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。

A.本実施形態
 図1は本実施形態に係る燃料電池システム10� ��搭載した車両の概略構成である。なお、以� ��の説明では車両の一例として燃料電池自動� ��(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)を想定するが、電 気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能 である。また、車両のみならず各種移動体(� �えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置� ��電源、さらには携帯型の燃料電池システム� ��も適用可能である。

 燃料電池システム10は、燃料電池車両に搭� �される車載電源システムとして機能するも� �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、� ��化ガスとしての空気を燃料電池スタック20� �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に� ��給するための燃料ガス供給系40と、電力の� �放電を制御するための電力系50と、燃料電池 スタック20を冷却するための冷却系60と、シ� �テム全体を制御するコントローラ(ECU)70とを� ��えている。

 燃料電池スタック20は、複数のセルを直� �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、及び発電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34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36とを有している。酸化ガス通路34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、燃料電池スタ ック20のカソード極へ供給される酸化ガスを� ��湿するための加湿器33と、酸化ガス供給量� �調整するための絞り弁35とが設けられている 。酸化オフガス通路36には、酸化ガス供給圧� ��調整するための背圧調整弁37と、酸化ガス(� ��ライガス)と酸化オフガス(ウェットガス)と� ��間で水分交換するための加湿器33とが設け� �れている。

 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45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45に帰� �させるための循環通路46と、循環通路46内の� ��料オフガスを燃料ガス通路43に圧送する循� �ポンプ47と、循環通路47に分岐接続される排� ��排水通路48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42を開くと、燃料ガス供給源41から燃� ��ガス通路45に燃料ガスが流出する。燃料ガ� �は、レギュレータ43やインジェクタ44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。

 レギュレータ43は、その上流側圧力(一次� ��)を、予め設定した二次圧に調圧する装置で あり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減 圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、 背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形 成された筺体を有し、背圧室内の背圧により 調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二 次圧とする構成を有する。

 インジェクタ44は、弁体を電磁駆動力で� �接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から� �隔させることによりガス流量やガス圧を調� �することが可能な電磁駆動式の開閉弁であ� �。インジェクタ44は、燃料ガス等の気体燃料 を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとと もに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内す るノズルボディと、このノズルボディに対し て軸線方向(気体流れ方向)に移動可能に収容� ��持され噴射孔を開閉する弁体とを備えてい� ��。

 排気排水通路48には、排気排水弁49が配設 されている。排気排水弁49は、コントローラ7 0からの指令によって作動することにより、� �環通路46内の不純物を含む燃料オフガスと水 分とを外部に排出する。排気排水弁49の開弁� ��より、循環通路46内の燃料オフガス中の不� �物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃� �オフガス中の水素濃度を上げることができ� �。

 排気排水弁49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47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。DC/DCコ ンバータ51は、バッテリ52から供給される直� �電圧を昇圧してトラクションインバータ53に 出力する機能と、燃料電池スタック20が発電� ��た直流電力、又は回生制動によりトラクシ� ��ンモータ54が回収した回生電力を降圧して� �ッテリ52に充電する機能とを有する。DC/DCコ� ��バータ51のこれらの機能により、バッテリ52 の充放電が制御される。また、DC/DCコンバー� ��51による電圧変換制御により、燃料電池ス� �ック20の運転動作点(出力電圧、出力電流)が� ��御される。

 バッテリ(蓄電装置)52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。バッ テリ52としては、例えば、ニッケル・カドミ� ��ム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウ� ��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70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、車輪56L、56R� ��駆動するためのモータ(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� �。

 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。

 冷却系60は、燃料電池スタック20内部を循 環する冷媒を流すための冷媒通路61、62,63,64� �冷媒を圧送するための循環ポンプ65、冷媒と 外気との間で熱交換するためのラジエータ66� ��冷媒の循環経路を切り替えるための三方弁6 7、及び冷媒温度を検出するための温度セン� �74を備えている。暖機運転が完了した後の通 常運転時には燃料電池スタック20から流出す� ��冷媒が冷媒通路61,64を流れてラジエータ66に て冷却された後、冷媒通路63を流れて再び燃� ��電池スタック20に流れ込むように三方弁67が 開閉制御される。一方、システム起動直後に おける暖機運転時には、燃料電池スタック20� ��ら流出する冷媒が冷媒通路61,62,63を流れて� �び燃料電池スタック20に流れ込むように三方 弁67が開閉制御される。

 コントローラ70は、CPU、ROM、RAM、及び入� �力インタフェース等を備えるコンピュータ� �ステムであり、燃料電池システム10の各部(� �化ガス供給系30、燃料ガス供給系40、電力系5 0、及び冷却系60)を制御するための制御手段� �して機能する。例えば、コントローラ70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10の� �転を開始し、アクセルセンサから出力され� �アクセル開度信号ACCや、車速センサから出� �される車速信号VCなどを基にシステム全体の 要求電力を求める。

 システム全体の要求電力は、車両走行電� ��と補機電力との合計値である。補機電力に� ��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� �れる電力、車両走行に必要な装置(変速機、� ��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)� ��消費される電力などが含まれる。

 そして、コントローラ70は、燃料電池スタ� �ク20とバッテリ52とのそれぞれの出力電力の� ��分を決定し、発電指令値を演算するととも� ��、燃料電池スタック20の発電量が目標電力(� ��求電力)に一致するように、酸化ガス供給系 30及び燃料ガス供給系40を制御する。更にコ� �トローラ70は、DC/DCコンバータ51を制御して� �燃料電池スタック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の運転動作ポ� ��ント(出力電圧、出力電流)を制御する。コ� �トローラ70は、アクセル開度に応じた目標車 速が得られるように、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� ��トラクションモータ54の出力トルク、及び� �転数を制御する。   
 また、本実施形態では、コントローラ70に� �る制御のもと、所定のタイミングで低効率� �転によるリフレッシュ運転を行う。ここで� �低効率運転とは、通常運転に比してエアの� �給量を絞る(例えば、エアストイキ比を1.0付� ��に設定する)ことにより、発電損失を高めて 低い発電効率で運転することをいう。

 このように、コントローラ(運転手段)70は、 電極の一部の過電圧を増加させてさらなる熱 を発生させることで燃料電池の温度を上昇さ せ、電極触媒を還元させることで(すなわち� �リフレッシュ運転を行うことで)、燃料電池� ��タック20のIV特性(電気的特性)を回復させる� ��とができるものの、かかるリフレッシュ運� ��を多頻度に実施すると、燃料電池のIV特性� �必要以上に向上してしまい、燃料電池の発� �によって生じる余剰電力を2次電池で吸収で� ��ない等の問題が生じる(発明が解決しようと する課題の項参照)。かかる問題について図2� ��参照しながら説明する。

 図2は、リフレッシュ運転前後における燃 料電池スタック20のIV特性を示す図であり、� �フレッシュ運転前のIV特性を実線で示し、リ フレッシュ運転後のIV特性を一点鎖線で示す� ��なお、図2のOC回避目標電圧Varは、燃料電池� ��タック20の上限電圧の閾値(例えば0.85/セル� �度)であり、製造出荷時などに予め設定され� ��。

<リフレッシュ運転前の状態>
 リフレッシュ運転前において、コントロー� ��70は、燃料電池スタック20とバッテリ52との� ��れぞれの出力電力の配分を決定するととも� ��、燃料電池スタック20の発電量が目標電力� �一致するように、酸化ガス及び燃料ガスの� �給を制御する。さらに、コントローラ70は、 DC/DCコンバータ51を制御して、燃料電池スタ� �ク20の出力電圧を調整する。これにより、運 転ポイント(出力電流、出力電圧)は、IV特性� �線C1上に位置する(図2に示す実線参照)。

<リフレッシュ運転後の状態>
 一方、リフレッシュ運転が終了すると、燃� ��電池スタック20のIV特性は向上し、IV特性曲� ��は図2に実線で示すIV特性曲線C1からIV特性曲 線C2にシフトする。このIV特性曲線のシフト� �伴い、コントローラ70がリフレッシュ運転前 後において同一の出力電流が得られるように DC/DCコンバータ51を制御したとしても、得ら� �る出力電圧は上昇する。これにより、例え� �リフレッシュ運転前において、OC回避電圧Var 以下に出力電圧が設定されていたにもかかわ らず(図2に示す運転ポイント(I1,V1)参照)、リ� �レッシュ運転後には出力電圧がOC回避電圧Var を超えてしまう(図2示す運転ポイント(I2,V2)参 照)、といった問題が生ずる。

 そこで、本実施形態では、コントローラ( 運転制御手段)70が、リフレッシュ運転後にお いても出力電圧がOC回避電圧Varを超えないよ� ��に、リフレッシュ運転の実行を制御する。� ��体的には、コントローラ(運転制御手段)70は 、リフレッシュ運転前の出力電圧からリフレ ッシュ運転後の出力電圧を推定し、推定した リフレッシュ運転後の出力電圧がOC回避電圧( 出力電圧上限値)Varを超えないようにリフレ� �シュ運転の実行を制御する。例えば、リフ� �ッシュ運転前であれば、コントローラ70は、 上記の如くリフレッシュ運転後の出力電圧を 推定し、推定した出力電圧がOC回避電圧Varを� ��えるか否かを判断する。そして、コントロ� ��ラ(運転制御手段、運転手段)70は、推定した 出力電圧がOC回避電圧Varを超えないと判断し� ��場合には、リフレッシュ運転を実行する。

 もちろん、リフレッシュ運転の実行を制� ��する方法は、この方法に限る趣旨ではなく� ��例えばコントローラ(運転制御手段)70がリフ レッシュ運転前の出力電圧とOC回避電圧Varと� ��差分δVを求め、求めた差分δVが閾値電圧以� ��である場合にのみ、リフレッシュ運転を行� ��ても良い。なお、閾値電圧は予め実験など� ��よって求めれば良い。

 ここで、図3は、リフレッシュ運転前後に おける燃料電池スタック20のIV特性とIP特性(� �力電流・出力電力特性)との関係を例示した� ��であり、リフレッシュ運転前のIV特性及びIP 特性を実線で示し、リフレッシュ運転後のIV� ��性及びIP特性を一点鎖線で示す。なお、図4� ��示す電力閾値Parは、バッテリ52の許容電力� �考慮して設定される燃料電池スタック20の出 力電力の上限値を示す。また、図3に示すOC回 避目標電圧Varは、図2と同様、燃料電池スタ� �ク20の上限電圧の閾値を示す。

 図3に示すように、リフレッシュ運転が行 われることで、燃料電池スタック20のIP特性(� ��気的特性)も向上し、IP特性曲線はIP特性曲� �C3からIP特性曲線C4にシフトする。ここで、� �フレッシュ運転前後でのOC回避目標電圧Varを 下回る運転ポイントを比較すると、リフレッ シュ運転後の運転ポイント(I2,V2)での出力電� �P02は、リフレッシュ運転前の運転ポイント(I 1,V1)での出力電力P01よりも大きい。

 ここで、バッテリ(蓄電装置)52への過充電 を防止するためには、燃料電池スタック20の� ��力電力を電力閾値Par未満に抑える必要があ� ��が、リフレッシュ運転によってIP特性が向� �すると、図3に示すように、リフレッシュ運� ��後の出力電力P02が電力閾値Parを越えてしま� ��場合が生じる。

 そこで、本実施形態では、出力電力が電� ��閾値Parを越えないように、コントローラ(運 転制御手段)70が燃料電池スタック20のリフレ� ��シュ運転を制御する。具体的には、コント� ��ーラ70は、燃料電池スタック20の出力電力が 電力閾値Parを越えないように、リフレッシュ 運転の開始タイミングや停止タイミングを決 定する。さらに、コントローラ70は、リフレ� ��シュ運転の前に、リフレッシュ運転が可能� ��否かを判断するべく、リフレッシュ運転後� ��IP特性を推定し、推定したIP特性から出力電 力の推定値を求める。そして、コントローラ 70は、出力電力の推定値が電力閾値Par未満で� ��る場合には、リフレッシュ運転を行う一方� ��出力電力の推定値が電力閾値Par以上である� ��合には、リフレッシュ運転を禁止する。こ� ��により、燃料電池スタック20による出力電� �が大きすぎるために、バッテリ52で余剰電力 を吸収できない(すなわち、バッテリ52への過 充電が行われる)という問題を未然に防止す� �ことができる。なお、コントローラ70は、リ フレッシュ運転が可能か否かを、例えば走行 時間や走行距離、燃料電池の温度などに基づ き、所定のタイミングで判断しても良い。

 ここで、電力閾値Parの設定方法について� ��明すると、周知のとおり、バッテリ52の許� �電力(すなわち、バッテリ52が充電可能な電� �量)は、システムの要求電力やバッテリ52か� �の出力される電力などに応じて時々刻々と� �化する。従って、本実施形態では、SOCセン� �(検知手段)52aによってバッテリ(蓄電装置)52� �充電状態を検知し、検知した結果に基づき� �力閾値Parを設定・更新する。詳述すると、� �ントローラ(設定手段)70はSOCセンサ52aによっ� ��バッテリ52の充電状態を検知し、検知した� �果に基づいて電力閾値(電力上限値)Parを設定 ・更新する。別言すれば、コントローラ70は� ��SOCセンサ52によってバッテリ52の充電状態(SO C)を検知すると、該検知結果からバッテリ52� �許容電力を求める。そして、コントローラ(� ��定手段)70は、当該システムから要求される� ��力を満たしつつも、余剰電力がバッテリ(蓄 電装置)52の許容電力に収まるように、電力閾 値Parを更新する。

以上説明したように、本実施形態によれば 、コントローラ70はリフレッシュ運転前の出� ��電圧からリフレッシュ運転後の出力電圧を� ��定し、推定したリフレッシュ運転後の出力� ��圧がOC回避電圧Varを超えないようにリフレ� �シュ運転の実行を制御する。これにより、� �料電池スタック20の出力電圧がOC回避電圧Var� ��超えた状態で運転されるのを未然に防止す� ��ことができ、燃料電池スタック20の寿命を� �上することが可能となる。

 さらに、コントローラ70は、出力電力の� �定値が電力閾値Par未満である場合には、リ� �レッシュ運転を行う一方、出力電力の推定� �が電力閾値Par以上である場合には、リフレ� �シュ運転を禁止する。これにより、燃料電� �スタック20による出力電力が大きすぎるため に、バッテリ52で余剰電力を吸収できない(す なわち、バッテリ52への過充電が行われる)と いう問題を未然に防止することができる。

B.変形例

(1)以上説明した実施形態では、リフレッシュ 運転の運転条件について特に言及しなかった が、設定される電力閾値ParやOC回避電圧Varな� ��に応じてリフレッシュ運転の運転条件を変� ��ても良い。具体的には、コントローラ70が� �定される電力閾値ParやOC回避電圧Varなどに応 じて、リフレッシュ運転を行う時間間隔(例� �ば30秒毎や4分毎など)やリフレッシュ運転時� ��燃料電池スタック20の出力電圧(例えば0.3Vや 0.6Vなど)の運転条件を変える。もちろん、リ� ��レッシュ運転に関わるパラメータ(時間間隔 や出力電圧など)をどのような条件に基づい� �変更するかは、任意に設定可能である。

(2)上述した実施形態では、車両走行時にリ フレッシュ運転を行う場合を例に説明したが 、システム起動時や停止時、さらには間欠運 転時にリフレッシュ運転を行う場合も同様に 適用可能である。また、システム要求電力が 所定値以下になったとき(例えばアイドル出� �付近など)、リフレッシュ運転が可能か否か� ��判断しても良い。

(3)上述した実施形態では、被毒された電極 触媒の活性を回復するために、リフレッシュ 運転を行う場合について説明したが、例えば 低温起動時に暖機運転を行う場合やシステム 運転停止前に急速暖機を行う場合など、暖機 運転が必要なあらゆる場合に適用可能である 。