JP2017157512A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低温環境下において、二次電池の電力供給能力の影響を受けることなく、燃料電池の燃料ガス流路における水素濃度を所望の水素濃度まで上昇させること。【解決手段】燃料電池システムＦＣの制御部５０は、温度測定部６３により測定された温度が所定の温度よりも低い場合に二次電池４１の電力を用いて燃料ガス濃度上昇機構１２、２２を作動させ、燃料ガス濃度を第１の目標濃度に向けて上昇させる燃料ガス濃度上昇処理を実行する。制御部５０は燃料ガス濃度が第１の目標濃度よりも低い第２の目標濃度以上になると、燃料電池１０による発電を開始させて燃料電池１０からの電力を用いて燃料ガス濃度上昇機構１２、２２を作動させ、燃料ガス濃度が第１の目標濃度以上になるまで燃料ガス濃度上昇処理を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。
氷点下といった低温環境下における燃料電池システムの起動時には、燃料電池スタック内の燃料ガス流路に残留する水分が氷結し、燃料ガス流路に燃料ガスが十分に行き渡らず、燃料ガス濃度が不足し、燃料電池の発電性能の低下、不安定化、燃料電池の損傷という問題がある。この問題を解決するために、低温環境下における燃料電池システムの起動に先立ち、燃料ガス流路における燃料ガス濃度を増大させる低温起動処理技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
低温起動処理は、インジェクタを作動させて燃料電池のアノード側に燃料ガスを送り込み、アノード側に残存する不純物（窒素、水分）を、同じく残存する燃料ガス（水素）と共に燃料電池の外部に排出させる処理であるため、排出ガス中の排出水素濃度を所定濃度以下まで低減させることが行われる。排出水素濃度の低減は、カソード側の酸化ガス供給するブロワーを作動させて、アノード排出ガスをカソード排出ガスに混合させることにより実現される。低温起動処理の実行時には、燃料電池は起動していないため、ブロワー、インジェクタ等の駆動には、二次電池の電力が用いられる。
特開２００８−２７７２０３号公報
しかしながら、低温環境下では二次電池における起電能力も低下するため、二次電池から供給される電力量は限定的となり、燃料ガス流路における水素濃度を所望の水素濃度まで上昇できない、すなわち、低温起動処理を完了できない場合がある。また、二次電池の充電状態によっては、燃料ガス流路における水素濃度がさらに低い状態で低温起動処理を停止しなければならない問題がある。
したがって、低温環境下において、二次電池の電力供給能力の影響を受けることなく、燃料電池の燃料ガス流路における水素濃度を所望の水素濃度まで上昇させる技術、すなわち、低温起動処理を完了させる技術が望まれている。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の態様として実現することが可能である。
第１の態様は、燃料電池システムを提供する。第１の態様に係る燃料電池システムは、内部に燃料ガス流路を有する燃料電池と、二次電池と、前記燃料ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇機構と、前記燃料電池に関わる温度を測定する温度測定部と、前記温度測定部により測定された温度が所定の温度よりも低い場合に前記二次電池の電力を用いて前記燃料ガス濃度上昇機構を作動させ、前記燃料ガス濃度を第１の目標濃度に向けて上昇させる燃料ガス濃度上昇処理を実行する制御部とを備え、前記制御部は前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度よりも低い第２の目標濃度以上になると、前記燃料電池による発電を開始させて前記燃料電池からの電力を用いて前記燃料ガス濃度上昇機構を作動させ、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上になるまで前記燃料ガス濃度上昇処理を実行する。
第１の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス濃度上昇処理実行中に、燃料ガス濃度が、燃料ガス濃度上昇処理の完了時の目標濃度である第１の目標濃度よりも低い第２の目標濃度以上になると、燃料電池による発電を開始させて燃料電池からの電力を用いて燃料ガス濃度上昇機構を作動させるので、低温環境下において、二次電池の電力供給能力の影響を受けることなく、燃料電池の燃料ガス流路における水素濃度を所望の水素濃度まで上昇させることができる。
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は前記燃料ガス流路と連通されている燃料ガス導入部と燃料オフガス排出部とを備え、前記燃料ガス濃度上昇機構は、前記燃料ガス導入部と接続されている燃料ガス供給装置と、前記燃料オフガス排出部と接続されている燃料オフガス排出弁とを含み、前記制御部は、前記燃料ガス供給装置を制御して前記燃料ガス導入部を介して前記燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給させると共に、前記燃料オフガス排出弁を制御して前記燃料オフガス排出部を介して前記燃料ガス流路から燃料オフガスを排出させることによって、前記燃料ガス濃度上昇処理を実行しても良い。この場合には、燃料ガス供給装置を制御して燃料ガス導入部を介して燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給させると共に、燃料オフガス排出部を介して燃料ガス流路から燃料オフガスを排出させることによって、燃料ガス濃度上昇処理を実行することができる。
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料オフガス排出部と前記燃料ガス導入部とを接続し、排出された前記燃料オフガスを循環させる燃料ガス循環管と、前記燃料ガス循環管に配置されている循環ポンプとを備え、前記制御部は、前記燃料ガス濃度上昇処理の実行前に前記循環ポンプによる燃料オフガスの循環を停止させ、前記燃料ガス濃度上昇処理の完了後に前記循環ポンプによる前記燃料オフガスの循環を開始させても良い。この場合には、燃料ガス濃度上昇処理時には循環ポンプを停止させるので、燃料ガス流路に残存する非燃料ガスの燃料ガス流路に対する再分配を防止することができる。
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料ガス流路の圧力を測定する圧力センサを備え、前記制御部は、予め用意された前記第１の目標濃度に対応する第１の燃料オフガス量と前記第２の目標濃度に対応する第２の燃料オフガス量とを有し、前記圧力センサにより測定された圧力値を用いて前記燃料電池から排出された燃料オフガスの積算排気量を算出し、算出された前記燃料オフガスの積算排気量が前記第１の燃料オフガス量および前記第２の燃料オフガス量以上であるか否かを判定することにより、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上であるかおよび前記第２の目標濃度以上であるか否かを判定しても良い。この場合には、水素濃度センサを備えることなく、一般的に備えられていることが多い圧力センサを用いて、燃料オフガスの積算排気量に基づいて燃料ガス流路における燃料ガス濃度が第１の目標濃度以上であるかおよび第２の目標濃度以上であるか否かを判定することができる。
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池から排出される燃料オフガスの流量を測定する流量計を備え、前記制御部は、予め用意された前記第１の目標濃度に対応する第１の燃料オフガス量と前記第２の目標濃度に対応する第２の燃料オフガス量とを有し、前記流量計により測定された流量値を用いて前記燃料電池から排出された燃料オフガスの積算排気量を算出し、算出された前記燃料オフガスの積算排気量が前記第１の燃料オフガス量および前記第２の燃料オフガス量以上であるか否かを判定することにより、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上であるかおよび前記第２の目標濃度以上であるか否かを判定しても良い。この場合には、水素濃度センサを備えることなく、一般的に良く用いられている流量計を用いて、燃料オフガスの積算排気量に基づいて燃料ガス流路における燃料ガス濃度が第１の目標濃度以上であるかおよび第２の目標濃度以上であるか否かを判定することができる。
第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料ガス濃度を測定する燃料ガス濃度センサを備え、前記制御部は前記燃料ガス濃度センサによって測定された燃料ガス濃度を用いて、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上であるかおよび前記第２の目標濃度以上であるかを判定しても良い。この場合には、燃料ガス流路における燃料ガス濃度をより精度良く測定することが可能となり、燃料ガス濃度上昇処理における燃料電池からの電力供給のタイミングの最適化を図ることができる。
第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記温度測定部により測定された温度が前記所定の温度以上である場合、あるいは、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上となり前記燃料ガス濃度上昇処理が完了した後は、出力要求に応じた燃料電池の運転制御処理を実行しても良い。この場合には、出力要求に応じて燃料電池を作動させることができる。
第２の態様は、燃料電池システムの制御方法を提供する。第２の態様に係る燃料電池システムの制御方法は、内部に燃料ガス流路を有する燃料電池に関わる温度を取得し、取得された前記温度が所定の温度よりも低い場合には、二次電池の電力を用いて前記燃料ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇機構を作動させて、前記燃料ガス流路における燃料ガス濃度を第１の目標濃度に向けて上昇させ、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度よりも低い第２の目標濃度以上になると、前記燃料電池による発電を開始させて前記燃料電池からの電力を用いて前記燃料ガス濃度上昇機構を作動させて前記燃料ガス濃度を前記第１の目標濃度以上になるまで上昇させ、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上になると、出力要求に応じて前記燃料電池の運転を制御し、前記取得された前記温度が前記所定の温度以上である場合には、出力要求に応じて前記燃料電池の運転を制御する、ことを備える。
第２の態様に係る燃料電池システムの制御方法によれば、第１の態様に係る燃料電池システムと同様の作用効果を得ることができる。また、第２の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法は、第１の態様に係る燃料電池システムと同様にして種々の対応にて実現可能である。
本発明は、燃料電池システムの制御プログラムとしても実現可能である。
第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。 第１の実施形態に係る燃料電池システムを搭載する車両を示す説明図である。 水素濃度上昇処理を要する理由を説明する説明図である。 第１の実施形態に係る水素濃度上昇処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。 水素濃度上昇処理時における各要素の動作状態を示すタイムチャートである。 積算燃料オフガス量を用いて燃料ガス流路内の水素濃度を推定する理論を説明する説明図である。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。 第２の実施形態に係る水素濃度上昇処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。 第２の実施形態に係る水素濃度上昇処理時における各要素の動作状態を示すタイムチャートである。 第１の変形例における燃料オフガス排出部周りの構成を示す説明図である。 第２の変形例における酸化ガス供給系の構成を示す説明図である。
本発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法について以下説明する。
・第１の実施形態：
図１は第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。燃料電池システムＦＣは、燃料電池１０、燃料ガス供給系、酸化ガス供給系、冷却系および制御部５０を備えている。なお、本実施例において、反応ガスは、燃料電池１０における電気化学反応に供する燃料ガスおよび酸化ガスの総称である。なお、燃料ガスとしては、例えば、純水素、水素含有量の高い水素リッチガスが含まれ、酸化ガスとしては、例えば、空気（大気）、酸素が含まれる。
燃料電池１０は、燃料ガスが供給されるアノードおよび酸化ガスが供給されるカソードを有する。本実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられ、燃料電池１０は、電解質膜のそれぞれの面上に、アノード触媒を担持しているアノード触媒層およびカソード触媒を担持しているカソード触媒層を備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。なお、アノード触媒層およびカソード触媒層に加えて、ガス拡散性の高い材質、例えば、多孔質体、エキスパンドメタルから構成されるアノードガス拡散層、およびカソードガス拡散層を備えていても良い。
電解質層は、固体高分子電解質膜、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を含むフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜によって形成することができる。アノード触媒層およびカソード触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金（Ｐｔ）または白金合金といった貴金属あるいは貴金属と他の金属とから成る貴金属合金からなる触媒とを含む。各触媒層は電解質層の表面に塗布されることによって形成されても良く、あるいは、各ガス拡散層に触媒金属を担持させることによって、各ガス拡散層と一体に形成されても良い。各ガス拡散層は、導電性及びガス透過性を有する部材、例えば、カーボン製多孔体、カーボンペーパを用いることができる。
燃料電池１０は、燃料ガス流路１０５、アノードに燃料ガス導入部１００ａおよび燃料オフガス排出部１００ｂ、カソードに酸化ガス供給部１００ｃおよび酸化オフガス排出部１００ｄを備えている。燃料ガス導入部１００ａと燃料オフガス排出部１００ｂとは、燃料ガス流路１０５を介して連通（接続）されている。
燃料ガス供給系は、水素ガスタンク１１、水素供給装置１２、燃料ガス供給管１１０、燃料オフガス排出管１１１を備えている。水素ガスタンク１１は、燃料ガスである水素を供給するために水素ガスを高圧で貯蔵する水素貯蔵部である。この他に、水素貯蔵合金、カーボンナノチューブを用いた水素貯蔵部、液体水素を貯蔵する水素貯蔵部が用いられても良い。
燃料電池１０の燃料ガス導入部１００ａと水素ガスタンク１１とは燃料ガス供給管１１０によって接続されている。燃料ガス供給管１１０には、圧力制御弁２１、水素供給装置１２および圧力センサ６２が配置されている。圧力制御弁２１は、水素ガスタンク１１から供給される燃料ガスの圧力を所定の圧力に調整すると共に、制御部５０からの閉弁要求に従って、閉弁状態を取り、水素ガスタンク１１から燃料電池１０に対する燃料ガスの供給を停止する。水素供給装置１２は、制御部５０からの制御信号に従い、水素ガスタンク１１から放出（供給）された所定圧力の燃料ガスの圧力を減圧し、また燃料ガスの流量を所望の流量に調整して、燃料ガスを燃料電池１０に供給する。燃料ガス供給装置としての水素供給装置１２には、例えば、１または複数の水素インジェクタが用いられ得る。水素供給装置１２および後述する燃料オフガス排出弁２２とは燃料ガス流路１０５における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇機構を構成する。圧力センサ６２は燃料電池１０内の圧力、すなわち、燃料ガス流路１０５の圧力を検出する。
燃料電池１０の燃料オフガス排出部１００ｂには、気液分離器１３および燃料オフガス排出弁２２が配置されている。燃料オフガス排出弁２２には燃料オフガス排出管１１１の一端が接続され、燃料オフガス排出管１１１の他端は酸化オフガス排出管１２１に接続されている。気液分離器１３は、燃料オフガスに含まれる気体成分と液体成分とを分離する。燃料オフガス排出弁２２は制御部５０によって制御され、開弁状態にて気液分離器１３からの液体成分、主には生成水の排出を許容し、閉弁状態にて気液分離器１３らの液体成分の排出を停止する。燃料オフガス排出弁２２は、通常閉弁されており、燃料オフガス排出弁２２を定期的に開弁することによって、気液分離器１３に蓄積された液体成分を燃料オフガス排出管１１１および酸化オフガス排出管１２１を介して燃料電池１０の外部に排出する。
酸化ガス供給系は、酸化ガス供給管１２０、酸化ガスブロワー３２、酸化オフガス排出管１２１、マフラ１４を含んでいる。燃料電池１０の酸化ガス供給部１００ｃには、酸化ガス供給管１２０が接続されており、酸化ガスブロワー３２と燃料電池１０は、酸化ガス供給管１２０を介して接続されている。酸化ガス供給管１２０にはカソードを大気から封止するための第１カソード封止弁２３が備えられている。燃料電池１０の酸化オフガス排出部１００ｄには、酸化オフガス排出管１２１が接続されている。酸化オフガス排出管１２１には、第２カソード封止弁２４、マフラ１４が備えられている。第２カソード封止弁２４は、酸化ガスブロワー３２と協働してカソード圧力を調整すると共に、第１カソード封止弁と協働してカソードを大気から封止する。マフラ１４はカソードオフガスの排出に伴い発生する排気音を低減する。
燃料電池１０の出力端子であるアノード端子１０１およびカソード端子１０２には、電力制御部４０を介して二次電池４１および負荷としての駆動用モータ４２が接続されている。本実施形態において、二次電池４１にはリチウムイオン電池が用いられ、駆動用モータ４２には三相交流モータが用いられる。二次電池４１としてはこの他に、ニッケル水素電池、キャパシタが用いられても良く、駆動用モータ４２としては直流モータまたは他の交流モータが用いられても良い。二次電池４１は、燃料電池１０によって生成された電力または車両の減速時に得られた回生電力によって充電される。二次電池４１に蓄えられた電力は、燃料電池１０の稼働開始時に補機を駆動するため、あるいは、燃料電池１０を稼働させず駆動用モータ４２により車両を駆動するために用いられる。燃料電池システムＦＣが車両に搭載されている場合、負荷としては、例えば、駆動用モータ４２の他に燃料電池１０を作動させるための補機駆動用のアクチュエータ（図示せず、主にはモータ）が用いられる。
電力制御部４０は、二次電池４１の出力電圧を降圧して低電圧補機へ出力するための第１のＤＣ−ＤＣコンバータ、駆動用モータ４２を駆動するために燃料電池１０または二次電池４１からの直流電流を交流電流に変換、あるいは回生時に駆動用モータ４２による発電により得られた交流電流を直流電流に変換するためのインバータ、二次電池４１の出力電圧を駆動用モータ４２の駆動電圧まで昇圧し、また、二次電池４１を充電するために燃料電池１０の出力電圧および回生時における駆動用モータ４２の出力電圧を降圧する第２のＤＣ−ＤＣコンバータを備えている。
電力制御部４０は、二次電池４１の充電または放電を制御し、また、二次電池４１の充電状態（ＳＯＣ：State of Charge）が所定の範囲内となるよう二次電池４１の充電状態を制御する。電力制御部４０は、制御部５０からの制御信号に従い駆動用モータ４２の回転を制御し、また、回生時に発電機として機能する駆動用モータ４２により発電された電力を二次電池４１に蓄える充電制御を実行する。
アノード端子１０１およびカソード端子１０２には燃料電池の電圧を測定するための電圧測定部としての電圧計６０が接続されており、燃料電池１０が備える総セルの出力電圧を計測する。燃料電池１０のカソード端子１０２に接続されている電源ケーブルには電流計６１が配置されている。
冷却系は、熱交換器１５、冷却液用ポンプ３３および温度測定部としての温度センサ６３を含んでいる。燃料電池１０と熱交換器１５とは冷却液配管１３０を介して接続されている。冷却液配管１３０には冷却液配管１３０内の冷却液を循環させるための冷却液用ポンプ３３が配置されている。温度センサ６３は、熱交換器１５の出口側に接続されている冷却液配管１３０に配置されており、冷却液温度を測定する。なお、冷却液は冷媒として用いられており、水および不凍液の他に、気体と液体との間で相変化することにより、例えば大気との間で熱の授受を行う冷却物質が用いられても良い。
制御部５０は、出力要求検出部６５から入力される出力要求に応じて燃料電池システムＦＣの動きを制御する。出力要求検出部６５には、例えば、運転者からの出力要求を検出するアクセルペダル、燃料電池システムＦＣの補機の制御部が含まれる。制御部５０は、中央演算装置（ＣＰＵ）５１、メモリ５２、入出力インターフェース５３を備えている。ＣＰＵ５１、メモリ５２および入出力インターフェース５３は双方向通信バスによって互いに接続されている。ＣＰＵ５１はメモリ５２に格納されているプログラムを実行し、燃料電池システムＦＣの動作を制御する。ＣＰＵ５１はマルチスレッドＣＰＵであっても良く、あるいは、複数のＣＰＵの集合体の総称としても用いられる。メモリ５２には、燃料電池システムの始動時に燃料ガス流路１０５内の水素濃度を上昇させる処理である水素濃度上昇処理を実行するための水素濃度上昇処理プログラムＰ１、燃料電池システムＦＣ全体の運転制御処理を実行するための燃料電池制御プログラムＰ２が格納されている。これらプログラムＰ１、Ｐ２はＣＰＵ５１によって実行されることによって、水素濃度上昇処理実行部、燃料電池制御部として機能する。また、メモリ５２はＣＰＵ５１による演算結果を一時的に記憶するための作業領域を備えている。入出力インターフェース５３は、制御部５０の外部に備えられている各種センサおよびアクチュエータと制御部５０とを接続するための計測信号線および制御信号線が接続されるインターフェースである。本実施例では、入出力インターフェース５３には、図示しない出力要求センサとしてのアクセル開度センサ、水素供給装置１２、圧力制御弁２１、燃料オフガス排出弁２２、第１、第２カソード封止弁２３、２４、酸化ガスブロワー３２、冷却液用ポンプ３３、電力制御部４０がそれぞれ制御用信号線を介して接続され、電圧計６０、電流計６１、圧力センサ６２および温度センサ６３が計測信号線を介して接続されている。
燃料電池システムＦＣの動作について簡単に説明する。水素ガスタンク１１に貯蔵されている高圧水素ガスは、圧力制御弁２１によって減圧された後、さらに水素供給装置１２によって、所定の圧力および燃料ガス流量に調整され、燃料ガス供給管１１０および燃料ガス導入部１００ａを介して燃料電池１０のアノードに供給される。燃料電池１０内に供給された燃料ガスのうち、起電反応に供されなかった燃料ガスを含む燃料オフガス（アノードオフガス）は、所定のタイミングにて、燃料オフガス排出部１００ｂおよび燃料オフガス排出管１１１を介して、酸化オフガス排出管１２１に導入され、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て、マフラ１４から大気中に放出される。
燃料電池１０のカソードへは、酸化ガスブロワー３２によって取り込まれた大気（空気）が酸化ガス供給管１２０および酸化ガス供給部１００ｃを介して供給される。制御部５０は、燃料電池１０運転時には、第１および第２カソード封止弁２３、２４を開弁状態とする。
アノードに供給された水素は、アノード触媒層によって水素イオン（プロトン）と電子とに分離とされ、水素イオンは膜電極接合体を介してカソードに移動し、電子は外部回路を介してカソード触媒層へと移動する。カソードに移動した水素イオンは、カソード触媒層において、カソードに供給された酸素および外部回路を経由した電子と反応し、水が生成される。この一連の反応によって、負荷を駆動するための電流を得ることができる。
図２は第１の実施形態に係る燃料電池システムを搭載する車両を示す説明図である。本実施形態において燃料電池システムＦＣは、車両（乗用車）８０に搭載されている。出力要求検出部６５であるアクセルペダルから入力された出力要求に基づいて制御部５０は、上述の処理を行い、燃料電池１０から駆動用モータ４２に対して電力を供給し、車輪８１を駆動して車両８０を走行させる。
第１の実施形態に係る燃料ガス濃度上昇処理としての水素濃度上昇処理について説明する。なお、本明細書においては燃料ガスとして水素ガスが用いられるので、燃料ガスを水素ガス（水素）と呼ぶことがある。先ず、水素濃度上昇処理を実行する理由について説明する。図３は水素濃度上昇処理を要する理由を説明する説明図である。なお、図３においては、第１の実施形態に関係する構成要素については実線で示し、第２の実施形態にのみ関係する構成要素については二点鎖線で示している。燃料電池１０の運転停止時には、燃料ガス流路１０５内の水分を燃料電池１０外部に排出させ、アノード側を燃料ガスで充満させるパージ処理が実行される。しかしながら、燃料ガス流路１０５内の水分の全てを排出することは現実的でなく、結果として、燃料ガス流路１０５には残留水分が残存する。燃料電池１０が低温環境下、例えば、氷点下以下（０度未満）の雰囲気下に置かれると、燃料ガス流路１０５内の残留水分は氷結して氷結体ＢＬとなる。車両が夜間駐車された後、昼間における長時間駐車の後には、特に氷結体ＢＬが生成される可能性が高くなる。氷結体ＢＬは、燃料ガス流路１０５ａを閉塞または燃料ガス流路１０５ａにおける燃料ガスの流動抵抗となり、氷結体ＢＬが存在しない燃料ガス流路１０５ｂと比較して、燃料ガス流路１０５ａには燃料ガスである水素が行き渡りにくくなる。この結果、氷結体ＢＬが存在する燃料ガス流路１０５ａでは燃料ガス不足（燃料ガス濃度不足）が発生し、燃料電池１０の発電性能の低下、不安定化、燃料電池の損傷が生じ得る。そこで、燃料電池１０の低温始動時には、燃料オフガス排出弁２２を開き、水素供給装置１２から燃料ガスを供給して、燃料ガス流路１０５内の残存ガス等を燃料ガスで置換する水素濃度上昇処理が実行される。
図４は第１の実施形態に係る水素濃度上昇処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図５は水素濃度上昇処理時における各要素の動作状態を示すタイムチャートである。図６は積算燃料オフガス量を用いて燃料ガス流路内の水素濃度を推定する理論を説明する説明図である。第１の実施形態に係る水素濃度上昇処理は、制御部５０（ＣＰＵ５１）が水素濃度上昇処理プログラムＰ１を実行することによって実現される。
ＣＰＵ５１は、燃料電池システムを起動させるための起動スイッチのオン入力を受けると水素濃度上昇処理プログラムＰ１を実行し、温度センサ６３によって測定された冷却液温度Ｔｗ（℃）を取得する（ステップＳ１００）。冷却液温度Ｔｗは、燃料電池１０（燃料電池システムＦＣ）に関わる温度であり、燃料電池１０の内部温度（燃料ガス流路１０５の温度）を示す指標として用いられる。なお、本実施形態においては、温度センサ６３は温度値に対応する測定値（電圧値、電流値）を制御部５０に入力する。ＣＰＵ５１は冷却液温度Ｔｗが０℃未満（Ｔｗ＜０℃）であるか否か、すなわち、燃料電池１０の温度が氷点下以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。
ＣＰＵ５１は、冷却液温度Ｔｗが０℃未満でない（Ｔｗ≧０℃）と判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了し、出力要求に応じて燃料電池１０を作動させる燃料電池制御プログラムＰ２を実行する。
ＣＰＵ５１は、冷却液温度Ｔｗが０℃未満であると判定した場合には（ステップＳ１１０：Ｙｅｓ）、水素濃度上昇処理を開始する（ステップＳ１２０）。ＣＰＵ５１は、燃料オフガス排出弁２２に対して開弁信号を送信し、水素供給装置１２に対して水素供給信号を送信する（Ｔ０）。ＣＰＵ５１は、酸化ガスブロワー３２に対して酸化ガス供給信号を送信し、第１カソード封止弁２３および第２カソード封止弁２４に対して開弁信号を送信する（Ｔ０）。なお、以下では、水素濃度上昇処理に際して作動する水素供給装置１２、燃料オフガス排出弁２２、第１カソード封止弁２３、第２カソード封止弁２４および酸化ガスブロワー３２を総称して対象補機とも呼ぶ。開弁信号を受けた燃料オフガス排出弁２２、第１および第２カソード封止弁２３、２４では、図示しないアクチュエータが二次電池４１の電力によって弁を開弁させる。供給信号を受けた水素供給装置１２および酸化ガスブロワー３２では、図示しないインジェクタおよびポンプが二次電池４１の電力によって作動する。すなわち、水素濃度上昇処理の開始時には、二次電池４１が各対象補機と接続され、二次電池４１の電力によって各対象補機のアクチュエータが駆動され、各対象補機と非接続である燃料電池１０は発電を行わない。図５および図６において、横軸は経過時間（sec）を示しており、Ｔ０は水素濃度上昇処理の開始時、Ｔ１は燃料ガス濃度（水素濃度）が第２の目標濃度Ｄｈ２に到達した時期、Ｔ２は水素濃度上昇処理の完了時に対応する。なお、本水素濃度上昇処理は、経過時間でなく、燃料ガス濃度によって各対象補機の動作を制御しているので、Ｔ１およびＴ２は必ずしも同一時間とはならない。
水素濃度上昇処理が開始されると、燃料ガス流路１０５に残存していた残存ガスは水素供給装置１２によって供給された水素ガスによって燃料オフガス排出部１００ｂに向かって押し出される。燃料オフガス排出部１００ｂに到達した残存ガスおよび水素ガスは、気液分離器１３および燃料オフガス排出弁２２を経て、燃料オフガス排出管１１１を介して酸化オフガス排出管１２１に導かれる。酸化ガス供給系においては、酸化ガスブロワー３２が作動されており、酸化ガスは、酸化ガス供給部１００ｃから図示しない酸化ガス流路に供給され、酸化オフガス排出部１００ｄから酸化オフガス排出管１２１に排出される。したがって、酸化オフガス排出管１２１に導かれた残存ガスおよび水素ガスは、酸化オフガスによって水素濃度が所定濃度以下となるまで希釈された後、マフラ１４から大気中に放出される。
ＣＰＵ５１は、燃料ガス流路１０５内の燃料ガス濃度（水素濃度）Ｄｈが第２の目標濃度Ｄｈ２以上になったか否かを判定し（ステップＳ１３０）、Ｄｈ≧Ｄｈ２となるまで上記の処理を継続する（ステップＳ１３０：Ｎｏ）。水素濃度上昇処理において処理終了の目標とされる第１の目標濃度Ｄｈ１は、出力要求検出部６５からの出力要求に応じて駆動用モータ４２を駆動する電力を燃料電池１０に発電させるために求められる水素濃度に対応している。したがって、第１の目標濃度Ｄｈ１を実現させるためには時間を要することがあり、特に低温環境下においては、二次電池４１の起電性能も低下し、十分な電力量を得られず、第１の目標濃度Ｄｈ１を達成できない可能性がある。そこで、第１の実施形態においては、対象補機の駆動に要する電力の発電に求められる水素濃度であり、第１の目標濃度Ｄｈ１よりも低い第２の目標濃度Ｄｈ２を導入し、Ｄｈ≧Ｄｈ２となった時点で燃料電池１０による発電を開始して、二次電池４１の電力に依存することなく対象補機を駆動して、水素濃度上昇処理を完了させる。なお、第２の目標濃度Ｄｈ２は、発電を実行しても燃料電池１０に損傷、すなわち、触媒を劣化させず、あるいは、触媒の劣化の程度が小さい水素濃度であり、燃料電池システムＦＣの型毎に実験的に求められ、予め定められる特性値である。
本実施形態においては、燃料ガス流路１０５内の水素濃度、便宜的には、燃料オフガスにおける水素濃度Ｄｈを水素濃度センサといった燃料ガス濃度センサを用いて直接検出する代わりに、水素濃度上昇処理開始時から排出された燃料オフガスの積算排気量（Ｌ）である積算燃料オフガス量ＡＧを、燃料ガス流路１０５内の水素濃度Ｄｈを判定（推定）するための指標として用いる。すなわち、燃料ガス濃度（水素濃度）と積算燃料オフガス量との関係に基づいて予め定められ第１の目標濃度Ｄｈ１に対応する第１の燃料オフガス量ＡＧ１および第２の目標濃度Ｄｈ２に対応する第２の燃料オフガス量ＡＧ２を用いて、燃料ガス流路１０５内の水素濃度Ｄｈが判定される。ＣＰＵ５１は、積算燃料オフガス量ＡＧを用いて擬似的に燃料ガス濃度を取得し、判定しているということができる。なお、積算燃料オフガス量ＡＧを求める処理、並びに積算燃料オフガス量ＡＧを用いて燃料ガス濃度が第１の目標濃度Ｄｈ１以上であるか否か、および第２の目標濃度Ｄｈ２以上であるか否かの判定は、ＣＰＵ５１とは異なるＣＰＵによって実行され、判定結果がＣＰＵ５１に提供されることによってＣＰＵ５１による燃料ガス濃度上昇処理が実行されても良い。この理論について図３および６を参照して説明する。
水素濃度上昇処理は、換言すれば、燃料ガス流路１０５における残存ガスを水素ガスによって置換する処理である。水素供給装置１２から燃料ガス導入部１００ａに至るまでの燃料ガス供給管１１０の容量、燃料ガス流路１０５の総容量、並びに燃料オフガス排出部１００ｂから燃料オフガス排出弁２２に至るまでの燃料オフガス排出管１１１の容量および気液分離器１３の容量は設計上既知である。したがって、燃料電池１０の安定作動に要求される水素濃度である第１の目標濃度Ｄｈ１を実現するために供給されるべき供給水素ガス量、すなわち、燃料オフガス排出部１００ｂから排出されるべき第１の燃料オフガス量ＡＧ１（置換されるべきガス量）も算出可能である。なお、水素濃度上昇処理においては、燃料オフガス排出弁２２が開弁されているので、燃料オフガスの排出に伴い燃料ガス流路１０５の圧力は低下する。したがって、図６に示すように、燃料電池１０に対しては、燃料ガス流路１０５の圧力が所定圧力（高と低の間の圧力）に維持されるように間欠的に水素ガスが供給される。この結果、燃料オフガスも間欠的に排出されるので、本実施形態においては、間欠的に排出された積算燃料オフガス量の総量であることを明示するために積算燃料オフガス量ＡＧの用語を用いる。燃料オフガス量は、ファンデルワールスの状態方程式に、燃料ガス供給管１１０に配置されている圧力センサ６２によって検出される燃料ガス流路１０５の圧力を代入することによって求められる。
したがって、ステップＳ１３０におけるＤｈ≧Ｄｈ２であるかの判定は、第２の目標濃度Ｄｈ２を実現するために排出されるべき第２の燃料オフガス量ＡＧ２を用いて実行される。具体的には、ＣＰＵ５１は、圧力センサ６２を介して検出された燃料ガス流路１０５の圧力を取得し、取得した圧力を用いて積算燃料オフガス量ＡＧを算出し、積算燃料オフガス量ＡＧ≧第２の燃料オフガス量ＡＧ２であるか否かを判定する。第２の燃料オフガス量ＡＧ２は、第１の目標濃度Ｄｈ１および第１の燃料オフガス量ＡＧ１の関係と予め定められた第２の目標濃度Ｄｈ２とを用いて、例えば、比例計算によって決定され、あるいは、燃料電池システムＦＣの型毎に実験的に求められる。図６の例においては、第２の燃料オフガス量ＡＧ２は、第１の燃料オフガス量ＡＧ１の５０％の値とされているが、例示に過ぎず、例えば、第１の燃料オフガス量ＡＧ１の３０％〜７０％の値であっても良い。
ＣＰＵ５１は、Ｄｈ≧Ｄｈ２であると判定すると（ステップＳ１３０：Ｙｅｓ）、燃料電池１０から対象補機への電力供給を開始させる（ステップＳ１４０）。図５および図６において時間Ｔ１の時点に相当する。ＣＰＵ５１は、燃料電池１０と対象補機とを接続し、燃料オフガス排出弁２２に対して閉弁信号を送信し、他の対象補機については動作を継続させる。この結果、燃料電池１０は発電を開始して、発電された電力は各対象補機のアクチュエータの駆動に用いられる。ＣＰＵ５１は、図５に示すように、燃料電池１０の発電量（電流値）を徐々に増大させ、二次電池４１の電流値を徐々に減少させ、燃料電池１０によって各対象補機の駆動に求められる電力を供給できるようになると、二次電池４１から各対象補機に対する電力供給を停止する。
ＣＰＵ５１は、燃料ガス流路１０５内の水素濃度Ｄｈが第１の目標濃度Ｄｈ１以上になったか否かを判定し（ステップＳ１５０）、Ｄｈ≧Ｄｈ１となるまで上記の処理を継続する（ステップＳ１５０：Ｎｏ）。ＣＰＵ５１は、Ｄｈ≧Ｄｈ１であると判定すると（ステップＳ１５０：Ｙｅｓ）、本処理ルーチンを終了して、水素濃度上昇処理を完了する。なお、水素濃度Ｄｈが第１の目標濃度Ｄｈ１に達したか否かの判定に際しても、積算燃料オフガス量ＡＧが用いられる。ＣＰＵ５１は、圧力センサ６２から取得した燃料ガス流路１０５の圧力を用いて、積算燃料オフガス量ＡＧが第１の燃料オフガス量ＡＧ１以上となったか否かを判定することによって、Ｄｈ≧Ｄｈ１であるか否かを判定する。
以上説明した第１の実施形態に係る燃料電池システムＦＣによれば、制御部５０は、水素濃度上昇処理の完了目標となる第１の目標濃度Ｄｈ１よりも低い第２の目標濃度Ｄｈ２にて燃料電池１０による発電を開始して、二次電池４１の電力に代えて燃料電池の電力によって対象補機を駆動する。したがって、二次電池４１の電力容量に依存することなく、水素濃度上昇処理を完了させることができる。
第１の実施形態においては、燃料電池１０から排出される積算燃料オフガス量ＡＧを用いて、燃料ガス流路１０５内の水素濃度が第１または第２の目標濃度Ｄｈ１、Ｄｈ２以上となったか否かを判定する。したがって、測定環境による誤差が少なく、測定が容易なパラメータに基づいて燃料ガス流路１０５内の水素濃度が第１または第２の目標濃度Ｄｈ１、Ｄｈ２以上となったか否かを判定することができる。なお、積算燃料オフガス量ＡＧを用いる水素濃度の推定は、上述のように、水素濃度上昇処理において十分に有意な手法である。また、所定濃度の水素の有無の検出ではなく、水素濃度を測定するための水素濃度センサを新たに用いることなく、燃料ガス流路１０５内における水素濃度が第１または第２の目標濃度Ｄｈ１、Ｄｈ２以上であるか否かを判定することができる。
・第２の実施形態：
以下、第２の実施形態に係る燃料電池システムＦＣａについて説明する。図７は第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。第２の実施形態に係る燃料電池システムＦＣａは、燃料オフガスを燃料電池１０に再投入する燃料オフガス循環系を備える点、水素濃度上昇処理プログラムＰ１ａに代えて、燃料オフガス循環系を含む水素濃度上昇処理プログラムＰ１ａを備える点、において第１の実施形態に係る燃料電池システムＦＣと異なる。なお、その他の構成については、第１の実施形態に係る燃料電池システムＦＣと同様であるから、第１の実施形態において用いた符号と同一の符号を付して説明を省略する。
燃料オフガス循環系は、燃料電池１０の燃料オフガス排出部１００ｂと燃料ガス供給管１１０における水素供給装置１２の下流部を接続する燃料オフガス循環管１１２と、燃料オフガス循環管１１２に配置されている燃料オフガス循環ポンプ３１を備えている。燃料オフガス循環ポンプ３１は、制御用信号線を介して制御部５０の入出力インターフェース５３と接続され、制御部５０によって制御され、アノードに対して燃料オフガスを再投入すると共に、アノードに供給されるべき燃料ガス流量を調整して、燃料ガス流路１０５における燃料ガス分布（燃料ガス濃度）の偏りを低減または防止する。なお、気液分離器１３および燃料オフガス排出弁２２を備えることなく、燃料電池の燃料オフガス排出部１００ｂに燃料オフガス循環管１１２が直接接続されていても良い。
第２の実施形態における水素濃度上昇処理について説明する。第２の実施形態係る水素濃度上昇処理は、ＣＰＵ５１が水素濃度上昇処理プログラムＰ１ａを実行することによって実現される。図８は第２の実施形態に係る水素濃度上昇処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。図９は第２の実施形態に係る水素濃度上昇処理時における各要素の動作状態を示すタイムチャートである。第２の実施形態に係る水素濃度上昇処理は、燃料オフガス循環ポンプ３１に対する処理ステップが加わる点を除いて、第１の実施形態に係る水素濃度上昇処理と同様である。その他の処理ステップは、第１の実施形態に係る水素濃度上昇処理における処理ステップと同一の処理ステップに対しては、第１の実施形態において用いたステップ番号と同一のステップ番号を付して説明を省略する。
ＣＰＵ５１は、ステップＳ１００およびＳ１１０の処理実行後、水素濃度上昇処理を開始する（ステップＳ１２１）。ＣＰＵ５１は、燃料オフガス循環ポンプ３１を停止させた後、第１の実施形態において説明した水素濃度上昇処理を実行する。燃料オフガス循環ポンプ３１は、既述のように、燃料ガス流路１０５における燃料ガス濃度のばらつきを抑制または防止するために作動される。したがって、燃料電池システムＦＣａの起動時には、先の燃料電池システムＦＣａの停止時に燃料ガス流路１０５に残存する水素以外の成分、例えば、窒素、酸素が燃料ガスである水素と共に、燃料ガス流路１０５に分散供給される。図３に示すように、氷結体ＢＬが燃料ガス流路１０５ａに存在する場合には、本来、水素のみを供給したい燃料ガス流路１０５ａに、窒素、酸素が供給されることとなり、水素濃度を上昇させることができない。この結果、不足する水素濃度を補うための水素濃度上昇処理の実効性が低くなる。そこで、水素濃度上昇処理に際しては、燃料オフガス循環ポンプ３１を停止させ、水素供給装置１２から供給される水素のみが燃料ガス流路１０５に供給されるようにする。
ＣＰＵ５１は、ステップＳ１３０〜Ｓ１５０の処理実行後、水素濃度上昇処理を完了すると（ステップＳ１５０：Ｙｅｓ）、燃料オフガス循環ポンプ３１を始動させて（ステップＳ１６０）、本処理ルーチンを終了する。
以上説明した第２の実施形態に係る燃料電池システムＦＣａによれば、燃料オフガス循環ポンプ３１を備える場合に、制御部５０は、水素濃度上昇処理の実行時、燃料オフガス循環ポンプ３１を停止させる。したがって、水素濃度上昇処理の妨げとなる、燃料オフガスの循環に起因する残存窒素、酸素等の燃料ガス流路１０５への分配を防ぐことができる。この結果、燃料オフガス循環ポンプ３１を備える燃料電池システムＦＣａにおいても、第１の実施形態に係る燃料電池システムＦＣと同様に、二次電池４１の電力容量に依存することなく、水素濃度上昇処理を完了させることができる。
以下、変形例について説明する。
（１）第１の変形例：
図１０は第１の変形例における燃料オフガス排出部周りの構成を示す説明図である。上記各実施形態においては、燃料ガス流路１０５（燃料オフガス）における水素濃度を測定することなく、積算燃料オフガス量を用いて、燃料ガス流路１０５における水素濃度が第１または第２の目標濃度Ｄｈ１、Ｄｈ２以上となったか否かが判定されている。これに対して、第１の変形例においては、燃料オフガス排出部１００ｂと気液分離器１３との間における燃料オフガス排出管１１１に燃料ガス濃度取得部としての水素濃度センサ６４が備えられている。水素濃度センサ６４は、計測信号線を介して制御部５０の入出力インターフェース５３に接続されている。燃料ガス流路１０５における水素濃度が、第１および第２の目標濃度Ｄｈ１、Ｄｈ２という２つの目標濃度に至ったか否かを判定しなければならないので、水素濃度センサ６４は、所定濃度以上の水素濃度を検出する水素濃度センサではなく、水素濃度に応じた計測信号を出力することができる水素濃度センサである。水素濃度センサ６４を用いることによって、燃料ガス流路１０５における水素濃度をより高い精度で判定することが可能となり、燃料電池１０に損傷等を与える可能性をより低減または防止しつつ水素濃度上昇処理中における燃料電池１０による電力供給開始時期をより正確に判定することができる。
（２）第２の変形例：
図１１は第２の変形例における酸化ガス供給系の構成を示す説明図である。上記各実施形態においては、燃料電池１０の外部において酸化ガスブロワー３２からの酸化ガスを酸化オフガス排出管１２１に供給する構成は備えられていなかった。第２の変形例においては、燃料電池１０をバイパスして酸化ガスブロワー３２からの酸化ガスを酸化オフガス排出管１２１に供給する構成を備える。酸化ガス供給管１２０には第１カソード封止弁２３に代えて、分流弁２３ａが配置され、分流弁２３ａと第２カソード封止弁２４の下流側における酸化オフガス排出管１２１とはバイパス管１２２によって接続されている。分流弁２３ａは制御信号線を介して制御部５０の入出力インターフェース５３に接続されている。ＣＰＵ５１は、酸化ガスブロワー３２からの酸化ガスをバイパスさせる場合には、第２カソード封止弁２４を閉弁させ、酸化ガスブロワー３２からの酸化ガスがバイパス管１２２のみを流動するバイパス流ＦＬ１を実現する。一方、ＣＰＵ５１は、酸化ガスブロワー３２からの酸化ガスを燃料電池１０内部に導く場合には、第２カソード封止弁２４を開弁させ、酸化ガスブロワー３２からの酸化ガスがバイパス管１２２を流れるバイパス流ＦＬ１および燃料電池１０内部を流動する通常流ＦＬ２を実現する。
分流弁２３ａおよびバイパス管１２２が備えられる場合には、水素濃度上昇処理に際して、ＣＰＵ５１は、燃料ガス流路１０５の水素濃度Ｄｈが第２の目標濃度Ｄｈ２以上となるまでは、バイパス流ＦＬ１を形成するように第２カソード封止弁２４を切り替える。すなわち、この状態では、燃料オフガスを希釈するために酸化ガスの供給が実行されており、燃料電池１０は発電を開始していない。したがって、燃料電池１０内への酸化ガスの供給は不要であり、流路抵抗等による圧損を考慮する場合、燃料電池１０内部を介することなく酸化ガスを酸化オフガス排出管１２１に供給することが好ましい。
一方、燃料ガス流路１０５の水素濃度Ｄｈが第２の目標濃度Ｄｈ２以上となると、燃料電池１０の発電を開始するので、ＣＰＵ５１は、第２カソード封止弁２４を徐々に開き、バイパス流ＦＬ１に加えて通常流ＦＬ２を実現する。なお、燃料電池システムＦＣの運転終了時には、触媒劣化防止のために燃料電池１０のアノードには水素が充満されており、膜電極接合体を介してカソード側にも水素が移動している。そこで、ＣＰＵ５１は、燃料電池１０に対して酸化ガスを供給開始する際（燃料電池１０の発電開始時）には、燃料オフガスが酸化オフガス排出管１２１に供給されないよう燃料オフガス排出弁２２を閉弁させ、酸化オフガス排出管１２１から排出される水素濃度を所定濃度以下とする。ＣＰＵ５１は、カソード内の全残存酸化ガスが排出され得るタイミングにて、燃料オフガス排出弁２２を開弁させて、燃料ガス流路１０５の水素濃度Ｄｈが第１の目標濃度Ｄｈ１以上になるまで水素濃度上昇処理を継続する。
（３）第３の変形例：
上記各実施形態において、燃料電池システムＦＣの運転終了時には、制御部５０は、水素濃度上昇処理の実行に十分な電力が二次電池４１に蓄えられているように、二次電池４１のＳＯＣを管理しても良い。例えば、燃料電池システムＦＣの運転終了時に、ＳＯＣに応じて燃料電池１０から二次電池４１への充電を行うように制御が実行されても良い。あるいは、車両走行中または車両停止後であって燃料電池システムＦＣの運転終了前における外気温に基づいて、低温状態での次回の燃料電池１０の始動を予想し、低温状態での始動が予想される場合には、ＳＯＣが満たされるように二次電池４１に対する充電制御が実行されても良い。
（４）第４の変形例：
上記各実施形態においては冷却液温度が０℃未満、すなわち、氷点下である場合に水素濃度上昇処理を実行開始しているが、氷点下に代えて、４℃未満で実行しても良い。一般的に、気温が４度を下回ると風の影響等により路面が凍結し得ることはよく知られており、車両が風の影響を受ける環境下では同様に燃料電池１０の燃料ガス流路１０５における水分が凍結する可能性がある。このように、水素濃度上昇処理は、燃料電池システムＦＣが利用される環境を考慮して、燃料電池１０の燃料ガス流路１０５における水分が凍結する可能性がある温度を基準温度として実行開始されても良い。
（５）第５の変形例：
上記各実施形態においては、冷却液温度に基づいて燃料電池１０に関わる温度が測定されているが、この他に、温度測定部としての、外気温センサ、燃料電池１０の内部に配置されている温度センサから取得される測定温度に基づいて燃料電池１０に関わる温度が測定されても良い。
（６）第６の変形例：
上記各実施形態においては、圧力センサ６２によって測定された圧力を用いて積算燃料オフガス量ＡＧが求められているが、例えば、燃料オフガス排出部１００ｂと気液分離器１３との間における燃料オフガス排出管１１１に流量センサを備え、制御部５０は、流量センサによって測定された流量を用いて、積算燃料オフガス量ＡＧを求めても良い。
（７）第７の変形例：上記の各実施形態では、水素供給装置１２および燃料オフガス排出弁２２によって燃料ガス濃度上昇機構が実現されているが、水素供給装置１２を備えない場合には、圧力制御弁２１および燃料オフガス排出弁２２によって燃料ガス濃度上昇機構が実現されても良い。また、水素ガスタンク１１と燃料オフガス循環管１１２における燃料オフガス循環ポンプ３１の上流側とを配管で接続し、さらに、接続位置の上流側に弁を配置する構成を採る場合には、当該弁、燃料オフガス循環ポンプ３１および燃料オフガス排出弁２２によって燃料ガス濃度上昇機構が実現されても良い。
（８）第８の変形例：上記の各実施形態では、燃料電池システムＦＣが車両に搭載される場合について説明したが、車両は、自動車、自動二輪車を問わず適用可能であり、この他にも、鉄道車両、船舶といった移動体に対して適用すれば、同様の技術的効果を得ることができる。
以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。たとえば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池
１１…水素ガスタンク
１２…水素供給装置
１３…気液分離器
１４…マフラ
１５…熱交換器
２１…圧力制御弁
２２…燃料オフガス排出弁
２３…第１カソード封止弁
２３ａ…分流弁
２４…第２カソード封止弁
３１…燃料オフガス循環ポンプ
３２…酸化ガスブロワー
３３…冷却液用ポンプ
４０…電力制御部
４１…二次電池
４２…駆動用モータ
５０…制御部
５１…ＣＰＵ
５２…メモリ
５３…入出力インターフェース
６０…電圧計
６１…電流計
６２…圧力センサ
６３…温度センサ
６４…水素濃度センサ
６５…出力要求検出部
８０…車両
８１…車輪
１００ａ…燃料ガス導入部
１００ｂ…燃料オフガス排出部
１００ｂ１…燃料オフガス排出部
１００ｃ…酸化ガス供給部
１００ｄ…酸化オフガス排出部
１０１…アノード端子
１０２…カソード端子
１０５…燃料ガス流路
１０５ａ…燃料ガス流路
１０５ｂ…燃料ガス流路
１１０…燃料ガス供給管
１１１…燃料オフガス排出管
１１２…燃料オフガス循環管
１２０…酸化ガス供給管
１２１…酸化オフガス排出管
１２２…バイパス管
１３０…冷却液配管
ＡＧ…積算燃料オフガス量
ＡＧ１…第１の燃料オフガス量
ＡＧ２…第２の燃料オフガス量
ＢＬ…氷結体
Ｄｈ…水素濃度
Ｄｈ１…第１の目標濃度
Ｄｈ２…第２の目標濃度
ＦＣ、ＦＣａ…燃料電池システム
ＦＬ１…バイパス流
ＦＬ２…通常流
Ｐ１、Ｐ１ａ…水素濃度上昇処理プログラム
Ｐ２…燃料電池制御プログラム
Ｔｗ…冷却液温度

Claims (8)

  1. 燃料電池システムであって、
    内部に燃料ガス流路を有する燃料電池と、
    二次電池と、
    前記燃料ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇機構と、
    前記燃料電池に関わる温度を測定する温度測定部と、
    前記温度測定部により測定された温度が所定の温度よりも低い場合に前記二次電池の電力を用いて前記燃料ガス濃度上昇機構を作動させ、前記燃料ガス濃度を第１の目標濃度に向けて上昇させる燃料ガス濃度上昇処理を実行する制御部とを備え、
    前記制御部は前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度よりも低い第２の目標濃度以上になると、前記燃料電池による発電を開始させて前記燃料電池からの電力を用いて前記燃料ガス濃度上昇機構を作動させ、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上になるまで前記燃料ガス濃度上昇処理を実行する、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池は前記燃料ガス流路と連通されている燃料ガス導入部と燃料オフガス排出部とを備え、
    前記燃料ガス濃度上昇機構は、
    前記燃料ガス導入部と接続されている燃料ガス供給装置と、
    前記燃料オフガス排出部と接続されている燃料オフガス排出弁とを含み、
    前記制御部は、前記燃料ガス供給装置を制御して前記燃料ガス導入部を介して前記燃料ガス流路に対して燃料ガスを供給させると共に、前記燃料オフガス排出弁を制御して前記燃料オフガス排出部を介して前記燃料ガス流路から燃料オフガスを排出させることによって、前記燃料ガス濃度上昇処理を実行する、燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムはさらに、
    前記燃料オフガス排出部と前記燃料ガス導入部とを接続し、排出された前記燃料オフガスを循環させる燃料ガス循環管と、
    前記燃料ガス循環管に配置されている循環ポンプとを備え、
    前記制御部は、前記燃料ガス濃度上昇処理の実行前に前記循環ポンプによる燃料オフガスの循環を停止させ、前記燃料ガス濃度上昇処理の完了後に前記循環ポンプによる前記燃料オフガスの循環を開始させる、燃料電池システム。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムはさらに、
    前記燃料ガス流路の圧力を測定する圧力センサを備え、
    前記制御部は、予め用意された前記第１の目標濃度に対応する第１の燃料オフガス量と前記第２の目標濃度に対応する第２の燃料オフガス量とを有し、前記圧力センサにより測定された圧力値を用いて前記燃料電池から排出された燃料オフガスの積算排気量を算出し、算出された前記燃料オフガスの積算排気量が前記第１の燃料オフガス量および前記第２の燃料オフガス量以上であるか否かを判定することにより、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上であるかおよび前記第２の目標濃度以上であるか否かを判定する、燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムはさらに、
    前記燃料電池から排出される燃料オフガスの流量を測定する流量計を備え、
    前記制御部は、予め用意された前記第１の目標濃度に対応する第１の燃料オフガス量と前記第２の目標濃度に対応する第２の燃料オフガス量とを有し、前記流量計により測定された流量値を用いて前記燃料電池から排出された燃料オフガスの積算排気量を算出し、算出された前記燃料オフガスの積算排気量が前記第１の燃料オフガス量および前記第２の燃料オフガス量以上であるか否かを判定することにより、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上であるかおよび前記第２の目標濃度以上であるか否かを判定する、燃料電池システム。
  6. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムはさらに、
    前記燃料ガス濃度を測定する燃料ガス濃度センサを備え、
    前記制御部は前記燃料ガス濃度センサによって測定された燃料ガス濃度を用いて、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上であるかおよび前記第２の目標濃度以上であるかを判定する、燃料電池システム。
  7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、前記温度測定部により測定された温度が前記所定の温度以上である場合、あるいは、前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上となり前記燃料ガス濃度上昇処理が完了した後は、出力要求に応じた燃料電池の運転制御処理を実行する、燃料電池システム。
  8. 燃料電池システムの制御方法であって、
    内部に燃料ガス流路を有する燃料電池に関わる温度を取得し、
    取得された前記温度が所定の温度よりも低い場合には、二次電池の電力を用いて前記燃料ガス流路における燃料ガス濃度を上昇させる燃料ガス濃度上昇機構を作動させて、前記燃料ガス流路における燃料ガス濃度を第１の目標濃度に向けて上昇させ、
    前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度よりも低い第２の目標濃度以上になると、前記燃料電池による発電を開始させて前記燃料電池からの電力を用いて前記燃料ガス濃度上昇機構を作動させて前記燃料ガス濃度を前記第１の目標濃度以上になるまで上昇させ、
    前記燃料ガス濃度が前記第１の目標濃度以上になると、出力要求に応じて前記燃料電池の運転を制御し、
    前記取得された前記温度が前記所定の温度以上である場合には、出力要求に応じて前記燃料電池の運転を制御する、ことを備える燃料電池システムの制御方法。
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