JPWO2016027335A1 - 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

Abstract

燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給する供給手段と、燃料電池に供給されるカソードガスをバイパスするバイパス弁と、燃料電池に供給されるカソードガスの状態を検出する検出手段と、燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を調整する調圧手段と、燃料電池の運転状態に応じてカソードガスの目標流量及び目標圧力を算出する算出部と、検出手段で検出されるカソードガスの流量及び圧力と目標流量及び目標圧力とに基づいて、調圧手段及び供給手段のうち少なくとも一方の手段の操作量を制御する運転状態制御部と、カソードガスの流量と目標流量とに基づいてバイパス弁を制御するバイパス弁制御部と、バイパス弁が開かれるときには、少なくとも一方の操作量を増加させる、又はバイパス弁の開速度を遅くすることにより、カソードガスの圧力を補償する圧力補償部とを含む。

Description

この発明は、燃料電池に供給されるカソードガスをバイパス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。

ＪＰ２００９−１２３５５０Ａには、燃料電池を経由しないでコンプレッサから吐出されるカソードガスを排出するバイパス流路と、バイパス流路から排出されるカソードガスの流量を調整するバルブとを備えた燃料電池システムが開示されている。

上述のような燃料電池システムにおいては、バイパス流路のバルブが開かれると、バイパス流路からカソードガスが排出されるとともに、燃料電池に供給されていたカソードガスの圧力がバイパス流路を介して外気に抜けてしまう。

このような状況では、燃料電池に供給されるカソードガスの圧力が、燃料電池に要求される圧力よりも低下するため、燃料電池の発電電力が低下するとともに、もう一方のアノードガスの圧力との差圧が許容差圧を一時的に超えてしまうことがある。

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、燃料電池から供給されるカソードガスをバイパスすることに伴い燃料電池の発電性能が劣化するのを抑制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、燃料電池にカソードガスを供給する供給手段と、前記燃料電池へ供給されるカソードガスをバイパスするバイパス弁とを含む。また燃料電池システムは、前記バイパス弁によってバイパスされずに前記燃料電池に供給されるカソードガスの状態を検出する検出手段と、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を調整する調圧手段とを含む。さらに燃料電池システムは、前記燃料電池の運転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目標流量及び目標圧力を算出する算出部と、前記検出手段により検出されるカソードガスの流量及び圧力と前記算出部により算出される目標流量及び目標圧力とに基づいて、前記調圧手段及び前記供給手段のうち少なくとも一方の手段の操作量を制御する運転状態制御部とを含む。そして燃料電池システムは、前記検出手段により検出されるカソードガスの流量と前記算出部により算出される目標流量とに基づいて、前記バイパス弁を開閉するバイパス弁制御部と、前記バイパス弁が開かれるときには、前記運転状態制御部により制御される前記少なくとも一方の操作量を増加させる、又は前記バイパス弁の開速度を遅くすることにより、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を補償する圧力補償部とを含む。

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、バイパス弁を開ける際に燃料電池スタックに供給されるカソードガスの圧力を補償するカソード調圧弁の開度を示すタイムチャートである。 図４は、バイパス弁を通過するカソードガスの温度に応じてカソード調圧弁指令値の増加量を補正する温度補正マップを示すブロック図である。 図５は、バイパス弁よりも上流のカソードガスの圧力に応じてカソード調圧弁指令値の増加量を補正する圧力補正マップを示すブロック図である。 図６は、カソード調圧弁の開度指令値を補正する演算処理の手法を示すタイムチャートである。 図７は、バイパス弁を開いたときに生じるスタック圧力の低下を補償する圧力補償方法を示すフローチャートである。 図８は、本発明の第２実施形態におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。 図９は、カソード調圧弁の開度指令値を補正する演算処理の手法を示すタイムチャートである。 図１０は、本発明の第３実施形態におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。 図１１は、カソード調圧弁の全閉時におけるコンプレッサ流量を補正する演算処理の手法を示すタイムチャートである。 図１２は、本実施形態における圧力補償方法を示すフローチャートである。 図１３は、本発明の第４実施形態におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。 図１４は、本実施形態における圧力補償方法を示すフローチャートである。 図１５は、本発明の第５実施形態におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。 図１６は、本発明の第６実施形態におけるコントローラの機能構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら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にアノードガス及びカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１を電気負荷に応じて発電させる電源システムである。燃料電池システム１００は、例えば、電動自動車に搭載され、電気負荷として車両を駆動する電動モータが燃料電池スタック１に接続される。

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、コントローラ４とを含む。

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電気負荷に応じて発電する積層電池である。燃料電池スタック１には、例えば数百枚の燃料電池が積層されている。

燃料電池スタック１に積層された燃料電池のひとつは、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極とカソード電極とで挟まれた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と、カソード電極に酸素を含有するカソードガスとが電解質膜で電気化学反応を起こして発電する。アノード電極とカソード電極との双方で進行する発電反応は、以下の通りである。

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）の発電反応によって、燃料電池に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、燃料電池の各々が直列に接続されていることから、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るとともに、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。カソードオフガスには、発電反応によって生じた水蒸気や、発電反応に使用されなかった余剰のカソードガスなどが含まれている。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、コンプレッサ２２と、カソードガス排出通路２３と、カソード調圧弁２４と、バイパス通路２５と、バイパス弁２６とを含む。

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の一端は、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続され、他端は、外気と連通するように開口している。

コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１に設けられる。コンプレッサ２２は、外気からカソードガス供給通路２１に空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する供給手段を構成する。コンプレッサ２２は、コントローラ４によって制御される。

カソードガス排出通路２３は、燃料電池スタック１からカソードオフガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路２３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、外気と連通するように開口している。

カソード調圧弁２４は、カソードガス排出通路２３に設けられる。カソード調圧弁２４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調圧手段を構成する。カソード調圧弁２４としては、例えば弁の開度を変更可能な電磁弁が用いられる。カソード調圧弁２４は、コントローラ４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圧力が調整される。

バイパス通路２５は、コンプレッサ２２から供給されるカソードガスの一部を、燃料電池スタック１に供給せずに直接カソードガス排出通路２３に排出するための通路である。バイパス通路２５の一端は、コンプレッサ２２よりも下流のカソードガス供給通路２１に接続され、他端は、カソード調圧弁２４よりも下流のカソードガス排出通路２３に接続される。

バイパス弁２６は、バイパス通路２５に設けられる。バイパス弁２６は、コンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量のうち、バイパス通路２５に排出されるカソードガスの流量を調整する。すなわち、バイパス弁２６は、コンプレッサ２２により燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの一部をバイパスするものである。

バイパス弁２６は、例えば、開度を変更可能な電磁弁により実現される。バイパス弁２６は、コントローラ４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をバイパスしてカソードガス供給通路２１から外気に排出されるカソードガスの流量が調整される。

カソードガス供給通路２１には、コンプレッサ流量センサ４１と、スタック流量センサ４２と、スタック圧力センサ４３とが設けられる。

コンプレッサ流量センサ４１は、コンプレッサ２２よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。コンプレッサ流量センサ４１は、コンプレッサ２２によってカソードガス供給通路２１に吸入されるカソードガスを検出する。

コンプレッサ流量センサ４１は、検出された流量を示す検出信号をコントローラ４に出力する。以下では、コンプレッサ２２に吸引されるカソードガスの流量、すなわちコンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量を「コンプレッサ流量」という。

スタック流量センサ４２は、カソードガス供給通路２１からバイパス通路２５が分岐する部分よりも下流に位置するカソードガス供給通路２１に設けられる。スタック流量センサ４２は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。

スタック流量センサ４２は、検出された流量を示す検出信号をコントローラ４に出力する。以下では、バイパス弁２６によってバイパスされずに燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を「スタック流量」という。

スタック圧力センサ４３は、カソードガス供給通路２１からバイパス通路２５が分岐する部分よりも下流に位置するカソードガス供給通路２１に設けられる。スタック圧力センサ４３は、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に供給されるカソードガスの圧力を検出する。

スタック圧力センサ４３は、検出された圧力を示す検出信号をコントローラ４に出力する。以下では、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「スタック圧力」という。

なお、スタック流量センサ４２とスタック圧力センサ４３とは、バイパス弁２６でバイパスされずに燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの状態を検出する検出手段を構成する。

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ともに、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。アノードオフガスには、発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスの他に、発電反応で生成される水蒸気や、燃料電池スタック１内のカソードガス流路から電解質膜を透過してきた窒素ガスなどが含まれている。

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、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５とを含む。

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は、コントローラ４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に供給されるアノードガスの圧力が調整される。

アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から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３４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２３にバイパス通路２５が合流する部分よりも下流に位置するカソードガス排出通路２３に接続される。

パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ４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から排出されるアノードオフガスの流量が調整される。

パージ弁３５から排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２３を流れるカソードオフガスによって希釈され外気に排出される。このため、カソードガス排出通路２３から外気に排出される排出ガス中の水素濃度を所定濃度、例えば４％（パーセント）以下に維持することが可能となる。

コントローラ４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４には、コンプレッサ流量センサ４１や、スタック流量センサ４２、スタック圧力センサ４３の他にも、外気の圧力を検出する大気圧センサ４４からの検出信号が入力される。その他のセンサとしては、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、燃料電池スタック１の内部抵抗を測定する装置、コンプレッサ２２の回転速度及びトルクを検出するセンサなどの信号がコントローラ４に入力される。

コントローラ４は、これらの各種センサからの検出信号や、各種制御部品の指令信号などを用いて、コンプレッサ２２、カソード調圧弁２４、バイパス弁２６、アノード調圧弁３３、及びパージ弁３５を制御する。

本実施形態では、コントローラ４は、電気負荷から燃料電池スタック１に要求される要求電力に基づいて、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の目標値をそれぞれ演算する。以下では、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の目標値のことを「スタック目標流量」及び「スタック目標圧力」という。

例えば、コントローラ４は、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、電動モータの要求電力が大きくなるため、スタック目標流量及びスタック目標圧力を大きくする。

また、燃料電池スタック１の湿潤度と相関のある内部抵抗が、予め定められた基準値よりも小さい場合においては、コントローラ４は、スタック目標流量を大きくする。これにより、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ので、燃料電池スタック１内の水詰まり、いわゆるフラッディングの発生を抑制することができる。

一方、燃料電池スタック１の内部抵抗が基準値よりも大きい場合においては、コントローラ４は、スタック目標圧力を大きくする。これにより、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ので、燃料電池の電解質膜が乾燥し過ぎて劣化するのを回避することができる。

このように、スタック目標流量とスタック目標圧力は、電気負荷の要求電力に基づく発電要求や、電解質膜の湿潤状態に基づく湿潤要求、あるいはカソード電極及びアノード電極間の差圧に基づく電解質膜の保護要求、部品の過温度防止要求などの要求によって設定される。すなわち、スタック目標流量とスタック目標圧力は、燃料電池スタック１の発電状態や、湿潤状態、内部圧力状態、温度状態などの運転状態に応じて変更される。

また本実施形態では、コントローラ４は、コンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量がスタック目標流量よりも大きくなる場合には、バイパス弁２６の開度を大きくしてバイパス弁２６を開く。

例えば、電動モータの要求電力が低下したときには、コントローラ４は、排出ガス中の水素濃度が所定濃度を超えないようにバイパス弁２６を開く。これにより、燃料電池スタック１から排出される水素を希釈するカソードガスの排出量を確保しつつ、発電に必要な流量までスタック流量を低下させることができる。

あるいは、コントローラ４は、コンプレッサ２２でサージが発生しないようにコンプレッサ２２の回転速度を大きくした場合には、バイパス弁２６を開いて、大きくした分のカソードガス流量を外気に排出する。なお、サージとは、遠心式のエアコンプレッサにおいて、空気流量と空気圧力とが周期的に変動する現象のことである。

図２は、燃料電池システム１００を制御するコントローラ４の機能構成を示すブロック図である。

コントローラ４は、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０と、サージ回避要求流量演算部２２０と、排水素希釈要求流量演算部２３０と、コンプレッサ目標流量設定部２４０と、コンプレッサＦＢ制御部２５０とを含む。またコントローラ４は、バイパス弁ＦＢ制御部２６０と、スタック圧力補償量演算部２７０と、補正値加算部２８０とを含む。

調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０は、上述したスタック目標流量及びスタック目標圧力と、検出したスタック流量及びスタック圧力とに基づいて、コンプレッサ２２の操作量及びカソード調圧弁２４の操作量を互いにフィードバック制御する。

本実施形態では、スタック流量は、スタック流量センサ４２により検出され、スタック圧力は、スタック圧力センサ４３により検出される。コンプレッサ２２の操作量とは、燃料電池スタック１に必要となるカソードガスの流量のことであり、以下では「スタック要求流量」という。

カソード調圧弁２４の操作量とは、カソード調圧弁２４により燃料電池スタック１に必要となるカソードガスの圧力を供給するための開度指令値のことである。カソード調圧弁２４の開度指令値が大きくなるほど、カソード調圧弁２４の開口が大きくなり、カソード調圧弁２４の開度指令値が小さくなるほど、カソード調圧弁２４の開口が小さくなる。

調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０は、スタック流量及びスタック圧力がそれぞれスタック目標流量及びスタック目標圧力に収束するように、コンプレッサ２２のスタック要求流量とカソード調圧弁２４の開度指令値とを演算する。

本実施形態では、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０は、スタック目標流量及びスタック目標圧力に基づいてスタック流量及びスタック圧力を制御する２入力２出力制御モデルに基づいて、コンプレッサ２２のスタック要求流量とカソード調圧弁２４の開度指令値とを演算する。

２入力２出力制御モデルは、コンプレッサ２２から燃料電池スタック１を介してカソード調圧弁２４までのカソードガス流路をモデル化したものである。

例えば、２入力２出力制御モデルでは、コンプレッサ２２の動作特性や、燃料電池スタック１内の入口側及び出口側のマニホールドなどが考慮される。そして、コンプレッサ２２から入口側マニホールドに流入する体積流量や、カソード調圧弁２４によって出口側マニホールドに出力される体積流量などに基づいて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの状態量であるスタック流量及びスタック圧力が演算される。

２入力２出力制御モデルは、以下のとおり、行列式により表わされる。

ここでは、行列ｘは、コンプレッサ２２から燃料電池スタック１までのカソードガス流路内のカソードガスの状態量を示すパラメータである。行列ｕは、カソードガスの状態量を操作する操作量を示すパラメータであり、コンプレッサ２２のスタック要求流量とカソード調圧弁２４の開度指令値とを含む。行列γは、カソードガスの状態量の目標値であり、スタック目標流量とスタック目標圧力とを含む。行列ｙは、求めたいカソードガス状態量の出力であり、スタック流量とスタック圧力とを含む。

また、行列Ａ、行列Ｂ、行列Ｃ、及び、行列Ｅは、カソードガスに関する比熱などの定数や、コンプレッサ２２から燃料電池スタック１を介してカソード調圧弁２４までのカソードガス流路の形状、コンプレッサ２２の仕様などにより定められる定数である。具体的には行列Ａ、行列Ｂ、行列Ｃ、及び、行列Ｅは、カソードガス流路の容積や、圧力損失係数などによって決まるものである。

式（３）に示すように、カソードガス状態量の偏差ｄｘ／ｄｔと、カソードガス状態量の出力ｙとを用いて、コンプレッサ２２のスタック要求流量及びカソード調圧弁２４の開度指令値が求められる。

具体的には、行列ｘは、行列ｕ中のコンプレッサ２２のスタック要求流量及びカソード調圧弁２４の開度指令値と行列γ中のスタック目標流量及びスタック目標圧力とにより、カソードガスの状態量である行列ｘが定まり、この行列ｘによって行列ｙ中のスタック流量及びスタック圧力が求められる。したがって、スタック流量及びスタック圧力の検出値とスタック目標流量及びスタック目標圧力とを式（３）に入力することにより、スタック要求流量及びカソード調圧弁２４の開度指令値が得られる。

このように、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０は、式（３）を用いて、カソードガス状態量の時間変化に応じて変化する行列ｕ中のスタック要求流量と開度指令値とを算出する。これにより、スタック目標流量及びスタック目標圧力が変化した際に、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２４の動作特性、並びに燃料電池スタック１の内部構造に合わせて適切にスタック流量及びスタック圧力を各目標値に収束させることができる。

調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０は、カソード調圧弁２４の開度指令値を補正値加算部２８０に出力するとともに、コンプレッサ２２のスタック要求流量をコンプレッサ目標流量設定部２４０に出力する。

サージ回避要求流量演算部２２０は、コンプレッサ２２にサージが生じないように、コンプレッサ動作状態情報に基づいて、コンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量を演算する。以下では、サージ回避要求流量演算部２２０により演算されたカソードガスの流量を「サージ回避要求流量」という。

コンプレッサ動作状態情報には、コンプレッサ２２の回転速度と、コンプレッサ２２の入口圧力及び出口圧力と、が含まれている。例えば、コンプレッサ２２の入力圧力は、大気圧センサ４４により検出される値に基づいて算出される。コンプレッサ２２の出口圧力は、スタック圧力センサ４３により検出される値に基づいて算出される。なお、コンプレッサ２２の上流及び下流のカソードガス供給通路２１にそれぞれ圧力センサを設け、これらの圧力センサから出力される検出信号をコンプレッサ２２の入口圧力及び出口圧力として用いてもよい。

本実施形態では、サージが発生するコンプレッサ２２の運転領域を示すサージ回避マップがサージ回避要求流量演算部２２０に予め記憶される。サージ回避マップは、コンプレッサ２２の仕様などに基づいて設定される。

サージ回避要求流量演算部２２０は、コンプレッサ動作状態情報を取得すると、サージ回避マップを参照し、コンプレッサ２２の回転速度と入口圧力と出口圧力とで特定される運転点が、サージの発生する領域にあるか否かを判定する。コンプレッサ２２の運転点がサージの発生する領域にある場合には、サージ回避要求流量演算部２２０は、運転点がサージの発生しない領域にシフトするようにサージ回避要求流量を大きくする。

このように、サージ回避要求流量演算部２２０は、サージ回避要求流量を演算し、そのサージ回避要求流量をコンプレッサ目標流量設定部２４０に出力する。

排水素希釈要求流量演算部２３０は、カソードガス排出通路２３から排出されるガス中の水素濃度が所定濃度以下となるように、パージ弁３５の排水素流量に基づいて、コンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量を演算する。

以下では、排水素希釈要求流量演算部２３０で演算されたカソードガスの流量を「排水素希釈要求流量」という。またパージ弁３５の排水素流量とは、パージ弁３５から排出されるアノードオフガスの流量のことであり、例えばパージ弁３５の開度に基づいて算出される。

本実施形態では、パージ弁３５の排水素流量と排水素希釈要求流量との関係を示す希釈流量マップが排水素希釈要求流量演算部２３０に記憶される。排水素希釈要求流量演算部２３０は、排水素流量を取得すると、希釈流量マップを参照し、その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。

例えば、排水素希釈要求流量演算部２３０は、排水素流量が大きくなるほど、排水素希釈要求流量を単調増加させる。排水素希釈要求流量演算部２３０は、その排水素希釈要求流量をコンプレッサ目標流量設定部２４０に出力する。

コンプレッサ目標流量設定部２４０は、スタック要求流量と、サージ回避要求流量と、排水素希釈要求流量と、のうち最も大きい値をコンプレッサ目標流量として設定し、そのコンプレッサ目標流量をコンプレッサＦＢ制御部２５０に出力する。

コンプレッサＦＢ制御部２５０は、コンプレッサ目標流量とコンプレッサ流量とに基づいて、コンプレッサ２２のトルク指令値をフィードバック制御する。なお、コンプレッサ流量は、コンプレッサ流量センサ４１により検出される。

すなわち、コンプレッサＦＢ制御部２５０は、コンプレッサ流量がコンプレッサ目標流量に収束するように、コンプレッサ２２のトルク指令値を演算する。コンプレッサＦＢ制御部２５０は、そのトルク指令値をコンプレッサ２２に出力する。

例えば、コンプレッサＦＢ制御部２５０は、コンプレッサ目標流量がコンプレッサ流量よりも大きいときには、コンプレッサ２２のトルク指令値を大きくして、コンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量を増やす。

このため、サージ回避要求流量、及び排水素希釈要求流量よりもスタック要求流量が大きいときには、コンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量は、バイパス弁２６が閉じられた状態でスタック要求流量に基づいて制御される。

また、燃料電池スタック１の運転状態によっては、スタック要求流量よりもサージ回避要求流量、又は排水素希釈要求流量が大きくなり、これらの要求流量に応じてコンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量が増やされることもある。このような状況では、燃料電池スタック１に対してカソードガスの流量が過剰に供給されることになる。この対策としてバイパス弁ＦＢ制御部２６０が備えられている。

バイパス弁ＦＢ制御部２６０は、スタック目標流量と、検出されたスタック流量とに基づいて、バイパス弁２６の開閉をフィードバック制御するバイパス弁制御部を構成する。すなわち、バイパス弁ＦＢ制御部２６０は、スタック流量がスタック目標流量に収束するように、バイパス弁２６の開度指令値を演算する。

例えば、スタック目標流量がスタック流量よりも大きいときには、バイパス弁ＦＢ制御部２６０は、バイパス弁２６の開度指令値を大きくして、コンプレッサ２２からバイパス通路２５に排出されるカソードガスの流量を増やす。

これにより、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの一部がバイパスされるので、燃料電池スタック１に対してスタック要求流量よりも大きなカソードガスの流量が供給され続けることを防ぐことができる。このため、燃料電池スタック１に対してカソードガスが過剰に供給されることが原因で燃料電池の電解質膜が乾燥し過ぎて劣化するという事態を回避できる。

しかしながら、バイパス弁２６が開かれたときには、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスのスタック圧力が、バイパス通路２５からカソードガス排出通路２３を介して外気に抜けてしまう。このスタック圧力の低下に対して、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０ではスタック目標圧力に収束させるのに一定の時間を要するフィードバック制御が実行されるため、スタック圧力が下がりすぎてしまう。

このようなスタック圧力の低下によって、燃料電池スタック１の発電電力が低下するとともに、燃料電池スタック１内のカソード電極側の圧力とアノード電極側の圧力との極間差圧が一時的に燃料電池の許容圧力を超えて燃料電池の耐久性が劣化して発電特性が悪化する恐れがある。

そこで本実施形態では、コントローラ４は、バイパス弁２６を開いたときにカソード調圧弁２４を閉じる際の変化量を増加させる。これにより、スタック圧力が上昇するので、バイパス弁２６を開いたときに生じるスタック圧力の低下を相殺することができる。

具体的には、図２に示したスタック圧力補償量演算部２７０及び補正値加算部２８０によってスタック圧力の低下を補償する。

スタック圧力補償量演算部２７０は、圧力補償制御モデルを用いて、バイパス弁２６が開かれたときに生じるスタック圧力の低下を補償するための補償量を演算する。

圧力補償制御モデルは、上述の２入力２出力制御モデルに対してバイパス通路２５及びバイパス弁２６を追加した構成でのカソードガス状態量を制御する制御モデルであり、以下のとおり、行列式によって表わされる。

ここで、行列Ｇｄ_bypsは、コンプレッサ２２からバイパス通路２５に供給されるカソードガスの状態量を示すパラメータである。他の行列は、式（３）と同じものである。

行列Ｇは、カソードガス供給通路２１から分岐したバイパス通路２５のバイパス弁２６までのカソードガス流路の形状、すなわち圧力損失などに基づいて定められる定数である。行列ｄ_bypsは、バイパス弁２６の動作量を示すパラメータであり、バイパス弁２６の開度指令値を含む。

式（４）に示すように、式（３）に行列Ｇｄ_bypsを追加したことにより、バイパス弁２６の開度に応じて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの状態量であるスタック流量及びスタック圧力が変化する。このように、圧力補償制御モデルは、バイパス弁２６が開かれたときにスタック圧力が低下することについても考慮された制御モデルとなっている。

行列Ｇｄ_bypsは、スタック流量及びスタック圧力をそれぞれスタック目標流量及びスタック目標圧力に収束させる際の外乱として作用する。したがって、バイパス弁２６が開かれたときのスタック圧力の低下を補償するには、次式のとおり、行列Ｇｄ_bypsによって表わされるカソードガスの状態量が打ち消されるように、カソード調圧弁２４の開度指令値を演算することが必要となる。

本実施形態では、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０の演算結果を補正する構成をとるので、行列ｕは以下のとおり表わされる。

ここで、行列Ｆｘと行列Ｖγの和（Ｆｘ＋Ｖγ）は、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０で演算されたカソード調圧弁２４の開度指令値とコンプレッサ２２のスタック要求流量とに基づいて定められる。また、行列μは、外乱として作用する行列Ｇｄ_bypsを打ち消すためのパラメータであり、カソード調圧弁２４の開度指令値を補正するための開度補正値を含む。

行列式（５）中の行列ｕに式（６）を代入すると、以下のとおり、行列式（７）を導出することができる。

ここで、行列式（７）において行列式（８）が成立すれば、外乱に相当する行列Ｇｄ_{by ps}を打ち消すことができる。

そのため、行列式（８）の両辺に行列Ｂの逆行列Ｂ^-1を除算することにより、次式のとおり、行列μを導出することができる。

行列式（９）中の行列ｂ_bypsにバイパス弁２６の開度指令値を代入することにより、行列μに含まれるパラメータに基づいてカソード調圧弁２４の開度補正値が決定される。

このため、スタック圧力補償量演算部２７０は、行列式（９）を用いて、バイパス弁ＦＢ制御部２６０から出力された開度指令値を式（９）中の行列ｂ_bypsに代入することで、カソード調圧弁２４の開度補正値を算出する。このように、スタック圧力補償量演算部２７０は、バイパス弁２６の開度指令値に基づいて、バイパス弁２６の動作による影響を考慮した開度補正値を算出する。

補正値加算部２８０は、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０から出力される開度指令値に対して、スタック圧力補償量演算部２７０からの開度補正値を加算する。これにより、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０によって制御されるカソード調圧弁２４の開度指令値を増加させることができる。

補正値加算部２８０は、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０で演算されたカソード調圧弁２４の開度指令値に開度補正値を加算した値を、新たな開度指令値としてカソード調圧弁２４に出力する。

このように、スタック圧力補償量演算部２７０と補正値加算部２８０は、バイパス弁２６が開かれるときに、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０で演算される操作量を増加させることにより、スタック圧力を補償する圧力補償部を構成する。

図３は、本実施形態におけるカソード調圧弁２４の制御手法を示すタイムチャートである。

図３（ａ）は、カソードガスの流量を示す図である。図３（ｂ）は、バイパス弁２６の開度を示す図である。図３（ｃ）は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスのスタック圧力を示す図である。図３（ｄ）は、カソード調圧弁２４の開度を示す図である。図３（ａ）から図３（ｄ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図３（ａ）には、コンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの流量であるコンプレッサ流量が実線により示され、コンプレッサ目標流量が一点鎖線により示されている。さらに図３（ａ）には、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量であるスタック流量が実線により示され、スタック目標流量が破線により示されている。

図３（ｃ）には、スタック圧力補償量演算部２７０の開度補正値によってカソード調圧弁２４の開度指令値を補正したときのスタック圧力が実線により示され、補正しなかったときのスタック圧力が点線により示されている。さらに図３（ｃ）には、スタック目標圧力が破線により示され、アノードガスの目標圧力が一点鎖線により示されている。

図３（ｄ）には、スタック圧力補償量演算部２７０の開度補正値によって補正したときのカソード調圧弁２４の開度が実線により示され、補正しなかったときのカソード調圧弁２４の開度が点線により示されている。

なお、図３（ａ）及び図３（ｃ）については、図面を見やすくするため、各線が重ならないように示されている。

時刻ｔ１よりも前の時点では、排水素希釈要求やサージ回避要求ではなくスタック発電要求によってコンプレッサ２２が制御されている。そのため、図３（ａ）に示すように、コンプレッサ目標流量とスタック目標流量とが同じ値に設定され、図３（ｂ）に示すように、バイパス弁２６は閉じられている。

時刻ｔ１では、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、燃料電池スタック１に要求される要求電力が低下し、スタック目標電流とスタック目標圧力とが下げられる。このため、スタック流量とスタック目標流量との偏差が大きくなるとともに、スタック圧力とスタック目標圧力との偏差も大きくなる。

また、スタック目標圧力が下げられることに伴い、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧が電解質膜の許容圧力を超えないように、アノードガス目標圧力も下げられる。この場合において、要求電力が低下するため燃料電池スタック１から取り出される電流が少なくなるので、燃料電池スタック１内でアノードガスの消費量が低下する。その結果、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力は、アノードガス目標圧力よりも緩やかに低下することになる。

なお、ここでは、要求電力の低下に伴いコンプレッサ流量を下げると、排水素希釈要求又はサージ回避要求が満たされなくなるため、これらの要求によってコンプレッサ目標流量は一定に維持されている。

時刻ｔ２では、図３（ｂ）に示すように、スタック流量とスタック目標流量との偏差が小さくなるように、バイパス弁ＦＢ制御部２６０によってバイパス弁２６が開かれる。これに伴い、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力がバイパス通路２５から外気へ抜ける。

このとき、図３（ｄ）に示すように、スタック流量及びスタック圧力が互いにスタック目標流量及びスタック目標圧力に収束するように調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０によってカソード調圧弁２４が閉じられる。

仮に調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０だけでカソード調圧弁２２が制御されると、スタック圧力が低下したとしても、スタック圧力の調整がフィードバック制御によって行われるため、図３（ｄ）の点線で示したように、カソード調圧弁２４が緩やかに閉じられる。このため、図３（ｃ）の点線で示したように、スタック圧力がスタック目標圧力よりも大幅に低下することになる。その結果、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との極間差圧が燃料電池の許容圧力よりも大きくなり、燃料電池の耐久性が劣化してしまう。

これに対して本実施形態では、スタック圧力補償量演算部２７０がバイパス弁２６の開度に基づいて、バイパス弁２６の動作による影響を事前に考慮したカソード調圧弁２４の開度補正値を算出し、補正値加算部２８０が、その開度補正値を、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０で演算された開度指令値に加算する。このため、バイパス弁２６が開かれるときには、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０で演算された開度指令値の下げ幅が増やされることになる。

これにより、図３（ｄ）の実線で示したように、カソード調圧弁２４は、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０によってカソード調圧弁２４が閉じられる場合に比べて、速く閉じられる。

このように、バイパス弁２６を開いたタイミングでカソード調圧弁２４を迅速に閉じたことにより、スタック圧力が素早く上昇するので、バイパス通路２５を通じて外気にカソードガスの圧力が抜けてスタック圧力が低下するのを補償することができる。

そして、時刻ｔ３では、カソード調圧弁２４の開度補正値が小さくなり、カソード調圧弁２４は徐々に閉じられる。

時刻ｔ４では、図３（ｃ）の実線で示したように、カソード調圧弁２４を素早く閉じたことで、スタック圧力がスタック目標圧力から低下する幅が、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０でカソード調圧弁２４を制御した場合に比べて狭くなっている。

このため、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との差圧が電解質膜の許容圧力よりも低く抑えられるので、燃料電池が劣化するのを抑制することができる。

その後、時刻ｔ５では、図３（ｃ）に示すように、スタック目標圧力が一定となる。そして時刻ｔ６で、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、スタック流量及びスタック圧力が互いにスタック目標流量及びスタック目標圧力に収束し、図３（ｂ）及び図３（ｄ）に示すように、バイパス弁２６及びカソード調圧弁２４の開度がそれぞれ一定に維持される。

このように、バイパス弁２６が開かれる際に、カソード調圧弁２４の開度指令値の下げ幅を大きくすることにより、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力の低下を補償することができる。このため、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との差圧が大きくなり過ぎて燃料電池の耐久性が劣化するのを抑制することができる。

なお、本実施形態では、圧力補償制御モデルを用いてスタック圧力の補償量を演算する例について説明したが、これに限られるものではない。

例えば、スタック圧力補償量演算部２７０は、バイパス弁ＦＢ制御部２６０からバイパス弁２６の開度指令値を取得した場合には、予め定められた補正マップを参照し、その開度指令値に対応付けられた開度補正値を算出するようにしてもよい。

この場合において補正マップは、バイパス弁２６の開度指令値が大きくなるほど、スタック圧力が低下しやすくなるため、カソード調圧弁２４の開度補正値が大きくなるように設定される。これにより、簡易な構成で、バイパス弁２６を開いたときのスタック圧力の低下を補償することができる。

なお、式（９）に示した行列Ｇには、バイパス通路２５を通過するカソードガスの温度と、バイパス弁２６よりも上流のカソードガスの圧力とが、パラメータとして含まれている。このため、カソード調圧弁２４の開度補正値は、これらのパラメータに応じて変化させることが望ましい。

そこで、スタック圧力補償量演算部２７０は、図４及び図５に示すように、バイパス通路２５を通過するカソードガスの温度、及び、バイパス弁２６よりも上流のカソードガスの圧力に応じて、カソード調圧弁２４の開度補正値を補正するものであってもよい。

図４は、バイパス弁２６を通過するカソードガスの温度Ｔｃｐごとにカソード調圧弁２４の補正量が設定された温度補正マップを示す図である。

ここでは、横軸がバイパス弁２６の開度指令値ｄを示し、縦軸がカソード調圧弁２４の操作量を補正する補正量を示す。なお、補正量の符号を反転させた値が、カソード調圧弁２４の開度補正値μとなる。

温度補正マップでは、バイパス弁２６の開度指令値ｄが大きくなるほど、カソード調圧弁２４の補正量が単調増加する。すなわち、バイパス弁２６の開度指令値ｄが大きくなるほど、カソード調圧弁２４の開度補正値μがゼロから単調減少する。

そして、バイパス弁２６を通過するカソードガスの温度Ｔｃｐが高くなるほど、カソード調圧弁２４の補正量が大きくなる。このように、バイパス弁２６を通過するカソードガスの温度Ｔｃｐに応じてカソード調圧弁２４の補正量を変更することにより、より適切にスタック圧力の低下を抑制することができる。

なお、バイパス弁２６を通過するカソードガスの温度Ｔｃｐは、例えば、バイパス弁２６の上流又は下流のバイパス通路２５に設けられた温度センサにより検出される。そしてスタック圧力補償量演算部２７０は、この温度センサにより検出される温度Ｔｃｐと、バイパス弁２６の開度指令値ｄとに基づいて、温度補正マップに対応付けられたカソード調圧弁２４の補正量を算出する。スタック圧力補償量演算部２７０は、その補正量に「−１」を乗算することにより、カソード調圧弁２４の開度補正値を算出する。

図５は、バイパス弁２６よりも上流のカソードガスの圧力Ｐｓｍごとにカソード調圧弁２４の補正量が設定された圧力補正マップを示す図である。ここでは、横軸がバイパス弁２６の開度指令値ｄを示し、縦軸がカソード調圧弁２４の補正量を示す。

圧力補正マップでは、バイパス弁２６の開度指令値ｄが大きくなるほど、カソード調圧弁２４の補正量が単調増加し、バイパス弁２６よりも上流のカソードガスの圧力Ｐｃｍが高くなるほど、カソード調圧弁２４の補正量が大きくなる。

このように、バイパス弁２６よりも上流のカソードガスの圧力Ｐｓｍに応じてカソード調圧弁２４の補正量を変更することにより、より適切にスタック圧力の低下を抑制することができる。

なお、圧力補正マップが用いられる場合には、スタック圧力補償量演算部２７０は、例えばスタック圧力センサ４３により検出される圧力Ｐｃｍと、バイパス弁２６の開度指令値ｄとに基づいて、圧力補正マップに対応付けられたカソード調圧弁２４の補正量を算出する。

次に本実施形態におけるコントローラ４の動作について図面を参照して説明する。

図６は、スタック圧力補償量演算部２７０及び補正値加算部２８０の動作の一例を示すタイムチャートである。

図６（ａ）は、バイパス弁ＦＢ制御部２６０で演算されるバイパス弁２６の開度指令値を示す図である。図６（ｂ）は、スタック圧力補償量演算部２７０で演算される開度補正値を示す図である。

図６（ｃ）は、カソード調圧弁２４の開度指令値を示す図である。図６（ｃ）には、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０で演算される補正前の開度指令値が点線により示され、補正値加算部２８０で開度補正値が加算された補正後の開度指令値が実線により示されている。図６（ａ）から図６（ｃ）までの各図面の横軸は互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ２１よりも前では、バイパス弁２６の開度指令値、スタック圧力補償量演算部２７０の開度補正値、及びカソード調圧弁２４の開度指令値は共に一定である。

時刻ｔ２１において、図６（ａ）に示すように、バイパス弁２６の開度指令値が上昇してバイパス弁２６が開かれる。これに伴い、図６（ｂ）に示すように、スタック圧力補償量演算部２７０から出力される開度補正値は、上述の圧力補償制御モデルに従ってバイパス弁２６の開度指令値が大きくなるほど小さくなる。これにより、図６（ｃ）に示すように、補正後の開度指令値の低下量は、補正前の開度指令値に比べて大きくなる。

時刻ｔ２２では、図６（ａ）に示すように、バイパス弁２６の開度指令値の上昇が停止し、これに伴い、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、カソード調圧弁２４の開度補正値及び開度指令値が一定となる。

このように、スタック圧力補償量演算部２７０は、バイパス弁２６の開度指令値に基づいてカソード調圧弁２４の開度指令値の低下量を増加させる。これにより、バイパス弁２６を開いている間に、燃料電池スタック１に供給される圧力が低下するのを抑制することができる。

図７は、本実施形態における燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を補償する圧力補償制御方法を示すフローチャートである。

ステップＳ９０１においてコントローラ４は、燃料電池スタック１の運転状態に応じてスタック目標流量及びスタック目標圧力を算出する。例えば、コントローラ４は、燃料電池スタック１に要求される要求電力が大きくなるほど、スタック目標流量及びスタック目標圧力を共に大きくする。

ステップＳ９０２において調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０は、スタック流量及びスタック圧力がスタック目標流量及びスタック目標圧力に収束するように、コンプレッサ２２に対するスタック要求流量とカソード調圧弁２４の開度指令値とを演算する。そしてコンプレッサ目標流量設定部２４０は、スタック要求流量とサージ回避要求流量と排水素希釈要求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設定する。

ステップＳ９０３においてバイパス弁ＦＢ制御部２６０は、スタック流量がスタック目標流量に収束するように、バイパス弁２６の開度指令値を演算する。

例えば、スタック要求流量がコンプレッサ目標流量として設定された場合には、バイパス弁ＦＢ制御部２６０は、バイパス弁２６の開度指令値をゼロにしてバイパス弁２６を閉じる。

一方、サージ回避要求流量又は排水素希釈要求流量がコンプレッサ目標流量として設定された場合には、バイパス弁ＦＢ制御部２６０は、バイパス弁２６の開度指令値を大きくしてバイパス弁２６を開ける。

ステップＳ９０４においてスタック圧力補償量演算部２７０は、バイパス弁２６の開度指令値が前回値から増加したか否か、すなわちバイパス弁２６が開かれるか否かを判断する。そしてスタック圧力補償量演算部２７０は、バイパス弁２６の開度指令値が増加していない場合には、燃料電池システム１００の圧力補償制御方法を終了する。

ステップＳ９０５においてスタック圧力補償量演算部２７０は、バイパス弁２６が開かれた場合には、カソード調圧弁２４の開度指令値の下げ幅を増加させる。ステップＳ９０５の処理が完了すると、燃料電池システム１００の圧力補償制御方法が終了する。

本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する供給手段を構成するコンプレッサ２２と、燃料電池スタック１へ供給されるカソードガスをバイパスするバイパス弁２６とを含む。さらに燃料電池システム１００は、バイパス弁２６によってバイパスされずに燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの状態を検出する検出手段を構成するスタック流量センサ４２及びスタック圧力センサ４３と、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調圧手段を構成するカソード調圧弁２４を含む。

また、燃料電池システム１００を制御するコントローラ４は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの目標流量及び目標圧力を算出する算出部を含む。

またコントローラ４は、検出手段により検出されるカソードガスの流量及び圧力と、算出された目標流量及び目標圧力とに基づいて、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２４のうち少なくとも一方の手段の操作量を制御する運転状態制御部を構成する調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０を備える。この調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０によって、スタック目標流量及びスタック目標圧力が変化した際に、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２４の動作特性、並びに燃料電池スタック１の内部構造に合わせて適切にスタック流量及びスタック圧力を各目標値に収束させることができる。

そして、コントローラ４は、検出手段により検出されるカソードガスの流量と目標流量とに基づいてバイパス弁２６を開閉するバイパス弁ＦＢ制御部２６０と、バイパス弁２６が開かれるときには、カソード調圧弁２４の操作量を増加させる圧力補償部を構成するスタック圧力補償量演算部２７０とを備える。

このスタック圧力補償量演算部２７０によって、バイパス弁２６が開かれるときに、バイパス弁２６の動作による影響が事前に考慮されるので、スタック圧力を監視することなく燃料電池スタック１に供給されるカソードガス圧力の低下を抑制することができる。このため、図３（ｃ）の破線で示したようにスタック圧力が目標圧力よりも低下して燃料電池スタック１の発電電力が一時的に低下するのを抑制することができる。

したがって、燃料電池スタック１から供給されるカソードガスをバイパスすることに起因して燃料電池スタック１の発電性能が低下するのを抑制することができる。

以上のように本実施形態では、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０によって、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２４の動作特性、並びに燃料電池スタック１の内部構造に合わせて適切にスタック流量及びスタック圧力を各目標値に収束させつつ、スタック圧力補償量演算部２７０によって、バイパス弁２６を開いたときに生じるスタック圧力の低下を補償することができる。すなわち、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０によってスタック流量及びスタック圧力が適切にフィードバック制御される構成において、スタック圧力をモニターすることなく、バイパス弁２６の動作によるスタック圧力の低下を補償することができる。

また本実施形態では、スタック圧力補償量演算部２７０は、バイパス弁２６が開かれるときには、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０によってカソード調圧弁２４が開かれる場合に比べてカソード調圧弁２４の開度の単位時間あたりの下げ幅を増やす。これにより、カソード調圧弁２４を閉じる速度を速くすることが可能となる。

このため、燃料電池システム１００の消費電力を増加させることなく、図３（ｃ）の破線で示したように、スタック圧力がスタック目標圧力よりも大幅に低下するのを防ぐことがでる。したがって、簡易な構成で、燃料電池スタック１内のアノードガス圧力とカソードガス圧力との差圧が電解質膜の許容圧力を超えて電解質膜の耐久性が劣化して発電性能が劣化するような事態を回避することができる。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態におけるコントローラ４の機能構成を示すブロック図である。

本実施形態のコントローラ４は、図２に示したコントローラ４の構成に加えて駆動信号生成部３００を備えている。その他の構成については、図２に示した構成と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

駆動信号生成部３００は、バイパス弁ＦＢ制御部２６０から出力されるバイパス弁２６の開度指令値に基づいて、バイパス弁２６を駆動するための駆動信号を生成する。

本実施形態では、バイパス弁２６として段階的に開度を大きくする制御弁が用いられている。このため、駆動信号生成部３００は、バイパス弁２６に対する開度指令値の変化を階段状の波形に変換し、その変換した値を駆動信号としてバイパス弁２６に出力する。また、駆動信号生成部３００は、バイパス弁２６に対する開度指令値をバイパス弁２６の駆動範囲内に制限し、その制限された駆動信号をバイパス弁２６に出力する。

スタック圧力補償量演算部２７０は、駆動信号生成部３００から出力される階段状の駆動信号に基づいて、カソード調圧弁２４の開度補正値を算出する。補正値加算部２８０は、その開度補正値を、調圧弁／コンプレッサＦＢ制御部２１０からのカソード調圧弁２４の開度指令値に加算して、その加算した値をカソード調圧弁２４に出力する。

図９は、本実施形態におけるスタック圧力補償量演算部２７０及び補正値加算部２８０の動作の一例を示すタイムチャートである。

図９（ａ）は、バイパス弁２６の駆動信号を示す図である。図９（ｂ）及び図９（ｃ）は、それぞれ図６（ｂ）及び図６（ｃ）と同じパラメータを示す図である。また図９（ａ）から図９（ｃ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図９（ａ）には、駆動信号生成部３００から出力される駆動信号が実線により示され、バイパス弁ＦＢ制御部２６０から出力されるバイパス弁２６の開度指令値が点線により示されている。

時刻ｔ３１よりも前においては、図６（ａ）から図６（ｃ）までの各図面と同様に、バイパス弁２６の開度指令値、スタック圧力補償量演算部２７０での開度補正値、及びカソード調圧弁２４の開度指令値は共に一定である。

時刻ｔ３１から時刻ｔ３５において、図９（ａ）に示すように、バイパス弁２６の開度指令値がリニアに上昇するため、駆動信号は段階的に大きくなる。具体的には、駆動信号は、時刻ｔ３２でバイパス弁２６の開度指令値まで上昇し、その後一定の値に維持され、その後時刻ｔ３３で再び上昇して一定に維持される。そして時刻ｔ３４及び時刻ｔ３５においても駆動信号はバイパス弁２６の開度指令値までステップ状に上昇する。

このように、バイパス弁２６が開かれているときは、駆動信号の波形はステップ状となるので、バイパス弁２６は細切れに開かれ、そのたびにスタック圧力の低下が生じることになる。

これに伴い、図９（ｂ）に示すように、開度補正値は段階的に小さくなる。これにより、図９（ｃ）の実線で示したように、カソード調圧弁２４の開度指令値は、バイパス弁２６の駆動信号に応じて階段状に小さくなる。すなわち、バイパス弁２６が段階的に開かれるのに合わせて、カソード調圧弁２４の操作量が階段状に増加する。

このように、バイパス弁２６の動作に制限がある場合において制限後の駆動信号を用いることにより、スタック圧力補償量演算部２７０は、実際のバイパス弁２６の動作により近いカソードガス状態量からカソード調圧弁２４の開度補正値を求めることができる。したがって、スタック圧力の低下をより抑えることができる。

本発明の第２実施形態によれば、燃料電池システム１００は、弁の開度を段階的に変更するバイパス弁２６を備えている。そしてスタック圧力補償量演算部２７０は、バイパス弁２６が開かれている場合において、バイパス弁２６の開度が段階的に上昇するたびに、カソード調圧弁２４の開度の下げ幅を増加させる。

これにより、バイパス弁２６のステップ的な動作に合わせてカソード調圧弁２４の開度指令値が補正されるので、バイパス弁２６が段階的に開かれたときに連続して生じるスタック圧力の低下をより適切に補償することができる。

（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態におけるコントローラ４の機能構成を示すブロック図である。

本実施形態のコントローラ４は、図２に示したコントローラ４の構成に加えて、調圧弁補償量演算部４１０及び補正値加算部４２０を備えている。その他の構成については、図２に示した構成と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

調圧弁補償量演算部４１０は、補正値加算部２８０から出力される補正後の開度指令値に基づいて、カソード調圧弁２４ではスタック圧力の低下を補償できない分をコンプレッサ２２によって補償する圧力補償部を構成する。

本実施形態では、調圧弁補償量演算部４１０は、補正後の開度指令値がゼロよりも小さい場合には、開度指令値のゼロからの低下量に基づいて、コンプレッサ２２でスタック圧力を補償するのに必要となる流量補正値を、補償量として算出する。

例えば、カソード調圧弁２４の開度指令値の低下量と流量補正値との関係を示すコンプレッサ流量補正マップが調圧弁補償量演算部４１０に予め記憶される。そして、調圧弁補償量演算部４１０は、補正値加算部２８０から開度指令値を取得すると、コンプレッサ流量補正マップを参照し、その低下量に対応付けられた流量補正値を算出する。なお、コンプレッサ流量補正マップは、実験データ等により予め定められる。

調圧弁補償量演算部４１０は、カソード調圧弁２４の開度指令値がゼロよりも低い場合には、開度指令値をゼロに設定してカソード調圧弁２４に出力するとともに、低下量に基づく流量補正値を補正値加算部４２０に出力する。また、調圧弁補償量演算部４１０は、カソード調圧弁２４の開度指令値がゼロ以上である場合には、その開度指令値をカソード調圧弁２４に出力する。

なお、本実施形態ではコンプレッサ流量補正マップを用いて流量補正値を算出する例について説明したが、調圧弁補償量演算部４１０は、圧力補償制御モデルによって導出される式（９）に基づいて、流量補正値を算出するものであってもよい。

補正値加算部４２０は、調圧弁補償量演算部４１０から出力される流量補正値を、コンプレッサ目標流量設定部２４０から出力されるコンプレッサ目標流量に加算することにより、コンプレッサ目標流量を補正する。そして補正値加算部４２０は、流量補正値をコンプレッサ目標流量に加算した値、すなわち補正後のコンプレッサ目標流量をコンプレッサＦＢ制御部２５０に出力する。

図１１は、本実施形態におけるコントローラ４の動作を示すタイムチャートである。

図１１（ａ）は、バイパス弁ＦＢ制御部２６０で演算されるバイパス弁２６の開度指令値を示す図である。図１１（ｂ）は、スタック圧力補償量演算部２７０で演算される開度補正値を示す図である。

図１１（ｃ）は、カソード調圧弁２４の開度指令値を示す図である。図１１（ｃ）には、補正前の開度指令値が点線により示され、補正後の開度指令値が実線により示されている。さらに図１１（ｃ）には、カソード調圧弁２４が全閉となってカソード調圧弁２４を用いてスタック圧力を補償できない分の補償量が一点鎖線により示されている。

図１１（ｄ）は、コンプレッサ２２の目標流量を示す図である。図１１（ｄ）には、コンプレッサ目標流量設定部２４０から出力される補正前のコンプレッサ目標流量が点線により示され、補正後のコンプレッサ目標流量が実線により示されている。なお、図１１（ａ）から図１１（ｄ）までの各図面の横軸は互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ４１よりも前では、バイパス弁２６の開度指令値、スタック圧力補償量演算部２７０の開度補正値、及びカソード調圧弁２４の開度指令値は共に一定であり、コンプレッサ目標流量は下げられている。

時刻ｔ４１において、図１１（ａ）に示すように、バイパス弁２６の開度指令値が上昇してバイパス弁２６が開かれる。これに伴い、図１１（ｂ）に示すように、上述の圧力補償制御モデルに従って開度補正値は、バイパス弁２６の開度指令値が大きくなるにつれて小さくなる。これにより、図１１（ｃ）に示すように、補正後の開度指令値の変化量は、補正前の開度指令値に比べて大きくなる。すなわち、カソード調圧弁２４の操作量が増加する。

時刻ｔ４２では、図１１（ｃ）に示すように、補正後の開度指令値がゼロ、すなわち全閉となり、さらにゼロよりも小さくなる。このとき、カソード調圧弁２４に出力される開度指令値はゼロに設定される。このため、カソード調圧弁２４では、スタック圧力の低下を補償できない状態となる。

そこで本実施形態では、調圧弁補償量演算部４１０は、補正後の開度指令値がゼロから低下した低下量に基づいて、コンプレッサ２２の流量補正値を算出し、補正値加算部４２０は、その流量補正値をコンプレッサ目標流量に加算する。このため、図１１（ｄ）に示すように、補正後のコンプレッサ目標流量は、補正後の開度指令値の低下量が大きくなるほど増加する。

このように、カソード調圧弁２４が全閉となった状態でバイパス弁２６が開かれているときには、コンプレッサ流量を増加させることにより、スタック圧力の低下を抑制することができる。

時刻ｔ４３では、図１１（ａ）に示すように、バイパス弁２６の開度指令値の上昇が停止し、これに伴い、図１１（ｂ）及び図１１（ｃ）に示すように、カソード調圧弁２４の開度補正値が一定となる。

ここでは、図１１（ｃ）の一点鎖線で示したように、補正後の開度指令値が上昇するため、図１１（ｄ）に示すように、開度指令値の低下量の減少に伴いコンプレッサ目標流量が減少する。

そして時刻ｔ４４を経過すると、図１１（ｃ）に示すように、補正後の開度指令値がゼロよりも大きくなるため、図１１（ｄ）に示すように、コンプレッサ目標流量が本来の値に戻る。

このように、調圧弁補償量演算部４１０が、カソード調圧弁２４の開度指令値の低下量に応じて、コンプレッサ２２の操作量を増加させることにより、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力低下を確実に補償することができる。

図１２は、本実施形態における圧力補償制御方法の一例を示すフローチャートである。

本実施形態の圧力補償制御方法は、図７に示したステップＳ９０１からＳ９０５までの一連の処理手順に対して、ステップＳ９０６及びＳ９０７の処理が追加されている。このため、ここではステップＳ９０６及びＳ９０７の処理についてのみ説明する。

ステップＳ９０６において調圧弁補償量演算部４１０は、補正後におけるカソード調圧弁２４の開度指令値がゼロより小さいか否か、すなわちカソード調圧弁２４が全閉状態であるか否かを判断する。そして調圧弁補償量演算部４１０は、カソード調圧弁２４が全閉状態でない場合には、圧力補償制御方法を終了する。

ステップＳ９０７において、補正後の開度指令値がゼロより小さい場合には、調圧弁補償量演算部４１０は、開度指令値のゼロからの低下量に基づいて流量補正値を演算し、補正値加算部４２０は、その流量補正値をコンプレッサ目標流量に加算する。これにより、バイパス弁２６が開かれているときにコンプレッサ目標流量を増加させることができる。

そしてステップＳ９０７の処理が完了すると、圧力補償制御方法の一連の処理手順が終了する。

本発明の第３実施形態によれば、燃料電池システム１００は、バイパス弁２６が開かれる場合において、カソード調圧弁２４が全閉になるときには、コンプレッサ２２の操作量を増加させる圧力補償部を構成する調圧弁補償量演算部４１０をさらに備える。

これにより、バイパス弁２６を開いている間において、カソード調圧弁２４によってスタック圧力の低下を補償できない状態になっても、コンプレッサ２２を利用してスタック圧力の低下を適切に抑制することができる。

（第４実施形態）
図１３は、本発明の第４実施形態におけるコントローラ４の機能構成を示すブロック図である。

本実施形態のコントローラ４は、図２に示したコントローラ４のスタック圧力補償量演算部２７０及び補正値加算部２８０に代えて、スタック圧力補償量演算部２７１及び補正値加算部２８１を備えている。その他の構成については、図２に示した構成と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

スタック圧力補償量演算部２７１は、基本的にスタック圧力補償量演算部２７０と同様、圧力補償制御モデルを用いて、バイパス弁２６を開いたときに生じるスタック圧力の低下を補償するための補償量を演算する。

スタック圧力補償量演算部２７１は、バイパス弁２６の開度指令値に基づいて、コンプレッサ２２のスタック要求流量を補正する流量補正値を補償量として算出する。

補正値加算部２８１は、コンプレッサ２２の流量補正値を、コンプレッサ目標流量設定部２４０から出力されるコンプレッサ目標流量に加算する。すなわち、コンプレッサ２２の操作量が増加する。

図１４は、コントローラ４による圧力補償制御方法を示すフローチャートである。ここでは、図７に示したステップＳ９０５の処理に代えてステップＳ９１５の処理が実行される。そのため、ステップＳ９１５の処理についてのみ簡単に説明する。

ステップＳ９１５において、スタック圧力補償量演算部２７１は、ステップＳ９０４でバイパス弁２６が開かれると判断された場合には、バイパス弁２６の開度指令値に基づいて、コンプレッサ２２の流量補正値を演算する。そして補正値加算部２８１は、コンプレッサ２２の流量補正値を、コンプレッサ目標流量設定部２４０からのコンプレッサ目標流量に加算して、コンプレッサ目標流量を増加させる。

本発明の第４実施形態によれば、バイパス弁２６が開かれるときには、カソード調圧弁２４の操作量ではなくコンプレッサ２２の操作量を増加させる。この場合であっても、バイパス弁２６を開いたときのスタック圧力の低下を抑えることができるので、燃料電池スタック１の発電性能の低下を抑制することができる。

（第５実施形態）
図１５は、本発明の第５実施形態におけるコントローラ４の機能構成を示すブロック図である。

本実施形態のコントローラ４は、図２に示したコントローラ４のスタック圧力補償量演算部２７０に代えて、スタック圧力補償量演算部２７２及び補正値加算部２８１を備えている。その他の構成については、図２に示した構成と同じであるため、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

スタック圧力補償量演算部２７２は、基本的にスタック圧力補償量演算部２７０と同様、圧力補償制御モデルを用いて、バイパス弁２６を開いたときに生じるスタック圧力の低下を補償するための補償量を演算する。

スタック圧力補償量演算部２７１は、バイパス弁２６の開度指令値に基づいて、コンプレッサ２２の流量補正値とカソード調圧弁２４の開度補正値とを算出する。これにより、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２４の操作量を互いに増加させることができる。

本発明の第５実施形態によれば、バイパス弁２６を開いたときコンプレッサ２２の操作量及びカソード調圧弁２４の操作量を同時に増加させることにより、バイパス弁２６を開いたときに生じるスタック圧力の低下を素早く相殺することができる。

このように第１実施形態から第５実施形態によれば、コントローラ４は、バイパス弁２６が開かれるときには、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２４のうち少なくとも一方の操作量を増加させる。これにより、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補償でき、燃料電池スタック１の発電性能の低下を抑制することができる。

なお、本実施形態では、バイパス弁２６が開かれるときコンプレッサ２２及びカソード調圧弁２４のうち少なくとも一方の操作量を増加させることによってスタック圧力を補償する例について説明したが、これに限られるものではない。例えば、バイパス弁２６を開ける動作を遅延させるようにしてもよい。

（第６実施形態）
図１６は、本発明の第６実施形態におけるコントローラ４の機能構成を示すブロック図である。

スタック圧力補償量演算部２７３は、１次遅れ又は２次遅れ要素を含む伝達関数を有する遅延回路により実現される。

本実施形態では、スタック圧力補償量演算部２７３は、バイパス弁ＦＢ制御部２６０から出力されるバイパス弁２６の開度指令値ｄに対して１次遅れ処理を施す。これにより、上記実施形態のようにバイパス弁ＦＢ制御部２６０によって直接バイパス弁２６が制御される場合に比べてバイパス弁２６を開ける速度を遅くすることができる。

このため、バイパス弁２６を開けるよりもカソード調圧弁２４が先に閉じることになるので、スタック圧力の低下を抑制することができる。

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。

例えば、カソードガス排出通路２３を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分によってカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する水分回収装置が燃料電池システム１００に設けられてもよい。このような場合であっても、水分回収装置の圧力損失等を考慮してマップを生成することにより、本実施形態と同様の作用効果を得られる。

また本実施形態ではアノードガス給排装置３として、非循環型のデッドエンドシステムを例にして説明したが、アノードガス給排装置３は循環型のシステムであってもよい。

また本実施形態ではカソードガスを供給する供給手段としてコンプレッサを用いる例について説明したが、ポンプを用いてもよい。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

Claims (6)

1. 燃料電池にカソードガスを供給する供給手段と、
   前記供給手段によって前記燃料電池へ供給されるカソードガスをバイパスするバイパス弁と、
   前記バイパス弁によってバイパスされずに前記燃料電池に供給されるカソードガスの状態を検出する検出手段と、
   前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を調整する調圧手段と、
   前記燃料電池の運転状態に応じて、前記燃料電池に供給されるカソードガスの目標流量及び目標圧力を算出する算出部と、
   前記検出手段により検出されるカソードガスの流量及び圧力と、前記算出部により算出される目標流量及び目標圧力とに基づいて、前記調圧手段及び前記供給手段のうち少なくとも一方の手段の操作量を制御する運転状態制御部と、
   前記検出手段により検出されるカソードガスの流量と、前記算出部により算出される目標流量とに基づいて、前記バイパス弁を開閉するバイパス弁制御部と、
   前記バイパス弁が開かれるときには、前記運転状態制御部によって制御される前記少なくとも一方の操作量を増加させる、又は、前記バイパス弁の開速度を遅くすることにより、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を補償する圧力補償部と、
   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、
   前記調圧手段は、開度を変更可能な調圧弁を含み、
   前記圧力補償部は、前記バイパス弁が開かれるときには、前記運転状態制御部によって前記調圧弁が閉じられる場合に比べて前記調圧弁を閉じる速度を速くする、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記バイパス弁は、弁の開度を段階的に変更するものであり、
   前記圧力補償部は、前記バイパス弁が開かれる場合において、前記バイパス弁の開度が段階的に上昇するたびに、前記運転状態制御部によって制御される前記調圧弁の開度の下げ幅を増加させる、
   燃料電池システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記圧力補償部は、前記バイパス弁が開かれる場合において、前記調圧弁が全閉になると、前記運転状態制御部によって制御される前記供給手段の操作量を増加させる、
   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、
   前記供給手段は、カソードガスの流量を調整するコンプレッサを含み、
   前記圧力補償部は、前記バイパス弁が開かれるときには、前記コンプレッサから前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を上昇させる、
   燃料電池システム。
6. 燃料電池にカソードガスを供給する供給手段と、前記供給手段によって前記燃料電池へ供給されるカソードガスをバイパスするバイパス弁と、前記バイパス弁によってバイパスされずに前記燃料電池に供給されるカソードガスの状態を検出する検出手段と、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を調整する調圧手段と、を含む燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の運転状態に応じて、前記燃料電池に供給されるカソードガスの目標流量及び目標圧力を算出する算出ステップと、
   前記検出手段により検出されるカソードガスの流量及び圧力と、前記算出ステップにより算出される目標流量及び目標圧力とに基づいて、前記調圧手段及び前記供給手段のうち少なくとも一方の手段の操作量を制御する運転状態制御ステップと、
   前記検出手段により検出されるカソードガスの流量と、前記算出ステップにより算出される目標流量とに基づいて、前記バイパス弁を制御するバイパス弁制御ステップと、
   前記バイパス弁が開かれるときには、前記運転状態制御ステップにより制御される前記少なくとも一方の操作量を増加させる、又は前記バイパス弁の開速度を遅くすることにより、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を補償する圧力補償ステップと、
   を含む燃料電池システムの制御方法。

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