(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
カソードガス供給ラインを介して前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するターボコンプレッサと、
前記カソードガスの圧力を調整する調圧弁と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックの出力要求値に応じて決まる前記カソードガスの目標流量と前記カソードガスの目標圧力とから、前記ターボコンプレッサの目標回転数と前記調圧弁の目標開度と、を算出し、前記目標回転数と前記目標開度を用いて前記ターボコンプレッサと前記調圧弁とを制御し、
前記出力要求値が増加した場合に、
（ａ）前記出力要求値の増加量に少なくとも基づいて、前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量のオーバーシュート許容レベルが複数のレベルのいずれに該当するかを決定し、
（ｂ）前記決定されたオーバーシュート許容レベルが低いほど前記カソードガスの流量変化におけるオーバーシュート量が小さくなるように前記調圧弁の開度の時間的変化を設定して、前記調圧弁の制御を実行する、
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において、
前記制御部は、前記（ｂ）において、
（ｉ）前記オーバーシュート許容レベルが前記複数のレベルのうちの最高レベルである場合、前記調圧弁の開度を前記目標開度より大きな開度で一定時間維持し、その後、前記目標開度に向かって減少させた後で前記目標開度に維持し、
（ｉｉ）前記オーバーシュート許容レベルが前記複数のレベルのうちの最低レベルである場合、前記調圧弁の開度を、前記目標開度より小さな小開度に減少させた後に前記小開度で一定時間維持し、その後、前記目標開度に向かって増大させた後で前記目標開度に維持する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記（ｉ）の前記目標開度より大きな開度は、前記（ｂ）の前記調圧弁の制御の開始前における開度よりも小さく、前記目標開度より大きな中間開度である、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンスセンサを備え、
前記制御部は、前記インピーダンスセンサから得られたインピーダンスが予め定められた値よりも大きい場合、前記オーバーシュート許容レベルを前記最低レベルに設定する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池スタックの冷却水の温度を測定する温度センサを備え、
前記制御部は、前記冷却水の温度が予め定められた値よりも高い場合、前記オーバーシュート許容レベルを前記最低レベルに設定する、
燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池スタックと、カソードガス供給ラインを介して前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するターボコンプレッサと、前記カソードガスの圧力を調整する調圧弁と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックの出力要求値に応じて決まる前記カソードガスの目標流量と前記カソードガスの目標圧力とから、前記ターボコンプレッサの目標回転数と前記調圧弁の目標開度と、を算出し、前記目標回転数と前記目標開度を用いて前記ターボコンプレッサと前記調圧弁とを制御し、
前記出力要求値が増加した場合に、
（ａ）前記出力要求値の増加量に少なくとも基づいて、前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量のオーバーシュート許容レベルが複数のレベルのいずれに該当するかを決定し、
（ｂ）前記決定されたオーバーシュート許容レベルが低いほど前記カソードガスの流量変化におけるオーバーシュート量が小さくなるように前記調圧弁の開度の時間的変化を設定して、前記調圧弁の制御を実行する、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】
本発明は、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、コンプレッサの回転数と、カソード調圧弁の開度とを用いて、燃料電池スタックに供給するカソードガスの供給量を調整する燃料電池システムが記載されている。この燃料電池システムでは、カソードガスの流量のオーバーシュートを抑制するように、コンプレッサの回転数の応答補正量を算出し、カソードガスの供給量を調整している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３５５８９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、コンプレッサとして、ターボ型コンプレッサを用いる場合、コンプレッサの回転数が同じでも、圧力が異なると、流量が大きく変化するので、コンプレッサの回転数の応答補正を行っても流量調整を有効に行うことができず、カソードガスの流量が過度にオーバーシュートしてしまう場合がある。
【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、燃料電池スタックと、カソードガス供給ラインを介して前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するターボコンプレッサと、前記カソードガスの圧力を調整する調圧弁と、制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池スタックの出力要求値に応じて決まる前記カソードガスの目標流量と前記カソードガスの目標圧力とから、前記ターボコンプレッサの目標回転数と前記調圧弁の目標開度と、を算出し、前記目標回転数と前記目標開度を用いて前記ターボコンプレッサと前記調圧弁とを制御し、前記出力要求値が増加した場合に、（ａ）前記出力要求値の増加量に少なくとも基づいて、前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量のオーバーシュート許容レベルが複数のレベルのいずれに該当するかを決定し、（ｂ）前記決定されたオーバーシュート許容レベルが低いほど前記カソードガスの流量変化におけるオーバーシュート量が小さくなるように前記調圧弁の開度の時間的変化を設定して、前記調圧弁の制御を実行する。
一般に、ターボコンプレッサの場合、回転数が同じでも、圧力に応じて流量が大きく変化する。上述の形態によれば、制御部は、燃料電池スタックの出力要求値が増加した場合、（ａ）前記出力要求値の増加量に少なくとも基づいて、燃料電池スタックに供給されるカソードガスの流量のオーバーシュート許容レベルが複数のレベルのいずれに該当するかを決定し、（ｂ）決定されたオーバーシュート許容レベルが低いほどカソードガスの流量変化におけるオーバーシュート量が小さくなるように調圧弁の開度の時間的変化を設定して、調圧弁の制御を実行するので、カソードガスの流量に過度のオーバーシュートが発生することを抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態において、前記制御部は、前記（ｂ）において、（ｉ）前記オーバーシュート許容レベルが前記複数のレベルのうちの最高レベルである場合、前記調圧弁の開度を前記目標開度より大きな開度で一定時間維持し、その後、前記目標開度に向かって減少させた後で前記目標開度に維持し、（ｉｉ）前記オーバーシュート許容レベルが前記複数のレベルのうちの最低レベルである場合、前記調圧弁の開度を、前記目標開度より小さな小開度に減少させた後に前記小開度で一定時間維持し、その後、前記目標開度に向かって増大させた後で前記目標開度に維持してもよい。
この形態によれば、オーバーシュート許容レベルが最高レベルである場合、制御部は、調圧弁の開度を、目標開度より大きな中間開度で一定時間維持し、その後、目標開度に向かって減少させた後で前記目標開度に維持するので、カソードガスの供給速度が速くなり、燃料電池スタックの発電量を早期に増大させることができる。また、オーバーシュート許容レベルが最低レベルである場合、制御部は、調圧弁の開度を、目標開度より小さな小開度にした後に、小開度で一定時間維持し、その後、目標開度に向かって増大させて目標開度に維持するので、過渡的なカソードガスの流量変化の途中でカソードの圧力の立ち上がりを早めることができ、カソードガスの流量のオーバーシュートを抑制できる。
【０００８】
（３）上記形態において、前記（ｉ）の前記目標開度より大きな開度は、前記（ｂ）の前記調圧弁の制御の開始前における開度よりも小さく、前記目標開度より大きな中間開度であってもよい。
この形態によれば、（ｉ）の制御において、制御開始前における調圧弁の開度よりも小さく、目標開度より大きな中間開度で一定時間保持するので、オーバーシュート許容レベルが最高レベルである場合にも過度なオーバーシュートを抑制できる。
【０００９】
（４）上記形態において、さらに、前記燃料電池スタックのインピーダンスを測定するインピーダンスセンサを備え、前記制御部は、前記インピーダンスセンサから得られたインピーダンスが予め定められた値よりも大きい場合、前記オーバーシュート許容レベルを前記最低レベルに設定してもよい。
インピーダンスが予め定められた値よりも大きい場合には、燃料電池スタックが乾燥していると判断される。この形態によれば、インピーダンスが予め定められた値よりも大きい場合には、出力要求値の増加量に関わらず、オーバーシュート許容レベルを最低レベルに設定するので、オーバーシュート量を小さくすることができ、燃料電池スタックの過乾燥を抑制できる。
【００１０】
（５）上記形態において、さらに、前記燃料電池スタックの冷却水の温度を測定する温度センサを備え、前記制御部は、前記冷却水の温度が予め定められた値よりも高い場合、前記オーバーシュート許容レベルを前記最低レベルに設定してもよい。
冷却水の温度が予め定められた値よりも高い場合には、燃料電池スタックが乾燥しやすい状態にあると判断される。この形態によれば、冷却水の温度が予め定められた値よりも高い場合には、出力要求値の増加量に関わらず、オーバーシュート許容レベルを最低レベルに設定するので、オーバーシュート量を小さくすることができ、燃料電池スタックの過乾燥を抑制できる。
【００１１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムを搭載した移動体、燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】燃料電池システムのカソードガス系を模式的に示す説明図。
【図２】ターボコンプレッサにおける圧力比と、カソードガスの流量との関係を示すグラフ。
【図３】ターボコンプレッサにおける目標動作点までのカソードガス流量とカソードガスの圧力の遷移を示すグラフの一例。
【図４】本実施形態の制御フローチャート。
【図５】第１制御におけるターボコンプレッサの回転数と調圧弁の開度とカソードガスの流量の遷移を示すグラフ。
【図６】第２制御におけるターボコンプレッサの回転数と調圧弁の開度とカソードガスの流量の遷移を示すグラフ。
【図７】第３制御におけるターボコンプレッサの回転数と調圧弁の開度とカソードガスの流量の遷移を示すグラフ。
【図８】第１、第２、第３制御におけるカソードガスの流量応答性、カソードガスの圧力応答性、カソードガスのオーバーシュート量をまとめた表。
【図９】第１制御と第３制御の動作点の軌跡を比較する説明図。
【図１０】第２の実施形態の第２制御におけるターボコンプレッサの回転数と調圧弁の開度とカソードガスの流量の遷移を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
・第１の実施形態：
図１は、燃料電池システム１０のカソードガス系を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、車両などの移動体に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、カソードガス供給ライン１１０と、カソード排ガスライン１２０と、ターボ型のコンプレッサ１１５（以下、「ターボコンプレッサ１１５」と呼ぶ。）と、調圧弁１２５と、流量計１３０と、圧力センサ１３５と、燃料電池スタック１００用の温度センサ１４０及びインピーダンスセンサ１４５と、外気温センサ１５０と、制御部２００と、を備える。ターボコンプレッサ１１５は、カソードガス供給ライン１１０上に設けられており、カソードガスとしての空気を、カソードガス供給ライン１１０を介して燃料電池スタック１００に供給する。調圧弁１２５は、カソード排ガスライン１２０に設けられており、燃料電池スタック１００のカソードガスの圧力を調整する。流量計１３０は、燃料電池スタック１００に供給するカソードガスの流量Ｑ１を測定する。圧力センサ１３５は、ターボコンプレッサ１１５の出口側（燃料電池スタック１００の入口側）におけるカソードガスの圧力Ｐ１を測定する。温度センサ１４０は、燃料電池スタック１００の冷却水の温度Ｔａ１を測定する。この温度センサ１４０は、例えば、燃料電池スタック１００の冷却水ライン（図示せず）の燃料電池スタック１００の出口側に設置される。この冷却水の温度Ｔａ１は、燃料電池スタック１００の温度とほぼ等しい。インピーダンスセンサ１４５は、燃料電池スタック１００のインピーダンスＺ１を測定する。インピーダンスＺ１や冷却水の温度Ｔａ１は、燃料電池スタック１００の乾湿状態を判断するために用いられる。外気温センサ１５０は、外気温Ｔａ２を測定する。
【００１４】
制御部２００は、移動体の状態（例えば速度）と、運転手の操作とに基づいて、燃料電池スタック１００に要求する発電パワーの要求値（出力要求値）を算出する。そして、制御部２００は、燃料電池スタック１００の出力要求値に基づいて、ターボコンプレッサ１１５と調圧弁１２５の動作を制御する。この制御については、後述する。
【００１５】
図２は、ターボコンプレッサ１１５における圧力比Ｒ（ターボコンプレッサ１１５の出口の圧力／ターボコンプレッサ１１５の入口の圧力）と、カソードガスの流量Ｑとの関係を示すグラフである。ターボコンプレッサ１１５の場合、圧力比Ｒの大きさによっては、ΔＱ１／ΔＲ１が変わり、ターボコンプレッサ１１５の回転数が同じでも、圧力比が異なると流量も異なる。すなわち、ターボコンプレッサ１１５の回転数を決めても、流量は決まらず、ターボコンプレッサ１１５の回転数と調圧弁１２５の開度との組み合わせによって流量が決まる。なお、図２において、ターボコンプレッサ１１５の入口の圧力を大気圧（約１気圧）とすれば、圧力比Ｒの値は、［気圧］の単位で表したとき、ターボコンプレッサ１１５の出口側の圧力の値にほぼ等しい。一般に、コンプレッサの入口側は大気圧なので、図２において、縦軸を、圧力比ではなく、［気圧］の単位で表した圧力としても良い。
【００１６】
図３は、ターボコンプレッサ１１５における現在の動作点（Ｑ０、Ｐ０）から目標動作点（Ｑｔ、Ｐｔ）までのカソードガス流量とカソードガスの圧力の遷移を示すグラフの一例である。図３は、前述した図２のターボコンプレッサ１１５の入口側の圧力を１気圧とし、縦軸を圧力Ｐで表したものに相当する。
【００１７】
現在の動作点（Ｑ０、Ｐ０）から目標動作点（Ｑｔ、Ｐｔ）に破線で示した直線で遷移するのが理想である。しかし実際には、現在の動作点（Ｑ０、Ｐ０）から目標動作点（Ｑｔ、Ｐｔ）に、以下のように遷移する。
（１）制御部２００は、調圧弁１２５の開度を減少させるとともにターボコンプレッサ１１５の回転数を増加させてカソードガスの流量を増加させる。カソードガスの圧力Ｐとカソードガスの流量Ｑは、いずれも増大する。このとき、カソードガス流量は、目標流量よりも少し多くなり、オーバーシュート状態となる。
（２）その後、カソードガスの圧力が蓄圧されて増大し、流量がオーバーシュートしていた流量から減少して、目標動作点（Ｑｔ、Ｐｔ）に到達する。
【００１８】
このように、制御部２００は、カソードガス流量を増加させる場合、実際には、カソードガスの流量が一旦オーバーシュートし、その後にカソードガスの流量Ｑとカソードガスの圧力Ｐとが目標動作点（Ｑｔ、Ｐｔ）に到達する。カソードガス流量が大きくオーバーシュートすると、燃料電池スタック１００のカソードを過度に乾燥させる可能性があるので、通常は、オーバーシュート量は小さいことが好ましい。一方、出力要求値の変化量によっては、カソードガス流量に大きなオーバーシュートを許容しても、カソードガスを急速に供給して燃料電池スタック１００の発電量を増大させたい場合がある。そこで、制御部２００は、燃料電池システム１０の運転状態に応じて、カソードガス流量のオーバーシュート許容レベルを決定し、このオーバーシュート許容レベルに応じて調圧弁１２５の開度の制御を実行する。
【００１９】
図４は、本実施形態の制御フローチャートである。ステップＳ１００では、制御部２００は、移動体の速度と、アクセルペダルの踏込量と、ブレーキペダルの踏込量（これらのセンサについては図示せず）とに基づいて、燃料電池スタック１００の出力要求値を算出する。
【００２０】
ステップＳ１１０では、制御部２００は、燃料電池スタック１００の出力要求値と、燃料電池スタック１００の冷却水の温度Ｔａ１と、外気温Ｔａ２と、から燃料電池スタック１００に流すべきカソードガスの流量（目標流量Ｑｔ）と、燃料電池スタック１００のカソードの圧力（目標圧力Ｐｔ）とを算出する。出力要求値が大きくなれば、カソードガスの目標流量Ｑｔは大きくなる。出力要求値と、燃料電池スタック１００の冷却水の温度Ｔａ１と、外気温Ｔａ２との組み合わせと、カソードガスの目標流量Ｑｔ及び目標圧力Ｐｔとの関係については、予め実験等により測定しておき、マップに格納するようにしても良い。あるいは、燃料電池スタック１００の冷却水の温度Ｔａ１と、外気温Ｔａ２とを用いずに、出力要求値に応じてカソードガスの目標流量Ｑｔ及び目標圧力Ｐｔを決めるようにしても良い。
【００２１】
ステップＳ１２０では、制御部２００は、カソードガスの目標流量Ｑｔとカソードガスの目標圧力Ｐｔとから、図２の関係に従って、ターボコンプレッサ１１５の目標回転数Ｎｔと調圧弁１２５の目標開度Ｖｔとを算出する。図２に示したカソードガスの流量Ｑ及びターボコンプレッサ１１５の圧力比Ｒの組み合わせと、調圧弁１２５の開度及びターボコンプレッサ１１５の回転数の組み合わせとの関係は、マップや関数、ルックアップテーブル等の形式で、制御部２００の不揮発メモリに予め格納されている。
【００２２】
ステップＳ１３０では、制御部２００は、燃料電池スタック１００の出力要求値の増加量に応じてカソードガスのオーバーシュート許容レベルを複数のレベルのいずれに該当するか決定する。図３で説明したように、制御部２００がターボコンプレッサ１１５の回転数を増加させてカソードガスの流量Ｑを増加させるときに、カソードガスの流量Ｑは、目標流量Ｑｔよりも少し多くなる。この目標流量Ｑｔを超えた分（＝Ｑ−Ｑｔ）がオーバーシュート量であり、制御部２００は、このオーバーシュートの許容量の程度を示すオーバーシュート許容レベルを決定する。オーバーシュート許容レベルとしては、複数のレベルを予め設定可能であり、本実施形態では、３つのレベルを利用する。オーバーシュート許容レベルは、オーバーシュート許容量が大きいほど高い値に設定される。また、一般に、燃料電池スタック１００の出力要求値の増加量が大きい場合には、オーバーシュート許容レベルを高くし、出力要求値の増加量が小さい場合には、オーバーシュート許容レベルを低くする。すなわち、オーバーシュート許容レベルは、出力要求値の増加量が大きくなるとそれに応じて高くなる。この理由は、出力要求値の増加量が大きい場合には、燃料電池スタック１００から電流を多く迅速に引きたいと考えられるため、カソードガスの流量Ｑのオーバーシュート量が大きくなることを許容して、燃料電池スタック１００の発電量を早期に増大させることが好ましいからである。
【００２３】
但し、燃料電池スタック１００が乾燥している場合には、制御部２００は、出力要求値の増加量に関わらず、オーバーシュート許容レベルを低く設定することが好ましい。この理由は、燃料電池スタック１００が乾燥している場合にカソードガスの流量Ｑを過度にオーバーシュートさせると、燃料電池スタック１００がより乾燥してしまい、発電し難くなるからである。制御部２００は、燃料電池スタック１００が乾燥しているか否か（燃料電池スタックの乾湿状態）を、燃料電池スタック１００のインピーダンスＺ１から判断することが可能である。制御部２００は、インピーダンスＺ１が予め定められた値よりも大きい場合には、燃料電池スタック１００が乾燥していると判断して、出力要求値の増加量に関わらず、オーバーシュート許容レベルを低く設定することが好ましい。なお、インピーダンスＺ１の代わりに、燃料電池スタック１００の冷却水の温度Ｔａ１を用いて燃料電池スタック１００の乾燥状態を判断してもよい。このとき、制御部２００は、燃料電池スタック１００の冷却水の冷却水の温度Ｔａ１が予め定められた値よりも高い場合に、燃料電池スタック１００が乾燥しやすい状態にあると判断して、出力要求値の増加量に関わらず、オーバーシュート許容レベルを低く設定することが好ましい。
【００２４】
ステップＳ１４０では、制御部２００は、オーバーシュート許容レベルにより、処理を以下のように分岐させる。
（ｉ）オーバーシュート許容レベルが中間レベルの場合、第１制御（ステップＳ１５０）に分岐させる。
（ｉｉ）オーバーシュート許容レベルが高レベルの場合、第２制御（ステップＳ１６０）に分岐させる。
（ｉｉｉ）オーバーシュート許容レベルが低レベルの場合、第３制御（ステップＳ１７０）に分岐させる。
【００２５】
図５は、第１制御におけるターボコンプレッサ１１５の回転数Ｎと調圧弁１２５の開度Ｖとカソードガスの流量Ｑの遷移を示すグラフである。第１制御では、制御部２００は、ターボコンプレッサ１１５の回転数Ｎを目標回転数Ｎｔに上昇させるとともに、調圧弁１２５の開度Ｖを、第１制御の開始前の開度Ｖｏから目標開度Ｖｔに達するまで減少させた後に目標開度Ｖｔに維持する。この場合、カソードガスの流量Ｑのオーバーシュート量は中程度である。なお、調圧弁１２５の開度を変化させる場合、一定の割合で変化させることが好ましい（図６、図７において同じ）。
【００２６】
図６は、第２制御におけるターボコンプレッサ１１５の回転数Ｎと調圧弁１２５の開度Ｖとカソードガスの流量Ｑの遷移を示すグラフである。第２制御では、制御部２００は、ターボコンプレッサ１１５の回転数Ｎを目標回転数Ｎｔに上昇させるとともに、調圧弁１２５の開度Ｖを、第２制御の開始前の開度Ｖｏから目標開度Ｖｔより開度の大きな中間開度Ｖｔｗに減少させて、その中間開度Ｖｔｗで一定時間維持し、その後、調圧弁１２５の開度Ｖを目標開度Ｖｔに向かって減少させた後、目標開度Ｖｔを維持するように、開度Ｖの時間的変化を設定する。この場合、調圧弁１２５の開度Ｖを中間開度Ｖｔｗで一定時間維持するので、カソードガスの流量Ｑのオーバーシュート量は第１制御（図５）に比べて大きくなる。なお、調圧弁１２５の開度Ｖを、中間開度Ｖｔｗで維持する時間は、燃料電池スタック１００の出力要求値の増加量や調圧弁１２５の開度Ｖの変化量に応じて定めてもよい。その後、調圧弁１２５の開度Ｖを目標開度Ｖｔまで減少させると、カソードガスの流量Ｑは、目標流量Ｑｔに向かって減少する。第２制御の場合、カソードガスの流量Ｑを大きくオーバーシュートさせて燃料電池スタック１００へのカソードガスの供給速度を速くできるので、燃料電池スタック１００の発電量を早期に増大させることができる。
【００２７】
図７は、第３制御におけるターボコンプレッサ１１５の回転数と調圧弁１２５の開度とカソードガスの流量の遷移を示すグラフである。第３制御では、制御部２００は、調圧弁１２５の開度Ｖを、第３制御の開始前の開度Ｖｏから目標開度Ｖｔより小さな小開度Ｖｔｎに向かって減少させて、その小開度で一定時間維持し、その後、調圧弁１２５の開度Ｖを目標開度Ｖｔに向かって増大させ、その後目標開度Ｖｔを維持するように、開度Ｖの時間的変化を設定する。ここで、小開度Ｖｔｎで維持する時間は、例えば、予め定められた時間でもよく、カソードガスの流量Ｑを測定し、カソードガスの流量Ｑが予め定められた流量（例えば目標流量Ｑｔ）に達するまでの時間であってもよい。第３制御の場合、過渡的なカソードガスの流量変化の途中で調圧弁１２５の開度Ｖを目標開度Ｖｔより小さな小開度Ｖｔｎにするので、燃料電池スタック１００のカソードガスの圧力Ｐの立ち上がりを早めることができ、カソードガスの流量Ｑのオーバーシュート量を小さくできる。また、燃料電池スタック１００の過乾燥を抑制できる。
【００２８】
図８は第１、第２、第３制御におけるカソードガスの流量応答性、カソードガスの圧力応答性、カソードガスのオーバーシュート量をまとめた表である。ここでは、第１制御のカソードガスの流量応答性、カソードガスの圧力応答性、カソードガスのオーバーシュート量を標準とし、第１制御と比較した第２、第３制御の流量応答性、圧力応答性、オーバーシュート量を示している。第２制御では、第１制御よりもカソードガスの流量応答は早く、オーバーシュート量も多いが、カソードガスの圧力応答は遅い。一方、第３制御では、第１制御よりもカソードガスの流量応答は遅いが、カソードガスの圧力応答は早く、カソードガスの流量のオーバーシュート量も少ない。
【００２９】
図９は、第１制御と第３制御の動作点の軌跡を比較する説明図である。第１制御の場合、調圧弁１２５の開度Ｖの指令値を目標開度Ｖｔとするため、圧力の立ち上がりが遅く、カソードガスの流量Ｑがオーバーシュートし易く、オーバーシュート量も比較的多いことがわかる。なお、第２制御の動作点の軌跡は図示を省略しているが、第１制御よりも更にオーバーシュート量が多くなる。一方、第３制御の場合、調圧弁１２５の開度Ｖの指令値を一旦小開度Ｖｔｎとし、その後に目標開度Ｖｔとするように、調圧弁１２５の目標開度Ｖｔの時間的変化を設定する。その結果、カソードガスの圧力Ｐの立ち上がりが早く、カソードガスの流量Ｑがオーバーシュートし難く、オーバーシュート量も少ないことがわかる。
【００３０】
以上、本実施形態によれば、制御部２００は、燃料電池スタック１００の出力要求値の増加量に応じてカソードガスの流量Ｑのオーバーシュート許容レベルを決定し、決定したオーバーシュート許容レベルに応じて調圧弁１２５の開度Ｖの時間的変化を設定するので、燃料電池スタックの発電の応答性の向上やカソードガス流量のオーバーシュートの抑制等の制御が容易となる。
【００３１】
・第２の実施形態：
図１０は、第２の実施形態の第２制御におけるターボコンプレッサ１１５の回転数Ｎと調圧弁１２５の開度Ｖとカソードガスの流量Ｑの遷移を示すグラフである。第２の実施形態は、装置構成や処理手順は第１の実施形態と同じであり、第２制御における調圧弁１２５の開度Ｖの時間変化のみが第１の実施形態と異なる。すなわち、第１の実施形態（図６）では、制御部２００は、第２制御を実行する場合、調圧弁１２５の開度Ｖを、第２制御の開始前の開度Ｖｏよりも小さく、目標開度Ｖｔよりも大きな中間開度Ｖｔｗに減少させていた。一方、第２の実施形態では、制御部２００は、調圧弁１２５の開度Ｖを、第２制御開始前の開度Ｖｏのまま一定時間維持し、その後、目標開度Ｖｔに向かって減少した後、目標開度Ｖｔを維持するように設定する。この代わりに、調圧弁１２５の開度Ｖを、第２制御開始前の開度Ｖｏよりも大きな開度で一定時間維持し、その後、目標開度Ｖｔに向かって減少した後、目標開度Ｖｔを維持するように設定してもよい。第１と第２の実施形態から理解できるように、第２制御では、調圧弁１２５の開度Ｖを、目標開度Ｖｔより大きな開度で一定時間維持し、その後目標開度Ｖｔに向かって減少させた後で、目標開度Ｖｔに維持するようにしてもよい。こうすれば、過渡的なカソードガスの流量変化の途中でカソードの圧力の立ち上がりを早めることができ、カソードガスの流量のオーバーシュートを抑制できる。但し、第１の実施形態（図６）のように、調圧弁１２５の開度Ｖを、第２制御の開始前の開度Ｖｏよりも小さく、目標開度Ｖｔよりも大きな中間開度Ｖｔｗで一定時間維持し、その後、目標開度Ｖｔに向かって減少させた後、目標開度Ｖｔを維持すれば、オーバーシュート許容レベルが最高レベルである場合にも過度なオーバーシュートを抑制できる点で好ましい。
【００３２】
・変形例１：
上記実施形態では、制御部２００は、燃料電池スタック１００の出力要求値の増加量とインピーダンスＺ１または冷却水の温度Ｔａ１（乾燥状態）とに応じてオーバーシュート許容レベルを決定していたが、インピーダンスＺ１や冷却水温度Ｔａ１を考慮せずに、出力要求値に応じてオーバーシュート許容レベルを決定してもよい。あるいは、制御部２００は、出力要求値とインピーダンスＺ１や冷却水の温度Ｔａ１以外の他のパラメータ（例えばカソードガスの流量の増大量）も考慮してオーバーシュート許容レベルを決定してもよい。
【００３３】
・変形例２：
上記実施形態では、オーバーシュート許容レベルとして３つのレベルを予め設定していたが、このレベルの数は、２以上の任意の値に設定することができる。なお、複数のレベルのそれぞれに関する調圧弁１２５の開度Ｖの時間変化も、上述した第１制御〜第３制御で説明したもの以外の種々の変化を採用可能であり、実験的又は経験的にそれぞれ設定することが可能である。但し、カソードガス流量の増大前の流量（開始流量）と増大後の流量（目標流量）とが同じ条件の下では、レベルが高いほどカソードガス流量のオーバーシュート量が大きくなるように、各レベルに対応して調圧弁１２５の開度Ｖの時間変化が設定される。但し、複数のレベルのうちの最高レベルでは、上述した第２制御（図６、図１０）と同様に調圧弁１２５の開度Ｖを目標開度Ｖｔよりも大きな開度で維持した後に目標開度Ｖｔまで減少させることが好ましい。また、最低レベルでは、上述した第３制御（図７）と同様に、調圧弁１２５の開度Ｖを一旦小開度Ｖｔｎまで減少させて維持した後に目標開度Ｖｔまで増加させることが好ましい。
【００３４】
・変形例３：
上記実施形態において、第２制御の中間開度Ｖｔｗは、出力要求値の増加量が大きいほど大きくし、第３制御の小開度Ｖｔｎは、出力要求値の増加量が小さいほど小さくしてもよい。
【００３５】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１１０…カソードガス供給ライン
１１５…ターボコンプレッサ
１２０…カソード排ガスライン
１２５…調圧弁
１３０…流量計
１３５…圧力センサ
１４０…温度センサ
１４５…インピーダンスセンサ
１５０…外気温センサ
２００…制御部
Ｎ…回転数
Ｎｔ…目標回転数
Ｐ…圧力
Ｐ１…圧力
Ｐｔ…目標圧力
Ｑ…流量
Ｑ１…流量
Ｑｔ…目標流量
Ｒ…圧力比
Ｔａ１…燃料電池スタックの冷却水の温度
Ｔａ２…外気温
Ｖ…開度
Ｖｔ…目標開度
Ｖｔｎ…小開度
Ｖｔｗ…中間開度
Ｚ１…インピーダンス
【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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