JP6053013B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックの起動時処理を行う燃料電池システムに関する。

特許文献１では、起動時に燃料電池の膜間差圧を抑制すると共に、起動時の燃料電池の過電圧を抑制して燃料電池の劣化を抑制し得る燃料電池システムを提供することを目的としている（要約、［０００８］）。この目的を達成するため、特許文献１の燃料電池システムは、起動時における水素及び空気の供給圧力を通常発電時よりも高い圧力に設定するガス供給制御部と、燃料電池１の電圧パラメータを検出する電圧センサ２１と、電圧センサ２１で検出した燃料電池１の電圧パラメータＶ１が所定の上限電圧よりも低い第１しきい値電圧Ｖ０ｍａｘに到達したときに、燃料電池１の出力の取出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータＶ１が所定の上限電圧を超えないように制御する出力制御手段（出力取出し装置２０及びコントローラ３０の出力制御部）とを備える（要約）。

上記における電圧パラメータＶ１は、燃料電池１全体での総電圧、各サブスタック電圧の最大値、全てのセル電圧又はセル群電圧の最大値のいずれでもよいとされている（［００３５］）。

また、特許文献１の実施例２では、最大セル電圧が第１しきい値電圧Ｖ０ｍａｘに達し、且つ最小セル電圧が所定の下限電圧（第２しきい値電圧Ｖ０ｍｉｎ）を上回ったときに燃料電池１の出力の取り出しを開始する（［００７４］）。

特開２００７−０２６８９１号公報

上記のように、特許文献１では、燃料電池１の電圧パラメータＶ１が所定の上限電圧よりも低い第１しきい値電圧Ｖ０ｍａｘに到達したときに、燃料電池１の出力の取出しを開始して、起動から通常発電開始までの期間は電圧パラメータＶ１が所定の上限電圧を超えないように制御する。しかしながら、燃料電池１の劣化抑制の観点からすれば、特許文献１では、第１しきい値電圧Ｖ０ｍａｘ及びその後に用いる電圧パラメータＶ１の目標値について改善の余地がある。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、起動時において、燃料電池スタックの劣化を防止することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、複数のセルを含む燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、前記燃料電池スタックの発電エネルギを蓄える蓄電池と、前記燃料電池スタックの出力電圧を制御して前記燃料電池スタックの出力電力を制御する制御部とを備えるものであって、前記制御部は、前記燃料電池スタックの起動時処理を実行し、前記起動時処理において、前記制御部は、前記燃料電池スタック内における反応ガスの残存状態を検出し、前記反応ガス供給装置から前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給を開始させ、前記燃料電池スタックからの電力供給を開始させる前記燃料電池スタックの電圧パラメータ閾値である電力供給開始閾値と、前記電力供給の開始時点における前記燃料電池スタックの目標電圧パラメータである第１段階目標値とを設定し、前記燃料電池スタックの電圧パラメータが前記電力供給開始閾値に到達すると前記第１段階目標値を用いて前記燃料電池スタックの出力電圧を制御して前記燃料電池スタックからの電力供給を開始させ、さらに、前記制御部は、検出した前記反応ガスの残存状態に応じて前記電力供給開始閾値及び前記第１段階目標値を切り替えることを特徴とする。

本発明によれば、反応ガスの残存状態に応じて電力供給開始閾値（燃料電池スタックからの電力供給を開始させる燃料電池スタックの電圧パラメータ閾値）及び第１段階目標値（電力供給の開始時点における燃料電池スタックの目標電圧パラメータ）を切り替える。従って、反応ガスの残存状態を踏まえて電力供給開始閾値及び第１段階目標値を設定可能となり、燃料電池スタックの劣化を防止することが可能となる。

前記制御部は、前記第１段階目標値の後に用いる目標電圧パラメータである第２段階目標値を設定し、前記燃料電池スタックからの電力供給の開始後に所定の条件が満たされたか否かを判定し、前記所定の条件が満たされた場合、前記第１段階目標値から前記第２段階目標値に切り替えて前記燃料電池スタックの出力電圧を変化させて前記燃料電池スタックからの出力電力を変化させ、各セルの劣化が進む電圧範囲を劣化進行領域と定義し、前記反応ガスの供給開始から出力電圧の立ち上がりまでの電圧立ち上がり時間が短いセルを第１セルと定義し、前記電圧立ち上がり時間が長いセルを第２セルと定義するとき、前記所定の条件は、前記反応ガスの残存状態に基づいて算出される反応ガス供給時間が経過したこと、及び前記蓄電池の過充電判定パラメータが、過充電を判定するための過充電判定閾値を上回ったことの少なくとも一方としてもよい。

これにより、反応ガス供給時間が経過した場合又は蓄電池が過充電の状態になりそうな場合には、燃料電池スタックの目標電圧パラメータを第１段階目標値から第２段階目標値に切り替えて燃料電池スタックの出力電力を変化させる。これにより、燃料電池スタックからの不要な電力供給の抑制、又は蓄電池の保護を図ることが可能となる。

前記第２段階目標値を、前記第１段階目標値よりも高い目標電圧パラメータに対応させ、前記所定の条件が満たされた場合、前記第１段階目標値から前記第２段階目標値に切り替えて前記燃料電池スタックの出力電圧を上昇させて前記燃料電池スタックからの出力電力を減少させ、前記第１段階目標値は、前記第２セルの出力電圧が立ち上がっていない状態において、前記第１セルの出力電圧が、前記劣化進行領域内の値である劣化進行電圧を下回る前記燃料電池スタックのスタック電圧値に対応して設定され、前記第２段階目標値は、前記第２セルの出力電圧が立ち上がった状態において、前記第１セルの出力電圧が前記劣化進行電圧を下回る前記スタック電圧値に対応して設定されてもよい。

これにより、第１段階目標値及び第２段階目標値のいずれについても第１セル（反応ガスの供給開始から出力電圧の立ち上がりまでの電圧立ち上がり時間が短いセル）の劣化防止を図ることが可能となる。

前記第２段階目標値を、前記第１段階目標値よりも低い目標電圧パラメータに対応させ、前記所定の条件が満たされた場合、前記第１段階目標値から前記第２段階目標値に切り替えて前記燃料電池スタックの出力電圧を低下させて前記燃料電池スタックからの出力電力を増加させ、前記第１段階目標値は、前記第２セルの出力電圧が立ち上がっていない状態において、前記第２セルの出力電圧が、前記第２セルの前記出力電圧の立ち上がりの遅れを補償する前記燃料電池スタックのスタック電圧値に対応して設定され、前記第２段階目標値は、前記第２セルの出力電圧が立ち上がった状態において、前記第１セルの出力電圧が前記劣化進行電圧を下回る前記スタック電圧値に対応して設定され、前記所定の条件は、前記反応ガスの残存状態に基づいて算出される反応ガス供給時間が経過したこととしてもよい。

これにより、第１段階目標値では第２セル（電圧反応ガスの供給開始から出力電圧の立ち上がりまでの電圧立ち上がり時間が長いセル）の劣化防止を図ることが可能となる。また、反応ガス供給時間が経過した場合には、燃料電池スタックの目標電圧パラメータを第１段階目標値から第２段階目標値に切り替えて燃料電池スタックの出力電力を増加させる。これにより、例えば、第１セルの出力電圧の立ち上がりが相対的に速い場合において、第２セルに加え、第１セル（反応ガスの供給開始から出力電圧の立ち上がりまでの電圧立ち上がり時間が短いセル）の劣化防止を図ることが可能となる。

前記制御部は、前記燃料電池スタックの出力電圧を制御する電圧変換手段を備え、前記電圧変換手段の変圧率を制御することにより、前記燃料電池スタックの出力電圧を制御してもよい。これにより、燃料電池スタックの出力電圧を簡易に制御することが可能となる。

前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックのスタック電圧を検出するスタック電圧検出部を備え、前記制御部は、前記スタック電圧が前記電力供給開始閾値に到達した場合、前記燃料電池スタックからの電力供給を開始させてもよい。これにより、スタック電圧を用いることで、セル電圧等を用いる場合と比較して、簡易な構成で電力供給の開始タイミングを判定することが可能となる。

前記燃料電池システムは、前記過充電判定パラメータとしての前記蓄電池の残容量を検出する残容量検出部を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックからの電力供給の開始後、前記残容量が前記過充電判定閾値を上回った場合、前記第１段階目標値から前記第２段階目標値に切り替えて前記燃料電池スタックの出力電圧を増加させて前記燃料電池スタックからの出力電力を減少させてもよい。これにより、蓄電池の残容量（ＳＯＣ）に基づいて制御することで、より確実に蓄電池の過充電を防ぐことが可能となる。

前記燃料電池システムは、前記複数のセルそれぞれの出力電圧であるセル電圧を検出するセル電圧検出部を備え、前記制御部は、前記電力供給開始閾値と比較する電圧パラメータとして、前記セル電圧の最大値である最大セル電圧を用い、さらに、前記制御部は、前記反応ガス供給時間が経過したか否かを、前記最大セル電圧がセル電圧閾値を上回るか否かに基づいて判定してもよい。上記によれば、最大セル電圧を用いて電力供給開始タイミング及び出力電力の制限タイミングを制御することが可能となる。これにより、各セルのセル電圧が劣化促進電圧以上となることをより確実に回避することが可能となる。

前記制御部は、前記過充電判定パラメータが、前記蓄電池の充電量が低いことを示す値であるとき、前記第２段階目標値を低下させ、前記過充電判定パラメータが、前記蓄電池の充電量が高いことを示す値であるとき、前記第２段階目標値を増加させてもよい。これにより、蓄電池の充電量に応じて柔軟に第２段階目標値を設定することが可能となる。

本発明によれば、起動時において、燃料電池スタックの劣化を防止することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の駆動系及び電力系を主として示す概略全体構成図である。 前記実施形態における燃料電池ユニットのガス系を主として示す概略構成図である。 燃料電池を構成する燃料電池セルの電位とセルの劣化量との関係の一例を示す図である。 燃料電池セルの電位の変動速度が異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。 燃料電池セル及び燃料電池スタックの電流−電圧特性の一例を示す図である。 Ｈ₂−Ｈ₂起動時における複数のセルの反応の第１例を示す図である。 Ｈ₂−Ｈ₂起動時における複数のセルの反応の第２例を示す図である。 Ａｉｒ−Ａｉｒ起動時における複数のセルの反応の第１例を示す図である。 Ａｉｒ−Ａｉｒ起動時における複数のセルの反応の第２例を示す図である。 反応ガスの複数の残存状態それぞれについて、燃料電池スタックからの電力供給なしの状態でのスタック電圧の一例を示す図である。 前記燃料電池スタックの起動時制御のフローチャートである。 Ｈ₂−Ｈ₂起動時及びＡｉｒ−Ａｉｒ起動時それぞれについて図１１の制御を用いた場合における前記燃料電池スタックの出力電圧の例を示す図である。 前記燃料電池スタックの起動時において前記燃料電池スタックから電力供給を行わせずに反応ガスを供給した場合のセル電圧の特性の一例を示す図である。 図１１の制御を用いた場合における前記燃料電池スタックの出力電圧及び出力電流並びに最大セル電圧、最小セル電圧及び平均セル電圧の例を示すタイムチャートである。

１．全体的な構成の説明
［１−１．全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１２を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」又は「車両１０」という。）の駆動系及び電力系を主として示す概略全体構成図である。ＦＣ車両１０は、燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」という。）に加え、走行モータ１４（以下「モータ１４」という。）及びインバータ１６を有する。

ＦＣシステム１２は、燃料電池ユニット２０（以下「ＦＣユニット２０」という。）と、高電圧バッテリ２２（以下「バッテリ２２」ともいう。）（蓄電装置）と、昇圧コンバータ２４と、昇降圧コンバータ２６と、補機２８と、電子制御装置３０（以下「ＥＣＵ３０」という。）とを有する。

上記にいう駆動系とは、車両１０を駆動する構成（主としてモータ１４）を指す。電力系とは、車両１０において電力を供給する構成（主としてＦＣシステム１２）を指す。後述するように、さらに、車両１０（又はＦＣシステム１２）は、燃料電池スタック５０に対して反応ガス（すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給するガス系と、燃料電池スタック５０を冷却する冷却系とを有する。

１つの構成要素が、複数の系に含まれることもある。例えば、モータ１４は、車両１０の駆動力を生成する点で駆動系に含まれると共に、回生電力を生成する点で電力系にも含まれる。複数の系に含まれる構成要素については、いずれかの系において詳細を説明する。

［１−２．駆動系］
本実施形態のモータ１４は、３相交流ブラシレス式である。モータ１４は、ＦＣユニット２０及びバッテリ２２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３２を通じて車輪３４を回転させる。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２２等に出力する。モータ１４の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の電流は、電流センサ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗにより検出される。或いは、３相のうち２相のみ電流を検出し、これらの電流から残りの１相の電流を検出してもよい。

インバータ１６は、３相ブリッジ型の構成を有し、直流−交流変換を行う。より具体的には、インバータ１６は、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、回生動作に伴う交流−直流変換後の直流を昇降圧コンバータ２６を通じてバッテリ２２等に供給する。なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷４０という。

［１−３．電力系］
（１−３−１．ＦＣユニット２０）
ＦＣユニット２０は、燃料電池スタック５０（以下「ＦＣスタック５０」又は「ＦＣ５０」という。）と、その周辺部品とを備える。ＦＣスタック５０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。

前記周辺部品には、ＦＣスタック５０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、ＦＣスタック５０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、ＦＣスタック５０を冷却する冷却系と、セル電圧モニタ５２とが含まれる。後述するように、前記周辺部品の一部は、補機２８にも含まれる。なお、図１に示すように、ＦＣユニット２０（ＦＣ５０）とインバータ１６の間において昇圧コンバータ２４と並列に、逆流防止ダイオード５３が配置されている。

セル電圧モニタ５２は、ＦＣスタック５０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、モニタ本体と各単セルと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、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ａｖｅ及び最低セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎを算出する。そして、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ａｖｅ及び最低セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎをＥＣＵ３０に出力する。

ＦＣ５０の出力電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」又は「スタック電圧Ｖｆｃ」という。）は、電圧センサ５４により検出され、ＦＣ５０の出力電流（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」又は「スタック電流Ｉｆｃ」という。）は、電流センサ５６により検出され、いずれもＥＣＵ３０に出力される。ＦＣ５０と昇圧コンバータ２４の間には、コンタクタ５８が配置される。

（１−３−２．高電圧バッテリ２２）
バッテリ２２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。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２２の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ６０により検出され、バッテリ２２の出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ」という。）［Ａ］は、電流センサ６２により検出され、それぞれＥＣＵ３０に出力される。ＥＣＵ３０は、バッテリ電圧Ｖｂａｔとバッテリ電流Ｉｂａｔとに基づいて、バッテリ２２の残容量（ＳＯＣ）［％］を算出する。換言すると、ＥＣＵ３０は、電圧センサ６０及び電流センサ６２と合わせて残容量検出部を構成する。

（１−３−３．昇圧コンバータ２４）
昇圧コンバータ２４は、ＦＣ５０の出力電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）を昇圧してインバータ１６に供給する昇圧型の電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。昇圧コンバータ２４は、ＦＣ５０とインバータ１６との間に配置される。換言すると、昇圧コンバータ２４は、一方がＦＣ５０のある１次側１Ｓｆに接続され、他方がバッテリ２２と負荷４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。以下では、昇圧コンバータ２４を、ＦＣ５０側電圧制御ユニットの意味で「ＦＣ−ＶＣＵ２４」とも称する。

（１−３−４．昇降圧コンバータ２６）
昇降圧コンバータ２６は、昇降圧型の電圧変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）である。すなわち、昇降圧コンバータ２６は、バッテリ２２の出力電圧（バッテリ電圧Ｖｂａｔ）を昇圧してインバータ１６に供給すると共に、モータ１４の回生電圧（以下「回生電圧Ｖｒｅｇ」という。）又はＦＣ電圧Ｖｆｃとしてのインバータ入力端電圧Ｖｉｎｖを降圧してバッテリ２２に供給することが可能である。昇降圧コンバータ２６は、バッテリ２２とインバータ１６との間に配置される。換言すると、昇降圧コンバータ２６は、一方がバッテリ２２のある１次側１Ｓｂに接続され、他方がＦＣ５０と負荷４０との接続点である２次側２Ｓに接続されている。以下では、昇降圧コンバータ２６を、バッテリ２２側電圧制御ユニットの意味で「ＢＡＴ−ＶＣＵ２６」とも称する。

上記のように、インバータ入力端電圧Ｖｉｎｖは、電圧センサ７８（図１）により検出される。また、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６の出口端電流（以下「出口端電流Ｉｂａｔｖｃｕ」という。）は、電流センサ１０４により検出される。

本実施形態では、ＥＣＵ３０によりＦＣ−ＶＣＵ２４及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６を制御することにより、ＦＣユニット２０からの電力（以下「ＦＣ電力Ｐｆｃ」という。）と、バッテリ２２から供給される電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。

（１−３−５．補機２８）
補機２８としては、例えば、エアポンプ１５０（図２）、ウォータポンプ１７０、ラジエータファン１７４、エアコンディショナ、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、低電圧バッテリ、アクセサリ及びＥＣＵ３０の少なくとも１つを含むことができる。

なお、前記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇降圧コンバータ２６（ＢＡＴ−ＶＣＵ２６）の１次側１Ｓｂにおける電圧を降圧して前記低電圧バッテリ、前記アクセサリ、ラジエータファン１７４及びＥＣＵ３０に供給する。前記低電圧バッテリは、低電圧機器を作動させるためのバッテリ（例えば、１２Ｖバッテリ）である。前記アクセサリは、オーディオ機器、ナビゲーション装置等の機器を含む。

（１−３−６．ＥＣＵ３０）
ＥＣＵ３０は、通信線１０６（図１）を介して、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット２０、バッテリ２２、昇圧コンバータ２４、昇降圧コンバータ２６及び補機２８を制御する。当該制御に際しては、ＥＣＵ３０は、記憶部に記憶されたプログラムを実行する。また、ＥＣＵ３０は、電圧センサ５４、６０、７８、電流センサ３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ、５６、６２、８０、１０４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、上記センサに加え、開度センサ１１０及びモータ回転数センサ１１２（図１）が含まれる。開度センサ１１０は、アクセルペダル１１４の開度θｐ［度］を検出する。モータ回転数センサ１１２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍｏｔ」又は「回転数Ｎｍｏｔ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。ＥＣＵ３０は、回転数Ｎｍｏｔを用いてＦＣ車両１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ３０には、メインスイッチ１１６（以下「メインＳＷ１１６」という。）が接続される。メインＳＷ１１６は、ＦＣユニット２０及びバッテリ２２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。

ＥＣＵ３０は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、ＥＣＵ３０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２０、バッテリ２２、昇圧コンバータ２４、昇降圧コンバータ２６及び補機２８毎に複数のＥＣＵから構成することもできる。

ＥＣＵ３０は、ＦＣスタック５０の状態、バッテリ２２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、ＦＣスタック５０が負担すべき負荷と、バッテリ２２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、インバータ１６、ＦＣユニット２０、バッテリ２２、昇圧コンバータ２４及び昇降圧コンバータ２６に指令を送出する。

［１−４．ガス系］
（１−４−１．全体構成）
図２は、ＦＣユニット２０のガス系を主として示す概略構成図である。ＦＣユニット２０は、ＦＣスタック５０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、ＦＣスタック５０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、ＦＣスタック５０を冷却する冷却系とを備える。

（１−４−２．アノード系）
アノード系は、水素タンク１２０、レギュレータ１２２、パージ弁１２８、圧力センサ１３２、濃度センサ１３４及び温度センサ１３６を有する。

水素タンク１２０は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管１２０ａ、レギュレータ１２２及び配管１２２ａを介して、アノード流路１３８の入口に接続されている。これにより、水素タンク１２０の水素は、配管１２０ａ等を介してアノード流路１３８に供給可能である。なお、配管１２０ａには、遮断弁（図示せず）が設けられており、ＦＣスタック５０の発電の際、当該遮断弁は、ＥＣＵ３０により開とされる。

レギュレータ１２２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１２２は、配管１２２ｂ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、後記するように、酸素濃度を変化させるべくエアポンプ１５０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。

配管１２８ａの一部は、パージ弁１２８及び配管１２８ｂを介して、後記する配管１５４ｂに設けられた希釈ボックス１４０に接続されている。パージ弁１２８は、ＦＣスタック５０の発電が安定していないと判定された場合、ＥＣＵ３０からの指令に基づき所定時間、開となる。希釈ボックス１４０は、パージ弁１２８からのアノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する。

圧力センサ１３２は、配管１２２ａに取り付けられ、アノード流路１３８に向かう水素の圧力［Ｐａ］を検出してＥＣＵ３０に出力する。濃度センサ１３４は、配管１２２ａに取り付けられ、アノード流路１３８に向かう水素の濃度を検出してＥＣＵ３０に出力する。温度センサ１３６は、配管１２８ａに取り付けられアノードオフガスの温度［℃］を検出してＥＣＵ３０に出力する。

（１−４−３．カソード系）
カソード系は、エアポンプ１５０、加湿器１５２、背圧弁１５４、流量センサ１５８、濃度センサ１６２、圧力センサ１６４及び温度センサ１６６を有する。

エアポンプ１５０は、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、配管１５０ａを介して車外（外部）と連通している。エアポンプ１５０の吐出口は、配管１５０ｂ、加湿器１５２及び配管１５２ａを介して、カソード流路１６８の入口に接続されている。エアポンプ１５０がＥＣＵ３０の指令に従って作動すると、エアポンプ１５０は、配管１５０ａ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１５０ｂ等を通ってカソード流路１６８に圧送される。

加湿器１５２は、水分透過性を有する複数の中空糸膜１５２ｅを備えている。そして、加湿器１５２は、中空糸膜１５２ｅを介して、カソード流路１６８に向かう空気とカソード流路１６８から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路１６８に向かう空気を加湿する。

カソード流路１６８の出口側には、配管１５２ｂ、加湿器１５２、配管１５４ａ、背圧弁１５４及び配管１５４ｂが配置されている。カソード流路１６８から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、配管１５２ｂ等を通って、車外に排出される。

背圧弁１５４は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ３０によって制御されることで、カソード流路１６８における空気の圧力を制御する。より具体的には、背圧弁１５４の開度が小さくなると、カソード流路１６８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１５４の開度が大きくなると、カソード流路１６８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。

流量センサ１５８は、配管１５０ｂに取り付けられ、カソード流路１６８に向かう空気の流量［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ３０に出力する。

濃度センサ１６２は、配管１５０ｂに取り付けられ、カソード流路１６８に向かう空気の酸素濃度を検出してＥＣＵ３０に出力する。圧力センサ１６４は、配管１５４ｂに取り付けられ、カソード流路１６８からのカソードオフガスの圧力［Ｐａ］を検出してＥＣＵ３０に出力する。

温度センサ１６６は、配管１５４ａに取り付けられ、カソードオフガスの温度を検出してＥＣＵ３０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１６６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。

［１−５．冷却系］
冷却系は、ウォータポンプ１７０、ラジエータ１７２、ラジエータファン１７４及び温度センサ１７６等を有する。ウォータポンプ１７０は、ＦＣ５０内に冷却水（冷媒）を循環させることでＦＣ５０を冷却する。ＦＣ５０を冷却して温度が上昇した冷却水は、ラジエータファン１７４による送風を受けるラジエータ１７２で放熱される。温度センサ１７６は、冷却水の温度（以下「水温Ｔｗ」という。）を検出し、ＥＣＵ３０に出力する。

２．本実施形態の制御
次に、ＥＣＵ３０における制御について説明する。ここでは、主として、ＦＣ５０の起動時における制御（起動時制御）に着目する。ＦＣ５０の起動時制御の具体的説明に入る前に前提となる事項を確認しておく。

［２−１．第１前提事項（セル電圧Ｖｃｅｌｌに応じた劣化）］
図３は、ＦＣスタック５０を構成するＦＣセルの電位（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）［Ｖ］とセルの劣化量Ｄとの関係の一例を示している。すなわち、図３中の曲線１８０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌと劣化量Ｄとの関係を示す。

図３において、電位ｖ１（例えば、０．５Ｖ）を下回る領域（以下「白金凝集増加領域Ｒ１」又は「凝集増加領域Ｒ１」という。）では、ＦＣセルに含まれる白金（酸化白金）について還元反応が激しく進行し、白金が過度に凝集する。電位ｖ１から電位ｖ２（例えば、０．８Ｖ）までは、還元反応が安定的に進行する領域（以下「白金還元領域Ｒ２」又は「還元領域Ｒ２」という。）である。

電位ｖ２から電位ｖ３（例えば、０．９Ｖ）までは、白金について酸化還元反応が進行する領域（以下「白金酸化還元進行領域Ｒ３」又は「酸化還元領域Ｒ３」という。）である。電位ｖ３から電位ｖ４（例えば、０．９５Ｖ）までは、白金について酸化反応が安定的に進行する領域（以下「白金酸化安定領域Ｒ４」又は「酸化領域Ｒ４」という。）である。電位ｖ４からＯＣＶ（開回路電圧）までは、セルに含まれるカーボンの酸化が進行する領域（以下「カーボン酸化領域Ｒ５」という。）である。

上記のように、図３では、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金還元領域Ｒ２又は白金酸化安定領域Ｒ４にあれば、隣り合う領域と比較してＦＣセルの劣化の進行度合が小さい。一方、セル電圧Ｖｃｅｌｌが白金凝集増加領域Ｒ１、白金酸化還元進行領域Ｒ３、又はカーボン酸化領域Ｒ５にあれば、隣り合う領域と比較してＦＣセルの劣化の進行度合が大きい。

なお、図３では、曲線１８０を一義的に定まるような表記としているが、実際は、単位時間当たりにおけるセル電圧Ｖｃｅｌｌの変動量（変動速度Ａｃｅｌｌ）［Ｖ／ｓｅｃ］に応じて曲線１８０は変化する。

図４には、変動速度Ａｃｅｌｌが異なる場合の酸化の進行と還元の進行の様子の例を示すサイクリックボルタンメトリ図である。図４において、曲線１９０は、変動速度Ａｃｅｌｌが高い場合を示し、曲線１９２は、変動速度Ａｃｅｌｌが低い場合を示す。図４からわかるように、変動速度Ａｃｅｌｌに応じて酸化又は還元の進行度合が異なるため、必ずしも各電位ｖ１〜ｖ４は一義的に特定されない。また、ＦＣセルの個体差によっても各電位ｖ１〜ｖ４は変化し得る。このため、電位ｖ１〜ｖ４は、理論値、シミュレーション値又は実測値に誤差分を反映させたものとして設定することが好ましい。

また、ＦＣセルの電流−電圧（ＩＶ）特性は、一般的な燃料電池セルと同様、セル電圧Ｖｃｅｌｌが下がるほど、セル電流Ｉｃｅｌｌ［Ａ］が増加する（図５参照）。加えて、ＦＣスタック５０の発電電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）は、セル電圧ＶｃｅｌｌにＦＣスタック５０内の直列接続数Ｎｆｃを乗算したものである。直列接続数Ｎｆｃは、ＦＣスタック５０内で直列に接続されるＦＣセルの数であり、以下、単に「セル数」ともいう。

以上を踏まえ、本実施形態では、ＦＣ５０の起動時において、ＦＣスタック５０の目標電圧（目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ）［Ｖ］を、主として、白金還元領域Ｒ２内に設定しつつ、必要に応じて白金酸化安定領域Ｒ４内に設定する（具体例は、図１１等を用いて説明する。）。このような目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒの切替えを行うことにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃ及び各セル電圧Ｖｃｅｌｌが、領域Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５（特に、白金酸化還元進行領域Ｒ３）内にある時間を極力短縮し、ＦＣスタック５０の劣化を防止することができる。

なお、上記の処理では、ＦＣスタック５０の供給電力（ＦＣ電力Ｐｆｃ）と、ＦＣシステム１２全体の負荷（以下「システム負荷Ｐｓｙｓ」という。）が等しくならない場合が存在する。この点、ＦＣ電力Ｐｆｃがシステム負荷Ｐｓｙｓを下回っている場合、その不足分は、バッテリ２２から供給する。また、ＦＣ電力Ｐｆｃがシステム負荷Ｐｓｙｓを上回っている場合、その余剰分は、バッテリ２２に充電する。

なお、図３では、電位ｖ１〜ｖ４を具体的な数値として特定したが、これは、後述する制御を行うためであり、当該数値は、あくまで制御の便宜を考慮して決定するものである。換言すると、曲線１８０からもわかるように、劣化量Ｄは連続的に変化するため、制御の仕様に応じて、電位ｖ１〜ｖ４は、適宜設定することができる。

但し、白金還元領域Ｒ２は、曲線１８０の極小値（第１極小値Ｖｌｍｉ１）を含む。白金酸化還元進行領域Ｒ３では、曲線１８０の極大値（極大値Ｖｌｍｘ）を含む。白金酸化安定領域Ｒ４は、曲線１８０の別の極小値（第２極小値Ｖｌｍｉ２）を含む。

［２−２．第２前提事項（ＦＣ５０による発電の終了後におけるアノード側及びカソード側におけるガスの残存状態）］
ＥＣＵ３０側でＦＣ５０における発電を停止させることを決定した場合であっても、ＦＣ５０内に反応ガス（水素及び酸素）が残存している間は、ＦＣ５０は発電を継続する。また、アノード側に残存している水素は、透過によりカソード側に移動する。ここにいう「ＦＣ５０内」には、アノード流路１３８及びカソード流路１６８のみならず、配管１２２ａ、１２８ａ、１５２ａ、１５２ｂ等を含む。

従って、ＥＣＵ３０がＦＣ５０の発電を停止させるための処理を行った後、ＦＣ５０の発電を再開する場合、アノード側の水素濃度及びカソード側の酸素濃度は、状況に応じて種々の値を取り得る。

例えば、ＥＣＵ３０がＦＣ５０における発電を停止させるための処理を開始してから比較的短い時間しか経過していない場合、カソード側に移動した水素の残存量が比較的多い。このため、アノード側及びカソード側のいずれにも比較的高い濃度の水素が存在することとなる。以下では、この状態を「Ｈ₂−Ｈ₂状態」ともいう。また、「Ｈ₂−Ｈ₂状態」において発電を開始（再開の場合を含む。）することを「Ｈ₂−Ｈ₂起動」ともいう。

一方、ＥＣＵ３０がＦＣ５０における発電を停止させるための処理を開始してから比較的長い時間が経過した場合、カソード側に移動した水素は、外部からの酸素と反応して消費される。このため、アノード側及びカソード側のいずれにおいても空気の濃度が比較的高くなる。以下では、この状態を「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」ともいう。また、「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」において発電を開始（再開の場合を含む。）することを「Ａｉｒ−Ａｉｒ起動」ともいう。

本実施形態では、反応ガスの残存状態が「Ｈ₂−Ｈ₂状態」及び「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」のいずれであるかを考慮して、ＦＣ５０の起動時処理を行う。なお、水素及び空気（酸素）の濃度は、常に変化し得るため、反応ガスの残存状態をさらに細分化して起動時制御を行うことも可能である。

［２−３．第３前提事項（反応ガスの不足に伴う劣化）］
図５に示すように、セル電流Ｉｃｅｌｌ（ＦＣ電流Ｉｆｃ）は、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）に応じて変化する。本実施形態では、ＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６を用いてＦＣ電圧Ｖｆｃを制御することにより、セル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電流Ｉｃｅｌｌを制御する。

ＦＣ５０の起動時においては、各セルに対する反応ガス（水素及び酸素の少なくとも一方）の供給速度は、セル毎に変化し得る。すなわち、反応ガスの供給開始から出力電圧の立ち上がりまでの電圧立ち上がり時間Ｔｓが短いセル（以下「第１セル」という。）と、電圧立ち上がり時間Ｔｓが長いセル（以下「第２セル」という。）とが存在し得る。このため、ＦＣスタック５０全体としての電圧（ＦＣ電圧Ｖｆｃ）は、所望の値に到達していたとしても、電圧立ち上がり時間Ｔｓが長い（反応ガスの供給及び置換が遅い）第２セルには、反応ガスが十分に供給されていない場合があり得る。特に、起動時にはこの傾向が顕著に現れ得る。

反応ガスが十分に供給されていない場合であっても、ＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６を用いてＦＣ電圧Ｖｆｃを変化させると、第２セルは、セル電圧ＶｃｅｌｌをＦＣ電圧Ｖｆｃの変化に追従しようとする。その場合、第２セルには、十分な反応ガスが供給されていないため、第２セルは劣化が促進することとなる。

図６及び図７は、Ｈ₂−Ｈ₂起動時における複数のセルの反応の第１例及び第２例を示す図である。より具体的には、図６及び図７は、「Ｈ₂−Ｈ₂状態」において、ＦＣ５０が電力供給を開始しない場合の第１セル及び第２セルそれぞれのセル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電位Ｐｃｅｌｌと、ＦＣ５０が電力供給を行う場合の第１セル及び第２セルそれぞれのセル電圧Ｖｃｅｌｌ、セル電位Ｐｃｅｌｌ及びセル電流Ｉｃｅｌｌの第１例及び第２例を示す図である。なお、図６及び図７の上側は同じである。

図６及び図７の上側に示すように、ＦＣ５０が電力供給を開始しない場合、第１セルは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始時点（時点ｔ１）と略同時に反応ガスが供給される。このため、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電位Ｐｃｅｌｌは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始直後に変化し、時点ｔ３において、セル電圧Ｖｃｅｌｌが閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達する。閾値ＴＨｖｃｅｌｌは、セルが所定の電力供給性能を発揮可能であることを判定する閾値である。

一方、第２セルは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始（時点ｔ１）から所定時間（以下「遅延時間Ｔｄ１」という。）遅延した時点（時点ｔ２）に反応ガスが供給される。このため、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電位Ｐｃｅｌｌは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始から遅れて変化し、時点ｔ４において、セル電圧Ｖｃｅｌｌが閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達する。

また、図６において、第２セルに反応ガスの供給が開始される直前（時点ｔ２の直前）においてＦＣ５０が電力供給を開始する場合、第２セルの劣化が進むこととなる。

一方、図７において、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達した時点ｔ３においてＦＣ５０が電力供給を開始する場合、時点ｔ３では、第２セルに対する反応ガスの供給が既に開始されている。このため、第２セルの劣化を抑制することが可能となる。

図８及び図９は、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動時における複数のセルの反応の第１例及び第２例を示す図である。より具体的には、図８及び図９は、「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」において、ＦＣ５０が電力供給を開始しない場合の第１セル及び第２セルそれぞれのセル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電位Ｐｃｅｌｌと、ＦＣ５０が電力供給を行う場合の第１セル及び第２セルそれぞれのセル電圧Ｖｃｅｌｌ、セル電位Ｐｃｅｌｌ及びセル電流Ｉｃｅｌｌの第１例及び第２例を示す図である。図８及び図９の上側は同じである。図６の場合（Ｈ₂−Ｈ₂状態）と同様、図８の場合も第２セルの劣化が進むこととなる。

すなわち、図８に示すように、ＦＣ５０が電力供給を開始しない場合、第１セルは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始時点（時点ｔ１１）と略同時に反応ガスが供給される。このため、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電位Ｐｃｅｌｌは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始直後に変化し、時点ｔ１２において、セル電圧Ｖｃｅｌｌが閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達する。

一方、第２セルは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始から所定時間（以下「遅延時間Ｔｄ２」という。）遅延した時点（時点ｔ１３）に反応ガスが供給される。このため、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電位Ｐｃｅｌｌは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始から遅れて変化する。このため、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電位Ｐｃｅｌｌは、ＥＣＵ３０による反応ガスの供給開始（時点ｔ１１）から遅れて変化し、時点ｔ１４において、セル電圧Ｖｃｅｌｌが閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達する。

また、図８において、ＦＣ５０が時点ｔ１２において電力供給を開始する場合、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌは既に閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達しているため、第１セルの劣化は進まない。一方、第２セルは、遅延時間Ｔｄ２が経過する前に時点ｔ１２が来るため、反応ガスが十分に供給される前に、セル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電位Ｐｃｅｌｌが変化してしまう。その結果、第２セルの劣化が進むこととなる。

一方、図９において、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達した時点ｔ１４においてＦＣ５０が電力供給を開始する場合、時点ｔ１４では、第２セルに対する反応ガスの供給が既に開始されている。このため、第２セルの劣化を抑制することが可能となる。

本実施形態では、上記のような遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２（以下「遅延時間Ｔｄ」と総称する。）並びに第１セル及び第２セルの劣化を考慮した制御を行う。

図１０は、反応ガスの複数の残存状態（「Ｈ₂−Ｈ₂状態」及び「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」）それぞれについて、ＦＣ５０からの電力供給なしの状態でのＦＣ電圧Ｖｆｃの一例を示す図である。図１０に示すように、「Ｈ₂−Ｈ₂状態」からの起動（Ｈ₂−Ｈ₂起動）よりも「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」からの起動（Ａｉｒ−Ａｉｒ起動）の方が、ＦＣ電圧Ｖｆｃの立ち上がりが速い。このため、Ｈ₂−Ｈ₂起動の場合と比較して、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動の場合、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌの立ち上がりに合わせて第２セルの発電を開始させると、第２セルの劣化度合いが大きくなってしまう。

そこで、本実施形態では、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動の場合、第１セルよりも第２セルの劣化防止を重視した制御を行う。但し、後述するように、第１セルの劣化防止を重視してもよい。

［２−４．起動時制御］
（２−４−１．基本的な考え方）
次に、ＦＣ５０の起動時制御についての基本的な考え方について説明する。本実施形態では、Ｈ₂−Ｈ₂起動及びＡｉｒ−Ａｉｒ起動いずれの場合も、ＦＣ５０の起動時におけるＦＣ電圧Ｖｆｃの目標値（以下「ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ」という。）を複数のガス充填状態それぞれについて２段階に分けて制御する。

Ｈ₂−Ｈ₂起動での第１段階でのＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ（以下「Ｈ₂−Ｈ₂起動時第１段階目標値Ｖｔａｒ１１」、「第１段階目標値Ｖｔａｒ１１」又は「目標値Ｖｔａｒ１１」という。）は、ＦＣ５０からの電力供給を開始した時点の値である（図１２及び図１３参照）。また、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動での第１段階でのＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ（以下「Ａｉｒ−Ａｉｒ起動時第１段階目標値Ｖｔａｒ１２」、「第１段階目標値Ｖｔａｒ１２」又は「目標値Ｖｔａｒ１２」という。）は、ＦＣ５０からの電力供給を開始した時点の値である（図１２参照）。上記のように、ＦＣ５０からの電力供給の開始前は、ＦＣ−ＶＣＵ２４及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６による制御を行わない。このため、反応ガスの供給によりＦＣ電圧Ｖｆｃが上昇するのを待つこととなる。

Ｈ₂−Ｈ₂起動での第１段階でのＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ（第１段階目標値Ｖｔａｒ１１）は、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘが酸化還元領域Ｒ３（図３）に入ることによるセルの劣化を抑制することを考慮して設定する。一方、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動での第１段階でのＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ（第１段階目標値Ｖｔａｒ１２）は、第２セルの劣化を抑制することを考慮して設定する。なお、電力供給の開始後は、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌを含む各セル電圧Ｖｃｅｌｌは、ＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６により制御することができる。

第２段階でのＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ（以下「第２段階目標値Ｖｔａｒ２」又は「目標値Ｖｔａｒ２」という。）は、Ｈ₂−Ｈ₂起動及びＡｉｒ−Ａｉｒ起動の場合で共通であり、ＦＣ５０からの電力供給を開始した後の値である（図１２及び図１３参照）。

Ｈ₂−Ｈ₂起動の場合、第２段階目標値Ｖｔａｒ２は、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１よりも高い値に設定される（図１２参照）。このため、ＦＣ電流Ｉｆｃは、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１の場合よりも低くなる（図５参照）。一方、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動の場合、第２段階目標値Ｖｔａｒ２は、第１段階目標値Ｖｔａｒ１２よりも低い値に設定される（図１２参照）。このため、ＦＣ電流Ｉｆｃは、第１段階目標値Ｖｔａｒ１２の場合よりも高くなる（図５参照）。第２段階目標値Ｖｔａｒ２は、第２セルに対する反応ガスの到達（電圧立ち上がり時間Ｔｓ）を考慮すると共に、バッテリＳＯＣを考慮して設定する。

（２−４−２．具体的な流れ）
図１１は、ＦＣ５０の起動時制御のフローチャートである。図１１のフローチャートは、メインスイッチ１１６がオフからオンに切り替えられたことを契機として開始される。図１２は、Ｈ₂−Ｈ₂起動時及びＡｉｒ−Ａｉｒ起動時それぞれについて図１１の制御を用いた場合における前記燃料電池スタックの出力電圧の例を示す図である。

ステップＳ１において、ＥＣＵ３０は、反応ガスの残存状態を確認する。具体的には、ソーク時間ＴＳｏａｋ（ＦＣ５０の発電を停止させるための処理を開始してからの時間）を確認する。或いは、濃度センサ１３４が検出した水素濃度及び濃度センサ１６２が検出した酸素濃度の少なくとも一方に基づいて反応ガスの残存状態を確認することも可能である。或いは、水素濃度はアノード側圧力と対応関係があることから圧力センサ１３２が検出したアノード側圧力に基づいて反応ガスの残存状態を確認してもよい。

或いは、水素濃度及び酸素濃度は、ＦＣ電圧Ｖｆｃとある程度対応関係があることから、ＦＣ電圧Ｖｆｃを用いて反応ガスの残存状態を推定することも可能である。或いは、ＦＣ５０の発電状態はＦＣ５０の温度とある程度対応関係があると共に、ＦＣ５０の温度と冷媒温度とは対応関係があることから、温度センサ１７６が検出した冷媒温度（水温Ｔｗ）を用いて反応ガスの残存状態を推定してもよい。

ステップＳ２において、ＥＣＵ３０は、残存状態が「Ｈ₂−Ｈ₂状態」であるか否かを判定する。例えば、ソーク時間ＴＳｏａｋが、残存状態を判定するためのソーク時間閾値ＴＨｔｓｏａｋを下回るか否かを判定する。

「Ｈ₂−Ｈ₂状態」である場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、ステップＳ３において、ＥＣＵ３０は、反応ガスの供給を開始する。

ステップＳ４において、ＥＣＵ３０は、ＦＣ５０からの電力供給を開始するか否かを判定する。例えば、電圧センサ５４が検出したＦＣ電圧Ｖｆｃ（スタック電圧）が電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１（以下「閾値ＴＨｐｓ１」ともいう。）以上であるか否かを判定する。閾値ＴＨｐｓ１は、ＦＣ５０からの電力供給を開始するか否かを判定するためＦＣ電圧Ｖｆｃの閾値である。閾値ＴＨｐｓ１としては、例えば、Ｈ₂−Ｈ₂起動時第１段階目標値Ｖｔａｒ１１又はその近傍値を設定することが可能である。閾値ＴＨｐｓ１の設定方法については、後述する。

電力供給を開始しない場合（Ｓ４：ＮＯ）、ステップＳ４を繰り返す。すなわち、ＦＣ５０を待機状態として電力供給を開始しない。

電力供給を開始する場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、ステップＳ５において、ＥＣＵ３０は、コンタクタ５８を閉にさせた上で、ＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６を作動させる（図１２の時点ｔ２５参照）。その際、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを第１段階目標値Ｖｔａｒ１１に設定する。ステップＳ５の後は、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ２に戻り、「Ｈ₂−Ｈ₂状態」でない場合（Ｓ２：ＮＯ）、すなわち、「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」である場合、ステップＳ６において、ＥＣＵ３０は、反応ガスの供給を開始する。具体的には、ステップＳ３と同様である。

ステップＳ７において、ＥＣＵ３０は、ＦＣ５０からの電力供給開始の要否を判定するための第１条件が満たされるか否かを判定する。当該第１条件としては、例えば、電圧センサ５４が検出したＦＣ電圧Ｖｆｃが電力供給開始閾値ＴＨｐｓ２（以下「閾値ＴＨｐｓ２」ともいう。）以上であることを用いることができる。閾値ＴＨｐｓ２は、ＦＣ５０からの電力供給を開始するか否かを判定するためＦＣ電圧Ｖｆｃの閾値である。閾値ＴＨｐｓ２としては、例えば、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動時第１段階目標値Ｖｔａｒ１２又はその近傍値を設定することが可能である。閾値ＴＨｐｓ２の設定方法については、後述する。

第１条件が満たされない場合（Ｓ７：ＮＯ）、ステップＳ７を繰り返す。すなわち、ＦＣ５０を待機状態として電力供給を開始しない。

第１条件が満たされる場合（Ｓ７：ＹＥＳ）（図１２の時点ｔ２２参照）、ステップＳ８において、ＥＣＵ３０は、ＦＣ５０からの電力供給開始の要否を判定するための第２条件が満たされるか否かを判定する。当該第２条件としては、例えば、所定時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。所定時間Ｔ１は、「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」からの起動（Ａｉｒ−Ａｉｒ起動）時の開始待ち時間である（図１２も参照）。

図１０を参照して説明したように、「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」の場合、ＦＣ電圧Ｖｆｃは急激に立ち上がる。このため、閾値ＴＨｐｓ２が、この急激な立ち上がりの際のＦＣ電圧Ｖｆｃの範囲に含まれる場合、第２セルには反応ガスが十分に供給されていない可能性又は第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌの立ち上がりが遅れている可能性がある。そこで、本実施形態では、ＦＣ電圧Ｖｆｃでの判断に加え、所定時間Ｔ１を用いることで電力供給開始の要否の判断の精度を向上させる。なお、ステップＳ８の判断を用いずに、ステップＳ７の判断のみを用いてもよい。或いは、ステップＳ７の判断を用いずに、ステップＳ８の判断のみを用いてもよい。

第２条件が満たされない場合（Ｓ８：ＮＯ）、ステップＳ８を繰り返す。すなわち、ＦＣ５０を待機状態として電力供給を開始しない。

第２条件が満たされる場合（Ｓ８：ＹＥＳ）（図１２の時点ｔ２３参照）、ステップＳ９において、ＥＣＵ３０は、ＦＣ５０からの電力供給を開始させる。具体的には、ＥＣＵ３０は、コンタクタ５８を閉にさせた上で、ＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６を作動させる。その際、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを第１段階目標値Ｖｔａｒ１２に設定する。ＦＣ５０の特性（第１セル及び第２セルの電圧立ち上がり時間Ｔｓ）等によっては、目標値Ｖｔａｒ１２を、ステップＳ５で用いる目標値Ｖｔａｒ１１と等しくしてもよい。ステップＳ９の後は、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ５又はＳ９の後、ステップＳ１０において、ＥＣＵ３０は、所定時間Ｔ２（反応ガス供給時間）が経過したか否かを判定する。所定時間Ｔ２は、上述した遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２を補償するために設定される時間である。例えば、所定時間Ｔ２は、遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２のうち長いもの以上とすることができる。この場合、所定時間Ｔ２は、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達するのに必要な時間以上としてもよい。上記のような所定時間Ｔ２が経過すると、第２セルについても反応ガスが十分に供給され、セル電圧Ｖｃｅｌｌを閾値ＴＨｖｃｅｌｌまで上昇させることが可能となる。

なお、遅延時間Ｔｄ１、Ｔｄ２が互いに異なる場合、Ｈ₂−Ｈ₂起動の場合とＡｉｒ−Ａｉｒ起動の場合とで所定時間Ｔ２を異ならせてもよい。この場合、Ｈ₂−Ｈ₂起動の場合、所定時間Ｔ２は遅延時間Ｔｄ１以上とすることができる。また、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動の場合、所定時間Ｔ２は遅延時間Ｔｄ２以上とすることができる。いずれの場合も、所定時間Ｔ２は、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが閾値ＴＨｖｃｅｌｌに到達するのに必要な時間以上としてもよい。

所定時間Ｔ２が経過していない場合（Ｓ１０：ＮＯ）、ステップＳ１１において、ＥＣＵ３０は、バッテリＳＯＣが高いか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ３０は、バッテリＳＯＣが過充電判定閾値ＴＨｓｏｃ（以下、「閾値ＴＨｓｏｃ」ともいう。）以上であるか否かを判定する。閾値ＴＨｓｏｃは、バッテリ２２が過充電となっているか否かを判定する閾値である。なお、ステップＳ１１は、Ｈ₂−Ｈ₂起動の場合のみに行い、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動の場合、ステップＳ１１を省略してもよい。

バッテリＳＯＣが高くない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、ステップＳ１０に戻る。すなわち、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１又はＶｔａｒ１２をＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒとしてＦＣ５０の発電を継続する。所定時間Ｔ２が経過した場合（Ｓ１０：ＹＥＳ）（図１２の時点ｔ２４、ｔ２６参照）又はバッテリＳＯＣが高い場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２において、ＥＣＵ３０は、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１又はＶｔａｒ１２から第２段階目標値Ｖｔａｒ２にＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを切り替える。上記のように、Ｈ₂−Ｈ₂起動の場合、目標値Ｖｔａｒ２は、目標値Ｖｔａｒ１１よりも高い値である（図１２及び図１３参照）。従って、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標値Ｖｔａｒ２となるように制御すると、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃを抑制することとなる。一方、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動の場合、目標値Ｖｔａｒ２は、目標値Ｖｔａｒ１２よりも低い値である（図１２参照）。従って、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標値Ｖｔａｒ２となるように制御すると、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃを増加することとなる。

なお、ステップＳ１２で用いる第２段階目標値Ｖｔａｒ２は、バッテリ２２のＳＯＣに応じて可変としてもよい。すなわち、ＳＯＣが相対的に低いとき、第２段階目標値Ｖｔａｒ２を低下させ、ＳＯＣが相対的に高いとき（例えば、過充電に近い値であるとき）、第２段階目標値Ｖｔａｒ２を増加させることもできる。この場合、Ｈ₂−Ｈ₂起動では、第２段階目標値Ｖｔａｒ２が取り得る最大値を第１段階目標値Ｖｔａｒ１１よりも高い値とし、第２段階目標値Ｖｔａｒ２が取り得る最小値を第１段階目標値Ｖｔａｒ１１よりも低い値としてもよい。一方、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動では、第２段階目標値Ｖｔａｒ２が取り得る最大値及び最小値をいずれも第１段階目標値Ｖｔａｒ１２よりも低い値としてもよい。このように、第２段階目標値Ｖｔａｒ２をＳＯＣに応じて可変とすることにより、ＳＯＣに応じて柔軟に第２段階目標値Ｖｔａｒ２を設定することが可能となる。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ３０は、ＦＣ５０の起動を完了するか否かを判定する。換言すると、通常発電を行うか否かを判定する。ＦＣ５０の起動を完了しない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、ステップＳ１３を繰り返す。すなわち、第２段階目標値Ｖｔａｒ２をＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒとしてＦＣ５０の発電を継続する。ＦＣ５０の起動を完了する場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、図１１の処理を終了し、通常発電に移行する。

（２−４−３．電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２及び第１段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２の設定）
次に、電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２及び第１段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２の設定方法について説明する。

図１３は、ＦＣ５０の起動時（Ｈ₂−Ｈ₂起動時）においてＦＣ５０から電力供給を行わせずに反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給した場合のセル電圧Ｖｃｅｌｌの特性の一例を示す図である。図１３には、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ、平均セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ａｖｅ及び最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎが示される。さらに、図１３には、セル電圧ＶｃｅｌｌがＶｃ１以上のセル数Ｎｖｃ１、セル電圧ＶｃｅｌｌがＶｃ２以上のセル数Ｎｖｃ２及びセル電圧ＶｃｅｌｌがＶｃ３Ｖ以上のセル数Ｎｖｃ３が示される。図１３中のＮｔｏｔａｌは、ＦＣ５０におけるＦＣセルの総数を示す。

ＦＣ５０からの電力供給の開始タイミングに関し、ＦＣ電圧Ｖｆｃを制御しない場合、ＦＣ電圧Ｖｆｃは、開放端電圧（ＯＣＶ）まで上昇してしまう。上記のように、ＦＣ電圧Ｖｆｃが酸化還元領域Ｒ３、酸化領域Ｒ４、カーボン酸化領域Ｒ５内の値になってしまうと、ＦＣ５０の劣化が進んでしまう。特にカーボン酸化領域Ｒ５では劣化が顕著である。そこで、ＦＣ電圧Ｖｆｃが高くなり過ぎないように制御する必要がある。本実施形態では、ＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６を用いてＦＣ電圧Ｖｆｃを制御する。

また、ＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６によりＦＣ電圧Ｖｆｃを制御するためには、ＦＣ５０から電力を供給させる必要がある。この場合、セルに十分な反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）が行き届かない状態でＦＣ５０から電力供給をさせると、セル電圧Ｖｃｅｌｌが低い第２セルは、劣化が進んでしまう。

図１３において、時点ｔ３１では、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘがＶｃ２直前まで到達し、最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎは、Ｖｃ４である。時点ｔ３１において、ＦＣ５０からの電力供給を開始すれば、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘのセルを含む全てのセルでＶｃ２を下回るように電圧制御が可能である。加えて、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘがＶｃ２に届かない状態で、最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎを比較的高くさせることが可能となる。換言すると、Ｖｃ２を上記閾値ＴＨｖｃｅｌｌとした場合、最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎのセルの劣化を相対的に抑制することが可能となる。

そこで、本実施形態では、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘがＶｃ２［Ｖ］未満となるようにＦＣ電圧Ｖｆｃを制御することで、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘのセル及び最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎのセルのいずれも劣化を抑制する。

なお、仮に平均セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ａｖｅがＶｃ２未満となるように電圧制御した場合、セル電圧ＶｃｅｌｌがＶｃ２以上となるセル数Ｎｖｃ２が、時点ｔ３２では全体の約１／３を超えてしまい、セルの劣化を防ぐという観点からは十分とはいえない。

また、図１３の特性は、あくまで一例であり、各セルの特性によっては異なる結果が生じ得ることに留意されたい。重要なのは、電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２及び第１段階目標値Ｖｔａｒ１１は、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘのセルの劣化を抑制する観点及び各セル電圧Ｖｃｅｌｌのばらつきを考慮して設定する観点に着目して設定することである。

また、図１０に示したように、「Ａｉｒ−Ａｉｒ状態」では、ＦＣ電圧Ｖｆｃの立ち上がりが速いため、アノード側で水素が不足した状態の発電を行い易い。この点を考慮して、ＦＣ５０からの電力供給のタイミングを遅くするため、閾値ＴＨｐｓ１よりも閾値ＴＨｐｓ２を高く設定する。この場合、閾値ＴＨｐｓ２は、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘのセルの劣化を抑制する観点及び各セル電圧Ｖｃｅｌｌのばらつきを考慮して設定する観点の両方に着目して設定した値とする代わりに、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが立ち上がりの遅れを補償するＦＣ電圧Ｖｆｃに対応して設定する。従って、第２セルの電圧立ち上がり時間Ｔｓに着目する場合、第２段階目標値Ｖｔａｒ２を第１段階目標値Ｖｔａｒ１２よりも低い値に設定することとなり得る。

（２−４−４．タイムチャートの例）
図１４は、「Ｈ₂−Ｈ₂状態」において図１１の制御を用いた場合におけるＦＣ電圧Ｖｆｃ、ＦＣ電流Ｉｆｃ、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ、最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎ及び平均セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ａｖｅの例を示すタイムチャートである。本タイムチャートでは、電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１と第１段階目標値Ｖｔａｒ１１とが等しい場合（ＴＨｐｓ１＝Ｖｔａｒ１１）を想定する。また、ＦＣ電圧Ｖｆｃとセル電圧Ｖｃｅｌｌでは縮尺が異なっていることに留意されたい。

時点ｔ４１において、メインスイッチ１１６がオフからオンに切り替えられると、ＦＣ５０の起動制御（図１１）が開始される。これに伴い、ＦＣ電圧Ｖｆｃ、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ及び平均セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ａｖｅが上昇していく。また、最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎは、遅延時間Ｔｄが経過した時点で立ち上がりを開始する。

時点ｔ４２において、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１（＝第１段階目標値Ｖｔａｒ１１）に到達すると、ＥＣＵ３０は、コンタクタ５８を閉とし、ＦＣ５０からの電力供給を開始させる。これに伴い、ＦＣ電流Ｉｆｃが増加する。また、この際のＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒは、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１である。

時点ｔ４３において、所定時間Ｔ２が経過すると、ＥＣＵ３０は、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１から第２段階目標値Ｖｔａｒ２へとＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを切り替える。これに伴い、各電圧パラメータ（ＦＣ電圧Ｖｆｃ、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ、最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎ及び平均セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ａｖｅ）が増加する。また、ＦＣ５０の電流−電圧（ＩＶ）特性（図５）より、ＦＣ電流Ｉｆｃが低下する。

３．本実施形態の効果
以上説明したように、本実施形態によれば、反応ガスの残存状態に応じて電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２及び第１段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２を切り替える（図１１）。従って、反応ガスの残存状態を踏まえて電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２及び第１段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２を設定可能となり、ＦＣスタック５０の劣化を防止することが可能となる。

本実施形態では、ＥＣＵ３０（制御部）は、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２の後に用いる目標電圧パラメータである第２段階目標値Ｖｔａｒ２を設定し、ＦＣスタック５０からの電力供給の開始後に所定の条件が満たされたか否かを判定し（Ｓ１０、Ｓ１１）、所定の条件が満たされた場合、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２から第２段階目標値Ｖｔａｒ２に切り替えてＦＣ電圧Ｖｆｃを変化させてＦＣ電力Ｐｆｃを変化させ、各セルの劣化が進む電圧範囲を劣化進行領域と定義し、電圧立ち上がり時間Ｔｓが短いセルを第１セルと定義し、電圧立ち上がり時間Ｔｓが長いセルを第２セルと定義するとき、前記所定の条件は、第２セルの電圧立ち上がり時間Ｔｓより長く且つ反応ガスの残存状態に基づいて算出される反応ガス供給時間が経過したこと（Ｓ１０）、及びバッテリＳＯＣ（過充電判定パラメータ）が、過充電を判定するための過充電判定閾値ＴＨｓｏｃを上回ったこと（Ｓ１１）とする。

これにより、所定時間Ｔ２（反応ガス供給時間）が経過した場合（図１１のＳ１０：ＹＥＳ）又はバッテリ２２（蓄電池）が過充電の状態になりそうな場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）には、ＦＣスタック５０のＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ（目標電圧パラメータ）を目標値Ｖｔａｒ１１から目標値Ｖｔａｒ２に切り替えてＦＣ５０の出力電力Ｐｆｃを変化させる。これにより、ＦＣ５０からの不要な電力供給の抑制、又はバッテリ２２の保護を図ることが可能となる。

本実施形態では、Ｈ₂−Ｈ₂起動では、第２段階目標値Ｖｔａｒ２を、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１よりも高い目標電圧パラメータに対応させ、所定の条件が満たされた場合、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１から第２段階目標値Ｖｔａｒ２に切り替えてＦＣ電圧Ｖｆｃを上昇させてＦＣ電力Ｐｆｃを減少させ、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１は、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが立ち上がっていない状態において、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが、劣化進行領域内の値である劣化進行電圧を下回るＦＣ電圧Ｖｆｃに対応して設定され、第２段階目標値Ｖｔａｒ２は、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが立ち上がった状態において、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが劣化進行電圧を下回るＦＣ電圧Ｖｆｃに対応して設定される。

これにより、Ｈ₂−Ｈ₂起動では、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ２のいずれについても第１セル（電圧立ち上がり時間Ｔｓが短いセル）の劣化防止を図ることが可能となる。

本実施形態において、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動では、第２段階目標値Ｖｔａｒ２を、第１段階目標値Ｖｔａｒ１２よりも低い目標電圧パラメータに対応させ、所定の条件が満たされた場合、第１段階目標値Ｖｔａｒ１２から第２段階目標値Ｖｔａｒ２に切り替えてＦＣ電圧Ｖｆｃを低下させてＦＣ電力Ｐｆｃを増加させ、第１段階目標値Ｖｔａｒ１２は、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが立ち上がっていない状態において、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌの立ち上がりの遅れを補償するＦＣ電圧Ｖｆｃに対応して設定され、第２段階目標値Ｖｔａｒ２は、第２セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが立ち上がった状態において、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが劣化進行電圧を下回るＦＣ電圧Ｖｆｃに対応して設定され、所定の条件は、第２セルの電圧立ち上がり時間Ｔｓより長く且つ反応ガスの残存状態に基づいて算出される反応ガス供給時間が経過したこととする。

これにより、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動では、第１段階目標値Ｖｔａｒ１２では第２セル（電圧立ち上がり時間Ｔｓが長いセル）の劣化防止を図ることが可能となる。また、所定時間Ｔ２（反応ガス供給時間）が経過した場合（図１１のＳ１０：ＹＥＳ）には、ＦＣスタック５０のＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ（目標電圧パラメータ）を第１段階目標値Ｖｔａｒ１２から第２段階目標値Ｖｔａｒ２に切り替えてＦＣ５０のＦＣ電力Ｐｆｃを増加させる。これにより、例えば、第１セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌの立ち上がりが相対的に速い場合において、第２セルに加え、第１セル（電圧立ち上がり時間Ｔｓが短いセル）の劣化防止を図ることが可能となる。

本実施形態において、ＦＣシステム１２は、ＦＣ−ＶＣＵ２４及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６を備え、ＦＣ−ＶＣＵ２４又はＢＡＴ−ＶＣＵ２６の変圧率を制御することにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃを制御する。これにより、ＦＣ電圧Ｖｆｃを簡易に制御することが可能となる。

本実施形態において、ＦＣシステム１２は、ＦＣ電圧Ｖｆｃ（スタック電圧）を検出する電圧センサ５４（スタック電圧検出部）を備え、ＥＣＵ３０（制御部）は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１又はＴＨｐｓ２に到達した場合（図１１のＳ４：ＹＥＳ又はＳ７：ＹＥＳ）、ＦＣ５０からの電力供給を開始させる（Ｓ５又はＳ９）。スタック電圧としてのＦＣ電圧Ｖｆｃを用いることで、セル電圧Ｖｃｅｌｌを用いる場合と比較して、簡易な構成で電力供給の開始タイミングを判定することが可能となる。

本実施形態において、ＦＣシステム１２は、過充電判定パラメータとしてのバッテリＳＯＣを検出する残容量検出部（電圧センサ６０、電流センサ６２及びＥＣＵ３０）を備え、ＥＣＵ３０（制御部）は、ＦＣ５０からの電力供給の開始後、ＳＯＣが過充電判定閾値ＴＨｓｏｃを上回った場合（図１１のＳ１１：ＹＥＳ）、Ｈ₂−Ｈ₂起動時第１段階目標値Ｖｔａｒ１１から第２段階目標値Ｖｔａｒ２に切り替えてＦＣ電圧Ｖｆｃを増加させてＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃを減少させる。これにより、バッテリＳＯＣに基づいて制御することで、より確実にバッテリ２２の過充電を防ぐことが可能となる。

４．変形例
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本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。例えば、以下の構成を採用することができる。

［４−１．搭載対象］
上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、これに限らず、例えば、ＦＣ５０の起動時に第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２を用いる観点からすれば、ＦＣシステム１２を別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を、ロボット、製造装置、家庭用電力システム又は家電製品に適用してもよい。

［４−２．ＦＣシステム１２の構成］
上記実施形態では、ＦＣ５０と高電圧バッテリ２２を並列に配置し、ＦＣ５０の手前に昇圧コンバータ２４を配置し、バッテリ２２の手前に昇降圧コンバータ２６を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、バッテリ２２の手前に配置するＤＣ／ＤＣコンバータを昇降圧式ではなく、昇圧式としてもよい。或いは、ＦＣ５０と高電圧バッテリ２２を並列に配置し、ＦＣ−ＶＣＵ２４を用いず、ＢＡＴ−ＶＣＵ２６のみを用いる構成であってもよい。或いは、ＦＣ５０とＦＣ−ＶＣＵ２４のみを用い、バッテリ２２及びＢＡＴ−ＶＣＵ２６を用いない構成も可能である。

上記実施形態では、モータ１４を交流式としたが、例えば、ＦＣ５０の起動時に第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２を用いる利用する観点からすれば、モータ１４は、直流式とすることも可能である。この場合、インバータ１６を省略することも可能である。

上記実施形態では、モータ１４をＦＣ車両１０の走行用又は駆動用としたが、例えば、ＦＣ５０の起動時に第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２を用いる観点からすれば、これに限らない。例えば、モータ１４を車載機器（例えば、電動パワーステアリング、エアコンプレッサ、エアコンディショナ）用に用いてもよい。

［４−３．ＦＣシステム１２の制御］
上記実施形態では、電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２並びに第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２をＦＣ電圧Ｖｆｃの値とした。しかしながら、例えば、ＦＣ５０の起動時にＦＣ電圧Ｖｆｃを２段階に制御する観点からすれば、これらの値は、ＦＣ電圧Ｖｆｃ以外の電圧パラメータであってもよい。そのような電圧パラメータとしては、例えば、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ、最小セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍｉｎ及び平均セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ａｖｅを含む。）を用いることができる。

例えば、図１１のフローチャートにおいて、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘの値として、電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２並びに第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２を設定してもよい。

そのような変形例に係るＦＣシステム１２は、複数のセルの出力電圧であるセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出するセル電圧モニタ５２（セル電圧検出部）を備え、ＥＣＵ３０（制御部）は、電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２と比較する電圧パラメータとして、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘを用い、さらに、ＥＣＵ３０は、所定時間Ｔ２（反応ガス供給時間）が経過したか否かを、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘが所定のセル電圧閾値（例えば、図１３の電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２、Ｖｃ３のいずれか）を上回るか否かに基づいて判定し、電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２は、反応ガスの残存状態に基づいて設定される。

上記変形例によれば、最大セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘを用いて電力供給開始タイミング及び出力電力の制限タイミングを制御することが可能となる。これにより、Ｈ₂−Ｈ₂起動時には、各セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌが劣化進行電圧以上となることをより確実に回避することが可能となる。また、Ａｉｒ−Ａｉｒ起動時には、第２セルの劣化防止等をより確実に行うことが可能となる。

電力供給開始閾値ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２並びに第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２について、複数種類の電圧パラメータを同時に用いることも可能である。

上記実施形態では、第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２を用いることで、起動時におけるＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを２段階に変化させた。しかしながら、例えば、第１セル及び第２セルの電圧立ち上がり時間Ｔｓの相違に着目した制御の観点からすれば、起動時におけるＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを３段階以上で変化させてもよい。この場合、ＦＣ目標電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ又は電圧パラメータの目標値を徐々に上げて行くことで、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電力Ｐｆｃを徐々に低下させる。

上記実施形態では、反応ガスの残存状態として、Ｈ₂−Ｈ₂状態とＡｉｒ−Ａｉｒ状態の２つを設定したが、アノード側及びカソード側における水素濃度及び酸素濃度に応じて３つ以上の残存状態を設定してもよい。

上記実施形態では、第１段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２から第２段階目標値Ｖｔａｒ２へと切り替える条件として、所定時間Ｔ２が経過したこと（図１１のＳ１０）及びバッテリＳＯＣが閾値ＴＨｓｏｃ以上となったこと（Ｓ１１）の両方を用いた。しかしながら、その他の観点（例えば、ＦＣ５０の起動時に第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２を用いる観点）からすれば、いずれか一方のみを用いてもよい。

上記実施形態では、バッテリ２２が過充電状態にあるか否かをＳＯＣを用いて判定したが（図１１のＳ１１）、過充電を判定可能なパラメータであれば、ＳＯＣ以外の数値を用いてもよい。

上記実施形態では、Ａｉｒ−Ａｉｒ状態の場合（図１１のＳ２：ＮＯ）において、ＦＣ５０からの電力供給を開始する条件として、ＦＣ電圧Ｖｆｃが電力供給開始閾値ＴＨｐｓ２以上となったこと（Ｓ７）及び所定時間Ｔ１が経過したこと（Ｓ８）の両方を用いた。しかしながら、その他の観点（例えば、ＦＣ５０の起動時に第１及び第２段階目標値Ｖｔａｒ１２、Ｖｔａｒ２を用いる観点）からすれば、いずれか一方のみを用いてもよい。

１２…燃料電池システム ２２…高電圧バッテリ（蓄電池）
２４…昇圧コンバータ（電圧変換手段） ２６…昇降圧コンバータ（電圧変換手段）
３０…ＥＣＵ（制御部、残容量検出部の一部）
５０…燃料電池スタック ５２…セル電圧モニタ（セル電圧検出部）
５４…電圧センサ（スタック電圧検出部） ６０…電圧センサ（残容量検出部の一部）
６２…電流センサ（残容量検出部の一部） Ｒ３…酸化還元領域
ＳＯＣ…残容量（過充電判定パラメータ） Ｔ２…所定時間（反応ガス供給時間）
ＴＨｐｓ１、ＴＨｐｓ２…電力供給開始閾値
ＴＨｓｏｃ…過充電判定閾値 Ｖｃｅｌｌ…セル電圧
Ｖｃｅｌｌ＿ｍａｘ…最大セル電圧
Ｖｆｃ…ＦＣ電圧（燃料電池スタックの出力電圧）
Ｖｔａｒ１１、Ｖｔａｒ１２…第１段階目標値
Ｖｔａｒ２…第２段階目標値

Claims (8)

1. 複数のセルを含む燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、
   前記燃料電池スタックの発電エネルギを蓄える蓄電池と、
   前記燃料電池スタックの出力電圧を制御して前記燃料電池スタックの出力電力を制御する制御部と
   を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの起動時処理を実行し、
   前記起動時処理において、前記制御部は、
   前記燃料電池スタック内における反応ガスの残存状態を検出し、
   前記反応ガス供給装置から前記燃料電池スタックへの前記反応ガスの供給を開始させ、
   前記燃料電池スタックからの電力供給を開始させる前記燃料電池スタックの電圧パラメータ閾値である電力供給開始閾値と、前記電力供給の開始時点における前記燃料電池スタックの目標電圧パラメータである第１段階目標値とを設定し、
   前記燃料電池スタックの電圧パラメータが前記電力供給開始閾値に到達すると前記第１段階目標値を用いて前記燃料電池スタックの出力電圧を制御して前記燃料電池スタックからの電力供給を開始させ、
   さらに、前記制御部は、検出した前記反応ガスの残存状態に応じて前記電力供給開始閾値及び前記第１段階目標値を切り替える
   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、
   前記制御部は、
   前記第１段階目標値の後に用いる目標電圧パラメータである第２段階目標値を設定し、
   前記燃料電池スタックからの電力供給の開始後に所定の条件が満たされたか否かを判定し、
   前記所定の条件が満たされた場合、前記第１段階目標値から前記第２段階目標値に切り替えて前記燃料電池スタックの出力電圧を変化させて前記燃料電池スタックからの出力電力を変化させ、
   各セルの劣化が進む電圧範囲を劣化進行領域と定義し、前記反応ガスの供給開始から出力電圧の立ち上がりまでの電圧立ち上がり時間が短いセルを第１セルと定義し、前記電圧立ち上がり時間が長いセルを第２セルと定義するとき、
   前記所定の条件は、
   前記反応ガスの残存状態に基づいて算出される反応ガス供給時間が経過したこと、及び
   前記蓄電池の過充電判定パラメータが、過充電を判定するための過充電判定閾値を上回ったこと
   の少なくとも一方であることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記第２段階目標値は、前記第１段階目標値よりも高い目標電圧パラメータに対応し、
   前記所定の条件が満たされた場合、前記第１段階目標値から前記第２段階目標値に切り替えて前記燃料電池スタックの出力電圧を上昇させて前記燃料電池スタックからの出力電力を減少させ、
   前記第１段階目標値は、前記第２セルの出力電圧が立ち上がっていない状態において、前記第１セルの出力電圧が、前記劣化進行領域内の値である劣化進行電圧を下回る前記燃料電池スタックのスタック電圧値に対応して設定され、
   前記第２段階目標値は、前記第２セルの出力電圧が立ち上がった状態において、前記第１セルの出力電圧が前記劣化進行電圧を下回る前記スタック電圧値に対応して設定される
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて
   前記第２段階目標値は、前記第１段階目標値よりも低い目標電圧パラメータに対応し、
   前記所定の条件が満たされた場合、前記第１段階目標値から前記第２段階目標値に切り替えて前記燃料電池スタックの出力電圧を低下させて前記燃料電池スタックからの出力電力を増加させ、
   前記第１段階目標値は、前記第２セルの出力電圧が立ち上がっていない状態において、前記第２セルの出力電圧が、前記第２セルの前記出力電圧の立ち上がりの遅れを補償する前記燃料電池スタックのスタック電圧値に対応して設定され、
   前記第２段階目標値は、前記第２セルの出力電圧が立ち上がった状態において、前記第１セルの出力電圧が、前記劣化進行領域内の値である劣化進行電圧を下回る前記スタック電圧値に対応して設定され、
   前記所定の条件は、前記反応ガスの残存状態に基づいて算出される反応ガス供給時間が経過したことである
   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、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックの出力電圧を制御する電圧変換手段を備え、
   前記電圧変換手段の変圧率を制御することにより、前記燃料電池スタックの出力電圧を制御する
   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において、
   前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックのスタック電圧を検出するスタック電圧検出部を備え、
   前記制御部は、前記スタック電圧が前記電力供給開始閾値に到達した場合、前記燃料電池スタックからの電力供給を開始させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項３又は請求項３に従属する請求項５若しくは６に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムは、前記過充電判定パラメータとしての前記蓄電池の残容量を検出する残容量検出部を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池スタックからの電力供給の開始後、前記残容量が前記過充電判定閾値を上回った場合、前記第１段階目標値から前記第２段階目標値に切り替えて前記燃料電池スタックの出力電圧を増加させて前記燃料電池スタックからの出力電力を減少させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項２又は請求項２に従属する請求項３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムは、前記複数のセルそれぞれの出力電圧であるセル電圧を検出するセル電圧検出部を備え、
   前記制御部は、前記電力供給開始閾値と比較する電圧パラメータとして、前記セル電圧の最大値である最大セル電圧を用い、
   さらに、前記制御部は、前記反応ガス供給時間が経過したか否かを、前記最大セル電圧がセル電圧閾値を上回るか否かに基づいて判定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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