特許 7379832 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-07

(45)【発行日】2023-11-15

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20231108BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20231108BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20231108BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20231108BHJP

   B60L 3/00 20190101ALN20231108BHJP

   B60L 9/18 20060101ALN20231108BHJP

   B60L 50/60 20190101ALN20231108BHJP

   B60L 50/75 20190101ALN20231108BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20231108BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/0432

H01M8/04537

H01M8/04701

B60L3/00 N

B60L9/18 J

B60L50/60

B60L50/75

H01M8/10 101

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2019037567

(22)【出願日】2019-03-01

(65)【公開番号】P2020140930

(43)【公開日】2020-09-03

【審査請求日】2021-09-21

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小川 朋宏

(72)【発明者】

【氏名】馬屋原 健司

(72)【発明者】

【氏名】川口 亮太

(72)【発明者】

【氏名】村田 裕治

【審査官】藤森 一真

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１０８７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０１３０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４４７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２８２４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０５４３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８４４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９５０３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－００３８５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０９１３５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０９４９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１８５８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５３５１３８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４ － ８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池の複数のセルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池システムに対して要求される発電量に対する、前記燃料電池スタックの発電量の不足分を補う二次電池と、
前記二次電池の温度を測定する温度測定部と、
前記燃料電池スタックが出力する電力および前記二次電池が出力する電力を負荷へ供給する電源回路と、
前記燃料電池スタックの出力電圧によって表されるセルの電圧が下限電圧以上となるように前記燃料電池スタックが出力する電力を制御するとともに、前記二次電池の温度が上限温度未満となるように前記二次電池が出力する電力を制御して、前記電源回路から前記負荷へ供給する電力を制御する制御部と、
一定の時間周期ごとに前記二次電池の出力の平均値を取得する出力取得部と、
を備え、
前記制御部は、前記二次電池の出力の平均値が前回の前記二次電池の出力の平均値よりも大きい場合に、前記下限電圧の値を再設定し、前記再設定において、前記下限電圧の値は、前記二次電池の出力の前記平均値が大きいほど低く、設定される、
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムは、燃料電池における燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を得ることができる。燃料電池システムは、例えば、動力を発生する駆動用モータで走行する車両の駆動用モータに電力を供給する電源装置として利用が可能である。燃料電池システムでは、燃料電池を構成する複数のセル（以下、セルを「単セル」とも呼ぶ）に含まれる発電体としての膜電極接合体（「ＭＥＡ」と呼ばれる）の劣化を抑制して、燃料電池の耐久性を向上させることが望ましい。

【0003】

特許文献１には、燃料電池の電流－電圧特性を測定し、その測定結果から回復可能な可逆的な性能劣化と回復不可能な不可逆的な性能劣化と、を判別し、回復可能な性能劣化に関しては適切な回復処理を図ることで、燃料電池の耐久性を向上させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－２１１９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、単セルの電圧が一定の低電圧(例えば、０．６Ｖ）以下となると、膜電極接合体のカソードの触媒の露出が発生する。また、単セルの電圧が酸化還元電圧（例えば、０．８５Ｖ）を超える高電圧となると、カソードの露出した触媒の溶融が発生する。このため、発電によって発生するセル電圧が上記低電圧と高電圧との間で上下変動を繰り返すことで、カソードの触媒の劣化が促進され、単セルの劣化が促進される。このような単セルの劣化を抑制して、所望な耐久性を確保する目的で、例えば、単セルのセル電圧を、上記低電圧よりも高い動作下限電圧Ｖｃｌ(例えば、０．６５Ｖ～０．７Ｖ）から酸化還元電圧以下の動作上限電圧Ｖｃｕ（例えば、０．８Ｖ～０．８５Ｖ）までの範囲とする耐久性制御が行なわれる。しかしながら、この耐久性制御においては以下の問題が発生する。

【0006】

回復可能な性能劣化か不可逆的な性能劣化に関わらず燃料電池に性能劣化が発生した場合、上記耐久制御が行なわれると、動作電圧の低下が制限されて、燃料電池システムに対して要求される発電量に対して実際に燃料電池から出力可能な発電量（具体的には、電流量）が低下する場合がある。この場合、燃料電池システムに備える二次電池からの出力量(具体的には、電流量）を増加させて、燃料電池からの出力の不足分を補うことになる。二次電池からの出力量が増大すると、これに伴い二次電池に温度上昇が発生する。二次電池は、一般的に、自身の温度上昇に応じて可能な出力量に制限を有している。このため、二次電池の温度が上昇すると、二次電池によって燃料電池の出力の不足分を補うことが不可となり、燃料電池システムが要求出力に対応する電力を出力できなくなってしまう可能性がある。この結果、燃料電池システムを搭載した装置において、その装置の出力に制限が掛かることになってしまう可能性がある。

【0007】

なお、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の回復可能な性能劣化に対して回復を図ることで、上記の問題の発生可能性を低減することは可能である。しかしながら、不可逆的な性能劣化の場合には、上記問題の発生可能性を低減することはできない。従って、上記問題を解決する上で、特許文献１に記載の技術では不十分であり、燃料電池の劣化した性能の回復が可能か否かを問わず、燃料電池の性能劣化によって燃料電池システムが要求出力に対応する電力を出力できなくなってしまう、という問題を改善することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
燃料電池システムであって、
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池の複数のセルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池システムに対して要求される発電量に対する、前記燃料電池スタックの発電量の不足分を補う二次電池と、
前記二次電池の温度を測定する温度測定部と、
前記燃料電池スタックが出力する電力および前記二次電池が出力する電力を負荷へ供給する電源回路と、
前記燃料電池スタックの出力電圧によって表されるセルの電圧が下限電圧以上となるように前記燃料電池スタックが出力する電力を制御するとともに、前記二次電池の温度が上限温度未満となるように前記二次電池が出力する電力を制御して、前記電源回路から前記負荷へ供給する電力を制御する制御部と、
一定の時間周期ごとに前記二次電池の出力の平均値を取得する出力取得部と、
を備え、
前記制御部は、前記二次電池の出力の平均値が前回の前記二次電池の出力の平均値よりも大きい場合に、前記下限電圧の値を再設定し、前記再設定において、前記下限電圧の値は、前記二次電池の出力の前記平均値が大きいほど低く、設定される、
燃料電池システム。

【0009】

本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池の複数のセルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、二次電池と、前記二次電池の温度を測定する温度測定部と、前記燃料電池スタックが出力する電力および前記二次電池が出力する電力を負荷へ供給する電源回路と、前記燃料電池スタックの出力電圧によって表されるセルの電圧が下限電圧以上となるように前記燃料電池スタックが出力する電力を制御するとともに、前記二次電池の温度が上限温度未満となるように前記二次電池が出力する電力を制御して、前記電源回路から前記負荷へ供給する電力を制御する制御部と、前記燃料電池スタックの出力状態と前記二次電池の出力状態のいずれか一方から前記燃料電池スタックの劣化度合いを検出する劣化検出部と、を備え、前記下限電圧の値は、求められた前記燃料電池スタックの劣化度合いが大きいほど低く設定される。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの劣化度合いが大きいほど、下限電圧の値を低下させて、燃料電池スタックが出力する電力を制御することができるので、燃料電池スタックの出力不足の発生量を抑制することができる。これにより、二次電池からの出力電力が増加して、二次電池の温度が上昇してしまうことを抑制することができる。そして、二次電池によって燃料電池スタックの出力不足分を補うことが不可となって、負荷が要求する電力に対応する電力を燃料電池システムが出力できなくなってしまうことを抑制することができる。
本開示は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法、この制御方法を実現するためのコンピュータプログラム、このプログラムを記憶する記憶媒体等の形態で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図。

【図2】二次電池のＳＯＣと出力制限との関係の一例を示す説明図。

【図3】二次電池の温度と出力制限との関係の一例を示す説明図。

【図4】下限電圧制御部による下限電圧制御のフローチャート。

【図5】下限電圧制御部によって設定される下限電圧について示す説明図。

【図6】第２実施形態における燃料電池システムの制御部を示す機能ブロック図。

【図7】下限電圧制御部による下限電圧制御のフローチャート。

【図8】劣化度合いと下限電圧との関係の一例を示す説明図。

【図9】下限ガード回数測定部による下限ガード回数測定のフローチャート。

【図10】下限ガード回数の測定について示す説明図。

【図11】第３実施形態における燃料電池システムの制御部を示す機能ブロック図。

【図12】下限電圧制御部による下限電圧制御のフローチャート。

【図13】二次電池出力平均と下限電圧との関係の一例を示す説明図。

【図14】二次電池出力測定部による二次電池出力平均測定のフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0011】

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、不図示の車両（以下、「燃料電池車両」とも呼ぶ）に搭載され、車両の動力を発生するトラクションモータ２０や後述のエアコンプレッサ３２０等の補機に電力を供給するためのシステムとして機能する。トラクションモータ２０は、例えば、三相交流モータであり、電動機または発電機として機能し得る。トラクションモータ２０は、後述する電源回路５００を介して燃料電池スタック１００および二次電池（「ＢＡＴ」とも呼ぶ）５５０から供給される電力により燃料電池車両を駆動する。

【0012】

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１００と、アノード側ガス供給排出機構２００と、カソード側ガス供給排出機構３００と、燃料電池循環冷却機構４００と、電源回路５００と、二次電池５５０と、制御部７００とを備える。

【0013】

燃料電池スタック１００は、固体高分子型燃料電池であり、複数の発電体としての単セル１１０が積層されたセルスタックを有する。各単セル１１０は固体高分子電解質膜を挟んで設けられる膜電極接合体のアノード側触媒電極層に供給される燃料ガスと、カソード側触媒電極層に供給される酸化剤ガスとを反応ガスとして用いた電気化学反応により電力を発生する。本実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。単セル１１０において両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が用いられる。燃料電池スタック１００の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流通させるためのマニホールド（図示省略）が積層方向に沿って形成されている。燃料電池スタック１００は、セルスタックの両端を挟む一対の電極板１１１を備えている。一対の電極板１１１は、燃料電池スタック１００における総合電極として機能する。

【0014】

アノード側ガス供給排出機構２００は、「燃料ガス供給部」に相当し、燃料電池スタック１００への燃料ガスの供給、燃料電池スタック１００からのアノードオフガスの排出、および、アノードオフガス中の燃料ガスの燃料電池スタック１００への循環供給を行なう。

【0015】

アノード側ガス供給排出機構２００は、タンク２１０と、遮断弁２２０と、調圧弁２２１と、インジェクタ２２２と、気液分離器２５０と、循環用ポンプ２４０と、パージ弁２６０と、燃料ガス供給流路２３１と、第１アノードオフガス排出流路２３２と、ガス循環路２３３と、第２アノードオフガス排出流路２６２と、第１圧力センサ２７１と、第２圧力センサ２７２と、第３圧力センサ２７３と、を備える。

【0016】

タンク２１０は、燃料ガスとして高圧の水素ガスを貯蔵している。タンク２１０は、燃料ガス供給流路２３１を介して燃料電池スタック１００に燃料ガスを供給する。遮断弁２２０は、タンク２１０における燃料ガスの供給口近傍に配置され、タンク２１０からの燃料ガスの供給の実行と停止とを切り替える。調圧弁２２１は、燃料ガス供給流路２３１において遮断弁２２０の下流側且つインジェクタ２２２の上流側に配置されている。調圧弁２２１は、自身の上流側圧力（「一次圧」とも呼ぶ）を、あらかじめ設定されている自身の下流側圧力（「二次圧」とも呼ぶ）に調整する。インジェクタ２２２は、燃料ガス供給流路２３１において調圧弁２２１の下流側に配置され、燃料電池スタック１００に燃料ガスを噴射する。このとき、インジェクタ２２２における燃料ガスの噴射周期および噴射デューティ（噴射周期の一周期あたりに水素ガスを噴射する時間の割合）が調整されることにより、燃料電池スタック１００への燃料ガスの供給量及び圧力が調整される。なお、第１圧力センサ２７１は上記一次圧を測定し、第２圧力センサ２７２は二次圧を測定し、第３圧力センサ２７３はインジェクタ２２２の下流側圧力を測定する。

【0017】

気液分離器２５０は、第１アノードオフガス排出流路２３２に配置され、燃料電池スタック１００から排出されたアノードオフガスに含まれる液体を分離して第２アノードオフガス排出流路２６２に排出するとともに、液体が分離された後のアノードオフガスをガス循環路２３３に排出する。また、気液分離器２５０は、アノードオフガスから分離された液体を貯留し、パージ弁２６０が開いた場合には、貯留された液体を第２アノードオフガス排出流路２６２に排出する。アノードオフガスに含まれる液体とは、例えば、各単セル１１０における電気化学反応によりカソード側にて生じた生成水であって電解質膜を介してアノード側に透過した生成水が該当する。液体が分離された後のアノードオフガスには、各単セル１１０における電気化学反応で用いられなかった水素ガス、および、各単セル１１０において固体高分子膜を介してカソード側からアノード側へと透過した窒素ガスが含まれ得る。

【0018】

循環用ポンプ２４０は、ガス循環路２３３に配置され、気液分離器２５０から排出されたアノードオフガスを燃料ガス供給流路２３１に送出する。パージ弁２６０は、第２アノードオフガス排出流路２６２に配置され、開弁されることにより、気液分離器２５０によって分離された液体を第２アノードオフガス排出流路２６２へと排出する。このとき、一部のアノードオフガスもパージ弁２６０を介して第２アノードオフガス排出流路２６２へと排出される。

【0019】

燃料ガス供給流路２３１は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しない燃料ガス供給用のマニホールドと連通している。燃料ガス供給流路２３１には、インジェクタ２２２から燃料ガスが供給され、また、循環用ポンプ２４０からアノードオフガスが供給される。循環用ポンプ２４０から供給されるアノードオフガスは主として各単セル１１０で用いられずに排出された水素ガスを含み、この水素ガスを燃料ガス供給流路２３１に戻して、燃料電池スタック１００に循環供給することにより、燃費の向上が図られる。第１アノードオフガス排出流路２３２は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しないアノードオフガス排出用のマニホールドと連通しており、このマニホールドから燃料電池スタック１００の外部へと排出されるアノードオフガスを、気液分離器２５０へと送出する。第２アノードオフガス排出流路２６２の一端は、パージ弁２６０に接続され、他端は、後述のカソードオフガス排出流路３３１に接続されている。第２アノードオフガス排出流路２６２は、パージ弁２６０が開いたときに気液分離器２５０から排出される液水およびアノードオフガスを、カソードオフガス排出流路３３１に供給する。後述するように、カソードオフガス排出流路３３１は、主として空気からなるカソードオフガスを排出するため、第２アノードオフガス排出流路２６２から排出され、水素ガスを含んだアノードオフガスは、カソードオフガスにより希釈されて外部へと排出される。

【0020】

カソード側ガス供給排出機構３００は、「酸化剤ガス供給部」に相当し、燃料電池スタック１００への酸化剤ガスの供給および燃料電池スタック１００からのカソードオフガスの排出を行なう。カソード側ガス供給排出機構３００は、酸化剤ガス供給部分３９１と、カソードオフガス排出部分３９２とを備える。

【0021】

酸化剤ガス供給部分３９１は、燃料電池スタック１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する。酸化剤ガス供給部分３９１は、酸化剤ガス供給流路３３０と、温度センサ３０５と、エアクリーナ３１０と、エアコンプレッサ３２０と、カソードバイパス流路３３３と、エア分流弁３４０とを備える。

【0022】

酸化剤ガス供給流路３３０は、大気から取り込まれる酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１００内に設けられた図示しない酸化剤ガス供給マニホールドへと導く。温度センサ３０５は、酸化剤ガス供給部分３９１へと取り込まれる空気の温度を測定する、すなわち、外気温を測定する。エアクリーナ３１０は、酸化剤ガス供給流路３３０に配置され、自身の内部に備えるフィルタにより空気中の塵等の異物を除去し、異物除去後の空気をエアコンプレッサ３２０に供給する。エアコンプレッサ３２０は、酸化剤ガス供給流路３３０に配置され、エアクリーナ３１０から供給される空気を圧縮して下流側へと供給する。カソードバイパス流路３３３は、酸化剤ガス供給流路３３０におけるエアコンプレッサ３２０の下流かつ燃料電池スタック１００の上流において、酸化剤ガス供給流路３３０と接続されている。カソードバイパス流路３３３は、エア分流弁３４０の開度に応じてエアコンプレッサ３２０から供給される圧縮空気の少なくとも一部を、後述のカソードオフガス排出流路３３１へと導く。エア分流弁３４０は、酸化剤ガス供給流路３３０とカソードバイパス流路３３３との接続箇所に配置されている。エア分流弁３４０は、エアコンプレッサ３２０から供給されるエア流量のうち、燃料電池スタック１００へと供給される流量と、カソードバイパス流路３３３へと供給される流量とを調整する。

【0023】

カソードオフガス排出部分３９２は、カソードオフガス排出流路３３１と、カソード背圧弁３５０と、マフラ３６０とを備える。

【0024】

カソードオフガス排出流路３３１は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しないカソードオフガス排出マニホールドと接続され、このマニホールドから排出されるカソードオフガスおよび液水を、外部へと導く。カソード背圧弁３５０は、カソードオフガス排出流路３３１と上述のカソードバイパス流路３３３との接続箇所の上流に配置されている。カソード背圧弁３５０は、開度を調整することにより、燃料電池スタック１００のカソード側の背圧を調整する。マフラ３６０は、カソードオフガス排出流路３３１における第２アノードオフガス排出流路２６２との接続箇所の下流側に配置されている。マフラ３６０は、混合ガスの排出音を低減させる。

【0025】

燃料電池循環冷却機構４００は、燃料電池スタック１００を介して冷却媒体を循環させることにより燃料電池スタック１００の温度を調整する。本実施形態では、冷却媒体として不凍液を用いるものとするが、不凍液に代えて、純水等の任意の媒体を利用することもできる。燃料電池循環冷却機構４００は、ラジエータ４１０と、温度センサ４２０と、冷却媒体排出流路４４２と、冷却媒体供給流路４４１と、冷却媒体バイパス流路４４３と、冷却媒体分流弁４４４と、循環用ポンプ４３０とを備える。

【0026】

ラジエータ４１０は、冷却媒体排出流路４４２と冷却媒体供給流路４４１とに接続されており、冷却媒体排出流路４４２から流入する冷却媒体を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却してから冷却媒体供給流路４４１へと排出する。温度センサ４２０は、冷却媒体排出流路４４２における燃料電池スタック１００との接続箇所の近傍に配置され、冷却媒体排出流路４４２を流れる冷却媒体の温度を測定する。温度センサ４２０により測定された温度は、燃料電池スタック１００の温度として扱われてもよい。冷却媒体排出流路４４２は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しない冷却媒体排出用のマニホールドと接続されている。また、冷却媒体排出流路４４２は、冷却媒体分流弁４４４を介して冷却媒体バイパス流路４４３に接続されている。冷却媒体排出流路４４２は、燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体を、ラジエータ４１０または冷却媒体バイパス流路４４３へと導く。冷却媒体供給流路４４１の一端は、ラジエータ４１０に接続されている。冷却媒体供給流路４４１の他端は、燃料電池スタック１００内に設けられた図示しない冷却媒体供給用のマニホールドに接続されている。冷却媒体バイパス流路４４３の一端は、冷却媒体分流弁４４４に接続され、他端は冷却媒体供給流路４４１に接続されている。燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体の少なくとも一部は、冷却媒体分流弁４４４の開度に応じて冷却媒体バイパス流路４４３へと導かれる。冷却媒体分流弁４４４は、燃料電池スタック１００から排出された冷却媒体のうち、ラジエータ４１０へと供給される流量と、冷却媒体バイパス流路４４３へと供給される流量とを調整する。循環用ポンプ４３０は、冷却媒体供給流路４４１における冷却媒体分流弁４４４との接続箇所の下流に設置されている。循環用ポンプ４３０は、ラジエータ４１０、冷却媒体供給流路４４１、燃料電池スタック１００内部の冷却媒体流路、および冷却媒体排出流路４４２により形成される冷却媒体循環流路における冷却媒体の流量を調整する。

【0027】

電源回路５００は、燃料電池スタック１００と二次電池５５０とのうちの少なくとも一方からトラクションモータ２０やエアコンプレッサ３２０等の補機類に電力を供給する。また、電源回路５００は、燃料電池スタック１００の出力電流（以下、「ＦＣ電流」と呼ぶ）を調整する。また、電源回路５００は、二次電池５５０への充電を制御する。電源回路５００は、燃料電池制御用コンバータ５３０と、インバータ（「ＩＮＶ」とも呼ぶ）５２０と、二次電池制御用コンバータ５６０と、二次電池温度センサ５５２と、二次電池測定部（「ＢＡＴ測定部」とも呼ぶ）５５５と、電流測定部５７０と、セルモニタ５８０とを備える。

【0028】

燃料電池制御用コンバータ５３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック１００の出力電圧を昇圧する。また、燃料電池制御用コンバータ５３０は、内蔵されているスイッチング素子のスイッチング周波数を制御部７００からの指示に従って調整することにより、ＦＣ電流を調整する。電流測定部５７０は、燃料電池スタック１００の電極板１１１と燃料電池制御用コンバータ５３０とを接続する配線に流れるＦＣ電流を測定する。セルモニタ５８０は、「電圧測定部」に相当し、各単セル１１０の電圧（「セル電圧」とも呼ぶ）を測定し、燃料電池スタック１００の電圧（「スタック電圧」とも呼ぶ）を測定する。

【0029】

二次電池５５０は、リチウムイオン電池により構成され、燃料電池スタック１００と共に燃料電池システム１０における電力供給源として機能する。なお、リチウムイオン電池に代えて、ニッケル水素電池などの他の任意の種類の電池により構成されてもよい。

【0030】

二次電池制御用コンバータ５６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、二次電池５５０の出力電圧を昇圧する。また、二次電池制御用コンバータ５６０は、トラクションモータ２０の回生電力と燃料電池スタック１００の出力電力とのうちの少なくとも一方を降圧して二次電池５５０に供給する。インバータ５２０は、燃料電池スタック１００および二次電池５５０にそれぞれ電気的に接続されており、燃料電池スタック１００および二次電池５５０から出力される直流電圧を交流電圧に変換する。変換された交流電圧は、トラクションモータ２０に供給される。また、インバータ５２０は、トラクションモータ２０から出力される回生電力の交流電圧を直流電圧に変換して二次電池制御用コンバータ５６０に出力する。

【0031】

二次電池測定部５５５は、二次電池温度センサ５５２の出力値から二次電池５５０の温度を検出する。また、二次電池測定部５５５は、二次電池５５０と二次電池制御用コンバータ５６０を接続する配線に流れる電流を測定するとともに、配線間の電圧を測定する。そして、二次電池測定部５５５で測定された二次電池５５０の温度、電流および電圧は、制御部７００に供給されて、制御部７００における二次電池制御用コンバータ５６０の制御に利用される。二次電池測定部５５５は、二次電池５５０の温度を測定する「温度測定部」に相当する。

【0032】

制御部７００は、マイクロプロセッサと、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＲＡＭ（Ｒａｍｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等の記憶装置と、を備えるコンピュータとして構成されている。マイクロプロセッサは、あらかじめＲＯＭに記憶されている制御用プログラムを、ＲＡＭを利用しながら実行することにより、燃料電池システム１０の動作を制御する機能部として動作する。制御部７００は、上述の遮断弁２２０、圧力センサ２７１～２７３、循環用ポンプ２４０、パージ弁２６０、エアコンプレッサ３２０、エア分流弁３４０、カソード背圧弁３５０、モータ冷却分流弁３７０、循環用ポンプ４３０、冷却媒体分流弁４４４、インバータ５２０、燃料電池制御用コンバータ５３０、二次電池制御用コンバータ５６０にそれぞれ電気的に接続され、これらを制御する。また、制御部７００は、上述の圧力センサ２７１～２７３、温度センサ３０５、二次電池測定部５５５、電流測定部５７０、セルモニタ５８０にそれぞれ電気的に接続され、これらセンサの測定値を取得する。

【0033】

なお、図１には、制御部７００の機能部として、システム制御部７１０とＦＣ制御部７２０とＢＡＴ制御部７３０とＦＣ特性測定部７４０と下限電圧制御部７５０と記憶部７６０とが示されている。記憶部７６０は不揮発性の書き換え可能な記憶装置で構成される。

【0034】

システム制御部７１０は、システム全体の制御を担う機能部であり、ＦＣ制御部７２０およびＢＡＴ制御部７３０の動作を制御する。

【0035】

ＦＣ制御部７２０は、アノード側ガス供給排出機構２００、カソード側ガス供給排出機構３００、燃料電池循環冷却機構４００を制御して、燃料電池スタック１００による発電を制御するとともに、燃料電池制御用コンバータ５３０の動作を制御する。より具体的には、ＦＣ制御部７２０は、燃料電池スタック１００の出力電圧によって表される単セル１１０の電圧が、下限電圧と上限電圧で定められる動作範囲内となるように、燃料電池スタック１００が出力する電力を制御する。

【0036】

ＢＡＴ制御部７３０は、二次電池制御用コンバータ５６０を制御して二次電池５５０の充放電を制御する。図２は、二次電池５５０のＳＯＣと出力制限との関係の一例を示す説明図である。図３は、二次電池５５０の温度と出力制限との関係の一例を示す説明図である。ＳＯＣは、二次電池の充電状態［％］を意味する。これらの関係は、それぞれ、テーブルとして記憶部７６０に格納されている。ＢＡＴ制御部７３０は、二次電池測定部５５５で取得された二次電池５５０の電圧、電流、および温度から求められるＳＯＣに対応する出力制限Ｐｂｔ＿ｓｏｃ［Ｗ］をテーブルから取得する。また、ＢＡＴ制御部７３０は、二次電池５５０の温度に対応する出力制限Ｐｂｔ＿ｔｍｐ［Ｗ］をテーブルから取得する。そして、ＢＡＴ制御部７３０は、二次電池５５０の出力が、取得した出力制限Ｐｂｔ＿ｓｏｃと出力制限Ｐｂｔ＿ｔｍｐのうちの小さいほうの値以下となるように、二次電池制御用コンバータ５６０の動作を制御する。これにより、二次電池５５０は、その温度が上限温度未満で動作するように制御される。

【0037】

ＦＣ特性測定部７４０は、燃料電池スタック１００による発電動作中において、電流測定部５７０およびセルモニタ５８０による測定値を利用して、燃料電池スタック１００の出力特性として、電流－電圧特性（「ＩＶ特性」とも呼ぶ）を測定する。なお、初期のＩＶ特性は記憶部７６０に格納されている。

【0038】

下限電圧制御部７５０は、以下で説明するように検出される燃料電池スタック１００の劣化の度合いに応じて燃料電池スタック１００の下限電圧を制御する。

【0039】

図４は、下限電圧制御部７５０による下限電圧制御のフローチャートである。下限電圧制御部７５０は、例えば、システム起動時、一定の運転時間の経過時等において、ＦＣ特性測定部７４０によってＩＶ特性の測定を行ない、その測定結果が記憶部７６０に記憶された後、以下で説明する下限電圧制御を実行する。

【0040】

まず、ステップＳ１０１において、下限電圧制御部７５０は、あらかじめ記憶部７６０に記憶されている燃料電池スタック１００の最大出力電力Ｐｍａｘと、以前のＩＶ特性の測定時に取得されて記憶部７６０に記憶されているＦＣ電流の最大値（以下、「ＦＣ最大電流」とも呼ぶ）Ｉｂｍａｘと、を記憶部７６０から読み出す。なお、以下では、以前のＩＶ特性の測定時に取得されたＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘを「前回ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘ（ｐ）」とも呼ぶ。また、最大出力電力Ｐｍａｘは、燃料電池システム１０の運用開始前の燃料電池スタック１００に劣化がない初期状態において、初期設定される下限電圧ＶＬｏと、出力電圧Ｖｆｃが下限電圧ＶＬｏである場合の出力電流Ｉｆｃの値Ｉｏｍａｘ（「初期ＦＣ最大電流Ｉｏｍａｘ」とも呼ぶ）との積である。また、前回ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘ（ｐ）の初期値は、初期ＦＣ最大電流Ｉｏｍａｘである。なお、燃料電池スタック１００の出力電圧Ｖｆｃは、燃料電池スタック１００の１つの単セル１１０の電圧（「セル電圧」とも呼ぶ）である。このセル電圧は、セルモニタ５８０（図１参照）によって測定される燃料電池スタック１００の電極板１１１間の電圧を単セル１１０の数で除算することで求められる平均値であり、通常、０．６５Ｖ～０．８５Ｖの範囲内とされる。また、下限電圧ＶＬはセル電圧の下限電圧であり、通常、０．６５Ｖ～０．７Ｖの範囲内で設定される。初期の下限電圧ＶＬｏは、通常、０．７Ｖに設定される。

【0041】

次に、ステップＳ１０２において、下限電圧制御部７５０は、ＦＣ特性測定部７４０によって測定されたＩＶ特性から算出される電流－電力特性（「ＩＰ特性」とも呼ぶ）に基づいて、最大出力電力Ｐｍａｘに対応する出力電流Ｉｆｃを現在の最大出力電流Ｉｂｍａｘ（「現在ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘ」とも呼ぶ）として取得する（ステップＳ１０２）。

【0042】

ここで、現在ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘが前回ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘ（ｐ）よりも大きいことは（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１００の劣化の度合いが大きくなっていることを意味する。そこで、この場合には、下限電圧制御部７５０は、ステップＳ１０４において、最大出力電力Ｐｍａｘを燃料電池スタック１００の劣化の度合いを示す現在ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘで除算することで、現在ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘを出力可能とする燃料電池スタック１００の出力電圧Ｖｆｃの値を、下限電圧ＶＬとして算出する。そして、ステップＳ１０５において、下限電圧制御部７５０は、算出した下限電圧ＶＬを記憶部７６０に記憶して、処理を終了する。一方、現在ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘが前回ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘ（ｐ）以下の場合には（ステップＳ１０３：ＮＯ）、燃料電池スタック１００の劣化の度合いは大きくなっていないので、下限電圧制御部７５０は、下限電圧ＶＬを算出することなく、処理を終了する。

【0043】

図５は、下限電圧制御部７５０によって設定される下限電圧ＶＬについて示す説明図である。図５の上段のグラフは、燃料電池スタック１００のＩＶ特性を示すグラフであり、図５の下段のグラフは、上段のＩＶ特性から算出されるＩＰ特性を示している。なお、図５の実線で示すＩＶ特性ＣＩＶｏおよびＩＰ特性ＣＩＰｏは、初期状態の特性を示しており、あらかじめ記憶部７６０に記憶されている。また、図５の一点鎖線で示すＩＶ特性ＣＩＶｂは、燃料電池システム１０が運用されて燃料電池スタック１００が劣化した状態で、ＦＣ特性測定部７４０によって測定されたＩＶ特性の一例を示している。また、一点鎖線で示すＩＰ特性ＣＩＰｂは、ＩＶ特性ＣＩＶｂから算出されるＩＰ特性を示している。なお、ＦＣ特性測定部７４０によるＩＶ特性の測定は、燃料電池スタック１００による発電が実行されている間において、接近した時間帯で複数の出力電圧Ｖｆｃおよび出力電流Ｉｆｃを測定することによって実行される。この際、現在設定されている下限電圧ＶＬよりも低い出力電圧Ｖｆｃ及びこれに対応する出力電流Ｉｆｃについては、外挿法を用いて算出される。

【0044】

燃料電池スタック１００の劣化が進行すると、図５に示したＩＶ特性ＣＩＶｂおよびＩＰ特性ＣＩＰｂのように、初期状態のＩＶ特性ＣＩＶｏおよびＩＰ特性ＣＩＰｏに比べて出力性能が低下する。このため、燃料電池スタック１００は、初期状態における下限電圧ＶＬｏでは、初期ＦＣ最大電流Ｉｏｍａｘおよび最大出力電力Ｐｍａｘの出力が可能であったのに対して、劣化状態における下限電圧ＶＬｏでは、初期ＦＣ最大電流Ｉｏｍａｘおよび最大出力電力Ｐｍａｘの出力ができなくなる。

【0045】

そこで、第１実施形態の下限電圧制御（図４参照）では、劣化した状態の燃料電池スタック１００のＩＰ特性ＣＩＰｂに基づいて、最大出力電力Ｐｍａｘに対応する現在ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘを求める。そして、最大出力電力Ｐｍａｘおよび現在ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘを出力可能とする出力電圧Ｖｆｃの値ＶＬｂを求めて、下限電圧ＶＬとして設定することとした。これにより、燃料電池スタック１００の劣化が進行しても、劣化の度合いが大きいほど下限電圧ＶＬを低く設定することができる。この結果、下限電圧ＶＬによる出力電圧Ｖｆｃの制限によって燃料電池スタック１００の出力不足の発生およびその発生量を低減することが可能となる。そして、燃料電池スタック１００の出力不足分を補うために、二次電池５５０がその不足分に対応する電力を増加して出力することを低減することが可能となる。これにより、二次電池５５０の出力増加によって発生する二次電池５５０の温度上昇を抑制することができる。この結果、二次電池５５０の温度が上昇することによって二次電池５５０に出力制限が発生し(図３参照）、二次電池５５０によって燃料電池スタック１００の出力不足分を補うことが不可となって、トラクションモータ２０等の負荷が要求する電力を燃料電池システム１０が出力できなくなってしまうことを抑制することが可能となる。そして、運転者が感じるドライバビリティの低下を抑制することが可能となる。

【0046】

なお、下限電圧ＶＬの値は、課題で説明したように、膜電極接合体のカソードの触媒の露出が発生する一定の低電圧（例えば、０．６Ｖ）以下とならないようにするために設定されるものであり、マージンを考慮して、下限電圧ＶＬの初期値ＶＬｏは、０．７Ｖ程度に設定される。従って、下限電圧ＶＬの値を初期値ＶＬｏより低くしても、上記一定の低電圧よりも大きい値であれば、カソードの触媒の劣化への影響は抑制することができる。そこで、上記したように、劣化の度合いに応じて下限電圧ＶＬを初期値ＶＬｏよりも低い値に設定することにより、下限電圧ＶＬのマージンは小さくなるが、上記した効果を得ることができる。

【0047】

なお、以上説明した第１実施形態において、制御部７００、より具体的には、ＦＣ制御部７２０およびＢＡＴ制御部７３０が「制御部」に相当する。また、下限電圧制御部７５０が「劣化検出部」に相当し、ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘが「燃料電池スタックの出力状態」に相当する。

【0048】

Ｂ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態における燃料電池システム１０Ｂの制御部７００Ｂを示す機能ブロック図である。図６において、制御部７００Ｂ以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０（図１参照）と同じであるので、図示および説明を省略する。

【0049】

制御部７００Ｂは、第１実施形態の制御部７００の下限電圧制御部７５０に替えて下限電圧制御部７５０Ｂを備えるとともに、下限ガード回数測定部７５５Ｂを備える。下限ガード回数測定部７５５Ｂは、以下で説明するように、下限電圧によって燃料電池スタック１００の出力電圧が制限される回数（以下、「下限ガード回数」とも呼ぶ）を測定する。下限電圧制御部７５０Ｂは、以下で説明するように、下限ガード回数から検出される燃料電池スタック１００の劣化の度合いに応じて燃料電池スタック１００の下限電圧を制御する。

【0050】

図７は、下限電圧制御部７５０Ｂによる下限電圧制御のフローチャートである。下限電圧制御部７５０Ｂは、例えば、システム起動時や一定の時間周期で、以下で説明する下限電圧制御を実行する。

【0051】

まず、ステップＳ１１１において、下限電圧制御部７５０Ｂは、記憶部７６０に記憶されている運転時間Ｔｄと、以前の下限電圧制御の実行時に取得されて記憶部７６０に記憶されている前回劣化度合いＫｇ（ｐ）と、を記憶部７６０から読み出す。

【0052】

次に、燃料電池スタック１００から電力を供給可能な状態を意味するシステム起動状態である場合には（ステップＳ１１２：ＹＥＳ）、下限電圧制御部７５０Ｂは、ステップＳ１１３において、運転時間Ｔｄに一定時間ｄｔを加算し、加算後の運転時間Ｔｄを記憶部７６０に記憶する。そして、下限電圧制御部７５０Ｂは、運転時間Ｔｄが所定値Ｔｒよりも大きくなるまでの間（ステップＳ１１５：ＮＯ）、ステップＳ１１２～Ｓ１１４による運転時間Ｔｄの計測を実行する。所定値Ｔｒは、燃料電池スタック１００の劣化速度に依存して決定される値であり、劣化の進行がＩＶ特性の変化として現れる時間に設定される。この所定値Ｔｒは単セル１１０の構造や燃料電池システム１０の動作方法に依存する。

【0053】

運転時間Ｔｄが所定値Ｔｒよりも大きくなった場合（ステップＳ１１５：ＹＥＳ）、ステップＳ１１６において、下限電圧制御部７５０Ｂは、記憶部７６０から下限ガード回数Ｎｔを読み出し、ステップＳ１１７において、下限ガード回数Ｎｔを運転時間Ｔｄで除算することで、単位時間当たりの下限ガード回数の値を現在の劣化度合いＫｇとして算出する。なお、下限ガード回数Ｎｔについては、後述する下限ガード回数測定部７５５Ｂによる下限ガード回数測定において説明する。

【0054】

ここで、現在の劣化度合いＫｇが前回劣化度合いＫｇ（ｐ）よりも大きいことは(ステップＳ１１８：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１００の劣化の度合いが大きくなっていることを意味する。そこで、この場合には、下限電圧制御部７５０Ｂは、ステップＳ１１９において、記憶部７６０にあらかじめ記憶されているテーブルを用いて、現在の劣化度合いＫｇに対応する下限電圧ＶＬを決定する。

【0055】

図８は、劣化度合いＫｇと下限電圧ＶＬとの関係の一例を示す説明図である。この関係を示す情報は、テーブルとして記憶部７６０にあらかじめ記憶されている。下限電圧制御部７５０Ｂは、テーブルを用いて、例えば、現在の劣化度合いＫｇの値Ｋｇｂに対応する下限電圧ＶＬの値ＶＬｂを決定することができる。

【0056】

次に、下限電圧制御部７５０Ｂは、ステップＳ１２０において、算出した現在の劣化度合いＫｇを前回劣化度合いＫｇ（ｐ）として記憶部７６０に記憶するとともに、決定した下限電圧ＶＬを記憶部７６０に記憶する。そして、下限電圧制御部７５０Ｂは、ステップＳ１２１において、下限電圧決定フラグをＯＮとし、ステップＳ１２２において記憶部７６０に記憶されている運転時間Ｔｄをリセットして、処理を終了する。

【0057】

一方、現在の劣化度合いＫｇが前回劣化度合いＫｇ（ｐ）以下の場合には(ステップＳ１１８：ＮＯ）、燃料電池スタック１００の劣化の度合いが大きくなっていないので、この場合には、下限電圧制御部７５０Ｂは、ステップＳ１１９，Ｓ１２０を行なわずに、ステップＳ１２１，Ｓ１２２を行なって、処理を終了する。

【0058】

図９は、下限ガード回数測定部７５５Ｂによる下限ガード回数測定のフローチャートである。下限ガード回数測定部７５５Ｂは、例えば、一定の時間周期で、以下で説明する下限ガード回数測定を実行する。

【0059】

まず、ステップＳ１３１において、下限ガード回数測定部７５５Ｂは、記憶部７６０に記憶されている下限ガード回数Ｎｔを読み出す。そして、下限ガード回数測定部７５５Ｂは、燃料電池スタック１００に対する要求電力Ｐｆｃｒｑが所定値Ｐｆｃｒよりも大きく、かつ、燃料電池スタック１００の出力電圧Ｖｆｃがガード判定電圧Ｖｄ未満となるまでの間（ステップＳ１３２：ＮＯ）、待機する。そして、下限ガード回数測定部７５５Ｂは、燃料電池スタック１００の出力電圧Ｖｆｃがガード判定電圧Ｖｄよりも大きくなるまでの間（ステップＳ１３３：ＮＯ）、待機する。そして、下限ガード回数測定部７５５Ｂは、燃料電池スタック１００の出力電圧Ｖｆｃがガード判定電圧Ｖｄよりも大きくなった場合に（ステップＳ１３３：ＹＥＳ）、ステップＳ１３４において下限ガード回数Ｎｔに回数１を加算し、ステップＳ１３５において、下限ガード回数Ｎｔを記憶部７６０に記憶する。

【0060】

図１０は、下限ガード回数の測定について示す説明図である。ガード判定電圧Ｖｄは、現在設定されている下限電圧ＶＬにマージン電圧Ｖαを加算した電圧である。出力電圧Ｖｆｃがガード判定電圧Ｖｄよりも低くなった場合には、下限電圧ＶＬで制限される状態となっていることを示している。そして、この状態が継続した後、出力電圧Ｖｆｃがガード判定電圧Ｖｄよりも大きくなった場合には、出力電圧Ｖｆｃが下限電圧ＶＬで制限される状態から脱出したことを示している。なお、マージン電圧Ｖαは、下限電圧ＶＬによる出力電圧Ｖｆｃの制限が実行されている間の制御応答に依存して発生しうる電圧のばらつきによる誤判定を無くすためのマージンである。そこで、図９のステップＳ１３２～Ｓ１３４は、出力電圧Ｖｆｃがガード判定電圧Ｖｄ未満となった後、ガード判定電圧Ｖｄよりも大きくなったことで、出力電圧Ｖｆｃが下限電圧ＶＬで制限される下限ガードの状態が１回発生したことを測定するものである。

【0061】

なお、ステップＳ１３２における要求電力Ｐｆｃｒｑが所定値Ｐｆｃｒよりも大きいとする条件は、以下の状態を除外するものである。すなわち、トラクションモータ２０等（図１参照）の負荷への電力供給の要求が発生していない状態、例えば、燃料電池スタック１００の出力電圧Ｖｆｃを一定の電圧範囲内に維持するために断続的に微小な発電を実行する間欠運転の状態、において発生する出力電圧Ｖｆｃの低下を除外するものである。所定値Ｐｒは、例えば、間欠運転で実行される微小発電の電力を除外するために、微小発電の電力よりも大きい電力に設定される。

【0062】

そして、下限ガード回数測定部７５５Ｂは、図７のステップＳ１２１において下限電圧決定フラグがＯＮとされるまでの間（ステップＳ１３６：ＮＯ）、ステップＳ１３１～Ｓ１３５を繰り返して、下限ガード回数Ｎｔの測定を実行する。一方、下限ガード回数測定部７５５Ｂは、下限電圧決定フラグがＯＮとなった場合には（ステップＳ１３６：ＹＥＳ）、ステップＳ１３７において記憶部７６０に記憶されている下限ガード回数Ｎｔをリセットするとともに、下限電圧決定フラグをＯＦＦとし、処理を終了する。

【0063】

以上説明したように、第２実施形態では、単位時間当たりに発生する下限ガード回数を劣化度合いＫｇとして求めて、劣化度合いＫｇに対応する下限電圧ＶＬを求めている(図８参照）。これにより、燃料電池スタック１００の劣化が進行しても、劣化の度合いが大きいほど下限電圧ＶＬを低く設定することができる。これにより、第１実施形態の場合と同様の効果を得ることが可能となる。

【0064】

なお、以上説明した第２実施形態において、制御部７００Ｂ、より具体的には、ＦＣ制御部７２０およびＢＡＴ制御部７３０が「制御部」に相当する。また、下限電圧制御部７５０Ｂが「劣化検出部」に相当し、下限ガード回数Ｎｔが「燃料電池スタックの出力状態」に相当する。

【0065】

Ｃ．第３実施形態：
図１１は、第３実施形態における燃料電池システム１０Ｃの制御部７００Ｃを示す機能ブロック図である。図１１において、制御部７００Ｃ以外の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０（図１参照）と同じであるので、図示および説明を省略する。

【0066】

制御部７００Ｃは、第１実施形態の制御部７００の下限電圧制御部７５０に替えて下限電圧制御部７５０Ｃを備えるとともに、二次電池出力測定部７５８Ｃを備える。二次電池出力測定部７５８Ｃは、以下で説明するように、二次電池５５０の出力状態を示す二次電池出力平均を測定する。下限電圧制御部７５０Ｃは、以下で説明するように、二次電池出力平均から検出される燃料電池スタック１００の劣化の度合いに応じて燃料電池スタック１００の下限電圧を制御する。

【0067】

図１２は、下限電圧制御部７５０Ｃによる下限電圧制御のフローチャートである。下限電圧制御部７５０Ｃは、例えば、システム起動時や一定の時間周期で、以下で説明する下限電圧制御を実行する。

【0068】

まず、ステップＳ１４１において、下限電圧制御部７５０Ｃは、記憶部７６０に記憶されている運転時間Ｔｄと、以前の下限電圧制御の実行時に取得されて記憶部７６０に記憶されている前回二次電池出力平均Ｐｂｍ（ｐ）と、を記憶部７６０から読み出す。

【0069】

次に、システム起動状態である場合には（ステップＳ１４２：ＹＥＳ）、下限電圧制御部７５０Ｃは、ステップＳ１４３において、運転時間Ｔｄに一定時間ｄｔを加算し、加算後の運転時間Ｔｄを記憶部７６０に記憶する。そして、下限電圧制御部７５０Ｂは、運転時間Ｔｄが所定値Ｔｒよりも大きくなるまでの間（ステップＳ１４５：ＮＯ）、ステップＳ１４２～Ｓ１４４による運転時間Ｔｄの計測を実行する。なお、システム起動状態、および、所定値Ｔｒは第２実施形態と同様である。

【0070】

運転時間Ｔｄが所定値Ｔｒよりも大きくなった場合（ステップＳ１４５：ＹＥＳ）、ステップＳ１４６において、下限電圧制御部７５０Ｃは、記憶部７６０から二次電池出力平均Ｐｂｍを読み出す。二次電池出力平均Ｐｂｍについては、後述する二次電池出力測定部７５８Ｃによる二次電池出力平均測定において説明する。

【0071】

ここで、現在の二次電池出力平均Ｐｂｍが前回二次電池出力平均Ｐｂｍ（ｐ）よりも大きいことは(ステップＳ１４７：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１００の劣化の度合いが大きくなっていることを意味する。そこで、この場合には、下限電圧制御部７５０Ｃは、ステップＳ１４８において、記憶部７６０にあらかじめ記憶されているテーブルを用いて、現在の二次電池出力平均Ｐｂｍに対応する下限電圧ＶＬを決定する。

【0072】

図１３は、二次電池出力平均Ｐｂｍと下限電圧ＶＬとの関係の一例を示す説明図である。この関係を示す情報は、テーブルとして記憶部７６０にあらかじめ記憶されている。下限電圧制御部７５０Ｃは、テーブルを用いて、例えば、現在の二次電池出力平均Ｐｂｍの値Ｐｂｍｂに対応する下限電圧ＶＬの値ＶＬｂを決定することができる。

【0073】

次に、下限電圧制御部７５０Ｃは、図１２のステップＳ１４９において、現在の二次電池出力平均Ｐｂｍを前回二次電池出力平均Ｐｂｍ（ｐ）として記憶部７６０に記憶するとともに決定した下限電圧ＶＬを記憶部７６０に記憶する。そして、下限電圧制御部７５０Ｃは、ステップＳ１５０において、下限電圧決定フラグをＯＮとし、ステップＳ１５１において記憶部７６０に記憶されている運転時間Ｔｄをリセットして、処理を終了する。

【0074】

一方、現在の二次電池出力平均Ｐｂｍが前回二次電池出力平均Ｐｂｍ（ｐ）以下の場合には(ステップＳ１４７：ＹＥＳ）、燃料電池スタック１００の劣化の度合いが大きくなっていないので、この場合には、下限電圧制御部７５０Ｃは、ステップＳ１４８，Ｓ１４９を行なわずに、ステップＳ１５０，Ｓ１５１を行なって、処理を終了する。

【0075】

図１４は、二次電池出力測定部７５８Ｃによる二次電池出力平均測定のフローチャートである。二次電池出力測定部７５８Ｃは、例えば、一定の時間周期で、以下で説明する二次電池出力平均測定を実行する。

【0076】

まず、ステップＳ１６１において、二次電池出力測定部７５８Ｃは、記憶部７６０に記憶されている二次電池出力平均Ｐｂｍを読み出す。そして、二次電池出力測定部７５８Ｃは、燃料電池システム１０に対する要求電力Ｐｒｑが所定値Ｐｒよりも大きい場合に（ステップＳ１６２：ＹＥＳ）、ステップＳ１６３において二次電池出力平均Ｐｂｍを算出し、ステップＳ１６４において算出した二次電池出力平均Ｐｂｍを現在の二次電池出力平均Ｐｂｍとして記憶部７６０に記憶する。そして、二次電池出力測定部７５８Ｃは、図１２のステップＳ１５０において下限電圧決定フラグがＯＮとされるまでの間(ステップＳ１６５：ＮＯ）、ステップＳ１６１～Ｓ１６４を繰り返して、二次電池出力平均Ｐｂｍの測定を実行する。一方、二次電池出力測定部７５８Ｃは、下限電圧決定フラグがＯＮとされた場合には（ステップＳ１３６：ＹＥＳ）、ステップＳ１６６において記憶部７６０に記憶されている現在の二次電池出力平均Ｐｂｍをリセットするとともに、下限電圧決定フラグをＯＦＦとし、処理を終了する。

【0077】

ここで、ステップＳ１６３における二次電池出力平均Ｐｂｍは、下限電圧決定フラグがＯＮとされるまでの時間、すなわち、燃料電池スタック１００の劣化の進行がＩＶ特性の変化として現れる時間が経過するまでに、二次電池５５０から出力された電力の平均値である。例えば、１６ｍｓｅｃの演算周期で、運転時間Ｔｄが１６０ｍｓｅｃの間の二次電池５５０からの出力が、１０ｋＷ、１０ｋＷ、１０ｋＷ、１０ｋＷ、１０ｋＷ、２０ｋＷ、２０ｋＷ、２０ｋＷ、２０ｋＷ、２０ｋＷであった場合、二次電池出力平均Ｐｂｍは１５ｋＷと算出される。

【0078】

また、ステップＳ１６２における要求電力Ｐｒｑが所定値Ｐｒよりも大きいとする条件は、以下の理由による。すなわち、二次電池出力平均の算出は、燃料電池システム１０から負荷への電力の供給が多くなり、燃料電池スタック１００からの出力不足が発生して、二次電池５５０からの出力が多くなる状態で実施する必要があるからである。このようにしなければ、算出した二次電池出力平均の大きさによって、燃料電池スタック１００の劣化によって二次電池出力が多くなったか判断することが困難だからである。例えば、二次電池出力が多くならないアイドリング動作中においても二次電池出力を平均化してしまうと、アイドリング動作が多い運転では、二次電池出力平均が小さくなり、燃料電池スタック１００の劣化の指標にはならない。以上のことから、所定値Ｐｒは、例えば、燃料電池スタック１００を下限電圧ＶＬで発電した場合の出力電力に設定される。

【0079】

以上説明したように、第３実施形態では、二次電池出力平均Ｐｂｍを求めて、二次電池出力平均Ｐｂｍに対応する下限電圧ＶＬを求めている。二次電池出力平均Ｐｂｍが多くなることは、燃料電池スタック１００の劣化が進行して、燃料電池スタック１００の出力不足が多くなることを示している。従って、燃料電池スタック１００の劣化が進行して、劣化の度合いが大きくなっても、二次電池出力平均Ｐｂｍが大きいほど下限電圧ＶＬを低く設定することができる。これにより、第１，第２実施形態の場合と同様の効果を得ることが可能となる。

【0080】

なお、以上説明した第３実施形態において、制御部７００Ｃ、より具体的には、ＦＣ制御部７２０およびＢＡＴ制御部７３０が「制御部」に相当する。また、下限電圧制御部７５０Ｃが「劣化検出部」に相当し、二次電池出力平均Ｐｂｍが「二次電池の出力状態」に相当する。

【0081】

Ｄ．他の実施形態：
（１）第１実施形態の下限電圧制御（図４参照）において、ステップＳ１０３の燃料電池スタック１００の劣化を検出する処理を省略し、ステップＳ１０１の前回ＦＣ最大電流Ｉｂｍａｘ（ｐ）を読み出す処理を省略するようにしてもよい。また、第２実施形態の下限電圧制御(図７参照）において、ステップＳ１１８の燃料電池スタック１００の劣化を検出する処理を省略し、ステップＳ１１１の前回劣化度合いＫｇ（ｐ）を読み出す処理およびステップＳ１２０の劣化度合いＫｇを前回劣化度合いＫｇ（ｐ）として記憶する処理を省略してもよい。また、第３実施形態の下限電圧制御（図１２参照）において、ステップＳ１４７の燃料電池スタック１００の劣化を検出する処理を省略し、ステップＳ１４１の前回二次電池出力平均Ｐｂｍ（ｐ）を読み出す処理およびステップＳ１４９の二次電池出力平均Ｐｂｍを前回二次電池出力平均Ｐｂｍ（ｐ）として記憶する処理を省略するようにしてもよい。

【0082】

（２）上記実施形態では、燃料電池スタック１００（図１参照）の複数の単セル１１０の平均のセル電圧を燃料電池スタック１００の出力電圧Ｖｆｃとして説明しているが、セルモニタ５８０で測定されるセル電圧のうち、最も低いセル電圧を燃料電池スタック１００の出力電圧Ｖｆｃとしても良い。

【0083】

（３）上記実施形態では、１つの燃料電池システムが搭載された車両を例に説明しているが、複数の燃料電池システムが搭載された車両であってもよい。この場合には、それぞれの燃料電池システムにおいて、それぞれ、燃料電池スタックの劣化度合いに応じて下限電圧が設定されるようにすれば良い。

【0084】

（４）上記実施形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例に説明したが、これに限定されるものではなく、電力を動力発生装置（例えば、駆動モータ）の動力源とする種々の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。また、移動体に搭載される燃料電池システムだけでなく、定置型の燃料電池システムにも適用可能である。

【0085】

（５）上記実施形態において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、制御部７００の少なくとも一部の機能を、集積回路、ディスクリート回路、またはそれらの回路を組み合わせたモジュールにより実現してもよい。また、本開示の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（「コンピュータプログラム」とも呼ぶ）は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ－ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装置も含んでいる。すなわち、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、データパケットを一時的ではなく固定可能な任意の記録媒体を含む広い意味を有している。

【0086】

本発明は、上記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形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、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。

【符号の説明】

【0087】

１０…燃料電池システム、２０…トラクションモータ、１００…燃料電池スタック、１１０…単セル、１１１…電極板、２００…アノード側ガス供給排出機構、２１０…タンク、２２０…遮断弁、２２１…調圧弁、２２２…インジェクタ、２３１…燃料ガス供給流路、２３２…第１アノードオフガス排出流路、２３３…ガス循環路、２４０…循環用ポンプ、２５０…気液分離器、２６０…パージ弁、２６２…第２アノードオフガス排出流路、２７１…第１圧力センサ、２７２…第２圧力センサ、２７３…第３圧力センサ、３００…カソード側ガス供給排出機構、３０５…温度センサ、３１０…エアクリーナ、３２０…エアコンプレッサ、３３０…酸化剤ガス供給流路、３３１…カソードオフガス排出流路、３３３…カソードバイパス流路、３４０…エア分流弁、３５０…カソード背圧弁、３６０…マフラ、３９１…酸化剤ガス供給部分、３９２…カソードオフガス排出部分、４００…燃料電池循環冷却機構、４１０…ラジエータ、４２０…温度センサ、４３０…循環用ポンプ、４４１…冷却媒体供給流路、４４２…冷却媒体排出流路、４４３…冷却媒体バイパス流路、４４４…冷却媒体分流弁、５００…電源回路、５２０…インバータ、５３０…燃料電池制御用コンバータ、５５０…二次電池、５６０…二次電池制御用コンバータ、５７０…電流測定部、５８０…セルモニタ、７００…制御部、７１０…システム制御部、７２０…ＦＣ制御部、７３０…ＢＡＴ制御部、７４０…ＦＣ特性測定部、７５０，７５０Ｂ，７５０Ｃ…下限電圧制御部、７５５Ｂ…下限ガード回数測定部、７５８Ｃ…二次電池出力測定部、７６０…記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】