JP2018085185A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電極触媒の劣化を抑制しつつ、電極触媒を活性化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】実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池１０の電圧であるスタック電圧Ｖｓを、燃料電池１０の電極触媒１７が活性化されるリフレッシュ電圧Ｖｒまで低下させることにより、電極触媒１７のリフレッシュ制御を行う燃料電池システム１であって、燃料ガス１８及び酸化ガス１９を用いた電気化学反応によって発電する燃料電池１０と、スタック電圧Ｖｓをセンサするスタック電圧センサ５１と、燃料電池１０のパワーを制御する制御部７０と、を備え、制御部７０は、燃料電池１０に対して、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなる高負荷要求があった場合には、高負荷要求に応じたパワーを燃料電池１０に出力させ、この制御により、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなったときに、リフレッシュ制御を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものであり、例えば、電極触媒の活性を回復させるリフレッシュ制御を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池のスタック電位を０．６Ｖ程度の電位にし、例えば、白金（Ｐｔ）等の電極触媒の表面の酸化皮膜を除去し、電極触媒の活性を回復させるリフレッシュ制御を行う燃料電池システムが特許文献１に記載されている。

特開２０１３−２３２３６１号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムは、短期的にみると、リフレッシュ制御により電極触媒の活性が回復するものの、長期的に見ると、スタック電位を低電位にする処理が繰り返される結果、電極触媒の粒子が粗大化し、電極触媒の表面積が小さくなり、電極触媒が初期性能を発揮しなくなるという問題がある。

また、上記燃料電池システムにおいては、高負荷要求があった場合に、スタック電位が下がる（０．８Ｖ程度)ことがあり、この場合にも、長期的にみると、電極触媒が劣化するという問題がある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、触媒の劣化を抑制しつつ、触媒を活性化させることができる燃料電池システムを提供する。

本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池の電圧であるスタック電圧を、前記燃料電池の電極触媒が活性化されるリフレッシュ電圧まで低下させることにより、前記電極触媒のリフレッシュ制御を行う燃料電池システムであって、燃料ガス及び酸化ガスを用いた電気化学反応によって発電する前記燃料電池と、前記スタック電圧をセンサするスタック電圧センサと、前記燃料電池のパワーを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池に対して、前記スタック電圧が所定の電圧よりも低くなる高負荷要求があった場合には、前記高負荷要求に応じた前記パワーを前記燃料電池に出力させ、この制御により、前記スタック電圧が前記所定の電圧よりも低くなったときに、前記リフレッシュ制御を行う。このような構成により、高負荷要求により所定の電圧を跨ぐときに便乗して、リフレッシュ制御を行っているので、リフレッシュ制御のためだけに所定の電圧を跨ぐ必要がなく、所定の電圧を跨ぐ回数を低減することができる。よって、電極触媒の劣化を抑制しつつ、電極触媒を活性化させることができる。

また、前記リフレッシュ電圧は、前記所定の電圧以下である。このような構成により、電極触媒の劣化を抑制することができる。

また、前記所定の電圧を、前記リフレッシュ制御を開始する前記スタック電圧と、前記リフレッシュ制御を行った時の前記電極触媒の劣化量との関係から求めた前記スタック電圧であって、その前記スタック電圧以上からの前記リフレッシュ制御で前記電極触媒の劣化が発生している前記スタック電圧とする。このような構成とすることにより、電極触媒の劣化をさらに抑制することができる。

さらに、充電及び放電を行うバッテリをさらに備え、前記高負荷要求があった場合には、前記制御部は、前記燃料電池から電流を引き出す電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、前記バッテリに充電可能な前記パワー以下の場合には、前記電流掃引を行うことにより前記リフレッシュ制御を行う。このような構成により、意図せぬ車両の加速を抑制することができる。

また、充電及び放電を行うバッテリをさらに備え、前記高負荷要求があった場合には、前記制御部は、前記燃料電池から電流を引き出す電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、前記バッテリに充電可能な前記パワーよりも大きい場合には、前記燃料電池の発電を抑制し、前記バッテリから前記高負荷要求に応じた前記パワーを出力させ、その後、前記電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、前記バッテリに充電可能な前記パワー以下の場合には、前記電流掃引を行うことにより前記リフレッシュ制御を行う。このような構成により、バッテリに高負荷要求に応じたパワーを出力させ、バッテリが充電可能となったときに、リフレッシュ制御を行うことができる。

充電及び放電を行うバッテリをさらに備え、前記高負荷要求があった場合には、前記制御部は、前記燃料電池から電流を引き出す電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、前記バッテリに充電可能な前記パワーよりも大きい場合には、前記燃料電池の発電を抑制し、前記バッテリから前記高負荷要求に応じた前記パワーを出力させ、その後、前記電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、依然として、前記バッテリに充電可能な前記パワーよりも大きい場合であって、前記燃料電池に対して、前記高負荷要求がなくなった場合には、再度の前記高負荷要求があったときのための、前記高負荷要求に応じた前記パワーが、前記バッテリが出力可能な前記パワー以下の場合には、前記酸化ガスを低減することにより前記リフレッシュ制御を行う。このような構成により、車両の加速不足を抑制することができる。

本発明により、電極触媒の劣化を抑制しつつ、電極触媒を活性化させることができる燃料電池システムを提供する。

実施形態に係る燃料電池システムを例示した構成図である。 実施形態に係るＦＣスタックのセルを例示した構成図である。 実施形態に係るリフレッシュ処理の概要を例示したフローチャート図である。 実施形態に係る判定電圧を例示したグラフであり、横軸はスタック電圧を示し、左側の縦軸は電圧頻度を示し、右側の縦軸は劣化量を示す。 実施形態に係るリフレッシュ処理の詳細を例示したフローチャート図である。 実施形態に係るリフレッシュ発電パワー、バッテリ現在パワー、バッテ最大充電許容パワー及びバッテリ最大放電許容パワーを例示したグラフであり、横軸は時間、縦軸はバッテリのパワーを示し、縦軸の負側が、充電量を示し、縦軸の正側が放電量を示す。 （ａ）は、電流掃引によるリフレッシュ制御時のスタック電流、スタック電圧及びストイキの関係を例示したグラフであり、横軸はスタック電流を示し、縦軸はスタック電圧を示し、（ｂ）は、電流掃引によるリフレッシュ制御時のスタック電流、パワー及びストイキの関係を例示したグラフであり、横軸はスタック電流を示し、縦軸はパワーを示し、（ｃ）は、電流掃引によるリフレッシュ制御時のストイキ、スタック電圧及びスタック電流の関係を例示したグラフであり、横軸はストイキを示し、縦軸はスタック電圧を示す。 実施形態に係るリフレッシュ発電パワー、バッテリ現在パワー、バッテ最大充電許容パワー及びバッテリ最大放電許容パワーを例示したグラフであり、横軸は時間、縦軸はバッテリのパワーを示し、縦軸の負側が充電を示し、縦軸の正側が放電を示す。 実施形態に係る再加速必要パワー、バッテリ現在パワー、バッテ最大充電許容パワー及びバッテリ最大放電許容パワーを例示したグラフであり、横軸は時間、縦軸はバッテリのパワーを示し、縦軸の負側が充電を示し、縦軸の正側が放電を示す。 （ａ）は、酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御時のスタック電流、スタック電圧及びストイキの関係を例示したグラフであり、横軸はスタック電流を示し、縦軸はスタック電圧を示し、（ｂ）は、酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御時のスタック電流、パワー及びストイキの関係を例示したグラフであり、横軸はスタック電流を示し、縦軸はパワーを示し、（ｃ）は、酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御時のストイキ、スタック電圧及びスタック電流の関係を例示したグラフであり、横軸はスタック電流を示し、縦軸はスタック電圧を示す。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施形態に燃料電池システムを説明する。本実施形態の燃料電池システムは、例えば、燃料電池自動車（ＦＣＶ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等に搭載される燃料電池システムである。なお、燃料電池システムは、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車等の車両に限らず、二輪車等の各種移動体に用いられてもよい。

まず、燃料電池システムの構成を説明する。図１は、実施形態に係る燃料電池システムを例示した構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｓｔａｃｋ：以下、ＦＣスタック１０という。）、バッテリ２０、ＦＣ昇圧コンバータ３０、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０、駆動用モータ６０、駆動用モータドライバ６１（ＴＭＧドライバ６１という。）、制御部７０、エアコンプレッサ８０、エアコンプレッサ用モータ８１（ＡＣＰ用モータ８１という。）、エアコンプレッサ用モータドライバ８２（ＡＣＰＭＧドライバ８２という。）を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０、ＴＭＧドライバ６１及びＡＣＰＭＧドライバ８２をまとめて、パワーコントロールユニット１００（ＰＣＵ１００という。）という。

図２は、実施形態に係るＦＣスタック１０のセルを例示した構成図である。図２に示すように、ＦＣスタック１０のセルは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜−電極アセンブリ）１４、アノード側セパレータ１５及びカソード側セパレータ１６を有している。ＭＥＡ１４は、アノード電極１１、カソード電極１２及び高分子電解質膜１３を含んでいる。アノード電極１１及びカソード電極１２は、電極触媒１７を有している。ＭＥＡ１４は、電極触媒１７を有するアノード電極１１及びカソード電極１２が高分子電解質膜１３の両面に配置された構成となっている。

アノード電極１１とアノード側セパレータ１５との間に燃料ガス１８が供給される。燃料ガス１８は、例えば、水素ガスである。カソード電極１２とカソード側セパレータ１６との間に、酸化ガス１９が供給される。酸化ガス１９は、例えば、酸素を含む空気である。これにより、ＦＣスタック１０のアノード電極１１には、燃料ガス１８が供給され、カソード電極１２には、酸化ガスが供給される。アノード電極１１に供給された水素は、アノード電極１１における電極触媒１７で活性化され、電子を放出する。そして、水素から離れた電子が、アノード電極１１からカソード電極１２に流れることで電気が発生する。一方、電子を放出した水素は水素イオンとなる。水素イオンは、アノード電極１１側から高分子電解質膜１３を通り、カソード電極１２側へ移動する。そして、カソード電極１２の電極触媒１７で、空気中の酸素と水素イオンと電子が結合する。これにより、水が生成される。このようにして、ＦＣスタック１０は、水素等を含む燃料ガス１８及び空気中の酸素を含む酸化ガス１９を用いた電気化学反応によって発電する。ＦＣスタック１０の電圧及び電流をスタック電圧Ｖｓ及びスタック電流Ａｓという。

アノード電極１１及びカソード電極１２の高分子電解質膜１３側に設けられた電極触媒１７は、材料として、例えば、白金（Ｐｔ）を含んでいる。なお、電極触媒１７は、白金に限らず、白金コバルトを含んでもよい。

図１に戻り、ＦＣスタック１０には、スタック電圧Ｖｓをセンサするスタック電圧センサ５１及びスタック電流Ａｓをセンサするスタック電流センサ５２が取り付けられている。スタック電圧センサ５１及びスタック電流センサ５２は、信号線または無線等の情報伝達手段（以下、信号線等という。）により制御部７０に接続されている。制御部７０は、スタック電圧センサ５１及びスタック電流センサ５２を介して、ＦＣスタック１０のスタック電圧Ｖｓ及びパワーを測定する。ＦＣスタック１０は、例えば、直流配線を介して、ＦＣ昇圧コンバータ３０に接続されている。

ＦＣ昇圧コンバータ３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０、ＴＭＧドライバ６１及びＡＣＰＭＧドライバ８２に直流配線を介して接続されている。ＦＣ昇圧コンバータ３０は、ＦＣスタック１０のスタック電圧Ｖｓを、ＴＭＧドライバ６１及びＡＣＰＭＧドライバ８２で利用可能な電圧に昇圧する。ＦＣ昇圧コンバータ３０は、信号線等により制御部７０に接続されている。制御部７０は、ＦＣスタック１０のスタック電圧Ｖｓ及びパワーを参照し、ＦＣ昇圧コンバータ３０を介して、ＦＣスタック１０のスタック電圧Ｖｓ及びパワーを制御する。

バッテリ２０は、例えば、充電及び放電を行うことができる二次電池である。バッテリ２０は、燃料電池システム１における余分なパワーの貯蔵、回生制動時の回生パワーの貯蔵、ＦＣスタック１０を搭載した車両の加速時の補助パワーとして機能する。バッテリ２０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である。バッテリ２０には、残容量をモニタするＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）検出部５３が取り付けられている。ＳＯＣ検出部５３は、信号線等により制御部７０に接続されている。制御部７０は、ＳＯＣ検出器５３を参照して、バッテリ２０の残容量を測定する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、バッテリ２０とＦＣ昇圧コンバータ３０との間に直流配線を介して接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、ＴＭＧドライバ６１及びＡＣＰＭＧドライバ８２に直流配線を介して接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、バッテリ２０が放電状態の場合には、バッテリ２０の出力電圧をＴＭＧドライバ６１及びＡＣＰＭＧドライバ８２で利用可能な高圧電圧に変換し、バッテリ２０が充電状態の場合には、ＦＣ昇圧コンバータ３０から出力される電圧をバッテリ２０に充電可能な電圧に変換する。なお、駆動用モータ６０において回生電力が発生する場合には、その回生電力は、ＴＭＧドライバ６１によって直流電力に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０を介してバッテリ２０に供給される。

ＴＭＧドライバ６１は、ＦＣ昇圧コンバータ３０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０に直流配線によって接続されている。ＴＭＧドライバ６１は、車輪ＷＬを駆動する駆動用モータ８０と三相交流配線により接続されている。ＴＭＧドライバ６１は、ＦＣ昇圧コンバータ３０を介して供給されるＦＣスタック１０のパワー及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０を介して供給されるバッテリ２０のパワーを三相交流に変換して駆動用モータ６０に供給する。

ＡＣＰＭＧドライバ８２は、ＦＣ昇圧コンバータ３０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０に直流配線によって接続されている。ＡＣＰＭＧドライバ８２は、ＡＣＰ用モータ８１と三相交流配線により接続されている。ＡＣＰＭＧドライバ８２は、ＦＣ昇圧コンバータ３０を介して供給されるＦＣスタック１０のパワー及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０を介して供給されるバッテリ２０のパワーを三相交流に変換してＡＣＰ用モータ８１に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０、ＴＭＧドライバ６１及びＡＣＰＭＧドライバ８２は、ＰＣＵ１００を構成している。ＰＣＵ１００は、信号線等により制御部７０に接続されている。制御部７０は、ＰＣＵ１００を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０、ＴＭＧドライバ６１及びＡＣＰＭＧドライバ８２の動作を制御する。

駆動用モータ６０は、例えば、車輪ＷＬを駆動する三相交流モータである。駆動用モータ６０は、ＦＣスタック１０を搭載した車両の動力源として機能する。駆動用モータ６０の回転数は、ＴＭＧドライバ６１を介して、制御部７０によって制御される。また、駆動用モータ６０は、回生制動により回生パワーを発生させる。

ＡＣＰ用モータ８１は、例えば、三相交流モータである。ＡＣＰ用モータ８１は、エアコンプレッサ８０を駆動させる。ＡＣＰ用モータ８１の回転数は、ＡＣＰＭＧドライバ８２を介して、制御部７０によって制御される。これにより、制御部７０は、エアコンプレッサ８０のＦＣスタック１０への酸化ガス１９の供給を制御する。

エアコンプレッサ８０は、大気中から酸化ガス１９を取り込み、ＦＣスタック１０に供給する。ＦＣスタック１０には、燃料ガス１８も供給される。燃料ガス１８は、例えば、図示しない高圧水素タンクから供給される。また、ＦＣスタック１０の周囲には図示しない冷却液流路が設けられており、ＦＣスタック１０に対して、ＦＣスタック１０を冷却する冷却液が供給される。

制御部７０は、スタック電圧センサ５１及びスタック電流センサ５２を介して、ＦＣスタック１０のスタック電圧Ｖｓ及びパワーを参照し、ＦＣ昇圧コンバータ３０を介して、ＦＣスタック１０のスタック電圧Ｖｓ及びパワーを制御する。制御部７０は、ＳＯＣ検出器５３を参照して、バッテリ２０の残容量を測定する。制御部７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０を介して、バッテリ２０の放電及び充電を制御する。

アクセルセンサ５４は、信号線等により制御部７０に接続されている。制御部７０は、アクセルセンサ５４の踏込量に応じて、ＴＭＧドライバ６１を介して、駆動用モータ６０の回転数を制御する。また、制御部７０は、アクセルセンサ５４の踏込量に応じて、ＡＣＰＭＧドライバ８２を介して、ＡＣＰ用モータ８１の回転数を制御する。これにより、ＦＣスタック１０への酸化ガス１９の供給量を調整する。

制御部７０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェース等を含むコンピュータである。例えば、制御部７０は、燃料電池システム１を搭載した車両から、起動信号を受信すると、燃料電池システム１の動作を開始する。そして、動作中において、アクセルペダルからのアクセルセンサ５４の信号、ブレーキペダルからのセンサ信号、車両の速度センサからのセンサ信号等に基づいて、燃料電池システム１に対する負荷要求に応じたパワーを求める。例えば、制御部７０は、ＦＣスタック１０に対して、高負荷要求があった場合に、ＦＣ昇圧コンバータ３０を介して、ＦＣスタック１０に高負荷要求に応じたパワーを出力させる。制御部７０は、ＦＣスタック１０及びバッテリ２０のそれぞれが出力するパワーの配分を決定する。制御部７０は、ＦＣスタック１０の発電パワーが、決定したパワーに一致するように、ＡＣＰＭＧドライバ８２を介して、ＡＣＰ用モータ８１及びエアコンプレッサ８０を制御する。これにより、燃料ガス１８及び酸化ガス１９の供給量を制御する。

次に、燃料電池システム１の動作として、リフレッシュ処理を説明する。
例えば、燃料電池システム１が搭載された車両等の通常運転時には、燃料電池システム１も通常運転される。通常運転時におけるスタック電圧Ｖｓの範囲は、例えば、０．７Ｖ以上１．０Ｖ以下となっている。このようなスタック電圧Ｖｓにおいて、運転が継続されると、ＦＣスタック１０の電極触媒１７に含まれた白金の表面に酸化皮膜が形成され、白金触媒の有効面積が減少するようになる。そうすると、電極触媒１７の性能及びＦＣスタック１０の発電性能が低下する。

そこで、制御部７０は、ＦＣスタック１０の電極触媒１７のリフレッシュ制御を行う。すなわち、制御部７０は、スタック電圧Ｖｓを、ＦＣスタック１０の電極触媒１７が活性化される電圧まで低下させる。具体的には、制御部７０は、スタック電極触媒１７の表面を還元させる電圧まで引き下げ、電極触媒１７の酸化皮膜を取り除く。電極触媒１７の表面が還元され、電極触媒１７が活性化されるときのスタック電圧Ｖｓをリフレッシュ電圧Ｖｒという。

まず、本実施形態に係るリフレッシュ処理の概要を説明する。概要を説明した後で、リフレッシュ処理の詳細を説明する。図３は、実施形態に係るリフレッシュ処理の概要を例示したフローチャート図である。リフレッシュ処理において、以下に示す所定の条件を満たす場合に、制御部７０は、リフレッシュ制御を行う。

図３のステップＳ１１に示すように、制御部７０は、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなる高負荷要求があるか判定する。所定の電圧は、例えば、判定電圧Ｖｔである。以下で、所定の電圧及び判定電圧Ｖｔを導くために、まず、電圧頻度Ｈｖ及び電極触媒１７の劣化量を説明する。その後で、所定の電圧及び判定電圧Ｖｔを説明する。まず、電圧頻度Ｈｖを説明する。

図４は、実施形態に係る判定電圧Ｖｔを例示したグラフであり、横軸はスタック電圧Ｖｓを示し、左側の縦軸は電圧頻度Ｈｖを示し、右側の縦軸は劣化量Ｄｓを示す。

電圧頻度Ｈｖは、ＦＣスタック１０の動作中にＦＣスタック１０が示すスタック電圧Ｖｓの頻度である。例えば、一定間隔で、ＦＣスタック１０が示すスタック電圧Ｖｓを測定した場合に、ＦＣスタック１０が各スタック電圧Ｖｓを示した回数である。

図４に示すように、電圧頻度Ｈｖは、ＦＣスタック１０及びＦＣスタック１０を搭載した車両等の通常運転時において、高い値を示している。例えば、ＦＣスタック１０の通常運転時におけるスタック電圧Ｖｓは、０．７以上１．０Ｖ以下の範囲内であり、この範囲内で、電圧頻度Ｈｖは、高い値を示している。

通常運転時のスタック電圧Ｖｓは、例えば、燃料電池システム１が搭載された車両等が、通常の走行をしている場合のスタック電圧Ｖｓである。通常の走行とは、例えば、地上のある地点から、ある地点まで、交通法規に則った車両の走行をいう。

ＦＣスタック１０の動作中にＦＣスタック１０が示す各スタック電圧Ｖｓの電圧頻度Ｈｖを、電圧頻度Ｈｖの最大値で規格化したときに、通常運転時の電圧頻度Ｈｖは、例えば、０．８以上の値となっている。なお、通常運転時の電圧頻度Ｈｖは、ＦＣスタック１０を搭載する車種及び運転状況によって異なる。０．７Ｖより低いスタック電圧Ｖｓを示す電圧頻度Ｈｖは、急激に低下するようになっている。０．６Ｖ以下のスタック電圧Ｖｓを示す電圧頻度Ｈｖは、低い値となっている。

次に、電極触媒１７の劣化量を説明する。
電極触媒１７の性能に関して、表面に形成される酸化皮膜については前述したとおりであり、リフレッシュ制御によって活性化させることができる。酸化皮膜とは別に、電極触媒１７の性能を悪化させるものとして、電極触媒１７の粒子の粗大化による表面積の拡大化、及び、白金の溶け出し等による劣化が挙げられる。このような電極触媒１７の劣化は、一因として、リフレッシュ制御における電圧変化によって発生する。

図４に示す劣化量Ｄｓのグラフは、リフレッシュ制御を開始するスタック電圧Ｖｓと、リフレッシュ制御を行った時の電極触媒１７の劣化量との関係から求めたものである。すなわち、劣化量Ｄｓのグラフは、リフレッシュ制御を開始するときのスタック電圧Ｖｓを横軸にし、そのスタック電圧Ｖｓからリフレッシュ制御をした場合の電極触媒１７の劣化量Ｄｓを縦軸にプロットしたものである。

劣化量Ｄｓは、リフレッシュ制御を開始するときのスタック電圧Ｖｓが高くなると、大きくなっている。リフレッシュ制御を開始するスタック電圧Ｖｓが高い場合には、リフレッシュ電圧Ｖｒまでスタック電圧Ｖｓを降下させる電圧変化が大きく、電極触媒１７の劣化量が大きくなると考えられる。一方、リフレッシュ制御を開始するスタック電圧Ｖｓが低い場合には、リフレッシュ電圧Ｖｒまでスタック電圧Ｖｓを降下させる電圧変化が小さく、電極触媒１７の劣化量が小さくなると考えられる。

次に、所定の電圧を説明する。
例えば、通常運転時のスタック電圧Ｖｓにおける一つのスタック電圧Ｖｓを所定の電圧とする。その場合には、所定の電圧以上のスタック電圧Ｖｓからリフレッシュ制御を行ったときの劣化量は、所定の電圧よりも小さいスタック電圧Ｖｓからリフレッシュ制御をおこなったときの劣化量以上となる。所定の電圧は、通常運転時のスタック電圧Ｖｓから選択されるのが好ましい。所定の電圧は、通常運転時におけるスタック電圧Ｖｓのうち、低電圧側のスタック電圧Ｖｓが好ましい。そのようにすることで、劣化量を低減することができる。所定の電圧は、電圧頻度Ｈｖとリフレッシュ制御の頻度を考慮して選択されることが好ましい。

次に、判定電圧Ｖｔを説明する。
劣化量Ｄｓは、あるスタック電圧Ｖｓを境界にして、高電圧側で急激に増加するようになっている。リフレッシュ電圧Ｖｒにおける劣化量をベースとして差し引くと、あるスタック電圧Ｖｓ以上からのリフレッシュ制御で電極触媒１７の劣化が発生しているようになっている。そこで、劣化量Ｄｓが急激に増加する境界のスタック電圧Ｖｓを判定電圧Ｖｔとよぶ。

したがって、判定電圧Ｖｔを跨いだ電位変化を伴うリフレッシュ制御の劣化量Ｄｓは、判定電圧Ｖｔを跨がない電位変化を伴うリフレッシュ制御の劣化量Ｄｓよりも多くなるように、判定電圧Ｖｔが選択される。

具体的には、通常運転時のスタック電圧Ｖｓが、例えば、０．７Ｖ以上１．０Ｖ以下であり、リフレッシュ電圧Ｖｒが、例えば、０．６Ｖのときに、リフレッシュ制御を開始するスタック電圧Ｖｓが、０．８Ｖ以上の場合には、劣化量Ｄｓが急激に大きくなっている。０．８Ｖ以上で、電極触媒１７の劣化が発生しているようになっている。一方、リフレッシュ制御を開始するスタック電圧Ｖｓが、０．８Ｖよりも小さい場合には、劣化量Ｄｓは小さくなっている。そこで、判定電圧Ｖｔを、例えば、０．８Ｖとして選択する。なお、判定電圧Ｖｔは、０．８Ｖに限らず、種々の条件によって異なってくる。

判定電圧Ｖｔが、例えば、０．８Ｖとして選択されたときに、スタック電圧Ｖｓ＝１．０Ｖからリフレッシュ制御を行う場合には、スタック電圧Ｖｓは、１．０Ｖから０．６Ｖまでスタック電圧Ｖｓが変化する。よって、判定電圧Ｖｔを跨いだ電位変化を伴うことになり、電極触媒１７の劣化量Ｄｓは大きくなる。

一方、スタック電圧Ｖｓが０．８Ｖよりも小さいスタック電圧Ｖｓ＝０．７Ｖからリフレッシュ制御を行う場合には、スタック電圧Ｖｓは、０．７Ｖから０．６Ｖまで電圧が変化する。よって、判定電圧Ｖｔを跨がない電位変化を伴うことになり、電極触媒１７の劣化量Ｄｓは小さい。

次に、通常運転時における高負荷要求及び低負荷要求を説明する。
スタック電圧Ｖｓを所定の電圧よりも低くする負荷要求を高負荷要求と呼び、スタック電圧Ｖｓを所定の電圧以上にする負荷要求を低負荷要求と呼ぶ。そうすると、通常運転時におけるスタック電圧Ｖｓの範囲を、高負荷要求を示す低電圧の範囲と、低負荷要求を示す高電圧の範囲とに２分することができる。

具体的には、所定の電圧を、判定電圧Ｖｔとして、例えば、０．８Ｖとする。なお、所定の電圧は、判定電圧Ｖｔに限らず、０．８Ｖに限らない。種々の条件によって異なってくる。通常運転時におけるスタック電圧Ｖｓの範囲を、０．７Ｖ以上１．０Ｖ以下とし、判定電圧Ｖｔを０．８Ｖとした場合には、高負荷要求を示す低電圧の範囲は、例えば、０．７以上０．８未満である。低負荷要求を示す高電圧の範囲は、０．８Ｖ以上１．０Ｖ以下である。

ここで、高負荷要求により、スタック電圧Ｖｓが低下することを説明する。ＦＣスタック１０に対して、高負荷要求がある場合とは、例えば、アクセルペダルを踏み込んで、車両を加速する場合である。このような場合には、制御部７０は、ＦＣスタック１０に対して、高負荷要求に応じたパワーを出力させる。このとき、制御部７０は、駆動モータ６０に電流を流すため、ＦＣスタック１０から電流を引き出す電流掃引を行う。制御部７０は、駆動モータ６０に電流を流すとともに、ＦＣスタック１０のパワーを一定に保つように制御する。よって、ＦＣスタック１０の電流が掃引されると、ＦＣスタック１０のスタック電圧Ｖｓは低下する。

電極触媒１７の粒子の粗大化による表面積の拡大化、及び、白金の溶け出し等による劣化は、図４の劣化量で示したように、リフレッシュ制御による電圧変化によって発生すると考えられる。これに加えて、上記の電極触媒１７の劣化は、スタック電圧Ｖｓが、判定電圧Ｖｔよりも単に低くなるときにも、発生することが見出されている。具体的には、通常運転時において、例えば、高負荷要求時に、スタック電圧Ｖｓが、０．９Ｖから、判定電圧Ｖｔよりも低い０．７Ｖになるだけでも、電極触媒１７の劣化が進行する。

図３に戻り、ステップＳ１１に示すように、制御部７０は、例えば、ＦＣスタック１０に対して、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなる高負荷要求があるか判定する。所定の電圧は、例えば、判定電圧Ｖｔである。高負荷要求は、例えば、電流掃引の要求である。スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなる高負荷要求がないと判断した（Noの）場合には、リフレッシュ処理を終了する。例えば、次回のリフレッシュ処理の判定時までリフレッシュ制御を保留等の処理をする。

一方、制御部７０は、例えば、ＦＣスタック１０に対して、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなる高負荷要求があると判断した（Yesの）場合には、図３のステップＳ１２に示すように、高負荷に応じたパワーをＦＣスタック１０に出力させる。そして、図３のステップＳ１３に示すように、この制御により、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなったときか判定する。スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くならなかった（Noの）場合には、リフレッシュ処理を終了する。これに対して、制御部７０は、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなった（Yesの）場合には、図３のステップＳ１４に示すように、リフレッシュ制御を行なう。

これにより、電極触媒１７上の酸化皮膜を還元し、電極触媒１７の表面から酸化皮膜を取り除くことができる。よって、電極触媒１７を活性化することができる。

また、リフレッシュ制御を開始するスタック電圧Ｖｓを、所定の電圧よりも低くすることができるので、電極触媒１７の劣化量を低減することができる。

さらに、所定の電圧を判定電圧Ｖｔとした場合には、リフレッシュ制御を、判定電圧Ｖｔよりも低いスタック電圧Ｖｓから行うことができ、判定電圧Ｖｔを跨がない電圧変化を伴うリフレッシュ制御を行うことができる。よって、本来は、高負荷要求により判定電圧Ｖｔを跨ぐ電圧変化と、リフレッシュ制御により判定電圧Ｖｔを跨ぐ電圧変化とを行う必要があるところを、高負荷要求により判定電圧Ｖｔを跨ぐときに便乗して、リフレッシュ制御を行っているので、リフレッシュ制御のためだけに判定電圧Ｖｔを跨ぐ必要がない。よって、判定電圧Ｖｔを跨ぐ回数を低減することができる。よって、電極触媒１７の劣化量を低減することができる。

次に、本実施形態のリフレッシュ処理の詳細を説明する。図５は、実施形態に係るリフレッシュ処理の詳細を例示したフローチャート図である。

図５のステップＳ２１に示すように、まず、制御部７０は、電極触媒１７のリフレッシュ制御が必要か判定する。例えば、電極触媒１７の表面に形成された酸化皮膜量が所定量以上であるか否か判定を行う。例えば、前回のリフレッシュ制御を行ったときからの経過時間や、ＦＣスタック１０に対する負荷量等から酸化皮膜量を推測して判定を行う。

制御部７０は、電極触媒１７のリフレッシュ制御が不要の（No）の場合には、リフレッシュ処理を終了する。例えば、電極触媒１７の表面に形成された酸化皮膜の量が所定量以下であり、リフレッシュ制御が不要であると判断された場合には、リフレッシュ処理を終了する。

一方、電極触媒１７のリフレッシュ制御が必要である（Yesの）場合、例えば、電極触媒１７の表面に形成された酸化皮膜量が所定量を超えており、リフレッシュ制御が必要である場合は、図５のステップＳ２２に示すように、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなる高負荷要求があるか判定する。なお、ステップＳ２２の高負荷要求があるかの判断、ステップＳ２３の高負荷要求に応じたパワーの出力及びステップＳ２４の所定の電圧との比較の判断は、図３で説明したとおりなので、説明を省略する。スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなったときに、リフレッシュ制御を以下のフローで実施する。

図５のステップＳ２５に示すように、リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ現在パワーＰｂと、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）以下か、すなわち、以下の（１）式を満たすか、判定する。

Ｐｒ≦（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ） （１）

ここで、リフレッシュ発電パワーＰｒとは、リフレッシュ制御をすることにより発電されるパワーである。例えば、電流掃引によるリフレッシュ制御の場合には、ＦＣスタック１０からパワーが発生する。バッテリ現在パワーＰｂとは、現在のバッテリ２０のパワーである。バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとは、バッテリ２０に最大に充電できるパワーである。（１）式は、電流掃引を行うリフレッシュ制御をすることにより発電されるパワーが、バッテリ２０に充電可能なパワー以下であることを示している。以下で、リフレッシュ発電パワーＰｒ、バッテリ現在パワーＰｂ及びバッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎの関係を説明する。

図６は、実施形態に係るリフレッシュ発電パワーＰｒ、バッテリ現在パワーＰｂ、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎ及びバッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔを例示したグラフであり、横軸は時間、縦軸はバッテリのパワーを示し、縦軸の負側が充電量を示し、縦軸の正側が放電量を示す。

図６に示すように、例えば、ある時点において、バッテリ現在パワーＰｂが、縦軸に関して正側に位置しているとする。縦軸に関して正側の場合には、バッテリ２０は、燃料電池システム１に対して、パワーを放電している状態である。バッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔは、バッテリ２０が最大に放電してもよいと制御部７０が許可したパワーである。バッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔは、温度に依存し、特に、比較的高温及び比較的低温時においては、制御部７０によって制限される。

一方、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎは、バッテリ２０に対して最大に充電してもよいと制御部７０が許可したパワーである。バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎは、温度に依存し、特に、比較的高温及び比較的低温時においては、制御部７０によって制限される。

バッテリ現在パワーＰｂが、縦軸に関して正側であり、放電している状況の場合には、バッテリ現在パワーＰｂと、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）は、バッテリ現在パワーＰｂにおいて、この先、バッテリ２０に充電可能なパワーを示している。

リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ現在パワーＰｂと、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）よりも大きい場合、すなわち、以下の（２）式の場合には、リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ２０に充電可能なパワーよりも大きいことを示している。

Ｐｒ＞（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ） （２）

図５のステップＳ２５において、制御部７０は、リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ現在パワーＰｂとバッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）以下の場合、すなわち、（１）式を満たすと判定した（Yesの）場合には、図５のステップＳ２６に示すように、リフレッシュ制御を行う。具体的には、スタック電圧Ｖｓを、判定電圧Ｖｔ以上にする前に、電流掃引によるリフレッシュ制御を行う。

このように、リフレッシュ発電パワーＰｒを、バッテリ２０に充電させることができるときに、リフレッシュ制御を行っている。これにより、車両の意図せぬ加速を抑制することができる。
電流掃引によるリフレッシュ制御後、処理を終了する。

ここで、電流掃引によるリフレッシュ制御を説明する。
図７（ａ）は、電流掃引によるリフレッシュ制御時のスタック電流、スタック電圧Ｖｓ及びストイキの関係を例示したグラフであり、横軸はスタック電流を示し、縦軸はスタック電圧Ｖｓを示す。

図７（ａ）に示すグラフにおいて、ストイキ（Ｓｔｏｉｃｉｏｍｅｔｒｙ）の同一の値を示す曲線は、右下がりの曲線として示されている。ストイキの値が大きくなるほど、ストイキの曲線は、原点から遠ざかる方向に移動している。ストイキとは、理論上必要な酸化ガス１９量に対する実際の酸化ガス１９量の比率である。例えば、スタック電流Ａｓを１だけ流す場合に対して、酸化ガス１９量を１とする場合をストイキが１という。１．５倍余分に酸化ガス１９を供給したときには、ストイキが１．５という。

一般的に、ストイキを１のまま供給すると、電極触媒１７に触れない酸化ガス１９が存在するようになる。よって、一般的には、１．２または１．５のように、酸化ガス１９を１よりも多めに供給し、十分な性能を発揮するようにする。また、ストイキを５または１０のように過剰に供給しても性能的にはほとんど変化しないようになる。

図７（ａ）に示すように、本実施形態の電流掃引によるリフレッシュ制御では、酸化ガス１９量は、そのままにして、スタック電流Ａｓを掃引する。図７（ａ）における実線Ｊは、電流掃引によるリフレッシュ制御を行った時の動作点の動きを示している。動作点のスタートは、開始点Ｑである。開始点Ｑにおけるスタック電圧Ｖｓは、所定の電圧、例えば、判定電圧Ｖｔよりも低いスタック電圧Ｖｓとなっている。

制御部７０は、ＦＣスタック１０からスタック電流Ａｓを引き出すようにＦＣスタック１０を制御する。すなわち、動作点が、開始点Ｑからスタック電流Ａｓが増加する方向に移動するように制御する。これに伴い、動作点は、スタック電圧Ｖｓが減少する方向に移動する。そして、スタック電流Ａｓの増加に伴って、酸化ガス１９が消費されることにより、ストイキは小さくなる。例えば、ストイキは、１から０．５まで小さくなる。これにより、スタック電圧Ｖｓは低下して、動作点は最下点Ｌに移動する。最下点Ｌにおいて、スタック電圧Ｖｓは、リフレッシュ制御が行われるリフレッシュ電圧Ｖｒとなっている。

このように、電流掃引によるリフレッシュ制御では、酸化ガス１９の量を一定にしたまま、スタック電流Ａｓが引き出されるので、酸化ガス１９の消費が増加し、電極触媒１７の酸化皮膜も消費されて、電極触媒１７の表面から除去される。

動作点は、最下点Ｌから矢印に沿って戻り、終了点Ｅに到達する。終了点Ｅは、開始点Ｑよりもスタック電圧Ｖｓが高くなっており、スタック電流Ａｓは小さくなっている。また、開始点Ｑ及び終了点Ｅでは、同じパワーとなるように制御されている。よって、リフレッシュ制御の前後において、低いスタック電流Ａｓで、同じパワーを出力できるようになっている。このように、リフレッシュ制御により、ＦＣスタック１０の燃費を向上させることができる。

ＦＣスタック１０の燃費は、消費された燃料ガス１８の量と、走行距離との比から算出される。燃料ガス１８に含まれる水素１モルあたりの化学変化における電荷は、スタック電流Ａｓに相当する。よって、ＦＣスタック１０におけるスタック電流Ａｓと、消費された燃料ガス１８の量とは比例する。したがって、スタック電流Ａｓが減少することは、燃費が向上することを意味する。

図７（ｂ）は、電流掃引によるリフレッシュ制御時のスタック電流Ａｓ、パワー及びストイキの関係を例示したグラフであり、横軸は、スタック電流Ａｓを示し、縦軸は、パワーを示す。ストイキの同一の値を示す曲線は、右上がりの曲線として示されている。ストイキの値が大きくなるほど、ストイキの曲線は、パワーが増加する方向に移動している。図７（ｂ）は、図７（ａ）における縦軸を変えた場合の動作点の動きを示している。

図７（ｂ）における実線Ｊは、電流掃引によるリフレッシュ制御を行った時の動作点の動きを示している。動作点のスタートは、開始点Ｑである。制御部７０は、ＦＣスタック１０からスタック電流Ａｓを引き出すようにＦＣスタック１０を制御する。すなわち、動作点が、開始点Ｑからスタック電流Ａｓ及びパワーが増加する方向に移動するように制御する。そして、酸化ガス１９が消費されることにより、ストイキは小さくなる。これにより、パワー及びスタック電圧Ｖｓは低下して最下点Ｌに移動する。最下点Ｌにおけるスタック電圧Ｖｓは、リフレッシュ電圧Ｖｒとなっている。

動作点は、最下点Ｌから矢印に沿って戻り、終了点Ｅに到達する。終了点Ｅは、開始点Ｑよりもスタック電流Ａｓが小さくなっている。また、開始点Ｑ及び終了点Ｅでは、同じパワーとなるように制御されている。よって、リフレッシュ制御の前後において、低いスタック電流Ａｓで、同じパワーを出力できており、ＦＣスタック１０の燃費が向上することを示している。

図７（ｃ）は、電流掃引によるリフレッシュ制御時のストイキ、スタック電圧Ｖｓ及びスタック電流Ａｓの関係を例示したグラフであり、横軸はストイキを示し、縦軸は、スタック電圧Ｖｓを示す。スタック電流Ａｓの同一の値を示す曲線は、右上がりの曲線として示されている。スタック電流Ａｓの値が大きくなるほど、スタック電流Ａｓの曲線は、スタック電圧Ｖｓが減少する方向に移動している。図７（ｃ）は、図７（ａ）における横軸を変えた場合の動作点の動きを示している。

図７（ｃ）における実線Ｊは、電流掃引によるリフレッシュ制御を行った時の動作点の動きを示している。動作点のスタートは、開始点Ｑである。制御部７０は、ＦＣスタック１０からスタック電流Ａｓを引き出すようにＦＣスタック１０を制御する。そして、酸化ガス１９が消費されることにより、ストイキは小さくなる。これにより、スタック電圧Ｖｓは低下して最下点Ｌに移動する。最下点Ｌにおけるスタック電圧Ｖｓは、リフレッシュ電圧Ｖｒとなっている。

動作点は、最下点Ｌから矢印に沿って戻り、終了点Ｅに到達する。終了点Ｅは、開始点Ｑよりもスタック電流Ａｓが小さくなっている。また、開始点Ｑ及び終了点Ｅでは、同じパワーとなるように制御されている。よって、リフレッシュ制御の前後において、低いスタック電流Ａｓで、同じパワーを出力できており、ＦＣスタック１０の燃費が向上することを示している。
このようにして、制御部７０は、電流掃引によるリフレッシュ制御を行う。

図５に戻って、図５のステップＳ２５において、リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ現在パワーＰｂとバッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）より大きい（Noの）場合には、制御部７０は、図５のステップＳ２７に示すように、車両を加速する等の高負荷要求がＦＣスタック１０に対してあるか判定する。車両を加速する等の高負荷要求とは、例えば、アクセルペダルが踏まれ、車両を加速する場合等である。

制御部７０は、ＦＣスタック１０に対して、車両を加速する等の高負荷要求があると判定した（Yesの）場合には、図５のステップＳ２８に示すように、ＦＣスタック１０の発電を据え置く。すなわち、ＦＣスタック１０の発電を抑制する。そして、バッテリ２０から高負荷要求に応じたパワーを出力させる。

図８は、実施形態に係るリフレッシュ発電パワーＰｒ、バッテリ現在パワーＰｂ、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎ及びバッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔを例示したグラフであり、横軸は時間、縦軸は、バッテリ２０のパワーを示し、縦軸の負側が充電量を示し、縦軸の正側が放電量を示す。図８では、ＦＣスタック１０のパワーも示している。

図８に示すように、例えば、ある時点において、バッテリ現在パワーＰｂが、縦軸に関して負側に位置しているとする。縦軸に関して負側の場合には、バッテリ２０は、ＦＣスタック１０等からのパワーを充電している状態である。バッテリ２０は、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎまでは、ＦＣスタック１０等からのパワーを充電することができる状態となっている。そして、リフレッシュ発電パワーＰｒは、バッテリ現在パワーＰｂと、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）よりも、大きくなっている。すなわち、図５のステップＳ２５からステップＳ２７及びステップＳ２８に推移した状態を示している。

この場合に、図５のステップＳ２８において、ＦＣスタック１０の発電を据え置き、ＦＣスタック１０の発電を抑制すると、ＦＣスタック１０のパワー（図８のパワー１０ａ）は、一定に推移する（図８のパワー１０ｂ）。なお、ＦＣスタック１０の発電を据え置かなかった場合には、高負荷要求により、ＦＣスタック１０のパワーは、パワー１０ａから、パワー１０ｃと増加する。

一方、制御部７０は、ＦＣスタック１０の発電を据え置いた代わりに、ＦＣスタック１０に対する高負荷要求に応じえるために、バッテリ２０から高負荷要求に応じたパワーを出力させる。これにより、図８に示すように、バッテリ現在パワーＰｂは、バッテリ現在パワーＰｂ（２０ａ）から、バッテリ現在パワーＰｂ（２０ｂ）に推移することになる。

次に、図５に戻り、ステップＳ２５において、再度、リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ現在パワーＰｂとバッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）以下の（１）式を満たすか判定する。（１）式を満たす（Yesの）場合には、ステップＳ２６に示すように、電流掃引によるリフレッシュ制御を行う。

これに対して、図５のステップＳ２５において、再度、リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ現在パワーＰｂとバッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）よりも大きいと制御部７０が判定した（Noの）場合には、図５のステップＳ２７に示すように、ＦＣスタック１０に対して、高負荷要求が続いているか制御部７０は判定する。ＦＣスタック１０に対して、高負荷要求が続いている（Yesの）場合には、引き続き、ＦＣスタック１０の発電を据え置く。

そうすると、図８に示すように、バッテリ現在パワーＰｂは正側に移動する。よって、時間Ｔ２１のとき、ステップＳ２５による判定で、リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ現在パワーＰｂと、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）以下の（１）式を満たすようになる。この（Yesの）場合には、図５のステップＳ２６に示すように、制御部７０は、電流掃引によるリフレッシュ制御を行う。

一方、図５のステップＳ２５に示すように、依然として、リフレッシュ発電パワーＰｒが、バッテリ現在パワーＰｂと、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）よりも大きい（２）式の（Noの）場合であって、図５のステップＳ２７において、ＦＣスタック１０に対して、高負荷要求がなくなった（Noの）場合には、図５のステップＳ２９に示すように、制御部７０は、再度の高負荷要求があったときのための、高負荷要求に必要なパワーである再加速必要パワーＰａｃｌが、バッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔと、バッテリ現在パワーＰｂとの差（Ｐｂｌｏｕｔ−Ｐｂ）以下の（３）式を満たすか判定する。

Ｐａｃｌ≦（Ｐｂｌｏｕｔ−Ｐｂ） （３）

上記（３）式は、再加速等の再度の高負荷要求があったときのための、その高負荷要求に応じたパワーが、バッテリ２０が出力可能なパワー以下の場合を示している。

図９は、実施形態に係る再加速必要パワーＰａｃｌ、バッテリ現在パワーＰｂ、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎ及びバッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔを例示したグラフであり、横軸は時間、縦軸は、パワーを示し、縦軸の負側が充電量を示し、縦軸の正側が放電量を示す。

図９に示すように、例えば、ある時点において、バッテリ現在パワーＰｂが、縦軸に関して負側に位置しているとする。縦軸に関して負側の場合には、バッテリ２０は、ＦＣスタック１０等からのパワーを充電している状態である。バッテリ２０は、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎまでは、ＦＣスタック１０等からのパワーを充電することができる状態となっている。そして、リフレッシュ発電パワーＰｒは、バッテリ現在パワーＰｂと、バッテリ最大充電許容パワーＰｂｌｉｎとの差（Ｐｂ−Ｐｂｌｉｎ）よりも、大きくなっている。また、バッテリ２０は、バッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔまでは、燃料電池システム１にパワーを出力することができる状態となっている。すなわち、図５のステップＳ２５からステップＳ２７及びステップＳ２９に推移した状態を示している。

この場合に、図５のステップＳ２９において、制御部７０は、再加速必要パワーＰａｃｌが、バッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔとバッテリ現在パワーＰｂとの差（Ｐｂｌｏｕｔ−Ｐｂ）よりも大きい場合、すなわち、以下の（４）式を満たすと判定した（Noの）場合には、リフレッシュ処理を終了する。

Ｐａｃｌ＞（Ｐｂｌｏｕｔ−Ｐｂ） （４）

一方、再加速必要パワーＰａｃｌが、バッテリ最大放電許容パワーＰｂｌｏｕｔとバッテリ現在パワーＰｂとの差（Ｐｂｌｏｕｔ−Ｐｂ）以下である場合、すなわち、（３）式を満たすと判定した（Yesの）場合には、図５のステップＳ３０に示すように、酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御を行う。

酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御により、電極触媒１７上の酸化皮膜を還元し、電極触媒１７の表面から酸化皮膜を取り除くことができる。よって、電極触媒１７を活性化することができる。

また、リフレッシュ制御を、所定の電圧よりも低いスタック電圧Ｖｓから行うことができ、電極触媒１７の劣化量を低減することができること、及び、判定電圧Ｖｔを跨がない電圧変化を伴うリフレッシュ制御を行うことができ、電極触媒１７の劣化量を低減することは、電流掃引によるリフレッシュ制御と同様である。

さらに、バッテリ２０が、再加速必要パワーＰａｃｌを出力可能なときにリフレッシュ制御を行っているので、再度の高負荷要求があったときでも、バッテリ２０が、再加速必要パワーＰａｃｌを出力することができる。これにより、車両の加速不足の発生を抑制することができる。
酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御後、処理を終了する。

ここで、酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御を説明する。
図１０（ａ）は、酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御時のスタック電流Ａｓ、スタック電圧Ｖｓ及びストイキの関係を例示したグラフであり、横軸はスタック電流Ａｓを示し、縦軸はスタック電圧Ｖｓを示す。

図１０（ａ）に示すように、ストイキの同一の値を示す曲線は、右下がりの曲線として示されている。ストイキの値が大きくなるほど、ストイキの曲線は、原点から遠ざかる方向に移動している。本実施形態の酸化ガス１９を減少させることによるリフレッシュ制御では、スタック電流Ａｓを一定にしたまま、酸化ガス１９量を減少させる。

図１０（ａ）における実線Ｊは、酸化ガス１９を減少させることによるリフレッシュ制御を行った時の動作点の動きを示している。動作点のスタートは、開始点Ｑである。開始点Ｑにおけるスタック電圧Ｖｓは、所定の電圧、例えば、判定電圧Ｖｔよりも低いスタック電圧Ｖｓとなっている。制御部７０は、スタック電流Ａｓを一定にしたまま、酸化ガス１９量を減少させる。例えば、エアコンプレッサ８０を制御して、酸化ガス１９量を減少させる。これにより、ストイキは小さくなる。これに伴って、スタック電圧Ｖｓが減少する。そして、動作点は最下点Ｌに移動する。

最下点Ｌにおけるスタック電圧Ｖｓは、リフレッシュ電圧Ｖｒとなっている。動作点を最下点Ｌから矢印に沿って戻し、終了点Ｅに到達させる。終了点Ｅは、開始点Ｑよりもスタック電圧Ｖｓが高くなっている。また、スタック電流Ａｓが減少している。よって、リフレッシュ制御の前後において、低いスタック電流Ａｓで、同じパワーを出力できるようになっている。よって、リフレッシュ制御により、ＦＣスタック１０の燃費を向上させることができる。

図１０（ｂ）は、酸化ガス１９を減少させることによるリフレッシュ制御時のスタック電流Ａｓ、パワー及びストイキの関係を例示したグラフであり、横軸は、スタック電流Ａｓを示し、縦軸は、パワーを示す。ストイキの同一の値を示す曲線は、右上がりの曲線として示されている。ストイキの値が大きくなるほど、ストイキの曲線は、パワーが増加する方向に移動している。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）における縦軸を変えた場合の動作点の動きを示している。

図１０（ｂ）に示すように、動作点のスタートは、開始点Ｑである。制御部７０は、スタック電流Ａｓを一定にして、酸化ガス１９を減少させる。すなわち、動作点が、開始点Ｑからスタック電流Ａｓを一定にしてストイキが減少する方向及びパワーが減少する方向の状態に移行するように制御する。これにより、動作点は、最下点Ｌに移動する。最下点Ｌにおけるスタック電圧Ｖｓは、リフレッシュ電圧Ｖｒとなっている。

動作点は、最下点Ｌから矢印に沿って戻り、終了点Ｅに到達する。終了点Ｅは、開始点Ｑよりもスタック電流Ａｓが小さくなっている。また、開始点Ｑ及び終了点Ｅでは、同じパワーとなるように制御されている。よって、リフレッシュ制御の前後において、低いスタック電流Ａｓで、同じパワーを出力できるようになっている。よって、リフレッシュ制御により、ＦＣスタック１０の燃費を向上させることができる。

図１０（ｃ）は、酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御時のストイキ、スタック電圧Ｖｓ及びスタック電流Ａｓの関係を例示したグラフであり、横軸は、ストイキを示し、縦軸は、スタック電圧Ｖｓを示す。スタック電流Ａｓの同一の値を示す曲線は、右上がりの曲線として示されている。スタック電流Ａｓの値が大きくなるほど、スタック電流Ａｓの曲線は、スタック電圧Ｖｓが減少する方向に移動している。図１０（ｃ）は、図１０（ａ）における横軸を変えた場合の動作点の動きを示している。

図１０（ｃ）に示すように、動作点のスタートは、開始点Ｑである。制御部７０は、スタック電流Ａｓを一定にしたまま、酸化ガス１９量を減少させるように制御する。これにより、ストイキは小さくなる。これに伴ってスタック電圧Ｖｓが減少する。そして、動作点は最下点Ｌに移動する。最下点Ｌにおける電圧は、リフレッシュ電圧Ｖｒとなっている。

動作点は、最下点Ｌから矢印に沿って戻り、終了点Ｅに到達する。終了点Ｅは、開始点Ｑよりもスタック電流Ａｓが小さくなっている。また、開始点Ｑ及び終了点Ｅでは、同じパワーとなるように制御されている。よって、リフレッシュ制御の前後において、低いスタック電流Ａｓで、同じパワーを出力できるようになっている。よって、リフレッシュ制御により、ＦＣスタック１０の燃費を向上させることができる。酸化ガス１９を減少させるリフレッシュ制御を終了させた後、リフレッシュ処理は終了する。

次に、本実施形態の効果を説明する。
本実施形態の燃料電池システム１では、スタック電圧Ｖｓを、所定の電圧よりも低くする高負荷要求があった場合に、高負荷要求に応じたパワーをＦＣスタック１０に出力させ、この制御により、スタック電圧Ｖｓが所定の電圧よりも低くなったときに、リフレッシュ制御を行っている。したがって、スタック電圧Ｖｓが低電圧になるときに便乗して、リフレッシュ制御を行っている。すなわち、通常運転時におけるスタック電圧Ｖｓのうち、低負荷要求時の高いスタック電圧Ｖｓからリフレッシュ制御することを抑制し、高負荷要求時の低いスタック電圧Ｖｓからリフレッシュ制御している。このため、リフレッシュ制御を開始するスタック電圧Ｖｓを、低電圧化することができる。よって、リフレッシュ制御が行われるリフレッシュ電圧Ｖｒとの電圧変化の幅を抑制することができる。スタック電圧Ｖｓの電位変化の幅が大きいと、上述した電極触媒１７の粒子の粗大化、表面積の拡大化による劣化及び白金の溶け出しによる劣化が発生する。本実施形態のように、リフレッシュ制御が行われるリフレッシュ電圧Ｖｒとの電圧変化の幅を抑制することができるので、電極触媒１７の劣化を抑制することができる。

また、リフレッシュ制御により、電極触媒１７の表面から酸化皮膜を取り除くことができ、電極触媒１７を活性化することができる。よって、電極触媒１７の劣化を抑制しつつ、電極触媒１７を活性化させることができる。さらに、発電効率を向上させ、燃費を向上させることができる。

また、本実施形態では、スタック電圧Ｖｓが判定電圧Ｖｔよりも低くなるときに便乗して、リフレッシュ制御を行うため、電極触媒１７の劣化が発生する判定電圧Ｖｔ（例えば、０．８Ｖ程度)を跨ぐ回数を減らすことができる。電極触媒１７の劣化は、リフレッシュ制御の電圧変化だけでなく、単に、判定電位Ｖｔを跨いで、判定電圧Ｖｔよりも低くなることによっても発生する。よって、判定電圧Ｖｔを跨ぐ回数を減らすことができるので、電極触媒１７の劣化を抑制することができる。

従来のリフレッシュ制御のように、電極触媒１７のリフレッシュ制御が必要なときに、スタック電圧Ｖｓが高電圧及び低電圧に関係なく、リフレッシュ制御を行うと、電極触媒１７を活性化することはできる。しかしながら、その場合には、リフレッシュ制御のときに、判定電圧Ｖｔを跨ぐことになる。一方、通常運転時にも、スタック電圧Ｖｓは、例えば、高負荷要求時に判定電圧Ｖｔを跨ぐことがある。したがって、リフレッシュ制御時と高負荷要求時とを合わせた分の回数だけ、判定電圧Ｖｔを跨ぐことになる。このように、電極触媒１７の判定電圧Ｖｔを跨ぐ回数が多くなると、電極触媒１７の粒子の粗大化、表面積の拡大化による劣化、及び、白金の溶け出しによる劣化が発生する。したがって、電極触媒１７の活性化のためとはいえ、電極触媒１７の劣化が発生する判定電圧Ｖｔまで低下させる電圧変化を繰り返すと、電極触媒１７の劣化が進行するようになる。

これに対して、本本実施形態では、ＦＣスタック１０のスタック電圧Ｖｓが判定電圧Ｖｔよりも低いスタック電圧Ｖｓになる高負荷要求時に便乗して、リフレッシュ制御を行うため、判定電圧Ｖｔを跨ぐ回数を高負荷要求時だけにすることができる。したがって、リフレッシュ制御のためだけに判定電圧Ｖｔを跨ぐことを抑制することができる。よって、電極触媒１７の劣化を抑制することができる。

なお、本実施形態では、通常運転時に判定電圧Ｖｔを跨ぐ電圧頻度を十分に確保するようにしているので、リフレッシュ制御の機会も確保することができる。よって、電極触媒１７の活性化を十分に確保しながら、電極触媒１７の劣化を抑制することができる。

また、本実施形態では、リフレッシュ制御により発電されるパワーが、バッテリ２０に充電可能なときに、リフレッシュ制御を行っている。リフレッシュ制御には、リフレッシュ制御により発電されるパワーの受け皿となるバッテリ２０の充電許容量に余裕が必要である。そうしないと、バッテリ２０からあふれたパワーによって、モータ６０のトルクに影響を及ぼし、意図せぬ加速を起こすことが考えられる。これに対して、本実施形態では、リフレッシュ制御により発電されるパワーの受け皿となるバッテリ２０の充電許容量に余裕があるときにリフレッシュ制御を行っているので、意図せぬ加速を抑制することができる。

さらに、本本実施形態では、リフレッシュ制御により発電されるパワーが、バッテリ２０に充電可能でない場合には、スタック１０の発電を据え置き、バッテリ２０から高負荷要求に応じたパワーを出力させる。そして、バッテリ２０からパワーを出力したことにより、リフレッシュ制御により発電されるパワーが、バッテリ２０に充電可能になった時に、リフレッシュ制御を行っている。よって、ＦＣスタック１０に対する高負荷要求には応じつつ、バッテリ２０の許容量を調整し、リフレッシュ制御をすることができるようにしている。このように、リフレッシュ制御により発電されるパワーを予測し、バッテリ２０の許容充電量に基づいた判定をすることで、車両の高負荷要求に応じつつ、リフレッシュ制御を行うことができる。これにより、車両の加速不良及び意図せぬ加速を抑制することができる。

リフレッシュ制御により発電されるパワーが、バッテリ２０に充電可能でないときであって、ＦＣスタック１０に対して、高負荷要求がなくなった場合には、再加速等の再度の高負荷要求があっても、バッテリ２０によって、その高負荷要求に応じられるか判定する。そして、応じられるときには、酸化ガスを減少させることによるリフレッシュ制御を行う。このように、本実施形態では、リフレッシュ制御による発電の充電可能性、ＦＣスタック１０の発電の据え置き、バッテリ２０からの出力、再度の高負荷要求への応答判断等の手段を駆使して、リフレッシュ制御の実行の機会及び頻度を確保することができる。

以上、本発明に係る実施の形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

１ 燃料電池システム
１０ ＦＣスタック
１１ アノード電極
１２ カソード電極
１３ 高分子電解質膜
１４ ＭＥＡ
１５ アノード側セパレータ
１６ カソード側セパレータ
１７ 電極触媒
１８ 燃料ガス
１９ 酸化ガス
２０ バッテリ
３０ ＦＣ昇圧コンバータ
４０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
５１ スタック電圧センサ
５２ スタック電流センサ
５３ ＳＯＣ検出部
５４ アクセルセンサ
６０ 駆動用モータ
６１ ＴＭＧドライバ
７０ 制御部
８０ エアコンプレッサ
８１ ＡＣＰ用モータ
８２ ＡＣＰＭＧドライバ
１００ ＰＣＵ
Ａｓ スタック電流
Ｄｓ 劣化量
Ｅ 終了点
Ｈｖ 電圧頻度
Ｊ 実線
Ｐａｃｌ 再加速必要パワー
Ｐｂ バッテリ現在パワー
Ｐｂｌｉｎ バッテリ最大充電許容パワー
Ｐｂｌｏｕｔ バッテリ最大放電許容パワー
Ｐｒ リフレッシュ発電パワー
Ｑ 開始点
Ｖｒ リフレッシュ電圧
Ｖｓ スタック電圧
Ｖｔ 判定電圧
ＷＬ 車輪

Claims (6)

1. 燃料電池の電圧であるスタック電圧を、前記燃料電池の電極触媒が活性化されるリフレッシュ電圧まで低下させることにより、前記電極触媒のリフレッシュ制御を行う燃料電池システムであって、
   燃料ガス及び酸化ガスを用いた電気化学反応によって発電する前記燃料電池と、
   前記スタック電圧をセンサするスタック電圧センサと、
   前記燃料電池のパワーを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池に対して、前記スタック電圧が所定の電圧よりも低くなる高負荷要求があった場合には、
   前記高負荷要求に応じた前記パワーを前記燃料電池に出力させ、この制御により、前記スタック電圧が前記所定の電圧よりも低くなったときに、前記リフレッシュ制御を行う、
   燃料電池システム。
2. 前記リフレッシュ電圧は、前記所定の電圧以下である、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記所定の電圧を、前記リフレッシュ制御を開始する前記スタック電圧と、前記リフレッシュ制御を行った時の前記電極触媒の劣化量との関係から求めた前記スタック電圧であって、その前記スタック電圧以上からの前記リフレッシュ制御で前記電極触媒の劣化が発生している前記スタック電圧とする、
   請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 充電及び放電を行うバッテリをさらに備え、
   前記高負荷要求があった場合には、
   前記制御部は、
   前記燃料電池から電流を引き出す電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、前記バッテリに充電可能な前記パワー以下の場合には、
   前記電流掃引を行うことにより前記リフレッシュ制御を行う、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 充電及び放電を行うバッテリをさらに備え、
   前記高負荷要求があった場合には、
   前記制御部は、
   前記燃料電池から電流を引き出す電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、前記バッテリに充電可能な前記パワーよりも大きい場合には、
   前記燃料電池の発電を抑制し、前記バッテリから前記高負荷要求に応じた前記パワーを出力させ、その後、前記電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、前記バッテリに充電可能な前記パワー以下の場合には、
   前記電流掃引を行うことにより前記リフレッシュ制御を行う、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 充電及び放電を行うバッテリをさらに備え、
   前記高負荷要求があった場合には、
   前記制御部は、
   前記燃料電池から電流を引き出す電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、前記バッテリに充電可能な前記パワーよりも大きい場合には、
   前記燃料電池の発電を抑制し、前記バッテリから前記高負荷要求に応じた前記パワーを出力させ、その後、前記電流掃引を行う前記リフレッシュ制御をすることにより発電される前記パワーが、依然として、前記バッテリに充電可能な前記パワーよりも大きい場合であって、前記燃料電池に対して、前記高負荷要求がなくなった場合には、
   再度の前記高負荷要求があったときのための、前記高負荷要求に応じた前記パワーが、前記バッテリが出力可能な前記パワー以下の場合には、
   前記酸化ガスを低減することにより前記リフレッシュ制御を行う、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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