(57)【要約】【課題】燃料電池の触媒活性化処理時に、燃料電池から発生する余剰電力の受入れ対象の受入れ能力に合わせて燃料電池の電圧低下速度を決定すること。【解決手段】燃料電池２の間欠運転時に、燃料電池２の出力電圧を下げて触媒を活性化させるための触媒活性化処理を行うときに、発電電力Ｐ１がバッテリ充電許可電力Ｐｐを超え、発電電力Ｐ２がバッテリ充電許可電力Ｐｐを超えていないときには、発電電力Ｐ２に対応した低下速度ＶＳ２を選択し、選択した低下速度ＶＳ２に従って、燃料電池２の出力電圧を目標電圧Ｖ１に向けて低下させ、燃料電池２の出力電圧の低下に伴う余剰電力の急激な発生を抑制する。【選択図】図２
2008218340.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力電圧を下げて触媒活性化処理を実施する燃料電池システムであって、
前記燃料電池から発生する余剰電力の受け入れ装置の受け入れ可能能力に基づいて、触媒活性化処理のための、前記燃料電池の出力電圧の変化速度を変更する制御部を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記受け入れ装置は、蓄電装置または前記燃料電池の負荷のうち少なくとも一方である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の出力電圧を変化させ、かつ、前記燃料電池から発生する余剰電力を前記受け入れ装置に充電するための電圧変換部をさらに備え、
前記制御部は、前記触媒活性化処理時に、
前記受け入れ装置の前記受け入れ可能電力を算出し、
算出された前記受け入れ可能電力が小さい程、前記電圧変換部における前記燃料電池の出力電圧の変化速度を遅くする、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、
前記電圧変換部の通過電力が前記電圧変換部の上限値を越えない範囲内で前記燃料電池の出力電圧の変化速度を制限する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、
算出された前記受け入れ可能電力が所定の設定電力よりも小さいときには、前記燃料電池の出力電圧を前記触媒活性化処理に適合する電圧まで低下させる動作を停止させる、請求項１または３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記受け入れ装置として、さらに前記燃料電池の補機を備え、
前記制御部は、算出された前記受け入れ可能電力が所定の設定電力よりも小さいときに、前記燃料電池の負荷として前記補機を駆動する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池の出力電圧を下げて触媒活性化処理を実施する燃料電池システムであって、
前記燃料電池から発生する余剰電力の受入れ対象となる蓄電装置または前記燃料電池の負荷のうち少なくとも一方の受け入れ可能電力を算出する電力算出手段と、
前記電力算出手段の算出電力を基に前記燃料電池の出力電圧を変化させる電圧変換手段と、を備え、
前記電圧変換手段は、前記電力算出手段の算出電力が小さい程、前記燃料電池の出力電圧の変化速度を遅くし、かつ、前記燃料電池から発生する余剰電力を前記蓄電装置に充電するための通過電力が前記電圧変換手段の上限値を越えない範囲内で前記燃料電池の出力電圧の変化速度を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【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係り、特に、燃料電池の出力電圧を下げて触媒活性化処理を実施することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムでは、運転中、燃料電池の触媒層に酸素が吸着されると燃料電池の出力電圧が低下するので、このような場合、燃料電池への酸素の供給を一旦停止し、かつ燃料電池の発電電圧を触媒層の還元領域までさげることにより、燃料電池スタックの触媒層を活性化する処理（すなわち還元処理）が行われている。
【０００３】
このような燃料電池の触媒活性化処理に関連する技術として、例えば、ハイブリッド型の燃料電池を構成する補機用のバッテリとして低電圧のものを使用し、燃料電池の触媒活性化処理時に電圧低下に伴って増大する余剰電力をバッテリに充電することで、余剰電力の無駄を無くすようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４６９７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来技術においては、燃料電池の触媒活性化処理時に、燃料電池の余剰電力を考慮しながら燃料電池の電圧低下速度を決定することについては配慮されていない。このため、燃料電池の触媒層を活性化するに際して、触媒活性化処理を短時間で行うために、燃料電池の電圧低下速度を速くすると、残留ガス（酸素）の多い状態で電圧が急激に低下するので、余剰電力量が大きくなり、過剰な電力が供給される結果、燃料電池の負荷やバッテリ（蓄電装置）に耐久性低下等の性能劣化を引き起こすおそれがあった。
【０００６】
そこで、本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、燃料電池の触媒活性化処理時に、燃料電池から発生する余剰電力の受入れ対象の受入れ能力に合わせて燃料電池の電圧低下速度を決定することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を下げて触媒活性化処理を実施する燃料電池システムであって、前記燃料電池から発生する余剰電力の受け入れ装置の受け入れ可能能力に基づいて、触媒活性化処理のための、前記燃料電池の出力電圧の変化速度を変更する制御部を備えたことを特徴とする。
【０００８】
係る構成によれば、触媒活性化処理時に、制御部が受け入れ可能能力（例えば電力や容量）を算出し、この受け入れ可能能力に基づき、触媒活性化処理のための燃料電池の出力電圧の変化速度を制御するので、受け入れ装置に悪影響を与えるような余剰電力の発生が抑制される。
【０００９】
例えば、受け入れ装置は、蓄電装置または前記燃料電池の負荷のうち少なくとも一方である。蓄電装置が余剰電力を充電可能に構成され、負荷（例えば、水素ポンプ、コンプレッサ、冷却液ポンプ等の補機や走行用モータ類）は余剰電力を消費可能に構成されているので、触媒活性化処理の過程で生じた余剰電力の受け入れ可能先となる。但し、電力を充電や消費可能なものであれば、これらに限定されず、受け入れ装置の対象となる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池の出力電圧を変化させ、かつ、前記燃料電池から発生する余剰電力を前記受け入れ装置に充電するための電圧変換部を備える。そして前記制御部は、前記触媒活性化処理時に、前記受け入れ装置の前記受け入れ可能電力を算出し、算出された前記受け入れ可能電力が小さい程、前記電圧変換部における前記燃料電池の出力電圧の変化速度を遅くする。
【００１１】
係る構成によれば、触媒活性化処理時に、受け入れ可能電力が小さい程、すなわち、燃料電池から発生する余剰電力の受入れ対象となる受け入れ装置の受け入れ可能電力が小さい程、燃料電池の出力電圧の変化速度（変化率）を遅くすることで、燃料電池の出力電圧の低下に伴う余剰電力の急激な発生が抑制される。このため、受け入れ装置の受け入れ可能電力が小さくなっても、燃料電池の出力電圧の変化速度が遅くなるに従って発生する余剰電力の発生が低下し、受け入れ装置の受入れ能力（受け入れ可能電力）を超えることがないので、余剰電力のピーク値が高くなって受け入れ装置に影響を与えることが抑制される。
【００１２】
前記燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
好適には、前記制御部は、前記電圧変換部の通過電力が前記電圧変換部の上限値を越えない範囲内で前記燃料電池の出力電圧の変化速度を制限する。
【００１３】
係る構成によれば、燃料電池の出力電圧の低下に伴って、燃料電池から発生する余剰電力が電圧変換部を通過するようになり、この通過電力が電圧変換部の上限値（許容値）を越えない範囲内で燃料電池の出力電圧の変化速度が制限されるので、余剰電力の通過に伴う影響（熱等）から電圧変換部を保護することができる。
【００１４】
好適には、前記制御部は、算出された前記受け入れ可能電力が所定の設定電力よりも小さいときには、前記燃料電池の出力電圧を前記触媒活性化処理に適合する電圧まで低下させる動作を停止させる。
【００１５】
係る構成によれば、算出された受け入れ可能電力が予め規定した設定電力よりも小さいときには、受け入れ装置では余剰電力を受入れることができないとして、電圧変換部による電圧低下動作を停止するように制御されるので、受け入れ装置を保護することができる。
【００１６】
好適には、前記受け入れ装置として、さらに前記燃料電池の補機を備え、前記制御部は、算出された前記受け入れ可能電力が所定の設定電力よりも小さいときに、前記燃料電池の負荷として前記補機を駆動する。
【００１７】
係る構成によれば、算出された受け入れ可能電力が予め規定した設定電力よりも小さいときに、蓄電装置または燃料電池の負荷では余剰電力を受入れることができないとして、さらに補機を駆動することで、補機によって余剰電力を消費させることができ、蓄電装置の過充電を防止できるとともに、補機を駆動しないときよりも電圧低下速度を速くすることができる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を下げて触媒活性化処理を実施する燃料電池システムであって、前記燃料電池から発生する余剰電力の受入れ対象となる蓄電装置または前記燃料電池の負荷のうち少なくとも一方の受け入れ可能電力を算出する電力算出手段と、前記電力算出手段の算出電力を基に前記燃料電池の出力電圧を変化させる電圧変換手段と、を備え、前記電圧変換手段は、前記電力算出手段の算出電力が小さい程、前記燃料電池の出力電圧の変化速度を遅くし、かつ、前記燃料電池から発生する余剰電力を前記蓄電装置に充電するための通過電力が前記電圧変換手段の上限値を越えない範囲内で前記燃料電池の出力電圧の変化速度を制限するよう構成することもできる。
【００１９】
係る構成によれば、触媒活性化処理時に、電力算出手段の算出電力が小さい程、すなわち、燃料電池から発生する余剰電力の受入れ対象となる蓄電装置または燃料電池の負荷のうち少なくとも一方の受け入れ可能電力が小さい程、燃料電池の出力電圧の変化速度を遅くすることで、燃料電池の出力電圧の低下に伴う余剰電力の急激な発生が抑制される。このため、燃料電池の負荷または蓄電装置のうち少なくとも一方の受け入れ可能電力が小さくなっても、燃料電池の出力電圧の変化速度が遅くなるに従って余剰電力が徐々に発生し、余剰電力が燃料電池の負荷または蓄電装置の受入れ能力（受け入れ可能電力）を超えることがないので、余剰電力のピーク値が高くなって燃料電池の負荷や蓄電装置に影響を与えることを抑制できる。さらに、燃料電池の出力電圧の低下に伴って、燃料電池から発生する余剰電力を蓄電装置に充電するときに、電圧変換手段を通過する通過電力が電圧変換手段の上限値（許容値）を越えない範囲内で燃料電池の出力電圧の変化速度を制限することで、余剰電力の通過に伴う影響（熱等）から電圧変換手段を保護することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池から発生する余剰電力の受け入れ可能能力に基づいて、触媒活性化処理のための燃料電池の出力電圧の変化速度を変更するので、余剰電力が蓄電装置または燃料電池の負荷等の受入れ能力を超えるのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２２】
（構成の説明）
まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６などを備えている。
【００２３】
燃料電池２は、例えば、固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、カソード極とアノード極を含む電極には、例えば、多孔質のカーボン素材をベースに、白金Ｐｔが触媒（電極触媒）に用いられている。さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有している。そして、一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流（出力電流）を検出する電流センサ（電流検出手段）２ａおよび電圧（出力電圧）を検出する電圧センサ（電圧検出手段）２ｂと、燃料電池２の温度を検出する温度センサ（温度検出手段）２ｃが取り付けられている。なお、燃料電池２としては、固体分子電解質型の他、燐酸型や溶融炭酸塩型など種々のタイプのものを採用することができる。
【００２４】
酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１などを有している。
【００２５】
エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給する。モータＭ１には、モータＭ１の回転数を検知する回転数検知センサ３ａが取り付けられている。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池２の電池反応に供したあとの酸素オフガスの他、カソード極側で生成されるポンピング水素などが含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００２６】
加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧はエア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲（環境基準に基づいて定められた範囲など）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流および後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガスおよび酸素オフガスは希釈器３５で混合希釈されてシステム外に排気される。
【００２７】
燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２などを有している。
【００２８】
燃料ガス供給源４１は、燃料電池２へ水素ガスなどの燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段であり、例えば、高圧水素タンクや水素貯蔵タンクなどによって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３などの弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２およびＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へ燃料ガスを供給（または遮断）するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。
【００２９】
燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６がそれぞれ配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
【００３０】
電力系５は、高圧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、補機インバータ５４、チョッパ回路５５、吸収器５６、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４などを備えている。
【００３１】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、本発明の電圧変換部に相当する構成である。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、一次側に接続されたバッテリ５２から入力された直流電圧を調整して、二次側に接続されたトラクションインバータ５３側に出力する機能と、二次側に接続された燃料電池２またはトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整して、一次側に接続されたバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、制御装置６からの制御信号に基づき二次側の端子電圧を維持固定することができるものであり、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の制御によって燃料電池２の出力電圧を任意に制御することが可能に構成されている。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、制御装置６からの制御信号に基づき一次側から二次側への通過電力、または、二次側から一次側への通過電力を任意に制御することも可能に構成されている。
【００３２】
バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり、補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、バッテリ５２の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣセンサ５ａが取り付けられている。なお、バッテリ５２に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを採用することもできる。
【００３３】
トラクションインバータ５３および補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２またはバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３および補機モータ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータ（車両駆動用モータ）であり、負荷動力源の一実施形態である。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ｂが取り付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２などを総称したものである。
【００３４】
制御装置６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成されており、本発明の制御部に係る。制御装置６は、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置６は、アクセルペダル回動を検出するアクセルペダルセンサ６ａ、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検知センサ３ａ、５ｂなどから送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。この際、制御装置６は、トラクションモータＭ３の運転モード（Ｐ：パーキングモード、Ｒ：リバースモード、Ｎ：ニュートラルモード、Ｄ：ドライブモード、Ｂ：回生ブレーキモード）を選択するためのシフトレバー等からなる操作部８から送出される信号に基づいて、トラクションモータＭ３からの出力要求の有無を判定する。
【００３５】
そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように、燃料電池２の出力電圧および出力電流を制御する。また制御装置６は、トラクションインバータ５３および補機インバータ５４の出力パルスなどを制御して、トラクションモータＭ３および補機モータＭ４を制御する。
【００３６】
また、燃料電池２の触媒層に酸素が吸着されると、燃料電池２の出力電圧が低下するところから、制御装置６は、燃料電池２への酸素の供給を一旦停止し、且つ燃料電池２の発電電圧を触媒層の還元領域まで下げて、触媒層を活性化する還元処理あるいはリフレッシュ処理を行うこととしている。
【００３７】
（原理説明）
次に、図２に基づいて、本実施形態における動作原理を説明する。
燃料電池２を継続的に使用していると、電極触媒が酸化されて発電効率が悪くなるため、定期的に触媒活性化処理を行う。触媒活性化処理は、電極触媒に還元反応が生じる電圧にまで燃料電池２の出力電圧を下げて行うものであり、還元処理あるいはリフレッシュ処理ともいわれる。この触媒活性化処理は、システムへの要求電力量が少なく、燃料電池２から直接トラクションモータＭ３に電力を供給しなくてよい安定化状態において実施されるものである。例えば、バッテリ５２からの電力供給のみで車両を走行させているような、いわゆる間欠運転モードにおいて実施することが好ましい。
【００３８】
触媒活性化処理時、燃料電池２の出力電圧は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の二次側端子電圧を減少させることによって低下していく。ここで、燃料電池２が本来有する電流―電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）によって燃料電池２の出力電圧が低下するに連れて燃料電池２の出力電流は上昇していき、燃料電池２の出力電力は上昇するようになる。触媒活性化処理は間欠運転モード等、基本的にシステムへの要求電力が少ない状態に行われるものであるため、上昇する燃料電池の出力電力の多くは余剰電力となってしまう。
【００３９】
そこで、図２に電力の流れｆ１で示すように、燃料電池２の出力電圧低下に伴って生じる余剰電力を、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を経由してバッテリ５２に充電していくのである。この余剰電力量は、燃料電池２の出力電圧の低下速度（減少率）が速い程、多くなる傾向にある。
【００４０】
従来は、燃料電池２の所定の出力電圧の低下速度で高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御していた。バッテリ５２に充電可能である限り、燃料電池２の出力電池の低下速度を考慮する必要はない。ところが、バッテリ５２のみでは余剰電力の受け入れが不可能な場合がある。例えば、バッテリ５２が一定量充電されており、充電可能電力量が少なくなっているような場合がある。
【００４１】
本発明は、このような場合に対処するために、バッテリ５２等の受け入れ装置の余剰電力受け入れ可能能力を検出し、触媒活性化処理のための燃料電池２の出力電圧の変化速度を変更制御するものである。すなわち、燃料電池２の出力電圧の変化速度が遅ければ、発生する余剰電力量が減る傾向にあることを利用し、バッテリ５２等の余剰電力の受け入れ装置の受け入れ能力が低い場合には、燃料電池２の出力電圧の低下速度を遅くする（減少率を小さくする）よう制御するのである。
【００４２】
但し、燃料電池２の出力電圧の変化速度を初めから遅くすることは適当ではない。燃料電池２の出力電圧の低下速度が遅いということは、出力電圧が電極触媒の還元領域に到達するまでの時間が長くなるということである。触媒活性化処理が行われる間欠運転モードは安定した車両の走行状態にしか実施できないので、例えばアクセル６ａ等が操作され、負荷量が増えると、一旦間欠運転モードを解除しなければならない。一方、触媒活性化処理を十分行うためには、迅速に燃料電池の出力電圧を還元領域の電圧にまで下げて、一定の期間、その電圧を維持する必要があり、触媒活性化処理の解除がされないように、なるべく短時間に還元領域の出力電圧にまで下げて、一定時間その電圧を維持する必要がある。よって、システムとしては、妥当な速度で燃料電池２の出力電圧を下げるように設定し、発生する余剰電力が充電できない、または、消費できないという特別な事情が発生した場合にのみ、一時的に出力電圧の低下速度を遅くする、という動的な制御が好適なのである。
【００４３】
ここで、燃料電池２の余剰電力を総て受け入れる余裕がバッテリ５２にない場合、負荷装置に余剰電力を消費させる。負荷装置としては、燃料電池２の負荷であるトラクションモータＭ３やその他補機類Ｍ（コンプレッサＭ１、水素ポンプＭ２、補機Ｍ４（エアコン等））がある。バッテリ５２の受け入れ可能電力量が少ない場合、これら燃料電池２の負荷を利用することが可能である。
【００４４】
燃料電池２の負荷としてトラクションモータＭ３を駆動することが可能な状態であれば、相対的に大きな電力を消費するトラクションモータＭ３を駆動することで、バッテリ５２に充電できない余剰電力を消費することが可能である。図２における電力の流れｆ２のように余剰電力が消費される。
【００４５】
一方、トラクションモータＭ３を駆動する場合は車両の進行状態に影響を与える状態であるため、常に利用可能な受け入れ装置とはなり得ない。トラクションモータＭ３に余剰電力を消費させることができない場合（例えば、バッテリ５２の受け入れ可能電力が所定の設定電力以下の場合）、トラクションモータＭ３以外の補機Ｍに余剰電力を消費させることができる。すなわち、図２の電力の流れｆ３のような流れで、燃料電池２の余剰電力を補機類Ｍに消費させる場合である。
【００４６】
また、単純にバッテリ５２への充電可能電力が燃料電池２の余剰電力の受け入れ対象として十分ではない場合には、触媒活性化処理を停止してしまうことも考えられる方法である。触媒活性化処理を中断し、燃料電池２の出力電圧を元の高電位回避電圧に戻せば、余剰電力の発生がなくなるからである。
【００４７】
一方、余剰電力をバッテリ５２に充電させたり（ｆ１の場合）補機類Ｍに消費させたり（ｆ３の場合）、余剰電力は高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を通過する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を通過する電力が過大になると、素子が発熱する等の影響があるため、通過電力には一般に制限がある。そこで、本実施形態において、制御装置６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の通過電力が予め把握されている上限値を越えないように、燃料電池２の出力電圧の変化速度を制限する。もしも高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の通過電力がこの上限値以上となったら、例えバッテリ５２への充電可能電力や補機類Ｍの消費可能電力に余裕があったとしても、燃料電池２の出力電圧の低下速度を緩和する。このように処理することで、余剰電力の発生、すなわち高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の通過電力を低減し、コンバータの素子を保護するのである。
【００４８】
（動作の説明）
次に図３のフローチャートを参照して、本実施形態の動作を説明する。
車両の負荷状態が安定し、バッテリ５２からの電力供給のみで運転が可能な場合、間欠運転モードに入るため、間欠フラグがオンにされる。ステップＳ１０において、制御装置６は、間欠フラグがオンであるか否かを判定する。ステップＳ１０において、間欠フラグがオンであると判定された場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に移行し、制御装置６は、ＳＯＣセンサ５ａからＳＯＣ信号に基づいてバッテリ５２の内部温度を検出し、バッテリ５２のＳＯＣ値、すなわち充電状態を取得する。バッテリに充電可能な全電力は、バッテリ温度に応じて決定でき、現時点の充電量はＳＯＣ値から把握できるので、今後バッテリに充電可能な電力は、このバッテリ温度とＳＯＣ値とが有れば演算できる。そこで、制御装置６は、ステップＳ１２に移行し、バッテリ温度とＳＯＣ値とに基づいてバッテリ５２への充電許可パワーを演算する。
【００４９】
次いでステップＳ１３に移行し、制御装置６は演算されたバッテリ５３２の充電許可パワーが予め設定されたしきい値電力Ｐｔｈより大きいか否かを判定する。しきい値電力Ｐｔｈはバッテリ５２の充電余裕として十分ではないと判断できる一定値に設定することができる。充電の余裕度は余剰電力の大きさにもよるので、しきい値電力ＰｔｈをステップＳ１４等で別途演算できる余剰電力に基づいて動的に変更設定することも可能である。
【００５０】
ステップＳ１３においてバッテリ５２の充電許可パワーがしきい値電力Ｐｔｈ以上であった場合（ＹＥＳ）、制御装置６は、ステップＳ１４に移行し、温度センサ２ｃからの検出信号を参照して燃料電池２の内部温度を計測する。
【００５１】
次いでステップＳ１５に移行し、制御装置６は燃料電池温度に基づいて燃料電池２の出力電圧の降下速度を決定する。余剰電力の発生量は燃料電池２の内部温度に応じて変化することが知られている。制御装置６は燃料電池２の内部温度に対応して適正な電圧降下速度を予め実験的に決定して参照テーブルとして格納している。参照テーブルは、例えば、発生する余剰電力を過剰に発生させないような出力電圧降下速度について、燃料電池温度との関係をマッピングしたものである。制御装置６は燃料電池２の内部温度を入力値としてこの参照テーブルを参照し、出力値である電圧降下速度を読み取るのである。電圧降下速度は例えば所定の制御タイミング毎の前回からの電圧低下量として記録できる。
【００５２】
次いでステップＳ１６に移行し、制御装置６は燃料電池２の充電許可パワーが所定のしきい値電力Ｐｔｈ２以下となっているか否かを判定する。しきい値電力Ｐｔｈ２は燃料電池２の出力電圧の低下速度を緩和するのに適当な電力であり、余剰電力処理に補機類Ｍを動員したりシステムを停止させたりしなければならない上記しきい値電力Ｐｔｈ１よりは高くすることが妥当であるが、これに限定されるものではない。
【００５３】
ステップＳ１６において、充電許可パワーがしきい値電力Ｐｔｈ２以下である場合（ＹＥＳ）、制御装置６はステップＳ１７に移行し、ステップＳ１５で演算した電圧降下速度を緩和する。例えば、電圧降下速度が電圧降下直線の傾きとして算出されているのなら、この傾きを緩和する。また例えば、電圧降下速度が前回の制御タイミングからの電圧減少量として算出されているのなら、この減少量を緩和する。これら緩和量は例えばこの傾きを半分にしたり所定の緩和率ｒ（０≦ｒ≦１）を乗算したりすればよい。なお、ステップＳ１６において、充電許可パワーがしきい値電力Ｐｔｈ２より大きい場合には（ＮＯ）、十分な余裕があるものとして、制御装置６は電圧低下速度の緩和は行わない。
【００５４】
ステップＳ１８において、制御装置６は決定した電圧降下速度に鑑みた今回の燃料電池２の出力電圧値を二次側電圧に維持するような制御信号を高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に出力する。この処理を一定の制御タイミング毎に繰り返すことによって、すなわち当該制御フローチャートを制御タイミング毎に実施することによって、燃料電池２の出力電圧はバッテリ５２の充電許可パワーに応じた電圧降下速度で低下していくことになる。
【００５５】
一方、ステップＳ１３においてバッテリ５２の充電許可パワーがしきい値電力Ｐｔｈ１以下であった場合（ＮＯ）、バッテリ５２への余剰電力の充電が不可能であることを示している。そこでステップＳ２０に移行し、制御装置６は補機類Ｍが運転可能な状態であるか否かを判定し、運転可能な状態であれば（ＹＥＳ）、ステップＳ２１に移行し、補機類Ｍを一定時間運転させる。この処理によって、余剰電力が補機類Ｍにより消費されることになる。
【００５６】
なお、補機類ＭにはコンプレッサＭ１、水素ポンプＭ２、補機Ｍ４（エアコン等）が存在するので、補機毎に運転可能か否かを判定し、運転可能な補機のみを選択して運転させることが可能である。また、トラクションモータＭ３は消費電力が大きいので、トラクションモータＭ３に余剰電力を供給可能な場合には、余剰電力をトラクションモータＭ３に供給することも可能である。トランクションモータＭ３の駆動電力が余剰電力では不足する場合には、その不足分をバッテリ５２からトラクションモータＭ３へ供給するように制御することが可能である。
【００５７】
ステップＳ２０において、補機類Ｍのいずれもが運転不可能な場合、または、余剰電力に比べ少ない電力しか消費できない場合には（ＮＯ）、制御装置６はもはや電圧降下をさることが不可能であり触媒活性化処理が不可能になったと判断して、ステップＳ２２に移行し、間欠フラグをオフに変更する。間欠フラグをリセットすることによって、次回この処理が呼ばれても、ステップＳ１０においてＮＯとなり、次の間欠運転モードのタイミングとなり間欠フラグがセットされるまで触媒活性化処理はされない。
【００５８】
なお、上記処理によれば、バッテリ５２の充電許可パワーがしきい値電力Ｐｔｈ２以下か否かに応じて電圧降下速度を緩和することにしたが、充電許可パワーに対応させて連続的に電圧降下速度を変化させてもよい。すなわち充電許可パワーはバッテリ５２に供給可能な余裕力を示し、時間の経過と共に変動するので、その変動に合わせて電圧降下速度も動的に変化させれば、より追従性のよい制御が可能だからである。
【００５９】
図４に本実施形態の適用によって制御されるシステム各部の波形図を示す。
図４（ａ）は制御装置６が定期的に発生させる間欠運転モードを有効にする間欠フラグの設定状態を示す。
【００６０】
（ｂ）は本実施形態の制御により、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１が制御する燃料電池２の出力電圧の変化状態と示す。バッテリ５２への充電許可パワーが大きく電圧低下速度を相対的に早く設定できる場合が電圧降下特性ＶＳ１で示され、充電許可パワーが小さく電圧降下速度を相対的に遅く設定しなければならない場合が電圧降下特性ＶＳ２で示されている。また電圧Ｖ０は通常運転モードにおける高電位回避電圧、電圧Ｖ１は触媒活性化処理の目標となる還元目標電圧である。
【００６１】
（ｃ）は燃料電池２の出力電力特性を示しており、Ｉ−Ｖ特性から、または、電流センサ２ａの検出信号で示される出力電流と電圧センサ２ｂの検出信号で示される出力電圧から演算できる。電力Ｐ１は電圧降下特性ＶＳ１で電圧低下させた場合の燃料電池２の発電電力（余剰電力）、電力Ｐ２は電圧降下特性ＶＳ２で電圧降下させた場合の燃料電池の発電電力（余剰電力）である。
【００６２】
（ｄ）はバッテリ５２の充電許可パワーを示しており、ＰＡ１は電圧降下特性ＶＳ１の場合の充電許可パワー、ＰＡ２は電圧降下特性ＶＳ２の場合の充電パワーである。
【００６３】
図４（ａ）に示すように、タイミングｔ１で燃料電池２の間欠運転を行うための間欠フラグが立ったときには、制御装置６は、燃料電池２の出力電圧を下げて触媒を活性化させるための触媒活性化処理を開始する。この際、高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１により、高電位回避電圧（待機電圧）Ｖ０から還元目標電圧（触媒活性化処理に適合する電圧）Ｖ１に向かってその時のバッテリ５２の充電許可パワと燃料電池温度で定まる電圧降下特性ＶＳ１または電圧降下特性ＶＳ２で燃料電池２の出力電圧を低下させる。
【００６４】
電圧降下特性ＶＳ１の方が電圧降下特性ＶＳ２より電圧降下の傾きが急峻であるため、図４（ｃ）に示すように、余剰電力の発生量も電圧降下特性ＶＳ１を選択した時の方が電圧降下特性ＶＳ２を選択した時より多い。
【００６５】
ここで余剰電力は図２のｆ１の流れに沿って順次バッテリ５２に充電されていくので、図４（ｄ）に示すように、バッテリの充電許可パワーは充電量の上昇とともに減少していく。ここで時刻ｔ２において、上記しきい値電力Ｐｔｈ１に達した場合、上記ステップＳ２０、Ｓ２１を実行して、制御装置６はトラクションモータＭ３または補機類Ｍの駆動を開始するのである。もしもこれら負荷装置による余剰電力消費が不可能な場合には、上記ステップＳ２２を実行して、制御装置６は一旦触媒活性化処理を停止することになる。
【００６６】
酸化ガスの処理または負荷装置による電力消費に応じて余剰電力量が減少すると、バッテリ５２の充電許可パワーも上昇していく。そして時刻ｔ３においてしきい値電力Ｐｔｈ１を超えることで、上記負荷装置の駆動が停止することになる。
【００６７】
燃料電池２の出力電圧が触媒目標電圧Ｖ１に達すると余剰電力が発生しなくなるため、バッテリ５２が放電域に入って電力が消費されるようになる。この時燃料電池２の電極は還元領域で電気化学反応が進行するため、酸化された電極触媒が還元され活性化される。時刻ｔ４で間欠フラグがリセットされると、触媒活性化が停止され、図４（ｂ）に示すように燃料電池２の出力電圧は高電位回避電圧Ｖ０に向けて上昇する。
【００６８】
図５に燃料電池２の出力電圧降下速度を触媒活性化処理の最中に変更する場合の波形図を示す。
図５（ａ）に示すように、間欠フラグがオンになると、制御装置６は高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１を制御し、高電位回避電圧（待機電圧）Ｖ０から目標電圧（触媒活性化処理に適合する電圧）Ｖ１に向かって電圧降下特性ＶＳ１で燃料電池２の出力電圧を低下させる。
【００６９】
この電圧降下の過程において、図５（ｂ）に示すように、タイミングｔ１においてバッテリ５２の充電電力が、受入れ可能電力の上限値よりも若干大きいしきい値電圧Ｐｔｈ２を超えた場合、制御装置６は高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１を制御して、低下速度を、電圧降下特性ＶＳ１よりも遅い電圧降下特性ＶＳ２に変更する。その後、タイミングｔ２において、バッテリ５２の充電電力が、受け入れ可能電力のしきい値Ｐｔｈ２を下回ったときには、出力電圧の低下速度を、元の電圧降下特性ＶＳ１に戻し、目標電圧Ｖ１に向かって低下速度ＶＳ１で燃料電池２の出力電圧を低下させる。
【００７０】
このように、バッテリ５２の充電電力が上限値（しきい値電力Ｐｔｈ１）を超えない範囲内で、最速の低下速度となるように、燃料電池２の出力電圧の低下速度を制限することで、燃料電池２の出力電圧を還元目標電圧Ｖ１まで迅速に低下させることができるとともに、バッテリ５２を過充電から保護することができる。
【００７１】
また、高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１により、例えば、高電位回避電圧（待機電圧）Ｖ０から目標電圧Ｖ１に向かって電圧降下特性ＶＳ１で燃料電池２の出力電圧を低下させる過程で、燃料電池２から発生する余剰電力をバッテリ５２に充電するための通過電力が高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１の上限値（Ｐｔｈ１）よりも若干大きいしきい値電力Ｐｔｈ２を越えたときに、出力電圧の低下速度を、電圧降下特性ＶＳ１よりも遅い電圧降下特性ＶＳ２に変更し、その後、通過電力が高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１の設定値以下となったときに、元の低下速度ＶＳ１に戻し、目標電圧Ｖ１に向かって低下速度ＶＳ１で燃料電池２の出力電圧を低下させるようにすることもできる。
【００７２】
この場合、燃料電池２から発生する余剰電力をバッテリ５２に充電するための通過電力が高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１の上限値（Ｐｔｈ１）を越えない範囲内で、最速の低下速度となるように、燃料電池２の出力電圧の低下速度を制限することで、燃料電池２の出力電圧を目標電圧Ｖ１まで迅速に低下させることができるとともに、高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１を通過に伴う電力から保護することができる。
【００７３】
（実施形態の効果）
以上本実施形態によれば、触媒活性化処理時に、バッテリ５２の受け入れ可能電力が小さい程、燃料電池２の出力電圧の変化速度を遅くすることで、燃料電池２の出力電圧の低下に伴う余剰電力の急激な発生を抑制することができる。このため、バッテリ５２の受け入れ可能電力が小さくなっても、燃料電池２の出力電圧の変化速度が遅くなると、それに従って余剰電力が徐々に発生し、余剰電力がバッテリ５２の受入れ可能電力を超えることがないので、余剰電力のピーク値が高くなってバッテリ５２にダメージを与えるのを防止できる。
【００７４】
また、発電電力とバッテリ充電許可電力Ｐｐとの差を示す受入れ可能電力の値が設定電力よりも小さいときには、制御装置６は、ＤＣ/ＤＣコンバータ５１に対して、燃料電池２の出力電圧を触媒活性化処理に適合する電圧まで低下させる動作を停止させることもできる。この場合、バッテリ５２は、余剰電力を受入れる能力が無いとして、ＤＣ/ＤＣコンバータ５１による電圧低下動作を停止させることで、バッテリ５２を過充電から保護することができる。
【００７５】
また、発電電力とバッテリ充電許可電力Ｐｐとの差を示す受入れ可能電力の値が小さいときには、触媒活性化処理時に、非作動状態にあった補機を燃料電池２の負荷として駆動し、補機によって余剰電力を消費させることで、補機損を増加させることができ、バッテリ５２の過充電を防止できるとともに、補機を駆動しないときよりも、燃料電池２の電圧低下速度を速くすることができる。
【００７６】
また、制御装置６は、触媒活性化処理を行うに先立って、余剰電力の受入れ対象として、バッテリ（蓄電装置）５２の他に、燃料電池２の負荷、例えば、吸収器やエアコン等を用い、バッテリ５２または燃料電池２の負荷のうち少なくとも一方の受け入れ可能電力を算出し、算出した受け入れ可能電力が小さい程、燃料電池２の出力電圧の変化速度を遅くするための制御信号を高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に出力する構成とすることもできる。
【００７７】
また、本実施形態においては、触媒活性化処理時に、バッテリ５２の受け入れ可能電力が小さい程、燃料電池２の出力電圧の変化速度を遅くするとともに、燃料電池２から発生する余剰電力をバッテリ５２に充電するための通過電力が高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１の上限値を越えない範囲内で、最速の低下速度となるように、燃料電池２の出力電圧の低下速度を制限したり、バッテリ５２の充電電力が上限値を超えない範囲内で、最速の低下速度となるように、燃料電池２の出力電圧の低下速度を制限したりすることもできる。
【００７８】
このような構成を採用すると、燃料電池２の出力電圧の低下に伴う余剰電力の急激な発生を抑制することができるとともに、高圧ＤＣ/ＤＣコンバータ５１を通過電力のダメージから保護したり、バッテリ５２を過充電から保護したりすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】本発明の原理説明図であり、余剰電力の流れを示したものである。
【図３】本発明の一実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態の動作を説明するための波形図である。
【図５】本発明の一実施例の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  燃料電池システム、２  燃料電池、２ａ  電流センサ、２ｂ  電圧センサ、６  制御装置、３１  エアコンプレッサ、５１  高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
【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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