JP5404214B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、それぞれが反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池の劣化が抑制されるように制御された燃料電池システムに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（固体高分子電解質膜）の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持することで、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガス流路が形成される。

燃料電池は、通常、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セル（以下、単にセルという。）を、複数積層させて一体化させたスタック構造として使用されている。

このように構成される燃料電池では、アイドル停止状態等の燃料電池の発電停止状態においては、燃料電池に対する反応ガスの供給が停止され、セルの発電電圧が低くなっている。

アイドル停止状態中に、負荷の要求電力が発生したとき、通常発電状態に復帰させるために、エアポンプを駆動して酸化剤ガスの供給を開始するとともに高圧水素の水素供給弁を開弁して水素の供給を開始する。

このとき、セル電圧が急激に上昇するが、このセル電圧が劣化促進電位、例えば、０．７［Ｖ］程度を上回ると、燃料電池の劣化が促進されることが知られている（特許文献１）。

特開２００６−３０９９７１号公報（［０００６］、［００４７］）

燃料電池の劣化が促進されることを回避するために、特許文献１に係る技術では、アイドル停止状態からアイドル状態への移行時に、燃料電池のセル電圧が上述した劣化促進電位を上回らないように、取り出し電流（発電電流）を増大させている。

しかしながら、この特許文献１に係る技術では、セル電圧が劣化促進電位を上回らないように制御する際に、酸化剤ガスのストイキ比（供給流量／消費流量）を低下させて発電を行うようにしたことを原因として、負荷の要求電力がアイドル状態からさらに増加したとき、燃料電池から負荷に対してその要求電力に応じた発電電力を即応して供給することができないという問題がある。

また、ストイキ比を低下させた状態で、換言すれば、発電効率を低下させた状態で発電を継続すると、燃料を無駄に消費してしまうという問題もある。

この発明は、上記の課題を考慮してなされたものであり、始動時やアイドル停止状態からの復帰を含む燃料電池の発電開始時に、燃料電池の劣化の促進を抑制するとともに、負荷の要求電力に即応した発電電力を発生し、且つ発電効率の低下を最小限に抑制することを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池システムは、水素と酸化剤ガスからなる反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、前記反応ガスにより発電し、電極触媒として白金を用いた固体高分子型の燃料電池と、前記燃料電池の発電出力により駆動される負荷と、前記反応ガス供給装置から前記燃料電池へ前記反応ガスの供給を開始するとき、前記燃料電池の目標発電出力を決定する目標発電出力決定部と、前記燃料電池の前記発電出力を調整する発電出力調整部と、を備える燃料電池システムにおいて、以下の特徴（１）〜（６）を備える。

（１）前記反応ガス供給装置が前記反応ガスの供給を停止していて、前記発電出力調整部が前記燃料電池から前記負荷への前記発電出力をゼロに調整している状態から、前記反応ガス供給装置が前記反応ガスの供給を開始し、前記発電出力調整部が前記燃料電池の前記発電出力を、前記目標発電出力決定部で決定された前記目標発電出力に一致させる過程を有し、前記過程で、前記燃料電池の発電電圧の波形が、前記発電電圧の指令電圧の波形に倣って、前記燃料電池の前記白金の溶出を招く劣化促進電位を超える領域である劣化促進領域に入る前まで上昇し、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇より緩やかに上昇しているとともに、前記燃料電池から流れ出す発電電流の波形が、前記発電出力をゼロに調整していて前記発電電流がゼロになっている状態から前記目標発電出力に対応する目標電流を超えて上昇した後、前記目標電流に向かって下降していることを特徴とする。

上記特徴（１）を備える発明によれば、燃料電池への反応ガスの供給を停止していて、前記燃料電池から前記負荷への前記発電出力をゼロに調整している状態から、前記燃料電池に前記反応ガスの供給を開始したとき、前記燃料電池から流れ出す発電電流の波形が、前記発電出力をゼロに調整していて前記発電電流がゼロになっている状態から前記目標発電出力に対応する目標電流を超えて上昇した後、前記目標電流に向かって下降しているので負荷の要求電力に即応して発電電力が発生し、前記燃料電池の発電電圧の波形が、前記燃料電池の劣化促進電位を上回る劣化促進領域に入る前まで上昇し、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇より緩やかに上昇しているので、燃料電池の劣化の促進が抑制され、且つ反応ガスを供給する際に従来技術のように制限していないので、ストイキ比が確保されて発電効率の低下を最小限に抑制することができる。

（２）上記の特徴（１）を備える発明において、前記反応ガス供給装置は、前記燃料電池の前記目標発電出力に応じて前記反応ガスを供給するようにしているので、反応ガスの供給に伴う騒音の発生に違和感がない。

（３）上記の特徴（１）又は（２）を備える発明において、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇する速度より遅い速度で上昇する際、前記発電電圧の電圧上昇率が徐々に低下しているので、触媒の溶出が防止され、燃料電池の劣化が防止される。

（４）上記の特徴（１）〜（３）のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記目標発電出力決定部で決定された前記目標発電出力に一致させる過程中に、前記負荷が要求する負荷要求電力が増大したとき、前記目標発電出力決定部は、前記負荷要求電力の増大に追従させて前記目標発電出力を増大させるようにしているので、負荷の要求電力に即応して対応できる。

（５）上記の特徴（１）〜（４）のいずれかを有する発明において、前記燃料電池に並列に蓄電装置を備え、前記発電出力調整部は、前記蓄電装置側に配置されたコンバータであり、前記コンバータは、前記燃料電池の電流・電圧特性を利用して前記発電電圧を調整することで前記発電電流の前記波形を調整するようにしているので、劣化促進領域での発電電圧の緩やかな上昇を正確に制御できる。

（６）上記の特徴（１）〜（５）のいずれかを有する発明において、前記反応ガス供給装置の前記反応ガスの供給開始と、前記燃料電池から流れ出す発電電流の波形が、前記発電出力をゼロに調整していて前記発電電流がゼロになっている状態からの上昇開始と、が同時であるので、反応ガスの供給開始時において発電電位が急激に高電位になることが抑制され燃料電池の劣化を防止することができる。
また、この発明に係る燃料電池システムは、水素と酸化剤ガスからなる反応ガスにより発電し、電極触媒として白金を用いた固体高分子型の燃料電池と、前記燃料電池の発電出力により駆動される負荷と、アイドル停止状態から復帰するとき、前記燃料電池の目標発電出力を決定する目標発電出力決定部と、前記燃料電池の前記発電出力を調整する発電出力調整部と、を備える燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムが前記アイドル停止状態から復帰する際、前記発電出力調整部が前記燃料電池の前記発電出力を、前記目標発電出力決定部で決定された前記目標発電出力に一致させる過程を有し、前記過程で、前記燃料電池の発電電圧の波形が、前記発電電圧の指令電圧の波形に倣って、前記燃料電池の前記白金の溶出を招く劣化促進電位を超える領域である劣化促進領域に入る前まで上昇し、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇より緩やかに上昇しているとともに、前記燃料電池から流れ出す発電電流の波形が、前記目標発電出力に対応する目標電流を超えて上昇した後、前記目標電流に向かって下降していることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の発電電圧の波形が、前記燃料電池の劣化促進電位を上回る劣化促進領域に入る前まで上昇し、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇より緩やかに上昇しているので、燃料電池の劣化の促進が抑制され、且つ反応ガスを供給する際に従来技術のように制限していないので、ストイキ比が確保されて発電効率の低下を最小限に抑制することができる。

この発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略全体構成図である。 上記実施形態に係る電力分配装置を構成するＤＣ／ＤＣコンバータの詳細な構成例を示す回路図である。 燃料電池の発電電流・発電電圧特性図である。 燃料電池車両（燃料電池システム）の状態遷移説明図である。 エアポンプ駆動量指令値算出用のフローチャートである。 アイドル停止復帰時における電圧上昇量抑制制御処理のフローチャートである。 燃料電池システムが緩やかな加速でアイドル停止から復帰したときのタイムチャートである。 電圧加算量テーブルの説明図である。 電圧上昇量可変制御処理を説明するタイムチャートである。 燃料電池システムが急な加速でアイドル停止から復帰したときのタイムチャートである。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。

１．全体的な構成の説明
［全体構成］
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」ともいう。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」ともいう。）の概略全体構成図である。

このＦＣ車両１０は、ＦＣシステム１２に加え、走行用のモータ１４と、インバータ１６とを有する。ＦＣシステム１２は、第１の電源としての燃料電池ユニット１８（以下「ＦＣユニット１８」という。）と、第２の電源としてのバッテリ２０と、電力分配装置２２と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」ともいう。）と、を有する。

［駆動系］
モータ１４は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション２６を通じて車輪２８を回転させる。なお、前記電力は、ドライバによるアクセルペダル（不図示）の操作量を検出するアクセル開度センサ１０４の出力であるアクセル開度θａｐに応じた電力に対応する。

また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力をバッテリ２０に出力する。回生電力は、図示しない補機に対して出力してもよい。

インバータ１６は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流を電力分配装置２２を通じてバッテリ２０等に供給する。

なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０という。

［ＦＣユニット１８］
ＦＣユニット１８の燃料電池３２（以下「ＦＣ３２」ともいう。）は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。ＦＣ３２には、高圧の水素タンク３４とエアポンプ３６が流路３８、４０を通じて接続されており、水素タンク３４からは一方の反応ガスである水素（燃料ガス）が、エアポンプ３６からは他方の反応ガスである圧縮空気（酸化剤ガス）が供給される。水素タンク３４及びエアポンプ３６からＦＣ３２に供給された水素と空気がＦＣ３２内で電気化学反応を起こすことにより発電が行われ、発電電力（ＦＣ電力Ｐｆｃ）［Ｗ］がモータ１４とバッテリ２０に供給される。ＦＣ３２の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ４２により検出され、ＦＣ３２の発電電流（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）［Ａ］は、電流センサ４４により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。また、ＦＣ３２を構成する各セルの発電電圧（以下「セル電圧Ｖｃｅｌｌ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ４６により検出され、ＥＣＵ２４に出力される。

水素タンク３４とＦＣ３２とを結ぶ流路３８には、ノーマルクローズタイプのレギュレータ５０が設けられている。このレギュレータ５０には、エアポンプ３６とＦＣ３２とを結ぶ流路４０から分岐した流路５２が連結されており、エアポンプ３６からの圧縮空気が供給される。レギュレータ５０は、供給された圧縮空気を信号圧とし該信号圧の圧力に比例して弁の開度を変化させ、ＦＣ３２に供給する水素の流量を調整する。すなわち、ＦＣ３２に供給される水素のストイキ比は、ＦＣ３２に供給される圧縮空気である酸化剤ガスのストイキ比に応じて変化するように構成されている。

ＦＣ３２の出口側に設けられた水素用の流路５４には開閉弁５８が設けられ、空気用の流路５６には、出口側の空気の圧力を調整する背圧制御弁６０が設けられている。また、水素用の入口側の流路３８と出口側の流路５４とを結ぶ流路６２が設けられている。ＦＣ３２から排出された水素は、この流路６２を介してＦＣ３２の入口側に戻される。出口側の流路５６には、圧力センサ６６が設けられ、その検出値（圧力値）は、ＥＣＵ２４に出力される。

［バッテリ２０］
バッテリ２０は、蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えばリチウムイオン２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２０の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ７０により検出され、バッテリ２０の入出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ」という。）［Ａ］は、電流センサ７２により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。

［電力分配装置２２］
電力分配装置２２は、ＦＣユニット１８からのＦＣ電力Ｐｆｃと、バッテリ２０から供給された電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。

図２は、電力分配装置２２の詳細な構成例を示している。図２に示すように、電力分配装置２２は、一方がバッテリ２０のある１次側１Ｓに接続され、他方が負荷３０とＦＣ３２との接続点である２次側２Ｓに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータである電圧制御ユニット８０（以下「ＶＣＵ８０」という。）を有する。

ＶＣＵ８０は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］（Ｖ１≦Ｖ２）に昇圧するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。なお、この実施形態において、制御しようとする電圧は、２次電圧Ｖ２のみであり、以下、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍは、２次電圧Ｖ２の指令電圧を意味する。また、この実施形態においては、逆方向阻止ダイオード１３の順方向電圧は、ＦＣ電圧Ｖｆｃに比較してきわめて低いので無視し、ＦＣ電圧Ｖｆｃが２次電圧Ｖ２に等しいものとする（Ｖｆｃ＝Ｖ２）。

図２に示すように、ＶＣＵ８０は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される相アームＵＡと、リアクトル８１とから構成される。

相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子８２とダイオード８４）と下アーム素子（下アームスイッチング素子８６とダイオード８８）とで構成される。

上アームスイッチング素子８２と下アームスイッチング素子８６には、それぞれ例えばＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。

リアクトル８１は、相アームＵＡの中点（共通接続点）とバッテリ２０の正極との間に挿入され、ＶＣＵ８０により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。

上アームスイッチング素子８２は、ＥＣＵ２４から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子８６は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりオンにされる。なお、ＥＣＵ２４は、１次側の平滑コンデンサ９２に並列に設けられた電圧センサ７０により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ７２により１次電流Ｉ１を検出し、２次側の平滑コンデンサ９８に並列に設けられた電圧センサ９６により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１００により２次電流Ｉ２を検出する。

なお、図２のＶＣＵ８０は、バッテリ電圧ＶｂａｔがＦＣ電圧Ｖｆｃより低い場合（Ｖｂａｔ＜Ｖｆｃ）であるのでバッテリ２０側に配置した例を示しているが、ＦＣ電圧Ｖｆｃがバッテリ電圧Ｖｂａｔより低い場合（Ｖｆｃ＜Ｖｂａｔ）には、ＶＣＵ８０は、ＦＣ３２側に配置すればよい。

［ＥＣＵ２４］
ＥＣＵ２４は、通信線１０２を介して、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及び電力分配装置２２を制御する。当該制御に際しては、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、実行に際し、電圧センサ４２、４６、７０、９６、電流センサ４４、７２、１００、圧力センサ６６、アクセル開度センサ１０４、車速センサ１０６、及びブレーキペダルセンサ１０８等の各種センサの検出値を用いる。ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及び電力分配装置２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣ３２の状態、バッテリ２０の状態、及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に応じた要求電力に対応する負荷電流（この実施形態では、負荷３０の電流Ｉｍとする。）を決定し、負荷電流ＩｍをＶＣＵ８０の通過電流である２次電流Ｉ２（ここでは、バッテリ２０からの供給電流又はバッテリ２０への充電電流である１次電流Ｉ１に等しいものとする。）と発電電流Ｉｆｃに分配し、ＦＣ３２が目標電流Ｉｆｃｔａｒである発電電流Ｉｆｃを流し出すための発電電圧Ｖｆｃを、図３のＦＣ３２の電流・電圧特性（マップ、関数）２００を参照して決定し、ＶＣＵ目標電圧ＶｆｃｔａｒのＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍとして算出する。

ＥＣＵ２４は、ＶＣＵ８０の２次電圧Ｖ２がＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍ（この場合、ＶＣＵ目標電圧Ｖｆｃｔａｒ）となるように上アームスイッチング素子８２及び下アームスイッチング素子８６の駆動デューティをフィードフォワード・フィードバック制御する。

２．本実施形態の制御
燃料電池車両１０におけるＦＣシステム１２は、図４の状態遷移説明図に示すように、例えばＦＣ車両１０が走行中であるＥＣＵ２４による通常発電状態ＮＳの制御中において、ＥＣＵ２４が、アクセル開度センサ１０４により検出されるアクセル開度がゼロ値（図示しないアクセルペダルが解放状態）であって、車速センサ１０６により検出される車速がゼロ値、さらにブレーキペダルセンサ１０８により検出される図示しないブレーキペダルを踏んでいるか否かの有無が有（ブレーキペダルが踏まれている。）を検出したとき、通常発電状態ＮＳの制御からアイドル停止状態ＩＳの制御に遷移する。

また、アイドル停止状態ＩＳの制御中において、ブレーキペダルセンサ１０８によりブレーキペダルが踏まれなくなったことを検出したとき、さらには、図示しないアクセルペダルがドライバにより踏まれてアクセル開度がゼロ値を上回ったとき、アイドル停止状態ＩＳの制御からアイドル停止復帰状態ＲＳの制御に遷移する。

このアイドル停止復帰状態ＲＳの制御中において、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標電流Ｉｆｃに対応するＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍに一致したとき、アイドル停止復帰状態ＲＳの制御から通常発電状態ＮＳの制御に遷移する。

図５は、エアポンプ指令算出部として機能するＥＣＵ２４のエアポンプ３６に対するエアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍの算出処理のフローチャートを示している。

エアポンプ３６の駆動は、ステップＳ１において、ＦＣシステム１２（ＦＣ車両１０）がアイドル停止状態ＩＳの制御中であるかどうかにより判定され、アイドル停止状態ＩＳの制御中である場合には、ステップＳ２において、エアポンプ３６に対するエアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍがゼロ値とされる（エアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍ←０）。一方、ステップＳ１の判定において、アイドル停止状態ＩＳの制御中でない場合には、通常発電状態の制御中又はアイドル停止復帰状態の制御中であると判定される。この場合、ステップＳ３において、エアポンプ駆動量指令値ＡｐｃｏｍがＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに対応した圧縮空気の圧力値Ａｐｃｏｍ（Ｉｆｃｔａｒ）が指令値に設定される｛Ａｐｃｏｍ←Ａｐｃｏｍ（Ｉｆｃｔａｒ）｝。なお、ＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに対応した圧縮空気の圧力値Ａｐｃｏｍ（Ｉｆｃｔａｒ）は、予めマップあるいは計算式としてＥＣＵ２４のメモリ（記憶部）に格納してある。

次に、アイドル停止復帰状態ＲＳの制御時に、ＦＣ３２の発電電圧Ｖｆｃの上昇率を所定条件のもとに抑制する電圧制御処理について、図６のフローチャートを参照して説明する。

理解の容易化のために、まず、ＦＣ車両１０（ＦＣシステム１２）は、アイドル停止状態ＩＳの制御中であるものとする。

そこで、ステップＳ１１において、アイドル停止復帰状態ＲＳでの発電電圧Ｖｆｃ（２次電圧Ｖ２）の電圧制御中であるか否かが判定される。

ステップＳ１１の判定は否定的となるので、アイドル停止状態ＩＳ又は通常発電状態ＮＳでの制御中と判定される。

次いで、ステップＳ１２において、通常発電状態ＮＳでの制御中であるか否かが判定される。アイドル停止状態ＩＳの制御中であるので、ステップＳ１２の判断は否定的となる。

次いで、ステップＳ１３において、アイドル停止状態ＩＳの制御からアイドル停止復帰状態ＲＳの制御に遷移したかどうかが判断される。アイドル停止状態ＩＳの制御中であるので、ステップＳ１３の判断は否定的となる。

次に、ステップＳ１４において、アイドル停止状態ＩＳの制御中には、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍが所定の放電電圧Ｖｄｉｓとされる。ここで、放電電圧Ｖｄｉｓは、放電セル電圧ＶｃｅｌｌｄｉｓがＶｃｅｌｌｄｉｓ＝０．４［Ｖ］程度に設定される。この実施形態において、セル数を５００個とすれば、放電電圧Ｖｄｉｓは、Ｖｄｉｓ＝２００［Ｖ］とされる。なお、この放電電力は、バッテリ２０に充電される。このとき、既にエアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍはゼロ値になっていて、反応ガスの供給が停止されているため、バッテリ２０に充電される電力量は、数ｋＷ程度である。

次いで、ステップＳ１５において、アイドル停止中フラグＦｉｓをＦｉｓ＝１にセットする。

次いで、ステップＳ１６において、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍ、この場合、Ｖ２ｃｏｍ＝ＶｄｉｓをＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍの前回値として保持する。

再び、ステップＳ１１において、アイドル停止復帰状態ＲＳでの発電電圧Ｖｆｃ（２次電圧Ｖ２）の電圧制御中であるか否かが判定される。

今回は、図７の（ｅ）の時点ｔ１に示すように、アクセル開度センサ１０４により時点ｔ０から時点ｔ１までの緩やかな加速を行うアクセルペダルの踏み込み操作がアクセル開度θａｐとして検出されたものとする。なお、時点ｔ０〜ｔ１のＦＣ３２が駆動されていない間では、バッテリ２０から要求電力に対応する負荷電流Ｉｍが供給されるようにＥＣＵ２４により制御される。

そうすると、ステップＳ１１の判定は、肯定的となりアイドル停止復帰状態ＲＳでの発電電圧Ｖｆｃ（２次電圧Ｖ２）の電圧制御中とされる。

このとき、図５のフローチャート中のステップＳ１の判定が否定的となるので、ステップＳ３において、アクセル開度θａｐの負荷要求に応じてＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒが算出され、算出されたＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに応じてエアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍが算出され、時点ｔ１において、このエアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍに応じてエアポンプ３６が駆動される｛図７の（ｃ）の時点ｔ１参照｝。なお、この時点ｔ１で、ＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに対応したＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔａｒが算出されるが、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍは、以下に説明する電圧変化過程で、最終的にＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔａｒに設定される。

次いで、ステップＳ１３において、アイドル停止状態ＩＳの制御からアイドル停止復帰状態ＲＳの制御に遷移したか否かの判定が肯定的とされ、ステップＳ１７において、アイドル停止中フラグＦｉｓがＦｉｓ＝１であるか否かが判定される。

このとき、Ｆｉｓ＝１となっているので、アイドル停止復帰状態ＲＳの制御への直後の状態と判定され、ステップＳ１８において、アイドル停止復帰状態ＲＳの制御に遷移した最初のＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍが設定される。

このときのＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍは、電圧が減少中である場合の現時点でのＦＣ電圧（復帰時初期電圧）Ｖｆｃ、又は電圧がＶ２ｃｏｍ＝Ｖｄｉｓまで減少していた場合には、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍの前回値、すなわちＶ２ｃｏｍ＝Ｖｄｉｓのいずれか大きい方の値に設定される。なお、同時に、このステップＳ１８において、アイドル停止中フラグＦｉｓがＦｉｓ＝０にリセットされる。

次いで、ステップＳ１６において、ステップＳ１８で設定されたＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍが前回値として設定される。

次いで、ステップＳ１１（ＹＥＳ）、ステップＳ１３（ＹＥＳ）の判定の後、ステップＳ１７の判定が否定的となり、ステップＳ１９にて、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍの前回値にて電圧上昇可変制御を行うための図８に示す電圧加算量テーブル２０２が参照されて、電圧加算量が算出される。

電圧加算量テーブル２０２は、ＦＣ３２の劣化を抑制するためのテーブルであり、ＦＣ３２は、単位時間当たりの電圧変化率［Ｖ／ｓ］が大きい場合、具体的には、発電電圧Ｖｆｃが劣化促進電位Ｖｄｅｔ（この実施形態では、Ｖｄｅｔ＝３５０［Ｖ］）以上の劣化促進領域では、換言すれば、セル電圧Ｖｄｅｔｃｅｌｌ＝０．７［Ｖ］以上の劣化促進領域では、セル電圧Ｖｃｅｌｌの電圧変化率を、１０［ｍＶ／ｓ］以下の値に制限する必要がある。そのため、制御毎に更新される発電電圧Ｖｆｃの電圧加算量を２［Ｖ］にしている。

また、発電電圧Ｖｆｃが劣化電位Ｖｔｈ〜Ｖｄｅｔ（この実施形態では、３０１［Ｖ］〜３５０［Ｖ］）、セル電圧Ｖｃｅｌｌでは、Ｖｔｈｃｅｌｌ〜Ｖｄｅｔｃｅｌｌ＝０．６［Ｖ］〜０．７［Ｖ］の範囲でのセル電圧Ｖｃｅｌｌの電圧変化率は、１０［ｍＶ／ｓ］程度の値に制限する必要がある。そのため、制御毎に更新される発電電圧Ｖｆｃの電圧加算量を５［Ｖ］にしている。

さらに、発電電圧Ｖｆｃが非劣化電位０〜Ｖｄｉｓ〜Ｖｔｈ（この実施形態では、０［Ｖ］〜２００［Ｖ］〜３００［Ｖ］）、セル電圧Ｖｃｅｌｌでは、０〜Ｖｄｉｓｃｅｌｌ〜Ｖｔｈｃｅｌｌ（０［Ｖ］〜０．４［Ｖ］〜０．６［Ｖ］）の範囲での電圧変化率は、制限する必要がない。そのため、制御毎に更新される電圧加算量を１０［Ｖ］にしている。

次いで、ステップＳ２０において、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍの前回値に算出された電圧加算量が加算されて新たなＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍに設定される。

このアイドル停止復帰状態ＲＳの電圧上昇可変制御は、図７の時点ｔ１〜ｔ２の間で実行され、その間、ステップＳ１１（ＹＥＳ）、ステップＳ１３（ＹＥＳ）、ステップＳ１７（ＮＯ）、ステップＳ１９、ステップＳ２０、及びステップＳ１６の処理を繰り返す。

図９は、時点ｔ１〜ｔ２の間でのセル電圧Ｖｃｅｌｌの変化を示している。時点ｔ１からエアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍを要求電力に対応する目標発電電流Ｉｆｃｔａｒが取れる値に設定しているので、反応ガスが概ね図９の（ｃ）の波形に対応して供給される。そして、発電電圧Ｖｆｃの低い領域の閾値電位ＶｔｈまではＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍの電圧上昇量を大きくしているので、ストイキ不足が解消されて時点ｔ１後のセル電圧Ｖｃｅｌｌの低下量を最小限にすることができ、一方、閾値電位Ｖｔｈを上回る発電電圧Ｖｆｃの高い領域では、電圧上昇量を小さくするようにしているので、ＦＣ３２の劣化を抑制することができる。

図７の（ｄ）の時点ｔ２に示すように、ＦＣ電流Ｉｆｃ（ＦＣ実電流）がステップＳ３で算出したＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒとなった時点、換言すれば、図７の（ｂ）の時点ｔ２に示すように、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍと略比例して変化するＦＣ電圧Ｖｆｃが、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔａｒとなった時点で、ステップＳ１１の判定が否定的とされ、さらにステップＳ１２の判定が成立して、アイドル停止復帰状態ＲＳの制御から通常発電状態ＮＳの制御とされる。

図７の時点ｔ２以降の通常発電状態ＮＳの制御では、ステップＳ２１において、ＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒにより図３の電流・電圧特性２００が参照されてＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔａｒに対応したＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍが算出される。通常発電中は、ステップＳ１６、ステップＳ１１（ＮＯ）、ステップＳ１２（ＹＥＳ）、及びステップＳ２１の処理を繰り返す。

なお、実際の発電電流Ｉｆｃは、図７の（ｄ）に示すように、時点ｔ１〜ｔ２の間でＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍをＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔａｒより低く設定しているので、ＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒを上回って流れ出しているので、この余剰分は、バッテリ２０の充電あるいは図示しない補機の駆動に分配する。

次に、図１０の（ｅ）の時点ｔ１２〜ｔ１３に示すように、急な加速を行うためのアクセルペダルの踏み込み操作がアクセル開度センサ１０４によりアクセル開度θａｐとして検出されたものとして動作を説明する。

この場合、ステップＳ３において、アクセル開度θａｐに応じて、図１０の（ｄ）に示すように、ＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒが算出されるとともに、このＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに応じてエアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍが算出され（図１０の時点ｔ１１〜ｔ１３）、エアポンプ３６が駆動される。

この場合には、ＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒが大きいので、時点ｔ１２でステップＳ１１の判定が否定的となりアイドル停止復帰状態ＲＳの制御からステップＳ１２の判定が肯定的となる通常発電状態ＮＳの制御となる。すなわち、時点ｔ１２以降では、ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍが、ＦＣ目標発電電圧Ｖｆｃｔａｒに設定される。なお、図７の（ｂ）での時点ｔ１〜ｔ２までの処理並びに図１０の（ｂ）の時点ｔ１１〜ｔ１２までの処理は、いわゆるレートリミット処理と称される。

以上説明したように上述した実施形態によれば、アイドル停止復帰状態ＲＳにおいて、ＦＣ電圧Ｖｆｃの電圧上昇を抑制し、且つエアポンプ３６の駆動量であるエアポンプ駆動量指令値Ａｐｃｏｍを低い側で一定に制御し、一時的に低ストイキ比運転を許容する。ただし、低ストイキ比運転を行うと、ＦＣ３２のセル電圧Ｖｃｅｌｌが低下し目標とする出力が得られなくなる。発電電圧Ｖｆｃが低い領域（ＦＣ高出力領域：図３参照）で低ストイキ比運転を行うとセル電圧Ｖｃｅｌｌの低下量が大きいが、発電電圧Ｖｆｃが高い領域になるにつれて低ストイキ比運転でもセル電圧Ｖｃｅｌｌの低下量は小さくなるため、発電電圧Ｖｆｃが低い領域では電圧上昇速度が早くなるように制御し、発電電圧Ｖｆｃが高い領域では電圧上昇速度が遅くなるよう、それぞれの電圧領域で電圧上昇量（電圧上昇率）を変化させることにより、ＦＣ３２の劣化が抑制され、エアポンプ駆動音が大きくなることによる商品性の低下が防止され、その上、セル電圧Ｖｃｅｌｌの著しい低下を防止することができる。

より詳しく説明すると、水素と酸化剤ガスからなる反応ガスを供給する反応ガス供給装置としてのエアポンプ３６及び水素タンク３４（ここでは、分かり易さを考慮してエアポンプ３６で代表する。）と、前記反応ガスにより発電するＦＣ３２と、ＦＣ３２の発電出力により駆動される負荷３０と、エアポンプ３６からＦＣ３２へ前記反応ガスの供給を開始するとき、ＦＣ３２の目標発電出力としてＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒを決定する目標発電出力決定部（ステップＳ３）としてのＥＣＵ２４と、ＦＣ３２の前記発電出力を調整する発電出力調整部としてのＥＣＵ２４と、を備えるＦＣシステム１２において、エアポンプ３６が前記反応ガスの供給を停止していて、前記発電出力調整部がＦＣ３２から負荷３０への前記発電出力をゼロに調整している状態から、エアポンプ３６が前記反応ガスの供給を開始し、前記発電出力調整装置がＦＣ３２の前記発電出力を、前記目標発電出力決定部で決定されたＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに一致させる過程を有し、前記過程で、ＦＣ３２から流れ出す発電電流Ｉｆｃの波形が、前記発電出力をゼロに調整していて発電電流Ｉｆｃがゼロになっている状態からＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに対応する電流を超えて上昇した後、ＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに向かって下降しているとともに｛図７の（ｄ）の時点ｔ１〜ｔ２又は図１０の（ｄ）の時点ｔ１１〜ｔ１２｝、ＦＣ３２の発電電圧Ｖｆｃの波形（ＶＣＵ指令電圧Ｖ２ｃｏｍの波形に相似している。）が、ＦＣ３２の劣化領域（閾値電位Ｖｔｈ以上の電圧）又は劣化促進領域（閾値電位Ｖｔｈ以上の電圧で劣化促進電位Ｖｄｅｔ以上の電圧）に入る前まで上昇し、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇より緩やかに上昇している｛図７の（ｂ）の時点ｔ１〜ｔ２、又は図１０の（ｂ）の時点ｔ１１〜ｔ１２｝。

このように、ＦＣ３２への反応ガスの供給を停止していて、ＦＣ３２から負荷３０への前記発電出力をゼロに調整している状態から、ＦＣ３２に前記反応ガスの供給を開始したとき、ＦＣ３２から流れ出す発電電流Ｉｆｃの波形が、前記発電出力をゼロに調整していて発電電流Ｉｆｃがゼロになっている状態からＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒを超えて上昇した後、ＦＣ目標電流Ｉｆｃｔａｒに向かって下降しているので負荷３０の要求電力に即応して発電電力が発生し、ＦＣの発電電圧Ｖｆｃの波形が、ＦＣ３２の劣化促進電位Ｖｄｅｔを上回る劣化促進領域に入る前まで上昇し、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇より緩やかに上昇しているので、ＦＣ３２の劣化の促進（触媒である白金の溶出）が抑制され、且つ反応ガスを供給する際に従来技術のように制限していないので、ストイキ比が確保されて発電効率の低下を最小限に抑制することができる。

この場合、エアポンプ３６は、ＦＣ３２の目標発電電流Ｉｆｃｔａｒに応じて前記反応ガスを供給するようにしているので、反応ガスの供給に伴う騒音の発生に違和感がない。

また、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇する速度より遅い速度で上昇する際、発電電圧Ｖｆｃの電圧上昇率が徐々に低下しているので、触媒の溶出が防止され、ＦＣ３２の劣化が防止される。

さらに、前記目標発電出力決定部で決定された目標発電電流Ｉｆｃｔａｒに一致させる過程中に、負荷３０が要求する負荷要求電力が増大したとき、前記目標発電出力決定部は、前記負荷要求電力の増大に追従させて目標発電電流Ｉｆｃｔａｒを増大させるようにしているので、負荷３０の要求電力に即応して対応できる。

さらにまた、ＦＣ３２に並列に蓄電装置としてのバッテリ２０を備え、前記発電出力調整部は、バッテリ２０に配置されたＶＣＵ８０であり、ＶＣＵ８０は、ＦＣ３２の電流・電圧特性２００を利用して発電電圧Ｖｆｃを調整することで発電電流Ｉｆｃの前記波形を制御するようにしているので、劣化促進領域での発電電圧Ｖｆｃの緩やかな上昇を正確に制御できる。

さらにまた、エアポンプ３６の前記反応ガスの供給開始と、ＦＣ３２から流れ出す発電電流Ｉｆｃの波形が、前記発電出力をゼロに調整していて発電電流Ｉｆｃがゼロになっている状態からの上昇開始と、が同時であるので、反応ガスの供給開始時において発電電位が急激に高電位になることが抑制されＦＣ３２の劣化を防止することができる。

１０…燃料電池車両（ＦＣ車両） １２…燃料電池システム（ＦＣシステム）
１４…モータ １６…インバータ
１８…燃料電池ユニット（ＦＣユニット） ２０…バッテリ
２２…電力分配装置 ２４…ＥＣＵ
３０…負荷 ３２…燃料電池（ＦＣ）
３４…水素タンク（水素貯蔵装置） ３６…エアポンプ
１０４…アクセル開度センサ

Claims (7)

1. 水素と酸化剤ガスからなる反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
   前記反応ガスにより発電し、電極触媒として白金を用いた固体高分子型の燃料電池と、
   前記燃料電池の発電出力により駆動される負荷と、
   前記反応ガス供給装置から前記燃料電池へ前記反応ガスの供給を開始するとき、前記燃料電池の目標発電出力を決定する目標発電出力決定部と、
   前記燃料電池の前記発電出力を調整する発電出力調整部と、
   を備える燃料電池システムにおいて、
   前記反応ガス供給装置が前記反応ガスの供給を停止していて、前記発電出力調整部が前記燃料電池から前記負荷への前記発電出力をゼロに調整している状態から、前記反応ガス供給装置が前記反応ガスの供給を開始し、前記発電出力調整部が前記燃料電池の前記発電出力を、前記目標発電出力決定部で決定された前記目標発電出力に一致させる過程を有し、
   前記過程で、
   前記燃料電池の発電電圧の波形が、前記発電電圧の指令電圧の波形に倣って、
   前記燃料電池の前記白金の溶出を招く劣化促進電位を超える領域である劣化促進領域に入る前まで上昇し、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇より緩やかに上昇しているとともに、
   前記燃料電池から流れ出す発電電流の波形が、
   前記発電出力をゼロに調整していて前記発電電流がゼロになっている状態から前記目標発電出力に対応する目標電流を超えて上昇した後、前記目標電流に向かって下降している
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記反応ガス供給装置は、前記燃料電池の前記目標発電出力に応じて前記反応ガスを供給する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇する速度より遅い速度で上昇する際、前記発電電圧の電圧上昇率が徐々に低下している
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記目標発電出力決定部で決定された前記目標発電出力に一致させる過程中に、前記負荷が要求する負荷要求電力が増大したとき、
   前記目標発電出力決定部は、前記負荷要求電力の増大に追従させて前記目標発電出力を増大させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に並列に蓄電装置を備え、
   前記発電出力調整部は、前記蓄電装置側に配置されたコンバータであり、
   前記コンバータは、前記燃料電池の電流・電圧特性を利用して前記発電電圧を調整することで前記発電電流の前記波形を調整する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記反応ガス供給装置の前記反応ガスの供給開始と、
   前記燃料電池から流れ出す発電電流の波形が、前記発電出力をゼロに調整していて前記発電電流がゼロになっている状態からの上昇開始と、が同時である
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 水素と酸化剤ガスからなる反応ガスにより発電し、電極触媒として白金を用いた固体高分子型の燃料電池と、
   前記燃料電池の発電出力により駆動される負荷と、
   アイドル停止状態から復帰するとき、前記燃料電池の目標発電出力を決定する目標発電出力決定部と、
   前記燃料電池の前記発電出力を調整する発電出力調整部と、
   を備える燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムが前記アイドル停止状態から復帰する際、前記発電出力調整部が前記燃料電池の前記発電出力を、前記目標発電出力決定部で決定された前記目標発電出力に一致させる過程を有し、
   前記過程で、
   前記燃料電池の発電電圧の波形が、前記発電電圧の指令電圧の波形に倣って、
   前記燃料電池の前記白金の溶出を招く劣化促進電位を超える領域である劣化促進領域に入る前まで上昇し、前記劣化促進領域内では前記劣化促進領域に入る前までの前記上昇より緩やかに上昇しているとともに、
   前記燃料電池から流れ出す発電電流の波形が、前記目標発電出力に対応する目標電流を超えて上昇した後、前記目標電流に向かって下降している
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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