以下、本発明に係る実施の形態について� ��面を参照しながら説明する。

 図1は本実施形態に係る燃料電池システム 100の要部構成を示す図である。本実施形態で は、燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle )、電気自動車、ハイブリッド自動車などの� �両に搭載される燃料電池システムを想定す� �が、車両のみならず各種移動体(例えば、二� ��車や船舶、飛行機、ロボットなど)にも適用 可能である。さらに、移動体に搭載された燃 料電池システムに限らず、定置型の燃料電池 システムや携帯型の燃料電池システムにも適 用可能である。

 この車両は、減速ギア12を介して車輪63L� �63Rに連結されたトラクションモータ61を駆動 力源として走行する。トラクションモータ61� ��電源は、電源システム1である。電源システ ム1から出力される直流は、インバータ60で三 相交流に変換され、トラクションモータ61に� ��給される。トラクションモータ61は制動時� �発電機としても機能することができる。電� �システム1は、燃料電池40、バッテリ(蓄電部) 20、DC/DCコンバータ(コンバータ)30などから構� ��される。

 燃料電池40は、供給される反応ガス(燃料ガ� ��及び酸化ガス)から電力を発生する手段であ り、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型な ど種々のタイプの燃料電池を利用することが できる。燃料電池40は、フッ素系樹脂などで� ��成されたプロトン伝導性のイオン交換膜な� ��から成る高分子電解質膜41を備え、高分子� �解質膜の表面には白金触媒(電極触媒)が塗布 されている。
 なお、高分子電解質膜41に塗布する触媒は� �金触媒に限らず、白金コバルト触媒(以下、� ��に触媒という)などにも適用可能である。燃 料電池40を構成する各セルは、高分子電解質� ��41の両面にアノード極42とカソード極43とを� ��クリーン印刷などで形成した膜・電極接合� ��44を備えている。燃料電池40は、複数の単セ ルを直列に積層したスタック構造を有してい る。

 この燃料電池40の出力電圧(以下、FC電圧)� ��び出力電流(以下、FC電流)は、それぞれ電圧 センサ92及び電流センサ93によって検出され� �。燃料電池40の燃料極(アノード)には、燃料� ��ス供給源70から水素ガスなどの燃料ガスが� �給される一方、酸素極(カソード)には、酸化 ガス供給源80から空気などの酸化ガスが供給� ��れる。

 燃料ガス供給源70は、例えば水素タンク� �様々な弁などから構成され、弁開度やON/OFF� �間などを調整することにより、燃料電池40に 供給する燃料ガス量を制御する。

 酸化ガス供給源80は、例えばエアコンプ� �ッサやエアコンプレッサを駆動するモータ� �インバータなどから構成され、該モータの� �転数などを調整することにより、燃料電池40 に供給する酸化ガス量を調整する。

 バッテリ20は、充放電可能な二次電池で� �り、例えばニッケル水素バッテリなどによ� �構成されている。もちろん、バッテリ20の代 わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる 蓄電器(例えばキャパシタ)を設けても良い。� ��のバッテリ20は、燃料電池40の放電経路に介 挿され、燃料電池40と並列に接続されている� ��バッテリ20と燃料電池40とはトラクションモ ータ用のインバータ60に並列接続されており� ��バッテリ20とインバータ6の間にはDC/DCコン� �ータ30が設けられている。

 インバータ60は、例えば複数のスイッチン� �素子によって構成されており、制御装置10か ら与えられる制御指令に応じて燃料電池40ま� ��はバッテリ20から出力される直流電力を三� �交流電力に変換し、トラクションモータ61へ と供給する。トラクションモータ61は、車輪6 3L、63Rを駆動するためのモータであり、かか� ��モータの回転数はインバータ60によって制� �される。
 そして、制御装置10は、インバータ60の制御 方式を図2乃至図6に示すように、インバータ� ��令電圧とトラクションモータ61の回転数お� �びトルクとに応じて、トラクションモータ61 の回転数が高くなるに従い、PWM制御から過変 調制御へと、また、過変調制御から矩形制御 へと切り換える。
 より具体的には、インバータ指令電圧が同� ��であれば、トラクションモータ61の回転数� �所定以上、言い換えれば、車速が所定以上� �なると、制御方式は、低車速側の第1領域Z1� �あるPWM制御から、これよりも高車速側の第2� ��域Z2である過変調制御、及びこれよりもさ� �に高車速側の第3領域Z3である矩形制御へと� �この順に切り換わる。
 また、トラクションモータ61の回転数及び� �ルクが同じであっても(図2,3における動作点( N1,T1)参照)、インバータ指令電圧が所定以上� �なると、制御方式はPWM制御から過変調制御� �び矩形制御へと、この順に切り換わる。
 そして、図4に示すようなインバータ指令電 圧の上昇に伴い、制御方式が図5のように切� �換わると、制御方式が切り換わる度に制御� �差が拡大してしまうので、バッテリーパワ� �が図6に示すように過度に上昇・下降するこ� ��になり、過充放電を招いてしまう。かかる� ��具合を回避する具体的方法については、後� ��詳述する。

 DC/DCコンバータ30は、例えば4つのパワー� �トランジスタと専用のドライブ回路(いずれ� ��図示略)によって構成されたフルブリッジ・ コンバータである。DC/DCコンバータ30は、バ� �テリ20から入力されたDC電圧を昇圧または降� ��して燃料電池40側に出力する機能、燃料電� �40などから入力されたDC電圧を昇圧または降� ��してバッテリ20側に出力する機能を備えて� �る。また、DC/DCコンバータ30の機能により、� ��ッテリ20の充放電が実現される。

 バッテリ20とDC/DCコンバータ30の間には、� ��両補機やFC補機などの補機類50が接続されて いる。バッテリ20は、これら補機類50の電源� �なる。なお、車両補機とは、車両の運転時� �どに使用される種々の電力機器(照明機器、� ��調機器、油圧ポンプなど)をいい、FC補機と� ��、燃料電池40の運転に使用される種々の電� �機器(燃料ガスや酸化ガスを供給するための� ��ンプなど)をいう。

 上述した各要素の運転は制御装置(制御部 )10によって制御される。制御装置10は、内部� ��CPU、ROM、RAMを備えたマイクロコンピュータ� ��して構成されている。

 制御装置10は、入力される各センサ信号に� �づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁71や 酸化ガス通路に設けられた調圧弁81、燃料ガ� ��供給源70、酸化ガス供給源80、バッテリ20、D C/DCコンバータ30、インバータ60など、システ� ��各部を制御する。
 この制御装置10には、例えば圧力センサ91に よって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧 センサ92によって検知される燃料電池40のFC電 圧、電流センサ93によって検知される燃料電� ��40のFC電流、SOCセンサ21によって検知される� ��ッテリ20の充電状態SOC(State Of Charge)をあら� ��すSOC値など、種々のセンサ信号が入力され� ��。

 本実施形態では、バッテリ20の充電量が� �限されている場合であっても、例えばDC/DCコ ンバータ30のスイッチング周波数を上昇させ� ��該DC/DCコンバータでのエネルギー損失を増� �させることで、確実に燃料電池40の電圧が当 該燃料電池40の開放電圧よりも所定の高電位� ��回避電圧閾値以上になることを回避する。

 次に、制御装置10によって間欠的に実行� �れる高電位化回避制御処理について説明す� �。

 制御装置10は、燃料電池40に対する要求電 力を算出する。要求電力としては、例えばト ラクションモータ61や補機類50を駆動するた� �の電力である。そして、制御装置10は、不図 示のI-V特性及びI-P特性をあらわす特性マップ を利用して、要求電力に応じた燃料電池40の� ��力電圧を算出する。この特性マップは、予� ��実験などにより求められ、製造出荷時など� ��制御装置10の内部メモリ11に格納される。な お、この特性マップの値は固定値としても良 いが、逐次書き換え可能な値としても良い。

 そして、制御装置10は、燃料電池40の出力電 圧を強制的に下げる必要があるか否かを判断 する。具体的には、制御装置10は、出力電圧� ��高電位化回避目標閾値電圧(以下、閾値電圧 Vth)とを比較し、出力電圧が閾値電圧Vthを超� �ている場合には、燃料電池40の出力電圧を強 制的に下げる必要があると判断する一方、出 力電圧が閾値電圧Vth以下である場合には、燃 料電池40の出力電圧を強制的に下げる必要は� ��いと判断する。
 この閾値電圧Vthは、燃料電池40の開放電圧� �りも低い電圧であり、予め実験などにより� �められ、製造出荷時などに制御装置10の内部 メモリ11に格納される。また、閾値電圧Vthは� ��定値としても良いが、例えば周囲環境(外気 温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど )に応じて逐次書き換え可能な値としても良� �。

 制御装置10は、上記の判断において、燃� �電池40の出力電圧を強制的に下げる必要がな いと判断した場合には、燃料電池40の高電位� ��を回避する制御は不要であるため、当該処� ��を終了する。

 一方、制御装置10は、上記の判断におい� �、燃料電池40の出力電圧を強制的に下げる必 要があると判断した場合には、該燃料電池40� ��出力電圧を閾値電圧Vthを下回る値まで強制� ��に下げる制御を行う。このとき、燃料電池4 0の出力電圧を強制的にどの値まで下げるか� �任意に設定可能である。そして、制御装置10 は、余剰電力をバッテリ20で吸収可能か否か( すなわち、バッテリ20に蓄電できるか否か)を 判断する。詳述すると、制御装置10は、SOCセ� ��サ21によって検知されるSOC値から検出し、� �ッテリ20の残容量を把握するなどして余剰電 力をバッテリ20で吸収できるか否かを判断す� ��。

 制御装置10は、余剰電力をバッテリ20で吸 収できると判断した場合には、余剰電力をバ ッテリ20で吸収(バッテリ20に蓄電)した後、処 理を終了する。一方、制御装置10は、余剰電� ��をバッテリ20で吸収できないと判断した場� �には、例えばDC/DCコンバータ30のスイッチン� ��周波数を高く設定し、DC/DCコンバータ30のエ ネルギー損失を増大させることで余剰電力P� �吸収した後、処理を終了する。

 ところで、トラクションモータ61のバッ� �リ20への電力回生中に、高電位化回避制御が オンからオフあるいはオフからオンに切り換 わると、燃料電池40の出力電圧が変動し、そ� ��影響でトラクションモータ61の制御方式が� �り換わってしまうことがある。かかる場合� �は、トラクションモータ61の制御誤差ひいて は力行回生電力誤差が大きくなり、バッテリ 20が過充放電になってしまう可能性がある。

 このため、制御装置10は、トラクション� �ータ61の制御切換が生じる条件、例えば所定 の車速領域では高電位化回避制御を禁止する 。具体的には、図2において、第1領域Z1に車� �があって、第2領域Z2に近い所定車速Vに対応� ��る回転数N1以上の高車速領域については予� �高電位化回避制御を禁止するものとする。� �方、所定車速V未満の低中車速領域について� ��、高電位化回避制御を許可する。トラクシ� ��ンモータ61の電力回生中に、このような高� �位化回避制御の許可判断を行うことで、バ� �テリ20の過充電を抑制することができる。

 以上に述べた本実施形態に係る燃料電池シ� ��テム100によれば、トラクションモータ61の� �御切換が生じる所定車速V以上の車速領域に� ��いて高電位化回避制御を禁止するため、ト� ��クションモータ61の制御切換が生じる車速� �域においては、高電位化回避制御を禁止す� �ことで燃料電池40の出力電圧の変動を抑制で き、その影響でトラクションモータ61の制御� ��式が切り換わってしまうことがなくなる。
 これにより、トラクションモータ61の制御� �差拡大を抑制し得て、バッテリ20の過充電、 特に電力回生時におけるバッテリ20の過充電� ��防止することができる。なお、高電位化回� ��制御を禁止する所定車速Vは、インバータ指 令電圧に応じて変動させてもよい。