(57)【要約】【課題】燃料電池へ供給する空気流量が大きく変化しても、ターボコンプレッサの動作が安定する、燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、前記空気供給流路を通じて前記燃料電池に空気を供給するターボコンプレッサと、前記空気供給流路から分岐し前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、前記空気供給流路を通る空気流量を調節する調圧弁と、前記バイパス流路を通る空気流量を調節するバイパス弁と、前記ターボコンプレッサ、前記調圧弁及び前記バイパス弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量及び前記燃料電池への目標空気流量から、前記バイパス流路から排気する余剰空気流量を算出し、前記目標空気流量及び前記余剰空気流量に基づいて、前記バイパス弁の開度を決定する、燃料電池システム。【選択図】図１
2020140926.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、
前記空気供給流路を通じて前記燃料電池に空気を供給するターボコンプレッサと、
前記空気供給流路から分岐し前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、
前記空気供給流路を通る空気流量を調節する調圧弁と、
前記バイパス流路を通る空気流量を調節するバイパス弁と、
前記ターボコンプレッサ、前記調圧弁及び前記バイパス弁を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量Ｑ２＊及び前記燃料電池への目標空気流量ＱＦＣ＊から、前記バイパス流路から排気する余剰空気流量ＱＢＰ＊を算出し、
前記目標空気流量ＱＦＣ＊及び前記余剰空気流量ＱＢＰ＊に基づいて、前記調圧弁及び前記バイパス弁の開度を決定する、燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、
前記空気供給流路を通じて前記燃料電池に空気を供給するターボコンプレッサと、
前記空気供給流路から分岐し前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、
前記空気供給流路を通る空気流量を調節する調圧弁と、
前記バイパス流路を通る空気流量を調節するバイパス弁と、
前記ターボコンプレッサ、前記調圧弁及び前記バイパス弁を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値以上の場合には、前記ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量Ｑ２＊及び前記燃料電池への目標空気流量ＱＦＣ＊から、前記バイパス流路から排気する余剰空気流量ＱＢＰ＊を算出し、
前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値未満の場合には、前記ターボコンプレッサの目標供給流量Ｑ１＊及び前記燃料電池への目標空気流量ＱＦＣ＊から、前記バイパス流路から排気する余剰空気流量ＱＢＰ＊を算出し、
前記目標空気流量ＱＦＣ＊及び前記余剰空気流量ＱＢＰ＊に基づいて、前記調圧弁及び前記バイパス弁の開度を決定する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。当該燃料電池システムには、燃料電池に酸化剤ガスである空気を供給するエアコンプレッサが設けられている。エアコンプレッサとしては、回転式羽車などの回転体が躯体内部で回転して空気を圧縮するように構成されたターボコンプレッサが知られている。
【０００３】
ターボコンプレッサは燃料電池に供給する空気流量が少ないときに、サージングが発生して動作が不安定となることがあった。サージングとは、空気流量と空気圧が周期的に大きく変動する現象をいう。サージングが発生すると供給空気流量の調整ができなくなることがある。
【０００４】
特許文献１〜４には、燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、前記空気供給流路を通じて空気を供給するターボコンプレッサと、前記空気供給流路から分岐し燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、当該バイパス流路を通る空気量を調整するバイパス弁と、ターボコンプレッサの回転数とバイパス弁を制御する制御装置を備えた燃料電池システムが開示されている。当該特許文献１〜４では、当該燃料システムにおけるターボコンプレッサの動作の安定性が検討されている。
【０００５】
特許文献１では、上記燃料電池システムにおいて、燃料電池の要求空気流量がターボコンプレッサの予め定められた下限流量よりも少ない場合に、前記バイパス流路を通る空気流量を利用して前記ターボ型エアコンプレッサの供給空気流量を前記下限流量以上に維持しつつ、前記燃料電池に供給する空気流量を調整することが開示されている。
【０００６】
特許文献２では、上記燃料電池システムにおいて、制御装置が、燃料電池に要求される空気流量及び空気圧力により定まるターボコンプレッサの動作点が後述するサージ領域に入ると推定すると、ターボコンプレッサの回転数を緩やかに低下させ、余剰空気は前記バイパス流路を通じて排出されるようにバイパス弁の弁開度を制御することで、前記動作点がサージ領域に入らないようにすることが開示されている。
【０００７】
特許文献３では、上記燃料電池システムにおいて、ターボコンプレッサの現在の動作点がサージ近傍運連領域内にあるか否かを判断し、前記動作点がサージ近傍運転領域内にある場合に、前記バイパス弁を開き空気供給流路の圧力を低減し、その後、前記ターボコンプレッサの回転数を低減することが開示されている。
【０００８】
また特許文献４では、上記燃料電池システムにおいて、さらに燃料電池スタックにドライアップが生じているか否かを判別する判別器と、前記燃料電池スタックにドライアップが生じていると判別されたときに前記ドライアップを解消するための回復制御を行う制御器を備え多燃料電池システムが開示されている。特許文献４では、前記回復制御において、ターボコンプレッサのサージングを防止するために、燃料電池スタックの要求空気流量に基づく特定範囲で空気圧力を上昇し、空気流量を増大させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−１２３５５０号公報
【特許文献２】特開２０１８−１８１７７１号公報
【特許文献３】特開２０１７−１４３０２０号公報
【特許文献４】特開２０１６−９１８３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池が要求する空気流量は、当該燃料電池が電力を供給する機器の必要電力量に依存する。そのため当該機器の動作状況によって、燃料電池が要求する空気流量が大きく変化することがある。
燃料電池が要求する空気流量が低下した場合、ターボコンプレッサの目標回転数は低下する。当該要求空気流量が急激に低下した場合、ターボコンプレッサの実回転数はイナーシャ等により目標回転数の変化に追従できないことがある。ターボコンプレッサに回転数低下の応答遅れが発生すると、ターボコンプレッサに圧力偏差が発生する。このときターボコンプレッサの供給空気流量は当該圧力偏差により目標値よりも低流量側に移動してしまう。その結果ターボコンプレッサの動作点がサージ領域に入ってしまい、サージングが発生することがあった。
【００１１】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池へ供給する空気流量が大きく変化しても、ターボコンプレッサの動作が安定する、燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１実施形態に係る燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、
前記空気供給流路を通じて前記燃料電池に空気を供給するターボコンプレッサと、
前記空気供給流路から分岐し前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、
前記空気供給流路を通る空気流量を調節する調圧弁と、
前記バイパス流路を通る空気流量を調節するバイパス弁と、
前記ターボコンプレッサ、前記調圧弁及び前記バイパス弁を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量Ｑ２＊及び前記燃料電池への目標空気流量ＱＦＣ＊から、前記バイパス流路から排気する余剰空気流量ＱＢＰ＊を算出し、
前記目標空気流量ＱＦＣ＊及び前記余剰空気流量ＱＢＰ＊に基づいて、前記調圧弁及び前記バイパス弁の開度を決定することを特徴とする。
【００１３】
上記第１実施形態の燃料電池システムは、ターボコンプレッサに応答遅れが生じることを考慮し、当該ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量からバイパス流路を通じて排気する余剰空気流量を算出する。その結果、ターボコンプレッサのサージングが回避され、ターボコンプレッサの動作が安定する。
【００１４】
また、第２実施形態に係る燃料電池システムは、
燃料電池と、
前記燃料電池に空気を供給するための空気供給流路と、
前記空気供給流路を通じて前記燃料電池に空気を供給するターボコンプレッサと、
前記空気供給流路から分岐し前記燃料電池を経由しないで空気を排出するバイパス流路と、
前記空気供給流路を通る空気流量を調節する調圧弁と、
前記バイパス流路を通る空気流量を調節するバイパス弁と、
前記ターボコンプレッサ、前記調圧弁及び前記バイパス弁を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値以上高い場合には、前記ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量Ｑ２＊及び前記燃料電池への目標空気流量ＱＦＣ＊から、前記バイパス流路から排気する余剰空気流量ＱＢＰ＊を算出し、
前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値未満の場合には、前記ターボコンプレッサの目標供給流量Ｑ１＊及び前記燃料電池への目標空気流量ＱＦＣ＊から、前記バイパス流路から排気する余剰空気流量ＱＢＰ＊を算出し、
前記目標空気流量ＱＦＣ＊及び前記余剰空気流量ＱＢＰ＊に基づいて、前記調圧弁及び前記バイパス弁の開度を決定することを特徴とする。
【００１５】
上記第２実施形態の燃料電池システムは、前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値以上高い場合にターボコンプレッサに応答遅れが生じやすく、動作点がサージ領域に入りやすくなることを考慮し、当該ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量から前記バイパス流路から排気する余剰空気流量を算出する。一方、前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値未満の場合は、動作点がサージ領域に入りにくいため、前記ターボコンプレッサの目標供給流量から前記バイパス流路から排気する余剰空気流量を算出する。この手法によれば、燃料電池の要求空気流量が緩やかに変化する場合や、前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に近づいたときに、余剰空気流量の算出値が小さくなる。その結果、バイパスと通る余剰空気量を抑制でき、ターボコンプレッサの回転数を下げることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、燃料電池へ供給する空気流量が大きく変化しても、ターボコンプレッサの動作が安定する、燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】本実施形態及び関連技術の燃料電池システムの動作の一例を示す説明図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフロー図である。
【図４】第１実施形態におけるターボコンプレッサの動作点の変化の一例を示す説明図である。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフロー図である。
【図６】第２実施形態におけるターボコンプレッサの動作点の変化の一例を示す説明図である。
【図７】関連技術におけるターボコンプレッサの動作点の変化の一例を示す説明図である。
【図８】第２実施形態に係る燃料電池システムの変形例の動作を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
【００１９】
実施形態に燃料電池システムを説明する。本実施形態の燃料電池システムは、例えば、燃料電池自動車（ＦＣＶ：Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）等に搭載される燃料電池システムである。なお、燃料電池システムは、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車等の車両に限らず、二輪車等の各種移動体に用いられてもよい。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図１に示すように燃料電池システム１００は、燃料電池２０と、ターボコンプレッサ１１と、空気供給流路１２ａ及び１２ｂと、調圧弁１３と、前記バイパス流路１４と、バイパス弁１５と、２つの圧力計１６、１７と、流量計１８と、制御ユニット５０を備える。なお空気供給流路１２ａは空気供給流路のうち前記バイパス流路１４との分岐前の部分をさし、気供給流路１２ａは空気供給流路のうち前記バイパス流路１４との分岐後の部分をさす。
【００２１】
燃料電池２０は、一例として固体高分子形燃料電池であり、電解質膜２３の各面にそれぞれアノード２１とカソード２２が配置されている。図１で燃料電池２０は単セルとして図示するが、当該単セルを積層して燃料電池スタックとしてもよい。燃料ガスである水素ガスは不図示の水素ガスタンクから燃料ガス流路３１を通ってアノード２１に供給される。
一方、カソード２２には、酸化剤ガスである空気を、空気供給流路１２を通して供給する。供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは電気化学反応に用いられ、反応しなかった残余のガスはそれぞれオフガスとして燃料電池２０の外部へ排出される。なお、燃料電池２０は固体高分子形燃料電池に代えて、リン酸系燃料電池など公知の燃料電池を採用してもよい。
【００２２】
ターボコンプレッサ１１は、外気から空気を吸入して圧縮し、空気供給流路１２ｂを通じて圧縮空気を燃料電池２０のカソード２２に供給する。外気は不図示のエアクリーナを介して不純物を除去してからターボコンプレッサ１１に供給してもよい。本実施形態においてはエアコンプレッサとしてターボコンプレッサ１１を用いる。ターボコンプレッサは筐体内で回転する回転体を備えるものであり、当該回転体の回転により空気を圧縮する。ターボコンプレッサ１１としては、例えば、インペラが回転して圧縮を行う遠心式のコンプレッサや、動翼（ロータ）が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサを用いることができる。ここで、回転体は、不図示の電動モータによって駆動する。したがって、当該電動モータを制御することで、ターボコンプレッサの回転体の回転数を制御できる。
【００２３】
流量計１８は、空気供給流路１２ａに配置され、ターボコンプレッサ１１の全供給空気流量Ｑ２を計測できる。圧力計１６は、外気圧（大気圧）Ｐ０を計測できる。当該外気圧はターボコンプレッサ１１の吸入圧に相当する。また、圧力計１７はターボコンプレッサ１１により圧縮された空気の空気圧（吐出圧）Ｐ１を計測できる。本実施形態において圧力比は、吸入圧と吐出圧との比（Ｐ１／Ｐ０）で表すことができる。なお後述するように、大気圧Ｐ０が安定しているとみなせる環境下においては、圧力計１６を省略してもよい。
【００２４】
調圧弁１３は、空気供給流路１２ｂに配置され、燃料電池２０に供給される空気流量を調整できる。バイパス弁１５は、前記バイパス流路１４に配置され、前記バイパス流路を通過する空気の流量を調整できる。前記バイパス流路１４は、一端が空気供給流路１２ａから分岐して配設されており、他端が排気口となっている。前記バイパス流路１４は、燃料電池２０を経由しない空気の流路を形成する。
【００２５】
制御ユニット５０は、ＣＰＵ５０ａと、ＲＡＭ５０ｃと、ＲＯＭ５０ｄとを備えている。ＣＰＵ５０ａは、ＲＯＭ５０ｄ内に記憶されている制御用プログラム（図示省略）を実行することによって、制御部５０ｂとして機能する。ＲＯＭ５０ｄには、サージング特性マップ５０ｅと、ターボコンプレッサ動作マップ５０ｆと、調圧弁、バイパス弁動作マップ５０ｇとが予め記憶されている。なお、これらの動作マップ５０ｅ，５０ｆ，５０ｇについては後述する。制御ユニット５０には、圧力計１６，１７、流量計１８の計測値、およびターボコンプレッサ１１の実回転数の計測値が取得可能に接続されている。また、制御ユニット５０は、調圧弁１３とバイパス弁１５の開度、及び、ターボコンプレッサ１１の回転数が制御可能に接続されている。接続方法は有線であっても無線であってもよい。
【００２６】
図７を参照して動作マップについて説明する。図７は関連技術におけるターボコンプレッサの動作点の変化の一例を示す説明図である。図７において、横軸はターボコンプレッサ１１から送出される空気流量を示し、縦軸はターボコンプレッサ１１の圧力比（Ｐ１／Ｐ０）を示す。
【００２７】
図７中のサージラインは、サージングが起こらない限界の条件を示している。当該サージングラインよりも図中左上側はサージングが発生する領域（以下、サージング領域とよぶ）であり、サージングラインを含んで右側は、サージングが発生しない領域である。
ターボコンプレッサ１１において、同じ空気圧では、比較的流量が少ない場合にサージングが発生し、同じ流量では、比較的空気圧が高い場合にサージングが発生する傾向がある。サージングラインはターボコンプレッサ１１の構成部品等により異なることがあるため、予め実験的に求めておく。具体的には、例えば、図１に示す燃料電池システム１００において、ターボコンプレッサの出力（空気流量）を段階的に下げていきサージングが発生しないぎりぎりの流量（下限流量）を見つける。そして、この作業をターボコンプレッサ１１の圧力比を変えて複数回行うことで、サージングラインを求めることができる。本実施形態の燃料電池システム１００では、このようにして得られたサージングラインは、サージング特性マップ５０ｅとして前記ＲＯＭ５０ｄ内に記憶しておく。
【００２８】
更に図７を参照して、第１実施形態に係る燃料電池システムが解決する課題の詳細について説明する。
ターボコンプレッサ１１の動作状態を流量及び圧力比で表すことができ、これを動作点とする。図７中、現在の動作点をＡ０としている。図７中のＬ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ、ターボコンプレッサ１１の等回転数を示すラインである。等回転数ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３はこの順番に回転数が高くなる。ターボコンプレッサ１１の回転体の回転数を一定にしては圧力比を変化させると、ターボコンプレッサ１１の動作点は回転数に応じた動作ライン上を移動する。例えば、現在の動作点をＡ０から圧力比を下げていくと、ターボコンプレッサ１１の動作点は、等回転数ラインＬ３に沿っての左上から右下へと移動する。なお等回転数ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３は図７に示されるように傾きが小さく、わずかな圧力比の変化が流量の大きな変化となる。
動作ラインはターボコンプレッサ１１の構成部品等により異なることがあるため、予め実験的に求めておく。本実施形態の燃料電池システム１００では、各当回転数ラインをターボコンプレッサ動作マップ５０ｆとして前記ＲＯＭ５０ｄ内に記憶しておく。
【００２９】
前述の通り燃料電池が要求する空気流量は、当該燃料電池が電力を供給する機器の必要電力量によって変化する。図７では、ターボコンプレッサの現在の動作点Ａ０から目標圧力比がＰｒ＊、目標流量がＱ＊に変化した例を考える。このとき制御部は、調圧弁、バイパス弁動作マップ５０ｇに基づいて、当該目標圧力比及び目標流量から調圧弁、バイパス弁の開度、ターボコンプレッサの回転数を決定する。図７では、ターボコンプレッサの目標動作点ＡＦであり、ターボコンプレッサの回転数を低下させる必要がある。図７中のＬ１１はターボコンプレッサの回転数が、制御部の指令に追従することを想定したラインである。ターボコンプレッサの回転数がＬ１１に従う場合には、動作点がサージ領域に入ることはない。しかしながら、ターボコンプレッサの回転数が制御部の指令に追従できない場合、ターボコンプレッサの回転数は指令よりも高くなる。このとき圧力比が高くなり、流量は想定よりも小さくなる。その結果ターボコンプレッサの実際の動作点の軌跡はＬ１２のようになる。このように、ターボコンプレッサの回転数が制御部の指令に追従できない場合には、動作点がサージ領域に入ってしまうことがあり、サージングの問題が発生する。
【００３０】
次に図３を参照して、第１実施形態に係る燃料電池システムが上記課題を解決する手法について説明する。図３は第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフロー図である。
第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池が要求する空気流量に応じて、目標圧力比Ｐｒ＊、燃料電池への流量Ｑ＊（目標空気流量ＱＦＣ＊とすることがある）及び目標動作点におけるターボコンプレッサの供給空気流量Ｑ１＊（総流量Ｑ１＊等ということがある）を決定する（Ｓ１０）。次いで、現在のターボコンプレッサの実回転数のまま、目標圧力比がＰｒ＊を達成したと仮定したときの、前記ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量Ｑ２＊（実回転数に基づく総流量Ｑ２＊ということがある）を算出する（Ｓ３１）。ターボコンプレッサの回転数を低下させるフェーズにおいては、Ｑ２＊＞Ｑ１＊の関係が成り立つ。当該Ｑ２＊と燃料電池への目標空気流量ＱＦＣ＊から、前記バイパス流路から排気する余剰空気流量ＱＢＰ＊を算出する（Ｓ３２）。次いで、前記目標空気流量ＱＦＣ＊及び前記余剰空気流量ＱＢＰ＊に基づいて、前記調圧弁及び前記バイパス弁の開度を決定する（Ｓ３４）。なお、調整弁及びバイパス弁の開度は、調圧弁、バイパス弁動作マップ５０ｇ（図１）に基づいて決定される。調圧弁、バイパス弁動作マップ５０ｇは、予め実験的に決定しておきＲＯＭ５０ｄ内に記憶されている。
次いで、決定された開度に基づいて調整弁及びバイパス弁の調整を実施し（Ｓ４０）、ターボコンプレッサの回転数変更を開始する（Ｓ４１）。なお、調整弁及びバイパス弁の調整と、ターボコンプレッサの回転数の変更は、同時に開始してもよい。
【００３１】
第１実施形態に係る燃料電池システムは、上記Ｓ１０〜Ｓ４１の処理を断続的に繰り返し行う。このときターボコンプレッサの回転数の変更が完了しないうちに２回目以降の処理が行われてもよい。ターボコンプレッサの回転数は低下し始めているため、２回目以降の処理において、少なくとも実回転数に基づく総流量Ｑ２＊の値が修正される。なお、Ｑ２＊の値は目標総流量Ｑ１＊に近づく。修正されたＱ２＊の値に基づいて、調圧弁、バイパス弁の開度とターボコンプレッサの回転数が修正される。
【００３２】
図４は、第１実施形態におけるターボコンプレッサの動作点の変化の一例を示す説明図である。Ａ０がターボコンプレッサの初期動作点であり、ＡＦが目標動作点である。第１実施形態の燃料電池システムでは、目標圧力比Ｐｒ＊と実回転数に基づく総流量Ｑ２＊から調圧弁及びバイパス弁の開度を算出するため、ターボコンプレッサの供給流量が多くなり、サージラインから離れる方向に動作点が移動する（Ａ０→Ａ１）。動作点Ａ１で上記Ｓ１０〜Ｓ４１の処理が繰り返される場合、動作点Ａ１における実回転数に基づく総流量Ｑ２＊が再度算出される。動作点Ａ０における供給空気流量Ｑ２＊よりも動作点Ａ１における供給空気流量Ｑ２＊のほうが小さな値となるため、動作点の移動は目標動作点ＡＦに近づくように修正される。その結果、実際の動作点の軌跡はＬ２１のようになる。第１実施形態では、圧力比が目標圧力比Ｐｒ＊に達したときに処理が完了する。そのため図４の例の場合、ターボコンプレッサの動作点はＡＡで安定する。
【００３３】
図２は、本実施形態及び関連技術の燃料電池システムの動作の一例を示す説明図である。図２（Ａ）は図７に対応する燃料電池システムの動作を示す図であり、図２（Ｂ）第１実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示す図である。（ａ）はターボコンプレッサの供給空気流量、（ｂ）はターボコンプレッサの吐出圧、（ｃ）はターボコンプレッサの回転数、（ｄ）はトルクを示し、（ｅ）はバイパス弁の開度を示す。各々実線が実測値である。（ｃ）に示されるように、ターボコンプレッサの回転数低下の指令（破線）に対し、ターボコンプレッサが追従できず、回転数は上ぶれている。本実施形態の燃料電池システムにおいては、ターボコンプレッサの回転数に追従遅れが発生することを想定して、バイパス弁の開度を上げている（図２（Ｂ）の（ｅ））。このようにすることにより、ターボコンプレッサの供給空気流量を大きくし（図２（Ｂ）の（ａ））、ターボコンプレッサのサージングを抑制している。
このように第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池へ供給する空気流量が大きく変化しても、ターボコンプレッサの動作点がサージ領域に入ることがないため、ターボコンプレッサの動作が不安定になることが抑制される。
【００３４】
（第２実施形態）
上記第１実施形態の燃料電池システムでは、最終的な動作点が図４のＡＡとなり、目標動作点ＡＦと比較して、前記バイパス流路から排気される空気の量が多くなっている。下記第２実施形態ではこの問題を解決する。以下第２実施形態の燃料電池システムについて説明する。
【００３５】
第２実施形態の燃料電池システムの構成は、前記第１実施形態の燃料電池システムと同様であり、図１に示されるとおりである。
第２実施形態の燃料電池システムは、制御方法の点で第１実施形態と異なっている。図５は第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフロー図である。第２実施形態に係る燃料電池システムにおいては、目標圧力比がＰｒ＊、目標流量がＱ＊及び目標動作点におけるターボコンプレッサの供給空気流量Ｑ１＊を決定（Ｓ１０）した後、現在の圧力比と、目標圧力比との比較を行う（Ｓ３０）。そして、前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値α以上（Ｙｅｓ）の場合には、前記第１実施形態の燃料電池システムと同様、ターボコンプレッサの実回転数に基づく供給空気流量Ｑ２＊を用いて調圧弁及びバイパス弁の開度を決定する（Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３４）。一方、前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値α未満（Ｎｏ）の場合には、目標供給流量Ｑ１＊を用いて調圧弁及びバイパス弁の開度を決定する（Ｓ３３、Ｓ３４）。なお所定値αは実験的に求められる値である。
Ｓ３０がＹｅｓの場合には、動作点がサージ領域に入りやすい。そのため、第１実施形態の燃料電池システムと同様の処理を行うことにより、ターボコンプレッサの動作点がサージ領域に入ることを回避する。
一方、Ｓ３０がＮｏの場合には、動作点がサージ領域に入る恐れがない。そのため、目標供給流量Ｑ１＊に基づいて、調圧弁及びバイパス弁の開度を決定することにより、バイパス弁からの空気の排気量を抑制することができる。
【００３６】
図６は第２実施形態におけるターボコンプレッサの動作点の変化の一例を示す説明図である。初期動作点Ａ０から動作点Ａ２までは、Ｓ３０の判定がＹｅｓの範囲である。この範囲では、第１実施形態と同様、動作点の軌跡はＬ２１のようになる。動作点Ａ２において、前記ターボコンプレッサの現在圧力比が目標圧力比に対し所定値α未満（Ｓ３０の判定がＮｏ）となったとすると、その後は、目標流量がＱ１＊に基づいて動作点の移動が行われるため、動作点の軌跡はＬ２２のようになり、最終的に目標動作点ＡＦに達して処理が完了する。
このように第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池へ供給する空気流量が大きく変化しても、ターボコンプレッサの動作点がサージ領域に入ることがなく、ターボコンプレッサの動作が不安定になることはない。また、前記バイパス流路から排気される空気の量が抑制される。
【００３７】
（変形例）
図８は第２実施形態に係る燃料電池システムの変形例の動作を示すフロー図である。Ｓ２０の判定が追加された点で第２実施形態と異なっている。当該変形例では、現在圧力比と目標圧力比の差が所定値付近の場合に、算出基準がＱ１＊とＱ２＊との間で頻繁に切り替わることを抑制する。具体的には、所定値αとしてａ＞ｂなる２つの値ａ、ｂを設け、このａ−ｂ間をラッチ区間として設定するものである。所定値をこのように設定することで、算出基準をＱ１＊からＱ２＊に変更するためには、現在圧力比が目標圧力比＋ａよりも大きくなる必要がある。また、算出基準をＱ２＊からＱ１＊に変更するためには、現在圧力比が目標圧力比＋ｂよりも小さくなる必要がある。これにより算出基準の頻繁な切り替わりが抑制されるため、調圧弁及びバイパス弁の開度が頻繁に変更されることが抑制される。
【００３８】
また、第２実施形態に係る燃料電池システムのその他の変形例として、外気圧が安定している場合には、外気圧を定数とすることにより、圧力比の代わりに圧力偏差を用いてＳ３０の判定を行ってもよい。また、圧力比の代わりに流量偏差やターボコンプレッサの回転数偏差を用いてＳ３０の判定を行ってもよい。いずれの場合も所定値αに対応する値は、事前に実験的に決定しておく必要がある。
【符号の説明】
【００３９】
１１  ターボコンプレッサ
１２ａ、１２ｂ  空気供給流路
１３  調圧弁
１４  前記バイパス流路
１５  バイパス弁
１６，１７  圧力計
１８  流量計
２０  燃料電池
２１  アノード
２２  カソード
５０  制御ユニット
１００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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