(57)【要約】      （修正有）【課題】負荷要求が小さい場合であっても、システム全体のエネルギ効率の低下を抑えつつ、燃料電池の電圧を所望の電圧に維持する。【解決手段】燃料電池を備える電源システムにおいて、負荷からの要求電力が予め定めた基準値以下となる低負荷状態のときに、燃料電池と負荷との接続を遮断すると共に、燃料電池の開回路電圧を目標電圧にするために要する酸素を燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、燃料電池に酸素を供給する。その後、燃料電池の開回路電圧が目標電圧に比べて第１の値以上高い第１電圧状態に該当する場合には、供給酸素量を減少させ、燃料電池の開回路電圧が目標電圧に比べて第２の値以上低い第２電圧状態に該当する場合には、供給酸素量を増加させ、第１電圧状態および第２電圧状態に該当しない電圧維持状態に該当する場合には、供給酸素量を維持する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムにおける前記燃料電池の電圧制御方法であって、
前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値以下となる低負荷状態のときに、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断すると共に、前記燃料電池の開回路電圧を予め定めた目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記燃料電池に酸素を供給し、
前記予め設定した条件にて前記燃料電池に酸素を供給した後に、前記燃料電池の開回路電圧を検出すると共に、検出した開回路電圧と前記目標電圧とを比較し、
前記検出した開回路電圧が前記目標電圧に比べて第１の値以上高い第１電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量を減少させ、
前記検出した開回路電圧が前記目標電圧に比べて第２の値以上低い第２電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量を増加させ、
前記第１電圧状態および前記第２電圧状態に該当しない電圧維持状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量を維持する
燃料電池の電圧制御方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
前記低負荷状態の時に、前記負荷から速やかに負荷要求が示される可能性が高い第１の状態と、前記負荷から速やかに負荷要求が示される可能性が前記第１の状態に比べて低い第２の状態とのうちの、いずれかに該当するか否かを判断し、
前記第１の状態であると判断される場合には、前記目標電圧として、予め定めた第１の目標電圧を用い、
前記第２の状態であると判断される場合には、前記目標電圧として、前記第１の目標電圧よりも低い第２の目標電圧を用いる
燃料電池の電圧制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
前記低負荷状態となり、前記目標電圧として第１の目標電圧を用いて、前記予め設定した条件にて前記燃料電池に酸素を供給した後に、予め設定した基準時間が経過した場合には、前記目標電圧を、前記第１の目標電圧から、前記第１の目標電圧よりも低い第２の目標電圧へと変更する
燃料電池の電圧制御方法。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
前記低負荷状態となり、前記予め設定した条件にて前記燃料電池に酸素を供給した後に、前記燃料電池の開回路電圧が、前記目標電圧として設定した第１の目標電圧に対して、予め設定した許容値以上に低下した場合には、
前記目標電圧を、前記第１の目標電圧から、前記第１の目標電圧よりも低い第２の目標電圧へと変更する
燃料電池の電圧制御方法。
【請求項５】
請求項２から４のうちのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
前記燃料電池の開回路電圧の目標値を前記第１の目標電圧から前記第２の目標電圧に変更するときに、前記燃料電池の開回路電圧を前記第２の目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記燃料電池に酸素を供給するのに先立って、前記燃料電池に対する酸素の供給を一時的に停止する
燃料電池の電圧制御方法。
【請求項６】
負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムにおける前記燃料電池の電圧制御方法であって、
前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値以下となる低負荷状態のときに、前記燃料電池の電圧を予め定めた目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記燃料電池に酸素を供給し、
前記予め設定した条件にて前記燃料電池に酸素を供給した後に、前記燃料電池の電圧を検出すると共に、検出した電圧と前記目標電圧とを比較し、
前記検出した電圧が前記目標電圧に比べて第１の値以上高い第１電圧状態に該当する場合には、前記目標電圧を出力電圧として前記燃料電池の発電を行なわせ、
前記検出した電圧が前記目標電圧に比べて第２の値以上低い第２電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断した状態で、前記燃料電池に供給する酸素量を増加させ、
前記第１電圧状態および前記第２電圧状態に該当しない電圧維持状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量を維持する
燃料電池の電圧制御方法。
【請求項７】
負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムであって、
前記燃料電池のカソードに酸素を供給する酸素供給部と、
前記酸素供給部が前記カソードに供給する酸素量を調節する酸素量調節部と、
前記負荷からの要求電力が、予め設定した基準値以下となる低負荷状態の時に、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断する負荷遮断部と、
前記燃料電池の開回路電圧を検出する電圧センサと、
を備え、
前記酸素量調節部は、
前記低負荷状態の時に、前記燃料電池の開回路電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記酸素供給部を駆動し、
前記酸素供給部を駆動した後に、前記電圧センサが検出した前記開回路電圧と前記目標電圧とを比較して、前記開回路電圧が前記目標電圧に比べて第１の値以上高い第１電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量が減少するように前記酸素供給部を駆動し、前記開回路電圧が前記目標電圧に比べて第２の値以上低い第２電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量が増加するように前記酸素供給部を駆動する
電源システム。
【請求項８】
請求項７に記載の電源システムであって、
前記酸素供給部は、
前記カソードに接続する流路である酸素供給路と、
前記酸素供給路に対して酸素を導入する酸素導入部と、
前記酸素供給路から分岐する流路であって、前記酸素導入部から供給される酸素を、前記カソードを経由することなく導くバイパス流路と、
前記酸素供給路から前記バイパス流路が分岐する位置に設けられる弁であって、開弁状態によって、前記酸素供給路と前記バイパス流路とに分配される酸素の分配割合を変更可能な分流弁と、
前記酸素供給路に設けられ、前記カソードに供給される酸素量を変更可能な流量調整弁と、
を備え、
前記酸素量調節部は、前記酸素導入部が導入する酸素量、前記分流弁の開弁状態、および、前記流量調整弁の開度、から選択される少なくとも一つを変更することにより、前記カソードに供給する酸素量を調節する
電源システム。
【請求項９】
請求項８に記載の電源システムであって、
前記酸素量調節部は、前記酸素導入部が導入する酸素量、および、前記分流弁の開弁状態を固定した状態で、前記流量調整弁の開度を変更することにより、前記カソードに供給する酸素量を調節する
電源システム。
【請求項１０】
負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムであって、
前記燃料電池のカソードに酸素を供給する酸素供給部と、
前記酸素供給部が前記カソードに供給する酸素量を調節する酸素量調節部と、
前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断する負荷遮断部と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧センサと、
前記燃料電池の出力状態を制御する出力制御部と、
を備え、
前記酸素量調節部は、
前記低負荷状態の時に、前記燃料電池の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記酸素供給部を駆動し、
前記予め設定した条件にて前記酸素供給部を駆動した後に、前記電圧センサが検出した前記電圧と前記目標電圧とを比較して、前記電圧が前記目標電圧に比べて第２の値以上低い第２電圧状態に該当する場合には、前記負荷遮断部が前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断する状態で、前記燃料電池に供給する酸素量が増加するように前記酸素供給部を駆動し、
前記出力制御部は、前記酸素量調節部が前記予め設定した条件にて前記酸素供給部を駆動した後に、前記電圧センサが検出した前記電圧と前記目標電圧とを比較して、前記電圧が前記目標電圧に比べて第１の値以上高い第１電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池の出力電圧が前記目標電圧になるように前記燃料電池の出力状態を制御する
電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源システム、および、燃料電池の電圧制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を備える電源システムにおいて、負荷からの要求電力（以下、負荷要求ともいう）に応じて電源システムから電力を取り出す際に、電源システムの稼働中であっても一時的に負荷要求が極めて小さくなる場合がある。燃料電池を備えるシステムにおいては、一般に、燃料電池の発電電力が非常に小さい場合にはシステム全体のエネルギ効率が低下するという性質を有している。そのため、従来は、電源システムに対する負荷要求が極めて小さいときに行なう制御の一つとして、燃料電池の発電を停止する制御が行なわれていた。そして、負荷に対しては、燃料電池と共に電源システムに搭載した２次電池により、要求された電力を出力していた。
【０００３】
燃料電池のアノード側流路内に水素が残留すると共にカソード側流路内に酸素が残留する状態で燃料電池の発電を停止すると、燃料電池は極めて高い開回路電圧（Open circuit voltage:ＯＣＶ）を示す。燃料電池の開回路電圧が過剰に高くなると、燃料電池が備える電極（カソード）の電極電位が過剰に高くなり、カソード電極において触媒の溶出（劣化）が進行することにより、燃料電池の発電性能および耐久性が低下する。
【０００４】
また、燃料電池の発電停止後には、アノード側流路内に残留する水素が、燃料電池の電解質膜を介してカソード側流路に透過し、カソード上で酸化される反応が進行する。その結果、燃料電池の発電停止後しばらくすると、カソード側流路に残留する酸素が消費されることにより、開回路電圧が低下（カソード電位が低下）する。このような場合には、カソード触媒が還元されることにより、その後にカソード電位が再上昇したときには、カソード触媒の溶出がより起こり易くなる。そのため、負荷要求が極めて小さくなるときには、燃料電池の電圧（電極電位）を適切な範囲内に保つことが望まれる。
【０００５】
負荷要求が極めて小さくなるときに、燃料電池の電圧を適切な範囲内に保つための方法として、負荷要求が極めて小さくなった後にも燃料電池において微小な発電を継続する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。微小な発電を継続する方法としては、例えば、燃料電池の出力電圧が上記所定の範囲の下限に低下するまでは燃料電池に対する酸素の供給を停止し、出力電圧が上記下限に低下した後は、出力電圧が上記所定の範囲の上限に上昇するまで燃料電池に対する酸素の供給を行なう、という方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１６１５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、負荷要求が極めて小さくなった後にも燃料電池の発電を継続すると、要求されていない過剰な発電を、電圧維持のためだけに行なう事態が生じ得る。このように過剰に発電された電力は、一旦２次電池に充電した後に利用することが可能であるが、燃料電池が発電した電力を一旦２次電池に蓄電する方法は、燃料電池で発電した電力を直接利用する場合よりもエネルギ効率が悪いため、燃料電池を備えるシステム全体のエネルギ効率の低下を招く。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００９】
（１）本発明の一形態によれば、負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムにおける燃料電池の電圧制御方法が提供される。この燃料電池の電圧制御方法は、前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値以下となる低負荷状態のときに、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断すると共に、前記燃料電池の開回路電圧を予め定めた目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記燃料電池に酸素を供給する。そして、前記予め設定した条件にて前記燃料電池に酸素を供給した後に、前記燃料電池の開回路電圧を検出すると共に、検出した開回路電圧と前記目標電圧とを比較し；前記検出した開回路電圧が前記目標電圧に比べて第１の値以上高い第１電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量を減少させ；前記検出した開回路電圧が前記目標電圧に比べて第２の値以上低い第２電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量を増加させ；前記第１電圧状態および前記第２電圧状態に該当しない電圧維持状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量を維持する。
【００１０】
この形態の燃料電池の電圧制御方法によれば、負荷要求が予め設定した基準値以下となる低負荷状態の時に、燃料電池を発電させることなく、燃料電池の開回路電圧を目標電圧の近傍で維持することができる。そのため、要求されていない過剰な発電を行なう必要がなく、発電した電力を一旦２次電池に蓄えること等に起因して電源システムのエネルギ効率が低下することを抑えることができる。
【００１１】
（２）上記形態の燃料電池の電圧制御方法において、前記低負荷状態の時に、前記負荷から速やかに負荷要求が示される可能性が高い第１の状態と、前記負荷から速やかに負荷要求が示される可能性が前記第１の状態に比べて低い第２の状態とのうちの、いずれかに該当するか否かを判断し；前記第１の状態であると判断される場合には、前記目標電圧として、予め定めた第１の目標電圧を用い；前記第２の状態であると判断される場合には、前記目標電圧として、前記第１の目標電圧よりも低い第２の目標電圧を用いることとしてもよい。
この形態の燃料電池の電圧制御方法によれば、負荷から速やかに負荷要求が示される可能性が高い第１の状態であると判断される場合には、燃料電池の目標電圧として、より高い第１の目標電圧が用いられる。そのため、燃料電池内に酸素を確保して、次回に負荷要求が増加したときの応答性を確保することができる。また、負荷から速やかに負荷要求が示される可能性が第１の状態に比べて低い第２の状態であると判断される場合には、燃料電池の目標電圧として、より低い第２の目標電圧が用いられる。そのため、燃料電池を構成する各セルの開回路電圧のばらつきが拡大しても、許容できない程度に電圧が上昇する単セルの発生を抑え、燃料電池全体の耐久性を向上させることができる。
【００１２】
（３）上記形態の燃料電池の電圧制御方法は、前記低負荷状態となり、前記目標電圧として第１の目標電圧を用いて、前記予め設定した条件にて前記燃料電池に酸素を供給した後に、予め設定した基準時間が経過した場合には、前記目標電圧を、前記第１の目標電圧から、前記第１の目標電圧よりも低い第２の目標電圧へと変更することとしてもよい。
第１の目標電圧を目標電圧として用いる制御を継続すると、燃料電池を構成する各単セルの開回路電圧のばらつきが拡大し得る。上記形態の燃料電池の電圧制御方法によれば、目標電圧を、第１の目標電圧よりも低い第２の目標電圧に変更するため、許容できない程度に電圧が上昇する単セルの発生を抑え、燃料電池全体の耐久性を向上させることができる。
【００１３】
（４）上記形態の燃料電池の電圧制御方法は、前記低負荷状態となり、前記予め設定した条件にて前記燃料電池に酸素を供給した後に、前記燃料電池の開回路電圧が、前記目標電圧として設定した第１の目標電圧に対して、予め設定した許容値以上に低下した場合には、前記目標電圧を、前記第１の目標電圧から、前記第１の目標電圧よりも低い第２の目標電圧へと変更することとしてもよい。
この形態の燃料電池の電圧制御方法によれば、燃料電池の開回路電圧が、第１の目標電圧に対して許容値以上に低下した場合には、目標電圧を、より低い第２の目標電圧に変更するため、各単セルの開回路電圧がばらつくことに起因して、望ましくない程度に高電圧の単セルが生じることを抑制できる。また、低下した燃料電池の開回路電圧を第１の目標電圧に上昇させる制御を行なうのではなく、目標電圧をより低く変更することにより、燃料電圧の開回路電圧の変動を抑え、変動に起因して燃料電池の電極触媒が劣化することを抑制することができる。
【００１４】
（５）上記形態の燃料電池の電圧制御方法は、前記燃料電池の開回路電圧の目標値を前記第１の目標電圧から前記第２の目標電圧に変更するときに、前記燃料電池の開回路電圧を前記第２の目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記燃料電池に酸素を供給するのに先立って、前記燃料電池に対する酸素の供給を一時的に停止することとしてもよい。
この形態の燃料電池の電圧制御方法によれば、目標電圧として第１の目標電圧を用いている間に生じた各単セルの開回路電圧のばらつきを、低減することができる。
【００１５】
（６）本発明の他の形態によれば、負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムにおける前記燃料電池の電圧制御方法が提供される。この燃料電池の電圧制御方法は、前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値以下となる低負荷状態のときに、前記燃料電池の電圧を予め定めた目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記燃料電池に酸素を供給する。そして、前記予め設定した条件にて前記燃料電池に酸素を供給した後に、前記燃料電池の電圧を検出すると共に、検出した電圧と前記目標電圧とを比較し；前記検出した電圧が前記目標電圧に比べて第１の値以上高い第１電圧状態に該当する場合には、前記目標電圧を出力電圧として前記燃料電池の発電を行なわせ；前記検出した電圧が前記目標電圧に比べて第２の値以上低い第２電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断した状態で、前記燃料電池に供給する酸素量を増加させ；前記第１電圧状態および前記第２電圧状態に該当しない電圧維持状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量を維持する。
【００１６】
この形態の燃料電池の電圧制御方法によれば、少なくとも、負荷要求が予め設定した基準値以下となる低負荷状態の時に、燃料電池を発電させることなく、燃料電池の電圧を目標電圧の近傍で維持する制御を行なうことができる。そのため、要求されていない過剰な発電を抑制し、発電した電力を一旦２次電池に蓄えること等に起因して電源システムのエネルギ効率が低下することを抑えることができる。
【００１７】
（７）本発明の他の形態によれば、負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムが提供される。電源システムは、前記燃料電池のカソードに酸素を供給する酸素供給部と；前記酸素供給部が前記カソードに供給する酸素量を調節する酸素量調節部と；前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断する負荷遮断部と；前記負荷からの要求電力が、予め設定した基準値以下となる低負荷状態の時に、前記負荷遮断部を駆動して、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断させる遮断制御部と；前記燃料電池の開回路電圧を検出する電圧センサと；を備える。前記酸素量調節部は；前記低負荷状態の時に、前記燃料電池の開回路電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素を前記燃料電池に供給するために予め設定した条件にて、前記酸素供給部を駆動し；前記酸素量調節部を駆動した後に、前記電圧センサが検出した前記開回路電圧と前記目標電圧とを比較して、前記開回路電圧が前記目標電圧に比べて第１の値以上高い第１電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量が減少するように前記酸素供給部を駆動し、前記開回路電圧が前記目標電圧に比べて第２の値以上低い第２電圧状態に該当する場合には、前記燃料電池に供給する酸素量が増加するように前記酸素供給部を駆動する。
【００１８】
この形態の電源システムによれば、負荷要求が予め設定した基準値以下となる低負荷状態の時に、燃料電池を発電させることなく、燃料電池の開回路電圧を目標電圧の近傍で維持することができる。そのため、要求されていない過剰な発電を行なう必要がなく、発電した電力を一旦２次電池に蓄えること等に起因して電源システムのエネルギ効率が低下することを抑えることができる。また、燃料電池の開回路電圧を目標電圧に近づけるために供給酸素量を調節する制御を、燃料電池の開回路電圧と目標電圧との関係に基づいて供給酸素量を増減することにより行なうため、供給酸素量を直接測定する必要がなく、システム構成を簡素化することができる。
【００１９】
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、電源システムを駆動用電源として搭載する移動体、燃料電池を備える電源システムにおける燃料電池の高電位回避制御方法、既述した電圧制御方法または高電位回避制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池車両の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】燃料電池における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を示す説明図である。
【図３】供給酸素量と燃料電池の開回路電圧との関係を模式的に示す説明図である。
【図４】間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】目標電圧設定処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図６】目標電圧変更処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図７】電圧維持制御を開始した後の開回路電圧の挙動を概念的に示す説明図である。
【図８】間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図９】間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１０】間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１１】極限値回避処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図１２】間欠運転制御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】
【００２１】
Ａ．電源システムの全体構成：
図１は、本発明の第１の実施形態としての燃料電池車両２０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池車両２０は、車体２２に、電源システム３０を搭載する。電源システム３０と、燃料電池車両２０の駆動用のモータ１７０との間は、配線１７８によって接続されており、配線１７８を介して、電源システム３０とモータ１７０との間で電力がやり取りされる。
【００２２】
電源システム３０は、燃料電池１００と、水素タンク１１０を含む水素ガス供給部１２０と、コンプレッサ１３０を含む空気供給部１４０と、２次電池１７２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４と、制御部２００と、を備える。なお、電源システム３０は、燃料電池１００の温度を所定範囲に保つために燃料電池を冷却する冷媒を燃料電池内に流通させる図示しない冷媒循環部を、さらに備えている。電源システム３０では、燃料電池１００および２次電池１７２の各々が単独で、あるいは、燃料電池１００および２次電池１７２の双方から同時に、モータ１７０を含む負荷に対して電力を供給可能となっている。
【００２３】
燃料電池１００は、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。本実施形態の燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に水素が流れる流路（以後、アノード側流路とも呼ぶ）が形成され、カソード側に酸素が流れる流路（以後、カソード側流路とも呼ぶ）が形成されている。燃料電池１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４および配線１７８を介して、モータ１７０を含む負荷に接続されている。燃料電池１００の電圧は、電圧センサ１０２によって検出される。電圧センサ１０２の検出信号は、制御部２００に出力される。
【００２４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、制御部２００の制御信号を受けて、燃料電池１００の出力状態を変更する機能を有している。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、燃料電池１００が発電する際の出力電圧を設定する機能を有する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、燃料電池１００が発電した電力を負荷に供給する際に、出力電圧を所望の電圧に昇圧する機能を有する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、ダイオードを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４にダイオードを設けることにより、燃料電池１００からの出力電流が所定値以下になったときには、燃料電池１００と負荷との間の電気的な接続が遮断される。本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４が備えるダイオードが、課題を解決するための手段における「負荷遮断部」に相当する。
【００２５】
水素ガス供給部１２０が備える水素タンク１１０は、例えば、高圧の水素ガスを貯蔵する水素ボンベ、あるいは、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクとすることができる。水素ガス供給部１２０は、水素タンク１１０から燃料電池１００に到る水素供給流路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給流路１２１に循環させる循環流路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための水素放出流路１２３と、を備える。水素ガス供給部１２０において、水素タンク１１０に貯蔵された水素ガスは、水素供給流路１２１の開閉バルブ１２４の流路開閉と、減圧バルブ１２５での減圧を経て、減圧バルブ１２５の下流の水素供給機器１２６（例えば、インジェクタ）から、燃料電池１００のアノード側流路に供給される。循環流路１２２を循環する水素の流速は、循環ポンプ１２７によって調節される。水素供給機器１２６および循環ポンプ１２７の駆動量は、圧力センサ１２８が検出した循環水素の圧力を参照しつつ、負荷要求に応じて制御部２００によって調節される。
【００２６】
なお、循環流路１２２を流れる水素ガスの一部は、循環流路１２２から分岐した水素放出流路１２３の開閉バルブ１２９の開閉調整を経て、所定のタイミングで大気放出される。これにより、循環流路１２２内を循環する水素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１００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。上記した開閉バルブ１２４の開閉のタイミングは、制御部２００によって調節される。
【００２７】
空気供給部１４０は、コンプレッサ１３０の他に、第１の空気流路１４１、第２の空気流路１４５、第３の空気流路１４６、分流弁１４４、空気放出流路１４２、背圧弁１４３、および流量センサ１４７を備える。第１の空気流路１４１は、コンプレッサ１３０が取り込んだ空気の全量が流れる。第２の空気流路１４５および第３の空気流路１４６は、第１の空気流路１４１から分岐して設けられている。分流弁１４４は、第１の空気流路１４１が第２の空気流路１４５および第３の空気流路１４６に分岐する部位に設けられており、この分流弁１４４の開弁状態を変更することにより、第１の空気流路１４１から第２の空気流路１４５または第３の空気流路１４６へと流れる空気の分配割合を変更可能となっている。第２の空気流路１４５の一部は、燃料電池１００内においてカソード側流路を形成している。第３の空気流路１４６は、燃料電池１００を経由することなく空気を導くバイパス流路である。第２の空気流路１４５と第３の空気流路１４６とは合流して、空気放出流路１４２となる。背圧弁１４３は、第２の空気流路１４５において、第３の空気流路１４６との合流箇所より上流側に設けられた絞り弁である。背圧弁１４３の開度を調節することにより、燃料電池１００におけるカソード側流路の背圧を変更することができる。空気放出流路１４２は、第３の空気流路１４６を通過した空気と共に、第２の空気流路１４５を通過した空気（カソードオフガス）を大気放出するための流路である。空気放出流路１４２には、既述した水素放出流路１２３が接続されており、水素放出流路１２３を介して放出される水素は、大気放出に先立って、空気放出流路１４２を流れる空気によって希釈される。流量センサ１４７は、第１の空気流路１４１に設けられて、第１の空気流路１４１を介して取り込まれる空気の総流量を検出する。
【００２８】
本実施形態では、空気供給部１４０が、課題を解決するための手段における「酸素供給部」に相当する。空気供給部１４０において、コンプレッサ１３０の駆動量、分流弁１４４の開弁状態、および、背圧弁１４３の開度から選択される少なくとも１つの条件を変更することにより、燃料電池１００のカソード側流路に供給される空気の流量(酸素流量）を調節することができる。本実施形態では、背圧弁１４３は、図示しないステッピングモータを備えており、ステッピングモータのステップ数を制御することにより、背圧弁１４３のバルブ開度を、高い精度にて任意の開度に調節可能となっている。コンプレッサ１３０の駆動量、分流弁１４４の開弁状態、および、背圧弁１４３の開度は、制御部２００によって調節される。なお、空気供給部１４０は、例えば第１の空気流路１４１において、燃料電池１００に供給するための空気を加湿する加湿装置を備えることとしてもよい。
【００２９】
さらに、本実施形態では、第１の空気流路１４１および第２の空気流路１４５が、課題を解決するための手段における「酸素供給路」に相当する。また、コンプレッサ１３０が、課題を解決するための手段における「酸素導入部」に相当し、第３の空気流路１４６が、課題を解決するための手段における「バイパス流路」に相当する。また、背圧弁１４３が、課題を解決するための手段における「流量調整弁」に相当する。
【００３０】
２次電池１７２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４を介して上記配線１７８に接続しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４とは、上記配線１７８に対して並列に接続されている。２次電池１７２としては、例えば、鉛蓄電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池１７２には、２次電池１７２の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための図示しない残存容量モニタが併設されており、検出された残存容量は制御部２００に出力される。残存容量モニタは、２次電池１７２における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータとして構成することができる。あるいは、残存容量モニタは、ＳＯＣメータの代わりに、２次電池１７２の電圧を検出する電圧センサによって構成することとしてもよい。
【００３１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４は、２次電池１７２の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御部２００の制御信号を受けて２次電池１７２の充・放電を制御する。この他、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４は、出力側の目標電圧を制御部２００の制御下で設定することにより、２次電池１７２の蓄電電力の引出とモータ１７０への電圧印加とを行い、電力引出状態とモータ１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４は、２次電池１７２において充放電を行なう必要のないときには、２次電池１７２と配線１７８との接続を切断する。
【００３２】
制御部２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成される。制御部２００は、水素ガス供給部１２０や空気供給部１４０が備える既述したセンサの他、アクセル開度センサ１８０、シフトポジションセンサ、車速センサ、および外気温センサ等、種々のセンサから検出信号を取得して、燃料電池車両２０に係る種々の制御を行なう。例えば、制御部２００は、アクセル開度センサ１８０の検出信号等に基づいて負荷要求の大きさを求め、負荷要求に応じた電力が燃料電池１００と２次電池１７２との少なくとも一方から得られるように、電源システム３０の各部に駆動信号を出力する。具体的には、燃料電池１００から電力を得る場合には、所望の電力が燃料電池１００から得られるように、水素ガス供給部１２０や空気供給部１４０からのガス供給量を制御する。また、制御部２００は、所望の電力がモータ１７０に供給されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４、１７４を制御する。本実施形態では、制御部２００は、課題を解決するための手段における「酸素量調節部」あるいは「出力制御部」として機能する。なお、制御部２００は、さらにタイマを備えており、種々の信号を入力したり、種々の処理を実行してからの経過時間を計測可能となっている。
【００３３】
Ｂ．間欠運転モードと目標電圧：
本実施形態の燃料電池車両２０では、電源システム３０の稼働中に、通常運転モードと間欠運転モードとを含む複数の運転モードが切り換えられる。通常運転モードとは、電源システム３０に対する負荷要求が、予め設定した基準値を超える場合に選択される運転モードであって、モータ１７０の要求電力を含む負荷要求の少なくとも一部を、燃料電池１００が発電する電力により賄う運転モードである。間欠運転モードとは、電源システム３０に対する負荷要求が、予め設定した基準値以下のときに、燃料電池１００の発電を停止する運転モードである。
【００３４】
ここで、電源システム３０から電力供給を受ける負荷としては、燃料電池車両２０を駆動するモータ１７０に加えて、車両補機および燃料電池補機が含まれる。したがって、本実施形態の電源システム３０において、負荷要求とは、モータ１７０の要求電力と、車両補機の要求電力と、燃料電池補機の要求電力とを含む。車両補機には、例えば、空調設備（エアコン）、照明装置、ハザードランプ、および方向指示器等が含まれる。燃料電池補機には、例えば、コンプレッサ１３０、循環ポンプ１２７、分流弁１４４や空気放出流路１４２や背圧弁１４３等の各種バルブ、既述した冷媒を循環させるための冷媒ポンプ、および、冷媒を冷却するためのラジエータファンが含まれる。また、２次電池１７２の残存容量（ＳＯＣ）が低下した時には、２次電池１７２も負荷の一部となり得る。本実施形態では、上記した各負荷の要求電力の総量として、負荷要求を求め、この負荷要求が基準値以下のときに、間欠運転モードを選択している。そして、間欠運転モードの選択時に、発電停止中の燃料電池１００の電圧を所定の範囲に制御している。
【００３５】
図２は、燃料電池１００における出力電流と、出力電圧あるいは出力電力との関係を模式的に示す説明図である。以下に、通常運転モードの選択時の制御を簡単に説明し、さらに、間欠運転モードの選択時における燃料電池１００の制御について詳細に説明する。
【００３６】
本実施形態では、通常運転モードにおける燃料電池１００の発電量は、燃料電池１００の出力電圧を定めることにより制御される。図２に示す出力電流と出力電力との関係から分かるように、燃料電池１００においては、出力すべき電力ＰＦＣが定まれば、そのときの燃料電池１００の出力電流の大きさＩＦＣが定まる。そして、図２に示す電流−電圧特性（ＩＶ特性）から分かるように、燃料電池１００の出力電流ＩＦＣが定まれば、そのときの燃料電池１００の出力電圧ＶＦＣが定まる。通常運転モードが選択されているときには、制御部２００が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４に対して、このようにして求めた出力電圧ＶＦＣを目標電圧として指令することによって、燃料電池１００の発電量が所望量となるように制御する。
【００３７】
間欠運転モードの選択時に燃料電池１００の発電を停止する際には、燃料電池１００の出力電流は０となる。燃料電池１００の発電を停止するとき、すなわち、発電のために十分な水素と酸素が燃料電池１００に供給された状態で、燃料電池１００と負荷との接続を遮断して出力電流を０にするときには、燃料電池１００は、図２に示すように極めて高い開回路電圧（Open circuit voltage:ＯＣＶ）を示す。このことは、燃料電池１００のカソードの電極電位が非常に高くなることを示す。燃料電池１００の電極電位が高くなると、電極が備える白金などの触媒金属が溶出して、燃料電池１００の性能が低下することが知られている。そのため、燃料電池１００の性能低下を抑えるためには、燃料電池１００において電極電位の過剰な上昇を抑えることが望ましい。本実施形態では、燃料電池１００の発電停止中に、カソード側流路に供給する酸素量を制御することによって、カソードの電極電位の過剰な上昇を抑えている。
【００３８】
図３は、燃料電池１００の発電停止中に、アノード側流路には、通常運転モードの発電を行なうために十分量の水素が供給される状態で、カソード側流路に供給する酸素量を変更したときの、供給酸素量と燃料電池１００の開回路電圧（ＯＣＶ）との関係を模式的に示す説明図である。カソード側流路に供給される酸素量が極めて少ないときには、供給酸素量が変化してもＯＣＶは極めて低いレベルであまり変化しない状態になる。このような供給酸素量の範囲を、図３では、酸素欠乏域Ａとして、Ａを付した矢印にて示している。供給酸素量をさらに増加させると、供給酸素量の増加に伴ってＯＣＶが急激に上昇するようになる。このような供給酸素量の範囲を、図３では、当量比１相当域Ｂとして、Ｂを付した矢印にて示している。供給酸素量をさらに増加させると、供給酸素量が変化してもＯＣＶは極めて高いレベルであまり変化しない状態になる。このような供給酸素量の範囲を、図３では、酸素過剰域Ｃとして、Ｃを付した矢印にて示している。本実施形態では、間欠運転モード選択時には、ＯＣＶが、当量比１相当域Ｂ内の所定の電圧を示すように、供給酸素量を制御している。すなわち、本実施形態では、間欠運転モード選択時にＯＣＶの目標電圧Ｖmarkとして、当量比１相当域Ｂ内の特定の電圧が予め設定されており、燃料電池１００の開回路電圧が上記目標電圧Ｖmarkとなるように、燃料電池１００に供給する酸素量を調節している。
【００３９】
既述したように、本実施形態の空気供給部１４０では、燃料電池１００のカソード側流路に供給される空気量（酸素量）は、コンプレッサ１３０の駆動量と、分流弁１４４の開弁状態と、背圧弁１４３の開度と、によって定まる。本実施形態では、間欠運転モード選択時には、これらのパラメータのうち、コンプレッサ１３０の駆動量および分流弁１４４の開弁状態を固定しつつ、背圧弁１４３の開度を変更することにより、燃料電池１００のＯＣＶが目標電圧Ｖmarkになるように制御している。そのため、本実施形態では、既述した目標電圧Ｖmarkと共に、目標電圧Ｖmarkを得られる酸素を燃料電池に供給するための背圧弁１４３の開度（背圧弁１４３の駆動量）を、予め制御部２００内のメモリに初期値として記憶している。目標電圧Ｖmarkを実現するための背圧弁１４３の開度は、例えば予め実験的に求めることができる。
【００４０】
なお、燃料電池１００の発電を停止した後には、各単セルにおいて、アノード側流路からカソード側流路へと電解質膜を介して水素が透過し、透過した水素の酸化反応がカソードで進行する。その結果、電解質膜を透過した水素の酸化反応により、カソード側流路内の酸素が消費される。したがって、発電停止中の燃料電池１００において、当量比１相当域に属する所望の開回路電圧を得るためには、所望の開回路電圧に応じて図３から求められる酸素量（起電力発生に必要な酸素量）に加えて、さらに、透過した水素の酸化反応により消費される酸素量（透過水素による消費酸素量）を供給する必要がある。すなわち、間欠運転モード選択時に所望の開回路電圧を得るために燃料電池１００に供給すべき酸素量（セル電圧維持酸素量）は、以下の（１）式で表わされる。
セル電圧維持酸素量＝起電力発生に必要な酸素量＋透過水素による消費酸素量  …（１）
【００４１】
背圧弁１４３の開度を、制御部２００内のメモリに記憶した開度となるように調節したときに、燃料電池１００に供給される酸素量が、丁度（１）式を満たすならば、燃料電池１００の開回路電圧は目標電圧Ｖmarkとなる。しかしながら、電解質膜を透過する水素量は、アノード側流路における水素圧と、燃料電池１００の内部温度と、燃料電池１００の内部湿度とに応じて変動する。そのため、例えばこれらの要因により供給酸素量が不足する場合には、燃料電池１００の開回路電圧は目標電圧Ｖmarkよりも低くなり、供給酸素量が過剰になる場合には、燃料電池１００の開回路電圧は目標電圧Ｖmarkよりも高くなる。本実施形態では、燃料電池１００の開回路電圧の検出値と目標電圧Ｖmarkとを比較した結果に基づき、燃料電池１００への供給酸素量を増減して、燃料電池１００の開回路電圧を目標電圧Ｖmarkに近づける制御をしている。詳しい制御の内容については後述する。
【００４２】
なお、間欠運転モード選択時に設定される燃料電池１００のＯＣＶの目標電圧Ｖmark（後述するように、本実施形態では平均セル電圧である）は、高電位に起因する電極触媒の劣化（溶出）を抑える観点から、０．９Ｖ以下とすることが望ましく、０．８５Ｖ以下とすることがより望ましく、０．８Ｖ以下とすることがさらに望ましい。
【００４３】
これに対して、カソードのセル電圧が低くなるほど、すなわち、カソード側流路における酸素分圧が低くなるほど、カソードの電極触媒が還元され易くなる（触媒表面の酸化被膜が消失する）と考えられる。カソードの電極触媒が還元されると、次回、カソード側流路内に酸素が供給されてカソードの電位が上昇したときに、カソードの電極触媒の溶出が進行し易くなるという不都合を生じ得る。そのため、間欠運転モード選択時には、燃料電池１００を構成する各セル電圧がいずれも０Ｖに低下しないことが望ましい。したがって、セル電圧の低下に起因する上記不都合を抑える観点から、間欠運転モード選択時に設定されるＯＣＶの目標電圧Ｖmark（平均セル電圧）は、０．１Ｖ以上とすることが望ましく、０．２Ｖ以上とすることがさらに望ましい。
【００４４】
また、間欠運転モード選択時には、負荷要求が基準値以下となっているが、電源システム３０は稼働中である（使用者によるシステム停止の指示は入力されていない）ため、短時間のうちに再び負荷要求が増大する可能性がある。そのため、再び負荷要求が増大したときに、速やかに所望の電力を得るという観点からは、カソード側流路内の酸素量を減少させすぎないことが望ましい。すなわち、次回に負荷要求が増大したときの応答性の観点からは、間欠運転モード選択時に設定されるＯＣＶの目標電圧Ｖmark（平均セル電圧）は高い方が望ましい。したがって、負荷要求に対する応答性を確保するためには、目標電圧Ｖmarkは、例えば、０．６Ｖ以上とすることが望ましく、０．７Ｖ以上とすることがさらに望ましい。
【００４５】
なお、間欠運転モード選択時であっても、燃料電池１００内のアノード側流路においては、間欠運転モードを選択する基準となる負荷要求を超える電力を直ちに発電可能となる量の水素が存在する状態が維持される。すなわち、間欠運転モード選択時であっても、循環ポンプ１２７の駆動が継続されると共に、電解質膜を介してカソード側流路に透過した失われた水素を補うために、水素供給機器１２６からの水素供給が行なわれる。
【００４６】
また、間欠運転モード選択時であっても、水素放出流路１２３に設けた開閉バルブ１２９を介して、循環流路１２２を流れる水素の一部が、燃料電池車両２０の外部に放出されて、循環流路１２２を流れる水素中の不純物濃度（窒素および水蒸気の濃度）が抑えられる。間欠運転モード選択時には、電解質膜を介してカソード側流路からアノード側流路へと、空気中の窒素が流入する。また、間欠運転モード選択時には、アノード側流路からカソード側流路に透過した水素がカソード上で酸化されて水が生じ、生じた水の一部が水蒸気としてアノード側流路に透過する。そのため、アノード側流路内の不純物濃度が基準濃度を超えたと判断されるときに、制御部２００によって開閉バルブ１２９を所定時間開弁する処理が実行される。窒素や水素の透過量は時間に依存するため、アノード側流路内の不純物濃度が基準濃度を超えたと判断されるときとは、例えば、開閉バルブ１２９を開弁する処理を前回行なってからの経過時間が、予め定めた基準時間を超えたときとすることができる。なお、開閉バルブ１２９を開弁する処理を実行するタイミングは、上記した経過時間に基づく他、循環流路１２２内の不純物濃度（窒素濃度および／または水蒸気濃度）を直接測定して判断してもよい。
【００４７】
Ｃ．間欠運転モード選択時の制御：
図４は、間欠運転モード選択時の動作として制御部２００のＣＰＵにおいて実行される間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、電源システム３０が起動された後、使用者によるシステム停止の指示が入力されるまで、電源システム３０の稼働中に繰り返し実行される。なお、本ルーチンが繰り返し実行される際の間隔は、本ルーチンに従って背圧弁１４３の開度が変更されたときに、その結果としてカソード側流路に供給される酸素量が実際に変化するまでに要する時間よりも長い時間(例えば１〜５秒）が設定されている。
【００４８】
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵは、負荷要求を導出する（ステップＳ１００）。負荷要求とは、既述したように、モータ１７０の要求電力と、車両補機および燃料電池補機の要求電力との総和である。モータ１７０の要求電力は、アクセル開度センサ１８０および車速センサの検出信号に基づいて求められる。車両補機および燃料電池補機の要求電力は、各補機に出力される駆動信号に基づいて求められる。
【００４９】
その後、ＣＰＵは、導出した負荷要求が、予め定めた基準値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。負荷要求が基準値以下ではないと判断された場合には、間欠運転モードは選択されず、ＣＰＵは本ルーチンを終了する。
【００５０】
ステップＳ１１０において、負荷要求が基準値以下と判断された場合には、間欠運転モードのための処理が続行される。ステップＳ１１０において負荷要求が基準値以下であると一旦判断されると、ステップＳ１１０において負荷要求が基準値を超えると判断されるまでは、図４の間欠運転制御処理ルーチンが繰り返し実行される間、電源システム３０の運転モードが間欠運転モードである状態が継続する。
【００５１】
ステップＳ１１０で負荷要求が基準値以下と判断されると、ＣＰＵは、実行中の間欠運転制御処理ルーチンが、電源システム３０の運転モードが今回の間欠運転モードになってから初めて実行される処理であるか否かを判断する（ステップＳ１２０）。今回の間欠運転モードになってから初めて実行される処理であると判断すると、ＣＰＵは、背圧弁１４３を、反応場的全閉状態にする（ステップＳ１７０）。そして、電圧センサ１０２から、燃料電池１００の電圧値Ｖmeを取得する（ステップＳ１７５）。
【００５２】
反応場的全閉状態とは、図３における酸素欠乏域Ａと当量比１相当域Ｂとの境界における酸素量を供給するときの、背圧弁１４３の開弁状態のことである。すなわち、燃料電池１００の発電停止中に電解質膜を透過する水素の酸化に要する量の酸素を、燃料電池１００に対して供給するときの、背圧弁１４３の開弁状態のことである。ステップＳ１７０で背圧弁１４３を反応場的全閉状態にするときには、燃料電池１００に供給される酸素量は、通常運転モード選択時に比べて大きく減少する。本実施形態では、反応場的全閉状態になるときの背圧弁１４３の開度が予め設定されて、制御部２００内のメモリに記憶されている。
【００５３】
ステップＳ１２０において、今回の間欠運転モードになってから初めて実行される処理であると判断されるとき、すなわち、通常運転モードから間欠運転モードに切り替わる直前には、燃料電池１００に対して過剰量の酸素が供給されている。そのため、ステップＳ１７０の後に直ちに燃料電池１００の発電を停止すると、燃料電池１００のＯＣＶが許容できない程度に大きくなる可能性がある。したがって、ステップＳ１７０の後には、例えば、燃料電池１００の出力電圧が許容できる上限値以下になる状態で、燃料電池１００の発電を継続してもよい。燃料電池１００の発電を継続させる場合には、燃料電池１００のカソード側流路内の酸素量は、発電により消費されて急激に減少する。そのため、燃料電池１００の出力電流は次第に小さくなる。このように燃料電池１００の出力電流がある程度小さくなると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４が備えるダイオードの働きで、燃料電池１００から負荷への電力供給が遮断されて、燃料電池１００は発電を停止する。
【００５４】
ステップＳ１７０の後、燃料電池１００が発電を停止する場合には、電解質膜を透過した水素がカソード上で酸化されることにより、燃料電池１００のカソード側流路内の酸素量は速やかに減少する。このように燃料電池１００内の酸素量が減少することにより、発電停止後の燃料電池１００のＯＣＶは、許容できる上限値の近傍にまで低下し、燃料電池１００の発電停止状態がさらに継続されると、燃料電池１００のＯＣＶは、上記上限値以下にまで低下する。
【００５５】
ステップＳ１７５においてＣＰＵは、燃料電池１００が発電中であれば、燃料電池１００の出力電圧を取得し、燃料電池１００が発電停止中であれば、燃料電池１００のＯＣＶを取得する。なお、本実施形態では、上記電圧値Ｖmeは、電圧センサ１０２が検出したスタック全体の電圧値を、スタックが備えるセル数で除した平均セル電圧である。
【００５６】
ステップＳ１７５で燃料電池１００の電圧値Ｖmeを取得すると、ＣＰＵは、取得した電圧値Ｖmeと、目標電圧Ｖmark＋αとを比較する（ステップＳ１８０）。目標電圧Ｖmarkは、既述したように制御部２００のメモリに予め記憶されている。またαとは、正の値であって、カソード側流路への供給酸素量の増加が間に合わず、燃料電池１００のＯＣＶが目標電圧Ｖmarkよりも低下してしまうことを抑えるために設けた値である。既述したように、電圧値Ｖmeは、燃料電池１００の発電停止後に次第に低下するため、本実施形態では、電圧値Ｖmeが目標電圧Ｖmark＋α以下となるまで、ステップＳ１７５における電圧値Ｖmeの取得とステップＳ１８０の判断とを繰り返す。
【００５７】
ステップＳ１８０において電圧値Ｖmeが目標電圧Ｖmark＋α以下になったと判断すると、ＣＰＵは、背圧弁１４３の開度が、Ｖmarkを実現するための開度として予め記憶した開度となるように、背圧弁１４３のステッピングモータに駆動信号を出力して（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。すなわち、燃料電池１００に供給する酸素量を、反応場的全閉状態に対応する酸素量から、上記Ｖmarkを実現するための開度に対応する酸素量に増加させる。
【００５８】
ここで、電圧値Ｖmeが目標電圧Ｖmarkに低下してから供給酸素量を増加させると、所望量の酸素がカソードに到達するまでに燃料電池１００の電圧がさらに低下して、Ｖmarkを下回る可能性がある。本実施形態では、Ｖmeが目標電圧Ｖmark＋αに低下したタイミングで供給酸素量を増加させるため、燃料電池１００の電圧が目標電圧Ｖmarkよりも低下してしまうことを抑えることができる。上記αの値は、背圧弁１４３を駆動する際の応答性や、供給量を増加された酸素がカソードに到達するまでの速度（例えば、カソード側流路における流路抵抗や流路長の影響を受ける）を考慮して、適宜設定すればよい。
【００５９】
ステップＳ１２０において、今回の間欠運転モードになってから初めて実行される処理ではない、すなわち、背圧弁１４３の開度制御が既に開始されていると判断すると、ＣＰＵは、電圧センサ１０２から、燃料電池１００の電圧値Ｖmeを取得する（ステップＳ１３０）。ステップＳ１３０で電圧値Ｖmeを取得する際には、燃料電池１００は既に発電を停止しているため、ステップＳ１３０では燃料電池１００のＯＣＶを取得する。
【００６０】
ステップＳ１３０で電圧値Ｖmeを取得した後、ＣＰＵは、取得した電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較する（ステップＳ１５０）。比較の結果、電圧値Ｖmeが、目標電圧Ｖmarkに比べて第１の値以上高い（以下、高電圧状態とも呼ぶ）場合には、ＣＰＵは、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を小さくすることによりカソード側流路に供給する酸素の流量を減少させて（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。比較の結果、電圧値Ｖmeが、目標電圧Ｖmarkに比べて第２の値以上低い（以下、低電圧状態とも呼ぶ）場合には、ＣＰＵは、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を大きくすることによりカソード側流路に供給する酸素の流量を増加させて（ステップＳ１６２）、本ルーチンを終了する。比較の結果、上記した高電圧状態および低電圧状態に該当しない（電圧維持状態に該当する）場合には、ＣＰＵは、非発電状態で、現在の背圧弁１４３の開度を維持することによりカソード側流路に供給する酸素量を維持して（ステップＳ１６４）、本ルーチンを終了する。本実施形態では、上記高電圧状態が、課題を解決するための手段における「第１電圧状態」に相当し、上記低電圧状態が、課題を解決するための手段における「第２の電圧状態」に相当する。
【００６１】
本実施形態では、ステップＳ１６０で背圧弁１４３の開度を小さくするとき、および、ステップＳ１６２で背圧弁１４３の開度を大きくするときには、背圧弁１４３のステッピングモータの駆動量を、開度が１ステップ分変更される量としている。すなわち、背圧弁１４３の開度を変更する際の最小単位により、開度を変更している。これにより、燃料電池１００の電圧変動を抑えている。ただし、背圧弁１４３における１回当たりの開度の変更量は、２ステップ分以上に設定してもよい。
【００６２】
また、ステップＳ１６０で酸素量を減少させる判断に用いた第１の値と、ステップＳ１６２で酸素量を増加させる判断に用いた第２の値とは、異なる値であってもよく、同じ値であってもよい。第１および第２の値は、正の値であればよく、背圧弁１４３に入力される駆動信号に対する酸素流量変化の応答性等を考慮して、任意に設定することができる。
【００６３】
以上のように構成された本実施形態の電源システム３０によれば、負荷要求が予め設定した基準値以下となる低負荷状態の時に、燃料電池１００を発電させることなく、燃料電池１００における高電位状態を回避できる。そのため、要求されていない過剰な発電を、高電位状態を回避するためだけに行なう必要がなく、発電した電力を一旦２次電池に蓄えること等に起因して電源システム３０のエネルギ効率が低下することを抑えることができる。
【００６４】
図２に示したＩＶ特性から分かるように、燃料電池１００の発電を停止することにより燃料電池が高いＯＣＶを示すことを避ける方法として、燃料電池１００の出力電圧が許容できる程度の高電圧Ｖ1となるように、低出力の発電（出力電流がＩ1となる発電）を行なう方法が考えられる。このようにして得られた余剰の電力は、２次電池１７２に充電することが可能であるが、一旦２次電池１７２を充電した後に２次電池１７２から負荷に対して電力を出力する場合には、燃料電池１００から直接負荷に対して電力を供給する場合に比べてエネルギ効率が低下する。また、２次電池１７２の容量には限度があるため、高電位回避のための発電量が多くなると、高電位回避のための低出力発電を継続できなくなったり、車両におけるブレーキング時の回生電力を回収できなくなる可能性がある。その結果、電源システムにおけるエネルギ収支を適切に維持することが困難になる場合がある。本実施形態では、所定の低負荷状態の時には発電を停止しつつ高電位状態を回避できるため、上記のような不都合を避けることができる。
【００６５】
また、本実施形態によれば、低負荷状態において燃料電池の電圧変動を抑制できるため、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００６６】
また、本実施形態によれば、カソード側流路に対して電圧維持のために要する量の酸素を供給する際に、現在の燃料電池１００のＯＣＶに基づいて背圧弁１４３の開度を調節することにより供給酸素量を増減している。ここで、燃料電池１００に供給する酸素量（空気量）を調節する方法としては、供給酸素量を直接検出して、供給酸素量が所望量となるように、供給酸素量を変更する方法も考えられる。しかしながらこの場合には、カソード側流路に供給される酸素量を検出するための流量計（空気量を検出するためのエアフロメーター）を設ける必要が生じる。本実施形態では、このようなエアフロメータを設ける必要がなく、装置構成を簡素化することができる。
【００６７】
また、本実施形態によれば、カソード側流路に供給する空気の流路を分流し、背圧弁１４３の開度によって供給酸素量（空気流量）を制御しているため、供給酸素量の制御を精度よく行なうことができる。供給酸素量の増減を、コンプレッサ１３０の駆動量の増減によって行なう方法も考えられるが、コンプレッサ１３０は、最も負荷要求が小さくなるときから最も負荷要求が大きくなるときまで対応可能である流量レンジの大きなコンプレッサである。したがって、本実施形態における発電停止時の電圧維持のように微小な流量の調節は一般に困難であり、微小な流量に対応したコンプレッサを別途設ける必要が生じる。本実施形態では、このようなコンプレッサをさらに設けることなく、高精度で微小な空気流量の制御が可能となる。ただし、微小な流量に対応したコンプレッサを別途設けるなど、異なる方法によって供給酸素量を調節し、電圧値Ｖmeを目標電圧Ｖmarkに近づける制御を行なってもよい。この場合にも、発電を停止しつつ高電位を回避できるという本実施形態と同様の効果が得られる。
【００６８】
なお、ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeが目標電圧Ｖmarkよりも大きく、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差が第１の値より大きい場合に、さらに、一時的な応答遅れか否かを判断することとしてもよい。例えば、間欠運転モードを開始して、背圧弁１４３の開度を、反応場的全閉状態からＶmarkに応じた開度に変更した直後には、Ｖmeが目標電圧Ｖmark＋αに低下したタイミングで酸素供給を増加させることにより、一時的にＶmeが目標電圧Ｖmarkよりも大きく、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差が第１の値より大きくなる場合がある。このように、背圧弁１４３の開度制御を開始した直後には、一時的な応答遅れと判断して、Ｖmeが目標電圧Ｖmarkよりも所定値以上大きい場合であっても、背圧弁１４３の開度を変更しないこととしてもよい。一時的な応答遅れか否かの判断は、例えば、背圧弁１４３の開度制御を開始（ステップＳ１９０を実行）してからの経過時間に基づいて行なうことができる。
【００６９】
また、図４の間欠運転処理ルーチンを繰り返し実行する際の時間間隔は、ＣＰＵが背圧弁１４３に対して開度変更のための駆動信号を出力してから電圧値Ｖmeが変化するまでの応答時間よりも、長く設定することが望ましい。背圧弁１４３の開度を変更する指示信号をＣＰＵが出力しても、実際に背圧弁１４３の開度が変更されて供給酸素量が変化し、カソードに到達する酸素量が変化するまでには、ある程度の時間を要する。その途中で再びステップＳ１５０の判断を行なうと、背圧弁１４３の開度の変更量は十分であっても、供給酸素量が未だ不足、あるいは未だ過剰であると判断されて、さらなる背圧弁１４３の開度の変更が行なわれ、却って供給酸素量が過剰あるいは不足になる可能性があるためである。
【００７０】
また、本実施形態において、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの関係に基づいて背圧弁１４３の開度を増減する際に、背圧弁１４３の開度の上限および／または下限を設定してもよい。背圧弁１４３の開度の上限は、背圧弁１４３における機械的な全開状態よりも小さな開度とすることができる。上記上限は、例えば、電解質膜を透過する水素量が最大になる場合であっても、現在設定されている目標電圧Ｖmarkを実現できる酸素量を供給可能な開度として、目標電圧Ｖmarkごとに予め設定した値とすることができる。また、背圧弁１４３の開度の下限は、背圧弁１４３における機械的な全閉状態である必要はない。上記下限は、例えば、背圧弁１４３における流路の有効断面積が実質的に０になる開度とすることができる。
【００７１】
Ｄ．第２の実施形態：
第１の実施形態では、間欠運転モード選択時における目標電圧Ｖmarkとして、制御部２００のメモリに記憶した単一の値を用いたが、異なる構成としてもよい。以下に、第２の実施形態として、燃料電池車両２０におけるシフトポジションに基づいて目標電圧Ｖmarkを変更する構成を説明する。第２の実施形態は、目標電圧の設定に係る動作のみが第１の実施形態と異なる。
【００７２】
図５は、第２の実施形態の燃料電池車両２０において実行される目標電圧設定処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、電源システム３０が起動された後、使用者によるシステム停止の指示が入力されるまで、図４の間欠運転制御処理ルーチンと平行して、電源システム３０の稼働中に繰り返し実行される。第２の実施形態では、ＣＰＵが、図４の間欠運転制御処理ルーチンにおいて目標電圧Ｖmarkを用いた処理を行なう際には、図５の目標電圧設定処理ルーチンによって設定された最新の目標電圧を用いて処理を実行する。
【００７３】
図５のルーチンが実行されると、ＣＰＵは、間欠運転モードを選択すべき状態であるか否かを判断する（ステップＳ２００）。このステップＳ２００の処理は、図３におけるステップＳ１００およびステップＳ１１０と同じ処理である。ステップＳ２００において間欠運転モードを選択すべき状態ではない（負荷要求が基準値を超える）と判断したときには、ＣＰＵは、後述する経過時間に関する記憶をリセットし（ステップＳ２５０）、本ルーチンを終了する。
【００７４】
ステップＳ２００において間欠運転モードを選択すべき状態である（負荷要求が基準値以下である）と判断したときには、ＣＰＵは、シフトポジションセンサから検出信号を取得し、シフトポジションを判断する（ステップＳ２１０）。ステップＳ２１０において、シフトポジションがＤレンジであると判断すると、ＣＰＵは、シフトポジションがＤレンジであるという条件、および、負荷要求が間欠運転モードに対応する低負荷要求であるという条件、の双方が成立してからの経過時間が、予め設定した基準時間を超えたか否かを判断する（ステップＳ２２０）。本実施形態では、制御部２００において、シフトポジションがＤレンジの状態でステップＳ２００において間欠運転モードを選択すべきと最初に判断されてからの経過時間を計測している。そして、この経過時間は、間欠運転モードが解除されたとき、すなわち、ステップＳ２００において間欠運転モードを選択すべき状態ではなくなったと判断されたときに、ステップＳ２５０においてリセットされる。
【００７５】
ステップＳ２２０において、間欠運転モードが選択されてからの経過時間が基準時間を超えていないと判断したときには、ＣＰＵは、目標電圧Ｖmarkとして第１の目標電圧Ｖmark1を設定し（ステップＳ２３０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ２２０において、間欠運転モードが選択されてからの経過時間が基準時間を超えたと判断したときには、ＣＰＵは、目標電圧Ｖmarkとして、第１の目標電圧Ｖmark1よりも低い第２の目標電圧Ｖmark2を設定し（ステップＳ２４０）、本ルーチンを終了する。また、ステップＳ２１０において、シフトポジションがＰレンジであると判断したときにも、ＣＰＵは、目標電圧Ｖmarkとして第２の目標電圧Ｖmark2を設定し（ステップＳ２４０）、本ルーチンを終了する。
【００７６】
図６は、制御部２００のＣＰＵが実行する目標電圧変更処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、図５の処理において目標電圧Ｖmarkとして第２の目標電圧Ｖmark2が設定されるときであって、第１の目標電圧Ｖmark1から第２の目標電圧Ｖmark2への目標電圧Ｖmarkの変更が行なわれたと判断される場合に、図４の処理に代えて割り込み処理により１回実行される。
【００７７】
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵは、背圧弁１４３を全閉にする駆動信号を出力する（ステップＳ３００）。これにより、カソード側流路内への酸素供給が停止され、燃料電池１００の電圧は低下し始める。その後、ＣＰＵは、電圧センサ１０２から、現在のＯＣＶ（平均セル電圧）である電圧値Ｖmeを取得する（ステップＳ３１０）。
【００７８】
そして、ＣＰＵは、電圧値Ｖmeと（第２の目標電圧Ｖmark2＋β）とを比較する（ステップＳ３２０）。βとは、図４のステップＳ１８０におけるαと同様に、正の値であって、カソード側流路への酸素の供給開始が間に合わず、燃料電池１００のＯＣＶが第２の目標電圧Ｖmark2よりも低下してしまうことを抑えるために設けた値である。本実施形態では、電圧値Ｖmeが（第２の目標電圧Ｖmark2＋β）以下となるまで、ステップＳ３２０の判断を繰り返す。ステップＳ３２０において、電圧値Ｖmeが（第２の目標電圧Ｖmark2＋β）以下になったと判断すると、ＣＰＵは、第２の目標電圧Ｖmark2を実現するための開度として予め記憶した開度となるように、背圧弁１４３のステッピングモータに駆動信号を出力して（ステップＳ３３０）、本ルーチンを終了する。
【００７９】
第１の目標電圧Ｖmark1および第２の目標電圧Ｖmark2は、制御部２００内のメモリに予め記憶されており、既述したように、第１の目標電圧Ｖmark1は第２の目標電圧Ｖmark2よりも大きな値である。したがって、本実施形態では、シフトポジションがＤポジションであって、間欠運転モードが選択されてからの経過時間が基準時間に達していないときには、より高い電圧を目標電圧を用いて、図４に基づく供給酸素量の制御が行なわれる。また、シフトポジションがＤポジションであって、間欠運転モードが選択されてからの経過時間が基準時間を超えたとき、および、Ｐレンジのときには、より低い電圧を目標電圧を用いて、図４に基づく供給酸素量の制御が行なわれる。
【００８０】
本実施形態では、シフトポジションがＤレンジであって、間欠運転モードが選択されてからの経過時間が基準時間を超えない状態が、課題を解決するための手段における「第１の状態」に相当する。また、シフトポジションがＤレンジであって、間欠運転モードが選択されてからの経過時間が基準時間を超える状態、および、シフトポジションがＰレンジである状態が、課題を解決するための手段における「第２の状態」に相当する。
【００８１】
図７は、図４から図６の処理に基づいて目標電圧Ｖmarkを用いた電圧維持制御を開始した後の、各セルにおける開回路電圧の挙動を概念的に示す説明図である。図７では、平均セル電圧を太線で示している。図７に示すように、目標電圧Ｖmarkとして第１の目標電圧Ｖmark1を設定して電圧維持制御を開始すると、平均セル電圧は第１の目標電圧Ｖmark1に維持されるが、スタック全体ではセル電圧のばらつきが次第に大きくなる。その後、目標電圧が第１の目標電圧Ｖmark1から第２の目標電圧Ｖmark2に変更されて酸素供給が停止されると、開回路電圧は急激に低下し、酸素供給が再開された後に、平均セル電圧は第２の目標電圧Ｖmark2に維持されるようになる。平均セル電圧が第２の目標電圧Ｖmark2に維持されるようになった後には、各セル電圧のばらつきは次第に大きくなる。
【００８２】
第１の目標電圧Ｖmark1は、高電位に起因する電極触媒の劣化（溶出）を抑える観点から、０．９Ｖ以下とすることが望ましく、０．８５Ｖ以下とすることがより望ましく、０．８Ｖ以下とすることがさらに望ましい。また、第１の目標電圧Ｖmark1は、Ｄレンジの状態で再び負荷が増大したとき（アクセルオンとなったとき）に、カソード側流路内の酸素量を直ちに回復して所望の電力を得るための応答性を確保する観点から、０．６Ｖ以上とすることが望ましく、０．７Ｖ以上とすることがより望ましい。
【００８３】
第２の目標電圧Ｖmark2は、カソードの電極触媒が還元されることを抑制する観点から、燃料電池１００を構成するいずれの単セルの電圧も、０Ｖより高い値であることが望ましい。そのため、第２の目標電圧Ｖmark2は、０．１Ｖ以上とすることが望ましく、０．２Ｖ以上とすることがさらに望ましい。また、第２の目標電圧Ｖmark2は、間欠運転モードが長期にわたって継続し、各単セルの開回路電圧のばらつきが大きくなったときにも、全ての単セルの電圧が、電極触媒の溶出を十分に抑制できる電圧であることが望ましい。そのため、第２の目標電圧Ｖmark2は、０．４Ｖ以下とすることが望ましく、０．３Ｖ以下とすることがより望ましい。
【００８４】
また、ステップＳ２２０の判断で用いる基準時間は、燃料電池１００の平均セル電圧を第１の目標電圧Ｖmark1に維持したときに、最高セル電圧を示す単セルの開回路電圧も、許容範囲内に抑える観点から、適宜設定すればよい。
【００８５】
第２の実施形態によれば、負荷から速やかに負荷要求が示される可能性が比較的高い状態であると判断される場合には、間欠運転モード選択時に、より高い目標電圧を設定して電圧維持制御を行なうため、カソード側流路内において比較的多い酸素量を確保して、次回に負荷要求が増加したときの応答性を確保することができる。また、負荷から速やかに負荷要求が示される可能性が比較的低い状態であると判断される場合には、間欠運転モード選択時に、より低い目標電圧を設定して電圧維持制御を行なうため、セル電圧のばらつきが拡大しても、許容できない程度に電圧が上昇する単セルの発生を抑え、燃料電池１００全体の耐久性を向上させることができる。
【００８６】
特に本実施形態では、シフトポジションがＤレンジである状態のまま基準時間を経過すると、シフトポジションの変更がなくても、目標電圧Ｖmarkを、より低い目標電圧に変更している。そのため、特定の目標電圧を用いる制御を継続してセル電圧のばらつきが拡大して、望ましくない程度に電圧が上昇する単セルが生じる場合であっても、シフトポジションの変更等の使用者からの指示を待つことなく、一部の単セルにおける過度の電圧上昇を解消することが可能になる。
【００８７】
また、第２の実施形態では、目標電圧Ｖmarkを、第１の目標電圧Ｖmark1から第２の目標電圧Ｖmark2に変更する際に、電圧Ｖmeを第２の目標電圧Ｖmark2に近づけるための酸素供給量の制御を開始する前に、一旦、酸素供給を停止している。そのため、目標電圧Ｖmarkとして第１の目標電圧Ｖmark1を用いている間に生じた各単セルの開回路電圧のばらつきを、低減することができる。その理由は、以下のように考えられる。すなわち、目標電圧Ｖmarkとして第１の目標電圧Ｖmark1を用いている間は、各単セル内における流路抵抗のばらつきや、流路内で生じる水等の影響のために、カソードに供給される酸素量が単セルごとにばらついて、開回路電圧のばらつきが次第に広がる。このとき、酸素供給を一時的に停止すると、燃料電池１００が備える各単セルが、同じように酸素不足の状態となり、開回路電圧のばらつきが小さくなると考えられる。
【００８８】
本実施形態において、シフトポジションがＰレンジとなって、第２の目標電圧Ｖmark2を用いた電圧維持制御が開始された後に、負荷要求が基準値以下のまま（ステップＳ１１０参照）、シフトポジションがＤレンジに変更される場合が考えられる。このような場合には、図５のように、シフトポジションがＤレンジの状態、かつ、間欠運転モードに対応する低負荷要求という条件が成立してからの経過時間に基づいて目標電圧を設定するのではなく、低い方の目標電圧である第２の目標電圧Ｖmark2を維持することが望ましい。これにより、間欠運転モード中の電圧変動の頻度を抑制し、電圧変動に起因する電極触媒の劣化を抑えることができる。
【００８９】
なお、図５では、シフトポジションとして、ＤレンジおよびＰレンジの場合についてのみ説明しており、他のレンジが選択されている場合については記載を省略している。例えば、他のレンジとしてＮレンジが選択される場合には、Ｄレンジと同様の処理を行なうことができる。あるいは、Ｒレンジが選択される場合には、Ｒレンジが選択されてからの経過時間にかかわらず、常に第１の目標電圧Ｖmark1を用いて、移動時の応答性を確保してもよい。
【００９０】
Ｅ．第３の実施形態
第１の実施形態では、ステップＳ１５０における電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの比較結果に基づいて、ステップＳ１６０およびステップＳ１６２において酸素流量を増減する際には、ステッピングモータの１ステップ分ずつ背圧弁１４３の開度を変更したが、異なる構成としてもよい。以下に、第３の実施形態として、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差の大きさに応じて、酸素流量の変更量を変化させる構成を説明する。
【００９１】
図８は、第３の実施形態における制御部２００のＣＰＵが、図４の間欠運転制御処理ルーチンに代えて実行する間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンでは、ステップＳ１５０以降の処理以外は図４の間欠運転制御処理ルーチンと同様の処理を行なうため、共通する処理については同じ工程番号を付して詳しい説明は省略する。
【００９２】
ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果、既述した高電圧状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、さらに、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差が、予め定めた基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ４００）。そして、ＣＰＵは、上記差が基準値未満と判断するときには、非発電状態で背圧弁１４３の開度を１ステップ分減少させる信号を背圧弁１４３に出力して（ステップＳ４３０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ４００において上記差が基準値以上と判断するときには、ＣＰＵは、非発電状態で背圧弁１４３の開度を２ステップ分減少させる信号を背圧弁１４３に出力して（ステップＳ４４０）、本ルーチンを終了する。
【００９３】
ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果、既述した低電圧状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、さらに、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差が、予め定めた基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ４１０）。そして、ＣＰＵは、上記差が基準値未満と判断するときには、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を１ステップ分増加させる信号を背圧弁１４３に出力して（ステップＳ４５０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ４１０において上記差が基準値以上と判断するときには、ＣＰＵは、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を２ステップ分増加させる信号を背圧弁１４３に出力して（ステップＳ４６０）、本ルーチンを終了する。
【００９４】
ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果、既述した電圧維持状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、非発電状態で、現在の背圧弁１４３の開度を維持することによりカソード側流路に供給する酸素量を維持して（ステップＳ１６４）、本ルーチンを終了する。
【００９５】
第３の実施形態によれば、高電圧状態あるいは低電圧状態に該当して、背圧弁１４３の開度（酸素の供給量）を増減するときに、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差が大きいほど、増減の程度を大きくしている。そのため、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差が変動する場合であっても、燃料電池１００の開回路電圧を速やかに目標電圧Ｖmarkに近づけることができる。電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差が変動する原因の一つとしては、例えば、アノード側流路における水素圧、燃料電池１００の内部温度、および燃料電池１００の内部湿度から選択される少なくともいずれか１つの条件が変動することによって、電解質膜を透過する水素量が変動し、既述した（１）式のセル電圧維持酸素量が変動することが挙げられる。
【００９６】
ステップＳ４００およびステップＳ４１０の判断に用いる基準値は、例えば、供給酸素量を増減する程度を異ならせることによる供給酸素量の増減速度の変化量等を考慮して定めればよい。また、ステップＳ４００とステップＳ４１０とでは、用いる基準値の値を異ならせてもよく、同じであってもよい。さらに、図８では、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差に応じて供給酸素量を増加させる動作および減少させる動作の各々を、２段階で変更可能にしているが、３段階以上で変更可能にしてもよい。また、供給酸素量を増減する単位は、ステッピングモータの１ステップ分と２ステップ分との組合せ以外の組合せであってもよい。
【００９７】
Ｆ．第４の実施形態：
第１の実施形態では、間欠運転モードが選択されるときには、燃料電池１００のＯＣＶである電圧値Ｖmeを、設定した目標電圧Ｖmarkに近づける制御を継続的に行なっているが、電圧値Ｖmeの変動状態に応じて目標電圧Ｖmarkを変更することも可能である。このような構成を、第４の実施形態として以下に説明する。
【００９８】
図９は、第４の実施形態における制御部２００のＣＰＵが、図４の間欠運転制御処理ルーチンに代えて実行する間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンでは、ステップＳ１５０以降の処理以外は図４の間欠運転制御処理ルーチンと同様の処理を行なうため、共通する処理については同じ工程番号を付して詳しい説明は省略する。
【００９９】
ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果、既述した高電圧状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、図４と同様に、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を小さくして酸素流量を減少させて（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。また、比較の結果、既述した電圧維持状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、図４と同様に、非発電状態で、現在の背圧弁１４３の開度を維持することにより酸素流量を維持して（ステップＳ１６４）、本ルーチンを終了する。
【０１００】
ステップＳ１５０の比較の結果、既述した低電圧状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差が、予め定めた基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ５００）。そして、ＣＰＵは、上記差が基準値未満と判断するときには、図４のステップＳ１６２と同様に、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を大きくして酸素流量を増加させて（ステップＳ５１０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ５００において、上記差が上記基準値以上と判断するときには、ＣＰＵは、非発電状態で、目標電圧Ｖmarkを、今まで設定していた値目標電圧Ｖmark1から、より小さい値目標電圧Ｖmark2に変更すると共に、背圧弁１４３の開度が、目標電圧Ｖmark2を実現するための開度として予め制御部２００内のメモリに記憶した開度となるように、背圧弁１４３に対して駆動信号を出力して（ステップＳ５２０）、本ルーチンを終了する。
【０１０１】
本実施形態では、ステップＳ５００の判断で用いる基準値が、課題を解決するための手段における「許容値」に相当する。また、ステップＳ５００において上記差が基準値以上と判断するまで目標電圧Ｖmarkとして用いていた目標電圧Ｖmark1が、課題を解決するための手段における「第１の目標電圧」に相当し、ステップＳ５２０で新たに設定される目標電圧Ｖmark2が、課題を解決するための手段における「第２の目標電圧」に相当する。
【０１０２】
第４の実施形態によれば、電圧Ｖmeに基づいて背圧弁１４３の開度を調節する電圧維持制御を行なっても、目標電圧Ｖmark1を維持することが困難になった場合には、目標電圧Ｖmarkを、目標電圧Ｖmark1よりも低い目標電圧Ｖmark2に変更している。そのため、各単セルのＯＣＶがばらつくことに起因して、望ましくない程度に高電圧の単セルが生じることを抑制できる。
【０１０３】
目標電圧Ｖmark1を維持することが困難になる原因としては、例えば、各単セルのカソード側流路内における流路抵抗にばらつきが生じることが挙げられる。流路抵抗がばらつくと、一部の単セルのカソードにおいて酸素が不足して電圧が低下し、燃料電池１００全体で平均セル電圧が低下する場合がある。単セルごとにカソード側流路内の流路抵抗がばらつく原因としては、例えば、カソード近傍で液水が生じることが挙げられる。発電停止を伴う間欠運転モード選択時には、電解質膜を透過した水素がカソード上で酸化される反応が進行し、この反応により水が生じるためである。
【０１０４】
このように目標電圧Ｖmark1を維持することが困難になったときに、燃料電池１００の開回路電圧を目標電圧Ｖmark1に近づけるために供給酸素量を増加させると、供給された酸素は、流路抵抗が小さい流れやすい流路により多く流れることになるため、各セル電圧のばらつきが、より大きくなる可能性がある。そのため、目標電圧を高く維持したまま、供給酸素量を増加させる制御を続行すると、望ましくない程度に高電圧のセルが生じる可能性が高まる。本実施形態では、設定された目標電圧Ｖmark1の維持が困難となったときには、制御に用いる目標電圧を、より低い目標電圧Ｖmark2に変更しているため、高い平均電圧を中心として各単セルのばらつきが大きくなることに起因して過剰に高電圧の単セルが生じることを抑えることができる。
【０１０５】
また、燃料電池１００の開回路電圧が低下することにより、カソードの電極触媒の還元が進行する傾向にあるため、一旦下がった電圧を上昇させると、既述したようにカソードにおいて触媒電極の溶出が進行し易くなる。本実施形態のように、電圧値Ｖmeがある程度以上低下したときには、目標電圧Ｖmarkも低下させてＯＣＶの再上昇を抑えているため、電圧の再上昇に起因する触媒劣化を抑制することができる。
【０１０６】
なお、ステップＳ５２０で新たに設定する第２の目標電圧Ｖmark2は、ステップＳ１３０で検出した現在のＯＣＶである電圧値Ｖmeよりも高くてもよく、低くてもよく、同じでもよい。ただし、第２の目標電圧Ｖmark2は、ステップＳ１３０で検出した電圧値Ｖmeよりも低い方が、燃料電池１００の電圧の再上昇の頻度を抑えることができるという観点から望ましい。
【０１０７】
また、より低い第２の目標電圧Ｖmark2を新たに設定した後にも、電圧値Ｖmeが低下を続けて、電圧値Ｖmeと第２の目標電圧Ｖmark2との差が拡大する場合には、目標電圧Ｖmarkをさらに低く設定する動作を繰り返し行なってもよい。このように、より低い値に変更された目標電圧Ｖmarkは、負荷要求が所定値を超えて間欠運転モードが解除されるときには、リセットすることとすればよい。
【０１０８】
さらに、本実施形態を、第３の実施形態と組み合わせてもよい。具体的には、目標電圧Ｖmarkに比べて電圧値Ｖmeが低いときであって、目標電圧Ｖmarkと電圧値Ｖmeとの差が所定値以下のときには、目標電圧Ｖmarkと電圧値Ｖmeとの差が大きいほど、背圧弁１４３の開度を増加させる程度を大きくする制御を行なえばよい（図８のステップＳ４５０およびステップＳ４６０参照）。そして、目標電圧Ｖmarkに比べて電圧値Ｖmeが低いときであって、目標電圧Ｖmarkと電圧値Ｖmeとの差が所定値を超えるときには、目標電圧Ｖmarkを、より低い値に変更する制御を行なえばよい（図９のステップＳ５２０参照）。
【０１０９】
また、本実施形態のステップＳ５２０において、目標電圧Ｖmarkを、今まで設定していた目標電圧Ｖmark1から、より小さい値である目標電圧Ｖmark2に変更する際に、目標電圧Ｖmark2を実現するための開度として予め制御部２００内のメモリに記憶した開度となるように、背圧弁１４３の開度を直ちに変更するのではなく、背圧弁１４３の開度を一旦全閉にすることとしてもよい。すなわち、図６と同様に、目標電圧Ｖmark2に応じた開度になるように背圧弁１４３の開度を変更するのに先立って（ステップＳ３３０）、電圧値Ｖmeが（第２の目標電圧Ｖmark2＋β）以下となるまで（ステップＳ３２０）、背圧弁１４３を全閉にして（ステップＳ３００）酸素供給を停止してもよい。このような構成とすることで、目標電圧Ｖmarkとして第１の目標電圧Ｖmark1を用いている間に生じた各単セルの開回路電圧のばらつきを、低減することができる。
【０１１０】
Ｇ．第５の実施形態
第３の実施形態では、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差の大きさに応じて酸素流量の変更量（背圧弁１４３の開度の変更量）を変化させており、第４の実施形態では、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差の大きさに応じて目標電圧Ｖmarkを変更している。これに対して、電圧値Ｖmeが大きく変化することが予測される場合には、電圧値Ｖmeが変化する前に、予測される電圧値Ｖmeの変化を打ち消すために、背圧弁１４３の開度の増減量を変更することとしてもよい。このような構成を、第５の実施形態として以下に説明する。
【０１１１】
図１０は、第５の実施形態における制御部２００のＣＰＵが、図４の間欠運転制御処理ルーチンに代えて実行する間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンでは、ステップＳ１５０以降の処理以外は図４の間欠運転制御処理ルーチンと同様の処理を行なうため、共通する処理については同じ工程番号を付して詳しい説明は省略する。
【０１１２】
ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果、既述した高電圧状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、燃料電池１００に対する供給酸素量の増大が予測されるか否か（供給酸素量が増大する条件に該当するか否か）を判断する（ステップＳ６００）。供給酸素量の増大が予測されない場合には、ＣＰＵは、背圧弁１４３の開度を小さくすることによって、カソード側流路に供給する酸素の流量を減少させる通常の処理を行ない（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。ステップＳ６００において供給酸素量の増大が予測される場合には、ＣＰＵは、供給酸素量の増大の影響を加味して、酸素流量を所望量減少できるように背圧弁１４３の開度を調節して（ステップＳ６３０）、本ルーチンを終了する。
【０１１３】
また、ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果、既述した低電圧状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、燃料電池１００に対する供給酸素量の増大が予測されるか否か（供給酸素量が増大する条件に該当するか否か）を判断する（ステップＳ６１０）。供給酸素量の増大が予測されない場合には、ＣＰＵは、背圧弁１４３の開度を大きくすることによって、カソード側流路に供給する酸素の流量を増加させる通常の処理を行ない（ステップＳ１６２）、本ルーチンを終了する。ステップＳ６１０において供給酸素量の増大が予測される場合には、ＣＰＵは、供給酸素量の増大の影響を加味して、酸素流量を所望量増加できるように背圧弁１４３の開度を調節して（ステップＳ６４０）、本ルーチンを終了する。
【０１１４】
また、ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果、既述した電圧維持状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、燃料電池１００に対する供給酸素量の増大が予測されるか否か（供給酸素量が増大する条件に該当するか否か）を判断する（ステップＳ６２０）。供給酸素量の増大が予測されない場合には、ＣＰＵは、現在の背圧弁１４３の開度を維持することによって、カソード側流路に供給する酸素の流量を維持する通常の処理を行ない（ステップＳ１６４）、本ルーチンを終了する。ステップＳ６２０において供給酸素量の増大が予測される場合には、ＣＰＵは、供給酸素量の増大の影響を加味して、酸素流量を維持できるように背圧弁１４３の開度を調節して（ステップＳ６５０）、本ルーチンを終了する。
【０１１５】
ここで、供給酸素量の増大が予測されるときとは、例えば、循環流路１２２を流れる水素の一部を、水素放出流路１２３に設けた開閉バルブ１２９を介して放出すべきタイミングであると判断される場合が挙げられる。既述したように、間欠運転モード選択時においても、所定のタイミングで開閉バルブ１２９を開弁することによって、アノード側流路内における不純物濃度の上昇を抑えている。開閉バルブ１２９を開弁して循環流路１２２内の水素を放出する際には、既述したように、放出する水素を空気放出流路１４２に導いて水素を希釈することにより、燃料電池車両２０から放出される水素濃度を低減する（図１参照）。そのため、本実施形態では、開閉バルブ１２９を開弁する際には、同時にコンプレッサ１３０の駆動量を増大させることによって空気放出流路１４２を流れる空気量を増大させて、放出される水素濃度を十分に低減している。このようにコンプレッサ１３０の駆動量を増大させると、分流弁１４４の状態が固定されているため、背圧弁１４３について通常の制御を行なうと、カソード側流路に供給される酸素が過剰になる。
【０１１６】
そこで本実施形態では、開閉バルブ１２９を開弁するタイミングであると判断されているときには、コンプレッサ１３０の駆動量の増加により燃料電池１００に供給される酸素量が増大するのに先立って、背圧弁１４３の開度を小さくする制御を上乗せしている。これにより、コンプレッサ１３０の駆動量が増加する場合であっても、コンプレッサ１３０の駆動量の増加分の影響を抑え、燃料電池１００に供給される酸素の変化量を、電圧値ＶmeとＶmarkとの関係から導かれる所望量に抑えている。なお、本実施形態では、開閉バルブ１２９を開弁する際のコンプレッサ１３０における駆動量の増加量は、予め一定の値が定められている。また、既述したように、分流弁１４４の状態は固定されている。そのため、本実施形態では、コンプレッサ１３０の駆動量の増加前に取りうる背圧弁１４３の開度の全範囲に関して、コンプレッサ１３０の駆動量を所定量増加させたときに、通常の制御において供給酸素量を１ステップ分増加、１ステップ分減少、および供給酸素量を維持させるための背圧弁１４３の開度が、予め実験的に求められて制御部２００内のメモリにマップとして記憶されている。ステップＳ６３０、ステップＳ６４０、およびステップＳ６５０では、ＣＰＵは、現在の背圧弁１４３の開度に基づいて上記マップを参照して、背圧弁１４３の駆動量を決定する。
【０１１７】
なお、開閉バルブ１２９を開弁すべき時間は予め定まっている。そのため、開閉バルブ１２９を開弁すべきタイミングであると一旦判断された後は、上記開弁すべき時間が経過するまでは、ステップＳ６００あるいはステップＳ６１０において、供給酸素量の増大が予測される条件であると判断する。
【０１１８】
このような構成とすれば、燃料電池１００の電圧制御とは異なる目的、あるいは、燃料電池の開回路電圧が変動する通常の要因とは異なる要因のために、燃料電池１００に対する供給酸素量が変動し得る状態となっても、上記変動を抑制し、燃料電池１００のＯＣＶを目標電圧Ｖmarkとする制御を安定して行なうことが可能になる。
【０１１９】
なお、燃料電池１００に対する供給酸素量の増大が予測されるか否かに基づく本実施形態の制御は、図４に示す第１の実施形態の制御に代えて、図８に示す第３の実施形態の制御、あるいは、図９に示す第４の実施形態の制御において適用してもよい。また、本実施形態では、供給酸素量の増大が予測される場合として、開閉バルブ１２９を開弁すべきと判断される場合を挙げたが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池１００に供給される酸素の流路のいずれかの箇所において、液水が滞留していると判断されるときに、コンプレッサ１３０の駆動量を一時的に増加させて液水の滞留を解消する構成を採用し、コンプレッサ１３０の駆動量の一時的な増加の際に、同様の処理を行なってもよい。また、供給酸素量の増大が予測される場合に代えて、供給酸素量の減少が予測される場合に、制御を変更（背圧弁１４３の開度を大きくする制御を上乗せ）してもよい。供給酸素量の減少が予測される場合とは、例えば、コンプレッサ１３０に不具合が発生して、駆動量を抑制すべきと判断される場合が挙げられる。
【０１２０】
Ｈ．第６の実施形態
第１ないし第５の実施形態では、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果に基づいて、予め設定した変更量にて、背圧弁１４３の開度を増減したが、異なる構成としてもよい。例えば、電圧値Ｖmeが、上限値あるいは下限値として定めた極限値に達する場合には、背圧弁１４３の開度を最大限変更して、電圧値Ｖmeが極限値に達することを抑えることとしてもよい。このような構成を、第６の実施形態として以下に説明する。
【０１２１】
図１１は、第６の実施形態の燃料電池車両２０において実行される極限値回避処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、電源システム３０が起動された後、使用者によるシステム停止の指示が入力されるまで、図４の間欠運転制御処理ルーチンと平行して、電源システム３０の稼働中に繰り返し実行される。
【０１２２】
本ルーチンが実行されると、ＣＰＵは、間欠運転モードを選択すべき状態であるか否かを判断する（ステップＳ２００）。このステップＳ２００の処理は、図４におけるステップＳ１００およびステップＳ１１０と同じ処理である。ステップＳ２００において間欠運転モードを選択すべき状態ではない（負荷要求が基準値を超える）と判断したときには、ＣＰＵは本ルーチンを終了する。
【０１２３】
ステップＳ２００において間欠運転モードを選択すべき状態である（負荷要求が基準値以下である）と判断したときには、ＣＰＵは、電圧センサ１０２から、現在のＯＣＶである電圧値Ｖmeを取得する（ステップＳ７００）。ステップＳ７００の処理は、図４におけるステップＳ１３０と同様の処理である。
【０１２４】
電圧値Ｖmeを取得すると、ＣＰＵは、電圧値Ｖmeが上限値以上であるか否かを判断する（ステップＳ７１０）。ステップＳ７１０の判断で用いる上限値とは、カソードが、避けるべき高電位状態（電極触媒が極めて溶出しやすい状態）になっていることを示す値として予め定めた値である。上記上限値は、例えば０．９Ｖとすることができる。
【０１２５】
ステップＳ７１０において電圧値Ｖmeが上限値以上であると判断したときには、ＣＰＵは、背圧弁１４３の開度が最小になるように背圧弁１４３に駆動信号を出力し、供給酸素量を減少させて（ステップＳ７２０）、本ルーチンを終了する。ここで、背圧弁１４３の開度が最小になるときとは、背圧弁１４３における流路の有効断面積が実質的に０になる開度であればよく、背圧弁１４３における機械的な全閉状態である必要はない。このようにして酸素供給を一時的に実質的に遮断することにより、燃料電池１００のＯＣＶは速やかに低下する。
【０１２６】
ステップＳ７１０において電圧値Ｖmeが上限値未満であると判断したときには、ＣＰＵは、電圧値Ｖmeが下限値以下であるか否かを判断する（ステップＳ７３０）。ステップＳ７３０の判断で用いる下限値とは、カソードが、避けるべき低電位状態（電極触媒が還元される程度が極めて大きい状態）になることを示す値として予め定めた値である。上記下限値は、例えば０．１Ｖとすることができる。
【０１２７】
ステップＳ７３０において電圧値Ｖmeが下限値以下であると判断したときには、ＣＰＵは、背圧弁１４３の開度が最大になるように背圧弁１４３に駆動信号を出力し、供給酸素量を増加させて（ステップＳ７４０）、本ルーチンを終了する。ここで、背圧弁１４３における最大の開度とは、電解質膜を透過する水素量が最大になる場合であっても、現在設定されている目標電圧Ｖmarkを実現できる酸素量を供給可能な開度として、目標電圧Ｖmarkごとに予め設定しておけばよく、背圧弁１４３における機械的な全開状態である必要はない。このようにして酸素供給を一時的に急激に増加させることにより、燃料電池１００のＯＣＶは速やかに上昇する。
【０１２８】
なお、本実施形態では、ステップＳ７２０およびステップＳ７３０における供給酸素量の増減に係る動作は、図４に基づく供給酸素量の増減に係る制御に優先して割り込み処理により実行される。そのため、電圧値Ｖmeが上限値あるいは下限値に達したときには、電圧値Ｖmeを上限値あるいは下限値から遠ざけて、電圧値Ｖmeが上限値あるいは下限値に達することによる不都合を回避することができる。ステップＳ７３０において電圧値Ｖmeが下限値を超えると判断したときには、ＣＰＵは、本ルーチンを終了し、図４に基づく通常の供給酸素量の制御が実行される。
【０１２９】
このような構成とすれば、燃料電池の開回路電圧が、望ましくない極限値に達したときには、燃料電池の開回路電圧を速やかに極限値から離れた値にすることができる。
【０１３０】
本実施形態における燃料電池１００の極限値（上限値または下限値）を回避するための図１１に基づく制御は、図４に示す第１の実施形態の処理ルーチンに代えて、図８に示す第３の実施形態の処理ルーチン、あるいは、図９に示す第４の実施形態の処理ルーチンと平行して実行し、上記した制御所ルーチンに基づく供給酸素量変更の動作に優先して実行してもよい。
【０１３１】
Ｉ．第７の実施形態
上記各実施形態では、間欠運転モード選択時には、燃料電池１００の発電を停止し、燃料電池１００のＯＣＶと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果に基づいて供給酸素量を増減したが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池１００のＯＣＶが目標電圧Ｖmarkを超える場合には、発電停止状態で供給酸素量を減少させるのではなく、燃料電池１００に微小な発電を行なわせて、燃料電池１００の電圧上昇を抑えることとしてもよい。このような構成を第７の実施形態として以下に説明する。
【０１３２】
図１２は、第７の実施形態における制御部２００のＣＰＵが、図４の間欠運転制御処理ルーチンに代えて実行する間欠運転制御処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンでは、ステップＳ１５０以降の処理以外は図４の間欠運転制御処理ルーチンと同様の処理を行なうため、共通する処理については同じ工程番号を付して詳しい説明は省略する。
【０１３３】
ステップＳ１５０において電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較した結果、既述した低電圧状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、図４と同様に、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を大きくして酸素流量を増加させて（ステップＳ１６２）、本ルーチンを終了する。また、比較の結果、既述した電圧維持状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、図４と同様に、非発電状態で、現在の背圧弁１４３の開度を維持することにより酸素流量を維持して（ステップＳ１６４）、本ルーチンを終了する。
【０１３４】
ステップＳ１５０の比較の結果、既述した高電圧状態に該当すると判断した場合には、ＣＰＵは、燃料電池１００の出力電圧が目標電圧Ｖmarkとなるように、燃料電池１００の発電制御を行ない（ステップＳ８００）、本ルーチンを終了する。間欠運転モード選択時には、供給酸素量は通常運転モード選択時に比べて少なくなっているため、燃料電池１００の出力電圧を目標電圧Ｖmarkにすると、通常運転モード選択時に出力電圧を目標電圧Ｖmarkとする場合に比べて、発電量は微小となる。
【０１３５】
なお、ステップＳ８００において、燃料電池１００の出力電圧が目標電圧Ｖmarkとなる微小発電が一旦開始されると、その後に図１２の間欠運転制御処理ルーチンが繰り返される際には、ステップＳ１３０では、発電中の燃料電池１００の出力電圧が取得される。このとき、出力電圧は目標電圧Ｖmarkとなっているため、ステップＳ１５０では電圧維持状態と判断される。そして、ステップＳ１６４では、出力電圧を目標電圧Ｖmarkとして微小な発電を行なう状態が維持される。
【０１３６】
以上のような構成によれば、少なくとも燃料電池１００のＯＣＶがＶmarkよりも大きい高電圧状態になるまでは、燃料電池１００の発電を停止した間欠運転モードの制御を行なうため、低負荷状態のときの燃料電池１００からの発電量を抑えることができ、その結果、電源システム３０のエネルギ効率が低下することを抑えることができる。さらに、燃料電池１００の電圧が目標電圧Ｖmarkとなるように、非発電状態での酸素供給量の制御、または、微小な発電を行なうため、燃料電池１００の電圧変動を抑制し、燃料電池１００の耐久性を向上させることができる。
【０１３７】
Ｊ．変形例：
・変形例１：
上記各実施形態では、目標電圧Ｖmarkを実現するためにステップＳ１９０において設定する背圧弁１４３の開度は、目標電圧Ｖmarkごとに予め定めて制御部２００のメモリに記憶している。そして、電圧維持制御が開始された後には、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの差に基づいて背圧弁１４３の開度を調節することにより、結果的に、（１）式に示すセル電圧維持酸素量を燃料電池１００に供給している。これに対して、（１）式に示すセル電圧維持酸素量を、各種パラメータに基づき算出して、供給すべき酸素量を決定してもよい。この場合には、例えば、アノード側流路の水素分圧（アノード側流路内の圧力および水素濃度）、燃料電池１００内の温度、および、燃料電池１００内の湿度を検出して透過水素量を求め、透過水素による消費酸素量を求めればよい。そして、（１）式に基づいて、起電力発生に必要な酸素量と、上記した透過水素による消費酸素量との合計値として、セル電圧維持酸素量を求め、このようなセル電圧維持酸素量を供給可能となる背圧弁１４３の開度を設定してもよい。
【０１３８】
このとき、アノード側流路内の圧力は、循環流路１２２に設けた圧力センサ１２８の検出値に基づき知ることができる。アノード側流路内の水素濃度は、循環流路１２２内に水素濃度センサを設けることにより知ることができる。燃料電池１００内の温度は、例えば、燃料電池１００の内部に温度センサを設けて検出してもよく、燃料電池１００から排出される冷媒温度から推定してもよい。燃料電池１００内の湿度は、例えば、カソード側流路に湿度センサを設けて検出することができる。また、燃料電池１００に供給すべき酸素量と背圧弁１４３の開度との関係は、予め調べてマップとして記憶しておけばよい。
【０１３９】
・変形例２：
上記各実施形態では、ステップＳ１３０およびステップＳ１７５で取得する電圧値Ｖmeを、スタック全体のＯＣＶをセル数で除した平均セル電圧としたが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池１００を構成する各単セルの電圧を個別に測定し、電圧値Ｖmeとして最低セル電圧を用いてもよく、最高セル電圧を用いてもよい。最低セル電圧を用いる場合には、各単セルの電圧が低下し過ぎてカソードの電極触媒が過度に還元されることを抑制する観点から有利である。また、最高セル電圧を用いる場合には、各単セルの電圧が上昇しすぎてカソードの電極触媒が過度に溶出することを抑制する観点から有利である。
【０１４０】
・変形例３：
上記各実施形態では、カソードに供給される酸素量を変更するために酸素供給路に設ける流量調整弁を、第２の空気流路１４５に設けた背圧弁１４３としたが、異なる構成としてもよい。燃料電池１００から排出された酸素が流れる流路（下流側流路）に設けた絞り弁である背圧弁１４３に代えて、燃料電池１００に酸素を供給するための流路（上流側流路）に設けた絞り弁の開度を制御することにより、供給酸素量を調節してもよい。あるいは、下流側流路と上流側流路の双方に設けた絞り弁の開度を制御することにより、供給酸素量を調節してもよい。カソードに供給される酸素量を調節可能な流量調整弁を設けるならば、実施形態と同様の制御が可能になる。
【０１４１】
また、上記実施形態では、間欠運転モード選択時には、コンプレッサ１３０の駆動量および分流弁１４４の開弁状態を固定しつつ、背圧弁１４３の開度を変更することにより、燃料電池１００のＯＣＶが目標電圧Ｖmarkになるように供給酸素量を制御しているが、異なる構成としてもよい。例えば、コンプレッサ１３０の駆動量（酸素導入部が導入する酸素量）、分流弁１４４の開弁状態、および、背圧弁１４３の開度（流量調整弁の開度）、から選択される少なくとも一つを変更することにより、供給酸素量を制御してもよい。あるいは、酸素供給路にバイパス流路（第３の空気流路１４６）を設けることなく、コンプレッサ１３０に代えて、あるいはコンプレッサ１３０に加えて、間欠運転モード選択時における酸素供給量を所望の流量に調節可能なコンプレッサを設けて、このようなコンプレッサの駆動量制御により、供給酸素量を調節してもよい。このような構成としても、供給酸素量を測定することなく、電圧値Ｖmeに基づいて供給酸素量を調節することにより、発電を停止した状態で、燃料電池１００の電圧（カソード電位）を、望ましくない高電位を回避した所望の電圧にすることができる。
【０１４２】
・変形例４：
上記各実施形態では、間欠運転モード選択時に燃料電池１００の発電を停止する際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４が備えるダイオードによって、燃料電池１００と負荷との電気的な接続を遮断しているが、異なる構成としてもよい。例えば、負荷遮断部として、燃料電池１００と負荷との電気的な接続を物理的に切断するスイッチを、配線１７８に設けることとしてもよい。
【０１４３】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【０１４４】
２０…燃料電池車両
２２…車体
３０…電源システム
１００…燃料電池
１０２…電圧センサ
１０４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１０…水素タンク
１２０…水素ガス供給部
１２１…水素供給流路
１２２…循環流路
１２３…水素放出流路
１２４…開閉バルブ
１２５…減圧バルブ
１２６…水素供給機器
１２７…循環ポンプ
１２８…圧力センサ
１２９…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給部
１４１…第１の空気流路
１４２…空気放出流路
１４３…背圧弁
１４４…分流弁
１４５…第２の空気流路
１４６…第３の空気流路
１４７…流量センサ
１７８…配線
１８０…アクセル開度センサ
２００…制御部
【図１】
2016096086.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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