(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料電池のカソード入口側へ空気を圧送する過給機と、燃料電池のカソード出口側から排出される空気の背圧を制御可能な背圧制御弁と、前記過給機の回転速度を制御することにより前記カソード入口側への空気流量を燃料電池の目標発電量に応じた目標空気流量に制御する空気流量制御手段と、前記背圧制御弁の弁開度を制御することにより前記カソード入口側の空気圧を前記目標空気流量に応じた目標空気圧に制御する空気圧制御手段と
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記目標発電量の変化に伴って前記空気流量が前記過給機の回転速度の増減により目標空気流量に向って漸次変化する過渡時は、
前記空気圧が、逐次変化する空気流量に対応した前記目標空気圧になるように前記背圧制御弁の弁開度を制御する過渡時空気圧制御手段を設けたこと
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料電池システムであって、
前記過渡時空気圧制御手段は、前記流量センサにより逐次検出される空気流量および前記目標空気圧に応じて前記背圧制御弁の弁開度を逐次制御すること
を特徴と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に記載された燃料電池システムであって、
前記過渡時空気圧制御手段は、前記空気流量が前記目標空気流量に到達するまで作動を継続すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載された燃料電池システムであって、
前記制御手段は、
前記目標流量及び前記目標空気圧が変化する過渡時において、前記目標空気圧が増加する際は、空気流量が増加する初期段階に一旦前記背圧弁の弁開度を低下すること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池のカソード入口側へ過給機により圧送される空気の流量および圧力を目標空気流量および目標空気圧に制御することにより燃料電池の発電量を制御する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池が備える制御手段は、
燃料電池の発電量の変化に伴って前記空気流量が前記過給機の回転速度の増減により前記目標空気流量に向って漸次変化する過渡時に、漸次変化する空気流量に対応して前記燃料電池の下流側に設けられた背圧弁の弁開度を増減して前記空気圧を逐次目標空気圧に制御すること
を特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記制御手段は、
前記目標流量及び前記目標空気圧が変化する過渡時において、前記目標空気圧が増加する際は、空気流量が増加する初期段階に一旦前記背圧弁の弁開度を低下すること
を特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素の化学反応により発電する燃料電池システムおよびその制御方法に関し、詳しくは、その発電量を増減させる際の過渡時における性能を向上させた燃料電池システムおよびその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、従来のエンジンに替えて走行用モータを搭載する各種の電気自動車が開発されている。この種の電気自動車の一つとして、例えばＰＥＭＦＣ（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）と略称される水素イオン交換膜型燃料電池（以下、ＰＥＭ型燃料電池または燃料電池という。）を走行用モータの電源として搭載する燃料電池自動車の開発が急速に進められている。
【０００３】
前記ＰＥＭ型燃料電池は、発電単位であるセルを多数積層した構造のスタックとして構成されている。前記各セルは、水素供給路を有するアノード側セパレータと酸素供給路を有するカソード側セパレータとの間にＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と略称される膜・電極接合体を挟み込んだ構造を有している。このＭＥＡは、ＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）と略称される固体高分子材料の水素イオン交換膜の片面にアノード側電極触媒層およびガス拡散層が順次積層され、前記ＰＥＭ（水素イオン交換膜）の他の片面にカソード側電極触媒層およびガス拡散層が順次積層されて構成されている。
【０００４】
この種のＰＥＭ型燃料電池では、水素ガスが前記水素供給路をアノード入口側からアノード出口側へ向って流通し、酸素を含む空気が前記酸素供給路をカソード入口側からカソード出口側へ向って流通すると、各セルのアノード側から水素イオンが湿潤状態のＭＥＡのＰＥＭ（水素イオン交換膜）を透過してカソード側へ移動することにより、各セルが１Ｖ程度の起電力を発生する。このような発電メカニズムを有するＰＥＭ型燃料電池においては、空気および水素ガスを連続的に供給して発電を継続させるため、例えば過給機により空気を圧送する空気供給系がカソード入口側に付設され、カソード出口側には例えば背圧制御弁を有する空気排出系が付設されている。また、アノード入口側には、イジェクタにより水素ガスを供給する水素ガス供給系が付設されている。
【０００５】
前記のように燃料電池に空気供給系、空気排出系および水素ガス供給系が付設された燃料電池システムにおいては、過給機の回転速度を増減制御してカソード入口側への空気流量を増減することにより、発電量（発電電流または発電電力）が増減制御される。その際、燃料電池内の前記ＭＥＡの両側に作用する水素ガス圧と空気圧との極間差圧が大きくなると、ＭＥＡを構成する前記ＰＥＭ（固体高分子材料からなる水素イオン交換膜）が破損する恐れがあるため、通常、前記極間差圧が許容値内となるように、アノード入口側の水素ガス圧およびカソード入口側の空気圧がそれぞれ制御される。すなわち、従来の燃料電池システムにおいては、カソード入口側への空気流量が目標空気流量となるように前記空気供給系の過給機の回転速度が目標値に制御されると共に、カソード入口側の空気圧が目標空気圧となるように前記空気排出系の背圧制御弁の弁開度が目標値に制御されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記過給機の回転速度が目標値に到達してカソード入口側への空気流量が目標空気流量となるまでの時間に較べ、前記背圧制御弁の弁開度が目標値に到達するまでの時間は各段に短い。それにも拘らず、従来の燃料電池システムにおいては、目標空気流量に対応した目標空気圧となるように背圧制御弁の弁開度を急激に目標値に制御している。例えば、図５に示すように、空気流量Ｑを所定の目標空気流量ＱＴまで増大させる際、背圧制御弁開度γを破線で示すように急激に目標空気流量ＱＴに対応する目標値に制御している。このため、空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに到達するまでの過渡時においては、背圧制御弁が先に目標空気流入量ＱＴに対応する目標値の弁開度まで過剰に開いてしまい、過給機によりカソード入口側へ圧送される空気の空気圧Ｐを背圧制御弁の下流側に逃してしまう。その結果、カソード入口側の空気圧Ｐは、一旦低下した後に目標空気圧ＰＴとなり、その圧力上昇が遅れるという挙動を示す。なお、空気流量Ｑを所定の目標空気流量ＱＴまで減少させる際には、空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに到達するまでの過渡時において空気圧Ｐが一旦上昇した後に目標空気圧ＰＴとなり、その圧力低下が遅れるという挙動を示す。
【０００７】
このように従来の燃料電池システムでは、発電量の増減に応じてカソード入口側への空気流量を目標空気流量まで増減させる際の過渡時において、カソード入口側の空気圧が一旦低下または上昇するため、燃料電池内の極間差圧（ＭＥＡのＰＥＭに印加されるアノード側とカソード側の圧力差）が増大するという問題がある。また、カソード入口側の空気圧が目標空気圧となるまでに時間的遅れがあり、応答性が悪いという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、カソード入口側への空気流量が目標空気流量に到達するまでの過渡時において、燃料電池内の極間差圧の上昇を防止でき、かつ、カソード入口側の空気圧が目標空気圧となるまでの時間的遅れを解消できる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決する手段として、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のカソード入口側へ空気を圧送する過給機と、燃料電池のカソード出口側から排出される空気の背圧を制御可能な背圧制御弁と、前記過給機の回転速度を制御することにより前記カソード入口側への空気流量を燃料電池の目標発電量に応じた目標空気流量に制御する空気流量制御手段と、前記背圧制御弁の弁開度を制御することにより前記カソード入口側の空気圧を前記目標空気流量に応じた目標空気圧に制御する空気圧制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記目標発電量の変化に伴って前記空気流量が目標空気流量に向って漸次変化する過渡時は、前記空気圧が、逐次変化する空気流量に対応した前記目標空気圧になるように前記背圧制御弁の弁開度を逐次制御することにより前記空気圧を逐次目標空気圧に制御する過渡時空気圧制御手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムでは、前記目標発電量の変化に伴って燃料電池のカソード入口側への空気流量が目標空気流量に向って漸次変化する過渡時において、前記流量センサにより逐次検出されるカソード入口側への空気流量の変化に対応して前記過渡時空気圧制御手段がカソード入口側の空気圧を逐次目標空気圧に制御する。このため、燃料電池内の極間差圧の上昇が未然に防止されると共に、カソード入口側の空気圧が目標空気圧となるまでの時間的遅れが解消される。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記過渡時空気圧制御手段は、カソード入口側への空気流量が目標空気流量に到達するまで作動を継続する。この場合、過渡時空気圧制御手段は、前記流量センサにより逐次検出される空気流量と、前記目標空気流量に応じた目標空気圧とに応じて、例えばマップ検索等の手法により、前記背圧制御弁の弁開度を逐次制御する。
【００１２】
また、前記の課題を解決する手段として、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池のカソード入口側へ圧送される空気の流量および圧力を目標空気流量および目標空気圧に制御することにより燃料電池の発電量を制御する燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の発電量の変化に伴い前記空気流量が目標空気流量に向って漸次変化する過渡時は、漸次変化する空気流量に対応して前記空気圧を逐次目標空気圧に制御することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムおよびその制御方法の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態として車両に搭載された燃料電池システムを含む車両の駆動系の構成図、図２は一実施形態に係る燃料電池システムの制御系の機能ブロック図、図３は一実施形態に係る燃料電池システムにおける目標空気流量と目標空気圧との関係を示す線図である。
【００１４】
一実施形態に係る燃料電池システムを説明するに当り、まず、この燃料電池システムを搭載した車両の駆動系の構造を図１により説明する。この車両は、いわゆる燃料電池電気自動車であり、駆動輪１を回転駆動する走行用モータ（ＥＶＭ）２の電源として、燃料電池（ＦＣ）３が搭載されている。この燃料電池（ＦＣ）３は、高圧分配器（ＤＣ／ＤＣ）４を介して駆動ユニット（ＰＤＵ）５およびバッテリ６に給電するように回路構成されている。そして、この駆動ユニット５が少なくとも前記走行用モータ（ＥＶＭ）２および後記する過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂの駆動モータ７Ｆを駆動するように回路構成されている。
【００１５】
前記燃料電池（ＦＣ）３は、発電単位である多数のセルが積層された構造のＰＥＭ型燃料電池である。この燃料電池（ＦＣ）３には、カソード入口側に空気（酸素）を供給する空気供給系７と、カソード出口側から空気を排出する空気排出系８とが付設されている。また、この燃料電池（ＦＣ）３には、アノード入口側に水素ガスを供給する水素ガス供給系９が付設されている。
【００１６】
前記燃料電池（ＦＣ）３の空気供給系７には、上流側から下流側へ向ってエアクリーナ（Ａ／Ｃ）７Ａ、過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂ、インタークーラ（Ｈ／Ｅ）７Ｃが配設されている。そして、この空気供給系７には、過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂの上流側において燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側への空気流量Ｑを検出する流量センサ７Ｄと、燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口付近において空気圧Ｐを検出する圧力センサ７Ｅとが設けられている。
【００１７】
前記エアクリーナ（Ａ／Ｃ）７Ａは、流入空気のフィルタ機能を有する限り、如何なる形式のものであってもよい。このエアクリーナ（Ａ／Ｃ）７Ａの上流側にはレゾネータ等の吸気消音器を配設してもよい。
【００１８】
前記過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂは、０〜１２０００ｒｐｍの回転速度範囲を有し、回転速度に応じて空気流量Ｑを直線的に変化させることができる。この過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂは、前記駆動モータ７Ｆが前記駆動ユニット（ＰＤＵ）５から供給される所定のディーティ比の駆動電流によって回転駆動されることにより、１２０００ｒｐｍ／ｓｅｃの変化率で回転速度が可変に制御される。
【００１９】
前記インタークーラ（Ｈ／Ｅ）７Ｃは、図示しない冷却液循環系、すなわち、前記走行用モータ（ＥＶＭ）２、燃料電池（ＦＣ）３、高圧分配器（ＤＣ／ＤＣ）４、駆動ユニット（ＰＤＵ）５および駆動モータ７Ｆを冷却する冷却液循環系との間で熱交換可能に構成されている。
【００２０】
前記流量センサ７Ｄとしては、ベーン式、カルマン渦式、熱線式などの種々の形式のエアフローメータを使用することができる。また、前記圧力センサ７Ｅとしては、半導体圧力センサなどの適宜の形式のものを使用することができる。
【００２１】
また、前記燃料電池（ＦＣ）３の空気排出系８には、燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側の空気圧Ｐを制御するための背圧制御弁８Ａが介設されている。この背圧制御弁８Ａは、ＣＶ（Capacity of Valve）値が約８．５であり、弁の開閉速度は８０００ｄｅｇ／ｓｅｃ程度である。そして、この背圧制御弁８Ａは、１０ｍｓ毎の周期で弁開度が制御される。
【００２２】
一方、燃料電池（ＦＣ）３の水素ガス供給系９には、上流側から下流側へ向かって水素タンク９Ａ、圧力制御弁９Ｂ、イジェクタ９Ｃが配設されている。なお、発電に使用されずにアノード出口側から排出される水素ガスは、前記イジェクタ９Ｃに還流されるように構成されている。
【００２３】
ここで、一実施形態に係る燃料電池システムは、少なくとも前記流量センサ７Ｄ、圧力センサ７Ｅおよび後記するアクセルセンサ１０からそれぞれ検出信号を入力し、駆動ユニット（ＰＤＵ）５、背圧制御弁８Ａおよび圧力制御弁９Ｂにそれぞれ制御信号を出力する制御装置１１を備えている。この制御装置１１は、前記流量センサ７Ｄ、圧力センサ７Ｅ、アクセルセンサ１０、背圧制御弁８Ａ、圧力制御弁９Ｂ等との間の入出力インターフェースＩ／Ｏ、前記流量センサ７Ｄ、圧力センサ７Ｅ、アクセルセンサ１０から入力されるアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータの他、各種のデータやプログラムを記憶しているＲＯＭ（Read Only Memory）、各種のデータ等を一時記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）、各種の演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）等をハードウェアとして備えている。
【００２４】
前記制御装置１１には、燃料電池システムを制御するソフトウェア構成として、前記過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂの回転速度を制御することにより燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側への空気流量Ｑを燃料電池（ＦＣ）３の目標発電量に応じた目標空気流量に制御する空気流量制御手段と、前記背圧制御弁８Ａの弁開度を制御することにより前記カソード入口側の空気圧Ｐを前記目標空気流量に応じた目標空気圧に制御する空気圧制御手段とが構成されている。また、前記圧力制御弁９Ｂの弁開度を制御することにより前記アノード入口側の水素ガス圧を前記目標空気圧に応じた目標水素ガス圧に制御する水素ガス圧制御手段が構成されている。そして、特に、前記目標発電量の変化に伴って前記空気流量Ｑが目標空気流量に向って漸次変化する過渡時において、前記流量センサ７Ｄにより逐次検出される空気流量Ｑの変化に対応して前記背圧制御弁８Ａの弁開度を逐次制御することにより前記空気圧Ｐを逐次目標空気圧に制御する過渡時空気圧制御手段が構成されている。
【００２５】
前記空気流量制御手段、空気圧制御手段、水素ガス圧制御手段および過渡時空気圧制御手段の各機能を達成するため、前記制御装置１１は、図２に示すような各機能ブロックを備えている。すなわち、空気流量制御手段の機能を達成するブロックとして、目標発電量設定部１１Ａ、目標空気流量設定部１１Ｂ、空気流量フィードバック制御部１１Ｃ、駆動モータ制御信号出力部１１Ｄを備えている。また、空気圧制御手段の機能を達成するブロックとして、目標空気圧設定部１１Ｅ、空気圧フィードバック制御部１１Ｆ、背圧制御弁開度指示部１１Ｇ、入力切換部１１Ｊ、弁開度制御信号出力部１１Ｋを備えている。そして、過渡時空気圧制御手段の機能を達成するブロックとして、前記目標空気圧設定部１１Ｅ、入力切換部１１Ｊ、弁開度制御信号出力部１１Ｋと共に、背圧制御弁開度設定部１１Ｈを備えている。なお、水素ガス圧制御手段の機能を達成するブロックとして、圧力制御弁開度設定部１１Ｌおよび圧力制御弁開度制御信号出力部１１Ｍを備えている。
【００２６】
前記制御装置１１の各機能ブロックについて説明すると、目標発電量設定部１１Ａには、アクセルセンサ１０からのアクセル角度信号αが入力される。このアクセルセンサ１０は、例えばポテンショメータからなり、燃料電池自動車の負荷変動に応じたアクセルペダル（図示省略）の踏み込み角度をアクセル角度αとして検出する。そして、このアクセルセンサ１０が出力するアクセル角度αのアナログ信号は、デジタル信号に変換されて目標発電量設定部１１Ａに入力される。この目標発電量設定部１１Ａは、アクセル角度信号αに応じた目標発電量をマップ検索し、その目標発電量ＩＴの信号を目標空気流量設定部１１Ｂに出力する。
【００２７】
目標空気流量設定部１１Ｂは、前記目標発電量設定部１１Ａから入力した目標発電量ＩＴの信号に基き、目標発電量ＩＴを達成するのに必要な空気流量をマップ検索し、その目標空気流量ＱＴの信号を空気流量フィードバック制御部１１Ｃおよび目標空気圧設定部１１Ｅに出力する。
【００２８】
空気流量フィードバック制御部１１Ｃには、前記目標空気流量設定部１１Ｂからの目標空気流量ＱＴの信号が入力されると共に、前記流量センサ７Ｄが出力する空気流量Ｑのアナログ信号がデジタル信号に変換されて入力される。この空気流量フィードバック制御部１１Ｃは、前記目標空気流量ＱＴに対する空気流量Ｑの偏差に対して、比例（Proportional）、積分（Integral）、微分（Differential）の各動作を与えることにより、その偏差を迅速にゼロに収束させるためのＰＩＤ動作信号ＱＣを駆動モータ制御信号出力部１１Ｄに出力する。
【００２９】
前記駆動モータ制御信号出力部１１Ｄは、前記ＰＩＤ動作信号ＱＣに基いて駆動モータ７Ｆに流す電流をパルス幅変調により制御するためのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号ＱＰを生成し、これを駆動ユニット（ＰＤＵ）５に出力する。
【００３０】
前記駆動ユニット（ＰＤＵ）５は、駆動モータ制御信号出力部１１ＤからのＰＷＭ制御信号ＱＰに基いて図示しないパワーＦＥＴ（Field Effect Transistor）のブリッジ回路をスイッチング駆動することにより、駆動モータ７Ｆを所定の極性およびデューティ比の駆動電流によって回転駆動する。すなわち、過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂが目標空気流量ＱＴを達成するように駆動モータ７Ｆを回転駆動する。なお、詳細な説明は省略するが、前記駆動ユニット（ＰＤＵ）５は、アクセルセンサ１０のアクセル角度αの信号に基き、走行用モータ（ＥＶＭ）２を所定のディーティ比の駆動電流によって回転駆動するように構成されている。
【００３１】
目標空気圧設定部１１Ｅは、前記目標空気流量設定部１１Ｂからの目標空気流量ＱＴの信号に基き、図３に示す特性のマップを参照して、目標空気流量ＱＴを達成するのに必要な空気圧を前記背圧制御弁８ＡのＣＶ値の範囲でマップ検索する。そして、検索した目標空気圧ＰＴの信号を空気圧フィードバック制御部１１Ｆ、背圧制御弁開度設定部１１Ｈおよび圧力制御弁開度設定部１１Ｌに出力する。
【００３２】
空気圧フィードバック制御部１１Ｆには、前記目標空気圧設定部１１Ｅからの目標空気圧ＰＴの信号が入力されると共に、前記圧力センサ７Ｅが出力する空気圧Ｐのアナログ信号がデジタル信号に変換されて入力される。この空気圧フィードバック制御部１１Ｆは、前記目標空気圧ＰＴに対する空気圧Ｐの偏差に対して比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）の各動作を与えることにより、その偏差を迅速にゼロに収束させるためのＰＩＤ動作信号ＰＣを背圧制御弁開度指示部１１Ｇに出力する。
【００３３】
背圧制御弁開度指示部１１Ｇは、前記ＰＩＤ動作信号ＰＣに基き、背圧制御弁８ＡのＣＶ値の範囲内で目標空気圧ＰＴを達成するのに必要な背圧制御弁８Ａの弁開度をマップ検索し、その弁開度指示信号βを入力切換部１１Ｊに出力する。
【００３４】
前記背圧制御弁開度設定部１１Ｈには、目標空気圧設定部１１Ｅからの目標空気圧ＰＴの信号が入力されると共に、前記流量センサ７Ｄからの空気流量Ｑの信号が１０ｍｓ周期で入力される。この背圧制御弁開度設定部１１Ｈは、目標空気圧ＰＴの信号および目標空気流量ＱＴに向って漸次変化する空気流量Ｑの信号に基き、背圧制御弁８ＡのＣＶ値の範囲内で目標空気圧ＰＴを逐次達成するのに必要な背圧制御弁８Ａの弁開度を１０ｍｓ周期でマップ検索し、その弁開度設定信号γを１０ｍｓ周期で更新しつつ入力切換部１１Ｊに出力する。
【００３５】
入力切換部１１Ｊには、前記背圧制御弁開度指示部１１Ｇからの弁開度指示信号βおよび前記背圧制御弁開度設定部１１Ｈからの弁開度設定信号γが入力されると共に、前記流量センサ７Ｄからの空気流量Ｑの信号および前記目標空気流量設定部１１Ｂからの目標空気流量ＱＴの信号が入力される。この入力切換部１１Ｊは、空気流量Ｑと目標空気流量ＱＴとの比較により、空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに到達するまでの過渡時には、背圧制御弁開度設定部１１Ｈからの弁開度設定信号γを弁開度制御信号出力部１１Ｋに出力し、空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに到達した以降の定常状態では、背圧制御弁開度指示部１１Ｇからの弁開度指示信号βを弁開度制御信号出力部１１Ｋに出力する。
【００３６】
弁開度制御信号出力部１１Ｋは、前記背圧制御弁開度設定部１１Ｈからの弁開度設定信号γまたは背圧制御弁開度指示部１１Ｇからの弁開度指示信号βに基き、前記背圧制御弁８Ａの弁開度をＰＷＭ制御するための所定の極性およびデューティ比の駆動信号Ｄ１を背圧制御弁８Ａに出力する。
【００３７】
圧力制御弁開度設定部１１Ｌは、前記目標空気圧設定部１１Ｅからの目標空気圧ＰＴに基き、これより若干高い圧力の目標水素ガス圧をマップ検索し、さらに、この目標水素ガス圧を達成するのに必要な圧力制御弁９Ｂの弁開度をマップ検索し、その弁開度設定信号δを圧力制御弁開度制御信号出力部１１Ｍに出力する。
【００３８】
圧力制御弁開度制御信号出力部１１Ｍは、前記弁開度設定信号δに基き、前記圧力制御弁９Ｂの弁開度をＰＷＭ制御するための所定の極性およびデューティ比の駆動信号Ｄ２を圧力制御弁９Ｂに出力する。
【００３９】
以上のように構成された一実施形態の燃料電池システムにおいては、例えば図示しないアクセルペダルが踏み込まれて燃料電池（ＦＣ）３の発電量の増大が要求されると、図１および図２に示すアクセルセンサ１０がアクセルペダルの踏み込み量に応じたアクセル開度信号αを制御装置１１に出力する。そして、この制御装置１１は、図２に示す機能ブロック図および図４に示すフローチャートに示すように、燃料電池（ＦＣ）３の目標発電量の変化に伴ってカソード入口側へ圧送される空気の流量および圧力を目標空気流量ＱＴおよび目標空気圧ＰＴに制御することにより、燃料電池（ＦＣ）３の発電量を目標発電量に制御する。その際、燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側への空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに向って漸次変化する過渡時には、漸次変化する空気流量Ｑに対応してカソード入口側の空気圧Ｐを逐次目標空気圧ＰＴに制御する。
【００４０】
制御装置１１においては、アクセルセンサ１０からアクセル開度信号αを入力した目標発電量設定部１１Ａがアクセル角度信号αに応じた目標発電量ＩＴをマップ検索し（Ｓ１）、その信号を目標空気流量設定部１１Ｂに出力する。続いて、目標空気流量設定部１１Ｂが目標発電量ＩＴを達成するのに必要な目標空気流量ＱＴをマップ検索し（Ｓ２）、その目標空気流量ＱＴの信号を空気流量フィードバック制御部１１Ｃおよび目標空気圧設定部１１Ｅに出力する。また、流量センサ７Ｄが燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側への空気流量Ｑを検出し（Ｓ３）、その信号を空気流量フィードバック制御部１１Ｃ、背圧制御弁開度設定部１１Ｈ、入力切換部１１Ｊにそれぞれ出力する。
【００４１】
次に、検出された実際の空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに収束するように、空気流量フィードバック制御部１１Ｃ、駆動モータ制御信号出力部１１Ｄ、駆動ユニット（ＰＤＵ）５が過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂの回転数をフィードバック制御する（Ｓ４）。すなわち、目標空気流量ＱＴの信号および流量センサ７Ｄからの空気流量Ｑの信号を入力した空気流量フィードバック制御部１１Ｃは、目標空気流入量ＱＴと検出された空気流入量Ｑとの偏差を迅速にゼロに収束させるためのＰＩＤ動作信号ＱＣを駆動モータ制御信号出力部１１Ｄに出力する。ＰＩＤ動作信号ＱＣを入力した駆動モータ制御信号出力部１１Ｄは、そのＰＩＤ動作信号ＱＣに基いてＰＷＭ制御信号ＱＰを生成し、これを駆動ユニット（ＰＤＵ）５に出力する。そして、この駆動ユニット（ＰＤＵ）５がＰＷＭ制御信号ＱＰに基いて駆動モータ７Ｆを所定の極性およびデューティ比の駆動電流によって回転駆動することにより、過給機（Ｓ／Ｃ）７Ｂの回転速度が漸次増大し、燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側へ流入する空気流入量Ｑは、図５に示すように、目標空気流入量ＱＴに向って漸次増大する。
【００４２】
一方、目標空気流量設定部１１Ｂから目標空気流量ＱＴの信号を入力した目標空気圧設定部１１Ｅは、前記背圧制御弁８ＡのＣＶ値の範囲で目標空気流量ＱＴを達成するのに必要な目標空気圧ＰＴの信号を空気圧フィードバック制御部１１Ｆ、背圧制御弁開度設定部１１Ｈおよび圧力制御弁開度設定部１１Ｌに出力する。
【００４３】
前記目標空気圧ＰＴの信号を入力した圧力制御弁開度設定部１１Ｌは、目標空気圧ＰＴより若干高い適正圧力の目標水素ガス圧を設定し、この目標水素ガス圧を達成するのに必要な圧力制御弁９Ｂの弁開度設定信号δを圧力制御弁開度制御信号出力部１１Ｍに出力する。そして、圧力制御弁開度制御信号出力部１１Ｍが弁開度設定信号δに応じて前記圧力制御弁９Ｂの弁開度をＰＷＭ制御するための所定の極性およびデューティ比の駆動信号Ｄ２を圧力制御弁９Ｂに出力する。こうして燃料電池（ＦＣ）３のアノード入口側に供給される水素ガスの圧力は、前記目標空気圧ＰＴより若干高い適正圧力に調整される。
【００４４】
ここで、図４のフローチャートにおいては、アクセル開度信号αの時間的変化Δαまたは目標空気流量ＱＴの時間的変化ΔＱＴに基き、目標発電量ＩＴが変更されたか否かが判定される（Ｓ５）。このステップＳ５の判定結果がＹＥＳの場合、続いて、空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに収束したか否かが判定される（Ｓ６）。
【００４５】
前記ステップＳ６の判定結果がＮＯであって、燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側への空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに向って漸次変化する過渡時には、背圧制御弁開度設定部１１Ｈ、入力切換部１１Ｊ、弁開度制御信号出力部１１Ｋが、漸次変化する空気流量Ｑに対応してカソード入口側の空気圧Ｐを逐次目標空気圧ＰＴに制御する。すなわち、前記目標空気圧ＰＴの信号および流量センサ７Ｄからの空気流量Ｑの信号を入力した背圧制御弁開度設定部１１Ｈは、図５に示すように目標空気流量ＱＴに向って漸次増大する空気流量Ｑに対応して目標空気圧ＰＴを逐次達成するのに必要な背圧制御弁８Ａの弁開度をマップ検索し（Ｓ７）、この弁開度設定信号γを１０ｍｓ周期で更新しつつ入力切換部１１Ｊに出力する。続いて、入力切換部１１Ｊが背圧制御弁開度設定部１１Ｈから入力した弁開度設定信号γを弁開度制御信号出力部１１Ｋに出力し、弁開度制御信号出力部１１Ｋが背圧制御弁８Ａの弁開度を前記弁開度設定信号γに応じてＰＷＭ制御するための所定の極性およびデューティ比の駆動信号Ｄ１を背圧制御弁８Ａに出力することにより、背圧制御弁８Ａの弁開度をγに制御する（Ｓ８）。この場合、前記弁開度設定信号γの値は、空気流入量Ｑが上昇し始める初期段階においては、図５に示すように一旦低下し、その後空気流入量Ｑの上昇に従って増大するような特性に設定されている。このため、燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側の空気圧Ｐは、破線で示す従来例のように一旦低下することがなく、目標空気圧ＰＴに向って漸次増大する。
【００４６】
一方、図４のフローチャートにおいて、ステップＳ５の判定結果がＮＯの場合、または、ステップＳ６の判定結果がＹＥＳの場合であって、流量センサ７Ｄで検出された実際の空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに到達した以降においては、圧力センサ７Ｅで検出された実際の空気圧Ｐが目標空気圧ＰＴに収束するように、空気圧フィードバック制御部１１Ｆ、背圧制御弁開度指示部１１Ｇ、入力切換部１１Ｊ、弁開度制御信号出力部１１Ｋが背圧制御弁８Ａの弁開度をβにフィードバック制御する。すなわち、目標空気圧ＰＴの信号および圧力センサ７Ｅからの空気圧Ｐの信号を入力した空気圧フィードバック制御部１１Ｆは、目標空気圧ＰＴと検出された空気圧Ｐとの偏差を迅速にゼロに収束させるためのＰＩＤ動作信号ＰＣを背圧制御弁開度指示部１１Ｇに出力する。そして、ＰＩＤ動作信号ＰＣを入力した背圧制御弁開度指示部１１Ｇは、そのＰＩＤ動作信号ＰＣに基き、目標空気流入圧ＰＴを達成するのに必要な背圧制御弁８Ａの弁開度をマップ検索し（Ｓ９）、その弁開度指示信号βを入力切換部１１Ｊに出力する。続いて、入力切換部１１Ｊが背圧制御弁開度指示部１１Ｇから入力した弁開度設定信号βを弁開度制御信号出力部１１Ｋに出力し、弁開度制御信号出力部１１Ｋが背圧制御弁８Ａの弁開度を前記弁開度設定信号βに応じてＰＷＭ制御するための所定の極性およびデューティ比の駆動信号Ｄ１を背圧制御弁８Ａに出力することにより、背圧制御弁８Ａの弁開度をβに制御する（Ｓ１０）。
【００４７】
すなわち、一実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池（ＦＣ）３のカソード入口側への空気流量Ｑが目標空気流量ＱＴに向って漸次変化する過渡時において、流量センサ７Ｄにより逐次検出されるカソード入口側への空気流量Ｑの変化に対応して過渡時空気圧制御手段がカソード入口側の空気圧Ｐを逐次目標空気圧ＰＴに制御する。従って、燃料電池（ＦＣ）３内の極間差圧の上昇を未然に防止することができ、燃料電池（ＦＣ）３のＭＥＡを構成するＰＥＭ（水素イオン交換膜）の破損を確実に防止することができる。しかも、カソード入口側の空気圧Ｐが目標空気圧ＰＴとなるまでの時間的遅れを解消でき、燃料電池（ＦＣ）３の発電量の増減に対する応答性を向上させることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池システムによれば、前記目標発電量の変化に伴って燃料電池のカソード入口側への空気流量が目標空気流量に向って漸次変化する過渡状態において、流量センサにより逐次検出されるカソード入口側への空気流量の変化に対応して過渡時空気圧制御手段がカソード入口側の空気圧を逐次目標空気圧に制御する。従って、燃料電池内の極間差圧の上昇を未然に防止することができ、燃料電池のＭＥＡを構成するＰＥＭ（水素イオン交換膜）の破損を確実に防止することができる。しかも、カソード入口側の空気圧が目標空気圧となるまでの時間的遅れを解消でき、燃料電池の発電量の増減に対する応答性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態として車両に搭載された燃料電池システムを含む車両駆動系の構成図である。
【図２】一実施形態に係る燃料電池システムの制御系の機能ブロック図である。
【図３】一実施形態に係る燃料電池システムにおける目標空気流量と目標空気圧との関係を示す線図である。
【図４】一実施形態に係る燃料電池システムの作動手順を示すフローチャートである。
【図５】一実施形態に係る燃料電池システムにおける過渡時の制御特性を示す線図である。
【符号の説明】
２  ：走行用モータ（ＥＶＭ）
３  ：燃料電池（ＦＣ）
５  ：駆動ユニット（ＰＤＵ）
７  ：空気供給系
７Ｂ：過給機（Ｓ／Ｃ）
７Ｄ：流量センサ
７Ｅ：圧力センサ
７Ｆ：駆動モータ
８  ：空気排出系
８Ａ：背圧制御弁
９  ：水素ガス供給系
９Ｂ：圧力制御弁
１０  ：アクセルセンサ
１１  ：制御装置
１１Ａ：目標発電量設定部
１１Ｂ：目標空気流入量設定部
１１Ｃ：空気流入量フィードバック制御部
１１Ｄ：駆動モータ制御信号出力部
１１Ｅ：目標空気流入圧設定部
１１Ｆ：空気流入圧フィードバック制御部
１１Ｇ：背圧制御弁開度指示部
１１Ｈ：背圧制御弁開度設定部
１１Ｊ：入力切換部
１１Ｋ：弁開度制御信号出力部
１１Ｌ：圧力制御弁開度設定部
１１Ｍ：圧力制御弁開度制御信号出力部
【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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