WO2015005034A1 - 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

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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cathode
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祥朋 浅井
武田　大
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a control method for the fuel cell system.
  • JP2012-106411A discloses a conventional fuel cell system that controls a compressor and a pressure regulating valve to control the flow rate and pressure of a cathode gas to target values.
  • the target flow rate and the target pressure of the cathode gas are set based on the state of the fuel cell, and the supply flow rate of the compressor and the opening of the pressure regulating valve are set so as to be the target flow rate and the target pressure.
  • the rotation speed of the compressor is controlled based on the target flow rate and the target pressure.
  • transmembrane differential pressure the differential pressure between the electrolyte membranes on the anode electrode side and the cathode electrode side in the fuel cell
  • the target pressure of the cathode gas set based on the state of the fuel cell is lower than the lower limit pressure for membrane protection obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the anode gas pressure, It is desirable to set the lower limit pressure as the target pressure.
  • the lower limit pressure for protecting the membrane is calculated based on the pressure of the anode gas, it pulsates (increases or decreases) in conjunction with the pressure pulsation of the anode gas.
  • the lower limit pressure for membrane protection is set as the target pressure of the cathode gas and the compressor is controlled based on the target pressure and the target flow rate, the rotation speed of the compressor will cycle according to the pulsation of the target pressure. There is a risk that abnormal noise such as swells may be generated from the compressor.
  • the present invention has been made paying attention to such problems, and suppresses the generation of abnormal noise from the compressor in a fuel cell system that controls the compressor based on the target flow rate and target pressure of the cathode gas. For the purpose.
  • a compressor for adjusting the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell, a pressure regulating valve for adjusting the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell, and a pulsation operation unit for pulsating the pressure of the anode gas
  • a target flow rate setting unit that sets a target flow rate of the cathode gas based on a request of the fuel cell; a first target pressure setting unit that sets a first target pressure of the cathode gas based on the request of the fuel cell;
  • a second target pressure setting unit for setting a second target pressure of the cathode gas for maintaining a differential pressure between the anode and the cathode in the fuel cell within a predetermined allowable differential pressure range; a first target pressure and a second target;
  • a fuel cell system comprising: a target pressure setting unit that sets a larger pressure as a target pressure; and a control unit that controls a compressor and a pressure regulating valve based on the target flow rate and the target pressure
  • FIG. 1 is a schematic view of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating anode gas supply control according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a table for calculating the pulsation upper limit target pressure and the pulsation lower limit target pressure based on the target output current.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating cathode gas supply control according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a time chart for explaining operations of anode gas supply control and cathode gas supply control according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating cathode gas supply control according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a time chart for explaining operations of anode gas supply control and cathode gas supply control according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram illustrating cathode gas supply control according to another embodiment of the present invention
  • an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas.
  • the electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
  • Anode electrode 2H 2 ⁇ 4H + + 4e ⁇ (1)
  • Cathode electrode 4H + + 4e ⁇ + O 2 ⁇ 2H 2 O (2)
  • the fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
  • a fuel cell When a fuel cell is used as a power source for automobiles, it requires a large amount of power, so it is used as a fuel cell stack in which several hundred fuel cells are stacked. Then, a fuel cell system that supplies anode gas and cathode gas to the fuel cell stack is configured, and electric power for driving the vehicle is taken out.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a fuel cell system 100 according to a first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 1, a cathode gas supply / discharge device 2, an anode gas supply / discharge device 3, and a controller 4.
  • the fuel cell stack 1 is formed by stacking several hundred fuel cells, and receives the supply of anode gas and cathode gas to generate electric power necessary for driving the vehicle.
  • the cathode gas supply / discharge device 2 supplies cathode gas (air) to the fuel cell stack 1 and discharges cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the outside air.
  • the cathode gas supply / discharge device 2 is referred to as a cathode gas supply passage 21, a cathode gas discharge passage 22, a filter 23, a cathode compressor 24, an intercooler 25, and a water recovery device (hereinafter referred to as "WRD").
  • ) 26 a cathode pressure regulating valve 27, a bypass passage 28, a bypass valve 29, a first air flow sensor 41, a second air flow sensor 42, a cathode pressure sensor 43, and a temperature sensor 44.
  • the cathode gas supply passage 21 is a passage through which the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 flows.
  • the cathode gas supply passage 21 has one end connected to the filter 23 and the other end connected to the cathode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the cathode gas discharge passage 22 is a passage through which the cathode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows. One end of the cathode gas discharge passage 22 is connected to the cathode gas outlet hole of the fuel cell stack 1, and the other end is an open end.
  • the cathode off gas is a mixed gas such as oxygen not used in the electrode reaction, nitrogen contained in the cathode gas, and water vapor generated by the electrode reaction.
  • the filter 23 removes foreign matters in the cathode gas taken into the cathode gas supply passage 21.
  • the cathode compressor 24 is provided in the cathode gas supply passage 21.
  • the cathode compressor 24 takes air as cathode gas into the cathode gas supply passage 21 through the filter 23 and supplies the air to the fuel cell stack 1.
  • the intercooler 25 is provided in the cathode gas supply passage 21 downstream from the cathode compressor 24.
  • the intercooler 25 cools the cathode gas discharged from the cathode compressor 24.
  • the WRD 26 is connected to each of the cathode gas supply passage 21 and the cathode gas discharge passage 22, collects moisture in the cathode off-gas flowing through the cathode gas discharge passage 22, and cathode that flows through the cathode gas supply passage 21 with the collected moisture. Humidify the gas.
  • the cathode pressure regulating valve 27 is provided in the cathode gas discharge passage 22 downstream of the WRD 26.
  • the cathode pressure regulating valve 27 is controlled to be opened and closed by the controller 4 and adjusts the pressure of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure.
  • the bypass passage 28 is provided so that a part of the cathode gas discharged from the cathode compressor 24 can be directly discharged to the cathode gas discharge passage 22 without going through the fuel cell stack 1 as necessary. It is.
  • One end of the bypass passage 28 is connected to the cathode gas supply passage 21 between the cathode compressor 24 and the intercooler 25, and the other end is connected to the cathode gas discharge passage 22 downstream of the cathode pressure regulating valve 27.
  • bypass valve 29 is provided in the bypass passage 28.
  • the bypass valve 29 is controlled to be opened and closed by the controller 4 to adjust the flow rate of the cathode gas flowing through the bypass passage 28 (hereinafter referred to as “bypass flow rate”).
  • the first air flow sensor 41 is provided in the cathode gas supply passage 21 upstream of the cathode compressor 24.
  • the first air flow sensor 41 detects the flow rate of the cathode gas supplied to the cathode compressor 24 (hereinafter referred to as “compressor supply flow rate”).
  • the second air flow sensor 42 is provided in the cathode gas supply passage downstream from the connection portion with the bypass passage 28.
  • the second air flow sensor 42 detects the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1 out of the cathode gas discharged from the cathode compressor 24 (hereinafter referred to as “stack supply flow rate”).
  • the stack supply flow rate is a flow rate obtained by subtracting the bypass flow rate from the compressor supply flow rate.
  • the cathode pressure sensor 43 is provided in the cathode gas supply passage 21 in the vicinity of the cathode gas inlet side of the WRD 26.
  • the cathode pressure sensor 43 detects the pressure of the cathode gas in the vicinity of the cathode gas inlet side of the WRD 26 (hereinafter referred to as “cathode pressure”).
  • the temperature sensor 44 is provided in the cathode gas supply passage 21 between the intercooler 25 and the WRD 26.
  • the temperature sensor 44 detects the temperature on the cathode gas inlet side of the WRD 26 (hereinafter referred to as “WRD inlet temperature”).
  • the anode gas supply / discharge device 3 supplies anode gas to the fuel cell stack 1 and discharges anode off-gas discharged from the fuel cell stack 1 to the cathode gas discharge passage 22.
  • the anode gas supply / discharge device 3 includes a high-pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, an anode pressure regulating valve 33, an anode gas discharge passage 34, a purge valve 35, and an anode pressure sensor 45.
  • the high-pressure tank 31 stores the anode gas (hydrogen) supplied to the fuel cell stack 1 while maintaining the high-pressure state.
  • the anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1.
  • the anode gas supply passage 32 has one end connected to the high pressure tank 31 and the other end connected to the anode gas inlet hole of the fuel cell stack 1.
  • the anode pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32.
  • the anode pressure regulating valve 34 is controlled to be opened and closed by the controller 4 to adjust the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 to a desired pressure.
  • the anode gas discharge passage 34 is a passage through which the anode off gas discharged from the fuel cell stack 1 flows.
  • the anode gas discharge passage 34 has one end connected to the anode gas outlet hole of the fuel cell stack 1 and the other end connected to the cathode gas discharge passage 22.
  • the anode off gas discharged to the cathode gas discharge passage 22 via the anode gas discharge passage 34 is mixed with the cathode off gas in the cathode gas discharge passage 22 and discharged to the outside of the fuel cell system 100. Since the anode off gas contains excess anode gas that was not used for the electrode reaction, the anode off gas is mixed with the cathode off gas and discharged to the outside of the fuel cell system 100, so that the hydrogen concentration in the exhaust gas is preliminarily set. It is set to be equal to or less than a predetermined concentration.
  • the purge valve 35 is provided in the anode gas discharge passage 34.
  • the purge valve 35 is controlled to be opened and closed by the controller 4 and adjusts the flow rate of the anode off gas discharged from the anode gas discharge passage 34 to the cathode gas discharge passage 22.
  • the anode pressure sensor 45 is provided in the anode gas supply passage 32 downstream of the anode pressure regulating valve 33 and detects the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell stack 1 (hereinafter referred to as “anode pressure”).
  • the controller 4 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
  • CPU central processing unit
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory
  • I / O interface input / output interface
  • the controller 4 includes a current sensor 46 that detects a current (output current) extracted from the fuel cell stack 1 and a voltage sensor that detects an output voltage of the fuel cell stack 1. 47. Signals from various sensors such as an accelerator stroke sensor 48 for detecting the amount of depression of the accelerator pedal (hereinafter referred to as “accelerator operation amount”) and an SOC sensor 49 for detecting the battery charge amount are input. The controller 4 detects the operating state of the fuel cell system 100 based on signals from these various sensors.
  • the controller 4 controls the supply of the anode gas to the fuel cell stack 1 so that the anode pressure pulsates, and controls the supply of the cathode gas to the fuel cell stack 1 based on the operating state of the fuel cell system 100.
  • the anode gas supply control and the cathode gas supply control performed by the controller 4 will be described.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining anode gas supply control according to this embodiment, which is performed by the controller 4 (pulsation operation unit).
  • step S1 the controller 4 calculates the target output current of the fuel cell stack 1 based on the operating state of the fuel cell system 100. Specifically, the target output power of the fuel cell stack 1 is calculated based on the required power of a drive motor (not shown) that generates the driving force of the vehicle and the auxiliary power such as the cathode compressor 24 and the charge / discharge request of the battery. Based on the target output power, the target output current is calculated from the IV characteristics of the fuel cell stack 1.
  • step S2 the controller 4 refers to the table in FIG. 3 and calculates the pulsation upper limit target pressure and the pulsation lower limit target pressure based on the target output current.
  • the pulsation upper limit target pressure and the pulsation lower limit target pressure are larger when the target output current is higher than when the target output current is low.
  • the pulsation width becomes larger when the target output current is higher than when the target output current is low.
  • the controller 4 varies the pulsation upper limit target pressure (pulsation upper limit pressure) and the pulsation lower limit target pressure (pulsation lower limit pressure) of the anode gas based on the load (target output current) of the fuel cell stack 1.
  • step S3 the controller 4 determines whether or not the anode pressure is higher than the pulsation upper limit target pressure. If the anode pressure is equal to or higher than the pulsation upper limit target pressure, the controller 4 performs the process of step S4 to reduce the anode pressure. On the other hand, if the anode pressure is less than the pulsation upper limit target pressure, the process of step S5 is performed.
  • step S4 the controller 4 sets the target anode pressure to the pulsation lower limit target pressure.
  • the opening degree of the anode pressure regulating valve 33 is feedback-controlled so that the anode pressure becomes the lower limit target pressure during pulsation.
  • the opening of the anode pressure regulating valve 33 is normally fully closed, and the supply of anode gas from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1 is stopped.
  • the anode pressure decreases due to the consumption of the anode gas in the fuel cell stack 1 by power generation.
  • step S5 the controller 4 determines whether or not the anode pressure is equal to or lower than the pulsation lower limit target pressure. If the anode pressure is equal to or lower than the pulsation lower limit target pressure, the controller 4 performs the process of step S6 to increase the anode pressure. On the other hand, if the anode pressure is higher than the pulsation lower limit target pressure, the process of step S7 is performed.
  • step S6 the controller 4 sets the target anode pressure to the pulsation upper limit target pressure.
  • the opening degree of the anode pressure regulating valve 33 is feedback-controlled so that the anode pressure becomes the pulsation upper limit target pressure.
  • the anode pressure regulating valve 33 is opened to a desired opening, anode gas is supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1, and the anode pressure rises.
  • step S7 the controller 4 sets the target anode pressure to the same target anode pressure as the previous time.
  • the transmembrane pressure difference between the electrolyte membranes on the anode electrode side and the cathode electrode side of each fuel cell varies as the anode pressure pulsates. If this inter-membrane differential pressure is excessive, unexpected stress is applied to the electrolyte membrane, which may reduce the mechanical strength of the electrolyte membrane, which causes deterioration of the fuel cell.
  • the target cathode pressure set based on the operating state of the fuel cell system 100 is a lower limit for membrane protection in which a predetermined allowable transmembrane pressure is subtracted from the anode pressure.
  • this lower limit pressure is set as the target cathode pressure.
  • the lower limit pressure for protecting the membrane is calculated based on the pulsating anode pressure, the lower limit pressure also pulsates.
  • the target cathode pressure pulsates.
  • the rotational speed of the cathode compressor 24 controlled in accordance with the target cathode pressure periodically increases or decreases with the pulsation of the target cathode pressure, and there is a possibility that abnormal noise such as swell noise is generated from the cathode compressor 24. There is.
  • the pressure that limits the pulsation of the target cathode pressure is set as the limited target cathode pressure, and according to the limited target cathode pressure.
  • the cathode compressor 24 was controlled.
  • the transmembrane differential pressure limit request target pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the pulsation upper limit target pressure is set as the limited target cathode pressure.
  • the pulsation upper limit target pressure is fixed to a predetermined value according to the target output current if there is no fluctuation in the target output current. Therefore, the transmembrane pressure limit request target obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the pulsation upper limit target pressure.
  • the pressure is also fixed at a certain predetermined value. Therefore, when the target cathode pressure pulsates with the pulsation of the anode pressure, the cathode compressor 24 is controlled by controlling the cathode compressor 24 according to the transmembrane differential pressure limit request target pressure held at the predetermined value, thereby rotating the cathode compressor 24. Speed pulsation can be suppressed.
  • the cathode gas supply control according to this embodiment will be described.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating the supply control of the cathode gas according to the present embodiment performed by the controller 4.
  • the target output current is input to the oxygen partial pressure securing request stack supply flow rate calculation unit 101.
  • the oxygen partial pressure securing request stack supply flow rate calculation unit 101 calculates the oxygen partial pressure securing request stack supply flow rate based on the target output current.
  • This oxygen partial pressure securing request stack supply flow rate is the stack supply necessary for securing the oxygen partial pressure necessary for the electrode reaction in the cathode electrode of each fuel cell when the target output current is taken out from the fuel cell stack 1. This is the target flow rate.
  • the oxygen supply partial pressure securing request stack supply flow rate is larger when the target output current is large than when the target output current is small.
  • the wetness control request stack supply flow rate calculation unit 102 receives, for example, the impedance of the fuel cell stack 1 calculated by the AC impedance method and a target impedance that is predetermined according to the target output current of the fuel cell stack 1. Is done.
  • the wetness control request stack supply flow rate calculation unit 102 calculates the target value of the stack supply flow rate for setting the impedance to the target impedance as the wetness control request stack supply flow rate based on the deviation between the impedance and the target impedance.
  • the stack supply flow rate required for controlling the wetness is the stack supply flow rate necessary for controlling the wetness (moisture content) of the electrolyte membrane to an optimum wetness according to the target output current of the fuel cell stack 1. It is.
  • the target stack supply flow rate calculation unit 103 receives the oxygen partial pressure securing request stack supply flow rate and the wetness control request stack supply flow rate. The target stack supply flow rate calculation unit 103 calculates the larger one of these two as the target stack supply flow rate.
  • the controller 4 (target flow rate setting unit) supplies the fuel cell stack to satisfy at least these two requirements based on the requirements of the fuel cell stack 1 such as the oxygen partial pressure securing request and the wetness control request.
  • Set the target flow rate of the cathode gas target stack supply flow rate.
  • the target bypass valve opening calculation unit 104 receives the stack supply flow rate and the target stack supply flow rate.
  • the target bypass valve opening degree calculation unit 104 calculates the opening degree of the bypass valve 29 for changing the stack supply flow rate to the target stack supply flow rate based on the deviation between the stack supply flow rate and the target stack supply flow rate. Calculate as
  • the target bypass opening is input to the bypass valve control unit 105.
  • the bypass valve control unit 105 controls the opening degree of the bypass valve 29 to the target bypass valve opening degree.
  • the target output current is input to the oxygen partial pressure ensuring required target pressure calculation unit 106.
  • the oxygen partial pressure ensuring required target pressure calculation unit 106 calculates the oxygen partial pressure ensuring required target pressure based on the target output current.
  • This target pressure for ensuring oxygen partial pressure is the same as the cathode pressure necessary for securing the oxygen partial pressure necessary for electrode reaction in the cathode electrode of each fuel cell when the target output current is taken out from the fuel cell stack 1. It is a target value.
  • the target pressure for ensuring the oxygen partial pressure is higher when the target output current is larger than when the target output current is small.
  • the controller 4 oxygen partial pressure ensuring required pressure calculation unit
  • the controller 4 is necessary to maintain the oxygen partial pressure in each fuel cell at a predetermined level or higher based on the load (target output current) of the fuel cell stack 1.
  • An oxygen partial pressure ensuring required pressure is calculated.
  • the wetness control required target pressure calculation unit 107 receives the impedance of the fuel cell stack 1 and a target impedance that is predetermined according to the target output current of the fuel cell stack 1. Based on the deviation between the impedance and the target impedance, the wetness control request target pressure calculation unit 107 calculates the target value of the cathode pressure for setting the impedance to the target impedance as the wetness control request target pressure.
  • This target pressure for wetness control is a cathode pressure required to control the wetness (moisture content) of the electrolyte membrane to an optimum wetness according to the target output current of the fuel cell stack 1.
  • the controller 4 calculates the target wetness (target impedance) of the electrolyte membrane based on the load (target output current) of the fuel cell stack 1.
  • the controller 4 wetness control required pressure calculation unit
  • the controller 4 controls the wetness (impedance) of the electrolyte membrane to the target wetness (target impedance). ) Is calculated.
  • the lower limit pressure calculation unit 108 receives the anode pressure and the allowable transmembrane pressure.
  • the lower limit pressure calculation unit 108 calculates a value obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the anode pressure as the lower limit pressure of the cathode gas.
  • the lower limit pressure is a lower limit value of the cathode pressure that needs to be protected for protecting the electrolyte membrane.
  • the allowable transmembrane pressure difference is a predetermined value that can be set as appropriate with the maximum value allowable as the transmembrane pressure difference (hereinafter referred to as “allowable maximum transmembrane pressure difference”) as an upper limit.
  • the pulsation upper limit target pressure (pulsation upper limit pressure) and the allowable transmembrane pressure difference are input to the transmembrane differential pressure limit request target pressure calculation unit 109.
  • the transmembrane pressure limit request target pressure calculation unit 109 calculates a value obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the pulsation upper limit target pressure as the transmembrane pressure limit request target pressure (limit pressure).
  • the target cathode pressure calculation unit 110 receives an oxygen partial pressure ensuring required target pressure, a wetness control required target pressure, and a lower limit pressure.
  • the target cathode pressure calculation unit 110 sets the larger one of the oxygen partial pressure securing required target pressure and the wetness control required target pressure as the first target pressure, and the larger of the first target pressure and the lower limit pressure (second target pressure). Is calculated as the target cathode pressure. That is, the target cathode pressure calculation unit 110 calculates the largest one of these three input values as the target cathode pressure.
  • the controller 4 determines the cathode gas so as to satisfy at least these two requirements based on the requirements of the fuel cell stack 1 such as the oxygen partial pressure securing request and the wetness control request. Set the first target pressure.
  • the controller 4 (second target pressure setting unit) sets a transmissible pressure difference (a differential pressure between the anode and the cathode) between the electrolyte membranes on the anode electrode side and the cathode electrode side in each fuel cell to a predetermined allowable membrane.
  • a lower limit pressure (second target pressure) of the cathode gas for maintaining within the inter-differential pressure range is set.
  • the controller 4 sets the larger one of the first target pressure and the lower limit pressure (second target pressure) as the target pressure (target cathode pressure) of the cathode gas supplied to the fuel cell stack.
  • the target cathode pressure and the transmembrane differential pressure limit request target pressure are input to the limit target cathode pressure calculation unit 111.
  • the maximum of these two input values is calculated as the limited target cathode pressure.
  • the target cathode pressure regulating valve opening calculation unit 112 receives a stack supply flow rate, a target stack supply flow rate, a cathode pressure, and a target cathode pressure.
  • the target cathode pressure regulating valve opening calculation unit 112 calculates the target cathode pressure regulating valve opening based on these input values.
  • the target cathode pressure regulating valve opening is input to the cathode pressure regulating valve control unit 113.
  • the cathode pressure regulation valve control unit 113 controls the opening degree of the cathode pressure regulation valve 27 to the target cathode pressure regulation valve opening degree.
  • controller 4 controls the cathode pressure regulating valve 27 based on the target flow rate (target stack supply flow rate) and the target pressure (target cathode pressure).
  • the stack required compressor supply flow rate calculation unit 114 receives the stack supply flow rate, the target stack supply flow rate, the cathode pressure, and the limited target cathode pressure.
  • the stack request compressor supply flow rate calculation unit 114 calculates the stack request compressor supply flow rate based on these input values.
  • the stack required compressor supply flow rate is a compressor supply flow rate necessary to satisfy the requirements of the fuel cell stack 1 such as the oxygen partial pressure securing request and the wetness control request.
  • the target compressor supply flow rate calculation unit 115 receives the stack request compressor supply flow rate and the dilution request compressor supply flow rate determined according to the target output current of the fuel cell stack 1. For the target compressor supply flow rate, the larger one of these two input values is calculated as the target compressor supply flow rate.
  • the dilution demand compressor supply flow rate is a compressor supply flow rate necessary for setting the hydrogen concentration of the exhaust gas discharged outside the fuel cell system 100 to a predetermined concentration or less. In the present embodiment, the dilution request compressor supply flow rate is increased when the target output current is large compared to when the target output current is small, but may be a constant value regardless of the target output current.
  • the cathode compressor control unit 116 receives the compressor supply flow rate and the target compressor supply flow rate.
  • the cathode compressor control unit 116 calculates a torque command value for the cathode compressor 24 based on the deviation between the compressor supply flow rate and the target compressor supply flow rate, and controls the cathode compressor 24 in accordance with the torque command value.
  • the controller 4 controls the cathode compressor 24 based on the target flow rate (target stack supply flow rate) and the limit target cathode pressure (target cathode pressure or transmembrane differential pressure limit request target pressure). That is, the controller 4 (control unit) basically controls the cathode compressor 24 based on the target flow rate (target stack supply flow rate) and the target pressure (target cathode pressure), while the lower limit pressure (second target pressure) is the target.
  • target cathode pressure When the target pressure (target cathode pressure) is set as pressure (target cathode pressure) and pulsates with the pressure pulsation of the anode gas, the limit pressure (transmembrane difference) that limits the pulsation of the target pressure (target cathode pressure)
  • the cathode compressor 24 is controlled based on the pressure restriction request target pressure) and the target flow rate (target stack supply flow rate).
  • FIG. 5 is a time chart for explaining the operation of anode gas supply control and cathode gas supply control according to this embodiment.
  • the anode pressure regulating valve 33 is fully closed to control the anode pressure so that the lower pulsation lower limit target pressure is reached, and the supply of the anode gas from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 1 is stopped. Is done.
  • the anode gas in the fuel cell stack 1 is gradually consumed by power generation, and the anode pressure decreases (FIG. 5A).
  • the rate of decrease in anode pressure during the transitional transition at which the target output current decreases depends on the consumption rate of anode gas due to power generation, so the anode pressure is temporarily higher than the pulsation upper limit target pressure during the transitional transition. In some cases, it becomes higher (FIG. 5A).
  • the wetness control required target pressure is larger than the lower limit pressure (FIG. 5C), so the wetness control required target pressure is set as the target cathode pressure (FIG. 5D).
  • the target pressure for wetness control as the target cathode pressure is compared with the target pressure for requesting the restriction of transmembrane pressure, the target pressure for wetness control is larger, so the target pressure for requesting wetness control is limited.
  • the target cathode pressure is set (FIG. 5E).
  • the stack demand compressor supply flow rate is calculated according to the limit target cathode pressure and the like.
  • the stack request compressor supply flow rate is larger than the dilution request compressor supply flow rate. Accordingly, the stack required compressor supply flow rate calculated according to the limited target cathode pressure or the like is set as the target compressor supply flow rate, and the cathode compressor 24 is controlled based on the target compressor supply flow rate.
  • the wetness control required target pressure held at a constant value is set as the limited target cathode pressure, so the rotational speed of the cathode compressor 24 is also constant (FIG. 5 ( F)).
  • the transmembrane differential pressure limit required target pressure is set as the limited target cathode pressure. It is set (FIG. 5E).
  • the lower limit pressure is set as the target cathode pressure, and the target cathode pressure also pulsates with the pulsation of the anode pressure (FIG. 5C). (D)). If the cathode compressor 24 is controlled in accordance with the pulsating target cathode pressure, the rotational speed of the cathode compressor 24 periodically increases and decreases with the pulsation of the target cathode pressure, and the undulation noise is generated from the cathode compressor 24. There is a risk of abnormal noises.
  • the larger of the target cathode pressure and the transmembrane differential pressure limit request target pressure is set as the limit target cathode pressure, and the cathode compressor 24 is controlled according to the limit target cathode pressure.
  • the cathode compressor 24 operates in accordance with the limited target cathode pressure (transmembrane differential pressure limit request target pressure) held at a constant value. Will be controlled. Accordingly, the rotational speed of the cathode compressor 24 is kept constant after the time t3, and the rotational speed of the cathode compressor 24 does not periodically increase or decrease, so that abnormal noise such as a swell sound is generated from the cathode compressor 24. Can be suppressed (FIG. 5F).
  • the transmembrane differential pressure restriction request target pressure becomes the target cathode. It becomes smaller than the lower limit pressure set as the pressure (FIGS. 5C and 5D). As a result, the lower limit pressure is set as the limited target cathode pressure (FIG. 5E).
  • the anode pressure may temporarily exceed the pulsation upper limit target pressure, and the lower limit pressure may be higher than the transmembrane differential pressure limit request target pressure.
  • the cathode compressor 24 is controlled using the target pressure for limiting the transmembrane pressure as the limited target cathode pressure, the transmembrane pressure may exceed the allowable transmembrane pressure.
  • the larger one of the target pressure for the transmembrane differential pressure limit and the target cathode pressure is limited.
  • the target cathode pressure is set.
  • the lower limit pressure becomes higher than the target pressure required for the transmembrane differential pressure limit, the lower limit pressure is set as the limit target cathode pressure, so that the transmembrane differential pressure is prevented from exceeding the allowable transmembrane differential pressure. can do.
  • the transmembrane pressure differential restriction request target pressure is set again as the restriction target cathode pressure.
  • the cathode compressor 24 is controlled in accordance with the limited target cathode pressure (transmembrane differential pressure limit request target pressure) held at a constant value after time t6. Can be suppressed (FIG. 5F).
  • the restriction that restricts the pulsation of the target cathode pressure is controlled based on the target cathode pressure and the target stack supply flow rate calculated based on the request of the fuel cell stack 1 such as the oxygen partial pressure ensuring request and the wetness control request.
  • the lower limit pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the anode pressure is set as the target cathode pressure
  • the target cathode pressure pulsates with the pulsation of the anode pressure
  • the upper limit target during pulsation The required target pressure for transmembrane pressure differential obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the pressure is set as the limited target cathode pressure.
  • the pulsation upper limit target pressure is fixed to a predetermined value according to the target output current if there is no fluctuation in the target output current. Therefore, the transmembrane pressure limit request target obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the pulsation upper limit target pressure. The pressure is also fixed at a certain predetermined value.
  • the transmembrane differential pressure limit request target pressure is set as the limit target cathode pressure
  • the cathode compressor 24 is set according to the limit target cathode pressure.
  • the lower limit pressure (second target pressure) is set as the target cathode pressure in order to maintain the pressure difference between the anode and the cathode in the fuel cell within a predetermined allowable transmembrane pressure range.
  • the target cathode pressure pulsates in conjunction with the anode gas pressure pulsation
  • the cathode compressor 24 is controlled based on the target stack supply flow rate.
  • the anode pressure is controlled to be equal to or lower than the upper limit target pressure during pulsation except during a transitional transition in which the target output current decreases. Therefore, by limiting the lower limit of the cathode pressure based on the pulsation upper limit target pressure as in the present embodiment, it is possible to suppress the transmembrane pressure difference from becoming larger than the allowable transmembrane pressure pressure during pulsation operation. Therefore, it is possible to suppress a decrease in mechanical strength of the electrolyte membrane and to suppress deterioration of the fuel cell.
  • the transmembrane differential pressure limit request target pressure the target cathode pressure
  • the lower limit pressure is set as the target cathode pressure and the target output current decreases, the lower limit pressure is set as the limited target cathode pressure. It can be suppressed from exceeding.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating the cathode gas supply control according to the present embodiment performed by the controller 4.
  • a selection unit 117 that selects the larger one of the pulsation upper limit target pressure and the anode pressure is provided, and the pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the pressure output from the selection unit 117 is set as the transmembrane difference.
  • the target pressure is the pressure limit request. Then, the transmembrane pressure differential restriction request target pressure is input to the target cathode pressure calculation unit 110 as the second target pressure.
  • the controller 4 (second target pressure setting unit) sets the limit pressure (transmembrane differential pressure limit request target pressure) that limits the pressure pulsation of the cathode gas accompanying the pressure pulsation of the anode gas to the first pressure. 2 Set as the target pressure. Then, the controller 4 (target pressure setting unit) sets the larger one of the first target pressure and the second target pressure as the target pressure (target cathode pressure) of the cathode gas supplied to the fuel cell stack.
  • the controller 4 (control unit) basically controls the cathode compressor 24 based on the target flow rate (target stack supply flow rate) and the target pressure (target cathode pressure).
  • FIG. 7 is a time chart for explaining operations of anode gas supply control and cathode gas supply control according to the present embodiment.
  • the largest one of the oxygen partial pressure securing request pressure, the wetness control request target pressure, and the transmembrane differential pressure restriction request target pressure is the target cathode pressure.
  • the cathode compressor 24 is controlled in accordance with the calculated target cathode pressure.
  • the transmembrane pressure limit request target pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the pulsation upper limit target pressure is set as the target cathode pressure. (FIGS. 7C and 7D). Therefore, since the cathode compressor 24 is controlled according to the target cathode pressure held at a constant value, it is possible to suppress the generation of abnormal noise such as a swell sound from the cathode compressor 24 (FIG. 7F). .
  • the transmembrane differential pressure restriction request target pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the anode pressure is set as the target cathode pressure (FIGS. 7C and 7D). ). For this reason, it is possible to suppress the transmembrane pressure difference from exceeding the allowable transmembrane pressure pressure during the down transition.
  • the transmembrane differential pressure restriction request target pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane differential pressure from the pulsation upper limit target pressure is set as the target cathode pressure. Therefore, since the cathode compressor 24 is controlled according to the target cathode pressure held at a constant value again, it is possible to suppress the generation of abnormal noise such as a swell sound from the cathode compressor 24 (FIG. 7F). ).
  • the transmembrane pressure limit required target pressure for protecting the electrolyte membrane by maintaining the transmembrane pressure difference within the allowable transmembrane pressure range is the pressure pulsation of the anode gas.
  • the pressure that restricted pulsation accompanying the pressure pulsation of the anode gas was set as the target pressure for the transmembrane pressure differential restriction request.
  • the pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the larger of the pulsation upper limit target pressure and the anode pressure is set as the transmembrane differential pressure restriction request target pressure.
  • the pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure difference from the pulsation upper limit target pressure becomes the transmembrane differential pressure limit request target pressure, except during the down transition, so the transmembrane differential pressure limit request target pressure is set as the target cathode pressure.
  • the cathode compressor 24 can be controlled in accordance with the target cathode pressure held at a constant value. Therefore, the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the generation of abnormal noise such as swell noise from the cathode compressor 24 can be suppressed.
  • a pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the larger of the pulsation upper limit target pressure and the anode pressure is input to the target cathode pressure calculation unit 110 as the transmembrane pressure limit request target pressure. It was.
  • the anode pressure is pulsated as a predetermined fixed value without changing the pulsation upper limit target pressure and the pulsation lower limit target pressure in accordance with the target output current, as shown in FIG. You may comprise the control block of supply control.
  • the transmembrane differential pressure limit request target pressure calculation unit 109 calculates the pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the pulsation upper limit target pressure as the transmembrane differential pressure limit request target pressure, You may input into the target cathode pressure calculation part 110.
  • the pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the anode gas pulsation upper limit target pressure (pulsation upper limit pressure)
  • the pressure obtained by subtracting the allowable transmembrane pressure from the anode pressure The larger one can also be set as the transmembrane differential pressure limit request target pressure (limit pressure).

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Abstract

　燃料電池システムは、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転部と、燃料電池の要求に基づいてカソードガスの目標流量を設定する目標流量設定部と、燃料電池の要求に基づいてカソードガスの第１目標圧力を設定する第１目標圧力設定部と、燃料電池内のアノード－カソード間の差圧を所定の許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力を設定する第２目標圧力設定部と、第１目標圧力及び第２目標圧力の大きいほうを目標圧力として設定する目標圧力設定部と、目標流量と目標圧力とに基づいてコンプレッサ及び調圧弁を制御する制御部と、を備える。制御部は、目標圧力がアノードガスの圧力脈動に伴って脈動するときは、その目標圧力の脈動を制限した制限圧力と目標流量とに基づいてコンプレッサを制御する。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
　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。
　ＪＰ２０１２－１０６４１１Ａには、従来の燃料電池システムとして、コンプレッサ及び調圧弁を制御して、カソードガスの流量及び圧力を目標値に制御するものが開示されている。
　現在開発中の燃料電池システムでは、燃料電池の状態に基づいてカソードガスの目標流量及び目標圧力を設定し、この目標流量及び目標圧力となるように、コンプレッサの供給流量と調圧弁の開度とを制御している。例えばコンプレッサに関しては、コンプレッサの供給流量を制御するために、目標流量及び目標圧力に基づいてコンプレッサの回転速度を制御している。
　また、現在開発中の燃料電池システムでは、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転を実施することを検討している。脈動運転を実施する場合、燃料電池内のアノード電極側とカソード電極側との電解質膜間の差圧（以下「膜間差圧」という。）が、アノードガスの圧力が脈動することで変動する。この膜間差圧が過大になると、電解質膜に想定外の応力が加わり、燃料電池を劣化させる要因となる。
　したがって、燃料電池の状態に基づいて設定されたカソードガスの目標圧力が、アノードガスの圧力から許容膜間差圧を引いた膜保護のための下限圧力を下回る場合には、この膜保護のための下限圧力を目標圧力として設定することが望ましい。
　しかしながら、この膜保護のための下限圧力は、アノードガスの圧力に基づき算出されるものなので、アノードガスの圧力脈動に連動して脈動（増減）する。
　そのため、膜保護のための下限圧力をカソードガスの目標圧力として設定し、この目標圧力と目標流量とに基づいてコンプレッサを制御してしまうと、目標圧力の脈動に伴ってコンプレッサの回転速度が周期的に増減してしまい、コンプレッサからうねり音等の異音が生じるおそれがある。
　本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、カソードガスの目標流量及び目標圧力に基づいてコンプレッサを制御する燃料電池システムにおいて、コンプレッサから異音が発生するのを抑制することを目的とする。
　本発明のある態様によれば、燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を調節する調圧弁と、アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転部と、燃料電池の要求に基づいて、カソードガスの目標流量を設定する目標流量設定部と、燃料電池の要求に基づいて、カソードガスの第１目標圧力を設定する第１目標圧力設定部と、燃料電池内のアノード－カソード間の差圧を所定の許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力を設定する第２目標圧力設定部と、第１目標圧力及び第２目標圧力の大きいほうを目標圧力として設定する目標圧力設定部と、目標流量と目標圧力とに基づいて、コンプレッサ及び調圧弁を制御する制御部と、を備える燃料電池システムが提供される。そして、制御部は、目標圧力がアノードガスの圧力脈動に伴って脈動するときは、その目標圧力の脈動を制限した制限圧力と、目標流量と、に基づいてコンプレッサを制御する。
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図である。 図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス供給制御について説明するフローチャートである。 図３は、目標出力電流に基づいて、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を算出するテーブルである。 図４は、本発明の第１実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。 図５は、本発明の第１実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。 図６は、本発明の第２実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。 図７は、本発明の第２実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。 図８は、本発明の他の実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。
　以下、図面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）
　燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極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)
　この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
　燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
　図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
　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、を備える。
　燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。
　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（空気）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。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、カソードコンプレッサ２４と、インタークーラ２５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２６と、カソード調圧弁２７と、バイパス通路２８と、バイパス弁２９と、第１エアフローセンサ４１と、第２エアフローセンサ４２と、カソード圧力センサ４３と、温度センサ４４と、を備える。
　カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
　カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、電極反応で使用されなかった酸素やカソードガス中に含まれる窒素、そして電極反応によって生じた水蒸気等の混合ガスである。
　フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
　カソードコンプレッサ２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２４は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
　インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却する。
　ＷＲＤ２６は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分で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。
　カソード調圧弁２７は、ＷＲＤ２６よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２７は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
　バイパス通路２８は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスの一部を、必要に応じて燃料電池スタック１を経由させずに直接カソードガス排出通路２２に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路２８は、一端がカソードコンプレッサ２４とインタークーラ２５との間のカソードガス供給通路２１に接続され、他端がカソード調圧弁２７よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。
　バイパス弁２９は、バイパス通路２８に設けられる。バイパス弁２９は、コントローラ４によって開閉制御されて、バイパス通路２８を流れるカソードガスの流量（以下「バイパス流量」という。）を調節する。
　第１エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。第１エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４に供給されるカソードガスの流量（以下「コンプレッサ供給流量」という。）を検出する。
　第２エアフローセンサ４２は、バイパス通路２８との接続部より下流のカソードガス供給通路に設けられる。第２エアフローセンサ４２は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスのうち、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。スタック供給流量は、コンプレッサ供給流量からバイパス流量を引いた流量である。
　カソード圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側近傍のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側近傍のカソードガスの圧力（以下「カソード圧力」という。）を検出する。
　温度センサ４４は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。温度センサ４４は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の温度（以下「ＷＲＤ入口温度」という。）を検出する。
　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から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。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、アノード圧力センサ４５と、を備える。
　高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガス（水素）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から排出される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は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック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３４は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
　アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
　アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスが含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
　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、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を調節する。
　アノード圧力センサ４５は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられ、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「アノード圧力」という。）を検出する。
　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、前述した第１エアフローセンサ４１等の他にも、燃料電池スタック１から取り出される電流（出力電流）を検出する電流センサ４６や、燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ４７、アクセルペダルの踏込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４８、バッテリ充電量を検出するＳＯＣセンサ４９などの各種センサからの信号が入力される。コントローラ４は、これら各種センサからの信号に基づいて、燃料電池システム１００の運転状態を検出する。
　そして、コントローラ４は、アノード圧力が脈動するように燃料電池スタック１に対するアノードガスの供給を制御すると共に、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて燃料電池スタック１に対するカソードガスの供給を制御する。以下、コントローラ４によって実施されるこのアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御について説明する。
　図２は、コントローラ４（脈動運転部）によって実施される本実施形態によるアノードガス供給制御について説明するフローチャートである。
　ステップＳ１において、コントローラ４は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１の目標出力電流を算出する。具体的には、車両の駆動力を発生する駆動モータ（図示せず）及びカソードコンプレッサ２４等の補機の要求電力やバッテリの充放電要求に基づいて燃料電池スタック１の目標出力電力を算出し、目標出力電力に基づいて、燃料電池スタック１のＩＶ特性から目標出力電流を算出する。
　ステップＳ２において、コントローラ４は、図３のテーブルを参照し、目標出力電流に基づいて、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を算出する。図３のテーブルに示すように、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力は、それぞれ目標出力電流が低いときと比べて高いときのほうが大きくなる。また、脈動幅も同様に、目標出力電流が低いときと比べて高いときのほうが大きくなる。このようにコントローラ４は、燃料電池スタック１の負荷（目標出力電流）に基づいて、アノードガスの脈動時上限目標圧力（脈動上限圧力）及び脈動時下限目標圧力（脈動下限圧力）を変動させる。
　ステップＳ３において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動時上限目標圧力よりも高いか否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動時上限目標圧力以上であれば、アノード圧を降圧させるためにステップＳ４の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動時上限目標圧力未満であれば、ステップＳ５の処理を行う。
　ステップＳ４において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動時下限目標圧力に設定する。これにより、アノード圧力が脈動時下限目標圧力となるように、アノード調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、通常はアノード調圧弁３３の開度は全閉となり、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電による燃料電池スタック１内でのアノードガスの消費によって、アノード圧力が低下していく。
　ステップＳ５において、コントローラ４は、アノード圧力が脈動時下限目標圧力以下か否かを判定する。コントローラ４は、アノード圧力が脈動時下限目標圧力以下であれば、アノード圧を昇圧させるためにステップＳ６の処理を行う。一方で、アノード圧力が脈動時下限目標圧力よりも高ければ、ステップＳ７の処理を行う。
　ステップＳ６において、コントローラ４は、目標アノード圧力を脈動時上限目標圧力に設定する。これにより、アノード圧力が脈動時上限目標圧力となるように、アノード調圧弁３３の開度がフィードバック制御される。このフィードバック制御の結果、アノード調圧弁３３が所望の開度まで開かれて、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へアノードガスが供給され、アノード圧力が上昇する。
　ステップＳ７において、コントローラ４は、目標アノード圧力を前回と同じ目標アノード圧力に設定する。
　ここで、このような脈動運転を実施する場合、各燃料電池のアノード電極側とカソード電極側との電解質膜間の膜間差圧が、アノード圧力が脈動することで変動する。この膜間差圧が過大になると、電解質膜に想定外の応力が加わって電解質膜の機械的強度を低下させるおそれがあり、燃料電池を劣化させる要因となる。
　このような燃料電池の劣化を抑制する方法として、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて設定された目標カソード圧力が、アノード圧力から所定の許容膜間差圧を引いた膜保護のための下限圧力を下回る場合には、この下限圧力を目標カソード圧力として設定することが考えられる。
　しかしながら、この方法では、膜保護のための下限圧力が、脈動するアノード圧力に基づき算出されることになるので、下限圧力も脈動することになる。
　そうすると、下限圧力が目標カソード圧力として設定されたときは、目標カソード圧力が脈動することになる。その結果、目標カソード圧力に応じて制御されるカソードコンプレッサ２４の回転速度が、目標カソード圧力の脈動に伴って周期的に増減してしまい、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するおそれがある。
　そこで本実施形態では、このように目標カソード圧力がアノード圧力の脈動に伴って脈動するときは、目標カソード圧力の脈動を制限した圧力を制限目標カソード圧力として設定し、この制限目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することとした。具体的には、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力を制限目標カソード圧力として設定することとした。
　脈動時上限目標圧力は、目標出力電流の変動がなければ目標出力電流に応じた所定値に固定されるので、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力も、ある所定値に固定されることになる。そのため、目標カソード圧力がアノード圧力の脈動に伴って脈動するときは、この所定値に保持された膜間差圧制限要求目標圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することで、カソードコンプレッサ２４の回転速度の脈動を抑制することができる。以下、この本実施形態によるカソードガス供給制御について説明する。
　図４は、コントローラ４によって実施される本実施形態によるカソードガスの供給制御について説明するブロック図である。
　酸素分圧確保要求スタック供給流量算出部１０１には、目標出力電流が入力される。酸素分圧確保要求スタック供給流量算出部１０１は、目標出力電流に基づいて、酸素分圧確保要求スタック供給流量を算出する。この酸素分圧確保要求スタック供給流量は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、各燃料電池のカソード電極内において電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なスタック供給流量の目標値である。酸素分圧確保要求スタック供給流量は、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが多くなる。
　湿潤度制御要求スタック供給流量算出部１０２には、例えば交流インピーダンス法によって算出された燃料電池スタック１のインピーダンスと、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて予め定められた目標インピーダンスと、が入力される。湿潤度制御要求スタック供給流量算出部１０２は、インピーダンスと目標インピーダンスとの偏差に基づいて、インピーダンスを目標インピーダンスにするためのスタック供給流量の目標値を、湿潤度制御要求スタック供給流量として算出する。この湿潤度制御要求スタック供給流量は、換言すれば、電解質膜の湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じた最適な湿潤度に制御するために必要なスタック供給流量である。
　目標スタック供給流量算出部１０３には、酸素分圧確保要求スタック供給流量と、湿潤度制御要求スタック供給流量と、が入力される。目標スタック供給流量算出部１０３は、これらの２つのうち、大きい方を目標スタック供給流量として算出する。
　このようにコントローラ４（目標流量設定部）は、酸素分圧確保要求及び湿潤度制御要求という燃料電池スタック１の要求に基づいて、少なくともこの２つの要求を満足するように、燃料電池スタックに供給するカソードガスの目標流量（目標スタック供給流量）を設定する。
　目標バイパス弁開度算出部１０４には、スタック供給流量と、目標スタック供給流量と、が入力される。目標バイパス弁開度算出部１０４は、スタック供給流量と目標スタック供給流量との偏差に基づいて、スタック供給流量を目標スタック供給流量にするためのバイパス弁２９の開度を、目標バイパス弁開度として算出する。
　バイパス弁制御部１０５には、目標バイパス開度が入力される。バイパス弁制御部１０５は、バイパス弁２９の開度を目標バイパス弁開度に制御する。
　酸素分圧確保要求目標圧力算出部１０６には、目標出力電流が入力される。酸素分圧確保要求目標圧力算出部１０６は、目標出力電流に基づいて、酸素分圧確保要求目標圧力を算出する。この酸素分圧確保要求目標圧力は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、各燃料電池のカソード電極内において電極反応に必要な酸素分圧を確保するために必要なカソード圧力の目標値である。酸素分圧確保要求目標圧力は、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが高くなる。
　このようにコントローラ４（酸素分圧確保要求圧力算出部）は、燃料電池スタック１の負荷（目標出力電流）に基づいて、各燃料電池内の酸素分圧を所定以上に保持するために必要な酸素分圧確保要求圧力（酸素分圧確保要求目標圧力）を算出する。
　湿潤度制御要求目標圧力算出部１０７には、燃料電池スタック１のインピーダンスと、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて予め定められた目標インピーダンスと、が入力される。湿潤度制御要求目標圧力算出部１０７は、インピーダンスと目標インピーダンスとの偏差に基づいて、インピーダンスを目標インピーダンスにするためのカソード圧力の目標値を、湿潤度制御要求目標圧力として算出する。この湿潤度制御要求目標圧力は、電解質膜の湿潤度（含水率）を、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じた最適な湿潤度に制御するために必要なカソード圧力である。
　このようにコントローラ４（目標湿潤度算出部）は、燃料電池スタック１の負荷（目標出力電流）に基づいて、電解質膜の目標湿潤度（目標インピーダンス）を算出する。そしてコントローラ４（湿潤度制御要求圧力算出部）は、電解質膜の湿潤度（インピーダンス）を、目標湿潤度（目標インピーダンス）に制御するために必要な湿潤度制御要求圧力（湿潤度制御要求目標圧力）を算出する。
　下限圧力算出部１０８には、アノード圧力と、許容膜間差圧と、が入力される。下限圧力算出部１０８は、アノード圧力から許容膜間差圧を引いた値を、カソードガスの下限圧力として算出する。下限圧力は、電解質膜保護のために守るべき必要のあるカソード圧力の下限値であって、アノード圧力が脈動する場合には、アノード圧力の脈動に合わせて脈動する。なお、許容膜間差圧は、膜間差圧として許容できる最大値（以下「許容最大膜間差圧」という。）を上限として、適宜設定すれば良い所定値である。
　膜間差圧制限要求目標圧力算出部１０９には、脈動時上限目標圧力（脈動上限圧力）と、許容膜間差圧と、が入力される。膜間差圧制限要求目標圧力算出部１０９は、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた値を、膜間差圧制限要求目標圧力（制限圧力）として算出する。
　目標カソード圧力算出部１１０には、酸素分圧確保要求目標圧力と、湿潤度制御要求目標圧力と、下限圧力と、が入力される。目標カソード圧力算出部１１０は、酸素分圧確保要求目標圧力及び湿潤度制御要求目標圧力の大きい方を第１目標圧力とし、この第１目標圧力と下限圧力（第２目標圧力）との大きい方を目標カソード圧力として算出する。つまり、目標カソード圧力算出部１１０は、これら３つの入力値のうち、最も大きいものを、目標カソード圧力として算出する。
　このようにコントローラ４（第１目標圧力設定部）は、酸素分圧確保要求及び湿潤度制御要求という燃料電池スタック１の要求に基づいて、少なくともこの２つの要求を満足するように、カソードガスの第１目標圧力を設定する。また、コントローラ４（第２目標圧力設定部）は、各燃料電池内のアノード電極側とカソード電極側との電解質膜間の膜間差圧（アノード－カソード間の差圧）を所定の許容膜間差圧範囲内に維持するためのカソードガスの下限圧力（第２目標圧力）を設定する。そして、コントローラ４（目標圧力設定部）は、第１目標圧力及び下限圧力（第２目標圧力）の大きい方を燃料電池スタックに供給するカソードガスの目標圧力（目標カソード圧力）として設定する。
　制限目標カソード圧力算出部１１１には、目標カソード圧力と、膜間差圧制限要求目標圧力と、が入力される。制限目標カソード圧力は、これら２つの入力値のうち、最も大きいものを、制限目標カソード圧力として算出する。
　目標カソード調圧弁開度算出部１１２には、スタック供給流量、目標スタック供給流量、カソード圧力及び目標カソード圧力が入力される。目標カソード調圧弁開度算出部１１２は、これらの入力値に基づいて、目標カソード調圧弁開度を算出する。
　カソード調圧弁制御部１１３には、目標カソード調圧弁開度が入力される。カソード調圧弁制御部１１３は、カソード調圧弁２７の開度を目標カソード調圧弁開度に制御する。
　このようにコントローラ４（制御部）は、目標流量（目標スタック供給流量）と目標圧力（目標カソード圧力）とに基づいて、カソード調圧弁２７を制御する。
　スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１１４には、スタック供給流量、目標スタック供給流量、カソード圧力及び制限目標カソード圧力が入力される。スタック要求コンプレッサ供給流量算出部１１４は、これらの入力値に基づいて、スタック要求コンプレッサ供給流量を算出する。なお、スタック要求コンプレッサ供給流量は、酸素分圧確保要求や湿潤度制御要求などの燃料電池スタック１の要求を満たすために必要なコンプレッサ供給流量である。
　目標コンプレッサ供給流量算出部１１５には、スタック要求コンプレッサ供給流量と、燃料電池スタック１の目標出力電流に応じて定められる希釈要求コンプレッサ供給流量と、が入力される。目標コンプレッサ供給流量は、これら２つの入力値のうち、大きい方を目標コンプレッサ供給流量として算出する。なお、希釈要求コンプレッサ供給流量は、燃料電池システム１００の外部に排出される排出ガスの水素濃度を、所定濃度以下にするために必要なコンプレッサ供給流量である。本実施形態では、目標出力電流が小さいときと比べて、大きいときのほうが希釈要求コンプレッサ供給流量を多くしているが、目標出力電流にかかわらず一定値としても構わない。
　カソードコンプレッサ制御部１１６には、コンプレッサ供給流量と、目標コンプレッサ供給流量と、が入力される。カソードコンプレッサ制御部１１６は、コンプレッサ供給流量と目標コンプレッサ供給流量との偏差に基づいてカソードコンプレッサ２４に対するトルク指令値を算出し、このトルク指令値に応じてカソードコンプレッサ２４を制御する。
　このようにコントローラ４（制御部）は、目標流量（目標スタック供給流量）と制限目標カソード圧力（目標カソード圧力又は膜間差圧制限要求目標圧力）とに基づいて、カソードコンプレッサ２４を制御する。すなわちコントローラ４（制御部）は、基本的に目標流量（目標スタック供給流量）と目標圧力（目標カソード圧力）とに基づいてカソードコンプレッサ２４を制御しつつ、下限圧力（第２目標圧力）が目標圧力（目標カソード圧力）として設定されて目標圧力（目標カソード圧力）がアノードガスの圧力脈動に伴って脈動するときは、その目標圧力（目標カソード圧力）の脈動を制限した制限圧力（膜間差圧制限要求目標圧力）と、目標流量（目標スタック供給流量）と、に基づいてカソードコンプレッサ２４を制御する。
　図５は、本実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。
　まず、アノードガス供給制御の動作について説明する。
　このタイムチャートでは、時刻ｔ１の時点で、目標出力電流に基づいて算出された脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力との間でアノード圧力を脈動させる脈動運転がすでに実施されている（図５（Ａ））。そして、時刻ｔ１から時刻ｔ５までの区間は、目標出力電流が一定なので（図５（Ｂ））、時刻ｔ１の時点における脈動時上限目標圧力と脈動時下限目標圧力との間でアノード圧を脈動させる脈動運転が継続して実施される（図５（Ａ））。
　時刻ｔ５で、例えばアクセル操作量が減少したことによって目標出力電流が低下すると（図５（Ｂ））、目標出力電流の低下に応じて脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力もそれぞれ低下する（図５（Ａ））。
　これにより、低下した脈動時下限目標圧力となるようにアノード圧力を制御すべく、アノード調圧弁３３の開度が全閉にされ、高圧タンク３１から燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。その結果、発電によって燃料電池スタック１内のアノードガスが徐々に消費されていき、アノード圧力が低下していく（図５（Ａ））。このように、目標出力電流が低下する下げ過渡時のアノード圧力の低下速度は、発電によるアノードガスの消費速度に依存するため、下げ過渡時は一時的に脈動上限目標圧力よりもアノード圧力のほうが高くなる場合がある（図５（Ａ））。
　次に、カソードガス供給制御の動作について説明する。なお、このタイムチャートでは、湿潤度制御要求目標圧力が酸素分圧確保要求圧力よりも高く、また、スタック要求コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量より多い状態を想定している。
　時刻ｔ１の時点では、湿潤度制御要求目標圧力が下限圧力よりも大きいので（図５（Ｃ））、湿潤度制御要求目標圧力が目標カソード圧力として設定される（図５（Ｄ））。また、この目標カソード圧力としての湿潤度制御要求目標圧力と、膜間差圧制限要求目標圧力と、を比較すると、湿潤度制御要求目標圧力の方が大きいので、湿潤度制御要求目標圧力が制限目標カソード圧力として設定される（図５（Ｅ））。
　そして、この制限目標カソード圧力等に応じてスタック要求コンプレッサ供給流量が算出される。このタイムチャートでは、スタック要求コンプレッサ供給流量が希釈要求コンプレッサ供給流量よりも多い状態を想定している。したがって、この制限目標カソード圧等に応じて算出されたスタック要求コンプレッサ供給流量が目標コンプレッサ供給流量として設定され、この目標コンプレッサ供給流量に基づいてカソードコンプレッサ２４が制御される。
　その結果、時刻ｔ１から時刻ｔ２の間は、一定値に保持された湿潤度制御要求目標圧力が制限目標カソード圧力として設定されているので、カソードコンプレッサ２４の回転速度も一定となる（図５（Ｆ））。
　時刻ｔ２で、例えば発電による生成水の影響で電解質膜が濡れすぎた状態となり、目標インピーダンスが増加すると、カソード調圧弁の開度を大きくしてカソードガスと共に生成水を排出しやすくするために、湿潤度制御要求目標圧力が低下する（図５（Ｃ））。これにより、目標カソード圧力及び制限目標カソード圧力も同様に低下する（図５（Ｄ）（Ｅ））。
　時刻ｔ３で、目標カソード圧力（湿潤度制御要求目標圧力）が膜間差圧制限要求目標圧力よりも小さくなると（図５（Ｄ））、膜間差圧制限要求目標圧力が制限目標カソード圧力として設定される（図５（Ｅ））。
　時刻ｔ４で、湿潤度制御要求目標圧力よりも下限圧力が大きくなると、下限圧力が目標カソード圧力として設定され、アノード圧力の脈動に伴って目標カソード圧力も脈動する状態となる（図５（Ｃ）（Ｄ））。このような脈動する目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御してしまうと、カソードコンプレッサ２４の回転速度が目標カソード圧力の脈動に伴って周期的に増減してしまい、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するおそれがある。
　そこで本実施形態では、目標カソード圧力と、膜間差圧制限要求目標圧力と、の大きい方を制限目標カソード圧力として設定し、この制限目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することとしている。
　そのため、時刻ｔ３以降は、時刻ｔ４以降で目標カソード圧力が脈動する状態になっても、一定値に保持された制限目標カソード圧力（膜間差圧制限要求目標圧力）に応じてカソードコンプレッサ２４が制御されることになる。したがって、時刻ｔ３以降も、カソードコンプレッサ２４の回転速度は一定に維持され、カソードコンプレッサ２４の回転速度が周期的に増減することがないので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる（図５（Ｆ））。
　時刻ｔ５で、燃料電池スタック１の目標出力電流が低下したことによって、アノード圧力が脈動時上限目標圧力よりも大きくなると（図５（Ａ））、膜間差圧制限要求目標圧力が、目標カソード圧力として設定されている下限圧力よりも小さくなる（図５（Ｃ）（Ｄ））。その結果、下限圧力が制限目標カソード圧力として設定される（図５（Ｅ））。
　このように、目標出力電流が低下する下げ過渡時は、一時的にアノード圧力が脈動時上限目標圧力よりも大きくなる場合があり、下限圧力が膜間差圧制限要求目標圧力よりも高くなる場合がある。この場合、膜間差圧制限要求目標圧力を制限目標カソード圧力としてカソードコンプレッサ２４を制御してしまうと、膜間差圧が許容膜間差圧を超えてしまうおそれがある。
　そこで本実施形態では、下げ過渡時に下限圧力が膜間差圧制限要求目標圧力よりも高くなる場合を考慮して、膜間差圧制限要求目標圧力と、目標カソード圧力と、の大きい方を制限目標カソード圧力として設定することとしている。
　これにより、下限圧力が膜間差圧制限要求目標圧力よりも高くなったときは、下限圧力が制限目標カソード圧力として設定されるので、膜間差圧が許容膜間差圧を超えるのを抑制することができる。
　時刻ｔ６で、アノード圧力が脈動時上限目標圧力まで低下すると（図５（Ａ））、再び膜間差圧制限要求目標圧力が制限目標カソード圧力として設定される。これにより、時刻ｔ６以降も、一定値に保持された制限目標カソード圧力（膜間差圧制限要求目標圧力）に応じてカソードコンプレッサ２４が制御されるので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる（図５（Ｆ））。
　以上説明した本実施形態によれば、アノード圧力を脈動させる燃料電池システム１００において、目標カソード圧力がアノード圧力の脈動に伴って脈動する状態になったときは、目標カソード圧力の脈動を制限した制限目標カソード圧力と、酸素分圧確保要求や湿潤度制御要求などの燃料電池スタック１の要求に基づいて算出された目標スタック供給流量と、に基づいてカソードコンプレッサ２４を制御することとした。
　これにより、目標カソード圧力の脈動に伴ってカソードコンプレッサ２４の回転速度が周期的に増減してしまうのを抑制できるので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制できる。
　具体的には、アノード圧力から許容膜間差圧を引いた下限圧力が目標カソード圧力として設定され、目標カソード圧力がアノード圧力の脈動に伴って脈動する状態になったときは、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力を制限目標カソード圧力として設定することとした。
　脈動時上限目標圧力は、目標出力電流の変動がなければ目標出力電流に応じた所定値に固定されるので、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力も、ある所定値に固定されることになる。
　したがって、目標カソード圧力がアノード圧力の脈動に伴って脈動する状態になったときに、膜間差圧制限要求目標圧力を制限目標カソード圧力として設定し、この制限目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することで、目標カソード圧力の脈動に伴ってカソードコンプレッサ２４の回転速度が周期的に増減してしまうのを抑制できる。よって、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる。
　すなわち、本実施形態によれば、燃料電池内のアノード－カソード間の差圧を所定の許容膜間差圧範囲内に維持するために、目標カソード圧力として下限圧力（第２目標圧力）が設定されて、目標カソード圧力がアノードガスの圧力脈動に連動して脈動する状態になったときは、その目標カソード圧力の脈動を制限した圧力（制限目標カソード圧力＝膜間差圧制限要求目標圧力）と、目標スタック供給流量と、に基づいてカソードコンプレッサ２４が制御される。
　また、目標出力電流が低下する下げ過渡時以外は、アノード圧力は脈動時上限目標圧力以下に制御される。そのため、本実施形態のように脈動時上限目標圧力を基準にカソード圧力の下限を制限することで、脈動運転中に膜間差圧が許容膜間差圧よりも大きくなるのを抑制できる。よって、電解質膜の機械的強度の低下を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができる。
　また本実施形態によれば、下げ過渡時に一時的に下限圧力が膜間差圧制限要求目標圧力よりも高くなる場合を考慮して、膜間差圧制限要求目標圧力と、目標カソード圧力と、の大きい方を制限目標カソード圧力として設定することとした。
　これにより、下限圧力が目標カソード圧力として設定されている場合に、目標出力電流が低下したときは、下限圧力が制限目標カソード圧力として設定されるので、膜間差圧が許容膜間差圧を超えるのを抑制することができる。
　（第２実施形態）
　次に本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、カソードガス供給制御の内容が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下の各実施形態では上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
　図６は、コントローラ４によって実施される本実施形態によるカソードガス供給制御について説明するブロック図である。
　本実施形態は、脈動時上限目標圧力とアノード圧力との大きい方を選択する選択部１１７を設け、この選択部１１７からから出力された圧力から許容膜間差圧を引いた圧力を膜間差圧制限要求目標圧力とする。そして、この膜間差圧制限要求目標圧力を第２目標圧力として、目標カソード圧力算出部１１０に入力する。
　このように本実施形態では、コントローラ４（第２目標圧力設定部）は、アノードガスの圧力脈動に伴うカソードガスの圧力脈動を制限した制限圧力（膜間差圧制限要求目標圧力）を、第２目標圧力として設定する。そして、コントローラ４（目標圧力設定部）は、第１目標圧力及び第２目標圧力の大きい方を燃料電池スタックに供給するカソードガスの目標圧力（目標カソード圧力）として設定する。そして、コントローラ４（制御部）は、基本的に目標流量（目標スタック供給流量）と目標圧力（目標カソード圧力）とに基づいてカソードコンプレッサ２４を制御する。
　図７は、本実施形態によるアノードガス供給制御及びカソードガス供給制御の動作について説明するタイムチャートである。
　上記のように制御ブロックを構成することで、本実施形態では、酸素分圧確保要求圧力、湿潤度制御要求目標圧力及び膜間差圧制限要求目標圧力のうち、最も大きいものが目標カソード圧力として算出され、その目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４が制御される。
　したがって、図７に示す通り、時刻ｔ３から目標出力電流が低下する時刻ｔ５までは、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力が目標カソード圧力として設定される（図７（Ｃ）（Ｄ））。そのため、一定値に保持された目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４が制御されるので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる（図７（Ｆ））。
　そして、下げ過渡中の時刻ｔ５から時刻ｔ６までは、アノード圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力が目標カソード圧力として設定される（図７（Ｃ）（Ｄ））。そのため、下げ過渡時に膜間差圧が許容膜間差圧を超えるのを抑制することができる。
　また、時刻ｔ６以降は、再び脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた膜間差圧制限要求目標圧力が目標カソード圧力として設定される。そのため、再び一定値に保持された目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４が制御されるので、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するのを抑制することができる（図７（Ｆ））。
　以上説明した本実施形態によれば、膜間差圧を許容膜間差圧の範囲内に維持して電解質膜の保護を図るための膜間差圧制限要求目標圧力がアノードガスの圧力脈動に伴って脈動しないように、アノードガスの圧力脈動に伴う脈動を制限した圧力を膜間差圧制限要求目標圧力として設定することとした。具体的には、脈動時上限目標圧力とアノード圧力との大きい方から許容膜間差圧を引いた圧力を膜間差圧制限要求目標圧力として設定することとした。
　これにより、下げ過渡時以外は、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた圧力が膜間差圧制限要求目標圧力となるので、膜間差圧制限要求目標圧力が目標カソード圧力として設定されたときは、一定値に保持された目標カソード圧力に応じてカソードコンプレッサ２４を制御することができる。よって、第１実施形態と同様の効果が得られ、カソードコンプレッサ２４からうねり音等の異音が発生するの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、第２実施形態では、脈動時上限目標圧力とアノード圧力との大きい方から許容膜間差圧を引いた圧力を膜間差圧制限要求目標圧力として目標カソード圧力算出部１１０に入力していた。これに対し、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を、目標出力電流に応じて変化させずに、予め定めた固定値としてアノード圧力を脈動させる場合は、図８に示すようにカソードガス供給制御の制御ブロックを構成しても良い。
　すなわち、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力を予め定めた固定値とする場合は、目標出力電流が低下しても、脈動時上限目標圧力及び脈動時下限目標圧力は変化しないので、脈動時上限目標圧力がアノード圧力よりも低くなることがない。そのため、図８に示すように、膜間差圧制限要求目標圧力算出部１０９において、脈動時上限目標圧力から許容膜間差圧を引いた圧力を膜間差圧制限要求目標圧力として算出し、目標カソード圧力算出部１１０に入力しても良い。
　また、第１実施形態において、アノードガスの脈動時上限目標圧力（脈動上限圧力）から許容膜間差圧を引いた圧力と、アノード圧力から許容膜間差圧を引いた圧力と、のうちの大きい方を膜間差圧制限要求目標圧力（制限圧力）とすることもできる。
　本願は、２０１３年７月１１日に日本国特許庁に出願された特願２０１３－１４５７０１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 (6)

  1. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、
    　前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を調節する調圧弁と、
    　アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転部と、
    　前記燃料電池の要求に基づいて、カソードガスの目標流量を設定する目標流量設定部と、
    　前記燃料電池の要求に基づいて、カソードガスの第１目標圧力を設定する第１目標圧力設定部と、
    　前記燃料電池内のアノード－カソード間の差圧を所定の許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力を設定する第２目標圧力設定部と、
    　前記第１目標圧力及び前記第２目標圧力の大きいほうを目標圧力として設定する目標圧力設定部と、
    　前記目標流量と前記目標圧力とに基づいて、前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御する制御部と、
    を備え、
    　前記制御部は、
    　　前記目標圧力がアノードガスの圧力脈動に伴って脈動するときは、その目標圧力の脈動を制限した制限圧力と、前記目標流量と、に基づいて前記コンプレッサを制御する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、
    　前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を調節する調圧弁と、
    　アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転部と、
    　前記燃料電池の状態に基づいて、カソードガスの目標流量を設定する目標流量設定部と、
    　前記燃料電池の状態に基づいて、カソードガスの第１目標圧力を設定する第１目標圧力設定部と、
    　前記燃料電池内のアノード－カソード間の差圧を所定の許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力を設定する第２目標圧力設定部と、
    　前記第１目標圧力及び前記第２目標圧力の大きいほうを目標圧力として設定する目標圧力設定部と、
    　前記目標流量と前記目標圧力とに基づいて、前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御する制御部と、
    を備え、
    　前記第２目標圧力設定部は、
    　　アノードガスの圧力脈動に伴うカソードガスの圧力脈動を制限した制限圧力を、前記第２目標圧力として設定する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 　前記制限圧力は、
    　　アノードガスの脈動上限圧力から前記許容差圧を引いた圧力である、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記脈動運転部は、
    　　前記燃料電池の負荷に基づいて、アノードガスの脈動上限圧力及び脈動下限圧力を変動させる変動部を備え、
    　前記制限圧力は、
    　　アノードガスの脈動上限圧力から前記許容差圧を引いた圧力と、アノードガスの圧力から前記許容差圧を引いた圧力と、のうちの大きい方の圧力である、
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 　前記第１目標圧力設定部は、
    　　前記燃料電池の負荷に基づいて、前記燃料電池内の酸素分圧を所定以上に保持するために必要な酸素分圧確保要求圧力を算出する酸素分圧確保要求圧力算出部と、
    　　前記燃料電池の負荷に基づいて、前記電解質膜の目標湿潤度を算出する目標湿潤度算出部と、
    　　前記電解質膜の湿潤度を、前記目標湿潤度に制御するために必要な湿潤度制御要求圧力を算出する湿潤度制御要求圧力算出部と、
    を備え、
    　　前記酸素分圧確保要求圧力と、前記湿潤度制御要求圧力と、に基づいて、前記第１目標圧力を設定する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  6. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、
    　前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を調節する調圧弁と、
    　アノードガスの圧力を脈動させる脈動運転工程と、
    　前記燃料電池の要求に基づいて、カソードガスの目標流量を設定する目標流量設定工程と、
    　前記燃料電池の要求に基づいて、カソードガスの第１目標圧力を設定する第１目標圧力設定工程と、
    　前記燃料電池内のアノード－カソード間の差圧を所定の許容差圧範囲内に維持するためのカソードガスの第２目標圧力を設定する第２目標圧力設定工程と、
    　前記第１目標圧力及び前記第２目標圧力の大きいほうを目標圧力として設定する目標圧力設定工程と、
    　前記目標流量と前記目標圧力とに基づいて、前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御する制御工程と、
    を備え、
    　前記制御工程は、
    　　前記目標圧力がアノードガスの圧力脈動に伴って脈動するときは、その目標圧力の脈動を制限した制限圧力と、前記目標流量と、に基づいて前記コンプレッサを制御する、
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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