(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒を有し、前記触媒で反応ガスを反応させることで発電する燃料電池と、
前記反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給装置と、
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により駆動される負荷と、
前記反応ガス供給装置及び前記電圧調整手段を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記電圧調整手段を用い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電圧値に固定させた状態で、前記負荷の要求出力に応じて前記反応ガス供給装置から前記燃料電池に供給される前記反応ガスの供給量を追従して変化させる電圧固定・出力可変制御を実行し、
前記電圧固定・出力可変制御の実行中に前記負荷の要求出力が変動する場合、前記反応ガス供給装置から前記燃料電池に供給される前記反応ガスの供給量の変化率を制限することで前記燃料電池の劣化を抑制する
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、
前記電圧固定・出力可変制御では、前記反応ガスの供給量を変化させることによって前記燃料電池の出力電流を変化させ、
前記要求出力の増加に追従して前記反応ガスの供給量を増加させることにより前記燃料電池の出力電流を増加させる場合には、前記反応ガスの供給量の増加率を制限し、
前記要求出力の減少に追従して前記反応ガスの供給量を減少させることにより前記燃料電池の出力電流を減少させる場合には、前記出力電流の増加時と比較して、前記反応ガスの供給量の減少率に対する制限を緩和するか、又は、前記減少率に対する制限を行わない
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、
前記燃料電池の発電が安定していない場合に、前記制御装置は、前記反応ガスの供給量が増加するように前記反応ガス供給装置を制御する
ことを特徴とする記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは、車両に搭載されるシステムである
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
触媒を有し、前記触媒で反応ガスを反応させることで発電する燃料電池と、
前記反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給装置と、
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により駆動される負荷と、
前記反応ガス供給装置及び前記電圧調整手段を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記電圧調整手段を用い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電圧値に設定する第１の制御モード、あるいは、前記電圧調整手段を用いて前記燃料電池の出力電圧を前記酸化還元進行電圧範囲内の電圧値に設定する第２の制御モードを実行し、
前記酸化還元進行電圧範囲内が相対的に高電圧側であり、
前記酸化還元進行電圧範囲外が相対的に低電圧側であり、
前記第１の制御モード及び前記第２の制御モードでは、前記燃料電池の出力の増加及び減少に前記反応ガスの供給量が追従し、
単位時間当たりの前記第１の制御モードにおける前記出力電圧の変化量の絶対値から前記反応ガスの供給量の変化量の絶対値を除した第１の値と、単位時間当たりの前記第２の制御モードにおける前記出力電圧の変化量の絶対値から前記反応ガスの供給量の変化量の絶対値を除した第２の値とを比較した場合、前記第１の値に比べて前記第２の値が小さい
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、燃料電池システムにおいて、燃料電池からの電力供給を受けて駆動する負荷の要求出力が、高い値から低い値に変化したことを検知した場合、燃料電池を構成するセルの電極間電圧の時間変化であるセル電圧変化速度を、２００［ｍＶ／ｓ］以下に制限するレートリミット制御を実行することで、燃料電池の劣化を抑制し、該燃料電池の耐久性及び信頼性を向上させることが提案されている（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２００９−３２４１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池の劣化を抑制するためには、セルの電極間電圧であるセル電圧が酸化還元進行電圧範囲（図８の白金凝集増加領域Ｒ１、白金酸化還元進行領域Ｒ３及びカーボン酸化領域Ｒ５）に入らないように燃料電池を発電する必要がある。
【０００５】
特許文献１の技術では、負荷の要求出力に追従するように、燃料電池の電流−電圧特性（例えば、図１０の実線に示す通常ＩＶ特性）に基づいて、燃料電池の出力電圧と出力電流とを変化させる電圧可変・電流可変制御を行い、セル電圧変化速度が２００［ｍＶ／ｓ］を超える場合にはレートリミット制御を実行する。
【０００６】
そのため、セル電圧変化速度を制限できたとしても、セル電圧が通常ＩＶ特性における酸化還元進行電圧範囲に移動すれば、酸化電流や還元電流が流れやすくなる（図９参照）。これにより、セルに含まれる触媒（例えば、白金）での酸化反応や還元反応の発生頻度が多くなって、触媒が元の仕様に戻らなくなり、この結果、触媒としての機能が低下し、燃料電池の劣化が進行するおそれがある。
【０００７】
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、酸化電流や還元電流を低下させて燃料電池の劣化を抑制することが可能となる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、触媒を有し且つ該触媒で反応ガスを反応させることで発電する燃料電池と、前記反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給装置と、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により駆動される負荷と、前記反応ガス供給装置及び前記電圧調整手段を制御する制御装置とを備えている。
【０００９】
そして、上記の目的を達成するため、この発明において、制御装置は、下記（１）及び（２）の制御を実行する。
【００１０】
（１）  電圧調整手段を用いて燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の電圧値に固定させた状態で、負荷の要求出力に応じて反応ガス供給装置から前記燃料電池に供給される前記反応ガスの供給量を追従して変化させる電圧固定・出力可変制御を実行する。
【００１１】
（２）  電圧固定・出力可変制御の実行中に負荷の要求出力が変動する場合、反応ガス供給装置から燃料電池に供給される反応ガスの供給量の変化率を制限することで前記燃料電池の劣化を抑制する。
【００１２】
すなわち、この発明では、（１）の電圧固定・出力可変制御を実行することで、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の電圧値に維持しつつ、負荷の要求出力に応じて反応ガスの供給量を追従して変化させる。これにより、前記反応ガスの供給量に応じて前記燃料電池の出力（出力電流、出力電力）も変化する。この結果、前記燃料電池の出力電圧が前記酸化還元進行電圧範囲に移動することを回避することで、酸化電流や還元電流が低下し、前記燃料電池のセルに含まれる触媒（例えば、白金）での酸化反応や還元反応の発生頻度を抑制することができる。従って、前記触媒の機能を維持しつつ、前記燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１３】
さらに、この発明では、電圧固定・出力可変制御の実行中、反応ガスの供給量の変化率（前記反応ガスの時間変動量）を制限する（２）のレートリミット制御が実行される。前記レートリミット制御の実行により前記反応ガスの供給量の変化率が制限されると、前記燃料電池の出力の変化率（出力電流及び出力電力の時間変化率）も制限される。この結果、酸化電流や還元電流をより一層低減することが可能となり、負荷の要求出力の変動に追従して前記反応ガスの供給量を変化させつつ、前記燃料電池の劣化をさらに抑制することができる。
【００１４】
このように、この発明では、上述の電圧固定・出力可変制御及びレートリミット制御を実行することにより、セル電圧変化速度を制限する特許文献１の技術と比較して、酸化電流や還元電流を低下させると共に、燃料電池の出力（出力電流、出力電力）の変化率も制限することができる。これにより、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１５】
上述のように、電圧固定・出力可変制御では、負荷の要求出力に応じて反応ガスの供給量を変化させることによって燃料電池の出力電流を変化させる。この場合、制御装置は、前記要求出力の変動に対して、下記［Ａ］又は［Ｂ］のような制御を行えばよい。
【００１６】
［Ａ］  負荷の要求出力の増加に追従して反応ガスの供給量を増加させることにより燃料電池の出力電流を増加させる場合には、前記反応ガスの供給量の増加率を制限すればよい。これにより、レートリミット制御をかけつつ、前記負荷の要求負荷の増加に追従して前記反応ガスの供給量と前記出力電流とを増加させることができる。
【００１７】
［Ｂ］  負荷の要求出力の減少に追従して反応ガスの供給量を減少させることにより燃料電池の出力電流を減少させる場合には、前記出力電流の増加時と比較して、前記反応ガスの供給量の減少率に対する制限を緩和するか、又は、前記減少率に対する制限を行わない。
【００１８】
前記出力電流の減少時には、前記燃料電池内に余剰の反応ガスが存在しやすい。このような状態で、前記要求出力の減少に対応して、前記反応ガスの供給量を減少させても、前記余剰の反応ガスを消費するまでは前記出力電流は徐々に減少する。この結果、前記要求出力の減少に対する前記反応ガスの供給量及び前記出力電流の追従性が低下する。つまり、前記出力電流の減少時には、レートリミット制御をかけたような状態になる。
【００１９】
そこで、前記出力電流の減少時において、前記反応ガスの供給量の減少率に対する制限（レートリミット制御）を緩和し、又は、前記レートリミット制御を停止して、該出力電流を徐々に減少させることにより、前記燃料電池の劣化を抑制することができる。また、前記レートリミット制御の緩和又は停止に対応して、反応ガス供給装置が前記反応ガスの供給を低減又は停止すれば、該反応ガス供給装置での騒音の発生が抑制されるので、燃料電池システムの商品性を向上させることができる。
【００２０】
また、燃料電池の発電が安定していない場合、制御装置は、反応ガスの供給量が増加するように反応ガス供給装置を制御することが好ましい。前記燃料電池の出力電流の上昇時にレートリミット制御を行うと、反応ガス供給装置から前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量が不足して、前記燃料電池の発電が安定的に行われない可能性がある。そこで、必要最低限の発電の安定性を確保するために、前記燃料電池の発電状態に応じて、前記反応ガスの供給量を増加させることで、該燃料電池の発電の安定性を維持することができる。
【００２１】
また、上述した燃料電池システムは、車両に搭載すると好適である。前記車両では、ユーザのアクセルペダル操作に起因したアクセルペダルの動作量（負荷の要求負荷）の変更が頻繁に発生する。従って、前記燃料電池システムを前記車両に搭載することにより、ユーザの要求であるアクセルペダルの動作に追従した動作を実現することができる。
【００２２】
また、この発明では、上述の電圧固定・出力可変制御及びレートリミット制御の実行に代えて、下記の制御を実行しても、燃料電池の劣化を抑制することが可能である。
【００２３】
すなわち、制御装置は、電圧調整手段を用いて燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の電圧値に設定する第１の制御モード、あるいは、前記電圧調整手段を用いて前記燃料電池の出力電圧を前記酸化還元進行電圧範囲内の電圧値に設定する第２の制御モードを実行する。この場合、前記酸化還元進行電圧範囲内が相対的に高電圧側であり、前記酸化還元進行電圧範囲外が相対的に低電圧側である。また、前記第１の制御モード及び前記第２の制御モードでは、前記燃料電池の出力の増加及び減少に対応して、反応ガス供給装置から前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量が追従する。
【００２４】
そして、単位時間当たりの前記第１の制御モードにおける前記出力電圧の変化量の絶対値から前記反応ガスの供給量の変化量の絶対値を除した第１の値と、単位時間当たりの前記第２の制御モードにおける前記出力電圧の変化量の絶対値から前記反応ガスの供給量の変化量の絶対値を除した第２の値とを比較した場合、前記第１の値に比べて前記第２の値が小さくなる。
【００２５】
この場合、前記第１の制御モードは、前記燃料電池の出力電圧が前記酸化還元進行電圧範囲内に入らないように制御する制御モードである。一方、前記第２の制御モードは、前記出力電圧の時間変化量を低下させるように（前記出力電圧の応答速度を落とすように）制御する制御モードである。
【００２６】
これにより、前記第２の制御モードでは、前記出力電圧が前記酸化還元進行電圧範囲内に入ってしまう場合でも、前記第２の値を前記第１の値よりも小さくして、前記出力電圧の応答速度を落とすように制御することで、前記燃料電池の劣化を抑制し、該燃料電池の耐久性の向上を図ることができる。しかも、前記第２の制御モードでは、前記燃料電池の出力の増加及び減少に応じて、前記反応ガスの供給量を追従させるので、負荷の要求出力に応じて前記反応ガスの供給量を追従させつつ、前記燃料電池の劣化の抑制を図ることもできる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によれば、電圧固定・出力可変制御及びレートリミット制御を実行することにより、セル電圧変化速度を制限する特許文献１の技術と比較して、酸化電流や還元電流を低下させると共に、燃料電池の出力（出力電流、出力電力）の変化率も制限することができる。これにより、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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及び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】電圧固定・出力可変制御及びレートリミット制御を実行した場合での酸化電流及び還元電流の低下を図示したサイクリックボルタンメトリ図である。
【図１２】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】第２モードのフローチャートである。
【図１５】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電流と目標エアポンプ回転数及び目標ウォータポンプ回転数との関係を示す図である。
【図１７】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１８】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１９】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２０】第２モードにおいて目標ＦＣ出力を算出するフローチャートである。
【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ユニットの出力効率との関係を示す図である。
【図２２】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２３】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２４】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２５】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２６】モータのトルク制御のフローチャートである。
【図２７】前記実施形態に係る電圧固定・出力可変制御及びレートリミット制御を用いた場合のタイムチャートの例である。
【図２８】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２９】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３０】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３１】他の実施例の制御を示すタイムチャートである。
【図３２】他の実施例の制御を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［本実施形態の構成］
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。
【００３０】
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。）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２（電圧調整手段）と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）とを有する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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、反応ガス）を給排するアノード系４１（反応ガス供給装置）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、反応ガス）を給排するカソード系４３（反応ガス供給装置）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。
【００３５】
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。
【００３６】
アノード系４１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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
カソード系４３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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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、ＦＣスタック４０内に冷却水（冷媒）を循環させることでＦＣスタック４０を冷却する。ＦＣスタック４０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。
【００５２】
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。
【００５３】
図２に示すように、ＦＣスタック４０からの電力（以下「ＦＣ電力Ｐｆｃ」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（ＦＣスタック４０）とインバータ１６及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２との間には、逆流防止ダイオード９８が配置されている。また、ＦＣスタック４０の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）は、電圧センサ１００（図４参照）により検出され、ＦＣスタック４０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。
【００５４】
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２参照）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。
【００５５】
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。
【００５６】
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ＦＣスタック４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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とには、それぞれ例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
ＥＣＵ２４は、通信線１４０（図１及び図２参照）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。
【００６４】
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。）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Ｖｓ［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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、要求出力）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。
【００６７】
［本実施形態の基本的な制御］
次に、ＥＣＵ２４における制御について説明する。
【００６８】
図５には、ＥＣＵ２４（図１〜図４参照）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。
【００６９】
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。
【００７０】
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、ＦＣスタック４０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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
［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（図１〜図４参照）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。
【００７４】
ステップＳ１３において、ＥＣＵ２４は、開度θｐ及び回転数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及び予想消費電力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。
【００７５】
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。
【００７６】
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との和を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。
【００７７】
［エネルギマネジメントの概要］
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（図５のステップＳ３）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。
【００７８】
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１８０〜１８４は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。
【００７９】
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セルに含まれる触媒としての白金（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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
なお、図８に示すように、セル電圧Ｖｃｅｌｌとセルの劣化量Ｄとの関係は、一義的に定まるものではなく、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／ｓ］に応じて曲線１８０〜１８４のように変化する。曲線１８０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い（速い）場合を示し、曲線１８２は、変動速度Ａｃｅｌｌが中くらいの速さである場合を示し、曲線１８４は、変動速度Ａｃｅｌｌが低い（遅い）場合を示している。すなわち、変動速度Ａｃｅｌｌが速いほどＦＣセルの劣化が促進され、一方で、変動速度Ａｃｅｌｌが遅いほどＦＣセルの劣化が抑制される。
【００８３】
図９は、変動速度Ａｃｅｌｌが異なる場合の酸化の進行と還元の進行と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。
【００８４】
図９において、曲線１９０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合（図８の曲線１８０に対応）を示し、曲線１９２は、変動速度Ａｃｅｌｌが中くらいである場合（曲線１８２に対応）を示し、曲線１９４は、変動速度Ａｃｅｌｌが低い場合を示している。すなわち、変動速度Ａｃｅｌｌが速いほど酸化電流及び還元電流の絶対値が大きくなり、一方で、変動速度Ａｃｅｌｌが遅いほど酸化電流及び還元電流の絶対値が小さくなる。
【００８５】
このように、変動速度Ａｃｅｌｌに応じて、酸化電流又は還元電流の大きさや、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。
【００８６】
また、ＦＣセルの電流−電圧特性（ＩＶ特性）は、一般的な燃料電池セルと同様、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する（図１０中、実線で表される特性であり、以下、「通常ＩＶ特性」ともいう。）。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Ｎｆｃ」ともいう。  
【００８７】
以上を踏まえ、この実施形態では、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等を用いて後述する。）。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。
【００８８】
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と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。
【００８９】
また、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１８０〜１８４からも分かるように、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。
【００９０】
但し、白金還元領域Ｒ２は、曲線１８０〜１８４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１８０〜１８４の極大値（極大値Ｖｌｍｘ）を含む。白金酸化安定領域Ｒ４は、曲線１８０〜１８４の別の極小値（第２極小値Ｖｌｍｉ２）を含む。
【００９１】
ところで、図８に示すように、変動速度Ａｃｅｌｌと劣化量Ｄとの間には相関関係がある。また、変動速度Ａｃｅｌｌが遅いほど酸化電流及び還元電流の絶対値は低下し、劣化量Ｄも低下している。そこで、特許文献１と同様に、システム負荷Ｐｓｙｓの変化に応じて、図１０に示す通常ＩＶ特性に基づき、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（に応じたＦＣ電圧Ｖｆｃ）とセル電流Ｉｃｅｌｌ（に応じたＦＣ電流Ｉｆｃ）とを、いずれも可変とする電圧可変・電流可変制御を行いつつ、変動速度Ａｃｅｌｌ［Ｖ／ｓ］を所定速度以下に制限するレートリミット制御を行えば、ＦＣセルを含むＦＣスタック４０の劣化を抑制し、該ＦＣスタック４０の耐久性及び信頼性が向上すると想定される。
【００９２】
しかしながら、このように変動速度Ａｃｅｌｌを制限できたとしても、電圧可変・電流可変制御では、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及びカーボン酸化領域Ｒ５等の酸化還元進行電圧範囲（図９及び図１０では電位ｖ２〜ｖ３の白金酸化還元進行領域Ｒ３）に移動する可能性があり、セル電圧Ｖｃｅｌｌが実際に酸化還元進行電圧範囲に移動すれば、酸化電流や還元電流が流れやすくなる（大きくなる）。これにより、ＦＣセルに含まれる触媒（白金）での酸化反応や還元反応の発生頻度が多くなって（酸化反応や還元反応が進行しやすくなって）、触媒が元の仕様に戻らなくなる。この結果、触媒の機能が低下し、ＦＣセルを含むＦＣスタック４０の劣化が却って進行するおそれがある。
【００９３】
そこで、この実施形態では、上述した電圧可変・電流可変制御を行わず、以下に説明する２つの制御を実行することで、酸化電流及び還元電流を低減して、ＦＣスタック４０の劣化を抑制する劣化抑制制御を行う。
【００９４】
すなわち、この実施形態では、第１の制御として、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を用いてＦＣ電圧Ｖｆｃ（に応じたセル電圧Ｖｃｅｌｌ）を前述の酸化還元進行電圧範囲から外れた電圧値（白金還元領域Ｒ２又は白金酸化安定領域Ｒ４の電位）に固定させた状態で、カソード系４３からＦＣスタック４０に供給する空気の流量をシステム負荷Ｐｓｙｓに追従して変化させることにより、ＦＣスタック４０の出力（ＦＣ電流Ｉｆｃ、ＦＣ電力Ｐｆｃ）を変化させる電圧固定・出力可変制御を実行する。
【００９５】
また、この実施形態では、第２の制御として、電圧固定・出力可変制御の実行中にシステム負荷Ｐｓｙｓが変動する場合、ＦＣスタック４０に供給する空気の流量の時間変化率（ＦＣスタック４０に供給する空気の時間変動量）を制限するレートリミット制御を実行する。
【００９６】
これらの電圧固定・出力可変制御及びレートリミット制御については、以下、具体的に説明する。
【００９７】
［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、この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。
【００９８】
この実施形態では、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、この実施形態では、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。
【００９９】
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、前述した第１の制御であって、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。
【０１００】
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（あるいは、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。
【０１０１】
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Ｎｆｃ）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｛この実施形態では、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。
【０１０２】
また、この第２モードにおいて、システム負荷Ｐｓｙｓが変動する場合、前述した第２の制御としてのレートリミット制御が実行されることは勿論である。
【０１０３】
具体的に、第２モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃを（電位ｖ２）×（セル数Ｎｆｃ）に維持しつつ、カソード系４３からＦＣスタック４０に供給する空気の流量を、システム負荷Ｐｓｙｓに追従して変化させることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）を変化させる。これにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃに応じたセル電圧Ｖｃｅｌｌが、電位ｖ２〜ｖ３の白金酸化還元進行領域Ｒ３に移動することが回避され、酸化電流や還元電流を低下させることができる。この結果、ＦＣセルに含まれる触媒（白金）の酸化反応や還元反応の発生頻度を抑制することができるので、触媒の機能を維持しつつ、ＦＣセルを含めたＦＣスタック４０の劣化を抑制することができる。
【０１０４】
そして、第２モードの実行中、システム負荷Ｐｓｙｓが変動する場合には、カソード系４３からＦＣスタック４０に供給される空気の流量の時間変化率（空気の時間変動量、空気の流量の変動速度）を制限するレートリミット制御が実行される。当該レートリミット制御が実行されて、空気の流量の時間変化率が制限されると、ＦＣスタック４０の出力の時間変化率｛ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃの時間変化率（変動速度）｝も制限される。この結果、酸化電流や還元電流をより一層低減することができ、システム負荷Ｐｓｙｓの変動に追従して、ＦＣスタック４０に供給される空気の流量及びＦＣスタック４０の出力を変化させつつ、ＦＣスタック４０の劣化をさらに抑制することができる。
【０１０５】
なお、空気の流量の時間変化率は、具体的に、下記の手法により制限することができる。すなわち、（１）エアポンプ６０の駆動量（エアの流量又は回転数Ｎａｐ）を制限するか、（２）目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔや目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを制限するか、あるいは、（３）システム負荷ＰｓｙｓにＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔを追従させるように制御していれば、システム負荷Ｐｓｙｓを制限する。また、制限のやり方としては、一次遅れフィルタを用いる方法の他にも、フィードバック係数を大きくする（制御の反応を鈍くする）等の公知の種々の形態が考えられる。
【０１０６】
図１１は、図９のサイクリックボルタンメトリ図（曲線１９０、１９２）に、第２モードの実行中、レートリミット制御も併せて実行した場合のサイクリックボルタンメトリ図（曲線１９６、１９８）を重ね合わせたものである。なお、図１１において、曲線１９６は、カソード系４３からＦＣスタック４０に供給される空気の流量の時間変化率（ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃの時間変化率）が高い場合、すなわち、空気の流量の変動速度（ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃの変動速度）が速い場合を示しており、一方で、曲線１９８は、空気の流量の変動速度（ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃの変動速度）が遅い場合を示している。
【０１０７】
前述のように、第２モードの実行によって、セル電圧Ｖｃｅｌｌが電位ｖ２に固定されることで酸化電流や還元電流が低下し、レートリミット制御の実行によって、ＦＣスタック４０に供給される空気の流量の時間変化率が制限されることで酸化電流や還元電流が一層低下する。従って、曲線１９０、１９２と比較して、曲線１９６、１９８は、全体的に、０レベルに近づくように大きく減少している。すなわち、特許文献１の技術のようなセル電圧Ｖｃｅｌｌの時間変化率（変動速度Ａｃｅｌｌ）に対するレートリミット制御と比較して、この実施形態で実行される第２モード及びレートリミット制御（ＦＣスタック４０の劣化抑制制御）では、酸化電流及び還元電流を確実に低下させることができ、ＦＣスタック４０の劣化を効果的に抑制することができる。
【０１０８】
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Ｎｆｃ）を、酸化還元領域Ｒ３外の電位｛この実施形態では、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。
【０１０９】
［エネルギマネジメントの全体フロー］
図１２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。
【０１１０】
ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ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Ｎｆｃにして）ＦＣスタック４０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。従って、閾値Ｐ２は、第１モードと第２モードとを切り替えるときの目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔの閾値Ｐｆｃｔｈ（図１０参照）に応じた値となる。
【０１１１】
システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ２（Ｐｆｃｔｈ）以上である場合、ＦＣ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、ＦＣ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Ｖｓ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。あるいは、ＦＣ車両１０の加速度（車速Ｖｓ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。
【０１１２】
ＦＣ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）。ＦＣ車両１０が高負荷状態でない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、ステップＳ２３に進む。
【０１１３】
ステップＳ２３において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ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を白金還元領域Ｒ２内の値にして（ＦＣ電圧Ｖｆｃを白金還元領域Ｒ２内の値×セル数Ｎｆｃにして）ＦＣスタック４０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。
【０１１４】
システム負荷Ｐｓｙｓが閾値Ｐ１以上である場合、ＦＣ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、ＦＣ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Ｖｓ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。あるいは、ＦＣ車両１０の加速度（車速Ｖｓ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。
【０１１５】
ＦＣ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１４を参照して後述する）。なお、ステップＳ２４において、第２モードの実行中、システム負荷Ｐｓｙｓに変動があれば、レートリミット制御が併せて実行される。
【０１１６】
ＦＣ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）。
【０１１７】
［第１モードの実行］
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（あるいは、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。
【０１１８】
すなわち、図１０に示すように、第１モードでは、ＦＣスタック４０のＩＶ特性が通常のもの（図１０中、実線で表される通常ＩＶ特性）を用いる。通常の燃料電池と同様、ＦＣスタック４０の通常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。
【０１１９】
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に供給する空気の流量）／（ＦＣスタック４０の発電により消費された空気の流量）であり、カソード流路７４における酸素濃度に近似する。従って、カソードストイキ比は、カソード系４３からＦＣスタック４０に供給される空気の流量に対応する値である。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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
［第２モードの実行］
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Ｎｆｃ）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｛この実施形態では、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。
【０１２２】
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。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。
【０１２３】
図１４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｛この実施形態では、電位ｖ２（＝０．８Ｖ）｝に目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを固定する。
【０１２４】
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出力（目標ＦＣ電力）Ｐｆｃｔｇｔを算出する（詳細は、図２０等を参照して後述する。）。ステップＳ３３において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出する（詳細は、図２５等を参照して後述する。）。
【０１２５】
ステップＳ３４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１３及び図１５参照）。なお、図１５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。
【０１２６】
ステップＳ３５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。
【０１２７】
すなわち、図１６及び図１７に示すように、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じて目標エアポンプ回転数Ｎａｐｔｇｔ、目標ウォータポンプ回転数Ｎｗｐｔｇｔ及び目標背圧弁開度θｂｐｔｇｔが設定される。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。
【０１２８】
ステップＳ３６において、ＥＣＵ２４は、今回のステップＳ３３の処理で算出された目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ｛Ｉｆｃｔｇｔ（今回）｝を、次回、第２モードを実行した際のステップＳ３３の処理で使用する前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ｛Ｉｆｃｔｇｔ（前回）｝に設定する。
【０１２９】
ステップＳ３７において、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０による発電が安定しているか否かを判定する。当該判定として、ＥＣＵ２４は、セル電圧モニタ４２から入力される最低セル電圧が、平均セル電圧から所定電圧を減算した電圧よりも低い場合｛最低セル電圧＜（平均セル電圧−所定電圧）｝、ＦＣスタック４０の発電が不安定であると判定する。なお、前記所定電圧は、例えば、実験値、シミュレーション値等を用いることができる。
【０１３０】
発電が安定している場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ３７：ＮＯ）、ステップＳ３８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１８参照）。なお、図１８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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
そこで、ステップＳ３８では、ステップＳ３４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。
【０１３３】
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、ＦＣスタック４０の発電性能が回復し易くなる。
【０１３４】
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、ＦＣスタック４０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、ＦＣスタック４０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。
【０１３５】
ステップＳ３９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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
循環ガスの流量Ｑｃが上限値以上でないと判定した場合（Ｓ３９：ＮＯ）、ステップＳ３７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（Ｓ３９：ＹＥＳ）、ステップＳ４０に進む。
【０１３８】
ここで、ステップＳ３８、Ｓ３９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Ｓ３８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Ｓ３９において、循環弁６６が全開である場合（Ｓ３９：ＹＥＳ）、ステップＳ４０に進む構成としてもよい。
【０１３９】
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１９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１９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。
【０１４０】
ステップＳ４０において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ３７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（Ｓ４０：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ４０：ＮＯ）、ステップＳ４１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。
【０１４１】
ステップＳ４２において、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常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（Ｓ４２：ＹＥＳ）、ステップＳ４０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（Ｓ４２：ＮＯ）、ステップＳ４３において、ＥＣＵ２４は、ＦＣユニット１８を停止する。すなわち、ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０への水素及び空気の供給を停止し、ＦＣスタック４０の発電を停止する。そして、ＥＣＵ２４は、図示しない警告ランプを点灯させ、運転者にＦＣスタック４０が異常であることを通知する。なお、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０からモータ１４に電力を供給し、ＦＣ車両１０の走行は継続させる。
【０１４２】
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。
【０１４３】
［第２モードにおける目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔの算出］
図２０は、第２モードにおいて目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔを算出するフローチャート（図１４のＳ３２の詳細）である。
【０１４４】
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２１を参照して説明する。
【０１４５】
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ＦＣユニット１８の出力効率Ｅ１、Ｅ２との関係を示す図である。
【０１４６】
第１モードの出力効率Ｅ１は、次の式（１）により求められる。
【０１４７】
Ｅ１＝（Ｐｆｃｍ１−Ｐａｐ−Ｐｐｇ）／Ｅｈ      （１）
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
Ｅ２＝（Ｐｆｃｍ２−Ｐａｐ−Ｐｐｇ）／Ｅｈ      （２）
【０１５１】
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。
【０１５２】
図２１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ＦＣスタック４０自体の発電効率が影響している。
【０１５３】
図２２は、第１モード及び第２モードのそれぞれについて、ＦＣ電力ＰｆｃとＦＣスタック４０自体の発電効率Ｅｆｃ１、Ｅｆｃ２［％］との関係を示す図である。
【０１５４】
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）。
【０１５５】
図２２に示すように、第１モードにおけるＦＣスタック４０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ＦＣスタック４０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２２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。
【０１５６】
ＦＣスタック４０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２１の出力効率Ｅ１、Ｅ２のようになる。
【０１５７】
図２１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２１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。
【０１５８】
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Ｎｆｃのまま一定）である。
【０１５９】
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２１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。
【０１６０】
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２３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、ＦＣ車両１０を実際に走行させながら、所定値ΔＸ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。
【０１６１】
図２０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、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）。
【０１６２】
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２１参照）。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）。
【０１６３】
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γ（以下「係数γ」ともいう。）を設定する。
【０１６４】
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γは、仮目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔ＿ｔを回生電力Ｐｒｅｇの見込みに応じて補正するための係数である。
【０１６５】
図２４は、バッテリ２０のＳＯＣと係数γとの関係を回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅ毎に示す図である。図２４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γと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γと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γと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。
【０１６６】
図２４から分かるように、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γ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γを１から大きく遠ざける。このような係数γ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。
【０１６７】
加えて、この実施形態では、係数γ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。
【０１６８】
係数γ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γの特性を選択する。次いで、ＳＯＣに応じて係数γを選択する。なお、回生平均電力Ｐｒｅｇａｖｅ、ＳＯＣ及び係数γ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。
【０１６９】
図２０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γを乗算して目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔとする。
【０１７０】
このようにして目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔを設定すると、ＥＣＵ２４は、次に、ステップＳ３３の処理を実行して、目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔに応じた目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを設定する。
【０１７１】
［第２モードにおける目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔの算出］
図２５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１４のＳ３３の詳細）である。
【０１７２】
ステップＳ６１において、ＥＣＵ２４は、図１４のステップＳ３２で設定した目標ＦＣ出力Ｐｆｃｔｇｔを、ステップＳ３１で設定した目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔで割り、割って得られた値Ｐｆｃｔｇｔ／Ｖｆｃｔｇｔを、今回の第２モードの実行における仮目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ＿ｔ（今回）に設定する。
【０１７３】
ステップＳ６２において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ６１で設定した仮目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ＿ｔ（今回）と、図１４のステップＳ３６で設定した前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）との差の絶対値｜Ｉｆｃｔｇｔ＿ｔ（今回）−Ｉｆｃｔｇｔ（前回）｜を求め、求めた絶対値が所定値よりも大きいか否かを判定する。
【０１７４】
ステップＳ６２において、前記絶対値が所定値以下である場合（Ｓ６２：ＮＯ）、ＥＣＵ２４は、システム負荷Ｐｓｙｓに変動がないか、あるいは、システムＰｓｙｓの変動量がレートリミット制御を実行しなくてもよい程度に小さいものと判断し、レートリミット制御の実行を行わない（停止する）ことを決定する。そして、ステップＳ６３において、ＥＣＵ２４は、前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）を、今回の第２モードを実行する際の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）に設定する。
【０１７５】
一方、ステップＳ６２において、前記絶対値が所定値を超える場合（Ｓ６２：ＹＥＳ）、ＥＣＵ２４は、レートリミット制御の実行が必要な程度のシステム負荷Ｐｓｙｓの変動が発生したと判断し、レートリミット制御の実行（継続）を決定する。そして、ＥＣＵ２４は、ステップＳ６４において、仮目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ＿ｔ（今回）と、前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）との差｛Ｉｆｃｔｇｔ＿ｔ（今回）−Ｉｆｃｔｇｔ（前回）｝が０より大きいか否かを判定する。
【０１７６】
ステップＳ６４において、前記差が０より大きい場合（Ｓ６４：ＹＥＳ）、すなわち、システム負荷Ｐｓｙｓの増加に起因して、仮目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ＿ｔ（今回）が前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）よりも大きくなる場合（ＦＣ電流Ｉｆｃの上昇時）、ＥＣＵ２４は、ステップＳ６５において、前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）に所定値αを加算した値｛Ｉｆｃｔｇｔ（前回）＋α｝を、今回の第２モードを実行する際の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）に設定する。
【０１７７】
一方、ステップＳ６４において、前記差が０より小さい場合（Ｓ６４：ＮＯ）、すなわち、システム負荷Ｐｓｙｓの減少に起因して、仮目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ＿ｔ（今回）が前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔよりも小さくなる場合（ＦＣ電流Ｉｆｃの下降時）、ＥＣＵ２４は、ステップＳ６６において、前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）を所定値βで減算した値｛Ｉｆｃｔｇｔ（前回）−β｝を、今回の第２モードを実行する際の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）に設定する。
【０１７８】
このようにして、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを設定することができる。
【０１７９】
ここで、（１）ステップＳ６３で設定した目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）は、レートリミット制御を行わない場合での目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔであり、（２）ステップＳ６５で設定した目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）は、システム負荷Ｐｓｙｓの増加時にレートリミット制御を実行する場合での目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔであり、（３）ステップＳ６６で設定した目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）は、システム負荷Ｐｓｙｓの減少時にレートリミット制御を実行する場合での目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔである。
【０１８０】
そのため、図１４のステップＳ３４において、ＥＣＵ２４は、上記（１）の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔであれば、レートリミット制御を行わない場合の目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを算出し、上記（２）又は（３）の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔであれば、レートリミット制御を実行する場合の目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを算出する。従って、ステップＳ３５において、ＥＣＵ２４が目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じた指令値を各部に算出及び送信すれば、上記（１）の場合には第２モードのみ実行され、上記（２）又は（３）の場合には第２モードに併せてレートリミット制御も実行されることになる。
【０１８１】
なお、（２）のシステム負荷Ｐｓｙｓの増加時においては、空気の供給量（酸素濃度Ｃｏ）の増加に対してレートリミット制御を行うため、ＦＣスタック４０に供給される空気の供給量が不足して、ＦＣスタック４０の発電が不安定になる可能性がある（ステップＳ３７：ＮＯ）。このような場合でも、必要最低限の発電の安定性を確保するために、ＦＣスタック４０の発電状態に応じて、ステップＳ３８〜Ｓ４２の処理を行えば、空気の供給量が増加するので、ＦＣスタック４０の発電の安定性を維持することができる。
【０１８２】
また、上述した所定値α、βは、α＞βであることが好ましい。
【０１８３】
例えば、ＦＣ電流Ｉｆｃの上昇時には、ガス欠状態にあるＦＣスタック４０に空気を供給することになるので、ＦＣスタック４０に対する空気の流量を増加させる必要から、所定値αを所定値βよりも大きく設定して、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）を目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）よりも大きくすれば、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐの変化に対するＦＣ電流Ｉｆｃの変化（増加）の追従性が良好になる。
【０１８４】
一方、ＦＣ電流Ｉｆｃの下降時には、ＦＣスタック４０内に余剰の空気が存在しやすいため、システム負荷Ｐｓｙｓの減少に対応して、ＦＣスタック４０に対する空気の供給量を減少させても、余剰の空気を消費するまではＦＣ電流Ｉｆｃは徐々に減少する。この結果、システム負荷Ｐｓｙｓの減少に対する空気の流量及びＦＣ電流Ｉｆｃの追従性が低下する可能性がある。つまり、ＦＣ電流Ｉｆｃの下降時には、レートリミット制御をかけたような状態になる。
【０１８５】
そこで、ＦＣ電流Ｉｆｃの減少時には、所定値βを所定値αよりも小さく設定して、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）を目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）よりも小さくし、ＦＣ電流Ｉｆｃの増加時と比較して、空気の流量及びＦＣ電流Ｉｆｃに対するレートリミット制御を緩和すればよい。すなわち、ＦＣ電流Ｉｆｃの下降時には、上記のような追従性の低下によって、レートリミット制御をかけたような状態になっているため、所定値βを所定値α以上に大きな値に設定する必要がないためである。
【０１８６】
あるいは、レートリミット制御をかけたような状態が発生していることから、ＦＣ電流Ｉｆｃの下降時には、β＝０にして、ステップＳ６３と同様に、前回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（前回）を今回の目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ（今回）に設定してもよい。すなわち、この実施形態では、ＦＣ電流Ｉｆｃの上昇時にのみレートリミット制御を実行し、ＦＣ電流Ｉｆｃの下降時にレートリミット制御を実行しなくてもよい。
【０１８７】
［第３モードの実行］
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Ｎｆｃ）を、酸化還元領域Ｒ３外の電位｛この実施形態では、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（あるいは、酸素を豊潤な状態に維持）される。
【０１８８】
すなわち、図１０に示すように、第３モードでは、ＦＣスタック４０のＩＶ特性を通常ＩＶ特性とした状態で、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Ｎｆｃとする。）。これにより、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Ｎｆｃ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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
［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１４のＳ３５）を用いてこれらの機器を制御する。
【０１９１】
［モータ１４のトルク制御］
図２６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。
【０１９２】
ステップＳ７１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Ｓ７２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。
【０１９３】
ステップＳ７３において、ＥＣＵ２４は、モータ回転数Ｎｍと開度θｐとに基づいてモータ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と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。
【０１９４】
ステップＳ７４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）。
【０１９５】
ステップＳ７５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制限値Ｔｌｉｍ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍを車速Ｖｓで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｍ＿ｌｉｍ／Ｖｓ）。
【０１９６】
一方、ステップＳ７４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Ｓ７５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）。
【０１９７】
ステップＳ７６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）。
【０１９８】
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。
【０１９９】
［具体的な制御例］
図２７には、第２モードの実行中に、レートリミット制御を行った場合を図示したタイムチャートの一例が示されている。
【０２００】
図２７中、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びカソードストイキ比の時間変化において、破線で図示されているものは、レートリミット制御を行わない場合を示している。
【０２０１】
この場合、車速は、ＦＣ車両１０のユーザによるアクセルペダル１５４の踏込操作に起因して、時点ｔ１から時点ｔ３まで緩やかに加速した後に、時点ｔ３から時点ｔ４で大きく加速し、時点ｔ４から時点ｔ７までは一定速度を維持した後、時点ｔ７から時点ｔ９にかけて大きく減速し、時点ｔ９から時点ｔ１１にかけて緩やかに減速する。
【０２０２】
システム負荷Ｐｓｙｓは、車速の変化に対応して変化している。すなわち、システム負荷Ｐｓｙｓは、時点ｔ１から時点ｔ２を介して時点ｔ３までは緩やかに増加し、時点ｔ３から時点ｔ４までの加速時には急増する。また、システム負荷Ｐｓｙｓは、一定速度の時点ｔ４から時点ｔ７まで時間帯において、時点ｔ４から時点ｔ６までは減少し、時点ｔ６から時点ｔ７までは一定値を維持する。そして、システム負荷Ｐｓｙｓは、時点ｔ７から時点ｔ８までの減速時には急減して回生側に変化し、時点ｔ８から時点ｔ１１にかけて０ｋＷに向かって変化する。
【０２０３】
このようなシステム負荷Ｐｓｙｓの変化に対応して、ＦＣシステム１２では、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、ＦＣ電流Ｉｆｃ、及び、カソードストイキ比を、下記のように変化させる。
【０２０４】
先ず、第２モードの実行中であるため、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、図１４のステップＳ３１の処理によって、所定電圧値（Ｖｆｃ＝ｖ２×Ｎｆｃ）に維持される。
【０２０５】
カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃは、図１４、図２０及び図２５の処理によって、システム負荷Ｐｓｙｓの変動に追従するように変化する。
【０２０６】
すなわち、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃは、時点ｔ１から時点ｔ３までは緩やかに増加する。
【０２０７】
また、システム負荷Ｐｓｙｓが急増する時点ｔ３から時点ｔ４の時間帯では、図１４のステップＳ３４、Ｓ３５及び図２５のステップＳ６４、Ｓ６５の処理に起因したレートリミット制御が実行されることにより、カソードストイキ比は、破線よりも低い値に制限されながら、システム負荷Ｐｓｙｓに追従して緩やかに増加する。この結果、ＦＣ電流Ｉｆｃは、破線よりも低い値に制限されながら、システム負荷Ｐｓｙｓに追従して緩やかに増加する。つまり、ユーザによるアクセルペダル１５４の踏込操作に起因したＦＣ車両１０の加速に追従して、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃも増加している。
【０２０８】
時点ｔ４から時点ｔ５の時間帯では、システム負荷Ｐｓｙｓが減少しているにも関わらずカソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃは増加している。これは、システム負荷Ｐｓｙｓが減少しても、ＦＣスタック４０に余剰の空気が残っており、余剰の空気を先ず消費しなければ、システム負荷Ｐｓｙｓに追従してＦＣ電流Ｉｆｃを減少させることができないためである。従って、時点ｔ４から時点ｔ５の時間帯では、カソード系４３からＦＣスタック４０への空気の供給量は減少するが、ＦＣスタック４０内に余剰の空気が存在していることから、余剰の空気と、供給される空気とによって、カソードストイキ比が上昇している。また、ＦＣスタック４０では、余剰の空気を消費すると共に、カソード系４３から供給される空気も消費するため、ＦＣ電流Ｉｆｃも上昇している。
【０２０９】
このように、時点ｔ３から時点ｔ５までの時間帯では、アクセルペダル１５４の動作に追従するようにエアポンプ６０を動作させることにより、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃを上昇させることができる。
【０２１０】
また、時点ｔ３から時点ｔ５までの時間帯では、アクセルペダル１５４の動作に応じたシステム負荷Ｐｓｙｓの急増に追従してＦＣスタック４０に空気を供給する必要があるが、一方で、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃの上昇時にレートリミット制御が行われるので、ＦＣスタック４０への空気の供給量が不足して、該ＦＣスタック４０での発電が不安定になる可能性がある。このような場合、必要最低限の発電の安定性を確保するため、図１４のステップＳ３７〜Ｓ４２の処理を実行して空気の供給量を増加させることで、ＦＣスタック４０の発電状態に応じて、ＦＣスタック４０での発電の安定性を維持することができる。
【０２１１】
さらに、ＦＣスタック４０での発電については、図２３に示すように、最高値Ｐｈｉｅｆｆ近傍の低出力側で発電させるようにすれば、ネット効率が良くなる。また、レートリミット制御の実行中に、できるだけＦＣスタック４０から出力しないように制御すれば、ＦＣスタック４０の発電効率Ｅｆｃ２を向上することができる。
【０２１２】
このことについて詳しく説明すると、図２７に破線で示すレートリミット制御を行わない場合には、ＦＣ電流Ｉｆｃが急激に上昇するため、該ＦＣ電流Ｉｆｃに応じたＦＣ電力Ｐｆｃも急激に上昇する。そのため、レートリミット制御を行わない場合での出力効率Ｅ２は、図２３の出力効率Ｅ２の特性上、最高値Ｐｈｉｅｆｆから短時間でＰ２側に向かって低下することになる。
【０２１３】
これに対して、レートリミット制御を行った場合には、ＦＣ電流Ｉｆｃが緩やかに上昇するため、ＦＣ電流Ｉｆｃに応じたＦＣ電力Ｐｆｃも緩やかに上昇する。そのため、レートリミット制御を行った場合での出力効率Ｅ２（ネット効率）は、図２３の出力効率Ｅ２の特性上、最高値ＰｈｉｅｆｆからＰ２側に向かって緩やかに低下する。従って、レートリミット制御を行うことにより、比較的高い発電効率Ｅｆｃ２及び出力効率Ｅ２を維持することができる。
【０２１４】
時点ｔ５において余剰の空気が消費されれば、その後の時点ｔ５から時点ｔ６の時間帯では、システム負荷Ｐｓｙｓの減少に追従して、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃを減少させることができる。
【０２１５】
この場合、図１４のステップＳ３４、Ｓ３５及び図２５のステップＳ６４、Ｓ６６の処理に起因して、レートリミット制御が緩和されるか、あるいは、停止される。すなわち、ＦＣ電流Ｉｆｃの減少時には、レートリミット制御をかけたような状態になるため、時点ｔ５から時点ｔ６の時間帯では、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃに対する制限を緩和又は停止することで、システム負荷Ｐｓｙｓに追従してカソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃを徐々に減少させることができる。
【０２１６】
時点ｔ６から時点ｔ７では、システム負荷Ｐｓｙｓが一定値であるため、図１４のステップＳ３４、Ｓ３５及び図２５のステップＳ６２、Ｓ６３の処理に起因して、レートリミット制御を一旦解除し、第２モードのみ実行する。従って、この時間帯では、システム負荷Ｐｓｙｓに追従して、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃは、一定値を維持する。
【０２１７】
時点ｔ７から時点ｔ８までの時間帯において、システム負荷Ｐｓｙｓは、急激に低下している。このような急激な低下に追従するようにカソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃを変化させると、ＦＣスタック４０が劣化するおそれがある。また、システム負荷Ｐｓｙｓの減少時には、ＦＣスタック４０に余剰の空気があるため、余剰の空気を消費しなければＦＣ電流Ｉｆｃを減少させることができない。
【０２１８】
そこで、時点ｔ７から時点ｔ１０の時間帯では、時点ｔ５から時点ｔ６の時間帯と同様に、レートリミット制御によるカソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃに対する制限を緩和するか、又は、停止する。これにより、時点ｔ３から時点ｔ５の時間帯（カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃの上昇時）と比較して、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃの時間変化率の絶対値は小さくなる。この結果、ＦＣスタック４０内の余剰の空気を消費しつつ、破線と比較して、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃを緩やかに減少させることができる。
【０２１９】
この場合、カソードストイキ比が時点ｔ９で所定値まで低下した後に、時点ｔ１０において、ＦＣ電流Ｉｆｃが略０Ａまで低下する。その後、カソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃは、略０レベルを維持する。
【０２２０】
また、時点ｔ７から時点ｔ１０までの時間帯においても、時点ｔ３から時点ｔ５までの時間帯と同様に、図２３の最高値Ｐｈｉｅｆｆ近傍の低出力側でＦＣスタック４０を発電させれば、出力効率Ｅ２（ネット効率）が良くなると共に、ＦＣスタック４０の発電効率Ｅｆｃ２を向上することができる。この場合には、ＦＣ電流Ｉｆｃの緩やかな減少に伴って、ＦＣ電力Ｐｆｃも緩やかに減少するため、レートリミット制御を行った場合での出力効率Ｅ２は、図２３の出力効率Ｅ２の特性上、最高値Ｐｈｉｅｆｆの近傍において、該最高値Ｐｈｉｅｆｆに向かって緩やかに上昇することになる。従って、時点ｔ７から時点ｔ１０までの時間帯においても、レートリミット制御を行うことにより、比較的高い出力効率Ｅ２及び発電効率Ｅｆｃ２を維持することができる。
【０２２１】
［本実施形態の効果］
以上説明したように、この実施形態によれば、第２モード（電圧固定・出力可変制御）を実行することで、ＦＣ電圧Ｖｆｃを酸化還元進行電圧範囲の外側の電圧値（還元領域Ｒ２内又は酸化領域Ｒ４内の電圧値）に維持しつつ、カソード系４３からＦＣスタック４０に供給される空気の流量をシステム負荷Ｐｓｙｓに追従して変化させる。これにより、空気の流量に応じてＦＣスタック４０の出力（ＦＣ電流Ｉｆｃ、ＦＣ電力Ｐｆｃ）も変化する。この結果、ＦＣ電圧Ｖｆｃが酸化還元進行電圧範囲（白金凝集増加領域Ｒ１、白金酸化還元進行領域Ｒ３、カーボン酸化領域Ｒ５）に移動することを回避することで、酸化電流や還元電流が低下し、ＦＣセルに含まれる触媒（白金）での酸化反応や還元反応の発生頻度を抑制することができる。従って、触媒の機能を維持しつつ、ＦＣスタック４０の劣化を抑制することができる。
【０２２２】
さらに、この実施形態では、第２モードの実行中、空気の流量の時間変化率（空気の時間変動量）を制限するレートリミット制御が実行される。レートリミット制御の実行により空気の流量の時間変化率が制限されると、ＦＣ出力の変化率（ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃの時間変化率）も制限される。この結果、酸化電流や還元電流をより一層低減することが可能となり、システム負荷Ｐｓｙｓの変動に追従して空気の流量を変化させつつ、ＦＣスタック４０の劣化をさらに抑制することができる。
【０２２３】
このように、この実施形態では、上述の第２モード及びレートリミット制御を実行することにより、変動速度Ａｃｅｌｌを制限する特許文献１の技術と比較して、酸化電流や還元電流を低下させると共に、ＦＣスタック４０の出力（ＦＣ電流Ｉｆｃ、ＦＣ電力Ｐｆｃ）の時間変化率も制限することができる。これにより、ＦＣスタック４０の劣化を抑制することができる。
【０２２４】
上述のように、第２モードでは、システム負荷Ｐｓｙｓに応じて空気の流量を変化させることによってＦＣ電流Ｉｆｃを変化させる。この場合、ＥＣＵ２４は、システム負荷Ｐｓｙｓの変動に対して、下記のような制御を行う。
【０２２５】
システム負荷Ｐｓｙｓの増加に追従して空気の流量を増加させることによりＦＣ電流Ｉｆｃを増加させる場合には、空気の流量の時間増加率を制限する。これにより、レートリミット制御をかけつつ、システム負荷Ｐｓｙｓの増加に追従して空気の流量とＦＣ電流Ｉｆｃとを増加させることができる。
【０２２６】
一方、システム負荷Ｐｓｙｓの減少に追従して空気の流量を減少させることによりＦＣ電流Ｉｆｃを減少させる場合には、ＦＣ電流Ｉｆｃの増加時と比較して、空気の流量の時間減少率に対する制限を緩和するか、又は、時間減少率に対する制限を行わない。
【０２２７】
ＦＣ電流Ｉｆｃの減少時には、ＦＣスタック４０内に余剰の空気が存在しやすい。このような状態で、システム負荷Ｐｓｙｓの減少に対応して、空気の供給量を減少させても、余剰のエアを消費するまではＦＣ電流Ｉｆｃは徐々に減少する。この結果、システム負荷Ｐｓｙｓの減少に対する空気の流量及びＦＣ電流Ｉｆｃの追従性が低下する。つまり、ＦＣ電流Ｉｆｃの減少時には、レートリミット制御をかけたような状態になる。
【０２２８】
そこで、この実施形態では、ＦＣ電流Ｉｆｃの減少時において、空気の流量の時間減少率に対する制限（レートリミット制御）を緩和し、又は、レートリミット制御を停止して、ＦＣ電流Ｉｆｃを徐々に減少させることにより、ＦＣスタック４０の劣化を抑制することができる。また、レートリミット制御の緩和又は停止に対応して、エアポンプ６０による空気の供給動作を低減又は停止すれば、エアポンプ６０での騒音の発生が抑制されるので、燃料電池システム１２の商品性を向上させることができる。
【０２２９】
また、ＦＣスタック４０の発電が安定していない場合、ＥＣＵ２４は、空気の流量が増加するようにエアポンプ６０、背圧弁６４及び循環弁６６を制御する。すなわち、ＦＣ電流Ｉｆｃの上昇時にレートリミット制御を行うと、カソード系４３のエアポンプ６０、背圧弁６４及び循環弁６６によりＦＣスタック４０に供給される空気の流量が不足して、ＦＣスタック４０の発電が安定して行われない可能性がある。そこで、必要最低限の発電の安定性を確保するために、ＦＣスタック４０の発電状態に応じて、空気の供給量を増加させることで、該ＦＣスタック４０の発電安定性を維持することができる。
【０２３０】
また、ＦＣ車両１０では、ユーザのアクセルペダル操作に起因したアクセルペダル１５４の開度θｐ（に応じたシステム負荷Ｐｓｙｓ）の変更が頻繁に発生するので、燃料電池システム１２をＦＣ車両１０に搭載することにより、ユーザの要求であるアクセルペダル１５４の動作に追従した動作を実現することができる。
【０２３１】
すなわち、アクセルペダル１５４の開度θｐに応じたシステム負荷Ｐｓｙｓの上昇に応じてＦＣ電流Ｉｆｃを大きくしたいときには、カソード系４３からＦＣスタック４０に供給される空気の流量を増加させ、一方で、システム負荷Ｐｓｙｓの低下に応じてＦＣ電流Ｉｆｃを小さくしたいときには、カソード系４３からＦＣスタック４０に供給される空気の流量を減少させることにより、アクセルペダル１５４の動きに追従したＮＶ性能を実現することができる。これにより、ＦＣ車両１０は、ユーザの要求に応じた走行を実現することができる。
【０２３２】
また、第２モードの実行中、レートリミット制御を行えば、ＦＣスタック４０が低出力となるため、ＦＣユニット１８の出力効率Ｅ２（ネット効率）を向上させることができる。
【０２３３】
［変形例］
なお、この発明は、上記の実施形態に限らず、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。  
【０２３４】
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。あるいは、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。あるいは、ＦＣシステム１２を家庭用電力システムに適用してもよい。
【０２３５】
また、上記の実施形態では、ＦＣスタック４０と高電圧バッテリ２０とを並列に配置し、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２８に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０とを並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２をＦＣスタック４０の手前に配置する構成であってもよい。あるいは、図２９に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０とを並列に配置し、ＦＣスタック４０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。あるいは、図３０に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０とを直列に配置し、バッテリ２０とモータ１４との間にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。
【０２３６】
また、上記の実施形態では、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。
【０２３７】
上記実施形態では、カソード系４３からＦＣスタック４０に空気を供給する場合におけるカソードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃに対するレートリミット制御について説明したが、これに代えて又は加えて、アノード系４１からＦＣスタック４０に水素を供給する場合におけるアノードストイキ比及びＦＣ電流Ｉｆｃに対するレートリミット制御を行ってもよいことは勿論である。
【０２３８】
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。
【０２３９】
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Ｎｆｃ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（ｖ３＝０．９Ｖ）に設定してもよい。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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。
【０２４２】
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Ｒｈｅｆｆ内の値であれば別の値であってもよい。あるいは、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。
【０２４３】
上記実施形態では、回生平均補正係数γを用いたが、係数γを用いない構成も可能である。
【０２４４】
さらに、上記実施形態では、第３モードにおいて、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔを電位ｖ３（ｖ３＝０．９Ｖ）に固定し、且つ、ＦＣ電流Ｉｆｃも固定した場合について説明した。この第３モードについても、ｖ３＝０．９Ｖ固定でレートリミット制御を行いながら、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変させてもよい。このようにすれば、バッテリ２０への不必要な充電を抑制することができ、ＦＣシステム１２全体としての効率が向上すると共に、レートリミット制御によって、ＦＣスタック４０の劣化を大幅に抑制することができる。
【０２４５】
また、上記実施形態では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが酸化還元進行電圧範囲（図８の白金凝集増加領域Ｒ１、白金酸化還元進行領域Ｒ３、又はカーボン酸化領域Ｒ５）に入らないように、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを固定する電圧固定・電流可変制御（第２モード）又は電圧固定・電流固定制御（第３モード）について説明した。
【０２４６】
本実施形態では、以下に説明する他の実施例として、単位時間当たりのＦＣ電圧Ｖｆｃの変化量（ＦＣ電圧Ｖｆｃの時間変化率、ＦＣ電圧Ｖｆｃの時間変化量、ＦＣ電圧Ｖｆｃの応答速度）を鈍くすることにより、レートリミット制御を行うことも可能である。
【０２４７】
他の実施例では、前述した第１モード（第１の制御モード）が実行されるか、又は、前述の第２モード又は第３モードを含む第２の制御モードが実行され、第２の制御モードにおいて、ＦＣ電圧Ｖｆｃの時間変化量を鈍くするレートリミット制御が実行される。
【０２４８】
ここで、第１の制御モード（通常ストイキ比以上での制御）において、ＦＣ電圧Ｖｆｃの時間変化率をΔＶｆｃ、ＦＣ電力Ｐｆｃの時間変化率をΔＰｆｃ、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐの時間変化率をΔＮａｐとし、一方で、第２の制御モードにおいて、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´の時間変化率をΔＶｆｃ´、ＦＣ電力Ｐｆｃ´の時間変化率をΔＰｆｃ´、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐ´の時間変化率をΔＮａｐ´とする。
【０２４９】
この場合、第１の制御モードと第２の制御モードとの間では、下記の式（３）及び（４）が成り立つことが望ましい。
【０２５０】
｜ΔＰｆｃ｜／｜ΔＮａｐ｜＞｜ΔＰｆｃ´｜／｜ΔＮａｐ´｜            （３）
【０２５１】
｜ΔＶｆｃ｜／｜ΔＮａｐ｜＞｜ΔＶｆｃ´｜／｜ΔＮａｐ´｜            （４）
【０２５２】
従って、第１の制御モードと比較して、第２の制御モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´の時間変化量ΔＶｆｃ´及びＦＣ電力Ｐｆｃ´の時間変化量ΔＰｆｃ´を鈍くするような制御が行われる。そのため、電圧固定制御（ΔＶｆｃ´＝０）である第２モード及び第３モードも、第２の制御モードに含まれることになる。
【０２５３】
また、上記の式（３）及び式（４）から分かるように、他の実施例は、ΔＮａｐ≠０、且つ、ΔＮａｐ´≠０の条件下で行われる制御であり、時間経過に対してエアポンプ６０の回転数Ｎａｐ、Ｎａｐ´が一定である場合（ΔＮａｐ＝ΔＮａｐ´＝０）や、エアポンプ６０を運転停止させた場合（Ｎａｐ＝Ｎａｐ´＝０）には、第１の制御モード又は第２の制御モードが実行されることはない。つまり、他の実施例では、第１の制御モード又は第２の制御モードのいずれのモードにおいても、システム負荷Ｐｓｙｓ（ＦＣ電力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´）の時間変化に応じて、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐ、Ｎａｐ´を追従させる制御が行われる。
【０２５４】
このようにすれば、第１の制御モードでは、酸化還元進行電圧範囲に入らないように目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを固定する制御が行われるので、ＦＣスタック４０の劣化を抑制することができる。一方、第２の制御モードでは、第１の制御モードと比較して、時間変化量ΔＶｆｃ´を鈍くする制御（ＦＣ電圧Ｖｆｃ´の応答速度を落とす制御）が行われるので、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´が酸化還元進行電圧範囲に入っても、ＦＣスタック４０の劣化を抑制することが可能となる。従って、他の実施例においても、ＦＣスタック４０の耐久性を向上させることができる。
【０２５５】
ここで、図３１及び図３２のタイムチャートを参照しながら、他の実施例について、さらに詳しく説明する。
【０２５６】
図３１において、ｔ２１〜ｔ２４の時間帯では、第１の制御モード（通常ストイキ領域）が実行され、ｔ２４以降の時間帯では第２の制御モード（電圧固定領域）が実行される。なお、図３１において、第２の制御モードでは、前述の第２モード又は第３モードが実行される。なお、図３１中の各破線は、一例として、ｖ２＝０．８Ｖに対応するモータ１４の消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´（予想消費電力Ｐｍ）、ＦＣ電力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´（目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ）及びＦＣ電圧Ｖｆｃ、Ｖｆｃ´をそれぞれ示している。
【０２５７】
図３１において、消費電力Ｐｍｏｔは、時点ｔ２１から時点ｔ２２まで一定値を維持した後、時点ｔ２２から時点ｔ２３にかけてΔＰｍｏｔの時間変化率で増加し、時点ｔ２３から時点ｔ２４まで一定値を維持する。消費電力Ｐｍｏｔ´は、時点ｔ２４で急減した後に、時点ｔ２４から時点ｔ２５まで一定値を維持し、時点ｔ２５から時点ｔ２６にかけてΔＰｍｏｔ´（＝ΔＰｍｏｔ）の時間変化率で増加し、時点ｔ２６から時点ｔ２７まで一定値を維持する。
【０２５８】
このような消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´の変化に対応して、ＦＣシステム１２では、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、Ｖｆｃ´、ＦＣ出力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´、及び、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐ、Ｎａｐ´を、下記のように変化させる。
【０２５９】
ＦＣ電圧Ｖｆｃは、時点ｔ２１から時点ｔ２２まで一定値を維持した後に、時点ｔ２２から時点ｔ２３にかけてΔＶｆｃの時間変化率で減少し、時点ｔ２３から時点ｔ２４まで一定値に維持される。その後、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´は、時点ｔ２４でｖ２＝０．８Ｖに対応する電圧値に固定され、時点ｔ２４から時点ｔ２７まで一定値に維持される（ΔＶｆｃ´＝０）。この場合、｜ΔＶｆｃ｜＞｜ΔＶｆｃ´｜であり、第２の制御モードでは、第１の制御モードと比較して、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´の時間変化が鈍くなっている。
【０２６０】
また、ＦＣ電力Ｐｆｃは、時点ｔ２１から時点ｔ２２まで一定値を維持した後に、時点ｔ２２から時点ｔ２３にかけて増加し、時点ｔ２３から時点ｔ２４まで一定値に維持される。ＦＣ電力Ｐｆｃ´は、時点ｔ２４でｖ２＝０．８Ｖに相当する出力よりも低い値に急減した後に、時点ｔ２４から時点ｔ２５まで一定値を維持し、時点ｔ２５から時点ｔ２７にかけて徐々に増加する。従って、消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´の増減に応じてＦＣ電力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´が取り出されることで、該ＦＣ電力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´で消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´をまかなうことができる。
【０２６１】
そして、図３１において、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐ、Ｎａｐ´は、第１の制御モード及び第２の制御モードのいずれのモードにおいても、消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´及びＦＣ電力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´の増減（システム負荷Ｐｓｙｓの増減）に追従するように変化している。この結果、回転数Ｎａｐ、Ｎａｐ´の時間変化に応じてＦＣスタック４０に供給される空気の流量が変化し、消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´及びＦＣ電力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´の増減に追従して空気の流量を変化させることができる。
【０２６２】
具体的に、回転数Ｎａｐは、時点ｔ２１から時点ｔ２２まで一定値を維持した後に、時点ｔ２２から時点ｔ２３にかけてΔＮａｐの時間変化率で増加し、時点ｔ２３から時点ｔ２４まで一定値を維持する。回転数Ｎａｐ´は、時点ｔ２４で急減した後に、時点ｔ２４から時点ｔ２５まで一定値を維持し、時点ｔ２５から時点ｔ２７にかけてΔＮａｐ´の時間変化率で徐々に増加する。
【０２６３】
この場合、ｔ２２〜ｔ２３の時間帯とｔ２５〜ｔ２７の時間帯とでは、｜ΔＮａｐ｜＞｜ΔＮａｐ´｜であり、第２の制御モードでは、第１の制御モードと比較して、回転数Ｎａｐ´の時間変化が鈍くなっている。また、第１の制御モード及び第２の制御モードのいずれのモードにおいても、消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´及びＦＣ電力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´の増減に応じてエアポンプ６０の回転数Ｎａｐ、Ｎａｐ´を変化させることで、ＦＣスタック４０に供給される空気の流量を、消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´及びＦＣ電力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´の増減に追従して変化させることができる。
【０２６４】
ここで、各電力、電圧及び回転数の比率を、例えば、ΔＰｍｏｔ＝ΔＰｍｏｔ´＝１、ΔＶｆｃ＝−１、ΔＮａｐ＝１、ΔＮａｐ´＝０．３とすれば、第１の制御モードと第２の制御モードとの間では、下記の式（５）及び式（６）に示す関係が成り立つ。
【０２６５】
｜ΔＶｆｃ｜：｜ΔＮａｐ｜＝１：１                                    （５）
【０２６６】
｜ΔＶｆｃ´｜：｜ΔＮａｐ´｜＝０：０．３                            （６）
【０２６７】
そして、図３１では、第１の制御モード及び第２の制御モードのいずれのモードにおいても、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、Ｖｆｃ´は、ｖ３＝０．８Ｖに応じた電圧を超えることはなく、酸化還元進行電圧範囲に入ることはないので、ＦＣスタック４０の劣化を抑制し、耐久性を向上させることができる。
【０２６８】
一方、図３２では、ｔ３１〜ｔ３４の時間帯で、図３１のｔ２１〜ｔ２４の時間帯と同様の第１の制御モードが実行される。また、消費電力Ｐｍｏｔ、Ｐｍｏｔ´及びＦＣ出力Ｐｆｃ、Ｐｆｃ´も図３１の場合と同様に変化する。
【０２６９】
そして、図３２において、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´は、時点ｔ３４でｖ３＝０．８Ｖに対応する電圧値に設定された後、時点ｔ３４から時点ｔ３７まで徐々に増加する。従って、ｔ３４〜ｔ３７の時間帯において、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´は、白金酸化還元進行領域Ｒ３の範囲内に入ることになる。但し、図３２においても、ｔ３４〜ｔ３７の時間帯でのＦＣ電圧Ｖｆｃ´の時間変化率ΔＶｆｃ´については、時間変化率ΔＶｆｃとの間で、｜ΔＶｆｃ｜＞｜ΔＶｆｃ´｜の関係が成り立ち、第２の制御モードでは、第１の制御モードと比較して、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´の時間変化が鈍くなっている。
【０２７０】
また、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐ´についても、図３１の場合と同様に、時点ｔ３４から時点ｔ３５まで一定値を維持し、時点ｔ３５から時点ｔ３７にかけてΔＮａｐ´の時間変化率で徐々に増加する。この場合でも、ｔ３５〜ｔ３７の時間帯での時間変化率ΔＮａｐ´については、時間変化率ΔＮａｐとの間で、｜ΔＮａｐ｜＞｜ΔＮａｐ´｜の関係が成り立ち、第２の制御モードでは、第１の制御モードと比較して、回転数Ｎａｐ´の時間変化が鈍くなっている。
【０２７１】
また、図３２においても、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐ´を変化させることにより、消費電力Ｐｍｏｔ´及びＦＣ電力Ｐｆｃ´の増減に追従して、ＦＣスタック４０に供給される空気の流量を変化させることができる。
【０２７２】
さらに、図３２においても、各電力、各電圧及び回転数の比率を、例えば、ΔＰｍｏｔ＝ΔＰｍｏｔ´＝１、ΔＶｆｃ＝−１、ΔＶｆｃ´＝０．１、ΔＮａｐ＝１、ΔＮａｐ´＝０．４とすれば、第１の制御モードと第２の制御モードとの間では、下記の式（７）及び式（８）に示す関係が成り立つ。
【０２７３】
｜ΔＶｆｃ｜：｜ΔＮａｐ｜＝１：１                                    （７）
【０２７４】
｜ΔＶｆｃ´｜：｜ΔＮａｐ´｜＝０．１：０．４                        （８）
【０２７５】
そして、図３２において、第１の制御モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、ｖ２＝０．８Ｖに応じた電圧を超えることはなく、酸化還元進行電圧範囲に入ることはないので、ＦＣスタック４０の劣化を抑制し、耐久性を向上させることができる。一方、第２の制御モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、ｖ２＝０．８Ｖを超えて、酸化還元進行電圧範囲に入ることになるが、第１の制御モードと比較して、ＦＣ電圧Ｖｆｃ´の時間変化率ΔＶｆｃ´を鈍くするように制御しているので、ＦＣスタック４０の劣化を抑制し、耐久性を向上させることが可能である。
【符号の説明】
【０２７６】
１０…燃料電池車両                      １２…燃料電池システム
１４…モータ                            １６…インバータ（負荷）
２０…高電圧バッテリ                    ２２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４…ＥＣＵ                            ４０…燃料電池スタック
６０…エアポンプ                        ６６…循環弁
８０…ウォータポンプ                    ９０…エアコンディショナ
１８０〜１９８…曲線
【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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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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