JPWO2013168218A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

この燃料電池システムは、要求電力に対応する要求電圧が、燃料電池の触媒を構成する白金の酸化還元電位である境界電圧に至った場合に、燃料電池へのＦＣ指示電圧を境界電圧に保持する跨ぎ回避制御を行い、要求電圧とＦＣ指示電圧との乖離分を二次電池によって吸収する。

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は一般に、電解質膜の一方の面に燃料極触媒層と、もう一方の面に酸化剤極触媒層とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設けた、膜−電極接合体（ＭＥＡ）を、原料供給用の流路を設けたセパレータで挟んだ構造を１単位とするいわゆる単セルを有している。通常の燃料電池システムにおいては、この単セルを複数積層させて所望の電力が得られるようにしたセルスタックを使用し、各触媒層に水素、酸素等の原料（以下、原料ガスまたは反応ガスとも称する）を供給して発電する。

燃料電池の発電時には、燃料極に供給する燃料ガスを水素、酸化剤極に供給する酸化剤ガスを空気とした場合、燃料極において、水素から水素イオンと電子とが発生する。電子は外部端子から外部回路を通じて酸化剤極に到達する。酸化剤極において、供給される空気中の酸素と、電解質膜を通過した水素イオンと、外部回路を通じて酸化剤極に到達した電子により、水が生成する。このように燃料極及び酸化剤極において電気化学反応が起こり、電池として機能する。

ところで、燃料電池システムでは燃料電池から取り出す出力は一定では無い場合が多い。燃料電池は、燃料電池から取り出す出力に応じて電圧が変化するものであり、燃料電池から取り出す出力が大きくなると燃料電池の電圧は低下する。電圧が低下した際に、酸化剤極の触媒の表面に形成された酸化被膜が還元されると、再び燃料電池の電圧が高くなった場合（燃料電池から取り出す出力が小さくなった場合）、触媒の金属成分（例えば、カーボンに担持された白金など）が溶出する。

これに対して下記特許文献１では、燃料電池の出力が変化する場合に生じる白金などの触媒の溶出を抑制することを目的とする燃料電池システムが提案されている。下記特許文献１に開示されている燃料電池システムは、燃料電池と二次電池とからモータに電力を供給し、二次電池のＳＯＣに基づいて燃料電池の出力を制限する出力制御手段を備えている。二次電池のＳＯＣが１０％よりも大きい場合には、出力制御手段によって、燃料電池の出力を燃料電池の電圧が所定電圧よりも低くならないように制限する。この燃料電池システムによると、燃料電池の電圧変化による酸化剤極の触媒（例えば白金など） の溶出に伴う劣化を抑制することができるものとされている。

特開２００７?２２０３２３号公報

上述した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の出力を制限した場合の電力不足分をエネルギー充放電手段である二次電池から供給している。具体的には同文献の段落００３１に記載されているように、運転の初期段階において二次電池からモータへの電力の供給を主体として、燃料電池からモータへ供給する電力を小さくする。この場合には燃料電池の電圧が所定電圧（０．８Ｖ）よりも低くならないように、燃料電池の出力を所定出力以下となるように制御し、燃料電池の電圧、特に酸化剤極の電位を高い状態に維持している。この場合、モータで必要な残りの電力を二次電池から供給する。燃料電池の電圧を高く維持することにより、酸化剤極の電位を高くし、酸化剤極の白金の表面に形成された酸化被膜の還元を抑制し、その後燃料電池の電圧が高くなった場合でも白金の溶出を抑制することができる。

ところで特許文献１では、二次電池の蓄電量を検出し、検出した蓄電量が二次電池を満充電とした状態の蓄電量に対して１０％以下となっているかどうかを判断している。そして、二次電池の蓄電量が１０％以下となっている場合には、燃料電池を主体としてモータに電力を供給している。つまり、燃料電池の出力制限を解除し、モータで必要とされる電力に応じて燃料電池の出力を制御している。

上記特許文献１に開示された燃料電池システムでは、触媒である白金の溶出を抑制すべく、最初から二次電池からの電力を利用するため、本来であれば要求出力に対して燃料電池の供給出力に余裕があり所定電圧よりも高い状態を維持できるような場合であっても、二次電池からの電力が優先して使われてしまう。その結果、二次電池の蓄電量が１０％以下の状態のときに、所定電圧を跨いで上下する負荷要求が頻繁にあった場合、二次電池でサポートすることができなくなり、燃料電池の電圧が所定電圧を跨いで上下する跨ぎ変動が起こりやすくなる。燃料電池の電圧に跨ぎ変動が頻繁に起こると、白金の溶出及び析出が繰り返され、白金が触媒担持体の周囲に凝集するため、触媒活性の低下、耐久性の低下が起こる。

従って、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、二次電池の蓄電量が早い段階で燃料電池の出力をサポートできない程度にまで減少してしまうため、燃料電池の電圧変動を抑制する必要が生じた場合に二次電池のサポートが的確に受けられないという解決すべき課題がある。

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、燃料電池と二次電池とを備える燃料電池システムであって、二次電池に掛かる負荷を極力低減し、燃料電池の触媒溶出防止のためのサポートを適切なタイミングで行うことが可能な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、燃料電池システムであって、電解質膜を挟んで配置され、それぞれが触媒を有する燃料極及び酸化剤極を含む燃料電池と、電気を充電および放電することが可能な二次電池と、燃料電池及び二次電池に電気的に接続されてなる負荷と、負荷が必要とする要求電力、要求電圧、及び要求電流のいずれかに応じた電力、電圧、又は電流を、燃料電池から供給される電力、電圧、又は電流、及び二次電池から供給される電力、電圧、又は電流を調整しながら供給する出力供給部と、を備える。出力供給部は、要求電力、要求電圧、及び要求電流のいずれかが、燃料電池の触媒の酸化還元電力、酸化還元電圧、又は酸化還元電流である境界電力、境界電圧、又は境界電流に至った場合に、燃料電池へのＦＣ指示電力、ＦＣ指示電圧、又はＦＣ指示電流を境界電力、境界電圧、又は境界電流に保持する跨ぎ回避制御を行い、要求電力とＦＣ指示電力との乖離分、要求電圧とＦＣ指示電圧との乖離分、又は要求電流とＦＣ指示電流との乖離分を二次電池からの放電又は二次電池における蓄電によって吸収する。

本発明によれば、要求電力が境界電力に至るか、要求電圧が境界電圧に至るか、要求電流が境界電流に至るかの少なくともいずれかの条件を満たすと、出力供給部は燃料電池へのＦＣ指示電力を境界電力に保持するか、ＦＣ指示電圧を境界電圧に保持するか、ＦＣ指示電流を境界電流に保持するかの少なくともいずれかの跨ぎ回避制御を行うので、ＦＣ指示電力、ＦＣ指示電圧、又はＦＣ指示電流が燃料電池の触媒の酸化還元電力、酸化還元電圧、又は酸化還元電流を跨ぐことを抑制することができる。触媒の溶出は、酸化還元電力よりも電力が高いか、酸化還元電圧よりも電圧が高いか、酸化還元電流よりも電流が高い場合に発生し、触媒の析出は、酸化還元電力よりも電力が低いか、酸化還元電圧よりも電圧が低い場合に発生するので、酸化還元電力、酸化還元電圧、又は酸化還元電流を跨がないように制御することで、触媒の溶出・析出による凝縮を抑制することができる。

更に、本発明では、要求電圧が境界電圧に到達すると、ＦＣ指示電圧を境界電圧に保持する跨ぎ回避制御を行うので、例えば、開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）から境界電圧までの間で要求電圧が維持されていれば、要求電圧通りにＦＣ指示電圧を設定することができ、二次電池の電力を無駄に使うことがない。要求電圧が高電圧側から境界電圧に至るとＦＣ指示電圧を境界電圧で保持し、余剰の電力は二次電池に供給することで、要求電圧とＦＣ指示電圧との乖離分を吸収することができる。一方、要求電圧が低電圧側から境界電圧に至るとＦＣ指示電圧を境界電圧で保持し、不足する電力は二次電池から供給することで、要求電圧とＦＣ指示電圧との乖離分を吸収することができる。尚、要求電圧と境界電圧との関係は、電力又は電流に置換して制御することもできる。具体的には、要求電力が、境界電圧に対応する境界電力に到達した場合や、要求電力に対応する要求電流が、境界電圧に対応する境界電流に到達した場合に、跨ぎ回避制御を行うものである。

また本発明に係る燃料電池システムでは、出力供給部は、跨ぎ回避制御の実行中において、要求電力を時間的に遅延させた仮想要求電力、要求電圧を時間的に遅延させた仮想要求電圧、又は要求電流を遅延させた仮想要求電流を設定し、仮想要求電力、仮想要求電圧、又は仮想要求電流に対応する電力、電圧、又は電流が境界電力、境界電圧、又は境界電流に至る時に跨ぎ回避制御を解除することも好ましい。

上述したように本発明では、要求電圧（要求電力又は要求電流）が境界電圧（境界電力又は境界電流）に到達するとＦＣ指示電圧（ＦＣ指示電力又はＦＣ指示電流）を境界電圧（境界電力又は境界電流）に保持する跨ぎ回避制御を実行する。この跨ぎ回避制御は、要求電圧（要求電力又は要求電流）とＦＣ指示電圧（ＦＣ指示電力又はＦＣ指示電流）との乖離分を二次電池によって吸収するものであるから、跨ぎ回避制御の開始条件を満たし続ける場合であっても二次電池の容量の観点から跨ぎ回避制御を解除する場合が生じうる。そこでこの好ましい態様では、要求電圧を時間的に遅延させた仮想要求電圧（あるいは要求電力を時間的に遅延させた仮想要求電力又は要求電流を時間的に遅延させた仮想要求電流）を設定し、その仮想要求電圧（あるいは仮想要求電力又は仮想要求電流）が境界電圧に至るタイミングにおいて跨ぎ回避制御を解除するものとしている。このように構成することで、短い時間間隔で要求電圧（要求電力又は要求電流）が境界電圧（境界電力又は境界電流）を挟んで往来した場合にも、ＦＣ指示電圧（ＦＣ指示電力又はＦＣ指示電流）の過剰な追従を回避することができる。具体的には例えば、要求電圧（要求電力又は要求電流）が高電圧側（高電力側又は高電流側）から境界電圧（境界電力又は境界電流）を跨いだとしても、あまり時間を空けずに再び高電圧側（高電力側又は高電流側）に戻る場合には、仮想要求電圧（仮想要求電力又は仮想要求電流）が境界電圧（境界電力又は境界電流）に至るタイミングにおいて跨ぎ回避制御を解除することで、ＦＣ指示電圧（ＦＣ指示電力又はＦＣ指示電流）が境界電圧（境界電力又は境界電流）を跨がない制御を実行できる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、出力供給部は、跨ぎ回避制御の実行中において、二次電池の放電余力又は充電余力が予め設定した余力閾値を超えた場合に跨ぎ回避制御を解除することも好ましい。

上述したように本発明では、跨ぎ回避制御の開始条件を満たし続ける場合であっても二次電池の容量の観点から跨ぎ回避制御を解除する場合が生じうる。この好ましい態様では、二次電池の放電余力又は充電余力が予め設定した余力閾値を超えた場合に跨ぎ回避制御を解除することで、二次電池に過剰な負荷をかけることなく触媒の溶出を抑制する制御を実行することができる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、出力供給部は、要求電力、要求電圧、又は要求電流の変動速度に応じて余力閾値を変動させることも好ましい。

この好ましい態様では、要求電力、要求電圧、又は要求電流の変動速度を余力閾値の設定値に反映させることで、二次電池に過剰な負荷をかけることをより確実に抑制できる。

また本発明に係る燃料電池システムでは、出力供給部は、跨ぎ回避制御の実行中において、要求電力、要求電圧、又は要求電流の変動速度又は変動幅が変動閾値を超えた場合に跨ぎ回避制御を解除することも好ましい。

この好ましい態様では、要求電力、要求電圧、又は要求電流の変動速度又は変動閾値を超えた場合に跨ぎ回避制御を解除するので、例えば急激な要求電力の増加があった場合にその急激な要求電力、要求電圧、又は要求電流の変化に的確に追従した出力を確保することができ、この燃料電池システムを車両の駆動に用いた場合のドライバビリティの悪化を抑制できる。

本発明によれば、二次電池に掛かる負荷を極力低減し、燃料電池の触媒溶出防止のためのサポートを適切なタイミングで行うことが可能な燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。 図１に示す燃料電池システムの動作例を示すフローチャートである。 図１に示す燃料電池システムを図２に示すフローチャートに則って動作させた場合の燃料電池の電圧の動きの一例を示すグラフである。

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。

最初に、本発明の実施形態である燃料電池車両に搭載される燃料電池システムＦＳについて図１を参照しながら説明する。図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システムＦＳのシステム構成を示す図である。燃料電池システムＦＳは、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ）１に搭載するシステムであって、車輪２を駆動するものである。

燃料電池システムＦＳは、燃料電池ＦＣと、エアコンプレッサーＡＣＰと、高圧水素タンクＦＳ１と、ＦＣ昇圧コンバーターＤＣａと、バッテリー昇圧コンバーターＤＣｂと、二次電池ＢＴａと、トラクションインバーターＴＩＶと、駆動モーターＤＭａと、コントローラーＥＣＵと、を備えている。

燃料電池ＦＣは、多数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックとして構成されている。燃料電池ＦＣでは、通常の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池ＦＣ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）

高圧水素タンクＦＣ１から燃料電池ＦＣに供給された燃料ガスは、燃料電池ＦＣの内部で起電反応に寄与し、オフガスとして燃料電池ＦＣから排出される。

高圧水素タンクＦＳ１，高圧（例えば、３５ＭＰａ〜７０ＭＰａ）の水素ガスを貯蔵するものである。

エアコンプレッサーＡＣＰが作動して吸い込まれる空気は、燃料電池ＦＣに供給され、燃料電池ＦＣの内部で起電反応に寄与し、オフガスとして燃料電池ＦＣから排出される。

ＦＣ昇圧コンバーターＤＣａは、燃料電池ＦＣが発電した直流電力を昇圧してトラクションインバーターＴＩＶに供給する。このＦＣ昇圧コンバーターＤＣａによる電圧変換制御により、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）が制御される。

バッテリー昇圧コンバーターＤＣｂは、二次電池ＢＴａから供給される直流電力を昇圧してトラクションインバーターＴＩＶに出力する機能と、燃料電池ＦＣが発電した直流電力、回生制動により駆動モータＤＭａが回収した回生電力を降圧して二次電池ＢＴａに充電する機能を有する。バッテリー昇圧コンバーターＤＣｂのこれらの機能により、二次電池ＢＴａの充放電が制御される。

二次電池ＢＴａ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。二次電池ＢＴａ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。

トラクションインバーターＴＩＶは、駆動モーターＤＭａに繋がれている。トラクションインバーターＴＩＶは、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバーターである。トラクションインバーターＴＩＶは、コントローラーＥＣＵからの制御指令に従って、燃料電池ＦＣ又は二次電池ＢＴａから出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、駆動モータＤＭａの回転トルクを制御する。駆動モータＤＭａ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。

この燃料電池システムＦＳは統合的な制御手段としてのコントローラーＥＣＵを備えている。コントローラーＥＣＵ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ＦＳの各部を制御するものである。例えば、コントローラーＥＣＵは、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システムＦＳの運転を開始する。その後、コントローラーＥＣＵは、アクセルセンサ２１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ＶＣなどを基に、燃料電池システムＦＳ全体の要求電力を求める。燃料電池システムＦＳ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、エアコンプレッサー、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、コントローラーＥＣＵは、燃料電池ＦＣと二次電池ＢＴａとのそれぞれの出力電力の配分を決定する。コントローラーＥＣＵは、燃料電池ＦＣの発電量が目標電力に一致するように、各部を制御するとともに、ＦＣ昇圧コンバーターＤＣａを制御して、燃料電池ＦＣの運転ポイント（出力端子電圧、出力電流）を制御する。

更に、コントローラーＥＣＵ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ーＴＩＶに出力し、駆動モータＤＭａの出力トルク、及び回転数を制御する。

続いて、本実施形態の燃料電池システムＦＳの運転制御例を、図２を参照しながら説明する。図２は、図１に示す燃料電池システムＦＳの動作例を示すフローチャートである。尚、以下の説明では、動作の主体を特に明示しない場合は、燃料電池システムＦＳのコントローラーＥＣＵ（出力供給部）による処理であるものとする。

ステップＳ０１では、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧が境界電圧に至ったか否かを判断する。このＦＣ指示電圧は、負荷である駆動モータＤＭａやエアコンプレッサーＡＣＰなどが必要とする要求電力に対応するものである。上述したように、負荷が必要とする要求電力に対しては、燃料電池ＦＣが発電する電力及び二次電池ＢＴａが供給する電力を調整しながら供給するものであるけれども、運転初期段階のステップＳ０１においては燃料電池ＦＣから供給する電力のみを使用するものとしている。

本実施形態における境界電圧とは、燃料電池ＦＣの触媒を構成する白金の酸化還元電位である。従って、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧が境界電圧に至る場合とは、境界電圧よりも高い電圧からＦＣ指示電圧が降下して境界電圧に至る場合と、境界電圧よりも低い電圧からＦＣ指示電圧が上昇して境界電圧に至る場合とがある。

ステップＳ０１においては、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧が境界電圧に至らない場合は判断を繰り返し、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧が境界電圧に至った場合はステップＳ０２の処理に進む。

ステップＳ０２では、二次電池ＢＴａでサポート可能か否かを判断する。本実施形態に係る燃料電池システムＦＳは、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧が境界電圧を極力跨がないようにして、跨ぎ回数の変動を抑制する。従って、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧が境界電圧に至った際において、境界電圧よりも高い電圧からＦＣ指示電圧が降下してきた場合には二次電池ＢＴａから電力を供給（放電）し、境界電圧よりも低い電圧からＦＣ指示電圧が上昇してきた場合には二次電池ＢＴａで余剰電力を吸収（蓄電）する。ステップＳ０２では、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧の変動プロファイル（上昇側か下降側か）を判断し、それに対応して二次電池ＢＴａの蓄電余力または放電余力があるか否かを判断する。

ステップＳ０２においては、二次電池ＢＴａでサポート可能であればステップＳ０３の処理に進み、二次電池ＢＴａでサポート不可能であればステップＳ０６の処理に進む。

ステップＳ０３では、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧を境界電圧に保持し、二次電池ＢＴａでサポートすることで跨ぎ回避制御を実行する。具体的には、負荷への供給電圧に対応する全体の要求電圧と、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧との乖離分を二次電池ＢＴａによって吸収することで、跨ぎ回避制御を実行する。

ステップＳ０４では、ステップＳ０３の跨ぎ回避制御の実行中において、跨ぎ回避制御を解除すべきか否かを判断する。この判断には、二次電池ＢＴａの状態に基づくものと、ＦＣ指示電圧の変動によるものとがある。

二次電池ＢＴａのＳＯＣは監視しているので、二次電池ＢＴａが更に蓄電可能な状態なのか、二次電池ＢＴａが更に放電可能な状態なのかを判断することができる。上述した跨ぎ回避制御において、二次電池ＢＴａで余剰電力を吸収させる必要があるにも関わらず、二次電池ＢＴａの蓄電余力が無くなっていれば、二次電池ＢＴａの劣化が懸念されるので、跨ぎ回避制御を解除すべきものと判断する。

ＦＣ指示電圧が境界電圧から離れた場合、すなわち、境界電圧よりも高い電圧からＦＣ指示電圧が境界電圧に至り、しばらく境界電圧にＦＣ指示電圧が保持された後、ＦＣ指示電圧が上昇した場合や、境界電圧よりも低い電圧からＦＣ指示電圧が境界電圧に至り、しばらく境界電圧にＦＣ指示電圧が保持された後、ＦＣ指示電圧が下降した場合に、境界電圧を跨ぐ可能性が低減されるので、跨ぎ回避制御を解除すべきものと判断する。

ステップＳ０４においては、跨ぎ回避制御を解除すべきでないと判断した場合にはステップＳ０３の処理を継続し、跨ぎ回避制御を解除すべきであると判断したアバイにはステップＳ０５の処理に進む。

ステップＳ０５では、跨ぎ回避制御を解除し、通常制御へと収束処理を行う。例えば、跨ぎ回避制御で境界電圧に保持されているＦＣ指示電圧と、通常制御とした場合のＦＣ指示電圧との間の乖離が大きければ、ＦＣ指示電圧を徐々に通常制御におけるＦＣ指示電圧に収束させる。一方、跨ぎ回避制御で境界電圧に保持されているＦＣ指示電圧と、通常制御とした場合のＦＣ指示電圧との間の乖離が小さければ、ＦＣ指示電圧を直ちに通常制御におけるＦＣ指示電圧に収束させることも好ましい。

ステップＳ０６では、要求電圧に基づいてＦＣ指示電圧を算出し、そのＦＣ支持電圧に基づいて通常制御を実行する。

続いて、図２を参照しながら説明したフローチャートに則って本実施形態の燃料電池システムＦＳを運転した場合のＦＣ指示電圧の動きについて、図３を参照しながら説明する。図３は、図１に示す燃料電池システムを図２に示すフローチャートに則って動作させた場合の燃料電池の電圧の動きの一例を示すグラフである。

図３においては、縦軸に燃料電池ＦＣに対するＦＣ指示電圧を取り、横軸に時間を取っている。線Ｌ１は、燃料電池ＦＣに対するＦＣ指示電圧を示し、線Ｌ２は、要求電圧に対応した仮想的な線を示し、線Ｌ３は、線Ｌ２に時間的な遅延処理を施した仮想的な線を示している。

燃料電池燃料電池システムＦＳの始動初期（時刻０〜ｔ１）においては、ＦＣ指示電圧が開回路電圧（ＯＣＶ）とならないように、高電位回避制御を行なっている。従って、ＦＣ指示電圧は上限電圧ＶＬに保持されている。要求電圧を示す線Ｌ２が上限電圧ＶＬよりも下がると、ＦＣ指示電圧も線Ｌ２にならうように制御される。ＦＣ指示電圧を示す線Ｌ１が境界電圧Ｖ０に到達すると（時刻ｔ２）、ＦＣ指示電圧が境界電圧Ｖ０に保持される（時刻ｔ２〜ｔ３）。

図２を参照しながら説明したフローでは、二次電池ＢＴａのサポート限界が到来した場合や、ＦＣ指示電圧が境界電圧Ｖ０から離れた場合に、跨ぎ回避制御を解除するものとしているけれども、その判断手法の一例として、要求電圧を時間的に遅延させて判断することも好ましい。図３において、線Ｌ３は線Ｌ２を時間的に遅延させた仮想的な線である。線Ｌ２に対する線Ｌ３の遅延度合いを、この燃料電池システムＦＳの特性に適合させれば、二次電池ＢＴａのサポート限界を未然に検知したり、要求電圧が境界電圧Ｖ０を下回ったすぐ後に要求電圧が上昇した場合にそれを検知したりすることができる。本実施形態では、時刻ｔ３において線Ｌ３が境界電圧Ｖ０を下回っているので、この時刻ｔ３において跨ぎ回避制御を解除している。その後、時刻ｔ４において要求電圧に基づく通常制御に移行している。

時刻ｔ４を過ぎると、ＦＣ指示電圧が上昇する。ＦＣ指示電圧が上昇しながら、境界電圧Ｖ０に到達すると（時刻ｔ５）、ＦＣ指示電圧は境界電圧Ｖ０に保持され、跨ぎ回避制御が再開される（時刻ｔ５〜ｔ６）。更に、時刻ｔ６において線Ｌ３が境界電圧Ｖ０を上回っているので、この時刻ｔ６において跨ぎ回避制御を解除している。

上述したように本実施形態では、要求電力に対応する要求電圧が、燃料電池ＦＣの触媒を構成する金属の表面に形成される酸化被膜が還元される低電圧状態と燃料電池ＦＣの触媒を構成する金属が酸化され酸化被膜が形成される高電圧状態との境界である境界電圧Ｖ０に至った場合に、燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧を境界電圧Ｖ０に保持する跨ぎ回避制御を行い、要求電圧とＦＣ指示電圧との乖離分を二次電池ＢＴａによって吸収する。

本実施形態によれば、要求電圧が境界電圧Ｖ０に至ると、出力供給部であるコントローラーは燃料電池ＦＣへのＦＣ指示電圧を境界電圧Ｖ０に保持する跨ぎ回避制御を行うので、ＦＣ指示電圧が燃料電池ＦＣの触媒を構成する白金の酸化還元電位を跨ぐことを抑制することができる。触媒の溶出は、酸化還元電位よりも電位が高い場合に発生し、触媒の析出は、酸化還元電位よりも電位が低い場合に発生するので、酸化還元電位を跨がないように制御することで、触媒の溶出・析出による凝縮を抑制することができる。

更に、本実施形態では、要求電圧が境界電圧に到達すると、ＦＣ指示電圧を境界電圧Ｖ０に保持する跨ぎ回避制御を行うので、例えば、開回路電圧（ＯＣＶ：Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）から境界電圧Ｖ０までの間で要求電圧が維持されていれば、要求電圧通りにＦＣ指示電圧を設定することができ、二次電池ＢＴａの電力を無駄に使うことがない。要求電圧が高電圧側から境界電圧Ｖ０に至るとＦＣ指示電圧を境界電圧Ｖ０で保持し、余剰の電力は二次電池ＢＴａに供給することで、要求電圧とＦＣ指示電圧との乖離分を吸収することができる。一方、要求電圧が低電圧側から境界電圧Ｖ０に至るとＦＣ指示電圧を境界電圧Ｖ０で保持し、不足する電力は二次電池ＢＴａから供給することで、要求電圧とＦＣ指示電圧との乖離分を吸収することができる。

また本実施形態では、跨ぎ回避制御の実行中において、要求電圧Ｌ２を時間的に遅延させた仮想要求電圧Ｌ３を設定し、当該仮想要求電圧Ｌ３が境界電圧Ｖ０に至る時に跨ぎ回避制御を解除する（図３及びその説明参照）。この制御は仮想要求電圧Ｌ３に対応する仮想要求電流又は仮想要求電圧に基づいて行うことも可能であり、仮想要求電力を用いることはより好ましい態様である。

上述したように本実施形態では、要求電圧が境界電圧Ｖ０に到達するとＦＣ指示電圧を境界電圧Ｖ０に保持する跨ぎ回避制御を実行する。この跨ぎ回避制御は、要求電圧とＦＣ指示電圧との乖離分を二次電池によって吸収するものであるから、跨ぎ回避制御の開始条件を満たし続ける場合であっても二次電池ＢＴａの容量の観点から跨ぎ回避制御を解除する場合が生じうる。そこで、要求電圧を時間的に遅延させた仮想要求電圧（図３の線Ｌ３）を設定し、その仮想要求電圧が境界電圧Ｖ０に至るタイミングにおいて跨ぎ回避制御を解除するものとしている。このように構成することで、短い時間間隔で要求電圧が境界電圧Ｖ０を挟んで往来した場合にも、ＦＣ指示電圧の過剰な追従を回避することができる。具体的には例えば、要求電圧が高電圧側から境界電圧Ｖ０を跨いだとしても、あまり時間を空けずに再び高電圧側に戻る場合には、仮想要求電圧が境界電圧Ｖ０に至るタイミングにおいて跨ぎ回避制御を解除することで、ＦＣ指示電圧が境界電圧Ｖ０を跨がない制御を実行できる。

また本実施形態では、跨ぎ回避制御の実行中において、二次電池ＢＴａの放電余力又は充電余力が予め設定した余力閾値を超えた場合に跨ぎ回避制御を解除する（図２におけるステップＳ０４及びその説明参照）。

上述したように本実施形態では、跨ぎ回避制御の開始条件を満たし続ける場合であっても二次電池ＢＴａの容量の観点から跨ぎ回避制御を解除する場合が生じうる。そこで、二次電池ＢＴａの放電余力又は充電余力が予め設定した余力閾値を超えた場合に跨ぎ回避制御を解除することで、二次電池ＢＴａに過剰な負荷をかけることなく触媒の溶出を抑制する制御を実行することができる。

また本実施形態では、要求電力の変動速度に応じて余力閾値を変動させることも好ましい。この好ましい態様では、要求電力の変動速度を余力閾値の設定値に反映させることで、二次電池ＢＴａに過剰な負荷をかけることをより確実に抑制できる。

また本実施形態では、跨ぎ回避制御の実行中において、要求電力の変動速度又は変動幅が変動閾値を超えた場合に跨ぎ回避制御を解除することも好ましい。この好ましい態様では、要求電力の変動速度又は変動閾値を超えた場合に跨ぎ回避制御を解除するので、例えば急激な要求電力の増加があった場合にその急激な要求電力の変化に的確に追従した出力を確保することができ、この燃料電池システムＦＳを車両の駆動に用いた場合のドライバビリティの悪化を抑制できる。

尚、本実施形態では、要求電圧、ＦＣ指示電圧、境界電圧、仮想要求電圧等に基づいて制御する例を示したけれども、電力や電流に基づいて制御することも可能であり好ましいものである。その場合は、要求電力、ＦＣ指示電力、境界電力、仮想要求電力等の電力系で制御するか、要求電流、ＦＣ指示電流、境界電流、仮想要求電流等の電流系で制御するか、電圧系、電力系、電流系を組み合わせて制御するかのいずれも選択可能なものである。

ＦＳ：燃料電池システム
ＦＣ：燃料電池
ＦＳ１：高圧水素タンク
ＡＣＰ：エアコンプレッサー
ＤＣａ：ＦＣ昇圧コンバーター
ＴＩＶ：トラクションインバーター
ＤＣｂ：バッテリー昇圧コンバーター
ＤＭａ：駆動モータ
ＢＴａ：二次電池

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   電解質膜を挟んで配置され、それぞれが触媒を有する燃料極及び酸化剤極を含む燃料電池と、
   電気を充電及び放電することが可能な二次電池と、
   前記燃料電池及び前記二次電池に電気的に接続されてなる負荷と、
   前記負荷が必要とする要求電力、要求電圧、及び要求電流のいずれかに応じた電力、電圧、又は電流を、前記燃料電池から供給される電力、電圧、又は電流、及び前記二次電池から供給される電力、電圧、又は電流を調整しながら供給する出力供給部と、を備え、
   前記出力供給部は、前記要求電力、前記要求電圧、及び前記要求電流のいずれかが、前記燃料電池の触媒の酸化還元電力、酸化還元電圧、又は酸化還元電流である境界電力、境界電圧、又は境界電流に至った場合に、前記燃料電池へのＦＣ指示電力、ＦＣ指示電圧、又はＦＣ指示電流を前記境界電力、前記境界電圧、又は前記境界電流に保持する跨ぎ回避制御を行い、前記要求電力と前記ＦＣ指示電力との乖離分、前記要求電圧と前記ＦＣ指示電圧との乖離分、又は前記要求電流と前記ＦＣ指示電流との乖離分を前記二次電池からの放電又は前記二次電池における蓄電によって吸収することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記出力供給部は、前記跨ぎ回避制御の実行中において、前記要求電力を時間的に遅延させた仮想要求電力、前記要求電圧を時間的に遅延させた仮想要求電圧、又は前記要求電流を遅延させた仮想要求電流を設定し、前記仮想要求電力、前記仮想要求電圧、又は前記仮想要求電流に対応する電力、電圧、又は電流が前記境界電力、前記境界電圧、又は前記境界電流に至る時に前記跨ぎ回避制御を解除することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記出力供給部は、前記跨ぎ回避制御の実行中において、前記二次電池の放電余力又は充電余力が予め設定した余力閾値を超えた場合に前記跨ぎ回避制御を解除することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記出力供給部は、前記要求電力、前記要求電圧、又は前記要求電流の変動速度に応じて前記余力閾値を変動させ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. 前記出力供給部は、前記跨ぎ回避制御の実行中において、前記要求電力、前記要求電圧、又は前記要求電流の変動速度又は変動幅が変動閾値を超えた場合に前記跨ぎ回避制御を解除することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

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