(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、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、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する際に、ターボ式コンプレッサから吐出可能な流量に対して実現可能な圧力比の最小値である最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、目標圧力比を目標流量に対応する最小圧力比以上に設定し、ターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値が、既設定動作特性における最小圧力比と相違すると判断すべき予め定められた条件が成立する場合、実際の動作特性における圧力比の最小値を用いて、既設定動作特性における最小圧力比を更新する。【選択図】図６
2019145337.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、
前記要求動作点の設定の際に、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最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、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以上に設定し、
前記ターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値が、前記既設定動作特性における前記最小圧力比と相違すると判断すべき予め定められた条件が成立する場合、前記実際の動作特性における圧力比の最小値を用いて、前記既設定動作特性における前記最小圧力比を更新する、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、更新された前記最小圧力比を用いて、前記要求動作点の前記目標圧力比を再設定する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力比を特定するための圧力センサと、前記流量を特定するための流量センサとをさらに備え、
前記制御部は、前記圧力センサの測定結果と前記流量センサの測定結果とを用いて、前記ターボ式コンプレッサの実際の前記圧力比と実際の前記流量とを示す動作点である実動作点を特定し、
前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開であり、かつ、前記要求動作点と前記実動作点とが一致しない、との条件である、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開であり、かつ、前記要求動作点と前記実動作点とが予め定められた時間以上一致しない、との条件である、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力比を特定するための圧力センサと、前記流量を特定するための流量センサとをさらに備え、
前記制御部は、前記圧力センサの測定結果と前記流量センサの測定結果とを用いて、前記ターボ式コンプレッサの実際の前記圧力比と実際の前記流量とを示す動作点である実動作点を特定し、
前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開でなく、かつ、前記実動作点の前記圧力比が前記既設定動作特性における前記最小圧力比と一致する、との条件である、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ターボ式コンプレッサから前記燃料電池へと前記酸化ガスを供給する流路である酸化ガス供給流路と、
前記燃料電池から前記酸化ガスを排出する流路である酸化ガス排出流路と、
前記酸化ガス供給流路と前記酸化ガス排出流路とを連通させるバイパス流路と、
前記バイパス流路を開閉するバイパス弁と、
をさらに備え、
前記予め定められた条件は、前記バイパス弁の開度が変更された、との条件である、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記予め定められた条件は、前記バイパス弁が全閉状態から開かれた、との条件である、
燃料電池システム。
【請求項８】
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、を有する燃料電池システムの制御方法であって、
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する工程であって、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最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、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以上に設定する工程と、
前記ターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値が、前記既設定動作特性における前記最小圧力比と相違すると判断すべき予め定められた条件が成立する場合、前記実際の動作特性における圧力比の最小値を用いて、前記既設定動作特性における前記最小圧力比を更新する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【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】
（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；前記要求動作点の設定の際に、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最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、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以上に設定し；前記ターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値が、前記既設定動作特性における前記最小圧力比と相違すると判断すべき予め定められた条件が成立する場合、前記実際の動作特性における圧力比の最小値を用いて、前記既設定動作特性における前記最小圧力比を更新する。
【０００７】
この形態の燃料電池システムによれば、要求動作点の設定の際に、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最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、目標圧力比を目標流量に対応する最小圧力比以上に設定するので、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。
【０００８】
加えて、ターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値が、既設定動作特性における最小圧力比と相違すると判断すべき予め定められた条件が成立する場合、実際の動作特性における圧力比の最小値を用いて、既設定動作特性における最小圧力比を更新するので、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さらに抑制できる。このため、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さらに抑制でき、要求動作点を変更する際に制御が遅れることをさらに抑制できる。また、要求動作点の目標圧力比がターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値に対して過度に大きく設定されることを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。また、予め定められた条件が成立する場合に既設定動作特性における最小圧力比を更新するので、かかる条件の成否に関わらず既設定動作特性における最小圧力比を更新する構成と比較して、制御部における処理に要する負荷が増加することを抑制できる。
【０００９】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、更新された前記最小圧力比を用いて、前記要求動作点の前記目標圧力比を再設定してもよい。この形態の燃料電池システムによれば、更新された最小圧力比を用いて要求動作点の目標圧力比を再設定するので、要求動作点の目標圧力比を、実際の動作特性における最小圧力比にでき、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さらに抑制できる。
【００１０】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記圧力比を特定するための圧力センサと、前記流量を特定するための流量センサとをさらに備え；前記制御部は、前記圧力センサの測定結果と前記流量センサの測定結果とを用いて、前記ターボ式コンプレッサの実際の前記圧力比と実際の前記流量とを示す動作点である実動作点を特定し；前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開であり、かつ、前記要求動作点と前記実動作点とが一致しない、との条件であってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、調圧弁が全開であり、かつ、要求動作点と実動作点とが一致しない場合に、既設定動作特性における最小圧力比を更新するので、既設定動作特性における最小圧力比と実際の動作特性における最小圧力比とが相違する可能性が高い適切な場合に既設定動作特性における最小圧力比を更新できる。
【００１１】
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開であり、かつ、前記要求動作点と前記実動作点とが予め定められた時間以上一致しない、との条件であってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、調圧弁が全開であり、かつ、要求動作点と実動作点とが予め定められた時間以上一致しない場合に、既設定動作特性における最小圧力比を更新するので、ハンチングを抑制できる。
【００１２】
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記圧力比を特定するための圧力センサと、前記流量を特定するための流量センサとをさらに備え；前記制御部は、前記圧力センサの測定結果と前記流量センサの測定結果とを用いて、前記ターボ式コンプレッサの実際の前記圧力比と実際の前記流量とを示す動作点である実動作点を特定し；前記予め定められた条件は、前記調圧弁が全開でなく、かつ、前記実動作点の前記圧力比が前記既設定動作特性における前記最小圧力比と一致する、との条件であってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、調圧弁が全開でなく、かつ、実動作点の圧力比が既設定動作特性における最小圧力比と一致する場合に、既設定動作特性における最小圧力比を更新するので、既設定動作特性における最小圧力比と実際の動作特性における最小圧力比とが相違する可能性が高い適切な場合に既設定動作特性における最小圧力比を更新できる。また、要求動作点の目標圧力比がターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値に対して過度に大きく設定されることを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。
【００１３】
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ターボ式コンプレッサから前記燃料電池へと前記酸化ガスを供給する流路である酸化ガス供給流路と；前記燃料電池から前記酸化ガスを排出する流路である酸化ガス排出流路と；前記酸化ガス供給流路と前記酸化ガス排出流路とを連通させるバイパス流路と；前記バイパス流路を開閉するバイパス弁と；をさらに備え；前記予め定められた条件は、前記バイパス弁の開度が変更された、との条件であってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、バイパス弁の開度が変更された場合に、既設定動作特性における最小圧力比を更新するので、既設定動作特性における最小圧力比と実際の動作特性における最小圧力比とが相違する可能性が高い適切な場合に既設定動作特性における最小圧力比を更新できる。また、要求動作点の目標圧力比がターボ式コンプレッサの実際の動作特性における圧力比の最小値に対して過度に大きく設定されることを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。
【００１４】
（７）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記予め定められた条件は、前記バイパス弁が全閉状態から開かれた、との条件であってもよい。この形態の燃料電池システムによれば、バイパス弁が全閉状態から開かれた場合に、既設定動作特性における最小圧力比を更新するので、既設定動作特性における最小圧力比と実際の動作特性における最小圧力比とが相違する可能性が高い適切な場合に既設定動作特性における最小圧力比を更新できる。
【００１５】
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】
【００１６】
【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】最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。
【図６】ストールラインの推定を説明するための説明図である。
【図７】第２実施形態における最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態におけるストールラインの推定を説明するための説明図である。
【図９】第３実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図１０】第３実施形態における最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。
【図１１】バイパス弁が開いている場合におけるストールライン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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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、コンプレッサマップ９４および偏差閾値テーブル９６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。偏差閾値テーブル９６は、後述する制御偏差の閾値を示すテーブルとして、予め作成されている。コンプレッサマップ９４および偏差閾値テーブル９６についての詳細な説明は、後述する。
【００３０】
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と最小圧力比更新処理とを実行する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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し、圧力センサ６３は、課題を解決するための手段における圧力センサの下位概念に相当する。また、コンプレッサマップ９４は、課題を解決するための手段における既設定動作特性の下位概念に相当し、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、既設定動作特性における最小圧力比の下位概念に相当する。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
Ａ−３．最小圧力比更新処理：
図５は、最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。最小圧力比更新処理は、要求動作点設定処理の実行時に、繰り返し実行される。
【００４６】
予め定められたストールラインＬ５とエアコンプレッサ５０の実際のストールライン（以下、「実ストールライン」とも呼ぶ）とは、エアコンプレッサ５０等を構成する部品の製造誤差により、ずれることが起こり得る。また、外気温や外気圧等の環境変動、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よっても、予め定められたストールラインＬ５と実ストールラインとがずれることが起こり得る。このため、本実施形態の最小圧力比更新処理では、予め定められたストールラインＬ５と実ストールラインとが相違することが想定される場合に、ストールラインＬ５を更新する。
【００４７】
制御部９８は、調圧弁５４の開度を取得する（ステップＳ２１０）。調圧弁５４の開度は、調圧弁５４が有する図示しない開度センサにより検出される。制御部９８は、調圧弁５４が全開であるか否かを判定する（ステップＳ２２０）。本実施形態では、調圧弁５４が全開であるか否かは、調圧弁５４の現在の開度が、調圧弁５４が全開であることを示す予め定められた閾値開度以上であるか否かにより判定される。したがって、かかる閾値の設定次第では、ステップＳ２２０における「全開」とは、調圧弁５４が実現可能な最大の開度よりもわずかに小さい開度を意味することもある。
【００４８】
調圧弁５４が全開でないと判定された場合（ステップＳ２２０：ＮＯ）、ステップＳ２１０に戻る。他方、調圧弁５４が全開であると判定された場合（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、制御部９８は、圧力比または流量のうちの少なくとも一方の制御偏差が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ２３０）。制御偏差が発生している場合には、エアコンプレッサ５０に対して指令された要求動作点と、実動作点とが一致していないこととなる。本実施形態において、圧力比の制御偏差の閾値と、流量の制御偏差の閾値とは、それぞれ制御偏差の上限値として予め定められて、偏差閾値テーブル９６としてＲＯＭ９２に格納されている。このため、制御部９８は、ステップＳ２３０において、偏差閾値テーブル９６を参照することにより、圧力比または流量のうちの少なくとも一方の制御偏差が閾値以上であるか否かを判定する。
【００４９】
圧力比または流量のうちの少なくとも一方の制御偏差が閾値以上でないと判定された場合（ステップＳ２３０：ＮＯ）、すなわち、制御偏差が閾値未満である場合、ステップＳ２１０に戻る。この場合、制御偏差は、発生していない、または許容範囲内である。
【００５０】
他方、圧力比または流量のうちの少なくとも一方の制御偏差が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、制御部９８は、要求動作点設定処理で設定または変更された要求動作点と、エアコンプレッサ５０の実際の動作点である実動作点とを特定する（ステップＳ２４０）。このとき、制御部９８は、大気圧センサ６１および圧力センサ６３の測定結果を用いて現在の実際の圧力比を特定するとともに、流量センサ６４の測定結果を用いて現在の実際の流量を特定することによって、実動作点を特定する。
【００５１】
エアコンプレッサ５０は、燃料電池システム１０の運転中、要求動作点設定処理により設定または変更された要求動作点で動作している。また、調圧弁５４が全開である場合とは、要求動作点がストールラインＬ５上に設定または変更されていることを意味する。したがって、調圧弁５４が全開である場合、エアコンプレッサ５０の実際の動作点である実動作点は、ストールラインＬ５上の要求動作点と一致することが期待される。しかしながら、ステップＳ２３０において、圧力比または流量のうちの少なくとも一方の制御偏差が閾値以上であると判定された場合（ステップＳ２３０：ＹＥＳ）、要求動作点と実動作点とが一致していないので、予め定められたストールラインＬ５が実ストールラインと相違することが想定される。このため、制御部９８は、ステップＳ２４０の後、ストールラインの推定を実行する（ステップＳ２５０）。
【００５２】
図６は、ストールラインの推定を説明するための説明図である。図６は、図４のうちストールラインに関する部分を抜き出して示すとともに、実動作点Ｐ３を白抜きの四角印で示し、後述する再設定された要求動作点Ｐ４を白抜きの丸印で示している。また、図６では、実ストールラインＬ６を破線で示し、推定された推定ストールラインＬ７を太い実線で示している。図６に示す例では、白抜きの矢印で示すように、要求動作点が、要求動作点設定処理のステップＳ１２０で設定された要求動作点Ｐ１から、ステップＳ１４０によって、ストールラインＬ５上の要求動作点Ｐ２に変更されている。
【００５３】
図６において、実ストールラインＬ６は、予め定められたストールラインＬ５よりも上側に位置している。この場合、エアコンプレッサ５０は、実ストールラインＬ６よりも下側では動作できず、ストールラインＬ５上の要求動作点Ｐ２を実現できない。したがって、実動作点Ｐ３が要求動作点Ｐ２と一致せず、制御偏差が発生する。
【００５４】
図５に示すステップＳ２５０において、制御部９８は、ステップＳ２４０で特定された実動作点Ｐ３に基づいてストールラインを推定する。このとき、制御部９８は、ストールラインモデル式を用いて、ストールラインを推定する。ストールラインモデル式は、予め定められているコンプレッサマップ９４に含まれており、例えば、下記式（１）によって表される。
Ｐ＝ａ×Ｑｂ  ・・・（１）
上記式（１）において、Ｐは圧力比を、Ｑは流量を、ａは第１のストールライン係数を、ｂは第２のストールライン係数を、それぞれ示している。第１のストールライン係数および第２のストールライン係数は、予め定められている。第２のストールライン係数は、１．０以上の任意の固定値である。
【００５５】
制御部９８は、ストールラインモデル式に、実動作点Ｐ３の圧力比および流量を当てはめることにより、第１のストールライン係数を推定し、ストールラインを推定する。図６では、推定されたストールラインである推定ストールラインＬ７が示されている。
【００５６】
図５に示すように、制御部９８は、最小圧力比を更新する（ステップＳ２６０）。より具体的には、予め定められたストールラインＬ５を、推定ストールラインＬ７に更新する。すなわち、本実施形態において制御部９８は、調圧弁５４が全開であり、かつ、要求動作点と実動作点とが一致しない場合に、最小圧力比を更新する。ステップＳ２６０の後、ステップＳ２１０に戻る。
【００５７】
制御部９８は、最小圧力比更新処理によって更新された最小圧力比を用いて、要求動作点設定処理を実行する。このため、図６に示す例では、黒塗りの矢印で示すように、要求動作点が、予め定められたストールラインＬ５上の要求動作点Ｐ２から、推定ストールラインＬ７上の要求動作点Ｐ４に再設定されている。制御部９８は、最小圧力比更新処理によって最小圧力比が更新された場合に、更新された最小圧力比を用いて要求動作点を直ちに再設定してもよい。
【００５８】
本実施形態において、実ストールラインＬ６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実際の動作特性における圧力比の最小値の下位概念に相当する。また、推定ストールラインＬ７は、課題を解決するための手段における、更新された最小圧力比の下位概念に相当する。
【００５９】
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、要求動作点設定処理において、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、最小圧力比更新処理を実行するので、エアコンプレッサ５０の実ストールラインＬ６が、予め定められたストールラインＬ５と相違すると判断すべき場合に、ストールラインＬ５を更新できる。このため、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さらに抑制できる。したがって、制御偏差が発生することをさらに抑制でき、フィードバック積分項の蓄積をさらに抑制できる。このため、燃料電池２０の出力要求等に基づいて要求動作点を変更する際に、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さらに抑制できる。
【００６５】
また、実ストールラインＬ６と予め定められたストールラインＬ５とが相違すると判断すべき場合にのみストールラインＬ５を更新するので、かかる場合に関わらずストールラインＬ５を更新する構成と比較して、ＣＰＵ９７の処理負荷が増加することを抑制できる。また、調圧弁５４が全開であり、かつ、要求動作点と実動作点とが一致しない場合に、ストールラインＬ５を更新するので、実ストールラインＬ６と予め定められたストールラインＬ５とが相違する可能性が高い適切な場合にストールラインＬ５を更新できる。また、更新された最小圧力比を用いて要求動作点を再設定するので、要求動作点の目標圧力比を実ストールラインＬ６上に設定でき、フィードバック積分項の蓄積をより抑制できる。
【００６６】
Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態における最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。第２実施形態の燃料電池システム１０は、最小圧力比更新処理において、第１実施形態の燃料電池システム１０と異なる。第２実施形態における最小圧力比更新処理は、ステップＳ２２０およびステップＳ２３０に代えて、ステップＳ３２０およびステップＳ３３０が実行される点と、ステップＳ２１０がステップＳ３２０の後に実行される点と、ステップＳ２４０が省略される点と、ステップＳ２５０の具体的な処理内容とにおいて、第１実施形態の最小圧力比更新処理と異なる。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。
【００６７】
第２実施形態の最小圧力比更新処理では、まず、制御部９８は、ストールラインガードが作動したか否かを判定する（ステップＳ３２０）。ストールラインガードとは、要求動作点設定処理のステップＳ１３０がＹＥＳでステップＳ１４０が実行されて、ストールラインＬ５上に要求動作点が引き上げられることを意味する。ストールラインガードが作動していないと判定された場合（ステップＳ３２０：ＮＯ）、ステップＳ３２０に戻る。
【００６８】
他方、ストールラインガードが作動したと判定された場合（ステップＳ３２０：ＹＥＳ）、制御部９８は、調圧弁５４の開度を取得する（ステップＳ２１０）。制御部９８は、調圧弁５４が非全開であるか否かを判定する（ステップＳ３３０）。調圧弁５４が非全開であるか否かは、調圧弁５４の現在の開度が、調圧弁５４が全開であることを示す予め定められた閾値開度未満であるか否かにより判定されてもよい。調圧弁５４が非全開でないと判定された場合（ステップＳ３３０：ＮＯ）、ステップＳ３２０に戻る。
【００６９】
他方、調圧弁５４が非全開であると判定された場合（ステップＳ３３０：ＹＥＳ）、制御部９８は、ストールラインを推定する（ステップＳ２５０）。
【００７０】
図８は、第２実施形態におけるストールラインの推定を説明するための説明図である。図８において破線で示す実ストールラインＬ６は、予め定められたストールラインＬ５よりも下側に位置している。実ストールラインＬ６とストールラインＬ５との相違は、エアコンプレッサ５０や酸化ガス供給流路３２を形成する配管等の、構成部品の製造誤差等に起因して発生する。このような場合、ストールラインガードによって、予め定められたストールラインＬ５上に増加された要求動作点Ｐ２の目標圧力比は、エアコンプレッサ５０の実際の動作特性における最小圧力比（実ストールラインＬ６）に対して過度に大きい。このため、最小圧力比が更新されない場合、ストールラインガードの作動により、実動作点Ｐ３の圧力比は、エアコンプレッサ５０の実際の動作特性における最小圧力比（実ストールラインＬ６）に対して過度に大きくなってしまう。
【００７１】
図７に示すステップＳ２５０において、制御部９８は、ステップＳ２１０で取得された調圧弁５４の開度とストールラインモデル式とを用いて、ストールラインを推定する。ストールラインモデル式は、例えば、上記式（１）によって表される。
【００７２】
制御部９８は、上記式（１）においてａで示される第１のストールライン係数を、例えば、下記式（２）を用いて補正する。
ａ［ｔ＋１］＝ａ［ｔ］−ｋ×（θｏ−θ）  ・・・（２）
上記式（２）において、ｔは演算周期を、ｋは補正ゲインを、θｏは調圧弁５４の全開開度を、θは調圧弁５４の現在開度を、それぞれ示している。すなわち、上記式（２）における「θｏ−θ」は、調圧弁５４の制御偏差を表している。補正ゲインは、補正の程度を示す係数を意味し、１．０以下の任意の固定値として予め定められている。補正ゲインの数値が大きいほど、補正量が大きくなる。
【００７３】
制御部９８は、ストールラインモデル式に、補正された第１のストールライン係数を当てはめることにより、ストールラインを推定する。図８では、推定されたストールラインである推定ストールラインＬ７を、太い実線で示している。
【００７４】
制御部９８は、最小圧力比を更新する（ステップＳ２６０）。より具体的には、予め定められたストールラインＬ５を、推定ストールラインＬ７に更新する。図８に示す例では、黒塗りの矢印で示すように、要求動作点が、予め定められたストールラインＬ５上の要求動作点Ｐ２から、推定ストールラインＬ７上の要求動作点Ｐ４に再設定されている。
【００７５】
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、要求動作点の目標圧力比が、エアコンプレッサ５０の実際の動作特性における最小圧力比（実ストールラインＬ６）に対して過度に大きく設定されることを抑制できるので、燃費の悪化を抑制できる。また、ストールラインガードが作動した時にのみストールラインＬ５を更新するので、ＣＰＵ９７の処理負荷が増加することを抑制できる。また、部品の製造誤差等を想定して複数のストールラインＬ５を予め定めて記憶させておくことを省略できるので、ＲＯＭ９２の容量を削減できる。
【００７６】
Ｃ．第３実施形態：
図９は、第３実施形態における燃料電池システム１０ａの概略構成を示す説明図である。図１０は、第３実施形態における最小圧力比更新処理の手順を示すフローチャートである。第３実施形態の燃料電池システム１０ａは、圧損モデルマップ９９がさらに記憶されている点と、最小圧力比更新処理の手順とにおいて、第２実施形態の燃料電池システム１０と異なる。第３実施形態における最小圧力比更新処理は、ステップＳ２１０、ステップＳ３３０、ステップＳ２５０およびステップＳ２６０に代えて、ステップＳ４２０、ステップＳ４３０、ステップＳ４４０およびステップＳ４５０が実行される点において、第２実施形態の最小圧力比更新処理と異なる。燃料電池システム１０ａのその他の構成は第２実施形態の燃料電池システム１０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。
【００７７】
図９に示すように、第３実施形態の燃料電池システム１０ａの制御ユニット９０ａにおいて、記憶装置９１ａのＲＯＭ９２ａには、偏差閾値テーブル９６に代えて、予め作成された圧損モデルマップ９９が格納されている。圧損モデルマップ９９には、図９においてそれぞれ破線で示す燃料電池側経路Ｒ１とバイパス側経路Ｒ２とにおけるそれぞれの圧損値と、図９において一点鎖線で示す排気管側経路Ｒ３における圧損値とが、予め実験により求められて定められている。各経路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３における圧損値は、その時の流量に応じてそれぞれ変動する。燃料電池側経路Ｒ１とは、エアコンプレッサ５０の出口から、接続点Ａ、燃料電池２０および調圧弁５４を経由した接続点Ｂまでの経路を意味している。バイパス側経路Ｒ２とは、エアコンプレッサ５０の出口から、接続点Ａ、バイパス流路３６およびバイパス弁５６を経由した接続点Ｂまでの経路を意味している。排気管側経路Ｒ３とは、酸化ガス排出流路３４において接続点Ｂよりも下流側の経路を意味している。
【００７８】
図１０に示すように、第３実施形態の最小圧力比更新処理において、制御部９８は、ストールラインガードが作動したか否かを判定する（ステップＳ３２０）。ストールラインガードが作動していないと判定された場合（ステップＳ３２０：ＮＯ）、ステップＳ３２０に戻る。
【００７９】
他方、ストールラインガードが作動したと判定された場合（ステップＳ３２０：ＹＥＳ）、制御部９８は、バイパス弁５６の開度を取得する（ステップＳ４２０）。バイパス弁５６の開度は、バイパス弁５６が有する図示しない開度センサにより検出される。制御部９８は、バイパス弁５６が開いているか否かを判定する（ステップＳ４３０）。バイパス弁５６が開いていない、すなわちバイパス弁５６が閉じていると判定された場合（ステップＳ４３０：ＮＯ）、ステップＳ３２０に戻る。
【００８０】
他方、バイパス弁５６が開いていると判定された場合（ステップＳ４３０：ＹＥＳ）、制御部９８は、燃料電池側経路Ｒ１およびバイパス側経路Ｒ２の、それぞれの最小圧損値を推定する（ステップＳ４４０）。
【００８１】
図１１は、バイパス弁５６が開いている場合におけるストールラインを説明するための説明図である。バイパス弁５６が開いている場合、エアコンプレッサ５０から送出される空気は、燃料電池側経路Ｒ１だけでなく、バイパス側経路Ｒ２にも流れることとなる。このため、図１１において破線で示す実ストールラインＬ６は、予め定められたストールラインＬ５よりも下側に位置することとなる。したがって、ストールラインガードによって、予め定められたストールラインＬ５上に増加された要求動作点Ｐ２の目標圧力比は、バイパス弁５６が開いている場合、エアコンプレッサ５０の実際の動作特性における最小圧力比に対して過度に大きい。このため、最小圧力比が更新されない場合、ストールラインガードの作動により、実動作点Ｐ３の圧力比は、エアコンプレッサ５０の実際の動作特性における最小圧力比に対して過度に大きくなってしまう。
【００８２】
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。バイパス弁５６は、例えば、サージングを回避するために、エアコンプレッサ５０の要求動作点の目標流量を増加させる場合に開かれる。この場合、バイパス弁５６を開くことにより、燃料電池２０への流量を変えずに、エアコンプレッサ５０の要求動作点の目標流量を増加させることができる。また、バイパス弁５６は、燃料電池システム１０が備える図示しない二次電池の満充電時に、回生電力を補機駆動によって消費させるために、補機の１つであるエアコンプレッサ５０の回転数を上昇させる場合に開かれる。また、バイパス弁５６は、水素の希釈を目的として開かれる。水素の希釈は、燃料電池システム１０ａの停止時にアノード２２に残留する水素がクロスリークによりカソード２４に移動したために、燃料電池システム１０ａの起動直後にカソード２４の水素濃度が比較的高い状態である場合や、排気排水弁８６が開かれた場合等に実行される。
【００８３】
本実施形態では、ステップＳ４４０において、要求動作点の目標流量と圧損モデルマップ９９とを用いて、最小圧損値をそれぞれ推定する。燃料電池側経路Ｒ１の最小圧損値は、調圧弁５４が全開である場合に要求動作点の目標流量の空気を流した時の燃料電池側経路Ｒ１に発生する圧損値に相当し、バイパス側経路Ｒ２の最小圧損値は、バイパス弁５６が全開である場合に要求動作点の目標流量の空気を流した時のバイパス側経路Ｒ２に発生する圧損値に相当する。
【００８４】
制御部９８は、燃料電池側経路Ｒ１の最小圧損値とバイパス側経路Ｒ２の最小圧損値とのうち、大きい方の値に基づいて、最小圧力比を更新する（ステップＳ４５０）。より具体的には、燃料電池側経路Ｒ１の最小圧損値とバイパス側経路Ｒ２の最小圧損値とのうち大きい方の値に、要求動作点の目標流量を流した時に排気管側経路Ｒ３に発生する圧損値を加えて最小圧損値の合計値を算出し、算出された合計値を圧力比に換算して最小圧力比とする。圧力比への換算は、例えば、かかる合計値に大気圧を加えた値を、大気圧で除することにより求めることができる。図１１では、ステップＳ４５０によって更新された最小圧力比を示す最小圧力比ラインＬ８を、太い実線で示している。最小圧力比ラインＬ８は、エアコンプレッサ５０の動作点の流量に関わらず一定となる。図１１に示す例では、黒塗りの矢印で示すように、要求動作点が、予め定められたストールラインＬ５上の要求動作点Ｐ２から、最小圧力比ラインＬ８上の要求動作点Ｐ４に再設定されている。最小圧力比ラインＬ８上の要求動作点Ｐ４は、実ストールラインＬ６上に位置することとなる。
【００８５】
本実施形態において、最小圧力比ラインＬ８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実際の動作特性における圧力比の最小値の下位概念と、更新された最小圧力比の下位概念とに相当する。
【００８６】
以上説明した第３実施形態の燃料電池システム１０ａによれば、第２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、バイパス弁５６が全閉状態から開かれた場合に最小圧力比を更新するので、ストールラインＬ５と実ストールラインＬ６とが異なる状況を適切に判断できる。また、バイパス弁５６が全閉状態から開かれた場合にのみ最小圧力比を更新するので、ＣＰＵ９７の処理負荷が増加することを抑制できる。
【００８７】
Ｄ．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、１０ａ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、予め作成されたルックアップテーブル等を用いることにより、当初からストールラインＬ５上に要求動作点を設定してもよく、最小圧力比以上に要求動作点を設定してもよい。すなわち一般には、要求動作点の設定の際に、エアコンプレッサ５０から吐出可能な空気の流量に対して実現可能な圧力比の最小値である最小圧力比が予め設定された既設定動作特性を用いて、目標圧力比を目標流量に対応する最小圧力比以上に設定してもよい。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。
【００８８】
（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。
【００８９】
（３）上記実施形態の最小圧力比更新処理は、あくまで一例であり、種々変更可能である。第１実施形態では、実ストールラインＬ６がストールラインＬ５よりも上側に位置する場合に、第２実施形態では、実ストールラインＬ６がストールラインＬ５よりも下側に位置する場合に、第３実施形態では、バイパス弁５６が開かれている場合に、それぞれ最小圧力比を更新していたが、これらの場合に限らず、既設定動作特性における最小圧力比（ストールラインＬ５）と、エアコンプレッサ５０の実際の動作特性における圧力比の最小値（実ストールラインＬ６）と、が相違すると判断すべき予め定められた条件が成立する任意の場合に、最小圧力比を更新してもよい。また、各実施形態の最小圧力比更新処理を並列に実行してもよく、ストールラインＬ５と実ストールラインＬ６とが相違すると判断すべき予め定められた複数の条件のうちの少なくとも１つが成立する場合に、最小圧力比を更新してもよい。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。
【００９０】
（４）上記実施形態において、制御部９８は、最小圧力比更新処理によって最小圧力比が更新された場合に、更新された最小圧力比を用いて要求動作点を直ちに再設定していたが、次の要求動作点設定処理から、更新された最小圧力比を用いるようにしてもよい。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。
【００９１】
（５）第１実施形態の最小圧力比更新処理では、圧力比または流量のうちの少なくとも一方の制御偏差が閾値以上である場合に、ストールラインを推定して最小圧力比を更新していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、圧力比または流量のうちの少なくとも一方の制御偏差が、予め定められた閾値時間以上発生している場合に、ストールラインを推定して最小圧力比を更新してもよい。かかる構成によれば、ハンチングを抑制できる。すなわち一般には、調圧弁５４が全開であり、かつ、要求動作点と実動作点とが一致しない場合に、最小圧力比を更新してもよく、また、調圧弁５４が全開であり、かつ、要求動作点と実動作点とが予め定められた時間以上一致しない場合に、最小圧力比を更新してもよい。かかる構成によっても、第１実施形態と同様な効果を奏する。
【００９２】
（６）第２実施形態の最小圧力比更新処理では、ストールラインガード作動時に調圧弁５４が全開でない場合に、ストールラインを推定して最小圧力比を更新していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ストールラインガード作動時に限らず、要求動作点の圧力比が予め定められたストールラインＬ５と一致する場合に、ストールラインを推定して最小圧力比を更新してもよい。換言すると、調圧弁５４が全開でなく、かつ、要求動作点設定処理のステップＳ１２０において要求動作点が予め定められたストールラインＬ５上に設定された場合に、ストールラインを推定して最小圧力比を更新してもよい。すなわち一般には、調圧弁５４が全開でなく、かつ、実動作点の圧力比が既設定動作特性における最小圧力比（ストールラインＬ５）と一致する場合に、最小圧力比を更新してもよい。かかる構成によっても、第２実施形態と同様な効果を奏する。
【００９３】
（７）第３実施形態の最小圧力比更新処理では、ストールラインガード作動時にバイパス弁５６が開いている場合に、最小圧力比を更新していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ストールラインガード作動時に限らず、バイパス弁５６が全閉状態から開かれた場合に、最小圧力比を更新してもよい。また、例えば、第３実施形態の最小圧力比更新処理によって最小圧力比が更新された後に、さらにバイパス弁５６の開度が変更された場合に、最小圧力比更新処理によって最小圧力比をさらに更新してもよい。すなわち一般には、バイパス弁５６の開度が変更された場合に、最小圧力比を更新してもよい。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。
【００９４】
（８）上記実施形態の燃料電池システム１０、１０ａ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、１０ａ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、１０ａ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。
【００９５】
（９）上記実施形態において、燃料電池システム１０、１０ａ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。
【００９６】
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】
【００９７】
１０、１０ａ…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、９０ａ…制御ユニット
９１、９１ａ…記憶装置
９２、９２ａ…ＲＯＭ
９３…制御プログラム
９４…コンプレッサマップ
９５…ＲＡＭ
９６…偏差閾値テーブル
９７…ＣＰＵ
９８…制御部
９９…圧損モデルマップ
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
Ｌ６…実ストールライン
Ｌ７…推定ストールライン
Ｌ８…最小圧力比ライン
Ｐ１…要求動作点
Ｐ２…要求動作点
Ｐ３…実動作点
Ｐ４…要求動作点
Ｒ１…燃料電池側経路
Ｒ２…バイパス側経路
Ｒ３…排気管側経路
【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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