(57)【要約】【課題】発電に伴って電極の触媒において酸化被膜の形成が進行しても、電流−電圧特性に基づく発電制御の精度を維持する。【解決手段】触媒酸化被膜率を、生成反応速度と還元反応速度との差としての触媒酸化物生成速度を時間で積分して導出する触媒酸化被膜率導出部と、触媒酸化被膜率に基づいて電流−電圧特性を導出する電流−電圧特性導出部と、負荷要求取得部と、電流−電圧特性に基づいて、負荷要求に対応する電力を発電するための、出力電流および出力電圧から成る燃料電池における運転ポイントを設定する運転ポイント設定部と、設定した運転ポイントにおいて燃料電池を発電させる制御部と、を備える燃料電池システム。【選択図】図１
2011192458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソードが備える触媒の表面における酸化被膜が形成された領域の割合である触媒酸化被膜率を、触媒の酸化物が生成される反応速度である生成反応速度と、触媒の酸化物が還元される反応速度である還元反応速度と、の差としての触媒酸化物生成速度を時間で積分して導出する触媒酸化被膜率導出部と、
前記触媒酸化被膜率導出部が導出した前記触媒酸化被膜率に基づいて、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との関係である電流−電圧特性を導出する電流−電圧特性導出部と、
前記燃料電池に対する負荷要求を取得する負荷要求取得部と、
前記電流−電圧特性導出部が導出した前記電流−電圧特性に基づいて、前記負荷要求取得部が取得した負荷要求に対応する電力を発電するための、出力電流および出力電圧から成る前記燃料電池における運転ポイントを設定する運転ポイント設定部と、
前記運転ポイント設定部が設定した前記運転ポイントにおいて前記燃料電池を発電させる制御部と
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の出力電圧を取得する電圧取得部と、
前記燃料電池の出力電流を取得する電流取得部と、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得部と、
前記燃料電池のインピーダンスを導出するインピーダンス導出部と、
を備え、
前記触媒酸化被膜率導出部は、前記電圧取得部、電流取得部、および温度取得部が取得した前記燃料電池の電圧、電流、および温度と、前記インピーダンス導出部が導出した前記燃料電池のインピーダンスとを取得して、取得した電圧、電流、温度、およびインピーダンスに基づいて、前記生成反応速度および前記還元反応速度を導出する
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記電流−電圧特性導出部は、前記燃料電池の出力電圧を理論起電力に対して低下させる要因に対応する複数の値であって、該複数の値の内の一部は電流を変数として有する値を、理論起電力から減じた値として、前記燃料電池の出力電圧を表わすことにより、前記電流−電圧特性を導出し、
前記複数の値の内、前記電流を変数として有する値以外の値の一つは、前記触媒酸化被膜率を変数として有して、前記触媒の酸化被膜に起因する電圧低下の程度を近似する値である
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記電流−電圧特性導出部は、理論起電力から、前記燃料電池の出力電圧を理論起電力に対して低下させる要因に対応する複数の値を減じた値が、前記燃料電池の出力電圧であるとする式であって、前記要因に対応する値を表わす各項は各々係数を有する式において、前記触媒酸化被膜率と、前記電圧取得部が取得した出力電圧と、前記電流取得部が取得した出力電流と、に基づいて、前記式を成り立たせる値として各々の前記係数を定めることによって、前記電流−電圧特性を導出する
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池システムであって、
前記電流を変数として有する値の一つは、活性化過電圧に対応する値であって、電流の対数項として表わされる値である
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項２ないし５いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池が発電を停止したときに、発電停止時における前記燃料電池のインピーダンスを記憶するインピーダンス記憶部を備え、
前記電圧取得部および前記温度取得部は、それぞれ、前記燃料電池が発電を停止した後も、前記燃料電池の電圧が０となるまでは、前記燃料電池の電圧あるいは温度の取得を継続し、
前記触媒酸化被膜率導出部は、前記燃料電池が発電を停止した後、前記燃料電池の電圧が０となるまで、前記インピーダンス記憶部が記憶したインピーダンスと、前記電圧取得部が取得した電圧と、前記温度取得部が取得した温度とに基づいて、前記触媒酸化被膜率の導出を繰り返し行ない、
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池が発電を停止した後に前記燃料電池の電圧が０となったときの、前記触媒酸化被膜率を記憶する触媒酸化被膜率記憶部を備え、
前記電流−電圧特性導出部は、前記燃料電池が再び発電を開始する時には、前記触媒酸化被膜率記憶部が記憶した前記触媒酸化被膜率を用いて、前記電流−電圧特性を導出する
燃料電池システム。
【請求項７】
駆動力として電気エネルギを利用する移動体であって、
請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池システムを備え、
前記移動体は、駆動用電源の少なくとも一つとして、前記燃料電池システムを用いる
移動体。
【請求項８】
燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池のカソードが備える触媒の表面における酸化被膜が形成された領域の割合である触媒酸化被膜率を、触媒の酸化物が生成される反応速度である生成反応速度と、触媒の酸化物が還元される反応速度である還元反応速度と、の差としての触媒酸化物生成速度を時間で積分して導出する第１の工程と、
前記触媒酸化被膜率に基づいて、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との関係である電流−電圧特性を導出する第２の工程と、
前記燃料電池に対する負荷要求を取得する第３の工程と、
前記第２の工程で導出した前記電流−電圧特性に基づいて、前記第３の工程で取得した前記負荷要求に対応する電力を発電するための、出力電流および出力電圧から成る前記燃料電池における運転ポイントを設定する第４の工程と、
前記第４の工程で設定した前記運転ポイントにおいて前記燃料電池を発電させる第５の工程と
を備える燃料電池システムの制御方法。
【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、移動体、および燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の発電量は、燃料電池の運転温度や燃料電池に供給するガス流量等によって変動し得るが、適当な運転温度条件下において充分量のガスを供給するときには、出力電流と出力電圧とは一定の関係を示す。そのため、燃料電池において発電制御を行なう際には、一般に、予め求められた出力電流と出力電圧との関係に基づいて、負荷要求に基づいた所望の電力が得られるように、燃料電池の運転ポイント（出力電流と出力電圧の組み合わせ）が設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９２４６８号公報
【特許文献２】特開２００６−１４７４０４号公報
【特許文献３】特開２００７−１０３１１５号公報
【特許文献４】特開２００８−２２６５９３号公報
【特許文献５】特開２０００−３５７５２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池が発電を継続すると、燃料電池の電極が備える触媒、例えば白金において、酸化被膜が形成されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。このように電極の白金において酸化被膜が形成されると、白金表面における電気化学反応の進行が抑制されるため、燃料電池における出力電流と出力電圧の関係（電流−電圧特性）が変化する。そのため、用いる燃料電池の電流−電圧特性を予め求めて、この電流−電圧特性に基づいて発電制御を行なっても、電極の白金における酸化被膜の形成に伴って電流−電圧特性が変化すると、発電制御の動作の精度が次第に低下することになる。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、発電に伴って電極の触媒において酸化被膜の形成が進行しても、電流−電圧特性に基づく発電制御の精度を維持することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実施することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池のカソードが備える触媒の表面における酸化被膜が形成された領域の割合である触媒酸化被膜率を、触媒の酸化物が生成される反応速度である生成反応速度と、触媒の酸化物が還元される反応速度である還元反応速度と、の差としての触媒酸化物生成速度を時間で積分して導出する触媒酸化被膜率導出部と、
前記触媒酸化被膜率導出部が導出した前記触媒酸化被膜率に基づいて、前記燃料電池の出力電流と出力電圧との関係である電流−電圧特性を導出する電流−電圧特性導出部と、
前記燃料電池に対する負荷要求を取得する負荷要求取得部と、
前記電流−電圧特性導出部が導出した前記電流−電圧特性に基づいて、前記負荷要求取得部が取得した負荷要求に対応する電力を発電するための、出力電流および出力電圧から成る前記燃料電池における運転ポイントを設定する運転ポイント設定部と、
前記運転ポイント設定部が設定した前記運転ポイントにおいて前記燃料電池を発電させる制御部と
を備える燃料電池システム。
【０００８】
適用例１に記載の燃料電池システムによれば、触媒酸化被膜率を導出して、得られた触媒酸化被膜率に基づいて現在の電流−電圧特性を導出し、燃料電池の運転ポイントを設定している。したがって、より実際の状態に近い電流−電圧特性を用いて燃料電池の運転ポイントを設定でき、燃料電池から所望の電力を出力させる動作の精度を向上させることができる。ここで、触媒酸化被膜率は、燃料電池の発電に伴って常に変動するものであるが、触媒酸化物生成速度を時間で積分して触媒酸化被膜率を導出することにより、触媒酸化被膜率導出の精度を高めることができる。
【０００９】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の出力電圧を取得する電圧取得部と、前記燃料電池の出力電流を取得する電流取得部と、前記燃料電池の温度を取得する温度取得部と、前記燃料電池のインピーダンスを導出するインピーダンス導出部と、を備え、前記触媒酸化被膜率導出部は、前記電圧取得部、電流取得部、および温度取得部が取得した前記燃料電池の電圧、電流、および温度と、前記インピーダンス導出部が導出した前記燃料電池のインピーダンスとを取得して、取得した電圧、電流、温度、およびインピーダンスに基づいて、前記生成反応速度および前記還元反応速度を導出する燃料電池システム。適用例２に記載の燃料電池システムによれば、電圧、電流、温度、およびインピーダンスに基づいて生成反応速度および還元反応速度を導出して、触媒酸化物生成速度を求めることにより、触媒酸化被膜率を精度良く導出することができる。
【００１０】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記電流−電圧特性導出部は、前記燃料電池の出力電圧を理論起電力に対して低下させる要因に対応する複数の値であって、該複数の値の内の一部は電流を変数として有する値を、理論起電力から減じた値として、前記燃料電池の出力電圧を表わすことにより、前記電流−電圧特性を導出し、前記複数の値の内、前記電流を変数として有する値以外の値の一つは、前記触媒酸化被膜率を変数として有して、前記触媒の酸化被膜に起因する電圧低下の程度を近似する値である燃料電池システム。適用例３に記載の燃料電池システムによれば、精度良く導出した触媒酸化被膜率を用いて触媒の酸化被膜に起因する電圧低下の程度を近似して、電流−電圧特性を導出することにより、電流−電圧特性の推定の精度を高めることができる。
【００１１】
［適用例４］
適用例３記載の燃料電池システムであって、前記電流−電圧特性導出部は、理論起電力から、前記燃料電池の出力電圧を理論起電力に対して低下させる要因に対応する複数の値を減じた値が、前記燃料電池の出力電圧であるとする式であって、前記要因に対応する値を表わす各項は各々係数を有する式において、前記触媒酸化被膜率と、前記電圧取得部が取得した出力電圧と、前記電流取得部が取得した出力電流と、に基づいて、前記式を成り立たせる値として各々の前記係数を定めることによって、前記電流−電圧特性を導出する燃料電池システム。適用例４に記載の燃料電池システムによれば、触媒酸化被膜率と電圧と電流とに基づいて、上記式を成り立たせる値としての各々の係数を求めるというフィッティングを行なうことにより、電流−電圧特性を精度良く導出することができる。
【００１２】
［適用例５］
適用例３または４記載の燃料電池システムであって、前記電流を変数として有する値の一つは、活性化過電圧に対応する値であって、電流の対数項として表わされる値である燃料電池システム。適用例５記載の燃料電池システムによれば、活性化過電圧を電流の対数項として表わすことにより、電流−電圧特性の導出の精度を高めることができる。
【００１３】
［適用例６］
適用例２ないし５いずれか記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池が発電を停止したときに、発電停止時における前記燃料電池のインピーダンスを記憶するインピーダンス記憶部を備え、前記電圧取得部および前記温度取得部は、それぞれ、前記燃料電池が発電を停止した後も、前記燃料電池の電圧が０となるまでは、前記燃料電池の電圧あるいは温度の取得を継続し、前記触媒酸化被膜率導出部は、前記燃料電池が発電を停止した後、前記燃料電池の電圧が０となるまで、前記インピーダンス記憶部が記憶したインピーダンスと、前記電圧取得部が取得した電圧と、前記温度取得部が取得した温度とに基づいて、前記触媒酸化被膜率の導出を繰り返し行ない、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池が発電を停止した後に前記燃料電池の電圧が０となったときの、前記触媒酸化被膜率を記憶する触媒酸化被膜率記憶部を備え、前記電流−電圧特性導出部は、前記燃料電池が再び発電を開始する時には、前記触媒酸化被膜率記憶部が記憶した前記触媒酸化被膜率を用いて、前記電流−電圧特性を導出する燃料電池システム。適用例６に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池が発電した後においても触媒酸化被膜率を導出するため、燃料電池の発電を再び開始する際には、実際の値により近い値を触媒酸化被膜率として用いることができる。そのため、燃料電池システムの稼働中に燃料電池の発電が一旦停止し、あるいは、燃料電池システムを停止した後に、燃料電池の発電を再び開始するときに、電流−電圧特性の導出の精度を高めることができる。
【００１４】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、燃料電池システムを搭載する移動体や、燃料電池システムの制御方法、あるいは、燃料電池の電流−電圧特性の学習方法などの形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電気自動車１０の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】燃料電池システム２０の構成の概略を表わす説明図である。
【図３】出力制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図４】燃料電池６０における運転ポイント決定の動作の説明図である。
【図５】電流−電圧特性に対する白金酸化被膜の影響を説明するための概念図である。
【図６】ＩＶ特性推定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
Ａ．装置の全体構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システム２０を搭載する電気自動車１０の概略構成を表わすブロック図である。電気自動車１０は、電力を消費する負荷として、駆動モータ３２と高圧補機４０と低圧補機４６とを備えている。そして、これらの負荷に電力を供給する電源として、電源システム１５を備えている。電源システム１５と負荷との間には、配線５０が設けられており、この配線５０を介して、電源システム１５と負荷との間で電力がやり取りされる。
【００１７】
電源システム１５は、燃料電池システム２０と、２次電池２６とを備えている。燃料電池システム２０は、発電の本体である燃料電池６０と、制御部４８を備えている。本実施例では、制御部４８は、燃料電池システム２０の制御を行なうための燃料電池システム２０の構成要素として機能するだけでなく、２次電池２６を含む電源システム１５全体の制御や、電気自動車１０の各部の制御を行なう。燃料電池システム２０は、さらに、燃料電池６０の出力電圧を測定するための電圧センサ５２と、燃料電池６０の出力電流を検出するための電流センサ５３と、燃料電池６０のインピーダンスを検出するための交流インピーダンス測定部５４と、を備えている。交流インピーダンス測定部５４は、燃料電池６０の両極端子に交流の電圧をその周波数を掃引しつつ入力する際に、両極端子間を流れる交流の電流を検出することにより、正負両極端子間の交流インピーダンスを測定する周知の装置である。２次電池２６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して配線５０に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８と、燃料電池６０とは、配線５０に対して並列に接続されている。
【００１８】
図２は、燃料電池システム２０の構成であって、燃料電池６０に対するガスの供給および排出に関わる構成の概略を表わす説明図である。まず、図２に基づいて、燃料電池システム２０について説明する。燃料電池システム２０は、燃料電池６０と、燃料ガス供給部６１と、ブロワ６４とを備えている。燃料電池６０としては種々の種類のものを適用可能であるが、本実施例では、燃料電池６０として固体高分子形燃料電池を用いている。燃料電池６０は、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。本実施例では、単セルは、ＭＥＡ（膜−電極接合体、Membrane Electrode Assembly）と、ガス拡散層と、ガスセパレータと、を備えている。ここで、ＭＥＡは、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された電極であるアノードおよびカソードと、によって構成される。このＭＥＡは、ガス拡散層によって挟持されており、ＭＥＡおよびガス拡散層から成るサンドイッチ構造は、さらに両側からガスセパレータによって挟持されている。
【００１９】
ＭＥＡを構成する電解質膜は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。カソードおよびアノードは、電解質膜上に形成された層であり、電気化学反応を進行する触媒金属（例えば白金）を担持するカーボン粒子と、プロトン伝導性を有する高分子電解質と、を備えている。カソードおよびアノードを形成するには、例えば、白金等の触媒金属を担持させたカーボン粒子を作製し、この触媒担持カーボンと、電解質膜を構成する電解質と同様の電解質とを混合して触媒ペーストを作製し、作製した触媒ペーストを電解質膜上に塗布すればよい。
【００２０】
ガス拡散層は、ガス透過性および電子伝導性を有する部材によって構成されており、例えば、発泡金属や金属メッシュなどの金属製部材や、カーボンクロスやカーボンペーパなどのカーボン製部材により形成することができる。ガスセパレータは、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼などの金属製部材により形成されている。ガスセパレータは、ＭＥＡのアノードとの間に、水素を含有する燃料ガスの流路（セル内燃料ガス流路）を形成し、ＭＥＡのカソードとの間に、酸素を含有する酸化ガスの流路（セル内酸化ガス流路）を形成する。ガスセパレータの表面には、上記したセル内ガス流路を形成するための凹凸を形成しても良く、あるいは、ガスセパレータとガス拡散層との間に、セル内ガス流路を形成するための多孔質体を配置しても良い。
【００２１】
燃料電池６０の内部には、さらに、セル間冷媒流路が形成されている。このような冷媒流路は、例えば、積層されたすべての単セル間、具体的には、異なる単セルを構成する隣接し合うガスセパレータ間に形成することができる。あるいは、単セルを所定数積層する毎に、ガスセパレータ間にセル間冷媒流路を形成しても良い。
【００２２】
さらに、燃料電池６０には、燃料電池６０を、その積層方向に貫通する複数の流路が形成されている。具体的には、各セル内燃料ガス流路へと燃料ガスを分配するための燃料ガス供給マニホールドと、各セル内燃料ガス流路から排出された排出燃料ガスが集合する燃料ガス排出マニホールドが形成されている。また、各セル内酸化ガス流路へと酸化ガスを分配するための酸化ガス供給マニホールドと、各セル内酸化ガス流路から排出された排出酸化ガスが集合する酸化ガス排出マニホールドが形成されている。さらに、各セル間冷媒流路へと冷媒を分配するための冷媒供給マニホールドと、各セル間冷媒流路から排出された冷媒が集合する冷媒排出マニホールドが形成されている。
【００２３】
上述した燃料電池６０では、アノード側に燃料ガスが供給され、カソード側に酸化ガスが供給されると、以下の式（１）〜式（３）に示す電気化学反応が進行する。式（１）は、アノードで進行する反応を示し、式（２）はカソードで進行する反応を示し、燃料電池６０全体では、式（３）に示す反応が進行する。
【００２４】
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                          …（１）
（１／２）Ｏ2  ＋２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ       …（２）
Ｈ2  ＋  （１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ                  …（３）
【００２５】
また、燃料電池６０には、燃料電池６０の内部温度を測定するための温度センサ６７が設けられている。温度センサ６７は、例えば、既述した冷媒流路の出口部（冷媒排出マニホールドの端部）に設けられた冷媒温度センサとすることができる。あるいは、温度センサ６７は、燃料電池６０の内部温度を直接測定するセンサ、例えば熱電対によって構成しても良い。
【００２６】
燃料ガス供給部６１は、燃料ガスとしての水素含有ガスを燃料電池６０に供給するための装置であって、内部に水素を貯蔵している。例えば、燃料ガス供給部６１は、水素ボンベや、水素吸蔵合金を内部に有する水素タンクを備えることとすれば良い。貯蔵された水素ガスは、水素ガス供給路６２を介して燃料電池６０のアノードに供給され、アノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス路６３に導かれて再び水素ガス供給路６２に流入する。このように、アノードオフガス中の残余の水素ガスは、流路内を循環して再度電気化学反応に供される。また、アノードオフガス路６３には、気液分離器２１が設けられると共に、気液分離器２１によって分離された水を外部に排出する流路には、開閉弁２２が設けられている。開閉弁２２を所定のタイミングで開弁することにより、流路内を循環する燃料ガス中の水素以外の不純物（水蒸気や窒素など）を流路外に排出することができ、燃料電池６０に供給される水素ガス中の不純物濃度の上昇を抑制することができる。また、アノードオフガス路６３には、水素ガス供給路６２とアノードオフガス路６３によって構成される循環流路内で燃料ガスを循環させる駆動力を生じる水素ポンプ６９が設けられている。
【００２７】
ブロワ６４は、酸化ガスとしての加圧空気を、酸化ガス供給路６５を介して燃料電池６０のカソード側に供給するための装置である。燃料電池６０のカソード側から排出されるカソード排ガスは、カソード排ガス路６６に導かれて外部に排出される。なお、水素ガス供給路６２や酸化ガス供給路６５において、水素ガスあるいは空気を加湿する加湿器をさらに設けることとしても良い。
【００２８】
図１に戻り、２次電池２６は、鉛蓄電池や、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２次電池など種々の２次電池によって構成することができる。また、図１に示すように、２次電池２６には、２次電池２６の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ２７が併設されている。本実施例では、残存容量モニタ２７は、２次電池２６における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータとして構成されている。あるいは、残存容量モニタ２７は、ＳＯＣメータの代わりに電圧センサによって構成することとしてもよい。２次電池２６は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が低下するという性質を有しているため、電圧を測定することによって２次電池２６の残存容量を検出することができる。
【００２９】
２次電池２６の残存容量が所定値以下になると、２次電池２６は、燃料電池６０によって充電される。また、電気自動車１０の制動時（車両の走行時に運転者がブレーキを踏み込む動作を行なったとき）には、駆動モータ３２を発電機として用いて車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換することによって、得られた電気エネルギで２次電池２６を充電することができる。
【００３０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、出力側の目標電圧値を設定することによって、配線５０における電圧を調節し、これによって燃料電池６０からの出力電圧を調節して燃料電池６０の出力電力を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は、２次電池２６と配線５０との接続状態を制御するスイッチとしての役割も果たしており、２次電池２６において充放電を行なう必要のないときには、２次電池２６と配線５０との接続を切断する。
【００３１】
電源システム１５から電力の供給を受ける負荷の一つである駆動モータ３２は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。この駆動モータ３２は、駆動インバータ３０を介して電源システム１５から電力の供給を受ける。駆動インバータ３０は、上記駆動モータ３２の各相に対応してスイッチング素子としてのトランジスタを備えるトランジスタインバータである。駆動モータ３２の出力軸３６は、減速ギヤ３４を介して車両駆動軸３８に接続している。減速ギヤ３４は、駆動モータ３２が出力する動力を、その回転数を調節した上で車両駆動軸３８に伝える。
【００３２】
高圧補機４０は、電源システム１５から供給される電力を、３００Ｖ程度の電圧のまま利用する装置である。図１では、高圧補機４０は、電源システム１５から電力を供給される負荷として電源システム１５の外側に示されているが、高圧補機４０の中には燃料電池システム２０を構成する燃料電池補機も含まれている。高圧補機４０に含まれる燃料電池補機としては、具体的にはブロワ６４や水素ポンプ６９が挙げられる（図２参照）。さらに、燃料電池６０を冷却するために燃料電池６０内部に冷却水を循環させるための冷却ポンプ（図示せず）も、燃料電池補機に含まれる。あるいは、上記冷却水を冷却するためにラジエータを用いる場合には、ラジエータが備えるラジエータファンも燃料電池補機に含まれる。燃料電池システム２０に含まれない高圧補機４０としては、例えば電気自動車１０が備える空調設備（エアコン）等の車両補機を挙げることができる。
【００３３】
低圧補機４６は、駆動モータ３２や高圧補機とは異なり駆動電圧が低い負荷であり、配線５０に接続された降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４によって電圧を１２Ｖ程度に下げた電力が供給される。図１では、低圧補機４６は、電源システム１５から電力を供給される負荷として電源システム１５の外側に示されているが、低圧補機４６の中には燃料電池システム２０を構成する燃料電池補機も含まれている。低圧補機４６に含まれる燃料電池補機としては、具体的には、燃料電池６０に燃料ガスや酸化ガスや冷却水を給排する流路に設けた流量調節バルブや、開閉弁２２（図２参照）等が挙げられる。配線５０の電圧が変動するときには、電圧センサ５２の検出信号に基づいて降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４が駆動され、低圧補機４６に電力供給する際の電圧が略一定に保たれる。
【００３４】
また、既述した制御部４８は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭと、各種の信号を入出力する入出力ポート等を備える。この制御部４８は、既述したように、燃料電池システム２０の制御を行なうための燃料電池システム２０の構成要素として機能するだけでなく、２次電池２６を含む電源システム１５全体の制御や、電気自動車１０の各部の制御を行なう。具体的には、制御部４８は、既述した電圧センサ５２や残存容量モニタ２７や温度センサ６７が出力する信号を取得する。さらに、制御部４８は、アクセル開度や車速等の車両の運転に関する情報を取得する（図示せず）。また、制御部４８は、電源システム１５の各部や車両における動作に関わる各部に駆動信号を出力する。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８，駆動インバータ３０，高圧補機４０，降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ４４、および、燃料電池システム２０の各部（燃料ガス供給部６１，ブロワ６４，水素ポンプ６９，開閉弁２２）等に駆動信号を出力する。なお、上記した機能を果たす制御部４８は、単一の制御部として構成される必要はない。例えば、燃料電池システム２０の動作に係る制御部や、電気自動車１０の駆動に係る制御部や、駆動に関わらない車両補機の制御を行なう制御部など、複数の制御部によって制御部４８を構成し、これら複数の制御部間で、必要な情報をやり取りすることとしても良い。
【００３５】
Ｂ．運転ポイント決定の概略：
図３は、電気自動車１０において所定の起動スイッチが操作されて、電源システム１５を用いた運転が行なわれている間、制御部４８のＣＰＵにおいて所定の間隔で繰り返し実行される出力制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【００３６】
本ルーチンが実行されると、制御部４８のＣＰＵは、制動時であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。制動時ではないと判断すると、制御部４８のＣＰＵは、電気自動車１０に設けた各種のセンサから検出信号を取得する（ステップＳ１１０）。このステップＳ１００においては、車両の駆動に関する負荷要求（以下、単に負荷要求とも呼ぶ）に係る検出信号の他に、車両補機に関する負荷要求に係る信号（例えば、車両補機が現在消費している電力量に係る信号、あるいは、車両補機の動作を変更するために使用者によって入力された指示に係る信号）も取得している。車両の駆動に関する負荷要求に係る検出信号としては、具体的には、例えば、アクセル開度センサおよび車速センサが出力する検出信号を挙げることができる。
【００３７】
その後、制御部４８のＣＰＵは、ステップＳ１１０で取得した負荷要求に係る検出信号に基づいて、駆動モータ３２に供給すべき電力（以下、駆動モータ所要電力と呼ぶ）を算出する（ステップＳ１２０）。具体的には、アクセル開度（アクセル加速度）に基づいて駆動モータ３２における要求駆動トルクを導出する。そして、導出した要求駆動トルクと、車速から導かれる駆動モータ３２の回転数とを積算することによって、駆動モータ所要電力を求めることができる。
【００３８】
駆動モータ所要電力を算出すると、制御部４８は、次に、電源システム１５が出力すべき電力である電源システム目標電力を算出する（ステップＳ１３０）。電源システム目標電力とは、駆動モータ所要電力に、さらに、燃料電池補機を除く他の負荷（例えば車両補機）における要求電力を加えたものであり、電源システム１５が出力すべき電力の総量である。本実施例の制御部４８は、上記したステップＳ１１０ないしステップＳ１３０において、燃料電池に対する負荷要求を取得する負荷要求取得部として機能する。
【００３９】
電源システム目標電力を算出すると、次に制御部４８のＣＰＵは、この電源システム目標電力の値に基づいて、燃料電池６０の運転ポイントを決定する（ステップＳ１４０）。すなわち、本実施例では、電源システム目標電力を燃料電池システム２０のみから出力するものとして制御を行なっており、ステップＳ１４０では、電源システム目標電力を燃料電池システム２０から出力するための、燃料電池６０の運転ポイント（出力電流および出力電圧）を決定する。このとき、制御部４８は、燃料電池６０の電流−電圧特性に基づいて、負荷要求に対応する電力を発電するための燃料電池の運転ポイントを設定する運転ポイント設定部として機能する。そして制御部４８は、燃料電池６０における運転ポイントが、ステップＳ１４０で決定したポイントとなるように、電源システム１５の各部に駆動信号を出力して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。
【００４０】
図４は、ステップＳ１４０における燃料電池６０の運転ポイント決定の動作を概念的に説明するための説明図である。図４では、燃料電池６０における出力電流と出力電力の関係、および、出力電流と出力電圧の関係を示している。以下の説明では、燃料電池６０において出力電流と出力電圧とが図４に示すような一定の関係を示す性質を、電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）と呼ぶ。図４に示すように、燃料電池６０では、出力すべき電力ＰFCが定まれば、そのときの出力電流の大きさＩFCが定まる。また、燃料電池６０の電流−電圧特性より、出力電流ＩFCが定まれば、そのときの出力電圧ＶFCが定まる。ステップＳ１４０では、制御部４８のＣＰＵは、ステップＳ１３０で決定した電源システム目標電力を燃料電池システム２０から出力可能となる燃料電池６０の運転ポイントとして、燃料電池６０の出力電流および出力電圧を定めている。そして、ステップＳ１５０では、制御部４８のＣＰＵは、ステップＳ１４０で定めた出力電圧が出力側の目標電圧となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８に駆動信号を出力する。
【００４１】
なお、燃料電池６０が発電を行なう際には、既述した燃料電池補機が電力を消費する。燃料電池システム２０が出力する電力とは、燃料電池６０の発電量から、上記燃料電池補機における消費電力を減算した電力である。燃料電池補機における消費電力は、燃料電池６０の発電量に応じて定まるため、ステップＳ１４０では、燃料電池補機における消費電力を考慮して、電源システム目標電力に基づいて、燃料電池６０の出力電力および運転ポイントが定められる。また、ステップＳ１５０においては、制御部４８のＣＰＵは、燃料電池６０が発電すべき電力に応じた量のガスが燃料電池６０に供給されるように、ブロワ６４，水素ポンプ６９，燃料ガス供給部６１等に駆動信号を出力する。このように、配線５０の電圧（燃料電池６０の出力電圧）が上記出力電圧ＶFCとなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２８を駆動すると共に、充分量のガスを燃料電池６０に供給することで、燃料電池システム２０からはステップＳ１３０で決定した電力が出力されるようになる。
【００４２】
図４に示したように、燃料電池６０は一定の電流−電圧特性を示すが、この電流−電圧特性は、種々の要因によって変動する。例えば、電流−電圧特性は、温度に応じて変動するものであり、制御部４８は、温度ごとの電流−電圧特性を記憶すると共に、温度センサ６７の検出信号に応じて適宜、検出した温度に応じた電流−電圧特性を選択して制御を行なう。このような制御を行なう際に、例えば温度検出の動作の誤差が大きくなったときには、制御に用いる電流−電圧特性において、実際の電流−電圧特性との間にずれが生じる。また、後述するように、燃料電池６０における電極触媒で進行する酸化反応によっても、用いる電流−電圧特性に誤差が生じ得る。このように、制御に用いる電流−電圧特性に誤差が生じたときには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２８によって燃料電池６０の出力電圧をＶFCに制御しても、燃料電池６０からの出力電力が、所望の電源システム目標電力にならなくなる。このように、燃料電池６０からの出力電力と電源システム目標電力との間に誤差が生じた場合には、生じた誤差分は、燃料電池６０と並列に接続された２次電池２６が吸収する。すなわち、燃料電池６０の発電量が不足する場合には、不足分を２次電池２６が出力し、燃料電池６０の発電量が過剰である場合には、過剰分によって２次電池２６が充電される。
【００４３】
なお、ステップＳ１００において制動時であると判断されるときには、制御部４８は、回生運転モードを選択して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。ここで、回生運転モードとは、駆動モータ３２を発電機として用いることによって、車軸の有する運動エネルギを電気エネルギに変換し、これによって２次電池２６を充電する運転モードである。回生運転モードでは、駆動モータ３２側から駆動インバータ３０を介して配線５０に対して電力が供給され、この電力はさらにＤＣ／ＤＣコンバータ２８を介して２次電池２６に供給されて２次電池２６の充電が行なわれる。
【００４４】
既述した実施例では、ステップＳ１３０で算出した電源システム目標電力を全て燃料電池システム２０から出力することとして、燃料電池６０の運転ポイントの設定を行なっているが、異なる構成としても良い。例えば、電源システム目標電力の一部を、２次電池２６から出力することとして、燃料電池６０の運転ポイントを設定しても良い。
【００４５】
また、残存容量モニタ２７が検出した２次電池２６の残存容量が、基準値を下回るときは、燃料電池６０によって２次電池２６を充電する制御を行なっても良い。この場合には、ステップＳ１３０において、２次電池２６を充電するための電力をさらに加算して、電源システム目標電力を設定すればよい。
【００４６】
Ｃ．変化するＶＩ特性の推定の動作：
既述したように、電源システム１５からの出力を制御するための燃料電池６０の運転ポイントの設定は、燃料電池６０の電流−電圧特性に基づいて行なうが、この電流−電圧特性は、種々の要因によって変動する。本実施例の燃料電池システム２０では、現在の電流−電圧特性を常に推定し、推定した電流−電圧特性に基づいて燃料電池６０の運転ポイントを設定している。特に、本実施例では、燃料電池６０のカソードが備える触媒である白金の表面積に対して酸化被膜が形成されている面積の割合（白金酸化被膜率θ）を経時的に繰り返し推定し、推定した白金酸化被膜率θに基づいて電流−電圧特性を導出する（学習する）ことを特徴としている。
【００４７】
燃料電池が発電する際には、カソードが備える白金（Ｐｔ）において、白金表面に酸化被膜が形成される反応と、酸化被膜が還元される反応とが進行する。酸化被膜の形成反応が酸化被膜の還元反応よりも速く進行する場合には、白金表面において酸化被膜が増加し、酸化被膜の還元反応が酸化被膜の形成反応よりも速く進行する場合には、白金表面において酸化被膜が減少する。これらの酸化被膜の形成反応と還元反応とのそれぞれが進行する速度に影響する要因としては、主として、燃料電池の出力電圧と、出力電流と、温度と、インピーダンスとを挙げることができる。以下に、式（４）として、カソードが備える白金において進行する酸化還元反応の代表的な一例を示す。
【００４８】
【化１】
2011192458.tif 000003
【００４９】
図５は、燃料電池の電流−電圧特性に対する白金酸化被膜の影響を説明するための概念図である。図５では、燃料電池の温度を一定に保ち、充分量の燃料ガスおよび酸化ガスを燃料電池に供給しつつ、燃料電池からの出力電流を０から所定値の間で変動させたときの、出力電流と出力電圧との関係を示す。図５に示すように、電流と電圧の組み合わせから成る燃料電池の運転ポイントは、燃料電池からの出力電流を０から所定値まで徐々に増加させ、その後、出力電流を再び０へと徐々に減少させたときの、電流−電圧曲線に囲まれた範囲に収まる。すなわち、燃料電池の出力電流と出力電圧の組み合わせである運転ポイントは、ヒステリシスを示す。このような燃料電池の運転ポイントにおけるヒステリシスは、過去の発電の履歴によって現在のカソード触媒における白金酸化被膜率θが定まるという性質に起因する。具体的には、現在の白金酸化被膜の生成速度（還元速度）は、現在の運転ポイントによって定まるが、現在の白金酸化被膜率θは、今までの白金酸化被膜の生成速度（還元速度）の積算値であるため、白金酸化被膜率θはヒステリシスを示すことになる。本実施例では、燃料電池の出力電圧と、出力電流と、温度と、インピーダンスとに基づいて、経時的に現在の白金酸化還元反応の速度を求め、求めた白金酸化還元反応速度を時間で積分することにより、現在の白金酸化被膜率θを求めている。
【００５０】
図６は、電気自動車１０で電源システム１５を用いた運転が行なわれている間、制御部４８のＣＰＵにおいて所定の間隔で繰り返し実行されるＩＶ特性推定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【００５１】
本ルーチンが実行されると、制御部４８のＣＰＵは、燃料電池６０の出力電流、出力電圧、温度、およびインピーダンスを取得する（ステップＳ２００）。ここで、出力電流、出力電圧、温度およびインピーダンスは、それぞれ、電流センサ５３、電圧センサ５２、温度センサ６７、および交流インピーダンス測定部５４の検出信号として取得する。その後、制御部４８のＣＰＵは、ステップＳ２００で取得した燃料電池６０の出力電流、出力電圧、温度、およびインピーダンスに基づいて、燃料電池６０のカソードが備える白金における白金酸化被膜率θを求める（ステップＳ２１０）。
【００５２】
ここで、カソードが備える白金において、白金単位面積当たりで単位時間に進行する白金酸化還元反応の速度ｒ［ｍｏｌ／ｓ／ｃｍ2］は、以下の式（５）で表わすことができる。また、また、上記した白金酸化還元反応の速度ｒと、白金酸化被膜率θとの関係は、以下の式（６）で表わすことができる。
【００５３】
【数１】
2011192458.tif 000004
【００５４】
式（５）において、ｋは、換算係数を表わす。αａ、αｃは、それぞれ、式（４）における右向き（酸化）あるいは左向き（還元）の反応における電荷の移動係数を表わす。ｎは、式（４）に示す反応における反応電子数を表わす。Ｆは、ファラデー定数を表わし、Ｒは、気体定数を表わす。Ｕ2は、式（４）に示す白金の酸化還元反応における平衡電位を表わす。これらの値は、予め制御部４８内に記憶されている。また、式（６）において、Γmaxは、単位白金表面積当たりの、反応に使われる白金モル数（反応に寄与し得る白金総量のモル数）を表わす。Γmaxは、本実施例では、予め実験的に求められた値が、制御部４８内に記憶されている。ＣH+は、プロトン濃度、具体的には、カソードが備える高分子電解質中におけるプロトン濃度を表わす。また、Ｔは温度を表わし、Ｖは出力電圧を表わし、ＲΩはインピーダンスを表わし、Ｉは出力電流を表わす。
【００５５】
式（５）は、電位と電流密度との関係を表わす周知のバトラー−ボルマーの式に基づくものである。式（５）において、右辺第１項は、式（４）において右向きに進行する白金の酸化反応の反応速度を表わし、右辺第２項は、式（４）において左向きに進行する酸化白金の還元反応の反応速度を示す。バトラー−ボルマーの式では、酸化反応あるいは還元反応の速度を電流密度によって表わしているため、式（５）では、電流密度を用いて表わした反応速度を［ｍｏｌ／ｓ／ｃｍ2］を単位とする反応速度に換算するために、換算係数ｋを用いている。また、白金の酸化還元反応においては、式（４）における右向きの酸化反応の起こりやすさ、および、式（４）における左向きの還元反応の起こりやすさは、カソードが備える白金における白金酸化被膜率θの影響を受ける。具体的には、白金酸化被膜率θが高いほど、式（４）における左向きの還元反応の反応速度が大きくなり、白金酸化被膜率θが低いほど、式（４）における右向きの酸化反応の反応速度が大きくなる。そのため、式（５）では、各々の反応速度において白金酸化被膜率θの影響を反映するために、白金の酸化反応の反応速度を表わす右辺第１項に（１−θ）を係数として付しており、酸化白金の還元反応を表わす右辺第２項にθを係数として付している。また、白金の酸化還元反応は、カソードにおけるプロトン濃度の影響を受ける。具体的には、カソードにおけるプロトン濃度が高いほど、式（４）における左向きの還元反応の反応速度が大きくなる。そのため、式（５）では、酸化白金の還元反応を表わす右辺第２項に、プロトン濃度ＣH+を係数として付している。
【００５６】
式（６）は、白金酸化被膜率θの変化速度が、白金酸化還元反応の速度ｒを、単位白金表面積当たりの反応に寄与し得る白金総量のモル数Γmaxで除した値であることを表わしている。すなわち、式（６）の右辺の値を時間軸上で積分することにより、白金酸化被膜率θが求められることを表わしている。より具体的には、白金酸化被膜率θを繰り返し導出する際には、前回導出した白金酸化被膜率θに対して、現在の白金酸化還元反応速度ｒ（現在の白金酸化被膜の生成量あるいは減少量）を加算することによって、現在の白金酸化被膜率θが求められることを表わしている。
【００５７】
ステップＳ２１０においては、上記した式（５）および式（６）に基づいて、白金酸化被膜率θが導出される。具体的には、式（５）のＩ、Ｖ、Ｔ、ＲΩに、それぞれ、ステップＳ２００で取得した燃料電池６０の出力電流、出力電圧、温度、およびインピーダンスを代入し、式（５）および式（６）を満たす値として、白金酸化被膜率θを算出する。なお、式（５）において、プロトン濃度ＣH+の値は、供給あるいは排出されるガス中の水蒸気濃度および発電量に基づく電解質中の水の移動量等を求めた上で逐次算出することとしても良いが、本実施例では、実測したデータに基づいてフィッティングを行なって導出し、予め制御部４８内に記憶しておいた定数を用いている。
【００５８】
白金酸化被膜率θを算出すると、制御部４８のＣＰＵは、白金酸化被膜率θと出力電流Ｉおよび出力電圧Ｖに基づいて、現在のＩ−Ｖ特性の推定を行ない（ステップＳ２２０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ２２０において導出するＩ−Ｖ特性を表わす式を、式（７）として以下に示す。
【００５９】
【数２】
2011192458.tif 000005
【００６０】
式（７）の右辺第１項であるＵ1は、式（３）で表わした電気化学反応における理論起電力を表わす。式（７）の右辺第２項である「ＲΩ・Ｉ」は、抵抗過電圧を表わす。式（７）の右辺第３項である「ａ・ｌｎ（１−θ）」は、白金酸化被膜率θに起因して電圧が低下する程度を近似して表わす項である。式（７）の右辺第５項である「ｃ・ｌｎ（Ｉ）」は、活性化過電圧を表わす。式（７）の右辺第４項である「ｂ・Ｉ」および右辺第６項である「ｄ」、すなわち、１次式として表わされている部分は、上記した過電圧および白金酸化被膜に起因する電圧低下分とは異なる要因に起因する電圧低下分を表わしている。例えば、燃料電池６０においては、発電を継続していると、白金を担持しているカーボンが次第に酸化されることによる不可逆的な電極の劣化が進行するが、本実施例での式（７）では、このようなカーボン酸化に起因する電圧低下分は、上記１次式部分によって表わしている。
【００６１】
このように、式（７）では、出力電圧Ｖを、理論起電力から、種々の要因に起因する電圧低下分を減算した値として表わしている。式（７）の右辺では、変数として出力電流Ｉを有しており、本実施例では、式（７）によって、燃料電池６０の電流−電圧特性を表わしている。ａ，ｂ，ｃ，ｄ，は、上記のような考え方に基づいて出力電圧Ｖを表わすことを可能にするための、パラメータである。
【００６２】
ステップＳ２２０では、ステップＳ２１０で導出した白金酸化被膜率θと、ステップＳ２００で取得した出力電流Ｉおよび出力電圧Ｖを式（７）に代入することにより、現在の電流−電圧特性を表わすためのパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄを求めている。このステップＳ２２０におけるパラメータａ，ｂ，ｃ，ｄの導出は、逐次パラメータ推定アルゴリズム、例えば、逐次最小二乗法を用いる。逐次最小二乗法とは、時系列で繰り返し新たなデータを取得しつつ、新たなデータを取得するたびに、この新たなデータに基づくフィッティングによって１つ前のパラメータ推定値を補正することによって、過去の全データに対してフィッティングを行なうのと同様の効果を得ようとする周知のオンライン（リアルタイム）推定アルゴリズムである。
【００６３】
既述した出力制御処理ルーチンのステップＳ１４０で燃料電池６０の運転ポイントを設定する際には、燃料電池６０の電流−電圧特性として、ＩＶ特性推定処理ルーチンのステップＳ２２０で導出した値をパラメータａ、ｂ、ｃ、ｄに代入した式（７）を用いる。具体的には、以下のようにして運転ポイントを求めればよい。以下に示す式（８）は、式（７）の両辺に、出力電流Ｉを乗じて得られる式である。式（８）において、Ｗは、燃料電池６０の出力電力を表わす。
【００６４】
【数３】
2011192458.tif 000006
【００６５】
式（８）に示すように、燃料電池６０からの出力は、出力電流Ｉを変数として表わすことができる。ステップＳ１４０では、この式（８）において、出力電力Ｗとして、ステップＳ１３０で算出した電源システム目標電力を代入し、白金酸化被膜率θとして、ステップＳ２１０で導出した値を代入し、インピーダンスＲΩとして、取得した最新のインピーダンスの値を代入し、パラメータａ、ｂ、ｃ、ｄに、ステップＳ２２０で導出した値を代入する。これにより、電源システム目標電力を燃料電池６０から出力するための、燃料電池６０の目標出力電流Ｉを算出することができる。そして、上記した電源システム目標電力および目標出力電流Ｉに基づいて、電源システム目標電力を燃料電池６０から出力するための、燃料電池６０の目標出力電圧Ｖを算出することができる。これにより、燃料電池６０の運転ポイントを設定することができる。
【００６６】
なお、図３に示すステップＳ１６０において回生運転モードが選択されたときに、回生電力量が充分であれば燃料電池６０の発電は行なわれない。しかしながら、燃料電池６０の発電を行なわない、すなわち燃料電池の運転ポイントの設定を行なわない場合であっても、図６に示した白金酸化被膜率θを導出するための学習の動作は継続して行なえば良い。この場合には、式（５）において、出力電流Ｉには０を代入すると共に、出力電圧Ｖおよび燃料電池温度Ｔには、新たに検出した値を代入することによって、ステップＳ２１０と同様にして白金酸化被膜率θを導出し続ければよい。これにより、再び負荷要求が高まって燃料電池６０の発電を再開するときには、継続して導出していた白金酸化被膜率θを用いて電流−電圧特性を導出し、運転ポイントの設定を行なうことが可能になる。
【００６７】
以上のように構成された本実施例の燃料電池システム２０を備える電源システム１５によれば、白金酸化被膜率θを導出して、得られた白金酸化被膜率θに基づいて現在の電流−電圧特性を推定し、推定した電流−電圧特性に基づいて燃料電池６０の運転ポイントを設定している。したがって、より実際の状態に近い電流−電圧特性を用いて燃料電池の運転ポイントを設定することが可能となり、燃料電池から所望の電力を出力させる動作の精度を向上させることができる。
【００６８】
特に、白金酸化被膜率θは、単に現在の出力電圧等に基づいて一義的に求められるものではなく、燃料電池出力の過去の履歴によって定まる値である。そのため、燃料電池出力を反映する値を用いて白金酸化被膜率θを導出する動作を継続的に行なうことにより、初めて精度良く白金酸化被膜率θを導出することが可能になる。本実施例では、白金酸化被膜率θを求める際に、白金の酸化反応の反応速度と還元反応の反応速度の差としての白金酸化還元反応速度ｒを、時間で積分して、白金酸化被膜率θを求めている。これにより、燃料電池の電流−電圧特性における白金酸化被膜に起因するヒステリシスを精度良く反映させて、現在の電流−電圧特性の精度良い導出を可能にしている。
【００６９】
例えば、燃料電池の電流−電圧特性を一次式で近似し、燃料電池の出力電流および出力電圧に基づいた学習によって近似式を補正し続ける構成も考えられる。しかしながら、常に変動する白金の酸化反応速度と還元反応速度の差としての白金酸化還元反応速度ｒに起因する白金酸化被膜率θの影響は、一次式によって充分に表わすことはできない。そのため、電流−電圧特性全体を一次式で近似しようとすると、白金酸化被膜率θに起因する誤差が非常に大きくなってしまう場合がある。本実施例では、電流−電圧特性において白金酸化被膜率θの影響を反映させる際に、式（７）に示すように、（１−θ）、すなわち、白金酸化被膜に覆われていない領域の割合の対数項を用いているため、白金酸化被膜率θを考慮して電流−電圧特性を導出する精度を、さらに高めることができる。
【００７０】
白金の酸化反応速度と還元反応速度とは、既述したように、燃料電池の運転状態の変動に伴って常に変化するものであり、その結果としての白金酸化被膜率θも常に変動する。このように、燃料電池の運転ポイント設定に対する白金酸化被膜率θの影響は、燃料電池の電流−電圧特性に影響する他の要因（例えば燃料電池の温度や供給ガス量、あるいは触媒が備えるカーボンの酸化）の影響と比較すると、比較的短い時間内で極めて大きいということができる。したがって、燃料電池の出力制御を、負荷要求に応じて短い時間間隔で繰り返し行なう際には、白金酸化被膜率θの影響を考慮することによる電流−電圧特性導出の精度の向上は、燃料電池からの出力制御の精度において、極めて大きな効果をもたらす。
【００７１】
上記のように、導出する電流−電圧特性が真の値に近づく精度が高まり、設定した運転ポイントによって、所望の電力により近い電力を燃料電池から出力可能になるため、２次電池２６における制御の誤差分を吸収するための充放電を抑制することができる。ここで、２次電池２６が充放電する際には、充放電に伴う損失としての熱損失が生じる。制御誤差に起因する２次電池２６の充放電を抑制することにより、２次電池２６における熱損失を抑制することができ、電源システム１５全体のエネルギ効率を高めることができる。その結果、電気自動車１０においては、燃費を向上させることができる。
【００７２】
また、本実施例では、式（７）に基づいて電流−電圧特性を導出する際に、活性化過電圧を、出力電流Ｉの対数項として表わしている。これにより、活性化過電圧を考慮して電流−電圧特性を導出する精度を、例えば電流−電圧特性を一次式によって近似する構成に比べて、大きく向上させることができる。
【００７３】
Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７４】
Ｄ１．変形例１：
実施例では、式（７）に基づいて燃料電池６０の電流−電圧特性を導出したが、異なる構成としても良い。例えば、理論起電力に対して出力電圧を低下させる過電圧としては抵抗過電圧および活性化過電圧の他に、濃度過電圧がある。濃度過電圧は、出力電流が大きい発電状態以外では相対的な影響が非常に小さいため、実施例の式（７）では、濃度過電圧を特別に考慮していない。すなわち、濃度過電圧の影響は、結果的に１次式部分に含めている。しかしながら、式（７）において、理論起電力Ｕ1からの電圧低下分を表わす項として、濃度過電圧を表わす項をさらに設けても良い。式（７）においてさらに濃度過電圧を考慮した電流−電圧特性を表わす式を、式（９）として以下に示す。式（９）において、ｅは、ａ〜ｄと同様のフィッティングのためのパラメータである。触媒近傍酸素分圧（カソードの触媒近傍の酸素分圧）が小さいほど、濃度過電圧は大きくなり、式（９）の右辺第７項は小さくなる。
【００７５】
【数４】
2011192458.tif 000007
【００７６】
式（９）における触媒近傍酸素分圧の求め方の一例を以下に説明する。燃料電池６０が充分に昇温して充分量のガスが供給されている定常状態で発電する際には、セル内酸化ガス流路から触媒近傍への酸素流量は、発電による酸素消費量に等しいと考えられる。セル内酸化ガス流路から触媒近傍への酸素流量は、セル内酸化ガス流路における酸素分圧（流路酸素分圧）と触媒近傍酸素分圧との差に比例すると考えられる。したがって、比例定数をＤとすると、以下の式（１０）が成り立つ。よって、式（１０）から、触媒近傍酸素分圧を求めるための式（１１）が得られる。なお、酸素の拡散速度と酸素分圧差との比例定数Ｄは、予め実験的に定めて制御部４８内に記憶しておけばよい。
【００７７】
【数５】
2011192458.tif 000008
【００７８】
式（１１）に基づいて触媒近傍酸素分圧を求める際に、発電による酸素消費量は、燃料電池６０における現在の発電量と式（２）に基づいて算出することができる。また、流路酸素分圧は、以下に示す式（１２）に基づいて求めることができる。式（１２）では、セル内酸化ガス流路における酸化ガスの圧力を「エア圧力」、酸化ガス排出マニホールドの出口部における酸素流量を「ＦＣ出口酸素流量」、酸化ガス排出マニホールドの出口部における排出酸化ガスの流量を「ＦＣ出口エア流量」、酸化ガス供給マニホールドへと流入する酸化ガスの流量を「ＦＣ入口エア流量」と記載している。
【００７９】
【数６】
2011192458.tif 000009
【００８０】
ステップＳ２２０において式（９）に基づいて電流−電圧特性を導出する場合には、さらに、セル内酸化ガス流路あるいはセル内酸化ガス流路に連通する流路に圧力センサを設けて「エア圧力」を検出すると共に、燃料電池に連通する酸化ガス流路に設けた流量センサによって「ＦＣ入口エア流量」を常に繰り返し検出する。そして、これらの値を用いて式（１２）、式（１１）に基づいて流路酸素分圧および触媒近傍酸素分圧を求め、式（７）に基づく実施例と同様にして、式（９）に基づいて電流−電圧特性を導出すればよい。
【００８１】
Ｄ２．変形例２：
実施例における式（７）に基づく電流−電圧特性の導出において、さらに異なる変形を行なっても良い。例えば、式（７）において、抵抗過電圧と活性化過電圧の少なくとも一方については、電圧低下分を表わす項として別途近似するのではなく、１次式の部分に含ませてフィッティングを行なうこととしても良い。
【００８２】
抵抗過電圧および活性化過電圧は、白金酸化被膜率の影響と同様に直線的に変化する値ではないため、このように電圧低下分を表わす項として別途近似することにより、電流−電圧特性の導出の精度を向上させることができる。しかしながら、電圧を降下させる要因のうちで、変化の影響が１次式からはずれる程度は、白金酸化被膜率θの影響が最も大きいと考えられる。そのため、式（７）のように電流−電圧特性を表わす式において、濃度過電圧、抵抗過電圧、活性化過電圧という３つの過電圧の少なくとも一つに起因する電圧低下分については、１次式部分「−ｂ・Ｉ＋ｄ」に含めることとして、当該過電圧を近似する項を特別に設けないこととしても良い。この場合にも、理論起電力からの電圧低下要因の内、白金酸化被膜率θに起因する電圧低下分を、白金酸化被膜率θを用いた対数項によって表わすと共に、他の要因による電圧低下分の少なくとも一つを、電流を変数として有する項によって表わすことにより、電流−電圧特性の導出の精度を高める実施例と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
Ｄ３．変形例３：
また、電流−電圧特性を導出する際に、電圧を理論起電力から降下させる過電圧を近似する項として、実施例や既述した変形例とは異なる項を用いても良い。例えば、式（７）においては、活性化過電圧に起因する影響を表わすために、「ｃ・ｌｎＩ」という右辺第５項を設けたが、この右辺第５項に代えて、「ｃ・ｌｎ（Ｉ＋i_n）」という項を設けても良い。
【００８４】
上記した「i_n」は、内部電流である。燃料電池の発電時には、アノード側からカソード側へと電解質膜を水素が透過して、透過した水素がカソードにおいて酸素と反応する現象が起こる。このような反応を内部電流として扱い、水素透過量をｎ「ｍｏｌ／ｓ」とすると、内部電流i_nは、以下の式（１３）で表わすことができる。
【００８５】
i_n ＝ ｎ／（２Ｆ）［Ａ］    …（１３）
ただし、Ｆは、ファラデー定数。
【００８６】
そのため、活性化過電圧を表わす項は、「ｃ・ｌｎ（Ｉ＋i_n）」とすることができる。内部電流i_nは、例えば、水素透過量を温度やインピーダンスのマップとして予め制御部４８内に記憶しておき、検出した温度およびインピーダンスを用いて上記マップを参照することによって求めることができる。また、水素透過量は、燃料電池の劣化の度合い（電解質膜の劣化の度合い）によって変化する。そのため、パラメータａ、ｂ、ｃ、ｄのフィッティングを行なう式（７）と同様に、燃料電池の出力電流、出力電圧等の検出値に適合するように、学習を行ないつつ水素透過量を求めることとしても良い。
【００８７】
Ｄ４．変形例４：
実施例では、白金酸化被膜率θを逐次導出し、導出した白金酸化被膜率θを用いて、式（７）に基づいて、現在の電流−電圧特性を導出しているが、導出した白金酸化被膜率θを用いて電流−電圧特性を導出する動作は、異なる構成としても良い。例えば、図４に示したような電流−電圧特性としてのＩ−Ｖ曲線（実際には、電流と電圧の組み合わせとしての数列）を、白金酸化被膜率θ毎、および、燃料電池の温度毎に用意して、制御部４８内に記憶しておく。そして、ステップＳ２２０では、検出した燃料電池温度と、ステップＳ２１０で求めた白金酸化被膜率θに応じて、記憶しておいたＩ−Ｖ曲線から現在のＩ−Ｖ曲線を選択し、選択したＩ−Ｖ曲線を用いて運転ポイント設定の制御を行なえばよい。逐次導出した白金酸化被膜率θから得られる電流−電圧特性に基づいて運転ポイントを設定するならば、白金酸化被膜の増減に起因する短期的な電流−電圧特性の変化に追従して、運転ポイント設定の精度を向上させる同様の効果が得られる。
【００８８】
Ｄ５．変形例５：
実施例では、ステップＳ１６０において回生運転モードが選択されて燃料電池６０の発電が行なわれない期間においても、図６に示した白金酸化被膜率θを導出する動作は継続して行なうこととしている。同様に、電源システム１５の停止時にも、白金酸化被膜率θを導出する動作を継続することとしても良い。
【００８９】
すなわち、電気自動車１０において、所定の停止スイッチが操作されると、電源システム１５からの電力供給は、次回に所定の起動スイッチが操作されるまで停止される。このように電気自動車１０の停止の指示がなされた後には、式（５）において、出力電流Ｉには０を代入すると共に、出力電圧Ｖおよび燃料電池温度Ｔには、新たに検出した値を代入することによって、ステップＳ２１０と同様にして白金酸化被膜率θを導出し続ければよい。燃料電池が発電を停止した後には、燃料電池の電圧は、開回路電圧（ＯＣＶ）から０へと次第に低下するが、電圧が０になるまでの間は、電圧および温度の影響を受けて白金酸化被膜率θは変動する。上記のように、燃料電池が発電を停止した後にも白金酸化被膜率θを導出し続けることにより、燃料電池の電圧が０になった時点での白金酸化被膜率θを求めることができる。これにより、電気自動車１０を再起動して燃料電池６０の発電を再開するときには、電圧が０となったときの白金酸化被膜率θを利用して電流−電圧特性を導出し、精度良く運転ポイントの設定を行なうことが可能になる。
【００９０】
なお、電気自動車１０の停止時には、上記した白金酸化被膜率θの導出を繰り返す動作を行なうことなく、燃料電池６０の発電停止時における白金酸化被膜率θを記憶して、再起動時には、記憶した値を用いて電流−電圧特性導出部を導出してもよい。再起動時の白金酸化被膜率θとして、燃料電池６０の発電停止時の値を用いる場合には、燃料電池６０の発電停止後にも白金酸化被膜率θの導出を行なった場合に比べて、再起動時における運転ポイント設定の精度が不十分となる可能性がある。しかしながら、発電開始と共に、白金酸化被膜率θを繰り返し導出する動作が開始され、電流−電圧特性をフィッティングする学習制御が開始される。そのため、燃料電池６０の発電停止時の白金酸化被膜率θを用いる場合であっても、再起動後に燃料電池システムの暖機運転を行なう間に、電流−電圧特性を導出する精度を充分に高めることが可能になる。
【００９１】
Ｄ６．変形例６：
実施例では、カソードが備える触媒として白金を用いたが、異なる構成としても良い。例えば、白金以外の貴金属を触媒として用いても良い。白金以外の触媒を用いる場合であっても、電極電位によっては触媒における酸化被膜形成に起因する電池性能の低下が起こり得る。そのため、実施例と同様に触媒酸化被膜率を導出して電流−電圧特性を推定することにより、実施例と同様の効果を得ることができる。
【００９２】
Ｄ７．変形例７：
実施例では、燃料電池システム２０は、２次電池２６を備える電源システム１５に含まれることとしたが、異なる構成としても良い。例えば、２次電池２６に代えて、あるいは２次電池２６に加えて、他種の蓄電器（例えばキャパシタ）を備えることとしても良い。あるいは、蓄電器を備えることなく、燃料電池のみを電源として用いる電源システムであっても良い。
【００９３】
Ｄ８．変形例８：
実施例では、燃料電池システム２０を電気自動車の駆動用電源として用いたが、異なる構成としても良い。車両以外の移動体の駆動用電源としてもよく、また、燃料電池システムを、定置型電源として用いても良い。
【符号の説明】
【００９４】
１０…電気自動車
１５…電源システム
２０…燃料電池システム
２１…気液分離器
２２…開閉弁
２７…残存容量モニタ
２８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３０…駆動インバータ
３２…駆動モータ
３４…減速ギヤ
３６…出力軸
３８…車両駆動軸
４０…高圧補機
４４…降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
４６…低圧補機
４８…制御部
５０…配線
５２…電圧センサ
５３…電流センサ
５４…交流インピーダンス測定部
６０…燃料電池
６１…燃料ガス供給部
６２…水素ガス供給路
６３…アノードオフガス路
６４…ブロワ
６５…酸化ガス供給路
６６…カソード排ガス路
６７…温度センサ
６９…水素ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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