JP6790509B2 - 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

本発明は、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。

特許文献１には、酸化剤ガス及び燃料ガスを燃焼器で燃焼し、得られた燃焼廃ガスの熱をシステム内で利用する燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、燃焼廃ガスの温度を検出し、燃焼廃ガスの温度に応じて各種制御対象機器をフィードバック制御する。

特開２０００−１６４２３３号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、各種制御対象機器が燃焼器における燃焼の後に得られる燃焼廃ガスの温度に基づきフィードバック制御されているため、必ずしも十分な応答性を確保することが困難であった。

本発明のある態様によれば、燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサと、コンプレッサを駆動するタービンと、タービンを駆動する燃焼ガスを生成する燃焼器を備えた燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムでは、コンプレッサに吸入される酸化剤の吸入流量を取得し、取得された吸入酸化剤流量に基づき燃焼器への燃料供給量を制御する。

本発明のある態様によれば、燃焼器による燃焼が行われる前の状態である吸入酸化剤流量を用いて燃焼器への燃料供給量が制御されるので、タービンに要求される動力に応じた適切な燃料供給量の調節を応答良く実現することができる。すなわち、燃焼廃ガスの温度を検出するなどの燃料が燃焼した結果の状態を取得しこれに基づいて燃料供給量を制御するものと比較して、タービンへ供給される燃焼ガスの温度を応答良く制御することができる。また、燃焼ガスの温度は燃焼器内の燃料の濃度で決まるため、吸入酸化剤流量に基づく燃料供給量の制御により、コンプレッサの運転条件によらず燃焼ガスの温度をより正確に制御することができる。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、燃料電池システムの作動状態を説明するフローチャートである。 図３は、目標スタック電流演算の流れを示すフローチャートである。 図４は、冷却系操作量演算の流れを示すフローチャートである。 図５は、空気系操作量演算の流れを示すフローチャートである。 図６は、燃料系操作量演算の流れを示すフローチャートである。 図７は、空気系の制御を説明するブロック図である。 図８は、空気系制御部のより詳細な機能を説明するブロック図である。 図９は、タービン入口空気圧力の算出機能を示すブロック図である。 図１０は、タービン効率の算出機能を示すブロック図である。 図１１は、目標モータ出力マップの概要を示す図である。 図１２は、第１実施形態の燃焼器水素量制御部による目標水素供給弁開度の算出機能を説明するブロック図である。 図１３は、燃料電池システムの制御における経時的な流れの一例を説明するタイムチャートである。 図１４は、第２実施形態の燃料電池システムにおけるコントローラの機能の一例を示すブロック図である。 図１５は、第２実施形態の燃焼器水素量制御部による目標水素供給弁開度の算出機能を説明するブロック図である。 図１６は、相対湿度マップの一例を示している。

以下、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実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。

図示のように、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、カソード給排機構１２と、アノード供給機構１４と、コンプレッサ６４及びタービン６２を有する過給器としてのターボ過給機１６と、加熱／冷却機構１７と、ＨＦＲ測定装置１８と、負荷装置１９と、コントローラ２０と、を有している。

燃料電池スタック１０は、複数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１０は、アノード供給機構１４からのアノードガス（水素）の供給及びカソード給排機構１２からのカソードガス（空気）の供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、コンプレッサ６４等の各種の補機類や、図示しない車輪駆動用の走行モータで使用される。また、燃料電池スタック１０の正極端子及び負極端子には、ＨＦＲ測定装置１８と負荷装置１９が接続されている。

カソード給排機構１２は、カソードガス供給通路２２と、カソードガス排出通路２４と、を備えている。

カソードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１０に供給される空気が流れる通路である。カソードガス供給通路２２の一端はコンプレッサ６４の吸気入口に接続され、他端は燃料電池スタック１０に接続される。

カソードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１０から排出されるカソード排ガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２４の一端は燃料電池スタック１０に接続され、他端はタービン６２に接続されている。

そして、カソードガス供給通路２２には、上流から順に、エアフローメータ２６と、空気圧力センサ２８が設けられている。また、カソードガス排出通路２４には、上流から順に、スタック出口温度センサ３０と、燃焼器３２と、ノズルベーン３４と、が設けられている。

エアフローメータ２６は、カソードガス供給通路２２において、ターボ過給機１６のコンプレッサ６４の吸気入口に設けられている。エアフローメータ２６は、コンプレッサ６４に吸入される空気の流量（以下では「吸入流量」とも記載する）を検出する。エアフローメータ２６で検出された吸入流量検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。

空気圧力センサ２８は、コンプレッサ６４から吐出されたカソードガス供給通路２２の圧力（以下では「空気圧力」とも記載する）を検出する。空気圧力センサ２８で検出された空気圧力検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。

また、カソードガス供給通路２２において、コンプレッサ６４と空気圧力センサ２８の間には、カソードガス排出通路２４のスタック出口温度センサ３０と燃焼器３２の間に接続されるバイパス通路３６が接続されている。

バイパス通路３６は、コンプレッサ６４によりカソードガス供給通路２２に吸入される空気の一部を、燃料電池スタック１０をバイパスさせてカソードガス排出通路２４へ供給する。バイパス通路３６には、バイパス弁３８が設けられている。バイパス弁３８は、バイパス通路３６を流れる空気の流量を調節する。

バイパス弁３８は、コントローラ２０によって開閉制御される。例えば、コンプレッサ６４によりカソードガス供給通路２２に吸入される空気の流量が燃料電池スタック１０により発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、コントローラ２０はバイパス弁３８の開度を増加させる。これにより、バイパス流量が増加して、燃料電池スタック１０内の電解質膜の過乾燥が防止される。

スタック出口温度センサ３０は、燃料電池スタック１０から排出されるカソード排ガスの温度（以下、スタック出口温度とも記載する）を検出する。スタック出口温度センサ３０で検出されたスタック出口温度検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。

燃焼器３２は、水素とカソード排ガスを図示しないミキサで混合してなる混合ガスを、白金等による触媒作用で触媒燃焼させ、燃焼後に残ったガス（燃焼ガス）を排出する。この燃焼器３２には、アノード供給機構１４の高圧タンク４０から水素が供給される一方で、燃料電池スタック１０からのカソード排ガス及びバイパス通路３６からの空気が混合されてなるカソード排ガスが供給される。

なお、本実施形態では、燃焼器３２として触媒燃焼方式の燃焼器が用いられることで、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器を用いる場合と比較して、窒素化合物（Ｎｏｘ）の発生が抑制される。しかしながら、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器等の触媒燃焼器以外の燃焼器を用いても良い。

また、カソードガス排出通路２４における燃焼器３２とノズルベーン３４の間には、タービンバイパス通路３９が接続されている。このタービンバイパス通路３９は、燃焼器３２からの燃焼ガスの一部を、加熱／冷却機構１７に供給する。

すなわち、燃料電池スタック１０の暖機時などにおいて、燃焼ガスの一部を加熱／冷却機構１７に供給し、燃焼ガスの熱で燃料電池スタック１０を暖めることで暖機を促進することができる。また、タービンバイパス通路３９から加熱／冷却機構１７へ供給されて加熱／冷却機構１７で熱が回収された後の燃焼ガスは、後述するタービン排気通路６８に合流して燃料電池システム１００の外部に排出される。

ノズルベーン３４は、タービン６２に供給する燃焼ガスの圧力を調節する。ノズルベーン３４の開度（ノズルリフト量）は、コントローラ２０により制御される。ノズルベーン３４は、開放状態でタービン６２への入口流路の断面積が増加し、カソードガス排出通路２４からタービン６２に流入する燃焼ガスの圧力損失が相対的に小さくなる。一方、ノズルベーン３４の閉塞状態では、タービン６２への入口流路の断面積が相対的に減少し、圧力損失が大きくなる。すなわち、ノズルベーン開度が増大するほど、システムの運転圧力を下げることができる。

次に、アノード供給機構１４について説明する。本実施形態におけるアノード供給機構１４は、高圧タンク４０と、水素ヒータ４２と、スタック用水素供給通路４４と、燃焼器用水素供給通路４６と、を備えている。

高圧タンク４０は、燃料電池スタック１０及び燃焼器３２に供給する水素を高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。

水素ヒータ４２は、加熱／冷却機構１７から供給される熱により高圧タンク４０からの水素を加熱する熱交換器である。具体的に、高圧タンク４０からの水素は、加熱／冷却機構１７における燃料電池スタック１０の冷却水と熱交換されることで加熱される。

スタック用水素供給通路４４は、高圧タンク４０から排出される水素を燃料電池スタック１０のアノード極に供給する通路である。スタック用水素供給通路４４の一端は水素ヒータ４２に接続され、他端は燃料電池スタック１０に接続される。

また、スタック用水素供給通路４４には、スタック供給水素調圧弁４８が設けられている。スタック供給水素調圧弁４８は、コントローラ２０により開閉制御され、燃料電池スタック１０へ供給される水素の圧力が調節される。

一方、燃焼器用水素供給通路４６は、高圧タンク４０から排出される水素の一部を、燃焼器３２に供給する通路である。燃焼器用水素供給通路４６は、その一端がスタック用水素供給通路４４に連通して分岐しており、他端が燃焼器３２に連結されている。

また、燃焼器用水素供給通路４６には、燃焼器用水素供給通路４６内の水素の圧力、すなわち燃焼器３２へ供給される水素の圧力（以下では、供給水素圧力とも記載する）を検出する水素圧力検出センサ４７が設けられている。水素圧力検出センサ４７による供給水素圧力検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。

また、燃焼器用水素供給通路４６には、燃焼器３２への水素供給量を任意に調節する燃焼器水素供給弁４９が設けられている。燃焼器水素供給弁４９は、燃焼器３２への水素供給量を適宜調節する弁である。燃焼器水素供給弁４９は、コントローラ２０によりその開度が調節される。燃焼器水素供給弁４９は、例えば、比例ソレノイド等で構成することができる。

なお、本実施形態にかかる燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１０からのアノード排ガスは、たとえば循環型又は非循環型等の図示しないアノード排出系により処理することができる。

次に、ターボ過給機１６について説明する。ターボ過給機１６は、電動モータ６０と、タービン６２と、コンプレッサ６４と、を備えている。

電動モータ６０は、回転駆動軸６６の一方側でコンプレッサ６４に接続されるとともに、回転駆動軸６６の他方側でタービン６２に接続される。電動モータ６０は、図示しないバッテリ、及び燃料電池スタック１０から電力の供給を受けてコンプレッサ６４を回転駆動する電動機としての機能（力行モード）、及び外力によって回転駆動されることで発電し、バッテリ等に電力を供給する発電機としての機能（回生モード）を有する。電動モータ６０は、図示しないモータケースと、モータケースの内周面に固定されるステータと、ステータの内側に回転可能に配置されるロータと、を有し、ロータは上記回転駆動軸６６に一体に取り付けられる。

また、電動モータ６０には、回転数センサ７２が設けられている。回転数センサ７２は、電動モータ６０の回転速度を検出する。回転数センサ７２で検出された電動モータ回転数検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。

タービン６２は、燃焼器３２から供給される燃焼ガスによって回転駆動される。そして、タービン６２は、この回転駆動力を、回転駆動軸６６を介してコンプレッサ６４に出力する。すなわち、タービン６２の回収動力（以下、「タービン回収動力」とも記載する）で回転駆動軸６６を介して直接コンプレッサ６４を回転させることができる。

なお、タービン６２の回収動力により電動モータ６０を駆動しても良い。また、タービン６２からの回収動力で電動モータ６０を駆動することで電動モータ６０の回生運転を行うことができる。さらに、タービン６２の駆動に使用された後の燃焼ガスは、タービン排気通路６８を介して排出される。

また、コンプレッサ６４の要求動力が比較的大きく、タービン回収動力を増加させる必要がある場合などには、タービン６２へ流入する燃焼ガスの流量（以下では、「タービンガス入口流量」とも記載する）、温度（以下では、「タービン入口温度」）、及び圧力を増加させてコンプレッサ６４へ好適に動力を供給することができる。また、上述したノズルベーン３４のノズルリフト量の調節により、タービン６２へ供給される燃焼ガスの圧力を調節することでタービン６２による回収動力を調節することができる。

コンプレッサ６４は、電動モータ６０及びタービン６２と回転駆動軸６６を介して接続されている。コンプレッサ６４は、電動モータ６０及びタービン６２の少なくとも何れか一方により回転駆動軸６６を介して回転駆動され、外部から燃料電池システム１００内に空気を吸入する。そして、コンプレッサ６４は、吸入した空気をカソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０のカソード極に供給する。したがって、本実施形態では、コンプレッサ６４は、タービン６２とは独立した電動モータ６０と、タービン６２により駆動される。

次に、加熱／冷却機構１７について説明する。加熱／冷却機構１７は、冷却水循環流路８０と、熱交換器８２と、冷却水循環ポンプ８４と、を有している。加熱／冷却機構１７では、図示しないラジエータ等の冷却装置により、冷却水循環流路８０内の冷却水の温度が制御される。

冷却水循環流路８０は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａから冷却水出口１０ｂの間で冷却水を循環させる通路である。すなわち、冷却水循環流路８０を循環する冷却水は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａから燃料電池スタック１０内に供給されるとともに、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂから排出される方向に流れる。

さらに、冷却水循環流路８０には、上述した水素ヒータ４２に冷却水を供給する冷却水分岐路８６が接続されている。したがって、冷却水循環流路８０から冷却水分岐路８６に流れる冷却水により、高圧タンク４０から燃料電池スタック１０や燃焼器３２に供給される水素が加熱されることとなる。

また、冷却水循環流路８０には、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂの近傍に水温センサ８８が設けられている。水温センサ８８は、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度（以下では、「冷却水温度」とも記載する）を検出する。水温センサ８８で検出された冷却水温度検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。

なお、本実施形態では、水素ヒータ４２により水素が燃料電池スタック１０の冷却水と熱交換されるので、冷却水温度は、実質的に燃焼器３２へ供給される水素の温度と同一とみなすことができる。

熱交換器８２は、冷却水循環流路８０を流れる冷却水と上述したタービンバイパス通路３９からの排ガスとの間で熱交換を行う。

冷却水循環ポンプ８４は、冷却水循環流路８０で冷却水を循環させる。なお、冷却水循環ポンプ８４の出力は、コントローラ２０により制御される。

次にＨＦＲ測定装置１８について説明する。ＨＦＲ測定装置１８は、燃料電池スタック１０内の電解質膜の湿潤状態を取得する湿潤状態取得装置として機能する。ＨＦＲ測定装置１８は、燃料電池スタック１０に接続され、電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１０の内部インピーダンスを測定する。

一般に、電解質膜の含水量（水分）が少なくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスは大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスは小さくなる。このため、本実施形態では、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスが用いられる。

そして、ＨＦＲ測定装置１８は、例えば、電解質膜の電気抵抗を検出するのに適した高周波数の交流電流を供給し、出力される交流電圧の振幅を当該交流電流の振幅で除することにより、内部インピーダンスを算出する。

以下では、この高周波数の交流電圧及び交流電流に基づいて算出される内部インピーダンスをＨＦＲ（High Frequency Resistance）とも記載する。ＨＦＲ測定装置１８は、算出したＨＦＲ値をＨＦＲ測定値としてコントローラ２０に出力する。なお、本実施形態では、ＨＦＲ測定装置１８を省略しても良い。

負荷装置１９は、燃料電池スタック１０から供給される発電電力を受けて駆動する。負荷装置１９としては、例えば、車両を駆動する走行モータや電動モータ６０等の各種補機類などが挙げられる。

なお、負荷装置１９は、その作動に必要な電力を、燃料電池スタック１０に対する要求電力としてコントローラ２０に出力する。

負荷装置１９と燃料電池スタック１０との間には、電流センサ５１と電圧センサ５２とが配置される。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１０の正極端子と負荷装置１９の正極端子との間の電源線に接続される。電流センサ５１は、燃料電池スタック１０から負荷装置１９に出力される電流を検出する。以下では、燃料電池スタック１０から負荷装置１９に出力される電流のことを「スタック電流」とも記載する。電流センサ５１は、スタック電流検出値の信号をコントローラ２０に出力する。

電圧センサ５２は、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子との間に接続される。電圧センサ５２は、正極端子と負極端子との間の電圧である端子間電圧を検出する。以下では、燃料電池スタック１０の端子間電圧のことを「スタック電圧」という。電圧センサ５２は、スタック電圧検出値の信号をコントローラ２０に出力する。

さらに、上述のように構成される燃料電池システム１００は、当該システムを統括的に制御するコントローラ２０を有している。

コントローラ２０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２０には、燃料電池システム１００の運転状態検出部からの信号が入力される。具体的に、コントローラ２０は、運転状態検出部として、ＨＦＲ測定装置１８、エアフローメータ２６、空気圧力センサ２８、スタック出口温度センサ３０、水素圧力検出センサ４７、電流センサ５１、電圧センサ５２、回転数センサ７２、及び水温センサ８８を有している。そして、コントローラ２０には、これらからの信号が入力される。

さらに、コントローラ２０には、燃料電池スタック１０に接続された負荷装置１９による負荷に応じた要求電力の信号が、負荷装置１９の運転制御装置から入力される。負荷装置１９による負荷には、例えば、図示しないアクセルペダルセンサで検出されるアクセルペダルの操作量に基づく走行用電力（システム要求出力）、電動モータ６０や各種ポンプ及びバルブ等の、燃料電池システム１００を作動させるための補機類で消費される電力（補機消費電力）が含まれる。

コントローラ２０は、上記要求負荷に基づいて燃料電池システム１００への要求発電電力を算出する。すなわち、燃料電池スタック１０に対する要求発電電力は、燃料電池システム１００の外部に出力される走行用電力等のシステム要求出力と、補機消費電力の和に相当する。本実施形態では、補機消費電力に含まれる電動モータ６０の消費電力分を、タービン６２の回収動力でアシストする。

そして、コントローラ２０は、予め定められている燃料電池スタック１０のＩＶ特性に基づいて、要求発電電力からスタック電流の目標値である目標スタック電流を算出する。

コントローラ２０は、上記各入力信号等に基づいて、ノズルベーン３４のノズルリフト量、バイパス弁３８の開度、スタック供給水素調圧弁４８の開度、燃焼器水素供給弁４９の開度、電動モータ６０の出力（トルク又は動力）、及び冷却水循環ポンプ８４の出力を制御する。

以下では、本実施形態にかかる燃料電池システム１００の制御態様について説明する。なお、本実施形態においては、「出力」に相当する語として「動力」及び「電力」という語を、それらが機械的エネルギー及び電気的エネルギーのいずれも意味する用語として区別すること無く用いる。

図２は、燃料電池システム１００の全体的な制御の概要を説明するフローチャートである。

図示のように、ステップＳ１００において、コントローラ２０は、負荷装置１９による要求電力の信号を読み込む。

ステップＳ１１０において、コントローラ２０は目標スタック電流を演算する。

図３は、目標スタック電流の演算の流れを示すフローチャートである。

図示のように、ステップＳ１１１において、コントローラ２０は補機の消費電力を推定する。具体的には、コントローラ２０は、回転数センサ７２による電動モータ回転数検出値等から電動モータ６０の消費電力の推定値を算出する。また、冷却水循環ポンプ８４や燃焼器水素供給弁４９等の他のアクチュエータの消費電力又はその推定値を電動モータ６０の消費電力の推定値に加算した値を補機の消費電力推定値としても良い。

ステップＳ１１２において、コントローラ２０は、目標スタック電力を演算する。具体的には、負荷装置１９により含まれる、上述のアクセルペダルの操作量に基づく走行用電力としてのシステム要求出力に、ステップＳ１１１で算出した補機消費電力の推定値を加算して目標スタック電力を演算する。

ステップＳ１１３において、コントローラ２０は、実スタック電力を演算する。具体的には、コントローラ２０は、電流センサ５１によるスタック電流検出値と電圧センサ５２によるスタック電圧検出値を乗じて実スタック電力を演算する。

ステップＳ１１４において、コントローラ２０は、目標スタック電流を演算する。具体的には、コントローラ２０は、ＩＶ特性を参照しつつ、ステップＳ１１３で演算した実スタック電力が、ステップＳ１１２で演算した目標スタック電力に近づくように、目標スタック電流を定める。

図２に戻り、ステップＳ１１０で目標スタック電流が演算されると、ステップＳ１２０の冷却系操作量の演算、ステップＳ１３０の空気系操作量の演算、及びステップＳ１４０の燃料系操作量演算が行われる。

図４は、冷却系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。

先ず、ステップＳ１２１において、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を好適に制御する観点から、ＨＦＲ測定装置１８によるＨＦＲ測定値が目標スタック電流に基づいて算出される目標ＨＦＲに近づくように、湿潤制御要求目標空気流量及び湿潤制御要求目標空気圧力を演算する。

ステップＳ１２２において、コントローラ２０は、各冷却系アクチュエータの操作量を演算する。例えば、コントローラ２０は、上記目標ＨＦＲ等に基づいて、冷却水循環流路８０に設けられる図示しないラジエータの目標ラジエータファン回転数や図示しない三方弁８の目標開度を算出する。

次に、空気系操作量の演算の流れについて説明する。

図５は、空気系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。なお、本フローチャートの処理は、後述する図７及び図８のブロック図で説明する処理に相当する。

図示のように、ステップＳ１３１において、コントローラ２０は、予め定められたマップに基づいて、目標スタック電流から、空気圧力の目標値である目標空気圧力を算出する。

ステップＳ１３２において、コントローラ２０は、予め定められたマップに基づいて、目標スタック電流から吸入流量の目標値である目標空気流量を算出する。

ステップＳ１３３において、コントローラ２０は、各アクチュエータの操作量を演算する。具体的に、コントローラ２０は、ステップＳ１３１で算出した目標空気圧力、ステップＳ１３２で算出した目標空気流量、エアフローメータ２６による吸入流量検出値、後述するタービン入口温度の前回値、及び空気圧力センサ２８による空気圧力検出値に基づいて、ノズルベーン３４の指令ノズルリフト量、電動モータ６０の指令トルク、及び目標タービン入口温度を算出する。

ステップＳ１３４において、コントローラ２０は、燃焼器水素供給弁４９の開度の目標値である目標水素供給弁開度を演算する。具体的に、コントローラ２０は、スタック出口温度センサ３０によるスタック出口温度検出値、ステップＳ１３３で演算された目標タービン入口温度、エアフローメータ２６による流量検出値、電流センサ５１によるスタック電流検出値、空気圧力センサ２８による空気圧力検出値、及び水温センサ８８による冷却水温度、水素圧力検出センサ４７による供給水素圧力検出値に基づいて、目標水素供給弁開度を演算する。

特に、本実施形態では、コントローラ２０は、スタック出口温度に基づく熱示性量として、燃料電池スタック１０のカソード出口から排出されるカソード排ガスのエンタルピ（以下では、「燃焼器入口ガス比エンタルピ」とも記載する）を算出する。なお、本実施形態で燃焼器入口ガス比エンタルピとは、燃料電池スタック１０から排出されたカソード排ガスの単位流量あたりの熱量を意味する。また、本実施例ではスタック出口温度としてスタック出口温度センサ３０の検出値を用いているが、冷却水温度とスタック出口空気温度が近いシステムでは、水温センサ８８の検出値を用いても良い。

また、コントローラ２０は、タービン入口温度に基づく熱示性量として、タービン６２に供給される燃焼ガスのエンタルピ（以下では、「タービン入口ガス比エンタルピ」とも記載する）を算出する。なお、本実施形態でタービン入口ガス比エンタルピとは、燃焼器３２から排出された燃焼ガスの単位流量あたりの熱量を意味する。

さらに、コントローラ２０は、スタック電流検出値から所定の酸素消費量演算式に基づいて、燃料電池スタック１０内の発電により消費される酸素の流量（以下では、「消費酸素流量」とも記載する）を算出する。

そして、コントローラ２０は、流量検出値、燃焼器入口ガス比エンタルピ、タービン入口ガス比エンタルピ、及び消費酸素流量に基づいて燃焼器３２へ供給する水素の供給流量の目標値である目標水素流量を演算する。

さらに、コントローラ２０は、空気圧力検出値、供給水素圧力検出値、及び冷却水温度（水素温度）の検出値に基づいて、燃焼器水素供給弁４９が最大開度である場合に当該燃焼器水素供給弁４９を通過させることが可能な水素流量として、最大水素通過流量を算出する。

そして、コントローラ２０は、この最大水素通過流量と目標水素流量に基づいて、目標水素供給弁開度を演算する。

図６は、燃料系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。

図示のように、ステップＳ１４１において、コントローラ２０は、目標スタック電流等に基づいて燃料電池スタック１０に供給する水素圧力の目標値である目標供給水素圧力を演算する。

ステップＳ１４２において、コントローラ２０は、目標供給水素圧力に基づいて、スタック供給水素調圧弁４８の開度目標値である目標スタック供給水素調圧弁開度や図示しないパージ弁の開度等の燃料系アクチュエータの操作量を演算する。

図２に戻り、ステップＳ１５０において、コントローラ２０は、上記ステップＳ１２０で演算した冷却系アクチュエータの操作量、上記ステップＳ１３０において演算した空気系アクチュエータの操作量、及び上記ステップＳ１４０で演算した燃料系アクチュエータの操作量に基づいて、冷却系アクチュエータ、空気系アクチュエータ、及び燃料系アクチュエータをそれぞれ制御する。

次に、本実施形態における燃料電池システム１００における空気系の制御について、図７〜図１２に示すブロック図を参照して詳細に説明する。なお、図７〜図１２に示す各ブロックの機能は、コントローラ２０により実現される。

図７は、燃料電池システム１００における空気系制御全体の機能の概要を示すブロック図である。

図示のように、コントローラ２０は、目標空気圧力演算部Ｂ１０１と、目標空気流量演算部Ｂ１０２と、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３と、ミニマムセレクト部Ｂ１０４と、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５と、を有している。

目標空気圧力演算部Ｂ１０１には、図３に示す処理にしたがい演算された目標スタック電流が入力される。目標空気圧力演算部Ｂ１０１は、予め定められたマップに基づいて、目標スタック電流から目標空気圧力を演算する。さらに、目標空気圧力演算部Ｂ１０１は、演算した目標空気圧力を空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３に出力する。

なお、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３に出力される目標空気圧力を、燃料電池スタック１０内における電解質膜の湿潤状態やアノードオフガスを希釈するための希釈要求などのシステム内の種々の要求に応じて上限値や下限値をとるように補正することもできる。

目標空気流量演算部Ｂ１０２には、図３に示す処理にしたがい演算された目標スタック電流が入力される。目標空気流量演算部Ｂ１０２は、予め定められたマップに基づいて、目標スタック電流から目標空気流量を演算する。さらに、目標空気流量演算部Ｂ１０２は、演算した目標空気流量を空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３に出力する。

なお、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３に出力される目標空気流量に対して、燃料電池スタック１０内における電解質膜の湿潤状態やアノードオフガスを希釈するための希釈要求などのシステム内の種々の要求において上限値や下限値をとるように補正することもできる。

空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３には、目標スタック電流、目標空気圧力、目標空気流量、吸入流量検出値、タービン入口温度前回値、電動モータ回転数検出値、及び空気圧力検出値が入力される。空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３は、これら入力された値に基づいて、目標ノズルベーン開度、電動モータ指令トルク、及び目標タービン入口温度を演算する。

図８は、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３の詳細な機能を示すブロック図である。図示のように、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３は、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１と、演算部Ｂ１０３２と、空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３と、演算部Ｂ１０３４と、目標電動モータ出力演算部Ｂ１０３５と、回収動力／温度変換部Ｂ１０３６と、を有している。

図示のように、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１には、空気圧力検出値、空気流量検出値、及び目標タービン入口温度前回値が入力される。タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、これら値及び図示しない記憶部に記憶されたタービン入口温度前回値からタービン回収動力の推定値（以下では、「推定タービン回収動力」とも記載する）を算出する。

具体的に、先ず、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、以下に示す離散系における一時遅れの近似式（１）を用いてタービン入口温度の推定値Ｔｔ_{_in_e}を求める。

ただし、
Ｔｔ_{_in_e}(ｎ−1)：タービン入口温度前回値[℃]
Ｔｔ_{_in_t}：目標タービン入口温度前回値[℃]
ｔｓ：時定数［sec］
ｔ_samp：制御演算周期［sec］
である。なお、時定数ｔｓは、実験等により予め定められる。

そして、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、推定したタービン入口温度からタービン回収動力の推定値を算出する。具体的に、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、以下の式（２）に基づいてタービン回収動力の推定値を算出する。

ただし、
ＰＯ_{t_e}：タービン回収動力の推定値 [kW]
Ｑ_in：吸入流量検出値 [NL/min]
Ｍ_air：空気の式量 [g/mol]
ｃｐ_air：空気の定圧比熱 [kJ/(g・K)]
Ｖ_sta：標準状態における体積（＝２２．４１４） [L]
η_cp：タービン効率
Ｔ_{t_in_e}：タービン入口温度の推定値 [℃]
Ｔ_sta：標準状態における絶対温度（＝２７３．１５） [K]
Ｐ_{t_in}：タービン入口空気圧力 [kPa＿a]
Ｐ_{t_out}：タービン出口空気圧力 [ｋPa_a]
γ：比熱比
６０：秒分間の単位変換係数
１０００：ｍ³とＬ（リットル）の単位変換係数
である。

タービン入口空気圧力Ｐｔ_{_in}は、空気圧力検出値及び吸入流量検出値に基づいて算出される。

図９は、タービン入口空気圧力Ｐｔ_{_in}の算出機能を示すブロック図である。タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、タービン入口空気圧力Ｐｔ_{_in}の演算を行う機能として、図に示す圧損演算ブロックＢ２０１と、演算部Ｂ２０２と、を有している。

圧損演算ブロックＢ２０１には、吸入流量検出値が入力される。圧損演算ブロックＢ２０１は、吸入流量と圧損ΔＰの関係を示す圧損テーブルを有している。圧損演算ブロックＢ２０１は、この圧損テーブルに基づいて、入力された吸入流量検出値から圧損ΔＰを演算し、演算部Ｂ２０２に出力する。

演算部Ｂ２０２には、空気圧力検出値と圧損ΔＰが入力される。演算部Ｂ２０２は、空気圧力検出値から圧損ΔＰを減算してタービン入口空気圧力Ｐｔ_{_in}を求める。

タービン出口空気圧力Ｐｔ_{_out}としては、例えば大気圧（≒１０１［ｋｐａ］）を用いる。外気の圧力が変動する場合には、図示しない大気圧センサにより検出された圧力検出値をタービン出口空気圧力Ｐｔ_{_out}としても良い。

タービン効率η_cpは、タービン入口空気圧力Ｐｔ_{_in}及びタービン出口空気圧力Ｐｔ_{_out}に基づいて算出される。

図１０は、タービン効率η_cpの算出機能を示すブロック図である。タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、タービン効率η_cpの算出を行う機能として、図に示す演算部Ｂ３０１と、タービン効率演算ブロックＢ３０２と、を有している。

演算部Ｂ３０１には、タービン入口空気圧力Ｐｔ_{_in}及びタービン出口空気圧力Ｐｔ_{_out}が入力される。演算部Ｂ３０１は、空気圧力比Ｐｔ_{_in}／Ｐｔ_{_out}を演算し、タービン効率演算ブロックＢ３０２を出力する。

タービン効率演算ブロックＢ３０２には、空気圧力比Ｐｔ_{_in}／Ｐｔ_{_out}が入力される。タービン効率演算ブロックＢ３０２は、空気圧力比Ｐｔ_{_in}／Ｐｔ_{_out}とタービン効率η_cpの関係を示すタービン効率マップを有している。タービン効率演算ブロックＢ３０２は、このタービン効率マップに基づいて、入力された空気圧力比Ｐｔ_{_in}／Ｐｔ_{_out}からタービン効率η_cpを演算する。

図８に戻り、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、算出したタービン回収動力の推定値を演算部Ｂ１０３２に出力する。

演算部Ｂ１０３２には、推定タービン回収動力と、回転数センサ７２からのモータ回転数検出値が入力される。演算部Ｂ１０３２は、推定タービン回収動力からモータ回転数検出値を除して、タービン６２で回収されるトルクであるタービン回収トルクの推定値（以下では、「推定タービン回収トルク」とも記載する）を算出する。そして、演算部Ｂ１０３２は、算出した推定タービン回収トルクを減算部３００に出力する。

空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３には、目標空気圧力、目標空気流量、空気圧力検出値、及び吸入流量検出値が入力される。空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３は、入力された空気圧力検出値及び吸入流量検出値が、それぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に近づくように、指令ノズルリフト量及び目標コンプレッサトルクを算出する。

また、空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３は、算出した指令ノズルリフト量をノズルベーン３４に出力するとともに、算出した目標コンプレッサトルクを減算部３００に出力する。

減算部３００は、空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３で算出された目標コンプレッサトルクから演算部Ｂ１０３２で算出された推定タービン回収トルクを減算した値を電動モータ指令トルクとして、電動モータ６０に出力する。

演算部Ｂ１０３４には、空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３で算出された目標コンプレッサトルク、及び電動モータ回転数検出値が入力される。演算部Ｂ１０３４は、目標コンプレッサトルクに電動モータ回転数検出値を乗じて、コンプレッサ６４の動力の目標値である目標コンプレッサ動力を算出する。演算部Ｂ１０３４は、目標コンプレッサ動力を減算部３０２に出力する。

目標電動モータ出力演算部Ｂ１０３５には、目標スタック電流が入力される。目標電動モータ出力演算部Ｂ１０３５は、目標スタック電流と電動モータ６０に要求される出力である目標モータ動力の関係を示した目標モータ動力マップに基づき、目標モータ動力を算出する。

図９は、目標モータ動力マップの概要を示している。図に示すマップでは、本実施形態では、目標スタック電流が増加してＩ０に到達するまで、すなわち負荷が一定値に上昇するまでは目標モータ動力が一定値となるように設定されている。これにより、低負荷領域等のコンプレッサ６４への要求動力が目標モータ動力より低い場合には、目標タービン回収動力がマイナスとなり、燃焼器３２への燃料供給が停止されることとなる。

また、本実施形態では、目標スタック電流がＩ０に達した以降の高負荷領域においては、電動モータ６０で生成する動力を減少させてタービン６２からの回収動力で補うことができるので、目標モータ動力を減少させて電動モータ６０の消費電力の低減を図ることで、システムのネット出力（車両の走行に使用することできる出力）の向上を図ることができる。

図８に戻り、目標電動モータ出力演算部Ｂ１０３５は、算出した目標モータ動力を減算部３０２に出力する。

減算部３０２は、演算部Ｂ１０３４で算出された目標コンプレッサ動力から目標電動モータ出力演算部Ｂ１０３５で算出された目標モータ動力を減算して目標タービン回収動力を算出する。減算部３０２は、目標タービン回収動力を回収動力／温度変換部Ｂ１０３６に出力する。

回収動力／温度変換部Ｂ１０３６には、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量が入力される。

回収動力／温度変換部Ｂ１０３６は、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量に基づいて、目標タービン入口温度を算出する。具体的に、回収動力／温度変換部Ｂ１０３６は、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１で用いた式（２）を用いて、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量から目標タービン入口温度を算出する。

すなわち、式（２）のＰＯ_{t_e}に目標タービン回収動力を代入し、Ｑ_inに目標空気流量を代入する。そして、図８に示したタービン入口空気圧力Ｐ_{t_in}の算出ロジックにおいて、「空気圧力検出値」及び「吸入流量検出値」をそれぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に置き換えて、タービン入口空気圧力Ｐ_{t_in}を算出する。また、タービン出口空気圧力Ｐ_{t_out}としては大気圧を用いる。このようにして得られた各値を式（２）に適用すれば、式（２）のＴ_{t_in_e}を求めることができるので、これを目標タービン入口温度とすることができる。

回収動力／温度変換部Ｂ１０３６は、算出した目標タービン入口温度をミニマムセレクト部Ｂ１０４に出力する。

図７に戻り、ミニマムセレクト部Ｂ１０４には、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３から出力される目標タービン入口温度、及び許容上限温度が入力される。ここで、許容上限温度とは、部品の耐熱温度を考慮して定められるタービン入口温度の上限温度である。

ミニマムセレクト部Ｂ１０４は、目標タービン入口温度と許容上限温度の内の小さい方の値を、実際の目標タービン入口温度として燃焼器水素量制御部Ｂ１０５に出力する。なお、これらが同じ値である場合にはどちらを出力しても良い。以下では、この「実際の目標タービン入口温度」を単に「目標タービン入口温度」と記載する。

燃焼器水素量制御部Ｂ１０５には、目標タービン入口温度、吸入流量検出値、空気圧力検出値、スタック出口温度、スタック電流検出値、供給水素圧力、及び冷却水温度（水素温度）が入力される。

燃焼器水素量制御部Ｂ１０５は、入力された各値に基づいて、燃焼器水素供給弁４９の開度の目標値である目標水素供給弁開度を算出し、燃焼器水素供給弁４９の開度を目標水素供給弁開度に制御する。

図１２は、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５による目標水素供給弁開度の算出機能を説明するブロック図である。

図示のように、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５は、燃焼器入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５１と、タービン入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５２と、電流／酸素流量変換部Ｂ１０５３と、目標水素流量算出部Ｂ１０５４と、最大水素通過流量算出部Ｂ１０５５と、目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６と、を有している。

燃焼器入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５１には、スタック出口温度が入力される。燃焼器入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５１は、スタック出口温度センサ３０からのスタック出口温度に基づいて、燃焼器入口ガス比エンタルピを算出する。

具体的に、燃焼器入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５１は、下記の式（３）に基づいて燃焼器入口ガス比エンタルピを算出する。

ただし、
ｈ：比エンタルピ[ｋJ/mol]
Ｔ：ガス温度[K]
ｋ０〜ｋ３：ガス種に応じて決まる定数である。

ガス温度Ｔには、スタック出口温度が適用される。すなわち、本実施形態では、スタック出口温度が、カソード排ガスと燃焼器水素供給弁４９から供給される水素が混合されてなるガス（燃焼器入口ガス温度）の温度とほぼ等しいとみなし、燃焼器３２に流入されるガスの温度に代替してスタック出口温度を用いる。なお、スタック出口温度を用いる構成に代えて、燃焼器入口ガス温度を直接検出するガス温度センサやこれを推定するガス温度推定手段を設けて、これらの検出値や推定値をガス温度として用いても良い。

ここで、燃焼器３２に流入されるガスには、空気と燃焼器水素供給弁４９から供給される水素が含まれる。したがって、ガス種に応じて決まる各定数ｋ０〜ｋ３として、空気に対応する各値と水素に対応する各値を用いることができる。

すなわち、燃焼器入口ガス比エンタルピとしては、空気に対応するｋ０〜ｋ３を上記式（３）に当てはめて得られる空気由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈ_air（Ｔ_{s_out}）と、水素に対応するｋ０〜ｋ３を上記式（３）に当てはめて得られる水素由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈ_H2（Ｔ_{s_out}）が定まる。

したがって、燃焼器入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５１は、求めた比エンタルピｈ_air（Ｔ_{s_out}）及び比エンタルピｈ_H2（Ｔ_{s_out}）を目標水素流量算出部Ｂ１０５４に出力する。

タービン入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５２には、目標タービン入口温度が入力される。タービン入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５２は、上記式（３）に基づいて目標タービン入口温度からタービン入口ガス比エンタルピを算出する。

ここで、式（３）中のガス温度Ｔには、目標タービン入口温度が適用される。また、燃焼ガスには、空気と燃焼器３２内の触媒燃焼反応により生成した水蒸気が含まれる。したがって、式（３）中の定数ｋ０〜ｋ３として、空気に対応する各値と水蒸気に対応する各値を用いる。

すなわち、タービン入口ガス比エンタルピとしては、空気に対応するｋ０〜ｋ３を上記式（３）に当てはめて得られる空気由来のタービン入口ガス比エンタルピｈ_air（Ｔ_{t_t_in}）と、水蒸気に対応するｋ０〜ｋ３を上記式（３）に当てはめて得られる水蒸気由来のタービン入口ガス比エンタルピｈ_H2O（Ｔ_{t_t_in}）が定まる。

そして、タービン入口ガス比エンタルピ算出部Ｂ１０５２は、求めた比エンタルピｈ_air（Ｔ_{t_t_in}）及び比エンタルピｈ_H2O（Ｔ_{t_t_in}）を目標水素流量算出部Ｂ１０５４に出力する。

電流／酸素流量変換部Ｂ１０５３には、スタック電流検出値が入力される。電流／酸素流量変換部Ｂ１０５３は、スタック電流検出値に基づいて、燃料電池スタック１０内において発電で消費される酸素流量である消費酸素流量ｍ_{O2_cons}を推定する。

すなわち、この消費酸素流量ｍ_{O2_cons}は、燃料電池スタック１０に供給される前の空気と燃料電池スタック１０から排出される空気の間の流量変化分に相当する。電流／酸素流量変換部Ｂ１０５３は、算出した消費酸素流量ｍ_{O2_cons}を目標水素流量算出部Ｂ１０５４に出力する。

具体的に、電流／酸素流量変換部Ｂ１０５３は、以下の式（４）に基づいて消費酸素流量ｍ_{O2_cons}を算出する。

ただし、
Ｎ：燃料電池のセルの枚数
Ｉ：燃料電池の出力電流[A]
Ｆ：ファラデー定数[C/mol]
Ｖ_sta：標準状態における理想気体１ｍｏｌの体積[NL]
６０：秒分間の単位変換係数
である。

目標水素流量算出部Ｂ１０５４には、比エンタルピｈ_air（Ｔ_{s_out}）、比エンタルピｈ_H2（Ｔ_{s_out}）、比エンタルピｈ_air（Ｔ_{t_t_in}）、比エンタルピｈ_H2O（Ｔ_{t_t_in}）、及び消費酸素流量ｍ_{O2_cons}が入力される。

目標水素流量算出部Ｂ１０５４は、入力されたこれらの値に基づいて、燃焼器３２に供給する水素流量の目標値である目標水素流量を算出する。

具体的に、目標水素流量算出部Ｂ１０５４は、以下の式（５）に基づいて目標水素流量Ｆ_{t_H2}を算出する。

ただし、
ｈ_H2（Ｔ_{s_out}）は、水素由来の燃焼器入口ガス比エンタルピ[kJ/mol]
ｈ_air（Ｔ_{t_t_in}）は、空気由来のタービン入口ガス比エンタルピ[kJ/mol]
ｈ_H2O（Ｔ_{t_t_in}）は、水蒸気由来の燃焼器入口ガス比エンタルピ[kJ/mol]
ｈ_air（Ｔ_{s_out}）は、空気由来の燃焼器入口ガス比エンタルピ[kJ/mol]
ｍ_{d_air}は、吸入流量検出値[NL/min]
ｍ_{O2_cons}は、消費酸素流量[NL/min]
である。

ここで、式（５）は、燃焼器３２の入口のガスを燃焼器３２による燃焼で目標タービン入口温度まで上昇させることを想定した場合のエネルギー保存式を示している。

先ず、左辺第１項のＦ_{t_H2}×ｈ_H2（Ｔ_{s_out}）は、燃焼前後の水素のエンタルピ差を示す。

また、左辺第２項のＦ_{t_H2}×０．５×ｈ_air（Ｔ_{t_t_in}）は、水素を完全燃焼した場合、すなわち水素流量の１／２の水素が燃焼に用いられた場合に燃焼で消費される空気のエンタルピを意味している。したがって、右辺第１項から左辺第２項を減算した（ｈ_air（Ｔ_{t_t_in}）−ｈ_air（Ｔ_{s_out}））×ｍ_{d_air}−０．５×ｈ_air（Ｔ_{t_t_in}）×Ｆ_{t_H2}が、燃焼前後の空気のエンタルピ差を意味することとなる。

さらに、左辺第３項のＦ_{t_H2}×ｈ_H2O（Ｔ_{t_t_in}）は、燃焼器３２における燃焼で生成した水蒸気のエンタルピを意味する。

また、本実施形態では吸入流量（空気流量）を燃料電池スタック１０の上流のエアフローメータ２６で検出しているので、右辺第２項、すなわちｈ_air（Ｔ_{s_out}）×ｍ_{O2_cons}において、吸入流量から燃料電池スタック１０で消費される消費酸素流量分を減算し、燃焼器３２に流入する空気のエンタルピを算出している。

したがって、式（５）のエネルギー保存式に基づいて、目標水素流量Ｆ_{t_H2}を算出することで、燃焼器３２による燃焼ガスを目標のタービン入口温度に到達させるのに必要な水素流量を導出することができる。

したがって、本実施形態において、目標水素流量算出部Ｂ１０５４は、燃焼器水素供給弁４９の開度（燃焼器３２への水素供給量）が、コンプレッサ６４により燃料電池システム１００内に吸入されて燃料電池スタック１０を介して燃焼器３２へ供給されるガスの流量（吸入流量検出値及び消費酸素流量ｍ_{O2_cons}）に基づいて調節されることとなる。

目標水素流量算出部Ｂ１０５４は、算出した目標水素流量Ｆ_{t_H2}を目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６に出力する。

最大水素通過流量算出部Ｂ１０５５には、供給水素圧力、冷却水温度、及び空気圧力検出値が入力される。最大水素通過流量算出部Ｂ１０５５は、これら入力された値に基づいて、燃焼器水素供給弁４９が最も開口したとき、すなわち最大開度であるときに燃焼器水素供給弁４９を通過させることができる最大の水素流量である最大水素通過流量を算出する。

具体的に、最大水素通過流量算出部Ｂ１０５５は、下記の式（６）及び式（８）に基づいて、最大水素通過流量ｍ_{H2_max}を算出する。ここで、最大水素通過流量ｍ_{H2_max}は、燃焼器水素供給弁４９でチョークが発生していない場合と燃焼器水素供給弁４９でチョークが発生している場合で、それぞれ、式（６）及び式（８）を用いて算出される。

先ず、燃焼器水素供給弁４９でチョークが発生していない場合においては、最大水素通過流量ｍ_{H2_max}は、下記の式（６）で算出される。

ただし、
Ｃｆ：流量係数
Ｐ１：供給水素圧力検出値[kPa]
Ｐ２：空気圧力検出値[kPa]
Ｐｓｔａ：標準状態における大気圧（＝１０１．３[kPa]）
Ａ：オリフィス断面積[m²]
ρ１：燃焼器水素供給弁４９の入口における水素密度[kg/m3]
ρｔｈ：燃焼器水素供給弁４９における水素密度（スロート密度）[kg/m3]
Ｔｓｔａ：標準状態における温度[K]
Ｔｔｈ：燃焼器水素供給弁４９における水素温度（スロート温度）[K]
である。

そして、式（６）中のρｔｈは、以下の式（７）により算出される。

また、式（６）中のＴｔｈは、以下の式（８）により算出される。

次に、燃焼器水素供給弁４９でチョークが発生している場合においては、最大水素通過流量ｍ_{H2_max}は、下記の式（９）で算出される。

ただし、
Ｃｆ：流量係数
Ｐ１：供給水素圧力検出値[kPa]
Ｐ２：空気圧力検出値[kPa]
Ｐｓｔａ：標準状態における大気圧（＝１０１．３[kPa]）
Ａ：オリフィス断面積[m²]
ρ１：燃焼器水素供給弁４９の入口における水素密度[kg/m3]
ρ2：燃焼器水素供給弁４９における水素密度（スロート密度）[kg/m3]
Ｔｓｔａ：標準状態における温度[K]
Ｔｔｈ：燃焼器水素供給弁４９における水素温度（スロート温度）[K]
である。

そして、式（９）中のＰｔｈは、以下の式（９）により算出される。

また、式（９）中のＴｔｈは、以下の式（１１）により算出される。

最大水素通過流量算出部Ｂ１０５５は、算出した最大水素通過流量ｍ_{H2_max}を目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６に出力する。

目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６には、目標水素流量Ｆ_{t_H2}と最大水素通過流量ｍ_{H2_max}が入力される。目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６は、目標水素流量Ｆ_{t_H2}及び最大水素通過流量ｍ_{H2_max}に基づいて、目標水素供給弁開度を演算する。具体的に、例えば、目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６は、目標水素流量Ｆ_{t_H2}から最大水素通過流量ｍ_{H2_max}を除した値から定まる開度を目標水素供給弁開度として演算する。

次に、燃料電池システム１００の制御における経時的な流れの一例を説明する。

図１３は、燃料電池システム１００の制御における経時的な流れの一例を説明するタイムチャートである。

図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、時刻ｔ１で負荷装置１９より燃料電池スタック１０から電流の取り出しが開始される（図１３（ａ）参照）。すなわち、燃料電池スタック１０への負荷がかかり始める。したがって、燃料電池スタック１０への負荷の増加に応じて空気圧力及び空気流量が上昇する（図１３（ｃ）及び図１３（ｄ）参照）。

次に、時刻ｔ２において、システムへの要求負荷（スタック出力電流）が所定値を超えると（図１３（ａ）参照）、燃焼器水素供給弁４９が開けられ、その開度が徐々に上昇する（図１３（ｇ）参照）。この燃焼器水素供給弁４９の開放にともない、燃焼器３２における燃焼が開始され、タービン入口温度が上昇を始める（図１３（ｆ）参照）。

時刻ｔ３において、システムへの要求負荷（スタック出力電流）が上限値に到達し空気圧力及び空気流量が上限値で静定する（図１３（ｃ）及び図１３（ｄ）参照）。このように空気圧力及び空気流量が静定するので、燃焼器３２への供給空気流量も静定することとなる。したがって、この燃焼器３２への供給空気流量の静定に応じて、燃焼器水素供給弁４９の開度が一定値に静定する（図１３（ｇ）参照）。すなわち、燃焼器３２への水素供給量が一定値に静定し、タービン入口温度も一定値に静定する（図１３（ｆ）参照）。なお、燃料電池スタック１０への負荷の上昇にともない、冷却水温度の上昇が開始する（図１３（ｂ）参照）。

そして、時刻ｔ４において、冷却水温度が静定する（図１３（ｂ）参照）。

時刻ｔ５において、燃料電池システム１００を搭載した車両が登坂路を走行するなどの燃料電池スタック１０に対する負荷がさらに上昇する。負荷の上昇にともない、冷却水温度が上昇する（図１３（ｂ）参照）。

時刻ｔ６において、燃料電池システム１００の出力制限が開始され、スタック電流が低下する（図１３（ａ）参照）。これにより、冷却水温度は上限値に静定する（図１３（ｂ）参照）。このスタック電流の低下に応じて、空気流量が低下する（図１３（ｄ）参照）。この空気流量の低下に応じて、目標タービン回収動力が低下するので、燃焼器水素供給弁４９の開度が減少する（図１３（ｇ）参照）。

時刻ｔ７において、燃料電池システム１００の出力制限によるスタック電流の低下が終了し、静定する（図１３（ａ）参照）。これに伴い、空気流量及び燃焼器水素供給弁４９の開度の低下も終了し、静定する（図１３（ｄ）及び図１３（ｇ）参照）。

時刻ｔ８において、燃料電池スタック１０からの負荷の取り出しを終了すべく、スタック電流がゼロに向かって減少する（図１３（ａ）参照）。これにともない、冷却水温度、空気圧力、及び空気流量が減少する（図１３（ｂ）、図１３（ｃ）、及び図１３（ｄ）参照）。したがって、これら冷却水温度、空気圧力、及び空気流量の減少に応じて、燃焼器水素供給弁開度及びタービン入口温度が減少する（図１３（ｇ）及び図１３（ｆ）参照）。

時刻ｔ９において、スタック電流、空気流量、及びタービン入口温度が静定する（図１３（ａ）、図１３（ｄ）、及び図１３（ｆ）参照）。

さらに、時刻ｔ１０において、冷却水温度が静定し、それに伴い空気圧力が静定する（図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）参照）。

時刻ｔ１１において、再び、燃料電池スタック１０に負荷が生じ、スタック電流が上昇する（図１３（ａ）参照）。これに伴い、空気圧力及び空気流量が増加する（図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）参照）。さらに、スタック電流、空気圧力、及び空気流量の増加に開始のすぐ後に、燃焼器水素供給弁４９の開度が増加し（図１３（ｇ）参照）、タービン入口温度が増加する（図１３（ｆ）参照）。

時刻ｔ１２において、スタック電流が最大値に到達し、静定する（図１３（ａ）参照）。これに伴い、空気圧力及び空気流量が静定する（図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）参照）。また、空気流量の静定に応じてタービン入口温度も静定する（図１３（ｆ）参照）。

時刻ｔ１４において、高圧タンク４０内の水素残量が低下し、供給水素圧力が減少し始める（図１３（ｅ）参照）。これにより、燃焼器３２へ供給される水素流量が意図せず低下する可能性があるので、燃焼器３２へ供給される水素流量を極力確保すべく、燃焼器水素供給弁４９の開度をやや増加させる（図１３（ｇ）参照）。

時刻ｔ１５において、負荷の取り出しが終了し、スタック電流を減少させる（図１３（ａ）参照）。これに伴い、空気圧力及び空気流量が減少する（図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）参照）。さらに、燃焼器水素供給弁４９の開度が減少し（図１３（ｇ）参照）、タービン入口温度が減少する（図１３（ｆ）参照）。

そして、時刻ｔ１６において、スタック電流がゼロとなって負荷の取り出しが終了し、全ての制御量が静定する（図１３（ａ）〜図１３（ｇ））。

以上説明した本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システム１００及び燃料電池システム１００の制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。

本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池としての燃料電池スタック１０のアノード極に燃料（水素）を供給する燃料供給装置としての高圧タンク４０、スタック用水素供給通路４４、及びスタック供給水素調圧弁４８と、燃料電池スタック１０のカソード極に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給装置と、燃料電池スタック１０の運転状態を検出する運転状態検出部としてのＨＦＲ測定装置１８、エアフローメータ２６、空気圧力センサ２８、スタック出口温度センサ３０、電流センサ５１、及び電圧センサ５２と、運転状態検出部からの信号により上記燃料供給装置及び上記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置としてのコントローラ２０と、を備える。

そして、酸化剤供給装置は、燃料電池スタック１０のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサ６４と、該コンプレッサ６４を駆動するタービン６２と、タービン６２を駆動する燃焼ガスを生成する燃焼器３２と、を備える。また、運転状態検出部は、コンプレッサ６４に吸入される空気の吸入流量を取得する吸入流量取得部としてのエアフローメータ２６を備える。さらに、コントローラ２０は、エアフローメータ２６により取得された吸入酸化剤流量としての吸入流量検出値に基づき、燃焼器３２への燃料供給量である水素供給量を制御する燃料供給量制御部としての燃焼器水素量制御部Ｂ１０５を備える。

したがって、本実施形態では、タービン６２から動力を回収するコンプレッサ６４の作動状態を、当該作動状態により直接的に関係するパラメータである吸入空気流量検出値を用いて燃焼器３２への水素供給量を制御することができる。したがって、タービン入口温度の検出値に基づくフィードバック制御により燃焼器３２への水素供給量を制御する場合と比較して、制御の応答遅れを抑制することができる。

特に、コンプレッサ６４による燃料電池システム１００への吸入空気流量が変化する場合においても、この変化に応じて応答良くタービン入口温度を制御することができるので、コンプレッサ６４の運転条件に影響されず、タービン入口温度をより正確に制御することができる。

また、タービン入口温度等の比較的高温用の温度センサ（例えばサーミスタ等）を用いることによって生じ得る検出の応答遅れの影響を防止することができるので、制御の応答性をより改善することができる。

なお、本実施形態では、タービン６２から独立してコンプレッサ６４を駆動する電動モータ６０をさらに有する。より詳細には、本実施形態の燃料電池システム１００は、タービン６２からの回収動力と電動モータ６０で生成される動力でコンプレッサ６４を駆動する。したがって、上述のようにタービン入口温度の制御の応答遅れが抑制されることで、タービン６２からの回収動力と電動モータ６０の生成動力のバランスをより応答良く調節することができる。

さらに、本実施形態による燃料電池システム１００では、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５は、燃料電池スタック１０の発電で消費される発電消費酸化剤流量としての消費酸素流量ｍ_{O2_cons}を推定し（図１２の電流／酸素流量変換部Ｂ１０５３）、吸入流量検出値ｍ_{d_air}と消費酸素流量ｍ_{O2_cons}に基づいて、燃焼器３２への水素供給量を制御する（図１２の目標水素流量算出部Ｂ１０５４及び目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６）。

これにより、燃料電池スタック１０の発電状態等に応じて燃料電池スタック１０で消費される酸素流量、すなわち消費酸素流量ｍ_{O2_cons}が変化した場合であっても、この消費酸素流量ｍ_{O2_cons}の変化分を加味して、燃焼器３２への水素供給量を調節することができる。したがって、燃焼器３２への水素供給量をより高精度に調節することができる。

特に、本実施形態による燃料電池システム１００において、上記運転状態検出部は、燃料電池スタック１０の出力電流を検出する出力電流検出センサとしての電流センサ５１を含む。そして、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５は、検出された出力電流としてのスタック電流検出値から消費酸素流量ｍ_{O2_cons}を算出する。

これにより、燃料電池スタック１０の発電状態を現すスタック電流検出値に基づいて、消費酸素流量ｍ_{O2_cons}をより高精度に算出することができる。

さらに、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５は、吸入流量検出値及び消費酸素流量ｍ_{O2_cons}に基づいて、燃焼器３２による燃焼前後におけるガスのエネルギー保存式（式５）を設定し（図１２の電流／酸素流量変換部Ｂ１０５３及び目標水素流量算出部Ｂ１０５４）、上記式５に基づいて、燃焼器３２への水素供給量を制御する（図１２の目標水素流量算出部Ｂ１０５４及び目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６）。

このように、燃焼器３２における燃焼前後のガスのエネルギー保存則を考慮して、燃焼器３２への水素供給量を制御することで、当該制御をより高精度に実行することができる。

特に、上記エネルギー保存式（式５）は、燃焼器３２に供給されるガス（空気及び水素）が有するエンタルピとしての燃焼器入口ガス比エンタルピｈ_air（Ｔ_{s_out}），ｈ_H2（Ｔ_{s_out}）と、燃焼ガスに含まれるガス（空気及び水蒸気）が有するエンタルピとしてのタービン入口ガス比エンタルピｈ_air（Ｔ_{t_t_in}），ｈ_H2O（Ｔ_{t_t_in}）と、に基づいて設定される（図１２の目標水素流量算出部Ｂ１０５４）。

このように、燃焼器３２に供給されるガスのエンタルピ及びタービン６２に供給されるガスのエンタルピに基づいてエネルギー保存則を設定することで、設定されるエネルギー保存則の精度がより向上し、ひいては燃焼器３２への水素供給量の制御をより高精度に実行することができる。

そして、本実施形態では、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５は、エネルギー保存式（式５）から燃焼器３２への水素供給流量の目標値である目標燃料供給流量としての目標水素流量Ｆ_{t_H2}を算出し、目標水素流量Ｆ_{t_H2}に基づき水素供給量を調節する。

これにより、燃焼器３２における燃焼前後のガスのエネルギー保存則を加味した目標水素流量Ｆ_{t_H2}を設定し、燃焼器３２への水素供給量を好適に調節することができる。

さらに、本実施形態では、上記運転状態検出部は、燃焼器３２に供給されるガスの温度である燃焼器入口ガス温度を取得するガス温度取得部を含む。そして、運転制御装置としてのコントローラ２０の空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３は、燃焼器３２で生成されてタービン６２に供給される燃焼ガスの温度（タービン入口温度）の目標値である目標タービン入口温度を算出する（図８の回収動力／温度変換部Ｂ１０３６）。そして、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５は、燃焼器入口ガス温度、及び目標タービン入口温度に基づいて、上記エネルギー保存式（式５）を設定する。

特に、本実施形態では、上記ガス温度取得部は、カソードガス排出通路２４における燃料電池スタック１０の出口温度であるスタック出口温度を燃焼器入口ガス温度として取得するスタック出口温度センサ３０である。

これにより、スタック出口温度センサ３０の検出値を燃焼器入口ガス温度とし、当該燃焼器入口ガス温度と目標タービン入口温度を用いて、エネルギー保存式（式５）をより高精度に設定することができる。

なお、スタック出口温度センサ３０に代えて、例えば、図１のバイパス通路３６とカソードガス排出通路２４の下流に別途温度センサを設けて、当該温度センサの検出値を燃焼器入口ガス温度として用いても良い。また、燃焼器用水素供給通路４６からの水素と燃料電池スタック１０からカソードガス排出通路２４に排出されるカソード排ガスと燃焼器３２内で混合された後のガスの温度を検出又は推定して、当該ガス温度を上記燃焼器入口ガス温度として用いても良い。

さらに、本実施形態による燃料電池システム１００では、燃焼器３２への水素供給量をその操作量（開度又はデューティー比）に応じて調節可能な燃料供給量調節弁としての燃焼器水素供給弁４９をさらに有する。そして、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５は、燃料電池スタック１０に供給される酸化剤の圧力としての空気圧力、燃焼器３２に供給される燃料の圧力としての供給水素圧力、及び燃料電池スタック１０を冷却する冷却水温度の内の少なくとも何れか１つのパラメータに基づいて、燃焼器水素供給弁４９を通過可能な燃料流量である通過可能燃料流量としての最大水素通過流量を算出する（図１２の最大水素通過流量算出部Ｂ１０５５）。そして、燃焼器水素量制御部Ｂ１０５の目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６は、上記目標水素流量及び蒸気通過可能燃料流量に基づいて燃焼器水素供給弁４９の操作量を調節する（図１２の最大水素通過流量算出部Ｂ１０５５及び目標水素供給弁開度算出部Ｂ１０５６）。

これにより、燃料電池スタック１０の発電状態等に応じて空気圧力、供給水素圧力、又は冷却水温度が変化するなどの要因で燃焼器３２へ供給される空気が有するエネルギーが変化する場合であっても、このエネルギー変化を加味して、目標水素流量に対して実際に燃焼器３２に供給される水素供給流量を調節することができる。すなわち、燃焼器３２への水素供給量をより高精度に制御することができる。

以上説明したように本実施形態では、燃料電池スタック１０のカソード極に酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ６４をタービン６２で駆動する燃料電池システム１００において実行される制御方法が提供される。そして、この制御方法では、コンプレッサ６４に吸入される酸化剤の吸入流量である吸入空気流量検出値を取得し、取得された吸入空気流量検出値に基づき、タービン６２に供給する燃焼ガスを生成する燃焼器３２への燃料供給量を制御する、

これにより、タービン６２から動力を回収するコンプレッサ６４の作動状態を、当該作動状態により直接的に関係するパラメータである吸入空気流量検出値を用いて燃焼器３２への水素供給量を制御することができる。したがって、タービン入口温度の検出値に基づくフィードバック制御により燃焼器３２への水素供給量を制御する場合と比較して、制御の応答遅れを抑制することができる。

なお、上記実施形態において、燃焼器３２における燃焼前後のエネルギー保存側（式５）を設定するにあたり、燃焼器３２へ供給されるガス及びタービン６２へ流入するガスの熱示性量としてのエンタルピを用いている。しかしながら、燃焼前後のエネルギー保存側を表すことができるならば、エンタルピ以外の任意の物理量を用いるようにしても良い。また、目標水素流量算出部Ｂ１０５４において、エンタルピ等の熱示性量を用いることなく、スタック出口温度や目標タービン入口温度から所定のマップなどを用いて、目標水素流量を直接算出するようにしても良い。

さらに、最大水素通過流量算出部Ｂ１０５５を省略して、目標水素流量算出部Ｂ１０５４で算出された目標水素流量のみから、燃焼器水素供給弁４９の目標開度を求めるようにし、制御構成の簡素化を図るようにしても良い。

（第２実施形態）
以下では、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１４は、本実施形態による燃料電池システム１００におけるコントローラ２０の機能を示すブロック図である。

本実施形態では、特に、ＨＦＲ測定装置１８からのＨＦＲ測定値が燃焼器水素量制御部Ｂ１０５に入力される。

図１５は、本実施形態による燃焼器水素量制御部Ｂ１０５による目標水素供給弁開度の算出機能を説明するブロック図である。

図示のように、本実施形態では、目標水素供給弁開度の算出の機能に関し、コントローラ２０は、排ガス水蒸気流量推定部Ｂ１０５７を有している。排ガス水蒸気流量推定部Ｂ１０５７には、スタック出口温度、吸入流量検出値、空気圧力検出値、及びＨＦＲ測定値が入力される。

排ガス水蒸気流量推定部Ｂ１０５７には、入力されたスタック出口温度、吸入流量検出値、空気圧力検出値、及びＨＦＲ測定値に基づいて、燃料電池スタック１０からカソードガス排出通路２４に排出されるカソード排ガスに含まれる水蒸気量ｍ_vapを推定する。

具体的に、排ガス水蒸気流量推定部Ｂ１０５７は、水蒸気量ｍ_vapを以下の式（１２）に基づき、算出する。

ただし、
Ｐ２：空気圧力検出値[kPa]
ｍ_{d_air}：吸入流量検出値[NL/min]
Ｐ_vap：水蒸気分圧[ｋPa]
である。

また、水蒸気分圧Ｐ_vapは、以下に示す温度−飽和水蒸気圧特性の近似式（アントワン式）を表す式（１３）に基づき算出される。

ただし、
Ｔ_out：スタック出口温度[K]
ＲＨ：カソード排ガスの相対湿度[％]
ＥＸＰ：自然対数
１００：百分率の変換係数
である。

また、カソード排ガスの相対湿度ＲＨは、ＨＦＲ値から所定の相対湿度マップを用いて定められる。図１６に、相対湿度マップの一例を示す。図示のように、ＨＦＲが増加するにつれて（電解質膜が乾燥するにつれて）、相対湿度ＲＨの値が低下する。

排ガス水蒸気流量推定部Ｂ１０５７は、算出した水蒸気量ｍ_vapを目標水素流量算出部Ｂ１０５４に出力する。

したがって、本実施形態では、目標水素流量算出部Ｂ１０５４は、燃焼器入口ガス比エンタルピ、タービン入口ガス比エンタルピ、吸入流量検出値、及び消費酸素流量ｍ_{O2_cons}に加えて、カソード排ガス中に含まれる水蒸気量ｍ_vapによる燃焼ガス温度の増減を考慮して目標水素流量を算出することができる。これにより、目標水素流量の推定精度がより向上する。

具体的には、カソードガス排出通路２４内のカソード排ガスに含まれる水蒸気量ｍ_vapが増加するほど、燃焼器３２へ供給されるカソード排ガスの量も増加し、その結果、燃焼ガスの温度が低下する。したがって、水蒸気量ｍ_vapの増加に応じて燃焼ガスの温度を増加させるように、目標水素流量を増やす補正を行うなどして、目標水素流量の推定精度を向上させることができる。

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。

例えば、図１２及び図１５で説明した電流／酸素流量変換部Ｂ１０５３を設けることなく、目標水素流量を算出するようにしても良い。具体的には、コンプレッサ６４により燃料電池システム１００内に吸入される吸入流量検出値をそのまま、又はこれに所定の補正を行った値を、目標水素流量を算出するようにしても良い。

また、上記各実施形態では、説明の簡略化のため、図７や図１４に示すように、目標空気圧力や目標空気流量を目標スタック電流のみに基づいて算出する例を説明したが、目標空気圧力や目標空気流量の算出にあたり、燃料電池スタック１０内の電解質膜の湿潤状態（ＨＦＲ値や燃料電池スタック１０の水収支）やアノードオフガスの希釈要求による圧力・流量の調節を考慮して、目標空気圧力や目標空気流量を算出するようにしても良い。

また、上記各実施形態では、燃焼器水素供給弁４９として比例ソレノイド等の開度調整可能な弁を用いることで、その開度を制御することにより、燃焼器３２への水素供給量の調節を行っている。しかしながら、間欠駆動インジェクタ等のオン・オフのみを切り替え可能な弁を用いて、燃焼器水素供給弁４９の開弁時間（デューティー比）を制御して燃焼器３２への水素供給量を調節するようにしても良い。また、開度調節及びデューティー比の調節を併用しても良い。

また、上記各実施形態における「コンプレッサ６４」は、カソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０のカソード極に空気を供給する機能を果たしている。したがって、このような機能を果たすことができるならば、「コンプレッサ６４」は、一般的な意味で認識されている「コンプレッサ」（有効吐出し圧力が２００ｋＰａ以上の圧縮機）以外にも、適宜、ブロワ等の他の圧縮機や送風機に代えることもできる。

さらに、上記各実施形態における「タービン６２」は、燃料電池スタック１０にカソードガス排出通路２４を介して接続されている。より具体的には、カソードガス排出通路２４に設けられた燃焼器３２で燃料電池スタック１０からのカソード排ガスを水素とともに燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービン６２に供給するようにしている。しかしながら、これに限られず、例えば、タービン６２をカソードガス排出通路２４とは別系統に構成するようにしても良い。例えば、任意のガス供給源からのガスをタービン６２へ供給する供給系統、及びタービン６２へのガスの供給流量及び温度を調節する機構を別途設けるようにしても良い。

１０ 燃料電池スタック
１２ カソード給排機構
１４ アノード供給機構
１６ ターボ過給機
１８ ＨＦＲ測定装置
１９ 負荷装置
２０ コントローラ
２２ カソードガス供給通路
２４ カソードガス排出通路
２６ エアフローメータ
２８ 空気圧力センサ
３０ スタック出口温度センサ
３２ 燃焼器
３４ ノズルベーン
４０ 高圧タンク
４４ スタック用水素供給通路
４６ 燃焼器用水素供給通路
４７ 水素圧力検出センサ
４９ 燃焼器水素供給弁
５１ 電流センサ
５２ 電圧センサ
６０ コンプレッサ
６２ タービン
６４ 電動モータ
７２ 回転数センサ
８８ 出口水温センサ
１００ 燃料電池システム

Claims (11)

1. 燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
   前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、
   前記運転状態検出部からの信号により前記燃料供給装置及び前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記酸化剤供給装置は、
   前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサと、
   該コンプレッサを駆動するタービンと、
   前記コンプレッサから前記燃料電池をバイパスするバイパス通路を介して酸化剤が供給され、前記タービンを駆動する燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記バイパス通路を流れる酸化剤の流量を調節する前記バイパス通路に設けられたバイパス弁と、
   を備え、
   前記運転状態検出部は、前記コンプレッサに吸入される酸化剤の吸入流量を吸入酸化剤流量として取得する吸入流量取得部を備え、
   前記運転制御装置は、前記吸入流量取得部により取得された前記吸入酸化剤流量及び前記バイパス弁の開度に基づき、前記燃焼器への燃料供給量を制御する燃料供給量制御部を備えた、
   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、
   前記タービンから独立して前記コンプレッサを駆動する電動モータをさらに有する、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料供給量制御部は、
   前記燃料電池の発電で消費される発電消費酸化剤流量を推定し、
   前記吸入酸化剤流量及び前記発電消費酸化剤流量に基づいて、前記燃焼器への燃料供給量を制御する、
   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、
   前記運転状態検出部は、前記燃料電池の出力電流を検出する出力電流検出センサを含み、
   前記燃料供給量制御部は、
   検出された前記出力電流から前記発電消費酸化剤流量を算出する、
   燃料電池システム。
5. 請求項３又は４に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料供給量制御部は、
   前記吸入酸化剤流量及び前記発電消費酸化剤流量から前記燃焼器による燃焼前後におけるガスのエネルギー保存式を設定し、
   前記エネルギー保存式に基づいて、前記燃焼器への燃料供給量を制御する、
   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、
   前記エネルギー保存式は、前記燃焼器に供給されるガスが有するエンタルピと、前記燃焼ガスが有するエンタルピと、に基づいて設定される、
   燃料電池システム。
7. 請求項５又は６に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料供給量制御部は、
   前記エネルギー保存式から前記燃焼器への燃料供給流量の目標値である目標燃料供給流量を算出し、
   前記目標燃料供給流量に基づき前記燃料供給量を調節する、
   燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
   前記運転状態検出部は、前記燃焼器に供給されるガスの温度である燃焼器入口ガス温度を取得するガス温度取得部を含み、
   前記運転制御装置は、前記タービンに供給される前記燃焼ガスの温度の目標値である目標タービン入口温度を算出し、
   前記燃料供給量制御部は、前記吸入酸化剤流量、前記発電消費酸化剤流量、前記燃焼器入口ガス温度、及び前記目標タービン入口温度に基づいて前記エネルギー保存式を設定する、
   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、
   前記ガス温度取得部は、前記燃料電池の出口温度を前記燃焼器入口ガス温度として取得する、
   燃料電池システム。
10. 請求項７〜９の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
    前記燃焼器への燃料供給量をその操作量に応じて調節可能な燃料供給量調節弁をさらに有し、
    前記燃料供給量制御部は、
    前記燃料電池に供給される酸化剤の圧力、前記燃焼器に供給される前記燃料の圧力、及び前記燃料電池を冷却する冷却水温度の内の少なくとも何れか１つのパラメータに基づいて、前記燃料供給量調節弁を通過可能な燃料流量である通過可能燃料流量を算出し、
    前記目標燃料供給流量及び前記通過可能燃料流量に基づいて前記燃料供給量調節弁の操作量を調節する、
    燃料電池システム。
11. 燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサをタービンで駆動するために燃焼器で燃焼ガスを生成する燃料電池システムの制御方法であって、
    前記コンプレッサに吸入される酸化剤の吸入流量を吸入酸化剤流量として取得し、
    前記燃焼器は、前記コンプレッサから前記燃料電池をバイパスするバイパス通路を介して、前記バイパス通路に設けられたバイパス弁によって流量が調節される前記酸化剤が供給され、
    取得された前記吸入酸化剤流量及び前記バイパス弁の開度に基づき、流量が制御される燃料が供給され、前記タービンを駆動する燃焼ガスを生成する、
    燃料電池システムの制御方法。

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