JP2013004387A - 燃料電池システム及び該システム搭載車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の劣化を防止しつつ、システム効率の悪化を抑制可能な燃料電池システム及び該システム搭載車両を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ２４は、負荷３３（負荷３０＋補機負荷３１）の要求電力に対応するＦＣスタック４０の電圧が、ＦＣスタック４０の酸化還元進行電圧範囲内の所定値（切替電圧）以上である場合には、ＦＣスタック４０の出力電圧を前記酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定した状態で、ＦＣスタック４０に供給する酸素又は水素の濃度を前記負荷の要求電力に追従させるように変動させる第１制御モードで制御するとともに、前記負荷３３の要求電力に対応するＦＣスタック４０の電圧が、前記酸化還元進行電圧範囲内の所定値（切替電圧）未満である場合には、ＦＣスタック４０の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定した状態で、酸素又は水素の濃度を所定の濃度範囲に維持する第２制御モードで制御する。
【選択図】図２

Description

この発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの両反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池の劣化を防止し、且つシステム効率を向上させる燃料電池システム及び該システム搭載車両に関する。

燃料電池は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜をカソード電極とアノード電極とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。カソード電極及びアノード電極は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金等の触媒（以下、Ｐｔ触媒ともいう。）粒子が表面に担持されたカーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜の両面に形成される。

この燃料電池の劣化を抑制するための技術が、特許文献１に提案されている。この特許文献１に提案された技術では、燃料電池を発電する際に、前記Ｐｔ触媒がシンタリング現象（Ｐｔ触媒の凝集）を発生する酸化還元進行電圧を回避するようにしている。

特開２００７−５０３８号公報（［００４１］、図１１等）

ところで、特許文献１では、Ｐｔ触媒に係る酸化還元進行電圧を回避し続けるために、走行モータ等の負荷の要求電力に対して、燃料電池の発電電力を多くしたり少なくしたりしている。

そして、要求電力に対して、燃料電池の発電電力が多くなった場合の余剰電力は、バッテリに充電する一方、燃料電池の発電電力が少なくなった場合の不足電力は、バッテリから放電することで賄われている。

しかしながら、バッテリは、充放電を繰り返す毎に、損失が発生し、結果として、システム効率が悪化するという課題がある。

また、特許文献１の制御では、一定速度での走行が比較的長い時間継続することが多い高速道路での走行（相対的に中負荷での走行）や、発進と停止を比較的頻繁に繰り返す市街地での走行（相対的に低負荷での走行）についての燃料電池システム全体での出力効率に関して何ら検討されていない。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の劣化を防止しつつ、システム効率の悪化を抑制しシステム効率を向上させることを可能とする燃料電池システム及び該システム搭載車両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、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、を備える燃料電池システムにおいて、前記負荷の要求電力を検出するとともに、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前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定した状態で、前記ガス供給手段を制御し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電力に追従させるように変動させる第１制御モードと、前記電圧調整手段を制御し前記燃料電池の出力電圧を前記所定電圧値に固定した状態で、前記ガス供給手段を制御し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所定の濃度範囲に維持する第２制御モードと、を実行するものであり、前記負荷の要求電力に対応する前記燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内に設定される切替電圧以上である場合には前記第１制御モードを実行し、前記切替電圧未満である場合には前記第２制御モードを実行することを特徴とする。

この発明によれば、制御手段は、負荷の要求電力に対応する燃料電池の電圧が、該燃料電池の酸化還元進行電圧範囲内の所定値（切替電圧）以上である場合には、前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定した状態で、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電力に追従させるように変動させる第１制御モードで制御するとともに、負荷の要求電力に対応する燃料電池の電圧が、前記燃料電池の酸化還元進行電圧範囲内の所定値（切替電圧）未満である場合には、前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定した状態で、酸素又は水素の濃度を所定の濃度範囲に維持する第２制御モードで制御するようにしたので、燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内となるのを回避して燃料電池の劣化を防止しつつ、システム効率を向上させることができる。

さらに、前記燃料電池の出力電力により充電され、前記燃料電池システムに電力を供給する蓄電装置を備え、前記制御手段は、前記第１制御モードを実行中に、前記蓄電装置のＳＯＣ値を検出し、検出した前記ＳＯＣ値が所定値未満の値となった場合には、前記第２制御モードを実行することで、前記蓄電装置のＳＯＣ値が過度に低下することを防止できる。

上記の燃料電池システムを搭載した車両もこの発明に含まれる。

この発明によれば、燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内となるのを回避することで燃料電池の劣化を防止しつつ、システム効率の悪化を抑制することで、システム効率を向上させることができるという効果が達成される。

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。 前記燃料電池車両の電力系のブロック図である。 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。 前記実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータの詳細を示す回路図である。 電子制御装置（ＥＣＵ）における基本的な制御（メインルーチン）のフローチャートである。 システム負荷及び平均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。 燃料電池を構成する燃料電池セルの電圧とセルの劣化量との関係の一例を示す図である。 燃料電池セルの電圧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。 燃料電池の通常の電流電圧特性の説明図である。 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。 燃料電池の発電制御に係る実施形態の説明に供されるフローチャートである。 燃料電池における複数の電力供給モードの説明図である。 バッテリのＳＯＣ値と充放電係数の関係を示す図である。 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ＦＣ電流と目標背圧弁開度との関係を示す図である。 モータのトルク制御のフローチャートである。 燃料電池の発電電力と発電効率との関係を示す図である。 図２０Ａは、低酸素ストイキ比可変固定電圧発電での損失を表す図、図２０Ｂは、通常ストイキ比固定電圧発電での損失を表す図、図２０Ｃは、図２０Ａと図２０Ｂの損失特性を重畳して表した図である。 実施形態と比較例に係る技術とを比較して説明するタイムチャートである。 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。 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。 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。

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」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（駆動モータ）と、インバータ（双方向の直流・交流変換器）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（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。

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｛ＰＤＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｄｒｉｖｅ Ｕｎｉｔ）ともいう。｝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、モータ１４の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（後記する補機負荷３１と区別する場合には、主負荷３０ともいう。）という。主負荷３０と補機負荷３１とを合わせて、負荷３３（総合負荷３３ともいう。）という。

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５４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５６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５８と、セル電圧モニタ４２とを備える。

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。

アノード系５４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、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の水素を、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により開弁される。

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、配管５０ｂを介して、配管６４ｃに設けられた希釈器（図示せず）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、開弁される。前記希釈器は、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して大気に排出する。

カソード系５６は、エアポンプ６０、加湿器６２、及び背圧弁６４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、外気）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を水分交換させ、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、配管６４ｂ及び配管６４ｃ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、配管６４ｃから車外（大気）に排出される。

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により制御されることで、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。

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。

冷却系５８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、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。

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を検出する測定機器であり、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。

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」という。）は、インバータ１６及びモータ１４（力行時）に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じて高電圧バッテリ２０（充電時）に供給され、さらに、エアポンプ６０、ウォータポンプ８０、エアコンディショナ９０、ダウンバータ９２、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、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）により検出され、ＦＣスタック４０の発電電流Ｉｆｃ（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。

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次電池等を利用することができる。キャパシタを利用してもよい。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又は１次電圧Ｖ１」という。）［Ｖ］は、電圧センサ１２０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又は１次電流Ｉ１」という。）［Ａ］は、電流センサ１２４により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。さらに、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］は、ＳＯＣセンサ１０４（図２）により検出され、ＥＣＵ２４に出力される。

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からの回生電力の供給先をＥＣＵ２４の制御下に制御する。

図４には、この実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の一例が示されている。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３３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。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１＝Ｖｂａｔ）［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（Ｖ１＝Ｖｂａｔ）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、ハイサイドアームとしての上アーム素子（上アームスイッチング素子１１２とダイオード１１４）とローサイドアームとしての下アーム素子（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１Ｓ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１Ｓの電流（１次電流Ｉ１）［Ａ］を検出する。また、ＥＣＵ２４は、２次側２Ｓ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２Ｓの電流（２次電流Ｉ２）［Ａ］を検出する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の昇圧時には、第１のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＬがハイレベル及びゲート駆動信号ＵＨがローレベルにされ、リアクトル１１０にバッテリ２０からエネルギが蓄積される（バッテリ２０の正側からリアクトル１１０、下アームスイッチング素子１１６、及びバッテリ２０の負側に至る電流路）。第２のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＬがローレベル及びゲート駆動信号ＵＨがローレベルにされ、リアクトル１１０に蓄積されたエネルギがダイオード１１４を通じて２次側２Ｓに供給される（バッテリ２０の正側からリアクトル１１０、ダイオード１１４、２次側２Ｓの正側、負荷３３等、２次側２Ｓの負側、バッテリ２０の負側の電流路）。以降、昇圧時の第１のタイミングと第２のタイミングが繰り返される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の降圧時には、第１のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＨがハイレベル及びゲート駆動信号ＵＬがローレベルにされ、リアクトル１１０に２次側２Ｓ（ＦＣスタック４０又はモータ１４が回生中の負荷３３）からエネルギが蓄積されるとともにバッテリ２０に充電される。第２のタイミングで、ゲート駆動信号ＵＨがローレベル及びゲート駆動信号ＵＬがローレベルにされ、リアクトル１１０に蓄積されたエネルギがダイオード１１８、リアクトル１１０を通じてバッテリ２０に供給され、バッテリ２０が充電される。なお、回生電力は、図２から分かるように、エアポンプ６０等の補機負荷３１にも供給可能である。以降、降圧時の第１のタイミングと第２のタイミングが繰り返される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、上述したチョッパ型として動作する他、直結型として動作することもできる。直結型として動作する場合、ゲート駆動信号ＵＨがハイレベルにされるとともにゲート駆動信号ＵＬがローレベルとされ、バッテリ２０が放電する際には、１次側１Ｓからダイオード１１４を通じて２次側２Ｓに電流が供給され（例えば、バッテリ２０から負荷３３に電力が供給され）、バッテリ２０が充電される場合には、２次側２Ｓから上アームスイッチング素子１１２を通じてバッテリ２０に電流が供給される（例えば、モータ１４からバッテリ２０に回生電力が供給される）。

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、補機負荷３１、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２等を制御する。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、温度センサ７２、電圧センサ１００、１２０、１２６、電流センサ１０２、１２４、１３０、ＳＯＣセンサ１０４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、モータ回転数センサ１５２及び車速センサ１５４（図１）が含まれる。開度センサ１５０は、アクセルペダル１５６の踏み角度である開度（アクセル開度）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。車速センサ１５４は、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なスイッチ（エンジン車両のイグニッションスイッチに対応するスイッチ）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。

次に、ＥＣＵ２４の制御動作について説明する。

図５には、ＥＣＵ２４における基本的な制御（メインルーチン）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又はシステム要求負荷Ｐｓｙｓという。）［Ｗ］を計算する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、計算されたシステム負荷Ｐｓｙｓに基づき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全体の出力の効率（システム効率）を向上することを企図している。

ステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、エネルギマネジメント処理結果に基づき、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、及びウォータポンプ８０の制御（ＦＣ発電制御）を行う。さらに、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。

図６には、ステップＳ２のシステム負荷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に示す現在のモータ回転数Ｎｍ［ｒｐｍ］とモータ予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］とのマップ（特性）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１８０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１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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。なお、力行側の加速中は、正の値、回生側の減速中は、予想消費電力Ｐｍは負の値、すなわち予想回生電力となる。

ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４は、各補機負荷３１から現在の動作状況を読み込む。ここでの補機負荷３１には、例えば、図２に示すように、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、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Ｐｍ＋Ｐａ）を求め、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（Ｐｓｙｓ＝Ｐｍ＋Ｐａ、Ｐｓｙｓ←Ｐｍ＋Ｐａとも表記する。）を算出する。

ステップＳ１７において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ１６でシステム負荷Ｐｓｙｓを算出する毎に平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅを算出する。平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅは、所定時間、例えば１０秒間のシステム負荷Ｐｓｙｓの移動平均等として算出する。

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全体の出力の効率向上を図ることを企図している。

図８は、ＦＣスタック４０を構成するＦＣセルの電圧（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（特性）１４０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。

図８において、電圧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。電圧ｖ１から電圧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「白金還元安定領域Ｒ２」又は「還元安定領域Ｒ２」という。）である。

電圧ｖ２から電圧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「酸化還元進行領域Ｒ３」という。）である。電圧ｖ３から電圧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「酸化安定領域Ｒ４」という。）である。電圧ｖ４からＯＣＶ（開回路電圧）までは、ＦＣセルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域（以下「カーボン酸化進行領域Ｒ５」という。）である。

上記のように、図８では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金還元安定領域Ｒ２又は白金酸化安定領域Ｒ４にあれば、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、又はカーボン酸化進行領域Ｒ５にあれば、ＦＣセルの劣化の進行度合が大きい。

なお、図８では、曲線（特性）１４０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（特性）１４０は変化する。

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、実線の曲線（特性）１７０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、破線の曲線（特性）１７２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、必ずしも各電圧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圧ｖ１〜ｖ４は変化し得る。このため、電圧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・電圧特性（ＩＶ特性）は、一般的な燃料電池セルと同様、図１０に「通常」と示すＩＶ特性（通常ＩＶ特性ともいう。）１６２に示すように、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する。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。

図１０の通常ＩＶ特性１６２では、カソードストイキ比（≒酸素濃度）は通常のストイキ比（通常ストイキ比）以上の酸素が豊潤な状態とされているときに得られる特性である。換言すれば酸素濃度は、通常の酸素濃度以上の酸素濃度とされる。なお、カソードストイキ比＝カソード電極に供給されるエア流量／発電により消費されたエア流量、で表される。この実施形態において、カソードストイキ比を単にストイキ比ともいう。

酸素が豊潤な状態とは、図１１に示すように、カソードストイキ比（≒酸素濃度）を上昇させても、セル電流（単セルの出力する電流）Ｉｃｅｌｌが略一定となり、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。

水素についても同様である。すなわち、アノードストイキ比（≒水素濃度）＝アノード電極に供給される水素流量／発電により消費された水素流量、で表される。

次に、図１２のフローチャートを参照して、ステップＳ４のＦＣ発電制御について説明する。

ステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０の充放電係数αを算出し、算出した充放電係数αをステップＳ１７で算出した平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅに乗算することで目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを算出する（Ｐｆｃｔｇｔ←Ｐｓｙｓａｖｅ×α）。

ここで、充放電係数αは、ＳＯＣセンサ１０４から入力される現在のＳＯＣ値と、図１４の特性（マップ）１６３とに基づいて算出される。図１４の特性１６３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、ＥＣＵ２４に予め記憶されている。また、ここでは、バッテリ２０の目標ＳＯＣ（目標蓄電量）を５０［％］とした場合を例示するが、これに限定されることはない。図１４に示すように、ＳＯＣ値が５０［％］よりも小さい充電を要する領域では、ＦＣスタック４０の発電を余剰とさせ、その余剰電力がバッテリ２０に充電されるように、充放電係数αが「１」よりも大きくなる傾向となっている。一方、ＳＯＣ値が５０［％］よりも大きい充電状態が十分な領域では、ＦＣスタック４０の発電を不足させ、その不足電力を補うようにバッテリ２０が放電するように、充放電係数αが「１」よりも小さくなる傾向となっている。

なお、以下の説明の理解の便宜のために、ここで、充放電係数αはα＝１であるものとして説明する（Ｐｆｃｔｇｔ＝Ｐｓｙｓａｖｅ）。

次いで、ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ２１で算出した目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上であるかどうかを判定する（Ｐｆｃｔｇｔ≧Ｐｔｈｐ）。

ここで、閾値電力Ｐｔｈｐは、「触媒が劣化しないと判断されるセル電圧Ｖｃｅｌｌ（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２＝０．８Ｖ、切替電圧、所定電圧）」と、「ＦＣスタック４０を構成する単セル数Ｎｆｃ」と、「ＦＣスタック４０の通常のＩＶ特性１６２（図１０参照）においてセル電圧を０．８Ｖとした場合における電流値Ｉｃｅｌｌｐ」とを乗算することで与えられる次の（１）式に示す固定値である。なお、図１０において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔの軸は線形ではない点に留意する。
Ｐｔｈｐ＝０．８［Ｖ］×Ｎｆｃ×Ｉｃｅｌｌｐ （１）

目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上である場合には（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、ステップＳ２３において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔを得るべく、電圧可変・電流可変制御（モードＡ制御）を実行する。

このモードＡ制御は、主として、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ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を通常（酸素を豊潤な状態を含む。）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１３に示すように、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上で実行されるモードＡ制御では、ＦＣスタック４０の通常ＩＶ特性１６２（図１０で示したものと同じ。）を用いる。モードＡ制御では、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに応じて目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出し、さらに目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを算出する。そして、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔとなるように、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。すなわち、２次電圧Ｖ２が目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔとなるように１次電圧Ｖ１をＤＣ／ＤＣコンバータ２２により昇圧することで、ＦＣ電圧Ｖｆｃを制御してＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。

以上のようなモードＡ制御によれば、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ以上の高負荷であっても、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに応じて２次電圧Ｖ２（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を、通常ＩＶ特性１６２に沿うようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２で変化させることで、基本的に、システム負荷ＰｓｙｓをＦＣ電力Ｐｆｃにより賄うことができる。

一方、ステップＳ２２の判定において、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ未満である場合には（ステップＳ２２：ＮＯ）、ステップＳ２４において、ステップＳ２４で算出した目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｑ未満（Ｐｆｃｔｇｔ＜Ｐｔｈｑ）であるか否かを判定する。ここで、閾値電力Ｐｔｈｑを、例えば、セル電圧ＶｃｅｌｌをＶｃｅｌｌ＝ｖ３＝０．９［Ｖ］に対応して決定する。閾値電力Ｐｔｈｑは、閾値電力Ｐｔｈｐより低い値に設定される（Ｐｔｈｑ＜Ｐｔｈｐ。図１３参照）。

ステップＳ２４の判定が否定的となる場合、すなわち、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｐ未満であって、且つ閾値電力Ｐｔｈｑ以上である場合には（ステップＳ２４：ＮＯ、Ｐｔｈｑ≦Ｐｆｃｔｇｔ＜Ｐｔｈｐ）、ステップＳ２５にて、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ［Ｗ］が第１所定負荷値ＰＬ１［Ｗ］以上で、且つこれより大きい第２所定負荷値ＰＬ２［Ｗ］未満の値であるか否かが判定される。

ここで、第１所定負荷値ＰＬ１は、図１３に示すように、通常ストイキ比上（通常ＩＶ特性１６２上）で実現される電圧ｖ２と電圧ｖ３との間の酸化還元領域（Ｒ３）内の電圧ｖｅ［Ｖ］での閾値電力Ｐｔｈｒ（＝第１所定負荷値ＰＬ１）とされ、第２所定負荷値ＰＬ２は、通常ストイキ比（通常ＩＶ特性１６２上）で実現される電圧ｖ２（ここでは、ｖ２＝０．８Ｖ）での閾値電力Ｐｔｈｐ（＝第２所定負荷値ＰＬ２）とされる。

今回算出した目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ［Ｗ］が第１所定負荷値ＰＬ１［Ｗ］以上で、且つこれより大きい第２所定負荷値ＰＬ２［Ｗ］未満の値である場合には（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、ステップＳ２６において、モードＤ制御（第２制御モード：電圧固定・ストイキ比通常・電流固定制御）が実行される。このモードＤ制御は、主として、平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅ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、酸化還元進行領域Ｒ３よりも低い電圧以下で設定された基準電圧｛本実施形態では、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）｝に固定する、すなわち、ＦＣ電圧ＶｆｃをＤＣ／ＤＣコンバータ２２により酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）外の電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）×Ｎｆｃに固定し（Ｖｆｃ＝ｖ２×Ｎｆｃの一定値に固定。）、通常ストイキ比で発電させる。モードＤ制御での発電電力の余剰分は、バッテリ２０に充電する。

その一方、ステップＳ２５の判定が否定的である場合、すなわち、今回算出した目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔ［Ｗ］が第１所定負荷値ＰＬ１［Ｗ］未満で、且つ閾値電力Ｐｔｈｑ以上である場合には、ステップＳ２７において、バッテリ２０のＳＯＣ値が、所定値、例えば、５０［％］（目標ＳＯＣ値）未満であるか否かが判定される。

バッテリ２０のＳＯＣ値が所定値未満であって、ステップＳ２７の判定が肯定的である場合、上述したステップＳ２６でのモードＤ制御が実行される。

その一方、バッテリ２０のＳＯＣ値が所定値を上回る値であって、ステップＳ２７の判定が否定的である場合、ステップＳ２８でのモードＢ制御（第１制御モード：電圧固定・ストイキ比可変電流可変制御）が実行される。

このモードＢ制御は、主として、平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅ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、酸化還元進行領域Ｒ３よりも低い電圧以下で設定された基準電圧｛本実施形態では、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）｝に固定する、すなわちＦＣ電圧ＶｆｃをＤＣ／ＤＣコンバータ２２によりｖ２×Ｎｆｃに固定するとともに、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１３に示すように、モードＢ制御では、閾値電力Ｐｔｈｑ〜Ｐｔｈｒの範囲において、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２）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１１に示したように、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（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ２＝０．８Ｖ）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。

この場合、ＥＣＵ２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の昇圧率を調整することにより、酸化還元進行領域Ｒ３よりも低い電圧以下で設定された基準電圧｛本実施形態では、電圧ｖ２（＝０．８Ｖ）｝に目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを固定し、さらに、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔに対応する目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出する。

また、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが基準電圧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が基準電圧であるときの目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔとの関係を示す。

ここで、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。）、及び背圧弁６４の開度（以下「背圧弁開度θｂｐ」又は「開度θｂｐ」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。

以上のようにして、ステップＳ２８のモードＢ制御が実行される。

再び、図１２のフローチャートにもどり、上記のステップＳ２４の判定が肯定的であるとき、すなわち、目標ＦＣ電力Ｐｆｃｔｇｔが閾値電力Ｐｔｈｑ未満である場合には、ステップＳ２９において、バッテリ２０のＳＯＣ値が、所定値、例えば、５０［％］（目標ＳＯＣ値）未満であるか否かが判定される。

バッテリ２０のＳＯＣ値が所定値未満であって、ステップＳ２７の判定が肯定的である場合、上述したステップＳ２６でのモードＤ制御が実行される。

その一方、バッテリ２０のＳＯＣ値が所定値を上回る値であって、ステップＳ２９の判定が否定的である場合、ステップＳ３０でのモードＣ制御が実行される。

図１３に示すように、モードＣ制御は、主として、ＦＣ目標電力Ｐｆｃｔｇｔが相対的に最も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、酸化還元進行領域Ｒ３外の電圧｛本実施形態では、電圧ｖ３（＝０．９Ｖ）｝に固定し、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。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。

モードＣ制御では、図１３に示すように、セル電圧Ｖｃｅｌｌを一定（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ３）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１１に示したように、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（Ｖｃｅｌｌ＝ｖ３＝０．９Ｖ）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。

ステップＳ２８のモードＢ及びステップＳ３０のモードＣのストイキ比可変処理の実行中、ステップＳ３１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。

発電が安定している場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ３１：ＮＯ）、ステップＳ３２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。

次いで、ステップＳ３３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）未満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未満である場合（Ｓ３３：ＹＥＳ）、ステップＳ３１に戻る。目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが通常酸素濃度Ｃｏｎｍｌ未満でない場合（Ｓ３３：ＮＯ）、ステップＳ３４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。

以上のようにして、ステップＳ４のＦＣ発電制御が実行される。

次に、図１８には、ステップＳ５の処理に係るモータ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Ｓ４１において、ＥＣＵ２４は、車速センサ１５４から車速Ｖｓを読み込む。ステップＳ４２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Ｓ４３において、ＥＣＵ２４は、車速Ｖｓ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車速Ｖｓ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、車速Ｖｓ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Ｓ４４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Ｓ４５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）。

ステップＳ４６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。

図１９には、上述した電力供給モードに係わるモードＡ制御、モードＢ制御、モードＣ制御、モードＤ制御と、ＦＣ電力Ｐｆｃ［Ｗ］と、ＦＣスタック４０の発電効率［％］との関係が示されている。図１９からわかるように、モードＡ制御では、基本的に、平均システム負荷ＰｓｙｓａｖｅをＦＣ電力Ｐｆｃで賄いつつ、ＦＣスタック４０の発電効率を高く維持することができる。ｖ２電圧固定ストイキ比通常制御のモードＤ制御では、基本的に、平均システム負荷ＰｓｙｓａｖｅをＦＣ電力Ｐｆｃで賄うことで、バッテリ２０の充放電の頻度を抑え、ＦＣシステム１２全体での出力効率を高く維持することが可能である。ｖ２電圧固定低酸素ストイキ比可変制御のモードＢ制御では、基本的に、平均システム負荷ＰｓｙｓａｖｅをＦＣ電力Ｐｆｃで賄うことで、バッテリ２０の充放電の頻度を抑え、ＦＣシステム１２全体での出力効率をモードＤ制御に準じて高くすることが可能である。モードＣ制御では、ＦＣ電力Ｐｆｃとバッテリ電力Ｐｂａｔにより平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅを賄う。

なお、図１２を参照して説明したＦＣ発電制御（Ｓ４）の形態は、平均システム負荷ＰｓｙｓａｖｅにＦＣ電力Ｐｆｃを追従させつつ、バッテリ２０から何割か固定出力しているような燃料電池システムにも適用可能である。

次に、上述したモードＢ制御（ｖ２固定、低酸素ストイキ比可変制御）とモードＤ制御（ｖ２固定、ストイキ比通常制御）を画定する閾値電力Ｐｔｈｒの決定の仕方について、図２０Ａ、図２０Ｂ、図２０Ｃを参照して説明する。

図２０Ａは、低酸素ストイキ比可変のｖ２固定発電時での発電量［Ｗ］に対する損失Ｌｂの特性を示し、図２０Ｂは、通常ストイキ比のｖ２固定発電時での発電量［Ｗ］に対する損失Ｌａの特性を示し、図２０Ｃは、損失Ｌｂと損失Ｌａを発電量［Ｗ］に対して重ねて描いた損失［Ｗ］の特性を示している。

図２０Ａに示す損失Ｌｂは、通常ＩＶ特性１６２上で発生するＦＣ損失から低酸素ストイキ比可変のｖ２固定発電で発生する損失を差し引いた損失であり、酸素濃度Ｃｏが少なくなるほど、損失Ｌｂが大きくなる。

図２０Ｂに示す損失Ｌａは、通常ストイキ比のｖ２固定発電で発生する損失である余剰分をバッテリ２０に充電することによる損失及びその際のＤＣ／ＤＣコンバータ２２の損失を加算した損失であり、発電量［Ｗ］が大きくなるほど小さくなる。

図２０Ｃに示すように、最大値の異なる損失Ｌｂと損失Ｌａは、発電量［Ｗ］が、上述した第１所定負荷値ＰＬ１に相当する閾値電力Ｐｔｈｒで交差する。そこで、発電量（平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅ［Ｗ］）が第１所定負荷値ＰＬ１（Ｐｔｈｒ）［Ｗ］以上で、且つこれより大きい第２所定負荷値ＰＬ２（Ｐｔｈｐ）［Ｗ］未満の値である場合には、低酸素ストイキ比可変のｖ２固定発電で実行されるモードＢ制御を停止し、ＦＣ電圧ＶｆｃをＤＣ／ＤＣコンバータ２２によりｖ２×Ｎｆｃに固定し（Ｖｆｃ＝ｖ２×Ｎｆｃ）、通常ストイキ比のｖ２固定発電でのモードＤ制御を実行させることで、ＦＣスタック４０の効率を向上させることができる。すなわち、損失［Ｗ］を少なくすることができる。

図２１は、クルーズ走行状態等の一定負荷が続く状態でのモードＤ制御が成立する場合のタイムチャートを示している。なお、図２１中、ＳＯＣ値｛図中、所定値は、５０［％］の目標ＳＯＣ値）より下に描いたタイムチャートにおいて、太い破線で示したものは比較例による変化特性を示し、太い実線で示したものは実施形態よる変化特性を示している。

時点ｔ１までモードＡ制御が実行され、時点ｔ１から時点ｔ２までモードＢ制御（ｖ２＝０．８Ｖでの低酸素ストイキ可変制御）が実行され、時点ｔ２において、ステップＳ２５の判定条件が成立（肯定的）となったので、固定電圧低酸素ストイキ可変フラグＦｓがオンからオフとされ、時点ｔ２〜時点ｔ３の間で固定電圧ストイキ比通常制御（モードＤ制御）が実行される。時点ｔ３において、ステップＳ２５の判定条件が非成立（否定的）となったので、時点ｔ３以降ではモードＢ制御が実行される。

［実施形態のまとめ］
以上説明したように、実施形態に係る燃料電池システム１２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ＦＣスタック４０と、前記酸素及び前記水素の少なくとも一方を、ＦＣスタック４０に供給するガス供給手段｛燃料ガス供給手段（水素タンク４４）、酸化剤ガス供給手段（エアポンプ６０）｝と、ＦＣスタック４０のＦＣ電圧Ｖｆｃを調整（可変）するＤＣ／ＤＣコンバータ２２（電圧調整手段）と、ＦＣスタック４０の出力電力により駆動される負荷３３と、を備える。

この燃料電池システム１２は、負荷３３の平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅ（負荷の要求電力）を検出するとともに、ＦＣスタック４０、前記ガス供給手段、及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御するＥＣＵ２４（制御手段）を有する。

ＥＣＵ２４は、負荷３３の平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅに対応するＦＣスタック４０の電圧が、ＦＣスタック４０の酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）内に相当するとき、ＦＣ電圧ＶｆｃをＦＣスタック４０の酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）外に設定するとともに、ＦＣスタック４０の発電電力が所定電力範囲内（ＰＬ１≦Ｐｓｙｓａｖｅ≦ＰＬ２）である場合には第２制御モード｛ＦＣスタック４０のセル電圧Ｖｃｅｌｌを酸化還元進行電圧範囲外の電圧ｖ２に固定し、酸素又は水素の濃度を所定の濃度範囲（ストイキ比通常制御）に維持するモードＤ制御｝を実行し、ＦＣスタック４０の発電電力が前記所定電力範囲外であって小さい場合（Ｐｔｈｑ≦Ｐｓｙｓａｖｅ＜ＰＬ１）には第１制御モード｛ＦＣスタック４０のセル電圧Ｖｃｅｌｌを酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）外の電圧ｖ２に固定し、酸素又は水素の濃度を要求電力に追従させるように変動させる（低酸素ストイキ比可変制御）モードＢ制御｝を実行するようにしたので、ＦＣスタック４０のセル電圧Ｖｃｅｌｌが酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）内となるのを回避することでＦＣスタック４０の劣化を防止しつつ、システム効率の悪化を抑制しシステム効率を向上させることができる。

より具体的説明すると、負荷３３の平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅに対応する電圧（平均要求電圧）が、酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）内の所定電圧値｛第１制御モード（モードＢ制御）と第２制御モード（モードＤ制御）で効率が逆転するＦＣスタック４０の切替電圧｝ｖｅ（図１３参照）以下であって、下限値の電圧ｖ２以上である場合には、ＦＣスタック４０の発電電圧Ｖｆｃを電圧ｖ２に固定してストイキ比通常制御（モードＤ制御）によりＦＣ電力Ｐｆｃが平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅを上回るような制御を行い、余剰電力はバッテリ２０に充電する。また、平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅに対応する電圧（平均要求電圧）が、酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）内の所定電圧値ｖｅを上回る値であって酸化還元進行電圧範囲（酸化還元進行領域Ｒ３）の上限値の電圧ｖ３未満の値である場合には、ＦＣスタック４０の発電電圧Ｖｆｃを電圧ｖ２に固定してストイキ比可変制御（モードＢ制御）によりＦＣ電力Ｐｆｃが平均システム負荷Ｐｓｙｓａｖｅに追従する制御を行う。

ＦＣスタック４０のＦＣ電力Ｐｆｃにより充電され、燃料電池システム１２に電力を供給する高電圧バッテリ２０（蓄電装置）を備えるとき、ＥＣＵ２４は、例えば、前記第１制御モード（モードＢ制御）を実行中に、高電圧バッテリ２０のＳＯＣ値を検出し、検出したＳＯＣ値が所定値、例えば５０［％］未満の値となった場合には、前記第２制御モード（モードＤ制御）を実行することで、高電圧バッテリ２０のＳＯＣ値が過度に低下することを防止できる。

［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。

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、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を家庭用電力システムに適用してもよい。

上記実施形態では、ＦＣスタック４０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２２に示すように、ＦＣスタック４０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２３に示すように、ＦＣスタック４０とバッテリ２０を並列に配置し、ＦＣスタック４０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ１６０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２４に示すように、ＦＣスタック４０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。

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。

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。

１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…駆動モータ（負荷） １６…インバータ（負荷）
１８…燃料電池ユニット 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（制御装置） ３３…負荷
４０…ＦＣスタック ４４…水素タンク
６０…エアポンプ（負荷） ８０…ウォータポンプ（負荷）
９０…エアコンディショナ（負荷）

Claims (3)

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、
   を備える燃料電池システムにおいて、
   前記負荷の要求電力を検出するとともに、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前記燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の所定電圧値に固定した状態で、前記ガス供給手段を制御し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電力に追従させるように変動させる第１制御モードと、
   前記電圧調整手段を制御し前記燃料電池の出力電圧を前記所定電圧値に固定した状態で、前記ガス供給手段を制御し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所定の濃度範囲に維持する第２制御モードと、
   を実行するものであり、
   前記負荷の要求電力に対応する前記燃料電池の出力電圧が酸化還元進行電圧範囲内の切替電圧以上である場合には前記第１制御モードを実行し、前記切替電圧未満である場合には前記第２制御モードを実行する
   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、
   さらに、前記燃料電池の出力電力により充電され、前記燃料電池システムに電力を供給する蓄電装置を備え、
   前記制御手段は、
   前記第１制御モードを実行中に、前記蓄電装置のＳＯＣ値を検出し、検出した前記ＳＯＣ値が所定値未満の値となった場合には、前記第２制御モードを実行する
   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を搭載した車両。

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