JP6179672B2 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池とバッテリとの間に接続される変換器を介して燃料電池の負荷に電力を供給する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

ＪＰ２０１０−２８７５３４Ａには、燃料電池から変換器を介して燃料電池の補機に電力を供給する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、変換器の温度上昇に伴い変換器の通過可能電力が補機消費電力よりも低くなると、燃料電池に要求される電力を制限する。

上述のような燃料電池システムでは、燃料電池の運転状態によって、コンプレッサから吐出されるカソードガスの流量が、燃料電池に要求される電力を発電するのに必要となる流量よりも高く設定されることがある。例えば、燃料電池システムの排出ガス中の水素濃度が安全基準よりも低くなるように、カソードガスの流量が発電要求に基づく流量よりも高く設定される場合がある。

このような状態で、燃料電池に要求される電力を制限したとしても、カソードガスの流量は制限されないので、補機の消費電力が変換器の通過可能電力よりも低く抑えられずに、バッテリから補機に過大な電力が放電され、バッテリの劣化を招く恐れがある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、変換器の通過電力の低下に伴い、発電要求とは異なる要求によってバッテリから補機に過大な電力が放電されるのを回避する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて負荷に応じて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの電力の充電、又は、前記負荷への電力の放電を行うバッテリとを含む。また燃料電池システムは、前記燃料電池と前記バッテリとの間に接続され、前記燃料電池及び前記バッテリの少なくとも一方の電圧を変換して前記燃料電池から前記バッテリへ電力を供給する変圧器と、前記バッテリと前記変換器との間に接続され、前記燃料電池の動作を補助する補機類とを含む。さらに燃料電池システムは、前記負荷に基づいて、前記補機類の操作量を制御する発電制御部と、前記燃料電池システムの運転状態に応じて、前記補機類のうちの少なくとも一部の操作量を制御するシステム制御部とを含む。そして燃料電池システムは、前記変換器の温度に基づいて、前記システム制御部によって制御される補機類の操作量を制限する制限部を含む。

図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の第２実施形態における補機類の消費電力を制限するか否かを判定する構成を示すブロック図である。 図４は、バッテリから補機類に放電する電力を演算する構成を示すブロック図である。 図５は、本実施形態におけるコンプレッサから吐出されるカソードガスの流量を制御する構成を示すブロック図である。 図６は、燃料電池の湿潤制御に伴う補機消費電力の増加量に関する図である。 図７は、ＤＣ／ＤＣコンバータの通過可能電力マップを示す観念図である。 図８は、コンプレッサの発電要求流量マップを示す観念図である。 図９は、コンプレッサの排水素希釈要求流量マップを示す観念図である。 図１０は、燃料電池に対する乾燥制御を制限するか否かを判定する手法を示すブロック図である。 図１１は、本実施形態におけるパージ弁から排出される水素流量を制御する構成を示すブロック図である。 図１２は、パージ弁の開度制御マップを示す観念図である。 図１３は、本実施形態におけるコンプレッサの下流圧力を制御する構成を示すブロック図である。 図１４は、燃料電池に対する加湿制御を制限するか否かを判定する構成を示す図である。 図１５は、コンプレッサの下流圧力マップを示す観念図である。 図１６は、本実施形態における燃料電池スタックの温度を制御する構成を示すブロック図である。 図１７は、燃料電池スタックの温度制限マップを示す観念図である。 図１８は、三方弁の開度制御マップを示す観念図である。 図１９は、本実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図２０は、本発明の第３実施形態における冷却水ヒータの出力を制御する構成を示すブロック図である。 図２１は、冷却水ヒータの暖機要求出力マップを示す観念図である。

以下に、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して外部からカソードガス及びアノードガスを供給すると共に、電気負荷に応じて燃料電池スタック１を発電させる電源システムである。本実施形態では、燃料電池システム１００は、駆動モータ５３や、燃料電池スタック１の補機類５７などの電気負荷に対して、燃料電池スタック１で発電した発電電力を供給する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６とを備える。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１には、電力を取り出すための出力端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２とが設けられている。

燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電力で挟まれる電解質膜とにより構成される。燃料電池では、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とが電解質膜で電気化学反応を起こす。アノード電極及びカソード電極では、以下の電気化学反応が進行する。

アノード電極 ： ２Ｈ² → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ- ・・・（１）
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋ Ｏ² → ２Ｈ²Ｏ・・・（２）

上記（１）及び（２）の電気化学反応によって、起電力が生じるとともに水が生成される。燃料電池スタック１では積層された各燃料電池が互いに直列に接続されているため、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が、燃料電池スタック１の出力電圧（例えば数百ボルト）となる。

燃料電池スタック１には、カソードガス給排装置２によってカソードガスが供給され、またアノードガス給排装置３によってアノードガスが供給される。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１には、カソードガスとして酸素を含む空気が外気から取り込まれる。カソードガス供給通路２１の一端はフィルタ２２に接続され、他端は燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込まれる空気中の異物を取り除く。フィルタ２２から取り込まれた空気はカソードガス供給通路２１に供給される。

カソード流量センサ２３は、コンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード流量センサ２３は、コンプレッサ２４に吸引されるカソードガスの流量を検出する。カソード流量センサ２３は、検出した流量を示す検出信号をコントローラ６に出力する。

コンプレッサ２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。コンプレッサ２４は、フィルタ２２を介して空気をカソードガス供給通路２１に取り込み、その空気を燃料電池スタック１に供給する。

圧力センサ２５は、コンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。圧力センサ２５は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。圧力センサ２５は、検出した圧力を示す検出信号をコントローラ６に出力する。

カソードガス排出通路２６は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出するための通路である。カソードガス排出通路２６の一端は燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口端となっている。

カソード調圧弁２７は、カソードガス排出通路２６に設けられる。カソード調圧弁２７は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。カソード調圧弁２７は、コントローラ６によって制御される。

バイパス通路２８は、コンプレッサ２４から吐出されるカソードガスの一部を、燃料電池スタック１をバイパスしてカソードガス排出通路２６に排出するための通路である。バイパス通路２８は、コンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１から分岐して、カソード調圧弁２７よりも下流のカソードガス排出通路２６に合流する。

バイパス弁２９は、バイパス通路２８に設けられる。バイパス弁２９としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。バイパス弁２９は、コントローラ６によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が所望の流量に調節される。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１からアノードオフガスを排出する装置である。

アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、パージ弁３６とを備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１からアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は高圧タンク３１に接続され、他端は燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御される。この開閉制御によって、高圧タンク３１から供給されるアノードガスの圧力が所望の圧力に調節される。

アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３４は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサ３４は、検出した圧力を示す検出信号をコントローラ６に出力する。

アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを排出するための通路である。アノードガス排出通路３５の一端は燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端はカソードガス排出通路２６に接続される。

パージ弁３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３６は、コントローラ６によって開閉制御される。この開閉制御によって、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２６に排出されるアノードオフガスの流量が調節される。

スタック冷却装置４は、冷媒である冷却水によって燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に調整する装置である。

スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、冷却水ポンプ４５と、冷却水ヒータ４６と、スタック出口水温センサ４７と、スタック入口水温センサ４８とを含む。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、冷却水循環通路４１から分岐して、ラジエータ４２をバイパスして三方弁４４に接続される。バイパス通路４３によって、ラジエータ４２に冷却水を供給せずに、昇温された冷却水を燃料電池スタック１へ循環させることが可能となる。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、燃料電池スタック１に供給される冷却水のうち、ラジエータ４２で冷却された冷却水とバイパス通路４３から燃料電池スタック１で昇温された冷却水との割合を調整する。三方弁４４は、コントローラ６によって制御される。

例えば、燃料電池スタック１の温度を上昇させる場合には、三方弁４４は、バイパス通路４３から燃料電池スタック１に供給される冷却水の流量を増やす。一方、燃料電池スタック１の温度を低下させる場合には、三方弁４４は、バイパス通路４３から燃料電池スタック１に供給される冷却水の流量を増やす。

冷却水ポンプ４５は、三方弁４４と燃料電池スタック１との間の冷却水循環通路４１に設けられる。冷却水ポンプ４５は、燃料電池スタック１に冷却水を供給する。冷却水ポンプ４５は、コントローラ６によって制御される。

冷却水ヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。冷却水ヒータ４６は、燃料電池スタック１に供給される冷却水を加熱する。例えば、冷却水ヒータ４６は、燃料電池スタック１を暖機するときに、燃料電池スタック１からの発電電力を受けて発熱する。

スタック出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔の近傍の冷却水循環通路４１に設けられる。スタック出口水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下、「スタック出口水温」という。）を検出する。スタック出口水温センサ４７は、検出した温度を示す検出信号をコントローラ６に出力する。

スタック入口水温センサ４８は、冷却水ポンプ４５と燃料電池スタック１との間の冷却水循環通路４１に設けられる。スタック入口水温センサ４８は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度（以下、「スタック入口水温」という。）を検出する。スタック入口水温センサ４８は、検出した温度を示す検出信号をコントローラ６に出力する。

電力系５は、スタック電流センサ５１と、スタック電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７と、バッテリ電流センサ５８と、バッテリ電圧センサ５９とを含む。

スタック電流センサ５１は、アノード電極側出力端子１１に接続され、燃料電池スタック１から取り出される電流を検出する。スタック電流センサ５１は、検出した電流を示す検出信号をコントローラ６に出力する。

スタック電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間に生じる電圧を検出する。

駆動モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から供給される電力によって回転駆動する電動機である。駆動モータ５３は車両を駆動する動力源である。

インバータ５４は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５の少なくとも一方から出力される直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を駆動モータ５３に供給する。本実施形態では、インバータ５４には、燃料電池スタック１から電力が供給され、必要に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ５６によってバッテリ５５からも電力が供給される。

バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電を補助する二次電池である。バッテリ５５は、本実施形態ではリチウムイオンバッテリにより実現される。例えば、バッテリ５５は、必要に応じて燃料電池スタック１で発電した電力を充電する。

また、バッテリ５５は、燃料電池スタック１の湿潤状態や、駆動モータ５３の過渡的な変化などに応じて、補機類５７に電力を放電する。あるいは、バッテリ５５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を介して駆動モータ５３に電力を放電することもある。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１とバッテリ５５との間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の電圧とバッテリ５５の電圧とを互いに変換する双方向性の電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、コントローラ６によって制御される。

例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の電圧をバッテリ５５の電圧よりも上昇させることにより、燃料電池スタック１からバッテリ５５又は補機類５７に電力を供給する。あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、バッテリの電圧を燃料電池スタック１の電圧よりも下降させることにより、燃料電池スタック１からバッテリ５５又は補機類５７に電力を供給する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５のうち少なくとも一方の電圧を変換して燃料電池スタック１からバッテリ５５に電力を供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、複数のスイッチング素子と、リアクトルと、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）とにより構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、各スイッチング素子のオンオフ動作によって、主に、燃料電池スタック１から供給される電圧を、補機類５７が作動する電圧に昇降圧する。

これにより、燃料電池スタック１の出力電流、すなわち発電電力（出力電流×出力電圧）が調節される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の電圧とバッテリ５５の電圧とのうち少なくとも一方の電圧を変換するものであってもよい。

補機類５７は、燃料電池スタック１の動作を補助するものであり、燃料電池スタック１を発電させるために燃料電池システム１００に設けられた制御部品の集合である。補機類５７としては、コンプレッサ２４や、冷却水ポンプ４５、冷却水ヒータ４６などが含まれる。

補機類５７は、バッテリ５５とＤＣ／ＤＣコンバータ５６との間に並列に接続される。補機類５７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１からの発電電力を受けて作動する。燃料電池スタック１からの発電電力が不足したときには、補機類５７は、バッテリ５５から電力を受けて作動する。

バッテリ電流センサ５８は、バッテリ５５の正極端子に接続され、バッテリ５５から放電される電流を検出する。

バッテリ電圧センサ５９は、バッテリ５５の正極端子と負極端子との間に生じる端子間電圧を検出する。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ６は、駆動モータ５３及び補機類５７などの電気負荷から要求される要求電力に基づいて、コンプレッサ２４、カソード調圧弁２７、アノード調圧弁３３、及びパージ弁３６を制御する。

コントローラ６には、上述したスタック出口水温センサ４７、スタック入口水温センサ４８、スタック電流センサ５１、スタック電圧センサ５２、バッテリ電流センサ５８、及びバッテリ電圧センサ５９からの各検出信号が入力される。これらのセンサの他にも、コントローラ６には、燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの検出信号が入力される。

他のセンサとしては、バッテリ５５の充電率（ＳＯＣ：State of Charge）を検出するＳＯＣセンサ６１や、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６２などがある。

コントローラ６は、各種センサからの検出信号と、燃料電池システム１００の各制御部品に対する指令信号とを用いて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力や、カソードガスの流量及び圧力などを調整する。

また、コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して燃料電池スタック１の電圧を低下又は上昇させることにより、燃料電池スタック１から出力される発電電力を増減させる。例えば、駆動モータ５３からの要求電力が上昇したときには、コントローラ６は、燃料電池スタック１に関する電流電圧（ＩＶ）特性を参照し、燃料電池スタック１の電圧を低下させる。

このような燃料電池システムにおいては、通常、燃料電池スタック１から駆動モータ５３へ発電電力を供給しながら、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を介して補機類５７に対しても燃料電池スタック１から発電電力を供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６に関しては、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６にリアクトルの温度やＩＰＭの温度を検出する温度センサがそれぞれ設けられており、リアクトルの温度やＩＰＭの温度などが所定値を超えると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を通過することができる電力が制限される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の温度上昇に伴いＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が減少又は零になる特性を有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下したときには、燃料電池スタック１から補機類５７へ供給される電力が足りなくなる場合があり、このような場合にはバッテリ５５から、不足分の電力が補機類５７へ放電されることになる。

このとき、バッテリ５５から放電できる電力よりも大きな電力が、補機類５７によって取り出されてしまい、バッテリ５５が劣化してバッテリ５５の寿命が著しく低下する恐れがある。

この対策として、バッテリ５５から過大な電力が補機類５７へ出力されないように、電気負荷からの要求電力を制限して補機類５７の消費電力を低減することも考えられる。

しかしながら、燃料電池システム１００の運転状態によっては、コンプレッサ２４の回転速度が、電気負荷からの要求電力に基づくコンプレッサ２４の回転速度よりも高く設定されていることがある。

例えば、カソードガス排出通路２６から外気へ排出されるガス中の水素濃度が、安全基準等で規定された値よりも低くなるように、コンプレッサ２４の回転速度が高く設定される場合がある。

このような状況で、電気負荷からの要求電力によって求められた補機類５７の操作量を制限しただけでは、補機類５７の消費電力が確実に制限されず、バッテリ５５から過大な電力が補機類５７へ出力されてしまう。

そこで本実施形態では、コントローラ６は、電気負荷からの要求電力によって設定される補機類５７の操作量の他に、上述のような燃料電池システム１００の運転状態によって設定される補機類５７の操作量についても制限する。

図２は、本実施形態におけるコントローラ６の機能構成を示す機能ブロック図である。

補機類制御部２００は、燃料電池システム１００を制御するものである。補機類制御部２００は、発電要求補機操作量演算部２１０と、システム要求補機操作量演算部２２０と、目標操作量設定部２３０と、補機類指令部２４０と、補機消費電力制限部３００とを含む。

発電要求補機操作量演算部２１０は、燃料電池スタック１の発電要求に基づいて、電気負荷から要求される要求電力が燃料電池スタック１で発電されるように、補機類５７の各操作量（以下、「発電要求操作量」という。）を演算する。

また、発電要求補機操作量演算部２１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の温度に応じて、補機類５７の発電要求操作量を制限する。以下では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の温度のことを「コンバータ温度」という。コンバータ温度を示す情報は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６からコントローラ６に送信される。

発電要求補機操作量演算部２１０は、例えば、予め記憶されたマップを参照し、コンバータ温度に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を通過可能な電力の上限値を求める。その上限値が、補機類５７が消費する電力よりも小さくなる場合には、発電要求補機操作量演算部２１０は、補機類５７の発電要求操作量を制限する。

なお、以下では、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を通過可能な電力の上限値のことを単に「通過可能電力」といい、補機類５７が消費する電力のことを「補機類５７の消費電力」又は「補機消費電力」という。

発電要求補機操作量演算部２１０は、その発電要求操作量を目標操作量設定部２３０に出力する。なお、発電要求補機操作量演算部２１０は、発電要求に基づいて補機類５７を制御する発電要求制御部を構成する。

システム要求補機操作量演算部２２０は、燃料電池システム１００に要求される運転条件（制約）の範囲内で燃料電池スタック１が運転されるように、システム状態情報に基づいて、補機類５７のうち少なくとも一部の操作量（以下、「システム要求操作量」という。）を演算する。

燃料電池システム１００の運転条件は、電気負荷からの発電要求とは異なる要求により定められた条件である。例えば、燃料電池システム１００の運転条件としては、燃料電池システム１００の排出ガス中の水素濃度に対する規定値や、燃料電池スタック１の湿潤状態に関する基準値、燃料電池スタック１内の極間差圧に関する制限値などが挙げられる。

システム状態情報は、燃料電池システム１００の状態を示す情報である。システム状態情報としては、例えば、パージ弁３６から排出されるアノードオフガスの流量（排水素流量）や、燃料電池スタック１の内部抵抗（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）などが含まれている。燃料電池スタック１のＨＦＲは、燃料電池スタック１の湿潤状態と相関のあるパラメータであり、電解質膜が乾燥してくるとＨＦＲは大きくなり、電解質膜が湿ってくるとＨＦＲは小さくなる。

ここで燃料電池スタック１のＨＦＲの測定手法について簡単に説明する。まずコントローラ６がＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して、燃料電池スタック１に所定周波数の交流電流を供給し、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流をそれぞれ検出する。そしてコントローラ６は、燃料電池スタック１の出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉの各交流成分の振幅を演算し、出力電圧Ｖの振幅を出力電流Ｉの振幅により除算することにより、燃料電池スタック１のＨＦＲを算出する。算出されたＨＦＲの測定値は、以下「測定ＨＦＲ」という。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６に交流電流を重畳して燃料電池スタック１のＨＦＲを測定する代わりに、別途、燃料電池スタック１のＨＦＲを測定する装置を燃料電池システム１００に設けてもよい。

システム要求補機操作量演算部２２０は、そのシステム要求操作量を目標操作量設定部２３０に出力する。なお、システム要求補機操作量演算部２２０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、補機類５７のうちの少なくとも一部を制御するシステム要求制御部を構成する。

補機消費電力制限部３００は、コンバータ温度に基づいて、補機類５７のシステム要求操作量を制限する制限部を構成する。例えば、補機消費電力制限部３００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力を制限値として設定し、補機類５７の消費電力が制限値を超えた場合には、コンプレッサ２４の操作量や、冷却水ポンプ４５の操作量などを制限する。

補機消費電力制限部３００は、バッテリ５５から補機類５７へ放電できる放電可能電力がゼロよりも大きい場合には、バッテリ５５の放電可能電力に応じて補機類５７の消費電力を制限する制限値を大きくする。

バッテリ５５の放電可能電力は、ＳＯＣセンサ６１で検出されたバッテリ５５の充電率に基づいて算出される。例えば、ＳＯＣセンサ６１で検出された充電率が小さくなるほど、バッテリ放電可能電力は小さな値に設定される。

補機消費電力制限部３００は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力に対してバッテリ５５の放電可能電力を加算し、その加算した値を補機消費電力の制限値として設定する。これにより、補機類５７の消費電力の制限値が高くなるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力の低下に伴う補機類５７の消費電力の制限を緩和することができる。

補機消費電力制限部３００は、制限した後のシステム要求操作量を目標操作量設定部２３０に出力する。

目標操作量設定部２３０は、補機消費電力制限部３００から出力されるシステム要求操作量と発電要求操作量とに基づいて、補機類５７の各目標操作量を設定する。例えば、目標操作量設定部２３０は、補機類５７に含まれる制御部品ごとに、制限後のシステム要求操作量と制限後の発電要求操作量とのうち大きい方の操作量を目標操作量に設定し、各目標操作量を補機類指令部２４０に出力する。

補機類５７の各目標操作量としては、例えば、コンプレッサ２４から吐出されるカソードガスの目標流量及び目標圧力や、パージ弁３６の目標開度、三方弁４４の目標開度、冷却水ヒータ４６の目標出力などが含まれる。

補機類指令部２４０は、補機類５７の各目標操作量に基づいて、コンプレッサ２４、カソード調圧弁２７、バイパス弁２９、アノード調圧弁３３、パージ弁３６、三方弁４４、冷却水ポンプ４５、冷却水ヒータ４６などを制御する。

このように本実施形態の補機類制御部２００は、コンバータ温度の上昇に伴いＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下したときには、燃料電池システム１００の運転条件に基づく補機類５７のシステム要求操作量を制限する。

このため、水素濃度の規定値に基づくコンプレッサ２４の操作量が、発電要求に基づく操作量よりも大きい場合において、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下したときには、規定値に基づくコンプレッサ２４の操作量についても制限される。

したがって、燃料電池システム１００の運転条件に基づく補機類５７のシステム要求操作量を制限することにより、バッテリ５５から補機類５７へ放電される電力を確実に低減することができる。

補機消費電力制限部３００で操作量が制限された後、補機類５７の消費電力が、未だにＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力よりも大きい場合には、補機類制御部２００は、要求電力に基づく補機類５７の発電要求操作量を制限する。

これにより、バッテリ５５から過大な放電電力が出力されるのを防ぐことができる。さらに補機類５７の発電要求操作量よりも先にシステム要求操作量を制限することにより、燃料電池スタック１の発電電力の制限を緩和することが可能となる。

本発明の第１実施形態によれば、燃料電池スタック１及びバッテリ５５を備える燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１とバッテリ５５との間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６とバッテリ５５との間に接続される補機類５７とを含む。

燃料電池システム１００では、発電要求補機操作量演算部２１０が、電気負荷に基づいて補機類５７の操作量を制御し、システム要求補機操作量演算部２２０が、燃料電池システム１００の制約条件に応じて補機類５７のうちの少なくとも一部の操作量を制御する。

そして補機消費電力制限部３００は、コンバータ温度に基づいて、システム要求補機操作量演算部２２０によって制御される補機類５７の操作量を制限する。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下したときには、発電要求に基づく補機類５７の操作量の他に燃料電池システム１００の運転条件に基づく補機類５７の操作量が制限されるので、バッテリ５５から過大な電力が補機類５７へ放電されるのを回避することが可能となる。したがって、電圧変換器の通過電力の低下に伴い、発電要求とは異なる要求によってバッテリから補機に過大な電力が放電されるのを回避することができる。

また、補機消費電力制限部３００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が、補機類５７の消費電力よりも低下した場合には、バッテリ５５の放電可能電力に応じて補機類５７の消費電力の制限を緩和する。

これにより、補機類５７の消費電力を過剰に制限することを回避できるので、燃料電池スタック１の発電電力の無用な低下を抑制することができる。

なお、本実施形態ではＤＣ／ＤＣコンバータ５６からコンバータ温度を示す情報が入力される例ついて説明したが、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６で通過可能電力を求め、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６から通過可能電力を示す情報が入力されてもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の筐体に温度センサを設け、この温度センサから出力される信号を用いてもよい。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態における補機消費電力制限部３００の構成例を示すブロック図である。

以下では、本実施形態の燃料電池システムの構成は、図１に示した燃料電池システム１００と基本的に同じ構成であるため、同一の構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

補機消費電力制限部３００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力に基づいて、補機類５７の消費電力を制限するか否かを判定する補機制限判定部３１０を備える。

補機制限判定部３１０は、制限閾値算出部３１１と、補機消費電力算出部３１２と、補機制限フラグ設定部３１３とを含む。

制限閾値算出部３１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力に基づいて、補機類５７の消費可能電力を算出する。

本実施形態では、制限閾値算出部３１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力にバッテリ５５の放電電力を加算し、その加算した値から車両補機の消費電力を減算することにより、補機類５７の消費可能電力を算出する。制限閾値算出部３１１は、補機類５７の消費可能電力を、制限閾値として補機制限フラグ設定部３１３に出力する。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の温度に基づいて算出される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の温度と通過可能電力との関係については、図７を参照して後述する。

バッテリ５５の放電電力は、バッテリ５５の放電可能電力を上限値として補機類５７の消費電力に基づいて算出される。

車両補機は、車両用のエアコンディショナや、ヘッドライトなどである。車両補機は、燃料電池スタック１の補機類５７と同様、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６とバッテリ５５との間に接続される。

補機消費電力算出部３１２は、コンプレッサ２４の消費電力と、冷却水ポンプ４５の消費電力と、冷却水ヒータ４６の消費電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の損失電力とを積算することにより、補機類５７の消費電力を算出する。

コンプレッサ２４の消費電力は、コンプレッサ２４の回転速度の検出値とトルクの推定値とに基づいて算出される。なお、コンプレッサ２４の消費電力は、コンプレッサ２４の目標回転速度及び目標トルクに基づいて算出されてもよい。

冷却水ポンプ４５の消費電力は、冷却水ポンプ４５で消費される電力の実際の値である。例えば、冷却水ポンプ４５に供給される電流値を検出する電流センサと、冷却水ポンプ４５の電圧を検出する電圧センサとが冷却水ポンプ４５に設けられ、これら電流センサ及び電圧センサの各検出値が乗算されて冷却水ポンプ４５の消費電力が算出される。

冷却水ヒータ４６の消費電力は、例えば、冷却水ヒータ４６の目標出力に基づいて算出される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電力損失は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６内で生じる電力損失の実際の値である。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６内の燃料電池スタック１側に設けられた電流センサ及び電圧センサの各検出値を乗算した値と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６内のバッテリ５５側に設けられた電流センサ及び電圧センサの各検出値を乗算した値と、に基づいて算出される。

補機消費電力算出部３１２は、算出した補機類５７の消費電力を補機制限フラグ設定部３１３に出力する。

補機制限フラグ設定部３１３は、補機類５７の消費電力が制限閾値よりも大きいか否か、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力に基づいて、補機類５７の消費電力が、補機類５７の消費可能電力を超えたか否かを判断する。

そして、補機制限フラグ設定部３１３は、補機類５７の消費電力が制限閾値よりも大きい場合には、補機制限フラグを「１」すなわちＯＮに設定し、補機類５７の消費電力が制限閾値以下である場合には、補機制限フラグを「０」すなわちＯＦＦに設定する。

図４は、バッテリ５５の放電電力を演算する演算手法の一例を示す図である。

補機消費電力制限部３００は、バッテリ放電電力演算部３２０を備える。バッテリ放電電力演算部３２０は、補機要求電力設定部３２１と、遅延器３２２と、バッテリ放電電力設定部３２３とを含む。

補機要求電力設定部３２１は、補機類５７の消費電力と遅延器３２２の出力とのうち大きい方の値を、補機要求電力としてバッテリ放電電力設定部３２３に出力する。なお、補機類５７の消費電力は、図３に示した補機消費電力算出部３１２から算出された値である。

遅延器３２２は、補機要求電力設定部３２１から出力される補機要求電力を保持し、その値を前回の補機要求電力として補機要求電力設定部３２１に出力する。

バッテリ放電電力設定部３２３は、バッテリ放電可能電力と補機要求電力とのうち小さい方の値を、バッテリ放電電力として設定する。そしてバッテリ放電電力設定部３２３は、そのバッテリ放電電力を図３に示した補機制限判定部３１０に出力する。

このように、バッテリ放電電力演算部３２０は、バッテリ放電可能電力を上限として、補機類５７の消費電力をバッテリ放電電力として設定する。これにより、バッテリ５５から過大な放電電力が出力されるのを回避することができ、かつ、補機類５７の消費電力をバッテリ５５によって賄うことで補機類５７の操作量を制限するのを回避することが可能となる。

したがって、バッテリ５５の劣化を防止しつつ、燃料電池スタック１の発電電力を過剰に制限するのを回避することができる。

なお、バッテリ放電電力演算部３２０は、予め定められた固定値、例えば数ｋＷ（キロワット）をバッテリ放電電力として設定するものであってもよい。あるいは、バッテリ放電電力演算部３２０は、バッテリ５５の放電可能電力から所定値を減算した値や、補機類の消費電力に所定値を加算又は減算した値などをバッテリ放電電力として設定するものであってもよい。

次に、本発明の第２実施形態における補機類制御部２００の機能構成について図５から図１９までの各図面を参照して説明する。

本実施形態では、補機類制御部２００は、コンプレッサ流量制御部２０１と、排水素流量制御部２０２と、コンプレッサ下流圧力制御部２０３と、スタック温度制御部２０４と、ヒータ出力制御部２０５とを備えている。

図５は、コンプレッサ流量制御部２０１の詳細構成を示すブロック図である。

コンプレッサ流量制御部２０１は、コンプレッサ２４から吐出されるカソードガスの流量（以下、「コンプレッサ流量」という。）を制御する。

コンプレッサ流量制御部２０１は、発電要求流量演算部２１１と、排水素希釈要求流量演算部２２１と、膜湿潤要求流量演算部２２２と、コンプレッサ目標流量設定部２３１とを含む。さらにコンプレッサ流量制御部２０１は、コンバータ通過可能電流演算部３３１と、電流制限部３３２と、希釈要求制限流量演算部３３３と、切替器３３４と、湿潤要求制限流量演算部３３５と、切替器３３６とを含む。

コンバータ通過可能電流演算部３３１は、コンバータ温度に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電流を演算する。

本実施形態では、コンバータ温度と通過可能電流の上限値との関係を示す通過可能電力マップが、コンバータ通過可能電流演算部３３１に予め記憶されている。そしてコンバータ通過可能電流演算部３３１は、コンバータ温度を取得すると、通過可能電力マップを参照し、そのコンバータ温度に対応付けられた通過可能電流を算出する。なお、通過可能電力マップの詳細については図６を参照して後述する。

電流制限部３３２は、燃料電池スタック１の目標電流とＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力とのうち小さい方の値を、新たな目標電流として発電要求流量演算部２１１に出力する。

燃料電池スタック１の目標電流は、電気負荷からの発電要求に基づいて演算されるものであり、具体的には補機類５７から要求される電力に基づいて算出される。

なお、コンバータ通過可能電流演算部３３１及び電流制限部３３２は、図２に示した補機消費電力制限部３００に相当する。

発電要求流量演算部２１１は、電流制限部３３２から出力される目標電流に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるコンプレッサ流量（以下、「発電要求流量」という。）を演算する。

本実施形態では、燃料電池スタック１の目標電流と発電要求流量との関係を示す発電要求流量マップが、発電要求流量演算部２１１に予め記憶されている。そして発電要求流量演算部２１１は、燃料電池スタック１の目標電流を取得すると、発電要求流量マップを参照し、その目標電流に対応付けられた発電要求流量を算出する。

なお、発電要求流量マップの詳細については図７を参照して後述する。また、発電要求流量演算部２１１は、図２に示した発電要求補機操作量演算部２１０に相当する。

排水素希釈要求流量演算部２２１は、カソードガス排出通路２６から排出されるガス中の水素濃度が規定値以下となるように、排水素流量に基づいて水素の希釈に必要となるコンプレッサ流量（以下、「排水素希釈要求流量」という。）を演算する。排水素流量は、パージ弁３６の開度率に基づいて算出される。

本実施形態では、排水素希釈要求流量演算部２２１は、予め定められた希釈要求マップを参照し、排水素流量に対応付けられた排水素希釈要求流量を算出する。排水素希釈要求流量演算部２２１は、排水素流量が増加するほど、排水素希釈要求流量を大きくする。なお、希釈要求マップの詳細については図９を参照して後述する。

排水素希釈要求流量演算部２２１は、演算された排水素希釈要求流量を切替器３３４に出力する。なお、排水素希釈要求流量演算部２２１は、図２に示したシステム要求補機操作量演算部２２０に相当する。

希釈要求制限流量演算部３３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下したときに排水素希釈要求流量を制限するためのコンプレッサ流量（以下、「希釈要求制限流量」という。）を演算する。

希釈要求制限流量は、排水素希釈要求流量よりも小さな値、又は発電要求流量よりも小さな値に設定される。希釈要求制限流量は、実験データ等により予め定められた固定値であってもよく、あるいは、排水素流量や、燃料電池スタック１内の不純物濃度などに応じて変更される値であってもよい。

希釈要求制限流量演算部３３３は、演算された希釈要求制限流量を切替器３３４に出力する。なお、希釈要求制限流量演算部３３３は、図２に示した補機消費電力制限部３００に相当する。

切替器３３４は、補機制限フラグの設定状態に応じて、コンプレッサ目標流量設定部２３１に出力される値を、排水素希釈要求流量、又は希釈要求制限流量に切り替える。

切替器３３４は、補機制限フラグがＯＦＦに設定された場合には、排水素希釈要求流量をコンプレッサ目標流量設定部２３１に出力する。一方、切替器３３４は、補機制限フラグがＯＮに設定された場合、すなわちコンバータ温度の上昇に伴いＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下した場合には、希釈要求制限流量をコンプレッサ目標流量設定部２３１に出力する。

膜湿潤要求流量演算部２２２は、燃料電池の電解質膜が目標とする湿潤状態となるように、測定ＨＦＲに基づいて、コンプレッサ流量（以下、「湿潤要求流量」という。）を演算する。

膜湿潤要求流量演算部２２２は、測定ＨＦＲが予め定められた基準値よりも大きくなるほど、すなわち電解質膜が乾燥しているほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量を抑えるために、湿潤要求流量を小さくする。

一方、膜湿潤要求流量演算部２２２は、測定ＨＦＲが基準値よりも小さくなるほど、すなわち電解質膜が湿っているほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量を増やすために、湿潤要求流量を大きくする。

膜湿潤要求流量演算部２２２は、湿潤要求流量を切替器３３６に出力する。なお、膜湿潤要求流量演算部２２２は、図２に示したシステム要求補機操作量演算部２２０に相当する。

湿潤要求制限流量演算部３３５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下したときに膜湿潤要求流量を制限するためのコンプレッサ流量（以下、「湿潤要求制限流量」という。）を演算する。

湿潤要求制限流量は、膜湿潤要求流量よりも小さな値、又は発電要求流量よりも小さな値に設定される。湿潤要求制限流量は、実験データ等により予め定められた固定値であってもよく、あるいは、測定ＨＦＲに応じて変更される値であってもよい。

湿潤要求制限流量演算部３３５は、演算された湿潤要求制限流量を切替器３３６に出力する。なお、湿潤要求制限流量演算部３３５は、図２に示した補機消費電力制限部３００に相当する。

切替器３３６は、乾燥制限フラグの設定状態に応じて、コンプレッサ目標流量設定部２３１に出力される値を、膜湿潤要求流量、又は湿潤要求制限量に切り替える。

補機制限フラグがＯＮに設定された場合において燃料電池の電解質膜を乾燥させる乾燥制御が実行されるときに、乾燥制限フラグはＯＮに設定される。乾燥制限フラグの設定手法については、図１０を参照して後述する。

切替器３３６は、乾燥制限フラグがＯＦＦに設定された場合には、膜湿潤要求流量をコンプレッサ目標流量設定部２３１に出力する。一方、切替器３３６は、乾燥制限フラグがＯＮに設定された場合、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下した状態で乾燥制御が実行されるときには、湿潤要求制限流量をコンプレッサ目標流量設定部２３１に出力する。

コンプレッサ目標流量設定部２３１は、発電要求流量と、切替器３３４からの排水素希釈要求流量又は希釈要求制限流量と、切替器３３６からの膜湿潤要求流量又は湿潤要求制限流量とのうち最も大きい値を、コンプレッサ目標流量として出力する。

例えば、補機制限フラグがＯＮに設定された場合において、乾燥制限フラグがＯＮに設定されたときには、コンプレッサ目標流量設定部２３１は、制限後の発電要求流量と希釈要求制限流量と湿潤要求制限流量とのうち最も大きい値を出力する。

このように、コンプレッサ流量制御部２０１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下した場合には、排水素希釈要求流量を制限する。これにより、コンプレッサ２４の消費電力を低減することが可能となる。

さらに、コンプレッサ流量制御部２０１は、補機制限フラグがＯＮに設定された場合において、乾燥制限フラグがＯＮに設定されたときに膜湿潤要求流量を低く制限する。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下した場合において、電解質膜の湿潤制御によってコンプレッサ２４の消費電力が大きくなるときに限り、膜湿潤要求流量が制限されるので、的確にコンプレッサ２４の消費電力を制限することができる。

ここで、電解質膜の湿潤制御が実行されるときの補機類５７の消費電力の増加量について図６を参照して説明する。

図６は、電解質膜の湿潤制御と補機類５７の消費電力の増加量との関係を示す図である。

図６に示すように、乾燥制御においては、コンプレッサ下流圧力を低下させる制御と、燃料電池スタック１の温度を上昇させる制御と、コンプレッサ流量を増加させる制御が実行される。これらの中で、補機類５７の消費電力が最も増加する制御は、コンプレッサ流量を増加させる制御である。

したがって、補機制限フラグがＯＮに設定された場合に、電解質膜の乾燥制御のうちコンプレッサ流量だけを制限することにより、効果的に補機類５７の消費電力を低減することができる。

また、コンプレッサ流量制御部２０１は、排水素希釈要求流量、及び膜湿潤要求流量を共に制限した後であっても、補機類５７の消費電力がＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力により制限されるときには、発電要求流量を制限する。

このように、排水素希釈要求流量、及び膜湿潤要求流量を制限した後に、発電要求流量を制限することにより、燃料電池スタック１の発電電力の低下を抑制しつつ、コンプレッサ２４の消費電力を確実に低減することができる。

図７は、コンバータ通過可能電流演算部３３１に記憶される通過可能電力マップを示す図である。ここでは、横軸がコンバータ温度を示し、縦軸がＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電流の上限値を示す。

通過可能電力マップでは、コンバータ温度が低いときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電流は、コンバータ温度にかかわらず一定である。コンバータ温度が所定の温度Ｔ１を超えると、コンバータ温度が上昇するにつれてＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電流は大きく低下する。

このように、コンバータ温度の上昇に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力は低下するので、燃料電池スタック１から補機類５７へ供給される電流は制限される。

図８は、発電要求流量演算部２１１に記憶される発電要求流量マップの一例を示す図である。ここでは、横軸が燃料電池スタック１から補機類５７への目標電流を示し、縦軸が発電要求流量を示す。

発電要求流量マップでは、目標電流が大きくなるほど、コンプレッサ流量を大きくする。また目標電流が大きくなるほど、コンプレッサ流量の増加幅は小さくなる。

図９は、排水素希釈要求流量演算部２２１に記憶される希釈要求流量マップの一例を示す図である。ここでは、横軸がパージ弁３６からパージされるアノードオフガスの流量である排水素流量を示し、縦軸が排水素希釈要求流量を示す。

希釈要求流量マップでは、燃料電池システム１００から排出されるガス中の水素濃度が規定値以下となるように、排水素流量が大きくなるほど、コンプレッサ流量が大きくなる。本実施形態では、排水素流量が大きくなるほど、コンプレッサ流量が単調増加する。

図１０は、補機消費電力制限部３００における乾燥制限フラグの設定手法を示す図である。

乾燥制限判定部３５０は、補機制限フラグがＯＮに設定されているときに電解質膜の乾燥制御が実行されるか否かを判定する。乾燥制限判定部３５０は、湿潤判定部３５１と乾燥制限フラグ設定部３５２とを含む。

湿潤判定部３５１は、測定ＨＦＲが目標値（以下、「目標ＨＦＲ」という。）よりも小さい場合には、電解質膜が湿りすぎているため、制御判定フラグを「１」に、すなわち乾燥制御に設定する。目標ＨＦＲは、例えば、測定ＨＦＲを基準値（固定値）から減算した値に基づいて算出される。

一方、湿潤判定部３５１は、測定ＨＦＲが目標ＨＦＲ以上である場合には、電解質膜が乾きすぎているため、制御判定フラグを「０」に、すなわち加湿制御に設定する。

乾燥制限フラグ設定部３５２は、制御判定フラグの設定状態と補機制限フラグの設定状態とに基づいて、図５に示した乾燥制限フラグを設定する。

乾燥制限フラグ設定部３５２は、本実施形態ではＡＮＤ回路により構成され、制御判定フラグ及び補機制限フラグの少なくとも一方が「０」である場合には、乾燥制限フラグは「０」、すなわちＯＦＦに設定される。この場合には、電解質膜の乾燥制御は制限されない。

乾燥制限フラグ設定部３５２は、制御判定フラグが「１」であり、かつ、補機制限フラグが「１」であるときに、乾燥制限フラグを「１」に設定する。すなわち、乾燥制限フラグ設定部３５２は、補機制限フラグがＯＮに設定された場合において、電解質膜の乾燥制御が実行されるときに限り、乾燥制限フラグをＯＮに設定する。

これにより、図５に示したコンプレッサ流量制御部２０１において、切替器３３６によってコンプレッサ流量が湿潤要求流量から湿潤要求制限流量に切り替えられので、コンプレッサ２４の消費電力を低減することができる。

図１１は、排水素流量制御部２０２の詳細構成を示すブロック図である。

排水素流量制御部２０２は、パージ弁３６から排出されるアノードオフガスの流量（以下、「排水素流量」という。）を制御する。

排水素流量制御部２０２は、パージ弁目標開度率演算部２１２と、補機制限開度率保持部３３７と、排水素流量制限部３３８と、切替器３３９とを含む。

パージ弁目標開度率演算部２１２は、燃料電池スタック１に蓄積される不純物の増加を抑制するために、燃料電池スタック１内の水素濃度に基づいて、パージ弁３６の目標開度率を演算する。

燃料電池スタック１内の水素濃度は、例えば、燃料電池スタック１の発電状態に基づいて算出される。なお、燃料電池スタック１内に水素濃度センサを設けそのセンサの検出値を用いてもよい。

また、パージ弁目標開度率演算部２１２は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力に応じて、パージ弁３６の目標開度率を補正する。例えば、パージ弁目標開度率演算部２１２は、予め定められたパージ弁制御マップを参照し、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力が低くなるほど、排水素流量が少なくなるため、パージ弁３６の目標開度率を高くする。

なお、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力は、本実施形態では、アノード圧力センサ３４により検出される検出値が用いられる。パージ弁制御マップの詳細については図１２で後述する。

補機制限開度率保持部３３７は、排水素希釈要求流量が希釈要求制限流量に制限されたときに、排出ガス中の水素濃度が規定値よりも低くなるように定められた開度率（以下「補機制限開度率」という。）を保持する。

排水素流量制限部３３８は、パージ弁３６の目標開度率と補機制限開度率とのうち小さい方の値を出力する。

切替器３３９は、補機制限フラグがＯＦＦに設定された場合には、パージ弁目標開度率演算部２１２からの目標開度率を補機類指令部２４０に出力する。一方、補機制限フラグがＯＮに設定された場合、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下した場合に、切替器３４１は、補機制限開度率保持部３３７に保持された値を補機類指令部２４０にする。

このように、排水素流量制御部２０２は、補機制限フラグがＯＮに設定されてコンプレッサ流量が希釈要求制限流量に制限されたときに、パージ弁３６の目標開度率を補機制限開度率以下に設定する。これにより、燃料電池システム１００から排出されるガス中の水素濃度を確実に規定値以下に維持することができる。

したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下したときに、コンプレッサ流量だけでなく排水素流量についても制限されるので、排出ガス中の水素濃度を規定値以下に抑えつつ、コンプレッサ２４の消費電力を低減することができる。

なお、本実施形態ではアノードガス排出通路３５に１個のパージ弁３６が設けられる燃料電池システムについて説明したが、アノードガス排出通路３５に２個のパージ弁が設けられるものであってもよい。

アノードガス排出通路３５に２個のパージ弁が設けられた燃料電池システムでは、コントローラ６は、２つの期間に区切られた所定の周期において、例えば第１期間で第１のパージ弁を開閉制御し、第２期間で第２のパージ弁を開閉制御する。このような燃料電池システムにおいては、補機制限開度率の代わりに、例えば、第１及び第２のパージ弁のうち一方のパージ弁の動作数を制限する動作数制限が排水素流量制限部３３８に入力される。

図１２は、パージ弁目標開度率演算部２１２に記憶されるパージ弁制御マップの一例を示す図である。ここでは、横軸が燃料電池スタック１内の水素濃度を示し、縦軸がパージ弁３６の目標開度率を示す。

パージ弁制御マップでは、燃料電池スタック１内の水素濃度が高いほど、燃料電池スタック１内の不純物は少ないため、パージ弁３６の目標開度率が小さくなる。一方、燃料電池スタック１内の水素濃度が低くなると、燃料電池スタック１内の不純物が多くなるので、パージ弁３６の目標開度率は一定の値まで大きくなる。また、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力が低くなるほど、排水素流量が少なくなるため、パージ弁３６の目標開度率は大きくなる。

図１３は、コンプレッサ下流圧力制御部２０３の詳細構成を示すブロック図である。

コンプレッサ下流圧力制御部２０３は、コンプレッサ２４よりも下流のカソードガスの圧力（以下、「コンプレッサ下流圧力」という。）を制御する。

コンプレッサ下流圧力制御部２０３は、発電要求圧力演算部２１３と、膜湿潤要求圧力演算部２２３と、コンプレッサ目標圧力設定部２３２とを含む。さらにコンプレッサ下流圧力制御部２０３は、コンバータ通過可能電流演算部３３１と、電流制限部３３２と、湿潤要求制限圧力演算部３４０と、切替器３４１とを含む。

なお、コンバータ通過可能電流演算部３３１及び電流制限部３３２は、図５に示した構成と同じものであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

発電要求圧力演算部２１３は、電流制限部３３２から出力される目標電流に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるコンプレッサ下流圧力（以下、「発電要求圧力」という。）を演算する。

本実施形態では、燃料電池スタック１の目標電流と発電要求圧力との関係を示す発電要求圧力マップが発電要求圧力演算部２１３に予め記憶されている。そして発電要求圧力演算部２１３は、燃料電池スタック１の目標電流を取得すると、発電要求圧力マップを参照し、その目標電流に対応付けられた発電要求圧力を算出する。

なお、発電要求圧力マップの詳細については図１５を参照して後述する。また、発電要求圧力演算部２１３は、図２に示した発電要求補機操作量演算部２１０に相当する。

膜湿潤要求圧力演算部２２３は、燃料電池の電解質膜が目標とする湿潤状態となるように、燃料電池スタック１の測定ＨＦＲに基づいて、コンプレッサ下流圧力（以下、「湿潤要求圧力」という。）を演算する。

膜湿潤要求圧力演算部２２３は、測定ＨＦＲが基準値よりも大きくなるほど、すなわち電解質膜が乾燥しているほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量が少なくなるように、湿潤要求圧力を大きくする。

一方、膜湿潤要求圧力演算部２２３は、測定ＨＦＲが基準値よりも小さくなるほど、すなわち電解質膜が湿っているほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量が多くなるように、湿潤要求圧力を小さくする。

膜湿潤要求圧力演算部２２３は、演算した膜湿潤要求圧力を切替器３４１に出力する。なお、膜湿潤要求圧力演算部２２３は、図２に示したシステム要求補機操作量演算部２２０に相当する。

湿潤要求制限圧力演算部３４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力の低下に伴い膜湿潤要求圧力が制限されるように、コンプレッサ流量（以下、「湿潤要求制限圧力」という。）を演算する。

湿潤要求制限圧力は、膜湿潤要求圧力よりも小さな値、又は発電要求圧力よりも小さな値に設定される。湿潤要求制限圧力は、実験データ等により予め定められた固定値であってもよく、あるいは、測定ＨＦＲに応じて変更される値であってもよい。

湿潤要求制限圧力演算部３４０は、演算された湿潤要求制限圧力を切替器３４１に出力する。なお、湿潤要求制限圧力演算部３４０は、図２に示した補機消費電力制限部３００に相当する。

切替器３４１は、加湿制限フラグの設定状態に応じて、コンプレッサ目標圧力設定部２３２に出力される値を、膜湿潤要求圧力、又は湿潤要求制限圧力に切り替える。

加湿制限フラグは、補機制限フラグがＯＮに設定された場合において、燃料電池の電解質膜を加湿する加湿制御が実行されるときにＯＮに設定される。加湿制限フラグの設定手法については、図１４を参照して後述する。

切替器３４１は、加湿制限フラグがＯＦＦに設定された場合には、膜湿潤要求圧力をコンプレッサ目標圧力設定部２３２に出力する。一方、切替器３４１は、加湿制限フラグがＯＮに設定された場合、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下した場合には、湿潤要求制限圧力をコンプレッサ目標圧力設定部２３２に出力する。

コンプレッサ目標圧力設定部２３２は、発電要求圧力と、切替器３４１からの膜湿潤要求圧力又は湿潤要求制限圧力とのうち大きい方の値を、コンプレッサ目標圧力として出力する。

例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力の低下に伴い補機制限フラグがＯＮに設定された場合には、コンプレッサ目標流量設定部２３１は、制限後の発電要求流量と湿潤要求制限圧力とのうち大きい方の値を出力する。

このように、コンプレッサ下流圧力制御部２０３は、加湿制限フラグがＯＮに設定されたときに膜湿潤要求圧力を低く制限する。

このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下している状態において電解質膜の加湿制御によって膜湿潤要求圧力が高くなるときに限り、膜湿潤要求圧力が制限されるので、的確に、コンプレッサ２４の消費電力を低減することができる。

また、図６に示したように、電解質膜の加湿制御としてコンプレッサ下流圧力を上昇させる制御と、スタック温度を低下させる制御と、コンプレッサ流量を減少させる制御とが実行される。これらの中で、補機類５７の消費電力が最も増加する制御は、コンプレッサ下流圧力を増加させる制御である。

このため、補機制限フラグがＯＮに設定された場合に、本実施形態では電解質膜の加湿制御のうちコンプレッサ下流圧力だけが制限されるので、効果的に補機類５７の消費電力を低減することができる。

図１４は、図１３に示された加湿制限フラグの設定手法の一例を示す図である。

加湿制限判定部３６０は、補機制限フラグがＯＮに設定された場合において電解質膜の加湿制御が実行されているか否かを判定する。加湿制限判定部３６０は、湿潤判定部３６１と加湿制限フラグ設定部３６２とを含む。

湿潤判定部３６１は、燃料電池スタック１の測定ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも大きい場合には、電解質膜が乾きすぎているため、制御判定フラグを「１」に、すなわち加湿制御に設定する。一方、湿潤判定部３６１は、測定ＨＦＲが目標値以下である場合には、電解質膜が湿りすぎているため、制御判定フラグを「０」に、すなわち乾燥制御に設定する。

加湿制限フラグ設定部３６２は、制御判定フラグの設定状態と補機制限フラグの設定状態とに基づいて、図１３に示した加湿制限フラグを設定する。

加湿制限フラグ設定部３６２は、本実施形態ではＡＮＤ回路により構成され、制御判定フラグ及び補機制限フラグの少なくとも一方が「０」である場合には、加湿制限フラグは「０」、すなわちＯＦＦに設定される。この場合には、電解質膜の加湿制御は制限されない。

加湿制限フラグ設定部３６２は、制御判定フラグが「１」であり、かつ、補機制限フラグが「１」であるときに、加湿制限フラグを「１」に設定する。すなわち、加湿制限フラグ設定部３６２は、補機制限フラグがＯＮに設定された場合において、電解質膜の加湿制御が実行されるときに限り、加湿制限フラグをＯＮに設定する。

これにより、図１３に示したコンプレッサ下流圧力制御部２０３において、切替器３４１によってコンプレッサ下流圧力が膜湿潤要求圧力から湿潤要求制限圧力に切り替えられので、コンプレッサ２４の消費電力を低減することができる。

図１５は、発電要求圧力演算部２１３に記憶される発電要求圧力マップの一例を示す図である。ここでは、横軸が燃料電池スタック１からＤＣ／ＤＣコンバータ５６を通過して補機類５７に供給される目標電流を示し、縦軸が発電要求圧力を示す。

発電要求圧力マップでは、目標電流が大きくなるほど、コンプレッサ下流圧力を大きくする。また目標電流が大きくなるほど、コンプレッサ下流圧力の増加幅は小さくなる。

上述のように、乾燥制限フラグがＯＮに設定された場合には、コンプレッサ流量が制限されるため、電解質膜が湿りすぎた状態で維持されることになる。一方、加湿制限フラグがＯＮに設定された場合には、コンプレッサ下流圧力が制限されるため、電解質膜が乾きすぎた状態で維持されることになる。これらの対策として、燃料電池スタック１の温度を制御することにより、電解質膜の湿潤状態を目標とする状態に近づけることができる。

図１６は、スタック温度制御部２０４の詳細構成を示すブロック図である。

スタック温度制御部２０４は、三方弁４４の開度を制御して燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度を制御する。これにより、燃料電池スタック１の温度を調整することができる。

スタック温度制御部２０４は、スタック目標温度保持部２１４と、偏差算出部２１５と、ＦＢ制御部２１６と、三方弁目標開度演算部２１７と、膜湿潤要求温度演算部３４２と、切替器３４３とを含む。

スタック目標温度保持部２１４は、燃料電池スタック１の目標温度を保持する。燃料電池スタック１の目標温度は、例えば、燃料電池スタック１が発電に適した温度に設定される。

膜湿潤要求温度演算部３４２は、乾燥制限フラグ又は加湿制限フラッグがＯＮに設定されたときに、電解質膜の湿潤度が基準値に収束するように、目標ＨＦＲに基づいて燃料電池スタック１の温度（以下、「湿潤要求温度」という。）を演算する。

湿潤度の基準値は、予め定められた固定値であり、目標ＨＦＲは、測定ＨＦＲを基準値から減算した値に基づいて算出される。

膜湿潤要求温度演算部３４２は、目標ＨＦＲがプラス（正）側に大きくなるほど、すなわち電解質膜が湿りすぎるほど、カソードガス中の水蒸気流量が減少するように、燃料電池スタック１の湿潤要求温度を低くする。

一方、膜湿潤要求温度演算部３４２は、目標ＨＦＲがマイナス（負）側に大きくなるほど、すなわち電解質膜が乾きすぎるほど、カソードガス中の水蒸気流量が増加するように、湿潤要求温度を高くする。

本実施形態では、目標ＨＦＲと湿潤要求温度との関係を示すスタック温度制限マップが、膜湿潤要求温度演算部３４２に予め記憶されている。そして膜湿潤要求温度演算部３４２は、目標ＨＦＲを取得すると、スタック温度制限マップを参照し、その目標ＨＦＲに対応付けられた湿潤要求温度を算出する。なお、スタック温度制限マップの詳細については図３を参照して後述する。

切替器３４３は、補機制限フラグの設定状態に応じて、偏差算出部２１５に出力される目標値を、スタック目標温度又は湿潤要求温度に切り替える。

切替器３４３は、補機制限フラグがＯＦＦに設定された場合には、スタック目標温度を偏差算出部２１５に出力する。一方、補機制限フラグがＯＮに設定された場合には、加湿制限フラグ又は乾燥制限フラグがＯＮに設定されるので、切替器３４３は、湿潤要求温度を偏差算出部２１５に出力する。膜湿潤要求温度演算部３４２及び切替器３４３は、図２に示した補機消費電力制限部３００に相当する。

偏差算出部２１５は、切替器３４３から出力される値を冷却水温度から減算することにより、冷却水温度の偏差を出力する。

冷却水温度としては、スタック入口水温センサ４８の検出値とスタック出口水温センサ４７の検出値とを平均した値が用いられる。なお、スタック入口水温センサ４８の検出値、又は、スタック出口水温センサ４７の検出値のみが用いられてもよい。また、燃料電池スタック１に直接、温度センサを設け、その温度センサから出力される検出信号を用いてもよい。

ＦＢ（フィードバック）制御部２１６は、偏差算出部２１５から出力された偏差に基づいて、燃料電池スタック１の温度をフィードバック制御する。例えば、ＦＢ制御部２１６は、偏差がプラス（正）に大きくなるほど、すなわち冷却水温度が基準温度よりも低くなるほど、冷却水温度を上昇させる。

三方弁目標開度演算部２１７は、ＦＢ制御部２１６から出力される値に基づいて、三方弁制御マップを参照し、三方弁４４の目標開度を演算する。

三方弁目標開度演算部２１７は、偏差がプラス側に大きくなるほど、すなわち冷却水温度が目標温度よりも低くなるほど、燃料電池スタック１に供給する冷却水のうちバイパス通路４３からの温かい冷却水の割合が大きくなるように、三方弁４４の目標開度を小さくする。

一方、三方弁目標開度演算部２１７は、偏差がマイナス側に大きくなるほど、すなわち冷却水温度が基準温度よりも高くなるほど、燃料電池スタック１に供給する冷却水のうちラジエータ４２からの冷たい冷却水の割合が大きくなるように、目標開度を大きくする。

このように、スタック温度制御部２０４は、補機制限フラグがＯＮに設定された場合には、スタック温度の目標値を、通常のスタック目標温度から湿潤要求温度に切り替える。これにより、乾燥制御又は加湿制御を制限した場合であっても、燃料電池の電解質膜を目標とする湿潤状態に制御しつつ、補機類５７の消費電力を低減することができる。

図１７は、膜湿潤要求温度演算部３４２に記憶されるスタック温度制限マップの一例を示す図である。ここでは、横軸が燃料電池スタック１の目標ＨＦＲであり、縦軸が燃料電池スタック１の湿潤要求温度である。

スタック温度制限マップでは、目標ＨＦＲが大きくなるほど、すなわち電解質膜の湿潤度が湿りすぎているほど、カソードガス中の水蒸気量を減らして水蒸気の排出量を抑えるために、スタック温度が低く設定されている。一方、目標ＨＦＲが小さくなるほど、すなわち電解質膜の湿潤度が乾きすぎているほど、カソードガス中の水蒸気量を増やして水蒸気の排出量を多くするために、スタック温度が高くなるように設定されている。

したがって、加湿制限フラグがＯＮに設定され、コンプレッサ下流圧力が低く制限された場合には、燃料電池スタック１の温度が高く設定されるので、電解質膜を加湿することができる。また、乾燥制限フラグがＯＮに設定され、コンプレッサ流量が低く制限された場合には、燃料電池スタック１の温度が低く設定されるので、電解質膜を乾燥させることができる。

図１８は、三方弁目標開度演算部２１７に記憶される三方弁制御マップの一例を示す図である。ここでは、横軸がＦＢ制御部２１６の出力値を示し、縦軸が三方弁４４の目標開度を示す。

三方弁制御マップでは、ＦＢ制御部２１６の出力値が大きくなるほど、ラジエータ４２からの冷却水の割合を高くするために、三方弁４４の目標開度が大きくなるように設定されている。

図１９は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ９０１において補機制限判定部３１０は、補機類５７の消費電力が制限閾値Ｔｈよりも小さいか否かを判定する。制限閾値Ｔｈは、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力の上限値に基づいて設定される。

ステップＳ９０２において補機制限判定部３１０は、補機類５７の消費電力が制限閾値Ｔｈよりも小さい場合に、補機制限フラグをＯＮに設定する。

ステップＳ９０３において乾燥制限判定部３５０及び加湿制限判定部３６０は、目標ＨＦＲが測定ＨＦＲよりも小さいか否かを判定する。

ステップＳ９０４において乾燥制限判定部３５０は、補機制限フラグがＯＮに設定された場合において測定ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも小さいときには、乾燥制限フラグをＯＮに設定する。

ステップＳ９０５において排水素流量制御部２０２は、補機制限フラグがＯＮに設定され場合には、パージ弁３６から排出されるアノードオフガスの流量（排水素流量）を、所定の流量、例えば補機制限開度率に基づく流量に制限する。これと共にコンプレッサ流量制御部２０１は、カソードガスの排水素希釈要求流量を、所定の流量、例えば希釈要求制限流量に制限する。

なお、補機制限フラグがＯＮに設定された場合には、排水素流量制御部２０２が排水素流量を制限した後に、コンプレッサ流量制御部２０１はカソードガスの排水素希釈要求流量を制限する方がより安全である。あるいは、補機制限フラグがＯＮに設定された場合において、コンプレッサ流量制御部２０１がカソードガスの排水素希釈要求流量を制限した後、燃料電池システム１００の排出ガス中の水素濃度をモニターし、水素濃度が規定値よりも小さな所定の閾値まで上昇した場合に排水素流量制御部２０２が排水素流量を制限するようにしてもよい。

ステップＳ９０６においてコンプレッサ流量制御部２０１は、乾燥制限フラグがＯＮに設定された場合には、カソードガスの膜湿潤要求流量を、所定の流量、例えば湿潤要求制限流量に制限する。これと共にスタック温度制御部２０４は、燃料電池スタック１の温度を、所定の温度例えば、乾燥制御のための湿潤要求温度まで上昇させる。

ステップＳ９０７において加湿制限判定部３６０は、測定ＨＦＲが目標ＨＦＲよりも大きい場合には、加湿制限フラグをＯＮに設定する。

ステップＳ９０８においてコンプレッサ下流圧力制御部２０３は、加湿制限フラグがＯＮに設定された場合には、カソードガスの湿潤要求圧力を、所定の圧力例えば湿潤要求制限圧力に制限する。これと共にスタック温度制御部２０４は、燃料電池スタック１の温度を、所定の温度、例えば加湿制御のための湿潤要求温度まで低下させる。

ステップＳ９０９において補機消費電力制限部３００は、補機類５７の消費電力が制限閾値Ｔｈよりも大きいか否かを判断する。

ステップＳ９１０において補機消費電力制限部３００は、補機類５７の消費電力が制限閾値Ｔｈよりも小さい場合には、燃料電池スタック１の目標電流を所定の電流、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電流に制限する。燃料電池スタック１の目標電流は、駆動モータ５３や補機類５７などの電気負荷から要求される要求電力に基づいて算出される値である。

そして補機類５７の消費電力が制限閾値Ｔｈよりも大きくなると、燃料電池システム１００の制御方法を終了する。

また、ステップＳ９０１で補機類５７の消費電力が制限閾値Ｔｈよりも大きい場合には、ステップＳ９１１に進む。

ステップＳ９１１において補機制限判定部３１０は、補機制限フラグをＯＦＦに設定する。

ステップＳ９１２において乾燥制限判定部３５０は、乾燥制限フラグをＯＦＦに設定する。

ステップＳ９１３において加湿制限判定部３６０は、加湿制限フラグをＯＦＦに設定し、燃料電池システム１００の制御方法を終了する。

本発明の第２実施形態によれば、図５に示した排水素希釈要求流量演算部２２１は、パージ弁３６からパージされるアノードオフガスの流量が大きくなるほど、アノードガスを希釈するカソードガスの排水素希釈流量を大きくする。

そして、図３に示した補機制限判定部３１０は、補機類５７の消費電力が、制限閾値を超えるか否かを判定し、補機類５７の消費電力が制限閾値を超えた場合には、補機制限フラグをＯＮに設定する。暖機制限フラグがＯＮに設定された場合、すなわち補機類５７の消費電力が制限閾値を超えた場合に、図５に示した希釈要求制限流量演算部３３３は、カソードガスの排水素希釈要求流量を、希釈要求制限流量に制限する。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が補機類５７の消費電力よりも低下した場合に、排水素希釈要求に基づくコンプレッサ流量が制限されるので、補機類５７の消費電力を確実に低減することができる。

さらに本実施形態では、補機類５７の消費電力が制限閾値を超えた場合には、図１０に示した補機制限開度率保持部３３７は、パージ弁３６によって燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスの流量を補機制限開度率以下に制限する。補機制限開度率は、コンプレッサ流量を希釈要求制限流量に制限したときに排出ガス中の水素濃度が規定値よりも低くなるように予め定められている。

これにより、カソードガスの排水素希釈要求流量を制限した時点でパージ弁３６から排出されるアノードガスの排出量についても制限されるので、燃料電池システム１００に要求される安全基準を守りつつ、補機類５７の消費電力を低減することができる。

また、本実施形態では、図５に示した膜湿潤要求流量演算部２２２は、測定ＨＦＲが基準値よりも小さい場合、すなわち燃料電池の電解質膜が目標とする湿潤状態よりも湿っている場合には、カソードガスの湿潤要求流量を増加させる。

そして、湿潤要求制限流量演算部３３５は、補機類５７の消費電力が制限閾値を超えた場合において、電解質膜の湿潤状態と相関のある測定ＨＦＲが基準値よりも小さくなるときには、カソードガスの湿潤要求流量を湿潤要求制限流量により制限する。湿潤要求制限流量は、乾燥制限フラグがＯＮに設定されるときの膜湿潤要求流量よりも小さな値に設定される。

これにより、電解質膜が湿りすぎている状態、すなわち乾燥制御によって膜湿潤要求流量がコンプレッサ目標流量として設定されやすい状況で、膜湿潤要求流量が制限されるので、的確に、補機類５７の消費電力を制限することができる。また、図６に示したように、コンプレッサ流量を湿潤要求流量まで増加させる制御を制限することにより、効果的に、補機類５７の消費電力を低減することができる。

さらに本実施形態では、カソードガスの湿潤要求流量を制限した場合には、図１６に示した膜湿潤要求温度演算部３４２は、燃料電池スタック１の目標温度を、図１７に示したように目標ＨＦＲに応じて高くする。これにより、バイパス通路４３からの冷却水の割合が大きくなるように三方弁４４の開度が設定される。すなわち、燃料電池スタック１の温度を上昇させる制御が実行される。

これにより、燃料電池スタック１内の飽和水蒸気量が上昇して、カソードガスにより燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量が増加するので、電解質膜を乾燥させることができる。

このため、カソードガスの湿潤要求流量を制限した時点でスタック温度を上昇させることにより、コンプレッサ２４の消費電力を抑制しつつ、燃料電池の電解質膜が湿り過ぎた状態となってフラッディングが発生するのを防止できる。

また、本実施形態では、図１３に示した膜湿潤要求圧力演算部２２３は、燃料電池スタック１が目標とする湿潤状態よりも乾いている場合には、コンプレッサ２４よりも下流のカソードガスの湿潤要求圧力を上昇させる。

そして、湿潤要求制限圧力演算部３４０は、補機類５７の消費電力が制限閾値を超えた場合において、燃料電池スタック１が目標とする湿潤状態よりも乾いているときには、カソードガスの湿潤要求圧力を湿潤要求制限圧力に制限する。

これにより、電解質膜が乾きすぎている状態、すなわち加湿制御によって膜湿潤要求圧力がコンプレッサ目標下流圧力として設定されやすい状況で、膜湿潤要求圧力が制限されるので、的確に、補機類５７の消費電力を制限することができる。また、図６に示したように、コンプレッサ下流圧力を湿潤要求流量まで増加させる制御を制限することにより、効果的に、補機類５７の消費電力を低減することができる。

さらに本実施形態では、カソードガスの湿潤要求圧力を制限した場合には、図１６に示した膜湿潤要求温度演算部３４２は、燃料電池スタック１の目標温度を、図１７に示したように目標ＨＦＲに応じて低くする。これにより、ラジエータ４２からの冷却水の割合が大きくなるように三方弁４４の開度が設定される。すなわち、燃料電池スタック１の温度を低下させる制御が実行される。

このため、燃料電池スタック１内の飽和水蒸気量が下降して、カソードガスにより燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量が減少するので、電解質膜を加湿しやすくなる。

このように、カソードガスの湿潤要求圧力を制限した時点でスタック温度を低下させることにより、コンプレッサ２４の消費電力を抑制しつつ、燃料電池の電解質膜が乾き過ぎて劣化するのを防止することができる。

したがって、膜湿潤要求流量演算部２２２及び膜湿潤要求圧力演算部２２３は、燃料電池スタック１の湿潤状態に応じて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量及び圧力を制御する。これにより、コンプレッサ２４の消費電力を効果的に低減することができ、バッテリ５５の過放電を抑制することができる。

次に、燃料電池スタック１の暖機運転中に、コンバータ温度が上昇してＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下したときの冷却水ヒータ４６の出力を制限する手法について図１６を参照して説明する。

（第３実施形態）
図２０は、本発明の第３実施形態におけるヒータ出力制御部２０５の詳細構成を示すブロック図である。

本実施形態の燃料電池システムの構成は、図１に示した燃料電池システム１００と基本構成は同一であるため、同一構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。また、ヒータ出力制御部２０５は、図２に示した補機類制御部２００に相当する。

ヒータ出力制御部２０５は、冷却水ヒータ４６から出力される発熱量（以下、「ヒータ出力」という。）を制御する。ヒータ出力は、ここでは、燃料電池スタック１から冷却水ヒータ４６に供給される電力に相当する。

ヒータ出力制御部２０５は、暖機要求出力演算部２１８と、ヒータ目標出力設定部２３３と、補機消費可能電力算出部３４４と、積算部３４５と、ヒータ消費可能電力算出部３４６とを含む。

暖機要求出力演算部２１８は、燃料電池システム１００の起動時に燃料電池スタック１の暖機を促進するために、冷却水温度に基づいて、ヒータ出力（以下、「暖機要求出力」という。）を演算する。

本実施形態では、暖機要求出力演算部２１８は、予め定められた暖機要求出力マップを参照し、冷却水温度に対応付けられた暖機要求出力を算出する。暖機要求出力演算部２１８は、冷却水温度が低いほど、すなわち燃料電池スタック１の温度が低いほど、暖機要求出力を大きくする。例えば、燃料電池システム１００の零下起動時には、暖機要求出力は、ヒータ出力の可変範囲の最大値に設定される。暖機要求出力マップの詳細については図２１で後述する。

暖機要求出力演算部２１８は、暖機要求出力をヒータ目標出力設定部２３３に出力する。なお、暖機要求出力演算部２１８は、図２に示したシステム要求補機操作量演算部２２０を構成する。

補機消費可能電力算出部３４４は、図３に示した制限閾値算出部３１１と同じ構成である。補機消費可能電力算出部３４４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力に、図４に示したバッテリ５５の放電電力を加算し、その加算した値から車両補機の消費電力を減算することにより、補機類５７の消費可能電力を算出する。

積算部３４５は、コンプレッサ２４の消費電力と、冷却水ポンプ４５の消費電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の損失電力とを積算することにより、冷却水ヒータ４６以外の補機類５７の消費電力を算出する。

なお、コンプレッサ２４の消費電力、冷却水ポンプ４５の消費電力、及びＤＣ／ＤＣコンバータ５６の損失電力は、それぞれ、図３の補機消費電力算出部３１２で述べたものと同じである。

ヒータ消費可能電力算出部３４６は、補機類５７の消費可能電力から、冷却水ヒータ４６を除いた補機類５７の消費電力を減算することにより、冷却水ヒータ４６の消費可能電力を算出する。

なお、補機消費可能電力算出部３４４、積算部３４５、及びヒータ消費可能電力算出部３４６は、図２に示した補機消費電力制限部３００に相当する。

ヒータ目標出力設定部２３３は、冷却水ヒータ４６の消費可能電力と暖機要求出力とのうち大きい方の値を、ヒータ目標出力として設定する。例えば、暖機要求出力が冷却水ヒータ４６の消費可能電力よりも大きい場合には、ヒータ目標出力設定部２３３は、冷却水ヒータ４６の消費可能電力を、ヒータ目標出力として補機類指令部２４０に出力する。

このように、ヒータ出力制御部２０５は、補機類５７の消費可能電力を超えないように冷却水ヒータ４６の暖機要求出力を制限する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力の低下に応じてヒータ出力が低く制限されるので、暖機要求出力によってバッテリ５５から過大な放電電力が取り出されるという事態を回避することができる。

図２１は、暖機要求出力演算部２１８に記憶される暖機要求出力マップの一例を示す図である。ここでは、横軸が燃料電池スタック１の冷却水温度であり、縦軸が冷却水ヒータ４６の暖機要求出力である。冷却水温度は、スタック出口水温センサ４７の検出値とスタック入口水温センサ４８の検出値との平均値である。

暖機要求出力マップでは、冷却水温度が例えば０℃よりも低い場合には、燃料電池スタック１の暖機を促進するために、ヒータ出力は最大値に設定されている。一方、冷却水温度が高くなるほど、暖機要求出力が低くなる。これにより、冷却水ヒータ４６の消費電力を低減することができる。

本発明の第３実施形態によれば、図２０に示したヒータ出力制御部２０５は、燃料電池スタック１の温度が、所定の温度例えば６０℃よりも低いときには、図２１に示したように冷却水ヒータ４６の暖機要求出力（発熱量）を大きくする。

そしてヒータ消費可能電力算出部３４６は、補機類５７の消費電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力に基づいて設定された制限閾値を超えた場合には、冷却水ヒータ４６の暖機要求出力を制限する。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力が低下した場合に、冷却水ヒータ４６によってバッテリ５５から放電可能電力を超える過大な電力が出力されることを防ぐことができる。

さらに本実施形態では、補機消費可能電力算出部３４４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の通過可能電力とバッテリ５５の放電可能電力とに基づいて補機類５７の消費可能電力を求め、補機類５７の消費可能電力から補機類５７の消費電力を減算した値に冷却水ヒータ４６の消費電力を制限する。

これにより、冷却水ヒータ４６によるバッテリ５５の過放電を抑制しつつ、冷却水ヒータ４６の発熱によって燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、本実施形態では、補機類５７としてコンプレッサ２４や冷却水ポンプ４５などの複数の補機で構成される例について説明したが、いずれか１つの補機のみがＤＣ／ＤＣコンバータ５６とバッテリ５５との間に接続されてもよい。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

Claims (12)

1. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて負荷に応じて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池からの電力の充電、又は、前記負荷への電力の放電を行うバッテリと、
   前記燃料電池と前記バッテリとの間に接続され、前記燃料電池及び前記バッテリの少なくとも一方の電圧を変換して前記燃料電池から前記バッテリへ電力を供給する変換器と、
   前記バッテリと前記変換器との間に接続され、前記燃料電池の動作を補助する補機類と、
   前記補機類のうちの少なくとも一部を２つの系統により制御するコントローラと、を含み、
   前記コントローラは、
   前記２つの系統のうち一方の系統として、前記負荷に基づいて、前記補機類の操作量を制御する発電制御部と、
   他方の系統として、前記燃料電池の性能を維持するための運転条件に応じて、前記補機類のうちの少なくとも一部の操作量を制御するシステム制御部と、
   前記変換器の温度に基づいて、前記発電制御部によって制御される補機類の操作量と、前記システム制御部によって制御される補機類の操作量とのうち少なくとも一方を制限する制限部と、を含む、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制限部は、前記変換器の温度に基づいて定められる前記変換器の通過可能電力が、前記補機類の消費電力よりも低下した場合に、前記バッテリの放電可能電力に応じて前記補機類の操作量の制限を緩和する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの運転状態は、前記燃料電池から排出されるアノードガスの流量を含み、
   前記補機類は、前記燃料電池へカソードガスを供給するコンプレッサを含み、
   前記システム制御部は、前記燃料電池から排出されるアノードガスの流量が大きくなるほど、前記燃料電池に供給されるカソードガスの一部をバイパスして当該アノードガスを希釈するカソードガスの流量を大きくし、
   前記制限部は、前記補機類の消費電力が、前記変換器の温度に基づいて定められた閾値を超えた場合には、前記システム制御部により制御される前記カソードガスの流量を制限する、
   燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記制限部は、前記補機類の消費電力が前記閾値を超えた場合には、前記燃料電池から排出されるアノードガスの流量を制限する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの運転状態は、前記燃料電池の湿潤状態を含み、
   前記補機類は、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサを含み、
   前記システム制御部は、前記燃料電池の湿潤状態に応じて、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量及び圧力を制御し、
   前記制限部は、前記補機類の消費電力が、前記変換器の温度に基づいて定められた閾値を超えた場合には、前記燃料電池の湿潤状態に応じて前記システム制御部により制御される前記カソードガスの流量又は圧力を制限する、
   燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記システム制御部は、前記燃料電池が目標とする湿潤状態よりも湿っている場合には、前記カソードガスの流量を増加させ、
   前記制限部は、前記補機類の消費電力が前記閾値を超えた場合において、前記燃料電池が目標とする湿潤状態よりも湿っているときには、前記システム制御部により制御される前記カソードガスの流量を制限する、
   燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記制限部は、前記カソードガスの流量を制限した場合には、前記燃料電池の温度を上昇させる制御を実行する、
   燃料電池システム。
8. 請求項５に記載の燃料電池システムであって、
   前記システム制御部は、前記燃料電池が目標とする湿潤状態よりも乾いている場合には、前記カソードガスの圧力を上昇させ、
   前記制限部は、前記補機類の消費電力が前記閾値を超えた場合において、前記燃料電池が目標とする湿潤状態よりも乾いているときには、前記システム制御部により制御される前記カソードガスの圧力を制限する、
   燃料電池システム。
9. 請求項８に記載の燃料電池システムであって、
   前記制限部は、前記カソードガスの圧力を制限した場合には、前記燃料電池の温度を低下させる制御を実行する、
   燃料電池システム。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムの運転状態は、前記燃料電池の温度を含み、
    前記補機類は、前記燃料電池に供給される冷却水を加熱するヒータを含み、
    前記システム制御部は、前記燃料電池の温度が所定の温度よりも低いときには、前記ヒータから発熱される発熱量を大きくし、
    前記制限部は、前記補機類の消費電力が、前記変換器の温度に基づいて定められた閾値を超えた場合には、前記システム制御部により制御される前記ヒータの発熱量を制限する、
    燃料電池システム。
11. 請求項１０に記載の燃料電池システムであって、
    前記制限部は、前記変換器の通過可能電力と前記バッテリの放電可能電力とに基づいて前記補機類の消費可能電力を求め、当該消費可能電力から前記ヒータを除く前記補機類の消費電力を減算した値に前記ヒータの消費電力を制限する、
    燃料電池システム。
12. アノードガス及びカソードガスの供給を受けて負荷に応じて発電する燃料電池と、前記燃料電池からの電力の充電、又は、前記負荷への電力の放電を行うバッテリと、前記燃料電池と前記バッテリとの間に接続される変換器と、前記バッテリと前記変換器との間に接続される補機類と、前記補機類のうちの少なくとも一部を２つの系統により制御するコントローラと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池及び前記バッテリの少なくとも一方の電圧を変換する変換ステップと、
    前記２つの系統のうち一方の系統により、前記燃料電池の負荷に基づいて、前記補機類の操作量を制御する発電制御ステップと、
    他方の系統により、前記燃料電池の性能を維持するための運転条件に応じて、前記補機類のうちの少なくとも一部の操作量を制御するシステム制御ステップと、
    前記変換器の温度に基づいて、前記発電制御ステップによって制御される補機類の操作量と、前記システム制御ステップによって制御される補機類の操作量とのうち少なくとも一方を制限する制限ステップと、
    を含む燃料電池システムの制御方法。

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