(57)【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、
前記燃料電池から前記負荷へ供給される前記出力電力の余剰分を蓄電し、不足分を前記負荷へ供給する蓄電装置と
を備える燃料電池システムであって、更に、
前記負荷の要求出力を検出すると共に、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、前記電圧調整手段を制御して前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の特定電圧値に固定させた状態で、前記ガス供給手段を制御して前記燃料電池に供給する前記酸素又は前記水素の濃度を前記負荷の要求出力に追従させるように変動させる電圧固定・出力可変制御を実行するものであり、
前記燃料電池の通常発電状態において前記酸化還元進行電圧範囲に対応する前記燃料電池の出力範囲を酸化還元進行出力範囲と定義するとき、前記電圧固定・出力可変制御は、前記負荷の要求出力が前記酸化還元進行出力範囲内である場合に実行され、
さらに、前記電圧固定・出力可変制御では、
前記燃料電池の出力電圧を前記特定電圧値に固定しつつ前記酸素又は前記水素の濃度を変動させた場合に前記燃料電池システムの出力効率が最高となる前記燃料電池の出力領域である効率最高領域を挟んで定められる前記燃料電池の上限出力値と下限出力値とが設定され、
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を上回り且つ前記上限出力値を下回る場合、前記特定電圧値への固定及び前記負荷の要求出力への追従を続けて実行し、
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回る又は前記上限出力値を上回る場合、前記特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、前記燃料電池の出力が前記効率最高領域内の値にな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において、
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回る又は前記上限出力値を上回る場合、前記蓄電装置の残容量が目標値に近づくように、前記燃料電池の出力を前記ガス供給手段により調整する
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、
前記燃料電池システムは、車両に搭載されるシステムであり、
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回り又は前記上限出力値を上回る場合、回生履歴に基づいて前記燃料電池の出力を前記ガス供給手段により調整する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【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、酸化還元電位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）。特許文献１の燃料電池システムでは、システム要求電力Ｗｒｅｑが徐々に上がっていく場合であっても、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃを酸化還元電位Ｖｏｘｐｔで一度制限し、制限した電圧に相当する電力をバッテリで補うように制御する。その後、アクセル開度が下がる等して燃料電池の発電が必要なくなったとしても、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位以下で維持して発電を継続し、バッテリの残容量が所定値を超えるまで発電を継続する（要約）。
【０００３】
また、システム全体での発電効率の向上を目指した燃料電池システムが開発されている（特許文献２）。特許文献２では、燃料電池での発電の無駄を削減し、燃料電池と２次電池を有するシステム全体としての効率向上を図っている（要約）。このため、特許文献２における燃料電池システム１０は、アクセルペダルの踏込操作を介して運転者が要求する車両の駆動要求パワーの大きさにより、燃料電池２０とその周辺装置を含む燃料電池機器群の運転・停止を定める。この駆動要求パワーが閾値パワーＸｐｓ以下の低負荷領域の燃料電池発電運転で得られるものである場合には、燃料電池機器群を停止させ、２次電池３０単独でその残存容量Ｑによりモータ３２を回転させて、車両を駆動要求パワーで駆動する（要約）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−００５０３８号公報
【特許文献２】特開２００１−３０７７５８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の制御では、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位以下に維持するが、酸化還元電位を回避し続けるためには、走行モータ等の負荷が要求する電力に対して、燃料電池の出力電力を大きくする必要がある。それらの場合、燃料電池の余剰電力をバッテリに充電することになる。このため、酸化還元電位を回避し続けるためには、バッテリの充放電の頻度が多くなる。バッテリの充放電の頻度が多くなると、充放電に伴う電力損失が大きくなり、燃料電池システム全体での出力効率が低下してしまう。なお、本発明者が確認したところでは、酸化還元反応が発生する電位は一定の幅が存在する。以下では、酸化還元反応が発生する電圧範囲を「酸化還元進行電圧範囲」という。
【０００６】
また、特許文献２の制御では、燃料電池の発電効率が高い領域で発電を行っているが、通常、燃料電池の発電効率が高い領域では燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内に存在してしまい、燃料電池の劣化が進行してしまう。
【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、燃料電池の劣化を抑制しつつ、燃料電池システム全体での出力効率を向上する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、前記燃料電池から前記負荷へ供給される前記出力電力の余剰分を蓄電し、不足分を前記負荷へ供給する蓄電装置とを備えるものであって、更に、前記負荷の要求出力を検出すると共に、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、前記電圧調整手段を制御して前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の特定電圧値に固定させた状態で、前記ガス供給手段を制御して前記燃料電池に供給する前記酸素又は前記水素の濃度を前記負荷の要求出力に追従させるように変動させる電圧固定・出力可変制御を実行するものであり、前記燃料電池の通常発電状態において前記酸化還元進行電圧範囲に対応する前記燃料電池の出力範囲を酸化還元進行出力範囲と定義するとき、前記電圧固定・出力可変制御は、前記負荷の要求出力が前記酸化還元進行出力範囲内である場合に実行され、さらに、前記電圧固定・出力可変制御では、前記燃料電池の出力電圧を前記特定電圧値に固定しつつ前記酸素又は前記水素の濃度を変動させた場合に前記燃料電池システムの出力効率が最高となる前記燃料電池の出力領域である効率最高領域を挟んで定められる前記燃料電池の上限出力値と下限出力値とが設定され、前記負荷の要求出力が前記下限出力値を上回り且つ前記上限出力値を下回る場合、前記特定電圧値への固定及び前記負荷の要求出力への追従を続けて実行し、前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回る又は前記上限出力値を上回る場合、前記特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、前記燃料電池の出力が前記効率最高領域内の値にな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、電圧固定・出力可変制御により燃料電池の劣化を抑制しつつ、電圧固定・出力可変制御中における燃料電池システム全体の発電効率を向上することが可能となる。
【００１０】
すなわち、電圧固定・出力可変制御では、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の特定電圧値に固定させるため、出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内に入ることによる燃料電池の劣化を避けることができる。
【００１１】
また、この発明によれば、負荷の要求出力が下限出力値を上回り且つ上限出力値を下回る場合、特定電圧値への固定及び負荷の要求出力への追従を続けて実行し、負荷の要求出力が下限出力値を下回る又は上限出力値を上回る場合、特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、燃料電池の出力が効率最高領域内の値になるようにガス供給手段を制御する。このため、燃料電池の出力効率が過度に悪化する出力領域を下限出力値及び上限出力値により設定しておけば、出力効率が過度に悪化する領域に対応する負荷の要求出力があった場合には、むしろ高い出力効率で燃料電池を発電させ、その余剰分を蓄電装置に蓄電することが可能となる。その結果、燃料電池システム全体としての発電効率を高めることが可能となる。
【００１２】
前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回る又は前記上限出力値を上回る場合、前記蓄電装置の残容量が目標値に近づくように、前記燃料電池の出力を前記ガス供給手段により調整してもよい。これにより、蓄電装置の残容量を良好に制御することが可能となる。
【００１３】
前記燃料電池システムは、車両に搭載されるシステムとし、前記負荷の要求出力が前記下限出力値を下回り又は前記上限出力値を上回る場合、回生履歴に基づいて前記燃料電池の出力を前記ガス供給手段により調整してもよい。これにより、蓄電装置の残容量を良好に制御することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、電圧固定・出力可変制御により燃料電池の劣化を抑制しつつ、電圧固定・出力可変制御中における燃料電池システム全体の発電効率を向上することが可能となる。
【００１５】
すなわち、電圧固定・出力可変制御では、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の特定電圧値に固定させるため、出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内に入ることによる燃料電池の劣化を避けることができる。
【００１６】
また、この発明によれば、負荷の要求出力が下限出力値を上回り且つ上限出力値を下回る場合、特定電圧値への固定及び負荷の要求出力への追従を続けて実行し、負荷の要求出力が下限出力値を下回る又は上限出力値を上回る場合、特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、燃料電池の出力が効率最高領域内の値になるようにガス供給手段を制御する。このため、燃料電池の出力効率が過度に悪化する出力領域を下限出力値及び上限出力値により設定しておけば、出力効率が過度に悪化する領域に対応する負荷の要求出力があった場合には、むしろ高い出力効率で燃料電池を発電させ、その余剰分を蓄電装置に蓄電することが可能となる。その結果、燃料電池システム全体としての発電効率を高めることが可能となる。
【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（ＦＣ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ＦＣシステム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】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１３】第２モードのフローチャートである。
【図１４】第２モードにおける目標ＦＣ電流と目標酸素濃度との関係を示す図である。
【図１５】第２モードにおける目標酸素濃度及び目標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１６】第２モードにおける目標酸素濃度及び目標ＦＣ電流と目標背圧弁開度との関係を示す図である。
【図１７】第２モードにおける目標ＦＣ電流と空気流量との関係を示す図である。
【図１８】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１９】第２モードにおいて目標ＦＣ電流を算出するフローチャートである。
【図２０】第１モード及び第２モードそれぞれについてＦＣ出力とＦＣユニットの出力効率との関係を示す図である。
【図２１】第１モード及び第２モードそれぞれについてＦＣ出力とＦＣ自体の発電効率との関係を示す図である。
【図２２】第２モードでＦＣ出力に用いる下限値及び上限値の設定方法を説明する図である。
【図２３】バッテリＳＯＣと回生平均補正係数との関係を示す図である。
【図２４】モータのトルク制御のフローチャートである。
【図２５】前記実施形態及び比較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。
【図２６】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２７】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２８】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。
【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、走行用のモータ１４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」又は「ＦＣ出力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）に昇圧すると共に、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。
【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制御及び電力供給モード）
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、３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〜第３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出力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、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが一定でありＦＣ電流Ｉｆｃ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）が可変である電圧固定・電流可変制御（電圧固定・出力可変制御）である。第３モードは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが一定でありＦＣ電流Ｉｆｃ（ＦＣ出力Ｐｆｃ）が一定である電圧固定・電流固定制御（電圧固定・出力固定制御）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（電圧固定・電流可変制御）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）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）｝に固定すると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを基本的に可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする（但し、一部例外がある。）。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】
第３モード（電圧固定・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、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ／セル数）を、酸化還元領域Ｒ３外の電位｛本実施形態では、電位ｖ３（＝０．９Ｖ）｝に固定し、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定とする。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。
【００８１】
（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、車両１０が高負荷状態であるか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２で計算したシステム負荷Ｐｓｙｓが、高負荷を判定するための閾値Ｐ２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が、システム負荷Ｐｓｙｓと釣り合うような場合を意味する。
【００８２】
システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ２以上である場合、車両１０が高負荷状態であり、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ２以上でない場合、車両１０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ＴＨＶｈ以下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下であるか否かにより高負荷状態を判定してもよい。
【００８３】
車両１０が高負荷状態である場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２２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（Ｓ２１：ＮＯ）、ステップＳ２３に進む。
【００８４】
ステップＳ２３において、ＥＣＵ２４は、車両１０が中負荷状態であるか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２で計算したシステム負荷Ｐｓｙｓが、中負荷を判定するための閾値Ｐ１以上であるか否かを判定する。ここにいう中負荷とは、例えば、酸素が豊潤な状態とし且つセル電圧Ｖｃｅｌｌを酸化還元領域Ｒ３内の値にして（ＦＣ電圧Ｖｆｃを還元領域Ｒ３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が、システム負荷Ｐｓｙｓと釣り合うような場合を意味する。
【００８５】
システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ１以上である場合、車両１０が中負荷状態であり、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ１以上でない場合、車両１０は中負荷状態ではない。なお、中負荷状態の判定は、その他の方法によって行ってもよい。例えば、車速Ｖが、中負荷を判定するための閾値ＴＨＶｍ以下であるか否かにより中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、中負荷を判定するための閾値以下であるか否かにより中負荷状態を判定してもよい。
【００８６】
車両１０が中負荷状態である場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、ステップＳ２４において、ＥＣＵ２４は、第２モード（電圧固定・電流可変制御）を行う（詳細は図１３を参照して後述する）。車両１０が中負荷状態でない場合（Ｓ２３：ＮＯ）、ステップＳ２５において、ＥＣＵ２４は、第３モード（電圧固定・電流固定制御）を行う（詳細は後述する）。
【００８７】
（２−３−４．第１モード）
上記のように、第１モードは、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。
【００８８】
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、システム負荷Ｐｓｙｓ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。
【００８９】
なお、酸素が豊潤な状態にあるとは、例えば、図１２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、酸素濃度の制御により行う。
【００９０】
以上のような第１モードによれば、システム負荷Ｐｓｙｓが高負荷であっても、基本的にシステム負荷Ｐｓｙｓの全てをＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなうことが可能となる。
【００９１】
（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、システム負荷Ｐｓｙｓが中負荷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）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）｝に固定すると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを基本的に可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。
【００９２】
すなわち、図１０に示すように、第２モードでは、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定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。図１２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。このため、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定に保った状態で目標酸素濃度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。
【００９３】
図１３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、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）｝に目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを固定する。ステップＳ３２において、ＥＣＵ２４は、システム負荷Ｐｓｙｓに対応する目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出する（詳細は、図１９等を参照して後述する。）。
【００９４】
ステップＳ３３において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが基準電位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１０及び図１４参照）。なお、図１４は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが基準電位であるときの目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔとの関係を示す。
【００９５】
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。
【００９６】
すなわち、図１５及び図１６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。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。
【００９７】
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。
【００９８】
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１段階増加する（図１７参照）。なお、図１７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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。従って、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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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１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。
【０１０７】
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１８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１８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。
【０１０８】
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段階増加させる（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。
【０１０９】
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（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。
【０１１０】
以上のような第２モードによれば、システム負荷Ｐｓｙｓが中負荷である場合に、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定にした状態で、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。
【０１１１】
（２−３−６．第２モードにおける目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔの算出）
図１９は、第２モードにおいて目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出するフローチャート（図１３のＳ３２の詳細）である。ステップＳ５１において、ＥＣＵ２４は、第２モードにおいて相対的に高効率な発電が可能であるか否かを判定する。具体的には、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１以上且つ上限値ｌｉｍ２以下であるか否かを判定する。下限値ｌｉｍ１及び上限値ｌｉｍ２については、図２０を参照して説明する。
【０１１２】
図２０は、第１モード及び第２モードそれぞれについてＦＣ電力ＰｆｃとＦＣユニット１８の出力効率Ｅ１、Ｅ２との関係を示す図である。
【０１１３】
第１モードの出力効率Ｅ１は、次の式（１）により求められる。  
Ｅ１＝（Ｐｆｃｍ１−Ｐａｐ−Ｐｐｇ）／Ｅｈ      （１）
【０１１４】
上記式（１）において、Ｐｆｃｍ１は、所定量（単位量）の水素を用いた場合における通常ストイキ比でのＦＣ電力Ｐｆｃ（以下「第１モードＦＣ電力Ｐｆｃｍ１」という。）［ｋＷ］である。Ｐａｐは、前記所定量の水素を用いた場合におけるエアポンプ６０の電力消費量（以下「エアポンプ消費量Ｐａｐ」という。）［ｋＷ］である。Ｐｐｇは、前記所定量の水素を用いた場合におけるパージ弁５０から排出される水素のエネルギー（以下「パージ消費量Ｐｐｇ」という。）［ｋＷ］である。Ｅｈは、前記所定量の水素が有するエネルギー（以下「水素エネルギーＥｈ」という。）［ｋＷ］である。
【０１１５】
同様に、第２モードの出力効率Ｅ２は、次の式（２）により求められる。  
Ｅ２＝（Ｐｆｃｍ２−Ｐａｐ−Ｐｐｇ）／Ｅｈ      （２）
【０１１６】
上記式（２）において、Ｐｆｃｍ２は、前記所定量の水素を用いた場合において酸素濃度Ｃｏを変化させた場合のＦＣ電力Ｐｆｃ（以下「第２モードＦＣ電力Ｐｆｃｍ２」という。）［ｋＷ］である。エアポンプ消費量Ｐａｐ、パージ消費量Ｐｐｇ及び水素エネルギーＥＨは、式（１）と同じである。
【０１１７】
図２０に示すように、ＦＣ電力Ｐｆｃがゼロに近い領域では、ＦＣ電力Ｐｆｃが増加すると、出力効率Ｅ１、Ｅ２のいずれも高くなり、その後、徐々に低くなる。これは、以下に述べるようなＦＣ４０自体の発電効率が影響している。
【０１１８】
図２１は、第１モード及び第２モードそれぞれについてＦＣ電力ＰｆｃとＦＣ４０自体の発電効率Ｅｆｃ１、Ｅｆｃ２［％］との関係を示す図である。第１モードの発電効率Ｅｆｃ１は、第１モードＦＣ電力Ｐｆｃｍ１を水素エネルギーＥｈで割ったものである（Ｅｆｃ１＝Ｐｆｃｍ１／Ｅｈ）。第２モードの発電効率Ｅｆｃ２は、第２モードＦＣ電力Ｐｆｃｍ２を水素エネルギーＥｈで割ったものである（Ｅｆｃ２＝Ｐｆｃｍ２／Ｅｈ）。
【０１１９】
図２１に示すように、第１モードにおけるＦＣ４０自体での発電効率Ｅｆｃ１は、ＦＣ電力Ｐｆｃが大きくなるほど、低くなる。これは、第１モードではＦＣ電圧Ｖｆｃを可変とするが、セル電圧Ｖｃｅｌｌが低いとき（すなわち、ＦＣ電力Ｐｆｃが高いとき）の方が、各ＦＣセルの放熱量が高くなるためである。一方、第２モードにおけるＦＣ４０自体での発電効率Ｅｆｃ２は、ＦＣ電力Ｐｆｃによっては変化しない（図２１では一定である。）。これは、第２モードではＦＣ電圧Ｖｆｃを一定とするため、各ＦＣセルの放熱量が一定になるためである。
【０１２０】
ＦＣ４０自体の発電効率Ｅｆｃ１、Ｅｆｃ２は、上記のような特性を有するため、ＦＣユニット１８全体としては、図２０の出力効率Ｅ１、Ｅ２のようになる。
【０１２１】
図２０に示すように、ＦＣ電力Ｐｆｃが同一である場合、基本的に、第１モードの出力効率Ｅ１の方が第２モードの出力効率Ｅ２よりも高くなる。また、図２０において、Ｐ１は、セル電圧Ｖｃｅｌｌが電位ｖ３（＝０．９Ｖ）である場合に対応するＦＣ電力Ｐｆｃであり、Ｐ２は、セル電圧Ｖｃｅｌｌが電位ｖ２（＝０．８Ｖ）である場合に対応するＦＣ電力Ｐｆｃである。
【０１２２】
上記のように、第１モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）を可変としてＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃを制御する。このため、第１モードについては、ＦＣ電力Ｐ１からＦＣ電力Ｐ２までの間は、セル電圧Ｖｃｅｌｌが電位ｖ２と電位ｖ３との間で変化した場合に対応する。一方、第２モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）を固定としつつ、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃを制御する。このため、第２モードについては、ＦＣ電力Ｐ１からＦＣ電力Ｐ２までの間は、セル電圧Ｖｃｅｌｌが電位ｖ２のまま一定（ＦＣ電圧Ｖｆｃが電位ｖ２×セル数のまま一定）である。
【０１２３】
次に、下限値ｌｉｍ１及び上限値ｌｉｍ２について説明する。上記のように、下限値ｌｉｍ１及び上限値ｌｉｍ２は、第２モードで用いられるものであり、図２０に示すように、出力効率Ｅ２における効率最高領域Ｒｈｉｅｆｆを挟んで設定される。効率最高領域Ｒｈｉｅｆｆは、最高値（以下「最高効率実現出力Ｐｈｉｅｆｆ」又は「最高値Ｐｈｉｅｆｆ」という。）及びその近傍の値を含む領域である。
【０１２４】
下限値ｌｉｍ１及び上限値ｌｉｍ２は、例えば、次のような方法により設定可能である。すなわち、図２２に示すように、最高値Ｐｈｉｅｆｆに対応する出力効率Ｅ２から所定値ΔＸ％下がった値を実現するＦＣ電力Ｐｆｃを下限値ｌｉｍ１及び上限値ｌｉｍ２とする。ここでの所定値ΔＸは、例えば、車両１０を実際に走行させながら、所定値Δを変化させ、燃費が最もよい値を選択することができる。なお、下限値ｌｉｍ１と上限値ｌｉｍ２を個別に設定することも可能である。
【０１２５】
図１９に戻り、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１以上且つ上限値ｌｉｍ２以下である場合（Ｓ５１：ＹＥＳ）、ステップＳ５２において、ＥＣＵ２４は、要求負荷としてのシステム負荷Ｐｓｙｓをそのまま目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔに設定する（Ｐｆｃｔｇｔ←Ｐｓｙｓ）。
【０１２６】
システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１以上且つ上限値ｌｉｍ２以下でない場合（Ｓ５１：ＮＯ）、第２モードにおいて相対的に効率的な発電を行うことができない（図２０）。そこで、ステップＳ５３において、ＥＣＵ２４は、最高効率実現出力Ｐｈｉｅｆｆを仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔに設定する（Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔ←Ｐｈｉｅｆｆ）。
【０１２７】
ステップＳ５４において、ＥＣＵ２４は、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅとバッテリ２０のＳＯＣとに応じて回生平均補正係数α（以下「係数α」ともいう。）を設定する。回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅは、所定期間（例えば、１分〜３０分の間で設定された値）における回生電力Ｐｒｅｇの移動平均［ｋＷ／ｍｉｎ］であり、回生履歴を示す。係数αは、仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔを回生電力の見込みに応じて補正するための係数である。
【０１２８】
図２３は、バッテリ２０のＳＯＣと係数αの関係を回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅ毎に示す図である。図２３において、実線で示す特性は、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅが通常である場合のＳＯＣと係数αの関係を示す特性であり、一点鎖線で示す特性は、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅが通常より少ない場合のＳＯＣと係数αの関係を示す特性であり、二点鎖線は、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅが通常より多い場合のＳＯＣと係数αの関係を示す特性である。また、基準値Ｓｒｅｆは、ＳＯＣの目標値である。
【０１２９】
図２３からわかるように、バッテリＳＯＣが基準値Ｓｒｅｆを上回っている状態において回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅが少ないときは、ＳＯＣが基準値Ｓｒｅｆから離れても、係数αを１に近い値とする。一方、バッテリＳＯＣが基準値Ｓｒｅｆを上回っている状態において回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅが多いときは、ＳＯＣが基準値Ｓｒｅｆから離れると、係数αを１から大きく遠ざける。このような係数αを仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔに乗算することにより、ＳＯＣを基準値Ｓｒｅｆ又はその近傍に維持し易くなる。
【０１３０】
加えて、本実施形態では、係数αを１のまま変化させない領域（不感帯）を設ける。例えば、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅが通常である場合、バッテリＳＯＣがＳ１〜Ｓ２の間が不感帯である。
【０１３１】
係数αの選択に際しては、ＥＣＵ２４は、まず、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅに応じてＳＯＣと係数αの特性を選択する。次いで、ＳＯＣに応じて係数αを選択する。なお、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅ、ＳＯＣ及び係数αの関係は、例えば、実験値又はシミュレーション値を用いることができ、事前にＥＣＵ２４の記憶部（図示せず）に記憶しておく。
【０１３２】
図１９に戻り、ステップＳ５５において、ＥＣＵ２４は、仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔに係数αを乗算して目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔとする。
【０１３３】
ステップＳ５２又はステップＳ５５の後は、ステップＳ５６において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔに応じて目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを設定する。
【０１３４】
（２−３−７．第３モード）
上記のように、第３モードは、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、酸化還元領域Ｒ３外の電位｛本実施形態では、電位ｖ３（＝０．９Ｖ）｝に固定し、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定とする。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。目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔは、通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌに固定（或いは、酸素を豊潤な状態に維持）される。
【０１３５】
すなわち、図１０に示すように、第３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）とした状態で、セル電圧Ｖｃｅｌｌを電位ｖ３に固定する（ＦＣ電圧Ｖｆｃを電位ｖ３×セル数とする。）。ＦＣ４０の電流−電圧特性（ＩＶ特性）が通常のものとするため、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔとして通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌを設定し、この目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じてエアポンプ６０の回転数Ｎａｐ、ウォータポンプ８０の回転数Ｎｗｐ、背圧弁６４の開度θｂｐ及び循環弁６６の開度θｃを設定する。また、セル電圧Ｖｃｅｌｌを電位ｖ３に固定するため、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電位ｖ３×セル数となるように、２次電圧Ｖ２をＤＣ／ＤＣコンバータ２２により昇圧する。
【０１３６】
以上のような第３モードによれば、システム負荷Ｐｓｙｓが低負荷である場合、システム負荷ＰｓｙｓをＦＣ電力Ｐｆｃとバッテリ電力Ｐｂａｔによりまかなうことが可能となる。
【０１３７】
［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１３のＳ３４）を用いてこれらの機器を制御する。
【０１３８】
［２−５．モータ１４のトルク制御］
図２４には、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Ｓ６１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Ｓ６２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。
【０１３９】
ステップＳ６３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。
【０１４０】
ステップＳ６４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）。
【０１４１】
ステップＳ６５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）。
【０１４２】
一方、ステップＳ６４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Ｓ６５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）。
【０１４３】
ステップＳ６６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）。
【０１４４】
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。
【０１４５】
３．各種制御の例
図２５には、本実施形態に係る各種制御と比較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。図２５の「ＦＣ電流Ｉｆｃ」、「カソードストイキ比」、「ＦＣユニットの出力効率」については、実線で示されるものが本実施形態に係るものであり、破線で示されるものが比較例に係るものである。破線で示される比較例は、第１〜第３モード（但し、第２モードでは図１９のステップＳ５２、Ｓ５６のみを用いたもの）と同様の制御（すなわち、第２モードにおいて下限値ｌｉｍ１及び上限値ｌｉｍ２を用いない制御）を用いる。
【０１４６】
時点ｔ１から時点ｔ２までは、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ１未満であるため（図１１のＳ２３：ＮＯ）、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、第３モードが選択される。時点ｔ２から時点ｔ４までは、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ１以上閾値Ｐ２未満となるため（図１１のＳ２３：ＹＥＳ）、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、第２モードが選択される。
【０１４７】
より具体的には、時点ｔ２から時点ｔ３までは、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１以上且つ上限値ｌｉｍ２以下であるため（図１９のＳ５１：ＹＥＳ）、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、システム負荷Ｐｓｙｓがそのまま目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔとされ（Ｓ５２）、この目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔに応じた目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔが設定される（Ｓ５６）。
【０１４８】
時点ｔ３から時点ｔ４までは、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１未満であるため（図１９のＳ５１：ＮＯ）、本実施形態では、第２モードにおいて相対的に高効率の発電が行われる（Ｓ５３〜Ｓ５６）。一方、比較例では、相対的に低効率の発電が行われる（Ｓ５２、Ｓ５６）（図２０参照）。
【０１４９】
時点ｔ４から時点ｔ５までは、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ１未満であるため（図１１のＳ２３：ＮＯ）、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、第３モードが選択される。時点ｔ５以降は、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ１以上閾値Ｐ２未満となるため（図１１のＳ２３：ＹＥＳ）、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、第２モードが選択される。
【０１５０】
より具体的には、時点ｔ５から時点ｔ６まで及び時点ｔ１０から時点ｔ１１までは、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１未満であるため（図１９のＳ５１：ＮＯ）、本実施形態では、第２モードにおいて相対的に高効率の発電が行われる一方（Ｓ５３〜Ｓ５６）、比較例では、相対的に低効率の発電が行われる（Ｓ５２、Ｓ５６）。
【０１５１】
時点ｔ６から時点ｔ７まで及び時点ｔ８から時点ｔ１０までは、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１以上且つ上限値ｌｉｍ２以下であるため（図１９のＳ５１：ＹＥＳ）、本実施形態及び比較例のいずれにおいても、システム負荷Ｐｓｙｓがそのまま目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔとされ（Ｓ５２）、この目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔに応じた目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔが設定される（Ｓ５６）。
【０１５２】
時点ｔ７から時点ｔ８までは、システム負荷Ｐｓｙｓが上限値ｌｉｍ２を上回るため（図１９のＳ５１：ＮＯ）、本実施形態では、第２モードにおいて相対的に高効率の発電が行われる一方（Ｓ５３〜Ｓ５６）、比較例では、相対的に低効率の発電が行われる（Ｓ５２、Ｓ５６）。
【０１５３】
なお、時点ｔ１から時点ｔ９まではバッテリＳＯＣが不感帯にあるため、回生平均補正係数αは１とされる。時点ｔ９から時点ｔ１１まではバッテリＳＯＣが不感帯から出るため、係数αは、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅに応じて１とは異なる値とされる。
【０１５４】
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、電圧固定・電流可変制御（第２モード）によりＦＣ４０の劣化を抑制しつつ、電圧固定・電流可変制御中におけるＦＣシステム１２（ＦＣユニット１８）全体の出力効率を向上することが可能となる。
【０１５５】
すなわち、電圧固定・電流可変制御（第２モード）では、ＦＣ電圧Ｖｆｃを酸化還元領域Ｒ３外の特定電圧値（０．８Ｖ×セル数）に固定させるため、ＦＣ電圧Ｖｆｃが領域Ｒ３内に入ることによるＦＣ４０の劣化を避けることができる。
【０１５６】
また、本実施形態によれば、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１以上且つ上限値ｌｉｍ２以下の場合、特定電圧値への固定及びシステム負荷Ｐｓｙｓへの追従を続けて実行し、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１を下回る又は上限値ｌｉｍ２を上回る場合、特定電圧値への固定を続けて実行しつつ、ＦＣ出力Ｐｆｃが効率最高領域Ｒｈｉｅｆｆ内の値（最高効率実現出力Ｐｈｉｅｆｆ）になるようにエアポンプ６０を制御する。このため、ＦＣユニット１８の出力効率Ｅ２が過度に悪化する出力領域を下限値ｌｉｍ１及び上限値ｌｉｍ２により設定しておけば、出力効率Ｅ２が過度に悪化する領域に対応するシステム負荷Ｐｓｙｓがあった場合には、むしろ高い出力効率でＦＣ４０を発電させ、その余剰分をバッテリ２０に充電することが可能となる。その結果、ＦＣシステム１２全体としての発電効率を高めることが可能となる。
【０１５７】
本実施形態において、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値をｌｉｍ１を下回る又は上限値ｌｉｍ２を上回る場合、回生平均補正係数αにより補正した目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔを用いて、バッテリＳＯＣが基準値Ｓｒｅｆに近づくように、ＦＣ出力Ｐｆｃをエアポンプ６０により調整する。これにより、バッテリＳＯＣを良好に制御することが可能となる。
【０１５８】
本実施形態において、ＦＣシステム１２は、車両１０に搭載されるシステムであり、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１を下回り又は上限値ｌｉｍ２を上回る場合、回生履歴としての平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅに基づいてＦＣ出力Ｐｆｃをエアポンプ６０により調整する。これにより、バッテリＳＯＣを良好に制御することが可能となる。
【０１５９】
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。
【０１６０】
［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、電圧固定・電流可変制御（電圧固定・出力可変制御）を適用可能な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、ロボットアーム、クレーン又はバランサ等の可動機構に適用することもできる。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。
【０１６１】
［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２６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２７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２８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。
【０１６２】
［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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
［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〜第３モードを用いたが、少なくとも第２モードさえ用いれば、本発明を適用可能である。
【０１６５】
上記実施形態では、第２モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを電位ｖ２（＝０．８Ｖ）×セル数に設定したが、これに限らない。第２モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを、例えば、還元領域Ｒ２内又は酸化領域Ｒ４内のその他の電位に設定してもよい。
【０１６６】
上記実施形態では、第２モードにおいて酸素濃度Ｃｏを制御するために、循環弁開度θｃ、エアポンプ回転数Ｎａｐ及び背圧弁開度θｂｐを可変としたが、酸素濃度Ｃｏを制御できるものであれば、これに限らない。例えば、エアポンプ回転数Ｎａｐは一定とし、循環弁開度θｃを可変とすることもできる。これにより、エアポンプ６０の出力音が一定となるため、当該出力音が可変となることにより乗員に与える違和感を防止することが可能となる。
【０１６７】
上記実施形態では、下限値ｌｉｍ１と上限値ｌｉｍ２の両方を用いたが、いずれか一方のみを用いることもできる。
【０１６８】
上記実施形態では、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１を下回り又は上限値ｌｉｍ２を上回る場合、最高効率実現出力Ｐｈｉｅｆｆを仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔとしたが、最高効率実現領域ＲＨｉｅｆｆ内の値であれば別の値であってもよい。或いは、少なくとも下限値ｌｉｍ１と上限値ｌｉｍ２の間を仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔとして設定することも可能である。例えば、システム負荷Ｐｓｙｓが下限値ｌｉｍ１を下回る場合、下限値ｌｉｍ１を仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔとすることも可能である。同様に、システム負荷Ｐｓｙｓが上限値ｌｉｍ２を下回る場合、上限値ｌｉｍ２を仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔとすることも可能である。
【０１６９】
上記実施形態では、回生平均補正係数αを用いたが、係数αを用いない構成も可能である。
【符号の説明】
【０１７０】
１０…燃料電池車両                      １２…燃料電池システム
１４…走行用のモータ（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（電圧調整手段）
２４…ＥＣＵ（制御手段）                ４０…燃料電池スタック
６０…エアポンプ（ガス供給手段、負荷）  ６６…循環弁（ガス供給手段）
８０…ウォータポンプ（負荷）            ９０…エアコンディショナ（負荷）
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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