特許 7632346 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】2025-02-10

(45)【発行日】2025-02-19

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20250212BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20250212BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20250212BHJP

   H01M 8/04313 20160101ALI20250212BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20250212BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/04537

H01M8/04746

H01M8/04313

H01M8/10 101

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2022028300

(22)【出願日】2022-02-25

(65)【公開番号】P2023124505

(43)【公開日】2023-09-06

【審査請求日】2024-05-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】下村 哲也

(72)【発明者】

【氏名】若山 直矢

【審査官】柳幸 憲子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－６２７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５１８１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２１０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－６７５３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１９０３０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４８５８

Ｈ０１Ｍ ８／０４５３７

Ｈ０１Ｍ ８／０４７４６

Ｈ０１Ｍ ８／０４３１３

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池システムであって、
複数のセル（１０ａ）が積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
負荷装置（ＬＤ）から要求される要求出力が所定出力を超える際に負荷運転を実施し、前記所定出力以下である場合に前記燃料電池スタックへの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施する運転制御部（５０ａ）と、
前記間欠運転中における前記燃料電池スタックの上下限電圧値を電圧制限範囲として設定する電圧設定部（５０ｂ）と、を備え、
前記電圧設定部は、前記負荷運転から前記間欠運転に切り替わる直前の前記燃料電池スタックの電圧を直前電圧として記憶部（５１）に記憶し、少なくとも前記直前電圧が含まれるように前記間欠運転中における前記電圧制限範囲を設定する、燃料電池システム。

【請求項2】

前記電圧設定部は、
前記間欠運転に切り替わる前に実施されていた前記負荷運転時の前記燃料電池スタックの電圧を負荷運転電圧として前記記憶部に逐次記憶し、
前記記憶部に記憶された前記負荷運転電圧に基づいて前記間欠運転中における前記電圧制限範囲を設定する、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記電圧設定部は、前記記憶部に記憶された前記負荷運転電圧の平均値が含まれるように前記間欠運転中における前記電圧制限範囲を設定する、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記電圧設定部は、前記負荷運転電圧を前記負荷運転電圧の検出時の前記要求出力と関連付けて前記記憶部に記憶し、
前記記憶部に記憶された前記負荷運転電圧のうち、前記負荷装置からの要求頻度が所定値以上となる前記要求出力に対応する前記負荷運転電圧に基づいて前記間欠運転中における前記電圧制限範囲を設定する、請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料電池スタックの全体の電圧を前記セルの数で除したものをＦＣ電圧としたとき、
前記電圧設定部は、前記負荷運転から前記間欠運転に切り替わる直前の前記ＦＣ電圧が０．７ボルト以下である場合に、前記電圧制限範囲の下限電圧値が前記燃料電池スタックを構成する前記セルの数に０．７を乗じた値以下となるように前記間欠運転中における前記電圧制限範囲を設定する、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【請求項6】

前記間欠運転から前記負荷運転への切り替え後の前記要求出力を予測出力として予測するとともに、前記予測出力に対応する前記燃料電池スタックの電圧を予測電圧として算出する出力予測部（５０ｃ）を備え、
前記電圧設定部は、前記間欠運転中に所定条件が成立すると、前記間欠運転から前記負荷運転に切り替える前の前記電圧制限範囲を少なくとも前記予測電圧が含まれる範囲に変更する、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【請求項7】

燃料電池システムであって、
複数のセル（１０ａ）が積層された燃料電池スタック（１０）と、
負荷装置（ＬＤ）から要求される要求出力が所定出力を超える際に負荷運転を実施し、前記所定出力以下である場合に前記燃料電池スタックへの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施する運転制御部（５０ａ）と、
前記間欠運転中における前記燃料電池スタックの上下限電圧値を電圧制限範囲として設定する電圧設定部（５０ｂ）と、
前記間欠運転から前記負荷運転への切り替え後の前記要求出力を予測出力として予測するとともに、前記予測出力に対応する前記燃料電池スタックの電圧を予測電圧として算出する出力予測部（５０ｃ）と、を備え、
前記電圧設定部は、前記間欠運転中に所定条件が成立すると、前記間欠運転から前記負荷運転に切り替える前の前記電圧制限範囲を少なくとも前記予測電圧が含まれる範囲に設定する、燃料電池システム。

【請求項8】

燃料電池システムであって、
複数のセル（１０ａ）が積層された燃料電池スタック（１０）と、
負荷装置（ＬＤ）から要求される要求出力が所定出力を超える際に負荷運転を実施し、前記所定出力以下である場合に前記燃料電池スタックへの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施する運転制御部（５０ａ）と、
前記間欠運転中における前記燃料電池スタックの上下限電圧値を電圧制限範囲として設定する電圧設定部（５０ｂ）と、
前記負荷運転から前記間欠運転への切り替え後の前記要求出力を予測出力として予測するとともに、前記予測出力に対応する前記燃料電池スタックの電圧を予測電圧として算出する出力予測部（５０ｃ）と、を備え、
前記電圧設定部は、前記負荷運転中に所定条件が成立すると、前記負荷運転から前記間欠運転に切り替えた後の前記電圧制限範囲を少なくとも前記予測電圧が含まれる範囲に設定する、燃料電池システム。

【請求項9】

前記出力予測部は、前記間欠運転から前記負荷運転への切り替え後の前記要求出力を負荷予測出力として予測するとともに、前記負荷予測出力に対応する前記燃料電池スタックの電圧を負荷予測電圧として算出し、
前記電圧設定部は、前記間欠運転中に前記所定条件が成立すると、前記間欠運転から前記負荷運転に切り替える前の前記電圧制限範囲を少なくとも前記負荷予測電圧が含まれる範囲に設定する、請求項８に記載の燃料電池システム。

【請求項10】

移動体に適用されるものであって、
前記出力予測部は、前記移動体の位置と前記予測出力との対応関係を規定した制御マップを参照し、前記移動体の現在位置から前記予測出力を求めるように構成されている、請求項６ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【請求項11】

前記所定条件は、前記現在位置が前記出力予測部で前記予測出力を求めることが可能な予測可能区間にある場合に成立する、請求項１０に記載の燃料電池システム。

【請求項12】

前記燃料電池スタックの全体の電圧を前記セルの数で除したものをＦＣ電圧としたとき、
前記電圧設定部は、前記予測電圧が０．７ボルト以下である場合に、前記電圧制限範囲の下限電圧値が前記燃料電池スタックを構成する前記セルの数に０．７を乗じた値以下となるように前記間欠運転中における前記電圧制限範囲を設定する、請求項７ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、間欠運転中における燃料電池の電圧変動回数や間欠運転中における燃料電池の電圧変動量に対応する電極触媒劣化量を考慮して、電極触媒の劣化を効果的に抑制する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１の燃料電池システムは、間欠運転の継続時間と電極触媒の劣化量との関係を規定した劣化特性マップを用いて、電極触媒劣化量が最小になるように間欠運転継続時間に応じて、間欠運転中における燃料電池の電圧変動の上下限電圧値を変化させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－１０１７７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、通常の運転モードである負荷運転から間欠運転への切り替え時や間欠運転から負荷運転への切り替え時に、燃料電池の電圧変動が生ずる。このような電圧変動は電極触媒の劣化を招く要因となることから好ましくない。

【0005】

しかしながら、特許文献１では、間欠運転中における燃料電池の上下限電圧値を間欠運転の継続時間に応じて設定しており、通常の運転モード時の燃料電池の電圧が全く考慮されていない。このため、間欠運転および負荷運転の切り替えに起因した燃料電池の電圧変動が発生する。

【0006】

本開示は、間欠運転および負荷運転の切り替えに起因する燃料電池の電圧変動を抑制可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１に記載の発明は、
燃料電池システムであって、
複数のセル（１０ａ）が積層して構成される燃料電池スタック（１０）と、
負荷装置（ＬＤ）から要求される要求出力が所定出力を超える際に負荷運転を実施し、所定出力以下である場合に燃料電池スタックへの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施する運転制御部（５０ａ）と、
間欠運転中における燃料電池スタックの上下限電圧値を電圧制限範囲として設定する電圧設定部（５０ｂ）と、を備え、
電圧設定部は、負荷運転から間欠運転に切り替わる直前の燃料電池スタックの電圧を直前電圧として記憶部（５１）に記憶し、少なくとも直前電圧が含まれるように間欠運転中における電圧制限範囲を設定する。

【0008】

このように、間欠運転中における電圧制限範囲を、間欠運転に切り替わる直前の直前電圧を含むように設定すれば、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタックの電圧変動を抑制することができる。したがって、間欠運転および負荷運転の切り替えに起因する燃料電池の電圧変動を抑制することができる。

【0009】

請求項６に記載の発明は、
燃料電池システムであって、
複数のセル（１０ａ）が積層された燃料電池スタック（１０）と、
負荷装置（ＬＤ）から要求される要求出力が所定出力を超える際に負荷運転を実施し、所定出力以下である場合に燃料電池スタックへの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施する運転制御部（５０ａ）と、
間欠運転中における燃料電池スタックの上下限電圧値を電圧制限範囲として設定する電圧設定部（５０ｂ）と、
間欠運転から負荷運転への切り替え後の要求出力を予測出力として予測するとともに、予測出力に対応する燃料電池スタックの電圧を予測電圧として算出する出力予測部（５０ｃ）と、を備え、
電圧設定部は、間欠運転中に所定条件が成立すると、間欠運転から負荷運転に切り替える前の電圧制限範囲を少なくとも予測電圧が含まれる範囲に設定する。

【0010】

このように、間欠運転中に所定条件が成立した場合に、間欠運転中の電圧制限範囲を負荷運転に切り替わった後の予測電圧を含むように設定すれば、間欠運転から負荷運転へ切り替わる際の燃料電池スタックの電圧変動を抑制することができる。したがって、間欠運転および負荷運転の切り替えに起因する燃料電池の電圧変動を抑制することができる。

【0011】

請求項７に記載の発明は、
燃料電池システムであって、
複数のセル（１０ａ）が積層された燃料電池スタック（１０）と、
負荷装置（ＬＤ）から要求される要求出力が所定出力を超える際に負荷運転を実施し、所定出力以下である場合に燃料電池スタックへの空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施する運転制御部（５０ａ）と、
間欠運転中における燃料電池スタックの上下限電圧値を電圧制限範囲として設定する電圧設定部（５０ｂ）と、
負荷運転から間欠運転への切り替え後の要求出力を予測出力として予測するとともに、予測出力に対応する燃料電池スタックの電圧を予測電圧として算出する出力予測部（５０ｃ）と、を備え、
電圧設定部は、負荷運転中に所定条件が成立すると、負荷運転から間欠運転に切り替えた後の電圧制限範囲を少なくとも予測電圧が含まれる範囲に設定する。

【0012】

このように、負荷運転中に所定条件が成立した場合に、間欠運転に切り替わった後の電圧制限範囲を、予測電圧を含む範囲に設定すれば、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタックの電圧変動を抑制することができる。したがって、間欠運転および負荷運転の切り替えに起因する燃料電池の電圧変動を抑制することができる。

【0013】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムが搭載される移動体を説明するための説明図である。

【図2】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図3】ＦＣ電圧とＦＣ出力との関係を説明するための説明図である。

【図4】間欠運転時のＦＣ電圧の平均値と間欠運転後の負荷運転時のスタック電圧との関係を説明するための説明図である。

【図5】第１実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

【図6】第１実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理を説明するためのタイミングチャートである。

【図7】第２実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

【図8】第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

【図9】第３実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

【図10】第３実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する出力予測処理の流れを示すフローチャートである。

【図11】予測電圧取得区間を説明するための説明図である。

【図12】第３実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理を説明するためのタイミングチャートである。

【図13】第４実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

【図14】第４実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する出力予測処理の流れを示すフローチャートである。

【図15】第４実施形態に係る燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理を説明するためのタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。

【0016】

（第１実施形態）
本実施形態について、図１～図６を参照して説明する。本開示の燃料電池システム１は、図１に示すように、移動体であるバスＢＳに適用され、当該バスＢＳに搭載される燃料電池スタック１０の発電状態を制御する。燃料電池システム１は、バスＢＳ以外の移動体にも適用することができる。

【0017】

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数のセル１０ａが積層して構成されている。セル１０ａは、酸素を含む酸化剤ガスおよび水素を含む燃料ガスといった反応ガスの電気化学反応によって電気エネルギを出力する。図示しないが、セル１０ａは、電解質膜を含む膜電極接合体ＭＥＡを備える固体高分子型燃料電池で構成されている。ＭＥＡは、Membrane Electrode Assembly 略称である。

【0018】

各セル１０ａは、以下に示す水素および酸素の電気化学反応により、電気エネルギを出力する。

【0019】

（燃料極側）：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－

【0020】

（空気極側）：２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ
燃料電池スタック１０は、各セル１０ａそれぞれが出力する電圧の積算電圧を図示しない外部回路を通じてＤＣ－ＤＣコンバータＣＮＶに出力する。なお、燃料電池スタック１０には、冷却水を流通させる流通経路を含み、当該流通経路を流れる冷却水によって燃料電池スタック１０の温度が適正範囲内に維持される。

【0021】

ここで、本開示では、各セル１０ａそれぞれが出力する電圧をセル電圧とし、燃料電池スタック１０の端子間電圧をスタック電圧とし、スタック電圧をセル１０ａの数で除したものをＦＣ電圧［Ｖ／ｃｅｌｌ］とする。なお、ＦＣ電圧は、各セル１０ａのセル電圧の平均電圧である。

【0022】

燃料電池スタック１０は、燃料電池スタック１０の出力電力（直流電力）であるＦＣ出力をＤＣ－ＤＣコンバータＣＮＶを介してバッテリＢＴおよび車両走行用の電動モータや補機を含む負荷装置ＬＤに供給する。ＤＣ－ＤＣコンバータＣＮＶは、負荷装置ＬＤからの要求出力に応じて、ＦＣ出力およびバッテリＢＴに蓄積された電力の少なくとも一方を負荷装置ＬＤに供給する。なお、ＤＣ－ＤＣコンバータＣＮＶは、ＦＣ出力に負荷装置ＬＤ側で余剰となる電力が含まれる場合に当該余剰電力をバッテリＢＴに供給する。バッテリＢＴは充放電可能な二次電池である。

【0023】

燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０への燃料の供給経路である燃料供給管２１および燃料電池スタック１０から排出されるオフ燃料の排出経路である燃料排出管２２が接続されている。

【0024】

燃料供給管２１の最上流部には、水素タンク２３が設けられている。燃料供給管２１における水素タンク２３の下流側には、水素供給弁２４が設けられている。水素供給弁２４は、水素タンク２３から燃料電池スタック１０への水素の供給量を調整する調整弁である。

【0025】

燃料排出管２２には、オフ燃料の気液を分離する気液分離器２５が設けられるとともに、気液分離器２５の下流に水素排出弁２６が設けられている。気液分離器２５は、オフ燃料に含まれる水等とオフ燃料に含まれる未反応燃料を含むガスとを分離する。気液分離器２５は、気液分離器２５で分離した未反応燃料を含むガスを燃料供給管２１に戻すための循環管２７が接続されている。循環管２７は、一端が気液分離器２５の液出口に接続され、他端が燃料供給管２１における水素供給弁２４と燃料電池スタック１０との間に接続されている。循環管２７には、燃料供給管２１へ未反応燃料を含むガスを圧送するための循環ポンプ２８が設けられている。なお、燃料電池システム１は、循環ポンプ２８の代わりに、循環管２７と燃料供給管２１との間にエジェクタが配置されていてもよい。

【0026】

燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０への空気の供給経路である空気供給管３１および燃料電池スタック１０から排出されるオフ空気の排出経路である空気排出管３２が接続されている。

【0027】

空気供給管３１には、燃料電池スタック１０に向けて空気を圧送する空気ポンプ３３が設けられている。空気供給管３１は、空気ポンプ３３から供給される空気の一部を、燃料電池スタック１０をバイパスして空気排出管３２に流すためのバイパス管３４が設けられている。バイパス管３４は、一端が空気供給管３１における空気ポンプ３３と燃料電池スタック１０との間に接続され、他端が空気排出管３２に接続されている。

【0028】

空気供給管３１とバイパス管３４と接続部分には、分流弁３５が設けられている。分流弁３５は、空気ポンプ３３から燃料電池スタック１０に向かう空気流量と空気ポンプ３３からバイパス管３４に向かう空気流量とを調整する流量調整弁である。なお、分流弁３５は、空気排出管３２とバイパス管３４と接続部分に設けられていてもよい。

【0029】

次に、燃料電池システム１の電子制御部について説明する。燃料電池システム１は、電子制御部として制御装置５０を備える。制御装置５０は、プロセッサ、記憶部５１、Ｉ／Ｏ機器、その他の周辺機器を含むＥＣＵで構成されている。なお、記憶部５１は、非遷移的実体的記憶媒体で構成される。

【0030】

制御装置５０の入力側には、ＤＣ－ＤＣコンバータＣＮＶ、バッテリＢＴ、電圧センサ５２、電流センサ５３が接続されている。制御装置５０は、ＤＣ－ＤＣコンバータＣＮＶおよびバッテリＢＴに接続されていることで、バッテリＢＴの蓄電容量ＳＯＣに関する情報を取得可能になっている。

【0031】

制御装置５０は、電圧センサ５２に接続されていることで、電圧センサ５２から燃料電池スタック１０の端子間電圧であるスタック電圧を含む情報を取得可能になっている。また、制御装置５０は、電流センサ５３に接続されていることで、電流センサ５３から燃料電池スタック１０から掃引されるＦＣ電流を含む情報を取得可能になっている。

【0032】

また、制御装置５０には、スタートスイッチＳＷを含む操作部５４およびアクセル開度センサ５５が接続されている。スタートスイッチＳＷは、ユーザによって操作されるスイッチである。

【0033】

スタートスイッチＳＷは、ユーザによってオンされると、燃料電池スタック１０の始動を指示する制御信号を制御装置５０に送信する。スタートスイッチＳＷは、ユーザによってオフされると、燃料電池スタック１０の停止を指示する制御信号を制御装置５０に送信する。

【0034】

アクセル開度センサ５５は、ユーザによるアクセルペダルのペダル操作量を検出するセンサである。アクセル開度センサ５５は、周期的または不定期にペダル操作量を示す信号を制御装置５０に出力する。なお、アクセル開度センサ５５は、制御装置５０に直接的に接続されている必要はなく、他のＥＣＵを介して間接的に接続されていてもよい。

【0035】

制御装置５０の出力側には、水素供給弁２４、水素排出弁２６、循環ポンプ２８、空気ポンプ３３、分流弁３５が接続されている。制御装置５０は、スタートスイッチＳＷがオンされると、負荷装置ＬＤからの要求出力に応じて制御装置５０の出力側に接続された各種機器の動作を制御する。

【0036】

制御装置５０は、負荷装置ＬＤからの要求出力に応じて運転モードを切り替える。具体的には、制御装置５０は、負荷装置ＬＤからの要求出力が所定出力を超える際に負荷運転を実施し、所定出力以下である場合に燃料電池スタック１０への空気供給を間欠的に行う間欠運転を実施する。なお、本実施形態では、制御装置５０における運転モードを切り替える機能が“運転制御部５０ａ”を構成している。

【0037】

負荷運転は、燃料電池スタック１０によって発電（すなわち、電力の出力）を行い、その電力を用いて負荷装置ＬＤを駆動させる通常の運転モードである。なお、負荷運転は、燃料電池スタック１０の電力だけでなく、バッテリＢＴの電力を併用するようになっていてもよい。

【0038】

また、間欠運転は、燃料電池スタック１０による発電を停止し、バッテリＢＴの電力を用いて負荷装置ＬＤを駆動させる運転モードである。なお、間欠運転は、燃料電池スタック１０による発電を完全に停止するものに限らず、発電を制限しながらも少量の発電は継続する運転モードであってもよい。

【0039】

ここで、本発明者らは、燃料電池システム１を搭載した燃料電池車両の市場での使われ方を調査した。この調査の結果、以下のことが明らかとなった。

【0040】

（１）負荷装置ＬＤからの要求出力が低い場合の間欠運転の実施回数は、走行距離に対し比例して増加する傾向がある

【0041】

（２）燃料電池システム１の出力頻度は、最大出力に対して２０％未満の低出力域での使用が最も多い傾向がある
上記の（１）、（２）により、燃料電池車両は、市場では、間欠運転と低出力の負荷運転とが交互に繰り返して実施されていると推測される。そして、負荷運転から間欠運転への切り替え時や間欠運転から負荷運転への切り替え時に燃料電池スタック１０の電圧変動が生じ易いと推測される。例えば、負荷運転から間欠運転に切り替わる際には、各セル１０ａから掃引するＦＣ電流が低下することで、図３に示すようにＦＣ電圧が上昇して電圧変動が生ずる。このため、負荷運転から間欠運転に切り替わる際には、各セル１０ａの電極触媒の劣化が進行しやすい状態であることが推測される。

【0042】

これらの知見に基づいて、本発明者らは、各セル１０ａの電極触媒の劣化を抑制するためには、負荷運転と間欠運転との切り替え時に生ずるＦＣ電圧の変動を抑制する必要があることを見出した。

【0043】

ここで、本開示の背景技術として挙げた「特開２０１３－１０１７７４号公報」では、間欠運転時のＦＣ電圧の下限値が０．７ボルト程度に設定されている。

【0044】

本発明者らは、間欠運転時のＦＣ電圧の平均電圧と当該間欠運転後の負荷運転時のスタック電圧との関係を調べるための試験を実施した。この結果によると、図４に示すように、間欠運転時のＦＣ電圧の平均電圧が低いほど、間欠運転後の負荷運転時のスタック電圧が高まり易いことが判った。特に、間欠運転時のＦＣ電圧の平均値が０．７ボルト以下の場合は、０．７ボルトを超える場合に比べて、その後の負荷運転時のスタック電圧が高くなることが分った。換言すれば、「特開２０１３－１０１７７４号公報」においてＦＣ電圧の下限電圧として示された０．７ボルトよりも間欠運転時のＦＣ電圧の下限値を低くすると、間欠運転後の負荷運転での性能が高くなることが分った。

【0045】

このような性能向上は、いわゆる電極触媒のリフレッシュ効果の作用と考えられる。この電極触媒のリフレッシュ効果は、例えば、電極触媒の有効面積の回復効果であり、空気極側の電位を還元電圧に引き下げて電極触媒の表面の酸化被膜を除去することで得られる。

【0046】

これらを鑑みて、本実施形態の燃料電池システム１は、負荷運転から間欠運転に切り替える際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するための制御処理を制御装置５０が実行するようになっている。この制御処理については、図５を参照しつつ説明する。図５に示す制御ルーチンは、スタートスイッチＳＷがオフされた状態で周期的または不定期に制御装置５０によって実行される。

【0047】

図５に示すように、制御装置５０は、ステップＳ１００にて、スタートスイッチＳＷがオンされたか否かを判定する。制御装置５０は、スタートスイッチＳＷがオンされるまで待機し、スタートスイッチＳＷがオンされると、ステップＳ１０５に移行する。

【0048】

燃料電池システム１は、スタートスイッチＳＷがオンされてから暫くの間、負荷装置ＬＤからの要求出力が低いことが多い。このため、スタートスイッチＳＷがオンされると、制御装置５０は、ステップＳ１０５にて、燃料電池システム１の始動運転を兼ねた間欠運転を開始する。間欠運転では、燃料電池スタック１０へ水素および空気を供給するとともに、燃料電池スタック１０の上下限電圧値を電圧制限範囲Ｖａとし、当該電圧制限範囲Ｖａにスタック電圧が維持されるように、制御装置５０の出力側に接続された各種機器の動作を制御する。

【0049】

具体的には、間欠運転では、燃料電池スタック１０への空気供給を間欠的に行う。例えば、図６に示すように、制御装置５０は、電圧制限範囲Ｖａの上限電圧値Ｖａａに達すると燃料電池スタック１０への空気供給を停止し、スタック電圧が電圧制限範囲Ｖａの下限電圧値Ｖａｄに達すると燃料電池スタック１０への空気供給を再開する。なお、電圧制限範囲Ｖａは、間欠運転時の電圧変動による電極触媒の劣化が生じ難いように、上限電圧値Ｖａａと下限電圧値Ｖａｄとの差分である電圧幅が設定されている。この電圧幅は、例えば、０．１程度に設定される。

【0050】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ１１０にて、アクセル開度センサ５５から供給される信号に基づいて負荷装置ＬＤの要求出力を算出し、算出した要求出力が予め定めた第１出力以下であるか否かを判定する。なお、第１出力は、例えば、アイドリング時、一定速での巡航走行時、回生制動時等において燃料電池スタック１０に要求される要求出力に設定される。

【0051】

制御装置５０は、負荷装置ＬＤの要求出力が第１出力以下である場合に間欠運転を継続し、負荷装置ＬＤの要求出力が第１出力を超えると、ステップＳ１１５に移行して、負荷運転を開始する。この負荷運転では、燃料電池スタック１０の出力が負荷装置ＬＤの要求出力となるように、制御装置５０の出力側に接続された各種機器の動作を制御する。

【0052】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ１２０にて、負荷運転時の燃料電池スタック１０のスタック電圧を検出し、当該スタック電圧を負荷運転電圧として記憶部５１に逐次記憶する。制御装置５０は、負荷運転電圧のうち、負荷運転から間欠運転に切り替わる直前のスタック電圧を直前電圧として記憶部５１に記憶する。なお、制御装置５０は、負荷運転時のＦＣ電圧を負荷運転電圧として記憶部５１に逐次記憶するようになっていてもよい。

【0053】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ１２５にて、負荷装置ＬＤの要求出力が予め定めた第２出力以下であるか否かを判定する。この第２出力は、第１出力と同じでもよいが、制御ハンチングが抑制されるように、第１出力よりも低い値に設定されている方が望ましい。

【0054】

負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力を超えている場合、制御装置５０は、負荷運転を継続する。一方、負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力以下になると、制御装置５０は、ステップＳ１３０に移行する。

【0055】

制御装置５０は、ステップＳ１３０にて、少なくとも間欠運転に切り替わる直前のスタック電圧（すなわち、直前電圧）が含まれるように間欠運転中における燃料電池スタック１０の上下限電圧である電圧制限範囲Ｖｂを設定する。本実施形態では、制御装置５０のうち間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する機能が“電圧設定部５０ｂ”を構成している。なお、電圧制限範囲Ｖｂの電圧幅は、電圧制限範囲Ｖａと同様に設定されている。

【0056】

本実施形態の制御装置５０は、記憶部５１に記憶された負荷運転電圧に基づいて間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。例えば、制御装置５０は、図６の上段に示すように、記憶部５１に記憶された負荷運転電圧の平均値が間欠運転中における平均電圧になるように、記憶部５１に記憶された負荷運転電圧の平均値を間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂの中央値Ｖｂｃに設定する。

【0057】

ここで、前述したように、間欠運転時のＦＣ電圧の下限値を“０．７”よりも低くすると、間欠運転後の負荷運転での性能が高くなる。このことを加味して、制御装置５０は、負荷運転から間欠運転に切り替わる直前のＦＣ電圧が０．７ボルト以下である場合に、電圧制限範囲Ｖｂの下限電圧値Ｖｂｄがセル数に“０．７”を乗じた値以下となるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。また、制御装置５０は、負荷運転から間欠運転に切り替わる直前のＦＣ電圧が０．７ボルトを超える場合、電圧変動幅が所定の電圧幅（例えば、０．１程度）に収まるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。なお、上記のセル数は、燃料電池スタック１０を構成するセル１０ａの数である。

【0058】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ１３５にて、間欠運転を開始する。この間欠運転では、燃料電池スタック１０のスタック電圧が、ステップ１３０で設定した電圧制限範囲Ｖｂ内に維持されるように、制御装置５０の出力側に接続された各種機器の動作を制御する。これにより、負荷運転から間欠運転に切り替わる際に、スタック電圧の上昇が抑制される。なお、ステップＳ１３５において、ステップＳ１０５の間欠運転を実施する場合、図６の上段の一点鎖線で示すように、負荷運転から間欠運転に切り替わる際に、スタック電圧が上昇してしまう。

【0059】

ここで、図３は、ＦＣ出力とＦＣ電圧との関係を示している。例えば、図３に示す動作点Ａで、各セル１０ａから掃引するＦＣ電流を急激に低下させた場合、燃料電池スタック１０は、水素および空気それぞれがリッチな状態であるために、ＦＣ電圧が急上昇する。

【0060】

このことを加味して、制御装置５０は、例えば、図６に示すように、ＦＣ電流を徐々に低下させると同時に、燃料電池スタック１０への空気流量を徐々に低下させる。これによると、空気不足によって各セル１０ａの性能を敢えて悪化させて、ＦＣ電圧が過大になることが抑えられる。なお、空気流量の調整は、空気ポンプ３３の回転数や分流弁３５の開度調整によって行うことができる。

【0061】

そして、制御装置５０は、スタック電圧の調整が完了したら、そのときのスタック電圧が維持されるように、空気流量を間欠運転の開始当初よりも低くする。なお、必要に応じて燃料電池スタック１０への空気供給のタイミングを調整してもよい。

【0062】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ１４０にて、負荷装置ＬＤの要求出力が予め定めた第３出力以下であるか否かを判定する。この第３出力は、第２出力と同じでもよいが、制御ハンチングが抑制されるように、第２出力よりも高い値に設定されている方が望ましい。なお、第３出力は、第１出力と同じでよいし、第１出力とは異なっていてもよい。

【0063】

制御装置５０は、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力を超えている場合、ステップＳ１１５に戻り、負荷運転を開始する。一方、制御装置５０は、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力以下の場合、ステップＳ１４５に移行する。

【0064】

制御装置５０は、ステップＳ１４５にて、スタートスイッチＳＷがオフである否かを判定する。制御装置５０は、スタートスイッチＳＷがオンである場合にステップＳ１３５に戻って間欠運転を行い、スタートスイッチＳＷがオフである場合には本処理を抜け、図示しない発電停止処理を実行する。

【0065】

以上説明した燃料電池システム１は、負荷運転時の電圧の履歴を記憶しておき、負荷運転から間欠運転に切り替える際に、負荷運転時の電圧の履歴を参照して間欠運転時の電圧制限範囲Ｖｂを調整する構成になっている。具体的には、制御装置５０は、負荷運転から間欠運転に切り替わる直前のスタック電圧を直前電圧として記憶部５１に記憶し、少なくとも直前電圧が含まれるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。このように、間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを、間欠運転に切り替わる直前の直前電圧を含むように設定すれば、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。したがって、間欠運転および負荷運転の切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。この結果、各セル１０ａ内の電極触媒の劣化を抑制することができる。

【0066】

また、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

【0067】

（１）制御装置５０は、間欠運転に切り替わる前に実施されていた負荷運転時のスタック電圧を負荷運転電圧として記憶部５１に逐次記憶する。そして、制御装置５０は、記憶部５１に記憶された負荷運転電圧に基づいて間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。このように、直前電圧だけでなく、負荷運転中に逐次記憶される負荷運転電圧に基づいて、間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定すれば、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。

【0068】

（２）制御装置５０は、記憶部５１に記憶された負荷運転電圧の平均値が含まれるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。このように、負荷運転電圧の平均値を含むように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定すれば、負荷変動に伴う一時的に電圧低下や電圧上昇が間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂの設定に影響することを抑制することができる。このため、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。

【0069】

加えて、記憶部５１に記憶された負荷運転電圧の平均値が間欠運転中における平均電圧になるように電圧制限範囲Ｖｂを設定すれば、空気流量の調整手段である空気ポンプ３３や分流弁３５の要求精度を低くすることができる。これにより、空気ポンプ３３および分流弁３５の少なくとも一方を汎用的な部品を構成することが可能になる。

【0070】

（３）制御装置５０は、負荷運転から間欠運転に切り替わる直前のＦＣ電圧が０．７ボルト以下である場合に、電圧制限範囲Ｖｂの下限電圧値Ｖｂｄがセル数に“０．７”を乗じた値以下となるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。これによれば、負荷運転の電圧が低い場合には、セル１０ａに内蔵される電極触媒のリフレッシュ効果が得られやすくなるので、間欠運転後の負荷運転の性能向上を図ることができる。

【0071】

このように、本実施形態の燃料電池システム１は、間欠運転中に触媒リフレッシュ効果を作用させながら、負荷運転から間欠運転に切り替える際の燃料電池スタック１０の電圧変動が抑制されるため、各セル１０ａの電極触媒の劣化を充分に抑制することができる。

【0072】

（第１実施形態の変形例）
第１実施形態では、記憶部５１に記憶された負荷運転電圧の平均値が間欠運転中における平均電圧になるように、電圧制限範囲Ｖｂを設定したものを例示したが、これに限定されない。例えば、制御装置５０は、負荷運転電圧を当該負荷運転電圧の検出時の負荷装置ＬＤからの要求出力と関連付けて記憶部５１に記憶する。そして、制御装置５０は、記憶部５１に記憶された負荷運転電圧のうち、負荷装置ＬＤからの要求頻度が所定値以上となる要求出力に対応する負荷運転電圧に基づいて間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定するようになっていることが望ましい。これによっても、負荷運転時における一時的な電圧低下や電圧上昇が間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂの設定に影響することを抑制することができるので、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。

【0073】

第１実施形態の制御装置５０は、記憶部５１に記憶された直前電圧が、間欠運転中における平均電圧になるように、電圧制限範囲Ｖｂを設定するようになっていてもよい。また、制御装置５０は、記憶部５１に記憶されたスタック電圧の加重移動平均値が間欠運転中における平均電圧になるように、電圧制限範囲Ｖｂを設定するようになっていてもよい。

【0074】

第１実施形態の如く、制御装置５０は、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際、ＦＣ出力を徐々に低下させるとともに、燃料電池スタック１０への空気流量を徐々に低下させてスタック電圧を調整することが望ましいが、これに限定されない。制御装置５０は、例えば、燃料電池スタック１０への空気流量を低下させた後にＦＣ出力を低下させることで、スタック電圧を調整するようになっていてもよい。

【0075】

第１実施形態の如く、制御装置５０は、間欠運転に切り替わる直前のＦＣ電圧が０．７ボルト以下の場合に電圧制限範囲Ｖｂの下限電圧値Ｖｂｄがセル数に“０．７”を乗じた値以下となるように電圧制限範囲Ｖｂを設定することが望ましいが、これに限定されない。制御装置５０は、間欠運転に切り替わる直前のＦＣ電圧が０．７ボルトよりも若干高い場合にも電圧制限範囲Ｖｂの下限電圧値Ｖｂｄがセル数に“０．７”を乗じた値を超えるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定するようになっていてもよい。また、制御装置５０は、負荷運転電圧の平均値が０．７ボルト以下の場合に電圧制限範囲Ｖｂの下限電圧値Ｖｂｄがセル数に“０．７”を乗じた値を超えるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定するようになっていてもよい。

【0076】

第１実施形態の制御装置５０は、スタートスイッチＳＷがオンされると、始動運転を兼ねた間欠運転を実行するようになっているが、これに限定されない。制御装置５０は、例えば、スタートスイッチＳＷがオンされると、間欠運転とは異なる始動運転を実行するようになっていてもよい。

【0077】

第１実施形態の制御装置５０は、間欠運転時にスタック電圧を制御指標として燃料電池スタック１０の電圧調整を行っているが、これに限らず、ＦＣ電圧を制御指標として燃料電池スタック１０の電圧調整を行うようになっていてもよい。

【0078】

これらの変形例は、第１実施形態だけではなく、以降の実施形態においても同様に適用される。

【0079】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図７を参照して説明する。本実施形態では、制御装置５０が実行する制御処理の一部が第１実施形態と相違している。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明する。

【0080】

制御装置５０は、負荷運転から間欠運転に切り替える際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するために図７に示す制御処理を実行する。図７に示す制御処理は、第１実施形態で説明した図５の制御処理に対応している。

【0081】

図７に示す制御処理のうち、ステップＳ２００、Ｓ２０５、Ｓ２１０、Ｓ２１５の各処理は、図５に示すステップＳ１００、Ｓ１０５、Ｓ１１０、Ｓ１１５の各処理と同様であるため、その説明を省略する。

【0082】

図７に示すように、制御装置５０は、ステップＳ２１５で負荷運転が開始された後、ステップＳ２２０にて、負荷装置ＬＤの要求出力が予め定めた第２出力以下であるか否かを判定する。負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力を超えている場合、制御装置５０は、負荷運転を継続する。一方、負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力以下になると、制御装置５０は、ステップＳ２２５に移行する。

【0083】

ここで、第１実施形態で説明した図５のステップＳ１１５の間欠運転では、ＦＣ出力を徐々に低下させているので、余剰電力が発生する。この余剰電力量は、ＦＣ出力とＦＣ出力がゼロになるまでの時間を乗ずることで推定可能である。なお、ＦＣ出力がゼロになるまでの時間は、電圧の調整手段や燃料電池スタック１０の空気流路の容積によって決まり易いため、所定の時間を一義的に設定してもよい。

【0084】

この余剰電力量がバッテリＢＴの空容量以下の場合は、問題なく余剰電力をバッテリＢＴに充電することができる。一方、余剰電力量がバッテリＢＴの空容量を超えるの場合は、余剰電力によってバッテリＢＴが過充電状態となってしまう。

【0085】

これらを考慮し、制御装置５０は、ステップＳ２２５にて、間欠運転時に生ずる余剰電力をバッテリＢＴに充電可能であるか否かを判定する。換言すれば、制御装置５０は、間欠運転時に生ずる余剰電力量がバッテリＢＴの空容量を超えるか否かを判定する。

【0086】

例えば、制御装置５０は、満充電時のバッテリＢＴのＳＯＣから現在のバッテリＢＴのＳＯＣを減算した値からバッテリＢＴの空容量を算出する。その後、制御装置５０は、バッテリＢＴの空容量と前述の手法によって求めた余剰電力量との大小関係に基づいて、余剰電力をバッテリＢＴに充電可能であるか否かを判定する。

【0087】

余剰電力をバッテリＢＴに充電可能である場合、制御装置５０は、ステップＳ２３０にて、負荷運転時の燃料電池スタック１０のスタック電圧を検出し、当該スタック電圧を負荷運転電圧として記憶部５１に記憶する。なお、ステップＳ２３０の処理は、図５に示すステップＳ１２０と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0088】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ２３５にて、間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定した後、ステップＳ２４０の処理に移行する。なお、ステップＳ２３５の処理は、図５に示すステップＳ１３０と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0089】

一方、余剰電力をバッテリＢＴに充電できない場合、制御装置５０は、ステップＳ２３０、Ｓ２３５の各処理をスキップして、ステップＳ２４０の処理に移行する。これにより、バッテリＢＴの過充電が抑制される。

【0090】

制御装置５０は、ステップＳ２４０にて、間欠運転を開始する。制御装置５０は、ステップＳ２３５にて電圧制限範囲Ｖｂが調整されている場合、図５に示すステップＳ１３５と同様の間欠運転を実施する。一方、制御装置５０は、ステップＳ２３５で説明した電圧制限範囲Ｖｂが設定されていない場合、図５に示すステップＳ１０５と同様の間欠運転を実施する。

【0091】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ２４５にて、負荷装置ＬＤの要求出力が予め定めた第３出力以下であるか否かを判定する。制御装置５０は、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力を超えている場合、ステップＳ２１５に戻り、負荷運転を開始する。一方、制御装置５０は、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力以下の場合、ステップＳ２５０に移行する。

【0092】

制御装置５０は、ステップＳ２５０にて、スタートスイッチＳＷがオフである否かを判定する。制御装置５０は、スタートスイッチＳＷがオンである場合にステップＳ２４０に戻って間欠運転を継続し、スタートスイッチＳＷがオフである場合には本処理を抜け、図示しない発電停止処理を実行する。

【0093】

その他については、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態と共通の構成または均等な構成から奏される効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

【0094】

（１）制御装置５０は、間欠運転時に生ずる余剰電力量がバッテリＢＴの空容量以下であるか否かを判定する。余剰電力量がバッテリＢＴの空容量以下となる場合に、制御装置５０は、所定時間をかけてＦＣ出力を低下させて間欠運転を実行する。一方、余剰電力量がバッテリＢＴの空容量を超える場合に、制御装置５０は、所定時間よりも短時間でＦＣ出力を低下させて間欠運転を実行する。なお、所定時間よりも短時間とは、例えば、実質的に余剰電力を生じさせない時間である。

【0095】

これによれば、バッテリＢＴの過充電を避けつつ、負荷運転から間欠運転への切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。この結果、バッテリＢＴを保護しつつ、各セル１０ａ内の電極触媒の劣化を抑制することができる。

【0096】

（第２実施形態の変形例）
第２実施形態の制御装置５０は、負荷運転から間欠運転に切り替える際、間欠運転時に生ずる余剰電力量がバッテリＢＴの空容量を超える場合に、所定時間よりも短時間でＦＣ出力を低下させて間欠運転を実行しているが、これに限定されない。制御装置５０は、例えば、間欠運転時に生ずる余剰電力量がバッテリＢＴの空容量を超える場合、負荷運転時に、バッテリＢＴの空容量が余剰電力量よりも大きくなるようにバッテリＢＴの空容量を増加させる処理を実行するようになっていてもよい。

【0097】

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図８～図１２を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、間欠運転から負荷運転への切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制する。本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について主に説明する。

【0098】

図８に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、バスＢＳの位置情報を取得する情報取得部５６が接続されている。情報取得部５６は、例えば、車載されたナビゲーションシステムのＧＰＳ等を介してバスＢＳの位置情報を取得する。なお、情報取得部５６は、車外に配置されたシステムから位置情報を取得するようになっていてもよい。

【0099】

制御装置５０は、間欠運転から負荷運転への切り替え後の負荷装置ＬＤからの要求出力を予測出力として予測するとともに、当該予測出力に対応するスタック電圧を予測電圧として算出する。具体的には、制御装置５０は、バスＢＳの位置と予測出力との対応関係を規定した制御マップを参照し、バスＢＳの現在位置から予測出力を求めるように構成されている。本実施形態では、制御装置５０における予測出力および予測電圧を予測する機能が“出力予測部５０ｃ”を構成している。なお、制御マップは、記憶部５１に予め記憶されている。

【0100】

また、制御装置５０は、間欠運転中に所定条件が成立すると、燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するために、間欠運転から負荷運転に切り替える前の電圧制限範囲Ｖｂを少なくとも予測電圧が含まれる範囲に設定する。

【0101】

以下、間欠運転から負荷運転に切り替える際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するために制御装置５０が実行する制御処理について図９を参照しつつ説明する。図９に示す制御処理は、第１実施形態で説明した図５の制御処理に対応している。なお、図９に示す制御処理のうち、ステップＳ３００、Ｓ３０５、Ｓ３１０の各処理は、図５に示すステップＳ１００、Ｓ１０５、Ｓ１１０の各処理と同様であるため、その説明を省略する。

【0102】

図９に示すように、ステップＳ３１０の判定処理で負荷装置ＬＤの要求出力が第１出力を超える場合、制御装置５０は、ステップＳ３１５にて、負荷運転を開始する。なお、ステップＳ３１５の処理は、図５に示すステップＳ１１５と同様であるため、その詳細な説明を省略する。

【0103】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ３２０にて、負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力以下であるか否かを判定する。負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力を超えている場合、制御装置５０は、負荷運転を継続する。一方、負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力以下になると、制御装置５０は、ステップＳ３３５に移行する。

【0104】

一方、ステップＳ３１０の判定処理で負荷装置ＬＤの要求出力が第１出力以下である場合、制御装置５０は、ステップＳ３２５にて、間欠運転から負荷運転への切り替え後の負荷装置ＬＤからの要求出力を予測する出力予測処理を実行する。この出力予測処理については、図１０に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

【0105】

図１０に示すように、制御装置５０は、ステップＳ４００にて、情報取得部５６から移動体であるバスＢＳの位置情報を取得する。そして、制御装置５０は、ステップＳ４０５にて、バスＢＳの現在位置が出力予測部５０ｃで予測出力を求めることが可能な予測可能区間にあるか否かを判定する。予測可能区間は、移動体の走行経路において移動体の位置と予測出力とが制御マップにて対応付けられた区間である。

【0106】

ここで、図１１は、予測可能区間の一例を説明するための説明図である。図１１に示すように、バスＢＳが一時的に停留所ＳＴに停車した後、停留所ＳＴから発進する場合、停留所ＳＴに近づくまでは、車速を維持するため、負荷装置ＬＤの要求出力が高くなり、負荷運転が実施される。バスＢＳが停留所ＳＴに到達すると、一時的にアクセルペダルが踏まれなくなるため、負荷装置ＬＤの要求出力が略ゼロとなり、間欠運転が実施される。その後、バスＢＳが停留所ＳＴから発進する際には、アクセルペダルが踏み込まれて加速するため、負荷装置ＬＤの要求出力が高くなり、負荷運転が実施される。

【0107】

停留所ＳＴ付近は、上記の一連の動作が実施される可能性が非常に高く、負荷装置ＬＤの要求出力が予測し易い。このため、本実施形態では、停留所ＳＴおよび停留所ＳＴの前後を予測可能区間に設定している。なお、負荷装置ＬＤの要求出力は、停留所ＳＴ付近を過去に実際に走行した際の負荷装置ＬＤの要求出力等に基づいて容易に予測することができる。

【0108】

因みに、予測可能区間は、停留所ＳＴ付近だけに限らず、ＥＴＣゲート付近、踏切付近、信号付近に設定されていてもよい。ＥＴＣゲート、踏切待ち、信号待ち等においても停留所ＳＴと同様の一連の動作が実施される可能性が高いからである。例えば、ＥＴＣゲートの通過時には、バスＢＳがＥＴＣゲートに近づくまでは、車速を維持するため、負荷装置ＬＤの要求出力が高くなり、負荷運転が実施される。バスＢＳがＥＴＣゲートを通過中は、一時的にアクセルペダルが踏まれなくなるため、負荷装置ＬＤの要求出力が略ゼロとなり、間欠運転が実施される。その後、バスＢＳがＥＴＣゲートを通過後は、アクセルペダルが踏み込まれて加速するため、負荷装置ＬＤの要求出力が高くなり、負荷運転が実施される。

【0109】

図１０に戻り、バスＢＳの現在位置が予測可能区間にある場合、制御装置５０は、ステップＳ４１０にて、バスＢＳの現在位置に基づいて予測出力を取得する。制御装置５０は、例えば、バスＢＳの位置と予測出力との対応関係を規定した制御マップを参照し、バスＢＳの現在位置に基づいて予測出力を得る。

【0110】

ここで、予測出力は予め設定された予測出力値とその位置で要求された要求出力値の実績値とに基づき、予測出力値と実績値の差分をフィードバックし、予測出力値を更新するようになっていることが望ましい。

【0111】

また、制御マップは、複数の停留所ＳＴに対して単一の要求出力が設定されていてもよいが、複数の停留所ＳＴの設置箇所それぞれに対応して固有の要求出力が設定されている方が望ましい。複数の停留所ＳＴの設置箇所それぞれに対応して固有の要求出力が設定されている場合、予測出力の精度を高くすることができるといった利点がある。なお、複数の停留所ＳＴに対して単一の要求出力が設定されている場合、制御マップを容易に生成することができる。また、制御マップには、停留所ＳＴに限らず、ＥＴＣゲート、踏切り、信号等の設置箇所と当該箇所で予測される要求出力とが設定されていてもよい。

【0112】

制御装置５０は、ステップＳ４１５にて、予測出力に基づいて当該予測出力に対応する燃料電池スタック１０の電圧を予測電圧として算出する。このステップＳ４１５の演算処理は、予測出力と予測電圧との対応関係を規定した関係式等を用いてステップＳ４１０の予測出力から予測電圧を算出する。予測出力と予測電圧の関係は、走行距離や累計の発電時間等の経年劣化による発電性能の低下を見込んで補正することが望ましい。なお、制御装置５０は、ステップＳ４１０、Ｓ４１５の演算処理で得られた予測出力および予測電圧を記憶部５１に記憶する。

【0113】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ４２０にて、予測電圧に基づいて間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを更新して、出力予測処理を抜ける。制御装置５０は、少なくとも予測電圧が含まれるように、間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。例えば、制御装置５０は、図１２の上段に示すように、記憶部５１に記憶された予測電圧が間欠運転中における平均電圧になるように、記憶部５１に記憶された予測電圧を間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂの中央値Ｖｂｃに設定する。また、制御装置５０は、予測電圧が０．７ボルト以下である場合には、電圧制限範囲Ｖｂの下限電圧値Ｖｂｄがセル数に“０．７”を乗じた値以下となるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。理由は、第１実施形態で説明した通りである。なお、制御装置５０は、予測電圧が０．７ボルトを超える場合、電圧変動幅が所定の電圧幅（例えば、０．１程度）に収まるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。

【0114】

一方、バスＢＳの現在位置が予測可能区間にない場合、制御装置５０は、ステップＳ４１０、Ｓ４１５、Ｓ４２０をスキップして、出力予測処理を抜ける。すなわち、制御装置５０は、負荷運転時の要求出力を予測せずに、出力予測処理を抜ける。

【0115】

出力予測処理を抜けると、制御装置５０は、図９のステップＳ３３０にて、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力以下であるか否かを判定する。負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力を超えている場合、制御装置５０は、ステップＳ３１５に移行して負荷運転を開始する。

【0116】

この間欠運転では、図１０のステップＳ４２０にて間欠運転中の電圧制限範囲Ｖｂが予測電圧を含む範囲に更新された場合、当該電圧制限範囲Ｖｂ内に維持されるように、制御装置５０の出力側に接続された各種機器の動作が制御される。これにより、間欠運転から負荷運転に切り替わる際のスタック電圧の上昇が抑制される。

【0117】

一方、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力以下の場合、制御装置５０は、ステップＳ３３５に移行する。制御装置５０は、ステップＳ３３５にて、スタートスイッチＳＷがオフである否かを判定する。制御装置５０は、スタートスイッチＳＷがオンである場合にステップＳ３０５に戻って間欠運転を行い、スタートスイッチＳＷがオフである場合には本処理を抜け、図示しない発電停止処理を実行する。

【0118】

その他については、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態と共通の構成または均等な構成から奏される効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

【0119】

（１）制御装置５０は、間欠運転中に所定条件が成立すると、間欠運転から負荷運転に切り替える前の電圧制限範囲Ｖｂを少なくとも予測電圧が含まれる範囲に変更する。これによれば、間欠運転から負荷運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。

【0120】

（２）例えば、バスＢＳの位置が登り坂にある状況では、負荷装置ＬＤからの要求出力が高くなる傾向がある。また、バスＢＳの位置が下り坂にある状況やバスＢＳが高速道路等において略一定の速度で走行する状況では、負荷装置ＬＤからの要求出力が低くなる傾向がある。このように、バスＢＳの位置と負荷装置ＬＤからの要求出力との間には相関性が認められる。このような相関性は、バスＢＳ以外の移動体においても同様である。

【0121】

これらを加味して、本実施形態の制御装置５０は、バスＢＳの位置と予測出力との対応関係を規定した制御マップを参照し、バスＢＳの現在位置から予測出力を求めるように構成されている。これによると、間欠運転から負荷運転へ切り替わる際の負荷装置ＬＤからの要求出力を適切に予測することができる。

【0122】

（３）上記の所定条件は、例えば、バスＢＳの現在位置が予測可能区間にある場合に成立する条件とすればよい。なお、所定条件は、これに限らず、例えば、バスＢＳの現在位置が予測出力とともに制御マップに登録された位置である場合に成立する条件であってもよい。

【0123】

（第３実施形態の変形例）
第３実施形態の燃料電池システム１は、間欠運転から負荷運転への切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するように構成されているが、これに限定されない。第３実施形態の燃料電池システム１は、負荷運転から間欠運転への切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するように構成されていてもよい。例えば、燃料電池システム１は、負荷運転から間欠運転に切り替わる直前のスタック電圧を直前電圧として記憶部５１に記憶し、少なくとも直前電圧が含まれるように間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定するようになっていてもよい。これによると、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動の抑制効果に加えて、間欠運転から負荷運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動の抑制効果を得ることができる。

【0124】

また、第３実施形態の制御装置５０は、バスＢＳの位置と予測出力との対応関係を規定した制御マップを参照し、バスＢＳの現在位置から予測出力を求めるように構成されているが、これに限定されない。例えば、バスＢＳ等の移動体は、時刻に応じて現在位置が推定可能である。このため、制御装置５０は、現在時刻に基づいて、負荷装置ＬＤからの要求出力を予測するようになっていてもよい。また、制御装置５０は、車速の増減時のアクセルペダルの操作量およびブレーキペダルの操作量等を学習し、この学習結果に基づいて、現在のアクセルペダルの操作量やブレーキペダルの操作量から負荷装置ＬＤからの要求出力を予測するようになっていてもよい。これらのことは、以降の実施形態においても同様である。

【0125】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図１３～図１５を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、負荷運転から間欠運転への切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制する。本実施形態では、第１実施形態および第３実施形態と異なる部分について主に説明する。

【0126】

制御装置５０は、負荷運転から間欠運転への切り替え後の負荷装置ＬＤからの要求出力を予測出力として予測するとともに、当該予測出力に対応するスタック電圧を予測電圧として算出する。本実施形態では、制御装置５０における予測出力および予測電圧を予測する機能が“出力予測部５０ｃ”を構成している。なお、制御マップは、記憶部５１に予め記憶されている。

【0127】

また、制御装置５０は、負荷運転中に所定条件が成立すると、燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するために、負荷運転から間欠運転に切り替えた後の電圧制限範囲Ｖｂを少なくとも予測電圧が含まれる範囲に設定する。

【0128】

以下、負荷運転から間欠運転に切り替える際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するために制御装置５０が実行する制御処理について図１３を参照しつつ説明する。図１３に示す制御処理は、第１実施形態で説明した図５の制御処理に対応している。なお、図１３に示す制御処理のうち、ステップＳ５００、Ｓ５０５、Ｓ５１０、Ｓ５１５の各処理は、図５に示すステップＳ１００、Ｓ１０５、Ｓ１１０、Ｓ１１５の各処理と同様であるため、その説明を省略する。

【0129】

図１３に示すように、制御装置５０は、ステップＳ５１５で負荷運転が開始された後、ステップＳ５２０にて、バスＢＳの現在位置に基づいて予測出力を取得する出力予測処理を実行する。この出力予測処理については、図１４に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

【0130】

図１４に示すように、制御装置５０は、ステップＳ６００にて、情報取得部５６から移動体であるバスＢＳの位置情報を取得する。そして、制御装置５０は、ステップＳ６０５にて、バスＢＳの現在位置が出力予測部５０ｃで予測出力を求めることが可能な予測可能区間にあるか否かを判定する。

【0131】

バスＢＳの現在位置が予測可能区間にある場合、制御装置５０は、ステップＳ６１０にて、バスＢＳの現在位置に基づいて予測出力を取得する。そして、制御装置５０は、ステップＳ６１５にて、予測出力に基づいて当該予測出力に対応する燃料電池スタック１０の電圧を予測電圧として算出する。これら処理は、図１０のステップＳ４１０、Ｓ４１５の処理と同様であるため、その説明を省略する。

【0132】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ６２０にて、負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力以下であるか否かを判定する。負荷装置ＬＤの要求出力が第２出力を超えている場合、制御装置５０は、ステップＳ５１５に戻り、負荷運転を継続する。一方、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力以下の場合、制御装置５０は、ステップＳ６２５にて、予測電圧に基づいて間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを更新して、出力予測処理を抜ける。すなわち、制御装置５０は、少なくとも予測電圧が含まれるように、間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂを設定する。例えば、制御装置５０は、図１５の上段に示すように、記憶部５１に記憶された予測電圧が間欠運転中における平均電圧になるように、記憶部５１に記憶された予測電圧を間欠運転中における電圧制限範囲Ｖｂの中央値Ｖｂｃに設定する。

【0133】

一方、バスＢＳの現在位置が予測可能区間にない場合、制御装置５０は、ステップＳ６３０にて、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力以下であるか否かを判定する。この第３出力は、第２出力と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0134】

負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力を超えている場合、制御装置５０は、ステップＳ５１５に戻り、負荷運転を継続する。一方、負荷装置ＬＤの要求出力が第３出力以下の場合、制御装置５０は、出力予測処理を抜ける。

【0135】

出力予測処理を抜けると、制御装置５０は、図１３のステップＳ５２５にて、間欠運転を開始する。この間欠運転では、図１４のステップＳ６２５にて間欠運転中の電圧制限範囲Ｖｂが予測電圧を含む範囲に更新された場合、当該電圧制限範囲Ｖｂ内に維持されるように、制御装置５０の出力側に接続された各種機器の動作が制御される。これにより、負荷運転から間欠運転に切り替わる際のスタック電圧の上昇が抑制される。

【0136】

例えば、制御装置５０は、例えば、図１５の下段に示すように、空気流量を徐々に低下させる。加えて、制御装置５０は、燃料電池スタック１０への空気流量を徐々に低下させる。これによると、空気不足によって各セル１０ａの性能を敢えて悪化させて、ＦＣ電圧が過大になることが抑えられる。なお、空気流量の調整は、空気ポンプ３３の回転数や分流弁３５の開度調整によって行うことができる。

【0137】

続いて、制御装置５０は、ステップＳ５３０にて、負荷装置ＬＤの要求出力が予め定めた第４出力以下であるか否かを判定する。制御装置５０は、負荷装置ＬＤの要求出力が第４出力を超えている場合、ステップＳ５１５に戻り、負荷運転を開始する。一方、制御装置５０は、負荷装置ＬＤの要求出力が第４出力以下の場合、ステップＳ５３５に移行する。

【0138】

制御装置５０は、ステップＳ５３５にて、スタートスイッチＳＷがオフである否かを判定する。制御装置５０は、スタートスイッチＳＷがオンである場合にステップＳ５０５に戻って間欠運転を行い、スタートスイッチＳＷがオフである場合には本処理を抜け、図示しない発電停止処理を実行する。

【0139】

その他については、第１実施形態および第３実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１は、第１実施形態および第３実施形態と共通の構成または均等な構成から奏される効果を第１実施形態および第３実施形態と同様に得ることができる。

【0140】

（１）本実施形態の制御装置５０は、負荷運転中に所定条件が成立した場合に、間欠運転に切り替わった後の電圧制限範囲Ｖｂを、予測電圧を含む範囲に設定する。これによれば、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。したがって、間欠運転および負荷運転の切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制することができる。

【0141】

（第４実施形態の変形例）
第４実施形態の燃料電池システム１は、負荷運転から間欠運転への切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するように構成されているが、これに限定されない。第４実施形態の燃料電池システム１は、間欠運転から負荷運転への切り替えに起因する燃料電池スタック１０の電圧変動を抑制するように構成されていてもよい。
すなわち、燃料電池システム１は、第３実施形態と同様に、間欠運転から負荷運転への切り替え後の要求出力を負荷予測出力として予測するとともに、負荷予測出力に対応するスタック電圧を負荷予測電圧として算出する構成とする。この構成において、燃料電池システム１は、間欠運転中に所定条件が成立すると、間欠運転から負荷運転に切り替える前の電圧制限範囲Ｖｂを少なくとも負荷予測電圧が含まれる範囲に変更するようになっていることが望ましい。これによると、負荷運転から間欠運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動の抑制効果に加えて、間欠運転から負荷運転へ切り替わる際の燃料電池スタック１０の電圧変動の抑制効果を得ることができる。

【0142】

（他の実施形態）
以上、本開示の代表的な実施形態について説明したが、本開示は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

【0143】

上述の実施形態では、燃料電池システム１の詳細な構成、詳細の動作を説明したが、これらに限定されず、上述のものとは異なる構成になっていたり、上述のものとは異なる動作になっていたりしてもよい。

【0144】

また、上述の実施形態では、燃料電池システム１を移動体に適用した例について説明したが、燃料電池システム１の適用対象は、移動体に制限されず、定置型の機器やシステムにも適用可能である。

【0145】

上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

【0146】

上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

【0147】

上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

【0148】

上述の実施形態において、センサから車両の外部環境情報を取得することが記載されている場合、そのセンサを廃し、車両の外部のサーバまたはクラウドからその外部環境情報を受信することも可能である。あるいは、そのセンサを廃し、車両の外部のサーバまたはクラウドからその外部環境情報に関連する関連情報を取得し、取得した関連情報からその外部環境情報を推定することも可能である。

【符号の説明】

【0149】

１０ 燃料電池スタック
１０ａ セル
５０ａ 運転制御部
５０ｂ 電圧設定部
５１ 記憶部
ＬＤ 負荷装置

【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】

【図15】