JPWO2017163499A1 - 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

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と、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、燃料電池から排出されるカソード排ガスの供給を受けて動力を生成するタービンと、コンプレッサ及びタービンに連結され力行と回生を行う電動モータと、燃料電池と前記タービンの間に設置されカソードガスとアノードガスとを混合して燃焼させる燃焼器と、コンプレッサから燃料電池に供給されるカソードガスを冷却する冷却器と、冷却器の上流から冷却器と燃料電池をバイパスして燃焼器にカソードガスを供給するバイパス通路と、バイパス通路に設けられたバイパス弁と、を備える。

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。

ＪＰ２００４−１１９２３９Ａには、燃料電池の一種である固体電解質燃料電池（ＳＯＦＣ）とガスタービンを組み合わせた発電設備であって、ＳＯＦＣに空気を供給する圧縮機と圧縮機に連結されたタービンを備える動力回収機構と、燃料電池からの排空気及び排ガスを燃焼して燃焼ガスをタービンに排出する燃焼器とを備えるガスタービン発電設備が開示されている。

上記ガスタービン発電設備は、比較的高温で動作するＳＯＦＣを想定したシステムである。このような特許文献１のシステムでは、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭ）等の比較的低温で動作する燃料電池とは、ガス温度等の種々の条件が大きくことなる。したがって、上記ガスタービン発電設備における動力回収機構を、このように比較的低温で動作する燃料電池にかかるシステムに適用することはできない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温動作型の燃料電池にも好適に適用できる動力回収機構を備えた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にある。

本発明のある態様によれば、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と、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサと、燃料電池から排出されるカソード排ガスの供給を受けて動力を生成するタービンと、コンプレッサ及びタービンに連結され力行と回生を行う電動モータを備える燃料電池システムが提供される。さらに、この燃料電池システムは、燃料電池とタービンの間に設置されカソードガスとアノードガスとを混合して燃焼させる燃焼器と、コンプレッサから燃料電池に供給されるカソードガスを冷却する冷却器と、冷却器の上流から冷却器と燃料電池をバイパスして燃焼器にカソードガスを供給するバイパス通路と、バイパス通路に設けられたバイパス弁と、を備える。

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２Ａは、ノズルベーンが閉塞されている状態を説明する図である。 図２Ｂは、ノズルベーンが開放されている状態を説明する図である。 図３は、第１実施形態による燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成例を示すブロック図である。 図４は、燃料電池に供給すべき空気圧力の目標値を算出する機能構成例を示すブロック図である。 図５は、燃料電池に供給すべき空気流量の目標値及びコンプレッサから吐出すべき空気流量の目標値を算出する機能構成例を示すブロック図である。 図６は、圧力比目標値に応じたコンプレッサモータへの要求電力とスタック要求コンプレッサ流量の関係を示すマップである。 図７は、タービン入口温度の目標値を算出する機能構成例を示すブロック図である。 図８は、タービン入口温度目標値を定めるためのマップを示す図である。 図９は、要求出力に応じた燃料電池システムの状態の変化を示すタイムチャートである。 図１０は、タービン入口温度が許容上限温度をとる場合における流量とタービンによる回収動力の関係を圧力に応じて示した図である。 図１１は、第１実施形態によるバイパス弁の開閉について説明するフローチャートである。 図１２は、第２実施形態における、燃料電池に供給すべき空気流量の目標値及びコンプレッサから吐出すべき空気流量の目標値を算出する機能構成例を示すブロック図である。 図１３は、コンプレッサ吐出温度に応じたコンプレッサ要求発電電力とスタック要求コンプレッサ流量の関係を示すマップである。

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）
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、熱供給機構１５と、コンプレッサ５０及びタービン５２を有する動力回収機構としてのコンプレッサ動力供給機構１６と、スタック冷却機構１７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、燃料電池システム１００を作動するときに使用されるコンプレッサ５０等の各種の補機類や、図示しない車輪駆動用のモータで使用される。燃料電池スタック１０の正極端子及び負極端子には、燃料電池スタック１０に形成された電解質膜の湿潤状態に相関するインピーダンスを計測するインピーダンス計測装置１１が接続されている。

インピーダンス計測装置１１は、燃料電池スタック１０の正極端子に交流電流を供給し、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子に生じる電圧の交流成分を検出する。そしてインピーダンス計測装置１１は、供給した交流電流と検出した電圧の交流成分とに基づいて、燃料電池スタック１０の交流抵抗、すなわちＨＦＲ（High frequency Resistance）を演算する。インピーダンス計測装置１１は、演算したＨＦＲをＨＦＲ計測値としてコントローラ２０に入力する。なお、インピーダンス計測装置１１は、燃料電池スタック１０の出力電圧や出力電流などを計測してもよい。

カソード給排機構１２は、カソードガス供給通路２２と、カソード排ガス通路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の一端はガスフィルタ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１０に接続される。

そして、カソードガス供給通路２２には、上流から順に、エアフローセンサ２６と、コンプレッサ吐出温度センサ２７と、アフタークーラ２８と、スタック供給空気温度センサ２９と、空気圧力センサ３０と、が設けられている。

エアフローセンサ２６は、カソードガス供給通路２２において、コンプレッサ動力供給機構１６のコンプレッサ５０の吸気入口に設けられている。エアフローセンサ２６は、コンプレッサ５０に吸入される空気の流量（以下では「コンプレッサ流量」とも記載する）を検出する。以下では、このエアフローセンサ２６の検出値を「コンプレッサ流量検出値」とも記載する。エアフローセンサ２６で検出されたコンプレッサ流量検出値は、コントローラ２０に入力される。

コンプレッサ吐出温度センサ２７は、コンプレッサ５０から吐出され、アフタークーラ２８より上流の空気温度（以下では「コンプレッサ吐出温度」とも記載する）を検出する。

また、カソードガス供給通路２２において、エアフローセンサ２６とコンプレッサ吐出温度センサ２７の間には、バイパス弁３２を有するバイパス通路３３が接続されている。このバイパス通路３３は、カソードガス供給通路２２とカソード排ガス通路２４を連結する通路である。すなわち、バイパス通路３３は、アフタークーラ２８の上流から該アフタークーラ２８と燃料電池スタック１０をバイパスして後述する触媒燃焼器３６にカソードガスを供給する通路である。

アフタークーラ２８は、コンプレッサ５０から吐出されて燃料電池スタック１０に送られる空気を冷却する。アフタークーラ２８は、水冷式の熱交換器として構成されており、スタック冷却機構１７と接続されている。すなわち、アフタークーラ２８により、燃料電池スタック１０の冷却に用いる冷却水と燃料電池スタック１０に供給すべき空気との間で熱交換が行われる。

スタック供給空気温度センサ２９は、アフタークーラ２８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスの温度（以下では「スタック供給空気温度」とも記載する）を検出する。

空気圧力センサ３０は、カソードガス供給通路２２内の圧力、すなわち燃料電池スタック１０に供給される空気の圧力（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３０で検出された空気圧力検出値は、コントローラ２０に入力される。

バイパス弁３２は、燃料電池スタック１０をバイパスしてカソード排ガス通路２４に供給する空気流量を調節する調圧弁であり、コントローラ２０によって開閉制御される。すなわち、バイパス弁３２は、コンプレッサ５０から供給された空気の内、バイパス通路３３を介して燃料電池スタック１０をバイパスしてカソード排ガス通路２４に供給する空気流量を調節する弁である。

また、本実施形態では、バイパス通路３３は、既に述べたようにカソード排ガス通路２４における触媒燃焼器３６の上流に連通されている。したがって、このバイパス通路３３により、カソードガス供給通路２２内の空気をカソード排ガス通路２４に供給し、触媒燃焼器３６に供給するカソード排ガスの酸素濃度を向上させることができる。

さらに、カソード排ガス通路２４は、一端が燃料電池スタック１０のカソード出口に接続されるとともに、他端がタービン５２に連結されている。またカソード排ガス通路２４には、熱供給機構１５が設けられている。

熱供給機構１５は、上述の触媒燃焼器３６と、タービン入口温度センサ３８と、を有している。この触媒燃焼器３６とタービン入口温度センサ３８は、燃料電池スタック１０からタービン５２に向かってこの順で、カソード排ガス通路２４に設けられている。

触媒燃焼器３６は、アノードガスとカソード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る。この触媒燃焼器３６には、アノード供給機構１４から燃焼用アノードガス供給通路６４を介してアノードガスが供給される一方で、カソード排ガス通路２４を介して燃料電池スタック１０からカソード排ガス及びバイパス通路３３から空気が供給される。したがって、触媒燃焼器３６に供給されるカソードガスには、バイパス通路３３を介して供給される空気と、燃料電池スタック１０から排出されたカソード排ガスが含まれることとなる。

なお、本実施形態では、燃焼器として触媒燃焼器３６を用いることで、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。

タービン入口温度センサ３８は、触媒燃焼器３６による燃焼の後に残った燃焼後ガスの温度、すなわちコンプレッサ動力供給機構１６のタービン５２に供給される燃焼後ガスの温度（以下では、「タービン入口温度」とも記載する）を検出する。なお、タービン入口温度センサ３８で検出されたタービン入口温度の検出値は、コントローラ２０に入力される。

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６０と、スタック用アノードガス供給通路６２と、燃焼用アノードガス供給通路６４と、を備えている。

高圧タンク６０は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスであ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。

スタック用アノードガス供給通路６２は、高圧タンク６０から排出される水素を燃料電池スタック１０に供給する通路である。スタック用アノードガス供給通路６２の一端は高圧タンク６０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、スタック用アノードガス供給通路６２には、アノードガス供給弁６６と、水素圧力検出センサ６７と、が設けられている。アノードガス供給弁６６は、燃料電池スタック１０への水素の供給量を任意に調節する調圧弁である。

水素圧力検出センサ６７は、燃料電池スタック１０に供給される水素の圧力（以下では、「水素圧力」とも記載する）を検出する。なお、水素圧力検出センサ６７で検出された水素圧力検出値は、コントローラ２０に入力される。

一方、燃焼用アノードガス供給通路６４は、高圧タンク６０から排出される水素の一部を、触媒燃焼器３６に供給する通路である。そして、燃焼用アノードガス供給通路６４は、その一端がスタック用アノードガス供給通路６２に連通して分岐しており、他端が触媒燃焼器３６に連結されている。

また、燃焼用アノードガス供給通路６４には、触媒燃焼器３６への水素供給量を任意に調節する燃焼器水素供給弁６８が設けられている。燃焼器水素供給弁６８は、その開度が連続的又は段階的に調節されることで触媒燃焼器３６への水素供給量を適宜調節する調圧弁である。

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の図示しないアノード排気機構により処理することができる。

次に、コンプレッサ動力供給機構１６について説明する。コンプレッサ動力供給機構１６は、コンプレッサ５０と、タービン５２と、電動モータとしてのコンプレッサ駆動モータ５４と、を備えている。

コンプレッサ５０は、コンプレッサ駆動モータ５４及びタービン５２と回転駆動軸５７を介して接続されている。コンプレッサ５０は、回転駆動されて外気を吸入し、カソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するように構成されている。なお、コンプレッサ５０は、コンプレッサ駆動モータ５４及びタービン５２の一方又は双方の動力の何れかにより駆動することができる。

タービン５２は、触媒燃焼器３６から供給される燃焼後ガスによって回転駆動される。そして、タービン５２は、この回転駆動力を、回転駆動軸５７及びコンプレッサ駆動モータ５４を介してコンプレッサ５０に動力を出力する。すなわち、タービン５２からの回収動力でコンプレッサ５０を駆動することができる。また、タービン５２の駆動に使用された後の燃焼後ガスは、タービン排気通路５３を介して排出される。

コンプレッサ５０の動力要求が比較的大きく、タービン５２による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５２へ流入する燃焼後ガスの供給流量（以下では、「タービンガス流入流量」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５０へ好適に動力を供給することができる。

なお、タービン５２による回収動力を、コンプレッサ５０の回転駆動力だけではなく、燃料電池システム１００内の他の任意の動力要求機構において使用しても良い。

さらに、本実施形態において、タービン５２には、当該タービン５２へ供給される燃焼後ガスの圧力を調節するノズルベーン５８が設けられている。

図２Ａ及び図２Ｂは、タービン５２に設けられたノズルベーン５８の概略構造を示す図である。特に、図２Ａは、ノズルベーン５８が開放されている状態を示し、図２Ｂは、ノズルベーン５８が閉塞されている状態を示している。また、図２Ａ及び図２Ｂにおいては、流入する燃焼後ガスの流れ方向を矢印Ａで模式的に示している。

図２Ａに示すように、ノズルベーン５８が開放されている状態では、ノズルベーン５８からタービンホイール５２ａの入口流路の断面積が増加する。したがって、この状態では、カソード排ガス通路２４からタービン５２に流入する燃焼後ガスの圧力損失が相対的に小さくなる。

一方、図２Ｂに示すように、ノズルベーン５８が閉塞されている状態では、タービンホイール５２ａ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。

図１に戻り、コンプレッサ駆動モータ５４は、回転駆動軸５７の一方側でコンプレッサ５０に接続されるとともに、回転駆動軸５７の他方側でタービン５２に接続される。コンプレッサ駆動モータ５４は、図示しないバッテリ、燃料電池スタック１０、及びタービン５２等から電力の供給を受けて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、バッテリや燃料電池スタック１０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。コンプレッサ駆動モータ５４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、ロータに設けられた回転駆動軸５７と、を備える。

また、コンプレッサ駆動モータ５４には、トルクセンサ５５及び回転速度センサ５６が設けられている。トルクセンサ５５は、コンプレッサ駆動モータ５４のトルクを検出する。そして、トルクセンサ５５で検出されたコンプレッサ駆動モータ５４のトルク検出値は、コントローラ２０に入力される。

さらに、回転速度センサ５６は、コンプレッサ駆動モータ５４の回転速度を検出する。回転速度センサ５６で検出されたコンプレッサ回転速度検出値は、コントローラ２０に入力される。

次に、スタック冷却機構１７について説明する。スタック冷却機構１７は、冷却水循環流路７６と、冷却水循環流路７６を流れる冷却水を外気等と熱交換し、当該冷却水を冷却するラジエータ７７と、を有している。

冷却水循環流路７６は、図示しない燃料電池スタック１０の冷却水通路を含む環状循環路として構成されている。この冷却水循環流路７６には、冷却水循環ポンプ７８が設けられており、これにより冷却水の循環が可能となっている。

そして、冷却水循環流路７６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からスタック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７６には、ラジエータ７７よりも上流の位置において、ラジエータバイパス三方弁８０が設けられている。ラジエータバイパス三方弁８０は、ラジエータ７７に供給される冷却水の量を調節する。例えば、冷却水の温度が比較的高い場合には、ラジエータバイパス三方弁８０を開放状態として、冷却水をラジエータ７７に循環させる。一方で、冷却水の温度が比較的高い場合には、ラジエータバイパス三方弁８０を閉塞状態として、ラジエータ７７をバイパスするように冷却水をバイパス路８０ａに流す。

また、冷却水循環流路７６には、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａの近傍に入口水温センサ８１が設けられ、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂの近傍に出口水温センサ８２が設けられている。

入口水温センサ８１は、燃料電池スタック１０へ流入される冷却水の温度を検出する。出口水温センサ８２は、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を検出する。入口水温センサ８１で検出されたスタック入口水温検出値と出口水温センサ８２で検出されたスタック出口水温検出値は、コントローラ２０に入力される。

さらに、上述のように、冷却水循環流路７６には、アフタークーラ２８が接続されている。これにより、既に述べたように、冷却水循環流路７６内の冷却水とカソードガス供給通路２２内における燃料電池スタック１０へ供給される空気との間で熱交換を行うことが可能である。したがって、例えば、燃料電池スタック１０の暖機時等の熱量が要求される場合において、コンプレッサ５０から吐出された高温の空気の熱により冷却水循環流路７６内の冷却水を加熱することができ、熱量要求を満たすことができる。一方で、アフタークーラ２８は、コンプレッサ５０から吐出された高温の空気を冷却するので、空気が燃料電池スタック１０の作動に好適な温度となって当該燃料電池スタック１０に供給されることとなる。アフタークーラ２８で交換された熱は冷却水を介してラジエータ７７に運ばれ、システム外部に放熱される。

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の各種センサからの信号の他、大気の圧力を検出する大気圧センサ１１１などの燃料電池システム１００の作動状態を検出する各種センサからの信号が入力される。

さらに、コントローラ２０には、負荷装置１１０による負荷に応じて燃料電池システム１００に要求される出力電力（以下では、単に「要求出力」とも記載する）に関する出力要求信号が入力される。負荷装置１１０は、例えば、車輪駆動用のモータや二次電池などによって構成される。本実施形態では、例えば、図示されてい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踏込み量を示す検出信号が大きくなるほど、負荷装置１１０の要求電力は大きくなるため、コントローラ２０に入力される出力要求信号の信号レベルは高くなる。

コントローラ２０は、これら入力信号等を用いて、コンプレッサ駆動モータ５４、ノズルベーン５８、冷却水循環ポンプ７８、及びバイパス弁３２を含む各種弁３２、６６、６８、８０等の駆動制御を行う。例えば、コントローラ２０は、負荷装置１１０の発電要求信号に基づいて、コンプレッサ流量や空気圧力の目標値や、燃料電池スタック１０への水素供給圧力の目標値を算出し、その算出結果に応じて、コンプレッサ駆動モータ５４のトルク（動力）や、ノズルベーン５８の開度、アノードガス供給弁６６の開度を制御する。

また、本実施形態では、コントローラ２０は、上記要求出力の一部として、コンプレッサ駆動モータ５４の消費電力に関連する情報も取得される。

次に、本実施形態における燃料電池システム１００における各種制御について、図３〜図７に示すブロック図を参照して詳細に説明する。なお、図３〜図７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３は、本実施形態にかかる、燃焼器水素供給弁６８の開度、ノズルベーン５８の開度、コンプレッサ駆動モータ５４のトルク、及びバイパス弁３２の開度に対するフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を説明する制御ブロック図である。

図３に示す制御ブロックは、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００と、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１と、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２と、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３と、燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４と、空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５と、バイパス空気量制御ブロックＢ１０６と、を有する。

膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００は、燃料電池スタック１０に形成される電解質膜の湿潤状態を適切に保つように、当該湿潤状態と相関するＨＦＲ値を制御する。

本実施形態では、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００には、ＨＦＲ目標値と、ＨＦＲ計測値とが入力される。ＨＦＲ目標値は、燃料電池スタック１０の発電電力とＨＦＲ目標値との関係を定めたマップ等を用いて予め定められる。ＨＦＲ計測値は、燃料電池スタック１０に設けられるインピーダンス計測装置１１を用いて計測される。

膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００は、ＨＦＲ計測値がＨＦＲ目標値に近づくように、燃料電池システム１００の作動状態を調節する観点から、要求される空気圧力（以下では、「湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒ」とも記載する）及び要求される空気流量（以下では、「湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒ」とも記載する）を算出する。すなわち、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００は、ＨＦＲ目標値に基づいて、湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒと、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒとを算出する。

さらに、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００は、この湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒを空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１に出力するとともに、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒを空気流量目標値演算ブロックＢ１０２に出力する。

空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１は、電流目標値Ｉｓ_ｔに基づいて、燃料電池スタック１０に供給すべき空気圧力の目標値である空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを演算する。なお、電流目標値Ｉｓ_ｔは、システム要求出力及びタービン５２による回収動力に基づいて定まる、燃料電池スタック１０から取り出すべき電流の目標値である。

本実施形態では、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１には、電流目標値Ｉｓ_ｔと、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄと、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００で算出された湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒと、が入力される。スタック温度検出値Ｔｓ_ｄは、例えば、入口水温センサ８１及び出口水温センサ８２で検出された各検出値を平均した値である。なお、各検出値の何れか一方の値が用いられてもよい。空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１は、上述の電流目標値Ｉｓ_ｔ、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄ、及び湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒに基づいて、燃料電池スタック１０に供給すべき空気圧力の目標値である空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを算出し、これを空気流量目標値演算ブロックＢ１０２及びタービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３に出力する。

図４は、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１により実行される空気圧力目標値Ｐｃ_ｔの算出方法の詳細を示すブロック図である。当図に示すブロックは、発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００と、マックスセレクトブロックＢ２０１と、を有する。

発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００には、電流目標値Ｉｓ_ｔとスタック温度検出値Ｔｓ_ｄと、が入力される。そして、発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００は、予め記憶されたマップに基づいて、電流目標値Ｉｓ_ｔ及びスタック温度検出値Ｔｓ_ｄから、燃料電池スタック１０の発電に必要となる空気圧力である発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒを算出する。さらに、発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００は、発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒをマックスセレクトブロックＢ２０１に出力する。図に示す発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００の上記マップから理解されるように、電流目標値Ｉｓ_ｔが大きくなるほど、発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒは大きくなるとともに、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄが高くなるほど発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒは大きくなる。

マックスセレクトブロックＢ２０１には、発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００で算出された発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒと、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００で算出された湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒと、が入力される。そして、マックスセレクトブロックＢ２０１は、発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒ及び湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒの内の大きい方の値を空気圧力目標値Ｐｃ_ｔとして空気流量目標値演算ブロックＢ１０２及びタービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３に出力する。

したがって、図４に示すブロックでは、燃料電池スタック１０の発電状態を制御する上で要求される空気圧力（発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒ）、及び電解質膜の湿潤状態を操作する上で要求される空気圧力（湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒ）を考慮して、最大の値が空気圧力目標値Ｐｃ_ｔとして設定されることとなる。

図３に戻り、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２は、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ及びスタック流量目標値Ｆｓ_ｔを演算する。スタック流量目標値Ｆｓ_ｔは、燃料電池スタック１０が目標電力を発電したときに、燃料電池スタック１０のカソード電極内で電極反応に必要なスタック流量に相当する。すなわち、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔは、目標電力を発電するにあたり、出力電流を電流目標値Ｉｓ_ｔとするために必要なスタック流量に相当する。

本実施形態では、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２には、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１により算出された空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、電流目標値Ｉｓ_ｔ、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄ、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒ、水素圧力検出値Ｐａｎ_ｄ、及び大気圧検出値Ｐａｉ_ｄが入力される。空気流量目標値演算ブロックＢ１０２は、これら空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、電流目標値Ｉｓ_ｔ、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄ、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒ、水素圧力検出値Ｐａｎ_ｄ、及び大気圧検出値Ｐａｉ_ｄに基づいて、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ及びスタック流量目標値Ｆｓ_ｔを算出する。

図５は、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２により実行されるスタック流量目標値Ｆｓ_ｔ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔの算出方法の詳細を示すブロック図である。当図に示すブロックは、発電要求空気流量算出ブロックＢ３００と、マックスセレクトブロックＢ３０１と、圧力比目標値演算ブロックＢ３０２と、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３と、希釈要求流量算出ブロックＢ３０４と、マックスセレクトブロックＢ３０５と、を有する。

発電要求空気流量算出ブロックＢ３００には、電流目標値Ｉｓ_ｔが入力される。発電要求空気流量算出ブロックＢ３００は、予め記憶されたマップに基づいて、電流目標値Ｉｓ_ｔから、燃料電池スタック１０において発電に必要な空気流量である発電要求空気流量Ｆｇ_ｒを算出する。

図に示すように、発電要求空気流量算出ブロックＢ３００の上記マップでは、電流目標値Ｉｓ_ｔが増大するに伴い、発電要求スタック流量Ｆｓ_ｇｒも増大する。さらに、発電要求空気流量算出ブロックＢ３００は、発電要求空気流量Ｆｇ_ｒをマックスセレクトブロックＢ３０１に出力する。

マックスセレクトブロックＢ３０１には、発電要求空気流量算出ブロックＢ３００で算出された発電要求空気流量Ｆｇ_ｒと、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒと、が入力される。そして、マックスセレクトブロックＢ３０１は、発電要求空気流量Ｆｇ_ｒ及び湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒの内の大きい方の値をスタック流量目標値Ｆｓ_ｔとして出力する。これにより、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔには、発電要求に基づく空気流量及び湿潤要求に基づく空気流量の双方が考慮されることとなる。

圧力比目標値演算ブロックＢ３０２には、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔと大気圧検出値Ｐａｉ_ｄが入力される。そして、圧力比目標値演算ブロックＢ３０２は、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを大気圧検出値Ｐａｉ_ｄで除して圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄを求め、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３に出力する。

スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３には、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏと、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄと、が入力される。ここで、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏとは、要求出力から、燃料電池スタック１０の出力可能電力（以下、単に「出力可能電力」とも記載する）を減算した値として定義される。なお、燃料電池スタック１０の出力可能電力は、燃料電池スタック１０のサイズや燃料電池スタック１０を搭載した車両の走行状態等に応じて定まる。

すなわち、要求出力が出力可能電力を上回っている場合には、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが正の値となる。このようにコンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが正の値となることは、要求出力に対する燃料電池スタック１０の発電電力が不足することを意味する。したがって、本実施形態では、この場合、電力不足分をタービン５２の回収動力に基づくコンプレッサ駆動モータ５４の回生電力で補償する。

一方で、要求出力が出力可能電力を下回っている場合には、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが負の値となる。これは、要求出力に対する燃料電池スタック１０の発電電力が足りており、コンプレッサ駆動モータ５４を力行モードで作動することを意図している。

さらに、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄは、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが大きくなるほど、大きく設定される。すなわち、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄの増減はコンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏの増減とリンクしているので、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄの大小を見れば、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏの大小も検出することができる。

そして、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３は、入力されたコンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏ及び圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄに基づいて、予め定められたマップにより、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを算出する。ここで、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒとは、要求出力と出力可能電力との間の大小、すなわち燃料電池スタック１０の発電電力が不足しているか否かに応じて定められるコンプレッサ流量の候補値である。

図６は、圧力比目標値に応じたコンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏとスタック要求コンプレッサ流量の関係を示すマップである。

図示のように、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが負の値である場合（燃料電池スタック１０の発電電力が不足していない場合）には、当該コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが所定値Ｗｃｏ１に到達するまで、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄの値にかかわらず、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１まで増加させる。この所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１は、燃料電池スタック１０の要求発電電力に応じて定められるスタック流量に相当する値である。すなわち、このように発電電力が不足していない状況においては、コンプレッサ駆動モータ５４を力行モードで作動させるので、燃料電池スタック１０の要求発電電力に基づく流量を越えたコンプレッサ流量を設定する必要は無く、燃料電池スタック１０の要求発電電力に応じて定められるスタック流量に相当するコンプレッサ流量を設定する。

一方、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが正の値である場合（燃料電池スタック１０の発電電力が不足している場合）には、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄに応じてスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒが設定される。

先ず、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄを最も小さく設定する場合（低圧時）は、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏの大きさにかかわらず、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを増加させることなく上記所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１に設定する。このように低圧時にスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１を超えて増加させないようにしている理由は、低圧時はカソード系の圧力損失が大きくタービン５２による回収動力が低くなるので、コンプレッサ流量を増やしてタービンガス流入流量を増加させたとしても、タービン５２による回収動力の大幅な向上が望めないためである。

次に、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが上記低圧時よりも大きい中間値に設定する場合（中圧時）は、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが所定値Ｗｃｏ２に到達した以降は、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを燃料電池スタック１０の要求発電電力に基づく所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１から所定値Ｆｃｏ_ｓｒ２まで増加させる。

このように、中圧時においてスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを燃料電池スタック１０の要求発電電力に基づく所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１より増加させる理由は、発電電力の不足を解消すべく、コンプレッサ駆動モータ５４から回生電力を得るように、タービンガス流入流量を増やすためである。しかしながら、中圧時は、まだカソード系の圧力損失が大きいため、タービンガス流入流量を大きく増加させても一定以上の回収動力の増加は望めないため、タービン５２による回収動力を増加させることできる限度でコンプレッサ流量を増加させるべく、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを所定値Ｆｃｏ_ｓｒ２まで増加させている。なお、本実施形態では、後述するように、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒの増加に伴い、バイパス弁３２の開度を増加させて、燃料電池スタック１０により要求される流量以上のカソードガスを、アフタークーラ２８に流さないようにする。この点は、後に詳細に説明する。

さらに、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄを最も大きい値に設定する場合（高圧時）は、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが所定値Ｗｃｏ３に到達する以降に、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを上記所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１から増加させる。

このように、高圧時においても、コンプレッサ駆動モータ５４から回生電力を得るようにスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを燃料電池スタック１０の要求発電電力に基づく所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１より増加させている。そして、高圧時においては、カソード系の圧力損失が小さいため、タービンガス流入流量を大きく増加させて、タービン５２による回収動力を一定以上に増加させることができる。

ここで、高圧時においても、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒの増加に伴い、バイパス弁３２の開度を増加させて、燃料電池スタック１０により要求される流量以上のカソードガスをアフタークーラ２８に流さないようにする。

図５に戻り、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３は、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３で算出されたスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒをマックスセレクトブロックＢ３０５に出力する。

一方、希釈要求流量算出ブロックＢ３０４には、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄと、水素圧力検出センサ６７で検出された水素圧力検出値Ｐａｎ_ｄと、が入力される。そして、希釈要求流量算出ブロックＢ３０４は、予め定められたマップにより、燃料電池スタック１０から排出されるアノード排ガスを希釈するために要求される空気流量である希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒを算出し、マックスセレクトブロックＢ３０５に出力する。

図に示す希釈要求流量算出ブロックＢ３０４のマップでは、水素圧力検出値Ｐａｎ_ｄが大きくなるほど、希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒも大きくなる。また、当該マップでは、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄが高くなると、希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒは減少する。これは、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄが高い状態ではアノード排ガス温度が高く、アノード排ガス排出流路の圧損が高くなって流量が低下する分、希釈に用いる空気量を減らす補正を行う必要があるためである。

そして、希釈要求流量算出ブロックＢ３０４は、この希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒをマックスセレクトブロックＢ３０５に出力する。

マックスセレクトブロックＢ３０５には、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３から出力されたスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒ、及び希釈要求流量算出ブロックＢ３０４で算出された希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒが入力される。そして、マックスセレクトブロックＢ３０５は、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒ及び希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒの内の大きい方の値をコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔとして、各ブロックＢ１０３、Ｂ１０５、及びＢ１０６に出力する。

すなわち、本実施形態では、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔは、燃料電池スタック１０の要求発電電力と、アノード排ガスの希釈要求とを考慮して決定されることになる。なお、これらの要求に加えて、コンプレッサ５０のサージを回避するためのサージ回避要求を考慮してコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔを決定してもよい。

図３に戻り、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３は、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスの流量及び圧力に基づいて、触媒燃焼器３６からタービン５２に排出される燃焼後ガスの温度、すなわちタービン入口温度を制御する。

本実施形態では、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３には、大気圧検出値Ｐａｉ_ｄと、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１で算出された空気圧力目標値Ｐｃ_ｔと、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２で演算されたコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔと、が入力される。タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３は、大気圧検出値Ｐａｉ_ｄ、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔに基づいて、タービン入口温度が目指すべきタービン５２の入口温度の目標値（以下では「タービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔ」とも記載する）を求める。

図７は、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３により実行されるタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔの算出方法の詳細を示すブロック図である。当図に示すブロックは、圧力比目標値演算ブロックＢ４００と、タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１と、を有している。

圧力比目標値演算ブロックＢ４００には、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔと大気圧検出値Ｐａｉ_ｄが入力される。そして、圧力比目標値演算ブロックＢ４００は、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを大気圧検出値Ｐａｉ_ｄで除して圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄを求め、タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１に出力する。

タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１には、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔと、圧力比目標値演算ブロックＢ４００で算出された圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄと、が入力される。そして、タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１は、予め記憶されたマップに基づいて、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ及び圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄからタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔを算出する。

図８は、タービン入口温度目標値を定めるためのマップを示す図である。

図８に示すように、タービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔは、予め定められるタービン入口温度の下限値Ｔｔ_ｔｍｉｎと、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許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘの間で、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔに応じて変動する。

具体的に、先ず、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが最も大きい値に設定される高圧時、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが中間の値に設定される中圧時、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが最も小さい値に設定される低圧時において、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔがそれぞれ、所定値ｆ１、ｆ２、ｆ３（ｆ１＜ｆ２＜ｆ３）に到達するまでタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔが下限値Ｔｔ_ｔｍｉｎに維持され、その後に増加する。

このように、高圧であるほどより少ないコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔでタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔを増加させ始める理由は、同じコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔであっても、高圧であるほど燃料電池スタック１０に対する要求発電電力が大きいので、タービン入口温度を上昇させてタービン５２からの回収動力を増加させる必要があるためである。

さらに、高圧時、中圧時、及び低圧時の何れの場合であっても、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔが、上記タービン入口温度を上昇させ始める流量ｆ１〜ｆ３よりも大きい所定値ｆ４に到達すると、タービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔを許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘに設定する。これは、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔが一定以上に大きくなる場合には、要求出力が大きく、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが大きい状態であるので、タービン５２で得られる回収動力を増加させるべく、タービン入口温度を急激に上昇させるようにするためである。一方で、部品の耐熱温度の観点から、タービン入口温度は許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘを越えて増加させないようにしている。

図３に戻り、燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４には、タービン入口温度検出値Ｔｔ_ｄと、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３で演算されたタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔと、が入力される。燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４は、タービン入口温度検出値Ｔｔ_ｄがタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔに近くづくように、燃焼器水素供給弁６８の開度をフィードバック制御する。

本実施形態では、燃焼器水素供給弁６８の開度は、燃料電池スタック１０への要求負荷やタービン５２からの要求動力が大きくなるほど大きくする。具体的には、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔの少なくとも何れか一方が増大すると、触媒燃焼器３６に供給される空気が増加するため、燃焼器水素供給弁６８の開度を大きくして当該空気を燃焼させるために触媒燃焼器３６への水素供給量を増大させることとなる。

空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５には、各検出値として、コンプレッサ流量検出値Ｆｃｏ_ｄと、空気圧力検出値Ｐｃ_ｄと、が入力される。さらに、空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５には、各目標値として、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ、及びスタック流量目標値Ｆｓ_ｔが入力される。

そして、空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５は、入力された各検出値及び各目標値に基づいて、ノズルベーン５８の開度、及びコンプレッサ駆動モータ５４のトルクをフィードバック制御する。具体的に、空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５は、燃料電池スタック１０への要求負荷が高い場合やタービン５２の要求動力が高い場合、すなわち、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔの少なくとも何れか一方が増大する場合には、ノズルベーン５８の開度を大きくする。

同様に、コンプレッサ駆動モータ５４のトルク（動力）は、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔ、及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔのうちの少なくとも一つが増大するほど大きくするように制御される。

バイパス空気量制御ブロックＢ１０６には、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ、及びスタック流量目標値Ｆｓ_ｔが入力される。そして、バイパス空気量制御ブロックＢ１０６は、これら値に基づいて、バイパス弁３２の開度を制御する。

具体的に、バイパス空気量制御ブロックＢ１０６は、バイパス通路３３に流れる空気流量がコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔとスタック流量目標値Ｆｓ_ｔとの差分となるように、バイパス弁３２の開度を制御する。

次に、既に説明した燃料電池システム１００におけるコンプレッサ動力供給機構１６（図１参照）によるエネルギー収支について詳細に説明する。

以下では、先ず、コンプレッサ５０で用いられる仕事（以下では、「コンプレッサ仕事Ｗｃ」とも記載する）とタービン５２から回収できる仕事（以下では、「タービン仕事Ｗｔ」とも記載する）との関係を説明する。

先ず、コンプレッサ仕事Ｗｃを求める理論式は、
Wc=Fco×Cpc×Tc×[（Prc)^0.286-1｝/ηc・・・・（１）
と表される。ただし、Ｆｃｏはコンプレッサ流量、Ｃｐｃはコンプレッサ５０により供給される空気の比熱、Ｔｃはコンプレッサ吐出温度、Ｐｒｃは圧力比、及びηｃはコンプレッサ効率を意味する。本実施形態では、コンプレッサ５０により供給される空気の比熱Ｃｐｃやコンプレッサ効率ηｃは、コンプレッサ５０の性質に基づいて予め定めた固定値を用いる。したがって、コンプレッサ仕事Ｗｃは主として、コンプレッサ流量Ｆｃｏ、コンプレッサ吐出温度Ｔｃ、及び圧力比Ｐｒｃに応じて変動することとなる。これにより、式（１）に基づけば、コンプレッサ仕事Ｗｃは、コンプレッサ流量Ｆｃｏ、コンプレッサ吐出温度Ｔｃ、及び圧力比Ｐｒｃの少なくとも何れかが増加すると増加する。

また、タービン仕事Ｗｔを求める理論式は、
Wt=Ft×Cpt×Tt×[1-（1/Prt)^0.286｝×ηt ・・・・（２）
と表される。ただし、Ｆｔはタービン５２へ流入する燃焼後ガスの流量（以下では、「タービン流入流量」とも記載する）、Ｃｐｔはタービン５２へ流入する燃焼後ガスの比熱、Ｔｔはタービン入口温度、Ｐｒｔはタービン膨張比、ηｔはタービン効率を意味する。ここで、本実施形態では、タービン５２へ流入する燃焼後ガスの比熱Ｃｐｔについては、燃焼後ガスの成分が空気とほぼ同じであるとみなすことなどにより予め定めることができる。またタービン効率ηｔは、タービン５２の性質に基づいて予め定めることができる。したがって、タービン仕事Ｗｔは主として、タービン流入流量Ｆｔ、タービン入口温度Ｔｔ、及びタービン膨張比Ｐｒｔに応じて変動することとなる。これにより、式（２）に基づけば、タービン仕事Ｗｔは、タービン流入流量Ｆｔ、及びタービン入口温度Ｔｔの少なくとも何れかが増加すると増加する。

さらに、燃料電池スタック１０の圧力損失ΔＰｓを求める理論式は、
ΔPs＝(k×Fs×Prc×Ts)/T0・・・・（３）
と表される。ただし、ｋは燃料電池スタック１０内のカソード流路における圧力損失係数、Ｆｓはスタック流量、Ｔｓはスタック温度、及びＴ０は標準状態の温度（≒２７３．１５Ｋ）を意味する。また、式（３）中のＰｒｃは、既に述べたタービン膨張比Ｐｒｔを用いて以下の式により求められる。

Prt=Prc+(ΔPs/Patm)・・・・（４）
したがって、燃料電池スタック１０の圧力損失ΔＰｓは、主に、スタック流量Ｆｓ及びスタック温度Ｔｓの少なくとも何れかが増加すると増加することとなる。

さらに、燃料電池スタック１０内の電気化学反応による生成水がシステム内で発生しない運転条件下であって大気中の酸素濃度を２１%と仮定したときには、コンプレッサ流量Ｆｃｏとタービン流入流量Ｆｔの間の関係は、以下の式で表される。

Ft=Fs×[0.79+0.21×(1+SRc)/SRc]+1/2×FH・・・・・（５）
ただし、ＳＲｃはスタックの空気過剰率、ＦＨは触媒燃焼器３６に投入される水素流量を意味する。なお、水素供給流量ＦＨは、例えば水素圧力検出センサ６７による水素圧力検出値Ｐａｎ_ｄと燃焼器水素供給弁６８の開度等に基づいて、所定のマップにより求めることができる。

また、タービン入口温度Ｔｔは、基本的に触媒燃焼器３６に供給されるガス流量、比熱、及び触媒燃焼器３６への水素供給流量ＦＨにより定まる発熱量から算出される。なお、タービン入口温度Ｔｔは、さらに部品の耐熱温度を考慮した許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘを越えないように調節される。

さらに、コンプレッサ駆動モータ５４が行う仕事（以下では、「駆動モータ仕事Ｗｍ」とも記載する）は、基本的には以下の式（６）で与えられる。

Wm＝Wc-Wt・・・・（６）
ただし、駆動モータ仕事Ｗｍについては、コンプレッサ駆動モータ５４のサイズによる制限と燃料電池スタック１０の要求発電電力による制限を考慮する必要がある。したがって、駆動モータ仕事Ｗｍは、以下の制限値Ｗｍｌに制限される。

Wml=Min(Wmlm,Wstmax-Wreq) ・・・・（７）
ここで、Ｍｉｎ（ａ，ｂ）とは、ａとｂの内の小さい方の値（同一ならば何れでも良い）を意味する。式（７）中、Ｗｓｔｍａｘは燃料電池スタック１０の出力可能電力である。Ｗｍｌｍは、コンプレッサ駆動モータ５４のサイズによる制限値である。

式（７）中の出力可能電力Ｗｓｔｍａｘは既に述べたように、燃料電池スタック１０が搭載される車両の走行状態やスタックサイズなどの要因に応じて決定される。したがって、例えば熱地における温度制限時などにおいては、出力可能電力Ｗｓｔｍａｘが低下する。一方、Ｗｒｅｑは要求出力である。すなわち、式（７）中のＷｓｔｍａｘ−Ｗｒｅｑは、上述したコンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏに相当することとなる。したがって、コンプレッサ駆動モータ５４の仕事Ｗｍは、上記式（７）で定義される制限値Ｗｍｌを超えないように調節される。

ここで、式（６）から理解されるように、タービン仕事Ｗｔでコンプレッサ仕事Ｗｃを賄うことができるので、燃料電池スタック１０やバッテリからコンプレッサ駆動モータ５４に供給する電力を低減することができる。

また、駆動モータ仕事Ｗｍが負の値、すなわちコンプレッサ駆動モータ５４が回生モードで運転されており、コンプレッサ駆動モータ５４からコンプレッサ５０に動力が供給されない場合には、タービン仕事Ｗｔによりコンプレッサ仕事Ｗｃを確保することができる。さらに、タービン仕事Ｗｔをより増加させると、コンプレッサ５０の動力を確保した上で、コンプレッサ駆動モータ５４の回生により得られる電力が向上するので、この電力を要求出力に対する燃料電池スタック１０の出力電力の不足分に充てることができる。

次に、要求出力に応じた燃料電池システム１００の状態の変化について説明する。

図９は、要求出力に応じた燃料電池システム１００の状態の変化を示すタイムチャートである。具体的に図９（ａ）〜図９（ｇ）は、それぞれ、要求出力に対する、要求スタック流量、要求空気圧力、コンプレッサ５０が要求する動力（以下、「要求コンプレッサ動力」とも記載する）、水素燃料消費量、タービン入口温度Ｔｔ、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ、及びバイパス弁開度の変化を示すタイムチャートである。

以下では、要求出力がＷｒｅｑ１以下である区間Ｉ、要求出力がＷｒｅｑ１〜Ｗｒｅｑ２である区間ＩＩ、要求出力がＷｒｅｑ２〜Ｗｒｅｑ３である区間ＩＩＩ、要求出力がＷｒｅｑ３〜Ｗｒｅｑ４である区間ＩＶ、及び要求出力がＷｒｅｑ４〜Ｗｒｅｑ５である区間Ｖについて、システム状態の変化について説明する。

先ず、区間Ｉにおいて、燃料電池スタック１０の要求発電電力に対して電力が不足していない低負荷状態であり、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように、要求スタック流量及び要求空気圧力の値が比較的小さい。また、図９（ｃ）に示すように、要求出力の増加にともない要求コンプレッサ動力は増加しているが、いまだコンプレッサ駆動モータ５４の出力の制限値Ｗｍｌ（図に破線で示す）に到達していない。

したがって、この場合、タービン５２による回収動力無しでも、燃料電池スタック１０やバッテリからの電力によってコンプレッサ動力を賄うことができるので、コンプレッサ駆動モータ５４を力行モードで稼動させる。

さらに、区間Ｉにおいては、上述のようにタービン５２の回収動力の確保は必須ではないので、タービン５２の出力を比較的小さくすることができる。したがって、水素消費量、タービン入口温度Ｔｔ、及びタービン流入流量Ｆｔを増加させる制御は行われない。また、この場合には、図９（ｇ）に示すようにバイパス弁３２は基本的に全閉とされる。なお、図９（ｇ）には要求出力がゼロに近い領域でバイパス弁３２が一定開度に設定されている。これは極低負荷では、要求スタック流量に対し図５のＢ３０４で演算される希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒが大きくなるため、スタック流量に対して余剰のカソードガスをバイパス通路３３を介してカソード排ガス通路２４に流すことを意図したものである。

以上説明したように、極低負荷以外の区間Ｉにおいては、タービン流入流量Ｆｔを増加させるべく特別な制御を行わず、またバイパス弁３２は基本的に全閉に設定される。したがって、要求スタック流量とコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔはほぼ等しくなり、これらはともに要求出力の増加とともに増加する（図９（ａ）及び図９（ｆ）参照）。

次に、区間ＩＩにおいて、要求出力がＷｒｅｑ１に到達すると、要求コンプレッサ動力がコンプレッサ駆動モータ５４の出力の制限値Ｗｍｌを越える。これにより、要求コンプレッサ動力に対するコンプレッサ駆動モータ５４の出力の不足分（図９（ｃ）の斜線部に相当）を、タービン５２の回収動力で賄うことができる。なお、このときに要求されるタービン５２の回収動力を「要求タービン回収動力」とも記載する。

したがって、この場合、タービン５２の回収動力を増加させるべく、図９（ｄ）に示すように、触媒燃焼器３６への水素燃料供給を開始し、この供給量を徐々に増加させていく。これにより、図９（ｅ）に示すようにタービン入口温度Ｔｔが増加して、タービン回収動力を増加させることができる。

一方で、既に述べたように、タービン回収動力を増加させるにはタービン入口温度Ｔｔだけでなく、タービン流入流量Ｆｔを増加させることも考えられる。しかしながら、区間ＩＩの段階ではいまだ、空気圧力が十分に高くはなく、カソード系の圧力損失が大きいので、タービン流入流量Ｆｔを増加させる制御を行ってもタービン５２の回収動力を大幅に増加させることはできない。したがって、この場合も図９（ｇ）に示すようにバイパス弁３２が全閉とされ、要求スタック流量とコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔはほぼ等しい状態で要求出力の増加とともに増加する（図９（ａ）及び図９（ｆ）参照）。

次に、区間ＩＩＩにおいて要求出力がＷｒｅｑ２に到達すると、燃料電池スタック１０の発電電力が最大発電電力Ｗｓｔｍａｘに達する。

ここで、要求出力が最大発電電力Ｗｓｔｍａｘ以上となった場合、要求出力に対して燃料電池スタック１０の発電電力が不足することとなるので、コンプレッサ駆動モータ５４等の補機電力を低下させて燃料電池スタック１０の発電電力の不足を補う必要がある。したがって、コンプレッサ駆動モータ５４の消費電力を低減させるべくコンプレッサ駆動モータ５４の制限値Ｗｍｌを低下させる（図９（ｃ）参照）。一方で、当該制限値Ｗｍｌの低下に伴うコンプレッサ駆動モータ５４の動力低下を補うために、タービン５２による回収動力を増加させるべく、燃焼用アノードガス供給通路６４を介した水素燃料供給量を増加させる（図９（ｄ）の斜線部参照）。これにより、タービン入口温度Ｔｔが増加して（図９（ｅ）参照）、タービン５２による回収動力が増加するので、要求コンプレッサ動力とコンプレッサ駆動モータ５４の制限値Ｗｍｌとの差分を、タービン５２による回収動力で補うことができる（図９（ｃ）の斜線部参照）。

なお、区間ＩＩＩの段階では、タービン出口温度は上限温度に達していないため、バイパス量を増やさなくても、温度を上げることでタービン回収動力を増やすことが可能である。したがって、この場合、図９（ｇ）に示すようにバイパス弁３２が全閉とされ、要求スタック流量とコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔは、相互にほぼ等しい状態で要求出力の増加とともに増加する（図９（ａ）及び図９（ｆ）参照）。

次に、区間ＩＶは、要求出力がＷｒｅｑ３〜Ｗｒｅｑ４となる区間である。すなわち、区間Ｉ〜区間ＩＩＩと比較してより負荷が高い区間である。この区間ＩＶでは、要求出力が燃料電池スタック１０の出力可能電力を超え且つ、コンプレッサ駆動モータ５４の制限値Ｗｍｌをゼロ、すなわちコンプレッサ駆動モータ５４への電力供給をゼロとしても要求出力が満たされない状況（回生が要求される状況）となっている。

この区間ＩＶでは、タービン５２の回収動力により、コンプレッサ５０の動力を確保し且つ要求出力を満たすべくコンプレッサ駆動モータ５４を回生モードとして発電を行う。これにより、要求出力に対する電力の不足分がコンプレッサ駆動モータ５４による発電で補われる。したがって、図９（ｄ）及び図９（ｅ）に示すように、燃焼用アノードガス供給通路６４を介した触媒燃焼器３６への水素燃料供給量をさらに増やしてタービン入口温度Ｔｔを増大させ、タービン５２による回収動力を増加させる。

一方で、本実施形態では、区間ＩＶの段階でも、タービン流入流量Ｆｔを増加させる制御を行わない。そして、図９（ｇ）に示すようにバイパス弁３２も全閉とされている。したがって、要求スタック流量とコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔはほぼ等しい状態で要求出力の増加とともに増加する（図９（ａ）及び図９（ｆ）参照）。

さらに、区間Ｖは、要求出力がＷｒｅｑ４〜Ｗｒｅｑ５となる区間である。この区間は、要求出力が区間Ｉ〜区間ＩＶと比較して最も大きいので、コンプレッサ駆動モータ５４の制限値Ｗｍｌがさらに低くなっている。すなわち、要求出力に対して燃料電池スタック１０の発電量がより不足する。

しかしながら、区間Ｖでは、図９（ｅ）に示すように、タービン入口温度Ｔｔが、部品の耐熱温度等の観点から定められる許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘに達している。したがって、これ以上、タービン入口温度Ｔｔを上昇させないようにしつつも、タービン５２による回収動力を増加させることが要求される。

したがって、本実施形態では、触媒燃焼器３６への水素燃料供給量を増加させつつ、コンプレッサ流量Ｆｃｏを要求スタック流量よりも増大させる。そして、これに伴い、要求スタック流量に対して余剰な空気をバイパス通路３３に流すべくバイパス弁３２の開度を増加させる（図９（ｆ）及び図９（ｇ）参照）。

これにより、バイパス通路３３を介して、本来、触媒燃焼器３６への水素燃料供給量を燃焼させるのに必要なカソード排ガス流量を越えた流量をタービン５２に供給することができる。これにより、タービン入口温度Ｔｔの上昇を抑制しつつも、タービン流入流量Ｆｔを増加させてタービン５２からの回収動力を向上させることができる。したがって、タービン５２の回収動力に基づいたコンプレッサ駆動モータ５４の発電電力をより向上させることができ、負荷の増大にともない増加した要求出力を満たすことができる。

特に、本実施形態では、バイパス弁３２の開度を増加させることにより、要求スタック流量に対して余剰な空気を、バイパス通路３３を介して触媒燃焼器３６へ供給することができる。これにより、要求スタック流量に対して過剰な流量をアフタークーラ２８（図１参照）に流すことが防止される。

以上のように、本実施形態では、区間Ｖのようにタービン入口温度Ｔｔが許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘに達した場合に、コンプレッサ流量Ｆｃｏ及びバイパス弁３２の開度を増加させてタービン５２へのガス供給量を増加させることで、タービン入口温度Ｔｔの上昇を抑えつつも、タービン５２からの回収動力を向上させることができる。

特に、本実施形態では、上記区間Ｖのように、タービン入口温度Ｔｔが許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘに達した場合で、空気圧力がある程度高い状態でコンプレッサ流量Ｆｃｏ及びバイパス弁３２の開度を増加させてタービン流入流量Ｆｔを増加させることが好ましい。以下では、その理由の詳細について説明する。

図１０は、タービン入口温度Ｔｔが許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘであるときにおいて、タービン流入流量Ｆｔ、タービン５２による回収動力、及びコンプレッサ動力の関係を、空気圧力の高低に応じて示した図である。なお、図においては、タービン５２による回収動力を実線で示し、要求コンプレッサ動力を破線で示している。

図１０（ａ）は低圧時（圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが最も小さく設定する場合）のタービン回収動力のグラフを示しており、図１０（ｂ）は中圧時（圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが中間値に設定する場合）のタービン回収動力のグラフを示しており、図１０（ｃ）は高圧時（圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが最も大きい値に設定する場合）のタービン回収動力のグラフを示している。

図１０（ａ）に示すように、低圧時においては、既に述べたように、カソード系の圧力損失が大きくなるので、コンプレッサ流量Ｆｃｏを大きくしてタービン流入流量Ｆｔを増加させてもタービン５２による回収動力を大幅に増加させることができない。これに対して、コンプレッサ流量Ｆｃｏの増加にもとない要求コンプレッサ動力は増加していき、コンプレッサ流量Ｆｃｏが所定値Ｆｃｏ１となったときには要求コンプレッサ動力がタービン５２による回収動力を上回り始めてしまう。したがって、低圧時は、コンプレッサ流量Ｆｃｏをスタック流量Ｆｓと同じ値にするとともに、バイパス弁３２を全閉とし、バイパス通路３３を介した触媒燃焼器３６への空気の供給を行わないようにする。

次に、図１０（ｂ）に示すように、中圧時においては、タービン流入流量Ｆｔの増加に対するタービン５２による回収動力の増加量が、低圧時と比較してより大きくなる。したがって、コンプレッサ流量Ｆｃｏを一定程度まで増加していっても、タービン５２による回収動力を増加させることができ、当該回収動力が要求コンプレッサ動力を上回っている状態を維持することができる。したがって、中圧時は、コンプレッサ流量Ｆｃｏがスタック流量Ｆｓよりも大きくなるように調節する。

一方で、このように調節した場合、スタック流量Ｆｓに対して余剰の空気をそのまま、図１のアフタークーラ２８に流すようにすると、アフタークーラ２８の放熱量が大きくなり、アフタークーラ２８を大型化する必要性が生じる。さらに、余剰の空気が燃料電池スタック１０に供給されることで、燃料電池スタック１０の過乾燥や過電圧等の問題が生じる可能性がある。これに対して、本実施形態では、バイパス弁３２の開度を増加させて、コンプレッサ５０から吐出される空気を、バイパス通路３３を介して触媒燃焼器３６へ直接供給する。

さらに、中圧時においては、低圧時よりは少ないものの、一定程度のカソード系の圧力損失が生じる。このため、タービン流入流量Ｆｔが一定以上増加していくと、タービン５２の回収動力の増加量が少なくなる。したがって、中圧時においては、コンプレッサ流量Ｆｃｏがスタック流量Ｆｓを大きく越えてしまわないように調節されるとともに、バイパス弁３２の開度もこれに合せて制限される。

次に、図１０（ｃ）に示すように、高圧時においては、コンプレッサ流量Ｆｃｏの増加に対して要求コンプレッサ動力の増加量が大きくなる。しかしながら、高圧時はカソード系の圧力損失が小さいため、コンプレッサ流量Ｆｃｏの増加に伴うタービン流入流量Ｆｔの増加に対してタービン５２の回収動力も大きく増加する。そして、コンプレッサ流量Ｆｃｏの増加によるタービン５２の回収動力の増加量は、要求コンプレッサ動力の増加量を大きく上回っている。例えば、タービン５２の回収動力を要求コンプレッサ動力よりΔＰだけ大きくする場合であっても、高圧時では中圧時よりも少ないコンプレッサ流量Ｆｃｏによりこれを実現することができる（図１０（ｂ）及び図１０（ｃ）参照）。

したがって、高圧時においては、タービン５２の回収動力を大きくするために、可能な限りコンプレッサ流量Ｆｃｏを増加させる。そして、コンプレッサ流量Ｆｃｏがスタック流量Ｆｓを上回る余剰な空気は、中圧時と同様に、バイパス弁３２の開度を大きくすることで、バイパス通路３３を介して触媒燃焼器３６へ供給する。これにより、上述したアフタークーラ２８の大型化や燃料電池スタック１０の過乾燥等を防止することができる。

なお、高圧時におけるコンプレッサ流量Ｆｃｏの増加量について、その上限は特に限定されるものではない。しかしながら、アフタークーラ２８や燃料電池スタック１０への余剰な空気の供給を極力回避する観点から、コンプレッサ流量Ｆｃｏからスタック流量Ｆｓを減じて得られる流量の値が、バイパス弁３２を通過可能な流量の上限値以下となるように、コンプレッサ流量Ｆｃｏの増加量を制限することが好ましい。

以下では、本実施形態において特徴的なバイパス弁３２の開閉制御の概要を説明する。

図１１は、本実施形態におけるバイパス弁３２の開閉について説明するフローチャートである。

図示のように、ステップＳ１１０において、コントローラ２０及び各種計測装置により、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔ、及び空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを取得する。

次に、ステップＳ１２０において、コントローラ２０はスタック流量目標値Ｆｓ_ｔ及び空気圧力目標値Ｐｃ_ｔから、あらかじめ設計されたマップを用いてバイパス流量推定値Ｆｂ_ｅを算出する。バイパス流量推定値Ｆｂ_ｅは、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔが大きいほど、及び空気圧力目標値Ｐｃ_ｔが大きいほど、大きく値として演算される。さらに、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔからスタック流量目標値Ｆｓ_ｔを減算することで目標バイバス流量Ｆｂ_ｔを算出する。

ステップＳ１３０において、コントローラ２０は、バイパス流量推定値Ｆｂ_ｅが目標バイバス流量Ｆｂ_ｔより大きいか否かを判定する。そして、バイパス流量推定値Ｆｂ_ｅが目標バイバス流量Ｆｂ_ｔ以下であると判定されると、ステップＳ１４０に進む。ステップＳ１４０において、コントローラ２０は、バイパス弁３２の開度を増加させる。一方、ステップＳ１３０において、バイパス流量推定値Ｆｂ_ｅが目標バイバス流量Ｆｂ_ｔより大きいと判定されると、ステップＳ１５０に進む。ステップＳ１５０において、コントローラ２０はバイパス弁３２の開度を減少させる。

また、本実施形態では高圧タンク６０から触媒燃焼器３６に直接、水素を供給する構成であったが、これに限られず、例えば、アノード循環系の燃料電池システムにおいてアノード循環通路を流れるアノード排ガスの一部を触媒燃焼器３６に供給する構成にしてもよい。

さらに本実施形態における燃料電池システム１００の制御では、図３に示すようにではシステムの負荷要求を代表するパラメータとしてスタック電流目標値用いているが、これに限られず、負荷装置１１０における負荷量に相関するパラメータであれば、電力目標値や電圧目標値等の他の種々のパラメータを用いても良い。

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。

本実施形態によれば、燃料電池システム１００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である燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するコンプレッサ５０と、燃料電池スタック１０から排出されるカソード排ガスの供給を受けて動力を生成するタービン５２と、コンプレッサ５０及びタービン５２に連結され力行と回生を行う電動モータとしてのコンプレッサ駆動モータ５４と、燃料電池スタック１０とタービン５２の間に設置されカソードガスとアノードガスとを混合して燃焼させる燃焼器としての触媒燃焼器３６と、コンプレッサ５０から燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスを冷却する冷却器としてのアフタークーラ２８と、アフタークーラ２８の上流からアフタークーラ２８と燃料電池スタック１０をバイパスして触媒燃焼器３６にカソードガスを供給するバイパス通路３３と、バイパス通路３３に設けられたバイパス弁３２と、を備える。

これによれば、コンプレッサ５０のから吐出される空気の内、燃料電池スタック１０の発電に対して余剰な空気を、バイパス通路３３を介して触媒燃焼器３６に供給することができる。したがって、タービン５２の回収動力を向上させるように、コンプレッサ５０の流量を増加させたとしても、余剰な空気をバイパス弁３２を介して直接、触媒燃焼器３６に供給することができる。

これにより、タービン５２の回収動力により、コンプレッサ５０の動力やコンプレッサ駆動モータ５４の回生のための動力を賄いつつ、燃料電池スタック１０の発電に対して余剰な空気をアフタークーラ２８に流すことを回避することができる。

したがって、燃料電池スタック１０の負荷への電力をタービン５２の回収動力により補填して燃料電池スタック１０が発電すべき電力量を減少させて、燃料電池スタック１０の最高出力性能を抑制し、燃料電池スタック１０のサイズを小型化することができる。

そして、上述のように、タービン５２による回収動力を向上させるためにコンプレッサ流量Ｆｃｏを増加させたとしても、余剰の空気は、アフタークーラ２８の上流からバイパス通路３３を介して触媒燃焼器３６に供給されることとなる。これにより、タービン５２による回収動力の増加を実現しつつ、アフタークーラ２８への高温空気の多量の流入を抑制することができ、アフタークーラ２８における放熱量を低減することができる。したがって、アフタークーラ２８のサイズ及びラジエータ７７のサイズを小型化することができる。

以上のように、本実施形態によれば、燃料電池スタック１０及びアフタークーラ２８の双方の小型化を実現することができるので、燃料電池システム１００全体の小型化に資することとなり、燃料電池システム１００を車載する場合などのようにシステム設置スペースが限られている場合であっても対応することができる。

したがって、本実施形態のコンプレッサ動力供給機構１６が実装された燃料電池システム１００は、ＰＥＭ等の比較的低温で動作する燃料電池スタック１０においても、好適に適用することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００は、コントローラ２０が、システムの負荷要求である要求出力に基づいてバイパス弁３２を制御する制御部として機能する。これにより、要求出力に応じて必要とされるタービン５２による回収動力に応じて増加したコンプレッサ流量Ｆｃｏに関し、スタック流量に対する余剰空気をより確実にバイパス通路３３に流すことができる。

さらに、本実施形態による燃料電池システム１００では、コントローラ２０が、大気圧に対するコンプレッサ５０の圧力比Ｐｒｃの目標値である圧力比目標値に基づいてバイパス弁３２の開度を制御する制御部として機能する。

これにより、コンプレッサ吐出温度と相関する圧力比Ｐｒｃについて、その目標値である圧力比目標値に基づいてバイパス弁３２の開度が定められることとなるので、コンプレッサ吐出温度を直接検出することなく、システムの高負荷状態（要求出力が相対的に高い状態）を高精度に検知することができる。これにより、バイパス弁３２の開度の増加を、より確実にシステムの高負荷状態に合せて行うことができ、結果として、アフタークーラ２８への余剰空気の流入をより確実に低減することができる。

さらに、本実施形態による燃料電池システム１００では、コントローラ２０は、タービン５２の入口温度（タービン入口温度Ｔｔ）が上限に達した後に、コンプレッサ流量Ｆｃｏを、燃料電池スタック１０が要求する流量である要求スタック流量よりも増加させる制御部として機能する。

ここで、タービン５２の回収動力はタービン入口温度Ｔｔが高いほど大きくなるが、タービン入口温度Ｔｔは部品の耐熱等性等を考慮した許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘよりも高くすることはできない。したがって、タービン入口温度Ｔｔが許容上限温度Ｔｔ_ｔｍａｘに達した場合、タービン入口温度Ｔｔが増加しないように、コンプレッサ流量Ｆｃｏを要求スタック流量よりも高くしてタービン流入流量Ｆｔを増加させることでタービン５２の回収動力をより増加させることができる。なお、この場合にバイパス弁３２を増加させることで、アフタークーラ２８への余剰空気の流入が生じる状況において的確にこれを防止することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１００では、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０に接続される負荷に基づき定められるシステム要求出力（要求出力）と、燃料電池スタック１０が出力することが可能である出力可能電力と、に基づいてコンプレッサ流量Ｆｃｏを制御する制御部として機能する。

これにより、要求出力と出力可能電力に応じて好適にタービン流入流量Ｆｔを調節することができ、タービン５２の回収動力をより好適に得ることができる。

特に、要求出力に対して出力可能電力がより不足するにつれて、コンプレッサ流量Ｆｃｏをより大きくすることによって、燃料電池スタック１０の発電電力の不足分をタービン５２から回収できる動力により適切に補填することができる。なお、この場合にバイパス弁３２を増加させることで、アフタークーラ２８への余剰空気の流入が生じる状況において的確にこれを防止することができる。

さらに、本実施形態による燃料電池システム１００では、アフタークーラ２８で交換した熱を、冷却水を介して燃料電池スタック１０に伝熱させることが可能である。これにより、例えば、暖機時等の燃料電池スタック１０への熱供給が要求される場面において、コンプレッサ５０から吐出された高温空気の熱を燃料電池スタック１０に供給することができる。これにより、システムのエネルギー効率の向上に資することとなる。
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態における燃料電池システムについて説明する。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１２は、本実施形態におけるスタック流量目標値及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔを算出する機能を示すブロック図である。本実施形態は、第１実施形態のように、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３に圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄを入力することに代えて、コンプレッサ吐出温度センサ２７で検出されるコンプレッサ吐出温度検出値Ｔｃ_ｄを入力する。

そして、本実施形態では、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３は、入力されたコンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏ及びコンプレッサ吐出温度検出値Ｔｃ_ｄに基づいて、予め定められたマップにより、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを算出する。

図１３は、コンプレッサ吐出温度に応じたコンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏとスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒの関係を示すマップである。

図示のように、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが負の値である場合（燃料電池スタック１０の発電電力が不足していない場合）には、当該コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが所定値Ｗｃｏ１に到達するまで、コンプレッサ吐出温度検出値Ｔｃ_ｄの値にかかわらず、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１まで増加させる。この所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１は、燃料電池スタック１０の要求発電電力に応じて定められるスタック流量に相当する値である。すなわち、このように発電電力が不足していない状況においては、コンプレッサ駆動モータ５４を力行モードで作動させるので、燃料電池スタック１０の要求発電電力に基づく流量を越えたコンプレッサ流量を設定する必要は無く、燃料電池スタック１０の要求発電電力に応じて定められるスタック流量に相当するコンプレッサ流量を設定することを意図している。

一方、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが正の値である場合（燃料電池スタック１０の発電電力が不足している場合）には、コンプレッサ吐出温度検出値Ｔｃ_ｄに応じてスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒが設定される。

先ず、コンプレッサ吐出温度検出値Ｔｃ_ｄを最も小さく設定する場合（低温時）は、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏの大きさにかかわらず、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒが増加させることなく上記所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１に設定される。このように低温時にスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１以上に増加させないようにしている理由は、低温時はカソード系の圧力損失が大きくタービン５２による回収動力が低くなるので、コンプレッサ流量を増やしてタービンガス流入流量を増加させたとしても、タービン５２による回収動力の大幅な向上が望めないためである。

次に、コンプレッサ吐出温度検出値Ｔｃ_ｄが上記低音時よりも大きい中間値に設定する場合（中温時）は、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが所定値Ｗｃｏ２に到達した以降は、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを燃料電池スタック１０の要求発電電力に基づく所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１から所定値Ｆｃｏ_ｓｒ２まで増加させる。

このように、中温時においてスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを燃料電池スタック１０の要求発電電力に基づく所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１より増加させる理由は、発電電力の不足を解消すべく、コンプレッサ駆動モータ５４から回生電力を得るように、タービンガス流入流量を増やすためである。しかしながら、中温時は、まだカソード系の圧力損失が大きいため、タービンガス流入流量を大きく増加させても一定以上の回収動力は望めないため、タービン５２による回収動力を増加させることできる限度でコンプレッサ流量を増加させるべく、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを所定値Ｆｃｏ_ｓｒ２まで増加させている。なお、本実施形態では、後述するように、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒの増加に伴い、バイパス弁３２の開度を増加させて、燃料電池スタック１０により要求される流量以上のカソードガスを、アフタークーラ２８に流さないようにする。

さらに、コンプレッサ吐出温度検出値Ｔｃ_ｄを最も大きい値に設定する場合（高温時）は、コンプレッサモータへの要求電力Ｗｃｏが所定値Ｗｃｏ３に到達する以降に、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを上記所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１から増加させる。

このように、高温時においても、コンプレッサ駆動モータ５４から回生電力を得るようにスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを燃料電池スタック１０の要求発電電力に基づく所定値Ｆｃｏ_ｓｒ１より増加させている。そして、高温時においては、カソード系の圧力損失が小さいため、タービンガス流入流量を大きく増加させて、タービン５２による回収動力を一定以上に増加させることができる。

ここで、高温時においても、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒの増加に伴い、バイパス弁３２の開度を増加させて、燃料電池スタック１０により要求される流量以上のカソードガスを、アフタークーラ２８に流さないようにする。

なお、本実施形態におけるバイパス弁３２の開閉制御は、図１１により説明した第１実施形態におけるバイパス弁３２の開度制御と同様である。

以上説明した本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システム１００は、以下の作用効果を奏する。

本実施形態によれば、コントローラ２０は、コンプレッサ５０から吐出される空気の温度であるコンプレッサ吐出温度に基づいてバイパス弁３２の開度を制御する制御部として機能する。

これにより、燃料電池スタック１０の負荷に応じて変化するコンプレッサ吐出温度に合せてバイパス弁３２の開度を制御し、タービン流入流量Ｆｔを調節することができる。例えば、システムの高負荷時に相対的に高温となるコンプレッサ吐出温度に合せてバイパス弁３２の開度を増加させることで、バイパス弁３２の開度の増加タイミングをシステムの高負荷状態により確実に合せることができ、結果として、アフタークーラ２８への余剰空気の流入をより確実に低減することができる。

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。

本願は、２０１６年３月２２日に日本国特許庁に出願された特願２０１６−０５６４５３号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (8)

1. 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と、
   前記燃料電池に前記カソードガスを供給するコンプレッサと、
   前記燃料電池から排出されるカソード排ガスの供給を受けて動力を生成するタービンと、
   前記コンプレッサ及び前記タービンに連結され力行と回生を行う電動モータと、
   前記燃料電池と前記タービンの間に設置され前記カソードガスとアノードガスとを混合して燃焼させる燃焼器と、
   前記コンプレッサから前記燃料電池に供給される前記カソードガスを冷却する冷却器と、
   前記冷却器の上流から前記冷却器と前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に前記カソードガスを供給するバイパス通路と、
   前記バイパス通路に設けられたバイパス弁と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   システムの負荷要求に基づいて前記バイパス弁を制御する制御部を備えた燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記コンプレッサから吐出される空気の温度に基づいて前記バイパス弁の開度を制御す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、
   前記制御部は、
   大気圧に対する前記コンプレッサの圧力比の目標値に基づいて前記バイパス弁の開度を制御する燃料電池システム。
5. 請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記タービンの入口温度が許容上限温度に達した後に、前記コンプレッサの流量を前記燃料電池が要求する流量よりも増加させる燃料電池システム。
6. 請求項２〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記燃料電池に接続される負荷に基づき定められるシステム要求出力と、前記燃料電池が出力することが可能な出力可能電力と、に基づいて前記コンプレッサの流量を制御する燃料電池システム。
7. 請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却器は、前記燃料電池と熱交換を行う燃料電池システム。
8. 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と、前記燃料電池に前記カソードガスを供給するコンプレッサと、前記燃料電池から排出されるカソード排ガスの供給を受けて動力を生成するタービンと、前記コンプレッサ及び前記タービンに連結され力行と回生を行う電動モータと、前記燃料電池と前記タービンの間に設置され前記カソードガスとアノードガスとを混合して燃焼させる燃焼器と、前記コンプレッサから前記燃料電池に供給される前記カソードガスを冷却する冷却器と、前記冷却器の上流から前記冷却器と前記燃料電池をバイパスして前記燃焼器に前記カソードガスを供給するバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられたバイパス弁と、を備える燃料電池システムで実行される燃料電池システムの制御方法であって、
   システムの負荷要求に基づいて前記バイパス弁を制御する燃料電池システムの制御方法。

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