(57)【要約】【課題】システムの起動継続の可否を的確に判断し、不要なシステム停止を防止することを課題とする。【解決手段】燃料電池システムが起動されて燃料電池スタック４に水素と空気が供給された直後の燃料電池スタック４の温度に対して、燃料電池スタック４に水素と空気が供給された直後から所定の時間しきい値（Ｔｔｈ）以内に燃料電池スタック４の電圧が所定の電圧しきい値（ＶＴｈ）以上に到達したか否の判定結果に基づいて、燃料電池システムの起動を継続することが可能か否かを診断して構成される。【選択図】図１
2007165082.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度を計測または推定する温度計測手段と、
前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測手段と、
前記燃料電池システムが起動されて前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後に、前記温度計測手段で計測または推定された前記燃料電池の温度と、前記電圧計測手段で計測された燃料電池の電圧の立ち上がり特性に基づいて、前記燃料電池システムの起動を継続することが可能か否かを診断する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後から所定の時間しきい値以内に燃料電池の電圧が所定の第１の電圧しきい値以上に到達したか否で表される電圧の立ち上がり特性に基づいて診断し、前記時間しきい値と前記電圧しきい値とを可変に設定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の温度が低くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の電圧が、前記第１の電圧しきい値よりも小さい所定の第２の電圧しきい値以上になるまでの時間が長くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときの前記燃料電池の最低セル電圧の絶対値が大きい程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときに、前記燃料電池の電圧が、前記第１の電圧しきい値よりも小さい所定の第２の電圧しきい値以上になるまでの時間が長くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の温度が低くなる程、前記第１の電圧しきい値を低く設定する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧が低くなる程、前記第１の電圧しきい値を低く設定する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムの前回の運転停止から次回の起動までの時間が長くなる程、かつ前記燃料電池の温度が低くなる程、前記第１の電圧しきい値を低く設定する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧が低くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムの前回の運転停止から次回の起動までの時間が長くなる程、かつ前記燃料電池の温度が低くなる程、前記時間しきい値を長く設定する
ことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後から所定の時間しきい値以内に燃料電池の電圧が所定の第１の電圧しきい値以上に到達し、その状態が所定の診断時間継続したか否かで表される電圧の立ち上がり特性に基づいて診断する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときの前記燃料電池の最低セル電圧の絶対値が大きいほど、前記燃料電池の電圧が前記第１の電圧しきい値よりも小さい所定の第２の電圧しきい値以上になるまでの時間が長くなる程、ならびに前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧が低くなる程、前記所定の診断時間を長く設定する
ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第１の電圧しきい値は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の温度に基づいて設定された値、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧に基づいて設定された値、ならびに前記燃料電池システムの前回の運転停止から次回の起動までの時間に基づいて設定された値の内、最も小さい値が選択される
ことを特徴とする請求項２〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記時間しきい値は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の温度に基づいて設定された値、前記燃料電池システムの前回の運転停止から次回の起動までの時間に基づいて設定された値、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときに、前記燃料電池の電圧が前記第１の電圧しきい値よりも小さい所定の第２の電圧しきい値以上になるまでの時間に基づいて設定された値、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後、前記燃料電池から所定の電流を取り出したときの前記燃料電池の最低セル電圧の絶対値に基づいて設定された値、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後の前記燃料電池の無負荷電圧に基づいて設定された値の内、最も大きな値が選択される
ことを特徴とする請求項２〜１３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、システム起動後の電圧立ち上がりの応答性に基づいて起動可否を診断する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムの運転状態を診断する技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１、２参照）。特許文献１に記載された技術は、燃料電池システムの多数のセルを複数のセルグループに分け、セルグループ毎の出力電圧を計測し、出力電圧の平均電圧、出力電圧の電圧ばらつき、および出力電圧に基づいて、水分の過剰、電解質膜の乾燥、ならびに燃料ガスの供給量不足を推定している。これにより、燃料電池内の温度分布にかかわらず、燃料電池の上記運転状態を正確に推定することを可能にしている。
【０００３】
また、特許文献２に記載された技術には、燃料電池の劣化抑制の観点から、凍結が生じる可能性がある低温時には、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスを供給した後に電流を取り出し、電圧が立ち上がる際の応答性に基づいて、その後に燃料電池から取り出す電流の最適値を決定している。
【特許文献１】特開２００４−１２７９１５
【特許文献２】特開２００５−０７１６２６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の技術においては、燃料電池システムを起動後出力電圧が立ち上がる際の応答性を観測していなかった。このため、システムの低温起動時に燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスを燃料電池スタックに供給したときに、燃料電池スタック内部で低温部分が生じていることによる出力電圧の立ち上がり遅れを検知できなかった。これにより、出力電圧の立ち上がり遅れをシステムの異常として誤判定するおそれがあった。誤判定が生じると、システムの起動継続が不可能であると判断されて、システムに異常が発生していないにもかかわらずシステムが停止されるといった不具合を招くおそれがあった。
【０００５】
また、特許文献２に記載の技術においては、出力電圧が立ち上がる際の応答性を観測しているものの、これによって起動継続の可否を判断する手法を開示するものではなく、また、電圧の立ち上がり特性によって起動継続の可否を判断する場合には、電圧の立ち上がり特性を適切に判断しなければ、誤判断に繋がる可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、システムの起動継続の可否を的確に判断し、不要なシステム停止を防止した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガス供給手段により供給される燃料ガスと、酸化剤ガス供給手段により供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を計測または推定する温度計測手段と、前記燃料電池の電圧を計測する電圧計測手段と、前記燃料電池システムが起動されて前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後に、前記温度計測手段で計測または推定された前記燃料電池の温度と、前記電圧計測手段で計測された燃料電池の電圧の立ち上がり特性に基づいて、前記燃料電池システムの起動を継続することが可能か否かを診断する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスが供給された直後から所定の時間しきい値以内に燃料電池の電圧が所定の第１の電圧しきい値以上に到達したか否で表される電圧の立ち上がり特性に基づいて診断し、前記時間しきい値と前記電圧しきい値とを可変に設定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、システムの低温起動時に、燃料電池の電圧の立ち上がりが遅くなった場合であっても、システムが異常であるものと誤判定することを防止することができる。この結果、誤判定による不要なシステムの停止を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、空気供給装置１から供給される酸化剤ガスの空気（酸素）と水素タンク２から水素圧力レギュレータ３を介して供給される燃料ガスの水素との電気化学反応により発電を行って電力を得る燃料電池スタック４を備えており、発電で得られた電力は電力変換装置１２を介して負荷装置９に与えられて消費される。
【００１１】
空気供給装置１は例えばコンプレッサで構成され、このコンプレッサで燃料電池スタック４に供給される空気の圧力は、燃料電池スタック４の空気極の出口側に設けられた空気調圧弁１０で調整制御される。コンプレッサの吸気空気の温度は温度センサ２２で計測され、排出空気の温度は温度センサ２８で計測される。燃料電池スタック４の空気極入口の空気の圧力、温度は、入口近傍に設けられた圧力センサ１８、温度センサ１９でそれぞれ計測される。
【００１２】
空気供給装置１のコンプレッサには、冷却液ポンプ２５により冷却液が循環供給され、この冷却液でコンプレッサを構成するモータが冷却されている。この循環供給される冷却液は、燃料電池車両等の場合にはラジエタやラジエタファン等で構成される熱交換器（ＨＥ）２６に与えられて冷却され、冷却液の温度は温度センサ２７で計測される。
【００１３】
燃料電池スタック４は水素循環経路を備え、水素循環ポンプ５により燃料電池スタック４から排出された未使用の水素オフガスが燃料電池スタック４の水素極入口に循環水素として戻されて再利用される。すなわち、燃料電池スタック４の水素極入口には、水素タンク２から供給される水素と戻された循環水素との混合水素が供給される。循環水素は水蒸気を多く含んでおり、水素タンク２から供給される乾燥した水素と混合されて、燃料電池スタック４に供給される水素を加湿し、加湿された水素が燃料電池スタック４に供給されて電解質膜が十分に加湿される。水素循環系に蓄積された窒素は、適宜開放制御されるパージ弁１１を介してシステム外に放出される。燃料電池スタック４の水素極入口の水素の圧力、温度は、入口近傍に設けられた圧力センサ１６、温度センサ１７でそれぞれ計測される。
【００１４】
燃料電池スタック４の出力電圧は電圧センサ６で計測され、燃料電池スタック４から電力変換装置１２に流れる電流は電流センサ７で計測される。燃料電池スタック４には、セル電圧センサ８が設けられ、このセル電圧センサ８で燃料電池スタック４のセル電圧が計測される。セル電圧センサ８は、燃料電池スタック４のすべてのセル、あるいは所定のセル毎例えば数セル毎に設けられている。所定のセル毎に設けられている場合には、セル電圧センサ８が設けられていないセルのセル電圧は、セル電圧センサ８で計測されたセル電圧に基づいて推定され、最低セル電圧等が推定される。
【００１５】
燃料電池スタック４には温度センサ２９が設けられ、この温度センサ２９で計測された温度に基づいて燃料電池スタック４の温度を推定する。燃料電池スタック４には、冷却液ポンプ２１により冷却液が循環供給され、この冷却液で燃料電池スタック４の発電で発生した熱が除去される。この冷却液は、図示しないが燃料電池車両等の場合にはラジエタやラジエタファン等で構成される熱交換器に与えられて冷却される。燃料電池スタック４に導入される冷却液の温度は温度センサ２３で計測され、排出される冷却液の温度は温度センサ２０で計測される。
【００１６】
燃料電池スタック４には、電力変換装置１２を介して負荷装置９が接続され、この負荷装置９では発電量が設定されて燃料電池スタック４から負荷電流が取り出される。負荷装置９は、例えば駆動モータで構成され、発電で得られた電力は電力変換装置１２のインバータでエネルギー変換されて駆動モータへ供給されて消費される。燃料電池システムを例えば燃料電池車両に適用した場合には、駆動モータは車両走行の動力として用いられる。
【００１７】
燃料電池スタック４には、電力変換装置１２を介してバッテリ１３が接続され、このバッテリ１３は、発電で得られた電力が蓄積される一方、蓄積された電力は例えばシステム起動時に電力変換装置１２を介して補機類となる空気供給装置１等に供給され、コンプレッサを駆動する電力の一部を担う。バッテリ１３を入出力する電圧、電流は、電圧センサ１４、電流センサ１５でそれぞれ計測される。
【００１８】
燃料電池システムは、図示しないがコントロールユニットを備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、上記各センサならびにこれらのセンサで得られない他の圧力、温度、濃度、電圧、電流等、本システムの運転に必要な情報を収集するセンサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、各弁を含む本システムの制御を要する構成要素に指令を送り、以下に説明するシステム起動時における発電電圧の応答性の判断処理を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。また、コントロールユニットは、発電電圧の応答性の判断処理を実行するために、後述するシステム停止から次回の起動までの時間や、時間しきい値の経過時間を計測する計測機能を備えている。
【００１９】
次に、図２のフローチャートを参照して、システムの起動継続の判断処理の手順を説明する。ここで、以下に示す処理では、温度センサ２９で計測された温度に基づいて推定された燃料電池スタック４の温度を参照した上で、燃料電池スタック４の内部に低温（概ね５℃程度以下）部分が生じる可能性があるような低温時に実行される。なお、この処理を実行する温度は、システムの仕様や動作環境によって適宜変更することは勿論である。
【００２０】
図２において、先ず燃料電池システムの起動を開始して、燃料電池スタック４に空気ならびに水素の供給を開始する（ステップＳ２０）。なお、本実施例１では水素系には水素循環ポンプ５を設けるようにして水素ストイキ比を高く維持するようにしているので、水素循環ポンプ５もこの時点で駆動を開始する。パージ弁１１は閉じた状態で起動するが、起動後パージ弁１１を定期的に開閉制御することで、燃料電池スタック４の水素極に溜まった窒素を定期的に排出する。
【００２１】
燃料電池スタック４に供給される水素は水素圧力レギュレータ３で目標圧力に維持され、燃料電池スタック４に供給される空気は空気供給装置１を構成するコンプレッサの回転数と空気調圧弁１０の弁開度を調整制御して目標流量、目標圧力に維持する。
【００２２】
また、冷却液ポンプ２５の駆動を開始して、コンプレッサモータを冷却する冷却液の循環を開始し、コンプレッサモータの出口冷却液温度が目標温度になるように制御する。低温起動時には、燃料電池スタック４を循環する冷却液の循環はまだここでは行わない。
【００２３】
このようにしてシステムが起動された後、燃料電池スタック４に電圧が生じるか否かを観測する。システムに異常がない場合には、発電により正常時に設定された電圧が生じるが、その電圧が生じない場合にはシステムに何らかの異常があり起動継続が不可能であると判断して起動を停止（シャットダウン）する。
【００２４】
このような判定において、反応ガスが燃料電池スタック４に供給された後、電圧が所定の値に到達する電圧の立ち上がり応答は、燃料電池スタック４の状態に依存する。すなわち、燃料電池スタック４の温度が低い低温起動時などは、燃料電池スタック４での電気化学反応が鈍いため電圧の立ち上がりが遅くなる。そこで、本実施例では、燃料電池スタック４に反応ガスを供給後の電圧の立ち上がり応答において、立ち上がる電圧（電圧しきい値、Ｖｔｈ）とこの電圧しきい値に立ち上がるまでの時間（時間しきい値、Ｔｔｈ）（判定条件）を、予め設定した要件に応じて選択的に設定し（ステップＳ２１）、電圧の立ち上がり応答によるシステムの異常を判定するようにしている。判定条件の設定は、図３ならびに図４に示すフローチャートに基づいて行われる。
【００２５】
図３は上記電圧しきい値を設定する手段を示す図である。図３において、先ず燃料電池スタック４の温度と電圧しきい値（Ｖｔｈ１＞０）との関係を示すマップ３１を参照して、燃料電池スタック４の温度に基づいて電圧しきい値（Ｖｔｈ１）を設定する。マップ３１は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ３１では、燃料電池スタック４の温度が低くなる程電圧しきい値（Ｖｔｈ１）が小さくなり、正の所定の温度以上では電圧しきい値は一定値となる特性を有している。
【００２６】
また、前回システムが停止してから今回起動するまでの時間と上記電圧しきい値（Ｖｔｈ１）を補正する補正係数ｋ１（０＜ｋ１＜１）との関係を示すマップ３２を参照して、前回停止後からの時間に基づいて補正係数ｋ１を設定する。マップ３２は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ３２では、前回停止後からの時間が長くなる程補正係数が小さくなり、所定の時間以上では補正係数ｋ１は一定値となる特性を有している。補正係数ｋ１が設定されると、コントロールユニットの演算手段３４で先の電圧しきい値（Ｖｔｈ１）と補正係数ｋ１との積（Ｖｔｈ１×ｋ１）として設定される電圧しきい値（Ｖｔｈ２）が演算される。
【００２７】
さらに、反応ガスの供給直後の無負荷電圧（ＯＣＶ）と電圧しきい値（Ｖｔｈ３）との関係を示すマップ３３を参照して、無負荷電圧（ＯＣＶ）に基づいて電圧しきい値（Ｖｔｈ３）を設定する。マップ３３は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ３３では、無負荷電圧（ＯＣＶ）が低くなる程電圧しきい値（Ｖｔｈ３）が小さくなり、正の所定の発電電圧以上では電圧しきい値は一定値となる特性を有している。
【００２８】
このようにして、それぞれの要件に応じた３つの電圧しきい値（Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２，Ｖｔｈ３）が得られると、これらの電圧しきい値の内で最も低い値の電圧しきい値が選択手段３５で選択される。選択された電圧しきい値は下限リミッタ３６に与えられて、選択された電圧しきい値が適切であるか否かを判定する。すなわち、選択された電圧しきい値が下限リミット値よりも大きい場合には適切であると判定し、選択された電圧しきい値を電圧立ち上がり応答を判定する電圧しきい値（Ｖｔｈ）に使用する。一方、小さな場合には上記演算において得られた電圧しきい値が不適切であると判定し、下限リミット値を電圧立ち上がり応答を判定する電圧しきい値（Ｖｔｈ）に使用する。
【００２９】
ここで、下限リミッタ値は、実験等により予め決められるパラメータで、ある値以下の電圧ではなんらかの異常があると判定できる値に設定され、例えばセル電圧として３００ｍＶ程度を採用してもよい。このように、下限リミット値を設けることで、上記電圧しきい値の演算で不適切な電圧しきい値が算出された場合であっても、電圧の立ち上がり応答を判定することが可能となる。
【００３０】
図４は上記時間しきい値を設定する手段を示す図である。図４において、先ず燃料電池スタック４の温度と時間しきい値（Ｔｔｈ１）との関係を示すマップ４１を参照して、燃料電池スタック４の温度に基づいて時間しきい値（Ｔｔｈ１）を設定する。マップ４１は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ４１では、燃料電池スタック４の温度が低くなる程時間しきい値（Ｔｔｈ１）が長くなり、正の所定の温度以上では時間しきい値は一定値となる特性を有している。
【００３１】
次に、前回システムが停止してから今回起動するまでの時間と上記時間しきい値（Ｔｔｈ１）を補正する補正係数ｍ１（０＜ｍ１＜１）との関係を示すマップ４２を参照して、前回停止後からの時間に基づいて補正係数ｍ１を設定する。マップ４２は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ４２では、前回停止後からの時間が長くなる程補正係数ｍ１が大きくなり、所定の時間以上では補正係数ｍ１は一定値となる特性を有している。補正係数ｍ１が設定されると、コントロールユニットの演算手段４６で先の時間しきい値（Ｔｔｈ１）と補正係数ｍ１との積（Ｔｔｈ１×ｍ１）として設定される時間しきい値（Ｔｔｈ２）が演算される。
【００３２】
次に、反応ガスの供給直後に燃料電池スタック４から所定の電流を取り出し、最低セル電圧が、時間しきい値（Ｔｔｈ３）を設定するために使用される電圧しきい値（ここでは例えば０Ｖに設定）に到達するまでの時間と時間しきい値（Ｔｔｈ３）との関係を示すマップ４３を参照して、最低セル電圧が０Ｖに達する時間に基づいて時間しきい値（Ｔｔｈ３）を設定する。マップ４３は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ４３では、最低セル電圧が０Ｖに達する時間が長くなる程時間しきい値（Ｔｔｈ３）が長くなる特性を有している。
【００３３】
なお、本実施例１では、最低セル電圧が０V以上となる時間が長くなる程、時間しきい値（Ｔｔｈ３）を長く設定しているが、これ以外にも、燃料電池スタック４の電圧が所定の電圧しきい値以上となるまでの時間が長くなる程、時間しきい値（Ｔｔｈ３）を長く設定するようにしてもよい。ここで、燃料電池スタック４の電圧と比較される電圧しきい値は、図３に示す処理で設定される電圧しきい値（Ｖｔｈ）よりも小さな値に設定することが好ましい。
【００３４】
次に、反応ガスの供給直後に燃料電池スタック４から所定の電流を取り出した際に最低セル電圧の絶対値と時間しきい値（Ｔｔｈ４）との関係を示すマップ４４を参照して、最低セル電圧の絶対値に基づいて時間しきい値（Ｔｔｈ４）を設定する。マップ４４は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ４４では、最低セル電圧の絶対値が大きくなる程時間しきい値（Ｔｔｈ４）が長くなる特性を有している。
【００３５】
次に、反応ガスの供給直後に燃料電池スタック４の無負荷電圧（ＯＣＶ）と時間しきい値（Ｔｔｈ５）との関係を示すマップ４５を参照して、無負荷電圧（ＯＣＶ）に基づいて時間しきい値（Ｔｔｈ５）を設定する。マップ４５は、予め実験や机上検討により用意してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ４５では、無負荷電圧（ＯＣＶ）が低い程時間しきい値（Ｔｔｈ５）が長くなる特性を有している。
【００３６】
なお、上記時間しきい値（Ｔｔｈ３）と時間しきい値（Ｔｔｈ４）を設定する際に燃料電池スタック４から取り出す電流は極小さい値でよく、数アンペア程度でよい。本実施例１では例えば１アンペア程度としている。大きな電流にすれば、それだけセル電圧が０Ｖに到達するのが遅いセル、もしくは最低セル電圧になるセルが強調される。しかし、各セルへの反応ガスの分配にはばらつきがあるので、水素供給直後は一部のセルでは水素不足のおそれがあり、このような状態で多くの電流を取り出すと燃料電池スタック４の劣化を促進するおそれがある。そのため、取り出す電流は極力小さい電流としている。
【００３７】
このようにして、それぞれの要件に応じた５つの時間しきい値（Ｔｔｈ１〜Ｔｔｈ５）が得られると、これらの時間しきい値の内で最も長い時間しきい値が選択手段４７で選択される。選択された時間しきい値は上限リミッタ４８に与えられて、選択された時間しきい値が適切であるか否かを判定する。すなわち、選択された時間しきい値が上限リミット値よりも短い場合には適切であると判定し、選択された時間しきい値を電圧立ち上がり応答を判定する時間しきい値（Ｔｔｈ）に使用する。一方、長い場合には上記演算において得られた時間しきい値が不適切であると判定し、上限リミット値を電圧立ち上がり応答を判定する時間しきい値（Ｔｔｈ）に使用する。
【００３８】
ここで、上限リミット値は、実験等により予め決められるパラメータで、ある値以上の時間ではなんらかの異常があると判定できる値に設定され、例えば３０ｓ程度を採用してもよい。このように、上限リミット値を設けることで、上記時間しきい値の演算で不適切な時間しきい値が算出された場合であっても、電圧の立ち上がり応答を判定することが可能となる。
【００３９】
次に、図２に戻って、このようにして電圧しきい値（ＶＴｈ）と時間しきい値（Ｔｔｈ）が設定されると、燃料電池スタック４に反応ガスが供給された後、発電電圧の最低セル電圧の絶対値が小さな場合（符号ａで示す）と大きな場合（符号ｂで示す）との発電電圧の変化を表した図５のタイミングチャートに示すように、上記設定した時間しきい値（Ｔｔｈ）の時間内に、上記設定した電圧しきい値（Ｖｔｈ）以上の電圧に発電電圧が到達したか否かを判定する（ステップＳ２２）。判定の結果、上記判定要件を満足した場合には、それまでの起動動作を継続して暖機発電を開始する（ステップＳ２３）。
【００４０】
暖機発電を開始した後、冷却液ポンプ２１を駆動して燃料電池スタック４に冷却液を循環させる。なお本実施例１では、所定発電以上を所定時間継続した後冷却液の循環を開始するようにしている。すなわち、冷却液の循環で燃料電池スタック４の内部が冷えて発電による生成水が凍結しないように、予め発電で燃料電池スタック４の内部が暖まった状態で冷却液を循環するようにしている。冷却液の循環後、燃料電池スタック４の出口冷却液温度が所定温度、例えば２０℃程度に達したならば暖機発電を終了して起動処理を終了する（ステップＳ２４）。
【００４１】
一方、上記判定の結果、上記判定要件を満足しない場合には、起動は不可能であると判断して起動を停止（シャットダウン）する処理を開始し（ステップＳ２５）、処理が終了することでシステムの起動が停止する（ステップＳ２６）。
【００４２】
なお、先のステップＳ２２において、時間しきい値の時間内に電圧しきい値の電圧以上に至った後、その状態が所定の診断時間継続したか否かを判定要件に加えるようにしてもよい。ここで、燃料電池スタック４の空気極、水素極へそれぞれ反応ガスを供給した直後、燃料電池スタック４から所定の電流を取り出したときの最低セル電圧の絶対値が大きい程、燃料電池スタック４の電圧（本実施例１では、最低セル電圧）が前述した時間しきい値設定用の電圧しきい値（本実施例１では０Ｖ）を越えるまでの時間が長い程、ならびに燃料電池スタック４の空気極、水素極へそれぞれ反応ガスを供給した直後の無負荷電圧（ＯＣＶ）が低い程、上記継続を判定する所定診断時間が長くなるように設定するようにしてもよい。
【００４３】
以上説明したように、上記実施例においては、燃料電池スタック４の温度とセル電圧の立ち上がり応答特性に基づいて燃料電池スタック４のスタック内部で低温部分が生じているか否かを診断している。ここで、燃料電池スタック４に反応ガスを供給開始した直後から所定の時間しきい値以内に、発電電圧が所定の電圧しきい値以上に到達するか否かを診断しており、この時間しきい値と電圧しきい値とを可変に設定しているので、電圧の立ち上がり応答特性を適切に判定することが可能となる。これにより、例えば、低温時に電気化学反応が鈍くなり電圧の立ち上がりが遅くなった場合であっても、システムが異常であるものと誤判定することを防止することができる。
【００４４】
発電電圧が所定の電圧しきい値以上に到達するか否かを判定するまでの時間を長くすることで、低温時に電気化学反応が鈍くなり電圧の立ち上がりが遅く電圧が低い場合などを異常と誤判定しないようにすることが可能となる。
【００４５】
発電電圧が所定の電圧しきい値以上になるまでの時間によって低温時の電圧の立ち上がり特性を検知するようにしたので、起動終了して発電を開始する前に前もって低温時に反応が鈍くなり電圧の立ち上がりが鈍いかどうかを検知することができる。
【００４６】
発電電圧の最低セル電圧の絶対値が大きいほどその後正の電圧へ向かって電圧が立ち上がって或る電圧閾値まで到達する時間が長くなる特性を推定することで、前もって低温時に反応が鈍くなり電圧の立ち上がりが鈍いか否かを検知することができる。
【００４７】
燃料電池スタック４から所定の電流を取り出して電圧の立ち上がり特性を判定するようにしたので、電圧の立ち上がりが遅い燃料電池セルを的確に区別することができる。
【００４８】
燃料電池温度が低くなる程システムの運転状態が正常か否かを判定する電圧しきい値を低く設定することで、低温時に発電反応が鈍く発電電圧が低くなるような場合であっても、システムの異常と誤判定しないようにすることができる。
【００４９】
無負荷電圧が低くなる程システムの運転状態が正常か否かを判定する電圧しきい値を低く設定することで、低温時に発電反応が鈍く無負荷電圧が低くなるような場合であっても、システムの異常と誤判定しないようにすることができる。
【００５０】
システムの停止から起動までの時間が長くなる程システムの運転状態が正常か否かを判定する電圧しきい値を低く設定することで、システムの前回の停止から今回の起動までの期間が長く、水素極を満たしていた空気が水素と完全に入れ替わっていないような場合であっても、電圧の立ち上がりが遅く電圧が低い場合などをシステムの異常と誤判定しないようにすることができる。
【００５１】
無負荷電圧が低くなる程システムの運転状態が正常か否かを判定する電圧しきい値を低く設定することで、低温時に発電反応が鈍く電圧の立ち上がりが遅く無負荷電圧が低くなるような場合であっても、システムの異常と誤判定しないようにすることができる。
【００５２】
システムの前回の停止から今回の起動までの期間が長くなる程発電電圧が所定の電圧しきい値以上に到達するか否かを判定するまでの時間を長くすることで、システムの前回の停止から今回の起動までの期間が長く、水素極を満たしていた空気が水素と完全に入れ替わっていない場合であっても、電圧の立ち上がりが遅く電圧が低い場合などをシステムの異常と誤判定しないようにすることができる。
【００５３】
発電電圧が所定の電圧しきい値以上を所定期間継続して維持できたか否かを判定する時間（診断時間）を長くすることで、燃料電池スタック４の内部に低温の部分が存在して部分的な凍結が起きやすい状態である場合であっても、再凍結して電圧が低下するような場合を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１に係る動作の手順を示すフローチャートである。
【図３】電圧しきい値の設定手順を示す図である。
【図４】時間しきい値の設定手順を示す図である。
【図５】本発明の実施例１に係る動作のタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００５５】
１…空気供給装置
２…水素タンク
３…水素圧力レギュレータ
４…燃料電池スタック
５…水素循環ポンプ
６，１４…電圧センサ
７，１５…電流センサ
８…セル電圧センサ
９…負荷装置
１０…空気調圧弁
１１…パージ弁
１２…電力変換装置
１３…バッテリ
１６，１８…圧力センサ
１７，１９，２０，２２，２３，２７，２８，２９…温度センサ
２１，２５…冷却液ポンプ
３４，４６…演算手段
３５，４７…選択手段
３６，４８…下限リミッタ
【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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