(57)【要約】【課題】低温始動時に燃料電池の出力が不足するときに、二次電池の過放電により急な車両停止を抑える。【解決手段】燃料電池車両は、燃料電池と、蓄電装置と、駆動モータと、燃料電池の温度を測定可能な温度センサと、燃料電池の運転状態を検出する検出部と、制御部と、を備える。制御部は、燃料電池の始動時に、温度センサが検出した燃料電池の温度が氷点下であって、運転状態が示す燃料電池の出力状態が、予め定められた基準時間以上継続して、予め定められた低出力状態である場合には、燃料電池の発電が停止されて蓄電装置のみを電源として駆動モータが駆動され、駆動モータが出力するモータ出力が第１上限出力以下に抑えられた第１走行状態に、燃料電池車両の走行状態を設定する。【選択図】図４
2020018084.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池車両であって、
燃料電池と、
充電可能な蓄電装置と、
前記燃料電池および前記蓄電装置のうちの少なくとも一方から電力を供給されて、前記燃料電池車両を駆動する駆動モータと、
前記燃料電池の温度を測定可能な温度センサと、
前記燃料電池の運転状態を検出する検出部と、
前記燃料電池車両の走行状態を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の始動時において、前記温度センサが検出した前記燃料電池の温度が氷点下である場合に、
前記運転状態が示す前記燃料電池の出力状態が、予め定められた基準時間以上継続して、予め定められた低出力状態に該当する場合には、前記燃料電池の発電が停止されて前記蓄電装置のみを電源として前記駆動モータが駆動され、前記駆動モータが出力するモータ出力が予め定められた第１上限出力以下に抑えられた第１走行状態に、前記燃料電池車両の走行状態を設定する
燃料電池車両。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池車両であって、
前記検出部は、前記運転状態として、前記燃料電池の出力電力を検出し、
前記低出力状態は、前記第１走行状態となった場合に前記駆動モータが消費し得る電力の最大値として予め定められた第１電力と、前記第１電力と同量の電力を前記燃料電池が発電する場合に前記燃料電池の補機が消費する第２電力と、の和よりも、前記検出部が検出した前記燃料電池の出力電力が小さい状態である
燃料電池車両。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池車両であって、
前記検出部は、前記温度センサを用いて、前記運転状態として前記燃料電池の昇温速度を検出し、
前記低出力状態は、前記燃料電池の内部が凍結していない状態で暖機運転を行なう場合の前記燃料電池の昇温速度として予め定められた基準昇温速度よりも、前記検出部が検出した前記昇温速度が小さい状態である
燃料電池車両。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池車両であって、
前記検出部は、前記運転状態として、前記燃料電池においてアノードに供給される水素が不足する水素欠セルが存在するか否かを検出し、
前記低出力状態は、前記検出部によって前記水素欠セルの存在が検出された状態である
燃料電池車両。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載された燃料電池車両であって、さらに、
前記蓄電装置の残存容量を検出する残存容量モニタを備え、
前記制御部は、前記燃料電池の始動時において、前記温度センサが検出した前記燃料電池の温度が氷点下であって、前記燃料電池の前記出力状態が前記低出力状態に該当しない場合に、
前記残存容量モニタが検出した前記蓄電装置の残存容量が、予め定められた基準値以下であるか否かを判定し、
前記蓄電装置の残存容量が前記基準値以下の場合には、前記モータ出力が予め定められた第２上限出力以下に抑えられて、少なくとも前記燃料電池を電源として用いる第２走行状態に、前記燃料電池車両の走行状態を設定する
燃料電池車両。
【請求項６】
駆動用電源として燃料電池および蓄電装置を備える燃料電池車両の制御方法であって、
前記燃料電池の始動時であって、前記燃料電池の温度が氷点下であるときに、
前記燃料電池の運転状態を検出し、
前記燃料電池の前記運転状態が示す前記燃料電池の出力状態が、予め定められた基準時間以上継続して、予め定められた低出力状態に該当する場合には、前記燃料電池の発電が停止されて前記蓄電装置のみを電源として、前記燃料電池車両を駆動する駆動モータが駆動され、前記駆動モータが出力するモータ出力が予め定められた第１上限出力以下に抑えられた第１走行状態に、前記燃料電池車両の走行状態を設定する
燃料電池車両の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池車両、および燃料電池車両の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両は、種々の温度条件下で始動されることが想定される。燃料電池は、一般に、発電に伴って生成水を生じるため、燃料電池内の反応ガス流路で液水が滞留する場合がある。氷点下の温度条件下で燃料電池車両が始動される際に、燃料電池内に滞留した液水が凍結していると、燃料電池内において反応ガスが十分に流通できないため、燃料電池の発電に支障が生じる可能性がある。そのため、従来、低温条件下での始動時の対策として、燃料電池車両の始動時に、通常運転よりも燃料電池の発電効率が低い低効率運転によって燃料電池を暖機することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−０７３５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のように低効率運転による暖機を行なう場合には、燃料電池の出力電力が抑えられ、燃料電池の出力が不足する状態となり易い。始動時に燃料電池の出力が不足する状態が続くと、燃料電池車両が搭載する二次電池から、より多くの電力が出力されて二次電池が過放電になり、その結果、急に車両停止しなければいけなくなるという不具合が発生する可能性があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、燃料電池と、充電可能な蓄電装置と、前記燃料電池および前記蓄電装置のうちの少なくとも一方から電力を供給されて、前記燃料電池車両を駆動する駆動モータと、前記燃料電池の温度を測定可能な温度センサと、前記燃料電池の運転状態を検出する検出部と、前記燃料電池車両の走行状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の始動時において、前記温度センサが検出した前記燃料電池の温度が氷点下である場合に、前記運転状態が示す前記燃料電池の出力状態が、予め定められた基準時間以上継続して、予め定められた低出力状態に該当する場合には、前記燃料電池の発電が停止されて前記蓄電装置のみを電源として前記駆動モータが駆動され、前記駆動モータが出力するモータ出力が予め定められた第１上限出力以下に抑えられた第１走行状態に、前記燃料電池車両の走行状態を設定する。
この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池車両の低温始動時に、燃料電池の出力状態が、基準時間以上継続して低出力状態である場合には、駆動モータのモータ出力が予め定められた第１上限出力以下に抑えられて二次電池のみを電源として用いる第１走行状態に、燃料電池車両の走行状態を設定する。そのため、低温始動時に燃料電池の出力が不足する状態が続いても、二次電池が過放電になって急に車両停止しなければいけなくなるという不具合の発生を抑えることができる。
（２）上記形態の燃料電池車両において、前記検出部は、前記運転状態として、前記燃料電池の出力電力を検出し、前記低出力状態は、前記第１走行状態となった場合に前記駆動モータが消費し得る電力の最大値として予め定められた第１電力と、前記第１電力と同量の電力を前記燃料電池が発電する場合に前記燃料電池の補機が消費する第２電力と、の和よりも、前記検出部が検出した前記燃料電池の出力電力が小さい状態であることとしてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池の出力電力に基づいて、前記燃料電池の出力状態が低出力状態であるか否かを、適切に判定することができる。
（３）上記形態の燃料電池車両において、前記検出部は、前記温度センサを用いて、前記運転状態として前記燃料電池の昇温速度を検出し、前記低出力状態は、前記燃料電池の内部が凍結していない状態で暖機運転を行なう場合の前記燃料電池の昇温速度として予め定められた基準昇温速度よりも、前記検出部が検出した前記昇温速度が小さい状態であることとしてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、燃料電池の昇温速度に基づいて、前記燃料電池の出力状態が低出力状態であるか否かを、適切に判定することができる。
（４）上記形態の燃料電池車両において、前記検出部は、前記運転状態として、前記燃料電池においてアノードに供給される水素が不足する水素欠セルが存在するか否かを検出し、前記低出力状態は、前記検出部によって前記水素欠セルの存在が検出された状態であることとしてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、水素欠セルが存在するか否かに基づいて、前記燃料電池の出力状態が低出力状態であるか否かを、適切に判定することができる。
（５）上記形態の燃料電池車両は、さらに、前記蓄電装置の残存容量を検出する残存容量モニタを備え、前記制御部は、前記燃料電池の始動時において、前記温度センサが検出した前記燃料電池の温度が氷点下であって、前記燃料電池の前記出力状態が前記低出力状態に該当しない場合に、前記残存容量モニタが検出した前記蓄電装置の残存容量が、予め定められた基準値以下であるか否かを判定し、前記蓄電装置の残存容量が前記基準値以下の場合には、前記モータ出力が予め定められた第２上限出力以下に抑えられて、少なくとも前記燃料電池を電源として用いる第２走行状態に、前記燃料電池車両の走行状態を設定することとしてもよい。この形態の燃料電池車両によれば、低温始動時に二次電池の残存容量が望ましくない程度に低下することを抑えることができる。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池車両の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】燃料電池車両の概略構成を表わすブロック図である。
【図２】暖機運転処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図３】制御部を機能ブロックによって示した説明図である。
【図４】始動時判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図５】第１走行状態を開始する前後の様子を概念的に表わす説明図である。
【図６】始動時判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。
【図７】第２走行状態を開始する前後の様子を概念的に表わす説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
Ａ．第１実施形態：
（Ａ−１）燃料電池車両の全体構成：
図１は、本発明に係る第１実施形態としての燃料電池車両２０の概略構成を表わすブロック図である。燃料電池車両２０は、車体２２に、車両の駆動力を発生する駆動モータ１７０と、燃料電池１００を備える燃料電池システム３０と、燃料電池車両２０を駆動するための電力を供給可能な二次電池１７２と、制御部２００と、を搭載する。燃料電池車両２０では、燃料電池１００および二次電池１７２の各々が単独で、あるいは、燃料電池１００および二次電池１７２の双方から同時に、駆動モータ１７０を含む負荷に対して電力を供給可能となっている。燃料電池１００と、駆動モータ１７０を含む負荷との間は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４および配線１７８を介して接続されており、二次電池１７２と、駆動モータ１７０を含む負荷との間は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４および配線１７８を介して接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４とＤＣ／ＤＣコンバータ１７４とは、配線１７８に対して並列に接続されている。
【０００９】
燃料電池システム３０は、燃料電池１００に加えて、水素タンク１１０を含む水素ガス供給部１２０と、コンプレッサ１３０を含む空気供給部１４０と、を備える。また、燃料電池システム３０は、燃料電池１００の温度を所定範囲に保つための冷媒を燃料電池１００内に流通させる図示しない冷媒循環部を、さらに備えている。
【００１０】
燃料電池１００は、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。本実施形態の燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池であるが、他種の燃料電池を用いてもよい。燃料電池１００を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に燃料ガスである水素が流れる流路（以後、アノード側流路とも呼ぶ）が形成され、カソード側に酸化ガスである空気が流れる流路（以後、カソード側流路とも呼ぶ）が形成されている。燃料電池１００とＤＣ／ＤＣコンバータ１０４とを接続する配線１７８には、燃料電池１００の出力電圧を検出する電圧センサ１０２と、燃料電池１００の出力電流を検出する電流センサ１０３と、が設けられている。
【００１１】
燃料電池１００には、燃料電池１００の温度を測定可能な温度センサ１０５が設けられている。温度センサ１０５は、例えば、既述した冷媒の流路に設けられて、燃料電池１００内を循環した後に燃料電池１００から排出される冷媒の温度を検出する温度センサとすることができる。あるいは、温度センサ１０５として、燃料電池１００の内部温度を直接検出するセンサを用いてもよい。さらに、燃料電池１００には、セルモニタ１０６が設けられている。セルモニタ１０６は、燃料電池１００の発電状況を検出するための装置であり、燃料電池１００を構成する各々の単セルの出力電圧を検出する。本実施形態では、後述するように、負電圧を生じている単セル（以下、負電圧セルとも呼ぶ）が存在するか否かを検出するために用いている。セルモニタ１０６は、負電圧セルの存在を検出可能であればよく、各々の単セルの出力電圧を検出する構成とする他、例えば、隣り合う２つの単セルごとに、出力電圧を検出する構成としてもよい。セルモニタ１０６は、単セルの出力電圧に加えて、電流、インピーダンス、温度等を検出するものであってもよい。電圧センサ１０２、電流センサ１０３、温度センサ１０５、およびセルモニタ１０６の検出信号は、制御部２００に出力される。
【００１２】
水素ガス供給部１２０が備える水素タンク１１０は、例えば、高圧の水素ガスを貯蔵するタンクとすることができる。水素ガス供給部１２０は、水素タンク１１０から燃料電池１００に到る水素供給流路１２１と、未消費の水素ガス（アノードオフガス）を水素供給流路１２１に循環させる循環流路１２２と、アノードオフガスを大気放出するための水素放出流路１２３と、を備える。水素ガス供給部１２０において、水素タンク１１０に貯蔵された水素ガスは、水素供給流路１２１の開閉バルブ１２４の流路開閉と、減圧バルブ１２５での減圧を経て、減圧バルブ１２５の下流の水素供給機器１２６（例えば、インジェクタ）から、燃料電池１００のアノード側流路に供給される。循環流路１２２を循環する水素の圧力は、循環ポンプ１２７によって調節される。水素供給機器１２６および循環ポンプ１２７の駆動量は、圧力センサ１２８が検出した循環水素の圧力を参照しつつ、燃料電池１００が出力すべき目標電力に応じて、制御部２００によって調節される。
【００１３】
なお、循環流路１２２を流れる水素ガスの一部は、循環流路１２２から分岐した水素放出流路１２３の開閉バルブ１２９の開閉調整を経て、所定のタイミングで大気放出される。これにより、循環流路１２２内を循環する水素ガス中の水素以外の不純物（水蒸気や窒素など）を流路外に排出することができ、燃料電池１００に供給される水素ガス中の不純物濃度の上昇を抑制することができる。上記した開閉バルブ１２４の開閉のタイミングは、制御部２００によって調節される。
【００１４】
空気供給部１４０は、コンプレッサ１３０の他に、第１の空気流路１４１、第２の空気流路１４５、第３の空気流路１４６、分流弁１４４、空気放出流路１４２、背圧弁１４３、および流量センサ１４７を備える。第１の空気流路１４１は、コンプレッサ１３０が取り込んだ空気の全量が流れる流路である。第２の空気流路１４５および第３の空気流路１４６は、第１の空気流路１４１から分岐して設けられている。分流弁１４４は、第１の空気流路１４１が第２の空気流路１４５および第３の空気流路１４６に分岐する部位に設けられており、この分流弁１４４の開弁状態を変更することにより、第１の空気流路１４１から第２の空気流路１４５または第３の空気流路１４６へと流れる空気の分配割合を変更可能となっている。第２の空気流路１４５の一部は、燃料電池１００内においてカソード側流路を形成している。第３の空気流路１４６は、燃料電池１００を経由することなく空気を導くバイパス流路である。第２の空気流路１４５と第３の空気流路１４６とは合流して、空気放出流路１４２となる。背圧弁１４３は、第２の空気流路１４５において、カソード側流路よりも下流側であって、第３の空気流路１４６との合流箇所より上流側に設けられた絞り弁である。背圧弁１４３の開度を調節することにより、燃料電池１００におけるカソード側流路の背圧を変更することができる。空気放出流路１４２は、第３の空気流路１４６を通過した空気と共に、第２の空気流路１４５を通過した空気（カソードオフガス）を大気放出するための流路である。空気放出流路１４２には、既述した水素放出流路１２３が接続されており、水素放出流路１２３を介して放出される水素は、大気放出に先立って、空気放出流路１４２を流れる空気によって希釈される。流量センサ１４７は、第１の空気流路１４１に設けられて、第１の空気流路１４１を介して取り込まれる空気の総流量を検出する。
【００１５】
空気供給部１４０において、コンプレッサ１３０の駆動量、分流弁１４４の開弁状態、および、背圧弁１４３の開度から選択される少なくとも１つの条件を変更することにより、燃料電池１００のカソード側流路に供給される空気の流量(酸素流量）を調節することができる。コンプレッサ１３０の駆動量、分流弁１４４の開弁状態、および、背圧弁１４３の開度は、制御部２００によって調節される。なお、空気供給部１４０は、例えば第１の空気流路１４１において、燃料電池１００に供給するための空気を加湿する加湿装置を備えることとしてもよい。
【００１６】
二次電池１７２は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池で構成することができる。二次電池１７２は、充放電可能な蓄電装置であればよい。このような蓄電装置は、二次電池により構成する他、たとえば、コンデンサとすることもできる。二次電池１７２には、残存容量モニタ１７３が設けられている。残存容量モニタ１７３は、二次電池１７２の残存容量等の動作状態を検出する。二次電池１７２の残存容量は、二次電池１７２がどの程度充電されているかを示す指標である。残存容量モニタ１７３は、例えば、二次電池１７２における充電および放電の電流値と時間とを積算することにより、残存容量を検出することとすればよい。あるいは、二次電池１７２の電圧を用いて残存容量を求めることとしてもよい。検出された二次電池１７２の残存容量は、制御部２００に出力される。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、制御部２００の制御信号を受けて、燃料電池１００の出力状態を変更する機能を有している。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、燃料電池１００から上記負荷に向けて電流および電圧を取り出して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４におけるスイッチング制御によって、燃料電池１００から取り出す電流および電圧を制御する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４は、燃料電池１００が発電した電力を駆動モータ１７０等の負荷に供給する際に、燃料電池１００の出力電圧を、上記負荷で利用可能な電圧に昇圧する。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４は、二次電池１７２の充放電を制御する充放電制御機能を有しており、制御部２００の制御信号を受けて二次電池１７２の充放電を制御する。この他、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４は、出力側の目標電圧を制御部２００の制御下で設定することにより、二次電池１７２の蓄電電力の引出と駆動モータ１７０への電圧印加とを行い、電力引出状態と駆動モータ１７０にかかる電圧レベルを可変に調整する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７４は、二次電池１７２において充放電を行なう必要のないときには、二次電池１７２と配線１７８との接続を切断する。
【００１９】
制御部２００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成される。制御部２００は、水素ガス供給部１２０や空気供給部１４０が備える既述したセンサの他、アクセル開度センサ１８０、シフトポジションセンサ、車速センサ、および外気温センサ等、種々のセンサから検出信号を取得して、燃料電池車両２０に係る種々の制御を行なう。例えば、制御部２００は、アクセル開度センサ１８０の検出信号等に基づいて、駆動モータ１７０に要求される要求出力の大きさを求め、要求出力に応じた電力が燃料電池１００と二次電池１７２との少なくとも一方から得られるように、各部に駆動信号を出力する。具体的には、燃料電池１００から電力を得る場合には、所望の電力が燃料電池１００から得られるように、水素ガス供給部１２０や空気供給部１４０からのガス供給量を制御する。また、制御部２００は、燃料電池１００と二次電池１７２のうちの少なくとも一方から駆動モータ１７０等の負荷に対して所望の電力が供給されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４、１７４を制御する。なお、制御部２００は、さらにタイマを備えており、種々の信号を入力した後、あるいは、種々の処理を実行した後の、経過時間を計測可能となっている。
【００２０】
（Ａ−２）暖機運転について：
図２は、燃料電池車両２０の始動時に、制御部２００のＣＰＵで実行される暖機運転処理ルーチンを表わすフローチャートである。以下では、まず、図２に基づいて、燃料電池車両２０の始動時に実行される暖機運転の概要について説明する。本ルーチンは、燃料電池車両２０を走行可能にするために燃料電池システム３０を始動させる指示が入力されたとき、例えば、運転者によって燃料電池車両２０のスタートスイッチ（図示せず）が押されたときに起動されて実行される。
【００２１】
本ルーチンが起動されると、制御部２００のＣＰＵは、温度センサ１０５から燃料電池１００の温度を取得して、燃料電池１００の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。ステップＳ１００において、常圧の環境下では、燃料電池１００の温度が０℃以下であるか否かを判断する。大気圧がより低い高地等で燃料電池車両２０を用いる場合には、使用環境の大気圧に応じて、ステップＳ１００における比較対象としての氷点を、適宜変更すればよい。使用環境における大気圧は、燃料電池車両２０に大気圧センサを設けて直接検出してもよく、あるいは、燃料電池車両２０の位置情報に基づいて、燃料電池車両２０が位置する場所の標高から推定してもよい。
【００２２】
ステップＳ１００で、燃料電池１００の温度が氷点を超えていると判定すると（ステップＳ１００：ＮＯ）、燃料電池１００の温度を氷点より高くするための後述する暖機運転は不要と判断されるため、制御部２００は、本ルーチンを終了する。
【００２３】
ステップＳ１００で、燃料電池１００の温度が氷点下であると判定すると（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、制御部２００は、暖機運転を開始して、暖機時運転ポイントにて燃料電池１００の発電を行なう（ステップＳ１１０）。
【００２４】
暖機運転とは、燃料電池１００の温度が、定常状態として予め定められた温度範囲に達するように、燃料電池１００を積極的に昇温させる運転状態を指す。ステップＳ１１０では、燃料電池１００の温度が氷点を超えるように昇温させるための暖機運転が行なわれる。本実施形態では、燃料電池１００の発電量および発熱量が、予め定められた目標発電量および目標発熱量を満たすように、ステップＳ１１０において設定される燃料電池１００の運転ポイントとして、燃料電池１００の目標電流および目標電圧が定められている。制御部２００は、上記目標電流および目標電圧が実現されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４に対して指令信号を出力する。暖機運転では、燃料電池１００に供給される酸化ガスのストイキ比は、定常状態におけるストイキ比よりも小さく設定され、酸素濃度過電圧を増大させることにより、燃料電池１００の発電損失が増大されている。酸化ガスのストイキ比とは、上記目標発電量を発電するために必要な酸素量の最低量に対する、実際に供給した酸素量の比を意味する。
【００２５】
次に、制御部２００は、セルモニタ１０６からの検出信号に基づいて、燃料電池１００において負電圧セルが存在するか否かを判定する（ステップＳ１２０）。負電圧セルが存在する場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、制御部２００は、燃料電池１００の出力電流を制限する（ステップＳ１３０）。上記ステップＳ１２０は、燃料電池１００を構成するいずれかの単セル内が凍結しているか否かを判定する工程である。氷点下始動時に燃料電池１００の暖機時運転を行なう際に、いずれかの単セル内の燃料ガス流路が凍結していると、当該単セルにおいて、水素不足に起因して発電反応が抑制される。このような場合であっても、他の単セルでは発電反応が継続されるため、水素不足が生じている当該単セルは、燃料電池１００において抵抗として働き、負電圧を発生する。このような状態で暖機運転を続行すると、燃料電池１００が損傷する等の不都合が生じる可能性があるため、ステップＳ１２０において負電圧セルが検出されたときには、出力電流を制限して発電量を抑制し、上記不都合を抑えている。本実施形態では、生じた負電圧の程度に応じて、出力電流の制限の程度を変更している。すなわち、ステップＳ１３０では、生じた負電圧が大きいほど、燃料電池１００の目標電流を、より低く設定している。ただし、ステップＳ１３０で電流制限する際には、生じた負電圧の程度にかかわらず、出力電流の制限の動作を一律で行なってもよい。
【００２６】
その後、制御部２００は、再びセルモニタ１０６から検出信号を取得して、ステップＳ１３０で電流制限した結果、負電圧が解消されて、負電圧セルが存在しない状態となったか否かを判定する（ステップＳ１４０）。負電圧が解消していないと判定されるときには（ステップＳ１４０：ＮＯ）、負電圧が解消されるまで、ステップＳ１４０の動作を繰り返す。ステップＳ１４０において、負電圧解消に係る判定を繰り返す際には、ステップＳ１３０で設定した目標電流を維持してもよく、また、ステップＳ１４０を繰り返す途中で目標電流を変更してもよい。
【００２７】
ステップＳ１４０で負電圧が解消されたと判定すると（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）、制御部２００は、電流制限を解除して、燃料電池１００の目標電流を、ステップＳ１１０で設定した当初の目標電流に戻す（ステップＳ１５０）。
【００２８】
その後、制御部２００は、温度センサ１０５から燃料電池１００の温度を取得して、燃料電池１００の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ１６０）。ステップＳ１６０は、燃料電池１００全体の温度が氷点よりも高くなり、燃料電池１００の内部が凍結しない程度に燃料電池１００が昇温したか否かを判定する工程である。そのため、ステップＳ１６０で用いる基準温度は、氷点よりも高い温度に設定してもよい。
【００２９】
また、ステップＳ１２０において負電圧セルが存在しないと判定する場合にも、（ステップＳ１２０：ＮＯ）、制御部２００はステップＳ１６０に移行し、燃料電池１００の内部が凍結しない程度に燃料電池１００が昇温したか否かを判定する同様の動作を行なう。
【００３０】
ステップＳ１６０で燃料電池１００の温度が氷点下であると判定すると（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、制御部２００は、ステップＳ１２０に戻り、ステップＳ１２０からステップＳ１６０までの処理を繰り返す。燃料電池１００の温度が氷点を超える温度に達するまでは、発電に伴い生じた生成水が燃料電池１００の内部で凍結する可能性があるためである。ステップＳ１６０で燃料電池１００の温度が氷点を超えたと判定すると（ステップＳ１６０：ＮＯ）、制御部２００は、本ルーチンを終了する。
【００３１】
（Ａ−３）始動時の制御：
図３は、制御部２００を、制御部２００が実行する機能の一部を表わす機能ブロックによって示した説明図である。制御部２００は、機能ブロックとして、検出部２１０、低出力判定部２２０、走行制御部２３０、発電制御部２４０、および出力制限部２５０を備える。本実施形態の燃料電池車両２０は、低温条件下で始動する際には、既述した暖機運転を行ないつつ、燃料電池１００の出力状態が、所定の低出力状態に該当するか否かを判定し、その結果に基づいて、燃料電池車両２０を退避走行させるべきか否かを判定している。図３に示す機能ブロックは、このような動作の実行に関与する。
【００３２】
図４は、燃料電池車両２０の始動時に、制御部２００のＣＰＵで実行される始動時判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。本ルーチンは、燃料電池車両２０を走行可能にするために燃料電池システム３０を始動させる指示が入力されたとき、例えば、運転者によって燃料電池車両２０のスタートスイッチ（図示せず）が押されたときに起動される。
【００３３】
本ルーチンが起動されると、制御部２００のＣＰＵは、温度センサ１０５から燃料電池１００の温度を取得して、燃料電池１００の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００は、既述したステップＳ１００と同様の動作を行なう工程であるため、詳しい説明は省略する。図４の始動時判断処理ルーチンは、燃料電池車両２０の始動時において、図２の暖機運転処理ルーチンと並行して実行される。そのため、ステップＳ２００で燃料電池１００の温度が氷点下であると判定されるときには（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、燃料電池車両２０では、図２に示した暖機運転が実行される。
【００３４】
ステップＳ２００で燃料電池１００の温度が氷点を超えていると判定すると（ステップＳ２００：ＮＯ）、燃料電池１００において凍結に起因する不都合が生じないと判断されるため、制御部２００は、本ルーチンを終了する。
【００３５】
ステップＳ２００で、燃料電池１００の温度が氷点下であると判定すると（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、制御部２００は、燃料電池１００の出力状態が、予め定められた低出力状態であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。より具体的には、制御部２００の検出部２１０が、燃料電池１００の運転状態を検出する。そして、低出力判定部２２０が、検出された運転状態を用いて、燃料電池１００の出力状態が予め定められた低出力状態に該当するか否かを判定する。ステップＳ２１０において燃料電池１００の出力状態が上記低出力状態であると判定される場合には、燃料電池１００において凍結が発生していると考えられる。
【００３６】
本実施形態の検出部２１０は、上記運転状態として、燃料電池１００の出力電力を検出する。すなわち、ステップＳ２００において、検出部２１０は、電圧センサ１０２および電流センサ１０３から、燃料電池１００の出力電圧および出力電流を取得して、燃料電池１００の出力電力を求める。そして、ステップＳ２１０において、低出力判定部２２０は、燃料電池１００の出力電力を、予め定められた基準電力と比較して、出力電力が基準電力よりも小さい場合には、燃料電池１００が低出力状態であると判定する。
【００３７】
本実施形態では、上記基準電力は、（ａ）「退避時モータ消費電力」と、（ｂ）「退避時補機消費電力」と、の和として定められている。（ａ）「退避時モータ消費電力」とは、燃料電池車両２０の走行状態が第１走行状態となるときに駆動モータ１７０が消費し得る電力の最大値として予め定められた値であり、第１電力とも呼ぶ。（ｂ）「退避時補機消費電力」とは、（ａ）「退避時モータ消費電力」と同量の電力を燃料電池１００が発電するときに、燃料電池１００の補機が消費する電力であり、第２電力とも呼ぶ。第１走行状態とは、後述するステップＳ２４０において設定される走行状態である。具体的には、燃料電池１００の発電を停止して、二次電池１７２のみを電源として駆動モータ１７０を駆動する走行状態であって、駆動モータ１７０が出力するモータ出力が、予め定められた第１上限出力以下に抑えられた走行状態である。以下では、第１走行状態と、第１走行状態における消費電力について説明する。
【００３８】
第１走行状態においては、例えば、最高速度を２０ｋｍ／ｈとするなど、速度制限を行ない、設定した最高速度で燃料電池車両２０が走行するときの駆動モータ１７０の出力の最大値を、第１上限出力とすることができる。あるいは、車両の走行速度にかかわらず、駆動モータ１７０の出力の最大値として、第１上限出力を設定してもよい。第１走行状態では、駆動モータ１７０に要求される要求出力が第１上限出力よりも高い場合には、駆動モータ１７０が実際に出力するモータ出力は、要求出力よりも低くなる。
【００３９】
図４のステップＳ２１０で用いられる既述した（ａ）「退避時モータ消費電力」とは、第１走行状態の際に駆動モータ１７０が消費し得る電力の最大値として予め定められた電力とすることができる。例えば、退避走行時に速度制限を行なう場合には、（ａ）「退避時モータ消費電力」は、設定された最高速度にて、燃料電池車両２０が第１走行状態で走行する際に駆動モータ１７０が消費する電力の最大値とすることができる。（ｂ）「退避時補機消費電力」とは、既述したように、（ａ）「退避時モータ消費電力」と同量の電力を燃料電池１００が発電する場合に、燃料電池１００の補機が消費する電力である。燃料電池１００の補機とは、具体的には、循環ポンプ１２７、コンプレッサ１３０、あるいは、燃料電池１００内で冷媒を循環させるための冷媒ポンプを含む。
【００４０】
燃料電池車両２０が低温始動する際には、既述したように、予め定められた目標発電量および目標発熱量を満たすように定められた暖機時運転ポイントにて暖機運転が行なわれる（図２のステップＳ１１０）。そして、燃料電池１００内部が凍結して負電圧セルが発生したときには（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、燃料電池１００の出力電流を制限する制御が行なわれる（ステップＳ１３０）。本実施形態では、ステップＳ１３０で電流制限が行なわれる前にステップＳ１１０で設定される暖機時運転ポイントは、燃料電池１００が発電する電力が、（ａ）「退避時モータ消費電力」と（ｂ）「退避時補機消費電力」との和以上となるように設定されている。そのため、図４のステップＳ２１０において燃料電池１００が低出力状態であると判定される場合とは、暖機運転中に負電圧セルが検出されて（図２のステップＳ１２０：ＹＥＳ）、燃料電池１００の出力電流が制限されている状態に該当する。
【００４１】
図４に戻り、燃料電池１００が低出力状態であると判定すると（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、制御部２００の低出力判定部２２０は、ステップＳ２１０で燃料電池１００が低出力状態であると最初に判定されてからの経過時間が、予め定められた基準時間以上となったか否かを判定する（ステップＳ２２０）。上記経過時間が上記基準時間に達していない場合には（ステップＳ２２０：ＮＯ）、制御部２００はステップＳ２００に戻り、燃料電池１００が低出力状態であるか否かの判断を繰り返す。
【００４２】
上記基準時間以上継続して、燃料電池１００が低出力状態である場合には（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、制御部２００の走行制御部２３０は、燃料電池システム３０を停止させ（ステップＳ２３０）、二次電池１７２からの出力電力のみを用いた第１走行状態に、燃料電池車両２０の走行状態を設定して（ステップＳ２４０）、本ルーチンを終了する。本実施形態では、燃料電池１００が、基準時間以上継続して低出力状態である場合には、暖機運転が適切に進行しておらず、燃料電池１００が凍結する状態が解除され難いと考えられるため、凍結に起因して燃料電池１００の発電が停止される前に燃料電池１００の発電の継続を断念し、第１走行状態を設定する。燃料電池車両２０の走行状態を第１走行状態に設定するときには、燃料電池車両２０のインストルメントパネルに設けたディスプレイ等に、暖機運転が適切に進行しないことにより燃料電池１００の発電が停止されて、車両の出力が抑制された状態となったことを報知するための表示を行なえばよい。また、上記ディスプレイ等に、安全な場所まで燃料電池車両２０を退避させる退避走行を促す表示を行なえばよい。
【００４３】
燃料電池１００の内部が一旦凍結すると、凍結した箇所では発電反応が正常に進行し難くなり、発電に伴う発熱も得られ難くなる。そのため、凍結後、直ちに凍結が解消されない場合には、時間の経過と共に凍結の解消はさらに困難になる。ステップＳ２２０で用いる基準時間は、一旦凍結が生じた後の経過時間であって、凍結が解消される可能性が高い時間として、予め設定されている。このような基準時間は、例えば、実験的に定めればよい。具体的には、低温条件下で燃料電池１００を始動させて、一旦負電圧セルが検出された後に負電圧が解消される場合の、負電圧発生から解消までの時間を調べて、凍結が解消される可能性が高い時間を設定すればよい。
【００４４】
ステップＳ２１０において、燃料電池１００が低出力状態ではないと判定されると、制御部２００は、燃料電池１００の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ２５０）。ステップＳ２１０において燃料電池１００が低出力状態ではないと判定される場合には、ステップＳ２１０において燃料電池１００が低出力状態であると判定された後に、ステップＳ２２０の基準時間が経過するまでの間に、低出力状態を脱した場合が含まれる。具体的には、上記基準時間が経過するまでの間に、図２のステップＳ１４０で負電圧セルが存在しなくなったと判定されて、ステップＳ１５０で電流制限が解除された場合には、燃料電池１００は低出力状態を脱することができる。
【００４５】
ステップＳ２５０では、燃料電池１００が昇温して、燃料電池１００が凍結し得る状態を脱したか否かを判定している。このステップＳ２５０では、例えば、ステップＳ２００と同様に、温度センサ１０５から燃料電池１００の温度を取得して、燃料電池１００の温度が氷点下であるか否かを判定すればよい。あるいは、温度センサ１０５の検出温度が氷点を超えても、燃料電池１００内部に氷点下の箇所が存在する可能性もあるため、ステップＳ２５０で用いる基準温度として、氷点よりも高い温度を用いてもよい。
【００４６】
また、ステップＳ２５０では、検出した燃料電池１００の温度を用いる方法とは異なる方法によって、燃料電池１００が凍結し得る状態を脱したか否かを判定してもよい。例えば、暖機運転を開始してからの燃料電池１００の発電電荷量が、予め定められた基準値を超える場合には、燃料電池１００の温度が氷点を超えたと判断してもよい。燃料電池１００の発電電荷量は、暖機運転を開始した後の燃料電池１００の出力電流と時間との積を積分することにより求めることができる。出力電流が多いほど、燃料電池１００の発熱量は多くなるため、所定時間内において燃料電池１００の発電電荷量が基準値を超えることにより、燃料電池１００において十分な発熱量が得られて、燃料電池１００が凍結し得る状態を脱したと判断することができる。
【００４７】
ステップＳ２５０において、燃料電池１００の温度が氷点下であると判定すると（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、制御部２００はステップＳ２１０に戻り、燃料電池１００が低出力状態であるか否かの判定を行なう。ステップＳ２５０において、燃料電池１００の温度が氷点を超えたと判定すると（ステップＳ２５０：ＮＯ）、制御部２００は、本ルーチンを終了する。
【００４８】
以上のように構成された本実施形態の燃料電池車両２０によれば、燃料電池車両２０の低温始動時に、燃料電池１００の出力状態が、基準時間以上継続して低出力状態である場合には、二次電池１７２のみを電源として用いて、駆動モータ１７０が出力するモータ出力を予め定められた上限出力以下抑える第１走行状態となるように、走行状態を設定する。そのため、低温始動時に燃料電池１００の出力が不足する状態が続いても、二次電池１７２が過放電になって、燃料電池車両２０が急に車両停止しなければいけなくなる、という不具合の発生を抑えることができる。燃料電池１００の出力状態が、基準時間以上継続して低出力状態である場合には、燃料電池１００の暖機運転が良好に進行していないと判断される。この場合には、燃料電池１００からの出力が不足することにより、駆動モータ１７０に対しては主として二次電池１７２から電力供給され、二次電池１７２の残存容量が次第に低下する可能性が比較的高いと考えられる。このような場合に、凍結に起因して燃料電池１００の発電が停止される前に燃料電池１００の発電の継続を断念することで、二次電池１７２の残存容量に比較的余裕がある段階で第１走行状態を設定することができる。その結果、低温時に燃料電池１００の暖機運転が良好に進行しない場合であっても、二次電池１７２の過放電を抑えつつ退避走行を行ない、燃料電池車両２０の安全性を高めることができる。
【００４９】
図５は、低温始動時に燃料電池１００の出力状態が基準時間以上継続して低出力状態である場合に、第１走行状態となる前後の様子を概念的に表わす説明図である。図５において、横軸は時間の経過を表わし、縦軸は二次電池１７２の残存容量（ＳＯＣ）の変化の様子を表わす。図５では、燃料電池１００の出力状態が基準時間以上継続して低出力状態である場合に第１走行状態になる様子を実線で表わしている。
【００５０】
低温条件下で燃料電池車両２０を始動すると、燃料電池１００が暖機運転することにより、燃料電池１００からある程度の電力が得られる。そのため、燃料電池車両２０では、燃料電池１００と二次電池１７２との双方を用いて、駆動モータ１７０に要求される要求出力に応じた走行が実現される。図５では、時間ｔａに達するまで、このような走行が行なわれることを示す。
【００５１】
図５では、時間ｔａの時点で、燃料電池１００の出力状態が基準時間以上継続して低出力状態であると判断されて（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、燃料電池システム３０を停止して（ステップＳ２３０）、燃料電池車両２０の走行状態を第１走行状態に設定する（ステップＳ２４０）様子を表わす。このような場合には、二次電池１７２の残存容量に比較的余裕がある段階で第１走行状態となる制御を開始して、時間ｔｂで二次電池１７２の残存容量が残存容量αに低下するまで、第１走行状態での走行を続行することができる。残存容量αとは、二次電池１７２の残存容量が枯渇して、燃料電池車両２０が走行不能になるときの、二次電池１７２の残存容量を示す。図５では、図４のステップＳ２４０で第１走行状態となるときの二次電池１７２の残存容量を、残存容量βとして表わしている。
【００５２】
図５では、本実施形態における第１走行状態に係る制御を行なわず、時間ｔａ以降も二次電池１７２と共に燃料電池１００を電源として用いて車両走行する場合の、二次電池１７２の残存容量の変化の様子を、一点鎖線で示す。第１走行状態のように駆動モータ１７０のモータ出力を制限することなく走行を続けて、燃料電池１００と二次電池１７２とを電源として用いて要求出力に応じた走行を行なうと、二次電池１７２の残存容量は、第１走行状態よりも速く低下し得る。このように、退避走行を促されることなく車両走行を続行すると、時間ｔｂよりも早い時間ｔｃの時点で、二次電池１７２の残存容量が残存容量αに低下することにより、急に車両停止しなければいけない状態となり得る。本実施形態によれば、燃料電池１００の低出力状態が基準時間以上継続されると、燃料電池車両２０の走行状態が第１走行状態に設定されて、二次電池１７２の残存容量に比較的余裕がある段階で退避走行が促されるため、燃料電池車両２０の安全性を高めることができる。
【００５３】
Ｂ．第２実施形態：
第１実施形態では、低温始動時における燃料電池１００の出力状態が、既述した低出力状態に該当しない場合には（ステップＳ２１０：ＮＯ）、ステップＳ２５０で燃料電池１００が凍結する可能性のある低温状態を脱したと判定されるまで、ステップＳ２１０の低出力状態であるか否かの判断を繰り返す。このとき、燃料電池車両２０では、燃料電池１００と二次電池１７２とを電源として、駆動モータ１７０に要求される要求出力に応じた走行が行なわれている。燃料電池１００の出力状態が低出力状態に該当しない場合であっても、暖機運転中の燃料電池１００の発電量は定常状態の発電量よりも抑えられている。そのため、ステップＳ２１０の判断を繰り返しながら上記のように車両走行する状態が長く続くと、二次電池１７２の残存容量が望ましくない程度に低下する可能性がある。以下では、第２実施形態として、低温始動時における燃料電池１００の出力状態が、既述した低出力状態に該当しないときに（ステップＳ２１０：ＮＯ）、二次電池１７２の残存容量に基づいて、燃料電池車両２０の走行状態を第２走行状態に設定する構成について説明する。第２走行状態とは、駆動モータ１７０が出力するモータ出力が予め定められた第２上限出力以下に抑えられる走行状態であって、第１走行状態とは異なり、少なくとも燃料電池１００を電源として用いる走行状態をいう。
【００５４】
図６は、第２実施形態の燃料電池車両２０の始動時に、燃料電池車両２０の制御部２００において実行される始動時判断処理ルーチンを表わすフローチャートである。第２実施形態の燃料電池車両２０は、図１に示す第１実施形態の燃料電池車両２０と同様の構成を有するため、共通する部分には同じ参照番号を付して、詳しい説明を省略する。図６に示す始動時判断処理ルーチンは、第１実施形態における図４の始動時判断処理ルーチンに代えて実行される。図６において、図４と共通する工程には、同じステップ番号を付して詳しい説明を省略する。
【００５５】
スタートスイッチの操作により始動の指示が入力されて本ルーチンが起動されると、制御部２００のＣＰＵは、燃料電池１００の温度が氷点下か否かを判定し（ステップＳ２００）、氷点下である場合には（ステップＳ２００：ＹＥＳ）、燃料電池１００が既述した低出力状態であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。燃料電池１００の出力状態が低出力状態に該当しない場合には（ステップＳ２１０：ＮＯ）、制御部２００は、燃料電池１００の温度が氷点下であるか否かを判定する（ステップＳ２５０）。そして、燃料電池１００の温度が氷点下である場合には（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、制御部２００は、残存容量モニタ１７３から二次電池１７２の残存容量を取得して、残存容量が、予め定められた基準値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２６０）。二次電池１７２の残存容量が基準値以下の場合には（ステップＳ２６０：ＹＥＳ）、制御部２００の走行制御部２３０は、燃料電池車両２０の走行状態を第２走行状態に設定して（ステップＳ２７０）、ステップＳ２１０に戻る。燃料電池１００の出力状態が低出力状態に該当せず（ステップＳ２１０：ＮＯ）、燃料電池１００の温度が氷点下であり（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、二次電池１７２の残存容量が基準値以下の状態が続く間は（ステップＳ２６０：ＹＥＳ）、第２走行状態が維持される。また、二次電池１７２の残存容量が基準値を超える場合には（ステップＳ２６０：ＮＯ）、制御部２００は、燃料電池車両２０の走行状態を第２走行状態に設定することなく、ステップＳ２１０に戻る。
【００５６】
図７は、低温始動時に燃料電池１００の出力状態が既述した低出力状態に該当しない場合に、第２走行状態を開始する前後の様子を概念的に表わす説明図である。図７において、横軸は時間の経過を表わし、縦軸は二次電池１７２の残存容量（ＳＯＣ）の変化の様子を表わす。図７では、燃料電池１００の出力状態が、既述した低出力状態に該当せず、二次電池１７２の残存容量が基準値以下のときに、第２走行状態を開始する様子を実線で表わしている。また、図７では、図５に示したように、低温始動時に燃料電池１００の出力状態が基準時間以上継続して低出力状態である場合に第１走行状態となる様子を、点線で表わしている。
【００５７】
図７では、時間ｔｄの時点で、燃料電池１００の残存容量が、基準値である残存容量γに以下になったと判断されて（ステップＳ２６０：ＹＥＳ）、第２走行状態を開始する様子（ステップＳ２７０）を表わす。時間ｔｄまでは、燃料電池１００と二次電池１７２とを電源として用いて、駆動モータ１７０に要求される要求出力に応じた走行が行なわれる。このとき、燃料電池１００の出力状態は、既述した低出力状態には該当していない（ステップＳ２１０：ＮＯ）。そのため、駆動モータ１７０は、燃料電池１００が低出力状態である場合に比べて、燃料電池１００が発電する電力を、より多く利用することができ、二次電池１７２から取り出す電力を抑えることができる。図７では、時間ｔｄまでの残存容量の低下の程度が、燃料電池１００の出力状態が低出力状態である場合、すなわち点線で表わした場合よりも、緩やかとなるように表わされている。
【００５８】
燃料電池車両２０の走行状態を第２走行状態にする判断のために、ステップＳ２６０で用いる残存容量の基準値として、本実施形態では、図７に示すように、残存容量γを用いている。そして、第２走行状態では、駆動モータ１７０における消費電力の最大値が、既述した（ａ）「退避時モータ消費電力」以下となるように、駆動モータ１７０のモータ出力を抑えている。すなわち、第２実施形態の第２走行状態におけるモータ出力の最大値である第２上限出力は、駆動モータ１７０における消費電力が（ａ）「退避時モータ消費電力」となるときのモータ出力に設定されている。駆動モータ１７０に要求される要求出力が第２上限出力よりも高い場合には、駆動モータ１７０が出力するモータ出力は、要求出力よりも低くなる。そのため、ステップＳ２７０で燃料電池車両２０の走行状態を第２走行状態に設定する際には、燃料電池車両２０のインストルメントパネルに設けたディスプレイ等に、燃料電池１００の暖機運転中に二次電池１７２の残存容量が低下したため、車両の出力が抑制された状態となったことを報知するための表示を行なえばよい。
【００５９】
ステップＳ２７０で第２走行状態になるときには、その前に実行されたステップＳ２１０において、燃料電池１００の出力状態が既述した低出力状態に該当しないと判断されている。そして、燃料電池１００の出力状態が低出力状態に該当しないと判断される場合には（ステップＳ２１０：ＮＯ）、既述したように、燃料電池１００の出力電力は、（ａ）「退避時モータ消費電力」と（ｂ）「退避時補機消費電力」との和以上となっている。そのため、第２走行状態では、駆動モータ１７０の駆動に要する電力を燃料電池１００によって賄うことが可能となり、図７に示すように、時間ｔｄ以降では、二次電池１７２の残存容量の低下が抑えられる。図７では、一例として、第２走行状態中の燃料電池１００の出力電力が、（ａ）「退避時モータ消費電力」と（ｂ）「退避時補機消費電力」との和に等しくなり、二次電池１７２の残存容量が残存容量γで維持される様子を示している。
【００６０】
図７では、本実施形態における第２走行状態に係る制御を行なわず、二次電池１７２の残存容量が残存容量γに低下する時間ｔｄ以降も、二次電池１７２と共に燃料電池１００を電源として用いて車両走行する場合の、二次電池１７２の残存容量の変化の様子を、一点鎖線で示す。第２走行状態のように駆動モータ１７０のモータ出力を制限することなく走行を続けて、燃料電池１００と二次電池１７２とを電源として用いて要求出力に応じた走行を行なうと、二次電池１７２の残存容量は、第２走行状態よりも速く低下し得る。このように、モータ出力を制限することなく車両走行を続行したときに、燃料電池１００の温度が氷点以上になるまでに時間を要する場合には、時間ｔｅの時点で二次電池１７２の残存容量が残存容量αに低下することにより、急に車両停止しなければいけない状態となり得る。
【００６１】
第２走行状態となっているときに、燃料電池１００の出力電力が、駆動モータ１７０における消費電力を上回る場合には、燃料電池１００によって二次電池１７２を充電することが可能になる。このようにして二次電池１７２の残存容量が回復した場合には、その後、燃料電池車両２０の走行状態を第２走行状態に設定した後に実行するステップＳ２６０において、二次電池１７２の残存容量が基準値を超えると判定されて（ステップＳ２６０：ＮＯ）、第２走行状態が解除される。また、第２走行状態中に、燃料電池１００の内部が凍結して（図２のステップＳ１２０：ＹＥＳ）、出力電流が制限されると（図２のステップＳ１３０）、燃料電池１００の出力状態は、やがて低出力状態となる（ステップＳ２１０：ＹＥＳ）。そして、基準時間以上継続して低出力状態である場合には（ステップＳ２２０：ＹＥＳ）、燃料電池システム３０が停止されて（ステップＳ２３０）、二次電池１７２のみを電源として用いる第１走行状態が設定される（ステップＳ２４０）。また、第２走行状態中に、ステップＳ２５０において、燃料電池１００の温度が氷点を超えたと判定されると（ステップＳ２５０：ＮＯ）、燃料電池１００からより高い出力を得ることが可能になるため、制御部２００は、第２走行状態を解除して、本ルーチンを終了する。
【００６２】
このような構成とすれば、第１実施形態と同様の効果に加えて、さらに、低温始動時に燃料電池１００の暖機運転を行なう際に、二次電池１７２の残存容量が望ましくない程度に低下することを抑える効果が得られる。すなわち、二次電池１７２の残存容量が残存容量γに低下すると、その後は、駆動モータ１７０のモータ出力を第２上限出力以下に抑えた第２走行状態となるため、二次電池１７２の残存容量の低下を抑えることができる。そして、第２走行状態を設定することで、二次電池１７２の残存容量の低下を抑えつつ、車両走行と燃料電池１００の暖機運転とを続行することができる。第２実施形態では、第２走行状態におけるモータ出力の最大値である第２上限出力を、駆動モータ１７０における消費電力が（ａ）「退避時モータ消費電力」となるときのモータ出力に設定したが、第２上限出力として異なる値を設定してもよい。
【００６３】
Ｃ．第３実施形態：
第１および第２実施形態では、検出部２１０が検出する燃料電池１００の運転状態として、燃料電池１００の出力電力を用いて、出力電力が（ａ）「退避時モータ消費電力」と（ｂ）「退避時補機消費電力」との和以上であるか否かに基づいて、ステップＳ２１０の低出力状態に係る判断を行なったが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池１００の運転状態として燃料電池１００の出力電力を用いる場合に、燃料電池１００の実際の出力電力が、ステップＳ１１０で設定される暖機時運転ポイントにおける燃料電池１００の出力電力よりも小さい場合に、燃料電池１００が低出力状態であると判定してもよい。このような構成としても、第１実施形態あるいは第２実施形態と同様の効果が得られる。
【００６４】
Ｄ．第４実施形態：
第１実施形態では、燃料電池１００の運転状態として燃料電池１００の出力電力を用いて、ステップＳ２１０において燃料電池１００が低出力状態であるか否かを判断したが、異なる構成としてもよい。以下では、第４実施形態として、燃料電池１００の運転状態として燃料電池１００の昇温速度を用いる構成を説明する。
【００６５】
第４実施形態の燃料電池車両２０は、第１実施形態の燃料電池車両２０と同様の構成を有しているため、詳しい説明を省略する。第４実施形態の燃料電池車両２０は、低温始動時には、第１実施形態の燃料電池車両２０と同様の制御を行なうが、ステップＳ２１０における判断の動作が異なる。
【００６６】
第４実施形態では、ステップＳ２１０において、制御部２００の検出部２１０は、予め定められた時間間隔で温度センサ１０５の検出信号を取得して、燃料電池１００の昇温速度を求める。そして、求めた昇温速度が、予め定められた基準昇温速度よりも小さいときに、燃料電池１００の出力状態が低出力状態であると判定する。基準昇温速度は、燃料電池１００の内部が凍結していない状態で暖機運転を行なう場合の燃料電池１００の昇温速度として予め定めればよい。具体的には、基準昇温速度は、暖機運転時に負電圧セルが検出されず（図２のステップＳ１２０：ＮＯ）、ステップＳ１３０の電流制限が行なわれることなく、ステップＳ１１０で設定された暖機時運転ポイントで燃料電池１００の発電が行なわれるときの、燃料電池１００の昇温速度とすればよい。
【００６７】
燃料電池１００における発熱量は、燃料電池１００の出力電流に基づいて算出することができる。また、燃料電池１００の熱容量は、燃料電池１００の構成部材の大きさおよび構成材料に基づいて定めることができる。そのため、始動時の低温条件下での放熱量をさらに考慮して、暖機時運転ポイントで燃料電池１００の発電が行なわれるときの、燃料電池１００の昇温速度を、基準昇温速度として予め設定することができる。例えば、始動時ごとに、始動時の気温に基づいて上記放熱量を補正して、上記基準昇温速度を修正して設定してもよい。燃料電池１００の昇温速度が上記基準昇温速度に達しない場合には、燃料電池１００内で凍結が生じて、いずれかの単セルで水素不足が生じることにより、燃料電池１００の出力電流が制限された低出力状態であると判断できる。
【００６８】
このような構成としても、第１実施形態と同様に、低温始動時に燃料電池１００の出力が不足する状態が続いても、二次電池１７２が過放電になって、燃料電池車両２０が急に車両停止しなければいけなくなる、という不具合の発生を抑えることができる。
【００６９】
Ｅ．第５実施形態：
以下では、第５実施形態として、燃料電池１００を構成する複数の単セルのうちのいずれかが、アノードに供給される水素が不足するセル（以下、水素欠セルとも呼ぶ）であるか否かに係る情報を、燃料電池１００の運転状態として用いる構成を説明する。第５実施形態の燃料電池車両２０は、第１実施形態の燃料電池車両２０と同様の構成を有しているため、詳しい説明を省略する。第５実施形態の燃料電池車両２０は、低温始動時には、第１実施形態の燃料電池車両２０と同様の制御を行なうが、ステップＳ２１０における判断の動作が異なる。
【００７０】
第５実施形態では、ステップＳ２１０において、制御部２００の検出部２１０は、セルモニタ１０６から検出信号を取得して、水素欠セルが存在するか否かを判断する。具体的には、負電圧セルが検出される場合には、水素欠セルが存在すると判断する。そして、負電圧セルが存在するときに、燃料電池１００の出力状態が低出力状態であると判定する。負電圧セルが存在する場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、燃料電池１００において電流制限が行なわれるため（ステップＳ１３０）、燃料電池１００の出力電流が制限された低出力状態であると判断できる。
【００７１】
このような構成としても、第１実施形態と同様に、低温始動時に燃料電池１００の出力が不足する状態が続いても、二次電池１７２が過放電になって、燃料電池車両２０が急に車両停止しなければいけなくなる、という不具合の発生を抑えることができる。
【００７２】
上記説明では、負電圧セルが存在するか否かによって、水素欠セルが存在するか否かを判断しているが、異なる構成としてもよい。例えば、燃料電池１００において電流制限が行なわれているときに、水素欠セルが存在すると判断してもよい。あるいは、交流インピーダンス法によって燃料電池１００のインピーダンスを測定し、求めたインピーダンスの値が、予め定められた基準値よりも大きいときに、水素欠セルが存在すると判断してもよい。具体的には、燃料電池１００から取り出す電流に対して交流信号を重畳し、交流インピーダンス法によって燃料電池１００のインピーダンスを検出する。そして、低周波数（例えば、１〜１００Ｈｚ）の交流信号を印加したときの燃料電池１００のインピーダンスの値が、予め定められた基準値よりも大きくなったときに、水素が不足する単セルが生じていると判断すればよい。上記のように低周波数の交流信号を重畳する場合には、得られるインピーダンスは、抵抗成分に加えて、ガスの移動抵抗を反映するリアクタンスをさらに含むため、このような判断が可能になる。
【００７３】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７４】
２０…燃料電池車両、２２…車体、３０…燃料電池システム、１００…燃料電池、１０２…電圧センサ、１０３…電流センサ、１０４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１０５…温度センサ、１０６…セルモニタ、１１０…水素タンク、１２０…水素ガス供給部、１２１…水素供給流路、１２２…循環流路、１２３…水素放出流路、１２４…開閉バルブ、１２５…減圧バルブ、１２６…水素供給機器、１２７…循環ポンプ、１２８…圧力センサ、１２９…開閉バルブ、１３０…コンプレッサ、１４０…空気供給部、１４１…第１の空気流路、１４２…空気放出流路、１４３…背圧弁、１４４…分流弁、１４５…第２の空気流路、１４６…第３の空気流路、１４７…流量センサ、１７０…駆動モータ、１７２…二次電池、１７３…残存容量モニタ、１７４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１７８…配線、１８０…アクセル開度センサ、２００…制御部、２１０…検出部、２２０…低出力判定部、２３０…走行制御部、２４０…発電制御部、２５０…出力制限部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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