(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電する燃料電池と、
酸素及び水素の少なくとも一方を、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、
前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給手段と、
前記燃料電池の出力する電圧を制御するコンバータと、
前記燃料電池の出力する電力により駆動する負荷と、
前記ガス供給手段、前記冷媒供給手段及び前記コンバータを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記コンバータを制御することで前記燃料電池の実電圧を前記触媒の酸化還元の進行する酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧に固定した状態で、前記燃料電池への前記少なくとも一方の濃度が前記負荷の要求する要求電力に追従するように前記ガス供給手段を制御しながら、前記冷媒供給手段によって冷媒を前記燃料電池に供給する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記要求電力に基づいて算出される前記燃料電池の目標電圧と、前記触媒の酸化還元の進行する酸化還元進行電圧範囲以下の切替電圧と、に基づいて、前記ガス供給手段及び前記コンバータを制御し、
前記目標電圧が前記切替電圧以下である場合、前記燃料電池の実電圧が目標電圧に追従するように前記コンバータを制御する第１モードを実行し、
前記目標電圧が前記切替電圧以下でない場合、前記燃料電池の実電圧が前記切替電圧で固定されるように前記コンバータを制御すると共に、前記ガス供給手段を制御して前記少なくとも一方の濃度を変化することによって前記燃料電池のＩＶ特性を変化することで、前記燃料電池の実電流を変化させ、前記燃料電池の出力する実電力を前記要求電力に追従させる第２モードを実行する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記切替電圧は、豊潤な反応ガスが通流し正常に発電する前記燃料電池のＩＶ特性に基づいて設定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の発電した電力を蓄電する蓄電手段を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記蓄電手段が目標蓄電量となるように、前記蓄電手段の蓄電量に基づいて前記要求電力を算出する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池の実電圧を前記所定電圧に固定し、前記少なくとも一方の濃度を前記負荷の要求する要求電力に追従させている間、前記燃料電池への冷媒の供給量が前記要求電力に追従するように前記冷媒供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の発電が安定しているか否か判定する発電安定性判定手段を備え、
前記発電安定性判定手段が前記燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、前記制御手段は、前記少なくとも一方の濃度が増加するように前記ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の発電が安定しているか否か判定する発電安定性判定手段と、
前記燃料電池から排出された前記少なくとも一方のオフガスを、前記燃料電池に向かう前記少なくとも一方に合流させる合流流路と、を備え、
前記ガス供給手段は、前記合流流路に設けられ合流するオフガスの流量を制御するオフガス流量制御手段を含み、
前記発電安定性判定手段が前記燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、前記オフガス流量制御手段はオフガスの流量を増加する
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記発電安定性判定手段が前記燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、
前記オフガス流量制御手段がオフガスの流量を増加した後、
前記制御手段は、外部からの新規の前記少なくとも一方の濃度が増加するように前記ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記ガス供給手段は、酸素を含む空気を供給するエアポンプを備える
ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記ガス供給手段は、水素を供給する水素ポンプを備える
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記負荷は、車両の駆動用のモータを含み、
前記車両に搭載される
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池車等に利用される燃料電池スタックの耐久性を向上させる一方法として、酸化還元電位を回避して燃料電池スタックを発電させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１では、酸化還元電位を回避し続けるために、走行モータ等の負荷が要求する電力に対して、燃料電池スタックの出力する電力を大きくする又は小さくする必要があり、その場合、余剰電力をバッテリ（蓄電装置）に充電したり、不足分をバッテリでアシスト（補充）したりしていた。すなわち、酸化還元電位を回避し続けるために、バッテリの充電／放電の頻度が多くなっていた。このようにして、バッテリの充電／放電の頻度が多くなるので、充電／放電に伴う損失（ロス）が多くなり、車両効率（例えば燃費）が低下していた。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池の耐久性を向上させつつ、負荷要求に追従して燃料電池を発電させる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電する燃料電池と、酸素及び水素の少なくとも一方を、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給手段と、前記燃料電池の出力する電圧を制御するコンバータと、前記燃料電池の出力する電力により駆動する負荷と、前記ガス供給手段、前記冷媒供給手段及び前記コンバータを制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記コンバータを制御することで前記燃料電池の実電圧を前記触媒の酸化還元の進行する酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧に固定した状態で、前記燃料電池への前記少なくとも一方の濃度が前記負荷の要求する要求電力に追従するように前記ガス供給手段を制御しながら、前記冷媒供給手段によって冷媒を前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００７】
ここで、燃料電池は、そのＩＶ特性（ＩＶ曲線、図１５参照）に従って、その出力する実電流が大きくなると、その出力する実電圧が小さくなる、という特性を有している。
また、負荷の要求電力が大きくなると、燃料電池の出力する実電力を大きくするべく、実電流を大きくすることが通常であるから、実電圧が小さく実電流が大きい場合（目標電圧が切替電圧以下である場合）は、要求電力が大きい高負荷側に対応する。一方、実電圧が大きく実電流が小さい場合（目標電圧が切替電圧以下でない場合）は、要求電力が小さい低負荷側に対応する。
【０００８】
このような構成によれば、制御手段が、前記コンバータを制御することで燃料電池の実電圧を触媒の酸化還元の進行する酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧に固定する。ここで、所定電圧は、触媒の酸化還元の進行する酸化還元進行電圧範囲外であるので、実電圧を所定電圧で維持することで、触媒の酸化反応及び還元反応が同時期に頻繁に繰り返されることは防止される。これにより、触媒の溶出等が抑制され、燃料電池が劣化し難くなる。その結果、燃料電池の耐久性を向上できる。
【０００９】
また、制御手段が、燃料電池への前記少なくとも一方の濃度が負荷の要求する要求電力に追従するようにガス供給手段を制御する。ここで、前記少なくとも一方の濃度を変化させると、燃料電池のＩＶ特性が変化するので、このように、前記少なくとも一方の濃度を要求電力に追従するように変化することで、燃料電池の実電流が変化し、燃料電池の出力する実電力が要求電力に追従する。
このようにして、負荷の要求電力に追従して燃料電池が過不足無く発電するので、不足電力や余剰電力が発生せず、蓄電装置を放電／充電させる必要は無く、放電／充電に伴ってロス（熱等）が生成することもない。よって、燃料電池システムの効率（エネルギ収支）は向上する。
【００１０】
さらに、制御手段が、前記したように、燃料電池の実電圧を所定電圧に固定し、前記少なくとも一方の濃度を変化させながら、冷媒供給手段によって冷媒を燃料電池に供給する。これにより、燃料電池の温度を適切に保つことができる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記要求電力に基づいて算出される前記燃料電池の目標電圧と、前記触媒の酸化還元の進行する酸化還元進行電圧範囲以下の切替電圧と、に基づいて、前記ガス供給手段及び前記コンバータを制御し、前記目標電圧が前記切替電圧以下である場合、前記燃料電池の実電圧が目標電圧に追従するように前記コンバータを制御する第１モードを実行し、前記目標電圧が前記切替電圧以下でない場合、前記燃料電池の実電圧が前記切替電圧で固定されるように前記コンバータを制御すると共に、前記ガス供給手段を制御して前記少なくとも一方の濃度を変化することによって前記燃料電池のＩＶ特性を変化することで、前記燃料電池の実電流を変化させ、前記燃料電池の出力する実電力を前記要求電力に追従させる第２モードを実行することが好ましい。
なお、切替電圧は、酸化還元進行電圧範囲以下であって、前記した所定電圧以上であることが好ましい。また、後記する実施形態では、切替電圧と所定電圧とが等しい場合を例示している。
【００１２】
このような構成によれば、目標電圧が切替電圧以下である場合（高負荷側）、制御手段が、燃料電池の実電圧が目標電圧に追従するようにコンバータを制御する第１モードを実行する。すなわち、第１モードを実行し、ガス供給手段によって酸素及び水素の少なくとも一方を過不足無く供給しながら、コンバータによって実電圧を目標電圧に追従させると、ガスの供給条件における燃料電池のＩＶ特性に従って、燃料電池の実電流が変化することになる。例えば、実電圧を小さくすると、実電流が大きくなる。
【００１３】
このようにして、実電圧を目標電圧に追従させることで、実電流も変化し、燃料電池の出力する実電力が、負荷の要求電力に追従することになる。すなわち、負荷の要求電力に追従して燃料電池が過不足無く発電するので、不足電力や余剰電力が発生せず、蓄電装置を放電／充電する必要は無く、放電／充電に伴ってロス（熱等）が生成することもない。よって、燃料電池システムの効率（エネルギ収支）は向上する。
【００１４】
一方、目標電圧が切替電圧以下でない場合（低負荷側）、制御手段が第２モードを実行する。
すなわち、制御手段が、コンバータを制御して、燃料電池の実電圧を切替電圧（後記する実施形態では０．８Ｖ）で固定する。ここで、切替電圧は、触媒の酸化還元の進行する酸化還元進行電圧範囲以下であるので、実電圧を切替電圧で固定（維持）することで、触媒の酸化反応及び還元反応が同時期に頻繁に繰り返されることは防止される。これにより、触媒の溶出等が抑制され、燃料電池が劣化し難くなる。その結果、燃料電池の耐久性を向上できる。
【００１５】
これと共に、制御手段が、ガス供給手段を制御して前記少なくとも一方の濃度を変化することによって燃料電池のＩＶ特性を変化することで、燃料電池の実電流を変化させ、燃料電池の出力する実電力を要求電力に追従させる。
このようにして、負荷の要求電力に追従して燃料電池が過不足無く発電するので、不足電力や余剰電力が発生せず、蓄電装置を放電／充電させる必要は無く、放電／充電に伴ってロス（熱等）が生成することもない。よって、燃料電池システムの効率（エネルギ収支）は向上する。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記切替電圧は、豊潤な反応ガスが通流し正常に発電する前記燃料電池のＩＶ特性に基づいて設定されていることが好ましい。
【００１７】
このような構成によれば、第１モード時（高負荷側）における燃料電池の出力（実電力）を良好に保持できる。また、第２モード時（低負荷側）における反応ガスの供給量の変化を最小限にできる。
【００１８】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電した電力を蓄電する蓄電手段を備えることが好ましい。
【００１９】
このような構成によれば、システムにおいて応答遅れ（制御遅れ）等が発生し、燃料電池の電力が余剰／不足となったとしても、蓄電手段によって、余剰の電力を充電したり、不足する電力を補足したりできる。
【００２０】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記蓄電手段が目標蓄電量となるように、前記蓄電手段の蓄電量に基づいて前記要求電力を算出することが好ましい。
【００２１】
このような構成によれば、制御手段が、蓄電手段が目標蓄電量（後記する実施形態では、ＳＯＣ：５０％）となるように、蓄電手段の蓄電量に基づいて要求電力を算出する。
これにより、燃料電池が、蓄電手段の目標蓄電量を考慮した実電力（実電圧、実電流）で発電することになる。したがって、蓄電手段が目標蓄電量となるように放電／充電でき、蓄電手段の蓄電量を好適に維持できる。
【００２２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の実電圧を前記所定電圧に固定し、前記少なくとも一方の濃度を前記負荷の要求する要求電力に追従させている間、前記燃料電池への冷媒の供給量が前記要求電力に追従するように前記冷媒供給手段を制御することが好ましい。
【００２３】
このような構成によれば、制御手段が、燃料電池の実電圧を所定電圧に固定し、前記少なくとも一方の濃度を負荷の要求電力に追従させている間、燃料電池への冷媒の供給量が要求電力に追従するように冷媒供給手段を制御する。これにより、燃料電池の温度を効率良く適切に保つことができる。
【００２４】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電が安定しているか否か判定する発電安定性判定手段を備え、前記発電安定性判定手段が前記燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、前記制御手段は、前記少なくとも一方の濃度が増加するように前記ガス供給手段を制御することが好ましい。
【００２５】
このような構成によれば、発電安定性判定手段が燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、制御手段が、前記少なくとも一方の濃度が増加するようにガス供給手段を制御する。このように、前記少なくとも一方の濃度が増加するので、燃料電池の発電が安定し易くなる。
【００２６】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電が安定しているか否か判定する発電安定性判定手段と、前記燃料電池から排出された前記少なくとも一方のオフガスを、前記燃料電池に向かう前記少なくとも一方に合流させる合流流路と、を備え、前記ガス供給手段は、前記合流流路に設けられ合流するオフガスの流量を制御するオフガス流量制御手段を含み、前記発電安定性判定手段が前記燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、前記オフガス流量制御手段はオフガスの流量を増加することが好ましい。
【００２７】
なお、前記少なくとも一方が水素を含む場合、燃料電池から排出された水素オフガス（後記する実施形態ではアノードオフガス）を燃料電池に向かう水素に合流させる。また、前記少なくとも一方が酸素を含む場合、燃料電池から排出された酸素オフガス（後記する実施形態ではカソードオフガス）を燃料電池に向かう酸素に合流させる。
【００２８】
このような構成によれば、発電安定性判定手段が燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、オフガス流量制御手段がオフガスの流量を増加するので、燃料電池に向かう混合ガス（前記少なくとも一方と、一方のオフガスとの混合ガス）の体積流量が増加すると共に、前記混合ガスに前記少なくとも一方が分散することになる。これにより、前記少なくとも一方が分散し体積流量の増加した混合ガスが、燃料電池全体に供給され易くなり、燃料電池の発電安定性を回復できる。
【００２９】
特に、燃料電池が、後記する実施形態のように、複数の単セルが積層されてなる燃料電池スタックであり、各単セルに酸素／水素を並列的に供給する構成である場合、このように体積流量が増加した混合ガスを供給することにより、全単セルに酸素／水素を均等に供給し易くなり、燃料電池スタックの発電が安定し易くなる。
【００３０】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記発電安定性判定手段が前記燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、前記オフガス流量制御手段がオフガスの流量を増加した後、前記制御手段は、外部からの新規の前記少なくとも一方の濃度が増加するように前記ガス供給手段を制御することが好ましい。
【００３１】
このような構成によれば、発電安定性判定手段が燃料電池の発電は安定していないと判定した場合、オフガス流量制御手段がオフガスの流量を増加した後、制御手段が外部からの新規の前記少なくとも一方の濃度が増加するようにガス供給手段を制御する。これにより、燃料電池に向かう混合ガス（前記少なくとも一方と、一方のオフガスとの混合ガス）の体積流量が増加するので、燃料電池全体に供給され易くなり、燃料電池の発電安定性を効率良く回復できる。
【００３２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記ガス供給手段は、酸素を含む空気を供給するエアポンプを備えることが好ましい。
【００３３】
このような構成によれば、エアポンプによって、酸素を含む空気を燃料電池に供給できる。
【００３４】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記ガス供給手段は、水素を供給する水素ポンプを備えることが好ましい。
【００３５】
このような構成によれば、水素ポンプによって、水素を燃料電池に供給できる。
【００３６】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記負荷は、車両の駆動用のモータを含み、
前記車両に搭載されることが好ましい。
【００３７】
このような構成によれば、駆動用のモータによって、車両を駆動（走行）できる。また、前記したように、燃料電池の耐久性は高く、燃料電池システムの効率は高いので、車両の耐久性及び効率も向上する。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、燃料電池の耐久性を向上させつつ、負荷要求に追従して燃料電池を発電させる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの電力制御系の構成図である。
【図３】Ｐｔ（白金）のサイクリックボルタンメトリー図である。
【図４】セル電位（セル電圧）と単セルの劣化量との関係を示すグラフである。
【図５】酸素のストイキとセル電流（単セルの電流）との関係を示すグラフである。
【図６】本実施形態に係る燃料電池システムのメインフローチャートである。
【図７】図６のシステム負荷計算処理Ｓ２００のサブフローチャートである。
【図８】図６のエネルギマネジメント・燃料電池スタックの発電制御処理Ｓ３００のサブフローチャートである。
【図９】図６のモータトルク制御処理Ｓ４００のサブフローチャートである。
【図１０】現在のモータ回転数と、燃料電池車の状態（加速中／減速中）と、モータ予想消費電力との関係を示すマップである。
【図１１】高圧バッテリのＳＯＣと充放電係数との関係を示すマップである。
【図１２】目標電流と目標酸素濃度との関係を示すマップである。
【図１３】目標酸素濃度（目標電流）とエアポンプ（冷媒ポンプ）の回転数（回転速度）との関係を示すマップである。
【図１４】目標酸素濃度（目標電流）と背圧弁の開度との関係を示すマップである。
【図１５】燃料電池スタック（単セル）の電流と、単セルの電圧（セル電圧）との関係を示すマップである。
【図１６】目標電流と空気流量との関係を示すマップである。
【図１７】循環弁の開度と循環ガスの流量との関係を示すマップである。
【図１８】本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図１９】変形例に係る燃料電池システムの電力制御系の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図１８を参照して説明する。
【００４１】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０（燃料電池）と、セル電圧モニタ１４と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０を経由するように冷媒を循環（通流）させる冷媒系と、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力を制御する電力制御系と、これらを電子制御する制御手段であるＥＣＵ８０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
なお、燃料ガス、酸化剤ガスの具体的種類はこれに限定されない。
【００４２】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜６００枚）の固体高分子型の単セル（燃料電池）が積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００４３】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
【００４４】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。また、このようなアノード流路１１、カソード流路１２は、特に単セルの全面に水素、空気を供給するべく、複数に分岐、合流等しており、その流路断面積は極小となっている。
【００４５】
そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と後記するモータ５１等の負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００４６】
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００４７】
このように燃料電池スタック１０が発電すると、水分（水蒸気）がカソードで生成し、カソード流路１２から排出されるカソードオフガスは多湿となる。
【００４８】
また、各セパレータには、各単セルを冷却するための冷媒が通流させるための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔が冷媒流路１３として機能している。
【００４９】
ところで、このような燃料電池スタック１０では、モータ５１等の負荷が要求する要求電力の変動に対応して、低電位側での発電、高電位側での発電が繰り返し実行される。そうすると、アノード、カソードに含まれる触媒表面で、式（３）の酸化反応、式（４）の還元反応が、繰り返して行われてしまい、その結果、触媒の溶出やシンタリング現象（触媒の凝集）が誘発され、燃料電池スタック１０の出力特性が低下する虞がある。
なお、式（３）、式（４）は、触媒が白金（Ｐｔ）である場合を例示している。
【００５０】
Ｐｔ＋２Ｈ２Ｏ→Ｐｔ（ＯＨ）２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  …（３）
Ｐｔ（ＯＨ）２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｐｔ＋２Ｈ２Ｏ  …（４）
【００５１】
触媒が白金（Ｐｔ）である場合について、図３、図４を参照して、さらに説明する。
燃料電池スタック１０に豊潤な水素、空気（酸素）を通流させ、燃料電池スタック１０（単セル）を正常に発電させ、燃料電池スタック１０が通常のＩＶ特性に基づいて発電する場合において（図１５参照）、セル電位（セル電圧、単セルの電圧）が０.８Ｖ以下の領域では、式（４）の還元反応が主に進行し、還元電流が主に通流する。
なお、豊潤な酸素とは、図５に示すように、ストイキ（酸素濃度）を上昇させても、セル電流（単セルの出力する電流）が略一定となり、飽和した状態となる通常ストイキ以上の領域における酸素を意味する。水素についても同様である。
【００５２】
セル電位が０．８〜０．９Ｖの領域では、式（３）の酸化反応、式（４）の還元反応の両方が進行し、酸化電流、還元電流の両方が通流し易くなっている。なお、本願発明者等は、式（３）の酸化反応後、続いて、式（４）の還元反応が進行すると、つまり、白金の酸化反応及び還元反応が同時期に頻繁に繰り返され、白金が溶出してしまい、ＭＥＡの劣化が進む（図４の劣化量が大きくなる）という知見を得ている。
【００５３】
セル電位が０．９Ｖ以上の領域では、式（３）の酸化反応が主に進行し、酸化電流が主に通流する。
なお、図３に実戦で示す酸化電流、還元電流は、セル電位（セル電圧）の変動の速度（燃料電池車の加速／減速）に対応して、破線で示すようにシフトするので、セル電位の変動の速度（燃料電池車の加速／減速）に対応して、取得することが好ましい。
【００５４】
一方、単セル（燃料電池スタック１０）は、図１５に示すＩＶ特性（ＩＶ曲線）を有しており、単セルの出力する実電流（セル電流）が大きくなるにつれて、実電圧（セル電圧）が徐々に小さくなる傾向となっている。
【００５５】
したがって、モータ５１等からの要求電力（目標電力）が小さくなり、セル電圧が０.８Ｖよりも大きくなると、式（３）の酸化反応と、式（４）の還元反応との両方が進行し、つまり、白金の酸化反応及び還元反応が同時期に頻繁に繰り返されてしまい、単セル（燃料電池スタック１０）の劣化が進んでしまう虞がある。
【００５６】
そこで、本実施形態では、要求電力が小さくなったとしても、セル電圧を０．８Ｖ（切替電圧、所定電圧）で固定しつつ、酸素濃度を低下（変化）させることでＩＶ特性を変化させ、単セル（燃料電池スタック１０）の出力する実電流を小さくし（図１５参照）、単セル（燃料電池スタック１０）の発電を、要求電力（目標電力）に追従させ、つまり、単セル（燃料電池スタック１０）を過不足無く発電させ、後記する高圧バッテリ５３における充電／放電の頻度を少なくし、充電／放電に伴う損失（ロス、例えば熱）を低減することを特徴としている。
【００５７】
すなわち、本実施形態では、０．８Ｖを、「白金（触媒）の酸化還元の進行する酸化還元進行電圧範囲（０.８〜０．９Ｖ）外であって、酸化還元進行電圧範囲以下の切替電圧（所定電圧）」とした場合を例示する。ただし、切替電圧及び所定電圧が０．８Ｖに限定されることはない。
【００５８】
＜セル電圧モニタ＞
図１に戻って説明を続ける。
セル電圧モニタ１４（発電状態検出手段）は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスと、を備えている。モニタ本体は、所定周期で全ての単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧を検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１４）は、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ８０に出力するようになっている。
【００５９】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス供給手段、反応ガス供給手段）と、レギュレータ２２と、エゼクタ２３、常閉型のパージ弁２４と、を備えている。
【００６０】
水素タンク２１は、配管２１ａ、レギュレータ２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、配管２３ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、水素タンク２１の水素が、配管２１ａ等を通って、アノード流路１１に供給されるようになっている。なお、配管２１ａには、常閉型の遮断弁（図示しない）が設けられており、燃料電池スタック１０の発電時、ＥＣＵ８０が前記遮断弁を開くようになっている。
【００６１】
レギュレータ２２は、その二次側（下流側）の水素の圧力を適宜に調整するものである。すなわち、レギュレータ２２は、配管２２ｂを介してパイロット圧として入力されるカソード側の空気の圧力にバランスするように、二次側の圧力（アノード側の水素の圧力）を制御するようになっている。すなわち、アノード側の水素の圧力は、カソード側の空気の圧力に連動し、後記するように、酸素濃度を変化させるべくエアポンプ３１の回転数等を可変すると、アノード側の水素の圧力も可変するようになっている。
【００６２】
エゼクタ２３は、水素タンク２１からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管２３ｂのアノードオフガスを吸引するものである。
【００６３】
アノード流路１１の出口は、配管２３ｂを介して、エゼクタ２３の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスは、配管２３ｂを通って、エゼクタ２３に向かい、アノードオフガス（水素）が循環するようになっている。
なお、アノードオフガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素、及び、水蒸気を含んでいる。また、配管２３ｂには、アノードオフガスに含まれる水分（凝縮水（液体）、水蒸気（気体））を分離・回収する気液分離器（図示しない）が設けられている。
【００６４】
配管２３ｂの途中は、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂを介して、後記する配管３３ｂに設けられた希釈器（図示しない）に接続されている。パージ弁２４は、燃料電池スタック１０の発電が安定していないと判定された場合、ＥＣＵ８０によって所定開弁時間にて、開かれる設定となっている。前記希釈器は、パージ弁２４からのアノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈するものである。
【００６５】
＜カソード系＞
カソード系は、エアポンプ３１（コンプレッサ、圧縮機、反応ガス供給手段）と、加湿器３２と、常開型の背圧弁３３（反応ガス供給手段）と、常開型の循環弁３４（オフガス流量制御手段、ガス供給手段）と、流量センサ３５、３６と、温度センサ３７と、を備えている。
【００６６】
エアポンプ３１の吸気口は、配管３１ａを介して、車外（外部）と連通している。エアポンプ３１の吐出口は、配管３１ｂ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。
そして、エアポンプ３１がＥＣＵ８０の指令に従って作動すると、エアポンプ３１は、配管３１ａを介して車外の空気を吸気して圧縮し、この圧縮された空気が配管３１ｂ等を通ってカソード流路１２に圧送されるようになっている。
【００６７】
加湿器３２は、水分透過性を有する複数の中空糸膜３２ｅを備えている。そして、加湿器３２は、中空糸膜３２ｅを介して、カソード流路１２に向かう空気とカソード流路１２から排出された多湿のカソードオフガスとを水分交換させ、カソード流路１２に向かう空気を加湿するようになっている。
【００６８】
カソード流路１２の出口には、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３３ａ、背圧弁３３、配管３３ｂが接続されている。そして、カソード流路１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、配管３２ｂ等を通って、車外に排出されるようになっている。
なお、配管３３ｂには、前記した希釈器（図示しない）が設けられている。
【００６９】
背圧弁３３は、例えばバタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ８０によって制御されることで、カソード流路１２における空気の圧力を制御するものである。詳細には、背圧弁３３の開度が小さくなると、カソード流路１２における空気の圧力が上昇し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が高くなる。逆に、背圧弁３３の開度が大きくなると、カソード流路１２における空気の圧力が下降し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が低くなる。
【００７０】
前記希釈器の下流側の配管３３ｂは、配管３４ａ、循環弁３４、配管３４ｂを介して、配管３１ａに接続されている。これにより、排気ガス（カソードオフガス）の一部が、循環ガスとして、配管３４ａ、配管３４ｂを通って、配管３１ａに供給され、車外からの新規空気に合流し、エアポンプ３１に吸気されるようになっている。なお、循環ガスとしてのカソードオフガスは前記したように多湿であるから、このように新規空気に合流させることにより、加湿器３２の小型化も可能となる。
【００７１】
したがって、本実施形態において、カソードオフガスをカソードに向かう新規空気に合流させる合流流路は、配管３４ａと配管３４ｂとを備えて構成されている。そして、この合流流路に循環弁３４が設けられている。
【００７２】
循環弁３４は、例えばバタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ８０によって制御されることで、配管３１ａに向かう循環ガスの流量を制御するものである。
【００７３】
流量センサ３５は、配管３１ｂに取り付けられており、カソード流路１２に向かう空気の流量（ｇ／ｓ）を検出し、ＥＣＵ８０に出力するようになっている。
【００７４】
流量センサ３６は、配管３４ｂに取り付けられており、配管３１ａに向かう循環ガスの流量（ｇ／ｓ）を検出し、ＥＣＵ８０に出力するようになっている。
【００７５】
温度センサ３７は、配管３３ａに取り付けられており、カソードオフガスの温度を検出し、ＥＣＵ８０に出力するようになっている。ここで、前記した循環ガスの温度は、カソードオフガスの温度を略等しいので、温度センサ３７の検出するカソードオフガスの温度に基づいて、循環ガスの温度が検知されることになる。
【００７６】
＜冷媒系＞
冷媒系は、冷媒ポンプ４１と、ラジエータ４２（放熱器）と、を備えている。
【００７７】
冷媒ポンプ４１の吐出口は、配管４１ａ、冷媒流路１３、配管４２ａ、ラジエータ４２、配管４２ｂを順に介して、冷媒ポンプ４１の吸込口に接続されている。そして、ＥＣＵ８０の指令に従って冷媒ポンプ４１が作動すると、冷媒が冷媒流路１３とラジエータ４２との間で循環し、燃料電池スタック１０が適宜に冷却されるように構成されている。
【００７８】
＜電力制御系＞
次に、電力制御系について、図２を参照して説明する。
電力制御系は、高電圧の電力で動作する高電圧系と、低電圧（例えば１２Ｖ）の電力で動作する低電圧系と、を備えている。
【００７９】
高電圧系は、モータ５１（モータ・ジェネレータ）と、ＰＤＵ５２（Power Drive Unit: 動力駆動装置）と、高圧バッテリ５３（蓄電手段）と、ＳＯＣセンサ５４と、第１コンバータ５５（ＤＣ／ＤＣコンバータ、電圧制御手段）と、車両用のエアコン５６（空調装置）と、第２コンバータ５７（ＤＣ／ＤＣコンバータ）と、を備えている。
【００８０】
モータ５１は、燃料電池車の動力源となる走行用の電動モータである。また、モータ５１は、燃料電池車の減速時、ジェネレータ（発電機）として機能し、回生電力を発生するようになっている。そして、モータ５１は、ＰＤＵ５２を介して、燃料電池スタック１０の出力端子に接続されている。
【００８１】
ＰＤＵ５２は、ＥＣＵ８０からの指令に従って、燃料電池スタック１０及び／又は高圧バッテリ５３からの直流電力を、三相交流電力に変換し、モータ５１に供給するインバータである。また、ＰＤＵ５２は、モータ５１からの回生電力を、高圧バッテリ５３に供給するようになっている。
【００８２】
高圧バッテリ５３は、第１コンバータ５５を介して、燃料電池スタック１０とＰＤＵ５２との間に接続されている。すなわち、燃料電池スタック１０とモータ５１と高圧バッテリ５３の接続点から見て、第１コンバータ５５は高圧バッテリ５３側に配置されている。
【００８３】
高圧バッテリ５３は、燃料電池スタック１０の余剰電力、モータ５１の回生電力を充電したり、燃料電池スタック１０の不足電力をアシスト（補助）したりするものである。このような高圧バッテリ５３は、例えば、リチウムイオン型の単電池を複数組み合わせてなる組電池を備える。
【００８４】
ＳＯＣセンサ５４は、高圧バッテリ５３のＳＯＣ（State of Charge、充電状態（％））を検出するセンサであり、電圧センサと電流センサとを備えている。そして、ＳＯＣセンサ５４は、高圧バッテリ５３のＳＯＣをＥＣＵ８０に出力するようになっている。
【００８５】
第１コンバータ５５は、ＥＣＵ８０によって制御され、電圧を昇降圧可能なＤＣ／ＤＣコンバータである。そして、第１コンバータ５５の燃料電池スタック１０側の端子電圧が適宜に制御されることで、燃料電池スタック１０の発電電力（実電流、実電圧）が制御されるようになっている。
【００８６】
エアポンプ３１、冷媒ポンプ４１、エアコン５６（冷媒圧縮用のコンプレッサ）、及び、第２コンバータ５７は、燃料電池スタック１０及び高圧バッテリ５３に対して、ＰＤＵ５２（モータ５１）と並列に接続されている。
なお、第２コンバータ５７は、ＥＣＵ８０からの指令に従って、燃料電池スタック１０、高圧バッテリ５３、モータ５１からの高圧の電力を、低圧（１２Ｖ）の電力に変換し、低電圧系に供給するものである。
【００８７】
低電圧系は、低圧バッテリ６１（１２Ｖバッテリ）と、アクセサリ６２と、ＥＣＵ８０と、を備えている。そして、低圧バッテリ６１、アクセサリ６２、及び、ＥＣＵ８０は、第２コンバータ５７に対して並列で接続されている。
【００８８】
低圧バッテリ６１は、アクセサリ６２及びＥＣＵ８０の電源である。また、低圧バッテリ６１のＳＯＣ（％）はＳＯＣセンサ（図示しない）で検出され、ＥＣＵ８０に出力されるようになっている。さらに、低圧バッテリ６１には、第２コンバータ５７からの電力が適宜に充電されるようになっている。
アクセサリ６２は、例えば、ヘッドライト、室内灯である。
【００８９】
図１に戻って説明を続ける。
ＩＧ７１は、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに配置されている。そして、ＩＧ７１は、そのＯＮ／ＯＦＦ信号をＥＣＵ８０に出力するようになっている。
【００９０】
アクセル７２は、運転者が燃料電池車を加速させるために踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセル７２は、アクセル開度（踏み込み量）をＥＣＵ８０に出力するようになっている。
【００９１】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、エアポンプ３１、背圧弁３３、循環弁３４等の各種機器を制御するようになっている。
【００９２】
＜ＥＣＵ−モード切替・運転機能＞
ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を、単セルの目標電圧と切替電圧（０.８Ｖ）とに基づいて、第１モードと第２モードとの間で切り替え、運転させる機能を備えている。
【００９３】
第１モードは、単セルの目標電圧が切替電圧以下である場合、単セルの実電圧を目標電圧に追従させるモードである。
第２モードは、単セルの目標電圧が切替電圧以下でない場合、単セルの実電圧を切替電圧で維持しつつ、空気の供給量（酸素濃度）を変化することによって単セルのＩＶ特性を変化することで、単セルの実電流を変化させ、単セルの出力する実電力を要求電力に追従させるモードである。
【００９４】
＜ＥＣＵ−発電安定性判定機能＞
ＥＣＵ８０（発電安定性判定手段）は、燃料電池スタック１０の発電が安定しているか否か判定する発電安定性判定機能を備えている。
具体的には、ＥＣＵ８０は、セル電圧モニタ１４から入力される最低セル電圧が、平均セル電圧から所定電圧を減算した電圧よりも低い場合（最低セル電圧＜「平均セル電圧−所定電圧」）、燃料電池スタック１０の発電は不安定であると判定するように構成されている。なお、前記所定電圧は、事前試験等により適宜に設定される。
【００９５】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図６〜図１７を参照して説明する。
【００９６】
＜基本動作＞
図６を参照して、燃料電池システム１の基本動作を説明する。
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ８０は、ＩＧ７１がＯＮされたか否か判定する。
ＩＧ７１はＯＮされたと判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理は、ステップＳ１０２に進む。一方、ＩＧ７１はＯＮされていないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０はステップＳ１０１の判定を繰り返す。
【００９７】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０の発電開始処理を実行する。
具体的には、ＥＣＵ８０は、配管２１ａに設けられた遮断弁（図示しない）を開いてアノード流路１１に水素を供給し、エアポンプ３１を作動させてカソード流路１２に空気を供給する。また、ＥＣＵ８０は、冷媒ポンプ４１を作動させ、冷媒を循環させる。
【００９８】
ステップＳ２００において、ＥＣＵ８０は、システムの負荷全体（モータ５１、アクセサリ６２）が要求するシステム負荷（システム予想消費電力）を算出するシステム負荷算出処理を実行する。具体的な内容は、後で説明する。
【００９９】
ステップＳ３００において、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１全体のエネルギマネジメント処理と、燃料電池スタック１０の発電制御処理と、を実行する。具体的な内容は、後で説明する。
【０１００】
ステップＳ４００において、ＥＣＵ８０は、モータ５１のトルクを制御するモータトルク制御処理を実行する。具体的な内容は、後で説明する。
【０１０１】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ８０は、ＩＧ７１がＯＦＦされたか否か判定する。
ＩＧ７１はＯＦＦされたと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、ＩＧ７１はＯＦＦされていないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ２００に進む。
【０１０２】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０の発電停止処理を実行する。
具体的には、ＥＣＵ８０は、配管２１ａに設けられた遮断弁（図示しない）を閉じて水素を遮断し、エアポンプ３１及び冷媒ポンプ４１を停止し、燃料電池スタック１０の発電を停止する。
【０１０３】
その後、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０１に進む。
【０１０４】
＜システム負荷計算処理＞
次に、図７を参照して、システム負荷計算処理Ｓ２００を説明する。
【０１０５】
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ８０は、現在のアクセル７２の開度（アクセル開度）を読み込む。
【０１０６】
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ８０は、この後におけるモータ５１の予想消費電力を、現在のモータ５１の回転数（ｒｐｍ、回転速度）と、燃料電池車の加速／減速の程度と、図１０のマップとに基づいて算出する。図１０のマップは、事前試験やシミュレーション等によって求められ、ＥＣＵ８０に予め記憶されている。加速／減速の程度は、アクセル開度（又はその変化量）や、車速センサ（図示しない）の検出する燃料電池車の車速の変化、等に基づいて算出される。現在のモータ５１の回転数は、モータ５１の出力軸に取り付けられた回転数センサ（図示しない）等によって検出される。
【０１０７】
なお、図１０において、モータ予想消費電力が「プラス」である場合、モータ５１が電力を消費すると予想されることを示し、モータ予想消費電力が「マイナス」である場合、モータ５１が回生電力を発生すると予想されることを示している。
【０１０８】
図１０に示すように、燃料電池車が加速中である場合、現在のモータ５１の回転数が大きくなるにつれて、また、加速の程度が大きくなるにつれて、モータ予想消費電力がプラス側に大きくなる関係となっている。
一方、燃料電池車が減速中である場合、現在のモータ５１の回転数が大きくなるにつれて、また、減速の程度が大きくなるにつれて、モータ予想消費電力がマイナス側に大きくなる関係（回生電力が大きくなる関係）となっている。
【０１０９】
ステップＳ２０３において、ＥＣＵ８０は、この後における補機の予想消費電力を算出する。
ここで、補機は、高電圧系の補機（エアポンプ３１、冷媒ポンプ４１、エアコン５６）と、低電圧系の補機（低圧バッテリ６１、アクセサリ６２）と、に分けられるので（図２参照）、補機の予想消費電力は、高電圧系の補機の予想消費電力と、低電圧系の補機の予想消費電力と、を加算することで得られる（式（５）参照）。
【０１１０】
補機予想消費電力＝高圧系補機の予想消費電力＋低圧系補機の予想消費電力  …（５）
【０１１１】
エアポンプ３１の予想消費電力は、ここでは、前回のステップＳ３０６（図８参照）で消費した電力を採用する。
冷媒ポンプ４１の予想消費電力は、ここでは、前回のステップＳ３０６（図８参照）で消費した電力を採用する。
エアコン５６の予想消費電力は、エアコン５６を操作する操作パネル（図示しない）からの情報（風量：大・中・小、等）に基づいて算出される。
【０１１２】
低圧バッテリ６１の予想消費電力は、低圧バッテリ６１に取り付けられた前記ＳＯＣセンサ（図示しない）からの現在のＳＯＣに基づいて算出され、例えば、現在のＳＯＣが目標ＳＯＣよりも小さい場合、低圧バッテリ６１の予想消費電力は、充電側に対応するプラス側に算出される。
アクセサリ６２の予想消費電力は、アクセサリ６２の作動状態（ヘッドライトのＯＮ／ＯＦＦ等）に基づいて算出される。
【０１１３】
ステップＳ２０４において、ＥＣＵ８０は、この後における燃料電池システム１全体の予想消費電力（システム予想消費電力、要求電力）を算出する。システム予想消費電力は、ステップＳ２０２で算出したモータ予想消費電力と、ステップＳ２０３で算出した補機予想消費電力と、を加算することで得られる（式（６）参照）。
【０１１４】
システム予想消費電力＝モータ予想消費電力＋補機予想消費電力  …（６）
【０１１５】
その後、ＥＣＵ８０の処理は、エンドを通って、図６のステップＳ３００に進む。
【０１１６】
＜エネルギマネジメント処理・燃料電池スタックの発電制御処理Ｓ３００＞
次に、図８を参照して、エネルギマネジメント処理・燃料電池スタック１０の発電制御処理Ｓ３００を説明する。
なお、初期状態において、循環弁３４の開度は略０°（全閉状態）であり、循環ガスの流量（ｇ／ｓ）は略０である。
【０１１７】
ステップＳ３０１において、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０が出力するべき目標電力（要求電力）を算出する。目標電力は、ステップＳ２０４で算出したシステム予想消費電力と、高圧バッテリ５３の充放電係数とを乗算することで得られる（式（７）参照）。
【０１１８】
目標電力＝システム予想消費電力×充放電係数  …（７）
【０１１９】
高圧バッテリ５３の充放電係数は、ＳＯＣセンサ５４から入力される現在のＳＯＣと、図１１のマップとに基づいて算出される。図１１のマップは、事前試験等に求められ、ＥＣＵ８０に予め記憶されている。また、ここでは、高圧バッテリ５３の目標ＳＯＣ（目標蓄電量）を５０（％）とした場合を例示するが、これに限定されることはない。
【０１２０】
図１１に示すように、ＳＯＣが５０（％）よりも小さい領域では、燃料電池スタック１０の発電が余剰し、その余剰電力が高圧バッテリ５３に充電されるように、充放電係数が「１」よりも大きくなる傾向となっている。
一方、ＳＯＣが５０（％）よりも大きい領域では、燃料電池スタック１０の発電が不足し、その不足電力を補うように高圧バッテリ５３が放電するように、充放電係数が「１」よりも小さくなる傾向となっている。
【０１２１】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ３０１で算出した目標電力が、所定電力以下であるか否か判定する。
所定電力は、「触媒が劣化しないと判断されるセル電圧（０．８Ｖ、切替電圧、所定電圧）」と、「燃料電池スタック１０を構成する単セル数」と、「燃料電池スタック１０の通常のＩＶ特性（ＩＶ曲線、図１５参照）においてセル電圧を０．８Ｖとした場合における電流値」とを乗算することで与えられる固定値である（式（８）参照）。
【０１２２】
所定電力＝０．８Ｖ（切替電圧、所定電圧）×単セル数×通常ＩＶの電流値  …（８）
【０１２３】
目標電力は所定電力以下であると判定した場合（Ｓ３０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ３０３に進む。一方、目標電力は所定電力以下でないと判定した場合（Ｓ３０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ３５０に進む。
【０１２４】
なお、本実施形態では、目標電力は所定電力以下であると判定される場合が（低負荷側）、単セルの目標電圧が切替電圧（０．８Ｖ）以下でない場合、に相当し、その後、前記した第２モードが実行されることになる。
一方、目標電力は所定電力以下でないと判定される場合が、単セルの目標電圧が切替電圧（０．８Ｖ）以下である場合、に相当し、その後、前記した第１モードが実行されることになる。
【０１２５】
＜第２モード＞
ステップＳ３０３において、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０全体の目標電圧（スタック目標電圧）を所定値とする。所定値は、「触媒が劣化しないと判断されるセル電圧（０．８Ｖ）」と、「燃料電池スタック１０を構成する単セル数」とを積算することで得られる（式（９）参照）。
【０１２６】
所定値＝０．８Ｖ（切替電圧、所定電圧）×単セル数  …（９）
【０１２７】
そして、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０全体の目標電圧が前記所定値で固定（維持）されるように、第１コンバータ５５を制御する。具体的には、第１コンバータ５５の燃料電池スタック１０側の電圧を前記所定値とする。
これにより、単セルの実電圧は、触媒が劣化しないと判断されるセル電圧（０．８Ｖ）以下となるので、触媒の酸化反応及び還元反応が同時期に頻繁に繰り返されることは防止され（図３参照）、触媒が劣化（溶出）し難くなる（図４参照）。
【０１２８】
ステップＳ３０４において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ３０１で算出した目標電力となる目標電流を算出する。目標電流は、ステップＳ３０１で算出した目標電力を、ステップＳ３０３のスタック目標電圧（所定値）で除算することにより得られる（式（１０）参照）。これにより、目標電流が目標電力に追従することになる。
ここで、燃料電池スタック１０は、複数の単セルが直列に接続されることで構成されているから、前記目標電流は、燃料電池スタック１０全体を通流する電流（スタック電流）と、各単セルを通流する電流（セル電流）と、等しくなる。
【０１２９】
目標電流＝目標電力／所定値  …（１０）
【０１３０】
ステップＳ３０５において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ３０４で算出した目標電流と、図１２のマップとに基づいて、カソード流路１２を通流する空気の目標酸素濃度（単位体積流量当たりの酸素濃度）を算出する。
なお、図１２のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ８０に予め記憶されている。また、図１２に示すように、目標電流が小さくなるにつれて、目標酸素濃度が低くなる関係となっている。これにより、目標酸素濃度が、目標電流（目標電力）に追従することなる。
【０１３１】
ステップＳ３０６において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ３０５で算出した目標酸素濃度（目標電流）と、図１３、図１４のマップとに基づいて、エアポンプ３１の目標回転数と、冷媒ポンプ４１の目標回転数と、背圧弁３３の目標開度とをそれぞれ算出する。
なお、図１３、図１４のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ８０に予め記憶されている。また、目標酸素濃度が低くなるにつれて、エアポンプ３１及び冷媒ポンプ４１の目標回転数は低くなる関係となっており、背圧弁３３の目標開度は大きくなる関係となっている。
【０１３２】
そして、ＥＣＵ８０は、このようにして算出した目標回転数となるようにエアポンプ３１及び冷媒ポンプ４１を制御し、目標開度となるように背圧弁３３を制御する。これにより、燃料電池スタック１０への冷媒の供給量は目標酸素濃度（目標電流、目標電力）に追従することになる。
【０１３３】
そうすると、図１５に示すように、単セルにおいて、セル電圧が０.８Ｖに固定されたままで、目標酸素濃度に対応して、セル電流（燃料電池スタック１０の電流）が可変し、燃料電池スタック１０の出力する実電力が、ステップＳ３０１の目標電力になる。
すなわち、燃料電池スタック１０の電圧は所定値で固定されているものの、燃料電池スタック１０の実電流が可変され、燃料電池スタック１０の実電力が目標電力に追従することになる。
【０１３４】
なお、このように制御した後、流量センサ３５を介してカソード流路１２を通流する空気の流量（ｇ／ｓ）を検出し、圧力センサ（図示しない）を介してカソード流路１２を通流する空気の圧力を検出し、検出された流量及び圧力に基づいて、エアポンプ３１の回転数、冷媒ポンプ４１の回転数及び背圧弁３３の開度を、フィードバック制御することが好ましい。
【０１３５】
ステップＳ３０７において、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０の発電が安定しているか否か判定する。
【０１３６】
燃料電池スタック１０の発電は安定していると判定した場合（Ｓ３０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はエンドを通って、図６のステップＳ４００に進む。一方、燃料電池スタック１０の発電は安定していない（不安定である）と判定した場合（Ｓ３０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理は、ステップＳ３０８に進む。
【０１３７】
ステップＳ３０８において、ＥＣＵ８０は、流量センサ３６を介して循環ガスの流量（ｇ／ｓ）を監視しながら、循環弁３４の開度を大きくし、循環ガスの流量を一段階増加する（図１６参照）。
なお、各段階における循環ガスの増加量は適宜に設定され、図１６では、循環弁３４を全開とした場合、循環ガスの流量が４段階目の増加となり、最大流量となる場合を例示している。
【０１３８】
そうすると、エアポンプ３１に吸気される吸気ガスにおいて、循環ガスの割合が増加する。すなわち、前記吸気ガスについて、新規空気（車外から吸気される空気）と、循環ガスとの割合において、循環ガスの割合が増加するように変化する。ここで、循環ガス（カソードオフガス）の酸素濃度は、新規空気の酸素濃度に対して低いので、循環弁３４の流量の制御前後において、エアポンプ３１の回転数、背圧弁３３の開度が同一である場合、カソード流路１２を通流するガスの酸素濃度が低下することになる。
【０１３９】
そこで、ステップＳ３０８における循環ガスの流量の制御前後において、ステップＳ３０５で算出した目標酸素濃度で維持されるように、循環ガスの流量の増加に連動して、エアポンプ３１の回転数の増加、及び／又は、背圧弁３３の開度の減少、を実行することが好ましい。
すなわち、例えば、循環ガスの流量を増加した場合、エアポンプ３１の回転数を増加させ、新規空気の流量を増加することが好ましい。そして、このようにすれば、カソード流路１２に向かうガス（新規空気と循環ガスとの混合ガス）全体の流量が増加するので、全単セルへの酸素の分配能力が向上し、燃料電池スタック１０の発電性能が回復し易くなる。
【０１４０】
このようにして、目標酸素濃度を維持しつつ、循環ガスを新規空気に合流させるので、カソード流路１２を通流するガスの体積流量（Ｌ／ｓ）が増加する。これにより、目標酸素濃度が維持されつつ体積流量の増加したガスが、燃料電池スタック１０内で複雑に形成されたカソード流路１２全体に行き渡り易くなる。したがって、各単セルに前記ガスが同様に供給され易くなり、燃料電池スタック１０の発電の不安定が解消され易くなる。また、ＭＥＡの表面やカソード流路１２を囲む壁面に付着する水滴（凝縮水等）も除去され易くなる。
【０１４１】
ステップＳ３０９において、ＥＣＵ８０は、流量センサ３６を介して検出される循環ガスの流量が上限値以上であるか否か判定する。判定基準となる上限値は、循環弁３４の開度が全開となる値に設定される。
この場合において、循環弁３４の開度が同一であっても、エアポンプ３１の回転数が増加すると、流量センサ３６で検出される循環ガスの流量が増加するので、前記上限値は、エアポンプ３１の回転数に関連付けて、つまり、エアポンプ３１の回転数が大きくなると、前記上限値が大きくなるように設定されることが好ましい。
【０１４２】
循環ガスの流量は上限値以上であると判定した場合（Ｓ３０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理は、ステップＳ３１０に進む。一方、循環ガスの流量は上限値以上でないと判定した場合（Ｓ３０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理は、ステップＳ３０７に進む。
【０１４３】
ここで、ステップＳ３０８、Ｓ３０９では、流量センサ３６が直接検出する循環ガスの流量に基づいて、処理を実行したが、循環弁３４の開度に基づいて、処理を実行してもよい。すなわち、ステップＳ３０８において、循環弁３４の開度を開方向に一段階（例えば３０°）にて増加する構成とし、ステップＳ３０９において、循環弁３４が全開である場合（Ｓ３０９・Ｙｅｓ）、ステップＳ３１０に進む構成としてもよい。
【０１４４】
また、この場合において、循環弁３４の開度と、循環ガスの温度と、図１７のマップとに基づいて、循環ガスの流量（ｇ／ｓ）を算出することもできる。図１７に示すように、循環ガスの温度が高くなるにつれて、その密度が小さくなるので、流量（ｇ／ｓ）が小さくなる関係となっている。
【０１４５】
図８に戻って説明を続ける。
ステップＳ３１０において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ３０７と同様に、燃料電池スタック１０の発電が安定しているか否か判定する。
燃料電池スタック１０の発電は安定していると判定した場合（Ｓ３１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理は、エンドを通って、図６のステップＳ４００に進む。一方、燃料電池スタック１０の発電は安定していないと判定した場合（Ｓ３１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ３１１に進む。
【０１４６】
ステップＳ３１１において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ３０５で算出した目標酸素濃度を一段階増加させ、この一段階増加後の目標酸素濃度となるように、エアポンプ３１の回転数の増加、及び／又は、背圧弁３３の開度の減少、を実行する。目標酸素濃度の一段階の増加の程度は、事前試験等により適宜に設定される。
【０１４７】
ステップＳ３１２において、ＥＣＵ８０は、現在の目標酸素濃度（Ｓ３１１で増加後の目標酸素濃度）が通常のＩＶ特性における目標酸素濃度以下であるか否か判定する。通常のＩＶ特性における目標酸素濃度とは、過不足なく豊潤な水素及び空気（酸素）を供給され通常に発電する燃料電池スタック１０のＩＶ特性（ＩＶ曲線）において、セル電圧を０．８Ｖとした場合における目標電流に対応した酸素濃度である（図１５参照）。
【０１４８】
現在の目標酸素濃度は通常のＩＶ特性における目標酸素濃度以下であると判定した場合（Ｓ３１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ３１０に進む。一方、現在の目標酸素濃度は通常のＩＶ特性における目標酸素濃度以下でないと判定した場合（Ｓ３１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ３１３に進む。
【０１４９】
ステップＳ３１３において、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を停止する。すなわち、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０への水素及び空気の供給を停止し、燃料電池スタック１０の発電を停止する。そして、ＥＣＵ８０は、警告ランプ（報知手段）を点灯（作動）させ、運転者に燃料電池スタック１０が異常であることを報知することが好ましい。また、ＥＣＵ８０は、高圧バッテリ５３からモータ５１（ＰＤＵ５２）に電力供給し、燃料電池車の走行は継続させることが好ましい。
【０１５０】
＜通常制御＞
次に、ステップＳ３０２の判定結果がＮｏの場合に進むステップＳ３５０について説明する。
ステップＳ３５０において、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を通常に制御し、通常のＩＶ特性に従って燃料電池スタック１０を通常に発電させる。すなわち、燃料電池スタック１０に過不足ない豊潤な水素及び空気（酸素）を供給しつつ、ステップＳ３０１で算出した目標電力が出力されるように、燃料電池スタック１０の実電流、実電圧を可変させる（図１５参照）。
【０１５１】
その後、ＥＣＵ８０の処理は、エンドを通って、図６のステップＳ４００に進む。
【０１５２】
＜モータトルク制御＞
次に、図９を参照して、モータトルク制御処理Ｓ４００を説明する。
【０１５３】
ステップＳ４０１において、ＥＣＵ８０は、電源供給限界出力（Ｗ）を算出する。電力供給限界出力は、現在の燃料電池スタック１０の出力（実電力）と高圧バッテリ５３の限界出力とを加算したものから、補機消費電力を減算することで得られる（式（１１）参照）。
【０１５４】
電源供給限界出力＝ＦＣスタック出力＋高圧バッテリ限界出力＋補機消費電力  …（１１）
【０１５５】
高圧バッテリ５３の限界出力は、その仕様（定格等）に基づいて定められる固定値である。補機消費電力は、ここでは、ステップＳ２０３で算出したものを採用する。
【０１５６】
ステップＳ４０２において、ＥＣＵ８０は、モータ５１のトルク制限値を算出する。トルク制限値は、ステップＳ４０１で算出した電源供給限界出力を、燃料電池車の現在の車速で除算することで得られる（式（１２）参照）。なお、燃料電池車の車速は、図示しない車速センサを介して検出される。
【０１５７】
トルク制限値＝電源供給限界出力／車速  …（１２）
【０１５８】
ステップＳ４０３において、ＥＣＵ８０は、モータ５１の最終目標トルクを算出する。
具体的には、ＥＣＵ８０は、アクセル開度等に基づいて、マップ検索により、モータ５１の目標トルクを算出し、この目標トルクに対して、ステップＳ４０２で算出したトルク制限値で制限し、最終目標トルクを算出する。
そして、ＥＣＵ８０は、この最終目標トルクがモータ５１生成するように、ＰＤＵ５２を制御する。
【０１５９】
その後、ＥＣＵ８０の処理は、エンドを通って、図６のステップＳ１０３に進む。
【０１６０】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
目標電力が所定電力以下でない場合（Ｓ３０２・Ｎｏ）、つまり、単セルの目標電圧が切替電圧（０．８Ｖ）以下である場合、燃料電池システム１が第１モードで運転し、燃料電池スタック１０の実電力が目標電力に追従するので（Ｓ３５０）、燃料電池スタック１０の発電が余剰／不足を抑制することができる。よって、高圧バッテリ５３における充電／放電の頻度が少なくなり、ロスが少なくなる。
【０１６１】
一方、目標電力が所定電力以下である場合（Ｓ３０２・Ｙｅｓ）、つまり、単セルの目標電圧が切替電圧（０．８Ｖ）以上である場合、燃料電池スタック１０の実電圧を所定値に固定するので（Ｓ３０３）、つまり、単セルの実電圧を切替電圧（０．８Ｖ）に固定するので、触媒の溶出等が抑制され、燃料電池スタック１０が劣化し難くなり、その耐久性を向上できる。
また、エアポンプ３１等を制御して酸素濃度を可変し、燃料電池スタック１０のＩＶ特性を変化させて、燃料電池スタック１０の実電流を可変するので（Ｓ３０４、Ｓ３０５、Ｓ３０６）、燃料電池スタック１０の実電力を目標電力に追従できる。これにより、高圧バッテリ５３における充電／放電の頻度が少なくなり、ロスが少なくなる。
【０１６２】
目標電力を高圧バッテリ５３の目標ＳＯＣ（５０％）に基づいて算出するので（Ｓ３０１）、高圧バッテリ５３における充電／放電の頻度を少なくしつつ、高圧バッテリ５３のＳＯＣを好適に維持できる。
【０１６３】
燃料電池スタック１０の発電が不安定である場合（Ｓ３０７・Ｎｏ）、循環ガスを増加させるので（Ｓ３０８）、燃料電池スタック１０の発電が安定し易くなる。
【０１６４】
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、燃料電池システム１の一動作例について、図１８を参照して説明する。
図１８に示すように、システム消費電力（目標電力）が所定電力以下であり（Ｓ３０２・Ｙｅｓ）、燃料電池システム１が第１モードで運転する場合、燃料電池スタック１０（単セル）の実電圧が一定であるものの（Ｓ３０３）、システム消費電力に燃料電池スタック電流（実電流）が追従し、燃料電池スタック１０の実電力がシステム消費電力に追従している。また、エアポンプ３１及び冷媒ポンプ４１の消費電力もシステム消費電力に追従している。
【０１６５】
さらに、システム消費電力が増加すると、高圧バッテリ５３が放電して、そのＳＯＣが減少している。一方、システム消費電力が減少すると、高圧バッテリ５３が充電し、そのＳＯＣが増加している。
【０１６６】
≪変形例≫
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。
【０１６７】
前記した実施形態では、図２に示すように、燃料電池スタック１０とモータ５１と高圧バッテリ５３との接続点から見て、第１コンバータ５５が高圧バッテリ５３側に配置された構成を例示したが、その他に例えば、図１９の構成でもよい。
すなわち、図１９（ａ）に示すように、前記接続点から見て、第１コンバータ５５が燃料電池スタック１０側に配置された構成でもよい。
また、図１９（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１０側、高圧バッテリ５３側にそれぞれに、第１コンバータ５５が配置された構成でもよい。
また、図１９（ｃ）に示すように、燃料電池スタック１０と高圧バッテリ５３とが直列で接続され、第１コンバータ５５が高圧バッテリ５３とモータ５１との間に配置された構成でもよい。
【０１６８】
前記した実施形態では、酸素を含む空気を供給するエアポンプ３１を備える構成を例示したが、これに代えて又は加えて、水素を供給する水素ポンプを備える構成としてもよい。
【０１６９】
前記した実施形態では、カソードオフガスを新規空気に合流させる合流流路（配管３４ａ、３４ｂ）と、循環弁３４とを備える構成を例示したが、これに代えて又は加えて、アノード側も同様に構成してもよい。例えば、配管２３ｂに循環弁（オフガス流量制御手段、ガス供給手段）を設け、この循環弁により、新規水素に合流するアノードオフガスの流量を制御してもよい。
【０１７０】
前記した実施形態では、所定電圧が酸化還元進行電圧範囲（０.８〜０．９Ｖ）以下の０．８Ｖである構成を例示したが、所定電圧は、酸化還元進行電圧範囲外であればよく、具体的には、酸化還元進行電圧範囲（０.８〜０．９Ｖ）以上、つまり、０．９Ｖ以上である構成でもよい。
【０１７１】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された構成でもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【符号の説明】
【０１７２】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１４    セル電圧モニタ
２１    水素タンク（燃料ガス供給手段）
３１    エアポンプ（酸化剤ガス供給手段）
３４    循環弁（オフガス流量制御手段、ガス供給手段）
３４ａ、３４ｂ  配管（合流流路）
５１    モータ（負荷）
５３    高圧バッテリ（蓄電手段）
５５    第１コンバータ
８０    ＥＣＵ（制御手段、発電安定性判定手段）
【図１】
0005384543.tif 000002
【図２】
0005384543.tif 000003
【図３】
0005384543.tif 000004
【図４】
0005384543.tif 000005
【図５】
0005384543.tif 000006
【図６】
0005384543.tif 000007
【図７】
0005384543.tif 000008
【図８】
0005384543.tif 000009
【図９】
0005384543.tif 000010
【図１０】
0005384543.tif 000011
【図１１】
0005384543.tif 000012
【図１２】
0005384543.tif 000013
【図１３】
0005384543.tif 000014
【図１４】
0005384543.tif 000015
【図１５】
0005384543.tif 000016
【図１６】
0005384543.tif 000017
【図１７】
0005384543.tif 000018
【図１８】
0005384543.tif 000019
【図１９】
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