JP2007087811A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】空気供給装置の性能に応じて最適なモータのトルク制御を行い、過剰な出力制限をかけることなく、空気供給装置や燃料電池の保護を確実に図ることができるようにする。
【解決手段】出力制限手段１２が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値とに応じて、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるようにする。これにより、コンプレッサ２の性能に応じた最適なモータトルク制御を行うことができ、過剰な出力制限をかけることなく、コンプレッサ２やコンプレッサモータ、燃料電池１の保護を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素及び空気の供給により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料となる水素、カソードに酸化剤となる空気を供給し、これらアノードとカソード間に挟持された電解質膜で電極反応を生じさせることによって発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムは、クリーンな排気や高エネルギ効率を実現できることから、例えば車両用駆動源などの用途に大きな期待が寄せられている。
ところで、例えば車両などに搭載される燃料電池システムでは、通常、コンプレッサ等で大気を吸入、加圧して燃料電池のカソードに供給するようにしているが、例えば高地のような大気圧が低い場所を車両が走行する場合にはコンプレッサで吸入する空気密度が低下しているため、コンプレッサモータのトルクや回転数を通常時よりも増大させる必要が生じる。このとき、コンプレッサモータの能力を超えるような回転数やトルクを当該コンプレッサモータに要求して、燃料電池から大電流を取り出そうとすると、コンプレッサモータの故障や燃料電池の耐久性低下などを招いてしまうことになる。そこで、大気圧を検出して、検出した大気圧に応じて燃料電池からの取出電流を制限することで、コンプレッサや燃料電池を保護するといった技術も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３５２８３３号公報
しかしながら、燃料電池システムにおいて空気供給装置として使用されるコンプレッサは、必ずしもその性能が一定となっているわけではなく、性能に多少のばらつきが見られるのが現状である。そのため、コンプレッサの性能のばらつきを考慮して、コンプレッサモータの能力を超えるような回転数やトルクが要求されることを確実に回避するためには、燃料電池からの取出電流の制限をきつめにかける設定としておく必要があり、過剰な制限となって動力性能低下の要因となっている場合が多かった。
本発明は、以上のような従来の実情に鑑みて創案されたものであって、空気供給装置の性能に応じて最適なモータのトルク制御を行い、過剰な出力制限をかけることなく、空気供給装置や燃料電池の保護を確実に図ることができる燃料電池システムを提供することを目的としている。
本発明に係る燃料電池システムは、モータの回転数などに応じて設定される目標制限トルクだけでなく、現在のモータトルク値もパラメータとして用いて、燃料電池からの取出電力または取出電流を制限することで、前記課題を解決する。すなわち、本発明の燃料電池システムは、目標制限トルク設定手段と、モータトルク検出手段と、出力制限手段とを備え、出力制限手段が、目標制限トルク設定手段で設定された目標トルクと、モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値とに応じて、燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかけるようにしている。
また、本発明に係る他の燃料電池システムは、モータの回転数などに応じて設定される目標制限トルクだけでなく、現在のモータトルク値もパラメータとして用いて、燃料電池のカソードに供給する空気の圧力を制限することで、前記課題を解決する。すなわち、本発明の燃料電池システムは、目標制限トルク設定手段と、モータトルク検出手段と、空気圧力制限手段とを備え、空気圧力制限手段が、目標制限トルク設定手段で設定された目標トルクと、モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値とに応じて、燃料電池のカソードに供給する空気の圧力に制限をかけるようにしている。
本発明の燃料電池システムによれば、空気供給装置の性能に応じて最適なモータのトルク制御が行われるので、過剰な出力制限をかけることによる動力性能低下などの問題を有効に回避しながら、空気供給装置や燃料電池の保護を確実に図ることができる。
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１に示す。本実施形態の燃料電池システムは、例えば車両に搭載されて車両の動力源として用いられるものであり、発電を行う燃料電池１を備える。
燃料電池１は、水素が供給されるアノード（燃料極）と空気が供給されるカソード（酸化剤極）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ともに、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有し、電解質での電極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１の各発電セルでは、アノード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、カソード側にそれぞれ移動する。カソードでは、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及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。すなわち、燃料電池１では、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。
アノード（燃料極）： Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− （１）
カソード（酸化剤極）： ２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ （２）
燃料電池１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。
以上のように、燃料電池１で発電を行うには、この燃料電池１のカソードに酸化剤ガスである空気、アノードに燃料ガスである水素をそれぞれ供給する必要があり、そのための機構が空気供給系及び水素供給系である。
ここで、空気供給系は、外気を吸入し燃料電池１のカソードに空気を圧送するためのコンプレッサ（空気供給装置）２、空気供給管３、カソード排ガスを排出するための空気排気管４、及び空気調圧弁５を備えた構成とされている。空気は、前記コンプレッサ２により加圧して空気供給管３に送り込まれ、燃料電池１のカソードに供給される。燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気管４から大気中に排出される。また、カソードの空気圧は、圧力センサ６によって検出され、空気調圧弁５を駆動することにより制御される。
水素供給系は、例えば、水素供給源である水素タンクから取り出した高圧水素を減圧弁、水素調圧弁を介して圧力調整し、水素供給管から燃料電池１のアノードに供給する構成とされている。なお、水素供給系は、本発明に直接かかわる部分ではないので、図示及び詳細な説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池１で発生した電力（電流）は、パワーマネージャ７により取り出され、例えば車両の駆動モータなどに供給される。そして、本実施形態の燃料電池システムは、このパワーマネージャ７による燃料電池１からの電力（電流）の取り出しを制御するための制御系として、モータトルク検出手段８、コンプレッサ回転数検出手段９、目標制限トルク設定手段１０、大気圧センサ１１、出力制限手段１２を備える。
モータトルク検出手段８は、コンプレッサ２の駆動源であるコンプレッサモータの現在のトルク値を検出あるいは推定するものである。具体的には、このモータトルク検出手段８は、例えば、モータ駆動電流などからコンプレッサモータの現在のトルク値を推定し、あるいは、トルクセンサなどを用いて、コンプレッサモータの現在のトルク値を検出する。
コンプレッサ回転数検出手段９は、コンプレッサモータの回転数（すなわち、コンプレッサ２の回転数）を検出するものである。具体的には、このコンプレッサ回転数検出手段９は、例えば、レゾルバやエンコーダなどのセンサを用いて、コンプレッサモータの回転数を検出する。
目標制限トルク設定手段１０は、コンプレッサモータのトルクが当該コンプレッサモータの能力を超えないように制限するための目標制限トルクを設定するものである。具体的には、この目標制限トルク設定手段１０は、例えば、図２のようなコンプレッサモータの回転数と上限トルクとの関係を表すマップを用い、コンプレッサ回転数検出手段９によって検出されたコンプレッサモータの回転数に応じて、当該回転数のときにコンプレッサモータで出力可能な上限トルクを目標制限トルクとして設定する。
なお、このとき、目標制限トルク設定手段１０は、コンプレッサ回転数検出手段９によって検出されたコンプレッサモータの回転数をそのままマップの入力値として用いるのではなく、図２に示すように、一次遅れフィルタを用いてコンプレッサ回転数検出手段９によって検出されたコンプレッサモータの回転数に補正をかけた出力をマップの入力値として目標制限トルクを設定することが望ましい。
すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、後述するように、この目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のトルク値とに応じて、出力制限手段１２によって燃料電池１からの取出電流が制限されるが、燃料電池１からの取出電流が制限されると、空気流量が減少するのでコンプレッサモータの回転数が下がり、それに応じて目標制限トルクが上がるので、燃料電池１からの取出電流の制限が緩和されることになる。そして、燃料電池１からの取出電流の制限が緩和されると、コンプレッサモータの回転数が上がって、それに応じて目標制限トルクが下がり、燃料電池１からの取出電流の制限がきつくかかるようになるといった現象が繰り返されることになる。このため、目標制限トルクの演算と燃料電池１からの取出電流制限の演算とが干渉して、取出電流制限にハンチングを生じさせてしまう要因となることが懸念されるが、上述したように、コンプレッサ回転数検出手段９によって検出されたコンプレッサモータの回転数に一次遅れフィルタを用いて補正をかけた出力に応じて目標制限トルクを設定するようにすれば、コンプレッサモータの回転数の変動をなまして、目標制限トルクの演算と燃料電池１からの取出電流制限値の演算との干渉を回避することができ、取出電流制限にハンチングを生じさせるといった問題を有効に抑制することが可能となる。
大気圧センサ１１は、大気圧を検出する圧力センサである。この大気圧センサ１１は出力制限手段１２に接続されており、当該大気圧センサ１１によって検出された大気圧の情報は、出力制限手段１２に入力される。
出力制限手段１２は、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のトルク値とに応じて、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるものであり、入力制限トルク補正部１２ａ、出力制限値演算部１２ｂ、制限部１２ｃを有する。なお、ここでは、出力制限手段１２が、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるものとして説明するが、電流と電圧の双方、すなわち燃料電池１からの取出電力に制限をかけるようにしてもよい。燃料電池１からの取出電力に制限をかける場合も、制御の内容は、燃料電池１からの取出電流に制限をかける場合と同様である。
入力制限トルク補正部１２ａは、目標制限トルク設定手段１０によって設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８によって検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差に応じて、出力制限値演算部１２ｂでの演算に用いる目標制限トルクを補正して、第２の目標制限トルクとして算出するものである。
出力制限値演算部１２ｂは、入力制限トルク補正部１２ａによって算出された第２の目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧に応じて、燃料電池１からの取出電流を制限するための電流制限値を算出するものである。
制限部１２ｃは、燃料電池１からの目標取出電流を、出力制限値演算部１２ｂで算出された電流制限値に制限するものである。すなわち、制限部１２ｃは、例えば駆動モータの動作状況などに応じて燃料電池１に要求される目標取出電流が、出力制限値演算部１２ｂで算出された電流制限値よりも小さければ、当該目標取出電流を取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力し、目標取出電流が電流制限値よりも大きければ、電流制限値を取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力する。これにより、燃料電池１からの取出電流が、電流制限値に制限されることになる。
出力制限手段１２における制御の具体例を図３に示す。この図３に示す例において、入力制限トルク補正部１２ａは、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差に応じた入力トルク補正値を求め、この入力トルク補正値を用いて目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクを補正することで、第２の目標制限トルクを算出する。そして、この第２の目標制限トルクを出力制限値演算部１２ｂに入力する。
出力制限値演算部１２ｂは、例えば、燃料電池１からの取出電流値とその電流値を燃料電池１から取り出せるようにするためにコンプレッサモータに要求される必要トルクとの関係を大気圧毎に表したマップを用い、入力制限トルク補正部１２ａから入力された第２の目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧とに基づいて、現在の大気圧でコンプレッサモータのモータトルクを第２の目標制限トルクに制限したときに燃料電池１から取り出すことが可能な電流値を、電流制限値として算出する。
制限部１２ｃは、燃料電池１の目標取出電流と、出力制限値演算部１２ｂで算出された電流制限値をセレクトローして、取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力することによって、燃料電池１からの取出電流を制限する。
ここで、出力制限値演算部１２ｂでの演算に用いられるマップは、例えば図４に示すような手法で作成される。すなわち、燃料電池１からの取出電流に応じて燃料電池１のカソードに供給する空気流量と圧力（カソード運転圧力）を定める。コンプレッサ２から燃料電池１までの空気系圧損は供給空気流量によって決まるので、空気系圧損とカソード運転圧力から、コンプレッサ２における吐出空気圧力が決まる。そして、大気圧とコンプレッサ２の吐出空気圧力からコンプレッサ入出の圧力比が決まり、コンプレッサモータの必要トルクが求まる。この必要トルクをグラフ横軸（マップ入力値）とし、燃料電池１からの取出電流をグラフ縦軸（マップ出力値）とし、これを大気圧毎に作成すれば、出力制限のマップが完成する。
このように、出力制限値演算部１２ｂで演算に用いられるマップは、燃料電池１からの取出電流とコンプレッサモータの必要トルクに基づいて設計されており、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクからずれた場合には、ずれたトルク偏差をマップの入力に戻して補正することによって、コンプレッサモータのモータトルク値を目標制限トルクに近づかせることができる。
燃料電池１からの取出電流の制限と、その制限によるコンプレッサモータのモータトルクの応答との関係を図５に示す。なお、図５（ａ）は、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクを補正することなくマップ入力値として電流制限値を求める場合の例であり、図５（ｂ）は、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクをコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて補正した上でマップ入力値として電流制限値を求める場合の例である。
図５（ａ）に示す例では、コンプレッサ２やコンプレッサモータの性能ばらつき、さらには経時劣化などに応じて、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクを超えることがある。したがって、この図５（ａ）に示す例では、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクを超えないようにするためには、目標制限トルクに応じて電流制限がきつめに掛かるように出力制限のマップを設定しなくてはならない。
これに対して、図５（ｂ）に示す例では、設定されている目標制限トルクとコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差を、出力制限値演算部１２ｂでの演算に用いるマップの入力トルクに上のせすることによって、燃料電池１からの取出電流がさらに制限されて、モータトルク値のオーバーシュートを軽減できる。したがって、この図５（ｂ）に示す例では、コンプレッサやコンプレッサモータの性能ばらつきなどを考慮して、あらかじめ電流制限がきつめに掛かるように設定しなくてもよい。
以上、具体的な例を挙げて詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、モータトルク検出手段８でコンプレッサモータの現在のモータトルク値を検出あるいは推定し、目標制限トルクだけでなく現在のモータトルク値も用いて、燃料電池１からの取出電流を制限するようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制することができる。したがって、この燃料電池システムにおいては、コンプレッサ２やコンプレッサモータの性能ばらつきなどを考慮して燃料電池１からの取出電流を過剰に制限する必要がなく、コンプレッサモータの上限出力を使いきり、燃料電池１のカソードに供給する空気流量を増やして動力性能を向上させることができるとともに、コンプレッサ２やコンプレッサモータ、燃料電池１などの保護を確実に図ることができる。
なお、燃料電池１からの取出電流を過剰に制限しないようにするためには、コンプレッサモータとして高出力のモータを用いることも考えられるが、高出力のモータを採用するとコンプレッサの大型化、ひいてはシステム全体の大型化を招くことになり、また、コストアップの要因となる。これに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、高出力のモータを採用するといった部品の過剰設計をする必要もなく、安価でコンパクトなシステムを実現できる。
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段９で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて、出力制限手段１２での電流制限値の演算に用いる目標制限トルクを補正する、すなわち、目標制限トルクと現在のモータトルク値との偏差をフィードバックしながら電流制限値を算出するようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、極めて高精度に行うことができる。
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、出力制限手段１２での電流制限値の演算の際に大気圧も考慮して、高地などの大気圧が低いところでは電流制限がきつくかかるように電流制限値を算出するようにしているので、使用環境の変化にも対応しながら、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、極めて高精度に行うことができる。
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段１０が、コンプレッサ回転数検出手段９によって検出されたコンプレッサモータの回転数に応じて、コンプレッサモータのトルクがその能力を超えないように制限するための目標制限トルクを設定するようにしているので、モータ回転数に応じて上限トルク値が定まるような一般的なコンプレッサモータのトルク制御を極めて高精度に行うことができる。また、コンプレッサモータの回転数が高い領域で上限トルク値を低く設定することで、回転数が高い領域ではコンプレッサモータのトルクが大きく制限されることになるので、コンプレッサモータの回転数が過剰な回転数とならないように制限することも可能となる。
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第２の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図６に示す。本実施形態の燃料電池システムは、図６に示すように、上述した第１の実施形態における出力制限手段１２とパワーマネージャ７の代わりに、空気圧力制限手段２１と空気圧力制御手段２２とを備えたものである。すなわち、上述した第１の実施形態の燃料電池システムでは、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のトルク値とに応じて、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるようにしているが、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のトルク値とに応じて、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力（燃料電池１のカソード運転圧力）に制限をかけるようにしている。つまり、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力（カソード運転圧力）に制限をかけることで、コンプレッサ２の吸入側と吐出側の空気圧縮比を下げ、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制できるようにしている。
なお、本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成や制御の基本部分は、上述した第１の実施形態と共通であるので、以下、第１の実施形態との共通部分については図中同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な空気圧力制限手段２１および空気圧力制御手段２２とその制御内容を中心に説明する。
空気圧力制限手段２１は、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のトルク値とに応じて、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力に制限をかけるものであり、入力制限トルク補正部２１ａ、空気圧力制限値演算部２１ｂ、制限部２１ｃを有する。
入力制限トルク補正部２１ａは、目標制限トルク設定手段１０によって設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８によって検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差に応じて、空気圧力制限値演算部２１ｂでの演算に用いる目標制限トルクを補正して、第２の目標制限トルクとして算出するものである。
空気圧力制限値演算部２１ｂは、入力制限トルク補正部２１ａによって算出された第２の目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧に応じて、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を制限するための空気圧力制限値を算出するものである。
制限部２１ｃは、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を、空気圧力制限値演算部２１ｂで算出された空気圧力制限値に制限するものである。すなわち、制限部２１ｃは、燃料電池１に要求される発電量に対応した目標空気圧力が、空気圧力制限値演算部２１ｂで算出された空気圧力制限値よりも小さければ、当該目標空気圧力を空気圧力制御指令値として空気圧力制御手段２２に出力し、目標空気圧力が空気圧力制限値よりも大きければ、空気圧力制限値を空気圧力制御指令値として空気圧力制御手段２２に出力する。
空気圧力制御手段２２は、空気圧力制限手段２１の制限部２１ｃから出力される空気圧力制御指令値と、圧力センサ６によって検出される現在の空気圧力とに応じて、調圧弁５の開度を調整することで、燃料電池１のカソードに供給される空気の圧力を制御する。これにより、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１のカソードに供給される空気の圧力が、空気圧力制限手段２１の空気圧力制限値演算部２１ｂで算出された空気圧力制限値に制限されることになる。
空気圧力制限手段２１における制御の具体例を図７に示す。この図７に示す例において、入力制限トルク補正部２１ａは、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差に応じた入力トルク補正値を求め、この入力トルク補正値を用いて目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクを補正することで、第２の目標制限トルクを算出する。そして、この第２の目標制限トルクを空気圧力制限値演算部２１ｂに入力する。
空気圧力制限値演算部２１ｂは、例えば、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力（燃料電池１のカソード運転圧力）とその空気圧力を実現するためにコンプレッサモータに要求される必要トルクとの関係を大気圧毎に表したマップを用い、入力制限トルク補正部２１ａから入力された第２の目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧とに基づいて、現在の大気圧でコンプレッサモータのモータトルクを第２の目標制限トルクに制限したときに実現可能な上限圧力を、空気圧力制限値として算出する。
制限部２１ｃは、燃料電池１に要求される発電量に対応した目標空気圧力と、空気圧力制限値演算部２１ｂで算出された空気圧力制限値をセレクトローして、空気圧力制御指令値として空気圧力制御手段２２に出力することによって、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力（カソード運転圧力）を制限する。
ここで、空気圧力制限値演算部２１ｂでの演算に用いられるマップは、燃料電池１のカソード運転圧力とコンプレッサモータの必要トルクに基づいて設計されており、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクからずれた場合には、ずれたトルク偏差をマップの入力に戻して補正することによって、コンプレッサモータのモータトルク値を目標制限トルクに近づかせることができる。
以上、具体的な例を挙げて詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、モータトルク検出手段８でコンプレッサモータの現在のモータトルク値を検出あるいは推定し、目標制限トルクだけでなく現在のモータトルク値も用いて、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を制限するようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制することができる。したがって、この燃料電池システムにおいては、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、コンプレッサ２やコンプレッサモータの性能ばらつきなどを考慮して燃料電池１からの取出電流を過剰に制限する必要がなく、コンプレッサモータの上限出力を使いきり、燃料電池１のカソードに供給する空気流量を増やして動力性能を向上させることができるとともに、コンプレッサ２やコンプレッサモータ、燃料電池１などの保護を確実に図ることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、高出力のモータを採用するといった部品の過剰設計をする必要もなく、安価でコンパクトなシステムを実現できる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１からの取出電流（電力）を制限する代わりに、燃料電池１のカソードに供給する空気圧力を制限するようにして、コンプレッサ２の吸入側と吐出側の空気圧縮比を下げ、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制できるようにしているので、燃料電池１からの取出電流（電力）を制限することに起因する動力性能低下をさらに効果的に回避しながら、コンプレッサ２やコンプレッサモータ、燃料電池１などの保護を確実に図ることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段９で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて、空気圧力制限手段２１での空気圧力制限値の演算に用いる目標制限トルクを補正する、すなわち、目標制限トルクと現在のモータトルク値との偏差をフィードバックしながら空気圧力制限値を算出するようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、極めて高精度に行うことができる。
（第３の実施形態）
次に、本発明を適用した第３の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第３の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図８に示す。本実施形態の燃料電池システムは、図８に示すように、上述した第１の実施形態における出力制限手段１２の代わりに、出力制限手段３１を備えたものである。すなわち、上述した第１の実施形態の燃料電池システムでは、目標制限トルク設定手段９で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて、出力制限手段１２での電流制限値の演算に用いる目標制限トルクを補正するようにしているが、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段９で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて、出力制限手段３１で目標制限トルクに基づいて算出された電流制限値を補正するようにしている。
なお、本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成や制御の基本部分は、上述した第１の実施形態と共通であるので、以下、第１の実施形態との共通部分については図中同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な出力制限手段３１の構成およびその制御内容を中心に説明する。
出力制限手段３１は、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のトルク値とに応じて、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるものであり、出力制限値演算部３１ａ、出力制限値補正部３１ｂ、制限部３１ｃを有する。なお、ここでは、出力制限手段３１が、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるものとして説明するが、電流と電圧の双方、すなわち燃料電池１からの取出電力に制限をかけるようにしてもよい。燃料電池１からの取出電力に制限をかける場合も、制御の内容は、燃料電池１からの取出電流に制限をかける場合と同様である。
出力制限値演算部３１ａは、目標制限トルク設定手段１０によって設定された目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧に応じて、燃料電池１からの取出電流を制限するための電流制限値を算出するものである。
出力制限値補正部３１ｂは、目標制限トルク設定手段１０によって設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８によって検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差、および当該偏差の積分値に応じて、出力制限値演算部３１ａで算出された電流制限値を補正するものである。
制限部３１ｃは、燃料電池１からの目標取出電流を、出力制限値演算部３１ａで算出されて出力制限値補正部３１ｂで補正された電流制限値に制限するものである。すなわち、制限部３１ｃは、例えば駆動モータの動作状況などに応じて燃料電池１に要求される目標取出電流が、出力制限値演算部３１ａで算出されて出力制限値補正部３１ｂで補正された電流制限値よりも小さければ、当該目標取出電流を取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力し、目標取出電流が電流制限値よりも大きければ、電流制限値を取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力する。これにより、燃料電池１からの取出電流が、電流制限値に制限されることになる。
出力制限手段３１における制御の具体例を図９に示す。この図９に示す例において、出力制限値演算部３１ａは、例えば、燃料電池１からの取出電流値とその電流値を燃料電池１から取り出せるようにするためにコンプレッサモータに要求される必要トルクとの関係を大気圧毎に表したマップを用い、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧とに基づいて、現在の大気圧でコンプレッサモータのモータトルクを目標制限トルクに制限したときに燃料電池１から取り出すことが可能な電流値を、電流制限値として算出する。
出力制限値補正部３１ｂは、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差、および当該偏差の積分値に応じた電流制限補正値を求め、この電流制限補正値を用いて、出力制限値演算部３１ａで算出された電流制限値を補正する。
制限部３１ｃは、燃料電池１の目標取出電流と、出力制限値演算部３１ａで算出されて出力制限値補正部３１ｂで補正された電流制限値をセレクトローして、取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力することによって、燃料電池１からの取出電流を制限する。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおける出力制限手段３１では、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクからずれた場合に、ずれたトルク偏差がフィードバックされて電流制限値が調整されるので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制することができる。
本実施形態の燃料電池システムでの燃料電池１からの取出電流の制限と、その制限によるコンプレッサモータのモータトルクの応答との関係を図１０に示す。この図１０に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、目標制限トルクとコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差をフィードバックして電流制限値を調整することで、コンプレッサモータのモータトルク値を目標制限トルクに近づけることができ、さらに、目標制限トルクとコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差を積分してフィードバックしているので、定常的には偏差をゼロに近づけることができる。
以上、具体的な例を挙げて詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、モータトルク検出手段８でコンプレッサモータの現在のモータトルク値を検出あるいは推定し、目標制限トルクだけでなく現在のモータトルク値も用いて、燃料電池１からの取出電流を制限するようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制することができる。したがって、この燃料電池システムにおいては、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、コンプレッサ２やコンプレッサモータの性能ばらつきなどを考慮して燃料電池１からの取出電流を過剰に制限する必要がなく、コンプレッサモータの上限出力を使いきり、燃料電池１のカソードに供給する空気流量を増やして動力性能を向上させることができるとともに、コンプレッサ２やコンプレッサモータ、燃料電池１などの保護を確実に図ることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、高出力のモータを採用するといった部品の過剰設計をする必要もなく、安価でコンパクトなシステムを実現できる。
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段９で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて、出力制限手段３１で目標制限トルクに基づいて算出された電流制限値を補正する、すなわち、目標制限トルクと現在のモータトルク値との偏差をフィードバックしながら電流制限値を算出するようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、極めて高精度に行うことができる。
（第４の実施形態）
次に、本発明を適用した第４の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第４の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１１に示す。本実施形態の燃料電池システムは、図１１に示すように、上述した第２の実施形態における空気圧力制限手段２１の代わりに、空気圧力制限手段４１を備えたものである。すなわち、上述した第２の実施形態の燃料電池システムでは、目標制限トルク設定手段９で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて、空気圧力制限手段２１での空気圧力制限値の演算に用いる目標制限トルクを補正するようにしているが、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段９で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて、空気圧力制限手段４１で目標制限トルクに基づいて算出された空気圧力制限値を補正するようにしている。
なお、本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成や制御の基本部分は、上述した第２の実施形態と共通であるので、以下、第２の実施形態との共通部分については図中同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な空気圧力制限手段４１の構成およびその制御内容を中心に説明する。
空気圧力制限手段４１は、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のトルク値とに応じて、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力（燃料電池１のカソード運転圧力）に制限をかけるものであり、空気圧力制限値演算部４１ａ、空気圧力制限値補正部４１ｂ、制限部４１ｃを有する。
空気圧力制限値演算部４１ａは、目標制限トルク設定手段１０によって設定された目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧に応じて、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を制限するための空気圧力制限値を算出するものである。
空気圧力制限値補正部４１ｂは、目標制限トルク設定手段１０によって設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８によって検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差、および当該偏差の積分値に応じて、空気圧力制限値演算部４１ａで算出された空気圧力制限値を補正するものである。
制限部４１ｃは、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を、空気圧力制限値演算部４１ａで算出されて空気圧力制限値補正部４１ｂで補正された空気圧力制限値に制限するものである。すなわち、制限部４１ｃは、燃料電池１に要求される発電量に対応した目標空気圧力が、空気圧力制限値演算部４１ａで算出されて空気圧力制限値補正部４１ｂで補正された空気圧力制限値よりも小さければ、当該目標空気圧力を空気圧力制御指令値として空気圧力制御手段２２に出力し、目標空気圧力が空気圧力制限値よりも大きければ、空気圧力制限値を空気圧力制御指令値として空気圧力制御手段２２に出力する。
空気圧力制御手段２２は、空気圧力制限手段４１の制限部４１ｃから出力される空気圧力制御指令値と、圧力センサ６によって検出される現在の空気圧力とに応じて、調圧弁５の開度を調整することで、燃料電池１のカソードに供給される空気の圧力を制御する。これにより、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１のカソードに供給される空気の圧力が、空気圧力制限手段４１の空気圧力制限値演算部４１ａで算出されて空気圧力制限値補正部４１ｂで補正された空気圧力制限値に制限されることになる。
空気圧力制限手段４１における制御の具体例を図１２に示す。この図１２に示す例において、空気圧力制限値演算部４１ａは、例えば、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力（燃料電池１のカソード運転圧力）とその空気圧力を実現するためにコンプレッサモータに要求される必要トルクとの関係を大気圧毎に表したマップを用い、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧とに基づいて、現在の大気圧でコンプレッサモータのモータトルクを目標制限トルクに制限したときに実現可能な上限圧力を、空気圧力制限値として算出する。
空気圧力制限値補正部４１ｂは、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差、および当該偏差の積分値に応じた空気圧力制限補正値を求め、この空気圧力制限補正値を用いて、空気圧力制限値演算部４１ａで算出された空気圧力制限値を補正する。
制限部４１ｃは、燃料電池１に要求される発電量に対応した目標空気圧力と、空気圧力制限値演算部４１ａで算出されて空気圧力制限値補正部４１ｂで補正された空気圧力制限値をセレクトローして、空気圧力制御指令値として空気圧力制御手段２２に出力することによって、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力（カソード運転圧力）を制限する。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおける空気圧力制限手段４１では、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクからずれた場合に、ずれたトルク偏差がフィードバックされて空気圧力制限値が調整されるので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制することができる。
以上、具体的な例を挙げて詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、モータトルク検出手段８でコンプレッサモータの現在のモータトルク値を検出あるいは推定し、目標制限トルクだけでなく現在のモータトルク値も用いて、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を制限するようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制することができる。したがって、この燃料電池システムにおいては、上述した第２の実施形態の燃料電池システムと同様に、コンプレッサ２やコンプレッサモータの性能ばらつきなどを考慮して燃料電池１からの取出電流を過剰に制限する必要がなく、コンプレッサモータの上限出力を使いきり、燃料電池１のカソードに供給する空気流量を増やして動力性能を向上させることができるとともに、コンプレッサ２やコンプレッサモータ、燃料電池１などの保護を確実に図ることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、上述した第２の実施形態の燃料電池システムと同様に、高出力のモータを採用するといった部品の過剰設計をする必要もなく、安価でコンパクトなシステムを実現できる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１からの取出電流（電力）を制限する代わりに、燃料電池１のカソードに供給する空気圧力を制限するようにして、コンプレッサ２の吸入側と吐出側の空気圧縮比を下げ、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制できるようにしているので、燃料電池１からの取出電流（電力）を制限することに起因する動力性能低下をさらに効果的に回避しながら、コンプレッサ２やコンプレッサモータ、燃料電池１などの保護を確実に図ることができる。
また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段９で設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されたコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて、空気圧力制限手段４１で目標制限トルクに基づいて算出された空気圧力制限値を補正する、すなわち、目標制限トルクと現在のモータトルク値との偏差をフィードバックしながら空気圧力制限値を算出するようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、極めて高精度に行うことができる。
（第５の実施形態）
次に、本発明を適用した第５の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第５の実施形態の燃料電池システムは、上述した第３の実施形態の燃料電池システムの構成（図８参照）を前提とし、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂが電流制限値を補正する際の演算方法に特徴を有するものである。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂが電流制限値を補正する際に、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差と、当該偏差の積分値であって下限値のリミッタが設定された積分値とに応じて電流制限補正値を求め、この電流制限補正値を用いて、出力制限値演算部３１ａで算出された電流制限値を補正するようにしている。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクよりも所定値αだけ低い値に設定された第１の閾値以上となったときに、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を実施し、この補正演算を実施した後、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクよりも所定値β（β＞α）だけ低い値に設定された第２の閾値（第２の閾値＜第１の閾値）未満となったときに、補正演算を終了するようにしている。さらにまた、本実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を終了した後、次の補正演算を開始するまでの間は、前回の補正演算のときの積分値（目標制限トルクとモータトルク値との偏差の積分値）を保持するようにしている。
本実施形態の燃料電池システムにおける出力制限手段３１での制御の具体例を図１３に示す。この図１３に示す例において、出力制限値演算部３１ａおよび制限部３１ｃでの処理内容は、上述した第３の実施形態の燃料電池システム（図９参照）と同様である。出力制限値補正部３１ｂは、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差と、当該偏差の積分値であって下限値のリミッタが設定された積分値とに応じて、ＰＩ制御により電流制限補正値を求め、この電流制限補正値を用いて、出力制限値演算部３１ａで算出された電流制限値を補正する。
ここで、図１３に示す例における出力制限値補正部３１ｂでの積分項と比例項の演算方法について説明する。
（１）起動時に積分項の初期値にゼロあるいは前回停止時の最終演算値を設定しておく。
（２）モータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクより所定値βだけ低い値である第２の閾値未満になっているときには、積分ゲインをＩゲインからゼロゲインに切り替えることによって、積分演算値を保持する。また、このとき、比例ゲインもＰゲインからゼロゲインに切り替える。
これにより、モータトルク値が目標制限トルクから離れて低い状態（出力制限がかからないような状態）で積分の演算を停止でき、積分項の発散を防止できる。また、積分値は出力制限がかかっているときに、目標制限トルクと現在のモータトルク値との偏差をゼロに近づけるような最適値に演算されているので、燃料電池１からの取出電流に制限がかからないような状態では積分演算値を保持することによって、次回の電流制限をかけるときにも、積分値の演算が最適値から開始されるようになり、さらにモータトルク値のオーバーシュートを防止して、モータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、さらに高精度に行えるようになる。
積分ゲインのゼロゲインからＩゲインへの切り替えと、比例ゲインのゼロゲインからＰゲインへの切り替えについては、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクより所定値α（α＜β）だけ低い値である第１の閾値（第１の閾値＞第２の閾値）以上になったときとし、補正演算の復帰と解除にヒステリシスを設定する。
（３）積分値の演算には、下限値をゼロとするリミッタを設定する。
燃料電池１からの取出電流に制限がかかってないときに、モータトルク値が目標制限トルクと第１の閾値（積分演算開始の閾値）間におさまった状態が長く続くと、目標制限トルクと現在のモータトルク値との偏差が積算され続けて積分値が発散していく可能性がある。そこで、積分値の演算には下限値リミッタを設定する。これにより、積分値の発散を防止し、燃料電池１からの取出電流の制限を正常に実施することができる。
本実施形態の燃料電池システムでの燃料電池１からの取出電流の制限と、その制限によるコンプレッサモータのモータトルクの応答との関係を図１４に示す。この図１４に示すように、本実施形態の燃料電池システムでは、始めに取出電流の制限がかかったときにはコンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクを少しオーバーシュートすることもあるが、次回あるいは何回か電流制限がかかったときには、上述した（２）の理由により、モータトルク値のオーバーシュートを防止することができる。
以上、具体的な例を挙げて詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂが上述した手法で電流制限値を補正することによって、第３の実施形態の燃料電池システムの効果に加えて、以下のような効果が得られる。
すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂが、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差と、当該偏差の積分値とに応じて、出力制限値演算部３１ａで算出された電流制限値を補正するようにしているので、定常偏差の影響を排除して、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、さらに高精度に行うことができる。また、積分値の演算に下限値リミッタを設定することによって、積分値の発散を防止して、燃料電池１からの取出電流の制限を正常に実施することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクよりも所定値αだけ低い値に設定された第１の閾値以上となったときに、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を実施するようにしているので、電流制限値の発散を防止して、燃料電池１からの取出電流の制限を正常に実施することができる。すなわち、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクからかけ離れて低い状態（出力制限がかからないような状態）で、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算（トルク偏差のフィードバック補正演算）を実施すると、トルク偏差が積分項に蓄積されて電流制限値が発散し、適切に電流制限がかからなくなる可能性があるが、本実施形態の燃料電池システムでは、このような場合にはトルク偏差のフィードバック補正演算が行われないので、電流制限値の発散を防止することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を実施した後、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクよりも所定値β（β＞α）だけ低い値に設定された第２の閾値（第２の閾値＜第１の閾値）未満となったときに、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を終了するようにしているので、トルク偏差のフィードバック補正演算の実施と終了にヒステリシスが設けられ、フィードバック補正演算の実施／終了のチャタリングを防止することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、トルク偏差のフィードバック補正演算を終了した後、次の補正演算を開始するまでの間は、前回の補正演算のときの積分値を保持するようにしているので、次回の電流制限をかけるときにも、積分値の演算を最適値から開始させることができ、モータトルク値のオーバーシュートを防止して、モータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、さらに高精度に行うことが可能となる。
なお、以上は、第３の実施形態の燃料電池システムの構成を前提として、本実施形態に特徴的な出力制限値補正部３１ｂでの補正演算について説明したが、この補正演算は、上述した第１の実施形態の燃料電池システムや第２の実施形態の燃料電池システム、第４の実施形態の燃料電池システムのいずれの構成を前提とした場合にも有効に適用できるものである。勿論、第２の実施形態の燃料電池システムや第４の実施形態の燃料電池システムの構成を前提として本実施形態に特徴的な補正演算を適用した場合には、この補正演算によって、空気圧力制限値が補正されることになる。
（第６の実施形態）
次に、本発明を適用した第６の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第６の実施形態の燃料電池システムは、上述した第５の実施形態の燃料電池システムの変形例である。すなわち、本実施形態の燃料電池システムでは、基本的には出力制限手段３１の出力制限値演算部３１ａで算出された電流制限値を用いて燃料電池１からの取出電流を制限するが、出力制限値演算部３１ａの設計が実際とずれて、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクを超えた場合に、出力制限値補正部３１ｂでの補正演算を実施するようにしている。具体的には、本実施形態の燃料電池システムでは、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクよりも所定値γだけ高い値に設定された第３の閾値以上となったときに、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を実施し、この補正演算を実施した後、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクよりも所定値δ（δ＜γ）だけ高い値に設定された第４の閾値（第４の閾値＜第３の閾値）未満となったときに、補正演算を終了するようにしている。
本実施形態の燃料電池システムにおける出力制限手段３１での制御の具体例を図１５に示す。この図１５に示す例において、出力制限値演算部３１ａおよび制限部３１ｃでの処理内容は、上述した第３の実施形態の燃料電池システム（図９参照）と同様である。また、出力制限値補正部３１ｂでの補正演算は、上述した第５の実施形態と同様であり、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差と、当該偏差の積分値であって下限値のリミッタが設定された積分値とに応じて、ＰＩ制御により電流制限補正値を求め、この電流制限補正値を用いて、出力制限値演算部３１ａで算出された電流制限値を補正する。
ただし、本実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂでの補正演算を、出力制限値演算部３１ａの設計が実際とずれて、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクを超えた場合に実施するようにしている。すなわち、本実施形態の燃料電池システムにおいて、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂは、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクよりも所定値δだけ高い値である第４の閾値未満になっているときには、積分ゲインをＩゲインからゼロゲインに切り替える。また、このとき、比例ゲインもＰゲインからゼロゲインに切り替える。
積分ゲインのゼロゲインからＩゲインへの切り替えと、比例ゲインのゼロゲインからＰゲインへの切り替えについては、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクより所定値γ（γ＞δ）だけ高い値である第３の閾値（第３の閾値＞第４の閾値）以上になったときとし、補正演算の復帰と解除にヒステリシスを設定する。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクよりも所定値γだけ高い値に設定された第３の閾値以上となったときに、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を実施するようにしているので、出力制限値演算部３１ａの設計が実際とずれて乖離が生じたときに、トルク偏差のフィードバック補正演算によってコンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を実施した後、コンプレッサモータのモータトルク値が目標制限トルクよりも所定値δ（δ＜γ）だけ高い値に設定された第４の閾値（第４の閾値＜第３の閾値）未満となったときに、出力制限手段３１の出力制限値補正部３１ｂによる補正演算を終了するようにしているので、トルク偏差のフィードバック補正演算の実施と終了にヒステリシスが設けられ、フィードバック補正演算の実施／終了のチャタリングを防止することができる。
なお、以上は、第３の実施形態の燃料電池システムの構成を前提として、本実施形態に特徴的な出力制限値補正部３１ｂでの補正演算について説明したが、この補正演算は、第５の実施形態で説明した補正演算と同様に、上述した第１の実施形態の燃料電池システムや第２の実施形態の燃料電池システム、第４の実施形態の燃料電池システムのいずれの構成を前提とした場合にも有効に適用できるものである。勿論、第２の実施形態の燃料電池システムや第４の実施形態の燃料電池システムの構成を前提として本実施形態に特徴的な補正演算を適用した場合には、この補正演算によって、空気圧力制限値が補正されることになる。
（第７の実施形態）
次に、本発明を適用した第７の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第７の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１６に示す。本実施形態の燃料電池システムは、図１６に示すように、上述した第３の実施形態における出力制限手段３１の代わりに、出力制限手段７１を備えたものである。すなわち、上述した第３の実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段３１の出力制限値演算部３１ａで算出されて出力制限値補正部３１ｂで補正された電流制限値で、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるようにしているが、本実施形態の燃料電池システムにおいては、出力制限手段７１の出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を、燃料電池１のカソードに供給される空気の圧力、流量、温度に応じてさらに補正して、最終的に得られた電流制限値で、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるようにしている。
なお、本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成や制御の基本部分は、上述した第３の実施形態と共通であるので、以下、第３の実施形態との共通部分については図中同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な出力制限手段７１の構成およびその制御内容を中心に説明する。
本実施形態の燃料電池システムにおいて、出力制限手段７１は、出力制限値演算部７１ａ、出力制限値補正部７１ｂ、空気圧力対応補正部７１ｃ、空気流量対応補正部７１ｄ、空気温度対応補正部７１ｅ、制限部７１ｆを有する。なお、ここでは、出力制限手段７１が、燃料電池１からの取出電流に制限をかけるものとして説明するが、電流と電圧の双方、すなわち燃料電池１からの取出電力に制限をかけるようにしてもよい。燃料電池１からの取出電力に制限をかける場合も、制御の内容は、燃料電池１からの取出電流に制限をかける場合と同様である。
出力制限値演算部７１ａは、第３の実施形態の燃料電池システムにおける出力制限値演算部３１ａと同様、目標制限トルク設定手段１０によって設定された目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧に応じて、燃料電池１からの取出電流を制限するための電流制限値を算出するものである。
出力制限値補正部７１ｂは、第３の実施形態の燃料電池システムにおける出力制限値補正部３１ｂと同様、目標制限トルク設定手段１０によって設定された目標制限トルクと、モータトルク検出手段８によって検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差、および当該偏差の積分値に応じて、出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正するものである。
空気圧力対応補正部７１ｃは、燃料電池１に要求される発電量に対応して決定された燃料電池入口目標空気圧力に応じて、出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正するものである。なお、この空気圧力対応補正部７１ｃは、圧力センサ６によって検出された燃料電池１のカソード運転圧力（燃料電池１のカソードに供給されている空気の圧力）に応じて、出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正するようにしてもよい。
空気流量対応補正部７１ｄは、燃料電池１に要求される発電量に対応して決定された燃料電池供給目標空気流量に応じて、出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正するものである。なお、この空気流量対応補正部７１ｄは、燃料電池１のカソード入口側に設けられた図示しない流量センサによって検出された空気流量に応じて、出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正するようにしてもよい。
空気温度対応補正部７１ｅは、燃料電池１のカソード入口側に設けられた温度センサ７２によって検出された空気温度に応じて、出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正するものである。
制限部７１ｆは、燃料電池１からの目標取出電流を、出力制限値演算部７１ａで算出されて出力制限値補正部７１ｂ、空気圧力対応補正部７１ｃ、空気流量対応補正部７１ｄ、空気温度対応補正部７１ｅで補正された電流制限値に制限するものである。すなわち、制限部７１ｆは、例えば駆動モータの動作状況などに応じて燃料電池１に要求される目標取出電流が、出力制限値演算部７１ａで算出されて出力制限値補正部７１ｂ、空気圧力対応補正部７１ｃ、空気流量対応補正部７１ｄ、空気温度対応補正部７１ｅで補正された電流制限値よりも小さければ、当該目標取出電流を取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力し、目標取出電流が電流制限値よりも大きければ、電流制限値を取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力する。これにより、燃料電池１からの取出電流が、電流制限値に制限されることになる。
出力制限手段７１における制御の具体例を図１７に示す。この図１７に示す例において、出力制限値演算部７１ａは、例えば、燃料電池１からの取出電流値とその電流値を燃料電池１から取り出せるようにするためにコンプレッサモータに要求される必要トルクとの関係を大気圧毎に表したマップを用い、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクと、大気圧センサ１１によって検出された大気圧とに基づいて、現在の大気圧でコンプレッサモータのモータトルクを目標制限トルクに制限したときに燃料電池１から取り出すことが可能な電流値を、電流制限値として算出する。
出力制限値補正部７１ｂは、目標制限トルク設定手段１０で設定された目標制限トルクとモータトルク検出手段８で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差と、当該偏差の積分値であって下限値のリミッタが設定された積分値とに応じて、ＰＩ制御により電流制限補正値を求め、この電流制限補正値を用いて、出力制限値演算部３１ａで算出された電流制限値を補正する。なお、この図１７に示す例での出力制限値補正部７１ｂによる補正演算は、上述した第６の実施形態と同様である。
空気圧力対応補正部７１ｃは、燃料電池入口目標空気圧力と基準空気圧力との偏差に応じて、電流制限値の補正係数を演算する。ここで、基準空気圧力とは、出力制限値演算部７１ａのマップを作成したときに想定した燃料電池１の目標空気圧力のことである。燃料電池入口目標空気圧力は、燃料電池１の運転温度などに応じて変わることもあるので、燃料電池入口目標空気圧力と基準空気圧力とに乖離が生じた場合には、前記マップを用いて出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正することによって、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制できるようにしている。
空気流量対応補正部７１ｄは、燃料電池供給目標空気流量と基準空気流量との偏差に応じて、電流制限値の補正係数を演算する。ここで、基準空気流量とは、出力制限値演算部７１ａのマップを作成したときに想定した燃料電池１への供給空気流量のことである。燃料電池供給目標空気流量についても、前述の燃料電池入口目標空気圧力と同様に、燃料電池１の運転温度などに応じて変わることもあるので、燃料電池供給目標空気流量と基準空気流量とに乖離が生じた場合には、前記マップを用いて出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正することによって、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制できるようにしている。
空気温度対応補正部７１ｅは、燃料電池１のカソードに供給する空気の温度（温度センサ７２の検出値）と基準空気温度との偏差に応じて、電流制限値の補正係数を演算する。ここで、基準空気温度とは、出力制限値演算部７１ａのマップを作成したときに想定した燃料電池１への供給空気の温度のことである。燃料電池１が必要とする質量空気流量とコンプレッサ２が供給する体積空気流量の関係は、空気温度に応じて変化する。そして、体積空気流量が変化すると、空気系の圧損が変わってコンプレッサ２の圧縮比とモータトルク値も変動する。したがって、燃料電池１のカソードに供給する空気の温度が基準空気温度から乖離を生じたときには、前記マップを用いて出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を補正することによって、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に精度良く抑制できるようにしている。
制限部７１ｆは、燃料電池１の目標取出電流と、出力制限値演算部７１ａで算出されて出力制限値補正部７１ｂ、空気圧力対応補正部７１ｃ、空気流量対応補正部７１ｄ、空気温度対応補正部７１ｅで補正された電流制限値をセレクトローして、取出電流指令値としてパワーマネージャ７に出力することによって、燃料電池１からの取出電流を制限する。
以上、具体的な例を挙げて詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、出力制限手段７１の出力制限値演算部７１ａで算出された電流制限値を、出力制限値補正部７１ｂでの補正演算だけでなく、空気圧力対応補正部７１ｃ、空気流量対応補正部７１ｄ、空気温度対応補正部７１ｅで各々算出した補正係数も用いて補正し、最終的に得られた電流制限値で燃料電池１からの取出電流に制限をかけるようにしているので、コンプレッサモータのモータトルク値を許容トルク以下に抑制する制御を、さらに高精度に行うことができる。
なお、以上は、第３の実施形態の燃料電池システムの構成を若干変更して、燃料電池１のカソードに供給される空気の圧力、流量、温度に応じて電流制限値を補正する例について説明したが、このような補正方法は、上述した第１の実施形態の燃料電池システムや第２の実施形態の燃料電池システム、第４の実施形態の燃料電池システムのいずれにも有効に適用できるものである。勿論、第２の実施形態の燃料電池システムや第４の実施形態の燃料電池システムに適用した場合には、燃料電池１のカソードに供給される空気の圧力、流量、温度に応じてによって、空気圧力制限値が補正されることになる。
（第８の実施形態）
次に、本発明を適用した第８の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第８の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図１８に示す。本実施形態の燃料電池システムは、図１８に示すように、上述した第３の実施形態における目標制限トルク設定手段１０の代わりに、目標制限トルク設定手段８１を備えたものである。すなわち、上述した第３の実施形態の燃料電池システムでは、目標制限トルク設定手段１０が、コンプレッサモータの回転数に応じた１種類の目標制限トルクを設定しているが、本実施形態の燃料電池システムにおいては、目標制限トルク設定手段８１が、目標制限トルクとして時間定格制限トルクと連続定格制限トルクとの２種類の目標制限トルクを設定している。そして、目標制限トルク設定手段８１は、通常は、時間定格制限トルクを目標制限トルクとして出力制限手段３１に出力するが、コンプレッサモータのモータトルク値が連続定格制限トルクを超えている状態が所定時間継続したときには、目標制限トルクを時間定格制限トルクから連続定格制限トルクに切り替えて、連続定格制限トルクを目標トルクとして出力制限手段３１に出力するようにしている。
なお、本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成や制御の基本部分は、上述した第３の実施形態と共通であるので、以下、第３の実施形態との共通部分については図中同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な目標制限トルク設定手段８１の構成およびその制御内容を中心に説明する。
本実施形態の燃料電池システムにおいて、目標制限トルク設定手段８１は、例えば図１９に示すように、第１マップと第２マップの２種類のマップを用いて目標制限トルクを設定する。第１マップは時間定格制限トルクを求めるためのマップであり、上述した第３の実施形態の燃料電池システムにおける目標制限トルク設定手段１０で用いるマップ（図２参照）と同様のマップである。すなわち、第１マップは、コンプレッサモータの回転数と当該回転数のときにコンプレッサモータで出力可能な上限トルクとの関係を表している。一方、第２マップは連続定格制限トルクを求めるためのマップであり、コンプレッサモータの回転数と上限トルクとの関係を表している点は第１マップと同様である。ただし、第２マップでは、コンプレッサモータが所定時間連続して高負荷の状態にあることを想定した場合の上限トルクを規定しており、コンプレッサの回転数が同じであっても第１マップよりも低いトルク値が上限トルクとされている。
目標制限トルク設定手段８１は、以上のような第１マップと第２マップとを用い、コンプレッサ回転数検出手段９によって検出されたコンプレッサモータの回転数に応じて、第１マップで求められる上限トルクを時間定格制限トルクとして設定するとともに、第２マップで求められる上限トルクを連続定格制限トルクとして設定する。そして、目標制限トルク設定手段８１は、モータトルク検出手段８で検出あるいは推定されるコンプレッサモータのモータトルク値をモニタリングして、当該コンプレッサモータのモータトルク値を連続定格制限トルクと比較し、当該コンプレッサモータのモータトルク値が連続定格制限トルク以下であったり、当該コンプレッサモータのモータトルク値が連続定格制限トルクを超えていてもその超えている時間が所定時間を超えない間は、時間定格制限トルクを目標制限トルクとして選択して出力制限手段３１に出力する。一方、目標制限トルク設定手段８１は、コンプレッサモータのモータトルク値が連続定格制限トルクを超えている状態が所定時間継続したときには、目標制限トルクを時間定格制限トルクから連続定格制限トルクに切り替えて、連続定格制限トルクを目標制限トルクとして選択して出力制限手段３１に出力する。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、目標制限トルク設定手段８１が、目標制限トルクとして時間定格制限トルクと連続定格制限トルクとの２種類の目標制限トルクを設定して、通常時は時間定格制限トルクを目標制限トルクとして出力制限手段３１に出力し、コンプレッサモータのモータトルク値が連続定格制限トルクを超えている状態が所定時間継続したときには、目標制限トルクを時間定格制限トルクから連続定格制限トルクに切り替えて、連続定格制限トルクを目標トルクとして出力制限手段３１に出力するようにしているので、コンプレッサモータが長時間に亘って高負荷の状態となっているときの性能低下も考慮しながら、コンプレッサモータのモータトルク値が許容トルクを超えないように制御することができ、コンプレッサモータの保護をより確実に図ることが可能となる。
なお、以上は、第３の実施形態の燃料電池システムの構成を前提として、本実施形態に特徴的な目標制限トルク設定手段８１で目標制限トルクを設定する手法について説明したが、この目標制限トルクの設定手法は、上述した第１の実施形態の燃料電池システムや第２の実施形態の燃料電池システム、第４の実施形態の燃料電池システムのいずれの構成を前提とした場合にも有効に適用できるものである。
（第９の実施形態）
次に、本発明を適用した第９の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第９の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図２０に示す。本実施形態の燃料電池システムは、図２０に示すように、上述した第１の実施形態におけるコンプレッサ回転数検出手段９の代わりにコンプレッサ目標回転数演算手段９１を備え、上述した第１の実施形態における目標制限トルク設定手段９の代わりに目標制限トルク設定手段９２を備えたものである。すなわち、上述した第１の実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ回転数検出手段９でコンプレッサモータの回転数を検出し、目標制限トルク設定手段１０が、このコンプレッサ回転数検出手段９で検出したコンプレッサモータの回転数に応じて、コンプレッサモータの目標制限トルクを設定するようにしているが、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コンプレッサ目標回転数演算手段９１でコンプレッサモータの目標回転数を演算し、目標制限トルク設定手段９２が、このコンプレッサ目標回転数演算手段９１で演算したコンプレッサモータの目標回転数に応じて、コンプレッサモータの目標制限トルクを設定するようにしている。
なお、本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成や制御の基本部分は、上述した第１の実施形態と共通であるので、以下、第１の実施形態との共通部分については図中同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。
本実施形態の燃料電池システムにおいて、コンプレッサ目標回転数演算手段９１は、例えば、駆動モータの動作状況などに応じて燃料電池１に要求される目標取出電流に基づいて、この目標取出電流を燃料電池１から取り出すために必要な必要空気流量を求め、この求めた必要空気流量を実現するためにコンプレッサモータに対して要求する目標回転数（すなわち、コンプレッサ２の目標回転数）を算出する。
また、目標制限トルク設定手段９２は、例えば図２１に示すように、コンプレッサモータの回転数と上限トルクとの関係を表すマップを用いて、コンプレッサ目標回転数演算手段９１で算出されたコンプレッサモータの目標回転数に応じて、コンプレッサモータのトルクが当該コンプレッサモータの能力を超えないように制限するための目標制限トルクを設定する。なお、このとき、目標制限トルク設定手段９２は、上述した第１の実施形態における目標制限トルク設定手段１０と同様に、コンプレッサ目標回転数演算手段９１によって算出されたコンプレッサモータの目標回転数をそのままマップの入力値として用いるのではなく、図２１に示すように、一次遅れフィルタを用いてコンプレッサ目標回転数演算手段９１によって算出されたコンプレッサモータの目標回転数に補正をかけた出力をマップの入力値として目標制限トルクを設定することが望ましい。このように、コンプレッサ目標回転数演算手段９１によって算出されたコンプレッサモータの目標回転数に一次遅れフィルタを用いて補正をかけた出力に応じて目標制限トルクを設定するようにすれば、上述した第１の実施形態と同様に、コンプレッサモータの回転数の変動をなまして、目標制限トルクの演算と燃料電池１からの取出電流制限値の演算との干渉を回避することができ、取出電流制限にハンチングを生じさせるといった問題を有効に抑制することが可能となる。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ目標回転数演算手段９１でコンプレッサモータの目標回転数を演算し、目標制限トルク設定手段９２が、コンプレッサ目標回転数演算手段９１で演算したコンプレッサモータの目標回転数に応じてコンプレッサモータの目標制限トルクを設定するようにしているので、上述した第１の実施形態の燃料電池システムの効果に加えて、以下のような効果が得られる。すなわち、コンプレッサモータの回転数を検出して、その検出値に応じてコンプレッサモータの目標制限トルクを設定した場合、コンプレッサモータの回転数制御精度によっては実際の回転数が目標値から変動することがあり、それに起因して目標制限トルクの設定値が変動し、燃料電池１からの取出電流制限値が振動的になる可能性があるが、本実施形態の燃料電池システムでは、変動の少ない目標回転数に応じてコンプレッサモータの目標制限トルクを設定するようにしているので、目標制限トルクの設定値を安定化させて、燃料電池１からの取出電流制限値の振動を有効に抑制することができる。
（第１０の実施形態）
次に、本発明を適用した第１０の実施形態の燃料電池システムについて説明する。
第１０の実施形態の燃料電池システムの要部構成を図２２に示す。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第２の実施形態におけるコンプレッサ回転数検出手段９の代わりにコンプレッサ目標回転数演算手段１０１を備え、上述した第２の実施形態における目標制限トルク設定手段９の代わりに目標制限トルク設定手段１０２を備えたものである。すなわち、本実施形態の燃料電池システムは、上述した第２の実施形態の燃料電池システムのように、目標制限トルクとコンプレッサモータの現在のトルク値とに応じて燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力（燃料電池１のカソード運転圧力）に制限をかける構成において、上述した第９の実施形態の燃料電池システムのように、コンプレッサモータの目標回転数に応じてコンプレッサモータの目標制限トルクを設定するようにしている。
なお、本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成や制御の基本部分は、上述した第２の実施形態と共通であるので、以下、第１の実施形態との共通部分については図中同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。
本実施形態の燃料電池システムにおいて、コンプレッサ目標回転数演算手段１０１は、上述した第９の実施形態におけるコンプレッサ目標回転数演算手段９１と同様に、例えば、駆動モータの動作状況などに応じて燃料電池１に要求される目標取出電流に基づいて、この目標取出電流を燃料電池１から取り出すために必要な必要空気流量を求め、この求めた必要空気流量を実現するためにコンプレッサモータに対して要求する目標回転数（すなわち、コンプレッサ２の目標回転数）を算出する。
また、目標制限トルク設定手段１０２は、上述した第９の実施形態における目標制限トルク設定手段９２と同様に、例えば図２１に示したようなコンプレッサモータの回転数と上限トルクとの関係を表すマップを用いて、コンプレッサ目標回転数演算手段１０１で算出されたコンプレッサモータの目標回転数に応じて、コンプレッサモータのトルクが当該コンプレッサモータの能力を超えないように制限するための目標制限トルクを設定する。なお、このとき、目標制限トルク設定手段１０２は、上述した第９の実施形態における目標制限トルク設定手段９２と同様に、コンプレッサ目標回転数演算手段１０１によって算出されたコンプレッサモータの目標回転数をそのままマップの入力値として用いるのではなく、図２２に示したように、一次遅れフィルタを用いてコンプレッサ目標回転数演算手段１０１によって算出されたコンプレッサモータの目標回転数に補正をかけた出力をマップの入力値として目標制限トルクを設定することが望ましい。このように、コンプレッサ目標回転数演算手段１０１によって算出されたコンプレッサモータの目標回転数に一次遅れフィルタを用いて補正をかけた出力に応じて目標制限トルクを設定するようにすれば、上述した第９の実施形態と同様に、コンプレッサモータの回転数の変動をなまして、目標制限トルクの演算と燃料電池１からの取出電流制限値の演算との干渉を回避することができ、取出電流制限にハンチングを生じさせるといった問題を有効に抑制することが可能となる。
以上のように、本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ目標回転数演算手段１０１でコンプレッサモータの目標回転数を演算し、目標制限トルク設定手段１０２が、コンプレッサ目標回転数演算手段１０１で演算したコンプレッサモータの目標回転数に応じてコンプレッサモータの目標制限トルクを設定するようにしているので、上述した第２の実施形態の燃料電池システムの効果に加えて、目標制限トルクの設定値を安定化させて、燃料電池１からの取出電流制限値の振動を有効に抑制できるといった効果が得られる。
以上、本発明を適用した第１乃至第１０の実施形態の燃料電池システムについて詳細に説明したが、以上の各実施形態は、本発明の一適用例を例示したものであり、本発明の技術的範囲は、以上の実施形態の説明で開示した内容に限定されるものではなく、これらの開示から容易に導き得る様々な代替技術も含まれることは勿論である。
第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。 目標制限トルク設定手段で目標制限トルクを設定する手法を説明する図である。 第１の実施形態の燃料電池システムにおける出力制限手段の具体例を説明する制御ブロック図である。 出力制限値演算部で電流制限値を算出する際に用いる出力制限マップの作成方法を説明する図である。 第１の実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池からの取出電流の制限とその制限によるコンプレッサモータのモータトルクの応答との関係を示す特性図であり、（ａ）は目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクを補正することなくマップ入力値として電流制限値を求める場合の例であり、（ｂ）は目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクをコンプレッサモータの現在のモータトルク値との偏差に応じて補正した上でマップ入力値として電流制限値を求める場合の例である。 第２の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第２の実施形態の燃料電池システムにおける空気圧力制限手段の具体例を説明する制御ブロック図である。 第３の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第３の実施形態の燃料電池システムにおける出力制限手段の具体例を説明する制御ブロック図である。 第３の実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池からの取出電流の制限とその制限によるコンプレッサモータのモータトルクの応答との関係を示す特性図である。 第４の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第４の実施形態の燃料電池システムにおける空気圧力制限手段の具体例を説明する制御ブロック図である。 第５の実施形態の燃料電池システムにおける出力制限手段の具体例を説明する制御ブロック図である。 第５の実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池からの取出電流の制限とその制限によるコンプレッサモータのモータトルクの応答との関係を示す特性図である。 第６の実施形態の燃料電池システムにおける出力制限手段の具体例を説明する制御ブロック図である。 第７の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第７の実施形態の燃料電池システムにおける出力制限手段の具体例を説明する制御ブロック図である。 第８の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第８の実施形態の燃料電池システムにおける目標制限トルク設定手段で目標制限トルクを設定する手法を説明する図である。 第９の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。 目標制限トルク設定手段で目標制限トルクを設定する手法を説明する図である。 第９の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
符号の説明
１ 燃料電池
２ コンプレッサ
７ パワーマネージャ
８ モータトルク検出手段
９ コンプレッサ回転数検出手段
１０ 目標制限トルク設定手段
１１ 大気圧センサ
１２ 出力制限手段
１２ａ 入力制限トルク補正部
１２ｂ 出力制限値演算部
１２ｃ 制限部
２１ 空気圧力制限手段
２１ａ 入力制限トルク補正部
２１ｂ 空気圧力制限値演算部
２１ｃ 制限部
２２ 空気圧力制御手段
３１ 出力制限手段
３１ａ 出力制限値演算部
３１ｂ 出力制限値補正部
３１ｃ 制限部
４１ 空気圧力制限手段
４１ａ 空気圧力制限値演算部
４１ｂ 空気圧力制限値補正部
４１ｃ 制限部
７１ 出力制限手段
７１ａ 出力制限値演算部
７１ｂ 出力制限値補正部
７１ｃ 空気圧力対応補正部
７１ｄ 空気流量対応補正部
７１ｅ 空気温度対応補正部
７１ｆ 制限部
８１ 目標制限トルク設定手段
９１ コンプレッサ目標回転数演算手段
９２ 目標制限トルク設定手段
１０１ コンプレッサ目標回転数演算手段
１０２ 目標制限トルク設定手段

Claims (33)

  1. アノードとカソード間に挟持された電解質膜での電極反応によって発電する燃料電池と、モータを駆動源とする空気供給装置からの空気を前記燃料電池のカソードに供給する空気系とを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記空気供給装置のモータのトルクが当該モータの能力を超えないように制限するための目標制限トルクを設定する目標制限トルク設定手段と、
    前記空気供給装置のモータの現在のトルク値を検出あるいは推定するモータトルク検出手段と、
    前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクと、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値とに応じて、前記燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかける出力制限手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記空気供給装置のモータの回転数を検出するモータ回転数検出手段をさらに備え、
    前記目標制限トルク設定手段は、前記モータ回転数検出手段で検出されたモータの回転数に応じて前記目標制限トルクを設定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. 前記空気供給装置のモータの目標回転数を演算するモータ目標回転数演算手段をさらに備え、
    前記目標制限トルク設定手段は、前記モータ目標回転数演算手段で演算されたモータの目標回転数に応じて前記目標制限トルクを設定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. 前記目標制限トルク設定手段は、前記モータ回転数検出手段で検出されたモータの回転数に補正をかけた出力、または前記モータ目標回転数演算手段で演算されたモータの目標回転数に補正をかけた出力に応じて前記目標制限トルクを設定することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記出力制限手段は、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクに応じて電力制限値または電流制限値を算出する出力制限値演算部と、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクと前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差に応じて前記出力制限値演算部で算出された電力制限値または電流制限値を補正する出力制限値補正部と、前記出力制限値補正部で補正された電力制限値または電流制限値に基づいて前記燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかける制限部とを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記出力制限手段は、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクと前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差に応じて前記目標制限トルクを補正して第２の目標制限トルクを算出する入力制限トルク補正部と、前記入力制限トルク補正部で算出された第２の目標制限トルクに応じて電力制限値または電流制限値を算出する出力制限値演算部と、前記出力制限値演算部で算出された電力制限値または電流制限値に基づいて前記燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかける制限部とを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
  7. 大気圧を検出する大気圧検出手段をさらに備え、
    前記出力制限手段の出力制限値演算部は、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクまたは前記入力制限トルク補正部で算出された第２の目標制限トルクと、前記大気圧検出手段で検出された大気圧とに応じて、前記電力制限値または電流制限値を算出することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記出力制限手段の出力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクと前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差と、当該偏差の積分値であって下限値のリミッタが設定された積分値とに応じて、前記補正の際の補正量を求めることを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。
  9. 前記出力制限手段の出力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクよりも所定値だけ低い値に設定された第１の閾値以上となったときに、前記補正のための演算を実施することを特徴とする請求項５乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
  10. 前記出力制限手段の出力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記補正のための演算を実施した後、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、前記第１の閾値よりも低い値に設定された第２の閾値未満となったときに、前記補正のための演算を終了することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記出力制限手段の出力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクよりも所定値だけ高い値に設定された第３の閾値以上となったときに、前記補正のための演算を実施することを特徴とする請求項５乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
  12. 前記出力制限手段の出力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記補正のための演算を実施した後、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、前記第３の閾値よりも低い値に設定された第４の閾値未満となったときに、前記補正のための演算を終了することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記出力制限手段の出力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記補正のための演算を終了した後、次の演算を実施するまでの間は、前回の積分値を保持することを特徴とする請求項１０または１２に記載の燃料電池システム。
  14. 前記燃料電池のカソードに供給される空気の圧力を決定あるいは検出する空気圧力検出手段をさらに備え、
    前記出力制限手段は、前記出力制限値補正部で補正された電力制限値または電流制限値、または前記出力制限値演算部で算出された電力制限値または電流制限値を、前記空気圧力検出手段で決定あるいは検出された空気圧力に応じて補正する空気圧力対応補正部をさらに有することを特徴とする請求項５乃至１３の何れかに記載の燃料電池システム。
  15. 前記燃料電池のカソードに供給される空気の流量を決定あるいは検出する空気流量検出手段をさらに備え、
    前記出力制限手段は、前記出力制限値補正部で補正された電力制限値または電流制限値、または前記出力制限値演算部で算出された電力制限値または電流制限値を、前記空気流量検出手段で決定あるいは検出された空気流量に応じて補正する空気流量対応補正部をさらに有することを特徴とする請求項５乃至１４の何れかに記載の燃料電池システム。
  16. 前記燃料電池のカソードに供給される空気の温度を検出する空気温度検出手段をさらに備え、
    前記出力制限手段は、前記出力制限値補正部で補正された電力制限値または電流制限値、または前記出力制限値演算部で算出された電力制限値または電流制限値を、前記空気温度検出手段で検出された空気温度に応じて補正する空気温度対応補正部をさらに有することを特徴とする請求項５乃至１５の何れかに記載の燃料電池システム。
  17. 前記目標制限トルク設定手段は、前記目標制限トルクとして時間定格制限トルクと連続定格制限トルクとの２種類の目標制限トルクを設定し、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が前記連続定格制限トルクを超えている状態が所定時間継続したときに、前記目標制限トルクを前記時間定格制限トルクから前記連続定格制限トルクに切り替えることを特徴とする請求項１乃至１６の何れかに記載の燃料電池システム。
  18. アノードとカソード間に挟持された電解質膜での電極反応によって発電する燃料電池と、モータを駆動源とする空気供給装置からの空気を前記燃料電池のカソードに供給する空気系とを備えた燃料電池システムにおいて、
    前記空気供給装置のモータのトルクが当該モータの能力を超えないように制限するための目標制限トルクを設定する目標制限トルク設定手段と、
    前記空気供給装置のモータの現在のトルク値を検出あるいは推定するモータトルク検出手段と、
    前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクと、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値とに応じて、前記燃料電池のカソードに供給する空気の圧力に制限をかける空気圧力制限手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
  19. 前記空気供給装置のモータの回転数を検出するモータ回転数検出手段をさらに備え、
    前記目標制限トルク設定手段は、前記モータ回転数検出手段で検出されたモータの回転数に応じて前記目標制限トルクを設定することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
  20. 前記空気供給装置のモータの目標回転数を演算するモータ目標回転数演算手段をさらに備え、
    前記目標制限トルク設定手段は、前記モータ目標回転数演算手段で演算されたモータの目標回転数に応じて前記目標制限トルクを設定することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
  21. 前記目標制限トルク設定手段は、前記モータ回転数検出手段で検出されたモータの回転数に補正をかけた出力、または前記モータ目標回転数演算手段で演算されたモータの目標回転数に補正をかけた出力に応じて前記目標制限トルクを設定することを特徴とする請求項１９または２０に記載の燃料電池システム。
  22. 前記空気圧力制限手段は、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクに応じて空気圧力制限値を算出する空気圧力制限値演算部と、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクと前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差に応じて前記空気圧力制限値演算部で算出された空気圧力制限値を補正する空気圧力制限値補正部と、前記空気圧力制限値補正部で補正された空気圧力制限値に基づいて前記燃料電池のカソードに供給する空気の圧力に制限をかける制限部とを有することを特徴とする請求項１８乃至２１の何れかに記載の燃料電池システム。
  23. 前記空気圧力制限手段は、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクと前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差に応じて前記目標制限トルクを補正して第２の目標制限トルクを算出する入力制限トルク補正部と、前記入力制限トルク補正部で算出された第２の目標制限トルクに応じて空気圧力制限値を算出する空気圧力制限値演算部と、前記空気圧力制限値演算部で算出された空気圧力制限値に基づいて前記燃料電池のカソードに供給する空気の圧力に制限をかける制限部とを有することを特徴とする請求項１８乃至２１の何れかに記載の燃料電池システム。
  24. 大気圧を検出する大気圧検出手段をさらに備え、
    前記空気圧力制限手段の空気圧力制限値演算部は、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクまたは前記入力制限トルク補正部で算出された第２の目標制限トルクと、前記大気圧検出手段で検出された大気圧とに応じて、前記空気圧力制限値を算出することを特徴とする請求項２２または２３に記載の燃料電池システム。
  25. 前記空気圧力制限手段の空気圧力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクと前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値との偏差と、当該偏差の積分値であって下限値のリミッタが設定された積分値とに応じて、前記補正の際の補正量を求めることを特徴とする請求項２２乃至２４の何れかに記載の燃料電池システム。
  26. 前記空気圧力制限手段の空気圧力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクよりも所定値だけ低い値に設定された第１の閾値以上となったときに、前記補正のための演算を実施することを特徴とする請求項２２乃至２５の何れかに記載の燃料電池システム。
  27. 前記空気圧力制限手段の空気圧力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記補正のための演算を実施した後、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、前記第１の閾値よりも低い値に設定された第２の閾値未満となったときに、前記補正のための演算を終了することを特徴とする請求項２６に記載の燃料電池システム。
  28. 前記空気圧力制限手段の空気圧力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、前記目標制限トルク設定手段で設定された目標制限トルクよりも所定値だけ高い値に設定された第３の閾値以上となったときに、前記補正のための演算を実施することを特徴とする請求項２２乃至２５の何れかに記載の燃料電池システム。
  29. 前記空気圧力制限手段の空気圧力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記補正のための演算を実施した後、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が、前記第３の閾値よりも低い値に設定された第４の閾値未満となったときに、前記補正のための演算を終了することを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池システム。
  30. 前記空気圧力制限手段の空気圧力制限値補正部または入力制限トルク補正部は、前記補正のための演算を終了した後、次の演算を実施するまでの間は、前回の積分値を保持することを特徴とする請求項２７または２９に記載の燃料電池システム。
  31. 前記燃料電池のカソードに供給される空気の流量を決定あるいは検出する空気流量検出手段をさらに備え、
    前記空気圧力制限手段は、前記空気圧力制限値補正部で補正された空気圧力制限値、または前記空気圧力制限値演算部で算出された空気圧力制限値を、前記空気流量検出手段で決定あるいは検出された空気流量に応じて補正する空気流量対応補正部をさらに有することを特徴とする請求項２２乃至３０の何れかに記載の燃料電池システム。
  32. 前記燃料電池のカソードに供給される空気の温度を検出する空気温度検出手段をさらに備え、
    前記空気圧力制限手段は、前記空気圧力制限値補正部で補正された空気圧力制限値、または前記空気圧力制限値演算部で算出された空気圧力制限値を、前記空気温度検出手段で検出された空気温度に応じて補正する空気温度対応補正部をさらに有することを特徴とする請求項２２乃至３１の何れかに記載の燃料電池システム。
  33. 前記目標制限トルク設定手段は、前記目標制限トルクとして時間定格制限トルクと連続定格制限トルクとの２種類の目標制限トルクを設定し、前記モータトルク検出手段で検出あるいは推定された現在のモータトルク値が前記連続定格制限トルクを超えている状態が所定時間継続したときに、前記目標制限トルクを前記時間定格制限トルクから前記連続定格制限トルクに切り替えることを特徴とする請求項１８乃至３２の何れかに記載の燃料電池システム。
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