(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池にカソードガス及びアノードガスを供給するガス供給装置の動力をアシストするタービンと、
前記ガス供給装置から供給されるカソードガスを用いることにより、前記燃料電池のアノードガスを燃焼させて燃焼後ガスを前記タービンに排出する燃焼器と、
前記燃焼器に供給されるアノードガスを制御するアクチュエータと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池に要求される負荷に基づいて、前記ガス供給装置の動力を制御する動力制御ステップと、
前記負荷が高いときには、前記負荷が低いときに比べて前記タービンの回収動力が大きくなるように、前記燃焼器に供給されるアノードガスを増加させる燃焼制御ステップと、を備え、
前記ガス供給装置は、前記タービンに連結され、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサを含み、
前記燃料電池は、前記負荷及び前記コンプレッサに電力を供給するよう構成され、
前記燃焼制御ステップは、前記負荷が所定の閾値よりも高くなった場合には、前記燃焼器へのアノードガスの供給量を増やして前記タービンに排出される燃焼後ガスの温度を上昇させ、
前記所定の閾値は、前記コンプレッサの消費電力の許容値に基づいて前記燃焼器の温度が上がり過ぎないように予め設定された値である、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃焼制御ステップは、前記負荷が所定の閾値よりも高くなった場合には、前記コンプレッサの動力と前記タービンの回収動力との差分が前記許容値以下となるように、前記燃焼後ガスの温度を上昇させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記動力制御ステップは、前記負荷に基づいて、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力及び流量を演算し、
前記燃焼制御ステップは、前記演算されたカソードガスの圧力及び流量の少なくとも一方に基づいて前記燃焼後ガスの温度を演算し、当該燃焼後ガスの温度となるように前記アクチュエータを駆動する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃焼制御ステップは、前記カソードガスの圧力が大きくなるほど、前記燃焼後ガスの温度を上昇させる、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の温度を検出するセンサをさらに含み、
前記燃焼制御ステップは、前記燃料電池の温度が高くなるほど、前記カソードガスの圧力を大きくする、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項３から５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池のインピーダンスを計測する計測装置をさらに含み、
前記動力制御ステップは、前記インピーダンスに基づき前記燃料電池の電解質膜を湿させる場合には、前記カソードガスの圧力を上げる制御よりも優先して前記カソードガスの流量を下げる制御を実行する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
燃料電池にカソードガス及びアノードガスを供給するガス供給装置の動力をアシストするタービンと、
前記ガス供給装置から供給されるカソードガスを用いることにより、前記燃料電池のアノードガスを燃やして燃焼後ガスを前記タービンに排出する燃焼器と、
前記燃焼器に供給されるアノードガスを制御するアクチュエータと、
前記燃料電池に接続される負荷に基づいて、前記ガス供給装置の動力を制御する動力制御部と、
前記負荷が高いときには、前記負荷が低いときに比べて前記タービンの回収動力が大きくなるように前記燃焼器に供給されるアノードガスを増加させる燃焼制御部と、を備え、
前記ガス供給装置は、前記タービンに連結され、前記燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサを含み、
前記燃料電池は、前記負荷及び前記コンプレッサに電力を供給するよう構成され、
前記燃焼制御部は、前記負荷が所定の閾値よりも高くなった場合には、前記燃焼器へのアノードガスの供給量を増やして前記タービンに排出される燃焼後ガスの温度を上昇させ、
前記所定の閾値は、前記コンプレッサの消費電力の許容値に基づいて前記燃焼器の温度が上がり過ぎないように予め設定された値である、
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、燃料電池に用いられる補機の動力をアシストするタービンを備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池に空気を供給する圧縮機に連結されたタービンと、燃料電池からの排空気及び排ガスを燃焼して燃焼ガスをタービンに排出する燃焼器とを備える発電設備が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１１９２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の発電設備は、ガス供給装置である圧縮機からの圧縮空気を燃焼器に供給して燃焼器への供給空気量を増やす構成であるため、タービンで回収される動力、すなわちガス供給装置の動力をアシストする力が増加する。このような構成を、例えば、車両に搭載した燃料電池システムに適用することも可能である。
【０００５】
しかしながら、上述のような燃料電池システムにおいては、運転頻度の高い低負荷状態で燃焼器への水素供給量を増やしてしまうと、システムのエネルギー効率を低下させることになる。一方、高負荷状態で燃焼器への水素供給量を減らすとタービンの回収動力を下げてしまうことになるため、ガス供給装置の動力をタービンで十分に補えなくなり、例えばコンプレッサ用の駆動モータへの要求性能が高くなることなどが懸念される。
【０００６】
本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、エネルギー効率の低下を抑制しつつ製造コストを低減する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって上述の課題を解決する。
【０００８】
本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、燃料電池にカソードガス及びアノードガスを供給するガス供給装置の動力をアシストするタービンと、ガス供給装置から供給されるカソードガスを用いて燃料電池のアノードガスを燃焼させて燃焼後ガスをタービンに排出する燃焼器と、燃焼器に供給されるアノードガスを制御するアクチュエータとを備える。この燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に要求される負荷に基づいて、ガス供給装置の動力を制御する動力制御ステップと、負荷が高いときには、負荷が低いときに比べてタービンの回収動力が大きくなるように燃焼器に供給されるアノードガスを増加させる燃焼制御ステップとを含んでいる。ガス供給装置は、タービンに連結され、燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサを含む。燃料電池は、負荷及びコンプレッサに電力を供給するよう構成されている。そして、燃焼制御ステップは、負荷が所定の閾値よりも高くなった場合には、燃焼器へのアノードガスの供給量を増やして前記タービンに排出される燃焼後ガスの温度を上昇させる。所定の閾値は、コンプレッサの消費電力の許容値に基づいて燃焼器の温度が上がり過ぎないように予め設定された値である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のある態様によれば、燃料電池の負荷が高いときには、燃焼器へのアノードガスの供給量が増加するので、燃焼器からタービンへの燃焼後ガスの温度が上昇してタービンの回収動力が大きくなる。したがって、高負荷状態において、例えば、ガス供給装置を構成するコンプレッサの消費電力の増加が抑制されるので、コンプレッサ用の駆動モータを小型にすることが可能となる。
【００１０】
一方、燃料電池の負荷が低いときには、燃焼器へのアノードガスの供給量が減少するので、タービンの回収動力が小さくなり、アノードガスが無用に消費されるのを抑制することができる。したがって、燃料電池システムにおいてエネルギー効率の低下を抑制しつつ製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、ノズルベーンが開いている状態を説明する図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、ノズルベーンが閉じている状態を説明する図である。
【図３】図３は、本実施形態による燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、燃料電池の負荷の変動に伴う燃料電池システムの状態の変化を示す図である。
【図５】図５は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成例を示すブロック図である。
【図６】図６は、燃料電池に供給すべき空気圧力の目標値を算出する機能構成例を示すブロック図である。
【図７】図７は、燃料電池に供給すべき空気流量の目標値及びコンプレッサから吐出すべき空気流量の目標値を算出する機能構成例を示すブロック図である。
【図８】図８は、タービン入口温度の目標値を算出する機能構成例を示すブロック図である。
【図９】図９は、タービン入口温度の目標値を算出する際に用いられるマップを説明する観念図である。
【図１０】図１０は、タービンの回収動力マップを示す観念図である。
【図１１】図１１は、図９に示したマップを生成するための生成手法を説明する図である。
【図１２】図１２は、燃料電池の負荷の変動に伴う燃料電池システムの状態の変化を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態における燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、本発明の第３実施形態によるコントローラの機能構成例を示すブロック図である。
【図１５】図１５は、本実施形態による燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、カソードガスを供給及び排出するためのカソード給排機構１２と、アノードガスを供給及び排出するためのアノード給排機構１４と、カソードガスの動力を回収するための動力回収機構１６と、燃料電池スタック１０を冷却するためのスタック冷却機構１７と、コントローラ２０と、を有している。
【００１４】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池を積層した積層電池である。燃料電池スタック１０は、アノード給排機構１４からのアノードガス（水素）の供給及びカソード給排機構１２からのカソードガス（空気）の供給を受けて、車両の走行に必要な電力を発電する。この発電電力は、燃料電池システム１００を作動するときに使用される各種の補機類や、図示しない車輪駆動用のモータで使用される。燃料電池スタック１０の正極端子及び負極端子には、燃料電池スタック１０に形成された電解質膜の湿潤状態に相関するインピーダンスを計測する計測装置１１が接続されている。
【００１５】
計測装置１１は、燃料電池スタック１０の正極端子に交流電流を供給し、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子に生じる電圧の交流成分を検出する。そして計測装置１１は、供給した交流電流と検出した電圧の交流成分とに基づいて、燃料電池スタック１０の交流抵抗、すなわちＨＦＲ（High frequency Resistance）を演算する。計測装置１１は、演算したＨＦＲをＨＦＲ計測値としてコントローラ２０に入力する。なお、計測装置１１は、燃料電池スタック１０の出力圧力や出力電流などを計測してもよい。
【００１６】
カソード給排機構１２は、カソードガス供給通路２２と、カソードガス排出通路２４と、を備えている。
【００１７】
カソードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１０に供給される空気が流れる通路である。カソードガス供給通路２２の一端はガスフィルタ２３に接続され、他端は燃料電池スタック１０に接続される。
【００１８】
そして、カソードガス供給通路２２には、上流から順に、エアフローセンサ２６と、インタークーラ２８と、空気圧力センサ３０と、カソードバイパス弁３２を有するカソードバイパス通路３３と、が設けられている。
【００１９】
エアフローセンサ２６は、カソードガス供給通路２２において、動力回収機構１６のコンプレッサ５０の吸気入口に設けられている。エアフローセンサ２６は、コンプレッサ５０に吸入される空気の流量を検出する。以下では、このエアフローセンサ２６の検出値を「コンプレッサ流量検出値」とも記載する。エアフローセンサ２６で検出されたコンプレッサ流量検出値は、コントローラ２０に入力される。
【００２０】
インタークーラ２８は、コンプレッサ５０から吐出された空気を冷却する。空気圧力センサ３０は、カソードガス供給通路２２内の圧力、すなわち燃料電池スタック１０に供給される空気の圧力を検出する。以下では、この空気圧力センサ３０の検出値を「空気圧力検出値」とも記載する。空気圧力センサ３０で検出された空気圧力検出値は、コントローラ２０に入力される。
【００２１】
カソードバイパス弁３２は、燃料電池スタック１０をバイパスしてカソードガス排出通路２４に供給する空気量を調節する調圧弁であり、コントローラ２０によって開閉制御される。カソードバイパス弁３２は、コンプレッサ５０から供給された空気の一部を、カソードバイパス通路３３を介して燃料電池スタック１０をバイパスしてカソードガス排出通路２４に排出する。
【００２２】
すなわち、カソードバイパス弁３２は、燃料電池スタック１０へ供給する空気流量を、燃料電池スタック１０の要求に応じて調節する。また、本実施形態では、カソードバイパス通路３３は、カソードガス排出通路２４における後述するミキサ３４の上流に連通されている。したがって、カソードガス供給通路２２内の空気をカソードガス排出通路２４に供給し、ミキサ３４に供給するカソード排ガスの酸素濃度を向上させることができる。なお、カソードバイパス弁３２の開閉は、コントローラ２０により制御される。
【００２３】
さらに、カソードガス排出通路２４は、一端が燃料電池スタック１０のカソード出口に接続されるとともに、他端がタービン５２に連結されている。カソードガス排出通路２４には、燃料電池スタック１０からタービン５２に向かって順に、ミキサ３４と、触媒燃焼器３６と、タービン入口温度センサ３８と、が設けられている。
【００２４】
ミキサ３４は、アノード給排機構１４から供給されるアノードガスとカソードガス排出通路２４から流入するカソード排ガスを混合して混合ガスとし、触媒燃焼器３６に送り出す。
【００２５】
触媒燃焼器３６は、白金等による触媒作用でこの混合ガスを触媒燃焼させる。なお、ミキサ３４から流入して触媒燃焼器３６に供給される混合ガスには、上述したカソードバイパス通路３３を介してカソードガス排出通路２４に供給される高酸素濃度の空気と、燃料電池スタック１０から排出された低酸素濃度のカソード排ガスが含まれることとなる。なお、本実施形態では、燃焼器として触媒燃焼器３６を用いることで、拡散燃焼方式の燃焼器や希薄予混合燃焼方式の燃焼器を用いる場合と比較して、窒素化合物（Ｎｏｘ）の発生が抑制される。
【００２６】
タービン入口温度センサ３８は、触媒燃焼器３６で燃焼された後に残った燃焼後ガスの温度、すなわち動力回収機構１６のタービン５２に供給される燃焼後ガスの温度（以下では、「タービン入口温度」とも記載する）を検出する。なお、タービン入口温度センサ３８で検出されたタービン入口温度の検出値は、コントローラ２０に入力される。
【００２７】
次に、アノード給排機構１４について説明する。本実施形態におけるアノード給排機構１４は、高圧タンク６０と、スタック用アノードガス供給通路６２と、燃焼用アノードガス供給通路６４と、循環ポンプ７１を有するアノードガス循環通路７２と、パージ弁７３を有するアノードガス排出通路７４と、を備えている。
【００２８】
高圧タンク６０は、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスである水素を高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。
【００２９】
スタック用アノードガス供給通路６２は、高圧タンク６０から排出される水素を燃料電池スタック１０に供給する通路である。スタック用アノードガス供給通路６２の一端は高圧タンク６０に接続され、他端は燃料電池スタック１０のアノード入口孔に接続される。
【００３０】
また、スタック用アノードガス供給通路６２には、アノードガス供給弁６６と、水素圧力検出センサ６７と、が設けられている。アノードガス供給弁６６は、燃料電池スタック１０への水素の供給量を任意に調節する調圧弁である。水素圧力検出センサ６７は、燃料電池スタック１０に供給される水素の圧力を検出する。なお、水素圧力検出センサ６７で検出された水素圧力の検出値は、コントローラ２０に入力される。
【００３１】
一方、燃焼用アノードガス供給通路６４は、高圧タンク６０から排出される水素の一部を、触媒燃焼器３６における燃焼に用いるためにミキサ３４に供給する通路である。そして、燃焼用アノードガス供給通路６４は、その一端がスタック用アノードガス供給通路６２に連通して分岐しており、他端がミキサ３４に連結されている。
【００３２】
また、燃焼用アノードガス供給通路６４には、ミキサ３４への水素供給量を任意に調節する燃焼器水素供給弁６８が設けられている。燃焼器水素供給弁６８は、その開度が連続的又は段階的に調節されることでミキサ３４への水素供給量を適宜調節する調圧弁である。
【００３３】
アノードガス循環通路７２は、燃料電池スタック１０から排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスに合流させることでアノードオフガスを燃料電池スタック１に導入して循環させる通路である。アノードガス循環通路７２の一端は燃料電池スタック１０のアノード出口孔に接続され、他端はアノードガス供給弁６６よりも下流に位置するスタック用アノードガス供給通路６２に接続される。
【００３４】
循環ポンプ７１は、アノードガス循環通路７２に設けられ、アノード排ガスを燃料電池スタック１０の入口に供給するためのポンプである。循環ポンプ７１の回転速度はコントローラ２０によって制御される。例えば、燃料電池スタック１０における電解質膜の湿潤度を上げるときに循環ポンプ７１の回転速度を高くする。
【００３５】
パージ弁７３は、燃料電池スタック１０のカソード側からアノード側に透過してくる窒素をアノード系外に排水するための弁である。パージ弁７３はコントローラ２０によって開閉制御される。
【００３６】
アノードガス排出通路７４は、燃料電池スタック１０から排出されるアノード排ガス中の窒素を、パージ弁７３を介して排出する通路である。アノードガス排出通路７４の一端はアノードガス循環通路７２に接続される。また、パージ弁７３を開いて窒素を排出する際には水素も同時に排出されるため、排出される水素を希釈するためにアノードガス排出通路７４の他端はタービン排気通路５３に接続される。
【００３７】
次に、動力回収機構１６について説明する。動力回収機構１６は、コンプレッサ５０と、タービン５２と、コンプレッサ駆動モータ５４と、を備えている。
【００３８】
コンプレッサ５０は、コンプレッサ駆動モータ５４及びタービン５２と回転駆動軸５７を介して接続されている。コンプレッサ５０は、回転駆動されて外気を吸入し、カソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０にカソードガスを供給するように構成されている。なお、コンプレッサ５０は、コンプレッサ駆動モータ５４及びタービン５２の一方又は双方の動力のいずれかにより駆動することができる。
【００３９】
コンプレッサ駆動モータ５４には、トルクセンサ５５及び回転速度センサ５６が設けられている。トルクセンサ５５は、コンプレッサ駆動モータ５４のトルクを検出する。以下では、このトルクセンサ５５の検出値を「コンプレッサトルク検出値」と記載する。トルクセンサ５５で検出されたコンプレッサトルク検出値は、コントローラ２０に入力される。回転速度センサ５６は、コンプレッサ駆動モータ５４の回転速度を検出する。以下では、この回転速度センサ５６の検出値を「コンプレッサ回転速度検出値」と記載する。回転速度センサ５６で検出されたコンプレッサ回転速度検出値は、コントローラ２０に入力される。
【００４０】
タービン５２は、コンプレッサ駆動モータ５４により回転駆動軸５７を介して入力される動力により回転駆動される。さらに、本実施形態では、タービン５２は、触媒燃焼器３６から供給される燃焼後ガスによっても回転駆動される。すなわち、タービン５２は、コンプレッサ駆動モータ５４により駆動されつつも、触媒燃焼器３６からの燃焼後ガスによっても動力供給を受けることができる。なお、タービン５２の駆動に使用された後の燃焼後ガスは、タービン排気通路５３を介して排出される。
【００４１】
また、タービン５２からの動力の出力は、回転駆動軸５７を介してコンプレッサ５０に伝達され、コンプレッサ５０の回転駆動力として使用される。一方で、タービン５２からの動力の出力を、コンプレッサ５０の回転駆動力だけではなく、燃料電池システム１００内の他の任意の動力要求機構において使用することもできる。
【００４２】
したがって、例えばコンプレッサ５０等の動力要求機構に応じて要求される動力が比較的大きく、タービン５２の出力動力を増加させる必要がある場合には、上記コンプレッサ駆動モータ５４からタービン５２へ回転駆動力を、上記燃焼後ガスの供給によって好適に補うことができる。
【００４３】
さらに、本実施形態において、タービン５２には、当該タービン５２へ供給される燃焼後ガスの圧力を調節するノズルベーン５８が設けられている。
【００４４】
図２Ａ及び図２Ｂは、タービン５２に設けられたノズルベーン５８の概略構造を示す図である。特に、図２Ａは、ノズルベーン５８が開いている状態を示し、図２Ｂは、ノズルベーン５８が閉まっている状態を示している。また、図２Ａ及び図２Ｂにおいては、タービンホイール５２ａに流入する燃焼後ガスの流れ方向を矢印Ａで模式的に示している。
【００４５】
図２Ａに示すように、ノズルベーン５８が開いている状態では、タービンホイール５２ａへの燃焼後ガスの供給流量に対する圧力の低下量が小さいため、燃焼後ガスの供給流量に対するタービン５２の回収動力も小さくなる。
【００４６】
一方、図２Ｂに示すように、ノズルベーン５８が閉じている状態では、タービンホイール５２ａへの燃焼後ガスの供給流量に対する圧力の低下量が大きいため、燃焼後ガスの供給流量に対するタービン５２の回収動力も大きくなる。
【００４７】
図１に戻り、コンプレッサ駆動モータ５４は、外部電源等から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能、及び外力によって回転駆動されることで発電する発電機としての機能を有する。コンプレッサ駆動モータ５４は、図示しないモータケースと、モータケースの内周面に固定されるステータと、ステータの内側に回転可能に配置されるロータと、ロータに設けられた回転駆動軸５７と、を備える。
【００４８】
そして、コンプレッサ駆動モータ５４は、回転駆動軸５７の一方側でコンプレッサ５０に接続されるとともに、回転駆動軸５７の他方側でタービン５２に接続される。したがって、動力回収機構１６では、コンプレッサ駆動モータ５４がコンプレッサ５０に駆動力を伝達することができる。また、上述のように、タービン５２によって得られた回転駆動力を、回転駆動軸５７を介してコンプレッサ５０に伝達することが可能である。
【００４９】
次に、スタック冷却機構１７について説明する。スタック冷却機構１７は、冷却水循環流路７６と、冷却水循環流路７６を流れる冷却水を外気等と熱交換し、当該冷却水を冷却するラジエータ７７と、を有している。
【００５０】
冷却水循環流路７６は、図示しない燃料電池スタック１０の冷却水通路を含む環状循環路として構成されている。この冷却水循環流路７６には、冷却水循環ポンプ７８が設けられており、これにより冷却水の循環が可能となっている。
【００５１】
そして、冷却水循環流路７６を循環する冷却水は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａからスタック内に供給されるとともに、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂから排出される方向に流れる。
【００５２】
さらに、冷却水循環流路７６には、ラジエータ７７よりも上流の位置において、ラジエータバイパス三方弁８０が設けられている。ラジエータバイパス三方弁８０は、ラジエータ７７に供給される冷却水の量を調節する。例えば、冷却水の温度が比較的高い場合には、ラジエータバイパス三方弁８０を開放状態として、冷却水をラジエータ７７に循環させる。一方で、冷却水の温度が比較的高い場合には、ラジエータバイパス三方弁８０を閉塞状態として、ラジエータ７７をバイパスするように冷却水をバイパス路８０ａに流す。
【００５３】
また、冷却水循環流路７６には、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａの近傍に入口水温センサ８１が設けられ、燃料電池スタック１０の冷却水出口１０ｂの近傍に出口水温センサ８２が設けられている。
【００５４】
入口水温センサ８１は、燃料電池スタック１０へ流入される冷却水の温度を検出する。以下では、入口水温センサ８１の検出値を「スタック入口水温検出値」とも記載する。出口水温センサ８２は、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を検出する。以下では、出口水温センサ８２の検出値を「スタック出口水温検出値」とも記載する。入口水温センサ８１で検出されたスタック入口水温検出値と出口水温センサ８２で検出されたスタック出口水温検出値は、コントローラ２０に入力される。
【００５５】
さらに、上述のように構成される燃料電池システム１００は、当該システムを統括的に制御するコントローラ２０を有している。
【００５６】
コントローラ２０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００５７】
コントローラ２０には、燃料電池システム１００の各種センサからの信号の他、大気の圧力を検出する大気圧センサ１１１などの燃料電池システム１００の作動状態を検出する各種センサからの信号が入力される。
【００５８】
さらに、コントローラ２０には、燃料電池スタック１０に接続された負荷装置１１０から、燃料電池スタック１０に要求される要求電力に関する発電要求信号が入力される。負荷装置１１０は、例えば、車輪駆動用のモータや二次電池などによって構成される。本実施形態では、図示されていないアクセルペダルセンサで検出されるアクセルペダルの踏込み量を示す検出信号が大きくなるほど、負荷装置１１０の要求電力は大きくなるため、コントローラ２０に入力される発電要求信号の信号レベルは高くなる。
【００５９】
コントローラ２０は、これら入力信号等を用いて、コンプレッサ５０、冷却水循環ポンプ７８、及び各種弁３２、６６、６８、８０等の駆動制御を行う。例えば、コントローラ２０は、負荷装置１１０の発電要求信号に基づいて、燃料電池スタック１０への空気供給流量及び圧力の目標値や、燃料電池スタック１０への水素供給圧力の目標値を算出し、算出結果に応じて、コンプレッサ５０のトルクや、ノズルベーン５８の開度、アノードガス供給弁６６の開度を制御する。
【００６０】
図３は、本実施形態におけるコントローラ２０の制御方法についての処理手順の一例を示すフローチャートである。この処理手順は、所定の周期、例えば数ｍｓ（ミリセカンド）で繰り返し行われる。
【００６１】
ステップＳ９１０においてコントローラ２０は、燃料電池スタック１０から取り出すべき電流である電流目標値Ｉｓ_ｔを算出し、算出した電流目標値Ｉｓ_ｔに基づいてコンプレッサ５０、ノズルベーン５８、アノードガス供給弁６６及び燃焼器水素供給弁６８を駆動する。
【００６２】
ここにいう電流目標値Ｉｓ_ｔは、燃料電池スタック１０に接続された電気負荷や二次電池などの使用状態に応じて定められる。例えば、電流目標値Ｉｓ_ｔは、車輪駆動用のモータの駆動に必要となる電力、すなわち負荷装置１１０から要求される要求電力に基づいて算出される。本実施形態では、燃料電池スタック１０が発電した電力は、車輪駆動用のモータだけでなく、燃料電池スタック１０の補機であるコンプレッサ５０及び冷却水循環ポンプ７８にも供給される。そのため、電流目標値Ｉｓ_ｔは、車両駆動用モータ、コンプレッサ５０及び冷却水循環ポンプ７８の各要求電力との総和に基づいて、燃料電池スタック１０のＩＶ特性マップなどから算出される。
【００６３】
したがって、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０に要求される負荷に基づいて、燃料電池スタック１０にアノードガス及びカソードガスを供給するガス供給装置を駆動するのに必要となる動力を制御する。なお、ステップＳ９１０は、燃料電池スタック１０の負荷に基づいてガス供給装置の動力を制御する動力制御ステップに対応する。
【００６４】
ステップＳ９２０においてコントローラ２０は、燃料電池スタック１０の負荷の一部であるコンプレッサ５０の要求動力に関する補機負荷情報に応じて、タービン５２の回収動力が大きくなるように触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる。
【００６５】
本実施形態では、補機負荷情報として電流目標値Ｉｓ_ｔが用いられる。これは、電流目標値Ｉｓ_ｔが大きくなるほど、燃料電池スタック１０の発電に必要となる空気供給流量及び圧力が高くなるため、コンプレッサ５０を駆動するのに必要となる動力が大きくなるからである。なお、補機負荷情報としては、コンプレッサ５０の要求動力に相関するパラメータであればよく、コンプレッサ５０のトルクや、回転速度、消費電力などの推定値又は検出値であってもよい。このように補機負荷情報には、燃料電池スタック１０に要求される電力のうち、補機であるコンプレッサ５０の消費電力に関連する情報が設定される。
【００６６】
具体的には、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０に要求される負荷が高いときには、負荷が低いときに比べて触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる。これにより、触媒燃焼器３６から排出される燃焼後ガスの温度が上昇するため、タービン５２によって回収される動力が増加してコンプレッサ５０の動力をアシストするアシスト力が大きくなる。よって、燃料電池スタック１０の負荷の上昇に伴うコンプレッサ５０の消費電力の増加を抑制することができる。
【００６７】
ステップＳ９２０の処理が終了すると、燃料電池システムの制御方法が終了する。なお、本実施形態ではステップＳ９１０の処理を実行した後にステップＳ９２０の処理を実行したが、先にステップＳ９２０の処理を実行し、その後にステップＳ９１０の処理を実行するようにしてもよい。
【００６８】
以上のように、燃料電池スタック１０に要求される負荷が高くなり、コンプレッサ５０の要求動力が大きくなっても、触媒燃焼器３６への水素供給量を増やすことにより、コンプレッサ５０における消費電力の増加を抑制することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、図１に示したように、コンプレッサ５０から吐出される空気流量であるコンプレッサ流量を、触媒燃焼器３６を介してタービン５２に供給する構成になっている。この構成により、電流目標値Ｉｓ_ｔが大きくなるほど、コンプレッサ流量が大きくなるため触媒燃焼器３６への水素供給を増やしても、触媒燃焼器３６での燃焼の際に空気が不足するという事態を低減することができる。したがって、触媒燃焼器３６から未燃ガスが排出されにくくなるので、無駄な水素の供給を回避することができる。
【００７０】
さらに、燃料電池スタック１０の負荷が高い状態、いわゆる高負荷運転時には、タービン５２に流入する燃焼後ガスの流量及び圧力が大きくなるのでタービン５２の回収動力が大きくなる。これに加えて、本実施形態では、触媒燃焼器３６への水素供給量を増やすことでタービン５２に流入する燃焼後ガスの温度を高くしているので、タービン５２の回収動力がより一層大きくなる。
【００７１】
すなわち、高負荷運転時において、タービン５２に流入する燃焼後ガスの流量、圧力、温度の３つの状態を同時に上昇させることにより、タービン５２の回収動力を速やかに増大させることができる。このため、コンプレッサ５０の消費電力が低減されるので、コンプレッサ駆動モータ５４を小型にすることが可能となる。
【００７２】
以上のように、燃料電池システム１００における燃費の低下を抑制しつつ、コンプレッサ５０のコストを低減することができる。
【００７３】
図４は、燃料電池スタック１０の負荷に応じて触媒燃焼器３６への水素供給量を制御する制御手法の一例を示す図である。
【００７４】
図４（ａ）は、動力回収機構１６の消費電力の変化を示す図である。図４（ａ）には、コンプレッサ５０の駆動に必要となる動力が破線により示され、タービン５２の回収動力が一点鎖線により示され、コンプレッサ５０の消費電力が実線により示されている。なお、コンプレッサ５０の消費電力は、コンプレッサ５０の動力からタービン５２の回収動力を差し引いた動力をコンプレッサ駆動モータ５４で発生させるのに必要となる電力である。
【００７５】
図４（ｂ）は、燃料電池システム１００のエネルギー効率の変化を示す図である。図４（ｃ）は、タービン５２の入口に流入する燃焼後ガスの温度の変化を示す図である。図４（ｄ）は、燃焼器水素供給弁６８から触媒燃焼器３６への水素供給量の変化を示す図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）の各図面の横軸は、互いに共通する軸であり、燃料電池スタック１の電流目標値Ｉｓ_ｔを示す。
【００７６】
図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すように、タービン５２の入口温度が一定となるように、コントローラ２０により触媒燃焼器３６への水素供給量が制御されている。すなわち、電流目標値Ｉｓ_ｔが大きくなるほど、触媒燃焼器３６への水素供給量が増加する。
【００７７】
また、図４（ａ）の点線で示すように、電流目標値Ｉｓ_ｔが大きくなるほど、燃料電池スタック１に供給される空気の流量が増加するため、コンプレッサ５０の駆動に必要な動力が増加する。
【００７８】
このため、電流目標値Ｉｓ_ｔが大きくなるほど、タービン５２に流入する燃焼後ガスの温度が一定に維持された状態で燃焼後ガスの流入量が増えるため、図４（ａ）の一点鎖線で示すように、タービン５２で回収される動力が大きくなる。
【００７９】
このように、電流目標値Ｉｓ_ｔが小さくなるほど、タービン５２の回収動力がコンプレッサ５０の動力を超えないように触媒燃焼器３６への水素供給量を減らすことにより、触媒燃焼器３６で必要以上に水素が消費されるのを抑制することができる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、低負荷及び中負荷側でのシステム効率の低下を抑制することができる。
【００８０】
また、図４（ａ）及び図４（ｄ）に示すように、高負荷側では、触媒燃焼器３６への水素供給量を増やすことにより、タービン５２の回収動力が増加するため、コンプレッサ５０の消費電力を低減することができる。これにより、コンプレッサ駆動モータ５４を小型にすることが可能となる。したがって、燃料電池システム１００におけるエネルギー効率の低下を抑制しつつ製造コストを低減することができる。
【００８１】
なお、本実施形態ではコンプレッサ駆動モータ５４にタービン５２を連結したが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池スタック１０に水素を供給するコンプレッサを備えた燃料電池システムや、コンプレッサを用いて燃料電池スタック１０に水素を循環させるアノード循環系の燃料電池システムにおいて、タービン５２を水素供給用のコンプレッサに連結するようにしてもよい。このような構成であっても本実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００８２】
また、本実施形態では高圧タンク６０から触媒燃焼器３６に直接、水素を供給する構成であったが、燃料電池スタック１０から排出されたアノード排ガスを触媒燃焼器３６に供給する構成であってもよい。例えば、アノード循環系の燃料電池システムにおいてアノード循環通路７２を流れるアノード排ガスの一部を触媒燃焼器３６に供給する構成にしてもよい。また、アノード排ガスだけでなく、高圧タンク６０から排出される新たな水素を必要に応じて触媒燃焼器３６に供給するものであってもよい。
【００８３】
さらに本実施形態では発電要求信号として燃料電池スタック１０の電流目標値Ｉｓ_ｔが用いられているが、燃料電池スタック１０に要求される負荷を示すパラメータであればよく、燃料電池スタック１０の電圧目標値を用いるようにしてもよい。
【００８４】
本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０にカソードガス及びアノードガスを供給するガス供給装置を構成するカソード給排機構１２又はアノード給排機構１４の動力をアシストするタービン５２を備える。さらに燃料電池システム１００は、カソード給排機構１２からのカソードガスを用いることにより、燃料電池スタック１０での使用前又は使用後のアノードガスを燃焼させて燃焼後ガスをタービン５２に排出する触媒燃焼器３６と、アクチュエータである燃焼器水素供給弁６８とを備える。
【００８５】
この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０に要求される負荷、例えば電流目標値Ｉｓ_ｔに基づいて、カソード給排機構１２又はアノード給排機構１４の動力を制御する。そして燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０に要求される負荷の全部又は一部が高いときには、その負荷が低いときに比べてタービン５２の回収動力が大きくなるように触媒燃焼器３６へのアノードガスの供給量を増加させる。なお、燃料電池スタック１０に要求される負荷の全部又は一部とは、例えば、電流目標値Ｉｓ_ｔやコンプレッサ５０の消費電力などが挙げられる。
【００８６】
これにより、燃料電池スタック１０に要求される負荷が高いときには、触媒燃焼器３６へのアノードガスの供給量が増加するので、触媒燃焼器３６からタービン５２への燃焼後ガスの温度が上昇してタービン５２の回収動力が大きくなる。よって、高負荷時におけるコンプレッサ５０の消費電力の増加が抑制されるので、コンプレッサ駆動モータ５４を小型にすることが可能となる。
【００８７】
一方、燃料電池スタック１０に要求される負荷が低いときには、触媒燃焼器３６へのアノードガスの供給量が減少するので、タービン５２の回収動力が小さくなり、触媒燃焼器３６で無用にアノードガスが消費されるのを抑制することができる。したがって、燃料電池システム１００においてエネルギー効率の低下を抑制しつつ製造コストを低減することができる。
【００８８】
また、本実施形態によれば、カソード給排機構１２は、タービン５２に連結され、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するコンプレッサ５０を含み、コンプレッサ５０は、燃料電池スタック１０に電気的に接続される。そして燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０から車輪駆動用のモータ及びコンプレッサ５０に電力を供給する。
【００８９】
このように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０からコンプレッサ５０に電力を供給する構成である。このため、図４（ａ）の実線に示したように、高負荷運転時においてコンプレッサ５０の消費電力が低減されるので、燃料電池スタック１０の発電量を低減することができる。したがって、燃料電池スタック１０に積層する燃料電池の枚数を減らすことが可能になるので、燃料電池スタック１０の製造コストを抑制することができる。すなわち、コンプレッサ５０の小型化に加えて燃料電池スタック１０の小型化も可能になるため、燃料電池システム１００の製造コストを大幅に抑制することができるようになる。
【００９０】
（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。なお、本実施形態における燃料電池システム１００の基本構成は、図１に示した各構成と同じであるため、以下では同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００９１】
本実施形態における燃料電池システム１００の作動制御について、図５〜図９に示すブロック図を参照して説明する。なお、図５〜図９に示すブロック図における各ブロックの機能は、コントローラ２０により実現される。
【００９２】
図５は、本実施形態に係る、カソードバイパス弁３２、ノズルベーン５８、燃焼器水素供給弁６８の開度、及びコンプレッサ５０のトルクに対するフィードバック（Ｆ／Ｂ）制御を説明する制御ブロック図である。
【００９３】
図５に示す制御ブロックは、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００と、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１と、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２と、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３と、燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４と、空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５と、バイパス空気量制御ブロックＢ１０６と、を有する。
【００９４】
膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００は、燃料電池スタック１０に形成される電解質膜の湿潤状態を適切に保つように、当該湿潤状態と相関するＨＦＲ値を制御する。
【００９５】
本実施形態では、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００には、ＨＦＲ目標値と、ＨＦＲ計測値とが入力される。ＨＦＲ目標値は、燃料電池スタック１０の発電電力とＨＦＲ目標値との関係を定めたマップ等を用いて予め定められる。ＨＦＲ計測値は、燃料電池スタック１０に設けられる計測装置１１を用いて計測される。
【００９６】
膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００は、ＨＦＲ計測値がＨＦＲ目標値に近づくように、燃料電池システム１００の作動状態を調節する観点から、要求される空気圧力（以下では、「湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒ」とも記載する）及び空気流量（以下では、「湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒ」とも記載する）を算出する。すなわち、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００は、ＨＦＲ目標値に基づいて、湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒと、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒとを算出する。
【００９７】
そして、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００は、この湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒを空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１に出力するとともに、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒを空気流量目標値演算ブロックＢ１０２に出力する。
【００９８】
空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１は、燃料電池スタック１０から取り出すべき電流の目標値である電流目標値Ｉｓ_ｔに基づいて、燃料電池スタック１０に供給すべき空気圧力の目標値である空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを演算する。
【００９９】
本実施形態では、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１には、電流目標値Ｉｓ_ｔと、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄと、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００で算出された湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒと、が入力される。スタック温度検出値Ｔｓ_ｄは、入口水温センサ８１及び出口水温センサ８２で検出された各検出値を平均した値である。なお、各検出値のいずれか一方の値が用いられてもよい。空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１は、上述の電流目標値Ｉｓ_ｔ、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄ、及び湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒに基づいて、燃料電池スタック１０に供給すべき空気圧力の目標値である空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを算出する。
【０１００】
図６は、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１により実行される空気圧力目標値Ｐｃ_ｔの算出方法の詳細を示すブロック図である。当図に示すブロックは、発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００と、マックスセレクトブロックＢ２０１と、を有する。
【０１０１】
発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００には、電流目標値Ｉｓ_ｔとスタック温度検出値Ｔｓ_ｄと、が入力される。そして、発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００は、予め記憶されたマップに基づいて、電流目標値Ｉｓ_ｔ及びスタック温度検出値Ｔｓ_ｄから、燃料電池スタック１０の発電に必要となる空気圧力である発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒを算出する。さらに、発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００は、発電要求空気圧力Ｐｓ_ｒをマックスセレクトブロックＢ２０１に出力する。図に示す発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００のマップから理解されるように、電流目標値Ｉｓ_ｔが大きくなるほど、発電要求空気圧力Ｐｓ_ｒは大きくなるとともに、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄが高くなるほど発電要求空気圧力Ｐｓ_ｒは大きくなる。
【０１０２】
マックスセレクトブロックＢ２０１には、発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００で算出された発電要求空気圧力Ｐｓ_ｒと、膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００で算出された湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒと、が入力される。そして、マックスセレクトブロックＢ２０１は、発電要求空気圧力Ｐｓ_ｒ及び湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒの内の大きい方の値を空気圧力目標値Ｐｃ_ｔとして出力する。したがって、図４に示すブロックでは、燃料電池スタック１０の発電状態を制御する上で要求される空気圧力（発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒ）、及び電解質膜の湿潤状態を操作する上で要求される空気圧力（湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒ）を考慮して、最大の値が空気圧力目標値Ｐｃ_ｔとして設定されることとなる。
【０１０３】
図５に戻り、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２は、電流目標値Ｉｓ_ｔに基づいて、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ及びスタック流量目標値Ｆｓ_ｔを演算する。スタック流量目標値Ｆｓ_ｔは、燃料電池スタック１０が目標電力を発電したときに、燃料電池スタック１０のカソード電極内で電極反応に必要なスタック空気供給流量に相当する。換言すれば、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔは、目標電力を発電するために、すなわち出力電流を電流目標値Ｉｓ_ｔとするために必要なスタック空気供給流量に相当する。
【０１０４】
本実施形態では、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２には、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１により算出された空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、電流目標値Ｉｓ_ｔ、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄ、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒ、及び水素圧力検出センサ６７で検出された水素圧力検出値Ｐａ_ｄが入力される。空気流量目標値演算ブロックＢ１０２は、これら空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、電流目標値Ｉｓ_ｔ、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄ、及び湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒに基づいて、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ及びスタック流量目標値Ｆｓ_ｔを算出する。
【０１０５】
図７は、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２により実行されるスタック流量目標値Ｆｓ_ｔ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔの算出方法の詳細を示すブロック図である。当図に示すブロックは、発電要求空気流量算出ブロックＢ３００と、マックスセレクトブロックＢ３０１と、圧力比目標値演算ブロックＢ３０２と、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３と、希釈要求流量算出ブロックＢ３０４と、マックスセレクトブロックＢ３０５と、を有する。
【０１０６】
発電要求空気流量算出ブロックＢ３００には、電流目標値Ｉｓ_ｔが入力される。発電要求空気流量算出ブロックＢ３００は、予め記憶されたマップに基づいて、電流目標値Ｉｓ_ｔから、燃料電池スタック１０において発電に必要な空気流量である発電要求空気流量Ｆｇ_ｒを算出する。
【０１０７】
図に示すように、発電要求空気流量算出ブロックＢ３００のマップでは、電流目標値Ｉｓ_ｔが増大するに伴い、発電要求スタック流量Ｆｓ_ｇｒも増大する。そして、発電要求空気流量算出ブロックＢ３００は、発電要求空気流量Ｆｇ_ｒをマックスセレクトブロックＢ３０１に出力する。
【０１０８】
マックスセレクトブロックＢ３０１には、発電要求空気流量算出ブロックＢ３００で算出された発電要求空気流量Ｆｇ_ｒと、湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒと、が入力される。そして、マックスセレクトブロックＢ３０１は、発電要求空気流量Ｆｇ_ｒ及び湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒの内の大きい方の値をスタック流量目標値Ｆｓ_ｔとして出力する。
【０１０９】
圧力比目標値演算ブロックＢ３０２には、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔと大気圧検出値Ｐａｉ_ｄが入力される。そして、圧力比目標値演算ブロックＢ３０２は、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを大気圧検出値Ｐａｉ_ｄで除して圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄを求め、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３に出力する。
【０１１０】
スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３には、スタック流量目標値Ｆｓ_ｒと、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄと、が入力される。そして、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３は、スタック流量目標値Ｆｓ_ｒ及び圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄに基づいて、予め定められたマップにより、スタック流量目標値Ｆｓ_ｒとなるようにコンプレッサ５０に要求される空気流量であるスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを算出する。
【０１１１】
ここで、図に示すスタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３のマップでは、スタック流量目標値Ｆｓ_ｒが高くなると、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒの値は大きくなる。また、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが大きくなるほど、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒの値は大きくなる。すなわち、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔが大きくなれば、コンプレッサ５０の出力の増加が要求されることとなるので、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを増加させる。同様に、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが大きくなる場合についても、コンプレッサ５０の出力の増加が要求されることとなるので、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒを増加させる方向の補正がかかる。
【０１１２】
そして、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３は、算出されたスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒをマックスセレクトブロックＢ３０５に出力する。
【０１１３】
希釈要求流量算出ブロックＢ３０４には、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄと、水素圧力検出センサ６７で検出された水素圧力検出値Ｐａｎ_ｄと、が入力される。そして、希釈要求流量算出ブロックＢ３０４は、予め定められたマップにより、燃料電池スタック１０から排出されるアノード排ガスを希釈するために要求される空気流量である希釈要求空気流量Ｆｄ_ｒを算出する。
【０１１４】
図に示す希釈要求流量算出ブロックＢ３０４のマップでは、水素圧力検出値Ｐａｎ_ｄが大きくなるほど、希釈要求空気流量Ｆｄ_ｒも大きくなる。このようにする理由は、水素圧力検出値Ｐａｎ_ｄが大きいほど、パージ弁７３から排出される水素の排出量が多くなるため、希釈のための空気流量を多くする必要があるからである。また、当該マップでは、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄが高くなると、希釈要求空気流量Ｆｄ_ｒは減少する。これは、スタック温度検出値Ｔｓ_ｄが高い状態では燃料電池スタック１０の負荷が高く、より燃料電池スタック１０内において反応速度が向上し、水素消費量が向上するため、希釈に用いる空気流量を減らす補正を行う必要があるためである。
【０１１５】
そして、希釈要求流量算出ブロックＢ３０４は、この希釈要求空気流量Ｆｄ_ｒをマックスセレクトブロックＢ３０５に出力する。
【０１１６】
マックスセレクトブロックＢ３０５には、スタック要求コンプレッサ流量算出ブロックＢ３０３から出力されたスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒ、及び希釈要求流量算出ブロックＢ３０４で算出された希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒが入力される。そして、マックスセレクトブロックＢ３０５は、スタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒ及び希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒの内の大きい方の値をコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔとして出力する。
【０１１７】
すなわち、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔは、燃料電池スタック１０の発電要求と、電解質膜の湿潤状態を維持するための湿潤要求と、アノード排ガスの希釈要求とを考慮して決定されることになる。なお、これらの要求に加えて、コンプレッサ５０のサージを回避するためのサージ回避要求を考慮してコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔを決定してもよい。
【０１１８】
図５に戻り、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量及び圧力に基づいて、触媒燃焼器３６からタービン５２に排出される燃焼後ガスの温度を制御する。
【０１１９】
本実施形態では、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３には、大気圧センサ１１１で検出された大気圧検出値Ｐａｉ_ｄと、空気圧力目標値演算ブロックＢ１０１で算出された空気圧力目標値Ｐｃ_ｔと、空気流量目標値演算ブロックＢ１０２で演算されたコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔと、が入力される。タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３は、大気圧検出値Ｐａｉ_ｄ、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔに基づいて、タービン入口温度センサ３８により検出されたタービン入口温度が目指すべきタービン５２の入口温度の目標値（以下では「タービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔ」とも記載する）を求める。
【０１２０】
図８は、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３により実行されるタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔの算出方法の詳細を示すブロック図である。当図に示すブロックは、圧力比目標値演算ブロックＢ４００と、タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１と、を有している。
【０１２１】
圧力比目標値演算ブロックＢ４００には、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔと大気圧検出値Ｐａｉ_ｄが入力される。そして、圧力比目標値演算ブロックＢ４００は、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔを大気圧検出値Ｐａｉ_ｄで除して圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄを求め、タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１に出力する。
【０１２２】
タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１には、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔと、圧力比目標値演算ブロックＢ４００で算出された圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄと、が入力される。そして、タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１は、予め記憶されたマップに基づいて、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ及び圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄからタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔを算出する。
【０１２３】
図９は、タービン入口温度目標値設定ブロックＢ４０１に記録されるマップを説明する観念図である。
【０１２４】
図９に示すように、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄごとに、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔが所定の値（例えばｆ１、ｆ２、ｆ３）よりも大きくなった場合には、タービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔが大きくなる。また、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが大きくなるほど、タービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔの値は大きくなる。
【０１２５】
すなわち、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔが大きくなれば、コンプレッサの出力の増加が要求されることとなるので、タービン入口温度を増加させる。同様に、圧力比目標値Ｐｃ_ｔ／Ｐａｉ_ｄが大きくなる場合も、コンプレッサの出力の増加が要求されることとなるので、タービン入口温度を増加させる方向の補正がかかる。
【０１２６】
図５に戻り、燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４には、タービン入口温度センサ３８で検出されたタービン入口温度検出値Ｔｔ_ｄと、タービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３で演算されたタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔと、が入力される。燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４は、タービン入口温度検出値Ｔｔ_ｄがタービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔに収束するように、燃焼器水素供給弁６８の開度をフィードバック制御する。
【０１２７】
燃焼器水素供給弁６８の開度は、燃料電池スタック１０への要求負荷やタービン５２からの要求動力が高くなるほど大きくする。すなわち、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔの少なくとも何れか一方が増大すると、コンプレッサ５０の出力（消費電力）が増大するため、燃焼器水素供給弁６８の開度を大きくして触媒燃焼器３６への水素供給量を増大させることとなる。これにより、燃料電池スタック１０に要求されるトータルの要求電力（負荷）のうちのコンプレッサ５０の要求電力に応じた量の水素を触媒燃焼器３６に供給することが可能となる。
【０１２８】
空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５には、各検出値として、エアフローセンサ２６で検出されたコンプレッサ流量検出値Ｆｃｏ_ｄと、空気圧力センサ３０で検出された空気圧力検出値Ｐｃａ_ｄと、が入力される。さらに、空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５には、各目標値として、タービン入口温度目標値Ｔｔ_ｔ、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ、及びスタック流量目標値Ｆｓ_ｔが入力される。
【０１２９】
そして、空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５は、入力された各検出値Ｆｃｏ_ｄ及びＰｃａ_ｄが、入力された各目標値Ｆｃｏ_ｔ、Ｆｓ_ｔ、及びＰｃ_ｔに近づくように、ノズルベーン５８の開度、及びコンプレッサ５０のトルクをフィードバック制御する。空気系Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０５は、燃料電池スタック１０への要求負荷が高い場合やタービン５２の要求動力が高い場合、すなわち、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔの少なくとも何れか一方が増大する場合には、ノズルベーン５８の開度を大きくする。
【０１３０】
同様に、コンプレッサ５０のトルク（動力）は、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔ、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔ及びコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔの少なくとも一方が増大するほど大きくするように制御される。
【０１３１】
バイパス空気量制御ブロックＢ１０６には、各検出値として、空気圧力検出値Ｐｃａ_ｄと、大気圧力Ｐａｉ_ｄと、入口水温センサ８１で検出されたスタック入口水温検出値Ｔｓｉ_ｄと、が入力される。さらに、バイパス空気量制御ブロックＢ１０６には、各目標値として、コンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔ及びスタック流量目標値Ｆｓ_ｔが入力される。バイパス空気量制御ブロックＢ１０６は、カソードバイパス通路３３に流れる空気流量がコンプレッサ流量目標値Ｆｃｏ_ｔとスタック流量目標値Ｆｓ_ｔとの差分となるように、空気圧力検出値Ｐｃａ_ｄ、大気圧力Ｐａｉ_ｄ、及びスタック入口水温検出値Ｔｓｉ_ｄに基づいて、カソードバイパス弁３２の開度を制御する。
【０１３２】
カソードバイパス弁３２は、図７に示したように、希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒがスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒよりも上回った場合に燃料電池スタック１０への空気流量が増え過ぎないように開かれる。反対に、希釈要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｄｒがスタック要求コンプレッサ流量Ｆｃｏ_ｓｒよりも下回った場合には、カソードバイパス弁３２は閉じられる。これにより、排出ガスの水素濃度を規定値以下に維持しつつ、燃料電池スタック１０の電解質膜が乾燥するのを回避することができる。
【０１３３】
図１０は、本実施形態における燃料電池スタック１０への要求負荷の変化に伴う触媒燃焼器３６への水素供給量の変化を示す図である。
【０１３４】
図１０（ａ）〜図１０（ｄ）の各図面における縦軸及び横軸は、図４（ａ）〜図４（ｄ）と同じである。図１０の各図面では、本実施形態のコントローラ２０による燃料電池システム１００の状態変化が実線により示され、図４（ａ）〜図４（ｄ）で示された燃料電池スタック１０の状態変化が点線により示されている。
【０１３５】
電流目標値Ｉｓ_ｔが電流閾値Ｔｈ_ｉよりも小さい場合には、図１０（ｄ）に示すように、燃焼器水素供給弁６８の開度が固定されて触媒燃焼器３６への水素供給量が一定もしくは０に維持される。具体的には、図９に示したように、コンプレッサ流量目標値が、例えば所定の値ｆ１よりも小さい場合にはタービン入口温度目標値が一定の値に設定される。
【０１３６】
このため、図１０（ｃ）に示すように、タービン入口温度は、図４（ｃ）の温度状態よりも低い状態で一定に維持される。また、触媒燃焼器３６への水素供給量は、図４（ｄ）での供給量よりも少ないため、図１０（ａ）に示すようにコンプレッサ５０の消費電力は許容値ＣＰｃｏ_ｐまで大きくなってしまうが、図１０（ｂ）に示すように触媒燃焼器３６への水素供給量を減らした方が燃料電池システム１００のエネルギー効率は上昇する。
【０１３７】
このように、本実施形態では、運転頻度の高い低負荷の運転状態において、触媒燃焼器３６への水素供給量を減らすことにより、燃料電池システム１００のエネルギー効率を高くすることができるようになる。
【０１３８】
一方、電流目標値Ｉｓ_ｔが電流閾値Ｔｈ_ｉよりも大きい場合には、図１０（ｄ）に示すように、電流目標値Ｉｓ_ｔが電流閾値Ｔｈ_ｉよりも小さい場合に比べて触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる。具体的には、図９に示したように、コンプレッサ流量目標値が例えば所定の値ｆ１に対して大きくなるほど、タービン入口温度目標値の増加量が大きくなる。
【０１３９】
これにより、図１０（ｃ）に示すようにタービン入口温度が上昇し、これに伴って図１０（ａ）の一点鎖線で示すようにタービン５２の回収動力が上昇するので、コンプレッサ５０の消費電力の増加を抑えてコンプレッサ５０の消費電力を許容値ＣＰｃｏ_ｐに維持することが可能になる。
【０１４０】
このように、本実施形態では、燃料電池スタック１０の負荷が高い運転状態である高負荷運転中は、触媒燃焼器３６への水素供給量を増やしてコンプレッサ５０の消費電力の増加を抑制する。これにより、コンプレッサ駆動モータ５４の出力性能を小さくできるので、コンプレッサ駆動モータ５４の製品コストを低減することができる。
【０１４１】
また、高負荷運転中は、燃料電池システム１００のエネルギー効率は低下するが、燃料電池スタック１０が高負荷運転状態となる割合は全体的に低い。したがって、高負荷運転中に限り水素供給量を増加させることにより、燃料電池スタック１０の運転中においてエネルギー効率が低下する機会を減らすことができる。すなわち、低中負荷運転でのエネルギー効率を向上させることにより、全体のエネルギー効率を改善することができる。
【０１４２】
以上のように、本実施形態では、燃料電池システム１００のエネルギー効率を向上させつつ、燃料電池システム１００の製造コストの増加を抑制することができる。
【０１４３】
図１１は、図９に示したマップを生成するための生成手法を説明する図である。
【０１４４】
図１１（ａ）は、コンプレッサ５０から吐出されるカソードガスの流量であるコンプレッサ流量と、そのコンプレッサ流量を確保するのに必要となるコンプレッサ５０の動力との関係を示す図である。図１１（ｂ）は、コンプレッサ流量と、タービン５２の回収動力の目標値である目標タービン回収動力との関係を示す図である。
【０１４５】
図１１（ａ）に示すようにコンプレッサ５０の動力が規定値よりも低い燃料電池スタック１０の低負荷範囲では、触媒燃焼器３６への水素供給を行う必要はないので、図１１（ｂ）に示すように目標タービン回収動力は一定となる。例えば、コンプレッサ５０における入口に対する出口の圧力比が低い場合には、図９に示したタービン入口温度目標値はコンプレッサ流量が所定の値ｆ２よりも低い範囲内で一定となる。ここにいう規定値とは、コンプレッサ駆動モータ５４の消費電力が許容値ＣＰｃｏ_ｐを超過しないように規定されたコンプレッサ５０の動力値である。
【０１４６】
一方、コンプレッサ５０の動力が規定値よりも高くなる高負荷範囲では、触媒燃焼器３６への水素供給量を増やして燃焼後ガスの温度を上昇させることにより、目標タービン回収動力を大きくする必要がある。また、タービン５２の回収動力は、タービン５２に流入する燃焼後ガスの温度に比例することから、電流目標値Ｉｓ_ｔが大きくなるほど、タービン入口温度目標値を高くしなければならない。
【０１４７】
したがって、図９に示したように、コンプレッサ流量目標値が所定の値（ｆ１、ｆ２）よりも低い低負荷範囲では、コンプレッサ流量目標値に対するタービン入口温度目標値の増加率が小さくなる又は０になるようにタービン入口温度目標値が設定される。そして、コンプレッサ流量目標値が所定の値よりも高い高負荷範囲では、タービン５２の回収動力を大幅に大きくする必要があるため、タービン入口温度目標値の増加率が大きくなるようにタービン入口温度目標値が設定される。
【０１４８】
また、図１１（ａ）に示すように、同一のコンプレッサ流量において、コンプレッサ５０の圧力比が大きくなるほど、コンプレッサ５０の動力を大きくする必要がある。このため、図１１（ｂ）に示すように、高負荷範囲においてはコンプレッサ５０の圧力比が大きくなるほど目標タービン回収動力が大きくなる。したがって、図９に示すように圧力比目標値が高くなるほどタービン入口温度目標値が高くなるように設定される。
【０１４９】
図１２は、本実施形態におけるコントローラ２０による燃料電池システム１００の制御手法の他の例を説明する図である。
【０１５０】
図１２（ａ）は、動力回収機構１６の動力の変化を示す図である。図１２（ｂ）は、燃料電池スタック１０の電圧であるスタック電圧の変化を示す図である。図１２（ｃ）は、触媒燃焼器３６への水素供給量の変化を示す図である。図１２（ｄ）は、燃料電池スタック１０に供給される空気の圧力であるスタック入口空気圧力の変化を示す図である。図１２（ｅ）は、燃料電池スタック１０に供給される空気流量のストイキ比の変化を示す図である。図１２（ｆ）は、計測装置１１で計測される燃料電池スタック１０のＨＦＲ計測値の変化を示す図である。図１２（ａ）〜図１２（ｆ）の各図面の横軸は、燃料電池スタック１０の電流目標値Ｉｓ_ｔを示す互いに共通の軸である。
【０１５１】
燃料電池スタック１０が低負荷で発電しているときは、スタック温度が氷点よりも低い温度環境で燃料電池システム１００が起動された場合を想定して燃料電池スタック１０の湿潤状態を乾燥側に操作する乾燥制御が実行される。このため、図１２（ｆ）に示すように、ＨＦＲ計測値が比較的高い状態に維持されるので、燃料電池スタック１０の発電に伴う生成水の凍結を抑制することができる。
【０１５２】
一方、燃料電池スタック１０の湿潤状態が乾燥側に維持されると、燃料電池スタック１０の出力性能が低い状態で維持されることになる。その結果、電流目標値Ｉｓ_ｔが電流値Ｉ１まで大きくなった時に、図１２（ｂ）に示すようにスタック電圧が電圧下限値ＶLまで低下する。なお、電圧下限値ＶLは、車輪駆動用のモータを駆動するのに最低限必要となる電圧を確保するために定められた下限値である。このため、燃料電池スタック１０の乾燥制御を停止して出力性能の確保を優先する。
【０１５３】
このような状況では、燃料電池スタック１０の電解質膜を湿らせるための湿潤制御が実行される。本実施形態では、図６に示したマックスセレクトブロックＢ２０１において、空気圧力目標値Ｐｃ_ｔの設定値が、発電要求空気圧力Ｐｇ_ｒから湿潤要求空気圧力Ｐｈ_ｒに切り替えられる。これと共に、図７に示したマックスセレクトブロックＢ３０１において、スタック流量目標値Ｆｓ_ｔの設定値が、発電要求空気流量Ｆｇ_ｒから湿潤要求空気流量Ｆｈ_ｒに切り替えられる。
【０１５４】
これにより、図１２（ｅ）に示すように空気流量のストイキ比が徐々に低下し、これに伴って燃料電池スタック１０から水蒸気が排出されにくくなるので燃料電池スタック１０の湿潤度が上がり、図１２（ｅ）に示すようにＨＦＲ計測値が低くなる。
【０１５５】
そして、電流目標値Ｉｓ_ｔが電流値Ｉ２まで大きくなった時には、図１２（ｅ）に示すように空気流量のストイキ比が湿潤制御用の下限値ＳＲLまで低下する。すなわち、空気流量の減量制御だけでは燃料電池スタック１０の湿潤状態を調整しきれない状態になってしまう。このため、図５に示した膜湿潤Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１００により算出される湿潤要求圧力Ｐｈ_ｒが高くなり、図１２（ｄ）に示すようにスタック入口空気圧力が上昇する。
【０１５６】
このように、燃料電池スタック１０の湿潤度を上げる場合には、スタック入口空気圧力を上昇させる圧力制御よりも優先してスタック流量を減少させる流量制御を実行する。これにより、運転頻度の少ない高負荷時にのみコンプレッサ５０の動力が増加することになるので、燃料電池スタック１０の運転中においてコンプレッサ５０の動力を増加させる機会を減らすことができる。
【０１５７】
仮に、流量制御よりも優先して圧力制御を先に実行したときには、コンプレッサ５０の消費電力が許容値ＣＰｃｏ_ｐに達すると、その後さらにコンプレッサ５０の動力を上げるために触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる必要があり、燃費が悪くなってしまう。
【０１５８】
これに対して本実施形態では、燃料電池スタック１０の電解質膜が乾燥してスタック電圧が下限値ＶLに達した場合に、燃料電池スタック１０への空気の供給流量を下げる流量制御を圧力制御よりも先に実行する。これにより、図１２（ｃ）に示すように、中負荷時において触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる必要がないので、燃費を向上させることができる。これと共に、触媒燃焼器３６の温度上昇が低減されるので触媒燃焼器３６の周辺に設けられた部品の耐久性が低下するのを抑制することができる。
【０１５９】
このように、使用頻度が低い高負荷運転時においてのみ触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させるので、燃料電池システム１００のエネルギー効率を向上させるこができる。
【０１６０】
なお、本実施形態では燃料電池スタック１０の電解質膜が乾燥したことに伴い中負荷程度でスタック電圧が下限値ＶLに達した場合に湿潤制御を実行する例について説明したが、これに限られるものではない。燃料電池スタック１０の発電要求を満足する範囲内において、上述のように、空気圧力を上げる制御よりも優先して空気流量を下げる制御を実行するようにしてもよい。
【０１６１】
図１３は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。図１３では、図３に示したステップＳ９２０の処理に代えてステップＳ９２１及びＳ９２２の処理が追加されている。そのため、ステップＳ９２１及びＳ９２２の処理について説明する。
【０１６２】
ステップＳ９２１において、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０の電流目標値Ｉｓ_ｔが電流閾値Ｔｈ_ｉよりも大きいか否かを判断する。電流閾値Ｔｈ_ｉは、コンプレッサ５０の消費電力許容値ＣＰｃｏ_ｐに基づいて予め定められる。電流目標値Ｉｓ_ｔが電流閾値Ｔｈ_ｉ以下である場合には、制御方法における一連の処理手順が終了する。
【０１６３】
ステップＳ９２２において、コントローラ２０は、電流目標値Ｉｓ_ｔが電流閾値Ｔｈ_ｉよりも大きい場合には、図１０（ｄ）に示すように触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる。これにより、触媒燃焼器３６からタービン５２への燃焼後ガスの温度が上昇するので、タービン５２の回収動力が大きくなり、コンプレッサ５０の消費電力の増加を抑制することができる。
【０１６４】
そしてステップＳ９２２の処理が終了すると、燃料電池システム１００の制御方法における一連の処理手順が終了する。
【０１６５】
本発明の第２実施形態によれば、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０の負荷である電流目標値Ｉｓ_ｔが所定の電流閾値Ｔｈ_ｉよりも高くなった場合に、触媒燃焼器３６に供給されるアノードガスである水素の供給量を増加させる。これにより、触媒燃焼器３６からタービン５２に排出される燃焼後ガスの温度が上昇して、タービン５２の回収動力が大きくなるので、コンプレッサ５０の消費電力を低減することができる。
【０１６６】
電流閾値Ｔｈ_ｉは、コンプレッサ５０の消費電力の上限値（許容値）ＣＰｃｏ_ｐに基づいて、触媒燃焼器３６の温度が上がり過ぎないように予め設定されるものである。本実施形態では、電流閾値Ｔｈ_ｉは、燃料電池スタック１０における負荷の変動範囲内の高負荷側に設定されるので、触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる機会を低減することができる。したがって、燃料電池システム１００のエネルギー効率の低下を抑制しつつ、コンプレッサ駆動モータ５４を小型にすることができる。
【０１６７】
また、本実施形態によれば、コントローラ２０は、電流目標値Ｉｓ_ｔが電流閾値Ｔｈ_ｉよりも高くなった場合には、コンプレッサ５０の動力とタービン５２の回収動力との差分が許容値ＣＰｃｏ_ｐ以下となるように燃焼後ガスの温度を上昇させる。これにより、コンプレッサ５０の動力が得られずに燃料電池スタック１０の発電電力が要求電力に対して不足するという事態を回避することができる。
【０１６８】
さらに、本実施形態によれば、コントローラ２０は、図５に示したように、電流目標値Ｉｓ_ｔに基づいて、コンプレッサ５０から燃料電池スタック１０への空気圧力及び空気流量の目標値Ｐｃ_ｔ及びＦｃｏ_ｔを演算する。コントローラ２０は、これらの目標値Ｐｃ_ｔ及びＦｃｏ_ｔに基づいて、燃焼後ガスの温度であるタービン入口温度の目標値Ｔｔ_ｔを演算し、タービン入口温度検出値Ｔｔ_ｄが目標値Ｔｔ_ｔとなるようにアクチュエータである燃焼器水素供給弁６８を駆動する。
【０１６９】
このように、空気圧力及び空気流量の目標値Ｐｃ_ｔ及びＦｃｏ_ｔを用いることにより、コンプレッサ５０の動力とタービン５２の回収動力との差分が許容値ＣＰｃｏ_ｐを上回るか否かを推定することができる。このため、図９に示したようなマップをコントローラ２０に設定することにより、空気圧力及び空気流量の目標値Ｐｃ_ｔ及びＦｃｏ_ｔを用いて、燃料電池スタック１０に要求される負荷の高負荷側でスタック入口温度目標値Ｔｔ_ｔを増加させることができる。なお、本実施形態では空気圧力及び空気流量の双方の目標値に基づいてタービン入口温度目標値を演算したが、いずれか一方（例えば空気圧力）の目標値を固定値にして他方（例えば空気流量）の目標値に基づいてタービン入口温度目標値を演算するようにしてもよい。
【０１７０】
また、本実施形態によれば、コントローラ２０は、図９に示したように、大気圧に対する空気圧力目標値Ｐｃ_ｔの圧力比が大きくなるほど、すなわち空気圧力目標値Ｐｃ_ｔが大きくなるほど、タービン入口温度を上昇させる。
【０１７１】
これにより、空気圧力を固定値に設定した場合に比べて、その固定値に対して空気圧力目標値Ｐｃ_ｔが低くなるときには、タービン入口温度が下げられるので触媒燃焼器３６への水素供給量を低減することができる。反対に、固定値に対して空気圧力目標値Ｐｃ_ｔが高くなる場合には、タービン入口温度が上げられるので、コンプレッサ５０の動力が不足するという事態を回避することができる。
【０１７２】
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の温度を検出するセンサ８１、８２を備えている。そしてコントローラ２０は、図６に示した発電要求空気圧力算出ブロックＢ２００のマップのように、燃料電池スタック１０の温度が高くなるほど、燃料電池スタック１０の空気圧力を大きくする。したがって、燃料電池スタック１０の温度を固定値にした場合に比べて、コンプレッサ５０の動力不足を回避しつつ、触媒燃焼器３６への水素供給量を低減することができる。
【０１７３】
また、本実施形態によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０のインピーダンスとしてＨＦＲを計測する計測装置１１をさらに備えている。そしてコントローラ２０は、燃料電池スタック１０の電解質膜を湿させる場合には、図１２（ｄ）及び図１２（ｅ）に示したように、空気圧力を上げる制御よりも優先して空気流量を下げる制御を実行する。
【０１７４】
これにより、触媒燃焼器３６への水素供給量を増やしてコンプレッサ５０の動力を上げるタイミングを遅らせることができるので、水素消費量を低減することができると共に、触媒燃焼器３６の周辺部品の耐熱性の低下を抑制することができる。
【０１７５】
次に、燃料電池システム１００の制御手法における他の例について説明する。
【０１７６】
（第３実施形態）
図１４は、本発明の第３実施形態におけるコントローラ２０ａの機能構成を示すブロック図である。
【０１７７】
コントローラ２０ａは、図５に示したタービン入口温度目標値演算ブロックＢ１０３及び燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４に代えて、コンプレッサ消費電力推定値ブロックＢ１０３ａ及び燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４ａを備えている。なお、他の機能構成については、図５に示したものと同じであるため同一符号を付して説明を省略する。
【０１７８】
コンプレッサ消費電力推定値ブロックＢ１０３ａには、トルクセンサ５５で検出されるコンプレッサトルク検出値Ｔｃｏ_ｄと、回転速度センサ５６で検出されるコンプレッサ回転速度検出値Ｒｃｏ_ｄと、が入力される。コンプレッサ消費電力推定値ブロックＢ１０３ａは、コンプレッサトルク検出値Ｔｃｏ_ｄとコンプレッサ回転速度検出値Ｒｃｏ_ｄとを乗算することにより、コンプレッサ駆動モータ５４で消費された電力の推定値であるコンプレッサ消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃを演算する。そしてコンプレッサ消費電力推定値ブロックＢ１０３ａは、コンプレッサ消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃを燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４ａに入力する。
【０１７９】
燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４ａには、コンプレッサ消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃと、コンプレッサ消費電力許容値ＣＰｃｏ_ｐとが入力される。コンプレッサ消費電力許容値ＣＰｃｏ_ｐは、コンプレッサ駆動モータ５４の出力性能を考慮して定められる。燃焼器水素量Ｆ／Ｂ制御ブロックＢ１０４ａは、コンプレッサ消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃがコンプレッサ消費電力許容値ＣＰｃｏ_ｐに収束するように、燃焼器水素供給弁６８の開度をフィードバック制御する。
【０１８０】
これにより、コンプレッサ消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃがコンプレッサ消費電力許容値ＣＰｃｏ_ｐよりも大きくならないように、触媒燃焼器３６への水素供給量が増加してタービン５２の回収動力を上昇させることができる。このため、他の実施形態と同様に、燃料電池システム１００のエネルギー効率を改善しつつコンプレッサ駆動モータ５４を小型にすることができる。また、他の実施形態に比べて触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させるタイミングをより正確に特定するこができるので、無用に水素供給量を増加させることを低減することができ、エネルギー効率をより一層向上させることができる。
【０１８１】
図１５は、本実施形態における燃料電池システム１００の制御方法に関する処理手順の一例を示すフローチャートである。図１５では、図１３に示したステップＳ９２１及びＳ９２２の処理に代えてステップＳ９３１及び９３２の処理が追加されている。
【０１８２】
ステップＳ９３１において、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０の負荷であるコンプレッサ５０の消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃが許容値ＣＰｃｏ_ｐよりも大きいか否かを判断する。コンプレッサ消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃが許容値ＣＰｃｏ_ｐ以下である場合には、制御方法における一連の処理手順が終了する。
【０１８３】
ステップＳ９３２において、コントローラ２０は、コンプレッサ消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃが許容値ＣＰｃｏ_ｐよりも大きくなった場合は、コンプレッサ消費電力推定値ＣＰｃｏ_ｃが許容値ＣＰｃｏ_ｐに収まるまで触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる。これにより、コンプレッサ５０の消費電力の増加を抑制することができる。
【０１８４】
そしてステップＳ９２２の処理が終了すると、燃料電池システム１００の制御方法における一連の処理手順が終了する。
【０１８５】
本発明の第３実施形態によれば、コントローラ２０は、コンプレッサ５０の消費電力が許容値よりも高いときには、コンプレッサ５０の消費電力が許容値よりも低いときに比べて触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる。本実施形態では、コンプレッサ５０は、燃料電池スタック１０から電力の供給を受けていることから、コンプレッサ５０の要求電力又は消費電力は、燃料電池スタック１０に要求される負荷に加えられており、電流目標値Ｉｓ_ｔには反映されている。
【０１８６】
したがって、コントローラ２０は、燃料電池スタック１０に要求される負荷のうち、コンプレッサ５０の要求負荷が高いときには、コンプレッサ５０の要求負荷が低いときに比べて触媒燃焼器３６への水素供給量を増加させる。これにより、コンプレッサ５０の消費電力を抑制することができると共に、コンプレッサ５０の要求負荷が低いときには水素供給量が減らされるので、燃料電池システム１００のエネルギー効率の低下を抑制することができる。
【０１８７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１８８】
上記実施形態では燃料電池スタック１０の温度を検出するセンサとして水温センサ８１及び８２を用いたが、これに限られるものではなく、燃料電池スタック１０に温度センサを設けて直接温度を検出するようにしてもよい。
【０１８９】
また、本実施形態ではアノードガス循環型の燃料電池システムに本発明を適用した例について説明したが、アノードガス循環型の燃料電池システムに適用することも可能である。このような場合であっても上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１９０】
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０１９１】
１０  燃料電池スタック（燃料電池）
１２  カソード給排機構（ガス供給装置）
１４  アノード給排機構（ガス供給装置）
２０  コントローラ（動力制御部、燃焼制御部）
３６  触媒燃焼器（燃焼器）
５０  コンプレッサ
５２  タービン
６８  燃焼器水素供給弁（アクチュエータ）
８１  入口水温センサ（センサ）
Ｂ１０１  空気圧力目標値演算ブロック（動力制御ステップ）
Ｂ１０２  空気流量目標値演算ブロック（動力制御ステップ）
Ｂ１０３  タービン入口温度目標値演算ブロック（燃焼制御ステップ）
Ｂ１０３ａ  コンプレッサ消費電力推定値演算ブロック（燃焼制御ステップ）
Ｂ１０５  バイパス空気量演算ブロック（動力制御ステップ）
Ｓ９１０（動力制御ステップ）、Ｓ９２０（燃焼制御ステップ）
【図１】
0006665510.tif 000002
【図２Ａ】
0006665510.tif 000003
【図２Ｂ】
0006665510.tif 000004
【図３】
0006665510.tif 000005
【図４】
0006665510.tif 000006
【図５】
0006665510.tif 000007
【図６】
0006665510.tif 000008
【図７】
0006665510.tif 000009
【図８】
0006665510.tif 000010
【図９】
0006665510.tif 000011
【図１０】
0006665510.tif 000012
【図１１】
0006665510.tif 000013
【図１２】
0006665510.tif 000014
【図１３】
0006665510.tif 000015
【図１４】
0006665510.tif 000016
【図１５】
0006665510.tif 000017