(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、
前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を調節する調圧弁と、
前記燃料電池の負荷と前記燃料電池システムの熱保護要求とを考慮して、前記燃料電池に供給するカソードガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、
前記燃料電池の負荷と前記カソードガスの目標圧力とに応じて、前記燃料電池に供給するカソードガスの目標流量を算出する目標流量算出手段と、
前記カソードガスの目標圧力及び目標流量に応じて、前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御する制御手段と、
を備え、
前記目標流量算出手段は、
前記カソードガスの目標圧力が低いときほど、前記カソードガスの目標流量を多くする、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記目標流量算出手段は、
前記燃料電池内の温度が高いときほど、前記カソードガスの目標流量を多くする、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記目標圧力算出手段は、
前記燃料電池の負荷に基づいて、前記燃料電池内の酸素分圧を所定以上に保持するために必要なカソードガスの圧力を燃料電池要求圧力として算出する燃料電池要求圧力算出手段と、
前記燃料電池システムの熱保護要求に基づいて、前記カソードガスの目標圧力の上限値を設定する上限値設定手段と、
を備え、
前記燃料電池要求圧力と前記上限値との小さいほうを前記カソードガスの目標圧力として算出する、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記上限値設定手段は、
前記コンプレッサの出口温度が、前記コンプレッサを保護するための所定温度以上とならないように、前記上限値を設定する、
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記上限値設定手段は、
前記コンプレッサと前記燃料電池との間の温度が、前記コンプレッサの下流部品を保護するための所定温度以上とならないように、前記上限値を設定する、
請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
アノードガス及びカソードガスが供給される燃料電池と、
前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、
前記燃料電池に供給するカソードガスの圧力を調節する調圧弁と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の負荷と前記燃料電池システムの熱保護要求とを考慮して、前記燃料電池に供給するカソードガスの目標圧力を算出する目標圧力算出工程と、
前記燃料電池の負荷と前記カソードガスの目標圧力とに応じて、前記燃料電池に供給するカソードガスの目標流量を算出し、前記カソードガスの目標圧力が低いときほど、前記カソードガスの目標流量を多くする目標流量算出工程と、
前記カソードガスの目標圧力及び目標流量に応じて、前記コンプレッサ及び前記調圧弁を制御する制御工程と、
を備える燃料電池システムの制御方法。
【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及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２０１２−００３９５７Ａには、従来の燃料電池システムとして、カソードガス供給通路に設けたコンプレッサによってカソードガスの流量を制御し、カソードガス排出通路に設けた調圧弁によってカソードガスの圧力を制御するものが記載されている。
【発明の概要】
【０００３】
通常、カソードガスの圧力及び流量は、燃料電池スタックから目標出力電流を取り出しても、燃料電池スタック内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回らないように、目標出力電流に応じてそれぞれ個別に算出された目標値に制御される。
【０００４】
しかしながら、燃料電池システムの熱保護のために、一時的にカソードガスの圧力を低下させて、コンプレッサ下流の温度を低下させなければならない場合がある。そうすると、上記のように、カソードガスの圧力及び流量を、目標出力電流に応じてそれぞれ個別に算出された目標値に制御していると、以下のような問題点が生じることがわかった。
【０００５】
すなわち、燃料電池システムの熱保護のためにカソードガスの圧力が目標出力電流に応じて算出される目標値より小さい目標値に制御されても、カソードガスの流量は目標出力電流に応じて算出される目標値に制御されるため、燃料電池スタック内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回るおそれがある。
【０００６】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池スタック内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回るのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムが提供される。そして、その燃料電池システムが、燃料電池に供給するカソードガスの流量を調節するコンプレッサと、燃料電池に供給するカソードガスの圧力を調節する調圧弁と、燃料電池の負荷と燃料電池システムの熱保護要求とを考慮して、燃料電池に供給するカソードガスの目標圧力を算出する目標圧力算出手段と、燃料電池の負荷とカソードガスの目標圧力とに応じて、燃料電池に供給するカソードガスの目標流量を算出する目標流量算出手段と、カソードガスの目標圧力及び目標流量に応じて、コンプレッサ及び調圧弁を制御する制御手段と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態によるカソード系の制御について説明する制御ブロック図である。
【図３】図３は、スタック要求ＷＲＤ入口圧力を算出するマップである。
【図４】図４は、スタック要求供給流量を算出するマップである。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態によるカソード系の制御の動作について説明するタイムチャートである。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態によるスタック要求供給流量算出部を示す制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１１】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１２】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１３】
燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１４】
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００１５】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ４と、を備える。
【００１６】
燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。
【００１７】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、カソードコンプレッサ２４と、インタークーラ２５と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２６と、カソード調圧弁２７と、エアフローセンサ４１と、温度センサ４２と、圧力センサ４３と、を備える。
【００１８】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００１９】
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、カソードガスと、電極反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
【００２０】
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００２１】
カソードコンプレッサ２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２４は、フィルタ２３を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。カソードコンプレッサ２４は、コンプレッサ駆動用モータ２４１によって駆動される。コンプレッサ駆動用モータ２４１には、燃料電池スタック１から供給される直流電力を交流電力に変換するコンプレッサ駆動用インバータ２４２が接続される。コンプレッサ駆動用インバータ２４２をコントローラによって制御することで、コンプレッサ駆動用モータ２４１、ひいてはカソードコンプレッサ２４が制御される。
【００２２】
インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４よりも下流のカソードガス供給通路２１に設けられる。インタークーラ２５は、カソードコンプレッサ２４から吐出されたカソードガスを冷却する。
【００２３】
ＷＲＤ２６は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２２のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。
【００２４】
カソード調圧弁２７は、ＷＲＤ２６よりも下流のカソードガス排出通路２２に設けられる。カソード調圧弁２７は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００２５】
エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。エアフローセンサ４１は、カソードコンプレッサ２４に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック供給流量」という。）を検出する。
【００２６】
温度センサ４２は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。温度センサ４２は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の温度（以下「ＷＲＤ入口温度」という。）を検出する。
【００２７】
圧力センサ４３は、インタークーラ２５とＷＲＤ２６との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。圧力センサ４３は、ＷＲＤ２６のカソードガス入口側の圧力（以下「ＷＲＤ入口圧力」という。）を検出する。
【００２８】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２２に排出する。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。
【００２９】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００３０】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
【００３１】
アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３４は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００３２】
アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２２に接続される。
【００３３】
アノードガス排出通路３４を介してカソードガス排出通路２２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２２内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガス（水素）が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。
【００３４】
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ４によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４からカソードガス排出通路２２に排出するアノードオフガスの流量を制御する。
【００３５】
コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ４には、前述したエアフローセンサ４１や温度センサ４２、圧力センサ４３の他にも、燃料電池スタック１から取り出される電流（出力電流）を検出する電流センサ４４や、燃料電池スタック１の出力電圧を検出する電圧センサ４５、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の温度（以下「冷却水温」という。）を検出する水温センサ４６、カソードコンプレッサ２４の回転速度を検出する回転速度センサ４７、大気圧を検出する大気圧センサ４８、外気温を検出する外気温センサ４９などの各種センサからの信号が入力される。
【００３６】
コントローラ４は、これら各種センサの検出信号に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値（以下「目標出力電流」という。）を算出する。
【００３７】
そしてコントローラ４は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出しても、燃料電池スタック１内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回らないように、ＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量を適切な目標値へと制御する。これは、酸素分圧が所定の酸素分圧よりも低くなると、発電に必要な酸素が不足して燃料電池スタック１のＩＶ特性（電流・電圧特性）が低下し、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出すと、燃料電池スタック１の出力電圧が車両の駆動モータ等を駆動するために必要な最低出力電圧を下回るおそれがあるためである。
【００３８】
ここで、上記のようにＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量を適切な目標値へと制御する方法としては、燃料電池スタック１の出力電流ごとに、燃料電池スタック１内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回ることのないＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量を予め実験等で求めておき、その実験等をもとに作成したマップを参照することで、目標出力電流に基づいて、ＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量の目標値をそれぞれ個別に算出する方法がある。
【００３９】
しかしながら、このように目標出力電流に基づいて、ＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量の目標値をそれぞれ個別に算出すると、以下のような問題が生じることがわかった。
【００４０】
燃料電池スタック１の目標出力電流が相対的に高くなる高負荷運転時には、酸素消費量も多くなるので、酸素分圧を確保するためにはＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量の目標値も大きくする必要がある。そのため、高負荷運転が続くと、カソードコンプレッサ２４下流の温度、すなわちカソードコンプレッサ２４の出口温度やＷＲＤ入口温度が上昇し、場合によってはカソードコンプレッサ２４やＷＲＤ２６の耐熱温度を超えるおそれがある。
【００４１】
したがって、このような事態を回避するために、カソードコンプレッサ２４の運転状態やＷＲＤ入口温度に応じてＷＲＤ入口圧力を一時的に低下させ、カソードコンプレッサ２４の出口温度やＷＲＤ入口温度を低下させなければならないときがある。つまり、ＷＲＤ入口圧力の目標値を、目標出力電流に基づいて算出されるＷＲＤ入口圧力の目標値よりも一時的に低くしなければならないときがある。
【００４２】
そうすると、上記のように、目標出力電流に基づいてＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量の目標値をそれぞれ個別に算出していた場合には、ＷＲＤ入口圧力が、目標出力電流に基づいて算出されるＷＲＤ入口圧力の目標値よりも低くなるように制御されても、スタック供給流量は、目標出力電流に基づいて算出されるスタック供給流量の目標値に制御されることになる。そのため、燃料電池スタック１内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回るおそれがあるという問題が生じる。
【００４３】
そこで本実施形態では、燃料電池スタック１内の酸素分圧を確保するためのスタック供給流量の目標値を、ＷＲＤ入口圧力の目標値に基づいて増量補正することとした。つまり、ＷＲＤ入口圧力が低下した分、スタック供給流量を増量することで、酸素分圧が所定の酸素分圧を下回まわらないようにした。以下、この本実施形態によるカソード系の制御について説明する。
【００４４】
図２は、本実施形態によるカソード系の制御について説明する制御ブロック図である。
【００４５】
本実施形態によるカソード系の制御ブロックは、スタック要求ＷＲＤ入口圧力算出部５１と、制限圧力設定部５２と、第１制限圧力出力部５３と、第２制限圧力出力部５４と、第３制限圧力・制限流量出力部５５と、目標ＷＲＤ入口圧力設定部５６と、目標スタック供給流量設定部５７と、スタック要求供給流量算出部５８と、フィードバック制御部５９と、を備える。
【００４６】
スタック要求ＷＲＤ入口圧力算出部５１は、図３に示すマップを参照し、燃料電池スタック１の目標出力電流と、大気圧と、に基づいてスタック要求ＷＲＤ入口圧力を算出する。スタック要求ＷＲＤ入口圧力は、燃料電池スタック１から目標出力電流を取り出したときに、燃料電池スタック１内の酸素分圧を確保するために必要なＷＲＤ入口圧力の目標値である。このように、スタック要求ＷＲＤ入口圧力算出部５１は、燃料電池スタック１の負荷に応じた最適なＷＲＤ入口圧力の目標値を、スタック要求ＷＲＤ入口圧力として設定する。
【００４７】
制限圧力設定部５２は、カソード系の熱保護を図るために守る必要があるＷＲＤ入口圧力の上限値（以下「制限圧力」という。）を設定する。具体的には、制限圧力設定部５２は、カソードコンプレッサ２４や燃料電池スタック１、ＷＲＤ２６、コンプレッサ駆動用インバータ２４２などの燃料電池システム全体としての熱保護要求を満たすために必要なＷＲＤ入口圧力の目標値を、制限圧力として設定する。制限圧力設定部５２には、第１制限圧力、第２制限圧力及び第３制限圧力が入力されており、制限圧力設定部５２は、これらのうち最も小さいものを制限圧力として設定する。
【００４８】
第１制限圧力出力部５３は、第１制限圧力を出力する。第１制限圧力は、カソードコンプレッサ２４の出口温度が、カソードコンプレッサ２４の耐熱温度以上となるのを防止するためのＷＲＤ入口圧力の上限値である。第１制限圧力は、例えばコンプレッサ回転速度、コンプレッサトルク、外気温（吸気温）及び大気圧に応じて算出され、基本的にコンプレッサ回転速度、外気温のそれぞれが高くなるほど、コンプレッサトルクが低いほど、第１制限圧力が低くなる。なお、第１制限圧力の算出方法としては、これに限られるものではなく、例えばカソードコンプレッサ２４の出口温度を検出し、その出口温度に基づいて算出しても良い。このように第１制限圧力出力部５３は、カソードコンプレッサ２４の出口温度が、カソードコンプレッサ２４の耐熱温度以上とならないようなＷＲＤ入口圧力を算出し、それを第１制限圧力として出力する。
【００４９】
第２制限圧力出力部５４は、第２制限圧力を出力する。第２制限圧力は、ＷＲＤ２６や燃料電池スタック１など、カソードコンプレッサ２４の下流部品がそれぞれの耐熱温度以上となるのを防止するためのＷＲＤ入口圧力の上限値である。第２制限圧力は、例えばＷＲＤ入口温度に応じて算出され、基本的にＷＲＤ入口温度が高くなるほど低くなる。なお、第２制限圧力の算出方法としては、これに限られるものではなく、例えばカソードコンプレッサ２４よりも下流の特定箇所の温度を検出し、その検出温度に基づいて算出しても良い。このように第２制限圧力出力部５４は、カソードコンプレッサ２４下流の温度が、下流に配置された部品の耐熱温度以上とならないようなＷＲＤ入口圧力を算出し、それを第２制限圧力として出力する。
【００５０】
第３制限圧力・制限流量出力部５５は、コンプレッサ駆動用インバータ２４２の温度が耐熱温度以上となるのを防止するためのＷＲＤ入口圧力及びスタック供給流量を、それぞれ第３制限圧力及び制限流量として出力する。第３制限圧力及び制限流量はそれぞれ予め実験等によって定められた所定値であって、コンプレッサ駆動用インバータ２４２の温度がその耐熱温度よりも低い所定温度以上となったときに、コンプレッサ駆動用インバータ２４２の熱保護のために出力される。コンプレッサ駆動用インバータ２４２の温度が所定温度以上になったときは、基本的にこの第３制限圧力及び制限流量が後述する目標ＷＲＤ入口圧力及び目標スタック供給流量として選択されるとともに、燃料電池スタック１内の酸素分圧が確保できるように目標出力電流にも上限値が設定される。なお、コンプレッサ駆動用インバータ２４２の温度は、コンプレッサ駆動用モータ２４１への供給電力に基づいて推定しても良いし、直接検出しても良い。
【００５１】
目標ＷＲＤ入口圧力設定部５６は、スタック要求ＷＲＤ入口圧力及び制限圧力の小さいほうを目標ＷＲＤ入口圧力として設定する。目標ＷＲＤ入口圧力設定部５６では、通常はスタック要求ＷＲＤ入口圧力が目標ＷＲＤ入口圧力として設定される。そして、高負荷運転が続いた場合など、カソード系の熱保護を図る必要があるときに制限圧力が目標ＷＲＤ入口圧力として設定される。このように、目標ＷＲＤ入口圧力設定部５６は、燃料電池スタック１の負荷と燃料電池システム１００の熱保護要求とを考慮して、目標ＷＲＤ入口圧力を設定する。
【００５２】
目標スタック供給流量設定部５７は、後述するスタック要求供給流量算出部５８で算出されるスタック要求供給流量及び制限流量の小さいほうを目標スタック供給流量として設定する。目標スタック供給流量設定部５７では、コンプレッサ駆動用インバータ２４２の温度が所定温度以上になったとき以外は、基本的にスタック要求供給流量が目標スタック供給流量として設定される。このように、目標スタック供給流量設定部５７は、基本的に燃料電池スタック１の負荷とカソードガスの目標圧力（目標ＷＲＤ入口圧力）とに応じて、燃料電池スタック１に供給するカソードガスの目標流量（目標スタック供給流量）を設定する。
【００５３】
スタック要求供給流量算出部５８は、図４のマップを参照し、燃料電池スタック１の目標出力電流（負荷）と、目標ＷＲＤ入口圧力と、に基づいて、スタック要求供給流量を算出する。図４のマップに示すように、スタック要求供給流量は、目標ＷＲＤ入口圧力が低いときほど多くなるように補正される。これにより、目標ＷＲＤ入口圧力として制限圧力（第１制限圧力又は第２制限圧力）が選択された場合は、目標ＷＲＤ入口圧力としてスタック要求ＷＲＤ入口圧力が選択されたときよりも目標スタック供給流量を増加させることができる。つまり、ＷＲＤ入口圧力がスタック要求ＷＲＤ入口圧力から制限圧力に低下した分だけスタック供給流量を増加させることができるので、燃料電池スタック１内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回るのを抑制することできる。
【００５４】
フィードバック制御部５９には、圧力センサ４３で検出した実ＷＲＤ入口圧力、目標ＷＲＤ入口圧力、エアフローセンサ４１で検出した実スタック供給流量及び目標スタック供給流量が入力される。フィードバック制御部５９は、システムをモデル化した演算式にこれらの入力値を代入することで、実ＷＲＤ入口圧力を目標ＷＲＤ入口圧力に収束させるためのコンプレッサトルクの目標値、及び、実スタック供給流量を目標スタック供給流量に収束させるためのカソード調圧弁２７の開度の目標値を算出する。
【００５５】
図５は、本実施形態によるカソード系の制御の動作について説明するタイムチャートである。
【００５６】
時刻ｔ１で、目標ＷＲＤ入口圧力がスタック要求ＷＲＤ入口圧力から制限圧力（第１制限圧力又は第２制限圧力）に切り替わると、ＷＲＤ入口圧力が制限圧力に向けて低下するように、カソード調圧弁２７がフィードバック制御される（図５（Ａ））。そして、目標ＷＲＤ入口圧力が制限圧力に切り替わったことに伴って、スタック要求供給流量が増量補正されて目標スタック供給流量が増加する。その結果、スタック供給流量が目標スタック供給流量に向けて増加するように、カソードコンプレッサ２４がフィードバック制御される（図５（Ｂ））。
【００５７】
ここで、図５（Ｂ）に破線で示すように、スタック要求供給流量を目標ＷＲＤ入口圧力に応じて増量補正しなかった場合は、燃料電池スタック１から、時刻ｔ１以前の目標ＷＲＤ入口圧力が制限圧力に切り替わる前の目標出力電流を取り出すと、燃料電池スタック１内の酸素分圧を確保できなくなる。そのため、図５（Ｃ）に破線で示すように、燃料電池スタック１内の酸素分圧を確保するためには、目標出力電流を低下させる必要があり、車両の出力を低下させる要因となる。
【００５８】
これに対し、本実施形態によれば、ＷＲＤ入口圧力がスタック要求ＷＲＤ入口圧力から制限圧力に低下した分だけスタック供給流量を増加させることができるので、燃料電池スタック１内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回るのを抑制することできる。
【００５９】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、目標ＷＲＤ入口圧力設定部５６が、燃料電池スタック１の負荷と燃料電池システム１００の熱保護要求とを考慮して燃料電池スタック１に供給するカソードガスの目標圧力（目標ＷＲＤ入口圧力）を設定し、スタック要求供給流量算出部５８が、燃料電池スタック１の負荷とカソードガスの目標圧力とに応じて燃料電池スタック１に供給するカソードガスの目標流量（スタック要求供給流量）を設定する。そして、フィードバック制御部５９が、カソードガスの目標圧力及び目標流量に応じて、カソードコンプレッサ２４及びカソード調圧弁２７を制御する。
【００６０】
そのため、燃料電池システム１００の熱保護のためにカソードガスの目標圧力が低下したとしても、カソードガスの目標流量がカソードガスの目標圧力を考慮して算出されるので、結果としてカソードガスの目標流量が増加する。そのため、燃料電池スタック１内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回るのを抑制することができる。
【００６１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、燃料電池スタック１内の温度等に応じてスタック要求供給流量をさらに補正する点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【００６２】
図６は、本実施形態によるスタック要求供給流量算出部５８を示す制御ブロック図である。
【００６３】
燃料電池スタック１内の温度が高くなるほど、また、燃料電池スタック１内の圧力が低くなるほど、燃料電池スタック１内の水蒸気分圧が高くなり、その分酸素分圧が低下する。
【００６４】
そのため、本実施形態では、冷却水温と、目標ＷＲＤ入口圧力と、に基づいて補正係数を算出し、燃料電池スタック１の目標出力電流と目標ＷＲＤ入口圧力とに基づいて算出したスタック要求供給流量にこの補正係数を掛けて、スタック要求供給流量を補正する。
【００６５】
補正係数は、図６に示すように、冷却水温が高くなるほど、また、燃料電池スタック１内の圧力が低くなるほど大きくなる。なお、冷却水温として、燃料電池スタックの冷却水入口側の水温と出口側の水温の両方を検出しているときは、高いほうの冷却水温を補正係数の算出にするのが望ましい。
【００６６】
以上説明した本実施形態によれば、スタック要求供給流量算出部５８が、燃料電池スタック１内の温度が高いときほど、カソードガスの目標流量（スタック要求供給流量）を多くするように構成される。これにより、第１実施形態と同様の効果が得られるとともに、燃料電池スタック１内の水蒸気分圧に応じてスタック要求供給流量を補正することができるので、燃料電池スタック１内の酸素分圧が所定の酸素分圧を下回るのをより確実に抑制することできる。
【００６７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００６８】
本願は、２０１３年３月２２日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−５９８１９号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【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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