JP2022034279A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池における過度の乾燥を抑制する。【解決手段】燃料電池と、ターボ式コンプレッサと、調圧バルブと、インピーダンス検出部と、制御部と、を備え、制御部は、決定した動作点の圧力比が、ターボ式コンプレッサにより定まる圧力比の上限値を示す圧力比上限ラインを超え、かつ、決定した動作点の流量が、回転数を上限値とした場合に取り得る動作点を示す等回転数上限ラインと、圧力比上限ラインとの交点である第１動作点の流量を超える場合、第１動作点を、等回転数上限ラインに沿って、流量が多くなる方へ、インピーダンスが高いほど小さい移動量にて移動させた補正後動作点を決定し、決定した動作点に代えて、補正後動作点に応じて、回転数と開度とを制御する。【選択図】図３

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

従来、ターボ式コンプレッサを用いて、酸化ガスが燃料電池に供給される燃料電池システムがある（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、酸化ガスの流量と、酸化ガスの圧力比とによって要求動作点が設定され、コンプレッサおよび調圧弁が制御される。また、特許文献１に記載の制御では、要求動作点がコンプレッサの最大回転数および最大圧力比のいずれかを超える領域の場合には、要求動作点の流量は変更されずに、圧力比が下げられる。

特開２０１９－１４５３３８号公報

特許文献１の記載のように、要求動作点の流量は変更せずに、圧力比を下げる制御が行われた場合、カソードの圧力が低下することによって、燃料電池内の水が過剰に排出されてしまい、燃料電池が過度に乾燥してしまう場合がある。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、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、前記燃料電池に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサと、前記燃料電池内における前記酸化ガスの圧力を調整する調圧バルブと、前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、前記燃料電池の目標出力に応じて、前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの流量と、前記ターボ式コンプレッサに吸入される前記酸化ガスの圧力に対する前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの圧力の比である圧力比と、により規定される動作点を決定し、前記動作点に応じて、前記ターボ式コンプレッサの回転数と前記調圧バルブの開度とを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、決定した前記動作点の前記圧力比が、前記ターボ式コンプレッサにより定まる前記圧力比の上限値を示す圧力比上限ラインを超え、かつ、決定した前記動作点の前記流量が、前記回転数を上限値とした場合に取り得る前記動作点を示す等回転数上限ラインと、前記圧力比上限ラインとの交点である第１動作点の前記流量を超える場合、前記第１動作点を、前記等回転数上限ラインに沿って、前記流量が多くなる方へ、前記インピーダンスが高いほど小さい移動量にて移動させた補正後動作点を決定し、決定した前記動作点に代えて、前記補正後動作点に応じて、前記回転数と前記開度とを制御する。この形態によれば、燃料電池のインピーダンスが高いほど、移動量は小さく設定されるため、インピーダンスが高いほど、補正後動作点の圧力比は高くなる。このため、酸化ガスによる水の排出は抑制され、燃料電池の過度な乾燥を抑制できる。また、燃料電池のインピーダンスが低い場合には、移動量は大きく設定されることで、酸化ガスの供給流量を燃料電池の目標出力に応じた酸化ガスの供給流量に近づけることができる。これにより、燃料電池のインピーダンスが低い場合には、目標出力を得られるための酸化ガスを供給できる。
本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、上記形態の他に、例えば燃料電池の制御方法等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの概略構成を示す図である。 空気流量と圧力比とで規定される動作点特性を示す図である。 酸化ガス供給制御処理の手順を示すフローチャートである。 要求動作点が補正後動作点へ変更される過程を説明する図である。 流量補正率マップを示す図である。 ＦＢ流量補正率マップを示す図である。 ＦＢ圧力比補正率マップを示す図である。 流量についての偏微分係数マップを示す図である。 圧力比についての偏微分係数マップを示す図である。

Ａ．実施形態：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本開示の一実施形態としての、車両に搭載される燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化ガス系回路２０と、燃料ガス系回路３０と、制御部８０と、電流センサ１１と、電圧センサ１２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２と、マフラー５２と、負荷７１と、インピーダンス検出部８５と、を備える。燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、供給を受けた燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する。本実施形態では、燃料電池１０は燃料ガスとして水素が用いられ、酸化ガスとして空気が用いられる。燃料電池１０は、図示しない複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。各単セルは、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。燃料電池１０を構成する各単セルには、電解質膜を介して、燃料ガスが供給されるアノードと、酸化ガスが供給されるカソードとが形成されている。燃料電池１０により発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２により昇圧され、負荷７１に供給され、消費される。燃料電池１０と負荷７１との間には、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１１と、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ１２と、が設けられている。電流センサ１１および電圧センサ１２が検出した検出値は、制御部８０およびインピーダンス検出部８５へ送信される。

酸化ガス系回路２０は、燃料電池１０のカソードに対して空気を供給するための回路である。酸化ガス系回路２０は、酸化ガス供給管２１と、エアクリーナ２２と、ターボ式コンプレッサとしてのエアコンプレッサ２３と、バイパス管２４と、酸化オフガス排出管２５と、バイパスバルブ２７と、調圧バルブ２８と、大気圧センサ１５と、エアフローメータ１６と、圧力センサ１７と、流量センサ１８と、を有する。酸化ガス供給管２１は、大気と、燃料電池１０のカソード、すなわち酸化ガス導入口（図示せず）と、を接続する。酸化オフガス排出管２５は、燃料電池１０の酸化オフガス排出口（図示せず）と、大気とを連通する。酸化オフガス排出管２５にはマフラー５２が配置されている。エアコンプレッサ２３は、ターボ式エアコンプレッサであり、内蔵されるモータの駆動により、内蔵される羽根車が筐体内で回転することで空気を圧縮する。エアコンプレッサ２３は、エアクリーナ２２により塵埃が除去された空気を圧縮し、酸化ガス供給管２１を介して圧縮した空気を燃料電池１０のカソードに供給する。バイパス管２４は、酸化ガス供給管２１と酸化オフガス排出管２５とを接続する。調圧バルブ２８は、酸化オフガス排出管２５とバイパス管２４との接続点の上流側の酸化オフガス排出管２５に配置されている。調圧バルブ２８の開度が調整されることにより、燃料電池１０内における空気の圧力であるカソードの圧力が調節される。バイパスバルブ２７は、バイパス管２４に配置されており、エアコンプレッサ２３および調圧バルブ２８と協働して、燃料電池１０を流れる空気の流量を調整する。

大気圧センサ１５は、酸化ガス供給管２１の入口に配置され、大気圧を検出する。エアフローメータ１６は、取り込まれた空気の流量を検出する。圧力センサ１７は、エアコンプレッサ２３の下流側に配置され、酸化ガス供給管２１におけるエアコンプレッサ２３の出口圧力を検出する。流量センサ１８は、酸化ガス供給管２１とバイパス管２４との接続点よりも下流側の酸化ガス供給管２１に配置されている。流量センサ１８は、燃料電池１０に供給される空気の流量を検出する。大気圧センサ１５、エアフローメータ１６、圧力センサ１７、および流量センサ１８の検出値は、制御部８０へ送信される。また、制御部８０は、車両に取り付けられる図示しないアクセル開度センサおよび車速センサ等からの検出信号を受信する。

燃料ガス系回路３０は、燃料電池１０のアノードに対して燃料ガスを供給するための回路である。燃料ガス系回路３０は、図示しない燃料ガスタンクから燃料ガスを燃料電池１０に対して供給する。燃料電池１０から排出される燃料オフガスは、図示しない配管を介して、酸化オフガス排出管２５へ流され、酸化オフガス排出管２５を流れるカソードオフガスと混合され、マフラー５２を介して排気される。

制御部８０は、ＣＰＵ（central processing unit）８１とメモリ８２とを備えるコンピュータとして構成されている。制御部８０は、メモリ８２に記憶されている制御プログラムを実行することにより、酸化ガス系回路２０などの各回路を統括制御する。メモリ８２には、後述する酸化ガス供給制御処理のプログラムおよび各種マップが記憶されている。インピーダンス検出部８５は、例えば、電子回路などにより構成されている。インピーダンス検出部８５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２に燃料電池１０の出力電流に交流信号を重畳させ、電流センサ１１および電圧センサ１２の検出値を用いて、交流インピーダンス法により燃料電池１０のインピーダンスを検出する。インピーダンス検出部８５は、検出した燃料電池１０のインピーダンスを制御部８０へ送信する。なお、インピーダンス検出部８５は、制御部８０の一機能として実現されてもよい。

図２は、空気流量と圧力比とで規定される、エアコンプレッサ２３の動作点の特性（以下、「動作点特性」とも呼ぶ）を示す図である。ここで、空気流量とは、エアコンプレッサ２３から吐出される単位時間当たりの空気の量（以下、単に「流量」とも呼ぶ）である。圧力比とは、エアコンプレッサ２３に吸入される空気の圧力に対する、エアコンプレッサ２３から吐出される空気の圧力の比である。図２の横軸は流量を示し、縦軸は圧力比を示す。図２に示される動作点特性を用いて、制御における、エアコンプレッサ２３の単位時間当たりの回転数と、調圧バルブ２８の開度とが決定される。

図２には、複数の等回転数ラインＬ１、等回転数上限ラインＬ２、圧力比上限ラインＬ３、サージラインＬ４、およびストールラインＬ５が示されている。複数の等回転数ラインＬ１および等回転数上限ラインＬ２は、回転数を一定にして調圧バルブ２８の開度を変化させた場合に取り得る動作点を示す特性線である。複数の等回転数ラインＬ１および等回転数上限ラインＬ２は、種々の回転数に対応している。等回転数上限ラインＬ２は、エアコンプレッサ２３の回転数が、仕様により定まる上限の回転数である場合の特性線である。等回転数上限ラインＬ２は、回転数を上限値とした場合に取り得る動作点を示している。エアコンプレッサ２３の回転数を一定にした場合、調圧バルブ２８の開度が大きいほど、流量は大きくなり、圧力比は小さくなる。また、調圧バルブ２８の開度を一定にした場合、エアコンプレッサ２３の回転数が大きいほど、流量は大きくなり、圧力比は大きくなる。

圧力比上限ラインＬ３は、エアコンプレッサ２３の仕様により定まる圧力比の上限値を示す。サージラインＬ４は、サージングを回避するために用いられる特性線である。サージラインＬ４よりも流量が小さい領域では、サージングが発生するおそれがある。サージングが発生すると、例えば流量の調整が困難となるおそれがあるため、流量は、サージラインＬ４よりも大きくなるように調整される。ストールラインＬ５は、調圧バルブ２８が全開状態の場合における、エアコンプレッサ２３の回転数を変化させた場合の動作点を示す特性線である。ストールラインＬ５よりも圧力比が小さい領域は、調圧バルブ２８の開度の上限を超えるため、実現できない領域である。

等回転数ラインＬ１、等回転数上限ラインＬ２、圧力比上限ラインＬ３、サージラインＬ４、およびストールラインＬ５は、予め実験などにより定められている。等回転数ラインＬ１、等回転数上限ラインＬ２、圧力比上限ラインＬ３、サージラインＬ４およびストールラインＬ５のそれぞれを表す式またはマップは、メモリ８２に予め記憶されている。制御部８０は、動作点が、図２の太線で囲まれた動作可能領域内に入るように、エアコンプレッサ２３の回転数および調圧バルブ２８の開度を制御する。詳しくは、制御部８０は、動作可能領域内の動作点の中から目標動作点を決定し、検出される流量が目標動作点の目標流量となり、検出される圧力比が目標動作点の目標圧力比となるように、エアコンプレッサ２３の回転数および調圧バルブ２８の開度を調整するフィードバック制御を行う。なお、フィードバック制御において、検出される流量として、流量センサ１８の検出値が用いられる。また、大気圧センサ１５により検出された大気圧が、エアコンプレッサ２３に吸入される空気の圧力として用いられ、圧力センサ１７により検出される圧力が、エアコンプレッサ２３から吐出される空気の圧力として用いられる。検出される圧力比として、大気圧センサ１５の検出圧力に対する圧力センサ１７の検出圧力の比が用いられる。また、本実施形態では、フィードバック制御として、ＰＩ制御が行われる。

上記のように、目標動作点は、動作可能領域に入るように決定される。例えば、車両の加速に応じて要求される動作点（以下、「要求動作点ＰＡ」とも呼ぶ）の圧力比が、圧力比上限ラインＬ３を超えている場合には、流量は変更せずに、圧力比を下げた動作点を目標動作点とすることが考えられる。しかしながら、この変更の場合、流量は変更されないため、流量は要求動作点ＰＡの流量に維持されるものの、圧力比が下げられるため、燃料電池１０のカソードを流れる空気の流速が速くなり、燃料電池１０から持ち出される水が多くなる。これにより、燃料電池１０が過度に乾燥する場合がある。燃料電池１０が過度に乾燥すると、燃料電池１０が劣化するおそれがある。そこで、次に説明する酸化ガス供給制御処理では、燃料電池１０の乾燥の程度を示す燃料電池１０のインピーダンスに応じて、目標動作点が変更される。これにより、燃料電池１０の過度な乾燥が抑制される。

Ａ２．酸化ガス供給制御処理：
図３は、酸化ガス供給制御処理の手順を示すフローチャートである。図４は、要求動作点ＰＡが圧力比上限ラインＬ３を超え、かつ、要求動作点ＰＡの流量が後述の第１動作点Ｐ１の流量を超える第１の場合に、酸化ガス供給制御処理によって、要求動作点ＰＡが補正後動作点ＰＢへ変更される過程を説明する図である。図５は、流量補正率マップを示す図である。第１動作点Ｐ１は、図４に示すように、等回転数上限ラインＬ２と圧力比上限ラインＬ３との交点における動作点である。高地では、エアコンプレッサ２３から吸入される空気の圧力が下がるため、低地よりも圧力比を大きくする必要があり、また、空気密度が低くなるため低地よりも回転数を大きくする必要が生じる。このため、高地で、燃料電池１０に大きな出力電力が要求される場合に、第１の場合となり易い。なお、図４では、便宜上、ストールラインＬ５の図示は省略されている。酸化ガス供給制御処理について、図３および図４を用いて、第１の場合を例示しつつ説明する。

酸化ガス供給制御処理は、燃料電池車両の図示しないスタータースイッチが押されて燃料電池システム１００が起動すると繰り返し実行される。制御部８０は、例えば、アクセル開度センサから送信されるアクセル開度などに応じて、燃料電池１０が出力すべき目標出力を設定し、目標出力に応じて、要求動作点ＰＡを設定する（図３のステップＳ１０）。ここで、要求動作点ＰＡの圧力比を圧力比Ｐｒｂとし、要求動作点ＰＡの流量を流量Ｑｒｂとする。制御部８０は、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂと、圧力比上限Ｐｍａｘとのうち、いずれか小さい方の値を圧力比変数Ｐｒｅｆの値に設定する（ステップＳ２０）。また、制御部８０は、次の式（１）を用いて、等回転数上限ラインＬ２において、圧力比変数Ｐｒｅｆに対応する流量を流量上限Ｑｍａｘの値に設定する（ステップＳ３０）。

式（１）における関数ｆ_Ｎｍａｘは、圧力比を入力すると、等回転数上限ラインＬ２において、入力された圧力比に対応する流量を出力する関数である。本実施形態では、関数ｆ_Ｎｍａｘは、マップとして、予めメモリ８２に記憶されている。また、制御部８０は、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂと、流量上限Ｑｍａｘとのうち、いずれか小さい方の値を流量変数Ｑｒｅｆの値に設定する（ステップＳ４０）。

第１の場合におけるステップＳ２０～Ｓ４０について、図４を用いて説明する。第１の場合には、要求動作点ＰＡは、圧力比上限ラインＬ３を超えた領域にあるため、ステップＳ２０において、圧力比変数Ｐｒｅｆの値は、圧力比上限Ｐｍａｘに設定される。ステップＳ３０にて求められる流量は、第１動作点Ｐ１の流量である。第１の場合には、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂは、流量上限Ｑｍａｘを超えているため、ステップＳ４０にて、流量変数Ｑｒｅｆの値は、流量上限Ｑｍａｘに設定される。

図３に戻り、制御部８０は、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂが、圧力比上限ラインＬ３、すなわち圧力比上限Ｐｍａｘを超え、かつ、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが、流量上限Ｑｍａｘを超えているか否かを判断する（ステップＳ５０）。なお、第１の場合には、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが流量上限Ｑｍａｘを超えているか否かの判断は、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが、第１動作点Ｐ１の流量である流量上限Ｑｍａｘを超えているか否かを判断することと同じである。要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが流量上限Ｑｍａｘを超え、かつ、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂが、圧力比上限Ｐｍａｘを超えていると判断した場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、制御部８０は、流量を増やすため、インピーダンスに応じて、要求動作点ＰＡを補正する（ステップＳ６０）。ここで、補正後の要求動作点ＰＡを補正後動作点ＰＢと称する。補正後動作点ＰＢが、フィードバック制御における目標動作点となる。

ステップＳ６０にて、具体的には、制御部８０は、まず、メモリ８２に予め記憶されている、図５に示す、インピーダンスと流量補正率ｆ_ΔＱとの関係を規定した流量補正率マップを参照し、インピーダンス検出部８５の検出値Ｒｆｃに対応する流量補正率ｆ_ΔＱ（Ｒｆｃ）を取得する。次に、制御部８０は、式（２）により、流量変数Ｑｒｅｆを算出する。

流量補正率マップ（図５）では、流量補正率ｆ_ΔＱは、０以上１以下の範囲に設定され、また、予め定められたインピーダンスの範囲で、インピーダンスが高いほど、流量補正率ｆ_ΔＱは小さく設定されている。このため、燃料電池１０のインピーダンスが高く、燃料電池１０が乾燥しているほど、流量補正率ｆ_ΔＱ（Ｒｆｃ）は小さい値となる。式（２）の右辺では、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂと流量上限Ｑｍａｘとの差分に流量補正率ｆ_ΔＱ（Ｒｆｃ）を乗じた値が、流量変数Ｑｒｅｆに加算される。同じ差分であっても、燃料電池１０の乾燥の程度が大きいほど、加算される値は小さくなる。したがって、同じ差分である場合、式（２）により算出される流量変数Ｑｒｅｆは、燃料電池１０の乾燥の程度が大きいほど、小さい値となる。

次に、制御部８０は、次の式（３）を用いて、等回転数上限ラインＬ２において、流量変数Ｑｒｅｆに対応する圧力比を圧力比変数Ｐｒｅｆの値に設定する。

式（３）における関数ｆ^－１ _Ｎｍａｘは、式（１）の関数ｆ_Ｎｍａｘの逆関数であり、流量を入力すると、等回転数上限ラインＬ２において、入力された流量に対応する圧力比を出力する関数である。本実施形態では、関数ｆ^－１ _Ｎｍａｘは、マップとして、予めメモリ８２に記憶されている。なお、フローチャートにおいて、これ以降のステップで流量変数Ｑｒｅｆおよび圧力比変数Ｐｒｅｆの値は変更されないため、本ステップで設定された流量変数Ｑｒｅｆおよび圧力比変数Ｐｒｅｆの各値が、補正後動作点ＰＢの流量および圧力比となる。

第１の場合におけるステップＳ５０，Ｓ６０について、図４を用いて説明する。第１の場合は、要求動作点ＰＡは、圧力比上限ラインＬ３および等回転数上限ラインＬ２のいずれも超えているため、ステップＳ５０でＹＥＳと判断される。ステップＳ６０では、流量変数Ｑｒｅｆの値が式（２）により増加するように補正され、等回転数上限ラインＬ２にて流量変数Ｑｒｅｆに対応する圧力比の値が圧力比変数Ｐｒｅｆの値とされる。つまり、第１動作点Ｐ１が等回転数上限ラインＬ２に沿って、流量が多くなるように移動された動作点が補正後動作点ＰＢである。第１動作点Ｐ１から補正後動作点ＰＢまでの流量の移動量ΔＱは、式（２）の右辺における、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂと流量上限Ｑｍａｘとの差分に流量補正率ｆ_ΔＱ（Ｒｆｃ）を乗じた値である。流量補正率マップ（図５）が用いられることにより、燃料電池１０のインピーダンスが高い第１状態の場合の流量補正率ｆ_ΔＱ（Ｒｆｃ）は、インピーダンスが小さい第２状態の場合の流量補正率ｆ_ΔＱ（Ｒｆｃ）よりも小さい値となる。このため、燃料電池１０のインピーダンスが高い第１状態における、第１動作点Ｐ１から補正後動作点ＰＢまでの流量の移動量ΔＱは、インピーダンスが低い第２状態の場合の移動量ΔＱよりも小さく設定される。本実施形態では、移動量ΔＱは、燃料電池１０のインピーダンスが高く、燃料電池１０が乾燥しているほど小さくなる。等回転数上限ラインＬ２は、流量が大きくなるほど、圧力比は小さくなる特性であるため、移動量ΔＱが小さいほど、補正後動作点ＰＢの圧力比は高く設定される。したがって、燃料電池１０のインピーダンスが高く、燃料電池１０の乾燥の程度が大きいほど、補正後動作点ＰＢの圧力比は、高く設定されるため、燃料電池１０の乾燥が抑制される。また、図５に示すように、燃料電池１０のインピーダンスが低い場合には、流量補正率ｆ_ΔＱ（Ｒｆｃ）は、１に設定されるため、補正後動作点ＰＢの流量は、要求動作点ＰＡの流量に設定される。これにより、燃料電池１０が乾燥していない場合には、要求動作点ＰＡと同じ流量の空気が供給されるため、燃料電池１０が目標出力を出力できる。これにより、車両の加速性を維持することができる。

図３に戻り、制御部８０は、現在のエアコンプレッサ２３の回転数指令値を取得し、現在の回転数指令値が回転数上限であるか否かを判断する（ステップＳ７０）。回転数指令値が回転数上限であると判断すると（ステップＳ７０：ＹＥＳ）、制御部８０は、燃料電池１０のインピーダンスに応じて、調圧バルブ２８のフィードバック制御方法を変更する（ステップＳ８０）。詳しくは、制御部８０は、フィードバック制御に用いるＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}を、次の式（４）を用いて算出する値にすることにより、燃料電池１０のインピーダンスが高い場合には、圧力比フィードバック制御を優先し、燃料電池１０のインピーダンスが低い場合には、流量フィードバック制御を優先する。なお、回転数指令値が回転数上限である場合には、バイパスバルブ２７は全閉に制御されている。

ステップＳ８０にて、制御部８０は、次の式（４）により、調圧バルブ２８のＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}を求める。ＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}は、調圧バルブ２８の有効断面積偏差を示す。

ＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}は、ＦＢ流量補正率Ｗ_Ｑ（Ｒｆｃ）に、流量についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｑ）と、流量差（Ｑ_{ｆｃ＿ｒｅｆ}－Ｑ_{ｆｃ＿ｍｅｓ}）とを乗じた項と、ＦＢ圧力比補正率Ｗ_Ｐ（Ｒｆｃ）に、圧力比についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｐ）と、圧力比差（Ｐ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}－Ｐ_{ＡＲＶ＿ｍｅｓ}）とを乗じた項とが加算されて算出される。ここで、流量差（Ｑ_{ｆｃ＿ｒｅｆ}－Ｑ_{ｆｃ＿ｍｅｓ}）は、流量指令値Ｑ_{ｆｃ＿ｒｅｆ}から流量検出値Ｑ_{ｆｃ＿ｍｅｓ}を減じた値である。流量検出値Ｑ_{ｆｃ＿ｍｅｓ}は、流量センサ１８の検出値である。圧力比差（Ｐ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}－Ｐ_{ＡＲＶ＿ｍｅｓ}）は、圧力比指令値Ｐ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}から圧力比検出値Ｐ_{ＡＲＶ＿ｍｅｓ}を減じた値である。圧力比検出値Ｐ_{ＡＲＶ＿ｍｅｓ}は、大気圧センサ１５の検出値と、圧力センサ１７とから算出される値である。制御部８０は、図６に示す、燃料電池１０のインピーダンスとＦＢ流量補正率Ｗ_Ｑとが対応付けられたＦＢ流量補正率マップを参照し、インピーダンス検出部８５の検出値Ｒｆｃに対応するＦＢ流量補正率Ｗ_Ｑ（Ｒｆｃ）を取得する。制御部８０は、図７に示す、インピーダンスとＦＢ圧力比補正率Ｗ_Ｐとが対応付けられたＦＢ圧力比補正率マップを参照し、インピーダンス検出部８５の検出値Ｒｆｃに対応するＦＢ圧力比補正率Ｗ_Ｐ（Ｒｆｃ）を取得する。流量についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｑ）は、流量偏差をバルブ有効断面積偏差に座標変換するモデルである。圧力比についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｐ）は、圧力比偏差をバルブ有効断面積偏差に座標変換するモデルである。流量についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｑ）および圧力比についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｐ）は、物理式またはマップで実現され、本実施形態では、それぞれ、図８および図９に示されるマップで実施される。制御部８０は、現在の動作点における、圧力比を一定にした場合の流量についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｑ）を、図８に示す、流量および圧力比と、流量についての偏微分係数とが対応付けられた流量偏微分係数マップを参照して取得する。また、制御部８０は、圧力比についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｐ）を、図９に示す、圧力比および流量と、圧力比についての偏微分係数とが対応付けられた圧力比偏微分係数マップを参照して取得する。

次に、制御部８０は、取得した各値を式（４）に代入し、ＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}を算出する。式（４）により、流量偏差および圧力比偏差が調圧バルブ２８の有効断面積偏差に変換される。ここで、ＦＢ流量補正率Ｗ_Ｑ（図６）は、０以上１以下に設定され、予め定められたインピーダンスの範囲においてインピーダンスが大きいほど小さく設定されている。対して、ＦＢ圧力比補正率Ｗ_Ｐ（図７）は、０以上１以下に設定され、予め定められたインピーダンスの範囲においてインピーダンスが大きいほど大きく設定されている。このため、ＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}は、燃料電池１０のインピーダンスが高いほど、圧力比偏差が偏重され、燃料電池１０のインピーダンスが低いほど、流量偏差が偏重された値となる。これにより、燃料電池１０のインピーダンスが高い場合には、圧力比フィードバック制御が優先され、燃料電池１０のインピーダンスが低い場合には、流量フィードバック制御を優先された制御が実現される。

制御部８０は、ＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}を用いて、調圧バルブ２８の開度指令値θ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}を算出する（ステップＳ９０）。詳しくは、制御部８０は、まず、算出したＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}と、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉとを用いて、調圧バルブ２８のＦＢ制御指令値Ａ_{ｅ＿ＡＲＶ＿ＦＢ}を次の式（５）より算出する。これにより、ＰＩ制御が実現される。

次に、制御部８０は、調圧バルブ２８の制御指令値Ａ_{ｅ＿ＡＲＶ＿ｒｅｆ}を、調圧バルブ２８のＦＦ制御指令値Ａ_{ｅ＿ＡＲＶ＿ＦＦ}と、ＦＢ制御指令値Ａ_{ｅ＿ＡＲＶ＿ＦＢ}と、を用いて式（６）により算出する。ここで、ＦＦ制御指令値Ａ_{ｅ＿ＡＲＶ＿ＦＦ}とは、例えば温度変化などの外乱の影響を抑制するための制御指令値である。制御指令値Ａ_{ｅ＿ＡＲＶ＿ｒｅｆ}は、調圧バルブ２８の有効断面積を示す。

次に、制御部８０は、次の式（７）を用いて、調圧バルブ２８の開度指令値θ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}を求める。

式（７）における、関数ｆ_ＡＲＶは、調圧バルブ２８の有効断面積を調圧バルブ２８の開度に座標変換するモデルである。関数ｆ_ＡＲＶは、ＦＢ制御指令値Ａ_{ｅ＿ＡＲＶ＿ＦＢ}と調圧バルブ２８の開度指令値θ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}とが対応付けれたマップまたは物理式として、メモリ８２に予め記憶されている。制御部８０は、ＦＢ制御指令値Ａ_{ｅ＿ＡＲＶ＿ＦＢ}を、調圧バルブ２８の開度指令値θ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}に変換し、調圧バルブ２８の開度を開度指令値θ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}に制御し、酸化ガス供給制御処理を終了する。なお、目標動作点は、例えばステップＳ１０などの、酸化ガス供給制御処理のステップＳ９０より前のステップ毎に、逐次変更されるのではなく、ステップＳ９０にて調圧バルブ２８の開度が変更されるタイミングで、現在の目標動作点から変更される。

回転数指令値が回転数上限でないと判断すると（ステップＳ７０：ＮＯ）、制御部８０は、ＦＢ制御方法を変更せずに、ステップＳ９０へ移行する。具体的には、制御部８０は、流量差（Ｑ_{ｆｃ＿ｒｅｆ}－Ｑ_{ｆｃ＿ｍｅｓ}）に、流量についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｑ）を乗じた項と、圧力比差（Ｐ_{ＡＲＶ＿ｒｅｆ}－Ｐ_{ＡＲＶ＿ｍｅｓ}）に、圧力比についての偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｐ））を乗じた項とを加算して算出されたＦＢ制御偏差ΔＡ_{ｅ＿ＡＲＶ}を用いて、ステップＳ９０を実行する。

制御部８０は、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂが、圧力比上限Ｐｍａｘを超えていない、または、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが、流量上限Ｑｍａｘを超えていないと判断した場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、要求動作点ＰＡを補正する必要があるか否かを判断する（ステップＳ１００）。具体的には、制御部８０は、要求動作点ＰＡが、図２に示す、動作可能領域内にない場合、要求動作点ＰＡを補正する必要があると判断し、要求動作点ＰＡが動作可能領域内にある場合、要求動作点ＰＡを補正する必要がないと判断する。要求動作点ＰＡを補正する必要があると判断すると（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、制御部８０は、少なくとも圧力比および流量のいずれかを増減させ、動作可能領域内に含まれる要求動作点ＰＡを補正した補正後動作点ＰＢを決定する（ステップＳ１１０）。例えば、要求動作点ＰＡがサージラインＬ４よりも流量が小さい領域にある場合には、制御部８０は、例えば圧力比は変更せずに、流量を増加させた動作点を補正後動作点ＰＢとする。制御部８０は、流量偏差および圧力比偏差に応じて、調圧バルブ２８の開度指令値およびエアコンプレッサ２３の回転数指令値を算出し、算出した開度指令値および回転数指令値を用いて、調圧バルブ２８およびエアコンプレッサ２３を制御し（ステップＳ１２０）、酸化ガス供給制御処理を終了する。また、要求動作点ＰＡを補正する必要がないと判断すると（ステップＳ１００：ＮＯ）、制御部８０は、要求動作点ＰＡは変更せずに、要求動作点ＰＡを補正後動作点ＰＢとして、ステップＳ１２０へ移行する。

以上、説明した実施形態によれば、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂが、圧力比上限Ｐｍａｘを超え、かつ、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが流量上限Ｑｍａｘを超えていると判断した場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、制御部８０は、流量を増やすため、インピーダンスに応じて、要求動作点ＰＡを補正する（ステップＳ６０）。具体的には、等回転数上限ラインＬ２と、圧力比上限ラインＬ３との交点である第１動作点Ｐ１から等回転数上限ラインＬ２に沿って、流量が多くなる方へ、インピーダンスに応じた移動量ΔＱにて移動させた補正後動作点ＰＢを目標動作点とする。ここで、移動量ΔＱは、燃料電池１０のインピーダンスが高いほど小さく設定されるため、補正後動作点ＰＢの圧力比は、燃料電池１０のインピーダンスが高いほど高く設定される。したがって、燃料電池１０のインピーダンスが高く、燃料電池１０の乾燥の程度が大きいほど、補正後動作点ＰＢの圧力比は、高く設定されるため、空気による水の排出が抑制され、燃料電池１０の乾燥を抑制することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、制御部８０は、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが流量上限Ｑｍａｘを超え、かつ、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂが、圧力比上限Ｐｍａｘを超えていると判断した場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、第１動作点Ｐ１から等回転数上限ラインＬ２に沿って、流量が多くなる方へ、インピーダンスに応じた移動量ΔＱにて移動させた補正後動作点ＰＢを目標動作点とする。補正後動作点ＰＢの設定方法は、これに限定されず、インピーダンスに拘わらず、補正後動作点ＰＢの流量を、第１動作点Ｐ１の流量以上の流量であって、要求動作点ＰＡの流量よりも小さい流量となるように決定してもよい。具体的には、例えば、流量上限Ｑｍａｘと要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂとの差分に、予め定められた１より小さい値を乗じて算出される値を移動量ΔＱとしてもよい。これにより、補正後動作点ＰＢの圧力比は、要求動作点ＰＡの圧力比よりも大きく設定されるため、燃料電池１０の乾燥を抑制することができる。

（Ｂ２）上記実施形態では、予め定められたインピーダンスの範囲において、流量補正率ｆ_ΔＱは、インピーダンスの一次関数として規定されている。流量補正率ｆ_ΔＱとインピーダンスとの関係は、一次関数に限られず、インピーダンスが高い場合の流量補正率ｆ_ΔＱが、インピーダンスが低い場合の流量補正率ｆ_ΔＱよりも小さい関係とすればよい。例えば、インピーダンスの増加に対して、流量補正率ｆ_ΔＱがステップ状に減少する関数としてもよい。

（Ｂ３）上記実施形態では、制御部８０は、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが流量上限Ｑｍａｘを超え、かつ、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂが、圧力比上限Ｐｍａｘを超えていると判断した場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）、ＰＩ制御により調圧バルブ２８が制御される。フィードバック制御の方法は、ＰＩ制御に限られず、例えばＰＩＤ制御であってもよい。また、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが流量上限Ｑｍａｘを超え、かつ、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂが、圧力比上限Ｐｍａｘを超えていると判断された場合（ステップＳ５０：ＹＥＳ）と、要求動作点ＰＡの流量Ｑｒｂが流量上限Ｑｍａｘを超えない、または、要求動作点ＰＡの圧力比Ｐｒｂが、圧力比上限Ｐｍａｘを超えていないと判断された場合（ステップＳ５０：ＮＯ）とで、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御などのフィードバック制御の方法が異なっていてもよい。

（Ｂ４）上記実施形態では、例えば、関数ｆ_{Ｎｍａｘなど}の関数、および、偏微分係数（∂Ａ_ｅ／∂Ｑ）などの値を入力して出力を求めるモデルは、マップとして実現されるが、マップではなく、物理式として実現されてもよい。

本開示は、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、１１…電流センサ、１２…電圧センサ、１５…大気圧センサ、１６…エアフローメータ、１７…圧力センサ、１８…流量センサ、２０…酸化ガス系回路、２１…酸化ガス供給管、２２…エアクリーナ、２３…エアコンプレッサ、２４…バイパス管、２５…酸化オフガス排出管、２７…バイパスバルブ、２８…調圧バルブ、３０…燃料ガス系回路、５２…マフラー、７１…負荷、７２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８０…制御部、８１…ＣＰＵ、８２…メモリ、８５…インピーダンス検出部、１００…燃料電池システム、Ｌ１…等回転数ライン、Ｌ２…等回転数上限ライン、Ｌ３…圧力比上限ライン、Ｌ４…サージライン、Ｌ５…ストールライン、Ｐ１…第１動作点、ＰＡ…要求動作点、ＰＢ…補正後動作点、ΔＱ…移動量

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサと、
   前記燃料電池内における前記酸化ガスの圧力を調整する調圧バルブと、
   前記燃料電池のインピーダンスを検出するインピーダンス検出部と、
   前記燃料電池の目標出力に応じて、前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの流量と、前記ターボ式コンプレッサに吸入される前記酸化ガスの圧力に対する前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの圧力の比である圧力比と、により規定される動作点を決定し、前記動作点に応じて、前記ターボ式コンプレッサの回転数と前記調圧バルブの開度とを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   決定した前記動作点の前記圧力比が、前記ターボ式コンプレッサにより定まる前記圧力比の上限値を示す圧力比上限ラインを超え、かつ、決定した前記動作点の前記流量が、前記回転数を上限値とした場合に取り得る前記動作点を示す等回転数上限ラインと、前記圧力比上限ラインとの交点である第１動作点の前記流量を超える場合、
   前記第１動作点を、前記等回転数上限ラインに沿って、前記流量が多くなる方へ、前記インピーダンスが高いほど小さい移動量にて移動させた補正後動作点を決定し、
   決定した前記動作点に代えて、前記補正後動作点に応じて、前記回転数と前記開度とを制御する、
   燃料電池システム。

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