(57)【要約】【課題】この発明は、暖機運転を行う上で好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。この発明の他の目的は、ターボ式コンプレッサの流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を速やかに調節することができる燃料電池システムを提供することである。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタック１０、ターボ式のエアコンプレッサ２２、パージ用管路５４、排気排水弁５２を備える。燃料電池スタック１０の暖機が必要な場合に、排気排水弁５２を開いて、エアコンプレッサ２２の吸入口側に水素を供給する。【選択図】図１
2009277502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電中に、前記カソードへと酸素含有ガスを供給するカソードガス供給機構と、
前記カソードに水素を供給することができる水素供給機構と、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記カソードガス供給機構による酸素含有ガスの供給に加え、前記水素供給機構による水素の供給を行いながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記カソードへと酸素含有ガスを流入させるターボ式コンプレッサと、
前記カソードに水素を供給することができ、該カソードに対する水素の供給量が可変な水素供給機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素供給機構が、前記ターボ式コンプレッサが吸入するガスに対して水素を添加することにより、前記カソードに水素を供給することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定しかつ前記水素供給機構による水素の供給を行いながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知手段と、
所定の低効率で前記燃料電池を発電させる際に該燃料電池が示すべき電圧値である、目標電圧値を記憶する記憶手段と、
をさらに備え、
前記制御手段が、前記燃料電池が前記目標電圧値を示すように、前記電圧検知手段が検知した電圧の値を、前記水素供給機構の水素の供給量にフィードバックするフィードバック制御手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記カソードへと酸素含有ガスを吐出するターボ式コンプレッサと、
前記ターボ式コンプレッサが前記カソード側に吐出したガスのうち、一部のガスを、該カソードを迂回させて流すことができ、かつ、該カソードを迂回させて流す該一部のガスの量を調節可能なバイパス機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定しかつ前記バイパス機構によって前記一部のガスを前記カソードを迂回させて流しながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項４、５または７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段が、通常発電時における前記ターボ式コンプレッサの回転数に比して低く設定された所定の低回転数に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、下記の特許文献に開示されているように、アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けることにより発電する各種の燃料電池システムが知られている。
【０００３】
燃料電池の発電中、カソードの酸素は、電気化学的な発電反応により消費されている。発電反応に寄与する酸素の量が十分に足りていれば、燃料電池は良好な電流−電圧特性を示す。燃料電池の通常発電中には、カソードに対して空気などの酸素含有ガスを十分に多く供給し、良好な電流−電圧特性を実現することが好ましい。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３１３３８８号公報
【特許文献２】特開平０９−０３５７３５号公報
【特許文献３】特開２００６−０４０６０４号公報
【特許文献４】特開２００２−０５６８７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、電流−電圧特性を通常の特性よりも悪化させた状態で発電を行うと、発電効率が低下して発電に伴う燃料電池の発熱量が多くなる。そこで、必要に応じて意図的に電流−電圧特性を悪化させて発電を行うことにより、燃料電池を暖機することができる。本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、このような暖機運転を行う上で好適な燃料電池システムを見出した。
【０００６】
また、電流−電圧特性を悪化させるための方法として、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を低減する方法がある。カソードに酸素供給を行う燃料電池システムでは、一般的に、コンプレッサを用いて、空気などの酸素含有ガスをある程度高圧な状態でカソードに供給している。そして、コンプレッサの回転数を変更することにより、カソードへの酸素流入量を調節している。しかしながら、コンプレッサのなかでもターボ式のコンプレッサは、吐出圧に応じて流量が大きく変化するという特性を持つ。これに起因して、ターボ式コンプレッサには、流量が変化した時、その後流量が一定の値に収束するまでに、比較的長い時間がかかるという欠点がある。
【０００７】
この発明は、上述のような経緯に基づいてなされたもので、暖機運転を行う上で好適な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
また、この発明の他の目的は、ターボ式コンプレッサの流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を速やかに調節することができる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電中に、前記カソードへと酸素含有ガスを供給するカソードガス供給機構と、
前記カソードに水素を供給することができる水素供給機構と、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記カソードガス供給機構による酸素含有ガスの供給に加え、前記水素供給機構による水素の供給を行いながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記カソードへと酸素含有ガスを流入させるターボ式コンプレッサと、
前記カソードに水素を供給することができ、該カソードに対する水素の供給量が可変な水素供給機構と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記水素供給機構が、前記ターボ式コンプレッサが吸入するガスに対して水素を添加することにより、前記カソードに水素を供給することを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定しかつ前記水素供給機構による水素の供給を行いながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記燃料電池の電圧を検知する電圧検知手段と、
所定の低効率で前記燃料電池を発電させる際に該燃料電池が示すべき電圧値である、目標電圧値を記憶する記憶手段と、
をさらに備え、
前記制御手段が、前記燃料電池が前記目標電圧値を示すように、前記電圧検知手段が検知した電圧の値を、前記水素供給機構の水素の供給量にフィードバックするフィードバック制御手段を含むことを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、上記の他の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに水素の供給を受けカソードに酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記カソードへと酸素含有ガスを吐出するターボ式コンプレッサと、
前記ターボ式コンプレッサが前記カソード側に吐出したガスのうち、一部のガスを、該カソードを迂回させて流すことができ、かつ、該カソードを迂回させて流す該一部のガスの量を調節可能なバイパス機構と、
を備えることを特徴とする。
【００１５】
第７の発明は、第６の発明において、
前記燃料電池の暖機運転が必要か否かを判定する判定手段と、
前記判定手段が前記燃料電池の暖機運転が必要と判定した場合に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定しかつ前記バイパス機構によって前記一部のガスを前記カソードを迂回させて流しながら、前記燃料電池の発電を行う制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
第８の発明は、第４、５または第７の発明において、
前記制御手段が、通常発電時における前記ターボ式コンプレッサの回転数に比して低く設定された所定の低回転数に、前記ターボ式コンプレッサの回転数を固定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
第１の発明によれば、水素供給機構がカソードに水素を供給することにより、カソードにおいて、酸素含有ガス中の一部の酸素を水素と反応させることができる。これにより、電流−電圧特性を悪化させ発熱量を多くして燃料電池の発電を行うことができる。また、これと同時に、カソードにおける水素と酸素の反応熱によって、燃料電池を加熱することができる。このように、第１の発明によれば、高発熱量での発電を行いつつ、水素と酸素の反応熱による昇温効果をも同時に享受することができる。従って、暖機運転に好適な燃料電池システムを得ることができる。
【００１８】
第２の発明によれば、水素供給機構を用いることによりカソード内で水素と酸素を反応させて、ターボ式コンプレッサの制御とは別に、発電反応に寄与する酸素量を低減することができる。これによりターボ式コンプレッサの流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素量を、所望の量に速やかに調節することができる。
【００１９】
第３の発明によれば、ターボ式コンプレッサの吐出圧の変化を抑えつつ、発電反応に寄与する酸素量を低減することができる。
【００２０】
第４の発明によれば、燃料電池の暖機が必要なとき、カソードで水素と酸素を反応させて発電反応に寄与する酸素量を低減することにより、発電反応に寄与する酸素量を通常発電時に比して少なくした状態（以下「低酸素量状態」とも称す）で、燃料電池を発電させることができる。低酸素量状態によれば、燃料電池の電流−電圧特性を悪化させて燃料電池の発熱量を増加し、燃料電池を暖機することができる。しかも、第４の発明によれば、水素と酸素の反応によって燃料電池を発熱させることができる。よって、暖機運転のために低酸素量状態を実現する際に、水素と酸素の反応熱による昇温効果をも同時に享受することができる。
さらに、第４の発明によれば、ターボ式コンプレッサの回転数を固定して、水素供給機構によって、カソードで発電反応に消費される酸素量を低減している。これにより、ターボ式コンプレッサの回転数制御に頼って低酸素量状態を実現しようとする場合に比して、制御上の不具合を少なく抑えつつ、カソードで発電反応に消費される酸素量を低減することができる。
【００２１】
第５の発明によれば、ターボ式コンプレッサの回転数を固定した状態で、フィードバック制御によって、水素供給機構による水素の添加量を調節することができる。これにより、ターボ式コンプレッサの流量制御性の低さによる悪影響を避けつつ、燃料電池の動作点を目標動作点に一致させるためのフィードバック制御を実行することができる。
【００２２】
第６の発明によれば、ターボ式コンプレッサの吐出口の下流のガスのうち一部のガスをカソードを迂回させて流すことにより、ターボ式コンプレッサの制御とは別に、発電反応に寄与する酸素量を低減することができる。これによりターボ式コンプレッサが有する流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素量を、所望の量に速やかに調節することができる。
【００２３】
第７の発明によれば、燃料電池の暖機が必要なとき、ターボ式コンプレッサの吐出口の下流のガスのうち一部のガスをカソードを迂回させて流すことにより、燃料電池を低酸素量状態で発電させることができる。低酸素量状態によれば、燃料電池の電流−電圧特性を悪化させて燃料電池の発熱量を増加し、燃料電池を暖機することができる。
さらに、第７の発明によれば、ターボ式コンプレッサの回転数を固定して、バイパス機構によって、カソードで発電反応に消費される酸素量を低減している。これにより、ターボ式コンプレッサの回転数制御に頼って低酸素量状態を実現しようとする場合に比して、制御上の不具合を少なく抑えることができる。
【００２４】
第８の発明によれば、暖機運転が必要な場合に、ターボ式コンプレッサを低回転数に固定することができる。これにより先ずカソードへの流入酸素量を少なめにし、その上で他の機構（水素供給機構やバイパス機構）を用いて酸素量の低減を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
実施の形態１． 
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明にかかる実施の形態１の燃料電池システムの構成図である。実施の形態１の燃料電池システムは、燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、複数の単位セルが重ねられて構成されている。個々の単位セルは、その内部に、膜電極接合体を有している。膜電極接合体は、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層が設けられたものである。
【００２６】
膜電極接合体の各面には、さらに、カーボンシート等で作られたガス拡散層、および、発泡金属やエキスパンドメタル等で形成された多孔質体層が、一体化されている。これらのガス拡散層、多孔質体層が、個々の単位セル内におけるアノードやカソードのガス流路として機能する。なお、個々の膜電極接合体を仕切るセパレータに溝を設けて、この溝をガス流路として使用する単位セルで、燃料電池スタック１０を構成してもよい。膜電極接合体の一方の面の電極触媒層がカソードとして、他方の面の電極触媒層がアノードとして、それぞれ機能する。個々の単位セルは、アノードに燃料ガスとしての水素の供給を受け、カソードに酸素の供給を受けて、電気化学的反応により発電する。
【００２７】
燃料電池スタック１０には、カソードガス供給管２０、カソードガス排気管３０および水素供給管４０がそれぞれ接続されている。カソードガス供給管２０およびカソードガス排気管３０は、燃料電池スタック１０内の個々の単位セルのカソードに（具体的にはカソードのガス流路に）連通する。カソードガス供給管２０の一端は大気に開放されている。また、水素供給管４０は、燃料電池スタック１０内の個々の単位セルのアノードに（具体的にはアノードのガス流路に）連通する。
【００２８】
カソードガス供給管２０は、ターボ式のエアコンプレッサ２２を備えている。また、カソードガス供給管２０のエアコンプレッサ２２下流位置には、圧力センサ２４が接続されている。カソードガス排気管３０には、圧力センサ３２、調圧弁３４、マフラー３６が設けられている。エアコンプレッサ２２を駆動しつつ調圧弁３４の開度を調節することにより、燃料電池スタック１０のカソードへと所望の圧力で空気を供給することができる。
【００２９】
水素供給管４０は、図示しない水素タンクと、燃料電池スタック１０のアノードとを接続する。水素供給管４０は、インジェクタ４２と圧力センサ４４とを備えている。インジェクタ４２によって、所望の流量で、燃料電池スタック１０のアノードへと水素を供給することができる。
【００３０】
実施の形態１の燃料電池システムは、水素循環管路４６を備えている。水素循環管路４６の一端は、燃料電池スタック１０のアノードの下流と接続し、水素循環管路４６の他端は、水素供給管４０と接続する。水素循環管路４６は、気液分離器４８および水素循環ポンプ５０を備えている。水素循環ポンプ５０を駆動することで、燃料電池スタック１０のアノードを経由させながら水素を循環させることができる。
【００３１】
実施の形態１の燃料電池システムは、パージ用管路５４を備えている。パージ用管路５４は、気液分離器４８と、カソードガス供給管２０におけるエアコンプレッサ２２の吸入口側部分とを接続する管路である。パージ用管路５４の気液分離器４８近傍には、排気排水弁５２が設けられている。この排気排水弁５２は、流量を可変に設定できる機構とする。排気排水弁５２を制御することにより、適宜、水素循環管路４６を流れる水素を、所望の量だけ、エアコンプレッサ２２の吸入口側へと供給できる。また、排気排水弁５２を開くことは、水素循環管路４６側のパージを行うことにもなる。以下、水素循環管路４６を介してエアコンプレッサ２２吸入口位置に供給される水素の量を、「水素添加量」とも称す。
【００３２】
実施の形態１の燃料電池システムは、温度計１４、電圧計１６、および、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０は、温度計１４、電圧計１６、圧力センサ２４、３２、４４の出力を受け、燃料電池スタック１０の温度、電圧、各管路内の圧力を検知することができる。また、ＥＣＵ６０は、エアコンプレッサ２２に対して、回転数制御のための制御信号を、排気排水弁５２に対して、開閉の切替や開度を制御するための制御信号を、それぞれ与えることができる。
【００３３】
［実施の形態１の動作］
以下、実施の形態１の燃料電池システムの動作について説明する。
【００３４】
（低効率発電）
電流−電圧特性が悪化すると発電効率が低下し、発電中における燃料電池の発熱量が高まる。実施の形態１の燃料電池システムは、このように、発熱量を増加させて低効率で発電を行う運転状態を実現することができる。以下、電流−電圧特性を悪化させた環境下での発電を、「低効率発電」とも称す。
【００３５】
図２は、燃料電池スタック１０の電流−電圧特性を模式的に示している。図２に、通常発電中における電流−電圧特性（以下、「通常Ｉ−Ｖ特性」とも称す）と、低効率発電中における電流−電圧特性（以下、「低効率Ｉ−Ｖ特性」とも称す）とを、それぞれ模式的に図示する。
【００３６】
実施の形態１では、低効率発電時における燃料電池スタック１０の目標動作点（図２の黒丸位置の動作点）を、次のようにして予め決定しておく。燃料電池スタック１０の発熱量をできるだけ高める観点から、低効率発電時の燃料電池スタック１０の電圧は可能な限り低くしたい。しかしながら、その一方で、燃料電池システムの補機が動作可能な程度には、燃料電池スタック１０の電圧は確保しておきたい。これらの要求のバランスから、目標動作点の電圧ＶＡを決定することができる。また、電圧ＶＡが決まれば、ここから、燃料電池システムを動作させるために必要な電流値ＩＡが導き出される。これらの電圧ＶＡと電流ＩＡを、実施の形態１における低効率発電中の目標動作点とする。
【００３７】
低効率発電を実現すべく電流−電圧特性を悪化させるための方法として、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を低減する方法がある。以下、カソードで発電反応に寄与する酸素の量を低効率発電が実現される程度まで低減した状態を、「低酸素量状態」とも称す。
【００３８】
（水素添加）
実施の形態１では、前述したように、排気排水弁５２を開くことで、水素循環管路４６を介して循環している水素の一部を、エアコンプレッサ２２の吸入口のガスに添加することができる。このような場合、エアコンプレッサ２２は、水素が添加された空気を燃料電池スタック１０側へと吐出する。
【００３９】
水素と空気の混合ガスが燃料電池スタック１０内のアノードの触媒層に到達すると、水素と、空気中の酸素の一部とが、このアノードの触媒層で反応する。カソードに導入された水素がカソードの触媒上で直接酸素と反応することにより、実ストイキ比が低下する。つまり、カソード内で実際に発電反応に寄与することができる酸素の量が、少なくなる。このような作用の結果、燃料電池の電流−電圧特性が悪化する。
【００４０】
水素添加量を多くすればするほど、上記の作用によって、より電流−電圧特性を悪化させることができる。水素添加量を適宜に調節することにより、電流−電圧特性を所望の程度まで意図的に悪化させることができる。このように、実施の形態１によれば、水素添加量を調節して前述した低効率Ｉ−Ｖ特性を実現し、発熱量を高めた状態で燃料電池スタック１０の発電を行うことができる。
【００４１】
また、水素と酸素の反応は、発熱反応である。このため、実施の形態１によれば、カソードの触媒上の水素と酸素の反応熱によって、燃料電池スタック１０をさらに暖機することができる。このように、実施の形態１によれば、高発熱量での発電を行いつつ、水素と酸素の反応熱による昇温効果をも同時に享受することができる。その結果、燃料電池スタック１０を速やかに暖機することができる。
【００４２】
また、実施の形態１では、ターボ式のエアコンプレッサ２２を用いて、燃料電池スタック１０に空気を供給している。ターボ式コンプレッサは、容積型のコンプレッサ（例えばスクロールコンプレッサなど）に比べて、漏れ量が多いという難点がある。漏れ量が多いことから、ターボ式コンプレッサは、吐出圧に応じて流量が比較的大きく変化してしまうという特性を持っている。これに起因して、ターボ式コンプレッサには、流量が変化した時、その後流量が一定値に収束するまでに時間がかかるという欠点がある。
【００４３】
この点、実施の形態１では、水素添加量を調節することにより、電流−電圧特性を悪化させることができる。つまり、実施の形態１によれば、水素添加量を増減することにより、ターボ式のエアコンプレッサ２２の流量制御性の低さを補って、カソードで発電反応に寄与する酸素量を低効率発電を実現させるための低酸素量になるように速やかに調節することができる。
【００４４】
（実施の形態１の制御の内容）
続いて、図２および図３を用いて、実施の形態１においてＥＣＵ６０が実行する制御の内容を説明する。実施の形態１では、燃料電池スタック１０の暖機が必要である場合に、図２の低効率Ｉ−Ｖ特性において、燃料電池スタック１０を発電させる。この制御は、具体的には、エアコンプレッサ２２の回転数を固定しその上で水素添加によってカソードで発電反応に寄与する酸素の量の低減を行うことにより、前述した低酸素量状態を実現するというものである。
【００４５】
図３は、実施の形態１の燃料電池システムにおいてＥＣＵ６０が実行するルーチンのフローチャートである。実施の形態１では、図３の制御を、システムの始動時に実行する。図３のルーチンでは、先ず、今回の始動が低温始動であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。具体的には、燃料電池スタック１０の温度や、外気温が所定温度以下（例えば氷点下）かどうかを判定する。これにより、燃料電池スタック１０の暖機運転が必要か否かを判定できる。今回の始動が低温始動でないと判定された場合には、暖機運転が不要と判断される。その結果、今回のルーチンが終了し、システムが通常運転へと移行する。
【００４６】
ステップＳ１００で今回の始動が低温始動と判定された場合には、システムを低効率発電モードにすべく、回転数を所定の低回転数にした状態で、エアコンプレッサ２２の駆動を開始する処理が実行される（ステップＳ１０２）。この低回転数は、通常発電中に必要なエアストイキ比相当の流量に比して少ない流量で空気が流れるように、通常発電時におけるエアコンプレッサ２２の回転数に比して低く設定された回転数である。
【００４７】
なお、実施の形態１では、ＥＣＵ６０の処理がステップＳ１０２以降の一連の処理へと進んだ場合には、燃料電池システムの運転状態が、本格的な発電を行う前のモード（いわば待機モード）に置かれる。例えば、実施の形態１の燃料電池システムが車両に搭載された場合には、この時点では、システムの運転は開始されているものの、車両はドライブモードには移行せずに運転待機状態に置かれる。
【００４８】
ステップＳ１０２に続き、カソードへの水素添加の開始、および、カソードへの水素添加量の制御が行われる（ステップＳ１０４）。ここでは、燃料電池スタック１０の電圧が目標電圧（つまり、前述した目標動作点の電圧ＶＡ）になるように、電圧計１６の出力に基づいて、水素添加量のフィードバック制御が行われる。このとき、エアコンプレッサ２２の回転数は、前述した所定低回転数に固定されたままである。
【００４９】
ここで、図２を用いて、ステップＳ１０２およびＳ１０４の処理内容を説明する。実施の形態１では、暖機運転が必要なとき、先ず、エアコンプレッサ２２の回転数を、前述の所定低回転数に固定する。このようにすることで、燃料電池スタック１０の電流−電圧特性を、図２に矢印８０で模式的に示すように、通常Ｉ−Ｖ特性よりも悪い特性にすることができる。これに加えて、実施の形態１では、カソードへの水素の供給によって、矢印８２に示すように、燃料電池スタック１０の電流−電圧特性を最終的に低効率Ｉ−Ｖ特性へと低下させる。その結果、燃料電池スタック１０を、低効率発電を実現するための目標動作点で発電させることができる。
【００５０】
ステップＳ１０４に続き、燃料電池スタック１０の暖機が完了したか否かが判定される（ステップＳ１０６）。ここでは、例えば燃料電池スタック１０の温度を所定値と比較するなどの処理により、適宜、暖気完了の判定を行う。暖機が完了していない場合には、ステップＳ１０２からの処理が繰り返し実行される。暖機が完了した場合には、今回のルーチンが終了し、エアコンプレッサ２２の回転数固定が解除されるとともにシステムが通常発電モードへと移行する。
【００５１】
以上説明した処理によれば、燃料電池システムの始動時に、安定的かつ速やかに低効率発電を実現し、燃料電池スタック１０を早期に暖機することが可能となる。
【００５２】
（比較例）
ここで、上述した実施の形態１の制御の効果について、比較例を用いながら説明する。
【００５３】
図６（ａ）は、実施の形態１に対する第１比較例である。図６（ａ）は、スクロールコンプレッサ等の容積型コンプレッサの回転数制御に頼って低効率発電を実現しようとする場合の、動作点制御のイメージを示している。容積型コンプレッサは、回転数と流量の関係が比較的安定しており、流量変化の過渡的な状況（言い換えれば、流量が定常的に安定していない状況）においても良好な流量制御性を発揮する。このため、低効率発電のために低めの回転数で容積型コンプレッサを駆動した場合、図６（ａ）に示すように、燃料電池の電流値は安定的な値をとると予想される。
【００５４】
一方、図６（ｂ）は、ターボ式コンプレッサの回転数制御に頼って低効率発電を実現しようとする場合の、動作点制御のイメージを示している。以下、これを第２比較例とする。この第２比較例では、燃料電池の電圧値が目標電圧である電圧ＶＡに一致するように、燃料電池の電圧の計測値をターボ式コンプレッサの回転数にフィードバックする制御が、実行されているものとする。
【００５５】
既述したように、ターボ式コンプレッサは、漏れ量が多く、吐出圧の変化に応じて流量が大きく変化するという特性を有している。これに起因して、ターボ式コンプレッサでは、流量変化があった時に、その後一定流量に収束するまでに比較的長い時間がかかってしまう。これに起因して、次のような不具合の発生が懸念される。
【００５６】
燃料電池システムの始動時にカソードガス供給管内が低い圧力であるとすると、ターボ式コンプレッサの駆動を開始した後、時間の経過と共に、ターボ式コンプレッサの吐出口側の圧力が初期状態から増加していく。このような状況下で流量を適切に調節すべくターボ式コンプレッサの回転数を制御しようとしても、回転数を増加させすぎたり、或いは、回転数を低下させすぎたりして、燃料電池への空気流量が狙いの流量に中々安定しないという事態を招いてしまう。
【００５７】
空気流量が不安定になると、図６（ｂ）の矢印３００のような電流−電圧特性の振れが生じ、結果的に、矢印３０２のように燃料電池の電流値が大きく振れてしまう。低効率発電中の燃料電池スタック１０の出力は、主に、エアコンプレッサ２２の補機損や、バッテリ搭載型システムではこのバッテリの吸収可能電力量などとバランスするように決めている。上述したように電流値の振れ幅が大きいと、燃料電池スタック１０の出力と、補機損およびバッテリ吸収可能電力量との間のバランスが崩れ、制御の安定性が低下してしまう。また、動作点が不安定であることから、狙いの流量に安定させるまでに長い時間がかかってしまったり、或いは制御が発散してしまったりするおそれがある。
【００５８】
そこで、実施の形態１では、低効率発電を、エアコンプレッサ２２の回転数を固定した上で水素添加量を調節するという手法を用いて、実現している。このようにすることで、低効率発電を実現するような低流量での酸素供給を、第２比較例を用いて述べたような制御上の不具合を回避しつつ速やかに実現することができる。
【００５９】
特に、実施の形態１では、エアコンプレッサ２２の吸入口側にパージ用管路５４が接続している。このような構成によれば、水素が添加されたことに起因してエアコンプレッサ２２の吐出圧が変化する事態を、回避することができる。
【００６０】
尚、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０が前記第１の発明における「燃料電池」に、エアコンプレッサ２２およびカソードガス供給管２０が前記第１の発明における「カソードガス供給機構」に、パージ用管路５４、排気排水弁５２、エアコンプレッサ２２およびカソードガス供給管２０が前記第１の発明における「水素供給機構」に、それぞれ相当している。また、実施の形態１では、図３のフローチャートのステップＳ１００が実行されることにより前記第１の発明における「判定手段」が、図３のフローチャートのステップＳ１０２、Ｓ１０４が実行されることにより前記第１の発明における「制御手段」が、それぞれ実現されている。
【００６１】
また、上述した実施の形態１では、燃料電池スタック１０が前記第２の発明における「燃料電池」に、エアコンプレッサ２２が前記第２の発明における「ターボ式コンプレッサ」に、パージ用管路５４、排気排水弁５２、エアコンプレッサ２２およびカソードガス供給管２０が前記第２の発明における「水素供給機構」に、それぞれ相当している。
【００６２】
［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、図３のフローチャートで説明したように、燃料電池スタック１０の暖機を行う際に、エアコンプレッサ２２の回転数を固定している。実施の形態１では、この固定用の回転数を、通常発電時の回転数に比して低めに設定された所定の低回転数とした。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、通常発電時と同等の回転数にエアコンプレッサ２２の回転数を固定してもよい。この場合にも、水素の添加を多めに行うことにより、実施の形態１と同等の程度まで電流−電圧特性を悪化させることができる。
【００６３】
（第２変形例）
実施の形態１では、エアコンプレッサ２２の吸入口側に、水素を添加した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図１における、カソードガス供給管２０の圧力センサ２４下流位置にパージ用管路５４の一端を接続して、エアコンプレッサ２２の吐出口側に水素を添加してもよい。
【００６４】
（第３変形例）
実施の形態１では、燃料電池スタック１０の暖機が完了するまで、フィードバック制御による水素添加量の調節を継続している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。暖機運転中のある時点で、フィードフォワード制御によって水素添加量を確定してもよい。
【００６５】
（第４変形例）
実施の形態１では、水素循環管路４６を通って循環する水素の一部を、燃料電池スタック１０のカソードへと供給している。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、他の方法によりカソードへと水素を供給してもよい。例えば、水素供給管４０の任意の位置から適宜に管路を伸ばして、この管路を弁を介してカソードガス供給管２０に接続することができる。
【００６６】
なお、実施の形態１は、燃料電池スタック１０のアノードを含む循環系を構築し、この循環系内で水素を循環させるタイプの燃料電池システム（いわゆる循環型システム）である。しかしながら、水素の循環を行わない、いわゆる循環レスシステムに対しても、本発明を適用することができる。
【００６７】
循環レスシステムとしては、燃料電池のアノードのガス流路下流に供えられた排気機構を閉じながら（または、その開度を絞りながら）、発電を行う燃料電池システムが代表的である。このような燃料電池システムによれば、燃料ガス流路の下流を閉塞して運転を行ったり(所謂、デッドエンド運転)、燃料ガス流路の下流から排出されるガスの排出量を微小量にして運転を行ったり（所謂、少量排気運転）することが可能である。
【００６８】
循環レスシステムの場合にも、燃料電池のアノードのガス流路から排出されるガス（アノードオフガス）を、適宜、実施の形態１と同様に燃料電池のカソードへと供給すればよい。また、燃料電池のアノードのガス流路の下流が完全に閉塞されているタイプの燃料電池システムの場合にも、水素タンク側から適宜管路を伸ばしておき、カソードへと水素を供給できるようにしておけばよい。
【００６９】
なお、実施の形態１には、「暖機運転時の低効率発電実現のための電流−電圧特性の悪化を行うために、カソード内に水素を供給する」という１つめの思想と、「ターボ式コンプレッサの低回転域での流量制御性の悪さを補うために、ターボ式コンプレッサを有するシステムにおいてカソードへと水素を添加する機構を用いる」という２つめの思想の、少なくとも２つの思想が含まれている。これら２つの思想のうち１つめの思想を、容積型コンプレッサをエアコンプレッサとして用いる燃料電池システムに適用しても良い。
【００７０】
実施の形態２．
図４は、本発明にかかる実施の形態２の燃料電池システムの構成図である。実施の形態２の燃料電池システムは、パージ用管路５４などの水素添加用の構成を備えず、その代わりに、三方弁１５２およびバイパス管路１５４を備えている。この点を除き、実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１の燃料電池システムと同じ構成を備える。以下、実施の形態１、２において同じ構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
【００７１】
三方弁１５２によれば、燃料電池スタック１０のカソード側への流量と、バイパス管路１５４側への流量とを、適宜に調節可能である。三方弁１５２を制御することにより、エアコンプレッサ２２が吐出した空気の一部を、所望の量だけ、バイパス管路１５４側へと逃がすことができる。
【００７２】
発電中にカソードにおいて発電反応に消費される酸素量が少なくなると、これに応じて電流−電圧特性が悪化する。前述したように、電流−電圧特性を意図的に悪化させて発電を行うことにより、燃料電池の発熱量を高めることができる。
【００７３】
上記のような電流−電圧特性の悪化は、カソードに流入する空気量そのものを低減することによっても、実現できる。しかしながら、ターボ式コンプレッサの流量制御性の低さが原因となって、実施の形態１で述べたような種々の不具合が生じるおそれがある。そこで、実施の形態２では、バイパス管路１５４側に一部の空気を逃がすことによって、カソードに流入する空気量を、低効率発電が実現できる程度の量まで低減する。このように、実施の形態２によれば、ターボ式のコンプレッサであるエアコンプレッサ２２の制御とは別に、カソードに流入する空気量を精度良く調節することができる。
【００７４】
図５は、実施の形態２の燃料電池システムが実行するルーチンのフローチャートである。図５のフローチャートでは、先ず、実施の形態１の図３のフローチャートと同様に、ステップＳ１００、Ｓ１０２の処理を実行する。
【００７５】
その後、三方弁１５２の開度の調整（つまり、バイパス管路１５４から逃がす空気の量の調整）が行われる（ステップＳ２０４）。このステップでは、燃料電池スタック１０の電圧が目標電圧値に一致するように、三方弁１５２の開度を対象としてフィードバック制御が実行される。その後、実施の形態１と同様に、ステップＳ１０６の判定条件が成立するまで（つまり、暖機運転が完了するまで）、上記フィードバック制御が継続される。
【００７６】
以上説明したように、実施の形態２によれば、ターボ式コンプレッサの流量制御の不安定さを補って、カソード内に流入する酸素量を、低効率発電を実現するための低酸素量に、速やかに調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成図である。
【図２】実施の形態１の燃料電池システムの動作を説明するための、電流−電圧特性図である。
【図３】実施の形態１においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態２の燃料電池システムの構成図である。
【図５】実施の形態２においてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。
【図６】実施の形態１に対する比較例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１０    燃料電池スタック
１４    温度計
１６    電圧計
２０    カソードガス供給管
２２    エアコンプレッサ
２４    圧力センサ
３０    カソードガス排気管
３２    圧力センサ
３４    調圧弁
３６    マフラー
４０    水素供給管
４２    インジェクタ
４４    圧力センサ
４６    水素循環管路
４８    気液分離器
５０    水素循環ポンプ
５２    排気排水弁
５４    パージ用管路
【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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