(57)【要約】【課題】電解質膜のドライアップを抑制しつつ、コンプレッサの吐出圧力を低下できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、酸化剤ガス給排系と、冷媒循環系と、コンプレッサと、大気圧センサと、制御部とを備え、制御部は、計測大気圧が予め定められた基準大気圧から低下するに伴って、冷媒循環系を制御して燃料電池の温度を低下させる共に、調圧弁を制御してコンプレッサの吐出圧力を低下させる温度・圧力低下制御を実行する。【選択図】図７
2019145433.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、
アノードとカソードと電解質膜とを有する燃料電池と、
前記カソードへの酸化剤ガスの供給と、前記カソードからの前記酸化剤ガスの排出とを行うための酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路のうち前記燃料電池よりも上流側に設けられたコンプレッサと、前記酸化剤ガス流路のうち前記燃料電池よりも下流側に設けられた調圧弁と、を有する酸化剤ガス給排系と、
前記燃料電池の温度を調整する冷媒を循環させる冷媒循環系と、
大気圧を計測する大気圧センサと、
前記大気圧センサが計測した計測大気圧を用いて前記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、
前記計測大気圧が予め定められた基準大気圧から低下するに伴って、前記冷媒循環系を制御して前記燃料電池の温度を低下させると共に、前記調圧弁を制御して前記コンプレッサの吐出圧力を低下させる温度・圧力低下制御を実行する、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、
前記制御部は、
前記計測大気圧が前記基準大気圧よりも低下した後における、前記コンプレッサの吐出流量と圧力比とによって定まる動作点である低下後動作点が、前記コンプレッサにサージングが生じるサージング領域の外側に位置する場合には、前記温度・圧力低下制御を実行することなく動作点を前記低下後動作点に変更し、
前記低下後動作点が前記サージング領域内に位置する場合には、動作点が前記サージング領域の外側に位置するように前記温度・圧力低下制御を実行する、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であって、さらに、
前記燃料電池の要求電流値と、前記計測大気圧と、前記燃料電池の目標温度と、を関連付けたマップを記憶する記憶部を有し、
前記燃料電池の目標温度は、前記計測大気圧の低下に伴って前記コンプレッサの吐出圧力を低下させた場合において、前記電解質膜にドライアップが生じない温度に設定されており、
前記制御部は、前記温度・圧力低下制御において、前記マップを参照することで前記要求電流値と前記計測大気圧とによって定まる前記目標温度となるように前記冷媒循環系を制御して前記燃料電池の温度を調整する、燃料電池システム。
【請求項４】
アノードとカソードと電解質膜とを有する燃料電池と、
前記カソードへの酸化剤ガスの供給と、前記カソードからの前記酸化剤ガスの排出とを行うための酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路のうち前記燃料電池よりも上流側に設けられたコンプレッサと、前記酸化剤ガス流路のうち前記燃料電池よりも下流側に設けられた調圧弁と、を有する酸化剤ガス給排系と、
前記燃料電池の温度を調整する冷媒を循環させる冷媒循環系と、
大気圧を計測する大気圧センサと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記大気圧センサが計測した計測大気圧が予め定められた基準大気圧から低下するに伴って、前記冷媒循環系を制御して前記燃料電池の温度を低下させると共に、前記調圧弁を制御して前記コンプレッサの吐出圧力を低下させる温度・圧力低下制御を実行する、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】
本開示は、燃料電池システムの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池車両において、酸化剤ガスを送り出すコンプレッサの消費電力を抑えるために、大気圧が基準圧力値よりも低い場合には、燃料電池のカソードの入口圧力を低下させる技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５８６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
カソードの入口圧力を低下させた場合、カソード排ガスと共に燃料電池内から排出される水蒸気量が増加する。燃料電池内から排出される水蒸気量が増加した場合、燃料電池の湿潤状態がドライアップが発生しない理想的な湿潤状態から大きく外れる可能性が生じ得る。この場合において、理想的な湿潤状態を維持するために、燃料電池内を加湿するための加湿器を設けた場合、燃料電池システムのコストが上昇する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、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）本開示の一形態によれば、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、アノードとカソードと電解質膜とを有する燃料電池と、前記カソードへの酸化剤ガスの供給と、前記カソードからの前記酸化剤ガスの排出とを行うための酸化剤ガス流路と、前記酸化剤ガス流路のうち前記燃料電池よりも上流側に設けられたコンプレッサと、前記酸化剤ガス流路のうち前記燃料電池よりも下流側に設けられた調圧弁と、を有する酸化剤ガス給排系と、前記燃料電池の温度を調整する冷媒を循環させる冷媒循環系と、大気圧を計測する大気圧センサと、前記大気圧センサが計測した計測大気圧を用いて前記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、前記計測大気圧が予め定められた基準大気圧から低下するに伴って、前記冷媒循環系を制御することで前記燃料電池の温度を低下させると共に、前記調圧弁を制御して前記コンプレッサの吐出圧力を低下させる温度・圧力低下制御を実行する。上記形態によれば、計測大気圧が基準大気圧から低下するに伴いコンプレッサの吐出圧力を低下させることで、コンプレッサの消費電力が増大する可能性を低減できる。また上記形態によれば、計測大気圧が基準大気圧から低下するに伴い、燃料電池の温度を低下させている。これにより、吐出圧力を低下させた場合において、電解質膜がドライアップする可能性を低減できる。以上のごとく、上記形態によれば、加湿器を取り付けることなく電解質膜がドライアップする可能性を低減しつつ、コンプレッサの消費電力が増大する可能性を低減できる。
【０００７】
（２）上記形態であって、前記制御部は、前記計測大気圧が前記基準大気圧よりも低下した後における、前記コンプレッサの吐出流量と圧力比とによって定まる動作点である低下後動作点が、前記コンプレッサにサージングが生じるサージング領域の外側に位置する場合には、前記温度・圧力低下制御を実行することなく動作点を前記低下後動作点に変更し、前記低下後動作点が前記サージング領域内に位置する場合には、動作点が前記サージング領域外となるように前記温度・圧力低下制御を実行する。上記形態によれば、低下後動作点がサージング領域内に位置する場合は、温度・圧力低下制御を実行することで、コンプレッサをサージング領域の外側に位置する動作点で動作させることができる。また上記形態によれば、低下後動作点がサージング領域の外側に位置する場合は、温度・圧力低下制御を実行しないので、温度・圧力低下制御における温度の制御を受けることなく、燃料電池の発電効率が良い温度条件で燃料電池を発電させることが可能となる。
【０００８】
（３）上記形態であって、さらに、前記燃料電池の要求電流値と、前記計測大気圧と、前記燃料電池の目標温度と、を関連付けたマップを記憶する記憶部を有し、前記燃料電池の目標温度は、前記計測大気圧の低下に伴って、前記コンプレッサの吐出圧力を低下させた場合において、前記電解質膜にドライアップが生じない温度に設定されており、前記制御部は、前記温度・圧力低下制御において、前記マップを参照することで前記要求電流値と前記計測大気圧とによって定まる前記目標温度となるように前記冷媒循環系を制御して前記燃料電池の温度を調整してもよい。上記形態によれば、制御部は、マップを参照することで、コンプレッサの吐出圧力を低下させた場合において、電解質膜にドライアップが生じることを抑制できる温度・圧力低下制御を実行できる。
【０００９】
本開示は、上記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した車両などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の第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。
【図２】燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図３】燃料電池の温度と燃料電池からの水の流出量との関係を示す図。
【図４】温度マップを説明するための図。
【図５】ドライアップマップを示す図。
【図６】コンプレッサの性能特性を示すコンプレッサマップを示す図。
【図７】制御部が実行する制御の第１のフローチャート。
【図８】制御部が実行する制御の第２のフローチャート。
【図９】制御部が実行する第２実施形態の第１のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本開示の第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に搭載されている。燃料電池システム２０は、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、燃料ガス給排系５０と、酸化剤ガス給排系６０と、冷媒循環系８０と、制御装置１００とを備える。
【００１２】
制御装置１００は、制御部１０２と、記憶部１０４とを備える。制御部１０２は、記憶部１０４に記憶された各種プログラムを実行することで燃料電池システム２０の動作を制御する。例えば、制御部１０２は、後述する大気圧センサ６１が計測した計測大気圧を用いて燃料電池システム２０の動作を制御する。記憶部１０４には、上述の各種プログラムの他に、温度マップ１０６とコンプレッサマップ１０８とドライアップマップ１０９とが記憶されている。温度マップ１０６は、大気圧（計測大気圧）の値に応じて燃料電池システム２０の動作を制御するために用いられるマップである。コンプレッサマップ１０８は、コンプレッサ６０４の性能特性を表すマップである。ドライアップマップ１０９は、電解質膜のドライアップを防止できる、燃料電池４０の温度とカソードの空気圧力との関係を示すマップである。
【００１３】
燃料電池４０は、反応ガスとして酸化剤ガスおよび燃料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。本実施形態では、酸化剤ガスは空気であり、燃料ガスは水素ガスである。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る。単セル４１は、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータとを備える。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置されたアノードと、電解質膜の他方の面に配置されたカソードとを有する。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、積層方向に挟まれた状態で締結されている。
【００１４】
燃料ガス給排系５０は、燃料ガス供給機能と、燃料ガス排出機能と、燃料ガス循環機能とを有する。燃料ガス供給機能は、燃料電池４０のアノードに燃料ガスを供給する機能である。燃料ガス排出機能は、燃料電池４０のアノードから排出される燃料ガス（「燃料排ガス」ともいう。）を外部に排出する機能である。燃料ガス循環機能は、燃料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。
【００１５】
燃料ガス給排系５０は、燃料電池４０の上流側に、燃料タンク５０２と、配管としての燃料ガス供給流路５１と、減圧弁５２と、開閉弁５６と、圧力センサ５５とを備える。燃料ガス供給流路５１は、燃料電池４０（詳細にはアノード）に燃料ガスとしての水素を供給するための配管である。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。燃料ガス供給流路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、燃料ガス供給流路５１の途中に設けられ、制御部１０２の指令に応じて燃料ガス供給流路５１を開閉する。減圧弁５２は、燃料ガス供給流路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１０２からの指令に応じて開度が制御されることで、燃料ガス供給流路５１の燃料ガスの圧力を調整する。圧力センサ５５は、燃料ガス供給流路５１のうち、後述する燃料ガス循環流路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１０２に送信される。
【００１６】
燃料ガス給排系５０は、さらに、燃料電池４０の下流側に、配管としての燃料ガス排出流路５９と、配管としての燃料ガス循環流路５４と、循環ポンプ５３と、排気弁５８と、を備える。燃料ガス排出流路５９は、燃料電池４０（詳細には、アノード）から燃料ガスを排出するための配管である。排気弁５８は、燃料ガス排出流路５９に設けられ、制御部１０２の指令に応じて燃料ガス排出流路５９を開閉する。制御部１０２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、燃料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。
【００１７】
燃料ガス循環流路５４は、燃料電池４０から排出された燃料ガスを、再び、燃料ガス供給流路５１に戻すための配管である。燃料ガス循環流路５４の上流端は、燃料ガス排出流路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。燃料ガス循環流路５４の下流端は、燃料ガス供給流路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１０２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、燃料ガス循環流路５４中の燃料ガスが燃料ガス供給流路５１に送り込まれる。
【００１８】
酸化剤ガス給排系６０は、燃料電池４０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機能と、燃料電池４０から排出される酸化剤ガス（「酸化剤オフガス」ともいう。）を外部に排出する酸化剤ガス排出機能と、供給される酸化剤ガスを燃料電池４０を介することなく外部に配置するバイパス機能と、備える。酸化剤ガス給排系６０は、カソードへの酸化剤ガスの供給と、カソードから排出された酸化剤ガスの排出と、を行うための酸化剤ガス流路６９を備える。
【００１９】
酸化剤ガス給排系６０は、酸化剤ガス供給流路６６と、エアクリーナ６０２と、コンプレッサ６０４と、モータ６０５と、インタークーラ６０６と、大気圧センサ６１と、外気温センサ６２と、エアフローメータ６４と、供給ガス温度センサ６３と、吐出側圧力センサ６５と、入口弁６１２と、を備える。
【００２０】
酸化剤ガス供給流路６６は、燃料電池４０の上流側に配置された配管である。エアクリーナ６０２は、酸化剤ガス供給流路６６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、燃料電池４０よりも上流側の酸化剤ガス供給流路６６に設けられ、制御部１０２からの指令に応じて圧縮した空気をカソードに向けて吐出する。コンプレッサ６０４は、遠心式のターボコンプレッサであり、制御部１０２からの指令に応じて動作するモータ６０５によって駆動される。コンプレッサ６０４は、吸入側から大気中の空気を吸い込んで、コンプレッサ６０４内に設けられた羽根車の回転によって空気を加圧し、加圧された空気を吐出側に供給する。インタークーラ６０６は、酸化剤ガス供給流路６６のうちでコンプレッサ６０４よりも下流側に設けられている。インタークーラ６０６は、コンプレッサ６０４によって圧縮されて高温となった空気を冷却する。入口弁６１２は、酸化剤ガス供給流路６６の流路抵抗を調整するための電動弁である。本実施形態において、コンプレッサ６０４が駆動して燃料電池４０が発電している際には入口弁６１２の開度は１００％に設定され、コンプレッサ６０４が停止して燃料電池４０の発電が停止された際には入口弁６１２の開度は０％に設定される。
【００２１】
大気圧センサ６１は、大気圧を計測する。大気圧センサ６１は、酸化剤ガス供給流路６６のうちでエアクリーナ６０２よりも上流側に配置されている。外気温センサ６２は、コンプレッサ６０４に取り込まれる酸化剤ガスとしての空気の温度を計測する。外気温センサ６２は、酸化剤ガス供給流路６６のうちでコンプレッサ６０４よりも上流側に配置されている。なお、大気圧センサ６１と外気温センサ６２は、上記配置位置に限られず、大気圧や外気温を計測できれば他の位置に配置されていてもよい。エアフローメータ６４は、コンプレッサ６０４に吸い込まれる酸化剤ガスの流量を計測する。エアフローメータ６４は、酸化剤ガス供給流路６６のうちでコンプレッサ６０４よりも上流側に配置されている。供給ガス温度センサ６３は、コンプレッサ６０４から吐出される酸化剤ガスとしての空気の温度を計測する。吐出側圧力センサ６５は、コンプレッサ６０４から吐出される酸化剤ガスとしての空気の圧力を計測する。吐出側圧力センサ６５の計測値は、燃料電池４０のカソード内の圧力とほぼ同じである。供給ガス温度センサ６３および吐出側圧力センサ６５は、酸化剤ガス供給流路６６のうちでコンプレッサ６０４よりも下流側に配置されている。各種センサ６１，６２，６３，６４，６５が計測した計測値は、制御部１０２に送信される。
【００２２】
酸化剤ガス給排系６０は、さらに、バイパス流路７２と、バイパス流路７２に配置された分流弁６１３と、酸化剤ガス排出流路６８と、燃料電池４０の下流側に位置する酸化剤ガス排出流路６８に配置された調圧弁６１４と、を備える。
【００２３】
バイパス流路７２は、一端が酸化剤ガス供給流路６６に接続され、他端が酸化剤ガス排出流路６８に接続された配管である。バイパス流路７２は、コンプレッサ６０４から吐出された空気を、燃料電池４０を経由することなく外部に排出するための流路である。分流弁６１３は、電動弁であり、制御部１０２からの指令に応じて弁開度を変更できる。分流弁６１３の弁開度が変更されることで、バイパス流路７２の流路抵抗が変更され、酸化剤ガス供給流路６６からバイパス流路７２に流入する空気の流量が調整される。
【００２４】
酸化剤ガス排出流路６８は、燃料電池４０のカソードから酸化剤オフガスとしての空気を排出するための配管である。調圧弁６１４は、電動弁であり、制御部１０２からの指令に応じて弁開度を変更できる。調圧弁６１４の弁開度が変更されることで、酸化剤ガス排出流路６８の流路抵抗が変更され、燃料電池４０のカソード側流路の背圧が調整される。
【００２５】
冷媒循環系８０は、冷媒循環流路８１と、ウォーターポンプ８５と、ラジエータ８２と、ラジエータファン８８と、三方弁８７と、温度センサ８６と、を備える。冷媒循環系８０は、冷媒としての水を用いて燃料電池４０の温度を調整する。冷媒循環流路８１は、冷媒供給流路８１ａと、冷媒排出流路８１ｂと、ラジエータ流路８１ｃと、冷媒バイパス流路８１ｄと、を備える。
【００２６】
冷媒供給流路８１ａは、燃料電池４０に冷媒を供給するための配管である。ウォーターポンプ８５は、制御部１０２の指令に応じて冷媒供給流路８１ａの冷媒を燃料電池４０に送り出す。冷媒排出流路８１ｂは、燃料電池４０から冷媒を排出するための配管である。温度センサ８６は、冷媒排出流路８１ｂに設けられており、燃料電池４０から排出される冷媒の温度を計測する。温度センサ８６によって計測された計測値は、制御部１０２に送信される。ここで、温度センサ８６によって計測される温度は、燃料電池４０の内部の温度とほぼ等しい。よって、本実施形態では、温度センサ８６によって計測された温度を燃料電池４０の温度とみなして制御を行う。
【００２７】
ラジエータ流路８１ｃは、冷媒供給流路８１ａと冷媒排出流路８１ｂとを接続する配管である。ラジエータ８２は、ラジエータ流路８１ｃに配置されている。ラジエータ８２には、ラジエータファン８８が設けられている。ラジエータファン８８は、制御部１０２からの指令に応じてラジエータ８２に風を送り、ラジエータ８２からの放熱の程度を制御する。
【００２８】
冷媒バイパス流路８１ｄは、ラジエータ８２を介することなく冷媒排出流路８１ｂの冷媒を冷媒供給流路８１ａに流通させるための配管である。三方弁８７は、冷媒バイパス流路８１ｄと冷媒排出流路８１ｂとの接続部に配置されている。三方弁８７は、制御部１０２からの指令に応じて、冷媒排出流路８１ｂからラジエータ流路８１ｃに流通する冷媒の流量と、冷媒排出流路８１ｂから冷媒バイパス流路８１ｄに流通する冷媒の流量とを調整する。
【００２９】
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、セル電圧センサ９１と、電流センサ９２とを備える。
【００３０】
セル電圧センサ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。セル電圧センサ９１は、その計測結果を制御部１０２に送信する。電流センサ９２は、燃料電池４０による出力電流の値を計測し、制御部１０２に送信する。
【００３１】
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１０２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１０２によって設定される。制御部１０２は、燃料電池４０の要求電力量を用いて要求電流値を算出することで電流指令値を生成する。制御部１０２は、例えば、燃料電池車両２００のアクセルの開度に応じて要求電力量を決定する。
【００３２】
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１０２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。
【００３３】
ＢＤＣ９７は、制御部１０２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１０２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。
【００３４】
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。
【００３５】
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１０２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。
【００３６】
図３は、燃料電池４０の温度と燃料電池４０からの水の流出量との関係を示す図である。一点鎖線の曲線は、カソードへの空気の供給圧力が１００ｋＰａのときの関係を示し、実線の曲線は、カソードへの空気の供給圧力が２００ｋＰａのときの関係を示している。図３に示すように、供給圧力（コンプレッサ６０４の吐出圧力）の高低に拘わらず、燃料電池４０の温度が高くなるに従い、カソードから排出される酸化剤ガスと共に燃料電池４０から排出される水（水蒸気）の量は指数関数的に増加する。一方で、カソードへの空気の供給圧力（コンプレッサ６０４の吐出圧力）が高くなると、燃料電池の温度が同じ場合でも、水の排出量は減少する。
【００３７】
図４は温度マップ１０６を説明するための図である。温度マップ１０６は、要求電流値ごとに、燃料電池の目標温度と、大気圧センサ６１によって計測された計測大気圧とを関連付けたマップである。図４では、ある要求電流値のときの目標温度と計測大気圧との関係を示している。温度マップ１０６は、要求電流値ごとに、計測大気圧が予め定められた基準大気圧から低下するに伴って、燃料電池の目標温度が低下する関係を定めている。図４に示す、ある要求電流値における温度マップ１０６において、計測大気圧が基準気圧の場合は目標温度が「ＴＥａ」となり、計測大気圧が基準気圧よりも低い「ＰＥｂ」の場合は目標温度が「ＴＥａ」よりも低い「ＴＥｂ」となる。例えば、温度ＴＥａは６０℃であり、温度ＴＥｂは４０℃である。本実施形態において、基準大気圧は標準気圧に設定されている。温度マップ１０６において、基準大気圧以上では燃料電池４０の目標温度は一定の値に設定されている。温度マップ１０６において、燃料電池４０の目標温度は、計測大気圧の低下に伴ってコンプレッサマップ１０８の吐出圧力を低下させた場合に、電解質膜にドライアップが生じない温度に設定されている。
【００３８】
次に、計測大気圧と燃料電池４０の目標温度との温度マップ１０６の導出方法を説明する。図５は、ドライアップマップ１０９を示す図である。ドライアップマップ１０９は、電解質膜のドライアップを防止できる、燃料電池４０の温度とカソードの空気圧力との関係を示すマップである。図５に示すドライアップマップ１０９は実験により求められる。ドライアップとは、電解質膜の湿潤の度合いが低くなり、燃料電池４０の発電効率が著しく低下する状態である。例えば、燃料電池４０のインピーダンスが予め定められた閾値を超えた場合に、ドライアップが発生していると判別できる。燃料電池４０の温度は、温度センサ８６（図１）の計測値を用いている。図５の縦軸の空気圧は、燃料電池４０のカソード内の空気圧であり、吐出側圧力センサ６５（図１）の計測値を用いている。図５において、基準ラインＳＬよりも上側の領域（ドライアップ防止領域）ではドライアップが生じず、基準ラインＳＬよりも下側の領域（ドライアップ領域）ではドライアップが生じる。制御部１０２は、ドライアップマップ１０９を参照して、ドライアップ防止領域の吐出圧力を目標吐出圧力として決定する。
【００３９】
図６は、コンプレッサ６０４の性能特性を示すコンプレッサマップ１０８を示す図である。図６において、縦軸はコンプレッサ６０４の圧力比を表し、横軸はコンプレッサ６０４の吐出流量を表している。コンプレッサ６０４の動作点は、圧力比と吐出流量との組み合わせで定められている。サージング領域は、コンプレッサ６０４にサージングが生じる動作点の領域である、サージラインは、サージング領域に含まれない動作点の範囲の限界を表すラインである。圧力比は、コンプレッサ６０４の吸入側の空気圧（吸入圧力）に対する吐出側の空気圧（吐出圧力）の比である。制御部１０２は、目標とする空気の吐出流量を以下の式（１）を用いて算出する。以下の式（１）の吐出流量は、修正流量とも言われる。
【００４０】
【数１】
2019145433.tif 000003
流量（ＮＬ／ｍｉｎ）は、燃料電池４０の要求電流の目標値（目標要求電流値）を用いて制御部１０２が決定したコンプレッサ６０４が吸入する空気の質量流量である。制御部１０２は、例えば流量と要求電流値との関係を示したマップを参照することで、要求電流値に対する流量を決定する。このマップは例えば記憶部１０４に記憶される。吸入空気温度は、外気温センサ６２（図１）の計測値である。標準空気温度は、基準となる吸入空気の温度であり、予め定められた値（例えば２５℃）である。吸入空気圧は、コンプレッサ６０４が吸入する現実の空気の圧力であり、大気圧センサ６１（図１）の計測値である。標準空気圧は、コンプレッサ６０４が吸入する空気の基準となる圧力であり、予め定められた値（例えば、標準気圧）である。
【００４１】
図６に示すように、大気圧が標準気圧の環境下のときに、制御部１０２が動作点Ａにおいてコンプレッサ６０４を動作させていた場合において、燃料電池車両２００が高地へと移動した場合を考える。燃料電池車両２００が高地へと移動し、計測大気圧が基準大気圧よりも低くなった場合、動作点が動作点Ａから低下後動作点Ｂへと移行する。つまり、コンプレッサ６０４において動作点Ａのときと同じ吐出圧力を実現しようとすると、大気圧の低下に伴い圧力比が上昇する。圧力比の上昇の程度によっては、動作点Ａがサージング領域に位置する低下後動作点Ｂへと移行する場合がある。ここで、大気圧が標準大気圧よりも低くなった場合において、動作点Ａと同じ吐出圧力を実現しつつ、低下後動作点Ｂでのコンプレッサ６０４の動作を回避するために、動作点を動作点Ａからサージング領域の外側に位置する動作点Ｄへと移行させることが考えられる。しかしながら、コンプレッサ６０４を動作点Ｄで動作させた場合、吐出流量が動作点Ａのときよりも増大するため、増大した流量分の空気を、分流弁６１３（図１）を開いてバイパス流路７２に分流させる必要が生じる。つまり、動作点Ａから動作点Ｄへとコンプレッサ６０４の動作点を移行させた場合、燃料電池４０から要求される空気の流量よりも多い流量をコンプレッサ６０４によって吐出させる必要がある。よって、コンプレッサ６０４の消費電力が増大することで、燃料電池システム２０の燃費が悪くなる恐れがある。
【００４２】
一方で、大気圧が標準気圧よりも低くなった場合において、コンプレッサ６０４の吐出流量を維持しつつ、サージング領域の外側に位置する動作点でコンプレッサ６０４を動作させる場合としては以下の制御が考えられる。つまり、大気圧の低下によって、動作点が動作点Ａから低下後動作点Ｂへと移行する場合、制御部１０２は調圧弁６１４（図１）の開度を上げることで吐出圧力を低下させてサージング領域の外側に位置する動作点Ｃでコンプレッサ６０４を動作させる。しかしながら、吐出圧力を低下させたことによって、図３に示すように燃料電池４０からの水の流出量が増大するために、電解質膜がドライアップする可能性が生じ得る。
【００４３】
よって、本実施形態では、大気圧が標準気圧よりも低下した場合においても、バイパス流路７２によって空気を外部に排出することを抑制しつつ電解質膜がドライアップすることを抑制できる、燃料電池４０の温度およびコンプレッサ６０４の吐出圧力を制御部１０２が決定する。具体的には、図６に示すコンプレッサマップ１０８を用いて、標準気圧よりも低い大気圧の値ごとに、標準気圧のときよりも低い吐出圧力となるコンプレッサ６０４の動作点を調整動作点として導出する。次に、図５に示す関係を用いて、調整動作点の吐出圧力において、電解質膜のドライアップが生じない燃料電池４０の目標温度を設定する。図６に示す調整動作点ラインは、大気圧が大気圧ＰＥｂ（図４）のときに導出された調整動作点を結ぶラインであり、通常動作点ラインは、大気圧が標準気圧以上のときの動作点を結ぶラインである。
【００４４】
図７は、制御部１０２が実行する制御の第１のフローチャートである。第１のフローチャートのルーチンは、燃料電池車両の起動スイッチがＯＮ状態において一定時間間隔ごとに繰り返し実行される。
【００４５】
まず、制御部１０２は、燃料電池４０の要求電力量から要求電流値を算出する（ステップＳ１０）。また、制御部１０２は大気圧センサ６１の計測大気圧を取得する（ステップＳ２０）。
【００４６】
次に、制御部１０２は、温度マップ１０６（図４）を用いて、燃料電池４０の目標温度を決定する（ステップＳ３０）。次に制御部１０２は、ドライアップマップ１０９（図５）を用いて燃料電池４０の目標温度に応じたコンプレッサ６０４の目標吐出圧力を決定する（ステップＳ４０）。例えば、前回のルーチンにおいて計測大気圧が基準大気圧であり、今回のルーチンにおいて計測大気圧が基準大気圧から低下した場合（ステップＳ２０）は、制御部１０２はステップＳ３０〜ステップＳ４０において以下の制御を実行する。まず、温度マップ１０６（図４）を用いて、計測大気圧が低下するに伴って燃料電池４０の目標温度を低下させる（ステップＳ３０）。また、制御部１０２は、ドライアップマップ１０９を用いて、燃料電池４０の目標温度の低下に伴ってコンプレッサ６０４の目標吐出圧力を低下させる（ステップＳ４０）。
【００４７】
図８は、制御部１０２が実行する制御の第２のフローチャートである。制御部１０２は、ステップＳ３０およびステップＳ４０において、目標温度と目標吐出圧力とを決定した後に、第２のフローチャートを実行する。つまり、制御部１０２は、目標温度となるように冷媒循環系８０を制御して燃料電池４０の温度を調整する（ステップＳ１００）。例えば、目標温度が前回のルーチンよりも下がった場合、制御部１０２は以下の第１の方法と第２の方法との少なくともいずれかの冷媒循環系８０の制御方法を用いて燃料電池４０の温度を低下させる。
＜第１の方法＞
ウォーターポンプ８５によって燃料電池４０に供給される冷媒の流量を増やす。
＜第２の方法＞
三方弁８７を制御してラジエータ流路８１ｃを流れる冷媒の流量を増やす。
【００４８】
次に、制御部１０２は、調圧弁６１４（図１）の開度を制御して、目標吐出圧力となるように吐出圧力を調整する（ステップＳ１１０）。例えば、目標吐出圧力が前回のルーチンよりも下がった場合、制御部１０２は調圧弁６１４の開度を上げることで吐出圧力を低下させる。ここで、調圧弁６１４の開度を上げた場合、酸化剤ガス供給流路６６の流路抵抗が低くなりコンプレッサ６０４の吐出流量が増大する。よって、吐出流量を一定に維持するために、制御部１０２はコンプレッサ６０４の回転数を低下させる。以上のように、制御部１０２は、計測大気圧が基準大気圧から低下するに伴って、燃料電池４０の温度を低下させるように冷媒循環系８０を制御すると共に、調圧弁６１４を制御してコンプレッサ６０４の吐出圧力を低下させる温度・圧力低下制御を実行する（ステップＳ３０、ステップＳ４０、ステップＳ１００、ステップＳ１１０）。
【００４９】
上記第１実施形態によれば、制御部１０２は、計測大気圧が予め定められた基準大気圧から低下するに伴って、冷媒循環系８０を制御して燃料電池４０の温度を低下させている（図７のステップＳ２０，ステップＳ４０、図８のステップＳ１００）。また、制御部１０２は、計測大気圧が予め定められた基準大気圧から低下するに伴って、調圧弁６１４を制御してコンプレッサ６０４の吐出圧力を低下させている（図７のステップＳ５０、図８のステップＳ１１０）。これにより、計測大気圧が基準大気圧から低下するに伴いコンプレッサ６０４の吐出圧力を低下させることで、吐出流量を増大させることを要することなくコンプレッサ６０４の動作点がサージング領域内に位置する可能性を低減できる。これにより、吐出流量を増大させることに起因したコンプレッサ６０４の消費電力の増大を抑制できる。また、コンプレッサ６０４の消費電力の増大を抑制できるので、コンプレッサ６０４に供給される燃料電池４０の電力量を低減できる。これにより、燃料電池４０の発電量が増大することを抑制できるので、燃料電池４０の温度上昇を抑制できる。また、計測大気圧が基準大気圧から低下した場合において、コンプレッサ６０４の吐出流量を増大させる必要がないので燃料電池システム２０の効率が低下する可能性を低減できる。つまり、燃料電池システム２０によれば、増大した吐出流量分の空気をバイパス流路７２から外部に排出させる必要がない。
【００５０】
また上記第１実施形態によれば、制御部１０２は、温度マップ１０６を参照することで、要求電流値と計測大気圧とによって定まる目標温度となるように冷媒循環系８０を制御して燃料電池４０の温度を調整している（図７のステップＳ３０、図８のステップＳ１００）。また燃料電池４０の目標温度は、電解質膜のドライアップが生じない温度に設定されている。これにより、コンプレッサ６０４の吐出圧力を低下させた場合において、電解質膜にドライアップが生じることを抑制できる。これにより、燃料電池システム２０に電解質膜を加湿するための加湿器を設ける必要がないので、燃料電池システム２０のコストが上昇することを抑制できる。
【００５１】
Ｂ．第２実施形態：
上記第１実施形態では、制御部１０２は、計測大気圧が基準大気圧から低下するに伴って、一律に燃料電池４０の温度を低下させると共にコンプレッサ６０４の吐出圧力を低下させていたが、これに限定されるものではない。以下に制御部１０２が実行する第１のフローチャートの第２実施形態について説明する。図９は、制御部１０２が実行する第２実施形態の第１のフローチャートである。第１実施形態の第１のフローチャート（図７）と異なる点は、新たにステップＳ２５とステップＳ５０とを設けた点である。その他のステップについては第１実施形態の第１のフローチャートと同様の工程であるため、同様の工程については同一符号を付すと共に説明を省略する。第２実施形態における第１のフローチャートのルーチンは、第１実施形態の第１のフローチャートのルーチンと同様、燃料電池車両２００の起動スイッチがＯＮ状態において一定時間間隔ごとに繰り返し実行される。
【００５２】
制御部１０２はステップＳ２０の次に、計測大気圧の変動によってコンプレッサマップ１０８の動作点がサージング領域の外側に位置するか否かを判定する（ステップＳ２５）。つまり、ステップＳ２５では、コンプレッサ６０４の吸入圧力の変動によってコンプレッサ６０４の圧力比が変動することで、動作点がサージング領域の外側からサージング領域内に移行するか否かを判定する。ステップＳ２５において、制御部１０２は、動作点がサージング領域の外側に位置すると判定した場合は、温度・圧力低下制御を実行することなく、燃料電池４０の目標温度を決定する（ステップＳ５０）。つまり、ステップＳ５０では、温度・低下圧力制御における温度の制御を受けることなく、燃料電池４０の発電効率が良い目標温度に決定できる。例えば、ステップＳ５０では、制御部１０２は、現在の目標温度を低下させることなく維持する。
【００５３】
一方で、ステップＳ２５において、制御部１０２は、動作点がサージング領域の外側に位置しない、つまり動作点がサージング領域内であると判定した場合は、温度マップ１０６（図４）を用いて、燃料電池４０の目標温度を決定する（ステップＳ３０）。また、制御部１０２は、動作点がサージング領域の外側に位置しないと判定した場合は、ドライアップマップ１０９（図５）を参照して、燃料電池４０の目標温度に応じたコンプレッサ６０４の目標吐出圧力を決定する（ステップＳ４０）。
【００５４】
例えば、前回のルーチンにおいて計測大気圧が基準大気圧であり、今回のルーチンにおいて計測大気圧が基準大気圧から低下した場合（ステップＳ２０）は、制御部１０２はステップＳ２５〜ステップＳ５０において以下の制御を実行する。まず上記のごとくステップＳ２５の判定を行い、ステップＳ２５において「Ｙｅｓ」の判定を行った場合は、温度・圧力制御を実行することなく、燃料電池４０の目標温度を決定する（ステップＳ５０）。一方で、ステップＳ２５において「Ｎｏ」の判定を行った場合は、温度マップ１０６（図４）を用いて、計測大気圧が低下するに伴って燃料電池４０の目標温度を低下させる（ステップＳ３０）。また、制御部１０２は、ドライアップマップ１０９を参照して、燃料電池４０の目標温度の低下に伴ってコンプレッサ６０４の目標吐出圧力を低下させる（ステップＳ４０）。ステップＳ４０では、動作点がサージング領域の外側に位置するように目標吐出圧力が決定される。
【００５５】
第２実施形態における第１のフローチャートが実行された後に、第１実施形態の第２のフローチャート（図８）と同様の処理が実行される。第２実施形態におけるステップＳ１１０では、コンプレッサ６０４の吐出圧力を低下させることで、例えば、図６に示すように、動作点を動作点Ａからサージング領域の外側に位置する動作点Ｃへと移行させる。なお、図９において、ステップＳ５０によって目標温度が決定された場合は、決定された目標温度となるように冷媒循環系８０を制御して燃料電池４０の温度が調整されると共に、吐出圧力が維持されつつ吸入圧力が計測大気圧となる動作点でコンプレッサ６０４が動作する。
【００５６】
上記第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の構成を有する点において同様の効果を奏する。また第２実施形態によれば、低下後動作点がサージング領域内に位置する場合は、温度・圧力低下制御を実行することで、コンプレッサ６０４をサージング領域の外側に位置する動作点で動作させることができる。また上記第２実施形態によれば、低下後動作点がサージング領域の外側に位置する場合は、温度・圧力低下制御を実行しないので、温度・圧力低下制御における温度の制御を受けることなく、燃料電池４０の発電効率が良い温度条件で燃料電池４０を発電させることが可能となる。
【００５７】
Ｃ．他の実施形態：
上記各実施形態によれば、コンプレッサ６０４は遠心式のターボコンプレッサを用いていたが、これに限定されるものではない。コンプレッサ６０４は、例えば、軸流式のターボコンプレッサであってもよいし、容積式のコンプレッサであってもよい。また、上記各実施形態では、基準大気圧が標準気圧であったがこれに限定されるものではなく、基準大気圧は標準気圧よりも低くても高くてもよい。標準大気圧は、例えば、燃料電池車両２００が一般的に走行する標高における大気圧としてもよい。上記各実施形態によれば、燃料電池システム２０は、温度マップ１０６やコンプレッサマップ１０８やドライアップマップ１０９を備えていたが（図１）、外部のサーバがこれらのマップ１０６，１０８，１０９を記憶し、制御装置１００は外部のサーバに記憶されたマップ１０６，１０８，１０９を参照してもよい。
【００５８】
なお、本開示は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の変形態様の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の変形態様の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、実施形態と変形態様と変形例とを組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５９】
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…燃料ガス給排系
５１…燃料ガス供給流路
５２…減圧弁
５３…循環ポンプ
５４…燃料ガス循環流路
５５…圧力センサ
５６…開閉弁
５８…排気弁
５９…燃料ガス排出流路
６０…酸化剤ガス給排系
６１…大気圧センサ
６２…外気温センサ
６３…供給ガス温度センサ
６４…エアフローメータ
６５…吐出側圧力センサ
６６…酸化剤ガス供給流路
６８…酸化剤ガス排出流路
６９…酸化剤ガス流路
７２…バイパス流路
８０…冷媒循環系
８１…冷媒循環流路
８１ａ…冷媒供給流路
８１ｂ…冷媒排出流路
８１ｃ…ラジエータ流路
８１ｄ…冷媒バイパス流路
８２…ラジエータ
８５…ウォーターポンプ
８６…温度センサ
８７…三方弁
８８…ラジエータファン
９１…セル電圧センサ
９２…電流センサ
９５…ＦＤＣ
９６…二次電池
９７…ＢＤＣ
９８…ＤＣ／ＡＣインバータ
１００…制御装置
１０２…制御部
１０４…記憶部
１０６…温度マップ
１０８…コンプレッサマップ
１０９…ドライアップマップ
２００…燃料電池車両
２５０…負荷
５０２…燃料タンク
６０２…エアクリーナ
６０４…コンプレッサ
６０５…モータ
６０６…インタークーラ
６１２…入口弁
６１３…分流弁
６１４…調圧弁
【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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