(57)【要約】【課題】システムの小型化を実現し得る燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、運転状態検出部からの信号により燃料供給装置及び酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、を備える燃料電池システムであって、酸化剤供給装置は、コンプレッサと該コンプレッサを駆動する電動モータと、を備え、運転制御装置は、システムが定常運転状態であるか否かを判定する定常状態判定部と、定常状態判定部による判定結果に基づいて前記電動モータの出力上限値を設定するモータ出力上限値設定部と、を有する燃料電池システム。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、
前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出部と、
前記運転状態検出部からの信号により前記燃料供給装置及び前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤供給装置は、コンプレッサと該コンプレッサを駆動する電動モータと、を備え、
前記運転制御装置は、システムが定常運転状態であるか否かを判定する定常状態判定部と、前記定常状態判定部による判定結果に基づいて前記電動モータの出力上限値を設定するモータ出力上限値設定部と、を有する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電動モータとは独立して前記コンプレッサを駆動するタービンと、前記燃料と前記酸化剤を燃焼させて前記タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器と、をさらに備え、
前記運転制御装置は、
前記燃料電池への要求負荷に応じて前記電動モータの出力及び前記タービンの回収動力の出力配分を調節する出力配分調節部と、
前記出力配分調節部により定められる前記タービンの回収動力に基づいて、前記燃焼器への燃料供給量を制御する燃料供給制御部と、をさらに備えた、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記出力配分調節部は、前記電動モータの出力と前記電動モータの出力上限値の差が所定値以下となるように前記タービンの回収動力を調節する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記出力配分調節部は、前記燃料電池への要求負荷に基づいて目標コンプレッサ動力を算出し、前記目標コンプレッサ動力から前記電動モータの出力上限値を減算することで目標タービン回収動力を算出し、
前記燃料供給制御部は、前記目標タービン回収動力に基づいて前記燃焼器への燃料供給量の目標値である目標燃料供給量を算出し、算出された前記目標燃料供給量に基づいて前記燃焼器への燃料供給量を制御する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記定常運転状態は、
前記電動モータの出力から前記電動モータの出力上限値を減算した値であるモータ出力超過量が所定値以下の状態である、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記運転制御装置は、システム要求出力を算出するシステム要求出力算出部をさらに有し、
前記モータ出力上限値設定部は、前記システム要求出力を加味して前記電動モータの出力上限値を設定する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記システム要求出力算出部は、
前記システムが搭載される車両のアクセルペダルの操作量に基づいて前記システム要求出力を取得する、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の燃料電池システムであって、
前記モータ出力上限値設定部は、
前記システム要求出力が相対的に高い場合に、前記電動モータの出力上限値を相対的に低く設定する、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記モータ出力上限値設定部は、
前記運転状態検出部により検出された前記燃料電池の運転状態に基づいて前記燃料電池の出力制限値を算出し、
算出された前記燃料電池の出力制限値と前記システム要求出力を比較し、
前記燃料電池の出力制限値に対して前記システム要求出力が大きいほど、前記電動モータの出力上限値を低く設定する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムであって、
前記モータ出力上限値設定部は、
前記電動モータの連続定格動力、前記燃料電池への要求負荷に基づいて設定される負荷要求最大モータ動力、及び前記燃料電池の出力制限値のうち、最も小さい値を前記電動モータの出力上限値として設定する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池のカソード極に酸化剤を供給するコンプレッサを電動モータで駆動する燃料電池システムの制御方法であって、
システムが定常運転状態であるか否かを判定し、
前記定常運転状態であるか否かの判定結果に基づいて電動モータの出力上限値を設定する、
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】
特許文献１には、燃料電池とガスタービンの複合発電システムであって、タービンと、タービンによって駆動される圧縮機と、圧縮機を駆動する電動機（電動モータ）と、燃料電池と、圧縮機で圧縮された圧縮ガスを燃料電池へ供給する第１のガス供給流路と、燃料電池から排出される排ガスをタービンへ供給する第１の排ガス流路を備えた燃料電池システムが開示されている。特許文献１のシステムでは、要求発電電力（システム要求出力）が大きい場合には、燃焼器を作動させて燃焼ガスをタービンに供給してタービンを駆動さることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１３５８３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムは、高負荷時に電動機を停止してタービン回収動力で圧縮機を駆動するという一般的な動力源の切り替え制御を行っているに過ぎない。したがって、要求発電電力を満たすための動力は基本的には電動モータで確保することとなるため、電動モータの出力可能な動力に余裕を持たせる必要が生じ、電動モータが大型化し、ひいてはシステム全体の大型化につながるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある態様によれば、システムが定常運転状態であるか否かの判定結果に基づいて、コンプレッサを駆動する電動モータの出力上限値を設定する燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のある態様によれば、電動モータの出力を制限することができ、電動モータを小型に構成することができる。結果として、システムの小型化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、燃料電池システムの作動状態を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、目標スタック電流演算の流れを示すフローチャートである。
【図４】図４は、冷却系操作量演算の流れを示すフローチャートである。
【図５】図５は、空気系操作量演算の流れを示すフローチャートである。
【図６】図６は、燃料系操作量演算の流れを示すフローチャートである。
【図７】図７は、空気系の制御をより詳細に説明するフローチャートである。
【図８】図８は、定常時運転モータ動力上限値の算出の詳細を説明するフローチャートである。
【図９】図９は、空気系の制御を説明するブロック図である。
【図１０】図１０は、空気系制御部のより詳細な機能を説明するブロック図である。
【図１１】図１１は、タービン入口空気圧力の算出機能を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、タービン効率の算出機能を示すブロック図である。
【図１３】図１３は、発電電力要求最大モータ動力マップの概要を示す図である。
【図１４】図１４は、スタック出力制限値の算出機能を示すブロック図である。
【図１５】図１５は、本実施形態の燃料電池システムの作動状態を説明するチャートである。
【図１６】図１６は、本実施形態の燃料電池システムの制御における経時的な流れの一例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
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構成図である。
【００１０】
図示のように、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、カソード給排機構１２と、アノード供給機構１４と、コンプレッサ６４及びタービン６２を有するターボ過給機１６と、加熱／冷却機構１７と、ＨＦＲ測定装置１８と、負荷装置１９と、コントローラ２０と、を有している。
【００１１】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池を積層した積層電池である。燃料電池スタック１０は、アノード供給機構１４からの燃料としてのアノードガス（水素）の供給及びカソード給排機構１２からの酸化剤としてのカソードガス（空気）の供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、コンプレッサ６４等の各種の補機類や、図示しない車輪駆動用の走行モータで使用される。また、燃料電池スタック１０の正極端子及び負極端子には、ＨＦＲ測定装置１８と負荷装置１９が接続されている。
【００１２】
カソード給排機構１２は、カソードガス供給通路２２と、カソードガス排出通路２４と、を備えている。
【００１３】
カソードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１０に供給される空気が流れる通路である。カソードガス供給通路２２の一端はコンプレッサ６４の吸気入口に接続され、他端は燃料電池スタック１０に接続される。
【００１４】
カソードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１０から排出されるカソード排ガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２４の一端は燃料電池スタック１０に接続され、他端はタービン６２に接続されている。
【００１５】
そして、カソードガス供給通路２２には、上流から順に、エアフローメータ２６と、空気圧力センサ２８が設けられている。また、カソードガス排出通路２４には、上流から順に、スタック出口温度センサ３０と、燃焼器３２と、ノズルベーン３４と、が設けられている。
【００１６】
エアフローメータ２６は、カソードガス供給通路２２において、ターボ過給機１６のコンプレッサ６４の吸気入口に設けられている。エアフローメータ２６は、コンプレッサ６４に吸入される空気の流量（以下では「空気流量」とも記載する）を検出する。エアフローメータ２６で検出された空気流量検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。
【００１７】
空気圧力センサ２８は、コンプレッサ６４から吐出されたカソードガス供給通路２２の圧力（以下では「空気圧力」とも記載する）を検出する。空気圧力センサ２８で検出された空気圧力検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。
【００１８】
また、カソードガス供給通路２２において、コンプレッサ６４と空気圧力センサ２８の間には、カソードガス排出通路２４のスタック出口温度センサ３０と燃焼器３２の間に接続されるバイパス通路３６が接続されている。
【００１９】
バイパス通路３６は、コンプレッサ６４によりカソードガス供給通路２２に吸入される空気の一部を、燃料電池スタック１０をバイパスさせてカソードガス排出通路２４へ供給する。バイパス通路３６には、バイパス弁３８が設けられている。バイパス弁３８は、バイパス通路３６を流れる空気の流量を調節する。
【００２０】
バイパス弁３８は、コントローラ２０によって開閉制御される。例えば、コンプレッサ６４によりカソードガス供給通路２２に吸入される空気の流量が燃料電池スタック１０により発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、コントローラ２０はバイパス弁３８の開度を増加させる。これにより、バイパス流量が増加して、燃料電池スタック１０内の電解質膜の過乾燥が防止される。
【００２１】
スタック出口温度センサ３０は、燃料電池スタック１０から排出されるカソード排ガスの温度（以下、スタック出口温度とも記載する）を検出する。スタック出口温度センサ３０で検出されたスタック出口温度検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。
【００２２】
燃焼器３２は、水素とカソード排ガスを図示しないミキサで混合してなる混合ガスを、白金等による触媒作用で触媒燃焼させ、燃焼後に残ったガス（燃焼ガス）を排出する。この燃焼器３２には、アノード供給機構１４の高圧タンク４０から水素が供給される一方で、燃料電池スタック１０からのカソード排ガス及びバイパス通路３６からの空気が混合されてなるカソード排ガスが供給される。
【００２３】
なお、本実施形態では、燃焼器３２として触媒燃焼方式の燃焼器が用いられることで、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器を用いる場合と比較して、窒素化合物（Ｎｏｘ）の発生が抑制される。しかしながら、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器等の触媒燃焼器以外の燃焼器を用いても良い。
【００２４】
また、カソードガス排出通路２４における燃焼器３２とノズルベーン３４の間には、タービンバイパス通路３９が接続されている。このタービンバイパス通路３９は、燃焼器３２からの燃焼ガスの一部を、加熱／冷却機構１７に供給する。
【００２５】
すなわち、燃料電池スタック１０の暖機時などにおいて、燃焼ガスの一部を加熱／冷却機構１７に供給し、燃焼ガスの熱で燃料電池スタック１０を暖めることで暖機を促進することができる。また、タービンバイパス通路３９から加熱／冷却機構１７へ供給されて加熱／冷却機構１７で熱が回収された後の燃焼ガスは、後述するタービン排気通路６８に合流して燃料電池システム１００の外部に排出される。
【００２６】
ノズルベーン３４は、タービン６２に供給する燃焼ガスの圧力を調節する。ノズルベーン３４の開度（ノズルリフト量）は、コントローラ２０により制御される。ノズルベーン３４は、開放状態でタービン６２への入口流路の断面積が増加し、カソードガス排出通路２４からタービン６２に流入する燃焼ガスの圧力損失が相対的に小さくなる。一方、ノズルベーン３４の閉塞状態では、タービン６２への入口流路の断面積が相対的に減少し、圧力損失が大きくなる。すなわち、ノズルベーン開度が増大するほど、空気圧力を下げることができる。
【００２７】
次に、アノード供給機構１４について説明する。本実施形態におけるアノード供給機構１４は、高圧タンク４０と、水素ヒータ４２と、スタック用水素供給通路４４と、燃焼器用水素供給通路４６と、を備えている。
【００２８】
高圧タンク４０は、燃料電池スタック１０及び燃焼器３２に供給する水素を高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。
【００２９】
水素ヒータ４２は、加熱／冷却機構１７から供給される熱により高圧タンク４０からの水素を加熱する熱交換器である。具体的に、高圧タンク４０からの水素は、加熱／冷却機構１７における燃料電池スタック１０の冷却水と熱交換されることで加熱される。
【００３０】
スタック用水素供給通路４４は、高圧タンク４０から排出される水素を燃料電池スタック１０のアノード極に供給する通路である。スタック用水素供給通路４４の一端は水素ヒータ４２に接続され、他端は燃料電池スタック１０に接続される。
【００３１】
また、スタック用水素供給通路４４には、スタック供給水素調圧弁４８が設けられている。スタック供給水素調圧弁４８は、コントローラ２０により開閉制御され、燃料電池スタック１０へ供給される水素の圧力が調節される。
【００３２】
一方、燃焼器用水素供給通路４６は、高圧タンク４０から排出される水素の一部を、燃焼器３２に供給する通路である。燃焼器用水素供給通路４６は、その一端がスタック用水素供給通路４４に連通して分岐しており、他端が燃焼器３２に連結されている。
【００３３】
また、燃焼器用水素供給通路４６には、燃焼器用水素供給通路４６の上流の水素の圧力（以下では、「供給水素圧力」とも記載する）を検出する水素圧力検出センサ４７が設けられている。水素圧力検出センサ４７による供給水素圧力検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。
【００３４】
また、燃焼器用水素供給通路４６には、燃焼器３２への水素供給量（燃料供給量）を任意に調節する燃焼器水素量調節弁４９が設けられている。燃焼器水素量調節弁４９は、燃焼器３２への水素供給量を適宜調節する弁である。燃焼器水素量調節弁４９は、コントローラ２０によりその開度が調節される。燃焼器水素量調節弁４９は、例えば、比例ソレノイド等で構成することができる。
【００３５】
なお、本実施形態にかかる燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１０からのアノード排ガスは、たとえば循環型又は非循環型等の図示しないアノード排出系により処理することができる。
【００３６】
次に、ターボ過給機１６について説明する。ターボ過給機１６は、タービン６２と、コンプレッサ６４と、を備えている。また、本実施形態のターボ過給機１６には、電動モータ６０が設けられている。
【００３７】
電動モータ６０は、回転駆動軸６６の一方側でコンプレッサ６４に接続されるとともに、回転駆動軸６６の他方側でタービン６２に接続される。電動モータ６０は、図示しないバッテリ、及び燃料電池スタック１０から電力の供給を受けてコンプレッサ６４を回転駆動する電動機としての機能（力行モード）、及び外力によって回転駆動されることで発電し、バッテリ等に電力を供給する発電機としての機能（回生モード）を有する。電動モータ６０は、図示しないモータケースと、モータケースの内周面に固定されるステータと、ステータの内側に回転可能に配置されるロータと、を有し、ロータは上記回転駆動軸６６に一体に取り付けられる。
【００３８】
また、電動モータ６０には、回転数センサ７２が設けられている。回転数センサ７２は、電動モータ６０の回転数を検出する。回転数センサ７２で検出されたモータ回転数検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。
【００３９】
タービン６２は、燃焼器３２から供給される燃焼ガスによって回転駆動される。そして、タービン６２は、この回転駆動力を、回転駆動軸６６を介してコンプレッサ６４に出力する。すなわち、タービン６２の回収動力（以下、「タービン回収動力」とも記載する）で回転駆動軸６６を介して直接コンプレッサ６４を回転させることができる。
【００４０】
なお、タービン６２の回収動力により電動モータ６０を駆動しても良い。また、タービン６２からの回収動力で電動モータ６０を駆動することで電動モータ６０の回生運転を行うことができる。さらに、タービン６２の駆動に使用された後の燃焼ガスは、タービン排気通路６８を介して排出される。
【００４１】
また、例えば、燃料電池システム１００への要求出力（以下では、「システム要求出力」とも記載する）が高い場合などのコンプレッサ６４の動力の目標値（以下では、「目標コンプレッサ動力」とも記載する）が比較的大きい場合であって、タービン回収動力を増加させる必要がある場合などには、タービン６２へ流入する燃焼ガスの流量（以下では、「タービンガス入口流量」とも記載する）、温度（以下では、「タービン入口温度」）、及び圧力を増加させてコンプレッサ６４へ好適に動力を供給することができる。また、上述したノズルベーン３４のノズルリフト量の調節により、タービン６２へ供給される燃焼ガスの圧力を調節することでタービン回収動力を調節することができる。
【００４２】
コンプレッサ６４は、電動モータ６０及びタービン６２と回転駆動軸６６を介して接続されている。コンプレッサ６４は、電動モータ６０及びタービン６２の少なくとも何れか一方により回転駆動軸６６を介して回転駆動され、外部から燃料電池システム１００内に空気を吸入する。そして、コンプレッサ６４は、吸入した空気をカソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０のカソード極に供給する。したがって、本実施形態では、コンプレッサ６４は、タービン６２とは独立した電動モータ６０と、タービン６２により駆動される。
【００４３】
次に、加熱／冷却機構１７について説明する。加熱／冷却機構１７は、冷却水循環流路８０と、熱交換器８２と、冷却水循環ポンプ８４と、を有している。加熱／冷却機構１７は、図示しないラジエータ等の冷却装置により冷却水循環流路８０内の冷却水の温度を制御する。
【００４４】
冷却水循環流路８０は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａから冷却水出口１０ｂの間で冷却水を循環させる通路である。すなわち、冷却水循環流路８０を循環する冷却水は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａから燃料電池スタック１０内に供給されるとともに、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂから排出される方向に流れる。
【００４５】
さらに、冷却水循環流路８０には、上述した水素ヒータ４２に冷却水を供給する冷却水分岐路８６が接続されている。したがって、冷却水循環流路８０から冷却水分岐路８６に流れる冷却水により、高圧タンク４０から燃料電池スタック１０や燃焼器３２に供給される水素が加熱されることとなる。
【００４６】
また、冷却水循環流路８０には、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂの近傍に水温センサ８８が設けられている。水温センサ８８は、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度（以下では、「冷却水温度」とも記載する）を検出する。水温センサ８８で検出された冷却水温度検出値の信号は、コントローラ２０に入力される。
【００４７】
熱交換器８２は、冷却水循環流路８０を流れる冷却水と上述したタービンバイパス通路３９からの排ガスとの間で熱交換を行う。
【００４８】
冷却水循環ポンプ８４は、冷却水循環流路８０で冷却水を循環させる。なお、冷却水循環ポンプ８４の出力は、コントローラ２０により制御される。
【００４９】
次にＨＦＲ測定装置１８について説明する。ＨＦＲ測定装置１８は、燃料電池スタック１０内の電解質膜の湿潤状態を取得する湿潤状態取得装置として機能する。ＨＦＲ測定装置１８は、燃料電池スタック１０に接続され、電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１０の内部インピーダンスを測定する。
【００５０】
一般に、電解質膜の含水量（水分）が少なくなるほど、すなわち電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスは大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスは小さくなる。このため、本実施形態では、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスが用いられる。
【００５１】
そして、ＨＦＲ測定装置１８は、例えば、電解質膜の電気抵抗を検出するのに適した高周波数の交流電流を供給し、出力される交流電圧の振幅を当該交流電流の振幅で除することにより、内部インピーダンスを算出する。
【００５２】
以下では、この高周波数の交流電圧及び交流電流に基づいて算出される内部インピーダンス（高周波数抵抗）をＨＦＲ（High Frequency Resistance）とも記載する。ＨＦＲ測定装置１８は、算出したＨＦＲ値をＨＦＲ測定値としてコントローラ２０に出力する。
【００５３】
負荷装置１９は、燃料電池スタック１０から供給される発電電力を受けて駆動する。負荷装置１９としては、例えば、車両を駆動する走行モータや電動モータ６０等の各種補機類などが挙げられる。
【００５４】
なお、負荷装置１９は、その作動に必要な電力を、燃料電池スタック１０に対する要求発電電力としてコントローラ２０に出力する。
【００５５】
負荷装置１９と燃料電池スタック１０との間には、電流センサ５１と電圧センサ５２とが配置される。
【００５６】
電流センサ５１は、燃料電池スタック１０の正極端子と負荷装置１９の正極端子との間の電源線に接続される。電流センサ５１は、燃料電池スタック１０から負荷装置１９に出力される電流を検出する。以下では、燃料電池スタック１０から負荷装置１９に出力される電流のことを「スタック電流」とも記載する。電流センサ５１は、スタック電流検出値の信号をコントローラ２０に出力する。
【００５７】
電圧センサ５２は、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子との間に接続される。電圧センサ５２は、正極端子と負極端子との間の電圧である端子間電圧を検出する。以下では、燃料電池スタック１０の端子間電圧のことを「スタック電圧」という。電圧センサ５２は、スタック電圧検出値の信号をコントローラ２０に出力する。
【００５８】
さらに、上述のように構成される燃料電池システム１００は、当該システムの作動状態を統括的に制御する運転制御装置としてのコントローラ２０を有している。
【００５９】
コントローラ２０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。
【００６０】
コントローラ２０には、燃料電池システム１００の運転状態検出部からの信号が入力される。具体的に、コントローラ２０は、運転状態検出部として、ＨＦＲ測定装置１８、エアフローメータ２６、空気圧力センサ２８、スタック出口温度センサ３０、水素圧力検出センサ４７、電流センサ５１、電圧センサ５２、回転数センサ７２、及び水温センサ８８を有している。そして、コントローラ２０には、これらからの信号が入力される。
【００６１】
さらに、コントローラ２０には、燃料電池スタック１０内の負荷装置１９からの要求負荷が入力される。本実施形態では、負荷装置１９による負荷には、例えば、図示しないアクセルペダルセンサで検出されるアクセルペダルの操作量に基づく走行用電力（システム要求出力）、電動モータ６０や各種ポンプ及びバルブ等の、燃料電池システム１００を作動させるための補機類で消費される電力（補機消費電力）が含まれる。
【００６２】
コントローラ２０は、上記要求負荷に基づいて燃料電池システム１００への要求発電電力を算出する。すなわち、燃料電池スタック１０に対する要求発電電力は、燃料電池システム１００の外部に出力される走行用電力等のシステム要求出力と、補機消費電力の和に相当する。本実施形態では、後に詳細に説明するが、補機消費電力に含まれる電動モータ６０の消費電力分を、タービン６２の回収動力でアシストする。
【００６３】
そして、コントローラ２０は、予め定められている燃料電池スタック１０のＩＶ特性に基づいて、要求発電電力からスタック電流の目標値である目標スタック電流を算出する。
【００６４】
コントローラ２０は、上記各入力信号等に基づいて、ノズルベーン３４のノズルリフト量、バイパス弁３８の開度、スタック供給水素調圧弁４８の開度、燃焼器水素量調節弁４９の開度、電動モータ６０の出力（トルク又は動力）、及び冷却水循環ポンプ８４の出力を制御する。
【００６５】
以下では、本実施形態にかかる燃料電池システム１００の制御態様について説明する。なお、本実施形態においては、「出力」に相当する語として「動力」及び「電力」という語を、それらが機械的エネルギー及び電気的エネルギーの何れも意味する用語として区別すること無く用いる。
【００６６】
図２は、燃料電池システム１００の全体的な制御の概要を説明するフローチャートである。
【００６７】
図示のように、ステップＳ１００において、コントローラ２０は、負荷装置１９による要求電力の信号を読み込む。
【００６８】
ステップＳ１１０において、コントローラ２０は目標スタック電流を演算する。
【００６９】
図３は、目標スタック電流の演算の流れを示すフローチャートである。
【００７０】
図示のように、ステップＳ１１１において、コントローラ２０は補機の消費電力を推定する。具体的には、コントローラ２０は、モータ回転数センサ７２による電動モータ回転数検出値等から電動モータ６０の消費電力の推定値を算出する。また、冷却水循環ポンプ８４や燃焼器水素量調節弁４９等の他のアクチュエータの消費電力又はその推定値を電動モータ６０の消費電力の推定値に加算した値を補機の消費電力推定値としても良い。
【００７１】
ステップＳ１１２において、コントローラ２０は、目標スタック電力を演算する。具体的には、負荷装置１９により含まれる、上述のアクセルペダルの操作量に基づく走行用電力としてのシステム要求出力に、ステップＳ１１１で算出した補機消費電力の推定値を加算して目標スタック電力を演算する。
【００７２】
ステップＳ１１３において、コントローラ２０は、実スタック電力を演算する。具体的には、コントローラ２０は、電流センサ５１によるスタック電流検出値と電圧センサ５２によるスタック電圧検出値を乗じて実スタック電力を演算する。
【００７３】
ステップＳ１１４において、コントローラ２０は、目標スタック電流を演算する。具体的には、コントローラ２０は、ＩＶ特性を参照しつつ、ステップＳ１１３で演算した実スタック電力が、ステップＳ１１２で演算した目標スタック電力に近づくように、目標スタック電流を定める。
【００７４】
図２に戻り、ステップＳ１１０で目標スタック電流が演算されると、ステップＳ１２０の冷却系操作量の演算、ステップＳ１３０の空気系操作量の演算、及びステップＳ１４０の燃料系操作量演算が行われる。
【００７５】
図４は、冷却系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。
【００７６】
先ず、ステップＳ１２１において、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を好適に制御する観点から、ＨＦＲ測定装置１８によるＨＦＲ測定値が目標スタック電流に基づいて算出される目標ＨＦＲに近づくように、湿潤制御要求目標空気流量及び湿潤制御要求目標空気圧力を演算する。
【００７７】
ステップＳ１２２において、コントローラ２０は、各冷却系アクチュエータの操作量を演算する。例えば、コントローラ２０は、上記目標ＨＦＲ等に基づいて、冷却水循環流路８０に設けられる図示しないラジエータの目標ラジエータファン回転数や図示しない三方弁８の目標開度を算出する。
【００７８】
次に、空気系操作量の演算の流れについて説明する。
【００７９】
図５は、空気系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。
【００８０】
図示のように、ステップＳ１３１において、コントローラ２０は、予め定められたテーブルに基づいて、目標スタック電流から、上記湿潤制御要求目標空気圧力を考慮して、空気圧力の目標値である目標空気圧力を算出する。
【００８１】
ステップＳ１３２において、コントローラ２０は、予め定められたテーブルに基づき、上記湿潤制御要求目標空気流量を考慮して、目標スタック電流から空気流量の目標値である目標空気流量を算出する。
【００８２】
ステップＳ１３３において、コントローラ２０は、空気系の各アクチュエータの操作量を演算する。例えば、コントローラ２０は、目標空気圧力、目標空気流量、空気流量検出値、及び空気圧力検出値等に基づいて、ノズルベーン３４の指令ノズルリフト量、及び電動モータ６０の指令トルクを算出する。
【００８３】
ステップＳ１３４において、コントローラ２０は、タービン６２の入口付近における燃焼排ガスの温度（タービン入口温度）の目標値である目標タービン入口温度を演算する。具体的に、コントローラ２０は、上記ステップＳ１３３で算出された電動モータ６０の指令トルク、モータ回転数センサ７２による電動モータ回転数検出値、目標スタック電流、目標空気圧力、及び目標空気流量等に基づいて、目標タービン入口温度を演算する。
【００８４】
図６は、燃料系操作量の演算の流れを示すフローチャートである。
【００８５】
図示のように、ステップＳ１４１において、コントローラ２０は、目標スタック電流等に基づいて燃料電池スタック１０に供給する水素圧力の目標値である目標供給水素圧力を演算する。
【００８６】
ステップＳ１４２において、コントローラ２０は、目標供給水素圧力に基づいて、スタック供給水素調圧弁４８の開度目標値である目標スタック供給水素調圧弁開度や図示しないパージ弁の開度等の燃料系アクチュエータの操作量を演算する。
【００８７】
図２に戻り、ステップＳ１５０において、コントローラ２０は、上記ステップＳ１２０で演算した冷却系アクチュエータの操作量、上記ステップＳ１３０において演算した空気系アクチュエータの操作量、及び上記ステップＳ１４０で演算した燃料系アクチュエータの操作量に基づいて、冷却系アクチュエータ、空気系アクチュエータ、及び燃料系アクチュエータをそれぞれ制御する。
【００８８】
さらに、以下では、特に本実施形態にかかる燃料電池システム１００の空気系の制御について、より詳細に説明する。
【００８９】
図７は、本実施形態の空気系の制御の詳細を示すフローチャートである。
【００９０】
図示のように、ステップＳ２１０において、コントローラ２０は、定常運転状態におけるモータ動力の上限値である定常運転モータ動力上限値を決定する（図１０の「モータ出力上限値設定部２０２」参照）。ここで、本実施形態で「定常運転状態」とは、システム要求出力に応じたモータ動力とタービン回収動力の変化がほぼ静定する状態を意味する。
【００９１】
より具体的には、タービン回収動力が目標タービン回収動力に略一致している状態又はモータ動力が実質的に定常時目標運転モータ動力上限値以下である状態を意味する。すなわち、定常運転状態では、モータ動力から定常時目標運転モータ動力上限値を減じて得られるモータ動力超過量が所定値以下となる。
【００９２】
図８は、定常運転モータ動力上限値の算出の詳細を説明するフローチャートである。
【００９３】
図示のように、ステップＳ２１１において、コントローラ２０は、最大モータ動力を取得する（図１０の「モータ出力上限値設定部２０２」参照）。最大モータ動力とは、例えば、電動モータ６０の連続定格等として予め定められた動力の最大値である。
【００９４】
ステップＳ２１２において、コントローラ２０は、発電電力要求最大モータ動力を取得する（図１０の「モータ出力上限値設定部２０２」参照）。発電電力要求最大モータ動力とは、目標スタック電流に基づいて定まる、燃料電池スタック１０から電動モータ６０への供給すべき電力に相当する。
【００９５】
後に詳細に説明するが、本実施形態では、コントローラ２０は、目標スタック電流が所定値以上に増大する高負荷領域において発電電力要求最大モータ動力を低下させることで、目標モータ動力を制限するようにしている（図１０の「モータ出力上限値設定部２０２」及び図１３参照）。
【００９６】
ステップＳ２１３において、コントローラ２０は、出力制限要求モータ動力を取得する。出力制限要求モータ動力とは、燃料電池スタック１０の冷却水温度や湿潤状態に応じたスタック出力制限値と補機消費電力（電動モータ６０消費電力以外）やシステム要求出力との関係により定まるモータ動力の制限値である（図１０の演算部Ｂ１０３７参照）。
【００９７】
具体的に、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０の冷却水温度に基づいて得られる温度要求スタック電流制限値、及びＨＦＲ測定値に基づいて得られるＨＦＲ要求スタック電流制限値からスタック出力制限値を演算する（後述の図１４参照）。そして、コントローラ２０は、スタック出力制限値から補機（電動モータ６０以外）の消費電力及びシステム要求出力を減算することで出力制限要求モータ動力を算出する（図１０の「モータ出力上限値設定部２０２」参照）。
【００９８】
ステップＳ１３４において、コントローラ２０は、取得した最大モータ動力、発電電力要求最大モータ動力、及び出力制限要求モータ動力の内の最小値を目標モータ動力（定常運転モータ動力上限値）として演算する（図１０のミニマムセレクト部Ｂ１０３８参照）。
【００９９】
図７に戻り、ステップＳ２２０において、コントローラ２０は、目標コンプレッサ動力を算出する。
【０１００】
具体的には、コントローラ２０は、空気圧力検出値及び空気流量検出値が、それぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に近づくように、目標コンプレッサ動力に相当する指令ノズルリフト量及び目標コンプレッサトルクを算出する（図１０の空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３参照）。
【０１０１】
なお、本実施形態において、目標コンプレッサトルクとは、燃料電池システム１００の運転状態としての空気圧力及び空気流量に基づいて定められるコンプレッサ６４において要求されるトルクである。すなわち、本実施形態において、目標コンプレッサトルクとは、電動モータ６０の目標トルクとタービン６２の目標トルクの和に相当する値である。そして、コントローラ２０は、算出された目標コンプレッサトルクから目標コンプレッサ動力を演算する（図１０の演算部Ｂ１０３５参照）。
【０１０２】
ステップＳ２３０において、コントローラ２０は、目標タービン回収動力を演算する。具体的に、コントローラ２０は、ステップＳ１４０で算出された目標コンプレッサ動力（図１０の演算部Ｂ１０３５参照）からステップＳ１３０で算出した目標モータ動力（定常運転モータ動力上限値）を減算することで、目標タービン回収動力を演算する（図１０の減算部３０２参照）。
【０１０３】
ステップＳ２４０において、コントローラ２０は、燃焼器３２への水素供給量を制御する。
【０１０４】
具体的に、コントローラ２０は、ステップＳ２３０で得られた目標タービン回収動力に基づいて、燃焼器水素量調節弁４９の開度の目標値である目標水素供給弁開度を算出する（図１０の目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９及び図９の燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５）。
【０１０５】
なお、本実施形態では、目標水素供給弁開度の算出にあたり、タービン６２の部品の耐熱性等に基づき決定される許容上限温度を考慮する（後述の図９のミニマムセレクト部Ｂ１０４参照）。そして、コントローラ２０は、燃焼器水素量調節弁４９の開度を目標水素供給弁開度に制御する（図９の燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５参照）。
【０１０６】
ステップＳ２５０において、コントローラ２０は、制限前モータ指令トルクを演算する。具体的には、コントローラ２０は、現在のタービン回収動力の推定値（以下では、「推定タービン回収動力」とも記載する）を電動モータ６０の回転数で除して推定タービン回収トルクを算出する（図１０の演算部Ｂ１０３２）。そして、コントローラ２０は、ステップＳ２２０で演算した目標コンプレッサトルクから、推定タービン回収動力を減算することにより、制限前モータ指令トルクを演算する（図１０の減算部３００参照）。
【０１０７】
ステップＳ２６０において、コントローラ２０は、モータ指令トルクを演算する。具体的に、コントローラ２０は、ステップＳ２５０で演算した制限前モータ指令トルクと、過渡運転状態におけるモータ動力の上限値である過渡運転モータ動力上限値と、の内の小さい方をモータ指令トルクとして演算する（図１０のミニマムセレクト部Ｂ１０３４参照）。すなわち、モータ指令トルクは、制限前モータ指令トルクを過渡運転モータ動力上限値で制限した値である。
【０１０８】
なお、本実施形態において、過渡運転状態とは、タービン回収動力が目標タービン回収動力よりも所定値以上低い状態、又はモータ動力が定常時目標運転モータ動力上限値よりも所定値以上高い状態を意味する。
【０１０９】
次に、本実施形態における燃料電池システム１００における各種制御について、図９〜図１４に示すブロック図を参照して詳細に説明する。なお、図９〜図１４に示す各ブロックの機能は、コントローラ２０により実現される。
【０１１０】
図９は、燃料電池システム１００における空気系制御の全体の機能の概要を示すブロック図である。
【０１１１】
図示のように、コントローラ２０は、目標スタック電流算出部Ｂ１００と、暫定目標空気圧力演算部Ｂ１０１と、マックスセレクト部Ｂ１０１´と、暫定目標空気流量演算部Ｂ１０２と、マックスセレクト部Ｂ１０２´と、本実施形態における定常状態判定部及び出力配分調節部としての空気系制御部Ｂ１０３と、ミニマムセレクト部Ｂ１０４と、燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５と、を有している。
【０１１２】
目標スタック電流算出部Ｂ１００には、燃料電池システム１００の外部からの要求として、当該燃料電池システム１００が搭載された車両の走行にかかる走行用電力が入力される。具体的には、図示しないアクセルペダルセンサで検出されるアクセルペダルの踏込み量に基づく走行用電力が入力される。また、目標スタック電流算出部Ｂ１００には、補機消費電力の推定値が入力される。
【０１１３】
目標スタック電流算出部Ｂ１００は、上記走行用電力と補機消費電力の推定値を加算して目標スタック電力を算出し、図３のステップＳ１１２〜Ｓ１１４で説明した処理にしたがい、目標スタック電流を算出する。
【０１１４】
さらに、目標スタック電流算出部Ｂ１００は、算出した目標スタック電流を、暫定目標空気圧力演算部Ｂ１０１、暫定目標空気流量演算部Ｂ１０２、及び空気系制御部Ｂ１０３に出力する。
【０１１５】
暫定目標空気圧力演算部Ｂ１０１には、目標スタック電流が入力される。暫定目標空気圧力演算部Ｂ１０１は、予め定められたマップに基づいて、目標スタック電流から、燃料電池スタック１０内の電解質膜の湿潤状態を考慮する前の暫定目標空気圧力を演算する。暫定目標空気圧力演算部Ｂ１０１は、演算した暫定目標空気圧力をマックスセレクト部Ｂ１０１´に出力する。
【０１１６】
マックスセレクト部Ｂ１０１´には、暫定目標空気圧力と湿潤要求目標空気圧力が入力される。なお、湿潤要求目標空気圧力は、燃料電池スタック１０内における電解質膜の湿潤状態を適切に維持する観点から定まる空気圧力の目標値である。そして、マックスセレクト部Ｂ１０１´は、上記暫定目標空気圧力と上記湿潤要求目標空気圧力の内の大きい方を、最終的な目標空気圧力として空気系制御部Ｂ１０３に出力する。
【０１１７】
暫定目標空気流量演算部Ｂ１０２には、目標スタック電流が入力される。暫定目標空気流量演算部Ｂ１０２は、予め定められたマップに基づいて、目標スタック電流から、燃料電池スタック１０内の電解質膜の湿潤状態を考慮する前の暫定目標空気流量を演算する。
【０１１８】
マックスセレクト部Ｂ１０２´には、暫定目標空気流量と湿潤要求目標空気流量が入力される。なお、湿潤要求目標空気流量は、燃料電池スタック１０内における電解質膜の湿潤状態を適切に維持する観点から定まる空気流量の目標値である。そして、マックスセレクト部Ｂ１０２´は、上記暫定目標空気流量と上記湿潤要求目標空気流量の内の大きい方を、最終的な目標空気流量として空気系制御部Ｂ１０３に出力する。
【０１１９】
空気系制御部Ｂ１０３には、目標スタック電流、目標空気圧力、目標空気流量、空気流量検出値、目標タービン入口温度前回値、モータ回転数検出値、空気圧力検出値、ＨＦＲ測定値、目標冷却水温度、冷却水温度検出値、スタック電圧検出値、及びシステム要求出力が入力される。
【０１２０】
本実施形態において、空気系制御部Ｂ１０３は、これら入力された値に基づいて、電動モータ６０の出力及びタービン回収動力を制御する。具体的に、空気系制御部Ｂ１０３は、入力された各値に基づいて、指令ノズルリフト量及びモータ指令トルクを算出して電動モータ６０のトルク及びノズルベーン開度をフィードバック制御するとともに、制限前目標タービン入口温度を演算しミニマムセレクト部Ｂ１０４に出力する。
【０１２１】
図１０は、空気系制御部Ｂ１０３の詳細な機能を示すブロック図である。図示のように、空気系制御部Ｂ１０３は、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１と、演算部Ｂ１０３２と、空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３と、ミニマムセレクト部Ｂ１０３４と、演算部Ｂ１０３５と、モータ出力上限値設定部２０２と、目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９と、を有している。
【０１２２】
タービン回収動力推定部Ｂ１０３１には、空気圧力検出値、空気流量検出値、及び目標タービン入口温度前回値が入力される。タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、これら値及び図示しない記憶部に記憶されたタービン入口温度前回値からタービン回収動力の推定値（以下では、「推定タービン回収動力」とも記載する）を算出する。
【０１２３】
具体的に、先ず、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、以下に示す離散系における一時遅れの近似式（１）を用いてタービン入口温度の推定値Ｔｔ_in_eを求める。
【０１２４】
【数１】
2018006169.tif 000003
ただし、
Ｔｔ_in_e(ｎ−1)：タービン入口温度前回値  [℃]
Ｔｔ_in_t：目標タービン入口温度前回値  [℃]
ｔｓ：時定数  [sec]
ｔsamp：制御演算周期  [sec]
である。なお、時定数ｔｓは、実験等により予め定められる。
【０１２５】
そして、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、推定したタービン入口温度から推定タービン回収動力を算出する。具体的に、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、以下の式（２）に基づいて推定タービン回収動力ＰＯt_eを算出する。
【０１２６】
【数２】
2018006169.tif 000004
ただし、
ＰＯt_e：推定タービン回収動力  [kW]
Ｑin：空気流量検出値  [NL/min]
Ｍair：空気の式量  [g/mol]
ｃｐair：空気の定圧比熱  [kJ/(g・K)]
Ｖsta：標準状態における体積（＝２２．４１４）  [L]
ηcp：タービン効率
Ｔt_in_e：タービン入口温度の推定値[℃]
Ｔsta：標準状態における絶対温度（＝２７３．１５）  [K]
Ｐt_in：タービン入口空気圧力  [kPa＿a]
Ｐt_out：タービン出口空気圧力  [ｋPa_a]
γ：比熱比
６０：秒分間の単位変換係数
１０００：ｍ3とＬ（リットル）の単位変換係数
である。
【０１２７】
タービン入口空気圧力Ｐｔ_inは、空気圧力検出値及び空気流量検出値に基づいて算出される。
【０１２８】
図１１は、タービン入口空気圧力Ｐｔ_inの算出機能を示すブロック図である。タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、タービン入口空気圧力Ｐｔ_inの演算を行う機能として、図に示す圧損演算ブロックＢ３０１と、演算部Ｂ３０２と、を有している。
【０１２９】
圧損演算ブロックＢ３０１には、空気流量検出値が入力される。圧損演算ブロックＢ３０１は、空気流量と圧損ΔＰの関係を示す圧損マップを有している。圧損演算ブロックＢ３０１は、この圧損マップに基づいて、入力された空気流量検出値から燃料電池スタック１０の圧損ΔＰを演算し、演算部Ｂ３０２に出力する。
【０１３０】
演算部Ｂ３０２には、空気圧力検出値と圧損ΔＰが入力される。演算部Ｂ３０２は、空気圧力検出値から圧損ΔＰを減算してタービン入口空気圧力Ｐｔ_inを求める。
【０１３１】
タービン出口空気圧力Ｐｔ_outとしては、例えば大気圧（≒１０１［ｋｐａ］）を用いる。外気の圧力が変動する場合には、図示しない大気圧センサにより検出された圧力検出値をタービン出口空気圧力Ｐｔ_outとしても良い。
【０１３２】
タービン効率ηcpは、タービン入口空気圧力Ｐｔ_in及びタービン出口空気圧力Ｐｔ_outに基づいて算出される。
【０１３３】
図１２は、タービン効率ηcpの算出機能を示すブロック図である。タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、タービン効率ηcpの算出を行う機能として、図に示す演算部Ｂ４０１と、タービン効率演算ブロックＢ４０２と、を有している。
【０１３４】
演算部Ｂ４０１には、タービン入口空気圧力Ｐｔ_in及びタービン出口空気圧力Ｐｔ_outが入力される。演算部Ｂ４０１は、空気圧力比Ｐｔ_in／Ｐｔ_outを演算し、タービン効率演算ブロックＢ４０２を出力する。
【０１３５】
タービン効率演算ブロックＢ４０２には、空気圧力比Ｐｔ_in／Ｐｔ_outが入力される。タービン効率演算ブロックＢ４０２は、空気圧力比Ｐｔ_in／Ｐｔ_outとタービン効率ηcpの関係を示すタービン効率マップを有している。タービン効率演算ブロックＢ４０２は、このタービン効率マップに基づいて、入力された空気圧力比Ｐｔ_in／Ｐｔ_outからタービン効率ηcpを演算する。
【０１３６】
図１０に戻り、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１は、算出した推定タービン回収動力を演算部Ｂ１０３２に出力する。
【０１３７】
演算部Ｂ１０３２には、推定タービン回収動力と、回転数センサ７２からのモータ回転数検出値が入力される。演算部Ｂ１０３２は、推定タービン回収動力からモータ回転数検出値を除して、タービン６２で回収されるトルクであるタービン回収トルクの推定値（以下では、「推定タービン回収トルク」とも記載する）を算出する。そして、演算部Ｂ１０３２は、算出した推定タービン回収トルクを減算部３００に出力する。
【０１３８】
空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３には、目標空気圧力、目標空気流量、空気圧力検出値、及び空気流量検出値が入力される。空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３は、入力された空気圧力検出値及び空気流量検出値が、それぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に近づくように、指令ノズルリフト量及び目標コンプレッサトルクを算出する。
【０１３９】
また、空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３は、算出した指令ノズルリフト量をノズルベーン３４に出力するとともに、算出した目標コンプレッサトルクを減算部３００及び演算部Ｂ１０３５に出力する。
【０１４０】
減算部３００は、空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３で算出された目標コンプレッサトルクから演算部Ｂ１０３２で算出された推定タービン回収トルクを減算し、ミニマムセレクト部Ｂ１０３４に出力する。
【０１４１】
そして、ミニマムセレクト部Ｂ１０３４には、制限前モータ指令トルクと過渡時モータトルク上限値が入力される。ここで、制限前モータ指令トルクとは、減算部３００において目標コンプレッサトルクから推定タービン回収トルクを減算して得られる値である。
【０１４２】
また、過渡時モータトルク上限値は、燃料電池システム１００が過渡運転状態である場合に、電動モータ６０の動力が到達し得る最大のモータトルクとして設定される値であり、記憶部３０１にあらかじめ記憶されている。過渡時モータトルク上限値は、例えば、電動モータ６０の仕様などに応じて設定されるいわゆる短時間定格である。
【０１４３】
そして、ミニマムセレクト部Ｂ１０３４は、制限前モータ指令トルクと過渡時モータトルク上限値の内の小さい方を、モータ指令トルクとして電動モータ６０に出力する。
【０１４４】
演算部Ｂ１０３５には、空気系アクチュエータ制御部Ｂ１０３３で算出された目標コンプレッサトルク、及びモータ回転数検出値が入力される。演算部Ｂ１０３５は、目標コンプレッサトルクにモータ回転数検出値を乗じて、目標コンプレッサ動力を算出する。演算部Ｂ１０３５は、目標コンプレッサ動力を減算部３０２に出力する。
【０１４５】
本実施形態におけるモータ出力上限値設定部２０２は、上述した定常運転状態における電動モータ６０の出力上限値であるモータ出力上限値を設定する。
【０１４６】
具体的に、モータ出力上限値設定部２０２は、発電電力要求最大モータ動力算出部Ｂ１０３６と、スタック出力制限値算出部２０３と、演算部Ｂ１０３７と、ミニマムセレクト部Ｂ１０３８と、目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９と、を有している。
【０１４７】
発電電力要求最大モータ動力算出部Ｂ１０３６には、目標スタック電流が入力される。発電電力要求最大モータ動力算出部Ｂ１０３６は、所定の発電電力要求最大モータ動力マップに基づいて目標スタック電流から、発電電力要求最大モータ動力を算出する。
【０１４８】
図１３は、発電電力要求最大モータ動力マップの概要を示している。図に示すマップでは、目標スタック電流が増加して所定値Ｉ１に到達するまで、すなわちシステム要求出力が相対的に低い低〜中負荷領域では発電電力要求最大モータ動力マップが一定値に設定されている。これにより、システム要求出力が相対的に低い状態では、コンプレッサ６４への要求動力が目標モータ出力より低く目標タービン回収動力がマイナスとなり、燃焼器３２への燃料供給が停止されることとなる。
【０１４９】
一方、目標スタック電流が所定値Ｉ１に達した以降、すなわちシステム要求出力が相対的に高い高負荷領域においては、発電電力要求最大モータ動力が減少している。これは、システム要求出力が相対的に高い状態においては目標タービン回収動力を相対的に増加させて、発電電力要求最大モータ動力を減少させ電動モータ６０の消費電力のさらなる低減を図るためである。これにより、燃料電池スタック１０の発電電力から電動モータ６０を含む補機類で消費される電力を差し引いて得られる燃料電池システム１００のシステム出力を向上させることができる。
【０１５０】
図１０に戻り、発電電力要求最大モータ動力算出部Ｂ１０３６は、算出した発電電力要求最大モータ動力をミニマムセレクト部Ｂ１０３８に出力する。
【０１５１】
図１４は、スタック出力制限値算出部２０３の構成を示すブロック図である。
【０１５２】
図示のように、スタック出力制限値算出部２０３は、温度要求スタック電流制限値算出部Ｂ５０１と、ＨＦＲ要求電流制限値算出部Ｂ５０２と、ミニマムセレクト部Ｂ５０３と、演算部Ｂ５０４と、を有している。
【０１５３】
温度要求スタック電流制限値算出部Ｂ５０１には、目標冷却水温度と冷却水温度検出値が入力される。温度要求スタック電流制限値算出部Ｂ５０１は、冷却水温度検出値と目標冷却水温度の偏差が所定値以下となるように算出されるスタック電流の制限値を温度要求スタック電流制限値として算出する。
【０１５４】
ＨＦＲ要求電流制限値算出部Ｂ５０２には、ＨＦＲ測定値が入力される。ＨＦＲ要求電流制限値算出部Ｂ５０２は、所定のＨＦＲ−電流制限値マップに基づき、ＨＦＲ測定値からＨＦＲ要求スタック電流制限値を算出する。
【０１５５】
図に示すＨＦＲ−電流制限値マップでは、ＨＦＲ測定値が大きくなるほど（電解質膜がより乾燥するほど）ＨＦＲ要求スタック電流制限値が小さくなる。これは、電解質膜が乾燥すると電解質膜の劣化を防止する観点から、燃料電池スタック１０から取り出す電流を減少させるためである。
【０１５６】
一方で、ＨＦＲ値が相対的に低い状態（電解質膜の湿潤度が相対的に高い状態）では、燃料電池スタック１０からより多くの電流を取り出すことができるので、ＨＦＲ要求スタック電流制限値は相対的に大きくなる。
【０１５７】
ミニマムセレクト部Ｂ５０３には、温度要求スタック電流制限値及びＨＦＲ要求スタック電流制限値が入力される。ミニマムセレクト部Ｂ５０３は、これら値の内の小さい方をスタック電流制限値として演算部Ｂ５０４に出力する。
【０１５８】
演算部Ｂ５０４には、スタック電流制限値及びスタック電圧制限値が入力される。演算部Ｂ５０４は、これら値を相互に乗算することでスタック出力制限値を算出し、演算部Ｂ１０３７に出力する。
【０１５９】
図１０に戻り、演算部Ｂ１０３７には、スタック出力制限値、補機消費電力、及びシステム要求出力が入力される。ここで、補機消費電力は、燃料電池システム１００における電動モータ６０以外の補機（例えば、各種バルブやポンプ等）の消費電力である。
【０１６０】
演算部Ｂ１０３７は、スタック出力制限値から上記電動モータ６０以外の補機消費電力及びシステム要求出力を減算し、出力制限要求モータ動力として演算する。演算部Ｂ１０３７は、演算した出力制限要求モータ動力をミニマムセレクト部Ｂ１０３８に出力する。
【０１６１】
ミニマムセレクト部Ｂ１０３８には、最大モータ動力、発電電力要求最大モータ動力、及び出力制限要求モータ動力が入力される。ミニマムセレクト部Ｂ１０３８は、これら値の内の最小値を目標モータ動力として減算部３０２に出力する。
【０１６２】
すなわち本実施形態では、最大モータ動力、発電電力要求最大モータ動力、及び出力制限要求モータ動力の内の最小値が、電動モータ６０の動力の目標値である目標モータ動力として定められることとなる。したがって、本実施形態では、目標モータ動力が定常時目標運転モータ動力上限値に相当する。
【０１６３】
目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９には、減算部３０２において目標コンプレッサ動力から目標モータ動力を減算した値が目標タービン回収動力として入力される。したがって、本実施形態では、目標タービン回収動力は、コンプレッサ６４で必要とされる動力に対して電動モータ６０で得られる動力が不足する分として算出されることとなる。
【０１６４】
また、目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９には、目標空気圧力及び目標空気流量が入力される。
【０１６５】
そして、目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９は、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量に基づいて、制限前目標タービン入口温度を算出する。ここで、制限前目標タービン入口温度は、後述するタービン６２の部品の耐熱温度等を考慮した制限がかかる前のタービン入口温度も目標値である。
【０１６６】
目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９は、具体的に、タービン回収動力推定部Ｂ１０３１で用いた式（２）を用いて、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量から制限前目標タービン入口温度を算出する。
【０１６７】
すなわち、式（２）のＰＯt_eに目標タービン回収動力を代入し、Ｑinに目標空気流量を代入する。そして、図１１に示したタービン入口空気圧力Ｐt_inの算出ロジックにおいて、「空気圧力検出値」及び「空気流量検出値」をそれぞれ、目標空気圧力及び目標空気流量に置き換えて、タービン入口空気圧力Ｐt_inを算出する。また、タービン出口空気圧力Ｐt_outとしては大気圧を用いる。このようにして得られた各値を式（２）に適用すれば、式（２）のＴt_in_eを求めることができるので、これを制限前目標タービン入口温度とすることができる。
【０１６８】
目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９は、算出した制限前目標タービン入口温度をミニマムセレクト部Ｂ１０４に出力する。
【０１６９】
図９に戻り、ミニマムセレクト部Ｂ１０４には、空気系制御部Ｂ１０３から出力される制限前目標タービン入口温度、及び許容上限温度が入力される。ここで、許容上限温度とは、部品の耐熱温度を考慮して定められるタービン入口温度の上限温度であり、記憶部３０３に予め記憶されている。
【０１７０】
ミニマムセレクト部Ｂ１０４は、制限前目標タービン入口温度と許容上限温度の内の小さい方の値を、目標タービン入口温度として燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５に出力する。
【０１７１】
燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５には、目標タービン入口温度、空気流量検出値、空気圧力検出値、スタック出口温度、スタック電流検出値、供給水素圧力、及び冷却水温度（水素温度）が入力される。
【０１７２】
燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５は、入力された各値に基づいて、燃焼器水素量調節弁４９の開度の目標値である目標水素供給弁開度を算出し、燃焼器水素量調節弁４９に出力する。具体的に、燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５は、予め定められた目標タービン入口温度、目標空気流量、及び燃焼器水素量調節弁４９の開度の関係を規定したマップに基づいて、目標タービン入口温度及び目標空気流量から燃焼器水素量調節弁４９の目標水素供給弁開度を算出する。
【０１７３】
以上説明した制御構成を有する燃料電池システム１００の作動状態について説明する。
【０１７４】
図１５は、システム要求出力に応じた燃料電池システム１００の各パラメータの変化を示している。具体的に、図１５（ａ）はシステムのネット出力の変化を示しており、図１５（ｂ）はモータ消費電力及びタービン回収動力の変化を示している。また、図１５（ｃ）、図１５（ｄ）、及び図１５（ｅ）はそれぞれ、システム効率の変化、タービン入口温度の変化、及び燃焼器３２への水素供給量を表している。さらに、図１５（ｂ）における一点鎖線は、定常時目標モータ動力上限値を示している。
【０１７５】
また、図１５（ａ）〜図１５（ｅ）においては、目標スタック電流が所定値Ｉ１以上のシステム要求出力が相対的に高い高負荷領域において、定常時目標モータ動力上限値を減少させないと仮定した場合における各量の変化を破線で示す。
【０１７６】
図示のように、スタック電流が所定値Ｉ０以下のシステム要求出力が相対的に低い低負荷領域では、燃焼器３２が作動しておらず、タービン入口温度及び燃焼器水素量調節弁４９の開度が一定値をとっている（図１５（ｄ）及び（ｅ）参照）。したがって、タービン回収動力は相対的に少なくなり、コンプレッサ６４の動力をモータ消費電力で賄う割合が高くなるため、システム効率が比較的高くなっている（図１５（ｂ）及び（ｃ）参照）。
【０１７７】
スタック電流が所定値Ｉ０〜Ｉ１の中負荷領域では、モータ動力が、図上一点鎖線で示した目標モータ動力の上限値（定常時目標運転モータ動力上限値）に静定し、これ以上上昇しなくなる。一方で、モータ動力の増加は停止してもシステム要求出力が増加を続ければ、目標コンプレッサ動力は増加していく。したがって、この目標コンプレッサ動力を満たすべく、燃焼器３２を作動させて燃焼ガスの温度を向上させ、タービン回収動力を向上させてタービン６２で賄うコンプレッサ６４の動力を増加させる。
【０１７８】
次に、スタック電流が所定値Ｉ１以上である高負荷領域では、図１０における発電電力要求最大モータ動力算出部Ｂ１０３６のロジックにしたがい、定常時目標運転モータ動力上限値が低下した値に設定される（図１５（ｂ）参照）。これに伴い、モータ動力が、低下した定常時目標運転モータ動力上限値に向かって減少する。さらに、このモータ動力の低下をタービン回収動力で補うべく、燃焼器３２への水素供給量をより増加させて、タービン回収動力をより増加させる（図１５（ｂ）、（ｄ）、及び（ｅ）参照）。
【０１７９】
したがって、高負荷領域においてモータ動力（モータ消費電力）を減少させつつも、システム１００のネット出力をより増加させることができる（図１５（ａ）参照）。すなわち、本実施形態にかかる燃料電池システム１００では、高負荷領域においてタービン回収動力をより向上させて、モータ消費電力を大きく低減し、システム出力を向上させることができるので、燃料電池スタック１０のサイズの小型化を図ることができる。
【０１８０】
図１６は、本実施形態の燃料電池システム１００の制御における経時的な流れの一例を示すタイムチャートである。
【０１８１】
図示のように、本実施形態の燃料電池システム１００では、時刻ｔ１〜ｔ２においては、タービン回収動力が目標タービン回収動力にほぼ一致しており（定常運転状態）、スタック電流が相対的に低くシステム要求出力が小さい低負荷領域である（図１６（ａ）参照）。また、時刻ｔ１〜ｔ２では、モータ動力が定常時目標モータ動力上限値を下回っている。すなわち、モータ動力から定常時目標モータ動力上限値を減算して得られる動力超過量が負の値となっている。
【０１８２】
この定常運転状態且つ低負荷領域では、モータ動力が不足しておらず、タービン回収動力が目標タービン回収動力にほぼ一致しており、燃焼器３２が非作動状態である。したがって、タービン回収動力及びタービン入口温度は相対的に低い値をとっている（図１６（ｃ）及び図１６（ｆ）参照）。
【０１８３】
次に、時刻ｔ２において燃料電池スタック１０の負荷（スタック電流）が増加し始める（図１６（ａ）参照）。すなわち、燃料電池スタック１０へのシステム要求出力が増加し始める。したがって、燃料電池スタック１０への負荷の増加に応じて空気圧力及び空気流量が上昇する（図１６（ｃ）及び図１６（ｄ）参照）。そして、負荷の増加に合わせて、燃焼器３２が作動し、タービン入口温度及びタービン回収動力の増加が開始される（図１６（ｃ）及び図１６（ｆ）参照）。
【０１８４】
時刻ｔ３において、目標タービン回収動力がタービン回収動力を上回り、モータ動力が定常時目標モータ動力上限値を上回る過渡運転状態に移行する（図１６（ｂ）及び図１６（ｃ）参照）。図１６（ｂ）の一点鎖線で示すように、過渡運転状態では、定常時目標モータ動力上限値よりも大きい過渡時目標モータ動力上限値（図１０の「過渡時目標モータトルク最大値」参照）まで、モータ動力の上昇が許容される。
【０１８５】
一方で、図１０の発電電力要求最大モータ動力算出部Ｂ１０３６のマップにしたがい、定常目標モータ動力上限値としてより減少した値が設定される（図１６（ｂ）参照）。したがって、モータ動力はより低い値に制限されることとなる。これに伴い、タービン回収動力を増加させるべく目標タービン回収動力がより高い値に設定される（図１６（ｃ）参照）。
【０１８６】
一方で、図１６（ｃ）に破線で示すように、時刻ｔ３以降において目標タービン回収動力が高く設定されるが、実際のタービン回収動力は応答遅れによって目標タービン回収動力に到達するまでにタイムラグが生じる。したがって、本実施形態では、上述のように、時刻ｔ３以降においては、モータ動力の上限値として定常時目標モータ動力上限値よりも大きい過渡時目標モータ動力上限値を設定する。これにより、モータ動力が負荷の増大に応じて定常時目標モータ動力上限値を超えて上昇することを許容し、応答遅れによるタービン回収動力の不足を補っている。
【０１８７】
時刻ｔ４において、モータ動力が最大となるとともに（図１６（ｂ）参照）、燃料電池スタック１０に対する負荷が最大となる。すなわち、システム要求出力が最大となる（図１６（ａ）参照）。以降は、負荷が最大の状態で時刻ｔ６まで静定する。また、タービン回収動力は徐々に目標タービン回収動力に向かって増加していく（図１６（ｃ）参照）。一方、図１０のモータ出力上限値設定部２０２の制御ロジックにしたがい、目標モータ動力が定常目標モータ動力上限値に制限されているので、モータ動力は定常目標モータ動力上限値に向かって低下する（図１６（ｂ）参照）。すなわち、コンプレッサ６４の動力を確保するにあたり、電動モータ６０による動力の割合に対して、タービン回収動力の割合を高くなって行くこととなる。
【０１８８】
時刻ｔ５において、モータ動力及びタービン回収動力がそれぞれ、定常目標モータ動力上限値及び目標タービン回収動力に静定する（図１６（ｂ）及び図１６（ｃ）参照）。すなわち、燃料電池システム１００の状態が定常運転状態に移行する。ここで、時刻ｔ５〜ｔ６の間の定常運転状態では、低下された定常目標モータ動力上限値が設定されているので、モータ動力はこの低下された定常目標モータ動力上限値に制限される一方で、このモータ動力の制限分がタービン回収動力により補われることとなる。すなわち、コンプレッサ６４の動力を確保するにあたり、電動モータ６０による動力の割合に対して、タービン回収動力の割合がより一層高くなる。
【０１８９】
時刻ｔ６において、負荷が低下し始め（図１６（ａ）参照）、負荷の低下に合わせて要求されるモータ動力及び目標タービン回収動力は低下する。そして、本実施形態では、時刻ｔ６で定常時目標モータ動力上限値を、低下前（時刻ｔ３以前）の値に復帰させる。
【０１９０】
さらに、負荷の低下に合わせて空気圧力及び空気流量が低下するので（図１６（ｄ）及び図１６（ｅ）参照）、タービン回収動力が低下して目標タービン回収動力に静定する（図１６（ｃ）参照）。一方、タービン入口温度については、燃焼器３２が非作動状態とされてからやや遅れをともない緩やかに減少していき、時刻ｔ７で目標タービン入口温度に静定する（図１６（ｆ）参照）。
【０１９１】
時刻ｔ８〜ｔ１０において、再び、燃料電池スタック１０の負荷を増加させる（図１６（ａ）参照）。また、時刻ｔ９において燃料電池システム１００の状態が過渡運転状態に移行する。この時刻ｔ８〜ｔ１０では、上述した時刻ｔ２〜ｔ４の場合よりも負荷増加量（システム要求出力）が少ない。
【０１９２】
したがって、時刻ｔ１０〜時刻ｔ１２は中負荷領域となる。ここで、高負荷領域に移行する前の時刻ｔ３では、定常目標モータ動力上限値をより低い値に設定していたが、中負荷領域（時刻ｔ１０〜ｔ１２）では、定常目標モータ動力上限値を減少させることなく維持したままとなっている。したがって、図１６（ｂ）から明らかなように、高負荷領域であった時刻ｔ４〜時刻ｔ５と比較すると、時刻ｔ１１においてモータ動力の値が低下していない定常時目標モータ動力上限値に静定することとなる。したがって、モータ動力が比較的高く維持される一方で、タービン回収動力が比較的低い値に設定される（図１６（ｃ）参照）。
【０１９３】
このように、システム要求出力がそれほど高くない場合には、コンプレッサ６４に供給する動力に対して、タービン回収動力に対する電動モータ６０の動力の割合を高負荷領域の場合と比較して高くし、よりシステム効率を向上させることができる。すなわち、燃料電池スタック１０に対して多大な負荷を与えないと考えられる中負荷領域では、電動モータ６０の動力の割合を相対的に高くしても、燃料電池スタック１０の発電電力が極端に大きくはならないので、むしろシステム効率を向上させる観点から電動モータ６０の動力の割合を高くする。
【０１９４】
以上説明した本発明の第１実施形態にかかる燃料電池システム１００及び燃料電池システム１００の制御方法によれば、以下の作用効果を奏する。
【０１９５】
本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池としての燃料電池スタック１０のアノード極に燃料（水素）を供給する燃料供給装置としての高圧タンク４０、スタック用水素供給通路４４、及びスタック供給水素調圧弁４８と、燃料電池スタック１０のカソード極に酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給装置と、燃料電池スタック１０の運転状態を検出する運転状態検出部としてのＨＦＲ測定装置１８、エアフローメータ２６、空気圧力センサ２８、スタック出口温度センサ３０、電流センサ５１、及び電圧センサ５２と、運転状態検出部からの信号により上記燃料供給装置及び上記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置としてのコントローラ２０と、を備える。
【０１９６】
この燃料電池システム１００では、上記酸化剤供給装置は、コンプレッサ６４と該コンプレッサ６４を駆動する電動モータ６０と、を備える。そして、コントローラ２０は、システムが定常運転状態であるか否かを判定する定常状態判定部としての空気系制御部Ｂ１０３と、定常状態判定部による判定結果に基づいて、電動モータ６０の出力上限値である定常時目標モータ動力上限値（図１６（ｂ）参照）を設定するモータ出力上限値設定部２０２（図１０参照）として機能する。
【０１９７】
これにより、燃料電池システム１００が定常運転状態であるか否かに応じて、電動モータ６０の出力を定常時目標モータ動力上限値以下に制限することができる。したがって、燃料電池システム１００を電動モータ６０の消費電力を削減することができ、電動モータ６０のサイズを小型化することができる。結果として、燃料電池システム１００全体の小型化に資することとなる。
【０１９８】
特に、本実施形態では、上述のように電動モータ６０の消費電力を削減できるので、電動モータ６０に電力を供給する燃料電池スタック１０の出力も削減されることとなり、スタックサイズの小型化を図ることができる。これにより、電動モータ６０及び燃料電池スタック１０の双方の小型化が図られ、より一層燃料電池システム１００全体の小型化に資することができる。
【０１９９】
また、本実施形態では、電動モータ６０とは独立してコンプレッサ６４を駆動するタービン６２と、水素と空気（酸素）を燃焼させてタービン６２を駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器３２と、をさらに備える。そして、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０への要求負荷（目標スタック電流）に応じて電動モータ６０の出力であるモータ出力及びタービン回収動力の出力配分を調節する出力配分調節部としての空気系制御部Ｂ１０３と、空気系制御部Ｂ１０３により定められるタービン回収動力に基づいて、燃焼器３２への燃料供給量を制御する燃料供給制御部としての目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９及び燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５をさらに備えている。
【０２００】
これにより、燃料電池スタック１０への要求負荷を満たすにあたり、電動モータ６０により得られる動力とタービン６２の回収動力の割合を好適に調節することができる。特に、出力配分調節が行われた結果、必要されるタービン回収動力に基づいて、燃焼器３２への燃料供給量を好適に制御することができる。
【０２０１】
さらに、燃料電池システム１００において、上記出力配分調節部としての空気系制御部Ｂ１０３は、モータ出力と定常時目標モータ動力上限値の差（図１６（ｂ）のモータ動力超過量）が所定値以下となるようにタービン回収動力を調節する（図１０のモータ出力上限値設定部２０２及び減算部３０２）。
【０２０２】
これにより、モータ出力が定常時目標モータ動力上限値を超えないように、タービン回収動力を好適に調節することができる。したがって、モータ出力を定常時目標モータ動力上限値に制限している状況においても、負荷の要求をより確実に満たすことができる。
【０２０３】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、上記出力配分調節部としての空気系制御部Ｂ１０３は、燃料電池への要求負荷（目標スタック電流）に基づいて目標コンプレッサ動力を算出し、目標コンプレッサ動力から定常時目標モータ動力上限値を減算することで目標タービン回収動力を算出する（図１０の減算部３０２参照）。さらに、燃料供給制御部としての目標タービン入口温度算出部Ｂ１０３９及び燃焼器水素量調節弁制御部Ｂ１０５は、調節されたタービン回収動力に基づいて燃焼器３２への燃料供給量の目標値である目標燃料供給量に相当する目標水素供給弁開度を算出し、算出された目標水素供給弁開度に基づいて燃焼器３２への燃料供給量（燃焼器水素量調節弁４９の開度）を制御する。
【０２０４】
これにより、目標コンプレッサ動力に対し、モータ出力が定常時目標モータ動力上限値を超えないように制限しつつ、燃焼器３２への水素供給量を調節してタービン回収動力を調節することができる。すなわち、目標コンプレッサ動力に対してモータ出力を比較的低く制限しつつ、不足分をタービン回収動力によって補うように、燃焼器３２への水素供給量を調節することができる。したがって、コンプレッサ６４で必要とされる動力に対して、モータ出力を比較的低くすることができるので、電動モータ６０の消費電力の最大値をより抑えて、電動モータ６０や燃料電池スタック１０のさらなる小型化を図ることができる。
【０２０５】
さらに、本実施形態において定常運転状態とは、電動モータ６０の出力から定常時目標モータ動力上限値を減算した値であるモータ出力超過量（モータ動力超過量）が所定値以下（実質的にゼロ）の場合である（特に図１６（ｂ）の時刻ｔ５〜ｔ６及び時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２参照）。
【０２０６】
このような燃料電池システム１００の定常運転状態はタービン回収動力が目標タービン回収動力と略一致する状態に相当することとなる。したがって、定常時目標モータ動力上限値をより適切なシーンで設定することができる。
【０２０７】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ２０は、システム要求出力を算出するシステム要求出力算出部２００をさらに有する。そして、モータ出力上限値設定部２０２は、システム要求出力を加味して定常時目標モータ動力上限値を設定する（図１０参照）。
【０２０８】
これにより、定常時目標モータ動力上限値をシステム要求出力の大小に応じてより適切に設定することができる。
【０２０９】
さらに、システム要求出力算出部２００は、車両のアクセルペダルの操作量に基づいてシステム要求出力を算出する（図９のシステム要求出力算出部参照）。
【０２１０】
これにより、燃料電池システム１００を搭載した車両の負荷状態に応じてシステム要求出力を算出することができる。すなわち、アクセルペダルの踏み込み量が比較的大きい高負荷領域、及びアクセルペダルの踏み込み量が比較的小さい低・中負荷領域等の車両の負荷状態をより確実に検出して、当該負荷状況に応じて本実施形態にかかる制御をより好適に実行することができる。
【０２１１】
さらに、モータ出力上限値設定部２０２としてのモータ出力上限値設定部２０２は、システム要求出力が相対的に高い場合に、定常時目標モータ動力上限値を低く設定する（図１０の発電電力要求最大モータ動力算出部Ｂ１０３６、演算部Ｂ１０３７、及び図１３，図１５における目標スタック電流がＩ１以上の領域参照）。
【０２１２】
これにより、システム要求出力が相対的に高い高負荷領域においても、コンプレッサ６４の要求動力に対して寄与するモータ動力を低下させることができ、モータ消費電力をより削減することができる（図１６（ｂ）の時刻ｔ４〜時刻ｔ６）。結果として、高負荷領域においてモータ動力を減少させることができる。したがって、電動モータ６０の出力をより小さくして電動モータ６０のさらなる小型化を図ることができる。
【０２１３】
また、本実施形態では、燃料電池スタック１０の発電電力の内、電動モータ６０で消費される電力の割合をより削減することができる。したがって、燃料電池スタック１０の発電電力当りのシステム出力（ネット出力）をより向上させることができるので、燃料電池スタック１０のサイズのさらなる小型化が実現される。
【０２１４】
さらに、本実施形態による燃料電池システム１００では、モータ出力上限値設定部２０２としてのモータ出力上限値設定部２０２は、上記運転状態検出部としての水温センサ８８により検出された冷却水温度、及びＨＦＲ測定装置１８により検出されたＨＦＲ測定値に基づいて燃料電池スタック１０の出力制限値としてのスタック出力制限値を算出し（スタック出力制限値算出部２０３）、算出されたスタック出力制限値とシステム要求出力と、を比較し（図１０の演算部Ｂ１０３７）する。そして、モータ出力上限値設定部２０２は、スタック出力制限値に対してシステム要求出力が大きいほど、定常時目標モータ動力上限値を低く設定する（図１０の演算部Ｂ１０３７及びミニマムセレクト部Ｂ１０３８）。
【０２１５】
これにより、燃料電池スタック１０の運転状態に応じたスタック出力制限値とシステム要求出力の差が小さいとき、すなわち燃料電池スタック１０において発電可能な上限電力の多くをシステム出力（車両の走行等）に使用する必要がある場合には、定常時目標モータ動力上限値を低くして電動モータ６０に供給する電力を低減することができる。したがって、燃料電池スタック１０の運転状態に基づいて必要に応じて、より多くの割合のスタック発電電力をシステム出力に使用することができる。
【０２１６】
なお、スタック出力制限値については、上記燃料電池スタック１０の運転状態に加えて、燃料電池スタック１０のサイズに応じた制限値を加味しても良い。具体的には、例えば、燃料電池の運転状態に基づいて算出される上記スタック出力制限値と、燃料電池スタック１０のサイズに応じた制限値と、の小さい方を選択して実際に用いるスタック出力制限値とすることができる。
【０２１７】
また、本実施形態では、定常時目標モータ動力上限値を低くして電動モータ６０の出力を制限した場合でも、タービン回収動力でこれを補い、より確実に目標コンプレッサ動力を確保することができる。
【０２１８】
さらに、本実施形態による燃料電池システム１００では、モータ出力上限値設定部２０２は、電動モータ６０の連続定格動力である最大モータ動力、燃料電池スタック１０の要求負荷（目標スタック電流）に基づいて設定される負荷要求最大モータ動力としての発電電力要求最大モータ動力、及びスタック出力制限値のうち、最も小さい値を定常時目標モータ動力上限値として設定する。
【０２１９】
これにより、電動モータ６０の連続定格等の最大モータ動力、要求発電電力に応じた発電電力要求最大モータ動力、及び燃料電池スタック１０の運転状態等に応じた出力制限値を全て満足するように、定常時目標モータ動力上限値を定めることができる。したがって、これら３つの要素に応じて電動モータ６０の消費電力を好適に制限することができる。
【０２２０】
以上説明したように、本実施形態では、燃料電池スタック１０にカソード極に空気を供給するコンプレッサ６４を電動モータ６０で駆動する燃料電池システム１００の制御方法が提供される。そして、この制御方法では、コントローラ２０は、システム１００が定常運転状態であるか否かを判定し（図１０の空気系制御部Ｂ１０３）、定常運転状態であるか否かの判定結果に基づいて電動モータの出力上限値を設定する（図１０のモータ出力上限値設定部２０２）。
【０２２１】
これにより、燃料電池システム１００が定常運転状態であるか否かに応じて、電動モータ６０の出力を定常時目標モータ動力上限値以下に制限することができる。したがって、燃料電池システム１００を電動モータ６０の消費電力を削減することができ、電動モータ６０のサイズを小型化することができる。結果として、燃料電池システム１００全体の小型化に資することとなる。
【０２２２】
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。
【０２２３】
例えば、本実施形態の図１６においては、定常時目標モータ動力上限値を定常運転状態且つ高負荷となる時刻ｔ５より以前の時刻ｔ３で低くしているが、定常運転状態且つ高負荷となる時刻ｔ５に合わせて定常時目標モータ動力上限値を低くするようにしても良い。また、時刻ｔ５以前、例えばモータ動力超過量が予め定められた０以上の所定値以下となった段階で定常時目標モータ動力上限値を低く設定するようにしても良い。
【０２２４】
また、本実施形態では、図１６に示すように、定常時目標モータ動力上限値が時刻ｔ４〜時刻ｔ５で低下させた値をとる以外は、時間変化に対してほぼ一定の値となっている。しかしながら、例えば、システム要求出力の連続的な増加（減少）に応じて定常時目標モータ動力上限値を連続的に減少（増加）させるようにしても良い。
【０２２５】
また、上記実施形態では、過渡時モータトルク上限値としては、電動モータ６０の仕様などに応じて予め定められる短時間定格を用いているが、これに限られず、モータトルクの最大値として好適な種々の値を用いることができる。
【０２２６】
一例として、過渡時モータトルク上限値を、電動モータ６０の温度、電動モータ６０の図示しないインバータの温度、短時間定格、電動モータ６０の動力が目標モータ動力（定常運転モータ電力上限値）以上となる時間、インバータの電流制限値、電動モータ６０の回転数変化率、及び電動モータ６０やそのインバータの冷却水温度等に基づいて得られる固定値又は可変値としても良い。
【０２２７】
また、本実施形態における「コンプレッサ６４」は、カソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０のカソード極に空気を供給する機能を果たしている。したがって、このような機能を果たすことができるならば、「コンプレッサ６４」は、一般的な意味で認識されている「コンプレッサ」（有効吐出し圧力が２００ｋＰａ以上の圧縮機）以外にも、適宜、ブロワ等の他の圧縮機や送風機に代えることもできる。
【０２２８】
さらに、本実施形態における「タービン６２」は、燃料電池スタック１０にカソードガス排出通路２４を介して接続されている。より具体的には、カソードガス排出通路２４に設けられた燃焼器３２で燃料電池スタック１０からのカソード排ガスを水素とともに燃焼させ、生成した燃焼ガスをタービン６２に供給するようにしている。しかしながら、これに限られず、例えば、タービン６２をカソードガス排出通路２４とは別系統に構成するようにしても良い。例えば、任意のガス供給源からのガスをタービン６２へ供給する供給系統、及びタービン６２へのガスの供給流量及び温度を調節する機構を別途設けるようにしても良い。
【符号の説明】
【０２２９】
１０    燃料電池スタック
１２    カソード給排機構
１４    アノード供給機構
１６    ターボ過給機
１７    加熱／冷却機構
１８    ＨＦＲ測定装置
１９    負荷装置
２０    コントローラ
２２    カソードガス供給通路
２４    カソードガス排出通路
２６    エアフローメータ
２８    空気圧力センサ
３０    スタック出口温度センサ
３２    燃焼器
３４    ノズルベーン
３６    バイパス通路
３８    バイパス弁
３９    タービンバイパス通路
４０    高圧タンク
４２    水素ヒータ
４４    スタック用水素供給通路
４６    燃焼器用水素供給通路
４７    水素圧力検出センサ
４８    スタック供給水素調圧弁
４９    燃焼器水素量調節弁
５１    電流センサ
５２    電圧センサ
６０    モータ
６２    タービン
６４    コンプレッサ
１００    燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【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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