(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池の劣化抑制と蓄電装置の過充電防止とを高度に両立させることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池スタック２０の出力電圧が下限高電位回避電圧となるように運転制御している場合は、相対的にバッテリ５２の充電速度が高い状態であるから、バッテリ５２の充電量が上限閾値に到達することが予測されれば、充電速度を下げるべく高電位回避電圧を上昇させる。その結果、より適切なタイミングで高電位回避電圧を上昇させることができる。更に、単位上昇電圧という概念を導入し、充電量が上限閾値を超えないように、下限高電位回避電圧に単位上昇電圧を加えた中間高電位回避電圧を用いて燃料電池スタック２０を運転制御するので、より適切な幅で高電位回避電圧を上昇させることができる。【選択図】図１
2013098052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池が発電する電力の少なくとも一部を充電する蓄電装置と、
前記燃料電池の出力電圧をその開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記高電位回避電圧を設定する高電位回避電圧値を、前記開放端電圧よりも低い電圧を設定する上限高電位回避電圧値を上限とし、前記上限高電位回避電圧値よりも低い下限高電位回避電圧値を下限として運転制御するものであって、
前記高電位回避電圧値が前記下限高電位回避電圧値となるように運転制御している場合に、前記蓄電装置の充電量が前記上限充電閾値に到達することが予測されると、
前記充電量が前記上限充電閾値を超えないように、前記高電位回避電圧値を、前記上限高電位回避電圧値と前記下限高電位回避電圧値との差分以下の単位上昇電圧値を前記下限高電位回避電圧値に加えた中間高電位回避電圧値として運転制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記蓄電装置の上限充電閾値に対して前記蓄電装置が充電可能な充電量である充電余力量を取得し、この充電余力量の増減傾向に基づいて前記単位上昇電圧値を設定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】
前記制御部は、前記燃料電池の発電に基づく余剰電力量から前記充電余力量の増減傾向を求め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】
前記制御部は、前記中間高電位回避電圧値の設定を繰り返し行うことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記燃料電池に用いられている触媒の溶出速度を算出し、当該溶出速度がピークを超えた後に前記中間高電位回避電圧値の設定を行うことを特徴とする請求項１〜４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、燃料電池の出力電圧を開放端電圧（ＯＣＶ）よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
このような燃料電池システムとして、燃料電池が発電する電力の少なくとも一部を充電する蓄電装置を備える燃料電池システムが知られている。具体的には、その蓄電装置は、燃料電池スタックから供給される電流が負荷の要求する電流より小さいときに、負荷にその要求電流を供給する一方で、負荷が回収した回生電力及び燃料電池スタックの残余の発電電力を蓄電する。
【０００３】
ところで、燃料電池スタックの出力電圧が高電位領域に遷移すると、燃料電池スタックの劣化が促進される。これは、膜−電極アッセンブリの触媒層に含まれる白金触媒が高電位環境下において、イオン化して溶出するためである。このような事態を回避するため、燃料電池スタックの出力電圧が、開放端電圧（ＯＣＶ）よりも低い所定の上限電圧すなわち高電位回避電圧を超えないように、いわゆる高電位回避制御が行われている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００４】
高電位回避制御を行うと、燃料電池スタックへの発電要求がない場合であっても、電流の取り出しを継続して電圧上昇を抑制するため、燃料電池スタックの発電が生じる。このような高電位回避制御の特性から、例えばアイドルストップといった低負荷時には、燃料電池スタックの発電電力の行き場が蓄電装置のみになる。蓄電装置の充電量に十分な余裕がある場合は、燃料電池スタックの発電電力を蓄電することが可能であるけれども、蓄電装置の充電量が所定の閾値を超えた場合には過充電防止の方策を取る必要がある。
【０００５】
低負荷時であっても燃料電池スタックが発電を継続するのは高電位回避制御を行うためであるから、蓄電装置の充電量が所定の閾値を超えそうな場合、高電位回避制御を取りやめて燃料電池スタックを開放端電圧まで昇圧するか、若しくは開放端電圧に近い電圧まで高電位回避電圧を引き上げて出力電圧を抑制することが行われる。
【０００６】
このように、高電位回避制御と蓄電装置の過充電防止とはトレードオフの関係にあるから、蓄電装置の過充電防止に最大限の配慮をしつつ、高電位回避制御の実施時間を可能な限り延長することが好ましいものである。そこで下記特許文献２では、蓄電装置の充電量が少ない場合に高電位回避電圧を低く設定し、充電量が多い場合に高電位回避電圧を高く設定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１０９５６９号公報
【特許文献２】特開２００９−１２９６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、蓄電装置の充電量の多少に応じて単純に高電位回避電圧の高低を変化させるだけでは、燃料電池スタックの劣化防止と蓄電装置の過充電防止とを高度に両立させることが困難である。燃料電池スタックの発電状態が常に変わらなければ、蓄電装置の充電余力に対して燃料電池スタックの発電による充電速度を正確に把握し、高電位回避電圧の高低を変化させることのみで対応することも可能である。しかしながら、例えば車両に搭載される燃料電池システムでは、燃料電池スタックの発電状態は時々刻々と変化するものであり、蓄電装置の充電量の多少を把握したとしても、その充電余力に対してどれくらいの時間充電可能かを把握することはできない。
【０００９】
従って、蓄電装置の過充電防止に主眼を置けば、蓄電装置の充電量にかなり余裕をもたせる必要があるから、高電位回避電圧を引き上げる充電量の閾値を低めに設定せざるを得ず、結果として開放端電圧に近い電圧まで引き上げられる頻度が高まる。これは、実質的に高電位回避電圧制御の効果を低減させるものであり、何らかの対策が必要である。
【００１０】
一方、高電位回避電圧を低く抑えることに主眼を置けば、高電位回避電圧を引き上げる充電量の閾値を高めに設定せざるを得ず、結果として頻繁に過充電状態となるおそれがある。これは、過充電防止に配慮していないことになり、やはり何らかの対策が必要である。
【００１１】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであって、燃料電池の劣化抑制と蓄電装置の過充電防止とを高度に両立させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池が発電する電力の少なくとも一部を充電する蓄電装置と、前記燃料電池の出力電圧をその開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記高電位回避電圧を設定する高電位回避電圧値を、前記開放端電圧よりも低い電圧を設定する上限高電位回避電圧値を上限とし、前記上限高電位回避電圧値よりも低い下限高電位回避電圧値を下限として運転制御する。前記制御部は、前記高電位回避電圧値が前記下限高電位回避電圧値となるように運転制御している場合に、前記蓄電装置の充電量が前記上限充電閾値に到達することが予測されると、前記充電量が前記上限充電閾値を超えないように、前記高電位回避電圧値を、前記上限高電位回避電圧値と前記下限高電位回避電圧値との差分以下の単位上昇電圧値を前記下限高電位回避電圧値に加えた中間高電位回避電圧値として運転制御する。
【００１３】
本発明によれば、高電位回避電圧値が下限高電位回避電圧値となるように運転制御している場合は、相対的に蓄電装置の充電速度が高い状態であるから、蓄電装置の充電量が上限充電閾値に到達することが予測されれば、充電速度を下げるべく高電位回避電圧を上昇させることができる。単に蓄電装置における充電量に基づいて高電位回避電圧値を上昇させるのではなく、蓄電装置の充電量が上限充電閾値に到達することが予測される場合に高電位回避電圧値を上昇させるので、より適切なタイミングで高電位回避電圧値を上昇させることができる。更に、単位上昇電圧値という概念を導入し、充電量が上限充電閾値を超えないように、下限高電位回避電圧値に単位上昇電圧値を加えた中間高電位回避電圧値を用いて燃料電池を運転制御するので、より適切な幅で高電位回避電圧を上昇させることができる。従って、より適切な幅で増加させた中間高電位回避電圧値を用い、より適切なタイミングで高電位回避制御を実行することができるので、燃料電池の劣化抑制と蓄電装置の過充電防止とを高度に両立させることができる。
【００１４】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記蓄電装置の上限充電閾値に対して前記蓄電装置が充電可能な充電量である充電余力量を取得し、この充電余力量の増減傾向に基づいて前記単位上昇電圧値を設定することも好ましい。
【００１５】
この好ましい態様では、蓄電装置の充電余力量を取得すると共に、その充電余力量の増減傾向に基づいて単位上昇電圧値を設定するので、充電余力量が減少傾向にあればその減少度合いに応じて単位上昇電圧値を増やすことができ、高電位回避制御を継続しつつ蓄電装置への充電持続時間を確保することができる。
【００１６】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記燃料電池の発電に基づく余剰電力量から前記充電余力量の増減傾向を求めることも好ましい。
【００１７】
この好ましい態様では、余剰電力量が多ければ充電余力量が減少する傾向を高めることが求められるので、より的確に充電余力量を取得することができる。充電余力量を的確に把握すると、触媒溶出量が少なくなる酸化皮膜被覆率をみながら燃料電池の出力電圧を極力抑制することができるので、酸化皮膜被覆率を十分に高めることができる。従って、酸化皮膜によって触媒の溶出が抑制される。
【００１８】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記中間高電位回避電圧値の設定を繰り返し行うことも好ましい。
【００１９】
蓄電装置の充電状態や余剰電力量は、燃料電池システム全体の運転状況に応じて時々刻々と変化するものである。従って、中間高電位回避電圧値の設定を繰り返すことで、そのタイミングに最も適した値に設定することが可能となり、燃料電池の劣化抑制と蓄電装置の過充電防止とを高度に両立させることができる。より具体的には、最適な中間高電位回避電圧値を設定することで、触媒溶出量が少なくなる酸化皮膜被覆率をみながら燃料電池の出力電圧を極力抑制することができるので、酸化皮膜被覆率を十分に高めることができる。
【００２０】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御部は、前記燃料電池に用いられている触媒の溶出速度を算出し、当該溶出速度がピークを超えた後に前記中間高電位回避電圧値の設定を行うことも好ましい。
【００２１】
この好ましい態様では、触媒の溶出反応よりも酸化皮膜が生成する速度が若干遅いので、溶出速度がピークを超えると酸化皮膜の生成がピークを迎えることを利用している。具体的には、触媒溶出量抑制のため、酸化皮膜被覆率が上限となったと推測されるタイミングで電圧を上昇させるものとしている。従って、電圧を上昇させる前の電圧値における酸化皮膜の形成が十分になされてから電圧を上昇させることになるので、酸化皮膜によって触媒の溶出が抑制される。
【発明の効果】
【００２２】
以上のように本発明によれば、燃料電池の劣化抑制と蓄電装置の過充電防止とを高度に両立させ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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示す構成図である。
【図２】燃料電池スタックを構成するセルの分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの処理の流れを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添の図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。図１は、燃料電池車両の車載電源システムとして機能する本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０のシステム構成を示すブロック図である。
【００２５】
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載燃料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、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池すなわち燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給する酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御する電力系５０と、燃料電池システム１０の全体を統括制御するコントローラ６０と、を備えている。
【００２６】
燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層して形成され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以下の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において以下の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては以下の（３）式の起電反応が生じる。
【００２７】
Ｈ2  →  ２Ｈ+＋２ｅ-      （１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ      （２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2  →  Ｈ2Ｏ      （３）
【００２８】
燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧（ＦＣ電圧）を検出する電圧センサ７１と、出力電流（ＦＣ電流）を検出する電流センサ７２とが、取り付けられている。
【００２９】
酸化ガス供給系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ガスを流す酸化ガス通路３３を有している。酸化ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化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ガスを加湿する加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化ガスの供給を遮断する遮断弁Ａ１と、が設けられている。
【００３０】
酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスを流す酸化オフガス通路３４をさらに有している。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の排出を遮断する遮断弁Ａ２と、酸化ガス供給圧を調整する背圧調整弁Ａ３と、酸化ガス（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加湿器３５と、が設けられている。
【００３１】
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を流す燃料ガス通路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に接続される排気排水通路４６と、を有している。
【００３２】
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〜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。なお、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、から構成されてもよい。
【００３３】
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遮断弁Ｈ３と、圧力センサ７４と、が設けられている。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２によって、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。
【００３４】
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が設けられている。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の開放により、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。
【００３５】
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て希釈器（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。
【００３６】
電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、蓄電装置すなわちバッテリ５２と、トラクションインバータ５３と、トラクションモータ５４と、補器類５５と、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に接続され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。
【００３７】
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、又は回生制御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、を有している。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。
【００３８】
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に用いられる。バッテリ５２には、バッテリ５２の充電量すなわち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。充電量は、所定の時間間隔で継続的にＳＯＣセンサ７３からコントローラ６０に出力される。
【００３９】
また、バッテリ５２には、貯蔵可能な電力量の上限を示す上限閾値が設定されている。この上限閾値は例えばバッテリ５２の耐久性に基づいて決定されており、上限閾値を超えた電力量の貯蔵がバッテリ５２で繰り返されると、バッテリ５２では充電や放電の容量が著しく劣化する。従って、バッテリ５２の充電量は、原則として上限閾値を下回るように制御される。
【００４０】
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。
【００４１】
補器類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、さらには、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、車両走行に必要な変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置など、乗員空間内に配置される空調装置、照明器具、オーディオ、カーナビゲーションシステムなどの各種の車載補器類を総称するものである。
【００４２】
コントローラ６０は、制御部すなわちＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インター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。コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、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ス開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどに基づいて、車両走行電力や補機消費電力を算出する。そして、コントローラ６０は、車両走行電力と補機消費電力との合計値から算出する発電指令値と、高電位回避電圧から算出される発電指令値とのうちの大きい方を燃料電池スタック２０に対する発電指令値として発電制御する。
【００４３】
コントローラ６０はさらに、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の出力電圧を制御する。さらに、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。
【００４４】
図２は燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。セル２１は、高分子電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６、２７と、を備えている。アノード極２３及びカソード極２４は、高分子電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を形成する拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から形成されるセパレータ２６、２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。
【００４５】
セパレータ２６には断面凹状のリブ２６ａが形成されている。このリブ２６ａにアノード極２３が当接することによって、リブ２６ａの開口部が閉塞され、燃料ガス流路が形成される。同様に、セパレータ２７にも断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することによって、リブ２７ａの開口部が閉塞され、酸化ガス流路が形成される。
【００４６】
アノード極２３は、白金系の金属触媒（Ｐｔ、Ｐｔ−Ｆｅ、Ｐｔ−Ｃｒ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、この触媒層２３ａの表面に形成されて通気性及び電子導電性を有するガス拡散層２３ｂと、を有している。同様に、カソード極２４は、前述の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２２に接する触媒層２４ａと、この触媒層２４ａの表面に形成されて通気性及び電子導電性を有するガス拡散層２４ｂと、を有している。
【００４７】
より詳細には、触媒層２３ａ、２４ａは、白金、又は白金と他の金属とから形成される合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト状にし、高分子電解質膜２２上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から形成される糸から形成したカーボンクロス、カーボンペーペー、又はカーボンフェルトから形成される。高分子電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂から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発揮する。高分子電解質膜２２と、アノード極２３、及びカソード極２４によって膜電極アセンブリ２５が形成される。
【００４８】
ここで、カーボン粉末に担持された白金系の金属触媒では、燃料電池スタック２０の出力電圧の上昇によってイオン化して溶出反応が生じる。その一方で、金属触媒の表面には酸素が吸着することによって金属触媒の表面には酸化被膜が形成される。この酸化被膜は金属触媒の溶出を抑制する。従って、この酸化被膜が金属触媒の表面を被覆する割合を示す被覆率が増大するにつれて、金属触媒の溶出は抑制されていく。この被覆率と燃料電池スタック２０のＩＶ特性との相対関係は、予め算出されてコントローラ６０で保持されている。従って、コントローラ６０は、例えば燃料電池スタック２０の出力電圧の変化から酸化被膜の被覆率の変化に基づいて金属触媒の溶出速度の変化を算出することができる。
【００４９】
次に、燃料電池システム１０の運転制御方法について説明する。図３は燃料電池システム１０の処理の流れを示すフローチャートであり、図４は燃料電池システム１０の処理の流れを示すグラフである。燃料電池システム１０の運転中、コントローラ６０は、開放端電圧（ＯＣＶ）よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御する。コントローラ６０は、高電位回避電圧を設定する高電位回避電圧値を、開放端電圧よりも低い電圧を設定する上限高電位回避電圧値を上限とし、この上限高電位回避電圧値よりも低い下限高電位回避電圧値を下限として燃料電池システム１０を運転制御する。本実施形態では、コントローラ６０は、高電位回避電圧値が下限高電位回避電圧値となるように運転制御する。ここでは、図４のｔの時点で以下の処理を実行する場面を想定する。
【００５０】
本実施形態では、燃料電池システム１０の運転中、コントローラ６０には、バッテリ５２の充電量（ＳＯＣ）、余剰電力、車速、燃料電池スタック２０の出力電力及び出力電圧、ナビゲーションシステムから出力される地形情報、渋滞情報、金属触媒の被覆率などが入力される。ここで、余剰電力は、負荷に必要な電力量よりも燃料電池スタック２０の発電量が大きい時の、負荷に必要な電力量と燃料電池スタック２０の発電量との間の差分を示している。
【００５１】
ステップＳ１で、コントローラ６０はバッテリ５２の充電量の変化を検出する。検出した充電量の変化に基づいて、ステップＳ２で、充電量が増加傾向にあるか減少傾向にあるかが判定される。換言すれば、バッテリ５２の上限充電閾値に対してバッテリ５２が充電可能な充電量である充電余力量が減少傾向にあるか増加傾向にあるか判定される。具体的には、例えば燃料電池車両の運転状態（例えば間欠運転中などの同等の運転状態）に基づいて充電量の増加傾向が線形予測される。あるいは、バッテリ５２の能力に応じて決まる充電電力あたりの充電量の上昇率とバッテリ５２の発電傾向（余剰電力傾向）とから増加傾向が予測される。図４に示すように、例えば燃料電池車両の加速時に余剰電力はなくなり、充電量の増加速度はゼロ又は負であるので（ステップＳ２、ＮＯ）、処理はステップＳ１に戻り、ステップＳ１及びＳ２の処理が繰り返される。
【００５２】
その一方で、燃料電池車両の減速時、回生電力とアイドルストップとに基づいて余剰電力が増加する。この場合、図４のｔの時点で充電量の増加速度（充電速度）は正であるので（ステップＳ２、ＹＥＳ）、処理はステップＳ３に進む。ステップＳ３で、算出した充電量の増加速度に基づいて、充電量の上限充電閾値に到達するまでに要する所要時間Ａが算出される。同時に、これから燃料電池車両が走行する予定の走路の地形情報や渋滞情報、あるいはこれまでの過去の運転履歴に基づいて、充電量の増加傾向が継続することが想定される継続時間Ｂが算出される。これら所要時間Ａ及び継続時間Ｂに基づいて、後述するように、バッテリ５２の充電余力と、燃料電池スタック２０の発電傾向に沿った充電速度と、が比較される。
【００５３】
ここで、地形情報には、燃料電池車両がこれから走行する走路が、例えば連続した下り坂であることや連続した上り坂であることを示す情報が含まれる。例えば走路が連続した下り坂である場合には、回生電力とバッテリ５２の充電電力あたりの充電量の上昇率とから継続時間Ｂを算出することができる。また、渋滞情報には、燃料電池車両がこれから走行する走路が、どの程度の距離にわたって渋滞しているか、どの程度の速度で走行することができるか、などを示す情報が含まれる。この場合、例えば渋滞時にある程度一定の低速度での走行に必要な負荷の要求電力量と補器類５５の使用による電力量とに基づいて継続時間Ｂを算出することができる。算出した継続時間Ｂは、ステップＳ４で、前述の所要時間Ａと比較される。
【００５４】
所要時間Ａが継続時間Ｂを上回る場合には（ステップＳ４、ＹＥＳ）、充電量が上限充電閾値に到達する前に充電量の増加傾向が収まるので、充電量は上限充電閾値に到達しないことが予測される。その結果、処理はステップＳ１に戻る。その一方で、所要時間Ａが継続時間Ｂ以下である場合には（ステップＳ４、ＮＯ）、処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５で、コントローラ６０は、単位上昇電圧値ΔＣだけ上昇させた場合の高電位回避電圧の電圧値に基づいて燃料電池スタック２０の出力電力量を算出する。電圧値は単位上昇電圧値ΔＣ分だけ上昇する場合、燃料電池スタック２０の出力電力は上昇前よりも減少する。コントローラ６０は、算出した出力電力量に基づいて充電量の増加速度を算出する。ここで、単位上昇電圧値ΔＣは、上限高電位回避電圧値と下限高電位回避電圧値との差分以下に設定される。
【００５５】
コントローラ６０は、ステップＳ６で、算出した増加速度に基づいて充電量の上限充電閾値に到達するまでに要する所要時間Ａ’を改めて算出する。上述したように、高電位回避電圧の電圧値が単位上昇電圧値ΔＣ分上昇した場合には充電量の増加速度は低下するので、算出した所要時間Ａ’は前述の所要時間Ａよりも増大する。こうして算出した所要時間Ａ’は前述の継続時間Ｂと再度比較される。その結果、所要時間Ａ’が継続時間Ｂを上回る場合には、充電量が上限充電閾値に到達しないこと、すなわち、バッテリ５２が過充電とならないことが予測される。このときの単位上昇電圧値ΔＣは、走行に必要な負荷の要求電力量及び補器類５５の消費電力量と、高電位回避電圧の電圧値時の燃料電池スタック２０の発電量とのバランスにおいて余剰電力がゼロになる大きさに設定されることが好ましい。
【００５６】
ステップＳ８で、コントローラ６０は、バッテリ５２のみの保護を優先するか、又は、バッテリ５２に加えて又はバッテリ５２に代えて燃料電池スタック２０も保護するかを判定する。バッテリ５２のみの保護の優先を選択する場合（ステップＳ８、ＹＥＳ）、処理はステップＳ９に進む。ステップＳ９でコントローラ６０は、燃料電池スタック２０の下限高電位回避電圧値に前述の単位上昇電圧値ΔＣ分を加える。こうして導き出された値は中間高電位回避電圧値に設定され、コントローラ６０は中間高電位回避電圧値を目標値として燃料電池スタック２０の出力電圧を運転制御する。その結果、充電量が上限充電閾値に到達する前に充電量の増加傾向が収まるので、バッテリ５２の充電量は上限充電閾値に到達せず、バッテリ５２の過充電を回避することがきる。その後、処理はステップＳ９からステップＳ１に戻る。
【００５７】
その一方で、所要時間Ａ’が継続時間Ｂ以下である場合には（ステップＳ７、ＮＯ）、処理はステップＳ５に戻り、単位上昇電圧値ΔＣが再設定され、さらに単位上昇電圧値ΔＣだけ上昇させた場合の高電位回避電圧の電圧値に基づいて燃料電池スタック２０の出力電力量が算出される。その後、ステップＳ６及びＳ７の処理が繰り返される。こうしてステップＳ６及びＳ７の処理が繰り返されると、高電位回避電圧の電圧値の所定の上昇分によって所要時間Ａ’が継続時間Ｂを上回る（ステップＳ７、ＹＥＳ）。このとき、処理はステップＳ８に進む。所要時間Ａ’が継続時間Ｂを上回る場合には、充電量が上限充電閾値に到達しないこと、すなわち、バッテリ５２が過充電とならないことが予測される。
【００５８】
その一方で、ステップＳ８で、コントローラ６０が燃料電池スタック２０の保護も選択した場合（ステップＳ８、ＮＯ）、処理はステップＳ１０に進む。ステップＳ１０で、コントローラ６０は、白金触媒の溶出速度の変化を算出する。算出にあたって、まず、燃料電池スタック２０の出力電圧の電圧値の変化に基づいて酸化被膜の被覆率の変化が算出される。この被覆率の変化に基づいて白金触媒の溶出速度の変化が算出される。その結果、現時点で前回の電圧上昇時における溶出速度のピークを超えている場合には（ステップＳ１１、ＹＥＳ）、処理は前述のステップＳ９に進む。その一方で、溶出速度のピークを超えていない場合（ステップＳ１１、ＮＯ）、ステップＳ１１の処理が繰り返される。
【００５９】
燃料電池スタック２０では、図４から明らかなように、燃料電池スタック２０の出力電圧に比例して酸化被膜の被覆率は変化する。すなわち、出力電圧の増減に応じて酸化被膜の被覆率が増減する。このとき、酸化被膜の被膜率が上昇すると、酸化被膜によって白金触媒の表面が保護されて溶出が抑制される。溶出の反応よりも酸化被膜が生成される反応の方が少し遅れるため、及び、酸化被膜に被覆されても完全に溶出を抑制できないため、出力電圧の上昇後約１０秒程度までの間に白金触媒の溶出速度のピークが存在する。このピークを超えると白金触媒の溶出速度は低下していく。従って、溶出速度のピークを超えた後、すなわち、白金触媒の溶出が減少傾向にある場合に電圧値を中間高電位回避電圧値に上昇させることによって、白金触媒の溶出を抑制することができる。言い替えれば、白金触媒の溶出が増加傾向にある場合には、下限高電位回避電圧値の上昇は見送られる。
【００６０】
なお、ステップＳ１１の処理を繰り返す場合、繰り返しているうちにバッテリ５２の充電量の上限閾値に到達する所要時間Ａ’を経過することが考えられる。この場合、コントローラ６０は、バッテリ５２の充電量が一時的に上限充電閾値を超えることを許容してもよい。あるいは、コントローラ６０は、バッテリ５２の充電量の上限充電閾値を一時的に上昇させてもよい。こうして、中間高電位回避電圧への電圧値の上昇は、白金触媒の溶出速度がピークを超えた後に実行されるので、燃料電池スタック２０では、電圧値の上昇によるさらなる白金触媒の溶出を抑制することができる。
【００６１】
以上のような燃料電池システム１０によれば、燃料電池スタック２０を下限高電位回避電圧値を用いて運転制御している場合は、相対的にバッテリ５２の充電速度が高い状態であるから、バッテリ５２の充電量が上限充電閾値に到達することが予測されれば、充電速度を下げるべく高電位回避電圧を上昇させる。単にバッテリ５２の充電量に基づいて、高電位回避電圧を上昇させるのではなく、バッテリ５２の充電量が上限閾値に到達することが予測される場合に高電位回避電圧を上昇させるので、より適切なタイミングで高電位回避電圧を上昇させることができる。更に、単位上昇電圧値という概念を導入し、充電量が上限充電閾値を超えないように、下限高電位回避電圧値に単位上昇電圧値を加えた中間高電位回避電圧値を用いて燃料電池スタック２０を運転制御するので、より適切な幅で高電位回避電圧を上昇させることができる。従って、より適切な幅で上昇させた中間高電位回避電圧値を用い、より適切なタイミングで高電位回避制御を実行することができるので、燃料電池スタック２０の劣化抑制とバッテリ５２の過充電防止とを高度に両立させることができる。
【００６２】
なお、上述の実施形態では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したものの、燃料電池システム１０の利用形態は、この例に限定されるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機など）の電力源としてその移動体に搭載してもよい。また、本実施形態に係る燃料電池システム１０を住宅やビルなどの発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
１０：燃料電池システム
２０：燃料電池スタック
２１：セル
２２：高分子電解質膜
２３：アノード極
２３ａ：触媒層
２３ｂ：ガス拡散層
２４：カソード極
２４ａ：触媒層
２４ｂ：ガス拡散層
２５：膜電極アセンブリ
２６：セパレータ
２６ａ：リブ
２７：セパレータ
２７ａ：リブ
３０：酸化ガス供給系
３１：フィルタ
３２：エアコンプレッサ
３３：酸化ガス通路
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：補器類
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
Ａ：所要時間
Ａ１：遮断弁
Ａ２：遮断弁
Ａ３：背圧調整弁
ＡＣＣ：アクセス開度信号
Ｂ：継続時間
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＩＧ：起動信号
ＶＣ：車速信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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