(57)【要約】【課題】燃料電池内部の含水率に関わらず、次回起動時の発電安定性を向上させることができる燃料電池システムの起動制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システムの起動時に、インピーダンス値に基いて推定される燃料電池内部の含水率に応じて、燃料電池に供給されるカソードガス供給流量及びカソードガス圧力のうち、少なくとも一方を設定する第２ステップを有し、第２ステップにおいて、カソードガス流量は含水率が高いほど高流量に設定し、カソードガス圧力は含水率が高いほど低圧力に設定し、第２ステップで設定されたカソードガス流量及びカソードガス圧力のうち、少なくとも何れか一方に基いて、燃料電池にカソードガスを供給して燃料電池システムを起動することを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池を有する燃料電池システムの起動制御方法であって、
前記燃料電池システムの停止時における前記燃料電池のインピーダンス値、または停止直前の前記燃料電池システムの運転状況を取得する第１ステップと、
前記燃料電池システムの起動時に、前記インピーダンス値、または前記運転状況に基いて推定される前記燃料電池内部の含水率に応じて、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの酸化剤ガス流量及び酸化剤ガス圧力のうち、少なくとも一方を設定する第２ステップと、を有し、
前記第２ステップにおいて、前記酸化剤ガス流量は前記含水率が高いほど高流量に設定し、前記酸化剤ガス圧力は前記含水率が高いほど低圧力に設定し、
前記第２ステップで設定された前記酸化剤ガス流量及び前記酸化剤ガス圧力のうち、少なくとも何れか一方に基いて、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池システムを起動することを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項２】
前記第２ステップでは、前記燃料電池システムが停止してからの経過時間が長いほど前記酸化剤ガス流量を高流量に、前記酸化剤ガス圧力を低圧力に設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項３】
前記第２ステップでは、酸化剤ガス供給手段の出力を一定に保った状態で、前記酸化剤ガス圧力を低下させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの起動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの起動制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス（燃料）として水素が供給され、カソードにカソードガス（酸化剤）として空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を起こして発電するようになっている。なお、この発電に伴って燃料電池内では水分（特に、水蒸気）が生成される。
【０００３】
ところで、この種の燃料電池では、発電（運転）が停止されると、発電時に生成された水分が燃料電池内で結露することで、ソーク時間（燃料電池が停止してから、次に起動するまでの時間）中に電解質膜の含水率が高くなる。そして、含水率が高くなり水過多の状態になると、電解質膜が水で被覆される、いわゆるフラッディング状態となり、発電の再開までに時間がかかるという問題がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、掃気開始時点、及び掃気開始から所定時間経過した時点でのインピーダンス値等に基いて、掃気時間を推定し、次回の起動に備えて燃料電池内部（電解質膜）の含水率を低下させる構成が記載されている。
また、例えば、特許文献２には、燃料電池を起動させる際に、燃料電池の含水率が所定の閾値以下である場合に、通常運転時の圧力に比べて高圧の反応ガスを燃料電池に供給する構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２８２６５９号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の構成では、掃気を実施しない燃料電池システムにおいて、次回起動時の電解質膜の含水率を低減させることはできない。
また、特許文献２の構成では、含水率が所定値以下の場合の対策のみが記載されているだけであり、含水率が比較的高い場合、すなわち排水を促進する必要がある場合に、必要な排水能力を発揮することはできない。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、燃料電池内部の含水率に関わらず、次回起動時の発電安定性を向上させることができる燃料電池システムの起動制御方法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】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）を有する燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１）の起動制御方法であって、前記燃料電池システムの停止時における前記燃料電池のインピーダンス値（例えば、実施形態におけるインピーダンス値Ｉｍｐ）、または停止直前の前記燃料電池システムの運転状況を取得する第１ステップと、前記燃料電池システムの起動時に、前記インピーダンス値、または前記運転状況に基いて推定される前記燃料電池内部の含水率に応じて、前記燃料電池に供給される前記酸化剤ガスの酸化剤ガス流量（例えば、実施形態におけるカソードガス供給流量Ｑｉｎ）及び酸化剤ガス圧力（例えば、実施形態におけるカソードガス圧力Ｐｃ）のうち、少なくとも一方を設定する第２ステップと、を有し、前記第２ステップにおいて、前記酸化剤ガス流量は前記含水率が高いほど高流量に設定し、前記酸化剤ガス圧力は前記含水率が高いほど低圧力に設定し、前記第２ステップで設定された前記酸化剤ガス流量及び前記酸化剤ガス圧力のうち、少なくとも何れか一方に基いて、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給して前記燃料電池システムを起動することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載した発明では、前記第２ステップでは、前記燃料電池システムが停止してからの経過時間が長いほど前記酸化剤ガス流量を高流量に、前記酸化剤ガス圧力を低圧力に設定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載した発明では、前記第２ステップでは、酸化剤ガス供給手段（例えば、実施形態におけるエアポンプ２４）の出力を一定に保った状態で、前記酸化剤ガス圧力を低下させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載した発明によれば、含水率に応じて酸化剤ガス流量及び酸化剤ガス圧力のうち、少なくとも一方を設定することで、発電停止時の掃気等を行うことがなく、次回起動時に必要に応じて排水処理を行うことができる。したがって、発電停止時におけるＮＶ性能の悪化を抑制し、商品性を向上させることができる。
特に、本発明の構成によれば、含水率が高いほど酸化剤ガスの体積流量を増加することで、含水率に関わらず燃料電池内に滞留した水を効率的に排水することができる。したがって、フラッディングが発生するのを確実に抑制し、次回起動時の発電安定性を向上させることができる。
【００１２】
請求項２に記載した発明によれば、燃料電池システムが停止してからの経過時間が長いほど、酸化剤ガス流量を高流量に、酸化剤ガス圧力を低圧力に設定することで、起動時における含水率をより確実に推定することができる。したがって、次回起動時の発電安定性を確実に向上させることができる。
【００１３】
請求項３に記載した発明によれば、酸化剤ガス圧力を低下させるのみで、燃料電池を通過する酸化剤ガスの体積流量を増加させることができるので、酸化剤ガス供給手段の出力増加に伴うＮＶ性能の悪化を抑制し、商品性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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図である。
【図２】第１実施形態に係るＥＣＵのブロック図である。
【図３】ソーク時間、インピーダンス値、及び起動時のカソードガス供給流量の関係を示すグラフである。
【図４】ソーク時間、インピーダンス値、及び起動時のカソードガス圧力の関係を示すグラフである。
【図５】第１実施形態に係る燃料電池システムの起動制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】第２実施形態に係る燃料電池システムの起動制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】高負荷経験時間、未暖気発電経験時間、及び含水率の関係を示すグラフである。
【図８】含水率とカソードガス供給流量との関係を示すグラフである。
【図９】含水率とカソードガス圧力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガス（酸化剤ガス）である空気を供給するためのカソードガス供給手段３と、アノードガス（燃料ガス）である水素を供給するためのアノードガス供給手段４と、燃料電池２を冷却する冷却手段５と、これら各構成品を統括的に制御するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）６と、を主に備えている。
【００１６】
燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、固体高分子型の電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体（ＭＥＡ）が形成され、このＭＥＡの両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。そして、燃料電池２のアノードにはアノードガスとして水素が、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）により発生した水素イオンが電解質膜を透過してカソードに移動する。そして、カソードに移動した水素イオンが、カソードで酸素と電気化学反応（Ｈ２＋Ｏ２／２→Ｈ２Ｏ）を行い発電する。
【００１７】
また、燃料電池２には、燃料電池２のインピーダンス値Ｉｍｐを検出するインピーダンス値センサ１１が設置されている。インピーダンス値センサ１１では、検出された燃料電池２のインピーダンス値Ｉｍｐに応じた電気信号をＥＣＵ６に向けて出力する。
【００１８】
カソードガス供給手段３は、カソードガスを燃料電池２に向けて送出するエアポンプ（酸化剤ガス供給手段）２４を備えている。本実施形態のエアポンプ２４は、インペラ（不図示）がケーシング内で回転することで、ケーシングの空気取込口から取り込まれた空気を圧縮するとともに、圧縮した空気をケーシングの空気供給口から燃料電池２に向けて供給する、いわゆる遠心式のターボポンプである。エアポンプ２４は、インペラを回転させる図示しないモータを備えている。このモータは、ＥＣＵ６から出力される信号に応じて駆動することで、インペラの回転数を可変できるようになっておる。そして、本実施形態のエアポンプ２４は、インペラの回転数に応じて、エアポンプ２４から燃料電池２に供給されるカソードガスの供給流量（以下、カソードガス供給流量Ｑｉｎという）が設定される。
【００１９】
エアポンプ２４（空気供給口）には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのカソードガス供給流路２１が接続されている。カソードガス供給流路２１は、燃料電池２の入口側において、燃料電池２内でカソードに面するカソードガス流路２２に接続されている。
一方、カソードガス流路２２の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電や結露によって燃料電池２で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出流路２３が接続されている。カソードオフガス排出流路２３は、希釈ボックス４１に接続され、その後、カソードオフガスは車外へ排出される。また、カソードオフガス排出流路２３において、希釈ボックス４１よりも上流側には、燃料電池２内のカソードガスの圧力（以下、カソードガス圧力Ｐｃ）を調整する圧力調整弁２５が設置されている。
【００２０】
アノードガス供給手段４は、アノードガスが充填された水素供給システム３１を備えている。水素供給システム３１には、燃料電池２にアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路３２が接続されている。アノードガス供給流路３２は、燃料電池２の入口側において、燃料電池２内でアノードに面するアノードガス流路３３に接続されている。一方、アノードガス流路３３の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路３４が接続されている。
【００２１】
アノードガス供給流路３２には、上流側から順に、レギュレータ３５、及びエゼクタ３６が接続されている。
レギュレータ３５は、燃料電池２に供給されるカソードガス圧力Ｐｃを信号圧として、水素供給システム３１から供給される高圧の水素ガスを、信号圧に応じた所定範囲の圧力となるように調圧（減圧）するものである。これにより、燃料電池２のカソードとアノードとの間の極間差圧が所定の圧力に保持される。そして、レギュレータ３５により調圧されたアノードガスは、エゼクタ３６を通って燃料電池２に供給される。
【００２２】
アノードオフガス排出流路３４は、エゼクタ３６に接続され、燃料電池２から排出されたアノードオフガスを循環させ、燃料電池２のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出流路３４は、途中で配管が分岐して構成されたパージガス排出流路３７を有している。パージガス排出流路３７は希釈ボックス４１に接続されている。また、パージガス排出流路３７には電磁駆動式のパージ弁３９が設けられている。
【００２３】
上述した希釈ボックス４１は、パージガス排出流路３７から導入されたアノードオフガスを滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室にカソードオフガス排出流路２３が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出通路４２から車外に排出される。なお、希釈ボックス４１には、パージガス排出流路３７から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。
【００２４】
また、燃料電池２には、図示しない駆動用モータ等の電気負荷に供給する電力を制御する負荷制御装置４４が接続されている。負荷制御装置４４は、燃料電池２から出力される出力電流Ｉｆｃを変換して電気負荷に供給する。
また、燃料電池２の出力電流Ｉｆｃは電流計４５によって測定可能となっている。電流計４５は、それぞれ測定された出力電流Ｉｆｃに応じた電気信号をＥＣＵ６に向けて出力する。
【００２５】
冷却手段５は、冷媒を冷却するラジエータや、燃料電池２とラジエータとの間で冷媒を循環させるウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）等の冷却システム５１と、燃料電池２と冷却システム５１との間で冷媒を流通させる冷媒流路５２と、を備えている。また、冷媒流路５２には燃料電池２から排出される冷媒の温度（冷媒出口温度Ｔｗ）を計測するための冷媒温度センサ５３が設置されている。
【００２６】
（ＥＣＵ）
図２はＥＣＵのブロック図である。
図２に示すように、ＥＣＵ６は、インピーダンス値記憶部６１、ソーク時間計時部６２、体積流量設定部６３を主に備えている。
インピーダンス値記憶部６１は、上述したインピーダンス値センサ１１により検出されたインピーダンス値Ｉｍｐを記憶する。
ソーク時間計時部６２は、燃料電池２の発電が停止してから（イグニッションがＯＦＦ状態になってから）、次に起動するまでの時間（ソーク時間）をカウントする。
【００２７】
体積流量設定部６３は、上述したインピーダンス値記憶部６１で記憶されたインピーダンス値Ｉｍｐ、及びソーク時間計時部６２でカウントされたソーク時間に基いて、燃料電池２（電解質膜）の含水率を推定するとともに、含水率に応じて単位時間当たりに燃料電池２を通過するカソードガスの目標体積流量Ｑｆを設定する。具体的に、体積流量設定部６３は、カソードガス供給流量Ｑｉｎを設定する供給流量設定部６４と、カソードガス圧力Ｐｃを設定する圧力設定部６５と、を主に備えている。
【００２８】
供給流量設定部６４には、ソーク時間、インピーダンス値Ｉｍｐ、起動時のカソードガス供給流量Ｑｉｎの関係を示すマップが予め記憶されており、このマップに基いて、カソードガス供給流量Ｑｉｎが設定される。図３に示すマップでは、インピーダンス値Ｉｍｐ１〜Ｉｍｐ２の間の範囲において、インピーダンス値Ｉｍｐが低くなる（燃料電池２内での含水率が増加する）につれて、カソードガス供給流量Ｑｉｎが高流量になっている。また、ソーク時間が長くなるにつれて、カソードガス供給流量Ｑｉｎが高流量になっている。そして、本実施形態では、インピーダンス記憶部６１に記憶されたインピーダンス値Ｉｍｐと、ソーク時間計時部６２でカウントされたソーク時間と、からカソードガス供給流量Ｑｉｎが設定され、設定されたカソードガス供給流量Ｑｉｎに基いてエアポンプ２４の出力（回転数）が設定される。
【００２９】
圧力設定部６５には、ソーク時間、インピーダンス値Ｉｍｐ、起動時のカソードガス圧力Ｐｃの関係を示すマップが予め記憶されており、このマップに基いて、カソードガス圧力Ｐｃが設定される。図４に示すマップでは、インピーダンス値Ｉｍｐ１〜Ｉｍｐ２の間の範囲において、インピーダンス値Ｉｍｐが低くなる（燃料電池２内での含水率が増加する）につれて、カソードガス圧力Ｐｃが低圧力になっている。また、ソーク時間が長くなるにつれて、カソードガス圧力Ｐｃが低圧力になっている。そして、本実施形態では、インピーダンス記憶部６１に記憶されたインピーダンス値Ｉｍｐと、ソーク時間計時部６２でカウントされたソーク時間と、からカソードガス圧力Ｐｃが設定され、設定されたカソードガス圧力Ｐｃに基いて、圧力調整弁２５の開度が設定される。
【００３０】
なお、図３，４では、インピーダンス値Ｉｍｐ１において、燃料電池２内部が飽和状態になっており、インピーダンス値Ｉｍｐ１以下の範囲では、それ以上水を含まないようになっている。また、インピーダンス値Ｉｍｐ２以上の範囲では、燃料電池２内部の含水率が十分に低く、それ以上カソードガスの体積流量Ｑｆｃを増加させても、排出性の更なる向上は見込めない状態になっている。
【００３１】
（燃料電池システムの起動制御方法）
次に、上述した燃料電池システムの起動制御方法について説明する。図５は、燃料電池システムの起動制御方法を説明するためのフローチャートである。
図５に示すように、まずステップＳ１において、燃料電池２が発電停止状態（イグニッションがＯＦＦ状態）であるか否かを判断する。
ステップＳ１の判断結果が「ＮＯ」の場合（燃料電池２が発電状態）には、ステップＳ１の判断を繰り返す。
【００３２】
ステップＳ１の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（燃料電池２が発電停止状態）には、ステップＳ２に進む。
ステップＳ２において、燃料電池２の発電停止直後におけるインピーダンス値Ｉｍｐをインピーダンス値センサ１１により検出し、この検出結果をＥＣＵ６のインピーダンス値記憶部６１で記憶する（第１ステップ）。
その後、ステップＳ３において、ＥＣＵ６を停止する。
【００３３】
次に、ステップＳ４において、燃料電池システム１の起動を開始するか否かを判断する。具体的には、ＥＣＵ６が燃料電池システム１の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）からのＯＦＦ信号を検出したか否かを判断する。
ステップＳ４における判断結果が「ＮＯ」の場合（燃料電池システム１の起動を開始しない場合）には、ステップＳ４の判断を繰り返す。
【００３４】
ステップＳ４における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（燃料電池システム１の起動を開始する場合）、ステップＳ５に進む。
【００３５】
ステップＳ５では、ステップＳ２で検出した燃料電池２の発電停止直後におけるインピーダンス値Ｉｍｐがインピーダンス値記憶部６１に記憶されているか否かを判断する。
ステップＳ５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（インピーダンス値Ｉｍｐがインピーダンス値記憶部６１に記憶されている場合）には、ステップＳ６に進む。
【００３６】
ステップＳ６では、上述した図３，４に示すマップに基いて燃料電池システム１起動時のカソードガス供給流量Ｑｉｎ、及びカソードガス圧力Ｐｃを算出する（第２ステップ）。
具体的に、インピーダンス値Ｉｍｐが低く、またソーク時間が長いほど（すなわち、含水率が高いほど）、カソードガス供給流量Ｑｉｎが高流量になるように、エアポンプ２４の回転数を設定する。また、インピーダンス値Ｉｍｐが低く、またソーク時間が長いほど、カソードガス圧力Ｐｃが低圧力になるように、圧力調整弁２５の開度を設定する。
そして、上述したようにカソードガス供給流量Ｑｉｎ、及びカソードガス圧力Ｐｃを設定することで、単位時間当たりに燃料電池２を通過するカソードガスの目標体積流量Ｑｆｃを設定できる。
【００３７】
一方、ステップＳ５の判断結果が「ＮＯ」の場合、例えばソーク時間中にＥＣＵ６に電力を供給するバッテリ（１２Ｖバッテリ）を取り外す等して、インピーダンス値Ｉｍｐがインピーダンス値記憶部６１に記憶されていない場合等には、ステップＳ７に進む。
ステップＳ７では、上述した図３，４に示すマップのうち、カソードガス供給流量Ｑｉｎを最も高流量の第１所定値に設定するとともに、カソードガス圧力Ｐｃを最も低圧力の第２所定値に設定する。これにより、カソードガスの目標体積流量Ｑｆｃを最大値に設定できるので、次回の起動時に少なくともフラッディングが発生しているのを抑制できる。
【００３８】
ステップＳ８では、上述したステップＳ６，７で設定したカソードガス供給流量Ｑｉｎからエアポンプ２４の回転数を設定する。
また、ステップＳ９では、上述したステップＳ６，７で設定したカソードガス圧力Ｐｃに基いて圧力調整弁２５の開度を設定する。
これにより、含水率に応じた目標体積流量Ｑｆｃのカソードガスを燃料電池２に供給することができる。
【００３９】
そして、ステップＳ１０では、燃料電池２の起動が完了したか否かを判断する。具体的に、起動完了の判断は、ＯＣＶ（燃料電池２から電気負荷に電流を取り出していない状態でのカソードとアノードとの間の電位差）が所定値以上であるか否かで判断する。
ステップＳ１０における判断結果が「ＮＯ」の場合（ＯＣＶが所定値未満の場合）には、含水率が未だ高い状態にあると判断する。この場合には、ステップＳ１０の判断を繰り返し、上述したステップＳ６，７で設定したカソードガス供給流量Ｑｉｎ、及びカソードガス圧力Ｐｃに基いて引き続きカソードガスを供給し続ける。
【００４０】
一方、ステップＳ１０における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（ＯＣＶが所定値以上の場合）には、燃料電池２内の水がカソードガスによって排水されて含水率の変化（低下）が見られなくなり、含水率が十分に低くなったと判断する。この場合には、フローを終了して、通常起動時の運転に移行する。
【００４１】
このように、本実施形態では、発電停止直後に検出したインピーダンス値Ｉｍｐに基いて推定される燃料電池２内部の含水率に応じて、カソードガス供給流量Ｑｉｎ及びカソードガス圧力Ｐｃを設定し、含水率が高いほどカソードガス供給流量Ｑｉｎを高流量に、カソードガス圧力Ｐｃを低圧力に設定する構成とした。
この構成によれば、含水率に応じてカソードガス供給流量Ｑｉｎ及びカソードガス圧力Ｐｃを設定することで、発電停止時の掃気等を行うことがなく、次回起動時に必要に応じて排水処理を行うことができる。したがって、発電停止時におけるＮＶ性能の悪化を抑制し、商品性を向上させることができる。
特に、本実施形態によれば、含水率が高いほどカソードガスの目標体積流量Ｑｆｃを増加することができるので、含水率に関わらず燃料電池２内に滞留した水を効率的に排水することができる。したがって、フラッディングが発生するのを抑制し、次回起動時の発電安定性を向上させることができる。
【００４２】
しかも、本実施形態では、ソーク時間が長いほど、カソードガス供給流量Ｑｉｎを高流量に、カソードガス圧力Ｐｃを低圧力に設定することで、起動時における含水率をより確実に推定することができる。したがって、次回起動時の発電安定性を確実に向上させることができる。
【００４３】
また、本実施形態では、エアポンプ２４としてターボエアポンプを採用しているため、本実施形態のように含水率が高いほどカソードガス圧力Ｐｃを低圧力に設定することで、エアポンプ２４よりも下流側が負圧となり、エアポンプ２４での吸気が促進される。これにより、エアポンプ２４自体の出力（モータの回転数）を大幅に増加させることなく、目標体積流量Ｑｆｃを増加することができる。そのため、例えばリショルム式エアポンプ等に比べて燃料電池システム１の起動時における省電力化を図ることができるとともに、エアポンプ２４の出力増加による駆動音を抑え、ＮＶ性能が悪化を抑制できる。したがって、車両商品性を向上させることができる。
【００４４】
ところで、上述した起動制御の際、アノード側では、カソードガス圧力Ｐｃを信号圧として、カソードガス圧力Ｐｃに対応したアノードガス圧力でアノードガスを供給しており、アノードガスとカソードガスとをストイキに保っている。
また、アノード側では、燃料電池２の起動時に、早期に安定した発電を行うことができるようにするため、発電を行う前に、アノードガス流路３３内の溜まった窒素等の不純物ガスや水を排出し、アノードガス流路３３内をアノードガスで置換するＯＣＶパージを行っている。具体的に、ＯＣＶパージは、パージ弁３９を閉じた状態で、燃料流路２内にアノードガスを供給して、アノードガス流路３３のアノードガス圧力を上げた後、パージ弁３９を開くことにより、上述した不純物ガスや水等を排出するようになっている。
【００４５】
ここで、本実施形態では、希釈ボックス４１において、上述した起動制御の際にカソード側から排出されるカソードオフガスを、ＯＣＶパージにより排出されるアノードオフガスの希釈に利用することもできる。なお、本実施形態ではＯＣＶが所定値以上の場合には、通常起動時の運転に移行する場合について説明したが、これに限らず、ＯＣＶが所定値以上となった後、アノードオフガスの希釈が終了するまで上述した起動制御の処理を行っても構わない。これにより、ＯＣＶパージの時間を短縮できる。
【００４６】
（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。本実施形態では、停止直前の燃料電池システムの運転状況（後述する高負荷経験時間Ｔａ及び未暖気発電経験時間Ｔｂ）に基いて、燃料電池２内部の含水率を推定する点で上述した第１実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。図６は、第２実施形態における燃料電池システムの起動制御方法を説明するためのフローチャートである。
図６に示すように、ステップＳ１１において、ＥＣＵ６は、所定時間前から現在までの間において、電流計４５で検出された燃料電池２の出力電流Ｉｆｃが電流所定値よりも大きい発電時間、すなわち高負荷経験時間Ｔａを算出する（第１ステップ）。
次に、ステップＳ１２において、ＥＣＵ６は、所定時間から現在までの間において、冷媒温度センサ５３で検出された冷媒出口温度Ｔｗが温度所定値よりも小さい発電時間、すなわち未暖気発電経験時間Ｔｂを算出する（第１ステップ）。
【００４７】
その後、上述した第１実施形態と同様に、ステップＳ１において、燃料電池２が発電停止状態であるか否かを判断する。
そして、ステップＳ１の判断結果が「ＹＥＳ」の場合、燃料電池２が発電停止状態であると判断して、ステップＳ１３に進む。
【００４８】
ステップＳ１３では、図７に示すマップに基いて、上述した高負荷経験時間Ｔａ及び未暖機発電経験時間Ｔｂから、含水率を算出する（第２ステップ）。図７は高負荷経験時間Ｔａに対する未暖気発電経験時間Ｔｂ、及び含水率の関係を示すグラフである。図７に示すように、高負荷経験時間Ｔａが長くなるほど、発電量が多くなるため、発電時に生成される水の量も多くなり、含水率が増加することになる。また、未暖気発電経験時間Ｔｂが長いほど、発電時に生成される水蒸気が燃料電池２外へ排出されにくくなり、燃料電池２内部に水となって残存するため、含水率が増加することになる。
【００４９】
そして、ステップＳ３，４において、上述した第１実施形態と同様のフローを行った後、ステップＳ１４に進む。
【００５０】
ステップＳ１４では、図８，９に示すマップに基いて、上述したステップＳ１３で算出された含水率から、カソードガス供給流量Ｑｉｎ及びカソードガス圧力Ｐｃを算出する（第２ステップ）。
その後、第１実施形態と同様に、算出されたカソードガス供給流量Ｑｉｎ及びカソードガス圧力Ｐｃからエアポンプ２４の回転数、及び圧力調整弁２５の開度を設定し、含水率に応じた目標体積流量Ｑｆｃのカソードガスを燃料電池２に供給する。
そして、最後に、ステップＳ１０において、燃料電池システム１の起動完了の判断を行うことで、本実施形態の燃料電池システム１の起動制御が終了する。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、燃料電池システム１の運転状況に応じて含水率を算出し、含水率が高いほどカソードガス供給流量Ｑｉｎを高流量に、カソードガス圧力Ｐｃを低圧力に設定することで、上述した実施形態と同様に、含水率に関わらず燃料電池２内に滞留した水を効率的に排水することができる。したがって、起動時にフラッディングが発生するのを抑制し、次回起動時の発電安定性を向上させることができる。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した実施形態では、インピーダンス値Ｉｍｐや運転状況に応じて推定される含水率に基いてカソードガス供給流量Ｑｉｎ及びカソードガス圧力Ｐｃの双方を設定する場合について説明したが、これに限らず、カソードガス供給流量Ｑｉｎ及びカソードガス圧力Ｐｃのうち、少なくとも何れか一方を調整することで、目標体積流量Ｑｆｃを満たす構成としても構わない。
具体的には、エアポンプ２４の回転数は、通常発電時の回転数以下の範囲で一定に設定し、カソードガス圧力Ｐｃを調整することで目標体積流量Ｑｆｃを満たす構成にしても構わない。この場合には、通常発電時以下の回転数でエアポンプ２４を作動させるため、目標体積流量Ｑｆｃを増加させることに伴うＮＶ性能の悪化を抑制し、商品性を向上させることができる。
【００５３】
また、例えば上述した第１実施形態では、インピーダンス値Ｉｍｐと含水率との関係から、インピーダンス値Ｉｍｐに基いてカソードガス供給流量Ｑｉｎ及びカソードガス圧力Ｐｃを直接設定する構成について説明したが、これに先立ってインピーダンス値Ｉｍｐに基いて含水率を算出するステップを加えても構わない。
【００５４】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１…燃料電池システム  ２…燃料電池  ２４…エアポンプ（酸化剤ガス供給手段）  Ｉｍｐ…インピーダンス値  Ｑｉｎ…カソードガス供給流量（酸化剤ガス流量）  Ｐｃ…カソードガス圧力（酸化剤ガス圧力）
【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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