(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】アノードに水素が、カソードに空気がそれぞれ供給されて発電をする燃料電池と、カソードに空気を供給するカソードガス供給流路を開閉する入口封止弁と、カソードから排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出流路を開閉する出口封止弁と、燃料電池の起動時に、封止系内のガス環境及び水環境を推定するスタック状態推定手段と、スタック状態に基づいて、入口封止弁と出口封止弁の開弁順序を規定する開弁順序規定手段と、を備えていることを特徴とする。【選択図】図３
2014035822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料が、カソードに酸化剤がそれぞれ供給されて発電をする燃料電池と、
前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給流路を開閉する第１開閉弁と、
前記カソードから排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス排出流路を開閉する第２開閉弁と、
前記燃料電池の起動時に、スタック状態を推定するスタック状態推定手段と、
前記スタック状態に基づいて、前記第１開閉弁と前記第２開閉弁の開弁順序を規定する開弁順序規定手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記スタック状態推定手段は、前記スタック状態として、前記燃料電池内の水の有無を推定する水有無推定手段を有し、
前記開弁順序規定手段は、前記水有無推定手段により前記燃料電池内に水があると推定された場合には、前記第１開閉弁を前記第２開閉弁よりも先に開弁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。
【請求項３】
前記スタック状態推定手段は、前記スタック状態として、前記燃料電池内の水素の有無を推定する水素有無推定手段を有し、
前記開弁順序規定手段は、
前記水素有無推定手段により前記燃料電池内に水素があると推定された場合には、前記第２開閉弁を前記第１開閉弁よりも先に開弁し、
前記水素有無推定手段により前記燃料電池内に水素がないと推定された場合には、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を同時に開弁す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。
【請求項４】
前記水素有無推定手段により推定される前記アノード内の水素の有無に基づいて、前記燃料電池から取り出す電流値を制限する電流制限手段をさらに備えることを特徴とする請求項３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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アノードにアノードガスとして水素（燃料）を供給し、カソードにカソードガスとして酸素（酸化剤）を含む空気を供給して発電を行う燃料電池において、発電を停止する際に、カソード系内に酸素を残したままにしておくと、次回起動時にアノード側に水素を供給した際、カソード側が高電位状態となることが知られている。このカソード側の高電位状態は、燃料電池を構成している固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）の劣化の原因となることも知られている。
【０００３】
ここで、燃料電池の発電を停止する際には、燃料電池のカソード系内に残存する酸素を消費して酸素濃度を低下させ窒素リッチな雰囲気にするための発電、いわゆる酸素欠乏発電を行い、次回起動時にカソード側が高電位状態となるのを防止している。
例えば、特許文献１には、燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスを再びカソードへ循環させて発電を行う、いわゆるカソードガス循環発電を行ってカソード系内を窒素リッチな雰囲気にした後に、燃料電池の発電を停止する技術が記載されている。また、特許文献１には、燃料電池に供給されるカソードガスが流通するカソードガス供給流路、及び燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス排出流路に、それぞれ封止弁を設ける構成が記載されている。
この構成によれば、カソードガス循環発電後に各封止弁を閉弁することで、カソード系のうち封止弁で封止された封止系内と外部との連通を遮断できるので、発電停止中にカソード系内に新規の空気が進入するのを抑制できる。これにより、封止系内の酸素濃度を低い状態に維持して、電解質膜を保護できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１１５３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した特許文献１の構成では、燃料電池の起動時に封止弁を開弁する際に封止系内のガスや生成水等がカソード系内で逆流、拡散、混在等することで、ソーク中の封止系内の内部環境（ガス環境や、生成水の状態等）によっては、起動時の発電が不安定になる虞がある。
【０００６】
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、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】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、アノードに燃料が、カソードに酸化剤がそれぞれ供給されて発電をする燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤供給流路を開閉する第１開閉弁（例えば、実施形態における入口封止弁３４）と、前記カソードから排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス排出流路を開閉する第２開閉弁（例えば、実施形態における出口封止弁３６）と、前記燃料電池の起動時に、スタック状態を推定するスタック状態推定手段（例えば、実施形態における水素有無推定手段５１や水有無推定手段５３）と、前記スタック状態に基づいて、前記第１開閉弁と前記第２開閉弁の開弁順序を規定する開弁順序規定手段（例えば、実施形態における開弁順序規定手段５４）と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載した発明では、前記スタック状態推定手段は、前記スタック状態として、前記燃料電池内の水の有無を推定する水有無推定手段（例えば、実施形態における水有無推定手段５３）を有し、前記開弁順序規定手段は、前記水有無推定手段により前記燃料電池内に水があると推定された場合には、前記第１開閉弁を前記第２開閉弁よりも先に開弁することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載した発明では、前記スタック状態推定手段は、前記スタック状態として、前記燃料電池内の水素の有無を推定する水素有無推定手段（例えば、実施形態における水素有無推定手段５１）を有し、前記開弁順序規定手段は、前記水素有無推定手段により前記燃料電池内に水素があると推定された場合には、前記第２開閉弁を前記第１開閉弁よりも先に開弁し、前記水素有無推定手段により前記燃料電池内に水素がないと推定された場合には、前記第１開閉弁及び前記第２開閉弁を同時に開弁することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載した発明では、前記水素有無推定手段により推定される前記アノード内の水素の有無に基づいて、前記燃料電池から取り出す電流値を制限する電流制限手段をさらに備え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、スタック状態推定手段により推定されたスタック状態に基づいて開閉弁の開弁順序を規定するので、起動時の燃料電池内のスタック状態を良好な状態とした上で燃料電池を起動させることができる。これにより、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、第１開閉弁を先に開弁することで、カソード系内に酸化剤が流入して、第２封止弁よりも上流側の圧力が増加する。そして、この状態で第２開閉弁を開弁することで、カソード系内に存在する生成水を酸化剤とともに下流側に向けて排出することができる。これにより、起動時における燃料電池内の流路閉塞等に起因するストイキ（燃料電池への供給量／理論消費量）不足を抑制し、発電安定性を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、水素有無推定手段により燃料電池内に水素があると推定された場合に、先に第２開閉弁を開弁することで、燃料電池内（カソード系内）に存在する水素を第１開閉弁の開弁前に排出することができる。これにより、第１開閉弁の開弁時に燃料電池内の水素が上流側へ逆流するのを確実に防ぐことができる。これにより、カソード系内での酸素濃度不足等に起因するストイキ不足を抑制し、発電安定性を向上させることができる。
また、水素有無推定手段により燃料電池内に水素がないと推定された場合は、燃料電池内での水素の逆流の虞はない。そのため、開閉弁を同時に開弁することで、燃料電池内における酸化剤を上流側及び下流側に向けて拡散させることができる。これにより、燃料電池内における酸化剤濃度の均一化を図ることができる。これによっても、ストイキ不足を抑制し、起動時の発電安定性を向上させることができる。
【００１４】
請求項４に記載した発明によれば、アノード内のガス環境に基づいて電流制限を行うことで、水素濃度不足に起因するストイキ不足を抑制できる。これにより、発電安定性を向上させることができるとともに、ストイキ不足に伴う燃料電池の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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実施形態における燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】封止弁開弁処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】第２実施形態における燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】第３実施形態における燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】第４実施形態における燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】第５実施形態における燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、例えば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）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）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、これら各構成品を統括的に制御するＩＳＵ５と、を主に備えている。
【００１７】
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。
【００１８】
燃料電池２には、燃料電池２のインピーダンスＩｍｐを検出するインピーダンスセンサ２１が設置されている。インピーダンスセンサ２１では、測定された燃料電池２のインピーダンスＩｍｐに応じた電気信号をＩＳＵ５に向けて出力する。
【００１９】
（カソードガス供給手段）
カソードガス供給手段３は、燃料電池２のカソードに向けてカソードガスが流通するカソードガス供給流路（酸化剤供給流路）３１を備えている。カソードガス供給流路３１の上流側には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのエアコンプレッサ３２が接続されている。
【００２０】
また、カソードガス供給流路３１の下流側は、入口封止弁３４に接続された後、燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソード流路３３に接続されている。カソード流路３３には、カソード内の湿度（カソード湿度Ｈｃ）、温度（カソード温度Ｔｃ）、及び圧力（カソード圧力Ｐｃ）をそれぞれ検出するカソード湿度センサ２２、カソード温度センサ２３、カソード圧力センサ２４がそれぞれ設置されている。各センサ２２〜２４では、検出されたカソード湿度Ｈｃやカソード温度Ｔｃ、カソード圧力Ｐｃに応じた電気信号をそれぞれＩＳＵ５に向けて出力する。
【００２１】
カソード流路３３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（酸化剤オフガス）や、発電や凝縮によって燃料電池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（酸化剤オフガス排出流路）３５が接続されている。
カソードオフガス排出流路３５は、出口封止弁３６に接続された後、下流側で希釈ＢＯＸ７５等に接続されている。各封止弁３４，３６は電磁駆動式の封止弁であり、カソードガス供給手段３のうち各封止弁３４，３６間内（以下、封止系内という）にカソードガスを封止できるように構成されている。
【００２２】
そして、エアコンプレッサ３２によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路３１を通過した後、燃料電池２のカソード流路３３に供給される。そして、カソード流路３３において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路３５に排出される。カソードオフガス排出流路３５に排出されたカソードオフガスは、希釈ＢＯＸ７５を通過した後、車外へと排気される。
【００２３】
また、カソードガス供給流路３１における入口封止弁３４よりも上流側には、カソードガス供給流路３１から分岐した燃料電池バイパス流路３７が設けられている。この燃料電池バイパス流路３７は、バイパス弁３８を介して、カソードオフガス排出流路３５における出口封止弁３６の下流側に接続されている。
【００２４】
カソードガス供給流路３１のうち、燃料電池バイパス流路３７よりも上流側には、カソードガス供給流路３１から分岐した掃気流路６１が設けられている。この掃気流路６１は、掃気弁６２を介して後述するアノードガス供給流路４２に接続されている。これにより、掃気流路６１を介してアノードガス供給流路４２にカソードガスを導入可能になっている。
掃気流路６１における掃気弁６２よりも上流側には、掃気流路６１から分岐した希釈流路６３が設けられている。希釈流路６３は、図示しない開閉弁を介して希釈ＢＯＸ７５に接続されている。
【００２５】
カソードオフガス排出流路３５における出口封止弁３６の上流側には、カソードオフガス排出流路３５から分岐したカソードガス循環流路６５が設けられている。カソードガス循環流路６５は、カソードガス循環ポンプ６６を介してカソードガス供給流路３１における入口封止弁３４の下流側に接続されている。
カソードガス循環ポンプ６６は、通常は停止しており、例えば燃料電池システム１のシステムスイッチ（例えば、イグニッション）がＯＦＦ操作された後のカソードガス循環発電時に駆動する。そして、カソードガス循環ポンプ６６は、燃料電池２のカソード流路３３から排出されたカソードオフガスを循環させ、エアコンプレッサ３２から送出されるカソードガスに混合して、燃料電池２のカソードに再び供給する。
【００２６】
（アノードガス供給手段）
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タンク４１（Ｈ２タンク）を備えている。水素タンク４１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４２が接続されている。アノードガス供給流路４２は、上流側から順にガス供給弁４３、遮断弁４４、燃料インジェクタ４５に接続され、燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノード流路４６に接続されている。また、アノードガス供給流路４２には、アノードに供給されるアノードガスの圧力（アノード圧力Ｐａ）、及び温度（アノード温度Ｔａ）を検出するアノード圧力センサ２５、及びアノード温度センサ２６が設置されている。各センサ２５，２６では、検出されたアノード圧力Ｐａ、及びアノード温度Ｔａに応じた電気信号をそれぞれＩＳＵ５に向けて出力する。
【００２７】
燃料インジェクタ４５は、ＩＳＵ５からの出力信号により駆動が制御され、アノードガスがアノード流路４６に向けて所定の周期で間欠的に供給されるようになっている。
【００２８】
アノード流路４６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流路４７が接続されている。アノードオフガス流路４７は、アノードガス供給流路４２における燃料インジェクタ４５の下流側に接続されている。アノードオフガス流路４７には、アノードオフガス循環流路６９が分岐している。アノードオフガス循環流路６９は、アノードガス循環ポンプ７０を介してアノードガス供給流路４２における燃料インジェクタ４５の下流側に接続されている。
アノードガス循環ポンプ７０は、燃料電池２のアノード流路４６から排出されたアノードオフガスの一部を循環させ、水素タンク４１から供給されたアノードガスに混合して、燃料電池２のアノードに再び供給する。
【００２９】
また、アノードオフガス流路４７には、パージ弁７１を備えたパージ流路７２と、ドレイン弁７３を備えたドレイン流路７４と、が図示しない気液分離器を介して設けられている。気液分離器は、燃料電池２のアノード流路４６から排出されたアノードオフガスに含まれる水分を捕集して、アノードオフガスと水分とに分離するものである。
【００３０】
パージ弁７１は、所定の条件が満たされたときに開くことで、気液分離器で分離されたアノードオフガスや、アノードオフガス中に含まれる不純物が、パージ流路７２を通って希釈ＢＯＸ７５へ排出される。
ドレイン弁７３は、気液分離器に所定量の生成水が溜まったときに開くことで、気液分離器に溜まった生成水がドレイン流路７４を通って希釈ＢＯＸ７５に排出される。
【００３１】
希釈ＢＯＸ７５は、パージ流路７２及びドレイン流路７４から導入されたアノードオフガスが滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室に排出流路７６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、排出流路７６から車外に排出される。なお、希釈ＢＯＸ７５には、パージ流路７２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。
【００３２】
このように構成された燃料電池システム１において、システムスイッチがＯＦＦ操作されたときには、燃料電池２の発電を停止する前に、カソードガス循環発電を実行する。カソードガス循環発電は、入口封止弁３４を開弁したまま、出口封止弁３６を閉弁し、燃料電池バイパス流路３７のバイパス弁３８を開弁する。この状態で、エアコンプレッサ３２を継続して駆動させるとともに、カソードガス循環ポンプ６６を駆動する。これにより、燃料電池２のカソード流路３３から排出されたカソードオフガスが循環して、エアコンプレッサ３２から送出されるカソードガスの一部に混合して、燃料電池２のカソードに再び供給される。これにより、カソードオフガス中に残留する酸素は、燃料電池２のカソードから排出されるカソードオフガスをカソード流路３３に循環して発電している間に減少していくので、カソードオフガス中の酸素濃度を低下させることができる。
【００３３】
なお、カソードガス循環発電が完了したか否かの判断は、例えば、燃料電池２から排出されるカソードオフガスの酸素濃度を酸素センサ（不図示）で検出し、酸素濃度が所定値以下に達したときにカソードガス循環発電が完了したと判断してもよいし、カソードガス循環発電の継続時間が予め設定した所定時間に達したときに完了したと判断してもよい。また、カソードガス循環発電開始からの積算電流値に基づいてカソードガス循環発電の完了判断を行っても構わない。すなわち、封止系内の酸素量は封止系内の配管容積等からある程度把握することができるので、把握した酸素量分を消費できる積算電流値に達したか否かでカソードガス循環発電の完了判断を行うことが可能である。
これにより、カソード系内の酸素濃度がゼロに近付き、燃料電池２のカソード系内は窒素リッチな雰囲気となる。その結果、次回の燃料電池システム１の起動時にカソード側が高電位状態になるのを防止し、燃料電池２の電解質膜の劣化を防止する。そして、燃料電池システム１では、カソードガス循環発電の終了後、入口封止弁３４及び出口封止弁３６を閉弁して、ＯＦＦ操作を終了する。なお、カソードガス循環発電後に燃料インジェクタ４５を介して再度アノード流路４６にアノードガスを供給した後、燃料電池システム１のＯＦＦ操作を終了しても構わない。
【００３４】
（ＩＳＵ）
ＩＳＵ５は、水素有無推定手段（スタック状態推定手段）５１、補正手段５２、水有無推定手段（スタック状態推定手段）５３、及び開弁順序規定手段５４を主に備えている。
水素有無推定手段５１は、燃料電池システム１の起動時における封止系内の水素濃度Ｈ１を推定する。水素濃度Ｈ１は、燃料電池システム１の前回停止時及び起動時におけるアノード圧力Ｐａ、アノード温度Ｔａ、カソード圧力Ｐｃ、及びカソード温度Ｔｃと、ソーク時間と、の関係に基づく水素濃度Ｈ１の変化をテストにより予め求めておき、このテスト結果から設定したマップを用いて推定する。
【００３５】
ここで、燃料電池システム１のソーク中のアノード系内及びカソード系内のガス環境の変化について説明する。
（１）まず、カソードガス循環発電直後は、アノード系内が水素リッチ、カソード系内が窒素リッチな状態である（以下、水素：窒素状態という）。
（２）（１）の後、ソーク中のクロスオーバー等に起因して、アノード系内の水素がカソード系内に進入し、カソード系内が窒素と水素の混在状態となる（以下、水素：窒素＆水素混在状態という）。
（３）（２）の後、カソード系内が水素リッチな状態となる（以下、水素：水素状態という）。
（４）（３）の後、外部の空気が微量ずつながらカソード系内に進入する等して、ソーク時間の経過とともにカソード系内（封止系内）の酸素濃度が増加していき、カソード系内が空気リッチとなる（以下、水素：エア状態という）。
【００３６】
補正手段５２は、水素有無推定手段５１で推定した水素濃度Ｈ１を補正する。補正手段５２は、例えば封止系内の湿度（カソード湿度Ｈｃ）やインピーダンスＩｍｐ、水蒸気分圧等を用いて封止系内の水蒸気量を算出するとともに、水素有無推定手段５１で推定した水素濃度Ｈ１を用いて封止系内に封入されている水素の体積を算出する。そして、算出した水蒸気量と、封止系内に封入されている水素の体積と、の差から封止系内の純水素の体積を算出し、水素濃度Ｈ１を補正する。
【００３７】
水有無推定手段５３は、ソーク中または起動時におけるインピーダンスＩｍｐに基づいて、封止系内の水分量Ｗｃを推測する。水有無推定手段５３は、例えばインピーダンスＩｍｐと封止系内の水分量Ｗｃとの相関を示すマップ等を用い、水分量Ｗｃを推測する。このマップは、インピーダンスＩｍｐが高いほど、封止系内の水分量Ｗｃが多くなるように設定されている。
なお、水分量Ｗｃは、前回の発電時における燃料電池２の加湿水量Ｑ（燃料電池２内での水収支）に基づいて推測しても構わない。加湿水量Ｑは、燃料電池２に投入されるカソードガス中に含まれる水分量を投入水分量Ｑｉｎ、燃料電池２で発電によって生成される水分量の量を生成水量ＱＷ、燃料電池２から排出される水分量を排出水分量Ｑｏｕｔとすると、Ｑ＝Ｑｉｎ＋ＱＷ−Ｑｏｕｔで表すことができる。
【００３８】
開弁順序規定手段５４は、上述した水素有無推定手段５１により推測される水素濃度Ｈ１、及び水有無推定手段５３により推測される水分量Ｗｃに基づいて封止弁３４，３６の開弁順序を規定する。なお、具体的な開弁順序の規定方法については後述する。
【００３９】
（燃料電池システムの動作方法）
次に、上述した燃料電池システム１の動作方法として、起動時における封止弁３４，３６の開弁処理について説明する。なお、以下のルーチンは、主にＩＳＵ５によって行われる。
図２に示すように、まずステップＳ１において、燃料電池システム１がＯＦＦ操作された後、入口封止弁３４及び出口封止弁３６が閉弁されているか否かを判断する。
ステップＳ１における判断結果が「ＹＥＳ」の場合、入口封止弁３４及び出口封止弁３６が正常に閉弁されていると判断して、ステップＳ２に進む。
【００４０】
一方、ステップＳ１における判断結果が「ＮＯ」の場合、故障等により入口封止弁３４及び出口封止弁３６の少なくとも一方が閉弁されていないと判断して、ステップＳ３に進む。この場合には、ステップＳ３において、封止弁３４，３６の開弁処理を行わず、そのまま燃料電池システム１の通常起動モードに移行する。すなわち、燃料電池車両の負荷等に基づいて発電電流指令値が算出され、算出された発電電流指令値に基づいてアノードガス及びカソードガスが所望の目標値（圧力や流量等）で燃料電池２に供給される。その後、本ルーチンを終了する。
【００４１】
ステップＳ２において、水素有無推定手段５１は、上述したように燃料電池システム１の前回停止時及び起動時におけるアノード圧力Ｐａ、アノード温度Ｔａ、カソード圧力Ｐｃ、及びカソード温度Ｔｃと、ソーク時間と、に基づいて、封止系内の水素濃度Ｈ１を推定する。
次に、ステップＳ４において、補正手段５２は、インピーダンスＩｍｐ、水蒸気分圧等を用いて算出した封止系内における水蒸気量と、ステップＳ２で推定した水素濃度Ｈ１を用いて算出した封止系内における水素の体積と、に基づいて水素濃度Ｈ１を補正する。
【００４２】
そして、ステップＳ５において、水有無推定手段５３は、ソーク中または起動時におけるインピーダンスＩｍｐと、封止系内の水分量Ｗｃと、の相関を示すマップ等を用い、水分量Ｗｃを推定する。
その後、ステップＳ６において、上述した各ステップで得た水素濃度Ｈ１及び水分量Ｗｃに基づいて、各封止弁３４，３６の開弁順序を規定する、封止弁開弁処理を行う。
【００４３】
（封止弁開弁処理）
図３は封止弁開弁処理を説明するためのフローチャートである。なお、以下のルーチンは、ＩＳＵ５の主に開弁順序規定手段５４によって行われる。
【００４４】
図３に示すように、ステップＳ１１において、封止系内に水素があるか否かを判断する。例えば、開弁順序規定手段５４は、上述したルーチンで算出された水素濃度Ｈ１が所定濃度Ｈ１ａ以上であるか否かを判断する。
【００４５】
そして、ステップＳ１１の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（水素濃度Ｈ１が所定濃度Ｈ１ａ以上の場合）は、封止系内に多くの水素が存在すると判断して、ステップＳ１２に進む。この場合、燃料電池２のガス環境が上述した（２）の水素：窒素＆水素混在状態や、（３）の水素：水素状態等であると判断できる。
【００４６】
ステップＳ１２において、封止系内に生成水があるか否かを判断する。例えば、開弁順序規定手段５４は、上述したルーチンで算出された水分量Ｗｃが所定量Ｗｃａ以上であるか否かを判断する。
ステップＳ１２の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（水分量Ｗｃが所定量Ｗｃａ以上の場合）は、封止系内に多くの生成水が存在すると判断して、ステップＳ１３に進む。
一方、ステップＳ１２の判断結果が「ＮＯ」の場合（水分量Ｗｃが所定量Ｗｃａ未満の場合）は、封止系内に存在する生成水が十分に少ないと判断して、ステップＳ１４に進む。
【００４７】
そして、ステップＳ１３では、各封止弁３４，３６のうち、先に入口封止弁３４を開弁し、その後出口封止弁３６を開弁する。先に入口封止弁３４を開弁すると、カソードガス供給手段３のうち、燃料電池２の上流側からカソード流路３３内にカソードガスが流入する。これにより、カソードガス供給手段３のうち、出口封止弁３６よりも上流側の圧力が増加する。そして、この状態で出口封止弁３６を開弁することで、燃料電池２内の生成水や水素がカソードガスとともに下流側に向けて排出される。なお、排出された生成水や水素は、希釈ＢＯＸ７５を通過した後、車外へと排気される。
その後、本ルーチンを終了して、上述した燃料電池システム１の通常起動モードに移行する。すなわち、燃料電池車両の負荷等に基づいて発電電流指令値が算出され、算出された発電電流指令値に基づいてアノードガス及びカソードガスが所望の目標値で燃料電池２に供給される。
【００４８】
一方、ステップＳ１４では、各封止弁３４，３６のうち、先に出口封止弁３６を開弁し、その後入口封止弁３４を開弁する。すなわち、この場合には、先に出口封止弁３６を開弁して、カソード流路３３（封止系内）内に存在する水素を排出することで、入口封止弁３４の開弁時に封止系内の水素が上流側へ逆流するのを確実に防ぐとともに、起動時におけるカソード系内の水素を空気に速やかに置換でき、カソード系内の酸素濃度を確保でできる。
その後、本ルーチンを終了して、燃料電池システム１の通常起動モードに移行する。
【００４９】
上述したステップＳ１１の判断結果が「ＮＯ」の場合（封止系内の水素濃度Ｈ１が所定濃度Ｈ１未満の場合）は、封止系内の水素濃度Ｈ１が十分に低い状態であると判断して、ステップＳ１５に進む。この場合、燃料電池２のガス環境が上述した（１）の水素：窒素状態や、（２）の水素：窒素＆水素混在状態、（４）の水素：エア状態等であると判断できる。
【００５０】
ステップＳ１５では、上述したステップＳ１２と同様に、封止系内に生成水があるか否かを判断する。
ステップＳ１５の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（水分量Ｗｃが所定量Ｗｃａ以上の場合）は、封止系内に多くの生成水が存在すると判断して、ステップＳ１６に進む。
一方、ステップＳ１５の判断結果が「ＮＯ」の場合（水分量Ｗｃが所定量Ｗｃａ未満の場合）は、封止系内に存在する生成水が十分に少ないと判断して、ステップＳ１７に進む。
【００５１】
ステップＳ１６では、上述したステップＳ１３と同様に、先に入口封止弁３４を開弁し、その後出口封止弁３６を開弁する。そして、本ルーチンを終了して、燃料電池システム１の通常起動モードに移行する。
【００５２】
ステップＳ１７では、入口封止弁３４及び出口封止弁３６を同時に開弁する。すなわち、この場合には、封止系内の水素濃度Ｈ１や水分量Ｗｃが十分に低いので、カソード系内での水素や生成水の逆流の虞はない。そのため、封止弁３４，３６を同時に開弁することで、封止系内のカソードガスを上流側及び下流側に向けて拡散させる。これにより、燃料電池２内における酸素濃度の均一化を図ることができる。
その後、本ルーチンを終了して、燃料電池システム１の通常起動モードに移行する。
【００５３】
このように、本実施形態では、燃料電池システム１の起動時に、燃料電池２（封止系内）のスタック状態（ガス環境や水環境）に基づいて各封止弁３４，３６の開弁順序を規定する構成とした。
この構成によれば、封止弁３４，３６の開弁時に、封止系内の水素や生成水が積極的に下流側に向けて排出されるので、次回起動時に燃料電池２のカソード内に滞留する水素や生成水を低減できる。これにより、燃料電池システム１の起動時に、燃料電池２内のスタック状態を良好な状態とすることができるので、生成水による流路閉塞や、カソード系内での酸素濃度不足等に起因するストイキ（燃料電池２への供給量／理論消費量）不足を抑制し、起動時の発電安定性を向上させることができる。
また、封止系内の水素や生成水が十分に少ない場合には、封止弁３４，３６を同時に開弁することで、封止系内のカソードガスを上流側及び下流側に向けて拡散させ、カソード系内における酸素濃度の均一化を図ることができる。これによっても、起動時の発電安定性を確実に向上させることができる。
【００５４】
（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。本実施形態は、封止系内のガス環境や水環境に基づいて、燃料電池システム１の起動時に電流制限を行うものである。図４は、本実施形態の燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。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。また、以下の動作は、主にＩＳＵ５によって行われる。
図４に示すように、まずステップＳ２１において、燃料電池システム１の前回停止時における封止系内の水分量Ｗｃを推定する。水分量Ｗｃは、例えば前回停止時におけるインピーダンスＩｍｐとの相関を示すマップ等を用いて推定する。なお、水分量Ｗｃは、前回の発電時における燃料電池２の加湿水量Ｑに基づいて推測しても構わない。
【００５５】
次に、ステップＳ２２において、前回停止時からのソーク時間を検出する。
続いて、ステップＳ２３において起動時（現在）のインピーダンスＩｍｐを検出するとともに、ステップＳ２４においてカソード温度Ｔｃを検出する。
【００５６】
次に、ステップＳ２５において、上述したソーク時間、インピーダンスＩｍｐ、及びカソード温度Ｔｃに基づいて、現在の水分量Ｗｃ１を推定する。具体的に、インピーダンスＩｍｐに基づいて電解質膜内に含まれる水分量を推定し、ソーク時間及びカソード温度Ｔｃに基づいて電解質膜から溢れている水分量（セパレータ等に存在する水分量）を推定する。なお、上述した水分量Ｗｃ１は、セパレータの流路形状等によって異なるため、ソーク時間、インピーダンスＩｍｐ、及びカソード温度Ｔｃと、水分量Ｗｃ１と、の関係をテストにより予め求めておき、このテスト結果から設定したマップを用いて、水分量Ｗｃ１を推定する。
【００５７】
次に、ステップＳ２６において、上述した前回停止時の水分量Ｗｃと、現在の水分量Ｗｃ１と、に基づいて、電流制限が必要であるか否かを判断する。すなわち、封止系内の水分量が多い場合（以下、ＷＥＴ状態という）には、カソード内の生成水による流路閉塞等により、カソード内に存在する水素を空気に置換するまでに時間がかかるため、燃料電池２から電力（電流）を速やかに取り出すことができない。一方で、封止系内の水分量が少ない場合（以下、ＤＲＹ状態という）には、燃料電池２のＩＶ性能が低下し、電解質膜の劣化に繋がる虞がある。
そのため、本実施形態では、封止系内がＷＥＴ状態またはＤＲＹ状態の場合に、燃料電池２から取り出す電流値を通常時に比べて制限する電流制限を行う。なお、電流制限が必要であるか否かの判断は、上述した方法に加えて、燃料電池２の触媒の活性状態に基づいて判断しても構わない。すなわち、カソード温度Ｔｃやアノード温度Ｔａに基づいて触媒の活性状態を判断し、低活性状態の場合に電流制限を行う構成にしても構わない。また、現在のインピーダンスＩｍｐやカソード湿度Ｈｃに基づいて燃料電池２内の含水量を算出し、含水量が所定値より多い場合にＷＥＴ状態、少ない場合にＤＲＹ状態と判断する構成にしても構わない。
【００５８】
そして、ステップＳ２６の判断結果が「ＹＥＳ」の場合（ＷＥＴ状態、ＤＲＹ状態または触媒が低活性状態の場合）には、電流制限が必要であると判断して、ステップＳ２７に進む。
一方、ステップＳ２６の判断結果が「ＮＯ」の場合（水分量が適量な場合、または触媒が高活性状態の場合）には、電流制限の必要はないと判断して、ステップＳ２８に進む。この場合には、本ルーチンを終了して、通常起動モードに移行する。
【００５９】
ステップＳ２７において、封止系内のガス環境（水素濃度Ｈ１）を推定する。具体的に、水素濃度Ｈ１は、前回停止時にカソードガス循環発電を実施したか否か、及び前回停止後に入口封止弁３４及び出口封止弁３６が閉弁されていたか否かの判断と、ソーク時間と、の関係に基づく水素濃度Ｈ１の変化をテストにより予め求めておき、このテスト結果から設定したマップを用いて推定することができる。
【００６０】
次に、ステップＳ２８において、カソード流路３３内の水素を希釈する希釈処理、及びアノード流路４６内を水素で置換する起動パージ（ＯＣＶパージ）を行う。希釈処理での希釈量（希釈時間）、及びＯＣＶパージでのパージ量（パージ時間）は、上述したステップＳ２７で推定した水素濃度Ｈ１に基づいて算出する。なお、カソード系内の水素濃度Ｈ１が高い場合は、ソーク時間が長いと判断できるため、アノード系内の水素濃度も比較的低くなる。そのため、カソード系内の水素濃度Ｈ１が高い場合や、アノード系内の水素濃度Ｈ２が低い場合には、カソード系内の希釈時間、及びアノード系内のパージ時間を長くする。
その後、希釈処理及びＯＣＶパージが終了した時点で、本ルーチンを終了し、通常起動モードに移行する。
【００６１】
なお、カソード系内の希釈処理は、入口封止弁３４及び出口封止弁３６を開弁した状態で、カソードガス供給流路３１を通してカソード流路３３に空気を導入する。これにより、アノード側からのクロスオーバー等によってカソード側に存在する水素が、カソードオフガス排出流路３５を通って希釈ＢＯＸ７５に向けて押し出され、カソード系内が空気で置換される。
また、ＯＣＶパージは、パージ弁７１を閉じた状態で、アノード流路４６内にアノードガスを供給して、アノード系内のアノード圧力を上げた後、パージ弁７１を開く。これにより、アノード系内に存在する生成水等が排出され、アノード系内が水素で置換される。
【００６２】
本実施形態によれば、ガス環境や水環境に基づいて電流制限を行うことで、生成水による流路閉塞や、カソード系内における酸素濃度不足、アノード系内における水素濃度不足等に起因するストイキ不足を抑制できる。これにより、ストイキ不足に伴う燃料電池２の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を抑制して、起動時の安定性を向上できるとともに、燃料電池２の耐久性を向上できる。
また、ガス環境や水環境が改善した後に、燃料電池システム１が通常起動モードに移行するため、起動時の安定性を向上させることができる。
【００６３】
また、本実施形態では、カソード系内の希釈処理、及びアノード系内のＯＣＶパージを行うことで、カソード系内、及びアノード系内のストイキ不足状態を速やかに解消することができる。これにより、上述した電流制限の実施時間を短縮することができ、商品性の向上を図ることができる。
また、燃料電池２内のガス環境及び水環境に応じて希釈量及びパージ量を設定することで、ストイキ不足状態をより速やかに解消できるとともに、起動時間の短縮、及び起動時の発電安定性を確実に向上させることができる。
【００６４】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。図５は、第３実施形態における燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態では、燃料電池（封止系）内のＤＲＹ状態とＷＥＴ状態とでそれぞれ異なる方法で電流制限を行う点で、上述した第２実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。また、以下の動作は、主にＩＳＵ５によって行われる。
図５に示すように、ステップＳ３１〜Ｓ３５においては、上述した第２実施形態のステップＳ２１〜Ｓ２５と同様のルーチンを行い、前回停止時の水分量Ｗｃと、現在の水分量Ｗｃ１と、を推定する。
【００６５】
次に、ステップＳ３６において、前回停止時の水分量Ｗｃと、現在の水分量Ｗｃ１と、に基づいて、封止系内がＤＲＹ状態であるか否かを判断する。
ステップＳ３６における判断結果が「ＹＥＳ」の場合、封止系内がＤＲＹ状態であると判断して、ステップＳ３７に進む。
【００６６】
ステップＳ３７において、ＤＲＹ電流制限を行う。具体的に、ＤＲＹ電流制限は、カソードストイキを通常発電時に比べて低下させることで行う。カソードストイキを低下させるには、カソードガスの流量を、通常発電時よりも少なく設定して、カソードガス流量を低下させる。これにより、燃料電池２から排出される排出水分量Ｑｏｕｔが低下するため、燃料電池２内での加湿水量Ｑを増加できる。
【００６７】
その後、ステップＳ３８において、ＤＲＹ電流制限を終了するか否かの判断を行う。具体的には、現在のセル電圧、水分量、またはインピーダンスが所定値以上であるか否かの判断を行う。
そして、ステップＳ３８における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（セル電圧、水分量、またはインピーダンスが所定値以上である場合）、燃料電池２内が十分に加湿され、ＤＲＹ状態を解消したと判断して、ＤＲＹ電流制限を終了する。この場合には、本ルーチンを終了する。
一方、ステップＳ３８における判断結果が「ＮＯ」の場合（セル電圧、水分量、またはインピーダンスが所定値未満である場合）、未だ燃料電池２内がＤＲＹ状態であると判断して、ＤＲＹ電流制限を継続する。
【００６８】
また、上述したステップＳ３６における判断結果が「ＮＯ」の場合、封止系内がＤＲＹ状態ではないと判断して、ステップＳ３９に進む。
【００６９】
ステップＳ３９において、前回停止時の水分量Ｗｃと、現在の水分量Ｗｃ１と、に基づいて、封止系内がＷＥＴ状態であるか否かを判断する。
【００７０】
ステップＳ３９における判断結果が「ＹＥＳ」の場合、封止系内がＷＥＴ状態であると判断して、ステップＳ４０に進む。
一方、ステップＳ３９における判断結果が「ＮＯ」の場合、封止系内がＷＥＴ状態ではないと判断して、本ルーチンを終了する。すなわち、この場合には、封止系内の水分量が適量であり、電流制限の必要はないと判断して、通常起動モードに移行する。
【００７１】
ステップＳ４０において、燃料電池２から取り出す電流値を通常時に比べて制限するＷＥＴ電流制限を行うとともに、燃料電池２内の生成水を排出する排出処理を並行して行う。具体的に、カソード系内での排出処理は、カソードガスの流量を、通常発電時よりも多く設定する等して、カソードガス流量を増加させる。これにより、燃料電池２から排出される排出水分量Ｑｏｕｔを増加できる。一方、アノード系内での排出処理は、パージ量（パージ弁７１の開弁時間）及びドレイン量（ドレイン弁７３の開弁時間）を増加する。これにより、アノード系内に滞留する生成水等の排出を促進させる。
【００７２】
次に、ステップＳ４１において、ＷＥＴ電流制限及び排出処理を終了するか否かの判断を行う。具体的には、セル電圧が所定値以上、または水分量、インピーダンスが所定値以下である場合に、燃料電池２内のＷＥＴ状態を解消したと判断する。
そして、ステップＳ３８における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（セル電圧が所定値以上、または水分量、インピーダンスが所定値以下である場合）、燃料電池２内の生成水が十分に排出され、ＷＥＴ状態を解消したと判断して、ＷＥＴ電流制限及び排出処理を終了する。この場合には、本ルーチンを終了する。
一方、ステップＳ３８における判断結果が「ＮＯ」の場合（セル電圧が所定値未満、または水分量、インピーダンスが所定値より大きい場合）、未だ燃料電池２内がＷＥＴ状態であると判断して、ＤＲＹ電流制限及び排出処理を継続する。
【００７３】
したがって、本実施形態によれば、上述した第２実施形態と同様の作用効果を奏することに加え、燃料電池２内のＤＲＹ状態、及びＷＥＴ状態に応じた方法で電流制限を行うため、燃料電池２内の水環境を速やかに改善することが可能になる。
【００７４】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。図６は、第４実施形態における燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態では、封止系内の水素濃度Ｈ１に加えて、アノード系内の水素濃度Ｈ２に基づいて電流制限を行う点で、上述した実施形態と相違している。なお、以下のルーチンは、主にＩＳＵ５によって行われる。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。また、以下の動作は、主にＩＳＵ５によって行われる。
【００７５】
図６に示すように、まずステップＳ５１において、封止系内の水素濃度Ｈ１及びアノード系内の水素濃度Ｈ２を推定する。封止系内の水素濃度Ｈ１は、上述したステップＳ２と同様の方法等により推定することができる。また、アノード系内の水素濃度Ｈ２は、例えば、前回停止時及び起動時におけるアノード圧力Ｐａ、及びアノード温度Ｔａと、ソーク時間と、の関係に基づく水素濃度Ｈ２の変化をテストにより予め求めておき、このテスト結果から設定したマップを用いて推定することができる。
【００７６】
次に、ステップＳ５２において、アノード系内に水素が残っているか否かの判断を行う。具体的に、ステップＳ５２では、アノード系内の水素濃度Ｈ２が所定濃度以上の場合に、アノード系内に多くの水素が残っていると判断する。
【００７７】
ステップＳ５２における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（水素濃度が所定濃度以上の場合）、アノード系内に水素が残っていると判断してステップＳ５３に進む。この場合、燃料電池２のガス環境としては、例えば上述した（１）〜（４）の状態が考えられる。
【００７８】
次に、ステップＳ５３において、燃料電池２から取り出す電流値を通常時に比べて制限する電流制限を行う。なお、この場合は、上述した（１）〜（４）のように、アノード系内に水素が残っている状態であるため、アノード系内を水素で置換するのにかかる時間が比較的短く、アノードストイキ不足にもなり難い。したがって、ステップＳ４３の制限電流値は、比較的高く設定することができる。
【００７９】
次に、ステップＳ５４において、封止系内に水素があるか否かの判断を行う。具体的に、ステップＳ５４では、封止系内の水素濃度Ｈ１が所定濃度以上の場合に、カソード系内に多くの水素が存在すると判断する。
【００８０】
そして、ステップＳ５４における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（水素濃度Ｈ１が所定濃度以上の場合）、カソード系内に多くの水素が存在すると判断して、ステップＳ５５に進む。すなわち、この場合には、上述した燃料電池２のガス環境として、（２），（３）の状態等が考えられる。
【００８１】
この場合には、ステップＳ５５において、上述したステップＳ２８と同様の方法により、カソード流路３３内の水素を希釈する希釈処理を行う。
【００８２】
その後、ステップＳ５６において、電流制限を終了するか否かの判断を行う。電流制限を終了するか否かの判断は、例えば、セル電圧、またはアノード系内の水素濃度Ｈ２が所定値以上である否かによって行う。
そして、ステップＳ５６における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（セル電圧、または水素濃度Ｈ２が所定値以上である場合）、燃料電池２内のガス環境が良好になったと判断して、本ルーチンを終了する。すなわち、カソード系内の水素が空気に置換されるとともに、アノード系内が水素で満たされたと判断して、通常起動モードに移行する。
一方、ステップＳ５６における判断結果が「ＮＯ」の場合（セル電圧、または水素濃度Ｈ２が所定値未満である場合）、未だ燃料電池２内のガス環境が整っていないと判断して、ステップＳ５６の判断を繰り返す。
【００８３】
また、上述したステップＳ５４における判断結果が「ＮＯ」の場合（封止系内の水素濃度Ｈ１が所定濃度未満の場合）、封止系内の水素濃度Ｈ１が十分に低いと判断する。この場合には、上述した燃料電池２のガス環境としては、（１），（４）の状態等が考えられる。そのため、カソード系内の希釈処理を行わず、上述したステップＳ５６を経て本ルーチンを終了する。
【００８４】
一方、上述したステップＳ５２における判断結果が「ＮＯ」の場合（アノード系内の水素濃度Ｈ２が所定濃度未満の場合）、アノード系内の水素濃度Ｈ２が低いと判断してステップＳ５７に進む。この場合、燃料電池２のガス環境としては、例えばカソードガス循環発電を実施せずに燃料電池システム１が停止した場合等、すなわちカソード系内が空気リッチな状態で停止した場合に、クロスオーバー等によってカソード系内及びアノード系内がそれぞれ空気リッチな状態、いわゆるエア：エア状態になっている虞がある。
【００８５】
ステップＳ５７において、燃料電池２から取り出す電流値を通常時に比べて制限する電流制限を行う。なお、上述したエア−エア状態の場合には、アノード系内を水素で置換するのにかかる時間が比較的長く、アノードストイキ不足も生じ易い。したがって、ステップＳ５７の制限電流値は比較的低く、具体的には上述したステップＳ５３で設定した制限レベル１よりも低く設定する必要がある。
【００８６】
その後、ステップＳ５８において、上述したステップＳ５６と同様の方法により、電流制限を終了するか否かの判断を行う。
以上により、本ルーチンを終了して、通常起動モードに移行する。
【００８７】
したがって、本実施形態では、アノード系内のガス環境に基づいて電流制限を行うことで、水素濃度不足に起因するストイキ不足を抑制できる。これにより、ストイキ不足に伴う燃料電池２の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を抑制できる。そのため、起動時における安定性の向上を図るとともに、燃料電池２の耐久性を向上させることができる。
【００８８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。図７は、第５実施形態における燃料電池システムの動作方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態では、アノード系内の水素濃度または水分量に基づいて電流制限を行う点で、上述した実施形態と相違している。なお、以下の説明では、上述した実施形態と同様の構成については、説明を省略する。また、以下の動作は、主にＩＳＵ５によって行われる。
図７に示すように、まずステップＳ６１において、アノード系内の水素濃度Ｈ２または水分量を推定する。なお、水素濃度Ｈ２の推定方法としては、上述したステップＳ５１と同様の方法等により推定することができる。また、水分量は、例えばインピーダンスＩｍｐ、及びアノード内の湿度に基づいて推定することができる。燃料電池２内に存在する生成水は、基本的にカソード側に多く存在しており、カソードでオーバーフローした分、またはカソードでの飽和量を超えた分がアノード側へ移動する。そのため、インピーダンスＩｍｐが高いほどアノードの水分量が多いと判断できる。本実施形態では、インピーダンスＩｍｐが所定値以上の場合にアノードに水が移動していると判断する。
【００８９】
次に、ステップＳ６２において、ステップＳ６１で推定した水素濃度Ｈ２または水分量に基づいて発電電流値Ｉａを算出する。例えば、マップ等を用いて、現在の水素濃度Ｈ２または水分量から、燃料電池２がストイキ不足とならないような発電電流値Ｉａを設定する。この場合、アノード系内の水素濃度Ｈ２が低くなるに従い発電電流値Ｉａが小さくなるように設定し、アノード系内の水分量が多くなるに従い発電電流値Ｉａが小さくなるように設定する。
【００９０】
続いて、ステップＳ６３において、燃料電池２への目標電流指令値Ｉｂを算出する。目標電流指令値Ｉｂは、エネマネの要求値に基づいて算出される。すなわち、燃料電池車両全体の負荷要求から算出される出力指令値と、バッテリのＳＯＣと、に基づいて、燃料電池２への目標電流指令値Ｉｂが算出される。
【００９１】
次に、ステップＳ６４において、上述した発電電流値Ｉａが目標電流指令値Ｉｂ以上であるか否かを判断する。
【００９２】
ステップＳ６４における判断結果が「ＹＥＳ」の場合（発電電流値Ｉａ≧目標電流指令値Ｉｂの場合）、ステップＳ６５に進み、燃料電池２からの出力電流値Ｉｃを目標電流指令値Ｉｂに設定する。すなわち、この場合には、アノード系内の水素濃度Ｈ２が高い、または水分量が比較的少ないため、目標電流指令値Ｉｂに応じた電流値を出力してもストイキ不足の虞はないと判断できる。そして、目標電流指令値Ｉｂに基づいて供給ガス（アノードガス、及びカソードガス）が所望の目標値（圧力や流量等）で燃料電池２に供給される。以上により、本ルーチンを終了する。
【００９３】
一方、ステップＳ６４における判断結果が「ＮＯ」の場合（発電電流値Ｉａ＜目標電流指令値Ｉｂの場合）、ステップＳ６６に進み、燃料電池２からの出力電流値Ｉｃを発電電流値Ｉａに制限する。すなわち、アノード系内の水素濃度Ｈ２が低い、または水分量が比較的多いため、目標電流指令値Ｉｂに応じた電流値を出力するとストイキ不足の虞があると判断できる。この場合、不足分の出力はバッテリから賄うように制御する。
【００９４】
また、このとき、ステップＳ６７において、アノード系内のガス環境、または水環境に起因したストイキ不足が速やかに改善されるようにアノード系内回復処理を行う。具体的には、パージ時間やドレイン時間を増加したり、アノードガス循環ポンプ７０を駆動させたり、アノード系内の圧力を増加させたりすることにより行う。なお、アノードガス循環ポンプ７０を駆動させることで、アノードガス供給手段４内に残存する未反応のアノードガスを燃料電池２に再度供給することができる。これにより、アノードガスの循環量が増加するため、アノード流路４６内に滞留する生成水を吹き飛ばすとともに、アノード系内の水素濃度Ｈ２を増加できる。
【００９５】
次に、ステップＳ６８において、上述したステップＳ３８と同様の方法により。ストイキ不足が改善したか否かの判断を行う。
そして、ステップＳ６６における判断結果が「ＹＥＳ」の場合、ストイキ不足が改善されたと判断して、電流制限を解除する。すなわち、燃料電池２からの出力電流値Ｉｃを目標電流指令値Ｉｂに設定する。そして、本ルーチンを終了する。
一方、ステップＳ６８における判断結果が「ＮＯ」の場合、未だストイキ不足の虞があるとして、電流制限を継続する。
【００９６】
したがって、本実施形態では、アノード系内のガス環境に基づいて燃料電池２からの出力電流値Ｉｃの電流制限を行うことで、水素濃度不足に起因するストイキ不足を抑制できる。これにより、ストイキ不足に伴う燃料電池２の電極の劣化や、それに伴う電解質膜の劣化、発電性能の低下を抑制できる。
また、ガス環境や水環境が改善した後に、燃料電池システム１が通常起動モードに移行するため、起動時の安定性を向上させることができる。なお、上述した第４実施形態や第５実施形態により、本発明の電流制限手段が構成される。
【００９７】
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、第１実施形態の封止弁開弁処理と、第２〜５実施形態の電流制限処理と、を別々に説明したが、燃料電池システム１の起動時にはこれらの制御を並行して行うことが可能である。
【００９８】
また、上述した実施形態では、起動時における封止弁３４，３６の開弁処理や電流制限を水素濃度、または水分量に基づいて行う構成について説明したが、通常発電時においても、起動時の水素濃度、または水分量の推定値に基づいて、パージ量やドレイン量等を設定しても構わない。
また、水分量は露点計や湿度計により検出された露点や湿度に基づいて算出しても構わない。また、水素濃度も水素センサにより直接検出しても構わない。
さらに、スタック状態として、ガス環境や水環境に限らず、燃料電池２内の圧力環境に基づいて封止弁開弁処理や電流制限処理を行っても構わない。
【００９９】
さらに、上述した実施形態では、酸素欠乏発電としてカソードガス循環発電を行う構成について説明したが、これに限らず、酸素リーン発電、ディスチャージ発電等によっても同様の効果を奏することが可能である。なお、酸素リーン発電とは、出口封止弁３６を開弁するとともに、カソードガス循環ポンプ６６を駆動させないで、燃料電池２への供給空気量を通常の発電時よりも少なくした状態で発電する方法である。つまり、酸素リーン発電は、カソードストイキを通常の発電よりも低くした発電方法である。また、ディスチャージ発電とは、バッテリやモータ、各種補機等に燃料電池２の電力を放電する方法である。
【０１００】
また、燃料電池システム１の起動直後（通常起動モードへの移行前）に燃料電池２で発電した電力をバッテリへ充電するディスチャージ処理を行っても構わない。この場合、起動時に推定されたガス環境や水環境に基づいてディスチャージ処理の許可判断を行うことで、ディスチャージ処理時にストイキ不足が発生するのを抑制できる。
【０１０１】
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】
【０１０２】
１…燃料電池システム  ２…燃料電池  ３１…カソードガス供給流路（酸化剤供給流路）３４…入口封止弁（第１開閉弁）  ３５…カソードオフガス排出流路（酸化剤オフガス排出流路）  ３６…出口封止弁（第２開閉弁）  ５１…水素有無推定手段（スタック状態推定手段）  ５３…水有無推定手段（スタック状態推定手段）  ５４…開弁順序規定手段
【図１】
2014035822.tif 000003
【図２】
2014035822.tif 000004
【図３】
2014035822.tif 000005
【図４】
2014035822.tif 000006
【図５】
2014035822.tif 000007
【図６】
2014035822.tif 000008
【図７】
2014035822.tif 000009