燃料電池システム及び該システム搭載車両
【課題】燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池システムのシステム効率を向上させた燃料電池システム及び該システム搭載車両を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ２４は、バッテリ２０の電圧Ｖｂａｔが、燃料電池４０の酸化還元進行電圧範囲外の電圧である場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を直結状態｛Ｖｂａｔ≒Ｖｆｃ｝に制御するとともに、燃料電池４０に供給する酸素又は水素の濃度を負荷３３の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するようにガス供給手段を制御する。このため、燃料電池４０の劣化が防止され、且つＤＣ／ＤＣコンバータ２４での昇降圧に係わる電力損失を低減することができる。
【解決手段】ＥＣＵ２４は、バッテリ２０の電圧Ｖｂａｔが、燃料電池４０の酸化還元進行電圧範囲外の電圧である場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を直結状態｛Ｖｂａｔ≒Ｖｆｃ｝に制御するとともに、燃料電池４０に供給する酸素又は水素の濃度を負荷３３の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するようにガス供給手段を制御する。このため、燃料電池４０の劣化が防止され、且つＤＣ／ＤＣコンバータ２４での昇降圧に係わる電力損失を低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直列に電圧調整手段が接続された蓄電装置と、直列接続された前記電圧調整手段と蓄電装置に対して並列に接続された燃料電池と、の合成電源により負荷が駆動される燃料電池システム及び該システムの搭載車両に関し、このような燃料電池システム及び該システムの搭載車両において、前記燃料電池の劣化を抑制しつつシステム効率を向上させる燃料電池システム及び該システム搭載車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜をカソード電極とアノード電極とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。カソード電極及びアノード電極は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金等の触媒（以下、Ｐｔ触媒ともいう。）粒子が表面に担持されたカーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜の両面に形成される。
【０００３】
燃料電池の劣化を抑制するための技術が、特許文献１に提案されている。この特許文献１に提案された技術では、前記Ｐｔ触媒がシンタリング現象（Ｐｔ触媒の凝集）を発生する酸化還元電位を回避して燃料電池を発電させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５０３８号公報（[００４１]、図１１等]）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１では、酸化還元電位を回避し続けるために、燃料電池の電力により駆動される走行モータ等の負荷が要求する電力に対して、燃料電池から出力される電力を大きくする又は小さくする必要があり、その場合、燃料電池で生じた余剰電力をＤＣ／ＤＣコンバータのチョッピング動作を介して降圧させてバッテリ（蓄電装置）に充電し、不足電力をバッテリの電圧を前記ＤＣ／ＤＣコンバータのチョッピング動作で昇圧させてアシスト（補充）するようにしている。
【０００６】
しかしながら、酸化還元電位を回避し続けるために、ＤＣ／ＤＣコンバータのチョッピング動作が頻繁に発生することで、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング損失（ロス）が大きくなり、燃料電池システムのシステム効率が低下するという問題がある。
【０００７】
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池システムのシステム効率を向上させることを可能とする燃料電池システム及び該システム搭載車両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】
【０００８】
この発明に係る燃料電池システムは、触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電する燃料電池と、前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、蓄電量に応じて出力電圧が変動する蓄電装置と、前記燃料電池に並列且つ前記蓄電装置に直列に設けられ、前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整手段と、前記燃料電池の出力電力により駆動される負荷と、を備える燃料電池システムにおいて、前記負荷の要求電力を検出するとともに、前記燃料電池、前記ガス供給手段、及び前記電圧調整手段を制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記蓄電装置の出力電圧が、前記燃料電池の酸化還元進行電圧範囲外である場合には、前記電圧調整手段を直結状態に制御するとともに、前記燃料電池に供給する酸素又は水素の濃度を前記負荷の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するように前記ガス供給手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、制御手段は、蓄電装置の出力電圧が、燃料電池の酸化還元進行電圧範囲外である場合には、電圧調整手段を昇降圧状態ではない直結状態（蓄電装置の出力電圧≒燃料電池の出力電圧）に制御するとともに、前記燃料電池に供給する酸素又は水素の濃度を負荷の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するようにガス供給手段を制御するようにしたので、燃料電池の劣化が防止され、且つ電圧調整手段での昇降圧に係わる電力損失を低減することができる。
【００１０】
上記の燃料電池システムを搭載した車両もこの発明に含まれる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、制御手段は、蓄電装置の出力電圧が、燃料電池の酸化還元進行電圧範囲外である場合には、電圧調整手段を直結状態に制御するとともに、前記燃料電池に供給する酸素又は水素の濃度を負荷の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するようにガス供給手段を制御するようにしたので、燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池システムのシステム効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略全体構成図である。
【図２】前記燃料電池車両の電力系のブロック図である。
【図３】前記実施形態における燃料電池ユニットの概略構成図である。
【図４】前記実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータの詳細を示す回路図である。
【図５】電子制御装置（ＥＣＵ）における基本的な制御（メインルーチン）のフローチャートである。
【図６】システム負荷を計算するフローチャートである。
【図７】現在のモータ回転数とモータ予想消費電力との関係を示す図である。
【図８】燃料電池を構成する燃料電池セルの電圧とセルの劣化量との関係の一例を示す図である。
【図９】燃料電池セルの電圧の変動速度が異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。
【図１０】燃料電池の通常の電流電圧特性の説明図である。
【図１１】カソードストイキ比とセル電流との関係を示す図である。
【図１２】燃料電池の発電制御に係る基本制御モードの説明に供されるフローチャートである。
【図１３】燃料電池における複数の電力供給モード（基本制御モード等）の説明図である。
【図１４】バッテリのＳＯＣ値と充放電係数の関係を示す図である。
【図１５】目標ＦＣ電流と目標酸素濃度との関係を示す図である。
【図１６】目標ＦＣ電流と目標エアポンプ回転数及び目標ウォータポンプ回転数との関係を示す図である。
【図１７】目標ＦＣ電流と目標背圧弁開度との関係を示す図である。
【図１８】モータのトルク制御のフローチャートである。
【図１９】燃料電池の発電電力と発電効率との関係を示す図である。
【図２０】第１実施例の動作説明に供されるフローチャートである。
【図２１】第１実施例と基本制御に係る技術とを比較して説明するタイムチャートである。
【図２２】第２実施例における燃料電池ユニットの概略構成図である。
【図２３】循環弁の弁開度とカソード流路における酸素濃度の関係を示す図である。
【図２４】第２実施例の動作説明に供されるフローチャートである。
【図２５】目標ＳＯＣ値とバッテリ電圧との関係を燃料電池電圧との関係において示す図である。
【図２６】従来技術と第３実施例とを比較して説明するタイムチャートである。
【図２７】燃料電池システムの第１変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２８】燃料電池システムの第２変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２９】燃料電池システムの第３変形例の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」という。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」という。）の概略全体構成図である。図２は、ＦＣ車両１０の電力系のブロック図である。図１及び図２に示すように、ＦＣ車両１０は、ＦＣシステム１２に加え、走行用のモータ１４（駆動モータ）と、インバータ（双方向の直流・交流変換器）１６とを有する。
【００１４】
ＦＣシステム１２は、燃料電池ユニット１８（以下「ＦＣユニット１８」という。）と、高電圧バッテリ２０（以下「バッテリ２０」ともいう。）（蓄電装置）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２（電圧調整手段）と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）と、を有する。
【００１５】
モータ１４は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション２６を通じて車輪２８を回転させる。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２０等に出力する（図２参照）。
【００１６】
インバータ１６｛ＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）ともいう。｝は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、モータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後の直流をＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じてバッテリ２０等に供給する。
【００１７】
なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０（後記する補機負荷３１と区別する場合には、主負荷３０ともいう。）という。主負荷３０と補機負荷３１とを合わせて、負荷３３（総合負荷３３ともいう。）という。
【００１８】
図３は、ＦＣユニット１８の概略構成図である。ＦＣユニット１８は、燃料電池スタック４０（以下「ＦＣスタック４０」又は「ＦＣ４０」という。）と、ＦＣスタック４０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系５４と、ＦＣスタック４０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系５６と、ＦＣスタック４０を冷却する冷却水（冷媒）を循環させる冷却系５８と、セル電圧モニタ４２とを備える。
【００１９】
ＦＣスタック４０は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル（以下「ＦＣセル」という。）を積層した構造を有する。
【００２０】
アノード系５４は、水素タンク４４、レギュレータ４６、エゼクタ４８及びパージ弁５０を有する。水素タンク４４は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管４４ａ、レギュレータ４６、配管４６ａ、エゼクタ４８、配管４８ａを介して、アノード流路５２の入口に接続されている。これにより、水素タンク４４の水素を、配管４４ａ等を介してアノード流路５２に供給可能である。なお、配管４４ａには、遮断弁（図示せず）が設けられており、ＦＣスタック４０の発電の際、当該遮断弁は、ＥＣＵ２４により開弁される。
【００２１】
レギュレータ４６は、導入される水素の圧力を所定値に調整して排出する。すなわち、レギュレータ４６は、配管４６ｂを介して入力されるカソード側の空気の圧力（パイロット圧）に応じて、下流側の圧力（アノード側の水素の圧力）を制御する。従って、アノード側の水素の圧力は、カソード側の空気の圧力に連動し、後記するように、酸素濃度を変化させるべくエアポンプ６０の回転数等を変化させると、アノード側の水素の圧力も変化する。
【００２２】
エゼクタ４８は、水素タンク４４からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管４８ｂのアノードオフガスを吸引することができる。
【００２３】
アノード流路５２の出口は、配管４８ｂを介して、エゼクタ４８の吸気口に接続されている。そして、アノード流路５２から排出されたアノードオフガスは、配管４８ｂを通って、エゼクタ４８に再度導入されることでアノードオフガス（水素）が循環する。
【００２４】
なお、アノードオフガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素、及び、水蒸気を含んでいる。また、配管４８ｂには、アノードオフガスに含まれる水分｛凝縮水（液体）、水蒸気（気体）｝を分離・回収する気液分離器（図示せず）が設けられている。
【００２５】
配管４８ｂの一部は、配管５０ａ、パージ弁５０、配管５０ｂを介して、配管６４ｃに設けられた希釈器（図示せず）に接続されている。パージ弁５０は、ＦＣスタック４０の発電が安定していないと判定された場合、ＥＣＵ２４からの指令に基づき所定時間、開弁される。前記希釈器は、パージ弁５０からのアノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈して大気に排出する。
【００２６】
カソード系５６は、エアポンプ６０、加湿器６２、及び背圧弁６４を有する。
【００２７】
エアポンプ６０は、外気（空気）を圧縮してカソード側に送り込むものであり、その吸気口は、配管６０ａを介して車外（外部、外気）と連通している。エアポンプ６０の吐出口は、配管６０ｂ、加湿器６２及び配管６２ａを介して、カソード流路７４の入口に接続されている。エアポンプ６０がＥＣＵ２４の指令に従って作動すると、エアポンプ６０は、配管６０ａを介して車外の空気を吸気して圧縮し、この圧縮された空気が配管６０ｂ等を通ってカソード流路７４に圧送される。
【００２８】
加湿器６２は、水分透過性を有する複数の中空糸膜６２ｅを備えている。そして、加湿器６２は、中空糸膜６２ｅを介して、カソード流路７４に向かう空気とカソード流路７４から排出された多湿のカソードオフガスとを水分交換させ、カソード流路７４に向かう空気を加湿する。
【００２９】
カソード流路７４の出口側には、配管６２ｂ、加湿器６２、配管６４ａ、背圧弁６４、配管６４ｂ及び配管６４ｃが配置されている。カソード流路７４から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、配管６２ｂ等を通って、配管６４ｃから車外（大気）に排出される。
【００３０】
背圧弁６４は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ２４により制御されることで、カソード流路７４における空気の圧力を制御する。より具体的には、背圧弁６４の開度が小さくなると、カソード流路７４における空気の圧力が上昇し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が高くなる。逆に、背圧弁６４の開度が大きくなると、カソード流路７４における空気の圧力が下降し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が低くなる。
【００３１】
温度センサ７２は、配管６４ａに取り付けられ、カソードオフガスの温度を検出してＥＣＵ２４に出力する。
【００３２】
冷却系５８は、ウォータポンプ８０及びラジエータ８２（放熱器）を有する。ウォータポンプ８０は、冷却水（冷媒）を循環させるものであり、その吐出口は、配管８０ａ、冷媒流路８４、配管８２ａ、ラジエータ８２、配管８２ｂを順に介して、ウォータポンプ８０の吸込口に接続されている。ＥＣＵ２４の指令に従ってウォータポンプ８０が作動すると、冷却水が冷媒流路８４とラジエータ８２との間で循環し、ＦＣスタック４０を冷却する。
【００３３】
セル電圧モニタ４２は、ＦＣスタック４０を構成する複数の単セル毎のセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出する測定機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備える。モニタ本体は、所定周期で全ての単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出し、平均セル電圧及び最低電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ２４に出力する。
【００３４】
図２に示すように、ＦＣスタック４０からの電力（以下「ＦＣ電力Ｐｆｃ」という。）は、インバータ１６及びモータ１４（力行時）に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じて高電圧バッテリ２０（充電時）に供給され、さらに、エアポンプ６０、ウォータポンプ８０、エアコンディショナ９０、ダウンバータ９２、低電圧バッテリ９４、アクセサリ９６及びＥＣＵ２４に供給される。なお、ＦＣスタック４０とインバータ１６及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２との間には、逆流防止ダイオード９８が配置されている。また、ＦＣスタック４０の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）は、電圧センサ１００（図４）により検出され、ＦＣスタック４０の発電電流Ｉｆｃ（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）は、電流センサ１０２により検出され、いずれもＥＣＵ２４に出力される。
【００３５】
バッテリ２０は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えば、リチウムイオン２次電池等を利用することができる。キャパシタを利用してもよい。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２０の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ又は１次電圧Ｖ１」という。）［Ｖ］は、電圧センサ１２０により検出され、バッテリ２０の出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ又は１次電流Ｉ１」という。）［Ａ］は、電流センサ１２４により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。さらに、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］は、ＳＯＣセンサ１０４（図２）により検出され、ＥＣＵ２４に出力される。
【００３６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、ＦＣユニット１８からのＦＣ電力Ｐｆｃと、バッテリ２０から供給された電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力の供給先をＥＣＵ２４の制御下に制御する。
【００３７】
図４には、この実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の一例が示されている。図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、一方がバッテリ２０のある１次側１Ｓに接続され、他方が負荷３３とＦＣスタック４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。
【００３８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１＝Ｖｂａｔ）［Ｖ］を２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］（Ｖ１≦Ｖ２）に昇圧するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１（Ｖ１＝Ｖｂａｔ）に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。
【００３９】
図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される相アームＵＡと、リアクトル１１０とから構成される。
【００４０】
相アームＵＡは、ハイサイドアームとしての上アーム素子（上アームスイッチング素子１１２とダイオード１１４）とローサイドアームとしての下アーム素子（下アームスイッチング素子１１６とダイオード１１８）とで構成される。上アームスイッチング素子１１２と下アームスイッチング素子１１６には、それぞれ例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。
【００４１】
リアクトル１１０は、相アームＵＡの中点（共通接続点）とバッテリ２０の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。
【００４２】
上アームスイッチング素子１１２は、ＥＣＵ２４から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子１１６は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりオンにされる。
【００４３】
なお、ＥＣＵ２４は、１次側１Ｓの平滑コンデンサ１２２に並列に設けられた電圧センサ１２０により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ１２４により１次側１Ｓの電流（１次電流Ｉ１）［Ａ］を検出する。また、ＥＣＵ２４は、２次側２Ｓの平滑コンデンサ１２８に並列に設けられた電圧センサ１２６により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１３０により２次側２Ｓの電流（２次電流Ｉ２）［Ａ］を検出する。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の昇圧時には、第１のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＬがハイレベル及びゲート駆動信号ＵＨがローレベルにされ、リアクトル１１０にバッテリ２０からエネルギが蓄積される（バッテリ２０の正側からリアクトル１１０、下アームスイッチング素子１１６、及びバッテリ２０の負側に至る電流路）。第２のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＬがローレベル及びゲート駆動信号ＵＨがローレベルにされ、リアクトル１１０に蓄積されたエネルギがダイオード１１４を通じて２次側２Ｓに供給される（バッテリ２０の正側からリアクトル１１０、ダイオード１１４、２次側２Ｓの正側、負荷３３等、２次側２Ｓの負側、バッテリ２０の負側の電流路）。以降、昇圧時の第１のタイミングと第２のタイミングが繰り返される。
【００４５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の降圧時には、第１のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＨがハイレベル及びゲート駆動信号ＵＬがローレベルにされ、リアクトル１１０に２次側２Ｓ（ＦＣスタック４０又はモータ１４が回生中の負荷３３）からエネルギが蓄積されるとともにバッテリ２０に充電される。第２のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＨがローレベル及びゲート駆動信号ＵＬがローレベルにされ、リアクトル１１０に蓄積されたエネルギがダイオード１１８、リアクトル１１０を通じてバッテリ２０に供給され、バッテリ２０が充電される。なお、回生電力は、図２から分かるように、エアポンプ６０等の補機負荷３１にも供給可能である。以降、降圧時の第１のタイミングと第２のタイミングが繰り返される。
【００４６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、上述したチョッパ型として動作する他、直結型として動作することもできる。直結型として動作する場合、ゲート駆動信号ＵＨがハイレベルにされるとともにゲート駆動信号ＵＬがローレベルとされ、バッテリ２０が放電する際には、１次側１Ｓからダイオード１１４を通じて２次側２Ｓに電流が供給され（例えば、バッテリ２０から負荷３３に電力が供給され）、バッテリ２０が充電される場合には、２次側２Ｓから上アームスイッチング素子１１２を通じてバッテリ２０に電流が供給される（例えば、モータ１４からバッテリ２０に回生電力が供給される）。
【００４７】
ＥＣＵ２４は、通信線１４０（図１等）を介して、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、補機負荷３１、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２等を制御する。当該制御に際しては、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、セル電圧モニタ４２、流量センサ６８、温度センサ７２、電圧センサ１００、１２０、１２６、電流センサ１０２、１２４、１３０、ＳＯＣセンサ１０４等の各種センサの検出値を用いる。
【００４８】
ここでの各種センサには、上記センサに加え、開度センサ１５０、モータ回転数センサ１５２及び車速センサ１５４（図１）が含まれる。開度センサ１５０は、アクセルペダル１５６の踏み角度である開度（アクセル開度）θｐ［度］を検出する。回転数センサ１５２は、モータ１４の回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］を検出する。車速センサ１５４は、ＦＣ車両１０の車速Ｖｓ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ１５８（以下「メインＳＷ１５８」という。）が接続される。メインＳＷ１５８は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能なスイッチ（エンジン車両のイグニッションスイッチに対応するスイッチ）である。
【００４９】
ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。
【００５０】
ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０の状態、バッテリ２０の状態、及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定したＦＣ車両１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷から、ＦＣスタック４０が負担すべき負荷と、バッテリ２０が負担すべき負荷と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２に指令を送出する。
【００５１】
［基本的な制御動作の説明］
次に、ＥＣＵ２４における基本制御の動作について説明する。この基本制御を前提として、第１〜第３実施例を後述する。
【００５２】
図５には、ＥＣＵ２４における基本的な制御（メインルーチン）のフローチャートが示されている。ステップＳ１において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１５８がオンであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５８がオンでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。メインＳＷ１５８がオンである場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２に要求される負荷（システム負荷Ｐｓｙｓ又はシステム要求負荷Ｐｓｙｓという。）［Ｗ］を計算する。
【００５３】
ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、計算されたシステム負荷Ｐｓｙｓに基づきＦＣシステム１２のエネルギマネジメントを行う。ここにいうエネルギマネジメントは、ＦＣスタック４０の劣化を抑制しつつ、ＦＣシステム１２全体の出力の効率（システム効率）を向上することを企図している。
【００５４】
ステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、エネルギマネジメント処理結果に基づき、ＦＣスタック４０の周辺機器、すなわち、エアポンプ６０、背圧弁６４、及びウォータポンプ８０の制御（ＦＣ発電制御）を行う。さらに、ステップＳ５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制御を行う。
【００５５】
ステップＳ６において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１５８がオフであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５８がオフでない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。メインＳＷ１５８がオフである場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、今回の処理を終了する。
【００５６】
図６には、ステップＳ２のシステム負荷Ｐｓｙｓを計算するフローチャートが示されている。ステップＳ１１において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１５０からアクセルペダル１５６の開度θｐを読み込む。ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１５２からモータ１４の回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］を読み込む。
【００５７】
ステップＳ１３において、ＥＣＵ２４は、開度θｐと回転数Ｎｍに基づいてモータ１４の予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］を算出する。具体的には、図７に示す現在のモータ回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］とモータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］とのマップ（特性）において、開度θｐ毎に回転数Ｎｍと予想消費電力Ｐｍの関係を記憶しておく。例えば、開度θｐがθｐ１であるとき、特性１８０を用いる。同様に、開度θｐがθｐ２、θｐ３、θｐ４、θｐ５、θｐ６であるとき、それぞれ特性１８２、１８４、１８６、１８８、１９０を用いる。そして、開度θｐに基づいて回転数Ｎｍと予想消費電力Ｐｍとの関係を示す特性を特定した上で、回転数Ｎｍに応じた予想消費電力Ｐｍを特定する。なお、力行側の加速中は、正の値、回生側の減速中は、予想消費電力Ｐｍは負の値、すなわち予想回生電力となる。
【００５８】
ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４は、各補機負荷３１から現在の動作状況を読み込む。ここでの補機負荷３１には、例えば、図２に示すように、エアポンプ６０、ウォータポンプ８０及びエアコンディショナ９０を含む高電圧系の補機や、低電圧バッテリ９４、アクセサリ９６及びＥＣＵ２４を含む低電圧系の補機が含まれる。例えば、エアポンプ６０及びウォータポンプ８０であれば、回転数Ｎａｐ、Ｎｗｐ［ｒｐｍ］を読み込む。エアコンディショナ９０であれば、その出力設定を読み込む。
【００５９】
ステップＳ１５において、ＥＣＵ２４は、各補機の現在の動作状況に応じて補機の消費電力Ｐａ［Ｗ］を算出する。
【００６０】
ステップＳ１６において、ＥＣＵ２４は、モータ１４の予想消費電力Ｐｍと補機の消費電力Ｐａの和（仮システム負荷Ｐｍ＋Ｐａ）を求め、ＦＣ車両１０全体での予想消費電力、すなわち、システム負荷Ｐｓｙｓ（Ｐｓｙｓ＝Ｐｍ＋Ｐａ、Ｐｓｙｓ←Ｐｍ＋Ｐａとも表記する。）を算出する。
【００６１】
上記のように、本実施形態におけるエネルギマネジメントでは、ＦＣスタック４０の劣化を抑制しつつ、ＦＣシステム１２全体の出力の効率向上を図ることを企図している。
【００６２】
図８は、ＦＣスタック４０を構成するＦＣセルの電圧（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）［Ｖ］とセルの劣化量Ｄとの関係の一例を示している。すなわち、図８中の曲線（特性）１４０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。
【００６３】
図８において、電圧ｖ１（例えば、０．５Ｖ）を下回る領域（以下「白金凝集増加領域Ｒ１」又は「凝集増加領域Ｒ１」という。）では、ＦＣセルに含まれる白金（酸化白金）について還元反応が激しく進行し、白金が過度に凝集する。電圧ｖ１から電圧ｖ２（例えば、０．８Ｖ）までは、還元反応が安定的に進行する領域（以下「白金還元安定領域Ｒ２」又は「還元安定領域Ｒ２」という。）である。
【００６４】
電圧ｖ２から電圧ｖ３（例えば、０．９Ｖ）までは、白金について酸化還元反応が進行する領域（以下「白金酸化還元進行領域Ｒ３」、又は「酸化還元進行領域Ｒ３」という。）である。電圧ｖ３から電圧ｖ４（例えば、０．９５Ｖ）までは、白金について酸化反応が安定的に進行する領域（以下「白金酸化安定領域Ｒ４」又は「酸化安定領域Ｒ４」という。）である。電圧ｖ４からＯＣＶ（開回路電圧）までは、ＦＣセルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域（以下「カーボン酸化進行領域Ｒ５」という。）である。
【００６５】
上記のように、図８では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金還元安定領域Ｒ２又は白金酸化安定領域Ｒ４にあれば、ＦＣセルの劣化の進行度合が小さい。一方、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金凝集増加領域Ｒ１、白金酸化還元進行領域Ｒ３、又はカーボン酸化進行領域Ｒ５にあれば、ＦＣセルの劣化の進行度合が大きい。
【００６６】
なお、図８では、曲線（特性）１４０を一義的に定まるような表記としているが、実際は、単位時間当たりにおけるセル電圧Ｖｃｅｌｌの変動量（変動速度Ａｃｅｌｌ）［Ｖ／ｓｅｃ］に応じて曲線（特性）１４０は変化する。
【００６７】
図９は、変動速度Ａｃｅｌｌが異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。図９において、実線の曲線（特性）１７０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、破線の曲線（特性）１７２は、変動速度Ａｃｅｌｌが低い場合を示す。図９からわかるように、変動速度Ａｃｅｌｌに応じて酸化又は還元の進行度合が異なるため、必ずしも各電圧ｖ１〜ｖ４は一義的に特定されない。また、ＦＣセルの個体差によっても各電圧ｖ１〜ｖ４は変化し得る。このため、電圧ｖ１〜ｖ４は、理論値、シミュレーション値又は実測値に誤差分を反映させたものとして設定することが好ましい。
【００６８】
また、ＦＣセルの電流・電圧特性（ＩＶ特性）は、一般的な燃料電池セルと同様、図１０に「通常」と示すＩＶ特性（通常ＩＶ特性ともいう。）１６２に示すように、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する。加えて、ＦＣスタック４０の発電電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）は、セル電圧ＶｃｅｌｌにＦＣスタック４０内の直列接続数Ｎｆｃを乗算したものである。直列接続数Ｎｆｃは、ＦＣスタック４０内で直列に接続されるＦＣセルの数であり、以下、単に「セル数」ともいう。
【００６９】
図１０の通常ＩＶ特性１６２は、カソードストイキ比（≒酸素濃度）は通常のストイキ比（通常ストイキ比）以上の酸素が豊潤な状態とされているときに得られる特性である。換言すれば酸素濃度は、通常の酸素濃度以上の酸素濃度とされる。なお、カソードストイキ比＝カソード電極に供給されるエア流量／発電により消費されたエア流量、で表される。この実施形態において、カソードストイキ比を単にストイキ比ともいう。
【００７０】
酸素が豊潤な状態とは、図１１に示すように、カソードストイキ比（≒酸素濃度）を上昇させても、セル電流（単セルの出力する電流）Ｉｃｅｌｌが略一定となり、飽和した状態となる通常ストイキ比以上の領域における酸素を意味する。
【００７１】
水素についても同様である。すなわち、アノードストイキ比（≒水素濃度）＝アノード電極に供給される水素流量／発電により消費された水素流量、で表される。
【００７２】
次に、図１２のフローチャートを参照して、ステップＳ４のＦＣ発電制御中、基本制御（基本発電制御）について説明する。
【００７３】
ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０の充放電係数αを算出し、算出した充放電係数αをステップＳ１６で算出したシステム負荷Ｐｓｙｓに乗算することで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを算出する（Ｐｆｃｔｇｔ←Ｐｓｙｓ×α）。
【００７４】
ここで、充放電係数αは、ＳＯＣセンサ１０４から入力される現在のＳＯＣ値と、図１４の特性（マップ）１６３とに基づいて算出される。図１４の特性１６３は、例えば、実測値、シミュレーション値を用いることができ、ＥＣＵ２４に予め記憶されている。また、ここでは、バッテリ２０の目標ＳＯＣ（目標蓄電量）を５０［％］とした場合を例示するが、これに限定されることはない。図１４に示すように、ＳＯＣ値が５０［％］よりも小さい充電を要する領域では、ＦＣスタック４０の発電を余剰とさせ、その余剰電力がバッテリ２０に充電されるように、充放電係数αが「１」よりも大きくなる傾向となっている。一方、ＳＯＣ値が５０［％］よりも大きい充電状態が十分な領域では、ＦＣスタック４０の発電を不足させ、その不足電力を補うようにバッテリ２０が放電するように、充放電係数αが「１」よりも小さくなる傾向となっている。
【００７５】
なお、ここでは、以下の説明の理解の便宜のために、充放電係数αはα＝１として説明する（Ｐｆｃｔｇｔ＝Ｐｓｙｓ）。
【００７６】
次いで、ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２１で算出した目標発電電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上であるかどうかを判定する（Ｐｓｙｓ≧Ｐｔｈｐ）。
【００７７】
ここで、閾値電力Ｐｔｈｐは、「触媒が劣化しないと判断されるセル電圧（０．８Ｖ、切替電圧、所定電圧）」と、「ＦＣスタック４０を構成する単セル数Ｎｆｃ」と、「ＦＣスタック４０の通常のＩＶ特性１６２（図１０参照）においてセル電圧を０．８Ｖとした場合における電流値Ｉｃｅｌｌｐ」とを乗算することで与えられる次の（１）式に示す固定値である。なお、図１０において、目標電力Ｐｆｃｔｇｔの軸は線形ではない点に留意する。
Ｐｔｈｐ＝０．８［Ｖ］×Ｎｆｃ×Ｉｃｅｌｌｐ （１）
【００７８】
目標発電電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上である場合には（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、ステップＳ２３において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを得るべく、電圧可変・電流可変制御（モードＡ制御）を実行する。
【００７９】
このモードＡ制御は、主として、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが相対的に高いときに用いられるものであり、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを通常（酸素を豊潤な状態を含む。）に維持した状態で、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを調整することによりＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。
【００８０】
すなわち、図１３に示すように、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上で実行されるモードＡ制御では、ＦＣスタック４０の通常ＩＶ特性１６２（図１０で示したものと同じ。）を用いる。モードＡ制御では、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに応じて目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出し、さらに目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを算出する。そして、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔとなるように、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。すなわち、２次電圧Ｖ２が目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔとなるように１次電圧Ｖ１をＤＣ／ＤＣコンバータ２２により昇圧することで、ＦＣ電圧Ｖｆｃを制御してＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。
【００８１】
以上のようなモードＡ制御によれば、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上の高負荷であっても、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに応じて２次電圧Ｖ２（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を、通常ＩＶ特性１６２に沿うようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２で変化させることで、基本的に、システム負荷ＰｓｙｓをＦＣ電力Ｐｆｃにより賄うことができる。
【００８２】
一方、ステップＳ２２の判定において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ未満である場合には（ステップＳ２２：ＮＯ）、ステップＳ２４において、ステップＳ２４で算出した目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｑ未満（Ｐｆｃｔｇｔ＜Ｐｔｈｑ）であるか否かを判定する。ここで、閾値電力Ｐｔｈｑを、例えば、セル電圧ＶｃｅｌｌがＶｃｅｌｌ＝０．９［Ｖ］に対応して決定されるので、閾値電力Ｐｔｈｑは、閾値電力Ｐｔｈｐより低い値に設定される（Ｐｔｈｑ＜Ｐｔｈｐ。図１３参照）。
【００８３】
ステップＳ２４の判定が否定的となる場合、すなわち、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ未満であって、且つ閾値電力Ｐｔｈｑ以上である場合には（ステップＳ２４：ＮＯ、Ｐｔｈｑ≦Ｐｆｃｔｇｔ＜Ｐｔｈｐ）、ステップＳ２５において、電圧固定・電流可変制御（モードＢ制御）を実行する。
【００８４】
このモードＢ制御は、主として、システム負荷Ｐｓｙｓが相対的に中くらいのときに用いられるものであり、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数Ｎｆｃ）を、酸化還元進行領域Ｒ３よりも低い電圧以下で設定された基準電圧｛本実施形態では、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）｝に固定すると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。
【００８５】
すなわち、図１３に示すように、モードＢ制御では、閾値電力Ｐｔｈｑ〜Ｐｔｈｐの範囲において、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２）に保った状態で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを下げていくことで酸素濃度Ｃｏを下げる。
【００８６】
図１１に示したように、カソードストイキ比（≒酸素濃度Ｃｏ）が低下するとセル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）も低下する。このため、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定に保った状態（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２＝０．８Ｖ）で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを増減させることで、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）及びＦＣ電力Ｐｆｃを制御することが可能となる。なお、ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。
【００８７】
この場合、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の昇圧率を調整することにより、酸化還元進行領域Ｒ３よりも低い電圧以下で設定された基準電圧｛本実施形態では、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）｝に目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを固定し、さらに、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出する。また、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが基準電圧であることを前提として、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに対応する目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを算出する（図１１及び図１５参照）。なお、図１５は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが基準電圧であるときの目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔとの関係を示す。
【００８８】
ここで、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じて各部への指令値を算出及び送信する。ここで算出される指令値には、エアポンプ６０の回転数（以下「エアポンプ回転数Ｎａｐ」又は「回転数Ｎａｐ」という。）、ウォータポンプ８０の回転数（以下「ウォータポンプ回転数Ｎｗｐ」又は「回転数Ｎｗｐ」という。）、及び背圧弁６４の開度（以下「背圧弁開度θｂｐ」又は「開度θｂｐ」という。）が含まれる。
【００８９】
すなわち、図１６及び図１７に示すように、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じて目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔ、目標ウォータポンプ回転数Ｎｗｐｔｇｔ及び目標背圧弁開度θｂｐｔｇｔが設定される。
【００９０】
以上のようにして、ステップＳ２５のモードＢ制御が実行される。
【００９１】
次いで、ステップＳ２６において、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０による発電が安定しているか否かを判定する。当該判定として、ＥＣＵ２４は、セル電圧モニタ４２から入力される最低セル電圧が、平均セル電圧から所定電圧を減算した電圧よりも低い場合｛最低セル電圧＜（平均セル電圧−所定電圧）｝、ＦＣスタック４０の発電が不安定であると判定する。なお、前記所定電圧は、例えば、実験値、シミュレーション値等を用いることができる。
【００９２】
発電が安定している場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ２６：ＮＯ）、ステップＳ２７において、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを１段増加させる（通常の濃度に近づける）。具体的には、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐの増加及び背圧弁６４の開度θｂｐの減少の少なくとも一方を１段階行う。
【００９３】
ステップＳ２８において、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常のＩＶ特性における目標酸素濃度（通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ）未満であるか否かを判定する。目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ未満である場合（Ｓ２８：ＹＥＳ）、ステップＳ２６に戻る。目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ未満でない場合（Ｓ２８：ＮＯ）、ステップＳ２９において、ＥＣＵ２４は、ＦＣユニット１８を停止する。すなわち、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０への水素及び空気の供給を停止し、ＦＣスタック４０の発電を停止する。そして、ＥＣＵ２４は、図示しない警告ランプを点灯させ、運転者にＦＣスタック４０が異常であることを通知する。なお、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０からモータ１４に電力を供給し、ＦＣ車両１０の走行は継続させる。
【００９４】
上述したステップＳ２４の判定において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｑ未満である場合（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、ステップＳ３０でモードＣ制御を行う。図１３に示すように、モードＣ制御は、主として、システム負荷Ｐｓｙｓが相対的に低いときに用いられるものであり、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数）を、酸化還元進行領域Ｒ３外の電圧｛本実施形態では、電圧ｖ３（＝０．９Ｖ）｝に固定し、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストし、ＦＣ電力Ｐｆｃの余剰分は、バッテリ２０に充電する。
【００９５】
モードＣ制御では、図１３に示すように、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ３）に保った状態で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを下げていくことで酸素濃度Ｃｏを下げる。
【００９６】
図１１に示したように、カソードストイキ比（≒酸素濃度Ｃｏ）が低下するとセル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）も低下する。このため、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定に保った状態（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ３＝０．９Ｖ）で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを増減させることで、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）及びＦＣ電力Ｐｆｃを制御することが可能となる。なお、ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。よって、モードＣ制御では、上述したステップＳ２５のモードＢ制御と同様な制御処理、及びステップＳ２６〜Ｓ２９の発電安定性に係る処理を実行する。
【００９７】
以上のようにして、ステップＳ４のＦＣ発電制御に係る基本発電制御を実行される。
【００９８】
次に、図１８には、ステップＳ５の処理に係るモータ１４のトルク制御のフローチャートが示されている。ステップＳ４１において、ＥＣＵ２４は、車速センサ１５４から車速Ｖｓを読み込む。ステップＳ４２において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１５０からアクセルペダル１５６の開度θｐを読み込む。
【００９９】
ステップＳ４３において、ＥＣＵ２４は、車速Ｖｓと開度θｐに基づいてモータ１４の仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、図示しない記憶手段に車速Ｖｓと開度θｐと仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐを関連付けたマップを記憶しておき、当該マップと、車速Ｖｓ及び開度θｐとに基づいて仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐを算出する。
【０１００】
ステップＳ４４において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２からモータ１４に供給可能な電力の限界値（限界供給電力Ｐｓ＿ｌｉｍ）［Ｗ］に等しいモータ１４の限界出力（モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍ）［Ｗ］を算出する。具体的には、限界供給電力Ｐｓ＿ｌｉｍ及びモータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍは、ＦＣスタック４０からのＦＣ電力Ｐｆｃとバッテリ２０から供給可能な電力の限界値（限界出力Ｐｂａｔ＿ｌｉｍ）［Ｗ］との和から補機の消費電力Ｐａを引いたものである（Ｐｍ＿ｌｉｍ＝Ｐｓ＿ｌｉｍ←Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔ＿ｌｉｍ−Ｐａ）。
【０１０１】
ステップＳ４５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制限値Ｔｌｉｍ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍを車速Ｖｓで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｍ＿ｌｉｍ／Ｖｓ）。
【０１０２】
ステップＳ４６において、ＥＣＵ２４は、目標トルクＴｔｇｔ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、ＥＣＵ２４は、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐに対してトルク制限値Ｔｌｉｍによる制限を加えたものを目標トルクＴｔｇｔとする。例えば、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐがトルク制限値Ｔｌｉｍ以下である場合（Ｔｔｇｔ＿ｐ≦Ｔｌｉｍ）、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐをそのまま目標トルクＴｔｇｔとする（Ｔｔｇｔ←Ｔｔｇｔ＿ｐ）。一方、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐがトルク制限値Ｔｌｉｍを超える場合（Ｔｔｇｔ＿ｐ＞Ｔｌｉｍ）、トルク制限値Ｔｌｉｍを目標トルクＴｔｇｔとする（Ｔｔｇｔ←Ｔｌｉｍ）。そして、算出した目標トルクＴｔｇｔを用いてモータ１４を制御する。
【０１０３】
図１９には、上述した電力供給モードに係わるモードＡ制御、モードＢ制御、モードＣ制御と、ＦＣ電力Ｐｆｃと、ＦＣスタック４０の発電効率との関係が示されている。図１９からわかるように、モードＡ制御では、基本的に、システム負荷Ｐｓｙｓの全てをＦＣ電力Ｐｆｃで賄いつつ、ＦＣスタック４０の発電効率を高く維持することができる。ｖ２電圧固定低酸素ストイキ比可変制御のモードＢ制御では、基本的に、システム負荷Ｐｓｙｓの全てをＦＣ電力Ｐｆｃで賄うことで、バッテリ２０の充放電の頻度を抑え、ＦＣシステム１２全体での出力効率を高くすることが可能である。モードＣ制御では、ＦＣ電力Ｐｆｃとバッテリ電力Ｐｂａｔによりシステム負荷Ｐｓｙｓを賄う。
【０１０４】
次に、上述した基本制御（モードＡ、Ｂ、Ｃ制御）を前提として、第１及び第２実施例について説明する。
【０１０５】
［第１実施例］
上述した基本制御において、例えば、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが大きい場合には、上述したステップＳ２２（図１２）の処理に係る、図１３中、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）以下での通常ＩＶ特性１６２に沿うモードＡ制御、すなわち、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが可変で、カソードストイキ比（≒酸素濃度）が通常とされ、且つＦＣ電流Ｉｆｃが可変とされる制御が実行される。
【０１０６】
このモードＡ制御において、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、図４に示すＤＣ／ＤＣコンバータ２２より１次電圧Ｖ１、すなわちバッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂａｔを昇圧することで設定される。
【０１０７】
したがって、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが大きい場合に実行されるモードＡ制御では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を昇圧スイッチング（チョッピング）することによるスイッチング損失が発生する。
【０１０８】
詳しく説明すると、バッテリ２０からモータ１４へ電力を供給する力行時を含む負荷３３への電力供給時には、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を昇圧モードとし、一定周期２π中の第１のタイミング期間で、図４中のゲート駆動信号ＵＬをハイレベルにして下アームスイッチング素子１１６をオン状態にするとともに、ゲート駆動信号ＵＨをローレベルにして上アームスイッチング素子１１２をオフ状態とし、この状態で（下アームスイッチング素子１１６：ＯＮ、上アームスイッチング素子１１２：ＯＦＦ）、バッテリ２０からリアクトル１１０にエネルギを蓄積する。この第１のタイミング期間では、平滑コンデンサ１２８から負荷３３に電力が供給される。次に、前記一定周期２π中の残りの期間（第２のタイミング期間）では、ゲート駆動信号ＵＬをローベルとすることで（下アームスイッチング素子１１６：ＯＦＦ、上アームスイッチング素子１１２：ＯＦＦ）、リアクトル１１０に蓄積されたエネルギ（電力）がバッテリ２０からの電力に合成されてバッテリ２０からリアクトル１１０及びダイオード１１２を通じて平滑コンデンサ１２８に供給されるとともに、負荷３３に供給される。
【０１０９】
このようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２がスイッチング動作している場合のスイッチング損失は、概ねリアクトル１１０での交流損失（熱として発散する。）と下アームスイッチング素子１１６がオン状態であるときの損失と、ダイオード１１４が導通するときの損失の合成の損失となる。この損失分、バッテリ２０の電力消費が増加し、システム効率が低下する。
【０１１０】
この第１実施例では、この損失に着目し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が昇圧型で動作しているときのリアクトル１１０での交流損失と、下アームスイッチング素子１１６のスイッチング損失のゼロ値化を目的とする。
【０１１１】
スイッチング損失をゼロ値化するために、この第３実施例では、図４に示すＤＣ／ＤＣコンバータ２２において、バッテリ２０側からリアクトル１１０を介しダイオード１１４を通じて負荷３３側に連続的に電流（電力）を供給させる、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の直結状態とする制御を行う。この直結状態では、ＥＣＵ２４により、ゲート駆動信号ＵＨ及ゲート駆動信号ＵＬがともにローレベルとされ上アームスイッチング素子１１２及び下アームスイッチング素子１１６がともにオフ状態に維持される。
【０１１２】
以上の点を踏まえ、図２０のフローチャートを参照して第１実施例（直結制御）の動作について説明する。
【０１１３】
ステップＳ７１において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ車両１０が駆動中（走行中）であるか否かを車速Ｖｓ等により判定する。
【０１１４】
ＦＣ車両１０が駆動中（走行中）でない場合には（ステップＳ７１：ＮＯ）、ステップＳ７２で、上述した基本制御を行う。ステップＳ７２での基本制御は、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが小さいので、モードＢ制御（ｖ２固定低酸素ストイキ比可変制御）あるいはモードＣ制御（ｖ３固定低酸素ストイキ比可変制御）が実行される。
【０１１５】
その一方、駆動中（走行中）である場合には（ステップＳ７１：ＹＥＳ）、ステップＳ７３において、バッテリ２０の端子間電圧であるバッテリ電圧ＶｂａｔがＤＣ／ＤＣコンバータ２２を直結状態にすることができる電圧であるか否かが判定される（Ｖｂａｔ＝直結可能電圧か。）。
【０１１６】
具体的には、ステップＳ７３ａにおいて、バッテリ電圧Ｖｂａｔが、酸化還元進行領域Ｒ３の下限電圧ｖ２×Ｎｆｃ未満（Ｖｂａｔ＜ｖ２×Ｎｆｃ）の電圧であるか否かを判定し、未満の電圧である場合には（ステップＳ７３ａ：ＹＥＳ）、直結が可能であると判定する。
【０１１７】
ステップＳ７３ａにおいて、バッテリ電圧Ｖｂａｔが酸化還元進行領域Ｒ３の下限電圧ｖ２×Ｎｆｃ以上の電圧であると判定されたときには（ステップＳ７３ａ：Ｎｏ）、さらに、ステップＳ７３ｂにおいて、バッテリ電圧Ｖｂａｔが、酸化還元進行領域Ｒ３の上限電圧ｖ３×Ｎｆｃ以上の電圧であるか否かを判定し、以上の電圧である場合には（ステップＳ７３ｂ：ＹＥＳ）、直結が可能であると判定する。
【０１１８】
なお、ステップＳ７３ｂの判定が否定的であるときには（ステップＳ７３ａ：ＮＯ且つステップＳ７３ｂ：ＮＯ）、バッテリ電圧Ｖｂａｔは、酸化還元進行領域Ｒ３内にあるので（ｖ２＜Ｖｂａｔ＜ｖ３）、直結するとＦＣスタック４０の劣化量Ｄが増大することから、直結が可能ではないと判定し、ステップＳ７２において、基本制御を行う。この場合の基本制御は、上述したモードＣ制御とされる。
【０１１９】
ステップＳ７３の判定が肯定的であるとき（ステップＳ７３：ＹＥＳ）、直結が可能であるので、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０のシステム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓを目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔとし、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔｇｔをバッテリ電圧Ｖｂａｔとし（Ｖｆｃｔｇｔ＝Ｖｂａｔ）、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変することでＦＣ電流Ｉｆｃを可変するモードＦ制御（直結制御）を行う。
【０１２０】
図２１は、ステップＳ７３ａの条件が成立して時点ｔ２１から直結状態（モードＦ制御）となっている場合のタイムチャートを示している。なお、図２１中、Ｖｆｃより下に描いたタイムチャートにおいて、太い破線で示したものは基本制御による変化特性を示し、太い実線で示したものは、この第１実施例による変化特性を示している。
【０１２１】
時点ｔ２１以降、基本制御では、直結フラグＦｄがオフ状態（Ｆｄ＝ＯＦＦ）となっているが、この第１実施例による制御ではオン状態（Ｆｄ＝ＯＮ）となっている。そのため時点ｔ２１以降で、負荷３３及びＦＣスタック４０に対してバッテリ２０がダイオード１１４を通じて直結状態とされている（図４参照）。結果、時点ｔ２１以降、バッテリ電圧ＶｂａｔとＦＣ電圧Ｖｆｃは同一の電圧（Ｖｂａｔ＝Ｖｆｃ）にされている。ダイオード１１４の電圧降下分は、逆流防止ダイオード９８の電圧降下分により略相殺されている。
【０１２２】
基本制御（モードＡ制御）では、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐ（図１３参照）以上となっている時点ｔ２２〜ｔ２３の期間、及び時点ｔ２４以降の期間において、低酸素ストイキ比可変作動フラグＦｓがオフ状態とされ、モードＡ制御による基本制御が実行されているが、この第１実施例では、全期間で直結制御が実行されている。
【０１２３】
直結制御にすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の損失は、リアクトル１１０での交流損失分と下アームスイッチング素子１１６のスイッチング損失分がゼロ値化され、ダイオード１１４の順方向降下電圧にバッテリ電流Ｉｂａｔを乗算した損失分のみに低減される。
【０１２４】
［第１実施例のまとめ］
以上説明したように、第１実施例に係る燃料電池システム１２は、触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電するＦＣスタック４０と、前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、ＦＣスタック４０に供給するガス供給手段｛燃料ガス供給手段（水素タンク４４）、酸化剤ガス供給手段（エアポンプ６０）｝と、蓄電量に応じて出力電圧が変動するバッテリ２０（蓄電装置）と、ＦＣスタック４０に並列且つバッテリ２０に直列に設けられ、ＦＣスタック４０のＦＣ電圧Ｖｆｃを調整するＤＣ／ＤＣコンバータ２２（電圧調整手段）と、ＦＣスタック４０の出力電力により駆動される負荷３３と、負荷３３のシステム電力（システム要求電力）Ｐｓｙｓを検出するとともに、ＦＣスタック４０、前記ガス供給手段、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御するＥＣＵ２４（制御手段）を有する。
【０１２５】
ＥＣＵ２４は、バッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂａｔが、ＦＣスタック４０の酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）外の電圧（Ｖｂａｔ≦ｖ２×Ｎｆｃ又はＶｂａｔ≧ｖ３×Ｎｆｃ）である場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を直結状態（バッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂａｔ≒ＦＣスタック４０のＦＣ電圧Ｖｆｃ）に制御するとともに、ＦＣスタック４０に供給する酸素又は水素の濃度を負荷３３の要求電力に基づき決定される目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに追従するようにガス供給手段｛燃料ガス供給手段（水素タンク４４）、酸化剤ガス供給手段（エアポンプ６０）｝を制御する（ストイキ比可変制御を行う。）。
【０１２６】
酸化還元進行領域Ｒ３外での電圧の直結（Ｖｆｃ＝Ｖｂａｔ）であるため、ＦＣスタック４０の劣化が防止される。しかも、直結であるのでＤＣ／ＤＣコンバータ２２での昇降圧（スイッチング）に係わる電力損失（スイッチング損失）を皆無にすることができる。よって、この燃料電池システム１２を搭載した燃料電池車両１０において、電力損失が低減され、システム効率が向上する。
【０１２７】
［第２実施例］
図２２は、第２実施例に係るＦＣユニット１８の概略構成を示している。この第２実施例に係るＦＣユニット１８において、カソード系５６ａには、エアポンプ６０、加湿器６２、及び背圧弁６４の他、循環弁（カソード循環弁）６６が含まれる。
【０１２８】
この場合、背圧弁６４の出力側の配管６４ｂと空気取入口側（入力側）の配管６０ａとの間に、配管６６ａ、循環弁６６、及び配管６６ｂが接続されている。これにより、排気ガス（カソードオフガス）の一部が循環ガスとして、配管６６ａ、循環弁６６及び配管６６ｂを通って、配管６０ａに供給され、車外からの新規空気に合流し、エアポンプ６０に吸気される。
【０１２９】
循環弁６６は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度（以下「循環弁開度θｃ」又は「開度θｃ」という。）がＥＣＵ２４によって制御されることで循環ガスの流量が制御される。流量センサ７０は、配管６６ｂに取り付けられ、配管６０ａに向かう循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ２４に出力する。
【０１３０】
図２３に示すように、排気ガスが通流する弁開度θｃを大きくすればするほど、カソード流路７４中の酸素濃度Ｃｏを低下させることができる。
【０１３１】
そこで、この第２実施例では、上述したステップＳ７３の判定が肯定的となって（ステップＳ７３：ＹＥＳ）、直結が可能となったときに、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０のシステム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓを目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔとし、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔｇｔをバッテリ電圧Ｖｂａｔとし、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変することでＦＣ電流Ｉｆｃを可変するモードＦ制御（直結制御）を行う際に、循環弁６６の開度θｃのみを可変することでＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。
【０１３２】
すなわち、第２実施例では、モードＦ制御（直結制御）を行う際に、第１実施例のように、エアポンプ６０の回転数や背圧弁６４の開度を変えることなく、循環弁６６の開度θｃのみを可変することでＦＣ電流Ｉｆｃを可変するようにしたので、制御が簡便になるという利点が得られる。
【０１３３】
［第３実施例］
上述した第１実施例及び第２実施例の直結制御において、直結しようとするときに、バッテリ２０のＳＯＣ値が高く、バッテリ電圧Ｖｂａｔが高い値に保持されていると、バッテリ電圧Ｖｂａｔが酸化還元進行領域Ｒ３内にある確率が高くなる。
【０１３４】
バッテリ電圧Ｖｂａｔが酸化還元進行領域Ｒ３内にあるときに、直結させるとＦＣユニット４０が劣化するので、バッテリ２０のＳＯＣ値が高いと、実質上、直結することができなくなる。しかし、直結を禁止すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を作動させることとなり、コンバータ損失が増加し、車両効率が低下する。そこで、この第３実施例では、直結制御になる頻度ができるだけ高くなるように制御する構成を提供する。
【０１３５】
この場合、第１に、バッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂａｔが酸化還元進行電圧ｖ２×Ｎｆｃより低い電圧となるように、バッテリ２０のＳＯＣ値を制御する。第２に、直結時には、ストイキ比可変制御を行うことで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２のスイッチング動作を行わないようにして損失を低減させる。第３に、例えば、登坂での走行性能及び低温下における再始動のエネルギを確保するために、システム負荷Ｐｓｙｓ（主にモータ負荷）が高いとき、換言すれば、モータ１４の予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］が高いとき及び外気温が低いときにはバッテリ２０のエネルギを使用する可能性が高いため、直結制御とはしない。
【０１３６】
上記第１〜第３の観点を考慮した、図２４のフローチャートを参照してこの第３実施例の動作について説明する。
【０１３７】
ステップＳ１０１において、図示しない外気温センサにより検出される外気温度Ｔａが所定値である閾値温度Ｔａｔｈ以上であるか否かが判定される。閾値温度Ｔａｔｈは、車種毎に適切な値に設定されるが、例えば、０［℃］〜１０［℃］程度以下の値に設定される。
【０１３８】
外気温度Ｔａが低い程、再起動時に暖機等のためにエネルギが必要となるので、外気温度Ｔａが閾値温度Ｔａｔｈ以上に高い温度であることを、この第３実施例に係る直結制御の前提条件とする。
【０１３９】
ステップＳ１０１の判定が肯定的であるとき、ステップＳ１０２において、モータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］を含むシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐ［Ｗ］（図１３参照）以下であるか否かが判定される。
【０１４０】
システム負荷Ｐｓｙｓ（主にモータ負荷）が高いときには、ＦＣユニット４０だけでシステム負荷Ｐｓｙｓに対応することができず、不足分はバッテリ２０のエネルギにより補うこととなるので、システム負荷Ｐｓｙｓ（主にモータ負荷）が余り高くないことを、この第３実施例に係る直結制御の前提条件とする。
【０１４１】
ステップＳ１０２の判定が肯定的であるとき、ステップＳ１０３において、バッテリ２０の目標ＳＯＣ値であるＳＯＣｔｇｔを、ＦＣユニット４０のセル電圧Ｖｃｅｌｌで酸化還元進行領域Ｒ３の下限電圧ｖ２＝０．８［Ｖ］に対応する閾値ＳＯＣ値であるＳＯＣｔｈ以下になるように制御する。
【０１４２】
具体的には、図２５の特性１８０に示すように、バッテリ電圧Ｖｂａｔを、閾値ＳＯＣｔｈに対応するバッテリ電圧ｖ２×Ｎｆｃより小さくなるＪ領域中に設定する。
【０１４３】
このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、直結状態に制御され、ＦＣユニット４０の目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔがバッテリ電圧Ｖｂａｔに設定される（Ｖｆｃｔｇｔ＝Ｖｂａｔ）。
【０１４４】
次いで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を直結状態に制御した状態において、ステップＳ１０４では、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを通常ストイキ比以下の範囲で可変することで酸素濃度Ｃｏを可変して、ＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。
【０１４５】
なお、ステップＳ１０１又はステップＳ１０２の判定が否定的であるとき、換言すれば、外気温度Ｔａが閾値温度Ｔａｔｈより高いかモータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］が高くて、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐ［Ｗ］より高いときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が直結制御にされることがなく昇降圧制御（スイッチング制御）とされる。
【０１４６】
この場合、ステップＳ１０５において、バッテリ２０の目標ＳＯＣ値であるＳＯＣｔｇｔを、ＦＣユニット４０のセル電圧Ｖｃｅｌｌで酸化還元進行領域Ｒ３の下限電圧ｖ２＝０．８［Ｖ］に対応する閾値ＳＯＣ値であるＳＯＣｔｈを上回るようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２で制御する。
【０１４７】
具体的には、図２５の特性１８０に示すように、バッテリ電圧Ｖｂａｔを、閾値ＳＯＣｔｈより大きくなるｖ２×Ｎｆｃを上回るＫ領域中に設定する。
【０１４８】
次いで、ステップＳ１０６において、モータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］（モータ負荷）が、ＦＣユニット４０で賄える電力Ｐｆｃｎｏｒｍａｌ［Ｗ］以下であるか否かが判定される。
【０１４９】
ステップＳ１０６の判定が肯定的であるときには、ステップＳ１０７において、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２）に保った状態で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを通常ストイキ比以下の範囲で可変することで酸素濃度Ｃｏを可変して、ＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。
【０１５０】
この場合、ＦＣユニット４０で賄うことができない電力は、バッテリ２０の電力により賄われる。
【０１５１】
なお、ステップＳ１０６の判定が否定的であるとき、通常ストイキ比以下の範囲での酸素濃度Ｃｏの可変制御を停止し、ステップＳ１０８において通常ストイキ比としてＦＣユニット４０を制御するとともに、ＦＣユニット４０で賄うことができない電力は、バッテリ２０の電力により賄われる。
【０１５２】
図２６は、時点ｔ５１〜ｔ５２近傍まで直結制御とされ、時点ｔ５２近傍〜時点ｔ５３まで非直結制御（ＤＣ／ＤＣコンバータ２２による昇圧制御）とされる場合のタイムチャートを示している。なお、図２６中、ＦＣ電圧Ｖｆｃより下に描いたタイムチャートにおいて、太い破線で示したものは直結制御を行わない場合の従来技術に係る変化特性を示し、太い実線で示したものは、この第３実施例による変化特性を示している。第３実施例のように制御することで、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐより小さい場合には、直結状態となることがわかり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４でのスイッチング損失がゼロ値化される。
【０１５３】
すなわち、ステップＳ１０２の判定（Ｐｓｙｓ≦Ｐｔｈｐ）が否定的となる時点ｔ５２近傍までは、直結フラグＦｄがオン状態（Ｆｄ＝ＯＮ）で且つ低酸素ストイキ可変フラグＦｓ´がオン状態（Ｆｓ´＝ＯＮ）となっている。したがって、ＦＣユニット４０の目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔがバッテリ電圧Ｖｂａｔとされ、ＦＣユニット４０とバッテリ２０とが直結状態（非スイッチング状態）となっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が直結状態とされるのでコンバータ損失を従来技術に比較して小さくすることができる。直結状態でのコンバータ損失は、コンバータ損失≒ダイオード１１４を通過する電流×ダイオード１１４の順方向電圧降下、になる。
【０１５４】
時点ｔ５２近傍でシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐを上回ると、直結状態は解消される。
【０１５５】
［変形例］
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
【０１５６】
例えば、上述した実施例１〜３では、基本的に、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓに目標発電電力Ｐｆｃｔｇｔが追従する制御としているが、これに限らず、ＦＣスタック４０とバッテリ２０の電力配分を決定して、Ｐｓｙｓ（システム要求電力）←Ｐｆｃｔｇｔ（目標発電電力）＋Ｐｂａｔｔｇｔ（目標バッテリ電力）という形式で制御するようにし、目標発電電力Ｐｆｃｔｇｔに追従するようにエアポンプ６０の回転数Ｎａｐを制御するようにすることもできる。
【０１５７】
また、上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、これに限らず、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を家庭用電力システムに適用してもよい。
【０１５８】
上記実施形態では、ＦＣスタック４０と高電圧バッテリ２０を並列に配置し、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、図２７に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２をＦＣスタック４０の手前に配置する構成であってもよい。あるいは、図２８に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０を並列に配置し、ＦＣスタック４０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ１６０を、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。あるいは、図２９に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０を直列に配置し、バッテリ２０とモータ１４の間にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。
【０１５９】
上記実施形態では、ストイキ比を調整する手段又は方法として、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを調整するものを用いたが、これに限らず、目標水素濃度を調整することも可能である。また、目標濃度の代わりに、目標流量又は目標濃度と目標流量の両方を用いることもできる。
【０１６０】
上記実施形態では、酸素を含む空気を供給するエアポンプ６０を備える構成を例示したが、これに代えて又は加えて、水素を供給する水素ポンプを備える構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１６１】
１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…駆動モータ（負荷） １６…インバータ（負荷）
１８…燃料電池ユニット ２０…高電圧バッテリ（蓄電装置）
２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）
２４…ＥＣＵ（制御装置） ３３…負荷
４０…ＦＣスタック ４４…水素タンク
６０…エアポンプ（負荷） ６６…循環弁
８０…ウォータポンプ（負荷） ９０…エアコンディショナ（負荷）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、直列に電圧調整手段が接続された蓄電装置と、直列接続された前記電圧調整手段と蓄電装置に対して並列に接続された燃料電池と、の合成電源により負荷が駆動される燃料電池システム及び該システムの搭載車両に関し、このような燃料電池システム及び該システムの搭載車両において、前記燃料電池の劣化を抑制しつつシステム効率を向上させる燃料電池システム及び該システム搭載車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜をカソード電極とアノード電極とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。カソード電極及びアノード電極は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金等の触媒（以下、Ｐｔ触媒ともいう。）粒子が表面に担持されたカーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜の両面に形成される。
【０００３】
燃料電池の劣化を抑制するための技術が、特許文献１に提案されている。この特許文献１に提案された技術では、前記Ｐｔ触媒がシンタリング現象（Ｐｔ触媒の凝集）を発生する酸化還元電位を回避して燃料電池を発電させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５０３８号公報（[００４１]、図１１等]）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１では、酸化還元電位を回避し続けるために、燃料電池の電力により駆動される走行モータ等の負荷が要求する電力に対して、燃料電池から出力される電力を大きくする又は小さくする必要があり、その場合、燃料電池で生じた余剰電力をＤＣ／ＤＣコンバータのチョッピング動作を介して降圧させてバッテリ（蓄電装置）に充電し、不足電力をバッテリの電圧を前記ＤＣ／ＤＣコンバータのチョッピング動作で昇圧させてアシスト（補充）するようにしている。
【０００６】
しかしながら、酸化還元電位を回避し続けるために、ＤＣ／ＤＣコンバータのチョッピング動作が頻繁に発生することで、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング損失（ロス）が大きくなり、燃料電池システムのシステム効率が低下するという問題がある。
【０００７】
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池システムのシステム効率を向上させることを可能とする燃料電池システム及び該システム搭載車両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】
【０００８】
この発明に係る燃料電池システムは、触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電する燃料電池と、前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、蓄電量に応じて出力電圧が変動する蓄電装置と、前記燃料電池に並列且つ前記蓄電装置に直列に設けられ、前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整手段と、前記燃料電池の出力電力により駆動される負荷と、を備える燃料電池システムにおいて、前記負荷の要求電力を検出するとともに、前記燃料電池、前記ガス供給手段、及び前記電圧調整手段を制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記蓄電装置の出力電圧が、前記燃料電池の酸化還元進行電圧範囲外である場合には、前記電圧調整手段を直結状態に制御するとともに、前記燃料電池に供給する酸素又は水素の濃度を前記負荷の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するように前記ガス供給手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、制御手段は、蓄電装置の出力電圧が、燃料電池の酸化還元進行電圧範囲外である場合には、電圧調整手段を昇降圧状態ではない直結状態（蓄電装置の出力電圧≒燃料電池の出力電圧）に制御するとともに、前記燃料電池に供給する酸素又は水素の濃度を負荷の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するようにガス供給手段を制御するようにしたので、燃料電池の劣化が防止され、且つ電圧調整手段での昇降圧に係わる電力損失を低減することができる。
【００１０】
上記の燃料電池システムを搭載した車両もこの発明に含まれる。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、制御手段は、蓄電装置の出力電圧が、燃料電池の酸化還元進行電圧範囲外である場合には、電圧調整手段を直結状態に制御するとともに、前記燃料電池に供給する酸素又は水素の濃度を負荷の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するようにガス供給手段を制御するようにしたので、燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池システムのシステム効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略全体構成図である。
【図２】前記燃料電池車両の電力系のブロック図である。
【図３】前記実施形態における燃料電池ユニットの概略構成図である。
【図４】前記実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータの詳細を示す回路図である。
【図５】電子制御装置（ＥＣＵ）における基本的な制御（メインルーチン）のフローチャートである。
【図６】システム負荷を計算するフローチャートである。
【図７】現在のモータ回転数とモータ予想消費電力との関係を示す図である。
【図８】燃料電池を構成する燃料電池セルの電圧とセルの劣化量との関係の一例を示す図である。
【図９】燃料電池セルの電圧の変動速度が異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。
【図１０】燃料電池の通常の電流電圧特性の説明図である。
【図１１】カソードストイキ比とセル電流との関係を示す図である。
【図１２】燃料電池の発電制御に係る基本制御モードの説明に供されるフローチャートである。
【図１３】燃料電池における複数の電力供給モード（基本制御モード等）の説明図である。
【図１４】バッテリのＳＯＣ値と充放電係数の関係を示す図である。
【図１５】目標ＦＣ電流と目標酸素濃度との関係を示す図である。
【図１６】目標ＦＣ電流と目標エアポンプ回転数及び目標ウォータポンプ回転数との関係を示す図である。
【図１７】目標ＦＣ電流と目標背圧弁開度との関係を示す図である。
【図１８】モータのトルク制御のフローチャートである。
【図１９】燃料電池の発電電力と発電効率との関係を示す図である。
【図２０】第１実施例の動作説明に供されるフローチャートである。
【図２１】第１実施例と基本制御に係る技術とを比較して説明するタイムチャートである。
【図２２】第２実施例における燃料電池ユニットの概略構成図である。
【図２３】循環弁の弁開度とカソード流路における酸素濃度の関係を示す図である。
【図２４】第２実施例の動作説明に供されるフローチャートである。
【図２５】目標ＳＯＣ値とバッテリ電圧との関係を燃料電池電圧との関係において示す図である。
【図２６】従来技術と第３実施例とを比較して説明するタイムチャートである。
【図２７】燃料電池システムの第１変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２８】燃料電池システムの第２変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２９】燃料電池システムの第３変形例の概略構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」という。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」という。）の概略全体構成図である。図２は、ＦＣ車両１０の電力系のブロック図である。図１及び図２に示すように、ＦＣ車両１０は、ＦＣシステム１２に加え、走行用のモータ１４（駆動モータ）と、インバータ（双方向の直流・交流変換器）１６とを有する。
【００１４】
ＦＣシステム１２は、燃料電池ユニット１８（以下「ＦＣユニット１８」という。）と、高電圧バッテリ２０（以下「バッテリ２０」ともいう。）（蓄電装置）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２（電圧調整手段）と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）と、を有する。
【００１５】
モータ１４は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション２６を通じて車輪２８を回転させる。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２０等に出力する（図２参照）。
【００１６】
インバータ１６｛ＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）ともいう。｝は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、モータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後の直流をＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じてバッテリ２０等に供給する。
【００１７】
なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０（後記する補機負荷３１と区別する場合には、主負荷３０ともいう。）という。主負荷３０と補機負荷３１とを合わせて、負荷３３（総合負荷３３ともいう。）という。
【００１８】
図３は、ＦＣユニット１８の概略構成図である。ＦＣユニット１８は、燃料電池スタック４０（以下「ＦＣスタック４０」又は「ＦＣ４０」という。）と、ＦＣスタック４０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系５４と、ＦＣスタック４０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系５６と、ＦＣスタック４０を冷却する冷却水（冷媒）を循環させる冷却系５８と、セル電圧モニタ４２とを備える。
【００１９】
ＦＣスタック４０は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル（以下「ＦＣセル」という。）を積層した構造を有する。
【００２０】
アノード系５４は、水素タンク４４、レギュレータ４６、エゼクタ４８及びパージ弁５０を有する。水素タンク４４は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管４４ａ、レギュレータ４６、配管４６ａ、エゼクタ４８、配管４８ａを介して、アノード流路５２の入口に接続されている。これにより、水素タンク４４の水素を、配管４４ａ等を介してアノード流路５２に供給可能である。なお、配管４４ａには、遮断弁（図示せず）が設けられており、ＦＣスタック４０の発電の際、当該遮断弁は、ＥＣＵ２４により開弁される。
【００２１】
レギュレータ４６は、導入される水素の圧力を所定値に調整して排出する。すなわち、レギュレータ４６は、配管４６ｂを介して入力されるカソード側の空気の圧力（パイロット圧）に応じて、下流側の圧力（アノード側の水素の圧力）を制御する。従って、アノード側の水素の圧力は、カソード側の空気の圧力に連動し、後記するように、酸素濃度を変化させるべくエアポンプ６０の回転数等を変化させると、アノード側の水素の圧力も変化する。
【００２２】
エゼクタ４８は、水素タンク４４からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管４８ｂのアノードオフガスを吸引することができる。
【００２３】
アノード流路５２の出口は、配管４８ｂを介して、エゼクタ４８の吸気口に接続されている。そして、アノード流路５２から排出されたアノードオフガスは、配管４８ｂを通って、エゼクタ４８に再度導入されることでアノードオフガス（水素）が循環する。
【００２４】
なお、アノードオフガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素、及び、水蒸気を含んでいる。また、配管４８ｂには、アノードオフガスに含まれる水分｛凝縮水（液体）、水蒸気（気体）｝を分離・回収する気液分離器（図示せず）が設けられている。
【００２５】
配管４８ｂの一部は、配管５０ａ、パージ弁５０、配管５０ｂを介して、配管６４ｃに設けられた希釈器（図示せず）に接続されている。パージ弁５０は、ＦＣスタック４０の発電が安定していないと判定された場合、ＥＣＵ２４からの指令に基づき所定時間、開弁される。前記希釈器は、パージ弁５０からのアノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈して大気に排出する。
【００２６】
カソード系５６は、エアポンプ６０、加湿器６２、及び背圧弁６４を有する。
【００２７】
エアポンプ６０は、外気（空気）を圧縮してカソード側に送り込むものであり、その吸気口は、配管６０ａを介して車外（外部、外気）と連通している。エアポンプ６０の吐出口は、配管６０ｂ、加湿器６２及び配管６２ａを介して、カソード流路７４の入口に接続されている。エアポンプ６０がＥＣＵ２４の指令に従って作動すると、エアポンプ６０は、配管６０ａを介して車外の空気を吸気して圧縮し、この圧縮された空気が配管６０ｂ等を通ってカソード流路７４に圧送される。
【００２８】
加湿器６２は、水分透過性を有する複数の中空糸膜６２ｅを備えている。そして、加湿器６２は、中空糸膜６２ｅを介して、カソード流路７４に向かう空気とカソード流路７４から排出された多湿のカソードオフガスとを水分交換させ、カソード流路７４に向かう空気を加湿する。
【００２９】
カソード流路７４の出口側には、配管６２ｂ、加湿器６２、配管６４ａ、背圧弁６４、配管６４ｂ及び配管６４ｃが配置されている。カソード流路７４から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、配管６２ｂ等を通って、配管６４ｃから車外（大気）に排出される。
【００３０】
背圧弁６４は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ２４により制御されることで、カソード流路７４における空気の圧力を制御する。より具体的には、背圧弁６４の開度が小さくなると、カソード流路７４における空気の圧力が上昇し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が高くなる。逆に、背圧弁６４の開度が大きくなると、カソード流路７４における空気の圧力が下降し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が低くなる。
【００３１】
温度センサ７２は、配管６４ａに取り付けられ、カソードオフガスの温度を検出してＥＣＵ２４に出力する。
【００３２】
冷却系５８は、ウォータポンプ８０及びラジエータ８２（放熱器）を有する。ウォータポンプ８０は、冷却水（冷媒）を循環させるものであり、その吐出口は、配管８０ａ、冷媒流路８４、配管８２ａ、ラジエータ８２、配管８２ｂを順に介して、ウォータポンプ８０の吸込口に接続されている。ＥＣＵ２４の指令に従ってウォータポンプ８０が作動すると、冷却水が冷媒流路８４とラジエータ８２との間で循環し、ＦＣスタック４０を冷却する。
【００３３】
セル電圧モニタ４２は、ＦＣスタック４０を構成する複数の単セル毎のセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出する測定機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備える。モニタ本体は、所定周期で全ての単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出し、平均セル電圧及び最低電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ２４に出力する。
【００３４】
図２に示すように、ＦＣスタック４０からの電力（以下「ＦＣ電力Ｐｆｃ」という。）は、インバータ１６及びモータ１４（力行時）に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じて高電圧バッテリ２０（充電時）に供給され、さらに、エアポンプ６０、ウォータポンプ８０、エアコンディショナ９０、ダウンバータ９２、低電圧バッテリ９４、アクセサリ９６及びＥＣＵ２４に供給される。なお、ＦＣスタック４０とインバータ１６及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２との間には、逆流防止ダイオード９８が配置されている。また、ＦＣスタック４０の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）は、電圧センサ１００（図４）により検出され、ＦＣスタック４０の発電電流Ｉｆｃ（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）は、電流センサ１０２により検出され、いずれもＥＣＵ２４に出力される。
【００３５】
バッテリ２０は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えば、リチウムイオン２次電池等を利用することができる。キャパシタを利用してもよい。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２０の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ又は１次電圧Ｖ１」という。）［Ｖ］は、電圧センサ１２０により検出され、バッテリ２０の出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ又は１次電流Ｉ１」という。）［Ａ］は、電流センサ１２４により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。さらに、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］は、ＳＯＣセンサ１０４（図２）により検出され、ＥＣＵ２４に出力される。
【００３６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、ＦＣユニット１８からのＦＣ電力Ｐｆｃと、バッテリ２０から供給された電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力の供給先をＥＣＵ２４の制御下に制御する。
【００３７】
図４には、この実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の一例が示されている。図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、一方がバッテリ２０のある１次側１Ｓに接続され、他方が負荷３３とＦＣスタック４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。
【００３８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１＝Ｖｂａｔ）［Ｖ］を２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］（Ｖ１≦Ｖ２）に昇圧するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１（Ｖ１＝Ｖｂａｔ）に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。
【００３９】
図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓと２次側２Ｓとの間に配される相アームＵＡと、リアクトル１１０とから構成される。
【００４０】
相アームＵＡは、ハイサイドアームとしての上アーム素子（上アームスイッチング素子１１２とダイオード１１４）とローサイドアームとしての下アーム素子（下アームスイッチング素子１１６とダイオード１１８）とで構成される。上アームスイッチング素子１１２と下アームスイッチング素子１１６には、それぞれ例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。
【００４１】
リアクトル１１０は、相アームＵＡの中点（共通接続点）とバッテリ２０の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。
【００４２】
上アームスイッチング素子１１２は、ＥＣＵ２４から出力されるゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＨのハイレベルによりオンにされ、下アームスイッチング素子１１６は、ゲートの駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりオンにされる。
【００４３】
なお、ＥＣＵ２４は、１次側１Ｓの平滑コンデンサ１２２に並列に設けられた電圧センサ１２０により１次電圧Ｖ１を検出し、電流センサ１２４により１次側１Ｓの電流（１次電流Ｉ１）［Ａ］を検出する。また、ＥＣＵ２４は、２次側２Ｓの平滑コンデンサ１２８に並列に設けられた電圧センサ１２６により２次電圧Ｖ２を検出し、電流センサ１３０により２次側２Ｓの電流（２次電流Ｉ２）［Ａ］を検出する。
【００４４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の昇圧時には、第１のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＬがハイレベル及びゲート駆動信号ＵＨがローレベルにされ、リアクトル１１０にバッテリ２０からエネルギが蓄積される（バッテリ２０の正側からリアクトル１１０、下アームスイッチング素子１１６、及びバッテリ２０の負側に至る電流路）。第２のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＬがローレベル及びゲート駆動信号ＵＨがローレベルにされ、リアクトル１１０に蓄積されたエネルギがダイオード１１４を通じて２次側２Ｓに供給される（バッテリ２０の正側からリアクトル１１０、ダイオード１１４、２次側２Ｓの正側、負荷３３等、２次側２Ｓの負側、バッテリ２０の負側の電流路）。以降、昇圧時の第１のタイミングと第２のタイミングが繰り返される。
【００４５】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の降圧時には、第１のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＨがハイレベル及びゲート駆動信号ＵＬがローレベルにされ、リアクトル１１０に２次側２Ｓ（ＦＣスタック４０又はモータ１４が回生中の負荷３３）からエネルギが蓄積されるとともにバッテリ２０に充電される。第２のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＨがローレベル及びゲート駆動信号ＵＬがローレベルにされ、リアクトル１１０に蓄積されたエネルギがダイオード１１８、リアクトル１１０を通じてバッテリ２０に供給され、バッテリ２０が充電される。なお、回生電力は、図２から分かるように、エアポンプ６０等の補機負荷３１にも供給可能である。以降、降圧時の第１のタイミングと第２のタイミングが繰り返される。
【００４６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、上述したチョッパ型として動作する他、直結型として動作することもできる。直結型として動作する場合、ゲート駆動信号ＵＨがハイレベルにされるとともにゲート駆動信号ＵＬがローレベルとされ、バッテリ２０が放電する際には、１次側１Ｓからダイオード１１４を通じて２次側２Ｓに電流が供給され（例えば、バッテリ２０から負荷３３に電力が供給され）、バッテリ２０が充電される場合には、２次側２Ｓから上アームスイッチング素子１１２を通じてバッテリ２０に電流が供給される（例えば、モータ１４からバッテリ２０に回生電力が供給される）。
【００４７】
ＥＣＵ２４は、通信線１４０（図１等）を介して、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、補機負荷３１、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２等を制御する。当該制御に際しては、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、セル電圧モニタ４２、流量センサ６８、温度センサ７２、電圧センサ１００、１２０、１２６、電流センサ１０２、１２４、１３０、ＳＯＣセンサ１０４等の各種センサの検出値を用いる。
【００４８】
ここでの各種センサには、上記センサに加え、開度センサ１５０、モータ回転数センサ１５２及び車速センサ１５４（図１）が含まれる。開度センサ１５０は、アクセルペダル１５６の踏み角度である開度（アクセル開度）θｐ［度］を検出する。回転数センサ１５２は、モータ１４の回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］を検出する。車速センサ１５４は、ＦＣ車両１０の車速Ｖｓ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ１５８（以下「メインＳＷ１５８」という。）が接続される。メインＳＷ１５８は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能なスイッチ（エンジン車両のイグニッションスイッチに対応するスイッチ）である。
【００４９】
ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。
【００５０】
ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０の状態、バッテリ２０の状態、及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定したＦＣ車両１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷から、ＦＣスタック４０が負担すべき負荷と、バッテリ２０が負担すべき負荷と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２に指令を送出する。
【００５１】
［基本的な制御動作の説明］
次に、ＥＣＵ２４における基本制御の動作について説明する。この基本制御を前提として、第１〜第３実施例を後述する。
【００５２】
図５には、ＥＣＵ２４における基本的な制御（メインルーチン）のフローチャートが示されている。ステップＳ１において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１５８がオンであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５８がオンでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。メインＳＷ１５８がオンである場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２に要求される負荷（システム負荷Ｐｓｙｓ又はシステム要求負荷Ｐｓｙｓという。）［Ｗ］を計算する。
【００５３】
ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、計算されたシステム負荷Ｐｓｙｓに基づきＦＣシステム１２のエネルギマネジメントを行う。ここにいうエネルギマネジメントは、ＦＣスタック４０の劣化を抑制しつつ、ＦＣシステム１２全体の出力の効率（システム効率）を向上することを企図している。
【００５４】
ステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、エネルギマネジメント処理結果に基づき、ＦＣスタック４０の周辺機器、すなわち、エアポンプ６０、背圧弁６４、及びウォータポンプ８０の制御（ＦＣ発電制御）を行う。さらに、ステップＳ５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制御を行う。
【００５５】
ステップＳ６において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１５８がオフであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５８がオフでない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。メインＳＷ１５８がオフである場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、今回の処理を終了する。
【００５６】
図６には、ステップＳ２のシステム負荷Ｐｓｙｓを計算するフローチャートが示されている。ステップＳ１１において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１５０からアクセルペダル１５６の開度θｐを読み込む。ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１５２からモータ１４の回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］を読み込む。
【００５７】
ステップＳ１３において、ＥＣＵ２４は、開度θｐと回転数Ｎｍに基づいてモータ１４の予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］を算出する。具体的には、図７に示す現在のモータ回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］とモータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］とのマップ（特性）において、開度θｐ毎に回転数Ｎｍと予想消費電力Ｐｍの関係を記憶しておく。例えば、開度θｐがθｐ１であるとき、特性１８０を用いる。同様に、開度θｐがθｐ２、θｐ３、θｐ４、θｐ５、θｐ６であるとき、それぞれ特性１８２、１８４、１８６、１８８、１９０を用いる。そして、開度θｐに基づいて回転数Ｎｍと予想消費電力Ｐｍとの関係を示す特性を特定した上で、回転数Ｎｍに応じた予想消費電力Ｐｍを特定する。なお、力行側の加速中は、正の値、回生側の減速中は、予想消費電力Ｐｍは負の値、すなわち予想回生電力となる。
【００５８】
ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４は、各補機負荷３１から現在の動作状況を読み込む。ここでの補機負荷３１には、例えば、図２に示すように、エアポンプ６０、ウォータポンプ８０及びエアコンディショナ９０を含む高電圧系の補機や、低電圧バッテリ９４、アクセサリ９６及びＥＣＵ２４を含む低電圧系の補機が含まれる。例えば、エアポンプ６０及びウォータポンプ８０であれば、回転数Ｎａｐ、Ｎｗｐ［ｒｐｍ］を読み込む。エアコンディショナ９０であれば、その出力設定を読み込む。
【００５９】
ステップＳ１５において、ＥＣＵ２４は、各補機の現在の動作状況に応じて補機の消費電力Ｐａ［Ｗ］を算出する。
【００６０】
ステップＳ１６において、ＥＣＵ２４は、モータ１４の予想消費電力Ｐｍと補機の消費電力Ｐａの和（仮システム負荷Ｐｍ＋Ｐａ）を求め、ＦＣ車両１０全体での予想消費電力、すなわち、システム負荷Ｐｓｙｓ（Ｐｓｙｓ＝Ｐｍ＋Ｐａ、Ｐｓｙｓ←Ｐｍ＋Ｐａとも表記する。）を算出する。
【００６１】
上記のように、本実施形態におけるエネルギマネジメントでは、ＦＣスタック４０の劣化を抑制しつつ、ＦＣシステム１２全体の出力の効率向上を図ることを企図している。
【００６２】
図８は、ＦＣスタック４０を構成するＦＣセルの電圧（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）［Ｖ］とセルの劣化量Ｄとの関係の一例を示している。すなわち、図８中の曲線（特性）１４０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。
【００６３】
図８において、電圧ｖ１（例えば、０．５Ｖ）を下回る領域（以下「白金凝集増加領域Ｒ１」又は「凝集増加領域Ｒ１」という。）では、ＦＣセルに含まれる白金（酸化白金）について還元反応が激しく進行し、白金が過度に凝集する。電圧ｖ１から電圧ｖ２（例えば、０．８Ｖ）までは、還元反応が安定的に進行する領域（以下「白金還元安定領域Ｒ２」又は「還元安定領域Ｒ２」という。）である。
【００６４】
電圧ｖ２から電圧ｖ３（例えば、０．９Ｖ）までは、白金について酸化還元反応が進行する領域（以下「白金酸化還元進行領域Ｒ３」、又は「酸化還元進行領域Ｒ３」という。）である。電圧ｖ３から電圧ｖ４（例えば、０．９５Ｖ）までは、白金について酸化反応が安定的に進行する領域（以下「白金酸化安定領域Ｒ４」又は「酸化安定領域Ｒ４」という。）である。電圧ｖ４からＯＣＶ（開回路電圧）までは、ＦＣセルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域（以下「カーボン酸化進行領域Ｒ５」という。）である。
【００６５】
上記のように、図８では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金還元安定領域Ｒ２又は白金酸化安定領域Ｒ４にあれば、ＦＣセルの劣化の進行度合が小さい。一方、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金凝集増加領域Ｒ１、白金酸化還元進行領域Ｒ３、又はカーボン酸化進行領域Ｒ５にあれば、ＦＣセルの劣化の進行度合が大きい。
【００６６】
なお、図８では、曲線（特性）１４０を一義的に定まるような表記としているが、実際は、単位時間当たりにおけるセル電圧Ｖｃｅｌｌの変動量（変動速度Ａｃｅｌｌ）［Ｖ／ｓｅｃ］に応じて曲線（特性）１４０は変化する。
【００６７】
図９は、変動速度Ａｃｅｌｌが異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。図９において、実線の曲線（特性）１７０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、破線の曲線（特性）１７２は、変動速度Ａｃｅｌｌが低い場合を示す。図９からわかるように、変動速度Ａｃｅｌｌに応じて酸化又は還元の進行度合が異なるため、必ずしも各電圧ｖ１〜ｖ４は一義的に特定されない。また、ＦＣセルの個体差によっても各電圧ｖ１〜ｖ４は変化し得る。このため、電圧ｖ１〜ｖ４は、理論値、シミュレーション値又は実測値に誤差分を反映させたものとして設定することが好ましい。
【００６８】
また、ＦＣセルの電流・電圧特性（ＩＶ特性）は、一般的な燃料電池セルと同様、図１０に「通常」と示すＩＶ特性（通常ＩＶ特性ともいう。）１６２に示すように、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する。加えて、ＦＣスタック４０の発電電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）は、セル電圧ＶｃｅｌｌにＦＣスタック４０内の直列接続数Ｎｆｃを乗算したものである。直列接続数Ｎｆｃは、ＦＣスタック４０内で直列に接続されるＦＣセルの数であり、以下、単に「セル数」ともいう。
【００６９】
図１０の通常ＩＶ特性１６２は、カソードストイキ比（≒酸素濃度）は通常のストイキ比（通常ストイキ比）以上の酸素が豊潤な状態とされているときに得られる特性である。換言すれば酸素濃度は、通常の酸素濃度以上の酸素濃度とされる。なお、カソードストイキ比＝カソード電極に供給されるエア流量／発電により消費されたエア流量、で表される。この実施形態において、カソードストイキ比を単にストイキ比ともいう。
【００７０】
酸素が豊潤な状態とは、図１１に示すように、カソードストイキ比（≒酸素濃度）を上昇させても、セル電流（単セルの出力する電流）Ｉｃｅｌｌが略一定となり、飽和した状態となる通常ストイキ比以上の領域における酸素を意味する。
【００７１】
水素についても同様である。すなわち、アノードストイキ比（≒水素濃度）＝アノード電極に供給される水素流量／発電により消費された水素流量、で表される。
【００７２】
次に、図１２のフローチャートを参照して、ステップＳ４のＦＣ発電制御中、基本制御（基本発電制御）について説明する。
【００７３】
ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０の充放電係数αを算出し、算出した充放電係数αをステップＳ１６で算出したシステム負荷Ｐｓｙｓに乗算することで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを算出する（Ｐｆｃｔｇｔ←Ｐｓｙｓ×α）。
【００７４】
ここで、充放電係数αは、ＳＯＣセンサ１０４から入力される現在のＳＯＣ値と、図１４の特性（マップ）１６３とに基づいて算出される。図１４の特性１６３は、例えば、実測値、シミュレーション値を用いることができ、ＥＣＵ２４に予め記憶されている。また、ここでは、バッテリ２０の目標ＳＯＣ（目標蓄電量）を５０［％］とした場合を例示するが、これに限定されることはない。図１４に示すように、ＳＯＣ値が５０［％］よりも小さい充電を要する領域では、ＦＣスタック４０の発電を余剰とさせ、その余剰電力がバッテリ２０に充電されるように、充放電係数αが「１」よりも大きくなる傾向となっている。一方、ＳＯＣ値が５０［％］よりも大きい充電状態が十分な領域では、ＦＣスタック４０の発電を不足させ、その不足電力を補うようにバッテリ２０が放電するように、充放電係数αが「１」よりも小さくなる傾向となっている。
【００７５】
なお、ここでは、以下の説明の理解の便宜のために、充放電係数αはα＝１として説明する（Ｐｆｃｔｇｔ＝Ｐｓｙｓ）。
【００７６】
次いで、ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２１で算出した目標発電電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上であるかどうかを判定する（Ｐｓｙｓ≧Ｐｔｈｐ）。
【００７７】
ここで、閾値電力Ｐｔｈｐは、「触媒が劣化しないと判断されるセル電圧（０．８Ｖ、切替電圧、所定電圧）」と、「ＦＣスタック４０を構成する単セル数Ｎｆｃ」と、「ＦＣスタック４０の通常のＩＶ特性１６２（図１０参照）においてセル電圧を０．８Ｖとした場合における電流値Ｉｃｅｌｌｐ」とを乗算することで与えられる次の（１）式に示す固定値である。なお、図１０において、目標電力Ｐｆｃｔｇｔの軸は線形ではない点に留意する。
Ｐｔｈｐ＝０．８［Ｖ］×Ｎｆｃ×Ｉｃｅｌｌｐ （１）
【００７８】
目標発電電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上である場合には（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、ステップＳ２３において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを得るべく、電圧可変・電流可変制御（モードＡ制御）を実行する。
【００７９】
このモードＡ制御は、主として、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが相対的に高いときに用いられるものであり、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを通常（酸素を豊潤な状態を含む。）に維持した状態で、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを調整することによりＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。
【００８０】
すなわち、図１３に示すように、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上で実行されるモードＡ制御では、ＦＣスタック４０の通常ＩＶ特性１６２（図１０で示したものと同じ。）を用いる。モードＡ制御では、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに応じて目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出し、さらに目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを算出する。そして、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔとなるように、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。すなわち、２次電圧Ｖ２が目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔとなるように１次電圧Ｖ１をＤＣ／ＤＣコンバータ２２により昇圧することで、ＦＣ電圧Ｖｆｃを制御してＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。
【００８１】
以上のようなモードＡ制御によれば、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上の高負荷であっても、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに応じて２次電圧Ｖ２（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を、通常ＩＶ特性１６２に沿うようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２で変化させることで、基本的に、システム負荷ＰｓｙｓをＦＣ電力Ｐｆｃにより賄うことができる。
【００８２】
一方、ステップＳ２２の判定において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ未満である場合には（ステップＳ２２：ＮＯ）、ステップＳ２４において、ステップＳ２４で算出した目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｑ未満（Ｐｆｃｔｇｔ＜Ｐｔｈｑ）であるか否かを判定する。ここで、閾値電力Ｐｔｈｑを、例えば、セル電圧ＶｃｅｌｌがＶｃｅｌｌ＝０．９［Ｖ］に対応して決定されるので、閾値電力Ｐｔｈｑは、閾値電力Ｐｔｈｐより低い値に設定される（Ｐｔｈｑ＜Ｐｔｈｐ。図１３参照）。
【００８３】
ステップＳ２４の判定が否定的となる場合、すなわち、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ未満であって、且つ閾値電力Ｐｔｈｑ以上である場合には（ステップＳ２４：ＮＯ、Ｐｔｈｑ≦Ｐｆｃｔｇｔ＜Ｐｔｈｐ）、ステップＳ２５において、電圧固定・電流可変制御（モードＢ制御）を実行する。
【００８４】
このモードＢ制御は、主として、システム負荷Ｐｓｙｓが相対的に中くらいのときに用いられるものであり、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数Ｎｆｃ）を、酸化還元進行領域Ｒ３よりも低い電圧以下で設定された基準電圧｛本実施形態では、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）｝に固定すると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。
【００８５】
すなわち、図１３に示すように、モードＢ制御では、閾値電力Ｐｔｈｑ〜Ｐｔｈｐの範囲において、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２）に保った状態で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを下げていくことで酸素濃度Ｃｏを下げる。
【００８６】
図１１に示したように、カソードストイキ比（≒酸素濃度Ｃｏ）が低下するとセル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）も低下する。このため、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定に保った状態（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２＝０．８Ｖ）で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを増減させることで、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）及びＦＣ電力Ｐｆｃを制御することが可能となる。なお、ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。
【００８７】
この場合、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の昇圧率を調整することにより、酸化還元進行領域Ｒ３よりも低い電圧以下で設定された基準電圧｛本実施形態では、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）｝に目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを固定し、さらに、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出する。また、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが基準電圧であることを前提として、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに対応する目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを算出する（図１１及び図１５参照）。なお、図１５は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが基準電圧であるときの目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔとの関係を示す。
【００８８】
ここで、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じて各部への指令値を算出及び送信する。ここで算出される指令値には、エアポンプ６０の回転数（以下「エアポンプ回転数Ｎａｐ」又は「回転数Ｎａｐ」という。）、ウォータポンプ８０の回転数（以下「ウォータポンプ回転数Ｎｗｐ」又は「回転数Ｎｗｐ」という。）、及び背圧弁６４の開度（以下「背圧弁開度θｂｐ」又は「開度θｂｐ」という。）が含まれる。
【００８９】
すなわち、図１６及び図１７に示すように、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じて目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔ、目標ウォータポンプ回転数Ｎｗｐｔｇｔ及び目標背圧弁開度θｂｐｔｇｔが設定される。
【００９０】
以上のようにして、ステップＳ２５のモードＢ制御が実行される。
【００９１】
次いで、ステップＳ２６において、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０による発電が安定しているか否かを判定する。当該判定として、ＥＣＵ２４は、セル電圧モニタ４２から入力される最低セル電圧が、平均セル電圧から所定電圧を減算した電圧よりも低い場合｛最低セル電圧＜（平均セル電圧−所定電圧）｝、ＦＣスタック４０の発電が不安定であると判定する。なお、前記所定電圧は、例えば、実験値、シミュレーション値等を用いることができる。
【００９２】
発電が安定している場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ２６：ＮＯ）、ステップＳ２７において、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを１段増加させる（通常の濃度に近づける）。具体的には、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐの増加及び背圧弁６４の開度θｂｐの減少の少なくとも一方を１段階行う。
【００９３】
ステップＳ２８において、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常のＩＶ特性における目標酸素濃度（通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ）未満であるか否かを判定する。目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ未満である場合（Ｓ２８：ＹＥＳ）、ステップＳ２６に戻る。目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ未満でない場合（Ｓ２８：ＮＯ）、ステップＳ２９において、ＥＣＵ２４は、ＦＣユニット１８を停止する。すなわち、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０への水素及び空気の供給を停止し、ＦＣスタック４０の発電を停止する。そして、ＥＣＵ２４は、図示しない警告ランプを点灯させ、運転者にＦＣスタック４０が異常であることを通知する。なお、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０からモータ１４に電力を供給し、ＦＣ車両１０の走行は継続させる。
【００９４】
上述したステップＳ２４の判定において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｑ未満である場合（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、ステップＳ３０でモードＣ制御を行う。図１３に示すように、モードＣ制御は、主として、システム負荷Ｐｓｙｓが相対的に低いときに用いられるものであり、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数）を、酸化還元進行領域Ｒ３外の電圧｛本実施形態では、電圧ｖ３（＝０．９Ｖ）｝に固定し、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストし、ＦＣ電力Ｐｆｃの余剰分は、バッテリ２０に充電する。
【００９５】
モードＣ制御では、図１３に示すように、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ３）に保った状態で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを下げていくことで酸素濃度Ｃｏを下げる。
【００９６】
図１１に示したように、カソードストイキ比（≒酸素濃度Ｃｏ）が低下するとセル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）も低下する。このため、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定に保った状態（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ３＝０．９Ｖ）で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを増減させることで、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）及びＦＣ電力Ｐｆｃを制御することが可能となる。なお、ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。よって、モードＣ制御では、上述したステップＳ２５のモードＢ制御と同様な制御処理、及びステップＳ２６〜Ｓ２９の発電安定性に係る処理を実行する。
【００９７】
以上のようにして、ステップＳ４のＦＣ発電制御に係る基本発電制御を実行される。
【００９８】
次に、図１８には、ステップＳ５の処理に係るモータ１４のトルク制御のフローチャートが示されている。ステップＳ４１において、ＥＣＵ２４は、車速センサ１５４から車速Ｖｓを読み込む。ステップＳ４２において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１５０からアクセルペダル１５６の開度θｐを読み込む。
【００９９】
ステップＳ４３において、ＥＣＵ２４は、車速Ｖｓと開度θｐに基づいてモータ１４の仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、図示しない記憶手段に車速Ｖｓと開度θｐと仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐを関連付けたマップを記憶しておき、当該マップと、車速Ｖｓ及び開度θｐとに基づいて仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐを算出する。
【０１００】
ステップＳ４４において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２からモータ１４に供給可能な電力の限界値（限界供給電力Ｐｓ＿ｌｉｍ）［Ｗ］に等しいモータ１４の限界出力（モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍ）［Ｗ］を算出する。具体的には、限界供給電力Ｐｓ＿ｌｉｍ及びモータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍは、ＦＣスタック４０からのＦＣ電力Ｐｆｃとバッテリ２０から供給可能な電力の限界値（限界出力Ｐｂａｔ＿ｌｉｍ）［Ｗ］との和から補機の消費電力Ｐａを引いたものである（Ｐｍ＿ｌｉｍ＝Ｐｓ＿ｌｉｍ←Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔ＿ｌｉｍ−Ｐａ）。
【０１０１】
ステップＳ４５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制限値Ｔｌｉｍ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍを車速Ｖｓで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｍ＿ｌｉｍ／Ｖｓ）。
【０１０２】
ステップＳ４６において、ＥＣＵ２４は、目標トルクＴｔｇｔ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、ＥＣＵ２４は、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐに対してトルク制限値Ｔｌｉｍによる制限を加えたものを目標トルクＴｔｇｔとする。例えば、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐがトルク制限値Ｔｌｉｍ以下である場合（Ｔｔｇｔ＿ｐ≦Ｔｌｉｍ）、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐをそのまま目標トルクＴｔｇｔとする（Ｔｔｇｔ←Ｔｔｇｔ＿ｐ）。一方、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐがトルク制限値Ｔｌｉｍを超える場合（Ｔｔｇｔ＿ｐ＞Ｔｌｉｍ）、トルク制限値Ｔｌｉｍを目標トルクＴｔｇｔとする（Ｔｔｇｔ←Ｔｌｉｍ）。そして、算出した目標トルクＴｔｇｔを用いてモータ１４を制御する。
【０１０３】
図１９には、上述した電力供給モードに係わるモードＡ制御、モードＢ制御、モードＣ制御と、ＦＣ電力Ｐｆｃと、ＦＣスタック４０の発電効率との関係が示されている。図１９からわかるように、モードＡ制御では、基本的に、システム負荷Ｐｓｙｓの全てをＦＣ電力Ｐｆｃで賄いつつ、ＦＣスタック４０の発電効率を高く維持することができる。ｖ２電圧固定低酸素ストイキ比可変制御のモードＢ制御では、基本的に、システム負荷Ｐｓｙｓの全てをＦＣ電力Ｐｆｃで賄うことで、バッテリ２０の充放電の頻度を抑え、ＦＣシステム１２全体での出力効率を高くすることが可能である。モードＣ制御では、ＦＣ電力Ｐｆｃとバッテリ電力Ｐｂａｔによりシステム負荷Ｐｓｙｓを賄う。
【０１０４】
次に、上述した基本制御（モードＡ、Ｂ、Ｃ制御）を前提として、第１及び第２実施例について説明する。
【０１０５】
［第１実施例］
上述した基本制御において、例えば、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが大きい場合には、上述したステップＳ２２（図１２）の処理に係る、図１３中、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）以下での通常ＩＶ特性１６２に沿うモードＡ制御、すなわち、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが可変で、カソードストイキ比（≒酸素濃度）が通常とされ、且つＦＣ電流Ｉｆｃが可変とされる制御が実行される。
【０１０６】
このモードＡ制御において、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、図４に示すＤＣ／ＤＣコンバータ２２より１次電圧Ｖ１、すなわちバッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂａｔを昇圧することで設定される。
【０１０７】
したがって、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが大きい場合に実行されるモードＡ制御では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を昇圧スイッチング（チョッピング）することによるスイッチング損失が発生する。
【０１０８】
詳しく説明すると、バッテリ２０からモータ１４へ電力を供給する力行時を含む負荷３３への電力供給時には、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を昇圧モードとし、一定周期２π中の第１のタイミング期間で、図４中のゲート駆動信号ＵＬをハイレベルにして下アームスイッチング素子１１６をオン状態にするとともに、ゲート駆動信号ＵＨをローレベルにして上アームスイッチング素子１１２をオフ状態とし、この状態で（下アームスイッチング素子１１６：ＯＮ、上アームスイッチング素子１１２：ＯＦＦ）、バッテリ２０からリアクトル１１０にエネルギを蓄積する。この第１のタイミング期間では、平滑コンデンサ１２８から負荷３３に電力が供給される。次に、前記一定周期２π中の残りの期間（第２のタイミング期間）では、ゲート駆動信号ＵＬをローベルとすることで（下アームスイッチング素子１１６：ＯＦＦ、上アームスイッチング素子１１２：ＯＦＦ）、リアクトル１１０に蓄積されたエネルギ（電力）がバッテリ２０からの電力に合成されてバッテリ２０からリアクトル１１０及びダイオード１１２を通じて平滑コンデンサ１２８に供給されるとともに、負荷３３に供給される。
【０１０９】
このようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２がスイッチング動作している場合のスイッチング損失は、概ねリアクトル１１０での交流損失（熱として発散する。）と下アームスイッチング素子１１６がオン状態であるときの損失と、ダイオード１１４が導通するときの損失の合成の損失となる。この損失分、バッテリ２０の電力消費が増加し、システム効率が低下する。
【０１１０】
この第１実施例では、この損失に着目し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が昇圧型で動作しているときのリアクトル１１０での交流損失と、下アームスイッチング素子１１６のスイッチング損失のゼロ値化を目的とする。
【０１１１】
スイッチング損失をゼロ値化するために、この第３実施例では、図４に示すＤＣ／ＤＣコンバータ２２において、バッテリ２０側からリアクトル１１０を介しダイオード１１４を通じて負荷３３側に連続的に電流（電力）を供給させる、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の直結状態とする制御を行う。この直結状態では、ＥＣＵ２４により、ゲート駆動信号ＵＨ及ゲート駆動信号ＵＬがともにローレベルとされ上アームスイッチング素子１１２及び下アームスイッチング素子１１６がともにオフ状態に維持される。
【０１１２】
以上の点を踏まえ、図２０のフローチャートを参照して第１実施例（直結制御）の動作について説明する。
【０１１３】
ステップＳ７１において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ車両１０が駆動中（走行中）であるか否かを車速Ｖｓ等により判定する。
【０１１４】
ＦＣ車両１０が駆動中（走行中）でない場合には（ステップＳ７１：ＮＯ）、ステップＳ７２で、上述した基本制御を行う。ステップＳ７２での基本制御は、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが小さいので、モードＢ制御（ｖ２固定低酸素ストイキ比可変制御）あるいはモードＣ制御（ｖ３固定低酸素ストイキ比可変制御）が実行される。
【０１１５】
その一方、駆動中（走行中）である場合には（ステップＳ７１：ＹＥＳ）、ステップＳ７３において、バッテリ２０の端子間電圧であるバッテリ電圧ＶｂａｔがＤＣ／ＤＣコンバータ２２を直結状態にすることができる電圧であるか否かが判定される（Ｖｂａｔ＝直結可能電圧か。）。
【０１１６】
具体的には、ステップＳ７３ａにおいて、バッテリ電圧Ｖｂａｔが、酸化還元進行領域Ｒ３の下限電圧ｖ２×Ｎｆｃ未満（Ｖｂａｔ＜ｖ２×Ｎｆｃ）の電圧であるか否かを判定し、未満の電圧である場合には（ステップＳ７３ａ：ＹＥＳ）、直結が可能であると判定する。
【０１１７】
ステップＳ７３ａにおいて、バッテリ電圧Ｖｂａｔが酸化還元進行領域Ｒ３の下限電圧ｖ２×Ｎｆｃ以上の電圧であると判定されたときには（ステップＳ７３ａ：Ｎｏ）、さらに、ステップＳ７３ｂにおいて、バッテリ電圧Ｖｂａｔが、酸化還元進行領域Ｒ３の上限電圧ｖ３×Ｎｆｃ以上の電圧であるか否かを判定し、以上の電圧である場合には（ステップＳ７３ｂ：ＹＥＳ）、直結が可能であると判定する。
【０１１８】
なお、ステップＳ７３ｂの判定が否定的であるときには（ステップＳ７３ａ：ＮＯ且つステップＳ７３ｂ：ＮＯ）、バッテリ電圧Ｖｂａｔは、酸化還元進行領域Ｒ３内にあるので（ｖ２＜Ｖｂａｔ＜ｖ３）、直結するとＦＣスタック４０の劣化量Ｄが増大することから、直結が可能ではないと判定し、ステップＳ７２において、基本制御を行う。この場合の基本制御は、上述したモードＣ制御とされる。
【０１１９】
ステップＳ７３の判定が肯定的であるとき（ステップＳ７３：ＹＥＳ）、直結が可能であるので、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０のシステム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓを目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔとし、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔｇｔをバッテリ電圧Ｖｂａｔとし（Ｖｆｃｔｇｔ＝Ｖｂａｔ）、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変することでＦＣ電流Ｉｆｃを可変するモードＦ制御（直結制御）を行う。
【０１２０】
図２１は、ステップＳ７３ａの条件が成立して時点ｔ２１から直結状態（モードＦ制御）となっている場合のタイムチャートを示している。なお、図２１中、Ｖｆｃより下に描いたタイムチャートにおいて、太い破線で示したものは基本制御による変化特性を示し、太い実線で示したものは、この第１実施例による変化特性を示している。
【０１２１】
時点ｔ２１以降、基本制御では、直結フラグＦｄがオフ状態（Ｆｄ＝ＯＦＦ）となっているが、この第１実施例による制御ではオン状態（Ｆｄ＝ＯＮ）となっている。そのため時点ｔ２１以降で、負荷３３及びＦＣスタック４０に対してバッテリ２０がダイオード１１４を通じて直結状態とされている（図４参照）。結果、時点ｔ２１以降、バッテリ電圧ＶｂａｔとＦＣ電圧Ｖｆｃは同一の電圧（Ｖｂａｔ＝Ｖｆｃ）にされている。ダイオード１１４の電圧降下分は、逆流防止ダイオード９８の電圧降下分により略相殺されている。
【０１２２】
基本制御（モードＡ制御）では、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐ（図１３参照）以上となっている時点ｔ２２〜ｔ２３の期間、及び時点ｔ２４以降の期間において、低酸素ストイキ比可変作動フラグＦｓがオフ状態とされ、モードＡ制御による基本制御が実行されているが、この第１実施例では、全期間で直結制御が実行されている。
【０１２３】
直結制御にすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の損失は、リアクトル１１０での交流損失分と下アームスイッチング素子１１６のスイッチング損失分がゼロ値化され、ダイオード１１４の順方向降下電圧にバッテリ電流Ｉｂａｔを乗算した損失分のみに低減される。
【０１２４】
［第１実施例のまとめ］
以上説明したように、第１実施例に係る燃料電池システム１２は、触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電するＦＣスタック４０と、前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、ＦＣスタック４０に供給するガス供給手段｛燃料ガス供給手段（水素タンク４４）、酸化剤ガス供給手段（エアポンプ６０）｝と、蓄電量に応じて出力電圧が変動するバッテリ２０（蓄電装置）と、ＦＣスタック４０に並列且つバッテリ２０に直列に設けられ、ＦＣスタック４０のＦＣ電圧Ｖｆｃを調整するＤＣ／ＤＣコンバータ２２（電圧調整手段）と、ＦＣスタック４０の出力電力により駆動される負荷３３と、負荷３３のシステム電力（システム要求電力）Ｐｓｙｓを検出するとともに、ＦＣスタック４０、前記ガス供給手段、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御するＥＣＵ２４（制御手段）を有する。
【０１２５】
ＥＣＵ２４は、バッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂａｔが、ＦＣスタック４０の酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）外の電圧（Ｖｂａｔ≦ｖ２×Ｎｆｃ又はＶｂａｔ≧ｖ３×Ｎｆｃ）である場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を直結状態（バッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂａｔ≒ＦＣスタック４０のＦＣ電圧Ｖｆｃ）に制御するとともに、ＦＣスタック４０に供給する酸素又は水素の濃度を負荷３３の要求電力に基づき決定される目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに追従するようにガス供給手段｛燃料ガス供給手段（水素タンク４４）、酸化剤ガス供給手段（エアポンプ６０）｝を制御する（ストイキ比可変制御を行う。）。
【０１２６】
酸化還元進行領域Ｒ３外での電圧の直結（Ｖｆｃ＝Ｖｂａｔ）であるため、ＦＣスタック４０の劣化が防止される。しかも、直結であるのでＤＣ／ＤＣコンバータ２２での昇降圧（スイッチング）に係わる電力損失（スイッチング損失）を皆無にすることができる。よって、この燃料電池システム１２を搭載した燃料電池車両１０において、電力損失が低減され、システム効率が向上する。
【０１２７】
［第２実施例］
図２２は、第２実施例に係るＦＣユニット１８の概略構成を示している。この第２実施例に係るＦＣユニット１８において、カソード系５６ａには、エアポンプ６０、加湿器６２、及び背圧弁６４の他、循環弁（カソード循環弁）６６が含まれる。
【０１２８】
この場合、背圧弁６４の出力側の配管６４ｂと空気取入口側（入力側）の配管６０ａとの間に、配管６６ａ、循環弁６６、及び配管６６ｂが接続されている。これにより、排気ガス（カソードオフガス）の一部が循環ガスとして、配管６６ａ、循環弁６６及び配管６６ｂを通って、配管６０ａに供給され、車外からの新規空気に合流し、エアポンプ６０に吸気される。
【０１２９】
循環弁６６は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度（以下「循環弁開度θｃ」又は「開度θｃ」という。）がＥＣＵ２４によって制御されることで循環ガスの流量が制御される。流量センサ７０は、配管６６ｂに取り付けられ、配管６０ａに向かう循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ２４に出力する。
【０１３０】
図２３に示すように、排気ガスが通流する弁開度θｃを大きくすればするほど、カソード流路７４中の酸素濃度Ｃｏを低下させることができる。
【０１３１】
そこで、この第２実施例では、上述したステップＳ７３の判定が肯定的となって（ステップＳ７３：ＹＥＳ）、直結が可能となったときに、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０のシステム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓを目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔとし、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃｔｇｔをバッテリ電圧Ｖｂａｔとし、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変することでＦＣ電流Ｉｆｃを可変するモードＦ制御（直結制御）を行う際に、循環弁６６の開度θｃのみを可変することでＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。
【０１３２】
すなわち、第２実施例では、モードＦ制御（直結制御）を行う際に、第１実施例のように、エアポンプ６０の回転数や背圧弁６４の開度を変えることなく、循環弁６６の開度θｃのみを可変することでＦＣ電流Ｉｆｃを可変するようにしたので、制御が簡便になるという利点が得られる。
【０１３３】
［第３実施例］
上述した第１実施例及び第２実施例の直結制御において、直結しようとするときに、バッテリ２０のＳＯＣ値が高く、バッテリ電圧Ｖｂａｔが高い値に保持されていると、バッテリ電圧Ｖｂａｔが酸化還元進行領域Ｒ３内にある確率が高くなる。
【０１３４】
バッテリ電圧Ｖｂａｔが酸化還元進行領域Ｒ３内にあるときに、直結させるとＦＣユニット４０が劣化するので、バッテリ２０のＳＯＣ値が高いと、実質上、直結することができなくなる。しかし、直結を禁止すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を作動させることとなり、コンバータ損失が増加し、車両効率が低下する。そこで、この第３実施例では、直結制御になる頻度ができるだけ高くなるように制御する構成を提供する。
【０１３５】
この場合、第１に、バッテリ２０のバッテリ電圧Ｖｂａｔが酸化還元進行電圧ｖ２×Ｎｆｃより低い電圧となるように、バッテリ２０のＳＯＣ値を制御する。第２に、直結時には、ストイキ比可変制御を行うことで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２のスイッチング動作を行わないようにして損失を低減させる。第３に、例えば、登坂での走行性能及び低温下における再始動のエネルギを確保するために、システム負荷Ｐｓｙｓ（主にモータ負荷）が高いとき、換言すれば、モータ１４の予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］が高いとき及び外気温が低いときにはバッテリ２０のエネルギを使用する可能性が高いため、直結制御とはしない。
【０１３６】
上記第１〜第３の観点を考慮した、図２４のフローチャートを参照してこの第３実施例の動作について説明する。
【０１３７】
ステップＳ１０１において、図示しない外気温センサにより検出される外気温度Ｔａが所定値である閾値温度Ｔａｔｈ以上であるか否かが判定される。閾値温度Ｔａｔｈは、車種毎に適切な値に設定されるが、例えば、０［℃］〜１０［℃］程度以下の値に設定される。
【０１３８】
外気温度Ｔａが低い程、再起動時に暖機等のためにエネルギが必要となるので、外気温度Ｔａが閾値温度Ｔａｔｈ以上に高い温度であることを、この第３実施例に係る直結制御の前提条件とする。
【０１３９】
ステップＳ１０１の判定が肯定的であるとき、ステップＳ１０２において、モータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］を含むシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐ［Ｗ］（図１３参照）以下であるか否かが判定される。
【０１４０】
システム負荷Ｐｓｙｓ（主にモータ負荷）が高いときには、ＦＣユニット４０だけでシステム負荷Ｐｓｙｓに対応することができず、不足分はバッテリ２０のエネルギにより補うこととなるので、システム負荷Ｐｓｙｓ（主にモータ負荷）が余り高くないことを、この第３実施例に係る直結制御の前提条件とする。
【０１４１】
ステップＳ１０２の判定が肯定的であるとき、ステップＳ１０３において、バッテリ２０の目標ＳＯＣ値であるＳＯＣｔｇｔを、ＦＣユニット４０のセル電圧Ｖｃｅｌｌで酸化還元進行領域Ｒ３の下限電圧ｖ２＝０．８［Ｖ］に対応する閾値ＳＯＣ値であるＳＯＣｔｈ以下になるように制御する。
【０１４２】
具体的には、図２５の特性１８０に示すように、バッテリ電圧Ｖｂａｔを、閾値ＳＯＣｔｈに対応するバッテリ電圧ｖ２×Ｎｆｃより小さくなるＪ領域中に設定する。
【０１４３】
このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、直結状態に制御され、ＦＣユニット４０の目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔがバッテリ電圧Ｖｂａｔに設定される（Ｖｆｃｔｇｔ＝Ｖｂａｔ）。
【０１４４】
次いで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を直結状態に制御した状態において、ステップＳ１０４では、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを通常ストイキ比以下の範囲で可変することで酸素濃度Ｃｏを可変して、ＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。
【０１４５】
なお、ステップＳ１０１又はステップＳ１０２の判定が否定的であるとき、換言すれば、外気温度Ｔａが閾値温度Ｔａｔｈより高いかモータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］が高くて、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐ［Ｗ］より高いときは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が直結制御にされることがなく昇降圧制御（スイッチング制御）とされる。
【０１４６】
この場合、ステップＳ１０５において、バッテリ２０の目標ＳＯＣ値であるＳＯＣｔｇｔを、ＦＣユニット４０のセル電圧Ｖｃｅｌｌで酸化還元進行領域Ｒ３の下限電圧ｖ２＝０．８［Ｖ］に対応する閾値ＳＯＣ値であるＳＯＣｔｈを上回るようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２で制御する。
【０１４７】
具体的には、図２５の特性１８０に示すように、バッテリ電圧Ｖｂａｔを、閾値ＳＯＣｔｈより大きくなるｖ２×Ｎｆｃを上回るＫ領域中に設定する。
【０１４８】
次いで、ステップＳ１０６において、モータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］（モータ負荷）が、ＦＣユニット４０で賄える電力Ｐｆｃｎｏｒｍａｌ［Ｗ］以下であるか否かが判定される。
【０１４９】
ステップＳ１０６の判定が肯定的であるときには、ステップＳ１０７において、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２）に保った状態で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを通常ストイキ比以下の範囲で可変することで酸素濃度Ｃｏを可変して、ＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。
【０１５０】
この場合、ＦＣユニット４０で賄うことができない電力は、バッテリ２０の電力により賄われる。
【０１５１】
なお、ステップＳ１０６の判定が否定的であるとき、通常ストイキ比以下の範囲での酸素濃度Ｃｏの可変制御を停止し、ステップＳ１０８において通常ストイキ比としてＦＣユニット４０を制御するとともに、ＦＣユニット４０で賄うことができない電力は、バッテリ２０の電力により賄われる。
【０１５２】
図２６は、時点ｔ５１〜ｔ５２近傍まで直結制御とされ、時点ｔ５２近傍〜時点ｔ５３まで非直結制御（ＤＣ／ＤＣコンバータ２２による昇圧制御）とされる場合のタイムチャートを示している。なお、図２６中、ＦＣ電圧Ｖｆｃより下に描いたタイムチャートにおいて、太い破線で示したものは直結制御を行わない場合の従来技術に係る変化特性を示し、太い実線で示したものは、この第３実施例による変化特性を示している。第３実施例のように制御することで、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐより小さい場合には、直結状態となることがわかり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４でのスイッチング損失がゼロ値化される。
【０１５３】
すなわち、ステップＳ１０２の判定（Ｐｓｙｓ≦Ｐｔｈｐ）が否定的となる時点ｔ５２近傍までは、直結フラグＦｄがオン状態（Ｆｄ＝ＯＮ）で且つ低酸素ストイキ可変フラグＦｓ´がオン状態（Ｆｓ´＝ＯＮ）となっている。したがって、ＦＣユニット４０の目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔがバッテリ電圧Ｖｂａｔとされ、ＦＣユニット４０とバッテリ２０とが直結状態（非スイッチング状態）となっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が直結状態とされるのでコンバータ損失を従来技術に比較して小さくすることができる。直結状態でのコンバータ損失は、コンバータ損失≒ダイオード１１４を通過する電流×ダイオード１１４の順方向電圧降下、になる。
【０１５４】
時点ｔ５２近傍でシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値電力Ｐｔｈｐを上回ると、直結状態は解消される。
【０１５５】
［変形例］
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
【０１５６】
例えば、上述した実施例１〜３では、基本的に、システム負荷（システム要求負荷）Ｐｓｙｓに目標発電電力Ｐｆｃｔｇｔが追従する制御としているが、これに限らず、ＦＣスタック４０とバッテリ２０の電力配分を決定して、Ｐｓｙｓ（システム要求電力）←Ｐｆｃｔｇｔ（目標発電電力）＋Ｐｂａｔｔｇｔ（目標バッテリ電力）という形式で制御するようにし、目標発電電力Ｐｆｃｔｇｔに追従するようにエアポンプ６０の回転数Ｎａｐを制御するようにすることもできる。
【０１５７】
また、上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、これに限らず、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を家庭用電力システムに適用してもよい。
【０１５８】
上記実施形態では、ＦＣスタック４０と高電圧バッテリ２０を並列に配置し、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、図２７に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２をＦＣスタック４０の手前に配置する構成であってもよい。あるいは、図２８に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０を並列に配置し、ＦＣスタック４０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ１６０を、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。あるいは、図２９に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０を直列に配置し、バッテリ２０とモータ１４の間にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。
【０１５９】
上記実施形態では、ストイキ比を調整する手段又は方法として、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを調整するものを用いたが、これに限らず、目標水素濃度を調整することも可能である。また、目標濃度の代わりに、目標流量又は目標濃度と目標流量の両方を用いることもできる。
【０１６０】
上記実施形態では、酸素を含む空気を供給するエアポンプ６０を備える構成を例示したが、これに代えて又は加えて、水素を供給する水素ポンプを備える構成としてもよい。
【符号の説明】
【０１６１】
１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…駆動モータ（負荷） １６…インバータ（負荷）
１８…燃料電池ユニット ２０…高電圧バッテリ（蓄電装置）
２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）
２４…ＥＣＵ（制御装置） ３３…負荷
４０…ＦＣスタック ４４…水素タンク
６０…エアポンプ（負荷） ６６…循環弁
８０…ウォータポンプ（負荷） ９０…エアコンディショナ（負荷）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電する燃料電池と、
前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、
蓄電量に応じて出力電圧が変動する蓄電装置と、
前記燃料電池に並列且つ前記蓄電装置に直列に設けられ、前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整手段と、
前記燃料電池の出力電力により駆動される負荷と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記負荷の要求電力を検出するとともに、前記燃料電池、前記ガス供給手段、及び前記電圧調整手段を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、
前記蓄電装置の出力電圧が、前記燃料電池の酸化還元進行電圧範囲外である場合には、前記電圧調整手段を直結状態に制御するとともに、前記燃料電池に供給する酸素又は水素の濃度を前記負荷の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するように前記ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両。
【請求項１】
触媒を有し、前記触媒で酸素又は水素を反応させることで発電する燃料電池と、
前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、前記燃料電池に供給するガス供給手段と、
蓄電量に応じて出力電圧が変動する蓄電装置と、
前記燃料電池に並列且つ前記蓄電装置に直列に設けられ、前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整手段と、
前記燃料電池の出力電力により駆動される負荷と、
を備える燃料電池システムにおいて、
前記負荷の要求電力を検出するとともに、前記燃料電池、前記ガス供給手段、及び前記電圧調整手段を制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、
前記蓄電装置の出力電圧が、前記燃料電池の酸化還元進行電圧範囲外である場合には、前記電圧調整手段を直結状態に制御するとともに、前記燃料電池に供給する酸素又は水素の濃度を前記負荷の要求電力に基づき決定される目標発電電力に追従するように前記ガス供給手段を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両。
【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】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【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】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２０１３−４３８８（Ｐ２０１３−４３８８Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３５９０５（Ｐ２０１１−１３５９０５）
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２０日（２０１１．６．２０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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