JP6729090B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に酸化剤を供給する過給機を備え、過給機のコンプレッサを電動モータによりタービンとは独立して駆動する燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

過給機を備える燃料電池システムとして、特許文献１には、排気タービン１４ａのノズル開度を調整可能に構成された可変ジオメトリ型の過給機（ＶＧＴ）１４を備えた燃料電池システム１が記載されている。この燃料電池システム１は、コンプレッサ１４ｂの回転軸に連結されたモータ１２を備え、コンプレッサ１４ｂの回転数を排気タービン１４ａばかりでなく、モータ１２によっても制御可能に構成されている。

特開２０００−３１５５１０号公報（段落００３１、００３４）

特許文献１において、過渡運転時におけるモータ１２の制御に関する具体的な説明を見出すことはできない。同文献には、酸化ガスの流量および圧力を決定した後、過給機１４のコンプレッサ１４ｂ（インペラ）の回転数を演算し、この回転数を達成するのに必要なモータ１２の回転数および排気タービン１４ａ（タービンブレード）の回転数を演算し、タービンブレードの回転数からノズル４ｅの開度を決定する、と記載されている（段落００３４）。

このように、特許文献１では、過渡運転時における動作応答性を主に排気タービン１４ａの制御により確保することとしており、モータ１２は、補助的な位置付けとされているに過ぎない。よって、燃料電池２に対する発電要求の変化に対して排気タービン１４ａのターボラグによる応答遅れが存在し、車両の駆動源とする場合等、高い動作応答性が求められる用途において、依然として改善の余地があるものといえる。

特許第５６７３８０２号公報には、燃料電池システムではなく、エンジンに関する技術ではあるが、過給機１２のコンプレッサ１２ｂをタービン１２ａにより駆動するとともに、過給機１２の運転を電動モータ１４により補助することが記載されている（段落００２２）。しかし、同公報では、エンジン回転数ＮＥおよびアクセル開度Ａをもとに夫々算出されるモータトルクの定常指令値Ｘ０および加速指令値Ｘ２を合算した後、リミッタ２７ｂによる制限がこの合計指令値Ｘ３に対してかけられていることから（段落００３６）、過渡運転時においても実質的には定常運転時と同一の制限がかけられることになる。

従って、上記特許公報に記載のものでは、過渡運転時の応答性を充分に確保することが困難である。

本発明は、一形態において、燃料電池システムを提供する。本発明の一形態に係る燃料電池システムは、燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段により検出された運転状態に基づき、前記燃料供給装置および前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、を備える。酸化剤供給装置は、コンプレッサと、コンプレッサを駆動可能に構成された電動モータと、コンプレッサを電動モータとは独立して駆動するタービンと、を備える。運転制御装置は、電動モータの出力であるモータ出力を制御するモータ出力制御部と、システムが定常運転状態にあるかまたは燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定する運転状態判定部と、モータ出力に関して予め設定された出力上限値を有し、システムが前記定常運転状態にある定常運転時に、前記運転状態判定部による判定に応答して前記出力上限値を低下させるモータ出力制限部と、を備える。運転状態判定部は、タービンが発生させる動力であるタービン回収動力が目標値を下回る場合に、システムが過渡運転状態にあると判定し、タービン回収動力が目標値を下回らない場合に、システムが定常運転状態にあると判定する。

本発明によれば、燃料電池システムにおいて、システムが過渡運転状態にある過渡運転時に、定常運転時のモータ出力を制限するための第１の出力上限値を超えるモータ出力の上昇を許容することで、過渡運転時における動作応答性を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 図２は、同上燃料電池システムの制御ユニット（システムコントローラ）の概略図である。 図３は、同上制御ユニットが実行する制御ルーチンの基本的な流れを示すフローチャートである。 図４は、同上制御ユニットの全体的な構成を示すブロック図である。 図５は、空気系制御部の構成を示すブロック図である。 図６は、タービン回収動力推定部の構成を示すブロック図である。 図７は、空気流量とスタック通路における圧損との関係を示す説明図である。 図８は、タービン膨張率と効率との関係を示す説明図である。 図９は、目標モータ出力演算部の構成を示すブロック図である。 図１０は、モータ出力制御の全体的な流れを示すフローチャートである。 図１１は、同上モータ出力制御におけるモータトルク指令値設定処理の内容を示すフローチャートである。 図１２は、過渡運転時（加速時）における燃料電池システムの動作を概略的に示す説明図である。 図１３は、目標スタック電流の変化に対するモータ出力およびタービン回収動力の推移を示す説明図である。 図１４は、モータ温度とモータ出力上限値との関係を示す説明図である。 図１５は、モータ回転数とモータ出力上限値との関係を示す説明図である。 図１６は、インバータ電流上限値とモータ出力上限値との関係を示す説明図である。 図１７は、本発明の他の実施形態に係るモータ出力制御におけるモータ出力上限値設定処理の内容を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１００の全体的な構成を示す概略図である。

（燃料電池システムの全体構成）
燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、カソード給排機構１２と、アノード供給機構１４と、過給機１６と、加熱／冷却機構１７と、ＨＦＲ測定装置１８と、負荷装置１９と、システムコントローラ２０と、を備える。本実施形態において、燃料電池システム１００は、車両に搭載され、燃料電池１０は、車両の走行に必要な電力を発電する。過給機１６は、互いに同軸に連結されたタービン６２およびコンプレッサ６４を備える。

燃料電池１０は、複数の燃料電池セルを積層して構成され、カソード給排機構１２を介して空気の供給を受けるとともに、アノード供給機構１４を介して水素ガスの供給を受けて、空気と水素ガスとの化学反応により発電する。空気は、カソードガスであり、水素ガスは、アノードガスである。発電により生じた電気は、車両走行用の図示しない電動モータの駆動に使用されるほか、過給機１６に備わる電動モータ６０等の各種補機の駆動に用いられる。以下の説明では、燃料電池１０を燃料電池スタックという。

（カソード給排機構）
カソード給排機構１２は、カソードガス供給通路２２と、カソード排ガス通路２４と、を備える。

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は、一方の端部がコンプレッサ６４のガス流出口に接続され、他方の端部が燃料電池スタック１０のカソード極のガス流入口に接続されており、大気から取り込まれた空気は、コンプレッサ６４により加圧された状態で燃料電池スタック１０に供給される。

カソード排ガス通路２４は、燃料電池スタック１０のカソード極から排出されるカソード排ガスが流れる通路であり、一方の端部が燃料電池スタック１０のカソード極のガス流出口に接続され、他方の端部がタービン６２のガス流入口に接続されている。カソード排ガスは、エネルギーの一部がタービン６２の駆動に用いられた後、タービン排気通路６８を介して大気中に放出される。

本実施形態において、カソードガス供給通路２２とカソード排ガス通路２４とは、バイパス通路３６により互いに接続されている。コンプレッサ６４から吐出された空気は、一部が燃料電池スタック１０に供給され、残部がカソードガス供給通路２２からバイパス通路３６に流入し、燃料電池スタック１０を迂回して、水素燃焼器３２に供給される。

バイパス通路３６には、バイパス弁３８が設けられている。バイパス弁３８は、システムコントローラ２０により開度が制御され、バイパス通路３６を流れる空気の流量を調節する。具体的には、コンプレッサ６４から吐出された空気の流量が燃料電池スタック１０により発電のために要求される空気の流量を上回る場合に、バイパス弁３８の開度を増大させ、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を減少させることで、燃料電池スタック１０の電解質膜が過度に乾燥することを防止する。

カソード排ガス通路２４には、水素燃焼器３２が介装されるとともに、可変ノズルベーン３４が設置されている。

水素燃焼器３２は、水素とカソード排ガス中の酸素とを白金等の触媒作用により燃焼させ、燃焼後の排ガス（燃焼ガス）を排出する。水素燃焼器３２には、燃料電池スタック１０からカソード排ガス通路２４を通じてカソード排ガスが供給されるとともに、カソードガス供給通路２２からバイパス通路３６を通じて空気が供給され、他方で、アノード供給機構１４の高圧タンク４０から水素ガスが供給される。本実施形態において、水素燃焼器３２には、ミキサーが内蔵されており、水素ガス、空気およびカソード排ガスがミキサーにより混合され、触媒に供給される。

本実施形態では、水素燃焼器３２として触媒燃焼方式の燃焼器を採用する。これにより、拡散燃焼方式の燃焼器または希薄予混合燃焼方式の燃焼器を用いる場合と比較して、窒素化合物の発生を抑制することが可能である。しかし、水素燃焼器３２には、拡散燃焼方式または希薄予混合燃焼方式の燃焼器等、触媒燃焼器以外の燃焼器を採用することができる。

可変ノズルベーン３４は、過給機１６のタービン６２と水素燃焼器３２との間に配置され、システムコントローラ２０により開度（ノズルベーン開度）が制御されて、タービン６２に供給される燃焼ガスの圧力を調節する。可変ノズルベーン３４は、開放状態でタービン６２への入口流路の有効断面積を増大させ、カソード排ガス通路２４からタービン６２に流入する燃焼ガスの圧力損失を相対的に減少させる。一方で、閉塞状態では、タービン６２への入口流路の有効断面積を減少させ、燃焼ガスの圧力損失を相対的に増大させる。このように、可変ノズルベーン３４のノズルベーン開度を減少させることで、タービン６２の回収動力を増大させ、システムの運転圧力を増大させることができる。

さらに、カソード排ガス通路２４には、水素燃焼器３２の下流側（本実施形態では、可変ノズルベーン３４の上流側）にタービンバイパス通路３９が接続されている。水素燃焼器３２により生成された燃焼ガスは、その一部がタービンバイパス通路３９を介して加熱／冷却機構１７に供給される。

ここで、燃料電池スタック１０が低温状態にあるときに、燃焼ガスの熱を利用して燃料電池スタック１０を暖め、暖機を促進させることが可能である。本実施形態において、加熱／冷却機構１７は、熱交換器８２を備え、熱交換器８２に対し、燃焼ガスの一部がタービンバイパス通路３９を介して供給され、熱交換器８２により燃料電池スタック１０の冷却水を加熱することで、燃料電池スタック１０の暖機を促進させる。加熱／冷却機構１７に供給された燃焼ガスは、熱交換器８２で熱が回収された後、タービン排気通路６８を流れる燃焼ガスと合流して、燃料電池システム１００から排出される。

（アノード供給機構）
アノード供給機構１４は、高圧タンク４０と、水素ヒータ４２と、スタック用水素供給通路４４と、燃焼器用水素供給通路４６と、を備える。

高圧タンク４０は、燃料電池スタック１０および水素燃焼器３２に供給される水素ガスを高圧状態に保って貯蔵するガス貯蔵容器である。

水素ヒータ４２は、熱交換器として構成され、加熱／冷却機構１７で回収された熱により高圧タンク４０から供給された水素ガスを加熱する。具体的には、水素ヒータ４２に対し、加熱／冷却機構１７の熱交換器８２による加熱後の冷却水と、高圧タンク４０に貯蔵されている水素ガスと、が供給され、両者の間での熱交換により水素ガスが加熱される。

スタック用水素供給通路４４は、水素ヒータ４２により加熱された水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する通路である。スタック用水素供給通路４４は、一方の端部が水素ヒータ４２のガス流出口に接続され、他方の端部が燃料電池スタック１０のアノード極のガス流入口に接続されている。

スタック用水素供給通路４４には、スタック供給水素調圧弁４８が設けられている。スタック供給水素調圧弁４８は、システムコントローラ２０により開度が制御され、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの圧力を調節する。

燃焼器用水素供給通路４６は、水素ヒータ４２による加熱後の水素ガスの一部を水素燃焼器３２に供給する通路である。燃焼器用水素供給通路４６は、一方の端部がスタック用水素供給通路４４に接続され、他方の端部が水素燃焼器３２のガス流入口に接続されている。

燃焼器用水素供給通路４６には、燃焼器供給水素調節弁４９が設けられている。燃焼器供給水素調節弁４９は、システムコントローラ２０により開度が制御され、水素燃焼器３２に供給される水素ガスの流量（水素供給流量）を調節する。本実施形態において、燃焼器供給水素調節弁４９は、比例ソレノイドにより構成されている。

燃料電池スタック１０のアノード極から排出されるアノード排ガスは、循環型または非循環型等のアノード排出系により処理することが可能である。

（過給機）
過給機１６は、コンプレッサ６４およびタービン６２を備えるとともに、電動モータ６０を備える。

コンプレッサ６４は、カソードガス供給通路２２の入口部に設置され、燃料電池システム１００に大気中の空気を導入する。既に述べたように、コンプレッサ６４から吐出された空気は、カソードガス供給通路２２を介して燃料電池スタック１０に供給される。

タービン６２は、カソード排ガス通路２４とタービン排気通路６８との間に設置され、水素燃焼器３２から供給される燃焼ガスにより駆動される。タービン６２のタービンブレードは、回転駆動軸６６を介してコンプレッサ６４のインペラに連結されており、タービン６２の回転駆動力が回転駆動軸６６を介してコンプレッサ６４に伝達され、コンプレッサ６４を作動させる。

ここで、コンプレッサ６４の動力要求が比較的大きい場合は、タービン６２へ流入する燃焼ガスの流量（タービン入口流量）、温度（タービン入口温度）および圧力（タービン入口圧力）を増大させることで、タービン６２による回収動力を増大させ、コンプレッサ６４に対して要求に応じた動力を供給することが可能である。先に述べた可変ノズルベーン３４のノズルベーン開度を調節することで、具体的には、要求動力の増大に対してノズルベーン開度を減少させ、燃焼ガスの圧力損失を増大させることで、タービン６２の回収動力を増大させることが可能である。

電動モータ（以下「コンプレッサモータ」という）６０は、コンプレッサ６４とタービン６２との間に配置され、回転駆動軸６６に対してモータトルクを印加可能に構成されている。

具体的には、コンプレッサモータ６０は、筐体の内周面にステータが設けられるとともに、回転駆動軸６６と同軸にロータが形成され、燃料電池スタック１０および図示しないバッテリから電力の供給を受けて回転駆動軸６６にモータトルクを印加し（力行モード）、タービン６２によるコンプレッサ６４の回転駆動を補助する。さらに、コンプレッサモータ６０は、回転駆動軸６６の回転動力により発電することが可能であり（回生モード）、発電した電力をバッテリに供給する。

（加熱／冷却機構）
加熱／冷却機構１７は、冷却水循環流路８０と、熱交換器８２と、冷却水循環ポンプ８４と、ラジエータ等の図示しない冷却装置と、を備える。

冷却水循環流路８０は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａと冷却水出口１０ｂとの間に接続され、冷却水出口１０ｂから流出した冷却水を、熱交換器８２を介して冷却水入口１０ｂに循環させる通路である。換言すれば、熱交換器８２による加熱後の冷却水は、燃料電池スタック１０の冷却水入口１０ａから燃料電池スタック１０内部の冷却水通路に供給され、燃料電池スタック１０の暖機に寄与した後、冷却水出口１０ｂから排出される。

冷却水循環流路８０には、冷却水分岐路８６が接続され、冷却水出口１０ｂを介して燃料電池スタック１０から排出された冷却水の一部が、冷却水分岐路８６を通じて水素ヒータ４２に供給される。よって、冷却水循環流路８０から分かれ、冷却水分岐路８６を流れる冷却水により、高圧タンク４０から燃料電池スタック１０および水素燃焼器３２に供給される水素ガスが加熱される。

熱交換器８２は、冷却水循環流路８０を流れる冷却水とタービンバイパス通路３９を流れる燃焼ガスとの間で熱交換を行い、冷却水を加熱する。本実施形態では、加熱／冷却機構１７に図示しない冷却装置が設けられており、燃焼ガスとの熱交換により加熱された冷却水を、この冷却装置により冷却することも可能である。

冷却水循環ポンプ８４は、システムコントローラ２０により出力が制御され、冷却水循環流路８０を介して冷却水を循環させる。

（ＨＦＲ測定装置）
ＨＦＲ測定装置１８は、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子との間に接続され、燃料電池スタック１０の各セルに備わる電解質膜の湿潤状態を取得する湿潤状態取得装置として機能する。本実施形態において、ＨＦＲ測定装置１８は、電解質膜の湿潤状態と相関のあるパラメータとして、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスを測定する。

ここで、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスは、電解質膜の含水量（水分）が少ないときほど、換言すれば、電解質膜が乾き気味になるほど、増大する傾向にある。一方で、内部インピーダンスは、電解質膜の含水量が増えるほど、換言すれば、電解質膜が濡れ気味になるほど、減少する傾向にある。このように、燃料電池スタック１０の内部インピーダンスを測定することで、電解質膜の湿潤状態を把握することが可能である。

ＨＦＲ測定装置１８は、電解質膜の電気抵抗を検出するのに適した高周波交流電流を供給し、出力される交流電圧の振幅を当該高周波交流電流の振幅で除することで、内部インピーダンス（以下「ＨＦＲ」（Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）という）を算出する。算出された内部インピーダンスないしＨＦＲ測定値は、システムコントローラ２０に出力される。

（負荷装置）
負荷装置１９は、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子との間に接続されており、燃料電池スタック１０または図示しないバッテリから供給される電力の供給を受けて駆動する。本実施形態において、負荷装置１９は、車両走行用の電動モータおよびコンプレッサモータ６０等の各種補機である。

（制御システムの概略構成）
燃料電池システム１００の運転は、システムコントローラ２０により統合的に制御される。

本実施形態において、システムコントローラ２０は、中央演算装置、読出専用メモリ、ランダムアクセスメモリおよび入出力インタフェース等を備えたマイクロコンピュータにより構成される。

システムコントローラ２０には、アクセルセンサ９１から運転者によるアクセルペダルの踏込量を示す信号が入力されるほか、ＨＦＲ測定装置１８からＨＦＲ測定値が入力される。さらに、カソード給排機構１２に備わる空気流量センサ２６、空気圧力センサ２８およびカソード排ガス温度センサ３０、アノード供給機構１４に備わる水素ガス圧力センサ４７、過給機１６に備わる回転速度センサ７２、加熱／冷却機構１７に備わる冷却水温度センサ８８、燃料電池スタック１０と負荷装置１９との間に備わるスタック電流センサ５１およびスタック電圧センサ５２等の検出信号が入力される。

空気流量センサ２６は、カソードガス供給通路２２の空気取込部に設けられ、燃料電池システム１００に取り込まれる空気の流量（以下「空気流量」という）を検出する。

空気圧力センサ２８は、カソードガス供給通路２２において、コンプレッサ６４の下流側に設けられ、カソードガス供給通路２２における空気の圧力（以下「空気圧力」という）を検出する。

カソード排ガス温度センサ３０は、カソード排ガス通路２４において、水素燃焼器３２の上流側に設けられ、燃料電池スタック１０から排出されるカソード排ガスの温度（以下「スタック出口温度」という）を検出する。

水素ガス圧力センサ４７は、燃焼器用水素供給通路４６において、熱交換器４２の下流側に設けられ、燃焼器用水素供給通路４６における水素ガスの圧力、換言すれば、水素燃焼器３２に供給される水素ガスの圧力（以下「供給水素圧力」という）を検出する。

回転速度センサ７２は、コンプレッサモータ６０に設置され、コンプレッサモータ６０の回転速度（単位時間当たりの回転数を採用し、以下「モータ回転数」という）を検出する。

冷却水温度センサ８８は、冷却水循環流路８０において、熱交換器８２の上流側（本実施形態では、冷却水出口１０ｂの近傍）に設けられ、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度（以下「冷却水温度」という）を検出する。ここで、燃料電池スタック１０の冷却水が水素ヒータ４２により水素ガスと熱交換されることから、冷却水温度は、水素燃焼器３２に供給される水素ガスの温度と略同一とみなすことができる。

スタック電流センサ５１は、燃料電池スタック１０の正極端子と負荷装置１９の正極端子とを接続する電力線に設けられ、燃料電池スタック１０から負荷装置１９に出力される電流（以下「スタック電流」という）を検出する。

スタック電圧センサ５２は、燃料電池スタック１０の正極端子と負極端子との間に接続され、正極端子と負極端子との間の電圧である燃料電池スタック１０の端子間電圧（以下「スタック電圧」という）を検出する。

システムコントローラ２０は、負荷装置１９の駆動ユニットと通信可能に接続されている。システムコントローラ２０は、アクセルセンサ９１により検出されるアクセルペダルの踏込量をもとに、燃料電池スタック１０に対する要求発電電力を設定し、負荷装置１９の駆動ユニットに対し、要求発電電力に応じた駆動信号を出力する。要求発電電力は、アクセルペダルの踏込量が大きくなるほど、大きな値に設定される。

さらに、システムコントローラ２０は、各種検出信号に基づき、可変ノズルベーン３４のノズルベーン開度、バイパス弁３８の開度、スタック供給水素調圧弁４８の開度、燃焼器供給水素調節弁４９の開度、コンプレッサモータ６０の出力および冷却水循環ポンプ８４の出力を制御する。
（システムコントローラの基本動作）
システムコントローラ２０の基本的な動作について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

Ｓ１では、要求負荷電力として、負荷装置１９により要求される電力を算出する。本実施形態において、要求負荷電力は、車両走行用の電動モータの駆動電力として求められる電力であり、アクセルペダルの踏込量等をもとに算出する。

Ｓ２では、燃料電池スタック１０が発電する電力の要求値（要求発電電力）に応じた目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを算出する。本実施形態において、要求発電電力は、要求負荷電力に、コンプレッサモータ６０、可変ノズルベーン３４および燃焼器供給水素調節弁４９等の各種アクチュエータの消費電力を合算した値である。システムコントローラ２０は、続くＳ３〜６の処理により、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを実現するように、燃料電池システム１０の冷却系、空気系および燃料系のそれぞれに備わるアクチュエータを制御する。

Ｓ３では、冷却系操作量を算出する。具体的には、燃料電池スタック１０の電解質膜の湿潤状態を良好に維持するとの観点から、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに燃料電池スタック１０の内部インピーダンス（ＨＦＲ）の目標値を設定し、ＨＦＲ測定装置１８により測定される実際の内部インピーダンス（ＨＦＲ測定値）が目標ＨＦＲに近付くように、湿潤要求目標空気圧力および湿潤要求目標空気流量を算出する。さらに、システムコントローラ２０は、目標ＨＦＲおよびＨＦＲ測定値等をもとに、加熱／冷却機構１７に備わる冷却装置（具体的には、ラジエータ）を制御する。

Ｓ４では、空気系操作量を算出する。空気系操作量の演算は、図１０および１１に示すフローチャート参照して後に説明する。

Ｓ５では、燃料系操作量を算出する。具体的には、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに燃料電池スタック１０に対する供給水素圧力の目標値（目標供給水素圧力）を算出し、目標供給水素圧力に基づき、スタック供給水素調圧弁４８等、燃料系に備わる各種アクチュエータに対する操作量（例えば、スタック供給水素調圧弁４８の目標開度）を算出する。

Ｓ６では、冷却系、空気系および燃料系に備わる各種アクチュエータに対してそれぞれの操作量に応じた指令信号を出力する。

（システムコントローラの内部構成）
システムコントローラ２０の内部構成について、空気系操作量の演算に関わる構成を中心に図４〜９を参照して説明する。

図４は、システムコントローラ２０内部の全体的な構成を示すブロック図であり、図５は、空気系制御部Ｂ１０４の構成を示すブロック図であり、図６は、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２の構成を示すブロック図であり、図９は、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９の構成を示すブロック図である。

（システム全体）
図４に示すように、システムコントローラ２０は、目標スタック電流演算部Ｂ１０１と、目標空気圧力演算部Ｂ１０２と、目標空気流量演算部Ｂ１０３と、空気系制御部Ｂ１０４と、最大値選択部Ｂ１０５およびＢ１０６と、最小値選択部Ｂ１０７と、を備える。

目標スタック電流演算部Ｂ１０１は、アクセルセンサ９１により出力されたアクセルペダルの踏込量を示す信号をもとに、要求発電電力に応じたスタック電流の目標値（目標スタック電流）Ｉｓｔｃ＿ｔを算出する。

目標空気圧力演算部Ｂ１０２は、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを入力し、予め定められたマップを目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔにより参照して、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔを算出する。目標空気圧力演算部Ｂ１０２は、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔを、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが大きいときほど、大きな値として算出する。

目標空気流量演算部Ｂ１０３は、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを入力し、予め定められたマップを目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔにより参照して、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを算出する。目標空気流量演算部Ｂ１０３は、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを、目標スタック電流ｔＩｓｔｃが大きいときほど、大きな値として算出する。

最大値選択部Ｂ１０５は、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔと湿潤要求目標空気圧力とを入力し、両者のうち大きい方を、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔとして出力する。湿潤要求目標空気圧力は、燃料電池スタック１０の内部において、各セルの電解質膜の湿潤状態を所定に制御するのに要求される空気圧力である。

最大値選択部Ｂ１０６は、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔと湿潤要求目標空気流量とを入力し、両者のうち大きい方を、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔとして出力する。湿潤要求目標空気流量は、燃料電池スタック１０の内部において、各セルの電解質膜の湿潤状態を所定に制御するのに要求される空気流量である。

空気系制御部Ｂ１０４は、最大値選択部Ｂ１０５により選択された目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔおよび最大値選択部Ｂ１０６により選択された目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを入力する。さらに、空気系制御部Ｂ１０４は、目標スタック電流演算部Ｂ１０１から目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを入力するほか、空気流量センサ２６から空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄを、空気圧力センサ２８から空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄを、回転速度センサ７２からモータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄを、スタック電圧センサ５２からスタック電圧Ｖｓｔｃ＿ｄを、夫々入力する。

空気系制御部Ｂ１０４は、各種検出信号に基づき、ノズルベーン開度指令値ＣＭＤｎｖ、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔおよび目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔを算出する。ノズルベーン開度指令値ＣＭＤｎｖは、可変ノズルベーン３４に対する制御指令値であり、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔは、コンプレッサモータ６０に対する制御指令値である。

最小値選択部Ｂ１０７は、空気系制御部Ｂ１０３により算出された目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔと入口温度許容限界値とを入力し、両者のうち小さい方を、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔとして出力する。入口温度許容限界値は、タービン６２を構成する部品の耐熱性等を考慮して定められる、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎの上限値である。

（空気系制御部）
図５に示すように、空気系制御部Ｂ１０４は、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１と、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２と、目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３と、最小値選択部Ｂ１０４４と、除算部Ｂ１０４５と、乗算部Ｂ１０４６と、減算部Ｂ１０４７、Ｂ１０４８と、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９を備える。

コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１は、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔ、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔ、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄを入力する。コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１は、実際の空気圧力Ｐａｉｒおよび空気流量Ｑａｉｒがそれぞれの目標値Ｐａｉｒ＿ｔ、Ｑａｉｒ＿ｔに近付くように、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを算出するとともに、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを達成するためのノズルベーン開度指令値ＣＭＤｎｖを設定する。本実施形態では、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔに基づき、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔが算出され、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔが設定される。ノズルベーン開度指令値ＣＭＤｎｖおよびモータトルク指令値ＣＭＤｍｔは、図示しない可変ノズルベーン３４の駆動ユニットおよびコンプレッサモータ６０の駆動ユニットに出力される。

減算部Ｂ１０４７は、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１から目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを入力するとともに、後に述べるタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを入力し、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを減じた値を、目標モータトルクとして最小値選択部Ｂ１０４４に出力する。

最小値選択部Ｂ１０４４は、減算部Ｂ１０４７から目標モータトルクを入力するとともに、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを入力し、目標モータトルクと過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒのトルク換算値とのうち小さい方をもとに、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔを設定する。本実施形態において、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力である。

タービン回収動力推定部Ｂ１０４２は、目標タービン入口温度前回値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ（ｎ−１）、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄ、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄおよびタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘを入力し、これらの入力情報をもとに、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを算出する。目標タービン入口温度前回値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ（ｎ−１）は、前回の制御実行時に目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３により算出された目標タービン入口温度である。

（タービン回収動力推定部）
図６に示すように、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２は、タービン入口圧力演算部Ｂ１０４２ａと、タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂと、タービン入口温度演算部Ｂ１０４２ｃと、タービン回収動力演算部Ｂ１０４２ｄと、を備える。

タービン入口圧力演算部Ｂ１０４２ａは、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄをもとに、タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎを算出する。タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎは、燃料電池スタック１０の上流側における空気圧力Ｐａｉｒから燃料電池スタック１０内部の空気通路における圧損ΔＰを減じることにより算出する。

Ｐｔ＿ｉｎ＝Ｐａｉｒ＿ｄ−ΔＰ …（１）
図７は、空気流量Ｑａｉｒと圧損ΔＰとの関係を示している。タービン入口圧力演算部は、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄにより同図に示すマップを参照して、圧損ΔＰを、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄが大きいときほど大きな値として算出する。

タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂは、タービン入口圧力演算部からタービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎを入力するとともに、タービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘを入力する。本実施形態では、タービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘとして大気圧（≒１０１．３［ｋｐａ］）を採用する。外気の圧力が変動し、大気圧を一概に採用することができない場合は、大気圧センサを設置し、これにより検出された圧力検出値をタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘとしてもよい。

タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂは、タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎおよびタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘをもとに、タービン効率ηｔを算出する。具体的には、タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂは、タービン入口圧力とタービン出口圧力との比（タービン膨張比）＝Ｐｔ＿ｉｎ／Ｐｔ＿ｅｘを算出する。

図８は、タービン膨張比＝Ｐｔ＿ｉｎ／Ｐｔ＿ｅｘとタービン効率ηｔとの関係を示している。タービン効率演算部Ｂ１０４２ｂは、タービン膨張比により同図に示すマップを参照して、タービン効率ηｔを算出する。

タービン入口温度演算部Ｂ１０４２ｃは、離散系における一次遅れ応答を近似した次式（２）により、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎを推定する（タービン入口温度推定値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ）。

Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ＝Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ（ｎ−１）＋｛（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ−Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ（ｎ−１）／ｔｓ）｝×ｔ_samp …（２）
ただし、
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ：タービン入口温度推定値
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ（ｎ−１）：タービン入口温度前回推定値
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ：目標タービン入口温度
ｔｓ：時定数
ｔ_samp：制御演算周期
である。

時定数ｔｓは、実験等により予め定められ、上式（２）による実際の演算では、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔとして、目標タービン入口温度前回値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ（ｎ−１）を採用する。タービン入口温度前回推定値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ（ｎ−１）は、前回の制御実行時にこのタービン入口温度演算部Ｂ１０４２ｃにより算出されたタービン入口温度推定値である。

そして、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２は、タービン回収動力演算部Ｂ１０４２ｄにおいて、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄ、タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎ、タービン効率ηｔ、タービン入口温度推定値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅおよびタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘをもとに、次式（３）によりタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを算出する。

Ｍｔｂｎ＿ｅ＝Ｑａｉｒ＿ｄ×｛（Ｗａｉｒ×κａｉｒ）／（Ｖｓｔａ×６０×１０００）｝×ηｔ×（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ＋Ｔｓｔａ）×｛１−（Ｐｔ＿ｅｘ／Ｐｔ＿ｉｎ）⁽γ^-1)/γ｝ …（３）
ただし、
Ｍｔｂｎ＿ｅ：タービン回収動力推定値
Ｑａｉｒ＿ｄ：空気流量検出値
Ｗａｉｒ：空気の式量
κａｉｒ：空気の定圧比熱
Ｖｓｔａ：標準状態における体積（＝２２．４１４［Ｌ］）
ηｔ：タービン効率
Ｔｔ＿ｉｎ＿ｅ：タービン入口温度推定値
Ｔｓｔａ：標準状態における絶対温度（＝２７３．１５［Ｋ］）
Ｐｔ＿ｉｎ：タービン入口圧力
Ｐｔ＿ｅｘ：タービン出口圧力
γ：比熱比
６０：秒分間の単位変換係数
１０００：ｍ³とＬ（リットル）との単位変換係数
である。

図５に戻り、除算部Ｂ１０４５は、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２からタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを入力するとともに、モータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄを入力し、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅをモータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄで除した値（＝Ｍｔｂｎ＿ｅ／Ｎｍｔｒ＿ｄ）を、タービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅとして出力する。ここで、モータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄは、タービン６２およびコンプレッサ６４の回転速度を示す。

乗算部Ｂ１０４６は、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１から目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを入力するとともに、モータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄを入力し、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔとモータ回転数検出値Ｎｍｔｒ＿ｄとの積の値（＝Ｔｃｍｐ＿ｔ×Ｎｍｔｒ＿ｄ）を、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔとして出力する。

減算部Ｂ１０４８は、乗算部Ｂ１０４６から目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔを入力するとともに、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９から目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを入力し、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔから目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを減じた値（＝Ｍｃｍｐ＿ｔ−Ｍｍｔｒ＿ｔ）を、目標タービン出力Ｍｔｂｎ＿ｔとして出力する。

目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３は、減算部Ｂ１０４８から目標タービン出力Ｍｔｂｎ＿ｔを入力するとともに、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔおよび目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを入力し、これらの入力情報をもとに、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅの演算に用いた上式（３）により、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔを算出する。ここで、目標タービン出力Ｍｔｂｎ＿ｔは、タービン６２により回収すべき動力（タービン回収動力）の目標値である。

具体的には、上式（３）のタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅに目標タービン出力Ｍｔｂｎ＿ｔを代入し、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄに目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔを代入する。さらに、上式（１）において、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄを目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔ、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔに夫々置き換えることで、タービン入口圧力Ｐｔ＿ｉｎを算出する。タービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘには、大気圧を採用する。このようにして得られた値を上式（３）に適用することで、上式（３）のＴｔ＿ｉｎ＿ｅを算出することができるので、これを目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔとする。

（目標モータ出力演算部）
図９に示すように、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９は、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを入力し、同図に示すマップを目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔにより参照して、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを算出する。目標モータ出力演算部Ｂ１０４９は、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが所定値Ｉ１以下の場合は一定値として算出し、所定値Ｉ１よりも大きい場合は目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが大きいときほど小さな値として算出する。

このように、低負荷時等、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔが小さく、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔと等しいかまたはこれを下回る場合は、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが０以下となることで、水素燃焼器３２への水素ガスの供給が停止される。さらに、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが所定値Ｉ１よりも大きい場合に目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを減少させることで、モータ出力の減少分をタービン回収動力Ｍｔｂｎにより補って目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔを達成しつつ、コンプレッサモータ６０の消費電力を低減することができるので、燃料電池システム１００のネット出力を向上させることが可能となる。

さらに、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９は、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを入力するとともに、スタック出力制限値から補機消費電力および走行モータ駆動電力を減じた値を入力する。

本実施形態において、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔは、コンプレッサモータ６０の連続定格の出力である。

スタック出力制限値は、燃料電池スタック１０内部の湿潤状態に応じて定められ、ＨＦＲ測定装置１８により出力されたＨＦＲ測定値をもとに、これが大きいときほど大きな値に設定される。換言すれば、燃料電池スタック１０の各セルに備わる電解質膜が湿潤状態にある場合は、電解質膜の過度な湿潤を回避するべく、スタック出力制限値を増大させて空気流量を増大させ、電解質膜が乾燥状態にある場合は、電解質膜の過度な乾燥を回避するべく、スタック出力制限値を減少させて空気流量を減少させる。

目標モータ出力演算部Ｂ１０４９は、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔ、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔおよび上記減算値のうち最も小さい値を目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔとして選択し、減算部Ｂ１０４８に出力する。

本実施形態において、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎの制御は、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔをもとに、図示しない燃焼器制御部により次のようにして行う。

燃焼器制御部は、燃焼器供給水素調節弁４９の開度を制御し、水素燃焼器３２における燃焼温度を調節することにより、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎを制御する。

具体的には、スタック出口温度に基づき、次式（４）により燃焼器入口ガス比エンタルピを算出する。

ｈ＝ｋ０＋ｋ１×Ｔ＋ｋ２×Ｔ²＋ｋ３×Ｔ³ …（４）
ただし、
ｈ：比エンタルピ
Ｔ：ガス温度
ｋ０〜ｋ３：ガス種に応じて決まる定数
である。上式（４）による実際の演算では、ガス温度Ｔとして、カソード排ガス温度センサ３０により検出されるスタック出口温度を採用する。

ここで、水素燃焼器３２に供給されるガス（以下「燃焼器入口ガス」という）は、カソード排ガス（空気）以外に、高圧タンク４０から燃焼器用水素供給通路４６を介して供給される水素ガスを含有する。よって、ガス種に応じて決まる上記定数ｋ０〜ｋ３として、空気に対応する各値と水素に対応する各値とを採用する。換言すれば、燃焼器入口ガス比エンタルピとして、空気に対応する定数ｋ０〜ｋ３を上式（４）に代入することにより得られる空気由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈ_air（Ｔｃ＿ｉｎ）と、水素に対応する定数ｋ０〜ｋ３を上式（４）に代入することにより得られる水素由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈ_H2（Ｔｃ＿ｉｎ）と、を算出する。

さらに、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔに基づき、上式（４）によりタービン入口ガス比エンタルピを算出する。

タービン入口ガス比エンタルピの演算では、上式（４）のガス温度Ｔとして、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔを採用する。

ここで、水素燃焼器３２により生成された燃焼ガスは、燃焼に寄与せずに残った残留空気に加え、水素燃焼器３２における触媒燃焼反応により生じた水蒸気を含有する。よって、ガス種に応じて決まる上式（４）の定数ｋ０〜ｋ３として、空気に対応する各値と水蒸気に対応する各値とを採用する。換言すれば、タービン入口ガス比エンタルピとして、空気に対応する定数ｋ０〜ｋ３を上式（４）に代入することにより得られる空気由来のタービン入口ガス比エンタルピｈ_air（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）と、水蒸気に対応する定数ｋ０〜ｋ３を上式（４）に代入することにより得られる水蒸気由来のタービン入口温度エンタルピｈ_H2O（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）を算出する。

一方で、スタック電流検出値Ｉｓｔｃ＿ｄに基づき、下式（５）により燃料電池スタック１０による発電に消費される酸素の流量である消費酸素流量ｍ_{O2_cons}を推定する。消費酸素流量ｍ_{O2_cons}は、燃料電池スタック１０に供給される前の空気と燃料電池スタック１０から排出された空気（カソード排ガス）との間における酸素流量の変化分に相当する。

ｍ_{O2_cons}＝｛（Ｉ×Ｎ）／（４×Ｆ）｝×Ｖ_sta×６０ …（５）
ただし、
Ｎ：燃料電池のセル枚数
Ｉ：燃料電池の出力電流（＝Ｉｓｔｃ＿ｄ）
Ｆ：ファラデー定数
Ｖ_sta：標準状態における理想気体１ｍｏｌの体積[ＮＬ]
６０：秒分間の単位変換係数
である。

そして、空気由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈ_air（Ｔｃ＿ｉｎ）、水素由来の燃焼器入口ガス比エンタルピｈ_H2（Ｔｃ＿ｉｎ）、空気由来のタービン入口ガス比エンタルピｈ_air（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）、水蒸気由来のタービン入口ガス比エンタルピｈ_H2O（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）および消費酸素流量ｍ_{O2_cons}をもとに、次式（６）により目標水素流量Ｆ_H2＿ｔを算出する。次式（６）は、水素燃焼器３２の入口におけるガスを水素燃焼器３２の出口に至るまでに目標温度まで昇温させることを想定した場合の、エネルギー保存式から導き出すことができる。

Ｆ_H2＿ｔ＝｛Ａ＋Ｂ｝／Ｃ …（６）
Ａ＝｛ｈ_air（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）−ｈ_air（Ｔｃ＿ｉｎ）｝×Ｑａｉｒ＿ｄ
Ｂ＝ｈ_air（Ｔｃ＿ｉｎ）×ｍ_{O2_cons}
Ｃ＝ｈ_H2（Ｔｃ＿ｉｎ）＋０．５×ｈ_air（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）−ｈ_H2O（Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ）
さらに、供給水素圧力、冷却水温度（水素ガスの温度を示す）および空気圧力をもとに、下式（７）および（１０）により最大水素通過流量ｍ_{H2_max}を算出する。最大水素通過流量ｍ_{H2_max}は、燃焼器水素供給弁４９が最大開度にある状態で燃焼器水素供給弁４９を通過させることができる水素ガスの流量である。下式（７）は、燃焼器水素供給弁４９にチョークが発生していない場合の最大水素通過流量ｍ_{H2_max}を示し、下式（１０）は、チョークが発生している場合の最大水素通過流量ｍ_{H2_max}を示す。

Ｐ２／Ｐ１＞（２／（γ＋１））γ^/(γ^-1)の場合：
ｍ_{H2_max}＝Ｃｆ×Ａ×｛２×（γ／（γ−１））×（Ｐ１×１０００／ρ１−Ｐ２×１０００／ρｔｈ）｝^1/2×（Ｐ２／Ｐａｔｍ）×（Ｔｓｔａ／Ｔｔｈ）×１０００×６０ …（７）
ただし、
Ｃｆ：流量係数
Ｐ１：供給水素圧力検出値
Ｐ２：空気圧力検出値
Ｐａｔｍ：標準状態での大気圧（＝１０１．３［ｋＰａ］）
Ａ：オリフィス断面積
ρ１：燃焼器供給水素調節弁の入口部における水素密度
ρｔｈ：燃焼器供給水素調節弁のスロート部における水素密度
Ｔｓｔａ：標準状態における温度
Ｔｔｈ：燃焼器供給水素調節弁のスロート部における水素温度
γ：比熱比（１．４）
である。

上式（７）のρｔｈおよびＴｔｈは、次式（８）、（９）により算出する。

ρｔｈ＝ρ１×（Ｐ２／Ｐ１）^1/γ …（８）
Ｔｔｈ＝Ｔ１×（Ｐ２／Ｐ１）⁽γ^-1)/γ …（９）
さらに、
Ｐ２／Ｐ１≦（２／（γ＋１））γ^/(γ^-1)の場合：
ｍ_{H2_max}＝Ｃｆ×Ａ×｛２×（γ／（γ＋１））×（Ｐ１×１０００／ρ１）｝^1/2×（Ｐｔｈ／Ｐａｔｍ）×（Ｔｓｔａ／Ｔｔｈ）×１０００×６０ …（１０）
上式（１０）のＰｔｈおよびＴｔｈは、次式（１１）、（１２）により算出する。

Ｐｔｈ＝Ｐ１×（２／（γ＋１））γ^/(γ^-1) …（１１）
Ｔｔｈ＝Ｔ１×（Ｐｔｈ／Ｐ１）⁽γ^-1)/γ …（１２）
そして、このようにして算出された目標水素流量Ｆ_H2＿ｔおよび最大水素通過流量ｍ_{H2_max}をもとに、目標水素供給弁開度を演算する。具体的には、目標水素流量Ｆ_H2＿ｔを最大水素通過流量ｍ_{H2_max}で除した値（目標デューティー比に相当する）から定まる開度を目標調節弁開度とし、目標調節弁開度により燃焼器供給水素調節弁４９を制御する。

（システムコントローラの動作）
システムコントローラ２０の動作について、フローチャートを参照して説明する。

図１０は、システムコントローラ２０が実行するモータ出力制御ルーチンのフローチャートである。

Ｓ１０１では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを読み込む。

Ｓ１０２では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔおよび目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔを算出する。Ｓ１０２の処理は、目標空気圧力演算部Ｂ１０２、目標空気流量演算部Ｂ１０３、最大値選択部Ｂ１０５および最大値選択部Ｂ１０６により実行される。

Ｓ１０３では、目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔ、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔ、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄをもとに、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを算出する。Ｓ１０３の処理は、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１により実行される。

Ｓ１０４では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを算出する。Ｓ１０４の処理は、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９により実行される。Ｓ１０４の処理により算出される目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔは、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔおよび目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔの演算のために暫定的に設定されるものである。

Ｓ１０５では、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔ（＝Ｔｃｍｐ＿ｔ×Ｎｍｔｒ＿ｄ）から目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを減じることで、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔを達成するための目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを算出する。Ｓ１０５の処理は、乗算部Ｂ１０４６および減算部Ｂ１０４８により実行される。

Ｓ１０６では、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄおよび空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄをもとに、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを達成するための目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔを算出する。Ｓ１０６の処理は、目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３により実行される。

Ｓ１０７では、目標タービン入口温度前回値Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔ（ｎ−１）、空気圧力検出値Ｐａｉｒ＿ｄ、空気流量検出値Ｑａｉｒ＿ｄおよびタービン出口圧力Ｐｔ＿ｅｘをもとに、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを算出する。Ｓ１０７の処理は、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２により実行される。

Ｓ１０８では、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔを設定する。モータトルク指令値ＣＭＤｍｔの設定は、減算部Ｂ１０４７および最小値選択部Ｂ１０４４により実行される。具体的には、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを減じて目標モータトルクを算出し（減算部Ｂ１０４７）、目標モータトルクと過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒのトルク換算値とのうち小さい方をもとに、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔを設定する。本実施形態において、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力である。

図１１は、図１０のモータトルク指令値設定処理（Ｓ１０８）の内容を示すフローチャートである。

Ｓ２０１では、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを減じることで、目標モータトルクを算出する。

Ｓ２０２では、モータ出力上限値ＬＭＴｔｒを読み込む。

Ｓ２０３では、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔがモータ出力上限値ＬＭＴｔｒ（のトルク換算値）以下であるか否かを判定する。モータ出力上限値ＬＭＴｔｒ以下である場合は、今回の制御を終了し、モータ出力上限値ＬＭＴｔｒよりも大きい場合は、Ｓ２０４へ進む。

Ｓ２０４では、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔをモータ出力上限値ＬＭＴｔｒに設定する。換言すれば、Ｓ１０８の処理により算出されたモータトルク指令値ＣＭＤｍｔとモータ出力上限値ＬＭＴｔｒのトルク換算値とのうち小さい方をもとに、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔを設定するのである。

図１２は、燃料電池システム１００の過渡運転時（加速時）における動作を概略的に示す説明図である。

時刻ｔ０において、比較的低速で走行している車両が、時刻ｔ１におけるアクセルペダルの踏込操作により加速し、時刻ｔ１〜ｔ４の過渡期間を経て、時刻４に加速後の定速走行に移行する場合を想定する。ここで、細線がアクセル操作に対する目標値の変化を示し、太線が目標値の変化に応じた実際値の推移を示す。

時刻ｔ０〜ｔ１では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの達成に必要なコンプレッサ出力Ｍｃｍｐがコンプレッサモータ６０の出力（モータ出力）Ｍｍｔｒのみにより賄われており、タービン回収動力Ｍｔｂｎ（推定値Ｍｔｂｎ＿ｅ）は、０である。換言すれば、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９により求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔに等しく、これらの目標値の差として算出される目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ（＝Ｍｃｍｐ＿ｔ−Ｍｍｔｒ＿ｔ）が０となる。図１２の例では、時刻ｔ０〜ｔ１において、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔは、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔよりも小さな値として設定されている。さらに、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが０であることから、燃焼器供給水素調節弁４９により水素燃焼器３２に対する水素ガスの供給が停止され、燃焼温度も０となる。

時刻ｔ１において、運転者によりアクセルペダルが踏み込まれ、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔが増大すると、これに応じて目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが増大する。これは、目標コンプレッサ出力Ｍｃｍｐ＿ｔが目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの変化に追従するように増大する一方、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９により目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが定常時出力上限値ＬＭＴｓｔ以下に制限されるため、目標コンプレッサ出力Ｍｃｍｐ＿ｔと目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔとの差として算出される目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが増大するからである。

よって、本実施形態において、「過渡運転時」は、実際のタービン回収動力Ｍｔｂｎが目標値（目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ）を下回る場合として定義することができる。さらに、本実施形態では、タービン回収動力Ｍｔｂｎを得るために水素燃焼器３２に水素ガスを供給し、これを作動させる必要があることから、「過渡運転時」は、水素燃焼器３２における実際の燃焼温度が目標値（目標燃焼温度）を下回る場合として定義することもできる。タービン回収動力Ｍｔｂｎおよび燃焼温度は、定常運転に移行することで、いずれも目標値に一致する。

目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔの増大に伴い、目標タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ＿ｔが増大し、水素燃焼器３２に対する水素ガスの供給が開始される。しかし、水素燃焼器３２に対する水素ガスの供給に遅れが存在したり、水素燃焼器３２自体の筐体が冷えていたりすることで、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが増大してから水素燃焼器３２における燃焼温度が上昇し、タービン回収動力Ｍｔｂｎに実際に変化が生じるまでには、一定の遅れが存在する。

よって、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎｅを減じた値（目標モータトルク）をもとに設定されるモータトルク指令値ＣＭＤｍｔが、タービン回収動力Ｍｔｂｎの遅れに応じた不足分だけ増大し、タービン回収動力Ｍｔｂｎの不足分をモータ出力Ｍｍｔｒにより補うこととなる。ここで、本実施形態では、モータ出力Ｍｍｔｒに対して過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒによる制限が課せられ、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを超えるモータ出力Ｍｍｔｒの増大が禁止される。本実施形態において、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力である。目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを超えていることから、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに設定され、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに減じるまでの間（時刻ｔ１〜ｔ２）、コンプレッサ出力Ｍｃｍｐにこの制限に応じた分だけ目標値（目標コンプレッサ出力Ｍｃｍｐ＿ｔ）に対する不足が生じている。

モータ出力Ｍｍｔｒは、水素燃焼器３２における燃焼温度が上昇し、タービン回収動力Ｍｔｂｎが増えるのに従って減少する。そして、モータ出力Ｍｍｔｒは、タービン回収動力Ｍｔｂｎが加速後の目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔに応じた目標値（目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ）に達する時刻ｔ５において、加速後の目標値（目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔ）に収束する。

ここで、目標スタック電流の変化に対するモータ出力およびタービン回収動力の推移について、図１３を参照してさらに説明する。

図１３は、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの増大に対する目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔ、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅおよびモータトルク指令値ＣＭＤｍｔ等の推移を概略的に示している。図中に示す時刻ｔ０〜ｔ５は、図１２に示す時刻ｔ０〜ｔ５と対応する。図中に示す２〜１０の数値は、出力ないし動力の関係を相対的に表したものであり、実際の値を示すものではない。

時刻ｔ０では、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔは、相対値で２であり、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔも、相対値で２である。よって、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔは、コンプレッサモータ６０のみにより賄われ、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔおよびタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅの相対値は、いずれも０となる。そして、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔからタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを減じた相対値として算出される目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが２に設定され、コンプレッサモータ６０は、モータトルク指令値ＣＭＤｍｔにより、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔ（＝２）を達成するように制御される。

時刻ｔ１では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの増大により、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔの相対値が１０に増大する。これに応じ、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔの相対値も４に増大し、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔが、相対値で６（＝１０−４）に設定される。時刻ｔ１およびそれ以降の時刻ｔ３、ｔ５において、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔおよび目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔは、夫々相対値で４、６に設定される。

ここで、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔの増大に対する実際のタービン回収動力の増大には遅れが存在することから、時刻ｔ１およびｔ３において、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅに目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ（＝６、６）に対する不足分が生じ、この不足分（＝６、３）が、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔに加算される（＝１０、７）。そして、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒの相対値が９であることから、時刻ｔ１では、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが、相対値で９に制限される。

時刻ｔ５では、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅが目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔに一致し、タービン回収動力Ｍｔｂｎの不足分が解消することから、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔも、定常値（相対値で４）に一致する。

（作用効果の説明）
本実施形態では、燃料電池システム１００の運転を制御するシステムコントローラ２０に、コンプレッサモータ６０の出力であるモータ出力Ｍｍｔｒを制御する空気系制御部Ｂ１０３を設け、空気系制御部Ｂ１０３により、定常運転時では、モータ出力Ｍｍｔｒを第１の出力上限値である定常時出力上限値ＬＭＴｓｔ以下に制限し、燃料電池スタック１０の発電電力を増大させる過渡運転時では、モータ出力上限値を定常時出力上限値ＬＭＴｓｔから過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに切り換え、モータ出力Ｍｍｔｒの定常時出力上限値ＬＭＴｔｒを超える増大を許容することとした。

このように、定常運転時では、コンプレッサモータ６０の出力（モータ出力Ｍｍｔｒ）を定常時出力上限値ＬＭＴｓｔ以下に制限することで、コンプレッサモータ６０の連続的な使用が可能となる。ここで、定常運転時に設定される目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔの上限値を定常時出力上限値ＬＭＴｓｔとし（図９）、モータ出力Ｍｍｔｒが低く抑えられる状態を維持することで、コンプレッサモータ６０の駆動に要する電力の消費を抑制し、車両走行用の電動モータの駆動に割り振ることのできる電力を確保することが可能となる。

さらに、過渡運転時では、モータ出力Ｍｍｔｒの定常時出力上限値ＬＭｓｔを超える増大、具体的には、コンプレッサモータ６０の出力の連続定格を超える増大を積極的に許容することで、タービン回収動力Ｍｔｂｎの実際の変化を待たずにコンプレッサモータ６０の出力増大によりコンプレッサ６４の回転速度を上昇させ、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの達成に必要な空気圧力Ｐａｉｒおよび空気流量Ｑａｉｒ（目標空気圧力Ｐａｉｒ＿ｔ、目標空気流量Ｑａｉｒ＿ｔ）を発生させることが可能となる。よって、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの増大に対し、燃料電池スタック１０に対する実際の供給空気流量を速やかに増大させ、過渡運転時における動作応答性を確保することができる。

そして、本実施形態では、モータ出力Ｍｍｔｒの定常時出力上限値ＬＭｓｔを超える増大を許容することで、比較的小型のコンプレッサモータ６０によっても過渡運転時における動作応答性を確保することができ、換言すれば、要求される動作応答性を確保しながら、より小型のコンプレッサモータ６０を採用することが可能となる。

ここで、過渡運転時において、モータ出力上限値を定常時出力上限値ＬＭＴｓｔよりも大きな過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに切り換えることで、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力Ｍｍｔｒの増大を許容しつつ、コンプレッサモータ６０を過度な発熱による故障から保護し、所要の製品寿命を確保することができる。

本実施形態では、空気系制御部Ｂ１０４が「モータ出力制御部」を構成し、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔが「第１の出力上限値」に、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒが「第２の出力上限値」に相当する。過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力とするほか、コンプレッサモータ６０の異常を回避し、所要の製品寿命を確保し得る範囲で適宜に設定することが可能である。この意味で、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒの設定自体は、必須ではない。

さらに、「過渡運転時」は、実際にタービン６２が生じさせている動力（タービン回収動力）Ｍｔｂｎが目標値（目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ）を下回る場合として定義することができ、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅと目標値Ｍｔｂｎ＿ｔとの比較によるほか、水素燃焼器３２における燃焼温度により判断することが可能である。よって、「過渡運転時」は、水素燃焼器３２における燃焼温度が目標値を下回る場合として定義することもできる。水素燃焼器３２における燃焼温度は、タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎから推定したり、水素燃焼器３２に対する水素供給流量等から推定したりして、把握することが可能である。燃焼温度としてその推定値を採用することで、特別なセンサの増設を不要とし、部品点数の増加を回避するとともに、センサを採用した場合と比較して応答遅れを抑制することができる。

このように、本実施形態において、燃料電池システム１００が定常運転状態にあるかまたは過渡運転状態にあるかの判定は、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅおよび目標値Ｍｔｂｎ＿ｔの関係等から実質的になされるものである。しかし、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅと目標値Ｍｔｂｎ＿ｔとを実際に比較するなどして、燃料電池システム１００がいずれの運転状態にあるかを判定してもよい。

さらに、本実施形態では、燃料電池スタック１０の要求発電電力に応じた目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔを設定し、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを演算し（図９）、目標コンプレッサ出力Ｍｃｍｐ＿ｔから目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿４を減じた値として目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを設定することとした。そして、タービン６２が実際に発生させる動力をタービン回収動力として演算し（タービン回収動力推定値（Ｍｔｂｎ＿ｅ）、目標コンプレッサ動力Ｍｃｍｐ＿ｔからタービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅを減算して、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを演算し、この目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔに基づき、モータ出力を制御することとした。

このように、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔに応じた暫定的な目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔにより目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを設定するとともに、タービン６２が実際に生じさせる動力を推定し、タービン回収動力推定値Ｍｔｂｎ＿ｅの目標値（目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔ）に対する不足分を加算した出力として、最終的な目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔを設定することで、タービン６２の動作に生じる遅れによらず、目標コンプレッサ出力を達成し、要求発電電力に応じた目標スタック電流を実現することができる。

ここで、目標スタック電流演算部Ｂ１０１が「目標発電電流設定部」を構成し、目標モータ出力演算部Ｂ１０４９が「第１の目標モータ出力演算部」を構成し、コンプレッサ出力制御部Ｂ１０４１、乗算部Ｂ１０４６および減算部Ｂ１０４８が「目標タービン回収動力設定部」を設定し、タービン回収動力推定部Ｂ１０４２が「タービン回収動力演算部」を構成し、減算部Ｂ１０４７が「第２の目標モータ出力演算部」を構成する。そして、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔから求められる目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが「第１の目標モータ出力」に相当し、目標コンプレッサトルクＴｃｍｐ＿ｔからタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅを減じた値をもとに算出される目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが「第２の目標モータ出力」に相当する。

さらに、本実施形態では、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔをもとに、目標タービン回収動力Ｍｔｂｎ＿ｔを設定し、これに基づき、タービン６２のガス流入部における排ガス温度（タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ）を制御することとした。

これにより、目標スタック電流Ｉｓｔｃ＿ｔの実現に必要なタービン６２の作動条件（タービン入口温度Ｔｔ＿ｉｎ）を速やかに達成し、タービン６２の動作に遅れが生じるのを抑制することが可能となる。

ここで、上記に加え、目標タービン入口温度演算部Ｂ１０４３が「タービン入口温度制御部」を構成する。

（他の実施形態の説明）
先の実施形態では、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒとしてコンプレッサモータ６０の時間定格の出力を採用し、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを一定とする場合について説明した。

しかし、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、状況に応じて変化させて設定することも可能である。

具体的には、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを、コンプレッサモータ６０の温度、回転速度およびインバータ電流制限値のうち少なくとも１つをもとに設定する。ここで、コンプレッサモータ６０の温度は、モータ６０自体の温度に限らず、モータ６０を駆動するインバータの温度、モータ６０またはインバータを冷却する冷却水の温度で代用することも可能である。

図１４は、コンプレッサモータ６０の温度（モータ温度Ｔｍｔｒ）と過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒとの関係を示す説明図である。過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを、モータ温度Ｔｍｔｒが高いときほど小さな値として設定することで、コンプレッサモータ６０およびインバータの耐熱温度を超える発熱を防止し、これらの部品を熱的な観点から保護することができる。

図１５は、コンプレッサモータ６０の回転速度（モータ回転数Ｎｍｔｒ）と過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒとの関係を示す説明図である。過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを、モータ回転数Ｎｍｔｒの減少に応じて小さな値として設定することで、過度に大きなモータトルクの印加による損傷、換言すれば、過度な加速による損傷から回転軸を保護することができる。具体的には、コンプレッサモータ６０の回転数変化率を回転軸の損傷防止等の観点から定められる最大変化率以下に制限するように、低回転域における過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを高回転域に比べて減少させる。

ここで、コンプレッサモータ６０の回転数変化率ｄω／ｄｔは、慣性をＪｃｐ、印加トルクをτａｌｌ、回転維持トルクをτｃｐとすると、次式（１３）により算出することができる。

ｄω／ｄｔ＝（１／Ｊｃｐ）×（τａｌｌ−τｃｐ） …（１３）
高回転域では、回転維持トルクτｃｐが大きいことから、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを増大させてより大きなトルクの印加を許容したとしても、回転数変化率ｄω／ｄｔの上昇を抑えることが可能である。これに対し、低回転域では、回転維持トルクτｃｐが小さく、大きなトルクを印加した場合の回転数変化率ｄω／ｄｔが大きくなることから、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを減少させて、印加トルクτａｌｌを小さな値に制限する。

図１６は、コンプレッサモータ６０のインバータ電流制限値と過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒとの関係を示す説明図である。過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを、インバータ電流制限値が低いときほど小さな値として設定することで、インバータに流れる電流の大きさが制限されている場合に、実際に流れる電流を当該制限値以下に抑制する。

このように、コンプレッサモータ６０の温度等をパラメータとして過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを設定することで、過渡運転時におけるモータ出力Ｍｍｔｒを適切に制限し、動作応答性の確保とコンプレッサモータ６０の保護との両立を図ることができる。ここで、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、「第２の出力上限値」に相当する。

さらに、モータ出力Ｍｍｔｒの制限は、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒ自体によるばかりでなく、モータ出力Ｍｍｔｒが過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを超えている時間により行うことも可能である。

図１７は、コンプレッサモータ６０について、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力Ｍｍｔｒを生じさせる時間に制限がある場合に、モータ出力制限値ＬＭＴをこの時間により制限する制御の内容を示すフローチャートである。同図に示す処理は、空気系制御部Ｂ１０４により実行され、図５に示す構成において、モータ出力制限値ＬＭＴを、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに代えて最小値選択部Ｂ１０４４に入力する。

Ｓ３０１では、目標コンプレッサ駆動トルクＴｃｍｐ＿ｔとタービントルク推定値Ｔｔｂｎ＿ｅとの差を読み込み、これを動力（目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔ）に換算する。

Ｓ３０２では、目標モータ出力Ｍｍｔｒ＿ｔが定常時出力上限値ＬＭＴｓｔよりも大きいか否かを判定する。定常時出力上限値ＬＭＴｓｔよりも大きい場合は、Ｓ３０３へ進み、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔ以下である場合は、Ｓ３０７へ進む。ここで、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔは、例えば、コンプレッサモータ６０の連続定格の出力である。

Ｓ３０３では、時間カウント値ａが第１の所定値ＳＬ１に達したか否かを判定する。第１の所定値ＳＬ１に達した場合は、Ｓ３０４へ進み、達していない場合は、Ｓ３０５へ進む。

Ｓ３０４では、モータ出力上限値ＬＭＴを定常時出力上限値ＬＭＴｓｔに設定する。定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力を生じさせている時間が制限値に達したと判断し、モータ出力上限値ＬＭＴを強制的に定常時出力上限値ＬＭＴｓｔに設定することで、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を禁止するのである。

Ｓ３０５では、モータ出力上限値ＬＭＴを過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに設定し、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を許容する。ただし、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒの設定により、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒを超えるモータ出力の発生は、引き続き禁止する。ここで、過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒは、例えば、コンプレッサモータ６０の時間定格の出力である。

Ｓ３０６では、時間カウント値ａに所定値ｄａ１を加算する。

Ｓ３０７では、時間カウント値ａが第２の所定値ＳＬ２に達したか否かを判定する。第２の所定値ＳＬ２に達した場合は、Ｓ３０８へ進み、達していない場合は、Ｓ３０９へ進む。第２の所定値ＳＬ２は、第１の所定値ＳＬ１よりも小さく、例えば、０である。

Ｓ３０８では、モータ出力上限値ＬＭＴを過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに設定する。定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を禁止すべくモータ出力上限値ＬＭＴを強制的に定常時出力上限値ＬＭＴｓｔに設定してから充分な時間が経過したと判断し、モータ出力上限値ＬＭＴを定常時出力上限値ＬＭＴｓｔから過渡時出力上限値ＬＭＴｔｒに切り換えることで、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を再度許容するのである。

Ｓ３０９では、モータ出力上限値ＬＭＴを定常時出力上限値ＬＭＴｓｔに設定し、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力の発生を引き続き禁止する。

Ｓ３１０では、時間カウント値ａから所定値ｄａ２を減算する。ここで、所定値ｄａ１およびｄａ２は、いずれも適合により定められ、ｄａ１とｄａ２とは、同一の値であっても、異なる値であってもよい。

このようにすれば、定常時出力上限値ＬＭＴｓｔを超えるモータ出力を生じさせる時間を制限し、過度な発熱による損傷からコンプレッサモータ６０を保護することができる。

以上の説明では、タービン６２の駆動に水素燃焼器３２により生成される燃焼ガスを採用するとともに、燃焼ガスの生成に燃料電池１０の作動に関わる酸化剤（例えば、カソードオフガス）を採用した。しかし、カソード給排機構１２とは独立した経路を構成し、当該経路を介してタービン６２に作動ガスを供給してもよい。例えば、カソードガス供給通路２２を経由せず、大気から直接取り込んだ空気を水素燃焼器３２に導入し、生成された燃焼ガスをタービン６２に供給するのである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲において様々な変更を成し得ることはいうまでもない。

１００…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１２…カソード給排機構
１４…アノード供給機構
１６…過給機
１７…加熱／冷却機構
６０…コンプレッサモータ
６２…タービン
６４…コンプレッサ
６６…回転軸
３２…水素燃焼器
３４…可変ノズルベーン
１８…ＨＦＲ測定装置
１９…負荷装置
４２…熱交換器（水素ヒータ）
８２…熱交換器
３８…バイパス弁
４０…水素タンク
４８…スタック供給水素調圧弁
４９…燃焼器供給水素調節弁
８４…冷却水循環ポンプ
２０…システムコントローラ
２６…空気流量センサ
２８…空気圧力センサ
３０…カソード排ガス温度センサ
４７…水素ガス圧力センサ
５１…スタック電流センサ
５２…スタック電圧センサ
７２…モータ回転数センサ
８８…冷却水温度センサ
９１…アクセルセンサ

Claims (11)

1. 燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
   前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づき、前記燃料供給装置および前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、
   を備え、
   前記酸化剤供給装置は、
   コンプレッサと、
   前記コンプレッサを駆動可能に構成された電動モータと、
   前記コンプレッサを前記電動モータとは独立して駆動するタービンと、
   を備え、
   前記運転制御装置は、
   前記電動モータの出力であるモータ出力を制御するモータ出力制御部と、
   システムが定常運転状態にあるかまたは前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定する運転状態判定部と、
   前記モータ出力に関して予め設定された出力上限値を有し、システムが前記定常運転状態にある定常運転時に、前記運転状態判定部による判定に応答して前記出力上限値を低下させるモータ出力制限部と、
   を備えるとともに、
   前記運転状態判定部は、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力が目標値を下回る場合に、システムが前記過渡運転状態にあると判定し、前記タービン回収動力が目標値を下回らない場合に、システムが前記定常運転状態にあると判定する、
   燃料電池システム。
2. 燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
   前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づき、前記燃料供給装置および前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、
   を備え、
   前記酸化剤供給装置は、
   コンプレッサと、
   前記コンプレッサを駆動可能に構成された電動モータと、
   前記コンプレッサを前記電動モータとは独立して駆動するタービンと、
   を備え、
   前記運転制御装置は、
   前記電動モータの出力であるモータ出力を制御するモータ出力制御部と、
   システムが定常運転状態にあるかまたは前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定する運転状態判定部と、
   システムが前記定常運転状態にある定常運転時に、前記モータ出力を第１の出力上限値以下に制限する一方、システムが前記過渡運転状態にある過渡運転時に、前記第１の出力上限値を超える前記モータ出力の上昇を許容するモータ出力制限部と、
   を備えるとともに、
   前記運転状態判定部は、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力が目標値を下回る場合に、システムが前記過渡運転状態にあると判定し、前記タービン回収動力が目標値を下回らない場合に、システムが前記定常運転状態にあると判定する、
   燃料電池システム。
3. 前記酸化剤供給装置は、
   燃料と酸化剤とを燃焼させて前記タービンを駆動するための燃焼ガスを生成する燃焼器、をさらに備え、
   前記運転状態判定部は、前記燃焼器における燃焼温度が目標値を下回る場合に、前記タービン回収動力が目標値を下回ると判定する、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記モータ出力制限部は、前記過渡運転状態において、前記モータ出力を前記第１の出力上限値よりも大きな第２の出力上限値以下に制限する、請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記モータ出力制限部は、前記第２の出力上限値を、前記モータの定格、温度、回転数、冷却水温度、インバータ温度およびインバータ電流制限値のうち少なくとも１つをもとに設定する、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記モータ出力制御部は、
   前記燃料電池の目標発電電流に基づき、前記モータ出力の目標値である第１の目標モータ出力を演算する第１の目標モータ出力演算部と、
   算出された第１の目標モータ出力に基づき、前記タービン回収動力の目標値である目標タービン回収動力を設定する目標タービン回収動力設定部と、
   前記タービンが実際に発生させる動力をタービン回収動力として演算するタービン回収動力演算部と、
   前記目標発電電流に応じた目標コンプレッサ動力から、算出されたタービン回収動力を減算して、第２の目標モータ出力を演算する第２の目標モータ出力演算部と、
   を備え、
   前記モータ出力制御部は前記第２の目標モータ出力に基づき、前記モータ出力を制御し、
   前記モータ出力制限部は、前記第１の目標モータ出力を前記第１の出力上限値以下に制限する一方、前記第１の出力上限値を超える前記第２の目標モータ出力の上昇を許容する、請求項２に記載の燃料電池システム。
7. 前記モータ出力制御部は、
   前記燃料電池の目標発電電流に応じたタービン回収動力の目標値を目標タービン回収動力として設定する目標タービン回収動力設定部と、
   設定された目標タービン回収動力に基づき、前記タービンのガス流入部における燃焼ガス温度を制御するタービン入口温度制御部と、
   を備える、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池のアノード極に燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料電池のカソード極に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
   前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段により検出された運転状態に基づき、前記燃料供給装置および前記酸化剤供給装置を制御する運転制御装置と、
   を備え、
   前記酸化剤供給装置は、
   コンプレッサと、
   前記コンプレッサを駆動可能に構成された電動モータと、
   前記コンプレッサを前記電動モータとは独立して駆動するタービンと、
   を備え、
   前記運転制御装置は、
   前記電動モータの出力であるモータ出力を制御するモータ出力制御部と、
   システムが定常運転状態にあるかまたは前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定する運転状態判定部と、
   システムが前記定常運転状態にある定常運転時と前記過渡運転状態にある過渡運転時とのそれぞれにおいて、前記電動モータの出力上限値を設定し、前記過渡運転時では、前記出力上限値を前記定常運転時よりも大きな値に設定するモータ出力制御部と、
   を備えるとともに、
   前記運転状態判定部は、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力が目標値を下回る場合に、システムが前記過渡運転状態にあると判定し、前記タービン回収動力が目標値を下回らない場合に、システムが前記定常運転状態にあると判定する、
   燃料電池システム。
9. タービンおよび前記タービンとは独立に動力を供給可能な電動モータによりコンプレッサを駆動し、前記コンプレッサを通じて燃料電池に酸化剤を供給し、
   前記タービンに対し、燃料と酸化剤との燃焼により生じた燃焼ガスを供給して、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力を制御し、
   前記コンプレッサの目標出力に対する前記タービン回収動力の不足分を、前記電動モータの出力により補完し、
   前記電動モータの出力であるモータ出力を予め設定された出力上限値により制限し、
   システムが定常運転状態にあるかまたは前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定し、
   システムが前記定常運転状態にある定常運転時では、システムが前記過渡運転状態にある過渡運転時よりも前記出力上限値を低下させるとともに、
   前記タービン回収動力が目標値を下回らない場合に、システムが前記定常運転状態にあると判定し、前記タービン回収動力が目標値を下回らない場合に、システムが前記定常運転状態にあると判定する、
   燃料電池システムの制御方法。
10. タービンおよび前記タービンとは独立に動力を供給可能な電動モータによりコンプレッサを駆動し、前記コンプレッサを通じて燃料電池に酸化剤を供給し、
    前記タービンに対し、燃料と酸化剤との燃焼により生じた燃焼ガスを供給して、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力を制御し、
    前記コンプレッサの目標出力に対する前記タービン回収動力の不足分を、前記電動モータの出力により補完し、
    システムが定常運転状態にあるかまたは前記燃料電池の発電電力を増大させる過渡運転状態にあるかを判定し、
    システムが前記定常運転状態にある定常運転時では、前記電動モータの出力であるモータ出力を第１の出力上限値以下に制限し、
    システムが前記過渡運転状態にある過渡運転時では、前記第１の出力上限値を超える前記モータ出力の上昇を許容するとともに、
    前記タービン回収動力が目標値を下回る場合に、システムが前記過渡運転状態にあると判定し、前記タービン回収動力が目標値を下回らない場合に、システムが前記定常運転状態にあると判定する、
    燃料電池システムの制御方法。
11. タービンおよび前記タービンとは独立に動力を供給可能な電動モータによりコンプレッサを駆動し、前記コンプレッサを通じて燃料電池に酸化剤を供給し、
    前記タービンに対し、燃料と酸化剤との燃焼により生じた燃焼ガスを供給して、前記タービンが発生させる動力であるタービン回収動力を制御し、
    前記コンプレッサの目標出力に対する前記タービン回収動力の不足分を、前記電動モータの出力により補完し、
    システムが定常運転状態にある定常運転時と過渡運転状態にある過渡運転時とのそれぞれにおいて、前記電動モータの出力上限値を設定し、
    前記過渡運転時では、前記出力上限値を前記定常運転時よりも大きな値に設定する、燃料電池システムの制御方法。

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