動力として用いる車両、燃料電池システムを設置して燃料電池スタックを発電源とする定置式の発電システムとしても適用できる。

本発明の実施形態としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。 要求負荷の変動過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御のうち要求負荷の増大過渡の状況下での制御手順を示すフローチャートである。 要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復第１処理の詳細を示すフローチャートである。 過湿潤回復第１処理における判定処理の内容を説明する説明図である。 要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復第１処理でもたらされるガス供給の状況を概略的に説明する説明図である。 要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復第１処理で得られる過湿潤適正化の様子を概略的に示す説明図である。 要求負荷の増大過渡の状況下における過乾燥回復第１処理の詳細を示すフローチャートである。 過乾燥回復第１処理における判定処理の内容を説明する説明図である。 要求負荷の増大過渡の状況下における過乾燥回復第１処理でもたらされるガス供給の状況を概略的に説明する説明図である。 要求負荷の増大過渡の状況下における過乾燥回復第１処理で得られる過乾燥適正化の様子を概略的に示す説明図である。 要求負荷の低減過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御の制御手順を示すフローチャートである。 要求負荷の低減過渡の状況下における過湿潤回復第２処理の詳細を示すフローチャートである。 要求負荷の低減過渡の状況下における過湿潤回復第２処理でもたらされるガス供給の状況を概略的に説明する説明図である。 要求負荷の低減過渡の状況下における過湿潤回復第２処理で得られる過湿潤適正化の様子を概略的に示す説明図である。 要求負荷の低減過渡の状況下における過乾燥回復第２処理の詳細を示すフローチャートである。 要求負荷の低減過渡の状況下における過乾燥回復第２処理でもたらされるガス供給の状況を概略的に説明する説明図である。 要求負荷の増大過渡の状況下における過乾燥回復第２処理で得られる過乾燥適正化の様子を概略的に示す説明図である。 第２実施例の燃料電池スタック１００において要求負荷の増大過渡の状況下でなされる過湿潤回復第１処理でのガス供給状況を概略的に説明する説明図である。 第２実施例の燃料電池スタック１００において要求負荷の増大過渡の状況下でなされる過乾燥回復第１処理でのガス供給状況を概略的に説明する説明図である。 先の実施形態における要求負荷の増大過渡の状況下での過乾燥回復第１処理の処理内容の変更とこれに伴うガス供給状況の推移を示す説明図である。 湿潤適正化のためのガス流量増大制御を一時的に大きな増大調整目標値となるようにした場合の利点を示す説明図である。 湿潤適正化のためのガス流量増大制御を一時的に大きな増大調整目標値となるようにする他の実施形態を示す説明図である。 先の実施形態における要求負荷の低減過渡の状況下での過乾燥回復第２処理の処理内容の変更とこれに伴うガス供給状況の推移を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。図１は本発明の実施形態としての燃料電池搭載車両２０を概略的に平面視して示す説明図である。

図示するように、この燃料電池搭載車両２０は、車体２２に、燃料電池システム３０を搭載する。この燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１００と、水素ガスタンク１１０を含む水素ガス供給系１２０と、モーター駆動のコンプレッサ１３０を含む空気供給系１４０と、ラジエータ１５０およびファン１５２を含む冷却系１６０と、２次電池１７２と、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４とを備える。燃料電池システム３０は、燃料電池スタック１００の発電電力、或いは２次電池１７２の充電電力を、前輪駆動用のモーター１７０を始めとする負荷に供給する。

燃料電池スタック１００は、電池セルを備え、この電池セルは、図１の拡大模式図に示すように、電解質膜１０１の両側にアノード１０２とカソード１０３の両電極を備える。アノード１０２とカソード１０３は、電解質膜１０１の両膜面に接合され電解質膜１０１と共に膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）を形成する。この他、電池セルは、上記のＭＥＡを両側から挟持するアノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５とを備え（図１参照）、両ガス拡散層は、対応する電極に接合されている。

電解質膜１０１は、固体高分子材料、例えば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り、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。アノード１０２およびカソード１０３は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。アノード側ガス拡散層１０４とカソード側ガス拡散層１０５は、ガス透過性を有する導電性で多孔質な部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスを多孔質基材として形成される。

燃料電池スタック１００は、上記した電池セルを積層して構成されたスタック構造とされ、前輪ＦＷと後輪ＲＷの間において車両床下に位置する。そして、燃料電池スタック１００は、後述の水素ガス供給系１２０と空気供給系１４０から供給された水素ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応を各電池セルユニットにて起こして発電し、その発電電力にてモーター１７０等の負荷を駆動する。燃料電池スタック１００の発電状態は電流センサー１０６にて計測され、その計測結果は電流センサー１０６から後述の制御装置２００に出力される。この場合、電池セルユニットの積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

水素ガス供給系１２０は、水素ガスタンク１１０から燃料電池スタック１００に到る水素供給経路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給経路１２１に循環させる循環経路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための放出経路１２３を備える。そして、この水素ガス供給系１２０は、水素供給経路１２１の開閉バルブ１２４の経路開閉と、減圧バルブ１２５での減圧を経て、水素ガスタンク１１０の水素ガスを燃料電池スタック１００（詳しくは、各電池セルのアノード１０２）に供給する。この際、水素ガス供給系１２０は、減圧バルブ１２５の下流の水素供給機器１２６にて調整した流量と、循環経路１２２の循環ポンプ１２７にて調整した循環流量との合算した流量の水素ガスを、燃料電池スタック１００のアノードに供給する。また、水素ガス供給系１２０は、減圧バルブ１２５での減圧程度を変えることで、種々のガス圧力で水素ガスを燃料電池スタック１００のアノードに供給する。燃料電池スタック１００に水素ガスを供給する際の水素ガス流量とガス圧力は、アクセル１８０の操作に基づいて、後述の制御装置２００にて定められ、燃料電池スタック１００に求められる負荷に応じたものとなる。そして、本実施形態の燃料電池スタック１００では、制御装置２００による減圧バルブ１２５での減圧調整と水素供給機器１２６での流量調整とにより、水素ガス供給の際の水素ガスのガス流量とガス圧力とを個別に調整可能とされている。なお、水素ガス供給系１２０は、循環経路１２２から分岐した放出経路１２３の開閉バルブ１２９の開閉調整を経て、適宜、アノードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。

空気供給系１４０は、コンプレッサ１３０を経て燃料電池スタック１００に到る酸素供給経路１４１と、未消費の空気（カソードオフガス）を大気放出する放出経路１４２とを備える。そして、この空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサ１３０での流量調整とその下流の圧力調整バルブ１４５での圧力調整を経た上で、燃料電池スタック１００（詳しくは、各電池セルのカソード１０３）に、通常は酸素供給経路１４１を経て供給しつつ、放出経路１４２の排出流量調整バルブ１４３で調整された流量でカソードオフガスを放出経路１４２を経て大気放出する。このように空気供給系１４０にて空気供給とカソードオフガス排出とを行う場合、空気供給系１４０は、酸素供給経路１４１の排出流量調整バルブ１４３を所定開度にした上で、コンプレッサ１３０にて空気を供給する。この際の空気供給量にあっても、水素ガスと同様に、アクセル１８０の操作に基づいて制御装置２００にて定められ、燃料電池スタック１００に求められる負荷に応じた供給量となる。そして、本実施形態の燃料電池スタック１００では、制御装置２００によるコンプレッサ１３０での流量調整と圧力調整バルブ１４５での圧力調整とにより、空気供給の際の空気のガス流量とガス圧力とを個別に調整可能とされている。なお、排出流量調整バルブ１４３は、制御装置２００による流量調整を経て、カソード側の背圧についてもこれを調整する。

冷却系１６０は、ラジエータ１５０から燃料電池スタック１００への冷却媒体の循環を図る循環経路１６１と、バイパス経路１６２と、経路合流点の三方流量調整弁１６３と、循環ポンプ１６４と、温度センサー１６６を備える。そして、この冷却系１６０は、ラジエータ１５０にて熱交換した冷却媒体を循環経路１６１を経て燃料電池スタック１００の図示しないセル内循環経路に導き、燃料電池スタック１００を所定温度に冷却する。この場合、循環ポンプ１６４の駆動量、即ち冷却媒体の循環供給量や、三方流量調整弁１６３による調整流量は、温度センサー１６６の検出温度たる燃料電池温度（セル温度）や電流センサー１０６の検出した発電状態に基づいて、制御装置２００にて定められる。

２次電池１７２は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４を介して燃料電池スタック１００に接続されており、燃料電池スタック１００とは別の電力源として機能し、モーター１７０等に供給する電力源として燃料電池スタック１００と併用される。本実施例では、後述するように燃料電池スタック１００をアクセル１８０の踏込に応じた発電状態下で運転制御（通常制御）することを前提とするので、燃料電池スタック１００の運転停止状態において、２次電池１７２は、その充電電力をモーター１７０に供給する。２次電池１７２としては、例えば、鉛充電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池１７２には、容量検出センサー１７６が接続され、当該センサーは、２次電池１７２の充電状態を検出し、その検出充電量（電池容量）を制御装置２００に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４は、２次電池１７２の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御装置２００の制御信号を受けて２次電池１７２の充・放電を制御する。この他、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４は、燃料電池スタック１００の発電電力および２次電池１７２の蓄電電力の引出とモーター１７０への電圧印加とを、制御装置２００の制御下で行い、電力引出状態とモーター１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。

制御装置２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、アクセル１８０等のセンサー入力を受けて燃料電池搭載車両２０の種々の制御を司る。例えば、制御装置２００は、アクセル１８０の操作状態に応じたモーター１７０への要求電力（要求負荷）を求め、その要求電力が燃料電池スタック１００の発電で得られるよう、或いは、２次電池１７２の充電電力、もしくはこの両者で賄うよう、燃料電池スタック１００を発電制御して当該スタックからの発電電力の出力を制御しつつ、モーター１７０に電力を供給する。モーター１７０への要求負荷を燃料電池スタック１００の発電で得る場合には、制御装置２００は、その要求負荷に見合うよう水素ガス供給系１２０や空気供給系１４０でのガス供給量（ガス流量）やガス圧力を制御（通常制御）する。また、制御装置２００は、モーター１７０への要求電力に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４を制御する。

この他、制御装置２００は、車速センサー１８２の検出した車速や、外気温センサー１８４の検出した外気温、水素ガス供給系１２０において流量センサー１２８が検出した水素ガス流量、空気供給系１４０において流量センサー１４７の検出したエアー流量、容量検出センサー１７６が検出した２次電池１７２の電池容量（以下、ＳＯＣ）等を、上記した制御を行う上での制御パラメータとして入力する。

次に、上記した構成を有する燃料電池搭載車両２０の制御装置２００が要求負荷変動の過渡状況において行う燃料電池スタック１００の発電制御について説明する。要求負荷変動の過渡状況は、要求負荷の増大過渡の状況と低減過渡の状況に分けられるので、まず、要求負荷の増大過渡の状況下での制御について説明する。図２は要求負荷の変動過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御のうち要求負荷の増大過渡の状況下での制御手順を示すフローチャートである。要求負荷の低減過渡の状況下での制御については、図１１以降の図を用いて後述する。

制御装置２００は、燃料電池システム３０が起動すると、ドライバーからの燃料電池搭載車両２０に対する駆動要求（要求負荷）に基づいて燃料電池スタック１００を発電制御する通常運転制御を、通常、常時実行している。この際の燃料電池搭載車両２０に対するドライバーからの駆動要求は、ドライバーによるアクセル１８０の踏込操作量やその踏込速度等から要求電力Ｐｔ（要求負荷）として取得される。そして、この要求電力Ｐｔが得られるよう、制御装置２００は、既述したように水素ガスおよび空気のガス流量・ガス圧力を、燃料電池のＩ−Ｖ特性、Ｉ−Ｐ特性等を参照して算出し、その算出したガス流量・ガス圧力で、水素ガスおよび空気を燃料電池スタック１００に供給する。こうした通常の発電制御を行いつつ、制御装置２００は、図２に示す要求負荷の変動過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御を繰り返し実行する。この図２の発電制御では、まず、制御装置２００は、アクセル１８０（図１参照）の踏込操作量やその踏込速度等の踏込操作状況を図示しないアクセルセンサーから読み取り、そのセンサー出力に基づいて、要求負荷を取得する（ステップＳ１００）。

次いで、制御装置２００は、取得した要求負荷の推移から、現状の負荷の要求状況が負荷増減の過渡の状況にあるか否かを判断し（ステップＳ１１０）、ここで、負荷増減の過渡状況に無いと判定すると、一旦処理を終了する。よって、この場合は、図２の制御の影響を受けること無く、通常の発電制御がなされる。

負荷変動の過渡の状況は、負荷増大の過渡状況或いは負荷低減の過渡状況のいずれかであることから、制御装置２００は、ステップＳ１１０で負荷の増減変動の状況にあると判断すると、負荷過渡の種別に応じて、図２のステップＳ１２０以降の処理、或いは後述する図１１のステップＳ２００以降の処理を行う。ステップＳ１１０で負荷増大の過渡状況であると判断すると、制御装置２００は、ステップＳ１２０において、温度センサー１６６（図１参照）から燃料電池スタック１００を経路に含む冷却系１６０の冷却水温度を取得し、その取得した冷却水温度を基準温度αと対比する（ステップＳ１３０）。冷却水温度は、燃料電池スタック１００の温度、即ちＭＥＡ（図１参照）における電解質膜１０１の温度と相関があるので、ステップＳ１３０では、ＭＥＡの温度が基準温度αと対比されることになる。本実施形態では、この基準温度αを、燃料電池スタック１００の暖気前の温度であってＭＥＡが適正な湿潤状態にある場合を想定したＭＥＡ適正温度（例えば８０℃）より低い温度とし、ＭＥＡが過湿潤にある時に発現しがちな温度（例えば４０℃）とした。よって、ステップＳ１３０で肯定判定すると、冷却水温度が低い故にＭＥＡの過湿潤が起き得ていると想定されることから、この過湿潤の適正化を図るべく、制御装置２００は、ステップＳ１４０の過湿潤回復第１処理に移行する。この過湿潤回復第１処理は、燃料電池スタック１００のＭＥＡにおけるアノード１０２とカソード１０３とで、それぞれ過湿潤の適正化に有益なガス供給状況をもたらす処理であり、その詳細は後述する。

一方、ステップＳ１３０で否定判定すると、制御装置２００は、ステップＳ１２０で取得済みの冷却水温度を基準温度βと対比する（ステップＳ１５０）。本実施形態では、この基準温度βを、ＭＥＡが適正な湿潤状態にある場合を想定したＭＥＡ適正温度（例えば８０℃）とし、冷却水温度、即ちＭＥＡの温度がこの基準温度βを超えるほど高ければ、ＭＥＡが過乾燥にあると想定される。そして、ステップＳ１５０で否定判定すれば、ステップＳ１３０での否定判定と相まって、冷却水温度はＭＥＡが適正な湿潤状態にある場合を想定した温度範囲内であるので、過湿潤・過乾燥の適正化は無用であるとして、一旦処理を終了する。そして、ステップＳ１５０で肯定判定すると、冷却水温度が高い故にＭＥＡの過乾燥が起き得ていると想定されることから、この過乾燥の適正化を図るべく、制御装置２００は、ステップＳ１６０の過乾燥回復第１処理に移行する。この過乾燥回復第１処理は、燃料電池スタック１００のＭＥＡにおけるアノード１０２とカソード１０３とで、それぞれ過乾燥の適正化に有益なガス供給状況をもたらす処理であり、その詳細は後述する。

ここで、ステップＳ１３０での肯定判定に続くステップＳ１４０の過湿潤回復第１処理について説明する。図３は要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復第１処理の詳細を示すフローチャート、図４は過湿潤回復第１処理における判定処理の内容を説明する説明図である。図３に示すように、過湿潤回復第１処理では、制御装置２００は、改めて冷却水温度を基準温度αと対比する（ステップＳ１４２）。この温度対比は、冷却水温度がどの程度、基準温度αから低温側に逸脱しているのかを判定するためのものである。

このステップＳ１４２で、図４に示すように、冷却水温度は基準温度αより所定温度幅α０以上に低い低温度側に逸脱していると判定した場合は、冷却水温度が基準温度αより大きく低いためにＭＥＡの過湿潤も顕著であると想定される。よって、制御装置２００は、ＭＥＡの過湿潤をより高い実効性で湿潤適正の側に推移すべく、ＭＥＡにおけるアノード１０２へのガス供給とカソード１０３へのガス供給を、共に過湿潤適正化に有益なガス供給となるよう同時並行的に制御する（ステップＳ１４４）。図５は要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復第１処理でもたらされるガス供給の状況を概略的に説明する説明図、図６は要求負荷の増大過渡の状況下における過湿潤回復第１処理で得られる過湿潤適正化の様子を概略的に示す説明図である。図５は、ある時刻（以下、開始時刻ｔｓ）において要求負荷が急増し、所定時間経過後の時刻（以下、終了時刻ｔｍ）において要求負荷に対応するガス流量およびガス圧力でのガス供給に達するガス供給状況と、開始時刻ｔｓから終了時刻ｔｍまでの負荷要求の増大過渡状況下におけるカソード側・アノード側でのガス流量推移およびガス圧力推移を示している。

ＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移には、カソード１０３においては、生成水の水分持ち去りの増大が有益であり、アノード１０２においては、電気化学反応の進行が活発なカソードでの空気の入口側への水分搬送を抑制する水分保持が有益である。そして、カソード１０３における水分持ち去りの増大は、空気のガス流量の増大による直接的な水分持ち去りの増大化と、空気供給時のガス圧力の増大回避、換言すれば、要求負荷の増大過渡以前の低ガス圧力維持による体積流量増加により、起きる。アノード１０２における水分保持は、水素ガスのガス流量の増大回避、換言すれば、要求負荷の増大過渡以前の低ガス流量維持による直接的な水分持ち去りの低減化と、水素ガス供給時のガス圧力の増大による体積流量低減により、起きる。

こうしたことから、ステップＳ１４４では、図５に示すように、要求負荷の増大に伴うカソード１０３への空気供給の際のガス流量の増大変更のタイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、要求負荷の増大に伴うガス圧力の増大変更のタイミングを遅延時刻ｔａまで遅延側にずらす。こうすることで、制御装置２００は、カソード１０３への空気供給に当たり、ガス流量の増大制御をガス圧力の増大制御に先行して実施する。こうしたガス流量の増大制御は、制御装置２００によるコンプレッサ１３０（図１参照）の駆動制御でもたらされ、ガス圧力の増大の遅延およびその後の増大制御は、制御装置２００による圧力調整バルブ１４５の駆動制御でもたらされる。こうしたカソード側での機器制御は、後述の回復処理でも同様である。そして、カソード１０３では、図６に示すように、ガス流量の増大による直接的な水分持ち去りの増大化と、要求負荷の増大過渡の以前（開始時刻ｔｓ以前）の低ガス圧力維持による体積流量増加により、水分持ち去りの増量化が起きる。

また、このステップＳ１４４では、図５に示すように、要求負荷の増大に伴うアノード１０２への水素ガス供給の際のガス圧力の増大変更のタイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、要求負荷の増大に伴うガス流量の増大変更のタイミングを遅延時刻ｔａまで遅延側にずらす。こうすることで、制御装置２００は、アノード１０２への水素ガス供給に当たり、ガス圧力の増大制御をガス流量増大制御に先行して実施する。こうしたガス圧力の増大制御は、制御装置２００による減圧バルブ１２５（図１参照）の駆動制御でもたらされ、ガス流量の増大の遅延およびその後の増大制御は、制御装置２００による水素供給機器１２６の駆動制御でもたらされる。こうしたアノード側での機器制御は、後述の回復処理でも同様である。そして、アノード１０２では、図６に示すように、水素ガスのガス圧力の増大による体積流量低減と、要求負荷の増大過渡の以前の低ガス流量維持による直接的な水分持ち去りの低減化により、カソードの空気入口への水の搬送が低減化して、水分保持が起きる。しかも、ステップＳ１４４では、上記した過湿潤の適正側推移に有益なガス供給状況がアノード１０２とカソード１０３とにおいて同時にもたらされ、その後、本ルーチンを終了する。

上記したステップＳ１４２で、図４に示すように、冷却水温度は基準温度αより低温度側に逸脱しているもののその隔たりは小さいと判定した場合は、ＭＥＡは過湿潤ではあるものの過湿潤の程度はそれほど大きくないと想定される。よって、制御装置２００は、こうしたＭＥＡの過湿潤を湿潤適正の側に推移すべく、上記した過湿潤適正化に有益なガス供給を、アノード１０２とカソード１０３のいずれかを選択して実行し（ステップＳ１４６）、本ルーチンを一旦終了する。本実施形態では、カソード１０３における水分持ち去りの増量化を優先して、カソード１０３での既述したガス供給を実行する。

上記したようにＭＥＡの加湿潤の湿潤適正推移のための空気供給時のガス流量の増大制御を行うに当たり、制御装置２００は、図５に示すように、カソード１０３における開始時刻ｔｓからのガス流量増大を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の増大に伴って行うガス流量増大よりも大きな流量増大となるようにする。こうしたガス流量の増大調整は、カソード１０３では、ガス流量増大による直接的な水分持ち去りがより顕著となり、ＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移に有益である。また、ＭＥＡの加湿潤の湿潤適正推移のための水素ガス供給時のガス圧力の増大制御を行うに当たり、制御装置２００は、図５に示すように、アノード１０２における開始時刻ｔｓからのガス圧力増大を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の増大に伴って行うガス圧力増大よりも大きな圧力増大となるようにする。こうしたガス圧力の増大調整は、アノード１０２では、ガス圧力増大による体積流量低減がより顕著となり、ＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移に有益である。つまり、制御装置２００は、ＭＥＡの過湿潤を湿潤適正の側に推移させ得る適正化調整として、カソード１０３に供給する空気については、ガス流量増大調整をし、アノード１０２に供給する水素ガスについては、ガス圧力増大調整を図る。

次に、図２のステップＳ１５０での肯定判定に続くステップＳ１６０の過乾燥回復第１処理について説明する。図７は要求負荷の増大過渡の状況下における過乾燥回復第１処理の詳細を示すフローチャート、図８は過乾燥回復第１処理における判定処理の内容を説明する説明図である。図７に示すように、過乾燥回復第１処理では、制御装置２００は、改めて冷却水温度を基準温度βと対比する（ステップＳ１６２）。この温度対比は、冷却水温度がどの程度、基準温度βから高温側に逸脱しているのかを判定するためのものである。

このステップＳ１６２で、図８に示すように、冷却水温度は基準温度βより所定温度幅β０以上に高い高温度側に逸脱していると判定した場合は、冷却水温度が基準温度βより大きく高いためにＭＥＡの過乾燥も顕著であると想定される。よって、制御装置２００は、ＭＥＡの過乾燥をより高い実効性で湿潤適正の側に推移すべく、ＭＥＡにおけるアノード１０２へのガス供給とカソード１０３へのガス供給を、共に過乾燥適正化に有益なガス供給となるよう同時並行的に制御する（ステップＳ１６４）。図９は要求負荷の増大過渡の状況下における過乾燥回復第１処理でもたらされるガス供給の状況を概略的に説明する説明図、図１０は要求負荷の増大過渡の状況下における過乾燥回復第１処理で得られる過乾燥適正化の様子を概略的に示す説明図である。図８にあっても、図５と同様、開始時刻ｔｓにおいて要求負荷が急増し、終了時刻ｔｍにおいて要求負荷に対応するガス流量およびガス圧力でのガス供給に達するガス供給状況と、開始時刻ｔｓから終了時刻ｔｍまでの負荷要求の増加過渡状況下におけるカソード側・アノード側でのガス流量推移およびガス圧力推移を示している。

ＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移には、カソード１０３においては、生成水の水分持ち去りの低減が有益であり、アノード１０２においては、電気化学反応の進行が活発なカソードでの空気の入口側への水搬送の増量とこれに伴うアノード側からカソード側への水移動が有益である。そして、カソード１０３における水分持ち去りの低減は、空気供給時のガス流量の増大回避、換言すれば、要求負荷の増大過渡以前の低ガス流量維持による直接的な水分持ち去りの低減化と、空気供給時のガス圧力の増大による体積流量低減により、起きる。アノード１０２における上記した水搬送と水移動の増量は、水素ガス供給のガス流量の増大による直接的な水分持ち去りの増大化と、ガス圧力の増大回避、換言すれば、要求負荷の増大過渡以前の低ガス圧力維持による体積流量増加により、起きる。

こうしたことから、ステップＳ１６４では、図９に示すように、要求負荷の増大に伴うカソード１０３への空気供給の際のガス圧力の増大変更のタイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、要求負荷の増大に伴うガス流量の増大変更のタイミングを遅延時刻ｔａまで遅延側にずらす。こうすることで、制御装置２００は、カソード１０３への空気供給に当たり、ガス圧力の増大制御をガス流量の増大制御に先行して実施する。そして、カソード１０３では、図１０に示すように、要求負荷の増大過渡の以前（開始時刻ｔｓ以前）の低ガス流量維持による直接的な水分持ち去りの低減化と、ガス圧力の増大による体積流量低減により、水分持ち去りの低減化が起きる。

また、このステップＳ１６４では、図９に示すように、要求負荷の増大に伴うアノード１０２への水素ガス供給の際のガス流量の増大変更のタイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、要求負荷の増大に伴うガス圧力の増大変更のタイミングを遅延時刻ｔａまで遅延側にずらす。こうすることで、制御装置２００は、アノード１０２への水素ガス供給に当たり、ガス流量の増大制御をガス圧力増大制御に先行して実施する。そして、アノード１０２では、図１０に示すように、ガス流量の増大による水搬送の増大化と、要求負荷の増大過渡の以前（開始時刻ｔｓ以前）の低ガス圧力維持による体積流量増加により、アノード側からカソード側への水移動の増量化が起きる。しかも、ステップＳ１６４では、上記した過乾燥の適正側推移に有益なガス供給状況がアノード１０２とカソード１０３とにおいて同時にたらされ、その後、本ルーチンを終了する。

上記したステップＳ１６２で、図８に示すように、冷却水温度は基準温度βより高温度側に逸脱しているもののその隔たりは小さいと判定した場合は、ＭＥＡは過乾燥ではあるものの過乾燥の程度はそれほど大きくないと想定される。よって、制御装置２００は、こうしたＭＥＡの過乾燥を湿潤適正の側に推移すべく、上記した過乾燥適正化に有益なガス供給を、アノード１０２とカソード１０３のいずれかを選択して実行し（ステップＳ１６６）、本ルーチンを一旦終了する。本実施形態では、カソード１０３における水分持ち去りの低減化を優先して、カソード１０３での既述したガス供給を実行する。

上記したようにＭＥＡの加乾燥の湿潤適正推移のための空気供給時のガス圧力の増大制御を行うに当たり、制御装置２００は、図９に示すように、カソード１０３における開始時刻ｔｓからのガス圧力増大を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の増大に伴って行うガス圧力増大よりも大きなガス圧力となるようにする。こうしたガス圧力の増大調整は、カソード１０３では、負荷変動以前の低ガス流量でのガス供給と相まって、水分持ち去りがより抑制され、ＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移に有益である。また、ＭＥＡの加乾燥の湿潤適正推移のための水素ガス供給時のガス流量の増大制御を行うに当たり、制御装置２００は、図９に示すように、アノード１０２における開始時刻ｔｓからのガス流量増大を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の増大に伴って行うガス流量増大よりも大きなガス流量となるようにする。こうしたガス流量の増大調整は、アノード１０２では、ガス流量増大による水搬送とこれに伴うカソード側への水移動がより顕著となり、ＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移に有益である。つまり、制御装置２００は、ＭＥＡの過乾燥を湿潤適正の側に推移させ得る適正化調整として、カソード１０３に供給する空気については、ガス圧力増大調整をし、アノード１０２に供給する水素ガスについては、ガス流量増大調整を図る。

次に、図２のステップＳ１１０において負荷低減の過渡状況であると判断した場合の制御について説明する。図１１は要求負荷の低減過渡の状況下における燃料電池スタック１００の発電制御の制御手順を示すフローチャートである。制御装置２００は、ステップＳ１１０での要求負荷の低減過渡状況の判断に続き、既述したステップＳ１２０〜１３０と同様、冷却水温度の取得（ステップＳ２００）と、取得した冷却水温度の対比（ステップＳ２１００）とを行う。制御装置２００は、ステップＳ２１０で肯定判定すると、冷却水温度が低い故にＭＥＡの過湿潤が起き得ていると想定されることから、この過湿潤の適正化を図るべく、ステップＳ２２０の過湿潤回復第２処理に移行する。この過湿潤回復第２処理は、既述した第１処理と同様、燃料電池スタック１００のＭＥＡにおけるアノード１０２とカソード１０３とで、それぞれ過湿潤の適正化に有益なガス供給状況をもたらす処理である。

一方、ステップＳ２１０で否定判定すると、制御装置２００は、ステップＳ２００で取得済みの冷却水温度を基準温度βと対比し（ステップＳ２３０）、このステップＳ２３０で否定判定すれば、ステップＳ２１０での否定判定と相まって、冷却水温度はＭＥＡが適正な湿潤状態にある場合を想定した温度範囲内であるので、過湿潤・過乾燥の適正化は無用であるとして、一旦処理を終了する。そして、ステップＳ２３０で肯定判定すると、冷却水温度が高い故にＭＥＡの過乾燥が起き得ていると想定されることから、この過乾燥の適正化を図るべく、制御装置２００は、ステップＳ２４０の過乾燥回復第２処理に移行する。この過乾燥回復第２処理は、既述した第１処理と同様、燃料電池スタック１００のＭＥＡにおけるアノード１０２とカソード１０３とで、それぞれ過乾燥の適正化に有益なガス供給状況をもたらす処理である。

ここで、ステップＳ２１０での肯定判定に続くステップＳ２２０の過湿潤回復第２処理について説明する。図１２は要求負荷の低減過渡の状況下における過湿潤回復第２処理の詳細を示すフローチャートである。図１２に示すように、過湿潤適正化第２処理では、制御装置２００は、既述したステップＳ１４２と同様、改めて冷却水温度を基準温度αと対比し（ステップＳ２２２）、基準温度αから低温側への冷却水温度の逸脱程度を判定する。

このステップＳ２２２で、図４に示すように、冷却水温度は基準温度αより所定温度幅α０以上に低い低温度側に逸脱していると判定した場合は、冷却水温度が基準温度αより大きく低いためにＭＥＡの過湿潤も顕著であると想定される。よって、制御装置２００は、ＭＥＡの過湿潤をより高い実効性で湿潤適正の側に推移すべく、ＭＥＡにおけるアノード１０２へのガス供給とカソード１０３へのガス供給を、共に過湿潤適正化に有益なガス供給となるよう同時並行的に制御する（ステップＳ２２４）。図１３は要求負荷の低減過渡の状況下における過湿潤回復第２処理でもたらされるガス供給の状況を概略的に説明する説明図、図１４は要求負荷の低減過渡の状況下における過湿潤回復第２処理で得られる過湿潤適正化の様子を概略的に示す説明図である。図１３にあっては、開始時刻ｔｓにおいて要求負荷が急減し、終了時刻ｔｍにおいて要求負荷に対応するガス流量およびガス圧力でのガス供給に達するガス供給状況と、開始時刻ｔｓから終了時刻ｔｍまでの負荷要求の低減過渡状況下におけるカソード側・アノード側でのガス流量推移およびガス圧力推移を示している。

ＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移には、カソード１０３においては、既述したように生成水の水分持ち去りの増大が有益であり、アノード１０２においては、電気化学反応の進行が活発なカソードでの空気の入口側への水分搬送を抑制する水分保持が有益である。そして、要求負荷の低減過渡におけるカソード１０３での水分持ち去りの増大は、空気供給時のガス流量の低減回避、換言すれば、要求負荷の低減過渡以前の高ガス流量維持による直接的な水分持ち去りの増大化と、空気のガス圧力の低減による体積流量増加により、起きる。要求負荷の低減過渡におけるアノード１０２での水分保持は、水素ガスのガス流量の低減による直接的な水分持ち去りの低減化と、水素ガス供給時のガス圧力の低減回避、換言すれば、要求負荷の低減過渡以前の高ガス圧力維持による体積流量低減により、起きる。

こうしたことから、ステップＳ２２４では、図１３に示すように、要求負荷の低減に伴うカソード１０３への空気供給の際のガス圧力の低減変更のタイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、要求負荷の低減に伴うガス流量の低減変更のタイミングを遅延時刻ｔａまで遅延側にずらす。こうすることで、制御装置２００は、カソード１０３への空気供給に当たり、ガス圧力の低減制御をガス流量の低減制御に先行して実施する。そして、カソード１０３では、図１４に示すように、ガス圧力の低減による体積流量増加と、要求負荷の低減過渡の以前（開始時刻ｔｓ以前）の高ガス流量維持による直接的な水分持ち去りの増大化により、水分持ち去りの増量化が起きる。

また、このステップＳ２２４では、図１３に示すように、要求負荷の低減に伴うアノード１０２への水素ガス供給の際のガス流量の低減変更のタイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、要求負荷の低減に伴うガス圧力の低減変更のタイミングを遅延時刻ｔａまで遅延側にずらす。こうすることで、制御装置２００は、アノード１０２への水素ガス供給に当たり、ガス流量の低減制御をガス圧力低減制御に先行して実施する。そして、アノード１０２では、図１４に示すように、水素ガスのガス流量の低減による直接的な水分持ち去りの低減化と、要求負荷の低減過渡の以前の高ガス圧力維持による体積流量低減により、カソードの空気入口への水の搬送が低減化して、水分保持が起きる。しかも、ステップＳ２２４では、上記した過湿潤の適正側推移に有益なガス供給状況がアノード１０２とカソード１０３とにおいて同時にもたらされ、その後、本ルーチンを終了する。

上記したステップＳ２２２で、図４に示すように、冷却水温度は基準温度αより低温度側に逸脱しているもののその隔たりは小さいと判定した場合は、ＭＥＡは過湿潤ではあるものの過湿潤の程度はそれほど大きくないと想定される。よって、制御装置２００は、こうしたＭＥＡの過湿潤を湿潤適正の側に推移すべく、上記した過湿潤適正化に有益なガス供給を、アノード１０２とカソード１０３のいずれかを選択して実行し（ステップＳ２２６）、本ルーチンを一旦終了する。本実施形態では、カソード１０３における水分持ち去りの増量化を優先して、カソード１０３での既述したガス供給を実行する。

上記したようにＭＥＡの加湿潤の湿潤適正推移のための空気供給時のガス圧力の低減制御を行うに当たり、制御装置２００は、図１３に示すように、カソード１０３における開始時刻ｔｓからのガス圧力低減を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の低減に伴って行うガス圧力低減よりも大きな圧力低減となるようにする。こうしたガス圧力の低減調整は、カソード１０３では、ガス圧力低減による体積流量増大による水分持ち去りがより顕著となり、ＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移に有益である。また、ＭＥＡの加湿潤の湿潤適正推移のための水素ガス供給時のガス流量の低減制御を行うに当たり、制御装置２００は、図１３に示すように、アノード１０２における開始時刻ｔｓからのガス流量低減を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の低減に伴って行うガス流量低減よりも大きな流量低減となるようにする。こうしたガス流量の低減調整は、アノード１０２では、ガス流量低減による水分持ち去りの低減がより顕著となり、ＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移に有益である。つまり、制御装置２００は、ＭＥＡの過湿潤を湿潤適正の側に推移させ得る適正化調整として、カソード１０３に供給する空気については、ガス圧力低減調整をし、アノード１０２に供給する水素ガスについては、ガス流量低減調整を図る。

次に、図１１のステップＳ２３０での肯定判定に続くステップＳ２４０の過乾燥回復第２処理について説明する。図１５は要求負荷の低減過渡の状況下における過乾燥回復第２処理の詳細を示すフローチャートである。図１５に示すように、過乾燥回復第２処理では、制御装置２００は、改めて冷却水温度を基準温度βと対比する（ステップＳ２４２）。この温度対比は、冷却水温度がどの程度、基準温度βから高温側に逸脱しているのかを判定するためのものである。

このステップＳ２４２で、図８に示すように、冷却水温度は基準温度βより所定温度幅β０以上に高い高温度側に逸脱していると判定した場合は、冷却水温度が基準温度βより大きく高いためにＭＥＡの過乾燥も顕著であると想定される。よって、制御装置２００は、ＭＥＡの過乾燥をより高い実効性で湿潤適正の側に推移すべく、ＭＥＡにおけるアノード１０２へのガス供給とカソード１０３へのガス供給を、共に過乾燥適正化に有益なガス供給となるよう同時並行的に制御する（ステップＳ２４４）。図１６は要求負荷の低減過渡の状況下における過乾燥回復第２処理でもたらされるガス供給の状況を概略的に説明する説明図、図１７は要求負荷の増大過渡の状況下における過乾燥回復第２処理で得られる過乾燥適正化の様子を概略的に示す説明図である。図１６にあっても、開始時刻ｔｓにおいて要求負荷が急減し、終了時刻ｔｍにおいて要求負荷に対応するガス流量およびガス圧力でのガス供給に達するガス供給状況と、開始時刻ｔｓから終了時刻ｔｍまでの負荷要求の低減過渡状況下におけるカソード側・アノード側でのガス流量推移およびガス圧力推移を示している。

ＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移には、カソード１０３においては、既述したように生成水の水分持ち去りの低減が有益であり、アノード１０２においては、電気化学反応の進行が活発なカソードでの空気の入口側への水搬送の増量とこれに伴うアノード側からカソード側への水移動が有益である。そして、カソード１０３における水分持ち去りの低減は、空気供給時のガス流量の低減による直接的な水分持ち去りの低減化と、空気供給時のガス圧力の低減回避、換言すれば、要求負荷の低減過渡以前の高ガス圧力維持による体積流量低減により、起きる。アノード１０２における上記した水搬送と水移動の増量は、水素ガス供給時のガス圧力の低減による体積流量増加と、ガス流量の低減回避、換言すれば、要求負荷の低減過渡以前の高ガス流量維持による直接的な水分持ち去りの増大化により、起きる。

こうしたことから、ステップＳ２４４では、図１６に示すように、要求負荷の低減に伴うカソード１０３への空気供給の際のガス流量の低減変更のタイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、要求負荷の低減に伴うガス圧力の低減変更のタイミングを遅延時刻ｔａまで遅延側にずらす。こうすることで、制御装置２００は、カソード１０３への空気供給に当たり、ガス流量の低減制御をガス圧力の低減制御に先行して実施する。そして、カソード１０３では、図１７に示すように、ガス流量の低減による直接的な水分持ち去りの低減化と、要求負荷の低減過渡の以前（開始時刻ｔｓ以前）の高ガス圧力維持による体積流量低減により、水分持ち去りの低減化が起きる。

また、このステップＳ２４４では、図１６に示すように、要求負荷の低減に伴うアノード１０２への水素ガス供給の際のガス圧力の低減変更のタイミング（開始時刻ｔｓ）に対して、要求負荷の低減に伴うガス流量の低減変更のタイミングを遅延時刻ｔａまで遅延側にずらす。こうすることで、制御装置２００は、アノード１０２への水素ガス供給に当たり、ガス圧力の低減制御をガス流量低減制御に先行して実施する。そして、アノード１０２では、図１７に示すように、ガス圧力の低減による体積流量増加と、要求負荷の低減過渡の以前（開始時刻ｔｓ以前）の高ガス流量維持による水搬送の増大化により、アノード側からカソード側への水移動の増量化が起きる。しかも、ステップＳ２４４では、上記した過乾燥の適正側推移に有益なガス供給状況がアノード１０２とカソード１０３とにおいて同時にもたらされ、その後、本ルーチンを終了する。

上記したステップＳ２４２で、図８に示すように、冷却水温度は基準温度βより高温度側に逸脱しているもののその隔たりは小さいと判定した場合は、ＭＥＡは過乾燥ではあるものの過乾燥の程度はそれほど大きくないと想定される。よって、制御装置２００は、こうしたＭＥＡの過乾燥を湿潤適正の側に推移すべく、上記した過乾燥適正化に有益なガス供給を、アノード１０２とカソード１０３のいずれかを選択して実行し（ステップＳ２４６）、本ルーチンを一旦終了する。本実施形態では、カソード１０３における水分持ち去りの低減化を優先して、カソード１０３での既述したガス供給を実行する。

上記したようにＭＥＡの加乾燥の湿潤適正推移のための空気供給時のガス流量の低減制御を行うに当たり、制御装置２００は、図１６に示すように、カソード１０３における開始時刻ｔｓからのガス流量低減を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の低減に伴って行うガス流量低減よりも小さなガス流量となるようにする。こうしたガス流量の低減調整は、カソード１０３では、負荷変動以前の高ガス圧力でのガス供給と相まって、水分持ち去りがより抑制され、ＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移に有益である。また、ＭＥＡの加乾燥の湿潤適正推移のための水素ガス供給時のガス圧力の低減制御を行うに当たり、制御装置２００は、図１６に示すように、アノード１０２における開始時刻ｔｓからのガス圧力低減を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の低減に伴って行うガス圧力低減よりも小さなガス圧力となるようにする。こうしたガス圧力の低減調整は、アノード１０２では、負荷変動以前の高ガス流量でのガス供給と相まって、水搬送とこれに伴うカソード側への水移動をより顕著とし、ＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移に有益である。つまり、制御装置２００は、ＭＥＡの過乾燥を湿潤適正の側に推移させ得る適正化調整として、カソード１０３に供給する空気については、ガス流量低減調整をし、アノード１０２に供給する水素ガスについては、ガス圧力低減調整を図る。

以上説明したように、本実施例の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０は、負荷変動の過渡の状況において燃料電池スタック１００の湿潤状態が湿潤適正の状態から逸脱しているかを判断する（ステップＳ１１０）。そして、湿潤状態を湿潤適正の側に推移させるのに有益な側のガス流量変更、或いはガス圧力変更を、負荷変動の増大過渡の状況と低減化との状況のいずれの過渡状況でも行う。その上で、湿潤状態を湿潤適正の側に推移させるのに有益な制御がガス流量変更制御であれば、負荷変動に伴うガス供給に際して、このガス流量変更を負荷変動の状況に合わせて行い、この変更に遅延して、ガス圧力を変更する（ステップＳ１４０、１６０、２２０、２４０、図５、図９、図１３、図１６）。湿潤状態を湿潤適正の側に推移させるのに有益な制御がガス圧力変更制御であれば、負荷変動に伴うガス供給に際して、このガス圧力変更を負荷変動の状況に合わせて行い、この変更に遅延して、ガス流量を変更する（ステップＳ１４０、１６０、２２０、２４０、図５、図９、図１３、図１６）。

こうした変更タイミングのズレにより（図５、図９、図１３、図１６）、変更遅延の間においては、ガス流量変更を負荷変動の状況に合わせて行った場合のガス圧力を、或いはガス圧力変更を負荷変動の状況に合わせて行った場合のガス流量を、負荷変動前の状況に維持する。こうして維持された負荷変動前のガス流量或いはガス圧力の状況は、負荷要求の変動に対応したガス流量或いはガス圧力に対して、ガス流量の低減や増大、ガス圧力の低減や増大の状況となる（図５、図９、図１３、図１６）。よって、湿潤状態を湿潤適正の側に推移させるのに有益なガス流量或いはガス圧力と、負荷変動前の状況が維持されたガス流量或いはガス圧力とでもたらされるガス供給状況は、例えば、湿潤状態が過乾燥であるためにこれを適正の側に推移させるのに有益な水分持ち去りの低減や水分保持をもたらすガス流量低減やガス圧力の増大の状況、或いは、適正推移に有益なガス流量増大やガス圧力の低減の状況といった種々のガス流量・圧力状況となり（図１０、図１７）、こうしたガス供給状況が、負荷変動の過渡において確実に実現される。湿潤状態が過湿潤であれば、これを適正の側に推移させるのに有益な水分持ち去りの増大をもたらすガス流量増大とガス圧力の低減の状況、或いは、適正推移に有益なガス流量低減とガス圧力の増大の状況といった種々のガス流量・圧力状況が（図６、図１４）、負荷変動の過渡において確実に実現される。この結果、本実施例の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０によれば、負荷変動過渡期における燃料電池スタック１００、詳しくはＭＥＡの電解質膜１０１の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性を高めて、確実に、出力の安定化を図ることができる。

本実施例の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０は、要求負荷の増大過渡状況において、加湿潤の湿潤適正推移のために、カソード側での空気供給時のガス流量の増大制御とアノード側での水素ガス供給時のガス圧力の増大制御とを行い（図５）、加乾燥の湿潤適正推移のために、カソード側での空気供給時のガス圧力の増大制御とアノード側での水素ガス供給時のガス流量の増大制御とを行う（図９）。そして、これらの増大制御を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の増大に伴って行うガス流量増大やガス圧力増大よりも大きな流量増大や圧力増大となるように調整する。こうすれば、燃料電池スタック１００への空気および水素ガスのそれぞれのガス供給状況を、湿潤状態の適正に有益な水分持ち去りの低減や水分保持、或いは水分持ち去りの増大をより効果的にもたらすガス流量の増大またはガス圧力の増大の状況とでき（図６、図１０）、こうした状況を確実に実現できる。この結果、本実施例の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０によれば、負荷の増大変動の過渡期における燃料電池スタック１００、詳しくはＭＥＡの電解質膜１０１の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性をより高めて、増大負荷に対応した出力を確実に安定して得ることができる。

本実施例の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０は、要求負荷の低減過渡状況において、加湿潤の湿潤適正推移のために、カソード側での空気供給時のガス圧力の低減制御とアノード側での水素ガス供給時のガス流量の低減制御とを行い（図１３）、加乾燥の湿潤適正推移のために、カソード側での空気供給時のガス流量の低減制御とアノード側での水素ガス供給時のガス圧力の低減制御とを行う（図１６）。そして、これらの低減制御を、ＭＥＡの湿潤状態が適正な場合に要求負荷の低減に伴って行うガス流量低減やガス圧力低減よりも大きな流量低減や圧力低減となるように調整する。こうすれば、燃料電池スタック１００への空気および水素ガスのそれぞれのガス供給状況を、湿潤状態の適正に有益な水分持ち去りの低減や水分保持、或いは水分持ち去りの増大をより効果的にもたらすガス流量の低減またはガス圧力の低減の状況とでき（図１４、図１７）、こうした状況を確実に実現できる。この結果、本実施例の燃料電池搭載車両２０に搭載した燃料電池システム３０によれば、負荷の低減変動の過渡期における燃料電池スタック１００、詳しくはＭＥＡの電解質膜１０１の過乾燥や過湿潤の抑制の実効性をより高めて、低減負荷に対応した出力を確実に安定して得ることができる。

次に、他の実施例について説明する。図１８は第２実施例の燃料電池スタック１００において要求負荷の増大過渡の状況下でなされる過湿潤回復第１処理でのガス供給状況を概略的に説明する説明図、図１９は第２実施例の燃料電池スタック１００において要求負荷の増大過渡の状況下でなされる過乾燥回復第１処理でのガス供給状況を概略的に説明する説明図である。この実施形態は、要求負荷の増大過渡の状況下でのＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移には、カソード側でのガス流量の増大とアノード側でのガス圧力の増大とを、湿潤状態が適正な場合と同様に要求負荷の増大に合わせて行った上で、カソード側のガス圧力とアノード側のガス流量の増大変更について、その変更タイミングを遅延側にずらした（図１８）。また、要求負荷の増大過渡の状況下でのＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移には、カソード側でのガス圧力の増大とアノード側でのガス流量の増大とを、湿潤状態が適正な場合と同様に要求負荷の増大に合わせて行った上で、カソード側のガス流量とアノード側のガス圧力の増大変更について、その変更タイミングを遅延側にずらした（図１９）。要求負荷の増大過渡の状況下でのＭＥＡの過湿潤の湿潤適正推移には、既述したようにカソード側でのガス流量の増大とアノード側でのガス圧力の増大とが有益であり、要求負荷の増大過渡では、これらは通常、図示するように増大制御される。要求負荷の増大過渡の状況下でのＭＥＡの過乾燥の湿潤適正推移には、既述したようにカソード側でのガス圧力の増大とアノード側でのガス流量の増大が有益であり、要求負荷の増大過渡では、これらは通常、図示するように増大制御される。そして、この実施形態では、図示するようなガス流量の増大変更タイミングやガス圧力の増大タイミングのずらしにより、要求負荷の増大前のカソード側での低ガス圧力維持、アノード側での停留ガス流量維持を図る。よって、この実施形態によっても、既述した効果に近似した効果を奏することができる。

図２０は先の実施形態における要求負荷の増大過渡の状況下での過乾燥回復第１処理の処理内容の変更とこれに伴うガス供給状況の推移を示す説明図である。この実施形態では、ステップＳ１６６において過乾燥回復第１処理を実行するに当たり、アノード１０２での湿潤適正化のためのガス流量増大制御の際に、その増大調整目標値を、湿潤状態適正の際のガス流量増大の増大調整目標値に対して一時的に大きくした。例えば、湿潤状態適正の際のガス流量増大の増大調整目標値に対して例えば２０〜３０％程度大きな調整目標値となるよう、また、こうした大きな目標値とする期間を、要求負荷の増大に対応したガス流量増大期間における増大制御の終了時刻ｔｍの間際で例えば１〜２ｓｅｃ程度、確保するようにした。図２１は湿潤適正化のためのガス流量増大制御を一時的に大きな増大調整目標値となるようにした場合の利点を示す説明図である。図２１における比較例は、要求負荷の増大過渡の状況下でＭＥＡが過乾燥であった場合に、要求負荷の増大に伴ってその負荷増大に合致した増大ガス流量目標値となるようにガス供給を制御した。なお、ガス流量増加とガス圧力増加の変更タイミングについても、ズレを来していない。

図２１は、燃料電池スタック１００が低電流密度の発電状態にある場合に要求負荷の急増に伴って高電流密度の発電状態に推移した場合のセル電圧推移を示している。この図２１から、本実施形態では、要求負荷の増大過渡状況における過乾燥からの湿潤適正化がより確実になされ、出力の向上が得ることができた。こうした事象は、次のように説明できる。燃料電池スタック１００への水素ガス供給は、増大する負荷に対応してガス流量を増大させる際の増大調整目標値より大きい増大調整目標値に一時的になるようなガス流量でなされる。こうしたガス流量の更なる増大は、負荷の増大変動の過渡期において、アノード側での過乾燥の湿潤適正化に有益な既述した水分持ち去りの低減や水分保持が顕著となり、カソード側への水移動も活性化する。こうしたことから、要求負荷の増大過渡期における燃料電池スタック１００、詳しくはＭＥＡの電解質膜１０１の過乾燥の湿潤適正化が進み、増大負荷に対応した出力を安定して得ることができる。

図２２は湿潤適正化のためのガス流量増大制御を一時的に大きな増大調整目標値となるようにする他の実施形態を示す説明図である。図示するように、この実施形態では、ステップＳ１６６において過乾燥回復第１処理を実行するに当たっての湿潤適正化のためのガス流量増大制御の増大調整目標値を、湿潤状態適正の際のガス流量増大の増大調整目標値に対して、増大制御の終了時刻ｔｍの手前の時期において、一時的に大きくした。こうしても、図２１に示すような効果を得ることができる。

図２３は先の実施形態における要求負荷の低減過渡の状況下での過乾燥回復第２処理の処理内容の変更とこれに伴うガス供給状況の推移を示す説明図である。この実施形態では、ステップＳ２４６において過乾燥回復第２処理を実行するに当たり、カソード１０３での湿潤適正化のためのガス流量低減制御の際に、その低減調整目標値を、湿潤状態適正の際のガス流量低減の低減調整目標値に対して一時的に小さくした。例えば、湿潤状態適正の際のガス流量低減の低減調整目標値に対して例えば２０〜３０％程度小さな調整目標値となるよう、また、こうした小さな目標値とする期間を、要求負荷の低減に対応したガス流量低減期間における低減制御の終了時刻ｔｍの手前で例えば１〜２ｓｅｃ程度、確保するようにした。なお、終了時刻ｔｍの間際で確保するようにしてもよい。こうしても、ガス流量の更なる低減は、負荷の低減変動の過渡期において、カソード側での過乾燥の湿潤適正化に有益な水分持ち去りをより顕著に低減する。この結果、負荷低減の過渡期における燃料電池スタック１００、詳しくはＭＥＡの電解質膜１０１の過乾燥の湿潤適正化が進み、増大低減に対応した出力を安定して得ることができる。

以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

例えば、図１８や図１９に示した要求負荷の増大過渡の状況下での過乾燥或いは過湿潤の湿潤適正化のガス流量増大・ガス圧力増大の変更タイミングのずらしに倣い、要求負荷の低減過渡の状況下での過乾燥或いは過湿潤の湿潤適正化のために、ガス流量低減・ガス圧力定点の変更タイミングをずらしてもよい。

また、図２０や図２２に示した要求負荷の増大過渡の状況下での過乾燥の湿潤適正化のためのガス流量増大制御の増大調整目標値を、湿潤状態適正の際のガス流量増大の増大調整目標値に対して一時的に大きくすることに代え、或いはこうしたガス流量増大調整制御と並行して、要求負荷の増大過渡の状況下での湿潤適正化のためのガス圧力増大制御の増大調整目標値を、湿潤状態適正の際のガス圧力増大の増大調整目標値に対して一時的に大きくするガス供給制御を行うようにしてもよい。また、要求負荷の低減過渡の状況下での湿潤適正化のためのガス低減調整やガス圧力低減調整制御の低減調整目標値を、湿潤状態適正の際のガス流量低減やガス圧力低減制御の低減調整目標値に対して一時的に小さくするようにしてもよい。

上記した各実施形態では、燃料電池スタック１００におけるＭＥＡの電解質膜１０１の湿潤状態を冷却水温度に基づき判断したが、燃料電池スタック１００の抵抗値に基づいて湿潤状態を判断してもよい。この場合には、抵抗値が所定の上限基準抵抗値を超えれば過乾燥と判断し、抵抗値が所定の下限抵抗値を下回れば過湿潤と判断できる。抵抗値に限らず、他の手法にて湿潤状態を判断してもよい。

また、上記した各実施形態において要求負荷の変動過渡を判断するに当たり、２次電池１７２の蓄電電力を考慮して、燃料電池スタック１００に求められる負荷要求の変動過渡を判断するようにしてもよい。

この他、最先の実施形態においては、ＭＥＡの過湿潤や過乾燥の有無を判定した後に、冷却水温度に応じて過湿潤や過乾燥のレベルを判別し（ステップＳ１４２：図４，ステップＳ１６２：図８）、湿潤状態適正化のためのガス流量・圧力の調整を行うようにしたが、これに限られない。例えば、冷却水温度によりＭＥＡの過湿潤や過乾燥が起きていると判断すれば、レベル判定を行うことなく、湿潤状態適正化のためのガス流量・圧力の調整を行うにしてもよい。また、この際、アノード側とカソード側での湿潤状態適正化のためのガス流量・圧力の調整を並行調整と選択調整のいずれかの手法とするようにしてもよい。

２０…燃料電池搭載車両
２２…車体
３０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０１…電解質膜
１０２…アノード
１０３…カソード
１０４…アノード側ガス拡散層
１０５…カソード側ガス拡散層
１０６…電流センサー
１１０…水素ガスタンク
１２０…水素ガス供給系
１２１…水素供給経路
１２２…循環経路
１２３…放出経路
１２４…開閉バルブ
１２５…減圧バルブ
１２６…水素供給機器
１２７…循環ポンプ
１２８…流量センサー
１２９…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給系
１４１…酸素供給経路
１４２…放出経路
１４３…排出流量調整バルブ
１４５…圧力調整バルブ
１４７…流量センサー
１５０…ラジエータ
１５２…ファン
１６０…冷却系
１６１…循環経路
１６２…バイパス経路
１６３…三方流量調整弁
１６４…循環ポンプ
１６６…温度センサー
１７０…モーター
１７２…２次電池
１７４…ＤＣ／ＤＣコンバーター
１７６…容量検出センサー
１８０…アクセル
１８２…車速センサー
１８４…外気温センサー
２００…制御装置
ＦＷ…前輪
ＲＷ…後輪
ｔｓ…開始時刻
ｔａ…遅延時刻
ｔｍ…終了時刻

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックに求められる負荷要求に基づく制御パラメータにガス流量とガス圧力とを含み、前記負荷要求に基づいた前記制御パラメータで前記燃料電池スタックへの前記反応ガスのガス供給を制御するガス供給制御部と、
   前記負荷要求に基づいて、負荷変動の過渡の状況か否かを判断する負荷変動判断部と、
   前記燃料電池スタックの湿潤状態を判断する湿潤判断部とを備え、
   前記ガス供給制御部は、
   前記負荷変動判断部が負荷変動の過渡の状況にあると判断すると、前記制御パラメータのうち、前記湿潤判断部の判断した湿潤状態を湿潤適正の側に推移させることに寄与するガス流量或いはガス圧力の一方の制御パラメータの変更タイミングに対して、他方の制御パラメータの変更タイミングを遅延側にずらすと共に、
   前記一方の制御パラメータを変更するに当たり、前記湿潤判断部の判断した湿潤状態を湿潤適正の側に推移させ得る適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力に前記一方の制御パラメータを変更し、前記適正化調整を経ないガス流量或いはガス圧力である前記他方の制御パラメータの変更タイミングを前記適正化調整を経た変更タイミングに対して遅延側にずらし、
   前記負荷変動判断部が負荷増大の過渡にあると判断すると、前記適正化調整をガス流量或いはガス圧力の増大適正化調整とし、該増大適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力に前記一方の制御パラメータを変更し、
   前記増大適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力への前記一方の制御パラメータの変更を、前記湿潤判断部が湿潤適正と判断した湿潤状態の時における前記負荷要求に基づいた増大調整目標値より一時的に大きい増大調整目標値となるように実行する、
   燃料電池システム。
2. 燃料電池システムであって、
   反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックに求められる負荷要求に基づく制御パラメータにガス流量とガス圧力とを含み、前記負荷要求に基づいた前記制御パラメータで前記燃料電池スタックへの前記反応ガスのガス供給を制御するガス供給制御部と、
   前記負荷要求に基づいて、負荷変動の過渡の状況か否かを判断する負荷変動判断部と、
   前記燃料電池スタックの湿潤状態を判断する湿潤判断部とを備え、
   前記ガス供給制御部は、
   前記負荷変動判断部が負荷変動の過渡の状況にあると判断すると、前記制御パラメータのうち、前記湿潤判断部の判断した湿潤状態を湿潤適正の側に推移させることに寄与するガス流量或いはガス圧力の一方の制御パラメータの変更タイミングに対して、他方の制御パラメータの変更タイミングを遅延側にずらすと共に、
   前記一方の制御パラメータを変更するに当たり、前記湿潤判断部の判断した湿潤状態を湿潤適正の側に推移させ得る適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力に前記一方の制御パラメータを変更し、前記適正化調整を経ないガス流量或いはガス圧力である前記他方の制御パラメータの変更タイミングを前記適正化調整を経た変更タイミングに対して遅延側にずらし、
   前記負荷変動判断部が負荷低減の過渡にあると判断すると、前記適正化調整をガス流量或いはガス圧力の低減適正化調整とし、該低減適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力に前記一方の制御パラメータを変更する、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記ガス供給制御部は、
   前記低減適正化調整を経たガス流量或いはガス圧力への前記一方の制御パラメータの変更を、前記湿潤判断部が湿潤適正と判断した湿潤状態の時における前記負荷要求に基づいた低減調整目標値より一時的に小さい低減調整目標値となるように実行する、
   燃料電池システム。

Images