(57)【要約】【課題】よりタービン効率を向上させ得る燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供すること。【解決手段】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、を備えた燃料電池システムであって、燃料電池から排出される液水を前記燃焼器に供給する液水供給部をさらに有し、酸化剤供給装置は、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と、該コンプレッサを駆動するタービンと、タービンを駆動する燃焼ガスを生成する燃焼器と、を備え、運転制御装置は、燃料電池の負荷、コンプレッサの目標動力、タービンの目標回収動力、及びタービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つを含む液水流量制御パラメータに基づいて、燃焼器に供給される液水の流量である燃焼器供給液水流量を制御する液水流量制御部を備える。【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、
前記燃料電池から排出される液水を前記燃焼器に供給する液水供給部をさらに有し、
前記酸化剤供給装置は、
前記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と、該コンプレッサを駆動するタービンと、前記タービンを駆動する燃焼ガスを生成する燃焼器と、を備え、
前記運転制御装置は、
前記燃料電池の負荷、前記コンプレッサの目標動力、前記タービンの目標回収動力、及び前記タービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つを含む液水流量制御パラメータに基づいて、前記燃焼器に供給される液水の流量である燃焼器供給液水流量を制御する液水流量制御部を備える、
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であって、
前記タービンから独立して前記コンプレッサを駆動する電動モータをさらに有する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記液水供給部は、前記燃料電池のアノード出口からの液水を前記燃焼器に供給する、
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であって、
前記液水供給部は、前記燃料電池のアノード出口からの液水を前記燃焼器に排出する液水供給通路と、前記液水供給通路に設けられた液水供給量調節弁と、を有し、
前記液水流量制御部は、前記液水供給量調節弁の開弁時間割合を調節することで前記燃焼器供給液水流量を制御する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記液水供給通路は、前記燃料電池のアノード供給機構から排出されるパージガスを流すパージ通路であり、
前記液水供給量調節弁は、前記パージ通路に設けられるパージ弁である、
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、
前記液水流量制御部は、前記液水流量制御パラメータが所定値以上となると、前記燃焼器への液水の供給を開始する、
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であって、
前記液水流量制御部は、前記液水流量制御パラメータが前記所定値以上の場合であって前記液水流量制御パラメータが増加するほど、前記燃焼器供給液水流量を増加させる、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記液水流量制御部は、前記燃料電池のアノード出口の相対湿度を調節することで前記燃焼器供給液水流量を制御する、
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、
前記液水流量制御部は、前記燃料電池を冷却する冷却水の温度を調節することで前記アノード出口の相対湿度を調節する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の燃料電池システムであって、
前記液水流量制御部は、前記燃料電池に供給される空気流量を調節することで前記アノード出口の相対湿度を調節する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項８〜１０の何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給する燃料を循環させる燃料循環通路をさらに有し、
前記液水流量制御部は、前記燃料電池に供給される空気流量に対する燃料の循環流量の比率を調節することで前記アノード出口の相対湿度を制御する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記液水流量制御部は、
循環ブロアの回転数、エゼクタの段数、及びエゼクタノズルの径の少なくとも何れか一つに基づいて、前記燃料電池に供給される空気流量に対する燃料の循環流量の比率を調節する、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記液水流量制御部は、前記燃焼器の温度が所定値以上となると、前記燃焼器供給液水流量の制御を開始する、
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃焼器の温度を検出する温度センサを備え、
前記液水流量制御部は、前記温度センサで検出される検出値が所定値以上となると、前記燃焼器供給液水流量の制御を開始する、
燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記液水流量制御部は、前記燃焼器への燃料の供給時間である燃料供給時間が所定値以上となると、前記燃焼器供給液水流量の制御を開始する、
燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１３〜１５の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃焼器への燃料の供給量を調節する燃焼器水素量調節弁を備え、
前記液水流量制御部は、前記燃焼器水素量調節弁の開度が所定値以上となると、前記燃焼器供給液水流量の制御を開始する、
燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１〜１６の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記液水供給部は、前記燃焼器の内部に液水供給口を有し、
前記液水供給口は、前記燃焼器の内部の最高温度点の上方に配置される、
燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１〜１７の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記液水供給部は、前記燃焼器の内部に液水供給口を有し、
前記液水供給口は、前記燃焼器の内部に燃料を供給する燃料供給口に対してガス流方向の下流に配置される、
燃料電池システム。
【請求項１９】
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タービンで駆動す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、前記コンプレッサの目標動力、前記タービンの目標回収動力、及び前記タービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つを含む液水流量制御パラメータを取得し、
前記液水流量制御パラメータに基づいて、前記タービンに供給する燃焼ガスを生成する燃焼器に供給される液水の流量を制御する、
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、電動ターボ過給器と、電動ターボ過給器のタービンに燃焼排ガスを供給する触媒燃焼器を備えた燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、燃料電池からのアノード排ガスがパージ導管を介して発電等で生成された液水とともに排出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−５２９８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムでは、アノード排ガスをパージ導管を介して触媒燃焼器に送っているに過ぎず、タービンへの液水の供給制御を行なっていないため、必ずしも十分にタービン効率を向上させることができなかった。
【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、燃料電池から排出される液水を燃焼器に供給する液水供給部を備える燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池の負荷、コンプレッサの目標動力、タービンの目標回収動力、及びタービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つを含む液水流量制御パラメータに基づいて、燃焼器に供給される液水の流量を制御する液水流量制御部を備える。
【０００６】
この燃料電池システムは、燃料電池から排出される液水を燃焼器に供給する液水供給部をさらに有する。そして、運転制御装置は、燃料電池の負荷、コンプレッサの目標動力、タービンの目標回収動力、及びタービンの目標入口温度のうちの少なくとも何れか一つに基づいて、燃焼器に供給される液水の流量である燃焼器供給液水流量を制御する液水流量制御部を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のある態様によれば、燃焼器に供給する液水を燃料電池の運転状態に応じて適切に供給することができ、タービン効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、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。
【図２】図２は、燃焼器の構成を説明する図である。
【図３】図３は、図２におけるＸ−Ｘ線概略矢視図である。
【図４】図４は、第１実施形態による燃料電池システム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。
【図５】図５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。
【図６】図６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。
【図７】図７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。
【図８】図８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。
【図９】図９は、燃料電池システムの制御において主要な制御目標値の演算について説明するフローチャートである。
【図１０】図１０は、第１実施形態によるコントローラの全体の機能の概要を示すブロック図である。
【図１１】図１１は、水素調圧弁開度の制御の概要を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、ＨＦＲ制御の概要を示すブロック図である。
【図１３】図１３は、第１実施形態による空気系制御全体の概要を示すブロック図である。
【図１４】図１４は、第１実施形態による空気系制御部の詳細な機能を示すブロック図である。
【図１５】図１５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１６】図１６は、タービン効率の算出機能を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、目標モータ動力テーブルの概要を示している。
【図１８】図１８は、第１実施形態による循環ブロア制御部の機能を示すブロック図である。
【図１９】図１９は、タービン要求ブロア回転数マップを示す図である。
【図２０】図２０は、パージ弁制御部の機能を説明する図である。
【図２１】図２１は、本発明の第２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２２】図２２は、第２実施形態によるコントローラの全体の機能の概要を示すブロック図である。
【図２３】図２３は、第２実施形態による空気系制御部の詳細な機能を示すブロック図である。
【図２４】図２４は、第２実施形態による循環ブロア制御部の機能を示すブロック図である。
【図２５】図２５は、第３実施形態によるコントローラの全体の機能の概要を示すブロック図である。
【図２６】図２６は、第３実施形態による空気系制御部の詳細な機能を示すブロック図である。
【図２７】図２７は、第３実施形態による循環ブロア制御部の機能を示すブロック図である。
【図２８】図２８は、第４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２９】図２９は、第４実施形態によるコントローラの全体の機能の概要を示すブロック図である。
【図３０】図３０は、第４実施形態による空気系制御部の詳細な機能を示すブロック図である。
【図３１】図３１は、第４実施形態による循環ブロア制御部の機能を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（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。
【００１１】
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器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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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のカソード入口１０ａに接続される。
【００１５】
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のカソード出口１０ｂに接続され、他端はタービン６２に接続されている。なお、図示はしないが、カソードガス排出通路２４における燃焼器３２の下流に、カソードガス排出通路２４内に含まれる水分を燃料電池システム１００の外部に排出するための気液分離装置等の構成を設けても良い。
【００１６】
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、燃焼器３２と、ノズルベーン３４と、が設けられている。
【００１７】
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、ターボ過給器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（以下では単に「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。
【００１８】
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。
【００１９】
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の燃料電池スタック１０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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。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、空気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。
【００２２】
燃焼器３２は、燃料としての水素とカソード排ガスを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（燃焼排ガス）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。また、燃焼器３２には、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。さらに、本実施形態では、燃焼器３２には、パージ通路５１を介して燃料電池スタック１０内において発電等で生成した液水が供給される。すなわち、本実施形態ではパージ通路５１が液水供給通路として機能する。
【００２３】
ノズルベーン３４は、タービン６２に供給する燃焼排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に流入する燃焼排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、ノズルリフト量が増大するほど、空気圧力が低い状態で運転することができる。
【００２４】
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、スタック水素供給通路４１と、スタック供給水素調圧弁４２と、水素循環通路４３と、水分離装置４４と、循環ブロア４５と、エゼクタ４６と、循環水素圧力センサ４７と、燃焼器用水素供給通路４８と、燃焼器水素量調節弁４９と、燃焼器供給水素圧力検出センサ５０と、を備えている。
【００２５】
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。
【００２６】
スタック水素供給通路４１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に供給する通路である。スタック水素供給通路４１の一端は高圧タンク４０に接続され、他端はエゼクタ４６に接続される。
【００２７】
また、スタック水素供給通路４１には、スタック供給水素調圧弁４２が設けられている。スタック供給水素調圧弁４２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。
【００２８】
水素循環通路４３は、スタック水素供給通路４１にエゼクタ４６を介して接続され、図示しない燃料電池スタック１０内のアノード通路にアノード入口１０ｃ及びアノード出口１０ｄで連通して水素を循環させる通路である。
【００２９】
水分離装置４４は、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄから水素循環通路４３内に排出されたアノード排ガスに含まれる水分を分離する装置である。すなわち、アノード出口１０ｄから排出された水蒸気を液化して液水（ドレン）とし、アノード排ガスの他の成分から分離する。水分離装置４４としては、例えば遠心式フィルタ等が用いられる。
【００３０】
さらに、本実施形態において、水分離装置４４には、分離した液水及び窒素を主成分とするパージガスを燃焼器３２へ供給するパージ通路５１が接続されている。パージ通路５１には、オン・オフ切替弁として構成されたパージ弁５２が設けられている。したがって、パージ弁５２のデューティー比（開弁時間割合）を調節することで、水素循環通路４３からのパージガスの排出流量とともに、燃焼器３２へ供給する液水の流量が調節される。パージ弁５２のデューティー比は、コントローラ２０により制御される。すなわち、本実施形態において、パージ弁５２は、液水供給量調節弁として機能する。
【００３１】
循環ブロア４５は、水素循環通路４３内で水分離装置４４とエゼクタ４６の間に設けられる。循環ブロア４５は、エゼクタ４６を介して水素を燃料電池スタック１０に循環させる。
【００３２】
エゼクタ４６は、スタック水素供給通路４１と水素循環通路４３の合流部に設けられ、供給水素をノズルで増速して供給した際の負圧を用いて水素循環通路４３内の水素を循環させる装置である。
【００３３】
循環水素圧力センサ４７は、水素循環通路４３内におけるエゼクタ４６と燃料電池スタック１０の間の圧力（以下、「循環水素圧力」とも記載する）を検出する。循環水素圧力センサ４７は、循環水素圧力検出値の信号をコントローラ２０に出力する。
【００３４】
燃焼器用水素供給通路４８は、高圧タンク４０からの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４８は、その一端がスタック水素供給通路４１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。
【００３５】
また、燃焼器用水素供給通路４８には、燃焼器３２への水素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。
【００３６】
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の開度は、コントローラ２０により調節される。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。
【００３７】
また、燃焼器用水素供給通路４８には、燃焼器水素量調節弁４９の上流の水素の圧力を検出する燃焼器供給水素圧力検出センサ５０が設けられている。燃焼器供給水素圧力検出センサ５０による燃焼器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。
【００３８】
次に、上述の燃焼器用水素供給通路４８を介した燃焼器３２への水素供給の具体的態様、及びパージ通路５１を介した燃焼器３２への液水の供給の具体的態様について説明する。
【００３９】
図２は、燃焼器３２の構成を説明する図であり、図３は、図２におけるＸ−Ｘ線概略矢視図である。なお、図２において、矢印Ａは、カソード排ガスが流れる方向（ガス流方向）を現している。また、図３においては、燃焼器３２の横断面における温度分布も示している。
【００４０】
燃焼器３２は、略円筒形状に形成されており、カソード排ガス流方向Ａの一端側（流入側）において、カソードガス排出通路２４を介して燃料電池スタック１０のカソード出口１０ｂに連通している。また、カソード排ガス流方向Ａの他端側（流出側）において、カソードガス排出通路２４を介してタービン６２に接続している。
【００４１】
燃焼器３２は、カソード排ガス流方向Ａの上流から順に、カソードガス排出通路２４が流入するカソード排ガス流入口３２ａと、上述した燃焼器用水素供給通路４８と、カソード排ガスと水素を混合するミキサ５４と、上述したパージ通路５１と、水素とカソード排ガスを燃焼させる触媒層５６と、触媒層５６における燃焼で加熱された燃焼排ガスをタービン６２側のカソードガス排出通路２４に排出する燃焼排ガス流出口３２ｂと、が配置されている。
【００４２】
燃焼器用水素供給通路４８は、高圧タンク４０からの水素を供給する水素供給口４８ａを有している。燃焼器用水素供給通路４８は、水素供給口４８ａが燃焼器３２の中心軸の高さと略一致した状態で燃焼器３２内に進入するように配置されている。
【００４３】
ミキサ５４は、カソード排ガス流入口３２ａから流入するカソード排ガスと、燃焼器用水素供給通路４８の水素供給口４８ａから供給された水素を混合する。ミキサ５４は、この混合に適した構造を有するいわゆるスタティックミキサとして構成されている。以下では、カソード排ガスと水素を混合して得られたガスを単に「混合ガス」と記載する。
【００４４】
パージ通路５１は、水分離装置４４からの液水を燃焼器３２内に供給する液水供給口５１ａを有する。パージ通路５１は、液水供給口５１ａが燃焼器３２の軸方向中心軸Ｌよりも若干高い高さに位置した状態で燃焼器３２内に進入するように配置されている。また、パージ通路５１は、燃焼器３２内部に水素を供給する水素供給口４８ａに対してガス流方向下流で触媒層５６の上流に配置されている。
【００４５】
さらに、図３に示されているように、液水供給口５１ａは、燃焼器３２の横方向の最高温度線Ｍよりも上方であって、鉛直方向の最高温度線Ｎ上に沿って位置している。すなわち、液水供給口５１ａは、最高温度線Ｍと最高温度線Ｎの交点であって燃焼器３２の横断面の温度分布において最も温度が高い最高温度点Ｔの直上位置に位置している。
【００４６】
触媒層５６は、例えば、ゼオライト系材料等でハニカム状に形成された担体に、白金等の触媒を担持させることにより構成される。触媒層５６は、上記混合ガスを触媒燃焼させる。すなわち、触媒層５６は、混合ガス中における水素成分と酸素成分を燃焼させ、反応せずに残ったガス成分（余剰の酸素や窒素等）である燃焼排ガスを燃焼排ガス流出口３２ｂを介してタービン６２に流す。
【００４７】
さらに、本実施形態において、触媒層５６には、水分離装置４４から液水供給口５１ａを介して供給された液水が接触する。このように触媒層５６に液水が接触することで、上記水素と酸素の燃焼による燃焼エネルギーで液水が気化して水蒸気に変換される。得られた水蒸気は、燃焼排ガスとともにタービン６２側のカソードガス排出通路２４に流れる。すなわち、本実施形態では、燃焼により生じた燃焼排ガスには、液水の気化で生成した水蒸気が含まれることとなる。
【００４８】
次に、ターボ過給器１６について説明する。ターボ過給器１６は、電動モータ６０と、タービン６２と、コンプレッサ６４と、を備えている。
【００４９】
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等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。また、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。
【００５０】
さらに、電動モータ６０には、モータ回転数センサ７２が設けられている。モータ回転数センサ７２は、電動モータ６０の回転数を検出する。モータ回転数センサ７２で検出された電動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。
【００５１】
タービン６２は、燃焼器３２から供給される燃焼排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からの回収動力で回転駆動軸６６を介してコンプレッサ６４を回転させることができる。また、タービン６２の回収動力によって、電動モータ６０によるコンプレッサ６４の駆動をアシストすることも可能である。
【００５２】
さらに、コンプレッサ６４に必要な仕事以上の動力をタービン６２から回収させ、その余剰動力を電動モータ６０に回収させることで、電動モータ６０の回生運転を行うことができる。また、タービン６２の駆動に使用された後の燃焼排ガスは、タービン排気通路６８を介して燃料電池システム１００外へ排出されるか、燃料電池システム１００内の任意の熱要求部において廃熱として利用される。
【００５３】
また、コンプレッサ６４の動力要求が比較的大きく、タービン６２による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へ流入する燃焼排ガスの流量（以下では、「タービン入口流量」とも記載する）、温度（以下では、「タービン入口温度」）、及び圧力（以下では、「タービン入口圧力」とも記載する）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へ供給される燃焼排ガスの圧力を調節することでタービン６２による回収動力を調節することができる。
【００５４】
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カソード極に供給する。
【００５５】
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、水温センサ８２と、冷却水循環ポンプ８４と、冷却水バイパス通路８５と、ラジエータ８６と、三方弁８８と、を有している。
【００５６】
冷却水循環流路８０は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ｅと冷却水出口１０ｆを介して図示しない燃料電池スタック１０内部の冷却水通路と連通して冷却水を循環させる通路である。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１０ｅ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１０ｆから排出される方向に流れる。
【００５７】
また、水温センサ８２は、冷却水循環流路８０において燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｆの近傍に設けられている。水温センサ８２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８２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。
【００５８】
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。
【００５９】
冷却水バイパス通路８５は、冷却水がラジエータ８６をバイパスするように設けられた通路である。冷却水バイパス通路８５の一端は、冷却水循環流路８０において冷却水循環ポンプ８４とラジエータ８６との間で接続され、他端は、三方弁８８の一端に接続される。
【００６０】
ラジエータ８６は、冷却水循環流路８０を流れる冷却水と外気との間で熱交換を行うことで、冷却水温度を所望の温度に冷却する。ラジエータ８６は、冷却水循環流路８０において冷却水バイパス通路８５よりも下流に設けられる。ラジエータ８６は、燃料電池スタック１０の内部で温められた冷却水をラジエータファン８７によって冷却する。ラジエータファン８７は、コントローラ２０により制御される。
【００６１】
三方弁８８は、ラジエータ８６と燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ｅとの間の冷却水循環流路８０において冷却水バイパス通路８５が合流する部分に設けられる。三方弁８８は、ラジエータ８６に流す冷却水の流量とラジエータ８６をバイパスする冷却水の流量を調節する弁である。
【００６２】
三方弁８８は、全開状態で燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｆから排出された冷却水を全てラジエータ８６に流す。一方、三方弁８８は、全閉状態で燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｆから排出された冷却水を全て、ラジエータ８６を介すことなく冷却水バイパス通路８５に流す。
【００６３】
したがって、燃料電池スタック１０の冷却要求などに応じて三方弁８８の開度を適宜調節することで、ラジエータ８６に流す冷却水量とラジエータ８６をバイパスする冷却水量を調節することができる。三方弁８８の開度は、コントローラ２０により制御される。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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に対する要求電力としてコントローラ２０に出力する。
【００７０】
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９１と電圧センサ９２とが配置される。
【００７１】
電流センサ９１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９１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９１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。
【００７２】
電圧センサ９２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９２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９２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。
【００７３】
さらに、上述のように構成される燃料電池システム１００は、当該システムを統括的に制御するコントローラ２０を有している。
【００７４】
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。
【００７５】
コントローラ２０には、燃料電池システム１００の各種センサや測定装置からの信号が入力される。具体的に、コントローラ２０には、ＨＦＲ測定装置１８、エアフローメータ２６、空気圧力センサ２８、循環水素圧力センサ４７、燃焼器供給水素圧力検出センサ５０、モータ回転数センサ７２、水温センサ８２、電流センサ９１、及び電圧センサ９２からの信号が入力される。
【００７６】
さらに、コントローラ２０には、燃料電池スタック１０に接続された負荷装置１９による負荷に応じた要求電力の信号が、負荷装置１９の運転制御装置から入力される。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踏込み量を示す検出信号が大きくなると、負荷装置１９の要求電力は大きくなるため、コントローラ２０に入力される発電要求信号の信号レベルは高くなる。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特性等に基づいて、算出した要求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。
【００７７】
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４２の開度、循環ブロア４５の出力（回転数）、燃焼器水素量調節弁４９の開度、パージ弁５２のデューティー比、電動モータ６０の出力（トルク）、ラジエータファン８７の回転数、及び三方弁８８の開度を制御する。
【００７８】
図４は、本実施形態にかかる燃料電池システム１００の全体的な制御の概要を示すフローチャートである。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
図５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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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９１によるスタック電流検出値と電圧センサ９２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。
【００８５】
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。
【００８６】
図４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。
【００８７】
図６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。なお、本フローチャートの処理は、後述する図１０の湿潤制御部Ｂ１０２等の処理に相当する。
【００８８】
図示のように、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を演算する。
【００８９】
ステップＳ１２２において、コントローラ２０は、各アクチュエータの操作量を演算する。具体的に、コントローラ２０は、目標ＨＦＲに基づいて、ラジエータファン回転数の目標値である目標ラジエータファン回転数、及び三方弁８８の開度の目標値である目標三方弁開度を算出する。
【００９０】
図７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。なお、本フローチャートの処理は、後述する図１３等で説明する処理に相当する。
【００９１】
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、空気圧力の目標値である目標空気圧力を算出する。
【００９２】
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。
【００９３】
ステップＳ１３３において、コントローラ２０は、各アクチュエータの操作量を演算する。具体的に、コントローラ２０は、ステップＳ１３１で算出した目標空気圧力、ステップＳ１３２で算出した目標空気流量、エアフローメータ２６による空気流量検出値、後述するタービン入口温度前回値、及び空気圧力センサ２８による空気圧力検出値に基づいて、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。
【００９４】
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、ステップＳ１３１で演算された目標空気圧力、及びステップＳ１３２で演算された目標空気流量に基づいて、目標タービン入口温度を演算する。
【００９５】
図８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。なお、本フローチャートの処理は、後述する図１１、図１８、及び図２０等で説明する処理に相当する。
【００９６】
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、及び循環水素圧力センサ４７からの循環水素圧力検出値に基づいて、スタック供給水素調圧弁４２の開度の目標値である目標スタック供給水素調圧弁開度を演算する。
【００９７】
具体的に、コントローラ２０は、目標スタック電流に基づいて、水素循環通路４３内の水素濃度を好適に制御する観点等から定まる循環水素圧力の目標値である目標循環水素圧力を演算する。そして、コントローラ２０は、演算した目標循環水素圧力及び循環水素圧力検出値から、ＰＩ制御器等の所定のフィードバック制御器（図１１の水素圧力制御部Ｂ１０１）を用いて目標スタック供給水素調圧弁開度を演算する。
【００９８】
ステップＳ１４２において、コントローラ２０は、目標スタック電流、水温センサ８２からの冷却水温度検出値、ステップＳ１３４で演算された目標タービン入口温度、及び目標空気流量に基づいて、目標循環ブロア回転数を演算する。
【００９９】
なお、目標循環ブロア回転数は、燃料電池スタック１０の発電及びタービン入口温度を好適に制御する観点から、所望の水素循環通路４３内の水素の流量（以下では、「循環水素流量」とも記載する）を実現する循環ブロア回転数の目標値である。
【０１００】
具体的に、コントローラ２０は、所定のマップに基づいて、目標スタック電流及び冷却水温度検出値から、発電の観点から定まる循環ブロア回転数の目標値としての発電要求目標ブロア回転数を演算する。そして、コントローラ２０は、目標タービン入口温度に基づいて演算される推定タービン入口温度から、タービン入口温度の制御の観点から定まる循環ブロア回転数の目標値としてのタービン要求目標ブロア回転数を演算する。さらに、コントローラ２０は、これら発電要求目標ブロア回転数とタービン要求目標ブロア回転数に基づいて、目標循環ブロア回転数を演算する。
【０１０１】
ステップＳ１４３において、コントローラ２０は、所定のマップに基づいて、目標スタック電流と冷却水温度検出値から目標パージ弁デューティー比を演算する。目標パージ弁デューティー比は、燃焼器３２に供給される液水流量を好適に制御しつつ、燃料電池スタック１０のアノード極内の水素濃度を好適に制御する観点から定まるパージ弁５２のデューティー比（開弁時間割合）の目標値である。
【０１０２】
図４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Ｓ１２２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Ｓ１３３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Ｓ１４１〜ステップＳ１４４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。
【０１０３】
次に、本実施形態の燃料電池システム１００にかかる図４〜図８で説明した制御において、特に、パージ通路５１を介して燃焼器３２へ液水を供給するにあたり、その液水供給流量の制御にかかる主要な制御目標値の演算について説明する。
【０１０４】
図９は、本実施形態にかかる燃料電池システム１００の制御において、主要な制御目標値の演算について説明するフローチャートである。
【０１０５】
先ず、ステップＳ２１０において、コントローラ２０は、目標スタック電流と循環水素圧力に基づいて、目標スタック供給水素調圧弁開度を演算する（図１０等の水素圧力制御部Ｂ１０１参照）。
【０１０６】
次に、ステップＳ２２０において、コントローラ２０は、目標スタック電流、空気圧力検出値、空気流量検出値、モータ回転数検出値、及び湿潤制御要求目標空気流量等に基づいて、目標空気流量、目標タービン入口温度、指令ノズルリフト量、及び指令電動モータトルクを演算する（図１０の空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３）。
【０１０７】
ステップＳ２３０において、コントローラ２０は、目標スタック電流、及びＨＦＲ測定値に基づいて、湿潤制御要求目標空気流量、目標ラジエータファン回転数、及び目標三方弁開度を演算する（図１０の湿潤制御部Ｂ１０２）。
【０１０８】
ステップＳ２４０において、コントローラ２０は、目標循環ブロア回転数を演算する（図１０の循環ブロア制御部Ｂ１０４）。
【０１０９】
ステップＳ２５０において、コントローラ２０は、目標スタック電流及び冷却水温度検出値に基づいて、目標パージ弁開度を演算する。
【０１１０】
ステップＳ２６０において、コントローラ２０は、目標空気流量及び目標タービン入口温度に基づいて、目標燃焼水素供給弁開度を演算する（図１０の燃焼器水素量制御部Ｂ１０６）。
【０１１１】
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１０〜図２０に示すブロック図を参照して詳細に説明する。なお、図１０〜図２０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。
【０１１２】
図１０は、燃料電池システム１００におけるコントローラ２０の全体の機能の概要を示すブロック図である。
【０１１３】
図示のように、コントローラ２０は、水素圧力制御部Ｂ１０１と、湿潤制御部Ｂ１０２と、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３と、循環ブロア制御部Ｂ１０４と、パージ弁制御部Ｂ１０５と、燃焼器水素量制御部Ｂ１０６と、を有する。
【０１１４】
水素圧力制御部Ｂ１０１には、目標スタック電流と循環水素圧力検出値が入力される。水素圧力制御部Ｂ１０１は、目標スタック電流と循環水素圧力検出値に基づいて、スタック供給水素調圧弁４２の開度を制御する。
【０１１５】
図１１は、水素圧力制御部Ｂ１０１の機能を説明するブロック図である。図示のように、水素圧力制御部Ｂ１０１は、目標循環水素圧力算出部Ｂ１０１１と、スタック供給水素調圧弁ＦＢ制御部Ｂ１０１２と、を有する。
【０１１６】
目標循環水素圧力算出部Ｂ１０１１には、目標スタック電流が入力される。目標循環水素圧力算出部Ｂ１０１１は、予め定められた目標スタック電流と目標循環水素圧力の関係を示すマップに基づき、目標スタック電流から目標循環水素圧力を算出する。このマップでは、目標スタック電流が増加するにつれて目標循環水素圧力が増加する。これにより、燃料電池スタック１０に要求される負荷が増大するにつれて、目標循環水素圧力が高い値に設定されることとなる。
【０１１７】
スタック供給水素調圧弁ＦＢ制御部Ｂ１０１２には、目標循環水素圧力と循環水素圧力検出値が入力される。スタック供給水素調圧弁ＦＢ制御部Ｂ１０１２は、循環水素圧力検出値が目標循環水素圧力に近づくように、スタック供給水素調圧弁４２の開度をフィードバック制御する。
【０１１８】
図１０に戻り、湿潤制御部Ｂ１０２には、目標スタック電流とＨＦＲ測定値が入力される。湿潤制御部Ｂ１０２は、目標スタック電流とＨＦＲ測定値に基づいて、湿潤制御要求目標空気流量を算出するとともに、ラジエータファン８７の回転数及び三方弁８８の開度を制御する。
【０１１９】
図１２は、湿潤制御部Ｂ１０２の機能を示すブロック図である。図示のように、湿潤制御部Ｂ１０２は、目標ＨＦＲ算出部Ｂ１０２１と、ＦＢ制御部Ｂ１０２２と、を有している。
【０１２０】
目標ＨＦＲ算出部Ｂ１０２１には、目標スタック電流が入力される。目標ＨＦＲ算出部Ｂ１０２１は、予め定められた目標スタック電流と目標ＨＦＲの関係を示したマップに基づいて目標スタック電流から目標ＨＦＲを算出する。なお、このマップでは、目標スタック電流が比較的低い値をとる低負荷領域から中負荷領域の間においては、ＨＦＲ値を一定値に保つべく目標ＨＦＲが一定値とされている。一方で、高負荷領域においては、目標スタック電流が増加するほど、目標ＨＦＲが低くなるように設定される。これは、高負荷領域においては燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤度をより高い状態に維持することが要求されるため、この要求に応じてＨＦＲを低下させるためである。
【０１２１】
ＦＢ制御部Ｂ１０２２には、目標ＨＦＲからＨＦＲ測定値を減算した値（以下、ＨＦＲ偏差と記載する）が入力される。ＦＢ制御部Ｂ１０２２は、入力されたＨＦＲ偏差がゼロになるように、湿潤制御要求目標流量を算出するとともに、ラジエータファン８７の回転数と三方弁８８の開度を制御する。
【０１２２】
ＦＢ制御部Ｂ１０２２は、予め定められたＨＦＲ偏差と湿潤制御目標空気流量の関係を示すマップに基づいて、ＨＦＲ偏差から湿潤制御目標空気流量を算出する。具体的に、ＦＢ制御部Ｂ１０２２は、ＨＦＲ偏差が小さくなるほど、ＨＦＲ値を減少させるべく（電解質膜をより湿潤側に制御すべく）、湿潤制御目標空気流量をより低い値に算出する。
【０１２３】
また、ＦＢ制御部Ｂ１０２２は、ＨＦＲ偏差に基づいて、ラジエータファン８７の回転数を制御する。すなわち、ＦＢ制御部Ｂ１０２２は、ＨＦＲ偏差が小さくなるほど、ＨＦＲを減少させるべく（電解質膜をより湿潤側に制御すべく）、冷却水温度がより低くなるようにラジエータファン８７の回転数を増加させる。
【０１２４】
さらに、ＦＢ制御部Ｂ１０２２は、ＨＦＲ偏差に基づいて、三方弁８８の開度を制御する。すなわち、ＦＢ制御部Ｂ１０２２は、ＨＦＲ偏差が小さくなるほど、ＨＦＲを増加させるべく（電解質膜をより湿潤側に制御すべく）、冷却水温度がより低くなるように三方弁８８の開度を増加させる。
【０１２５】
既に述べたように、本実施形態における湿潤制御部Ｂ１０２では、高負荷領域においては燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤度をより高い状態に維持するべく目標ＨＦＲ値が減少している。したがって、主としてＨＦＲ測定値が目標ＨＦＲよりも大きくなり、燃料電池スタック１０の電解質膜を湿潤させる操作が要求される傾向にあるので、ラジエータファン８７の回転数の増加や三方弁８８の開度の増加等の冷却水温度を減少させる操作が行われる。これにより、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄから排出される水分量を増加させることができる。
【０１２６】
図１０に戻り、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３には、空気圧力検出値、空気流量検出値、電動モータ回転数検出値、及び後述する目標タービン入口温度前回値が入力される。
【０１２７】
空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３は、これら値に基づいて、目標空気流量、及び目標タービン入口温度を算出する。空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３は、これら値に基づいて、ノズルベーン３４のノズルリフト量及び電動モータ６０のトルクを制御する。
【０１２８】
図１３は、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３における空気系制御全体の概要を示すブロック図である。図示のように、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３は、目標空気圧力演算部Ｂ１０３１と、目標空気流量演算部Ｂ１０３２と、マックスセレクト部Ｂ１０３３と、空気系制御部Ｂ１０３４と、ミニマムセレクト部Ｂ１０３５と、を有している。
【０１２９】
目標空気圧力演算部Ｂ１０３１には、目標スタック電流が入力される。目標空気圧力演算部Ｂ１０３１は、予め定められた目標スタック電流と目標空気圧力の関係を示すマップに基づいて、目標スタック電流から目標空気圧力を演算する。このマップでは、目標スタック電流が増加するほど、すなわち燃料電池スタック１０に対する負荷が増加するほど、目標空気圧力が高い値となるように設定される。さらに、目標空気圧力演算部Ｂ１０３１は、演算した目標空気圧力を空気系制御部Ｂ１０３４に出力する。
【０１３０】
なお、空気系制御部Ｂ１０３４に出力される目標空気圧力を、燃料電池スタック１０内における電解質膜の湿潤要求やアノード排ガスを希釈するための希釈要求などのシステム内の種々の要求に応じて上限値や下限値をとるように補正することもできる。
【０１３１】
目標空気流量演算部Ｂ１０３２には、目標スタック電流が入力される。目標空気流量演算部Ｂ１０３２は、予め定められた目標スタック電流と目標空気流量の関係を示すマップに基づいて、目標スタック電流から発電要求目標空気流量を演算する。発電要求目標空気流量は、燃料電池スタック１０の発電量に応じて要求される空気流量を満たす観点から定まる空気流量の目標値である。したがって、このマップでは、目標スタック電流が増加するほど、すなわち燃料電池スタック１０に対する負荷が増加するほど、発電要求目標空気流量が高い値となるように設定される。さらに、目標空気流量演算部Ｂ１０３２は、演算した発電要求目標空気流量をマックスセレクト部Ｂ１０３３に出力する。
【０１３２】
マックスセレクト部Ｂ１０３３には、発電要求目標空気流量と、湿潤制御要求空気流量と、が入力される。マックスセレクト部Ｂ１０３３は、発電要求目標空気流量と湿潤制御要求空気流量の大きい方を、最終的な目標空気流量として空気系制御部Ｂ１０３４に出力する。
【０１３３】
空気系制御部Ｂ１０３４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、タービン入口温度前回値、電動モータ回転数検出値、及び空気圧力検出値が入力される。
【０１３４】
空気系制御部Ｂ１０３４は、これら入力された値に基づいて、目標タービン入口温度を演算するとともに、空気系制御部Ｂ１０３４は、ノズルベーン３４の開度、及び電動モータ６０のトルクを制御する。
【０１３５】
図１４は、空気系制御部Ｂ１０３４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Ｂ１０３４は、タービン回収動力推定部Ｂ２０１と、演算部Ｂ２０２と、空気系アクチュエータ制御部Ｂ２０３と、演算部Ｂ２０４と、目標モータ動力演算部Ｂ２０５と、回収動力／温度変換部Ｂ２０６と、を有している。
【０１３６】
図示のように、タービン回収動力推定部Ｂ２０１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Ｂ２０１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。
【０１３７】
具体的に、先ず、タービン回収動力推定部Ｂ２０１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である推定タービン入口温度Ｔｔ_in_eを求める。
【０１３８】
【数１】
2018006168.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。
【０１３９】
そして、タービン回収動力推定部Ｂ２０１は、推定タービン入口温度Ｔｔ_in_eからタービン回収動力の推定値である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Ｂ２０１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。
【０１４０】
【数２】
2018006168.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：推定タービン入口温度[℃]
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
図１５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Ｂ２０１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。
【０１４３】
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の関係を示す圧損テーブルを有している。圧損演算ブロックＢ３０１は、この圧損テーブルに基づいて、入力された空気流量検出値から圧損ΔＰを演算し、演算部Ｂ３０２に出力する。
【０１４４】
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を減算した値をタービン入口空気圧力Ｐｔ_inとして出力する。
【０１４５】
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。
【０１４６】
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。
【０１４７】
図１６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Ｂ２０１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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
図１４に戻り、タービン回収動力推定部Ｂ２０１は、算出した推定タービン回収動力ＰＯt_eを演算部Ｂ２０２に出力する。このような推定タービン回収動力ＰＯt_eを用いることで、図１３に示すように空気流量検出値や電動モータ回転数等の検出値から定まる目標タービン入口温度をそのまま用いるのではなく、タービン入口温度前回値が考慮された推定タービン入口温度が用いられることとなるので、ノズルベーン３４や電動モータ６０にかかる制御の応答遅れを抑制することができる。
【０１５１】
演算部Ｂ２０２には、推定タービン回収動力ＰＯt_eと、モータ回転数センサ７２からの電動モータ回転数検出値が入力される。演算部Ｂ２０２は、推定タービン回収動力ＰＯt_eから電動モータ回転数検出値を除して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Ｂ２０２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。
【０１５２】
空気系アクチュエータ制御部Ｂ２０３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Ｂ２０３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。
【０１５３】
また、空気系アクチュエータ制御部Ｂ２０３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に出力する。
【０１５４】
減算部３００は、空気系アクチュエータ制御部Ｂ２０３で算出された目標コンプレッサトルクから演算部Ｂ２０２で算出された推定タービン回収トルクを減算した値を電動モータ指令トルクとして、電動モータ６０に出力する。
【０１５５】
演算部Ｂ２０４には、空気系アクチュエータ制御部Ｂ２０３で算出された目標コンプレッサトルク、及び電動モータ回転数検出値が入力される。演算部Ｂ２０４は、目標コンプレッサトルクに電動モータ回転数検出値を乗じて、コンプレッサ６４の動力の目標値である目標コンプレッサ動力を算出する。すなわち、目標コンプレッサ動力は、タービン６２によるアシストを考慮しない場合の電動モータ６０の動力の目標値に相当する。
【０１５６】
目標モータ動力演算部Ｂ２０５には、目標スタック電流が入力される。目標モータ動力演算部Ｂ２０５は、目標スタック電流と電動モータ６０に要求される出力である目標モータ動力の関係を示した目標モータ動力テーブルに基づき、目標モータ動力を算出する。
【０１５７】
図１７は、目標モータ動力テーブルの概要を示している。図に示すマップでは、本実施形態では、目標スタック電流が増加してＩ０に到達するまで、すなわち負荷が一定値に上昇するまでは目標モータ動力が一定値となるように設定されている。これにより、低負荷領域等のコンプレッサ６４への要求動力が目標モータ動力より低い場合には、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。
【０１５８】
また、本実施形態では、目標スタック電流がＩ０に達した以降においては、電動モータ６０で生成する動力を減少させてタービン６２からの回収動力で補うことで、当該電動モータ６０の消費電力を低減する。このため目標モータ動力を減少させている。目標モータ動力演算部Ｂ２０５は、このテーブルから目標モータ動力を算出する。
【０１５９】
図１４に戻り、目標モータ動力演算部Ｂ２０５は、算出した目標モータ動力を出力する。
【０１６０】
減算部３０２は、演算部Ｂ２０４で算出された目標コンプレッサ動力から目標モータ動力演算部Ｂ２０５で算出された目標モータ動力を減算して目標タービン回収動力を算出する。減算部３０２は、目標タービン回収動力を回収動力／温度変換部Ｂ２０６に出力する。
【０１６１】
回収動力／温度変換部Ｂ２０６には、目標タービン回収動力、目標空気圧力、及び目標空気流量が入力される。
【０１６２】
回収動力／温度変換部Ｂ２０６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、目標タービン入口温度を算出する。具体的に、回収動力／温度変換部Ｂ２０６は、タービン回収動力推定部Ｂ２０１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目標タービン入口温度を算出する。
【０１６３】
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１５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、当該算出ロジックにしたがい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。
【０１６４】
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、これを目標タービン入口温度とすることができる。
【０１６５】
回収動力／温度変換部Ｂ２０６は、算出した目標タービン入口温度をミニマムセレクト部Ｂ１０３５に出力する。
【０１６６】
図１３に戻り、ミニマムセレクト部Ｂ１０３５には、空気系制御部Ｂ１０３４から出力される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る。
【０１６７】
ミニマムセレクト部Ｂ１０３５は、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、実際の目標タービン入口温度として循環ブロア制御部Ｂ１０４及び燃焼器水素量制御部Ｂ１０６に出力する。以下では、この「実際の目標タービン入口温度」を単に「目標タービン入口温度」と記載する。
【０１６８】
図１０に戻り、循環ブロア制御部Ｂ１０４には、目標スタック電流、冷却水温度検出値、目標タービン入口温度、及び目標空気流量が入力される。循環ブロア制御部Ｂ１０４は、これら値に基づいて循環ブロア４５の出力を制御する。
【０１６９】
図１８は、循環ブロア制御部Ｂ１０４の機能を示すブロック図である。循環ブロア制御部Ｂ１０４は、発電要求目標回転数算出部Ｂ１０４１と、一次遅れフィルタＢ１０４２と、タービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３と、マックスセレクト部Ｂ１０４４と、を有している。
【０１７０】
発電要求目標回転数算出部Ｂ１０４１には、目標スタック電流、及び冷却水温度が入力される。発電要求目標回転数算出部Ｂ１０４１は、目標スタック電流、冷却水温度、及び発電要求目標ブロア回転数の関係を示す所定のマップに基づいて、目標スタック電流と冷却水温度から、発電要求目標ブロア回転数を算出する。ここで、発電要求目標ブロア回転数は、燃料電池スタック１０の発電量を適切に保つ観点から必要とされる循環ブロア４５の回転数の目標値である。
【０１７１】
図１８に示す発電要求ブロア回転数マップでは、目標スタック電流が相対的に低い領域（低負荷領域から中負荷領域）では、目標スタック電流が増加するほど発電要求目標ブロア回転数が増加する。また、冷却水温度が増加するほど発電要求目標ブロア回転数が増加する。すなわち、目標スタック電流や冷却水温度が増加する場合には、燃料電池スタック１０への負荷が大きくなるので、これに合わせて循環ブロア４５の回転数をより増加させるように設定する。
【０１７２】
また、目標スタック電流が相対的に高い領域（高負荷領域）では、目標スタック電流が増加するほど発電要求目標ブロア回転数が低下する。これは、高負荷領域では、エゼクタ４６の出力が目標スタック電流の増加に応じて向上するため、循環ブロア４５に要求される出力が低下するためである。
【０１７３】
発電要求目標回転数算出部Ｂ１０４１は、算出した発電要求目標ブロア回転数をマックスセレクト部Ｂ１０４４に出力する。
【０１７４】
一次遅れフィルタＢ１０４２には、目標タービン入口温度が入力される。一次遅れフィルタＢ１０４２は、この目標タービン入口温度及びタービン入口温度前回値から上記式（１）に基づいて推定タービン入口温度を算出する。そして、一次遅れフィルタＢ１０４２は、推定タービン入口温度をタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３に出力する。
【０１７５】
これにより、図１３に示すように空気流量検出値や電動モータ回転数等の検出値から定まる目標タービン入口温度をそのまま用いるのではなく、タービン入口温度前回値が考慮された推定タービン入口温度が循環ブロア４５の回転数の制御に用いられることとなるので、燃焼器３２の温度が上昇する前に循環ブロア４５が湿潤側（出力増加側）に制御され、燃焼器３２に供給される液水が増加して失火等の発生を防止することができる。
【０１７６】
タービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３には、推定タービン入口温度、及び目標空気流量が入力される。タービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３は、推定タービン入口温度、目標空気流量、及びタービン要求目標ブロア回転数の関係を示す所定のマップに基づいて、推定タービン入口温度と冷却水温度から、タービン要求目標ブロア回転数を算出する。
【０１７７】
タービン要求目標ブロア回転数は、タービン入口温度を目標タービン入口温度に制御する観点から必要とされる循環ブロア４５の回転数の目標値である。すなわち、タービン要求目標ブロア回転数は、燃焼器３２の温度上昇や液水による失火を防止する観点から定められる、循環ブロア４５の回転数の目標値である。
【０１７８】
特に、本実施形態では、タービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３は、燃焼器３２に供給される液水の流量を調節するために、この液水の流量に相関する燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを制御する観点からタービン要求目標ブロア回転数を決定する。
【０１７９】
図１９は、タービン要求目標ブロア回転数マップの一例を示している。図示のように、タービン要求目標ブロア回転数マップでは、推定タービン入口温度が所定値Ｔ１以下の低負荷領域では、推定タービン入口温度や目標空気流量の大小にかかわらず、タービン要求目標ブロア回転数の変化が小さい。
【０１８０】
これは、低負荷領域では燃焼器３２内の温度が比較的低いので、循環ブロア４５の回転数を極力増加させないようにして燃焼器３２への液水の供給流量を極力少なくすることで、燃焼器３２内の熱反応が液水の気化で妨げられないようにするためである。
【０１８１】
一方で、推定タービン入口温度が目標空気流量に応じて所定値Ｔ１又はＴ２以上となる高負荷領域においては、推定タービン入口温度が増加するほど、タービン要求目標ブロア回転数が増加する。これは、負荷が増加するほど、燃焼器３２に供給される液水の流量を増加させるべく、アノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを増加させるために循環ブロア４５の回転数を向上させることによる。
【０１８２】
また、タービン要求目標ブロア回転数マップでは、高負荷領域において、目標空気流量が増加するほど、タービン要求目標ブロア回転数が増加するように設定されている。ここで、空気流量が増加すると、燃料電池スタック１０のカソード出口１０ｂから排出される液水がアノード出口１０ｄから排出される液水に比べて大きくなる。
【０１８３】
したがって、この傾向を妨げるために、高負荷領域では、空気流量が増加する場合において、循環ブロア４５の回転数を増加させ、燃料電池スタック１０内の水分を燃料電池スタック１０内のアノード側に誘導するようにしている。これにより、空気流量が増加する場合において、アノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨをより増加させることができる。
【０１８４】
すなわち、本実施形態では、燃料電池スタック１０に供給される空気流量に対する、水素循環通路４３内における循環ブロア４５の回転数（循環水素流量）の比率を増加させることで、アノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを増加させ、結果として燃焼器３２へ供給される液水流量を増加させることができる。
【０１８５】
図１８に戻り、タービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３は、タービン要求目標ブロア回転数をマックスセレクト部Ｂ１０４４に出力する。
【０１８６】
マックスセレクト部Ｂ１０４４には、発電要求目標ブロア回転数、及びタービン要求目標ブロア回転数が入力される。マックスセレクト部Ｂ１０４４は、発電要求目標ブロア回転数、及びタービン要求目標ブロア回転数のうちの大きい方を目標ブロア回転数として算出する。
【０１８７】
そして、図１０に戻り、循環ブロア制御部Ｂ１０４は、循環ブロア４５の回転数が目標ブロア回転数に近づくように、循環ブロア４５の出力を制御する。
【０１８８】
パージ弁制御部Ｂ１０５には、冷却水温度及び目標スタック電流が入力される。パージ弁制御部Ｂ１０５は、冷却水温度検出値及び目標スタック電流に基づいてパージ弁のデューティー比を制御する。
【０１８９】
図２０は、パージ弁制御部Ｂ１０５の機能を説明する図である。
【０１９０】
図示のように、パージ弁制御部Ｂ１０５は、冷却水温度検出値、目標スタック電流、及びパージ弁のデューティー比の関係を示すパージ弁デューティー比マップに基づいて、目標スタック電流及び冷却水温度からパージ弁５２の目標パージ弁デューティー比を算出する。ここで、目標パージ弁デューティー比は、パージ通路５１を介して燃焼器３２に供給される液水流量を好適に調節する観点から定められるパージ弁５２のデューティー比の目標値である。
【０１９１】
図に示すパージ弁デューティー比マップを参照すると、目標スタック電流が冷却水温度に応じた所定値（図２０のＩ１、Ｉ２、Ｉ３）以上の領域（高負荷領域）においては、目標スタック電流が増加するほど、目標パージ弁デューティー比が大きくなる。これは、目標スタック電流が大きい場合には、燃料電池スタック１０の負荷が高く、発電による生成水が増えるため、この水分を介して排出すべく、パージ弁５２のデューティー比を増加方向に制御するためである。なお、本実施形態では、図２０に示すマップにおいて点線で示した冷却水温度ごとに異なる横軸の目標スタック電流の値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３がそれぞれ「所定値」に該当する。
【０１９２】
また、目標スタック電流が相対的に大きい領域において冷却水温度検出値が増加するほど、目標パージ弁デューティー比が大きくなる。冷却水温度検出値が相対的に高い場合には、水素循環通路４３内の温度が相対的に高くなるため、水素循環通路４３内のガスの飽和水蒸気量が増加し、より多く水蒸気が水素循環通路４３内のガスに含まれることとなる。したがって、水素循環通路４３内の水素濃度を低下させないために、パージ弁５２のデューティー比を増加方向に設定する。
【０１９３】
一方で、中負荷領域においても、冷却水温度検出値が増加するほど、目標パージ弁デューティー比が大きくなる。これは、燃料電池スタック１０の発電性能を維持する観点から、水素循環通路４３内における水素濃度を一定以上に保つためである。
【０１９４】
そして、パージ弁制御部Ｂ１０５は、パージ弁５２のデューティー比が、算出された目標パージ弁デューティー比に近づくようにパージ弁５２を制御する。
【０１９５】
図１０に戻り、燃焼器水素量制御部Ｂ１０６には、目標空気流量、及び目標タービン入口温度が入力される。燃焼器水素量制御部Ｂ１０６は、目標空気流量、及び目標タービン入口温度に基づいて、燃焼器水素量調節弁４９の開度を制御する。
【０１９６】
例えば、燃焼器水素量制御部Ｂ１０６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の目標開度を算出する。そして、燃焼器水素量制御部Ｂ１０６は、燃焼器水素量調節弁４９の開度が当該目標開度に近づくように、燃焼器水素量調節弁４９をフィードバック制御する。
【０１９７】
以上説明した本発明の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。
【０１９８】
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のアノード極としてのアノード入口１０ｃに燃料としての水素を供給する燃料供給装置（アノード供給機構１４）と、燃料電池スタック１０のカソード極としてのカソード入口１０ａに酸化剤としての空気を供給する酸化剤供給装置（カソード給排機構１２）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、循環水素圧力センサ４７、燃焼器供給水素圧力検出センサ５０、モータ回転数センサ７２、水温センサ８２、電流センサ９１、及び電圧センサ９２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してのコントローラ２０と、を備える。
【０１９９】
さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０から排出される液水を燃焼器３２に供給する液水供給部（パージ通路５１及びパージ弁５２）と、を有する。また、上記酸化剤供給装置は、燃料電池スタック１０のカソード入口１０ａに空気を供給するコンプレッサ６４と、該コンプレッサ６４を駆動するタービン６２と、タービン６２を駆動する燃焼ガスを生成する燃焼器３２と、を備える。
【０２００】
そして、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０の負荷（目標スタック電流）、コンプレッサ６４の目標動力としての目標コンプレッサ動力、タービン６２の目標回収動力である目標タービン回収動力、及びタービン６２の目標入口温度である目標タービン入口温度を含む液水流量制御パラメータに基づいて、燃焼器３２に供給される液水の流量である燃焼器供給液水流量を制御する液水流量制御部（循環ブロア制御部Ｂ１０４及びパージ弁制御部Ｂ１０５）を備える。
【０２０１】
ここで、燃焼器３２に供給された液水は、当該燃焼器３２内において水素と空気の燃焼により生じる熱で気化して水蒸気に変換される。そして、この水蒸気がタービン６２に供給されることとなり、タービン６２の回収動力に寄与することとなる。したがって、上記液水流量制御パラメータに応じて、燃焼器３２に供給される液水流量を制御することで、
この液水流量制御パラメータに相関する燃料電池スタック１０の負荷状態等に応じて、燃焼器３２に供給される液水量を好適に制御することができる。これにより、タービン効率を高めることができる。
【０２０２】
特に、液水を気化した水蒸気でタービン６２を駆動するので、タービン６２に供給されるガスをより低温にすることができ、システム構成部品への熱の影響を抑制しつつ、所望の動力を回収することができる。
【０２０３】
さらに、このようにタービン６２の回収動力を得るにあたり、液水を投入しない場合と比較して、より低温で必要な動力を得ることができるため、窒素酸化物の発生や燃焼器３２内の触媒劣化も抑制することができる。
【０２０４】
なお、本実施形態では、タービン６２から独立してコンプレッサ６４を駆動する電動モータ６０をさらに有する。より詳細には、本実施形態の燃料電池システム１００は、タービン６２からの回収動力と電動モータ６０で生成される動力でコンプレッサ６４を駆動する。
【０２０５】
したがって、このようなシステムで燃料電池スタック１０から排出される液水を燃焼器３２において利用することで、上述のようにタービン回収動力を増加させることができるので、電動モータ６０の消費電力を削減することができ、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。
【０２０６】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、液水供給部としてのパージ通路５１及びパージ弁５２は、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄからの液水を燃焼器３２に供給する（図１参照）。
【０２０７】
これにより、アノード出口１０ｄから排出する液水の流量を好適に制御して、燃焼器３２に供給する液水流量を好適に調節することができる。
【０２０８】
また、本実施形態の燃料電池システム１００において、液水供給部は、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄからの液水を燃焼器３２に排出する液水供給通路としてのパージ通路５１と、パージ通路５１に設けられた液水供給量調節弁としてのパージ弁５２と、を有する。そして、液水量制御部としてのパージ弁制御部Ｂ１０５は、パージ弁５２の開弁時間割合であるパージ弁５２のデューティー比を調節することで液水の流量を制御する（図２０参照）。
【０２０９】
これにより、燃焼器３２への液水の供給流量の制御を、パージ弁５２のデューティー比を調節するという簡易な手法で実現することができる。特に、燃料電池スタック１０の負荷が大きい場合等の燃焼器３２により多くの液水を供給することが要求される場合には、パージ弁５２のデューティー比を高くすることで対応することができる。
【０２１０】
特に、本実施形態の燃料電池システム１００において、液水供給通路が、燃料電池スタック１０のアノード供給機構１４（水素循環通路４３）から排出されるパージガスを流すパージ通路５１であり、液水供給量調節弁は、パージ通路５１に設けられるパージ弁５２である。
【０２１１】
したがって、燃料電池システム１００のアノード供給機構１４においてパージガスを外部に排出するために必要な構成を用いて、燃焼器３２への液水供給量を制御する構成を実現することができる。すなわち、より簡易な構成で燃焼器３２への液水供給量の制御が可能となる。
【０２１２】
また、本実施形態による燃料電池システム１００では、パージ弁制御部Ｂ１０５は、液水流量制御パラメータとしての目標スタック電流が所定値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３以上の高負荷領域となると、燃焼器３２への液水の供給を開始する（図２０参照）。なお、ここで言う「燃焼器３２への液水の供給を開始する」とは、燃焼器３２で液水を利用する観点から供給が開始されることを意味しており、目標スタック電流が所定値未満においても少量の液水が燃焼器３２に供給されることを排除するものではない。
【０２１３】
これにより、燃焼器３２内の温度が比較的高く、燃焼器３２内に供給された液水に気化熱を与えても、燃焼器３２内における水素と酸素の燃焼反応への影響が小さい高負荷領域を選択して、燃焼器３２への液水の供給を実行することができる。したがって、燃焼器３２内の失火等を抑制しつつも、液水から気化した水蒸気のエネルギーをタービン６２に与えることができる。
【０２１４】
さらに、本実施形態では、パージ弁制御部Ｂ１０５は、目標スタック電流が所定値Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３以上であって指令電動モータトルク、目標タービン回収動力、及び目標タービン入口温度が増加するほど、燃焼器供給液水流量を増加させる（図２０参照）。
【０２１５】
これにより、高負荷領域においては負荷が増加するにつれて燃焼器３２に供給される液水の流量を増加させることで、タービン６２へ供給される水蒸気の流量も増加する。したがって、負荷の増加に合わせてタービン６２へ供給される水蒸気のエネルギーを増加させることができる。これにより、高負荷領域においてタービン６２による回収動力を増加させることができ、タービン６２の回収動力によるコンプレッサ６４のアシスト力を増大させることができる。したがって、コンプレッサ６４を駆動する電動モータ６０の消費電力の低減に資することとなるので、結果として燃料電池スタック１０に出力要求（要求発電電力）を減少させることができ、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。
【０２１６】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１００において、パージ弁制御部Ｂ１０５は、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを調節することで液水の流量を制御する（図１２参照）。
【０２１７】
これにより、アノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを調節することで、燃焼器３２への供給する液水の流量を好適に増減させることができる。
【０２１８】
特に、アノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを増加させることにより燃焼器３２へ供給される液水の流量を増加させることができる一方で、アノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを減少させることで燃焼器３２へ供給される液水の流量を減少させることができる。
【０２１９】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、液水量制御部としての湿潤制御部Ｂ１０２は、燃料電池スタック１０の冷却水温度を調節（ラジエータファン回転数及び三方弁開度の調節）することでアノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを制御する（図１２参照）。
【０２２０】
これにより、燃料電池スタック１０の冷却水温度を調節するという簡易な方法でアノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを調節し、結果として燃焼器３２に供給される液水の流量を調節することができる。
【０２２１】
特に、本実施形態では高負荷領域においては、燃料電池スタック１０の電解質膜をより湿潤させるべく目標ＨＦＲが低下する（図１２の目標ＨＦＲ算出部Ｂ１０２１参照）。ここで、冷却水温度を減少させる操作を行うことで、燃料電池スタック内の水分量を増加させつつも、燃料電池スタック１０におけるカソード極内の空気の水分含有量（飽和水蒸気量）を低下させることができ、燃料電池スタック１０のカソード出口１０ｂから排出される水分量が減少する。
【０２２２】
一方で、このように燃料電池スタック１０のカソード出口１０ｂから排出される水分量が減少しているにもかかわらず、燃料電池スタック内の水分量自体は増加しているので、その増加分により、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄから排出される水分が増加し、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨが増加することとなる。その結果、燃焼器３２への液水の供給流量を増加させることができる。なお、燃焼器３２への液水の供給流量を減少させる場合には、逆に冷却水温度を増加する操作が行われる。
【０２２３】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１００において、液水量制御部としての湿潤制御部Ｂ１０２は、燃料電池スタック１０に供給される空気流量（湿潤制御要求目標空気流量）を調節することでアノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを制御する（図１２参照）。
【０２２４】
これにより、燃料電池スタック１０に供給される空気流量を調節するという簡易な方法でアノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを調節し、結果として燃焼器３２に供給される液水の流量を調節することができる。
【０２２５】
特に、燃料電池スタック１０のカソード入口１０ａに供給される空気流量を減少させると、カソード出口１０ｂから排出される水分が相対的に少なくなるにもかかわらず、燃料電池スタック１０内の水分がより増加する。したがって、増加した燃料電池スタック１０内の水分により、燃料電池スタック１０のアノード出口１０ｄから排出される水分が増加する。したがって、アノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨが増加することとなり、燃焼器３２への液水の供給流量を増加させることができる。
【０２２６】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック１０に供給する水素を循環させる燃料循環通路としての水素循環通路４３をさらに有する。そして、液水流量制御部としての循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃料電池スタック１０に供給される空気流量に対する水素の循環流量の比率を調節することでアノード出口１０ｄの相対湿度ＲＨを制御する（図１８のタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３）。
【０２２７】
すなわち、燃料電池スタック１０に供給される空気流量に対する水素の循環流量の比率を変化させることにより、アノード出口１０ｄから排出される水分を調節することができ、燃焼器３２へ供給される液水の流量を調節することができる。
【０２２８】
特に、燃料電池スタック１０に供給される空気流量に対する水素の循環流量の比率を増加させることで、燃料電池スタック１０のカソード出口１０ｂから排出される水分に対してアノード出口１０ｄから排出される水分を増やすことができるので、燃焼器３２へ供給される液水の流量を増加させることができる。
【０２２９】
特に、本実施形態の燃料電池システム１００において、液水流量制御部は、水素の循環流量を制御する燃料循環流量制御部としての循環ブロア制御部Ｂ１０４を有する。そして、循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃料電池スタック１０に供給される空気流量に対する水素の循環流量の比率を調節する（図１８のタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３）。
【０２３０】
これにより、冷却水温度や空気流量を変更できないシーンにおいても、水素循環流量を制御することで燃料電池スタック１０内の電解質膜の湿潤状態を制御し、アノード出口１０ｄから排出される液水流量を制御することができる。すなわち、このようなシーンにおいても、燃焼器３２に供給する液水流量を好適に制御することができる。
【０２３１】
なお、水素循環流量は、循環ブロア４５の回転数に代えて、又はこれとともに、エゼクタ４６の段数、及びエゼクタノズルの径の少なくとも何れか一つに基づいて制御するようにしても良い。例えば、発電電流に対して要求される水素循環流量が高いほど、エゼクタ４６の段数を小さくしたり、エゼクタノズルの径を小さくしたりするようにしても良い。
【０２３２】
また、燃料電池システム１００において、液水流量制御部としての循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃焼器３２の温度とみなされる推定タービン入口温度が所定値以上となると、燃焼器供給液水流量の制御を開始する（図１９参照）。なお、ここで言う「燃焼器３２への液水の供給を開始する」とは、燃焼器３２で液水を利用する観点からの供給の開始することを意味しており、推定タービン入口温度が所定値未満においても少量の液水が燃焼器３２に供給されることを排除するものではない。
【０２３３】
これにより、推定タービン入口温度が所定値以上となった場合に、燃焼器３２へ液水の供給流量の制御を開始するので、燃焼器３２の温度が十分に高くなってから燃焼器３２に液水が供給されることとなる。したがって、燃焼器３２の温度が低い状態で液水が供給されることにより、水素と酸素の燃焼反応が妨げられることを防止することができる。
【０２３４】
さらに、本実施形態の燃料電池システム１００では、液水供給部としてのパージ通路５１は、燃焼器３２の内部に液水供給口５１ａを有する。そして、この液水供給口５１ａは、燃焼器３２の内部の最高温度点Ｔの上方に配置される（図３参照）。
【０２３５】
これにより、パージ通路５１から排出される液水は重力の影響で落下しつつ、燃焼器３２の内部の最高温度点Ｔの位置に丁度供給されることとなるので、燃焼器３２の内部の温度分布の偏りを軽減でき、最高温度を下げることができる。これにより、タービン回収動力を低下させることなく、窒素酸化物の発生や燃焼器３２の内部の部分的な触媒劣化を防止することができる。
【０２３６】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、液水供給部としてのパージ通路５１は、燃焼器３２の内部に液水供給口５１ａを有する。そして、この液水供給口５１ａは、燃焼器３２の内部に水素を供給する燃料供給口としての水素供給口４８ａに対して、ガス流方向（図３の矢印Ａ方向）の下流に配置される。
【０２３７】
これにより、水素供給口４８ａから供給された水素によって水素濃度が相対的に高く燃焼温度が高くなり易い部分に液水が供給されることとなるので、液水に効率的に熱を与えることができ、液水を速やかに気化させて水蒸気に変換し、タービン６２へ供給することができる。また、液水が燃焼器３２内で比較的低温の部分に供給されることによって、液水の気化熱で燃焼器３２内を冷却し、燃焼の効率を低下させることを抑制することができる。
【０２３８】
以上説明したように本実施形態では、燃料電池としての燃料電池スタック１０のカソード極（カソード入口１０ａ）に酸化剤としての空気を供給するコンプレッサ６４をタービン６２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、燃料電池スタック１０の負荷（目標スタック電流）、コンプレッサ６４の目標動力としての目標コンプレッサ動力、タービン６２の目標回収動力である目標タービン回収動力、及びタービン６２の目標入口温度である目標タービン入口温度を含む液水流量制御パラメータ取得し、この液水流量制御パラメータに基づいて、タービン６２に供給する燃焼ガスを生成する燃焼器３２に供給される液水の流量を制御する。
【０２３９】
これにより、液水流量制御パラメータに応じて、燃焼器３２に供給される液水流量を制御することで、この液水流量制御パラメータに相関する燃料電池スタック１０の負荷状態等に応じて、燃焼器３２に供給される液水量を好適に制御することができる。これにより、タービン効率を高めることができる。
【０２４０】
なお、以上説明した上記実施形態の制御について、燃焼器水素量制御部Ｂ１０６は、目標タービン入口温度が所定値以上であるかどうかを判定し、目標タービン入口温度が所定値未満であれば燃焼器水素量調節弁４９を全閉とし、目標タービン入口温度が所定値以上である場合に燃焼器水素量調節弁４９の開放を始めるようにすることが好ましい。
【０２４１】
すなわち、燃焼器水素量制御部Ｂ１０６は、目標タービン入口温度が所定値以上となると、燃焼器３２への液水の供給を開始するように構成されることが好ましい。これにより、燃焼器３２内の温度が十分に高温となってから燃焼器３２への液水の供給が開始されることとなるので、液水の気化熱で燃焼器３２内の温度が、水素と酸素の燃焼反応を妨げる程度に低下してしまうことをより抑制することができる。結果として、燃焼器３２内の失火等を抑制しつつも、液水から気化した水蒸気のエネルギーをタービン６２に与えることができる。
【０２４２】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。特に、本実施形態においては、燃焼排ガス温度の検出値に基づいて燃焼器３２への液水の供給の開始タイミングを決定する。
【０２４３】
図２１は、本実施形態の燃料電池システム１００の概略構成図である。
【０２４４】
図示のように、本実施形態では、カソードガス排出通路２４において、燃焼器３２の下流に燃焼器温度センサ９４が設けられている。燃焼器温度センサ９４は、燃焼器３２から排出される燃焼排ガスの温度を検出する。燃焼器温度センサ９４は、燃焼排ガス温度検出値の信号をコントローラ２０に出力する。
【０２４５】
図２２は、本実施形態のコントローラ２０の全体の機能を示すブロック図である。
【０２４６】
図示のように、本実施形態では、第１実施形態における図１０の目標タービン入口温度前回値を空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３に入力する構成に代えて、燃焼排ガス温度検出値が空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３に入力される。
【０２４７】
また、循環ブロア制御部Ｂ１０４には、目標タービン入口温度に代えて燃焼排ガス温度検出値が入力される。
【０２４８】
図２３は、本実施形態による空気系制御部Ｂ１０３４の詳細な機能を示すブロック図である。
【０２４９】
図示のように、本実施形態では、タービン回収動力推定部Ｂ２０１には、空気流量検出値、空気圧力検出値、及び燃焼排ガス温度検出値が入力される。
【０２５０】
タービン回収動力推定部Ｂ２０１は、空気流量検出値、空気圧力検出値、及び燃焼排ガス温度検出値から、第１実施形態において説明した式（２）を用いて、推定タービン回収動力を算出する。すなわち、第１実施形態における「推定タービン入口温度Ｔt_in_e」を燃焼排ガス温度検出値に代えて式（２）を用いて推定タービン回収動力を算出することとなる。
【０２５１】
図２４は、本実施形態の循環ブロア制御部Ｂ１０４の機能を示すブロック図である。
【０２５２】
図示のように、本実施形態では、第１実施形態における循環ブロア制御部Ｂ１０４の一次遅れフィルタＢ１０４２を設けず、燃焼排ガス温度検出値をタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３に入力している。
【０２５３】
したがって、タービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３が燃焼排ガス温度検出値と目標空気流量に基づいてタービン要求目標ブロア回転数を算出する。すなわち、循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃焼排ガス温度検出値に基づいて循環ブロア回転数を制御することとなる。
【０２５４】
特に、図２４のタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３のマップからわかるように、燃焼排ガス温度検出値が所定値以上となる領域でタービン要求目標ブロア回転数が上昇を始め、燃焼器３２への液水の供給が開始されることとなる。したがって、本実施形態では、燃焼器温度センサ９４による焼排ガス温度検出値が所定値以上となると、実質的に燃焼器３２への液水の供給が開始されることとなる。
【０２５５】
以上説明した本発明の実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０２５６】
本実施形態による燃料電池システム１００は、燃焼器３２の温度を検出する温度センサとしての燃焼器温度センサ９４を備え、液水流量制御部としての循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃焼器温度センサ９４で検出される検出値としての焼排ガス温度検出値が所定値以上となると、燃焼器供給液水流量の制御を開始する（図２４のタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３）。
【０２５７】
これにより、実際の焼排ガス温度検出値に基づいて、燃焼器３２へ液水の供給開始のタイミング、すなわち循環ブロア４５の回転数を増加させるタイミングをより好適に定めることができる。
【０２５８】
なお、例えば、パージ弁制御部Ｂ１０５が、燃焼排ガス温度検出値が所定値未満の場合にパージ弁５２のデューティー比を相対的に低くし、燃焼排ガス温度検出値が所定値以上となった場合にパージ弁５２の増加を始めるようにすることで、燃焼器供給液水流量の制御を開始するようにしても良い。
【０２５９】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。特に、本実施形態においては、燃焼器３２への水素供給時間に基づいて燃焼器３２への液水の供給の開始タイミングを決定する。
【０２６０】
なお、本実施形態では、燃焼器水素量調節弁４９が、間欠駆動インジェクタ等のオン・オフ切替可能な弁で構成される。
【０２６１】
図２５は、本実施形態のコントローラ２０の全体の機能を示すブロック図である。
【０２６２】
図示のように、コントローラ２０は、第１実施形態における図１０の目標タービン入口温度前回値を空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３に入力する構成に代えて、水素供給弁開放時間算出部Ｂ１０７を有している。
【０２６３】
水素供給弁開放時間算出部Ｂ１０７には、燃焼器水素量調節弁４９から開弁状態情報が入力される。開弁状態情報とは、燃焼器水素量調節弁４９がオン状態（開放状態）であるかオフ状態（閉塞状態）であるかを示す情報である。
【０２６４】
水素供給弁開放時間算出部Ｂ１０７は、上記開弁状態情報に基づいて、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比（開弁時間割合）を算出する。具体的に水素供給弁開放時間算出部Ｂ１０７は、所定時間周期の間に燃焼器水素量調節弁４９がオン状態となった時間の総和（開弁時間）を演算し、この時間の総和を時間周期で除した値を燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比とする。したがって、このデューティー比は、実質的に、高圧タンク４０から燃焼器３２へ水素が供給されている時間（水素供給時間）に相当することとなる。
【０２６５】
水素供給弁開放時間算出部Ｂ１０７は、算出した燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比を、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３と循環ブロア制御部Ｂ１０４に出力する。
【０２６６】
すなわち、循環ブロア制御部Ｂ１０４には、目標タービン入口温度に代えて燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比が入力される。
【０２６７】
図２６は、本実施形態による空気系制御部Ｂ１０３４の詳細な機能を示すブロック図である。
【０２６８】
図示のように、本実施形態では、タービン回収動力推定部Ｂ２０１に、水素供給弁開放時間算出部Ｂ１０７で算出された燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比が入力される。
【０２６９】
タービン回収動力推定部Ｂ２０１は、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比に基づいて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Ｂ２０１は、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比と推定タービン回収動力の関係を示す所定のマップ等に基づいて、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比から推定タービン回収動力を算出する。このマップは、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比が増加すればするほど、推定タービン回収動力が増加するように設定されている。
【０２７０】
図２７は、本実施形態の循環ブロア制御部Ｂ１０４の機能を示すブロック図である。
【０２７１】
図示のように、本実施形態では、第１実施形態における循環ブロア制御部Ｂ１０４の一次遅れフィルタＢ１０４２を設けず、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比をタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３に入力している。
【０２７２】
したがって、タービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３が燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比と目標空気流量に基づいてタービン要求目標ブロア回転数を算出する。すなわち、循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比に基づいて循環ブロア回転数を制御することとなる。
【０２７３】
特に、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比が所定値以上となる領域でタービン要求目標ブロア回転数は上昇を始め、本格的に燃焼器３２への液水の供給が開始される。したがって、本実施形態では、燃焼器３２への水素供給時間に相当する燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比が所定値以上となると、実質的に燃焼器３２への液水の供給が開始されることとなる。
【０２７４】
以上説明した本発明の実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０２７５】
液水流量制御部としての循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃焼器３２への燃料としての水素の供給時間である燃料供給時間（燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比）が所定値以上となると、燃焼器供給液水流量の制御を開始する（図２７のタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３）。
【０２７６】
これにより、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比に基づいて、燃焼器３２へ液水の供給開始のタイミング、すなわち循環ブロア４５の回転数を増加させるタイミングをより好適に定めることができる。
【０２７７】
なお、例えば、パージ弁制御部Ｂ１０５が、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比が所定値未満の場合にパージ弁５２のデューティー比を相対的に低くし、燃焼器水素量調節弁４９のデューティー比が所定値以上となった場合にパージ弁５２の増加を始めるようにすることで、燃焼器供給液水流量の制御を開始するようにしても良い。
【０２７８】
（第４実施形態）
以下、第４実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。本実施形態においては、燃焼器水素量調節弁４９の開度に基づいて燃焼器３２への液水の供給の開始タイミングを決定する。
【０２７９】
本実施形態では、燃焼器水素量調節弁４９としては、比例ソレノイド等の開度調整可能な弁を用いる。
【０２８０】
図２８は、本実施形態の燃料電池システム１００の概略構成図である。
【０２８１】
図示のように、本実施形態では、燃焼器水素量調節弁４９に、その開度の検出する開度センサ４９ａが設けられている。この開度センサ４９ａは、燃焼器水素量調節弁４９の開度の検出値の信号をコントローラ２０に出力する。
【０２８２】
図２９は、本実施形態のコントローラ２０の全体の機能を示すブロック図である。
【０２８３】
図示のように、本実施形態では、空気系ＦＢ制御部Ｂ１０３及び循環ブロア制御部Ｂ１０４に、開度センサ４９ａで検出される燃焼器水素量調節弁４９の開度の検出値（以下では、「燃焼器水素供給弁開度検出値」とも記載する）が入力される。
【０２８４】
図３０は、本実施形態による空気系制御部Ｂ１０３４の詳細な機能を示すブロック図である。
【０２８５】
図示のように、本実施形態では、タービン回収動力推定部Ｂ２０１に、燃焼器水素供給弁開度検出値が入力される。
【０２８６】
タービン回収動力推定部Ｂ２０１は、燃焼器水素供給弁開度検出値に基づいて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Ｂ２０１は、燃焼器水素供給弁開度検出値と推定タービン回収動力の関係を示す所定のマップ等に基づいて、燃焼器水素供給弁開度検出値から推定タービン回収動力を算出する。
【０２８７】
図３１は、本実施形態の循環ブロア制御部Ｂ１０４の機能を示すブロック図である。
【０２８８】
図示のように、本実施形態では、第１実施形態における循環ブロア制御部Ｂ１０４の一次遅れフィルタＢ１０４２を設けず、燃焼器水素供給弁開度検出値をタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３に入力している。
【０２８９】
したがって、タービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３が燃焼器水素供給弁開度検出値と目標空気流量に基づいてタービン要求目標ブロア回転数を算出する。すなわち、循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃焼器水素供給弁開度検出値に基づいて循環ブロア回転数を制御することとなる。
【０２９０】
特に、燃焼器水素供給弁開度検出値が所定値以上となる領域でタービン要求目標ブロア回転数が上昇を始め、燃焼器３２への液水の供給が開始される。したがって、本実施形態では、燃焼器３２への燃料供給量に相当する燃焼器水素供給弁開度検出値が所定値以上となると、実質的に燃焼器３２への液水の供給が開始されることとなる。
【０２９１】
以上説明した本発明の実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、以下の作用効果を奏する。
【０２９２】
本実施形態による燃料電池システム１００は、燃焼器３２への燃料の供給量を調節する燃焼器水素量調節弁４９を備える。そして、液水流量制御部としての循環ブロア制御部Ｂ１０４は、燃焼器水素量調節弁４９の開度（燃焼器水素供給弁開度検出値）が所定値以上となると、燃焼器供給液水流量の制御を開始する（図３１のタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３）。
【０２９３】
これにより、燃焼器３２への燃料供給量に相当する燃焼器水素供給弁開度検出値に基づいて、燃焼器３２へ液水の供給開始のタイミング、すなわち循環ブロア４５の回転数を増加させるタイミングをより好適に定めることができる。
【０２９４】
なお、燃焼器水素供給弁開度検出値に代えて、又は燃焼器水素供給弁開度検出値とともに、この燃焼器水素供給弁開度の積算値に基づいて、燃焼器供給液水流量の制御を開始するようにしても良い。
【０２９５】
すなわち、本実施形態において、燃焼器供給液水流量の制御を開始するタイミングを決定する燃焼器水素量調節弁４９の開度には、燃焼器水素供給弁開度検出値だけでなくその積算値が含まれていても良い。
【０２９６】
さらに、燃焼器水素供給弁開度検出値及びその積算値から燃焼器３２の温度を推定し、推定した燃焼器の温度及び目標空気流量から図２４におけるタービン要求目標回転数算出部Ｂ１０４３のマップに基づき、タービン要求目標ブロア回転数を算出するようにしても良い。
【０２９７】
また、例えば、パージ弁制御部Ｂ１０５が、燃焼器水素供給弁開度検出値が所定値未満の場合にパージ弁５２のデューティー比を相対的に低くし、燃焼器水素供給弁開度検出値が所定値以上となった場合にパージ弁５２の増加を始めるようにすることで、燃焼器供給液水流量の制御を開始するようにしても良い。
【０２９８】
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。
【０２９９】
例えば、上記各実施形態では、アノード出口１０ｄからの液水を燃焼器３２に供給するようにしているが、カソード出口１０ｂからの液水を燃焼器３２に供給するようにしても良い。しかしながら、燃焼器３２への液水流量を好適に制御する観点などから、アノード出口１０ｄからの液水を燃焼器３２に供給することが好ましい。
【０３００】
さらに、上記各実施形態では、パージ通路５１を介して液水及び窒素を主成分とするパージガスを燃焼器３２に供給する例を説明している。しかしながら、パージ通路５１を介して液水とともに水素が所定濃度含まれたパージガスを燃焼器３２に供給するようにしても良い。これにより、燃焼器３２においてアノード排ガス中の水素を燃焼に用いることができる。特に、この場合、パージガスに含まれる水素濃度が比較的高くとも、燃焼器３２による燃焼でパージガス中の水素を消費することができる。したがって、最終的に外部に排出される際のパージガス（又はパージガスとカソード排ガスの混合ガス）の水素濃度を低減することができる。
【０３０１】
さらに、燃焼器３２にアノード出口１０ｄからの液水を供給する経路と、アノード排ガスを供給する経路を別に構成しても良い。
【０３０２】
しかしながら、燃焼器３２にアノード出口１０ｄからの液水とアノード排ガスを同一の経路で供給することで、液水及びアノード排ガスの燃焼器３２への供給及びその供給流量の制御を単一のパージ通路５１とパージ弁５２で行うことができるので、システム構成が簡素化される。
【０３０３】
また、上記各実施形態における「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。
【０３０４】
さらに、上記各実施形態における「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。
【０３０５】
また、上記各実施形態は任意に組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０３０６】
１０    燃料電池スタック
１０ａ    カソード入口
１０ｂ    カソード出口
１０ｃ    アノード入口
１０ｄ    アノード出口
１０ｅ    冷却水入口
１０ｆ    冷却水出口
１２    カソード給排機構
１４    アノード供給機構
１６    ターボ過給器
１７    加熱／冷却機構
１８    ＨＦＲ測定装置
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
３２    燃焼器
３２ａ    カソード排ガス流入流路
３２ｂ    燃焼排ガス流出流路
３４    ノズルベーン
４０    高圧タンク
４１    スタック水素供給通路
４２    スタック供給水素調圧弁
４３    水素循環通路
４４    水分離装置
４５    循環ブロア
４６    エゼクタ
４７    循環水素圧力センサ
４８    燃焼器用水素供給通路
４８ａ    水素供給口
４９    燃焼器水素量調節弁
５０    燃焼器供給水素圧力検出センサ
５１    パージ通路
５１ａ    液水供給口
５２    パージ弁
６０    電動モータ
６２    タービン
６４    コンプレッサ
６６    回転駆動軸
７２    モータ回転数センサ
８０    冷却水循環流路
８２    水温センサ
８４    冷却水循環ポンプ
８６    ラジエータ
８７    ラジエータファン
８８    三方弁
９１    電流センサ
９２    電圧センサ
９４    燃焼器温度センサ
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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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