(57)【要約】【課題】燃料電池の水素圧力及び酸素圧力を目標値に制御する場合に、これらの差圧の増大を防止する。【解決手段】燃料電池１と、第１、第２物質の供給により圧力が変化する第１、第２物質空間と、これらの空間の圧力を変化させる第１、第２物質圧力変化手段５、１２と、両変化手段５、１２の制御手段３０と、を備え、第１物質空間より第２物質空間の方が短時間で圧力変化する燃料電池システムにおいて、制御手段３０は、基準目標圧力生成手段Ｓ１００と、第１物質予想圧力生成手段Ｓ１０２と、第１物質予想圧力と第２物質空間の圧力との乖離を小さくするための第２物質圧力変化手段５への指令値を生成する手段Ｓ１０３と、第２物質空間の実圧力又は第１物質予想圧力に基づく演算値を第２物質空間圧力挙動値とする手段Ｓ１０２と、第２物質圧力挙動値または基準目標圧力に基づき第１物質圧力変化手段１２への指令値を生成する手段Ｓ１０２と、を備える。【選択図】図２
2010103075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスの内一方を第１物質とし、他方を第２物質とし、前記第１物質が供給されることにより圧力が変化する第１物質空間と、前記第２物質が供給されることにより圧力が変化する第２物質空間と、を有する燃料電池と、
前記第１物質空間の圧力を変化させる第１物質圧力変化手段と、
前記第２物質空間の圧力を変化させる第２物質圧力変化手段と、
前記第１物質圧力変化手段及び前記第２物質圧力変化手段を制御する燃料電池システム制御手段と、
を備え、
前記第１物質空間の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第１の時間より、前記第２物質空間の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第２の時間の方が短い燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システム制御手段は、基準目標値生成手段、第１物質予想圧力生成手段、第２物質制御手段、第２物質圧力挙動生成手段及び第１物質制御手段を有し、
前記基準目標値生成手段は、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、圧力の目標値の基準となる基準目標圧力を生成し、
前記第１物質予想圧力生成手段は、前記第１物質制御手段により前記第１物質空間の圧力が前記基準目標圧力に漸次近づくように制御される場合の、前記第１物質空間の圧力の時間的変化の予想値である第１物質予想圧力を生成し、
前記第２物質制御手段は、前記第１物質予想圧力と前記第２物質空間の圧力との乖離が漸次小さくなるように、前記第１物質予想圧力に基づいて前記第２物質圧力変化手段への指令値である第２物質制御指令を生成し、
前記第２物質圧力挙動生成手段は、前記第２物質空間の圧力を検知する手段の検知結果、又は、前記第２物質空間の圧力の目標値としての前記第１物質予想圧力に基づいて前記第２物質空間の圧力の挙動を近似又は一致させるよう行った演算の結果を第２物質圧力挙動値として生成し、
前記第１物質制御手段は、前記第２物質圧力挙動値または前記基準目標圧力のいずれか一方に基づいて前記第１物質圧力変化手段への指令値である第１物質制御指令を生成することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池システム制御手段は、
前記基準目標圧力と前記第２物質圧力挙動値のうち前記第１物質空間の圧力と前記第２物質空間の圧力の乖離が小さくなる方を、前記第１物質空間の目標圧力である第１物質目標圧力として選択し、この第１物質目標圧力を前記第１物質制御手段へ印加する目標値とする第１物質目標圧力選択手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第２の圧力は前記第１の圧力より高く、前記第１物質目標圧力選択手段は前記基準目標圧力と前記第２物質空間の圧力のうち大きい方を前記第１物質目標圧力として選択することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１物質予想圧力生成手段は、前記第１物質目標圧力が前記基準目標圧力である場合の前記第１物質空間の圧力の未来値であって、前記第２物質空間の圧力の目標値から前記第２物質圧力挙動値までの遅れ度合いが大きくなるほど時間が進んだ未来値となるように前記第１物質予想圧力を生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第２物質圧力挙動生成手段は、前記第２物質空間の圧力の未来値であって前記第１物質目標圧力から前記第１物質空間の圧力までの遅れ度合いが大きくなるほど時間が進んだ未来値となる第２物質圧力挙動値を、前記基準目標圧力に基づいて演算により生成することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１物質制御手段は、前記第１物質制御指令の大きさを第１の所定値より大きくならないように制限する第１物質制御指令値制限手段をさらに有し、
前記第１物質制御指令値制限手段により前記第１物質制御指令が制限された場合又は制限されると予想した場合には、第１物質制御手段は前記第１物質制御指令を前記第１の所定値とし、前記第１物質予想圧力生成手段は前記第１物質予想圧力の時間的変化を小さくすることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第２物質制御手段は、前記第２物質制御指令の大きさを第２の所定値より大きくならないように制限する第２物質制御指令値制限手段を有し、
前記第１物質制御指令値制限手段により前記第１物質制御指令が制限された場合又は制限されると予想した場合には、前記第２物質制御手段は前記第２物質制御指令を前記第２の所定値とし、前記第１物質予想圧力生成手段は、第１物質予想圧力の時間的変化を小さくすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記第１物質空間に前記第１物質を供給する第１物質供給手段をさらに備え、
前記第１物質空間は、少なくとも前記第１物質の流量の増減により圧力が変化する空間であって、
前記第１物質制御手段は、前記第１物質圧力変化手段及び前記第１物質供給手段を動作させることにより前記第１物質空間の圧力を変化させ、
前記第１物質予想圧力生成手段は、前記第１物質供給手段により供給される前記第１物質の質量流量、この質量流量の時間的変化、又は前記第１物質の質量流量の予想値である第１物質予想質量流量の少なくとも一つが大きくなるにつれて、前記第１物質予想圧力の時間的変化を大きくすることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１物質は酸素を含有する空気、前記第２物質は水素を含有する気体であって、
前記第１物質圧力変化手段は外気より取り込んだ空気を前記第１物質空間に供給する手段であって、
前記第２の圧力は前記第１の圧力より大きい圧力であって、
前記第１物質予想圧力生成手段は外気の温度又は圧力を検知し、外気の温度が高くなるにつれて、又は外気の圧力が低くなるにつれて、前記第１物質予想圧力の時間的変化が小さくなるように前記第１物質予想圧力を生成することを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記基準目標値生成手段は、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、前記第１物質空間と前記第２物質空間の基準目標圧力としてそれぞれ異なる信号を生成し、さらに、これら第１物質空間の基準目標圧力と第２物質空間の基準目標圧力との乖離度合いを二物質間目標圧力差として生成し、この二物質間目標圧力差を前記第１物質予想圧力生成手段及び第２物質予想圧力生成手段に印加し、
前記第１物質予想圧力生成手段は、前記第２物質空間の基準となる目標圧力又は前記第１物質空間の基準となる目標圧力のいずれか一方に基づいて、前記第１物質空間の圧力又はこの圧力に関連した値の挙動と一致又は近似するよう前記第１物質予想圧力を生成し、
前記第２物質圧力挙動生成手段は、前記第２物質空間の圧力を検知する手段の検知結果、又は、前記第１物質予想圧力に基づいて前記第２物質空間の圧力の挙動を近似ないしは一致させるよう行った演算の結果に、前記二物質間目標圧力差を加算又は減算した信号を前記第２物質圧力挙動値として生成することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記第１物質予想圧力生成手段は、前記燃料電池システムが発電する電流値に基づいて前記第１物質予想圧力を生成するものであって、前記電流値が大きいほど、小さな前記第１物質予想圧力を生成することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記基準目標値生成手段は、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、前記第１物質空間と前記第２物質空間の基準目標圧力としてそれぞれ異なる信号を生成し、さらに、前記第１物質空間の圧力と前記第２物質空間の圧力との差圧が燃料電池の耐久性を確保できる程度となるように前記第２物質空間の基準目標圧力の上限および下限を制限する最大基準目標圧力制限値及び最小基準目標圧力制限値を生成し、
前記第２物質圧力挙動生成手段は、前記第２物質圧力挙動値を前記最大基準目標圧力制限値から前記最小基準目標圧力制限値の範囲内の大きさとなるよう設定することを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第２物質圧力挙動生成手段は、前記第２物質空間の基準目標圧力が前記最大基準目標圧力制限値より大きい場合は前記最大基準目標圧力制限値を、前記第２物質空間の基準目標圧力が前記最小基準目標圧力制限値より小さい場合は前記最小基準目標圧力制限値を、前記第２物質空間の基準目標圧力が前記最大基準目標圧力制限値から前記最小基準目標圧力制限値の範囲内の場合は前記第２物質空間の基準目標圧力を、前記第２物質圧力挙動値として設定することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記基準目標値生成手段は、燃料電池が安定して発電できる上限の前記第２物質空間の圧力を基準目標圧力最大値、下限の第２物質空間の圧力を基準目標圧力最小値、として生成し、前記第２物質空間の圧力が前記基準目標圧力最大値より大きい場合は前記基準目標圧力最小値を、前記第２物質空間の圧力が前記基準目標圧力最小値より小さい場合は前記基準目標圧力最大値を、前記第２物質空間の圧力が前記基準目標圧力最大値と前記基準目標圧力最小値の範囲内の場合は前回演算時の基準目標圧力を、それぞれ前記第２物質空間の基準目標圧力として生成することを特徴とする請求項１２または１３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素を化学反応させることにより発電を行う燃料電池システムの制御に関し、特に、発電量を変化させる際の水素及び酸素の圧力制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムについては、システムに供給する水素及び酸素の圧力を起電力の変化に伴って低下させる場合の、正極側ガス室と負極側ガス室との極間差圧の増大を防止するという課題が知られている。これについて、特許文献１では、正極側ガス室に酸素を供給する圧縮機及びこれを駆動するモータと、正極側ガス室からの反応生成物の排出圧を調整する空気調圧弁とを備え、水素圧力及び酸素圧力を低下させる場合には、モータの操作に対して空気調圧弁の閉弁操作を遅らせ、これによりモータに停止信号が入力されてから実際に停止するまでの間の、正極側ガス室内圧力のオーバーシュートを防止することで、極間差圧の増大を防止する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３５５１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、水素の消費量について考慮されていない。水素の消費量は発電電流が大きければ多くなるので、例えば、発電電流が大きい状態からモータを停止する場合には、モータへの停止信号入力とともに水素の供給を停止すると、モータの応答遅れにより酸素は供給され続けているにもかかわらず、水素は消費されてしまい、負極側ガス室の方が早く減圧する状況が生じ得る。このような状況となっても、特許文献１では空気調圧弁の開度を大きくする構成にはなっていないので、極間差圧が増大してしまう。
【０００４】
そこで、本発明では、水素圧力及び酸素圧力を目標圧力となるよう制御する場合に、水素圧力と空気圧力とで圧力の変化速度に違いがあっても、水素と空気の差圧が増大することを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガス又は酸化剤ガスの一方を第１物質とし他方を第２物質とし、第１物質が供給されることにより圧力が変化する第１物質空間と、第２物質が供給されることにより圧力が変化する第２物質空間と、を有する燃料電池と、第１物質空間の圧力を変化させる第１物質圧力変化手段と、第２物質空間の圧力を変化させる第２物質圧力変化手段と、第１物質圧力変化手段及び第２物質圧力変化手段を制御する燃料電池システム制御手段と、を備える。第１物質空間の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第１の時間より、第２物質空間の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第２の時間の方が短い燃料電池システムである。さらに、燃料電池システム制御手段は、基準目標値生成手段、第１物質予想圧力生成手段、第２物質制御手段、第２物質圧力挙動生成手段及び第１物質制御手段を有する。基準目標値生成手段は、燃料電池への負荷要求に基づいて圧力の目標値の基準となる基準目標圧力を生成する。第１物質予想圧力生成手段は、第１物質制御手段により第１物質空間の圧力が基準目標圧力に漸次近づくように制御される場合の、第１物質空間の圧力の時間的変化の予想値である第１物質予想圧力を生成する。第２物質制御手段は、第１物質予想圧力と第２物質空間の圧力との乖離が漸次小さくなるように、第１物質予想圧力に基づいて第２物質圧力変化手段への指令値である第２物質制御指令を生成する。第２物質圧力挙動生成手段は、第２物質空間の圧力を検知する手段の検知結果、又は、第２物質空間の圧力の目標値としての第１物質予想圧力に基づいて第２物質空間の圧力の挙動を近似ないしは一致させるよう行った演算の結果を第２物質圧力挙動値として生成する。第１物質制御手段は、第２物質圧力挙動値または基準目標圧力のいずれか一方に基づいて第１物質圧力変化手段への指令値である第１物質制御指令を生成する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、例えば第１物質、第２物質の一方を水素、他方を空気とし、水素圧力と空気圧力とをそれぞれ目標圧力となるよう制御する場合に、水素圧力と空気圧力との差圧が増大することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
[燃料電池システムの構成]
図１は、第１実施形態を適用する燃料電池システムの構成図である。
【０００９】
１は燃料電池、２は燃料電池１に供給する水素を貯蔵する水素タンク、７は水素循環装置、９は排水処理装置、１０ａは外気を取り込み燃料電池１に空気を供給するコンプレッサ、１０ｂはインバータ、１１は燃料電池１に供給する空気を加湿する加湿装置、１３は燃料電池１を冷却するための冷却水を循環させるための冷却水ポンプ、１７は大気との熱交換により冷却水の温度を低下させるラジエタ、２０は燃料電池１で発生させた電力を取り出すＤＣＤＣコンバータ、３０は燃料電池システムの制御を行う制御手段としてのコントロールユニットである。
【００１０】
燃料電池１は、例えば、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池であり、アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され発電される。
【００１１】
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-…（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ…（２）
アノードへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁４、水素供給弁５を通じてなされる。水素タンクから供給される高圧水素は、減圧弁４で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁５で燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧力に制御される。
【００１２】
水素ポンプ等を用いた水素循環装置７は、アノードで消費されなかった水素を水素循環路１９を介して再循環させるために設置する。
【００１３】
アノードの水素圧力は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁５を駆動することによって制御される。水素圧力を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。
【００１４】
パージ弁８は、つぎのような役割を果たす。（１）水素循環機能を確保するために、水素系（アノード、水素循環装置７、水素循環路１９）内に蓄積した窒素を排出する。（２）セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。（３）起動時に水素系を水素で置換するために水素系内のガスを排出する。
【００１５】
排水素処理装置９は、パージ弁８から排出されるガスに含まれる水素の濃度を可燃濃度未満になるように、空気で希釈して系外へ排出するか、あるいは水素と空気中の酸素とを燃焼触媒により反応させることで排出水素濃度を下げる。
【００１６】
カソードへの空気はコンプレッサ１０により供給される。
【００１７】
インバータ１０ｂは、ここでは、コンプレッサ１０ａの回転数を制御するインバータと、コンプレッサ１０ａのロータを回転させるモータ及びこのモータ用のインバータを制御するマイコンとを合わせたものを指す。
【００１８】
加湿装置１１は、供給する空気を加湿する。カソードの空気圧力は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁１２、コンプレッサ１０を駆動することによって制御される。
【００１９】
カソードの空気流量は、コントロールユニット３０が流量センサ６ｃで検出した空気流量をフィードバックして空気調圧弁１２、コンプレッサ１０を駆動することによって制御される。
【００２０】
空気調圧弁１２は、弁を駆動するモータと、弁開度を目標値に制御するマイコンとを合わせたものを指す。なお、インバータ１０ｂ、空気調圧弁１２のそれぞれのマイコンは、必須の構成要素ではなく、必要がなければ用いなくてもよい。
【００２１】
ここで、流量センサ６ｃは、反応ガスとしての空気の質量流量を検出する熱線式（ホットワイヤ式）流量センサであり、空気とセンサを構成する通電線（熱線）とが熱交換し、空気温度と通電線温度との差が一定となる通電線の発熱量に基づいて、空気の質量流量を検出するものである。また、流量センサ６ｃの流量検出値が第１所定値以下の範囲で、検出値の最大誤差が所定値以上となり、流量検出値が第１所定値を超えた範囲で、検出値の最大誤差が所定値以下となる誤差特性を有している。
【００２２】
また、流量センサ６ｃが流量を検出する空気の圧力、温度は、それぞれ圧力センサ６ｅ、温度センサ６ｄにより検出され、コントロールユニット３０に入力される。
【００２３】
冷却水流路への冷却水は冷却水ポンプ１３により供給される。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス方向に切り替えや分流する。ラジエタファン１８は、ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、温度センサ１４によって燃料電池入口の温度を、温度センサ１５によって燃料電池出口の温度を検出し、これらに基づいてコントロールユニット３０が三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整する。
【００２４】
ＤＣＤＣコンバータ２０は、燃料電池１から出力を取り出して、図示しない車両駆動モータ等の負荷装置へ供給する。
【００２５】
コントロールユニット３０は、基準目標値生成手段、第１物質予想圧力生成手段、第２物質制御手段、第２物質圧力挙動生成手段及び第１物質制御手段を有する構成であって、燃料電池システム全体を制御すると共に、本実施形態に係る燃料電池１の制御装置である。また、コントロールユニット３０は、ＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータで実現されている。
【００２６】
上記構成において、コンプレッサ１０ａから空気調圧弁１２までの配管と燃料電池１のカソード容積とを合わせたものをカソード系（第１物質空間）、水素供給弁５からパージ弁８までの配管と燃料電池１のアノード容積とを合わせたものをアノード系（第２物質空間）と称する。
【００２７】
次に、図１に示した燃料電池システムの制御について説明する。なお、ここでは、燃料電池システムを車両に搭載した燃料電池自動車を例に説明する。
【００２８】
本実施形態は、第１物質を外気よりコンプレッサ１０ａにより取り込まれる空気、第２物質を水素タンク２から供給される水素ガス、第１物質空間をコンプレッサ１０ａから空気調圧弁１２までの配管及び燃料電池１のカソード系、第２物質空間を水素供給弁５からパージ弁８までの配管及び燃料電池１のアノード系、第１物質圧力変化手段を空気調圧弁１２、第２物質圧力変化手段を水素供給弁５、第１物質供給手段をコンプレッサ１０ａとする。
【００２９】
本実施形態の場合、水素は高圧で水素タンク２に貯蔵され、水素供給弁５の開度制御により燃料電池１のアノードにおける水素圧力が所望の圧力となるよう調整される。一方で、空気は外気から取り込まれ、コンプレッサ１０ａの回転数制御により燃料電池１のカソードにおける空気圧力が所望の圧力となるよう調整される。
【００３０】
したがって、目標圧力の変更に応じて制御信号が入力された場合、制御信号に対する応答性は水素供給弁５の方がコンプレッサ１０ａよりもよいため、アノードの方がカソードよりも圧力上昇し易い。
【００３１】
ただし、圧力降下については、どちらが早く降下するかは、以下の理由により状況によって異なる。
【００３２】
水素圧力は、パージ弁８の開度を大きくすることや、ＤＣＤＣコンバータ２０により取り出される電流に応じて水素が消費されることにより減じられる。一方で、空気圧力はコンプレッサ１０ａから供給される空気流量を減じるか、空気調圧弁１２の開度を大きくすることにより減じられる。
【００３３】
このとき、ＤＣＤＣコンバータ２０により取り出される電流が大きいと水素の消費量が多くなるので、水素圧力の低下が、空気調圧弁１２の開度を大きくし、かつコンプレッサ１０ａの回転数を低下させて空気圧力を減じるよりも早くなる場合もあり得る。逆に、ＤＣＤＣコンバータ２０より取り出される電流が小さければ、空気圧力の方が水素圧力よりも早く低下する場合もあり得る。
【００３４】
このように、圧力を上昇させる場合は、水素圧力の方が空気圧力よりも早く上昇し易く、圧力を降下させる場合は、水素圧力と空気圧力のいずれが早く降下するかは状況によって異なる。
【００３５】
そこで、本実施形態では、次に説明する制御を行うことにより、水素圧力と空気圧力のいずれが早く降下する場合であっても、水素圧力と空気圧力の差圧の増大を抑制し、かつ迅速な圧力変化を行うこととする。
【００３６】
図２は、コントロールユニット３０が実行する制御のフローチャートである。この制御は所定時間毎（例えば１ｍｓ毎）に繰り返し実行する。
【００３７】
ステップＳ１００では、燃料電池１への負荷要求を検知する。例えば、車両のアクセル開度センサ等により、アクセル開度[ｄｅｇ]を負荷要求[ｋＷ]として検知する。具体的には、図３に示すような、アクセル開度[ｄｅｇ]が大きくなるほど負荷要求が大きくなるようなアクセル開度−負荷要求テーブルを、実験等により予め作成してコントロールユニット３０内に格納しておき、これをアクセル開度センサの検出値で検索する。アクセル開度[ｄｅｇ]の変化に対する負荷要求の特性については、様々な走行パターンを実際に走行して、例えば乗り心地等の要求性能を満たすパターンを選択すればよい。また、負荷要求は、燃料電池１が発電する電力[ｋＷ]とすればよい。
【００３８】
ステップＳ１０１では、燃料電池１が負荷要求に応じて発電するのに必要な空気流量の目標値である目標空気流量[ＮＬ／ｍｉｎ]、及び基準目標圧力[ｋＰａ−ｇ]（[ｋＰａ−ｇ]は、大気圧に対するゲージ圧）を決定する。
【００３９】
ここでは、それぞれ図４、図５に示すように、負荷要求が大きくなるほど目標空気流量、基準目標圧力が大きくなるテーブルを用いて決定する。負荷要求に対する目標空気流量の特性については、実験等に基づいて、実際に燃料電池１が十分な発電を行うことができるような値を設定すればよい。
【００４０】
負荷要求に対する基準目標圧力の特性の設定方法としては、まず所定の負荷要求に対して相対的に大きな圧力を設定し、そこから徐々に圧力を低下させていき、燃料電池１の発電電圧が振動的にならない値を設定する。圧力が大きいほど、コンプレッサ１０ａや水素を多く使用することになり、燃料電池自動車の１回の充填あたりの航続距離が短くなってしまうため、圧力は低い方が望ましい。振動的になっているか否かについては、例えば、一定電流の運転状態で２０秒間程度運転したときの、電圧の時刻歴応答を所得し、その平均値と最大値及び最小値との差や、電圧の分散等に基づいて判断すればよい。最大値と最小値の差が１０Ｖ程度であれば、適切な設定であるといえる。
【００４１】
また、目標空気流量[ＮＬ／ｍｉｎ]及び基準目標圧力[ｋＰａ−ｇ]の設定方法として、式（１）に示すように動特性を持たせた信号を設定してもよい。なお、動特性の表現方法としては、式（１）に限られず、他の公知の動特性表現を利用してもよい。
【００４２】
ｙ（ｔ）＝（１−ｅｘｐ（−ａｔ））ｕ（ｔ）      ・・・（１）
ただし、ｕ（ｔ）は図４、図５のテーブルにより算出された値、ａは所定値、ｙ（ｔ）は基準目標圧力[ｋＰａ−ｇ]または目標空気流量[ＮＬ／ｍｉｎ]である。
【００４３】
また、時間的変化を制約してもよい。具体的には、ｕ（ｔ）−ｕ（ｔ−Δｔ）とΔｓの大きさを比較し、Δｓの方が小さい場合は式（２）、大きい場合は式（３）により設定する。
【００４４】
ｙ（ｔ）＝ｕ（ｔ−Δｔ）＋Δｓ      ・・・（２）
ｙ（ｔ）＝ｕ（ｔ）                  ・・・（３）
ここで、Δｔは本制御の演算周期、Δｓはパラメータ（単位は、圧力の場合には[ｋＰａ]、流量の場合には[ＮＬ／ｍｉｎ]とする）、ｔは演算が行われている時刻又はそのステップ数である。
【００４５】
Δｓ、ａをゼロに近い正の値とすると、ｕ（ｔ）の変化に対してｙ（ｔ）は緩慢な変化となり、正方向に大きくするほどｕ（ｔ）に対して応答性が高いｙ（ｔ）を計算できる。実際には、後述するコンプレッサ１０ａのモータやインバータ１０ｂへ印加するトルクや電流の飽和が生じても、安定した発電を行うことができる値が望ましい。安定して発電が行えるか否かは、例えば、負荷要求を１[ｋＷ]から１０[ｋＷ]（１０[ｋＷ]が実現不可能ならば、燃料電池１が発電可能な最大電力）まで変動させる実験を行い、定常状態（例えば負荷変動を開始してから１０秒後）の発電電圧と、本実験中の最低電圧との差が１０[Ｖ]程度であれば、安定した発電が行われていると判断する。
【００４６】
ところで、ａ又はΔｓの値を、大気圧や外気温度に応じて変化させることもできる。例えば、図６に示すように、大気圧、外気温度が低くなるほどａ、Δｓが小さくなるようなテーブルを予め作成しておく。なお、Δｓをボイル・シャルルの法則に基づいて式（４）により補正してもよい。
【００４７】
Δｓ＝ｋ×（Ｐ／Ｐ0）×（Ｔ0／Ｔ）      ・・・（４）
ただし、ｋはΔｓと同様に実験により求められる値、Ｐ0、Ｔ0はゼロ℃、１[ａｔｍ]等の標準状態の値を用いる。
【００４８】
このように、大気圧が低くなるのに応じて、また外気温度が高くなるのに応じて、つまり外気の空気密度が低下するのに応じて、目標空気流量の時間変化が小さくなる。この作用により、インバータ１０ｂの操作量が飽和する時期を予想することができる。すなわち、インバータ１０ｂが飽和するときのａやΔｓの値を、予め実験等によって求め、これに基づいて上述した方法により目標空気流量を求めることで、後述する予想空気圧力の時間的変化も、外気の空気密度の低下に応じて小さくすることができる。
【００４９】
これにより、密度の低い空気を取り込むコンプレッサ１０ａを駆動するモータへ印加するトルクや電流が飽和しても、この飽和の影響を低減することができるので、インバータ１０ｂの操作量が飽和した場合に、コンプレッサ１０ａから供給される空気の質量流量も飽和の影響を受けて、飽和がない場合より流量が小さくなることを予防することができる。
【００５０】
ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で作成された基準目標圧力、目標空気流量に基づいて、後述する方法により目標空気圧力及び目標水素圧力を生成する。目標空気圧力、目標水素圧力とは、それぞれ圧力センサ６ａ、６ｂで検出する圧力の目標値である。
【００５１】
ステップＳ１０３では、圧力センサ６ａ、６ｂで実際に検出した圧力、流量センサ６ｃで検出した空気流量、ステップＳ１０２で生成した目標空気圧力及び目標水素圧力を用いて、コンプレッサ１０ａの指令回転数[ｒｐｍ]、空気調圧弁１２の操作量、及び水素供給弁５の操作量を生成する。
【００５２】
例えば、空気調圧弁１２の操作量は、空気調圧弁１２を駆動するモータ及びマイコンに伝達する目標開度[ｄｅｇ]とする。このマイコンは、空気調圧弁１２の開度を測定する開度センサ（例えばポテンショメータ）とコントロールユニット３０から伝達された目標値とに基づいて、ＰＩＤ制御理論のような公知の制御手法を用いて、目標開度を実現する。
【００５３】
コンプレッサ１０ａの指令回転数は、コンプレッサ１０ａの回転数を制御しているインバータ１０ｂへと伝達される。インバータ１０ｂでは、伝達された指令回転数を目標値として、コンプレッサ１０ａの回転数が指令回転数となるように、コンプレッサ１０ａを駆動するモータへトルクを印加する。このトルクの演算は、例えばＰＩＤ制御理論やベクトル制御のような公知の制御手法を用いて容易に実現可能である。もちろん、指令回転数のかわりにコンプレッサ１０ａを駆動するモータに印加するトルク[Ｎｍ]を演算してもよい。この場合も公知の制御手法を用いればよい。
【００５４】
水素供給弁５の操作量は、例えば、水素供給弁５を駆動するモータ及びマイコンに伝達する目標値とすればよい。このマイコンは、水素供給弁５の開度を測定する開度センサ（例えばポテンショメータ）とコントロールユニット３０から伝達された目標値とに基づいて、ＰＩＤ理論等の公知の制御手法により水素供給弁５の操作量の目標値を実現することができる。
【００５５】
なお、空気調圧弁１２及び水素供給弁５は、コントロールユニット３０からＰＷＭ信号によって直接駆動される形態であってもよい。
【００５６】
また、圧力センサ６ａ、６ｂ、及び流量センサ６ｃの信号をフィードバックする必要がなければ、公知の手法であるフィードフォワード制御も使うことができる。
【００５７】
ここで、ステップＳ１０２における、目標空気圧力及び目標水素圧力の生成について説明する。
【００５８】
図７は、目標空気圧力及び目標水素圧力を生成するための制御のフローチャートである。
【００５９】
ステップＳ２００では、目標空気圧力が基準目標圧力である場合の、圧力センサ６ｂの応答（以下、予想空気圧力と称する）を予想する。そして、この予想空気圧力を目標水素圧力として設定する。
【００６０】
図８は、目標空気圧力（＝基準目標圧力）ｒから予想空気圧力ｙまでの制御ブロックを示す図である。図中のｅは目標空気圧力ｒと予想空気圧力ｙとの差である。Ｋはカソードの圧力を制御するための制御手段の伝達関数であり、空気圧力を制御するための制御器と同じ伝達関数、又は空気圧力を制御するための制御器を低次元化した伝達関数である。Ｐは、空気調圧弁１２の開度が変化することによって圧力センサ６ｂの検出値が変化するまでの、カソード系内の特性を表わす伝達関数である。
【００６１】
図８より、次の式が導かれる。
【００６２】
ｙ＝Ｐｕ      ・・・（５）
ｕ＝Ｋｅ      ・・・（６）
ｅ＝ｒ−ｙ    ・・・（７）
ここで、式（６）に式（７）を代入したものを、式（５）に代入して、変形することにより、目標空気圧力ｒから予想空気圧力ｙまでの伝達式として、式（８）が得られる。
【００６３】
ｙ＝（１＋ＰＫ）-1ＰＫｒ      ・・・（８）
この式（８）に、図２のステップＳ１０１で生成した目標空気圧力（基準目標圧力）ｒを代入することにより、予想空気圧力ｙを生成することができる。
【００６４】
式（８）において、Ｋは、例えばＰＩ制御を用いる場合は、式（９）に示すような値になる。
【００６５】
Ｋ＝Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ      ・・・（９）
ただし、Ｋｐはゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、ｓはラプラス演算子である。
【００６６】
上記Ｋｐ、Ｋｉは、実験により目標空気圧力への圧力センサ６ｂの追従機能を見ながら、燃料電池１が安定して発電できるような値を求めればよい。
【００６７】
式（８）における伝達関数Ｐは、式（１０）に示すような、目標圧力から圧力センサ６ｂまでの挙動を近似した伝達関数である。
【００６８】
Ｐ＝ω2／（ｓ2＋２ζωｓ＋ω2）      ・・・（１０）
【００６９】
また、伝達関数Ｐは、公知のシステム同定理論等を用いることにより、操作量ｕが印加されたときの特性を近似したモデルが得られる。あるいは、式（１０）のように伝達関数を仮定して、実験結果と整合するようにζやωの値をチューニングしてもよい。
【００７０】
なお、伝達関数Ｐの表現は、式（１０）の形式に限られず、式（８）の計算結果と実験結果との整合性が高いものを選ぶことができる。
【００７１】
この実験結果との整合性については、式（８）により得られた結果と実験結果の相互相関係数が、１に近い値であるかどうかで判断することができる。例えば、相互相関係数が０．５〜０．８、又はそれ以上の値であれば、整合性が高いと判断してよい。
【００７２】
ところで、式（８）で得られた伝達関数に対して、式（８）の分母をゼロにする根と、分子をゼロにする根が等しい場合は、それらを取り除き、伝達関数の低次元化を行ってもよい。また、分母がゼロあるいは分子がゼロとなる根の中で原点ゼロとの距離が、他の根と比べて大きい根を省略することにより低次元化を行ってもよい。
【００７３】
例えば、原点との距離が最も小さい根の３〜５倍以上大きな距離を持っている信号は省略するようにしても構わない。伝達関数の低次元化は、モード打ち切り法等といった他の公知の手法を用いて行ってもよい。
【００７４】
上記のようにして目標水素圧力を生成したら、ステップＳ２０１に進み、水素圧力を検知する。これは、例えば圧力センサ６ａの信号を用いれば容易に検知できる。
【００７５】
ステップＳ２０２では、基準目標圧力と水素圧力の大きさを比較し、水素圧力の方が大きければステップＳ２０３に進んで、基準目標圧力を目標空気圧力とし、小さければステップＳ２０４に進んで、水素圧力を目標空気圧力とする。
【００７６】
上述したような構成にすることで、水素圧力の方が早く変化する場合には水素圧力が予想空気圧力に追従する構成となり、空気圧力の方が早く変化する場合には空気圧力が水素圧力に追従する構成となるので、水素圧力と空気圧力の差圧を小さくすることができる。
【００７７】
なお、低次元化をするほどマイコンでの演算量が低減でき、計算が容易になる反面、予想精度が低下してしまう（相互相関係数が小さくなる）。そのため、低次元化は、相互相関係数を指標として用いながら、予想精度の低下とマイコンの演算負荷の低減を比較考量しながら行う。
【００７８】
ところで、上記説明では、目標空気流量及びコンプレッサ１０ａの変動による空気圧力への影響を考慮していないが、これらを考慮する場合、以下に説明するように同様に考えることができる。
【００７９】
図９は、目標空気流量及びコンプレッサ１０ａの変動による空気圧力への影響を考慮する場合の制御ブロック図である。図中のｒｆは目標空気流量、ｅｆは目標空気流量ｒｆと流量センサ６ｃで検知されると予想される予想空気流量ｙｆとの差、ｒｐは基準目標圧力、ｅｐは基準目標圧力と圧力センサ６ｂで検知されると予想される予想空気圧力ｙｐとの差、ｕｆはインバータ１０ｂへの仮想的な指令値、ｕｐは空気調圧弁１２への仮想的な指令値である。
【００８０】
ここで、Ｋは２行２列の伝達関数行列となり、Ｐも２行２列の伝達関数行列となる。このときの計算は、式（８）の１を単位行列Ｉとし、ｒを[ｒｆ  ｒｐ]T、ｙを[ｙｆ  ｙｐ]T（Ｔは転置行列を表わす）とすることで、同様に計算することができる。制御器Ｋ及び伝達関数Ｐ、並びに低次元化については、図８についての説明と同様である。
【００８１】
実験によれば、目標空気流量が大きくなるほど、コンプレッサ１０ａにより供給される空気流量も大きくなり、コンプレッサ１０ａへの指令値が大きくなると空気圧力も大きくなり易い。そこで、このような物理現象と式（８）で得られる結果の相互相関係数が大きくなるように、式（８）をチューニングすることにより、目標空気流量が大きくなるのに応じて予想空気圧力が大きくなる、という特性が式（８）に盛り込まれる。
【００８２】
図１０は、この場合の制御システムの構成図である。すなわち、目標空気流量と基準目標圧力から式（８）により予想空気圧力を生成し、これを目標水素圧力として水素系に入力する。なお、図１０中のＫ１は水素系の制御器である。
【００８３】
そして、水素系の出力と基準目標圧力のうち大きい方を選択して目標空気圧力とし、これと目標空気流量とを用いて、図９に示した制御ブロックを実行する。
【００８４】
なお、上述した図８、図９はフィードバック制御系を前提としたものであるが、これらに替えてフィードフォワード制御系であってもよい。図１１は、図８に対応するフィードフォワード制御系を表わす制御ブロック図である。この場合、下式（６）の計算により基準目標圧力から予想空気圧力を生成する伝達関数が得られる。
【００８５】
ｙ＝ＰＫｒ      ・・・（１１）
図１２は、図９に対応するフィードフォワード制御系の制御ブロック図である。この場合も同様に、式（１１）により予想空気圧力を生成する伝達関数行列が得られる。
【００８６】
この他にも、空気流量のみをフィードバック制御とし、空気圧力をフィードフォワード制御とすることもできる。この場合、制御ブロック図は図１３のようになり、図９と同様に、Ｋ、Ｐはいずれも２行２列の伝達関数行列となり、式（８）の１を単位行列Ｉとし、ｒを[ｅｆ  ｒｐ]T、ｙを[ｙｆ  ｙｐ]T（Ｔは転置行列を表わす）とすることで計算することができる。
【００８７】
このように、制御系の構成がフィードバック制御系であってもフィードフォワード制御系であっても、予想空気圧力を生成する伝達関数を生成することができる。また、実際に空気圧力を制御する制御系と予想空気圧力を生成するための制御系は、同じ構成とした方が予想空気圧力と実際の空気圧力との相互相関係数が１に近づきやすく精度の高い計算を行うことができる。ここでいう「同じ構成」とは、実際に制御する制御系がフィードバック制御の場合は、予想空気圧力を生成する演算も予想空気圧力をフィードバックする構成とし、実際に制御する制御系がフィードフォワード制御のときは、予想空気圧力を生成する演算もフィードフォワード制御とすることをいう。
【００８８】
また、テーブル、マップ等を使用しているため、各動作点での伝達関数が異なる場合、あるいは運転温度等によってその伝達関数が変化する場合は、各動作点で得られた伝達関数を用いて予想空気圧力を計算し、最も精度が高い伝達関数を用いればよい。精度が高いか否かは、前述の相互相関係数により判断することができ、例えば０．８以上であれば十分に精度が高いといえる。
【００８９】
得られた伝達関数は、公知の状態空間実現により連続時間状態方程式へと変換される。例えば、出力をＹ、入力をＵとするとき、伝達関数は式（１２）のように表わされる。
【００９０】
【数１】
2010103075.tif 000003
ただし、Ｔは係数、ｓはラプラス演算子である。
【００９１】
これにＹ＝Ｘを導入することにより、式（１３）のように状態空間実現される。
【００９２】
【数２】
2010103075.tif 000004
さらに、演算周期をΔｔ、現在のステップをｋとして、式（１３）を公知の離散化手法を用いて離散化することにより、式（１４）の離散時間状態方程式が得られ、マイコンで計算可能な式になる。
【００９３】
【数３】
2010103075.tif 000005
以上により本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
【００９４】
（１）燃料電池１と、この燃料電池１に供給される第1物質としての空気及び第２物質としての水素ガスと、空気が供給されることにより圧力が変化するカソード系と、水素ガスが供給されることにより圧力が変化するアノード系と、カソード系内の圧力を変化させる空気調圧弁１２と、アノード系内の圧力を変化させる水素供給弁５と、空気調圧弁１２及び水素供給弁５を制御するコントロールユニット３０と、を備える。また、カソード系内の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第１の時間より、アノード系内の圧力が所定の第１の圧力から所定の第２の圧力まで変化するのに要する第２の時間の方が短い燃料電池システムである。そして、コントロールユニット３０は、基準目標値生成手段、第１物質予想圧力生成手段、第２物質制御手段、第２物質圧力挙動生成手段及び第１物質制御手段を有する。基準目標値生成手段は、燃料電池１への負荷要求に基づいて圧力の目標値の基準となる基準目標圧力を生成する。また、第１物質予想圧力生成手段は、第１物質制御手段によりカソード系の圧力が基準目標圧力に漸次近づくように制御される場合の、カソード空間の圧力の時間的変化の予想値である第１物質予想圧力としての予想空気圧力を生成する。また、第２物質制御手段は、予想空気圧力とアノード系の圧力との乖離が漸次小さくなるように、予想空気圧力に基づいて水素供給弁５への指令値である第２物質制御指令としての水素供給弁５の操作量を生成する。また、第２物質圧力挙動生成手段は、圧力センサ６ｂの検知結果、又は、アノード系の圧力の目標値としての予想空気圧力に基づいてアノード系の圧力の挙動を近似ないしは一致させるよう行った演算の結果を第２物質圧力挙動値としての水素圧力として生成する。また、第１物質制御手段は、水素圧力または基準目標圧力のいずれか一方に基づいて第１物質制御指令としての空気調圧弁１２の指令開度[ｄｅｇ]、コンプレッサ１０ａの指令回転数［ｄｅｇ］を生成する。このため、基準目標圧力を目標空気圧力とした場合のカソード系の圧力の予想値が予想空気圧力として生成される。また、予想空気圧力に基づいてアノード系の圧力が制御される。この場合、アノード系の圧力はカソード系の圧力より時間的変化が大きくできるため、アノード系の圧力は予想空気圧力に精度よく追従することができる。一方で、カソード系内の圧力は基準目標圧力に基づいて制御される。この結果、アノード系内の圧力と予想空気圧力との圧力差は小さくなる。また、予想空気圧力とアノード系内の圧力との差圧は上述したように小さくなっているので、結果としてアノード系の圧力とカソード系の圧力との差は小さくなる。
【００９５】
（２）コントロールユニット３０は、基準目標圧力と水素圧力のうちカソード系の圧力とアノード系の圧力の乖離が小さくなる方を、カソード系の目標圧力である目標空気圧力として選択する。この目標空気圧力を第１物質制御手段へ印加する目標値とする第１物質目標圧力選択手段をさらに備える。このため、予想空気圧力はカソード系の圧力が基準目標値を目標値として制御された場合の予想値となるので、実際にカソード系の目標値を基準目標圧力とすることで、予想空気圧力と実際のカソード系の圧力との差は小さくなる。このとき、アノード系の圧力は、予想空気圧力を目標値として制御するため、アノード系の圧力の方がカソード系の圧力より変化し易い場合は予想空気圧力に精度よく追従することができる。一方、カソード系の圧力の方がアノード系の圧力よりも変化しやすい場合は、アノード系の圧力をカソード系の目標値としてカソード系の圧力を制御すれば、カソード系の圧力はアノード系の圧力より変化しやすいため、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差が小さくなる。
【００９６】
（３）所定の第１の圧力より所定の第２の圧力の方が大きく、第１物質目標圧力選択手段は基準目標圧力と水素圧力のうち大きい方を目標空気圧力として選択する、すなわち、昇圧する場合にはアノード系の方がカソード系より圧力変化が早く、第１物質目標圧力選択手段は基準目標圧力と水素圧力のうち大きい方を目標空気圧力として選択する。このため、昇圧時にはカソード系の圧力の目標値は基準目標圧力となり、カソード系の圧力と予想空気圧力との差は小さくなり、アノード系の圧力はカソード系の圧力よりも変化しやすいため予想空気圧力とアノード系の圧力との差も小さくなる。また、減圧時には昇圧時とは逆にカソード系の方が早く変化する場合でも、減圧時のカソード系の目標値（目標空気圧力）は水素圧力となるので、同様にカソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。
【００９７】
一方、減圧時にも昇圧時と同様にアノード系の方が早く変化する場合には、アノード系の圧力は、アノード系の圧力が十分に追従可能な予想空気圧力に追従する制御が行われるので、カソード系の圧力は基準目標圧力に向かって短時間で制御され、予想空気圧力を目標値としてアノード系の圧力が制御される。このとき、アノード系の方がカソード系よりも圧力の変化が早いので、アノード系の圧力は予想空気圧力に十分に追従可能であり、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。また、減圧する場合もこれと同様に考えることができるので、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。
【００９８】
上記のように、昇圧する場合、減圧する場合のいずれの場合であっても、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。
【００９９】
（４）カソード系に空気を供給するコンプレッサ１０ａを備える。また、カソード系は少なくとも空気の流量の増減により圧力が変化する空間である。そして、第１物質制御手段は、空気調圧弁１２及びコンプレッサ１０ａを動作させることによりカソード系の圧力を変化させる。また、第１物質予想圧力生成手段は、コンプレッサ１０ａにより供給される空気の質量流量、この質量流量の時間的変化、又は空気の質量流量の予想値である第１物質予想質量流量の少なくとも一つが大きくなるにつれて、予想空気圧力の時間的変化を大きくする。従って、空気の質量流量が変化し、その変化によりカソード系の圧力が変化する場合であっても、予想空気圧力がカソード系の圧力を精度よく予想したものとなる。これにより、アノード系の圧力は予想空気圧力となるよう正確に制御されるので、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。
【０１００】
（５）第１物質予想圧力生成手段は、燃料電池１が発電する電流値に基づいて予想空気圧力を生成するものであって、電流値が大きいほど小さな予想空気圧力を生成する。従って、酸素及び空気の消費量が発電量に応じて異なるにもかかわらず、予想空気圧力と実際のカソード系の圧力との差を小さくすることができる。
【０１０１】
[第２実施形態]
本実施形態は、まず、図７のステップＳ２００における予想空気圧力の生成方法が異なる。第１実施形態では、制御器Ｋ及びカソードの圧力の挙動を近似した数学モデルを伝達関数で表現して、予想空気圧力を生成したが、本実施形態は、伝達関数での近似では十分な精度が出ない場合の、予想空気圧力の生成方法である。
【０１０２】
なお、十分な精度が出ているか否かは、空気圧力が予想空気圧力と基準目標圧力に漸次近づくように、実際に制御させたときの応答を比べることで判断できる。例えば、２つの時刻歴応答信号の相互相関係数がゼロに近い場合は精度が不十分と判断できる。また、相互相関係数が０．５以下の場合は不十分であるとみなしてもよい。このような場合に、相互相関係数の値を大きく、すなわち実際に圧力センサ６ｂで検出される空気圧力の挙動を、精度良く予想した予想空気圧力とするため、以下の制御を行う。
【０１０３】
図１４は、図８、図９、図１１、図１２、図１３に対応する、本実施形態の制御系の構成図である。
【０１０４】
空気圧力の挙動を表現する数式モデルであるｆ（ｕ、ｔ）は、カソード系内の圧力変化を示す非線形モデルであって、線形時不変の伝達関数では表現できないモデルである。例えば、温度Ｔをパラメータとして、温度Ｔが高いほど空気圧力が上がり易いというモデルを設けることができる。具体的なｆ（ｕ、ｔ）は、例えば式（１５）である。
【０１０５】
ｆ（ｕ、ｔ）＝Ｔ（ｔ）Ｇ      ・・・（１５）
ここで、Ｔは温度センサ６ｆで検出される空気の温度である。空気の温度が高いほど空気圧力は上がり易く、Ｔは時間によって変化するパラメータである。Ｇは、式（１０）と同様に、実験結果と予想空気圧力の相互相関係数が１に近づくようにチューニングすることによって求まる。
【０１０６】
仮想空気調圧弁目標開度は、基準目標圧力及び目標空気流量でテーブル検索をすることにより生成する。このテーブルは、図１４中に示したように、縦軸に仮想空気調圧弁目標開度、横軸に目標圧力をとり、低圧・低開度ほど目標空気流量が大きくなるよう領域を分けたものである。なお、このテーブルは実際の圧力を制御する制御系で使用するテーブルと同じものである。ただし、実際の制御系では、予想空気圧力は空気圧力、予想空気量は空気流量、仮想空気調圧弁目標開度は空気調圧弁指令開度、仮想目標コンプレッサ回転数は目標コンプレッサ回転数、基準目標圧力は目標空気圧力、ｆ（ｕ、ｔ）は図１に示す燃料電池システムとなる。
【０１０７】
また、図２のステップＳ１０３でインバータ１０ｂ及び空気調圧弁１２への操作量をそれぞれ計算するが、例えば空気調圧弁１２は、開度に物理的な制限がある。これは、空気調圧弁１２のハードウェア上の制約によるものである。また、空気調圧弁１２を駆動するモータに印加できる電流にも制限がある場合がある。このような制約を超えた指令値を入力することは制御上好ましくない。そのため、空気調圧弁１２への指令値に制約を設けることとする。インバータ１０ｂについても同様のことがいえ、アクチュエータへ指令する操作量には制限がある。
【０１０８】
このような場合、図１５に示すように、空気調圧弁１２の操作量を制約するブロックを挿入する構成にする。
【０１０９】
図１６（ａ）は、図１５に示したブロックの具体例であり、図１６（ｂ）はこのブロックが行う制御のフローチャートである。
【０１１０】
図１６（ｂ）のステップＳ３０１では、入力値ｕが下限値ｕｍｉｎより大きいか否かを判定し、大きければステップＳ３０２に進み、小さければステップＳ３０５に進む。
【０１１１】
ステップＳ３０２では、入力値ｕが上限値ｕｍａｘより小さいか否かを判定し、大きければステップＳ３０３に進み、小さければステップＳ３０４に進む。
【０１１２】
ステップＳ３０３ではｕｍａｘを出力値ｙとし、ステップＳ３０４ではｕを出力値ｙとし、ステップＳ３０５ではｕｍｉｎを出力値ｙとする。
【０１１３】
すなわち、入力値ｕが上限値ｕｍａｘから下限値ｕｍｉｎの範囲を超えていたら、出力値ｙを上限値ｕｍａｘ、下限値ｕｍｉｎに制限する。
【０１１４】
これにより、空気調圧弁１２への指令値が制約により制限されたとき、あるいは制限されそうなときにも、予想空気圧力の精度を高めることができる。
【０１１５】
なお、予想空気圧力を生成するフィードバック系にも同じブロックを挿入する。また、インバータ１０ｂへの指令信号に対しても、同様に適用する。
【０１１６】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに次のような効果を得ることができる。
【０１１７】
（１）第１物質制御手段は、空気調圧弁１２の操作量を制限する機能を有する。そして、操作量が制限された場合又は制限されると予想した場合には、操作量を制限範囲内の上限値または下限値とし、第１物質予想圧力生成手段は予想空気圧力の時間的変化を小さくする。従って、操作量が制限されたためにカソード系内の圧力の時間的変化が小さくなることを正確に予想できる。また、第２物質制御手段によってアノード系内の圧力が予想空気圧力に漸次近づくように制御される。これにより、カソード系の圧力とアノード系の圧力との差を小さくすることができる。
[第３実施形態]
図１７は、本実施形態の制御システムの構成図である。
【０１１８】
本実施形態では、第２実施形態の構成に、水素供給弁５への指令値を制約するブロックを挿入する。これは、水素供給弁５への操作量についても、第２実施形態で説明した空気調圧弁１２への指令値と同様に、ハードウェア上の制約があるためである。
【０１１９】
挿入するブロックは、第２実施形態で挿入したものと同様のものである。このように水素供給弁５への指令値に制約を設けることにより、水素供給弁５への指令値が制限された場合、あるいは制限されそうな場合に予想空気圧力を生成する際にも、水素圧力の予想空気圧力への追従精度を高めることができ、制約を考慮しない場合と比べて、圧力センサ６ａ、６ｂで検知される水素圧力と空気圧力との差圧を小さくすることができる。
【０１２０】
なお、制約の値（図１６における上限値及び下限値）は、水素供給弁５の物理的な制約（例えば開度、駆動モータに印加できる最大電流）とすればよい。
【０１２１】
また、図２３に示すように、インバータ１０ｂへの仮想的な指令値ｕｆについても、指令値を制約するブロックを挿入してもよい。この場合には、目標空気流量の変化率を大気圧及び外気温に基づいて制限する変化率リミッタを設ける。変化率リミッタとしては、例えば式（４）を用いることができる。これにより、インバータ１０ｂへの仮想的な指令値ｕｆの飽和要素による影響を予防するためである。
【０１２２】
以上により本実施形態では、第１、第２実施形態の効果に加え、さらに次の効果を得ることができる。
【０１２３】
（１）第２物質制御手段は、水素供給弁５への指令値に制約を設ける。そして、水素供給弁５への指令値が制限された場合、あるいは制限されそうな場合には、水素供給弁５への指令値を制限範囲内の上限値又は下限値とする。また、第１物質予想圧力生成手段は、予想空気圧力の時間的変化を小さくする。従って、アノード系内の圧力が予想空気圧力に精度よく制御される。
[第４実施形態]
本実施形態では、図７のステップＳ２００において生成する予想空気圧力として、空気圧力の未来値を生成する。
【０１２４】
具体的には、式（８）を式（１６）のようにする。なお、ｓはラプラス演算子である。
【０１２５】
ｙ＝ｓ（１＋ＰＫ）-1ＰＫｒ      ・・・（１６）
あるいは、式（８）の分母と分子をそれぞれ因数分解して式（１７）のようにし、絶対値が最も小さいｂ（ここではｂ１）に所定値αを掛けて式（１８）のようにしてもよい。なお、αは１より大きい値とする。
【０１２６】
【数４】
2010103075.tif 000006
【０１２７】
【数５】
2010103075.tif 000007
式（１８）において、αが大きくなるほど位相の進んだ信号が生成されることとなる。
【０１２８】
なお、αは、式（１８）で予想空気圧力を生成し、この予想空気圧力を目標値として水素圧力を制御した結果、圧力センサ６ａで検知される水素圧力と圧力センサ６ｂで検知される空気圧力の差が小さくなるように実験等により決めればよい。ここで、空気圧力と水素圧力との差は、燃料電池１が安定した発電を行える範囲内の値とすることが望ましい。
【０１２９】
図１８は、本制御を実行した場合の、アクセル開度、水素圧力及び空気圧力、並びに水素圧力と空気圧力の差圧についてのタイムチャートである。なお、上部の圧力チャートは基準目標圧力（実線）及び目標空気圧力（破線）について表し、下部の圧力チャートは予想空気圧力（実線）と、実際の水素圧力（一点鎖線）及び空気圧力（破線）について表している。目標空気圧力は、基準目標圧力と水素圧力の大きい方を選択したものなので、時刻ｔ４までは基準目標圧力と同一で、時刻ｔ４以降は水素圧力と同一になっている。
【０１３０】
ここでは、アクセル開度の変化が、時刻ｔ１から増大して、その後の所定期間は一定開度となり、時刻ｔ４から減少して再び初期の開度に戻る、というパターンについて表している。
【０１３１】
時刻ｔ１からアクセル開度が増大すると、これに応じて基準目標圧力及び目標空気圧力も増大する。水素圧力及び空気圧力は、これら目標値に基づいて制御されるため、目標値の変化に対して位相が遅れて変化する。本実施形態では、予想空気圧力として未来値を生成しているので、図１８中に示すように水素圧力及び空気圧力に対して予想空気圧力の方が、位相が早い。そして、この予想空気圧力を目標値として水素圧力を制御するので、水素圧力と空気圧力との差圧は小さくなっている。
【０１３２】
以上により本実施形態では、前述した各実施形態による効果に加えて、さらに、次のような効果を得ることができる。
【０１３３】
（１）第１物質予想圧力生成手段は、目標空気圧力が基準目標圧力である場合のカソード系内の圧力の未来値としての予想空気圧力を生成する。この予想空気圧力は、アノード系内の圧力の目標値から第２物質圧力挙動値としての水素圧力までの遅れ度合いが大きくなるほど時間が進んだ未来値となるように生成する。従って、アノード系内の圧力の応答遅れが生じても、カソード系内の圧力とアノード系内の圧力の差を小さくすることができる。
[第５実施形態]
本実施形態では、図７のステップＳ２０１において、圧力センサ６ａの検出値を用いずに、水素圧力の予想値を生成する。
【０１３４】
まず、図７のステップＳ２００と同様の方法により、式（１９）のような目標水素圧力（つまり予想空気圧力）が変化した場合の水素圧力を予想するための伝達関数を求め、これにより予想水素圧力を生成する。
【０１３５】
ｙ1＝（１+Ｐ1Ｋ1）-1Ｐ1Ｋ1ｒ      ・・・（１９）
【０１３６】
ここで、ｒは目標水素圧力（＝予想空気圧力）、Ｐ1は図１の燃料電池１のアノードである。具体的には、水素供給弁５から燃料電池１のアノードを含む閉じた空間であり、水素供給弁５から水素が供給されることにより水素圧力が変化する空間である。Ｋ1は、水素圧力を目標水素圧力（＝予想空気圧力）に漸次近づくように制御する制御器で、ＰＩＤ制御等の公知の制御理論により構成される。また、式（１９）の他にも、予想水素圧力の生成方法として、上述した予想空気圧力の生成方法を適用することができる。
【０１３７】
ところで、予想空気圧力の生成にあたっては空気流量の変動を考慮していたが、予想水素圧力の生成においては、ＤＣＤＣコンバータ２０から取り出される電流が空気流量に相当する。
【０１３８】
このときに、式（１６）、式（１７）、式（１８）と同様の手続きを行うことで、水素圧力の未来値を予想することができる。この未来値が目標空気圧力となる場合（図７のステップＳ２０２からステップＳ２０４へ手続きを進める場合）、目標空気圧力に対して圧力センサ６ｂにて検出される空気圧力に遅れが生じるが、この遅れの分だけ位相の早い未来値を予想すればよい。この遅れについては、実験等により確認すればよい。
【０１３９】
このように、遅れが生じる分だけ未来値を予想することで、水素圧力の現在値を予想する場合に比べて、水素圧力と空気圧力との差圧を小さくすることができる。
【０１４０】
図１９は、本制御を実行した場合の、アクセル開度、水素圧力及び空気圧力、並びに水素圧力と空気圧力の差圧についてのタイムチャートである。
【０１４１】
なお、上部の圧力チャートは基準目標圧力（実線）及び目標空気圧力（破線）について表し、下部の圧力チャートは予想水素圧力（実線）と、実際の水素圧力（一点鎖線）及び空気圧力（破線）について表している。目標空気圧力は、基準目標圧力と予想水素圧力の大きい方を選択したものである。
【０１４２】
ここでは、アクセル開度が時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて減少し、それ以降は一定値となる場合について表している。
【０１４３】
予想水素圧力は未来値であるため、実際の水素圧力よりも位相が進んでいる。この予想水素圧力と同じ圧力になるように、目標空気圧を設定して空気圧力を制御すると、実際の空気圧力は図中の破線のようになる。このように、水素圧力と空気圧力との差圧を小さくすることができる。
【０１４４】
以上により本実施形態では、上述した各実施形態と同様の効果に加えて、さらに、次のような効果を得ることができる。
【０１４５】
（１）第２物質圧力挙動生成手段は、アノード系内の圧力の未来値であって目標空気圧力からカソード系内の圧力までの遅れ度合いが大きくなるほど時間が進んだ未来値となる水素圧力を、基準目標圧力に基づいて演算により生成する。従って、アノード系内の圧力の未来値を予想し、カソード系内の圧力がこの予想値に近づくように第１物質制御手段が操作量を演算する構成において、操作量の演算の際に、空気調圧弁１２への操作量印加からカソード系内の圧力が変化するまでの応答遅れが生じる結果、カソード系内の圧力の時間的変化とアノード系内の圧力の時間的変化の大きさが近くなる。その結果、カソード系内の圧力の応答遅れが生じても、カソード系内の圧力とアノード系内の圧力との差を小さくすることができる。
[第６実施形態]
図２０は本実施形態を適用する制御ブロック図であり、カソードの基準となる目標圧力（基準目標空気圧力）を用いて予想空気圧力を生成する場合について示した図である。
【０１４６】
本実施形態では、図７のステップＳ２００で基準目標空気圧力により空気圧力の変化を予想した後に、基準目標水素圧力と基準目標空気圧力の差を加算し、これを予想空気圧力とする。
【０１４７】
そして、ステップＳ２０１で水素圧力を検知した信号に、基準目標水素圧力と基準目標空気圧力との差（二物質間目標圧力差）を減算することによって、水素圧力の検知信号（予想水素圧力）を生成する。
【０１４８】
これにより、予想空気圧力は基準目標空気圧力に制御された場合の値となり、アノード空間の圧力は時間的変化の遅いカソード空間の圧力の挙動を予想した値に制御されることとなるので、基準目標空気圧力と基準目標水素圧力が異なる場合でも、空気圧力と水素圧力の差圧を小さくすることができる。
【０１４９】
なお、ここでは基準目標水素圧力から基準目標空気圧力を減じた値を、ステップＳ２００で生成した予想空気圧力に加算したが、基準目標空気圧力から基準目標水素圧力を減じた値を減算してもよい。つまり、基準目標水素圧力から基準目標空気圧力を減じる場合には、減じた値を予想空気圧力に加算し、逆に基準目標空気圧力から基準目標水素圧力を減じる場合は。減じた値を予想空気圧力から減算する。
【０１５０】
以上により本実施形態では、上述した各実施形態と同様の効果に加えて、さらに、次のような効果を得ることができる。
【０１５１】
（１）基準目標値生成手段は、燃料電池１への負荷要求に基づいて、カソード系とアノード系の基準目標圧力としてそれぞれ異なる信号を生成する。さらに、これらカソード系の基準目標圧力とアノード系の基準目標圧力との乖離度合いを二物質間目標圧力差として生成する。この二物質間目標圧力差を第１物質予想圧力生成手段及び第２物質予想圧力生成手段に印加する。そして、第１物質予想圧力生成手段は、アノード系の基準となる目標圧力又はカソード系の基準となる目標圧力のいずれか一方に基づいて、カソード系の圧力又はこの圧力に関連した値の挙動と一致又は近似するよう予想空気圧力を生成する。また、第２物質圧力挙動生成手段は、圧力センサ６ｂの検知結果、又は、予想空気圧力に基づいてアノード系の圧力の挙動を近似ないしは一致させるよう行った演算の結果に、二物質間目標圧力差を加算又は減算した信号を水素圧力として生成する。従って、予想空気圧力は基準となる目標圧力に制御された場合の値となり、カソード系内の圧力は短時間で変化する。一方、アノード系内の圧力は、時間的変化の遅いカソード系内の圧力の挙動を予想した値に制御されることとなる。この結果、カソード系内とアノード系内の圧力差を第１第２物質空間圧力差に近い大きさにすることができる。
[第７実施形態]
本実施形態は、第１物質を水素タンク２から供給される水素ガス、第２物質を外気よりコンプレッサ１０ａにより取り込まれる空気、第１物質空間を水素供給弁５からパージ弁８までの配管及び燃料電池１のアノード系、第２物質空間をコンプレッサ１０ａから空気調圧弁１２までの配管及び燃料電池１のカソード系、第１物質供給手段を水素供給弁５、第１物質圧力変化手段をＤＣＤＣコンバータ２０、第２物質圧力変化手段を空気調圧弁１２とする。
【０１５２】
この構成では、減圧時には空気圧力の方が水素圧力よりも低下しやすい。水素圧力は、前述したように発電電流の状態によって減圧の早さが変化するので、例えば減圧時に発電電流を瞬時にアイドル相当（例えば１[Ａ]）に変化させると、水素圧力は空気圧力よりも低下しにくくなる。
【０１５３】
一方、昇圧時は水素圧力と空気圧力のいずれが早く上昇するかは、運転状況によって、つまり空気流量によって異なる。空気流量が大きいほど空気圧力は上がり易く、逆に空気流量が少ないほど空気圧力は上がりにくくなる。また、水素は減圧弁４によって所定範囲内の圧力に減圧されているため、空気流量の増減により空気圧力の方が水素圧力よりも上がり易くなる場合もあるし、水素圧力の方が空気圧力よりも上がり易くなる場合もある。
【０１５４】
図２１に本実施形態の制御のフローチャート、図２２に制御の構成図を示す。
【０１５５】
ステップＳ４０１では予想水素圧力を生成する。具体的には、図７のステップＳ２００における予想空気圧力の生成方法と同様に、図８、図９、図１１〜図１３と同様の考え方を適用することにより生成することができる。
【０１５６】
ステップＳ４０２では、圧力センサ６ｂの検出値を読み込むこと等により、空気圧力を検知する。
【０１５７】
ステップＳ４０３では、基準目標圧力と空気圧力の大きさを比較する。空気圧力の方が小さい場合はステップＳ４０５へ進み、基準圧力の方が小さい場合はステップＳ４０４に進む。
【０１５８】
ステップＳ４０４では、基準目標圧力を目標水素圧力として設定し、ステップＳ４０５では、空気圧力を目標水素圧力として設定する。
【０１５９】
このような構成、制御によっても、第１〜第６の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１６０】
また、第１物質を冷却水、第２物質を空気や水素とした場合も、同様の考え方を適用することができる。例えば、第１物質を冷却水、第２物質を空気とし、第１物質圧力変化手段は三方弁１６の開度、第１物質供給手段は冷却水ポンプ１３、第２物質圧力変化手段は空気調圧弁１２とすれば、冷却水と空気との差圧を小さくすることができる。同様に、第１物質が冷却水、第２物質が水素とした場合は、冷却水と水素との差圧を小さくすることができる。
[第８実施形態]
図２４は本実施形態を適用する制御ブロック図であり、カソードの基準となる目標圧力（基準目標空気圧力）を用いて予想空気圧力を生成する場合について示した図である。図２５は、図２４の制御内容をフローチャートに示したものである。
【０１６１】
本実施形態は、水素圧力と空気圧力の差圧を所定範囲内に収めることを優先し、差圧を所定範囲内に収めつつ、負荷と時間に応じて水素圧力を変化させる。つまり、負荷が一定であっても水素圧力が時間に応じて変化する点が上述した他の実施形態とは異なる。以下、本実施形態の制御について、図２５のフローチャートを用いて説明する。なお、図２５の内容と図２４との対応については、後述する。
【０１６２】
ステップＡ００１では、基準目標水素圧力と基準目標空気圧力を生成する。基準目標空気圧力は、例えば、図２６に示すような目標電流に対するテーブルから求める。図２６のテーブルは、予め実験等を行って作成する。なお、図２６のテーブルの生成方法、及び基準目標水素圧力最大値及び基準目標水素圧力最小値については、後述する。
【０１６３】
基準目標水素圧力は、図２８に示す基準目標水素圧力生成用のフローチャートにしたがって求める。
【０１６４】
図２８のステップＢ００１では、基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値を求める。これらは、予め作成したおいた図２６に示すようなテーブルから求める。テーブルは、例えば最大値と最小値の間を脈動させたときに、燃料電池１が安定して発電を行える値となるように設定する。
【０１６５】
ステップＢ００２では、水素圧力センサ６ａの検出値に基づいて水素圧力を読み込む。
【０１６６】
ステップＢ００３では、システム起動してから初回の演算か否かを判断する。判断は、例えば初回演算のフラグが立っている（フラグが１の状態）か否かで判断する。初回の演算であればステップＢ００４へ移行し、基準目標水素圧力を基準目標水素圧力最大値に設定してステップＢ００５に進む。初回の演算でないと判断された場合（例えばフラグがゼロの状態）は、そのままステップＢ００５に進む。なお、このように初回演算か否かをフラグで判断する場合は、起動時にフラグを立てるようにしておく。
【０１６７】
ステップＢ００５では、ステップＢ００２で読み込んだ水素圧力の値と、ステップＢ００１で求めた基準目標水素圧力最大値とを比較する。水素圧力が基準目標水素圧力最大値より大きければ、ステップＢ００６に進んで基準目標水素圧力を基準目標水素圧力最小値に設定し、本フローチャートを終了する。一方、水素圧力が基準目標水素圧力最大値より小さければ、ステップＢ００７に進む。
【０１６８】
ステップＢ００７では、基準目標水素圧力最小値と水素圧力とを比較する。水素圧力が基準目標水素圧力よりも小さければ、ステップＢ００８に進み、基準目標水素圧力を基準目標水素圧力最大値に設定し、本フローチャートを終了する。一方、水素圧力が基準目標水素圧力よりも大きければ、基準目標水素圧力は変更せずに本フローチャートを終了する。
【０１６９】
ここで、水素圧力が脈動したときの基準目標水素圧力の変動を、図２７のタイムチャートを参照して説明する。図２７は、目標電流Ａ３で運転中の時刻ｔ１に、目標電流をＡ１に変化させた場合のタイムチャートである。そして、図２７中では、水素圧力が時間の経過に伴って鎖線Ｈのように変化している。
【０１７０】
時刻ｔ１までは目標電流Ａ３で発電を行うため、図２６より基準目標水素圧力最大値はＰ３、基準目標水素圧力最小値はＰ２となる。そして、図２８のステップＢ００４〜Ｂ００８の演算により、基準目標水素圧力は水素圧力の変化に伴って実線ｔＨのように切り換わる。
【０１７１】
時刻ｔ１において目標電流がＡ３からＡ１に変化すると、基準目標水素圧力最大値及び基準目標水素圧力最小値は、それぞれＰ２、Ｐ１に変化する。
【０１７２】
このように、上述した図２８の制御を実行することにより、目標水素圧力が基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値の間を時間とともに変化し、結果として水素圧力が上下することとなる。
【０１７３】
なお、ステップＢ００５、Ｂ００７で水素圧力と比較する対象を、それぞれ基準目標水素圧力最大値−所定値、基準目標水素圧力最小値＋所定値としてもよい。所定値を入れることにより、水素圧力を目標水素圧力に制御した場合にオーバーシュート等が生じなくても、適切な判断が可能となる。所定値は、例えば５［ｋＰａ］程度の値を設定すればよい。なお、基準目標水素圧力の生成において、時間的変化を制約することによって、オーバーシュートを抑制することもできる。
【０１７４】
上記のように図２８のフローチャートが終了したら、図２５のステップＡ００２に進む。
【０１７５】
ステップＡ００２では、予想空気圧力を生成する。本ステップは、図７のステップＳ２００と同様の処理を行えばよい。なお、本ステップは図２４の予想空気圧力生成器に該当する。
【０１７６】
ステップＡ００３では、基準目標水素圧力の制限値（基準目標水素圧力制限値）を求める。具体的には、水素圧力と空気圧力の差圧として許容できる値（差圧許容値）を予め求めておき、ステップＡ００２で求めた予想空気圧力に差圧許容値を加算した値を最大基準目標水素圧力制限値とする。また、予想空気圧力から差圧許容値を減算した値を最小基準目標水素圧力制限値とする。
【０１７７】
ここで用いる差圧許容値は、どの程度の差圧であれば燃料電池スタックの耐久性を損ねることがないかを実験等により求めて、その値を用いればよい。
【０１７８】
ステップＡ００４では、図３０に示すフローチャートを実行することで、基準目標水素圧力が最大基準目標水素圧力から最小基準目標水素圧力の範囲内にあるかを確認し、必要に応じて基準目標水素圧力を制限して、目標水素圧力を生成する。
【０１７９】
ここで、図３０のフローチャートについて説明する。
【０１８０】
ステップＡ００４１では、基準目標水素圧力と最大基準目標水素圧力制限値の大所関係を判断する。基準目標水素圧力の方が最大基準目標水素圧力制限値よりも大きい場合は、ステップＡ００４２に進み、目標水素圧力を基準目標水素圧力制限値とする。逆に基準目標水素圧力が最大基準目標水素圧力制限値よりも小さい場合は、ステップＡ００４３に進む。
【０１８１】
ステップＡ００４３では、基準目標水素圧力と最小基準目標水素圧力制限値の大所関係を判断する。基準目標水素圧力の方が最少基準目標水素圧力よりも小さい場合は、ステップＡ００４４に進み、最小基準目標水素圧力を目標水素圧力として設定する。逆に、基準目標水素圧力の方が最少基準目標水素圧力より大きい場合は、ステップＡ００４５に進み、基準目標水素圧力を目標水素圧力として設定する。
【０１８２】
このように、ステップＡ００１で求めた基準目標水素圧力が、最大基準目標水素圧力と最小基準目標水素圧力の範囲内にあるか否かを判断し、必要に応じて基準目標水素圧力を制限する。そして、水素圧力を目標水素圧力に追従するように制御すると、目標水素圧力と水素圧力がほぼ等しい状況では、水素圧力と予想空気圧力の差は差圧許容値内に収めることができる。また、差圧許容値の範囲内であれば、目標水素圧力を時間とともに脈動させることができる。
【０１８３】
図２５のフローチャートの説明に戻る。
【０１８４】
ステップＡ００５では、圧力センサ６ａにより水素圧力を求める。
【０１８５】
ステップＡ００６では、空気制御用圧力信号を生成する。具体的には、ステップＡ００５で求めた水素圧力から差圧許容値を減じることで生成する。
【０１８６】
ステップＡ００７では、ステップＡ００１で求めた基準目標空気圧力とステップＡ００６で求めた空気制御用圧力信号を比較する。空気制御用圧力信号の方が基準目標空気圧力よりも大きい場合にはステップＡ００８に進み、空気制御用圧力信号を目標空気圧力として設定する。空気制御用圧力信号の方が基準目標空気圧力よりも小さい場合、ステップＡ００９へ進み、基準目標空気圧力を目標空気圧力として設定する。
【０１８７】
上記の手順で目標空気圧力、目標水素圧力を設定したら、図２のステップＳ１０３と同様に操作量を生成して各アクチュエータを駆動する。
【０１８８】
次に、図２５のフローチャートの内容と図２４の制御ブロック図との対応について説明する。
【０１８９】
図２４の予想空気圧力生成器８０は、図２５のステップＡ００２に相当するブロックである。なお、予想空気圧力はゲージ圧（大気圧との相対圧力）で生成しているため、予想空気圧力生成器８０の後段で大気圧を加算している。したがって、目標水素圧力もゲージ圧で設定する場合には、この加算を省略することができる。
【０１９０】
図２４の演算部８１、８２、８３は、それぞれ図２５のステップＡ００３、Ａ００４、Ａ００６に相当するブロックであり、演算部８４はステップＡ００７〜Ａ００９に相当するブロックである。ここで、図２４中のIはステップＡ００３で求めた最小基準目標水素圧力制限値、IIは同じく最大基準目標水素圧力制限値、IIIはステップＡ００６で求めた空気制御用圧力信号である。
【０１９１】
また、図２４中の「ＭＡＸ」と記載されているブロックは、入力されている信号のうち最も大きい信号を選択するという意味のブロックであり、同様に「ＭＩＮ」は最も小さい信号を選択するという意味のブロックである。
【０１９２】
なお、図２４においては、水素圧力を検知するステップＡ００５に相当するブロックは省略している。
【０１９３】
次に、図２６のテーブルについて説明する。
【０１９４】
図２６は、上述したように、基準目標空気圧力、基準目標水素圧力の最大値及び最小値を求めるテーブルである。
【０１９５】
基準目標空気圧力と基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値が等しいときは、図４の基準目標圧力を求めるテーブルと同じである。ただし、図４は負荷要求から基準目標圧力を求めるテーブルであるのに対して、図２６では目標電流から基準目標空気圧力を求めるテーブルである。負荷要求から目標電流への変換は、図２９に示すテーブルを用いて行えばよい。なお、図２９のテーブルは、負荷要求（電力）を実現できる電流値を予め実験等によって求めて、その値に基づいて作成すればよい。
【０１９６】
また、基準目標水素圧力最大値及び基準目標水素圧力最小値は、以下のようなことを考慮して設定する。
【０１９７】
まず、図１のパージ弁８が開弁し、基準目標水素圧力最小値から基準目標水素圧力最大値に水素圧力が上昇したときに、窒素を含んだ水素ガスが効率的に排出されるように、基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値の差は大きくする。
【０１９８】
一方、基準目標空気圧力は、目標電流を安定して取り出せる圧力を実験等で求めて設定すればよい。
【０１９９】
このとき、空気圧力は高い方が安定して電流を取り出すことができるが、空気圧力を高く設定すると、図１のコンプレッサ１０ａでの消費電力が大きくなる。そこで、これらを鑑みて、安定して電流を取り出せる範囲内で空気圧力を低く設定すると、図２６の基準目標空気圧力を設定することができる。
【０２００】
また、水素圧力と空気圧力を差圧許容値内に収める必要があるため、基準目標空気圧力と基準目標水素圧力最大値の差圧、及び基準目標空気圧力と基準目標水素圧力最小値との差圧は、差圧許容値の範囲内に設定する。そして、基準目標水素圧力最小値は、安定して電流が取り出せる値の下限付近に設定すればよい。このようにして各値を設定することで、図２６のテーブルを作成することができる。
【０２０１】
上述したように、本実施形態では、水素圧力と空気圧力のうち応答性が高い方の目標値を、応答性が低い方の応答に追従するように設定することで、水素圧力と空気圧力の差圧を差圧許容値内に収めることができる構成となっている。
【０２０２】
このような構成の作用について、発電電力の変化に伴う水素及び酸素の圧力変化のパターン毎に説明する。
【０２０３】
第１のパターンとして、水素圧力及び空気圧力を昇圧する場合について説明する。このパターンでは、一般に水素圧力の応答性の方が空気圧力の応答性よりも高いことが想定される。
【０２０４】
図２８のステップＢ００１〜Ｂ００８で生成された基準目標水素圧力は、図２５のステップＡ００４において、必ず「予想空気圧力±差圧許容値」の範囲内に制約され、これが目標水素圧力となる。
【０２０５】
一方、空気制御用圧力信号は「水素圧力−差圧許容値」で生成されるため、目標空気圧力は必ず基準目標空気圧力が選択される。そして、水素圧力の方が空気圧力よりも応答性が高いため、水素圧力は「予想空気圧力の上昇速度＋差圧許容値」に制限された目標水素圧力に精度よく追従することができる。これにより、水素圧力も「予想空気圧力±差圧許容値」の範囲内に収まる。
【０２０６】
また、基準目標空気圧力が目標空気圧力として設定されていることを前提として予想空気圧力が生成されるため、予想空気圧力と空気圧力の挙動は精度よく一致する。そのため、予想空気圧力と空気圧力の差圧は小さくなり、かつ、予想空気圧力と水素圧力の差圧は差圧許容値範囲内に収まっているので、空気圧力と水素圧力の差圧も差圧許容値の範囲内に収めることができる。
【０２０７】
第２のパターンとして、水素圧力及び空気圧力を減圧する場合で、かつ水素圧力の方が空気圧力より応答性が高い場合について説明する。
【０２０８】
この場合も、第１のパターンと同様に目標水素圧力は「予想空気圧力±差圧許容値」の範囲内で生成されており、水素圧力の方が空気圧力よりも応答性が高いため、つまり予想空気圧力よりも水素圧力の方が応答性が高いため、水素圧力を「予想空気圧力±差圧許容値」の範囲内に収めることができる。このとき、例えば発電により急激に水素圧力を低下できる場合は、「予想空気圧力−差圧許容値」の範囲内に収めるために図１の水素調圧弁３を開き、減圧中であっても水素タンクから水素を供給することもあり得る。逆に水素を供給することで、「予想空気圧力−差圧許容値」に水素圧力を制御することができる。
【０２０９】
一方、目標空気圧力は、「水素圧力−差圧許容値」が選択される場合、つまり基準目標空気圧力が「水素圧力−差圧許容値」よりも小さい場合は、予想空気圧力より応答性が低くなるが、水素圧力が予想空気圧力の変化速度に合わせて減圧しているため、目標空気圧力が空気圧力に追従できないほど大きな変化をすることはなく、あくまでも空気圧力が追従可能な目標空気圧力となる。
【０２１０】
その結果、水素圧力は予想空気圧力の変化具合に応じた差圧許容値の範囲内で変動しつつも、空気圧力は水素圧力に追従する構成となる。すなわち、応答の速い水素圧力が応答の遅い予想空気圧力に応答を合わせることで、水素と空気の差圧を小さくすることができる。また、水素と空気の差圧が許容できる範囲内であれば水素圧力を脈動させることができる。
【０２１１】
第３のパターンとして、水素圧力及び空気圧力を減圧する場合で、かつ水素圧力の方が空気圧力より応答性が低い場合について説明する。
【０２１２】
この場合は、水素圧力は応答の速い「予想空気圧力±差圧許容値」を目指して制御される。一方、基準目標空気圧力が「水素圧力−差圧許容値」よりも小さいため、目標空気圧力は十分に追従可能な「水素圧力−差圧許容値」を目標空気圧力として選択する。このため、空気圧力が水素圧力の応答変化を示した「水素圧力−差圧許容値」、つまり空気制御用圧力信号、に追従することで、差圧を差圧許容値の範囲内に収めることができる。
【０２１３】
以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
【０２１４】
（１）基準目標値生成手段は、燃料電池１への負荷要求に基づいて、カソード系とアノード系の基準目標圧力としてそれぞれ異なる信号を生成する。また、カソード系とアノード系の差圧が燃料電池１の耐久性を確保できる程度となるように水素の基準目標圧力の上限および下限を制限する最大基準目標水素圧力制限値及び最小基準目標水素圧力制限値を生成する。そして、第２物質圧力挙動生成手段は、水素圧力が最大基準目標水素圧力制限値から最小基準目標水素圧力制限値の範囲内の大きさとなるよう設定する。これにより、予想空気圧力と水素圧力の差圧を差圧許容値内に収めることができる。
【０２１５】
（２）第２物質圧力挙動生成手段は、基準目標水素圧力が最大基準目標水素圧力制限値より大きい場合は最大基準目標水素圧力制限値を、小さい場合は最小基準目標水素圧力制限値を目標水素圧力として設定する。また、基準目標水素圧力が最大基準目標水素圧力制限値から最小基準目標水素圧力制限値の範囲内の場合は、基準目標水素圧力を目標水素圧力として設定する。これにより、目標水素圧力と予想空気圧力の差圧を差圧許容値以下とすることができる。また、差圧許容値の範囲内であれば、目標水素圧力を時間とともに上下させることができる。
【０２１６】
（３）基準目標値生成手段は、燃料電池１が安定して発電できる上限のアノード系の圧力を基準目標水素圧力最大値、下限のアノード系の圧力を基準目標水素圧力最小値、として生成する。そしてアノード系の圧力が基準目標水素圧力最大値より大きい場合は基準目標水素圧力最小値を、小さい場合は基準目標水素圧力最大値を、基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値の範囲内の場合は前回演算時の基準目標水素圧力を、それぞれ基準目標水素圧力として生成する。これにより、目標水素圧力が基準目標水素圧力最大値と基準目標水素圧力最小値の間を時間とともに変化し、結果として水素圧力が上下することとなる。
【０２１７】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０２１８】
【図１】燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図３】負荷要求演算用のテーブルである。
【図４】目標空気流量生成用のテーブルである。
【図５】基準目標圧力生成用のテーブルである。
【図６】大気圧又は外気温の変動とａ又はΔｓとの関係を示す図である。
【図７】目標空気圧力生成用のフローチャートである。
【図８】予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その１）。
【図９】予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その２）。
【図１０】第１実施形態の制御システムの構成図である。
【図１１】予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その３）。
【図１２】予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その４）。
【図１３】予想空気圧力生成方法の一例を示す制御ブロック図である（その５）。
【図１４】第２実施形態の制御システムの構成図である。
【図１５】空気調圧弁の操作量の飽和を考慮した場合の予想空気圧力の生成方法を示す制御ブロック図である。
【図１６】（ａ）は制限用のブロック、（ｂ）はこのブロックが行う手続きのフローチャートである。
【図１７】第３実施形態の制御システムの構成図である。
【図１８】第４実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。
【図１９】第５実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。
【図２０】第６実施形態の制御システムの構成図である。
【図２１】第７実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２２】第７実施形態の制御システムの構成図である。
【図２３】第３実施形態の制御システムの他の例を示す図である。
【図２４】第８実施形態の制御システムの構成図である。
【図２５】第８実施形態の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２６】基準目標空気圧力の算出に用いるテーブルである。
【図２７】水素圧力が脈動したときの基準目標水素圧力の変動を示すタイムチャートである。
【図２８】基準目標水素圧力生成用の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図２９】負荷要求から目標電流への変換テーブルである。
【図３０】目標水素圧力生成用の制御ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０２１９】
１    燃料電池
２    水素タンク
３    水素タンク元弁
４    減圧弁
５    水素供給弁
６ａ、６ｂ  圧力センサ
７    水素循環装置
８    パージ弁
９    排水素処理装置
１０ａ  コンプレッサ
１０ｂ  インバータ
１１  加湿装置
１２  空気調圧弁
１３  冷却水ポンプ
１５  温度センサ
１６  三方弁
１７  ラジエタ
１８  ラジエタファン
２０  ＤＣＤＣコンバータ
３０  コントロールユニット
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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