JP2006344401A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 始動時に酸化剤ガス圧力の昇圧の遅れを抑制し、ガス昇圧を短時間に実施し、システム起動時の燃料電池の劣化を防止することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 コントローラ１３内の始動時酸化剤ガス供給制御手段により、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガス（水素）の供給に先行して酸化剤ガス（空気）を供給し、始動時燃料ガス圧力制御手段により、当該燃料電池システム始動時における燃料ガスの供給圧力を、水素圧力制御弁１４の開度操作制御により、通常運転時の供給圧力よりも高い圧力にし、始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、当該燃料電池システム始動時における酸化剤ガスの供給圧力を、空気圧力制御弁１２の開度を操作して制御することとして、酸化剤ガスの供給開始時に、始動時酸化剤ガス圧力制御手段によって空気圧力制御弁１２の開度を固定値とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに係り、特に、燃料電池システムの始動時に、酸化剤ガス圧力の昇圧の遅れを抑制してガス昇圧を短時間に安定して実施し、システム起動時の燃料電池の劣化を安定して防止することが可能な燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、これら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等として実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。

燃料電池システムに用いられる燃料電池としては。例えば自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜として固体高分子膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池では、固体高分子膜がイオン伝導体として機能し、燃料極で水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。

このような燃料電池システムにおいては、起動時において、燃料電池の通常運転時に供給されている燃料ガスのガス圧と同じガス圧で燃料ガスを供給した場合には、燃料室内で瞬間的に燃料ガスと置換ガスとの偏在が発生してしまい、該偏在によって電気化学反応が生じて電極が劣化するという問題があった。

このような問題に対処するべく、特開２００４−２５９５３５号公報に開示の「燃料電池スタック」では、燃料電池の始動時に水素ガスの供給圧力を急速に昇圧させることによって、始動時にアノード（燃料極）に充填されているガス（空気）を短時間で排出し、迅速に均一な水素ガスに置換し、始動時の燃料電池の劣化を防止している。

また、特開２００４−１７２０２７号公報に開示の「燃料電池システム」では、燃料電池のアノード（燃料極）に水素供給を開始する前に、カソード（酸化剤極）に空気を供給して、停止中にカソードにクロスオーバした水素を希釈排出するようにしている。

さらに、燃料電池システムの空気供給圧力の制御においては、圧力センサによって空気供給圧力を検出し、目標圧力とのエラーに基づいて空気調圧弁の開度をフィードバック制御する技術が一般的によく知られている。
特開２００４−２５９５３５号公報 特開２００４−１７２０２７号公報

しかしながら、上述した従来の技術においては、空気を先行して供給したときに、供給した空気流量に応じて空気の圧力が上昇するが、空気と水素の差圧をなるべく小さくして燃料電池を保護するために、空気の目標圧力を実際の圧力より小さい値（例えば、大気圧相当）に設定して空気調圧弁開度のフィードバック制御を実施することが考えられる。この場合に、フィードバック制御によって空気調圧弁は全開となり、空気と水素の差圧は最小限に抑えられるものの、積分フィードバック制御を含む場合には、積分計算値を調圧弁開度が開く方向に溜め込んでしまうため、その後、ガス圧力を昇圧させようとした場合に、この積分計算値の溜め込みによって空気圧力の昇圧が遅れてしまうという問題がある。

また、定常運転状態における空気流量と目標空気圧力に対する空気調圧弁開度の関係に基づいて設計したフィードフォワード制御を用いて空気圧力制御を構成した場合には、ガス圧力を昇圧させようとする際に、すでに、所定の空気流量が供給されているため、このフィードフォワード制御によって、空気調圧弁の開度が開く方向に変化させられることとなり、空気圧力の昇圧が遅れてしまうという問題がある。

つまり、このように空気圧力の昇圧が遅れる場合、空気と水素の差圧を抑えるには、水素ガス圧力の昇圧の速さを抑える必要があるため、始動時の燃料電池の劣化を促進させてしまう可能性があるという問題があった。

さらに、起動時にガス圧力を昇圧させた状態と、通常発電時に発電負荷が増加してガス圧力が昇圧される状態とでは、流量と圧力と発電電流の関係が異なるため、ガス圧力の応答性が異なるので、通常発電時の制御ゲインを用いて起動時のガス圧力制御を行った場合には、安定して圧力制御を行うことができない可能性があった。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムの始動時に、酸化剤ガス圧力の昇圧の遅れを抑制して、ガス昇圧を短時間に安定して実施し、システム起動時の燃料電池の劣化を安定して防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記目的を解決するため、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、ガス流路に燃料ガス圧力を制御する第１圧力制御弁を備え、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、ガス流路に酸化剤ガス圧力を制御する第２圧力制御弁を備え、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの供給に先行して酸化剤ガスを供給する始動時酸化剤ガス供給制御手段と、当該燃料電池システム始動時における燃料ガスの供給圧力を、前記第１圧力制御弁の開度操作制御により、通常運転時の供給圧力よりも高い圧力にする始動時燃料ガス圧力制御手段と、当該燃料電池システム始動時における酸化剤ガスの供給圧力を、前記第２圧力制御弁の開度を操作して制御する始動時酸化剤ガス圧力制御手段と、を備え、前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、酸化剤ガスの供給開始時に、前記第２圧力制御弁の開度を固定値とすることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池システムの始動において、燃料ガスの供給に先行して酸化剤ガスの供給を開始する際に、酸化剤ガスの圧力制御を停止させることができ、その結果として、燃料ガスの供給開始とともに酸化剤ガスの圧力制御を開始するまで、酸化剤ガスの圧力制御の制御量を初期状態に保つことができるので、酸化剤ガスの圧力制御を開始する際に制御量が不適切であることによる酸化剤ガス圧力の応答の遅れを防止することができ、ガス昇圧を短時間に安定して実施し、システム起動時の燃料電池の劣化を安定して防止することが可能である。

以下、本発明の燃料電池システムの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。本実施例の燃料電池システムは、例えば燃料電池車両の駆動動力源として用いられるものであり、図１に示すように、水素および空気の供給により発電を行う燃料電池スタック３を備える。

また、水素供給系（燃料ガス供給手段）として、水素タンク２３、タンク温度センサ２２、タンク圧力センサ２１、水素圧力制御弁（第１圧力制御弁）１４、水素供給流路、エゼクタ１、水素入口温度センサ８、水素入口圧力センサ９、水素循環流路２、水素排気流路および水素パージ弁４を備え、空気供給系（酸化剤ガス供給手段）として、コンプレッサ６、空気供給流路７、空気流量センサ１６、空気入口圧力センサ１５、空気排気流路１１および空気圧力制御弁（第２圧力制御弁）１２を備え、冷却機構として、冷却液循環流路、冷却液循環ポンプ２９、熱交換器３０および冷却液温度センサ２８を備えている。

また、負荷系として、電力制御装置２４、電流センサ１７および電圧センサ１８を備え、さらに制御系として、水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各種計器や他の各種計器からの検知信号に基づき水素供給系、空気供給系、冷却機構および負荷系の各構成要素の制御を行うコントローラ１３を備えた構成である。

燃料電池スタック３は、燃料ガスである水素が供給される燃料極（アノード）と酸化剤ガスである空気が供給される酸化剤極（カソード）とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されると共に、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有しており、水素と空気中の酸素とを基にした電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。この燃料電池スタック３の各発電セルでは、燃料極に供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。酸化剤極では、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオンおよび電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック３の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

燃料電池スタック３で発電を行うには、燃料ガスである水素や酸化剤ガスである空気を各発電セルの燃料極（アノード）や酸化剤極（カソード）に供給する必要があり、燃料電池システムでは、そのための機構として水素供給系および空気供給系が設けられている。

水素供給系は、水素タンク２３、水素圧力制御弁１４、水素供給流路、エゼクタ１を備える。そして、水素供給源である水素タンク２３から供給される水素が、水素圧力制御弁１４で減圧され、水素供給流路およびエゼクタ１を通って燃料電池スタック３の燃料極に送り込まれるようになっている。燃料電池スタック３の燃料極圧力は水素入口圧力センサ９によって検出され、コントローラ１３が水素入口圧力センサ９の検出値をフィードバックして水素圧力制御弁１４の動作を制御することで、燃料電池スタック３の燃料極圧力が所望の圧力に保たれる。なお、燃料電池スタック３入口での水素の温度は水素入口温度センサ８で測定され、また水素タンク２３内の温度および圧力はそれぞれタンク温度センサ２２およびタンク圧力センサ２２１よって測定される。

燃料電池スタック３では、供給された水素が全て消費されるわけではなく、残った水素（燃料電池スタック３の燃料極から排出される水素）は、新たに水素タンク２３から供給されて水素供給流路を流れる水素とエゼクタ１にて混合されて、再度燃料電池スタック３の燃料極に供給される。このため、燃料電池スタック３の燃料極出口側には水素循環流路２が接続されており、燃料電池スタック３の燃料極から排出される水素が水素循環流路２を通ってエゼクタ１に環流されるようになっている。エゼクタ１は、水素供給流路を流れる水素の流体エネルギを利用して、水素循環流路２を流れる水素を循環させる。

また、燃料電池スタック３の燃料極出口側には、水素循環流路２から分岐するようにして、燃料電池スタック３の燃料極からの水素を水素循環系の外部に排出する水素排気流路が接続されており、この水素排気流路の水素循環流路２との分岐位置の下流側に水素パージ弁４が設けられている。この水素パージ弁４は、燃料電池スタック３の燃料極から排出される水素の流路を切り替える機能を有するものであり、水素パージを行う際に開放されて、燃料電池スタック３の燃料極から排出される水素が、水素排気流路を介して空気排出流路１１の空気圧力制御弁１２下流へ導入される。この導入部には図示せぬ水素拡散器により、水素系からパージされた水素は空気系内に希釈されて外部に排出される。

上述したように、水素を循環させて使用する場合、水素の循環に伴って系内に窒素やＣＯ等の不純物質が蓄積される場合があり、不純物質が過度に蓄積されると水素分圧が降下して燃料電池スタック３の効率低下に繋がると供に、循環ガスの平均質量が増加するため、エゼクタ１での水素循環流量が低下するので、このような場合には、水素パージ弁４を開放して水素をパージすることで、不純物質を水素と共に水素排気流路から系外に排出する。

一方、空気供給系は、外気を吸入して燃料電池スタック３の酸化剤極に空気を圧送するためのコンプレッサ６および空気供給流路７を備え、コンプレッサ６によって空気供給流路７内に空気が送り込まれて、空気流量センサ１６で計量されると共に、燃料電池スタック３の酸化剤極へと供給されるようになっている。また、燃料電池スタック３の酸化剤極出口側には、当該燃料電池スタック３から空気を排出するための空気排気流路１１が接続されており、燃料電池スタック３で消費されなかった酸素および空気中の他の成分は、空気排気流路１１を通して系外に排出されるようになっている。

また、空気排気流路１１には空気圧力制御弁１２が設けられており、燃料電池スタック３の酸化剤極圧力を空気入口圧力センサ１５によって検出し、コントローラ１３における空気入口圧力センサ１５の検出値に基づくフィードフォワード制御またはフィードバック制御により空気圧力制御弁１２の動作を制御することで、燃料電池スタック３の酸化剤極圧力が所望の圧力に保たれる。

本実施例では燃料電池スタック３の運転圧力は可変圧であり、燃料電池スタック３から取り出す出力が高いときには運転圧力を高め、出力が低いときは運転圧力を低める。また、燃料電池スタック３内に水溢れ（以下、フラッディングという）等が発生した場合や、燃料電池スタック３の運転圧を低下させる場合などには、水素パージ弁４を開けて水素循環流路２および燃料電池スタック３に存在する水素を排出する。

また、本実施例の燃料電池システムでは、燃料電池スタック３を冷却する冷却機構が設けられている。冷却機構は、冷媒を循環させる冷却液循環流路および冷却液循環ポンプ２９を有し、例えば水にエチレングリコール等の凍結防止剤を混入した冷却液を循環させて燃料電池スタック３を冷却し、これを最適な温度に維持する。冷却機構の冷却液循環流路中には、熱交換器３０が設けられている。冷却液循環流路の冷却液温度は冷却液温度センサ２８によって検出されており、熱交換器３０は、コントローラ１３によって動作制御されるラジエータファン等（図示せず）により、熱交換器３０出口温度が所望の温度になるように冷却液を温度調整される。

さらに、燃料電池スタック３の出力電流は電流センサ１７で、出力電圧は電圧センサ１８でそれぞれ測定され、また、燃料電池スタック３から取り出す電力は電力制御装置２４によって制御される。この電力制御装置２４は、昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック３と電気負荷（例えば、燃料電池車両に適用される場合には車両駆動モータ）の間に配置され、燃料電池スタック３の発電電力を制御する。

このＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧変換と降圧変換とでは動作させるスイッチング素子がそれぞれ異なっており、スイッチング素子へ加える制御信号のデューティ比に応じて所望の電圧を出力させることができる。昇圧時には、入力電圧以上の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御され、また降圧時には、入力電圧以下の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御される。

コントローラ１３は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、外気温を検出するための図示しない外気温センサや、燃料電池スタック１に接続されたセル電圧モニタ２および温度センサ３等の各種センサの検出値を読み込んで、その検出値に対する判断、演算結果により、各種制御信号を出力して、燃料電池システムの各部における動作を制御（例えば、各種弁のアクチュエータ駆動信号による弁の開度制御等）する。

コントローラ１３は、構成要素として、始動時酸化剤ガス供給制御手段、始動時燃料ガス圧力制御手段および始動時酸化剤ガス圧力制御手段を備えているが、これらはＣＰＵ上で実行されるプログラムの機能的なまとまりを表したものである。

始動時酸化剤ガス供給制御手段は、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガス（水素）の供給に先行して酸化剤ガス（空気）を供給し、始動時燃料ガス圧力制御手段は、当該燃料電池システム始動時における燃料ガスの供給圧力を、第１圧力制御弁（水素圧力制御弁）１４の開度操作制御により、通常運転時の供給圧力よりも高い圧力にし、始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、当該燃料電池システム始動時における酸化剤ガスの供給圧力を、第２圧力制御弁（空気圧力制御弁）１２の開度を操作して制御する。

本実施例では、始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、酸化剤ガスの供給開始時に、第２圧力制御弁（空気圧力制御弁）１２の開度を固定値（全開）とし、また、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなるまでは、第２圧力制御弁（空気圧力制御弁）１２の開度を固定値（全開）とする。

また、始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなって以降は、燃料ガスの供給圧力を目標値として酸化剤ガスの圧力を制御する。また、始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなってから所定時間が経過するまでは、酸化剤ガスの供給圧力のフィードフォワード制御量の上限を制限し、燃料電池スタック３の通常発電時とは異なる制御ゲインを用いて、始動時の酸化剤ガスの圧力を制御する。

さらに、始動時燃料ガス圧力制御手段において、燃料電池スタック３の通常発電時とは異なる制御ゲインを用いて、始動時の燃料ガスの圧力を制御する。

次に、以上のように構成される本実施例の燃料電池システムの始動運転時の動作について、図２および図３を参照しながら説明する。ここで、図２は実施例１の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御を説明するフローチャートであり、所定時間周期（例えば１０msec周期）で実行される。また、図３は目標水素圧力のテーブルデータを例示する説明図である。

まず、始動時酸化剤ガス供給制御手段の制御に基づき、コンプレッサ６によって燃料電池スタック３への空気供給を開始する（ステップＳ１０１）。ここでは、当該燃料電池システムが停止中にカソード流路へクロスリークした水素を希釈排出するために必要な空気流量を供給するように、コンプレッサ６の回転数を制御する。

次に、始動時酸化剤ガス圧力制御手段により空気圧力制御弁１２の開度が全開となるように制御する（ステップＳ１０２）。これにより、酸化剤極（カソード）の空気圧力を極力小さくし、燃料極（アノード）の圧力との差圧を抑えることができる。

そして、水素供給開始タイマの値がゼロか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この水素供給開始タイマは、例えば、タイマの初期値として、空気供給開始から水素供給開始までの時間を設定し、ステップＳ１０１において空気供給を開始した際に、タイマのカウントダウンを開始する。この水素供給開始タイマの値がゼロである場合にはステップＳ１０４に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

次に、始動時酸化剤ガス供給制御手段の制御に基づき、燃料電池スタック３への水素供給を開始する（ステップＳ１０４）。この水素供給制御は、目標圧力に基づいて水素圧力制御弁１４を制御することによって行う。

ここで、目標水素圧力は、図３に示したテーブルデータを用いて、水素供給を開始してからの経過時間に基づいて算出することができる。同図に示すように、水素供給開始時の供給圧力を急速に昇圧させ、始動時に燃料極（アノード）に充填されているガス（空気）を短時間で排出することにより、迅速に均一な水素ガスに置換し、始動時の燃料電池スタック３の劣化を防止することができる。また、ここで、水素圧力制御弁１４の制御ゲインは、始動時燃料ガス圧力制御手段により（燃料電池スタック３の通常発電時とは異なる）始動時用の値とすることによって、始動時の水素圧力制御を安定して実施することができる。なお、水素圧力制御弁１４を制御する方法の説明は、後述する通常発電の制御（ステップＳ４０２）の説明において行なう。

次に、水素入口圧力センサ９で測定した水素圧力が空気入口圧力センサ１５で測定した空気圧力より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。この判定において、水素圧力が空気圧力より大きい場合にはステップＳ１０６に進み、水素圧力が空気圧力以下である場合には、水素圧力が空気圧力より大きくなるまで待つ。

ステップＳ１０５の判定において、水素圧力が空気圧力より大きくなった場合には、目標空気圧力を水素入口圧力センサ９で測定した水素圧力として、空気圧力制御のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を開始する（ステップＳ１０６）。ここで、制御ゲインは、始動時酸化剤ガス圧力制御手段により（燃料電池スタック３の通常発電時とは異なる）始動時用の値とすることによって、始動時の空気圧力制御を安定して実施することができる。

また、始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、空気圧力制御のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御量としての空気圧力制御弁１２の指令開度をゼロに固定し、始動時にガス圧力を昇圧させる際にフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御によって空気圧力制御弁１２の開度が開く方向に変化させられて、空気圧力の昇圧を遅れてしまうことを防止する。

なお、ここで、始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、空気圧力制御のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御量としての指令開度を所定の上限値で制限することによっても、同様の効果を得られる。また、空気圧力の制御方法の説明は、後述する通常発電の制御（ステップＳ４０４）の説明において行なう。

次に、フィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御開始タイマがゼロか否かを判定する（ステップＳ１０７）。このフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御開始タイマは、ステップＳ１０６において、フィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御量としての指令開度をゼロに固定してから、その固定を解除して通常のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御を開始するまでの時間を初期値として設定し、ステップＳ１０６においてフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御量としての指令開度をゼロに固定した際に、タイマのカウントダウンを開始する。フィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御開始タイマの値がゼロである場合にはステップＳ１０８に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

次に、空気圧力制御のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御を開始する（ステップＳ１０８）。このフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御の方法の説明は、後述する通常発電の制御（ステップＳ４０４）の説明において行なう。

次に、制御ゲイン切替タイマがゼロか否かを判定する（ステップＳ１０９）。この制御ゲイン切替タイマは、ステップＳ１０１において空気供給を開始してから、通常発電時の制御ゲインを用いた水素圧力制御および空気圧力制御を開始するまでの時間を初期値として設定し、ステップＳ１０１において空気供給制御を開始した際に、タイマのカウントダウンを開始する。制御ゲイン切替タイマの値がゼロである場合にはステップＳ１１０に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

そして、水素圧力制御および空気圧力制御の制御ゲインを始動時用の値から、通常発電用の値に変更し（ステップＳ１１０）、始動時制御を完了する。なお、制御ゲインの切替時期を、水素圧力制御と空気圧力制御とで異なる時期としてもよい。

図４には、以上説明した本実施例の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御用いた場合の空気圧力および水素圧力、空気流量、空気圧力制御弁の開度、並びに、空気圧力制御のフィードフォワード制御量およびフィードバック制御量（積分制御Ｉ分と比例制御Ｐ分）それぞれの変化を示す。また、本実施例と対比するために従来の技術による同様の説明図を図５に示す。

従来の技術（図５）においては、空気を先行して供給したときに、供給した空気流量に応じて空気の圧力が上昇するが、空気と水素の差圧をなるべく小さくして燃料電池を保護するために、空気の目標圧力を実際の圧力より小さい値（例えば、大気圧相当）に設定して空気調圧弁開度のフィードバック制御を実施する。この場合に、フィードバック制御によって空気調圧弁は全開となり、空気と水素の差圧は最小限に抑えられるものの、積分フィードバック制御を含む場合には、積分計算値を調圧弁開度が開く方向に溜め込んでしまう（図５中の※１部分）ため、その後、ガス圧力を昇圧させようとした場合に、この積分計算値の溜め込みによって空気圧力の昇圧が遅れてしまう（図５中の※２部分）という問題があった。

また、従来の技術（図５）においては、定常運転状態における空気流量と目標空気圧力に対する空気調圧弁開度の関係に基づいて設計したフィードフォワード制御を用いて空気圧力制御を構成した場合には、ガス圧力を昇圧させようとする際に、すでに、所定の空気流量が供給されているため、このフィードフォワード制御によって、空気調圧弁の開度が開く方向に変化させられる（図５中の※３部分）こととなり、空気圧力の昇圧が遅れてしまうという問題もあった。

これに対して、本実施例（図４）においては、水素供給に先行して空気供給を行なう場合に、空気圧力制御のフィードフォワード制御量をゼロに固定し、フィードバック制御量の演算を停止（フィードバック制御量がゼロ）させながら、空気圧力制御弁１２の指令開度をゼロに固定させる。そして、水素供給を開始し、水素圧力が空気圧力を超えたら、目標空気圧力を水素圧力として空気圧力制御のフィードバック制御を開始するので、積分演算量（Ｉ分）の溜め込みが無い状態でフィードバック制御を開始することができる。

また、フィードバック制御を開始しても所定期間はフィードフォワード制御量が（ゼロに）制限されるので、昇圧時にフィードフォワード制御によって空気圧力制御弁１２が開く方向に変化させられることがなく、水素圧力の昇圧に対して、空気圧力の応答遅れを小さくすることができる。

次に、本実施例の燃料電池システムにおける通常発電時の運転制御について、図６〜図１４を参照して説明する。ここで、図６は本実施例の燃料電池システムにおける通常発電時の運転制御を説明するフローチャートであり、所定時間周期（例えば１０msec周期）で実行される。また、図７および図８はそれぞれ要求発電電力算出およびガス供給制御のサブルーチンを説明するフローチャートである。また、図９は要求発電電力を算出するためのマップデータを、図１０は目標発電電流を算出するためのマップデータを、図１１は目標ガス圧力を算出するためのテーブルデータを、図１２は目標空気流量を算出するためのテーブルデータを、図１３はコンプレッサ指令回転数を算出するためのマップデータを、図１４は空気圧力制御弁１２の指令開度を算出するためのマップデータを、それぞれ例示する説明図である。

図６のフローチャートにおいて、まず、燃料電池システムの要求発電電力を算出し（ステップＳ２０１）、目標電流の算出を行う（ステップＳ２０２）。そして、水素および空気のガス供給制御を行い（ステップＳ２０３）、燃料電池の発電電力制御を行う（ステップＳ２０４）。

次に、図６のステップＳ２０１における要求発電電力の算出について、図７のフローチャートに沿って説明する。ここでは、燃料電池システムに接続された電気負荷の運転状態に基づいて、要求発電電力を算出するが、例えば、ハイブリッド型電気自動車に本実施例の燃料電池システムを適用した場合を想定して説明する。

まず、車両に備えたアクセルセンサの出力に基づいて、運転者のアクセル操作量を検出し（ステップＳ３０１）、車両に備えた車速センサの出力に基づいて、車両の速度を検出する（ステップＳ３０２）。そして、要求発電電力を算出する（ステップＳ３０３）。要求発電電力の算出は、ステップＳ３０１のアクセル操作量とステップＳ３０２の車両速度に基づいて、図９に示したマップデータを用いて算出する。

次に、図６のステップＳ２０２における目標電流の算出について説明する。ここでは、燃料電池スタック３の代表的な電流電圧特性を用いて、図７のステップＳ３０３において算出した要求発電電力に基づき目標電流を算出する。この目標電流は、図１０に示したマップデータを参照することによって、算出することができる。図１０のマップデータは、燃料電池スタック３の基準となる電流電圧特性として、例えば、稼動開始初期の電流電圧特性において、個体差による特性ばらつきの中央値に相当する特性データを用いて、運転温度ごとに発電電力に対する電流値をマップデータとして設定することができる。そして、燃料電池スタック３の運転温度として冷却水温度を用いて、該冷却水温度と要求発電電力（ステップＳ３０３）に基づき、このマップデータを参照することにより目標電流の基本値を算出すればよい。

次に、図６のステップＳ２０３における水素および空気のガス供給制御について、図８のフローチャートに沿って説明する。

まず、目標ガス圧力を算出する（ステップＳ４０１）。この目標ガス圧力の算出は、図６のステップＳ２０２で算出した目標発電電流に基づき、図１１に示したテーブルデータを用いて実施する。なお、図１１のテーブルデータは燃料電池スタック３の発電効率などを考慮して設定される。

次に、水素ガスの圧力制御（ステップＳ４０２）を行う。ここでは、ステップＳ４０１で算出した目標ガス圧力に基づき、水素圧力制御弁１４を操作することによって水素圧力の制御を行う。水素圧力制御弁１４の操作は、水素入口圧力センサ９で検出した燃料電池スタック３の水素圧力と目標ガス圧力との偏差に基づいて、フィードバック制御により水素圧力制御弁の指令開度を決定することにより、実行される。なお、このフィードバック制御は、ＰＩ制御（Ｐ；比例制御、Ｉ；積分制御）やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された水素圧力制御弁１４の指令開度は、コントローラ１３から水素圧力制御弁１４の駆動回路に対して指示されて、水素圧力制御弁１４が指令開度に従って駆動される。

次に、空気ガスの流量制御を行う（ステップＳ４０３）。ここでは、まず、図６のステップＳ２０２で算出した目標発電電流に基づき、図１２に示したテーブルデータを用いて目標空気流量を算出する。図１２のテーブルデータは、燃料電池スタック３内部で局所的な空気供給不足が起きないような空気利用率となるように設定される。

次に、ステップＳ４０１で算出した目標ガス圧力と、上記目標空気流量とに基づき、図１３に示したマップデータを用いてコンプレッサ指令回転数を算出する。図１３のマップデータは、コンプレッサ６の回転数と圧力比に対する空気流量の特性に基づいて設定される。また、ここで算出されたコンプレッサ指令回転数は、コントローラ１３からコンプレッサ６の駆動回路に対して指示されて、コンプレッサ６が該指令回転数に従って駆動される。

次に、空気ガスの圧力制御を行う（ステップＳ４０４）。ここでは、上記目標空気圧力に基づいて、空気圧力制御弁１２を操作することによって空気圧力の制御を行う。空気圧力制御弁１２の操作は、図１４に示したマップデータを用いて、空気流量と目標空気圧力とに基づきフィードフォワード制御量として演算した指令開度と、空気入口圧力センサ１５で検出した燃料電池スタック３の空気圧力と目標空気圧力との偏差に基づきフィードバック制御により演算した指令開度の補正量との和によって、空気圧力制御弁１２の指令開度が決定され、実行される。なお、このフィードバック制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された空気圧力制御弁１２の指令開度は、コントローラ１３から空気圧力制御弁１２の駆動回路に対して指示されて、空気圧力制御弁１２が該指令開度に従って駆動される。

次に、再び図６に戻って、ステップＳ２０４における燃料電池の発電電力制御について説明する。ここでは、ステップＳ２０１で算出した要求発電電力に基づいて、燃料電池スタック３の発電電力制御を行う。要求発電電力は、コントローラ１３から電力制御装置２４に対して指示され、発電指令電力に従って燃料電池スタック３の発電電力が制御されることとなる。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池スタック３と、ガス流路に燃料ガス圧力を制御する第１圧力制御弁（水素圧力制御弁）１４を備え、燃料電池スタック３に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段（水素供給系）と、ガス流路に酸化剤ガス圧力を制御す第２圧力制御弁（空気圧力制御弁）１２を備え、燃料電池スタック３に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段（空気供給系）と、を有して構成し、コントローラ１３内の始動時酸化剤ガス供給制御手段により、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガス（水素）の供給に先行して酸化剤ガス（空気）を供給し、始動時燃料ガス圧力制御手段により、当該燃料電池システム始動時における燃料ガスの供給圧力を、水素圧力制御弁１４の開度操作制御により、通常運転時の供給圧力よりも高い圧力にし、始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、当該燃料電池システム始動時における酸化剤ガスの供給圧力を、空気圧力制御弁１２の開度を操作して制御することとして、酸化剤ガスの供給開始時に、始動時酸化剤ガス圧力制御手段によって空気圧力制御弁１２の開度を固定値としている（第１の特徴）。

これにより、燃料電池システムの始動において、燃料ガスの供給に先行して酸化剤ガスの供給を開始する際に、酸化剤ガスの圧力制御を停止させることができるようになる。したがって、燃料ガスの供給開始とともに酸化剤ガスの圧力制御を開始するまで、酸化剤ガスの圧力制御の制御量を初期状態に保つことができるので、酸化剤ガスの圧力制御を開始する際に制御量が不適切であることによる酸化剤ガス圧力の応答の遅れを防止することができる。

特に、酸化剤ガスの供給開始時に、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段によって空気圧力制御弁１２の開度を全開とする（第２の特徴）場合には、燃料電池システムの始動において、燃料ガスの供給に先行して酸化剤ガスの供給を開始する際に、酸化剤ガスの圧力を極力小さくすることができる。したがって、上記効果に加え、燃料電池システム始動時の酸化剤ガスと燃料ガスの差圧を極力抑えて、燃料電池を保護することができる。

また特に、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなるまでは、空気圧力制御弁１２の開度を固定値とする（第３の特徴）場合には、燃料電池システムの始動において、燃料ガスの供給に先行して酸化剤ガスの供給を開始してから、燃料ガスの供給を開始して酸化剤ガスの圧力と燃料ガスの圧力が略等しくなるまでは、燃料ガスの圧力制御を停止させることができるようになる。したがって、上記効果に加え、燃料ガスの圧力の上昇に合わせて、酸化剤ガスの圧力制御を開始して、燃料ガス圧力の変化に対して酸化剤ガス圧力を応答良く追従させることができる。

また特に、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなるまでは、空気圧力制御弁１２の開度を全開とする（第４の特徴）場合には、燃料電池システムの始動において、燃料ガスの供給に先行して酸化剤ガスの供給を開始してから、燃料ガスの供給を開始して酸化剤ガスの圧力と燃料ガスの圧力が略等しくなるまで、酸化剤ガスの圧力を極力小さくすることができる。したがって、上記効果に加え、燃料電池システム始動時の酸化剤ガスと燃料ガスの差圧を極力抑えて、燃料電池スタック３を保護することができる。

また特に、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなって以降は、燃料ガスの供給圧力を目標値として酸化剤ガスの圧力を制御する（第５の特徴）。これにより、燃料ガスの圧力の上昇に対して、酸化剤ガスの圧力が燃料ガスの圧力に追従するように、酸化剤ガスの圧力を制御することができる。したがって、燃料ガスの圧力の上昇に対して、燃料ガスと酸化剤ガスの差圧を小さくすることができ、燃料電池スタック３を保護することができる。

また特に、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなってから所定時間が経過するまでは、酸化剤ガスの供給圧力のフィードフォワード制御量の上限を制限する（第６の特徴）。これにより、燃料ガスの圧力の上昇に対して、酸化剤ガスの圧力制御のフィードフォワード制御量が限度を超えて開く方向に補正され、酸化剤ガスの圧力の上昇が遅れることを防止することができる。したがって、燃料ガスの圧力の上昇に対して、酸化剤ガスの圧力応答が遅れることを防止することができる。

また特に、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、燃料電池スタック３の通常発電時とは異なる制御ゲインを用いて、始動時の酸化剤ガスの圧力を制御する（第７の特徴）。これにより、燃料電池システムの始動時における燃料ガスの状態に合わせて、適切な制御ゲインを用いて始動時の燃料ガス供給圧力制御を行うことができる。したがって、燃料電池システムの始動時に安定して燃料ガス供給圧力制御を行うことができる。

さらに、コントローラ１３の始動時燃料ガス圧力制御手段において、燃料電池スタック３の通常発電時とは異なる制御ゲインを用いて、始動時の燃料ガスの圧力を制御する（第８の特徴）。これにより、燃料電池システムの始動時における酸化剤ガスの状態に合わせて、適切な制御ゲインを用いて始動時の酸化剤ガス供給圧力制御を行うことができる。したがって、燃料電池システムの始動時に安定して酸化剤ガス供給圧力制御を行うことができる。

次に、本発明の実施例２に係る燃料電池システムについて説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。

ただし、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段において、実施例１では、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなってから所定時間が経過するまでは、酸化剤ガスの供給圧力のフィードフォワード制御量の上限を制限するようにしたのに対して、本実施例では、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなってから所定時間が経過するまでは、第２圧力制御弁（空気圧力制御弁）１２の開度の上限を制限する点が異なる。

次に、本実施例の燃料電池システムの始動運転時の動作について、図１５を参照しながら説明する。ここで、図１５は実施例２の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御を説明するフローチャートであり、所定時間周期（例えば１０msec周期）で実行される。

まず、実施例１（図２）と同様に、始動時酸化剤ガス供給制御手段の制御に基づき、コンプレッサ６によって燃料電池スタック３への空気供給を開始する（ステップＳ５０１）。次に、始動時酸化剤ガス圧力制御手段により空気圧力制御弁１２の開度が全開となるように制御する（ステップＳ５０２）。これにより、酸化剤極（カソード）の空気圧力を極力小さくし、燃料極（アノード）の圧力との差圧を抑えることができる。

そして、水素供給開始タイマの値がゼロか否かを判定する（ステップＳ５０３）。この水素供給開始タイマの初期値として、空気供給開始から水素供給開始までの時間を設定し、ステップＳ５０１において空気供給を開始した際に、タイマのカウントダウンを開始する。この水素供給開始タイマの値がゼロである場合にはステップＳ５０４に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

次に、始動時酸化剤ガス供給制御手段の制御に基づき、燃料電池スタック３への水素供給を開始する（ステップＳ５０４）。この水素供給制御は、目標圧力に基づいて水素圧力制御弁１４を制御することによって行う。目標水素圧力は、実施例１と同様に、図３に示したテーブルデータを用いて、水素供給を開始してからの経過時間に基づいて算出する。また、ここで、水素圧力制御弁１４の制御ゲインは、始動時燃料ガス圧力制御手段により（燃料電池スタック３の通常発電時とは異なる）始動時用の値とすることによって、始動時の水素圧力制御を安定して実施することができる。

次に、水素入口圧力センサ９で測定した水素圧力が空気入口圧力センサ１５で測定した空気圧力より大きいか否かを判定する（ステップＳ５０５）。この判定において、水素圧力が空気圧力より大きい場合にはステップＳ５０６に進み、水素圧力が空気圧力以下である場合には、水素圧力が空気圧力より大きくなるまで待つ。

ステップＳ５０５の判定において、水素圧力が空気圧力より大きくなった場合には、目標空気圧力を水素入口圧力センサ９で測定した水素圧力として、空気圧力制御のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御およびフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御を開始する。そして、空気圧力制御弁１２の指令開度の上限を制限（ステップＳ５０６）し、始動時にガス圧力を昇圧させる際に、空気圧力制御弁１２の開度が大きくなって、空気圧力の昇圧を遅れてしまうことを防止する。

次に、開度制限終了タイマがゼロか否かを判定する（ステップＳ５０７）。この開度制限終了タイマは、ステップＳ５０６において、空気圧力制御弁１２の指令開度の上限を制限してから、その制限を解除して通常のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御を開始するまでの時間を初期値として設定し、ステップＳ５０６において空気圧力制御弁１２の指令開度の上限を制限した際に、タイマのカウントダウンを開始する。開度制限終了タイマの値がゼロである場合にはステップＳ５０８に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

次に、制御ゲイン切替タイマがゼロか否かを判定する（ステップＳ５０８）。この制御ゲイン切替タイマは、ステップＳ５０１において空気供給を開始してから、通常発電時の制御ゲインを用いた水素圧力制御および空気圧力制御を開始するまでの時間を初期値として設定し、ステップＳ５０１において空気供給制御を開始した際に、タイマのカウントダウンを開始する。制御ゲイン切替タイマの値がゼロである場合にはステップＳ５０９に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

そして、水素圧力制御および空気圧力制御の制御ゲインを始動時用の値から、通常発電用の値に変更し（ステップＳ５０９）、始動時制御を完了する。なお、制御ゲインの切替時期を、水素圧力制御と空気圧力制御とで異なる時期としてもよい。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなってから所定時間が経過するまでは、第２圧力制御弁（空気圧力制御弁）１２の開度の上限を制限する。これにより、燃料ガスの圧力の上昇に対して、酸化剤ガスの圧力制御弁の開度が、限度を超えて開く方向に補正され、酸化剤ガスの圧力の上昇が遅れることを防止することができる。したがって、燃料ガスの圧力の上昇に対して、酸化剤ガスの圧力応答が遅れることを防止することができる。

なお、本実施例においても、実施例１における第１〜第５の特徴、第７の特徴および第８の特徴が適用されており、実施例１と同等の効果を奏する。

次に、本発明の実施例３に係る燃料電池システムについて説明する。実施例３の燃料電池システムの構成は、実施例１の構成（図１）と同等であり、各構成要素の具体的説明を省略する。

ただし、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段において、酸化剤ガスの供給の開始と共に酸化剤ガス圧力のフィードバック制御演算を開始し、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなったときに、酸化剤ガス圧力のフィードバック制御演算における積分演算値を初期化する点が異なる。

次に、本実施例の燃料電池システムの始動運転時の動作について、図１６を参照しながら説明する。ここで、図１６は実施例３の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御を説明するフローチャートであり、所定時間周期（例えば１０msec周期）で実行される。

まず、実施例１（図２）と同様に、始動時酸化剤ガス供給制御手段の制御に基づき、コンプレッサ６によって燃料電池スタック３への空気供給を開始する（ステップＳ６０１）。

次に、目標空気圧力を大気圧として、空気圧力制御のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を開始する。そして、空気圧力制御のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御量としての空気圧力制御弁１２の指令開度をゼロに固定（ステップＳ６０２）し、始動時にガス圧力を昇圧させる際にフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御によって空気圧力制御弁１２の開度が開く方向に変化させられて、空気圧力の昇圧を遅れてしまうことを防止する。なお、空気圧力制御のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御量としての指令開度を所定の上限値で制限する構成としても、同様の効果を得ることができる。

そして、水素供給開始タイマの値がゼロか否かを判定する（ステップＳ６０３）。この水素供給開始タイマの初期値として、空気供給開始から水素供給開始までの時間を設定し、ステップＳ６０１において空気供給を開始した際に、タイマのカウントダウンを開始する。この水素供給開始タイマの値がゼロである場合にはステップＳ６０４に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

次に、始動時酸化剤ガス供給制御手段の制御に基づき、燃料電池スタック３への水素供給を開始する（ステップＳ６０４）。この水素供給制御は、目標圧力に基づいて水素圧力制御弁１４を制御することによって行う。目標水素圧力は、実施例１と同様に、図３に示したテーブルデータを用いて、水素供給を開始してからの経過時間に基づいて算出する。また、ここで、水素圧力制御弁１４の制御ゲインは、始動時燃料ガス圧力制御手段により（燃料電池スタック３の通常発電時とは異なる）始動時用の値とすることによって、始動時の水素圧力制御を安定して実施することができる。

次に、水素入口圧力センサ９で測定した水素圧力が空気入口圧力センサ１５で測定した空気圧力より大きいか否かを判定する（ステップＳ６０５）。この判定において、水素圧力が空気圧力より大きい場合にはステップＳ６０６に進み、水素圧力が空気圧力以下である場合には、水素圧力が空気圧力より大きくなるまで待つ。

ステップＳ６０５の判定において、水素圧力が空気圧力より大きくなった場合には、空気圧力制御のフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御量のうち、積分制御量（Ｉ分）をゼロにリセットする（ステップＳ６０６）。これにより、圧力制御弁開度を開く方向に積分制御量を溜め込んでしまって、ガス圧力を昇圧させようとした場合に、この積分計算値の溜め込みによって空気圧力の昇圧が遅れてしまう現象を防止することができる。

次に、フィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御開始タイマがゼロか否かを判定する（ステップＳ６０７）。このフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御開始タイマは、ステップＳ６０２において、フィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御量としての指令開度をゼロに固定してから、その固定を解除して通常のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御を開始するまでの時間を初期値として設定し、ステップＳ６０２においてフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御量としての指令開度をゼロに固定した際に、タイマのカウントダウンを開始する。フィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御開始タイマの値がゼロである場合にはステップＳ６０８に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

次に、空気圧力制御のフィードフォワード（Ｆ／Ｆ）制御を開始する（ステップＳ６０８）。そして、制御ゲイン切替タイマがゼロか否かを判定する（ステップＳ６０９）。この制御ゲイン切替タイマは、ステップＳ６０１において空気供給を開始してから、通常発電時の制御ゲインを用いた水素圧力制御および空気圧力制御を開始するまでの時間を初期値として設定し、ステップＳ６０１において空気供給制御を開始した際に、タイマのカウントダウンを開始する。制御ゲイン切替タイマの値がゼロである場合にはステップＳ６１０に進み、ゼロでない場合にはタイマの値がゼロになるまで待つ。

そして、水素圧力制御および空気圧力制御の制御ゲインを始動時用の値から、通常発電用の値に変更し（ステップＳ６１０）、始動時制御を完了する。なお、制御ゲインの切替時期を、水素圧力制御と空気圧力制御とで異なる時期としてもよい。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システムでは、コントローラ１３の始動時酸化剤ガス圧力制御手段により、酸化剤ガスの供給の開始と共に酸化剤ガス圧力のフィードバック制御演算を開始し、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなったときに、酸化剤ガス圧力のフィードバック制御演算における積分演算値を初期化する。これにより、燃料ガスの圧力の上昇の開始に合わせて、酸化剤ガス圧力のフィードバック制御演算における積分演算値を初期化することができる。したがって、燃料ガスの圧力が上昇する際に、フィードバック制御演算における積分演算値が不適切であるために酸化剤ガスの圧力の応答が遅れることを防止することができる。

なお、本実施例においても、実施例１における第１の特徴および第５の特徴〜第８の特徴が適用されており、実施例１と同等の効果を奏する。

本発明の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。 実施例１の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御を説明するフローチャートである。 目標水素圧力のテーブルデータを例示する説明図である。 実施例の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御用いた場合の空気圧力および水素圧力、空気流量、空気圧力制御弁の開度、並びに、空気圧力制御のフィードフォワード制御量およびフィードバック制御量（積分制御Ｉ分と比例制御Ｐ分）それぞれの変化を例示する説明図である。 従来の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御用いた場合の空気圧力および水素圧力、空気流量、空気圧力制御弁の開度、並びに、空気圧力制御のフィードフォワード制御量およびフィードバック制御量それぞれの変化を例示する説明図である。 実施例の燃料電池システムにおける通常発電時の運転制御を説明するフローチャートである。 要求発電電力算出のサブルーチンを説明するフローチャートである。 ガス供給制御のサブルーチンを説明するフローチャートである。 要求発電電力を算出するためのマップデータを例示する説明図である。 目標発電電流を算出するためのマップデータを例示する説明図である。 目標ガス圧力を算出するためのテーブルデータを例示する説明図である。 目標空気流量を算出するためのテーブルデータを例示する説明図である。 コンプレッサ指令回転数を算出するためのマップデータを例示する説明図である。 空気圧力制御弁１２の指令開度を算出するためのマップデータを例示する説明図である。 実施例２の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御を説明するフローチャートである。 実施例３の燃料電池システムにおける始動運転時の動作制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ エゼクタ
２ 水素循環流路
３ 燃料電池スタック
４ 水素パージ弁
６ コンプレッサ
７ 空気供給流路
８ 水素入口温度センサ
９ 水素入口圧力センサ
１１ 空気排気流路
１２ 空気圧力制御弁（第２圧力制御弁）
１３ コントローラ
１４ 水素圧力制御弁（第１圧力制御弁）
１５ 空気入口圧力センサ
１６ 空気流量センサ
１７ 電流センサ
１８ 電圧センサ
２１ タンク圧力センサ
２２ タンク温度センサ
２３ 水素タンク
２４ 電力制御装置
２８ 冷却液温度センサ
２９ 冷却液循環ポンプ
３０ 熱交換器

Claims (10)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
   ガス流路に燃料ガス圧力を制御する第１圧力制御弁を備え、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   ガス流路に酸化剤ガス圧力を制御する第２圧力制御弁を備え、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの供給に先行して酸化剤ガスを供給する始動時酸化剤ガス供給制御手段と、
   当該燃料電池システム始動時における燃料ガスの供給圧力を、前記第１圧力制御弁の開度操作制御により、通常運転時の供給圧力よりも高い圧力にする始動時燃料ガス圧力制御手段と、
   当該燃料電池システム始動時における酸化剤ガスの供給圧力を、前記第２圧力制御弁の開度を操作して制御する始動時酸化剤ガス圧力制御手段と、を有し、
   前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、酸化剤ガスの供給開始時に、前記第２圧力制御弁の開度を固定値とすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、酸化剤ガスの供給開始時に、前記第２圧力制御弁の開度を全開とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、酸化剤ガスの供給を開始してから、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなるまでは、前記第２圧力制御弁の開度を固定値とすることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、酸化剤ガスの供給を開始してから、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなるまでは、前記第２圧力制御弁の開度を全開とすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、酸化剤ガスの供給の開始と共に酸化剤ガス圧力のフィードバック制御演算を開始し、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなったときに、酸化剤ガス圧力のフィードバック制御演算における積分演算値を初期化することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなって以降は、燃料ガスの供給圧力を目標値として酸化剤ガスの圧力を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなってから所定時間が経過するまでは、前記第２圧力制御弁の開度の上限を制限することを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、当該燃料電池システムの始動時に、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力が略等しくなってから所定時間が経過するまでは、酸化剤ガスの供給圧力のフィードフォワード制御量の上限を制限することを特徴とする請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記始動時燃料ガス圧力制御手段は、前記燃料電池の通常発電時とは異なる制御ゲインを用いて、前記燃料電池の始動時の燃料ガスの圧力を制御することを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記始動時酸化剤ガス圧力制御手段は、前記燃料電池の通常発電時とは異なる制御ゲインを用いて、前記燃料電池の始動時の酸化剤ガスの圧力を制御することを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。

Images