(57)【要約】【課題】燃料電池の急速暖機運転中であり、かつ、排気弁が開固着した場合において、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムの制御部は、急速暖機運転中において、排気弁が開固着していると判定された場合に、燃料電池に供給するカソードガスの流量が急速暖機運転によって要求される要求供給流量の許容範囲内に収まるように、調圧弁と分流弁との少なくとも一方について、制御によって変更可能な開度領域である動作開度領域と、単位時間当たりに変更できる開度の回数である開度変更率と、の少なくともいずれかを設定する弁調整部と、を有する。【選択図】図９
2018097951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給路と、
前記燃料電池から前記カソードガスを排出するカソードガス排出路と、
前記カソードガス排出路に設けられ、前記燃料電池のカソード側の背圧を調整するための調圧弁と、
前記カソードガス供給路に設けられたコンプレッサと、
前記コンプレッサから吐出された前記カソードガスの一部を、前記燃料電池を迂回させて前記カソードガス排出路に排出するバイパス路と、
前記バイパス路と前記カソードガス供給路との接続部分に設けられ、前記燃料電池に供給される前記カソードガスと前記バイパス路に供給される前記カソードガスの流量比を調整するための分流弁と、
前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給路と、
前記燃料電池から前記アノードガスを排出するアノードガス排出路と、
前記アノードガス排出路に設けられ、前記アノードガスを排気するための排気弁と、
前記アノードガス排出路から排出される前記アノードガスと、前記カソードガス排出路から排出される前記カソードガスと、を排出する合流排出路と
燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、 
前記燃料電池の発熱を利用して前記燃料電池を昇温させる急速暖機運転中における、前記燃料電池の発電量を調整する発電調整部と、
前記排気弁が開固着しているか否かを判定する判定部と、
前記急速暖機運転中において、前記排気弁が開固着していると判定された場合に、前記燃料電池に供給する前記カソードガスの流量が前記急速暖機運転によって要求される要求供給流量の許容範囲内に収まるように、前記調圧弁と前記分流弁との少なくとも一方について、制御によって変更可能な開度領域である動作開度領域と、単位時間当たりに変更できる開度の回数である開度変更率と、の少なくともいずれかを設定する弁調整部と、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であって、
前記弁調整部は、
前記調圧弁の開度を最小単位で変更したときに、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が許容範囲から外れる場合に、前記許容範囲内に収まる領域に前記調圧弁の動作開度領域を変更し、
前記動作開度領域の変更前における前記調圧弁の開度と、前記動作開度領域の変更後における前記調圧弁の開度とで、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が変化しないように、前記分流弁の開度を設定する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記弁調整部は、
前記分流弁の開度を最小単位で変更したときに、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が前記要求供給流量の許容範囲から外れる場合に、前記許容範囲内に収まる領域に前記分流弁の動作開度領域を変更し、
前記動作開度領域の変更前の前記分流弁の開度と、前記動作開度領域の変更後の前記分流弁の開度とで、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が変化しないように、前記調圧弁の開度を設定する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池への電力の供給と前記燃料電池によって生じる電力の充電とを行うための二次電池を有し、
前記許容範囲は、前記急速暖機運転によって要求される前記燃料電池の要求発電量と、前記二次電池の充放電許容量とに基づいて設定される、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記弁調整部は、
前記調圧弁の開度を最小単位で変更したときの前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量変化量である第１変化量と、前記分流弁の開度を最小単位で変更したときの前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量変化量である第２変化量とを比較し、前記第１変化量が第２変化量よりも大きい場合は前記調圧弁の開度を一定に設定し、前記第２変化量が前記第１変化量よりも大きい場合は前記分流弁の開度を一定に設定し、
前記要求供給流量の許容範囲内となるように、前記調圧弁と前記分流弁のうちで前記流量変化量が小さい方の弁の開度を制御する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記弁調整部は、
前記調圧弁の開度を最小単位で変更したときに、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が前記許容範囲から外れる場合であり、かつ、前記分流弁の開度を最小単位で変更したときに、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が前記許容範囲から外れる場合に、前記調圧弁と前記分流弁のそれぞれの開度を一定に設定し、
前記発電調整部は、前記要求供給流量の前記許容範囲内となるように、前記コンプレッサから吐出される前記カソードガスの吐出流量を制御する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記弁調整部は、前記調圧弁の開度を最小単位で変更したときの前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量変化量である第１変化量と、前記分流弁の開度を最小単位で変更したときの前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量変化量である第２変化量とを比較し、前記第１変化量が第２変化量よりも大きい場合は、前記調圧弁の開度変更率を通常時よりも高く設定し、前記第２変化量が前記第１変化量よりも大きい場合は前記分流弁の開度変更率を通常制御時よりも高く設定する、燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給路と、
前記燃料電池から前記カソードガスを排出するカソードガス排出路と、
前記カソードガス排出路に設けられ、前記燃料電池のカソード側の背圧を調整するための調圧弁と、
前記カソードガス供給路に設けられたコンプレッサと、
前記コンプレッサから吐出された前記カソードガスの一部を、前記燃料電池を迂回させて前記カソードガス排出路に排出するバイパス路と、
前記バイパス路と前記カソードガス供給路との接続部分に設けられ、前記燃料電池に供給される前記カソードガスと前記バイパス路に供給される前記カソードガスの流量比を調整するための分流弁と、
前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給路と、
前記燃料電池から前記アノードガスを排出するアノードガス排出路と、
前記アノードガス排出路に設けられ、前記アノードガスを排気するための排気弁と、
前記アノードガス排出路から排出される前記アノードガスと、前記カソードガス排出路から排出される前記カソードガスと、を排出する合流排出路と
燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池の発熱を利用して前記燃料電池を昇温させる急速暖機運転中における、前記燃料電池の発電量を調整する発電調整部と、
前記排気弁が開固着しているか否かを判定する判定部と、を備え、
前記発電調整部は、
前記急速暖機運転中において、前記判定部によって前記排気弁が開固着していると判定された場合に、前記燃料電池の電流値と電圧値とによって特定される前記燃料電池の動作点について、前記排気弁が開固着していないと判定された場合よりも、前記電流値が高い側へと変更する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムにおいて、高濃度の水素が大気中（外部）に排気されることを防ぐために、カソードガス供給流路に接続され、燃料電池を迂回したバイパス流路を設ける技術が知られている（例えば、特許文献１）。従来の技術では、バイパス流路を流れるカソードガスによって排気される水素を希釈している。また、従来の技術では、バイパス流路へのカソードガスの供給、および、カソードガス供給流路からの燃料電池へのカソードガスの供給は、バルブによって調整される。また、従来の技術では、燃料電池に供給されたアノードガスを排出するためのアノードガス排出流路と、アノードガス排出流路に設けられた排気弁とを備えている。燃料電池から排出されたアノードガスは、排気弁が閉状態に設定されることで、アノードガス供給流路へと循環して燃料電池に供給され、必要に応じて排出バルブが開状態に設定されることで、アノードガス排出流路を通って大気中に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１７２０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来、燃料電池システムにおいて、燃料電池を急速に昇温させるための急速暖機運転が行われる場合がある。急速暖機運転では、急速暖機運転によって要求されるカソードガス流量と同程度のカソードガス流量が燃料電池に向けて供給される。また、急速暖機運転では、燃料電池にアノードガスが供給されている。
【０００５】
ここで、排気弁の凍結や故障などによって、排気弁を閉状態にする指令が制御部から送信されているにも拘わらず、排気弁が開状態を維持する状態（開固着状態）となる場合がある。開固着状態の場合、燃料電池から排出されたアノードガスは、アノードガス排出流路を通って大気中に排出される。よって、バイパス流路を流れるカソードガスの流量（バイパス流量）を増大させて、大気中に排出されるアノードガスを希釈する必要がある。急速暖機運転時においては、燃料電池に供給するカソードガス流量（燃料電池側カソードガス流量）は、急速暖機運転の要求によって定まる流量（要求供給流量）であるため、バイパス流路を流れるカソードガスの流量を増大させるには、バイパス流路に分岐する前のカソードガスの流量（総カソードガス流量）を、コンプレッサによって増大させる必要がある。この場合において、総カソードガス流量は増大するが、燃料電池に供給するカソードガスの流量（燃料電池側カソードガス流量）は要求供給流量であるため、総カソード流量に対する燃料電池側カソード流量の割合（分流割合）を精度良く制御することが求められる。
【０００６】
急速暖機運転中において、要求供給流量に対して燃料電池側カソードガス流量が変動した場合、燃料電池の発電量が変動して、燃料電池システムの性能が低下する場合がある。例えば、燃料電池システムを搭載する車両において、搭乗者が車両の乗り心地に違和感を抱く可能性がある。よって、燃料電池の急速暖機運転中であり、かつ、排気弁が開固着した場合において、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる技術が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００８】
（１）本発明の一形態によれば、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、燃料電池と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給路と、前記燃料電池から前記カソードガスを排出するカソードガス排出路と、前記カソードガス排出路に設けられ、前記燃料電池のカソード側の背圧を調整するための調圧弁と、前記カソードガス供給路に設けられたコンプレッサと、前記コンプレッサから吐出された前記カソードガスの一部を、前記燃料電池を迂回させて前記カソードガス排出路に排出するバイパス路と、前記バイパス路と前記カソードガス供給路との接続部分に設けられ、前記燃料電池に供給される前記カソードガスと前記バイパス路に供給される前記カソードガスの流量比を調整するための分流弁と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給路と、前記燃料電池から前記アノードガスを排出するアノードガス排出路と、前記アノードガス排出路に設けられ、前記アノードガスを排気するための排気弁と、前記アノードガス排出路から排出される前記アノードガスと、前記カソードガス排出路から排出される前記カソードガスと、を排出する合流排出路と燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発熱を利用して前記燃料電池を昇温させる急速暖機運転中における、前記燃料電池の発電量を調整する発電調整部と、前記排気弁が開固着しているか否かを判定する判定部と、前記急速暖機運転中において、前記排気弁が開固着していると判定された場合に、前記燃料電池に供給する前記カソードガスの流量が前記急速暖機運転によって要求される要求供給流量の許容範囲内に収まるように、前記調圧弁と前記分流弁との少なくとも一方について、制御によって変更可能な開度領域である動作開度領域と、単位時間当たりに変更できる開度の回数である開度変更率と、の少なくともいずれかを設定する弁調整部と、を有する。
この形態によれば、弁調整部は、燃料電池が急速暖機運転中であり、かつ、排気弁が開固着している場合に、要求供給流量の許容範囲内に収まるように、動作開度領域と開度変更率の少なくともいずれかを設定する。これにより、分流割合を精度良く制御できるので、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【０００９】
（２）上記形態であって、前記弁調整部は、前記調圧弁の開度を最小単位で変更したときに、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が許容範囲から外れる場合に、前記許容範囲内に収まる領域に前記調圧弁の動作開度領域を変更し、前記動作開度領域の変更前における前記調圧弁の開度と、前記動作開度領域の変更後における前記調圧弁の開度とで、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が変化しないように、前記分流弁の開度を設定してもよい。この形態によれば、調圧弁の動作開度領域を許容範囲内に収まる領域に変更することで、分流割合を精度良く制御できる。よって、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００１０】
（３）上記形態であって、前記弁調整部は、前記分流弁の開度を最小単位で変更したときに、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が前記要求供給流量の許容範囲から外れる場合に、前記許容範囲内に収まる領域に前記分流弁の動作開度領域を変更し、前記動作開度領域の変更前の前記分流弁の開度と、前記動作開度領域の変更後の前記分流弁の開度とで、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が変化しないように、前記調圧弁の開度を設定してもよい。この形態によれば、分流弁の動作開度領域を許容範囲内に収まる領域に変更することで、分流割合を精度良く制御できる。これにより、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００１１】
（４）上記形態であって、さらに、前記燃料電池への電力の供給と前記燃料電池によって生じる電力の充電とを行うための二次電池を有し、前記許容範囲は、前記急速暖機運転によって要求される前記燃料電池の要求発電量と、前記二次電池の充放電許容量とに基づいて設定されてもよい。この形態によれば、二次電池の充放電許容量を考慮して許容範囲を設定できる。これにより、要求発電量からずれた発電量であっても、二次電池によってずれた電力分を調整できる。
【００１２】
（５）上記形態であって、前記弁調整部は、前記調圧弁の開度を最小単位で変更したときの前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量変化量である第１変化量と、前記分流弁の開度を最小単位で変更したときの前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量変化量である第２変化量とを比較し、前記第１変化量が第２変化量よりも大きい場合は前記調圧弁の開度を一定に設定し、前記第２変化量が前記第１変化量よりも大きい場合は前記分流弁の開度を一定に設定し、前記要求供給流量の許容範囲内となるように、前記調圧弁と前記分流弁のうちで前記流量変化量が小さい方の弁の開度を制御してもよい。この形態によれば、調圧弁と分流弁のうちで流量変化量が大きい方の弁の開度を一定に設定し、他方の弁の開度を制御することで分流割合を精度良く制御できる。これにより、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００１３】
（６）上記形態であって、前記弁調整部は、前記調圧弁の開度を最小単位で変更したときに、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が前記許容範囲から外れる場合であり、かつ、前記分流弁の開度を最小単位で変更したときに、前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量が前記許容範囲から外れる場合に、前記調圧弁と前記分流弁のそれぞれの開度を一定に設定し、前記発電調整部は、前記要求供給流量の前記許容範囲内となるように、前記コンプレッサから吐出される前記カソードガスの吐出流量を制御してもよい。この形態によれば、調圧弁と分流弁との開度を一定に設定してコンプレッサの吐出流量を制御することで、分流割合を精度良く制御できる。よって、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００１４】
（７）上記形態であって、前記弁調整部は、前記調圧弁の開度を最小単位で変更したときの前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量変化量である第１変化量と、前記分流弁の開度を最小単位で変更したときの前記燃料電池に供給される前記カソードガスの流量変化量である第２変化量とを比較し、前記第１変化量が第２変化量よりも大きい場合は、前記調圧弁の開度変更率を通常時よりも高く設定し、前記第２変化量が前記第１変化量よりも大きい場合は前記分流弁の開度変更率を通常制御時よりも高く設定してもよい。この形態によれば、調圧弁と分流弁のうちで流量変化量が大きい方の弁の開度変更率を通常制御時よりも高く設定することで、分流割合を精度良く制御できる。よって、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００１５】
（８）本発明の他の一形態によれば、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、燃料電池と、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給路と、前記燃料電池から前記カソードガスを排出するカソードガス排出路と、前記カソードガス排出路に設けられ、前記燃料電池のカソード側の背圧を調整するための調圧弁と、前記カソードガス供給路に設けられたコンプレッサと、前記コンプレッサから吐出された前記カソードガスの一部を、前記燃料電池を迂回させて前記カソードガス排出路に排出するバイパス路と、前記バイパス路と前記カソードガス供給路との接続部分に設けられ、前記燃料電池に供給される前記カソードガスと前記バイパス路に供給される前記カソードガスの流量比を調整するための分流弁と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給路と、前記燃料電池から前記アノードガスを排出するアノードガス排出路と、前記アノードガス排出路に設けられ、前記アノードガスを排気するための排気弁と、前記アノードガス排出路から排出される前記アノードガスと、前記カソードガス排出路から排出される前記カソードガスと、を排出する合流排出路と燃料電池システムの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発熱を利用して前記燃料電池を昇温させる急速暖機運転中における、前記燃料電池の発電量を調整する発電調整部と、前記排気弁が開固着しているか否かを判定する判定部と、を備え、前記発電調整部は、前記急速暖機運転中において、前記判定部によって前記排気弁が開固着していると判定された場合に、前記燃料電池の電流値と電圧値とによって特定される前記燃料電池の動作点について、前記排気弁が開固着していないと判定された場合よりも、前記電流値が高い側へと変更する。
この形態によれば、燃料電池の動作点を電流値が高い側へと変更することで、急速暖機運転によって要求される燃料電池へのカソードガスの供給流量である要求供給流量を増大させることができる。これにより、実際に燃料電池に供給されるカソードガスの流量が多少変動した場合でも、燃料電池の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００１６】
本発明は、上記の燃料電池システム以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを搭載する移動体などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システムの電気的構成を示す概略図である。
【図３】分流弁について説明するための図である。
【図４】分流弁の有効断面積と開度との関係を概略的に示す図である。
【図５】調圧弁について説明するための図である。
【図６】調圧弁の有効断面積と開度との関係を概略的に示す図である。
【図７】制御部を機能的に説明するためのブロック図である。
【図８】分流マップを概念的に示す図である。
【図９】制御部が実行する処理フローである。
【図１０】ステップＳ２０の処理フローである。
【図１１】第１変形態様の処理フローである。
【図１２】第２変形態様の処理フローである。
【図１３】ステップＳ２７３，Ｓ２８３の処理内容を概念的に説明するための図である。
【図１４】第２実施形態の制御部が実行する処理フローである。
【図１５】ＩＶ動作点について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システム２０の構成：
図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池システム２０の構成を示す説明図である。燃料電池システム２０は、移動体の一形態である燃料電池車両２００に搭載されており、運転者からの要求に応じて、主に燃料電池車両２００の駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム２０は、燃料電池４０と、アノードガス給排系５０と、カソードガス給排系６０と、冷却系８０と、制御部１００とを備える。制御部１００は、燃料電池システム２０の動作を制御する。
【００１９】
燃料電池４０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて酸素と水素の電気化学反応によって発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池４０は、複数の単セル４１が積層されたスタック構造を有する。各単セル４１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータ（図示せず）と、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。各単セル４１の外周端部には、各単セル４１の積層方向に延び、各単セル４１の発電部に分岐接続されている反応ガスのためのマニホールドが設けられている（図示は省略）。各単セル４１は、積層された状態で、第１と第２のエンドプレート４３，４４によって、その積層方向に挟まれた状態で締結されている。
【００２０】
アノードガス給排系５０は、アノードガス供給機能と、アノードガス排出機能と、アノードガス循環機能とを有する。アノードガス供給機能は、燃料電池４０のアノードにアノードガスを供給する機能である。アノードガス排出機能は、燃料電池４０のアノードから排出されるアノードガス（「アノード排ガス」ともいう。）を外部に排出する機能である。アノードガス循環機能は、アノードガスを燃料電池システム２０内において循環させる機能である。
【００２１】
アノードガス給排系５０は、燃料電池４０の上流側に、燃料タンク５０２と、配管としてのアノードガス供給路５１と、減圧弁５２と、開閉弁５６と、圧力センサ５５とを備える。アノードガス供給路５１は、燃料電池４０（詳細にはアノード）にアノードガスとしての水素を供給するための流路である。燃料タンク５０２には、燃料電池４０に供給するための高圧水素が充填されている。アノードガス供給路５１において、上流端は燃料タンク５０２に接続され、下流端は燃料電池４０にされている。開閉弁５６は、アノードガス供給路５１の途中に設けられ、制御部１００の指令に応じてアノードガス供給路５１を開閉する。減圧弁５２は、アノードガス供給路５１のうち開閉弁５６よりも下流側に設けられている。減圧弁５２は、制御部１００からの指令に応じて開度が制御されることで、アノードガス供給路５１のアノードガスの圧力を調整する。圧力センサ５５は、アノードガス供給路５１のうち、後述するアノードガス循環路５４の接続部分よりも下流側の圧力を計測する。計測された圧力は制御部１００に送信される。
【００２２】
アノードガス給排系５０は、さらに、燃料電池４０の下流側に、配管としてのアノードガス排出路５９と、開閉弁５６と、配管としてのアノードガス循環路５４と、循環ポンプ５３と、排気弁５８と、を備える。アノードガス排出路５９は、燃料電池４０（詳細には、アノード）からアノードガスを排出するための流路である。排気弁５８は、アノードガス排出路５９に設けられ、制御部１００の指令に応じてアノードガス排出路５９を開閉する。つまり、排気弁５８は、燃料電池４０から排出されたアノードガスを排気するために用いられる。制御部１００は、通常、排気弁５８を閉状態とし、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排気弁５８を開状態に切り換える。
【００２３】
アノードガス循環路５４は、燃料電池４０から排出されたアノードガスを、再び、アノードガス供給路５１に戻すための流路である。アノードガス循環路５４の上流端は、アノードガス排出路５９のうちで排気弁５８よりも上流側部分に接続されている。アノードガス循環路５４の下流端は、アノードガス供給路５１のうちで減圧弁５２よりも下流側部分に接続されている。循環ポンプ５３は、制御部１００の指令に応じて動作が制御される。循環ポンプ５３の動作によって、アノードガス循環路５４中のアノードガスがアノードガス供給路５１に送り込まれる。
【００２４】
カソードガス給排系６０は、燃料電池４０にカソードガスを供給するカソードガス供給機能と、燃料電池４０から排出されるカソードガス（「カソード排ガス」ともいう。）を外部に排出するカソードガス排出機能と、を備える。
【００２５】
カソードガス給排系６０は、燃料電池４０の上流側に、フィルター６０２と、コンプレッサ６０４と、配管としてのカソードガス供給路６１と、エアフロメーター６４と、圧力センサ６５と、を備える。カソードガス供給路６１は、燃料電池４０（詳細にはカソード）にカソードガスとしての空気を供給するための流路である。カソードガス供給路６１のうち、後述する分流弁６８が設けられた分流地点よりも上流側を主流路６６とも呼び、分流地点よりも下流側を副流路６７とも呼ぶ。
【００２６】
フィルター６０２は、カソードガス供給路６１のうちでコンプレッサ６０４よりも上流側に設けられ、燃料電池４０に供給される空気中の異物を除去する。コンプレッサ６０４は、カソードガス供給路６１に設けられ、制御部１００からの指令に応じて圧縮した空気を下流側に吐出する。
【００２７】
エアフロメーター６４は、コンプレッサ６０４の上流側において、コンプレッサ６０４が取り込む外気の量を計測し、制御部１００に送信する。制御部１００は、この計測値に基づいてコンプレッサ６０４を駆動することにより、燃料電池４０に対する空気の供給量を制御してもよい。圧力センサ６５は、コンプレッサ６０４の出口側（燃料電池４０の入口側）におけるカソードガス供給路６１の圧力を測定する。圧力センサ６５の計測値は、制御部１００に送信される。
【００２８】
カソードガス給排系６０は、燃料電池４０の下流側に、カソードガス排出路６３と、調圧弁６９とを備える。カソードガス排出路６３は、燃料電池４０からカソードガスを排出するための流路である。調圧弁６９は、カソードガス排出路６３に設けられている。調圧弁６９は、制御部１００からの指令に応じて弁の開度を変更することで、燃料電池４０のカソード側の背圧を調整する。
【００２９】
燃料電池システム２０は、さらに、分流弁６８と、配管としてのバイパス路７２と、配管としての合流排出路７４とを備える。バイパス路７２は、コンプレッサ６０４から吐出されたカソードガスの一部を、燃料電池４０を迂回させてカソードガス排出路６３に排出するための流路である。つまり、バイパス路７２は、カソードガス供給路６１（詳細には、主流路６６）のカソードガスを燃料電池４０を経由することなくカソードガス排出路６３に流通させるための流路である。バイパス路７２の上流端は、カソードガス供給路６１のうちでコンプレッサ６０４よりも下流側部分に接続されている。バイパス路７２の下流端は、カソードガス排出路６３のうちで調圧弁６９よりも下流側部分に接続されている。分流弁６８は、バイパス路７２とカソードガス供給路６１との接続部分に設けられている。分流弁６８は、制御部１００からの指令に応じて開度を変更することで、燃料電池４０のカソードに供給されるカソードガスと、バイパス路７２に供給されるカソードガスの流量比を調整する。合流排出路７４は、カソードガス排出路６３の下流端とアノードガス排出路５９の下流端とに接続されている。合流排出路７４は、アノードガス排出路５９から排出されるアノードガスと、カソードガス排出路６３から排出されるカソードガスとを外部に排出するための流路である。つまり、合流排出路７４は、排気弁５８が開状態の場合は、カソードガスとアノードガスとの混合ガスが流通し、排気弁５８が閉状態の場合は、カソードガスが流通する。
【００３０】
冷却系８０は、配管としての冷却用流路８１と、ラジエーター８２と、循環ポンプ８５と、を備える。冷却用流路８１は、燃料電池４０を冷却するための冷媒を循環させるための流路であり、上流側流路８１ａと、下流側流路８１ｂと、を含む。ラジエーター８２は、外気を取り込むファンを有し、冷却用流路８１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。循環ポンプ８５は、下流側流路８１ｂに設けられている。冷媒は、循環ポンプ８５の駆動力によって冷却用流路８１内を流れる。
【００３１】
本実施形態では、上流側流路８１ａに、燃料電池４０の温度を計測するための温度センサ８６が設けられている。温度センサ８６は、計測結果を制御部１００に送信する。上述したように、制御部１００は、温度サンサ８６の計測結果に基づいて、燃料電池４０の温度を演算する。例えば、制御部１００は、温度センサ８６の計測結果を燃料電池４０の温度と見做してもよいし、温度センサ８６の計測結果と燃料電池４０の温度とを一意に対応付けたマップを用いて燃料電池４０の温度を演算してもよい。
【００３２】
図２は、燃料電池システム２０の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム２０は、二次電池９６と、ＦＤＣ９５と、ＤＣ／ＡＣインバータ９８と、ＢＤＣ９７と、セル電圧計９１と、電流計測部９２とを備える。
【００３３】
セル電圧計９１は、燃料電池４０の全ての単セル４１それぞれと接続されており、全ての単セル４１それぞれを対象にセル電圧を計測する。セル電圧計９１は、その計測結果を制御部１００に送信する。電流計測部９２は、燃料電池４０による出力電流の値を計測し、制御部１００に送信する。
【００３４】
ＦＤＣ９５及びＢＤＣ９７は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路である。ＦＤＣ９５は、制御部１００から送信される電流指令値に基づき、燃料電池４０による出力電流を制御する。電流指令値とは、燃料電池４０による出力電流の目標値となる値であり、制御部１００によって設定される。
【００３５】
ＦＤＣ９５は、入力電圧計およびインピーダンス計としての機能を有する。具体的には、ＦＤＣ９５は、入力電圧の値を計測して制御部１００に送信する。ＦＤＣ９５は、交流インピーダンス法を用いて燃料電池４０のインピーダンスを計測する。本実施形態において用いられるインピーダンスの周波数は、高周波を含み、具体的には１００Ｈｚ〜１ｋＨｚを含む。ＦＤＣ９５は、入力電圧を昇圧してＤＣ／ＡＣインバータ９８に供給する。
【００３６】
ＢＤＣ９７は、制御部１００の指令に応じて二次電池９６の充放電を制御する。ＢＤＣ９７は、二次電池９６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：残容量）を計測し、制御部１００に送信する。二次電池９６は、リチウムイオン電池で構成され、補助電源として機能する。また二次電池９６は、燃料電池４０への電力の供給と、燃料電池４０によって生じる電力の充電とを行う。
【００３７】
ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池４０と負荷２５０とに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ９８は、燃料電池４０と二次電池９６とから出力される直流電力を交流電力へと変換し、負荷２５０に供給する。
【００３８】
負荷２５０において発生した回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ９８によって直流電流に変換され、ＢＤＣ９７によって二次電池９６に充電される。制御部１００は、負荷２５０に加え、二次電池９６のＳＯＣも加味して、出力指令値を算出する。
【００３９】
図３は、分流弁６８について説明するための図である。分流弁６８は、制御部１００からの指令（開度指令）に応じてモータ６８２を駆動して弁体６８４を変位させる。これにより、分流弁６８の開度ＰＡを調整するためのトルクが発生する。モータ６８２は、本実施形態では、ステッピングモータである。弁体６８４は、矢印Ｙ１に沿った方向において、複数段階の位置に変位できる。弁体６８４が変位することで、弁体６８４の周囲（例えば、弁体６８４と弁座との間）の流路断面積であるバイパス側有効断面積ＡＳＴと燃料電池側有効断面積ＡＢＰとが変化する。
【００４０】
本実施形態では、分流弁６８のステップ数は「０」から「２４０」まで設定されており、ステップ数と開度ＰＡとは一意に対応付けられている。ステップ数が「０」の場合は開度ＰＡが０％であり、主流路６６を流れるカソードガスは全てバイパス路７２に供給される。一方で、分流弁のステップ数が「２４０」の場合は開度ＰＡが１００％であり、主流路６６を流れるカソードガスは全て副流路６７に供給される。
【００４１】
ここで、主流路６６を流れるカソードガス流量（総カソードガス流量）ＦＲ１に対する副流路６７を流れるカソードガス流量（燃料電池側カソードガス流量）ＦＲ２の割合（ＦＲ２／ＦＲ１）を分流割合Ｐと呼ぶ。
【００４２】
図４は、分流弁６８の有効断面積と開度ＰＡとの関係を概略的に示す図である。分流弁６８は、弁体６８４と弁座とのシールの構造上、開度ＰＡがゼロから僅かに大きい開度ＰＡｔになっても、燃料電池側有効断面積ＡＳＴはゼロに維持され、バイパス側有効断面積ＡＢＰは最大値に維持される。開度ＰＡがさらに大きくなると、シール部材から弁体６８４が離れることで、燃料電池側有効断面積ＡＳＴは増大し、バイパス側有効断面積ＡＢＰは減少する。分流弁６８では、開度ＰＡを最小単位で変更した場合における、バイパス側有効断面積ＡＢＰと燃料電池側有効断面積ＡＳＴの変化量が大きい領域と小さい領域とが存在する。開度ＰＡを最小単位で変更するとは、ステップ数を１つ変更することである。分流弁６８において、燃料電池側有効断面積ＡＳＴの変化量が大きい領域内では、開度ＰＡの変更した場合に分流割合Ｐが大きく変化する恐れがある。
【００４３】
図５は、調圧弁６９について説明するための図である。調圧弁６９は、制御部１００からの指令（開度指令）に応じてモータ６９２を駆動して弁体６９４を変位させる。これにより、調圧弁６９の開度ＰＢを調整するためのトルクが発生する。モータ６９２は、本実施形態では、ステッピングモータである。弁体６９４は、矢印Ｙ２に沿った方向において、複数段階の位置に変位できる。弁体６８４が変位することで、弁体６８４と弁座との間の流路断面積である有効断面積ＡＭが変化する。本実施形態では、調圧弁６９のステップ数は、「０」から「１２０」まで設定されており、ステップ数と開度ＰＢとは一意に対応付けられている。
【００４４】
図６は、調圧弁６９の有効断面積ＡＭと開度ＰＢとの関係を概略的に示す図である。調圧弁６９は、弁体６９４と弁座とのシールの構造上、開度ＰＢがゼロから僅かに大きい開度ＰＢｔになっても、有効断面積ＡＭはゼロに維持される。開度ＰＢが更に大きくなると、シール部材から弁体６９４が離れることで、有効断面積ＡＭは増大する。本実施形態において、調圧弁６９では、開度ＰＢを最小単位で変更した場合における有効断面積ＡＭの変化量が大きい領域と小さい領域とが存在する。開度ＰＢを最小単位で変更するとは、ステップ数を１つ変更することである。調圧弁６９において、有効断面積ＡＭの変化量が大きい領域では、開度ＰＢを変更した場合に分流割合Ｐが大きく変化する恐れがある。
【００４５】
図７は、制御部１００を機能的に説明するためのブロック図である。図８は、分流マップ１４２を概念的に示す図である。制御部１００は、記憶部１４０および図示しないＣＰＵを備える。記憶部１４０は、ＲＯＭやＲＡＭなどの周知の構成を有している。制御部１００は、ＣＰＵが実行するプログラムとして、発電調整部１１０と、判定部１２０と、弁調整部１３０とを備える。
【００４６】
発電調整部１１０は、燃料電池車両２００のアクセル開度や、急速暖機運転の要求などに応じて燃料電池４０の発電量を調整する。具体的には、発電調整部１１０は、アクセル開度や急速暖機運転に応じて予め記憶部１４０に定められた発電量に基づいて、燃料電池４０へ供給するカソードガス流量（燃料電池側カソードガス流量）およびアノードガス流量を調整する。発電調整部１１０は、コンプレッサ６０４や分流弁６８や調圧弁６９などの動作を制御することで、燃料電池側カソードガス流量を調整できる。また発電調整部１１０は、開閉弁５６や循環ポンプ５３や排気弁５８などの動作を制御することで、アノードガス流量を調整できる。なお、分流弁６８と調圧弁６９の動作制御は、発電調整部１１０が弁調整部１３０に指令を送信することで弁調整部１３０を介して実行される。急速暖機運転は、燃料電池４０の発熱を利用して燃料電池４０を昇温させる運転であり、燃料電池４０の発電量から求められるカソードガスの必要量に対するカソードガスの供給量の比率が通常動作時よりも小さくなるように、燃料電池４０にカソードガスが供給される。これによって、急速暖機運転では、通常の燃料電池４０の動作時よりも燃料電池４０の発電効率が低下し、発電による熱の発生が促される。発電調整部１１０は、例えば、記憶部１４０に記憶された急速暖機運転マップ１４６を参照して、目標となる期間に燃料電池４０が目標温度となるように、燃料電池４０に供給するカソードガス流量およびアノードガス流量を調整する。急速暖機運転は、燃料電池４０の温度が予め定められた温度以下であるときに実行される。以上のように、発電調整部１１０は、急速暖機中における燃料電池４０の発電量を調整する機能を含む。
【００４７】
判定部１２０は、排気弁５８が開固着しているか否かを判定する。具体的には、判定部１２０は、発電調整部１１０によって排気弁５８に対して閉状態指令が出されているにも拘わらず、予め定められた時間において、圧力センサ５５を用いた計測圧力値が、目標としている圧力値よりも予め定められた閾値以上だけ低下している場合に、排気弁５８が開固着していると判定する。なお、判定部１２０は、以下の方法によって排気弁５８が開固着しているか否かを判定してもよい。この判定方法では、アノードガス排出路５９のうちで排気弁５８よりも下流側にアノードガス濃度センサが配置されている。判定部１２０は、発電調整部１１０によって排気弁５８に対して閉状態指令が出されているにも拘わらず、アノードガス濃度センサを用いたアノードガス濃度が予め定められた時間において予め定められた値以上だけ上昇している場合に、排気弁５８が開固着していると判定してもよい。
【００４８】
急速暖機運転中において、排気弁５８が開固着していると判定された場合は、発電調整部１１０は、アノードガス排出路５９から外部へ排出されるアノードガスを希釈するために、コンプレッサ６０４からの吐出量を、排気弁５８が開固着していない場合に比べて増大させる。これにより、バイパス路７２に流れるカソードガス流量が増大して、排気弁５８の下流側に流出したアノードガスが希釈される。排気弁５８が開固着している場合における目標となる吐出流量は、記憶部１４０に記憶されている。制御部１００は、目標となる吐出流量となるようにコンプレッサ６０４の動作を制御する。
【００４９】
弁調整部１３０は、分流弁６８の分解能と調圧弁６９の分解能とが予め定めた条件（分流条件）を満たすか否かを判定し、いずれか一方の弁が分流条件を満たさない場合は、分流条件を満たすように一方の弁の動作開度領域を設定（変更）する。本実施形態において分解能とは、一方の弁の開度を一定にしたときに他方の弁の開度を最小単位で変更したときの分流割合Ｐの変動の程度である。分流割合Ｐの変動が大きいほど分解能は低く、分流割合Ｐの変動が小さいほど分解能は高い。動作開度領域とは、発電調整部１１０の制御によって変更可能な開度領域であり、全開度領域よりも小さい範囲に設定されている。分流条件とは、燃料電池４０に供給するカソードガスの流量が急速暖機運転によって要求される要求供給流量の許容範囲内に収まるという条件である。要求供給流量は、急速暖機運転によって要求される要求発電量を生じさせるための流量である。
【００５０】
許容範囲は、要求発電量と、二次電池９６の充放電許容量とに基づいて設定される。具体的には、燃料電池４０に供給された実際のカソードガス流量によって生じた実際の燃料電池４０の発電量が、二次電池９６の充放電によって要求発電量となるように調整できる範囲に、許容範囲が設定されている。本実施形態では、二次電池９６の最大充電量と最大放電量とを二次電池９６の充放電許容量と見做して許容範囲が設定されている。本実施形態では、例えば、要求発電量に対して±１０ｋＷの範囲に実際の発電量が収まる範囲が、要求供給流量の許容範囲として設定されている。なお、許容範囲は、二次電池９６の最大充電量と最大放電量とに応じて一定の範囲に設定される態様に代えて以下のように設定されてもよい。すなわち、制御部１００は、所定時間ごとに二次電池９６の充電量を取得し、実際に充電可能な充電量および実際に放電可能な放電量の範囲内で、実際の発電量から要求発電量へと補正できる燃料電池側カソードガス流量の範囲を、許容範囲として設定してもよい。以上のように、二次電池９６の充放電許容量を考慮して許容範囲を設定することで、要求発電量からずれた発電量であっても、二次電池９６によってずれた電力分を調整できる。
【００５１】
記憶部１４０には、分流マップ１４２と、充放電許容量データ１４４と、急速暖機運転マップ１４６とが記憶されている。
【００５２】
分流マップ１４２は、調圧弁６９の各ステップ数と、分流弁６８の各ステップ数との組み合わせと、分流割合Ｐとを対応付けたマップである。つまり、調圧弁６９のステップ数と分流弁６８のステップ数とが決まれば、分流割合Ｐが決定する。例えば、分流割合Ｐが０．４０となるようにカソードガス給排系６０の動作が制御される場合、図８のラインＬｎ１上に位置する調圧弁６９のステップ数と分流弁６８のステップ数となるように、発電調整部１１０は、調圧弁６９と分流弁６８の各ステップ数を制御する。また、図８において、分流割合Ｐが０．２０となるラインＬｎ２を破線で示している。なお、図８において、説明の便宜上、分流弁６８のステップ数は一部（ステップ数１６２〜２４０）のみ示している。
【００５３】
発電調整部１１０は、急速暖機運転マップ１４６を参照して急速暖機運転によって要求される燃料電池４０に供給するカソードガスの供給流量（要求供給流量）を決定する。また、発電調整部１１０は、コンプレッサ６０４の吐出流量と要求供給流量とに基づいて分流割合Ｐを決定し、分流マップ１４２を参照して決定した分流割合Ｐとなる調圧弁６９のステップ数と分流弁６８のステップ数を決定する。発電調整部１１０は、決定したステップ数となるように、弁調整部１３０を介して調圧弁６９と分流弁６８の動作を制御する。また、弁調整部１３０は、開度指令に対する調圧弁６９および分流弁６８の応答性が低くなる可能性を低減するために、弁調整部１３０によって設定された動作開度領域内で、決定した分流割合Ｐとなるステップ数を決定する。つまり、広範囲においてステップ数を変化させた場合、開度指令から開度が実際に設定されるまでの時間が長くなる場合があるので、全動作開度領域の一部の領域内で開度を変更する。
【００５４】
充放電許容量データ１４４は、二次電池９６の充放電許容量（例えば、残容量）が記憶されている。急速暖機運転マップ１４６は、急速暖機運転において要求される発電量（要求発電量）と、燃料電池４０に供給するカソードガス流量およびアノードガス流量とを一意に対応付けたマップである。
【００５５】
Ａ−２．制御部が実行する処理フロー：
図９は、制御部１００が実行する処理フローである。図１０は、ステップＳ２０の処理フローである。図９に示す処理フローは、例えば、制御部１００が排気弁５８に対して開状態から閉状態への切り換え指令を行った後に実行される。まず判定部１２０は、排気弁５８が開固着しているか否かを判定する（ステップＳ１２）。判定部１２０によって排気弁５８が開固着していないと判定された場合は、制御部１００は処理フローを終了する。判定部１２０によって排気弁５８が開固着していると判定された場合は、制御部１００は、燃料電池４０が急速暖機運転中であるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４では、例えば、急速暖機運転を実行していることを示す記憶部１４０に記憶されたフラグによって判定を行う。急速暖機運転中でないと判定された場合は、制御部１００は処理フローを終了する。急速暖機運転中であると判定された場合は、発電調整部１１０は、コンプレッサ６０４からのカソードガスの吐出量を増大させて、主流路６６を流れるカソードガス流量を増大させる（ステップＳ１６）。
【００５６】
次に、発電調整部１１０は、急速暖機運転によって要求されるカソードガスの要求供給流量とコンプレッサ６０４の吐出量とに基づいて分流割合Ｐを算出する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８の次に、制御部１００は、分流割合Ｐと分流マップ１４２と充放電許容量データ１４４とを参照して、分流弁６８の開度ＰＡと調圧弁６９の開度ＰＢとを制御する（ステップＳ２０）。
【００５７】
図１０に示すように、弁調整部１３０は、現時点の動作開度領域において、調圧弁６９の分解能と分流弁６８の分解能とが分流条件を満たすか否かの分解能判定を行う（ステップＳ２０１）。弁調整部１３０は、以下のようにして調圧弁６９の分解能が分流条件を満たすか否かを判定する。つまり、現時点の動作開度領域において、ステップＳ１８によって算出した分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように分流弁６８の開度ＰＡと調圧弁６９の開度ＰＢとを分流マップ１４２を参照して決定する。決定した分流弁６８の開度ＰＢを維持しつつ、調圧弁６９の開度ＰＢを、決定した開度ＰＢに対して最小単位（１ステップ）で前後に変更した場合において、分流条件を満たすか否かを判定する。弁調整部１３０は、同様の方法で、分流弁６８の分解能が分流条件を満たすか否かを判定する。
【００５８】
弁調整部１３０は、分流弁６８の分解能が分流条件を満たさず、調圧弁６９の分解能が分流条件を満たす場合は、分流弁６８の動作開度領域を、分流条件を満たす領域に変更する（ステップＳ２０２）。つまり、弁調整部１３０は、分流弁６８の分解能を低い領域から高い領域に変更する。例えば、分流割合Ｐが０．４である場合において、図８の地点Ｐｓ１を含む動作開度領域において分流弁６８の分解能が分流条件を満たさない場合、分流条件を満たすように、地点Ｐｓ２を含む分解能が高い動作開度領域に変更する。弁調整部１３０は、変更後の動作開度領域において、ステップＳ１８で算出した分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように分流弁６８の開度ＰＢと調圧弁の開度ＰＡとを分流マップ１４２を参照して決定する（ステップＳ２０３）。制御部１００（弁調整部１３０）は、決定された開度ＰＢ，ＰＡの開度指令（ステップ数指令）を分流弁６８および調圧弁６９に送信することで、分流弁６８の開度ＰＢと調圧弁６９の開度ＰＡとが変更される（ステップＳ２０４）。
【００５９】
弁調整部１３０は、調圧弁６９の分解能が分流条件を満たさず、分流弁６８の分解能が分流条件を満たす場合は、調圧弁６９の動作開度領域を、分流条件を満たす領域に変更する（ステップＳ２１２）。つまり、調圧弁６９の分解能を低い領域から高い領域に変更する。例えば、分流割合Ｐが０．４である場合において、図８の地点Ｐｓ１を含む動作開度領域において調圧弁６９の分解能が分流条件を満たさない場合、分流条件を満たすように、地点Ｐｓ２を含む分解能が高い動作開度領域に変更する。弁調整部１３０は、変更後の動作開度領域において、ステップＳ１８で算出した分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように分流弁６８の開度ＰＡと調圧弁６９の開度ＰＢとを分流マップ１４２を参照して決定する（ステップＳ２１３）。制御部１００（弁調整部１３０）は、決定された開度ＰＡ，ＰＢの開度指令（ステップ数指令）を分流弁６８および調圧弁６９に送信することで、分流弁６８の開度ＰＢと調圧弁６９の開度ＰＡとが変更される（ステップＳ２１４）。
【００６０】
弁調整部１３０は、分流弁６８と調圧弁６９とが共に分流条件を満たさない場合、コンプレッサ６０４の吐出量を制御することで急速暖機運転の要求供給流量となるように、燃料電池４０に供給するカソードガス流量を調整する（ステップＳ２２２）。つまり、弁調整部１３０は、調圧弁６９の開度ＰＢを最小単位で変更したときに、燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量が許容範囲から外れる場合であり、かつ、分流弁６８の開度ＰＡを最小単位で変更したときに、燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量が許容範囲から外れる場合に以下の制御を行う。すなわち、弁調整部１３０は、開度ＰＡ，ＰＢを現時点（ステップＳ１８の処理時点）の要求供給流量に基づいて算出した分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなる開度ＰＡ，ＰＢにおいて一定に設定する。そして、発電調整部１１０は、要求供給流量となるように、コンプレッサ６０４から吐出されるカソードガスの吐出流量を制御する。カソードガスの吐出流量を制御することで、分流割合Ｐを精度良く制御できる。これにより、燃料電池４０の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００６１】
弁調整部１３０は、分流弁６８と調圧弁６９とのいずれもが分流条件を満たす場合、通常制御を実行する（ステップＳ２３２）。通常制御では、現時点の動作開度領域で分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように、開度ＰＡ，ＰＢが制御される。
【００６２】
上記第１実施形態によれば、弁調整部１３０は、調圧弁６９の開度ＰＢを最小単位で変更したときに、燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量が許容範囲から外れる場合に、調圧弁６９の開度ＰＢを最小単位で変更したときに、許容範囲内に収まる領域に調圧弁６９の動作開度領域を設定する（図１０のステップＳ２１２）。また、弁調整部１３０は、動作開度領域の変更前における調圧弁６９の開度ＰＢと、動作開度領域の変更後における調圧弁６９の開度ＰＢとで、燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量が変化しないように、分流弁６８の開度ＰＢを設定する（図１０のステップＳ２１３）。これにより分流割合Ｐを精度良く制御できるので、燃料電池４０の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００６３】
また上記第１実施形態によれば、弁調整部１３０は、分流弁６８の開度ＰＡを最小単位で変更したときに、燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量が要求供給流量の許容範囲から外れる場合に、分流弁６８の開度ＰＡを最小単位で変更したときに、許容範囲内に収まる領域に分流弁６８の動作開度領域を設定する（図１０のステップＳ２０２）。また、弁調整部１３０は、動作開度領域の変更前の分流弁６８の開度ＰＡと、動作開度領域の変更後の分流弁６８の開度ＰＡとで、燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量が変化しないように、調圧弁６９の開度を設定する（図１０のステップＳ２０３）。これにより、分流割合Ｐを精度良く制御できるので、燃料電池４０の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００６４】
Ａ−３．制御部が実行する処理フローの変形態様：
上記第１実施形態において制御部１００が実行する処理フローにおいて、分流割合Ｐを精度良く制御できれば他の処理フローであってもよい。以下に処理フローの変形態様について説明する。
【００６５】
Ａ−３−１．第１変形態様：
図１１は、第１変形態様の処理フローである。第１変形態様ではステップＳ２０に代えてステップＳ２０ａが実行される点で上記実施形態の処理フローとは異なる。
【００６６】
弁調整部１３０は、現時点の動作開度領域における分流弁６８の分解能と調圧弁６９の分解能とを比較する（ステップＳ２５１）。つまり、弁調整部１３０は、調圧弁６９の開度ＰＢを最小単位で変更したときの燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量変化量である第１変化量と、分流弁６８の開度ＰＡを最小単位で変更したときの燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量変化量である第２変化量とを、分流マップ１４２を参照することで比較する。
【００６７】
第１変化量が第２変化量よりも大きく、調圧弁６９の分解能が分流弁６８の分解能よりも低い場合は、調圧弁６９の開度ＰＢを一定に固定する（ステップＳ２５３）。つまり、複数の連続するステップ数によって表される変更前の動作開度領域を、１つのみのステップ数によって表される狭い動作開度領域に動作開度領域を変更する。次に、弁調整部１３０は、ステップＳ１８で求めた分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように、分流弁６８の開度ＰＡを設定する（ステップＳ２５５）。ステップＳ２５５以降においては、発電調整部１１０は、調圧弁６９の開度ＰＢを一定に固定した状態で、急速暖機運転からの要求供給流量の変動に応じて、変動後の要求供給流量となるように分流弁６８の開度ＰＡを制御する。
【００６８】
第２変化量が第１変化量よりも大きく、分流弁６８の分解能が調圧弁６９の分解能よりも低い場合は、分流弁６８の開度ＰＡを一定に固定する（ステップＳ２６３）。つまり、複数の連続するステップ数によって表される変更前の動作開度領域を、１つのみのステップ数によって表される狭い動作開度領域に動作開度領域を変更する。次に、弁調整部１３０は、ステップＳ１８で求めた分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように、調圧弁６９の開度ＰＢを設定する（ステップＳ２６５）。ステップＳ２６５以降においては、発電調整部１１０は、分流弁６８の開度ＰＡを一定に固定した状態で、急速暖機運転からの要求供給流量の変動に応じて、変動後の要求供給流量となるように調圧弁６９の開度ＰＢを制御する。
【００６９】
なお、ステップＳ２５１の前に、ステップＳ２０１の分解能判定を行い、分流弁６８の分解能と調圧弁６９の分解能とがいずれも分流条件を満たさない場合は、図１０に示すステップＳ２２２の処理を実行してもよい。つまり、急速暖機運転の要求供給流量に変動が生じた場合、発電調整部１１０は、変動後の要求供給流量となるようにコンプレッサ６０４の吐出量を制御する。
【００７０】
上記の第１変形態様によれば、調圧弁６９と分流弁６８のうちで流量変化量が大きい方の弁の開度を一定に設定し、他方の弁の開度を制御することで分流割合Ｐを精度良く制御できる。これにより、燃料電池４０の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００７１】
Ａ−４．制御部が実行する処理フローの第２変形態様：
図１２は、第２変形態様の処理フローである。図１３は、ステップＳ２７３，Ｓ２８３の処理内容を概念的に説明するための図である。第２変形態様ではステップＳ２０に代えてステップＳ２０ｂが実行される点で上記実施形態の処理フローとは異なる。
【００７２】
図１２に示すように、弁調整部１３０は、ステップＳ２５５と同様、現時点の動作開度領域における分流弁６８の分解能と調圧弁６９の分解能とを比較する（ステップＳ２７１）。ステップＳ２７１において調圧弁６９の分解能が分流弁６８の分解能よりも低いと判定された場合は、弁調整部１３０は、調圧弁６９の開度変更率を通常制御時よりも高く設定する（ステップＳ２７３）。つまり、弁調整部１３０は、調圧弁６９について、弁開度を微小変動させるディザー制御を行う。開度変更率とは、図１３に示すように、単位時間Ｔ当たりに変更できる開度の回数であり、例えば、通常制御時は単位時間Ｔ当たりに１回の開度指令を調圧弁６９に送信できるのに対し、ステップＳ２７３において変更された変更後制御時では、単位時間Ｔ当たりに２回の開度指令を調圧弁６９に送信できる。これにより、単位時間Ｔ当たりにおける調圧弁６９の分解能を高くできる。つまり、通常制御時では、ステップ数に対応した有効断面積ＡＭが段階的に対応付けられているのに対し、変更後制御時では単位時間Ｔ当たりに多くの開度指令を調圧弁６９に送信することで、単位時間Ｔ当たりの有効断面積ＡＭの平均値を隣り合うステップ数の間の有効断面積ＡＭに設定できる。言い換えれば、調圧弁６９において、開度変更率が通常制御時よりも高く設定されることで、単位時間Ｔにおける平均の分解能は通常制御時よりも高くなる。
【００７３】
図１２に示すように、ステップＳ２７３の後に、弁調整部１３０は、ステップＳ１８で算出した分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように、分流弁６８および調圧弁６９の動作を制御する（ステップＳ２７５）。弁調整部１３０は、分流割合Ｐとするための調圧弁６９の有効断面積Ｍを算出し、算出した有効断面積Ｍとなるように、ステップ数を高い頻度で変化させる。
【００７４】
ステップＳ２７１において分流弁６８の分解能が調圧弁６９の分解能よりも低いと判定された場合は、弁調整部１３０は、分流弁６８の開度変更率を通常制御時よりも高く設定する（ステップＳ２８３）。つまり、弁調整部１３０は、分流弁６８について、弁開度を微小変動させるディザー制御を行う。ステップＳ２８３の後に、弁調整部１３０は、ステップＳ１８で算出した分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように、分流弁６８および調圧弁６９の動作を制御する（ステップＳ２８５）。弁調整部１３０は、分流割合Ｐとするための分流弁６８の燃料電池側有効面積ＡＳＴを算出し、算出した燃料電池側有効面積ＡＳＴとなるように、分流弁６８のステップ数を高い頻度で変化させる。
【００７５】
上記第２変形態様によれば、弁調整部１３０は、調圧弁６９の開度ＰＢを最小単位で変更したときの燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量変化量である第１変化量と、分流弁６８の開度ＰＡを最小単位で変更したときの燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量変化量である第２変化量とを比較する。そして、弁調整部１３０は、第１変化量が第２変化量よりも大きい場合は、調圧弁６９の開度変更率を通常時よりも高く設定する。また、弁調整部１３０は、第２変化量が第１変化量よりも大きい場合は、分流弁６８の開度変更率を通常制御時よりも高く設定する。これにより、分流割合Ｐを精度良く制御できるので、燃料電池４０の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００７６】
Ｂ．第２実施形態：
図１４は、第２実施形態の制御部１００が実行する処理フローである。図１５は、ＩＶ動作点について説明するための図である。図１５では、燃料電池システム２０の通常運転中のＩＶ動作点と、急速暖機運転中のＩＶ動作点とを示している。
【００７７】
第２実施形態と第１実施形態とで異なる点は、燃料電池４０が急速暖機運転中であって排気弁５８が開固着している場合の制御処理フローである。その他の構成（例えば、燃料電池４０やカソードガス給排系６０）については第１実施形態と同様の構成であるので、第１実施形態と同様の構成については適宜説明を省略する。また、第２実施形態と第１実施形態とで制御部１００が実行する処理フローのうちで同じ処理については同一符号を付すと共に詳細な説明を省略する。
【００７８】
判定部１２０は、排気弁５８が開固着しており、かつ、燃料電池４０が急速暖機運転中である場合に（ステップＳ１２：ＹＥＳ，ステップＳ１４：ＹＥＳ）、増大後のカソードガス流量である想定カソードガス流量に基づいて分流割合Ｐを算出する（ステップＳ４２）。次に、判定部１２０は、現時点の動作開度領域において、分流弁６８の分解能と、調圧弁６９の分解能とがそれぞれ分流条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ４４）。ステップＳ４４で行う処理内容は、図１０のステップＳ２０１で行う処理内容と同じである。ステップＳ４４において、分流弁６８の分解能と調圧弁６９の分解能とのいずれもが分流条件を満たす場合は（ステップＳ４４：ＹＥＳ）、発電調整部１１０は、コンプレッサ６０４を制御してカソードガス流量を増大させる（ステップＳ４６）。次に弁調整部１３０は、ステップＳ４２で算出した分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように分流弁６８と調圧弁６９との動作を制御する（ステップＳ４８）。
【００７９】
ステップＳ４４において、分流弁６８の分解能と調圧弁６９の分解能との少なくともいずれか一方が分流条件を満たさない場合は（ステップＳ４４：ＮＯ）、発電調整部１１０は、燃料電池４０の電流値と電圧値とによって特定される燃料電池４０の動作点（ＩＶ動作点）を変更する（ステップＳ５２）。詳細には、要求発電量において、燃料電池４０へ供給するカソードガス流量が増大するように電流値を高い側へとＩＶ動作点を変更する。このＩＶ動作点の変更は、発電調整部１１０がＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで行う。
【００８０】
図１５に示すように、例えば、動作点ＤＰ１となるように急速暖機運転が制御されている場合において、ステップＳ５２では、動作点ＤＰ１よりも電流値が高い動作点ＤＰ２や動作点ＤＰ３に動作点を変更する。動作点ＤＰ２は、動作点ＤＰ１と同じ燃料電池４０の発電量が生じる曲線ＰＬ上に位置する。動作点ＤＰ３は、燃料電池４０の通常運転時よりも発電効率の低いＩＶ動作点である。ＩＶ動作点において、電流値を高くすることで、燃料電池に供給するカソードガス流量（燃料電池側カソードガス流量）は増大する。例えば、動作点ＤＰ１では燃料電池側カソードガス流量が約６００ＮＬ／ｍｉｎであるのに対し、動作点ＤＰ２では燃料電池側カソードガス流量が約１２００ＮＬ／ｍｉｎである。なお、動作点ＤＰ１から動作点ＤＰ３へと動作点を変更する場合は、変更前後で燃料電池４０の発電量が変化する。この場合、変更後の動作点ＤＰ３は、急速暖機運転中に要求される燃料電池の要求発電量の発電許容範囲内における動作点であることが好ましい。発電許容範囲とは、燃料電池の実際の発電量が、二次電池９６の充放電によって要求発電量となるように調整できる範囲である。また、燃料電池４０の濃度過電圧に起因する電圧低下を抑制するために、予め定められた上限電流値以下の範囲で電流値を高い側へと変更することが好ましい。
【００８１】
図１４に示すように、発電調整部１１０は、ＩＶ動作点変更後の分流割合Ｐを算出する（ステップＳ５４）。また、発電調整部１１０は、コンプレッサ６０４を制御してカソードガス流量を増大させる（ステップＳ５５）。次に、弁調整部１３０は、ステップＳ５２で算出した分流割合Ｐに最も近い分流割合Ｐとなるように分流弁６８と調圧弁６９との動作を制御する（ステップＳ５６）。
【００８２】
上記第２実施形態によれば、急速暖機運転中において、判定部１２０によって排気弁５８が開固着していると判定された場合に、燃料電池４０の動作点について、排気弁５８が開固着していないと判定された場合よりも、電流値が高い側へと変更する。これにより、急速暖機運転によって要求される燃料電池４０へのカソードガスの供給流量である要求供給流量を増大させることができる。よって、実際に燃料電池４０に供給されるカソードガスの流量が要求供給流量から多少変動した場合でも、燃料電池４０の発電量が大きく変動することを抑制できる。
【００８３】
Ｃ．変形例：
上記実施形態では、燃料電池の構成の一例を示した。しかし、燃料電池の構成は種々の変更が可能であり、例えば、構成要素の追加、削除、変換等を実施可能である。
【００８４】
Ｃ−１．第１変形例：
上記各実施形態によれば、分流弁６８および調圧弁６９は、弁の駆動源としてステッピングモータを有していたがこれに限定されるものではなく、各種の駆動源を用いてもよい。例えば、駆動源としてＤＣモータを用いてもよい。この場合において、上記各実施形態において「開度を最小単位で変更」とは、「開度を一駆動単位で変更」することを意味する。
【００８５】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００８６】
２０…燃料電池システム
４０…燃料電池
４１…単セル
４３…第１のエンドプレート
４４…第２のエンドプレート
５０…アノードガス給排系
５１…アノードガス供給路
５２…減圧弁
５３…循環ポンプ
５４…アノードガス循環路
５５…圧力センサ
５６…開閉弁
５８…排気弁
５９…アノードガス排出路
６０…カソードガス給排系
６１…カソードガス供給路
６３…カソードガス排出路
６４…エアフロメーター
６５…圧力センサ
６６…主流路
６７…副流路
６８…分流弁
６９…調圧弁
７２…バイパス路
７４…合流排出路
８０…冷却系
８１…冷却用流路
８１ａ…上流側流路
８１ｂ…下流側流路
８２…ラジエーター
８５…循環ポンプ
８６…温度センサ
９１…セル電圧計
９２…電流計測部
９５…ＦＤＣ
９６…二次電池
９７…ＢＤＣ
９８…ＤＣ／ＡＣインバータ
１００…制御部
１１０…発電調整部
１２０…判定部
１３０…弁調整部
１４０…記憶部
１４２…分流マップ
１４４…充放電許容量データ
１４６…急速暖機運転マップ
２００…燃料電池車両
２５０…負荷
５０２…燃料タンク
６０２…フィルター
６０４…コンプレッサ
６８２…モータ
６８４…弁体
６９２…モータ
６９４…弁体
【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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