CN106104881B - 燃料电池*** - Google Patents

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Abstract

燃料电池***具备：湿润目标值计算部，其计算燃料电池的湿润状态的目标值；气体要求流量计算部，其基于对燃料电池的发电要求来计算正极气体要求流量；湿润控制用负极气体流量计算部，其在烘干控制时至少基于湿润目标值和正极气体要求流量来计算湿润控制用负极气体循环流量；以及负极气体流量控制部，其基于湿润控制用负极气体循环流量来控制负极气体循环流量。燃料电池***还具备：湿润控制用正极气体流量计算部，其在烘干控制时至少基于湿润目标值和负极气体循环流量的测定值或估计值来计算湿润控制用正极气体流量；以及正极气体流量控制部，其基于正极气体要求流量和湿润控制用正极气体流量来控制正极气体流量。

Description

燃料电池***
技术领域
本发明涉及一种具备接受负极(anode)气体和正极(cathode)气体的供给来进行发电的燃料电池的燃料电池***。
背景技术
在燃料电池中，当电解质膜的湿润度变得过高或过低时，发电性能降低。为了使燃料电池高效地发电，将燃料电池的电解质膜维持为适度的湿润度是重要的。
在日本特表2010-538415号公报中，公开了如下一种燃料电池***：通过控制负极气体流量和正极气体流量中的至少一方，来调整燃料电池的湿润度。
发明内容
上述公报中不过是公开了能够通过负极气体流量控制、正极气体流量控制来调整燃料电池的湿润度，并没有公开基于负极气体流量控制和正极气体流量控制来适当地调整湿润度。
另一方面，本申请发明人们发现，关于燃料电池的湿润控制，在正极气体流量多的情况下，即使变更负极气体流量，也几乎无法通过负极气体流量控制来调整燃料电池的湿润度。也就是说，在控制负极气体流量来调整燃料电池的湿润度的情况下，需要事先使正极气体流量尽量少。因此，在未考虑这一点的以往的燃料电池***中，存在以下担忧：在进行湿润控制时，使由压缩机或泵等构成的正极气体流量控制部、负极气体流量控制部超出需要地进行动作。
本发明的目的在于提供一种能够适当地控制正极气体流量控制部、负极气体流量控制部来调整燃料电池的湿润度的燃料电池***。
用于解决问题的方案
根据本发明的某个方式，提供一种燃料电池***，该燃料电池***具备：燃料电池，其接受负极气体和正极气体的供给来进行发电；以及循环机构，其构成为将从所述燃料电池排出的负极排气供给到该燃料电池。燃料电池***还具备：湿润目标值计算部，其计算所述燃料电池的湿润状态的目标值；气体要求流量计算部，其基于对所述燃料电池的发电要求来计算正极气体要求流量；湿润控制用负极气体流量计算部，其在烘干控制时至少基于所述湿润目标值和所述正极气体要求流量来计算湿润控制用负极气体循环流量；以及负极气体流量控制部，其基于所述湿润控制用负极气体循环流量来控制负极气体循环流量。另外，燃料电池***还具备：湿润控制用正极气体流量计算部，其在烘干控制时至少基于所述湿润目标值和负极气体循环流量的测定值或估计值来计算湿润控制用正极气体流量；以及正极气体流量控制部，其基于所述正极气体要求流量和所述湿润控制用正极气体流量来控制正极气体流量。
附图说明
图1是本发明的实施方式的燃料电池的立体图。
图2是图1的燃料电池的II-II截面图
图3是本发明的实施方式的燃料电池***的概要结构图。
图4是表示负极气体与正极气体的流量比同从燃料电池堆排出的正极气体的相对湿度之间的关系的特性图。
图5是表示燃料电池***所具备的控制器的结构的框图。
图6是表示烘干控制时的气体流量计算部中的目标负极气体循环流量和目标正极气体流量的计算处理的图。
图7是表示烘干控制时的湿润控制用负极气体流量计算部中的计算处理的图。
图8是基于对燃料电池堆的发电要求的正极气体要求流量的特性图。
图9是基于对燃料电池堆的发电要求的负极气体要求循环流量的特性图。
图10是表示烘干控制时的湿润控制用正极气体流量计算部中的计算处理的图。
图11是表示润湿控制时的气体流量计算部中的目标负极气体循环流量和目标正极气体流量的计算处理的图。
图12是表示润湿控制时的湿润控制用负极气体流量计算部中的计算处理的图。
图13是表示润湿控制时的湿润控制用正极气体流量计算部中的计算处理的图。
图14是表示本发明的实施方式的燃料电池***中的湿润控制的一例的时序图。
图15是表示参考例的燃料电池***中的湿润控制的一例的时序图。
图16是表示本发明的实施方式的燃料电池***中的湿润控制的一例的时序图。
图17是表示无法进行正极气体流量控制的情况下的烘干控制时的目标负极气体循环流量的计算处理的图。
图18是表示无法进行负极气体循环流量控制的情况下的润湿控制时的目标正极气体流量的计算处理的图。
具体实施方式
下面，参照附图等来说明本发明的实施方式。
燃料电池由作为燃料极的负极电极、作为氧化剂极的正极电极以及以夹在这些电极中间的方式配置的电解质膜构成。燃料电池使用供给到负极电极的含有氢的负极气体和供给到正极电极的含有氧的正极气体来进行发电。负极电极和正极电极这两个电极处进行的电极反应如下。
负极电极：2H2→4H++4e-…(1)
正极电极：4H++4e-+O2→2H2O…(2)
通过该(1)、(2)的电极反应，燃料电池产生1V(伏特)左右的电动势。
图1和图2是用于说明本发明的一个实施方式的燃料电池10的结构的图。图1是燃料电池10的立体图，图2是图1的燃料电池10的II-II截面图。
如图1和图2所示，燃料电池10具备膜电极组件(MEA)11以及以将MEA 11夹在中间的方式配置的负极隔板12和正极隔板13。
MEA 11由电解质膜111、负极电极112以及正极电极113构成。MEA 11在电解质膜111的其中一面侧具有负极电极112，在另一面侧具有正极电极113。
电解质膜111是由氟系树脂形成的质子传导性的离子交换膜。电解质膜111在适度的湿润度下表现出良好的电传导性。
负极电极112具备催化剂层112A和气体扩散层112B。催化剂层112A是由铂或承载有铂等的炭黑粒子形成的构件，设置成与电解质膜111接触。气体扩散层112B配置于催化剂层112A的外侧。气体扩散层112B是由具有气体扩散性和导电性的碳布形成的构件，设置成与催化剂层112A及负极隔板12接触。
与负极电极112同样地，正极电极113也具备催化剂层113A和气体扩散层113B。催化剂层113A配置于电解质膜111与气体扩散层113B之间，气体扩散层113B配置于催化剂层113A与正极隔板13之间。
负极隔板12配置于气体扩散层112B的外侧。负极隔板12具备用于向负极电极112供给负极气体(氢气)的多个负极气体流路121。负极气体流路121形成为槽状通路。
正极隔板13配置于气体扩散层113B的外侧。正极隔板13具备用于向正极电极113供给正极气体(空气)的多个正极气体流路131。正极气体流路131形成为槽状通路。
如图2所示，负极隔板12和正极隔板13构成为使在负极气体流路121中流动的负极气体的流动方向与在正极气体流路131中流动的正极气体的流动方向互为反向。此外，负极隔板12和正极隔板13也可以构成为使这些气体的流动方向为向相同方向流动。
在将这种燃料电池10用作汽车用电源的情况下，由于所要求的电力大，因此构成将数百块燃料电池10层叠而得到的燃料电池堆1。然后，构成向燃料电池堆1供给负极气体和正极气体的燃料电池***100，取出用于驱动车辆的电力。
图3是本发明的一个实施方式的燃料电池***100的概要结构图。
燃料电池***100具备燃料电池堆1、正极气体供排装置2、负极气体供排装置3、堆冷却装置4、电力***5以及控制器60。
燃料电池堆1是层叠多个燃料电池10而成的电池。燃料电池堆1接受负极气体和正极气体的供给来发出车辆行驶所需的电力。
正极气体供排装置2具备正极气体供给通路21、正极气体排出通路22、正极压缩机23、正极流量传感器24、正极压力传感器25以及正极压力调节阀26。正极气体供排装置2向燃料电池堆1供给正极气体，并且将从燃料电池堆1排出的正极排气排出到外部。
正极气体供给通路21是流通向燃料电池堆1供给的正极气体的通路。正极气体供给通路21的一端连接于正极压缩机23，另一端连接于燃料电池堆1的正极气体入口部。
正极气体排出通路22是流通从燃料电池堆1排出的正极排气的通路。正极气体排出通路22的一端连接于燃料电池堆1的正极气体出口部，另一端形成为开口端。正极排气是包含正极气体、通过电极反应而产生的水蒸气等的混合气体。
正极压缩机23设置于正极气体供给通路21的前端。正极压缩机23取入作为正极气体的空气，向燃料电池堆1供给正极气体。
正极流量传感器24设置于比正极压缩机23更靠下游的正极气体供给通路21。正极流量传感器24检测供给到燃料电池堆1的正极气体的流量。
正极压力传感器25设置于比正极流量传感器24更靠下游的正极气体供给通路21。正极压力传感器25配置于燃料电池堆1的正极气体入口部的附近。正极压力传感器25检测供给到燃料电池堆1的正极气体的压力。由正极压力传感器25检测出的正极气体压力代表包括燃料电池堆1的正极气体流路131等在内的整个正极***的压力。
正极压力调节阀26设置于正极气体排出通路22。正极压力调节阀26由控制器60来控制开闭，对供给到燃料电池堆1的正极气体的压力进行调整。
接着，说明负极气体供排装置3。
负极气体供排装置3向燃料电池堆1供给负极气体，并且将从燃料电池堆1排出的负极排气排出到正极气体排出通路22。负极气体供排装置3具备高压罐31、负极气体供给通路32、负极压力调节阀33、负极流量传感器34、负极压力传感器35、负极气体排出通路36以及放气阀37。负极气体供排装置3还具备将负极气体供给通路32与负极气体排出通路36连接的回流通路38以及设置于回流通路38的回流泵39。
高压罐31是将要向燃料电池堆1供给的负极气体保持为高压状态来贮存的容器。
负极气体供给通路32是将从高压罐31排出的负极气体供给到燃料电池堆1的通路。负极气体供给通路32的一端连接于高压罐31，另一端连接于燃料电池堆1的负极气体入口部。
负极压力调节阀33设置于比高压罐31更靠下游的负极气体供给通路32。负极压力调节阀33由控制器60来控制开闭，对供给到燃料电池堆1的负极气体的压力进行调整。
负极气体排出通路36是流通从燃料电池堆1排出的负极排气的通路。负极气体排出通路36的一端连接于燃料电池堆1的负极气体出口部，另一端连接于比正极压力调节阀26更靠下游的正极气体排出通路22。
放气阀37设置于负极气体排出通路36。放气阀37由控制器60来控制开闭，对从负极气体排出通路36排出到正极气体排出通路22的负极排气的放气流量进行控制。
当执行放气阀37为开阀状态的放气控制时，负极排气通过负极气体排出通路36和正极气体排出通路22排出到外部。此时，负极排气在正极气体排出通路22内与正极排气混合。通过像这样使负极排气与正极排气混合后排出到外部，混合气体中的氢浓度被设定为排出容许浓度以下的值。
回流通路38是向负极气体供给通路32流通负极气体排出通路36的负极排气的通路。回流通路38的一端连接于负极气体出口部与放气阀37之间的负极气体排出通路36，回流通路38的另一端连接于负极气体入口部与负极压力调节阀33之间的负极气体供给通路32。
回流通路38上设置有回流泵39。回流泵39使从燃料电池堆1排出的负极排气通过回流通路38回流到负极气体供给通路32。这样，回流通路38和回流泵39构成将从燃料电池堆1排出的负极排气再次供给到燃料电池堆1的循环机构。
负极流量传感器34设置于比回流通路38的连接部更靠下游的负极气体供给通路32。负极流量传感器34检测供给到燃料电池堆1的负极气体的循环流量。
负极压力传感器35设置于比负极流量传感器34更靠下游的负极气体供给通路32。负极压力传感器35检测供给到燃料电池堆1的负极气体的压力。由负极压力传感器35检测出的负极气体压力代表包括燃料电池堆1的负极气体流路121等在内的整个负极***的压力。
堆冷却装置4是利用作为防冻液等的冷却水对燃料电池堆1进行冷却、将燃料电池堆1调整为适于发电的温度的温度调整装置。堆冷却装置4具备循环通路41、散热器42、旁路通路43、三通阀44、循环泵45、入口水温传感器46以及出口水温传感器47。
循环通路41构成使冷却水循环的环状通路。循环通路41的一端连接于燃料电池堆1的冷却水入口部，另一端连接于燃料电池堆1的冷却水出口部。
散热器42设置于循环通路41。散热器42是将从燃料电池堆1排出的冷却水的热散出到外部的热交换器。
旁路通路43是绕过散热器42地流通冷却水的通路。旁路通路43的一端连接于比散热器42更靠上游的循环通路41，另一端连接于比散热器42更靠下游的循环通路41上设置的三通阀44。
三通阀44根据冷却水的温度来切换冷却水的循环路径。具体地说，在冷却水温度高于规定温度的情况下，三通阀44以使从燃料电池堆1排出的冷却水通过散热器42再次供给到燃料电池堆1的方式进行切换。与此相对，在冷却水温度低于规定温度的情况下，三通阀44以使从燃料电池堆1排出的冷却水流过旁路通路43来再次供给到燃料电池堆1的方式进行切换。
循环泵45设置于比三通阀44更靠下游的循环通路41，使冷却水循环。
入口水温传感器46设置于燃料电池堆1的冷却水入口部附近的循环通路41，出口水温传感器47设置于燃料电池堆1的冷却水出口部附近的循环通路41。入口水温传感器46检测流入燃料电池堆1的冷却水的温度，出口水温传感器47检测从燃料电池堆1排出的冷却水的温度。根据由入口水温传感器46检测出的入口水温和由出口水温传感器47检测出的出口水温而计算出的平均水温即为燃料电池堆1的内部温度、所谓的堆温度。
电力***5具备电流传感器51、电压传感器52、行驶马达53、逆变器54、蓄电池55以及DC/DC转换器56。
电流传感器51检测从燃料电池堆1取出的输出电流。电压传感器52检测燃料电池堆1的输出电压、也就是说燃料电池堆1的端子间电压。
行驶马达53是三相交流同步马达，是用于驱动车轮的驱动源。行驶马达53具有作为电动机的功能和作为发电机的功能，该作为电动机的功能是从燃料电池堆1和蓄电池55接受电力的供给来进行旋转驱动，该作为发电机的功能是通过被外力驱动旋转来进行发电。
逆变器54由IGBT等多个半导体开关构成。逆变器54的半导体开关由控制器60来控制开关，由此将直流电力变换为交流电力，或者将交流电力变换为直流电力。在使行驶马达53作为电动机而发挥功能的情况下，逆变器54将燃料电池堆1的输出电力与蓄电池55的输出电力的合成直流电力变换为三相交流电力并供给到行驶马达53。与此相对，在使行驶马达53作为发电机而发挥功能的情况下，逆变器54将行驶马达53的再生交流电力变换为直流电力并供给到蓄电池55。
构成为对蓄电池55充入燃料电池堆1的输出电力的剩余部分和行驶马达53的再生电力。充入到蓄电池55的电力根据需要被供给到正极压缩机25等辅机类、行驶马达53。
DC/DC转换器56是使燃料电池堆1的输出电压升降的双向性的电压变换机。通过利用DC/DC转换器56对燃料电池堆1的输出电压进行控制，来调整燃料电池堆1的输出电流等。
控制器60由具备中央运算装置(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)以及输入输出接口(I/O接口)的微计算机构成。除了来自正极流量传感器24、负极流量传感器34等各种传感器的信号以外，来自检测加速踏板的踏下量的加速行程传感器7等检测车辆运转状态的传感器的信号也被输入到控制器60。
控制器60根据燃料电池***100的运转状态来控制负极压力调节阀33和回流泵39，由此调整负极气体的压力和循环流量，并且，控制正极压力调节阀26和正极压缩机23，由此调整正极气体的压力和流量。
另外，控制器60基于燃料电池***100的运转状态来计算燃料电池堆1的目标输出电力。控制器60基于行驶马达53的要求电力、辅机类的要求电力、蓄电池55的充放电要求等来计算目标输出电力。控制器60基于目标输出电力，参照预先决定的燃料电池堆1的电流电压特性来计算燃料电池堆1的目标输出电流。然后，控制器60使用DC/DC转换器56，以使燃料电池堆1的输出电流为目标输出电流的方式控制燃料电池堆1的输出电压。
在上述的燃料电池***100的燃料电池堆1中，当各燃料电池10的电解质膜111的湿润度(含水量)变得过高或过低时，发电性能降低。为了使燃料电池堆1高效地发电，将燃料电池堆1的电解质膜111维持为适度的湿润度是重要的。因此，在燃料电池***100中，以使燃料电池堆1的湿润状态为适于发电的状态的方式，对正极气体流量和负极气体循环流量进行控制。
正极气体流量控制主要由正极压缩机23来执行，正极压缩机23作为根据目标正极气体流量来控制正极气体流量的正极气体流量控制部而发挥功能。另外，负极气体循环流量控制主要由回流泵39来执行，回流泵39作为根据目标负极气体循环流量来控制负极气体循环流量的负极气体流量控制部而发挥功能。
例如，在使正极气体流量增加的情况下，从燃料电池堆1排出的水分与正极气体一起增加，因此电解质膜111的湿润度降低。由此，能够向烘干侧调整燃料电池堆1的湿润度。与此相对，在使正极气体流量减少的情况下，从燃料电池堆1排出的水分与正极气体一起减少，因此电解质膜111的湿润度增加。由此，能够向润湿侧调整燃料电池堆1的湿润度。
另一方面，负极气体被从正极气体流路131(参照图2)的下游侧经由电解质膜111泄漏过来的水分所加湿。当使像这样被加湿的负极气体的循环流量增加时，负极气体所包含的水分容易从负极气体流路121(参照图2)的上游遍及到下游，从而能够提高燃料电池堆1的电解质膜111的湿润度。由此，能够向润湿侧调整燃料电池堆1的湿润度。与此相对，在使负极气体循环流量减少的情况下，电解质膜111的湿润度降低。由此，能够向烘干侧调整燃料电池堆1的湿润度。
此外，燃料电池***100也可以构成为通过不仅控制正极气体流量和负极气体循环流量、还控制正极气体压力、冷却水温度等，来调整燃料电池堆1的湿润度。
另外，本申请发明人们发现：关于燃料电池堆1的湿润控制，在正极气体流量多的情况下，即使变更负极气体循环流量，也几乎无法通过负极气体循环流量控制来调整燃料电池堆1的湿润度。
图4是表示负极气体与正极气体的流量比同从燃料电池堆1排出的正极气体的相对湿度之间的关系的特性图。正极气体相对湿度是表示从燃料电池堆1排出的正极气体所包含的水分量的指标。正极气体相对湿度越低，则燃料电池堆1的电解质膜111成为越润湿的状态。本申请发明人们发现，在正极气体相对湿度与将负极气体流量(循环流量)除以正极气体流量而得到的流量比之间，存在如图4所示的关系。
也就是说，在基于负极气体循环流量控制来执行湿润控制的情况下，在负极气体循环流量小、流量比小的区域(虚线区域)，正极气体相对湿度几乎不变化，几乎无法调整燃料电池堆1的湿润度。与此相对，在流量比大的区域，能够根据流量比来变更正极气体相对湿度，从而能够调整燃料电池堆1的湿润度。根据本申请发明人们所发现的认知，在控制负极气体循环流量来调整燃料电池堆1的湿润度的情况下，例如需要将正极气体流量抑制得尽可能少，来将流量比设定得大。
因此，燃料电池***100基于上述的认知而构成为能够通过负极气体循环流量和正极气体流量的控制来适当地控制燃料电池堆1的湿润度。
负极气体循环流量和正极气体流量的控制是基于控制器60根据燃料电池堆1的运转状态计算出的目标负极气体循环流量和目标正极气体流量而执行的。而且，回流泵39根据目标负极气体循环流量来控制供给到燃料电池堆1的负极气体的流量，正极压缩机23根据目标正极气体流量来控制供给到燃料电池堆1的正极气体的流量。
接着，参照图5来说明控制器60所执行的气体流量计算处理。图5是表示燃料电池***100所具备的控制器60的结构的框图。
如图5所示，控制器60具备：湿润目标值计算部61，其计算燃料电池堆1的湿润状态的目标值即湿润目标值；气体要求流量计算部63，其基于对燃料电池堆1的发电要求来计算正极气体要求流量和负极气体要求循环流量；以及气体流量计算部62，其基于湿润目标值、正极气体要求流量以及负极气体要求循环流量来计算目标负极气体流量和目标正极气体流量。
湿润目标值计算部61由基本湿润值计算部61A、减法部61B、PI控制执行部61C以及加法部61D构成。
基本湿润值计算部61A基于燃料电池堆1的内部阻抗(HFR)的目标值来计算基本湿润值。HFR目标值越大，则基本湿润值被设定为越小的值。
此外，在燃料电池堆1的内部阻抗(HFR)与燃料电池堆1的电解质膜111的湿润度之间存在相关关系。湿润度越低、也就是说电解质膜111越干，则燃料电池堆1的内部阻抗为越大的值。燃料电池堆1的发电负荷越大，则HFR目标值被设定为越小的值。另外，以如下方式对HFR目标值进行校正：在燃料电池堆1的发电负荷相同的情况下，堆温度越高则HFR目标值为越小的值。
减法部61B从HFR目标值减去燃料电池堆1的内部阻抗的测量值，来计算HFR目标值与HFR测量值之差(HFR偏差)。HFR测量值是基于由电流传感器51检测出的燃料电池堆1的输出电流和由电压传感器52检测出的燃料电池堆1的输出电压而计算出的。
PI控制执行部61C基于由减法部61B计算出的HFR偏差来计算反馈校正值。
加法部61D将基本湿润值与反馈校正值相加，来计算湿润目标值。湿润目标值与燃料电池堆1的湿润度的目标值相当，根据该湿润目标值来执行燃料电池堆1的湿润控制。
这样，湿润目标值计算部61构成为基于HFR目标值和HFR测量值来计算湿润目标值。湿润目标值计算部61对湿润目标值的计算方法是一个例子，也可以使用其它方法来计算湿润目标值。
气体要求流量计算部63基于对燃料电池堆1的发电要求来计算正极气体要求流量Qc(参照图8)和负极气体要求循环流量Qa(参照图9)。
气体流量计算部62基于正极气体要求流量Qc、负极气体要求循环流量Qa、由湿润目标值计算部61计算出的湿润目标值来计算目标负极气体循环流量和目标正极气体流量。气体流量计算部62以使燃料电池堆1的湿润度为适于运转状态的状态的方式运算目标负极气体循环流量和目标正极气体流量。
接着，参照图6至图10来说明控制器60的气体流量计算部62所执行的烘干控制时的目标负极气体循环流量和目标正极气体流量的计算处理。
图6是表示烘干控制时的气体流量计算部62中的目标负极气体循环流量和目标正极气体流量的计算处理的图。图7是表示湿润控制用负极气体流量计算部70中的计算处理的图。图8是基于对燃料电池堆1的发电要求的正极气体要求流量Qc的特性图。图9是基于对燃料电池堆1的发电要求的负极气体要求循环流量Qa的特性图。图10是表示湿润控制用正极气体流量计算部80中的计算处理的图。
如图6所示，控制器60的气体流量计算部62由湿润控制用负极气体流量计算部70、目标负极气体流量设定部91、湿润控制用正极气体流量计算部80以及目标正极气体流量设定部92构成。
在使燃料电池堆1的湿润度降低的烘干控制时，湿润控制用负极气体流量计算部70基于由湿润目标值计算部61计算出的湿润目标值、正极气体压力的测量值、冷却水温度的测量值以及正极气体要求流量Qc来计算湿润控制用负极气体循环流量Qwa。此外，控制器60例如通过将当前的湿润目标值与上一次的值进行比较来判断是烘干控制时还是润湿控制时。
如图7所示，湿润控制用负极气体流量计算部70具备加法部71、除法部72、正极气体相对湿度计算部73、流量比计算部74以及乘法部75。
湿润控制用负极气体流量计算部70在加法部71中将湿润目标值与根据图8求出的正极气体要求流量Qc相加，在除法部72中将湿润目标值除以该相加值，由此计算正极气体湿润状态值。
湿润控制用负极气体循环流量Qwa的计算中使用的正极气体要求流量Qc是参照图8所示的特性图、根据基于车辆运转状态而求出的对燃料电池堆1的发电要求、也就是说从燃料电池堆1取出的发电电流而计算出的。
如图8所示，正极气体要求流量Qc在发电电流为0至I1时为固定值，在发电电流为I1以上时为随着发电电流的增加而变大的值。正极气体要求流量Qc是根据对燃料电池堆1的发电要求而规定的，例如在燃料电池堆1以正常状态发电时规定为所需最低限度的正极气体流量。该正常状态除了包括燃料电池堆1的湿润度被控制为适当的范围内的状态以外，还包括防止了液泛的产生的状态、正极压缩机23的转速不低于最低转速的状态等。
湿润控制用负极气体流量计算部70的正极气体相对湿度计算部73将正极气体压力的测量值与由除法部72计算出的正极气体湿润状态值相乘，将其相乘值除以根据冷却水温度的测量值而求出的饱和水蒸气压力，由此计算出正极气体相对湿度。正极气体相对湿度如图4中所说明的那样，是表示从燃料电池堆1排出的正极气体所包含的水分量的指标。
此外，在正极气体相对湿度计算部73中使用的正极气体压力的测量值是基于正极压力传感器25的检测值而计算出的，冷却水温度的测量值是基于入口水温传感器46和出口水温传感器47的检测值而计算出的。另外，也可以使用正极气体压力和冷却水温度的估计值来代替使用正极气体压力和冷却水温度的测量值。
流量比计算部74参照图4中说明的流量比-正极气体相对湿度特性图，基于由正极气体相对湿度计算部73计算出的正极气体相对湿度来计算湿润控制所需的流量比。由流量比计算部74计算出的流量比是负极气体循环流量相对于正极气体流量的比例。
乘法部75将由流量比计算部74计算出的流量比与加法部71中使用的正极气体要求流量Qc相乘，由此计算出湿润控制用负极气体循环流量Qwa。
此外，湿润控制用负极气体流量计算部70也可以构成为：不使用正极气体压力和冷却水温度，而根据湿润目标值和正极气体要求流量来计算正极气体相对湿度，使用该正极气体相对湿度来计算湿润控制用负极气体循环流量。
如图6所示，气体流量计算部62在目标负极气体流量设定部91中，将如上所述那样计算出的湿润控制用负极气体循环流量Qwa与根据对燃料电池堆1的发电要求而求出的负极气体要求循环流量Qa进行比较，将这些流量中的较大一方设定为烘干控制时的目标负极气体循环流量Qta。
在设定目标负极气体循环流量Qta时使用的负极气体要求循环流量Qa是参照图9所示的特性图、根据基于车辆运转状态而求出的对燃料电池堆1的发电要求、也就是说从燃料电池堆1取出的发电电流而计算出的。
如图9所示，负极气体要求循环流量Qa在发电电流为0至I2时为固定值，在发电电流为I2以上时为随着发电电流的增加而变大的值。负极气体要求循环流量Qa是根据对燃料电池堆1的发电要求而规定的，例如在燃料电池堆1以正常状态发电时规定为所需最低限度的负极气体循环流量。该正常状态除了包括燃料电池堆1的湿润度被控制为适当的范围内的状态以外，还包括防止了液泛的产生的状态、回流泵39的转速不低于最低转速的状态等。
另一方面，在烘干控制时，湿润控制用正极气体流量计算部80基于由湿润目标值计算部61计算出的湿润目标值、正极气体压力的测量值、冷却水温度的测量值以及负极气体循环流量的测量值来计算湿润控制用正极气体流量Qwc。
如图10所示，湿润控制用正极气体流量计算部80具备加法部81、第一除法部82、正极气体相对湿度计算部83、流量比计算部84以及第二除法部85。
湿润控制用正极气体流量计算部80在加法部81中将湿润目标值与目标正极气体流量Qtc的上一次的值相加，在第一除法部82中将湿润目标值除以该相加值，由此计算出正极气体湿润状态值。在正极气体湿润状态值的计算中，也可以使用正极气体流量的测量值来代替目标正极气体流量Qtc的上一次的值。
湿润控制用正极气体流量计算部80的正极气体相对湿度计算部83将正极气体压力的测量值与由第一除法部82计算出的正极气体湿润状态值相乘，将其相乘值除以根据冷却水温度的测量值而求出的饱和水蒸气压力，由此计算出正极气体相对湿度。此外，也可以使用正极气体压力和冷却水温度的估计值来代替使用正极气体压力和冷却水温度的测量值。
流量比计算部84参照图4中说明的流量比-正极气体相对湿度特性图，基于由正极气体相对湿度计算部83计算出的正极气体相对湿度来计算湿润控制所需的流量比。由流量比计算部84计算出的流量比是负极气体循环流量相对于正极气体流量的比例。
第二除法部85将负极气体循环流量的测量值除以由流量比计算部84计算出的流量比，由此计算出湿润控制用正极气体流量Qwc。此外，负极气体循环流量的测量值是基于负极流量传感器34的检测值而计算出的。另外，也可以不使用负极气体循环流量的测量值，而使用负极气体循环流量的估计值。
此外，湿润控制用正极气体流量计算部80也可以构成为：不使用正极气体压力和冷却水温度，而是根据湿润目标值和目标正极气体流量Qtc的上一次的值或正极气体流量的测量值(估计值)来计算正极气体相对湿度，使用该正极气体相对湿度来计算湿润控制用正极气体流量。
如图6所示，气体流量计算部62在目标正极气体流量设定部92中将如上所述那样计算出的湿润控制用正极气体流量Qwc与根据对燃料电池堆1的发电要求而求出的正极气体要求流量Qc(参照图8)进行比较，将这些流量中的较大一方设定为烘干控制时的目标正极气体流量Qtc。
这样，在气体流量计算部62中，烘干控制时的湿润控制用负极气体循环流量Qwa是至少基于湿润目标值和在燃料电池堆1以正常状态发电时需要的正极气体要求流量Qc而计算出的。另一方面，烘干控制时的湿润控制用正极气体流量Qwc是至少基于湿润目标值和负极气体循环流量的测量值或估计值而计算出的。也就是说，以如下方式计算出烘干控制时的湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量：在无法基于负极气体循环流量控制向烘干侧控制湿润度的情况下，通过正极气体流量控制来补充烘干控制的不足量。通过像这样计算两个气体流量，能够如参照图14在后面叙述的那样，使基于负极气体循环流量控制的烘干控制比基于正极气体流量控制的烘干控制具有优越性。
接着，参照图11～图13来说明控制器60的气体流量计算部62所执行的润湿控制时的目标负极气体循环流量和目标正极气体流量的计算处理。
图11是表示润湿控制时的气体流量计算部62中的目标负极气体循环流量和目标正极气体流量的计算处理的图。图12是表示湿润控制用负极气体流量计算部70中的计算处理的图。图13是表示湿润控制用正极气体流量计算部80中的计算处理的图。
如图11和图12所示，在使燃料电池堆1的湿润度增加的润湿控制时，气体流量计算部62的湿润控制用负极气体流量计算部70基于湿润目标值、正极气体压力的测量值、冷却水温度的测量值以及正极气体流量的测量值来计算湿润控制用负极气体循环流量Qwa。图12所示的湿润控制用负极气体流量计算部70中的各计算处理除了使用正极气体流量的测量值来代替正极气体要求流量Qc这一点以外，其它与图7所示的计算处理相同。这样，湿润控制用负极气体流量计算部70在烘干控制时使用正极气体要求流量Qc来计算湿润控制用负极气体循环流量Qwa，与此相对，在润湿控制时使用正极气体流量的测量值来计算湿润控制用负极气体循环流量Qwa。
此外，在润湿控制时的湿润控制用负极气体循环流量的计算中，也可以使用正极气体压力、冷却水温度以及正极气体流量的估计值来代替正极气体压力、冷却水温度以及正极气体流量的测量值。湿润控制用负极气体流量计算部70也可以构成为：不使用正极气体压力和冷却水温度，而是根据湿润目标值和供给到燃料电池堆1的正极气体流量的测量值或估计值来计算正极气体相对湿度，使用该正极气体相对湿度来计算湿润控制用负极气体循环流量。
如图11所示，气体流量计算部62在目标负极气体流量设定部91中，将如上所述那样计算出的湿润控制用负极气体循环流量Qwa与根据对燃料电池堆1的发电要求而求出的负极气体要求循环流量Qa(参照图9)进行比较，将这些流量中的较大一方设定为润湿控制时的目标负极气体循环流量Qta。
另一方面，如图11和图13所示，在润湿控制时，湿润控制用正极气体流量计算部80基于湿润目标值、正极气体压力的测量值、冷却水温度的测量值以及根据对燃料电池堆1的发电要求而求出的负极气体要求循环流量Qa(参照图9)来计算湿润控制用正极气体流量Qwc。图13所示的湿润控制用正极气体流量计算部80中的各计算处理除了使用负极气体要求循环流量Qa来代替负极气体循环流量的测量值这一点以外，其它与图10所示的计算处理相同。这样，湿润控制用正极气体流量计算部80在烘干控制时使用负极气体循环流量的测量值来计算湿润控制用正极气体流量Qwc，与此相对，在润湿控制时使用负极气体要求循环流量Qa来计算湿润控制用正极气体流量Qwc。
此外，在润湿控制时的湿润控制用正极气体流量的计算中，也可以使用正极气体压力和冷却水温度的估计值来代替使用正极气体压力和冷却水温度的测量值。
如图11所示，气体流量计算部62在目标正极气体流量设定部92中，将如上所述那样计算出的湿润控制用正极气体流量Qwc与根据对燃料电池堆1的发电要求而求出的正极气体要求流量Qc(参照图8)进行比较，将这些流量中的较大一方设定为润湿控制时的目标正极气体流量Qtc。
这样，在气体流量计算部62中，润湿控制时的湿润控制用正极气体流量Qwc是至少基于湿润目标值和在燃料电池堆1以正常状态发电时需要的负极气体要求循环流量Qa而计算出的。另一方面，润湿控制时的湿润控制用负极气体循环流量Qwa是至少基于湿润目标值和正极气体流量的测量值或估计值而计算出的。也就是说，以如下方式计算出润湿控制时的湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量：在无法基于正极气体流量控制向润湿侧控制湿润度的情况下，通过负极气体循环流量控制来补充润湿控制的不足量。通过像这样计算两气体流量，能够如参照图14在后面叙述的那样，使基于正极气体流量控制的润湿控制比基于负极气体循环流量控制的润湿控制具有优越性。
接着，参照图14来说明本实施方式的燃料电池***100中的湿润控制，并且参照图15来说明参考例的燃料电池***中的湿润控制。
如图15所示，在参考例的燃料电池***中，在时刻t0～t2的期间，根据湿润目标值来执行润湿控制。
在时刻t0～t1，保持正极气体流量多的状态来使负极气体循环流量增加(流量比变小)，因此即使使负极气体循环流量增加也无法向润湿侧控制湿润度。因而，HFR测量值(虚线)几乎不减少，大幅偏离于HFR目标值(实线)。在时刻t1以后正极气体流量降低，由此HFR测量值向HFR目标值收敛。这样，在正极气体流量多的状态下，即使使负极气体循环流量增加，也无法有效地执行润湿控制。
另外，在参考例的燃料电池***中，在时刻t3～t5的期间，根据湿润目标值来执行烘干控制。
在时刻t3～t4，通过增大正极气体流量来执行烘干控制，HFR测量值(虚线)跟随HFR目标值(实线)。然而，在时刻t4～t5，在正极气体流量多的状态下使负极气体循环流量降低(流量比变小)，因此即使使负极气体循环流量降低也无法向烘干侧控制湿润度。因而，HFR测量值几乎不增加，开始偏离于HFR目标值。这样，在正极气体流量多的状态下，即使使负极气体循环流量降低，也无法有效地执行烘干控制。
另一方面，如图14所示，在燃料电池***100中，在时刻t0～t2的期间，根据湿润目标值来执行润湿控制。
在润湿控制时，湿润控制用正极气体流量Qwc是至少基于湿润目标值和在燃料电池堆1以正常状态发电时需要的负极气体要求循环流量Qa而计算出的，湿润控制用负极气体循环流量Qwa是至少基于湿润目标值和正极气体流量的测量值而计算出的。也就是说，以如下方式计算出润湿控制时的湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量：通过负极气体循环流量控制来补充基于正极气体流量控制的润湿控制的不足量。利用这些湿润控制用正极气体流量Qwc和湿润控制用负极气体循环流量Qwa来设定目标正极气体流量和目标负极气体循环流量，由此基于正极气体流量控制的润湿控制比基于负极气体循环流量控制的润湿控制优越地发挥功能。由此，只要能够执行基于正极气体流量减少的润湿控制，就能抑制基于负极气体循环流量增大的润湿控制的执行。
因而，在时刻t0～t1的期间，将负极气体循环流量维持为低流量并减少正极气体流量，先行执行基于正极气体流量控制的润湿控制。在仅以正极气体流量的减少控制无法执行润湿控制的时刻t1以后，增大负极气体循环流量，来执行基于负极气体循环流量控制的润湿控制。此时，正极气体流量被抑制得低，负极气体循环流量相对于正极气体流量的比变大，因此能够通过负极气体循环流量的增大控制来加湿燃料电池堆1的电解质膜111。由此，HFR测量值在t1以后也跟随HFR目标值而不偏离于HFR目标值。
此外，HFR具有燃料电池堆1的电解质膜111越润湿则越难以变化的倾向，因此时刻t1～t2的HFR的变化量比时刻t0～t1的HFR的变化量小。
这样，燃料电池***100构成为：在无法基于正极气体流量控制向润湿侧控制湿润度的情况下通过负极气体循环流量控制来补充润湿控制的不足量。因而，根据燃料电池***100，能够以不会无用地控制负极气体循环流量、正极气体流量的方式，适当地向润湿侧调整燃料电池堆1的湿润度。
另外，在燃料电池***100中，在时刻t3～t5的期间，根据湿润目标值来执行烘干控制。
在烘干控制时，湿润控制用负极气体循环流量Qwa是至少基于湿润目标值和在燃料电池堆1以正常状态发电时需要的正极气体要求流量Qc而计算出的，湿润控制用正极气体流量Qwc是至少基于湿润目标值和负极气体循环流量的测量值而计算出的。也就是说，以如下方式计算出烘干控制时的湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量：通过正极气体流量控制来补充基于负极气体循环流量控制的烘干控制的不足量。利用这些湿润控制用正极气体流量Qwc和湿润控制用负极气体循环流量Qwa来设定目标正极气体流量和目标负极气体循环流量，由此基于负极气体循环流量控制的烘干控制比基于正极气体流量控制的烘干控制优越地发挥功能。由此，只要能够执行基于负极气体循环流量减少的烘干控制，就抑制基于正极气体流量增大的烘干控制的执行。
因而，在时刻t3～t4的期间，在将正极气体流量抑制得低的状态下减少负极气体循环流量，先行执行基于负极气体循环流量控制的烘干控制。在仅以负极气体循环流量的减少控制无法执行烘干控制的时刻t4以后，增大正极气体流量，执行基于正极气体流量控制的烘干控制。这样，在负极气体循环流量的减少控制之后执行正极气体流量的增大控制，因此能够通过这些气体流量控制来使燃料电池堆1的电解质膜111适当地烘干。由此，HFR测量值跟随HFR目标值而不偏离于HFR目标值。
这样，燃料电池***100构成为：在无法基于负极气体循环流量控制向烘干侧控制湿润度的情况下，通过正极气体流量控制来补充烘干控制的不足量。因而，根据燃料电池***100，能够以不会无用地控制负极气体循环流量、正极气体流量的方式，适当地向烘干侧调整燃料电池堆1的湿润度。
在图14中，说明了湿润目标值缓慢变化的情况下的湿润控制。然而，根据车辆的运转状态不同，湿润目标值有时会急剧变化。下面，参照图16来说明在时刻t6和时刻t7湿润目标值急增的情况下的润湿控制。
如前所述，在燃料电池***100中，以如下方式计算出湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量：只要能够调整正极气体流量来执行润湿控制，就抑制基于负极气体循环流量控制的润湿控制的执行。
因而，在时刻t6湿润目标值急增的情况下，对正极气体流量进行减少控制，并且暂时对负极气体循环流量进行增大控制以补充实际的正极气体流量相对于目标正极气体流量的响应延迟量。这样，仅以正极气体流量控制无法向润湿侧调整湿润度的部分被基于负极气体循环流量控制的润湿控制所补充。其结果，即使在湿润目标值急增的情况下，也能够将HFR测量值(虚线)相对于HFR目标值(实线)的偏离抑制为最小限度。
在时刻t6之后在时刻t7湿润目标值急增的情况下，正极气体流量已变为低流量而无法进一步减少，因此通过对负极气体循环流量进行增大控制来执行润湿控制。在基于负极气体循环流量控制的润湿控制时正极气体流量低，因此HFR测量值(虚线)虽然具有少许响应延迟，但是逐渐向HFR目标值(实线)收敛。
此外，在燃料电池***100中湿润目标值急减的情况下，仅以负极气体循环流量控制无法向烘干侧调整湿润度的部分被基于正极气体流量控制的烘干控制所补充。其结果，即使在湿润目标值急减的情况下，也能够有效地执行烘干控制。
根据上述的本实施方式的燃料电池***100，能够得到以下的效果。
燃料电池***100具备：湿润目标值计算部61，其计算燃料电池堆1的湿润状态的目标值；气体要求流量计算部63，其基于对燃料电池堆1的发电要求来计算正极气体要求流量；湿润控制用负极气体流量计算部70，其在烘干控制时至少基于湿润目标值和正极气体要求流量来计算湿润控制用负极气体循环流量；以及回流泵39(负极气体流量控制部)，其基于湿润控制用负极气体循环流量来控制负极气体循环流量。燃料电池***100还具备：湿润控制用正极气体流量计算部80，其在烘干控制时至少基于湿润目标值和负极气体循环流量的测定值或估计值来计算湿润控制用正极气体流量；以及正极压缩机23(正极气体流量控制部)，其基于正极气体要求流量和湿润控制用正极气体流量来控制正极气体流量。根据这种燃料电池***100，能够通过正极气体流量控制来补充基于负极气体循环流量控制的烘干控制的不足量，从而能够如图14所示那样向烘干侧适当地控制燃料电池堆1的湿润度。
另一方面，在润湿控制时，气体要求流量计算部63基于对燃料电池堆1的发电要求来计算负极气体要求循环流量，湿润控制用正极气体流量计算部80至少基于湿润目标值和负极气体要求循环流量来计算湿润控制用正极气体流量。此时，湿润控制用负极气体流量计算部70至少基于湿润目标值和正极气体流量的测定值或估计值来计算湿润控制用负极气体循环流量。根据这种燃料电池***100，能够通过负极气体循环流量控制来补充基于正极气体流量控制的润湿控制的不足量，从而能够如图14所示那样向润湿侧适当地控制燃料电池堆1的湿润度。
如上所述，根据燃料电池***100，能够适当地执行燃料电池堆1的湿润控制，因此不会无用地控制负极气体循环流量、正极气体流量。因而，在湿润控制时能够使回流泵39、正极压缩机23高效地动作，从而能够改善燃料电池***100中的电力消耗性能。
在以与上述不同的角度来看燃料电池***100的情况下，燃料电池***100具备：回流泵39，其根据目标负极气体循环流量来控制负极气体循环流量；以及正极压缩机23，其根据目标正极气体流量来控制正极气体流量。另外，燃料电池***100还具备：湿润目标值计算部61，其计算燃料电池堆1的湿润状态的目标值；以及气体要求流量计算部63，其基于对燃料电池堆1的发电要求来计算正极气体要求流量和负极气体要求循环流量。燃料电池***100还具备：湿润控制用正极气体流量计算部80，其在烘干控制时至少基于湿润目标值和负极气体循环流量的测定值或估计值来计算湿润控制用正极气体流量；湿润控制用负极气体流量计算部70，其在烘干控制时至少基于湿润目标值和正极气体要求流量来计算湿润控制用负极气体循环流量；目标正极气体流量设定部92，其基于正极气体要求流量和湿润控制用正极气体流量来设定目标正极气体流量；以及目标负极气体流量设定部91，其基于负极气体要求循环流量和湿润控制用负极气体循环流量来设定目标负极气体流量。以如下方式计算出烘干控制时的湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量：通过正极气体流量控制来补充基于负极气体循环流量控制的烘干控制的不足量。使用这些湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量来设定目标负极气体循环流量和目标正极气体流量，由此能够使基于负极气体循环流量控制的烘干控制比基于正极气体流量控制的烘干控制具有优越性，从而能够如图14所示那样向烘干侧适当地控制燃料电池堆1的湿润度。
另一方面，在润湿控制时，湿润控制用负极气体流量计算部70至少基于湿润目标值和正极气体流量的测定值或估计值来计算湿润控制用负极气体循环流量，湿润控制用正极气体流量计算部80至少基于湿润目标值和负极气体要求循环流量来计算湿润控制用正极气体流量。以如下方式计算出润湿控制时的湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量：通过负极气体循环流量控制来补充基于正极气体流量控制的润湿控制的不足量。使用这些湿润控制用负极气体循环流量和湿润控制用正极气体流量来设定目标负极气体循环流量和目标正极气体流量，由此能够使基于正极气体流量控制的润湿控制比基于负极气体循环流量控制的润湿控制具有优越性，从而能够如图14所示那样向润湿侧适当地控制燃料电池堆1的湿润度。
根据上述的燃料电池***100，也能够在湿润控制时使回流泵39、正极压缩机23高效地动作，从而能够改善燃料电池***100中的电力消耗性能。
以上，说明了本发明的实施方式，但是上述实施方式不过示出了本发明的应用例的一部分，其宗旨并不是将本发明的保护范围限定于上述实施方式的具体结构。
参照图17和图18来说明变形例的燃料电池***100。图17表示无法进行正极气体流量控制的情况下的烘干控制时的目标负极气体循环流量的计算处理。图18表示无法进行负极气体循环流量控制的情况下的润湿控制时的目标正极气体流量的计算处理。
在燃料电池***100中，在正极压缩机23发生异常等情况下，有时会变得无法进行正极气体流量控制。在这种情况下，在烘干控制时的湿润控制用负极气体循环流量的计算时，湿润控制用负极气体流量计算部70使用正极气体流量的测量值或估计值，来代替使用根据图8求出的正极气体流量Qc。也就是说，如图17所示，湿润控制用负极气体流量计算部70基于湿润目标值、正极气体压力的测量值、冷却水温度的测量值以及正极气体流量的测量值(估计值)来计算烘干控制时的湿润控制用负极气体循环流量Qwa。此外，在无法进行正极气体流量控制时，也可以停止气体流量计算部62中的目标正极气体流量Qtc的计算。
这样，在无法控制正极气体流量的情况下，基于使用供给到燃料电池堆1的实际的正极气体流量而求出的湿润控制用负极气体循环流量Qwa来计算目标负极气体循环流量Qta，因此能够执行适于正极气体流量控制***的异常状态的烘干控制。
并且，在燃料电池***100中，在回流泵39发生异常等情况下，有时会变得无法进行负极气体循环流量控制。在这种情况下，在润湿控制时的湿润控制用目标正极气体流量的计算时，湿润控制用正极气体流量计算部80使用负极气体循环流量的测量值或估计值，来代替使用根据图9求出的负极气体循环流量Qa。也就是说，如图18所示，湿润控制用正极气体流量计算部80基于湿润目标值、正极气体压力的测量值、冷却水温度的测量值以及负极气体循环流量的测量值(估计值)来计算湿润控制用正极气体流量Qwc。此外，在无法进行负极气体循环流量控制时，气体流量计算部62也可以停止目标负极气体循环流量Qta的计算。
这样，在无法控制负极气体循环流量的情况下，基于使用供给到燃料电池堆1的实际的负极气体循环流量而求出的湿润控制用正极气体流量Qwc来计算目标正极气体流量Qtc，因此能够执行适于负极气体循环流量控制***的异常状态的润湿控制。

Claims (6)

1.一种燃料电池***，具备：燃料电池，其接受负极气体和正极气体的供给来进行发电；以及循环机构，其构成为将从所述燃料电池排出的负极排气供给到该燃料电池，该燃料电池***还具备：
湿润目标值计算部，其计算所述燃料电池的湿润状态的目标值即湿润目标值；
气体要求流量计算部，其基于对所述燃料电池的发电要求来计算正极气体要求流量；
湿润控制用负极气体流量计算部，其在烘干控制时，至少基于所述湿润目标值和所述正极气体要求流量来计算湿润控制用负极气体循环流量；
负极气体流量控制部，其基于所述湿润控制用负极气体循环流量来控制负极气体循环流量；
湿润控制用正极气体流量计算部，其在烘干控制时，至少基于所述湿润目标值和负极气体循环流量的测定值或估计值来计算湿润控制用正极气体流量；以及
正极气体流量控制部，其基于所述正极气体要求流量和所述湿润控制用正极气体流量来控制正极气体流量。
2.根据权利要求1所述的燃料电池***，其特征在于，
所述负极气体流量控制部和所述正极气体流量控制部构成为，在烘干控制时，在负极气体循环流量的减少控制后，执行正极气体流量的增大控制。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池***，其特征在于，
所述气体要求流量计算部基于对所述燃料电池的发电要求来计算负极气体要求循环流量，
所述湿润控制用正极气体流量计算部在润湿控制时，至少基于所述湿润目标值和所述负极气体要求循环流量来计算所述湿润控制用正极气体流量，
所述湿润控制用负极气体流量计算部在润湿控制时，至少基于所述湿润目标值和正极气体流量的测定值或估计值来计算所述湿润控制用负极气体循环流量。
4.根据权利要求3所述的燃料电池***，其特征在于，
所述负极气体流量控制部和所述正极气体流量控制部构成为，在润湿控制时，在正极气体流量的减少控制后，执行负极气体循环流量的增大控制。
5.根据权利要求1或2所述的燃料电池***，其特征在于，
在烘干控制时所述正极气体流量控制部无法执行流量控制的情况下，所述湿润控制用负极气体流量计算部基于所述湿润目标值和正极气体流量的测定值或估计值来计算所述湿润控制用负极气体循环流量。
6.根据权利要求1或2所述的燃料电池***，其特征在于，
在润湿控制时所述负极气体流量控制部无法执行循环流量控制的情况下，所述湿润控制用正极气体流量计算部基于所述湿润目标值和负极气体循环流量的测定值或估计值来计算所述湿润控制用正极气体流量。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6187412B2 (ja) * 2014-08-08 2017-08-30 トヨタ自動車株式会社 燃料電池のアノードにおける液体の水の量を推定する方法
JP6899539B2 (ja) 2016-04-26 2021-07-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池システム
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5168848B2 (ja) * 2006-08-10 2013-03-27 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP5309603B2 (ja) * 2007-06-20 2013-10-09 日産自動車株式会社 燃料電池システム及びその運転方法
JP2009259758A (ja) * 2008-03-26 2009-11-05 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及び燃料電池の運転方法
JP2009289461A (ja) * 2008-05-27 2009-12-10 Toyota Motor Corp 燃料電池面内状態推定システム及び燃料電池面内状態推定方法
JP5581890B2 (ja) * 2010-08-20 2014-09-03 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法
JP5585412B2 (ja) * 2010-11-19 2014-09-10 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4868094B1 (ja) * 2011-01-28 2012-02-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN103563148B (zh) 2011-06-06 2016-04-27 日产自动车株式会社 燃料电池的湿润状态控制装置
JP5765064B2 (ja) * 2011-06-06 2015-08-19 日産自動車株式会社 燃料電池の湿潤状態制御装置
JP5812118B2 (ja) * 2012-01-10 2015-11-11 日産自動車株式会社 燃料電池システム
EP3587347A4 (en) * 2017-02-27 2020-01-22 Nec Corporation PROCESS FOR PRODUCING CARBON NANOCORNET AGGREGATES

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