JP2011210511A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】騒音および振動の特性を向上しつつ、発電安定性を向上することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】反応ガスの状態量を制御する反応ガス供給状態量設定部６５を有する制御装置４５を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下か否かを判定する氷点下起動判定部６１と、燃料電池の電流電圧特性を監視する電流電圧特性監視部６２および燃料電池の発電によるセル電圧安定性を監視するセル電圧安定性監視部６３の少なくともいずれか一方と、電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された閾値以上か否かを判定する判定部６４と、をさらに有し、起動温度が氷点下である場合に、反応ガスの状態量を第１状態量に増大させ、電流電圧特性およびセル電圧安定性の少なくともいずれか一方が第１閾値を超える場合は、反応ガスの状態量を第１状態量よりも低下した第２状態量に設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来から、例えば車両に搭載される燃料電池として、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下、燃料電池という。）としたものが知られている。燃料電池自動車では、この燃料電池にアノードガスおよびカソードガスからなる反応ガスを供給することにより発電させ、この電力により車輪の駆動軸を回転させるためのモータを駆動することができるように構成されている。

具体的には、上述した燃料電池におけるアノード電極とセパレータとの間にアノードガス（燃料ガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間にカソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。

このような燃料電池を備える燃料電池システムは、氷点下環境で起動すると、燃料電池内部に残留している水が流路を閉塞して、発電安定性が低下する虞がある。
そこで、このような問題を解消するために、特許文献１では、低温起動時には、発電開始時刻ｔ１から、燃料電池が自己発熱により暖機される時刻ｔ２まで、従来の標準流量より過大なＦＣエア（酸化ガス）を燃料電池に供給するものが提案されている。

また、特許文献２では、燃料電池の出力を好適に制御することを目的として、最低セル電圧が閾値Ａよりも低い場合に、許可電力を制限して、燃料電池の出力制御の第１段階を行い、さらに最低セル電圧が閾値Ｂよりも低い場合に、許可電力をさらに制限して、出力制御の第２段階を実行する燃料電池の出力制御システムが提案されている。

特開２００５−１１６２５７号公報 特開２００４−１７２０５５号公報

ところで、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池が自己発熱により暖機されるまで標準流量より過大な流量のＦＣエアが供給され続けるため、エアが流通することに起因する音や振動が発生し、商品性（騒音および振動の特性）が損なわれる虞がある。
また、特許文献２の燃料電池の出力制御システムでは、燃料電池の出力を制御することはできるものの、反応ガスが低流量になる虞があるため、残留水が流路を閉塞して、発電安定性が低下する虞がある。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、騒音および振動の特性を向上しつつ、発電安定性を向上することができる燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスを供給して発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）と、該燃料電池に供給する前記反応ガスの状態量を制御する反応ガス供給状態量設定部（例えば、実施形態における反応ガス供給状態量設定部６５）を有する制御装置（例えば、実施形態における制御装置４５）と、を備えた燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０）であって、前記制御装置は、前記燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下か否かを判定する氷点下起動判定部（例えば、実施形態における氷点下起動判定部６１）と、前記燃料電池の電流電圧特性を監視する電流電圧特性監視部（例えば、実施形態における電流電圧特性監視部６２）および前記燃料電池の発電によるセル電圧安定性を監視するセル電圧安定性監視部（例えば、実施形態におけるセル電圧安定性監視部６３）の少なくともいずれか一方と、前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性が予め設定された閾値以上か否かを判定する判定部（例えば、実施形態における判定部６４）と、をさらに有し、前記氷点下起動判定部において前記起動温度が氷点下である場合に、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量を第１状態量（例えば、実施形態における最大状態量）に増大させ、前記判定部において前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性の少なくともいずれか一方が第１閾値（例えば、実施形態における増量増圧中閾値）を超える場合は、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量を前記第１状態量よりも低下した第２状態量に設定することを特徴としている。

請求項２に記載した発明は、前記制御装置は前記電流電圧特性監視部および前記セル電圧安定性監視部を両方有し、前記判定部において前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性がともに前記第１閾値を超える場合は、前記反応ガスの状態量を前記第２状態量に設定することを特徴としている。

請求項３に記載した発明は、前記判定部は前記第１閾値よりも大きい閾値が１つ以上設定され、前記反応ガス供給状態量設定部において前記閾値を超えるたびに前記反応ガスの状態量が段階的に低下するように設定されることを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、反応ガスを供給して発電を行う燃料電池と、該燃料電池に供給する前記反応ガスの状態量を制御する反応ガス供給状態量設定部を有する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下か否かを判定する氷点下起動判定部と、前記燃料電池の電流電圧特性を監視する電流電圧特性監視部および前記燃料電池の発電によるセル電圧安定性を監視するセル電圧安定性監視部の少なくともいずれか一方と、前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性が予め設定された閾値以上か否かを判定する判定部と、をさらに有し、前記氷点下起動判定部において前記起動温度が氷点下である場合に、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量を第３状態量に設定し、前記判定部において前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性の少なくともいずれか一方が第２閾値以下の場合は、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量を前記第３状態量よりも増大した第４状態量に設定することを特徴としている。

請求項５に記載した発明は、前記制御装置は前記電流電圧特性監視部および前記セル電圧安定性監視部を両方有し、前記判定部において前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性がともに前記第２閾値以下の場合は、前記反応ガスの状態量を前記第４状態量に設定することを特徴としている。

請求項６に記載した発明は、前記判定部は前記第２閾値よりも小さい閾値が１つ以上設定され、前記反応ガス供給状態量設定部において前記閾値を下回るたびに前記反応ガスの状態量が段階的に増大するように設定されることを特徴としている。

請求項７に記載した発明は、反応ガスを供給して発電を行う燃料電池と、該燃料電池に供給する前記反応ガスの状態量を制御する反応ガス供給状態量設定部を有する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下か否かを判定する氷点下起動判定部と、前記燃料電池の電流電圧特性を監視する電流電圧特性監視部および前記燃料電池の発電によるセル電圧安定性を監視するセル電圧安定性監視部の少なくともいずれか一方と、をさらに有し、前記氷点下起動判定部において前記起動温度が氷点下である場合に、前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性の少なくともいずれか一方の値に対応して、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量が設定されることを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下である場合に、燃料電池に供給する反応ガスの状態量（流量、圧力など）をまず増大させ、その後徐々に低下させることにより、反応ガスが短時間のうちに燃料電池に確実に供給されるため、発電安定性を向上することができる。また、反応ガスの状態量が増大することにより、反応ガスが流通する流路に残留している水を効果的に排出することができる。結果として、短時間で発電安定性を確保することができるため、騒音および振動の特性を向上することができる。

請求項２に記載した発明によれば、反応ガスの状態量を設定する際に、電流電圧特性およびセル電圧安定性を両方同時に監視することにより、反応ガスの状態量を精度よく調節することができる。

請求項３に記載した発明によれば、反応ガスの状態量を段階的に低下させることにより、反応ガスの状態量をさらに精度よく調節することができ、騒音および振動の特性をさらに向上することができる。

請求項４に記載した発明によれば、燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下である場合に、燃料電池に供給する反応ガスの状態量（流量、圧力など）をまず予め設定した所定量に設定し、その後徐々に増大させることにより、反応ガスは必要最小限の状態量の増大で発電安定性を確保することができる。したがって、騒音および振動の特性を向上することができるとともに、燃料電池の起動時の省電力化を図ることができる。

請求項５に記載した発明によれば、反応ガスの状態量を設定する際に、電流電圧特性およびセル電圧安定性を両方同時に監視することにより、反応ガスの状態量を精度よく調節することができる。

請求項６に記載した発明によれば、反応ガスの状態量を段階的に増大させることにより、反応ガスの状態量をさらに精度よく調節することができ、騒音および振動の特性をさらに向上することができる。

請求項７に記載した発明によれば、燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下である場合に、燃料電池に供給する反応ガスの状態量（流量、圧力など）を電流電圧特性およびセル電圧安定性の少なくともいずれか一方の値に対応して設定するように構成したため、常に最適な反応ガスの状態量を設定することができる。したがって、燃料電池の発電安定性を向上することができるとともに、騒音および振動の特性の向上、燃料電池の起動時の省電力化を図ることができる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態における制御装置の概略ブロック図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムの反応ガス状態量制御方法の第１の態様を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の第１の態様における燃料電池の電流電圧特性およびセル電圧安定性と反応ガスの状態量との関係を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの反応ガス状態量制御方法の第２の態様を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の第２の態様における燃料電池の電流電圧特性およびセル電圧安定性と反応ガスの状態量との関係を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態における燃料電池システムの反応ガス状態量制御方法のさらに別の態様を説明するグラフである。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合の説明をする。

（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。具体的に、燃料電池１１は、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したものである。また、燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。ここで、本実施形態では、アノードガス供給配管２３、アノードオフガス排出配管３５、カソードガス供給配管２４およびカソードオフガス排出配管３８が反応ガス流路２０を構成している。

また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ２６を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。

また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で３本の配管が分岐して設けられており、エア排出配管３２、ドレイン排出配管３６、およびパージガス排出配管３７が接続されている。エア排出配管３２、ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、エア排出配管３２には電磁駆動式のエア排出弁５６が設けられており、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。

次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるようになっている。

また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、アノードガス供給配管２３におけるエゼクタ２６と燃料電池１１との間に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。

さらに、アノードガス供給配管２３におけるアノードガス供給用連通孔１３の直近には配管内のガス圧力を検出可能な圧力センサ４１が設けられ、アノードオフガス排出配管３５におけるアノードオフガス排出用連通孔１４の直近には配管内のガス温度を検出可能な温度センサ４２が設けられている。同様に、カソードガス供給配管２４におけるカソードガス供給用連通孔１５の直近には配管内のガス圧力を検出可能な圧力センサ４３が設けられ、カソードオフガス排出配管３８におけるカソードオフガス排出用連通孔１６の直近には配管内のガス温度を検出可能な温度センサ４４が設けられている。また、燃料電池１１には、発電電圧を検出可能な電圧センサ５７が設けられている。また、燃料電池１１には、該燃料電池１１から出力される電流を検出可能な電流センサ５８が設けられている。

この圧力センサ４１，４３、温度センサ４２，４４、電圧センサ５７および電流センサ５８からの検出結果（センサ出力）は、制御装置（ＥＣＵ）４５へ伝達され、その検出結果に基づいて、燃料電池１１の起動時の反応ガス供給状態量（流量や圧力など）の各種制御（後に詳述する。）を行うことができるように構成されている。

図２は制御装置４５の概略ブロック図である。図２に示すように、制御装置４５は、燃料電池１１を起動したときの起動温度が氷点下か否かを判定する氷点下起動判定部６１と、燃料電池１１の電流電圧特性（ＩＶ特性）を監視する電流電圧特性監視部６２と、燃料電池１１の発電によるセル電圧安定性を監視するセル電圧安定性監視部６３と、電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された閾値以上か否かを判定する判定部６４と、燃料電池１１に供給する反応ガス（アノードガスおよびカソードガス）の状態量（流量、圧力など）を制御する反応ガス供給状態量設定部６５と、燃料電池１１の暖機が完了しているか否かを判定する燃料電池暖機判定部６６と、を有している。

なお、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、電磁弁２５を制御して水素タンク３０から所定の状態量（流量、圧力）の水素ガスを燃料電池１１に供給することができるようになっている。また、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ３３を駆動して所定量の空気を燃料電池１１に供給するとともに、背圧弁３４を制御してカソードガス流路２２への空気の状態量（流量、圧力）を調整できるように構成されている。

（燃料電池システムの反応ガス状態量制御方法）
次に、本実施形態における燃料電池システム１０の反応ガス状態量制御方法について説明する。なお、本実施形態においては、反応ガス状態量制御方法について２つの態様を説明する。

（第１の態様）
図３は燃料電池システム１０の反応ガス状態量制御方法の第１の態様を示すフローチャートである。
図３に示すように、このフローチャートでは、車両のイグニッションスイッチがオンされた状態からフローチャートが始まる。

ステップＳ１１では、氷点下起動判定部６１において燃料電池１１（燃料電池システム１０）が起動したときの起動温度が氷点下か否かを判定し、氷点下起動である場合はステップＳ１２へ進み、氷点下起動でない場合はそのまま処理を終了する。なお、氷点下起動か否かは、図示しない外気温センサを用いて判定してもよいし、温度センサ４２，４４を用いて判定してもよい。

ステップＳ１２では、燃料電池暖機判定部６６において燃料電池１１が暖機されているか否かを判定し、暖機が完了している場合はステップＳ１３へ進み、暖気が完了していない場合はステップＳ１４へ進む。なお、燃料電池１１の暖機が完了しているか否かは、図示しない燃料電池１１に設けられた温度センサを用いて判定してもよいし、温度センサ４２，４４を用いて判定してもよい。

ステップＳ１３では、燃料電池１１の暖機が完了しているため、反応ガス供給状態量設定部６５において、反応ガスの供給状態量を特に変更する必要がないと判定し、予め設定された標準状態量の反応ガスを燃料電池１１に供給するように設定する。そして、設定された状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ２３へ進む。

ステップＳ１４では、燃料電池１１の暖機が完了していないため、反応ガス供給状態量設定部６５において燃料電池１１の発電安定性を短時間で確保したいと判定し、燃料電池１１への反応ガスの供給状態量（流量・圧力）を最大状態量（第１状態量）に設定し、燃料電池１１に供給するように設定する。そして、設定された最大状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ１５へ進む。

ステップＳ１５では、電流電圧特性監視部６２において燃料電池１１の電流電圧特性（ＩＶ特性）を監視するとともに、セル電圧安定性監視部６３において燃料電池１１の発電によるセル電圧安定性を監視する。電流電圧特性およびセル電圧安定性が検出されたらステップＳ１６へ進む。

ステップＳ１６では、判定部６４において電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された増量増圧中閾値以上になったか否かを判定し、まだ増量増圧中閾値以上になっていない場合はステップＳ１７へ進み、増量増圧中閾値以上になった場合はステップＳ１８へ進む。なお、電流電圧特性およびセル電圧安定性のいずれか一方の値のみを検出して、判定部６４において判定をしてもよいが、両方の値を検出して判定する方が精度よく判定することができる。

ステップＳ１７では、電流電圧特性およびセル電圧安定性が、まだ増量増圧中閾値以上になっていないため、反応ガスの供給状態量は最大状態量のまま維持し、ステップＳ２３へ進む。

ステップＳ１８では、ステップＳ１６で電流電圧特性およびセル電圧安定性が増量増圧中閾値以上になったと判定されたため、さらに判定部６４において電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された増量増圧小閾値以上になったか否かを判定し、まだ増量増圧小閾値以上になっていない場合はステップＳ１９へ進み、増量増圧小閾値以上になった場合はステップＳ２０へ進む。

ステップＳ１９では、電流電圧特性およびセル電圧安定性が、増量増圧中閾値以上にはなったが、まだ増量増圧小閾値以上になっていないため、反応ガスの供給状態量を最大状態量から一段階低下した第２状態量に設定し、燃料電池１１に供給するように設定する。そして、設定された第２状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ２３へ進む。

ステップＳ２０では、ステップＳ１８で電流電圧特性およびセル電圧安定性が増量増圧小閾値以上になったと判定されたため、さらに判定部６４において電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された増量増圧無し閾値以上になったか否かを判定し、まだ増量増圧無し閾値以上になっていない場合はステップＳ２１へ進み、増量増圧無し閾値以上になった場合はステップＳ２２へ進む。

ステップＳ２１では、電流電圧特性およびセル電圧安定性が、増量増圧小閾値以上にはなったが、まだ増量増圧無し閾値以上になっていないため、反応ガスの供給状態量を第２状態量からさらに一段階低下した第３状態量に設定し、燃料電池１１に供給するように設定する。そして、設定された第３状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ２３へ進む。

ステップＳ２２では、ステップＳ２０で電流電圧特性およびセル電圧安定性が増量増圧無し閾値以上になったと判定されたため、反応ガスの供給状態量を第３状態量からさらに一段階低下した標準状態量に設定し、燃料電池１１に供給するように設定する。そして、標準状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ２３へ進む。

ステップＳ２３では、イグニッションスイッチがオフされたか否かを判定し、まだスイッチがオフになっていない場合はステップＳ１２へ戻り、スイッチがオフになった場合は処理を終了する。

図４は、上記フローチャートの流れをタイムチャートで示したものである。図４に示すように、第１の態様では、まず氷点下起動時には反応ガスの状態量を最大状態量（第１状態量）に設定し、電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された閾値を超えるたびに反応ガスの状態量を段階的に絞り、最終的には標準状態量になるように構成されている。

この第１の態様によれば、燃料電池１１を起動させたときの起動温度が氷点下である場合に、燃料電池１１に供給する反応ガスの状態量（流量、圧力など）をまず最大状態量に増大し、その後徐々に低下させることにより、反応ガスが短時間のうちに燃料電池１１に確実に供給されるため、発電安定性を向上することができる。また、反応ガスの状態量が最大状態量に増大することにより、反応ガスが流通する反応ガス流路２０に残留している水を効果的に排出することができる。結果として、短時間で発電安定性を確保することができるため、騒音および振動の特性を向上することができる。

また、反応ガスの状態量を設定する際に、電流電圧特性およびセル電圧安定性を両方同時に監視することにより、反応ガスの状態量を精度よく調節することができる。

さらに、反応ガスの状態量を段階的に低下させることにより、反応ガスの状態量をさらに精度よく調節することができ、騒音および振動の特性をさらに向上することができる。

（第２の態様）
図５は燃料電池システム１０の反応ガス状態量制御方法の第２の態様を示すフローチャートである。
図５に示すように、このフローチャートでは、イグニッションスイッチがオンされた状態からフローチャートが始まる。

ステップＳ３１では、氷点下起動判定部６１において燃料電池１１（燃料電池システム１０）が起動したときの起動温度が氷点下か否かを判定し、氷点下起動である場合はステップＳ３２へ進み、氷点下起動でない場合はそのまま処理を終了する。なお、氷点下起動か否かは、図示しない外気温センサを用いて判定してもよいし、温度センサ４２，４４を用いて判定してもよい。

ステップＳ３２では、燃料電池暖機判定部６６において燃料電池１１が暖機されているか否かを判定し、暖機が完了している場合はステップＳ３３へ進み、暖気が完了していない場合はステップＳ３４へ進む。なお、燃料電池１１の暖機が完了しているか否かは、図示しない燃料電池１１に設けられた温度センサを用いて判定してもよいし、温度センサ４２，４４を用いて判定してもよい。

ステップＳ３３では、燃料電池１１の暖機が完了しているため、反応ガス供給状態量設定部６５において、反応ガスの供給状態量を特に変更する必要がないと判定し、予め設定された標準状態量の反応ガスを燃料電池１１に供給するように設定する。そして、設定された状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ４２へ進む。

ステップＳ３４では、燃料電池１１の暖機が完了していないため、電流電圧特性監視部６２において燃料電池１１の電流電圧特性（ＩＶ特性）を監視するとともに、セル電圧安定性監視部６３において燃料電池１１の発電によるセル電圧安定性を監視する。電流電圧特性およびセル電圧安定性が検出されたらステップＳ３５へ進む。

ステップＳ３５では、判定部６４において電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された増量増圧小閾値以下になったか否かを判定し、増量増圧小閾値より大きい場合はステップＳ３６へ進み、増量増圧小閾値以下になった場合はステップＳ３７へ進む。なお、電流電圧特性およびセル電圧安定性のいずれか一方の値のみを検出して、判定部６４において判定をしてもよいが、両方の値を検出して判定する方が精度よく判定することができる。

ステップＳ３６では、電流電圧特性およびセル電圧安定性が、まだ増量増圧小閾値より大きいため、反応ガスの供給状態量は標準状態量のまま維持し、ステップＳ４２へ進む。

ステップＳ３７では、ステップＳ３５で電流電圧特性およびセル電圧安定性が増量増圧小閾値以下になったと判定されたため、さらに判定部６４において電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された増量増圧中閾値以下になったか否かを判定し、まだ増量増圧中閾値以下になっていない場合はステップＳ３８へ進み、増量増圧中閾値以下になった場合はステップＳ３９へ進む。

ステップＳ３８では、電流電圧特性およびセル電圧安定性が、増量増圧小閾値以下にはなったが、まだ増量増圧中閾値以下になっていないため、反応ガスの供給状態量を標準状態量から一段階増大した第３状態量に設定し、燃料電池１１に供給するように設定する。そして、設定された第３状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ４２へ進む。

ステップＳ３９では、ステップＳ３７で電流電圧特性およびセル電圧安定性が増量増圧中閾値以下になったと判定されたため、さらに判定部６４において電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された増量増圧大閾値以下になったか否かを判定し、まだ増量増圧大閾値以下になっていない場合はステップＳ４０へ進み、増量増圧大閾値以下になった場合はステップＳ４１へ進む。

ステップＳ４０では、電流電圧特性およびセル電圧安定性が、増量増圧中閾値以下にはなったが、まだ増量増圧大閾値以下になっていないため、反応ガスの供給状態量を第３状態量からさらに一段階増大した第２状態量に設定し、燃料電池１１に供給するように設定する。そして、設定された第２状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ４２へ進む。

ステップＳ４１では、ステップＳ３９で電流電圧特性およびセル電圧安定性が増量増圧大閾値以下になったと判定されたため、反応ガスの供給状態量を第２状態量からさらに一段階増大した最大状態量（第１状態量）に設定し、燃料電池１１に供給するように設定する。そして、最大状態量の反応ガスが燃料電池１１に供給され、ステップＳ４２へ進む。

ステップＳ４２では、イグニッションスイッチがオフされたか否かを判定し、まだスイッチがオフになっていない場合はステップＳ３２へ戻り、スイッチがオフになった場合は処理を終了する。

図６は、上記フローチャートの流れをタイムチャートで示したものである。図６に示すように、第２の態様では、氷点下起動時には反応ガスの状態量を標準状態量に設定し、電流電圧特性およびセル電圧安定性が予め設定された閾値を下回るたびに反応ガスの状態量を段階的に増大させ、電流電圧特性およびセル電圧安定性が増量増圧大閾値を下回ると反応ガスの状態量が最大状態量になるように構成されている。

この第２の態様によれば、燃料電池１１を起動させたときの起動温度が氷点下である場合に、燃料電池１１に供給する反応ガスの状態量（流量、圧力など）をまず予め設定した標準状態量に設定し、その後徐々に増大させることにより、反応ガスは必要最小限の状態量の増大で発電安定性を確保することができる。したがって、騒音および振動の特性を向上することができるとともに、燃料電池１１の起動時の省電力化を図ることができる。

また、反応ガスの状態量を設定する際に、電流電圧特性およびセル電圧安定性を両方同時に監視することにより、反応ガスの状態量を精度よく調節することができる。

さらに、反応ガスの状態量を段階的に増大させることにより、反応ガスの状態量をさらに精度よく調節することができ、騒音および振動の特性をさらに向上することができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

例えば、本実施形態において、判定部６４において予め設定された閾値に対して電流電圧特性（ＩＶ特性）およびセル電圧安定性が上回っているか下回っているかに対応して反応ガスの供給状態量を設定する場合の説明をしたが、図７に示すようなグラフを判定部６４に記憶させておき、電流電圧特性および／またはセル電圧安定性に対して反応ガスの状態量を直接設定するような構成にしてもよい。このように構成することにより、燃料電池１１を起動させたときの起動温度が氷点下である場合に、燃料電池１１に供給する反応ガスの状態量（流量、圧力など）を常に最適な状態量に設定することができる。したがって、燃料電池１１の発電安定性を向上することができるとともに、騒音および振動の特性の向上、燃料電池の起動時の省電力化を図ることができる。

１１…燃料電池 ４５…制御装置 ６１…氷点下起動判定部 ６２…電流電圧特性監視部 ６３…セル電圧安定性監視部 ６４…判定部 ６５…反応ガス供給状態量設定部

Claims (7)

1. 反応ガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   該燃料電池に供給する前記反応ガスの状態量を制御する反応ガス供給状態量設定部を有する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下か否かを判定する氷点下起動判定部と、
   前記燃料電池の電流電圧特性を監視する電流電圧特性監視部および前記燃料電池の発電によるセル電圧安定性を監視するセル電圧安定性監視部の少なくともいずれか一方と、
   前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性が予め設定された閾値以上か否かを判定する判定部と、をさらに有し、
   前記氷点下起動判定部において前記起動温度が氷点下である場合に、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量を第１状態量に増大させ、
   前記判定部において前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性の少なくともいずれか一方が第１閾値を超える場合は、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量を前記第１状態量よりも低下した第２状態量に設定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は前記電流電圧特性監視部および前記セル電圧安定性監視部を両方有し、
   前記判定部において前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性がともに前記第１閾値を超える場合は、前記反応ガスの状態量を前記第２状態量に設定す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. 前記判定部は前記第１閾値よりも大きい閾値が１つ以上設定され、
   前記反応ガス供給状態量設定部において前記閾値を超えるたびに前記反応ガスの状態量が段階的に低下するように設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 反応ガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   該燃料電池に供給する前記反応ガスの状態量を制御する反応ガス供給状態量設定部を有する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下か否かを判定する氷点下起動判定部と、
   前記燃料電池の電流電圧特性を監視する電流電圧特性監視部および前記燃料電池の発電によるセル電圧安定性を監視するセル電圧安定性監視部の少なくともいずれか一方と、
   前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性が予め設定された閾値以上か否かを判定する判定部と、をさらに有し、
   前記氷点下起動判定部において前記起動温度が氷点下である場合に、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量を第３状態量に設定し、
   前記判定部において前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性の少なくともいずれか一方が第２閾値以下の場合は、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量を前記第３状態量よりも増大した第４状態量に設定することを特徴とする燃料電池システム。
5. 前記制御装置は前記電流電圧特性監視部および前記セル電圧安定性監視部を両方有し、
   前記判定部において前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性がともに前記第２閾値以下の場合は、前記反応ガスの状態量を前記第４状態量に設定す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。
6. 前記判定部は前記第２閾値よりも小さい閾値が１つ以上設定され、
   前記反応ガス供給状態量設定部において前記閾値を下回るたびに前記反応ガスの状態量が段階的に増大するように設定されることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
7. 反応ガスを供給して発電を行う燃料電池と、
   該燃料電池に供給する前記反応ガスの状態量を制御する反応ガス供給状態量設定部を有する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池を起動させたときの起動温度が氷点下か否かを判定する氷点下起動判定部と、
   前記燃料電池の電流電圧特性を監視する電流電圧特性監視部および前記燃料電池の発電によるセル電圧安定性を監視するセル電圧安定性監視部の少なくともいずれか一方と、をさらに有し、
   前記氷点下起動判定部において前記起動温度が氷点下である場合に、
   前記電流電圧特性および前記セル電圧安定性の少なくともいずれか一方の値に対応して、前記反応ガス供給状態量設定部において前記反応ガスの状態量が設定されることを特徴とする燃料電池システム。

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