JP2013105635A - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】間欠運転が短期間で終了するような場合においては迅速に電力供給を再開させることができる一方、間欠運転が長期間に渡るような場合においては、運転効率を向上させつつ燃料電池の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】この燃料電池システム１０は、間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、燃料電池スタック２０のスタック電圧Ｖｃが第一下限閾値以上となるように維持する電圧回復制御を行う一方、間欠運転が第一期間を超えて継続することが予測される場合には、電圧回復制御を行わない。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システム、及びこれを搭載した燃料電池車両に関する。

燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。この燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アッセンブリを有するものである。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有している。

このような燃料電池システムは、原理的に低出力ほど発電効率は高いが、現実のシステムでは補機動力の損失等により低出力ではかえって発電効率が低くなることが知られている。このため、例えば燃料電池システムを搭載した燃料電池車両においては、高出力領域では燃料電池スタックを発電させて、燃料電池スタックと二次電池の両方又は燃料電池スタックのみからトラクションモータに電力を供給する一方、低出力領域では燃料電池スタックの発電を一時休止し、二次電池のみからトラクションモータに電力を供給する運転制御を行っている。

このように、燃料電池システムの発電効率の低い低負荷領域において、燃料電池スタックの発電を抑制することを間欠運転と称する。燃料電池システムの発電効率が低下する低負荷領域では、間欠運転を実施することで、燃料電池スタックをエネルギー変換効率の高い範囲内で運転させることが可能となり、燃料電池システム全体の効率を高めることができる。

上記のような間欠運転を行う燃料電池システムにおいては、低負荷領域から高負荷領域に移行する際、間欠運転の状態から迅速に電力供給を再開することが求められる。しかし、間欠運転中においては燃料電池スタックの電圧が低下するため、電圧が回復して電力供給を再開するまでには一定の期間を要してしまう。

下記特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、間欠運転中において燃料電池のスタック電圧を監視しており、スタック電圧が低下して所定の閾値を下回った場合には、一時的にセルスタックに燃料ガス等を供給することによりスタック電圧を回復させている。その結果、間欠運転中におけるスタック電圧は常に上記閾値以上に維持されるため、間欠運転の状態から迅速に電力供給を再開することが可能となっている。

更に下記特許文献１には、間欠運転の状態が長期間となることが予測される状況においては、上記閾値を下げるという制御方法も記載されている。スタック電圧の閾値を下げることによって電圧の回復処理が実行される頻度を制限し、燃料電池システムの運転効率を向上させている。

特開２００８−５２９３７号公報

ところで、燃料電池においては、スタック電圧の変動によって電極が劣化し、燃料電池の発電性能が低下してしまうという現象が知られている。これは、スタック電圧が変動することに伴って、燃料電池セルの電極に担持されている触媒の一部が溶出し、触媒の有効面積が低下するというものである。触媒の溶出によって触媒の有効面積が低下する速度は、スタック電圧の変動幅が大きいほど、また、スタック電圧の変動回数が多いほど、高くなることが知られている。

上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、間欠運転を行っている間において、常にスタック電圧の低下と回復が繰り返される。特に、間欠運転の状態が長期間となることが予測される状況においては、スタック電圧の閾値を下げるため、電圧の変動幅が大きくなる。また、長期間に渡ってスタック電圧の低下と回復が繰り返されることにより、スタック電圧の変動回数が多くなる。その結果、上記のように触媒の有効面積が低下する速度が高くなり、燃料電池の発電性能が短期間で低下してしまうという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、間欠運転が短期間で終了するような場合においては迅速に電力供給を再開させることができる一方、間欠運転が長期間に渡るような場合においては発電効率を向上させつつ、燃料電池の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、アノードとカソードとを有するセルを複数備える燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記要求電力が所定値以下の状態において、前記燃料ガスの供給を一時的に停止して前記燃料電池スタックの発電を抑制する間欠運転を行うものであって、前記間欠運転時において、前記間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値以上となるように維持する電圧回復制御を行う一方、前記間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、前記電圧回復制御を行わないことを特徴としている。

本発明によれば、間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、燃料電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値以上となるように維持する電圧回復制御を行う一方、間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、電圧回復制御を行わない。このように、間欠運転が継続することが予測される期間、すなわち、要求電力が所定値以下の状態が継続することが予測される期間の長さに応じて、電圧回復制御を行うかどうかを決定している。

間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、電圧回復制御を行うことによって、電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値以上となるように維持している。このため、要求電力が所定値以上となった時点で、間欠運転を終了し燃料電池スタックからの電力供給を迅速に再開することができる。特に、間欠運転が短期間で終了するような状況はその発生頻度が高いため、迅速な電力供給の再開が求められる。本発明によれば、かかる要求に応えることができる。

一方、間欠運転が第一期間を超えて継続すること予測される場合には、電圧回復制御を行わない。すなわち、間欠運転中にスタック電圧が低下しても、スタック電圧を上昇させるような制御を行わない。その結果、スタック電圧の低下と回復が繰り返されないため、電極触媒の溶出が抑制される。また、スタック電圧を上昇させるための燃料ガスの供給や、酸化剤ガスの供給が不要であるため、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。尚、電圧回復制御を行わないことにより、電力供給を再開するまでには時間を要することとなるが、間欠運転が長期間に渡り継続するような状況はその発生頻度が低いため、燃料電池システムの運転に対する影響（例えば、燃料電池車両のドライバビリティに対する悪影響）は小さい。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、前記アノードに対する前記燃料ガスの供給、及び、前記カソードに対する前記酸化剤ガスの供給を停止することも好ましい。

この好ましい態様では、間欠運転が第一期間を超えて継続することが予測される場合には、アノードに対する燃料ガスの供給、及び、カソードに対する酸化剤ガスの供給を停止する。電圧回復制御を行わないことに加え、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給をいずれも停止するため、燃料電池システムの運転効率を更に向上させることができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記間欠運転が前記第一期間よりも短い第二期間以内に終了することが予測される場合には、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が前記第一下限閾値よりも大きい第二下限閾値以上となるように維持することも好ましい。

この好ましい態様では、間欠運転が第一期間よりも短い第二期間以内に終了することが予測される場合には、制御装置は、燃料電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値よりも大きい第二下限閾値以上となるように維持する。間欠運転が上記第一期間よりも短時間で終了するような状況は、その発生頻度が更に高い。このような場合において、スタック電圧を第一下限閾値よりも大きい第二下限閾値以上となるように維持するため、電力供給の再開をより迅速に行うことができる。

また本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両では、間欠運転が第一期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両のシフトポジションに基づいて行うことも好ましい。

間欠運転が継続する期間の長さを正確に予測することは困難であるが、例えば、車両のシフトポジションがＰ（パーキング）やＮ（ニュートラル）の場合においては、Ｄ（ドライブ）の場合に比べて、間欠運転が長期間継続する可能性が高い。この好ましい態様では、間欠運転が第一期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両のシフトポジションに基づいて行う。これにより、間欠運転中における電圧回復制御を行うかどうかの判断が適切に行われる可能性が高くなるため、燃料電池の劣化を抑制し、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。

また本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両では、前記間欠運転が前記第二期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両の車両速度に基づいて行うことも好ましい。

間欠運転が継続する期間を正確に予測することは困難であるが、例えば、車両が停止中（車両速度が０）の場合においては、車両が走行中の場合に比べて、間欠運転が長期間継続する可能性が高い。この好ましい態様では、間欠運転が第二期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両の車両速度に基づいて行う。これにより、間欠運転中におけるスタック電圧の下限値の設定が適切に行われる可能性が高くなるため、迅速な電力供給の開始によって燃料電池車両のドライバビリティを向上させることができる。

本発明によれば、間欠運転が短期間で終了するような場合においては迅速に電力供給を再開させることができる一方、間欠運転が長期間に渡るような場合においては、運転効率を向上させつつ燃料電池の劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の一実施形態である燃料電池システムを搭載した燃料電池車両のシステム構成を示した図である。 図１に示した燃料電池車両において行われる、間欠運転に移行するかどうかを判断する処理の流れを説明するフローチャートである。 図１に示した燃料電池車両において行われる、間欠運転の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態である燃料電池システムにおいて、間欠運転中におけるスタック電圧の時間変化を説明するグラフである。 セル電圧の変動回数と、触媒の有効面積維持率との関係を説明するグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両の、システム構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化剤ガス供給系３０（酸化剤ガス供給手段）と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０（燃料ガス供給手段）と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０（制御手段）とを備えている。

燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）

燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力端子電圧（スタック電圧Ｖｃ）を検出するための電圧センサ７１、及び出力電流（スタック電流）を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。

酸化剤ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４とを有している。酸化剤ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化剤ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、エアコンプレッサ３２により加圧される酸化剤ガスを加湿するための加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化剤ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１とが設けられている。酸化オフガス通路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化剤ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、酸化剤ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３５とが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に帰還させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６とを有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。

燃料ガス通路４３には、燃料ガス供給源４１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための遮断弁Ｈ１と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータＨ２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給量を制御するインジェクタ４２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給を遮断するための遮断弁Ｈ３と、圧力センサ７４とが設けられている。

レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタ４２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタ４２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ４２の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ４２の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ４２の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ４２の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ４２の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ４２の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ４２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

本実施形態においては、インジェクタ４２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階に切り替えることができる。コントローラ６０から出力される制御信号によってインジェクタ４２のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、燃料ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ４２は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ４２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ４２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

循環通路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６とが接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環通路４４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。燃料電池システム１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とトラクションインバータ５３とが並列に燃料電池スタック２０に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、ＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサ７３が取り付けられている。

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチＩＧの状態がＯＮになったことを検知すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＶなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。またコントローラ６０には、燃料電池車両のシフトポジションＳＰの状態も入力される。

ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化剤ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。

本実施形態の燃料電池システム１０では、コントローラ６０が燃料電池システム１０及び車速信号ＶＶに基づき、間欠運転とすべきか通常運転とすべきかを決定する。間欠運転モードとは、燃料電池スタック２０による発電（電力の供給）を停止し、バッテリ５２のみによってトラクションモータ５４を駆動するモードである。尚、間欠運転モードは、燃料電池スタック２０による発電（電力の供給）を完全に停止するものに限られず、発電を抑制しながらも少量の発電は継続するような運転モードとしてもよい。通常運転モードとは、燃料電池スタック２０によって発電を行い、その電力を用いてトラクションモータ５４を駆動するモードである。なお、通常運転モードにおいては、バッテリ５２を併用しても構わない。

図２を参照しながら、燃料電池システム１０が間欠運転に移行するかどうかを判断するために、コントローラ６０の内部で行われる処理の流れを説明する。図２は、当該処理の流れを説明するフローチャートである。図２に示した一連の処理は、所定時間が経過するごとに、コントローラ６０によって繰り返し実行されるものである。

まず、ステップＳ１０1では、イグニッションスイッチＩＧの状態が確認される。イグニッションスイッチＩＧの状態がＯＦＦであれば、燃料電池システム１０は停止状態であるため、間欠運転に移行するかどうかの判断は不要であり、処理を終了する。イグニッションスイッチＩＧの状態がＯＮであれば、ステップＳ１０２に移行する。

ステップＳ１０２では、間欠フラグの状態が確認される。間欠フラグとは、間欠運転を実施しているか否かを示すフラグ情報であって、コントローラ６０において記憶されている。間欠フラグがＯＮの状態は、間欠運転モードであることを示す。間欠フラグがＯＦＦの状態は、通常運転モードであることを示す。ステップＳ１０２において、間欠フラグがＯＮの状態であった場合、ステップＳ１０４に移行する。間欠フラグがＯＦＦの状態であった場合、ステップＳ１０３に移行し、通常運転モードが開始（又は継続）された後、ステップＳ１０４に移行する。

ステップＳ１０４では、アクセル開度信号ＡＣＣの状態が確認される。アクセル開度信号ＡＣＣがＯＦＦ、すなわち、アクセルが踏まれておらず、アクセル開度が０の状態であれば、ステップＳ１０５に移行する。アクセル開度信号ＡＣＣがＯＦＦでない場合は、燃料電池車両を走行させるための電力を必要としており、当該電力が更に増加する可能性が高いと推測される。すなわち、高負荷運転が行われる可能性があり、間欠運転を行うことは適切ではないと推測される。このため、ステップＳ１０７に移行して間欠フラグをＯＦＦに設定した後、処理を終了する。

ステップＳ１０５では、車速信号ＶＶにより、燃料電池車両の車速が確認される。車速が３ｋｍ／ｈ以下である場合は、ステップＳ１０６に移行する。車速が３ｋｍ／ｈよりも速い場合は、燃料電池車両が路上を走行中で、その後加速する可能性があると推測される。すなわち、高負荷運転が行われる可能性があり、間欠運転を行うことは適切ではないと推測される。このため、ステップＳ１０８に移行して間欠フラグをＯＦＦに設定した後、処理を終了する。

ステップＳ１０６においては、アクセル開度信号ＡＣＣがＯＦＦであり、且つ車速が３ｋｍ／ｈ以下の状態であるから、燃料電池車両は既に停止しているか、又は短時間以内に停止することが推測される。このため、その後は低負荷運転が行われる可能性が高く、間欠運転に移行することが適切であると判断される。このため、間欠フラグをＯＮに設定した後、処理を終了する。

続いて、間欠運転の具体的な処理の流れについて、図３を参照しながら説明する。図３は、間欠運転の具体的な処理の流れを説明するフローチャートである。図３に示した一連の処理は、所定時間が経過するごとに、コントローラ６０によって繰り返し実行されるものである。

まず、ステップＳ２０１において、間欠フラグの状態が確認される。間欠フラグがＯＦＦの状態であった場合、間欠運転を行う必要がないため、処理を終了する。間欠フラグがＯＮの状態であれば、ステップＳ２０２に移行する。

ステップＳ２０２では、燃料電池スタック２０のカソード極に対する酸化剤ガスの供給、及び、燃料電池スタック２０のアノード極に対する燃料ガスの供給が、いずれも停止される。また、燃料電池スタック２０からバッテリ５２に対する電力の供給、及び、燃料電池スタック２０からトラクションインバータ５３（及びトラクションモータ５４）に対する電力の供給が、いずれも停止される。間欠運転モードにおいては、トラクションモータ５４の駆動は、バッテリ５２から供給される電力のみによって行われる。

ステップＳ２０３では、車速信号ＶＶにより、燃料電池車両が停止しているか否か（車速が０か否か）が判断される。燃料電池車両が停止している場合は、ステップＳ２０７に移行し、燃料電池車両が停止していない場合は、ステップＳ２０４に移行する。

ステップＳ２０４に移行した場合においては、燃料電池車両は３ｋｍ／ｈ以下の低い車速で走行中である。ステップＳ１０５及びステップＳ１０６に関して既に説明したように、車速が３ｋｍ／ｈ以下のように低速である場合は、燃料電池車両はその後停止することが推測される。しかし、燃料電池車両が完全に停止して車速が０である場合と比較すれば、その後、燃料電池車両が短時間のうちに加速する可能性は相対的に高い状況であるということができる。換言すれば、間欠運転が継続することが予測される時間（第二期間）は、相対的に短いということができる。

このため、ステップＳ２０４においては、スタック電圧Ｖｃの閾値Ｖｔｈとして、後に説明する電圧Ｖ１（第一下限閾値）よりも高いＶ２（第二下限閾値）が設定され、ステップＳ２０５に移行する。ステップＳ２０５では、スタック電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈよりも低い電圧まで低下したかどうかが判断される。スタック電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈ以上である場合は、処理を終了する。スタック電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈよりも低い場合は、ステップＳ２０６に移行する。

ステップＳ２０６では、スタック電圧Ｖｃを閾値Ｖｔｈ以上に回復させる、電圧回復制御が行われる。具体的には、エアコンプレッサ３２一時的に動作させて燃料電池スタック２０への酸化剤ガス供給を行い、スタック電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈを超えて所定の電圧目標値まで上昇するように制御が行われる。

このときのスタック電圧Ｖｃの時間変化を、図４に示した。図４は、間欠運転中におけるスタック電圧Ｖｃの時間変化を説明するグラフである。図４のＶｃ１に示すように、スタック電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈまで低下すると、ステップＳ２０６の電圧回復処理が行われてスタック電圧Ｖｃが上昇する。その後、間欠運転モードが継続している間は、スタック電圧Ｖｃは、閾値Ｖｔｈまでの低下、及び、電圧回復制御による電圧目標値までの上昇を繰り返しながら、閾値Ｖｔｈ以上に維持されることとなる。

このように、車速が０でない場合において、車速が０の場合よりも閾値Ｖｔｈを高めに設定して電圧回復制御を行うため、その後間欠運転が終了した際には、迅速に電力供給を開始することができる。すなわち、間欠運転が長期間継続する可能性が相対的に高い状況においては、スタック電圧の下限値を高く設定した方が適切である可能性が高く、迅速な電力供給の開始によって燃料電池車両のドライバビリティを向上させることができる。

再び、図３に戻って説明を続ける。ステップＳ２０３で燃料電池車両が停止している場合は、ステップＳ２０７に移行する。ステップＳ２０７では、車両のシフトポジションＳＰがＰ（パーキング）であるか否かが判断される。

ステップＳ２０７において、シフトポジションＳＰがＰ（パーキング）である場合は、処理を終了する。このため、ステップＳ２０６における電圧回復制御を行わない状態で、間欠運転モードが維持される。電圧回復制御を行わないため、図４のＶｃ２に示すようにスタック電圧Ｖｃは次第に低下していき、最終的には一定の電圧値となる。

シフトポジションＳＰがＰ（パーキング）である場合は、燃料電池車両が直ちに走行を開始する可能性は低く、停止することによって長時間間欠運転が継続することが推測される。このため、本実施形態に係る燃料電池システム１０では上記のように、電圧回復制御を行わないこととしている。

ステップＳ２０７において、シフトポジションＳＰがＰ（パーキング）でない場合には、続くステップＳ２０８において、シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）であるか否かが判断される。シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）でない場合、ステップＳ２０９に移行する。

ステップＳ２０９に移行した場合においては、シフトポジションＳＰはＰ（パーキング）ではなく、Ｎ（ニュートラル）でもない。このため、燃料電池車両の停止は一時的である可能性が高く、比較的短い時間のうちに車両の走行を開始し、間欠運転を終了することが推定される。但し、上記時間（第一期間）は、３ｋｍ／ｈ以下の低速走行中において間欠運転が継続することが予測される時間（第二期間）よりは長いと推定される。このため、ステップＳ２０９では、スタック電圧Ｖｃの閾値Ｖｔｈとして、先に説明した電圧Ｖ２（第二下限閾値）よりも低いＶ１（第一下限閾値）が設定され、ステップＳ２０５に移行する。その後は、既に説明したように、必要に応じてステップＳ２０６の電圧回復制御が行われ、スタック電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈ以上に維持される。

ステップＳ２０８で、シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）である場合、その後、シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）である状態が１２０秒間継続したかどうかが判断される。具体的には、ステップＳ２１０に移行して、コントローラ６０の内部で経過時間の計測が開始される。その後、ステップＳ２１１においてシフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）のままかどうかが判断される。シフトポジションがＮ（ニュートラル）以外に変更された場合は、ステップＳ２０９に移行する。ステップＳ２１１においてシフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）のままであれば、ステップＳ２１２に移行し、コントローラ６０の内部で計測している経過時間が１２０秒を超えたかどうかが判断される。１２０秒を超えていない場合はステップＳ２１０に戻り、シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）のままかどうかの判断が繰り返される。

ステップＳ２１２で、シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）のままで１２０秒が経過した場合は、ステップＳ２０７でシフトポジションＳＰがＰ（パーキング）であった場合と同様に、処理を終了する。このため、ステップＳ２０６における電圧回復制御を行わない状態で、間欠運転モードが維持される。電圧回復制御を行わないため、スタック電圧Ｖｃは次第に低下していき、最終的には一定の電圧値となる。

シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）のままで１２０秒が経過した場合においても、やはり燃料電池車両が直ちに走行を開始する可能性は低く、停止することによって間欠運転が長時間継続することが推測される。このため、本実施形態に係る燃料電池システム１０では上記のように、電圧回復制御を行わないこととしている。

このように、間欠運転モードにおいて、シフトポジションＳＰがＰ（パーキング）である場合、及び、シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）である状態が１２０秒間継続した場合はいずれも、燃料電池車両が停止することによって間欠運転が長時間継続することが推測される。この時間は、燃料電池車両が完全に停止して車速が０である状態で、且つシフトポジションＳＰが上記以外の状態において間欠運転が継続することが予測される時間（第一期間）よりも、更に長いと推定されるものである。このため、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、このような場合においては電圧回復制御を行わないこととしている。

ここで、スタック電圧Ｖｃの変動が電極触媒の有効面積に及ぼす影響について、図５を参照しながら説明する。図５は、セル電圧の変動回数と、触媒の有効面積維持率（触媒の表面積のうち、触媒として有効に機能する部分の面積が占める割合）との関係を説明するグラフである。

図５のＥ１は、燃料電池スタック２０を構成する単セルの電極間における電圧を、０．８Ｖから０．９Ｖの範囲で変動させた場合において、その変動回数と触媒の有効面積維持率との関係を示している。また、図５のＥ２は、単セルの電極間における電圧を、０．１Ｖから０．９Ｖの範囲で変動させた場合において、その変動回数と触媒の有効面積維持率との関係を示している。

図５に示されるように、Ｅ１、Ｅ２のいずれにおいても、触媒の有効面積維持率はセル電圧の変動回数が増加すると共に低下している。これは、セル電圧（スタック電圧）の変動回数が多いほど、触媒の有効面積が低下する速度が高くなることを示すものである。また、Ｅ２は、Ｅ１よりも触媒の有効面積維持率の低下量が大きい。これは、セル電圧（スタック電圧）の変動回数が同じであっても、セル電圧（スタック電圧）の変動幅が大きいほど、触媒の有効面積が低下する速度が高くなることを示すものである。

本実施形態に係る燃料電池システム１０では、間欠運転モードにおいてシフトポジションＳＰがＰ（パーキング）の場合、又はＮ（ニュートラル）のまま１２０秒経過した場合、電圧回復制御を行わない。その結果、（図４のＶｃ１のような）スタック電圧Ｖｃの低下と回復が繰り返されないため、電極触媒の溶出が抑制される。また、スタック電圧Ｖｃを上昇させるための燃料ガスの供給や、酸化剤ガスの供給が不要であるため、燃料電池システム１０の運転効率を向上させることができる。尚、電圧回復制御を行わないことにより、電力供給を再開するまでには時間を要することとなるが、シフトポジションＳＰがＰ（パーキング）である状況、及び、シフトポジションＳＰがＮ（ニュートラル）のまま１２０秒が経過するような状況は、いずれもその発生頻度が低いため、燃料電池車両のドライバビリティに対する悪影響は小さいということができる。

また、間欠運転モードにおいてシフトポジションＳＰが上記以外である場合は、スタック電圧Ｖｃを閾値Ｖｔｈ以上に維持するように電圧回復制御が行われる。この閾値Ｖｔｈは、間欠運転モードが短時間で終了することが予測される場合は、より高い閾値（第二下限閾値）となるように設定される。その結果、スタック電圧Ｖｃの変動幅が小さくなるため、電極触媒の溶出が抑制される。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０：燃料電池システム
２０：燃料電池スタック
３０：酸化剤ガス供給系
３１：フィルタ
３２：エアコンプレッサ
３３：酸化剤ガス通路
３４：酸化オフガス通路
３５：加湿器
４０：燃料ガス供給系
４１：燃料ガス供給源
４２：インジェクタ
４３：燃料ガス通路
４４：循環通路
４５：循環ポンプ
４６：排気排水通路
５０：電力系
５１：コンバータ
５２：バッテリ
５３：トラクションインバータ
５４：トラクションモータ
５５：補機類
６０：コントローラ
７１：電圧センサ
７２：電流センサ
７３：センサ
７４：圧力センサ
Ａ２：遮断弁
Ａ３：背圧調整弁
ＡＣＣ：アクセル開度信号
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３，Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＩＧ：イグニッションスイッチ
ＳＰ：シフトポジション
Ｖｃ：スタック電圧
ＶＶ：車速信号
Ｖｔｈ：閾値

Claims (5)

1. アノードとカソードとを有するセルを複数備える燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、
   前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記要求電力が所定値以下の状態において、前記燃料ガスの供給を一時的に停止して前記燃料電池スタックの発電を抑制する間欠運転を行うものであって、
   前記間欠運転時において、
   前記間欠運転が第一期間以内に終了することが予測される場合には、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が第一下限閾値以上となるように維持する電圧回復制御を行う一方、
   前記間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、前記電圧回復制御を行わないことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記間欠運転が前記第一期間を超えて継続することが予測される場合には、前記アノードに対する前記燃料ガスの供給、及び、前記カソードに対する前記酸化剤ガスの供給を停止することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記間欠運転が前記第一期間よりも短い第二期間以内に終了することが予測される場合には、前記制御装置は、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が前記第一下限閾値よりも大きい第二下限閾値以上となるように維持することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両であって、前記間欠運転が第一期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両のシフトポジションに基づいて行うことを特徴とする燃料電池車両。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両であって、前記間欠運転が前記第二期間以内に終了することの予測を、燃料電池車両の車両速度に基づいて行うことを特徴とする燃料電池車両。

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