CN108886153B - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

具备：燃料电池，其接受阳极气体和阴极气体的供给来发电；压缩机，其向燃料电池供给阴极气体；涡轮，其接受从燃料电池排出的阴极排气的供给来生成动力；电动马达，其与压缩机及涡轮连结，进行动力运转和再生；燃烧器，其设置于燃料电池与所述涡轮之间，使阴极气体与阳极气体混合后燃烧；冷却器，其对从压缩机向燃料电池供给的阴极气体进行冷却；旁路通路，其从冷却器的上游绕过冷却器和燃料电池地向燃烧器供给阴极气体；以及旁路阀，其设置于旁路通路。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。

背景技术

JP2004-119239A中公开了一种燃气涡轮发电设备，该燃气涡轮发电设备是将作为燃料电池的一种的固体电解质燃料电池(SOFC)与燃气涡轮组合而成的发电设备，具备：动力回收机构，其具备向SOFC供给空气的压缩机以及与压缩机连结的涡轮；以及燃烧器，其将来自燃料电池的排出空气和排出燃气进行燃烧后将燃烧气体排出到涡轮。

发明内容

上述燃气涡轮发电设备是设想了在比较高的温度下进行动作的SOFC的系统。在这种专利文献1的系统中，与固体高分子型燃料电池(PEM)等在比较低的温度下进行动作的燃料电池相比气体温度等各种条件大不相同。因而，无法将上述燃气涡轮发电设备中的动力回收机构应用于像这样在比较低的温度下进行动作的燃料电池所涉及的系统。

本发明是鉴于这种问题而完成的，其目的在于提供一种具备对于低温动作型的燃料电池也能够适当地应用的动力回收机构的燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。

根据本发明的某个方式，提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统具备：燃料电池，其接受阳极气体和阴极气体的供给来发电；压缩机，其向燃料电池供给阴极气体；涡轮，其接受从燃料电池排出的阴极排气的供给来生成动力；以及电动马达，其与压缩机及涡轮连结，进行动力运转和再生。并且，该燃料电池系统具备：燃烧器，其设置于燃料电池与涡轮之间，使阴极气体与阳极气体混合后燃烧；冷却器，其对从压缩机向燃料电池供给的阴极气体进行冷却；旁路通路，其从冷却器的上游绕过冷却器和燃料电池地向燃烧器供给阴极气体；以及旁路阀，其设置于旁路通路。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的燃料电池系统的概要结构图。

图2A是说明开放了喷嘴叶片的状态的图。

图2B是说明闭塞了喷嘴叶片的状态的图。

图3是表示对第一实施方式的燃料电池系统进行控制的控制器的功能结构例的框图。

图4是表示计算要向燃料电池供给的空气压力的目标值的功能结构例的框图。

图5是表示计算要向燃料电池供给的空气流量的目标值以及要从压缩机喷出的空气流量的目标值的功能结构例的框图。

图6是表示同压力比目标值相应的向压缩机马达要求的要求电力与堆要求压缩机流量的关系的图表。

图7是表示计算涡轮入口温度的目标值的功能结构例的框图。

图8是表示用于决定涡轮入口温度目标值的图表的图。

图9是表示与要求输出相应的燃料电池系统的状态的变化的时序图。

图10是与压力相应地示出涡轮入口温度取容许上限温度的情况下的流量与涡轮的回收动力的关系的图。

图11是说明第一实施方式的旁路阀的开闭的流程图。

图12是表示第二实施方式中的计算要向燃料电池供给的空气流量的目标值以及要从压缩机喷出的空气流量的目标值的功能结构例的框图。

图13是表示同压缩机喷出温度相应的压缩机要求发电电力与堆要求压缩机流量的关系的图表。

具体实施方式

下面，参照附图等来说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

本发明的第一实施方式中的燃料电池系统100具有燃料电池堆10、阴极供排机构12、阳极供给机构14、热供给机构15、具有压缩机50和涡轮52的作为动力回收机构的压缩机动力供给机构16、堆冷却机构17以及控制器20。

燃料电池堆10是层叠多个燃料电池而成的层叠电池。燃料电池堆10接受来自阳极供给机构14的阳极气体(氢)的供给和来自阴极供排机构12的阴极气体(空气)的供给，来发出车辆的行驶所需的电力。该发电电力使用于在使燃料电池系统100工作时使用的压缩机50等各种辅机类、未图示的车轮驱动用的马达。在燃料电池堆10的正极端子和负极端子上连接有阻抗测量装置11，该阻抗测量装置11测量与燃料电池堆10中形成的电解质膜的湿润状态相关的阻抗。

阻抗测量装置11向燃料电池堆10的正极端子供给交流电流，对燃料电池堆10的正极端子和负极端子处产生的电压的交流分量进行检测。然后，阻抗测量装置11基于所供给的交流电流以及检测出的电压的交流分量来运算燃料电池堆10的交流电阻、即HFR(Highfrequency Resistance：高频电阻)。阻抗测量装置11将运算出的HFR作为HFR测量值输入到控制器20。此外，阻抗测量装置11也可以对燃料电池堆10的输出电压、输出电流等进行测量。

阴极供排机构12具备阴极气体供给通路22和阴极排气通路24。

阴极气体供给通路22是供向燃料电池堆10供给的空气流动的通路。阴极气体供给通路22的一端与气体过滤器23连接，另一端与燃料电池堆10连接。

而且，在阴极气体供给通路22上，从上游起依次设置有气流传感器26、压缩机喷出温度传感器27、后冷器28、堆供给空气温度传感器29以及空气压力传感器30。

气流传感器26设置于阴极气体供给通路22上的、压缩机动力供给机构16的压缩机50的吸气入口。气流传感器26对被吸入到压缩机50的空气的流量(下面也记载为“压缩机流量”)进行检测。下面，将该气流传感器26的检测值也记载为“压缩机流量检测值”。由气流传感器26检测出的压缩机流量检测值被输入到控制器20。

压缩机喷出温度传感器27对从压缩机50喷出的比后冷器28更靠上游的空气的温度(下面也记载为“压缩机喷出温度”)进行检测。

另外，在阴极气体供给通路22上，在气流传感器26与压缩机喷出温度传感器27之间连接有具有旁路阀32的旁路通路33。该旁路通路33是将阴极气体供给通路22与阴极排气通路24连结的通路。即，旁路通路33是从后冷器28的上游绕过该后冷器28和燃料电池堆10地向后述的催化剂燃烧器36供给阴极气体的通路。

后冷器28对从压缩机50喷出后送往燃料电池堆10的空气进行冷却。后冷器28构成为水冷式的热交换器，与堆冷却机构17连接。即，通过后冷器28，在用于冷却燃料电池堆10的冷却水与要向燃料电池堆10供给的空气之间进行热交换。

堆供给空气温度传感器29对在后冷器28中进行冷却后向燃料电池堆10供给的阴极气体的温度(下面也记载为“堆供给空气温度”)进行检测。

空气压力传感器30对阴极气体供给通路22内的压力、即向燃料电池堆10供给的空气的压力(下面也记载为“空气压力”)进行检测。由空气压力传感器30检测出的空气压力检测值被输入到控制器20。

旁路阀32是对绕过燃料电池堆10地向阴极排气通路24供给的空气流量进行调节的压力调节阀，由控制器20来控制开闭。即，旁路阀32是对从压缩机50供给的空气中的、经由旁路通路33来绕过燃料电池堆10地向阴极排气通路24供给的空气流量进行调节的阀。

另外，在本实施方式中，如已经叙述过的那样，旁路通路33与阴极排气通路24上的催化剂燃烧器36的上游连通。因而，通过该旁路通路33，能够将阴极气体供给通路22内的空气供给到阴极排气通路24，提高向催化剂燃烧器36供给的阴极排气的氧浓度。

并且，阴极排气通路24的一端与燃料电池堆10的阴极出口连接，并且另一端与涡轮52连结。另外，在阴极排气通路24上设置有热供给机构15。

热供给机构15具有上述的催化剂燃烧器36和涡轮入口温度传感器38。该催化剂燃烧器36和涡轮入口温度传感器38按从燃料电池堆10去向涡轮52的顺序设置于阴极排气通路24。

催化剂燃烧器36使利用未图示的混合器将阳极气体与阴极气体混合而成的混合气体在利用铂等的催化剂作用下进行催化剂燃烧。从阳极供给机构14经由燃烧用阳极气体供给通路64向该催化剂燃烧器36供给阳极气体，另一方面，从燃料电池堆10经由阴极排气通路24向该催化剂燃烧器36供给阴极排气并且从旁路通路33向该催化剂燃烧器36供给空气。因而，向催化剂燃烧器36供给的阴极气体包括经由旁路通路33供给的空气以及从燃料电池堆10排出的阴极排气。

此外，在本实施方式中，通过将催化剂燃烧器36用作燃烧器，与使用扩散燃烧方式的燃烧器、贫预混燃烧方式的燃烧器的情况相比，能够抑制氮化合物(Nox)的产生。然而，也可以使用扩散燃烧方式的燃烧器、贫预混燃烧方式的燃烧器等除催化剂燃烧器以外的燃烧器。

涡轮入口温度传感器38对在通过催化剂燃烧器36进行的燃烧之后残留的燃烧后气体的温度、即向压缩机动力供给机构16的涡轮52供给的燃烧后气体的温度(下面也记载为“涡轮入口温度”)进行检测。此外，由涡轮入口温度传感器38检测出的涡轮入口温度的检测值被输入到控制器20。

接着，说明阳极供给机构14。本实施方式中的阳极供给机构14具备高压罐60、堆用阳极气体供给通路62以及燃烧用阳极气体供给通路64。

高压罐60是将要向燃料电池堆10供给的作为阳极气体的氢保持为高压状态来进行贮存的气体贮存容器。

堆用阳极气体供给通路62是将从高压罐60排出的氢供给到燃料电池堆10的通路。堆用阳极气体供给通路62的一端与高压罐60连接，另一端与燃料电池堆10连接。

另外，在堆用阳极气体供给通路62上设置有阳极气体供给阀66和氢压力检测传感器67。阳极气体供给阀66是任意地调节向燃料电池堆10的氢的供给量的压力调节阀。

氢压力检测传感器67对向燃料电池堆10供给的氢的压力(下面也记载为“氢压力”)进行检测。此外，由氢压力检测传感器67检测出的氢压力检测值被输入到控制器20。

另一方面，燃烧用阳极气体供给通路64是将从高压罐60排出的氢的一部分供给到催化剂燃烧器36的通路。而且，燃烧用阳极气体供给通路64的一端与堆用阳极气体供给通路62连通而分支，另一端与催化剂燃烧器36连结。

另外，在燃烧用阳极气体供给通路64上，设置有任意地调节向催化剂燃烧器36的氢供给量的燃烧器氢供给阀68。燃烧器氢供给阀68是通过将开度连续地或阶段性地调节来适当调节向催化剂燃烧器36的氢供给量的压力调节阀。

此外，在本实施方式所涉及的燃料电池系统100中，例如能够通过循环型或非循环型的未图示的阳极排气机构对来自燃料电池堆10的阳极排气进行处理。

接着，说明压缩机动力供给机构16。压缩机动力供给机构16具备压缩机50、涡轮52以及作为电动马达的压缩机驱动马达54。

压缩机50经由旋转驱动轴57来与压缩机驱动马达54及涡轮52连接。压缩机50构成为：被驱动旋转来吸入外部大气，经由阴极气体供给通路22来向燃料电池堆10供给阴极气体。此外，能够利用压缩机驱动马达54和涡轮52中的一方或双方的动力来驱动压缩机50。

利用从催化剂燃烧器36供给的燃烧后气体来对涡轮52进行旋转驱动。然后，涡轮52基于该旋转驱动力，借助旋转驱动轴57和压缩机驱动马达54来向压缩机50输出动力。即，能够利用来自涡轮52的回收动力对压缩机50进行驱动。另外，用于驱动涡轮52之后的燃烧后气体经由涡轮排气通路53被排出。

在压缩机50的动力要求比较大而需要使由涡轮52提供的回收动力增加等情况下，能够使向涡轮52流入的燃烧后气体的供给流量(下面也记载为“涡轮气体流入流量”)、温度(下面，“涡轮入口温度”)以及压力增加来适当地向压缩机50提供动力。

此外，也可以是，不仅将由涡轮52提供的回收动力作为压缩机50的旋转驱动力，还在燃料电池系统100内的其它任意的动力要求机构中使用。

并且，在本实施方式中，在涡轮52中设置有喷嘴叶片58，该喷嘴叶片58对向该涡轮52供给的燃烧后气体的压力进行调节。

图2A和图2B是表示设置于涡轮52的喷嘴叶片58的概要构造的图。特别是，图2A示出了开放了喷嘴叶片58的状态，图2B示出了闭塞了喷嘴叶片58的状态。另外，在图2A和图2B中，利用箭头A来示意性地示出流入的燃烧后气体的流动方向。

如图2A所示，在开放了喷嘴叶片58的状态下，从喷嘴叶片58来看涡轮叶轮52a的入口流路的截面面积增加。因而，在该状态下，从阴极排气通路24流入到涡轮52的燃烧后气体的压力损耗相对变小。

另一方面，如图2B所示，在闭塞了喷嘴叶片58的状态下，涡轮叶轮52a的入口流路的截面面积相对减少，压力损耗变大。

返回到图1，压缩机驱动马达54在旋转驱动轴57的一侧与压缩机50连接，并且在旋转驱动轴57的另一侧与涡轮52连接。压缩机驱动马达54具有从未图示的蓄电池、燃料电池堆10以及涡轮52等接受电力的供给来进行旋转驱动的作为电动机的功能(动力运转模式)以及通过被外力驱动旋转来进行发电、向蓄电池、燃料电池堆10供给电力的作为发电机的功能(再生模式)。压缩机驱动马达54具备未图示的马达外壳、固定于马达外壳的内周面的定子、以能够旋转的方式配置于定子的内侧的转子以及设置于转子的旋转驱动轴57。

另外，在压缩机驱动马达54设置有转矩传感器55和旋转速度传感器56。转矩传感器55对压缩机驱动马达54的转矩进行检测。然后，由转矩传感器55检测出的压缩机驱动马达54的转矩检测值被输入到控制器20。

并且，旋转速度传感器56对压缩机驱动马达54的旋转速度进行检测。由旋转速度传感器56检测出的压缩机旋转速度检测值被输入到控制器20。

接着，说明堆冷却机构17。堆冷却机构17具有冷却水循环流路76和散热器77，该散热器77将在冷却水循环流路76中流动的冷却水与外部大气等进行热交换，对该冷却水进行冷却。

冷却水循环流路76构成为包括未图示的燃料电池堆10的冷却水通路的环状循环路。在该冷却水循环流路76上设置有冷却水循环泵78，由此能够进行冷却水的循环。

而且，在冷却水循环流路76中循环的冷却水沿从燃料电池堆10的冷却水入口10a被供给到堆内并且从燃料电池堆10的冷却水出口10b排出的方向流动。

并且，在冷却水循环流路76上，在比散热器77更靠上游的位置设置有散热器旁路三通阀80。散热器旁路三通阀80对向散热器77供给的冷却水的量进行调节。例如，在冷却水的温度比较高的情况下，使散热器旁路三通阀80为开放状态，使冷却水循环到散热器77。另一方面，在冷却水的温度比较高的情况下，使散热器旁路三通阀80为闭塞状态，使冷却水以绕过散热器77的方式流到旁路80a。

另外，在冷却水循环流路76上，在燃料电池堆10的冷却水入口10a的附近设置有入口水温传感器81，在燃料电池堆10的冷却水出口10b的附近设置有出口水温传感器82。

入口水温传感器81对向燃料电池堆10流入的冷却水的温度进行检测。出口水温传感器82对从燃料电池堆10排出的冷却水的温度进行检测。由入口水温传感器81检测出的堆入口水温检测值以及由出口水温传感器82检测出的堆出口水温检测值被输入到控制器20。

并且，如上所述，在冷却水循环流路76上连接有后冷器28。由此，如已经叙述过的那样，能够在冷却水循环流路76内的冷却水与阴极气体供给通路22内的向燃料电池堆10供给的空气之间进行热交换。因而，例如，在要求燃料电池堆10的暖机时等的热量的情况下，能够利用从压缩机50喷出的高温的空气的热来对冷却水循环流路76内的冷却水进行加热，能够满足热量要求。另一方面，后冷器28对从压缩机50喷出的高温的空气进行冷却，因此空气变为适于燃料电池堆10的工作的温度后被供给到该燃料电池堆10。在后冷器28中交换得到的热经由冷却水被运至散热器77，散出到系统外部。

并且，如上所述那样构成的燃料电池系统100具有对该系统进行统一控制的控制器20。

控制器20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)的微型计算机构成。

除了来自燃料电池系统100的各种传感器的信号以外，来自检测大气的压力的大气压传感器111等检测燃料电池系统100的工作状态的各种传感器的信号也被输入到控制器20。

并且，与根据负载装置110的负荷来向燃料电池系统100要求的输出电力(下面，也仅记载为“要求输出”)有关的输出要求信号被输入到控制器20。负载装置110例如包括车轮驱动用的马达、二次电池等。在本实施方式中，例如，表示由未被图示的加速踏板传感器检测出的加速踏板的踏下量的检测信号越大，则负载装置110的要求电力越大，因此向控制器20输入的输出要求信号的信号水平越高。

控制器20使用这些输入信号等来进行压缩机驱动马达54、喷嘴叶片58、冷却水循环泵78以及包括旁路阀32在内的各种阀32、66、68、80等的驱动控制。例如，控制器20基于负载装置110的发电要求信号来计算压缩机流量、空气压力的目标值、向燃料电池堆10的氢供给压力的目标值，基于该计算结果来控制压缩机驱动马达54的转矩(动力)、喷嘴叶片58的开度、阳极气体供给阀66的开度。

另外，在本实施方式中，控制器20还获取与压缩机驱动马达54的消耗电力关联的信息来作为上述要求输出的一部分。

接着，参照图3～图7所示的框图来详细说明本实施方式中的燃料电池系统100中的各种控制。此外，图3～图7所示的各块的功能由控制器20来实现。

图3是说明本实施方式所涉及的对燃烧器氢供给阀68的开度、喷嘴叶片58的开度、压缩机驱动马达54的转矩以及旁路阀32的开度进行的反馈(F/B)控制的控制框图。

图3所示的控制块具有膜湿润F/B控制块B100、空气压力目标值运算块B101、空气流量目标值运算块B102、涡轮入口温度目标值运算块B103、燃烧器氢量F/B控制块B104、空气系统F/B控制块B105以及旁路空气量控制块B106。

膜湿润F/B控制块B100为了适当地保持燃料电池堆10中形成的电解质膜的湿润状态而对与该湿润状态有相关性的HFR值进行控制。

在本实施方式中，HFR目标值以及HFR测量值被输入到膜湿润F/B控制块B100。使用规定了燃料电池堆10的发电电力与HFR目标值的关系的图表等来预先决定HFR目标值。使用设置于燃料电池堆10的阻抗测量装置11来测量HFR测量值。

膜湿润F/B控制块B100为了使HFR测量值接近HFR目标值，从调节燃料电池系统100的工作状态的观点出发，计算所要求的空气压力(下面也记载为“湿润要求空气压力Ph_r”)以及所要求的空气流量(下面也记载为“湿润要求空气流量Fh_r”)。即，膜湿润F/B控制块B100基于HFR目标值来计算湿润要求空气压力Ph_r和湿润要求空气流量Fh_r。

并且，膜湿润F/B控制块B100将该湿润要求空气压力Ph_r输出到空气压力目标值运算块B101，并且将湿润要求空气流量Fh_r输出到空气流量目标值运算块B102。

空气压力目标值运算块B101基于电流目标值Is_t来运算要向燃料电池堆10供给的空气压力的目标值即空气压力目标值Pc_t。此外，电流目标值Is_t是基于系统要求输出和由涡轮52提供的回收动力来决定的、要从燃料电池堆10取出的电流的目标值。

在本实施方式中，电流目标值Is_t、堆温度检测值Ts_d、由膜湿润F/B控制块B100计算出的湿润要求空气压力Ph_r被输入到空气压力目标值运算块B101。堆温度检测值Ts_d例如是对由入口水温传感器81和出口水温传感器82检测出的各检测值进行平均所得到的值。此外，也可以使用各检测值中的任一方的值。空气压力目标值运算块B101基于上述的电流目标值Is_t、堆温度检测值Ts_d以及湿润要求空气压力Ph_r来计算要向燃料电池堆10供给的空气压力的目标值即空气压力目标值Pc_t，将该空气压力目标值Pc_t输出到空气流量目标值运算块B102和涡轮入口温度目标值运算块B103。

图4是表示由空气压力目标值运算块B101执行的空气压力目标值Pc_t的计算方法的详情的框图。该图所示的块具有发电要求空气压力计算块B200以及最大值选择块B201。

电流目标值Is_t和堆温度检测值Ts_d被输入到发电要求空气压力计算块B200。然后，发电要求空气压力计算块B200基于预先存储的图表，根据电流目标值Is_t和堆温度检测值Ts_d来计算燃料电池堆10的发电所需的空气压力即发电要求空气压力Pg_r。并且，发电要求空气压力计算块B200将发电要求空气压力Pg_r输出到最大值选择块B201。根据图所示的发电要求空气压力计算块B200的上述图表可以理解的是，电流目标值Is_t越大，则发电要求空气压力Pg_r越大，并且，堆温度检测值Ts_d越高，则发电要求空气压力Pg_r越大。

由发电要求空气压力计算块B200计算出的发电要求空气压力Pg_r以及由膜湿润F/B控制块B100计算出的湿润要求空气压力Ph_r被输入到最大值选择块B201。然后，最大值选择块B201将发电要求空气压力Pg_r和湿润要求空气压力Ph_r中的较大一方的值作为空气压力目标值Pc_t输出到空气流量目标值运算块B102和涡轮入口温度目标值运算块B103。

因而，在图4所示的块中，考虑到在控制燃料电池堆10的发电状态的基础上要求的空气压力(发电要求空气压力Pg_r)以及在操作电解质膜的湿润状态的基础上要求的空气压力(湿润要求空气压力Ph_r)，最大的值被设定为空气压力目标值Pc_t。

返回到图3，空气流量目标值运算块B102运算压缩机流量目标值Fco_t和堆流量目标值Fs_t。堆流量目标值Fs_t相当于在燃料电池堆10发出目标电力时在燃料电池堆10的阴极电极内发生电极反应所需的堆流量。即，堆流量目标值Fs_t相当于在发出目标电力时使输出电流为电流目标值Is_t所需的堆流量。

在本实施方式中，由空气压力目标值运算块B101计算出的空气压力目标值Pc_t、电流目标值Is_t、堆温度检测值Ts_d、湿润要求空气流量Fh_r、氢压力检测值Pan_d以及大气压检测值Pai_d被输入到空气流量目标值运算块B102。空气流量目标值运算块B102基于这些空气压力目标值Pc_t、电流目标值Is_t、堆温度检测值Ts_d、湿润要求空气流量Fh_r、氢压力检测值Pan_d以及大气压检测值Pai_d来计算压缩机流量目标值Fco_t和堆流量目标值Fs_t。

图5是表示由空气流量目标值运算块B102执行的堆流量目标值Fs_t和压缩机流量目标值Fco_t的计算方法的详情的框图。该图所示的块具有发电要求空气流量计算块B300、最大值选择块B301、压力比目标值运算块B302、堆要求压缩机流量计算块B303、稀释要求流量计算块B304以及最大值选择块B305。

电流目标值Is_t被输入到发电要求空气流量计算块B300。发电要求空气流量计算块B300基于预先存储的图表，根据电流目标值Is_t来计算在燃料电池堆10中发电所需的空气流量即发电要求空气流量Fg_r。

如图所示，在发电要求空气流量计算块B300的上述图表中，随着电流目标值Is_t增大，发电要求堆流量Fs_gr也增大。并且，发电要求空气流量计算块B300将发电要求空气流量Fg_r输出到最大值选择块B301。

湿润要求空气流量Fh_r和由发电要求空气流量计算块B300计算出的发电要求空气流量Fg_r被输入到最大值选择块B301。然后，最大值选择块B301将发电要求空气流量Fg_r和湿润要求空气流量Fh_r中的较大一方的值作为堆流量目标值Fs_t来输出。由此，对于堆流量目标值Fs_t，考虑到基于发电要求的空气流量和基于湿润要求的空气流量这两方。

空气压力目标值Pc_t和大气压检测值Pai_d被输入到压力比目标值运算块B302。然后，压力比目标值运算块B302用空气压力目标值Pc_t除以大气压检测值Pai_d来求出压力比目标值Pc_t/Pai_d，输出到堆要求压缩机流量计算块B303。

向压缩机马达要求的要求电力Wco以及压力比目标值Pc_t/Pai_d被输入到堆要求压缩机流量计算块B303。在此，向压缩机马达要求的要求电力Wco被定义为从要求输出减去燃料电池堆10的可输出电力(下面也仅记载为“可输出电力”)所得到的值。此外，燃料电池堆10的可输出电力是根据燃料电池堆10的尺寸、搭载燃料电池堆10的车辆的行驶状态等来决定的。

即，在要求输出超过可输出电力的情况下，向压缩机马达要求的要求电力Wco为正的值。像这样向压缩机马达要求的要求电力Wco为正的值表示：相对于要求输出而言燃料电池堆10的发电电力不足。因而，在本实施方式中，在该情况下，利用基于涡轮52的回收动力的压缩机驱动马达54的再生电力来补偿电力不足部分。

另一方面，在要求输出低于可输出电力的情况下，向压缩机马达要求的要求电力Wco为负的值。这表示：相对于要求输出而言燃料电池堆10的发电电力充足，压缩机驱动马达54在动力运转模式下工作。

并且，向压缩机马达要求的要求电力Wco越大，则压力比目标值Pc_t/Pai_d被设定得越大。即，压力比目标值Pc_t/Pai_d的增减与向压缩机马达要求的要求电力Wco的增减相关联，因此只要观察压力比目标值Pc_t/Pai_d的大小就能够将向压缩机马达要求的要求电力Wco的大小也检测出来。

然后，堆要求压缩机流量计算块B303基于所输入的向压缩机马达要求的要求电力Wco和压力比目标值Pc_t/Pai_d，根据预先决定的图表来计算堆要求压缩机流量Fco_sr。在此，堆要求压缩机流量Fco_sr是指根据要求输出与可输出电力之间的大小、即燃料电池堆10的发电电力是否不足来决定的压缩机流量的候选值。

图6是表示同压力比目标值相应的向压缩机马达要求的要求电力Wco与堆要求压缩机流量的关系的图表。

如图所示，在向压缩机马达要求的要求电力Wco为负的值的情况下(在燃料电池堆10的发电电力没有不足的情况下)，在该向压缩机马达要求的要求电力Wco达到规定值Wco1之前，无论压力比目标值Pc_t/Pai_d的值如何，都使堆要求压缩机流量Fco_sr增加至规定值Fco_sr1。该规定值Fco_sr1是与根据燃料电池堆10的要求发电电力而决定的堆流量相当的值。即，在像这样发电电力没有不足的状况下，使压缩机驱动马达54在动力运转模式下工作，因此不需要设定超过基于燃料电池堆10的要求发电电力的流量的压缩机流量，而是设定与根据燃料电池堆10的要求发电电力而决定的堆流量相当的压缩机流量。

另一方面，在向压缩机马达要求的要求电力Wco为正的值的情况下(在燃料电池堆10的发电电力不足的情况下)，根据压力比目标值Pc_t/Pai_d来设定堆要求压缩机流量Fco_sr。

首先，在将压力比目标值Pc_t/Pai_d设定得最小的情况下(低压时)，无论向压缩机马达要求的要求电力Wco的大小如何，都将堆要求压缩机流量Fco_sr设定为上述规定值Fco_sr1而不使其增加。像这样在低压时避免堆要求压缩机流量Fco_sr超过规定值Fco_sr1地增加的原因在于，在低压时阴极系统的压力损耗大，由涡轮52提供的回收动力变低，因此即使增加压缩机流量来使涡轮气体流入流量增加，也无法期望由涡轮52提供的回收动力大幅提高。

接着，在将压力比目标值Pc_t/Pai_d设定为比上述低压时大的中间值的情况下(中压时)，在向压缩机马达要求的要求电力Wco达到规定值Wco2以后，使堆要求压缩机流量Fco_sr从基于燃料电池堆10的要求发电电力的规定值Fco_sr1增加到规定值Fco_sr2。

像这样在中压时使堆要求压缩机流量Fco_sr相比于基于燃料电池堆10的要求发电电力的规定值Fco_sr1增加的原因在于，为了解除发电电力的不足，增加涡轮气体流入流量使得从压缩机驱动马达54得到再生电力。然而，在中压时，阴极系统的压力损耗还较大，因此即使使涡轮气体流入流量大幅增加，也无法期望一定水平以上的收回动力的增加，因此使堆要求压缩机流量Fco_sr增加到规定值Fco_sr2，以使压缩机流量在能够使由涡轮52提供的回收动力增加的限度下增加。此外，在本实施方式中，如后所述，随着堆要求压缩机流量Fco_sr的增加，使旁路阀32的开度增加，来避免燃料电池堆10所要求的流量以上的阴极气体流到后冷器28。关于这一点，在后面详细说明。

并且，在将压力比目标值Pc_t/Pai_d设定为最大的值的情况下(高压时)，在向压缩机马达要求的要求电力Wco达到规定值Wco3以后，使堆要求压缩机流量Fco_sr从上述规定值Fco_sr1起增加。

像这样，在高压时也是，使堆要求压缩机流量Fco_sr相比于基于燃料电池堆10的要求发电电力的规定值Fco_sr1增加，使得从压缩机驱动马达54得到再生电力。而且，在高压时，阴极系统的压力损耗小，因此能够使涡轮气体流入流量大幅增加，来使由涡轮52提供的回收动力超过一定水平地增加。

在此，在高压时也是，随着堆要求压缩机流量Fco_sr的增加，使旁路阀32的开度增加，来避免燃料电池堆10所要求的流量以上的阴极气体流到后冷器28。

返回到图5，堆要求压缩机流量计算块B303将由堆要求压缩机流量计算块B303计算出的堆要求压缩机流量Fco_sr输出到最大值选择块B305。

另一方面，堆温度检测值Ts_d以及由氢压力检测传感器67检测出的氢压力检测值Pan_d被输入到稀释要求流量计算块B304。然后，稀释要求流量计算块B304根据预先决定的图表，来计算为了对从燃料电池堆10排出的阳极排气进行稀释而要求的空气流量即稀释要求压缩机流量Fco_dr，输出到最大值选择块B305。

在图所示的稀释要求流量计算块B304的图表中，氢压力检测值Pan_d越大，则稀释要求压缩机流量Fco_dr也越大。另外，在该图表中，当堆温度检测值Ts_d变高时，稀释要求压缩机流量Fco_dr减少。这是由于，在堆温度检测值Ts_d高的状态下阳极排气温度高，需要进行以下校正：将用于稀释的空气量减少与阳极排气排出流路的压损变高而流量下降相应的量。

然后，稀释要求流量计算块B304将该稀释要求压缩机流量Fco_dr输出到最大值选择块B305。

从堆要求压缩机流量计算块B303输出的堆要求压缩机流量Fco_sr以及由稀释要求流量计算块B304计算出的稀释要求压缩机流量Fco_dr被输入到最大值选择块B305。然后，最大值选择块B305将堆要求压缩机流量Fco_sr和稀释要求压缩机流量Fco_dr中的较大一方的值作为压缩机流量目标值Fco_t输出到各块B103、B105以及B106。

即，在本实施方式中，压缩机流量目标值Fco_t是考虑燃料电池堆10的要求发电电力以及阳极排气的稀释要求来决定的。此外，也可以是，除了这些要求以外，还考虑用于避免压缩机50的浪涌的浪涌避免要求来决定压缩机流量目标值Fco_t。

返回到图3，涡轮入口温度目标值运算块B103基于向燃料电池堆10供给的阴极气体的流量和压力来控制从催化剂燃烧器36向涡轮52排出的燃烧后气体的温度、即涡轮入口温度。

在本实施方式中，大气压检测值Pai_d、由空气压力目标值运算块B101计算出的空气压力目标值Pc_t以及由空气流量目标值运算块B102运算出的压缩机流量目标值Fco_t被输入到涡轮入口温度目标值运算块B103。涡轮入口温度目标值运算块B103基于大气压检测值Pai_d、空气压力目标值Pc_t以及压缩机流量目标值Fco_t来求出涡轮入口温度应该当作目标的涡轮52的入口温度的目标值(下面也记载为“涡轮入口温度目标值Tt_t”)。

图7是表示由涡轮入口温度目标值运算块B103执行的涡轮入口温度目标值Tt_t的计算方法的详情的框图。该图所示的块具有压力比目标值运算块B400和涡轮入口温度目标值设定块B401。

空气压力目标值Pc_t和大气压检测值Pai_d被输入到压力比目标值运算块B400。然后，压力比目标值运算块B400用空气压力目标值Pc_t除以大气压检测值Pai_d来求出压力比目标值Pc_t/Pai_d，将该压力比目标值Pc_t/Pai_d输出到涡轮入口温度目标值设定块B401。

压缩机流量目标值Fco_t以及由压力比目标值运算块B400计算出的压力比目标值Pc_t/Pai_d被输入到涡轮入口温度目标值设定块B401。然后，涡轮入口温度目标值设定块B401基于预先存储的图表，根据压缩机流量目标值Fco_t和压力比目标值Pc_t/Pai_d来计算涡轮入口温度目标值Tt_t。

图8是表示用于规定涡轮入口温度目标值的图表的图。

如图8所示，涡轮入口温度目标值Tt_t在预先决定的涡轮入口温度的下限值Tt_tmin与考虑部件的耐热温度来决定的涡轮入口温度的容许上限温度Tt_tmax之间，与压力比目标值Pc_t/Pai_d及压缩机流量目标值Fco_t相应地变动。

具体地说，首先，在压力比目标值Pc_t/Pai_d被设定为最大的值的高压时、压力比目标值Pc_t/Pai_d被设定为中间的值的中压时、压力比目标值Pc_t/Pai_d被设定为最小的值的低压时，在压缩机流量目标值Fco_t分别达到规定值f1、f2、f3(f1<f2<f3)之前，涡轮入口温度目标值Tt_t被维持为下限值Tt_tmin，之后增加。

像这样越是高压则使涡轮入口温度目标值Tt_t从越少的压缩机流量目标值Fco_t开始增加的原因在于，即使是相同的压缩机流量目标值Fco_t，也是越是高压则针对燃料电池堆10的要求发电电力越大，因此需要使涡轮入口温度上升从而使来自涡轮52的回收动力增加。

并且，无论在高压时、中压时以及低压时中的哪个情况下，都是当压缩机流量目标值Fco_t达到比使上述涡轮入口温度开始上升的流量f1～f3大的规定值f4时，将涡轮入口温度目标值Tt_t设定为容许上限温度Tt_tmax。这是由于，在压缩机流量目标值Fco_t超过一定水平地变大的情况下，处于要求输出大、向压缩机马达要求的要求电力Wco大的状态，因此为了使利用涡轮52得到的回收动力增加，使涡轮入口温度急剧地上升。另一方面，从部件的耐热温度的观点出发，避免涡轮入口温度超过容许上限温度Tt_tmax地增加。

返回到图3，涡轮入口温度检测值Tt_d以及由涡轮入口温度目标值运算块B103运算出的涡轮入口温度目标值Tt_t被输入到燃烧器氢量F/B控制块B104。燃烧器氢量F/B控制块B104以使涡轮入口温度检测值Tt_d接近涡轮入口温度目标值Tt_t的方式对燃烧器氢供给阀68的开度进行反馈控制。

在本实施方式中，向燃料电池堆10要求的要求负荷、来自涡轮52的要求动力越大，则燃烧器氢供给阀68的开度越大。具体地说，当堆流量目标值Fs_t和压缩机流量目标值Fco_t中的至少任一方增大时，向催化剂燃烧器36供给的空气增加，因此使燃烧器氢供给阀68的开度变大来使为了使该空气燃烧而向催化剂燃烧器36的氢供给量增大。

作为各检测值，压缩机流量检测值Fco_d和空气压力检测值Pc_d被输入到空气系统F/B控制块B105。并且，作为各目标值，空气压力目标值Pc_t、压缩机流量目标值Fco_t以及堆流量目标值Fs_t被输入到空气系统F/B控制块B105。

然后，空气系统F/B控制块B105基于所输入的各检测值和各目标值来对喷嘴叶片58的开度以及压缩机驱动马达54的转矩进行反馈控制。具体地说，在向燃料电池堆10要求的要求负荷高的情况下、涡轮52的要求动力高的情况下，即，在堆流量目标值Fs_t和压缩机流量目标值Fco_t中的至少任一方增大的情况下，空气系统F/B控制块B105使喷嘴叶片58的开度变大。

同样地，压缩机驱动马达54的转矩(动力)被控制成随着空气压力目标值Pc_t、堆流量目标值Fs_t以及压缩机流量目标值Fco_t中的至少一个增大而变大。

空气压力目标值Pc_t、压缩机流量目标值Fco_t以及堆流量目标值Fs_t被输入到旁路空气量控制块B106。然后，旁路空气量控制块B106基于这些值来控制旁路阀32的开度。

具体地说，旁路空气量控制块B106以使流向旁路通路33的空气流量为压缩机流量目标值Fco_t与堆流量目标值Fs_t之差的方式控制旁路阀32的开度。

接着，详细说明已经说明的燃料电池系统100中的压缩机动力供给机构16(参照图1)的能量收支。

下面，首先说明在压缩机50中使用的功(下面也记载为“压缩机功Wc”)与能够从涡轮52回收的功(下面也记载为“涡轮功Wt”)的关系。

首先，求出压缩机功Wc的逻辑式能够表示为

Wc＝Fco×Cpc×Tc×[(Prc)^0.286-1}/ηc····(1)

其中，Fco表示压缩机流量，Cpc表示由压缩机50供给的空气的比热，Tc表示压缩机喷出温度，Prc表示压力比，以及，ηc表示压缩机效率。在本实施方式中，由压缩机50供给的空气的比热Cpc、压缩机效率ηc使用基于压缩机50的性质来预先决定的固定值。因而，压缩机功Wc主要与压缩机流量Fco、压缩机喷出温度Tc以及压力比Prc相应地变动。由此，基于式(1)，当压缩机流量Fco、压缩机喷出温度Tc以及压力比Prc中的至少任一个增加时，压缩机功Wc增加。

另外，求出涡轮功Wt的逻辑式能够表示为

Wt＝Ft×Cpt×Tt×[1-(1/Prt)^0.286}×ηt····(2)

其中，Ft表示向涡轮52流入的燃烧后气体的流量(下面也记载为“涡轮流入流量”)，Cpt表示向涡轮52流入的燃烧后气体的比热，Tt表示涡轮入口温度，Prt表示涡轮膨胀比，ηt表示涡轮效率。在此，在本实施方式中，由于根据燃烧后气体的成分可视作与空气大致相同等而能够预先决定向涡轮52流入的燃烧后气体的比热Cpt。另外，涡轮效率ηt能够基于涡轮52的性质来预先决定。因而，涡轮功Wt主要与涡轮流入流量Ft、涡轮入口温度Tt以及涡轮膨胀比Prt相应地变动。由此，基于式(2)，当涡轮流入流量Ft以及涡轮入口温度Tt中的至少任一个增加时，涡轮功Wt增加。

并且，求出燃料电池堆10的压力损耗ΔPs的逻辑式能够表示为

ΔPs＝(k×Fs×Prc×Ts)/T0····(3)

其中，k表示燃料电池堆10内的阴极流路中的压力损耗系数，Fs表示堆流量，Ts表示堆温度，以及，T0表示标准状态的温度(≈273.15K)。另外，关于式(3)中的Prc，能够使用已经叙述过的涡轮膨胀比Prt并通过下面的式子来求出。

Prt＝Prc+(ΔPs/Patm)····(4)

因而，主要是当堆流量Fs和堆温度Ts中的至少任一个增加时，燃料电池堆10的压力损耗ΔPs增加。

并且，在系统内不会由于燃料电池堆10内的电化学反应而产生生成水的运转条件下，在将大气中的氧浓度假定为21％时，压缩机流量Fco与涡轮流入流量Ft之间的关系能够表示为下面的式子。

Ft＝Fs×[0.79+0.21×(1+SRc)/SRc]+1/2×FH·····(5)

其中，SRc表示堆的空气过剩率，FH表示向催化剂燃烧器36投入的氢流量。此外，氢供给流量FH例如能够基于通过氢压力检测传感器67得到的氢压力检测值Pan_d以及燃烧器氢供给阀68的开度等并通过规定的图表来求出。

另外，涡轮入口温度Tt基本上能够根据发热量计算出来，该发热量由向催化剂燃烧器36供给的气体流量、比热以及向催化剂燃烧器36的氢供给流量FH来决定。此外，还对涡轮入口温度Tt进行调节使得其不超过考虑部件的耐热温度而得到的容许上限温度Tt_tmax。

并且，压缩机驱动马达54所进行的功(下面也记载为“驱动马达功Wm”)基本上能够以下面的式(6)给出。

Wm＝Wc-Wt····(6)

其中，关于驱动马达功Wm，需要考虑因压缩机驱动马达54的尺寸产生的限制以及因燃料电池堆10的要求发电电力产生的限制。因而，驱动马达功Wm被限制为下面的限制值Wml。

Wml＝Min(Wmlm,Wstmax-Wreq)····(7)

在此，Min(a，b)表示a与b中的较小一方的值(若相同则哪一方均可)。在式(7)中，Wstmax是燃料电池堆10的可输出电力。Wmlm是因压缩机驱动马达54的尺寸产生的限制值。

如已经叙述过的那样，根据搭载燃料电池堆10的车辆的行驶状态、堆尺寸等因素来决定式(7)中的可输出电力Wstmax。因而，例如在热地处的温度限制时等，可输出电力Wstmax下降。另一方面，Wreq是要求输出。即，式(7)中的Wstmax-Wreq相当于上述的向压缩机马达要求的要求电力Wco。因而，压缩机驱动马达54的功Wm被调节成不超过由上述式(7)定义的限制值Wml。

在此，根据式(6)可以理解的是，能够利用涡轮功Wt来供应压缩机功Wc，因此能够减少从燃料电池堆10、蓄电池向压缩机驱动马达54供给的电力。

另外，在驱动马达功Wm为负的值、即在再生模式下运转压缩机驱动马达54、不从压缩机驱动马达54向压缩机50供给动力的情况下，能够通过涡轮功Wt来确保压缩机功Wc。并且，当使涡轮功Wt进一步增加时，在确保了压缩机50的动力的基础上，通过压缩机驱动马达54的再生而得到的电力提高，因此能够将该电力充作相对于要求输出来说的燃料电池堆10的输出电力的不足部分。

接着，说明与要求输出相应的燃料电池系统100的状态的变化。

图9是表示与要求输出相应的燃料电池系统100的状态的变化的时序图。具体地说，图9的(a)～图9的(g)是分别表示与要求输出对应的要求堆流量、要求空气压力、压缩机50所要求的动力(下面也记载为“要求压缩机动力”)、氢燃料消耗量、涡轮入口温度Tt、压缩机流量目标值Fco_t以及旁路阀开度的变化的时序图。

下面，针对要求输出为Wreq1以下的区间I、要求输出为Wreq1～Wreq2的区间II、要求输出为Wreq2～Wreq3的区间III、要求输出为Wreq3～Wreq4的区间IV以及要求输出为Wreq4～Wreq5的区间V，来说明系统状态的变化。

首先，在区间I，处于相对于燃料电池堆10的要求发电电力而言电力没有不足的低负荷状态，如图9的(a)和图9的(b)所示，要求堆流量和要求空气压力的值比较小。另外，如图9的(c)所示，随着要求输出的增加，要求压缩机动力增加，但是尚未达到压缩机驱动马达54的输出的限制值Wml(图中以虚线表示)。

因而，在该情况下，即使不存在由涡轮52提供的回收动力，也能够通过来自燃料电池堆10、蓄电池的电力来供应压缩机动力，因此使压缩机驱动马达54在动力运转模式下动作。

并且，在区间I，如上所述，不是必须确保涡轮52的回收动力，因此能够使涡轮52的输出比较小。因而，不进行使氢消耗量、涡轮入口温度Tt以及涡轮流入流量Ft增加的控制。另外，在该情况下，如图9的(g)所示，旁路阀32基本上被完全闭合。此外，在图9的(g)中，在要求输出接近零的区域，旁路阀32被设定为一定开度。这是由于，在极低负荷下，相对于要求堆流量而言，由图5的B304运算出的稀释要求压缩机流量Fco_dr变大，因此意图使相对于堆流量而言剩余的阴极气体经由旁路通路33流向阴极排气通路24。

如以上所说明的那样，在极低负荷以外的区间I，不进行用于使涡轮流入流量Ft增加的特别的控制，而且旁路阀32基本上被设定为完全闭合。因而，要求堆流量与压缩机流量目标值Fco_t大致相等，它们均与要求输出的增加一起增加(参照图9的(a)和图9的(f))。

接着，当在区间II要求输出达到Wreq1时，要求压缩机动力超过压缩机驱动马达54的输出的限制值Wml。由此，能够利用涡轮52的回收动力来供应相对于要求压缩机动力而言的压缩机驱动马达54的输出的不足部分(相当于图9的(c)的斜线部)。此外，也将此时要求的涡轮52的回收动力记载为“要求涡轮回收动力”。

因而，在该情况下，如图9的(d)所示，开始向催化剂燃烧器36的氢燃料供给，使该供给量逐渐增加，以使涡轮52的回收动力增加。由此，如图9的(e)所示，涡轮入口温度Tt增加，能够使涡轮回收动力增加。

另一方面，如已经叙述过的那样，为了使涡轮回收动力增加，不仅使涡轮入口温度Tt增加，还想到了使涡轮流入流量Ft增加。然而，在区间II的阶段，空气压力尚未足够高，阴极系统的压力损耗大，因此即使进行使涡轮流入流量Ft增加的控制，也无法使涡轮52的回收动力大幅增加。因而，在该情况下，如图9的(g)所示，旁路阀32也被完全闭合，要求堆流量与压缩机流量目标值Fco_t在大致相等的状态下与要求输出的增加一起增加(参照图9的(a)和图9的(f))。

接着，当在区间III要求输出达到Wreq2时，燃料电池堆10的发电电力达到最大发电电力Wstmax。

在此，在要求输出为最大发电电力Wstmax以上的情况下，相对于要求输出而言燃料电池堆10的发电电力不足，因此需要使压缩机驱动马达54等辅机电力下降来弥补燃料电池堆10的发电电力的不足。因而，使压缩机驱动马达54的限制值Wml下降以使压缩机驱动马达54的消耗电力减少(参照图9的(c))。另一方面，为了弥补与该限制值Wml的下降相伴的压缩机驱动马达54的动力下降，使经由燃烧用阳极气体供给通路64的氢燃料供给量增加(参照图9的(d)的斜线部)，以使由涡轮52提供的回收动力增加。由此，涡轮入口温度Tt增加(参照图9的(e))，由涡轮52提供的回收动力增加，因此能够利用由涡轮52提供的回收动力来弥补要求压缩机动力与压缩机驱动马达54的限制值Wml之差(参照图9的(c)的斜线部)。

此外，在区间III的阶段，涡轮出口温度未达到上限温度，因此即使不增加旁路量，也能够通过提高温度来增加涡轮回收动力。因而，在该情况下，如图9的(g)所示，旁路阀32被完全闭合，要求堆流量与压缩机流量目标值Fco_t在彼此大致相等的状态下与要求输出的增加一起增加(参照图9的(a)和图9的(f))。

接着，区间IV是要求输出为Wreq3～Wreq4的区间。即，是与区间I～区间III相比负荷更高的区间。在该区间IV，为以下状况：要求输出超过燃料电池堆10的可输出电力，且，即使使压缩机驱动马达54的限制值Wml为零、即、使向压缩机驱动马达54的电力供给为零，也不满足要求输出(要求再生的状况)。

在该区间IV，通过涡轮52的回收动力，为了确保压缩机50的动力且满足要求输出而将压缩机驱动马达5设为再生模式来进行发电。由此，利用压缩机驱动马达54的发电来弥补相对于要求输出的电力的不足部分。因而，如图9的(d)和图9的(e)所示，进一步增加经由燃烧用阳极气体供给通路64的向催化剂燃烧器36的氢燃料供给量来使涡轮入口温度Tt增大，使由涡轮52提供的回收动力增加。

另一方面，在本实施方式中，在区间IV的阶段，也不进行使涡轮流入流量Ft增加的控制。而且，如图9的(g)所示，旁路阀32也被完全闭合。因而，要求堆流量与压缩机流量目标值Fco_t在大致相等的状态下与要求输出的增加一起增加(参照图9的(a)和图9的(f))。

并且，区间V是要求输出为Wreq4～Wreq5的区间。与区间I～区间IV相比，该区间的要求输出最大，因此压缩机驱动马达54的限制值Wml进一步变低。即，相对于要求输出而言燃料电池堆10的发电量更为不足。

然而，在区间V，如图9的(e)所示，涡轮入口温度Tt达到从部件的耐热温度等观点出发而决定的容许上限温度Tt_tmax。因而，要求在避免使涡轮入口温度Tt进一步上升的同时使由涡轮52提供的回收动力增加。

因而，在本实施方式中，一边使向催化剂燃烧器36的氢燃料供给量增加，一边使压缩机流量Fco相比于要求堆流量增大。而且，随之使旁路阀32的开度增加以使相对于要求堆流量而言剩余的空气流向旁路通路33(参照图9的(f)和图9的(g))。

由此，能够借助旁路通路33来将原本超过向催化剂燃烧器36的氢燃料供给量进行燃烧所需的阴极排气流量的流量供给到涡轮52。由此，能够在抑制涡轮入口温度Tt的上升的同时，涡轮流入流量Ft增加来提高来自涡轮52的回收动力。因而，能够进一步提高基于涡轮52的回收动力得到的压缩机驱动马达54的发电电力，能够满足随着负荷的增大而增加的要求输出。

特别是，在本实施方式中，通过使旁路阀32的开度增加，能够将相对于要求堆流量而言剩余的空气经由旁路通路33供给到催化剂燃烧器36。由此，防止相对于要求堆流量而言过剩的流量流到后冷器28(参照图1)。

如以上那样，在本实施方式中，在如区间V那样涡轮入口温度Tt达到容许上限温度Tt_tmax的情况下，使压缩机流量Fco和旁路阀32的开度增加来使向涡轮52的气体供给量增加，由此能够在抑制涡轮入口温度Tt的上升的同时，提高来自涡轮52的回收动力。

特别是，在本实施方式中，在如上述区间V那样涡轮入口温度Tt达到容许上限温度Tt_tmax的情况下，优选的是，在空气压力高到某种程度的状态下使压缩机流量Fco和旁路阀32的开度增加来使涡轮流入流量Ft增加。下面，说明其原因的详情。

图10是与空气压力的高低相应地示出在涡轮入口温度Tt为容许上限温度Tt_tmax时涡轮流入流量Ft、由涡轮52提供的回收动力以及压缩机动力的关系的图。此外，在图中，用实线示出由涡轮52提供的回收动力，用虚线示出要求压缩机动力。

图10的(a)表示低压时(压力比目标值Pc_t/Pai_d设定为最小的情况下)的涡轮回收动力的图表，图10的(b)表示中压时(压力比目标值Pc_t/Pai_d设定为中间值的情况下)的涡轮回收动力的图表，图10的(c)表示高压时(压力比目标值Pc_t/Pai_d设定为最大的值的情况下)的涡轮回收动力的图表。

如图10的(a)所示，在低压时，如已经叙述过的那样，阴极系统的压力损耗变大，因此即使使压缩机流量Fco变大来使涡轮流入流量Ft增加，也无法使由涡轮52提供的回收动力大幅增加。与此相对，随着压缩机流量Fco的增加，要求压缩机动力逐渐增加，在压缩机流量Fco变为规定值Fco1时，要求压缩机动力开始超过由涡轮52提供的回收动力。因而，在低压时，使压缩机流量Fco为与堆流量Fs相同的值，并且使旁路阀32完全闭合，不进行经由旁路通路33向催化剂燃烧器36供给空气。

接着，如图10的(b)所示，与低压时相比，在中压时，针对涡轮流入流量Ft的增加的由涡轮52提供的回收动力的增加量更大。因而，即使使压缩机流量Fco增加到某种程度，也能够使由涡轮52提供的回收动力增加，能够维持该回收动力超过要求压缩机动力的状态。因而，在中压时，以使压缩机流量Fco变得大于堆流量Fs的方式进行调节。

另一方面，在这样调节的情况下，当使相对于堆流量Fs而言剩余的空气仍流到图1的后冷器28时，后冷器28的散热量变大，产生使后冷器28大型化的必要性。并且，由于剩余的空气被供给到燃料电池堆10，有可能产生燃料电池堆10的过干燥、过电压等问题。与此相对，在本实施方式中，使旁路阀32的开度增加，将从压缩机50喷出的空气经由旁路通路33直接供给到催化剂燃烧器36。

并且，在中压时，虽然比低压时少，但是仍产生一定程度的阴极系统的压力损耗。因此，当涡轮流入流量Ft超过一定水平地增加时，涡轮52的回收动力的增加量变少。因而，在中压时，压缩机流量Fco被调节成不大幅超过堆流量Fs，并且相应地旁路阀32的开度也受到限制。

接着，如图10的(c)所示，在高压时，针对压缩机流量Fco的增加，要求压缩机动力的增加量变大。然而，在高压时阴极系统的压力损耗小，因此针对与压缩机流量Fco的增加相伴的涡轮流入流量Ft的增加，涡轮52的回收动力也大幅增加。而且，因压缩机流量Fco的增加带来的涡轮52的回收动力的增加量大幅超过要求压缩机动力的增加量。例如，即使是使涡轮52的回收动力比要求压缩机动力大ΔP的情况，在高压时也能够通过比中压时少的压缩机流量Fco来实现它(参照图10的(b)和图10的(c))。

因而，在高压时，尽可能地使压缩机流量Fco增加，以使涡轮52的回收动力变大。而且，与中压时同样地，通过使旁路阀32的开度变大来将压缩机流量Fco超过堆流量Fs的剩余的空气经由旁路通路33供给到催化剂燃烧器36。由此，能够防止上述的后冷器28的大型化、燃料电池堆10的过干燥等。

此外，高压时的压缩机流量Fco的增加量的上限没有特别限定。然而，从极力避免向后冷器28、燃料电池堆10供给剩余的空气的观点出发，优选的是，以使从压缩机流量Fco减去堆流量Fs所得到的流量的值为能够通过旁路阀32的流量的上限值以下的方式限制压缩机流量Fco的增加量。

下面，说明在本实施方式中特征性的旁路阀32的开闭控制的概要。

图11是说明本实施方式中的旁路阀32的开闭的流程图。

如图所示，在步骤S110中，通过控制器20和各种测量装置来获取压缩机流量目标值Fco_t、堆流量目标值Fs_t以及空气压力目标值Pc_t。

接着，在步骤S120中，控制器20根据堆流量目标值Fs_t和空气压力目标值Pc_t，使用预先设计的图表来计算旁路流量估计值Fb_e。堆流量目标值Fs_t越大以及空气压力目标值Pc_t越大，则旁路流量估计值Fb_e被运算为越大的值。并且，通过从压缩机流量目标值Fco_t减去堆流量目标值Fs_t来计算目标旁路流量Fb_t。

在步骤S130中，控制器20判定旁路流量估计值Fb_e是否大于目标旁路流量Fb_t。然后，当判定为旁路流量估计值Fb_e为目标旁路流量Fb_t以下时，进入步骤S140。在步骤S140中，控制器20使旁路阀32的开度增加。另一方面，在步骤S130中，当判定为旁路流量估计值Fb_e大于目标旁路流量Fb_t时，进入步骤S150。在步骤S150中，控制器20使旁路阀32的开度减少。

另外，在本实施方式中，为从高压罐60向催化剂燃烧器36直接供给氢的结构，但是不限于此，例如，也可以设为以下结构：在阳极循环系统的燃料电池系统中将在阳极循环通路中流动的阳极排气的一部分供给到催化剂燃烧器36。

并且，在本实施方式中的燃料电池系统100的控制中，如图3所示，作为代表系统的负荷要求的参数，使用堆电流目标值，但是不限于此，只要是与负载装置110中的负荷量有关的参数即可，也可以使用电力目标值、电压目标值等其它各种参数。

根据以上说明的本发明的第一实施方式所涉及的燃料电池系统100和燃料电池系统100的控制方法，起到以下的作用效果。

根据本实施方式，燃料电池系统100具备：作为燃料电池的燃料电池堆10，其接受阳极气体和阴极气体的供给来发电；压缩机50，其向燃料电池堆10供给阴极气体；涡轮52，其接受从燃料电池堆10排出的阴极排气的供给来生成动力；作为电动马达的压缩机驱动马达54，其与压缩机50及涡轮52连结，进行动力运转和再生；作为燃烧器的催化剂燃烧器36，其设置于燃料电池堆10与涡轮52之间，使阴极气体与阳极气体混合后燃烧；作为冷却器的后冷器28，其对从压缩机50向燃料电池堆10供给的阴极气体进行冷却；旁路通路33，其从后冷器28的上游绕过后冷器28和燃料电池堆10地向催化剂燃烧器36供给阴极气体；以及旁路阀32，其设置于旁路通路33。

据此，能够将从压缩机50喷出的空气中的、相对于燃料电池堆10的发电而言剩余的空气经由旁路通路33供给到催化剂燃烧器36。因而，即使为了提高涡轮52的回收动力而使压缩机50的流量增加，也能够将剩余的空气借助旁路阀32直接供给到催化剂燃烧器36。

由此，能够通过涡轮52的回收动力来供应压缩机50的动力、用于压缩机驱动马达54的再生的动力，并避免相对于燃料电池堆10的发电而言剩余的空气流到后冷器28。

因而，能够通过涡轮52的回收动力来填补针对燃料电池堆10的负荷的电力，使燃料电池堆10要发出的电力量减少，抑制燃料电池堆10的最高输出性能，使燃料电池堆10的尺寸小型化。

而且，如上所述，即使为了提高由涡轮52提供的回收动力而使压缩机流量Fco增加，剩余的空气也会从后冷器28的上游经由旁路通路33被供给到催化剂燃烧器36。由此，能够在实现增加由涡轮52提供的回收动力的同时，抑制高温空气大量地流入到后冷器28，能够减少后冷器28中的散热量。因而，能够使后冷器28的尺寸和散热器77的尺寸小型化。

如以上那样，根据本实施方式，能够实现燃料电池堆10和后冷器28这两方的小型化，因此有助于燃料电池系统100整体的小型化，即使是如车载于燃料电池系统100的情况等那样系统设置空间有限的情况，也能够支持。

因而，安装了本实施方式的压缩机动力供给机构16的燃料电池系统100在PEM等在比较低的温度下进行动作的燃料电池堆10中也能够适当地应用。

另外，在本实施方式的燃料电池系统100中，控制器20作为基于系统的负荷要求即要求输出来控制旁路阀32的控制部而发挥功能。由此，对于根据要求输出而需要的与由涡轮52提供的回收动力相应地增加的压缩机流量Fco，能够使相对于堆流量而言的剩余空气更可靠地流到旁路通路33。

并且，在本实施方式的燃料电池系统100中，控制器20作为基于相对于大气压的压缩机50的压力比Prc的目标值即压力比目标值来控制旁路阀32的开度的制部而发挥功能。

由此，基于与压缩机喷出温度有相关性的压力比Prc的目标值即压力比目标值来决定旁路阀32的开度，因此不直接检测压缩机喷出温度就能够高精度地探测系统的高负荷状态(要求输出相对高的状态)。由此，能够更可靠地配合系统的高负荷状态来进行旁路阀32的开度的增加，作为结果，能够更可靠地减少剩余空气向后冷器28的流入。

并且，在本实施方式的燃料电池系统100中，控制器20作为在涡轮52的入口温度(涡轮入口温度Tt)达到上限之后使压缩机流量Fco相比于燃料电池堆10所要求的流量即要求堆流量增加的控制部而发挥功能。

在此，涡轮入口温度Tt越高，则涡轮52的回收动力越大，但是涡轮入口温度Tt无法变得比考虑部件的耐热性等而得到的容许上限温度Tt_tmax高。因而，在涡轮入口温度Tt达到容许上限温度Tt_tmax的情况下，以不使涡轮入口温度Tt增加的方式，使压缩机流量Fco比要求堆流量高来使涡轮流入流量Ft增加，由此能够使涡轮52的回收动力进一步增加。此外，在该情况下，通过使旁路阀32增加，能够可靠地防止产生剩余空气向后冷器28的流入的状况。

另外，在本实施方式的燃料电池系统100中，控制器20作为基于根据与燃料电池堆10连接的负载来决定的系统要求输出(要求输出)以及燃料电池堆10所能够输出的可输出电力来控制压缩机流量Fco的控制部而发挥功能。

由此，能够根据要求输出和可输出电力来适当调节涡轮流入流量Ft，能够更适当地得到涡轮52的回收动力。

特别是，随着可输出电力相对于要求输出而言更为不足，通过使压缩机流量Fco更大，能够通过能够从涡轮52回收的动力来适当地填补燃料电池堆10的发电电力的不足部分。此外，在该情况下通过使旁路阀32增加，能够可靠地防止产生剩余空气向后冷器28的流入的状况。

并且，在本实施方式的燃料电池系统100中，能够使在后冷器28中交换得到的热经由冷却水传递到燃料电池堆10。由此，例如，在暖机时等要求向燃料电池堆10供给热的情况下，能够将从压缩机50喷出的高温空气的热供给到燃料电池堆10。由此，有助于提高系统的能量效率。

(第二实施方式)

接着说明本发明的第二实施方式中的燃料电池系统。此外，对与第一实施方式相同的要素标注相同的标记，省略其说明。

图12是表示计算本实施方式中的堆流量目标值和压缩机流量目标值Fco_t的功能的框图。本实施方式取代如第一实施方式那样将压力比目标值Pc_t/Pai_d输入到堆要求压缩机流量计算块B303，而是输入由压缩机喷出温度传感器27检测出的压缩机喷出温度检测值Tc_d。

然后，在本实施方式中，堆要求压缩机流量计算块B303基于所输入的向压缩机马达要求的要求电力Wco和压缩机喷出温度检测值Tc_d，根据预先决定的图表来计算堆要求压缩机流量Fco_sr。

图13是表示同压缩机喷出温度相应的向压缩机马达要求的要求电力Wco与堆要求压缩机流量Fco_sr的关系的图表。

如图所示，在向压缩机马达要求的要求电力Wco为负的值的情况下(在燃料电池堆10的发电电力没有不足的情况下)，在该向压缩机马达要求的要求电力Wco达到规定值Wco1之前，无论压缩机喷出温度检测值Tc_d的值如何，都使堆要求压缩机流量Fco_sr增加到规定值Fco_sr1。该规定值Fco_sr1是与根据燃料电池堆10的要求发电电力而决定的堆流量相当的值。即，在像这样发电电力没有不足的状况下，使压缩机驱动马达54在动力运转模式下工作，因此不需要设定超过基于燃料电池堆10的要求发电电力的流量的压缩机流量，而是意图设定与根据燃料电池堆10的要求发电电力而决定的堆流量相当的压缩机流量。

另一方面，在向压缩机马达要求的要求电力Wco为正的值的情况下(在燃料电池堆10的发电电力不足的情况下)，根据压缩机喷出温度检测值Tc_d来设定堆要求压缩机流量Fco_sr。

首先，在将压缩机喷出温度检测值Tc_d设定得最小的情况下(低温时)，无论向压缩机马达要求的要求电力Wco的大小如何，都将堆要求压缩机流量Fco_sr设定为上述规定值Fco_sr1而不使其增加。像这样在低温时避免堆要求压缩机流量Fco_sr增加到规定值Fco_sr1以上的原因在于，在低温时阴极系统的压力损耗大，由涡轮52提供的回收动力变低，因此即使增加压缩机流量来使涡轮气体流入流量增加，也无法期望由涡轮52提供的回收动力的大幅提高。

接着，在将压缩机喷出温度检测值Tc_d设定为比上述低温时大的中间值的情况下(中温时)，在向压缩机马达要求的要求电力Wco达到规定值Wco2以后，使堆要求压缩机流量Fco_sr从基于燃料电池堆10的要求发电电力的规定值Fco_sr1增加到规定值Fco_sr2。

像这样在中温时使堆要求压缩机流量Fco_sr相比于基于燃料电池堆10的要求发电电力的规定值Fco_sr1增加的原因在于，为了解除发电电力的不足，增加涡轮气体流入流量使得从压缩机驱动马达54得到再生电力。然而，在中温时，阴极系统的压力损耗还较大，因此即使使涡轮气体流入流量大幅增加，也无法期望一定水平以上的回收动力，因此使堆要求压缩机流量Fco_sr增加到规定值Fco_sr2，以使压缩机流量在能够使由涡轮52提供的回收动力增加的限度下增加。此外，在本实施方式中，如后所述，随着堆要求压缩机流量Fco_sr的增加，使旁路阀32的开度增加，来避免燃料电池堆10所要求的流量以上的阴极气体流到后冷器28。

并且，在将压缩机喷出温度检测值Tc_d设定为最大的值的情况下(高温时)，在向压缩机马达要求的要求电力Wco达到规定值Wco3以后，使堆要求压缩机流量Fco_sr从上述规定值Fco_sr1起增加。

像这样，在高温时也是，使堆要求压缩机流量Fco_sr相比于基于燃料电池堆10的要求发电电力的规定值Fco_sr1增加，使得从压缩机驱动马达54得到再生电力。而且，在高温时，阴极系统的压力损耗小，因此能够使涡轮气体流入流量大幅增加，来使由涡轮52提供的回收动力超过一定水平地增加。

在此，在高温时也是，随着堆要求压缩机流量Fco_sr的增加，使旁路阀32的开度增加，来避免燃料电池堆10所要求的流量以上的阴极气体流到后冷器28。

此外，本实施方式中的旁路阀32的开闭控制与通过图11说明的第一实施方式中的旁路阀32的开度控制相同。

以上说明的本发明的第二实施方式所涉及的燃料电池系统100起到以下的作用效果。

根据本实施方式，控制器20作为基于从压缩机50喷出的空气的温度的压缩机喷出温度来控制旁路阀32的开度的控制部而发挥功能。

由此，能够配合与燃料电池堆10的负荷相应地变化的压缩机喷出温度来控制旁路阀32的开度，对涡轮流入流量Ft进行调节。例如，在系统的高负荷时配合相对高温的压缩机喷出温度来使旁路阀32的开度增加，由此能够使旁路阀32的开度的增加定时更可靠地配合系统的高负荷状态，作为结果，能够更可靠地减少剩余空气向后冷器28的流入。

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。

本申请基于2016年3月22日向日本专利局申请的特愿2016-056453要求优先权，通过参照将这些申请的全部内容引入本说明书中。

Claims (7)

1.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池，其接受阳极气体和阴极气体的供给来发电；

压缩机，其向所述燃料电池供给所述阴极气体；

涡轮，其接受从所述燃料电池排出的阴极排气的供给来生成动力；

电动马达，其与所述压缩机及所述涡轮连结，进行动力运转和再生；

燃烧器，其设置于所述燃料电池与所述涡轮之间，使所述阴极气体与阳极气体混合后燃烧；

冷却器，其对从所述压缩机向所述燃料电池供给的所述阴极气体进行冷却；

旁路通路，其从所述冷却器的上游绕过所述冷却器和所述燃料电池地向所述燃烧器供给所述阴极气体；

旁路阀，其设置于所述旁路通路；以及

控制部，其基于系统要求输出来控制所述旁路阀，所述系统要求输出是根据与所述燃料电池连接的负载而决定的，

其中，所述控制部在系统要求输出为规定输出以上的情况下，针对系统要求输出的增大，使所述旁路阀的开度增大。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部基于相对于大气压的所述压缩机的压力比的目标值来控制所述旁路阀的开度。

3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述控制部基于所述系统要求输出以及所述燃料电池所能够输出的可输出电力来控制所述压缩机的流量。

4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，

所述冷却器与所述燃料电池之间进行热交换。

5.一种燃料电池系统的控制方法，由燃料电池系统执行，该燃料电池系统具备：燃料电池，其接受阳极气体和阴极气体的供给来发电；压缩机，其向所述燃料电池供给所述阴极气体；涡轮，其接受从所述燃料电池排出的阴极排气的供给来生成动力；电动马达，其与所述压缩机及所述涡轮连结，进行动力运转和再生；燃烧器，其设置于所述燃料电池与所述涡轮之间，使所述阴极气体与阳极气体混合后燃烧；冷却器，其对从所述压缩机向所述燃料电池供给的所述阴极气体进行冷却；旁路通路，其从所述冷却器的上游绕过所述冷却器和所述燃料电池地向所述燃烧器供给所述阴极气体；以及旁路阀，其设置于所述旁路通路，

在所述燃料电池系统的控制方法中，

基于系统要求输出来控制所述旁路阀，

在系统要求输出为规定输出以上的情况下，针对系统要求输出的增大，使所述旁路阀的开度增大。

6.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池，其接受阳极气体和阴极气体的供给来发电；

压缩机，其向所述燃料电池供给所述阴极气体；

涡轮，其接受从所述燃料电池排出的阴极排气的供给来生成动力；

电动马达，其与所述压缩机及所述涡轮连结，进行动力运转和再生；

燃烧器，其设置于所述燃料电池与所述涡轮之间，使所述阴极气体与阳极气体混合后燃烧；

冷却器，其对从所述压缩机向所述燃料电池供给的所述阴极气体进行冷却；

旁路通路，其从所述冷却器的上游绕过所述冷却器和所述燃料电池地向所述燃烧器供给所述阴极气体；

旁路阀，其设置于所述旁路通路；以及

控制部，其控制所述旁路阀，

其中，所述控制部基于从所述压缩机喷出的空气的温度来控制所述旁路阀的开度。

7.一种燃料电池系统，具备：

燃料电池，其接受阳极气体和阴极气体的供给来发电；

压缩机，其向所述燃料电池供给所述阴极气体；

涡轮，其接受从所述燃料电池排出的阴极排气的供给来生成动力；

电动马达，其与所述压缩机及所述涡轮连结，进行动力运转和再生；

燃烧器，其设置于所述燃料电池与所述涡轮之间，使所述阴极气体与阳极气体混合后燃烧；

冷却器，其对从所述压缩机向所述燃料电池供给的所述阴极气体进行冷却；

旁路通路，其从所述冷却器的上游绕过所述冷却器和所述燃料电池地向所述燃烧器供给所述阴极气体；

旁路阀，其设置于所述旁路通路；以及

控制部，其控制所述旁路阀，

其中，在所述涡轮的入口温度达到容许上限温度之后，所述控制部使所述压缩机的流量相比于所述燃料电池所要求的流量增加。