JP5286990B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池を低温下で起動する場合には、凍結の防止、発電性能の低下を抑制するため、暖機運転が行われる。図１は、従来の暖機運転での燃料電池スタック電流電圧特性上の動作点を説明する図である。

暖機運転時には、通常運転の場合よりも、ＩＶ特性が低下した状態に維持し、通常の動作点Ｐ１（Ｉ１，Ｖ１）よりも燃料電池スタックの出力電圧Ｖが、低い状態の動作点Ｐ２（Ｉ１，Ｖ２）にて発電する。

その結果、損失のない場合と比較して、図１の動作点Ｐ２より上側の矩形に相当する電力は、発熱分として、燃料電池から外部に放出される。この発熱量は、Ｅ２＝（Ｖ０−Ｖ２）×Ｉ１で算出される。ここで、Ｖ０は、燃料電池スタックに損失がない場合の理論上の出力電圧（以下、理論電圧という）である。一方、図１で動作点Ｐ２より下側の矩形に相当する電力Ｅ１＝（Ｖ２×Ｉ１）は、補機を駆動するために確保される。

従来、このような発熱を得るため、ＩＶ特性を低下させる手法としては、例えば、エアコンプレッサからの空気供給量を低下する方法が採られていた。すなわち、空気極側での酸素不足によって、燃料電池反応の効率を低下させ、あえて低効率発電を実施し、発熱量を増加させていた。このような酸素濃度の不足等によって発生する燃料電池内部での損失に伴う電圧の降下を特に、濃度過電圧と呼ぶことがある。
特開平２００７−１６５０１８号公報 特表２００６−５２００６９号公報 特開２００６−２５３００５号公報

しかし、上記従来の技術では、結局のところ、発熱は、電流電圧特性上で、理論電圧Ｖ０から暖機運転時の出力電圧Ｖ２との差分値に依存することになる。すなわち、最大の発熱量は、電流電圧特性に依存することとなり、補機用の電力を確保した場合に、本来暖機運転に必要な発熱量を確保できない場合も生じえる。本発明の目的は、燃料電池の電流電圧特性に依存することなく、燃料電池での発熱量を制御する技術を提供し、従来よりも短時間で暖機を実現できる技術を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、電解質膜と該電解質膜を挟み込む一対の電極とを含む燃料電池セルが、ガス供給通路が形成されたセパレータに挟まれて積層された燃料電池スタックのスタック温度または該燃料電池スタックの周囲の周囲温度を検知する温度センサと、燃料電池スタックの空気極側セパレータに供給される空気の供給量を制御する空気供給手段と、燃料電池スタックの水素極側セパレータに供給される水素ガスの供給量を制御する水素供給手段と、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧センサと、燃料電池スタックの出力電流を検出する電流センサと、燃料電池スタックの発電状態を制御する制御部とを備える燃料電池システムとして例示される。ここで、制御部は、始動時に、燃料電池スタックの水素極側の水素ガスの圧力によって電解質膜を透過した水素ガスと燃料電池スタックの空気極側の酸素との非発電反応による発熱を促進させるときに、目標運転温度とスタック温度との差分値、または目標運転温度と周囲温度との差分値に対応した発熱量に必要な酸素流量と、最低電力の発電に必要な酸素流量とが供給される空気供給量となるように空気供給手段を制御する手段と、燃料電池スタックの出力電圧を目標出力電圧に制御する手段と、非発電反応によって発生する濃度過電圧によって出力電流が所定値に低下するまで水素供給手段を通じた水素ガスの供給を増加させる手段と、を有する。

本燃料電池システムによれば、始動時に、目標運転温度と温度センサが検知した温度との差分値に対応して空気の供給量を制御した上で、非発電反応によって発生する濃度過電圧によって出力電流が所定値に低下するまで水素供給手段を通じた水素ガスの供給を増加させる。したがって、必要最低限の発電量を確保しつつ、水素ガスの供給量増加による水素極から空気極への水素の透過量を制御し、出力電流が所定値に低下するまで水素と酸素との非発電反応を制御できる。

また、上記制御部は、始動時に、燃料電池スタックの空気極側に暖機運転時以上の電流の発電に十分な空気流量が供給されるように空気供給手段を制御する手段と、目標水素供給流量に応じて、燃料電池スタックの水素極内の水素ガスの圧力が始動後の通常運転時より増加するように水素供給手段を制御する手段、を備え、目標水素供給流量は、水素極内の水素ガスの圧力によって電解質膜を透過した水素ガスと空気極側の酸素との非発電反応による発熱によって、目標運転温度とスタック温度の差分値、または目標運転温度と周囲温度との差分値が低減されるのに必要な水素ガス透過量が達成される水素供給流量であって、非発電反応による発熱によって燃料電池スタックの暖機が完了するまで、差分値が低減されるようにしてもよい。本燃料電池システムによれば、差分値に応じて、水素供給手段を制御するので、本来必要な水素ガスの供給量に制御でき、温度の差分値から必要とされる熱を発生できる。

水素供給手段は、制御パルスのデューティ比によって水素供給量を制御する弁開閉装置であり、制御部は、暖機運転時の電力が発電される発電状態における制御パルスのデューティ比が所定値以下の場合に、空気極への空気の供給量を増加させるとともに水素極への水素ガスの供給量を燃料電池スタックからの出力電流を制御するように増加させる手段とを有するようにしてもよい。すなわち、出力電流および出力電圧によって定まる発電状態が目標としたものであっても、水素ガスと空気極側の酸素との非発電反応の程度が所定の程度に達していない場合には、本来、空気の供給量が不足していたと判断し、空気の供給量を増加させるとともに水素ガスの供給量を燃料電池スタックからの出力電流を制御するように増加する。これによって、水素ガスと空気極側の酸素との非発電反応の程度が所定の程度に近づけることができる。

本燃料電池システムは、燃料電池システムの環境条件を示す指標の測定結果に応じて、前記差分値に対して、供給すべき空気の供給量および水素ガスの供給量を記録した供給量記録手段をさらに備えてもよい。ここで、燃料電池システムの環境条件を示す指標は、例えば、燃料電池システムの総稼働時間、ＭＥＡの劣化度合い、燃料電池スタック１の温度、およびＭＥＡの含水率であって、水素の透過量に関連する指標である。燃料電池システムによれば、燃料電池システムの環境条件に応じて、適切な空気の供給量および水素ガスの供給量を選択できる。

制御パルスの周期を通常状態と通常状態より短い短周期状態の少なくとも２つの状態で制御する周波数制御手段をさらに備え、制御部は、水素ガスの供給量を通常状態より増加する場合に、周波数制御手段によって制御パルスの周期を短周期状態に制御するようにしてもよい。制御パルスが短周期になると、制御弁の開閉回数が増加する。一方、１回の開閉に伴う水素ガス圧力の変動分を小さくできる。したがって、水素ガスの圧力に上限がある場合に、制御パルスを短周期にすることで、より上限に近い水素ガス圧力での動作が可能になる。したがって、制御パルスを短周期にするのは、水素ガスの供給量を通常状態より増加する処理が実行されるときに限定することが望ましい。

制御部は、水素ガスの供給量と燃料電池スタックの運転状態から燃料電池スタックの水素極から空気極に透過する水素ガスの透過量を推定する手段と、透過量が所定の限度に達した場合に、水素ガスの圧力を低下させる手段とを有するようにしてもよい。推定された透過量が上限に達した場合には、水素極と空気極の間に存在する電解質膜に悪影響あるいは損傷が生じている可能性がある。そこで、そのような場合には、水素供給圧力を低下させることでさらなる状態の悪化を回避できる可能性がある。

制御部は、水素極への水素ガスの供給量の増加によって水素極から空気極に透過する水素ガスの透過量を増加させて始動時の暖機を促進する第１のモードと、燃料電池スタックの発電停止時に空気極側への空気の供給を所定時間継続する掃気を実行するとともに燃料電池スタックの発電開始時に水素極から空気極に透過する水素ガスの透過量を増加することなく暖機を実行する第２のモードとを指定するモード設定情報にしたがって切り替えてそれぞれのモードでの暖機を実行する手段と、第１のモードで暖機が実行されたときに、モード設定情報を第２のモードに設定をする手段と、を有するようにしてもよい。ここで、第２のモードでは、停止時に掃気をする必要がある。一方、第１のモードでは、掃気は必要ないが、水素ガスの供給量の増加によって、水素極と空気極の間に設けられた電解質膜および電極に悪影響を及ぼす可能性がある。そこで、以上のような設定によって、極力モード２での起動を可能にするとともに、限定的にモード１の起動がなさ、電解質膜および電極への悪影響を低減できる。

本発明によれば、従来よりも短時間で暖機を実現できる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムについて説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。

＜システムの概要＞
本燃料電池システムは、空気供給量を低下させて損失を促進し、ＩＶ特性での効率を低下させる手法に代えて、水素と酸素の直接反応による発熱を促進し、暖機を達成する。そのため、本燃料電池システムでは、空気極に十分に空気流量を確保した上で、水素極側の水素供給圧力を所定の限度まで増大させる。水素供給圧力を増大させると、水素極側の水素分圧が上昇し、水素極と空気極とを分離する電解質膜を分子のまま透過する水素量が増大する。

電解質膜を透過した水素分子は、水素極で電子とプロトンに分解することなく、空気極にて、そのまま酸素と反応し水となるとともに発熱する。したがって、水素極側から空気極への起電力に寄与することなく、発熱を伴う水の生成反応が生じる。このような電池反応ではない反応、あるいは、発電に寄与しない水素分子と酸素分子との結合を生じる反応を直接反応という（非発電反応と呼んでもよい）。

この場合に、水素供給圧力を増大させる上限値は、電解質膜の寿命、および暖機に必要な水素透過量から、実験的に定める。電解質膜および電解質膜表面の拡散層を加圧し過ぎると、例えば、拡散層に多数形成されたガス透過孔が劣化する場合がある。一方、水素供給圧力が低いと十分な量の水素ガスが電解質膜を透過せず、発熱量が不十分となり、あるいは、暖機運転に長時間を要することになる。したがって、適正な水素透過量となる水素供給量を実験的、経験的に、少なくとも物理寸法、および材質の異なる燃料電池スタックの種類ごとに求めておく必要がある。

図２に、本燃料電池システムにおける暖機の状態を示す。図２で、通常運転時の動作点Ｐ１（Ｉ１，Ｖ１）あるいは暖機運転時の動作点Ｐ２（Ｉ１，Ｖ２）の位置よりも、右側の矩形は、水素と酸素の直接反応による発熱分のエネルギーＥ３を表している。

すなわち、燃料電池システムで、予め空気極の空気流量、すなわち酸素流量を十分に確
保した上で、水素供給量を増加させると、本来、ＩＶ特性にしたがって、発電量が増加する。しかしながら、本燃料電池システムでは、概念的には、通常運転時の動作点Ｐ１より右側の電流値を出力する水素は、燃料電池反応に寄与する代わりに、空気極での酸素との直接反応に寄与することになる。

その結果、エアコンプレッサによって予め空気極の空気流量を十分確保しているにも拘わらず、水素との直接反応によって空気極での酸素密度が低下し、ＩＶ特性上は、従来の暖機運転時の動作点Ｐ２（Ｉ１，Ｖ２）に至る。ただし、そのとき、直接反応がなされるため、直接反応に寄与した水素量、および酸素量に相当するエネルギーが発電されることなく、熱に変化する。

したがって、本実施形態の燃料電池システムによれば、図２の暖機運転での発熱による損失Ｅ２＋水素と酸素との直接反応による発熱分Ｅ３の合計が熱として出力され、早期に暖機を達成することができる。

図３に、本燃料電池システムの構成を例示する。本燃料電池システムは、２列の積層構造をさらに直列に接続した燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の空気極に所定の流量で空気を供給するエアコンプレッサ２と、燃料電池スタックに燃料ガスである水素を供給する水素ガスボンベ４と、水素ガスボンベ４のガスを所定の流量で燃料電池スタック１の水素極に供給する制御弁５と、制御弁５の開閉動作を制御するパルス発生器８と、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ７と、を有している。また、空気極側のガス排出通路、および水素極側のガス排出通路には、それぞれ遮断弁３、６が設けられている。また、燃料電池システムは、ＥＣＵ（電子制御装置、本発明の制御装置に相当）１０に制御される。

制御弁５は、パルス発生器８からの制御パルスにしたがって、電磁弁を開閉し、水素タンク４から燃料電池スタック１に供給される水素流量を制御する。パルス発生器８は、ＥＣＵ１０からの指令値に応じたデューティ比の制御パルスを生成し、電磁弁を開閉する。したがって、制御弁５は、パルス発生器８で発生する制御パルスのデューティ比にしたがって、水素ガスの供給と遮断を繰り返し、水素供給流量を調整する。このような制御弁５には、様々な構成のものを採用することができる。例えば、インジェクタと呼ばれる内燃機関用の燃料バルブと同様の構成を水素ガスに適用してもよい。なお、制御弁５は、制御パルスにしたがって、開閉するものに限定される訳ではなく、例えば、バタフライ弁などの開度によって流量を制御するものでもよい。

温度センサ７は、例えば、サーミスタ、熱電対等である。温度センサ７は、燃料電池スタック１の冷却水の温度、あるいは、燃料電池スタック１そのものの温度を検出する。検出された温度は、図示しないＡ／Ｄ変換器を通じてＥＣＵ１０に通知される。なお、温度センサ７は、燃料電池スタック１の温度の代わりに、外気温を検出するように構成してもよい。

図３で、２列の積層構造をさらに直列に接続した燃料電池スタック１の両端部の出力端子には、負荷（LOAD）が接続されている。また、燃料電池スタック１の出力端子には、出力電流を検出する電流センサ１１、出力電圧を検出する電圧センサ１２、出力電圧を制御するＤＣＤＣ（直流直流）コンバータ１４、および蓄電装置が接続されている。電圧センサ１１および電流センサ１２の検出信号は、図示しないＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器によってＡ／Ｄ変換されてＥＣＵ１０に入力される。また、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ１４の出力電圧（燃料電池スタック１側の電圧）を制御する制御信号を供給する。

なお、２列の積層構造、電流センサ１１の位置、電圧センサ１１の位置は、例示であり、本発明の実施は図３の構成に限定されるものではない。また、出力電圧を制御するＤＣＤＣコンバータ１４も例示であり、出力電圧の制御は、他の構成によっても構わない。例えば、燃料電池スタック１の出力端子直後、すなわち、電圧センサ１１と燃料電池スタック１の出力端子との間にＤＣＤＣコンバータを設ける構成としてもよい。

燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池セルが積層されて構成される。それぞれの燃料電池セルは、電解質膜と、電解質膜を挟み込む一対の電極とを含む。電解質膜は、イオン伝導性のある高分子膜である。また、電極は、触媒層と触媒層を燃料電池セルの外側から支持し、集電層として機能する多孔質の支持層とを含む。この電解質膜と電極とを合わせてＭＥＡ（膜・電極接合体）と呼ぶことがある。さらに、ＭＥＡを外側から挟むようにセパレータが設けられる。それぞれセパレータのＭＥＡ側との接触部には、溝が設けられており、ガス供給通路を形成する。空気極側セパレータには、エアコンプレッサによって空気が、水素極側セパレータには、制御弁５を通じて水素が、それぞれ供給される。なお、図３では、水素極側のガス排出通路を遮断弁６で閉じた構成をしているが、このガス排出通路のガスをさらに、燃料電池スタック１の水素ガス入り口側に戻す循環経路を設けてもよい。循環経路には、通常、逆止弁と水素ポンプが設けられる。

図示しないが、燃料電池スタック１の積層方向に水素ガスマニフォールド、空気間にフォールドが設けられる。空気マニフォールドは、エアコンプレッサからの空気をそれぞれのセパレータの空気極側のガス供給通路に供給する。また、水素ガスマニフォールドは、制御弁５からの水素ガスをそれぞれのセパレータの水素極側のガス供給通路に供給する。したがって、エアコンプレッサ２からの空気は、空気マニフォールドを通り、各燃料電池セルに並列にセパレータ上の溝であるガス供給通路を流れる。また、水素ガスボンベ４からの水素ガスは、制御弁５を通過し、水素マニフォールドを通り、各燃料電池セルに並列にセパレータ上の溝であるガス供給通路を流れる。

ＭＥＡを構成する電極の内、多孔質の支持層には、セパレータに供給されるガスを電極の内部の触媒層に導く。この意味で、多孔質の支持層は、拡散層とも呼ばれる。通常の運転状態では、水素極側の拡散層を通過した水素は、触媒上でプロトンと電子に分離される。プロトンは、電解質膜を空気極方向に移動する。一方、電子は、外部回路を通り空気極側の電極に供給される。空気極側の触媒層では、外部回路を通って供給される電子と酸素と電解質膜を移動したプロトンとが水を生成する。このとき、外部回路には、酸素極から水素極に電流が流れることとなり、燃料電池反応による発電が行われる。

上記燃料電池反応によって空気極にてプロトンおよび電子が減少するので、水素極でのプロトンと電子の発生および空気極へのプロトンと電子の供給がさらに継続され、燃料電池スタック１は、電力供給源として機能する。プロトンは、電解質膜が水分を含んだ状態のときに電解質膜内を水素極から空気極に移動しやすい。このため、通常ＭＥＡは、水分を含んだ状態で維持される。

しかしながら、氷点以下で燃料電池を始動すると、燃料電池電池反応によって生成された水が凍結して発電が阻害される場合がある。このため、燃料電池の始動時には、早期に暖機を達成する必要がある。そこで、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池の始動時に、水素ガス供給量を増加し、水素極側の水素分圧を上昇させる。これによって、本燃料電池システムは、水素極側から空気極への水素ガスの透過（クロスリークともいう）を増加させ、空気極での水素と酸素との直接反応を促進し、暖機のためのエネルギーを発生させる。

この場合に、必要な水素透過量、およびその水素透過量を実現するための目標水素流量
は、ＭＥＡの材質、厚さ、セパレータ上に形成される水素ガス供給通路の形状、および燃料電池スタック１の熱容量等、燃料電池スタック１の物理的構成に依存する。したがって、予め、実験的に、目標上昇温度を達成するための水素透過量、あるいは、その水素透過量を得るために制御弁５を通じて供給すべき目標水素流量を求めておく。また、この場合の空気極側の空気流量は、透過した水素との直接反応による減少分と、燃料電池始動時に補機に供給すべき最低電力の発電に必要な燃料電池反応を十分に達成できる量として算出できる。

ただし、実際の制御手順としては、発熱量および補機に供給すべき電力の発電に必要な酸素流量を達成する空気を空気極に供給しておく。そして、水素極側の水素供給量を徐々に増加し、水素を空気極に透過させ、酸素との直接反応を増加させる。その結果、空気極側で酸素濃度が低下し、出力電流が低下する。出力電圧は、所定の目標値に制御した上で、出力電流を低下させ、発電状態が目的とする動作点（出力電圧と出力電流）となったか否かを監視するようにすればよい。

図４および図５に基づいて、本発明の実施例１を説明する。図４は、目標上昇温度（ΔＴ１、ΔＴ２等）に必要な酸素を供給するためのエアコンプレッサ２の目標空気流量を示すマップの例である。このマップは、例えば、ＥＣＵ１０内の不図示の不揮発性メモリに格納しておくことができる。そして、ＥＣＵは、燃料電池の始動時、燃料電池スタック１の温度（あるいは外気温）を検出し、目標上昇温度を決定する。そして、その目標上昇温度を基に、空気流量を定め、エアコンプレッサへの投入電力を制御すればよい。

例えば、目標上昇温度ΔＴが分かると、燃料電池スタック１の熱容量Ｃからその温度上昇に必要なエネルギーΔＵが算出できる。

ΔＵ＝Ｃ×ΔＴ；
次にそのエネルギーに相当する単位時間当たりの水素分子の量Ｑｏ１（単位は任意であるが、例えば、ここではモルとする）が、１モル当たりの水素分子と酸素分子との直接反応によるエネルギーΔＥから算出できる。

直接反応分の酸素流量Ｑｏ１／時間＝ΔＵ／ΔＥ／２；
また、動作点Ｐ２（図２参照）での電流電圧特性となるときの酸素流量Ｑｏ２が実験値として求まる。図４の各列のΔＴ１、ΔＴ２に対する空気流量は、この直接反応分の酸素流量Ｑｏ１と動作点Ｐ２での電流電圧特性を示す酸素流量Ｑｏ２の和を空気流量に換算した値（単位時間当たりに供給される空気の体積、ここでは温度は常温とする）である。

図５に、本実施例におけるＥＣＵ１０による暖機処理を例示する。この処理は、燃料電池の始動時に起動される。この処理では、まず、ＥＣＵ１０は、温度センサ７にて検出された燃料電池スタック１の温度を取得する（Ｓ１）。そして、ＥＣＵ１０は、氷点以下の始動であるか否かを判定する（Ｓ２）。氷点以下の始動ではない場合、あるいは、燃料電池スタック１内の生成水が氷結するおそれのない温度である場合、ＥＣＵ１０は、この処理を終了する。

一方、氷点下の始動であった場合、ＥＣＵ１０は、燃料電池スタック１の目標温度および目標動作点を設定する（Ｓ３）。目標温度は、始動時の望ましいスタック温度であり、経験的実験的に規定される値である。ＥＣＵ１０は、そのような目標温度を例えばメモリ内に保持している。また、目標動作点は、図２のＰ２に相当する状態であり、例えば、始動時の補機に供給すべき電力から決定される。補機に供給すべき電力も、事前にＥＣＵ１０のメモリに保持しておくことができる。例えば、季節に応じて変更してもよい。周囲温
度に応じて変更してもよい。始動時の動作点の電圧は、補機に電力を供給可能な範囲で極力電力消費を抑制するため下限の電圧を設定することが望ましい。

次に、ＥＣＵ１０は、エアコンプレッサを所定回転数で作動させる。所定回転数は、目標上昇温度に応じて、図４のマップから求めた空気流量から決定される。

次に、ＥＣＵ１０は、ＤＣＤＣコンバータ１４を通じて燃料電池スタック１の端子電圧を所定の目標値に制御する（Ｓ５Ａ）。この端子電圧は、Ｓ３で設定した目標動作点の電圧である。次に、ＥＣＵ１０は、水素極の水素圧力を通常状態より所定値ΔＰＲＳだけ増加させる（Ｓ５Ｂ）。この所定値は、Ｓ５ＡからＳ５Ｃのループにより、電流を目標値に位置付けるための制御量である。制御量は、Ｓ５ＡからＳ５Ｃのループにおいて、目標値に近づく制御速度に応じて決定されるべき量である。この量も、経験的実験的に規定される値である。水素極での水素圧力を通常状態より増加するので、ＭＥＡを透過して、水素が空気極に移動し、水素分子と酸素分子の直接反応が促進される。その結果、空気極側での酸素濃度が不足し、濃度過電圧が発生する。したがって、燃料電池の端子電圧を一定値に維持すると、出力電流が低下することになる。この濃度過電圧によって、燃料電池で発電される電力が過電圧によって熱となり、燃料電池スタック１に放出される。

そして、ＥＣＵ１０は、電流値が目標値となったか否かを判定する（Ｓ５Ｃ）。電流値が目標値となっていない場合、ＥＣＵ１０は、制御をＳ５Ａに戻す。以上のようなＳ５ＡからＳ５Ｃのループにより、過電圧が目標値となり、出力電流が動作点での値となるまで、水素極側での圧力、したがって、透過水素量が上昇していく。

一方、出力電流が目標値になると、ＥＣＵ１０は、燃料電池スタック１の温度を測定する（Ｓ６）。そして、ＥＣＵ１０は、燃料電池スタック１の温度が、目標値となって暖機を完了したか否かを判定する（Ｓ７）。暖機を完了していない場合、ＥＣＵ１０は、制御をＳ４に戻し、同様の処理を繰り返す。その結果、エアコンプレッサ２から供給される空気と、ＭＥＡを透過する酸素との直接反応によって熱エネルギーが生成され、燃料電池スタック１の温度が上昇する。このようにして、過電圧による損失と、空気と酸素との直接反応による熱とによって、暖機が実行される。

また、暖機を完了した場合、ＥＣＵ１０は、処理を終了する。なお、暖機を完了したか否かは、燃料電池スタック１の温度上昇に必要なエネルギー（熱容量Ｃ×目標上昇温度ΔＴ）を発生エネルギーΔＵで除算した値に安全係数を掛けて求められる時間が経過したか否かによって判定してもよい。

以上述べたように、本実施形態の燃料電池システムによれば、氷点下始動時であっても、空気流量を所定値に固定したまま水素供給量を増加させる。その結果、水素極では、水素ガス圧力が上昇し、水素がＭＥＡを通して空気極側に透過する。空気極に空気極側では、水素極から透過した水素分子と酸素分子の直接反応によって、電池反応に寄与できる酸素濃度が低下する。その結果、酸素濃度不足による濃度過電圧が生じ、電流電圧特性は、図２の動作点Ｐ２に移動する。動作Ｐ２に移動する制御は、事前設定する空気極側の空気流量と、透過させる水素流量で設定できる。

本実施形態によれば、エアコンプレッサ２からの空気供給流量を所定値に固定し、水素供給圧力を増加することによって、電流電圧特性を制御しつつ、暖機を促進できる。この場合に、過電圧による損失と、空気と酸素との直接反応による熱とによって、暖機が実行されるとともに、始動時に必要な最低限の電力を発電できる。

以下、図６および図７に基づいて、本発明の実施例２を説明する。上記実施例１では、燃料電池スタック１の温度上昇に必要な空気供給流量をマップに格納した。そして、始動に必要な目標上昇温度から、エアコンプレッサ回転数を求めた。また、目標動作点への制御は、所定値ΔＰＲＳだけ水素圧力を増加して、ＭＥＡを透過する水素分子と酸素分子との反応によって、空気極側での濃度過電圧を調整して行った。すなわち、事前に所定量の空気供給量を確保した上で、空気極へ水素分子を透過させて、直接反応によって酸素濃度を低下させることで、過電圧を発生させた。

本実施例では、そのような制御の代わりに、予め、必要な水素供給量をマップから特定して制御する燃料電池システムを説明する。この場合の水素供給量は、始動時の補機に供給すべき発電量を確保できない濃度過電圧に至らない範囲とする。逆に、ここでは、始動時の補機に供給すべき発電量が確保できるだけの空気流量が空気極に供給しておく。このように、事前に必要な水素供給量を特定することで、図５に示したような出力電流の低下の監視をすることなく、単純に水素と酸素との直接反応による発熱反応だけを制御できる。他の構成をおよび作用は、実施例１と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図６に、目標上昇温度（ΔＴ１、ΔＴ２等）に必要な水素透過量、およびその水素透過量を達成するための目標水素供給流量を示すマップの例である。このマップは、例えば、ＥＣＵ１０内の不図示の不揮発性メモリに格納しておくことができる。そして、ＥＣＵは、燃料電池の始動時、燃料電池スタック１の温度（あるいは外気温）を検出し、目標上昇温度を決定する。そして、その目標上昇温度を基に、目標水素流量を定め、制御弁５を制御すればよい。なお、透過する水素流量は、ＭＥＡの物理寸法あるいは材質に依存すると考えられる。そこで、図６に示した目標水素供給量は、燃料電池スタック１ごとに実験的に測定しておけばよい。

図７に、ＥＣＵによる暖機処理を例示する。この処理では、図５の場合と同様、ＥＣＵ１０は、Ｓ１からＳ３の処理を実行する。そして、ＥＣＵ１０は、エアコンプレッサ２を所定の回転数で作動させ、空気極に所定流量（動作点Ｐ２以上の電流の確保に十分な量）の空気を供給する（Ｓ４）。この空気流量は、実施例１と同様、図４のマップと同様のマップにしたがって設定できる。

次に、ＥＣＵ１０は、目標算出温度を基に、マップを参照し、目標水素供給流量を決定し、制御弁５を制御する（Ｓ５）。これによって、燃料電池スタック１の水素極では、水素分圧が上昇する。そして、その水素分圧上昇に伴い、水素分子が水素極側からＭＥＡを透過して空気極側に移動する。これによって、空気極側では、水素と酸素の直接反応によって、水と熱が生成される。

次に、ＥＣＵ１０は、温度センサ７にて検出された燃料電池スタック１の温度を取得する（Ｓ６）。そして、ＥＣＵ１０は、再度、始動時の目標スタック温度と、検出された燃料電池スタック１の温度の差分を算出する。そして、ＥＣＵ１０は、燃料電池スタック１の暖機が完了したか否かを判定する（Ｓ７）。差分値が、まだ、大きい場合には、暖機は完了していない。そこで、ＥＣＵ１０は、制御をＳ４に戻して、同様の制御を繰り返す。また、暖機が完了した場合には、ＥＣＵ１０は、処理を終了する。

このような制御によって、ＭＥＡを透過した水素分子と空気極側の酸素分子の直接反応による熱を発生させる。また、空気極側で予め十分な空気流量を供給することで、始動時に補機等に必要な最低の電力を発電することができる。さらに、そのような電力を確保した上で、濃度過電圧によって電流電圧特性を低下させ、熱を生じさせる。このような構成によって、始動時に最低限必要な発電を確保するとともに、従来よりも極めて高速に暖機
を実施できる。

図８によって、本発明の実施例３を説明する。上記実施例１では、空気極に所定量の空気流量を供給した。そして、水素極側の水素供給圧力を徐々に増加することによって、水素極から空気極への水素分子の透過を増加させた。そして、水素分子と酸素分子との直接反応を促進し、空気極での酸素濃度低下による濃度過電圧の発生を促し、動作点Ｐ２（図２）の位置まで出力電流を減少させ、電池反応での発熱量を増加させた。また、水素分子と酸素分子との直接反応による発熱量を増加させた。また、実施例２では、さらに、水素極に供給する水素供給量を予めマップに保持し、同様の制御を実行した。

本実施例では、さらに、始動時の動作Ｐ２（図２参照）にて、水素供給流量、あるいは、水素極での推定水素圧力から、空気極で水素分子と酸素分子による直接反応が十分になされているか、否かを判定し、十分ではない場合に、さらに、直接反応を促進する制御手順を説明する。他の構成および作用は、実施例１あるいは実施例２の場合と同様である。そこで、同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて、図２から図７の図面を参照する。

この処理は、燃料電池スタック１の電流電圧特性が動作点Ｐ２（図２参照）に達した後に実行される。この動作点Ｐ２が所定の発電状態に相当する。この処理では、ＥＣＵ１０は、まず、パルス発生器８のデューティ比を制御しているパラメータを読み出す（Ｓ１１）。そして、ＥＣＵ１０は、デューティ比が所定値以下であるか、否かを判定する（Ｓ１２）。ここで、所定値とは、発熱量を確保するために得られる水素量により、実験的に求められる値である。例えば、このデューティ比は、図４と同様のマップとして、それぞれの目標上昇温度に対する値としてＥＣＵ１０がメモリに保持していてもよい。この処理を実行するＥＣＵ１０が本発明の非発電反応の程度を推定する手段に相当する。

デューティ比が所定値を越えている場合には、十分に水素分子と酸素分子との直接反応が生じているので、ＥＣＵ１０は、処理を終了する。デューティ比が所定値以下である場合、ＥＣＵ１０は、エアコンプレッサの回転数を所定値だけ増加する（Ｓ１３）。始動時の動作点Ｐ２（図２）にあるにも拘わらず、水素供給量を制御する制御パルスのデューティ比が低いのは、空気流量が十分でないと考えられるからである。なお、この酸素濃度が当初の値は、図５のＳ４でのコンプレッサ回転数で定まる。

次に、ＥＣＵ１０は、燃料電池スタック１の端子電圧を所定値とし（Ｓ１５Ａ）、さらに、出力電流を水素供給量の増加（Ｓ１５Ｂ）によって制御する（Ｓ１５Ｃ）。この処理は、図５のＳ５ＡからＳ５Ｃと同様である。以上のＳ１３およびＳ１５Ａ−Ｓ１５Ｃの処理を実行するＥＣＵ１０が、所定の増分だけ増加させる手段に相当する。

以上述べたように、本実施例によれば、酸素供給量が十分でないことに起因する問題、すなわち、始動時の動作点Ｐ２（図２）にあるにも拘わらず、水素分子と酸素分子との直接反応が目論み通りに発生しないような場合に対応できる。

なお、実施例３では、デューティ比によって水素供給量、ひいては、水素分子と酸素分子との直接反応の程度を推定した。しかし、本発明の実施は、そのようなデューティ比によって水素供給量を制御するシステムには限定されない。要するに、水素供給量を推定できる指標を用いればよい。例えば、ＥＣＵ１０からの制御量に比例して弁の開度が決定される形態の流量制御弁を用いたシステムについても、図８同様の手順で、水素分子と酸素分子との直接反応の度合いを判定し、空気供給流量および水素供給流量を制御すればよい。

図９から図１１を参照して、本発明の実施例４を説明する。上記実施例１では所定量の空気流量を供給するとともに、水素極側の水素供給圧力を徐々に増加することによって、水素極から空気極への水素分子の透過および水素分子と酸素分子との直接反応を促進し、動作点Ｐ２（図２）の位置まで出力電流を減少させた。また、実施例２では、さらに、水素極に供給する水素供給量を予めマップに保持し、同様の制御を実行した。

この場合の空気供給流量および水素供給流量についは、燃料電池システムの種々の環境条件に応じて、適切、場合によっては最適な値を選択できれば、目標上昇温度を達成するまでの制御が短時間で実行できる可能性がある。そこで、燃料電池システムの種々の環境条件に応じて、設定すべき空気供給流量および水素供給流量を事前に決定しておき、始動時に効率的な制御、あるいは最適制御を実行することにする。

ここでは、燃料電池システムの種々の環境条件として、燃料電池システムの総稼働時間、ＭＥＡの劣化度合い、燃料電池スタック１の温度、およびＭＥＡの含水率を例にして説明する。

図９は、燃料電池システムの総稼働時間、ＭＥＡの劣化度合い、燃料電池スタック１の温度、およびＭＥＡの含水率が、それぞれ特定の範囲にある場合の目標上昇温度に対して必要な空気供給流量を示すマップの例である。

ここで、燃料電池システムの総稼働時間は、燃料電池システムの使用時間、例えば、工場出荷時を０時間として積算された総稼働時間である。燃料電池システムの総稼働時間は、平均的な使用条件でのＭＥＡの劣化度を特定する指標となる。

燃料電池システムの総稼働時間が、間接的にＭＥＡの劣化の程度を推定する指標であったのに対して、ＭＥＡの劣化度合いは、直接的に測定したＭＥＡの劣化の程度を示す値である。ＭＥＡの劣化度合いは、例えば、空気極側の遮断弁３を開放し、水素極側の遮断弁６を閉弁した状態で、水素極側に所定のガス圧力の水素を閉じこめる。その水素ガス圧力が所定値まで低下する時間として、ＭＥＡの劣化度合いを測定した指標とすることができる。また、そのときのガス圧力の単位時間当たり変化率、単位時間当たり水素極から消失するガス流量等を劣化度合いの指標としてもよい。

スタック温度は、始動時点での温度センサ７で検出される燃料電池スタック１の温度である。スタック温度は、冷却水の温度であってもよい。

含水率は、例えば、燃料電池スタック１の内部抵抗として把握される。したがって、内部抵抗は、燃料電池の電流と電圧との関係を示すＩＶ特性から推定できる。また、燃料電池スタック１の端子に交流電圧を投入し、流れる交流によって内部抵抗、したがって、含水率を推定する方法も適用できる。

本燃料電池システムでは、燃料電池システムの総稼働時間、ＭＥＡの劣化度合い、燃料電池スタック１の温度、およびＭＥＡの含水率をそれぞれ異なる軸に設定し、多次元の空間をそれぞれの値で分割する。そして、分割された多次元空間のそれぞれに目標上昇温度に対して必要な空気供給流量を示すマップを格納する。このように構成すれば、燃料電池始動時の環境条件に応じて、最適と考えられるマップを選択し、目標上昇温度に対して必要な空気供給流量を求めることができる。

図１０は、図９と同様に、燃料電池システムの環境条件に対応する多次元の空間を分割
し、それぞれ分割された領域で、目標上昇温度と、水素透過量および目標水素供給流量との関係をマップ化した例である。

図１１は、図９および図１０のマップを用いた暖機処理の例である。この処理で、Ｓ３Ｂの処理以外は、図５の処理と同様である。そこで、図５と同一の処理については、同一の符号を付してその説明を省略する。

ＥＣＵ１０は、目標とする燃料電池スタック１の温度および目標動作点を設定すると（Ｓ３）、燃料電池システムの総稼働時間、ＭＥＡの劣化度合い、燃料電池スタック１の温度、およびＭＥＡの含水率を求める。このうち、燃料電池システムの総稼働時間は、ＥＣＵ１０のメモリに刻々記録されている。また、ＭＥＡの劣化度合いは、例えば、定期点検などで、所定の期間ごとに測定され、ＥＣＵ１０のメモリに格納されている。また、含水率は、端子電圧と出力電流との関係から始動時前に測定してもよい。前回停止直前に測定した含水率の値をＥＣＵ１０内のメモリに保持しておいて、始動時の含水率の代用としてもよい。そして、ＥＣＰＵは、燃料電池システムの総稼働時間、ＭＥＡの劣化度合い、燃料電池スタック１の温度、およびＭＥＡの含水率をそれぞれ異なる軸に設定し、多次元の空間で、現在の燃料電池システムの環境が属する範囲にて、空気流量マップおよび水素供給流量マップを選択する（Ｓ３Ｂ）。以後の処理は、図５の場合と同様である。

本実施例によれば、燃料電池システムの総稼働時間、ＭＥＡの劣化度合い、燃料電池スタック１の温度、およびＭＥＡの含水率等、燃料電池システムの環境に応じて、適切あるいは最適と推定される空気供給流量および水素供給流量を設定できる。したがって、図１１の処理において、Ｓ５ＡからＳ５Ｃのループにおいて、そのような環境を考慮しない処理と比較してより早期に電流を目標の動作点に制御できる。

図１２Ａ、図１２Ｂおよび図１３により、本発明の実施例５を説明する。本実施例では、氷点下の始動時、制御弁５を駆動する制御パルスの周波数を高周波領域（短周期状態に相当）にシフトする。制御パルスを高周波領域にシフトすると、制御弁５の開閉間隔が短くなる。したがって、１回の開閉あたりに、制御弁５から水素極に放出される水素ガス量は、少なくなり、１回の開閉あたりの水素極内の水素ガスの圧力変動が小さくなる。なお、本実施例の構成を上記実施例１から実施例４の構成と組み合わせてもよい。

図１２Ａに、制御パルスの周波数が通常の場合の水素極内の水素ガス圧力の変化の概念を例示する。また、図１２Ｂに、制御パルスの周波数を高周波領域にシフトした場合の水素極内の水素ガス圧力の変化の概念を例示する。図１２Ａでは、通常の周波数（パルス幅）の場合に、１回の制御弁５の開閉で、例えば、ΔＰ１の水素ガス圧力の変動が生じている。これに対して、高周波領域（パルス幅も短い）での１回の制御弁５の開閉で、例えば、ΔＰ２の水素ガス圧力の変動が生じており、この場合の変動ΔＰ２は、通常よりはるかに小さくなる。したがって、水素ガス圧力のＭＥＡを劣化させる度合いを小さくできる可能性が高い。

また、変動ΔＰ２が小さいため、水素極内の平均ガス圧力（図１２Ａおよび図１２Ｂの点線）も、水素極内の許容最大圧力に近づけることができる。なぜなら、図１２Ａの場合には、許容最大圧力から、少なくともΔＰ１に相当する圧力だけ低い圧力までしか、水素ガスを供給できない。ガス圧力の変動によって許容最大圧力を超える可能性が高まるからである。一方、図１２Ｂの場合には、変動ΔＰ２が小さいため、水素極内の平均圧力を通常よりもさらに、許容最大圧力に近づける可能性が高くなる。したがって、制御パルスの周波数を高周波領域にシフトすることで、より多くの透過水素量とすることができる。

ただし、常時、制御弁を高周波領域で駆動すると、弁の耐久性が低下する可能性がある。また、制御弁を高周波領域で駆動すると騒音が発生し、燃料電池システムの商品性に問題が生じる可能性もある。そこで、本燃料電池システムでは、始動時に限定して、制御パルスの周波数を高周波領域にシフトする制御を行う。なお、制御パルスの周波数をどこまで上昇できるかは、制御弁５の作動特性から決定される。

図１３に、本実施例でのＥＣＵ１０による暖機処理を例示する。この処理で、Ｓ２ＡのおよびＳ７Ａ処理以外は、図５の処理と同様である。そこで、図５と同一の処理については、同一の符号を付してその説明を省略する。

ＥＣＵ１０は、氷点下の始動時（Ｓ２でＹＥＳの場合）、パルス発生器の動作周波数を所定値だけ高周波域にシフトする（Ｓ２Ａ）。この処理を実行するＥＣＵ１０が、周波数制御手段に相当する。その後の処理は、図５の場合と同様である。そして、ＥＣＵ１０は、燃料電池スタック１の暖機が完了すると（Ｓ７でＹＥＳの場合）、パルス発生器の動作周波数を通常値に戻す（Ｓ７Ａ）。

以上述べたように、本燃料電池システムによれば、氷点下の始動時、パルス発生器の動作周波数を所定値だけ高周波域にシフトする。これによって、制御弁５が短パルスで開閉され、通常駆動時よりも、水素極内の水素ガス圧力の変動を低減できる。その結果、ガス圧力の変動によって許容最大圧力を超える可能性が高まる。また、水素極内の平均圧力を通常よりもさらに、許容最大圧力に近づける可能性が高くなり、より多くの透過水素量を得ることができる。

図１４により、本発明の実施例６を説明する。本実施例では、水素供給流量から、透過水素流量を推定し、透過水素流量が所定の限度を超えているか否かを判定する。透過水素流量が所定の限度を超えているとは、例えば、ＭＥＡが劣化し、電解質膜に孔が生じたような場合をいう。そのような場合には、これ以上のＭＥＡの劣化を低減するため、水素極内の水素ガス圧力を低下する。

図１４に、本実施例の燃料電池システムにおけるＥＣＵ１０による暖機処理を例示する。この処理で、Ｓ５ＤのおよびＳ５Ｅ処理以外は、図５の処理と同様である。そこで、図５と同一の処理については、同一の符号を付してその説明を省略する。

ＥＣＵ１０は、電流が目標値となっていない場合（Ｓ５ＣでＮＯ）、次に、推定した水素透過量が上限値か否かを判定する（Ｓ５Ｄ）。この処理を実行するＥＣＵ１０が、透過量を推定する手段に相当する。水素透過量は、例えば、以下の手順で推定できる。
（１）制御弁５の圧力差と、その圧力差が生じている制御弁５にパルス発生器８の制御パルスを投入したときの、デューティ比に対する供給水素量を事前に測定しておく。
（２）（１）のデューティ比にて、所定時間Ｔの期間、水素を供給したときの水素供給量ΔＶを基に、ＭＥＡから空気極への水素の透過がないと仮定したときの水素極内の水素ガス圧力の増加量ΔＰ１を算出する。例えば、以下の式で算出できる。

ΔＰ１＝Ｋ１×水素供給量ΔＶ／Ｖ；
ここで、Ｋ１は比例係数、Ｖは水素極内の体積である。
（３）（１）のデューティ比にて、水素を所定時間供給したときの水素極内の水素ガス圧力の増加量ΔＰ２を圧力センサでの検出値を基に算出する。
（４）ΔＰ１とΔＰ２の差分値が、透過によって発生したとして、単位時間当たりの透過量を算出する。

単位時間当たりの透過量＝Ｋ２×（ΔＰ１−ΔＰ２）×Ｖ／Ｔ；
ここで、Ｋ１は比例係数、Ｔは上記デューティ比で水素を供給した時間である。

そして、水素透過量が上限値となった場合、ＥＣＵ１０は、制御弁５のデューティを低下し、水素供給流量を減少させる。これによって、水素極内の圧力を減圧できる（Ｓ５Ｅ）。この処理を実行するＥＣＵ１０が、水素供給圧力を低下させる手段に相当する。その後、ＥＣＵ１０は、制御をＳ５Ａに戻す。このようにして、本燃料電池システムによれば、水素透過量が上限値に達した場合には、水素供給流量を減少させ、比較的低い水素ガス圧力で、水素ガスの透過による直接反応、および動作点Ｐ２への制御を実行できる。

なお、透過量が上限を越えている場合には、もはやＭＥＡに開口等の破損が発生しているとして、図１４で示されるような水素極から空気極への水素の透過を促進する処理の停止、すなわち、水素極内の水素の圧力上昇を停止するようにしてもよい。その場合には、例えば、インジケータ等で、燃料電池スタック１内のＭＥＡが異常であることを示す警告を表示するようにしてもよい。

図１５を基に、実施例７を説明する。上記実施例１から６の燃料電池システムによれば、氷点下時、水素と酸素との電池反応によらない直接反応によって発熱するとともに、動作点Ｐ２での電池反応によって通常運転より濃度過電圧を増加し、発熱を増加する。しかし、この手法によれば、水素極側に通常より多くの水素ガスを供給する必要があり、ＭＥＡの耐久性に影響を与える可能性もある。そこで、本実施例では、従来の氷点以下の暖機運転の技術と、上記実施例１から６に示した暖機運転の技術との組み合わせによって、ＭＥＡの耐久性に影響を与える可能性を低減する技術を説明する。

ここでは、次のような従来の暖機運転の実行が可能であることを前提とする。
（１）燃料電池システム停止時の掃気処理
燃料電池システム停止時に、エアコンプレッサ２を所定時間駆動し、空気極側の水分を含んだ空気を空気極側の排出通路から外部へ排出する。この処理を所定時間継続することで、空気極側からＭＥＡ中の水分が奪われ、排出される。これによって、ＭＥＡ内の水分が所定のレベル以下に抑制され、低温でのＭＥＡの凍結が回避される。
（２）始動時の濃度過電圧による暖機運転
始動時、図１に示したように、空気供給量を通常より少なくし、濃度過電圧によって損失が生じる条件で、発電を始動し、図１の動作点Ｐ２にて運転を継続する。動作点Ｐ２は、電流電圧特性という点では、図２の場合とほぼ同様の位置である。しかし、図１の状態では、水素極への水素ガス圧の増加による水素の透過がなく、空気極側への空気流量を通常より低下させることによって、出力電流と出力電圧とが動作点Ｐ２に制御される。なお、場合によって、ヒータを使用する等の手段によって、さらに暖機を図ってもよい。

以上のような暖機運転モードを低温始動モード（第２のモードに相当）と呼ぶことにする。ＥＣＵ１０は、通常、ユーザの操作にしたがって、低温始動モードを実行する。例えば、ユーザが操作可能な低温始動モードスイッチがオン状態となっているか否かを検知して、上記（１）（２）の処理を実行する。

このような技術を前提に、本燃料電池システムは、さらに、低温始動モードスイッチの他、低温始動モードフラグ（モード設定情報に相当）をＥＣＵ１０内の不揮発性メモリに有する。この低温始動モードフラグがオンの場合にも、低温始動モードスイッチがオンの場合と同様と、ＥＣＵ１０は、上記（１）（２）の処理を実行する。この処理を実行するＥＣＵ１０が、それぞれのモードでの暖機を実行する手段に相当する。そして、上記実施例１等の暖機処理（図５、図７、図１１、図１３、図１４等、第１のモードに相当）が、
一度実施された場合に、ＥＣＵ１０は、低温始動モードフラグをオンにする。この処理を実行するＥＣＵ１０が、第２のモードを設定する手段に相当する。

図１５に、本実施例のＥＣＵ１０による暖機処理を例示する。この処理で、Ｓ８の処理以外は、図５の処理と同様である。そこで、図５と同一の処理については、同一の符号を付してその説明を省略する。

ＥＣＵ１０は、暖機完了後（Ｓ７でＹＥＳの場合）、低温始動モードフラグをオンにする（Ｓ８）。そして、ＥＣＵ１０は、暖機処理を終了し、通常の運転状態に移行する。

本燃料電池システムによれば、一度、暖機処理（図１５のＳ１−Ｓ７）が実行されると、従来の水素極の水素ガス圧力を増加しない暖機処理を実行するモードに移行する。したがって、次回の始動においては、暖機処理（図１５のＳ１−Ｓ７）が回避されるので、水素ガス圧増加によるＭＥＡへの影響が抑制される。

なお、低温始動モードフラグをオフにするタイミングとしては、例えば、ユーザのマニュアル操作でオフされたときに、オフするようにしてもよい。また、一度、低温始動モードが実行されると、オフするようにしてもよい。その場合に、ユーザに、低温始動モードスイッチをマニュアル操作でオンするか否かを選択するように促す表示をするようにしてもよい。

また、低温始動モードフラグをオンにする代わりに、ユーザに対して、低温始動モードスイッチをオンにするように促す表示、あるいは、低温モードスイッチをオンにすることが必要であるとの警告表示等をするようにしてもよい。

従来の暖機運転での電流電圧特性上の動作点を説明する図である。 一の実施形態に係る燃料電池システムにおける暖機運転での動作を示す図である。 一の実施形態に係る燃料電池システムの構成を例示する図である。 実施例１における目標酸素流量を示すマップの例である。 実施例１における暖機処理を例示する図である。 実施例２における目標水素供給流量を示すマップの例である。 実施例２における暖機処理を例示する図である。 実施例３における始動時の動作点での処理を例示する図である。 実施例４における空気供給流量を示すマップの例である。 実施例４における目標上昇温度と、水素透過量および目標水素供給流量との関係をマップ化した例である。 実施例４における暖機処理を例示する図である。 制御パルスの周波数が通常の場合の水素極内の水素ガス圧力の変化の概念を例示する図である。 制御パルスの周波数を高周波領域にシフトした場合の水素極内の水素ガス圧力の変化の概念を例示する図である。 実施例５における暖機処理を例示する図である。 実施例６における暖機処理を例示する図である。 実施例７における暖機処理を例示する図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ エアコンプレッサ
３、６ 遮断弁
４ 水素ガスタンク
５ 制御弁
７ 温度センサ
８ パルス発生器
１０ ＥＣＵ
１１ 電圧センサ
１２ 電流センサ

Claims (7)

1. 電解質膜と該電解質膜を挟み込む一対の電極とを含む燃料電池セルが、ガス供給通路が形成されたセパレータに挟まれて積層された燃料電池スタックのスタック温度または該燃料電池スタックの周囲の周囲温度を検知する温度センサと、
   前記燃料電池スタックの空気極側セパレータに供給される空気の供給量を制御する空気供給手段と、
   前記燃料電池スタックの水素極側セパレータに供給される水素ガスの供給量を制御する水素供給手段と、
   前記燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧センサと、
   前記燃料電池スタックの出力電流を検出する電流センサと、
   前記燃料電池スタックの発電状態を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   始動時に、前記燃料電池スタックの水素極側の水素ガスの圧力によって前記電解質膜を透過した水素ガスと前記燃料電池スタックの空気極側の酸素との非発電反応による発熱を促進させるときに、目標運転温度と前記スタック温度との差分値、または前記目標運転温度と前記周囲温度との差分値に対応した発熱量に必要な酸素流量と、最低電力の発電に必要な酸素流量とが供給される空気供給量となるように前記空気供給手段を制御する手段と、
   前記燃料電池スタックの出力電圧を目標出力電圧に制御する手段と、
   前記非発電反応によって発生する濃度過電圧によって前記出力電流が所定値に低下するまで前記水素供給手段を通じた水素ガスの供給を増加させる手段と、を有する燃料電池システム。
2. 電解質膜と該電解質膜を挟み込む一対の電極とを含む燃料電池セルが、ガス供給通路が形成されたセパレータに挟まれて積層された燃料電池スタックのスタック温度または該燃料電池スタックの周囲の周囲温度を検知する温度センサと、
   前記燃料電池スタックの空気極側セパレータに供給される空気の供給量を制御する空気供給手段と、
   前記燃料電池スタックの水素極側セパレータに供給される水素ガスの供給量を制御する水素供給手段と、
   前記燃料電池スタックの発電状態を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   始動時に、前記燃料電池スタックの空気極側に暖機運転時以上の電流の発電に十分な空気流量が供給されるように前記空気供給手段を制御する手段と、
   目標水素供給流量に応じて、前記燃料電池スタックの水素極内の水素ガスの圧力が始動後の通常運転時より増加するように前記水素供給手段を制御する手段、を有し、
   前記目標水素供給流量は、前記水素極内の水素ガスの圧力によって前記電解質膜を透過した水素ガスと前記空気極側の酸素との非発電反応による発熱によって、目標運転温度と前記スタック温度の差分値、または前記目標運転温度と前記周囲温度との差分値が低減されるのに必要な水素ガス透過量が達成される水素供給流量であって、
   前記非発電反応による発熱によって前記燃料電池スタックの暖機が完了するまで、前記差分値が低減される燃料電池システム。
3. 前記水素供給手段は、制御パルスのデューティ比によって水素供給量を制御する弁開閉装置であり、
   前記制御部は、暖機運転時の電力が発電される発電状態における前記制御パルスのデューティ比が所定値以下の場合に、前記空気極への空気の供給量を増加させるとともに前記水素極への水素ガスの供給量を前記燃料電池スタックからの出力電流を制御するように増加させる手段とを有する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御パルスの周期を通常状態と通常状態より短い短周期状態の少なくとも２つの状態で制御する周波数制御手段をさらに備え、
   前記制御部は、前記水素ガスの供給量を通常状態より増加する場合に、前記周波数制御手段によって前記制御パルスの周期を前記短周期状態に制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
   
5. 燃料電池システムの環境条件を示す指標の測定結果に応じて、前記差分値に対して、供給すべき空気の供給量および水素ガスの供給量を記録した供給量記録手段をさらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記水素ガスの供給量と前記燃料電池スタックの運転状態から前記空気極に透過する水素ガスの透過量を推定する手段と、
   前記透過量が所定の限度に達した場合に、前記水素ガスの圧力を低下させる手段と、を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御部は、前記水素極への水素ガスの供給量の増加によって前記空気極に透過する水素ガスの透過量を増加させて始動時の暖機を促進する第１のモードと、前記燃料電池スタックの発電停止時に前記空気極側への空気の供給を所定時間継続する掃気を実行するとともに前記燃料電池スタックの発電開始時に前記空気極に透過する水素ガスの透過量を増加することなく暖機を実行する第２のモードとを指定するモード設定情報にしたがって切り替えてそれぞれのモードでの暖機を実行する手段と、
   前記第１のモードで暖機が実行されたときに、前記モード設定情報を前記第２のモードに設定をする手段と、を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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