JP5736282B2 - 燃料電池車両 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池の暖機を行う燃料電池車両に関する。

燃料電池の暖機を行う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では、負荷動力源（走行モータ等）の駆動と、低効率運転による暖機との両方を実現させることができる燃料電池システムの提供を目的としている（２頁１〜３行目）。この目的を達成するため、特許文献１の燃料電池システムは、発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の低効率運転を実現させながら前記燃料電池からの出力電力を所定の負荷動力源（走行モータ等）に供給して、前記負荷動力源を駆動制御する制御手段を備える。前記制御手段は、低効率運転時における燃料電池の出力電圧を、負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定する（要約、２頁４〜９行目）。これにより、燃料電池の出力電圧を所定の負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定した状態で、燃料電池の低効率運転を実現させ、負荷動力源の駆動と、低効率運転による暖機の双方を実現することを企図している（２頁１５〜１８行目）。

国際公開第２００８／０４７６０３号パンフレット

上記のように、特許文献１では、低効率運転時における燃料電池の出力電圧を、負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定することで、負荷動力源の駆動と低効率運転による暖機の双方を行うことを図っている。

特許文献１の制御では、燃料電池の出力可能電圧が、負荷動力源の最低駆動電圧以上になることを要し、それまでは、燃料電池の出力電圧を、負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定することができない。このため、燃料電池の暖機にかかる時間が比較的長くなるという問題があった。

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、低温時における燃料電池の起動時間を短縮することが可能な燃料電池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車両は、燃料電池の起動時に前記燃料電池の放熱量を段階的に切り替える段階的暖機制御を行うものであって、前記段階的暖機制御では、前記燃料電池の温度に応じて判定される前記燃料電池の発電可能電圧が、補機の最低駆動電圧である補機作動最低電圧以上になると、又は前記燃料電池の温度が、前記補機作動最低電圧に対応する第１温度以上になると、前記燃料電池の出力電圧を前記補機作動最低電圧に設定して前記補機の作動を許可し、その後、前記発電可能電圧が、前記補機作動最低電圧より高く且つ駆動力発生源の最低作動電圧である駆動力発生最低電圧以上になると、又は前記燃料電池の温度が、前記駆動力発生最低電圧に対応する第２温度以上になると、前記燃料電池の出力電圧を前記駆動力発生最低電圧に設定して前記駆動力発生源の作動を許可することを特徴とする。

この発明によれば、低温時における燃料電池の起動時間を短縮することが可能となる。すなわち、この発明によれば、燃料電池の発電可能電圧が補機作動最低電圧以上になると、又は燃料電池の温度が、補機作動最低電圧に対応する第１温度以上になると、燃料電池の出力電圧を補機作動最低電圧に設定して補機の作動を許可する。このため、補機の作動を許可しつつ、出力電圧を補機作動最低電圧にした状態で燃料電池を暖機することができる。また、燃料電池の発電可能電圧が、補機作動最低電圧より高い駆動力発生最低電圧以上になると、又は燃料電池の温度が、駆動力発生最低電圧に対応する第２温度以上になると、燃料電池の出力電圧を駆動力発生最低電圧に設定して駆動力発生源の作動を許可する。このため、駆動力発生源の作動を許可しつつ、出力電圧を駆動力発生最低電圧にした状態で燃料電池を暖機することができる。従って、燃料電池の出力可能電圧が駆動力発生最低電圧以上になる前であっても、出力可能電圧が補機作動最低電圧以上になれば、燃料電池の暖機を行うことができる。よって、より早い段階で燃料電池の暖機を開始し、燃料電池の起動時間を短縮することが可能となる。また、一般に、燃料電池の出力電圧が低いほど、燃料電池の放熱量は多くなる。従って、駆動力発生最低電圧よりも低い補機作動最低電圧で暖機をすることにより、燃料電池の放熱量を増加させることが可能となり、この点からも燃料電池の起動時間を短縮することが可能となる。

前記段階的暖機制御では、前記発電可能電圧が、前記補機作動最低電圧から前記駆動力発生最低電圧になるまで、又は前記燃料電池の温度が、前記第１温度から前記第２温度になるまで、前記燃料電池の出力電圧を前記補機作動最低電圧に固定し続けてもよい。
前記段階的暖機制御中は、前記燃料電池の要求電力に追従するように反応ガス流量を変化させてもよい。これにより、燃料電池の出力電圧を補機作動最低電圧又は駆動力発生最低電圧に維持した状態で、燃料電池の出力を要求電力に追従することが可能となる。このため、補機又は駆動力発生源に十分な電力を供給することが可能となり、補機又は駆動力発生源を良好に作動させることができる。

この発明によれば、低温時における燃料電池の起動時間を短縮することが可能となる。

この発明の一実施形態に係る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。 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ＥＣＵが、前記燃料電池車両のエネルギマネジメントを行う第１フローチャートである。 前記ＥＣＵが、前記燃料電池車両のエネルギマネジメントを行う第２フローチャートである。 図１１及び図１２のフローチャートで用いる補機作動可能最低電圧、モータ駆動可能最低電圧及びモータ性能保証最低電圧の説明図である。 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。 セル電圧と燃料電池の放熱量との関係を示す図である。 第１〜第６暖機モードのフローチャートである。 第１〜第６暖機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。 第１〜第６暖機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。 第１〜第６暖機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。 第１〜第６暖機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。 第１〜第６暖機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。 モータのトルク制御のフローチャートである。 前記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。 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。 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。

１．全体的な構成の説明
［１−１．全体構成］
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池車両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、燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」という。）と、走行モータ１４（以下「モータ１４」という。）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。

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。

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。

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、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。

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、ラジエータ８２、ラジエータファン８４及び温度センサ８６等を有する。ウォータポンプ８０は、ＦＣ４０内に冷却水（冷媒）を循環させることでＦＣ４０を冷却する。ＦＣ４０を冷却して温度が上昇した冷却水は、ラジエータファン８４による送風を受けるラジエータ８２で放熱される。温度センサ８６は、冷却水の温度（以下「水温Ｔｗ」という。）を検出し、ＥＣＵ２４に出力する。

（１−３−６．セル電圧モニタ４２）
セル電圧モニタ４２は、ＦＣスタック４０を構成する複数の単セル毎のセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備える。モニタ本体は、所定周期で全ての単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ２４に出力する。

（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、ＥＣＵ２４及びラジエータファン８４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。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２０の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ１０４（図２）により検出され、バッテリ２０の出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ」という。）［Ａ］は、電流センサ１０６により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。ＥＣＵ２４は、バッテリ電圧Ｖｂａｔとバッテリ電流Ｉｂａｔとに基づいて、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］を算出する。

［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、本実施形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２２の詳細が示されている。図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、一方がバッテリ２０のある１次側１Ｓに接続され、他方が負荷３０とＦＣ４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。

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と逆並列ダイオード１１４）と下アーム素子（下アームスイッチング素子１１６と逆並列ダイオード１１８）とで構成される。上アームスイッチング素子１１２と下アームスイッチング素子１１６には、それぞれ例えば、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴ等が採用される。

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、エネルギを蓄積及び放出する作用を有する。

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、８６、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１５４の開度θｐ［度］を検出する。回転数センサ１５２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍ」又は「回転数Ｎｍ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。ＥＣＵ２４は、回転数Ｎｍを用いてＦＣ車両１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ１５６（以下「メインＳＷ１５６」という。）が接続される。メインＳＷ１５６は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。

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．本実施形態の制御
次に、ＥＣＵ２４における制御について説明する。

［２−１．基本制御］
図５には、ＥＣＵ２４における基本的な制御のフローチャートが示されている。ステップＳ１において、ＥＣＵ２４は、メインＳＷ１５６がオンであるかどうかを判定する。メインＳＷ１５６がオンでない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ１を繰り返す。メインＳＷ１５６がオンである場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２に要求される負荷（システム負荷Ｐｓｙｓ）［Ｗ］を計算する。

ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２のエネルギマネジメントを行う。ここにいうエネルギマネジメントは、主として、ＦＣ４０の発電量（ＦＣ電力Ｐｆｃ）及びバッテリ２０の出力（バッテリ電力Ｐｂａｔ）を算出する処理であり、ＦＣスタック４０の劣化を抑制しつつ、ＦＣシステム１２全体の出力を効率化することを企図している。

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。

［２−２．システム負荷Ｐｓｙｓの計算］
図６には、システム負荷Ｐｓｙｓを計算するフローチャートが示されている。ステップＳ１１において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１５０からアクセルペダル１５４の開度θｐを読み込む。ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１５２からモータ１４の回転数Ｎｍを読み込む。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ２４は、開度θｐと回転数Ｎｍに基づいてモータ１４の予想消費電力Ｐｍ［Ｗ］を算出する。具体的には、図７に示すマップにおいて、開度θｐ毎に回転数Ｎｍと予想消費電力Ｐｍの関係を記憶しておく。例えば、開度θｐがθｐ１であるとき、特性１６０を用いる。同様に、開度θｐがθｐ２、θｐ３、θｐ４、θｐ５、θｐ６であるとき、それぞれ特性１６２、１６４、１６６、１６８、１７０を用いる。そして、開度θｐに基づいて回転数Ｎｍと予想消費電力Ｐｍとの関係を示す特性を特定した上で、回転数Ｎｍに応じた予想消費電力Ｐｍを特定する。

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、ＥＣＵ２４及びラジエータファン８４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。

［２−３．エネルギマネジメント］
上記のように、本実施形態におけるエネルギマネジメントでは、ＦＣスタック４０の劣化を抑制しつつ、ＦＣシステム１２全体の出力を効率化することを企図している。

（２−３−１．前提事項）
図８は、ＦＣスタック４０を構成するＦＣセルの電位（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）［Ｖ］とセルの劣化量Ｄとの関係の一例を示している。すなわち、図８中の曲線１８０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。

図８において、電位ｖ１（例えば、０．５Ｖ）を下回る領域（以下「白金凝集増加領域Ｒ１」又は「凝集増加領域Ｒ１」という。）では、ＦＣセルに含まれる白金（酸化白金）について還元反応が激しく進行し、白金が過度に凝集する。電位ｖ１から電位ｖ２（例えば、０．８Ｖ）までは、還元反応が安定的に進行する領域（以下「白金還元領域Ｒ２」又は「還元領域Ｒ２」という。）である。

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。

なお、図８では、曲線１８０を一義的に定まるような表記としているが、実際は、単位時間当たりにおけるセル電圧Ｖｃｅｌｌの変動量（変動速度Ａｃｅｌｌ）［Ｖ／ｓｅｃ］に応じて曲線１８０は変化する。

図９には、変動速度Ａｃｅｌｌが異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。図９において、曲線１９０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、曲線１９２は、変動速度Ａｃｅｌｌが低い場合を示す。図９からわかるように、変動速度Ａｃｅｌｌに応じて酸化又は還元の進行度合が異なるため、必ずしも各電位ｖ１〜ｖ４は一義的に特定されない。また、ＦＣセルの個体差によっても各電位ｖ１〜ｖ４は変化し得る。このため、電位ｖ１〜ｖ４は、理論値、シミュレーション値又は実測値に誤差分を反映させたものとして設定することが好ましい。

また、ＦＣセルの電流−電圧（ＩＶ）特性は、一般的な燃料電池セルと同様、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する（図１０参照）。加えて、ＦＣスタック４０の発電電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）は、セル電圧ＶｃｅｌｌにＦＣスタック４０内の直列接続数Ｎｆｃを乗算したものである。直列接続数Ｎｆｃは、ＦＣスタック４０内で直列に接続されるＦＣセルの数であり、以下、単に「セル数」ともいう。

以上を踏まえ、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、電圧変換動作を行っている際、ＦＣスタック４０の目標電圧（目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）［Ｖ］を、主として、白金還元領域Ｒ２内に設定しつつ、必要に応じて白金酸化安定領域Ｒ４内に設定する（具体例は、図１０等を用いて説明する。）。このような目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔの切替えを行うことにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃが、領域Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５（特に、白金酸化還元進行領域Ｒ３）内にある時間を極力短縮し、ＦＣスタック４０の劣化を防止することができる。

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８では、電位ｖ１〜ｖ４を具体的な数値として特定したが、これは、後述する制御を行うためであり、当該数値は、あくまで制御の便宜を考慮して決定するものである。換言すると、曲線１８０からもわかるように、劣化量Ｄは連続的に変化するため、制御の仕様に応じて、電位ｖ１〜ｖ４は、適宜設定することができる。

但し、白金還元領域Ｒ２は、曲線１８０の極小値（第１極小値Ｖｌｍｉ１）を含む。白金酸化還元進行領域Ｒ３では、曲線１８０の極大値（極大値Ｖｌｍｘ）を含む。白金酸化安定領域Ｒ４は、曲線１８０の別の極小値（第２極小値Ｖｌｍｉ２）を含む。

（２−３−２．エネルギマネジメントで用いる電力供給制御及び電力供給モード）
図１０は、本実施形態における複数の電力供給モードの説明図である。本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給の制御方法（電力供給モード）として、７つの制御方法（電力供給モード）を用いる。すなわち、本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる電力供給モード（動作モード）として、通常モード及び第１〜第６暖機モードを切り替えて用いる。通常モードは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ及びＦＣ電流Ｉｆｃ（ＦＣ電力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１〜第６暖機モードは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが一定でありＦＣ電流Ｉｆｃ（ＦＣ電力Ｐｆｃ）が可変である電圧固定・電流可変制御（電圧固定・出力可変制御）である。

通常モード（電圧可変・電流可変制御）は、ＦＣ４０の暖機完了後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１〜第６暖機モード（電圧固定・電流可変制御）は、ＦＣ４０の暖機時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、所定の電位｛第１・第２暖機モードでは、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ、第３・第４暖機モードでは、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１、第５・第６暖機モードでは、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２｝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。これにより、ＦＣシステム１２を暖機しつつ、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。

（２−３−３．エネルギマネジメントの全体フロー）
図１１及び図１２は、ＥＣＵ２４が、ＦＣシステム１２のエネルギマネジメント（図５のＳ３）を行う第１及び第２フローチャートである。図１３は、図１１及び図１２のフローチャートで用いる補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１及びモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２の説明図である。

図１１のステップＳ２１において、ＥＣＵ２４は、ＦＣユニット１８の暖機が必要であるか否かを判定する。具体的には、温度センサ８６からの水温Ｔｗが、暖機の必要性を判断するための閾値（以下「暖機判定閾値ＴＨＴｗ」又は「閾値ＴＨＴｗ」という。）以下であるか否かを判定する。閾値ＴＨＴｗは、例えば、０〜１０℃までのいずれかの値から選択することができる。暖機が必要でない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、ステップＳ２２において、ＥＣＵ２４は、通常モードを選択してＦＣ４０を発電させる。この際、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２（図１３）以上に設定する。暖機が必要である場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２３に進む。

ステップＳ２３において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐを判定する。ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐは、ＦＣ４０が発電することが可能な電圧を示す。本実施形態において、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐは、温度センサ８６からの水温Ｔｗに応じて判定する。より具体的には、水温Ｔｗが低いほど、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが低く、水温Ｔｗが高いほど、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが高い。水温ＴｗとＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐとの関係は、ＥＣＵ２４の図示しない記憶部に予め記憶しておく。

ステップＳ２４において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２以上であるか否かを判定する。モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２は、モータ１４の性能を保証することができる最低電圧（性能保証電圧の最低値）であり（図１３参照）、モータ１４の仕様に応じて決まる。なお、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、セル電圧Ｖｃｅｌｌ×セル数に近似するため、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２／セル数により、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２に対応するセル電圧Ｖｃｅｌｌを求めることができる。本実施形態では、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２に対応するセル電圧Ｖｃｅｌｌが、図８の還元領域Ｒ２となるように、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２（モータ１４の仕様）又はセル数を設定する。ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２以上でない場合（Ｓ２４：ＮＯ）、ステップＳ２５に進む。

ステップＳ２５において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１以上であるか否かを判定する。モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１は、モータ１４を駆動することができる最低電圧（駆動可能電圧の最低値）であり（図１３参照）、モータ１４の仕様に応じて決まる。なお、上記のように、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、セル電圧Ｖｃｅｌｌ×セル数に近似するため、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１／セル数により、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１に対応するセル電圧Ｖｃｅｌｌを求めることができる。本実施形態では、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１に対応するセル電圧Ｖｃｅｌｌが、図８の還元領域Ｒ２となるように、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１（モータ１４の仕様）又はセル数を設定する。ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１以上でない場合（Ｓ２５：ＮＯ）、ステップＳ２６に進む。

ステップＳ２６において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ以上であるか否かを判定する。補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎは、補機を作動させることができる最低電圧（作動可能電圧の最低値）であり（図１３参照）、補機の仕様に応じて決まる。ここでの補機は、本実施形態では、エアポンプ６０を指す。しかし、ＦＣ４０の発電に用いるもの（例えば、エアポンプ６０、ウォータポンプ８０、循環弁６４）及びＦＣ４０の発電に用いないもの（例えば、エアコンディショナ９０）のいずれも含むことができる。また、後述するように、複数の補機の補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎを用いることも可能である。

なお、上記のように、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、セル電圧Ｖｃｅｌｌ×セル数に近似するため、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ／セル数により、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに対応するセル電圧Ｖｃｅｌｌを求めることができる。本実施形態では、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに対応するセル電圧Ｖｃｅｌｌが、図８の還元領域Ｒ２となるように、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ（補機の仕様）又はセル数を設定する。

ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ以上でない場合（Ｓ２６：ＮＯ）、ステップＳ２７においてＥＣＵ２４は、バッテリ２０からの電力（バッテリ電力Ｐｂａｔ）により、補機（エアポンプ６０、ウォータポンプ８０等）を作動させ、ＦＣ４０を暖機する。この際、ＦＣ４０に酸素及び水素を供給するものの、ＦＣ電力Ｐｆｃの出力は行わない。図示しないコンタクタ（スイッチ）を、ＦＣ４０側の配線に設けておき、当該コンタクタを閉じておくことにより、ＦＣ電力Ｐｆｃの出力を停止してもよい。

ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ以上である場合（Ｓ２６：ＹＥＳ）、ステップＳ２８において、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０のＳＯＣに余分があるか否かを判定する。具体的には、ＳＯＣが閾値ＴＨｓｏｃ１以上であるか否かを判定する。閾値ＴＨｓｏｃ１は、バッテリ２０のＳＯＣに余分があるか否かを判定するための閾値である。

バッテリ２０のＳＯＣに余分がない場合（Ｓ２８：ＮＯ）、ステップＳ２９において、ＥＣＵ２４は、第１暖機モードを選択する。第１暖機モードは、電圧固定・電流可変制御の一種であり、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎで一定としつつ、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。この際、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電力Ｐｆｃによる補機（エアポンプ６０等）の作動を許可する。バッテリＳＯＣに余分がないため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔは、システム負荷Ｐｓｙｓに相当する値に設定される（詳細は後述する。）。

バッテリ２０のＳＯＣに余分がある場合（Ｓ２８：ＹＥＳ）、ステップＳ３０において、ＥＣＵ２４は、第２暖機モードを選択する。第２暖機モードは、電圧固定・電流可変制御の一種であり、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎで一定とし、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。この際、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電力Ｐｆｃによる補機（エアポンプ６０等）の作動を許可する。バッテリＳＯＣに余分があるため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔは、システム負荷Ｐｓｙｓに相当する値よりも低い値に設定される（詳細は後述する。）。

ステップＳ２５に戻り、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１以上である場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、図１２のステップＳ３１において、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０のＳＯＣに余分があるか否かを判定する。具体的には、ＳＯＣが閾値ＴＨｓｏｃ２以上であるか否かを判定する。閾値ＴＨｓｏｃ２は、バッテリ２０のＳＯＣに余分があるか否かを判定するための閾値であり、閾値ＴＨｓｏｃ１と同じ値又は異なる値にすることができる。

バッテリＳＯＣに余分がない場合（Ｓ３１：ＮＯ）、ステップＳ３２において、ＥＣＵ２４は、第３暖機モードを選択する。第３暖機モードは、電圧固定・電流可変制御の一種であり、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１で一定とし、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。この際、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電力Ｐｆｃによる補機（エアポンプ６０等）の作動及びモータ１４の駆動を許可する。バッテリＳＯＣに余分がないため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔは、システム負荷Ｐｓｙｓに相当する値に設定される（詳細は後述する。）。

バッテリ２０のＳＯＣに余分がある場合（Ｓ３１：ＹＥＳ）、ステップＳ３３において、ＥＣＵ２４は、第４暖機モードを選択する。第４暖機モードは、電圧固定・電流可変制御の一種であり、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１で一定とし、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。この際、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電力Ｐｆｃによる補機（エアポンプ６０等）の作動及びモータ１４の駆動を許可する。バッテリＳＯＣに余分があるため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔは、システム負荷Ｐｓｙｓに相当する値よりも低い値に設定される（詳細は後述する。）。

図１１のステップＳ２４に戻り、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２以上である場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、図１２のステップＳ３４において、ＥＣＵ２４は、バッテリ２０のＳＯＣに余分があるか否かを判定する。具体的には、ＳＯＣが閾値ＴＨｓｏｃ３以上であるか否かを判定する。閾値ＴＨｓｏｃ３は、バッテリ２０のＳＯＣに余分があるか否かを判定するための閾値であり、閾値ＴＨｓｏｃ１又は閾値ＴＨｓｏｃ２と同じ値又は異なる値にすることができる。

バッテリＳＯＣに余分がない場合（Ｓ３４：ＮＯ）、ステップＳ３５において、ＥＣＵ２４は、第５暖機モードを選択する。第５暖機モードは、電圧固定・電流可変制御の一種であり、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２で一定とし、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。この際、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電力Ｐｆｃによる補機（エアポンプ６０等）の作動及びモータ１４の駆動を許可する。バッテリＳＯＣに余分がないため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔは、システム負荷Ｐｓｙｓに相当する値に設定される（詳細は後述する。）。

バッテリ２０のＳＯＣに余分がある場合（Ｓ３４：ＹＥＳ）、ステップＳ３６において、ＥＣＵ２４は、第６暖機モードを選択する。第６暖機モードは、電圧固定・電流可変制御の一種であり、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２で一定とし、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。この際、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電力Ｐｆｃによる補機（エアポンプ６０等）の作動及びモータ１４の駆動を許可する。バッテリＳＯＣに余分があるため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ及び目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔは、システム負荷Ｐｓｙｓに相当する値よりも低い値に設定される（詳細は後述する。）。

（２−３−４．通常モード）
上記のように、通常モードは、ＦＣ４０の暖機完了後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１０に示すように、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１０中、実線で表されるもの）を用いる。通常の燃料電池と同様、ＦＣ４０のＩＶ特性は、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）が低くなるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）が大きくなる。このため、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。

なお、酸素が豊潤な状態にあるとは、例えば、図１４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。

以上のような通常モードによれば、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。

（２−３−５．第１〜第６暖機モードの全体）
上記のように、第１〜第６暖機モードは、ＦＣ４０の暖機時に用いられるものであり、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ（＝目標セル電圧Ｖｃｅｌｌｔｇｔ×セル数）を、所定の電位｛第１・第２暖機モードでは、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ、第３・第４暖機モードでは、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１、第５・第６暖機モードでは、モータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２｝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。

すなわち、図１０に示すように、第１〜第６暖機モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃを一定に保った状態で目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを変化させることで酸素濃度Ｃｏを調整する。

より具体的には、第１・第２暖機モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（又は目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）を補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに保った状態で、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを変化させることで酸素濃度Ｃｏを調整する。ＦＣ電圧Ｖｆｃを補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに保つには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により２次電圧Ｖ２を制御する。この際、ＥＣＵ２４は、補機（エアポンプ６０等）の作動を許可する。すなわち、ＦＣ４０の発電に用いる補機に対するＦＣ４０からの電力供給を許可すると共に、当該補機に対して動作指令を出す。上記のように、第２暖機モードでは、バッテリ電力Ｐｂａｔも用いる。このため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔが等しい場合、第２暖機モードの方が第１暖機モードよりも目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが低くなる。

第３・第４暖機モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（又は目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）をモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１に保った状態で、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを変化させることで酸素濃度Ｃｏを調整する。ＦＣ電圧Ｖｆｃをモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１に保つには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により２次電圧Ｖ２を制御する。この際、ＥＣＵ２４は、補機（エアポンプ６０等）の作動に加え、モータ１４の駆動を許可する。すなわち、ＦＣ４０の発電に用いる補機及びモータ１４に対するＦＣ４０からの電力供給を許可すると共に、当該補機及びモータ１４に対して動作指令を出す。上記のように、第４暖機モードでは、バッテリ電力Ｐｂａｔも用いる。このため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔが等しい場合、第４暖機モードの方が第３暖機モードよりも目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが低くなる。

第５・第６暖機モードでは、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（又は目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）をモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２に保った状態で、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを変化させることで酸素濃度Ｃｏを調整する。ＦＣ電圧Ｖｆｃをモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２に保つには、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２により２次電圧Ｖ２を制御する。この際、ＥＣＵ２４は、補機（エアポンプ６０等）の作動に加え、モータ１４の駆動を許可する。すなわち、ＦＣ４０の発電に用いる補機及びモータ１４に対するＦＣ４０からの電力供給を許可すると共に、当該補機及びモータ１４に対して動作指令を出す。上記のように、第６暖機モードでは、バッテリ電力Ｐｂａｔも用いる。このため、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔが等しい場合、第６暖機モードの方が第５暖機モードよりも目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔが低くなる。

図１４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１５は、セル電圧ＶｃｅｌｌとＦＣ４０（単位セル）の放熱量Ｈｆｃ［ｋＷ］との関係を示す図である。図１５に示すように、ＦＣ４０の放熱量Ｈｆｃは、セル電圧Ｖｃｅｌｌに依存し、セル電流Ｉｃｅｌｌには依存しない。従って、第１〜第６暖機モードにおいて、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを一定にすると、放熱量Ｈｆｃも一定に維持することが可能となる。

上記のように、第１・第２暖機モードでは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに設定し、第３・第４暖機モードでは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１に設定し、第５・第６暖機モードでは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２に設定する。また、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎはモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１よりも低く、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１はモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２よりも低い。このため、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔが補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎであるときの放熱量Ｈｆｃは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔがモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１であるときよりも高く、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔがモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１であるときの放熱量Ｈｆｃは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔがモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２であるときよりも高い。

従って、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ及びＦＣ電圧Ｖｆｃを補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに設定することにより、放熱量Ｈｆｃを大きくし、迅速に暖機をすることが可能となる。

図１６には、第１〜第６暖機モード（電圧固定・電流可変制御）に共通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、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の昇圧率を調整することにより、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを所定の電位に固定する。すなわち、第１・第２暖機モードでは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに固定し、第３・第４暖機モードでは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１に固定し、第５・第６暖機モードでは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔをモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２に固定する。

ステップＳ４２において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出する。すなわち、第１・第３・第５暖機モードでは、システム負荷Ｐｓｙｓに相当する目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出し、第２・第４・第６暖機モードでは、システム負荷Ｐｓｙｓよりも低い負荷に相当する目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔを算出する。

ステップＳ４３において、ＥＣＵ２４は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔに対応する目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを算出する（図１０及び図１７参照）。なお、図１７は、目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔと目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔとの関係の一例を示す。図１７のような関係は、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔに応じて変化する。

ステップＳ４４において、ＥＣＵ２４は、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔ（又は目標ＦＣ電流Ｉｆｃｔｇｔ）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１８及び図１９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。

ステップＳ４５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（Ｓ４５：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ４５：ＮＯ）、ステップＳ４６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２０参照）。なお、図２０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。

そこで、ステップＳ４６では、ステップＳ４３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Ｓ４７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（Ｓ４７：ＮＯ）、ステップＳ４５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（Ｓ４７：ＹＥＳ）、ステップＳ４８に進む。

ここで、ステップＳ４６、Ｓ４７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Ｓ４６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Ｓ４７において、循環弁６６が全開である場合（Ｓ４７：ＹＥＳ）、ステップＳ４８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２１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２１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Ｓ４８において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ４５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（Ｓ４８：ＹＥＳ）、今回の処理を終える。発電が安定していない場合（Ｓ４８：ＮＯ）、ステップＳ４９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Ｓ５０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（Ｓ５０：ＹＥＳ）、ステップＳ４８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（Ｓ５０：ＮＯ）、ステップＳ５１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１〜第６暖機モードによれば、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、ＦＣシステム１２を暖機しつつ、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。特に、第１・第２暖機モードでは、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１よりも低い補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを設定するため、より速やかに暖機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１６のＳ４４）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２２には、モータ１４のトルク制御のフローチャートが示されている。ステップＳ６１において、ＥＣＵ２４は、回転数センサ１５２からモータ回転数Ｎｍを読み込む。ステップＳ６２において、ＥＣＵ２４は、開度センサ１５０からアクセルペダル１５４の開度θｐを読み込む。

ステップＳ６３において、ＥＣＵ２４は、モータ回転数Ｎｍと開度θ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θ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θとに基づいて仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐを算出する。

ステップＳ６４において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２からモータ１４に供給可能な電力の限界値（限界供給電力Ｐｓ＿ｌｉｍ）［Ｗ］に等しいモータ１４の限界出力（モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍ）［Ｗ］を算出する。具体的には、限界供給電力Ｐｓ＿ｌｉｍ及びモータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍは、ＦＣスタック４０からのＦＣ電力Ｐｆｃとバッテリ２０から供給可能な電力の限界値（限界出力Ｐｂａｔ＿ｌｉｍ）［Ｗ］との和から補機の消費電力Ｐａを引いたものである（Ｐｍ＿ｌｉｍ＝Ｐｓ＿ｌｉｍ←Ｐｆｃ＋Ｐｂａｔ＿ｌｉｍ−Ｐａ）。

ステップＳ６５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４のトルク制限値Ｔｌｉｍ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、モータ限界出力Ｐｍ＿ｌｉｍを車速Ｖで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｍ＿ｌｉｍ／Ｖ）。

一方、ステップＳ６４において、ＥＣＵ２４は、モータ１４が回生中であると判定した場合には、限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍを算出する。限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍは、バッテリ２０に充電可能な電力の限界値（限界充電Ｐｂａｔ＿ｃｈｇｌｉｍ）とＦＣスタック４０からのＦＣ電力Ｐｆｃとの和から補機の消費電力Ｐａを引いたものである（Ｐｍ＿ｒｅｇｌｉｍ＝Ｐｂａｔ＿ｃｈｇｌｉｍ＋Ｐｆｃ−Ｐａ）。回生中である場合、ステップＳ６５において、ＥＣＵ２４は、モータ１４の回生トルク制限値Ｔｒｅｇｌｉｍ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、限界供給回生電力Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍを車速Ｖｓで除したものをトルク制限値Ｔｌｉｍとする（Ｔｌｉｍ←Ｐｓ＿ｒｅｇｌｉｍ／Ｖｓ）。

ステップＳ６６において、ＥＣＵ２４は、目標トルクＴｔｇｔ［Ｎ・ｍ］を算出する。具体的には、ＥＣＵ２４は、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐに対してトルク制限値Ｔｌｉｍによる制限を加えたものを目標トルクＴｔｇｔとする。例えば、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐがトルク制限値Ｔｌｉｍ以下である場合（Ｔｔｇｔ＿ｐ≦Ｔｌｉｍ）、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐをそのまま目標トルクＴｔｇｔとする（Ｔｔｇｔ←Ｔｔｇｔ＿ｐ）。一方、仮目標トルクＴｔｇｔ＿ｐがトルク制限値Ｔｌｉｍを超える場合（Ｔｔｇｔ＿ｐ＞Ｔｌｉｍ）、トルク制限値Ｔｌｉｍを目標トルクＴｔｇｔとする（Ｔｔｇｔ←Ｔｌｉｍ）。

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２３には、本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。図示していないが、図２３では、バッテリ２０のＳＯＣには余分がない状況が続くものとする。従って、第２・第４・第６暖機モードは選択されない（図１１のＳ２８：ＹＥＳ、図１２のＳ３１：ＹＥＳ、Ｓ３４：ＹＥＳ参照）。

時点ｔ１では、既にＦＣユニット１８の暖機が行われている最中であり、温度センサ８６が検出した水温Ｔｗが閾値ＴＨＴｗ以下であると共に（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ以上（Ｓ２６：ＹＥＳ）且つモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１未満（Ｓ２５：ＮＯ）となっている。このため、ＥＣＵ２４は、第１暖機モード（Ｓ２９）を選択し、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（及び目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）が補機作動可能最低電圧ＶａｍｉｎとなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。

時点ｔ２から時点ｔ３までは、水温Ｔｗが閾値ＴＨＴｗ以下であると共に（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐがモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１以上（Ｓ２５：ＹＥＳ）且つモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２未満（Ｓ２４：ＮＯ）となる。そこで、ＥＣＵ２４は、第３暖機モード（Ｓ３２）を選択し、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（及び目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）がモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。

時点ｔ３から時点ｔ４までは、水温Ｔｗが閾値ＴＨＴｗ以下であると共に（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐがモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２以上となる（Ｓ２４：ＹＥＳ）。そこで、ＥＣＵ２４は、第５暖機モード（Ｓ３５）を選択し、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（及び目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）がモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。なお、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐがモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２以上となる場合、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（及び目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）をＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐに一致させるように目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔを設定してもよい。

時点ｔ４において、水温Ｔｗが暖機判定閾値ＴＨＴｗを上回る（Ｓ２１：ＮＯ）。従って、ＥＣＵ２４は、ＦＣ４０の暖機を終了し、通常モードを選択する（Ｓ２２）。

４．本実施形態の効果
以上説明したように、本実施形態によれば、低温時におけるＦＣ４０の起動時間を短縮することが可能となる。

すなわち、本実施形態によれば、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ以上になると、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（又は目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔ）を補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎに設定して補機（エアポンプ６０等）の作動を許可する。このため、補機の作動を許可しつつ、ＦＣ電圧Ｖｆｃを補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎにした状態でＦＣ４０を暖機することができる。また、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎよりも高いモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１以上になると、ＦＣ電圧Ｖｆｃをモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１に設定してモータ１４の駆動を許可する。このため、モータ１４の作動を許可しつつ、ＦＣ電圧Ｖｆｃをモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１にした状態でＦＣ４０を暖機することができる。従って、ＦＣ発電出力可能電圧Ｖｆｃｐがモータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１以上になる前であっても、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐが補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ以上になれば、ＦＣ４０の暖機を行うことができる。よって、より早い段階でＦＣ４０の暖機を開始し、ＦＣ４０の起動時間を短縮することが可能となる。

また、一般に、燃料電池の出力電圧が低いほど、燃料電池の放熱量は多くなる（図１５参照）。従って、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１よりも低い補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎで暖機をすることにより、ＦＣ４０の放熱量Ｈｆｃを増大させることが可能となり、この点からもＦＣ４０の起動時間を短縮することが可能となる。

本実施形態では、第１〜第６暖機モードの選択中は、システム負荷Ｐｓｙｓに追従するように酸素濃度Ｃｏを変化させる。これにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃを補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１又はモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２に維持した状態で、ＦＣ電力Ｐｆｃをシステム負荷Ｐｓｙｓに追従することが可能となる。このため、補機又はモータ１４に十分な電力を供給することが可能となり、補機又はモータ１４を良好に作動させることができる。

５．変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。

［５−１．搭載対象］
上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、これに限らず、ＦＣ４０の暖機を要する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。

［５−２．ＦＣシステム１２の構成］
上記実施形態では、ＦＣ４０と高電圧バッテリ２０を並列に配置し、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、図２４に示すように、ＦＣ４０とバッテリ２０を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２をＦＣ４０の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図２５に示すように、ＦＣ４０とバッテリ２０を並列に配置し、ＦＣ４０の手前に昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａを、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。或いは、図２６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。

［５−３．ストイキ比］
上記実施形態では、ストイキ比を調整する手段又は方法として、目標酸素濃度Ｃｏｔｇｔを調整するものを用いたが、これに限らず、目標水素濃度を調整することも可能である。また、目標濃度の代わりに、目標流量又は目標濃度と目標流量の両方を用いることもできる。

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。

［５−４．電力供給モード］
上記実施形態では、電力供給モードとして、通常モード及び第１〜第６暖機モードを用いたが、少なくとも第１・第２暖機モードの一方さえ用いれば、本発明を適用可能である。また、通常モード及び第１〜第６暖機モードに加え、更なる電力供給モードを設けることもできる。例えば、暖機を終了した後であっても、電圧固定・電流可変モードを実行してもよい。

上記実施形態では、電力供給モードの選択に際し、ウォータポンプ８０の水温ＴｗからＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐを算出し、ＦＣ発電可能電圧Ｖｆｃｐと、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１及びモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２とを比較した。しかしながら、ＦＣ４０の温度（暖機状態）に基づいて電力供給モードを選択するものであれば、これに限らない。例えば、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎ、モータ駆動可能最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ１及びモータ性能保証最低電圧Ｖｍｏｔｍｉｎ２それぞれに対応する水温Ｔｗを、水温Ｔｗ１、水温Ｔｗ２及び水温Ｔｗ３として設定し、水温Ｔｗと比較することで電力供給モードを選択することもできる。

上記実施形態では、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎとして、エアポンプ６０の作動可能最低電圧を用いたが（図１３）、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎは他の補機（特に、ＦＣ４０の発電に用いる補機）とすることも可能である。例えば、アノード側に水素ポンプを設ける場合、水素ポンプの作動可能最低電圧を用いてもよい。また、複数の補機の作動可能最低電圧を対象とする場合、個別に作動させる意味のある複数の補機（例えば、エアポンプ６０とエアコンディショナ９０）であれば、補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎを複数設定し、段階的に目標ＦＣ電圧Ｖｆｃｔｇｔとすることもできる。或いは、複数の補機の作動可能最低電圧を対象とする場合、最も高い作動可能最低電圧を補機作動可能最低電圧Ｖａｍｉｎとすることも可能である。

上記実施形態では、第１〜第６暖機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。

１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…走行モータ（駆動力発生源） ２４…ＥＣＵ
４０…燃料電池スタック ６０…エアポンプ（補機）
８６…温度センサ

Claims (2)

1. 燃料電池の起動時に前記燃料電池の放熱量を段階的に切り替える段階的暖機制御を行う燃料電池車両であって、
   前記段階的暖機制御では、
   前記燃料電池の温度に応じて判定される前記燃料電池の発電可能電圧が、補機の最低駆動電圧である補機作動最低電圧以上になると、又は前記燃料電池の温度が、前記補機作動最低電圧に対応する第１温度以上になると、前記燃料電池の出力電圧を前記補機作動最低電圧に設定して前記補機の作動を許可し、
   その後、前記発電可能電圧が、前記補機作動最低電圧より高く且つ駆動力発生源の最低作動電圧である駆動力発生最低電圧以上になると、又は前記燃料電池の温度が、前記駆動力発生最低電圧に対応する第２温度以上になると、前記燃料電池の出力電圧を前記駆動力発生最低電圧に設定して前記駆動力発生源の作動を許可し、
   前記発電可能電圧が、前記補機作動最低電圧から前記駆動力発生最低電圧になるまで、又は前記燃料電池の温度が、前記第１温度から前記第２温度になるまで、前記燃料電池の出力電圧を前記補機作動最低電圧に固定し続ける
   ことを特徴とする燃料電池車両。
2. 請求項１記載の燃料電池車両において、
   前記段階的暖機制御中は、前記燃料電池の要求電力に追従するように反応ガス流量を変化させる
   ことを特徴とする燃料電池車両。

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