(57)【要約】【課題】本発明の少なくとも一つの実施形態は、レンジエクステンダー用燃料電池を起動する際に、小流量の水素を燃料電池に供給することで、燃料電池の高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制する電動車両の燃料電池装置を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池５の空気極１１に酸素を供給する空気供給手段１３と、燃料極１５に水素を供給する水素供給手段１７と、燃料電池５の起動時に、少なくとも水素供給手段１７を制御して燃料電池の起動を制御する起動制御手段１９Ａとを備え、起動制御手段は、燃料電池の内部圧力に基づいて、該内部圧力よりも高く、燃料電池の起動時の立ち上がりピーク電圧が通常起動時のピーク電圧より低下する所定の水素供給圧力に調整する水素圧調整部６７を有することを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発生される電力を充電する二次電池と、を備え、前記二次電池の電力によって駆動される電動車両の燃料電池装置において、
前記燃料電池の空気極に酸素を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池の燃料極に水素を供給する水素供給手段と、
前記燃料電池の起動時に、少なくとも前記水素供給手段を制御して燃料電池の起動を制御する起動制御手段と、を備え、
前記起動制御手段は、
燃料電池の内部圧力に基づいて、該内部圧力よりも高く、燃料電池の起動時の立ち上がりピーク電圧が通常起動時のピーク電圧より低下する所定の水素供給圧力に調整する水素圧調整部を有することを特徴とする電動車両の燃料電池装置。
【請求項２】
前記水素供給手段は、前記燃料極に供給される水素を加湿する加湿器を有し、前記起動制御手段は、前記加湿器を制御して前記燃料極に供給される水素を過加湿状態にする加湿制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の電動車両の燃料電池装置。
【請求項３】
前記燃料極に供給する水素ガスに空気を混合して水素空気混合ガスを生成する空気混合手段を備え、
前記起動制御手段は、前記空気混合手段を制御して前記燃料極に供給される水素濃度を爆発限界濃度範囲外にするとともに通常起動時より低減せしめる水素濃度制御部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電動車両の燃料電池装置。
【請求項４】
前記電動車両が所定の車速以上の場合に、前記空気極へ供給する空気を走行風による自然吸気を用いることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電動車両の燃料電池装置。
【請求項５】
前記起動制御手段は、前記水素圧調整部による制御によって起動時の高電位化を回避できなかった場合には、次回の起動時に前記加湿制御部による制御と前記水素濃度制御部による制御のいずれか一方、又は両方の制御を実行することを特徴とする請求項３又は４に記載の電動車両の燃料電池装置。
【請求項６】
前記起動制御手段は、前記二次電池のＳＯＣが所定値以下に低下した場合に実行されることを特徴とする請求項１に記載の電動車両の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電動車両の燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な燃料電池車に搭載される燃料電池は、主に駆動用のために搭載されるので、レスポンス性が高いことが特徴である。
また、燃料電池を起動する際に生じる燃料電池電圧（ＦＣ電圧）の高電位によって、電極触媒が劣化する課題も知られている。
【０００３】
特許文献１には、燃料電池の電極の劣化を抑制する燃料電池システムについて開示されており、燃料電池スタックに供給される水素ガスを、二次圧可変調圧弁を介して供給し、起動時において、二次圧可変調圧弁の設定値を、通常の発電時における供給圧より高く設定し、水素ポンプの駆動とともに、水素供給電磁弁を開放し、燃料室内に残留している酸素を、短時間で排出し、水素ガスに置換することが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１３９９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１においては、燃料電池の起動時において、水素ガスの水素置換時間を短縮化するため、二次圧可変調圧弁の設定値を、通常の発電時における供給圧より高く設定して燃料室内に供給している。しかし、水素ガスを通常の発電時における供給圧より高く設定するので燃料電池を起動する際に生じる燃料電池電圧の高電位化によって、電極触媒が劣化する課題が残る。
【０００６】
一方、燃料電池によって発電された電力を二次電池（駆動用バッテリ）に充電して、この二次電池の電力を駆動電力とするような、レンジエクステンダー用の燃料電池においては、燃料電池は二次電池の充電に特化するため、レスポンス性に対する要求は低く、電極触媒の劣化を抑制しながら燃料電池を制御することが可能である。
【０００７】
そこで、このような課題に鑑み、本発明の少なくとも一つの実施形態は、レンジエクステンダー用燃料電池を起動する際に、小流量の水素を燃料電池に供給することで、燃料電池の高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制する電動車両の燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）前述した目的を達成するために発明されたものであって、本発明の少なくとも一つの実施形態は、水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池で発生される電力を充電する二次電池と、を備え、前記二次電池の電力によって駆動される電動車両の燃料電池装置において、前記燃料電池の空気極に酸素を供給する空気供給手段と、前記燃料電池の燃料極に水素を供給する水素供給手段と、前記燃料電池の起動時に、少なくとも前記水素供給手段を制御して燃料電池の起動を制御する起動制御手段と、を備え、前記起動制御手段は、燃料電池の内部圧力に基づいて、該内部圧力よりも高く、燃料電池の起動時の立ち上がりピーク電圧が通常起動時のピーク電圧より低下する所定の水素供給圧力に調整する水素圧調整部を有することを特徴とする。
【０００９】
上記構成（１）によれば、所謂レンジエクステンダー用燃料電池を備える電動車両の燃料電池装置において、水素圧調整部が、燃料電池の内部圧力に基づいて、該内部圧力よりも高く、燃料電池の起動時の立ち上がりピーク電圧が通常起動時のピーク電圧より低下する所定の水素供給圧力に調整するので、起動時に燃料極に供給する水素を通常の起動時に比べて小流量とすることができ、その結果、起動時の燃料電池の高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制することができる。
なお、通常起動時のピーク電圧とは、起動時に調圧弁３７による水素供給圧力を調整することなく発電運転中に必要とされる一定圧力の水素を供給した場合の起動時の立ち上がりをいう。
【００１０】
（２）また、幾つかの実施形態では、前記水素供給手段は、前記燃料極に供給される水素を加湿する加湿器を有し、前記起動制御手段は、前記加湿器を制御して前記燃料極に供給される水素を過加湿状態にする加湿制御部を有することを特徴とする。
【００１１】
上記構成（２）によれば、加湿制御部によって、水素ガスを過加湿状態に制御するので、水素ガスの拡散性が低下して起動時に生じるピーク電圧を抑制することができる。特に、親水性の高いセラミック電極触媒に対して効果的である。例えば、電極触媒の材料としては、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化スズを含むことが好ましい。
【００１２】
（３）また、幾つかの実施形態では、前記燃料極に供給する水素ガスに空気を混合して水素空気混合ガスを生成する空気混合手段を備え、
前記起動制御手段は、前記空気混合手段を制御して前記燃料極に供給される水素濃度を爆発限界濃度範囲外にするとともに通常起動時より低減せしめる水素濃度制御部を有することを特徴とする。
【００１３】
上記構成（３）によれば、水素濃度制御部によって、燃料極に供給される水素ガスに対して、水素濃度が爆発限度濃度範囲外となるように空気を供給して水素空気混合ガスを生成して供給するので、点火によって爆発的な燃焼の発生の可能性を無くして水素濃度を低減することできる。このように水素濃度の低減によって起動時に生じるピーク電圧を抑制することができる。
なお、通常起動時の水素濃度とは、起動時に水素濃度を調整することなく発電運転中に必要とされる一定水素濃度をいう。
【００１４】
（４）また、幾つかの実施形態では、前記電動車両が所定の車速以上の場合に、前記空気極へ供給する空気を走行風による自然吸気を用いることを特徴とする。
【００１５】
上記構成（４）によれば、走行風による自然吸気を用いるので、空気コンプレッサを用いないで空気を生成するため、空気コンプレッサの電力消費を節約できる。
【００１６】
（５）また、幾つかの実施形態では、前記起動制御手段は、前記水素圧調整部による制御によって起動時の高電位化を回避できなかった場合には、次回の起動時に前記加湿制御部による制御と前記水素濃度制御部による制御のいずれか一方、又は両方の制御を実行することを特徴とする。
【００１７】
上記構成（５）によれば、燃料電池の起動時に生じるピーク電圧を確実に抑制することができる。
【００１８】
（６）また、幾つかの実施形態では、前記起動制御手段は、前記二次電池のＳＯＣが所定値以下に低下した場合に実行されることを特徴とする。
【００１９】
上記構成（６）によれば、二次電池のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ、充電状態）が所定値以下に低下した際に、燃料電池が起動されるが、起動制御手段によって起動時の出力電圧の急激な立ち上りが抑制されるので、電極触媒の劣化は抑制される。
また、二次電池のＳＯＣが所定値以下に低下した際の燃料電池が起動して二次電に充電が開始されるので、二次電池の充電が確実に行われる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、レンジエクステンダー用燃料電池を起動する際に、水素圧調整部が、燃料電池の内部圧力に基づいて、該内部圧力よりも高く、燃料電池の起動時の立ち上がりピーク電圧が通常起動時のピーク電圧より低下する所定の水素供給圧力に調整するので、起動時に燃料極に供給する水素を通常の起動時に比べて小流量とすることができ、その結果、起動時の燃料電池の高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の全体構成概要図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の構成図である。
【図３】起動制御手段の構成図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の起動制御手段の制御フローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の起動制御手段の制御タイムチャートである。
【図６】本発明の他の実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の起動制御手段の制御フローチャートである。
【図７】本発明の他の実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の構成図である。
【図８】図７の他の実施形態の起動制御手段の制御フローチャートである。
【図９】本発明の他の実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の構成図である。
【図１０】図９の他の実施形態の起動制御手段の制御フローチャートである。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る電動車両の燃料電池装置の構成図である。
【図１２】図１１の他の実施形態の起動制御手段の制御フローチャートである。
【図１３】図７、図９、図１１の他の実施形態の起動改善制御（１）の制御フローチャートである。
【図１４】図７、図９、図１１の他の実施形態の起動改善制御（２）の制御フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいてより詳細に説明する。
ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれらに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２３】
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【００２４】
本発明の一実施形態に係る電動車両１の燃料電池装置３Ａについて、全体構成を図１、図２を参照して説明する。
図１は、全体構成概要図であり、電動車両１は、水素及び酸素の供給を受けて発電を行う燃料電池（ＦＣ：Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）５と、燃料電池５で発生される電力を充電する二次電池（駆動用バッテリ）７と、二次電池７の電力によって駆動される駆動モータ９とを備えている。このように、燃料電池５は、所謂レンジエクステンダー用の燃料電池を構成している。
【００２５】
また、図２に示すように、電動車両１の燃料電池装置３Ａは、主に燃料電池５の空気極１１に酸素を供給する空気供給手段１３と、燃料電池５の燃料極１５に水素を供給する水素供給手段１７と、燃料電池５の起動時（発電時）に、空気供給手段１３及び水素供給手段１７を制御して燃料電池５の起動を制御する起動制御手段１９Ａと、を備えている。この起動制御手段１９Ａは、燃料電池５の運転状態の全体を制御する制御装置２１内に設けられている。
【００２６】
燃料電池５は、固体高分子電解質膜を挟んで空気極と燃料極とを対設した構造を有する発電セルをセパレータで挟持して、これを複数積層して構成されている。
また、複数の発電セルの各空気極側の触媒層に酸素である空気が供給され、各燃料極側の触媒層に燃料ガスの水素ガスが供給されるようになっている。そして、燃料極に水素ガスを供給するとともに空気極に酸素を含む空気を供給することで、水素と酸素とを化学反応させて電極間に発生する起電力として電気エネルギーを取り出す。
【００２７】
図１においては、複数の発電セルの各空気極をまとめて便宜的に空気極１１として示し、複数の発電セルの各燃料極をまとめて便宜的に燃料極１５として示している。
そして、燃料電池５には、空気極１１に空気を供給する空気供給管２３が接続され、燃料極１５には、水素ガスを供給する水素供給管２５が接続されている。
【００２８】
空気供給管２３には、上流側に図示しないフィルタを介して外気が導入される空気コンプレッサ２７が設けられている。空気コンプレッサ２７は、後述する起動制御手段１９Ａによって、作動様態（回転速度状態）が制御されて、空気極１１へ供給される空気が所定の圧力または流量になるように制御される。
以上の空気供給管２３、及び空気コンプレッサ２７を備えて空気供給手段１３を構成している。
【００２９】
水素供給管２５の上流側には、燃料ガスである水素を高圧状態で貯蔵する高圧水素タンク３１が設けられている。高圧水素タンク３１の下流側には元弁３３が設けられ、元弁３３の開閉によって水素ガスの供給が制御される。元弁３３の下流側には、減圧弁３５が設けられ高圧水素タンク３１からの水素ガスが所定圧力に減圧される。
【００３０】
減圧弁３５の下流側には、燃料電池５の起動時に作動される調圧弁３７が設けられ、減圧弁３５によって減圧された水素ガスを、起動時のピーク電圧を低下させるようにさらに調整される。このように調圧弁３７によって調整された水素ガスが燃料極１５に供給されるようになっている。
以上の高圧水素タンク３１、水素供給管２５、元弁３３、減圧弁３５、調圧弁３７を備えて水素供給手段３９を構成している。
【００３１】
燃料電池５の空気極１１及び燃料極１５にそれぞれ供給された空気及び水素ガスは、それぞれ一部が消費され、未使用の空気及び水素ガスは、空気排出管４１及び水素排出管４３を介して外部（大気）に排出されるようになっている。
【００３２】
また、水素排出管４３と水素供給管２５を接続するように水素循環流路４５が設けられている。水素排出管４３の側には三方弁４７が設けられ、三方弁４７の切り替えによって水素排出管４３に排出された排出水素が水素供給管２５に戻るようになっている。戻り口４９は調圧弁３７の下流側に接続されている。なお、戻り口４９は調圧弁３７の上流側に接続される配置でもよい。また、水素循環流路４５には排出水素を水素供給管２５に戻すように流す水素循環ポンプ５１が設けられている。
【００３３】
また、図１、２に示すように、燃料電池５によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５３を介して、二次電池７の所定電圧に変換されて二次電池７に充電されるようになっている。
【００３４】
次に、制御装置２１について説明する。
制御装置２１は、燃料電池５の発電の起動及び停止の制御、さらに燃料電池５からの発電電力の二次電池７への供給を総合的に制御する機能を有している。そして、制御装置２１は、図２に示すように、主に起動制御手段１９Ａを有している。
【００３５】
また、制御装置２１には、図示しない信号入力部、信号出力部、記憶部、演算部、タイマー等が設けられている。そして、信号入力部には、二次電池７の充電状態を検出する充電状態検出手段５５からのＳＯＣの信号が入力される。
【００３６】
その他、車速センサ５７からの車速信号、燃料電池５の内部温度（燃料極室の内部温度）を検出する温度検出センサ５９からの信号、燃料電池５の内部圧力（燃料極室の内部圧力）を検出する圧力検出センサ６１からの信号、燃料電池５の出力電圧を検出する電圧センサ６３からの信号、燃料電池５の水素濃度（燃料極室へ供給される水素の水素濃度）を検出する水素濃度センサ６５の信号がそれぞれ入力される。
【００３７】
起動制御手段１９Ａには、本一実施形態においては、図３に示す水素圧調整部６７が設けられている。他の実施形態においては後述するように、さらに、自然吸気制御部６９、加湿制御部７１、水素濃度制御部７３が設けられる。
【００３８】
この水素圧調整部６７では、燃料電池５の内部圧力（燃料極１５の側の内部圧力、すなわち燃料極１５の燃料室内に残留している水素ガスの圧力）に基づいて、該内部圧力よりも高く、燃料電池５の起動時の立ち上がりピーク電圧が通常起動時のピーク電圧が低下するような所定の水素供給圧力に調整される。
【００３９】
ここで、通常起動時のピーク電圧とは、起動時に調圧弁３７による水素供給圧力を調整することなく発電運転中に必要とされる一定圧力の水素を供給した場合の起動時の立ち上がりをいう。
【００４０】
燃料電池５の内部圧力（燃料極１５の側の内部圧力）Ｐｘより高い圧力に供給水素ガスの水素供給圧力Ａｘを設定することで、燃料極１５に水素ガスが供給されるので、燃料電池５の内部圧力Ｐｘを検出してその内部圧力に基づいて水素供給圧力Ａｘを設定する。
その水素供給圧力Ａｘの設定は、Ａｘ−Ｐｘの差圧分ΔＰの水素が供給されるので、予め起動時のピーク電圧が通常起動時のピーク電圧より低くなるように差圧分ΔＰを試験等によって求めておくことで、燃料電池５の内部圧力Ｐｘの検出値に基づいて水素供給圧力Ａｘを設定することができる。
【００４１】
例えば、通常起動時のピーク電圧より低い閾値電圧Ｖｓを目標ピーク電圧としてそれより低いピーク電圧になるような差圧分ΔＰを予め設定値として求めて、燃料電池５の内部圧力ＰｘにΔＰを加算して水素供給圧力Ａｘを設定する。
【００４２】
起動を開始すると、Ａｘ＝Ｐｘ＋ΔＰの水素供給圧力が作用させてピーク電圧を抑制して立ち上げ、その後ΔＰを減少させてゼロにして、燃料電池５の内部圧力Ｐｘと水素供給圧力Ａｘを同一にするとともに、水素供給圧力Ａｘを定常発電運転に必要な水素供給圧力にして、燃料電池５に定常発電運転に必要な水素供給圧力へと移行する。移行の判断は、燃料電池電圧が所定の電圧保持時間以上経過した場合とする。
【００４３】
次に、以上の構成を有する起動制御手段１９Ａの制御について、図４の制御フローチャート、及び図５のタイムチャートを参照して説明する。
図４の制御フローチャートおいて、まずステップＳ１で、二次電池７のＳＯＣをＳＯＣ充電状態検出手段５５によって検出する。ステップＳ２で、その検出値が所定の閾値Ｘ以下かを判定する。閾値Ｘ以下の場合（図５（Ｆ）のタイムチャートのｔ１）には、次のステップＳ３に進んで、燃料電池５の内部圧力（燃料極室の内部圧力）Ｐｘを検出する。
【００４４】
次に、ステップＳ４で、水素供給圧力Ａｘを設定する。この水素供給圧力Ａｘは、上記説明したように燃料電池５の内部圧力（燃料極室の内部圧力）Ｐｘに予め設定値として求めた差圧分ΔＰを加算して設定する。図５（Ｂ）のタイムチャートに示すＦＣ内部圧力Ｐ１は、Ｐ１＝Ａｘ＝Ｐｘ＋ΔＰの状態となる。なお、空気供給圧力は規定値Ｂ１に設定されている。
【００４５】
そして、ステップＳ５で燃料電池５を起動する。また、ステップＳ２で、二次電池７のＳＯＣが、所定の閾値Ｘ以下でない場合には、ステップＳ６に進んで、燃料電池５の起動は行なわない。
【００４６】
図５のタイムチャートにおいては、ｔ１において二次電池７のＳＯＣが所定の閾値Ｘ以下になり燃料電池５が起動して、ｔ２において、起動時のピーク電圧が立つことを示している。
【００４７】
この図５のタイムチャートは、横軸に時間経過を示し、縦軸は次の図５（Ａ）から（Ｈ）である。
図５（Ａ）は、燃料電池５からの発電電圧の変化状態を示し、実線が本実施形態における起動時の出力電圧の変化状態を示し、点線が本実施形態の起動制御を行わない従来の起動時の出力電圧の変化状態を示す。本実施形態においては、急激なピーク電圧Ｖｍが抑制されることを概念的に示す。
【００４８】
図５（Ｂ）は、燃料電池５の内部圧力（燃料極室の内部圧力）Ｐｘの変化を示す。ｔ１において、水素供給圧力が付加されることで、Ｐ１へ上昇することが示される。
図５（Ｃ）は、燃料電池５への水素供給圧力Ａｘの変化を示す。ｔ１において、水素供給圧力Ａｘが、燃料電池５の内部圧力Ｐｘに基づいて設定された値に上昇することが示される。
図５（Ｄ）は、燃料電池５への空気供給圧力の変化を示す。ｔ１において、燃料電池５の起動時には規定値Ｂ１に上昇することが示される。
図５（Ｅ）は、加湿器７５の作動有無状態を示す。ｔ１において、燃料電池５の起動時に加湿器７５を作動することが示される。
図５（Ｆ）は、二次電池７のＳＯＣの変化状態を示す。ｔ１において、二次電池７のＳＯＣが所定の閾値Ｘ以下になることが示される。
図５（Ｇ）は、車速Ｋｘの変化状態が示される。
図５（Ｈ）は、走行出力すなわち、二次電池７からの出力電力の変化状態が示される。
【００４９】
以上の一実施形態によれば、所謂レンジエクステンダー用の燃料電池５を備える電動車両１の燃料電池装置３Ａは、水素圧調整部６７が、燃料電池５の内部圧力Ｐｘに基づいて、該内部圧力よりも高く、燃料電池５の起動時の立ち上がりピーク電圧が通常起動時のピーク電圧より低下する所定の水素供給圧力Ａｘに調整するので、起動時に燃料極１５に供給する水素を通常の起動時に比べて小流量とすることができ、その結果、起動時の燃料電池５の高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制することができる。
【００５０】
次に、他の実施形態を、図２、３、５、６を参照して説明する。
この実施形態の燃料電池装置３Ｂは、図２に示すように自然吸気導入部７７が設けられ、起動制御手段１９Ｂには、さらに自然吸気制御部６９を有しており、起動制御手段１９Ｂは、図３に示す水素圧調整部６７と自然吸気制御部６９とによって構成されている。
【００５１】
図２に示すように、空気供給管２３に対して空気コンプレッサ２７と並列的に自然吸気導入部７７が接続されている。車速による自然吸気を空気供給管２３に導入するようになっている。空気供給管２３の上流側には自然吸気遮断弁７９が設けられて開閉作動し、自然吸気の導入と遮断とを切り替える。また、自然吸気遮断弁７９の下流側には、流量調整弁８１が設けられて自然吸気による供給量が調整されるようになっている。
【００５２】
自然吸気制御部６９によって、自然吸気遮断弁７９の開閉及び流量調整弁８１の開度が制御される。自然吸気制御部６９の制御を、図６の制御フローチャートを参照して説明する。
まず、ステップＳ１１で、車速Ｋｘを車速センサ５７によって検出する。ステップＳ１２では、車速Ｋｘが所定車速Ｋ１速以上であるかを判定する。この車速は図４のステップＳ２で二次電池７のＳＯＣが閾値Ｘ以下と判定した時の車速Ｋｘに基づいて判定する。図５（Ｇ）の車速Ｋｘの変化を示すタイムチャートのｔ１における判定。
【００５３】
このステップＳ１２の判定結果が所定車速Ｋ１以上である場合には、ＹｅｓとなってステップＳ１３に進み、ステップＳ１３では、自然吸気遮断弁７９を開作動して自然吸気を取り込む。その後、ステップＳ１４で、空気コンプレッサ２７をＯｆｆにして、ステップＳ１５で、流量調整弁８１を調整して空気供給圧力が規定値のＢ１に相当する圧力になるように調整する。
【００５４】
一方、ステップＳ１２で、車速Ｋｘが所定車速Ｋ１以上でない場合には、ＮｏとなってステップＳ１６に進み、自然吸気遮断弁７９を閉作動して自然吸気を遮断する。そして、ステップＳ１７で、空気コンプレッサ２７をＯｎにして、空気コンプレッサ２７を作動（回転速度）して空気供給圧力が規定値のＢ１になるように制御する。
【００５５】
このような実施形態によれば、走行風による自然吸気を用いるので、空気コンプレッサ２７を用いないで燃料電池５空気極１１への空気を生成するため、電動の空気コンプレッサ２７の駆動電力を節約できる。
【００５６】
次に、他の実施形態を、図３、７、８、１３を参照して説明する。
この実施形態の燃料電池装置３Ｃは、図７に示すように加湿器７５が設けられ、起動制御手段１９Ｃにはさらに加湿制御部７１を有しており、起動制御手段１９Ｃは、図３に示す水素圧調整部６７と自然吸気制御部６９と加湿制御部７１とによって構成されている。
【００５７】
図７に示すように、水素供給管２５に接続する水素循環流路４５の戻り口４９より燃料電池５の側に加湿器７５が設置されている。この加湿器７５によって燃料電池５に供給される水素ガスの湿度が制御される。
【００５８】
加湿制御部７１によって、燃料電池５を起動する際に、燃料電池５に供給される水素ガスを過加湿状態に制御することで、水素ガスの拡散性が低下して起動時に生じるピーク電圧を抑制することができる。特に、親水性の高いセラミック電極触媒に対して効果的である。例えば、電極触媒の材料としては、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化スズを含むことが好ましい。
【００５９】
加湿制御部７１を有する起動制御手段１９Ｃの制御を、図８、図１３のフローチャートを参照して説明する。
図８においては、まずステップＳ２１で、二次電池７のＳＯＣをＳＯＣ充電状態検出手段５５によって検出する。次にステップＳ２２で、その検出値が所定の閾値Ｘ以下かを判定する。閾値Ｘ以下の場合には、次のステップＳ２３に進み、閾値Ｘ以下でない場合にはステップＳ２５に進んでＦＣの起動は行なわない。
【００６０】
閾値Ｘ以下の場合には、次のステップＳ２３に進んで、起動が初回かを判定する。初回の場合には、ＹｅｓとなってステップＳ２４に進んで、ステップＳ２４では、図４に示すフローチャートのステップＳ３〜Ｓ５に従ってＦＣの起動を実行する。
【００６１】
一方、起動が初回でない場合には、ステップＳ２６に進んで、ステップＳ２６では、前回起動時のピーク電圧Ｖｍの記憶データを取得する。そして、ステップＳ２７で、そのピーク電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｓ以下か判定する。閾値電圧Ｖｓ以下の場合には、Ｙｅｓとなって、ステップＳ２４に進んでＦＣを起動する。
【００６２】
一方、ステップＳ２７で、ピーク電圧Ｖｍが閾値電圧Ｖｓ以下でない場合には、Ｎｏとなって、ステップＳ２８で、ステップＳ３、Ｓ４と同様に、水素供給圧力ＡＸの設定及び空気供給圧力の規定値Ｂ１の設定を行う。
【００６３】
そして、次に、ステップＳ２９で、起動改善制御（１）を実行する。
この起動改善制御（１）は、図１３に示すように、まずステップＳ３１で、ＦＣ内部温度（燃料極室の内部温度）の検出信号を取り込む。次に、ステップＳ３２で、加湿器７５の温度を制御する。すなわち、ステップＳ３１で検出したＦＣ内部温度に一致するように加湿器７５の作動を制御する。そして、ステップＳ３３でＦＣを起動する。
【００６４】
ステップＳ３２のように、加湿器７５の温度をＦＣ内部温度に一致するように制御することは、加湿器７５から出力される水蒸気がＦＣ内部すなわち燃料極室内での温度に対して飽和蒸気量に達しているので、燃料極室内においては相対湿度が１００％状態の過加湿状態となり、水素ガスを過加湿状態に制御することで、水素ガスの拡散性が低下して起動時に生じるピーク電圧を抑制することができる。
【００６５】
このような実施形態によれば、前回の起動時に水素供給圧力Ａｘの制御だけでは十分に起動時時のピーク電圧Ｖｍが抑制できない場合には、加湿器７５の加湿温度を制御することで確実に起動時の燃料電池５の高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制することができる。
【００６６】
次に、他の実施形態を、図３、９、１０、１４を参照して説明する。
この実施形態の燃料電池装置３Ｄは、図９に示すように空気混合供給弁（空気混合手段）８３が設けられ、起動制御手段１９Ｄには加湿制御部７１に代えて水素濃度制御部７３を有しており、起動制御手段１９Ｄは、図３に示す水素圧調整部６７と自然吸気制御部６９と水素濃度制御部７３とによって構成されている。
【００６７】
図９に示すように、水素供給管２５に接続する水素循環流路４５の戻り口４９より燃料電池５の側の水素供給管２５と空気供給管２３との間に、空気混合供給弁８３が設置されている。この空気混合供給弁８３によって水素ガスに対して空気供給管２３を流れる空気の一部を混合して燃料極１５に供給される水素濃度の低減が制御される。
なお、水素濃度の低減とは、通常始動時の水素濃度より低減させることであり、この通常起動時の水素濃度とは、起動時に水素濃度を調整することなく発電運転中に必要とされる一定水素濃度をいう。
【００６８】
水素と酸素との混合気体は点火により爆発的な燃焼を発生する可能性があることが知られている。水素が爆発的に燃焼する可能性が著しく高くなる水素濃度の範囲を一般に「爆発限度濃度」と呼び、この範囲から外れることが必要である。
【００６９】
従って、水素濃度制御部７３によって、燃料極１５に供給される水素ガスに対して、水素濃度が爆発限度濃度範囲外となるように空気を供給して水素空気混合ガスを生成するので、点火によって爆発的な燃焼の発生の可能性を無くして水素濃度を低減することできる。このように水素濃度の低減によって起動時に生じるピーク電圧を抑制することができる。
【００７０】
水素濃度制御部７３を有する起動制御手段１９Ｄの制御を、図１０、図１４のフローチャートを参照して説明する。
図１０に示すフローチャートは、図８に示す加湿制御部７１を有する実施形態の制御と同様であり、ステップＳ２１〜Ｓ２８は同じであり、ステップＳ３０の起動改善制御（２）が相違する。このステップＳ３０の起動改善制御（２）を図１４に示す。
【００７１】
起動改善制御（２）は、図１４のように、まずステップＳ４１で、燃料電池５の水素濃度（燃料極室へ供給される水素の水素濃度）の検出信号を取り込む。次に、ステップＳ４２で、空気混合供給弁８３の開度を制御する。すなわち、水素濃度が爆発限界濃度範囲外であって、ステップＳ４１で検出した水素濃度より低減するように制御する。そして、ステップＳ４３で燃料電池５を起動する。
【００７２】
このような実施形態によれば、前回の起動時に水素供給圧力Ａｘの制御だけでは十分に起動時時のピーク電圧Ｖｍが抑制できない場合には、空気混合供給弁８３の開度を制御して、燃料極１５に供給される水素ガスの水素濃度を低減することで確実に起動時の燃料電池５の高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制することができる。
【００７３】
次に、他の実施形態を、図３、１１、１２、１３、１４を参照して説明する。
この実施形態の燃料電池装置３Ｅは、図１１に示すように加湿器７５と空気混合供給弁８３との両方が設けられ、起動制御手段１９Ｅには加湿制御部７１と水素濃度制御部７３を有しており、起動制御手段１９は、図３に示す水素圧調整部６７と自然吸気制御部６９と加湿制御部７１と水素濃度制御部７３とによって構成されている。
【００７４】
図１１に示すように、水素供給管２５に接続する水素循環流路４５の戻り口４９より燃料電池５の側の水素供給管２５に加湿器７５が設けられ、さらに水素供給管２５に接続する水素循環流路４５の戻り口４９より燃料電池５の側の水素供給管２５と空気供給管２３との間に空気混合供給弁８３が設置されている。なお、加湿器７５の位置は空気混合供給弁８３の接続位置に対して上流側でも下流側でもよい。
【００７５】
加湿制御部７１と水素濃度制御部７３との両方を有する起動制御手段１９Ｅの制御を、図１２、図１３、図１４のフローチャートを参照して説明する。
図１２に示すフローチャートは、図８に示す加湿制御部７１を有する実施形態の制御とステップＳ２１〜Ｓ２８は同様であり、ステップＳ５１で起動改善制御（１）のステップＳ３１、Ｓ３２の加湿器７５の制御を行い、次のステップＳ５２で起動改善制御（２）のステップＳ４１、４２の空気混合供給弁８３の開度制御との両方を行い、ステップＳ５３で燃料電池５が起動される点が相違する。
この起動改善制御（１）、及び起動改善制御（２）は、既に他の実施形態で説明した図１３、及び図１４の改善制御である。
【００７６】
従って、このような実施形態では、前回の起動時に水素供給圧力の制御だけでは十分に起動時時のピーク電圧Ｖｍが抑制できない場合には、加湿器７５の加湿温度を制御するとともに、さらに、空気混合供給弁８３の開度を制御して水素濃度を低減することによって、確実に起動時の燃料電池５のピーク電圧を低減して高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、レンジエクステンダー用の燃料電池を起動する際に、水素圧調整部が、燃料電池の内部圧力に基づいて、該内部圧力よりも高く、燃料電池の起動時の立ち上がりピーク電圧が通常起動時のピーク電圧より低下する所定の水素供給圧力に調整するので、起動時に燃料極に供給する水素を通常の起動時に比べて小流量とすることができ、その結果、起動時の燃料電池の高電位化を回避して電極触媒の劣化を抑制することができるので、電動車両の燃料電池装置への利用に適している。
【符号の説明】
【００７８】
１  電動車両
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ  燃料電池装置
５  燃料電池
７  二次電池
９  駆動モータ
１１  空気極
１３  空気供給手段
１５  燃料極
１７  水素供給手段
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ、１９Ｄ、１９Ｅ  起動制御手段
２１  制御装置
２３  空気供給管
２５  水素供給管
２７  空気コンプレッサ
３１  高圧水素タンク
４５  水素循環流路
６７  水素圧調整部
６９  自然吸気制御部
７１  加湿制御部
７３  水素濃度制御部
７５  加湿器
８３  空気混合供給弁（空気混合手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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