燃料電池システム
【課題】２次電池への充電対処を図った上で、触媒劣化の抑制の実効性を高める。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１００のＦＣ温度が目標温度範囲に収まるように燃料電池１００の温度を維持しつつ、出力電力の上限を定める高電位回避電圧を超えないように燃料電池１００を運転制御し、余剰の発電電力を２次電池に充電する。そして、２次電池充電容量が満充電側であると、高電位回避電圧を高電圧側にシフトすると共に、ＦＣ温度維持の目標温度範囲を低温度側にシフトする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１００のＦＣ温度が目標温度範囲に収まるように燃料電池１００の温度を維持しつつ、出力電力の上限を定める高電位回避電圧を超えないように燃料電池１００を運転制御し、余剰の発電電力を２次電池に充電する。そして、２次電池充電容量が満充電側であると、高電位回避電圧を高電圧側にシフトすると共に、ＦＣ温度維持の目標温度範囲を低温度側にシフトする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次電池を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、供給を受けた反応ガスを触媒介在下の電気化学反応に処して発電し、その発電電力により負荷を駆動する。燃料電池の発電電力は、負荷を駆動する上で不足したり余剰となることから、２次電池を燃料電池と併用して、燃料電池の発電電力を充電しつつ電力不足を２次電池で補う燃料電池システムが実用されている。触媒の機能劣化は発電性能の低下を来すことから、触媒機能の劣化の抑制が求められており、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２９６４７号公報
【特許文献２】特開２００７−１２２８９７号公報
【０００４】
特許文献１では、燃料電池の出力電力の上限を定める高電位回避電圧を２次電池の充電状況に応じて可変設定することで、２次電池への充電の対処を図りつつ、触媒が高い電位に晒されることを抑制して、触媒劣化を抑制している。その一方、特許文献２では、高負荷から低負荷への燃料電池の運転状況推移時に燃料電池に低温度のガスを供給することで触媒温度を低くして、触媒劣化を抑制している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で提案されたように高電位回避電圧を２次電池の充電状況に応じて可変設定しても、燃料電池の温度は、高電位回避電圧の設定状況によらず上昇することが有り得るので、こうした状況での触媒劣化の抑制対処が求められるに至った。ところで、特許文献２では、低温ガスの供給により燃料電池の温度上昇を抑制して触媒劣化を抑制する対処法を提案しているものの、運転状態が過渡期にある場合における対処法であるため、２次電池を備えたシステムにおける当該電池への充電対処を図った上での対処法としては十分とは言えないのが実情である。
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、２次電池への充電対処を図った上で、触媒劣化の抑制の実効性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池システム]
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と、
該燃料電池の温度を検出する電池温度検出手段と、
該電池温度検出手段の検出した電池温度が目標温度範囲に収まるように、前記燃料電池の温度を維持する電池温度維持手段と、
前記燃料電池の出力電力がその上限として予め定めた高電位回避電圧を超えないように前記燃料電池を運転制御する制御手段と、
前記燃料電池との間で電力のやりとりを行う２次電池と、
該２次電池における充電容量を検出する充電検出手段と、
該充電検出手段の検出した充電容量が満充電側であると、前記高電位回避電圧を高電圧側にシフトする電圧シフト設定に加え、前記目標温度範囲を低温度側にシフトする温度シフト設定を実行する設定手段とを備える、
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池システムでは、２次電池の検出充電容量が満充電側であると、燃料電池の出力電力の上限を定める高電位回避電圧を高電圧側にシフトすると共に、目標温度範囲を低温度側にシフトする。このため、燃料電池が反応ガスの反応を起こすために有する触媒は、低温度側にシフトした低温度環境下において高電位に晒される機会があるに過ぎないので、触媒劣化の抑制を図ることができる。しかも、２次電池の検出充電容量が満充電側である状況下では、２次電池を充電する必要性が低い上、燃料電池は、その出力電圧が高電圧側にシフトした高電位回避電圧を超えないよう運転制御されることから、運転制御幅が広がる。よって、燃料電池を、余剰な電力が出ないよう運転することや、必要性の低い電池充電に対処できるよう運転することが可能となるので、２次電池の充電に対しても対処できる。
【００１０】
その一方、２次電池の検出充電容量が満充電側ではなく、２次電池への補充充電が必要な状況下では、上記した高電圧側への電圧シフト設定と低温度側への温度シフト設定がなされない。よって、燃料電池の触媒は、低温度側にシフトしていない環境下において高電位に晒されないので、触媒劣化の抑制を図ることができる。しかも、高電位回避電圧は高電圧側にシフトしていないことから、燃料電池の運転制御幅が狭くなり、余剰の発電を行う機会が増えることになる。よって、その余剰電力を２次電池への補充充電に当てることができ、２次電池の充電に対しても対処できる。
【００１１】
上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、形態変化維持率を導入し、この形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関を、燃料電池の温度ごとに記憶する。この形態変化維持率は、燃料電池が有する触媒の触媒機能維持の状況を表しており、燃料電池の出力電圧が高くなると低減する。上記した相関を記憶した上で、目標温度範囲の温度に対応した相関を参照して、電圧シフトを実行するようにできる。こうすれば、触媒機能の維持を図った上でより確実に高電位回避電圧を高電圧側にシフトできる。
【００１２】
この場合、触媒機能維持の上で下限となる下限形態変化維持率に対応した高電圧側の出力電圧に高電位回避電圧をシフトするようにすれば、触媒機能維持の実効性と高電位回避電圧の高電圧側シフトの実効性を高めることができる。そして、この下限形態変化維持率より高い形態変化維持率であって該形態変化維持率の前記相関における変曲をもたらす前記高い形態変化維持率に対応した高電圧側の出力電圧に高電位回避電圧をシフトするようにしてもよい。こうすれば、上記した実効性をより高めることができる。
【００１３】
また、前記検出した電池温度が前記目標温度範囲より低温側に逸脱した温度であると、前記充電容量の状況に拘わらず、前記温度シフト設定と前記電圧シフト設定とを実行するようにできる。こうすれば、次の利点がある。
【００１４】
電池温度が低い場合は、往々にして低外気温状況下での燃料電池運転であることから、燃料電池に限らず２次電池にあってもその温度は低くなり、２次電池の容量低下が起き得る。こうした場合に高電位回避電圧が低いと、既述したように燃料電池の運転制御幅が狭くなって余剰の発電を行う機会が増えることから、２次電池が早期のうちに満充電となり、電力余りとなり得る。ところが、上記の形態では、高電位回避電圧を高電圧側にシフトするので、余剰の電力が生じにくくなって、２次電池への充電も緩慢となり、電力余りを抑制できる。その上で、燃料電池の温度も低温であることから、触媒劣化の抑制も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】本実施例の燃料電池システム１０が行う温度電位設定処理を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池１００が各セルにおいて有する触媒の触媒機能維持の状況を表す形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、２次電池２００と、燃料ガス供給系３００と、酸化ガス供給系４００と、冷却系５００と、ＤＣ−ＤＣコンバーター６００と、セルモニター６２０と、制御部７００と、を備える。燃料電池システム１０は、負荷６１０に対して電力を供給する。燃料電池１００は、複数の単セル（図示せず）を積層して備えるスタック構造とされている。各単セルには、セルモニター６２０が接続されており、各単セルの状態、例えば、電圧及び電流モニタすることが可能である。また、燃料電池１００には、温度センサー１１０が接続され、当該センサーは、燃料電池１００の温度を検出してその検出温度（燃料電池温度）を制御部７００に出力する。
【００１７】
燃料ガス供給系３００は、燃料電池１００での電気化学反応に供される燃料ガスとして、水素を供給する。燃料ガス供給系３００は、燃料ガスタンク３１０と、遮断弁３２０と、レギュレータ３３０と、を有する。遮断弁３２０は、燃料電池システム１０の停止時に遮断し、水素ガスの供給を停止する。レギュレータ３３０は、燃料電池１００の供給する水素の圧力を調整する。
【００１８】
酸化ガス供給系４００は、燃料電池１００での電気化学反応に供される酸化ガスとして、空気を供給する。酸化ガス供給系４００は、エアクリーナー４１０と、エアポンプ４２０と、インタークーラー４３０と、フィルター４４０と、を有する。エアクリーナー４１０は、大気中の空気を取り込むときに、空気中のゴミや塵を除去する。エアポンプ４２０は、空気を圧縮して燃料電池１００に供給する。エアポンプ４２０には、モーター４２１が接続されている。インタークーラー４３０は、圧縮により熱くなった空気を冷却する。フィルター４３５は、エアクリーナー４１０により除去できなかった細かな塵や埃を除去する。
【００１９】
２次電池２００は、ＤＣ−ＤＣコンバーター６００を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００の補助電源として機能する。すなわち、燃料電池１００の出力が負荷６１０からの出力要求に満たない場合には、２次電池２００は、その差を出力して補う。逆に、燃料電池１００の出力が負荷６１０の出力要求よりも大きい場合には、２次電池２００はその差を充電する。２次電池２００としては、例えば、鉛蓄電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池２００には、容量検出センサー２１０が接続され、当該センサーは、２次電池２００の充電状況を検出し、その検出充電量（以下、ＳＯＣとも称する）を制御部７００に出力する。
【００２０】
冷却系５００は、燃料電池１００とラジエータ５１０とを含む循環経路５２０に冷媒を循環させる。制御部７００は、後述する電位設定処理等により燃料電池１００の電池温度の目標温度範囲を設定する。そして、この制御部７００は、温度センサー１１０の検出した電池温度が設定した目標温度範囲に収まるように、循環ポンプ５３０を駆動制御して冷媒循環量を調整しつつ冷却系５００での冷媒循環を図り、燃料電池１００の温度（電池温度）を維持する。
【００２１】
ＤＣ−ＤＣコンバーター６００は、２次電池２００の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御部７００の制御信号を受けて２次電池２００の充・放電を制御するとともに、負荷６１０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
【００２２】
制御部７００は、例えば、主記憶装置と中央演算処理装置とを備えるマイクロコンピューターとして構成され、負荷６１０からの出力要求に応じてガス供給量を制御する。燃料ガス供給系３００については、レギュレータ３３０を制御して燃料ガスの供給量を制御し、酸化ガス供給系４００については、モーター４２１を制御して酸化ガスの供給量を制御する。また、制御部７００は、負荷６１０からの出力要求に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバーター６００を制御する。
【００２３】
制御部７００は、記憶部７１０を備え、当該記憶部は、燃料電池１００が各セルにおいて有する触媒（例えば、白金触媒）の触媒機能維持の状況を表す後述の形態変化維持率を記憶する。
【００２４】
図２は本実施例の燃料電池システム１０が行う温度電位設定処理を示すフローチャートである。この温度電位設定処理は、制御部７００にて所定時間ごとに繰り返し実行され、制御部７００は、まず、温度センサー１１０と容量検出センサー２１０から、燃料電池温度（ＦＣ温度）と２次電池２００のＳＯＣを読み込む（ステップＳ１００）。次いで、読み込んだＦＣ温度が４０℃を下回るか否かを判定する（ステップＳ１１０）。
【００２５】
燃料電池１００が適正な運転を継続していると、通常、ＦＣ温度は６０〜８０℃の範囲に収まる。つまり、制御部７００は、６０〜８０℃の温度範囲を目標温度範囲として、温度センサー１１０の検出温度がこの目標温度範囲（６０〜８０℃；以下、通常ＦＣ温度範囲）に収まるように、冷却系５００における冷媒循環の循環量（即ち、循環ポンプ５３０の駆動状況）を制御する。これにより、既述したように、ＦＣ温度は６０〜８０℃の通常ＦＣ温度範囲に維持されることになる。ところが、ステップＳ１１０にてＦＣ温度が４０℃を下回ると肯定判定した場合は、ＦＣ温度が通常ＦＣ温度範囲より大きく低温側に逸脱していることから、現状の燃料電池システム１０の環境は、システム運転当初或いは低外気温状況下であると予想される。こうした状況下では、２次電池２００にあってもその温度は低くなり、充電容量が低下しているとも予想される。よって、容量低下に対処すべく、ステップＳ１３０に移行する。なお、ステップＳ１１０での肯定判定を経てステップＳ１３０に移行した場合については、後述する。
【００２６】
一方、ステップＳ１１０でＦＣ温度が４０℃以上であると否定判定した場合は、読み込んだ２次電池２００のＳＯＣが満充電の６０％を上回るか否か、つまりＳＯＣが満充電側であるかを判定する（ステップＳ１２０）。ここで肯定判定すると、現状の２次電池２００の充電容量は満充電側であることになるので、この場合は、ＦＣ温度の目標温度を、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）を低温度側、例えば、４０〜６０℃にシフトする（ステップＳ１３０）。ステップＳ１２０の肯定判定を経たステップＳ１３０では、ステップＳ１２０への移行以前のステップＳ１１０で、ＦＣ温度が４０℃以上であるとの判定下の処理である。よって、ステップＳ１１０での否定判定（ＦＣ温度≧４０℃）とステップＳ１２０の肯定判定（ＳＯＣ＞６０％）とを経たステップＳ１３０により、制御部７００は、目標温度範囲を４０〜６０℃に変更した上で、温度センサー１１０の検出温度がこの目標温度範囲（４０〜６０℃；以下、低温度側シフト温度範囲）に収まるように、冷却系５００における冷媒循環の循環量（即ち、循環ポンプ５３０の駆動状況）を制御する。具体的には、冷媒循環量の増量により、ＦＣ温度（≧４０℃）が変更後の低温度側シフト温度範囲（４０〜６０℃）に収まるよう、循環ポンプ５３０が制御される。なお、ステップＳ１２０での判定の閾値は、上記した満充電の６０％に限られるものではなく、少なくとも満充電の５０％以上とできる。
【００２７】
こうしたＦＣ温度の目標温度の低温度側シフトに続き、制御部７００は、燃料電池１００の出力電力の上限を定める高電位回避電圧を、ＦＣ温度を維持する際の目標温度範囲の温度、この場合には、上記シフト済みの低温度側シフト温度範囲の温度と対応させて、高電圧側にシフトする。この高電位回避電圧の高電圧側のシフトに当たり、制御部７００は、まず、記憶部７１０に記憶した形態変化維持率のマップを参照する（ステップＳ１４０）。図３は燃料電池１００が各セルにおいて有する触媒の触媒機能維持の状況を表す形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関を示す説明図である。
【００２８】
図示するように、形態変化維持率は、燃料電池１００の出力電圧が高くなると低減する性質を持ち、形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関は温度ごとに異なる。この形態変化維持率は、燃料電池１００の下限電位を固定した上で、温度と上限電位をパラメータとした電位変動耐久モデル試験から求められる。制御部７００の記憶部７１０は、電位変動耐久モデル試験で求めた形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関を温度ごとにマップ状に記憶している。本実施例では、５０％程度の形態変化維持率での電池運転、換言すれば各セルでの触媒存在下での電気化学反応が進行するよう、この５０％の形態変化維持率を下限に設定する。この下限維持率（５０％）は、燃料電池１００を含む燃料電池システム１０を車両に搭載した場合を想定し、当該システムの燃料電池１００に求められる耐久性（目標耐久年数）と発電性能維持（目標性能低下率）を考慮して定めたものである。
【００２９】
そして、この下限維持率に対応した高電位側の出力電圧を、ＦＣ温度を維持する際の目標温度範囲の温度（シフト済みの低温度側シフト温度範囲の温度：４０℃）に対応するマップの参照を経て決定する。図３でもって説明すると、４０℃に対応する形態変化維持率マップから５０％の下限形態変化維持率と対となる電圧Ｈｖ１を読み込み、高電位回避電圧を高電位側のこの電圧Ｈｖ１に設定（シフト）する（ステップＳ１５０）。これにより、制御部７００は、電圧Ｈｖ１を超える出力電圧とならないように燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を調整しつつ、燃料電池１００の運転を制御する。
【００３０】
その一方、ステップＳ１２０で２次電池２００のＳＯＣが満充電の６０％以下であると否定判定すると、現状の２次電池２００の充電容量は満充電側ではなく、２次電池２００への補充充電の必要性が高い状況にあることになる。よって、この場合は、ＦＣ温度の目標温度を、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）にセット（復帰もしくは維持）する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１２０の否定判定を経たこのステップＳ１６０では、ステップＳ１２０への移行以前のステップＳ１１０で、ＦＣ温度が４０℃以上であるとの判定下の処理である。よって、ステップＳ１１０での否定判定（ＦＣ温度≧４０℃）とステップＳ１２０の否定判定（ＳＯＣ≦６０％）とを経たステップＳ１６０により、制御部７００は、目標温度範囲を６０〜８０℃の通常ＦＣ温度範囲に設定した上で、温度センサー１１０の検出温度がこの目標温度範囲（通常ＦＣ温度範囲：６０〜８０℃）に収まるように、冷却系５００における冷媒循環の循環量（即ち、循環ポンプ５３０の駆動状況）を制御する。具体的には、それまでの目標温度範囲が低温度側シフト温度範囲であれば、冷媒循環量の減量により、ＦＣ温度（≧４０℃）が変更後の通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）に収まるよう、循環ポンプ５３０が制御される。また、それまでの目標温度範囲が既に通常ＦＣ温度範囲であれば、冷媒循環量を大きく変えないように維持して、ＦＣ温度が変更後の通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）に収まるよう、循環ポンプ５３０が制御される。
【００３１】
こうしたＦＣ温度の目標温度の通常ＦＣ温度範囲設定に続いては、既述したステップＳ１４０に移行して、マップの参照と高電位回避電圧の設定（ステップＳ１５０）がなされる。この場合には、ステップＳ１４０でのマップ参照に当たり、制御部７００は、通常ＦＣ温度範囲に対応する温度（８０℃）について記憶部７１０が記憶した形態変化維持率と電圧の相関のマップを参照し、下限維持率に対応した電圧Ｈｖ２に高電位回避電圧を設定（シフト）する（ステップＳ１５０）。これにより、制御部７００は、電圧Ｈｖ２を超える出力電圧とならないように燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を調整しつつ、燃料電池１００の運転を制御する。この場合、燃料電池１００は、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）の温度範囲にて運転されることから、電圧Ｈｖ２は、通常の電池運転制御に当たって常用される高電位回避電圧に相当することになり、ステップＳ１６０に続くステップＳ１５０では、高電位回避電圧の高電位側へのシフトはなされないことになる。
【００３２】
また、ステップＳ１１０での肯定判定（ＦＣ温度＜４０℃）に続くステップＳ１３０では、先に説明したように、ＦＣ温度の目標温度を低温度側（４０〜６０℃）にシフトし、その後、高電位回避電圧を上記シフト済みの低温度側シフト温度範囲の温度と下限維持率に対応した高電位側の電圧Ｈｖ１に設定（シフト）する（ステップＳ１５０）。これにより、制御部７００は、ＦＣ温度を４０〜６０℃に維持した上で、電圧Ｈｖ１を超える出力電圧とならないように燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を調整しつつ、燃料電池１００の運転を制御する。
【００３３】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１０では、２次電池２００のＳＯＣが満充電の６０％を上回るような満充電側であれば（ステップＳ１２０の肯定判定）、ＦＣ温度の目標温度を、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）から低温度側の温度範囲（低温側シフト温度範囲：４０〜６０℃）にシフトした上で（ステップＳ１３０）、燃料電池１００の出力電力の上限を定める高電位回避電圧を、５０％という下限の形態変化維持率とシフト済みの低温度側シフト温度範囲の温度（４０℃）に対応する高電位側の電圧Ｈｖ１にシフトする（ステップＳ１５０）。このため、燃料電池１００が反応ガスの反応を起こすために各セルに有する触媒は、低温度側にシフトした低温度環境下（４０〜６０℃）においてのみ、高電位の電圧Ｈｖ１に晒される機会があるに過ぎない。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、触媒劣化の抑制を図ることができる。しかも、２次電池２００のＳＯＣが満充電側である状況下では、２次電池２００を充電する必要性が低い上、燃料電池１００は、その出力電圧が高電位の電圧Ｈｖ１（シフト済みの高電位回避電圧）を超えないよう運転制御されることから、運転制御幅が広がる。よって、燃料電池１００を、余剰な電力が出ないよう運転することや、必要性の低い電池充電に対処できるよう運転することが可能となるので、２次電池２００の充電に対しても対処できる。
【００３４】
その一方、２次電池２００のＳＯＣが満充電の６０％以下であるような満充電側ではない場合には、２次電池２００への補充充電の必要性が高い状況となる。本実施例の燃料電池システム１０では、こうした状況下では、ＦＣ温度の目標温度を通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）にセットすることで、目標温度の低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）へのシフトを行わない。しかも、この場合には、燃料電池１００の通常の運転制御時における目標温度範囲（通常ＦＣ温度範囲：６０〜８０℃）に対応した電圧Ｈｖ２を高電位回避電圧とすることで、高電位回避電圧の高電位側へのシフトについてもこれを行わない。よって、燃料電池１００の触媒は、低温度側にシフトしていない通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）の環境下において高電位に晒されないので、本実施例の燃料電池システム１０によれば、触媒劣化の抑制を図ることができる。しかも、高電位回避電圧は高電圧側にシフトしていないことから、燃料電池１００の運転制御幅が狭くなり、余剰の発電を行う機会が増えることになるので、制御部７００により、その余剰電力を２次電池２００への補充充電に当てることができ、２次電池２００の充電に対しても対処できる。
【００３５】
しかも、本実施例の燃料電池システム１０では、触媒の触媒機能維持の状況を表す形態変化維持率と燃料電池１００の出力電圧との相関を、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）の温度と、低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）の温度に対応させて記憶部７１０に記憶した（図３参照）。その上で、これら温度範囲（目標温度範囲）の温度に対応した相関を参照して（ステップＳ１４０）、高電位回避電圧を、目標温度の低温度側シフト（ステップＳ１３０）と併せて高電圧側にシフトするようにした。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、形態変化維持率を用いて触媒機能の維持を図った上で、より確実に高電位回避電圧を高電圧側にシフトできる。このように形態変化維持率を考慮した上で高電圧側のシフト電圧を定めるに当たり、５０％の形態変化維持率を下限に設定した。よって、燃料電池１００の触媒を５０％の形態変化維持率で機能させることができる。
【００３６】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池１００のＦＣ温度が目標温度範囲とされた低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）の温度より低温であると（ステップＳ１１０の肯定判定）、既述したように２次電池２００のＳＯＣ低下が起き得る。こうした低ＦＣ温度の時に、仮に高電位回避電圧が通常ＦＣ温度範囲の状況のまま定電圧側のままとすると、既述したように燃料電池１００の運転制御幅が狭くなって余剰の発電を行う機会が増え、２次電池２００が早期のうちに満充電となり、燃料電池１００の発電電力が余る機会が増え、発電ロスとなる。これに対し、本実施例の燃料電池システム１０では、上記した低ＦＣ温度であると、燃料電池１００のＳＯＣに拘わらず、即ちＳＯＣの判定を行うステップＳ１２０をスキップして、目標温度範囲を低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）にシフトしつつ、高電位回避電圧にあっても、この低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）に対応した高電圧側の電圧Ｈｖ１にシフトする。このため、高電位回避電圧の高電圧側シフトにより、余剰の電力が生じにくくなって、２次電池２００への充電も緩慢となり、電力余りを抑制できる。その上で、燃料電池１００の温度もその目標温度範囲である低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）の低温に維持されることから、触媒劣化の抑制も可能となる。
【００３７】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記した実施例では、形態変化維持率を考慮した上で高電圧側のシフト電圧を定めるに当たり、５０％の形態変化維持率を下限に設定したが、次のようにすることもできる。つまり、図３に示すように、各温度ごとの形態変化維持率と電圧との相関において、形態変化維持率が低減側に急変する変曲をもたらす変曲点に対応する高い形態変化維持率を採用する。そして、目標温度範囲の低温側シフトと共に、その低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）に対応した上記の変曲点での高電圧側の電圧Ｈｖ３に高電位回避電圧をシフトするようにすることもできる。こうすれば、高い形態変化維持率を確保できるので、触媒劣化の実効性がより高まる。
【００３８】
また、燃料電池１００を目標温度範囲に維持するに当たり、上記の実施例では、冷却系５００による冷媒循環方式を採用したが、燃料ガス供給系３００或いは酸化ガス供給系４００にガス冷却機器を設けてガス冷却を図り、その冷却したガスを供給することで燃料電池１００の温度維持を図るようにすることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…温度センサー
２００…２次電池
２１０…容量検出センサー
３００…燃料ガス供給系
３１０…燃料ガスタンク
３２０…遮断弁
３３０…レギュレータ
４００…酸化ガス供給系
４１０…エアクリーナー
４２０…エアポンプ
４２１…モーター
４３０…インタークーラー
４３５…フィルター
４４０…フィルター
５００…冷却系
５１０…ラジエータ
５２０…循環経路
５３０…循環ポンプ
６１０…負荷
６２０…セルモニター
７００…制御部
７１０…記憶部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次電池を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、供給を受けた反応ガスを触媒介在下の電気化学反応に処して発電し、その発電電力により負荷を駆動する。燃料電池の発電電力は、負荷を駆動する上で不足したり余剰となることから、２次電池を燃料電池と併用して、燃料電池の発電電力を充電しつつ電力不足を２次電池で補う燃料電池システムが実用されている。触媒の機能劣化は発電性能の低下を来すことから、触媒機能の劣化の抑制が求められており、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１２９６４７号公報
【特許文献２】特開２００７−１２２８９７号公報
【０００４】
特許文献１では、燃料電池の出力電力の上限を定める高電位回避電圧を２次電池の充電状況に応じて可変設定することで、２次電池への充電の対処を図りつつ、触媒が高い電位に晒されることを抑制して、触媒劣化を抑制している。その一方、特許文献２では、高負荷から低負荷への燃料電池の運転状況推移時に燃料電池に低温度のガスを供給することで触媒温度を低くして、触媒劣化を抑制している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で提案されたように高電位回避電圧を２次電池の充電状況に応じて可変設定しても、燃料電池の温度は、高電位回避電圧の設定状況によらず上昇することが有り得るので、こうした状況での触媒劣化の抑制対処が求められるに至った。ところで、特許文献２では、低温ガスの供給により燃料電池の温度上昇を抑制して触媒劣化を抑制する対処法を提案しているものの、運転状態が過渡期にある場合における対処法であるため、２次電池を備えたシステムにおける当該電池への充電対処を図った上での対処法としては十分とは言えないのが実情である。
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、２次電池への充電対処を図った上で、触媒劣化の抑制の実効性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池システム]
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と、
該燃料電池の温度を検出する電池温度検出手段と、
該電池温度検出手段の検出した電池温度が目標温度範囲に収まるように、前記燃料電池の温度を維持する電池温度維持手段と、
前記燃料電池の出力電力がその上限として予め定めた高電位回避電圧を超えないように前記燃料電池を運転制御する制御手段と、
前記燃料電池との間で電力のやりとりを行う２次電池と、
該２次電池における充電容量を検出する充電検出手段と、
該充電検出手段の検出した充電容量が満充電側であると、前記高電位回避電圧を高電圧側にシフトする電圧シフト設定に加え、前記目標温度範囲を低温度側にシフトする温度シフト設定を実行する設定手段とを備える、
ことを要旨とする。
【０００９】
上記構成を備える燃料電池システムでは、２次電池の検出充電容量が満充電側であると、燃料電池の出力電力の上限を定める高電位回避電圧を高電圧側にシフトすると共に、目標温度範囲を低温度側にシフトする。このため、燃料電池が反応ガスの反応を起こすために有する触媒は、低温度側にシフトした低温度環境下において高電位に晒される機会があるに過ぎないので、触媒劣化の抑制を図ることができる。しかも、２次電池の検出充電容量が満充電側である状況下では、２次電池を充電する必要性が低い上、燃料電池は、その出力電圧が高電圧側にシフトした高電位回避電圧を超えないよう運転制御されることから、運転制御幅が広がる。よって、燃料電池を、余剰な電力が出ないよう運転することや、必要性の低い電池充電に対処できるよう運転することが可能となるので、２次電池の充電に対しても対処できる。
【００１０】
その一方、２次電池の検出充電容量が満充電側ではなく、２次電池への補充充電が必要な状況下では、上記した高電圧側への電圧シフト設定と低温度側への温度シフト設定がなされない。よって、燃料電池の触媒は、低温度側にシフトしていない環境下において高電位に晒されないので、触媒劣化の抑制を図ることができる。しかも、高電位回避電圧は高電圧側にシフトしていないことから、燃料電池の運転制御幅が狭くなり、余剰の発電を行う機会が増えることになる。よって、その余剰電力を２次電池への補充充電に当てることができ、２次電池の充電に対しても対処できる。
【００１１】
上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、形態変化維持率を導入し、この形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関を、燃料電池の温度ごとに記憶する。この形態変化維持率は、燃料電池が有する触媒の触媒機能維持の状況を表しており、燃料電池の出力電圧が高くなると低減する。上記した相関を記憶した上で、目標温度範囲の温度に対応した相関を参照して、電圧シフトを実行するようにできる。こうすれば、触媒機能の維持を図った上でより確実に高電位回避電圧を高電圧側にシフトできる。
【００１２】
この場合、触媒機能維持の上で下限となる下限形態変化維持率に対応した高電圧側の出力電圧に高電位回避電圧をシフトするようにすれば、触媒機能維持の実効性と高電位回避電圧の高電圧側シフトの実効性を高めることができる。そして、この下限形態変化維持率より高い形態変化維持率であって該形態変化維持率の前記相関における変曲をもたらす前記高い形態変化維持率に対応した高電圧側の出力電圧に高電位回避電圧をシフトするようにしてもよい。こうすれば、上記した実効性をより高めることができる。
【００１３】
また、前記検出した電池温度が前記目標温度範囲より低温側に逸脱した温度であると、前記充電容量の状況に拘わらず、前記温度シフト設定と前記電圧シフト設定とを実行するようにできる。こうすれば、次の利点がある。
【００１４】
電池温度が低い場合は、往々にして低外気温状況下での燃料電池運転であることから、燃料電池に限らず２次電池にあってもその温度は低くなり、２次電池の容量低下が起き得る。こうした場合に高電位回避電圧が低いと、既述したように燃料電池の運転制御幅が狭くなって余剰の発電を行う機会が増えることから、２次電池が早期のうちに満充電となり、電力余りとなり得る。ところが、上記の形態では、高電位回避電圧を高電圧側にシフトするので、余剰の電力が生じにくくなって、２次電池への充電も緩慢となり、電力余りを抑制できる。その上で、燃料電池の温度も低温であることから、触媒劣化の抑制も可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】本実施例の燃料電池システム１０が行う温度電位設定処理を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池１００が各セルにおいて有する触媒の触媒機能維持の状況を表す形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本発明の実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、２次電池２００と、燃料ガス供給系３００と、酸化ガス供給系４００と、冷却系５００と、ＤＣ−ＤＣコンバーター６００と、セルモニター６２０と、制御部７００と、を備える。燃料電池システム１０は、負荷６１０に対して電力を供給する。燃料電池１００は、複数の単セル（図示せず）を積層して備えるスタック構造とされている。各単セルには、セルモニター６２０が接続されており、各単セルの状態、例えば、電圧及び電流モニタすることが可能である。また、燃料電池１００には、温度センサー１１０が接続され、当該センサーは、燃料電池１００の温度を検出してその検出温度（燃料電池温度）を制御部７００に出力する。
【００１７】
燃料ガス供給系３００は、燃料電池１００での電気化学反応に供される燃料ガスとして、水素を供給する。燃料ガス供給系３００は、燃料ガスタンク３１０と、遮断弁３２０と、レギュレータ３３０と、を有する。遮断弁３２０は、燃料電池システム１０の停止時に遮断し、水素ガスの供給を停止する。レギュレータ３３０は、燃料電池１００の供給する水素の圧力を調整する。
【００１８】
酸化ガス供給系４００は、燃料電池１００での電気化学反応に供される酸化ガスとして、空気を供給する。酸化ガス供給系４００は、エアクリーナー４１０と、エアポンプ４２０と、インタークーラー４３０と、フィルター４４０と、を有する。エアクリーナー４１０は、大気中の空気を取り込むときに、空気中のゴミや塵を除去する。エアポンプ４２０は、空気を圧縮して燃料電池１００に供給する。エアポンプ４２０には、モーター４２１が接続されている。インタークーラー４３０は、圧縮により熱くなった空気を冷却する。フィルター４３５は、エアクリーナー４１０により除去できなかった細かな塵や埃を除去する。
【００１９】
２次電池２００は、ＤＣ−ＤＣコンバーター６００を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００の補助電源として機能する。すなわち、燃料電池１００の出力が負荷６１０からの出力要求に満たない場合には、２次電池２００は、その差を出力して補う。逆に、燃料電池１００の出力が負荷６１０の出力要求よりも大きい場合には、２次電池２００はその差を充電する。２次電池２００としては、例えば、鉛蓄電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。２次電池２００には、容量検出センサー２１０が接続され、当該センサーは、２次電池２００の充電状況を検出し、その検出充電量（以下、ＳＯＣとも称する）を制御部７００に出力する。
【００２０】
冷却系５００は、燃料電池１００とラジエータ５１０とを含む循環経路５２０に冷媒を循環させる。制御部７００は、後述する電位設定処理等により燃料電池１００の電池温度の目標温度範囲を設定する。そして、この制御部７００は、温度センサー１１０の検出した電池温度が設定した目標温度範囲に収まるように、循環ポンプ５３０を駆動制御して冷媒循環量を調整しつつ冷却系５００での冷媒循環を図り、燃料電池１００の温度（電池温度）を維持する。
【００２１】
ＤＣ−ＤＣコンバーター６００は、２次電池２００の充・放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御部７００の制御信号を受けて２次電池２００の充・放電を制御するとともに、負荷６１０に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
【００２２】
制御部７００は、例えば、主記憶装置と中央演算処理装置とを備えるマイクロコンピューターとして構成され、負荷６１０からの出力要求に応じてガス供給量を制御する。燃料ガス供給系３００については、レギュレータ３３０を制御して燃料ガスの供給量を制御し、酸化ガス供給系４００については、モーター４２１を制御して酸化ガスの供給量を制御する。また、制御部７００は、負荷６１０からの出力要求に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバーター６００を制御する。
【００２３】
制御部７００は、記憶部７１０を備え、当該記憶部は、燃料電池１００が各セルにおいて有する触媒（例えば、白金触媒）の触媒機能維持の状況を表す後述の形態変化維持率を記憶する。
【００２４】
図２は本実施例の燃料電池システム１０が行う温度電位設定処理を示すフローチャートである。この温度電位設定処理は、制御部７００にて所定時間ごとに繰り返し実行され、制御部７００は、まず、温度センサー１１０と容量検出センサー２１０から、燃料電池温度（ＦＣ温度）と２次電池２００のＳＯＣを読み込む（ステップＳ１００）。次いで、読み込んだＦＣ温度が４０℃を下回るか否かを判定する（ステップＳ１１０）。
【００２５】
燃料電池１００が適正な運転を継続していると、通常、ＦＣ温度は６０〜８０℃の範囲に収まる。つまり、制御部７００は、６０〜８０℃の温度範囲を目標温度範囲として、温度センサー１１０の検出温度がこの目標温度範囲（６０〜８０℃；以下、通常ＦＣ温度範囲）に収まるように、冷却系５００における冷媒循環の循環量（即ち、循環ポンプ５３０の駆動状況）を制御する。これにより、既述したように、ＦＣ温度は６０〜８０℃の通常ＦＣ温度範囲に維持されることになる。ところが、ステップＳ１１０にてＦＣ温度が４０℃を下回ると肯定判定した場合は、ＦＣ温度が通常ＦＣ温度範囲より大きく低温側に逸脱していることから、現状の燃料電池システム１０の環境は、システム運転当初或いは低外気温状況下であると予想される。こうした状況下では、２次電池２００にあってもその温度は低くなり、充電容量が低下しているとも予想される。よって、容量低下に対処すべく、ステップＳ１３０に移行する。なお、ステップＳ１１０での肯定判定を経てステップＳ１３０に移行した場合については、後述する。
【００２６】
一方、ステップＳ１１０でＦＣ温度が４０℃以上であると否定判定した場合は、読み込んだ２次電池２００のＳＯＣが満充電の６０％を上回るか否か、つまりＳＯＣが満充電側であるかを判定する（ステップＳ１２０）。ここで肯定判定すると、現状の２次電池２００の充電容量は満充電側であることになるので、この場合は、ＦＣ温度の目標温度を、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）を低温度側、例えば、４０〜６０℃にシフトする（ステップＳ１３０）。ステップＳ１２０の肯定判定を経たステップＳ１３０では、ステップＳ１２０への移行以前のステップＳ１１０で、ＦＣ温度が４０℃以上であるとの判定下の処理である。よって、ステップＳ１１０での否定判定（ＦＣ温度≧４０℃）とステップＳ１２０の肯定判定（ＳＯＣ＞６０％）とを経たステップＳ１３０により、制御部７００は、目標温度範囲を４０〜６０℃に変更した上で、温度センサー１１０の検出温度がこの目標温度範囲（４０〜６０℃；以下、低温度側シフト温度範囲）に収まるように、冷却系５００における冷媒循環の循環量（即ち、循環ポンプ５３０の駆動状況）を制御する。具体的には、冷媒循環量の増量により、ＦＣ温度（≧４０℃）が変更後の低温度側シフト温度範囲（４０〜６０℃）に収まるよう、循環ポンプ５３０が制御される。なお、ステップＳ１２０での判定の閾値は、上記した満充電の６０％に限られるものではなく、少なくとも満充電の５０％以上とできる。
【００２７】
こうしたＦＣ温度の目標温度の低温度側シフトに続き、制御部７００は、燃料電池１００の出力電力の上限を定める高電位回避電圧を、ＦＣ温度を維持する際の目標温度範囲の温度、この場合には、上記シフト済みの低温度側シフト温度範囲の温度と対応させて、高電圧側にシフトする。この高電位回避電圧の高電圧側のシフトに当たり、制御部７００は、まず、記憶部７１０に記憶した形態変化維持率のマップを参照する（ステップＳ１４０）。図３は燃料電池１００が各セルにおいて有する触媒の触媒機能維持の状況を表す形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関を示す説明図である。
【００２８】
図示するように、形態変化維持率は、燃料電池１００の出力電圧が高くなると低減する性質を持ち、形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関は温度ごとに異なる。この形態変化維持率は、燃料電池１００の下限電位を固定した上で、温度と上限電位をパラメータとした電位変動耐久モデル試験から求められる。制御部７００の記憶部７１０は、電位変動耐久モデル試験で求めた形態変化維持率と燃料電池の出力電圧との相関を温度ごとにマップ状に記憶している。本実施例では、５０％程度の形態変化維持率での電池運転、換言すれば各セルでの触媒存在下での電気化学反応が進行するよう、この５０％の形態変化維持率を下限に設定する。この下限維持率（５０％）は、燃料電池１００を含む燃料電池システム１０を車両に搭載した場合を想定し、当該システムの燃料電池１００に求められる耐久性（目標耐久年数）と発電性能維持（目標性能低下率）を考慮して定めたものである。
【００２９】
そして、この下限維持率に対応した高電位側の出力電圧を、ＦＣ温度を維持する際の目標温度範囲の温度（シフト済みの低温度側シフト温度範囲の温度：４０℃）に対応するマップの参照を経て決定する。図３でもって説明すると、４０℃に対応する形態変化維持率マップから５０％の下限形態変化維持率と対となる電圧Ｈｖ１を読み込み、高電位回避電圧を高電位側のこの電圧Ｈｖ１に設定（シフト）する（ステップＳ１５０）。これにより、制御部７００は、電圧Ｈｖ１を超える出力電圧とならないように燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を調整しつつ、燃料電池１００の運転を制御する。
【００３０】
その一方、ステップＳ１２０で２次電池２００のＳＯＣが満充電の６０％以下であると否定判定すると、現状の２次電池２００の充電容量は満充電側ではなく、２次電池２００への補充充電の必要性が高い状況にあることになる。よって、この場合は、ＦＣ温度の目標温度を、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）にセット（復帰もしくは維持）する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１２０の否定判定を経たこのステップＳ１６０では、ステップＳ１２０への移行以前のステップＳ１１０で、ＦＣ温度が４０℃以上であるとの判定下の処理である。よって、ステップＳ１１０での否定判定（ＦＣ温度≧４０℃）とステップＳ１２０の否定判定（ＳＯＣ≦６０％）とを経たステップＳ１６０により、制御部７００は、目標温度範囲を６０〜８０℃の通常ＦＣ温度範囲に設定した上で、温度センサー１１０の検出温度がこの目標温度範囲（通常ＦＣ温度範囲：６０〜８０℃）に収まるように、冷却系５００における冷媒循環の循環量（即ち、循環ポンプ５３０の駆動状況）を制御する。具体的には、それまでの目標温度範囲が低温度側シフト温度範囲であれば、冷媒循環量の減量により、ＦＣ温度（≧４０℃）が変更後の通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）に収まるよう、循環ポンプ５３０が制御される。また、それまでの目標温度範囲が既に通常ＦＣ温度範囲であれば、冷媒循環量を大きく変えないように維持して、ＦＣ温度が変更後の通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）に収まるよう、循環ポンプ５３０が制御される。
【００３１】
こうしたＦＣ温度の目標温度の通常ＦＣ温度範囲設定に続いては、既述したステップＳ１４０に移行して、マップの参照と高電位回避電圧の設定（ステップＳ１５０）がなされる。この場合には、ステップＳ１４０でのマップ参照に当たり、制御部７００は、通常ＦＣ温度範囲に対応する温度（８０℃）について記憶部７１０が記憶した形態変化維持率と電圧の相関のマップを参照し、下限維持率に対応した電圧Ｈｖ２に高電位回避電圧を設定（シフト）する（ステップＳ１５０）。これにより、制御部７００は、電圧Ｈｖ２を超える出力電圧とならないように燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を調整しつつ、燃料電池１００の運転を制御する。この場合、燃料電池１００は、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）の温度範囲にて運転されることから、電圧Ｈｖ２は、通常の電池運転制御に当たって常用される高電位回避電圧に相当することになり、ステップＳ１６０に続くステップＳ１５０では、高電位回避電圧の高電位側へのシフトはなされないことになる。
【００３２】
また、ステップＳ１１０での肯定判定（ＦＣ温度＜４０℃）に続くステップＳ１３０では、先に説明したように、ＦＣ温度の目標温度を低温度側（４０〜６０℃）にシフトし、その後、高電位回避電圧を上記シフト済みの低温度側シフト温度範囲の温度と下限維持率に対応した高電位側の電圧Ｈｖ１に設定（シフト）する（ステップＳ１５０）。これにより、制御部７００は、ＦＣ温度を４０〜６０℃に維持した上で、電圧Ｈｖ１を超える出力電圧とならないように燃料ガスおよび酸化ガスの供給量を調整しつつ、燃料電池１００の運転を制御する。
【００３３】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１０では、２次電池２００のＳＯＣが満充電の６０％を上回るような満充電側であれば（ステップＳ１２０の肯定判定）、ＦＣ温度の目標温度を、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）から低温度側の温度範囲（低温側シフト温度範囲：４０〜６０℃）にシフトした上で（ステップＳ１３０）、燃料電池１００の出力電力の上限を定める高電位回避電圧を、５０％という下限の形態変化維持率とシフト済みの低温度側シフト温度範囲の温度（４０℃）に対応する高電位側の電圧Ｈｖ１にシフトする（ステップＳ１５０）。このため、燃料電池１００が反応ガスの反応を起こすために各セルに有する触媒は、低温度側にシフトした低温度環境下（４０〜６０℃）においてのみ、高電位の電圧Ｈｖ１に晒される機会があるに過ぎない。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、触媒劣化の抑制を図ることができる。しかも、２次電池２００のＳＯＣが満充電側である状況下では、２次電池２００を充電する必要性が低い上、燃料電池１００は、その出力電圧が高電位の電圧Ｈｖ１（シフト済みの高電位回避電圧）を超えないよう運転制御されることから、運転制御幅が広がる。よって、燃料電池１００を、余剰な電力が出ないよう運転することや、必要性の低い電池充電に対処できるよう運転することが可能となるので、２次電池２００の充電に対しても対処できる。
【００３４】
その一方、２次電池２００のＳＯＣが満充電の６０％以下であるような満充電側ではない場合には、２次電池２００への補充充電の必要性が高い状況となる。本実施例の燃料電池システム１０では、こうした状況下では、ＦＣ温度の目標温度を通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）にセットすることで、目標温度の低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）へのシフトを行わない。しかも、この場合には、燃料電池１００の通常の運転制御時における目標温度範囲（通常ＦＣ温度範囲：６０〜８０℃）に対応した電圧Ｈｖ２を高電位回避電圧とすることで、高電位回避電圧の高電位側へのシフトについてもこれを行わない。よって、燃料電池１００の触媒は、低温度側にシフトしていない通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）の環境下において高電位に晒されないので、本実施例の燃料電池システム１０によれば、触媒劣化の抑制を図ることができる。しかも、高電位回避電圧は高電圧側にシフトしていないことから、燃料電池１００の運転制御幅が狭くなり、余剰の発電を行う機会が増えることになるので、制御部７００により、その余剰電力を２次電池２００への補充充電に当てることができ、２次電池２００の充電に対しても対処できる。
【００３５】
しかも、本実施例の燃料電池システム１０では、触媒の触媒機能維持の状況を表す形態変化維持率と燃料電池１００の出力電圧との相関を、通常ＦＣ温度範囲（６０〜８０℃）の温度と、低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）の温度に対応させて記憶部７１０に記憶した（図３参照）。その上で、これら温度範囲（目標温度範囲）の温度に対応した相関を参照して（ステップＳ１４０）、高電位回避電圧を、目標温度の低温度側シフト（ステップＳ１３０）と併せて高電圧側にシフトするようにした。よって、本実施例の燃料電池システム１０によれば、形態変化維持率を用いて触媒機能の維持を図った上で、より確実に高電位回避電圧を高電圧側にシフトできる。このように形態変化維持率を考慮した上で高電圧側のシフト電圧を定めるに当たり、５０％の形態変化維持率を下限に設定した。よって、燃料電池１００の触媒を５０％の形態変化維持率で機能させることができる。
【００３６】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、燃料電池１００のＦＣ温度が目標温度範囲とされた低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）の温度より低温であると（ステップＳ１１０の肯定判定）、既述したように２次電池２００のＳＯＣ低下が起き得る。こうした低ＦＣ温度の時に、仮に高電位回避電圧が通常ＦＣ温度範囲の状況のまま定電圧側のままとすると、既述したように燃料電池１００の運転制御幅が狭くなって余剰の発電を行う機会が増え、２次電池２００が早期のうちに満充電となり、燃料電池１００の発電電力が余る機会が増え、発電ロスとなる。これに対し、本実施例の燃料電池システム１０では、上記した低ＦＣ温度であると、燃料電池１００のＳＯＣに拘わらず、即ちＳＯＣの判定を行うステップＳ１２０をスキップして、目標温度範囲を低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）にシフトしつつ、高電位回避電圧にあっても、この低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）に対応した高電圧側の電圧Ｈｖ１にシフトする。このため、高電位回避電圧の高電圧側シフトにより、余剰の電力が生じにくくなって、２次電池２００への充電も緩慢となり、電力余りを抑制できる。その上で、燃料電池１００の温度もその目標温度範囲である低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）の低温に維持されることから、触媒劣化の抑制も可能となる。
【００３７】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記した実施例では、形態変化維持率を考慮した上で高電圧側のシフト電圧を定めるに当たり、５０％の形態変化維持率を下限に設定したが、次のようにすることもできる。つまり、図３に示すように、各温度ごとの形態変化維持率と電圧との相関において、形態変化維持率が低減側に急変する変曲をもたらす変曲点に対応する高い形態変化維持率を採用する。そして、目標温度範囲の低温側シフトと共に、その低温側シフト温度範囲（４０〜６０℃）に対応した上記の変曲点での高電圧側の電圧Ｈｖ３に高電位回避電圧をシフトするようにすることもできる。こうすれば、高い形態変化維持率を確保できるので、触媒劣化の実効性がより高まる。
【００３８】
また、燃料電池１００を目標温度範囲に維持するに当たり、上記の実施例では、冷却系５００による冷媒循環方式を採用したが、燃料ガス供給系３００或いは酸化ガス供給系４００にガス冷却機器を設けてガス冷却を図り、その冷却したガスを供給することで燃料電池１００の温度維持を図るようにすることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…温度センサー
２００…２次電池
２１０…容量検出センサー
３００…燃料ガス供給系
３１０…燃料ガスタンク
３２０…遮断弁
３３０…レギュレータ
４００…酸化ガス供給系
４１０…エアクリーナー
４２０…エアポンプ
４２１…モーター
４３０…インタークーラー
４３５…フィルター
４４０…フィルター
５００…冷却系
５１０…ラジエータ
５２０…循環経路
５３０…循環ポンプ
６１０…負荷
６２０…セルモニター
７００…制御部
７１０…記憶部
【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と、
該燃料電池の温度を検出する電池温度検出手段と、
該電池温度検出手段の検出した電池温度が目標温度範囲に収まるように、前記燃料電池の温度を維持する電池温度維持手段と、
前記燃料電池の出力電力がその上限として予め定めた高電位回避電圧を超えないように前記燃料電池を運転制御する制御手段と、
前記燃料電池との間で電力のやりとりを行う２次電池と、
該２次電池における充電容量を検出する充電検出手段と、
該充電検出手段の検出した充電容量が満充電側であると、前記高電位回避電圧を高電圧側にシフトする電圧シフト設定に加え、前記目標温度範囲を低温度側にシフトする温度シフト設定を実行する設定手段とを備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池が有する触媒の触媒機能維持の状況を表す形態変化維持率であった前記燃料電池の出力電圧が高くなると低減する前記形態変化維持率と、前記燃料電池の出力電圧との相関を、前記燃料電池の温度ごとに記憶する特性記憶手段を備え、
前記設定手段は、前記特性記憶手段の記憶した前記相関のうち、前記目標温度範囲の温度に対応した前記相関を参照して、前記電圧シフトを実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
前記設定手段は、触媒機能維持の上で下限となる前記形態変化維持率の下限形態変化維持率に対応した高電圧側の出力電圧に前記高電位回避電圧をシフトするよう前記電圧シフト設定を実行する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記設定手段は、前記下限形態変化維持率より高い形態変化維持率であって該形態変化維持率の前記相関における変曲をもたらす前記高い形態変化維持率に対応した高電圧側の出力電圧に前記高電位回避電圧をシフトするよう前記電圧シフト設定を実行する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記設定手段は、前記検出した電池温度が前記目標温度範囲より低温側に逸脱した温度であると、前記充電容量の状況に拘わらず、前記温度シフト設定と前記電圧シフト設定とを実行する、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【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と、
該燃料電池の温度を検出する電池温度検出手段と、
該電池温度検出手段の検出した電池温度が目標温度範囲に収まるように、前記燃料電池の温度を維持する電池温度維持手段と、
前記燃料電池の出力電力がその上限として予め定めた高電位回避電圧を超えないように前記燃料電池を運転制御する制御手段と、
前記燃料電池との間で電力のやりとりを行う２次電池と、
該２次電池における充電容量を検出する充電検出手段と、
該充電検出手段の検出した充電容量が満充電側であると、前記高電位回避電圧を高電圧側にシフトする電圧シフト設定に加え、前記目標温度範囲を低温度側にシフトする温度シフト設定を実行する設定手段とを備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池が有する触媒の触媒機能維持の状況を表す形態変化維持率であった前記燃料電池の出力電圧が高くなると低減する前記形態変化維持率と、前記燃料電池の出力電圧との相関を、前記燃料電池の温度ごとに記憶する特性記憶手段を備え、
前記設定手段は、前記特性記憶手段の記憶した前記相関のうち、前記目標温度範囲の温度に対応した前記相関を参照して、前記電圧シフトを実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
前記設定手段は、触媒機能維持の上で下限となる前記形態変化維持率の下限形態変化維持率に対応した高電圧側の出力電圧に前記高電位回避電圧をシフトするよう前記電圧シフト設定を実行する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記設定手段は、前記下限形態変化維持率より高い形態変化維持率であって該形態変化維持率の前記相関における変曲をもたらす前記高い形態変化維持率に対応した高電圧側の出力電圧に前記高電位回避電圧をシフトするよう前記電圧シフト設定を実行する、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記設定手段は、前記検出した電池温度が前記目標温度範囲より低温側に逸脱した温度であると、前記充電容量の状況に拘わらず、前記温度シフト設定と前記電圧シフト設定とを実行する、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−３９１０（Ｐ２０１２−３９１０Ａ）
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３６７７７（Ｐ２０１０−１３６７７７）
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月５日（２０１２．１．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１６日（２０１０．６．１６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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