(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池に接続する空気供給路に空気を供給するコンプレッサと、前記空気供給路から前記燃料電池に供給される供給空気流量を調節するバイパス弁と、を有する燃料電池システムで暖機時に実行される燃料電池システム制御方法であって、
前記燃料電池の供給空気流量の目標値である目標空気流量と、前記コンプレッサから前記空気供給路に供給される空気の流量であるコンプレッサ流量と、に基づいて前記バイパス弁の開度を制御し、
前記目標空気流量は、前記燃料電池に対して設定される暖機用の目標電圧と実電圧との電圧差及び前記燃料電池の温度に応じて定められる目標ストイキ比に基づいて算出され、
前記燃料電池が低ストイキ運転時ＩＶ特性を有する低温範囲の前記目標ストイキ比に応じた第１バイパス弁開度を設定し、
前記燃料電池が前記低ストイキ運転時ＩＶ特性よりも発電効率の高いＩＶ特性を有する高温範囲では、前記目標ストイキ比が前記低温範囲における目標ストイキ比よりも低くなるように第２バイパス弁開度を設定する、
燃料電池システム制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記目標ストイキ比を、前記燃料電池の温度が高いほど低く設定する、燃料電池システム制御方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記コンプレッサ流量を、前記目標空気流量よりも高く設定する燃料電池システム制御方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記コンプレッサ流量を、前記燃料電池の目標発熱量が高いほど高く設定する燃料電池システム制御方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記コンプレッサ流量を、前記燃料電池の保水量が低いほど高く設定する燃料電池システム制御方法。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記バイパス弁が全開で、且つ前記燃料電池の実電圧が前記目標電圧よりも高い場合に前記コンプレッサ流量を減少させる燃料電池システム制御方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記バイパス弁が全閉で、且つ前記燃料電池の実電圧が前記目標電圧よりも低い場合に前記コンプレッサ流量を増加させる燃料電池システム制御方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム制御方法であって、
前記コンプレッサ流量の変化率を、前記燃料電池に接続されるバッテリの充放電許容電力が高いほど大きく設定する燃料電池システム制御方法。
【請求項９】
燃料電池と、
前記燃料電池に接続する空気供給路に空気を供給するコンプレッサと、
前記空気供給路から前記燃料電池に供給される供給空気流量を調節するバイパス弁と、
を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の暖機時において、前記燃料電池の供給空気流量の目標値である目標空気流量と、前記コンプレッサから前記空気供給路に供給される空気の流量であるコンプレッサ流量と、に基づいて前記バイパス弁の開度を制御するバイパス弁制御部と、を有し、
前記目標空気流量は、前記燃料電池に対して設定される暖機用の目標電圧と実電圧との電圧差及び前記燃料電池の温度に応じて定められる目標ストイキ比に基づいて算出され、
前記燃料電池が低ストイキ運転時ＩＶ特性を有する低温範囲の前記目標ストイキ比に応じた第１バイパス弁開度を設定し、
前記燃料電池が前記低ストイキ運転時ＩＶ特性よりも発電効率の高いＩＶ特性を有する高温範囲では、前記目標ストイキ比が前記低温範囲における目標ストイキ比よりも低くなるように第２バイパス弁開度を設定する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム制御方法及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される燃料電池は、氷点下などの使用環境において、燃料電池を起動してから最適な温度域に到達させるために暖機を行う。
【０００３】
上記暖機では、たとえば低温時に通常発電に比して電力損失が大きい低効率発電（低ストイキ運転とも言う）を行うことで、燃料電池の自己発熱量を増大させ、燃料電池を迅速に昇温する。この低効率発電は、例えば、燃料電池への水素や空気の供給流量を意図的に不足状態とするなどして行う。
【０００４】
ここで、低効率発電中に燃料電池の運転動作点（電流、電圧）を変更するにあたり、電圧や電流の変化量が大きいと、燃料電池へのガス供給量を調整する補機（例えば、コンプレッサ）の制御値が不安定になり、補機損変動が発生する。そこで、特許文献１には、運転動作点を変更するにあたり、単位時間あたりの電流変化量又は電圧変化量を制限する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４９３６１２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の技術では、運転動作点の変更時において本来要求される電流変化量又は電圧変化量よりもこれらが低くなるように制限しているので、暖機により時間がかかることとなる。また、電流変化量又は電圧変化量が低くなることで、目標発電量に対する追従性が低下するので、システムの電力収支バランスが損なわれ、バッテリの過放電及び過充電の発生が懸念される。
【０００７】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、その目的は、暖機時間の増大、及びバッテリの過放電や過充電を防止し得る燃料電池システム制御方法及び燃焼電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様によれば、燃料電池と、燃料電池に接続する空気供給路に空気を供給するコンプレッサと、空気供給路から燃料電池に供給される供給空気流量を調節するバイパス弁と、を有する燃料電池システムで暖機時に実行される燃料電池システム制御方法が提供される。そして、この燃料電池システム制御方法では、燃料電池の目標電圧と実電圧とに基づいて決定される燃料電池の供給空気流量の目標値である目標空気流量と、コンプレッサから空気供給路に供給される空気の流量であるコンプレッサ流量と、に基づいてバイパス弁の開度を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
これにより、燃料電池の暖機運転時において、バイパス弁の開度を調節するだけで、コンプレッサの出力を制御することなく、燃料電池の目標電圧とスタック電圧に応じたスタック空気流量を実現することができる。したがって、暖機運転時におけるコンプレッサの制御値の不安定性を生じることなく、燃料電池の実電圧を速やかに目標電圧に近づけることができる。すなわち、コンプレッサの制御値の不安定性に起因する暖機時間の増大やバッテリの過放電及び過充電といった問題を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックの温度及び供給空気流量に応じた燃料電池スタックのＩＶ特性の変動について説明する図である。
【図３】図３は、燃料電池スタックに供給される供給空気流量の目標値を求める流れを示すブロック図である。
【図４】図４は、コンプレッサ流量の目標値を算出する流れを説明するブロック図である。
【図５】図５は、バイパス弁の開度の目標値を算出する流れを示すブロック図である。
【図６】図６は、一実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。
【図７】図７は、一実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。
【図８】図８は、一実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面等を参照して本発明の各実施形態について説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
燃料電池セルは電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（空気）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１３】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池セルは１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１４】
燃料電池を車両用電力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池セルを積層した燃料電池スタック１として使用する。そして、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システム１００を構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成図である。なお、当図においては図面の簡略化のため、アノードガスの給排装置等は省略している。
【００１６】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、スタック冷却装置４と、電力システム５と、コントローラ６と、を備える。
【００１７】
燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両を駆動するために必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２と、を備える。
【００１８】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガス（空気）を供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、カソードガス排出通路２２と、フィルタ２３と、第１エアフローセンサ２４と、コンプレッサ２５と、第２エアフローセンサ２６と、カソード圧力センサ２７と、カソード調圧弁２８と、バイパス通路２９と、バイパス弁３０と、を備える。
【００１９】
カソードガス供給通路２１は、コンプレッサ２５からカソードガスが供給される空気供給路である。このカソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２３に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００２０】
カソードガス排出通路２２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２２は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードオフガスは、電極反応で使用されなかった酸素やカソードガス中に含まれる窒素、そして電極反応によって生じた水蒸気等の混合ガスである。
【００２１】
また、このカソードガス排出通路２２には、図示しないアノード給排装置から排出されたアノードオフガスが合流する。これにより、カソードガス排出通路２２内のカソードオフガスがアノードオフガスと混合されることで、アノードオフガスの水素濃度を低下させて外部に放出することができる。
【００２２】
フィルタ２３は、カソードガス供給通路２１に取り込む空気中の異物を取り除く。
【００２３】
第１エアフローセンサ２４は、カソードガス供給通路２１においてフィルタ２３の下流に設けられる。第１エアフローセンサ２４は、コンプレッサ２５により供給される空気の流量（以下「コンプレッサ流量」とも記載する）を検出する。
【００２４】
コンプレッサ２５は、カソードガス供給通路２１において第１エアフローセンサ２４の下流に設けられる。コンプレッサ２５は、フィルタ２３を介して空気をカソードガス供給通路２１に供給する。なお、コンプレッサ２５の出力は、コントローラ６により制御される。
【００２５】
第２エアフローセンサ２６は、カソードガス供給通路２１においてバイパス通路２９との接続部より下流に設けられる。第２エアフローセンサ２６は、コンプレッサ２５からカソードガス供給通路２１に供給される空気のうち、燃料電池スタック１に供給される空気の流量（以下「スタック空気流量」とも記載する）を検出する。なお、スタック空気流量は、コンプレッサ流量からバイパス流量を引いた流量である。
【００２６】
カソード圧力センサ２７は、カソードガス供給通路２１において第２エアフローセンサ２６の下流に設けられる。カソード圧力センサ２７は、カソードガス入口側近傍の空気の圧力を検出する。本実施形態では、これを「コンプレッサ吐出圧力」して用いる。
【００２７】
カソード調圧弁２８は、カソードガス排出通路２２において燃料電池スタック１の下流に設けられる。カソード調圧弁２８は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を所望の圧力に調節する。なお、カソード調圧弁２８を設けずに、オリフィス等の絞りを設けるようにしても良い。
【００２８】
バイパス通路２９は、コンプレッサ２５から吐出された空気の一部を、必要に応じて燃料電池スタック１を経由させずに直接カソードガス排出通路２２に排出することができるように設けられた通路である。バイパス通路２９は、一端がカソードガス供給通路２１におけるコンプレッサ２５の下流に接続され、他端がカソード調圧弁２８よりも下流のカソードガス排出通路２２に接続される。
【００２９】
バイパス弁３０は、バイパス通路２９に設けられる。バイパス弁３０は、コントローラ６によって開閉制御されて、バイパス通路２９を流れる空気の流量（以下「バイパス流量」とも記載する）を調節する。すなわち、このバイパス弁３０によれば、コンプレッサ２５からカソードガス供給通路２１に供給された空気の内、燃料電池スタック１に供給される空気の流量（スタック空気流量）を調節することができる。
【００３０】
スタック冷却装置４は、不凍液等である冷却水によって燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に調整する温度調整装置である。スタック冷却装置４は、循環通路４１と、ラジエータ４２と、冷却水バイパス通路４３と、三方弁４４と、冷却水循環ポンプ４５と、ＰＴＣヒータ４６と、入口水温センサ４７と、出口水温センサ４８と、を備える。
【００３１】
循環通路４１は、冷却水が循環するループ状通路として構成される。循環通路４１の一端は燃料電池スタック１の冷却水入口部に接続され、他端は燃料電池スタック１の冷却水出口部に接続される。
【００３２】
ラジエータ４２は、循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の熱を外部に放熱する熱交換器である。
【００３３】
冷却水バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を流す通路である。冷却水バイパス通路４３の一端はラジエータ４２の上流の循環通路４１に接続され、他端はラジエータ４２の下流の循環通路４１に設けられた三方弁４４に接続される。
【００３４】
三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水温度が所定温度よりも高い場合、三方弁４４は、燃料電池スタック１から排出された冷却水がラジエータ４２を通じて再び燃料電池スタック１に供給されるように切り換えられる。これに対して、冷却水温度が所定温度よりも低い場合、三方弁４４は、燃料電池スタック１から排出された冷却水が冷却水バイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように切り換えられる。
【００３５】
冷却水循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流の循環通路４１に設けられ、冷却水を循環させる。
【００３６】
ＰＴＣヒータ４６は、冷却水バイパス通路４３に設けられる。ＰＴＣヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水温度を上昇させる。
【００３７】
入口水温センサ４７は燃料電池スタック１の冷却水入口部近傍の循環通路４１に設けられ、出口水温センサ４８は燃料電池スタック１の冷却水出口部近傍の循環通路４１に設けられる。入口水温センサ４７は燃料電池スタック１に流入する冷却水温度を検出し、出口水温センサ４８は燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度を検出する。入口水温センサ４７によって検出された入口水温と出口水温センサ４８によって検出された出口水温とから算出される平均水温は、燃料電池スタック１の内部温度、いわゆるスタック温度として使用される。
【００３８】
電力システム５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、電圧センサ５２と、走行モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７と、を有している。
【００３９】
電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出され、バッテリ５５、走行モータ５３、及びコンプレッサ２５などの補機類５７に供給される電流（以下「スタック電流」とも記載する）を検出する。
【００４０】
電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「スタック電圧」とも記載する）を検出する。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１を構成する燃料電池１０の１枚ごとの電圧を検出し、燃料電池１０の総電圧を出力電圧として検出している。なお、燃料電池１０の複数枚ごとの電圧（セル群電圧）を検出するようにしても良い。
【００４１】
走行モータ５３は、車両を駆動するための駆動源である。走行モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。走行モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５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と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。
【００４２】
インバータ５４は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数のスイッチング素子から構成される。インバータ５４のスイッチング素子は、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５４は、走行モータ５３を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して走行モータ５３に供給する。一方で、走行モータ５３を発電機として機能させるときは、走行モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。
【００４３】
バッテリ５５は、充放電が可能な二次電池である。バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び走行モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて補機類５７及び走行モータ５３に供給される。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、複数のスイッチング素子とリアクトルとを含み、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の直流電圧変換機である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御されると共に、バッテリ５５の充放電が制御される。
【００４５】
補機類５７は、コンプレッサ２５、ＰＴＣヒータ４６、及び冷却水循環ポンプ４５等の走行モータ５３以外の電気機器である。
【００４６】
湿潤状態検出装置６０は、電流センサ５１による出力電流の検出値及び電圧センサ５２による出力電圧の検出値に基づいて、燃料電池スタック１の高周波数帯（例えば、数十ＫＨｚ以上）の内部インピーダンス値であるＨＦＲ（High Frequency Resistance）値を取得する。そして、湿潤状態検出装置６０は、この検出したＨＦＲ値と燃料電池の電解質膜の湿潤度との関係を示すマップに基づいて、燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルの電解質膜の湿潤状態を検出する。このマップにおいて、ＨＦＲ値と電解質膜の湿潤度（保水量）は、ＨＦＲ値が大きくなるほど電解質膜の湿潤度が小さくなる関係にあり、ＨＦＲ値が定まれば保水量が一意に定まることとなる。
【００４７】
コントローラ６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。本実施形態では、コントローラ６は、供給空気量流量設定装置として機能する。
【００４８】
コントローラ６は、燃料電池システム１００に設けられた各種センサからの入力信号と、燃料電池システム１００に設けられた各制御部品等に対する指令値とに基づいて、燃料電池スタック１を発電させる。
【００４９】
具体的に、コントローラ６には、第１エアフローセンサ２４、第２エアフローセンサ２６、カソード圧力センサ２７、入口水温センサ４７、出口水温センサ４８、電流センサ５１、及び電圧センサ５２からの信号が入力される。
【００５０】
また、コントローラ６は、上記各種センサからの入力信号に基づいて、コンプレッサ２５の出力、カソード調圧弁２８の開度、バイパス弁３０の開度、三方弁４４の開度、冷却水循環ポンプ４５の回転速度、及びＰＴＣヒータ４６の出力を制御する。
【００５１】
特に、コントローラ６は、上述した入口水温センサ４７と出口水温センサ４８のそれぞれの検出値の平均値として得られるスタック温度を調節するために、三方弁４４の開度、冷却水循環ポンプ４５の出力、及びＰＴＣヒータ４６の出力を制御する。特に、暖機時においては燃料電池スタック１の温度を速やかに昇温するように、冷却水循環ポンプ４５の回転速度を可変範囲の上限値に設定すると共に、ＰＴＣヒータ４６の出力、すなわち発熱量を可変範囲の上限値に設定する。
【００５２】
また、コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して補機類５７に加えてインバータ５４を介して走行モータ５３にも燃料電池スタック１で発電した発電電力を供給する。
【００５３】
そして、本実施形態においては、コントローラ６は、暖機時において、燃料電池スタック１の目標電圧（以下では、「目標スタック電圧」とも記載する）と、電圧センサ５２により検出された燃料電池スタック１の実電圧（以下では、「スタック実電圧」とも記載する）に基づいて、バイパス弁３０開度を制御する。なお、暖機時におけるバイパス弁３０の制御については、後に詳細に説明する。
【００５４】
以下では、燃料電池スタック１の暖機運転について説明する。
【００５５】
そして、本実施形態ではコントローラ６は、スタック温度が発電に適した温度よりも低い場合に暖機フラグをセットする。暖機フラグが設定されている場合には、コントローラ６は燃料電池スタック１の温度が、発電に適した発電温度まで暖機運転を行う。
【００５６】
暖機運転では、コントローラ６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を制御して燃料電池スタック１から補機類５７へ電力を供給することで、補機類５７の駆動に必要な電力を燃料電池スタック１で発電させる。これにより、燃料電池スタック１の発電に伴う発熱によって燃料電池スタック１自体が暖機される。
【００５７】
特に、発電に伴う発熱を高める観点から、目標スタック電圧を暖機用の固有の値（非暖機時の目標スタック電圧よりも小さい値）に設定する。
【００５８】
一方、コントローラ６は、暖機時において補機類５７から要求される要求電力に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値（以下「目標スタック電流」という。）を設定する。
【００５９】
ここで、暖機時においては、上記目標スタック電圧や上記目標スタック電流に対して本来想定されるスタック空気流量よりも少ないスタック空気流量を設定し、発電効率を低下させた低効率運転（低ストイキ運転）を行う。なお、本実施形態において「ストイキ比」とは、スタック電流を目標スタック電流にするために理論上必要なスタック空気流量と、実際のスタック空気流量と、の比（＝実際のスタック空気流量／理論上必要なスタック空気流量）である。
【００６０】
この暖機時に行われる低ストイキ運転についてより詳細に説明する。
【００６１】
図２は、燃料電池スタック１の温度及びスタック空気流量に応じた燃料電池スタック１のＩＶ特性の変動について説明する図である。図２において、燃料電池スタック１の非暖機時における通常運転状態のＩＶ特性を基準ＩＶ特性Ｃ１として示す。また、燃料電池スタック１が、発電に適した温度よりも低い低温状態である場合におけるＩＶ特性を低温時ＩＶ特性Ｃ２として示す。さらに、燃料電池スタック１の低温状態においてスタック空気流量を低下させた低ストイキ運転時におけるＩＶ特性を、低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３として示す。
【００６２】
図２に示すように、燃料電池スタック１のＩＶ特性は燃料電池スタック１の温度やスタック空気流量に応じて変化する。具体的には、スタック温度が高い場合ほど、同じ値のスタック電流を燃料電池から取り出したときのスタック電圧は高くなる（発電効率が高くなる）。また、スタック空気流量が高いほど、同じ値のスタック電流を燃料電池スタック１から取り出したときのスタック電圧は高くなる（発電効率が高くなる）。すなわち、燃料電池スタック１が低温状態であるときやスタック空気流量が低いときほど、燃料電池スタック１の発電効率は低下することとなる。
【００６３】
ここで、図２に示す低温時ＩＶ特性Ｃ２を参照すれば理解されるように、燃料電池スタック１の暖機運転時においては、スタック温度は、燃料電池スタック１の発電温度よりも低いので、基準ＩＶ特性よりも効率が低くなっている。
【００６４】
一方で、暖機時には、意図的にスタック空気流量を本来必要とされる値よりも低下させる低ストイキ運転を行うことにより、ＩＶ特性がより低下して低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３をとることとなる。
【００６５】
ここで、低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３は、発電効率としては他の特性と比較して低い。しかしながら、発電の損失により発生する熱量は、理論特性電圧と実際の出力電圧との差によって与えられるので、低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３では、基準ＩＶ特性Ｃ１や低温時ＩＶ特性Ｃ２と比較して得られる損失熱が大きい。したがって、燃料電池スタック１を低ストイキ運転時ＩＶ特性Ｃ３にしたがい作動させることで暖機時間を短縮することができる。
【００６６】
さらに、従来、暖機時においては、暖機速度を向上させて燃料電池スタック１の内部温度を上昇させるにあたり、燃料電池スタック１の動作点を通常の動作点（Ｉ１、Ｖ１）よりも熱損失の大きい動作点（Ｉ２、Ｖ２）にシフトしていた。
【００６７】
この運転点をシフトさせるにあたり、目標スタック電圧として、通常の運転状態（非暖機時）の目標スタック電圧よりも低い暖機用の目標スタック電圧に設定し、これに合せてスタック空気流量の目標値（以下では「目標スタック空気流量」とも記載する）を設定し、この目標スタック空気流量に基づいてコンプレッサ２５の出力（消費電力）を定めていた。
【００６８】
しかし、コンプレッサ２５の消費電力は、スタック電流の目標値（以下では、「目標スタック電流」とも記載する）の決定に影響する制御パラメータでもある。したがって、このように決定された目標スタック電流に基づき、燃料電池スタック１の電流を制御すると、これに応じてスタック電圧が変化することになる。したがって、運転点の変更に係る制御を行うにあたり、制御ループが構成されることとなり、コンプレッサ２５の制御値の不安定性を招くこととなる。
【００６９】
これに対して、特許第４９３６１２６号の特許公報に記載の方法では、運転点の変更における電流変化量や電圧変化量を制限して、制御値の不安定性を解消している。しかしながら、この方法では、上述したように、本来、目標とされる運転点への変更までに時間がかかり、暖機時間の増大や目標発電量に対する追従性の低下によるバッテリの過放電及び過充電の発生が懸念される。
【００７０】
そこで、本発明者らは、目標スタック電圧と実スタック電圧（実電圧）に基づいて決定される目標スタック空気流量（目標空気流量）及びコンプレッサ流量に基づいて、バイパス弁３０の開度を制御し、スタック空気流量を調節するという思想に想到した。これにより、目標スタック空気流量に応じたコンプレッサ２５の出力変更を行う必要がなくなるので、電流変化量や電圧変化量を制限することなく運転点の変更を行っても、上述したコンプレッサ２５の制御値の不安定性の問題が生じない。
【００７１】
以下では、図３〜図５のブロック図、及び図６のタイムチャートを用いて本実施形態の具体的制御について説明する。なお、図３〜図５で示されるブロックの機能は、コントローラ６により実現される。
【００７２】
図３は、目標スタック空気流量を求める流れを示すブロック図である。図示のように、当ブロックは、電圧差算出部Ｂ１００と、暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１と、暖機時目標スタック空気流量算出部Ｂ１０２と、非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３と、を有している。
【００７３】
図示のように、電圧差算出部Ｂ１００には、既に述べた暖機用の固有の値として定められた暖機時目標スタック電圧と、実スタック電圧と、が入力される。そして、電圧差算出部Ｂ１００は、この目標スタック電圧から実スタック電圧を減算して得られる電圧差を暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１に出力する。
【００７４】
暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１には、電圧差算出部Ｂ１００で演算された電圧差とスタック温度が入力される。
【００７５】
そして、暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１は、上記電圧差、スタック温度、及び目標ストイキ比の関係を示すマップを記憶している。このマップは、図２で説明した燃料電池スタック１のＩＶ特性におけるスタック流量やスタック温度に対する感度を考慮して予め設定される。当該マップでは、電圧差が大きくなると目標ストイキ比が低下するとともに、スタック温度が高くなると、電圧差あたりの目標ストイキ比が低下する関係にある。
【００７６】
このマップにおいて電圧差が大きい場合は、暖機運転の開始時などが想定され、スタック電圧を暖機時目標スタック電圧へ低下させるにあたり、燃料電池スタック１を低効率発電とすべく目標ストイキ比を低下させている。さらに、このマップでは、スタック温度が高くなると、ＩＶ特性が向上することを考慮し、スタック温度の上昇に伴いストイキ比を１に近づけるべく目標ストイキ比を低下させるようにしている。
【００７７】
暖機時目標スタック空気流量算出部Ｂ１０２には、暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０１で算出された目標ストイキ比と、補機類５７等による要求電力や暖機時における発電よる発熱量に応じて定められる目標スタック電流と、が入力される。
【００７８】
そして、暖機時目標スタック空気流量算出部Ｂ１０２は、目標ストイキ比と目標スタック電流に基づいて、暖機時におけるスタック空気流量の目標値である暖機時目標スタック空気流量を算出して出力する。
【００７９】
一方で、非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３には、上述した目標スタック電流が入力される。非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３は、目標スタック電流と目標ストイキ比の関係を示すマップを記憶している。このマップでは、目標スタック電流が大きくなるほど目標ストイキ比が低下する関係にある。そして、非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３は、このマップに基づき、目標スタック電流から非暖機時における目標ストイキ比を算出して出力する。
【００８０】
そして、燃料電池スタック１の暖機フラグがＯＮである場合、すなわち燃料電池スタック１が暖機中である場合には、目標スタック空気流量として、暖機時目標スタック空気流量算出部Ｂ１０２で算出された暖機時目標スタック空気流量が選択される。一方で、燃料電池スタック１の暖機フラグがＯＦＦである場合、すなわち燃料電池スタック１が暖機中ではない場合には、目標スタック空気流量として、非暖機時目標ストイキ比算出部Ｂ１０３で算出された目標ストイキ比に基づく非暖機時目標スタック空気流量が選択される。
【００８１】
図４は、目標コンプレッサ流量を算出する流れを説明するブロック図である。
【００８２】
当該ブロックには、ミニマムセレクト部Ｂ２０１と、マックスセレクト部Ｂ２０２と、が含まれている。
【００８３】
本実施形態では、目標コンプレッサ流量として、非暖機時に設定される非暖機時目標コンプレッサ流量と、暖機時の基本目標値となる暖機時基本目標コンプレッサ流量と、燃料電池スタック１内の保水量を考慮して定められる保水量制限目標コンプレッサ流量と、バイパス通路２９を通過することが許容される流量を考慮して定められるバイパス制限目標コンプレッサ流量と、が定められている。
【００８４】
そして、ミニマムセレクト部Ｂ２０１には、暖機時基本目標コンプレッサ流量と、保水量制限目標コンプレッサ流量と、バイパス制限目標コンプレッサ流量と、が入力される。ミニマムセレクト部Ｂ２０１は、これらの値の最小値を暖機時目標コンプレッサ流量として選択する。すなわち、暖機時においては目標コンプレッサ流量として、基本的には暖機時基本目標コンプレッサ流量を設定するものの、燃料電池スタック１内の保水量が多すぎる場合やバイパス通路２９を通過可能な流量を超える可能性がある場合には、これらを考慮して目標コンプレッサ流量が暖機時基本目標コンプレッサ流量以外の値に設定される。
【００８５】
そして、燃料電池スタック１の暖機フラグがＯＮである場合には、ミニマムセレクト部Ｂ２０１から出力された暖機時目標コンプレッサ流量が、マックスセレクト部Ｂ２０２に出力される。一方で、燃料電池スタック１の暖機フラグがＯＦＦである場合には、非暖機時目標コンプレッサ流量が、目標コンプレッサ流量の候補値としてマックスセレクト部Ｂ２０２に出力される。
【００８６】
さらに、マックスセレクト部Ｂ２０２は、上記目標コンプレッサ流量の候補値と、燃料電池スタック１の希釈要求に基づく希釈要求目標流量と、が入力される。ここで、希釈要求目標流量とは、カソードガス排出通路２２に排出されるアノードオフガスを所定の水素濃度まで希釈するために、バイパス通路２９を介してカソードガス排出通路２２に供給する空気量を確保する観点から定められる目標流量である。すなわち、燃料電池システム１００の要求として、コンプレッサ流量は、この希釈要求目標流量を下回らないように設定する必要がある。
【００８７】
したがって、マックスセレクト部Ｂ２０２は、上記目標コンプレッサ流量の候補値と希釈要求目標流量の内の大きい方の値を、目標コンプレッサ流量として出力する。これにより、暖機時における目標のコンプレッサ流量と希釈要求による目標のコンプレッサ流量の双方が確保されることとなる。
【００８８】
したがって、コンプレッサ２５の出力は、コンプレッサ流量が上記算出された目標コンプレッサ流量に近づくように制御されることとなる。
【００８９】
図５は、バイパス弁３０の開度の目標値（以下では「目標バイパス弁開度」とも記載する）を算出する流れを示すブロック図である。
【００９０】
当該ブロックは、バイパス通路２９の流量の目標値である目標バイパス流量を算出する目標バイパス流量算出部Ｂ３０１と、目標バイパス弁開度を算出する目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２と、を有している。
【００９１】
目標バイパス流量算出部Ｂ３０１には、図３で説明した方法で算出された目標スタック空気流量と、図４で説明した方法で算出された目標コンプレッサ流量と、が入力される。
【００９２】
そして、目標バイパス流量算出部Ｂ３０１は、目標コンプレッサ流量から目標スタック空気流量を減算して目標バイパス流量を算出し、目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２に出力する。
【００９３】
目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２には、目標バイパス流量と、コンプレッサ２５の吐出圧力（カソード圧力センサ２７で検出される圧力）と、が入力される。
【００９４】
そして、目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２は、上記目標バイパス流量、コンプレッサ吐出圧力、及び目標バイパス弁開度の関係を示すマップを記憶している。当該マップでは、目標バイパス流量が大きくなると目標バイパス弁開度が増加するとともに、コンプレッサ吐出圧力が高くなると目標バイパス弁開度が低下する関係にある。すなわち、このマップによれば、目標バイパス流量が大きくなる場合には、バイパス通路２９により多くの空気を流すべく目標バイパス弁開度がより大きく設定される。
【００９５】
また、コンプレッサ吐出圧力が高くなると、カソードガス排出通路２２に対するカソードガス供給通路２１側の差圧が大きくなるため、バイパス通路２９により空気が流れ易くなる。したがって、上記マップは、コンプレッサ吐出圧力が高くなるほど目標バイパス弁開度が低下するように設定されている。
【００９６】
目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２は、上記マップに基づいて算出された目標バイパス弁開度の値を、コントローラ６が有する図示しないバイパス弁フィードバック制御部に出力する。したがって、バイパス弁３０の開度は、上記算出された目標バイパス弁開度に近づくように制御されることとなる。
【００９７】
以上説明した各ブロックの機能に基づいて行われる本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御方法について説明する。
【００９８】
図６は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の制御方法の流れを説明するタイムチャートである。なお、本実施形態における各タイムチャートは、通常発電状態（非暖機時の発電状態）から移行する暖機運転における制御を前提としている。
【００９９】
図６においては、通常発電状態から暖機開始期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ１）を介して暖機状態に移行する時系列を示している。ここで、図６（Ａ）〜図６（Ｈ）は、それぞれ、コンプレッサ流量、バイパス弁開度、ストイキ比、スタック空気流量、スタック電圧、スタック電流、及びＨＦＲの時系列変化を示している。なお、本実施形態で「ＮＥＴ電力」とは、燃料電池スタック１の全発電電力（Ｇｒｏｓｓ電力）から、補機類５７等の燃料電池スタック１の負荷で消費される電力を差し引いた余剰電力を意味する。すなわち、この余剰電力が正の値であれば、当該余剰電力はバッテリ５５へ供給され、余剰電力が負の値、すなわち電力が不足している場合にはバッテリ５５により不足分の電力が補われる。
【０１００】
先ず、暖機状態に移行する暖機開始期間（時刻ｔ０〜時刻ｔ１）において、暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔが設定され、この暖機時スタック目標電圧とスタック電圧との電圧差、及びスタック温度に基づいて目標ストイキ比が決定し、ストイキ比がこの目標ストイキ比に近づくように制御されることとなる。
【０１０１】
本実施形態では、暖機開始期間突入時（時刻ｔ０）において、図６（Ｅ）に示すように目標電圧として、通常発電状態の目標スタック電圧よりも低い暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔが設定される。そして、これに応じて図６（Ｃ）に示すように、ストイキ比の目標値として第１目標ストイキ比ＳＲｃ１が設定される。また、同時に、図６（Ｆ）に示すように、目標電流として、通常発電状態よりも高い暖機時目標スタック電流Ｉｔが設定される。
【０１０２】
さらに、時刻ｔ０において、上記第１目標ストイキ比ＳＲｃ１及び暖機時目標スタック電流Ｉｔに応じて、スタック空気流量の暖機時の目標値である第１暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ１が設定される。
【０１０３】
さらに、時刻ｔ０において図６（Ａ）に示すように、コンプレッサ流量の目標値が、通常発電状態におけるコンプレッサ流量よりも高い第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１に設定されている。
【０１０４】
このように第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１が通常発電状態におけるコンプレッサ流量よりも高い値に設定している理由は、コンプレッサ２５の消費電力を向上させて燃料電池スタック１の発電量を増やし、当該発電にともなう発熱量を増加させるためである。また、スタック温度が低い等の事情により燃料電池スタック１の目標発熱量がより高くなる場合には、第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１をより高い値に設定することもできる。さらに、本実施形態では、図６（Ｈ）に示すようにＨＦＲが比較的低く保水量に余裕がある状態であるので、上述のように時刻ｔ０でコンプレッサ流量を増加させたとしても、燃料電池スタック１内の電解質膜の過乾燥が引き起こされない上に、逆に保水量が増加しすぎることによるフラッディングも防止される。
【０１０５】
なお、燃料電池スタック１内の保水量があまり高くない場合には、通常発電状態と暖機状態において目標コンプレッサ流量を変更しないようにしても良い。
【０１０６】
そして、本実施形態では、目標値を第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１と設定したコンプレッサ流量に対して、スタック空気流量が第１暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ１をとるように、第１目標バイパス弁開度Ｖｏ１を設定している（図６（Ｂ）参照）。より具体的には、第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１から第１暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ１を減算した値、及びコンプレッサ吐出圧力を考慮して、目標バイパス弁開度算出部Ｂ３０２のマップから第１目標バイパス弁開度Ｖｏ１を算出し、これをバイパス弁３０の開度の目標値として設定している（図５参照）。この結果、図６（Ｂ）に示すように、バイパス弁３０は、時刻ｔ０から漸次開度が大きくなるように制御されている。
【０１０７】
したがって、暖機が開始される時刻ｔ０以降は、バイパス弁３０の開度を大きくすることで、図６（Ｄ）に示すように、コンプレッサ流量を調節すること無くスタック空気流量（ストイキ比）を調節することができる。これにより、スタック空気流量の調節にコンプレッサ２５の出力を変更した場合に生じる消費電力変化を考慮することなく、バイパス弁３０の開度調整のみをもって行うことができるので、ＮＥＴ電力がゼロとなる状態を容易に維持することができる。すなわち、システムの電力収支バランスを保つことが容易となる。
【０１０８】
さらに、暖機運転中において燃料電池スタック１の温度が所定温度まで上昇した時刻ｔ２では、図６（Ｄ）に示すように、スタック空気流量の目標値として、第１暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ１よりも小さい第２暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ２が設定される。併せて、ストイキ比の目標値も第１目標ストイキ比ＳＲｃ１から第２目標ストイキ比ＳＲｃ２（図６（Ｃ）ではＳＲｃ２＝１である）に変更される。これは、燃料電池スタック１の温度が上昇したことにより、燃料電池スタック１のＩＶ特性が回復し（図２参照）、発電量が向上することから、スタック空気流量を抑えて発電量を適切に調節するためである。この第２暖機時目標スタック空気流量Ｆｓｔ２の設定に伴い、スタック空気流量を減少させるべく、バイパス弁開度の目標値を第１目標バイパス弁開度Ｖｏ１よりも高い第２目標バイパス弁開度Ｖｏ２に設定する（図６（Ｂ）参照）。すなわち、この場合においても、コンプレッサ２５の出力変更を行うことなく、バイパス弁開度を調節するだけで、システムの電力収支バランスを保ちつつスタック空気流量を調節することができる。
【０１０９】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池システム制御方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１１０】
本実施形態に係る燃料電池システム制御方法は、燃料電池としての燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１に接続する空気供給路としてのカソードガス供給通路２１に空気を供給するコンプレッサ２５と、カソードガス供給通路２１から燃料電池スタック１に供給される供給空気流量としてのスタック空気流量を調節するバイパス弁３０と、を有する燃料電池システム１００で実行される燃料電池システム制御方法である。そして、この燃料電池システム制御方法では、燃料電池スタック１の目標電圧（暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔ）と実電圧（スタック電圧）とに基づいて決定されるスタック空気流量の目標値である目標空気流量（目標スタック空気流量）と、コンプレッサ流量と、に基づいてバイパス弁３０の開度を制御する。
【０１１１】
すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム１００のコントローラ６は、燃料電池スタック１に接続するカソードガス供給通路２１に空気を供給するコンプレッサ２５と、カソードガス供給通路２１から燃料電池スタック１に供給される供給空気流量を調節するバイパス弁３０と、有する。さらに、燃料電池システム１００のコントローラ６は、前記燃料電池の暖機時において、燃料電池スタック１の暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔとスタック電圧とに基づいて決定される目標スタック空気流量と、上記コンプレッサ流量と、に基づいてバイパス弁３０の開度を制御するバイパス弁制御部として機能する。
【０１１２】
これにより、燃料電池スタック１の暖機運転時において、バイパス弁３０の開度を調節するだけで、コンプレッサ２５の出力を制御することなく、燃料電池スタック１の目標電圧とスタック電圧に応じたスタック空気流量を実現することができる。したがって、暖機運転時におけるコンプレッサ２５の制御値の不安定性を生じることなく、燃料電池スタック１のスタック電圧を速やかに暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔに近づけることができる。すなわち、コンプレッサ２５の制御値の不安定性に起因する暖機時間の増大やバッテリ５５の過放電及び過充電といった問題を回避することができる。
【０１１３】
また、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、コンプレッサ流量を、スタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔに到達するために必要な空気流量よりも高く設定する（図６（Ａ）の時刻ｔ０〜時刻ｔ１参照）。これにより、コンプレッサ２５の消費電力が向上することとなるので、燃料電池スタック１に対する要求発電電力が向上し発電が促進されるので、当該発電による発熱量も増加することとなり、暖機をより促進することができる。結果として、暖機時間の短縮に資することとなる。
【０１１４】
さらに、上記コンプレッサ流量を、燃料電池スタック１の目標発熱量が高いほど高く設定するようにしても良い。すなわち、スタック温度が低い等の事情により燃料電池スタック１の目標発熱量が高くなる場合に、燃料電池スタック１の暖機運転用に設定される第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１を、予めより高い値に設定することができる。
【０１１５】
これにより、燃料電池スタック１の目標発熱量が高い状態である場合に、コンプレッサ流量を増大させてコンプレッサ２５の消費電力を向上させることができるので、発電による発熱量を増大させてより速やかに要求される熱量を得ることができる。
【０１１６】
また、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、コンプレッサ流量を、燃料電池スタック１の保水量が低いほど（ＨＦＲが高いほど）高く設定するようにしても良い（図６（Ａ）及び図６（Ｈ）参照）。
【０１１７】
すなわち、燃料電池スタック１内における保水許容量に余裕がある状態で、コンプレッサ２５の消費電力を向上させるように、予め第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１を高く設定しておくことにより、電解質膜の過乾燥が引き起こされることなく、暖機をより促進することができ、併せて燃料電池スタック１内に供給される余剰の空気により水分が消費されるのでフラッディングが防止される。
【０１１８】
なお、本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、暖機開始時において目標コンプレッサ流量が、通常発電状態よりも高い値に設定しているが、暖機時においても目標コンプレッサ流量を変更することなく同じ値としても良い。
【０１１９】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
【０１２０】
図７は、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。
【０１２１】
図示のように、本実施形態では、暖機運転時において、バイパス弁開度を全開とするだけでは目標とするスタック空気流量が実現できない場合を想定している。
【０１２２】
具体的に、図７（Ａ）に示すように、暖機がある程度進行してスタック温度が所定温度まで上昇した時刻ｔ２を経過し、さらにスタック温度が上昇した時刻ｔ３以降において、既にバイパス弁３０が全開であるにもかかわらず、スタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔより高い場合が想定される。
【０１２３】
すなわち、本実施形態では、暖機中にスタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔより高いにもかかわらず、バイパス弁３０が既に全開であるので、これ以上、スタック空気流量をバイパス弁３０により減少させることができない。そこで、時刻ｔ３においてコンプレッサ２５の出力を僅かに低下させてスタック空気流量を減少させる。すなわち、目標コンプレッサ流量を、第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１よりも小さい第２暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ２に変更する。
【０１２４】
なお、第２暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ２は、本システムにおける目標スタック電流等の各制御パラメータに基づいて決定されるものではなく、予め実験等により定められる固定値を用いることが好ましい。
【０１２５】
また、上述したコンプレッサ２５の出力の低下させる際の変化率は、バッテリ５５の充放電許容電力が高いほど大きく設定されることが好ましい。これは、バッテリ５５の充放電許容電力が高い場合には、コンプレッサ２５の出力変化に係る要求電力の変化を、バッテリ５５により受け入れ易くなるためである。
【０１２６】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池システム制御方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１２７】
本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、バイパス弁３０が全開で、且つスタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔよりも高い場合にコンプレッサ流量を減少させる。
【０１２８】
これにより、コンプレッサ２５の出力、すなわちコンプレッサ２５の消費電力を極力低下させることなく、燃料電池スタック１の発電による発熱を確保しつつ、ＮＥＴ電力をゼロとする発電状態を維持することができる。すなわち、発電による発熱を最大限維持して暖機時間の延長を抑制しつつも、燃料電池システム１００の電力収支を保つことができる。
【０１２９】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、コンプレッサ流量の変化率を、燃料電池スタック１に接続されるバッテリ５５の充放電許容電力が高いほど大きく設定する。
【０１３０】
これにより、暖機運転の開始時（時刻ｔ０）や上述したスタック温度がより上昇した時刻ｔ３において、コンプレッサ２５の出力を大きく変更したとしても、当該コンプレッサ２５の出力変更にともなう要求電力の変化を、バッテリ５５により確実に補うことができる。すなわち、コンプレッサ２５の出力を急激に増加させてその消費電力が急激に増加する場合には、燃料電池スタック１の発電量の不足分をバッテリ５５の充電電力により補うことができる。また、逆にコンプレッサ２５の出力を急減に減少させてその消費電力が急激に低下する場合には、燃料電池スタック１の発電による余剰電力をバッテリ５５により確実に供給することができる。
【０１３１】
結果として、燃料電池システム１００の電力収支バランスを保ちつつコンプレッサ２５の出力を速やかに変化させることができるので、暖機時間の延長を防止することができる。
【０１３２】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。
【０１３３】
図８は、本実施形態に係る燃料電池システム制御方法の流れを説明するタイムチャートである。
【０１３４】
本実施形態では、暖機運転時において、スタック電圧が下がりすぎることによりバイパス弁開度を全開とするだけでは目標とするスタック空気流量が実現できない場合を想定している。
【０１３５】
具体的には、図８（Ａ）に示すように、暖機がある程度進行してスタック温度が所定温度まで上昇した時刻ｔ２を経過し、さらにスタック温度が上昇した時刻ｔ４〜時刻ｔ５において、バイパス弁開度を全閉としているにもかかわらず、ストイキ比が不足することでスタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔよりも低くなっている（図８（Ｅ）参照）。
【０１３６】
すなわち、本実施形態では、ストイキ比が不足しているにかかわらず、バイパス弁３０が既に全閉であるので、これ以上、スタック空気流量をバイパス弁３０により増加させることができない。そこで、本実施形態では時刻ｔ５においてコンプレッサ流量を増加させる。すなわち、目標コンプレッサ流量を、第１暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ１よりも大きい第３暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ３に設定する。
【０１３７】
なお、第３暖機時目標コンプレッサ流量Ｆｃｔ３は、本システムにおける目標スタック電流等の各制御パラメータに基づいて決定されるものではなく、予め実験等により定められる固定値を用いることが好ましい。
【０１３８】
以上、説明した本実施形態に係る燃料電池システム制御方法によれば、以下の効果を得ることができる。
【０１３９】
本実施形態に係る燃料電池システム制御方法では、バイパス弁３０が全閉で、且つスタック電圧が暖機時スタック目標電圧Ｖｓｔよりも低い場合にコンプレッサ流量を増加させる。
【０１４０】
これにより、暖機運転中にストイキ比が不足することによるスタック電圧の低下が回復され、燃料電池スタック１の補機類５７（特に強電系部品）で要求される動作保証電圧を確保しつつ、暖機運転を継続することができる。結果として、スタック電圧の過度の低下による暖機の停止や長期化を防止することができる。
【０１４１】
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。
【０１４２】
例えば、上記各実施形態において図６〜図８で説明した暖機運転は、通常発電状態から移行する例について説明している。しかしながら、本発明は、燃料電池システム１００の停止状態、すなわち燃料電池スタック１による発電が行われていない状態から、通常発電状態を介することなく暖機運転に移行する場合においても適用することが可能である。
【０１４３】
また、上記第２実施形態で説明したコンプレッサ流量の変化率を、燃料電池スタック１に接続されるバッテリ５５の充放電許容電力が高いほど大きく設定する構成は、第２実施形態だけでなく、第１実施形態や第３実施形態に適用することが可能である。
【符号の説明】
【０１４４】
１    燃料電池スタック
６    コントローラ
１０    燃料電池
２１    カソードガス供給通路
２４    第１エアフローセンサ
２５    コンプレッサ
２６    第２エアフローセンサ
２７    カソード圧力センサ
２９    バイパス通路
５５    バッテリ
５７    補機類
６０    湿潤状態検出装置
１００    燃料電池システム
【図１】
0006801176.tif 000002
【図２】
0006801176.tif 000003
【図３】
0006801176.tif 000004
【図４】
0006801176.tif 000005
【図５】
0006801176.tif 000006
【図６】
0006801176.tif 000007
【図７】
0006801176.tif 000008
【図８】
0006801176.tif 000009