(57)【要約】【課題】実現できない要求動作点でターボ式コンプレッサを動作させることを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサと、燃料電池内における酸化ガスの圧力を調節する調圧弁と、少なくとも燃料電池への出力要求に応じて、ターボ式コンプレッサと調圧弁との動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、ターボ式コンプレッサの目標流量と目標圧力比とによって、ターボ式コンプレッサの要求動作点を設定し、設定された要求動作点の目標圧力比が、ターボ式コンプレッサから吐出可能な酸化ガスの流量に対して実現可能な圧力比の最小値である予め定められた最小圧力比よりも小さい場合に、設定された要求動作点の目標圧力比を、目標流量に対応する最小圧力比に増加させる。【選択図】図４
2019145338.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、
前記燃料電池に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサと、
前記燃料電池内における前記酸化ガスの圧力を調節する調圧弁と、
少なくとも前記燃料電池への出力要求に応じて、前記ターボ式コンプレッサと前記調圧弁との動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの流量の目標値である目標流量と、前記ターボ式コンプレッサに吸入される前記酸化ガスの圧力に対する前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの圧力の比である圧力比の目標値である目標圧力比と、によって、前記ターボ式コンプレッサの要求動作点を設定し、
設定された前記要求動作点の前記目標圧力比が、前記ターボ式コンプレッサから吐出可能な前記酸化ガスの流量に対して実現可能な圧力比の最小値である予め定められた最小圧力比よりも小さい場合に、設定された前記要求動作点の前記目標圧力比を、前記目標流量に対応する前記最小圧力比に増加させる、
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】
従来から、コンプレッサを用いて燃料電池に酸化ガスを供給する燃料電池システムが知られている。燃料電池の出力要求等に基づいて、コンプレッサに対して圧力比と流量とを示す要求動作点が設定されることがある。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、低流量時に発生するおそれがあるサージングを回避するために、要求動作点がサージ領域内となる場合には、流量を増加させるとともに過剰な酸化ガスをバイパス流路に流している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１２３５５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願発明者らは、ターボ式コンプレッサを用いた燃料電池システムでは、特許文献１において考慮されていたサージ領域とは別に、コンプレッサの動作点を目標動作点に制御できない運転領域が存在することを見出した。かかる領域は、高流量・低圧力比の運転領域である。ターボ式コンプレッサでは、流量を増やすと下流側の流路での圧損が増加するため、高流量領域では、それ以上、低圧力比にできないという圧力比の最小値（下限値）が存在する。コンプレッサから燃料電池へと酸化ガスを供給する流路または燃料電池から酸化ガスを排出する流路に設けられた弁が全開状態のとき、動作点の流量に対する圧力比の値が最小値（下限値）となる。このため、圧力比が下限値を下回る要求動作点は、弁の開度の変更で実現することができない。また、圧力比を低下させるためにコンプレッサの回転数を下げると、流量も低下してしまうので、要求動作点の流量と圧力比とを同時に満たすことができない。このように、要求動作点の圧力比が、かかる要求動作点の流量に対する圧力比の最小値よりも小さい場合には、コンプレッサが要求動作点を実現できないおそれがあることを、本願発明者らは見出した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題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。
【０００６】
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；前記燃料電池に酸化ガスを供給するターボ式コンプレッサと；前記燃料電池内における前記酸化ガスの圧力を調節する調圧弁と；少なくとも前記燃料電池への出力要求に応じて、前記ターボ式コンプレッサと前記調圧弁との動作を制御する制御部と；を備え；前記制御部は；前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの流量の目標値である目標流量と、前記ターボ式コンプレッサに吸入される前記酸化ガスの圧力に対する前記ターボ式コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの圧力の比である圧力比の目標値である目標圧力比と、によって、前記ターボ式コンプレッサの要求動作点を設定し；設定された前記要求動作点の前記目標圧力比が、前記ターボ式コンプレッサから吐出可能な前記酸化ガスの流量に対して実現可能な圧力比の最小値である予め定められた最小圧力比よりも小さい場合に、設定された前記要求動作点の前記目標圧力比を、前記目標流量に対応する前記最小圧力比に増加させる。この形態の燃料電池システムによれば、要求動作点の目標圧力比が、ターボ式コンプレッサから吐出可能な酸化ガスの流量に対して実現可能な圧力比の最小値である予め定められた最小圧力比よりも小さい場合に、設定された要求動作点の目標圧力比を、目標流量に対応する最小圧力比に増加させるので、実現できない要求動作点でターボ式コンプレッサを動作させることを抑制できる。したがって、実現できない要求動作点でターボ式コンプレッサを動作させ続けて燃料電池システムの性能を損なうことを抑制できる。例えば、要求動作点と実際の動作点との偏差に対して、少なくとも比例項および積分項を含むフィードバック制御を行なう場合には、フィードバック積分項の蓄積を抑制できる。このため、要求動作点を変更する際に制御が遅れることを抑制できる。
【０００７】
本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。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備える車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】エアコンプレッサの動作特性を説明するための説明図である。
【図３】要求動作点設定処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】ステップＳ１４０の結果を説明するための説明図である。
【図５】第２実施形態により変更された要求動作点を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、図示しない燃料電池車両に搭載されている。燃料電池システム１０は、燃料電池車両の駆動モータおよびエアコンプレッサ５０等の負荷に、電力を供給する。
【００１０】
燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、酸化ガス給排系３０と、燃料ガス給排系７０と、制御ユニット９０とを備える。
【００１１】
燃料電池２０は、燃料電池システム１０の電力源であり、いわゆる固体高分子型燃料電池により構成されている。燃料電池２０は、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて発電する。燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池に代えて、固体酸化物型燃料電池等の他の任意のタイプの燃料電池により構成されてもよい。燃料電池２０は、図示しない複数の単セルが積層されたスタック構造を有する。各単セルは、図示しない電解質膜の両面に電極を配置した図示しない膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する図示しない１組のセパレータとを有する。燃料電池２０を構成する各単セルには、電解質膜を介して、燃料ガスが供給されるアノード２２と、酸化ガスが供給されるカソード２４とが形成されている。図１では、１つの単セルのアノード２２とカソード２４とのみが模式的に表されている。
【００１２】
酸化ガス給排系３０は、酸化ガスとしての空気を燃料電池２０に供給し、排出する。酸化ガス給排系３０は、大気圧センサ６１と、酸化ガス供給流路３２と、エアクリーナ４２と、エアフローメータ６２と、エアコンプレッサ５０と、圧力センサ６３と、流量センサ６４と、酸化ガス排出流路３４と、調圧弁５４と、カソード圧力センサ６５と、マフラー４８と、バイパス流路３６と、バイパス弁５６とを有する。
【００１３】
酸化ガス供給流路３２は、燃料電池２０へと供給される空気の流路を構成している。大気圧センサ６１は、酸化ガス供給流路３２の入口に配置され、大気圧を検出する。エアクリーナ４２は、酸化ガス供給流路３２に配置され、空気を取り込む際に塵埃を除去する。エアフローメータ６２は、エアクリーナ４２に取り込まれた空気の流量を検出する。
【００１４】
エアコンプレッサ５０は、制御部９８からの指令に応じて、空気を圧縮して燃料電池２０へと送出する。エアコンプレッサ５０は、図示しない回転体が筐体内で回転することで空気を圧縮する、いわゆるターボ式エアコンプレッサとして構成されている。エアコンプレッサ５０としては、例えば、インペラが回転して圧縮を行う遠心式のコンプレッサや、動翼（ロータ）が回転して圧縮を行う軸流式のコンプレッサを用いてもよい。インペラ等の回転体は、図示しないモータによって駆動される。したがって、かかるモータへの印加電圧や電流を調整することで、回転体の回転数を制御してエアコンプレッサ５０の駆動を制御できる。
【００１５】
圧力センサ６３は、エアコンプレッサ５０の下流側に配置され、酸化ガス供給流路３２におけるエアコンプレッサ５０の出口圧力を測定する。流量センサ６４は、酸化ガス供給流路３２において、バイパス流路３６との接続点Ａよりも燃料電池２０の近くに配置されている。流量センサ６４は、燃料電池２０に供給される空気の流量を測定する。
【００１６】
酸化ガス排出流路３４は、燃料電池２０から排出されるカソード排ガスの流路を構成している。調圧弁５４は、酸化ガス排出流路３４において、バイパス流路３６との接続点Ｂよりも燃料電池２０の近くに配置されている。調圧弁５４は、制御部９８からの指令に応じて開度が変更されることにより、カソード２４の圧力を調節する。カソード２４の圧力は、調圧弁５４の開度が大きいほど低下し、調圧弁５４の開度が小さいほど上昇する。カソード圧力センサ６５は、酸化ガス排出流路３４において、調圧弁５４と燃料電池２０との間に配置されている。カソード圧力センサ６５は、カソード２４の圧力を検出する。マフラー４８は、酸化ガス排出流路３４において、バイパス流路３６との接続点Ｂよりも下流側に配置されている。マフラー４８は、カソード排ガスの排気音を低減させる。
【００１７】
バイパス流路３６は、酸化ガス供給流路３２と酸化ガス排出流路３４とを連通する。バイパス流路３６は、接続点Ａにおいて酸化ガス供給流路３２と接続され、接続点Ｂにおいて酸化ガス排出流路３４と接続されている。バイパス弁５６は、バイパス流路３６に配置され、制御部９８からの指示に応じて開度が変更されることにより、バイパス流路３６を流れる空気の流量を調節する。したがって、エアコンプレッサ５０から吐出された空気は、バイパス弁５６の開度に応じて、一部がバイパス流路３６に流入して燃料電池２０を経由せずに酸化ガス排出流路３４から大気へと排出される。バイパス弁５６が閉じられている場合には、エアコンプレッサ５０から吐出された空気は全て燃料電池２０に供給される。バイパス弁５６は、通常閉じられており、制御部９８からの指令に応じて開かれる。
【００１８】
燃料ガス給排系７０は、水素タンク７１から供給される燃料ガスとしての水素を、燃料電池２０に供給し、排出する。燃料ガス給排系７０は、水素タンク７１と、燃料ガス供給流路７２と、タンク圧力センサ７３と、主止弁７４と、アノード調圧弁７５と、インジェクタ７６と、アノード圧力センサ７７と、燃料ガス排出流路８２と、気液分離器８３と、循環配管８４と、水素ポンプ８５と、排気排水弁８６とを有する。
【００１９】
水素タンク７１は、高圧の水素を貯蔵している。燃料ガス供給流路７２は、水素タンク７１から燃料電池２０へと供給される水素の流路を構成している。タンク圧力センサ７３は、水素タンク７１の圧力を検出する。主止弁７４、アノード調圧弁７５、インジェクタ７６およびアノード圧力センサ７７は、燃料ガス供給流路７２において、水素タンク７１に近い側からこの順序で配置されている。主止弁７４は、制御部９８からの指示に応じて、水素タンク７１からの水素の供給をオンオフする。アノード調圧弁７５は、燃料電池２０に供給する水素の圧力を調節する。インジェクタ７６は、電磁駆動式の開閉弁により構成され、制御部９８によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて駆動し、水素を噴射する。アノード圧力センサ７７は、燃料ガス供給流路７２において循環配管８４との接続部位よりも燃料電池２０の近くに配置され、アノード２２の圧力を検出する。
【００２０】
燃料ガス排出流路８２は、燃料電池２０から排出されるアノード排ガスの流路を構成している。燃料ガス排出流路８２の出口は、酸化ガス排出流路３４のうちバイパス流路３６との接続点Ｂよりも下流側と接続されている。気液分離器８３は、燃料ガス排出流路８２に配置され、燃料電池２０から排出された液水混じりのアノード排ガスから液水を分離する。循環配管８４は、気液分離器８３と、燃料ガス供給流路７２のインジェクタ７６よりも燃料電池２０側とを接続している。水素ポンプ８５は、循環配管８４に配置され、電気化学反応に用いられなかった水素を含むアノード排ガスを燃料ガス供給流路７２に循環させる。排気排水弁８６は、燃料ガス排出流路８２において気液分離器８３の下流側に配置されている。排気排水弁８６は、通常閉じられており、制御部９８からの指令に応じて開かれる。これにより、気液分離器８３によって分離された液水や不純物ガスが、燃料電池システム１０の外部へと排出される。
【００２１】
制御ユニット９０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）で構成され、記憶装置９１と、ＣＰＵ９７とを備える。記憶装置９１は、ＲＯＭ９２およびＲＡＭ９５等の記録媒体で構成されている。ＲＯＭ９２には、制御プログラム９３およびコンプレッサマップ９４が格納されている。ＣＰＵ９７は、制御プログラム９３を展開して実行することにより、制御部９８として機能する。コンプレッサマップ９４は、エアコンプレッサ５０の動作特性を示すマップとして、予め作成されている。コンプレッサマップ９４についての詳細な説明は、後述する。
【００２２】
制御部９８は、燃料電池システム１０の全体の制御を行なう。制御部９８には、大気圧センサ６１、エアフローメータ６２、圧力センサ６３、流量センサ６４、カソード圧力センサ６５、タンク圧力センサ７３およびアノード圧力センサ７７等のセンサ類と、調圧弁５４、バイパス弁５６、主止弁７４、アノード調圧弁７５、インジェクタ７６および排気排水弁８６等の各種弁がそれぞれ有する図示しない開度センサとの、燃料電池システム１０が有する各種センサに加えて、燃料電池車両の図示しないアクセル開度センサや車速センサ等から検出信号が入力される。また、制御部９８は、調圧弁５４、バイパス弁５６、主止弁７４、アノード調圧弁７５、インジェクタ７６および排気排水弁８６等の各種弁と、エアコンプレッサ５０および水素ポンプ８５等とに駆動信号を出力し、各部の動作を制御する。また、制御部９８は、後述する要求動作点設定処理を実行する。
【００２３】
図２は、エアコンプレッサ５０の動作特性を説明するための説明図である。図２において、縦軸はエアコンプレッサ５０の圧力比を示し、横軸はエアコンプレッサ５０から吐出される空気流量（以下、単に「流量」とも呼ぶ）を示している。エアコンプレッサ５０の圧力比とは、エアコンプレッサ５０に吸入される空気の圧力に対する、エアコンプレッサ５０から吐出される空気の圧力の比を意味する。本実施形態において、エアコンプレッサ５０に吸入される空気の圧力は、大気圧センサ６１により検出された大気圧に近似する。また、本実施形態において、エアコンプレッサ５０から吐出される空気の圧力は、圧力センサ６３により検出されたエアコンプレッサ５０の出口圧力に相当する。
【００２４】
図２では、バイパス弁５６が閉じている状態におけるエアコンプレッサ５０の動作特性を示している。ターボ式エアコンプレッサであるエアコンプレッサ５０の動作特性とは、エアコンプレッサ５０の回転体の回転数（以下、単に「回転数」とも呼ぶ）と調圧弁５４の開度とによって定まる、圧力比と流量との関係を意味する。図２では、回転数を一定にして調圧弁５４の開度を変化させた場合の動作点を示す複数の黒点を結んだ等回転数ラインＬ１が示されている。動作点を示す複数の黒点は、図１に示す燃料電池システム１０において予め測定されて求められている。図２に示すように、エアコンプレッサ５０の圧力比と流量とは、互いに依存する。圧力比は、調圧弁５４の開度が大きいほど小さくなり、回転数が大きいほど大きくなる。また、流量は、調圧弁５４の開度が大きいほど増加し、回転数が大きいほど増加する。調圧弁５４の開度が比較的小さい場合には、流量の変化に対する圧力比の変化が比較的小さい。
【００２５】
図２では、回転数が異なる複数の等回転数ラインＬ１に加えて、最大回転数ラインＬ２と、最大圧力比ラインＬ３と、サージラインＬ４と、ストールラインＬ５とが示されている。図２では、等回転数ラインＬ１をストールラインＬ５よりも下側に延長した線を、破線で示している。
【００２６】
最大回転数ラインＬ２は、エアコンプレッサ５０の仕様に応じて定められる最大の回転数における等回転数ラインを意味する。最大圧力比ラインＬ３は、エアコンプレッサ５０の仕様に応じて定められる最大の圧力比を意味する。このため、最大圧力比ラインＬ３は、流量に関わらず一定となる。サージラインＬ４は、低流量時に発生するおそれがあるサージングを回避するために、予め定められている。サージラインＬ４よりも左側は、サージ領域とも呼ばれ、サージングが発生するおそれがある領域を意味する。サージングが発生すると、エアコンプレッサ５０に極度の衝撃が加わるおそれや、流量の調整が困難となるおそれがある。サージラインＬ４は、図１に示す燃料電池システム１０において予め測定されて求められている。
【００２７】
ストールラインＬ５は、調圧弁５４が全開状態の場合における、動作点を示す複数のプロットを結んで形成されている。ストールラインＬ５よりも下側は、調圧弁５４の開度の上限を超えるため、エアコンプレッサ５０が実現することのできない動作領域である。ストールラインＬ５は、図１に示す燃料電池システム１０において予め測定されて求められている。ストールラインＬ５は、燃料電池２０や酸化ガス供給流路３２等の各部における空気流量から算出される圧損値に基づいて、予め定められてもよい。すなわち、ストールラインＬ５は、エアコンプレッサ５０の動作特性における、流量に対する圧力比の最小値である最小圧力比を意味する。
【００２８】
図２では、最大回転数ラインＬ２と、最大圧力比ラインＬ３と、サージラインＬ４と、ストールラインＬ５とで囲まれた領域を、エアコンプレッサ５０の動作可能領域Ａｒ１として、ドットのハッチングで示している。図１に示すコンプレッサマップ９４には、動作可能領域Ａｒ１内の各点、すなわち圧力比と流量との組み合わせが、エアコンプレッサ５０の動作特性として予め定められている。また、コンプレッサマップ９４には、等回転数ラインＬ１、最大回転数ラインＬ２、最大圧力比ラインＬ３、サージラインＬ４およびストールラインＬ５のそれぞれを表す式が、予め定められている。
【００２９】
本実施形態の燃料電池システム１０では、制御部９８が、以下に説明する要求動作点設定処理を実行することにより、エアコンプレッサ５０に対して指令する動作点である要求動作点を、エアコンプレッサ５０の動作可能領域Ａｒ１内に設定する。
【００３０】
本実施形態において、エアコンプレッサ５０は、課題を解決するための手段におけるターボ式コンプレッサの下位概念に相当する。また、ストールラインＬ５は、課題を解決するための手段における、ターボ式コンプレッサから吐出可能な酸化ガスの流量に対して実現可能な圧力比の最小値である予め定められた最小圧力比の下位概念に相当する。
【００３１】
Ａ−２．要求動作点設定処理：
図３は、要求動作点設定処理の手順を示すフローチャートである。要求動作点設定処理は、燃料電池車両の図示しないスタータースイッチが押されて燃料電池システム１０が起動すると繰り返し実行される。
【００３２】
制御部９８は、燃料電池２０が要求する空気の流量および圧力比を受信する（ステップＳ１１０）。燃料電池２０が要求する空気の流量および圧力比とは、アクセル開度センサおよび車速センサ等による検出信号に応じた、燃料電池２０の出力要求に基づいて定められる。制御部９８は、エアコンプレッサ５０から吐出される空気の流量の目標値である目標流量と、エアコンプレッサ５０による圧縮の前後の圧力比の目標値である目標圧力比とによって、要求動作点を設定する（ステップＳ１２０）。このとき、制御部９８は、流量センサ６４により測定される流量と、カソード圧力センサ６５により測定される圧力から特定される圧力比とに基づいてフィードバック制御を行なって、目標流量および目標圧力比と、実際の流量および圧力比との制御偏差が解消できるように要求動作点を設定する。本実施形態では、フィードバック制御として、ＰＩＤ（Proportional Integral Differential）制御を用いる。ＰＩＤ制御では、動作点の制御偏差に応じた比例項、制御偏差の積分項、制御偏差の微分項を含んだ制御量により制御する。なお、ＰＩＤ制御に代えて、少なくとも比例項および積分項を含むフィードバック制御を用いてもよい。
【００３３】
制御部９８は、ステップＳ１２０で設定された要求動作点の目標圧力比が、設定された要求動作点の目標流量に対応する最小圧力比よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１３０）。より具体的には、制御部９８は、ストールラインＬ５が予め設定されたコンプレッサマップ９４を参照することにより、ステップＳ１２０で設定された要求動作点がストールラインＬ５よりも下側に位置するか否かを判定する。
【００３４】
要求動作点の目標圧力比が、設定された要求動作点の目標流量に対応する最小圧力比よりも小さくないと判定された場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、すなわち、要求動作点の目標圧力比が最小圧力比以上であると判定された場合、ステップＳ１１０に戻る。したがって、この場合、制御部９８は、ステップＳ１２０で設定された要求動作点の目標流量および目標圧力比となるように、調圧弁５４の開度とエアコンプレッサ５０の回転数とを制御する。より具体的には、調圧弁５４に対して、かかる要求動作点に対応する開度にさせる指令を出力するとともに、エアコンプレッサ５０に対して、かかる要求動作点に対応する回転数で動作させる指令を出力する。これにより、調圧弁５４は、指令された開度となり、エアコンプレッサ５０は、目標流量および目標圧力比で燃料電池２０のカソード２４へ空気を供給する。
【００３５】
他方、要求動作点の目標圧力比が、設定された要求動作点の目標流量に対応する最小圧力比よりも小さいと判定された場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御部９８は、ステップＳ１２０で設定された要求動作点の目標圧力比を、設定された要求動作点の目標流量に対応する最小圧力比に増加させる（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０の後、ステップＳ１１０に戻る。
【００３６】
図４は、ステップＳ１４０の結果を説明するための説明図である。図４では、図２に対して、ステップＳ１２０で設定された要求動作点Ｐ１を星印で示し、ステップＳ１４０により最小圧力比に増加させた要求動作点Ｐ２を大きい丸印で示している。ステップＳ１２０で設定された要求動作点Ｐ１は、ストールラインＬ５よりも下側に位置している。したがって、ステップＳ１４０において、要求動作点は、ステップＳ１２０で設定された要求動作点Ｐ１からストールラインＬ５上の要求動作点Ｐ２に変更される。このため、要求動作点が、エアコンプレッサ５０の動作可能領域Ａｒ１内に設定される。制御部９８は、ステップＳ１４０で変更した要求動作点Ｐ２の目標流量および目標圧力比となるように、調圧弁５４の開度とエアコンプレッサ５０の回転数とを制御する。より具体的には、調圧弁５４に対して、かかる要求動作点Ｐ２に対応する開度、すなわち全開の開度にさせる指令を出力するとともに、エアコンプレッサ５０に対して、かかる要求動作点Ｐ２に対応する回転数で動作させる指令を出力する。これにより、調圧弁５４は全開の開度となり、エアコンプレッサ５０は、目標流量および目標圧力比で燃料電池２０のカソード２４へ空気を供給する。
【００３７】
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１０によれば、設定された要求動作点の目標圧力比が、要求動作点の目標流量に対応する最小圧力比よりも小さい場合に、要求動作点の目標圧力比を最小圧力比に増加させるので、エアコンプレッサ５０が実現できない動作領域内に要求動作点が設定されることを抑制でき、実現できない要求動作点でエアコンプレッサ５０を動作させることを抑制できる。したがって、実現できない要求動作点でエアコンプレッサ５０を動作させ続けて燃料電池システム１０の性能を損なうことを抑制できる。
【００３８】
ここで、要求動作点がストールラインＬ５よりも下側に設定されたままだと、調圧弁５４が全開であるために要求動作点を実現できず、要求動作点と実動作点との差によって制御偏差が発生する。すなわち、実動作点の圧力比が要求動作点の目標圧力比よりも大きいと、圧力比を低下させるために既に全開状態の調圧弁５４をさらに開こうとするので、調圧弁５４を開く側に制御するフィードバック積分項が蓄積する。
【００３９】
しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、設定された要求動作点の目標圧力比が、要求動作点の目標流量に対応する最小圧力比よりも小さい場合に、要求動作点の目標圧力比を最小圧力比に増加させるので、調圧弁５４が全開の開度となることにより要求動作点を実現でき、フィードバック積分項の蓄積を抑制できる。したがって、燃料電池２０の出力要求等に基づいて要求動作点をさらに変更する際に、かかるフィードバック積分項の蓄積によって制御が遅れることを抑制できる。
【００４０】
また、調圧弁５４を閉じる側に動作させる制御が遅れることを抑制できるので、燃料電池２０の要求流量に対して流量が過剰となることと、燃料電池２０の要求圧力に対して圧力が不足することとを抑制できる。このため、カソード２４の圧力が低下することを抑制できるので、燃料電池２０の膜電極接合体の乾燥を抑制でき、燃料電池２０の発電性能が低下することを抑制できる。
【００４１】
また、ステップＳ１２０で設定された要求動作点に対し、目標流量を変更せずに目標圧力比のみを変更するので、燃料電池２０が要求する流量を実現できなくなることを抑制でき、燃料電池２０の出力要求を満たせなくなることを抑制できる。また、ステップＳ１２０で設定された要求動作点に対し、目標圧力比を最小圧力比（ストールラインＬ５）に増加させるので、目標圧力比を、最小圧力比（ストールラインＬ５）を超えて過度に増加させることを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。また、予め定められたコンプレッサマップ９４を参照することにより、要求動作点の目標圧力比を最小圧力比に増加させるので、ＣＰＵ９７の処理負荷が増加することを抑制できる。
【００４２】
Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態の燃料電池システム１０は、要求動作点設定処理において、第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる。装置構成を含めたその他の構成は第１実施形態と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。
【００４３】
第２実施形態の要求動作点設定処理では、要求動作点の圧力比が最小圧力比よりも小さい場合、すなわち要求動作点がストールラインＬ５の下側である場合に加えて、要求動作点がエアコンプレッサ５０の動作可能領域Ａｒ１外である他の任意の場合に、設定された要求動作点を動作可能領域Ａｒ１内に変更する。
【００４４】
図５は、第２実施形態により変更された要求動作点を説明するための説明図である。図５は、図４に加えて、設定された要求動作点Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１およびＰ４１を星印で示し、動作可能領域Ａｒ１内に変更された動作点Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２およびＰ４２を大きい丸印で示している。
【００４５】
第２実施形態における要求動作点設定処理では、燃料電池２０の出力要求等に基づいて設定された要求動作点Ｐ１１が、最大回転数ラインＬ２よりも上側に位置する場合（場合ａ）に、設定された要求動作点Ｐ１１の目標流量を変更せずに目標圧力比を減少させた、最大回転数ラインＬ２上の動作点Ｐ１２に変更する。また、設定された要求動作点Ｐ２１が最大圧力比ラインＬ３よりも上側に位置する場合（場合ｂ）に、設定された要求動作点Ｐ２１の目標流量を変更せずに目標圧力比を減少させた、最大圧力比ラインＬ３上の動作点Ｐ２２に変更する。このように、制御部９８は、設定された要求動作点に対して、目標流量を変えずに目標圧力比のみを変更する。
【００４６】
また、設定された要求動作点Ｐ３１がサージラインＬ４よりも左側に位置する場合（場合ｃ）に、設定された要求動作点Ｐ３１の目標圧力比を変更せずに目標流量をサージラインＬ４上に増加させたサージラインＬ４上の動作点Ｐ３２に変更するとともに、バイパス弁５６を開いて過剰な空気をバイパス流路３６に流す。これにより、エアコンプレッサ５０から吐出される空気は、燃料電池２０に供給される分と、燃料電池２０に供給されずにバイパス流路３６を通過する分とに分かれることとなる。したがって、燃料電池２０が要求する流量と圧力比とを満たしつつ、サージングの発生を抑制できる。また、設定された要求動作点Ｐ４１が最大圧力比ラインＬ３よりも上側、かつ、サージラインＬ４よりも左側に位置する場合（場合ｄ）に、要求動作点Ｐ４１の目標流量をサージラインＬ４上に増加させるとともにバイパス弁５６を開いた後、目標圧力比を減少させて最大圧力比ラインＬ３上の動作点Ｐ４２に変更する。
【００４７】
以上説明した第２実施形態の燃料電池システム１０によれば、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様な効果を奏する。加えて、予め定められた最大の回転数を超える回転数および最大の圧力比を超える圧力比でエアコンプレッサ５０を動作させることを抑制できるので、エアコンプレッサ５０のモータが過度に発熱することを抑制でき、エアコンプレッサ５０の故障および劣化を抑制できる。また、サージ領域内でエアコンプレッサ５０が動作することを抑制できるので、サージングの発生を抑制できる。
【００４８】
Ｃ．他の実施形態：
（１）上記実施形態の要求動作点設定処理では、予め定められたコンプレッサマップ９４を参照することにより、要求動作点を変更していたが、本発明はこれに限定されるものではない。コンプレッサマップ９４の参照に代えて、燃料電池システム１０の運転中における各種センサの検出信号に基づいて、ストールラインＬ５等を算出して特定してもよい。例えば、調圧弁５４が全開のタイミングにおける圧力センサ６３および流量センサ６４の検出信号に基づいて、１つまたは複数の動作点を特定し、各動作点の流量と圧力比とをモデル式に当てはめることにより、ストールラインＬ５を特定してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。加えて、記憶装置９１のＲＯＭ９２の容量を削減できる。また、エアコンプレッサ５０等を構成する部品の製造誤差、外気温、外気圧および燃料電池２０内の水分量に起因する圧損値の変動等に応じてストールラインＬ５を特定できるので、ストールラインＬ５の誤差を抑制できる。また、例えば、制御部９８は、燃料電池２０の出力要求に加えて、低温時や水素希釈時に要求されるエアコンプレッサ５０の回転数に応じてエアコンプレッサ５０と調圧弁５４との動作を制御してもよい。このような構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００４９】
（２）上記実施形態のコンプレッサマップ９４の縦軸は、エアコンプレッサ５０の圧力比であったが、圧力比に代えて、エアコンプレッサ５０から吐出される空気の圧力であってもよく、圧損値であってもよい。かかる構成では、エアコンプレッサ５０から吐出される空気の圧力または圧損値に基づいてエアコンプレッサ５０の圧力比を算出し、かかる圧力比の目標値である目標圧力比と目標流量とを示す要求動作点を設定してもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００５０】
（３）上記実施形態の燃料電池システム１０の構成は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、燃料電池システム１０において、調圧弁５４は、酸化ガス排出流路３４に配置されていたが、酸化ガス排出流路３４に代えて、酸化ガス供給流路３２に配置されていてもよい。また、例えば、燃料電池システム１０は、燃料電池２０の温度を所定範囲に保つために、燃料電池２０を冷却する冷媒循環系をさらに備えていてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００５１】
（４）第２実施形態における要求動作点設定処理は、あくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、コンプレッサマップ９４において、エアコンプレッサ５０の仕様に応じた最大の流量を示す最大流量ラインがさらに予め定められ、設定された要求動作点が最大流量ラインよりも右側に位置する場合に、要求動作点の目標流量を最大流量ライン上に変更してもよい。また、例えば、設定された要求動作点が最大流量ラインよりも大きく、かつ、ストールラインＬ５よりも下側の場合に、要求動作点の目標流量を最大流量ライン上に変更した後に、要求動作点の目標圧力比をストールラインＬ５上に増加させてもよい。また、例えば、設定された要求動作点が最大圧力比ラインＬ３よりも上側、かつ、サージラインＬ４よりも左側に位置する場合（場合ｄ）に、目標圧力比を最大圧力比ラインＬ３上に変更した後に、目標流量をサージラインＬ４上に増加させるとともにバイパス弁５６を開いてもよい。このような構成によっても、第２実施形態と同様な効果を奏する。また、例えば、コンプレッサマップ９４において、等回転数ラインＬ１において流量の増加に対して圧力比がほぼ低下しないプロットを結んだゼロスロープラインがさらに予め定められ、設定された要求動作点がゼロスロープラインよりも左側に位置する場合に、目標流量をゼロスロープライン上に増加させるとともにバイパス弁５６を開いてもよい。かかる構成によれば、微小な圧力変動に対して流量が急激に変化する領域に要求動作点が設定されることを抑制できるので、エアコンプレッサ５０の制御誤差が生じた場合に、実動作点の流量が要求動作点の目標流量と大きく異なることを抑制できる。また、例えば、設定された要求動作点がサージラインＬ４よりも左側に位置する場合（場合ｃ）に、要求動作点の目標流量をサージラインＬ４上に増加させることに代えて、要求動作点の目標流量をサージラインＬ４の流量よりもさらに増加させつつバイパス弁５６の開度をさらに大きくしてもよい。かかる構成によれば、エアコンプレッサ５０の制御誤差が生じた場合に実動作点がサージ領域内となることを抑制できるので、エアコンプレッサ５０の故障および劣化をさらに抑制できる。
【００５２】
（５）上記実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載されて用いられていたが、車両に代えて船舶やロボット等の他の任意の移動体に搭載されてもよく、定置型燃料電池として用いられてもよい。かかる構成によっても、上記実施形態と同様な効果を奏する。
【００５３】
本発明は、上述の実施形態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、組み合わせを行な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】
【００５４】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２２…アノード
２４…カソード
３０…酸化ガス給排系
３２…酸化ガス供給流路
３４…酸化ガス排出流路
３６…バイパス流路
４２…エアクリーナ
４８…マフラー
５０…エアコンプレッサ
５４…調圧弁
５６…バイパス弁
６１…大気圧センサ
６２…エアフローメータ
６３…圧力センサ
６４…流量センサ
６５…カソード圧力センサ
７０…燃料ガス給排系
７１…水素タンク
７２…燃料ガス供給流路
７３…タンク圧力センサ
７４…主止弁
７５…アノード調圧弁
７６…インジェクタ
７７…アノード圧力センサ
８２…燃料ガス排出流路
８３…気液分離器
８４…循環配管
８５…水素ポンプ
８６…排気排水弁
９０…制御ユニット
９１…記憶装置
９２…ＲＯＭ
９３…制御プログラム
９４…コンプレッサマップ
９５…ＲＡＭ
９７…ＣＰＵ
９８…制御部
ａ、ｂ、ｃ、ｄ…場合
Ａ、Ｂ…接続点
Ａｒ１…動作可能領域
Ｌ１…等回転数ライン
Ｌ２…最大回転数ライン
Ｌ３…最大圧力比ライン
Ｌ４…サージライン
Ｌ５…ストールライン
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ３１、Ｐ４１…要求動作点
Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ３２、Ｐ４２…動作点
【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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