JP6164200B2 - 酸化ガスの流量調整弁の制御方法と流量調整装置 - Google Patents

酸化ガスの流量調整弁の制御方法と流量調整装置 Download PDF

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Description

本発明は、酸化ガスの流量調整弁の制御方法と流量調整装置に関する。
燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムでは、燃料ガス供給系に限らず、酸化ガス供給系や排ガスの排気系にあっても、管路の開度調整を経て流量調整を行う各種の流量調整弁が用いられている。流量調整弁の故障は、燃料電池の運転に支障を来すことから、燃料電池の発電電圧の挙動を流量調整弁の動作と関連付けて、弁故障の判定に燃料電池の電圧挙動を利用することが提案されている（例えば、特許文献１）。この特許文献では、流量調整弁の一形態である排気系のパージ弁が正常に開弁した際の燃料電池の電圧挙動を予め把握し、パージ弁の開弁指令の出力時の実際の電圧挙動が把握済み電圧挙動と相違すると、パージ弁の故障が起きていると判定する。
特開２００６−２６９１２８号公報
燃料電池の電圧挙動を利用した故障判定手法は、パージ弁以外の流量調整弁にも適用可能である。しかしながら、燃料電池の性能維持のための研究が進み、酸化ガスの流量を調整する流量調整弁にあっては、以下に説明するように、低流量下において微細な流量調整が求められるに到った。
燃料電池の発電を停止したときに、燃料電池のアノード側流路内に水素が残留し、カソード側流路内に酸素が残留していると、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、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。
また、燃料電池の発電停止後にあっても、通常は、低流量での燃料ガス循環がなされることから、アノード側流路内には水素が残留する。この残留水素は、燃料電池の電解質膜を経てカソード側流路に透過し、カソードでは、残留する酸素により透過水素が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。こうしたことから、燃料電池の発電停止時には、燃料電池の開回路電圧を低電圧に保持可能な酸化ガスの流量調整が必要となるので、燃料電池の電圧挙動を利用した酸化ガスの微細な流量調整を可能とする流量調整弁の制御手法が要請されるに到った。
上記した課題の少なくとも一部を達成するために、本発明は、以下の形態として実施することができる。本発明の第１の態様は、燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する際の流量を調整する流量調整弁の制御方法である。この制御方法は、前記燃料電池が一時的に発電を停止する間欠運転モードで運転されて、前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と前記燃料電池との電気的な接続が遮断された負荷遮断状況において、前記流量調整弁を、前記燃料電池の開回路電圧が暫定目標電圧となることが想定される開度まで開き、前記流量調整弁を介して前記カソードへの前記酸化ガスの供給が安定するまで待機する工程と、前記待機する工程の後、前記流量調整弁を一旦全閉とした上で前記流量調整弁を全閉の側から所定開度ずつ開弁する逐次開弁と、前記流量調整弁を一旦全開とした上で前記流量調整弁を全開の側から所定開度ずつ閉弁する逐次閉弁とのいずれかを継続して行うことで前記カソードに導かれる前記酸化ガスの供給量を逐次的に変化させ、前記燃料電池が備える電解質膜をアノードの側から前記カソードの側へと透過した水素を前記導いた前記酸化ガスの酸素で酸化させる第１工程と、前記逐次開弁もしくは前記逐次閉弁がなされるごとに、前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を計測する第２工程と、該計測した計測電圧が前記逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１工程でなされた前記逐次開弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度、もしくは前記計測した計測電圧が前記逐次閉弁の継続に伴って下降に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１工程でなされた前記逐次閉弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度を、調整基準開度として記憶する第３工程とを備える。
（１）本発明の一形態によれば、酸化ガスの流量調整弁の制御方法が提供される。この酸化ガスの流量調整弁の制御方法は、燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する際の流量を調整する流量調整弁の制御方法であって、前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と前記燃料電池との電気的な接続が遮断された負荷遮断状況において、前記流量調整弁を全閉の側から所定開度ずつ開弁する逐次開弁と、前記流量調整弁を全開の側から所定開度ずつ閉弁する逐次閉弁のいずれかを継続して行うことで前記カソードに導かれる前記酸化ガスの供給量を逐次的に変化させ、前記燃料電池が備える電解質膜をアノードの側から前記カソードの側へと透過した水素を前記導いた前記酸化ガスの酸素で酸化させる第１工程と、前記逐次開弁もしくは前記逐次閉弁がなされるごとに、前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を計測する第２工程と、該計測した計測電圧が前記逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１工程でなされた前記逐次開弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度、もしくは前記計測した計測電圧が前記逐次閉弁の継続に伴って下降に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１工程でなされた前記逐次閉弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度を、調整基準開度として記憶する第３工程とを備える。
上記形態の酸化ガスの流量調整弁の制御方法によれば、次の利点がある。計測電圧が逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングは、逐次開弁を図る以前に電解質膜をアノードの側からカソードの側へと透過していた水素（以下、透過水素と称する）の総てがカソードに残存の酸化ガスの酸素により酸化された後に、逐次開弁の継続によりカソードの側で酸化ガスが増加するタイミングとなる。透過水素が総て酸化される状態では、酸化ガス中の酸素は、透過水素と当量比１でカソードに導かれたことになる。そして、逐次開弁は、負荷遮断状況においてなされることから、透過水素量、即ちアノードに残存するもしくは供給されている水素量も少量であるので、透過水素と当量比１で酸素をカソードに導く酸化ガスの流量も低流量となる。この低流量での酸化ガスの流量は、計測電圧が逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングとその前後の所定数のタイミングでなされた逐次開弁の流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度で規定され、調整基準開度として記憶される。所定数のタイミングでなされたそれぞれの逐次開弁での流量調整弁の開度は、計測電圧が逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングそのものの時の流量調整弁の開度と若干の相違はあるとは言え、その相違程度は小さい。よって、所定数のタイミングでなされたそれぞれの逐次開弁での流量調整弁の開度を同等と扱って、少なくとも一つを規定すればよい。
計測電圧が逐次開弁の継続に伴って逐次閉弁の継続に伴って下降に転じるタイミングは、逐次閉弁を図る以前にカソードに導かれていた酸化ガス中の酸素が透過水素の酸化に伴い徐々に消費されて低減し、カソードにおける酸素が透過水素と当量比１まで低減したタイミングとなる。そして、逐次閉弁にあっても、負荷遮断状況においてなされることから、透過水素量、即ちアノードに残存するもしくは供給されている水素量も少量であるので、透過水素と当量比１で酸素をカソードに残存させる酸化ガスの流量も低流量となる。この低流量での酸化ガスの流量は、計測電圧が逐次閉弁の継続に伴って下降に転じるタイミングとその前後の所定数のタイミングでなされた逐次閉弁の流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度で規定され、調整基準開度として記憶される。所定数のタイミングでなされたそれぞれの逐次閉弁での流量調整弁の開度は、計測電圧が逐次閉弁の継続に伴って降下に転じるタイミングそのものの時の流量調整弁の開度と若干の相違はあるとは言え、その相違程度は小さい。よって、所定数のタイミングでなされたそれぞれの逐次閉弁での流量調整弁の開度を同等と扱って、少なくとも一つを規定すればよい。そうすると、上記形態の酸化ガスの流量調整弁の制御方法によれば、記憶した調整基準開度を開度調整の目標の一つとして流量調整弁を制御することで、燃料電池の計測電圧の挙動を利用した酸化ガスの微細な流量調整を可能とする。
（２）上記形態の酸化ガスの流量調整弁の制御方法において、前記第１工程では、前記逐次開弁を行う際の前記所定開度ずつの開弁量或いは開弁間隔が、前記計測電圧が所定の低電圧まで低下しないように調整されているようにしてもよい。こうすれば、次の利点がある。計測電圧が逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングの前の逐次開弁の実行時には、計測電圧は上昇に転じる電圧に向けて下降推移の過程にある。この次に実行されるべき逐次開弁を開弁量や開弁間隔について特段の考慮もなく実行すると、燃料電池にとって望ましくない低電圧（例えばゼロ電圧）まで開回路電圧が低下してしまうことが危惧される。ところが、この形態の酸化ガスの流量調整弁の制御方法によれば、開回路電圧たる計測電圧を望ましくない低電圧まで低下させてしまうことを抑制できる。
（３）上記いずれかの形態の酸化ガスの流量調整弁の制御方法において、前記第３工程では、前記調整基準開度として記憶した前記流量調整弁の開度が所定時間に亘って維持されるよう、前記流量調整弁を制御するようにしてもよい。こうすれば、負荷と電気的な接続が遮断された非発電状況におけるカソード触媒の溶出や還元を抑制して、触媒の安定化を図ることが可能となり、その後の、発電運転に支障を起こしがたくなる。
（４）上記いずれかの形態の酸化ガスの流量調整弁の制御方法において、前記第３工程で記憶した前記調整基準開度を更新記憶する第４工程を備え、前記第３工程では、前記調整基準開度を記憶した際の前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を対比基準開回路電圧として、前記調整基準開度と共に記憶する。そして、前記第４工程は、前記燃料電池を前記負荷遮断状況とした上で、前記流量調整弁の開度を前記第３工程で記憶済みの記憶調整基準開度に設定して、前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を比較開回路電圧として計測し、該比較開回路電圧を前記対比基準開回路電圧と比較する比較工程と、該比較工程での比較結果により得られた前記比較開回路電圧と前記対比基準開回路電圧との差分電圧が小さくなる側に、前記記憶調整基準開度を補正し、該補正後の開度を新たな調整基準開度として更新して記憶する補正工程とを備えるようにしてもよい。こうすれば、流量調整弁の開閉機能が経時変化等により変化しても、この開閉機能変化を相殺するように新たに調整基準開度を記憶できる。よって、新たな調整基準開度を開度調整の目標の一つとして流量調整弁を制御でき、燃料電池の計測電圧の挙動を利用した酸化ガスの微細な流量調整を継続的に可能とする。
（５）本発明の他の形態によれば、流量調整装置が提供される。この流量調整装置は、燃料電池のカソードに供給する酸化ガスの流量を調整する流量調整弁と、前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と前記燃料電池との電気的な接続が遮断して、前記燃料電池を負荷遮断状況とする接続遮断部と、前記燃料電池の開回路電圧を計測する電圧計測部と、前記負荷遮断状況において、前記流量調整弁を開閉駆動制御する弁制御部とを備える。そして、該弁制御部は、前記流量調整弁を全閉の側から所定開度ずつ開弁する逐次開弁と、前記流量調整弁を全開の側から所定開度ずつ閉弁する逐次閉弁のいずれかを継続して行うことで前記カソードに導かれる前記酸化ガスの供給量を逐次的に変化させ、前記燃料電池が備える電解質膜をアノードの側から前記カソードの側へと透過した水素を前記導いた前記酸化ガスの酸素で酸化させる第１制御部と、前記逐次開弁もしくは前記逐次閉弁がなされるごとに、前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を前記電圧計測部から入手する第２制御部とを備え、該計測した計測電圧が前記逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１制御部によりなされた前記逐次開弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度、もしくは前記計測した計測電圧が前記逐次閉弁の継続に伴って下降に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１制御部によりなされた前記逐次閉弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度を、調整基準開度として記憶する。
上記形態の流量調整装置によっても、記憶した調整基準開度を開度調整の目標の一つとして流量調整弁を制御することで、燃料電池の計測電圧の挙動を利用した酸化ガスの微細な流量調整が可能となる。
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置や、この酸化ガス供給装置を燃料電池と共に備えた燃料電池システム、燃料電池への酸化ガス供給方法としても適用できる。
本発明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１００における出力電流と出力電圧との関係および出力電流と出力電力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する酸素量と燃料電池１００のＯＣＶとの関係を模式的に示す説明図である。 間欠運転モード選択時の動作として制御部２００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。 反応場的全閉開度の設定処理を示すフローチャートである。 当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂおよび逐次開弁ステップ数と燃料電池１００のカソードにおける酸素供給量との関係を概略的に示す説明図である。 背圧弁１４３の逐次開弁に伴うＯＣＶＭＥｉの挙動を概略的に示す説明図である。 反応場的全閉開度の学習設定処理を示すフローチャートである。
Ａ．燃料電池システムの全体構成：
図１は本発明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、燃料電池システム３０を搭載する。燃料電池システム３０は、燃料電池車両２０の駆動用のモーター１７０と配線１７８によって接続されており、配線１７８を介して、燃料電池システム３０の発電電力をモーター１７０に供給する。
燃料電池システム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、コンプレッサー１３０を含む空気供給部１４０と、２次電池１７２と、ＤＣ／ＤＣコンバーター１０４と、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４と、制御部２００と、を備える。なお、燃料電池システム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。燃料電池システム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の双方が、モーター１７０を含む負荷に対して電力を供給可能となっている。
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、カソード側に酸素を含有する空気が流れる流路（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コンバーター１０４および配線１７８を介して、モーター１７０を含む負荷に接続されている。燃料電池１００の電圧は、電圧センサー１０２によって検出される。電圧センサー１０２の検出信号は、制御部２００に出力される。
ＤＣ／ＤＣコンバーター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コンバーター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コンバーター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コンバーター１０４は、ダイオードを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバーター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コンバーター１０４が備えるダイオードが、燃料電池を負荷との間で電気的な接続が遮断された負荷遮断状況とすることになる。
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、インジェクター）から、燃料電池１００（詳しくは、各単セル内に形成されるアノード側の流路）に供給される。循環流路１２２を循環する水素の流量は、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、圧力センサー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。
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。
空気供給部１４０は、コンプレッサー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、分配弁１４４、空気放出流路１４２、背圧弁１４３、および流量センサー１４７を備える。第１の空気流路１４１は、コンプレッサー１３０が取り込んだ空気が流れる。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。分配弁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、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量を、制御部２００の制御を受けて調整する。第２の空気流路１４５の一部経路は、燃料電池１００において、各単セル内に形成されるカソード側の流路とされている。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空気放出流路１４２に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。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。流量センサー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。
背圧弁１４３は、図示しないステッピングモーターを備えており、ステッピングモーター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。そして、背圧弁１４３は、開度調節を経て、燃料電池１００におけるカソード側流路の背圧を変更し、この背圧調整により、第２の空気流路１４５を経て燃料電池１００のカソード側流路に流れ込む空気量を調整する。コンプレッサー１３０の駆動量、分配弁１４４における空気の分配量、および、背圧弁１４３の開度は、制御部２００によって調節される。
２次電池１７２は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４を介して配線１７８に接続しており、ＤＣ／ＤＣコンバーター１７４とＤＣ／ＤＣコンバーター１０４とは、配線１７８により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ーが併設されており、検出された残存容量は制御部２００に出力される。残存容量モニターは、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、残存容量モニターは、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ーによって構成することとしてもよい。
ＤＣ／ＤＣコンバーター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コンバーター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ー１７０への電圧印加とを行い、電力引出状態とモーター１７０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバーター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。
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ーで構成される。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ーの他、アクセル開度センサー１８０、シフトポジションセンサー、車速センサー、および外気温センサー等、種々のセンサーから検出信号を取得して、燃料電池車両２０の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ー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、燃料電池システム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で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ー１７０に供給されるように、ＤＣ／ＤＣコンバーター１０４とＤＣ／ＤＣコンバーター１７４を制御する。なお、制御部２００は、さらにタイマーを備えており、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。
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、燃料電池システム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、燃料電池システム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、モーター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、燃料電池システム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。
ここで、燃料電池システム３０から電力供給を受ける負荷としては、燃料電池車両２０を駆動するモーター１７０の他、車両補機および燃料電池補機が含まれる。従って、本実施形態の燃料電池システム３０において、負荷要求とは、モーター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、コンプレッサー１３０や循環ポンプ１２７、分配弁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や、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。
図２は燃料電池１００における出力電流と出力電圧との関係および出力電流と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、非発電状況下保守制御モードでの制御の様子について説明する。
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コンバーター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。
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:以下、単に開回路電圧をＯＣＶとも称する）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。
図３はカソード側流路に供給する酸素量と燃料電池１００のＯＣＶとの関係を模式的に示す説明図である。この図３における電圧の推移軌跡は、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している。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内の特定の電圧を含む電圧が予め設定されており、燃料電池１００のＯＣＶ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。
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、コンプレッサー１３０の駆動量と、分配弁１４４における空気の分配状態と、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ーのうち、コンプレッサー１３０の駆動量および分配弁１４４における空気の分配状態を固定しつつ、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のメモリーに初期値として記憶している。そして、本実施形態の燃料電池システム３０では、目標電圧Ｖmarkを実現するための背圧弁１４３の開度を、後述の間欠運転制御モードにて、必要に応じて設定もしくは更新設定する。
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。従って、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）
背圧弁１４３の開度を、制御部２００のメモリー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。
なお、間欠運転モード選択時に設定される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。
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。従って、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。
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、燃料電池システム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。従って、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。
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。
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。
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、燃料電池システム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、燃料電池システム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２０〜３０秒）が設定されている。
本ルーチンが実行されると、制御部２００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、モーター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。モーター１７０の要求電力は、アクセル開度センサー１８０および車速センサー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。
その後、制御部２００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。
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、燃料電池システム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。
ステップＳ１１０で負荷要求が基準値以下と判断されると、制御部２００は、反応場的全閉開度が所定のメモリー領域に記憶済みであるか否かを判定する（ステップＳ１１５）。この反応場的全閉開度とは、図３における酸素欠乏域Ａと当量比１相当域Ｂとの境界に相当する酸素量を供給可能となるように、背圧弁１４３が開弁している状態の開度を意味する。すなわち、この反応場的全閉開度は、燃料電池１００が発電を停止しているときに電解質膜を透過する水素（透過水素）の酸化に要する量の酸素が、燃料電池１００に対して供給されるような、背圧弁１４３の開度のことである。従って、後述のステップＳ１７０で背圧弁１４３を反応場的全閉開度に設定にすると、燃料電池１００に供給される酸素量が大きく減少する。本実施形態では、背圧弁１４３の反応場的全閉開度が後述するように設定され（ステップＳ２００）、或いは必要の都度に更新設定されて（ステップＳ３００）、制御部２００内のメモリーに記憶されている。
このステップＳ１１５で、反応場的全閉開度が記憶されていないと否定判定すると、制御部２００は、この反応場的全閉開度の設定処理を実行する（ステップＳ２００）。この反応場的全閉開度の設定処理は、背圧弁１４３の開度を燃料電池１００を運転制御する上での一つの制御目標パラメーターとして設定するために行われる。なお、反応場的全閉開度が記憶されていないとの否定判定は、次のように下される。例えば、出荷前点検や保守点検、或いは事故復旧作業などにおいては、各種の機器点検のために、ＥＣＵへ電力を供給する電源（例えば１２V電源、図示せず）が取り外され、そこから電力を得ていたＥＣＵの記憶がリセットされる。燃料電池１００の各種制御に必要な制御目標パラメーターは、こうした負荷遮断状況下において一旦消去されるので、この制御目標パラメーターを設定もしくは再設定する必要がある。こうしたことを踏まえ、ステップＳ１１５では、制御部２００は、出荷前点検や保守点検、或いは事故復旧作業などでの作業員の図示しないディップスイッチ等の操作により、反応場的全閉開度が記憶されていないと否定判定する。もしくは、所定のメモリー領域へのデータ読込を行い、その値がゼロ（ヌル）であると、反応場的全閉開度が記憶されていないと否定判定する
図５は反応場的全閉開度の設定処理を示すフローチャートである。この反応場的全閉開度の設定処理では、まず、制御部２００は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１０４（図１参照）にてモーター１７０等の各種負荷との電気的な接続を遮断して（ステップＳ２１０）、燃料電池１００を負荷遮断状況とする。続いて、制御部２００は、０．８Ｖ程度の暫定目標電圧Ｖｚに対応したガス量で水素ガス供給と空気供給とを図り（ステップＳ２１５）、ガス供給の安定を待機する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２１０での負荷遮断状とステップＳ２１５でのガス供給は、同時並行的に行われる。
その後、制御部２００は、燃料電池１００の背圧弁１４３を全閉駆動する（ステップＳ２２５）。制御部２００は、背圧弁１４３をステップ駆動するステッピングモーターの駆動ステップ数をメモリーに記憶して把握しているので、ステップＳ２２５では、ステップＳ２１５における空気供給のために背圧弁１４３を駆動したステップ数と同数のステップ数、ステッピングモーターを全閉側に反転駆動することになる。この状態の背圧弁１４３の開度は、設計上の全閉開度であり、開度の値が機械的にゼロの機械的全閉開度となる。ステップＳ２２５に続き、制御部２００は、背圧弁１４３の全閉後、即ち機械的全閉開度として燃料電池１００のカソードへの空気供給を絶ってからの燃料電池１００のＯＣＶＭＥ０を電圧センサー１０２（図１）から読み込む（ステップＳ２３０）。なお、以下の説明において、ステップ数は、ステップ駆動するステッピングモーターの駆動ステップ数を意味する。
次に、制御部２００は、全閉状態とした背圧弁１４３を１ステップ数だけ開弁側に駆動し（ステップＳ２３５）、１ステップ開弁駆動後における燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉを電圧センサー１０２（図１）から読み込む（ステップＳ２４０）。この添え字ｉは、ステップＳ２３５によるステップ開弁駆動のステップ数を表す。センサー読込に続き、制御部２００は、背圧弁１４３の１ステップ開弁駆動後のＯＣＶＭＥｉが電圧上昇に推移したか否かを判定し（ステップＳ２４５）、上昇推移にはないと否定判定すると、ステップＳ２３５に移行して、背圧弁１４３の１ステップの開弁駆動、その後のＯＣＶＭＥｉの読込（ステップＳ２４０）、電圧上昇推移判定（ステップＳ２４５）を繰り返し行う。これにより、燃料電池１００がモーター１７０等の負荷と電気的に遮断された負荷遮断状況において、背圧弁１４３を上記した機械的全閉開度から１ステップ数に相当する開度ずつ開弁する逐次開弁がなされ（ステップＳ２３５）、この逐次開弁がなされるごとに、ＯＣＶＭＥｉが計測される（ステップＳ２４０）。このＯＣＶＭＥｉは、燃料電池１００が負荷遮断状況にあることから、カソードに透過した水素がカソードの酸素により酸化されたことに伴う電圧となる。
制御部２００は、ステップＳ２４５にて、背圧弁１４３の１ステップ数に相当する開度ずつの逐次開弁に伴ってＯＣＶＭＥｉが電圧上昇に推移したと肯定判定すると、この肯定判定を下した際の逐次開弁時のステップＳ２３５での積算開弁ステップ数に対応する開度、或いは、肯定判定を下す一つ前の逐次開弁時のステップＳ２３５での積算開弁ステップ数に対応する開度を、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂとして記憶する（ステップＳ２５０）。そして、この背圧弁開弁開度Ｘｂを背圧弁１４３にて維持したまま、所定時間に亘って燃料電池１００に空気を継続供給し（ステップＳ２５５）、本ルーチンを終了する。なお、ステップＳ２５５での空気供給の際、制御部２００は、水素ガスについてもステップＳ２１５での供給量でガス供給を継続する。以下、ステップＳ２３５〜Ｓ２５０に到る処理で起きる現象について、図面を用いて説明する。図６は当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂおよび逐次開弁ステップ数と燃料電池１００のカソードにおける酸素供給量との関係を概略的に示す説明図、図７は背圧弁１４３の逐次開弁に伴うＯＣＶＭＥｉの挙動を概略的に示す説明図である。
まず、背圧弁１４３を設計上の全閉開度とする機械的全閉開度について図６を用いて説明する。背圧弁１４３の開度が機械的全閉開度であることを、背圧弁１４３のステッピングモーターのステップ数と関連付けると、機械的全閉開度は、図６において開度０範囲と記してある領域に属するステップ数に含まれ、図示する開度Xaより小さい開度となる。背圧弁１４３をこの機械的全閉開度（ステップＳ２２５）から１ステップ数に相当する開度ずつ開弁する逐次開弁を継続すると（ステップＳ２３５）、図６に示すように、当初の逐次開弁では、酸素供給量並びにこの供給量を規定する背圧弁１４３におけるガス通過有効断面積は開度０のままである。これは、背圧弁１４３は、シール部材を内蔵し、このシール部材が未だ圧縮されているためにガス通過断面積が実質上、ゼロに等しいからである。逐次開弁の実行回数（ステップ数Ｓｉ）が増えて開度Ｘａとなると、シール部材の圧縮は解かれ、ガス通過有効断面積がゼロ以上となって酸素供給が始まる。この時の開度Ｘａは、燃料電池１００のカソードに実際に酸素が供給される開度であり、機械的全閉開度とほぼ同義である。この開度Ｘａ以上となるように逐次開弁の実行回数（ステップ数Ｓｉ）が増えると、カソードに供給される酸素量も増加する。こうした供給量の増加当初は、ステップＳ２２５にて背圧弁１４３が全閉駆動されたときよりも酸素量の増加をもたらすが、その増加分は、図３に示した酸素欠乏域Ａに属する少量の酸素量に相当し、この供給増加酸素量は透過水素の総てを酸化させる事のできる当量比１相当の酸素量には達していない。しかしながら、カソードへの酸素供給は徐々にではあるものの継続されているため、ＯＣＶは、ステップＳ２３０で計測したＯＣＶＭＥ０のまま推移するが、残留水素の酸化の進行に伴い酸素が不足してくると、ＯＣＶＭＥ０は低下する。
そして、開度Ｘａ以上となるようにある程度のステップ数だけ逐次開弁の実行回数（ステップ数Ｓｉ）が増えると、供給増加酸素量が透過水素の総てを酸化させる事のできる当量比１相当の酸素量に達し、これ以降においては、ＯＣＶは、図６に示すように、逐次開弁の継続に伴って上昇に転じる。ＯＣＶが上昇に転じたタイミングでの開度Ｘｂは、透過水素の総てを酸化させる事のできる当量比１相当の酸素量の供給を起こすことから、反応場的全閉開度と称される。図６に示すところの開度Ｘｂは、図５の開度設定処理におけるステップＳ２５０の当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂに相当する。ところで、逐次開弁は、１ステップ数に相当する開度ずつ背圧弁１４３を開弁させるが、開弁後の開度がＯＣＶの上昇推移をもたらすタイミングでの開度Ｘｂと完全に一致することも有り得るほか、図６に概略的に示すように、開度ＸｂがＳｉ回目の逐次開弁の開度とＳｉ＋１回目の逐次開弁の開度に挟まれることも有り得る。こうしたことを考慮して、ステップＳ２５０では、既述したように、ＯＣＶが上昇に転じたと肯定判定した際の逐次開弁時の積算開弁ステップ数（Ｓｉ＋１）に対応する開度、或いは、肯定判定を下す一つ前の逐次開弁時の積算開弁ステップ数（Ｓｉ）に対応する開度を、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂとして記憶する。記憶された背圧弁開弁開度Ｘｂは、以下に説明する間欠運電モードの制御において、必要に応じて背圧弁１４３の制御に用いられる。ステップＳ２５０では、この背圧弁開弁開度Ｘｂと共に、背圧弁開弁開度Ｘｂが得られた際のＯＣＶＭＥ０についても、このＯＣＶＭＥ０を対比基準開回路電圧ＯＣＶｓとして、背圧弁開弁開度Ｘｂと共に記憶する。なお、積算開弁ステップ数（Ｓｉ＋１）に対応する開度と、これより一つ前の積算開弁ステップ数（Ｓｉ）に対応する開度とは、１ステップ数分の開度の差だけ相違するが、その相違開度は小さいので、上記のいずれか開度を記憶するようにした。こうして記憶した当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂは、課題を解決するための手段における「調整基準開度」に相当する。
このようにして当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを求める前提として、本実施形態の燃料電池システム３０では、ステップＳ２２５において背圧弁１４３を既述した機械的全閉開度まで閉弁するが、反応場的全閉開度たる背圧弁開弁開度Ｘｂを設計や試験等である程度予想することも可能である。こうした場合では、機械的全閉開度の代わりに予想された反応場的全閉開度（予想反応場的全閉開度）よりも閉側で図６の開度０範囲と記してある領域に含まれる所定の閉弁側開度に、ステップＳ２２５では、背圧弁１４３を調整してもよい。この際、実際の反応場的全閉開度は、予想反応場的全閉開度と大きく異なる可能性もあるため、そのような可能性を考慮する場合は閉側の所定の開度は予想反応場的全閉開度よりも十分に閉側とすることが望ましい。このことを背圧弁１４３のステッピングモーターのステップ数で説明すると、背圧弁１４３を図６に示すステップ数Ｓ０〜Ｓ３より多いステップ数でありながら、予想反応場的全閉開度よりも十分に閉側の開度に該当するステップ数で、背圧弁１４３を閉弁側に駆動することになる。
ステップＳ１１５にて反応場的全閉開度が記憶されていると肯定判定すると、制御部２００は、記憶済み反応場的全閉開度の学習設定処理を実行する（ステップＳ３００）。図８は反応場的全閉開度の学習設定処理を示すフローチャートである。この記憶済み反応場的全閉開度の学習設定処理では、まず、制御部２００は、学習実行スパンを設定するためのカウンタｎを値１だけインクリメントし（ステップＳ３０２）、インクリメント後のカウンタｎが学習実行スパン規定カウンタ値Ｍｎに達したか否かを判定する（ステップＳ３０４）。ここで否定判定すると、現時点では、記憶済み反応場的全閉開度の学習設定のタイミングではないとして、ステップＳ１２０に移行する。その一方、ステップＳ３０４で肯定判定すると、記憶済み反応場的全閉開度を学習設定すべく、既述したステップＳ２００と同様に、ＤＣ／ＤＣコンバーター１０４（図１参照）にてモーター１７０等の各種負荷との電気的な接続を遮断して、燃料電池１００を負荷遮断状況とする（ステップＳ３０５）。続いて、制御部２００は、反応場的全閉開度の設定処理におけるステップＳ２５０で記憶した背圧弁開弁開度Ｘｂと、この背圧弁開弁開度Ｘｂが得られた際のＯＣＶＭＥ０たる対比基準開回路電圧ＯＣＶｓを読み込み（ステップＳ３１０）、背圧弁１４３の開度を背圧弁開弁開度Ｘｂに設定する（ステップＳ３２０）。この際、制御部２００は、現時点における背圧弁１４３のステッピングモーターを背圧弁開弁開度Ｘｂに対応するステップまで駆動する。
次いで、制御部２００は、背圧弁開弁開度Ｘｂに設定した際の燃料電池１００のＯＣＶＸｂを電圧センサー１０２（図１）から読み込み（ステップＳ３３０）、このＯＣＶＸｂと対比基準開回路電圧ＯＣＶｓの差分電圧の絶対値を所定の閾値電圧βと対比する（ステップＳ３４０）。この閾値電圧βは、所定期間において背圧弁１４３に許容される駆動状況差異によって生じるガス供給のズレを見越して設定されている。そして、ステップＳ３４０にて、上記の差分電圧の絶対値が閾値電圧β以下であると肯定判定すると、背圧弁開弁開度Ｘｂにズレはないのでその学習は無用であるとして、後述のステップＳ３７０に移行する。
その一方、ステップＳ３４０にて上記の差分電圧の絶対値が閾値電圧βより大きくＣＶＸｂが対比基準開回路電圧ＯＣＶｓより閾値電圧βを越えて大きいと判定すると、制御部２００は、何らかの原因により背圧弁１４３の有効断面積が増して開き過ぎであるとして、背圧弁開弁開度Ｘｂを１ステップ減じた開度に更新して記憶して（ステップＳ３５０）する。また、ステップＳ３４０にて上記の差分電圧の絶対値が閾値電圧βより大きくＣＶＸｂが対比基準開回路電圧ＯＣＶｓより閾値電圧βを越えて小さいと判定すると、制御部２００は、何らかの原因により背圧弁１４３の有効断面積が減じて閉まり過ぎであるとして、背圧弁開弁開度Ｘｂを１ステップ加算した開度に更新して記憶する（ステップＳ３６０）。つまり、ステップＳ３５０とステップＳ３６０により、制御部２００は、記憶済みの背圧弁開弁開度Ｘｂに設定した際のＯＣＶＸｂと対比基準開回路電圧ＯＣＶｓとの差分電圧が小さくなる側に、記憶済みの背圧弁開弁開度Ｘｂを補正し、補正後の開度を新たな背圧弁開弁開度Ｘｂとして更新して記憶する。ステップＳ３５０とステップＳ３６０による新たな背圧弁開弁開度Ｘｂの更新記憶、およびステップＳ３４０での肯定判定を経た開度維持に続いて、制御部２００は、カウンタｎに値０をセットしてこれをクリアし（ステップＳ３７０）、後述のステップＳ１２０に移行する。
上記したステップＳ３００に続き、制御部２００は、現時点で実行中の間欠運転制御処理が、燃料電池システム３０が図示しないイグニッションスイッチの操作後に初めて実行される間欠運転制御処理ルーチン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、制御部２００は、背圧弁１４３の開度を、ステップＳ２５０にて設定した背圧弁開弁開度Ｘｂ或いはステップＳ３５０，Ｓ３６０にて更新記憶された背圧弁開弁開度Ｘｂに合致した開度とし、背圧弁１４３を反応場的全閉状態にする（ステップＳ１７０）。そして、電圧センサー１０２から、燃料電池１００の電圧値Ｖmeを取得する（ステップＳ１７５）。
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との境界に相当する酸素量を供給可能となるような、背圧弁１４３の開弁状態のことである。すなわち、燃料電池１００が発電を停止しているときに電解質膜を透過する水素の酸化に要する量の酸素が、燃料電池１００に対して供給されるような、背圧弁１４３の開弁状態のことである。従って、ステップＳ１７０で背圧弁１４３を反応場的全閉状態にすると、燃料電池１００に供給される酸素量が大きく減少する。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の開度が既述したように予め設定されて、制御部２００内のメモリーに記憶されている。
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。従って、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コンバーター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。
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。
ステップＳ１７５において制御部２００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、電圧センサー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。
ステップＳ１７５で燃料電池１００の電圧値Ｖmeを取得すると、制御部２００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のメモリー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ＳＯＣ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。
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、制御部２００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ー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。
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。
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、制御部２００は、電圧センサー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。
ステップＳ１３０で電圧値Ｖmeを取得した後、制御部２００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（電圧上昇状態に該当する）場合には、制御部２００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（電圧低下状態に該当する）場合には、制御部２００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、上記した電圧上昇状態および電圧低下状態に該当しない（電圧維持状態に該当する）場合には、制御部２００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、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ーの駆動量を、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。
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。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム３０は、モーター１７０等の負荷との電気的な接続が遮断された負荷遮断状況において燃料電池１００を運転するに当たり、カソードへの空気供給（酸素供給）を、背圧弁１４３の全閉により一旦停止し、その後に、背圧弁１４３を１ステップ数ずつ開弁する逐次開弁を継続する（ステップＳ２３５）。そして、この逐次開弁ごとに計測した燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉが逐次開弁の継続に伴って上昇に転じると、ＯＣＶＭＥｉが上昇に転じたと判定した際の逐次開弁時の積算開弁ステップ数（Ｓｉ＋１）に対応する開度、或いは、肯定判定を下す一つ前の逐次開弁時の積算開弁ステップ数（Ｓｉ）に対応する開度を、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂとして記憶する（ステップＳ２５０）。この背圧弁開弁開度Ｘｂは、アノードからカソードに透過した透過水素の総てを酸化させる事のできる当量比１相当の酸素量の供給をもたらす。
本実施形態の燃料電池システム３０は、このような当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを、非発電状況において燃料電池１００を運転する際のＯＣＶの目標電圧Ｖmarkに含ませて、燃料電池１００のＯＣＶが目標電圧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。この背圧弁開弁開度Ｘｂでカソード側の流量を背圧弁１４３にて制御している状況は、燃料電池１００が非発電状況であって、アノード側に残存するもしくは供給されている水素量も少量であるので、透過水素と当量比１で酸素をカソードに導く空気流量も低流量となる。こうしたことから、本実施形態の燃料電池システム３０によれば、記憶した当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを目標電圧Ｖmarkに含ませて背圧弁１４３を制御することで、燃料電池１００の計測電圧の挙動を利用した酸化ガスの微細な流量調整を図ることができる。
本実施例の燃料電池システム３０は、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを求めるに当たり、背圧弁１４３をステッピングモーターの１ステップ数ずつ開弁するよう逐次開弁した（ステップＳ２３５）。よって、本実施例の燃料電池システム３０によれば、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉが逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるように逐次開弁する際に、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉが例えばゼロボルトと云った低電圧まで低下しないようにできるので、燃料電池１００における触媒の劣化を回避できる。この場合、逐次開弁を２ステップ数や３ステップ数ずつの逐次開弁とすることも可能であり、こうした複数ステップ数での逐次開弁であっても、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉが低電圧まで低下しないようにできる。なお、複数ステップ数での逐次開弁の場合、開弁速度を合わせて調整等することで、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉの低電圧低下をより確実に回避できる。
本実施例の燃料電池システム３０は、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂが所定時間に亘って維持されるよう、背圧弁１４３を制御する（ステップＳ２５５）。よって、本実施例の燃料電池システム３０によれば、モーター１７０等の負荷と電気的な接続が遮断された負荷遮断状況におけるカソード触媒の溶出や還元を抑制して、触媒の安定化を図ることが可能となり、その後の、燃料電池１００の発電運転に支障をもたらさないようにできる。
本実施例の燃料電池システム３０は、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを求めるための１ステップ数ずつの背圧弁１４３の逐次開弁を、透過水素の酸化に伴う電圧変化が電圧センサー１０２にて検出される時間間隔を保って行うようにした。よって、本実施例の燃料電池システム３０によれば、電圧センサー１０２にて逐次開弁に伴う電圧変化が計測される以前に、次の逐次開弁が行われるような事態を回避できるので、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉの挙動を正確に把握でき、背圧弁開弁開度Ｘｂの精度も高まる。
本実施例の燃料電池システム３０は、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを保守点検時等における開度設定処理において設定するほか、車両走行過程における間欠運転制御処理においても、更新して再設定する。よって、次の利点がある。背圧弁１４３等の機械部品には、通常、機能確保の上で許容される個体差があると共に、その機能についても、経年変化を起こす。背圧弁１４３について述べると、図６に示すように、機械的全閉開度である開度Ｘａや当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂは、図に示すような範囲において個体差が許容され、同じ背圧弁１４３においても、経年変化により、図示する範囲でのズレは許容される。本実施例の燃料電池システム３０は、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを保守点検時等における開度設定処理において設定すると共に、車両走行過程における間欠運転制御処理においても、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを更新して再設定するので（ステップＳ３００）、個体差に基づく制御のズレや、経年変化の影響を考慮した背圧弁１４３の駆動制御を図ることができる。
本実施形態の燃料電池システム３０は、図４に示す間欠運転モードの実行過程において、背圧弁開弁開度Ｘｂを学習補正するが（ステップＳ３５０〜Ｓ３６０；図８）、背圧弁１４３の駆動を伴うこの学習補正については、カウンタｎが学習実行スパン規定カウンタ値Ｍｎに達するタイミングで行うに過ぎない。よって、間欠運転モードの実行都度に背圧弁１４３を背圧弁開弁開度Ｘｂに駆動するようなことを回避できる。
本実施形態の燃料電池システム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燃料電池システム３０のエネルギー効率が低下することを抑えることができる。
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ー効率が低下する。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、燃料電池システムにおけるエネルギー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。
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。
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、コンプレッサー１３０の駆動量の増減によって行なう方法も考えられるが、コンプレッサー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ーである。従って、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ー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ー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ーを別途設けるなど、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。
本発明は、上述の実施形態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、或いは、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。
本実施形態の燃料電池システム３０は、燃料電池１００のカソードへの空気供給を図る際の流量調整を、背圧弁１４３の開閉駆動による背圧調整を経て行うようにしたが、これに限らない。例えば、分配弁１４４の分配量調整を併用したり、燃料電池１００への入口側流路である第２の空気流路１４５に流量調整弁としての絞り弁を設ける他、出口部と入口部の双方に絞り弁を設けてもよい。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、実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。
本実施形態の燃料電池システム３０は、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉが逐次開弁の継続に伴って上昇に転じたと判定した際の積算開弁ステップ数（Ｓｉ＋１）に対応する開度、或いは、その一つ前の積算開弁ステップ数（Ｓｉ）に対応する開度のいずれかとしたが、これに限らない。例えば、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉが逐次開弁の継続に伴って上昇に転じたと判定した際の積算開弁ステップ数（Ｓｉ＋１）より一つ後の積算開弁ステップ数（Ｓｉ＋２）に対応する開度を、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂとして記憶してもよい。つまり、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉが逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングを含めた前後の所定数のタイミングでなされた逐次開弁の流量調整弁の開度のうち、ＯＣＶＭＥｉが逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングそのものの時の背圧弁１４３の開度との差が所定の範囲に収まっていれば、いずれかのタイミングでなされた逐次開弁での背圧弁１４３の開度を背圧弁開弁開度Ｘｂとして規定してもよい。
本実施形態の燃料電池システム３０は、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを規定するに当たり、背圧弁１４３を全閉まで駆動したが、逐次開弁の継続に伴うＯＣＶの上昇推移が把握できるのであれば、背圧弁１４３を全閉手前の規定の開度まで閉弁駆動し、その後に、逐次開弁を行うようにしてもよい。
本実施形態の燃料電池システム３０は、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂを規定するに当たり、背圧弁１４３を逐次開弁するようにしたが、背圧弁１４３を一旦、全開の側に開弁駆動した後に、１ステップ数ずつの逐次閉弁をおこなうようにしてもよい。このように逐次閉弁を行う際には、燃料電池１００のＯＣＶＭＥｉが逐次閉弁の継続に伴って下降昇に転じたと判定した際の積算開弁ステップ数や、その一つ前、或いはその一つ後の積算開弁ステップ数に対応する開度を、当量比１相当の背圧弁開弁開度Ｘｂとして記憶すればよい。この場合であっても、ＯＣＶＭＥｉが逐次閉弁の継続に伴って下降に転じるタイミングそのものの時の背圧弁１４３の開度との差が所定の範囲に収まっていれば、いずれかのタイミングでなされた逐次閉弁での背圧弁１４３の開度を背圧弁開弁開度Ｘｂとして規定できる。
本実施形態の燃料電池システム３０は、図４に示す間欠運転モードの実行過程で負荷要求からの条件が成立すると（ステップＳ１１０肯定判定）、背圧弁開弁開度Ｘｂを設定するが（ステップＳ２００；図５）、次のようにしてもよい。例えば、負荷要求からの条件が成立しても、図４に示す間欠運転モードの実行過程で背圧弁開弁開度Ｘｂを学習補正してからの経過時間が短い場合には、背圧弁開弁開度Ｘｂの再設定を行わないようにしてもよい。この経過時間が短ければ、背圧弁１４３のシール部材に経時的な硬化等は起き難いので、背圧弁開弁開度Ｘｂに大きな差は生じないと想定される。こうした場合に開度再設定を省略すれば、制御部２００の演算負荷を軽減できる。
本実施形態の燃料電池システム３０は、図４に示す間欠運転モードの実行過程で負荷要求からの条件が成立し（ステップＳ１１０肯定判定）、反応場的全閉開度についてもこれが記憶済みであると、ステップＳ３００の一連の処理にて背圧弁開弁開度Ｘｂを学習して更新するが、次のようにしてもよい。図４に示す間欠運転モードの実行過程におけるステップＳ１５０では、電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとの比較結果に応じて、背圧弁１４３を１ステップずつ逐次的に開弁もしくは閉弁する。よって、こうした逐次開弁或いは逐次閉弁の都度の電圧値Ｖmeの推移を把握しつつ、ステップＳ１５０とそれ以降のステップＳ１６０〜ステップＳ１６２にて、背圧弁開弁開度Ｘｂを学習して更新設定（記憶）するようにしてもよい。
２０…燃料電池車両
２２…車体
３０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０２…電圧センサー
１０４…ＤＣ／ＤＣコンバーター
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…圧力センサー
１２９…開閉バルブ
１３０…コンプレッサー
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…分配弁
１４５…第２の空気流路
１４６…第３の空気流路
１４７…流量センサー
１７０…モーター
１７２…２次電池
１７４…ＤＣ／ＤＣコンバーター
１７８…配線
１８０…アクセル開度センサー
２００…制御部

Claims (5)

  1. 燃料電池のカソードに酸化ガスを供給する際の流量を調整する流量調整弁の制御方法であって、
    前記燃料電池が一時的に発電を停止する間欠運転モードで運転されて、前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と前記燃料電池との電気的な接続が遮断された負荷遮断状況において、
    前記流量調整弁を、前記燃料電池の開回路電圧が暫定目標電圧となることが想定される開度まで開き、前記流量調整弁を介した前記カソードへの前記酸化ガスの供給が安定するまで待機する工程と、
    前記待機する工程の後、前記流量調整弁を一旦全閉とした上で前記流量調整弁を全閉の側から所定開度ずつ開弁する逐次開弁と、前記流量調整弁を一旦全開とした上で前記流量調整弁を全開の側から所定開度ずつ閉弁する逐次閉弁とのいずれかを継続して行うことで前記カソードに導かれる前記酸化ガスの供給量を逐次的に変化させ、前記燃料電池が備える電解質膜をアノードの側から前記カソードの側へと透過した水素を前記導いた前記酸化ガスの酸素で酸化させる第１工程と、
    前記逐次開弁もしくは前記逐次閉弁がなされるごとに、前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を計測する第２工程と、
    該計測した計測電圧が前記逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１工程でなされた前記逐次開弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度、もしくは前記計測した計測電圧が前記逐次閉弁の継続に伴って下降に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１工程でなされた前記逐次閉弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度を、調整基準開度として記憶する第３工程とを備える、
    酸化ガスの流量調整弁の制御方法。
  2. 前記第１工程では、前記逐次開弁を行う際の前記所定開度ずつの開弁量或いは開弁間隔が、前記計測電圧が所定の低電圧まで低下しないように調整されている、請求項１に記載の酸化ガスの流量調整弁の制御方法。
  3. 前記第３工程では、前記調整基準開度として記憶した前記流量調整弁の開度が所定時間に亘って維持されるよう、前記流量調整弁を制御する、請求項１または請求項２に記載の酸化ガスの流量調整弁の制御方法。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の酸化ガスの流量調整弁の制御方法であって、
    前記第３工程で記憶した前記調整基準開度を更新記憶する第４工程を備え、
    前記第３工程では、
    前記調整基準開度を記憶した際の前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を対比基準開回路電圧として、前記調整基準開度と共に記憶し、
    前記第４工程は、
    前記燃料電池を前記負荷遮断状況とした上で、前記流量調整弁の開度を前記第３工程で記憶済みの記憶調整基準開度に設定して、前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を比較開回路電圧として計測し、該比較開回路電圧を前記対比基準開回路電圧と比較する比較工程と、
    該比較工程での比較結果により得られた前記比較開回路電圧と前記対比基準開回路電圧との差分電圧が小さくなる側に、前記記憶調整基準開度を補正し、該補正後の開度を新たな調整基準開度として更新して記憶する補正工程とを備える、
    酸化ガスの流量調整弁の制御方法。
  5. 流量調整装置であって、
    燃料電池のカソードに供給する酸化ガスの流量を調整する流量調整弁と、
    前記燃料電池から電力の供給を受ける負荷と前記燃料電池との電気的な接続が遮断して、前記燃料電池を負荷遮断状況とする接続遮断部と、
    前記燃料電池の開回路電圧を計測する電圧計測部と、
    前記負荷遮断状況において、前記流量調整弁を開閉駆動制御する弁制御部とを備え、
    該弁制御部は、
    前記燃料電池が一時的に発電を停止する間欠運転モードで運転され、前記接続遮断部により負荷遮断状態とされた状態で、前記流量調整弁を、前記燃料電池の開回路電圧が暫定目標電圧となることが想定される開度まで開き、前記流量調整弁を介した前記カソードへの前記酸化ガスの供給が安定するまで待機した後、前記流量調整弁を一旦全閉とした上で前記流量調整弁を全閉の側から所定開度ずつ開弁する逐次開弁と、前記流量調整弁を一旦全開とした上で前記流量調整弁を全開の側から所定開度ずつ閉弁する逐次閉弁とのいずれかを継続して行うことで前記カソードに導かれる前記酸化ガスの供給量を逐次的に変化させ、前記燃料電池が備える電解質膜をアノードの側から前記カソードの側へと透過した水素を前記導いた前記酸化ガスの酸素で酸化させる第１制御部と、
    前記逐次開弁もしくは前記逐次閉弁がなされるごとに、前記水素の酸化に伴う前記燃料電池の開回路電圧を前記電圧計測部から入手する第２制御部とを備え、
    該計測した計測電圧が前記逐次開弁の継続に伴って上昇に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１制御部によりなされた前記逐次開弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度、もしくは前記計測した計測電圧が前記逐次閉弁の継続に伴って下降に転じるタイミングを含む所定数のタイミングにおいて前記第１制御部によりなされた前記逐次閉弁での前記流量調整弁の開度の少なくとも一つの開度を、調整基準開度として記憶する、
    流量調整装置。
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