(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される燃料電池システムの制御装置において、
電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス加圧供給手段と、
上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
上記酸化剤ガス加圧供給手段に酸化剤ガスを導入する流路に設けられ、この流路の開口面積を調整して上記酸化剤ガス加圧供給手段に供給する酸化剤ガス圧力を調整する圧力調整手段と、
上記燃料電池内の酸化剤ガス圧力及び流量を、上記燃料電池の最低出力を確保する所定値以上にする制御をした状態で、上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整し、燃料電池システムの正味発電量を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、上記酸化剤ガス加圧供給手段に供給する酸化剤ガス圧力を調整するように上記圧力調整手段を制御することにより、上記燃料電池内の酸化剤ガス圧力及び流量を所定値以上にするための上記酸化剤ガス加圧供給手段の回転数を調整して、当該回転数によって決定される上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整して、燃料電池システムの正味発電量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
車両に搭載される燃料電池システムの制御装置において、
電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス加圧供給手段と、
上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
上記酸化剤ガス加圧供給手段と上記燃料電池とを挿通する流路から分岐して設けられ上記酸化剤ガス加圧供給手段からの酸化剤ガスを排気する排気流路に設けられ、この排気流路の開口面積を調整して排気流量を調整する排気流量調整手段と、
上記燃料電池内の酸化剤ガス圧力及び流量を、上記燃料電池の最低出力を確保する所定値以上にする制御をした状態で、上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整し、燃料電池システムの正味発電量を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、排気流路からの排気流量を調整するように上記排気流量調整手段を制御することにより、上記燃料電池内の酸化剤ガス圧力及び流量を一定にするための上記酸化剤ガス加圧供給手段の回転数を調整して、当該回転数によって決定される上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整して、燃料電池システムの正味発電量を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項３】
上記燃料電池で発電した電力及び車両電動機が発電した電力を蓄積する電力蓄積手段を更に備え、
上記制御手段は、外部からの車両減速度要求に応じて上記車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、開口面積を調整することで酸化剤ガス加圧供給手段に供給する酸化剤ガス圧力を調整するように上記圧力調整手段を制御すると共に、運転条件を調整することで消費電力を調整するように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御して回生電力を消費することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
上記燃料電池で発電した電力及び車両電動機が発電した電力を蓄積する電力蓄積手段を更に備え、
上記制御手段は、外部からの車両減速度要求に応じて上記車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、開口面積を調整することで排気流量を調整するように上記排気流量調整手段を制御すると共に、運転条件を調整することで消費電力を調整するように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御して回生電力を消費することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
上記制御手段は、上記車両電動機の回生電力要求値が、上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合に、運転条件を調整することで消費電力を増加するように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御し、上記電力蓄積手段の入力可能電力と、上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力の増加分とに基づいて、上記車両電動機の回生電力を、上記電力蓄積手段に入力する制御、または上記酸化剤ガス加圧供給手段で消費する制御をすることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
上記制御手段は、外部からの車両減速度要求に応じて上記車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、回生電力要求値と入力可能電力との差分電力を上記酸化剤ガス加圧供給手段で消費するための消費電力目標値を決定し、上記燃料電池を最低出力で運転するために必要となる酸化剤ガス圧力及び流量、並びに上記消費電力目標値に基づいて、上記消費電力目標値の電力を消費するのに必要な上記酸化剤ガス加圧供給手段の酸化剤ガス入口におけるガス圧力及びガス密度を求め、求めたガス圧力及びガス密度に基づいて上記圧力調整手段で調整する開口面積及び上記酸化剤ガス加圧供給手段の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って動作させるように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御することにより消費電力を制御することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項７】
上記制御手段は、外部からの車両減速度要求に応じて上記車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、回生電力要求値と入力可能電力との差分電力を上記酸化剤ガス加圧供給手段で消費するための消費電力目標値を決定し、上記燃料電池を最低出力で運転するために必要となる酸化剤ガス圧力及び流量、並びに上記消費電力目標値に基づいて、上記消費電力目標値の電力を消費するのに必要な上記酸化剤ガス加圧供給手段の酸化剤ガス出口におけるガス圧力、ガス流量及び排気流量を求め、求めたガス圧力、ガス流量及び排気流量に基づいて上記排気流量制御手段で調整する開口面積及び上記酸化剤ガス加圧供給手段の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って動作させるように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御することにより消費電力を制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給すると共に、酸化剤ガスを供給して燃料電池の発電量を制御し、駆動モータ等の負荷及びバッテリに発電電力を供給する燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池に水素を含む燃料ガスを供給すると共に、酸素を含む空気を供給して燃料電池を発電させ、発電電力を用いて駆動モータ等を駆動する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、車両等に搭載され、車両の駆動源として使用されている。
【０００３】
従来の燃料電池システムとしては、例えば特開２０００−９２６１０号公報に開示されたものがある。この燃料電池システムでは、バッテリの大型化を回避すると共に、車両の加速性能及び電力回生性能を改善するために、バッテリの目標充電レベルを車両速度に応じて設定する。この燃料電池システムでは、車両速度が高いとき場合には目標充電レベルを低下させて、燃料電池からの発電電力をバッテリに充電する制御をする。
【０００４】
この燃料電池システムによれば、車両速度が高いほど目標充電レベルを低く設定することで、バッテリの入力可能電力を確保して、減速するときに駆動モータから発生する回生電力充電分を確保する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムでは、車両速度に応じて目標充電レベルを設定する制御をしていたため、実際にバッテリから放電が行われ、バッテリの入力可能電力が確保する事ができるようになるにはある程度の時間が必要となり、従って瞬時の要求には対応することができないという問題点があった。
【０００６】
また、従来の燃料電池システムでは、車両が連続して下り坂を走行する時などでは、バッテリから放電をする必要がないのでバッテリの充電レベルが最高レベルとなり、駆動モータからの電力をバッテリに回生して駆動モータの回転数を減速することができないという問題点がある。このような燃料電池システムでは、回生電力をバッテリで吸収できないために、機械式のブレーキに依存することになってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した従来の実状に鑑みて提案されたものであり、バッテリの充電レベルが高いときや多くの回生電力を消費する必要があるときに、多くの電力を消費することができる燃料電池システムの制御装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、上述の課題を解決するために、車両に搭載される燃料電池システムの制御装置において、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス加圧供給手段と、上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、上記酸化剤ガス加圧供給手段に酸化剤ガスを導入する流路に設けられ、この流路の開口面積を調整して上記酸化剤ガス加圧供給手段に供給する酸化剤ガス圧力を調整する圧力調整手段と、上記燃料電池内の酸化剤ガス圧力及び流量を、上記燃料電池の最低出力を確保する所定値以上にする制御をした状態で、上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整し、燃料電池システムの正味発電量を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記酸化剤ガス加圧供給手段に供給する酸化剤ガス圧力を調整するように上記圧力調整手段を制御することにより、上記燃料電池内の酸化剤ガス圧力及び流量を所定値以上にするための上記酸化剤ガス加圧供給手段の回転数を調整して、当該回転数によって決定される上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整して、燃料電池システムの正味発電量を制御する。
【００１０】
請求項２に係る発明では、車両に搭載される燃料電池システムの制御装置において、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されるとともに、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス加圧供給手段と、上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、上記酸化剤ガス加圧供給手段と上記燃料電池とを挿通する流路から分岐して設けられ上記酸化剤ガス加圧供給手段からの酸化剤ガスを排気する排気流路に設けられ、この排気流路の開口面積を調整して排気流量を調整する排気流量調整手段と、上記燃料電池内の酸化剤ガス圧力及び流量を、上記燃料電池の最低出力を確保する所定値以上にする制御をした状態で、上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整し、燃料電池システムの正味発電量を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、排気流路からの排気流量を調整するように上記排気流量調整手段を制御することにより、上記燃料電池内の酸化剤ガス圧力及び流量を一定にするための上記酸化剤ガス加圧供給手段の回転数を調整して、当該回転数によって決定される上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整して、燃料電池システムの正味発電量を制御する。
【００１１】
請求項３に係る発明では、上記燃料電池で発電した電力及び車両電動機が発電した電力を蓄積する電力蓄積手段を更に備え、上記制御手段は、外部からの車両減速度要求に応じて上記車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、開口面積を調整することで酸化剤ガス加圧供給手段に供給する酸化剤ガス圧力を調整するように上記圧力調整手段を制御すると共に、運転条件を調整することで消費電力を調整するように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御して回生電力を消費する。
【００１２】
請求項４に係る発明では、上記燃料電池で発電した電力及び車両電動機が発電した電力を蓄積する電力蓄積手段を更に備え、上記制御手段は、外部からの車両減速度要求に応じて上記車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、開口面積を調整することで排気流量を調整するように上記排気流量調整手段を制御すると共に、運転条件を調整することで消費電力を調整するように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御して回生電力を消費する。
【００１３】
請求項５に係る発明では、上記制御手段は、上記車両電動機の回生電力要求値が、上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合に、運転条件を調整することで消費電力を増加するように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御し、上記電力蓄積手段の入力可能電力と、上記酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力の増加分とに基づいて、上記車両電動機の回生電力を、上記電力蓄積手段に入力する制御、または上記酸化剤ガス加圧供給手段で消費する制御をする。
【００１４】
請求項６に係る発明では、上記制御手段は、外部からの車両減速度要求に応じて上記車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、回生電力要求値と入力可能電力との差分電力を上記酸化剤ガス加圧供給手段で消費するための消費電力目標値を決定し、上記燃料電池を最低出力で運転するために必要となる酸化剤ガス圧力及び流量、並びに上記消費電力目標値に基づいて、上記消費電力目標値の電力を消費するのに必要な上記酸化剤ガス加圧供給手段の酸化剤ガス入口におけるガス圧力及びガス密度を求め、求めたガス圧力及びガス密度に基づいて上記圧力調整手段で調整する開口面積及び上記酸化剤ガス加圧供給手段の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って動作させるように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御することにより消費電力を制御する。
【００１５】
請求項７に係る発明では、上記制御手段は、外部からの車両減速度要求に応じて上記車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、回生電力要求値と入力可能電力との差分電力を上記酸化剤ガス加圧供給手段で消費するための消費電力目標値を決定し、上記燃料電池を最低出力で運転するために必要となる酸化剤ガス圧力及び流量、並びに上記消費電力目標値に基づいて、上記消費電力目標値の電力を消費するのに必要な上記酸化剤ガス加圧供給手段の酸化剤ガス出口におけるガス圧力、ガス流量及び排気流量を求め、求めたガス圧力、ガス流量及び排気流量に基づいて上記排気流量制御手段で調整する開口面積及び上記酸化剤ガス加圧供給手段の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って動作させるように上記酸化剤ガス加圧供給手段を制御することにより消費電力を制御する。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池に供給する酸化剤ガス圧力及び流量を一定にする制御をした状態で、酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整し、燃料電池システムの正味発電量を制御するので、例えば車両の減速時などに回生電力が発生したときに、燃料電池システムの酸化剤ガス加圧供給手段で電力を消費することができる。また、酸化剤ガス加圧供給手段に供給する酸化剤ガス圧力を調整するように圧力調整手段を制御すると共に、運転条件を調整して消費電力を調整するように酸化剤ガス加圧供給手段を制御し、燃料電池システムの正味発電量を制御するので、請求項１に係る発明と同様に、例えば車両の減速時などに回生電力が発生したときに、燃料電池システムの酸化剤ガス加圧供給手段で電力を消費することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、燃料電池に供給する酸化剤ガス圧力及び流量を一定にする制御をした状態で、酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整し、燃料電池システムの正味発電量を制御するので、例えば車両の減速時などに回生電力が発生したときに、燃料電池システムの酸化剤ガス加圧供給手段で電力を消費することができる。また、排気流路からの排気流量を調整するように排気流量調整手段を制御すると共に、運転条件を調整して消費電力を調整するように酸化剤ガス加圧供給手段を制御し、燃料電池システムの正味発電量を制御するので、請求項１に係る発明と同様に、例えば車両の減速時などに回生電力が発生したときに、燃料電池システムの酸化剤ガス加圧供給手段で電力を消費することができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、車両減速度要求に応じて車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、圧力調整手段により開口面積を調整することで酸化剤ガス加圧供給手段に供給する酸化剤ガス圧力を調整すると共に、運転条件を調整することで酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力を調整して回生電力を消費するので、車両の減速時に回生電力が発生したときに、燃料電池システムの酸化剤ガス加圧供給手段で電力を消費することができる。また、請求項３に係る発明によれば、電力蓄積手段の充電レベルが高いとき、電力蓄積手段の周辺が低温であるときなど、電力蓄積手段での入力可能電力が小さい場合に、機械ブレーキに頼らず、所望とする減速度が確保することができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、車両減速度要求に応じて車両電動機での回生電力要求値を決定して、この回生電力要求値が電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、排気流量調整手段により開口面積を調整することで排気流量を調整すると共に、酸化剤ガス加圧供給手段の運転条件を調整することで消費電力を調整して回生電力を消費するので、車両の減速時に回生電力が発生したときに、燃料電池システムの酸化剤ガス加圧供給手段で電力を消費することができる。また、請求項４に係る発明によれば、電力蓄積手段の充電レベルが高いとき、電力蓄積手段の周辺が低温であるときなど、電力蓄積手段での入力可能電力が小さい場合に、機械ブレーキに頼らず、所望とする減速度を確保することができる。
【００２１】
請求項５に係る発明によれば、車両電動機の回生電力要求値が、電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合に、酸化剤ガス加圧供給手段の運転条件を調整することで消費電力を増加し、電力蓄積手段の入力可能電力と酸化剤ガス加圧供給手段の消費電力の増加分とに基づいて、車両電動機の回生電力を、上記電力蓄積手段に入力する制御、または上記酸化剤ガス加圧供給手段で消費する制御をするので、車両の減速時に回生電力が発生したときに、燃料電池システムの酸化剤ガス加圧供給手段で電力を消費することができる。また、この請求項５に係る発明によれば、電力蓄積手段での入力可能電力を越えて電力が入力されることを防止する制御が可能となり、電力蓄積手段の劣化の進行を防止することができる。
【００２２】
請求項６に係る発明では、回生電力要求値が電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、回生電力要求値と入力可能電力との差分電力を酸化剤ガス加圧供給手段で消費するための消費電力目標値を決定し、燃料電池を最低出力で運転するために必要となる酸化剤ガス圧力及び流量、並びに上記消費電力目標値に基づいて、消費電力目標値の電力を消費するのに必要な酸化剤ガス加圧供給手段の酸化剤ガス入口におけるガス圧力及びガス密度を求め、求めたガス圧力及びガス密度に基づいて圧力調整手段で調整する開口面積及び酸化剤ガス加圧供給手段の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って動作させるように酸化剤ガス加圧供給手段を制御することにより消費電力を制御するので、電力蓄積手段の入力可能電力が小さいときでも、所望とする減速度を確保することができると共に、純水の回収や燃料電池の安定動作の観点から要求される酸化剤ガス流量及び酸化剤ガス圧力の制限を守りながら酸化剤ガス供給加圧手段での消費電力を大きくすることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明では、回生電力要求値が上記電力蓄積手段の入力可能電力よりも大きい場合には、回生電力要求値と入力可能電力との差分電力を酸化剤ガス加圧供給手段で消費するための消費電力目標値を決定し、燃料電池を最低出力で運転するために必要となる酸化剤ガス圧力及び流量、並びに消費電力目標値に基づいて、消費電力目標値の電力を消費するのに必要な酸化剤ガス加圧供給手段の酸化剤ガス出口におけるガス圧力、ガス流量及び排気流量を求め、求めたガス圧力、ガス流量及び排気流量に基づいて排気流量制御手段で調整する開口面積及び酸化剤ガス加圧供給手段の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って動作させるように酸化剤ガス加圧供給手段を制御することにより消費電力を制御するので、電力蓄積手段の入力可能電力が小さいときでも、所望とする減速度を確保することができると共に、純水の回収や燃料電池の安定動作の観点から要求される空気流量及び空気圧力の制限を守りながら酸化剤ガス加圧供給手段での消費電力を大きくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
［第１実施形態に係る燃料電池システムの構成］
図１に、燃料電池システムを車両に搭載したときの構成を示す。この燃料電池システムは、図１からわかるように、水素含有ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして空気が供給されるとともに、燃料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をする。
【００２６】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１に空気を供給する挿通管で接続された空気絞り弁２、コンプレッサ３、空気圧力制御弁４を備え、更にコンプレッサ３を駆動するコンプレッサモータ５を備える。この燃料電池システムでは、外部からの空気を空気絞り弁２からコンプレッサ３に供給し、コンプレッサ３から指定された流量で燃料電池スタック１に空気を供給し、燃料電池スタック１で使用されずに排出された排空気を空気圧力制御弁４を介して排気する。
【００２７】
この燃料電池システムでは、後述のコントローラ１３からの制御信号が空気絞り弁２及びコンプレッサモータ５に供給されることで、コンプレッサ３から燃料電池スタック１に供給する空気の流量が制御されると共に、空気圧力制御弁４に制御信号が供給されることで燃料電池スタック１に供給する空気圧力が制御される。
【００２８】
また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に燃料ガスを供給する挿通管で接続された燃料タンク６と、燃料圧力制御弁７とを備える。この燃料電池システムでは、コントローラ１３から制御信号が燃料圧力制御弁７に供給されることで燃料圧力制御弁７の開口面積が制御され、燃料タンク６から燃料電池スタック１に供給する燃料ガス圧力が制御される。
【００２９】
更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１で発電した発電電力を取り出す電力制御部８と、燃料電池スタック１で発電した発電電力を蓄える電力貯蔵部９と、この電力貯蔵部９のバッテリ電圧及びバッテリ電流を検出する電流電圧センサ１０と、燃料電池スタック１で発電した発電電力又は電力貯蔵部９の電力により駆動する負荷である駆動モータ１１と、この駆動モータ１１により駆動する車輪１２とを備える。
【００３０】
この燃料電池システムでは、コントローラ１３から電力制御部８に供給された制御信号に従って、燃料電池スタック１で発電した電力を電力制御部８で取り出し、電力制御部８から電力貯蔵部９又は駆動モータ１１に供給する。
【００３１】
更に、この燃料電池システムは、上述した各部を制御するコントローラ１３を備える。コントローラ１３は、例えば内部に格納された電力制御プログラムを読み出し、この電力制御プログラムを実行することで上述の各部を制御する制御信号を生成する。コントローラ１３は、電流電圧センサ１０及び各種センサと接続され、車両運転者による駆動量制御命令であるアクセルの操作量を示すアクセル操作量情報、ブレーキ操作量情報、車両の状態を示す車両速度情報、バッテリ電圧情報、バッテリ電流情報が入力される。
【００３２】
コントローラ１３は、入力された各種情報に基づいて、燃料電池スタック１の目標とする発電電力である目標発電量を演算し、所望する発電量が得られるように、燃料圧力制御弁７に制御信号を出力して燃料電池スタック１に燃料ガスを供給して燃料ガス圧力を調整する制御、コンプレッサモータ５に制御信号を出力して燃料電池スタック１に供給する空気流量を調整する制御、空気絞り弁４に制御信号を出力して空気圧力を調整する制御をすると共に、電力制御部８に制御信号を出力して燃料電池スタック１から取り出す電力量を調整して電力貯蔵部９及び／又は駆動モータ１１に電力を供給する。
【００３３】
また、コントローラ１３は、アクセル操作量情報、車両速度情報に基づいて、駆動モータ１１の駆動量、すなわち要求される負荷を演算し、駆動モータ１１に制御信号を出力して駆動モータ１１の駆動量を制御すると共に、電流電圧センサ１０で検出されたバッテリ電流情報及びバッテリ電圧情報に基づいて、電力貯蔵部９の入出力可能電力、並びに電力貯蔵部９の充電レベル（ＳＯＣ［％］）を演算する。
【００３４】
更に、コントローラ１３は、燃料電池システムの正味発電量を車両で消費する全電力量より小さくするときに、空気絞り弁４での開口面積を調整することで、コンプレッサ３での消費電力量を調整する。
【００３５】
上記正味電力量とは、燃料電池スタック１の発電電力から燃料電池システムを作動させる電力を差し引いて得られる電力量である。すなわち、本例において、上記正味電力量は、燃料電池スタック１で発電され電力制御部８から出力された発電電力から、空気絞り弁２，空気圧力制御弁４及び燃料圧力制御弁７の燃料電池システム補機での消費電力及びコンプレッサ３での消費電力を差し引いた電力であり、電力貯蔵部９、駆動モータ１１又は車両補機（図示せず）で消費される。また、正味電力は、駆動モータ１１及び車両補機での消費電力である、車両で消費する全電力量よりも小さく制御されるときに、コンプレッサ３での消費電力とされる。
【００３６】
「コントローラの機能的な構成」
図２に、コントローラ１３の機能的な構成を示す。このコントローラ１３は、予め内部のメモリなどに各種情報が記憶され燃料ガス及び空気の流量及び圧力を演算する燃料電池流量圧力演算部２１と、電流電圧センサ１０からバッテリ電流情報及びバッテリ電圧情報が入力されるバッテリ入出力電力演算部２２と、図示しない温度センサからバッテリ温度情報が入力されるバッテリ入出力可能電力演算部２３と、アクセル操作量情報及び車両速度情報、ブレーキ操作量情報が入力される要求駆動回生電力演算部２４とを備える。
【００３７】
燃料電池流量圧力演算部２１は、後述の図５に示すようなスタック最低出力電力量情報をメモリから読み出して、燃料電池スタック１を最低出力状態とするときの空気の大気圧に対する目標空気圧力比及び目標空気流量を演算して、目標絞り弁開口面積演算部２６及び目標コンプレッサ回転数演算部２７に出力する。ここで、最低出力状態とは、駆動モータ１１や電力制御部８に供給する必要はないが、燃料電池スタック１の乾き特性上、駆動する必要がある状態にあることをいう。また、燃料電池流量圧力演算部２１は、燃料電池スタック１内の膜乾き防止のため、燃料電池スタック１の発電電力を零とする事がないように目標空気流量を演算する。
【００３８】
バッテリ入出力電力演算部２２は、電流電圧センサ１０からのバッテリ電流情報及びバッテリ電圧情報に基づいて、電力貯蔵部９で現在の入力電力量及び出力電力量を演算してバッテリ実入力電力及びバッテリ実出力電力を得て、バッテリ電力偏差演算部２５に出力する。
【００３９】
バッテリ入出力可能電力演算部２３は、バッテリ電圧、電流より充電レベルが計算され、その充電レベルとバッテリ温度情報に基づいて例えば図４に示すテーブルを参照して、電力貯蔵部９で現在入出力可能な電力量を演算し、電力貯蔵部９の入力可能電力及び出力可能電力を得て、バッテリ電力偏差演算部２５に出力する。
【００４０】
要求駆動回生電力演算部２４は、後述の図６に示す車両速度、アクセル操作量に対する駆動トルクを内部のメモリに格納しており、アクセル操作量情報、車両速度情報及びブレーキ操作量情報に基づいて、現在の車両の運転状態に基づいて駆動モータ１１で回生すべき回生電力を演算する。目標トルク演算部２８では、回生すべき回生電力である要求回生電力に従って駆動モータ１１の目標トルクを演算し、これを駆動モータ１１に指示する。これにより、駆動モータ１１は指示された目標トルクとなるように制御される。
【００４１】
更に、このコントローラ１３は、バッテリ電力偏差演算部２５と、目標絞り弁開口面積演算部２６と、目標コンプレッサ回転数演算部２７とを備える。
【００４２】
バッテリ電力偏差演算部２５は、実際に電力貯蔵部９に入力されている電力と電力貯蔵部９の入力可能電力との大小比較をし、比較結果を目標絞り弁開口面積演算部２６及び目標コンプレッサ回転数演算部２７に出力する。
【００４３】
目標絞り弁開口面積演算部２６は、バッテリ電力偏差演算部２５からの比較結果、燃料電池流量圧力演算部２１からの目標圧力比及び目標空気流量に基づいて、空気絞り弁２での開口面積を演算して、演算して得た開口面積とする制御信号を空気絞り弁２に出力する。
【００４４】
目標コンプレッサ回転数演算部２７は、図示しない流量センサと、目標空気流量からの比較結果、燃料電池流量圧力演算部２１からの目標圧力比及び目標空気流量に基づいて、コンプレッサ３での回転数を演算して得た回転数で駆動するようにコンプレッサモータ５に制御信号を出力する。
【００４５】
［コントローラによる電力制御処理］
図３に、コントローラ１３による電力制御処理について説明する。図３によれば、先ず、ステップＳ１では、温度センサ及び電流電圧センサ１０からバッテリ温度情報、バッテリ電流情報及びバッテリ電圧情報を検出してステップＳ２に処理を進める。
【００４６】
ステップＳ２では、ステップＳ１で入力したバッテリ電流情報及びバッテリ電圧情報に基づいて、バッテリ入出力可能電力演算部２３により電力貯蔵部９の充電レベル（ＳＯＣ）を演算して、ステップＳ３に処理を進める。
【００４７】
ステップＳ３では、ステップＳ１で入力したバッテリ温度とステップＳ２で演算して得た充電レベルとの関係を利用して、電力貯蔵部９の入力可能電力及び出力可能電力をバッテリ入出力可能電力演算部２３により演算して、ステップＳ４に処理を進める。このとき、バッテリ入出力可能電力演算部２３は、図４に示すような充電レベル（ＳＯＣ）とバッテリ温度と入力可能電力及び出力可能電力との関係を記述したテーブルを保持しており、入力された情報に基づいて入力可能電力及び出力可能電力を演算する。
【００４８】
ステップＳ４では、燃料電池スタック１が最低出力状態となっているときに必要な空気流量及び空気圧力を燃料電池流量圧力演算部２１により読み出してステップＳ５に処理を進める。このとき、燃料電池流量圧力演算部２１は、図５に示すような燃料電池スタック１の出力［％］、空気圧力及び空気流量の関係を記述したテーブルを保持しており、最低出力状態時の出力に応じた空気圧力値及び空気流量値を読み出す。
【００４９】
ステップＳ５では、要求される回生電力（回生電力要求値）を演算するために、アクセル操作量情報及び車両速度情報、ブレーキ操作情報などを得て、ステップＳ６に処理を進める。
【００５０】
ステップＳ６では、ステップＳ５で入力したアクセル操作量情報及び車両速度情報に基づいて、車両が要求する負荷（駆動トルク）を認識して、要求される回生電力を要求駆動回生電力演算部２４により演算してステップＳ７に処理を進める。このとき、要求駆動回生電力演算部２４は、図６に示すように、車両の速度、アクセル操作量に応じた駆動トルクを示すテーブルを備え、車両速度及びアクセル操作量に応じた駆動トルク値を得る。本例の要求駆動回生電力演算部２４は、図６に示すような特性より、車両速度が大きく、アクセル操作量が小さいときに駆動モータ１１の駆動トルクが負の値となり、マイナスとなっている駆動トルク分の電力量が回生電力となる。
【００５１】
ステップＳ７では、ステップＳ１で検出したバッテリ電流及びバッテリ電圧に基づいて、バッテリ入出力電力演算部２２によりバッテリ実入力電力及びバッテリ実出力電力を演算して、ステップＳ８に処理を進める。
【００５２】
ステップＳ８では、ステップＳ３で演算して得た入力可能電力とステップＳ７で演算して得たバッテリ実入力電力との大小比較をバッテリ電力偏差演算部２５により行う。入力可能電力がバッテリ実入力電力より大きいときにはステップＳ９に処理を進め、入力可能電力がバッテリ実入力電力より大きくないときにはステップＳ１０に処理を進める。
【００５３】
ステップＳ９では、コンプレッサ３の回転数の変化量を示す目標コンプレッサ回転数補正量、及び空気絞り弁２の開口面積の変化量を示す目標絞り弁開口面積補正量をともに「０」に設定してステップＳ１１に処理を進める。すなわち、この場合では、空気絞り弁２の開口面積及びコンプレッサ３での回転数を変化させない。
【００５４】
一方、ステップＳ１０では、下記の式１に従って目標コンプレッサ回転数補正量を演算すると共に、下記の式２に従って目標絞り弁開口面積補正量を演算をして、ステップＳ１１に処理を進める。
【００５５】
Ｋｐ１×ΔＱ＋∫（Ｋｉ１×ΔＱ）ｄｔ  （式１）
Ｋｐ１：比例ゲイン
ΔＱ：目標とする空気流量−実際の空気流量
Ｋｉ１：積分ゲイン
Ｋｐ２×ΔＰ＋∫（Ｋｉ２×ΔＰ）ｄｔ  （式２）
Ｋｐ２：比例ゲイン
ΔＰ：実際のバッテリ入力電力−バッテリ入力可能電力
Ｋｉ２：積分ゲイン
ここで、Ｋｐ１、Ｋｉ１は正の値であり、Ｋｐ２、Ｋｉ２は負の値であり、上記式１及び式２からわかるように、目標コンプレッサ回転数補正値はΔＱが大きいほど増加し、目標絞り弁開口面積補正値はΔＰが大きいほど減少するように制御される。
【００５６】
コントローラ１３は、ステップＳ３で計算したバッテリ入力可能電力から、ステップＳ７で計算したバッテリ入力電力を減算した差分電力ΔＰだけ目標コンプレッサ消費電力を増加させるような目標コンプレッサ回転数補正量及び目標絞り弁開口面積補正量を演算して、ステップＳ１１に処理を進める。
【００５７】
ステップＳ１１では、目標コンプレッサ回転数演算部２７は、ステップＳ４で演算して得た燃料電池スタック１の最低出力状態時に必要な空気流量及び空気圧力に基づいて目標コンプレッサ回転数の基本値を図７に示すマップにより演算し、目標コンプレッサ回転数補正量との和から目標コンプレッサ回転数を計算し、計算して得た目標コンプレッサ回転数とするようにコンプレッサモータ５に制御信号を出力する。
【００５８】
また、目標絞り弁開口面積演算部２６は、空気絞り弁２を全開状態にしているときの値と、目標絞り弁開口面積補正値との和として空気絞り弁２の開口面積を計算して、計算して得た開口面積とするように空気絞り弁２に制御信号を出力する。
【００５９】
［第１実施形態の効果］
このような処理を行うコントローラ１３を備えた燃料電池システムによれば、図８（ｂ）に示すように車両の走行速度が時間と共に減速して、図８（ａ）に示すように駆動モータ１１による回生が継続し、時刻Ｔ１で入力可能電力が回生電力よりも小さくなる。すると、空気絞り弁２の開口面積を小さくし（図８（ｅ））、コンプレッサ３の回転数を大きくすることでコンプレッサ３の消費電力を大きくすることで、回生電力をコンプレッサ３により消費するのを開始する（図８（ｄ）、（ｆ））。そして、図８（ｃ）に示す充電レベルが時刻Ｔ２において最高レベルとなった後、すなわち入力可能電力が「０」になっても、空気絞り弁２の開口面積を減少させコンプレッサ３の上流圧力を負圧にすることで、コンプレッサ３の消費電力を増やし、駆動モータ１１からの回生電力を吸収することができる。
【００６０】
これは、コンプレッサ３の全断熱仕事Ｐcompが以下の式で表されることによる。
【００６１】
Ｐcomp＝｛κ/（κ-1）｝×Q×R×Tin×[{（Pout／Pin）（κ−１／κ）}-1]
κ：比熱比
Ｑ：空気流量［ｋｇ／ｓ］
Ｒ：ガス定数
Ｔin：コンプレッサ入口空気温度［Ｋ］
Ｐout：コンプレッサ出口空気圧力［Ｐａ］
Ｐin：コンプレッサ入口空気圧力［Ｐａ］
すなわち、燃料電池スタック１の空気極の圧力（コンプレッサ出口圧力）及び  空気流量は最低出力確保のために所定値以上とするが、空気絞り弁２の開口面積を小さくしたことによりコンプレッサ入口圧力が低下し、Ｐout／Ｐinの値が増加することによる。そして、このＰout／Ｐinの値にコンプレッサ３の全断熱効率及びコンプレッサモータ５の効率で除算した値が実際のコンプレッサ３の消費電力となる。
【００６２】
また、この燃料電池システムによれば、要求される回生電力を演算して、この要求された回生電力がバッテリ入力可能電力よりも大きい場合には、空気絞り弁２の開口面積を調整することでコンプレッサ３に供給する空気圧力を調整すると共に、コンプレッサ３の運転条件を調整することで消費電力を調整して回生電力を消費するので、電力蓄積部９の充電レベルが高いとき、電力蓄積部９の周辺が低温であるときなど、電力蓄積部９での入力可能電力が小さい場合に、機械ブレーキに頼らず、所望とする減速度を確保することができる。
【００６３】
更に、燃料電池システムによれば、要求される回生電力が、バッテリ入力可能電力よりも大きい場合に、コンプレッサ３の運転条件を調整することで消費電力を増加し、バッテリ入力可能電力とコンプレッサ３の消費電力の増加分とに基づいて、回生電力を電力蓄積部９に入力する制御、またはコンプレッサ３で消費する制御をすることもできる。
【００６４】
したがって、この燃料電池システムによれば、車両の減速時に回生電力が発生したときに、バッテリ入力可能電力を越えて電力が電力蓄積部９に入力されることを防止する制御が可能となり、電力蓄積部９の劣化の進行を防止することができる。
【００６５】
更にまた、燃料電池システムでは、要求される回生電力がバッテリ入力可能電力よりも大きい場合には、回生電力とバッテリ入力可能電力との差分電力をコンプレッサ３で消費するための目標コンプレッサ回転数を決定し、燃料電池スタック１を最低出力で運転するために必要となる空気圧力及び流量、並びに目標コンプレッサ回転数に基づいて、目標コンプレッサ回転数の電力を消費するのに必要なコンプレッサ３の空気入口におけるガス圧力及びガス密度を求め、求めたガス圧力及びガス密度に基づいて空気絞り弁２の開口面積及びコンプレッサ３の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って動作させるようにコンプレッサ３を制御することにより消費電力を制御することができる。
【００６６】
したがって、この燃料電池システムによれば、バッテリ入力可能電力が小さいときでも、所望とする減速度を確保することができると共に、純水の回収や燃料電池の安定動作の観点から要求される空気流量及び空気圧力の制限を守りながらコンプレッサ３での消費電力を大きくすることができる。
【００６７】
［第２実施形態に係る燃料電池システム］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を図９に示す。なお、上述の燃料電池システムと同じ部分については同符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００６８】
この燃料電池システムは、燃料圧力制御弁７と燃料電池スタック１との間及びコンプレッサ３と燃料電池スタック１との間に加湿器３１を設けると共に、空気圧力制御弁４からの排空気から水分を回収する水回収装置３２を設け、水回収装置３２と加湿器３１との間に水循環経路を設けている点で図１に示す燃料電池システムと異なる。
【００６９】
このように構成された燃料電池システムでは、コンプレッサ３から燃料電池スタック１に供給される空気及び燃料タンク６から燃料圧力制御弁７を介して燃料電池スタック１に供給される燃料ガスを加湿器３１により加湿し、燃料電池スタック１の発電の際に生成される水と加湿器３１で加湿に使用した水を水回収装置３２により回収する。そして、水回収装置３２は回収した水を再度加湿器３１に供給し、空気及び燃料ガスの加湿に使用する。
【００７０】
「コントローラの機能的な構成」
図１０に、コントローラ１３の機能的な構成を示す。第２実施形態に係るコントローラ１３では、目標コンプレッサ消費電力演算部４１、目標絞り弁下流空気密度演算部４２、目標絞り弁開口面積演算部４３、目標コンプレッサ回転数演算部４４を備える点で第１実施形態のコントローラ１３と異なる。
【００７１】
目標コンプレッサ消費電力演算部４１は、バッテリ入出力可能電力演算部２２からの入力可能電力、要求駆動回生電力演算部２４の要求負荷電力に基づいて、コンプレッサ３が消費する電力量の目標値である目標コンプレッサ消費電力を演算して、目標絞り弁下流空気密度演算部４２に出力する。
【００７２】
目標絞り弁下流空気密度演算部４２は、燃料電池流量圧力演算部２１からの目標圧力比、目標流量並びに目標コンプレッサ消費電力に基づいて、空気絞り弁２の下流位置での空気密度を示す目標絞り弁下流空気密度を演算して、目標絞り弁開口面積演算部４３及び目標コンプレッサ回転数演算部４４に出力する。
【００７３】
目標絞り弁開口面積演算部４３は、目標絞り弁下流空気密度を実現するように空気絞り弁２の開口面積を調整するための目標絞り弁開口面積を演算して、制御信号として空気絞り弁２に出力する。
【００７４】
目標コンプレッサ回転数演算部４４は、目標圧力比、目標絞り弁下流空気密度での目標流量を実現するコンプレッサ３の回転数とするための制御信号を生成してコンプレッサモータ５に出力する。
【００７５】
［コントローラによる電力制御処理］
図１１に第２実施形態におけるコントローラ１３の処理手順を示す。図１１にれば、ステップＳ２１〜ステップＳ２６までは上述の第１実施形態のステップＳ１〜ステップＳ６と同じ処理であるので説明を省略する。
【００７６】
ステップＳ２７では、上述の入力可能電力がステップＳ２６で演算された目標回生電力以上であるか否かの判定を目標コンプレッサ消費電力演算部４１により行う。入力可能電力が目標回生電力以上であるときには処理をステップＳ２８に進め、入力可能電力がステップＳ１６で演算された目標回生電力以上でないときには処理をステップＳ２９に進める。
【００７７】
ステップＳ２８では、ステップＳ２４で演算された燃料電池スタック１の最低出力状態において必要となる空気流量及び空気圧力に応じて目標コンプレッサ回転数を目標コンプレッサ回転数演算部４４により演算すると共に、目標絞り弁開口面積を全開相当とするように目標絞り弁開口面積演算部４３から空気絞り弁２に制御信号を出力して処理を終了する。
【００７８】
一方、ステップＳ２９では、目標コンプレッサ消費電力演算部４１で目標回生電力と入力可能電力との電力差を目標コンプレッサ消費電力として演算して、ステップＳ３０に処理を進める。
【００７９】
ステップＳ３０では、ステップＳ２９で演算された目標コンプレッサ消費電力とステップＳ２４で演算された燃料電池スタック１の最低出力状態において必要となる空気流量に基づいて、目標コンプレッサ消費電力を実現するのに必要な目標圧力比を演算して、ステップＳ３１に処理を進める。このとき、コントローラ１３は、図１２（ａ）に示すコンプレッサ３の消費電力、空気流量、圧力比の関係を記述したマップを参照して目標圧力比を求める。
【００８０】
ステップＳ３１では、ステップＳ２４で演算された最低出力状態において必要な空気圧力ｔＰをステップＳ２９で演算された目標圧力比で除算し、目標コンプレッサ入口圧力（空気密度）Ｐinを目標絞り弁下流空気密度演算部４２により演算して、ステップＳ３２に処理を進める。
【００８１】
ステップＳ３２では、ステップＳ３１で演算された目標コンプレッサ入口圧力Ｐinと、大気圧Ｐａ並びにステップＳ２４で演算された最低出力状態において必要な空気流量に基づいて、目標絞り弁開口面積演算部４３により目標絞り弁開口面積Ａを演算して、ステップＳ３３に処理を進める。このとき、目標絞り弁開口面積演算部４３は、下記の式４，式５を用いて、式３により目標絞り弁開口面積Ａを求める。
【００８２】
Ａ＝Ｑ（ρath＊Ｖath）        （式３）
ρath＝ρin・（Ｐin／Ｐa）（１／κa）    （式４）
Ｖath＝[(2・κa/κa-1)(Ｐa/ρa){1-（Ｐin／Ｐa)(κa-1/κa)}]1/2    （式５）
Ｐa：大気圧
Ｐa：比熱比
ステップＳ３３では、ステップＳ３１で演算された目標コンプレッサ入口圧力Ｐinと、ステップＳ２４で演算された最低出力状態において必要な空気流量から、目標コンプレッサ体積流量Ｑcompを演算して、ステップＳ３４に処理を進める。このとき、下記式６を用いる。
【００８３】
Ｑcomp＝ｔＱ／（Ｐin／Ｔa／Ｒa）      （式６）
Ｔa：大気温度
Ｒa：ガス定数（空気）
ステップＳ３４では、ステップＳ３３で演算した目標コンプレッサ体積流量ＱcompとステップＳ３０で演算した目標圧力比に基づいて、図１２（ｂ）に示すコンプレッサ回転速度と空気流量との関係を利用して目標コンプレッサ回転数演算部４４により目標コンプレッサ回転数を演算して処理を終了する。
【００８４】
［第２実施形態の効果］
このような処理を行うコントローラ１３を備えた燃料電池システムによれば、図１３（ｂ）に示すように車両の走行速度が時間と共に減速して、図１３（ａ）に示すように駆動モータ１１による回生が継続し、時刻Ｔ１で入力可能電力が回生電力よりも小さくなる。すると、空気絞り弁２の開口面積を小さく（図１３（ｅ））、コンプレッサ３の回転数を大きくすることで消費電力を大きくして回生電力をコンプレッサ３で消費し始める（図１３（ｄ）、（ｆ））。そして、図１３（ｃ）に示す充電レベルが時刻Ｔ２において最高レベルとなった後、すなわち入力可能電力が「０」になっても、空気絞り弁２の開口面積を減少させコンプレッサ３の上流圧力を負圧にすることで、コンプレッサ３の消費電力を増やし、駆動モータ１１からの回生電力を吸収することができる。また、この燃料電池システムによれば、水回収や圧力制御の観点から決定される空気流量と圧力の目標を精度良く行うことができる。すなわちこの燃料電池システムによれば、電力貯蔵部９の入力可能電力が小さいときでも、所望とする減速度を確保することができると共に、純水の回収や燃料電池スタック１の安定動作の観点から要求される空気流量及び空気圧力の制限を守りながらコンプレッサ３での消費電力を大きくすることができる。
【００８５】
また、上述したシステムによれば、要求される回生電力に基づいて、電力貯蔵部９の入力可能電圧とコンプレッサ３の消費電力とに分担する一例について説明したが、逆にコンプレッサ３の消費可能な電力の最大値と電力貯蔵部９の入力可能電圧に基づいて目標とする回生電力を決定しても良い。
【００８６】
ここで、燃料電池スタック１を発電させるに際して、燃料電池スタック１の発電電力を安定して確保するために、燃料ガス圧力と空気圧力との圧力差を所定値以上にしないことが必要となる。また、加湿に要する水を外部から供給せずに内部で生成するときには、排空気と共に外部に排出される水、すなわち、燃料電池スタック１の生成水、又は加湿した供給ガスに含まれる水分を回収する必要がある。多くの水を回収するためには、水回収装置３２の性能にも依存するが、通常、燃料電池スタック１の発電出力が一定であれば小ストイキ比とすることが望ましい。ストイキ比とは空気と燃料ガスとで別に定義され、空気ストイキ比は供給空気流量を消費空気流量で除算した値で表され、水素ストイキ比は供給水素流量を消費水素流量で除算した値で表される。そして、小ストイキ比になるということは供給ガス量が少ない、すなわち加湿に要する水が少なくなり、排空気に混入する水が少なくなることである。駆動モータ１１の回生時に電力貯蔵部９で充電できない電力量をコンプレッサ３で消費するとした場合、コンプレッサ３の回転数を増加させるために、空気流量及び／又は空気圧力を増加させる制御をするが、空気流量を増やすと高ストイキ比となり水回収の観点からは不利となる。また、空気圧力を増加させるということは、燃料ガスと空気圧力を所定値以上にしないという観点から、燃料ガスの圧力制御にも関わることになり、空気だけで行って良いことではない。
【００８７】
したがって、上述の第２実施形態に係る燃料電池システムでは、図１２（ａ）を参照して説明したように、空気流量、空気圧力比、消費電力の関係を記述したテーブルを参照して目標圧力比を決定するので、燃料ガスとの圧力差を大きくすることなく、水回収、燃料電池スタック１の安定動作を考慮してコンプレッサ３の消費電力を制御することができる。
【００８８】
［第３実施形態に係る燃料電池システム］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を図１４に示す。なお、上述の燃料電池システムと同じ部分については同符号を付することでその詳細な説明を省略する。
【００８９】
この燃料電池システムは、コンプレッサ３と燃料電池スタック１とを挿通する挿通管から分岐してコンプレッサ３で加圧させた空気を外部に排気する排気流路を設け、空気絞り弁２に代えて、排気流路に排気絞り弁５１を設けた点で図１に示す燃料電池システムと異なる。
【００９０】
排気絞り弁５１は、コントローラ１３と接続され、コントローラ１３からの制御信号に応じてその開口面積が調整され、排気する空気流量を調整する。
【００９１】
この第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、コントローラ１３は、空気絞り弁２に代えて排気絞り弁５１を制御する点を除いて、第１実施形態に係る燃料電池システムで説明した機能的な構成と同様であるので説明を省略する。
【００９２】
［コントローラによる電力制御処理］
図１５に第３実施形態におけるコントローラ１３の処理手順を示す。図１５にれば、ステップＳ４１〜ステップＳ４８までは上述の第１実施形態のステップＳ１〜ステップＳ８と同じ処理であるので説明を省略する。
【００９３】
ステップＳ４８での判定でバッテリ入力可能電力がバッテリ入力電力よりも大きいと判定されたステップＳ４９において、コントローラ１３は、コンプレッサ３の回転数補正量を示す目標コンプレッサ回転数補正量及び排気絞り弁５１の開口面積を示す目標絞り弁開口面積を共に「０」に設定して、ステップＳ５１に処理を進める。すなわち、このステップＳ４９では排気絞り弁５１を全閉状態にし、コンプレッサ３の回転数に補正を加えない設定をする。
【００９４】
一方、ステップＳ４８での判定でバッテリ入力可能電力がバッテリ入力電力よりも大きくないと判定されたステップＳ５０において、コントローラ１３は、燃料電池スタック１に供給する空気圧力及び空気流量をステップＳ４４で求めた値に維持するようにコンプレッサ３及び排気絞り弁５１を制御した状態にする。この状態においてコントローラ１３は、ステップＳ４３で計算したバッテリ入力可能電力から、ステップＳ４７で計算したバッテリ入力電力を減算した差分電力ΔＰだけ目標コンプレッサ消費電力を増加させるような目標コンプレッサ回転数補正量及び目標絞り弁開口面積補正量を演算して、ステップＳ５１に処理を進める。
【００９５】
なお、このステップＳ５０で演算して得た目標コンプレッサ回転数補正量及び目標絞り弁開口面積補正量は、空気流路のモデルに基づく演算式で求めて良く、ステップＳ４４で求めた燃料電池スタック１に供給する空気圧力及び空気流量と、差分電力ΔＰとを対応づけたマップを検索することで求めても良い。
【００９６】
ステップＳ５１において、コントローラ１３の目標コンプレッサ回転数演算部２７は、ステップＳ４４で求めた燃料電池スタック１の空気圧力及び空気流量に基づいて目標コンプレッサ回転数の基本値を図７に示すマップにより演算し、ステップＳ５０で求めた目標コンプレッサ回転数補正量との和から目標コンプレッサ回転数を計算し、計算して得た目標コンプレッサ回転数とするようにコンプレッサモータ５に制御信号を出力する。
【００９７】
また、コントローラ１３の目標絞り弁開口面積演算部２６は、排気絞り弁５１を全閉状態にしているとき、すなわち絞り弁開口面積の基本値が「０」であるときにステップＳ５０で求めた目標絞り弁開口面積補正値を加算して目標絞り弁開口面積を決定し、排気絞り弁５１に出力する。
【００９８】
［第３実施形態の効果］
このような処理をするコントローラ１３を備えた燃料電池システムによれば、排気絞り弁５１の開口面積を制御してコンプレッサ３での消費電力を制御することができるので、第１実施形態と同様に、コンプレッサ３の消費電力を増やし、駆動モータ１１からの回生電力を吸収することができる。
【００９９】
これは、コンプレッサ３の断熱仕事Ｐcompが以下の式で表されることによる。
【０１００】
Ｐcomp＝｛κ/（κ-1）｝×Q×R×Tin×[{（Pout-Pin）（κ−１／κ）}-1]
κ：比熱比
Ｑ：空気流量［ｋｇ／ｓ］
Ｒ：ガス定数
Ｔin：コンプレッサ入口空気温度［Ｋ］
Ｐout：コンプレッサ出口空気圧力［Ｐａ］
Ｐin：コンプレッサ入口空気圧力［Ｐａ］
すなわち、コンプレッサ３の空気吐出流量を増加させることにより、コンプレッサ３の断熱仕事Ｐcompを比例的に増加させることができることに基づくものである。
【０１０１】
また、この燃料電池システムによれば、車両の減速時に要求される回生電力を演算して、この要求される回生電力がバッテリ入力可能電力よりも大きい場合には、排気絞り弁５１の開口面積を調整することで排気流量を調整すると共に、コンプレッサ３のの運転条件を調整することで消費電力を調整して回生電力を消費するので、電力蓄積部９の充電レベルが高いとき、電力蓄積部９の周辺が低温であるときなど、バッテリ入力可能電力が小さい場合に、機械ブレーキに頼らず、所望とする減速度を確保することができる。
【０１０２】
更に、燃料電池システムによれば、要求される回生電力が、バッテリ入力可能電力よりも大きい場合に、コンプレッサ３の運転条件を調整することで消費電力を増加し、バッテリ入力可能電力とコンプレッサ３の消費電力の増加分とに基づいて、回生電力を電力蓄積部９に入力する制御、またはコンプレッサ３で消費する制御をすることもできる。
【０１０３】
したがって、この燃料電池システムによれば、車両の減速時に回生電力が発生したときに、バッテリ入力可能電力を越えて電力が電力蓄積部９に入力されることを防止する制御が可能となり、電力蓄積部９の劣化の進行を防止することができる。
【０１０４】
更にまた、燃料電池システムによれば、回生電力がバッテリ入力可能電力よりも大きい場合には、回生電力とバッテリ入力可能電力との差分電力をコンプレッサ３で消費するための目標コンプレッサ回転数を決定し、燃料電池スタック１を最低出力で運転するために必要となる空気圧力及び流量、並びに目標コンプレッサ回転数に基づいて、目標コンプレッサ回転数の電力を消費するのに必要なコンプレッサ３の空気出口における空気圧力、空気流量及び排気流量を求め、求めた空気圧力、空気流量及び排気流量に基づいて排気絞り弁５１の開口面積及びコンプレッサ３の運転条件を決定し、決定した運転条件に従って動作させるようにコンプレッサ３を制御することにより消費電力を制御することができる。
【０１０５】
したがって、この燃料電池システムによれば、バッテリ入力可能電力が小さいときでも、所望とする減速度を確保することができると共に、純水の回収や燃料電池の安定動作の観点から要求される空気流量及び空気圧力の制限を守りながらコンプレッサ３での消費電力を大きくすることができる。
【０１０６】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】コントローラの機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】コントローラによりコンプレッサの回転数、空気絞り弁の開口面積を決定するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図４】充電レベル（ＳＯＣ）と入力可能電力及び出力可能電力との関係を温度ごとに示す図である。
【図５】燃料電池スタックの発電電力と、空気圧力及び空気流量との関係を示す図である。
【図６】車両の速度と、駆動トルクとの関係をアクセル操作量ごとに示す図である。
【図７】コンプレッサの回転速度と、空気流量との関係を示す図である。
【図８】第１実施形態における効果を説明するための図であり、（ａ）は回生電力と入力可能電力との関係を示す図であり、（ｂ）は車両の速度の変化を示す図であり、（ｃ）は充電レベルの変化を示す図であり、（ｄ）はコンプレッサの消費電力を示す図であり、（ｅ）は空気絞り弁の開口面積の変化を示す図であり、（ｆ）はコンプレッサの回転数の変化を示す図である。
【図９】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１０】コントローラの機能的な構成を示すブロック図である。
【図１１】コントローラによりコンプレッサの回転数、空気絞り弁の開口面積を決定するときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】コンプレッサの回転数を決定するときの処理について説明するための図である。
【図１３】第２実施形態における効果を説明するための図であり、（ａ）は回生電力と入力可能電力との関係を示す図であり、（ｂ）は車両の速度の変化を示す図であり、（ｃ）は充電レベルの変化を示す図であり、（ｄ）はコンプレッサの消費電力及び燃料電池スタックの発電電力を示す図であり、（ｅ）は空気絞り弁の開口面積、燃料電池スタックの空気極の圧力及びコンプレッサの入口圧力の変化を示す図であり、（ｆ）はコンプレッサの回転数及びコンプレッサの吐出質量流量の変化を示す図である。
【図１４】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１５】コントローラによりコンプレッサの回転数、排気絞り弁の開口面積を決定するときの処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  空気絞り弁
３  コンプレッサ
４  空気圧力制御弁
５  コンプレッサモータ
６  燃料タンク
７  燃料圧力制御弁
８  電力制御部
９  電力貯蔵部
１０  電流電圧センサ
１１  駆動モータ
１２  車輪
１３  コントローラ
２１  燃料電池流量圧力演算部
２２  バッテリ入出力電力演算部
２３  バッテリ入出力可能電力演算部
２４  要求回生電力演算部
２５  バッテリ電力偏差演算部
２６  目標絞り弁開口面積演算部
２７  目標コンプレッサ回転数演算部
３１  加湿器
３２  コンプレッサ
４１  目標コンプレッサ消費電力演算部
４２  目標絞り弁下流空気密度演算部
４３  目標絞り弁開口面積演算部
４４  目標コンプレッサ回転数演算部
５１  排気絞り弁
【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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