(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から取り出す出力を調整する出力取出手段と、
前記燃料電池の目標出力を演算する出力演算手段と、
前記目標出力に基づいて、前記出力取出手段を介して前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段と、
前記目標出力に基づいて、前記燃料電池に供給するガス制御用の目標電流をガス用目標電流として演算するガス用電流演算手段と、
前記ガス用目標電流に基づいて、前記燃料電池への反応ガスの供給量を制御するガス供給量制御手段と、
前記燃料電池から取り出される電流を検出する電流検出手段と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段とを有し、
前記出力制御手段は、前記電圧検出手段において検出される電圧が、当該燃料電池に設定された下限電圧よりも低下しないように、前記燃料電池の出力を制限しており、
前記ガス供給量制御手段は、前記電圧検出手段において検出される電圧が前記下限電圧に到達している場合、前記電流検出手段において検出される電流に対応するように、前記ガス用目標電流を補正して、当該補正結果を補正目標電流として出力する補正演算手段を有し、前記補正演算手段から出力される補正目標電流に基づいて、前記燃料電池への反応ガスの供給量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記出力制御手段は、当該燃料電池に設定された下限電圧と前記電圧検出手段において検出される電圧とに基づいて、当該燃料電池に設定された下限電圧よりも低下しないように、前記出力取出手段によって前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【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】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、燃料電池システムから供給される電力によって車両を駆動する。
【０００３】
車両のような負荷（要求電力）の変化が比較的に大きな場合、燃料電池に対する要求電力が過渡的に増加するようなシーンにおいて、ガス供給が遅れるといった事態を抑制する必要がある。そのため、特許文献１には、燃料電池から取り出される実電流ではなく、要求電力に対応した燃料電池の目標電流を設定し、この目標電流に基づいて、ガスの供給制御と、燃料電池からの電流の取出制御とを行う手法が開示されている。
【０００４】
また、燃料電池は、その発電特性や、それと接続する部品要求等から決まる下限電圧を有しており、定常的な運転をこの下限電圧以上で行っている。すなわち、この下限電圧よりも燃料電池の電圧を下げないように、燃料電池の実際の電圧に基づいて、目標電流を制限する手法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００６−９２９４８号公報
【特許文献２】特開２００６−１９２１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池の電圧が下限電圧以下とならないように目標電流を制限する制御を行ったとしても、燃料電池に供給されるガス量が過大となりすぎる虞があり、燃料電池スタック内の高分子膜が乾く、所謂、ドライアウトする可能性がある。
【０００６】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の電圧が下限電圧を下回らない範囲において出力を最大限に取り出しつつ、燃料電池へ供給するガスが過大になるといった事態を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池の目標出力を演算する出力演算手段と、目標出力に基づいて、出力取出手段を介して燃料電池の出力を制御する出力制御手段と、目標出力に基づいて、燃料電池に供給するガス制御用の目標電流をガス用目標電流として演算するガス用電流演算手段と、ガス用目標電流に基づいて、燃料電池への反応ガスの供給量を制御するガス供給量制御手段とを有する。この場合、出力制御手段は、燃料電池の電圧が下限電圧よりも低下しないように、燃料電池の出力を制限している。また、ガス供給量制御手段は、燃料電池の電圧が下限電圧に到達している場合、燃料電池から取り出される電流に対応するように、ガス用目標電流を補正して、当該補正結果を補正目標電流として出力する補正演算手段を有し、補正目標電流に基づいて、燃料電池への反応ガスの供給量を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池の発電特性が低下し、目標出力が得られない場合でも、燃料電池の電圧が下限電圧を下回らない範囲において出力を最大限に取り出すことができ、また、燃料電池への反応ガスの供給量が過大になるといった事態を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
【００１０】
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
【００１１】
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。
【００１２】
水素系において、燃料ガスである水素は、例えば、高圧水素ボンベといった燃料タンク１０に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によって所望の圧力に調圧され、燃料電池スタック１に供給される。
【００１３】
個々の燃料極から排出されるガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されている。この水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といった循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、水素循環流路Ｌ２を介して、燃料電池スタック１から排出される排出ガスを、水素供給流路Ｌ１を流れる燃料タンク１０からの反応ガスに合流させて燃料電池スタック１の燃料極に循環させる。
【００１４】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極および水素循環流路Ｌ２を含む循環系内の不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。不純物量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下したりするため、循環系内の不純物量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、循環ガスを外部に排出するパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１３が設けられており、このパージバルブ１３の開き量およびその時間を調整することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される不純物量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する不純物量が、発電性能を維持できるように管理される。
【００１５】
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれるとともに加圧され、加圧された空気は、空気供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１に供給される。酸化剤極から排出されるガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ５を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ５には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ２１が設けられている。
【００１６】
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却液（冷却水）が循環する閉ループ状のスタック冷却流路（燃料電池冷却流路）Ｌ６を有しており、このスタック冷却流路Ｌ６には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ３０が設けられている。この冷却水循環ポンプ３０を動作させることにより、スタック冷却流路Ｌ６内の冷却水が循環する。スタック冷却流路Ｌ６には、ラジエータ３１が設けられており、このラジエータ３１には、ラジエータ３１を送風するファン３２が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、スタック冷却流路Ｌ６を経由して、ラジエータ３１に流れ、ラジエータ３１によって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。スタック冷却流路Ｌ６は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。
【００１７】
スタック冷却流路Ｌ６には、燃料電池スタック１から排出された冷却水を、ラジエータ３１を迂回させて燃料電池スタック１に循環させるバイパス流路Ｌ７が設けられている。スタック冷却流路Ｌ６からバイパス流路Ｌ７へと分岐する分岐部位には、バイパス流路Ｌ７とスタック冷却流路Ｌ６のラジエータ３１側とに対する流量配分を調整する三方弁３３が設けられている。スタック冷却流路Ｌ６における冷却水の温度は、冷却水循環ポンプ３０の回転数、ファン３２の回転数、三方弁３３の開度を制御することにより、調整することができる。
【００１８】
燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から出力（本実施形態では、電流）を取り出す出力取出装置（出力取出手段）２が接続されている。この出力取出装置２は、燃料電池スタック１の電圧を制御パラメータとして、これを直接的に操作することにより、燃料電池スタック１から取り出す電流を調整することができる。燃料電池スタック１からの出力は、車両を駆動する駆動モータ３へ直接的に供給されたり、この出力取出装置２を介して、バッテリ４へ供給されたりする。このバッテリ４は、第１に、燃料電池スタック１で発電を行うために動作させる種々の補機（例えば、水素循環ポンプ１２やコンプレッサ２０）に対して、それを駆動するために必要な電力を供給する。第２に、システムに要求される電力（要求電力）に対し、燃料電池スタック１における発電電力が不足する場合、不足分の電力を駆動モータ２に供給する。第３に、燃料電池スタック１の発電電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、駆動モータ２の回生電力を蓄電する。
【００１９】
制御部４０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部４０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部４０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、水素循環ポンプ１２、パージバルブ１３、コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２１、冷却水循環ポンプ３０、三方弁３３、出力取出装置２といった種々の要素を制御する。
【００２０】
制御部４０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。水素圧力センサは、燃料電池スタック１の燃料極における水素の圧力を検出する。空気圧力センサは、燃料電池スタック１の空気極における空気の圧力を検出する。電流センサ（電流検出手段）６は、燃料電池スタック１から実際に取り出される電流（以下「実取出電流」という）を検出する。電圧センサ７は、燃料電池スタック１の電圧（以下「実電圧」という）を検出する。温度センサ８は、燃料電池スタック１の温度（以下「スタック温度」という）を検出する。
【００２１】
図２は、本実施形態にかかる制御部４０の構成を示すブロック図である。本実施形態との関係において、制御部４０は、第１のコントローラ４０ａと、第２のコントローラ４０ｂとで構成されている。
【００２２】
第１のコントローラ４０ａは、これを機能的に捉えた場合、目標出力演算部（出力演算手段）４１、ガス用電流演算部（ガス用電流演算手段）４２およびガス供給量制御部（ガス供給量制御手段）４３を有している。目標出力演算部４１は、外部システム（本実施形態では、駆動モータ３およびバッテリ４を含む車両システム）からの要求電力を燃料電池スタック１からの出力電力で賄うために必要な目標出力を演算する。本実施形態では、この目標出力は、燃料電池スタック１からの取出電流の目標値である目標電流ＴＦＩとして演算される。演算された目標電流ＴＦＩは、ガス用電流演算部４２および第２のコントローラ４０ｂに出力される。ガス用電流演算部４２は、目標電流ＴＦＩに基づいて、ガス用目標電流ＴＧＩを演算する。このガス用目標電流ＴＧＩは、燃料電池スタック１へ供給する水素および空気といった反応ガスの供給量を制御するために用いるガス制御用の目標パラメータ（電流）である。ガス供給量制御部４３は、ガス用電流演算部４２において演算されたガス用目標電流ＴＧＩに基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。
【００２３】
図３は、本実施形態にかかるガス供給量制御部４３の構成を示すブロック構成図である。本実施形態との関係において、ガス供給量制御部４３は、燃料電池スタック１の電圧（以下「スタック電圧」という）Ｖｆが下限電圧に到達している場合、電流センサ６における電流に対応した反応ガスの供給量となるように、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。ここで、下限電圧は、燃料電池スタック１の劣化抑制の観点から設定されるスタック電圧Ｖｆの下限値であり、実験やシミュレーションを通じて予め設定されている。なお、下限電圧は、出力取出装置２の制御遅れや電圧制御誤差などを考慮して、燃料電池スタック１から固有に定まる下限値に対してマージンを持たせるように設定してもよい。具体的には、ガス供給量制御部４３は、これを機能的に捉えた場合、目標ガス量演算部（目標ガス量演算手段）４３ａ、必要ガス量演算部（必要ガス量演算手段）４３ｂ、補正演算部（補正演算手段）４３ｃ、および供給ガス制御部（供給制御手段）４３ｄを有している。
【００２４】
目標ガス量演算部４３ａは、ガス用目標電流ＴＧＩを燃料電池スタック１から取り出す際に、この燃料電池スタック１に対して供給すべき反応ガスの量を目標ガス量ＴＦＧとして演算する。必要ガス量演算部４３ｂは、電流センサ６において検出される実取出電流Ｉｆが燃料電池スタック１から取り出される際に、この燃料電池スタック１に供給する必要のある反応ガスの量を必要ガス量ＮＦＧとして演算する。補正演算部４３ｃは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、目標ガス量ＴＦＧが必要ガス量ＮＦＧと対応するように、目標ガス量ＴＦＧを補正して、この補正結果を補正ガス量ＡＴＦＧとして出力する。なお、補正演算部４３ｃは、補正を行う条件を具備しない場合には、目標ガス量ＴＦＧを供給制御部４３ｄに出力する。供給制御部４３ｄは、目標ガス量ＴＦＧに基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。ここで、供給制御部４３ｄは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、補正演算部４３ｃから出力される補正ガス量ＡＴＦＧに基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。水素の供給量は、水素調圧バルブ１３の開度および水素循環ポンプ１２の回転数を制御することにより調整可能であり、空気の供給量は、コンプレッサ２０の回転数および空気調圧バルブ２１の開度を制御することにより調整可能である。
【００２５】
再び図２を参照するに、第２のコントローラ４０ｂは、出力制御部４４を有している。出力制御部４４は、第１のコントローラ４０ａの目標出力演算部４１において演算された目標電流ＴＦＩに基づいて、出力取出装置２を介して燃料電池スタック１からの出力電力を制御する。本実施形態との関係において、出力制御部４４は、スタック電圧Ｖｆが下限電圧よりも低下しないように、燃料電池スタック１の出力を制限している。具体的には、出力制御部４４は、目標電流ＴＧＩに基づいて、下限電圧以上の範囲で目標電圧を演算することにより、この目標電圧に基づいて、出力取出装置２を介して燃料電池スタック１の電圧を制御している。
【００２６】
図４は、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の一つである第１のコントローラ４０ａの処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期（例えば、１０msec）で呼び出され、第１のコントローラ４０ａによって実行される。具体的には、ステップ１０（Ｓ１０）において、目標出力演算処理が行われ、ステップ２０（Ｓ２０）において、ガス供給量制御処理が行われる。
【００２７】
図５は、ステップ１０における目標出力演算処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ１１（Ｓ１１）において、目標出力演算部４１は、外部システムからの要求電力を取得する。外部システムに相当する車両システムでは、ドライバーのアクセル操作量および車速をパラメータとして、実験やシミュレーションを通じて予め得られた車両特性を反映したマップまたは計算式による演算を通じて、要求電力が演算されている。そのため、目標出力演算部４１は、車両システム側から演算結果である要求電力を取得する。また、燃料電池システムを運転するための補機類（例えば、コンプレッサ２０など）の消費電力も燃料電池スタック１で発電する場合には、外部システムからの要求電力と補機消費電力との加算値を要求電力として取り扱ってもよい。
【００２８】
ステップ１２（Ｓ１２）において、目標出力演算部４１は、目標電流ＴＦＩを算出する。図６は、要求電力、目標電流およびスタック温度の関係を示す説明図である。燃料電池スタック１の特性として、目標電流は、要求電力の増加に応じて単調増加する傾向を有している。また、スタック温度が低い程、要求電力に対する目標電流の増加変化の速度が大きくなるという傾向を有している。このような関係は、燃料電池スタック１の特性等に応じるものであるため、実験やシミュレーションを通じて、各パラメータの関係を取得し、この関係を規定したマップまたは計算式を目標出力演算部４１が保持している。そして、目標出力演算部４１は、マップまたは計算式による演算により、要求電力およびスタック温度に基づいて、目標電流ＴＦＩを算出する。
【００２９】
ただし、燃料電池スタック１の発電特性は、スタック温度以外にも、劣化具合、ガスの供給流量および圧力などによって変化するので、燃料電池スタック１の発電特性に感度のあるパラメータで、目標電流と要求電力との関係を補正してもよい。また、燃料電池スタック１の発電電力を検知するセンサを設けておき、要求電力に対して実際の発電電力が少ないときには目標電流ＴＦＩを増やし、また、要求電力に対して実際の発電電力が多いときには目標電流ＴＦＩを減らすといった手法を適用してもよい。
【００３０】
ステップ１３において、ガス用電流演算部４２は、目標電流ＴＦＩに基づいて、ガス用目標電流ＴＧＩを演算する。目標電流ＴＦＩに基づいて、燃料電池スタック１に反応ガスを供給する場合、アクチュエータの応答性やガス流路の管路抵抗または容積の影響により、過渡的に負荷状態が変化した場合等には、発電量に応じた目標のガス量に対して実際に供給されるガス量に遅れが生じてしまう可能性がある。すなわち、出力制御部４４によって取り出される電流に応じたガス量と、実際に供給されるガス量との間に乖離が生じてしまう可能性がある。そのため、出力制御部４４によって取り出される電流との対応を図るべく、ガス用目標電流ＴＧＩを設定する。目標電流ＴＦＩとガス用目標電流ＴＧＩとの関係は、燃料電池システムの構成に依存するため、ガスの応答性の遅れを抑制するといった観点から、実験やシミュレーションを通じて、両パラメータの関係を取得し、この関係を規定したマップまたは計算式をガス用電流演算部４２が保持している。そして、ガス用電流演算部４２は、マップまたは計算式による演算により、目標電流ＴＦＩに基づいて、ガス用目標電流ＴＧＩを算出する。
【００３１】
図７は、ステップ２０におけるガス供給量制御処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ２１（Ｓ２１）において、目標ガス量演算部４３ａは、目標電流ＴＧＩに基づいて、目標ガス量ＴＦＧを演算する。演算するガス量としては、ガス流量とガス圧力とが挙げられる。また、ガス流量は、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される水素流量と、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される空気流量とを含み、ガス圧力は、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される水素圧力と、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される空気圧力とを含む。
【００３２】
ガス流量は、通常、燃料電池スタック１の発電反応でガスが消費された場合であっても、燃料電池スタック１の末端までガスを十分に供給できるようにすること等を考慮し、反応に必要なガス流量より多い流量を供給する必要がある。ただし、ガス流量が多すぎる場合には、燃料電池スタック１から持ち出される水分量が増加し、燃料電池スタック１内の高分子膜が乾く、所謂、ドライアウトが生じたり、水素循環ポンプ１２およびコンプレッサ２０の消費電力増加により燃費が悪化したりする。そこで、ガス流量は、ある電流を取り出すときに燃料電池スタック１の反応に必要なガス流量Ｑに対し、所定の割合を掛けた分だけの流量を供給する（数式１参照）。ここで、所定の割合は、例えば、１より大きな値であり、ドライアウトとならない範囲で流量を増加させるための値として、実験やシミュレーションを通じてその最適値が設定されている。
【００３３】
（数式１）
Ｑ[NL/min]＝（２２．４[NL/mol] × ６０[sec] × I ）／ （Ｆ × Ｎ × ρ）
ここで、Ｉは、燃料電池スタック１から取り出す電流[A]であり、ガス用目標電流ＴＧＩが対応する。Ｎは、反応ガス（空気（酸素）または水素）の分子１個を発電反応で消費するときの分子数[個]である。また、Ｆは、ファラデー定数[C/mol]であり、ρは、供給される反応ガスの濃度である。
【００３４】
一方、ガス圧力は、つぎのような観点から決定される。燃料電池スタック１は、供給するガス圧力が高い程、発電特性が向上する傾向にある。ただし、コンプレッサ２０といったガス供給装置を駆動して燃料電池スタック１へ供給するガスの圧力を得る場合、燃料電池スタック１からの取出電流が小さいシーンでは、高いガス圧力を得ようとする程、ガス供給装置の消費電力が大きくなり、燃料電池システムとしての出力や効率が悪化する。そのため、燃料電池スタック１からの取出電流が小さい程、ガス圧力を小さく設定し、逆に、燃料電池スタック１からの取出電流が大きい程、ガス圧力を高く設定する。ガス圧力と取出電流との関係は、燃料電池システムの効率や燃料電池スタック１の発電特性を考慮した上で、実験やシミュレーションを通じて設定することができる。この関係を規定したマップまたは計算式による演算により、取出電流に基づいて、ガス圧力を決定することができる。
【００３５】
ステップ２２（Ｓ２２）において、必要ガス量演算部４３ｂは、実取出電流Ｉｆに基づいて、必要ガス量ＮＦＧを演算する。演算するガス量としては、ガス流量とガス圧力とが挙げられる。ガス流量とガス圧力との演算については、実取出電流Ｉｆに対応してこれを求めること以外、上述の目標ガス量ＴＧＦにおける演算と同じであり、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
ステップ２３（Ｓ２３）において、補正演算部４３ｃは、補正処理を行う。図８は、補正処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ２６（Ｓ２６）において、補正演算部４３ｃは、後述する第２のコントローラ４０ｂの出力制御部４４において演算される目標電圧を取得する。本実施形態では、スタック電圧Ｖｆとして、出力制御部４４において演算される目標電圧を利用する。このケースでは、出力制御部４４が燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧検出手段として機能する。ただし、補正演算部４３ｃは、出力制御部４４における目標電圧に代えて、電圧センサ７から実電圧を読み込み、これをスタック電圧Ｖｆとして利用してもよい。このケースでは、電圧センサ７が燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧検出手段として機能する。
【００３７】
ステップ２７（Ｓ２７）において、補正演算部４３ｃは、補正を実行するか否かを判断する。具体的には、補正演算部４３ｃは、取得した目標電圧が下限電圧に到達した場合には、補正を実行する。ステップ２７において肯定判定された場合、すなわち、補正を実行する場合には、ステップ２８（Ｓ２８）に進む。一方、ステップ２７において否定判定された場合、すなわち、補正を実行しない場合には、本ルーチンを抜ける。
【００３８】
なお、本実施形態において、目標電圧が一旦下限電圧に到達した場合には、それが下限電圧よりも大きくなったとしても、次のような条件を満たすまで、補正の実行を継続することとする。この条件としては、目標電流ＴＦＩ（すなわち、ガス用目標電流ＴＧＩ）が増加したこと、または、後述する補正量が補正判定値以下となることである。この補正判定値は、補正終了にともなう反応ガスの供給量の増加を考慮して、燃料電池スタック１の乾燥状態が許容範囲（ドライアウトしない範囲）に収まるような条件に設定されたり、補正終了にともなう反応ガスの供給量の増加を考慮して、コンプレッサ２０等のガス供給装置における音または振動が許容範囲（乗員に違和感を与えない範囲）に収まるような条件に設定されたりする。これらの補正判定値は、実験やシミュレーションを通じて、その最適値が予め決定されている。また、この補正判定値は、ゼロ（０）に設定してもよい。このケースでは、補正の終了タイミングと、その後の通常処理との間で、ガス供給装置の駆動量が変化することはなく補正を終了することができる。
【００３９】
ステップ２８（Ｓ２８）において、補正演算部４３ｃは、ガス量の補正を行う。補正演算部４３ｃは、目標ガス量ＴＦＧが必要ガス量ＮＦＧと値的に対応するように、補正演算部４３ｃに入力される目標ガス量ＴＦＧを補正して、補正目標ガス量ＡＴＦＧを演算する。補正方法としては、必要ガス量ＮＦＧと目標ガス量ＴＦＧとの差に基づいて、目標ガス量ＴＦＧをフィードバック補正して、この補正結果を補正目標電流ＡＴＧＩとして扱うといった如くである。この補正にともなう補正量は、上述の如く、補正の継続条件を判定するために用いることができる。ここで、補正の対象となるガス量は、少なくとも空気の供給流量を含むこととするが、水素の供給流量や、空気の供給圧力、水素の供給圧力をさらに含んでもよい。
【００４０】
再び図７を参照するに、ステップ２４（Ｓ２４）において、供給制御部４３ｄは、ステップ２３において算出された補正目標ガス量ＡＴＦＧに基づいて、最終的な目標ガス量を算出する。具体的には、供給制御部４３ｄは、補正目標ガス量ＡＴＦＧと、必要ガス量ＮＦＧとを比較して、値が大きい方のガス量を、最終的な目標ガス量として決定する。なお、ステップ２３において補正が実行されない場合には、補正目標ガス量ＡＴＦＧがないので、目標ガス量ＴＦＧを用いて最終的な目標ガス量が算出される。
【００４１】
ステップ２５（Ｓ２５）において、供給制御部４３ｄは、最終的な目標ガス量に基づいて、燃料電池スタック１へ供給するガス量を制御する。
【００４２】
図９は、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の一つである第２のコントローラ４０ｂの処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期（例えば、１００μsec）で呼び出され、第２のコントローラ４０ｂによって実行される。具体的には、ステップ３０（Ｓ３０）において、出力制御部４４は、出力制御処理を行う。
【００４３】
図１０は、ステップ３０における出力制御処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ３１（Ｓ３１）において、第１のコントローラ４０ａにおいて演算される目標電流ＴＦＩが取得される。ステップ３２（Ｓ３２）において、基準電圧が演算される。この基準電圧は、燃料電池スタック１から取り出す電流が目標電流ＴＦＩとなるように、出力取出装置２を介して操作する燃料電池スタック１の電圧の基準値である。
【００４４】
ステップ３３（Ｓ３３）において、電流センサ６より実取出電流ＩＦが読み込まれる。ステップ３４（Ｓ３４）において、基準電圧補正値が演算される。具体的には、出力制御部４４は、燃料電池スタック１から所望の電流（すなわち、目標電流ＴＦＩ）を取出せるように、実取出電流ＩＦとの差に応じた、基準電圧に対する補正量を基準電圧補正値として演算する。補正演算の一例としては、目標電流ＴＦＩと実取出電流ＩＦとの差に基づいて、フィードバック補正により補正値を演算するといった如くである。
【００４５】
ステップ３５（Ｓ３５）において、目標電圧が演算される。具体的には、ステップ３２において演算した基準電圧を、ステップ３４において演算した基準電圧補正値で補正することにより、目標電圧が演算される。
【００４６】
ステップ３６（Ｓ３６）において、目標電圧が下限電圧よりも小さいか否かが判断される。このステップ３６において肯定判定された場合、すなわち、目標電圧が下限電圧よりも小さい場合には、ステップ３７（Ｓ３７）に進む。一方、ステップ３６において否定判定された場合、すなわち、目標電圧が下限電圧以上の場合には、ステップ３８（Ｓ３８）に進む。
【００４７】
ステップ３７において、ステップ３５において演算された目標電圧の値が、下限電圧によって更新される。ステップ３８において、目標電圧に基づいて、出力取出装置２を介して燃料電池スタック１の電圧が制御される。
【００４８】
図１１から図１３は、本実施形態の制御を実行した際のタイミングチャートを示す。同図において、ＬＮ11は目標電流ＴＦＩの推移、ＬＮ12は実取出電流Ｉｆの推移、ＬＮ13は下限電圧にて取り出せる電流の値を示す。ＬＮ21はガス用目標電流ＴＧＩの推移、ＬＮ22は補正目標電流ＡＴＧＩの推移、ＬＮ23は最終的な目標ガス量ＴＦＧの推移である。また、ＬＮ24は実取出電流Ｉｆの推移、ＬＮ25は下限電圧にて取り出せる電流の値を示す。ＬＮ31は目標電流ＴＦＩを取り出すために必要な電圧の推移、ＬＮ32は実電圧Ｖｆ、ＬＮ33は下限電圧の値を示す。ＬＮ41は必要ガス量ＮＦＧに対応する空気流量の推移、ＬＮ42は実際の空気流量の推移を示す。
【００４９】
図１１は、外部システムからの要求電力が増加し、その後に減少したケースでのタイミングチャートである。タイミングＡにおいて目標電流ＴＦＩ（要求電力）が増加を開始すると、その後、タイミングＢにおいて実電圧が下限電圧に到達する。これにより、燃料電池スタック１から目標電流ＴＦＩが取り出せなくなる。この場合、燃料電池スタック１からの実取出電流Ｉｆと、ガス用目標電流ＴＧＩとが一致するように、ガス用目標電流ＴＧＩが補正されるので、燃料電池スタック１から取り出している電流に応じたガス量を供給することができる。そのため、ガス量が過大になるといった事態を抑制することができるので、ドライアウトの発生を抑制することができる。
【００５０】
また、タイミングＣにおいて目標電流ＴＦＩが減少すると、補正目標電流ＡＴＧＩと実取出電流Ｉｆとのうち、大きい方の電流値に基づいて目標ガス量ＴＦＧが算出され、ガス量が制御される。そのため、要求電力が急激に減少した場合でも、補正量を減らす速度が間に合わず、補正目標電流ＡＴＧＩが実取出電流Ｉｆを下回り、空気流量が不足するといった事態を抑制することができる。そして、補正量が「０」となるタイミングＤにおいて、補正が終了する。
【００５１】
図１２は、要求電力の変動が早く、目標電流ＴＦＩが増加しきる前に要求電力が減少するケースでのタイミングチャートである。タイミングＥにおいて要求電力が増加を開始すると、その後、タイミングＦにおいて実電圧が下限電圧に到達する。補正が開始されると、目標電流ＴＦＩが上がりきる前（タイミングＧ）に、要求電力が減少しはじめる。これに応じて、目標電流ＴＦＩも下がり始め、実電圧が下限電圧以上になっても（タイミングＨ）、補正量は残っているため補正を終了しない。目標電圧が下がりきり、その後、ガス用目標電流ＴＧＩが下がりきると、補正が終了する（タイミングＪ）。このように、補正量が「０」になったときに補正を終えることにより、補正を止めたときにガス量が増加することは無くなり、要求電力の減少中において、例えば、コンプレッサ２０の回転数が増加するといった、音や振動に対する違和感を抑制することができる。
【００５２】
図１３は、要求電力が下がっている途中で再度要求電力が上がるケースでのタイミングチャートである。実電圧が下限電圧となってガス量の補正を行っている状態から、タイミングＫにおいて要求電力が下がり始めることにより、実電圧が下限電圧以上になる（タイミングＬ）。要求電力が下がっていく途中で、これが再度増加した場合に（タイミングＭ）、補正を終了する。その後、要求電力が大きくなり、実電圧が下限電圧に到達すると（タイミングＮ）、ガス量の補正を再び開始する。これにより、要求電力が上がったときには、補正前のガス用目標電流ＴＧＩに基づいた空気供給を行うことができる。これにより、ガス供給装置による、ガス量の不足を抑制することができる。
【００５３】
ここで、図１４および１５を参照し、本実施形態の制御を適用しない場合のタイミングチャートを示す。同図において、LN14は目標電流（ＴＦＩに相当）の推移、LN15はガス用目標電流（ＴＧＩに相当）推移、LN16は下限電圧にて取り出せる電流の値を示す。ＬＮ34は目標電流を取り出すために必要な電圧の推移、ＬＮ35は実電圧、ＬＮ34は下限電圧の値を示す。ＬＮ43は必要ガス量（ＮＦＧに相当）に対応する空気流量の推移、ＬＮ44は実際の空気流量の推移を示す。
【００５４】
まず、図１４を参照して、燃料電池スタックの電圧が下限電圧となったときに、燃料電池スタックから取り出す電流を制限するものの、供給空気流量を補正しないケースを説明する。外部からの要求電力が増加を開始すると（タイミングｉ）、ガス供給の遅れの影響を小さくするために目標電流よりもガス用目標電流が早く立ち上がる。その後、燃料電池スタックの電圧が下限電圧に到達すると（タイミングii）、燃料電池スタックから目標電流が取り出せなくなる。しかしながら、目標電流を取り出せていないにも係わらず、過剰なガス量（例えば、空気流量）を供給し続けることとなるため、燃料電池スタックのドライアウトが発生する可能性が高い。
【００５５】
つぎに、図１５を参照し、燃料電池スタック１の個々のセルにおける発電特性のばらつきを考慮して、燃料電池スタックの電圧が下限電圧とならないように、過大に電流制限をかけるケースを説明する。ばらつきを考慮して、燃料電池スタックの電圧が下限電圧以下にならないよう、十分なマージンを持たせて電流制限をしているため、燃料電池スタックから所望の電流を取り出すことはできるので、供給するガス量が過剰となり、ドライアウトすることはない。しかしながら、目標電流が増加しても（タイミングV）、燃料電池スタックの発電特性が高い場合には、燃料電池スタックの電圧は下限電圧に対する余裕が生じる。つまり、下限電圧まで燃料電池スタックの電圧を下げられればより高い出力を燃料電池スタックから取り出せることができるのに、電流制限により、燃料電池の性能を十分に使いきることができないことが分かる。
【００５６】
このように本実施形態において、出力制御部４４は、スタック電圧Ｖｆが、燃料電池スタック１に設定された下限電圧よりも低下しないように、燃料電池スタック１の出力を制限し、また、ガス供給量制御部４３は、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、電流センサ６において検出される実取出電流Ｉｆに対応した反応ガスの供給量となるように、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の発電特性が低下し、目標とする出力（要求電力）が得られない場合でも、燃料電池スタック１の電圧が下限電圧を下回らない範囲において出力を最大限に取り出すことができ、また、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量が過大になるといった事態を抑制することができる。さらに、本実施形態によれば、出力取出装置２が電圧をパラメータとして、燃料電池スタック１の電圧を直接的に制御することができるので、燃料電池スタック１の電圧が下限電圧を下回るといった事態を有効に抑制することができる。また、燃料電池スタック１の発電性能が低下する低温時でも、下限電圧において取り出せることができる最大出力を燃料電池スタック１から安定的に取り出せる。そのため、燃料電池システムを有する車両の動力性能向上や、暖機時間の短縮が可能となる。
【００５７】
また、本実施形態によれば、ガス供給量制御部４３は、目標ガス量演算部４３ａと、必要ガス量演算部４３ｂと、補正演算部４３ｃと、供給制御部４３ｄとを有している。ここで、供給制御部４３ｄは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、補正演算手段から出力される補正ガス量ＡＴＦＧ、すなわち、必要ガス量ＮＦＧと値的に対応するように補正された目標ガス量ＴＦＧに基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。かかる構成によれば、燃料電池発電特性が低下して目標とする出力が得られないときにでも、実取出電流Ｉｆに応じた反応ガスを供給することができる。これにより、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量が過大になるといった事態を抑制することができる。
【００５８】
また、本実施形態において、供給制御部４３ｄは、補正ガス量ＡＴＦＧと必要ガス量ＮＦＧとを比較して、値が大きい方のガス量に基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。かかる構成によれば、補正演算の補正速度が遅いシーンでも、スタック電圧Ｖｆが下限値となり補正が行われている状態から目標電流ＴＦＩが急速に低下する場合に、燃料電池スタック１へ供給されるガス量の不足を抑制することができる。
【００５９】
また、本実施形態において、補正演算部４３ｃは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達したことを条件として補正を開始して、スタック電圧Ｖｆが下限電圧よりも大きく、かつ、補正量が補正判定値以下となるまで補正を継続して行う。かかる構成によれば、補正を終了した際に、燃料電池スタック１へ供給されるガス量が大きく増加してしまうといった事態を抑制することができる。
【００６０】
この場合、補正判定値は、補正終了にともなう反応ガスの供給量の増加を考慮して、燃料電池スタック１の乾燥状態が許容範囲に収まるような条件に設定される。かかる構成によれば、補正を終了し、これにより、燃料電池スタック１へ供給されるガス量が増えたとしても、ドライアウトが発生するといった事態を抑制することができる。あるいは、補正判定値は、補正終了にともなう反応ガスの供給量の増加を考慮して、音または振動が許容範囲に収まるような条件に設定される。かかる構成によれば、補正を終了し、これにより、燃料電池スタック１へ供給されるガス量が増えたとしても、乗員に違和感を与える音や振動が発生するといった事態を抑制することができる。さらに、補正判定値は、ゼロであってもよい。かかる構成によれば、補正を終了したときに、燃料電池スタック１へ供給されるガス量が増えるといった事態を抑制することができる。これにより、違和感のない補正を行うことができる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、補正演算部４３ｃは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達したことを条件として補正を開始して、スタック電圧Ｖｆが下限電圧よりも大きく、かつ、目標出力が増加するまで補正を継続して行ってもよい。かかる構成によれば、目標電流ＴＦＩが下がっている途中に反応ガスの供給量に補正を行っている場合に、この目標電流ＴＦＩが増大したとしても、すぐに補正が中止されることとなる。これにより、補正前の目標値（目標ガス量ＴＦＧ）に基づいてガス量の供給が行われるので、燃料電池スタック１へ供給されるガス量が不足するといった事態を抑制することができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、反応ガスの供給量は、反応ガスの流量と、反応ガスの圧力とを含み、反応ガスの流量にのみ補正結果が反映される。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の電圧を下限電圧まで下げても燃料電池スタック１から要求電力を取り出せない場合に、少なくとも燃料電池スタック１へ供給される反応ガスの流量が補正される。したがって、燃料電池スタック１の発電特性が低下して目標とする出力が得られないようなシーンでも、少なくとも実取出電流に見合った反応ガスの流量を送ることができる。これにより、燃料電池スタック１から持ち出される水分量の増大を抑制することができ、ドライアウトの発生を抑制することができる。さらに、本実施形態によれば、反応ガスの流量は、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の流量と、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の流量とを含み、少なくとも空気の流量にのみ補正結果が反映される。かかる構成によれば、実取出電流に見合った空気流量を送ることができるので、燃料電池スタック１から持ち出される水分量の増大を抑制することができる。
【００６３】
また、本実施形態によれば、出力制御部４４は、目標出力（目標電流ＴＦＩ）に基づいて、下限電圧以上の範囲で目標電圧を演算することにより、この目標電圧に基づいて、出力取出装置２を介して燃料電池の電圧を制御する。この場合、スタック電圧Ｖｆを検出する電圧検出手段は、出力制御部４４において演算される目標電圧を読み込むことができる。かかる構成によれば、目標電圧を読み込む構成としているので、出力取出装置２自体を下限電圧で制限することができ、安定した出力制御を行うことができる。
【００６４】
（第２の実施形態）
図１６は、第２の実施形態にかかるガス供給量制御部４３の構成を示すブロック図である。第２の実施形態にかかる燃料電池システムが第１の実施形態と相違する点は、ガス供給量制御部４３の構成である。なお、第１の実施形態と共通する構成および制御手順については説明は省略し、以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行う。
【００６５】
本実施形態との関係において、ガス供給量制御部４３は、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、電流センサ６における電流に対応した反応ガスの供給量となるように、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。具体的には、ガス供給量制御部４３は、これを機能的に捉えた場合、補正演算部４３ｅと、供給制御部４３ｆとを有している。
【００６６】
補正演算部４３ｅは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、ガス用目標電流ＴＧＩが実取出電流Ｉｆと対応するように、ガス用目標電流ＴＧＩを補正して、この補正結果を補正目標電流ＡＴＧＩとして出力する。なお、補正演算部４３ｅは、補正を行う条件を具備しない場合には、ガス用目標電流ＴＧＩを供給制御部４３ｆに出力する。供給制御部４３ｆは、ガス用目標電流ＴＧＩに基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。この場合、供給制御部４３ｆは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、補正演算部４３ｅから出力される補正目標電流ＡＴＧＩに基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。
【００６７】
図１７は、第２の実施形態にかかるステップ２０におけるガス供給量制御処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ４１（Ｓ４１）において、補正演算部４３ｅは、ガス用目標電流ＴＧＩを取得する。ステップ４２（Ｓ４２）において、補正演算部４３ｅは、実取出電流Ｉｆを読み込む。
【００６８】
ステップ４３（Ｓ４３）において、補正処理が行われる。図１８は、補正処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ４７（Ｓ４７）において、補正演算部４３ｅは、電圧センサ７から実電圧Ｖをスタック電圧Ｖｆとして読み込む。
【００６９】
ステップ４８（Ｓ４８）において、補正演算部４３ｅは、補正を実行するか否かを判断する。補正を実行するか否かの判断は、第１の実施形態と同様の処理によって実現することができる。ステップ４８において肯定判定された場合、すなわち、補正を実行する場合には、ステップ４９（Ｓ４９）に進む。一方、ステップ４８において否定判定された場合、すなわち、補正を実行しない場合には、本ルーチンを抜ける。
【００７０】
ステップ４９（Ｓ４９）において、補正演算部４３ｅは、ガス量を決定付けるガス用目標電流ＴＧＩの補正を行う。補正演算部４３ｅは、ガス用目標電流ＴＧＩが実取出電流Ｉｆと値的に対応するように、ガス用目標電流ＴＧＩを補正して、補正目標電流ＡＴＧＩを演算する。補正方法としては、ガス用目標電流ＴＧＩと実取出電流Ｉｆとの差に基づいて、ガス用目標電流ＴＧＩをフィードバック補正して、この補正結果を補正目標電流ＡＴＧＩとして扱うといった如くである。ここで、ガス用目標電流ＴＧＩによって補正の対象となるガス量は、少なくとも空気の供給流量を含むこととするが、水素の供給流量や、空気の供給圧力、水素の供給圧力をさらに含んでもよい。
【００７１】
再び図１７を参照するに、ステップ４４（Ｓ４４）において、供給制御部４３ｆは、補正目標電流ＡＴＧＩと、実取出電流Ｉｆとを比較して、値が大きい方の電流を、最終的なガス用目標電流として決定する。なお、ステップ２３において補正が実行されない場合には、補正目標電流ＡＴＧＩがないので、そのままガス用目標電流ＴＧＩを用いる。
【００７２】
ステップ４５（Ｓ４５）において、供給制御部４３ｆは、最終的なガス用目標電流基づいて、目標ガス量を演算する。演算するガス量としては、ガス流量とガス圧力とが挙げられる。また、ガス流量は、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される水素流量と、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される空気流量とを含み、ガス圧力は、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される水素圧力と、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される空気圧力とを含む。目標ガス量の演算方法は、第１の実施形態と同様であり、その説明は省略する。
【００７３】
ステップ４６（Ｓ４６）において、供給制御部４３ｆは、目標ガス量に基づいて、燃料電池スタック１へ供給するガス量を制御する。
【００７４】
このように本実施形態によれば、ガス供給量制御部４３は、供給制御部４３ｆと、補正演算部４３ｅとを有する。ここで、供給制御部４３ｆは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、補正演算部４３ｅから出力される補正目標電流、すなわち、実取出電流Ｉｆと値的に対応するように補正されたガス用目標電流ＴＧＩに基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。かかる構成によれば、燃料電池発電特性が低下して目標とする出力が得られないときにでも、実取出電流Ｉｆに応じた反応ガスを供給することができる。これにより、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量が過大になるといった事態を抑制することができる。
【００７５】
また、本実施形態によれば、供給制御部４３ｆは、補正目標電流ＡＴＧＩと実取出電流Ｉｆとを比較して、値が大きい方の電流に基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。かかる構成によれば、かかる構成によれば、補正演算の補正速度が遅いシーンでも、スタック電圧Ｖｆが下限値となり補正が行われている状態から目標電流ＴＦＩが急速に低下する場合に、燃料電池スタック１へ供給されるガス量の不足を抑制することができる。
【００７６】
（第３の実施形態）
図１９は、第３の実施形態にかかるガス供給量制御部４３の構成を示すブロック図である。第３の実施形態にかかる燃料電池システムが第１の実施形態と相違する点は、ガス供給量制御部４３の構成である。なお、第１の実施形態と共通する構成および制御手順については説明は省略し、以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行う。
【００７７】
本実施形態との関係において、ガス供給量制御部４３は、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、電流センサ６における電流に対応した反応ガスの供給量となるように、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量を制御する。具体的には、ガス供給量制御部４３は、これを機能的に捉えた場合、必要ガス量演算部４３ｇと、補正演算部４３ｈと、目標ガス量演算部４３ｉと、供給制御部４３ｊとを有している。
【００７８】
必要ガス量演算部４３ｇは、実取出電流Ｉｆを参照し、この実取出電流Ｉｆが燃料電池スタック１から取り出される際に、燃料電池スタック１に供給する必要のある反応ガスの量を必要ガス量ＮＦＧとして演算する。補正演算部４３ｈは、スタック電圧Ｖｆが予め設定された下限電圧に到達（低下）している場合、後述する目標ガス量演算部４３ｉからの目標ガス量ＴＦＧが必要ガス量ＮＦＧと対応するように、ガス用目標電流ＴＧＩを補正して、この補正結果を補正目標電流ＡＴＧＩとして目標ガス量演算部４３ｉに出力する。なお、補正演算部４３ｈは、補正を行う条件を具備しない場合には、ガス用目標電流ＴＧＩを目標ガス量演算部４３ｉに出力する。目標ガス量演算部４３ｉは、ガス用目標電流ＴＧＩに基づいて、このガス用目標電流ＴＧＩを燃料電池スタック１から取り出す際に、この燃料電池スタック１に対して供給すべき反応ガスの量を目標ガス量ＴＦＧとして演算する。ただし、目標ガス量演算部４３ｉは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、補正演算部４３ｈから出力される補正目標電流ＡＴＧＩに基づいて、目標ガス量ＴＦＧを演算する。供給制御部４３ｊは、目標ガス量ＴＦＧに基づいて、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量、すなわち、水素の供給量および酸素の供給量を制御する。
【００７９】
図２０は、本実施形態にかかるステップ２０におけるガス供給量制御処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ５１（Ｓ５１）において、必要ガス量演算部４３ｇは、実取出電流Ｉｆに基づいて、必要ガス量ＮＦＧを演算する。演算するガス量としては、ガス流量とガス圧力とが挙げられる。ガス流量とガス圧力との演算については、第１の実施形態のそれと同様であり、その詳細な説明は省略する。
【００８０】
ステップ５２（Ｓ５２）において、補正演算部４３ｈは、補正処理を行う。図２１は、補正処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ５６（Ｓ５６）において、補正演算部４３ｈは、電圧センサ７から実電圧Ｖをスタック電圧Ｖｆとして読み込む。
【００８１】
ステップ５７（Ｓ５７）において、補正演算部４３ｈは、補正を実行するか否かを判断する。補正を実行するか否かの判断は、第１の実施形態と同様の処理によって実現することができる。ステップ５７において肯定判定された場合、すなわち、補正を実行する場合には、ステップ５８（Ｓ５８）に進む。一方、ステップ５７において否定判定された場合、すなわち、補正を実行しない場合には、本ルーチンを抜ける。
【００８２】
ステップ５８（Ｓ５８）において、補正演算部４３ｈは、ガス量を決定付けるガス用目標電流ＴＧＩの補正を行う。補正演算部４３ｈは、従前の処理において演算された目標ガス量ＴＦＧが必要ガス量ＮＦＧと値的に対応するように、ガス用目標電流ＴＧＩを補正して、補正目標電流ＡＴＧＩを演算する。補正方法としては、目標ガス量ＴＦＧと必要ガス量ＮＦＧとの差に基づいて、ガス用目標電流ＴＧＩをフィードバック補正して、この補正結果を補正目標電流ＡＴＧＩとして扱うといった如くである。ここで、ガス用目標電流ＴＧＩによって補正の対象となるガス量は、少なくとも空気の供給流量を含むこととするが、水素の供給流量や、空気の供給圧力、水素の供給圧力をさらに含んでもよい。
【００８３】
再び図２０を参照するに、ステップ５３（Ｓ５３）において、目標ガス量演算部４３ｉは、補正目標電流ＡＴＧＩと、実取出電流Ｉｆとを比較して、値が大きい方の電流を、最終的なガス用目標電流として決定する。なお、ステップ５２において補正が実行されない場合には、補正目標電流ＡＴＧＩがないので、そのままガス用目標電流ＴＧＩを用いる。
【００８４】
ステップ５４（Ｓ５４）において、供給制御部４３ｊは、最終的なガス用目標電流づいて、目標ガス量ＴＦＧを演算する。演算するガス量としては、ガス流量とガス圧力とが挙げられる。また、ガス流量は、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される水素流量と、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される空気流量とを含み、ガス圧力は、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される水素圧力と、燃料電池スタック１の酸化剤極へ供給される空気圧力とを含む。目標ガス量の演算方法は、第１の実施形態と同様であり、その説明は省略する。
【００８５】
ステップ５５（Ｓ５５）において、供給制御部４３ｊは、目標ガス量ＴＦＧに基づいて、燃料電池スタック１へ供給するガス量を制御する。
【００８６】
このように本実施形態によれば、ガス供給量制御部４３は、目標ガス量演算部４３ｉと、必要ガス量演算部４３ｇと、補正演算部４３ｈと、供給制御部４３ｊとを有する。この場合、目標ガス量演算部４３ｉは、スタック電圧Ｖｆが下限電圧に到達している場合、補正演算部４３ｈから出力される補正目標電流ＡＴＧＩ、すなわち、目標ガス量ＴＦＧが必要ガス量ＮＦＧと値的に対応するように補正されたガス用目標電流ＴＧＩに基づいて、目標ガス量を演算する。かかる構成によれば、燃料電池発電特性が低下して目標とする出力が得られないときにでも、実取出電流Ｉｆに応じた反応ガスを供給することができる。これにより、燃料電池スタック１への反応ガスの供給量が過大になるといった事態を抑制することができる。
【００８７】
また、本実施形態によれば、目標ガス量演算部４３ｉは、補正目標電流ＡＴＧＩと実取出電流Ｉｆとを比較して、値が大きい方の電流に基づいて、目標ガス量ＴＦＧを演算する。かかる構成によれば、補正演算の補正速度が遅いシーンでも、スタック電圧Ｖｆが下限値となり補正が行われている状態から目標電流ＴＦＩが急速に低下する場合に、燃料電池スタック１へ供給されるガス量の不足を抑制することができる。
【００８８】
（第４の実施形態）
図２２は、第４の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック構成図である。第４の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、出力取出装置２の構成およびその配置位置が変更されている点である。なお、第１の実施形態と共通する構成および制御手順については説明は省略し、以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明を行う。
【００８９】
具体的には、本実施形態において、出力取出装置２は、燃料電池スタック１の電流を制御パラメータとして操作することにより、燃料電池スタック１から取り出す電流を調整する。出力取出装置２によって取り出された電流は、出力取出装置２を介して、図示しない駆動モータやバッテリへと供給される。
【００９０】
図２３は、本実施形態におけるステップ３０における出力制御処理の手順を示すフローチャートである。まず、ステップ６１（Ｓ６１）において、第１のコントローラ４０ａにおいて演算される目標電流ＴＦＩが取得される。ステップ６２（Ｓ６２）において、電圧センサ７より実電圧が読み込まれる。
【００９１】
ステップ６３（Ｓ６３）において、実電圧が下限電圧よりも小さいか否かが判断される。このステップ６３において肯定判定された場合、すなわち、実電圧が下限電圧よりも小さい場合には、ステップ６４（Ｓ６４）に進む。一方、ステップ６３において否定判定された場合、すなわち、実電圧が下限電圧以上の場合には、ステップ６５（Ｓ６５）に進む。
【００９２】
ステップ６４において、目標電流補正量が演算される。具体的には、出力制御部４４は、実電圧が下限電圧と対応するように、目標電流に対する補正量を目標電流補正量として演算する。補正演算の一例としては、実電圧と下限電圧との差に基づいて、フィードバック補正により補正値を演算するといった如くである。
【００９３】
ステップ６５（Ｓ６５）において、目標電圧が演算される。具体的には、ステップ６１において読み込まれた目標電流ＴＦＩを、ステップ６４において演算した基準電圧補正値で補正することにより、最終的な目標電流が演算される。
【００９４】
ステップ６６（Ｓ６６）において、ステップ６５において演算された最終的な目標電流に基づいて、出力取出装置２を介して燃料電池スタック１の電圧が制御される。
【００９５】
このように本実施形態において、スタック電圧Ｖｆを検出する電圧検出手段は、燃料電池スタック１における実際の電圧を検出する電圧センサ７である。また、出力制御部４４は、実電圧が下限電圧を下回らないように、出力取出装置２を介して燃料電池スタック１の電流を制御する。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の実電圧が下限電圧を下回らないように安定した出力制御を行うことができる。
【００９６】
以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。目標出力として、電流をパラメータとしているが、電流以外にも、電力や電圧であってもよい。この場合、ガス用目標電流ＴＧＩは、そのパラメータ（電力または電圧）にしたがって、出力取出装置２が燃料電池スタック１の出力を制御したときに、燃料電池スタック１から取り出される電流となればよい。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２】第１の実施形態にかかる制御部４０の構成を示すブロック図
【図３】第１の実施形態にかかるガス供給量制御部４３の構成を示すブロック構成図
【図４】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の一つである第１のコントローラ４０ａの処理手順を示すフローチャート
【図５】ステップ１０における目標出力演算処理の手順を示すフローチャート
【図６】要求電力、目標電流およびスタック温度の関係を示す説明図
【図７】ステップ２０におけるガス供給量制御処理の手順を示すフローチャート
【図８】補正処理の手順を示すフローチャート
【図９】第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の一つである第２のコントローラ４０ｂの処理手順を示すフローチャート
【図１０】ステップ３０における出力制御処理の手順を示すフローチャート
【図１１】第１の実施形態の制御を実行した際のタイミングチャート
【図１２】第１の実施形態の制御を実行した際のタイミングチャート
【図１３】第１の実施形態の制御を実行した際のタイミングチャート
【図１４】第１の実施形態の制御を適用しない場合のタイミングチャート
【図１５】第１の実施形態の制御を適用しない場合のタイミングチャート
【図１６】第２の実施形態にかかるガス供給量制御部４３の構成を示すブロック図
【図１７】第２の実施形態にかかるステップ２０におけるガス供給量制御処理の手順を示すフローチャート
【図１８】補正処理の手順を示すフローチャート
【図１９】第３の実施形態にかかるガス供給量制御部４３の構成を示すブロック図
【図２０】第３の実施形態にかかるステップ２０におけるガス供給量制御処理の手順を示すフローチャート
【図２１】補正処理の手順を示すフローチャート
【図２２】第４の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図
【図２３】第４の実施形態におけるステップ３０における出力制御処理の手順を示すフローチャート
【符号の説明】
【００９８】
１    燃料電池スタック
２    出力取出装置
３    駆動モータ
４    バッテリ
６    電流センサ
７    電圧センサ
８    温度センサ
１０    燃料タンク
１１    水素調圧バルブ
１２    水素循環ポンプ
１３    パージバルブ
１３    水素調圧バルブ
２０    コンプレッサ
２１    空気調圧バルブ
３０    冷却水循環ポンプ
３１    ラジエータ
３２    ファン
３３    三方弁
４０    制御部
４０ａ    第１のコントローラ
４０ｂ    第２のコントローラ
４１    目標出力演算部
４２    ガス用電流演算部
４３    ガス供給量制御部
４３ａ    目標ガス量演算部
４３ｂ    必要ガス量演算部
４３ｃ    補正演算部
４３ｄ    供給制御部
４３ｅ    補正演算部
４３ｆ    供給制御部
４３ｇ    必要ガス量演算部
４３ｈ    補正演算部
４３ｉ    目標ガス量演算部
４３ｊ    供給制御部
４４    出力制御部
【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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