(57)【要約】【課題】低温起動時における暖機の際の水素ポンピングを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックに、カソードへの大気中の空気の供給を図る空気供給系と、カソードを通過した空気の外気排出を図る空気排出系と、アノードへの燃料ガスの給排を図る燃料ガス給排系とを接続して備える。そして、燃料電池スタックへの燃料ガスの給排や空気給排を制御する制御部は、燃料電池スタックの起動時に暖機運転を行う場合には、空気排出系から排出される空気を空気供給系が燃料電池スタックに供給する空気に加えて、燃料電池スタックに供給する。【選択図】図２
2020170650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数の燃料電池セルを積層して構成され、該燃料電池セルのカソードとアノードに対するガス供給とガス排出が可能な燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに接続され、前記カソードへの空気供給のために前記燃料電池スタックに大気中の空気を供給する空気供給系と、
前記燃料電池スタックに接続され、前記カソードを通過した空気の外気排出を図る空気排出系と、
前記燃料電池スタックに接続され、前記アノードへの燃料ガスの供給と、前記アノードを通過した燃料ガスの外気排出とを図る燃料ガス給排系と、
該燃料ガス給排系における前記燃料ガスの給排と前記空気供給系における前記空気供給と前記空気排出系における前記外気排出とを制御する制御部とを備え、
該制御部は、
前記燃料電池スタックの起動時に暖機運転を行う場合には、前記空気排出系から排出される空気を前記空気供給系が前記燃料電池スタックに供給する空気に加えて、前記燃料電池スタックに供給する、
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】
燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガス、例えば水素ガスと空気の供給を受け、水素と酸素の電気化学反応により発電する。この電気化学反応は、約７０〜８０℃の温度域で活性化する事から、低温起動時において暖機運転が必要な場合には、燃料電池を速やかに昇温させる手法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１２３９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、低温起動時の暖機運転におけるエアストイキ比を発電運転時より小さくして、少ないエアー送気量で燃料電池を低酸素濃度で暖機運転させている。低酸素濃度の暖機運転では、水素と酸素の電気化学反応で得られるエネルギーのうちの熱損失分が増大するので、その増大した熱損失分のエネルギーで、燃料電池を暖機している。低酸素濃度の暖機運転では、エアー送気量が少ないためにカソードへの酸素供給量が少なくなり、カソードでは酸素が不足する。このため、アノードから電解質膜を透過してカソードに至った水素イオンが、酸素と反応することができずに水素に変遷し、カソードで水素が生成される。この水素の生成事象は、酸素不足に起因する水素ポンピングと称され、酸素の供給量を少なくした低酸素濃度の起動運転では、不可避である。このため、特許文献１では、カソードで生成された水素が高濃度で外気に排出されないような工夫がなされている。
【０００５】
ところで、燃料電池は、複数の燃料電池セル、具体的には数百の燃料電池セルが積層されたスタック構成とされている。各燃料電池セルは、その製造過程において適正な公差範囲で製造されるが、供給されたガスがセル内を通過する際の流体抵抗は、燃料電池セルごとにバラつく。そうすると、カソードに供給される空気の体積流量とカソードに到達する実際の酸素量とは、燃料電池セルごとの流体抵抗のバラツキに対応して、燃料電池セルごとにバラつく。しかも、低酸素濃度の暖機運転では、カソードへの空気供給量が少ないことから、カソードに供給される空気の体積流量とカソードに到達する実際の酸素量は、燃料電池セルごとの流体抵抗の影響を受けやすい。よって、流体抵抗が大きな燃料電池セルでは、体積流量が小さくなってカソードに到達する実際の酸素量が少なくなり、水素ポンピングが活発に誘起し得る。このため、燃料電池全体としては、水素ポンピングが生じやすくなると危惧される。こうしたことから、低温起動時における暖機の際の水素ポンピングを抑制することが要請されるに至った。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数の燃料電池セルを積層して構成され、該燃料電池セルのカソードとアノードに対するガス供給とガス排出が可能な燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに接続され、前記カソードへの空気供給のために前記燃料電池スタックに大気中の空気を供給する空気供給系と、前記燃料電池スタックに接続され、前記カソードを通過した空気の外気排出を図る空気排出系と、前記燃料電池スタックに接続され、前記アノードへの燃料ガスの供給と、前記アノードを通過した燃料ガスの外気排出とを図る燃料ガス給排系と、該燃料ガス給排系における前記燃料ガスの給排と前記空気供給系における前記空気供給と前記空気排出系における前記外気排出とを制御する制御部とを備え、該制御部は、前記燃料電池スタックの起動時に暖機運転を行う場合には、前記空気排出系から排出される空気を前記空気供給系が前記燃料電池スタックに供給する空気に加えて、前記燃料電池スタックに供給する。この形態の燃料電池システムは、燃料電池スタックの起動時に行う暖機運転において、燃料電池セルのカソードに、空気供給系から供給される大気中の空気と、空気排出系から排出される空気(以下、排出空気と称する)とを供給する。よって、暖機に有益でエアストイキ比が小さい低酸素濃度の暖機運転を行ったとしても、燃料電池スタックへの空気供給量を低減させる必要がなくなり、それぞれの燃料電池セルには、大気中の空気と排出空気とが高い体積流量で供給される。このため、燃料電池セルごとに流体抵抗がバラついていても、高い体積流量での大気中の空気と排出空気との供給により、流体抵抗のバラツキの影響を抑えて、それぞれの燃料電池セルのカソードには、ほぼ同じ供給量での大気中の空気と排出空気とが供給されるようになる。これに加え、この形態の燃料電池システムは、空気供給系から供給される空気中の酸素と空気排出系からの排出空気中の酸素とを燃料電池セルのカソードに供給するので、燃料電池セルのカソードに実際に供給される酸素量をセルごとに確保できる。これらの結果、この形態の燃料電池システムによれば、それぞれの燃料電池セルのカソードに実際に供給される酸素量の均等度合いを高めて、燃料電池セルごとの水素ポンピングの誘起の仕方を均等化させ、燃料電池スタック全体としての水素ポンピングを抑制できる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システムの運転制御方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システムが有する制御部によって実行される低温起動時の暖機運転制御の制御手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に基づいて、車両の駆動等に必要な電力を発電し出力する。燃料電池車両は、例えば、四輪自動車である。燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池スタック２０と、空気給排系３０と、燃料ガス給排系５０と、冷媒循環部７０と、セルモニター８０と、を備える。
【００１１】
制御部１０は、中央処理装置（ＣＰＵ）と記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、記憶装置上のプログラムを、ＣＰＵが実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部１０は、後述する複数のセンサー等やセルモニター８０からの信号を読み取り、またポンプ等のアクチュエータを制御することで、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、出力要求に応じた電力を燃料電池スタック２０に発電させる機能を有する。また、後述する様に、制御部１０は、燃料電池スタック２０が低温なためにシステムの低温起動が必要で、その低温起動時の暖機運転制御を行う。
【００１２】
燃料電池スタック２０は、複数の燃料電池セル２１を積層して構成される。それぞれの燃料電池セル２１は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する発電要素であり、電解質膜２２の両面にカソード２３とアノード２４の両電極を配置した膜電極接合体をセパレータ２５で挟持する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。燃料電池スタック２０は、数々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。そして、燃料電池スタック２０は、それぞれの燃料電池セル２１のカソード２３とアノード２４に対するガス供給とガス排出が可能なスタック内ガス流路（図視略）を有する。
【００１３】
空気給排系３０は、燃料電池スタック２０に接続され、空気供給系３０Ａと、空気排出系３０Ｂと、を備える。空気供給系３０Ａは、それぞれの燃料電池セル２１のカソード２３への空気供給のために燃料電池スタック２０に大気中の空気を供給する。空気排出系３０Ｂは、それぞれの燃料電池セル２１のカソード２３を通過した空気の外気排出を図る。なお、電気化学反応に伴いカソード２３で生成された水分は、カソード２３を通過した空気と共に、空気排出系３０Ｂを介して外気に排出される。
【００１４】
空気供給系３０Ａは、燃料電池スタック２０に接続された空気供給用配管３１に、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、を備える。空気供給用配管３１は、燃料電池スタック２０のカソード側供給マニホールドの入口に接続されている配管である。エアコンプレッサ３２は、大気を取り込んで圧縮した空気を、燃料電池セル２１での発電における酸化剤ガスとして燃料電池スタック２０のカソード側マニホールドに供給する。
【００１５】
エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む大気の量を計測し、制御部１０に出力する。制御部１０は、この計測値に基づいてエアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池スタック２０に対する空気の供給量を制御する。開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池スタック２０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気が空気供給用配管３１に供給されたときに、制御部１０の制御を受けて開弁駆動する。
【００１６】
空気排出系３０Ｂは、燃料電池スタック２０に接続されたカソード排ガス用配管４１に、調圧弁４２と、三方弁４３と、分岐配管４４と、圧力計測部４５と、マフラー４６と、を備える。カソード排ガス用配管４１は、燃料電池スタック２０のカソード側排出マニホールドに接続されている配管であり、排水及びカソード排ガスを、燃料電池システム１００の外部へ排出する。このガス排出の際、その排出音は、マフラー４６で消音される。調圧弁４２は、カソード排ガス用配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池スタック２０のカソード側の背圧）を調整する。分岐配管４４は、調圧弁４２より下流側においてカソード排ガス用配管４１から分岐し、エアコンプレッサ３２の上流側でカソード排ガス用配管４１に接続されている。三方弁４３は、カソード排ガス用配管４１から分岐した分岐配管４４の分岐箇所に配設され、通常は、カソード排ガス用配管４１を全開に、分岐配管４４を全閉とする。そして、この三方弁４３は、後述の低温起動時の暖機運転制御において、制御部１０に駆動制御され、分岐配管４４の側にもカソード排ガス、即ちカソード２３を通過して空気排出系３０Ｂから排出される空気を、空気供給系３０Ａの空気供給用配管３１に還流させる。これにより、空気排出系３０Ｂから排出される空気（カソード排ガス）は、空気供給系３０Ａが燃料電池スタック２０に供給する空気に加えられてエアコンプレッサ３２の圧縮を受け、燃料電池スタック２０に供給される。
【００１７】
圧力計測部４５は、調圧弁４２の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部１０に出力する。制御部１０は、燃料電池スタック２０の運転時には、圧力計測部４５の計測値に基づいて調圧弁４２の開度を調整する。この他、制御部１０は、燃料電池スタック２０の低温起動時の暖機運転の際、圧力計測部４５の計測値や後述の冷媒循環部７０における冷却水温度等に基づいて、分岐配管４４から空気供給用配管３１に還流させる空気量を規定し、この規定した空気量でカソード排ガスが空気供給用配管３１に還流するよう、三方弁４３を開弁制御する。
【００１８】
燃料ガス給排系５０は、燃料電池スタック２０に接続され、燃料電池スタック２０におけるそれぞれの燃料電池セル２１に燃料ガスである水素ガスを供給する機能と、それぞれの燃料電池セル２１のアノード２４から排出されるアノード排ガスを外気排出する機能と、アノード排ガスを燃料電池システム１００内において循環させる機能と、を有する。燃料ガス給排系５０は、燃料電池スタック２０に接続された水素ガス供給配管５１に、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６と、を備える。水素タンク５２には、燃料電池スタック２０に供給するための水素ガスが高圧で充填されている。
【００１９】
水素ガス供給配管５１は、燃料電池スタック２０のアノード側供給マニホールドの入口に接続されている配管である。開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、この順序で、管路上流側（水素タンク５２側）から水素ガス供給配管５１に設けられている。制御部１０は、開閉弁５３の開閉を制御することによって、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入（水素ガス供給）を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部１０によって制御されている。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成される。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部１０に出力する。制御部１０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５の開閉タイミングを表す駆動周期を制御することによって、燃料電池スタック２０に供給される水素量を制御する。
【００２０】
燃料ガス給排系５０は、燃料電池スタック２０に接続されたアノード排ガス用配管６１に、気液分離部６２と、水素ガス循環配管６３と、循環ポンプ６４と、アノード排水用配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７と、を備える。アノード排ガス用配管６１は、燃料電池スタック２０のアノード側排出マニホールドに接続された配管であり、燃料電池スタック２０を気液分離部６２に接続する。アノード排ガス用配管６１には、圧力計測部６７が設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池スタック２０のアノード側排出マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池スタック２０のアノード側の背圧）を計測し、制御部１０に出力する。
【００２１】
気液分離部６２は、水素ガス循環配管６３と、アノード排水用配管６５とに接続されている。アノード排ガス用配管６１を介して気液分離部６２に流入したアノード排ガスは、気液分離部６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離部６２内において、アノード排ガスの気体成分は水素ガス循環配管６３へと誘導され、水分はアノード排水用配管６５へと誘導される。
【００２２】
水素ガス循環配管６３は、水素ガス供給配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。水素ガス循環配管６３には、循環ポンプ６４が設けられている。循環ポンプ６４は、気液分離部６２において分離された気体成分を水素ガス供給配管５１へと送り出す循環ポンプとして機能する。燃料電池スタック２０の運転中であれば、この気体成分には水素が含まれているので、循環ポンプ６４を運転することにより、燃料電池スタック２０により消費されなかった水素ガスを再び燃料電池スタック２０に循環させることができる。
【００２３】
アノード排水用配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部１０からの指令に応じて開閉する。制御部１０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中のガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。アノード排水用配管６５の下流端は、アノード側の排水とアノード排ガスとを、カソード側の排水とカソード排ガスとに混合して排出可能なように、カソード排ガス用配管４１に合流されている。
【００２４】
冷媒循環部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、冷媒用ポンプ７５と、第１温度計測部７６ａと、第２温度計測部７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、で構成される。上流側配管７１ａは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の出口とラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の入口とラジエータ７２の出口とを接続する。
【００２５】
ラジエータ７２は、外気を取り込むファンを有し、冷媒用配管７１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。冷媒用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂに設けられており、制御部１０の指令に基づき駆動する。冷媒は、冷媒用ポンプ７５の駆動力によって冷媒用配管７１内を流れる。
【００２６】
第１温度計測部７６ａは上流側配管７１ａに設けられ、第２温度計測部７６ｂは下流側配管７１ｂに設けられている。制御部１０は、２つの上記温度計測部によって上下流の各配管における冷媒温度を検出し、上下流の各配管の冷媒温度の差から燃料電池スタック２０の運転温度を検出する。制御部１０は、燃料電池スタック２０の運転温度に基づいて冷媒用ポンプ７５の回転数を制御することによって、燃料電池スタック２０の運転温度を適切に制御する。
【００２７】
セルモニター８０は、燃料電池スタック２０を構成するそれぞれの燃料電池セル２１の出力端子と接続され、それぞれの燃料電池セル２１からセル単位の発電状況を示す電流値、電圧値を検知する。そして、セルモニター８０の検知したセル電流値・セル電圧値は、制御部１０に送られ、制御部１０は、低温起動時の暖機運転を含む燃料電池スタック２０の発電運転状況下で、平均セル電圧下限値、セル電圧偏差値等を算出し、算出した平均セル電圧下限値等を制御パラメータとして、燃料電池スタック２０の発電運転を制御する。
【００２８】
燃料電池スタック２０は、上記の構成によって供給される水素と空気（酸素剤ガス）とを用いて発電する。発電した電気エネルギーは、図示しないインバータを介して、車両走行用の駆動用モータ（図示省略）に供給される。なお、電気的な構成は、本発明の要旨と直接関連しないので、その図示、及び説明は省略する。
【００２９】
図２は、燃料電池システム１００が有する制御部１０によって実行される低温起動時の暖機運転制御の制御手順を示すフローチャートである。この暖機運転制御は、燃料電池システム１００を搭載した燃料電池車両のスタートスイッチが操作される度に制御部１０により実行される。制御部１０は、低温起動時の暖機運転が必要か否かを判定する（ステップＳ１００）。この判定において、制御部１０は、冷媒循環部７０における第１温度計測部７６ａや第２温度計測部７６ｂ、空気排出系３０Ｂにおける圧力計測部４５等の各種センサーをセンシングする。そして、制御部１０は、各種センサーから得たセンシング値に基づいて、低温起動時の暖機運転が必要か否かを判定する。例えば、図１に示さない外気温センサーの検出温度が氷点下であり、冷却水温度もこれに近似した温度であれば、こうした温度検知をした制御部１０は、低温起動時の暖機運転が必要であると判定する。その一方、外気温センサーの検出温度や冷却水温度が氷点を超えていることを制御部１０が検知すると、制御部１０は、低温起動時の暖機運転は不要であると判定して、通常運転モードに推移して（ステップＳ１９０）、本ルーチンを終了する。通常運転モードは、車両運転手のアクセル操作に対応した発電運転を行う運転モードである。通常運転モードにおいて、制御部１０は、アクセル操作に対応したガス量で水素ガスと空気を燃料電池スタック２０に供給する。なお、センシングは、セルモニター８０についてもなされ、その検出値は、後述の暖機運転制御の制御パラメータとして用いられる。
【００３０】
ステップＳ１００で低温起動時の暖機運転が必要であると判定すると、制御部１０は、燃料電池スタック２０を所定の温度まで昇温させる暖機に必要な、昇温パラメータを算出する（ステップＳ１１０）。システム起動時における燃料電池スタック２０の温度は、外気温や冷却水温度とほぼ等しいので、制御部１０は、例えば、外気温と暖機目標の温度との温度差や燃料電池スタック２０の熱容量等を考慮して、燃料電池スタック２０を所定出力での発電運転、具体的にはアイドルで発電運転させた場合の昇温必要熱量、暖機継続時間、電池出力電流、セル電圧下限値、平均セル電圧下限値等を、昇温パラメータとして算出する。
【００３１】
昇温パラメータの算出に続き、制御部１０は、ステップＳ１１０で算出済みの昇温パラメータを、予め昇温パラメータごとに定めた制御マップに照合し、ステップＳ１００で必要とした暖機運転を実行するための制御パラメータを設定する（ステップＳ１２０）。設定される制御パラメータは、制御マップとの照合を経て定めた所定のＦＣ電流が得られるセル電圧下限値での発電を、暖機運転において起こすための酸素供給に関するパラメータである。具体的には、本実施形態の燃料電池システム１００では、エアストイキ比を通常の発電運転よりも小さくすることで低酸素濃度の暖機運転を起こして熱損失を高め、早期のうちの暖機を実行する。よって、制御部１０は、こうした早期暖機を実行するために必要な酸素供給に関する制御パラメータを設定する。また、本実施形態の燃料電池システム１００は、空気排出系３０Ｂにおける分岐配管４４からカソード通過済みの空気であるカソード排ガスを空気供給系３０Ａに還流させる。よって、制御部１０は、通常の発電運転よりも小さいエアストイキ比に合致した酸素供給量と、その酸素供給量を得るために必要な酸素濃度制御値とを制御パラメータとして設定する。なお、水素供給量は、アイドルでの発電運転させた場合の制御パラメータが用いられる。
【００３２】
制御パラメータの設定に続き、制御部１０は、ステップＳ１２０で設定済みの制御パラメータである酸素供給量と酸素濃度制御値に基づいて、大気中の空気の供給量に対する空気排出系３０Ｂからのカソード排ガスの環流量を設定する（ステップＳ１３０）。この環流量の設定に際し、制御部１０は、分岐配管４４を経て空気供給系３０Ａにおけるエアコンプレッサ３２の上流の空気供給用配管３１に還流するカソード排ガスにおける酸素濃度を考慮する。これは、カソード排ガスは、カソード２３での電気化学反応に酸素が供された分だけ、大気中の空気より酸素量が少なく、その酸素濃度は、数％からせいぜい１０％程度であり、その大部分が窒素で占められるからである。そして、この低酸素濃度のカソード排ガスが空気供給用配管３１に還流して大気中の空気に加えて燃料電池スタック２０に供給された際に、通常の発電運転よりも小さいエアストイキ比で低酸素濃度の暖機運転が行えるよう、大気中の空気の供給量に対するカソード排ガスの環流量が設定される。この環流量のカソード排ガスが加えられることにより、通常の発電運転よりも小さいエアストイキ比での低酸素濃度の暖機運転では、大気中の空気だけを燃料電池スタック２０に供給する場合に比して、１．１〜３．０倍程度の酸素濃度の空気が、燃料電池スタック２０に供給されることになる。なお、大気中の空気に上記した環流量のカソード排ガスが加えられて燃料電池スタック２０に供給される場合、通常の発電運転よりも小さいエアストイキ比での低酸素濃度の暖機運転であっても、既述した還流値の設定により、暖機運転を行う際のＦＣ電流値に対して、酸素過剰率が１．１〜２．０％の範囲で設定可能であり、酸素濃度が１０〜２０％の範囲で設定可能である。
【００３３】
カソード排ガスの環流量の設定に続き、制御部１０は、空気排出系３０Ｂにおける三方弁４３のガス分流開度を算出する（ステップＳ１４０）。このガス分流開度は、ステップＳ１３０で済みの環流量のカソード排ガスが分岐配管４４を経て空気供給系３０Ａにおけるエアコンプレッサ３２の上流の空気供給用配管３１に還流するのに必要な開度として算出される。
【００３４】
三方弁４３の開度算出に続き、制御部１０は、ステップＳ１４０で算出済みの環流量となるような三方弁４３の開弁駆動と、空気供給用配管３１におけるエアコンプレッサ３２の圧送駆動とを実行する（ステップＳ１５０）。これにより、既述したように低酸素濃度のカソード排ガスが分岐配管４４を経て空気供給系３０Ａにおけるエアコンプレッサ３２の上流の空気供給用配管３１に還流し、大気中の空気に加えられて燃料電池スタック２０に供給される。この空気供給は、通常の発電運転と同様、エアコンプレッサ３２による空気圧送によりなされる。なお、この空気圧送に同期して、制御部１０は、燃料ガス給排系５０による水素ガスの給排を実行し、これにより、燃料電池スタック２０に対するガス供給がなされる。
【００３５】
ステップＳ１５０にて空気圧送を開始すると、制御部１０は、燃料電池スタック２０への水素と酸素の供給を経てそれぞれの燃料電池セル２１で得られた発電電力を、燃料電池車両の各種の補機に放出する（ステップＳ１６０）。この電力放出に続き、制御部１０は、暖機運転が完了したか否かを判定し（ステップＳ１７０）、暖機運転が完了したと判定するまで、既述したガス供給と電力放出とを継続する。制御部１０は、冷媒循環部７０における第１温度計測部７６ａや第２温度計測部７６ｂの検出した冷却水温度が所定温度に達すると、暖機運転が完了したとして、三方弁４３の開弁駆動を停止し（ステップＳ１８０）、通常運転モードに移行する（ステップＳ１８０）。なお、ステップＳ１７０における暖機運転の完了の判定の前に、それぞれの燃料電池セル２１での暖機運転がステップＳ１１０で算出したセル電圧下限値と平均セル電圧下限値を満たしているかをセルモニター８０のセンシングを経て監視するようにしてもよい。そして、それぞれの燃料電池セル２１での暖機運転が算出済みセル電圧下限値と平均セル電圧下限値を満たしていなければ、ステップＳ１３０で設定済みの環流量を調整し、その調整した環流量となるよう、ステップＳ１５０にて、三方弁４３を駆動制御してもよい。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、システム起動時に低温であるために暖機運転が必要であると、空気排出系３０Ｂにおける三方弁４３を開弁駆動して（ステップＳ１５０）、空気排出系３０Ｂの分岐配管４４から、カソード排ガスである空気を空気供給系３０Ａの空気供給用配管３１に還流させる。これにより、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２０を構成するそれぞれの燃料電池セル２１のカソード２３に、空気供給系３０Ａから供給される大気中の空気と、空気排出系３０Ｂから排出される空気とを供給する。よって、暖機に有益で通常の発電運転よりもエアストイキ比が小さい低酸素濃度の暖機運転を行ったとしても、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック２０への空気供給量を低減させる必要がなくなり、それぞれの燃料電池セル２１に、高い体積流量で空気を供給できる。このため、燃料電池セル２１ごとに流体抵抗がバラついていても、高い体積流量での空気供給により、流体抵抗のバラツキの影響を抑えて、それぞれの燃料電池セル２１のカソード２３には、ほぼ同じ供給量で空気を供給できる。これに加え、本実施形態の燃料電池システム１００は、空気供給系３０Ａから供給される空気中の酸素と空気排出系３０Ｂから排出されるカソード排ガス中の酸素とを燃料電池セル２１のカソード２３に供給するので、燃料電池セル２１のカソード２３に実際に供給される酸素量をセルごとに確保できる。これらの結果、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、それぞれの燃料電池セル２１のカソード２３に実際に供給される酸素量の均等度合いを高めて、燃料電池セル２１ごとの水素ポンピングの誘起の仕方を均等化させ、燃料電池スタック２０全体としての水素ポンピングを抑制できる。
【００３７】
本実施形態の燃料電池システム１００は、低酸素濃度であっても高い体積流量での空気供給で暖機運転を行うことから、次のような付随効果を奏する。
【００３８】
第１の付随効果；
高い体積流量での空気供給に伴った流体抵抗のバラツキの影響抑制より、燃料電池スタック２０におけるセルポジション、具体的には、スタック端部に位置する燃料電池セル２１とスタック中央域に位置する燃料電池セル２１との間において、既述したようにカソード２３に実際に供給される酸素量は均等化する。よって、スタック端部に位置する燃料電池セル２１とスタック中央域に位置する燃料電池セル２１とは、低酸素濃度の暖機運転による昇温の状況が均等化し、燃料電池スタック２０全体としての速やかな暖機が可能となる。
【００３９】
第２の付随効果；
高い体積流量での空気供給に伴った流体抵抗のバラツキの影響抑制より、それぞれの燃料電池セル２１のカソード２３における発電領域面においても、酸素の到達度合いが均等化し、電解質膜２２を透過してきた水素との電気化学反応に伴う電流密度の分布が均一化する。これにより、低酸素濃度の暖機運転の継続中においてカソード２３の発電領域面での生成水の分布も均等化が高まり、電解質膜２２の湿潤程度が発電領域面で均等化する。よって、低酸素濃度の暖機運転の際の燃料電池セル２１ごとの電気化学反応の進行を確保でき、スタック昇温の信頼性が高まる。
【００４０】
第３の付随効果；
高い体積流量での空気供給に伴った流体抵抗のバラツキの影響抑制より、燃料電池セル２１間の空気供給量の偏差が小さくなる。よって、暖機運転の間において、それぞれの燃料電池セル２１のセル電圧値が均等化し、それぞれの燃料電池セル２１は、低酸素濃度の暖機運転を好適にもたらし得る平均セル電圧値に近似した電圧で安定して発電する。この結果、低酸素濃度の暖機運転による暖機効率が高まる。
【００４１】
この他、カソード２３の発電領域面における酸素の到達度合いの均等化により、アノード２４に供給する水素、詳しくは水素ガスの供給量の均等化と、これに伴う起動時の燃費向上を図ることができる。
【００４２】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１０…制御部、２０…燃料電池スタック、２１…燃料電池セル、２２…電解質膜、２３…カソード、２４…アノード、２５…セパレータ、３０…空気給排系、３０Ａ…空気供給系、３０Ｂ…空気排出系、３１…空気供給用配管、３２…エアコンプレッサ、３３…エアフロメータ、３４…開閉弁、４１…カソード排ガス用配管、４２…調圧弁、４３…三方弁、４４…分岐配管、４５…圧力計測部、４６…マフラー、５０…燃料ガス給排系、５１…水素ガス供給配管、５２…水素タンク、５３…開閉弁、５４…レギュレータ、５５…水素供給装置、５６…圧力計測部、６１…アノード排ガス用配管、６２…気液分離部、６３…水素ガス循環配管、６４…循環ポンプ、６５…アノード排水用配管、６６…排水弁、６７…圧力計測部、７０…冷媒循環部、７１…冷媒用配管、７１ａ…上流側配管、７１ｂ…下流側配管、７２…ラジエータ、７５…冷媒用ポンプ、７６ａ…第１温度計測部、７６ｂ…第２温度計測部、８０…セルモニター、１００…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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