JP6161580B2 - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池の出力電圧の目標値に交流信号を重畳した指令信号に基づいて電圧調整装置が出力電圧を調整し、当該出力電圧に含まれる交流信号成分に基づいて燃料電池内の実際の含水率（実含水率）を検知する燃料電池システムと、当該燃料電池システムが適用される燃料電池車両とに関する。
特許文献１には、燃料電池の出力電圧の目標値に交流信号を重畳した指令信号に基づいて電圧調整装置が出力電圧を調整し、当該出力電圧に含まれる交流信号成分に基づいて、燃料電池のインピーダンスを推定する技術が開示されている。
この技術を適用すれば、燃料電池システムの制御装置は、目標値に交流信号を重畳した指令信号を生成して電圧調整装置に出力する。電圧調整装置は、指令信号に基づいてスイッチング動作（昇降圧動作）を行うことにより、出力電圧を目標値に調整すると共に、交流電圧を生成して燃料電池に印加する。
燃料電池の出力電圧は、電圧センサにより検出され、燃料電池の出力電流は、電流センサにより検出される。制御装置は、検出された出力電圧及び出力電流の各交流信号成分（交流電圧、交流電流）を用いて、燃料電池のインピーダンスを算出する。この結果、制御装置は、算出したインピーダンスに基づいて、燃料電池内の実際の含水率（実含水率）を推定し、推定した実含水率に基づき、燃料電池に供給する反応ガスの供給量等を適切に制御することが可能となる。
再公表ＷＯ２０１０／１４３２５０号
ところで、燃料電池システムの効率を考慮する場合、電圧調整装置のスイッチング動作を停止して、燃料電池と負荷とを直結状態とし、スイッチング動作に起因した損失を低減できることが望ましい。また、含水率を上げれば出力電圧が上昇するので、出力電圧を上昇させた後に直結状態にすれば、大きな出力電圧が負荷にそのまま印加されて、負荷の損失が低減され、当該負荷の効率を向上させることが可能となる。
しかしながら、スイッチング動作を停止すれば、電圧調整装置は、交流電圧を生成して燃料電池に印加することができなくなる。これにより、出力電圧及び出力電流の交流信号成分を検出することができなくなり、燃料電池のインピーダンスの算出や実含水率の推定ができなくなる。
従って、電圧調整装置がスイッチング動作を停止した場合、制御装置は、実含水率に基づいて燃料電池を適切に制御することができなくなる。これにより、燃料電池内の水分量（実含水率）が過度に低下すれば、電解質膜が劣化すると共に、燃料電池の電流電圧特性（ＩＶ特性）が低下し、発電効率が低下する。この結果、燃料電池システム全体の効率が低下するおそれがある。
一方、最初から含水率を高くした状態で燃料電池システムを運転し続けると、水分量の増加による触媒のシンタリングの頻度が増加する等の問題が発生し、燃料電池の耐久性が却って低下してしまう。
このように、従来の燃料電池システムでは、損失を低減するために電圧調整装置を直結状態にすれば、実含水率を推定できなくなって燃料電池を適切に制御することができなくなる。また、単純に、高い含水率で運転し続けると、燃料電池の耐久性が低下する。この結果、燃料電池システムの効率が却って低下し、直結状態による電圧調整装置の損失の低減と、含水率の増加による負荷の損失の低減との２つの効果を得ることができない。
また、このような燃料電池システムを適用した燃料電池車両では、当該車両を駆動するモータが負荷に含まれるので、上述したシステム全体の効率の低下に起因して、燃費が低下するおそれがある。
この発明は、このような種々の課題を考慮してなされたものであり、電圧調整装置を直結状態にした場合に、実含水率及び燃料電池のＩＶ特性の低下を抑制することで、システム全体の効率を向上させることが可能となる燃料電池システム、及び、当該燃料電池システムを適用した燃料電池車両を提供することを目的とする。
この発明は、燃料電池と、負荷と、前記燃料電池の出力電圧を調整して前記負荷に印加する電圧調整装置と、前記電圧調整装置を制御する制御装置と、前記燃料電池内の実含水率を検知する含水率検知部とを備える燃料電池システム、及び、当該燃料電池システムを適用した燃料電池車両に関する。
この場合、前記制御装置は、前記出力電圧の目標値に交流信号を重畳した指令信号を前記電圧調整装置に出力することにより前記電圧調整装置を制御する。また、前記含水率検知部は、前記出力電圧に含まれる交流信号成分を検出し、検出した前記交流信号成分に基づいて前記実含水率を検知する。
そして、上記の目的を達成するため、この発明において、前記制御装置は、前記電圧調整装置を直結状態にする前に、前記実含水率が所定の目標含水率に増加するまで前記電圧調整装置による前記出力電圧の調整動作を継続させ、その後、前記電圧調整装置を前記直結状態にする。すなわち、この発明では、前記直結状態になる直前に、前記実含水率を予め嵩上げして、通常運転時の含水率よりも高くした後に、前記電圧調整装置を直結状態にする。
これにより、前記電圧調整装置のスイッチング動作（昇降圧動作）が停止して、前記実含水率を検知できない場合でも、前記直結状態における前記実含水率の低下に起因した前記燃料電池の電流電圧特性（ＩＶ特性）の低下を抑制することが可能となる。また、前記直結状態にする直前に前記実含水率を増加させるので、触媒のシンタリングの増加を抑制することが可能となり、前記燃料電池の耐久性を確保することができる。しかも、前記実含水率が前記目標含水率に到達するまでは、前記電圧調整装置を一定期間昇圧し続けると共に、前記実含水率の検知を優先させることができる。また、前記実含水率が前記目標含水率に到達したときに前記電圧調整装置を直結状態にすることで、前記燃料電池のＩＶ特性の低下を効果的に抑制することができる。なお、前記目標含水率は、前記直結状態において、前記ＩＶ特性の低下を抑制できる程度の値であることが好ましい。
従って、この発明では、前記直結状態による前記電圧調整装置の損失の低減と、前記実含水率の増加による前記負荷の損失の低減との２つの効果を容易に得ることができるので、前記燃料電池の発電効率を含めた前記燃料電池システム全体の効率を向上させることができる。
この結果、上述の燃料電池システムを前記燃料電池車両に適用する場合、前記燃料電池システムの前記負荷に、当該燃料電池車両の駆動モータが含まれていれば、前記燃料電池システム全体の効率向上に伴い、前記燃料電池車両の燃費性能を容易に向上させることができる。
また、この発明において、前記燃料電池システムは、前記制御装置により制御され、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給装置をさらに備える。この場合、前記制御装置は、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給圧力若しくは供給量を増加させるか、前記燃料電池の発電量を増加させるか、前記反応ガスの加湿量を増加させるか、又は、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を低下させることにより、前記実含水率及び前記出力電圧を増加させればよい。
いずれの場合であっても、前記実含水率を増加させることで、前記出力電圧を容易に増加させることができる。また、前記出力電圧を増加させた後に前記電圧調整装置を直結状態にすることで、大きな前記出力電圧が前記負荷に印加されるので、当該負荷の損失が低減され、前記負荷の効率を向上させることができる。
ここで、前記ガス供給装置は、前記燃料電池のアノードに対して燃料ガスを給排する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池のカソードに対して酸化剤ガスを給排する酸化剤ガス供給装置とを含む。この場合、前記制御装置は、前記酸化剤ガス供給装置を制御して前記カソードに対する前記酸化剤ガスの供給圧力又は前記供給量を増加させることで、前記電圧調整装置を直結状態にする前に、前記実含水率及び前記出力電圧を容易に増加させることができる。
また、前記酸化剤ガス供給装置は、前記カソードに供給用酸化剤ガスを供給するための供給配管と、前記カソードからの排出用酸化剤ガスを外部に排出するための排出配管と、前記供給配管に設けられ、前記供給用酸化剤ガスを前記カソードに送り込むポンプと、前記カソードと前記ポンプとの間に設けられ、前記供給用酸化剤ガスを加湿する加湿器と、前記カソードと前記加湿器との間に設けられ、前記供給配管における前記加湿器の下流側に前記排出用酸化剤ガスの一部を供給する再循環機構とを有する。
そして、前記制御装置は、前記ポンプを制御することにより前記供給用酸化剤ガスの供給圧力又は供給量を増加させ、一方で、前記再循環機構を制御することにより前記供給配管に供給される前記排出用酸化剤ガスの供給量を調整する。これにより、前記電圧調整装置を直結状態にする前に、前記実含水率を効率よく前記目標含水率にまで増加させることができる。
また、前記含水率検知部は、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、前記出力電圧及び前記出力電流を用いて前記燃料電池のインピーダンスを算出するインピーダンス算出部と、前記インピーダンスに応じた前記実含水率を推定する実含水率推定部とを有する。この場合、前記インピーダンス算出部及び前記実含水率推定部を前記制御装置内に設ければ、前記制御装置は、推定した前記実含水率に基づいて、前記燃料電池を適切に制御することができる。
なお、上記の各発明において、前記電圧調整装置は、前記燃料電池の出力電圧を制御することによって、又は、前記燃料電池の出力電流を制御することによって、当該電圧調整装置の前記燃料電池側と前記負荷側との電圧差を調整してもよい。すなわち、前記電圧調整装置は、前記出力電圧を制御することにより当該出力電圧を調整して前記負荷に印加するデバイスや、前記出力電流を制御することにより前記出力電圧を調整して前記負荷に印加するデバイスを含む概念である。
この発明によれば、制御装置は、電圧調整装置を直結状態にする前に、実含水率を増加させる。すなわち、この発明では、前記直結状態になる直前に、前記実含水率を予め嵩上げして、通常運転時の含水率よりも高くした後に、前記電圧調整装置を直結状態にする。
これにより、前記電圧調整装置のスイッチング動作が停止して、前記実含水率を検知できない場合でも、前記直結状態における前記実含水率の低下に起因した燃料電池のＩＶ特性の低下を抑制することが可能となる。また、前記直結状態にする直前に前記実含水率を増加させるので、触媒のシンタリングの増加を抑制することが可能となり、前記燃料電池の耐久性を確保することができる。
従って、この発明では、前記直結状態による前記電圧調整装置の損失の低減と、前記実含水率の増加による前記負荷の損失の低減との２つの効果を容易に得ることができるので、前記燃料電池の発電効率を含めた燃料電池システム全体の効率を向上させることができる。
この結果、前記燃料電池システムを燃料電池車両に適用する場合、前記燃料電池システムの前記負荷に、当該燃料電池車両の駆動モータが含まれていれば、前記燃料電池システム全体の効率向上に伴い、前記燃料電池車両の燃費性能を容易に向上させることができる。
この実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池車両の概略全体構成図である。 図１の燃料電池車両の電力系のブロック図である。 図１の燃料電池ユニットの概略構成図である。 図１の燃料電池のＩＶ特性図である。 この実施形態でのＥＣＵによる制御のフローチャートである。 この実施形態におけるＦＣＶＣＵを昇降圧状態から直結状態に移行するまでのタイミングチャートの一例を示す図である。
この発明に係る燃料電池システム及び燃料電池車両について、好適な実施形態を、図１〜図６を参照しながら、以下詳細に説明する。
［燃料電池車両１０及び燃料電池システム１２の概略全体構成］
図１は、この実施形態に係る燃料電池車両１０（以下、「ＦＣ車両１０」ともいう。）の概略全体構成図であり、当該ＦＣ車両１０に燃料電池システム１２（以下、「ＦＣシステム１２」ともいう。）が適用される。
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と、駆動モータ１４（以下、「モータ１４」ともいう。）と、負荷駆動回路１６（以下、「ＩＮＶ１６」ともいう。ＩＮＶ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ。）とを有する。
ＦＣシステム１２は、基本的には、一方の１次側１Ｓｆに配置される燃料電池ユニット１８（以下、「ＦＣユニット１８」ともいう。）と、他方の１次側１Ｓｂに配置される高電圧バッテリ２０（以下、「ＢＡＴ２０」ともいう。）と、１次側１Ｓｆと２次側２Ｓ側との間に配置される昇圧コンバータ２２（以下、「ＦＣＶＣＵ２２」ともいう。ＶＣＵ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）と、１次側１Ｓｂと２次側２Ｓ側との間に配置される昇降圧コンバータ２４（以下、「ＢＡＴＶＣＵ２４」ともいう。）と、電子制御装置２６（以下、「ＥＣＵ２６」ともいう。ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）とを有する。なお、ＢＡＴＶＣＵ２４は、昇圧コンバータであってもよい。
モータ１４は、ＦＣユニット１８及びＢＡＴ２０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２８を通じて車輪３０を回転させる。
ＩＮＶ１６は、３相ブリッジ型の構成とされ、直流／交流変換を行い、直流電圧である負荷駆動回路入力端電圧Ｖｉｎｖ［Ｖ］（以下、「負荷端電圧Ｖｉｎｖ」ともいう。）を３相の交流電圧に変換してモータ１４に供給する一方、モータ１４の回生動作に伴う交流／直流変換後の負荷端電圧Ｖｉｎｖを、ＢＡＴＶＣＵ２４を通じてＢＡＴ２０に供給（充電）する。
なお、この実施形態において、モータ１４は、ＰＭモータ（永久磁石同期モータ）を採用している。また、所定トルクでのモータ１４の回転数を上げるために弱め界磁制御を適用してもよい。
モータ１４及びＩＮＶ１６を併せて負荷３２ともいう。実際上、負荷３２には、モータ１４等の他に、ＢＡＴＶＣＵ２４、後述するエアポンプ３４、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）ポンプ３６、ウォータポンプ３８、エアコンディショナ４０、及び、降圧コンバータ４２等の構成要素を含めることもできる。エアポンプ３４、ＥＧＲポンプ３６、ウォータポンプ３８、及び、エアコンディショナ４０は、高電圧の補機負荷であり、燃料電池スタック４４（以下、「ＦＣ４４」ともいう。）及び／又はＢＡＴ２０から電力が供給される。
［ＦＣユニット１８の概略構成］
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、ＦＣ４４と、ＦＣ４４のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排する燃料ガス供給装置としてのアノード系４６と、ＦＣ４４のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排する酸化剤ガス供給装置としてのカソード系４８と、ＦＣ４４を冷却する冷却系５０と、セル電圧モニタ５２とを備える。
ＦＣ４４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を積層した構造を有する。後述するアノード流路５４を介してアノード電極に供給された水素は、電極触媒上で水素イオン化され、電解質膜を介してカソード電極へと移動する。その移動の間に生じた電子が外部回路に取り出されることで、出力電圧としての直流電圧Ｖｆｃ（以下、「ＦＣ発電電圧Ｖｆｃ」ともいう。）が発生し、電気エネルギとして利用に供することができる。一方、カソード電極には、後述するカソード流路５６を介して酸化剤ガスが供給される。そのため、カソード電極では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
アノード系４６は、水素タンク５８、レギュレータ６０、エゼクタ６２及びパージ弁６４を有する。水素タンク５８は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管５８ａ、レギュレータ６０、配管６０ａ、エゼクタ６２及び配管６２ａを介して、アノード流路５４の入口に接続されている。これにより、水素タンク５８の水素は、配管５８ａ、６０ａ、６２ａ等を介して、アノード流路５４に供給可能である。なお、配管５８ａには、図示しない遮断弁が設けられており、ＦＣ４４の発電の際、当該遮断弁は、ＥＣＵ２６により開とされる。
レギュレータ６０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６０は、配管６０ｂ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、後記のように、酸素濃度を変化させるべくエアポンプ３４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６２は、水素タンク５８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６２ｂのアノードオフガスを吸引する。
アノード流路５４の出口は、配管６２ｂを介して、エゼクタ６２の吸気口に接続されている。そして、アノード流路５４から排出されたアノードオフガス（水素）は、配管６２ｂを通って、エゼクタ６２に再度導入されることで循環する。
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６２ｂ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、図示しない気液分離器が設けられている。
配管６２ｂの一部は、配管６４ａ、パージ弁６４及び配管６４ｂを介して、後記する配管６６ｂに設けられた希釈ボックス６８に接続されている。パージ弁６４は、ＦＣ４４の発電が安定していないと判定された場合、ＥＣＵ２６からの指令に基づき所定時間、開となる。希釈ボックス６８は、パージ弁６４からのアノードオフガス中の水素を、カソードオフガス（酸化剤オフガス）で希釈する。
カソード系４８は、エアポンプ３４、加湿器７０、ＥＧＲポンプ３６を含む再循環機構７２、背圧弁６６、循環弁７４、流量センサ７６、７８及び温度センサ８０を有する。
エアポンプ３４は、供給用酸化剤ガスとしての外気（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、供給配管としての配管３４ａを介して、車外（外部）と連通している。エアポンプ３４の吐出口は、配管３４ｂ、加湿器７０及び配管７０ａを介して、カソード流路５６の入口に接続されている。エアポンプ３４がＥＣＵ２６の指令に従って作動すると、エアポンプ３４は、配管３４ａ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３４ｂ等を通ってカソード流路５６に圧送される。
加湿器７０は、水分透過性を有する複数の中空糸膜７０ｅを備えている。そして、加湿器７０は、中空糸膜７０ｅを介して、カソード流路５６に向かう空気と、カソード電極で生成された水とによって多湿の状態（湿潤状態）とされ、且つ、カソード流路５６から排出されたカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路５６に向かう空気を加湿する。
カソード流路５６の出口側には、配管７０ｂ、加湿器７０、配管６６ａ、背圧弁６６及び配管６６ｂが配置されている。カソード流路５６から排出された排出用酸化剤ガスとしてのカソードオフガスは、排出配管としての配管７０ｂ、６６ａ、６６ｂ等を通って、車外に排出される。
背圧弁６６は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ２６によって制御されることで、カソード流路５６における空気の圧力を制御する。より具体的には、背圧弁６６の開度が小さくなると、カソード流路５６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６６の開度が大きくなると、カソード流路５６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６６ｂは、配管７４ａ、循環弁７４及び配管７４ｂを介して、エアポンプ３４の上流側の配管３４ａ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７４ａ、循環弁７４及び配管７４ｂを通って、配管３４ａに供給され、車外からの新規空気に合流し、エアポンプ３４に吸気される。なお、循環弁７４は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ２６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７６は、配管３４ｂに取り付けられ、カソード流路５６に向かう空気の流量［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ２６に出力する。流量センサ７８は、配管７４ｂに取り付けられ、配管３４ａに向かう循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ２６に出力する。
温度センサ８０は、配管６６ａに取り付けられ、カソードオフガスの温度を検出してＥＣＵ２６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８０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。
加湿器７０とＦＣ４４のカソード側との間には、ＥＧＲポンプ３６及び配管３６ａ、３６ｂによって構成される再循環機構７２が配設されている。前述のように、カソードオフガスは、ＦＣ４４での発電によって、湿潤状態となっている。ＥＧＲポンプ３６は、ＥＣＵ２６の指令に従って作動することにより、カソード流路５６から排出されたカソードオフガスの一部を、配管３６ａ、３６ｂを介して配管７０ａに還流させる。これにより、還流されたカソードオフガスの一部は、加湿器７０を通過した空気と合流し、カソード流路５６に再度供給される。この結果、ＦＣ４４のカソード側に供給される水分量を増加させることができる。
冷却系５０は、ウォータポンプ３８、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３８は、ＦＣ４４内に冷却水（冷媒）を循環させることでＦＣ４４を冷却する。ＦＣ４４を冷却することにより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、冷却水の温度を検出して、ＥＣＵ２６に出力する。
セル電圧モニタ５２は、ＦＣ４４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、モニタ本体及び各単セル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を検出して、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出する。そして、算出された平均セル電圧及び最低セル電圧は、ＥＣＵ２６に出力される。
［燃料電池車両１０及び燃料電池システム１２の電力系の概略構成］
図１及び図２に戻り、ＦＣ４４が発電した電力（以下、ＦＣ発電電力Ｐｆｃともいう。Ｐｆｃ＝Ｖｆｃ×Ｉｆｃ、Ｉｆｃ：ＦＣ発電電流）は、電圧調整装置としてのＦＣＶＣＵ２２によってＦＣ発電電圧Ｖｆｃが昇圧されるか、又は、ＦＣＶＣＵ２２が直結状態とされることにより、負荷３２としてのＩＮＶ１６及びモータ１４に供給される（力行時）。
また、ＦＣ発電電力Ｐｆｃは、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて、ＢＡＴＶＣＵ２４を通じ、エアポンプ３４、ＥＧＲポンプ３６、ウォータポンプ３８及びエアコンディショナ４０等の補機に供給される。さらに、ＦＣ発電電力Ｐｆｃは、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて、ＢＡＴＶＣＵ２４を通じ、充電用としてＢＡＴ２０に供給される。さらにまた、ＦＣ発電電力Ｐｆｃは、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて、ＢＡＴＶＣＵ２４及び降圧コンバータ４２を通じ、低電圧バッテリ８８、ライト、アクセサリや各種センサ等の低電圧駆動される補機９０、ＥＣＵ２６及びラジエータファン８４等に供給される。
一方、ＢＡＴ２０からの電力（以下、ＢＡＴ電力Ｐｂａｔともいう。）は、ＢＡＴＶＣＵ２４によってバッテリ電圧Ｖｂが昇圧されるか、又は、ＢＡＴＶＣＵ２４が直結状態とされることにより、ＩＮＶ１６及びモータ１４に供給される（力行時）。また、ＢＡＴ電力Ｐｂａｔは、ＦＣシステム１２の電力状況に応じて、エアポンプ３４等の補機に供給され、さらには、降圧コンバータ４２を通じて低電圧バッテリ８８等に供給される。低電圧バッテリ８８の電力は、補機９０、ＥＣＵ２６及びラジエータファン８４等に供給される。
なお、ＢＡＴ２０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。この実施形態では、リチウムイオン２次電池を利用している。
ＦＣＶＣＵ２２は、図１で模式的に示すように、インダクタ２２ａ、スイッチング素子２２ｂ及びダイオード２２ｃを含み構成され、ＥＣＵ２６を通じてスイッチング素子２２ｂがスイッチング状態（デューティ制御）とされることで、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖに昇圧する。
ここで、スイッチング素子２２ｂがオフ状態（開状態）に維持されると、当該スイッチング素子２２ｂがスイッチング動作を行っていない状態となり、インダクタ２２ａ及びダイオード２２ｃを通じて、ＦＣ４４と負荷３２とが直結状態とされ、負荷端電圧ＶｉｎｖがＦＣ発電電圧Ｖｆｃに直結される（Ｖｉｎｖ＝Ｖｆｃ−Ｖｄ≒Ｖｆｃ、Ｖｄ＜＜Ｖｆｃ、Ｖｄ：ダイオード２２ｃの順方向電圧降下電圧）。この場合、ダイオード２２ｃは、昇圧用又は直結用且つ逆流防止用として動作する。従って、ＦＣＶＣＵ２２は、昇圧動作（力行時等）の他に逆流防止動作、直結動作（力行時等）を行う。
一方、ＢＡＴＶＣＵ２４は、インダクタ２４ａと、スイッチング素子２４ｂ、２４ｄと、これらスイッチング素子２４ｂ、２４ｄにそれぞれ並列に接続されるダイオード２４ｃ、２４ｅとから構成される。この場合、昇圧時には、ＥＣＵ２６により、スイッチング素子２４ｄがオフ状態とされ、スイッチング素子２４ｂがスイッチング（デューティ制御）されることでバッテリ電圧Ｖｂ（蓄電電圧）が所定の負荷端電圧Ｖｉｎｖまで昇圧される（力行時）。
一方、降圧時には、ＥＣＵ２６により、スイッチング素子２４ｂがオフ状態とされ、スイッチング素子２４ｄがスイッチング（デューティ制御）されることで、負荷端電圧ＶｉｎｖがＢＡＴ２０のバッテリ電圧Ｖｂまで降圧される（回生充電時、あるいはＦＣ４４による充電時）。また、スイッチング素子２４ｂをオフ状態、スイッチング素子２４ｄをオン状態とすることで、ＢＡＴ２０と負荷３２とが直結状態（ＢＡＴ直結状態という。力行時、充電時、又は補機負荷等の駆動時）とされる。
ＢＡＴ直結状態においては、ＢＡＴ２０のバッテリ電圧Ｖｂが負荷端電圧Ｖｉｎｖになる（Ｖｂ＝Ｖｉｎｖ）。実際上、ＢＡＴ直結状態におけるＢＡＴ２０による力行時の負荷端電圧Ｖｉｎｖは、「Ｖｂ−ダイオード２４ｅの順方向降下電圧」となり、充電時（回生時含む）の負荷端電圧Ｖｉｎｖは、「Ｖｉｎｖ＝Ｖｂ＋スイッチング素子２４ｄのオン電圧＝Ｖｂ（スイッチング素子２４ｄのオン電圧を０［Ｖ］と仮定した場合。）」になる。
なお、図１のＦＣＶＣＵ２２及びＢＡＴＶＣＵ２４において、１次側１Ｓｆ、１Ｓｂ、及び、２次側２Ｓ間に配置される平滑コンデンサについては、図示を省略している。
ＦＣ４４は、図４に示すように、ＦＣ発電電圧ＶｆｃがＦＣ開放端電圧Ｖｆｃｏｃｖより低下するに従い、出力電流としてのＦＣ発電電流Ｉｆｃが増加する公知の電流電圧特性（ＩＶ特性）である特性９２を有する。
そのため、ＦＣＶＣＵ２２の直結時においては、ＦＣ４４のＦＣ発電電圧Ｖｆｃが、昇圧状態（スイッチング状態）のＢＡＴＶＣＵ２４の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｂ）で決定される負荷端電圧Ｖｉｎｖ｛ＢＡＴＶＣＵ２４の指令電圧（目標電圧）になる。｝により制御される。そのため、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃが決定されると、特性９２に沿ってＦＣ発電電流Ｉｆｃが制御（決定）される。
また、ＦＣＶＣＵ２２の昇圧時においては、ＦＣＶＣＵ２２の１次側１Ｓｆの電圧、すなわち、ＦＣ発電電圧ＶｆｃがＦＣＶＣＵ２２の指令電圧（目標電圧）とされ、特性９２に沿ってＦＣ発電電流Ｉｆｃが決定される。これにより、所望の負荷端電圧ＶｉｎｖとなるようにＦＣＶＣＵ２２の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）が決定される。
さらに、ＢＡＴＶＣＵ２４の回生時直結状態においては、ＦＣ４４のＦＣ発電電圧Ｖｆｃが、ＦＣＶＣＵ２２の指令電圧（目標電圧）とされる。これにより、負荷端電圧Ｖｉｎｖの変化に応じてＦＣＶＣＵ２２の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）が変化するように決定され、特性９２に沿ってＦＣ発電電流Ｉｆｃが制御（決定）される。
さらにまた、ＢＡＴＶＣＵ２４の力行時直結状態においては、ＦＣ４４のＦＣ発電電圧Ｖｆｃが、ＦＣＶＣＵ２２の指令電圧（目標電圧）とされる。これにより、負荷端電圧Ｖｉｎｖの変化に応じてＦＣＶＣＵ２２の昇圧比（Ｖｉｎｖ／Ｖｆｃ）が変化するように決定され、ＦＣ発電電流Ｉｆｃが制御（決定）される。
なお、ＦＣＶＣＵ２２とＢＡＴＶＣＵ２４との同時直結状態は、負荷端電圧Ｖｉｎｖの制御が不能となったり、ＦＣ４４及びＢＡＴ２０を劣化させたり、損傷させる可能性があるので、回避される。
この実施形態において、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑが正である力行時には、ＦＣＶＣＵ２２が直結状態にされ、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃになっている負荷端電圧ＶｉｎｖがＢＡＴＶＣＵ２４の指令電圧（目標電圧）である負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍにされる。この場合、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑの正方向への増加に応じて、負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍが低下される、換言すれば、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃが低下されることでＦＣ発電電流Ｉｆｃが増加され（ＦＣ発電電力Ｐｆｃが増加され）、ＩＮＶ１６を通じて駆動モータ１４に供給されると共に、ＢＡＴＶＣＵ２４を通じてＢＡＴ２０が充電され、且つ、エアポンプ３４等の補機に供給される。
また、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑが負である回生時には、回生電力をなるべくＢＡＴ２０に取り込むべく（充電量を大きくすべく）、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃは、ＦＣ発電電流Ｉｆｃが比較的に小さくなるＦＣ発電電流Ｉｆｃｌ（図４参照）を発電する比較的高い一定値のＦＣ発電電圧Ｖｆｃｈに設定される。この場合において、バッテリ電圧ＶｂがＦＣ発電電圧Ｖｆｃ以下（Ｖｂ≦Ｖｆｃ）の値である場合、ＢＡＴＶＣＵ２４の目標電圧（２次側電圧）が負荷端指令電圧ＶｉｎｖｃｏｍとされＦＣ発電電圧Ｖｆｃｈに固定される。
一方、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑが負である回生時であっても、バッテリ電圧ＶｂがＦＣ発電電圧Ｖｆｃを上回る（Ｖｂ＞Ｖｆｃ）値となった場合、回生電力をなるべくＢＡＴ２０に取り込むべく（充電量を大きくすべく）、ＢＡＴＶＣＵ２４は、スイッチング状態（電圧制御状態）からＢＡＴＶＣＵ２４の直結状態に移行され、この後、負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍがバッテリ電圧Ｖｂとされ、バッテリ電圧Ｖｂは、前記回生電力の充電により徐々に増加する。
ＢＡＴＶＣＵ２４が、スイッチング状態（電圧制御状態）からＢＡＴＶＣＵ２４の直結状態に移行するのに同期して、ＦＣＶＣＵ２２は、直結状態からスイッチング状態（電圧制御状態）に移行し、このＦＣＶＣＵ２２のスイッチング状態（電圧制御状態）での２次側電圧制御により、負荷端指令電圧Ｖｉｎｖｃｏｍを増加させ、この増加に応じてバッテリ電圧Ｖｂを順次増加させることができる。
ＥＣＵ２６は、通信線９４（図１及び図２参照）を介して、モータ１４、ＩＮＶ１６、ＦＣユニット１８、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２２及びＢＡＴＶＣＵ２４を制御する。当該制御に際しては、図示しないメモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、ＦＣ４４のＦＣ発電電圧Ｖｆｃ、ＦＣ発電電流Ｉｆｃ、ＦＣ温度Ｔｆｃ（ウォータポンプ３８により流通される冷媒の温度等）、ＢＡＴ２０のバッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ温度Ｔｂ、ＩＮＶ１６の負荷端電圧Ｖｉｎｖ、２次電流Ｉ２、モータ電流Ｉｍ、モータ温度Ｔｍ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、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ９６、ＦＣ発電電流Ｉｆｃを検出する電流センサ９８、バッテリ電圧Ｖｂを検出する電圧センサ１００、及び、バッテリ電流Ｉｂを検出する電流センサ１０２等に加え、開度センサ１０４及びモータ回転数センサ１０６が含まれる。開度センサ１０４は、アクセルペダル１０８の開度θｐ［度、ｄｅｇ］を検出する。モータ回転数センサ１０６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。
ＥＣＵ２６は、回転数Ｎｍに基づいてＦＣ車両１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。ＦＣ車両１０においてモータ回転数センサ１０６は、車速センサを兼用するが別途設けてもよい。
さらに、ＥＣＵ２６には、メインスイッチ１１０（以下「メインＳＷ１１０」という。）が接続される。メインＳＷ１１０は、内燃機関自動車のイグニッションスイッチに相当するものであり、ＦＣユニット１８及びＢＡＴ２０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。メインＳＷ１１０がオン状態にされるとＦＣ４４が発電状態となり、オフ状態にされると発電停止状態となる。
ＥＣＵ２６は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、計時部としてのタイマ等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、例えば、制御部、演算部、及び、処理部等として機能する。なお、ＥＣＵ２６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、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２２及びＢＡＴＶＣＵ２４毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。
ＥＣＵ２６は、ＦＣ４４の状態、ＢＡＴ２０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、ＦＣ４４が負担すべき負荷と、ＢＡＴ２０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、ＩＮＶ１６、ＦＣユニット１８、ＢＡＴ２０、ＦＣＶＣＵ２２及びＢＡＴＶＣＵ２４に指令を送出する。
［燃料電池車両１０及び燃料電池システム１２の特徴的な機能（構成）］
次に、この実施形態に係るＦＣ車両１０及びＦＣシステム１２の特徴的な機能（構成）について説明する。
この実施形態の特徴的な機能とは、ＦＣＶＣＵ２２によってＦＣ発電電圧Ｖｆｃを昇降圧した後にＦＣＶＣＵ２２を直結状態にする場合、直結状態にする直前の昇降圧動作（スイッチング動作）の時間帯に、ＦＣ４４内の実際の含水率（実含水率）を、通常時の含水率よりも高くするというものである。
この機能を達成するため、ＥＣＵ２６は、目標電圧設定部１１２、交流信号生成部１１４、指令信号生成部１１６、直結要求判定部１１８、目標含水率設定部１２０、インピーダンス算出部１２２、実含水率推定部１２４及び含水率判定部１２６を含み構成される。また、電圧センサ９６、電流センサ９８、インピーダンス算出部１２２及び実含水率推定部１２４により、ＦＣ４４内の実含水率を検知するための含水率検知部１２８が構成される。
目標電圧設定部１１２は、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃの目標値（目標電圧）を設定するものであり、前述のように、昇圧比等により決定される。交流信号生成部１１４は、実含水率を検知するためにＦＣ４４に印加される交流信号を生成する。交流信号は、ＥＣＵ２６によるＦＣシステム１２の制御に影響を与えない程度の振幅及び周波数を有する交流波信号（正弦波信号）であることが好ましい。指令信号生成部１１６は、目標電圧設定部１１２で設定された目標電圧に、交流信号生成部１１４で生成された交流信号を重畳し、重畳した電圧（信号）を指令信号（指令電圧）として出力する。従って、ＥＣＵ２６は、指令信号生成部１１６で生成された指令信号を、ＦＣＶＣＵ２２に対する指令信号として、通信線９４を介してＦＣＶＣＵ２２に供給することができる。
ＦＣＶＣＵ２２は、通信線９４を介して供給された指令信号中の目標電圧に基づいて、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃに対する昇降圧動作を行う一方で、指令信号中の交流信号に基づいて、スイッチング素子２２ｂをスイッチング動作させることにより、交流電圧を生成し、生成した交流電圧をＦＣ４４に印加する。
従って、電圧センサ９６は、ＦＣ４４に印加された交流電圧（交流波信号成分）を含むＦＣ発電電圧Ｖｆｃを検出し、その検出結果を、通信線９４を介してＥＣＵ２６に出力する。一方、電流センサ９８は、交流電圧の印加に起因してＦＣ４４に流れる交流電圧（交流波信号成分）を含むＦＣ発電電流Ｉｆｃを検出し、その検出結果を、通信線９４を介してＥＣＵ２６に出力する。
これにより、インピーダンス算出部１２２は、電圧センサ９６の検出結果に含まれるＦＣ発電電圧Ｖｆｃの交流波信号成分と、電流センサ９８の検出結果に含まれるＦＣ発電電流Ｉｆｃの交流波信号成分とに基づいて、ＦＣ４４のインピーダンスを算出する｛（ＦＣ４４のインピーダンス）＝（Ｖｆｃの交流波信号成分）／（Ｉｆｃの交流波信号成分）｝。
また、実含水率推定部１２４は、インピーダンス算出部１２２が算出したインピーダンスに基づいて、ＦＣ４４内の実含水率を推定する。この場合、実含水率推定部１２４は、例えば、インピーダンスと実含水率との関係を示すマップを予め持っておき、当該マップを用いて、インピーダンス算出部１２２が算出したインピーダンスに対応する実含水率を特定することで、当該実含水率を推定することができる。
従って、ＥＣＵ２６では、実含水率推定部１２４が推定した実含水率の値を考慮して、ＦＣユニット１８やＦＣＶＣＵ２２等を制御することができる。
直結要求判定部１１８は、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑが所定の閾値（以下、直結閾値Ｐｍｏｔｔｈともいう。）以下となった場合、ＦＣＶＣＵ２２を昇降圧状態から直結状態に移行すべきことを判定する。
ところで、ＦＣシステム１２の効率を考慮する場合、ＦＣＶＣＵ２２のスイッチング動作を停止して、ＦＣ４４とＩＮＶ１６とを直結状態とし、スイッチング動作に起因した損失を低減できることが望ましい。また、実含水率を上げればＦＣ発電電圧Ｖｆｃが上昇するので、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを上昇させた後に直結状態にすれば、大きなＦＣ発電電圧Ｖｆｃがそのまま負荷端電圧ＶｉｎｖとしてＩＮＶ１６に印加される。この結果、負荷３２の損失が低減され、当該負荷３２の効率を向上させることが可能となる。
しかしながら、スイッチング動作を停止すれば、ＦＣＶＣＵ２２は、交流電圧を生成してＦＣ４４に印加することができなくなる。これにより、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃ及びＦＣ発電電流Ｉｆｃの交流信号成分を検出することができなくなり、ＦＣ４４のインピーダンスの算出や実含水率の推定ができなくなる。
従って、ＦＣＶＣＵ２２がスイッチング動作を停止した場合、ＥＣＵ２６は、実含水率に基づいてＦＣシステム１２を適切に制御することができなくなる。これにより、ＦＣ４４内の水分量（実含水率）が過度に低下すれば、電解質膜が劣化すると共に、ＦＣ４４の特性９２が低下し、発電効率が低下する。この結果、ＦＣシステム１２全体の効率が低下するおそれがある。
一方、最初から実含水率を高くした状態でＦＣシステム１２を運転し続けると、水分量の増加による電極触媒のシンタリングの頻度が増加する等の問題が発生し、ＦＣ４４の耐久性が却って低下してしまう。
このような問題が惹起されることを回避するため、目標含水率設定部１２０は、直結要求判定部１１８がＦＣＶＣＵ２２を直結状態に移行すべき旨を判定した場合、直結状態にした時点でのＦＣ４４内の実含水率の目標値（目標含水率）を設定する。この場合、目標含水率とは、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にした場合に、特性９２の低下を抑制できる程度（直結状態にした後に実含水率が低下して特性９２が多少低下しても電解質膜の劣化等が発生しない程度）の比較的高い含水率の値であることが好ましい。
従って、直結要求判定部１１８がＦＣＶＣＵ２２を昇圧状態から直結状態に移行すべきことを判定し、目標含水率設定部１２０が目標含水率を設定した場合に、ＥＣＵ２６は、ＦＣＶＣＵ２２が直結状態になる時点で、ＦＣ４４内の実含水率が目標含水率となるように、ＦＣユニット１８及びＦＣＶＣＵ２２等を制御する。
含水率判定部１２６は、ＦＣ４４内の実含水率が目標含水率にまで増加したか否かを判定する。実含水率が目標含水率に到達したことを含水率判定部１２６が判定した場合、ＥＣＵ２６は、直結状態となるようにＦＣＶＣＵ２２を制御する。
［ＥＣＵ２６によるＦＣシステム１２の制御の説明］
この実施形態に係るＦＣ車両１０及びＦＣシステム１２は、以上のように構成される。
次に、ＦＣ車両１０及びＦＣシステム１２の動作の一例として、ＥＣＵ２６によるＦＣシステム１２の制御、具体的には、昇降圧状態にあるＦＣＶＣＵ２２を直結状態に移行させる場合でのＥＣＵ２６の制御動作について、図５のフローチャート及び図６のタイミングチャートを参照しながら説明する。この説明では、必要に応じて、図１〜図４も参照しながら説明する。
ここでは、主として、ＦＣユニット１８及びＦＣＶＣＵ２２に対する制御について説明し、ＢＡＴＶＣＵ２４に対する制御については説明を省略する。なお、ＢＡＴＶＣＵ２４は、例えば、図５のフローチャート又は図６のタイミングチャートの時間帯では、昇降圧状態が継続して行われる。
図５のフローチャートの処理は、図６のタイミングチャートの時間帯において、繰り返し実行される。
すなわち、ステップＳ１にて、ＥＣＵ２６の直結要求判定部１１８は、負荷３２の要求電力であるモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑ［ｋＷ］が閾値Ｐｍｏｔｔｈ以下であるか否か（Ｐｍｏｔｒｅｑ≦Ｐｍｏｔｔｈであるか否か）、すなわち、ＦＣＶＣＵ２２を昇降圧状態から直結状態に移行すべきか否かを判定する。
モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑが閾値Ｐｍｏｔｔｈを超えている場合（ステップＳ１：ＮＯ、時点ｔ０〜ｔ１）、次のステップＳ２において、ＥＣＵ２６の目標含水率設定部１２０は、ＦＣＶＣＵ２２が昇降圧状態である場合における適切な目標含水率（モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑに応じた所望の目標含水率）を設定する。ＥＣＵ２６は、設定された目標含水率やモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑ等に基づいて、目標電圧設定部１１２、交流信号生成部１１４及び指令信号生成部１１６を制御する。
これにより、目標電圧設定部１１２、交流信号生成部１１４及び指令信号生成部１１６は、昇降圧状態での目標電圧、交流信号及び指令信号をそれぞれ設定する。従って、ＥＣＵ２６は、指令信号生成部１１６が生成した指令信号を、通信線９４を介してＦＣＶＣＵ２２に供給することにより、ＦＣＶＣＵ２２に昇降圧動作を行わせることができる。
また、ＦＣＶＣＵ２２は、昇降圧動作に伴って交流電圧を生成し、ＦＣ４４に印加する。そのため、電圧センサ９６は、交流波信号成分を含むＦＣ発電電圧Ｖｆｃを検出すると共に、電流センサ９８は、交流波信号成分を含むＦＣ発電電流Ｉｆｃを検出することができる。これにより、インピーダンス算出部１２２は、これらの交流波信号成分に基づいて、ＦＣ４４内のインピーダンスを算出し、実含水率推定部１２４は、算出されたインピーダンスに基づき、ＦＣ４４内の実含水率を推定することができる。
ステップＳ３において、ＥＣＵ２６は、設定された目標含水率やモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑ等に基づいて、ＦＣ４４内の実含水率が目標含水率となるように、ＦＣユニット１８を制御する。例えば、ＥＣＵ２６が通信線９４を介してエアポンプ３４を制御することにより、エアポンプ３４は、目標含水率に応じた適切な供給量又は供給圧力の空気をカソード流路５６に供給することができる。
この結果、時点ｔ０〜ｔ１において、ＦＣＶＣＵ２２は、昇降圧状態を継続して行い、ＦＣ発電電力Ｐｆｃ、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃ、エアポンプ３４からカソード流路５６に供給される空気の圧力、及び、負荷３２の損失は、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑに応じて変化する。また、ＦＣ４４内の実含水率は、目標含水率に追従して変化する。なお、ＥＧＲポンプ３６は、所定回転数で回転していてもよいし、又は、回転を停止していてもよい。
次に、ステップＳ１の処理が再度実行され、時点ｔ１でモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑが閾値Ｐｍｏｔｔｈ以下となった場合（Ｐｍｏｔｒｅｑ≦Ｐｍｏｔｔｈ、ステップＳ１：ＹＥＳ）、直結要求判定部１１８は、ＦＣＶＣＵ２２を昇降圧状態から直結状態に移行すべきであると判定する。これにより、次のステップＳ４において、目標含水率設定部１２０は、モータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑも考慮して、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にした時点における適切な目標含水率を設定する。
次のステップＳ５において、ＥＣＵ２６は、エアポンプ３４からカソード流路５６に供給される空気の圧力又は供給量を増加させて、ＦＣ４４内の実含水率が目標含水率設定部１２０で設定された目標含水率にまで増加するようにＦＣユニット１８を制御する。この場合、ＥＣＵ２６は、エアポンプ３４に限らず、ＥＧＲポンプ３６の回転数を増加させることで、実含水率を増加させてもよい。
次のステップＳ６において、含水率判定部１２６は、ステップＳ５の制御処理によって、実含水率が目標含水率に到達したか否かを判定する。実含水率が目標含水率に到達していない場合（実含水率＜目標含水率、ステップＳ６：ＮＯ）、ＥＣＵ２６は、次のステップＳ７において、ＦＣＶＣＵ２２によりＦＣ発電電圧Ｖｆｃを昇圧すべく、より高い目標電圧を設定するように目標電圧設定部１１２を制御すると共に、実含水率の検知を継続させるため、交流信号を生成するように交流信号生成部１１４を制御する。
これにより、指令信号生成部１１６は、目標電圧設定部１１２が設定した、より高い目標電圧に、交流信号生成部１１４が生成した交流信号を重畳して、新たな指令信号を生成する。ＥＣＵ２６は、新たな指令信号を、通信線９４を介してＦＣＶＣＵ２２に供給し、ＦＣＶＣＵ２２は、新たな指令信号に基づいて、スイッチング素子２２ｂにスイッチング動作を行わせる。これにより、ＦＣＶＣＵ２２は、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを昇圧しつつ、交流電圧を生成してＦＣ４４に印加する。
従って、電圧センサ９６がＦＣ発電電圧Ｖｆｃを検出し、電流センサ９８がＦＣ発電電流Ｉｆｃを検出することに起因して、インピーダンス算出部１２２は、ＦＣ４４のインピーダンスを算出し、実含水率推定部１２４は、算出されたインピーダンスから実含水率を算出することが可能となる。
前述のように、図５のフローチャートの制御処理は、繰り返し実行されるので、時点ｔ１〜ｔ２の時間帯では、実含水率が目標含水率に到達するまで、ＥＣＵ２６内では、ステップＳ１、Ｓ４〜Ｓ７の処理が繰り返し実行される。
また、時点ｔ１〜ｔ２の時間帯では、実含水率が目標含水率に到達していないので、直結要求判定部１１８がＦＣＶＣＵ２２を直結状態にすべき旨の判定を行った場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）でも、ＥＣＵ２６は、ＦＣＶＣＵ２２の昇圧動作を継続させる。図６の「ＦＣＶＣＵ状態」では、直結要求判定部１１８の判定結果を破線、ＦＣＶＣＵ２２の実際の動作状態を実線で図示している。
また、時点ｔ１〜ｔ２の時間帯では、時間経過に伴い、実含水率は、目標含水率に向かって上昇している。図６の「ＦＣ目標含水率」では、目標含水率を破線、実含水率を実線で図示している。
このように、目標含水率を実含水率にまで上昇させるべく、時点ｔ１〜ｔ２の時間帯では、時間経過に伴い、エアポンプ３４からカソード流路５６に供給される空気の供給圧力が上昇すると共に、ＥＧＲポンプ３６の回転数が所定の高回転数に維持されている。
時点ｔ１〜ｔ２の時間帯でのＦＣＶＣＵ２２の昇圧動作と、空気の供給圧力の上昇と、ＥＧＲポンプ３６の回転数の増加とによって、時間経過に伴い、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃが上昇し、昇圧されたＦＣ発電電圧Ｖｆｃが負荷端電圧ＶｉｎｖとしてＩＮＶ１６に印加されることで、負荷３２の損失が低減される。なお、図６の「負荷の損失」において、図５の制御処理が実行された場合の負荷３２の損失を実線で図示し、当該制御処理を実行しない場合の負荷３２の損失を破線で図示している。
そして、図５の制御処理を再度行い、ステップＳ６で実含水率が目標含水率に到達したと含水率判定部１２６が判定した場合（ステップＳ６：ＹＥＳ、時点ｔ２）、次のステップＳ８において、ＥＣＵ２６は、通信線９４を介してＦＣＶＣＵ２２に直結状態への移行を指示する。これにより、ＦＣＶＣＵ２２は、スイッチング素子２２ｂによるスイッチング動作を停止させ、インダクタ２２ａ及びダイオード２２ｃを介して、ＦＣ４４とＩＮＶ１６とを直結状態にする。
この結果、時点ｔ２以降、ＦＣＶＣＵ２２は、交流電圧を生成せず、ＦＣ４４に交流電圧を印加しないため、インピーダンス算出部１２２は、電圧センサ９６及び電流センサ９８の各検出結果を用いて、ＦＣ４４のインピーダンスを算出することができなくなる。そのため、実含水率推定部１２４は、ＦＣ４４内の実含水率を推定できなくなる。従って、時点ｔ２以降、ＥＣＵ２６は、実含水率を考慮したＦＣＶＣＵ２２やＦＣユニット１８の制御を行うことができない。
但し、前述のように、ＦＣＶＣＵ２２の直結状態に起因した実含水率の低下を考慮して、直結状態の時点での目標含水率を設定し、設定した目標含水率にまで実含水率を増加させた後に、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にするため、時点ｔ２以降、実含水率が低下するような場合でも、特性９２の低下や電解質膜の劣化の発生を抑制することが可能となる。
なお、図６において、時点ｔ２以降、エアポンプ３４からカソード流路５６への空気の供給圧力が一定圧力に維持され、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃが一定電圧に維持され、負荷３２の損失が一定値に維持され、ＥＧＲポンプ３６の回転数が時点ｔ０〜ｔ１の時間帯の回転数に戻っている。
［この実施形態の効果］
この実施形態に係るＦＣ車両１０及びＦＣシステム１２によれば、ＥＣＵ２６は、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にする前に、実含水率を増加させる。すなわち、この実施形態では、ＦＣＶＣＵ２２が直結状態になる直前に、実含水率を予め嵩上げして、通常運転時の実含水率よりも高くした後に、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にする。
これにより、ＦＣＶＣＵ２２のスイッチング素子２２ｂによるスイッチング動作（ＦＣＶＣＵ２２の昇降圧動作）が停止し、実含水率を検知できない場合でも、直結状態における実含水率の低下に起因したＦＣ４４の特性９２の低下を抑制することが可能となる。また、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にする直前に実含水率を増加させるので、電極触媒のシンタリングの増加を抑制することが可能となり、ＦＣ４４の耐久性を確保することができる。
従って、この実施形態では、ＦＣＶＣＵ２２の直結状態による当該ＦＣＶＣＵ２２の損失の低減と、実含水率の増加による負荷３２の損失の低減との２つの効果を容易に得ることができるので、ＦＣ４４の発電効率を含めたＦＣシステム１２全体の効率を向上させることができる。
この結果、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に適用する場合、ＦＣシステム１２の負荷３２に、当該ＦＣ車両１０のモータ１４が含まれていれば、ＦＣシステム１２全体の効率向上に伴い、ＦＣ車両１０の燃費性能を容易に向上させることができる。
また、ＥＣＵ２６がエアポンプ３４を制御して、ＦＣ４４のカソード流路５６に供給する空気の供給圧力又は供給量を増加させることにより、実含水率を増加させて、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを容易に増加させることができる。また、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを増加させた後にＦＣＶＣＵ２２を直結状態にすることで、大きなＦＣ発電電圧Ｖｆｃがそのまま負荷端電圧Ｖｉｎｖとして負荷３２に印加されるので、当該負荷３２の損失が低減され、負荷３２の効率を向上させることができる。
なお、上記の説明では、エアポンプ３４からカソード流路５６に供給される空気の供給圧力又は供給量を増加させることにより、実含水率を増加させる場合について説明した。この実施形態では、実含水率を増加できるのであれば、いかなる方法であっても採用可能である。
例えば、ＥＣＵ２６は、水素タンク５８からアノード流路５４に供給される水素の供給圧力又は供給量を増加させることにより、ＦＣ４４内の水分量を増加させて、実含水率を増加させてもよい。
また、ＥＣＵ２６は、ＦＣ４４の発電量を増加させて、ＦＣ４４内で生成される水分量を増やすことにより、実含水率を増加させてもよい。この場合、ＦＣ４４は、本来必要とされるモータ要求電力Ｐｍｏｔｒｅｑよりも余分に発電するため、負荷３２で消費されない余剰分の電力は、ＢＡＴ２０に充電すればよい。
さらに、ＥＣＵ２６は、ＥＧＲポンプ３６を作動させてカソードオフガスを配管７０ａに還流させ、及び／又は、加湿器７０で空気を加湿させて、カソード流路５６に供給される空気の加湿量を増加させることにより、実含水率を上昇させてもよい。
さらにまた、ＥＣＵ２６は、エアポンプ３４を制御して、カソード流路５６に供給される空気の流量を低下させることにより、カソード流路５６の出口から水分が排出されることを抑制することで、実含水率を上昇させてもよい。
また、ＥＣＵ２６は、ウォータポンプ３８及びラジエータファン８４を動作させることにより、ＦＣ４４を冷却する冷却水の温度を低下させ、ＦＣ４４内での水分の液化を促進させることで、実含水率を上昇させてもよい。
あるいは、加湿器７０内でインジェクションにより水分を噴射させ、噴射した水分を含む加湿された空気をカソード流路５６に供給することにより、実含水率を上昇させてもよい。
いずれの場合であっても、実含水率が増加するので、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを容易に上昇させることができる。
さらに、ＥＣＵ２６は、実含水率が目標含水率にまで上昇したことを含水率判定部１２６が判定するまで、ＦＣＶＣＵ２２によるＦＣ発電電圧Ｖｆｃの昇降圧動作を継続させた後に、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にする。これにより、実含水率が目標含水率に到達するまでは、ＦＣＶＣＵ２２を一定期間昇圧し続けると共に、含水率検知部１２８による実含水率の検知を優先させることができる。また、実含水率が目標含水率に到達したときにＦＣＶＣＵ２２を直結状態にすることで、ＦＣ４４の特性９２の低下を効果的に抑制することができる。
また、ＥＣＵ２６は、エアポンプ３４を制御することにより空気の供給圧力又は供給量を増加させ、一方で、再循環機構７２のＥＧＲポンプ３６を制御することにより配管７０ａに供給されるカソードオフガスの供給量を調整するので、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にする前に、実含水率を効率よく目標含水率にまで増加させることができる。
また、含水率検知部１２８を構成するインピーダンス算出部１２２及び実含水率推定部１２４がＥＣＵ２６内に設けられることにより、ＥＣＵ２６は、推定した実含水率に基づいて、ＦＣ４４を適切に制御することができる。
また、この実施形態では、図６に示すように、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを昇圧して負荷３２に印加する負荷端電圧Ｖｉｎｖを高くする程、負荷３２の損失が低減される。従って、ＦＣ車両１０において、モータ１４の回転数Ｎｍを上げるために弱め界磁制御を行う場合、モータ要求電力ＰｍｏｔｒｅｑがＦＣＶＣＵ２２の直結状態を要求するときには、ＦＣＶＣＵ２２を直結状態にすることで、負荷３２の損失を低減して、ＦＣ車両１０の燃費性能を効果的に高めることが可能となる。
また、この実施形態において、ＦＣＶＣＵ２２は、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを昇圧することにより、すなわち、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを制御することによって、１次側１Ｓｆと２次側２Ｓとの間の電圧差を調整していた。この構成に代えて、ＦＣＶＣＵ２２は、ＦＣ発電電流Ｉｆｃを制御することにより、１次側１Ｓｆと２次側２Ｓとの間の電圧差を調整してもよい（ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを昇圧してもよい）。つまり、ＦＣＶＣＵ２２は、ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを制御することにより当該ＦＣ発電電圧Ｖｆｃを昇圧して負荷３２に印加するデバイスであってもよいし、あるいは、ＦＣ発電電流Ｉｆｃを制御することによりＦＣ発電電圧Ｖｆｃを昇圧して負荷３２に印加するデバイスであってもよい。
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。
１０…ＦＣ車両 １２…ＦＣシステム
１４…モータ １６…ＩＮＶ
１８…ＦＣユニット ２０…ＢＡＴ
２２…ＦＣＶＣＵ ２２ｂ、２４ｂ、２４ｄ…スイッチング素子
２４…ＢＡＴＶＣＵ ２６…ＥＣＵ
３２…負荷 ３４…エアポンプ
３４ａ、３４ｂ、３６ａ、３６ｂ、５８ａ、６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ、６６ａ、６６ｂ、７０ａ、７０ｂ、７４ａ、７４ｂ…配管
３６…ＥＧＲポンプ ３８…ウォータポンプ
４４…ＦＣ ４６…アノード系
４８…カソード系 ５０…冷却系
５４…アノード流路 ５６…カソード流路
７０…加湿器 ７２…再循環機構
８４…ラジエータファン ９２…特性
９６、１００…電圧センサ ９８、１０２…電流センサ
１１２…目標電圧設定部 １１４…交流信号生成部
１１６…指令信号生成部 １１８…直結要求判定部
１２０…目標含水率設定部 １２２…インピーダンス算出部
１２４…実含水率推定部 １２６…含水率判定部
１２８…含水率検知部

Claims (6)

  1. 燃料電池と、
    負荷と、
    前記燃料電池の出力電圧を調整して前記負荷に印加する電圧調整装置と、
    前記電圧調整装置を制御する制御装置と、
    前記燃料電池内の実含水率を検知する含水率検知部と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記出力電圧の目標値に交流信号を重畳した指令信号を前記電圧調整装置に出力することにより前記電圧調整装置を制御し、
    前記含水率検知部は、前記出力電圧に含まれる交流信号成分を検出し、検出した前記交流信号成分に基づいて前記実含水率を検知する燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、前記電圧調整装置を直結状態にする前に、前記実含水率が所定の目標含水率に増加するまで前記電圧調整装置による前記出力電圧の調整動作を継続させ、その後、前記電圧調整装置を前記直結状態にする
    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、
    前記制御装置により制御され、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記燃料電池に対する前記反応ガスの供給圧力若しくは供給量を増加させるか、前記燃料電池の発電量を増加させるか、前記反応ガスの加湿量を増加させるか、又は、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を低下させることにより、前記実含水率及び前記出力電圧を増加させる
    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、
    前記ガス供給装置は、前記燃料電池のアノードに対して燃料ガスを給排する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池のカソードに対して酸化剤ガスを給排する酸化剤ガス供給装置とであり、
    前記制御装置は、前記酸化剤ガス供給装置を制御して前記カソードに対する前記酸化剤ガスの供給圧力又は前記供給量を増加させることにより、前記実含水率及び前記出力電圧を増加させる
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
    前記酸化剤ガス供給装置は、
    前記カソードに供給用酸化剤ガスを供給するための供給配管と、
    前記カソードからの排出用酸化剤ガスを外部に排出するための排出配管と、
    前記供給配管に設けられ、前記供給用酸化剤ガスを前記カソードに送り込むポンプと、
    前記カソードと前記ポンプとの間に設けられ、前記供給用酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
    前記カソードと前記加湿器との間に設けられ、前記供給配管における前記加湿器の下流側に前記排出用酸化剤ガスの一部を供給する再循環機構と、
    を有し、
    前記制御装置は、前記ポンプを制御することにより前記供給用酸化剤ガスの供給圧力又は供給量を増加させ、一方で、前記再循環機構を制御することにより前記供給配管に供給される前記排出用酸化剤ガスの供給量を調整する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記含水率検知部は、
    前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、
    前記燃料電池の出力電流を検出する電流検出部と、
    前記出力電圧及び前記出力電流を用いて前記燃料電池のインピーダンスを算出するインピーダンス算出部と、
    前記インピーダンスに応じた前記実含水率を推定する実含水率推定部と、
    を有し、
    前記インピーダンス算出部及び前記実含水率推定部は、前記制御装置内に設けられる
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの前記負荷に、車両の駆動モータが含まれることを特徴とする燃料電池車両。
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