JP2013161571A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】間欠運転時における発電効率を向上させながら、触媒層の性能劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムのコントローラは、負荷からの要求電力が所定値以下の状態においては、燃料電池スタックの発電電圧を許容電圧範囲内に維持しながら、反応ガスの供給の停止及び再開を繰り返し、燃料電池スタックの発電を抑制する間欠運転を行うものであって、ＳＯＣが増加して蓄電閾値ＴＨ１を超えた場合には、許容電圧範囲を規定する上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬをいずれも上昇させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックを含み、負荷への電力供給を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは、燃料ガスを電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。この燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アッセンブリを有するものである。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末と高分子電解質アイオノマーとを主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有している。

このような燃料電池スタックは、原理的には低出力であるほど発電効率は高い。しかし、現実のシステムでは補機動力の損失等により、低出力ではかえってシステム全体の発電効率が低くなることが知られている。そこで、これを補うために、蓄電可能な二次電池を搭載した上で、燃料電池スタック及び二次電池の両方から負荷への電力供給を行う構成とすることが一般的に行われている。

このような構成の燃料電池システムにおいては、負荷からの要求電力が大きい場合には、燃料電池スタックと二次電池の両方又は燃料電池スタックのみから負荷に電力を供給する。一方、負荷からの要求電力が小さい場合には、燃料電池スタックからの電力供給を休止し、二次電池のみから負荷に電力を供給する運転制御が行われる。その結果、低出力の状態では燃料電池スタックにおける燃料ガスの消費量が抑制され、高い効率で燃料電池システムの運転を行うことができる。

負荷からの要求電力が小さく、燃料電池スタックから負荷への電力供給を休止している状態においては、燃料電池スタックに対する燃料ガスの供給は停止される。燃料ガスの供給が停止された後は、内部に残留した燃料ガスによって燃料電池スタックの発電電圧はしばらくの間維持されるが、クロスリーク等によって発電電圧は次第に低下してゆく。

燃料ガスの供給が長時間にわたり停止すると、燃料電池スタックの発電電圧が大きく低下することとなる。その場合、燃料電池スタックから負荷への電力供給を再開する際において、燃料電池スタックの発電電圧を電力供給可能な状態まで直ちに回復させることができず、応答が遅れることとなる。そこで、燃料電池スタックの発電電圧が所定値まで低下すると、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガスのうち少なくとも一方）を燃料電池スタックに一時的に供給し、発電電圧を回復させる制御が行われている。このように、燃料電池スタックからの電力の供給を停止し、燃料電池スタックに対する反応ガス供給の停止及び再開を繰り返すような運転状態を間欠運転と称する。

間欠運転によって燃料電池スタックで発電された電力は、二次電池に蓄えられる。この発電においては、燃料電池スタックの発電電圧が大きい程、発電効率が高くなることが知られている。しかし、発電電圧が大きい状態が継続すると、膜−電極アッセンブリの触媒層に含まれる白金系の金属触媒がイオン化して溶出し、性能劣化してしまうことも知られている。すなわち、間欠運転時においては、発電効率の向上と触媒層の性能維持とは、トレードオフの関係にあるということができる。

下記特許文献１には、燃料電池スタックの発電電圧を所定範囲内に維持しながら、間欠運転を行う燃料電池システムが記載されている。当該燃料電池システムにおいては、発電電圧の監視状況に基づいて反応ガスの供給を制御し、発電電圧が上限値を超えないように制御することで、触媒層の性能劣化を抑制している。

また、下記特許文献２には、二次電池の蓄電量（ＳＯＣ）が多い場合に、発電電圧の上限値を高く設定し、燃料電池スタックの発電量を抑える燃料電池システムが記載されている。下記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、二次電池の蓄電量が多い場合においては更なる蓄電を行う余裕が少ないため、発電電圧を上げることにより燃料電池スタックの発電量を低下させ、発電効率の高い運転を行っている。一方、二次電池の蓄電量が少ない場合においては更なる蓄電を行う余裕があるため、発電電圧を下げることにより燃料電池スタックの発電量を増加させ、触媒層の性能維持を図っている。このように、二次電池の蓄電量に応じて、発電効率を優先する運転と、触媒層の性能維持を優先する運転とを適宜切り換えている。

特開２０１０−２４４９３７号公報 特開２００９−１５１９９７号公報

ところで、触媒層の性能劣化は、上記のように燃料電池スタックの発電電圧が大きい状態で維持されることによって生じる他、発電電圧が変動することによっても生じることが知られている。発電電圧の変動による触媒層の性能劣化は、発電電圧の変動幅が大きくなる程促進される。

上記特許文献２に記載の燃料電池システムは、二次電池の蓄電量に応じて発電電圧の上限値を変化させるものである。例えば、二次電池の蓄電量が多くなり、発電電圧の上限値を高く設定した場合には、発電電圧の変動可能な範囲が大きくなってしまう。このため、燃料電池スタックに対する反応ガスの供給の停止及び再開を繰り返す間欠運転においては、発電電圧の変動が大きくなり、触媒層の性能劣化を促進してしまうという問題が生じ得る。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、間欠運転時における発電効率を向上させながら、触媒層の性能劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供することにある。

上記課題を解決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スタックを含み、負荷への電力供給を行う燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池スタックの発電電圧を検知する電圧検知手段と、前記負荷に対して前記燃料電池スタックと並列に接続され、蓄電及び放電を行う蓄電装置と、前記蓄電装置の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、前記反応ガス供給手段を制御し、前記負荷からの要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記要求電力が所定値以下の状態においては、前記発電電圧を許容電圧範囲内に維持しながら、前記反応ガスの供給の停止及び再開を繰り返し、前記燃料電池スタックの発電を抑制する間欠運転を行うものであって、前記蓄電量が増加して蓄電閾値を超えた場合には、前記許容電圧範囲を規定する上限電圧値及び下限電圧値をいずれも上昇させる電圧範囲変更処理を行うことを特徴としている。

本発明では、負荷からの要求電力が所定値以下の状態において間欠運転を行う。間欠運転とは、燃料電池スタックに対する反応ガスの供給の停止及び再開を繰り返すように制御することにより、燃料電池スタックの発電を抑制するものである。このため、燃料電池スタックにおける燃料ガスの消費量が抑制され、燃料電池システムの運転効率を高めることができる。

制御装置は、燃料電池スタックの発電電圧を電圧検知手段によって検知する。制御装置は、当該発電電圧を許容電圧範囲内に維持しながら、上記間欠運転を行う。その結果、発電電圧は許容電圧範囲の上限（上限電圧値）を超えることがない為、発電電圧が大きい状態で維持されることによる触媒層の性能劣化が抑制される。

本発明ではまた、蓄電装置の蓄電量が増加して蓄電閾値を超えた場合には、上記許容電圧範囲を規定する上限電圧値及び下限電圧値をいずれも上昇させる電圧範囲変更処理を行う。蓄電装置の蓄電量が増加した場合は、更なる蓄電を行う余裕が少ない状況ということができる。このため、上限電圧値を上昇させることによって燃料電池スタックの発電量を低下させ、蓄電可能な範囲で発電を行いながら、発電効率の高い運転を行うことができる。

更に、上記電圧範囲変更処理においては、上限電圧値を上昇させるだけでなく、下限電圧値も合わせて上昇させる。このため、発電電圧の変動幅が拡大してしまうことがない為、発電電圧が変動することによる触媒層の性能劣化についても抑制することができる。

以上のように、本発明によれば、蓄電装置の蓄電量が大きい場合には発電効率を優先する運転を行い、蓄電装置の蓄電量が小さい場合には触媒層の性能維持を優先する運転を行う。触媒層の性能維持を優先する運転に切り替えるにあたっては、発電電圧の上限値及び下限値を上昇させる電圧範囲変更処理が行われるため、発電電圧の変動幅が拡大することがない。その結果、触媒層の性能劣化を従来よりも更に抑制することができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記電圧範囲変更処理を行った後において、前記蓄電量が減少して前記蓄電閾値を下回った場合には、前記制御装置は、前記上限電圧値及び前記下限電圧値をいずれも下降させることも好ましい。

この好ましい態様では、蓄電量が減少して前記蓄電閾値を下回った場合には、電圧範囲変更処理によって上昇していた上限電圧値及び下限電圧値をいずれも下降させる。蓄電装置に蓄電する余裕ができた状態においては、上限電圧値を下降させることによって燃料電池スタックの発電量を増加させ、触媒層の性能維持を図ることができる。その際、下限電圧値も合わせて下降させる。発電電圧の変動幅が拡大してしまうことがない為、発電電圧が変動することによる触媒層の性能劣化を抑制することができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記電圧範囲変更処理は、前記上限電圧値と前記発電電圧値との差が第一設定値よりも小さい場合にのみ行われることも好ましい。

電圧範囲変更処理は、上限電圧値と下限電圧値とを共に上昇させるものである。従って、電圧範囲変更処理を行った直後においては、燃料電池スタックの発電電圧が上昇する可能性が高い。例えば、電圧範囲変更処理を行う直前において、発電電圧が下限電圧値に近い状態であった場合に電圧範囲変更処理を行うと、発電電圧は新たな上限電圧値（電圧範囲変更処理を行う前における上限電圧値よりも大きい）まで大きく上昇しうることとなる。既に述べたように、発電電圧の変動幅が大きいと触媒層の性能劣化が促進されてしまう。このため、上記のようなタイミング（発電電圧が下限電圧値に近い状態）において電圧範囲変更処理を行うことは望ましくない。

この好ましい態様では、電圧範囲変更処理は、上限電圧値と発電電圧との差が第一設定値よりも小さい場合にのみ行われる。すなわち、電圧範囲変更処理を行おうとする時点において、上限電圧値と発電電圧との差が第一設定値以上である場合には電圧範囲変更処理を行わない。換言すれば、発電電圧が比較的大きく、上限電圧値の近傍である場合にのみ電圧範囲変更処理が行われる。その結果、電圧範囲変更処理を行った直後において、燃料電池スタックの発電電圧が大きく上昇してしまうことが防止される。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記電圧範囲変更処理は、前記反応ガスの供給を再開した時点以降における上昇許可期間内にのみ行われることも好ましい。

電圧範囲変更処理は、上記のように上限電圧値と発電電圧との差が第一設定値以下である場合にのみ行われる。電圧範囲変更処理を行うかどうかを制御装置が判断するに当たっては、電圧検知手段により測定された発電電圧と上限電圧値とを直接比較してもよいが、これに限られるものではない。

この好ましい態様では、電圧範囲変更処理は、反応ガスの供給を再開した時点以降における上昇許可期間内にのみ行われる。例えば、反応ガスの供給を再開した時点から一定の時間が経過するまでの期間は、発電電圧が上昇した直後であり上限電圧値に近い状態となっていると推定されるため、当該期間を上昇許可期間とすることができる。このように、上昇許可期間を設定し、当該上昇許可期間内にのみ電圧範囲変更処理を行うこととすることで、電圧検知手段により測定された発電電圧と上限電圧値とを直接比較することなく、電圧範囲変更処理を適切なタイミングで行うことができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記間欠運転において前記反応ガスの供給を再開した時点から、前記発電電圧の変動幅が許容変動幅以下となるまでに要した時間である第一経過時間と、前記間欠運転において前記反応ガスの供給を停止した時点から、前記上限電圧値と前記発電電圧との差が第二設定値を超えるまでに要した時間である第二経過時間とを、前記反応ガスの供給及び停止を行う毎に記憶する記憶手段を有しており、前記上昇許可期間は、前記反応ガスの供給を再開してから、それ以前に記憶された前記第一経過時間が経過した時点を始期とし、前記始期とされた時点以降において最初に前記反応ガスの供給を停止してから、それ以前に記憶された前記第二経過時間が経過した時点を終期とする期間であることも好ましい。

この好ましい態様では、制御装置は、第一経過時間と第二経過時間とを記憶する記憶手段を備えている。第一経過時間とは、間欠運転において反応ガスの供給を再開した時点から、発電電圧の変動幅が許容変動幅以下となるまでに要した時間である。第二経過時間とは、間欠運転において反応ガスの供給を停止した時点から、上限電圧値と発電電圧との差が第二設定値を超えるまでに要した時間である。

制御装置は、反応ガスの供給を再開した時点以降において上昇許可期間を設定し、当該上昇許可期間内にのみ電圧範囲変更処理を行う。制御装置は記憶手段を有しており、間欠運転モードにおいて反応ガスの供給及び停止を行う毎に、第一経過時間及び第二経過時間を上記記憶手段に記憶する。制御装置が上昇許可期間を設定するに当たっては、反応ガスの供給を再開した時点よりも前において記憶された第一経過時間及び第二経過時間に基づいて、それぞれ上昇許可期間の始期及び終期を設定する。

上昇許可期間の始期は、反応ガスの供給を再開してから上記第一経過時間が経過した時点である。一方、上昇許可期間の終期は、始期とされた時点以降において最初に反応ガスの供給を停止してから、上記第二経過時間が経過した時点である。このように、上昇許可期間の始期と終期を、いずれも直前に記憶された第一経過時間、第二経過時間に基づいて設定することで、上昇許可期間を適切に設定することができる。

本発明によれば、間欠運転時における発電効率を向上させながら、触媒層の性能劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の第一実施形態である燃料電池システムを搭載した燃料電池車両のシステム構成を示した図である。 図１に示した燃料電池システムにおいて、間欠運転モードにおける発電電圧の変化を示したグラフである。 図１に示した燃料電池システムにおいて行われる電圧制御の処理の流れを示したフローチャートである。 図１に示した燃料電池システムにおいて、間欠運転モードにおける発電電圧の変化の一例を示したグラフである。 本発明の第二実施形態である燃料電池システムにおいて行われる電圧制御の処理の流れを示したフローチャートである。 本発明の第二実施形態である燃料電池システムにおいて、間欠運転モードにおける発電電圧の変化を示したグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の第一実施形態である燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両の、システム構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載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、酸化剤ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化剤ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０（制御装置）とを備えている。

燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。各セルは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を、多孔質材料から成る一対の電極によって挟持した構成となっている。一対の電極のそれぞれは、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、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有している。このように構成された燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（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（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）

燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の発電電圧を検出するための電圧センサ７１、及び発電電流を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。尚、電圧センサ７１は、燃料電池スタック２０の出力端子間電圧を測定するように取り付けられている。コントローラ６０は、電圧センサ７１によって測定された出力端子間電圧を、燃料電池スタック２０を構成するセルの個数で除することにより、単セル当たりの発電電圧Ｅを把握する。

酸化剤ガス供給系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剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４とを有している。酸化剤ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化剤ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池スタック２０への酸化剤ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１とが設けられている。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排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化剤ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３とが設けられている。

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が流れる燃料ガス通路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に帰還させるための循環通路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に分岐接続される排気排水通路４６とを有している。

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乃至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。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、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。

尚、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してもよい。

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ための遮断弁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ための遮断弁Ｈ３と、圧力センサ７４とが設けられている。

レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタ４２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタ４２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ４２の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ４２の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ４２の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ４２の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ４２の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ４２の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ４２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

本実施形態においては、インジェクタ４２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階に切り替えることができる。コントローラ６０から出力される制御信号によってインジェクタ４２のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、燃料ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ４２は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ４２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ４２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

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ための遮断弁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が配設されている。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の開弁により、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。

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、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。

電力系５０は、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、トラクションモータ５４、及び補機類５５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に接続す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。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、又は回生制動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する。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（発電電圧、発電電流）が制御される。

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である。バッテリ５２には、ＳＯＣ（State of charge：蓄電量）を検出するためのＳＯＣセンサ７３が取り付けられている。

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。

補機類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、更には各種の車載補機類（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、ラジエータなど）を総称するものである。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタ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。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチＩＧの状態がＯＮになったことを検知すると、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ル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＶなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ６０は、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、酸化剤ガス供給系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の発電電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（発電電圧、発電電流）を制御する。更に、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。

本実施形態の燃料電池システム１０では、コントローラ６０が、アクセル開度信号ＡＣＣに基づいて間欠運転モードとすべきか通常運転モードとすべきかを決定する。間欠運転モードとは、アクセル開度信号ＡＣＣがＯＦＦのとき、すなわち、アクセル開度が０の時に実行される運転モードであって、燃料電池スタック２０からトラクションモータ５４に対する電力供給を停止し、バッテリ５２のみによってトラクションモータ５４を駆動するモードである。

通常運転モードとは、アクセル開度信号ＡＣＣがＯＮのとき、すなわち、アクセル開度が０よりも大きい時に実行される運転モードであって、燃料電池スタック２０からトラクションモータ５４に対する電力供給を行い、その電力を用いてトラクションモータ５４を駆動するモードである。なお、通常運転モードにおいては、バッテリ５２からトラクションモータ５４への電力供給を併用しても構わない。

図２を参照しながら、間欠運転モードについて更に説明する。図２は、燃料電池システム１０において、間欠運転モードにおける発電電圧Ｅの変化を示したグラフである。図２において時刻ｔ０は、アクセル開度信号ＡＣＣが０となり、通常運転モードから間欠運転モードに切り替えられた時刻を示している。

間欠運転モードにおいては、燃料電池スタック２０に対する燃料ガスの供給及び酸化剤ガスの供給が停止された状態となる。しかし、燃料電池スタック２０の内部には燃料ガスが残留しているため、燃料電池スタック２０の発電電圧Ｅは時刻ｔ０において直ちには低下しない。発電電圧Ｅは、時刻ｔ０からしばらくの間一定に維持された後、発電やクロスリーク等の影響によって次第に低下する。

発電電圧Ｅは、時間の経過と共にその低下速度が増加する。発電電圧Ｅが低下して下限電圧値ＥＬとなった時点（時刻ｔ１）で、コントローラ６０はエアコンプレッサ３２等に制御信号を送り、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガスの供給を一時的に再開する。このとき、燃料電池スタック２０のカソード極における酸素不足が解消することにより、発電電圧Ｅが上昇する。

発電電圧Ｅが上昇して上限電圧値ＥＨになると、コントローラ６０は酸化剤ガスの供給を停止する。時刻ｔ０以降と同様に、発電電圧Ｅはしばらくの間一定に維持された後、クロスリーク等の影響によって次第に低下する。発電電圧Ｅが低下して下限電圧値ＥＬとなった時点（時刻ｔ２）で、コントローラ６０はエアコンプレッサ３２等に制御信号を送り、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガスの供給を一時的に再開する。

このように、間欠運転モードにおいては、発電電圧Ｅを上限電圧値ＥＨと下限電圧値ＥＬとの間の範囲に維持しながら、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガス供給の停止及び再開が繰り返される。尚、供給の停止及び再開を繰り返すのは、酸化剤ガス供給に限られず、燃料ガス供給であってもよい。いずれにしても、間欠運転モードにおける燃料ガスの消費量は低減されるため、燃料電池システム１０全体における運転効率は向上することとなる。

燃料電池システム１０の運転効率を更に向上させるため、間欠運転モードにおいて燃料電池スタック２０で生じた電力はバッテリ５２に供給され、蓄電される。このとき、バッテリ５２に対して供給される電力が大きいほど発電電圧Ｅは小さくなり、バッテリ５２に対して供給される電力が小さいほど発電電圧Ｅは大きくなる。

間欠運転モードにおいては、燃料電池スタック２０の発電電圧Ｅが大きい程、発電効率が高くなることが知られている。すなわち、発電効率の向上という観点からは、発電電圧Ｅは大きい方が望ましい。

一方、発電電圧Ｅが大きい状態が継続すると、燃料電池スタック２０に含まれる白金系の金属触媒がイオン化して溶出し、カソード極の触媒層が劣化してしまうことが知られている。このため、触媒層の性能維持の観点からは、発電電圧Ｅは小さい方が望ましい。このように、間欠運転時においては、発電効率の向上と触媒層の性能維持とは、トレードオフの関係にあるということができる。

以下に説明するように、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、ＳＯＣセンサ７３が検知したＳＯＣに基づいて上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを変更することで、発電効率の向上と触媒層の性能維持との両立を図っている。

図３を参照しながら、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを変更する処理の流れを説明する。図３は、燃料電池システム１０において行われる、電圧制御の処理の流れを示したフローチャートである。図３に示した一連の処理は、コントローラ６０に入力されるアクセル開度信号ＡＣＣがＯＮからＯＦＦに切り替わった時点で、コントローラ６０によって実行されるものである。

アクセル開度信号ＡＣＣがＯＮからＯＦＦに切り替わると、コントローラ６０は、燃料電池車両を走行させるために必要な電力が小さい（要求電力が所定値以下である）と判断する。このため、ステップＳ１０１において通常運転モードから間欠運転モードに切り替える。具体的には、燃料電池スタック２０に対する燃料ガスの供給及び酸化剤ガスの供給をいずれも停止した上で、発電電圧Ｅを上限電圧値ＥＨと下限電圧値ＥＬとの間の範囲（許容電圧範囲）に維持しながら、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガス供給の停止及び再開を繰り返す。尚、発電電圧Ｅを上記許容電圧範囲に維持しながら酸化剤ガス供給の停止及び再開を繰り返す処理は、図３に示した処理の流れとは並行に実行される別の処理ルーチンとして、コントローラ６０により行われる。

ステップＳ１０１に続くステップＳ１０２では、ＳＯＣセンサ７３が検出したバッテリ５２のＳＯＣが、蓄電閾値ＴＨ１を下回っているか否かが判断される。ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ１を下回っている場合にはステップＳ１０３に移行し、発電電圧Ｅの上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬをいずれも比較的低い値に設定する。すなわち、上限電圧値ＥＨを０．８５Ｖに設定し、下限電圧値ＥＬを０．８０Ｖに設定する。

ステップＳ１０２において、ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ１以上である場合には、ステップＳ１０７に移行する。ステップＳ１０７では、ＳＯＣが、蓄電閾値ＴＨ１よりも大きな蓄電閾値ＴＨ２を下回っているか否かが判断される。ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ２を下回っている場合にはステップＳ１０８に移行する。ステップＳ１０８では、ステップＳ１０３における設定値よりもそれぞれ大きな値となるよう、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを設定する。すなわち、上限電圧値ＥＨを０．９０Ｖに設定し、下限電圧値ＥＬを０．８５Ｖに設定する。

ステップＳ１０７において、ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ２以上である場合には、ステップＳ１１０に移行する。ステップＳ１１０では、ステップＳ１０８における設定値よりもそれぞれ大きな値となるよう、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを設定する。すなわち、上限電圧値ＥＨを０．９５Ｖに設定し、下限電圧値ＥＬを０．９０Ｖに設定する。

ステップＳ１０３、ステップＳ１０８、及びステップＳ１１０のいずれかにおいて上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを設定した後は、ステップＳ１０４に移行する。ステップＳ１０４では、コントローラ６０に入力されるアクセル開度信号ＡＣＣがＯＮとなっているか否かが判断される。アクセル開度信号ＡＣＣがＯＦＦのままであればステップＳ１０２に戻り、ＳＯＣに基づく上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬの設定が繰り返される。

アクセル開度信号ＡＣＣがＯＮとなっていれば、コントローラ６０は、燃料電池車両を走行させるために必要な電力が大きい（要求電力が所定値を超える）と判断し、間欠運転モードを終了して通常運転モードに切り替える（ステップＳ１０５）。

以上のように、燃料電池システム１０では、アクセル開度信号ＡＣＣがＯＦＦとなり負荷からの要求電力が所定値以下の状態において間欠運転を行う。間欠運転を行うことによって、燃料電池スタック２０における燃料ガスの消費量が抑制され、燃料電池システム１０の運転効率を高めている。

コントローラ６０は、発電電圧Ｅが上限電圧値ＥＨと下限電圧値ＥＬとの間となるように維持しながら、上記間欠運転を行う。その結果、発電電圧Ｅは上限電圧値ＥＨを超えることがない為、発電電圧Ｅが大きい状態で維持されることによる触媒層の性能劣化が抑制される。

ＳＯＣが増加して蓄電閾値ＴＨ１、蓄電閾値ＴＨ２を超えた場合には、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬをいずれも上昇させる電圧範囲変更処理を行う。ＳＯＣが増加した場合は、バッテリ５２に対して更なる蓄電を行う余裕が少ない状況ということができる。このため、上限電圧値ＥＨを上昇させることによって燃料電池スタック２０の発電量を低下させ、蓄電可能な範囲で発電を行いながら、発電効率の高い運転を行うことができる。

更に、上限電圧値ＥＨを上昇させるだけでなく、下限電圧値ＥＬも合わせて上昇させ、上限電圧値ＥＨと下限電圧値ＥＬとの差（許容電圧範囲の幅）が拡大しないようにしている。このため、上限電圧値ＥＨの上昇に伴って発電電圧Ｅの変動幅が拡大してしまうことがない為、発電電圧Ｅが変動することによる触媒層の性能劣化が抑制されている。

尚、図３から明らかなように、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬが上昇してそれぞれ０．９０Ｖ、０．８５Ｖになった後、ＳＯＣが低下して蓄電閾値ＴＨ１を下回った場合には、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬはいずれも下降する。このように、ＳＯＣによって上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬは共に変動するが、両者の差（許容電圧範囲の幅）は常に一定に維持されている。

続いて、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システム１０ａについて説明する。燃料電池システム１０ａでは、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを変更する処理の流れの一部のみが燃料電池システム１０と異なっており、その他は燃料電池システム１０と共通している。このため、以下では、燃料電池システム１０との相違点のみを説明し、他の共通事項については説明を省略する。

まず、燃料電池システム１０ａが上記相違点を有することにより解決される課題について、図４を参照しながら説明する。図４は、先に説明した燃料電池システム１０において、間欠運転モードにおける発電電圧Ｅの変化の一例を示したグラフである。図４において、時刻ｔ４より前の段階では、上限電圧値ＥＨが０．８５Ｖ、下限電圧値ＥＬが０．８０Ｖに設定された状態（図３のステップＳ１０３）で、間欠運転モードが実行されている。このため、発電電圧Ｅは０．８０Ｖから０．８５Ｖまでの間で変動している。

時刻ｔ４では、ＳＯＣが増加したことに伴って、上限電圧値ＥＨが０．９０Ｖ、下限電圧値ＥＬが０．８５Ｖと、それぞれ上昇するように設定が変更されている（図３のステップＳ１０８）。このため、時刻ｔ４以降は、発電電圧Ｅは０．８５Ｖから０．９０Ｖまでの間で変動している。

時刻ｔ４の直前においては、発電電圧Ｅは変更前の下限電圧値ＥＬまで低下している。また、時刻ｔ４においては、上限電圧値ＥＨが０．９０Ｖに上昇しているが、それと同時に燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガスの供給が一時的に再開されたため、発電電圧Ｅは変更後の上限電圧値ＥＨ（０．９０Ｖ）まで急上昇している。

このように、燃料電池システム１０では上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを変更するタイミングに何ら制約が無いため、発電電圧Ｅが変更前の下限電圧値ＥＬ（０．８０Ｖ）から変更後の上限電圧値ＥＨ（０．９０Ｖ）まで一気に上昇してしまうことが起こりうる。しかし、発電電圧Ｅの変動幅が大きいと触媒層の性能劣化が促進されてしまため、上記のようなタイミングにおいて上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを上昇させることは望ましくない。燃料電池システム１０ａでは、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを上昇させるタイミングに関して制約を設けることにより、発電電圧Ｅの急上昇を防止している。

以下、図５を参照しながら、燃料電池システム１０ａにおいて上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを変更する処理の流れを説明する。図５は、燃料電池システム１０ａにおいて行われる、電圧制御の処理の流れを示したフローチャートである。図５に示した一連の処理は、コントローラ６０に入力されるアクセル開度信号ＡＣＣがＯＮからＯＦＦに切り替わった時点で、コントローラ６０によって実行されるものである。

アクセル開度信号ＡＣＣがＯＮからＯＦＦに切り替わると、コントローラ６０は、燃料電池車両を走行させるために必要な電力が小さい（要求電力が所定値以下である）と判断する。このため、ステップＳ２０１において通常運転モードから間欠運転モードに切り替える。具体的には、燃料電池スタック２０に対する燃料ガスの供給及び酸化剤ガスの供給をいずれも停止した上で、発電電圧Ｅを上限電圧値ＥＨと下限電圧値ＥＬとの間の範囲（許容電圧範囲）に維持しながら、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガス供給の停止及び再開を繰り返す。尚、発電電圧Ｅを上記許容電圧範囲に維持しながら酸化剤ガス供給の停止及び再開を繰り返す処理は、図５に示した処理の流れとは並行に実行される別の処理ルーチンとして、コントローラ６０により行われる。

ステップＳ２０１に続くステップＳ２０２では、ＳＯＣセンサ７３が検出したバッテリ５２のＳＯＣが、蓄電閾値ＴＨ１を下回っているか否かが判断される。ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ１を下回っている場合にはステップＳ２０３に移行し、発電電圧Ｅの上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬをいずれも比較的低い値に設定する。すなわち、上限電圧値ＥＨを０．８５Ｖに設定し、下限電圧値ＥＬを０．８０Ｖに設定する。

ステップＳ２０２において、ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ１以上である場合には、ステップＳ２０６に移行する。ステップＳ２０６において、コントローラ６０は、上昇許可条件が成立しているかどうかを判断する。上昇許可条件とは、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬの上昇を許可するために必要な条件であり、発電電圧Ｅが上限電圧値ＥＨの近傍にあることを確認、又は推定された際に成立する条件として設定されるものである。

本実施形態においては、上昇許可条件として、上限電圧値ＥＨと発電電圧Ｅとの差（ΔＶ）が１０ｍＶよりも小さいという条件を設定している。ΔＶが１０ｍＶ以上である場合には上昇許可条件が成立せず、ステップＳ２０３に移行する。この場合、ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ１以上であっても、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを上昇させる処理（ステップＳ２０８）は行われない。

ΔＶが１０ｍＶよりも小さい場合には上昇許可条件が成立するため、ステップＳ２０７に移行する。ステップＳ２０７では、ＳＯＣが、蓄電閾値ＴＨ１よりも大きな蓄電閾値ＴＨ２を下回っているか否かが判断される。ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ２を下回っている場合にはステップＳ２０８に移行する。ステップＳ２０８では、ステップＳ２０３における設定値よりもそれぞれ大きな値となるよう、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを設定する。すなわち、上限電圧値ＥＨを０．９０Ｖに設定し、下限電圧値ＥＬを０．８５Ｖに設定する。

ステップＳ２０７において、ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ２以上である場合には、ステップＳ２０９に移行する。ステップＳ２０９において、コントローラ６０は、上昇許可条件が成立しているかどうかを再度判断する。ステップＳ２０９における上昇許可条件は、ステップＳ２０６における上昇許可条件と異なる条件としてもよいが、本実施形態では、ステップＳ２０６における上昇許可条件と同一の条件としている。

すなわち、ステップＳ２０９においても、上限電圧値ＥＨと発電電圧Ｅとの差（ΔＶ）が１０ｍＶよりも小さいか否かが判断される。ΔＶが１０ｍＶ以上である場合には上昇許可条件が成立せず、ステップＳ２０８に移行する。この場合、ＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ２以上であっても、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを上昇させる処理（ステップＳ２１０）は行われない。

ΔＶが１０ｍＶよりも小さい場合には上昇許可条件が成立するため、ステップＳ２１０に移行する。ステップＳ２１０では、ステップＳ２０８における設定値よりもそれぞれ大きな値となるよう、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを設定する。すなわち、上限電圧値ＥＨを０．９５Ｖに設定し、下限電圧値ＥＬを０．９０Ｖに設定する。

ステップＳ２０３、ステップＳ２０８、及びステップＳ２１０のいずれかにおいて上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを設定した後は、ステップＳ２０４に移行する。ステップＳ２０４では、コントローラ６０に入力されるアクセル開度信号ＡＣＣがＯＮとなっているか否かが判断される。アクセル開度信号ＡＣＣがＯＦＦのままであればステップＳ２０２に戻り、ＳＯＣに基づく上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬの設定が繰り返される。

アクセル開度信号ＡＣＣがＯＮとなっていれば、コントローラ６０は、燃料電池車両を走行させるために必要な電力が大きい（要求電力が所定値を超える）と判断し、間欠運転モードを終了して通常運転モードに切り替える（ステップＳ２０５）。

以上のように、燃料電池システム１０ａにおいては、ステップＳ２０２においてＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ１以上であっても、上限電圧値ＥＨと発電電圧Ｅとの差（ΔＶ）が１０ｍＶ以上である場合には、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを上昇させる処理（ステップＳ２０８）は行われない。同様に、ステップＳ２０７においてＳＯＣが蓄電閾値ＴＨ２以上であっても、上限電圧値ＥＨと発電電圧Ｅとの差（ΔＶ）が１０ｍＶ以上である場合には、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを上昇させる処理（ステップＳ２１０）は行われない。

その結果、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬを上昇させる処理は、発電電圧Ｅが比較的大きく、上昇前の上限電圧値ＥＨの近傍（ΔＶが１０ｍＶ未満）である場合にのみ行われることとなる。従って、図４の時刻ｔ４に示したようなタイミングで上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬが変更され、発電電圧Ｅが大きく上昇してしまうことが防止される。

このときの発電電圧Ｅの変化の一例を、図６を参照しながら説明する。図６は、燃料電池システム１０ａにおいて、間欠運転モードにおける発電電圧Ｅの変化の一例を示したグラフである。図６においては、時刻ｔ７より前の段階では、上限電圧値ＥＨが０．８５Ｖ、下限電圧値ＥＬが０．８０Ｖに設定された状態（図５のステップＳ２０３）で、間欠運転モードが実行されている。このため、発電電圧Ｅは０．８０Ｖから０．８５Ｖまでの間で変動している。

時刻ｔ７では、ＳＯＣが増加して蓄電閾値ＴＨ１を上回っている。しかし、この時点においては発電電圧Ｅが下限電圧値ＥＬに近く、ΔＶが１０ｍＶ以上となっているため、時刻ｔ７においては上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬは変更されず、それぞれ０．８５Ｖ、０．８０Ｖのままで維持されている。

その後、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガスの供給が一時的に再開されたことにより、時刻ｔ７の後において発電電圧Ｅが上限電圧値ＥＨまで上昇している。このとき、ΔＶは１０ｍＶよりも小さい。従って、ステップＳ２０６における判断はＹとなり、ステップＳ２０８に移行している。その結果、時刻ｔ８において、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬが上昇し、それぞれ０．９０Ｖ、０．８５Ｖとなっている。時刻ｔ８以降は、発電電圧Ｅは０．８５Ｖから０．９０Ｖまでの間で変動している。このように、燃料電池システム１０ａにおいては、発電電圧Ｅが変更前の下限電圧値ＥＬ（０．８０Ｖ）から変更後の上限電圧値ＥＨ（０．９０Ｖ）まで一気に上昇してしまうことを防止している。

以上のように燃料電池システム１０ａでは、電圧センサ７１により検出された発電電圧Ｅと上限電圧値ＥＨとを直接比較し、上限電圧値ＥＨと発電電圧Ｅとの差（ΔＶ）が１０ｍＶよりも小さいという条件を上昇許可条件としている。しかし、上昇許可条件は、このように発電電圧Ｅと上限電圧値ＥＨとを直接比較して判断するような条件に限られるものではない。

上昇許可条件の他の例について説明する。図４で、時刻ｔ４以前における発電電圧Ｅの時間変化をみれば明らかなように、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬの上昇を許可すべきでない期間（発電電圧Ｅが、上限電圧値ＥＨである０．８５Ｖの近傍に無い期間）においては、発電電圧Ｅの時間変化率の絶対値は大きくなっている。このため、上昇許可条件として、電圧センサ７１により検出された発電電圧Ｅの時間変化率をコントローラ６０において定期的に算出しながら、当該時間変化率の絶対値が所定値以下であるかどうかを判断することとしてもよい。

更に、上昇許可条件の他の例について説明する。図２等に示したように、間欠運転モードにおいて、燃料電池スタック２０に対する酸化剤ガス供給が再開された時点以降（例えば時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間）における発電電圧Ｅの時間変化は、毎回同様の時間変化であるため、ある程度予測が可能なものである。従って、電圧センサ７１により検出された発電電圧Ｅを直接参照せず、酸化剤ガス供給を再開してから経過した時間に対して上昇許可条件を設定することができる。

すなわち、間欠運転モードで、燃料電池スタック２０に対して酸化剤ガスの供給を再開した時点以降において、発電電圧Ｅが上限電圧値ＥＨの近傍であると推定されるような期間を上昇許可期間として設定し、当該上昇許可期間内においてのみ、上昇許可条件が成立したものとして、上限電圧値ＥＨ及び下限電圧値ＥＬの上昇を許可することとしてもよい。上昇許可期間の一例としては、燃料電池スタック２０に対して酸化剤ガスの供給を再開した時点から予め設定された所定時間が経過した時点（例えば図６の時刻ｔｓ）を始期とし、時刻ｔｓから更に別の所定時間が経過した時点（例えば図６の時刻ｔｅ）を終期とするような期間が挙げられる。

上昇許可期間の始期及び終期は、上記のように酸化剤ガスの供給を再開した時点（図６の時刻ｔ１）を基準とした固定時間として予め設定しておいてもよいが、当該時点以前における発電電圧Ｅの時間変化（例えば、図６の時刻ｔ６から時刻ｔ７までの期間における時間変化）に基づいて、酸化剤ガスの供給を再開する毎に毎回コントローラ６０が設定することとしてもよい。

上昇可能期間を上記のように設定するためには、コントローラ６０が、酸化剤ガスの供給を再開した時点から発電電圧Ｅの変動幅が許容変動幅に収まるまで（例えば、１秒間の変動が５ｍＶ以内となるまで）に要した第一時間ｔａと、酸化剤ガスの供給を停止した時点から上限電圧値ＥＨと発電電圧Ｅとの差（ΔＶ）が設定値（例えば０．０１Ｖ）を超えるまでに要した第二時間ｔｂとを、酸化剤ガスの供給及び停止を行う毎にメモリーに記憶する構成とすればよい。

上記のような構成とすれば、例えば図６の時刻ｔ６からｔ７までの期間においてメモリーに記憶された第一時間ｔａと第二時間ｔｂとに基づいて、時刻ｔ７以降における上昇可能期間を設定することができる。すなわち、酸化剤ガスの供給を再開した時刻ｔ７から第一時間ｔａが経過した時点を上昇可能期間の始期とし、その後、式として設定された時点以降において最初に酸化剤ガスの供給を再開した時刻から第二時間ｔｂが経過した時点を、上昇可能期間の終期とすることができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，１０ａ：燃料電池システム
２０：燃料電池スタック
３０：酸化剤ガス供給系
３１：フィルタ
３２：エアコンプレッサ
３３：酸化剤ガス通路
３４：酸化オフガス通路
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：補機類
６０：コントローラ
７１：電圧センサ
７２：電流センサ
７３：ＳＯＣセンサ
７４：圧力センサ
Ａ２：遮断弁
Ａ３：背圧調整弁
ＡＣＣ：アクセル開度信号
Ｅ：発電電圧
ＥＨ：上限電圧値
ＥＬ：下限電圧値
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３，Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＩＧ：イグニッションスイッチ
ＴＨ１，ＴＨ２：蓄電閾値
ＶＶ：車速信号

Claims (5)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックを含み、負荷への電力供給を行う燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックに前記反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
   前記燃料電池スタックの発電電圧を検知する電圧検知手段と、
   前記負荷に対して前記燃料電池スタックと並列に接続され、蓄電及び放電を行う蓄電装置と、
   前記蓄電装置の蓄電量を検知する蓄電量検知手段と、
   前記反応ガス供給手段を制御し、前記負荷からの要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、
   前記要求電力が所定値以下の状態においては、前記発電電圧を許容電圧範囲内に維持しながら、前記反応ガスの供給の停止及び再開を繰り返し、前記燃料電池スタックの発電を抑制する間欠運転を行うものであって、
   前記蓄電量が増加して蓄電閾値を超えた場合には、前記許容電圧範囲を規定する上限電圧値及び下限電圧値をいずれも上昇させる電圧範囲変更処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電圧範囲変更処理を行った後において、前記蓄電量が減少して前記蓄電閾値を下回った場合には、前記制御装置は、前記上限電圧値及び前記下限電圧値をいずれも下降させ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。
3. 前記電圧範囲変更処理は、前記上限電圧値と前記発電電圧値との差が第一設定値よりも小さい場合にのみ行われ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。
4. 前記電圧範囲変更処理は、前記反応ガスの供給を再開した時点以降における上昇許可期間内にのみ行われることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、
   前記間欠運転において前記反応ガスの供給を再開した時点から、前記発電電圧の変動幅が許容変動幅以下となるまでに要した時間である第一経過時間と、
   前記間欠運転において前記反応ガスの供給を停止した時点から、前記上限電圧値と前記発電電圧との差が第二設定値を超えるまでに要した時間である第二経過時間とを、
   前記反応ガスの供給及び停止を行う毎に記憶する記憶手段を有しており、
   前記上昇許可期間は、
   前記反応ガスの供給を再開してから、それ以前に記憶された前記第一経過時間が経過した時点を始期とし、
   前記始期とされた時点以降において最初に前記反応ガスの供給を停止してから、それ以前に記憶された前記第二経過時間が経過した時点を終期とする期間であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システム。

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