JP2018014287A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の湿潤状態に基づいてバイパス弁を制御する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される酸化剤の不足を抑制すること。【解決手段】燃料電池の湿潤状態に基づいてバイパス弁の開閉を制御する湿潤バイパス弁制御を実行するバイパス弁制御部を有し、バイパス弁制御部は、燃料電池の発電に要求される酸化剤に対して燃料電池に供給される酸化剤が不足しているか又は不足する可能性がある酸化剤不足状態を判定する酸化剤不足状態判定部と、酸化剤不足状態と判定すると、バイパス弁を閉める方向に制御する強制バイパス弁閉塞制御を実行する強制バイパス弁閉塞制御部と、を備える燃料電池システムを提供する。【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

特許文献１には、コンプレッサから燃料電池システムに供給される酸化ガス（酸化剤）の一部を、燃料電池をバイパスするようにバイパス通路に流す燃料電池システムが提案されている。特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の水分状態が乾燥状態であり、且つコンプレッサモータの回転数が目標回転数より大きい場合に、バイパス通路に設けられる調整弁（バイパス弁）を所定開度開弁させる。

特開２０１０−１１４０３９号公報

特許文献１の燃料電池システムにおいて、コンプレッサが燃料電池の負荷に応じた目標通りに作動したとしても、燃料オフガスの希釈やターボサージ回避等の観点から、燃料電池に供給される酸化剤の供給流量が負荷の要求とは異なって制御されることがある。この結果、燃料電池に供給される酸化剤流量が適切に維持されず、燃料電池の湿潤状態が好適に保たれない恐れがある。

したがって、本発明は、燃料電池の湿潤状態に基づいてバイパス弁を制御する燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される酸化剤の不足を抑制することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料電池の湿潤状態に基づいてバイパス弁の開閉を制御する湿潤バイパス弁制御を実行するバイパス弁制御部が、燃料電池の発電に要求される酸化剤に対して燃料電池に供給される酸化剤が不足しているか又は不足する可能性がある状態としての酸化剤不足状態を判定し、酸化剤不足状態と判定すると、バイパス弁を閉める方向に制御する強制バイパス弁閉塞制御を実行する。

これによれば、湿潤バイパス弁制御の下で発電の要求に対して燃料電池に供給される酸化剤が不足し得る負荷変動が発生しても、バイパス弁を閉塞して燃料電池に実際に供給される酸化剤を増加させることができるので、燃料電池の酸化剤不足状態を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、第１実施形態のバイパス弁制御全体の流れを示すフローチャートである。 図３は、空気不足状態判定処理の詳細を示すフローチャートである。 図４は、湿潤要求空気流量の演算機能を示すブロック図である。 図５は、湿潤要求空気流量演算部の演算機能を説明するブロック図である。 図６は、発電要求空気流量の演算機能を示すブロック図である。 図７は、バイパス弁開閉実行処理の流れを示すフローチャートである。 図８は、湿潤バイパス弁制御について説明するブロック図である。 図９は、強制バイパス弁閉塞制御について説明するブロック図である。 図１０は、湿潤バイパス弁制御復帰処理の流れを示すフローチャートである。 図１１は、バイパス弁制御下におけるスタック供給空気流量の経時変化を概略的に示したグラフである。 図１２は、第２実施形態の空気不足状態判定処理の詳細を示すフローチャートである。 図１３は、推定スタック供給空気流量の演算機能を示すブロック図である。 図１４は、第２実施形態の強制バイパス弁閉塞制御の流れを示すフローチャートである。 図１５は、第２実施形態の強制バイパス弁閉塞制御部の機能を説明するブロック図である。 図１６は、第３実施形態の空気不足状態判定処理の詳細を示すフローチャートである。 図１７は、空気極反応抵抗を演算する流れを説明するフローチャートである。 図１８は、定常状態における内部インピーダンスの演算方法を説明する図である。 図１９は、燃料電池の等価回路モデルを示す図である。 図２０は、空気極反応抵抗の影響を無視した燃料電池の等価回路モデルを示す図である。 図２１は、第３実施形態の強制バイパス弁閉塞制御の流れを示すフローチャートである。 図２２は、第３実施形態の強制バイパス弁閉塞制御部の機能を説明するブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態における燃料電池システム１００の構成の一例を示す図である。

図に示す燃料電池システム１００は、燃料電池としての燃料電池スタック１に対して発電に必要となる燃料としての燃料ガス（水素）及び酸化剤としての空気（酸素）を供給し、電気負荷に応じて燃料電池を発電させる電源システムを構成する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソード給排装置２と、アノード給排装置３と、スタック冷却装置４と、負荷装置５と、インピーダンス計測装置６と、コントローラ２００とを含む。

燃料電池スタック１は、複数の燃料電池が積層された積層電池である。燃料電池スタック１は、負荷装置５に接続されて負荷装置５に電力を供給する。燃料電池スタック１は、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流の電圧を生じる。また、燃料電池スタック１を構成する燃料電池は、主として、電解質膜と、アノード電極と、カソード電極とから構成されている。ここで、電解質膜は、適度な湿潤度（含水量）で良好な電気伝導性を示す。以下では、この電解質膜の湿潤状態を、「燃料電池スタック１の湿潤状態」、「燃料電池の湿潤状態」、又は単に「湿潤状態」とも記載する。

カソード給排装置２は、燃料電池スタック１に空気を供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを大気に排出する装置である。

カソード給排装置２は、空気供給通路２１と、コンプレッサ２２と、エアフローメータ２３と、インタークーラー２４と、空気圧力センサ２５と、カソードオフガス排出通路２６と、空気調圧弁２７、バイパス通路２８と、バイパス弁２９と、を含む。

空気供給通路２１は、燃料電池スタック１に空気を供給するための通路である。空気供給通路２１の一端は開口しており、他端は、燃料電池スタック１の空気極の入口に接続される。

コンプレッサ２２は、燃料電池システム１００内に空気を吸入する。コンプレッサ２２は、空気供給通路２１の一端の開口端に設けられる。

コンプレッサ２２は、コンプレッサモータ２２ａにより駆動され、空気供給通路２１の開口端からシステム１００内に空気を吸入し、空気供給通路２１を介して燃料電池スタック１に供給する。コンプレッサモータ２２ａの回転速度、すなわちコンプレッサ２２の出力はコントローラ２００によって制御される。

具体的に、コンプレッサモータ２２ａには、その回転速度を検出する回転数センサ２２ｂが設けられている。回転数センサ２２ｂは、コンプレッサモータ２２ａの回転速度の検出値をコントローラ２００に出力する。そして、コントローラ２００は、回転速度の検出値に基づき、コンプレッサモータ２２ａの回転速度、すなわちコンプレッサ２２の出力を調節する。なお、コンプレッサ２２は、例えばターボ式コンプレッサや容積式コンプレッサにより構成することができる。

エアフローメータ２３は、コンプレッサ２２の入り口に設けられる。エアフローメータ２３は、コンプレッサ２２により吸入される空気の流量を検出する。以下では、この吸入される空気の流量を「吸入空気流量」とも記載する。また、エアフローメータ２３は、吸入空気流量の検出値（以下では「吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔ」とも記載する）をコントローラ２００に出力する。

インタークーラー２４は、コンプレッサ２２から空気供給通路２１に吐出されて燃料電池スタック１に送られる空気を冷却する。

空気圧力センサ２５は、空気供給通路２１において、インタークーラー２４の下流で且つバイパス通路２８の上流に設けられる。空気圧力センサ２５は、空気供給通路２１における空気の圧力を検出する。空気圧力センサ２５は、空気圧力の検出値をコントローラ２００に出力する。

カソードオフガス排出通路２６は、燃料電池スタック１の空気極から排出されるカソードオフガスを外部へ放出するための通路である。カソードオフガス排出通路２６の一端は、燃料電池スタック１の空気極出口に接続され、他端は開口している。

空気調圧弁２７は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を調節する。空気調圧弁２７は、カソードオフガス排出通路２６において、カソードオフガス排出通路２６とバイパス通路２８との合流部の下流に設けられる。

空気調圧弁２７は、コントローラ２００によって開閉制御される。この開閉制御によって燃料電池スタック１に供給される空気の圧力が所望の圧力に調節される。なお、空気調圧弁２７は、カソードオフガス排出通路２６において、バイパス通路２８の上流に設けても良い。

バイパス通路２８は、燃料電池スタック１に対して、コンプレッサ２２からシステム１００内に吸入される空気の一部をバイパスさせる通路である。本実施形態では、バイパス通路２８は、空気供給通路２１における空気圧力センサ２５の下流部分と、カソードオフガス排出通路２６における空気調圧弁２７の上流部分に亘って接続されている。

バイパス弁２９は、バイパス通路２８に設けられている。バイパス弁２９は、燃料電池スタック１をバイパスしてカソードオフガス排出通路２６に流す空気流量（以下では、「バイパス流量」とも記載する）を調節する弁であり、コントローラ２００によってその開度（以下では、「バイパス弁開度」とも記載する）が調節可能に構成されている。すなわち、バイパス弁開度を調節することで、燃料電池スタック１に供給される空気の流量（以下では、「スタック供給空気流量」とも記載する）を調節することができる。

また、バイパス弁２９には、バイパス弁開度を検出する開度センサ２９ａが設けられている。そして、開度センサ２９ａは、バイパス弁開度の検出値（以下では、「バイパス弁開度検出値Ｏｂｙ_ｄｅｔ」とも記載する）をコントローラ２００に出力する。

アノード給排装置３は、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出される燃料ガスを燃料電池スタック１に導入して循環させる装置である。

アノード給排装置３は、高圧タンク３１と、燃料ガス供給通路３２と、燃料ガス調圧弁３３と、エゼクタ３４と、燃料ガス循環通路３５と、燃料ガス循環ブロワ３６と、循環燃料ガス圧力センサ３７と、パージ通路３８と、パージ弁３９と、を含む。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスを高圧状態に保って貯蔵する。

燃料ガス供給通路３２は、高圧タンク３１に貯蔵された燃料ガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。燃料ガス供給通路３２の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端は、エゼクタ３４を介して燃料ガス循環通路３５に接続される。

燃料ガス調圧弁３３は、燃料ガス供給通路３２の圧力を調整する。燃料ガス調圧弁３３は、高圧タンク３１とエゼクタ３４との間の燃料ガス供給通路３２に設けられる。そして、コントローラ２００が燃料ガス調圧弁３３の開度を調節することにより、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの圧力は上昇又は降下する。

エゼクタ３４は、燃料ガス調圧弁３３と燃料電池スタック１との間の燃料ガス供給通路３２に設けられる。エゼクタ３４は、燃料ガスを図示しないノズルで増速して供給した際の負圧を利用して、当該燃料ガスを燃料ガス供給通路３２内で循環させる装置である。

燃料ガス循環通路３５は、燃料ガス供給通路３２にエゼクタ３４の吸引口を介して接続され、図示しない燃料電池スタック１内の燃料ガス通路に連通して燃料ガスを循環させる通路である。

燃料ガス循環ブロワ３６は、燃料ガス循環通路３５内でエゼクタ３４の上流に設けられる。燃料ガス循環ブロワ３６は、エゼクタ３４を介して燃料ガスを燃料ガス循環通路３５内で循環させる。燃料ガス循環ブロワ３６の回転速度はコントローラ２００によって制御される。

循環燃料ガス圧力センサ３７は、エゼクタ３４と燃料電池スタック１との間の燃料ガス供給通路３２に設けられる。循環燃料ガス圧力センサ３７は、燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの圧力を検出する。循環燃料ガス圧力センサ３７は、燃料ガス圧力の検出値をコントローラ２００に出力する。

パージ通路３８は、燃料ガス循環通路３５から分岐して設けられており、空気調圧弁２７よりも下流側のカソードオフガス排出通路２６に合流する。パージ通路３８は、燃料ガス循環通路３５から排出される燃料オフガスに含まれる窒素ガスや発電による生成水等の不純物を外部に排出する通路である。これにより、パージ通路３８を介して排出される燃料オフガスは、カソードオフガス排出通路２６でカソードオフガスと混合されるので、混合ガス中の水素濃度が規定値以下に維持される。

パージ弁３９は、パージ通路３８に設けられる。パージ弁３９は、その開度に応じてパージ通路３８を介した不純物の排出量を調節する。パージ弁３９の開度は、コントローラ２００によって制御される。

なお、燃料ガス循環通路３５とパージ通路３８の合流部に気液分離装置を設けて、不純物を液体成分と気体成分に分離し、液体成分を図示しない排出系統からシステム外部に排出するとともに、気体成分のみをパージ通路３８に流すようにしても良い。

スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１の温度を制御する装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、冷却水バイパス通路４４と、三方弁４５と、入口水温センサ４６と、出口水温センサ４７とを含む。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１に冷却水を循環させる通路である。冷却水循環通路４１の一端は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。

冷却水ポンプ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４２は、ラジエータ４３を介して燃料電池スタック１に冷却水を供給する。なお、冷却水ポンプ４２の回転速度は、コントローラ２００によって制御される。

ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも下流の冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４３は、燃料電池スタック１の内部で温められた冷却水をファンによって冷却する。

冷却水バイパス通路４４は、ラジエータ４３をバイパスする通路であって、燃料電池スタック１から排出される冷却水を燃料電池スタック１に戻して循環させる通路である。冷却水バイパス通路４４の一端は、冷却水循環通路４１において冷却水ポンプ４２とラジエータ４３との間で接続され、他端は、三方弁４５の一端に接続される。

三方弁４５は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度を調整する。三方弁４５は、例えばサーモスタットにより実現される。三方弁４５は、ラジエータ４３と燃料電池スタック１の冷却水入口孔との間の冷却水循環通路４１において冷却水バイパス通路４４が合流する部分に設けられる。

入口水温センサ４６及び出口水温センサ４７は、冷却水の温度を検出する。冷却水の温度は、燃料電池スタック１の温度、又は空気の温度として用いられる。

入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１に形成された冷却水入口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。入口水温センサ４６は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に流入する冷却水の温度を検出する。入口水温センサ４６は、このスタック入口水温の検出値をコントローラ２００に出力する。

出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に形成された冷却水出口孔の近傍に位置する冷却水循環通路４１に設けられる。出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。出口水温センサ４７は、このスタック出口水温の検出値をコントローラ２００に出力する。

なお、燃料電池スタック１の温度としては、例えばスタック入口水温の検出値とスタック出口水温の検出値の平均値が用いられる。

負荷装置５は、燃料電池スタック１から供給される発電電力を受けて駆動する。負荷装置５としては、例えば、車両を駆動する電動モータや、電動モータを制御する制御ユニット、燃料電池スタック１の発電を補助する補機などが挙げられる。燃料電池スタック１の補機としては、例えば、コンプレッサ２２、燃料ガス循環ブロワ３６、及び冷却水ポンプ４２などが挙げられる。

なお、負荷装置５を制御する制御ユニットは、負荷装置５の作動に必要な電力を、燃料電池スタック１に対する要求電力としてコントローラ２００に出力する。例えば、車両に設けられたアクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、負荷装置５の要求電力は大きくなる。

また、本実施形態では、コントローラ２００は、予め定められている燃料電池スタック１のＩＶ特性に基づいて、上記要求電力からスタック出力電流の目標値である目標スタック電流Ｉｓｔ_ｔを演算する。

負荷装置５と燃料電池スタック１との間には、スタック電流センサ５１とスタック電圧センサ５２とが配置される。

スタック電流センサ５１は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負荷装置５の正極端子との間の電源線に接続される。スタック電流センサ５１は、燃料電池スタック１から負荷装置５に出力される電流を検出する。以下では、燃料電池スタック１から負荷装置５に出力される電流のことを「スタック出力電流」とも記載する。また、スタック出力電流の検出値をスタック出力電流検出値Ｉｓｔ_ｄと記載する。スタック電流センサ５１は、スタック出力電流検出値Ｉｓｔ_ｄをコントローラ２００に出力する。

スタック電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間に接続される。スタック電圧センサ５２は、正極端子１ｐと負極端子１ｎとの間の電圧である端子間電圧を検出する。以下では、燃料電池スタック１の端子間電圧のことを「スタック出力電圧」とも記載する。また、スタック出力電圧の検出値をスタック出力電圧検出値Ｖｓｔ_ｄと記載する。スタック電圧センサ５２は、スタック出力電圧検出値Ｖｓｔ_ｄをコントローラ２００に出力する。

インピーダンス計測装置６は、燃料電池スタック１に接続される。インピーダンス計測装置６は、所定の計測周波数に基づいて電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを計測する。

一般に、電解質膜の含水量（水分）が少なくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスＺは大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスＺは小さくなる。このため、本実施形態では、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺが用いられる。

インピーダンス計測装置６は、例えば、所定の計測周波数の交流信号（電流又は電圧）を燃料電池スタック１に入力し、出力される交流信号を検出して、これら入出力された交流信号に基づいて内部インピーダンスＺを演算する。特に、インピーダンス計測装置６は、電解質膜の電気抵抗である電解質膜抵抗を検出するのに適した高周波数領域に属する高周波数を計測周波数として内部インピーダンスＺを演算する。

以下では、上述した高周波数の内部インピーダンスＺをＨＦＲ（High Frequency Resistance）とも記載する。すなわち、本実施形態では、ＨＦＲが燃料電池スタック１の湿潤状態に相当する。ＨＦＲが高いほど電解質膜の湿潤度（濡れ具合）は低く、逆にＨＦＲが低いほど電解質膜の湿潤度は高い。そして、インピーダンス計測装置６は、演算したＨＦＲ値をＨＦＲ計測値（以下では、単に「ＨＦＲ_ｄｅｔ」とも記載する）としてコントローラ２００に出力する。

コントローラ２００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ーで構成される。

コントローラ２００は、負荷装置５、インピーダンス計測装置６、エアフローメータ２３、及び開度センサ２９ａ等の各センサ類からの入力信号を取得する。

そして、コントローラ２００は、上記各入力信号に基づいて、バイパス弁２９等の各アクチュエータを操作して、バイパス弁開度等の燃料電池システム１００の運転状態を制御する。

ここで、本発明者らが、本実施形態における燃料電池システム１００に至った背景について説明する。

既に述べたように、コンプレッサから供給される空気の一部を、燃料電池をバイパスするようにバイパス通路に流す燃料電池システムにおいて、燃料電池の水分状態が乾燥状態であり、且つコンプレッサモータの回転数が目標回転数より大きい場合に、バイパス弁を開弁することは知られている。

このような燃料電池システムでは、コンプレッサが燃料電池の負荷に応じた目標通りに作動したとしても、燃料オフガスの希釈やターボサージ回避等の観点から、燃料電池に供給される空気の供給流量が負荷の要求とは異なって制御されることがある。この結果、燃料電池に供給される空気流量が適切に維持されず、燃料電池の湿潤状態が好適に保たれない恐れがある。

これに対し、本発明者らは、鋭意研鑽の結果、燃料電池の湿潤状態の指標となるパラメータ、例えば燃料電池の高周波数インピーダンス（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）に基づいてバイパス弁を制御することで、燃料電池の湿潤状態に応じてより適切に燃料電池への空気流量を調節するという方法を見出した。

この方法によれば、燃料電池の湿潤状態に応じて直接的にバイパス弁開度を調節することができるので、燃料電池に実際に供給される酸化剤流量を検出することなく、燃料電池に供給される酸化剤流量を適正値に維持して、湿潤状態を好適に制御することができる。

しかしながら、本発明者らが見出した燃料電池の湿潤状態に基づいたバイパス弁開度制御であっても、過渡負荷上げ運転時などの燃料電池への負荷が変動する運転状態においては、燃料電池に供給される実際の空気流量が発電で要求される空気流量を下回り、燃料電池の空気不足に至る可能性が考えられる。

したがって、本発明者らは、燃料電池の湿潤状態に基づいたバイパス弁開度制御の下でも、燃料電池の空気不足を抑制し得る本実施形態の燃料電池システム１００を開発した。以下では、この燃料電池システム１００における制御を詳細に説明する。

本実施形態における燃料電池システム１００では、コントローラ２００は、バイパス弁２９の開閉を制御するバイパス弁制御部として機能し、燃料電池スタック１の湿潤状態に相関するＨＦＲ値に基づいてバイパス弁２９の開度を制御する（湿潤バイパス弁制御）。

そして、コントローラ２００は、この湿潤バイパス弁制御の下、燃料電池スタック１の発電に要求される空気に対して、燃料電池スタック１に供給される空気が不足しているか又は不足する可能性があるかを判定する（酸化剤不足状態判定）。さらに、コントローラ２００は、酸化剤不足状態であると判定すると、バイパス弁２９を閉める方向に制御する（強制バイパス弁閉塞制御）。

また、コントローラ２００は、上記強制バイパス弁閉塞制御の後に、上記湿潤バイパス弁制御を復帰させる処理を行う（湿潤バイパス弁制御復帰処理）。

以下では、上述したバイパス弁制御の内容をより具体的に説明する。

図２は、本実施形態におけるバイパス弁制御全体の流れを示すフローチャートである。なお、このバイパス弁制御は、数〜数十ミリ秒の所定の演算周期間隔で繰り返し実行される。

ステップＳ１００において、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の発電に要求される空気に対して、燃料電池スタック１に実際に供給される空気が不足している状態（空気不足状態）であるか否かを判定する空気不足状態判定処理を行う。

図３は、空気不足状態判定処理の詳細を示すフローチャートである。

ステップＳ１０１において、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の電解質膜の湿潤状態を適切に維持するために、燃料電池スタック１へ供給することが要求される空気流量（以下では、「湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍ」とも記載する）を演算する。

図４は、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍの演算機能を説明するブロック図である。

図示のように、コントローラ２００は、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍの演算機能として、目標ＨＦＲ演算部Ｂ１００と、演算部Ｂ１１０と、湿潤要求空気流量演算部Ｂ１２０と、を有している。

目標ＨＦＲ演算部Ｂ１００は、予め定められたテーブルに基づいて、目標スタック電流Ｉｓｔ_ｔから目標ＨＦＲ（以下では、単に「ＨＦＲ_ｔ」とも記載する）を演算する。

なお、本実施形態では、ＨＦＲ_ｔは、目標スタック電流Ｉｓｔ_ｔ、すなわち要求負荷の大きさに応じて、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態を適切に維持する観点から定められる。

目標ＨＦＲ演算部Ｂ１００は、演算したＨＦＲ_ｔを演算部Ｂ１１０に出力する。

演算部Ｂ１１０は、目標ＨＦＲとしてのＨＦＲ_ｔからＨＦＲ計測値としてのＨＦＲ_ｄｅｔを減算し、ＨＦＲ偏差ｅ_ＨＦＲを演算する。演算部Ｂ１１０は、演算した偏差ｅ_ＨＦＲを湿潤要求空気流量演算部Ｂ１２０に出力する。

湿潤要求空気流量演算部Ｂ１２０は、ＨＦＲ偏差ｅ_ＨＦＲに基づいて湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを演算する。

図５は、湿潤要求空気流量演算部Ｂ１２０の演算機能を説明するブロック図である。

図示のように、コントローラ２００は、湿潤要求空気流量演算部Ｂ１２０の機能として、比例ゲイン乗算部Ｂ１２１と、積分部Ｂ１２２と、積分ゲイン乗算部Ｂ１２３と、加算部Ｂ１２４を有している。

比例ゲイン乗算部Ｂ１２１は上述のＨＦＲ偏差ｅ_ＨＦＲに比例ゲインＫｐを乗算して得られる比例項Ｋｐ・ｅ_ＨＦＲを加算部Ｂ１２４に出力する。

積分部Ｂ１２２は、第１回目の湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍの演算周期から前回の演算周期までにおけるＨＦＲ偏差ｅ_ＨＦＲの総和∫ｅ_ＨＦＲを演算し、積分ゲイン乗算部Ｂ１２３に出力する。なお、第１回目の演算周期では、前回値として予め定められた初期値を用いる。

積分ゲイン乗算部Ｂ１２３は、ＨＦＲ偏差ｅ_ＨＦＲの総和∫ｅ_ＨＦＲに積分ゲインＫｉを乗算して得られる積分項Ｋｉ・∫ｅ_ＨＦＲを加算部Ｂ１２４に出力する。

加算部Ｂ１２４は、比例項Ｋｐ・ｅ_ＨＦＲと積分項Ｋｉ・∫ｅ_ＨＦＲを加算して、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを演算する。

したがって、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍは、ＨＦＲ_ｄｅｔがＨＦＲ_ｔに近づくように演算されることとなる。

図３に戻り、ステップＳ１０２において、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の発電に要求される空気流量（以下では、「発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ」とも記載する）を演算する。

図６は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎの演算機能を示すブロック図である。図示のように、コントローラ２００は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎの演算機能として、発電要求空気流量演算部Ｂ２００を有している。

発電要求空気流量演算部Ｂ２００は、スタック出力電流と発電要求空気流量との関係を示す予め定められたテーブルを記憶している。このテーブルから理解されるように、スタック出力電流（負荷）が増加するほど発電要求空気流量が増加する。発電要求空気流量演算部Ｂ２００はこのテーブルに基づいて、スタック出力電流検出値Ｉｓｔ_ｄから発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを演算する。

図３に戻り、ステップＳ１０３において、コントローラ２００は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍより大きいか否かを判定する。

コントローラ２００は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍより大きいと判定すると、ステップＳ１０４に進み、強制バイパス弁閉塞フラグとして「１」をセットする。

すなわち、これは、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態に基づく湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを満たすようにスタック供給空気流量が制御されている状況では、燃料電池スタック１に対する要求発電電力を満たすスタック供給空気流量が確保されずに空気不足状態となり得るので、これを抑制する強制バイパス弁制御を行うことを意図している。

一方、コントローラ２００は、上記ステップＳ１０３で発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍより小さいと判定すると、強制バイパス弁閉塞フラグをセットすることなく処理を終了する。

すなわち、この場合は、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを満たすようにスタック供給空気流量が制御されている状況であっても、空気不足状態とならないと判断し、強制バイパス弁制御を実行しないようにすることを意図している。

図２に戻り、ステップＳ１１０において、コントローラ２００は、バイパス弁開閉実行処理を実行する。

図７は、バイパス弁開閉実行処理の流れを示すフローチャートである。

ステップＳ１１１において、コントローラ２００は、強制バイパス弁閉塞フラグが「１」であるか否かを判定する。そして、コントローラ２００は、当該フラグが「１」でないと判定すると、ステップＳ１１２に進み、湿潤バイパス弁制御状態を実行する。一方、当該フラグが「１」であると判定すると、ステップＳ１１３に進み、強制バイパス弁閉塞制御を実行する。

図８は、湿潤バイパス弁制御について説明するブロック図である。なお、以下では、湿潤バイパス弁制御下における目標バイパス弁開度を「湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍ」と記載する。

図示のように、コントローラ２００は、湿潤バイパス弁制御を実行する湿潤バイパス弁制御部Ｂ３００として、演算部Ｂ３１０と、湿潤目標バイパス弁開度演算部Ｂ３２０と、を有している。

演算部Ｂ３１０には、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍと吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔが入力される。演算部Ｂ３１０は、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍから吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔを除して得られる流量比Ｑｓｔ_ｈｕｍ／Ｑｉｎ_ｄｅｔを湿潤目標バイパス弁開度演算部Ｂ３２０に出力する。

湿潤目標バイパス弁開度演算部Ｂ３２０は、流量比Ｑｓｔ_ｈｕｍ／Ｑｉｎ_ｄｅｔと湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍとの関係を示す予め定められたテーブルを記憶している。このテーブルにおいて、流量比Ｑｓｔ_ｈｕｍ／Ｑｉｎ_ｄｅｔが相対的に小さい領域（図のα以下の領域）では、吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔに対して湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍが低いので、スタック供給空気流量を減少させるべく湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍは「１」（全開）に設定される。

一方、流量比Ｑｓｔ_ｈｕｍ／Ｑｉｎ_ｄｅｔが相対的に大きい領域（図のα以上の領域）では、流量比Ｑｓｔ_ｈｕｍ／Ｑｉｎ_ｄｅｔの増加、吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔに対する湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍの割合の増加に応じてスタック供給空気流量を増加させるべく、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍを減少させる。

そして、湿潤バイパス弁制御部Ｂ３００は、バイパス弁２９の開度を湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍに操作する。

図７に戻り、上記ステップＳ１１１でコントローラ２００は、強制バイパス弁閉塞フラグが「１」であると判定した場合、ステップＳ１１３の強制バイパス弁閉塞制御を実行する。

図９は、強制バイパス弁閉塞制御について説明するブロック図である。なお、以下では、強制バイパス弁閉塞制御下における目標バイパス弁開度を「強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ」と記載する。

図示のように、コントローラ２００は、強制バイパス弁閉塞制御を行う強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００を有している。強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００は、強制バイパス弁閉塞フラグがセットされていることをトリガとして、強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔを０に設定する。すなわち、強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００は、強制バイパス弁閉塞フラグがセットされている場合に、バイパス弁２９を全閉にする操作を実行する。

これにより、燃料電池スタック１には、湿潤バイパス弁制御の下で定まる湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを超えた流量の空気が供給され、燃料電池スタック１における空気不足が解消される方向に制御されることとなる。

図２に戻り、次にステップＳ１２０において、コントローラ２００は、空気不足状態の判定が解消されると、強制バイパス弁閉塞制御を解除して湿潤バイパス弁制御を復帰させる湿潤バイパス弁制御復帰処理を実行する。

図１０は、湿潤バイパス弁制御復帰処理の詳細を示すフローチャートである。

図示のように、ステップＳ１２１において、コントローラ２００は、図３のステップＳ１０３と同等の判定条件として、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍより大きいか否かを判定する。

コントローラ２００は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍより大きいと判定した場合には、まだ空気不足状態の判定は解消されていないものとして処理を終了する。

一方、コントローラ２００は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍより大きくないと判定した場合には、当該判定からの経過時間をカウントしつつ、ステップＳ１２２に移行する。

ステップＳ１２２において、コントローラ２００は、ステップＳ１２１における判定から所定時間経過したか否かを判定する。なお、この所定時間とは、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍと発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎとの相対的大小関係が頻繁に切り替わらない定常状態に移行するまでに十分な時間として任意に設定される。

そして、コントローラ２００は、所定時間経過していないと判定すると、ステップＳ１２１の処理に戻り、以降のルーチンを再び実行する。

一方、コントローラ２００は、所定時間経過したと判定すると、ステップＳ１２３に進み、強制バイパス弁閉塞フラグをクリアする。

以上説明した本実施形態のバイパス弁２９の制御による作用について説明する。

図１１は、本実施形態のバイパス弁制御下におけるスタック供給空気流量の経時変化の一例を概略的に示したグラフである。

なお、図中の実線はスタック供給空気流量（実際に燃料電池スタック１に供給される空気流量）を表し、破線は発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを表し、一点鎖線は湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを表す。

図示のように、時刻ｔ１に至るまでは、燃料電池システム１００は負荷変動が生じていない定常状態であり、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍ＞発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎとなっているので、コントローラ２００は図７で説明した制御フローにしたがい、湿潤バイパス弁制御を実行する。これにより、スタック供給空気流量は湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍに調節される。

そして、時刻ｔ１では、燃料電池システム１００が登坂路を走行し始めるなどの要因で負荷の増加変動が発生する過渡負荷上げ状態に移行する。過渡負荷上げ状態に移行するに伴い、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍ及び発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎがともに増加する。

しかしながら、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍに比べて発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎは急激に増加するため、時刻ｔ１を経過すると、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを超えることとなる。

したがって、この状態で仮に湿潤バイパス弁制御を維持すると、スタック供給空気流量が、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎよりも小さい湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍに維持されることとなり、スタック供給空気流量が不足して燃料電池スタック１内の酸素濃度が低下し、発電に悪影響を与えることが想定される。

これに対して、本実施形態のバイパス弁制御では、図３及び図７で説明した制御フローにしたがい、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ＞湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍとなることをトリガとして、制御状態が湿潤バイパス弁制御から強制バイパス弁閉塞制御に切り替わる。

そして、強制バイパス弁閉塞制御では図９に示したロジックにしたがい、バイパス弁２９の開度が０に設定される。すなわち、バイパス弁２９が全閉とされる。これにより、図１１に示すように、スタック供給空気流量が発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ以上に保たれることとなる。したがって、負荷が増加する過渡負荷上げ状態においてもスタック供給空気流量の不足が防止され、燃料電池スタック１の発電状態を適切に維持することができる。

そして、時刻ｔ１から所定時間が経過すると発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが略一定値に静定する（図の時刻ｔ２）。一方で湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍは、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが静定する時刻ｔ２以降も緩やかに増加する。

そして、時刻ｔ３を経過すると、再び湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍが発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎより大きくなる。したがって、時刻ｔ３以降では、図１０で説明した制御フローにしたがい、強制バイパス弁閉塞制御が解除されて湿潤バイパス弁制御に復帰する。これにより、再び、スタック供給空気流量は湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍに制御されることとなる。

なお、時刻ｔ１〜時刻ｔ２で実行される強制バイパス弁閉塞制御では、実質的に湿潤要求を無視して発電要求を満たすようにバイパス弁開度を制御することとなる。すなわち、時刻ｔ１〜時刻ｔ２では、スタック供給空気流量が、電解質膜の湿潤状態を適切に維持するための湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを超えることとなる。

しかしながら、強制バイパス弁閉塞制御を実行する時刻ｔ１〜時刻ｔ２は、相対的に短い時間区間であるため、この間に湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを超える空気流量を燃料電池スタック１に供給したとしても、電解質膜の湿潤状態に与える影響は小さい。

一方で、上述のように、過渡負荷上げ状態における発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎの増加量は相対的に大きいので、スタック供給空気流量が発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを満たさない場合には、燃料電池スタック１の発電状態に少なからず影響を与えると考えられる。したがって、本実施形態では、上述のように、過渡負荷上げ状態等の短時間の負荷変動において、湿潤状態の維持よりも優先すべき発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを満たすようにバイパス弁開度を制御することで、燃料電池システム１００の発電状態をより好適に保つことができる。

以上説明した第１実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、酸化剤としての空気と燃料（燃料ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池としての燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に空気を供給する酸化剤供給装置としてのコンプレッサ２２と、燃料電池スタック１に供給される空気の一部をバイパスさせるバイパス通路２８と、バイパス通路２８に設けられるバイパス弁２９と、燃料電池スタック１の運転状態を取得する運転状態取得部と、運転状態に基づいてバイパス弁２９及びコンプレッサ２２を制御する運転制御装置としてのコントローラ２００を有する。

さらに、燃料電池システム１００においては、上記運転状態取得部は、燃料電池スタック１の湿潤状態としてのＨＦＲを取得する湿潤状態取得部としてのインピーダンス計測装置６を有し、コントローラ２００は、燃料電池スタック１のＨＦＲに基づいてバイパス弁２９の開閉を制御する湿潤バイパス弁制御（図７のステップＳ１１２）を実行するバイパス弁制御部（図２）を有する。

そして、上記バイパス弁制御部としてのコントローラ２００は、燃料電池スタック１の発電に要求される空気（発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ）に対して燃料電池スタック１に供給される空気（スタック供給空気流量）が不足しているか又は不足する可能性がある空気不足状態を判定する酸化剤不足状態判定部（図１のステップＳ１００）と、空気不足状態と判定すると、バイパス弁２９を閉める方向に制御する強制バイパス弁閉塞制御（図７のステップＳ１１３）を実行する強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００と、を備える。

なお、「スタック供給空気流量が不足する可能性がある」とは、現時点でスタック供給空気流量が不足していないものの、そのままの制御状態では所定時間内にスタック供給空気流量が現実に不足する状態となることを意味する。

これにより、湿潤バイパス弁制御の下で発電の要求に対して燃料電池スタック１に供給される空気が不足し得る過渡負荷上げ状態等の負荷変動が発生しても、強制バイパス弁閉塞制御にしたがいバイパス弁２９が閉塞されて燃料電池スタック１に実際に供給される空気が増加するので、燃料電池の空気不足状態を抑制することができる。したがって、湿潤バイパス弁制御に基づいたバイパス弁２９の制御を行う燃料電池システム１００において、発電要求に応じた燃料電池スタック１への空気供給状態をより適切に維持することができる。

また、本実施形態の酸化剤不足状態判定部としてのコントローラ２００は、空気不足状態に相関する酸化剤不足状態判定パラメータとしての空気不足状態判定パラメータに基づいて、空気不足状態を判定する。これにより、燃料電池スタック１へ供給される空気流量であるスタック供給空気流量、すなわち、吸入空気流量からバイパス通路２８へバイパスされる空気流量分を差し引いた流量を検出するためのエアフローメータを設けることなく、燃料電池スタック１の空気不足状態を判定することができる。

特に、本実施形態では、上記酸化剤不足状態判定パラメータは、燃料電池スタック１のＨＦＲに基づいて要求される酸化剤流量である湿潤要求酸化剤流量としての湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍ（図４参照）と、燃料電池スタック１の発電に要求される酸化剤流量である発電要求酸化剤流量としての発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ（図６参照）と、を含む。そして、酸化剤不足状態判定部としてのコントローラ２００は、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍが発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ未満である場合に空気不足状態と判定する（図３のステップＳ１０３のＹｅｓ）。

これによれば、バイパス弁開度が湿潤状態に基づいて制御されている状況下で、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍが発電要求に基づく発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ未満となる状況、すなわちスタック供給空気流量が湿潤要求に応じた空気流量に調節されて発電要求に応じた空気流量に満たない場合に、燃料電池スタック１が空気不足状態であると判定されることとなる。したがって、湿潤バイパス弁制御の下において生じる燃料電池スタック１における空気の不足をより高精度に判定することができる。

特に、本実施形態では、強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００は、上記強制バイパス弁閉塞制御としてバイパス弁２９を全閉にする制御を実行する（図９参照）。

これにより、スタック供給空気流量が発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎに対して不足している状態をより速やかに解消することができる。すなわち、燃料電池スタック１の空気不足状態をより効果的に解消することができる。

さらに、本実施形態では、バイパス弁制御部としてのコントローラ２００は、上記空気不足状態の判定が解消されると、上記強制バイパス弁閉塞制御を解除して上記湿潤バイパス弁制御を復帰させる湿潤バイパス弁制御復帰処理を行う湿潤バイパス弁制御復帰部（図２のステップＳ１２０及び図１０参照）をさらに備える。

これにより、空気不足状態と判定された状態が解消された後に、すなわち、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍが発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを上回る状態となったら、強制バイパス弁閉塞制御から湿潤バイパス弁制御に復帰させることができる。したがって、強制バイパス弁閉塞制御により燃料電池スタック１の空気不足状態を抑制しつつも、空気不足状態となる恐れが無くなった場合には湿潤バイパス弁制御を復帰させて燃料電池スタック１の適切な湿潤状態の維持に資することとなる。

特に本実施形態では、湿潤バイパス弁制御復帰部としてのコントローラ２００は、上記空気不足状態の判定が解消されてから所定時間経過後に、強制バイパス弁閉塞制御を解除して湿潤バイパス弁制御を復帰させる（図１０のステップＳ１２２参照）。

ここで、空気不足状態の判定直後のように、依然として湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍと発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎとの間の大小関係が頻繁に切り替わり得る状況下において即座に強制バイパス弁閉塞制御を解除すると、空気不足状態の判定と非空気不足状態の判定が頻繁に切り替わり、制御のハンチングが発生する可能性がある。

これに対して、本実施形態では、空気不足状態の判定が解消されてから所定時間経過後に、湿潤バイパス弁制御を復帰させることで、このような制御のハンチングを防止することができる。

なお、図１１に示したように、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍの経時変化は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎの経時変化に比べると緩やかである。したがって、強制バイパス弁閉塞制御から湿潤バイパス弁制御に移行するタイミング（図１１の時刻ｔ３）が多少遅れたとしても、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍに対してスタック供給空気流量が若干不足して湿潤状態がややウェット側に制御されるものの、これは、燃料電池スタック１の湿潤状態に実質的な悪影響を与える要素とはならないと考えられる。

したがって、上記所定時間は、むしろ、上述した制御のハンチングをより確実に発生させない観点から比較的長めに設定することが好ましい。

さらに、本実施形態では、上記湿潤状態取得部としてのインピーダンス計測装置６は、燃料電池スタック１の湿潤状態として燃料電池スタック１の高周波インピーダンスであるＨＦＲ_ｄｅｔ（ＨＦＲ計測値）を取得する。そして、バイパス弁制御部としてのコントローラ２００は、上記湿潤バイパス弁制御として、燃料電池スタック１の負荷としての目標スタック電流Ｉｓｔ_ｔに基づいてＨＦＲの目標値であるＨＦＲ_ｔを演算し（図４の目標ＨＦＲ演算部Ｂ１００）、高周波インピーダンスの取得値であるＨＦＲ_ｄｅｔと目標値ＨＦＲ_ｔに基づき、燃料電池スタック１の湿潤状態に基づいて要求される酸化剤流量である湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍを演算し（図４の湿潤要求空気流量演算部Ｂ１２０）、湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍに基づいてバイパス弁２９の開度を制御する（及び図８の湿潤バイパス弁制御部Ｂ３００）。

これにより、湿潤バイパス弁制御の下では、燃料電池スタック１の湿潤状態の指標であるＨＦＲに応じてより適切にバイパス弁開度を調節し、スタック供給空気流量を調節することができる。特に、スタック供給空気流量を検出するためのエアフローメータを設けなくとも、燃料電池スタック１の湿潤状態を適切に維持するように、バイパス弁２９の開度を調節することができる。

以上の説明から理解されるように、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法では、燃料電池スタック１に供給される空気の一部をバイパスするバイパス通路２８に設けられるバイパス弁２９の開閉を、燃料電池スタック１の湿潤状態であるＨＦＲに基づいて制御する湿潤バイパス弁制御を実行し（図７のステップＳ１１２）、燃料電池スタック１の発電に要求される空気（発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ）に対して燃料電池スタック１に供給される空気（スタック供給空気流量）が不足しているか又は不足する可能性があるかを判定し（図１のステップＳ１００）、スタック供給空気流量が不足するか又は不足する可能性があると判定すると、バイパス弁２９を湿潤バイパス弁制御によって定まる開度よりも閉める方向に制御する強制バイパス弁閉塞制御を実行する（図７のステップＳ１１３）。

これにより、湿潤バイパス弁制御の下で発電の要求に対して燃料電池スタック１に供給される空気が不足し得る過渡負荷上げ状態等のシーンが発生しても、燃料電池の空気不足状態を抑制することができる。したがって、湿潤バイパス弁制御に基づいたバイパス弁２９の制御を行う燃料電池システム１００において、発電要求に応じた燃料電池スタック１への空気供給状態をより適切に維持することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素については適宜、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、第１実施形態における湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍと発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎの大小関係に基づき空気不足状態を判定する処理（図３参照）に代えて、燃料電池スタック１に実際に供給される空気の流量であるスタック供給空気流量の推定値（以下では、「推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔ」とも記載する）と、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎの大小関係に基づき空気不足状態を判定する処理を行う。

図１２は、第２実施形態の空気不足状態判定処理の詳細を示すフローチャートである。

図示のように、ステップＳ１００１において、コントローラ２００は、エアフローメータ２３で検出された吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔ、及び開度センサ２９ａで検出されたバイパス弁開度検出値Ｏｂｙ_ｄｅｔを取得する。

ステップＳ１００２において、コントローラ２００は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを演算する。なお、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎの演算方法は、第１実施形態における演算方法（図６参照）と同様である。

ステップＳ１００３において、コントローラ２００は、吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔ及びバイパス弁開度検出値Ｏｂｙ_ｄｅｔに基づいて、推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔを演算する。

図１３は、推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔの演算機能を示すブロック図である。図示のように、コントローラ２００は、推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔの演算機能として、推定バイパス流量演算部Ｂ５００と、乗算部Ｂ５０１と、を有している。

推定バイパス流量演算部Ｂ５００は、バイパス弁開度と、吸入空気流量に対するスタック供給空気流量割合（以下では、「スタック空気供給割合Ｑｓｔ／Ｑｉｎ」とも記載する）との関係を示すテーブルを記憶している。そして、推定バイパス流量演算部Ｂ５００は、このテーブルに基づき、入力されたバイパス弁開度検出値Ｏｂｙ_ｄｅｔからスタック空気供給割合Ｑｓｔ／Ｑｉｎを演算する。

そして、乗算部Ｂ５０１は、吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔとスタック空気供給割合Ｑｓｔ／Ｑｉｎを乗算して推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔを演算する。

図１２に戻り、ステップＳ１００４において、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔより大きいか否かを判定する。

コントローラ２００は、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔより大きいと判定すると、ステップＳ１００５に進み、強制バイパス弁閉塞フラグとして「１」をセットする。

すなわち、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔより大きい場合には、要求発電電力を満たすスタック供給空気流量が確保されておらず、現実に空気不足状態となっているか又は空気不足状態になる可能性があるので、これを抑制する強制バイパス弁制御を行うべく強制バイパス弁閉塞フラグをセットする。

一方、コントローラ２００は、上記ステップＳ１００４で発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎが推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔより小さいと判定すると、強制バイパス弁閉塞フラグをセットすることなく処理を終了する。

すなわち、この場合には、スタック供給空気流量が発電電力の要求を満たしていると判断できるため、空気不足状態となる懸念が無いと判定して、強制バイパス弁閉塞フラグをセットせずに処理を終了する。

次に、本実施形態における強制バイパス弁閉塞制御について説明する。

図１４は、本実施形態の強制バイパス弁閉塞制御の流れを示すフローチャートである。

図示のように、ステップＳ１１１において、コントローラ２００は、図６に示す発電要求空気流量演算部Ｂ２００の機能により、発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを演算する。

ステップＳ１１２において、コントローラ２００は、図８に示す湿潤目標バイパス弁開度演算部Ｂ３２０の機能により、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍを演算する。

ステップＳ１１３において、コントローラ２００は、図１３に示す推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔの演算機能にしたがい、推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔを演算する。

ステップＳ１１４において、コントローラ２００は、推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔから発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを減算して得られる流量偏差ｅ_Ｑをゼロに近づけるように、強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔを演算する。そして、ステップＳ１１５において、コントローラ２００は、バイパス弁２９を強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔに制御する。

ここで、上記ステップＳ１１４における強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔの演算についてより詳細に説明する。

図１５は、本実施形態における強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００の機能を説明するブロック図である。

図示のように、コントローラ２００は、強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００の機能として、比例ゲイン乗算部Ｂ４０１と、積分部Ｂ４０２と、積分ゲイン乗算部Ｂ４０３と、加算部Ｂ４０４と、ミニマムセレクト部Ｂ４０５を有している。

比例ゲイン乗算部Ｂ４０１は上述の流量偏差ｅ_Ｑに比例ゲインＫｐを乗算して得られる比例項Ｋｐ・ｅ_Ｑを加算部Ｂ４０４に出力する。

積分部Ｂ４０２は、第１回目の強制バイパス弁閉塞制御の制御周期から前回の制御周期までにおける流量偏差ｅ_Ｑの総和∫ｅ_Ｑを演算し、積分ゲイン乗算部Ｂ４０３に出力する。

なお、第１回目の制御周期における強制バイパス弁閉塞制御では、総和∫ｅ_Ｑの初期値として、現在の湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍから積分ゲインＫｉを除した値を用いる。これにより、湿潤バイパス弁制御から強制バイパス弁閉塞制御への制御の切り替えをスムーズに行うことができる。

積分ゲイン乗算部Ｂ４０３は、流量偏差ｅ_Ｑの総和∫ｅ_Ｑに積分ゲインＫｉを乗算して得られる積分項Ｋｉ・∫ｅ_Ｑを加算部Ｂ４０４に出力する。

加算部Ｂ４０４は、比例項Ｋｐ・ｅ_Ｑと積分項Ｋｉ・∫ｅ_Ｑを加算して、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´を演算する。

したがって、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´は、推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔが発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎに近づくように演算される目標値である。これにより、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´が強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔとして設定される場合には、発電要求に対して過不足なく燃料電池スタック１に空気が供給されることとなる。

ミニマムセレクト部Ｂ４０５は、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍと暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´の内の小さい方を、強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔとして演算する。

このように、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍと暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´の内の小さい方を選択するようにしたことで、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´が湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍより大きい場合には、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´を目標バイパス弁開度として設定しないようにしている。

これにより、要求発電電力に基づく発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎに対して推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔが不足して、バイパス弁開度を湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍよりも閉める方向に制御する必要があるシーンをより確実に検知して、強制バイパス弁閉塞制御を実行することができる。

なお、湿潤バイパス弁制御復帰処理については、第１実施形態で説明した図１０のステップＳ１２１における判定に用いている「湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍ」を「推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔ」に代えることで同様に実行することができる。

以上説明した第２実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００では、空気不足状態判定パラメータは、燃料電池スタック１の発電に要求される空気流量である発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎと、酸化剤供給装置としてのコンプレッサ２２によりシステム１００に供給される空気流量の検出値であるシステム酸化剤流量検出値としての吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔと、バイパス弁２９の開度の検出値であるバイパス弁開度検出値Ｏｂｙ_ｄｅｔと、を含む。

そして、空気不足状態判定部（図１２）としてのコントローラ２００は、吸入空気流量検出値Ｑｉｎ_ｄｅｔ及びバイパス弁開度検出値Ｏｂｙ_ｄｅｔに基づいて（ステップＳ１００１）、燃料電池スタック１に供給される空気の流量である燃料電池供給酸化剤流量としてのスタック供給空気流量を推定し（ステップＳ１００３）、スタック供給空気流量の推定値としての推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔが発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ未満である場合に空気不足状態と判定する（ステップＳ１００４及びステップＳ１００５）。

これにより、燃料電池スタック１に実際に供給される空気の流量が直接的に表された推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔと、発電に要求される発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎを比較することで、空気不足状態をより高精度且つ容易に判定することができ、強制バイパス弁制御をより好適なタイミングで実行することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１００では、強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００は、推定スタック供給空気流量Ｑｓｔ_ｅｓｔが発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ以上となるまでバイパス弁２９を閉塞する（図１５）。

これにより、燃料電池スタック１に実際に供給される空気の流量が発電に要求される空気の流量を満たす範囲までバイパス弁２９を閉塞することができる。すなわち、空気不足状態を抑制しつつも、必要以上にバイパス弁２９の開度を小さくすることによる燃料電池スタック１の電解質膜の乾燥も抑制することができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態や第２実施形態と同様の要素については適宜、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態では、第１実施形態における湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍと発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎの大小関係に基づき空気不足状態を判定する処理（図３参照）に代えて、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺから演算される空気極の反応抵抗（以下では、「空気極反応抵抗Ｒｃ」とも記載する）に基づいて、空気不足状態を判定する処理を行う。

図１６は、第３実施形態の空気不足状態判定処理の詳細を示すフローチャートである。

図示のように、ステップＳ２０１において、コントローラ２００は、インピーダンス計測装置６で計測された内部インピーダンスＺを取得する。なお、本実施形態においては、インピーダンス計測装置６は、ＨＦＲ対応の高周波数ω→∞と、所定の低周波数領域に属する２つの周波数ωＬｏ１，ωＬｏ２において、高周波数内部インピーダンスＺ（ω→∞）、低周波数内部インピーダンスＺ（ωＬｏ１）、及び低周波数内部インピーダンスＺ（ωＬｏ２）を計測し、コントローラ２００に出力する。

なお、上記２つの低周波数ωＬｏ１，ωＬｏ２は、低周波数内部インピーダンスＺ（ωＬｏ１）及びＺ（ωＬｏ２）に対する空気極反応抵抗Ｒｃの寄与が、燃料極反応抵抗Ｒａの寄与に比べて十分小さくなる周波数領域（例えば、数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）から選択されることが好ましい。これにより、後述の図１９で示す燃料電池スタック１の等価回路モデルを想定した演算の精度が向上する。

ステップＳ２０２において、コントローラ２００は、空気極反応抵抗Ｒｃを演算する。

図１７は、空気極反応抵抗Ｒｃを演算する流れを説明するフローチャートである。

先ず、ステップＳ２０２１において、コントローラ２００は、インピーダンス計測装置６で計測された定常状態の内部インピーダンスＺを取得する。ここで、定常状態とは、発進時や停車時等の急加速状態ではない安定走行時を意味する。

定常状態の内部インピーダンスＺの計測方法について説明する。

図１８は、定常状態における内部インピーダンスＺの演算方法を説明する図である。なお、図に示す曲線は、燃料電池スタック１のＩＶ特性線を表している。

そして、ＩＶ特性線では、図示のように、出力電流範囲ＲＡにおいて、領域スタック出力電流の変化量に対するスタック出力電圧の変化量が概ね一定値をとる。

したがって、インピーダンス計測装置６は、図示しないコンバータ等の出力電流調節手段を用いて、スタック出力電流を上記出力電流範囲ＲＡ内でΔＩだけ変動させて、そのときのスタック出力電圧の変動量ΔＶを検出する。そして、コントローラ２００は、出力電圧の変動量ΔＶを出力電流の変動量ΔＩで除して得られる特性線傾きΔＶ／ΔＩを求める。

この特性線傾きΔＶ／ΔＩは、定常状態の内部インピーダンスＺとみなすことができる。以下では、その理由について説明する。

図１９は、燃料電池スタック１の等価回路モデルを示している。なお、当図において、「Ｒａ」は燃料極の反応抵抗、「Ｃａ」は燃料極の電気容量、「Ｒｃ」は空気極の反応抵抗、「Ｃｃ」は空気極の電気容量、及び「Ｒｍ」は燃料電池スタック１の電解質膜抵抗Ｒｍを意味する。

図１９に示す等価回路モデルに基づく、内部インピーダンスＺ（ω）は、以下の式（１）により求めることができる。

（ただし、式中ｊは虚数単位を意味する。）

ここで、定常特性では、スタック出力電流及び電圧が実質的に直流となるので、式（１）においてωを０に近づけて得られる内部インピーダンスＺ（ω→０）が、定常状態の内部インピーダンスＺに相当する。すなわち、定常状態の内部インピーダンスＺ（ω→０）＝Ｒｍ＋Ｒａ＋Ｒｃとなる。

一方、図１８に示すＩＶ特性線は定常状態における特性を表す。したがって、出力電流範囲ＲＡ内において近似的にオームの法則が成り立つとみなすことができ、特性線傾きΔＶ／ΔＩは燃料電池スタック１の等価回路モデルにおける全抵抗成分の総和（電解質膜抵抗Ｒｍ＋燃料極反応抵抗Ｒａ＋空気極反応抵抗Ｒｃ）にほぼ等しくなる。すなわち、ΔＶ／ΔＩ＝Ｒｍ＋Ｒａ＋Ｒｃが成り立つ。

したがって、定常状態の内部インピーダンスＺ（ω→０）＝特性線傾きΔＶ／ΔＩが成り立つ。

図１７に戻り、ステップＳ２０２２において、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の電解質膜抵抗Ｒｍを演算する。なお、本実施形態では、高周波数内部インピーダンスＺ（ω→∞）が電解質膜抵抗Ｒｍに相当するので、高周波数内部インピーダンスＺ（ω→∞）を電解質膜抵抗Ｒｍとして用いる。

ステップＳ２０２３において、コントローラ２００は、低周波数内部インピーダンスＺ（ωＬｏ１）及びＺ（ωＬｏ２）、特性線傾きΔＶ／ΔＩ、及び電解質膜抵抗Ｒｍに基づいて、燃料極反応抵抗Ｒａを演算する。以下では、燃料極反応抵抗Ｒａの演算方法の一例を説明する。

図２０は、空気極反応抵抗Ｒｃの影響を無視した燃料電池スタック１の等価回路モデルを示している。コントローラ２００は、燃料極反応抵抗Ｒａをこの等価回路モデルに基づいて演算する。

なお、図２０に示す等価回路モデルでは、空気極の反応抵抗成分が無視されている。これは、計測周波数ωＬｏ１，ωＬｏ２が属する低周波数領域においては、交流信号値の変動に対して燃料極の反応は十分な応答性を示すが、空気極の反応の応答性は低いことにより、低周波数内部インピーダンスＺ（ωＬｏ）及びＺ（ωＬｏ２）への空気極反応抵抗Ｒｃの影響が、燃料極反応抵抗Ｒａの影響に比べて低いためである。

図２０に示す空気極の反応抵抗を無視した等価回路モデルに基づく、内部インピーダンスＺは、以下の式（２）により求めることができる。

さらに、式（２）の実部をとって変形すると下記の式（３）が得られる。

ただし、Ｚｒは内部インピーダンスＺの実部を意味する。

ここで、式（３）の電解質膜抵抗Ｒｍは、図１７のステップＳ２０２２で演算されているので既知の値である。

また、内部インピーダンスＺの１つの計測周波数である周波数ωＬｏ１を式（３）に代入する場合、実部Ｚｒは、図１６のステップＳ２０１で取得した低周波数内部インピーダンスＺ（ωＬｏ１）の実部Ｚｒ（ωＬｏ１）に相当する既知の値となるので、式（３）から、燃料極反応抵抗Ｒａ及び燃料極電気容量Ｃａを未知数とする第１式が得られる。

さらに、内部インピーダンスＺのもう１つの計測周波数である周波数ωＬｏ２を式（３）に代入する場合、実部Ｚｒは、図１６のステップＳ２０１で取得した低周波数内部インピーダンスＺ（ωＬｏ２）の実部Ｚｒ（ωＬｏ２）に相当する既知の値となるので、式（３）から、燃料極反応抵抗Ｒａ及び燃料極電気容量Ｃａを未知数とする第２式が得られる。

したがって、燃料極反応抵抗Ｒａ及び燃料極電気容量Ｃａを未知数とする２つの式が得られるので、これを適宜任意の方法で解くことで燃料極反応抵抗Ｒａを求めることができる。

例えば、式（３）における横軸ω²、縦軸１／Ｚｒとする（ω²，１／Ｚｒ）平面を考慮すると、当該平面において式（３）は直線を表し、その切片ａは以下の式（４）で与えられる。

そして、この２点の周波数ωＬｏ１、ωＬｏ２、及びこれらに対応する実部Ｚｒ（ωＬｏ１）及びＺｒ（ωＬｏ２）を上記（ω²，１／Ｚｒ）平面上にプロットすると、これらのプロットを結ぶ一つの直線Ｌが定まる。この直線Ｌの切片が式（４）の切片ａに相当する。したがって、式（４）における未知数は燃料極反応抵抗Ｒａのみとなるので、これを解くことで燃料極反応抵抗Ｒａを求めることができる。

図１７に戻り、ステップＳ２０２４において、コントローラ２００は、空気極反応抵抗Ｒｃを演算する。

具体的に、コントローラ２００は、既に説明した定常特性の関係式ΔＶ／ΔＩ＝Ｒｍ＋Ｒａ＋Ｒｃに、ステップＳ２０２２で演算した電解質膜抵抗Ｒｍ及びステップＳ２０２３で演算した燃料極反応抵抗Ｒａを適用して、空気極反応抵抗Ｒｃを演算する。

図１６に戻り、コントローラ２００は、ステップＳ２０３において、空気極反応抵抗Ｒｃが所定の閾値Ｒｃ_ｔｈより大きいか否かを判定する。ここで、所定の閾値Ｒｃ_ｔｈとは、発電の要求に対して燃料電池スタック１内の酸素濃度を適切に保つ観点から許容される空気極反応抵抗Ｒｃの下限値として予め設定される値である。

コントローラ２００は、空気極反応抵抗Ｒｃが閾値Ｒｃ_ｔｈより大きいと判定すると、ステップＳ２０４に進み、強制バイパス弁閉塞フラグとして「１」をセットする。

すなわち、空気極反応抵抗Ｒｃが閾値Ｒｃ_ｔｈより大きい場合には、要求発電電力を満たすスタック供給空気流量が確保されておらず、燃料電池スタック１内の酸素濃度が低い状態（空気不足状態）と判断し、空気不足状態を解消すべく強制バイパス弁閉塞フラグをセットする。

一方、コントローラ２００は、上記ステップＳ２０３で空気極反応抵抗Ｒｃが閾値Ｒｃ_ｔｈより小さいと判定すると、強制バイパス弁閉塞フラグをセットすることなく処理を終了する。

すなわち、この場合には、スタック供給空気流量が発電電力の要求を満たし燃料電池スタック１の空気極内の酸素濃度が適切に保たれている判断できるため、空気不足状態となる懸念が無いと判定して、強制バイパス弁閉塞制御を実行しないようにする。

次に、本実施形態における強制バイパス弁閉塞制御について説明する。

図２１は、本実施形態の強制バイパス弁閉塞制御の流れを示すフローチャートである。

図示のように、ステップＳ１１０１において、コントローラ２００は、図８に示す湿潤目標バイパス弁開度演算部Ｂ３２０の機能により、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍを演算する。

ステップＳ１１０２において、コントローラ２００は、図１６に示す空気極反応抵抗Ｒｃの演算機能にしたがい、空気極反応抵抗Ｒｃを演算する。

ステップＳ１１０３において、コントローラ２００は、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍ、空気極反応抵抗Ｒｃ、及び閾値Ｒｃ_ｔｈに基づいて、空気極反応抵抗Ｒｃから閾値Ｒｃ_ｔｈを減算して得られる反応抵抗偏差ｅ_Ｒｃをゼロに近づけるように、強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔを演算する。そして、ステップＳ１１０４において、コントローラ２００は、バイパス弁開度を強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔに調節する。

ここで、上記ステップＳ１１０４における強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔの演算についてより詳細に説明する。

図２２は、本実施形態における強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００の機能を説明するブロック図である。

図示のように、コントローラ２００は、強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００の機能として、比例ゲイン乗算部Ｂ４０１１と、積分部Ｂ４０１２と、積分ゲイン乗算部Ｂ４０１３と、加算部Ｂ４０１４と、ミニマムセレクト部Ｂ４０１５を有している。

比例ゲイン乗算部Ｂ４０１１は上述の反応抵抗偏差ｅ_Ｒｃに比例ゲインＫｐを乗算して得られる比例項Ｋｐ・ｅ_Ｒｃを加算部Ｂ４０１４に出力する。

積分部Ｂ４０１２は、第１回目の強制バイパス弁閉塞制御の制御周期から前回の制御周期までにおける反応抵抗偏差ｅ_Ｒｃの総和∫ｅ_Ｒｃを演算し、積分ゲイン乗算部Ｂ４０１３に出力する。

なお、第１回目の制御周期における強制バイパス弁閉塞制御では、総和∫ｅ_Ｒｃの初期値として、現在の湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍから積分ゲインＫｉを除した値を用いる。これにより、湿潤バイパス弁制御から強制バイパス弁閉塞制御への制御の切り替えをスムーズに行うことができる。

積分ゲイン乗算部Ｂ４０１３は、反応抵抗偏差ｅ_Ｒｃの総和∫ｅ_Ｒｃに積分ゲインＫｉを乗算して得られる積分項Ｋｉ・∫ｅ_Ｒｃを加算部Ｂ４０１４に出力する。

加算部Ｂ４０１４は、比例項Ｋｐ・ｅ_Ｒｃと積分項Ｋｉ・∫ｅ_Ｒｃを加算して、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´を演算する。

したがって、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´は、空気極反応抵抗Ｒｃが閾値Ｒｃ_ｔｈに近づくように演算される目標値である。これにより、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´が強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔとして設定される場合には、発電要求に対して燃料電池スタック１内の酸素濃度が適切に維持されるように燃料電池スタック１に空気が供給されることとなる。

ミニマムセレクト部Ｂ４０１５は、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍと暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´の内の小さい方を、強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔとして演算する。

このように、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍと暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´の内の小さい方を選択するようにしたことで、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´が湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍより大きい場合には、暫定強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ´を目標値として設定しないようにしている。

これにより、空気極反応抵抗Ｒｃが高くなって、バイパス弁開度を湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍよりも閉める方向に制御する必要があるシーンをより確実に検知して、強制バイパス弁閉塞制御を実行することができる。

なお、湿潤バイパス弁制御復帰処理については、第１実施形態で説明した図１０のステップＳ１２１における判定に用いている「発電要求空気流量Ｑｓｔ_ｇｅｎ」及び「湿潤要求空気流量Ｑｓｔ_ｈｕｍ」を、それぞれ「空気極反応抵抗Ｒｃ」及び「閾値Ｒｃ_ｔｈ」に代えることで同様に実行することができる。

以上説明した第３実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態の燃料電池システム１００では、空気不足状態判定パラメータは、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺを含む。そして、空気不足状態判定部としてのコントローラ２００は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺに基づいて空気不足状態を判定する（図１６）。

これにより、燃料電池スタック１内の空気が発電要求に対して不足する場合に、その影響が反映される内部インピーダンスＺに基づいて空気不足状態を判定するため、空気不足状態をより高精度且つ容易に判定することができ、強制バイパス弁制御をより好適なタイミングで実行することができる。

特に、本実施形態では、コントローラ２００は、燃料電池スタック１の内部インピーダンスＺに基づき燃料電池スタック１の酸化剤極の反応抵抗である空気極反応抵抗Ｒｃを演算し（図１７）、空気極反応抵抗Ｒｃが所定の閾値Ｒｃ_ｔｈより大きい場合に空気不足状態と判定する。

これにより、燃料電池スタック１内において、実際に空気（酸素）が消費される空気極の反応サイトの情報をより直接的に反映する空気極反応抵抗Ｒｃに基づいて強制バイパス弁制御が判定され、強制バイパス弁制御が実行されることとなる。したがって、強制バイパス弁制御をさらに好適なタイミングで実行することができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システム１００では、強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００は、空気極反応抵抗Ｒｃが所定の閾値Ｒｃ_ｔｈ以下となるまでバイパス弁２９を閉塞する（図２２）。

これにより、空気極反応抵抗Ｒｃが所定の閾値Ｒｃ_ｔｈとなるまでバイパス弁２９を閉塞して、空気不足状態を抑制しつつも、必要以上にバイパス弁２９の開度を小さくすることによる燃料電池スタック１の電解質膜の乾燥も抑制することができる。

なお、上記第３実施形態において、空気不足状態の判定（図１６参照）に空気極反応抵抗Ｒｃを用いているが、これに代えて、例えば内部インピーダンスＺ（ωＬｏ１）等の内部インピーダンス計測値を直接空気不足状態の判定に用いても良い。すなわち、内部インピーダンスＺ（ωＬｏ１）が所定の閾値より大きい場合に、空気不足状態と判定するようにしても良い。

これにより、空気極反応抵抗Ｒｃを空気不足状態の判定に用いる場合と比較して、判定精度は低下するものの、コントローラ２００による演算処理の負担を軽減することができる。

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。また、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

例えば、第２実施形態及び第３実施形態においては、強制バイパス弁閉塞制御における強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔの演算をＰＩ制御に基づいて行っている（図１５及び図２２参照）。しかしながら、第２実施形態及び第３実施形態においても、第１実施形態にかかる図９に示す強制バイパス弁閉塞制御部Ｂ４００のように、空気不足状態判定処理（ステップＳ１００）により強制バイパス弁閉塞フラグがセットされている場合に、強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔを０に設定するようにしても良い。

さらに、強制バイパス弁閉塞制御においては、第１実施形態によるバイパス弁２９を全閉（強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔ＝０）や、第２実施形態及び第３実施形態によるフィードバック制御に基づく強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔの演算以外に、他の強制目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｆｏｒ_ｔの決定方法を採用しても良い。

例えば、強制バイパス弁閉塞制御におけるバイパス弁開度を、湿潤バイパス弁制御により定まる湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍ（図８参照）の１／２等、湿潤目標バイパス弁開度Ｏｂｙ_ｈｕｍよりもバイパス弁２９を閉塞させる方向の任意の目標バイパス弁開度を設定するようにしても良い。

１ 燃料電池スタック
１ｎ 負極端子
１ｐ 正極端子
２ カソード給排装置
３ 燃料ガス給排装置
４ スタック冷却装置
５ 負荷装置
６ インピーダンス計測装置
２１ 空気供給通路
２２ コンプレッサ
２２ａ コンプレッサモータ
２２ｂ 回転数センサ
２３ エアフローメータ
２４ インタークーラー
２５ 空気圧力センサ
２６ カソードオフガス排出通路
２７ 空気調圧弁
２８ バイパス通路
２９ バイパス弁
２９ａ 開度センサ
３１ 高圧タンク
３２ 燃料ガス供給通路
３３ 燃料ガス調圧弁
３４ エゼクタ
３５ 燃料ガス循環通路
３６ 燃料ガス循環ブロワ
３７ 循環燃料ガス圧力センサ
３８ パージ通路
３９ パージ弁
４１ 冷却水循環通路
４２ 冷却水ポンプ
４３ ラジエータ
４４ 冷却水バイパス通路
４５ 三方弁
４６ 入口水温センサ
４７ 出口水温センサ
５１ スタック電流センサ
５２ スタック電圧センサ
１００ 燃料電池システム
２００ コントローラ

Claims (13)

1. 酸化剤と燃料の供給を受けて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
   前記燃料電池に供給される酸化剤の一部をバイパスさせるバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられるバイパス弁と、
   前記燃料電池の運転状態を取得する運転状態取得部と、
   前記運転状態に基づいて前記バイパス弁及び前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置を有する燃料電池システムであって、
   前記運転状態取得部は、前記燃料電池の湿潤状態を取得する湿潤状態取得部を有し、
   前記運転制御装置は、前記燃料電池の湿潤状態に基づいて前記バイパス弁の開閉を制御する湿潤バイパス弁制御を実行するバイパス弁制御部を有し、
   前記バイパス弁制御部は、
   前記燃料電池の発電に要求される酸化剤に対して前記燃料電池に供給される酸化剤が不足しているか又は不足する可能性がある酸化剤不足状態を判定する酸化剤不足状態判定部と、
   前記酸化剤不足状態と判定すると、前記バイパス弁を閉める方向に制御する強制バイパス弁閉塞制御を実行する強制バイパス弁閉塞制御部と、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、
   前記酸化剤不足状態判定部は、前記酸化剤不足状態に相関する酸化剤不足状態判定パラメータに基づいて前記酸化剤不足状態を判定する、
   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、
   前記酸化剤不足状態判定パラメータは、前記燃料電池の湿潤状態に基づいて要求される酸化剤流量である湿潤要求酸化剤流量と、前記燃料電池の発電に要求される酸化剤流量である発電要求酸化剤流量と、を含み、
   前記酸化剤不足状態判定部は、前記湿潤要求酸化剤流量が前記発電要求酸化剤流量未満である場合に前記酸化剤不足状態と判定する、
   燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記酸化剤不足状態判定パラメータは、前記燃料電池の発電に要求される酸化剤流量である発電要求酸化剤流量と、前記酸化剤供給装置により前記システムに供給される酸化剤流量の検出値であるシステム酸化剤流量検出値と、前記バイパス弁の開度の検出値であるバイパス弁開度検出値と、を含み、
   前記酸化剤不足状態判定部は、
   前記システム酸化剤流量検出値及び前記バイパス弁開度検出値に基づいて、前記燃料電池に供給される酸化剤の流量である燃料電池供給酸化剤流量を推定し、
   前記燃料電池供給酸化剤流量の推定値が前記発電要求酸化剤流量未満である場合に前記酸化剤不足状態と判定する、
   燃料電池システム。
5. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記酸化剤不足状態判定パラメータは、前記燃料電池の内部インピーダンスを含み、
   前記酸化剤不足状態判定部は、前記燃料電池の内部インピーダンスに基づいて前記酸化剤不足状態を判定する、
   燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記酸化剤不足状態判定部は、
   前記燃料電池の内部インピーダンスに基づき前記燃料電池の酸化剤極の反応抵抗を演算し、
   前記酸化剤極の反応抵抗が所定の閾値より大きい場合に前記酸化剤不足状態と判定する、
   燃料電池システム。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記強制バイパス弁閉塞制御部は、前記バイパス弁を全閉にする、
   燃料電池システム。
8. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記強制バイパス弁閉塞制御部は、前記燃料電池供給酸化剤流量の推定値が前記発電要求酸化剤流量以上となるまで前記バイパス弁を閉塞する、
   燃料電池システム。
9. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記強制バイパス弁閉塞制御部は、前記酸化剤極の反応抵抗が前記所定の閾値以下となるまで前記バイパス弁を閉塞する、
   燃料電池システム。
10. 請求項１〜９の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記バイパス弁制御部は、前記酸化剤不足状態の判定が解消されると、前記強制バイパス弁閉塞制御を解除して前記湿潤バイパス弁制御を復帰させる湿潤バイパス弁制御復帰部をさらに備える、
    燃料電池システム。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記湿潤バイパス弁制御復帰部は、前記酸化剤不足状態の判定が解消されてから所定時間経過後に、前記強制バイパス弁閉塞制御を解除して前記湿潤バイパス弁制御を復帰させる、
    燃料電池システム。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記湿潤状態取得部は、前記燃料電池の湿潤状態として前記燃料電池の高周波インピーダンスを取得し、
    前記バイパス弁制御部は、前記湿潤バイパス弁制御として、
    前記燃料電池の負荷に基づいて前記燃料電池の高周波インピーダンスの目標値を演算し、
    前記高周波インピーダンスの取得値と前記高周波インピーダンスの目標値に基づき、前記燃料電池の湿潤状態に基づいて要求される酸化剤流量である湿潤要求酸化剤流量を演算し、
    前記湿潤要求酸化剤流量に基づいて前記バイパス弁の開度を制御する、
    燃料電池システム。
13. 燃料電池に供給される酸化剤の一部をバイパスするバイパス通路に設けられるバイパス弁の開閉を、燃料電池の湿潤状態に基づいて制御する湿潤バイパス弁制御を実行し、
    前記燃料電池の発電に要求される酸化剤に対して前記燃料電池に供給される酸化剤が不足しているか又は不足する可能性があるかを判定し、
    前記酸化剤が不足するか又は不足する可能性があると判定すると、前記バイパス弁を閉める方向に制御する強制バイパス弁閉塞制御を実行する、
    燃料電池システムの制御方法。

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