JP4976695B2

JP4976695B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4976695B2
Application number: JP2006007641A
Authority: JP
Inventors: 滋稲井; 弘道吉田; 亮神馬
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2026-01-16
Also published as: JP2007188830A; US8241803B2; US20070166577A1

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素がアノードに、酸素がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ、以下「燃料電池：ＦＣ」）の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。

このような燃料電池を好適に発電させて良好な出力を得るには、燃料電池を速やかに暖機し、その温度を良好に発電する温度（ＰＥＦＣでは約７０℃）に保つ必要がある。また、起動時において、燃料電池の温度が所定温度（例えば０℃）よりも低い場合、燃料電池の暖機を促進するために、通常起動モードに対して、冷媒流量を下げる等の低温起動モードで起動する技術が提案されている（特許文献１参照）。なお、このように低温起動モードで起動することを低温起動という。

また、燃料電池を構成するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）の電解質膜（固体高分子電解質膜）は、プロトン移動性（拡散性）を確保するため湿潤状態とする必要がある。そこで、燃料電池に供給される反応ガス（水素／酸素）を適宜に加湿する方法が一般に採用されている。さらに、燃料電池が発電すると、そのカソードで水が生成し、この生成水の一部は電解質膜を透過しアノード側に移動する。

したがって、加湿するための水の一部や生成水の一部が、一般にカーボンペーパ等の多孔質体から形成されるアノード及びカソードにおいて、反応ガスの流路となるべき空隙（隙間）に溜まってしまい、燃料電池の出力が下がる場合がある。

そこで、例えば、燃料電池の発電停止後に、次回起動時に備えて、燃料電池に掃気ガスを供給し、この掃気ガスによって、燃料電池を掃気する技術が提案されている。ここで、掃気ガスとは、ＭＥＡを含む燃料電池内の水を外部に押し出すためのガスであり、例えば空気や窒素が使用される。そして、掃気とは、このような掃気ガスによって、燃料電池から水を押し出すことをいう。
特開２００３−２９７３９９号公報（段落番号００５２〜００７４、図１）

しかしながら、一般に、カーボンペーパ等の多孔質体から形成されるＭＥＡのアノード／カソードに存在する水分は、掃気によって除去しにくい。したがって、この水分を掃気（除去）する、つまり、ＭＥＡ等を乾燥させるには、燃料電池の発電停止後の掃気時間を長くする必要があった。そうすると、掃気ガスを長時間供給するためのコンプレッサ等の作動時間が長くなり、その作動音が問題となる場合もあった。
また、このように燃料電池の発電停止後に、長時間にてコンプレッサを作動させるには、その外部電源を大型化しなければならず、その結果として、システムが大型化していた。

そこで、本発明は、システムを大型化させずに、過剰な水分を除去し、発電停止後の掃気時間を短くすることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを含む燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、上流側が前記燃料ガス循環流路に接続し、開くことで燃料オフガスを外部に排出するパージ弁と、酸化剤ガスを吐出するコンプレッサと、前記コンプレッサから前記酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、酸化剤ガスを冷却するインタークーラと、前記インタークーラをパイパスして酸化剤ガスを通流させるインタークーラバイパス流路と、酸化剤ガスが前記インタークーラバイパス流路を通流するか否か切り替えるインタークーラ弁と、前記インタークーラよりも下流の前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、酸化剤ガスを加湿する加湿器と、前記加湿器をバイパスして酸化剤ガスを通流させる加湿器バイパス流路と、酸化剤ガスが前記加湿器バイパス流路を通流するか否か切り替える加湿弁と、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス流路と、前記酸化剤オフガス流路に設けられた背圧弁と、前記冷媒流路を経由するように冷媒を循環させる冷媒循環流路と、前記冷媒循環流路に設けられた冷媒ポンプと、前記冷媒循環流路に設けられた放熱器と、前記放熱器をバイパスして冷媒を通流させる放熱器バイパス流路と、冷媒が前記放熱器バイパス流路を通流するか否か切り替える冷媒切替弁と、前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段と、前記パージ弁、前記コンプレッサ、前記加湿弁、前記背圧弁、前記冷媒ポンプ、前記冷媒切替弁及び前記出力制御手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、システム起動時に低温起動条件が成立する場合に前記燃料電池の暖機を促進する低温起動モードを実行し、システム起動時に低温起動条件が成立しない場合に通常に起動する通常起動モードを実行し、前記通常起動モードの実行中に前記燃料電池の暖機が完了した場合、定常運転モードに移行させ、前記低温起動モードの実行中に前記燃料電池の暖機が完了した場合において、前記燃料電池のＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線以上であるとき前記定常運転モードに移行させ、前記燃料電池のＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線未満であるとき前記低温起動モードで生成した過剰な水分を除去するために前記燃料電池の膜電極接合体を乾燥させるＭＥＡ乾燥モードを実行し、前記ＭＥＡ乾燥モードの実行中に前記燃料電池のＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線以上となったとき前記定常運転モードに移行させ、前記低温起動モードは、酸化剤ガスが前記インタークーラをバイパスし、酸化剤ガスが前記加湿器をバイパスし、前記通常起動モードに対して酸化剤ガスが高圧かつ大流量で供給され、冷媒が前記放熱器をバイパスし、前記通常起動モードに対して前記燃料電池が高い出力で発電し自己発熱量が大きいモードであり、前記定常運転モードは、酸化剤ガスが前記インタークーラを経由し、酸化剤ガスが前記加湿器を経由し、冷媒が前記放熱器を経由するモードであり、前記ＭＥＡ乾燥モードは、前記定常運転モードに対して前記燃料電池の温度を上げると共に前記燃料電池の冷却率を下げるモードであって、前記定常運転モードに対して前記パージ弁による排出よって前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力が低く、酸化剤ガスが前記インタークーラをバイパスし、酸化剤ガスが前記加湿器をバイパスし、前記定常運転モードに対して前記コンプレッサの回転速度が高く、前記定常運転モードに対して前記背圧弁の開度が大きいことよって前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力が低く、冷媒が前記放熱器をバイパスし、前記定常運転モードに対して前記冷媒ポンプの回転速度が低く前記冷媒流路を通流する冷媒の流量が少ないモードであることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、起動時に低温起動条件が成立する場合、燃料電池を低温起動モードで起動、つまり、低温起動することで、燃料電池が暖機される（第１ステップ）。そして、燃料電池の発電性能が所定発電性能よりも低く、膜電極接合体のアノード及びカソードに過剰な水分が存在すると推定される場合、膜電極接合体を乾燥させることにより（第２ステップ）、この水分を除去し、燃料電池の発電性能を回復させることができる。
そして、このように燃料電池システムの起動時に膜電極接合体を乾燥させるので、燃料電池システムの発電停止時における掃気時間、つまり、コンプレッサの作動時間を短縮することができる。これにより、コンプレッサの作動を短時間で停止できると共に、外部電源を大型化させる必要がなく、システムが大型化することもない。すなわち、起動時における膜電極接合体の乾燥では、発電する燃料電池の電力を利用して、コンプレッサを作動できるため、特別な外部電源を備える必要もない。
なお、後記する実施形態では、低温起動条件が成立する場合として、起動時の燃料電池１０の温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１よりも低い場合（図５、Ｓ１０１・Ｙｅｓ）を例示する。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、燃料電池の温度を定常運転モードで運転される定常運転時よりも上げることにより（第２Ａステップ）、燃料電池内を流通する反応ガスの温度が上がり、その結果として、飽和水蒸気量が上がり、つまり、湿度が下がる。そうすると、膜電極接合体の水分が反応ガスに移動しやすくなり、膜電極接合体を効率的に乾燥させることができる。
ここで、「定常運転」とは、燃料電池の温度が暖機完了温度（例えば７０℃）に到達した後の運転であって、燃料電池の過昇温を防止するための冷媒が定常に循環し（定常運転モード）、燃料電池が暖機完了温度で略維持され、燃料電池の出力が安定している状態の運転を意味する。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、冷媒等による燃料電池の冷却率を定常運転時よりも下げることにより（冷却率低下ステップ）、燃料電池の温度を定常運転時よりも上げることができる。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、燃料電池に供給される反応ガスの流量を一定にしたまま、その圧力を定常運転時よりも低くすると（ガス圧力低下ステップ）、燃料電池内の反応ガスの流速が高くなる。これにより、膜電極接合体に含まれる水分を吹き飛ばして、膜電極接合体を乾燥させることができる。
また、このように反応ガスの圧力を低くして発電させると、燃料電池の自己発熱量が高くなり、燃料電池の温度が上がる。したがって、反応ガスの温度が上がって、その飽和水蒸気量が高くなり、膜電極接合体をより好適に乾燥させることができる。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、燃料電池に供給される反応ガスの加湿量を定常運転時よりも減少させることにより、膜電極接合体の水分が流通する反応ガスに移動しやすくなり、その結果として、膜電極接合体をより好適に乾燥させることができる。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、反応ガスの流量を、定常運転時よりも増加させることにより（流量増加ステップ）、燃料電池内の水分が吹き飛ばされて、外部に排出されやすくなり、これにより、膜電極接合体の乾燥を促進することができる。
特に、その加湿量が減少された低湿度の反応ガスの流量を増加させる場合、膜電極接合体の水分を反応ガスに効率的に移動させ、膜電極接合体をより好適に乾燥させることができる。

このような燃料電池システムの起動方法によれば、膜電極接合体を乾燥させる第２ステップを燃料電池の発電性能が所定発電性能以上となるまで継続することにより、言い換えると、燃料電池の発電性能が所定発電性能よりも低い場合に第２ステップを継続することにより、膜電極接合体の過剰な乾燥を防止し、過剰な乾燥による膜電極接合体の性能劣化を防止することができる。

本発明によれば、システムを大型化させずに、過剰な水分を除去し、発電停止後の掃気時間を短くすることができる燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
まず、本実施形態に係る燃料電池システムの起動方法を実施するシステム構成を説明する。図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続された走行モータ５１（図示しない）を備えている。走行モータ５１は燃料電池１０の発電電力によって駆動し、これにより、燃料電池自動車が走行するようになっている。

燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード１４（図２参照）に対して水素（燃料ガス、反応ガス）を供給及び排出するアノード系２０と、燃料電池１０のカソード１５（図２参照）に対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を供給及び排出するカソード系３０と、燃料電池１０を適宜に冷却する冷却系４０と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系５０と、燃料電池システム１の起動スイッチであるＩＧ６０（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。

＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、図２（ａ）に示すように、単セル１１が、その厚み方向に複数積層されることによって構成された固体高分子電解質型燃料電池である。単セル１１は、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜１３をアノード１４及びカソード１５で挟持してなるＭＥＡ１２と、ＭＥＡ１２を挟んでいる金属製のセパレータ１６及びセパレータ１７とを備えている。

アノード１４は、電解質膜１３側の触媒部１４ａと、セパレータ１６側のガス拡散部１４ｂとを備えている。ガス拡散部１４ｂはカーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から形成され、触媒部１４ａはカーボンペーパ等の多孔質体に触媒（Ｐｔ等）が担持されてなる。これと同様に、カソード１５は、電解質膜１３側の触媒部１５ａと、セパレータ１７側のガス拡散部１５ｂとを備えている。

そして、アノード１４及びカソード１５は、その内部に多数の連続空隙を有しており、これらが反応ガス（水素又は酸素を含む空気）の流路となっている。したがって、図２（ａ）に示すように、アノード１４、カソード１５の内部に水分が含まれ、流路となるべき連続空隙が塞がっていると、電極反応が起こる触媒部１４ａ、１５ａに反応ガスが到達しにくくなり、単セル１１のＩＶ曲線（発電性能、ＩＶ特性、出力）が低くなり、単セル１１が積層してなる燃料電池１０のＩＶ曲線も低くなる傾向にある（図３参照）。なお、ＩＶ曲線とは、出力電流−出力電圧曲線を意味し、単セル１１（燃料電池１０）は、その温度、反応ガスの供給状況等に対応して、あるＩＶ曲線上で発電する特性を有している。

これに対し、図２（ｂ）に示すように、アノード１４、カソード１５の内部に水分が含まれていないと、触媒部１４ａ、１５ａに反応ガスが良好に到達し、単セル１１のＩＶ曲線が高くなり、燃料電池１０のＩＶ曲線も高くなる傾向を有している（図３参照）。すなわち、このようなＩＶ特性の高い燃料電池１０によれば、目標通りのＩＶ特性を出力可能となる。

セパレータ１６は、ＭＥＡ１２のアノード１４側に位置すると共に、水素が流通するアノード流路１６ａ（反応ガス流路）を有しており、水素がアノード１４に導かれるようになっている。セパレータ１７は、ＭＥＡ１２のカソード１５側に位置すると共に、酸素を含む空気が流通するカソード流路１７ａを有しており、空気がカソード１５に導かれるようになっている。そして、このように水素及び空気が流通すると、ＭＥＡ１２において電位差（いわゆるＯＣＶ：Open Circuit Voltage、開回路電圧）が発生するようになっている。また、セパレータ１７には冷却系４０の冷媒が流通する冷媒流路１７ｂが形成されている。なお、ＯＣＶは、図３のグラフにおいて、出力電流が０のときの出力電圧に相当する。

そして、燃料電池１０の出力端子には、後記するＶＣＵ５２（Voltage Control Unit）を介して、走行モータ５１等の電力消費機器が接続しており、前記電位差が発生した状態で、この電力消費機器から発電要求があり、ＶＣＵ５２が制御されると、ＭＥＡ１２つまり燃料電池１０が発電するようになっている。

また、燃料電池１０は、その種類や燃料電池システム１の設定に基づいて、図４に示すように、暖機完了温度Ｔ２（例えば７０℃）を有している。暖機完了温度Ｔ２とは、燃料電池１０の温度Ｔ１１がこの温度以上になると、触媒部１４ａ、１５ａの活性が良好となり、燃料電池１０の出力が安定すると推測される温度である。

＜アノード系＞
図１に戻って説明を続ける。
アノード系２０は、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、減圧弁２３（レギュレータ）と、エゼクタ２４と、パージ弁２５とを主に備えている。
燃料電池１０の上流側について説明すると、水素タンク２１からアノード流路１６ａに向かって、配管２１ａと、遮断弁２２と、配管２２ａと、減圧弁２３と、配管２３ａと、エゼクタ２４と、配管２４ａと、アノード流路１６ａとが順に接続されており、ＥＣＵ７０によって遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１からアノード流路１６ａに、減圧弁２３によって所定圧力に減圧された後、水素が供給されるようになっている。また、減圧弁２３はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は減圧弁２３の二次側（下流側）圧力を適宜に調整可能となっている。

次に、燃料電池１０の下流側について説明すると、アノード流路１６ａから希釈器３７に向かって、配管２５ａと、開閉式のパージ弁２５と、配管２５ｂと、希釈器３７とが順に接続されている。また、配管２５ｃ（循環手段）によって、配管２５ａの途中とエゼクタ２４とが接続されている。

そして、燃料電池１０の出力が下がり、アノード１４から排出されたアノードオフガス中の不純物（水等）が多いと推定されると、ＥＣＵ７０によってパージ弁２５が開かれ、アノードオフガスが、配管２５ａ、パージ弁２５等を介して希釈器３７に送られるようになっている。一方、燃料電池１０の出力が良好であり、アノードオフガス中の不純物が少ないと推定されると、パージ弁２５が閉じられ、未反応の水素が配管２５ｃを介してエゼクタ２４に戻り、水素が循環し効率的に利用されるようになっている。

＜カソード系＞
カソード系３０は、コンプレッサ３１（スーパーチャージャ、酸化剤ガス供給手段）と、インタークーラ３３（熱交換器）と、加湿器３５（加湿手段）と、背圧弁３６と、希釈器３７と、温度センサ３８と、を主に備えている。

まず、燃料電池１０の上流側について説明する。
コンプレッサ３１は、外気を取り込んで圧縮し、酸化剤ガス（掃気時には掃気ガス）として燃料電池１０のカソード１５に向けて送る機器である。そして、コンプレッサ３１は、配管３１ａ、三方弁であるインタークーラ弁３２、及び、配管３２ａを介して、インタークーラ３３に接続されている。また、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ７０と接続されており、適宜に制御されるようになっている。

インタークーラ３３は、コンプレッサ３１での圧縮により高温となった空気を、適宜に冷却する熱交換器であり、例えば、コンプレッサ３１からの空気が空冷されるようになっている。そして、インタークーラ３３は、配管３３ａ、三方弁である加湿弁３４、及び、配管３４ａを介して、加湿器３５に接続されている。
また、配管３２ｂによってインタークーラ弁３２と配管３３ａとが接続されており、コンプレッサ３１からの空気がインタークーラ３３を迂回（バイパス）するようになっている。そして、インタークーラ弁３２はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０がインタークーラ弁３２を適宜に開／閉することで、インタークーラ３３の経由／迂回を制御するようになっている。
ただし、インタークーラ３３の経由／迂回を制御できれば、このような構成に限定されず、例えば、インタークーラ弁３２を設けず、インタークーラ３３を迂回する配管３２ｂに開閉弁を設け、これを適宜に開／閉する構成でもよい。また、流量調整弁（バタフライ弁等）を適所に設け、インタークーラ３３の経由流量と、迂回流量とを制御する構成でもよい。

加湿器３５は、燃料電池１０に送る空気を加湿する機器であり、コンプレッサ３１（インタークーラ３３）からの空気と、カソード流路１７ａから排出された生成水を含む多湿のカソードオフガスとの間で、水分交換するための中空糸膜３５ｄを内蔵している。そして、加湿器３５は、配管３５ａを介して、カソード流路１７ａに接続されている。
また、配管３４ｂによって加湿弁３４と配管３５ａとが接続されており、インタークーラ３３（コンプレッサ３１）からの空気が加湿器３５を迂回するようになっている。そして、加湿弁３４はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は、加湿弁３４を適宜に開閉することで、加湿器３５の経由／迂回を制御するようになっている。
ただし、加湿器３５の経由／迂回を制御できれば、このような構成に限定されず、例えば、加湿弁３４を設けず、加湿器３５を迂回する配管３４ｂに開閉弁を設け、これを適宜に開／閉する構成でもよい。また、流量調整弁（バタフライ弁等）を適所に設け、加湿器３５の経由流量と、迂回流量とを制御する構成でもよい。

次に、燃料電池１０の下流側について説明する。
カソード流路１７ａの下流側は、配管３６ａを介して、加湿器３５に接続されており、多湿のカソードオフガスが加湿器３５に送られるようになっている。そして、加湿器３５における水分交換により、その水分量が低下したカソードオフガスが、配管３６ｂ、背圧弁３６、配管３７ａを介して、希釈器３７に送られるようになっている。

背圧弁３６は、その背圧（上流側圧力）を所定圧力に調整するための弁である。そして、この背圧弁３６は、定常運転時において、背圧（燃料電池１０内のカソード流路１７ａの圧力）が、アノード流路１６ａの圧力とバランスするように設定されており、これにより、ＭＥＡが膨らんだり、破れたりしないようになっている。また、背圧弁３６はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は背圧弁３６の開度を制御し、背圧を適宜に調整可能となっている。

希釈器３７は、アノード系２０からのアノードオフガス中の水素を希釈するための機器であって、その内部に希釈空間を有している。この希釈空間には、アノード系２０からの水素を含むアノードオフガスと、加湿器３５からのカソードオフガス（希釈用ガス）とが導入されるようになっている。そして、アノードオフガス中の水素が、カソードオフガスで希釈され、所定水素濃度以下に低下した希釈ガスとなった後、排気されるようになっている。

温度センサ３８は、配管３６ａに設けられており、その内部のガスの温度を、燃料電池１０又は燃料電池システム１の現在の温度Ｔ１１として検出するようになっている。そして、温度センサ３８は、ＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は、燃料電池１０等の温度Ｔ１１を監視している。

＜冷却系＞
冷却系４０は、発電により自己発熱する燃料電池１０が過昇温しないように、燃料電池１０の冷媒流路１７ｂに冷媒（エチレングリコール等）を通流させて、燃料電池１０を適宜に冷却し、燃料電池１０を定常発電に好適にな温度帯の暖機完了温度Ｔ２（図４参照）に保つための系である。このような冷却系４０は、冷媒ポンプ４１と、サーモスタット弁４２と、ラジエータ４３（放熱器）と、を主に備えている。

まず、暖機が完了し、燃料電池１０が定常（通常）に発電する定常運転時における冷媒の流れを説明する。定常運転時は、燃料電池１０から排出される冷媒の温度が高く、この冷媒は、燃料電池１０の冷媒流路１７ｂから、配管４１ａ、冷媒ポンプ４１、配管４１ｂ、サーモスタット弁４２、配管４２ａ、ラジエータ４３、配管４３ａ、冷媒流路１７ｂを順に流通し、燃料電池１０が適宜に冷却されて、燃料電池１０が過昇温しないようになっている。
一方、暖機の完了前、つまり、燃料電池システム１の起動時等は、燃料電池１０から排出される冷媒の温度が低く、定常運転時に対して、冷媒がサーモスタット弁４２から配管４２ｂを経由して配管４３ａに流れ込み、ラジエータ４３を迂回するようになっている。

すなわち、暖機が完了し燃料電池１０から排出される冷媒の温度が高い場合、サーモスタット弁４２が開き、配管４１ｂからラジエータ４３への冷媒の流れが許容されるようになっている。一方、起動時等の冷媒の温度が低い場合、サーモスタット弁４２が閉じ、ラジエータ４３への冷媒の流れが遮断されるようになっている。また、サーモスタット弁４２はその開弁温度が調整可能であると共に、ＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０によって、その開弁温度が制御されるようになっている。
その他、冷媒ポンプ４１もＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０によって、その回転速度等が制御されるようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系５０は、走行モータ５１（外部負荷）と、ＶＣＵ５２（Voltage Control Unit）と、出力検出器５３とを主に備えている。また、走行モータ５１と並列に、燃料電池１０の余剰電力を蓄えたり、燃料電池１０の発電を補助するキャパシタ等の蓄電装置（図示しない）が設けられている。この他、コンプレッサ３１のモータも、電力消費系５０に含まれ、コンプレッサ３１は、運転する燃料電池１０の電力等を利用して作動するようになっている。

走行モータ５１は、燃料電池自動車を走行させる電動モータであり、ＶＣＵ５２を介して燃料電池１０の出力端子に接続されている。
ＶＣＵ５２は、燃料電池１０の出力電流や出力電圧を制御することで、燃料電池１０の発電を制御する電流電圧制御器である。言い換えると、ＶＣＵ５２は、電流を適宜に取り出すことによって燃料電池１０を発電させる機器であり、例えば、コンタクタ（リレー）、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えている。そして、ＶＣＵ５２はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＶＣＵ５２を介して出力電流及び出力電圧を適宜に制御するようになっている。すなわち、例えば、ＥＣＵ７０が出力電流を０にすれば、燃料電池１０が発電しない設定となっている。

出力検出器５３は、燃料電池１０の出力電流及び出力電圧を検出する機器である。出力検出器５３は、電流計と電圧計とを備えており、電流計は燃料電池１０の出力電流を検出可能なように、電圧計は燃料電池１０の出力電圧を検出可能なように、それぞれ適所に配置されている。そして、出力検出器５３はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０は出力検出器５３を介して出力電流及び出力電圧を監視している。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する装置である。このようなＥＣＵ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。このＥＣＵ７０による制御は後で説明する。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作と共に、本実施形態に係る燃料電池システム１の起動方法について、図５及び図６を主に参照して説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム１の起動方法は、燃料電池１０の温度を検出し、低温起動条件が成立する場合に、燃料電池１０を低温起動し暖機する第１ステップと、暖機完了後に、燃料電池１０のＩＶ曲線（発電性能）が所定ＩＶ曲線よりも低い場合、ＭＥＡ１２を乾燥させる第２ステップと、を含んでいる。

＜基本動作＞
まず、図５を参照して、燃料電池システム１の起動方法の基本動作を説明する。燃料電池自動車のＩＧ６０がＯＮされると、図５に示すフローチャートがスタートする。

［低温起動判定］
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は低温起動させるか否かの判定を行う。具体的には、ＥＣＵ７０は、温度センサ３８を介して現在の燃料電池１０の温度Ｔ１１を検出し、この温度Ｔ１１とその内部に記憶された所定温度Ｔ１（例えば０℃）とを比較する。この所定温度Ｔ１は、例えば、燃料電池１０の温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１よりも低いと、燃料電池１０及び燃料電池システム１内が凍結している可能性がある温度である。

そして、燃料電池１０の温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１よりも低い場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０は、低温起動させる必要があると判定して、ステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池１０の温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１よりも低くない場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、つまり、温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１以上である場合、低温起動させる必要はないと判定して、ステップＳ１０６に進む。

［低温起動］
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池１０（燃料電池システム１）を低温起動させる。
具体的には、アノード系２０については、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を開き、アノード流路１６ａに水素を供給する。ここで、例えば、パージ弁２５は最初開いておき、アノード系２０の流路に残存する結露水を排出した後に、パージ弁２５を閉じ、水素を循環させる構成とする。

一方、カソード系３０については、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を低温起動モードで作動させ、カソード流路１７ａに酸素を含む空気を供給する。低温起動モードとは、後記するステップＳ１０６で実行する通常起動における通常起動モードに対して、コンプレッサ３１を通常起動モードの回転速度よりも高い回転速度で作動させて、燃料電池１０に、通常流量よりも多い流量、かつ、通常圧力よりも高い圧力で、空気（低温起動用反応ガス）を供給する運転モードである。このような低温起動モードで起動し、低温起動することによって、燃料電池１０に低温用反応ガスが供給されるため、燃料電池１０は高い出力でも発電可能な状態となる。
ここで、本実施形態におけるコンプレッサ３１の回転速度についてまとめると、「低温起動モード＞通常起動モード＞ＭＥＡ乾燥モード＞定常運転モード」のようになる。

なお、このような低温起動モードにおけるコンプレッサ３１の回転速度は事前試験等により求められる。その他、燃料電池１０の温度に基づいて、低温起動モードにおけるコンプレッサ３１の増加回転速度を可変、例えば、燃料電池１０の温度Ｔ１１が低いほど、増加回転速度を大きくする構成としてもよい。
また、低温起動時において、インタークーラ３３及び加湿器３５を経由させるか否かについては、どのようであってもよいが、インタークーラ３３を迂回させれば、圧縮により高温となった空気がそのまま供給されるので暖機が促進され、また、加湿器３５を迂回させれば、乾燥した空気によって燃料電池１０内の不要な水分の除去が促進される。

このように燃料電池１０に水素及び空気が供給されると、各単セル１１において、電位差（ＯＣＶ）が発生し、このような状態で、ＥＣＵ７０がＶＣＵ５２を制御し、燃料電池１０から電流を取り出すと、燃料電池１０が発電し始める。そうすると、燃料電池１０は自己発熱によって暖められ、その暖機が進むことになる。ここで、ＥＣＵ７０は、ＶＣＵ５２を介して、燃料電池１０を高い出力で発電させ、自己発熱量を増加させ、暖機を促進させることが好ましい。

また、ＥＣＵ７０は、このように燃料電池１０を発電させ、暖機しつつ、冷媒ポンプ４１を作動させて、冷媒を循環させる。これにより、燃料電池１０が局所的に高温になることは防止される。ここで、燃料電池１０の暖機を促進させるため、ＥＣＵ７０はサーモスタット弁４２の開弁温度を高くする構成、つまり、循環する冷媒がラジエータ４３を迂回しやすい構成とすることが好ましい。

［暖機完了判定］
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、燃料電池１０の暖機が完了したか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ７０は、温度センサ３８を介して検出される燃料電池１０の現在の温度Ｔ１１と、その内部に記憶された暖機完了温度Ｔ２（例えば、７０℃）とを比較し、現在の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ２以上である場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、暖機は完了したと判定して、ステップＳ１０４に進む。一方、現在の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ２以上でない場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、つまり、現在の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ２未満である場合、ステップＳ１０３の判定を繰り返す。

［ＭＥＡ乾燥判定］
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、暖機完了後の燃料電池１０のＭＥＡ１２を乾燥させる必要があるか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ７０は、出力検出器５３を介して、現在の燃料電池１０の出力電流及び出力電圧をサンプリングする。そして、このサンプリングした出力電流及び出力電圧に基づいて、現在発電する燃料電池１０のＩＶ曲線を推定する（図３参照）。

次いで、ＥＣＵ７０は、この推定したＩＶ曲線（発電性能）と、その内部に記憶された所定ＩＶ曲線（所定発電性能）とを比較し、推定したＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線よりも低い場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＭＥＡ１２を乾燥させる必要がある判定して、ステップＳ２００に進む。ここで、推定されたＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線よりも低い場合とは、例えば、ある出力電流値において、推定されたＩＶ曲線上の出力電圧値が、所定ＩＶ曲線上の出力電圧値よりも小さい場合を意味する。また、所定ＩＶ曲線は、事前試験等により求められる。
さらに説明すると、このように暖機が完了しているものの、燃料電池１０のＩＶ曲線が低い場合とは、ＭＥＡ１２（図２（ａ）参照）を構成するアノード１４及びカソード１５に多量の水分（水蒸気）が存在し、この水分によって、アノード１４等において、反応ガス（水素、空気）が流通しにくくなっていると推定される場合である。
この他に、出力電流及び出力電圧を１点のみサンプリングし、燃料電池１０の現在のＩＶ曲線を推定せずに、このサンプリングした出力電流及び出力電圧と、所定ＩＶ曲線とを比較し、ＭＥＡ１２を乾燥させるか否かを判定する構成としてもよい。

一方、推定したＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線よりも低くない場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、つまり、推定したＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線以上である場合、ＭＥＡ１２を乾燥させる必要はないと判定して、ステップＳ１０８に進む。なお、この場合は、ＭＥＡ１２のアノード１４等に多量に水分は存在しておらず（図２（ｂ）参照）、触媒部１４ａ及び触媒部１５ａに反応ガスが良好に供給されていると推定される場合ある。

ステップＳ２００において、ＥＣＵ７０は、ＭＥＡ１２（図２（ａ）参照）のアノード１４及びカソード１５を主に乾燥させるＭＥＡ乾燥モードで、燃料電池システム１を運転する。ＭＥＡ乾燥モードの具体的な内容は、後で詳細に説明する。

この後、ステップＳ１０４に戻り、ＭＥＡ１２が乾燥、つまり、水分が除去されたことにより、推定されたＩＶ曲線（発電性能）が所定ＩＶ曲線以上となった場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ステップＳ１０８に進む。すなわち、燃料電池１０のＩＶ曲線（発電性能）が、所定ＩＶ曲線（所定発電性能）以上となるまで、ＭＥＡ乾燥モードによる運転は継続される。つまり、燃料電池１０のＩＶ曲線（発電性能）が、所定ＩＶ曲線（所定発電性能）以上となった場合、ＭＥＡ乾燥モードによるＭＥＡ１２の乾燥は終了されるので、過剰な乾燥によるＭＥＡ１２の性能劣化が防止される。

［通常起動］
次に、ＩＧ６０のＯＮ時の燃料電池１０の温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１以上であり（Ｓ１０１・Ｎｏ）、低温起動する必要がなく、ステップＳ１０６に進んだ場合を説明する。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、燃料電池１０（燃料電池システム１）を、低温起動ほど暖機を促進しない通常起動モードで、通常に起動する。ここで、通常起動モードでは、低温起動モードに対して、コンプレッサ３１の回転速度が低く設定されている点が異なり、その他の制御はステップＳ１０２と同様である。そして、このような通常起動モードで起動することにより、燃料電池１０のカソード流路１７ａに通常の流量かつ通常圧力で空気（通常起動用反応ガス）が供給され、ＶＣＵ５２が適宜に制御されると、燃料電池１０が通常に発電し始め、その自己発熱によって暖機が進む。

［暖機完了判定］
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０３と同様に、暖機完了判定を行う。そして、現在の燃料電池１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ２以上である場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、暖機は完了したとして、ステップＳ１０８に進む。一方、現在の燃料電池１０の温度Ｔ１１が暖機完了温度Ｔ２以上でない場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、つまり、暖機完了温度Ｔ２よりも低い場合、ステップＳ１０８の判定を繰り返す。

［定常運転］
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ７０は、暖機が完了し、かつ、そのＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線以上である燃料電池１０を、定常運転モードで発電させる。ここで、定常運転では、燃料電池１０から高温の冷媒が排出されるため、サーモスタット弁４２が開き、冷媒はラジエータ４３を経由する。
そして、ＥＣＵ７０は、ＥＮＤに進み、起動時の制御を終了する。

＜ＭＥＡ乾燥モード＞
次に、ステップＳ２００におけるＭＥＡ乾燥モードについて、図６を主に参照して具体的に説明する。

［冷却率の低下］
ステップＳ２０１（第２Ａステップ、冷却率低下ステップ）において、ＥＣＵ７０は、循環する冷媒による燃料電池１０の冷却率を低下させる。具体的には、冷媒ポンプ４１の回転速度を低くして燃料電池１０を流れる冷媒の流量を低くしたり、サーモスタット弁４２の開弁温度を高くしてラジエータ４３を迂回させて、ラジエータ４３における放熱を防ぐ。
そうすると、冷媒による燃料電池１０の冷却率が下がり、その結果として、発電による自己発熱によって、燃料電池１０の温度Ｔ１１が高くなる。これにより、ＭＥＡ１２の乾燥が進み、主にアノード１４及びカソード１５から水分が除去される。その結果として、ＭＥＡ１２において、反応ガス（水素、空気）の流路が確保され、その触媒部１４ａ及び触媒部１５ａに反応ガスが到達しやすくなり、燃料電池１０のＩＶ曲線（発電特性）は回復の方向に向かう。

［水素の圧力低下］
ステップＳ２０２（第２Ａステップ、ガス圧力低下ステップ）において、ＥＣＵ７０は、パージ弁２５を開き、アノード流路１６ａの水素の圧力を下げる。パージ弁２５の開き方はどのようであってもよく、例えば、一回でもよいし、間欠的であってもよい。その他、アノード流路１６ａ内の圧力を検出する圧力センサを設け、所定圧力以下となるまでパージ弁２５を適宜に開く方式等であってもよい。

そうすると、アノード流路１６ａを流通する水素の流速が、パージ弁２５の開に連動して高くなる。これにより、アノード流路１６ａ及びアノード１４に含まれる水分が吹き飛ばされ、燃料電池１０の外部に排出されやすくなり、ＭＥＡ１２の乾燥が進む。

また、このようにアノード流路１６ａ内の水素の圧力を下げて、燃料電池を発電させると、燃料電池１０の自己発熱量が高くなる。その結果として、燃料電池１０の温度Ｔ１１が高くなり、ＭＥＡ１２の乾燥が進む。
なお、このように燃料電池１０の自己発熱量が高くなる一つの理由としては、圧力低下前後において、ＶＣＵ５２を制御して燃料電池１０から同様に電流を取り出し、燃料電池１０を同様に発電させると、図７に模式的に示すように、水素の圧力を低下させると、一時的に燃料電池１０の出力が下がるが（矢印Ａ１参照）、ＶＣＵ５２が圧力低下前と同様に燃料電池１０を発電させるため（矢印Ａ２参照）、燃料電池１０の内部抵抗が増加することが考えられる。

［加湿量の減少］
ステップＳ２０３（第２Ｂステップ）において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１からの空気が加湿器３５を迂回（バイパス）するように、加湿弁３４を制御する。そうすると、カソード流路１７ａに、定常運転時（図５、Ｓ１０８参照）よりも加湿量が減少した、つまり、乾燥した空気が供給される。これにより、ＭＥＡ１２の乾燥が進み、主にカソード１５から水分が除去される。

［空気流量の増加］
ステップＳ２０４（第２Ｂステップ、流量増加ステップ）において、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１の回転速度を、定常運転時の回転速度よりも高めて、カソード流路１７ａに供給される空気の流量を定常運転時よりも増加させる。これにより、乾燥した空気がカソード流路１７ａに多流量で供給される。その結果として、ＭＥＡ１２の乾燥が進み、主にカソード１５から水分が除去される。なお、コンプレッサ３１は運転（発電）する燃料電池１０の発電電力によって作動している。
また、このように空気の流量を増加させる際に、ＥＣＵ７０が背圧弁３６の定常運転時よりも開き、カソード流路１７ａ内の空気の流速を高めて、ＭＥＡ１２の乾燥を促進するようにしてもよい。因みに、空気の流量を増加させても、カソード流路１７ａ内の圧力が、定常運転時よりも低くなるように、背圧弁３６の開度を設定することが好ましい。

また、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１からの空気がインタークーラ３３を迂回するようにインタークーラ弁３２を制御することが好ましい。このようにインタークーラ３３を迂回させれば、コンプレッサ３１での圧縮により、高温となった空気がカソード流路１７ａに供給されることになり、燃料電池１０の温度Ｔ１１が上がり（第２Ａステップ）、ＭＥＡ１２の乾燥をより促進させることができる。

このような本実施形態に係る燃料電池システム１及びその起動方法によれば、ＭＥＡ１２のアノード１４及びカソード１５に過剰な水分が存在すると推定される場合、ＭＥＡ１２を乾燥させることにより、燃料電池１０のＩＶ曲線（発電性能）を回復させることができる。

また、図８に示すように、従来、燃料電池１０を高出力で発電させる低温起動を繰り返せば、高出力での発電により水が多量に生成され、この水がＭＥＡ１２に蓄積されるため、低温起動の累積起動回数が増加するにつれて、定常運転開始時の燃料電池１０の出力が下がる傾向であった。ところが、本発明によれば、低温起動し暖機完了後に、ＭＥＡ乾燥モードを実施することによって、ＭＥＡ１２を乾燥させるため、低温起動の累積回数が増加しても、燃料電池１０の出力が下がることはない。

さらに、このように燃料電池システム１の起動時にＭＥＡ１２を乾燥させて、その余分な水分を除去するため、発電停止後に掃気によりＭＥＡ１２を乾燥させる従来の燃料電池システム（図１０参照）に対して、掃気時間（コンプレッサ３１の作動時間）を短縮することができる（図９参照）。つまり、コンプレッサ３１を早めに停止し、その作動音を抑えることができる。そして、起動時にＭＥＡ１２に余分な水分が含まれていても、ＭＥＡ乾燥モードを実施することによって、ＭＥＡ１２を適宜に乾燥し、燃料電池１０の出力を回復させることができる。因みに、図９は燃料電池システム１の一動作例を示すタイムチャートであり、図１０は従来の燃料電池システムの一動作例を示す。
なお、本実施形態に係る燃料電池システム１は、配管３５ａと配管２２ａとが、掃気弁を有する掃気配管（ともに図示しない）によって接続されており、掃気時には、遮断弁２２を閉じ、コンプレッサ３１を作動させたまま、前記掃気弁を開き、アノード流路１６ａ及びカソード流路１７ａに掃気ガス（非加湿の空気）が供給され、掃気されるようになっている。

さらにまた、起動時にＭＥＡ１２を乾燥させるため、コンプレッサ３１の作動電源として燃料電池１０を利用できる。すなわち、コンプレッサ３１の作動電源を大型化させる必要がなく、燃料電池システム１が大型化することもない。

以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。

前記した実施形態では、ＭＥＡ乾燥モードに入るか否かの判定基準となる所定ＩＶ曲線（所定発電性能）が固定された場合について説明したが（Ｓ１０４）、燃料電池１０の総発電時間や低温起動によるＭＥＡ１２の劣化等を考慮して、所定ＩＶ曲線を設定する構成としてもよい。例えば、ステップＳ１０４の判定がＮｏとなり、定常運転（Ｓ１０８）に入った際のＩＶ曲線から、劣化等に係る補正値を差し引いたものを、所定ＩＶ曲線として、ＥＣＵ７０内に記憶し、次回起動時にこの所定ＩＶ曲線を基準に、ＭＥＡ乾燥モードに入るか否かを判定してもよい。

前記した実施形態に係るＭＥＡ乾燥モードに入った際のステップＳ２０４では、カソード流路１７ａに供給される空気を、増量かつ減圧する構成としたが、これに加えて、又は代えて、アノード側を制御してもよい。すなわち、アノード流路１６ａに供給される水素を、増量かつ減圧する構成してもよく、具体的には、パージ弁２５を開きつつ、減圧弁２３の二次側圧力を高めに設定する構成としてもよい。

前記した実施形態では、ＭＥＡ乾燥モードにおけるガス圧力低下ステップとして、パージ弁２５を開き、水素の圧力を低下させる場合を例示したが、その他に例えば、カソード系３０の燃料電池１０の下流側に設けられた背圧弁３６の開度を大きくし、カソード流路１７ａの空気の圧力を下げる構成でもよい。

前記した実施形態では、カソード系３０に加湿器３５が設けられた構成としたが、加湿器はアノード系２０に設けられ、アノード１４に供給される空気を加湿する構成であってもよい。この場合、この加湿器を迂回するように配管を設け、ステップＳ２０３において加湿量を減少させる場合、この加湿器を迂回する構成とする。

前記した実施形態では、特許請求の範囲における低温起動条件が成立する場合として、ＩＧ６０がＯＮされた時に燃料電池１０の温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１よりも低い場合を例示したが、その他に例えば、ＩＧ６０のＯＮ時の燃料電池１０の温度Ｔ１１に関わらず、燃料電池システム１の停止中に燃料電池１０の温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１よりも低くなった場合にフラグを立て、起動時にこのフラグを参照し、フラグが立っている場合、低温起動条件が成立しているとして低温起動する構成としてもよい。

前記した実施形態では、低温起動モードでは、通常起動モードに対して、コンプレッサの回転速度を増加させる構成としたが、以下のようであってもよい。
（１）アノード系２０における遮断弁２２とエゼクタ２４との間の減圧弁２３をその二次（下流）側圧力が高まるように制御し、燃料電池１０のアノード１４に高圧の水素が供給されるように設定してもよい。（２）パージ弁２５を開く間隔を短くし、アノードに供給される水素の濃度が高くなるように設定してもよい。（３）カソード系３０の燃料電池１０の下流側に設けられた背圧弁３６をその背圧が高まるように制御し、燃料電池１０のカソード１５に高圧の空気が供給されるように設定してもよい。（４）燃料電池１０を構成する単セル１１を保護するためのセル電圧保護閾値を高めるよう設定してもよい。また、これらを複合的に制御する設定としてもよい。

前記した実施形態では、本発明が、車両に搭載された燃料電池システム１に適用された場合について説明したが、これに限定されず、例えば、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システム等に本発明を適用してもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。（ａ）、（ｂ）共に本実施形態に係る燃料電池の断面図であり、（ａ）はＭＥＡの乾燥前、（ｂ）はＭＥＡの乾燥後を示す。ＩＧのＯＮ後の燃料電池の温度と出力との関係を示すグラフである。燃料電池のＩＶ曲線（ＩＶ特性）を示すグラフである。本実施形態に係る燃料電池システムの起動方法を示すフローチャートである。図５に示すＭＥＡ乾燥モードにおける処理を示すフローチャートである。燃料電池における水素の圧力と出力との関係を示すグラフである。燃料電池システムの低温起動の回数と出力との関係を示すグラフである。本実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。比較例に係る燃料電池システムの動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
１１単セル
１２ＭＥＡ
１３電解質膜
１４アノード
１５カソード
１６セパレータ
１６ａアノード流路
１７セパレータ
１７ａカソード流路
１７ｂ冷媒流路
２３減圧弁
２５パージ弁
３４加湿弁
３５加湿器
３５ｄ中空糸膜
３６背圧弁
３８温度センサ（燃料電池温度検出手段、システム温度検出手段）
４１冷媒ポンプ
４２サーモスタット弁
４３ラジエータ（放熱器）
５１走行モータ
５２ＶＣＵ
５３出力検出器
７０ＥＣＵ

Claims

燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路に供給される燃料ガスが通流する燃料ガス供給流路と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料ガスを含む燃料オフガスを前記燃料ガス供給流路に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路と、
上流側が前記燃料ガス循環流路に接続し、開くことで燃料オフガスを外部に排出するパージ弁と、
酸化剤ガスを吐出するコンプレッサと、
前記コンプレッサから前記酸化剤ガス流路に供給される酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給流路と、
前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、酸化剤ガスを冷却するインタークーラと、
前記インタークーラをパイパスして酸化剤ガスを通流させるインタークーラバイパス流路と、
酸化剤ガスが前記インタークーラバイパス流路を通流するか否か切り替えるインタークーラ弁と、
前記インタークーラよりも下流の前記酸化剤ガス供給流路に設けられ、酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
前記加湿器をバイパスして酸化剤ガスを通流させる加湿器バイパス流路と、
酸化剤ガスが前記加湿器バイパス流路を通流するか否か切り替える加湿弁と、
前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス流路と、
前記酸化剤オフガス流路に設けられた背圧弁と、
前記冷媒流路を経由するように冷媒を循環させる冷媒循環流路と、
前記冷媒循環流路に設けられた冷媒ポンプと、
前記冷媒循環流路に設けられた放熱器と、
前記放熱器をバイパスして冷媒を通流させる放熱器バイパス流路と、
冷媒が前記放熱器バイパス流路を通流するか否か切り替える冷媒切替弁と、
前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段と、
前記パージ弁、前記コンプレッサ、前記加湿弁、前記背圧弁、前記冷媒ポンプ、前記冷媒切替弁及び前記出力制御手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
システム起動時に低温起動条件が成立する場合に前記燃料電池の暖機を促進する低温起動モードを実行し、システム起動時に低温起動条件が成立しない場合に通常に起動する通常起動モードを実行し、
前記通常起動モードの実行中に前記燃料電池の暖機が完了した場合、定常運転モードに移行させ、
前記低温起動モードの実行中に前記燃料電池の暖機が完了した場合において、前記燃料電池のＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線以上であるとき前記定常運転モードに移行させ、前記燃料電池のＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線未満であるとき前記低温起動モードで生成した過剰な水分を除去するために前記燃料電池の膜電極接合体を乾燥させるＭＥＡ乾燥モードを実行し、
前記ＭＥＡ乾燥モードの実行中に前記燃料電池のＩＶ曲線が所定ＩＶ曲線以上となったとき前記定常運転モードに移行させ、
前記低温起動モードは、酸化剤ガスが前記インタークーラをバイパスし、酸化剤ガスが前記加湿器をバイパスし、前記通常起動モードに対して酸化剤ガスが高圧かつ大流量で供給され、冷媒が前記放熱器をバイパスし、前記通常起動モードに対して前記燃料電池が高い出力で発電し自己発熱量が大きいモードであり、
前記定常運転モードは、酸化剤ガスが前記インタークーラを経由し、酸化剤ガスが前記加湿器を経由し、冷媒が前記放熱器を経由するモードであり、
前記ＭＥＡ乾燥モードは、前記定常運転モードに対して前記燃料電池の温度を上げると共に前記燃料電池の冷却率を下げるモードであって、前記定常運転モードに対して前記パージ弁による排出よって前記燃料ガス流路における燃料ガスの圧力が低く、酸化剤ガスが前記インタークーラをバイパスし、酸化剤ガスが前記加湿器をバイパスし、前記定常運転モードに対して前記コンプレッサの回転速度が高く、前記定常運転モードに対して前記背圧弁の開度が大きいことよって前記酸化剤ガス流路における酸化剤ガスの圧力が低く、冷媒が前記放熱器をバイパスし、前記定常運転モードに対して前記冷媒ポンプの回転速度が低く前記冷媒流路を通流する冷媒の流量が少ないモードである
ことを特徴とする燃料電池システム。