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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-10
(45)【発行日】2023-10-18
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0432 20160101AFI20231011BHJP
H01M 8/04225 20160101ALI20231011BHJP
H01M 8/04228 20160101ALI20231011BHJP
H01M 8/04291 20160101ALI20231011BHJP
H01M 8/04302 20160101ALI20231011BHJP
H01M 8/04303 20160101ALI20231011BHJP
H01M 8/04492 20160101ALI20231011BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20231011BHJP
H01M 8/04858 20160101ALI20231011BHJP
H01M 8/10 20160101ALI20231011BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0432
H01M8/04225
H01M8/04228
H01M8/04291
H01M8/04302
H01M8/04303
H01M8/04492
H01M8/04537
H01M8/04858
H01M8/10 101
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2020094364
(22)【出願日】2020-05-29
(65)【公開番号】P2021190299
(43)【公開日】2021-12-13
【審査請求日】2022-05-23
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100099759
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 篤
(74)【代理人】
【識別番号】100123582
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 真二
(74)【代理人】
【識別番号】100092624
【弁理士】
【氏名又は名称】鶴田 準一
(74)【代理人】
【識別番号】100147555
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 公一
(74)【代理人】
【識別番号】100123593
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 宣夫
(74)【代理人】
【識別番号】100133835
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 努
(74)【代理人】
【識別番号】100167461
【弁理士】
【氏名又は名称】上木 亮平
(72)【発明者】
【氏名】難波 良一
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 真洋
(72)【発明者】
【氏名】藤尾 孝郎
(72)【発明者】
【氏名】常川 洋之
【審査官】藤森 一真
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１３－２３９２９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／１４８４２６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１４－０１０９１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０６４７５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０９９３４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－０１４３５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－１８４３５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５０７５１０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０４ － ８／０６６８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
通常発電と比べて発電損失の大きい低効率発電を実施する低効率発電実施部を備え、
前記低効率発電実施部は、
前記燃料電池の発電開始時における前記燃料電池の温度が基準温度未満のときは、前記発電損失に伴う前記燃料電池の発熱量が第１発熱量となるように前記燃料電池を発電させ、
前記発熱量が前記第１発熱量となるように前記燃料電池を発電させている期間の電流積算値が所定積算値以上になったときは、前記発熱量が前記第１発熱量よりも大きい第２発熱量となるように前記燃料電池を発電させるように構成され、
前記基準温度は、前記燃料電池の温度が前記基準温度未満になると、前記燃料電池の温度が前記基準温度以上のときと比べて、電解質膜の水分量が所定量よりも少ない過乾燥状態の前記燃料電池の抵抗値の増加がより顕著となる温度である、
燃料電池システム。
【請求項2】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、
通常発電と比べて発電損失の大きい低効率発電を実施する低効率発電実施部を備え、
前記低効率発電実施部は、
前記燃料電池の発電開始時における前記燃料電池の温度が基準温度未満のときは、前記発電損失に伴う前記燃料電池の発熱量が第１発熱量となるように前記燃料電池を発電させ、
前記発熱量が前記第１発熱量となるように前記燃料電池を発電させている期間の電流積算値が所定積算値以上になったときは、前記発熱量が前記第１発熱量よりも大きい第２発熱量となるように前記燃料電池を発電させるように構成され、
前記制御装置は、
前記燃料電池の掃気モードを、第１掃気モード又は第２掃気モードに切り替える掃気モード切替部をさらに備え、
前記第１掃気モードは、前記燃料電池システムの停止期間中において、前記燃料電池の温度が氷点下以下になったときに限り、前記燃料電池を発電させずに前記燃料電池内の掃気を実施する掃気モードであり、
前記第２掃気モードは、前記燃料電池システムの停止時に前記燃料電池を発電させた状態で前記燃料電池内の掃気を実施する掃気モードであり、
前記低効率発電実施部は、
前記燃料電池の掃気モードが前記第２掃気モードのときは、前記第１掃気モードの場合に前記燃料電池内の掃気が実施されたときと比較して、前記基準温度を低くするように構成される、
燃料電池システム。
【請求項3】
前記低効率発電実施部は、前記掃気モードが前記第１掃気モードの場合に前記燃料電池内の掃気が実施されたときは、前記基準温度を所定の第１温度に設定し、
前記掃気モードが前記第２掃気モードのときは、前記基準温度を前記第１温度よりも低い所定の第２温度に設定するように構成され、
前記第１温度は、前記燃料電池の温度が前記第１温度未満になると、前記燃料電池の温度が前記第１温度以上のときと比べて、電解質膜の水分量が所定量よりも少ない過乾燥状態の前記燃料電池の抵抗値の増加がより顕著となる温度であり、
前記第２温度は、前記燃料電池の温度が前記第２温度未満になると、前記燃料電池の温度が前記第２温度以上のときと比べて、電解質膜の水分量が前記所定量よりも多い湿潤状態の前記燃料電池の抵抗値の増加がより顕著となる温度である、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記所定積算値は、前記燃料電池の発電に伴って生じる、前記燃料電池の発電開始時からの生成水の量が、所定量以上となる値である、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記所定積算値は、１００［Ｃ］から４００［Ｃ］までの範囲の中から選択された任意の値である、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、従来の燃料電池システムとして、システム始動時に通常発電と比べて発電損失が大きくなる低効率発電を実施することで、燃料電池の自己発熱量を増大させて燃料電池を急速に暖機させる急速暖機運転を実施するものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１６－９６０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
燃料電池の抵抗は、燃料電池の温度が低いときほど、また当該燃料電池の電解質膜が乾燥しているときほど、高くなる傾向にある。電圧降下の要因となる抵抗過電圧は、燃料電池の抵抗の増加に比例して大きくなると共に、当該燃料電池の出力電流の増加に比例して大きくなる。そして、低効率発電時は、発電電力が同じであれば、通常発電時より燃料電池の出力電流が大きくなるため、燃料電池の温度が低いときに、燃料電池が乾燥した状態で低効率発電が行われると、抵抗過電圧の増大に伴って燃料電池の電圧が低下し、負電圧になるおそれがある。燃料電池の電圧が負電圧になると、当該燃料電池が劣化するおそれがある。
【0005】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、低効率発電時に燃料電池の電圧が負電圧になるのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明のある態様による燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、制御装置と、を備える。制御装置は、通常発電と比べて発電損失の大きい低効率発電を実施する低効率発電実施部を備える。低効率発電実施部は、燃料電池の発電開始時における燃料電池の温度が基準温度未満のときは、発電損失に伴う燃料電池の発熱量が第１発熱量となるように燃料電池を発電させ、発熱量が第１発熱量となるように燃料電池を発電させている期間の電流積算値が所定積算値以上になったときは、発熱量が第１発熱量よりも大きい第２発熱量となるように燃料電池を発電させるように構成される。
【発明の効果】
【0007】
本発明のこの態様によれば、燃料電池の温度が基準温度よりも低いときは、相対的に発熱量を抑えた低効率発電が実施される。すなわち、燃料電池の温度が基準温度よりも低いときは、相対的に燃料電池の出力電流を抑えた低効率発電が実施されるため、仮に燃料電池が乾燥していたとしても、当該燃料電池の抵抗過電圧を抑えることができる。そのため、低効率発電時に燃料電池の電圧が負電圧になるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【0010】
（第１実施形態）
図１は、車両に搭載される本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
図１は、車両に搭載される本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
【0011】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０にアノードガス（燃料ガス）としての水素を供給するための水素供給装置２０と、燃料電池スタック１０にカソードガス（酸化剤ガス）としての空気を供給するための空気供給装置３０と、燃料電池スタック１０の出力端子に電気的に接続される電気負荷部５０と、燃料電池システム１００の各種の制御部品を統括的に制御するための電子制御ユニット２００と、を備える。
【0012】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単セル（以下「単セル」という。）を積層方向に沿って互いに積層し、各単セルを電気的に直列に接続したものである。各単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を備える。
【0013】
ＭＥＡは、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（以下「電解質膜」という。）の一方の表面にアノード電極を形成し、他方の表面にカソード電極を形成してそれらを一体化したものである。燃料電池スタック１０で発電が行われているときは、アノード電極及びカソード電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード電極 ： ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ－ …（１）
カソード電極 ： ４Ｈ＋＋４ｅ－＋Ｏ２ →２Ｈ２Ｏ …（２）
アノード電極 ： ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ－ …（１）
カソード電極 ： ４Ｈ＋＋４ｅ－＋Ｏ２ →２Ｈ２Ｏ …（２）
【0014】
アノード電極及びカソード電極は、多孔質のカーボン素材に触媒を担持させた触媒層をそれぞれ備えており、各触媒層には水素と酸素との電気化学反応（（１）式の水素酸化反応と（２）式の酸素還元反応）を促進させるための触媒として白金が含まれている。なお、ＭＥＡの両外側に、さらにアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を備えていてもよい。
【0015】
水素供給装置２０は、水素供給管２１と、水素源としての高圧水素タンク２２と、水素供給制御部２３と、アノードオフガス管２４と、気液分離器２５と、水素戻し管２６と、水素循環ポンプ２７と、パージ管２８と、パージ制御弁２９と、を備える。
【0016】
水素供給管２１は、燃料電池スタック１０に供給する水素が流れる配管であって、一端が高圧水素タンク２２に連結され、他端が燃料電池スタック１０に連結される。
【0017】
高圧水素タンク２２は、水素供給管２１を介して燃料電池スタック１０、ひいては各単セルのアノード電極に供給するための水素を貯蔵する。
【0018】
水素供給制御部２３は、主止弁２３１と、レギュレータ２３２と、インジェクタ２３３と、を備える。
【0019】
主止弁２３１は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、水素供給管２１に設けられる。主止弁２３１が開かれると、高圧水素タンク２２から水素供給管２１に水素が流出する。主止弁２３１が閉じられると、高圧水素タンク２２からの水素の流出が停止される。
【0020】
レギュレータ２３２は、主止弁２３１よりも下流の水素供給管２１に設けられる。レギュレータ２３２は、連続的又は段階的に開度を調整することができる圧力制御弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。レギュレータ２３２の開度を制御することで、レギュレータ２３２よりも下流側の水素の圧力、すなわちインジェクタ２３３から噴射される水素の圧力が制御される。
【0021】
インジェクタ２３３は、レギュレータ２３２よりも下流の水素供給管２１に設けられる。インジェクタ２３３は、例えばニードル弁であり、電子制御ユニット２００によって開閉制御される。インジェクタ２３３の開弁時間を制御することで、インジェクタ２３３から噴射される水素の流量が制御される。
【0022】
このように、水素供給制御部２３によって、高圧水素タンク２２から燃料電池スタック１０への水素の供給が制御される。すなわち、水素供給制御部２３によって、所望の圧力及び流量に制御された水素が燃料電池スタック１０に供給される。
【0023】
アノードオフガス管２４は、燃料電池スタック１０から流出してきたアノードオフガスが流れる配管であって、一端が燃料電池スタック１０に連結され、他端が気液分離器２５のガス流入口２５ａに連結される。アノードオフガスは、各単セル内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素や、カソード電極側からＭＥＡ１ａを介してアノード電極側に透過してきた窒素等の不活性ガス及び水分（液水や水蒸気）を含むガスである。
【0024】
気液分離器２５は、ガス流入口２５ａと、ガス流出口２５ｂと、液水流出口２５ｃと、を備える。気液分離器２５は、ガス流入口２５ａから内部に流入してきたアノードオフガス中の水を分離する。そして気液分離器２５は、分離した水を液水流出口２５ｃからパージ管２８に排出すると共に、水が分離された水素を含むアノードオフガスをガス流出口２５ｂから水素戻し管２６に排出する。
【0025】
水素戻し管２６は、一端が気液分離器２５のガス流出口２５ｂに連結され、他端が水素供給制御部２３よりも下流の水素供給管２１に連結される配管である。水素戻し管２６には、気液分離器２５のガス流出口２５ｂから排出されたアノードオフガスが流れる。
【0026】
水素循環ポンプ２７は、水素戻し管２６に設けられる。水素循環ポンプ２７は、アノードオフガス中に含まれる水素、すなわち各単セル内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素を水素供給管２１に戻して循環させるためのポンプである。水素循環ポンプ２７は、気液分離器２５のガス流出口２５ｂから排出されたアノードオフガスを加圧して水素供給管２１に圧送する。
【0027】
パージ管２８は、一端が気液分離器２５の液水流出口２５ｃに連結され、他端が後述するカソードオフガス管３８に連結される配管である。
【0028】
パージ制御弁２９は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、パージ管２８に設けられる。パージ制御弁２９は、通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁２９が開弁されると、気液分離器２５内で分離された水が、パージ管２８を介してカソードオフガス管３８から外部に排出される。
【0029】
このように本実施形態による燃料電池システム１００は、水素通路２から流出したアノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させる水素循環式の燃料電池システムであるが、水素通路２から流出したアノードオフガスを水素供給管２１に戻さない水素非循環式の燃料電池システムとしても良い。
【0030】
空気供給装置３０は、空気供給管３１と、エアクリーナ３２と、コンプレッサ３３と、インタークーラ３４と、カソード入口弁３５と、バイパス管３６と、分流弁３７と、カソードオフガス管３８と、カソード圧力制御弁３９と、を備える。
【0031】
空気供給管３１は、燃料電池スタック１０に供給する空気が流れる配管であって、一端がエアクリーナ３２に連結され、他端が燃料電池スタック１０に連結される。
【0032】
エアクリーナ３２は、空気供給管３１に吸入される空気中の異物を取り除く。エアクリーナ３２は、酸素源３２ａとなる大気中に配置される。すなわち、酸素源３２ａはエアクリーナ３２を介して空気供給管３１と連通している。
【0033】
コンプレッサ３３は、例えば遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであり、空気供給管３１に設けられる。コンプレッサ３３は、エアクリーナ３２を介して空気供給管３１に吸入した空気を圧縮して吐出する。なお、コンプレッサ３３よりも上流の空気供給管３１には、コンプレッサ３３によって吸入されて吐出される空気の流量（以下「総エア供給量」という）Ｑａｃｐ［ＮＬ／ｍｉｎ］を検出するためのカソード流量センサ２１１が設けられる。
【0034】
インタークーラ３４は、コンプレッサ３３よりも下流の空気供給管３１に設けられ、コンプレッサ３３から吐出された空気を例えば走行風や冷却水などで冷却する。
【0035】
カソード入口弁３５は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、インタークーラ３４よりも下流の空気供給管３１に設けられる。カソード入口弁３５は、燃料電池スタック１０に空気を供給する必要があるときに開弁される。
【0036】
バイパス管３６は、コンプレッサ３３から吐出された空気の一部又は全部を、必要に応じて燃料電池スタック１０を経由させずに後述するカソードオフガス管３８に直接流入させるための配管である。バイパス管３６は、一端がインタークーラ３４とカソード入口弁３５との間の空気供給管３１に連結され、他端が後述するカソード圧力制御弁３９よりも下流のカソードオフガス管３８に連結される。
【0037】
分流弁３７は、バイパス管３６に設けられる。分流弁３７は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。
【0038】
カソードオフガス管３８は、燃料電池スタック１０から流出したカソードオフガスが流れる配管であって、一端が燃料電池スタック１０に連結され、他端が大気に開口している。カソードオフガスは、各単セル内で電気化学反応に使用されなかった余剰の酸素や、窒素等の不活性ガス、電気化学反応によって生じた水分（液水や水蒸気）を含むガスである。
【0039】
カソード圧力制御弁３９は、カソードオフガス管３８に設けられる。カソード圧力制御弁３９は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。カソード圧力制御弁３９の開度を制御することで、燃料電池スタック１０内の圧力であるカソード圧力が制御される。
【0040】
コンプレッサ３３、ひいては総エア供給量Ｑａｆｃと、カソード入口弁３５、分流弁３７及びカソード圧力制御弁３９のそれぞれの開度とを制御することで、コンプレッサ３３から吐出される空気のうち、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量（以下「ＦＣエア供給量」という）Ｑｆｃ［ＮＬ／ｍｉｎ］が制御される。
【0041】
電気負荷部５０は、第１コンバータ５１と、回路遮断器５２と、バッテリ５３と、第２コンバータ５４と、モータジェネレータ５５と、インバータ５６と、を備える。
【0042】
電気負荷部５０と燃料電池スタック１０の出力端子との接続ライン５７には、燃料電池スタック１０から取り出される電流（以下「ＦＣ電流」という。）Ｉｆｃ［Ａ］を検出するための電流センサ２１２と、燃料電池スタック１０の出力端子の端子間電圧（以下「ＦＣ電圧」という。）Ｖｆｃ［Ｖ］を検出するための電圧センサ２１３と、が設けられる。
【0043】
第１コンバータ５１は、一次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子が燃料電池スタック１０の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第１コンバータ５１は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて一次側の端子間電圧となるＦＣ電圧Ｖｆｃを昇降圧させ、これによりＦＣ電流Ｉｆｃを燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御する。
【0044】
回路遮断器５２は、電子制御ユニット２００によって開閉され、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０とを電気的、物理的に接続又は遮断する。
【0045】
バッテリ５３は、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。バッテリ５３には、燃料電池スタック１０の余剰電力及びモータジェネレータ５５の回生電力が充電される。バッテリ５３に充電された電力は、必要に応じてモータジェネレータ５５やコンプレッサ３３等の燃料電池システム１００が備える各種の制御部品を駆動するために使用される。
【0046】
第２コンバータ５４は、例えば二次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子がバッテリ５３の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第２コンバータ５４は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて二次側の端子間電圧となるインバータ５６の入力電圧を昇降圧させる。
【0047】
モータジェネレータ５５は、例えば三相の永久磁石型同期モータであり、燃料電池システム１００が搭載される車両の動力を発生させるモータとしての機能と、車両の減速時に発電するジュネレータとしての機能と、を備える。モータジェネレータ５５は、インバータ５６の交流側端子に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力及びバッテリ５３の電力によって駆動される。
【0048】
インバータ５６は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて直流側端子から入力された直流電流を交流電流に変換して交流側端子から出力し、逆に電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて交流側端子から入力された交流電流を直流電流に変換して直流側端子から出力することが可能な電気回路を備える。インバータ５６の直流側端子は第１コンバータ５１及び第２コンバータ５４の二次側端子に接続され、インバータ５６の交流側端子はモータジェネレータ５５の入出力端子に接続される。インバータ５６は、モータジェネレータ５５をモータとして機能させるときは、燃料電池スタック１０及びバッテリ５３からの直流電流を交流電流（本実施形態では三相交流電流）に変換してモータジェネレータ５５に供給する。一方でインバータ５６は、モータジェネレータ５５をジュネレータとして機能させるときは、モータジェネレータ５５からの交流電流を直流電流に変換してバッテリ５３等に供給する。
【0049】
電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。
【0050】
入力ポート２０５には、前述したカソード流量センサ２１１や電流センサ２１２、電圧センサ２１３の他にも、燃料電池スタック１０の温度（以下「ＦＣ温度」という。）Ｔｆｃ［℃］を検出するためのＦＣ温度センサ２１４や、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）を検出するための負荷センサ２１５などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。
【0051】
出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して、水素供給制御部２３（主止弁２３１、レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３）や水素循環ポンプ２７、パージ制御弁２９、コンプレッサ３３、カソード入口弁３５、分流弁３７、カソード圧力制御弁３９、第１コンバータ５１、回路遮断器５２、第２コンバータ５４、インバータ５６などの各制御部品が電気的に接続される。
【0052】
電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して燃料電池システム１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する燃料電池システム１００の制御、特に燃料電池システム１００の急速暖機制御について説明する。
【0053】
図２は、スタック温度Ｔｆｃが或る温度のときの燃料電池スタック１０の基準となる電流電圧特性（以下「基準ＩＶ特性」という。）を示した図である。基準ＩＶ特性は、発電時に生じる各種の発電損失を抑えた高効率発電（通常発電）を実施したときのＩＶ特性である。
【0054】
電子制御ユニット２００は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１０の目標発電電力Ｐｔｇ［ｋＷ］を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、アクセル踏込量などに基づいて算出されるモータジェネレータ５５の要求電力と、コンプレッサ３３等の各種の補機類の要求電力と、の合計値を目標発電電力Ｐｔｇとして算出する。
【0055】
そして図２に示すように、電子制御ユニット２００は、燃料電池スタック１０の暖機が完了した後の高効率発電を実施する通常運転時には、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電圧Ｖｆｃによって規定される動作点Ｘが、基準ＩＶ特性上で目標発電電力Ｐｔｇを発電可能な通常動作点Ｘ１となるように、エアストイキ比、ひいてはＦＣエア供給量Ｑｆｃを制御する。
【0056】
エアストイキ比とは、目標発電電力Ｐｔｇを発電するために最低限必要なＦＣエア供給量（以下「理論ＦＣエア供給量」という。）Ｑｓｔに対する、実際のＦＣエア供給量Ｑｆｃの比である。したがって、エアストイキ比（＝Ｑｆｃ／Ｑｓｔ）が１．０よりも大きくなるにつれて、実際のＦＣエア供給量Ｑｆｃが理論ＦＣエア供給量Ｑｓｔよりも多くなる。
【0057】
図３は、エアストイキ比と、発電損失の一要因となる酸素濃度過電圧（発電時に酸素不足によって生じる発電損失）と、の関係について説明する図である。
【0058】
図３に示すように、酸素濃度過電圧は、エアストイキ比が大きいときに比べて、小さいときのほうが、大きくなる傾向にある。換言すれば、酸素濃度過電圧を要因とする発電損失（電圧降下量）は、エアストイキ比が大きいときに比べて、小さいときのほうが、大きくなる傾向にある。
【0059】
したがって電子制御ユニット２００は、通常運転時には、発電損失を抑えた高効率発電を実施するために、エアストイキ比が、酸素濃度過電圧をほぼ無視できる通常領域内のエアストイキ比（図３に示す例では、例えば１．５近傍のエアストイキ比）となるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃを制御する。
【0060】
一方で電子制御ユニット２００は、氷点下の環境で燃料電池システム１００を始動して運転するときは、発電に伴って生じる生成水の凍結を抑制しつつ、低温時ほど悪化するＩＶ特性を早期に回復させるため、急速暖機運転を実施する。急速暖機運転は、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを制御して通常運転時よりも酸素濃度過電圧を増大させることで意図的に発電損失を増大させ、これにより燃料電池スタック１０の自己発熱量を増大させて暖機の促進を図る運転方法である。
【0061】
電子制御ユニット２００は、急速暖機運転時には、目標発電電力Ｐｔｇを発電しつつ、通常運転時よりも発電損失（自己発熱量）を増大させた低効率発電を実施するために、エアストイキ比が、酸素濃度過電圧を無視できなくなる急速暖機領域内のエアストイキ比（図３に示す例では、例えば１．０近傍のエアストイキ比）となるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃを制御する。
【0062】
これにより、図２において基準ＩＶ特性上で高効率発電を行った場合と比較して、エアストイキ比に応じた酸素濃度過電圧分だけＦＣ電圧Ｖｆｃを降下させることできる。そのため、ＦＣ電流Ｉｆｃを制御しつつ、エアストイキ比、ひいてはＦＣエア供給量Ｑｆｃを適切に制御することで、図２に示すように、通常動作点Ｘ１と等電力線（破線参照）上にある、通常動作点Ｘ１よりも発電損失を増大させた、所望の自己発熱量が得られる急速暖機動作点Ｘ２で発電を行うことができるので、燃料電池スタック１０の暖機の促進を図ることができる。
【0063】
ここで、発明者らの鋭意研究の結果、急速暖機運転中に負電圧になる単セルが発生する場合があることがわかった。負電圧になる単セルが発生すると、当該単セル、ひいては燃料電池スタック１０を劣化させるおそれがあるため、急速暖機運転中に負電圧になる単セルが発生しないような措置を講じる必要がある。以下、図４を参照して、まず急速暖機運転中に負電圧になる単セルが発生する原因について説明する。
【0064】
図４は、単セルの温度（以下「セル温度」という。）と、当該単セルの抵抗（以下「セル抵抗」という。）との関係を、当該単セルの電解質膜の水分量（以下「膜水分量」という。）に応じて示した図である。
【0065】
図４に示すように、セル抵抗は、セル温度が低くなるにつれて増加すると共に、膜水分量が或る一定量よりも少なくなると膜水分量が少なくなるにつれて増加する傾向にある。そして、セル温度が氷点下以下の所定温度Ｔ１未満の領域では、膜水分量が或る一定量よりも少ないとセル抵抗が顕著に増加する。なお、以下の説明において、単セルが過乾燥状態であるとは、当該単セルの膜水分量がこの或る一定量よりも少ない状態を指すものとする。
【0066】
発電時における単セルの抵抗過電圧は、当該単セルのセル抵抗の増加に比例して大きくなると共に、当該単セルの出力電流の増加に比例して大きくなる。そして、前述した図２の等電力線の形状から分かるように、発電電力が同じであれば、発電損失（自己発熱量）を大きくするほど、ＦＣ電流Ｉｆｃは大きくなる。
【0067】
したがって、ＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ１未満のときに、過乾燥状態の単セルが存在する状態で低効率発電が行われると、過乾燥状態の単セルのセル抵抗が非常に大きくなって当該単セルの電圧（以下「セル電圧」という。）が大きく低下する。その結果、過乾燥状態の単セルのセル電圧が負電圧になるものと考えられる。すなわち、急速暖機運転中に負電圧となる単セルが発生するのは、ＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ１未満のときに、過乾燥状態の単セルが存在する状態で低効率発電が行われることが原因と考えられる。
【0068】
そこで本実施形態では、システム始動時のＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ１未満のときは、発電に伴って生じる生成水量が所定量に達するまで、通常の低効率発電（後述する第２低効率発電）よりも発電損失（自己発熱量）を抑えた第１低効率発電を実施することとした。所定量は、仮に或る単セルが過乾燥状態であったとしても、過乾燥状態が解消されたと判断可能な生成水量とされる。
【0069】
これにより、仮に或る単セルが過乾燥状態であったとしても、発電に伴って生じる生成水によってその単セルの過乾燥状態が解消されるまでの間、ＦＣ電流Ｉｆｃを低く抑えることができるので、抵抗過電圧を小さくすることができる。そのため、負電圧となる単セルが発生するのを抑制することができる。
【0070】
そして、生成水量が所定量以上になったら、第１低効率発電よりも発電損失（自己発熱量）を増大させた通常の低効率発電である第２低効率発電を実施して、燃料電池スタック１０の暖機の促進を図ることとした。
【0071】
図５は、この本実施形態による燃料電池システム１００の急速暖機制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で繰り返し実行する。
【0072】
ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、第１フラグＦ１及び第２フラグＦ２が、それぞれ０に設定されているか否かを判定する。第１フラフＦ１は、急速暖機運転中において、前述した第１低効率発電を実施しているときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。第２フラグＦ２は、急速暖機運転中において、前述した第２低効率発電を実施しているときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。電子制御ユニット２００は、第１フラグＦ１及び第２フラグＦ２が、それぞれ０に設定されていれば、ステップＳ２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第１フラグＦ１又は第２フラグＦ２が１に設定されていればステップＳ６の処理に進む。
【0073】
ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、急速暖機運転の実施要求があるか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、システム始動時におけるＦＣ温度Ｔｆｃが所定の急速暖機要求温度（例えば０［℃］）以下であれば急速暖機運転の実施要求があると判定する。電子制御ユニット２００は、急速暖機運転の実施要求があると判定したときは、ステップＳ３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、急速暖機運転の実施要求がないと判定したときは、今回の処理を終了する。
【0074】
ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、急速暖機運転の実施要求があるときに、第１低効率発電を実施してから第２抵抗率発電をするか、又は第１低効率発電を実施せずに最初から第２低効率発電を実施するかを決定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、システム始動時におけるＦＣ温度Ｔｆｃを所定の基準温度Ｔｔｈｒと比較することで、第１低効率発電を実施してから第２抵抗率発電をするか、又は第１低効率発電を実施せずに最初から第２低効率発電を実施するかを決定する。本実施形態では基準温度Ｔｔｈｒは、図４を参照して前述した所定温度Ｔ１とされる。
【0075】
電子制御ユニット２００は、システム始動時におけるＦＣ温度Ｔｆｃが、基準温度Ｔｔｈｒ未満であれば、第１低効率発電を実施してから第２抵抗率発電を実施するべく、ステップＳ４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、システム始動時におけるＦＣ温度Ｔｆｃが、基準温度Ｔｔｈｒ以上であれば、仮に過乾燥状態の単セルが存在していたとしても、当該単セルのセル抵抗の増加が許容範囲であり、当該単セルのセル電圧が負電圧になるほどではないと判断し、システム始動時から第２低効率発電を実施して暖機の促進を図るべく、ステップＳ５の処理に進む。
【0076】
ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、第１低効率発電を実施してから第２抵抗率発電を実施するべく、第１フラグＦ１を１に設定する。
【0077】
ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、システム始動時から第２低効率発電を実施するべく、第２フラグＦ２を１に設定する。
【0078】
ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、急速暖機運転中における燃料電池スタック１０の目標発熱量ＰＬｔｇ［ｋＷ］を設定するための処理を実施する。この目標発熱量設定処理の詳細については、図６のフローチャートを参照して説明する。
【0079】
ステップＳ６１において、電子制御ユニット２００は、第１フラグＦ１が１に設定されているか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、第１フラグＦ１が１に設定されていれば、ステップＳ６２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、第１フラグＦ１が０に設定されていれば（第２フラグＦ２が１に設定されていれば）、ステップＳ６６の処理に進む。
【0080】
ステップＳ６２において、電子制御ユニット２００は、発電に伴って生じる生成水量と相関関係にあるパラメータとして、第１低効率発電を開始してからのＦＣ電流Ｉｆｃの積算値（以下「電流積算値」という。）ｑ［Ｃ］を算出する。
【0081】
ステップＳ６３において、電子制御ユニット２００は、発電に伴って生じる生成水量が所定量に達したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、電流積算値ｑが所定積算値ｑｔｈｒ未満であれば、発電に伴って生じる生成水量がまだ所定量に達していないと判定してステップＳ６４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、電気量ｑが所定積算値ｑｔｈｒ以上であれば、発電に伴って生じる生成水量が所定量に達した判定してステップＳ６５の処理に進む。
【0082】
所定積算値ｑｔｈｒは、仮に燃料電池システム１００の始動時において或る単セルが過乾燥状態であったとしても、発電に伴って生じる生成水によって当該単セルの過乾燥状態が解消された判断可能な電流積算値とされる。
【0083】
ステップＳ６４において、電子制御ユニット２００は、第１低効率発電を実施するべく、目標発熱量ＰＬｔｇを、第１発熱量ＰＬ１（例えば、１５～２５［ｋＷ］）に設定する。
【0084】
ステップＳ６５において、電子制御ユニット２００は、第１フラグＦ１を０に戻すと共に、第１低効率発電から第２低効率発電に切り替えるべく、第２フラグＦ２を１に設定する。
【0085】
ステップＳ６６において、電子制御ユニット２００は、第２低効率発電を実施するべく、目標発熱量ＰＬｔｇを、第１発熱量ＰＬ１よりも大きい第２発熱量ＰＬ２（例えば、５０～６０［ｋＷ］）に設定する。
【0086】
【0087】
ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、燃料電池スタック１０の暖機が完了したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、ＦＣ温度Ｔｆｃが、所定の急速暖機完了温度（例えば７０［℃］）以上になったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、ＦＣ温度Ｔｆｃが急速暖機完了温度以上であれば、ステップＳ９の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ＦＣ温度Ｔｆｃが急速暖機完了温度未満であれば、今回の処理を終了する。
【0088】
ステップＳ９において、電子制御ユニット２００は、急速暖機運転を終了し、第１フラグＦ１及び第２フラグＦ２をそれぞれ０に戻すと共に、電流積算値ｑの値をゼロに戻す。
【0089】
図７は、低効率発電時の詳細な処理について説明するフローチャートである。
【0090】
ステップＳ７１において、電子制御ユニット２００は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１０の目標発電電力Ｐｔｇを算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、前述した通り、モータジェネレータ５５の要求電力と、コンプレッサ３３等の各種の補機類の要求電力と、の合計値を目標発電電力Ｐｔｇとして算出する。
【0091】
ステップＳ７２において、電子制御ユニット２００は、図８に示す等電力線と等発熱量線とが描かれたＩＶ特性マップを参照し、目標発電電力Ｐｔｇと、目標発熱量ＰＬｔｇと、基づいて、急速暖機動作点Ｘ２、すなわち目標ＦＣ電流Ｉｔｇ［Ａ］及び目標ＦＣ電圧Ｖｔｇ［Ｖ］を算出する。
【0092】
具体的には電子制御ユニット２００は、図９に示すように、等電力線の中から目標発電電力Ｐｔｇを発電することが可能な等電力線を選択し、選択した等電力線と、ＩＶ特性マップ上で発熱量を目標発熱量ＰＬｔｇにすることが可能な等発熱量線と、が交わる点を急速暖機動作点Ｘ２として算出する。
【0093】
【0094】
ステップＳ７３において、電子制御ユニット２００は、図１０に示す基準ＩＶ特性マップを参照し、基準ＩＶ特性上でＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御したときのＦＣ電圧（以下「基準ＦＣ電圧」という。）Ｖｓｔｄを算出する。基準ＦＣ電圧Ｖｓｔｄは、換言すれば、高効率発電（通常発電）を実施してＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御したときのＦＣ電圧である。
【0095】
なお基準ＩＶ特性は、ＦＣ温度Ｔｆｃに応じて変化するため、基準ＩＶ特性マップはＦＣ温度毎に複数用意されている。したがって電子制御ユニット２００は、複数の基準ＩＶ特性マップの中から、現在のＦＣ温度Ｔｆｃに応じた最適な基準ＩＶ特性マップを参照して基準ＦＣ電圧Ｖｓｔｄを算出している。
【0096】
ステップＳ７４において、電子制御ユニット２００は、図３と同様の図１１に示すエアストイキ比と酸素濃度過電圧との関係を表すマップを参照し、基準ＦＣ電圧Ｖｓｔｄと目標ＦＣ電圧Ｖｔｇとの差分（すなわち、基準ＦＣ電圧Ｖｓｔｄを目標ＦＣ電圧Ｖｔｇまで低下させるために発生させる必要のある酸素濃度過電圧）ΔＶ１（＝Ｖｓｔｄ－Ｖｔｇ）に基づいて、基準エアストイキ比ＳＲｓｔｄを算出する。
【0097】
ステップＳ７５において、電子制御ユニット２００は、目標ＦＣ電圧Ｖｔｇと、ＦＣ電圧Ｖｆｃと、の偏差（以下「ＦＣ電圧偏差」という。）ΔＶ２（＝Ｖｔｇ－Ｖｆｃ）に基づいて、基準エアストイキ比ＳＲｓｔｄに対するフィードバック補正値を算出し、基準エアストイキ比ＳＲｓｔｄに当該フィードバック補正値を加算することで、目標エアストイキ比ＳＲｔｇを算出する。
【0098】
ステップＳ７６において、電子制御ユニット２００は、目標発電電力Ｐｔｇを発電するために必要な理論ＦＣエア供給量Ｑｔｈに目標エアストイキ比ＳＲｔｇを掛け合わせることで、目標ＦＣエア供給量Ｑｔｇを算出する。
【0099】
ステップＳ７７において、電子制御ユニット２００は、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電圧Ｖｆｃによって規定される動作点Ｘが、急速暖機動作点Ｘ２となるように、各制御部品を制御する。
【0100】
具体的には電子制御ユニット２００は、第１コンバータ５１を制御してＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御すると共に、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを目標エア供給量Ｑｔｇに制御する。このとき電子制御ユニット２００は、総エア供給量Ｑａｆｃが一定になるようにコンプレッサ３３を制御し、カソード入口弁３５、分流弁３７及びカソード圧力制御弁３９の各開度を制御することで、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを目標エア供給量Ｑｔｇに制御する。
【0101】
【0102】
図１２Ａは、ＦＣ電流Ｉｆｃを横軸として、本実施形態による急速暖機制御を実施したときの、過乾燥状態の単セルのセル電圧（実線参照）、燃料電池スタック１０の平均セル電圧（破線参照）、及び電流積算値ｑ（一点鎖線参照）の時間的変化を示した図である。なお、図１２Ａにおいて、ＦＣ電流Ｉｆｃ１は、第１低効率発電を実施したとき、すなわち目標発熱量ＰＬｔｇを第１発熱量ＰＬ１に設定したときの目標ＦＣ電流である。ＦＣ電流Ｉｆｃ２は、第２低効率発電を実施したとき、すなわち目標発熱量ＰＬｔｇを第２発熱量ＰＬ２に設定したときの目標ＦＣ電流である。
【0103】
図１２Ａに示すように、急速暖機運転の開始時に第１低効率発電が実施されると、ＦＣ電流Ｉｆｃが第１低効率発電時の目標ＦＣ電流Ｉｆｃ１まで増加させられ、電流積算値ｑが第１積算値ｑ１まで増加する。ＦＣ電流Ｉｆｃの増加に伴って過乾燥状態の単セルのセル電圧は低下することになるが、第１低効率発電時の目標ＦＣ電流Ｉｆｃ１は、第２低効率発電時の目標ＦＣ電流Ｉｆｃ２よりも小さくなるため、抵抗過電圧を抑えて過乾燥状態の単セルのセル電圧の低下を概ね０［Ｖ］付近までに抑えることができる。
【0104】
そして、第１低効率発電が実施されている期間（ＦＣ電流ＩｆｃがＩｆｃ１に制御されている期間）に発生する生成水によって過乾燥状態の単セルの膜水分量が徐々に増加し、これにより過乾燥状態の単セルの抵抗過電圧が徐々に低下していくので、過乾燥状態の単セルのセル電圧が徐々に回復（増加）していく。
【0105】
そして、第１低効率発電が実施されている期間の電流積算値ｑが第２積算値ｑ２に達して、過乾燥状態の単セルのセル電圧が、燃料電池スタック１０の平均セル電圧と同等になるまで回復（増加）したら、ＦＣ電流Ｉｆｃが第２低効率発電時の目標ＦＣ電流Ｉｆｃ２まで増加させられて、暖機の促進が図られる。
【0106】
本実施形態では、この第２積算値ｑ２を、発電に伴って生じる生成水量が所定量に達したか否かを判定するための所定積算値ｑｔｈｒ、すなわち、仮にシステム始動時において或る単セルが過乾燥状態であったとしても、発電に伴って生じる生成水によって当該単セルの過乾燥状態が解消されたと判断可能な所定積算値ｑｔｈｒとしている。
【0107】
図１２Ｂは、電流積算値ｑを横軸として、本実施形態による急速暖機制御を実施したときの、過乾燥状態の単セルのセル電圧、及び燃料電池スタック１０の平均セル電圧の時間的変化を示した図である。
【0108】
図１２Ｂに示すように、電流積算値ｑが第１積算値ｑ１になるまでの間、すなわち、急速暖機運転の開始時に第１低効率発電が実施されて、ＦＣ電流Ｉｆｃが第１低効率発電時の目標ＦＣ電流Ｉｆｃ１まで増加させられるまでは、ＦＣ電流Ｉｆｃの増加に伴って過乾燥状態の単セルのセル電圧は低下する。
【0109】
そして、電流積算値ｑが第１積算値ｑ１から第２積算値ｑ２になるまでの間は、第１低効率発電時に発生する生成水によって過乾燥状態の単セルの膜水分量が徐々に増加し、これにより過乾燥状態の単セルの抵抗過電圧が徐々に低下していくので、過乾燥状態の単セルのセル電圧が徐々に回復（増加）していく。
【0110】
そして、電流積算値ｑが第２積算値ｑ２になると、過乾燥状態の単セルのセル電圧が、燃料電池スタック１０の平均セル電圧と同等になるまで回復（増加）する。
【0111】
なお前述した通り、本実施形態では、この第２積算値ｑ２を所定積算値ｑｔｈｒとしている。第２積算値ｑ２は、換言すれば、過乾燥状態の単セルが存在していたとしても、発電に伴って生じる生成水によって当該単セルの過乾燥状態が完全に解消された判断可能な電流積算値である。
【0112】
しかしながら、これに限らず、第１積算値ｑ１から第２積算値ｑ２までの間の任意の電流積算値を所定積算値ｑｔｈｒとして設定し、過乾燥状態が或る程度解消された時点で、第２低効率発電を実施するようしてもよい。なお、電極面積が２００［ｃｍ２］から４００［ｃｍ２］の単セルの場合、第１積算値ｑ１は概ね１００［Ｃ］であり、第２積算値ｑ２は概ね４００［Ｃ］であった。
【0113】
また本実施形態では、所定積算値ｑｔｈｒを第２積算値ｑ２に固定していたが、可変値としてもよい。例えば、システム始動時におけるＦＣ温度Ｔｆｃが相対的に高いときには、電流積算値ｑが所定積算値ｑｔｈｒに達する前に、ＦＣ温度Ｔｆｃが過乾燥状態の単セルのセル抵抗が許容範囲となる温度（例えば、少なくとも０℃以上の温度）まで早期に上昇することも考えられる。このような場合には、ＦＣ温度Ｔｆｃが過乾燥状態の単セルのセル抵抗が許容範囲内となる温度に達した時点で第２低効率発電を実施しても、過乾燥状態の単セルのセル電圧が負電圧になるのを抑制できる。したがって、システム始動時におけるＦＣ温度Ｔｆｃが高いときには、低いときに比べて所定積算値ｑｔｈｒが小さくなるように、所定積算値ｑｔｈｒを、システム始動時におけるＦＣ温度Ｔｆｃに応じた可変値としてもよい。
【0114】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタック１０（燃料電池）と、電子制御ユニット２００（制御装置）と、を備える。電子制御ユニット２００は、通常発電と比べて発電損失の大きい低効率発電を実施する低効率発電実施部を備える。
【0115】
そして低効率発電実施部は、燃料電池スタック１０の発電開始時におけるＦＣ温度Ｔｆｃが基準温度Ｔｔｈｒ未満のときは、発電損失に伴う燃料電池スタック１０の発熱量が第１発熱量ＰＬ１となるように燃料電池スタック１０を発電させるように構成される。また低効率発電実施部は、発電損失に伴う燃料電池スタック１０の発熱量が第１発熱量ＰＬ１となるように燃料電池スタック１０を発電させている期間の電流積算値ｑが所定積算値ｑｔｈｒ以上になったときは、発熱量が第１発熱量ＰＬ１よりも大きい第２発熱量ＰＬ２となるように燃料電池スタック１０を発電させるように構成される。
【0116】
本実施形態では基準温度Ｔｔｈｒは、所定温度Ｔ１とされる。所定温度Ｔ１は、ＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ１未満になると、ＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度Ｔ１以上のときと比べて、電解質膜の水分量が所定量よりも少ない過乾燥状態の単セルの抵抗値の増加がより顕著となる温度である。また所定積算値ｑｔｈｒは、燃料電池スタック１０の発電に伴って生じる、燃料電池スタック１０の発電開始時からの生成水の量が、所定量以上となる値である。
【0117】
これにより、ＦＣ温度Ｔｆｃが、過乾燥状態の単セルのセル抵抗が顕著に増加し始める所定温度Ｔ１未満のときには、仮に過乾燥状態の単セルが存在していたとしても、生成水量が所定量以上となってその単セルの過乾燥状態が解消されるまで、発熱量を第１発熱量ＰＬ１に抑えた第１低効率発電を実施することができる。すなわち、仮に過乾燥状態の単セルが存在していたとしても、生成水量が所定量以上となってその単セルの過乾燥状態が解消されるまで、発電中のＦＣ電流Ｉｆｃを低く抑えることができる。そのため、仮に過乾燥状態の単セルが存在していたとしても、その単セルの抵抗過電圧を小さくすることができる。したがって、仮に過乾燥状態の単セルが存在していたとしても、急速暖機運転中に負電圧になる単セルが発生するのを抑制することができる。
【0118】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、急速暖機運転の開始時に第１低効率発電を実施するか、又は第１低効率発電を実施せずに第２低効率発電を実施するかを判断するための基準温度Ｔｆｃを可変値とした点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、急速暖機運転の開始時に第１低効率発電を実施するか、又は第１低効率発電を実施せずに第２低効率発電を実施するかを判断するための基準温度Ｔｆｃを可変値とした点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【0119】
【0120】
前述した第１実施形態では、急速暖機運転の開始時に過乾燥状態の単セルが実際に存在するか否かにかかわらず、過乾燥状態の単セルが存在することを前提に、過乾燥状態の単セルのセル抵抗が顕著に増加し始める所定温度Ｔ１を基準温度Ｔｆｃとして設定していた。
【0121】
しかしながら、急速暖機運転の開始時において、過乾燥状態の単セルが存在しないと判断できるのであれば、例えば図１３に示すように、基準温度Ｔｆｃを、過乾燥状態ではない湿潤状態の単セルのセル抵抗が増加し始める所定温度Ｔ２まで下げることができる。基準温度Ｔｆｃを下げることができれば、急速暖機運転の開始時から第２低効率発電を実施できる機会を増やすことができる。急速暖機運転の開始時から第２低効率発電を実施することで、第１低効率発電を実施してから第２低効率発電を実施したときよりも、暖機完了までの時間（暖機時間）を短くすることができる。その結果、短時間で暖機を完了させることができる機会を増やすことができる。
【0122】
ここで、システム運転中に発生した液水が、システム停止後も燃料電池スタック１０内に残留したままになっていると、システム停止期間中に液水が凍結し、システム始動時の発電性能が悪化するおそれがある。そのため、本実施形態による電子制御ユニット２００は、システム停止後に、必要に応じて燃料電池スタック１０にアノードガスやカソードガスを供給し、燃料電池スタック１０内の液水を外部に排出するための掃気処理を実施するように構成されている。
【0123】
具体的には電子制御ユニット２００は、燃料電池システム１００の掃気モードを、例えば、直近数日間の最低気温の平均値に応じて第１掃気モード又は第２掃気モードに設定しており、掃気モードが、直近数日間の最低気温の平均値が氷点下よりも高いときに設定される第１掃気モード（通常掃気モード）のときには、システム停止期間中のＦＣ温度Ｔｆｃが氷点下以下になったときに限り、燃料電池スタック１０で発電を行わずに燃料電池スタック１０内の掃気を例外的に実施するように構成されている。そして電子制御ユニット２００は、直近数日間の最低気温の平均値が氷点下以下のときに設定される第２掃気モード（冬季掃気モード）のときには、システム停止時に燃料電池スタック１０を発電させた状態で燃料電池スタック１０内の掃気を必ず実施するように構成されている。
【0124】
なお、第２掃気モードへの切替条件は、上記の条件に限られるものではなく、例えば、システム運転中に一定期間外気温が氷点下以下になったときに第２掃気モードへ切り替えるようにしてもよいし、システム終了時に外気温が氷点下以下であれば第２掃気モードへ切り替えるようにしてもよい。
【0125】
掃気モードが第１掃気モードのときに行われる掃気処理は、発電を行わずに予め設定された所定時間だけ燃料電池スタック１０内の掃気を行うものなので、システム停止時の各単セルの膜水分量に応じて、過乾燥状態になる単セルが発生する場合がある。一方で掃気モードが第２掃気モードのときに行われる掃気処理は、発電を実施しつつ、システム停止後の各単セルの膜水分量が所定量以下となるように燃料電池スタック１０内の掃気を行うものなので、基本的に過乾燥状態になる単セルが発生するおそれがない。
【0126】
そこで本実施形態では、掃気モードが第１掃気モードに設定されていて、かつ、システム停止期間中に燃料電池スタック１０内の掃気が行われたときは、過乾燥状態の単セルが存在する可能性があるため、第１実施形態と同様に、基準温度Ｔｔｈｒを所定温度Ｔ１に設定することとした。
【0127】
そして、掃気モードが第２掃気モードに設定されているときは、システム停止時に膜水分量を管理しながら燃料電池スタック１０内の掃気が必ず行われ、これにより、前述した通り基本的に過乾燥状態になる単セルが発生するおそれがないので、基準温度を所定温度Ｔ１よりも低温の所定温度Ｔ２に設定することとした。
【0128】
図１４は、本実施形態による急速暖機制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で繰り返し実行する。図１４において、ステップＳ１からステップＳ９までの処理の内容は、前述した第１実施形態の処理の内容と同じなので、ここでは説明を省略する。
【0129】
ステップＳ１０において、電子制御ユニット２００は、基準温度切替処理を実施する。基準温度切替処理の詳細については、図１５を参照して説明する。
【0130】
図１５は、基準温度切替処理について説明するフローチャートである。
【0131】
ステップＳ１０１において、電子制御ユニット２００は、掃気モードが第１掃気モードであるか、又は第２掃気モードであるかを判定する。電子制御ユニット２００は、掃気モードが第１掃気モードであれば、ステップＳ１０２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、掃気モードが第２掃気モードであれば、ステップＳ１０４の処理に進む。
【0132】
ステップＳ１０２において、電子制御ユニット２００は、システム停止期間中に燃料電池スタック１０内の掃気が行われたか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、システム停止期間中に燃料電池スタック１０内の掃気が行われていれば、ステップＳ１０３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、システム停止期間中に燃料電池スタック１０内の掃気が行われていなければ、ステップＳ１０４の処理に進む。
【0133】
ステップＳ１０３において、電子制御ユニット２００は、基準温度Ｔｔｈｒを、所定温度Ｔ１に設定する。所定温度Ｔ１は、例えば－１０［℃］前後の温度である。
【0134】
ステップＳ１０４において、電子制御ユニット２００は、基準温度Ｔｔｈｒを、所定温度Ｔ１よりも低い所定温度Ｔ２に設定する。所定温度Ｔ２は、例えば－２０［℃］前後の温度である。
【0135】
以上説明した本実施形態によれば、電子制御ユニット２００は、前述した低効率発電実施部に加え、燃料電池スタック１０の掃気モードを、第１掃気モード又は第２掃気モードに切り替える掃気モード切替部をさらに備える。第１掃気モードは、燃料電池システム１００の停止期間中において、ＦＣ温度Ｔｆｃが氷点下以下になったときに限り、燃料電池スタック１０を発電させずに燃料電池スタック１０内の掃気を実施する掃気モードである。第２掃気モードは、燃料電池システム１００の停止時に燃料電池スタック１０を発電させた状態で燃料電池スタック１０内の掃気を実施する掃気モードである。
【0136】
そして本実施形態による低効率発電実施部は、燃料電池スタック１０の掃気モードが第２掃気モードのときは、第１掃気モードの場合に燃料電池スタック１０内の掃気が実施されたときと比較して、基準温度Ｔｔｈｒを低くするように構成される。
【0137】
低効率発電実施部は、より詳細には、掃気モードが前記第１掃気モードの場合に燃料電池スタック１０内の掃気が実施されたときは、基準温度Ｔｔｈｒを所定の第１温度Ｔ１に設定し、掃気モードが第２掃気モードのときは、基準温度Ｔｔｈｒを第１温度Ｔ１よりも低い所定の第２温度Ｔ２に設定するように構成される。
【0138】
第１温度Ｔ１は、ＦＣ温度Ｔｆｃが第１温度Ｔ１未満になると、ＦＣ温度Ｔｆｃが第１温度Ｔ１以上のときと比べて、電解質膜の水分量が所定量よりも少ない過乾燥状態の単セルの抵抗値の増加がより顕著となる温度である。第２温度Ｔ２は、ＦＣ温度Ｔｆｃが第２温度Ｔ２未満になると、ＦＣ温度Ｔｆｃが第２温度Ｔ２以上のときと比べて、電解質膜の水分量が所定量よりも多い湿潤状態の単セルの抵抗値の増加がより顕著となる温度である。
【0139】
このように本実施形態では、急速暖機運転の開始時において、過乾燥状態の単セルが存在しないと判断できる場合には基準温度Ｔｔｈｒを下げることができるので、急速暖機運転の開始時から第２低効率発電を実施できる機会を増やすことができる。急速暖機運転の開始時から第２低効率発電を実施することで、第１低効率発電を実施してから第２低効率発電を実施したときよりも、暖機完了までの時間（暖機時間）を短くすることができる。その結果、短時間で暖機を完了させることができる機会を増やすことができる。
【0140】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【0141】
例えば上記の実施形態では、燃料電池システム１００を車両に搭載した場合を例にとって説明したが、車両に限らず各種の移動体に搭載してもよいし、定置式の発電設備に搭載してよい。
【符号の説明】
【0142】
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１００ 燃料電池システム
２００ 電子制御ユニット（制御装置）
１００ 燃料電池システム
２００ 電子制御ユニット（制御装置）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】