JP2021064472A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エアー供給部の不安定な動作を抑制する。【解決手段】燃料電池流量及び燃料電池圧力の目標値で定まるエアー供給部の要求動作点が、コンプレッサ流量及びエアー供給部の圧力損失から定まる燃料電池圧力の下限値を示す下限ラインよりも上側の領域にある場合には、コンプレッサ流量、燃料電池流量、及び燃料電池圧力の現在値が、それぞれの目標値となるように、フィードバック制御を行なう。要求動作点が、下限ライン上あるいは下限ラインよりも下側の領域にある場合には、燃料電池圧力の現在値を燃料電池圧力の目標値に固定して、コンプレッサ流量及び燃料電池流量の現在値が、それぞれの目標値となるように、フィードバック制御を行なう。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１では、燃料電池へエアーを供給するコンプレッサとしてルーツ型コンプレッサを使用した燃料電池システムが記載されている。

特開２００８−９１２５７号公報

ここで、燃料電池システム全体の小型化等を目的として、ルーツ型コンプレッサでなくターボ型コンプレッサを使用することが検討されている。しかしながら、エアー供給部を構成するターボ型コンプレッサ及びバルブは、いずれも、入出力特性が強い非線形特性を示すアクチュエータである。このため、単純にアクチュエータごとにそれぞれフィードバック制御を行なった場合、各アクチュエータの操作量と制御量との関係が互いに干渉しあって、互いに反する制御方向で動作し、各アクチュエータの動作が発振して不安定となる可能性がある。この不安定な動作を回避するためには、例えば、フィードバック制御のゲインを小さく設定することが考えられるが、この場合、制御の応答速度が遅くなり、定常的に安定な制御状態となるまでの時間を要してしまう。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、ターボ型コンプレッサ、及び、前記ターボ型コンプレッサから送り出されたエアーから、前記燃料電池へ供給するエアーの流量及び圧力を調節するバルブ、を有するエアー供給部と、前記ターボ型コンプレッサへ流入するエアーの流量であるコンプレッサ流量、前記燃料電池へ流入するエアーの流量である燃料電池流量、及び前記燃料電池へ流入するエアーの圧力である燃料電池圧力を制御量として、前記ターボ型コンプレッサ及び前記バルブの動作をフィードバック制御する制御部と、を備える。前記制御部は、（ａ）前記燃料電池流量及び前記燃料電池圧力の目標値で定まる前記エアー供給部の要求動作点が、前記コンプレッサ流量及び前記エアー供給部の圧力損失から定まる前記燃料電池圧力の下限値を示す下限ラインよりも上側の領域にある場合には、前記コンプレッサ流量、前記燃料電池流量、及び前記燃料電池圧力の現在値が、それぞれの目標値となるように、前記フィードバック制御を行ない、（ｂ）前記要求動作点が、前記下限ライン上あるいは前記下限ラインよりも下側の領域にある場合には、前記燃料電池圧力の現在値を前記燃料電池圧力の目標値に固定して、前記コンプレッサ流量及び前記燃料電池流量の現在値が、それぞれの目標値となるように、前記フィードバック制御を行なう。
この形態の燃料電池システムによれば、ターボ型コンプレッサ及びバルブのそれぞれが操作量と制御量の非線形特性を有することによって、エアー供給部の動作が不安定となってしまうことを抑制するとともに、エアー供給部に対する要求動作点に対応する動作点とは異なる動作点で、ターボ型コンプレッサの動作が収束してしまうことを抑制することが可能である。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法などの形態で実現することができる。

本発明の一実施形態である燃料電池システムを示す概略図。 制御部によって実行されるエアー供給部のフィードバック制御のフローチャート。 ターボ型コンプレッサの座変換モデルの実施例を示す説明図。 ＮＣマップの一例を示すグラフ。 調圧バルブの座標変換モデルの実施例を示す説明図。 θａｒｖマップの一例を示すグラフ。 調圧バルブの座標変換モデルの実施例を示す説明図。 Ｑｆｃマップの一例を示すグラフ。 制御部によるフィードバック制御を機能的に示す第１のブロック図。 制御部によるフィードバック制御を機能的に示す第２のブロック図。 エアー供給部の動作領域を示すグラフ。

Ａ．実施形態：
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム１０を示す概略図である。燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の駆動用モータを駆動させるための発電装置として用いられる。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、エアー供給部２００と、制御部３００と、を備える。

燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００は、複数のセル（図示せず）が積層されたスタック構造を有する。各セルは、電解質膜の両面に電極触媒層を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備えている。各セルは、膜電極接合体のアノード側に燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード側に酸化ガスであるエアーが供給されることにより、電気化学反応により起電力を発生する。各セル同士は、直列に接続されている。

エアー供給部２００は、エアー流路２１０と、ターボ型コンプレッサ２２０と、を備える。エアー流路２１０は、燃料電池１００のカソード側に対してエアーの供給及び排出を行う流路である。エアー流路２１０は、燃料電池１００のカソード側へエアーを供給するエアー供給流路２１２と、燃料電池１００からエアーを排出するエアー排出流路２１４と、エアー供給流路２１２とエアー排出流路２１４とを連通するバイパス流路２１６と、を備える。

エアー供給流路２１２には、上流側から順に、流量計２５０と、ターボ型コンプレッサ２２０と、圧力計２６０と、が設けられている。流量計２５０は、エアー供給流路２１２に取り込んだエアーの流量を測定する機器である。圧力計２６０は、ターボ型コンプレッサ２２０の下流側の圧力を測定する機器である。

ターボ型コンプレッサ２２０は、燃料電池１００へエアーを圧縮して送り出すターボ式のコンプレッサである。ターボ型エアコンプレッサの特徴としては、ルーツ型ポンプに比べて小型であり、エアーを送り出す流量を広範囲に変更できる点が挙げられる。

エアー流路２１０には、複数のバルブが設けられている。本明細書において、「バルブ」とは、流路の断面積を変更するものを言う。本実施形態では、エアー流路２１０には、調圧バルブ２３０と、バイパスバルブ２４０とが設けられている。調圧バルブ２３０は、燃料電池１００内を流れるエアーの圧力を調節するためのバルブである。調圧バルブ２３０は、エアー排出流路２１４に設けられており、バイパス流路２１６と連結する部分よりも上流側であって、燃料電池１００よりも下流側に設けられている。バイパスバルブ２４０は、バイパス流路２１６を通るエアーの量を調節するするバルブであり、バイパス流路２１６に設けられている。

エアー供給部２００は、ターボ型コンプレッサ２２０、調圧バルブ２３０、およびバイパスバルブ２４０に設定された操作量に従って設定された流量および圧力で燃料電池１００へエアーを供給する。

なお、燃料電池１００には、アノード側に燃料ガスを供給する燃料供給部、および、燃料電池１００を冷却するための冷媒を循環させる冷媒供給部、を備えるが、本実施形態において、発明の説明上特に必要がないので、図示および説明を省略する。

制御部３００は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部３００は、ＣＰＵがメモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、上位の不図示のＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）からの指示に応じて、エアー供給部２００の動作を制御する。具体的には、制御部３００は、ＥＣＵから与えられるターボ型コンプレッサ２２０を流れるエアーの流量であるコンプレッサ流量、燃料電池１００へ供給するエアーの流量である燃料電池流量及びエアーの圧力である燃料電池圧力を制御量として、ターボ型コンプレッサ２２０、調圧バルブ２３０、及びバイパスバルブ２４０の動作をフィードバック制御する。このフィードバック制御については、さらに後述する。なお、上位のＥＣＵは、燃料電池システム１０を含む装置全体の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏み込み量やブレーキペダルの踏み込み量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵが車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵは、制御部３００の機能の一部に含まれていてもよい。

図２は、制御部３００によって実行されるエアー供給部２００のフィードバック制御のフローチャートである。制御部３００は、ＥＣＵから燃料電池システム１０の動作が指示されると、図２に示したフィードバック制御処理を周期的に繰り返し実行する。これにより、制御部３００は、以下で説明するように、ターボ型コンプレッサ（「ＡＣＰ」とも呼ぶ）２２０、調圧バルブ（「ＡＲＶ」とも呼ぶ）２３０、及びバイパスバルブ（「ＡＢＶ］とも呼ぶ）２４０の動作をフィードバック制御して、エアー供給部２００の動作を制御する。

ステップＳ２２では、エアー供給部２００の制御量Ｑａｃｐ，Ｑｆｃ，Ｐｆｃの目標値Ｑｔａｃｐ，Ｑｔｆｃ，Ｐｔｆｃが、各アクチュエータの状態量としての目標値Ｑｔａｃｐ，Ｐｒｔａｃｐ，Ｑｔａｒｖ，Ｐｒｔａｒｖ，Ｑｔａｂｖ，Ｐｒｔａｂｖに逐次変換される。

ここで、エアー供給部２００の制御量Ｑａｃｐ，Ｑｆｃ，Ｐｆｃの各アクチュエータの状態量Ｑａｃｐ，Ｐｒａｃｐ，Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖ，Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖへの変換は、図１に示すエアー供給部２００の流路構成に対して構築された座標変換モデルＦｐｉｐｅを示す下式（１）で表される。なお、エアー供給部２００の制御量の目標値Ｑｔａｃｐ，Ｑｔｆｃ，Ｐｔｆｃの各アクチュエータの状態量の目標値Ｑｔａｃｐ，Ｐｒｔａｃｐ，Ｑｔａｒｖ，Ｐｒｔａｒｖ，Ｑｔａｂｖ，Ｐｒｔａｂｖへの変換は、下式（１）の制御量及び状態量を制御量の目標値及び状態量の目標値に置き換えて表すことができる。

ここで、上式（１）のＦｐｉｐｅ（Ｑａｃｐ，Ｑｆｃ，Ｐｆｃ）は、エアー供給部２００の制御量Ｑａｃｐ，Ｑｆｃ，Ｐｆｃを、ターボ型コンプレッサ２２０の状態量Ｑａｃｐ，Ｐｒａｃｐと、調圧バルブ２３０の状態量Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖと、バイパスバルブ２４０の状態量Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖと、に変換する座標変換モデルを示している。なお、Ｑａｃｐはターボ型コンプレッサ２２０を流れる流量であり、Ｐｒａｃｐは入力側圧力Ｐａｃｐｉｎに対する出力側の圧力Ｐａｃｐｏｕｔの圧力比である。Ｑａｒｖは調圧バルブ２３０を流れる流量、すなわち、燃料電池１００を流れる流量Ｑｆｃであり、Ｐｒａｒｖは出力側圧力Ｐａｒｖｏｕｔに対する入力側圧力Ｐａｒｖｉｎの圧力比である。Ｑａｂｖはバイパスバルブ２４０を流れる流量、すなわち、流量（Ｑａｃｐ−Ｑｆｃ）であり、Ｐｒａｂｖは出力側圧力Ｐａｂｖｏｕｔに対する入力側圧力Ｐａｂｖｉｎの圧力比である。

具体的には、図１に示すエアー供給部２００においては、ターボ型コンプレッサ２２０の状態量Ｑａｃｐ，Ｐｒａｃｐは下式（２）で表される。また、調圧バルブ２３０の状態量Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖは下式（３）で表される。さらにまた、バイパスバルブ２４０の状態量Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖは下式（４）で表される。

ΔＰ１（Ｑａｃｐ）はエアー供給流路２１２の上流端とターボ型コンプレッサ２２０の入力端との間（図１参照）の圧力損失であり、そこを流れるエアーの流量Ｑａｃｐの関数である。ΔＰ２（Ｑａｃｐ）はターボ型コンプレッサ２２０の出力端とエアー供給流路２１２におけるバイパス流路２１６の上流端との間（図１参照）の圧力損失であり、そこを流れるエアーの流量Ｑａｃｐの関数である。ΔＰ３（Ｑｆｃ）はエアー供給流路２１２におけるバイパス流路２１６の上流端とエアー排出流路２１４における調圧バルブ２３０の入力端との間（図１参照）の圧力損失であり、そこを流れるエアーの流量Ｑｆｃの関数である。ΔＰ４（Ｑａｒｖ）はエアー排出流路２１４における調圧バルブ２３０の出力端とバイパス流路２１６の下流端との間（図１参照）の圧力損失であり、そこを流れるエアーの流量Ｑａｒｖの関数である。ΔＰ５（Ｑａｂｖ）はバイパス流路２１６におけるバイパスバルブ２４０の出力端とバイパス流路の下流端との間（図１参照）の圧力損失であり、そこを流れる流量Ｑａｂｖの関数である。ΔＰ６（Ｑａｃｐ）はエアー排出流路２１４におけるバイパス流路２１６の下流端とエアー排出流路２１４の下流端との間（図１参照）の圧力損失であり、そこを流れる流量Ｑａｃｐの関数である。

ここで、ある流路において、流路入口の圧力をＰｉｎ［Ｐａ］、流量出口の圧力をＰｏｕｔ［Ｐａ］、流路の圧力損失係数をＫｄ［ｋｇ／ｓ／Ｐａ］とすると、その流路を流れる流量Ｑ［ｋｇ／ｓ］は、下式（５）で表すことができる。

上式（５）の（Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ）は圧力損失ΔＰ［Ｐａ］に相当するので、圧力損失ΔＰは、上式（５）に基づいて、下式（６）に示すように、その流路を流れる流量Ｑの関数ΔＰ（Ｑ）で表すことができる。

従って、上式（２）〜（４）のΔＰ１（Ｑａｃｐ），ΔＰ２（Ｑａｃｐ），ΔＰ３（Ｑｆｃ），ΔＰ４（Ｑａｒｖ），ΔＰ５（Ｑａｂｖ），ΔＰ６（Ｑａｃｐ）は、上式（６）を用いて求めることができる。

なお、ステップＳ２２における、エアー供給部２００の制御量の目標値Ｑｔａｃｐ，Ｑｔｆｃ，Ｐｔｆｃの各アクチュエータの状態量の目標値Ｑｔａｃｐ，Ｐｒｔａｃｐ，Ｑｔａｒｖ，Ｐｒｔａｒｖ，Ｑｔａｂｖ，Ｐｒｔａｂｖへの変換は、上式（２）〜式（４），式（６）の制御量および状態量を制御量の目標値および状態量の目標値に置き換えて表すことができる。

ステップＳ２４では、各アクチュエータの状態量の目標値Ｑｔａｃｐ，Ｐｒｔａｃｐ，Ｑｔａｒｖ，Ｐｒｔａｒｖ，Ｑｔａｂｖ，Ｐｒｔａｂｖが、各アクチュエータの操作量の目標値Ｎｔａｃｐ，θｔａｒｖ，θｔａｂｖに逐次変換される。

ここで、ターボ型コンプレッサ２２０の状態量Ｑａｃｐ，Ｐｒａｃｐの操作量Ｎａｃｐへの変換には、下式（７）で表される座標変換モデルＦａｃｐが利用される。

図３は、ターボ型コンプレッサ２２０の座標変換モデルＦａｃｐの実施例を示す説明図である。この座標変換モデルＦａｃｐは、図３に示す構成により実施可能である。すなわち、ターボ型コンプレッサ２２０の流量Ｑａｃｐを下式（８）に従って変換した修正流量Ｑｃ、及び、ターボ型コンプレッサ２２０の圧力比Ｐｒａｃｐを２次元の入力とし、これら２次元の入力に対応する修正回転数Ｎｃを出力とするＮｃマップを用いる。Ｎｃマップから、修正流量Ｑｃ及び圧力比Ｐｒａｃｐに対応する修正回転数Ｎｃを求める。そして、求めた修正回転数Ｎｃを下式（９）に従って変換することにより、ターボ型コンプレッサ２２０の実回転数である回転数Ｎａｃｐを求める。これにより、ターボ型コンプレッサ２２０の状態量Ｑａｃｐ，Ｐｒａｃｐの操作量Ｎａｃｐへの変換を実施することができる。

ここで、Ｔｉｎはコンプレッサ入口ガス温度［Ｋ］、Ｔｓｔｄはコンプレッサ入口ガス温度の基準値［Ｋ］（「基準温度」と呼ぶ）である。Ｐｉｎはコンプレッサ入口圧力[Ｐａ］、Ｐｓｔｄはコンプレッサ入口圧力の基準値［Ｐａ］（「基準圧力」とも呼ぶ）である。上式（８）の修正流量Ｑｃ［ｋｇ／ｓ］は、温度Ｔｉｎで圧力Ｐｉｎにおける流量Ｑａｃｐ［ｋｇ／ｓ］を、基準温度Ｔｓｔｄで基準圧力Ｐｓｔｄにおける状態に変換して規格化した値を示している。また、上式（９）の修正回転数Ｎｃ［ｒａｄ／ｓ］は、温度Ｔｉｎにおける回転数Ｎａｃｐ［ｒａｄ／ｓ］を、基準温度Ｔｓｔｄにおける状態に変換して規格化した値を示している。なお、温度Ｔｉｎとしては、例えば、外気温センサやコンプレッサ入口に設けられた温度センサのセンサ値が利用される。圧力Ｐｉｎとしては、例えば、大気圧センサやコンプレッサ入口に設けられた圧力センサのセンサ値が利用される。

Ｎｃマップは、例えば、以下で説明するようにあらかじめ求めて、制御部３００（図１参照）に実装しておくことができる。

ターボコンプレッサの物理式は、例えば、下式（１０）〜下式（１４）で表される。

Ψはコンプレッサ無次元化ヘッドパラメータ、Ｕｃはコンプレッサ翼端速度［ｍ／ｓ］、Ｃｐは熱容量［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］、γは比熱比［／１００％］である。

ｄｃはインペラ径［ｍ］である。

Φはコンプレッサ標準化流量、ρは気体密度［ｋｇ／ｍ^３］である。

Ｍはマッハ数、Ｒは気体定数［Ｊ／（ｋｇ・Ｋ）］である。

ｋ１１，ｋ１２，ｋ２１，ｋ２２，ｋ３１，ｋ３２は物理モデル式のフィッティングパラメータである。

上式（１０）〜（１４）を変形することで得られる四次方程式を、各（修正流量Ｑｃ，圧力比Ｐｒ）について、それぞれ解くことで、基準温度Ｔｓｔｄ（本例では、１５℃、すなわち、２８８．１５Ｋ）におけるＮｃマップを作成することができる。図４は、ＮＣマップの一例を示すグラフである。

調圧バルブ２３０の状態量Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖの操作量θａｒｖへの変換には、下式（１５）で表される座標変換モデルＦａｒｖが利用される。また、バイパスバルブ２４０の状態量Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖの操作量である開度θａｂｖへの変換には、下式（１６）で表される座標変換モデルＦａｂｖが利用される。

図５は、調圧バルブ２３０の座標変換モデルＦａｒｖの実施例を示す説明図である。この座標変換モデルＦａｒｖは、図５に示す構成により実施可能である。すなわち、調圧バルブ２３０の流量Ｑａｒｖ及び圧力比Ｐｒａｒｖを２次元の入力とし、これら２次元の入力に対応する開度θａｒｖを出力とするθａｒｖマップを用いる。そして、θａｒｖマップから流量Ｑａｒｖ及び圧力比Ｐｒａｒｖに対応する開度θａｒｖを求める。これにより、調圧バルブ２３０の状態量Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖの操作量θａｒｖへの変換を実施することができる。

なお、バイパスバルブ２４０の座標変換モデルＦａｂｖは、調圧バルブ２３０の座標変換モデルＦａｒｖと同様であるので、図示および説明を省略する。

θａｒｖマップ及びθａｂｖマップは、例えば、以下で説明するようにあらかじめ求めて、制御部３００（図１参照）に実装しておくことができる。

バルブの物理式は、例えば、下式（１７），（１８）で表される。

上式（１７）は１／Ｐｒ≧（２／（γ＋１））^{（γ／（γー１））}の非チョーク時のバルブの流量Ｑを表し、上式（１８）は１／Ｐｒ＜（２／（γ＋１））^{（γ／（γー１））}のチョーク時のバルブの流量Ｑを表している。Ａｅはバルブ有効断面積［ｍ^２］であり、下式（１９）で表される。

Ａはバルブ幾何面積［ｍ^２］であり、下式（２０）で表される。

上式（１７），（１８）は、出力側圧力Ｐｏｕｔを大気圧Ｐａｍｂと近似し、Ｐｒ＝（Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔ）とすることで、下式（２１），（２２）に変形可能である。

また、上式（１９）は上式（２０）から下式（２３）で表される。

Ｆ_Ａ（θ）は上式（２０）を示す関数である。

上式（２３）から、開度θは、下式（２４）で表される。

Ｆ_Ａ ^−１（θ）はＦ_Ａ（θ）の逆関数である。

上式（２１），（２２），（２４）を用いて、各（流量Ｑ，圧力比Ｐｒ）について、開度θを計算することで、開度θを求めるθマップを作成することができる。これにより、調圧バルブ２３０の開度θａｒｖを求めるθａｒｖマップ及びバイパスバルブ２４０の開度θａｂｖを求めるθａｂｖマップを作成することができる。なお、温度Ｔｉｎは固定値とする。図６は、θａｒｖマップの一例を示すグラフである。図示は省略するが、θａｂｖマップも図６に示したθａｒｖマップと同様である。なお、温度Ｔｉｎを可変として温度Ｔｉｎに応じて変化するθａｒｖマップ及びθａｂｖマップを用いることも可能である。

なお、ステップＳ２４（図２参照）における、各アクチュエータの状態量の目標値Ｑｔａｃｐ，Ｐｒｔａｃｐ，Ｑｔａｒｖ，Ｐｒｔａｒｖ，Ｑｔａｂｖ，Ｐｒｔａｂｖの各アクチュエータの操作量の目標値Ｎｔａｃｐ，θｔａｒｖ，θｔａｂｖへの変換は、上式（７），（１５），（１６）の状態量および操作量を状態量の目標値および操作量の目標値に置き換えて表すことができる。

ステップＳ３０では、調圧バルブ２３０の状態量である圧力比Ｐｒａｒｖの前回値Ｐｒａｒｖ＿ｏｌｄ及びフィードバック制御における指令値である制御開度θｃａｒｖの前回値θｃａｒｖ＿ｏｌｄから燃料電池流量（「ＦＣ流量」とも呼ぶ）Ｑｆｃの現在値を推定する。

調圧バルブ２３０の圧力比Ｐｒａｒｖの前回値Ｐｒａｒｖ＿ｏｌｄ及び制御開度θｃａｒｖの前回値θｃａｒｖ＿ｏｌｄからの燃料電池流量Ｑｆｃの現在値の推定には、下式（２５）で表される座標変換モデルＦａｒｖ＿２が利用される。

図７は、調圧バルブ２３０の座標変換モデルＦａｒｖ＿２の実施例を示す説明図である。この座標変換モデルＦａｒｖ＿２は、図７に示す構成により実施可能である。すなわち、調圧バルブ２３０の圧力比Ｐｒａｒｖの前回値Ｐｒａｒｖ＿ｏｌｄ及び制御開度θｃａｒｖの前回値θｃａｒｖ＿ｏｌｄを２次元の入力とし、これら２次元の入力に対応する燃料電池流量Ｑｆｃを出力とするＱｆｃマップを用いる。そして、Ｑｆｃマップから前回値Ｐｒａｒｖ＿ｏｌｄ及び前回値θｃａｒｖ＿ｏｌｄに対応する燃料電池流量Ｑｆｃを求める。これにより、調圧バルブ２３０の状態量である圧力比Ｐｒａｒｖの前回値Ｐｒａｒｖ＿ｏｌｄ及び制御開度θｃａｒｖの前回値θｃａｒｖ＿ｏｌｄからの燃料電池流量Ｑｆｃの現在値の推定を実施することができる。

Ｑｆｃマップは、例えば、以下で説明するようにあらかじ求めて、制御部３００（図１）に実装しておくことができる。

上式（１７），（１８）は、Ｐｒ＝（Ｐｉｎ／Ｐｏｕｔ）とすることで、下式（２６），（２７）に変形可能である。

そして、上式（２６），（２７）は、上式（２３）を用いるとともに、出力側圧力Ｐｏｕｔを大気圧Ｐａｍｂと近似し、Ｐｒ＝Ｐｒ＿ｏｌｄ、θ＝θ＿ｏｌｄを代入すると、下式（２８），（２９）で表される。

上式（２８），（２９）を用いて、各（圧力比Ｐｒ＿ｏｌｄ，開度θ＿ｏｌｄ）、すなわち、各（圧力比Ｐｒａｒｖ＿ｏｌｄ，制御開度θｃａｒｖ＿ｏｌｄ）について、調圧バルブ２３０の流量Ｑａｒｖを計算することで、燃料電池流量Ｑｆｃを求めるＱｆｃマップを作成することができる。なお、温度Ｔｉｎは固定値とする。図８は、Ｑｆｃマップの一例を示すグラフである。なお、温度Ｔｉｎを可変として温度Ｔｉｎに応じて変化するＱｆｃマップを用いることも可能である。

ステップＳ４２（図２参照）では、ステップＳ２２と同様に、エアー供給部の制御量Ｑａｃｐ，Ｑｆｃ，Ｐｆｃの現在値が各アクチュエータの状態量Ｑａｃｐ，Ｐｒａｃｐ，Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖ，Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖの現在値に逐次変換される。なお、現在値としてのコンプレッサ流量Ｑａｃｐは流量計２５０によって測定され、現在値としての燃料電池圧力Ｐｆｃは圧力計２６０によって測定される。現在値としての燃料電池流量Ｑｆｃは、ステップＳ３０で推定された値である。なお、流量計によって燃料電池流量Ｑｆｃを測定する構成としてもよい。この場合には、ステップＳ３０による燃料電池流量Ｑｆｃの推定処理は省略可能である。

ステップＳ４３では、燃料電池圧力Ｐｆｃの目標値Ｐｔｆｃが、下限ラインＬｐｌ＿ｌｍ上の値Ｐｍｉｎ（Ｑｔａｃｐ）よりも大きいか否か判断する。

Ｐｔｆｃ＞Ｐｍｉｎ（Ｑｔａｃｐ）の場合にはステップＳ４４ａの処理を行い、Ｐｔｆｃ≦Ｐｍｉｎ（Ｑｔａｃｐ）の場合にはステップＳ４４ｂの処理を行なう。

ステップＳ４４ａでは、各アクチュエータの状態量の現在値Ｑａｃｐ，Ｐｒａｃｐ，Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖ，Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖが、各アクチュエータの操作量の現在値Ｎａｃｐ，θａｒｖ，θａｂｖに逐次変換される。この変換は、ステップＳ２４と同様に実行される。

これに対して、ステップＳ４４ｂにおいても、ステップＳ４４ａと同様に、各アクチュエータの状態量の現在値Ｑａｃｐ，Ｐｒａｃｐ，Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖ，Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖが、各アクチュエータの操作量の現在値Ｎａｃｐ，θａｒｖ，θａｂｖに逐次変換される。但し、この場合には、ターボ型コンプレッサ２２０の圧力比Ｐｒａｃｐ、及びバイパスバルブ２４０の圧力比Ｐｒａｂｖとしては、ステップＳ４２において取得される現在値ではなく、ステップＳ２２で取得されるそれぞれの目標値Ｐｒｔａｃｐ，Ｐｒｔａｂｖが用いられる。なお、調圧バルブ２３０の圧力比Ｐｒａｒｖも目標値Ｐｔａｒｖが用いられるようにしてもよい。

ステップＳ５０では、各アクチュエータの操作量偏差である回転数偏差ΔＮａｃｐ、開度偏差Δθａｒｖ、及び開度偏差Δθａｂｖが下式（３０）に従って逐次演算される。

そして、ステップＳ６０では、下式（３１）の積分処理に従って、各アクチュエータの操作量偏差がなくなるように、フィードバック制御の指令値として制御回転数Ｎｃａｃｐ、制御開度θｃａｒｖ、及び制御開度θｃａｂｖが求められ、制御対象としての各アクチュエータの動作がフィードバック制御される。なお、各アクチュエータそれぞれについて、操作量が最大値（最大回転数あるいは最大開度である）に到達時には、下式（３１）の積分処理は停止される。

ｋａｃｐ，ｋａｒｖ，ｋａｂｖは制御利得である。

そして、以上説明した処理が周期的に繰り返し実行されることにより、制御量としてのコンプレッサ流量Ｑａｃｐ、燃料電池流量Ｑｆｃ、及び燃料電池圧力Ｐｆｃがそれぞれの目標値Ｑｔａｃｐ，Ｑｔｆｃ，Ｐｔｆｃとなるようにエアー供給部２００のターボ型コンプレッサ２２０、調圧バルブ２３０、及びバイパスバルブ２４０の動作をフィードバック制御している。なお、具体的には、制御量Ｑａｃｐ，Ｑｆｃ，Ｐｆｃを、ターボ型コンプレッサ２００の操作量である回転数Ｎａｃｐ、調圧バルブ２３０の操作量である開度θａｒｖ及びバイパスバルブ２４０の操作量である開度θａｂｖに変換して扱い、操作量Ｎａｃｐ，θａｒｖ，θａｂｖが目標値Ｎｔａｃｐ，θｔａｒｖ，θａｂｖとなるようにフィードバック制御している。

なお、図９は、制御部３００によるフィードバック制御を機能的に示す第１のブロック図である。図１０は、制御部３００によるフィードバック制御を機能的に示す第２のブロック図である。第１のブロック図はＰｔｆｃ＞Ｐｍｉｎ（Ｑｔａｃｐ）の場合（図２のステップＳ４３：ＹＥＳ）を示し、第２のブロック図はＰｔｆｃ≦Ｐｍｉｎ（Ｑｔａｃｐ）の場合（図２のステップＳ４３：ＮＯ）を示している。

ここで、図１１は、エアー供給部２００の動作領域を示すグラフである。横軸は流量Ｑで縦軸は圧力Ｐである。下限ラインＬｐｌ＿ｌｍは、上記したように、エアー供給部２００の動作領域として、コンプレッサ流量Ｑａｃｐが目標値Ｑｔａｃｐにおいて燃料電池圧力Ｐｆｃが取り得る下限値Ｐｍｉｎ（Ｑｔａｃｐ）の特性を示しており、エアー供給部２００の流路の圧力損失によって定まる。

燃料電池流量Ｑｆｃの目標値Ｑｔｆｃ及び燃料電池圧力Ｐｆｃの目標値Ｐｔｆｃで定まるエアー供給部２００の要求動作点Ｐｏｔ（Ｑｔｆｃ，Ｐｔｆｃ）が、下限ラインＬｐｌ＿ｌｍ上を含む下限ラインＬｐｌ＿ｌｍから下側の領域（図１１にハッチングで示された領域）にある場合には、エアー供給部２００は下限ラインＬｐｌ＿ｌｍよりも下側の領域で動作することはできない。この場合、ターボ型コンプレッサ２２０のフィードバック制御によって、実際の動作点Ｐｏｒ（Ｑｆｃ，Ｐｆｃ）は、下限ラインＬｐｌ＿ｌｍ上であって、要求動作点Ｐｏｔと実際の動作点Ｐｏｒとの間の、圧力偏差ΔＰを無くすために要するコンプレッサの回転数修正量と、流量偏差ΔＱを無くすなめに要するコンプレッサの回転数修正量と、が釣り合う動作点に収束する。

そこで、本実施形態では、Ｐｔｆｃ＞Ｐｍｉｎ（Ｑｔａｃｐ）の場合（図２のステップＳ４３：ＹＥＳ）には、図９に示すフィードバック制御を行なっている。具体的には、各アクチュエータの操作量Ｎａｃｐ，θａｒｖ，θａｂｖの偏差ΔＮａｃｐ，Δθａｒｖ，Δθａｂｖを、それぞれの流量Ｑａｃｐ，Ｑａｒｖ，Ｑａｂｖ及び圧力比Ｐｒａｃｐ，Ｐｒａｒｖ，Ｐｒａｂｖに基づく偏差としてフィードバック制御を行なっている。

一方、上記のように、Ｐｔｆｃ≦Ｐｍｉｎ（Ｑｔａｃｐ）の場合（図２のステップＳ４３：ＮＯ）には、図１０に示すフィードバック制御を行なっている。具体的には、各アクチュエータの操作量Ｎａｃｐ，θａｒｖ，θａｂｖの偏差ΔＮａｃｐ，Δθａｒｖ，Δθａｂｖを、それぞれの流量Ｑａｃｐ，Ｑａｒｖ，Ｑａｂｖ及び圧力比の目標値Ｐｒｔａｃｐ，Ｐｒｔａｒｖ，Ｐｒｔａｂｖに基づく偏差としてフィードバック制御を行なっている。すなわち、それぞれの圧力比は目標値に固定し、それぞれの流量に基づく偏差としてフードバック制御を行なっている。これにより、エアー供給部２００の要求動作点Ｐｏｔが、下限ラインＬｐｌ＿ｌｍ上を含む下限ラインＬｐｌ＿ｌｍから下側の領域（図１１にハッチングで示された領域）にあっても、実際の動作点Ｐｏｒが要求動作点Ｐｏｔとなるようにフィードバック制御することが可能である。この結果、エアー供給部２００の動作が不安定となってしまうことを抑制するとともに、エアー供給部２００に対する要求動作点に対応する動作点とは異なる動作点で、ターボ型コンプレッサ２２０の動作が収束してしまうことを抑制することが可能である。

なお、上記のフィードバック制御（図２のステップＳ６０）は、上式（３１）に示した積分制御を例に説明したが、これに限定されるものではなく、比例制御や、微分制御、比例制御及び微分制御を追加してもよい。また、下式（３２）に示すように、ターボ型コンプレッサ２２０、調圧バルブ２３０、及びバイパスバルブ２４０の制御の指令値Ｎｃａｃｐ，θｃａｒｖ，θｃａｂｖとして、上式（３１）によるフィードバック制御の指令値Ｎｆｂｃａｃｐ，θｆｂｃａｒｖ，θｆｂｃａｂｖに、ステップＳ２４で求められる目標値Ｎｔａｃｐ，θｔａｒｖ，θｔａｂｖをフィードフォワード制御の指令値として加算した値を用いてもよい。

上記の調圧バルブ２３０の状態量Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖの操作量θａｒｖへの変換には、予め作成されたθａｒｖマップが利用されている。また、バイパスバルブ２４０の状態量Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖの操作量θａｂｖへの変換には、予め作成されたθａｂｖマップが利用されている。しかしながら、θａｒｖマップを利用するのではなく、θａｒｖマップの作成に利用された上式（２１），（２２），（２４）を用いた計算により、調圧バルブ２３０の状態量Ｑａｒｖ，Ｐｒａｒｖの操作量θａｒｖへの変換を実行するようにしてもよい。同様に、バイパスバルブ２４０の状態量Ｑａｂｖ，Ｐｒａｂｖの操作量θａｂｖへの変換も同様である。

また、上式（３０）のターボ型コンプレッサ２２０の回転数偏差ΔＮａｃｐは、上式（７）を用いて下式（３３）のように表すことができ、下式（３３）を偏微分した近似式である下式（３４）で表すことができる。

また、回転数Ｎａｃｐは、上式（９）に従って修正回転数Ｎｃに変換することができるので、上式（３４）は、回転数偏差ΔＮａｃｐを修正回転数偏差ΔＮｃ、第１項の（∂Ｆａｃｐ／∂Ｑ）を修正回転数Ｎｃの偏微分（∂Ｎｃ／∂Ｑ）、第２項の（∂Ｆａｃｐ／∂Ｐｒ）を修正回転数Ｎｃの偏微分（∂Ｎｃ／∂Ｐｒ）で表すことができる。

そこで、Ｎｃマップ(図４参照）を利用して、修正流量Ｑｃ及び圧力比Ｐｒａｃｐを入力とする２つの（∂Ｎｃ／∂Ｑ）マップ及び（∂Ｎｃ／∂Ｐｒ）マップを用意しておく。そして、（∂Ｎｃ／∂Ｑ）マップ及び（∂Ｎｃ／∂Ｐｒ）マップから、修正流量Ｑｃ及び圧力比Ｐｒａｃｐに対応する偏微分（∂Ｎｃ／∂Ｑ）の値及び偏微分（∂Ｎｃ／∂Ｐｒ）の値を取得して、上式（３４）から修正回転数偏差ΔＮｃを求める。そして、求めた修正回転数偏差ΔＮｃを上式（９）に従って変換することにより、回転数偏差ΔＮａｃｐを求めるようにしても良い。

また、上式（３０）の調圧バルブ２３０の開度偏差Δθａｒｖは、上式（１５）を用いて下式（３５）のように表すことができ、下式（３５）を偏微分した近似式である下式（３６）で表すことができる。

そして、上式（３６）の第１項の（∂Ｆａｒｖ／∂Ｑ）は調圧バルブ２３０の操作量θａｒｖの偏微分（∂θａｒｖ／∂Ｑ）で表すことができ、第２項の（∂Ｆａｒｖ／∂Ｐｒ）は操作量θａｒｖの偏微分（∂θａｒｖ／∂Ｐｒ）で表すことができる。

そこで、θａｒｖマップ(図６参照）を利用して、流量Ｑａｒｖ及び圧力比Ｐｒａｒｖを入力とする２つの（∂θａｒｖ／∂Ｑ）マップ及び（∂θａｒｖ／∂Ｐｒ）マップを用意しておく。そして、（∂θａｒｖ／∂Ｑ）マップ及び（∂θａｒｖ／∂Ｐｒ）マップから、流量Ｑａｒｖ及び圧力比Ｐｒａｒｖに対応する偏微分（∂θａｒｖ／∂Ｑ）の値及び偏微分（∂θａｒｖ／∂Ｐｒ）の値を取得し、上式（３６）から開度偏差Δθａｒｖを求めるようにしても良い。

また、上式（３０）のバイパスバルブ２４０の開度偏差Δθａｂｖは、上式（１６）を用いて下式（３７）のように表すことができ、下式（３７）を偏微分した近似式である下式（３８）で表すことができる。

そして、上式（３７）の第１項の（∂Ｆａｂｖ／∂Ｑ）はバイパスバルブ２４０の操作量θａｂｖの偏微分（∂θａｂｖ／∂Ｑ）で表すことができ、第２項の（∂Ｆａｂｖ／∂Ｐｒ）は操作量θａｂｖの偏微分（∂θａｂｖ／∂Ｐｒ）で表すことができる。

そこで、θａｂｖマップ(図６参照）を利用して、流量Ｑａｂｖ及び圧力比Ｐｒａｂｖを入力とする２つの（∂θａｂｖ／∂Ｑ）マップ及び（∂θａｂｖ／∂Ｐｒ）マップを用意しておく。そして、（∂θａｂｖ／∂Ｑ）マップ及び（∂θａｂｖ／∂Ｐｒ）マップから、流量Ｑａｂｖ及び圧力比Ｐｒａｂｖに対応する偏微分（∂θａｂｖ／∂Ｑ）の値及び偏微分（∂θａｂｖ／∂Ｐｒ）の値を取得し、上式（３８）から開度偏差Δθａｂｖを求めるようにしても良い。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム、１００…燃料電池、２００…エアー供給部、２１０…エアー流路、２１２…エアー供給流路、２１４…エアー排出流路、２１６…バイパス流路、２２０…ターボ型コンプレッサ、２３０…調圧バルブ、２４０…バイパスバルブ、２５０…流量計、２６０…圧力計、３００…制御部

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   ターボ型コンプレッサ、及び、前記ターボ型コンプレッサから送り出され、前記燃料電池へ供給するエアーの流量及び圧力を調節するバルブ、を有するエアー供給部と、
   前記ターボ型コンプレッサへ流入するエアーの流量であるコンプレッサ流量、前記燃料電池へ流入するエアーの流量である燃料電池流量、及び前記燃料電池へ流入するエアーの圧力である燃料電池圧力を制御量として、前記ターボ型コンプレッサ及び前記バルブの動作をフィードバック制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   （ａ）前記燃料電池流量及び前記燃料電池圧力の目標値で定まる前記エアー供給部の要求動作点が、前記コンプレッサ流量及び前記エアー供給部の圧力損失から定まる前記燃料電池圧力の下限値を示す下限ラインよりも上側の領域にある場合には、前記コンプレッサ流量、前記燃料電池流量、及び前記燃料電池圧力の現在値が、それぞれの目標値となるように、前記フィードバック制御を行ない、
   （ｂ）前記要求動作点が、前記下限ライン上あるいは前記下限ラインよりも下側の領域にある場合には、前記燃料電池圧力の現在値を前記燃料電池圧力の目標値に固定して、前記コンプレッサ流量及び前記燃料電池流量の現在値が、それぞれの目標値となるように、前記フィードバック制御を行なう、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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