以下、各図を参照しながら本発明に係わる� ��施形態について説明する。
 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10のシステム構� ��を示す。

 燃料電池システム10は、燃料電池車両に� �載される車載電源システムとして機能する� �のであり、反応ガス(燃料ガス、酸化ガス)の 供給を受けて発電する燃料電池スタック20と� ��酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック2 0に供給するための酸化ガス供給系30と、燃料 ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック20� ��供給するための燃料ガス供給系40と、電力� �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とを備� ��ている。

 燃料電池スタック20は、多数のセルを直� �に積層してなる固体高分子電解質型セルス� �ックである。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� ��が生じる。

 H ₂  → 2H ⁺ +2e ^-  …(1)
(1/2)O ₂ +2H ⁺ +2e ^-  → H ₂ O …(2)
H ₂ +(1/2)O ₂  → H ₂ O …(3)

 燃料電池スタック20には、燃料電池スタ� �ク20の出力電圧を検出するための電圧センサ 71、及び出力電流を検出するための電流セン� ��72が取り付けられている。

 酸化ガス供給系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ガスが流れる 酸化ガス通路33と、燃料電池スタック20から� �出される酸化オフガスが流れる酸化オフガ� �通路34とを有している。酸化ガス通路33には� ��フィルタ31を介して大気中から酸化ガスを� �り込むエアコンプレッサ32と、エアコンプレ ッサ32により加圧される酸化ガスを加湿する� ��めの加湿器35と、燃料電池スタック20への酸 化ガス供給を遮断するための遮断弁A1とが設� ��られている。酸化オフガス通路34には、燃� �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、酸化ガス供給圧を� ��整するための背圧調整弁A3と、酸化ガス(ド� ��イガス)と酸化オフガス(ウェットガス)との� ��で水分交換するための加湿器15とが設けら� �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� �アノード極に供給される燃料ガスが流れる� �料ガス通路43と、燃料電池スタック20から排� ��される燃料オフガスを燃料ガス通路43に帰� �させるための循環通路44と、循環通路44内の� ��料オフガスを燃料ガス通路43に圧送する循� �ポンプ45と、循環通路44に分岐接続される排� ��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� �ンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧(� ��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� ��ガス通路43に燃料ガスが流出する。燃料ガ� �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� ��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� �料から水素リッチな改質ガスを生成する改� �器と、この改質器で生成した改質ガスを高� �状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから� �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� ��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� ��電池スタック20への燃料ガス供給を遮断す� �ための遮断弁H3と、圧力センサ74とが設けら� ��ている。

 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、� ��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� ��ることにより、循環通路44内の不純物を含� �燃料オフガスと水分とを外部に排出する。� �気排水弁H5の開弁により、循環通路44内の燃� ��オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環� ��内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を� ��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� �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� ��希釈される。循環ポンプ45は、循環系内の� �料オフガスをモータ駆動により燃料電池ス� �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5 2、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� �池システム10は、DC/DCコンバータ51とトラク� �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� ��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� ��てトラクションインバータ53に出力する機� �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� ��回収した回生電力を降圧してバッテリ52に� �電する機能とを有する。DC/DCコンバータ51の� ��れらの機能により、バッテリ52の充放電が� �御される。また、DC/DCコンバータ51による電� ��変換制御により、燃料電池スタック20の運� �ポイント(出力電圧、出力電流)が制御される 。

 DC/DCコンバータ51は、入力電圧(直流電圧)� ��交流電圧に変換するインバータ類似の回路� ��、その交流を整流して出力電圧(直流電圧)� �変換する回路とが組み合わされた多相コン� �ータ(例えば、三相フルブリッジコンバータ) の回路構成を有している。DC/DCコンバータ51� �、通過パワーに応じて単相運転と三相運転� �を切り替えて駆動制御される。DC/DCコンバー タ51の通過パワーが所定値未満のときには、� ��相運転よりも単相運転の方がスイッチング� ��失は少ないので、単相運転が実施される。� ��方、DC/DCコンバータ51の通過パワーが所定値 以上のときには、単相運転よりも三相運転の 方がスイッチング損失は少ないので、三相運 転が実施される。

 バッテリ52は、余剰電力の貯蔵源、回生� �動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車� �の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネル� �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)を検出するためのSOCセンサ 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、� �ルス幅変調方式で駆動されるPWMインバータ� �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� �力される直流電圧を三相交流電圧に変換し� �、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� ��交流モータであり、燃料電池車両の動力源� ��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� �などの動力源)や、これらのモータを駆動す� ��ためのインバータ類、更には各種の車載補� ��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� �称するものである。

 コントローラ60は、CPU、ROM、RAM、及び入� �力インタフェースを備えるコンピュータシ� �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� ��ションスイッチから出力される起動信号IG� �受信すると、電池運転を開始し、燃料電池� �タック20の出力電圧及び出力電流を電圧セン サ71及び電流センサ72から所定の演算周期毎� �取得し、燃料電池スタック20のI-V特性マップ 81を逐次更新する。例えば、コントローラ60� �、燃料電池スタック20の電圧が電流の関数(� �次関数又は所定の数次関数)として表すこと� ��できるものと仮定し、最小二乗法による推� ��方法を用いて、I-V特性マップ81を作成する� �とができる。コントローラ60は、このI-V特性 マップ81を基にV-P特性(電圧対電力特性)マッ� �82を逐次更新する。ここで、V-P特性マップ82� ��、I-V特性マップ81に基づいて一義的に定ま� �ことが知られている。本明細書では、I-V特� �マップ81又はV-P特性マップ82の何れか一方又� ��両者を総称して、燃料電池スタック20の出� �特性と称する。尚、I-V特性マップ81及びV-P特 性マップ82は、メモリ80内に格納されている� �

 コントローラ60は、アクセルセンサから� �力されるアクセル開度信号ACCや、車速セン� �から出力される車速信号VCなどを基に、車両 走行電力や補機消費電力を算出する。そして 、コントローラ60は、車両走行電力と補機消� ��電力との合計値から算出される発電指令値� ��、高電位回避電圧から算出される発電指令� ��とのうち大きい方を燃料電池スタック20に� �する発電指令値として発電制御する。

 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� �行に必要な装置(変速機、車輪制御装置、操� ��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� �器具、及びオーディオ等)で消費される電力� ��どが含まれる。

 そして、コントローラ60は、I-V特性マッ� �81、及びV-P特性マップ82を基に、燃料電池ス� ��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� ��が目標電力に一致するように、酸化ガス供� ��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� �タック20の出力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(出力電圧 、出力電流)を制御する。更に、コントロー� �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� ��ションモータ54の出力トルク、及び回転数� �制御する。

 図2は燃料電池スタック20を構成するセル21� �分解斜視図である。
 セル21は、電解質膜22と、アノード極23と、� ��ソード極24と、セパレータ26,27とから構成さ れている。アノード極23及びカソード極24は� �電解質膜22を両側から挟んでサンドイッチ構 造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電 性部材から構成されるセパレータ26,27は、こ� ��サンドイッチ構造をさらに両側から挟みつ� ��、アノード極23及びカソード極24との間にそ れぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成す る。セパレータ26には、断面凹状のリブ26aが� ��成されている。リブ26aにアノード極23が当� �することで、リブ26aの開口部は閉塞され、� �料ガス流路が形成される。セパレータ27には 、断面凹状のリブ27aが形成されている。リブ 27aにカソード極24が当接することで、リブ27a� ��開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成さ� ��る。

 アノード極23は、白金系の金属触媒(Pt,Pt-F e,Pt-Cr,Pt-Ni,Pt-Ruなど)を担持するカーボン粉末� ��主成分とし、電解質膜22に接する触媒層23a� �、触媒層23aの表面に形成され、通気性と電� �導電性とを併せ持つガス拡散層23bとを有す� �。同様に、カソード極24は、触媒層24aとガス 拡散層24bとを有する。より詳細には、触媒層 23a,24aは、白金、又は白金と他の金属からな� �合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶� �に分散させ、電解質溶液を適量添加してペ� �スト化し、電解質膜22上にスクリーン印刷し たものである。ガス拡散層23b、24bは、炭素繊 維から成る糸で織成したカーボンクロス、カ ーボンペーパー、又はカーボンフェルトによ り形成されている。電解質膜22は、固体高分� ��材料、例えば、フッ素系樹脂により形成さ� ��たプロトン伝導性のイオン交換膜であり、� ��潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。電� ��質膜22、アノード極23、及びカソード極24に� ��って膜-電極アッセンブリ25が形成される。

 図3は燃料電池スタック20のC-V特性を示して� ��る。
 このC-V特性は、燃料電池スタック20の動的� �電気特性を示すものであり、燃料電池スタ� �ク20の電圧を一定の速度で昇圧させていくと 、外部から燃料電池スタック20へ流れ込む方� ��(マイナス方向)に電流が流れ、燃料電池ス� �ックの電圧を一定の速度で降圧させていく� �、燃料電池スタック20から外部へ流れる方向 (プラス方向)に電流が流れる。このような動� ��な電気特性は、燃料電池スタック20の触媒� �持体の電気二重層容量成分と触媒の酸化還� �反応による見かけ上の容量成分によるもの� �あることが判明している。

 図4は燃料電池スタック20の動的な電気特性� ��モデル化した等価回路図である。
 燃料電池スタック20は、理想燃料電池28とキ ャパシタ29とが並列接続されてなる回路構成� ��有している。理想燃料電池28は、上述のC-V� �性を有しない仮想的な燃料電池をモデル化� �たものであり、電気特性上、可変電源と等� �な振る舞いをする。キャパシタ29は、電気二 重層の電気的な振る舞いを容量素子としてモ デル化したものである。外部負荷56は電力系5 0をモデル化した等価回路である。理想燃料� �池28から流れ出す電流をIfc、理想燃料電池28� ��出力電圧(燃料電池スタック20の出力電圧)を Vfc、キャパシタ29に流れ込む電流をIc、燃料� �池スタック20から外部負荷56に流れ出す電流� ��Is、キャパシタ29の容量をC、時間をtとする� ��、以下に示す(4)~(5)式が成立する。

Ifc=Ic+Is …(4)
Ic=C・δVfc/δt …(5)

 (4)~(5)式に示すように、出力電圧Vfcを降圧 すると、単位時間あたりの変化量δVfc/δtに応 じて、キャパシタ29に流れ込む電流Icが減少� �るので、燃料電池スタック20から外部負荷56� ��流れ出す電流Isは増加する。一方、出力電� �Vfcを昇圧すると、単位時間あたりの変化量δ Vfc/δtに応じて、キャパシタ29に流れ込む電流 Icが増加するので、燃料電池スタック20から� �部負荷56に流れ出す電流Isは減少する。但し� ��燃料電池スタック20とDC/DCコンバータ51との� ��に電流の逆流を防止するためのダイオード� ��介挿されている場合には、出力電圧Vfcを昇� ��させても、燃料電池スタック20に流入する� �きには、電流は流れない。

 次に、高電位回避制御の実行条件及び禁止� ��件について説明する。
 高電位回避制御の実行条件として、例えば� ��(A1)バッテリ52のSOCが第一の閾値(例えば70%)� �下であること、(B1)燃料ガス供給系30の配管� �力(圧力センサ74の検出値)に基づくガス漏れ� ��出の判定中でないことの条件が全て満たさ� ��ていることを挙げることができる。一方、� ��電位回避制御の禁止条件として、例えば、( A2)バッテリ52のSOCが第二の閾値(例えば75%)以� �であること、(B2)燃料ガス供給系30の配管圧� �に基づくガス漏れ検出の判定中であること� �何れかの条件が満たされていることを挙げ� �ことができる。

 高電位回避制御の実行条件が満たされる� ��、燃料電池スタック20の出力電圧は、その� �放端電圧よりも低い高電位回避電圧以下に� �限される。高電位回避電圧としては、燃料� �池スタック20の触媒層23a,24aに含まれている� �金触媒が溶出しない程度の電圧範囲である� �いう条件を満たす電圧であることが好まし� �、更にはその条件に加えて、燃料電池スタ� �ク20への反応ガス供給を停止した状態で燃料 電池スタック20の出力電圧を高電位回避電圧� ��維持したときに、燃料電池スタック20が発� �する電力を補機類55によって消費できる程度 の電圧範囲であるという条件を満たす電圧で あることが好ましい。高電位回避電圧は、バ ッテリ52のSOCや補機類55の消費電力などに応� �て刻々と変動する可変制御値として取り扱� �れることが好ましい。

 一方、高電位回避制御の禁止条件が満た� ��れると、燃料電池スタック20の出力電圧は� �の開放端電圧まで昇圧することが許可され� �。

 尚、上記の説明では、バッテリ52のSOCを� �準に高電位回避制御機能のオン/オフ切り替� ��をするための判定条件を設定する例を示し� ��が、バッテリ52の充電可能量を基準に高電� �回避制御機能のオン/オフ切り替えをするた� ��の判定条件を設定してもよい。例えば、バ� ��テリ52の充電可能量が所定の閾値未満にな� �と、高電位回避制御機能をオフからオンに� �り替え、バッテリ52の充電可能量が所定の閾 値以上になると、高電位回避制御機能をオン からオフに切り替えてもよい。また、高電位 回避制御の実行条件として、上記の(A1)~(B1)を 他の条件に変更してもよく、或いは更に条件 を追加してもよい。高電位回避制御の禁止条 件として、上記の(A2)~(B2)を他の条件に変更し てもよく、或いは更に条件を追加してもよい 。

 次に、図5を参照しながら、燃料電池スタッ ク20の目標電力を算出する方法について説明� ��る。
 まず、コントローラ60は、バッテリ52の充電 状態や補機類55の消費電力などに応じて、高� ��位回避目標電圧を算出する(ステップ501)。� �えば、バッテリ52の充電量が少ない場合(又� �充電可能量が高い場合)には、高電位回避目� ��電圧を低い電圧値に設定しても、高電位回� ��制御による発電を蓄電できるだけの十分な� ��裕があるので、このような場合には、高電� ��回避目標電圧を低く設定し、燃料電池スタ� ��ク20の劣化を抑制するのが好ましい。これ� �は逆に、バッテリ52の充電量が多い場合(又� �充電可能量が低い場合)には、高電位回避制� ��による発電を蓄電できるだけの十分な余裕� ��ないので、このような場合には、高電位回� ��目標電圧を高く設定し、高電位回避制御に� ��る発電量を抑制するのが好ましい。

 また、バッテリ52の充電量が多い場合(又� ��充電可能量が低い場合)であっても、補機類 55による電力消費が多く見込まれるような場� ��には、高電位回避目標電圧を低く設定し、� ��料電池スタック20の劣化を抑制するのが好� �しい。

 また、車両の走行モード(D/Bレンジ)に応� �て回生制動中の高電位回避目標電圧を変更� �てもよい。ここで、Dレンジは、通常走行時� ��用いられる走行モードであり、Bレンジは、 下り坂や峠道などを走行する場合のように、 通常走行時よりも大きい制動力が要求される ときに用いられる走行モードである。トラク ションモータ54による回生制動中は、モータ� ��生トルクは、電力に変換され、バッテリ52� �充電されるので、回生制動中にも高電位回� �制御が実施されている場合、以下に示す電� �収支が成立する。

バッテリ充電電力+補機消費電力=モータ回� ��電力+燃料電池発電電力 …(6)

 (6)式に示すように、車両制動時の燃料電� ��発電電力が多いと、モータ回生電力がその� ��だけ減少してしまい、十分な制動トルクを� ��保できない。このため、車両制動時には高� ��位回避目標電圧を引き上げることで、燃料� ��池発電電力を減少させ、十分な制動トルク� ��確保するのが好ましい。そこで、コントロ� ��ラ60は、車両制動時に、以下の(7)式が成立� �るように高電位回避目標電圧を可変設定す� �ことができる。

バッテリ充電電力+補機消費電力≧モータ� �生電力+燃料電池発電電力 …(7)

 具体的には、コントローラ60は、車両の� �行モードがDレンジであるのか或いはBレンジ であるのかを、シフトポジションに基づいて 判定し、走行モードがBレンジである場合に� �、走行モードがDレンジの場合よりも高電位� ��避目標電圧の目標値を引き上げ、大きな制� ��力を確保する。これにより、車両のドライ� ��ビリティを高めることができる。

 次に、コントローラ60は、ステップ501で� �定した高電位回避目標電圧を、V-P変換マッ� �82を用いて、目標電力値に変換し(ステップ50 2)、上下限処理を実施する(ステップ503)。上� �限処理では、コントローラ60は、ステップ502 で得られた高電位回避目標電圧が上限値を上 回るか否か、及び下限値を下回るか否かを判 定し、目標電力値が上限値を上回る場合には 、目標電力値を上限値に制限し、目標電力値 が下限値を下回る場合には、目標電力値を下 限値に制限する。ここで、上限値及び下限値 は、DC/DCコンバータ51が所定の駆動モード(例� ��ば、単相運転)のときに、DC/DCコンバータ51� �通過する電力の上限値及び下限値を基準に� �定するのが好ましい。コントローラ60は、上 下限処理を経て得られた目標電力値を最終的 な目標電力値として決定し(ステップ504)、電� ��運転を制御する。

 本実施形態によれば、高電位回避制御時� ��瞬間的な目標電圧低下に起因してI-V特性マ� ��プ81が誤推定されることによる、DC/DCコンバ ータ51の通過パワー制御エラーが及ぼすコン� ��ータフェイルを効果的に抑制することがで� ��る。