JP5750341B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池と、前記燃料電池からの電力を蓄電可能な蓄電装置と、前記燃料電池又は前記蓄電装置の少なくとも一方から電力を供給される負荷とを有する燃料電池システムに関する。

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、発電要求パワー（Ｐ＊）（要求負荷）が所定の閾値（Ｐｔｈｒ）未満である場合、燃料電池のガス供給を停止し発電休止モードに入る。発電休止モードでは、燃料電池の電圧を、開放端電圧よりも低い電圧に設定し、微弱電流を発電することで、燃料電池の劣化を防止しつつ、車両としての効率を向上することが企図されている（要約、段落［００４５］〜［００４７］、図２及び図４）。発電休止モード中の余剰電力はバッテリ（７４）に充電される。当該バッテリは、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギ貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギバッファとして機能する（［００３６］）。

特開２０１１―０１５５８０号公報

上記のように、特許文献１では、発電停止モードの余剰電力はバッテリに蓄電された後、車両の加速時に用いられる。これにより、バッテリの充放電の頻度が増加することで、充放電に伴う電力損失が発生し、燃料電池システムの出力効率が低下するおそれがある。

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。

この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池からの電力を蓄電する蓄電装置と、前記燃料電池又は前記蓄電装置の少なくとも一方から電力を供給される負荷と、前記燃料電池の電圧を調整するコンバータと、前記負荷が必要とする電力に基づいて前記燃料電池と前記蓄電装置が前記負荷へ供給する電力を制御する制御装置と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備えたものであって、前記制御装置は、前記燃料電池のアイドル発電抑制モードの条件が成立したと判定した場合に、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を白金の酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定すると共に、前記負荷が必要とする電力に基づき前記反応ガス供給装置を制御することで前記反応ガスとしてのエアの供給量を変化させることにより前記燃料電池の出力電流を可変に制御して、前記燃料電池の出力を、前記負荷が必要とする電力に追従させることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池を白金の酸化還元進行電圧範囲外の電圧で一定にしておきながら、燃料電池の出力電流を負荷に追従させて変化させるため、燃料電池のアイドル発電抑制モード時に燃料電池の劣化が防止されると共に不要な発電を抑制することができる。従って、蓄電装置における充放電損失を低減でき、燃料電池システムにおける出力効率を高めることが可能となる。

前記所定電圧値は、前記酸化還元進行電圧範囲より高い値又は低い値とすることができる。

前記制御装置は、システム負荷が第１負荷閾値以下である場合、前記蓄電装置の蓄電量が蓄電量閾値以下であれば、第１アイドル発電抑制モードを選択し、前記蓄電量閾値以下でなければ、第２アイドル発電抑制モードを選択してもよい。前記第１アイドル発電抑制モードでは、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を前記所定電圧値に固定すると共に、前記反応ガス供給装置を制御して、前記燃料電池内部のガス状態を豊潤な状態に維持してもよい。前記第２アイドル発電抑制モードでは、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を前記所定電圧値に固定すると共に、前記負荷が必要とする電力に基づき前記反応ガス供給装置を制御することで前記エアの供給量を変化させることにより前記燃料電池の出力電流を可変に制御して、前記燃料電池の出力を、前記負荷が必要とする電力に追従させてもよい。上記構成によれば、燃料電池の電圧を白金の酸化還元進行電圧範囲より高い値で設定される所定電圧値に設定するため、燃料電池の劣化を防止することができる。加えて、第１アイドル発電抑制モードにおいて、燃料電池内部のガス状態を豊潤な状態に維持するため、燃料電池の発電量が増加し、余剰分の電力を蓄電装置に充電することで、蓄電装置の蓄電量を目標蓄電量に維持することができる。

前記燃料電池システムは、車両に搭載され、前記負荷は、回生可能なモータ及び補機を含み、前記制御装置は、前記アイドル発電抑制モードの条件が成立したと判定した場合に、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を前記所定電圧値に固定すると共に、前記反応ガス供給装置を制御して、前記燃料電池が、前記補機が必要とする電力に追従した出力を行うように前記エアの供給量を変化させてもよい。

前記制御装置は、前記車両の速度又は前記モータの回転数が所定の閾値以下であり且つシステム負荷が負荷閾値以下である場合に、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を前記所定電圧値に固定すると共に、前記反応ガス供給装置を制御して、前記燃料電池が、前記補機が必要とする電力に追従した出力を行うように前記エアの供給量を変化させてもよい。

この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池からの電力を蓄電する蓄電装置と、前記燃料電池又は前記蓄電装置の少なくとも一方から電力を供給される負荷と、前記燃料電池の電圧を調整するコンバータと、前記負荷が必要とする電力に基づいて前記燃料電池と前記蓄電装置が前記負荷へ供給する電力を制御する制御装置と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備えるものであって、前記制御装置は、前記燃料電池の電圧を調整して前記燃料電池から負荷へ供給する電力を制御する通常モードと、前記燃料電池システムの低負荷運転時に、前記燃料電池の発電を制限するアイドル発電抑制モードとを実行し、前記アイドル発電抑制モード中に、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を白金の酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定すると共に、前記反応ガスの供給量を制限する低効率発電を行い、前記低効率発電では、前記負荷が必要とする電力に基づき前記反応ガス供給装置を制御することで前記反応ガスとしてのエアの供給量を変化させることにより前記燃料電池の出力電流を可変に制御して、前記燃料電池の出力を、前記負荷が必要とする電力に追従させ、前記負荷が必要とする電力の増加に伴い前記アイドル発電抑制モードから前記通常モードに移行させる際に、前記燃料電池に対する前記エアの供給量を前記負荷が必要とする電力の増加に追従させて増加させると共に、前記所定電圧値に設定された前記燃料電池の電圧を前記負荷が必要とする電力の増加に追従させて前記所定電圧値から低下させることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池をアイドル状態から通常状態に迅速に移行させることが可能となる。すなわち、一般に、反応ガスの濃度が一定である場合、燃料電池の発電電力を増加させるには、燃料電池の出力電圧を下げ、燃料電池の出力電流を増加させる必要がある。また、燃料電池の出力電圧及び出力電流が同一である場合、反応ガスの濃度を高くすることにより燃料電池の発電電力を増加させることができる。この発明によれば、アイドル発電抑制モードから通常モードへの移行の際、反応ガスの供給量を負荷が必要とする電力の増加に追従させて増加させると共に、燃料電池の電圧を負荷が必要とする電力の増加に追従させて低下させる。このため、負荷が必要とする電力の増加に合わせて反応ガスの濃度を上げると共に、燃料電池の出力電圧を低下させることができるため、燃料電圧をアイドル状態から通常状態に迅速に移行することが可能となる（但し、反応ガスの供給量増加と燃料電池の電圧低下が一連の流れとして行われればよく、必ずしも同時に行う必要はない。）。

また、アイドル発電抑制モードから通常モードに移行させる際、燃料電池の電圧を所定電圧値から低下させる。当該所定電圧値が白金の酸化還元進行電圧範囲より低い値に設定された場合、アイドル発電抑制モードから通常モードへの移行の際、燃料電池の電圧が酸化還元進行電圧範囲を通過することがない。従って、燃料電池の電圧が酸化還元進行電圧範囲を通過することに伴う燃料電池の劣化を防止することが可能となる。

前記アイドル発電抑制モードから前記通常モードに移行させる際に前記燃料電池の電圧変化を抑制してもよい。燃料電池の出力電圧を急激に変化させると、燃料電池が劣化することがあるが、上記構成によれば、出力電圧の急激な変動を抑制することができるため、燃料電池の劣化を抑制することが可能となる。

前記負荷の増加に伴い前記アイドル発電抑制モードから前記通常モードに移行させる前に、背圧弁を閉方向に動かしてもよい。背圧弁を閉方向に動かすことにより、燃料電池のカソード流路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。このため、アイドル状態から通常状態への復帰を迅速に行うことが可能となる。

この発明に係る車両は、上述した燃料電池システムを搭載したことを特徴とする。これにより、耐久性が高く且つ高効率な車両を実現することが可能となる。

この発明によれば、燃料電池を白金の酸化還元進行電圧範囲外の電圧で一定にしておきながら、燃料電池の出力電流を負荷に追従させて変化させるため、燃料電池のアイドル発電抑制モード時に燃料電池の劣化が防止されると共に不要な発電を抑制することができる。従って、蓄電装置における充放電損失を低減でき、燃料電池システムにおける出力効率を高めることが可能となる。

この発明の第１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。 前記燃料電池車両の電力系のブロック図である。 前記第１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。 前記第１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。 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。 システム負荷を計算するフローチャートである。 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。 バッテリのＳＯＣ、充放電係数及び平均回生電力の関係を示す図である。 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。 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。 前記第１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。 前記第１実施形態において、前記ＥＣＵが、前記燃料電池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。 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。 第２通常モードのフローチャートである。 目標ＦＣ電流と目標酸素濃度との関係を示す図である。 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。 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。 目標ＦＣ電流と空気流量との関係を示す図である。 循環弁の開度と循環ガス流量との関係を示す図である。 第２アイドル発電抑制モードのフローチャートである。 モータのトルク制御のフローチャートである。 前記第１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。 第２実施形態において、前記ＥＣＵが、前記燃料電池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。 前記第２実施形態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。 前記第１実施形態に係る燃料電池システムの第１変形例の概略構成を示すブロック図である。 前記第１実施形態に係る燃料電池システムの第２変形例の概略構成を示すブロック図である。 前記第１実施形態に係る燃料電池システムの第３変形例の概略構成を示すブロック図である。

Ａ．第１実施形態
１．全体的な構成の説明
［１−１．全体構成］
図１は、この発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」という。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」という。）の概略全体構成図である。図２は、ＦＣ車両１０の電力系のブロック図である。図１及び図２に示すように、ＦＣ車両１０は、ＦＣシステム１２に加え、走行用のモータ１４と、インバータ１６とを有する。

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。

［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）。

インバータ１６は、３相フルブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、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。

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。

［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を冷却する冷却水（冷媒）を循環させる冷却系と、セル電圧モニタ４２とを備える。

（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。

（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のものであり、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４２ａ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。

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。

エゼクタ４８は、水素タンク４４からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管４８ｂのアノードオフガスを吸引することができる。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。なお、配管６４ｂには、前記した希釈ボックス５４が設けられている。

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。

配管６４ｂは、配管６６ａ、循環弁６６及び配管６６ｂを介して、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。

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。

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。

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。

（１−３−５．冷却系）
冷却系は、ウォータポンプ８０及びラジエータ８２（放熱器）を有する。ウォータポンプ８０は、冷却水（冷媒）を循環させるものであり、その吐出口は、配管８０ａ、冷媒流路８４、配管８２ａ、ラジエータ８２及び配管８２ｂを順に介して、ウォータポンプ８０の吸込口に接続されている。ＥＣＵ２４の指令に従ってウォータポンプ８０が作動すると、冷却水が冷媒流路８４とラジエータ８２との間で循環し、ＦＣスタック４０を冷却する。

（１−３−６．セル電圧モニタ）
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。

（１−３−７．電力系）
図２に示すように、ＦＣ４０からの電力（以下「ＦＣ電力Ｐｆｃ」という。）は、インバータ１６及びモータ１４（力行時）とＤＣ／ＤＣコンバータ２２及び高電圧バッテリ２０（充電時）とに加え、前記エアポンプ６０、前記ウォータポンプ８０、前記エアコンディショナ９０、ダウンバータ９２（降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ）、低電圧バッテリ９４、アクセサリ９６及びＥＣＵ２４に供給される。なお、図１に示すように、ＦＣユニット１８（ＦＣ４０）とインバータ１６及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２との間には、逆流防止ダイオード９８が配置されている。また、ＦＣ４０の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）は、電圧センサ１００（図４）により検出され、ＦＣ４０の発電電流（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）は、電流センサ１０２により検出され、いずれもＥＣＵ２４に出力される。

［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２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。第１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、図示しない電圧センサ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。

［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。

図４には、第１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。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］（Ｖ１≦Ｖ２）に昇圧するとともに、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。

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。

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。

リアクトル１１０は、相アームＵＡの中点（共通接続点）とバッテリ２０の正極との間に挿入され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により１次電圧Ｖ１と２次電圧Ｖ２との間で電圧を変換する際に、エネルギを放出及び蓄積する作用を有する。

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。

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。

［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。

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（図１）が含まれる。開度センサ１５０は、アクセルペダル１５６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Ｎｍ［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１５８（以下「メインＳＷ１５８」という。）が接続される。メインＳＷ１５８は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。

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。

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。

２．第１実施形態の制御
次に、ＥＣＵ２４における制御について説明する。

［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ＳＷ１５８がオンであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５８がオンでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。メインＳＷ１５８がオンである場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２に要求される負荷（システム負荷Ｐｓｙｓ）［Ｗ］を計算する。

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、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。

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。

ステップＳ６において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１５８がオフであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５８がオフでない場合（Ｓ６：ＮＯ）、ステップＳ２に戻る。メインＳＷ１５８がオフである場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、今回の処理を終了する。

［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１５６の開度θｐを読み込む。ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１５２からモータ１４の回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］を読み込む。

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１２０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１２２、１２４、１２６、１２８、１３０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。

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。

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、充放電係数αを算出する。充放電係数αは、予想消費電力Ｐｍと補機の消費電力Ｐａの和（仮システム負荷）に乗算する係数であり、バッテリ２０のＳＯＣとモータ１４の回生電力Ｐｒｅｇの平均値（以下「平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅ」という。）とに応じて設定される。平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅは、所定期間内に得られた回生電力Ｐｒｅｇの平均値である。

図８は、ＳＯＣ、充放電係数α及び平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅの関係を示すマップである。図８の例では、目標ＳＯＣを５０％に設定しており、ＳＯＣが５０％を上回るとき（十分な充電状態にあるとき）、充放電係数αが１未満とされる。これにより、仮システム負荷に１未満の乗数を掛けることでシステム負荷Ｐｓｙｓを小さくし、バッテリ２０の余分なＳＯＣを消費することが可能となる。また、ＳＯＣが５０％を下回るとき（充電を要するとき）、充放電係数αを１より大きくする。これにより、仮システム負荷に１を超える乗数を掛けることでシステム負荷Ｐｓｙｓを大きくし、ＳＯＣの不足分を補うことが可能となる。なお、図８に示されるように、ＳＯＣが５０％の近傍にあるときは、充放電係数αを１とする不感帯が設けられている。

また、図８の例では、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅに応じてＳＯＣと充放電係数αの関係を切り替える。すなわち、図８に示すように、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅが低い場合（回生電力Ｐｒｅｇが得難い環境にあるとき）、回生電力Ｐｒｅｇをあまり見込めない分、ＳＯＣが５０％を上回る範囲では充放電係数αを相対的に大きくし、ＳＯＣが５０％を下回る範囲では充放電係数αを１から遠ざける。一方、平均回生電力Ｐｒｅｇａｖｅが高い場合（回生電力Ｐｒｅｇを得易い環境にあるとき）、回生電力Ｐｒｅｇをより多く見込める分、ＳＯＣが５０％を上回る範囲では充放電係数αを相対的に小さくし、ＳＯＣが５０％を下回る範囲では充放電係数αを１に近づける。なお、目標ＳＯＣは、５０％以外の値に設定してもよい。また、図８のマップは、例えば、実測値、シミュレーション値を用いることができる。

図６に戻り、ステップＳ１７において、ＥＣＵ２４は、モータ１４の予想消費電力Ｐｍと補機の消費電力Ｐａの和（仮システム負荷）に充放電係数αを乗算して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）を算出する。

［２−３．エネルギマネジメント］
上記のように、第１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。

（２−３−１．前提事項）
図９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９中の曲線１６０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。

図９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。

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。

上記のように、図９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。

なお、図９では、曲線１６０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１６０は変化する。

図１０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１０において、曲線１７０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、曲線１７２は、変動速度Ａｃｅｌｌが低い場合を示す。図１０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。

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１１参照）。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。

以上を踏まえ、第１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１２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。

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。

なお、図９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１６０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。

但し、白金還元領域Ｒ２は、曲線１６０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１６０の極大値（極大値Ｖｌｍｘ）を含む。白金酸化安定領域Ｒ４は、曲線１６０の別の極小値（第２極小値Ｖｌｍｉ２）を含む。

（２−３−２．エネルギマネジメントで用いる電力供給モード）
図１１は、第１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。第１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、４つの制御方法（電力制御モード）を用いる。すなわち、第１実施形態では、通常走行（アイドル発電抑制モードではない走行）において用いる第１通常モード及び第２通常モードと、ＦＣ４０のアイドル発電抑制モードで用いる第１アイドル発電抑制モード及び第２アイドル発電抑制モードを切り替えて用いる。アイドル発電抑制モードは、メインスイッチ１５８（図１）がオンの状態においてＦＣ４０が積極的な発電を停止することを意味する。ここにいう積極的な発電とは、ＥＣＵ２４からの指令に基づき行うＦＣ４０の発電を指し、残留ガスによる発電を含まない。例えば、アイドル発電抑制モードでは、通常発電時の下限発電量（発電量の制御範囲の下限値）よりも低い発電量で発電する又は発電を停止することができる。

第１通常モードは、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。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。

第２通常モードは、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よりも低い電位以下で設定された基準電位｛第１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を可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。これにより、基本的に、ＦＣ電力Ｐｆｃによりシステム負荷Ｐｓｙｓをまかなうことが可能となる（詳細は後述する。）。ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。

第１アイドル発電抑制モードは、主として、アイドル発電抑制モード時においてバッテリ充電を要する場合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以上の電位｛第１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。

第２アイドル発電抑制モードは、主として、アイドル発電抑制モード時においてバッテリ２０の充電を要さない場合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以上の電位｛第１実施形態では、電位ｖ３（＝０．９Ｖ）｝に固定すると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。これにより、基本的に、ＦＣ電力Ｐｆｃをシステム負荷Ｐｓｙｓに追従させることが可能となる（詳細は後述する。）。ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストし、ＦＣ電力Ｐｆｃの余剰分は、バッテリ２０に充電する。

（２−３−３．エネルギマネジメントの全体フロー）
図１２には、第１実施形態において、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、アイドル発電抑制モードを選択するか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２４は、アイドル発電抑制モードの条件として、車速Ｖが閾値ＴＨＶ１以下であり且つシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１以下であるか否かを判定する。

閾値ＴＨＶ１は、アイドル発電抑制モードの実行の要否を判定するための閾値（例えば、０＜ＴＨＶ１≦２０ｋｍ／ｓの範囲におけるいずれかの値）である。閾値ＴＨＰｓｙｓ１は、システム負荷Ｐｓｙｓがアイドル発電抑制モードを選択するほどに小さいか否かを判定するための閾値である。車速Ｖが閾値ＴＨＶ１以下でない場合又はシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１以下でない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、ステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、システム負荷Ｐｓｙｓが、高負荷を判定するための閾値ＴＨＰｓｙｓ２を上回るか否かを判定する。システム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ２を上回る場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、ステップＳ２３において、ＥＣＵ２４は、第１通常モード（電圧可変・電流可変制御）を実行する。ステップＳ２２において、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ２以下である場合（Ｓ２２：ＮＯ）、ステップＳ２４において、ＥＣＵ２４は、第２通常モード（電圧固定・電流可変制御）を実行する。

ステップＳ２１において車速Ｖが閾値ＴＨＶ１以下であり且つシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１以下である場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２５において、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０のＳＯＣが、バッテリ２０に充電が必要であるか否かを判定する閾値ＴＨＳＯＣ１以下であるか否かを判定する。ＳＯＣが閾値ＴＨＳＯＣ１以下である場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、ステップＳ２６において、ＥＣＵ２４は、第１アイドル発電抑制モード（電圧固定・電流固定制御）を選択する。ＳＯＣが閾値ＴＨＳＯＣ１以上でない場合（Ｓ２５：ＮＯ）、ステップＳ２７において、ＥＣＵ２４は、第２アイドル発電抑制モード（電圧固定・電流可変制御）を実行する。

（２−３−４．第１通常モード）
上記のように、第１通常モードは、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。

すなわち、図１１に示すように、第１通常モードでは、ＦＣ４０の電流−電圧特性（ＩＶ特性）が通常のもの（図１１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通常モードでは、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。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により昇圧する点は、第２通常モード、第１アイドル発電抑制モード及び第２アイドル発電抑制モードも同じである。

なお、酸素が豊潤な状態にあるとは、例えば、図１３に示すように、カソードストイキ比を上昇させても、セル電流Ｉｃｅｌｌが略一定となり、実質的に飽和した状態となる通常ストイキ比以上の領域における酸素を意味する。水素が豊潤であるという場合も、同様である。なお、カソードストイキ比とは、カソード流路７４に供給するエアの流量／ＦＣ４０の発電により消費されたエアの流量であり、カソード流路７４における酸素濃度に近似する。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。

以上のような第１通常モードによれば、システム負荷Ｐｓｙｓが高負荷であっても、基本的に全てのシステム負荷ＰｓｙｓをＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなうことが可能となる。

（２−３−５．第２通常モード）
上記のように、第２通常モードは、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よりも低い電位以下で設定された基準電位｛第１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を可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。

すなわち、図１１に示すように、第２通常モードでは、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。

図１４には、第２通常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｛第１実施形態では、電位ｖ２（＝０．８Ｖ）｝×セル数に目標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。

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１１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。

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。

すなわち、図１６及び図１７に示すように、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔ（又は目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）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。

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。

発電が安定している場合（Ｓ３５：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ３５：ＮＯ）、ステップＳ３６において、ＥＣＵ２４は、流量センサ７０を介して循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を監視しながら、循環弁６６の開度θｃを大きくし、流量Ｑｃを一段階増加する（図１８参照）。なお、各段階における循環ガスの増加量は適宜に設定され、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。

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）の酸素濃度は、新規空気の酸素濃度に対して低い。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が低下することになる。

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。

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。

このようにして、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを維持しつつ、循環ガスを新規空気に合流させるので、カソード流路７４を通流するガスの体積流量（Ｌ／ｓ）が増加する。これにより、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが維持されつつ体積流量の増加したガスが、ＦＣ４０内で複雑に形成されたカソード流路７４全体に行き渡り易くなる。したがって、各単セルに前記ガスが同様に供給され易くなり、ＦＣ４０の発電の不安定が解消され易くなる。また、ＭＥＡ（膜電極接合体）の表面やカソード流路７４を囲む壁面に付着する水滴（凝縮水等）も除去され易くなる。

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。

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。

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。

ここで、ステップＳ３６、Ｓ３７では、流量センサ７０が直接検出する循環ガスの流量Ｑｃに基づいて処理を実行したが、循環弁開度θｃに基づいて処理を実行してもよい。すなわち、ステップＳ３６において、循環弁開度θｃを開方向に一段階（例えば３０°）にて増加する構成とし、ステップＳ３７において、循環弁６６が全開である場合（Ｓ３７：ＹＥＳ）、ステップＳ３８に進む構成としてもよい。

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。

ステップＳ３８において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ３５と同様に、発電が安定しているか否かを判定する。発電が安定している場合（Ｓ３８：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ３８：ＮＯ）、ステップＳ３９において、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを１段増加させる（通常の濃度に近づける）。具体的には、エアポンプ６０の回転数Ｎａｐの増加及び背圧弁６４の開度θｂｐの減少の少なくとも一方を１段階行う。

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。

以上のような第２通常モードによれば、システム負荷Ｐｓｙｓが相対的に低負荷である場合に、ＦＣ電圧Ｖｆｃ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、基本的に全てのシステム負荷ＰｓｙｓをＦＣ電力Ｐｆｃによりまかなうことが可能となる。

（２−３−６．第１アイドル発電抑制モード）
上記のように、第１アイドル発電抑制モードは、主として、アイドル発電抑制モード時においてバッテリ２０の充電を要する場合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｛第１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。

すなわち、図１１に示すように、第１アイドル発電抑制モードでは、ＦＣ４０の電流−電圧特性（ＩＶ特性）が通常のもの（図１１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（＝０．９Ｖ）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）を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。

以上のような第１アイドル発電抑制モードによれば、アイドル発電抑制モードが選択されている場合にＦＣ電力Ｐｆｃを抑えつつ且つ劣化を抑制しつつ、バッテリ２０に充電しながらＦＣ４０を待機状態にすることが可能となる。

（２−３−７．第２アイドル発電抑制モード）
上記のように、第２アイドル発電抑制モードは、主として、アイドル発電抑制モード時においてバッテリ２０の充電を要さない場合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以上の電位｛第１実施形態では、電位ｖ３（＝０．９Ｖ）｝に固定すると共に、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。これにより、基本的に、ＦＣ電力Ｐｆｃをシステム負荷Ｐｓｙｓに追従させることが可能となる。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。

すなわち、図１１に示すように、第２アイドル発電抑制モードでは、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、酸素濃度Ｃｏ（カソードストイキ比）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を調整することで、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。

図２０には、第２アイドル発電抑制モードのフローチャートが示されている。ステップＳ５１において、ＥＣＵ２４は、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以上で設定された第２基準電位｛第１実施形態では、電位ｖ３（＝０．９Ｖ）｝×セル数に目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを固定する。ステップＳ５２〜Ｓ６１は、図１４のステップＳ３２〜Ｓ４１と同様である。

以上のような第２アイドル発電抑制モードによれば、アイドル発電抑制モードが選択されている場合にＦＣ電力Ｐｆｃを抑えつつ且つ劣化を抑制しつつ、ＦＣ４０を待機状態にすることが可能となる。

［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１４のＳ３４）を用いてこれらの機器を制御する。

［２−５．モータ１４のトルク制御］
図２１には、モータ１４のトルク制御のフローチャートが示されている。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１５６の開度θｐを読み込む。

ステップＳ７３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。

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）。

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Ｖで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｍ＿ｌｉｍ／Ｖ）。

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ＦＣ４０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（Ｐｍ＿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）。

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）。

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。

３．各種制御の例
図２２には、第１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２２において実線で示されるものが第１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り、一点鎖線で示されるものが第１実施形態及び比較例に共通事項である。当該比較例は、特許文献１の制御を用いる。

時点ｔ１では、車速Ｖが閾値ＴＨＶ１以下であり且つシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１以下であると共に（図１２のＳ２１：ＹＥＳ）、ＳＯＣが閾値ＴＨＳＯＣ１以上であるため（Ｓ２５：ＮＯ）、第１実施形態では、第２アイドル発電抑制モードが選択される（Ｓ２７）。このため、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電位ｖ３に固定され、セル電流Ｉｃｅｌｌは一定となる（ＦＣ電圧Ｖｆｃは電位ｖ３×セル数に固定され、ＦＣ電流Ｉｆｃは一定となる。）。一方、比較例では、電位ｖ３×セル数とＯＣＶ×セル数とが繰り返されるため、セル電圧ＶｃｅｌｌがＯＣＶを通ること等の理由により劣化量Ｄが多くなる。

時点ｔ２で車速Ｖが閾値ＴＨＶ１を上回るため（図１２のＳ２１：ＮＯ）、ＥＣＵ２４は、第２アイドル発電抑制モードを終了する。

４．第１実施形態の効果
以上説明したように、第１実施形態によれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃを白金の酸化還元領域Ｒ３より高い電位ｖ３×セル数で一定にしておきながら、ＦＣ電流Ｉｆｃをシステム負荷Ｐｓｙｓに追従させて変化させるため、ＦＣ４０のアイドル発電抑制モード時にＦＣ４０の劣化が防止されると共に不要な発電を抑制することができる。従って、バッテリ２０における充放電損失を低減でき、ＦＣシステム１２における出力効率を高めることが可能となる。

第１実施形態では、バッテリ２０のＳＯＣが閾値ＴＨＳＯＣ１以下である場合（図１２のＳ２５：ＹＥＳ）、ＳＯＣが閾値ＴＨＳＯＣ１に到達するまでＦＣ電圧Ｖｆｃを電位ｖ３×セル数に設定すると共に、ＦＣ４０内部のガス状態を豊潤な状態に維持する（Ｓ２６）。上記構成によれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃを電位ｖ３×セル数に設定するため、ＦＣ４０の劣化を防止することができる。加えて、ＦＣ４０内部のガス状態を豊潤な状態に維持するため、ＦＣ電力Ｐｆｃが増加し、余剰分の電力をバッテリ２０に充電することで、ＳＯＣを閾値ＴＨＳＯＣ１に維持することができる。

第１実施形態では、ＦＣシステム１２がＦＣ車両１０に搭載される。これにより、ＦＣ車両１０を耐久性が高く且つ高効率にすることが可能となる。

Ｂ．第２実施形態
第２実施形態は、基本的に第１実施形態とハードウェアの構成が同じである。以下では、同一の構成要素には、同一の参照符号を用いる。第２実施形態では、ＥＣＵ２４によるＦＣシステム１２のエネルギマネジメントの方法が第１実施形態と異なる。

１．ＦＣシステム１２のエネルギマネジメント
図２３には、第２実施形態において、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。図１２のステップＳ２１と同様、ステップＳ８１において、ＥＣＵ２４は、アイドル発電抑制モードを選択するか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ２４は、アイドル発電抑制モードの条件として、車速Ｖが閾値ＴＨＶ１以下であり且つシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１以下であるか否かを判定する。車速Ｖが閾値ＴＨＶ１以下でない場合又はシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１以下でない場合（Ｓ８１：ＮＯ）、ステップＳ８２に進む。

ステップＳ８２において、ＥＣＵ２４は、アイドル発電抑制フラグ（図２３中では「フラグ」と表記する。）が１であるか否かを判定する。アイドル発電抑制フラグは、ＦＣシステム１２がアイドル状態である又はアイドル状態から通常状態への復帰直後であるか否かを示す。アイドル発電抑制フラグが０である場合、ＦＣシステム１２がアイドル状態でなく且つアイドル状態から通常状態への復帰直後でもないことを示す。アイドル発電抑制フラグが１である場合、ＦＣシステム１２がアイドル状態である又はアイドル状態から通常状態への復帰直後であることを示す。

ステップＳ８２において、アイドル発電抑制フラグが１でない場合（Ｓ８２：ＮＯ）、ステップＳ８５に進む。アイドル発電抑制フラグが１である場合（Ｓ８２：ＹＥＳ）、ステップＳ８３において、ＥＣＵ２４は、フィードバックゲイン（以下「Ｆ／Ｂゲイン」という。）を所定時間Ｔ１低下させる。

Ｆ／Ｂゲインは、２次電圧Ｖ２のフィードバック制御で用いる値である。すなわち、第２実施形態では、第１実施形態と同様、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。この際、２次電圧Ｖ２と目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ（目標２次電圧Ｖ２）の誤差ΔＶ２を小さくするため、フィードバック制御を用いる。

より具体的には、当該誤差ΔＶ２を用いた比例・積分・微分制御（ＰＩＤ制御）を行う。そして、ＰＩＤ制御後の誤差ΔＶ２に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２のデューティを決定する。上記ＰＩＤ制御の比例項に用いるのが前記Ｆ／Ｂゲインである。従って、Ｆ／Ｂゲインが大きいと、その後の２次電圧Ｖ２の変化量が大きくなり、Ｆ／Ｂゲインが小さいと、その後の２次電圧Ｖ２の変化量が小さくなる。

また、所定時間Ｔ１は、ＦＣ４０がアイドル状態から通常状態に移行する過渡期に合わせて設定される。すなわち、当該過渡期には誤差ΔＶ２が大きくなる傾向にある。ここで、Ｆ／Ｂゲインをそのままの大きさにしておくと、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変動が大きくなる。一般に、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変化が急激であると、ＦＣ４０の劣化が進み易い。そこで、第２実施形態では、アイドル状態から通常状態への過渡期にはＦ／Ｂゲインを低下させて、そのような不具合を避ける。

続くステップＳ８４において、ＥＣＵ２４は、背圧弁開度θｂｐを減少させて背圧弁６４を閉方向に動かす。これにより、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Ｃｏ（体積濃度）が高くなる。このため、アイドル状態から通常状態への復帰を迅速に行うことが可能となる。

ステップＳ８５、Ｓ８６、Ｓ８８は、図１２のステップＳ２２、Ｓ２３、Ｓ２４と同様である。すなわち、ステップＳ８５において、ＥＣＵ２４は、システム負荷Ｐｓｙｓが、高負荷を判定するための閾値ＴＨＰｓｙｓ２を上回るか否かを判定する。システム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ２を上回る場合（Ｓ８５：ＹＥＳ）、ステップＳ８６において、ＥＣＵ２４は、第１通常モード（電圧可変・電流可変制御）を実行する。

ＦＣシステム１２がアイドル状態から通常状態に移行する過渡期が生じた場合、ステップＳ８６で第１通常モードが選択されれば、当該過渡期が終了したものと判断することができる。そこで、ステップＳ８６で第１通常モードが選択されると、ステップＳ８７において、ＥＣＵ２４は、アイドル発電抑制フラグに０を設定する。上記のように、アイドル発電抑制フラグが１であるとき（Ｓ８２：ＹＥＳ）、Ｆ／Ｂゲインの低下（Ｓ８３）と背圧弁開度θｂｐの減少（Ｓ８４）を行う。このため、アイドル発電抑制フラグが１から０に変更されると、ＦＣ４０がアイドル状態から通常状態に復帰したことを示す。

ステップＳ８５において、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ２以下である場合（Ｓ８５：ＮＯ）、ステップＳ８８において、ＥＣＵ２４は、第２通常モード（電圧固定・電流可変制御）を実行する。ＦＣ４０がアイドル状態から通常状態に移行する過渡期が生じた場合、ステップＳ８８で第２通常モードが選択されても、第２通常モードは低負荷状態で用いられるものであるため、当該過渡期が未だ終了していないものと判断することができる。従って、第１通常モードが選択された場合と異なり、ステップＳ８８で第２通常モードが選択されても、アイドル発電抑制フラグは１のままとされる。すなわち、ステップＳ８８で第２通常モードが選択された場合、ステップＳ８７のような処理は行われない。

ステップＳ８１に戻り、アイドル発電抑制モードを選択する場合、すなわち、車速Ｖが閾値ＴＨＶ１以下であり且つシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１以下である場合（Ｓ８１：ＹＥＳ）、ＦＣ４０がアイドル状態に入った又はアイドル状態を継続中であると判断可能である。そこで、ステップＳ８９において、ＥＣＵ２４は、アイドル発電抑制フラグに１を設定する。

ステップＳ９０〜Ｓ９２は、図１２のステップＳ２５〜Ｓ２７と同様である。

２．各種制御の例
図２４には、第２実施形態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２４において「空気圧」は、アノード側の流路における空気圧（例えば、カソード流路７４における空気圧）を示す。当該空気圧は、背圧弁６４を閉じる（背圧弁開度θｂｐを小さくする）ことにより高くすることができる。また、図示していないが、バッテリＳＯＣは閾値ＴＨＳＯＣ１を上回っているものとする。

時点ｔ１１から時点ｔ１２まで、車速Ｖが閾値ＴＨＶ１以下であり且つシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１以下である（図２３のＳ８１：ＹＥＳ）。また、上記のように、バッテリＳＯＣは閾値ＴＨＳＯＣ１を上回っている（Ｓ９０：ＮＯ）。従って、第２アイドル発電抑制モードが選択される（Ｓ９２）。このため、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを電位ｖ３（＝０．９Ｖ）×セル数に固定し、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じてＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。但し、図２４では、時点ｔ１１から時点ｔ１２までシステム負荷Ｐｓｙｓが一定であるため、ＦＣ電流Ｉｆｃも一定になっている。

時点ｔ１２において、アクセルペダル１５６が踏み込まれることによりシステム負荷Ｐｓｙｓが上昇を開始する。これに伴って、ＦＣ電流Ｉｆｃ、車速Ｖ、エアポンプ回転数Ｎａｐ及び空気圧が上昇を開始する。

時点ｔ１３で車速Ｖが閾値ＴＨＶ１を上回り且つシステム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ１を上回り（図２３のＳ８１：ＮＯ）、且つ第２アイドル発電抑制モード直後であるため、アイドル発電抑制フラグは１となっている（Ｓ８９、Ｓ８２：ＹＥＳ）。そこで、ＥＣＵ２４は、Ｆ／Ｂゲインを所定時間Ｔ１低下させる（Ｓ８３）。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２のデューティを決定するためのＰＩＤ制御で用いる比例項（Ｐ項）を小さくするため、２次電圧Ｖ２及びＦＣ電圧Ｖｆｃの変動を抑制することができる。図２４において、所定時間Ｔ１は、時点ｔ１３から時点ｔ１５までの期間に対応する。

また、時点ｔ１３では、背圧弁開度θｂｐを減少する（Ｓ８４）。このため、空気圧が急上昇する。さらに、時点ｔ１３では、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ２を上回っていないため（Ｓ８５：ＮＯ）、第２通常モードが選択される（Ｓ８８）。このため、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔは電位ｖ２（＝０．８Ｖ）×セル数に固定され、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔに応じてＦＣ電流Ｉｆｃは可変とされる。

時点ｔ１４になると、システム負荷Ｐｓｙｓが閾値ＴＨＰｓｙｓ２を上回り（Ｓ８５：ＹＥＳ）、第１通常モードが選択される（Ｓ８６）。このため、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが一定とされた状態で、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＦＣ電流Ｉｆｃが可変とされる。また、アイドル発電抑制フラグは１から０に切り替わるため（Ｓ８７）、電圧固定・電流可変制御（第２通常モード、第１アイドル発電抑制モード又は第２アイドル発電抑制モード）は終了する。また、時点ｔ１４から時点ｔ１６までは、システム負荷Ｐｓｙｓの変化に伴ってＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＦＣ電流Ｉｆｃの両方が変化する。

３．第２実施形態の効果
以上説明したように、第２実施形態によれば、ＦＣ４０をアイドル状態から通常状態に迅速に移行することが可能となる。すなわち、一般に、酸素濃度Ｃｏが一定である場合、ＦＣ電力Ｐｆｃを増加させるには、ＦＣ電圧Ｖｆｃを下げ、ＦＣ電流Ｉｆｃを増加させる必要がある。また、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及びＦＣ電流Ｉｆｃが同一である場合、酸素濃度Ｃｏを高くすることによりＦＣ電力Ｐｆｃを増加させることができる。第２実施形態によれば、第１又は第２アイドル発電抑制モードから第１又は第２通常モードへの移行の際、酸素濃度Ｃｏをシステム負荷Ｐｓｙｓの増加に追従させて増加させると共に、ＦＣ電圧Ｖｆｃをシステム負荷Ｐｓｙｓの増加に追従させて低下させる。このため、システム負荷Ｐｓｙｓの増加に合わせて酸素濃度Ｃｏを上げ、ＦＣ電圧Ｖｆｃを低下させることができるため、ＦＣ４０をアイドル状態から通常状態に迅速に移行することが可能となる。

第２実施形態では、第１又は第２アイドル発電抑制モードから第１又は第２通常モードに移行する際にＦ／Ｂゲインを低下させることにより（Ｓ８３）、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変化を抑制する。ＦＣ電圧Ｖｆｃを急激に変化させると、ＦＣ４０が劣化することがあるが、第２実施形態によれば、ＦＣ電圧Ｖｆｃの急激な変動を抑制することができるため、ＦＣ４０の劣化を抑制することが可能となる。

第２実施形態では、第１又は第２アイドル発電抑制モードから第１又は第２通常モードに移行する際に、背圧弁６４を閉方向に動かす（Ｓ８４）。背圧弁６４を閉方向に動かすことにより、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Ｃｏ（体積濃度）が高くなる。このため、アイドル状態から通常状態への復帰を迅速に行うことが可能となる。

Ｃ．変形例
なお、この発明は、上記各実施形態に限らず、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。

１．搭載対象
上記各実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、これに限らず、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を、ロボット、製造装置、家庭用電力システム又は家電製品に適用してもよい。

２．ＦＣシステム１２の構成
上記各実施形態では、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２５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２２ａをＦＣ４０の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図２６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２７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。

３．ストイキ比
上記各実施形態では、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。

上記各実施形態では、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。

上記各実施形態では、カソードオフガスを新規空気に合流させる合流流路（配管６６ａ、６６ｂ）と、循環弁６６とを備える構成を例示したが、これに代えて又は加えて、アノード側も同様に構成してもよい。例えば、配管４８ｂに循環弁を設け、この循環弁により、新規水素に合流するアノードオフガスの流量を制御してもよい。

４．電力供給モード
上記各実施形態では、第１アイドル発電抑制モード及び第２アイドル発電抑制モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを電位ｖ３（＝０．９Ｖ）×セル数としたが、ここでの目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔは、セル電圧Ｖｃｅｌｌが還元領域Ｒ２又は酸化領域Ｒ４内の値となるように設定すればよい。例えば、第１アイドル発電抑制モード及び第２アイドル発電抑制モードの一方又は両方における目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを電位ｖ２（＝０．８Ｖ）×セル数としてもよい。この場合、第１又は第２アイドル発電抑制モードから第１又は第２通常モードに移行させる際、ＦＣ電圧Ｖｆｃが酸化還元領域Ｒ３を通過することがない。従って、ＦＣ電圧Ｖｆｃが酸化還元領域Ｒ３を通過することに伴うＦＣ４０の劣化を防止することが可能となる。

上記第２実施形態では、第１又は第２アイドル発電抑制モードから第１又は第２通常モードに移行する際にＦ／Ｂゲインを低下させることによりＦＣ電圧Ｖｆｃの変化を抑制したが、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変化を抑制する方法はこれに限らない。例えば、ＥＣＵ２４において、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ（又は目標２次電圧Ｖ２ｔｇｔ）の変化量を制限することにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変化を抑制してもよい。

１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…走行モータ（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
２４…ＥＣＵ（制御装置） ３０…負荷
４０…ＦＣ ４４…水素タンク（反応ガス供給装置）
６０…エアポンプ（反応ガス供給装置、負荷）
６４…背圧弁（反応ガス供給装置） ６６…循環弁（反応ガス供給装置）
８０…ウォータポンプ（負荷） ９０…エアコンディショナ（負荷）

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池からの電力を蓄電する蓄電装置と、
   前記燃料電池又は前記蓄電装置の少なくとも一方から電力を供給される負荷と、
   前記燃料電池の電圧を調整するコンバータと、
   前記負荷が必要とする電力に基づいて前記燃料電池と前記蓄電装置が前記負荷へ供給する電力を制御する制御装置と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池のアイドル発電抑制モードの条件が成立したと判定した場合に、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を白金の酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定すると共に、前記負荷が必要とする電力に基づき前記反応ガス供給装置を制御することで前記反応ガスとしてのエアの供給量を変化させることにより前記燃料電池の出力電流を可変に制御して、前記燃料電池の出力を、前記負荷が必要とする電力に追従させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記所定電圧値は、前記酸化還元進行電圧範囲より高い値である
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、システム負荷が第１負荷閾値以下である場合、前記蓄電装置の蓄電量が蓄電量閾値以下であれば、第１アイドル発電抑制モードを選択し、前記蓄電量閾値以下でなければ、第２アイドル発電抑制モードを選択し、
   前記第１アイドル発電抑制モードでは、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を前記所定電圧値に固定すると共に、前記反応ガス供給装置を制御して、前記燃料電池内部のガス状態を豊潤な状態に維持し、
   前記第２アイドル発電抑制モードでは、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を前記所定電圧値に固定すると共に、前記負荷が必要とする電力に基づき前記反応ガス供給装置を制御することで前記エアの供給量を変化させることにより前記燃料電池の出力電流を可変に制御して、前記燃料電池の出力を、前記負荷が必要とする電力に追従させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
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、
   前記燃料電池システムは、車両に搭載され、
   前記負荷は、回生可能なモータ及び補機を含み、
   前記制御装置は、前記アイドル発電抑制モードの条件が成立したと判定した場合に、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を前記所定電圧値に固定すると共に、前記反応ガス供給装置を制御して、前記燃料電池が、前記補機が必要とする電力に追従した出力を行うように前記エアの供給量を変化させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１又は２に従属する請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記車両の速度又は前記モータの回転数が所定の閾値以下であり且つシステム負荷が負荷閾値以下である場合に、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を前記所定電圧値に固定すると共に、前記反応ガス供給装置を制御して、前記燃料電池が、前記補機が必要とする電力に追従した出力を行うように前記エアの供給量を変化させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 燃料電池と、
   前記燃料電池からの電力を蓄電する蓄電装置と、
   前記燃料電池又は前記蓄電装置の少なくとも一方から電力を供給される負荷と、
   前記燃料電池の電圧を調整するコンバータと、
   前記負荷が必要とする電力に基づいて前記燃料電池と前記蓄電装置が前記負荷へ供給する電力を制御する制御装置と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の電圧を調整して前記燃料電池から負荷へ供給する電力を制御する通常モードと、前記燃料電池システムの低負荷運転時に、前記燃料電池の発電を制限するアイドル発電抑制モードとを実行し、
   前記アイドル発電抑制モード中に、前記コンバータを用いて前記燃料電池の電圧を白金の酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定すると共に、前記反応ガスの供給量を制限する低効率発電を行い、
   前記低効率発電では、前記負荷が必要とする電力に基づき前記反応ガス供給装置を制御することで前記反応ガスとしてのエアの供給量を変化させることにより前記燃料電池の出力電流を可変に制御して、前記燃料電池の出力を、前記負荷が必要とする電力に追従させ、
   前記負荷が必要とする電力の増加に伴い前記アイドル発電抑制モードから前記通常モードに移行させる際に、前記燃料電池に対する前記エアの供給量を前記負荷が必要とする電力の増加に追従させて増加させると共に、前記所定電圧値に設定された前記燃料電池の電圧を前記負荷が必要とする電力の増加に追従させて前記所定電圧値から低下させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムにおいて、
   前記アイドル発電抑制モードから前記通常モードに移行させる際に前記燃料電池の電圧変化を抑制する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項６又は７記載の燃料電池システムにおいて、
   前記負荷の増加に伴い前記アイドル発電抑制モードから前記通常モードに移行させる前に、背圧弁を閉方向に動かす
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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