(57)【要約】      （修正有）【課題】起動時に劣化が生じることを防止することが可能な燃料電池システム及びその起動方法を提供する。【解決手段】起動時のアノードの所定ガスの濃度を把握するガス濃度把握工程（ステップＳ１１）と、所定ガスの濃度に基づいて、起動時の発電の目標電流を設定する目標電流設定工程（ステップＳ１２）と、目標電流に基づいて、反応ガスの不足が生じるか否かを判定する判定工程（ステップＳ１３）と、反応ガスの不足が生じないと判定された場合に、目標電流に応じた起動時の発電を実行する起動時発電モードを選択し、反応ガスの不足が生じると判定された場合に、起動時発電モードの実行に起因する劣化と、起動時の発電を実行せずに反応ガスの供給を継続する反応ガス供給モードの実行に起因する劣化との比較に基づき、起動時発電モードまたは反応ガス供給モードを選択するモード選択工程（ステップＳ１５〜ステップＳ１７）と、を実行する。【選択図】図５
2014026923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する燃料電池と、
前記燃料を含む反応ガスを前記アノードに供給するアノードガス供給手段と、
前記酸化剤を含む反応ガスを前記カソードに供給するカソードガス供給手段と、
前記アノードガス供給手段および前記カソードガス供給手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池の前記アノードの系内の所定ガスの濃度を把握するガス濃度把握手段と、
前記ガス濃度把握手段によって把握された前記所定ガスの濃度に基づいて、前記燃料電池の起動時の発電の目標電流を設定する目標電流設定手段と、
前記目標電流設定手段によって設定された前記目標電流に基づいて、前記反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足が生じるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づき、
前記反応ガスの不足が生じないと判定された場合に、前記目標電流に応じた前記起動時の発電を実行する起動時発電モードの実行を選択し、
前記反応ガスの不足が生じると判定された場合に、前記起動時発電モードの実行に起因する前記燃料電池の劣化と、前記起動時の発電を実行せずに前記反応ガスの供給を継続する反応ガス供給モードの実行に起因する前記燃料電池の劣化との比較に基づいて、前記起動時発電モードまたは前記反応ガス供給モードの実行を選択するモード選択手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記モード選択手段は、前記起動時発電モードの実行時には、前記燃料電池の発電電流を前記目標電流まで徐々に増大させ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】
アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する燃料電池と、
前記燃料を含む反応ガスを前記アノードに供給するアノードガス供給手段と、
前記酸化剤を含む反応ガスを前記カソードに供給するカソードガス供給手段と、
前記アノードガス供給手段および前記カソードガス供給手段を制御する制御手段と、
を備える燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池の前記アノードの系内の所定ガスの濃度を把握するガス濃度把握工程と、
前記ガス濃度把握工程によって把握された前記所定ガスの濃度に基づいて、前記燃料電池の起動時の発電の目標電流を設定する目標電流設定工程と、
前記目標電流設定工程によって設定された前記目標電流に基づいて、前記反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足が生じるか否かを判定する判定工程と、
前記判定工程による判定結果に基づき、
前記反応ガスの不足が生じないと判定された場合に、前記目標電流に応じた前記起動時の発電を実行する起動時発電モードを選択し、
前記反応ガスの不足が生じると判定された場合に、前記起動時発電モードの実行に起因する前記燃料電池の劣化と、前記起動時の発電を実行せずに前記反応ガスの供給を継続する反応ガス供給モードの実行に起因する前記燃料電池の劣化との比較に基づいて、前記起動時発電モードまたは前記反応ガス供給モードの実行を選択するモード選択工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、燃料電池スタックのセル電圧のうちの最小セル電圧が所定セル電圧よりも高い場合に要求負荷に応じた発電を開始する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５９３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術に係る燃料電池システムによれば、所定セル電圧は燃料電池システムの発電を開始しても燃料電池スタックの構成部品を劣化させることの無い電圧に設定されている。
しかしながら、セル電圧は燃料電池スタックに係る複数の不安定要素によって変動する虞があり、劣化防止の所定セル電圧を適切に設定することは容易では無く、例えばセル電圧が所定セル電圧よりも高い状態であってもアノードにおける燃料ガスの濃度が所望の濃度よりも低い場合があり、この燃料ガスの低濃度状態で発電が実行されると劣化が生じる虞がある
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、起動時に劣化が生じることを防止することが可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１の発明に係る燃料電池システムは、アノード（例えば、実施の形態でのアノード３２）の燃料（例えば、実施の形態での水素）およびカソード（例えば、実施の形態でのカソード３３）の酸化剤（例えば、実施の形態での酸素）によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）と、前記燃料を含む反応ガスを前記アノードに供給するアノードガス供給手段（例えば、実施の形態での水素タンク１６および水素供給弁１７）と、前記酸化剤を含む反応ガスを前記カソードに供給するカソードガス供給手段（例えば、実施の形態でのエアーコンプレッサー１２および封止入口弁１３）と、前記アノードガス供給手段および前記カソードガス供給手段を制御する制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２９）と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の前記アノードの系内の所定ガスの濃度を把握するガス濃度把握手段（例えば、実施の形態でのステップＳ１１）と、前記ガス濃度把握手段によって把握された前記所定ガスの濃度に基づいて、前記燃料電池の起動時の発電の目標電流を設定する目標電流設定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ１２）と、前記目標電流設定手段によって設定された前記目標電流に基づいて、前記反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足が生じるか否かを判定する判定手段（例えば、実施の形態でのステップＳ１３）と、前記判定手段による判定結果に基づき、前記反応ガスの不足が生じないと判定された場合に、前記目標電流に応じた前記起動時の発電を実行する起動時発電モードの実行を選択し、前記反応ガスの不足が生じると判定された場合に、前記起動時発電モードの実行に起因する前記燃料電池の劣化と、前記起動時の発電を実行せずに前記反応ガスの供給を継続する反応ガス供給モードの実行に起因する前記燃料電池の劣化との比較に基づいて、前記起動時発電モードまたは前記反応ガス供給モードの実行を選択するモード選択手段（例えば、実施の形態でのステップＳ１５〜ステップＳ１７）と、を備える。
【０００７】
さらに、本発明の第２の発明に係る燃料電池システムでは、前記モード選択手段は、前記起動時発電モードの実行時には、前記燃料電池の発電電流を前記目標電流まで徐々に増大させる。
【０００８】
また、本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、アノード（例えば、実施の形態でのアノード３２）の燃料（例えば、実施の形態での水素）およびカソード（例えば、実施の形態でのカソード３３）の酸化剤（例えば、実施の形態での酸素）によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）と、前記燃料を含む反応ガスを前記アノードに供給するアノードガス供給手段（例えば、実施の形態での水素タンク１６および水素供給弁１７）と、前記酸化剤を含む反応ガスを前記カソードに供給するカソードガス供給手段（例えば、実施の形態でのエアーコンプレッサー１２および封止入口弁１３）と、前記アノードガス供給手段および前記カソードガス供給手段を制御する制御手段（例えば、実施の形態での制御装置２９）と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池の前記アノードの系内の所定ガスの濃度を把握するガス濃度把握工程（例えば、実施の形態でのステップＳ１１）と、前記ガス濃度把握工程によって把握された前記所定ガスの濃度に基づいて、前記燃料電池の起動時の発電の目標電流を設定する目標電流設定工程（例えば、実施の形態でのステップＳ１２）と、前記目標電流設定工程によって設定された前記目標電流に基づいて、前記反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足が生じるか否かを判定する判定工程（例えば、実施の形態でのステップＳ１３）と、前記判定工程による判定結果に基づき、前記反応ガスの不足が生じないと判定された場合に、前記目標電流に応じた前記起動時の発電を実行する起動時発電モードを選択し、前記反応ガスの不足が生じると判定された場合に、前記起動時発電モードの実行に起因する前記燃料電池の劣化と、前記起動時の発電を実行せずに前記反応ガスの供給を継続する反応ガス供給モードの実行に起因する前記燃料電池の劣化との比較に基づいて、前記起動時発電モードまたは前記反応ガス供給モードの実行を選択するモード選択工程（例えば、実施の形態でのステップＳ１５〜ステップＳ１７）と、を含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の第１の発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の起動時にアノードおよびカソードに反応ガスの供給が開始されてから、無負荷での過大な電位の上昇（例えば、カソードの電位の上昇など）および発電時の反応ガスの供給不足が生じることを防止し、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１０】
すなわち、起動時の発電（つまり、電気負荷への放電（ディスチャージ））の目標電流に応じた発電電流を出力するために必要とされる反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足（ストイキ不足）が生じない場合には、起動時の発電を実行することによって、過大な電位の上昇に起因して燃料電池が劣化してしまうことを防止することができる。
一方、起動時の発電の目標電流に応じた発電電流を出力するために必要とされる反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足が生じる場合には、この不足に起因して発電時に生じる燃料電池の劣化と、起動時の発電を実行せずに反応ガスの供給を継続することによる過大な電位の上昇に起因して生じる燃料電池の劣化と、を比較する。そして、この比較結果に基づいて、何れか一方による劣化を許容しつつ、他方による劣化を防止することによって、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１１】
さらに、燃料電池内部の所定ガス（例えば、アノードの燃料や不純物のガスなど）の濃度に基づいて起動時の発電の目標電流を設定することによって、過大な電位の上昇を的確に解消することができる。
【００１２】
本発明の第２の発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池内部の所定ガスの濃度などに応じて燃料電池の発電電流を目標電流まで徐々に増大させことによって、例えば燃料電池の発電電流をステップ状に目標電流まで増大させる場合に比べて、反応ガスの供給量が不足することを防止することができる。
【００１３】
本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、燃料電池の起動時にアノードおよびカソードに反応ガスの供給が開始されてから、無負荷での過大な電位の上昇（例えば、カソードの電位の上昇など）および発電時の反応ガスの供給不足が生じることを防止し、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１４】
すなわち、起動時の発電（つまり、電気負荷への放電（ディスチャージ））の目標電流に応じた発電電流を出力するために必要とされる反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足（ストイキ不足）が生じない場合には、起動時の発電を実行することによって、過大な電位の上昇に起因して燃料電池が劣化してしまうことを防止することができる。
一方、起動時の発電の目標電流に応じた発電電流を出力するために必要とされる反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足が生じる場合には、この不足に起因して発電時に生じる燃料電池の劣化と、起動時の発電を実行せずに反応ガスの供給を継続することによる過大な電位の上昇に起因して生じる燃料電池の劣化と、を比較する。そして、この比較結果に基づいて、何れか一方による劣化を許容しつつ、他方による劣化を防止することによって、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【００１５】
さらに、燃料電池内部の所定ガス（例えば、アノードの燃料や不純物のガスなど）の濃度に基づいて起動時の発電の目標電流を設定することによって、過大な電位の上昇を的確に解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起動時におけるアノードおよびカソードの各系内の状態を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起動時におけるアノードの系内の水素濃度の変化とアノード電位およびカソード電位の変化との例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの動作、特に、燃料電池システムの起動時における制御装置による制御動作（つまり、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】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの動作、特に、燃料電池システムの起動時における制御装置による制御動作（つまり、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６】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起動時におけるアノードの系内の水素の濃度およびカソード電位およびディスチャージ電流の変化の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池システムの起動方法について添付図面を参照しながら説明する。
【００１８】
本実施の形態による燃料電池システム１０は、例えば、走行駆動用のモータを備える車両に電源として搭載され、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、エアーコンプレッサー１２と、封止入口弁１３と、封止出口弁１４と、水素タンク１６と、水素供給弁１７と、遮断弁１８と、循環ポンプ１９と、気液分離器２０と、パージ弁２１と、ドレイン弁２２と、希釈器２３と、水素温度センサ２４および水素圧力センサ２５と、湿度センサ２６および温度センサ２７および圧力センサ２８と、制御装置２９と、を備えている。
【００１９】
燃料電池スタック１１は、例えば、複数の燃料電池セル３１が積層された積層体（図示略）と、この積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレート（図示略）と、を備えている。
燃料電池セル３１は、例えば、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）（図示略）と、この膜電極接合体を接合方向の両側から挟み込む一対のセパレータ（図示略）と、を備えている。
膜電極接合体は、例えば図２（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）３２と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）３３と、アノード３２およびカソード３３によって厚さ方向の両側から挟み込まれた陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜３４と、を備えている。
【００２０】
燃料電池スタック１１のアノード３２には、例えば、水素からなる燃料ガス（反応ガス）が水素タンク１６から供給され、カソード３３には、例えば、酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサー１２から供給される。
アノード３２に供給された水素は、アノード触媒上で触媒反応によりイオン化され、水素イオンは、適度に加湿された固体高分子電解質膜３４を介してカソード３３へと移動する。水素イオンの移動に伴って発生する電子は直流電流として外部回路（図示略）に取り出し可能である。
アノード３２からカソード３３のカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソード３３に供給された酸素と、カソード触媒上の電子と反応して、水を生成する。
【００２１】
エアーコンプレッサー１２は、例えば、制御装置２９により駆動制御されるモータなどを備え、このモータの駆動力によって外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気を排出する。
【００２２】
封止入口弁１３は、例えば、エアーコンプレッサー１２と、燃料電池スタック１１のカソード３３に空気を供給可能な空気供給口（図示略）と、を接続する空気供給路４１に設けられ、制御装置２９の制御によって空気供給路４１を遮断可能である。
封止出口弁１４は、例えば、燃料電池スタック１１のカソード３３から空気などを排出可能な空気排出口（図示略）と、希釈器２３と、を接続する空気排出路４２に設けられ、制御装置２９の制御によって空気排出路４２を遮断可能である。
【００２３】
水素タンク１６は、例えば、圧縮された水素を貯留し、水素を排出可能である。
水素供給弁１７は、例えば、水素タンク１６と、燃料電池スタック１１のアノード３２に水素を供給可能な水素供給口（図示略）と、を接続する水素供給路４４に設けられ、制御装置２９の制御またはエアーコンプレッサー１２から排出される空気の圧力による信号圧などに応じた圧力の水素を、水素タンク１６から水素供給路４４に供給する。
【００２４】
遮断弁１８は、例えば、水素供給路４４において水素供給弁１７と水素供給口との間に設けられ、制御装置２９の制御によって水素供給路４４を遮断可能である。
【００２５】
循環ポンプ１９は、例えば、水素供給路４４における遮断弁１８と水素供給口との間と、燃料電池スタック１１のアノード３２から水素などを排出可能な水素排出口（図示略）と希釈器２３とを接続する水素排出路４５と、を接続する循環路４６に設けられている。
循環ポンプ１９は、燃料電池スタック１１のアノード３２を通過して水素排出口から排出された未反応の水素の少なくとも一部を、水素供給弁１７から水素供給路４４に供給された水素に混合して、燃料電池スタック１１のアノード３２に再び供給する。
【００２６】
なお、水素供給路４４における遮断弁１８と水素供給口との間には、水素排出路４５から分岐したバイパス路（図示略）に接続されたエゼクタが設けられてもよい。
エゼクタは、例えば、循環ポンプ１９の未作動時などにおいて、燃料電池スタック１１のアノード３２を通過して水素排出口から排出された未反応の水素の少なくとも一部を、水素供給弁１７から水素供給路４４に供給された水素に混合して、燃料電池スタック１１のアノード３２に再び供給する。
【００２７】
気液分離器２０は、例えば、水素排出路４５において水素排出口と循環路４６との間に設けられている。
気液分離器２０は、例えば、燃料電池スタック１１のアノード３２を通過して水素排出口から排出された排出ガスに含まれる水分を分離し、分離後の排出ガスをガス排出口（図示略）から排出し、分離後の水分を水分排出口（図示略）から排出する。
【００２８】
パージ弁２１は、例えば、水素排出路４５において気液分離器２０のガス排出口と希釈器２３との間に設けられ、気液分離器２０のガス排出口から排出された排出ガスを制御装置２９の制御によって希釈器２３に供給可能である。
【００２９】
ドレイン弁２２は、例えば、気液分離器２０の水分排出口と希釈器２３とを接続する排出路４７に設けられ、気液分離器２０の水分排出口から排出された水分を制御装置２９の制御によって希釈器２３に供給可能である。
【００３０】
希釈器２３は、例えば、パージ弁２１から供給された排出ガスの水素濃度を封止出口弁１４から供給された空気により希釈し、希釈後の水素濃度が所定濃度以下に低減された排出ガスを外部（例えば、大気中など）に排出する。
【００３１】
水素温度センサ２４および水素圧力センサ２５は、例えば、水素供給路４４における循環路４６と水素供給口との間に設けられ、燃料電池スタック１１のアノード３２に供給される水素の温度および圧力を検出して、検出結果の信号を出力する。
【００３２】
湿度センサ２６および温度センサ２７および圧力センサ２８は、例えば、燃料電池スタック１１内部のカソード３３の系内に設けられ、湿度および温度および圧力を検出して、検出結果の信号を出力する。
【００３３】
制御装置２９は、例えば、各センサ２４〜２８から出力される検出結果の信号に基づいて、燃料電池システム１０の動作を制御する。
【００３４】
なお、燃料電池システム１０は、例えば、車両に搭載された走行駆動用のモータおよび蓄電装置などのように燃料電池スタック１１から電力が供給される電気機器に加えて、制御装置２９の制御によって燃料電池スタック１１に対する接続および遮断が切り替え可能かつ負荷電流が変更可能とされた電気負荷（例えば、ディスチャージ抵抗や電子負荷など）を備えていてもよい。
この場合、制御装置２９は、燃料電池スタック１１の発電時の放電（ディスチャージ）として、電気負荷への放電を制御可能である。
【００３５】
本実施の形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム１０の動作、特に、燃料電池システム１０の起動時における制御装置２９による制御動作（つまり、燃料電池システム１０の起動方法）について説明する。
【００３６】
先ず、以下に、例えば、燃料電池システム１０の停止中における固体高分子電解質膜３４を介したカソード３３からアノード３２へのガスの透過（クロスオーバー）などに起因して、封止されたアノード３２およびカソード３３の系内に低濃度の酸素を含む空気が存在する状態における起動の制御動作について説明する。
【００３７】
なお、以下において、燃料電池セル３１には、例えば、ＤＨＥ（Dynamic Hydrogen Electrode）などの参照電極（図示略）が接続され、参照電極は、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノード３２の電位（アノード電位）を測定して、測定結果の信号を制御装置２９に出力可能である。
参照電極は、例えば、複数の燃料電池セル３１の全てに設けられてもよいし、複数の燃料電池セル３１のうちの所定の燃料電池セル３１にのみ設けられてもよい。
以下において、アノード電位およびカソード電位（カソード３３の電位）は、参照電極の参照電位に対する値である。
【００３８】
先ず、例えば図２（Ａ）および図３に示す時刻ｔａにおける起動前の状態においては、封止入口弁１３および封止出口弁１４およびパージ弁２１およびドレイン弁２２の遮断状態によって封止されたアノード３２およびカソード３３の各系内に低濃度の酸素を含む空気が存在し、アノード３２の系内の水素濃度はほぼゼロとなっている。これにより、アノード電位およびカソード電位（例えば、アノード３２およびカソード３３の各系内の平均的な電位など）は、ほぼ１Ｖになっている。
この状態で、制御装置２９は、例えば、遮断状態の水素供給弁１７および遮断弁１８を開放状態に切り替え、図２（Ｂ）に示すように、アノード３２に水素の供給を開始する。
これに伴い、アノード３２の系内の水素濃度が増大傾向に変化するとともに、アノード電位はゼロに向かい低下傾向に変化する。
【００３９】
次に、制御装置２９は、例えば、図２（Ｃ）に示すように、アノード３２の系内の水素濃度に不均一が生じることを抑制するために、水素濃度を均一化させる攪拌を優先するようにして、パージ弁２１およびドレイン弁２２の遮断状態を維持しつつ循環ポンプ１９による循環流量を増大させる。
なお、このとき、制御装置２９は、例えば、封止入口弁１３および封止出口弁１４の封止状態を維持することによって、封止されたカソード３３の系内の空気の酸素が大気よりも低濃度となる状態を維持させ、面内電流の発生を抑制（つまり水素イオンの極間移動を抑制）する。
【００４０】
そして、制御装置２９は、例えば、図３に示す時刻ｔｂのように、全ての燃料電池セル３１においてアノード電位がゼロ近傍の所定電位以下に低下した場合には、アノード３２の系内の攪拌が完了していると判断する。そして、水素濃度を増大させる置換を優先するようにして、燃料電池スタック１１を電気負荷から遮断した無負荷（つまり非発電状態）での水素による置換（いわゆるＯＣＶパージ）を行なう。
【００４１】
次に、制御装置２９は、例えば、図３に示す時刻ｔｃのように、アノード３２の系内の水素濃度が所定濃度以上に到達した以後において、燃料電池スタック１１の発電（例えば、電気負荷へのディスチャージ）を開始する。
このとき、制御装置２９は、例えば、遮断状態の封止入口弁１３および封止出口弁１４を開放状態に切り替え、図２（Ｄ）に示すように、カソード３３に空気の供給を開始する。
【００４２】
なお、制御装置２９は、例えば、定電圧制御によって各燃料電池セル３１のカソード電位が所定電位（例えば、０．８５Ｖなど）以下になるようにして、電気負荷の負荷電流、つまりディスチャージ電流を設定する。
【００４３】
なお、制御装置２９は、例えば、アノード３２の系内に設けられた濃度センサによって検出される水素または不純物（例えば、酸素、窒素など）の濃度の検出値に基づいて、あるいは各種のパラメータ（例えば、前回停止時および起動時のアノード３２およびカソード３３の各系内の雰囲気の圧力および温度、ソーク時間など）に応じて推定される水素または不純物の濃度の推定値に基づいて、アノード３２の系内の水素濃度を把握可能である。
【００４４】
以下に、上述した水素による置換（いわゆるＯＣＶパージ）の実行以後における、燃料電池スタック１１の発電（例えば、電気負荷へのディスチャージ）の実行の処理について説明する。
【００４５】
先ず、例えば図４に示すステップＳ０１においては、アノード３２の系内の水素または不純物（例えば、酸素、窒素など）の濃度の検出値または推定値などに基づき、水素の濃度（ガス濃度）を把握する。
次に、ステップＳ０２においては、水素の濃度は所定濃度（例えば、発電時に各燃料電池スタック３１の劣化が所定の程度未満となる濃度など）以上であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、エンドに進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０３に進む。
そして、ステップＳ０３においては、燃料電池スタック１１の発電を実行し、エンドに進む。
【００４６】
以下に、上述した図２（Ｂ）に示すように、封止されたアノード３２およびカソード３３の系内に低濃度の酸素を含む空気が存在し、アノード３２の系内の水素濃度がほぼゼロである状態で、アノード３２に水素の供給を開始した以後における、燃料電池スタック１１の発電（例えば、電気負荷へのディスチャージ）の実行の処理について説明する。
【００４７】
例えば、アノード３２に水素（Ｈ２）の供給が開始されると、アノード３２の入口側では、水素のイオン化（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）によってアノード電位（入口側）がゼロに低下する。
そして、カソード３３の入口側では、固体高分子電解質膜３４を介してアノード３２からカソード３３へと移動した水素イオンと、カソード３３の系内に存在する酸素と、電子と、による電気化学反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）の理論起電力（＝１．２３Ｖ）によってカソード電位（入口側）がほぼ１Ｖに維持される。
これらによって、アノード３２の入口側とカソード３３の入口側との電位差は、ほぼ１Ｖになる。
【００４８】
そして、アノード３２の出口側において水素（Ｈ２）による空気（Ａｉｒ）の置換が未完了であれば、アノード電位（出口側）はほぼ１Ｖに維持される。
このとき、カソード３３の出口側は、アノード３２の出口側と同様に、空気が存在することから、カソード電位（出口側）はほぼ１Ｖとなるはずである。しかしながら、セパレータ（図示略）などの導電性部材による同一面内の電位差を等しくする作用によって、アノード３２の出口側とカソード３３の出口側との電位差は、ほぼ１Ｖになる。これに伴い、カソード電位（出口側）はほぼ２Ｖとなり、カソード電位が高電位状態となる。
【００４９】
そして、カソード電位が高電位状態になると、カソード触媒の炭素が二酸化炭素に変換される反応（Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−）やカソード触媒の白金の溶出（Ｐｔ→Ｐｔ２＋＋２ｅ−）や被毒（カソード触媒の炭素に起因する一酸化炭素による白金の被毒）が生じ易くなり、燃料電池セル３１が劣化する虞がある。
【００５０】
このような状態において、制御装置２９は、例えば、アノード３２の系内の水素または不純物（例えば、酸素、窒素など）の濃度の検出値または推定値などに基づき、水素の濃度（ガス濃度）を把握する。そして、把握した水素の濃度に基づいて、カソード電位の高電位状態を解消するための発電を実行する起動時発電モードと、発電を実行せずに反応ガスの供給（つまりアノード３２への水素の供給）を継続する反応ガス供給モードとのうち、何れかを選択する。
【００５１】
すなわち、例えば図５に示すステップＳ１１においては、アノード３２の系内の水素または不純物（例えば、酸素、窒素など）の濃度の検出値または推定値などに基づき、水素の濃度を把握する。
次に、ステップＳ１２においては、把握した水素の濃度に基づいて、カソード電位の高電位状態を解消するための発電に必要とされる目標電流を設定する。
【００５２】
次に、ステップＳ１３においては、設定した目標電流に基づいて、反応ガスの理論消費量に対する供給量の不足（ストイキ不足）が生じるか否かを判定する。そして、反応ガスの不足が生じると判定した場合に、例えば予め作成された所定マップなどのデータを参照して、このストイキ不足に起因して発電時に生じる燃料電池セル３１の劣化度を把握する。
【００５３】
次に、ステップＳ１４においては、把握した水素の濃度に基づいて、例えば予め作成された所定マップなどのデータを参照して、カソード電位の高電位状態に起因して発電時に生じる燃料電池セル３１の劣化度を把握する。
【００５４】
次に、ステップＳ１５においては、カソード電位の高電位状態に起因した劣化度は、ストイキ不足に起因した劣化度よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１６に進み、このステップＳ１６においては、目標電流に応じた発電を実行し、エンドに進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１７に進み、このステップＳ１７においては、目標電流に応じた発電を実行せずに、アノード３２への水素の供給を継続し、エンドに進む。
【００５５】
なお、制御装置２９は、設定した目標電流に基づいてストイキ不足が生じるか否かを判定する際には、例えば、予め実施された分析結果などに基づいて作成された所定マップなどのデータを参照する。このデータは、例えば、アノード３２の系内での反応ガスの面内分布や積層分布などにおいて局所的にストイキ不足状態が存在するとして、電位測定および電流密度測定およびガス分析などに基づいて把握される面内方向および積層方向のガス環境に応じて設定された電流値のデータなどである。
【００５６】
また、制御装置２９が、カソード電位の高電位状態に起因した劣化度と、ストイキ不足に起因した劣化度と、を把握する際に参照する所定マップなどのデータは、例えば、水素濃度や撹拌流量（能力）などの各種のパラメータが変更されて実施されたテスト結果などに基づいて作成されている。
【００５７】
上述したステップＳ１１〜ステップＳ１７の処理によれば、例えば図６に示すように、時刻ｔ０からアノード３２への水素の供給が開始されて、アノード３２の系内の水素の濃度が所定の濃度Ｃａに到達した時刻ｔ１以後において、カソード電位の高電位状態に起因した劣化度は、ストイキ不足に起因した劣化度よりも大きくなると判定される。
そして、発電電流（つまり、電気負荷へのディスチャージ電流）がカソード電位の高電位状態を解消するために必要とされる目標電流Ｉａに向かいゼロから増大傾向に徐々に変化させられる。
【００５８】
これに伴い、例えば、電気負荷へのディスチャージが非実行とされる比較例では、アノード３２の系内の水素の置換が完了する時刻ｔ３に至るまでカソード電位が高電位状態になることに対して、電気負荷へのディスチャージが実行される実施例では、ディスチャージ電流が目標電流Ｉａに到達する時刻ｔ２に至るまでカソード電位が高電位状態となる。
すなわち、比較例に比べて、実施例では、カソード電位が高電位状態となる期間が短縮されるとともに、カソード電位のピーク値が低下し、燃料電池スタック１１の劣化が抑制される。
【００５９】
上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０および燃料電池システム１０の起動方法によれば、燃料電池システム１０の起動時において、燃料電池スタック１１の発電（つまり、電気負荷へのディスチャージ）の目標電流に対してストイキ不足が生じない場合には、この発電を実行することによって、過大なカソード電位の上昇に起因して燃料電池セル３１が劣化してしまうことを防止することができる。
一方、ストイキ不足が生じる場合には、このストイキ不足に起因した劣化度と、過大なカソード電位の上昇に起因した劣化度との大小関係に応じて、何れか一方による劣化を許容しつつ、他方による劣化を防止することによって、燃料電池スタック１１の劣化を抑制することができる。
【００６０】
さらに、燃料電池スタック１１のアノード３２の系内の所定ガス（例えば、アノード３２の水素や不純物のガスなど）の濃度に基づいて、ディスチャージ電流の目標電流を設定することによって、過大なカソード電位の上昇を的確に解消することができる。
【００６１】
さらに、燃料電池スタック１１のアノード３２の系内の所定ガスの濃度などに応じて、燃料電池スタック１１のディスチャージ電流を目標電流まで徐々に増大させることによって、例えばディスチャージ電をステップ状に目標電流まで増大させる場合に比べて、ストイキ不足が生じることを防止することができる。
【００６２】
また、封止入口弁１３および封止出口弁１４を備え、封止入口弁１３および封止出口弁１４を封止状態にすることによって、燃料電池スタック１１内部のガス環境が外部環境によって変化することを良好に防止することができ、燃料電池スタック１１内部のガス濃度の推定精度を向上させることができる。
【００６３】
なお、上述した実施の形態において、封止入口弁１３および封止出口弁１４は省略されてもよく、この場合であっても、燃料電池スタック１１内部のガス濃度を所望の精度で把握可能である。
【００６４】
なお、上述した実施の形態において、ディスチャージ電流は目標電流Ｉａに向かいゼロから増大傾向に徐々に変化させられるとしたが、これに限定されず、例えば、ディスチャージ電流はステップ状などによってゼロから目標電流Ｉａに変化させられてもよい。
【００６５】
以上、説明した本実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６６】
１０  燃料電池システム
１１  燃料電池スタック（燃料電池）
１２  エアーコンプレッサー（カソードガス供給手段）
１３  封止入口弁（カソードガス供給手段）
１６  水素タンク（アノードガス供給手段）
１７  水素供給弁（アノードガス供給手段）
２９  制御装置（制御手段）
３２  アノード
３３  カソード
【図１】
2014026923.tif 000003
【図３】
2014026923.tif 000004
【図４】
2014026923.tif 000005
【図５】
2014026923.tif 000006
【図６】
2014026923.tif 000007
【図２】
2014026923.tif 000008