JP6157405B2 - 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。

燃料電池における反応ガスの電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムは、発電中の燃料電池の温度を制御するため、冷媒を循環させる冷媒循環装置を備える。また、冷え切った冷媒を循環させると燃料電池全体の温度が低下するおそれがあることから、燃料電池システムを低温起動する場合、発電に伴って生成される水が燃料電池の内部で凍結するのを防止するため、冷媒の循環は停止させるものが多い（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−３６８７４号公報

ところで燃料電池は、反応ガスが流れる全ての面内で常に均一に発電反応が進行するとは限らない。とりわけ燃料電池の起動直後は、燃料電池を構成する膜電極構造体の含水量にばらつきが生じやすく、発電反応が進みやすい部分と進みにくい部分とでばらつきが生じやすい。

また、発電によって生成された水は、反応ガスの流路に沿って流れることから、起動直後の膜電極構造体は反応ガスの流路の出口側の近傍から湿潤になる。このため、起動直後は、反応ガスの流路のうち入口側よりも出口側の方が、発電反応が進行しやすい傾向がある。一方、上記特許文献１のように燃料電池システムの低温起動時に冷媒の循環を停止すると、燃料電池全体の温度の低下は防止できるものの、燃料電池の内部の温度分布のばらつきが大きくなる傾向がある。このため、起動直後に冷媒の循環を停止させると、燃料電池の内部のうち反応ガスの入口側と出口側とでの温度差がさらに顕著となり、結果として燃料電池の入口側よりも出口側で発電が集中する、という現象が生じる場合がある。

本発明は、反応ガスの流路に沿ってできるだけ等しく温度を上昇させる燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。

（１）燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガス（例えば、後述の酸素及び水素）が供給されると発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池スタック２）と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置（例えば、後述のエアコンプレッサ４１、ＥＧＲポンプ４６、水素タンク３１、及びインジェクタ３５等）と、前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給装置（例えば、後述のウォータポンプ５２）と、を備える。本発明に係る燃料電池システムの起動方法は、前記燃料電池の暖機の要否を判定する暖機要否判定工程（例えば、後述の図２のＳ１の処理）と、暖機が不要であると判定された場合には、前記冷媒を所定の通常冷媒流量（例えば、後述の図３の通常発電冷媒流量）で前記燃料電池に供給しかつ前記反応ガスを所定の通常発電流量（例えば、後述の図３の通常発電エア流量）又は通常発電濃度で供給する通常発電工程（例えば、後述の図２のＳ４の処理）と、暖機が必要であると判定された場合には、前記冷媒を前記通常冷媒流量よりも少ない暖機冷媒流量（例えば、後述の図３の低減時冷媒流量）で前記燃料電池に供給する冷媒流量低減工程（例えば、後述の図４のＳ１２のエア流量低減処理及びＳ１３の通常暖機処理）と、前記燃料電池に対する要求発電電流値を取得し、当該要求発電電流値が所定の閾値以下であるか否かを判定する要求電流判定工程（例えば、後述の図５のＳ２５の処理）と、暖機が必要でありかつ前記要求発電電流値が前記閾値以下であると判定された場合には、前記反応ガスを前記通常発電流量よりも少ない暖機発電流量（例えば、後述の図３の低減時エア流量）又は前記通常発電濃度よりも低い暖機発電濃度で前記燃料電池に供給する反応ガス低減工程（例えば、後述の図４のＳ１２のエア流量低減処理）と、を備えることを特徴とする。

（２）この場合、前記要求発電電流値が前記閾値より大きいと判定された場合には前記反応ガス低減工程を行わないことが好ましい。

（３）この場合、前記起動方法は、前記燃料電池の内部の反応ガスの流路のうち入口側の温度を取得し、当該入口側の温度が所定の第１温度以上であるか否かを判定する入口温度判定工程（例えば、後述の図５のＳ２２の処理）と、前記反応ガス低減工程を行っている間に前記入口側の温度が前記第１温度以上であると判定された場合には、前記反応ガスの流量を前記暖機発電流量より増加させるか又は前記反応ガスの濃度を前記暖機発電濃度よりも増加させる反応ガス復帰工程（例えば、後述の図５のＳ２３の処理）と、をさらに備えることが好ましい。

（４）この場合、前記起動方法は、前記燃料電池の内部の最高温度を取得し、当該最高温度が所定の第２温度以上であるか否かを判定する最高温度判定工程（例えば、後述の図９のＳ６０の処理）と、前記冷媒流量低減工程を行っている間に前記最高温度が前記第２温度以上であると判定された場合には、前記冷媒の流量を前記暖機冷媒流量よりも増加させる冷媒流量復帰工程（例えば、後述の図９のＳ５３の処理）と、をさらに備えることが好ましい。

（５）この場合、前記起動方法は、前記燃料電池の膜の含水率を取得する含水率取得工程（例えば、後述の図１１のＳ７１の処理）をさらに備え、暖機が必要であり、前記要求発電電流値が前記閾値以下であり、かつ前記含水率が所定値以下であると判定された場合（例えば、後述の図１１のＳ７２の判定がＹＥＳの場合）には、前記反応ガス低減工程を行うことが好ましい。

（１）本発明では、暖機の要否を判定し、暖機が不要であると判定された場合には通常発電工程を行い、暖機が必要であると判定された場合には冷媒流量低減工程と反応ガス低減工程とを行う。特に本発明では、反応ガス低減工程では、反応ガスの流量又は濃度を、通常発電工程における流量又は濃度よりも低減させる。そうすると、燃料電池の内部では、反応ガスの流路に沿って、出口側よりも入口側の方が発電反応が進みやすくなるので、上述のように出口側で発電が集中するのを防止できる。したがって本発明によれば、冷媒の流量を低減し温度分布にばらつきが生じやすい環境下でも、入口側から出口側までまんべんなく温度を上昇させることができる。またこれにより、燃料電池の発電性能のばらつきを抑えながら暖機できる。また本発明では、暖機が必要でありかつ燃料電池に対する要求発電電流値が所定の閾値より小さいと判定されたときに、上述のような効果を有する反応ガス低減工程を行うので、商品性を損なうことがない。すなわち、暖機を優先して反応ガス低減工程を行うあまり、燃料電池で要求に応じた発電が行われなくなってしまうのを防止できる。

（２）燃料電池の内部で進行する発電反応は、燃料電池の発電電流が比較的小さい場合には、上述のように出口側に偏る傾向があるものの、燃料電池の発電電流が比較的大きい場合には、入口側から出口側までまんべんなく発電反応が進行する傾向がある。すなわち、燃料電池の発電電流が比較的大きい場合には小さい場合よりも反応ガス低減工程を行う必要性が乏しい。また、反応ガスを低減すると、燃料電池の内部抵抗が上昇し発電に伴う発熱量も上昇するため、暖機には有利であるものの、上述のように要求に応じた発電を行うことができなくなってしまう虞がありまた燃料電池の劣化が進みやすい。そこで本発明では、要求発電電流値が所定の閾値以下である場合にのみ反応ガス低減工程を行い、要求発電電流値が閾値より大きい場合には反応ガス低減工程を行わない。これにより、要求発電電流値が大きい場合には要求通りの大きさの電流を出力させることを優先できるので、商品性を向上することができる。また、必要な時にのみ反応ガス低減工程を行うことで、燃料電池の劣化も極力抑制できる。

（３）上述のように、起動直後は反応ガスの出口側で発電が集中する傾向があるのに対し、反応ガス低減工程を行うと反応ガスの入口側で発電を集中させ、入口側の温度を上昇させることができる。しかしながら、入口側で発電を集中させると、入口側の温度が過剰に上昇し、膜が損傷する虞がある。これに対し本発明では、反応ガス低減工程を行うことによって入口側の温度が第１温度を超えた場合には、反応ガスの流量又は濃度を増加させることにより、全域での発電に移行するため、入口側のみに発電が集中する状態を解消でき、入口側の過昇温による膜の損傷を抑制することができる。

（４）上述のように冷媒の流量を低減すると、燃料電池全体の温度の低下を防止できるものの、燃料電池の内部の温度分布のばらつきが大きくなる傾向がある。これに対し本発明では、冷媒流量低減工程を行っている間に、燃料電池の内部の最高温度が第２温度を超えた場合には、冷媒の流量を増加させる。これにより、温度分布のばらつきをなだらかにしながら、燃料電池全体の温度を上昇させることができる。

（５）燃料電池の膜の含水率が発電に適した程度に十分である場合には、反応ガスの流量や濃度を低減せずとも発電反応が出口側に偏ることはない。そこで本発明では、暖機が必要であり、要求発電電流値が閾値以下であり、さらに膜の含水率が所定値以下であると判定された場合に反応ガス低減工程を行う。このように、必要な時にのみ反応ガス低減工程を行うことにより、商品性を向上しながら燃料電池の劣化も極力抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池システムの起動処理の具体的な手順を示すフローチャートである。 エア流量及び冷媒流量を決定するマップの一例を示す図である。 暖機処理のメインフローチャートである。 フラグを更新する手順を示すフローチャートである。 暖機処理の実行中におけるスタックの入口側温度及び出口側温度の変化を示す図である。 スタック内部の温度分布を示す図である。 スタック内部の温度分布を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおけるフラグを更新する手順を示すフローチャートである。 図５のフローチャートの変形例１である。 図５のフローチャートの変形例２である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。
燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に反応ガスとしての水素を供給するアノード系３と、燃料電池スタック２に反応ガスとしての酸素を含んだエアを供給するカソード系４と、燃料電池スタック２から排出されたガスの後処理を行う希釈器３７と、燃料電池スタック２を冷却する冷却装置５と、燃料電池スタック２で発電した電力を蓄えるバッテリＢと、燃料電池スタック２及びバッテリＢからの電力の供給によってタイヤ（図示せず）を駆動する走行モータＭと、これらの電子制御ユニットであるＥＣＵ６と、を備える。なお、この燃料電池システム１は、上記タイヤを駆動輪とした燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池スタック（以下、単に「スタック」という）２は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各燃料電池セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陰極）及びカソード電極（陽極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。このスタック２は、アノード電極側に形成されたアノード流路２１に水素が供給され、カソード電極側に形成されたカソード流路２２に酸素を含んだ空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

発電中のスタック２から取り出される出力電流は、電流制御器２９を介してバッテリＢや負荷（走行モータＭ及びエアコンプレッサ４１等）に入力される。ＥＣＵ６は、アクセルペダルの開度を検出するアクセル開度センサ（図示せず）からの出力信号に基づいて、スタック２の出力電流に対する要求値に相当する要求発電電流値を算出する。電流制御器２９は、ＥＣＵ６によって算出された要求発電電流値を用いて発電中のスタック２の出力電流を制御する。

バッテリＢは、スタック２で発電した電力や、走行モータＭによって回生制動力として回収した電気エネルギーを蓄える。また、例えば燃料電池システム１の起動時や車両の高負荷運転時には、バッテリＢに蓄えられた電力はスタック２の出力を補うようにして負荷に供給される。

アノード系３は、水素ガスを高圧で貯蔵する水素タンク３１と、水素タンク３１からスタック２のアノード流路２１の導入部に至る水素供給管３２と、アノード流路２１の排出部から希釈器３７に至る水素排出管３３と、水素排出管３３から分岐し水素供給管３２に至る水素還流管３４と、を含んで構成される。水素を含んだガスの水素循環流路は、水素供給管３２、アノード流路２１、水素排出管３３及び水素還流管３４によって構成される。

水素供給管３２には、水素タンク３１側からスタック２側へ向かって順に、主止弁３１２と、主止弁３１２を介して供給された新たな水素ガスを、スタック２へ向けて噴射するインジェクタ３５と、が設けられている。発電中のスタック２のアノード流路２１に供給される水素の流量やアノード流路２１内の圧力は、インジェクタ３５を開閉駆動することによって制御される。

水素排出管３３のうち、上記水素還流管３４との接続部より下流側には、パージ弁３３ａが設けられている。水素循環流路内を循環するガスの水素濃度が低下すると、スタック２の発電効率が低下する。このため、パージ弁３３ａは、スタック２の発電中に適切なタイミングで開かれる。これにより、水素循環流路内のガスは、希釈器３７へ排出される。

カソード系４は、エアコンプレッサ４１と、エアコンプレッサ４１からカソード流路２２の導入部に至る空気供給管４２と、カソード流路２２の排出部から希釈器３７に至る空気排出管４３と、空気排出管４３から分岐し空気供給管４２に至る空気還流管４５と、空気排出管４３から分岐し水素供給管３２及び希釈器３７に至るスタックバイパス管４８と、を含んで構成される。酸素を含んだガスの酸素循環流路は、空気供給管４２、カソード流路２２、空気排出管４３及び空気還流管４５によって構成される。

エアコンプレッサ４１は、システム外のエアを、空気供給管４２を介してスタック２のカソード流路２２に空気を供給する。また、空気排出管４３には、カソード流路２２内の圧力を調整するための背圧弁４３ｂが設けられている。発電中のスタック２のカソード流路２２に供給されるエアの流量（以下、「エア流量」という）は、エアコンプレッサ４１の回転数を調整することによって制御される。

空気還流管４５には、空気排出管４３側のガスを空気供給管４２に圧送し、酸素循環流路内で酸素を含んだガスを循環させるＥＧＲポンプ４６が設けられている。このＥＧＲポンプ４６を駆動すると、スタック２のカソード流路２２の出口側から排出されたガスの一部は、カソード流路２２の入口側に還流される。したがって、このＥＧＲポンプ４６を駆動し続けることにより、エアコンプレッサ４１から新たに供給される空気の量に対する空気還流管４５を介して還流されるガスの量の割合を増加させることができ、スタック２のカソード流路２２内のガスの酸素濃度を低減することができる。

スタックバイパス管４８には、エアコンプレッサ４１から希釈器３７へ流れる空気の流量を制御するバイパス弁４８ａと、エアコンプレッサ４１から水素供給管３２へ流れる空気の流量を制御する掃気弁４８ｂと、が設けられている。バイパス弁４８ａは、例えば背圧弁４３ｂを閉じており、空気排出管４３から希釈ガスを希釈器３７に供給できない場合に開かれ、エアコンプレッサ４１の直下の空気を希釈器３７に供給する。掃気弁４８ｂは、スタック２による発電を停止している間に水素循環流路内に残留する不純物をエアコンプレッサ４１から供給した空気で排出する掃気処理を実行する場合や、スタック２のアノード流路２１内の水素濃度を低減する場合等に開かれる。

希釈器３７は、上述の背圧弁４３ｂ、及びバイパス弁４８ａを介して導入されたガスを希釈ガスとして、パージ弁３３ａを介して排出された水素を含んだガスを希釈し、システム外に排出する。

冷却装置５は、スタック２を経路に含む冷媒循環流路５１と、冷媒循環流路５１内の冷媒を所定の方向に圧送するウォータポンプ５２と、冷媒循環流路５１の一部となるラジエタ５３と、ラジエタ５３を通流する冷媒を冷却するラジエタファン５４と、を備える。スタック２に供給される冷媒の流量（以下、「冷媒流量」という）は、ウォータポンプ５２の回転数を調整することによって、スタック２の発電状態に適した大きさに制御される。

ＥＣＵ６には、スタック２の発電状態を把握するため、電流センサ２７、スタック温度センサ２８、及びセル電圧センサ２６等のセンサが接続されている。電流センサ２７は、スタック２の出力電流を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に出力する。スタック温度センサ２８は、スタック２の所定の部分における温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に出力する。セル電圧センサ２６は、スタック２を構成する燃料電池セルで発生するセル電圧を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に出力する。

図示しない車両の運転席には、運転者が操作可能なイグニッションスイッチＩＧが設けられている。イグニッションスイッチＩＧは、運転者によってオフからオンにされると、燃料電池システム１の起動指令信号をＥＣＵ６に出力し、オンからオフにされると燃料電池システム１の停止指令信号をＥＣＵ６に出力する。

図２は、燃料電池システムの起動処理の具体的な手順を示すフローチャートである。この起動処理は、イグニッションスイッチからの起動指令信号を検出したことを契機として、ＥＣＵによって実行される。

始めにＳ１では、ＥＣＵは、燃料電池システムの暖機の要否を判定する。より具体的には、ＥＣＵは、温度センサの出力に基づいて取得したスタックの温度が所定の暖機判定温度以下である場合、又は前回イグニッションスイッチがオフにされてから今回オンにされるまでの時間（所謂、ソーク時間）が所定の暖機判定時間以上である場合には、燃料電池システムの暖機処理を実行する必要があると判定し、これ以外の場合には、燃料電池システムの暖機処理を実行する必要はないと判定する。

Ｓ１の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、Ｓ２の暖機処理を実行することなく、直ちに通常発電を開始する（Ｓ４）。この通常発電では、ＥＣＵは、例えば図３の実線で示すようなマップを用い、所定の入力に基づいてエア流量及び冷媒流量を制御する。またＳ１の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、Ｓ３において燃料電池システムの暖機が終了したと判定するまで、図４〜図８を参照して説明する暖機処理を実行する。ＥＣＵは、後述の暖機終了フラグＦｆｉｎが１である場合には、燃料電池システムの暖機が終了したと判定する。この暖機終了フラグＦｆｉｎは、Ｓ２の暖機処理が完了したことを示すフラグであり、後述の図５のフラグ更新処理によって更新される。なおこの暖機終了フラグＦｆｉｎは、イグニッションスイッチをオンにした直後は、０にセットされる。なお以下では、図３の実線で示すマップを用いて定められるエア流量を通常発電エア流量といい、冷媒流量を通常発電冷媒流量という。

図４は、暖機処理のメインフローチャートである。この処理は、図２のＳ３において燃料電池システムの暖機が終了したと判定されるまで、ＥＣＵによって繰り返し実行される。

Ｓ１１では、ＥＣＵは、エア低減フラグＦａｉｒが１であるか否かを判定する。このエア低減フラグＦａｉｒは、スタックのカソード流路の出口側よりも入口側で重点的に発電が実行されるように、後述のエア流量低減処理の実行が要求された状態であることを示すフラグである。このフラグＦａｉｒは、後述の図５のフラグ更新処理によって更新される。なお、このフラグＦａｉｒは、イグニッションスイッチをオンにした直後は、１にセットされる。

Ｓ１１の判定がＹＥＳである場合、Ｓ１２に移る。Ｓ１２ではＥＣＵは、図３の一点鎖線で示すようなマップを用いてエア流量及び冷媒流量を制御する。なお以下では、図３の一点鎖線で示すマップを用いて定められるエア流量を低減時エア流量といい、冷媒流量を低減時冷媒流量という。図３に示すように、これら低減時エア流量及び低減時冷媒流量は、それぞれ通常発電エア流量及び通常発電冷媒流量よりも少なくなるように定められている。また以下では、低減時エア流量のエアを供給しながら低減時冷媒流量の冷媒を供給することをエア流量低減処理という。

ここで、Ｓ１２のエア流量低減処理の効果について説明する。上述のようにエア流量を低減すると、スタックの内部抵抗が上昇するため、スタックの温度上昇が大きくなる。また、上述のように、起動直後におけるスタックの内部では、発電反応はカソード流路の出口側に偏りがちである。これに対し、エア流量を上述の通常発電エア流量よりもさらに低減すると、スタックの内部における発電反応はより酸素濃度が高いカソード流路の入口側で重点的に進行するようになる。Ｓ１２のエア流量低減処理では、エア流量を低減時エア流量まで低減することによって、入口側で重点的に発電反応を進行させ、入口側の温度を速やかに昇温することができる。また冷媒を循環させると、スタックの内部の温度分布のばらつきは小さくなるものの、スタック全体の温度は低下する傾向がある。Ｓ１２のエア流量低減処理では、冷媒流量を低減時冷媒流量まで低減することにより、上述のようにエア流量を低減することによる入口側の昇温効果を妨げないようにすることができる。

Ｓ１１の判定がＮＯである場合、Ｓ１３に移る。Ｓ１３ではＥＣＵは、図３の実線で示すようなマップを用いてエア流量を制御し、図３の一点鎖線で示すようなマップを用いて冷媒流量を制御する。すなわち、Ｓ１３では、ＥＣＵは、冷媒流量を低減時冷媒流量まで低減しながら、エア流量を通常発電エア流量まで増加する。以下では、このように通常発電エア流量のエアを供給しながら低減時冷媒流量の冷媒を供給することを通常暖機処理という。

ここで、Ｓ１３の通常暖機処理の効果について説明する。上述のエア流量低減処理を実行すると、エア流量を低減することに起因してスタックのカソード流路には生成水が溜まる傾向がある。Ｓ１３の通常暖機処理は、冷媒の流量を低減しながらエア流量を通常発電エア流量まで増加することにより、冷えた冷媒が循環することによるスタックの温度低下を抑制しながら、溜まった生成水をスタックから排出することができる。また、出口側の酸素濃度が上昇するため、全域を用いた発電に移行する。

図５は、図２及び図４の処理において参照される暖機終了フラグＦｆｉｎ及びエア低減フラグＦａｉｒを更新する手順を示すフローチャートである。換言すれば、図５は、図４の暖機処理の実行の可否、並びに図４の通常暖機処理及びエア流量低減処理の何れかを選択する手順を示すフローチャートである。図５のフラグ更新処理は、図４の暖機処理と同様に、図２のＳ３において燃料電池システムの暖機が終了したと判定されるまで、ＥＣＵによって繰り返し実行される。

Ｓ２１では、ＥＣＵは、温度センサの出力に基づいてスタックの平均温度を取得し、この平均温度が所定の暖機終了判定温度を超えたか否かを判定する。Ｓ２１の判定がＹＥＳである場合には、Ｓ２３に移り、暖機終了フラグＦｆｉｎを０から１に変更する。これにより、暖機処理は終了し、通常発電に移行する（図２参照）。Ｓ２１の判定がＮＯである場合には、Ｓ２２に移る。

Ｓ２２では、ＥＣＵは、スタックのカソード流路の入口温度を取得し、この入口温度が所定の第１温度以上であるか否かを判定する。上述のように、エア流量低減処理又は冷媒流量低減処理を実行すると、スタックの内部ではカソード流路の入口側で発電が集中し、入口側の温度が上昇する。したがって、エア流量低減処理又は冷媒流量低減処理を完了し、通常暖機処理に移行するタイミングは、スタックの入口温度で判定できる。なお、スタックの入口温度は、スタックの温度センサの出力、スタックの発電電流の積算値、及び上記エア流量低減処理及び冷媒流量低減処理を実行した時間等に基づいて推定することができる。また、スタックのカソード流路の入口側の温度を検出する入口温度センサを備える場合には、このセンサの出力を用いて入口温度を算出してもよい。

Ｓ２２の判定がＹＥＳであり、入口温度が第１温度まで上昇した場合には、Ｓ２３に移る。Ｓ２３ではＥＣＵは、暖機処理を終了すべく暖機終了フラグＦｆｉｎを０から１に変更する（Ｓ２３参照）。これにより、暖機処理は終了し、通常発電に移行する（図２のＳ３参照）。すなわち、ＥＣＵは、これまでエア流量低減処理を行っていた場合（Ｆａｉｒ＝１であった場合）には、入口温度が第１温度を超えたことに応じてエア流量を低減時エア流量から通常発電エア流量まで増加させる。

Ｓ２２の判定がＮＯである場合には、Ｓ２４に移る。Ｓ２４では、ＥＣＵは、セル電圧センサの出力に基づいてスタックのセル電圧値を取得し、このセル電圧値が所定の閾値以下であるか否かを判定する。上述のようにエア流量低減処理を実行すると、エア流量が低減時エア流量まで低減されるため、発電反応による生成水がカソード流路内に溜まる傾向がある。また、カソード流路内に生成水が過剰に溜まると、セル電圧が低下する傾向がある。Ｓ２４の判定がＮＯである場合には、Ｓ２５に移り、ＹＥＳである場合には、Ｓ２８に移る。

Ｓ２５では、ＥＣＵは、要求発電電流値を算出し、この要求電流値が所定の閾値以下であるか否かを判定する。スタックの発電電流が大きい場合には、スタックにおける発電反応はカソード流路の出口側に偏ることなく、入口側から出口側までまんべんなく進行する傾向があるので、エア流量低減処理を実行する必要性は乏しい。したがってＳ２５の判定がＮＯである場合には、ＥＣＵは、エア流量を通常発電エア流量まで増加すべく、エア低減フラグＦａｉｒを０にする（Ｓ２６参照）。これにより、図４を参照して説明したように、冷媒流量のみ低減時冷媒流量まで低減し、エア流量を通常暖機時エア流量まで増加させる通常暖機処理が実行される（図４のＳ１３参照）。

一方、スタックの発電電流が小さい場合には、スタックにおける発電反応はカソード流路の出口側に偏る傾向があるため、発電反応が入口側で重点的に進行するように、エア流量を低減時エア流量まで低減する方が好ましい。したがってＳ２５の判定がＹＥＳである場合には、ＥＣＵは、エア流量及び冷媒流量を低減時エア流量及び低減時冷媒流量まで低減すべくエア低減フラグＦａｉｒを１にする。これにより、図４を参照して説明したように、エア流量低減処理が実行される（図４のＳ１２参照）。

Ｓ２４の処理に戻って、セル電圧値が閾値以下まで低下した場合について説明する。Ｓ２４の判定がＹＥＳの場合、Ｓ２８に移る。Ｓ２８では、ＥＣＵは、Ｓ２４の処理において初めてセル電圧の低下が確認されてから、所定時間経過したか否かを判定する。Ｓ２８の判定がＮＯである場合には、Ｓ２６に移り、上述のようにエア低減フラグＦａｉｒを０にする。これにより、エア流量は、通常暖機時エア流量まで増加されるので、カソード流路に溜まった生成水の排出が促進され、ひいてはセル電圧が回復すると期待される。

Ｓ２８の判定がＹＥＳである場合、すなわち上述のようにエア流量を増加させてから所定時間が経過した後もセル電圧が回復しない場合には、Ｓ２９に移る。Ｓ２９では、ＥＣＵは、エア流量をさらに増大したり出力電流を制限したりすることによってセル電圧を回復させるための処理（図示せず）を開始すると共に、暖機処理を終了すべくＳ２３に移る。

次に、以上のような暖機処理の効果について、図６〜図８を参照して説明する。
図６は、暖機処理の実行中におけるスタックの入口側温度及び出口側温度の変化を示す図である。図６において、２つの太実線及び太破線は、本実施形態に係る暖機処理（図４及び図５）を行った場合におけるスタックの入口側及び出口側の温度の変化を示す。また２つの細実線及び細破線は、それぞれ図４のＳ１２の通常暖機処理のみを行った場合におけるスタックの入口側及び出口側の温度の変化を示す。

図６には、時刻ｔ０においてイグニッションスイッチがオンにされたことに応じて暖機処理を開始し、時刻ｔ０〜ｔ１までエア流量低減処理（図４のＳ１２参照）を実行し、時刻ｔ１〜ｔ２まで通常暖機処理（図４のＳ１３参照）を実行し、その後、通常発電に移行した場合を示す。

図７は、通常暖機処理のみを行った場合の時刻ｔ１、及びｔ３におけるスタックの内部の温度分布を示す図である。図８は、本実施形態に係る暖機処理を行った場合の時刻ｔ１、ｔ２、及びｔ３におけるスタックの内部の温度分布を示す図である。これら図７及び図８において、カソード流路の入口側は上側であり、カソード流路の出口側は下側である。

エア流量や冷媒流量を低減する処理を行わなかった場合、発電反応は出口側で集中して進行する傾向がある。このため、図６の細実線及び細破線で示すように、出口側の温度は速やかに上昇するのに対し、入口側の温度の上昇は緩やかである。この結果、図７に示すように、時刻ｔ０からｔ３まで暖機処理を実行しても温度分布のばらつきは大きいままであり、かつ入口側の温度もさほど上昇しない。

これに対し本実施形態では、時刻ｔ０からｔ１にかけて、エア流量及び冷媒流量を低減することにより、発電反応は入口側で重点的に進行するため、出口側の温度上昇は遅くなるものの、入口側の温度は著しく上昇する。その後、時刻ｔ１からｔ２にかけて、冷媒流量のみ低減しながらエア流量を増加させると、入口側の温度は上がり止まり徐々に低下するものの、出口側での発電が促進され、出口側の温度が上昇し始める。その後、時刻ｔ２からｔ３にかけて、エア流量と冷媒流量を共に増加させると、温度分布のばらつきがなだらかになりながら、スタックの内部の温度が全体的に上昇する。この結果、入口側と出口側とを共に適温まで上昇することができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお以下では、上記第１実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。第２実施形態は、ＥＣＵによって実行される暖機処理のフラグ更新処理の手順が上述の第１実施形態と異なる。

図９は、本実施形態に係るフラグ更新処理の具体的な手順を示すフローチャートである。なお、図９の処理におけるＳ５１〜Ｓ５９の処理は、図５のＳ２１〜Ｓ２９の処理と同じであるので、以下では詳細な説明を省略する。

Ｓ５２の判定がＹＥＳである場合、Ｓ６０に移る。Ｓ６０では、ＥＣＵは、スタックのうち最も温度が高い部分の温度に相当するスタック最高温度を取得し、このスタック最高温度が上述の第１温度より高い第２温度以上であるか否かを判定する。上述のように冷媒の流量を低減すると、スタックの温度分布のばらつきが大きくなる傾向がある。したがって、スタックの最高温度が第２温度を超えた場合、この温度分布のばらつきをなだらかになるように、エア流量及び冷媒流量を共に通常発電エア流量及び通常発電冷媒流量まで増加した方が好ましい。そこでＥＣＵは、Ｓ６０の判定がＹＥＳである場合には、Ｓ５３に移り、暖機終了フラグＦｆｉｎを１にする。これにより、暖機処理は終了し、通常発電に移行する（図２参照）。またＳ６０の判定がＮＯである場合には、Ｓ５６に移り、冷媒流量を低減したままエア流量のみ通常発電エア流量まで増加すべく、Ｓ５６に移る。

以上、本発明の２つの実施形態について説明したが、本発明はこれらに限らない。
例えば、上記実施形態では、スタック２のカソード流路の入口側で重点的に発電が進行するように、エア流量を段階的に低減する場合について説明したが（図３参照）、本発明はこれに限らない。例えば、エア流量を低減する代わりに、カソード流路２２に流入するガスの酸素濃度を低減しても、同様にカソード流路の入口側で重点的に発電を進行させることができる。なお、カソード流路２２に流入するガスの酸素濃度は、図１のＥＧＲポンプ４６を駆動することによって低減することができる。すなわち、ＥＧＲポンプ４６を駆動し、エアコンプレッサ４１から供給される新気の量に対する空気還流管４５を介して還流されるガスの量の割合を増加させることにより、カソード流路２２に流入するガスの酸素濃度を低減することができる。

また、上述のようにエア流量や酸素濃度を低減する代わりに、アノード流路２１に流入するガスの流量や水素濃度を低減しても、同様にアノード流路の入口側で重点的に発電を進行させることができる。なお、アノード流路２１に流入するガスの流量は、図１のインジェクタ３５を利用して低減することができる。また、アノード流路２１に流入するガスの水素濃度は、図１のパージ弁３３ａや掃気弁４８ｂを利用して低減することができる。すなわち、パージ弁３３ａを開き水素循環流路を流れるガスを排出する間隔を延ばすことにより、アノード流路２１に流入するガスの水素濃度を低減することができる。また、掃気弁４８ｂを開きエアコンプレッサ４１からのエアを水素供給管３２に導入することにより、アノード流路２１に流入するガスの水素濃度を低減することができる。

図１０は、図５のフローチャートの変形例１である。上述の図５や図９の処理では、暖機処理を行っている間にセル電圧値が所定の閾値以下である状態が所定時間にわたって継続した場合には（図５のＳ２４及びＳ２８、又は図９のＳ５４及びＳ５８参照）、セル電圧を回復する処理を開始し暖機処理を終了したが（図５のＳ２３及びＳ２９、又は図９のＳ５３及びＳ５９参照）、本発明はこれに限らない。この他、図１０のＳ６１に示すように、セル電圧値が短時間で大きく低下した場合、すなわちセル電圧値の所定時間における低下幅が所定の閾値より大きい場合に、セル電圧を回復する処理を開始し暖機処理を終了してもよい。

図１１は、図５のフローチャートの変形例２である。上述の図５や図９の処理では、
要求出力電流値に基づいてエア流量の低減の要否を判定したが（図５のＳ２５、又は図９のＳ５５参照）、本発明はこれに限らない。例えば、スタック２の膜電極構造体に発電に適した量の水分が存在している場合には、エア流量を低減時エア流量まで低減せずとも、カソード流路２２の出口側で発電反応が集中して進行することはない。したがって、図１１のＳ７１及びＳ７２に示すように、スタック２の膜電極構造体の含水率を推定し、この含水率が所定値以下である場合にのみ、エア流量を低減すべくフラグＦａｉｒを０から１に変更するようにしてもよい。なおこの膜電極構造体の含水率は、図示しないインピーダンス測定器を用いて、スタック２のインピーダンス値を測定することにより、推定することができる。

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３１…水素タンク（反応ガス供給装置）
３５…インジェクタ（反応ガス供給装置）
４１…エアコンプレッサ（反応ガス供給装置）
４６…ＥＧＲポンプ（反応ガス供給装置）
５２…ウォータポンプ（冷媒供給装置）

Claims (5)

1. 反応ガスが供給されると発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、前記燃料電池に冷媒を供給する冷媒供給装置と、を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
   前記燃料電池の暖機の要否を判定する暖機要否判定工程と、
   暖機が不要であると判定された場合には、前記冷媒を所定の通常冷媒流量で前記燃料電池に供給しかつ前記反応ガスを所定の通常発電流量又は通常発電濃度で供給する通常発電工程と、
   暖機が必要であると判定された場合には、前記冷媒を前記通常冷媒流量よりも少ない暖機冷媒流量で前記燃料電池に供給する冷媒流量低減工程と、
   前記燃料電池に対する要求発電電流値を取得し、当該要求発電電流値が所定の閾値以下であるか否かを判定する要求電流判定工程と、
   暖機が必要でありかつ前記要求発電電流値が前記閾値以下であると判定された場合には、前記反応ガスを前記通常発電流量よりも少ない暖機発電流量又は前記通常発電濃度よりも低い暖機発電濃度で前記燃料電池に供給することにより、前記燃料電池の内部の反応ガスの流路のうち出口側の昇温速度を、前記反応ガスを前記通常発電流量又は前記通常発電濃度で供給した場合に実現される昇温速度より減少させ、かつ入口側の昇温速度を、前記反応ガスを前記通常発電流量又は前記通常発電濃度で供給した場合に実現される昇温速度より増加させる反応ガス低減工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
2. 前記要求発電電流値が前記閾値より大きいと判定された場合には前記反応ガス低減工程を行わないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法。
3. 前記入口側の温度を取得し、当該入口側の温度が所定の第１温度以上であるか否かを判定する入口温度判定工程と、
   前記反応ガス低減工程を行っている間に前記入口側の温度が前記第１温度以上であると判定された場合には、前記反応ガスの流量を前記暖機発電流量より増加させるか又は前記反応ガスの濃度を前記暖機発電濃度よりも増加させる反応ガス復帰工程と、をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システムの起動方法。
4. 前記燃料電池の内部の最高温度を取得し、当該最高温度が所定の第２温度以上であるか否かを判定する最高温度判定工程と、
   前記冷媒流量低減工程を行っている間に前記最高温度が前記第２温度以上であると判定された場合には、前記冷媒の流量を前記暖機冷媒流量よりも増加させる冷媒流量復帰工程と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池システムの起動方法。
5. 前記燃料電池の膜の含水率を取得する含水率取得工程をさらに備え、
   暖機が必要であり、前記要求発電電流値が前記閾値以下であり、かつ前記含水率が所定値以下であると判定された場合に前記反応ガス低減工程を行うことを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料電池システムの起動方法。