關聯申請的相互參照

本申請要求基于2016年3月4日提出的申請號為2016-42206的日本申請的優先權，通過參照而將其公開的全部內容引入本申請。

本發明涉及燃料電池系統及其控制方法。

背景技術：

在國際公開第2014/148164號中記載了一種燃料電池系統，其具備用于向燃料電池組供給陰極氣體的壓縮機和調整陰極氣體的壓力的調壓閥。在該燃料電池系統中，利用壓縮機的轉矩和調壓閥的開度來控制向燃料電池組的陰極氣體供給量。

技術實現要素：

發明所要解決的課題

然而，在國際公開第2014/148164號所記載的燃料電池系統中，當同時進行壓縮機的轉矩的反饋控制和調壓閥的開度的反饋控制時，關于陰極氣體的流量和壓力可能會引起振蕩現象。

用于解決課題的方案

本發明是為了解決上述的課題而完成的發明，能夠作為以下的形態而實現。

(1)根據本發明的一形態，提供一種燃料電池系統。該燃料電池系統具備：燃料電池組；壓縮機，經由陰極氣體流路向所述燃料電池組供給陰極氣體；調壓閥，調整所述陰極氣體流路的壓力；流量計，測定向所述燃料電池組供給的陰極氣體的流量；壓力傳感器，測定所述陰極氣體流路的壓力；以及控制部。所述控制部(i)根據所述陰極氣體的流量目標值和所述陰極氣體流路的壓力目標值，計算所述壓縮機的轉矩目標值和所述調壓閥的開度目標值，所述陰極氣體的流量目標值和所述陰極氣體流路的壓力目標值根據所述燃料電池組的輸出要求值而決定，(ii)根據所述陰極氣體的流量的測定值與所述流量目標值之間的差分計算所述壓縮機的轉矩反饋值，使用所述轉矩目標值與所述轉矩反饋值相加得到的轉矩指令值來控制所述壓縮機，(iii)根據所述陰極氣體流路的壓力的測定值與所述壓力目標值之間的差分計算所述調壓閥的開度反饋值，使用將所述開度反饋值延遲而得到的延遲開度反饋值與所述調壓閥的開度目標值相加得到的開度指令值來控制所述調壓閥的開度。

根據該形態，由于控制部根據陰極氣體流路的壓力的測定值與壓力目標值之間的差分計算調壓閥的開度反饋值，使用將開度反饋值延遲而得到的延遲開度反饋值與開度目標值相加得到的開度指令值來控制調壓閥的開度，所以調壓閥的開度的反饋遲于壓縮機的轉矩的反饋。其結果，能夠抑制陰極氣體的流量和壓力的振蕩的發生。

(2)在上述形態中，可以是，所述控制部具備第一延遲處理部和第二延遲處理部中的至少一方作為使所述開度反饋值延遲的延遲處理部，所述第一延遲處理部執行一階延遲和等待時間延遲中的至少一者或者二階延遲和等待時間延遲中的至少一者，所述第二延遲處理部在從所述轉矩目標值和所述開度目標值中的至少一方發生了變化的時間點起到預先確定的判定條件成立為止的期間，將所述開度反饋值置換為零。

根據該形態，由于具備第一延遲處理部和第二延遲處理部中的至少一方，所以能夠適當地使開度反饋值延遲。

(3)在上述形態中，可以是，所述控制部具有所述第二延遲處理部，所述判定條件是所述轉矩反饋值的絕對值成為預先確定的閾值以下。

根據該形態，調壓閥的開度的反饋進一步遲于壓縮機的轉矩的反饋而執行，所以能夠進一步抑制陰極氣體的流量和壓力的振蕩的發生。

(4)在上述形態中，可以是，所述控制部具有所述第二延遲處理部，所述判定條件包括所述陰極氣體的流量的測定值與所述流量目標值之間的差分的絕對值成為預先確定的閾值以下及所述陰極氣體的流量的測定值的每單位時間的變化量的絕對值成為預先確定的閾值以下中的至少一方。

根據該形態，調壓閥的開度的反饋進一步遲于壓縮機的轉矩的反饋而執行，所以能夠進一步抑制陰極氣體的流量和壓力的振蕩的發生。

(5)在上述形態中，可以是，所述控制部具有所述第二延遲處理部，所述判定條件包括所述陰極氣體流路的壓力的測定值與所述壓力目標值之間的差分的絕對值成為預先確定的閾值以下及所述陰極氣體流路的壓力的測定值的每單位時間的變化量的絕對值成為預先確定的閾值以下中的至少一方。

根據該形態，調壓閥的開度的反饋進一步遲于壓縮機的轉矩的反饋而執行，所以能夠進一步抑制陰極氣體的流量和壓力的振蕩的發生。

(6)根據本發明的一形態，提供一種燃料電池系統的控制方法，該燃料電池系統具備：燃料電池組；壓縮機，經由陰極氣體流路向所述燃料電池組供給陰極氣體；調壓閥，調整所述陰極氣體流路的壓力；流量計，測定向所述燃料電池組供給的陰極氣體的流量；以及壓力傳感器，測定所述陰極氣體流路的壓力。該控制方法包括：(i)根據所述陰極氣體的流量目標值和所述陰極氣體流路的壓力目標值，計算所述壓縮機的轉矩目標值和所述調壓閥的開度目標值的工序，所述陰極氣體的流量目標值和所述陰極氣體流路的壓力目標值根據所述燃料電池組的輸出要求值而決定；(ii)根據所述陰極氣體的流量的測定值與所述流量目標值之間的差分計算所述壓縮機的轉矩反饋值，使用所述轉矩目標值與所述轉矩反饋值相加得到的轉矩指令值來控制所述壓縮機的工序；以及(iii)根據所述陰極氣體流路的壓力的測定值與所述壓力目標值之間的差分計算所述調壓閥的開度反饋值，使用將所述開度反饋值延遲而得到的延遲開度反饋值與所述調壓閥的開度目標值相加得到的開度指令值來控制所述調壓閥的開度的工序。

根據該形態，由于根據陰極氣體流路的壓力的測定值與壓力目標值之間的差分計算調壓閥的開度反饋值，使用將開度反饋值延遲后的延遲開度反饋值與開度目標值相加得到的開度指令值來控制調壓閥的開度，所以調壓閥的開度的反饋遲于壓縮機的轉矩的反饋。其結果，能夠抑制陰極氣體的流量和壓力的振蕩的發生。

此外，本發明能夠以各種形態來實現，例如，除了燃料電池系統之外，還能以搭載有燃料電池系統的移動體、燃料電池系統的控制方法等形態來實現。

附圖說明

圖1是示意性地示出燃料電池系統的陰極氣體系統的說明圖。

圖2是示出轉速控制下的壓縮機的壓力比與陰極氣體的流量之間的關系的圖表。

圖3是示出轉矩控制下的壓縮機的壓力比與陰極氣體的流量之間的關系的圖表。

圖4是示出第一實施方式中的控制部的結構的說明圖。

圖5是示出第二實施方式中的控制部的結構的說明圖。

圖6是示出第三實施方式中的控制部的結構的說明圖。

圖7是示出第四實施方式中的控制部的結構的說明圖。

圖8是示出第五實施方式中的控制部的結構的說明圖。

具體實施方式

第一實施方式：

圖1是示意性地示出燃料電池系統10的陰極氣體系統的說明圖。燃料電池系統10搭載于車輛等移動體。燃料電池系統10具備燃料電池組100、陰極氣體流路110、陰極排氣流路120、壓縮機115、調壓閥125、流量計130、壓力傳感器135、燃料電池組100用的溫度傳感器140及濕度傳感器145、環境溫度傳感器150以及控制部200。壓縮機115設置于陰極氣體流路110，將作為陰極氣體的空氣經由陰極氣體流路110向燃料電池組100供給。在本實施方式中，使用渦輪型的壓縮機作為壓縮機115。調壓閥125設置于陰極排氣流路120，調整陰極氣體流路110的壓力。流量計130測定向燃料電池組100供給的陰極氣體的流量q1。壓力傳感器135測定壓縮機115的出口側(燃料電池組100的入口側)的陰極氣體流路110的壓力p1。溫度傳感器140測定燃料電池組100內的陰極氣體流路的溫度ta1。濕度傳感器145測定燃料電池組100內的陰極氣體流路的濕度h1。環境溫度傳感器150測定環境溫度ta2。

控制部200基于移動體的速度、加速器踏板的踩踏量以及制動器踏板的踩踏量(關于這些傳感器未圖示)，計算對燃料電池組100要求的發電功率的要求值(輸出要求值)。然后，控制部200基于燃料電池組100的輸出要求值來控制壓縮機115和調壓閥125的動作。關于該控制，將在后文敘述。

圖2是示出轉速控制下的壓縮機115的壓力比r(壓縮機115的出口的壓力/壓縮機115的入口的壓力)與陰極氣體的流量q之間的關系的圖表。圖3是示出轉矩控制下的壓縮機115的壓力比r與陰極氣體的流量q之間的關系的圖表。在圖2中，將壓縮機115的轉速一定時(轉速控制)的壓力比r與陰極氣體的流量q之間的關系做成圖表，相對于此，在圖3中，將壓縮機115的轉矩一定時(轉矩控制)的壓力比r與陰極氣體的流量q之間的關系做成圖表。若將轉速控制中的陰極氣體的流量/壓力比的變化率(δq1/δr1)與轉矩控制中的陰極氣體的流量/壓力比的變化率(δq2/δr2)進行比較，則可知，轉矩控制與轉速控制相比，相對于壓力比r的變化量δr的陰極氣體的流量q的變化量δq較小。因而，可以說，在測定陰極氣體流路110的壓力p1并基于壓力p1來控制壓縮機115的情況下，轉矩控制與轉速控制相比，相對于壓力比r的變化量δr的陰極氣體的流量q的變化量δq較小，能夠高精度地控制陰極氣體的流量q。因此，在以下說明的實施方式中，使用轉矩控制。此外，若在圖2、圖3中將壓縮機115的入口的壓力設為大氣壓(大約1個氣壓)，則壓力比r的值在用[氣壓]的單位表示時與壓縮機115的出口側的壓力的值大致相等。

圖4是示出第一實施方式中的控制部200的結構的說明圖。控制部200具備陰極氣體流量目標值計算部210、陰極氣體壓力目標值計算部220、壓縮機轉矩目標值計算部230(也稱作“cp轉矩目標值計算部230”)、壓縮機轉矩反饋值計算部240(也稱作“cp轉矩fb值計算部240”)、第一加法部250、調壓閥開度目標值計算部260、調壓閥開度反饋值計算部270(也稱作“調壓閥開度fb值計算部270”)、第二加法部290、以及第一延遲處理部300。

陰極氣體流量目標值計算部210基于燃料電池組100的輸出要求值(也稱作“fc輸出要求值”)、燃料電池組100內的溫度ta1及濕度h1以及環境溫度ta2，計算向燃料電池組100供給的陰極氣體的流量目標值qt。例如，fc輸出要求值越大，則陰極氣體的流量目標值qt越大。關于fc輸出要求值、燃料電池組100內的溫度ta1及濕度h1、環境溫度ta2以及陰極氣體的流量目標值qt之間的關系，可以預先通過實驗等進行測定，并儲存于映射。或者，也可以不使用燃料電池組100內的溫度ta1及濕度h1以及環境溫度ta2，而根據fc輸出要求值來決定陰極氣體的流量目標值qt。

陰極氣體壓力目標值計算部220基于燃料電池組100的fc輸出要求值、燃料電池組100內的溫度ta1及濕度h1以及環境溫度ta2，計算陰極氣體流路110的壓力(向燃料電池組100供給的陰極氣體的壓力)的目標值pt。關于fc輸出要求值、燃料電池組100內的溫度ta1及濕度h1、環境溫度ta2以及陰極氣體流路110的壓力目標值pt之間的關系，可以預先通過實驗等進行測定，并儲存于映射。或者，也可以不使用燃料電池組100內的溫度ta1及濕度h1以及環境溫度ta2，而根據fc輸出要求值來決定陰極氣體流路110的壓力目標值pt。

cp轉矩目標值計算部230使用陰極氣體的流量目標值qt和陰極氣體流路110的壓力目標值pt，計算壓縮機115的壓縮機轉矩目標值ttar(也稱作“cp轉矩目標值ttar”，或者僅稱作“轉矩目標值ttar”)。cp轉矩目標值ttar根據陰極氣體的流量目標值qt和陰極氣體流路110的壓力目標值pt并按照圖3的關系來計算。此外，圖3所示的陰極氣體的流量q及壓縮機115的壓力比r的組合與調壓閥125的開度及壓縮機115的轉矩的組合之間的關系以映射、函數、查找表等形式預先儲存于控制部200的非易失性存儲器。

cp轉矩fb值計算部240根據陰極氣體的流量目標值qt與測定值q1之間之間的差分δq(＝qt-q1，此外，“差分”也稱作“偏差”)計算壓縮機轉矩反饋值tfb(也稱作“cp轉矩fb值tfb”，或者僅稱作“轉矩fb值tfb”)。在陰極氣體的流量的測定值q1比陰極氣體的流量目標值qt大的情況下，cp轉矩fb值tfb成為負的值，在陰極氣體的流量的測定值q1比陰極氣體的流量目標值qt小的情況下，cp轉矩fb值tfb成為正的值。

在cp轉矩fb值tfb的計算中，例如能夠利用pid運算、pi運算。例如，在pid運算的情況下，能夠通過以下的式(1)來計算cp轉矩fb值tfb。

在此，kp、ki、kd是系數，kd可以為零(在該情況下成為pi運算)，但優選kp和ki不為零。在上述式(1)中，右邊不包含cp轉矩目標值ttar，僅包含流量之間的差分δq的項。因而，當差分δq接近零時，cp轉矩fb值tfb也接近零。

第一加法部250將cp轉矩目標值ttar和cp轉矩fb值tfb相加，計算壓縮機轉矩指令值tc(也稱作“cp轉矩指令值tc”)。

調壓閥開度目標值計算部260使用陰極氣體的流量目標值qt和陰極氣體流路110的壓力目標值pt，計算調壓閥125的開度目標值vtar。開度目標值vtar根據陰極氣體的流量目標值qt和陰極氣體流路110的壓力目標值pt并按照圖3的關系來計算。

調壓閥開度fb值計算部270根據陰極氣體流路110的壓力目標值pt與測定值p1之間的差分δp(＝pt-p1)計算調壓閥125的開度反饋值vfb(也稱作“開度fb值vfb”)。在開度fb值vfb的計算中，與cp轉矩fb值tfb的計算同樣，例如能夠利用pid運算、pi運算。在陰極氣體流路110的壓力的測定值p1比陰極氣體流路110的壓力目標值pt大的情況下，開度fb值vfb成為正的值(為了降低陰極氣體流路110的壓力而增大調壓閥開度)，在陰極氣體流路110的壓力的測定值p1比陰極氣體流路110的壓力目標值pt小的情況下，開度fb值vfb成為負的值(為了提高陰極氣體流路110的壓力而減小調壓閥開度)。

第一延遲處理部300使開度fb值vfb延遲預先確定的延遲量而生成延遲開度反饋值vfbd(也稱作“延遲開度fb值vfbd”)，并將延遲開度fb值vfbd向第二加法部290發送。作為第一延遲處理部300，能夠利用執行一階延遲或二階延遲以及等待時間延遲中的至少一方的延遲處理部。一階延遲處理是通過對開度fb值vfb進行一階微分來生成延遲開度fb值vfbd的處理。二階延遲處理是通過對開度fb值vfb進行一階微分及二階微分來生成延遲開度fb值vfbd的處理。等待時間延遲處理是單純使其延遲預先確定的時間的處理。此外，等待時間延遲處理的延遲時間除了可以是固定值之外，還可以是cp轉矩指令值tc的變化量越大則越大。另外，在采用一階延遲處理或二階延遲處理的情況下，也可以與等待時間延遲處理進行組合。第二加法部290將開度目標值vtar與延遲開度fb值vfbd相加來計算調壓閥開度指令值vc。

如在現有技術中所說明那樣，在具有壓縮機115和調壓閥125的燃料電池系統10中，當同時進行壓縮機115的反饋控制和調壓閥125的反饋控制時，陰極氣體的流量和陰極氣體流路110的壓力有可能引起振蕩。因此，在第一實施方式中，將開度目標值vtar和延遲開度fb值vfbd相加來計算調壓閥開度指令值vc。其結果，調壓閥125的開度的反饋遲于壓縮機115的轉矩的反饋而執行。其結果，能夠使陰極氣體的流量和陰極氣體流路110的壓力的振蕩不容易發生。

第二實施方式：

圖5是示出第二實施方式中的控制部202的結構的說明圖。與第一實施方式的控制部200的不同在于控制部202具備延遲處理部302這一點。延遲處理部302具備第一延遲處理部300和第二延遲處理部320。第二實施方式的第一延遲處理部300與第一實施方式的第一延遲處理部300相同。第二延遲處理部320具備轉矩反饋絕對值計算部322(也稱作“轉矩fb絕對值計算部322”)、轉矩判定部324以及調壓閥開度反饋值選擇部326(也稱作“調壓閥開度fb值選擇部326”)。以下，對與第一實施方式的不同點進行說明。

轉矩fb絕對值計算部322計算cp轉矩fb值tfb的絕對值|tfb|。使用絕對值|tfb|的原因在于，cp轉矩fb值tfb有可能成為正的值也有可能成為負的值，所以作為表示反饋的大小的值，其絕對值|tfb|較為適合。轉矩判定部324判斷cp轉矩fb值的絕對值|tfb|是否成為了預先確定的閾值tth以下，并輸出選擇標志f1。調壓閥開度fb值選擇部326基于選擇標志f1選擇開度fb值vfb或零，并向第一延遲處理部300輸出。具體地說，第二延遲處理部320在|tfb|≤tth的情況下，將開度fb值vfb向第一延遲處理部300輸出，在|tfb|>tth的情況下，將零向第一延遲處理部300輸出。此外，有可能成為|tfb|>tth的情況是在cp轉矩目標值ttar和開度目標值vtar中的至少一方發生了變化的時間點以后。因而，第二延遲處理部320在從cp轉矩目標值ttar和開度目標值vtar中的至少一方發生了變化的時間點起到cp轉矩fb值tfb的絕對值|tfb|成為預先確定的閾值tth以下為止的期間，將開度fb值vfb置換為零。其結果，在cp轉矩fb值的絕對值|tfb|成為預先確定的閾值tth以下之前，不開始調壓閥125的開度的反饋控制。在cp轉矩fb值的絕對值|tfb|成為預先確定的閾值tth以下之前，會花費一定程度的時間，所以調壓閥125的開度的反饋與第一實施方式的反饋相比更延遲地執行。

以上，根據第二實施方式，在從cp轉矩目標值ttar和開度目標值vtar中的至少一方發生了變化的時間點到cp轉矩fb值的絕對值|tfb|成為預先確定的閾值tth以下這一判定條件成立為止的期間，不開始調壓閥125的開度的反饋控制。其結果，能夠使陰極氣體的流量和陰極氣體流路110的壓力的振蕩更不容易發生。

第三實施方式：

圖6是示出第三實施方式中的控制部203的結構的說明圖。第三實施方式的控制部203具備從第二實施方式的控制部202中省略了第一延遲處理部300的延遲處理部303。cp轉矩fb值tfb的絕對值|tfb|要變得足夠小，會花費一定程度的時間，所以即使沒有第一延遲處理部300，調壓閥125的開度的反饋也要遲于壓縮機115的轉矩的反饋而執行。其結果，能夠使陰極氣體的流量和陰極氣體流路110的壓力的振蕩不容易發生。

第四實施方式：

圖7是示出第四實施方式中的控制部204的結構的說明圖。與第一實施方式的控制部200的不同在于控制部204具備延遲處理部304這一點。延遲處理部304具備第一延遲處理部300和第二延遲處理部340。第四實施方式的第一延遲處理部300與第一實施方式的第一延遲處理部300相同。第二延遲處理部340具備陰極氣體流量穩定判定部342和調壓閥開度反饋值選擇部344(也稱作“調壓閥開度fb值選擇部344”)。以下，對與第一實施方式的不同點進行說明。

陰極氣體流量穩定判定部342判斷陰極氣體的流量是否穩定，并輸出選擇標志f2。陰極氣體的流量是否穩定能夠根據以下的(a1)～(a3)中的任一判定條件是否成立來判斷。

(a1)陰極氣體的流量的測定值q1與目標值qt之間的差分的絕對值成為了預先確定的閾值qth以下，

(a2)陰極氣體的流量的測定值q1的每單位時間的變化量δq1/dt的絕對值成為了預先確定的閾值dqth以下，

(a3)陰極氣體的流量的測定值q1與目標值qt之間的差分的絕對值成為了預先確定的閾值qth以下，且陰極氣體的流量的測定值q1的每單位時間的變化量δq1/dt的絕對值成為了預先確定的閾值dqth以下，

此外，陰極氣體的流量在滿足了判定條件(a3)時最穩定，所以優選以該判定條件(a3)進行判斷。

調壓閥開度fb值選擇部344在陰極氣體的流量穩定這一判定條件成立的情況下，將開度fb值vfb向第一延遲處理部300輸出，在判定條件不成立的情況下，將零向第一延遲處理部300輸出。換言之，第二延遲處理部340在從cp轉矩目標值ttar和開度目標值vtar中的至少一方發生了變化的時間點起到從上述的(a1)～(a3)中預先選擇出的判定條件成立為止的期間內，將開度fb值vfb置換為零。在此，在陰極氣體的流量穩定之前，會花費一定程度的時間，所以調壓閥125的開度的反饋與第一實施方式相比更延遲地執行。其結果，能夠使陰極氣體的流量和陰極氣體流路110的壓力的振蕩更不容易發生。

此外，也可以取代上述的判定條件(a1)～(a3)而使用以下的判定條件(b1)～(b3)中的任一者。

(b1)陰極氣體的壓力的測定值p1與目標值pt之間的差分的絕對值成為了預先確定的閾值pth以下

(b2)陰極氣體的壓力的測定值p1的每單位時間的變化量δp1/dt的絕對值成為了預先確定的閾值dpth以下

(b3)陰極氣體的壓力的測定值p1與目標值pt之間的差分的絕對值成為了預先確定的閾值pth以下，且陰極氣體的壓力的測定值p1的每單位時間的變化量δp1/dt的絕對值成為了預先確定的閾值dpth以下

這些判定條件(b1)～(b3)相當于陰極氣體的壓力穩定這一判定條件。此外，在使用這些判定條件(b1)～(b3)的情況下，取代陰極氣體流量穩定判定部342而使用陰極氣體壓力穩定判定部(圖示省略)。

在使用了這樣的判定條件(b1)～(b3)的情況下，也能夠與使用了上述的判定條件(a1)～(a3)的情況同樣地使調壓閥125的開度的反饋延遲，所以能夠使陰極氣體的流量和陰極氣體流路110的壓力的振蕩不容易發生。

此外，在上述判定條件暫時成立之后，該判定條件再次變得不成立的情況下，陰極氣體流量穩定判定部342或陰極氣體壓力穩定判定部可以再次執行將開度反饋vfb置換為零的處理。這樣一來，能夠更可靠地抑制陰極氣體的流量和陰極氣體流路110的壓力的振蕩。

第五實施方式：

圖8是示出第五實施方式中的控制部205的結構的說明圖。第五實施方式的控制部205具備從第四實施方式的控制部204中省略了第一延遲處理部300的延遲處理部305。在陰極氣體的流量穩定之前，會花費一定程度的時間，所以即使沒有第一延遲處理部300，調壓閥125的開度的反饋也會遲于壓縮機115的轉矩的反饋而執行。其結果，能夠使陰極氣體的流量和陰極氣體流路110的壓力的振蕩不容易發生。此外，在取代陰極氣體流量穩定判定部342而使用了陰極氣體壓力穩定判定部的情況下也是同樣。

變形例

作為第二延遲處理部320、340(圖5～圖7)的判定條件，可以采用在上述的第二實施方式～第四實施方式中說明的條件以外的任意條件。即，作為第二延遲處理部，也可以是在從壓縮機115的轉矩目標值ttar和調壓閥125的開度目標值vtar中的至少一方發生了變化的時間點起到預先確定的判定條件成立為止的期間將開度反饋vfb置換為零的延遲處理部。不過，該判定條件優選與經過了預先確定的一定時間(與等待時間延遲等價的條件)不同。

以上，雖然基于幾個實施例對本發明的實施方式進行了說明，但上述的發明的實施方式是為了使本發明容易理解，而并非限定本發明。本發明當然能夠以不脫離其主旨和權利要求書的方式進行變更、改良，并且本發明當然包含其等價物。