JP2008059828A - 燃料電池システム及びその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】起動中に蓄電装置が残量不足とならない燃料電池システム及びその起動方法を提供する。
【解決手段】反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池１０と、電力を蓄える蓄電装置４６と、蓄電装置４６の残量を検出する残量検出器４７と、起動時に蓄電装置４６を電源として作動し、反応ガス流路を、燃料電池１０が発電可能な濃度の反応ガスに置換する反応ガス置換手段と、燃料電池１０の発電停止時間を検出する停止時間検出手段と、起動時において燃料電池１０が発電開始するまでに反応ガス置換手段が消費する反応ガス置換用電力量を、燃料電池１０の発電停止時間に基づいて算出する反応ガス置換用電力量算出手段と、反応ガス置換手段を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、現在の蓄電装置４６の残量Ｌ１１が、算出された反応ガス置換用電力量に基づく判定残量Ｌ１、Ｌ２以上である場合、反応ガス置換手段を作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその起動方法に関する。

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。

このような燃料電池を良好に発電させるには、アノード及びカソードにおける電極反応が良好に進むように、十分な濃度の反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を供給する必要がある。例えば、水素循環系を採用する燃料電池システムの場合、水素が流通する燃料電池のアノード流路における水素濃度を高めるために、アノード流路のガス置換がされる。因みに、このガス置換は、水素循環系内のガスを排出するためのパージ弁（排出弁）を複数回開閉させること等によって行われる。なお、パージ弁は、燃料電池の発電開始前において、燃料電池とは別の蓄電装置を電源として作動する。

その他、前記電極反応を良好に進めて、アノード及びカソードを構成する白金等の触媒の活性を高める方法がある。これに関連して、氷点下等の低温環境下での起動時において、燃焼器で水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）を燃焼して燃焼熱を発生させ、この燃焼熱を利用して燃料電池を暖機する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。因みに、暖機時は燃料電池の発電開始前であるので、燃焼器に空気を供給するコンプレッサは、燃料電池とは別の蓄電装置を電源として作動する。
特開２００５−４４６０５号公報（段落番号０００９〜００２８）

ところが、このようなガス置換や暖機を行うために、パージ弁、コンプレッサ等は、蓄電装置の残量に関わらず、予め設定されたパージ弁の開閉回数や、コンプレッサの作動時間に従って作動されていた。したがって、パージ弁やコンプレッサ等の作動中に、蓄電装置の残量がゼロ、つまり、バッテリ切れになる虞があり、燃料電池システムが起動できない虞があった。そして、このようにバッテリ切れになれば、どの程度ガス置換が進んだかを把握できない虞もあった。

そこで、本発明は、起動中に蓄電装置が残量不足とならない燃料電池システム、及び、その起動方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガス流路を有し、当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置の残量を検出する残量検出手段と、起動時に前記蓄電装置を電源として作動し、前記反応ガス流路を、前記燃料電池が発電可能な濃度の反応ガスに置換する反応ガス置換手段と、前記燃料電池の発電停止時間を検出する停止時間検出手段と、前記燃料電池が発電開始するまでに前記反応ガス置換手段が消費する反応ガス置換用電力量を、前記燃料電池の発電停止時間に基づいて算出する反応ガス置換用電力量算出手段と、前記反応ガス置換手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、現在の蓄電装置の残量が、前記算出された反応ガス置換用電力量に基づく判定残量以上である場合、前記反応ガス置換手段を作動させることを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、「燃料電池が発電可能な濃度の反応ガス」とは、燃料電池のアノード及びカソードに含まれる触媒の活性が良好とした場合において、電極反応が良好に進み、例えば、所定のＯＣＶが発生する濃度の反応ガスである。
このような燃料電池システムによれば、現在の蓄電装置の残量が、反応ガス置換用電力量に基づく判定残量以上である場合に、反応ガス置換手段を実際に作動させるので、途中で蓄電装置が残量不足とならずに、反応ガスを置換することができる。そして、反応ガスが置換されたことによって、所定のＯＣＶが発生しているので、燃料電池を好適に発電開始させることができる。
また、反応ガスが電解質膜を透過すること等による反応ガス濃度変化を考慮して、燃料電池の発電停止時間に基づいて反応ガス置換用電力量を算出するので、反応ガス置換用電力量を過不足なく求めることができる。その結果として、反応ガス置換用電力量に基づく判定残量も適切に求めることができる。

また、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、起動時に前記燃料電池を暖機する必要がある場合、前記制御手段に制御され前記蓄電装置を電源として作動し、前記燃料電池を暖機する暖機手段と、前記燃料電池の温度が暖機完了温度に到達するまでに、前記暖機手段が消費する暖機用電力量を算出する暖機用電力量算出手段と、をさらに備え、前記制御手段は、現在の蓄電装置の残量が、前記算出された反応ガス置換用電力量と暖機用電力量との和に基づく判定残量以上である場合、前記暖機手段及び前記反応ガス置換手段を作動させることを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、起動時に燃料電池の暖機が必要な場合、暖機用電力量が算出される。そして、現在の蓄電装置の残量が、暖機用電力量と反応ガス置換用電力量との和に基づく判定残量以上である場合に、暖機手段及び反応ガス置換手段を実際に作動させるので、途中で蓄電装置が残量不足とならずに、燃料電池を暖機し、反応ガスを置換することができる。

また、前記反応ガス流路は、燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸化剤ガスが供給されるカソード流路とを有し、前記燃料電池の発電停止後から現在の間に、前記アノード流路に残留する燃料ガスを排出するアノード掃気が実施されたか否かを検出するアノード掃気検出手段を、さらに備え、前記制御手段は、アノード掃気が実施されていた場合、前記反応ガス置換用電力量が大きくなるように補正することを特徴とする。

このような燃料電池システムによれば、アノード掃気検出手段によって、前回の燃料電池の発電停止から現在の間に、アノード掃気が実施されたか否かを検出することができる。そして、アノード掃気が実施されていた場合、アノード流路の燃料ガス濃度は略ゼロに低下しているので、当該略ゼロの燃料ガス濃度を燃料電池が発電可能な濃度に高めるべく、反応ガス置換用電力量が大きくなるように補正する。次いで、現在の残量が、補正された反応ガス置換用電力量に基づく判定残量以上である場合、実際に反応ガス置換手段を作動させるので、途中で蓄電装置が残量不足とならずに、反応ガスを置換することができる。

また、前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガス流路を有し、当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、電力を蓄える蓄電装置と、起動時に前記蓄電装置を電源として作動し、前記反応ガス流路を、前記燃料電池が発電可能な濃度の反応ガスに置換する反応ガス置換手段と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池が発電開始するまでに前記反応ガス置換手段が消費する反応ガス置換用電力量を、前記燃料電池の発電停止時間に基づいて算出する反応ガス置換用電力量算出ステップと、現在の蓄電装置の残量が、前記算出された反応ガス置換用電力量に基づく判定残量以上である場合、前記反応ガス置換手段を作動させる作動ステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの起動方法である。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、現在の蓄電装置の残量が、反応ガス置換用電力量に基づく判定残量以上である場合に、反応ガス置換手段を実際に作動させるので、途中で蓄電装置が残量不足とならずに、反応ガスを置換することができる。また、反応ガスが電解質膜を透過すること等による反応ガス濃度変化を考慮して、燃料電池の発電停止時間に基づいて反応ガス置換用電力量を算出するので、反応ガス置換用電力量を過不足なく求めることができる。その結果として、反応ガス置換用電力量に基づく判定残量も適切に求めることができる。

また、前記燃料電池システムは、起動時に前記蓄電装置を電源として作動し、前記燃料電池を暖機する暖機手段をさらに備えており、前記燃料電池の温度が暖機完了温度に到達するまでに、前記暖機手段が消費する暖機用電力量を算出する暖機用電力量算出ステップを、さらに含み、現在の蓄電装置の残量が、前記算出された反応ガス置換用電力量と暖機用電力量との和に基づく判定残量以上である場合、前記作動ステップにおいて、前記暖機手段及び前記反応ガス置換手段を作動させることを特徴とする。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、起動時に燃料電池の暖機が必要な場合、現在の蓄電装置の残量が、暖機用電力量と反応ガス置換用電力量との和に基づく判定残量以上である場合に、暖機手段及び反応ガス置換手段を実際に作動させるので、途中で蓄電装置が残量不足とならずに、燃料電池を暖機し、反応ガスを置換することができる。

また、前記反応ガス流路は、燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸化剤ガスが供給されるカソード流路とを有しており、前記燃料電池の発電停止後から現在の間に、前記アノード流路に残留する燃料ガスを排出するアノード掃気が実施されたか否かを検出するアノード掃気検出ステップを、さらに含み、前記アノード掃気が実施されたことが検出された場合、前記反応ガス置換用電力量算出ステップにおいて、前記反応ガス置換用電力量が大きくなるように補正することを特徴とする。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、前回の燃料電池の発電停止から現在の間にアノード掃気が実施されたか否かを検出し、アノード掃気が実施されていた場合、反応ガス置換用電力量が大きくなるように補正する。次いで、現在の残量が、補正された反応ガス置換用電力量に基づく判定残量以上である場合、実際に反応ガス置換手段を作動させるので、途中で蓄電装置が残量不足とならずに、反応ガスを置換することができる。

本発明によれば、起動中に蓄電装置が残量不足とならない燃料電池システム、及び、その起動方法を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続された走行モータ４５を備えている。走行モータ４５は燃料電池１０の発電電力によって駆動し、これにより、燃料電池自動車が走行するようになっている。

燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給及び排出するアノード系と、燃料電池１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給及び排出するカソード系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、燃料電池１０に供給される水素及び空気を取り出して触媒燃焼させる触媒燃焼系と、ラジエータ液（熱交換流体）を流通させるラジエータ液流通系と、燃料電池システム１の起動スイッチであるＩＧ７１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ８０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード（燃料極）及びカソード（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、を主に備えている。各セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路１１、カソード流路１２（いずれも反応ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに酸素を含む空気が供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応が起こり、各単セルで電位差（いわゆるＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開回路電圧））が発生するようになっている。次いで、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、走行モータ４５等の外部負荷から発電要求があり、電流が取り出されると燃料電池１０が発電するようになっている。

また、燃料電池１０は、暖機完了温度Ｔ１（例えば７０〜８０℃）を固有している。暖機完了温度Ｔ１とは、燃料電池１０の暖機が完了したとされる温度であり、この温度では、アノード及びカソードに含まれる触媒の活性が良好に高くなるため、前記電気化学反応が速やかに進むようになっている。
さらに、前記セパレータには、ラジエータ液流通系から送られ、燃料電池１０と熱交換するラジエータ液が流通するラジエータ液流路１３が形成されている。

＜アノード系＞
アノード系は、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、第１三方弁２３（切替手段）と、エゼクタ２４と、パージ弁２５とを主に備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、第１三方弁２３、配管２３ａ、エゼクタ２４、配管２４ａを順に介して、アノード流路１１の入口に接続されている。第１三方弁２３は、配管２２ａ、配管２３ａ、及び、後記する配管５１ａの接続点（合流点）に配置されており、３つの配管間の連通を遮断すること（完全閉状態）、配管２２ａと配管２３ａとを連通させること（燃料電池１０側が開いた状態）、配管２２ａと配管５１ａとを連通させること（燃焼器５１側が開いた状態）、が適宜に切替可能となっている。すなわち、水素タンク２１からの水素が、遮断、又は、燃料電池１０若しくは燃焼器５１に供給されるようになっている。ただし、このように切替可能であれば第１三方弁２３に限定されず、例えば、配管２３ａ及び配管５１ａにそれぞれ開閉弁を設け、これらを適宜に開閉させる構成としてもよい。
なお、遮断弁２２及び第１三方弁２３は、ＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０に制御される。また、配管２２ａには、図示しない減圧弁が設けられており、所定圧力に減圧された水素が、燃料電池１０又は燃焼器５１に供給されるようになっている。

アノード流路１１の出口は、配管２５ａ、パージ弁２５、配管２５ｂを順に介して、希釈器３３に接続されている。また、配管２５ａの途中は、配管２５ｃを介して、エゼクタ２４に接続されている。パージ弁２５は、例えばゲート弁等の開閉弁であって、通常は閉じており、このように閉じている場合、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが、エゼクタ２４に戻され、再び、燃料電池１０に供給されるようになっている。つまり、燃料電池システム１は、水素が循環する水素循環系を備えている。
一方、アノードオフガス中の水分等の不純物が増加した場合や、後記するＯＣＶチェックモードにおいてアノード流路１１内をガス置換する場合、ＥＣＵ８０によってパージ弁２５は適宜に開かれ、アノードオフガスが配管２５ｂを介して希釈器３３に送られ、希釈器３３で希釈された後、外部に排出されるようになっている。

アノード流路１１内のガス置換についてさらに説明すると、遮断弁２２が開いたまま、且つ、第１三方弁２３の燃料電池１０側が開いた状態で、ＥＣＵ８０によってパージ弁２５が適宜に開かれると、アノード流路１１内の水素が排出されると共に、水素タンク２１から高濃度の水素がアノード流路１１に流れ込むようになっている。そして、このように流れ込めば、アノード流路１１内は、燃料電池１０が良好に発電可能な、詳細には、アノードの触媒上で良好に電極反応が進む濃度の水素に置換されるようになっている。

すなわち、本実施形態において、反応ガス置換手段は、水素タンク２１と、燃料電池１０の発電前においては蓄電装置４６を電源として作動する遮断弁２２、第１三方弁２３、及び、パージ弁２５と、を主に備えて構成されている。そして、反応ガス置換手段を制御する制御手段は、ＥＣＵ８０によって構成されている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（スーパーチャージャ）と、第２三方弁３２（切替手段）と、希釈器３３と、水素センサ３４とを主に備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、第２三方弁３２、配管３２ａを順に介して、カソード流路１２の入口に接続されている。第２三方弁３２は、配管３１ａ、配管３２ａ、及び、後記する配管５１ｂの接続点（合流点）に配置されており、３つの配管間の連通を遮断すること（完全閉状態）、配管３１ａと配管３２ａと連通させること（燃料電池１０側が開いた状態）、配管３１ａと配管５１ｂとを連通させること（燃焼器５１側が開いた状態）、が適宜に切替可能となっている。すなわち、コンプレッサ３１からの空気が、遮断、又は、燃料電池１０若しくは燃焼器５１に供給されるようになっている。ただし、このように切替可能であれば第２三方弁３２に限定されず、例えば、配管３２ａ及び配管５１ｂにそれぞれ開閉弁を設け、これらを適宜に開閉させる構成としてもよい。
なお、コンプレッサ３１及び第２三方弁３２は、ＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０に制御される。また、配管３２ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、燃料電池１０に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。

カソード流路１２の出口は、配管３３ａを介して、希釈器３３に接続されており、カソード流路１２から排出されたカソードオフガスが希釈器３３に供給されるようになっている。希釈器３３は、その内部に希釈空間を有しており、この希釈空間に、カソードオフガス、アノードオフガス、及び、燃焼器５１からの排気ガスが導入されるようになっている。そして、希釈空間において、アノードオフガス、及び、燃焼ガス中の水素は、カソードオフガスによって、所定水素濃度以下に希釈された後、配管３３ｂを通って、外部に排出されるようになっている。

水素センサ３４は、配管３３ｂに設けられており、希釈器３３から外部に排出されるガス中の水素濃度Ｃ１１を検出するようになっている。水素センサ３４はＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０は水素濃度Ｃ１１を監視するようになっている。そして、所定水素濃度以上の水素濃度Ｃ１１が検出された場合、ＥＣＵ８０は遮断弁２２を閉じるようになっている。

また、カソード系の配管３２ａと、アノード系の配管２４ａとは、配管９１ａと、掃気弁９１と、配管９１ｂとによって接続されている。そして、アノード掃気が実施される場合、コンプレッサ３１を作動させたまま、ＥＣＵ８０によって掃気弁９１が開かれ、コンプレッサ３１からの非加湿の空気が、掃気ガスとして、アノード流路１１に供給されるようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系は、電力を消費する系であり、出力検出器４１と、コンタクタ４２と、ＶＣＵ４３（Voltage Control Unit）と、ＰＤＵ４４（Power Drive Unit）と、走行モータ４５と、蓄電装置４６と、残量検出器４７（残量検出手段）と、コンバータ４８とを主に備えている。そして、燃料電池１０の出力端子（図示しない）から、出力検出器４１、コンタクタ４２、ＶＣＵ４３、ＰＤＵ４４、走行モータ４５が順に接続されている。蓄電装置４６及びコンバータ４８は、ＶＣＵ４３とＰＤＵ４４との間に、それぞれ接続されている。

出力検出器４１は、燃料電池１０（燃料電池スタック）全体の出力電流及び出力電圧を検出する機器であり、電流計及び電圧計を備えており、これらは適所に配置されている。また、出力検出器４１はＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０は出力電流、及び、ＯＣＶを含む出力電圧を監視するようになっている。

コンタクタ４２は、燃料電池１０とＶＣＵ４３との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチである。また、コンタクタ４２はＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０によってＯＦＦされると、燃料電池１０から電流の取り出しは不能となり、燃料電池１０が発電しない設定となっている。これに対し、ＥＣＵ８０によりコンタクタ４２がＯＮされると、燃料電池１０から電流の取り出しは可能、つまり、燃料電池１０が発電可能となる。

ＶＣＵ４３は、ＤＣ−ＤＣチョッパ回路等を備えて構成され、ＥＣＵ８０からの指令に従って、燃料電池１０の出力電流及び出力電圧、つまり、発電電力を制御する機器である。すなわち、コンタクタ４２のＯＮ状態で、ＶＣＵ４３が適宜に制御されると、燃料電池１０が発電するようになっている。

ＰＤＵ４４は、三相交流電流発生回路を備えている。そして、ＰＤＵ４４は、ＥＣＵ８０からの指令に従って、ＶＣＵ４３を介して出力される燃料電池１０の出力電流から、三相交流電流を発生させ、走行モータ４５に出力するようになっている。

走行モータ４５は、燃料電池自動車を走行させる電動モータであり、ＰＤＵ４４から電力の供給があると駆動するようになっている。

蓄電装置４６は、電力を充放電可能な装置であり、例えば、高圧バッテリや、キャパシタ等によって構成されている。そして、蓄電装置４６は、燃料電池１０の余剰電力を蓄えたり（充電）、システム起動時等において発電不足の燃料電池１０を補助するようになっている（放電）。

残量検出器４７は、蓄電装置４６のＳＯＣ（State of charge、充電状態）の一態様である残量Ｌ１１を検出する機器であり、例えば電圧計を備えており、現在の電圧に基づいて現在の残量Ｌ１１を算出するように構成されている。そして、残量検出器４７はＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０は残量Ｌ１１を監視するようになっている。
この他、ＥＣＵ８０が、蓄電装置４６の現在の電圧に基づいて、残量Ｌ１１を算出するようにしてもよい。

コンバータ４８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えて構成され、ＥＣＵ８０からの指令に従って、燃料電池１０及び蓄電装置４６の高電圧の出力を低下させて、遮断弁２２、第１三方弁２３、パージ弁２５、コンプレッサ３１、第２三方弁３２、及び、ポンプ６１に出力するようになっている。すなわち、遮断弁２２、第１三方弁２３、パージ弁２５、コンプレッサ３１、第２三方弁３２、及び、ポンプ６１は、電力消費系に含まれる。

＜触媒燃焼系＞
触媒燃焼系は、水素及び空気を触媒燃焼させることで熱エネルギを取得し、この熱エネルギによって、ラジエータ液流通系のラジエータ液を加熱する系である。このような触媒燃焼系は、燃焼反応を促進させる触媒を内蔵する燃焼器５１と、熱交換器５２とを主に備えている。

燃焼器５１は、配管５１ａを介して供給される水素と、配管５１ｂを介して供給される空気中の酸素とを、Ｐｔ等の触媒下で触媒燃焼して、高温の排気ガスを生成するものである。このような燃焼器５１は、水素、空気及び排気ガスが流通する複数の細孔を有するハニカム体を備えている。各細孔を取り囲む内壁面には触媒が担持されており、各細孔に水素及び空気が導入されると、触媒下で燃焼反応が起こり、高温の排気ガスが生成するようになっている。そして、この排気ガスは配管５１ｃを介して熱交換器５２に供給されるようになっている。因みに、この排気ガスには、未燃焼の水素が含まれている。

熱交換器５２は、燃焼器５１からの高温の排気ガスと、ラジエータ液との間で熱交換し、ラジエータ液を加熱する機器である。そして、熱交換後の排気ガスは、配管５２ａを介して、希釈器３３に供給されるようになっている。

＜ラジエータ液流通系＞
ラジエータ液流通系は、燃料電池１０と熱交換器５２とを経由するように、ラジエータ液を循環（流通）させる系であり、ポンプ６１と、温度センサ６２（温度検出手段）とを主に備えている。因みに、ラジエータ液は、例えば、エチレングリコール等を主成分とする不凍液から構成される。
そして、ラジエータ液流路１３の出口から、配管６１ａ、ポンプ６１、配管６１ｂ、熱交換器５２、配管６１ｃ、ラジエータ液流路１３の入口の順に接続されており、ＥＣＵ８０からの指令に従ってポンプ６１が作動すると、ラジエータ液が循環するようになっている。

したがって、熱交換器５２における熱交換によって加熱されたラジエータ液が循環、つまり、ラジエータ液流路１３を流通すれば、燃料電池１０が暖機されるようになっている。よって、本実施形態において、暖機手段は、燃焼器５１と、熱交換器５２と、燃料電池１０の発電前においては蓄電装置４６を電源として作動する遮断弁２２、第１三方弁２３、コンプレッサ３１、第２三方弁３２、及び、ポンプ６１と、を主に備えて構成されており、ＥＣＵ８０（制御手段）によって制御される。

温度センサ６２は、配管６１ａの燃料電池１０近傍に設けられており、配管６１ａ内の温度を、燃料電池１０の温度（燃料電池温度Ｔ１１）として検出するようになっている。また、温度センサ６２はＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０は燃料電池温度Ｔ１１を監視するようになっている。

＜ＩＧ＞
ＩＧ７１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ７１はＥＣＵ８０と接続されており、ＥＣＵ８０はＩＧ７１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置である。このようなＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。
このようなＥＣＵ８０（制御手段）は、前記したように、パージ弁２５等から構成される反応ガス置換手段と、第１三方弁２３、コンプレッサ３１、第２三方弁３２、及び、ポンプ６１等から構成される暖機手段と、を適宜に制御し、燃料電池システム１を、準備モード、燃焼モード、冷却モード、ＯＣＶチェック（反応ガス置換）モードで作動させる機能を備えている。
なお、燃料電池１０の暖機が必要な場合、準備モード、燃焼モード、冷却モード、ＯＣＶチェックモードが順に実施される。一方、燃料電池１０の暖機が不要な場合、準備モード、燃焼モード、及び、冷却モードは実施されず、ＯＣＶチェックモードのみが実施される。因みに、ＥＣＵ８０は、ＩＧ７１のＯＮ時の燃料電池温度Ｔ１１と、その内部に記憶された暖機開始判定温度Ｔ２（例えば０℃）とに基づいて、燃料電池１０の暖機の必要の有無を判定する機能を備えている。

ここで、準備モードとは、燃料電池１０を暖機するため、燃焼器５１への水素及び酸素の供給等を準備するモードであり、本実施形態では、一定長さの時間ｔ１にて実施される（図７参照）。

燃焼モードとは、燃焼器５１で水素と空気とを燃焼させて高温の排気ガスを発生させ、この燃焼熱を循環するラジエータ液を介して燃料電池１０に伝達させ、燃料電池１０を暖機し、燃料電池温度Ｔ１１を暖機完了温度Ｔ１に上げるモードである。よって、ＩＧ７１のＯＮ時の燃料電池温度Ｔ１１が低いほど、燃焼モードを実施すべき時間ｔ２が長くなり、その結果として、燃焼モード時の消費電力量は大きくなる（図５参照）。

冷却モードとは、燃焼モードでの作動によって昇温した燃焼器５１を冷却すると共に、燃焼器５１及び熱交換器５２内に残存する未燃焼の水素並びに燃焼によって生成した水分（水蒸気）を排出するモードである。このような冷却モードは、本実施形態では、一定長さの時間ｔ３にて実施される（図７参照）。
ただし、冷却モードを実施する時間ｔ３を一定長さにすることに限定されず、例えば、燃焼モード終了時における燃焼器５１内の水分量等に基づいて、可変するようにしてもよい。この場合、冷却モード時の消費電力量は、時間ｔ３に対応して変動することになる。

ＯＣＶチェック（反応ガス置換）モードとは、アノード流路１１内のガスを、燃料電池１０が良好に発電可能な濃度の水素に置換することにより、所定のＯＣＶを発生させるモードである。ＯＣＶチェックモードを実施する時間ｔ４は、アノード掃気が実施されていない場合、燃料電池１０の発電停止時間が長くなれば、長くなり、その結果として、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量は大きくなる（図６参照）。これは、発電停止後、時間の経過と共に、アノード流路１１に残存する水素が電解質膜を透過してカソード流路１２に流出等するためである。
これに対し、前回発電停止から現在の間に、アノード掃気が実施されていた場合、アノード流路１１内の水素濃度は略ゼロに低下しているので、発電停止時間の長さに関わらず、ＯＣＶチェックモードを実施する時間ｔ４は一定の長さとなる。その結果として、アノード掃気が実施されていた場合におけるＯＣＶチェックモード時の消費電力量は、アノード掃気が実施されていない場合よりも大きい値で、一定値となる（図６参照）。したがって、アノード掃気が実施されたことが検出された場合、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量が大きくなるように補正されることになる。

また、ＥＣＵ８０（停止時間検出手段）は、内蔵するクロックを利用して、燃料電池１０の発電停止時間（例えばコンタクタ４２のＯＦＦ時間）を検出する機能を備えている。

さらに、ＥＣＵ８０（反応ガス置換用電力量算出手段）は、ＯＣＶチェックモードの実施に際し、アノード流路１１内を燃料電池１０が良好に発電可能な濃度の水素に置換するために作動させるパージ弁２５等の反応ガス置換手段が消費する電力量を、発電停止時間、及び、アノード掃気の実施の有無と、図６に示すマップとに基づいて算出する機能を備えている。図６に示すマップは、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ８０に記憶されている。

さらにまた、ＥＣＵ８０（暖機用電力量算出手段）は、燃料電池１０の暖機が必要な場合、準備モード、燃焼モード及び冷却モードにおいて作動させる、第１三方弁２３、コンプレッサ３１、第２三方弁３２、ポンプ６１等の機器が消費する電力量の和である暖機用電力量を算出する機能を備えている。
因みに、前記したように、本実施形態では、準備モード、冷却モードの実施時間は、それぞれ、一定長さの時間ｔ１、ｔ３であるので、準備モード時の消費電力量と冷却モード時の消費電力量とは、それぞれ一定値（固定値）となる。これに対し、燃焼モード時の消費電力量は、図５に示すように、ＩＧ７１のＯＮ時の燃料電池温度Ｔ１１が低いほど、大きくなる。なお、図５に示すマップは、事前試験等によって求められ、ＥＣＵ８０に記憶されている。

その他、ＥＣＵ８０は、例えば、燃料電池自動車の停止時における外気温度が０℃未満である場合、停止中における燃料電池１０内の凍結を防止するため、アノード掃気を実施させる機能を備えている。アノード掃気とは、アノード流路１１に含まれる水分等を、掃気ガスによって、燃料電池１０の外に排出することであり、このようなアノード掃気は、コンプレッサ３１を作動させると共に、掃気弁９１を開くことによって配管３２ａと配管２４ａを連通させ、コンプレッサ３１からの空気を掃気ガスとしてアノード流路１１に供給することによって実施される。

これに付随して、ＥＣＵ８０（アノード掃気検出手段）は、このようなアノード掃気の実施の有無に対応したフラグを有しており、アノード掃気の実施の有無を一時的に記憶する機能を備えている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の起動時の動作と共に、燃料電池システム１の起動方法を説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム１の起動方法は、システム起動時において燃料電池１０が発電開始するまでに、パージ弁２５等の反応ガス置換手段が消費すると予測される反応ガス置換用電力量を、燃料電池１０の発電停止時間に基づいて算出する反応ガス置換用電力量算出ステップと、現在の蓄電装置４６の残量Ｌ１１が、反応ガス置換用電力量に基づく残量である第１判定残量Ｌ１又は第２判定残量Ｌ２以上である場合、パージ弁２５等の反応ガス置換手段を、実際に作動させる作動ステップと、を含んでいる。
また、燃料電池システム１の起動方法は、燃料電池１０の暖機が必要な場合、燃料電池温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ１に到達するまでに、コンプレッサ３１等の暖機手段が消費する暖機用電力量を算出する暖機用電力量算出ステップを、さらに含んでおり、現在の残量Ｌ１１が、反応ガス置換用電力量と暖機用電力量との和に基づく残量である第１判定残量Ｌ１以上である場合、暖機手段及びガス置換手段を実際に作動させる。
さらに、アノード掃気が実施されたか否かを検出するアノード掃気検出ステップを、さらに含んでおり、アノード掃気が実施されたことが検出された場合、反応ガス置換用電力量算出ステップにおいて、反応ガス置換用電力量が大きくなるように補正する。
なお、初期状態において、遮断弁２２、第１三方弁２３、パージ弁２５、及び、第２三方弁３２は閉じており、コンプレッサ３１、ポンプ６１、及び、コンタクタ４２はＯＦＦ状態にある。

燃料電池自動車のＩＧ７１がＯＮされると、このＯＮ信号を検知したＥＣＵ８０は、起動時の各種処理を実行し、その結果として、図２に示すフローチャートがスタートする。

＜暖機判定＞
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ８０は、燃料電池１０の暖機が必要であるか否かを判定する。具体的には、現在の燃料電池温度Ｔ１１（システム温度）が暖機開始判定温度Ｔ２（例えば０℃）未満である場合、暖機は必要と判定し（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ２００に進む。一方、現在の燃料電池温度Ｔ１１が暖機開始判定温度Ｔ２未満でない場合、暖機は不要と判定し（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ３００に進む。

＜第１判定残量Ｌ１の算出＞
ステップＳ２００において、ＥＣＵ８０は、第１判定残量Ｌ１を算出する。算出方法については、後で詳細に説明する。

＜システム起動判定（残量チェック）−暖機あり＞
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ８０は、この後、蓄電装置４６が残量不足（いわゆるバッテリ切れ）になることなく、燃料電池１０の暖機等を含めて燃料電池システム１を起動できるか否かを判定する。具体的には、現在の残量Ｌ１１が第１判定残量Ｌ１以上である場合、残量不足とならずにシステムを起動できると判定し（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、現在の残量Ｌ１１が第１判定残量Ｌ１以上でない場合、途中で残量不足となるためシステムを起動できないと判定し（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０９に進む。

＜準備モード＞
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を、準備モードで作動させる。具体的には、ＥＣＵ８０は、遮断弁２２を開くと共に、第２三方弁３２の燃焼器５１側を開く（配管３１ａ、５１ｂを連通）。また、ＥＣＵ８０は、ポンプ６１を作動させ、燃料電池１０と熱交換器５２との間で、ラジエータ液を循環させる。このような準備モードは、一定長さの時間ｔ１にて実施される（図７参照）。

＜燃焼モード＞
その後、ステップＳ１０４において、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を、燃料電池１０を暖機するための燃焼モードで作動させる。具体的には、ＥＣＵ８０は、第１三方弁２３の燃焼器５１側を開き（配管２２ａ、５１ａを連通）、燃焼器５１に水素を供給する。これに並行して、ＥＣＵ８０はコンプレッサ３１を作動させ、燃焼器５１側が開いた第２三方弁３２を介して、燃焼器５１に酸素を含む空気を供給する。

そうすると、燃焼器５１の触媒下において、水素と空気とが燃焼し、高温の排気ガスが生成する。排気ガスは、熱交換器５２でラジエータ液を加熱した後、希釈器３３を介して外部に排出される。一方、加熱されたラジエータ液が循環することで、燃料電池１０が暖機される。
このような燃焼モードを実施する時間ｔ２は、ＩＧ７１のＯＮ時の燃料電池温度Ｔ１１と図５のマップとに基づいて算出される。

＜冷却モード＞
その後、ステップＳ１０５において、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を冷却モードで作動させる。
具体的には、ＥＣＵ８０は、第１三方弁２３を閉じ（配管２２ａ、２３ａ、５１ａ間の連通を遮断）、燃焼器５１への水素供給を停止する。これにより、水素タンク２１の水素消費が抑えられ、その結果として、燃料電池自動車の燃費が向上する。
一方、ＥＣＵ８０は、コンプレッサ３１の作動を継続させ、燃焼器５１側が開いた第２三方弁３２を介して、燃焼器５１に空気を供給する。これにより、触媒燃焼により高温となった燃焼器５１は冷却される。これと共に、燃焼器５１及び熱交換器５２に残留する未燃焼の水素、水蒸気（水分）は、希釈器３３を介して外部に排出され、燃焼器５１及び熱交換器５２の耐久性が高められる。また、このように水素が排出されるので、燃料電池システム１の安全性が確保されると共に、次回暖機時において、燃焼器５１等から水素が排出されることもなく、燃料電池システム１から外部に排出される水素濃度が極端に高くなることはない。

＜ＯＣＶチェック（反応ガス置換）モード＞
その後、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１をＯＣＶチェックモードで作動させる。
具体的には、ＥＣＵ８０は、第１三方弁２３の燃料電池１０側を開き（配管２２ａ、２３ａを連通）、アノード流路１１に水素を供給し、第２三方弁３２の燃料電池１０側を開き（配管３１ａ、３２ａを連通）、カソード流路１２に空気を供給する。そして、ＥＣＵ８０は、コンタクタ４２をＯＦＦしたまま、出力検出器４１を介して燃料電池１０のＯＣＶを検出する。次いで、ＥＣＵ８０は、燃料電池１０の発電を開始させてもよい所定ＯＣＶが発生するように、パージ弁２５を適宜に開いてアノード流路１１内のガスを置換し、アノード流路１１内を前記所定ＯＣＶが発生する水素濃度に高める。
このようなＯＣＶチェックモードを実施する時間ｔ４は、アノード掃気の実施の有無と、発電停止時間と、図６のマップとに基づいて算出される。

＜燃料電池の発電開始＞
次いで、ステップＳ１０７において、ＥＣＵ８０はコンタクタ４２をＯＮし、ＶＣＵ４３を燃料電池１０から電流を取り出すように制御する。これにより、燃料電池１０の発電が開始する。

＜第２判定残量Ｌ２の算出＞
次に、燃料電池１０の暖機は不要と判定（Ｓ１０１・Ｎｏ）された場合に進むステップＳ３００について説明する。
ステップＳ３００において、ＥＣＵ８０は、第２判定残量Ｌ２を算出する。算出方法については、後で詳細に説明する。

＜システム起動判定（残量チェック）−暖機なし＞
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１０２と同様に、蓄電装置４６が残量不足になることなく、燃料電池システム１を起動できるか否かを判定する。具体的には、現在の残量Ｌ１１が第２判定残量Ｌ２以上である場合、残量不足とならずにシステムを起動できると判定し（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、現在の残量Ｌ１１が第２判定残量Ｌ２以上でない場合、途中で残量不足となるためシステムを起動できないと判定し（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０９に進む。

＜システム起動の禁止＞
次に、ステップＳ１０２、又は、ステップＳ１０８における判定がＮｏとなって進むステップＳ１０９について説明する。
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を起動、具体的には、コンプレッサ３１、ポンプ６１、第１三方弁２３等を作動させない。これにより、蓄電装置４６の残量不足によるシステム起動の中断や、蓄電装置４６の電力の無駄な消費が抑えられる。なお、このような場合、運転者に対して、蓄電装置４６の残量不足と共に、蓄電装置４６への充電を促すように、ＥＣＵ８０が、警告ランプ（図示しない）を点灯させる構成としてもよい。

＜第１判定残量Ｌ１算出処理＞
次に、ステップＳ２００における第１判定残量Ｌ１の算出処理について、図３を参照して説明する。
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ８０は、アノード掃気の実施の有無に対応するフラグを参照して、前回の燃料電池１０の発電停止から現在（例えば、ＩＧ７１のＯＮ時）の間に、アノード掃気が実施されたか否かを判定する。
そして、アノード掃気は実施されていたと判定された場合（Ｓ２０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ２０２に進む。一方、アノード掃気は実施されていないと判定された場合（Ｓ２０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ２０３に進む。

［第１判定残量Ｌ１−暖機必要・アノード掃気あり］
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ８０は、暖機が必要であってアノード掃気の実施ありに対応した第１判定残量Ｌ１を算出する。
具体的に、第１判定残量Ｌ１は、準備モード時の消費電力量と、燃焼モード時の消費電力量と、冷却モード時の消費電力量と、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量とに基づいて算出される。なお、第１判定残量Ｌ１は、例えば、各モードにおける消費電力量を、各モードにおいて作動するコンプレッサ３１等の機器の定格出力で除することによって求められる。第２判定残量Ｌ２も同様である。

ここで、本実施形態において、準備モード時及び冷却モード時の消費電力量は、それぞれ一定値となる。また、アノード掃気が実施されているので、図６に示すように、ＯＣＶチェックモードを実施する時間ｔ４は一定値となり、その結果として、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量は一定値となる。

これに対し、燃焼モード時の消費電力量は、ＩＧ７１のＯＮ時の燃料電池温度Ｔ１１と、図５のマップとに基づいて算出され、燃料電池温度Ｔ１１が低いほど、燃焼モードを実施する時間ｔ２が長くなり、燃焼モード時の消費電力量が大きくなる。

そして、ＥＣＵ８０は、準備モード時、燃焼モード時、冷却モード時、及び、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量の和に基づいて、蓄電装置４６が残量不足とならずに、これら４つのモードを全て実施することが可能な第１判定残量Ｌ１を算出する。ここで、準備モード時、冷却モード時、及び、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量は一定値であるので、燃焼モード時の消費電力量が大きくなるほど、つまり、ＩＧ７１のＯＮ時の燃料電池温度Ｔ１１が低いほど、第１判定残量Ｌ１が大きくなる。
その後、ＥＣＵ８０の処理は、リターンを通って、図２のステップＳ１０２に進む。

［第１判定電圧−暖機必要・アノード掃気なし］
ステップＳ２０３において、ＥＣＵ８０は、暖機が必要であってアノード掃気の実施なしに対応した第１判定残量Ｌ１を算出する。
具体的に、第１判定残量Ｌ１は、ステップＳ２０２と同様に、準備モード時の消費電力量と、燃焼モード時の消費電力量と、冷却モード時の消費電力量と、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量とに基づいて算出される。準備モード時の消費電力量、燃焼モード時の消費電力量、及び、冷却モード時の消費電力量は、ステップＳ２０２と同様であるので、ここでの説明は省略する。

アノード掃気が実施されていない場合におけるＯＣＶチェックモード時の消費電力量は、発電停止時間と、図６のマップとに基づいて算出され、発電停止時間が長くなるほど、ＯＣＶチェックモードを実施する時間ｔ４が長くなり、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量が大きくなる。
なお、燃料電池１０（アノード及びカソードに含まれる触媒）の温度が高くなれば、この触媒の活性が高くなるので、燃料電池温度Ｔ１１に基づいて、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量を補正、つまり、燃料電池温度Ｔ１１が高ければ、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量を小さくするように補正してもよい。

そして、ＥＣＵ８０は、アノード掃気が実施された場合と同様に、準備モード時、燃焼モード時、冷却モード時、及び、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量の和に基づいて、蓄電装置４６が残量不足とならずに、これら４つのモードを全て実施することが可能な第１判定残量Ｌ１を算出する。したがって、燃焼モード時及びＯＣＶチェックモード時の消費電力量が大きくなるほど、第１判定残量Ｌ１が大きくなる。その後、ＥＣＵ８０の処理は、リターンを通って、図２のステップＳ１０２に進む。

＜第２判定残量Ｌ２算出処理＞
次に、ステップＳ３００における第２判定残量Ｌ２の算出処理について、図４を参照して説明する。
ステップＳ３０１において、ＥＣＵ８０は、アノード掃気の実施の有無に対応するフラグを参照して、前回の燃料電池１０の発電停止から現在（例えば、ＩＧ７１のＯＮ時）の間に、アノード掃気が実施された否かを判定する。
そして、アノード掃気は実施されていたと判定された場合（Ｓ３０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ３０２に進む。一方、アノード掃気は実施されていないと判定された場合（Ｓ３０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ３０３に進む。

［第２判定残量Ｌ２−暖機不要・アノード掃気あり］
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ８０は、暖機が不要であってアノード掃気の実施ありに対応した第２判定残量Ｌ２を算出する。この場合において、燃料電池１０を暖機する必要はないので、準備モード、燃焼モード及び冷却モードは実施されず、各モードの消費電力量はゼロとなる。よって、第２判定残量Ｌ２は、実質的にＯＣＶチェックモード時の消費電力量に基づいて算出されることになる。
ここで、アノード掃気が実施されているので、ステップＳ２０２と同様に、ＯＣＶチェックモードを実施する時間ｔ４は一定となり、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量は一定となる。したがって、これに基づいて算出される第２判定残量Ｌ２も一定値となる。
その後、ＥＣＵ８０の処理は、リターンを通って、図２のステップＳ１０８に進む。

［第２判定残量Ｌ２−暖機不要・アノード掃気なし］
ステップＳ３０３において、ＥＣＵ８０は、暖機が不要であってアノード掃気の実施なしに対応した第２判定残量Ｌ２を算出する。この場合において、ステップＳ３０２と同様に、燃料電池１０を暖機する必要はないので、準備モード、燃焼モード及び冷却モードは実施されず、各モードの消費電力量はゼロとなる。よって、第２判定残量Ｌ２は、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量に基づいて算出される。
ここで、アノード掃気が実施されていないので、ステップＳ２０３と同様に、ＯＣＶチェックモードを実施する時間ｔ４、及び、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量は、発電停止時間と、図６のマップとに基づいて算出される。そして、ＥＣＵ８０は、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量に基づいて、燃料電池１０の暖機が不要で、且つ、アノード掃気ありに対応した第２判定残量Ｌ２を算出する。
その後、ＥＣＵ８０の処理は、リターンを通って、図２のステップＳ１０８に進む。

≪燃料電池システムの効果≫
このような本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、主に以下の効果を得ることができる。
（１）システム起動時において、燃料電池１０の暖機が必要な場合、現在の残量Ｌ１１が、暖機（準備、燃焼、冷却モード）及び反応ガスの置換（ＯＣＶチェックモード）によって消費されると予測される消費電力量に基づく第１判定残量Ｌ１以上のとき、実際に燃料電池１０を暖機し、反応ガスを置換するので、暖機（準備、燃焼、冷却モード）及び反応ガスの置換（ＯＣＶチェックモード）の途中に、蓄電装置４６が残量不足になることを防止しつつ、燃料電池１０の発電を開始させることができる。そして、このように反応ガスが置換されるので、発電開始時におけるアノード流路１１内の水素濃度を容易に把握することができる。
（２）また、燃料電池１０の暖機が不要な場合、反応ガスの置換（ＯＣＶチェックモード）によって消費されると予測される消費電力量に基づく第２判定残量Ｌ２以上のとき、実際に反応ガスを置換するので、反応ガスの置換の途中に蓄電装置４６が残量不足になることを防止しつつ、燃料電池１０の発電を開始させることができる。
（３）さらに、反応ガスの置換（ＯＣＶチェックモード）によって消費されると予測される消費電力量は、燃料電池１０の発電停止中におけるアノード掃気の実施の有無、そして、アノード掃気が実施されていない場合には発電停止時間を考慮するので、適切に算出することができる。

≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、図７を参照して、燃料電池システム１の一動作例を説明する。なお、ここでは燃料電池１０の暖機が必要であって、発電停止中にアノード掃気が実施されていない場合を例示する。

ＩＧ７１のＯＮ後、燃料電池１０の暖機が必要であると判定される（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）。次いで、アノード掃気が実施されていないので（Ｓ２０１・Ｎｏ）、暖機が必要であり、かつ、アノード掃気の実施なしに対応した第１判定残量Ｌ１を算出する（Ｓ２０３）。そして、現在の残量Ｌ１１が第１判定残量Ｌ１以上であるので、残量不足とならずにシステム起動可能と判定される（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）。

その後、燃料電池システム１は、準備モードに入り、遮断弁２２が開かれ、第２三方弁３２の燃焼器５１側が開かれる。これに並行して、ポンプ６１が作動し、ラジエータ液が循環する。

次いで、燃料電池システム１は、燃焼モードに入り、第１三方弁２３の燃焼器５１側が開かれ、コンプレッサ３１が作動する。そうすると、水素及び空気が供給される燃焼器５１では、燃焼反応が起こり、この燃焼熱によって燃料電池１０が暖機される。この燃焼モードにおいて、燃焼器５１から未燃焼の水素が排出されるので、水素センサ３４によって検出される水素濃度Ｃ１１が燃焼モードにおいて高くなる。

燃料電池１０が暖機され、冷却モードに入ると、第１三方弁２３が閉じられる。コンプレッサ３１は作動したままであるので、燃焼器５１には引き続いて空気が供給される。これにより、燃焼器５１が冷却されると共に、燃焼器５１及び熱交換器５２等内の未燃焼の水素、水分が排出される。

その後、ＯＣＶチェックモードに入ると、第１三方弁２３、第２三方弁３２の燃料電池１０側が開かれ、燃料電池１０に水素及び空気が供給される。その後、所定のＯＣＶが発生するように、パージ弁２５が適宜に開かれる。
そして、所定のＯＣＶが発生したことにより、ＯＣＶチェックは完了し、コンタクタ４２がＯＮされ、燃料電池１０の発電が開始する。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した実施形態では、本発明が、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１に適用された場合について説明したが、これに限定されず、例えば、自動二輪車や列車等の他、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや給湯システムに組み込まれた燃料電池システム等に、適用してもよい。

前記した実施形態では、燃料電池１０を暖機する暖機手段が、燃焼器５１、熱交換器５２、コンプレッサ３１、及び、ポンプ６１等によって構成された場合を例示したが、その他に例えば、蓄電装置４６を電源として作動する電熱ヒータ等であってもよい。

前記した実施形態では、燃料電池温度Ｔ１１を検出する温度センサ６２が、燃料電池１０から排出されたラジエータ液の温度を検出する場合を例示したが、温度センサの位置はこれに限定されず、例えば、燃料電池１０の筐体に直接的に設けてもよいし、配管２５ａ、３３ａに設けてもよい。また、誤検出を防止するために、温度センサを複数設けてもよい。

前記した実施形態では、ＩＧ７１のＯＮ時において、燃料電池温度Ｔ１１が、暖機開始判定温度Ｔ２未満である場合、暖機が必要であると判定する構成を例示したが、その他に例えば、燃料電池システム１の停止中にシステム温度を連続的に検出しておき、ＩＧ７１のＯＮ時では暖機開始判定温度Ｔ２以上であったとしても、停止中に暖機開始判定温度Ｔ２未満を経験していた場合、暖機が必要であると判定するようにしてもよい。

前記した実施形態では、アノード掃気が実施されていない場合におけるＯＣＶチェックモードを実施する時間ｔ４と、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量とを、発電停止時間に基づいて算出する場合を例示したが、この他に例えば、アノード流路１１の出口近傍に水素センサを設け、この水素センサによってＩＧ７１のＯＮ時におけるアノード流路１１内の水素濃度を測定し、これに基づいて算出してもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 図２の第１判定残量Ｌ１の算出処理Ｓ２００を示すフローチャートである。 図２の第２判定残量Ｌ２の算出処理Ｓ３００を示すフローチャートである。 燃料電池温度Ｔ１１と、燃焼モード時の消費電力量及び実施時間との関係を示すマップである。 発電停止時間と、ＯＣＶチェックモード時の消費電力量及び実施時間との関係を示すマップである。 本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１１ アノード流路（反応ガス流路）
１２ カソード流路（反応ガス流路）
２１ 水素タンク
２３ 第１三方弁
２５ パージ弁（反応ガス置換手段）
３１ コンプレッサ（暖機手段）
３２ 第２三方弁
４４ 出力検出器
４５ 蓄電装置
４６ 残量検出器（残量検出手段）
５１ 燃焼器（暖機手段）
５２ 熱交換器（暖機手段）
６１ ポンプ（暖機手段）
６２ 温度センサ（温度検出手段）
８０ ＥＣＵ（制御手段、停止時間検出手段、反応ガス置換用電力量算出手段、暖機用電力量算出手段、アノード掃気検出手段）
Ｔ１ 暖機完了温度
Ｔ２ 暖機開始判定温度
Ｔ１１ 燃料電池温度
Ｌ１ 第１判定残量
Ｌ２ 第２判定残量
Ｌ１１ 現在の残量

Claims (6)

1. 反応ガス流路を有し、当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   電力を蓄える蓄電装置と、
   前記蓄電装置の残量を検出する残量検出手段と、
   起動時に前記蓄電装置を電源として作動し、前記反応ガス流路を、前記燃料電池が発電可能な濃度の反応ガスに置換する反応ガス置換手段と、
   前記燃料電池の発電停止時間を検出する停止時間検出手段と、
   前記燃料電池が発電開始するまでに前記反応ガス置換手段が消費する反応ガス置換用電力量を、前記燃料電池の発電停止時間に基づいて算出する反応ガス置換用電力量算出手段と、
   前記反応ガス置換手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、現在の蓄電装置の残量が、前記算出された反応ガス置換用電力量に基づく判定残量以上である場合、前記反応ガス置換手段を作動させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   起動時に前記燃料電池を暖機する必要がある場合、前記制御手段に制御され前記蓄電装置を電源として作動し、前記燃料電池を暖機する暖機手段と、
   前記燃料電池の温度が暖機完了温度に到達するまでに、前記暖機手段が消費する暖機用電力量を算出する暖機用電力量算出手段と、
   をさらに備え、
   前記制御手段は、現在の蓄電装置の残量が、前記算出された反応ガス置換用電力量と暖機用電力量との和に基づく判定残量以上である場合、前記暖機手段及び前記反応ガス置換手段を作動させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記反応ガス流路は、燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸化剤ガスが供給されるカソード流路とを有し、
   前記燃料電池の発電停止後から現在の間に、前記アノード流路に残留する燃料ガスを排出するアノード掃気が実施されたか否かを検出するアノード掃気検出手段を、さらに備え、
   前記制御手段は、アノード掃気が実施されていた場合、前記反応ガス置換用電力量が大きくなるように補正する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 反応ガス流路を有し、当該反応ガス流路に反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   電力を蓄える蓄電装置と、
   起動時に前記蓄電装置を電源として作動し、前記反応ガス流路を、前記燃料電池が発電可能な濃度の反応ガスに置換する反応ガス置換手段と、
   を備える燃料電池システムの起動方法であって、
   前記燃料電池が発電開始するまでに前記反応ガス置換手段が消費する反応ガス置換用電力量を、前記燃料電池の発電停止時間に基づいて算出する反応ガス置換用電力量算出ステップと、
   現在の蓄電装置の残量が、前記算出された反応ガス置換用電力量に基づく判定残量以上である場合、前記反応ガス置換手段を作動させる作動ステップと、
   を含むことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
5. 前記燃料電池システムは、起動時に前記蓄電装置を電源として作動し、前記燃料電池を暖機する暖機手段をさらに備えており、
   前記燃料電池の温度が暖機完了温度に到達するまでに、前記暖機手段が消費する暖機用電力量を算出する暖機用電力量算出ステップを、さらに含み、
   現在の蓄電装置の残量が、前記算出された反応ガス置換用電力量と暖機用電力量との和に基づく判定残量以上である場合、前記作動ステップにおいて、前記暖機手段及び前記反応ガス置換手段を作動させる
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの起動方法。
6. 前記反応ガス流路は、燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸化剤ガスが供給されるカソード流路とを有しており、
   前記燃料電池の発電停止後から現在の間に、前記アノード流路に残留する燃料ガスを排出するアノード掃気が実施されたか否かを検出するアノード掃気検出ステップを、さらに含み、
   前記アノード掃気が実施されたことが検出された場合、前記反応ガス置換用電力量算出ステップにおいて、前記反応ガス置換用電力量が大きくなるように補正する
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システムの起動方法。

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