燃料電池システム
【課題】燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池の出力制御を柔軟に行うことが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】ＦＣ車両１０の発電制御手段２４は、負荷１４の要求電力が上昇するとき、ＦＣ電流を固定した状態で、ＦＣユニット１８に対する酸素及び水素の少なくとも一方の供給量を増加させ、ＦＣ電圧を酸化還元進行電圧範囲外で増加させることによりＦＣユニット１８の発電量を増加させる発電量増加制御と、負荷１４の要求電力が下降するとき、ＦＣ電流を固定した状態で、ＦＣユニット１８に対する酸素及び水素の少なくとも一方の供給量を減少させ、ＦＣ電圧を前記酸化還元進行電圧範囲外で減少させることによりＦＣユニット１８の発電量を減少させる発電量減少制御との両方を実行する。
【解決手段】ＦＣ車両１０の発電制御手段２４は、負荷１４の要求電力が上昇するとき、ＦＣ電流を固定した状態で、ＦＣユニット１８に対する酸素及び水素の少なくとも一方の供給量を増加させ、ＦＣ電圧を酸化還元進行電圧範囲外で増加させることによりＦＣユニット１８の発電量を増加させる発電量増加制御と、負荷１４の要求電力が下降するとき、ＦＣ電流を固定した状態で、ＦＣユニット１８に対する酸素及び水素の少なくとも一方の供給量を減少させ、ＦＣ電圧を前記酸化還元進行電圧範囲外で減少させることによりＦＣユニット１８の発電量を減少させる発電量減少制御との両方を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池から負荷に対して電力供給を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池車両等に利用される燃料電池の劣化を抑制するために、特定の電圧領域を回避して燃料電池を発電する燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１は、燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持とを実現させることを課題とする（要約、［０００６］）。当該課題を解決するため、特許文献１の燃料電池システム１は、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２への反応ガスの供給流量を制御する流量制御手段６とを備え、第１の運転モードと、この第１の運転モードよりも低効率の第２の運転モードとの間で運転切替えを行う。また、流量制御手段６は、出力制限要求がない場合に、第１の運転モードにおいて燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように反応ガスの供給流量を制御する一方、出力制限要求がある場合にのみ、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧以下に維持しながら第１の運転モードから第２の運転モードへの運転切替を行うように反応ガスの供給流量を制御する（要約）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５７４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、特許文献１の第１の運転モードでは、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように反応ガスの供給流量を制御する。当該制御では、燃料電池２の低出力状態が続く場合、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧で維持することが必要となる（図２及び図３参照）。出力電圧が高電位回避電圧である状態が維持される場合、高電位回避電圧の設定によっては、燃料電池２の劣化が比較的に進行するおそれがある。
【０００６】
また、例えば、モータの使用状況によっては、燃料電池の出力電流を一定にすることが必要となる場合があり得る。しかし、特許文献１の制御では、出力電圧が高電位回避電圧である状態を継続しつつ、燃料電池の発電電力を維持するためには、出力電流を減少させる必要が生じ、そのような場合に対応できない。
【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、燃料電池の出力制御を柔軟に行うことが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】
【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、前記燃料電池の出力電圧を制御する電圧制御手段と、前記燃料電池の発電電力により駆動する負荷と、前記燃料電池の発電量を制御する発電制御手段とを有するものであって、前記発電制御手段は、前記負荷の要求電力が上昇するとき、前記燃料電池の出力電流を固定した状態で、前記燃料電池に対する前記酸素及び前記水素の少なくとも一方の供給量を増加させ、前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外で増加させることにより前記燃料電池の発電量を増加させる発電量増加制御と、前記負荷の要求電力が下降するとき、前記燃料電池の出力電流を固定した状態で、前記燃料電池に対する前記酸素及び前記水素の少なくとも一方の供給量を減少させ、前記燃料電池の出力電圧を前記酸化還元進行電圧範囲外で減少させることにより前記燃料電池の発電量を減少させる発電量減少制御との両方を実行することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池の出力制御を柔軟に行うことが可能となる。
【００１０】
すなわち、発電量増加制御及び発電量減少制御のいずれにおいても、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外で変化させる。このため、燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内となることによる劣化を防止することができる。また、発電量増加制御及び発電量減少制御のいずれにおいても、燃料電池の出力電流を固定した状態で、酸素及び水素の少なくとも一方の供給量と燃料電池の出力電圧を変化させる。これにより、例えば、燃料電池の出力が低い場合でも、燃料電池の出力電圧を変化させることが可能になるため、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲近傍に固定する場合と比べて、燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲から遠ざかる程度及び頻度を上げることが可能となる。従って、燃料電池の劣化を好適に抑制することが可能となる。また、燃料電池の出力電流を固定した状態で燃料電池の発電量を変化させるため、負荷に供給する電流を一定にしつつ負荷の大きさを変化させたい場合に好適に用いることができる。
【００１１】
前記燃料電池システムは、車両に搭載され、さらに、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の出力をアシストする蓄電装置を備え、前記ガス供給手段は、エア供給配管を介して前記燃料電池にエアを供給するエアポンプと、エア排出配管から分岐して前記エアポンプの上流側で前記エア供給配管に連通し、前記燃料電池から排出されたエアオフガスを前記エア供給配管に還流させるエア還流配管と、前記エア還流配管における前記エアオフガスの還流量を調整する調整装置とを備え、前記制御手段は、前記車両が所定の低負荷状態である場合に、前記エアポンプの駆動量を一定としつつ、前記調整装置を制御して前記エアオフガスの還流量を調整して前記発電量増加制御及び前記発電量減少制御を行ってもよい。
【００１２】
この発明によれば、車両が所定の低負荷状態である場合に、エアポンプの駆動量を一定とする。このため、低負荷状態において蓄電装置の蓄電量が設定上限値に到達したことに伴ってエアポンプが停止することにより、エアポンプの出力音が不意に変化すること等がない。従って、低負荷状態におけるエアポンプの出力音について搭乗者に違和感を与えることなく、蓄電装置の蓄電量を適切に保つことが可能となる。
【００１３】
また、単にエアポンプの駆動量を一定とするだけでなく、調整装置を制御してエアオフガスの還流量を調整する。エアオフガスは酸素濃度が低いため、エアオフガスの還流量を多くすると、燃料電池内部で生成される水分が少なくなり、燃料電池内部が乾燥状態になる。燃料電池内部が乾燥状態になると燃料電池の劣化が促進されるおそれがある。その一方、エアオフガスは、水分を生成する燃料電池の内部を通過したものであるため、相対的に水分を多く含んでいる。このため、エアオフガスの還流量を調整することにより、燃料電池の電解質膜を良好に加湿することが可能となり、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１４】
さらに、上記のような効果を得つつ、所定の低負荷状態に応じて燃料電池の発電電流を小さくすることにより、蓄電装置の蓄電量を管理すること（例えば、蓄電量の設定上限値を超えないように制御することや不要な充電を避けること）が可能となる。
【００１５】
前記発電量増加制御及び前記発電量減少制御のうち少なくともいずれかの実行中は前記燃料電池の出力電圧の変化速度を制限してもよい。燃料電池の出力電圧を急激に変化させると、燃料電池が劣化することがあるが、上記構成によれば、出力電圧の急激な変動を抑制することができるため、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池の出力制御を柔軟に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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図である。
【図５】電子制御装置（ＥＣＵ）における基本的な制御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位とセルの劣化量との関係の一例を示す図である。
【図９】燃料電池セルの電位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】前記実施形態における複数の電力供給モードの説明図である。
【図１１】前記ＥＣＵが、前記燃料電池車両のエネルギマネジメントを行うフローチャートである。
【図１２】バッテリのＳＯＣ、充放電係数及び平均回生電力の関係を示す図である。
【図１３】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１４】図１４Ａは、第２モードにおける燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）の関係を示す図であり、図１４Ｂは、第２モードにおけるＦＣ電流と燃料電池の発電電力（ＦＣ電力）の関係を示す図である。
【図１５】第２モードのフローチャートである。
【図１６】第２モードにおける燃料電池の目標出力電圧（目標ＦＣ電圧）と目標酸素濃度との関係を示す図である。
【図１７】第２モードにおける目標酸素濃度及び目標ＦＣ電圧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１８】第２モードにおける目標酸素濃度及び目標ＦＣ電圧と目標背圧弁開度との関係を示す図である。
【図１９】第２モードにおける目標ＦＣ電圧と空気流量との関係を示す図である。
【図２０】第２モードにおける循環弁の開度と循環ガス流量との関係を示す図である。
【図２１】モータのトルク制御のフローチャートである。
【図２２】図２２Ａは、本実施形態に係る制御（第２モード）及び比較例に係る制御におけるＦＣ電流とＦＣ電圧の関係を示す図であり、図２２Ｂは、本実施形態に係る制御（第２モード）及び比較例に係る制御におけるＦＣ電流とＦＣ電力の関係を示す図である。
【図２３】前記実施形態に係る燃料電池車両の第１変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２４】前記実施形態に係る燃料電池車両の第２変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２５】前記実施形態に係る燃料電池車両の第３変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２６】目標エアポンプ回転数を一定とし、目標循環弁開度を可変とする第２モードの変形例に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．全体的な構成の説明
［１−１．全体構成］
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」又は「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、走行モータ１４（以下「モータ１４」という。）と、インバータ１６とを有する。
【００１９】
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と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）とを有する。
【００２０】
［１−２．駆動系］
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）。
【００２１】
インバータ１６は、３相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、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。
【００２２】
なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０という。負荷３０には、後述するエアポンプ６０、ウォータポンプ８０、エアコンディショナ９０等の構成要素を含めることもできる。
【００２３】
［１−３．ＦＣ系］
（１−３−１．全体構成）
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と、ＦＣスタック４０を冷却する冷却系と、セル電圧モニタ４２とを備える。
【００２４】
（１−３−２．ＦＣスタック４０）
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。
【００２５】
（１−３−３．アノード系）
アノード系は、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及び配管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の水素は、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により開とされる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
配管４８ｂの一部は、配管５０ａ、パージ弁５０及び配管５０ｂを介して、後記する配管６４ｂに設けられた希釈ボックス５４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、開となる。希釈ボックス５４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する。
【００３１】
（１−３−４．カソード系）
カソード系は、エアポンプ６０、加湿器６２、背圧弁６４、循環弁６６、流量センサ６８、７０及び温度センサ７２を有する。
【００３２】
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）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。
【００３３】
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の間で水分交換させ、カソード流路７４に向かう空気を加湿する。
【００３４】
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及び配管６４ｂ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、車外に排出される。
【００３５】
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によって制御されることで、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。
【００３６】
配管６４ｂは、配管６６ａ、循環弁６６及び配管６６ｂを介して、エアポンプ６０の上流側の配管６０ａに接続されている。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。
【００３７】
循環弁６６は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ２４によって制御されることで循環ガスの流量を制御する。
【００３８】
流量センサ６８は、配管６０ｂに取り付けられ、カソード流路７４に向かう空気の流量［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ２４に出力する。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。
【００３９】
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。ここで、循環ガスの温度は、カソードオフガスの温度と略等しいため、温度センサ７２の検出するカソードオフガスの温度に基づいて、循環ガスの温度を検知することができる。
【００４０】
（１−３−５．冷却系）
冷却系は、ウォータポンプ８０及び図示しないラジエータ、ラジエータファン等を有する。ウォータポンプ８０は、ＦＣ４０内に冷却水（冷媒）を循環させることでＦＣ４０を冷却する。ＦＣ４０を冷却して温度が上昇した冷却水は、前記ラジエータファンによる送風を受ける前記ラジエータで放熱される。
【００４１】
（１−３−６．セル電圧モニタ４２）
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セル電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ２４に出力する。
【００４２】
（１−３−７．電力系）
図２に示すように、ＦＣ４０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）とＤＣ／ＤＣコンバータ２２及び高電圧バッテリ２０（充電時）とに加え、前記エアポンプ６０、前記ウォータポンプ８０、前記エアコンディショナ９０、ダウンバータ９２（降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ）、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、図１に示すように、ＦＣユニット１８（ＦＣ４０）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、ＦＣ４０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、ＦＣ４０の発電電流（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。
【００４３】
［１−４．高電圧バッテリ２０］
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、ニッケル水素二次電池又はキャパシタ等を利用することができる。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」という。）［Ｖ］は、電圧センサ１０４（図２）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」という。）［Ａ］は、電流センサ１０６により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。ＥＣＵ２４は、バッテリ電圧Ｖｂａｔとバッテリ電流Ｉｂａｔとに基づいて、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］を算出する。
【００４４】
［１−５．ＤＣ／ＤＣコンバータ２２］
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Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。
【００４５】
図４には、本実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の詳細が示されている。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３０とＦＣ４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。
【００４６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［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。
【００４７】
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。
【００４８】
相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子１１２と逆並列ダイオード１１４）と下アーム素子（下アームスイッチング素子１１６と逆並列ダイオード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。
【００４９】
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、エネルギーを蓄積及び放出する作用を有する。
【００５０】
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、ゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりオンにされる。
【００５１】
なお、ＥＣＵ２４は、１次側の平滑コンデンサ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次側の電流（１次電流Ｉ１）［Ａ］を検出する。また、ＥＣＵ２４は、２次側の平滑コンデンサ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次側の電流（２次電流Ｉ２）［Ａ］を検出する。
【００５２】
［１−６．ＥＣＵ２４］
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、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２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、７０、温度センサ７２、電圧センサ１００、１０４、１２０、１２６、電流センサ１０２、１０６、１２４、１３０等の各種センサの検出値を用いる。
【００５３】
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及びモータ回転数センサ１５２（以下「回転数センサ１５２」という。）（図１）が含まれる。開度センサ１５０は、アクセルペダル１５４の開度θｐ［度］を検出する。回転数センサ１５２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍ」又は「回転数Ｎｍ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。ＥＣＵ２４は、回転数Ｎｍを用いてＦＣ車両１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ１５６（以下「メインＳＷ１５６」という。）が接続される。メインＳＷ１５６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である。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
２．本実施形態の制御
次に、ＥＣＵ２４における制御について説明する。
【００５７】
［２−１．基本制御］
図５には、ＥＣＵ２４における基本的な制御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ＳＷ１５６がオンであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５６がオンでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。メインＳＷ１５６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）［Ｗ］を計算する。
【００５８】
ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、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、主として、ＦＣ４０の発電量（ＦＣ電力Ｐｆｃ）及びバッテリ２０の出力（バッテリ電力Ｐｂａｔ）を算出する処理であり、ＦＣスタック４０の劣化を抑制しつつ、ＦＣシステム１２全体の出力を効率化することを企図している。
【００５９】
ステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、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、循環弁６６及びウォータポンプ８０の制御（ＦＣ発電制御）を行う。ステップＳ５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制御を行う。
【００６０】
ステップＳ６において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１５６がオフであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５６がオフでない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。メインＳＷ１５６がオフである場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、今回の処理を終了する。
【００６１】
［２−２．システム負荷Ｐｓｙｓの計算］
図６には、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１５４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を読み込む。
【００６２】
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に示すマップにおいて、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１６０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１６２、１６４、１６６、１６８、１７０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。
【００６３】
ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４は、各補機から現在の動作状況を読み込む。ここでの補機には、例えば、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。
【００６４】
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。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の和を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）として算出する。
【００６５】
［２−３．エネルギマネジメント］
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全体の出力を効率化することを企図している。
【００６６】
（２−３−１．前提事項）
図８は、ＦＣスタック４０を構成するＦＣセルの電位（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１８０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。
【００６７】
図８において、電位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。電位ｖ１から電位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「白金還元領域Ｒ２」又は「還元領域Ｒ２」という。）である。
【００６８】
電位ｖ２から電位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「酸化還元領域Ｒ３」という。）である。電位ｖ３から電位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「酸化領域Ｒ４」という。）である。電位ｖ４からＯＣＶ（開回路電圧）までは、セルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域（以下「カーボン酸化領域Ｒ５」という。）である。
【００６９】
上記のように、図８では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金還元領域Ｒ２又は白金酸化安定領域Ｒ４にあれば、隣り合う領域と比較して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、又はカーボン酸化領域Ｒ５にあれば、隣り合う領域と比較してＦＣセルの劣化の進行度合が大きい。
【００７０】
なお、図８では、曲線１８０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１８０は変化する。
【００７１】
図９には、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、曲線１９０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、曲線１９２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、必ずしも各電位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位ｖ１〜ｖ４は変化し得る。このため、電位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。
【００７２】
また、ＦＣセルの電流−電圧（ＩＶ）特性は、一般的な燃料電池セルと同様、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する（図１０参照）。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。
【００７３】
以上を踏まえ、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、電圧変換動作を行っている際、ＦＣスタック４０の目標電圧（目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）［Ｖ］を、主として、白金還元領域Ｒ２内に設定しつつ、必要に応じて白金酸化安定領域Ｒ４内に設定する（具体例は、図１０等を用いて説明する。）。このような目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔの切替えを行うことにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃが、領域Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５（特に、白金酸化還元進行領域Ｒ３）内にある時間を極力短縮し、ＦＣスタック４０の劣化を防止することができる。
【００７４】
なお、上記の処理では、ＦＣスタック４０の供給電力（ＦＣ電力Ｐｆｃ）と、システム負荷Ｐｓｙｓが等しくならない場合が存在する。この点、ＦＣ電力Ｐｆｃがシステム負荷Ｐｓｙｓを下回っている場合、その不足分は、バッテリ２０から供給する。また、ＦＣ電力Ｐｆｃがシステム負荷Ｐｓｙｓを上回っている場合、その余剰分は、バッテリ２０に充電する。
【００７５】
なお、図８では、電位ｖ１〜ｖ４を具体的な数値として特定したが、これは、後述する制御を行うためであり、当該数値は、あくまで制御の便宜を考慮して決定するものである。換言すると、曲線１８０からもわかるように、劣化量Ｄは連続的に変化するため、制御の仕様に応じて、電位ｖ１〜ｖ４は、適宜設定することができる。
【００７６】
但し、白金還元領域Ｒ２は、曲線１８０の極小値（第１極小値Ｖｌｍｉ１）を含む。白金酸化還元進行領域Ｒ３では、曲線１８０の極大値（極大値Ｖｌｍｘ）を含む。白金酸化安定領域Ｒ４は、曲線１８０の別の極小値（第２極小値Ｖｌｍｉ２）を含む。
【００７７】
（２−３−２．エネルギマネジメントで用いる電力供給モード）
図１０は、本実施形態における複数の電力供給モードの説明図である。本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給の制御方法（電力供給モード）として、２つの制御方法（電力供給モード）を用いる。すなわち、本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給モード（動作モード）として、第１モードと第２モードを切り替えて用いる。第１モードは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ及びＦＣ電流Ｉｆｃ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）がいずれも可変である電圧可変・電流可変制御（電圧可変・出力可変制御）である。第２モードは、ＦＣ電流Ｉｆｃ（目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）が一定であり目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）が可変である電圧可変・電流固定制御（電流固定・出力可変制御）である。
【００７８】
第１モード（電圧可変・電流可変制御）は、主として、システム負荷Ｐｓｙｓ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を固定（或いは、酸素を豊潤な状態に維持）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。これにより、基本的に、ＦＣ電力Ｐｆｃによりシステム負荷Ｐｓｙｓをまかなうことが可能となる。
【００７９】
第２モード（電圧可変・電流固定制御）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ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを固定した状態で、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数）を、酸化還元領域Ｒ３よりも低い電位以下で設定された基準電位｛本実施形態では、電位ｖ２（＝０．８Ｖ）｝以下の範囲内で可変とすると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電力Ｐｆｃを可変とする。これにより、基本的に、ＦＣ電力Ｐｆｃによりシステム負荷Ｐｓｙｓをまかなうことが可能となる（詳細は後述する。）。ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。
【００８０】
（２−３−３．エネルギマネジメントの全体フロー）
図１１には、ＥＣＵ２４が、ＦＣシステム１２のエネルギマネジメント（図５のＳ３）を行うフローチャートが示されている。ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅを算出する。システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅは、ステップＳ２で計算したシステム負荷Ｐｓｙｓの移動平均である。
【００８１】
ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、充放電係数αを算出する。充放電係数αは、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅに乗算してＦＣ電力Ｐｆｃの目標値（目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ）を算出するための係数であり、バッテリ２０のＳＯＣとモータ１４の回生電力Ｐｒｅｇの平均値（以下「平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅ」という。）とに応じて設定される。平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅは、所定期間内に得られた回生電力Ｐｒｅｇの平均値である。
【００８２】
図１２は、ＳＯＣ、充放電係数α及び平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅの関係を示すマップである。図１２の例では、目標ＳＯＣを５０％に設定しており、ＳＯＣが５０％を上回るとき（十分な充電状態にあるとき）、充放電係数αが１未満とされる。これにより、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅに１未満の乗数を掛けることで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを小さくし、バッテリ２０の余分なＳＯＣを消費することが可能となる。また、ＳＯＣが５０％を下回るとき（充電を要するとき）、充放電係数αを１より大きくする。これにより、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅに１を超える乗数を掛けることで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを大きくし、ＳＯＣの不足分を補うことが可能となる。
【００８３】
また、図１２の例では、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅに応じてＳＯＣと充放電係数αの関係を切り替える。すなわち、図１２に示すように、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅが低い場合（回生電力Ｐｒｅｇが得難い環境にあるとき）、回生電力Ｐｒｅｇをあまり見込めない分、ＳＯＣが５０％を上回る範囲では充放電係数αを相対的に大きくし、ＳＯＣが５０％を下回る範囲では充放電係数αを相対的に１から遠い値とする。一方、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅが高い場合（回生電力Ｐｒｅｇを得易い環境にあるとき）、回生電力Ｐｒｅｇをより多く見込める分、ＳＯＣが５０％を上回る範囲では充放電係数αを相対的に小さくし、ＳＯＣが５０％を下回る範囲では充放電係数αを１に近づける。なお、目標ＳＯＣは、５０％以外の値に設定してもよい。また、図１２のマップは、例えば、実測値、シミュレーション値を用いることができる。
【００８４】
図１１に戻り、ステップＳ２３において、ＥＣＵ２４は、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅに充放電係数αを乗算して目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを算出する。
【００８５】
ステップＳ２４において、ＥＣＵ２４は、車両１０又はＦＣ４０が高負荷状態であるか否か（又は低負荷状態でないか否か）を判定する。具体的には、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２３で計算した目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが、高負荷を判定するための閾値Ｐｔｈｐ以上であるか否かを判定する。ここにいう高負荷とは、例えば、酸素が豊潤な状態とし且つセル電圧Ｖｃｅｌｌを還元領域Ｒ２内の値にして（ＦＣ電圧Ｖｆｃを還元領域Ｒ２内の値×セル数にして）ＦＣ４０を発電させた際に得られるＦＣ電力Ｐｆｃを意味する。
【００８６】
目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値Ｐｔｈｐ以上である場合、車両１０又はＦＣ４０が高負荷状態であり、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値Ｐｔｈｐ以上でない場合、車両１０又はＦＣ４０は高負荷状態ではない。なお、高負荷状態の判定は、その他の方法によって行ってもよい。例えば、車速Ｖが、高負荷を判定するための閾値ＴＨＶ以上であるか否かにより高負荷状態を判定することもできる。或いは、車両１０の加速度（車速Ｖの変化量）が、高負荷を判定するための閾値以上であるか否かにより高負荷状態を判定してもよい。或いは、モータ１４のトルクが、高負荷を判定するための閾値以上であるか否かにより高負荷状態を判定してもよい。
【００８７】
車両１０又はＦＣ４０が高負荷状態である場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、ステップＳ２５において、ＥＣＵ２４は、第１モード（電圧可変・電流可変制御）を行う（詳細は後述する）。車両１０が高負荷状態でない場合（Ｓ２４：ＮＯ）、ステップＳ２６において、ＥＣＵ２４は、第２モード（電圧可変・電流固定制御）を行う（詳細は図１４Ａ等を参照して後述する。）。
【００８８】
（２−３−４．第１モード）
上記のように、第１モードは、主として、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ（又はシステム負荷Ｐｓｙｓ）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を固定（或いは、酸素を豊潤な状態に維持）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。
【００８９】
すなわち、図１０に示すように、第１モードでは、ＦＣ４０の電流−電圧特性（ＩＶ特性）が通常のもの（図１０中、実線で表されるもの）を用いる。通常の燃料電池と同様、ＦＣ４０のＩＶ特性は、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）が低くなるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）が大きくなる。このため、第１モードでは、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。
【００９０】
なお、酸素が豊潤な状態にあるとは、例えば、図１３に示すように、カソードストイキ比を上昇させても、セル電流Ｉｃｅｌｌが略一定となり、実質的に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。水素が豊潤であるという場合も、同様である。なお、カソードストイキ比とは、カソード流路７４に供給するエアの流量／ＦＣ４０の発電により消費されたエアの流量であり、カソード流路７４における酸素濃度Ｃｏに近似する。また、カソードストイキ比の調整は、例えば、酸素濃度Ｃｏの制御により行う。
【００９１】
以上のような第１モードによれば、車両１０又はＦＣ４０が高負荷であっても、基本的に目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ（又はシステム負荷Ｐｓｙｓ）の全てをＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなうことが可能となる。
【００９２】
（２−３−５．第２モードの全体）
上記のように、第２モードは、主として、車両１０又はＦＣ４０が相対的に低負荷のときに用いられるものであり、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを固定した状態で、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数）を、酸化還元領域Ｒ３よりも低い電位以下で設定された基準電位｛本実施形態では、電位ｖ２（＝０．８Ｖ）｝以下の範囲内で可変とすると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電力Ｐｆｃを可変とする。
【００９３】
すなわち、図１０に示すように、第２モードでは、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）を一定に保った状態で、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を下げると共に目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを下げていくことで酸素濃度Ｃｏを下げる。
【００９４】
図１４Ａは、第２モードにおけるＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ電圧Ｖｆｃの関係を示す図であり、図１４Ｂは、第２モードにおけるＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ電力Ｐｆｃの関係を示す図である。
【００９５】
図１４Ａ及び図１４Ｂにおいて、実線は、酸素濃度Ｃｏが通常であるときの電流−電圧（ＩＶ）特性であり、破線は、酸素濃度Ｃｏを通常よりも５０％減少させたときのＩＶ特性であり、一点鎖線は、酸素濃度Ｃｏを通常よりも７５％減少させたときのＩＶ特性であり、二点鎖線は、酸素濃度Ｃｏを通常よりも９０％減少させたときのＩＶ特性である。
【００９６】
図１４Ａに示すように、酸素濃度Ｃｏを下げつつＦＣ電圧Ｖｆｃを下げれば、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定にすることが可能である。すなわち、図１３に示すように、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）も低下するが、本実施形態では、酸素濃度Ｃｏを下げる際にＦＣ電圧Ｖｆｃをも下げる。図１４Ａに示すように、酸素濃度Ｃｏが一定であれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃを下げるとＦＣ電流Ｉｆｃは増加する。このため、酸素濃度Ｃｏを低下させることによるＦＣ電流Ｉｆｃの減少分を、ＦＣ電圧Ｖｆｃを低下させることによるＦＣ電流Ｉｆｃの増加分で相殺させることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定に保つことができる。なお、ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。
【００９７】
また、ＦＣ電力ＰｆｃをＦＣ電圧ＶｆｃとＦＣ電流Ｉｆｃの積とする場合、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定としつつ、ＦＣ電圧Ｖｆｃを可変とすれば、ＦＣ電力Ｐｆｃを可変とすることができる。
【００９８】
図１５には、第２モードのフローチャートが示されている。ステップＳ３１において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを固定する。本実施形態では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが電位ｖ２（＝０．８Ｖ）であり（換言すると、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電位ｖ２×セル数であり）且つ酸素濃度Ｃｏが通常であるときにおけるＦＣ電流Ｉｆｃ（図１０参照）を目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに設定する。目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔは、その他の値に設定してもよい。
【００９９】
ステップＳ３２において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを算出する。上記のように、ＦＣ電力ＰｆｃをＦＣ電圧ＶｆｃとＦＣ電流Ｉｆｃの積とする場合、ＦＣ電流Ｉｆｃが決まれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃも決めることができる。すなわち、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔは、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔで割った商とすることが可能である（Ｖｆｃｔｇｔ←Ｐｆｃｔｇｔ／Ｉｆｃｔｇｔ）。
【０１００】
但し、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変化が大きい場合、ＦＣ４０の劣化量が大きくなってしまう。そこで、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔの単位時間当たりの変化量（以下「電圧変化量ΔＶｆｃｔｇｔ」という。）に制限（以下「レートリミット制御」という。）を設けることができる。レートリミット制御では、例えば、１回の演算周期における電圧変化量ΔＶｆｃｔｇｔの許容値を設定し、電圧変化量ΔＶｆｃｔｇｔが許容値を超える場合、当該許容値までの変化しか認めない。
【０１０１】
ステップＳ３３において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔに対応する目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを算出する（図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１６参照）。なお、図１６は、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔと目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔとの関係を示す。
【０１０２】
ステップＳ３４において、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。）、背圧弁６４の開度（以下「背圧弁開度θｂｐ」又は「開度θｂｐ」という。）及び循環弁６６の開度（以下「循環弁開度θｃ」又は「開度θｃ」という。）が含まれる。
【０１０３】
すなわち、図１７及び図１８に示すように、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔ（又は目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）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。また、循環弁６６の目標開度θｃｔｇｔは、初期値（例えば、循環ガスがゼロとなる開度）に設定される。なお、後述するように、目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔは、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔ（又は目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）にかかわらず一定とし、循環弁６６の目標開度θｃｔｇｔを調整することで酸素濃度Ｃｏを可変とすることもできる。
【０１０４】
ステップＳ３５において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ４０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）｝、ＦＣ４０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。
【０１０５】
発電が安定している場合（Ｓ３５：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ３５：ＮＯ）、ステップＳ３６において、ＥＣＵ２４は、流量センサ７０を介して循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を監視しながら、循環弁６６の開度θｃを大きくし、流量Ｑｃを一段階増加する（図１９参照）。なお、図１９では、循環弁６６を全開とした場合、流量Ｑｃが４段階目の増加となり、最大流量となる場合を例示している。
【０１０６】
但し、循環弁６６の開度θｃが増加すると、エアポンプ６０に吸気される吸気ガスにおいて、循環ガスの割合が増加する。すなわち、吸気ガスについて、新規空気（車外から吸気される空気）と、循環ガスとの割合において、循環ガスの割合が増加するように変化する。従って、全単セルへの酸素の分配能力が向上する。ここで、循環ガス（カソードオフガス）の酸素濃度Ｃｏは、新規空気の酸素濃度Ｃｏに対して低い。このため、循環弁６６の開度θｃの制御前後において、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐ及び背圧弁６４の開度θｂｐが同一である場合、カソード流路７４を通流するガスの酸素濃度Ｃｏが低下することになる。
【０１０７】
そこで、ステップＳ３６では、ステップＳ３３で算出した目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが維持されるように、循環ガスの流量Ｑｃの増加に連動して、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実行することが好ましい。
【０１０８】
例えば、循環ガスの流量Ｑｃを増加した場合、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐを増加させ、新規空気の流量を増加することが好ましい。そして、このようにすれば、カソード流路７４に向かうガス（新規空気と循環ガスとの混合ガス）全体の流量が増加するので、全単セルへの酸素の分配能力がさらに向上し、ＦＣ４０の発電性能が回復し易くなる。
【０１０９】
このようにして、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを維持しつつ、循環ガスを新規空気に合流させるので、カソード流路７４を通流するガスの体積流量［Ｌ／ｓ］が増加する。これにより、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが維持されつつ体積流量の増加したガスが、ＦＣ４０内で複雑に形成されたカソード流路７４全体に行き渡り易くなる。したがって、各単セルに前記ガスが同様に供給され易くなり、ＦＣ４０の発電の不安定が解消され易くなる。また、ＭＥＡ（膜電極接合体）の表面やカソード流路７４を囲む壁面に付着する水滴（凝縮水等）も除去され易くなる。
【０１１０】
ステップＳ３７において、ＥＣＵ２４は、流量センサ７０を介して検出される循環ガスの流量Ｑｃが上限値以上であるか否か判定する。判定基準となる上限値は、循環弁６６の開度θｃが全開となる値に設定される。
【０１１１】
この場合において、循環弁開度θｃが同一であっても、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐが増加すると、流量センサ７０で検出される循環ガスの流量Ｑｃが増加するので、前記上限値は、エアポンプ回転数Ｎａｐに関連付けて、つまり、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐが大きくなると、前記上限値が大きくなるように設定されることが好ましい。
【０１１２】
循環ガスの流量Ｑｃが上限値以上でないと判定した場合（Ｓ３７：ＮＯ）、ステップＳ３５に戻る。循環ガスの流量Ｑｃが上限値以上であると判定した場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ３８に進む。
【０１１３】
ここで、ステップＳ３６、Ｓ３７では、流量センサ７０が直接検出する循環ガスの流量Ｑｃに基づいて処理を実行したが、循環弁開度θｃに基づいて処理を実行してもよい。すなわち、ステップＳ３６において、循環弁開度θｃを開方向に一段階（例えば３０°）にて増加する構成とし、ステップＳ３７において、循環弁６６が全開である場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ３８に進む構成としてもよい。
【０１１４】
また、この場合において、循環弁６６の開度θｃと、循環ガスの温度と、図２０のマップとに基づいて、循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を算出することもできる。図２０に示すように、循環ガスの温度が高くなるにつれて、その密度が小さくなるので、流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］が小さくなる関係となっている。
【０１１５】
ステップＳ３８において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ３５と同様に、発電が安定しているか否かを判定する。発電が安定している場合（Ｓ３８：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ３８：ＮＯ）、ステップＳ３９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。
【０１１６】
ステップＳ４０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Ｃｏｔｇｔ（通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ）以下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以下である場合（Ｓ４０：ＹＥＳ）、ステップＳ３８に戻る。目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ以下でない場合（Ｓ４０：ＮＯ）、ステップＳ４１において、ＥＣＵ２４は、ＦＣユニット１８を停止する。すなわち、ＥＣＵ２４は、ＦＣ４０への水素及び空気の供給を停止し、ＦＣ４０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ＦＣ４０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。
【０１１７】
以上のような第２モードによれば、車両１０又はＦＣ４０が低負荷である場合に、ＦＣ電流Ｉｆｃ（目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）を一定にした状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及び酸素濃度Ｃｏ（カソードストイキ比）を調整することにより、基本的に目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ（又はシステム負荷Ｐｓｙｓ）の全てをＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなうことが可能となる。
【０１１８】
［２−４．ＦＣ発電制御］
上記のように、ＦＣ発電制御（図５のＳ４）として、ＥＣＵ２４は、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、循環弁６６及びウォータポンプ８０を制御する。具体的には、ＥＣＵ２４は、エネルギマネジメント（図５のＳ３）で算出したこれらの機器の指令値（例えば、図１５のＳ３４）を用いてこれらの機器を制御する。
【０１１９】
［２−５．モータ１４のトルク制御］
図２１には、モータ１４のトルク制御（図５のＳ５）のフローチャートが示されている。ステップＳ５１において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１５２からモータ回転数Ｎｍを読み込む。ステップＳ５２において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１５０からアクセルペダル１５４の開度θｐを読み込む。
【０１２０】
ステップＳ５３において、ＥＣＵ２４は、モータ回転数Ｎｍ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回転数Ｎｍ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、回転数Ｎｍ及び開度θｐとに基づいて仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐを算出する。
【０１２１】
ステップＳ５４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）。
【０１２２】
ステップＳ５５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Ｖで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｍ＿ｌｉｍ／Ｖ）。
【０１２３】
一方、ステップＳ５４において、ＥＣＵ２４は、モータ１４が回生中であると判定した場合には、限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍを算出する。限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍは、バッテリ２０に充電可能な電力の限界値（限界充電Ｐｂａｔ＿ｃｈｇｌｉｍ）とＦＣスタック４０からのＦＣ電力Ｐｆｃとの和から補機の消費電力Ｐａを引いたものである（Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍ＝Ｐｂａｔ＿ｃｈｇｌｉｍ＋Ｐｆｃ−Ｐａ）。回生中である場合、ステップＳ５５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４の回生トルク制限値Ｔｒｅｇｌｉｍ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍを車速Ｖｓで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍ／Ｖｓ）。
【０１２４】
ステップＳ５６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）。
【０１２５】
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。
【０１２６】
３．比較例との比較
図２２Ａは、本実施形態に係る制御（第２モード）及び比較例に係る制御におけるＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ電圧Ｖｆｃの関係を示す図であり、図２２Ｂは、本実施形態に係る制御（第２モード）及び比較例に係る制御におけるＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ電力Ｐｆｃの関係を示す図である。ここでの比較例は、第２モードは用いずに、第１モードのみを用いる。図２２Ａ及び図２２Ｂにおける白抜きの矢印は本実施形態に係るものであり、黒矢印が比較例に係るものである。また、図２２Ａにおいて、地点Ａ１は、開始地点であり、地点Ａ２は、比較例における移動後の地点であり、地点Ａ３は、本実施形態における移動後の地点である。同様に、図２２Ｂにおいて、地点Ｂ１は、開始地点であり、地点Ｂ２は、比較例における移動後の地点であり、地点Ｂ３は、本実施形態における移動後の地点である。
【０１２７】
図２２Ａ及び図２２Ｂからわかるように、比較例では、通常の酸素濃度ＣｏのＩＶ特性を用いてＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＦＣ電流Ｉｆｃが決定される。このため、比較例では、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＦＣ電流Ｉｆｃの両方が可変となる。そして、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、酸化還元進行領域Ｒ３内の値をも取ることとなる。これに対し、本実施形態では、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定としつつ、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及び酸素濃度Ｃｏが決定される。このため、本実施形態では、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、酸化還元進行領域Ｒ３内の値を取ることを避けることが可能となる。
【０１２８】
４．本実施形態の効果
以上説明したように、本実施形態によれば、ＦＣ４０の劣化を防止しつつ、ＦＣ４０の出力制御を柔軟に行うことが可能となる。
【０１２９】
すなわち、第２モードが選択されている場合、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔの増加時及び減少時のいずれにおいても、ＦＣ電圧Ｖｆｃを酸化還元領域Ｒ３外で変化させる。このため、ＦＣ電圧Ｖｆｃが領域Ｒ３内となることによる劣化を防止することができる。また、第２モードが選択されている場合、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔの増加時及び減少時のいずれにおいても、ＦＣ電流Ｉｆｃ（目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）を固定した状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃと酸素濃度Ｃｏを変化させる。これにより、車両１０又はＦＣ４０が低出力である場合でも、ＦＣ電圧Ｖｆｃを変化させることが可能になるため、ＦＣ電圧Ｖｆｃを領域Ｒ３近傍に固定する場合と比べて、ＦＣ電圧Ｖｆｃが領域Ｒ３から遠ざかる程度及び頻度を上げることが可能となる。従って、ＦＣ４０の劣化を好適に抑制することが可能となる。また、ＦＣ電流Ｉｆｃ（目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）を固定した状態でＦＣ電力Ｐｆｃを変化させるため、モータ１４等の負荷に供給する電流を一定にしつつ負荷の大きさを変化させたい場合に好適に用いることができる。
【０１３０】
本実施形態では、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃを演算する際にレートリミット制御を行う。ＦＣ電圧Ｖｆｃを急激に変化させると、ＦＣ４０が劣化することがあるが、上記構成によれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃの急激な変動を抑制することができるため、ＦＣ４０の劣化を抑制することが可能となる。
【０１３１】
５．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。
【０１３２】
［５−１．搭載対象］
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、ＦＣシステム１２を搭載可能なものであれば、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶等の移動体、ロボット、製造装置、家庭用電力システム、家庭用電化製品等に用いることもできる。
【０１３３】
［５−２．ＦＣシステム１２の構成］
上記実施形態では、ＦＣ４０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２３に示すように、ＦＣ４０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ＦＣ４０の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図２４に示すように、ＦＣ４０とバッテリ２０を並列に配置し、ＦＣ４０の手前に昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａ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。或いは、図２５に示すように、ＦＣ４０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。
【０１３４】
［５−３．ストイキ比］
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
上記実施形態では、カソードオフガスを新規空気に合流させる合流流路（配管６６ａ、６６ｂ）と、循環弁６６とを備える構成を例示したが、これに代えて又は加えて、アノード側も同様に構成してもよい。例えば、配管４８ｂに循環弁を設け、この循環弁により、新規水素に合流するアノードオフガスの流量を制御してもよい。
【０１３７】
［５−４．電力供給モード］
上記実施形態では、電力供給モードとして、第１モード及び第２モードを用いたが、第２モードのみを用いてもよい。或いは、第１モード及び第２モードに加え、その他の電力供給モードを設定してもよい。例えば、特許文献１に記載された第１の運転モード及び第２の運転モードのいずれか一方又は両方を組み合わせることもできる。
【０１３８】
第２モードでは、酸素濃度Ｃｏを変化させるために目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔ及び循環弁開度θｃを可変としたが（図１７及び図２０）、ＦＣ電流Ｉｆｃを固定した状態でＦＣ電圧Ｖｆｃ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）を可変とすることができれば、これに限らない。例えば、目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔを一定とし、目標循環弁開度θｃｔｇｔを可変としてもよい。
【０１３９】
図２６には、目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔを一定とし、目標循環弁開度θｃｔｇｔを可変とする第２モード（図１５）の変形例に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの例が示されている。すなわち、本変形例では、図１１のフローチャートを利用しつつ、図１５のステップＳ３４における各部への指令値のうち、目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔを一定とし、目標循環弁開度θｃｔｇｔを目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じて可変とする。また、目標ウォータポンプ回転数Ｎｗｐｔｇｔは、例えば、図１７のような特性により可変とする。目標背圧弁開度θｂｐｔｇｔは、例えば、図１８のような特性により可変とする又は目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔにかかわらず一定とする。
【０１４０】
図２６では、常に、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値Ｐｔｈｐより小さい（図１１のＳ２４：ＮＯ）。このため、本変形例では、常に、第２モードが選択される。
【０１４１】
時点ｔ１から時点ｔ２まで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔは一定である。これに伴い、車速Ｖ、エアポンプ回転数Ｎａｐ、循環弁開度θｃ、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃはいずれも一定である。
【０１４２】
時点ｔ２から時点ｔ３まで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔは増加する。これに伴い、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定にした状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃを増加させると共に、エアポンプ回転数Ｎａｐは一定のまま循環弁開度θｃを下げて（循環弁６６を閉じて）酸素濃度Ｃｏを増加させる。これにより、ＦＣ電力Ｐｆｃが増加し、モータ１４の出力が上昇することで、車速Ｖが増加する。
【０１４３】
時点ｔ３から時点ｔ４まで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔは一定である。これに伴い、車速Ｖ、エアポンプ回転数Ｎａｐ、循環弁開度θｃ、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃはいずれも一定である。
【０１４４】
時点ｔ４から時点ｔ５まで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔは減少する。これに伴い、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定にした状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃを減少させると共に、エアポンプ回転数Ｎａｐは一定のまま循環弁開度θｃを上げて（循環弁６６を開いて）酸素濃度Ｃｏを減少させる。これにより、ＦＣ電力Ｐｆｃが減少し、モータ１４の出力が低下することで、車速Ｖが減少する。
【０１４５】
なお、バッテリＳＯＣは、時点ｔ１から時点ｔ５まで一定である。これは、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ（又はシステム負荷Ｐｓｙｓ）は、全てＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなわれたことを意味する。
【０１４６】
本変形例に係る制御によれば、車両１０が所定の低負荷状態である場合（すなわち、第２モードを選択した場合）に、エアポンプ回転数Ｎａｐを一定とする。このため、低負荷状態においてバッテリＳＯＣが設定上限値に到達したことに伴ってエアポンプ６０が停止することにより、エアポンプ６０の出力音が不意に変化すること等がない。従って、低負荷状態におけるエアポンプ６０の出力音について搭乗者に違和感を与えることなく、バッテリＳＯＣを適切に保つことが可能となる。
【０１４７】
また、単にエアポンプ回転数Ｎａｐを一定とするだけでなく、循環弁６６を制御して循環ガスの流量Ｑｃ（エアオフガスの還流量）を調整する。エアオフガスは酸素濃度Ｃｏが低いため、エアオフガスの還流量Ｑｃを多くすると、ＦＣ４０内部で生成される水分が少なくなり、ＦＣ４０内部が乾燥状態になる。ＦＣ４０内部が乾燥状態になるとＦＣ４０の劣化が促進されるおそれがある。その一方、エアオフガスは、水分を生成するＦＣ４０の内部を通過したものであるため、相対的に水分を多く含んでいる。このため、エアオフガスの還流量Ｑｃを調整することにより、ＦＣ４０の電解質膜を良好に加湿することが可能となり、ＦＣ４０の劣化を抑制することができる。
【０１４８】
さらに、上記のような効果を得つつ、所定の低負荷状態に応じてＦＣ電流Ｉｆｃを小さくすることにより、バッテリＳＯＣを管理すること（例えば、ＳＯＣの設定上限値を超えないように制御することや不要な充電を避けること）が可能となる。
【０１４９】
上記実施形態では、第２モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを還元領域Ｒ２内の値（電位ｖ２（＝０．８Ｖ）×セル数以下）に設定したが、ＦＣ電流Ｉｆｃ（又は目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）を固定した状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及び酸素濃度Ｃｏを可変とすることによりＦＣ電力Ｐｆｃを調整するものであれば、これに限らない。例えば、第２モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを酸化領域Ｒ４内の値に設定することもできる。
【符号の説明】
【０１５０】
１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…モータ（負荷） １６…インバータ（負荷）
２０…高電圧バッテリ（蓄電装置）
２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧制御手段）
２４…ＥＣＵ（発電制御手段） ３０…負荷
４０…燃料電池 ６０…エアポンプ（ガス供給手段、負荷）
６０ａ、６０ｂ、６２ａ…配管（エア供給配管）
６２ｂ、６４ａ、６４ｂ…配管（エア排出配管）
６６…循環弁（調整装置） ６６ａ、６６ｂ…配管（エア還流配管）
８０…ウォータポンプ（負荷） ９０…エアコンディショナ（負荷）
９２…ダウンバータ（負荷） ９４…低電圧バッテリ（負荷）
９６…アクセサリ（負荷）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池から負荷に対して電力供給を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池車両等に利用される燃料電池の劣化を抑制するために、特定の電圧領域を回避して燃料電池を発電する燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
【０００３】
特許文献１は、燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持とを実現させることを課題とする（要約、［０００６］）。当該課題を解決するため、特許文献１の燃料電池システム１は、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２への反応ガスの供給流量を制御する流量制御手段６とを備え、第１の運転モードと、この第１の運転モードよりも低効率の第２の運転モードとの間で運転切替えを行う。また、流量制御手段６は、出力制限要求がない場合に、第１の運転モードにおいて燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように反応ガスの供給流量を制御する一方、出力制限要求がある場合にのみ、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧以下に維持しながら第１の運転モードから第２の運転モードへの運転切替を行うように反応ガスの供給流量を制御する（要約）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１５７４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、特許文献１の第１の運転モードでは、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように反応ガスの供給流量を制御する。当該制御では、燃料電池２の低出力状態が続く場合、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧で維持することが必要となる（図２及び図３参照）。出力電圧が高電位回避電圧である状態が維持される場合、高電位回避電圧の設定によっては、燃料電池２の劣化が比較的に進行するおそれがある。
【０００６】
また、例えば、モータの使用状況によっては、燃料電池の出力電流を一定にすることが必要となる場合があり得る。しかし、特許文献１の制御では、出力電圧が高電位回避電圧である状態を継続しつつ、燃料電池の発電電力を維持するためには、出力電流を減少させる必要が生じ、そのような場合に対応できない。
【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、燃料電池の出力制御を柔軟に行うことが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】
【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、前記燃料電池の出力電圧を制御する電圧制御手段と、前記燃料電池の発電電力により駆動する負荷と、前記燃料電池の発電量を制御する発電制御手段とを有するものであって、前記発電制御手段は、前記負荷の要求電力が上昇するとき、前記燃料電池の出力電流を固定した状態で、前記燃料電池に対する前記酸素及び前記水素の少なくとも一方の供給量を増加させ、前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外で増加させることにより前記燃料電池の発電量を増加させる発電量増加制御と、前記負荷の要求電力が下降するとき、前記燃料電池の出力電流を固定した状態で、前記燃料電池に対する前記酸素及び前記水素の少なくとも一方の供給量を減少させ、前記燃料電池の出力電圧を前記酸化還元進行電圧範囲外で減少させることにより前記燃料電池の発電量を減少させる発電量減少制御との両方を実行することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池の出力制御を柔軟に行うことが可能となる。
【００１０】
すなわち、発電量増加制御及び発電量減少制御のいずれにおいても、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外で変化させる。このため、燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内となることによる劣化を防止することができる。また、発電量増加制御及び発電量減少制御のいずれにおいても、燃料電池の出力電流を固定した状態で、酸素及び水素の少なくとも一方の供給量と燃料電池の出力電圧を変化させる。これにより、例えば、燃料電池の出力が低い場合でも、燃料電池の出力電圧を変化させることが可能になるため、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲近傍に固定する場合と比べて、燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲から遠ざかる程度及び頻度を上げることが可能となる。従って、燃料電池の劣化を好適に抑制することが可能となる。また、燃料電池の出力電流を固定した状態で燃料電池の発電量を変化させるため、負荷に供給する電流を一定にしつつ負荷の大きさを変化させたい場合に好適に用いることができる。
【００１１】
前記燃料電池システムは、車両に搭載され、さらに、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の出力をアシストする蓄電装置を備え、前記ガス供給手段は、エア供給配管を介して前記燃料電池にエアを供給するエアポンプと、エア排出配管から分岐して前記エアポンプの上流側で前記エア供給配管に連通し、前記燃料電池から排出されたエアオフガスを前記エア供給配管に還流させるエア還流配管と、前記エア還流配管における前記エアオフガスの還流量を調整する調整装置とを備え、前記制御手段は、前記車両が所定の低負荷状態である場合に、前記エアポンプの駆動量を一定としつつ、前記調整装置を制御して前記エアオフガスの還流量を調整して前記発電量増加制御及び前記発電量減少制御を行ってもよい。
【００１２】
この発明によれば、車両が所定の低負荷状態である場合に、エアポンプの駆動量を一定とする。このため、低負荷状態において蓄電装置の蓄電量が設定上限値に到達したことに伴ってエアポンプが停止することにより、エアポンプの出力音が不意に変化すること等がない。従って、低負荷状態におけるエアポンプの出力音について搭乗者に違和感を与えることなく、蓄電装置の蓄電量を適切に保つことが可能となる。
【００１３】
また、単にエアポンプの駆動量を一定とするだけでなく、調整装置を制御してエアオフガスの還流量を調整する。エアオフガスは酸素濃度が低いため、エアオフガスの還流量を多くすると、燃料電池内部で生成される水分が少なくなり、燃料電池内部が乾燥状態になる。燃料電池内部が乾燥状態になると燃料電池の劣化が促進されるおそれがある。その一方、エアオフガスは、水分を生成する燃料電池の内部を通過したものであるため、相対的に水分を多く含んでいる。このため、エアオフガスの還流量を調整することにより、燃料電池の電解質膜を良好に加湿することが可能となり、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１４】
さらに、上記のような効果を得つつ、所定の低負荷状態に応じて燃料電池の発電電流を小さくすることにより、蓄電装置の蓄電量を管理すること（例えば、蓄電量の設定上限値を超えないように制御することや不要な充電を避けること）が可能となる。
【００１５】
前記発電量増加制御及び前記発電量減少制御のうち少なくともいずれかの実行中は前記燃料電池の出力電圧の変化速度を制限してもよい。燃料電池の出力電圧を急激に変化させると、燃料電池が劣化することがあるが、上記構成によれば、出力電圧の急激な変動を抑制することができるため、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、燃料電池の劣化を防止しつつ、燃料電池の出力制御を柔軟に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【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図である。
【図５】電子制御装置（ＥＣＵ）における基本的な制御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位とセルの劣化量との関係の一例を示す図である。
【図９】燃料電池セルの電位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】前記実施形態における複数の電力供給モードの説明図である。
【図１１】前記ＥＣＵが、前記燃料電池車両のエネルギマネジメントを行うフローチャートである。
【図１２】バッテリのＳＯＣ、充放電係数及び平均回生電力の関係を示す図である。
【図１３】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１４】図１４Ａは、第２モードにおける燃料電池の出力電流（ＦＣ電流）と出力電圧（ＦＣ電圧）の関係を示す図であり、図１４Ｂは、第２モードにおけるＦＣ電流と燃料電池の発電電力（ＦＣ電力）の関係を示す図である。
【図１５】第２モードのフローチャートである。
【図１６】第２モードにおける燃料電池の目標出力電圧（目標ＦＣ電圧）と目標酸素濃度との関係を示す図である。
【図１７】第２モードにおける目標酸素濃度及び目標ＦＣ電圧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１８】第２モードにおける目標酸素濃度及び目標ＦＣ電圧と目標背圧弁開度との関係を示す図である。
【図１９】第２モードにおける目標ＦＣ電圧と空気流量との関係を示す図である。
【図２０】第２モードにおける循環弁の開度と循環ガス流量との関係を示す図である。
【図２１】モータのトルク制御のフローチャートである。
【図２２】図２２Ａは、本実施形態に係る制御（第２モード）及び比較例に係る制御におけるＦＣ電流とＦＣ電圧の関係を示す図であり、図２２Ｂは、本実施形態に係る制御（第２モード）及び比較例に係る制御におけるＦＣ電流とＦＣ電力の関係を示す図である。
【図２３】前記実施形態に係る燃料電池車両の第１変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２４】前記実施形態に係る燃料電池車両の第２変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２５】前記実施形態に係る燃料電池車両の第３変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図２６】目標エアポンプ回転数を一定とし、目標循環弁開度を可変とする第２モードの変形例に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの例である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
１．全体的な構成の説明
［１−１．全体構成］
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」又は「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、走行モータ１４（以下「モータ１４」という。）と、インバータ１６とを有する。
【００１９】
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と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）とを有する。
【００２０】
［１−２．駆動系］
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）。
【００２１】
インバータ１６は、３相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、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。
【００２２】
なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０という。負荷３０には、後述するエアポンプ６０、ウォータポンプ８０、エアコンディショナ９０等の構成要素を含めることもできる。
【００２３】
［１−３．ＦＣ系］
（１−３−１．全体構成）
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と、ＦＣスタック４０を冷却する冷却系と、セル電圧モニタ４２とを備える。
【００２４】
（１−３−２．ＦＣスタック４０）
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。
【００２５】
（１−３−３．アノード系）
アノード系は、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及び配管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の水素は、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により開とされる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
配管４８ｂの一部は、配管５０ａ、パージ弁５０及び配管５０ｂを介して、後記する配管６４ｂに設けられた希釈ボックス５４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、開となる。希釈ボックス５４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する。
【００３１】
（１−３−４．カソード系）
カソード系は、エアポンプ６０、加湿器６２、背圧弁６４、循環弁６６、流量センサ６８、７０及び温度センサ７２を有する。
【００３２】
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）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。
【００３３】
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の間で水分交換させ、カソード流路７４に向かう空気を加湿する。
【００３４】
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及び配管６４ｂ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、車外に排出される。
【００３５】
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によって制御されることで、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。
【００３６】
配管６４ｂは、配管６６ａ、循環弁６６及び配管６６ｂを介して、エアポンプ６０の上流側の配管６０ａに接続されている。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。
【００３７】
循環弁６６は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ２４によって制御されることで循環ガスの流量を制御する。
【００３８】
流量センサ６８は、配管６０ｂに取り付けられ、カソード流路７４に向かう空気の流量［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ２４に出力する。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。
【００３９】
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。ここで、循環ガスの温度は、カソードオフガスの温度と略等しいため、温度センサ７２の検出するカソードオフガスの温度に基づいて、循環ガスの温度を検知することができる。
【００４０】
（１−３−５．冷却系）
冷却系は、ウォータポンプ８０及び図示しないラジエータ、ラジエータファン等を有する。ウォータポンプ８０は、ＦＣ４０内に冷却水（冷媒）を循環させることでＦＣ４０を冷却する。ＦＣ４０を冷却して温度が上昇した冷却水は、前記ラジエータファンによる送風を受ける前記ラジエータで放熱される。
【００４１】
（１−３−６．セル電圧モニタ４２）
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セル電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ２４に出力する。
【００４２】
（１−３−７．電力系）
図２に示すように、ＦＣ４０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）とＤＣ／ＤＣコンバータ２２及び高電圧バッテリ２０（充電時）とに加え、前記エアポンプ６０、前記ウォータポンプ８０、前記エアコンディショナ９０、ダウンバータ９２（降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ）、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、図１に示すように、ＦＣユニット１８（ＦＣ４０）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、ＦＣ４０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、ＦＣ４０の発電電流（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。
【００４３】
［１−４．高電圧バッテリ２０］
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、ニッケル水素二次電池又はキャパシタ等を利用することができる。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」という。）［Ｖ］は、電圧センサ１０４（図２）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」という。）［Ａ］は、電流センサ１０６により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。ＥＣＵ２４は、バッテリ電圧Ｖｂａｔとバッテリ電流Ｉｂａｔとに基づいて、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］を算出する。
【００４４】
［１−５．ＤＣ／ＤＣコンバータ２２］
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Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。
【００４５】
図４には、本実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の詳細が示されている。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３０とＦＣ４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。
【００４６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［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。
【００４７】
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。
【００４８】
相アームＵＡは、上アーム素子（上アームスイッチング素子１１２と逆並列ダイオード１１４）と下アーム素子（下アームスイッチング素子１１６と逆並列ダイオード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。
【００４９】
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、エネルギーを蓄積及び放出する作用を有する。
【００５０】
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、ゲート駆動信号（駆動電圧）ＵＬのハイレベルによりオンにされる。
【００５１】
なお、ＥＣＵ２４は、１次側の平滑コンデンサ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次側の電流（１次電流Ｉ１）［Ａ］を検出する。また、ＥＣＵ２４は、２次側の平滑コンデンサ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次側の電流（２次電流Ｉ２）［Ａ］を検出する。
【００５２】
［１−６．ＥＣＵ２４］
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、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２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、７０、温度センサ７２、電圧センサ１００、１０４、１２０、１２６、電流センサ１０２、１０６、１２４、１３０等の各種センサの検出値を用いる。
【００５３】
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及びモータ回転数センサ１５２（以下「回転数センサ１５２」という。）（図１）が含まれる。開度センサ１５０は、アクセルペダル１５４の開度θｐ［度］を検出する。回転数センサ１５２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍ」又は「回転数Ｎｍ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。ＥＣＵ２４は、回転数Ｎｍを用いてＦＣ車両１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ１５６（以下「メインＳＷ１５６」という。）が接続される。メインＳＷ１５６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である。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
２．本実施形態の制御
次に、ＥＣＵ２４における制御について説明する。
【００５７】
［２−１．基本制御］
図５には、ＥＣＵ２４における基本的な制御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ＳＷ１５６がオンであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５６がオンでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。メインＳＷ１５６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）［Ｗ］を計算する。
【００５８】
ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、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、主として、ＦＣ４０の発電量（ＦＣ電力Ｐｆｃ）及びバッテリ２０の出力（バッテリ電力Ｐｂａｔ）を算出する処理であり、ＦＣスタック４０の劣化を抑制しつつ、ＦＣシステム１２全体の出力を効率化することを企図している。
【００５９】
ステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、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、循環弁６６及びウォータポンプ８０の制御（ＦＣ発電制御）を行う。ステップＳ５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制御を行う。
【００６０】
ステップＳ６において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１５６がオフであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５６がオフでない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。メインＳＷ１５６がオフである場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、今回の処理を終了する。
【００６１】
［２−２．システム負荷Ｐｓｙｓの計算］
図６には、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１５４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を読み込む。
【００６２】
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に示すマップにおいて、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１６０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１６２、１６４、１６６、１６８、１７０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。
【００６３】
ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４は、各補機から現在の動作状況を読み込む。ここでの補機には、例えば、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。
【００６４】
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。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の和を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）として算出する。
【００６５】
［２−３．エネルギマネジメント］
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全体の出力を効率化することを企図している。
【００６６】
（２−３−１．前提事項）
図８は、ＦＣスタック４０を構成するＦＣセルの電位（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１８０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。
【００６７】
図８において、電位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。電位ｖ１から電位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「白金還元領域Ｒ２」又は「還元領域Ｒ２」という。）である。
【００６８】
電位ｖ２から電位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「酸化還元領域Ｒ３」という。）である。電位ｖ３から電位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「酸化領域Ｒ４」という。）である。電位ｖ４からＯＣＶ（開回路電圧）までは、セルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域（以下「カーボン酸化領域Ｒ５」という。）である。
【００６９】
上記のように、図８では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金還元領域Ｒ２又は白金酸化安定領域Ｒ４にあれば、隣り合う領域と比較して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、又はカーボン酸化領域Ｒ５にあれば、隣り合う領域と比較してＦＣセルの劣化の進行度合が大きい。
【００７０】
なお、図８では、曲線１８０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１８０は変化する。
【００７１】
図９には、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、曲線１９０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、曲線１９２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、必ずしも各電位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位ｖ１〜ｖ４は変化し得る。このため、電位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。
【００７２】
また、ＦＣセルの電流−電圧（ＩＶ）特性は、一般的な燃料電池セルと同様、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する（図１０参照）。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。
【００７３】
以上を踏まえ、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、電圧変換動作を行っている際、ＦＣスタック４０の目標電圧（目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）［Ｖ］を、主として、白金還元領域Ｒ２内に設定しつつ、必要に応じて白金酸化安定領域Ｒ４内に設定する（具体例は、図１０等を用いて説明する。）。このような目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔの切替えを行うことにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃが、領域Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５（特に、白金酸化還元進行領域Ｒ３）内にある時間を極力短縮し、ＦＣスタック４０の劣化を防止することができる。
【００７４】
なお、上記の処理では、ＦＣスタック４０の供給電力（ＦＣ電力Ｐｆｃ）と、システム負荷Ｐｓｙｓが等しくならない場合が存在する。この点、ＦＣ電力Ｐｆｃがシステム負荷Ｐｓｙｓを下回っている場合、その不足分は、バッテリ２０から供給する。また、ＦＣ電力Ｐｆｃがシステム負荷Ｐｓｙｓを上回っている場合、その余剰分は、バッテリ２０に充電する。
【００７５】
なお、図８では、電位ｖ１〜ｖ４を具体的な数値として特定したが、これは、後述する制御を行うためであり、当該数値は、あくまで制御の便宜を考慮して決定するものである。換言すると、曲線１８０からもわかるように、劣化量Ｄは連続的に変化するため、制御の仕様に応じて、電位ｖ１〜ｖ４は、適宜設定することができる。
【００７６】
但し、白金還元領域Ｒ２は、曲線１８０の極小値（第１極小値Ｖｌｍｉ１）を含む。白金酸化還元進行領域Ｒ３では、曲線１８０の極大値（極大値Ｖｌｍｘ）を含む。白金酸化安定領域Ｒ４は、曲線１８０の別の極小値（第２極小値Ｖｌｍｉ２）を含む。
【００７７】
（２−３−２．エネルギマネジメントで用いる電力供給モード）
図１０は、本実施形態における複数の電力供給モードの説明図である。本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給の制御方法（電力供給モード）として、２つの制御方法（電力供給モード）を用いる。すなわち、本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給モード（動作モード）として、第１モードと第２モードを切り替えて用いる。第１モードは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ及びＦＣ電流Ｉｆｃ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）がいずれも可変である電圧可変・電流可変制御（電圧可変・出力可変制御）である。第２モードは、ＦＣ電流Ｉｆｃ（目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）が一定であり目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）が可変である電圧可変・電流固定制御（電流固定・出力可変制御）である。
【００７８】
第１モード（電圧可変・電流可変制御）は、主として、システム負荷Ｐｓｙｓ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を固定（或いは、酸素を豊潤な状態に維持）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。これにより、基本的に、ＦＣ電力Ｐｆｃによりシステム負荷Ｐｓｙｓをまかなうことが可能となる。
【００７９】
第２モード（電圧可変・電流固定制御）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ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを固定した状態で、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数）を、酸化還元領域Ｒ３よりも低い電位以下で設定された基準電位｛本実施形態では、電位ｖ２（＝０．８Ｖ）｝以下の範囲内で可変とすると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電力Ｐｆｃを可変とする。これにより、基本的に、ＦＣ電力Ｐｆｃによりシステム負荷Ｐｓｙｓをまかなうことが可能となる（詳細は後述する。）。ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。
【００８０】
（２−３−３．エネルギマネジメントの全体フロー）
図１１には、ＥＣＵ２４が、ＦＣシステム１２のエネルギマネジメント（図５のＳ３）を行うフローチャートが示されている。ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅを算出する。システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅは、ステップＳ２で計算したシステム負荷Ｐｓｙｓの移動平均である。
【００８１】
ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、充放電係数αを算出する。充放電係数αは、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅに乗算してＦＣ電力Ｐｆｃの目標値（目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ）を算出するための係数であり、バッテリ２０のＳＯＣとモータ１４の回生電力Ｐｒｅｇの平均値（以下「平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅ」という。）とに応じて設定される。平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅは、所定期間内に得られた回生電力Ｐｒｅｇの平均値である。
【００８２】
図１２は、ＳＯＣ、充放電係数α及び平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅの関係を示すマップである。図１２の例では、目標ＳＯＣを５０％に設定しており、ＳＯＣが５０％を上回るとき（十分な充電状態にあるとき）、充放電係数αが１未満とされる。これにより、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅに１未満の乗数を掛けることで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを小さくし、バッテリ２０の余分なＳＯＣを消費することが可能となる。また、ＳＯＣが５０％を下回るとき（充電を要するとき）、充放電係数αを１より大きくする。これにより、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅに１を超える乗数を掛けることで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを大きくし、ＳＯＣの不足分を補うことが可能となる。
【００８３】
また、図１２の例では、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅに応じてＳＯＣと充放電係数αの関係を切り替える。すなわち、図１２に示すように、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅが低い場合（回生電力Ｐｒｅｇが得難い環境にあるとき）、回生電力Ｐｒｅｇをあまり見込めない分、ＳＯＣが５０％を上回る範囲では充放電係数αを相対的に大きくし、ＳＯＣが５０％を下回る範囲では充放電係数αを相対的に１から遠い値とする。一方、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅが高い場合（回生電力Ｐｒｅｇを得易い環境にあるとき）、回生電力Ｐｒｅｇをより多く見込める分、ＳＯＣが５０％を上回る範囲では充放電係数αを相対的に小さくし、ＳＯＣが５０％を下回る範囲では充放電係数αを１に近づける。なお、目標ＳＯＣは、５０％以外の値に設定してもよい。また、図１２のマップは、例えば、実測値、シミュレーション値を用いることができる。
【００８４】
図１１に戻り、ステップＳ２３において、ＥＣＵ２４は、システム平均負荷Ｐｓｙｓａｖｅに充放電係数αを乗算して目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを算出する。
【００８５】
ステップＳ２４において、ＥＣＵ２４は、車両１０又はＦＣ４０が高負荷状態であるか否か（又は低負荷状態でないか否か）を判定する。具体的には、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２３で計算した目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが、高負荷を判定するための閾値Ｐｔｈｐ以上であるか否かを判定する。ここにいう高負荷とは、例えば、酸素が豊潤な状態とし且つセル電圧Ｖｃｅｌｌを還元領域Ｒ２内の値にして（ＦＣ電圧Ｖｆｃを還元領域Ｒ２内の値×セル数にして）ＦＣ４０を発電させた際に得られるＦＣ電力Ｐｆｃを意味する。
【００８６】
目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値Ｐｔｈｐ以上である場合、車両１０又はＦＣ４０が高負荷状態であり、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値Ｐｔｈｐ以上でない場合、車両１０又はＦＣ４０は高負荷状態ではない。なお、高負荷状態の判定は、その他の方法によって行ってもよい。例えば、車速Ｖが、高負荷を判定するための閾値ＴＨＶ以上であるか否かにより高負荷状態を判定することもできる。或いは、車両１０の加速度（車速Ｖの変化量）が、高負荷を判定するための閾値以上であるか否かにより高負荷状態を判定してもよい。或いは、モータ１４のトルクが、高負荷を判定するための閾値以上であるか否かにより高負荷状態を判定してもよい。
【００８７】
車両１０又はＦＣ４０が高負荷状態である場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、ステップＳ２５において、ＥＣＵ２４は、第１モード（電圧可変・電流可変制御）を行う（詳細は後述する）。車両１０が高負荷状態でない場合（Ｓ２４：ＮＯ）、ステップＳ２６において、ＥＣＵ２４は、第２モード（電圧可変・電流固定制御）を行う（詳細は図１４Ａ等を参照して後述する。）。
【００８８】
（２−３−４．第１モード）
上記のように、第１モードは、主として、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ（又はシステム負荷Ｐｓｙｓ）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を固定（或いは、酸素を豊潤な状態に維持）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。
【００８９】
すなわち、図１０に示すように、第１モードでは、ＦＣ４０の電流−電圧特性（ＩＶ特性）が通常のもの（図１０中、実線で表されるもの）を用いる。通常の燃料電池と同様、ＦＣ４０のＩＶ特性は、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）が低くなるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）が大きくなる。このため、第１モードでは、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。
【００９０】
なお、酸素が豊潤な状態にあるとは、例えば、図１３に示すように、カソードストイキ比を上昇させても、セル電流Ｉｃｅｌｌが略一定となり、実質的に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。水素が豊潤であるという場合も、同様である。なお、カソードストイキ比とは、カソード流路７４に供給するエアの流量／ＦＣ４０の発電により消費されたエアの流量であり、カソード流路７４における酸素濃度Ｃｏに近似する。また、カソードストイキ比の調整は、例えば、酸素濃度Ｃｏの制御により行う。
【００９１】
以上のような第１モードによれば、車両１０又はＦＣ４０が高負荷であっても、基本的に目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ（又はシステム負荷Ｐｓｙｓ）の全てをＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなうことが可能となる。
【００９２】
（２−３−５．第２モードの全体）
上記のように、第２モードは、主として、車両１０又はＦＣ４０が相対的に低負荷のときに用いられるものであり、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを固定した状態で、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数）を、酸化還元領域Ｒ３よりも低い電位以下で設定された基準電位｛本実施形態では、電位ｖ２（＝０．８Ｖ）｝以下の範囲内で可変とすると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電力Ｐｆｃを可変とする。
【００９３】
すなわち、図１０に示すように、第２モードでは、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）を一定に保った状態で、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を下げると共に目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを下げていくことで酸素濃度Ｃｏを下げる。
【００９４】
図１４Ａは、第２モードにおけるＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ電圧Ｖｆｃの関係を示す図であり、図１４Ｂは、第２モードにおけるＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ電力Ｐｆｃの関係を示す図である。
【００９５】
図１４Ａ及び図１４Ｂにおいて、実線は、酸素濃度Ｃｏが通常であるときの電流−電圧（ＩＶ）特性であり、破線は、酸素濃度Ｃｏを通常よりも５０％減少させたときのＩＶ特性であり、一点鎖線は、酸素濃度Ｃｏを通常よりも７５％減少させたときのＩＶ特性であり、二点鎖線は、酸素濃度Ｃｏを通常よりも９０％減少させたときのＩＶ特性である。
【００９６】
図１４Ａに示すように、酸素濃度Ｃｏを下げつつＦＣ電圧Ｖｆｃを下げれば、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定にすることが可能である。すなわち、図１３に示すように、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）も低下するが、本実施形態では、酸素濃度Ｃｏを下げる際にＦＣ電圧Ｖｆｃをも下げる。図１４Ａに示すように、酸素濃度Ｃｏが一定であれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃを下げるとＦＣ電流Ｉｆｃは増加する。このため、酸素濃度Ｃｏを低下させることによるＦＣ電流Ｉｆｃの減少分を、ＦＣ電圧Ｖｆｃを低下させることによるＦＣ電流Ｉｆｃの増加分で相殺させることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定に保つことができる。なお、ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。
【００９７】
また、ＦＣ電力ＰｆｃをＦＣ電圧ＶｆｃとＦＣ電流Ｉｆｃの積とする場合、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定としつつ、ＦＣ電圧Ｖｆｃを可変とすれば、ＦＣ電力Ｐｆｃを可変とすることができる。
【００９８】
図１５には、第２モードのフローチャートが示されている。ステップＳ３１において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを固定する。本実施形態では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが電位ｖ２（＝０．８Ｖ）であり（換言すると、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電位ｖ２×セル数であり）且つ酸素濃度Ｃｏが通常であるときにおけるＦＣ電流Ｉｆｃ（図１０参照）を目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに設定する。目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔは、その他の値に設定してもよい。
【００９９】
ステップＳ３２において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを算出する。上記のように、ＦＣ電力ＰｆｃをＦＣ電圧ＶｆｃとＦＣ電流Ｉｆｃの積とする場合、ＦＣ電流Ｉｆｃが決まれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃも決めることができる。すなわち、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔは、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔで割った商とすることが可能である（Ｖｆｃｔｇｔ←Ｐｆｃｔｇｔ／Ｉｆｃｔｇｔ）。
【０１００】
但し、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変化が大きい場合、ＦＣ４０の劣化量が大きくなってしまう。そこで、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔの単位時間当たりの変化量（以下「電圧変化量ΔＶｆｃｔｇｔ」という。）に制限（以下「レートリミット制御」という。）を設けることができる。レートリミット制御では、例えば、１回の演算周期における電圧変化量ΔＶｆｃｔｇｔの許容値を設定し、電圧変化量ΔＶｆｃｔｇｔが許容値を超える場合、当該許容値までの変化しか認めない。
【０１０１】
ステップＳ３３において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔに対応する目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを算出する（図１４Ａ、図１４Ｂ及び図１６参照）。なお、図１６は、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔと目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔとの関係を示す。
【０１０２】
ステップＳ３４において、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。）、背圧弁６４の開度（以下「背圧弁開度θｂｐ」又は「開度θｂｐ」という。）及び循環弁６６の開度（以下「循環弁開度θｃ」又は「開度θｃ」という。）が含まれる。
【０１０３】
すなわち、図１７及び図１８に示すように、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔ（又は目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）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。また、循環弁６６の目標開度θｃｔｇｔは、初期値（例えば、循環ガスがゼロとなる開度）に設定される。なお、後述するように、目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔは、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔ（又は目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）にかかわらず一定とし、循環弁６６の目標開度θｃｔｇｔを調整することで酸素濃度Ｃｏを可変とすることもできる。
【０１０４】
ステップＳ３５において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ４０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）｝、ＦＣ４０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。
【０１０５】
発電が安定している場合（Ｓ３５：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ３５：ＮＯ）、ステップＳ３６において、ＥＣＵ２４は、流量センサ７０を介して循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を監視しながら、循環弁６６の開度θｃを大きくし、流量Ｑｃを一段階増加する（図１９参照）。なお、図１９では、循環弁６６を全開とした場合、流量Ｑｃが４段階目の増加となり、最大流量となる場合を例示している。
【０１０６】
但し、循環弁６６の開度θｃが増加すると、エアポンプ６０に吸気される吸気ガスにおいて、循環ガスの割合が増加する。すなわち、吸気ガスについて、新規空気（車外から吸気される空気）と、循環ガスとの割合において、循環ガスの割合が増加するように変化する。従って、全単セルへの酸素の分配能力が向上する。ここで、循環ガス（カソードオフガス）の酸素濃度Ｃｏは、新規空気の酸素濃度Ｃｏに対して低い。このため、循環弁６６の開度θｃの制御前後において、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐ及び背圧弁６４の開度θｂｐが同一である場合、カソード流路７４を通流するガスの酸素濃度Ｃｏが低下することになる。
【０１０７】
そこで、ステップＳ３６では、ステップＳ３３で算出した目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが維持されるように、循環ガスの流量Ｑｃの増加に連動して、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実行することが好ましい。
【０１０８】
例えば、循環ガスの流量Ｑｃを増加した場合、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐを増加させ、新規空気の流量を増加することが好ましい。そして、このようにすれば、カソード流路７４に向かうガス（新規空気と循環ガスとの混合ガス）全体の流量が増加するので、全単セルへの酸素の分配能力がさらに向上し、ＦＣ４０の発電性能が回復し易くなる。
【０１０９】
このようにして、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを維持しつつ、循環ガスを新規空気に合流させるので、カソード流路７４を通流するガスの体積流量［Ｌ／ｓ］が増加する。これにより、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが維持されつつ体積流量の増加したガスが、ＦＣ４０内で複雑に形成されたカソード流路７４全体に行き渡り易くなる。したがって、各単セルに前記ガスが同様に供給され易くなり、ＦＣ４０の発電の不安定が解消され易くなる。また、ＭＥＡ（膜電極接合体）の表面やカソード流路７４を囲む壁面に付着する水滴（凝縮水等）も除去され易くなる。
【０１１０】
ステップＳ３７において、ＥＣＵ２４は、流量センサ７０を介して検出される循環ガスの流量Ｑｃが上限値以上であるか否か判定する。判定基準となる上限値は、循環弁６６の開度θｃが全開となる値に設定される。
【０１１１】
この場合において、循環弁開度θｃが同一であっても、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐが増加すると、流量センサ７０で検出される循環ガスの流量Ｑｃが増加するので、前記上限値は、エアポンプ回転数Ｎａｐに関連付けて、つまり、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐが大きくなると、前記上限値が大きくなるように設定されることが好ましい。
【０１１２】
循環ガスの流量Ｑｃが上限値以上でないと判定した場合（Ｓ３７：ＮＯ）、ステップＳ３５に戻る。循環ガスの流量Ｑｃが上限値以上であると判定した場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ３８に進む。
【０１１３】
ここで、ステップＳ３６、Ｓ３７では、流量センサ７０が直接検出する循環ガスの流量Ｑｃに基づいて処理を実行したが、循環弁開度θｃに基づいて処理を実行してもよい。すなわち、ステップＳ３６において、循環弁開度θｃを開方向に一段階（例えば３０°）にて増加する構成とし、ステップＳ３７において、循環弁６６が全開である場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ３８に進む構成としてもよい。
【０１１４】
また、この場合において、循環弁６６の開度θｃと、循環ガスの温度と、図２０のマップとに基づいて、循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を算出することもできる。図２０に示すように、循環ガスの温度が高くなるにつれて、その密度が小さくなるので、流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］が小さくなる関係となっている。
【０１１５】
ステップＳ３８において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ３５と同様に、発電が安定しているか否かを判定する。発電が安定している場合（Ｓ３８：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ３８：ＮＯ）、ステップＳ３９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。
【０１１６】
ステップＳ４０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Ｃｏｔｇｔ（通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ）以下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以下である場合（Ｓ４０：ＹＥＳ）、ステップＳ３８に戻る。目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ以下でない場合（Ｓ４０：ＮＯ）、ステップＳ４１において、ＥＣＵ２４は、ＦＣユニット１８を停止する。すなわち、ＥＣＵ２４は、ＦＣ４０への水素及び空気の供給を停止し、ＦＣ４０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ＦＣ４０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。
【０１１７】
以上のような第２モードによれば、車両１０又はＦＣ４０が低負荷である場合に、ＦＣ電流Ｉｆｃ（目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）を一定にした状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及び酸素濃度Ｃｏ（カソードストイキ比）を調整することにより、基本的に目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ（又はシステム負荷Ｐｓｙｓ）の全てをＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなうことが可能となる。
【０１１８】
［２−４．ＦＣ発電制御］
上記のように、ＦＣ発電制御（図５のＳ４）として、ＥＣＵ２４は、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、循環弁６６及びウォータポンプ８０を制御する。具体的には、ＥＣＵ２４は、エネルギマネジメント（図５のＳ３）で算出したこれらの機器の指令値（例えば、図１５のＳ３４）を用いてこれらの機器を制御する。
【０１１９】
［２−５．モータ１４のトルク制御］
図２１には、モータ１４のトルク制御（図５のＳ５）のフローチャートが示されている。ステップＳ５１において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１５２からモータ回転数Ｎｍを読み込む。ステップＳ５２において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１５０からアクセルペダル１５４の開度θｐを読み込む。
【０１２０】
ステップＳ５３において、ＥＣＵ２４は、モータ回転数Ｎｍ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回転数Ｎｍ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、回転数Ｎｍ及び開度θｐとに基づいて仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐを算出する。
【０１２１】
ステップＳ５４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）。
【０１２２】
ステップＳ５５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Ｖで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｍ＿ｌｉｍ／Ｖ）。
【０１２３】
一方、ステップＳ５４において、ＥＣＵ２４は、モータ１４が回生中であると判定した場合には、限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍを算出する。限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍは、バッテリ２０に充電可能な電力の限界値（限界充電Ｐｂａｔ＿ｃｈｇｌｉｍ）とＦＣスタック４０からのＦＣ電力Ｐｆｃとの和から補機の消費電力Ｐａを引いたものである（Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍ＝Ｐｂａｔ＿ｃｈｇｌｉｍ＋Ｐｆｃ−Ｐａ）。回生中である場合、ステップＳ５５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４の回生トルク制限値Ｔｒｅｇｌｉｍ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍを車速Ｖｓで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍ／Ｖｓ）。
【０１２４】
ステップＳ５６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）。
【０１２５】
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。
【０１２６】
３．比較例との比較
図２２Ａは、本実施形態に係る制御（第２モード）及び比較例に係る制御におけるＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ電圧Ｖｆｃの関係を示す図であり、図２２Ｂは、本実施形態に係る制御（第２モード）及び比較例に係る制御におけるＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ電力Ｐｆｃの関係を示す図である。ここでの比較例は、第２モードは用いずに、第１モードのみを用いる。図２２Ａ及び図２２Ｂにおける白抜きの矢印は本実施形態に係るものであり、黒矢印が比較例に係るものである。また、図２２Ａにおいて、地点Ａ１は、開始地点であり、地点Ａ２は、比較例における移動後の地点であり、地点Ａ３は、本実施形態における移動後の地点である。同様に、図２２Ｂにおいて、地点Ｂ１は、開始地点であり、地点Ｂ２は、比較例における移動後の地点であり、地点Ｂ３は、本実施形態における移動後の地点である。
【０１２７】
図２２Ａ及び図２２Ｂからわかるように、比較例では、通常の酸素濃度ＣｏのＩＶ特性を用いてＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＦＣ電流Ｉｆｃが決定される。このため、比較例では、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＦＣ電流Ｉｆｃの両方が可変となる。そして、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、酸化還元進行領域Ｒ３内の値をも取ることとなる。これに対し、本実施形態では、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定としつつ、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及び酸素濃度Ｃｏが決定される。このため、本実施形態では、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、酸化還元進行領域Ｒ３内の値を取ることを避けることが可能となる。
【０１２８】
４．本実施形態の効果
以上説明したように、本実施形態によれば、ＦＣ４０の劣化を防止しつつ、ＦＣ４０の出力制御を柔軟に行うことが可能となる。
【０１２９】
すなわち、第２モードが選択されている場合、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔの増加時及び減少時のいずれにおいても、ＦＣ電圧Ｖｆｃを酸化還元領域Ｒ３外で変化させる。このため、ＦＣ電圧Ｖｆｃが領域Ｒ３内となることによる劣化を防止することができる。また、第２モードが選択されている場合、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔの増加時及び減少時のいずれにおいても、ＦＣ電流Ｉｆｃ（目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）を固定した状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃと酸素濃度Ｃｏを変化させる。これにより、車両１０又はＦＣ４０が低出力である場合でも、ＦＣ電圧Ｖｆｃを変化させることが可能になるため、ＦＣ電圧Ｖｆｃを領域Ｒ３近傍に固定する場合と比べて、ＦＣ電圧Ｖｆｃが領域Ｒ３から遠ざかる程度及び頻度を上げることが可能となる。従って、ＦＣ４０の劣化を好適に抑制することが可能となる。また、ＦＣ電流Ｉｆｃ（目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）を固定した状態でＦＣ電力Ｐｆｃを変化させるため、モータ１４等の負荷に供給する電流を一定にしつつ負荷の大きさを変化させたい場合に好適に用いることができる。
【０１３０】
本実施形態では、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃを演算する際にレートリミット制御を行う。ＦＣ電圧Ｖｆｃを急激に変化させると、ＦＣ４０が劣化することがあるが、上記構成によれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃの急激な変動を抑制することができるため、ＦＣ４０の劣化を抑制することが可能となる。
【０１３１】
５．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。
【０１３２】
［５−１．搭載対象］
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、ＦＣシステム１２を搭載可能なものであれば、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶等の移動体、ロボット、製造装置、家庭用電力システム、家庭用電化製品等に用いることもできる。
【０１３３】
［５−２．ＦＣシステム１２の構成］
上記実施形態では、ＦＣ４０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２３に示すように、ＦＣ４０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ＦＣ４０の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図２４に示すように、ＦＣ４０とバッテリ２０を並列に配置し、ＦＣ４０の手前に昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａ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。或いは、図２５に示すように、ＦＣ４０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。
【０１３４】
［５−３．ストイキ比］
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
上記実施形態では、カソードオフガスを新規空気に合流させる合流流路（配管６６ａ、６６ｂ）と、循環弁６６とを備える構成を例示したが、これに代えて又は加えて、アノード側も同様に構成してもよい。例えば、配管４８ｂに循環弁を設け、この循環弁により、新規水素に合流するアノードオフガスの流量を制御してもよい。
【０１３７】
［５−４．電力供給モード］
上記実施形態では、電力供給モードとして、第１モード及び第２モードを用いたが、第２モードのみを用いてもよい。或いは、第１モード及び第２モードに加え、その他の電力供給モードを設定してもよい。例えば、特許文献１に記載された第１の運転モード及び第２の運転モードのいずれか一方又は両方を組み合わせることもできる。
【０１３８】
第２モードでは、酸素濃度Ｃｏを変化させるために目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔ及び循環弁開度θｃを可変としたが（図１７及び図２０）、ＦＣ電流Ｉｆｃを固定した状態でＦＣ電圧Ｖｆｃ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）を可変とすることができれば、これに限らない。例えば、目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔを一定とし、目標循環弁開度θｃｔｇｔを可変としてもよい。
【０１３９】
図２６には、目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔを一定とし、目標循環弁開度θｃｔｇｔを可変とする第２モード（図１５）の変形例に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの例が示されている。すなわち、本変形例では、図１１のフローチャートを利用しつつ、図１５のステップＳ３４における各部への指令値のうち、目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔを一定とし、目標循環弁開度θｃｔｇｔを目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じて可変とする。また、目標ウォータポンプ回転数Ｎｗｐｔｇｔは、例えば、図１７のような特性により可変とする。目標背圧弁開度θｂｐｔｇｔは、例えば、図１８のような特性により可変とする又は目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔにかかわらず一定とする。
【０１４０】
図２６では、常に、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値Ｐｔｈｐより小さい（図１１のＳ２４：ＮＯ）。このため、本変形例では、常に、第２モードが選択される。
【０１４１】
時点ｔ１から時点ｔ２まで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔは一定である。これに伴い、車速Ｖ、エアポンプ回転数Ｎａｐ、循環弁開度θｃ、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃはいずれも一定である。
【０１４２】
時点ｔ２から時点ｔ３まで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔは増加する。これに伴い、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定にした状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃを増加させると共に、エアポンプ回転数Ｎａｐは一定のまま循環弁開度θｃを下げて（循環弁６６を閉じて）酸素濃度Ｃｏを増加させる。これにより、ＦＣ電力Ｐｆｃが増加し、モータ１４の出力が上昇することで、車速Ｖが増加する。
【０１４３】
時点ｔ３から時点ｔ４まで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔは一定である。これに伴い、車速Ｖ、エアポンプ回転数Ｎａｐ、循環弁開度θｃ、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃはいずれも一定である。
【０１４４】
時点ｔ４から時点ｔ５まで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔは減少する。これに伴い、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定にした状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃを減少させると共に、エアポンプ回転数Ｎａｐは一定のまま循環弁開度θｃを上げて（循環弁６６を開いて）酸素濃度Ｃｏを減少させる。これにより、ＦＣ電力Ｐｆｃが減少し、モータ１４の出力が低下することで、車速Ｖが減少する。
【０１４５】
なお、バッテリＳＯＣは、時点ｔ１から時点ｔ５まで一定である。これは、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ（又はシステム負荷Ｐｓｙｓ）は、全てＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなわれたことを意味する。
【０１４６】
本変形例に係る制御によれば、車両１０が所定の低負荷状態である場合（すなわち、第２モードを選択した場合）に、エアポンプ回転数Ｎａｐを一定とする。このため、低負荷状態においてバッテリＳＯＣが設定上限値に到達したことに伴ってエアポンプ６０が停止することにより、エアポンプ６０の出力音が不意に変化すること等がない。従って、低負荷状態におけるエアポンプ６０の出力音について搭乗者に違和感を与えることなく、バッテリＳＯＣを適切に保つことが可能となる。
【０１４７】
また、単にエアポンプ回転数Ｎａｐを一定とするだけでなく、循環弁６６を制御して循環ガスの流量Ｑｃ（エアオフガスの還流量）を調整する。エアオフガスは酸素濃度Ｃｏが低いため、エアオフガスの還流量Ｑｃを多くすると、ＦＣ４０内部で生成される水分が少なくなり、ＦＣ４０内部が乾燥状態になる。ＦＣ４０内部が乾燥状態になるとＦＣ４０の劣化が促進されるおそれがある。その一方、エアオフガスは、水分を生成するＦＣ４０の内部を通過したものであるため、相対的に水分を多く含んでいる。このため、エアオフガスの還流量Ｑｃを調整することにより、ＦＣ４０の電解質膜を良好に加湿することが可能となり、ＦＣ４０の劣化を抑制することができる。
【０１４８】
さらに、上記のような効果を得つつ、所定の低負荷状態に応じてＦＣ電流Ｉｆｃを小さくすることにより、バッテリＳＯＣを管理すること（例えば、ＳＯＣの設定上限値を超えないように制御することや不要な充電を避けること）が可能となる。
【０１４９】
上記実施形態では、第２モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを還元領域Ｒ２内の値（電位ｖ２（＝０．８Ｖ）×セル数以下）に設定したが、ＦＣ電流Ｉｆｃ（又は目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）を固定した状態で、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及び酸素濃度Ｃｏを可変とすることによりＦＣ電力Ｐｆｃを調整するものであれば、これに限らない。例えば、第２モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを酸化領域Ｒ４内の値に設定することもできる。
【符号の説明】
【０１５０】
１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…モータ（負荷） １６…インバータ（負荷）
２０…高電圧バッテリ（蓄電装置）
２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧制御手段）
２４…ＥＣＵ（発電制御手段） ３０…負荷
４０…燃料電池 ６０…エアポンプ（ガス供給手段、負荷）
６０ａ、６０ｂ、６２ａ…配管（エア供給配管）
６２ｂ、６４ａ、６４ｂ…配管（エア排出配管）
６６…循環弁（調整装置） ６６ａ、６６ｂ…配管（エア還流配管）
８０…ウォータポンプ（負荷） ９０…エアコンディショナ（負荷）
９２…ダウンバータ（負荷） ９４…低電圧バッテリ（負荷）
９６…アクセサリ（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、
前記燃料電池の出力電圧を制御する電圧制御手段と、
前記燃料電池の発電電力により駆動する負荷と、
前記燃料電池の発電量を制御する発電制御手段と
を有する燃料電池システムであって、
前記発電制御手段は、
前記負荷の要求電力が上昇するとき、前記燃料電池の出力電流を固定した状態で、前記燃料電池に対する前記酸素及び前記水素の少なくとも一方の供給量を増加させ、前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外で増加させることにより前記燃料電池の発電量を増加させる発電量増加制御と、
前記負荷の要求電力が下降するとき、前記燃料電池の出力電流を固定した状態で、前記燃料電池に対する前記酸素及び前記水素の少なくとも一方の供給量を減少させ、前記燃料電池の出力電圧を前記酸化還元進行電圧範囲外で減少させることにより前記燃料電池の発電量を減少させる発電量減少制御と
の両方を実行する
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において、
前記燃料電池システムは、車両に搭載され、
さらに、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の出力をアシストする蓄電装置を備え、
前記ガス供給手段は、
エア供給配管を介して前記燃料電池にエアを供給するエアポンプと、
エア排出配管から分岐して前記エアポンプの上流側で前記エア供給配管に連通し、前記燃料電池から排出されたエアオフガスを前記エア供給配管に還流させるエア還流配管と、
前記エア還流配管における前記エアオフガスの還流量を調整する調整装置と
を備え、
前記制御手段は、前記車両が所定の低負荷状態である場合に、前記エアポンプの駆動量を一定としつつ、前記調整装置を制御して前記エアオフガスの還流量を調整して前記発電量増加制御及び前記発電量減少制御を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
前記発電量増加制御及び前記発電量減少制御のうち少なくともいずれかの実行中は前記燃料電池の出力電圧の変化速度を制限する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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、
前記燃料電池の出力電圧を制御する電圧制御手段と、
前記燃料電池の発電電力により駆動する負荷と、
前記燃料電池の発電量を制御する発電制御手段と
を有する燃料電池システムであって、
前記発電制御手段は、
前記負荷の要求電力が上昇するとき、前記燃料電池の出力電流を固定した状態で、前記燃料電池に対する前記酸素及び前記水素の少なくとも一方の供給量を増加させ、前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外で増加させることにより前記燃料電池の発電量を増加させる発電量増加制御と、
前記負荷の要求電力が下降するとき、前記燃料電池の出力電流を固定した状態で、前記燃料電池に対する前記酸素及び前記水素の少なくとも一方の供給量を減少させ、前記燃料電池の出力電圧を前記酸化還元進行電圧範囲外で減少させることにより前記燃料電池の発電量を減少させる発電量減少制御と
の両方を実行する
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において、
前記燃料電池システムは、車両に搭載され、
さらに、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の出力をアシストする蓄電装置を備え、
前記ガス供給手段は、
エア供給配管を介して前記燃料電池にエアを供給するエアポンプと、
エア排出配管から分岐して前記エアポンプの上流側で前記エア供給配管に連通し、前記燃料電池から排出されたエアオフガスを前記エア供給配管に還流させるエア還流配管と、
前記エア還流配管における前記エアオフガスの還流量を調整する調整装置と
を備え、
前記制御手段は、前記車両が所定の低負荷状態である場合に、前記エアポンプの駆動量を一定としつつ、前記調整装置を制御して前記エアオフガスの還流量を調整して前記発電量増加制御及び前記発電量減少制御を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
前記発電量増加制御及び前記発電量減少制御のうち少なくともいずれかの実行中は前記燃料電池の出力電圧の変化速度を制限する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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】
【公開番号】特開２０１３−６２０９７（Ｐ２０１３−６２０９７Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９８９６８（Ｐ２０１１−１９８９６８）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【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４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【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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