(57)【要約】      （修正有）【課題】強制停止後の起動時において燃料電池から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１００は、カソードガスを燃料電池に供給するポンプ１２２と、燃料電池へのアノードガスの供給を遮断する遮断弁１３２と、を備える。また、燃料電池システム１００は、燃料電池から排出されたアノードガスをカソードガス排出通路１２４へパージするパージ弁３６２と、を備える。さらに燃料電池システム１００は、燃料電池を起動するときは、遮断弁１３２を開き、ポンプ１２２を第１所定期間駆動して燃料電池のカソード流路から側滞留アノードガスを排出し、その後にパージ弁３６２を開くコントローラー１５０を備える。コントローラー１５０は、燃料電池システム１００を強制停止した後に起動するときは、ポンプ１２２を第２所定期間駆動して滞留アノードガスを排出し、その後に遮断弁１３２を開き、パージ弁３６２を開く。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池にカソードガスを供給するためのカソードガス供給通路と、
前記カソードガス供給通路に設けられ、カソードガスを前記燃料電池に供給するポンプと、
前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、
前記アノードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池へのアノードガスの供給を遮断する遮断弁と、
前記燃料電池からカソードガスを排出するカソードガス排出通路と、
前記燃料電池からアノードガスを排出するアノードガス排出通路と、
前記アノードガス排出通路に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードガスを前記カソードガス排出通路にパージするパージ弁と、
前記燃料電池を起動するときは、前記遮断弁を開き、前記ポンプを第１所定期間駆動して前記燃料電池のカソードガス流路に透過してきた滞留アノードガスを前記カソードガス排出通路に排出し、前記第１所定期間経過後に前記パージ弁を開く通常起動手段と、
燃料電池システムを強制停止した後に起動するときは、前記ポンプを第２所定期間駆動して前記カソードガス流路内の滞留アノードガスを排出し、前記第２所定期間経過後に前記遮断弁を開き、前記パージ弁を開く強制停止時起動手段と、を含む
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記第１及び第２所定期間は、前記カソードガス流路から滞留アノードガスを排出するのに必要な期間である、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記強制停止時起動手段は、零下で、前記通常起動手段によってパージ弁を開いてから前記燃料電池システムの異常により前記強制停止した後、再起動するときに実行される、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記強制停止時起動手段は、前記燃料電池システムを強制停止した後に起動する場合において、前記パージ弁の温度が氷点温度よりも低いと判断したときに実行される、
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、カソードガス及びアノードガスを排出する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、起動時にカソードガス及びアノードガスを燃料電池に供給し、燃料電池を発電させることで発生する熱を利用して、燃料電池の暖機運転を行う燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−４２４３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、燃料電池システムでは、燃料電池内のアノードガス流路にアノードガスを充填した状態でシステムを停止させる。そのため、システムの停止中は、アノードガスが膜電極接合体を透過してカソードガス流路に流れてくるので、システムを起動するときには、燃料電池内のカソードガス流路にアノードガスが滞留している。この滞留アノードガスは、起動時にポンプを駆動してカソードガスを燃料電池に供給することで規定の濃度に希釈されてカソードガス排出通路に排出される。その後、燃料電池の暖機運転が行われる。
【０００５】
また、燃料電池のアノードガス排出口には、アノードガス流路内に蓄積した不純物や水を排出するためのパージ弁が設けられており、このパージ弁からは、不純物と同時にアノードガスが排出される。そのため、パージ弁から排出されるアノードガスについては、カソードガス排出通路へ排出し、カソードガスで規定の濃度に希釈して大気に排出している。
【０００６】
このため、起動時には、カソードガス排出通路出口のアノードガス濃度が規定の濃度を超えないように、ポンプを駆動してカソードガス流路内の滞留アノードガスを希釈および排出し、その後アノードガス流路からアノードガスのパージを開始する。なお、高圧タンクと燃料電池とを結ぶアノードガス供給配管には遮断弁が設けられており、起動時には、燃料電池の発電開始に備えてパージ弁を開弁する前に遮断弁を開弁しておき、下流の調圧弁によってアノードガスの圧力を所定の圧力に制御している。
【０００７】
このような燃料電池システムにおいて、零下の温度環境でシステム異常によって緊急停止するような場合は、次回の起動を通常の起動処理により行うと、次のような不都合が生じる可能性があることを発明者らは見出した。
【０００８】
燃料電池の運転中は、発電反応によってカソードガス流路で水蒸気が生成され、その水蒸気は、膜電極接合体を透過してアノードガス流路を流れてパージ弁まで到達する。このため、零下環境でシステム停止した場合などで、システム内部温度が凍結温度以下に低下すると、凝縮した水蒸気が水、更には氷となり、パージ弁が凍結する。凍結した状態でパージ弁に対して開閉制御を実行すると、パージ弁を開けることはできても、氷の存在によって閉止できなくなる可能性がある。そこで、停止状態に遷移する前の停止処理において、パージ弁内部の液水を排出する水抜き操作を実施することで、パージ弁の凍結による閉弁不良を防止している。
【０００９】
ところが、零下環境下でシステムが強制停止されたときには、通常停止時の水抜き操作を実施することができないため、パージ弁を閉じても、凍結によってパージ弁が閉止できずに開いている可能性がある。このような状況で通常の起動処理により遮断弁を開弁してポンプを駆動すると、アノードガスがパージ弁から漏れ出している状態で、カソードガス流路内の滞留アノードガスが、カソードガス排出流路に排出されてしまう。その結果、カソードガス排出通路から排出されるアノードガスの濃度が規定の濃度を超えることが懸念される。
【００１０】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、強制停止後の起動時において燃料電池から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制す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】
【００１１】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【００１２】
この発明による燃料電池システムは、燃料電池にカソードガスを供給するためのカソードガス供給通路と、前記カソードガス供給通路に設けられ、カソードガスを前記燃料電池に供給するポンプと、を含む。そして燃料電池システムは、前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、前記アノードガス供給通路に設けられ、前記燃料電池へのアノードガスの供給を遮断する遮断弁と、を含む。また燃料電池システムは、前記燃料電池からカソードガスを排出するカソードガス排出通路と、前記燃料電池からアノードガスを排出するアノードガス排出通路と、を含む。さらに燃料電池システムは、前記アノードガス排出通路に設けられ、前記燃料電池から排出されたアノードガスを前記カソードガス排出通路にパージするパージ弁を含む。また、燃料電池システムは、前記燃料電池を起動するときは、前記遮断弁を開き、前記ポンプを第１所定期間駆動して前記燃料電池のカソードガス流路に透過してきた滞留アノードガスを前記カソードガス排出通路に排出し、前記第１所定期間経過後に前記パージ弁を開く通常起動手段を含む。そして燃料電池システムは、燃料電池システムを強制停止した後に起動するときは、前記ポンプを第２所定期間駆動してカソードガス流路内の滞留アノードガスを排出し、前記第２所定期間経過後に前記遮断弁を開き、前記パージ弁を開く強制停止時起動手段を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この態様によれば、零下の温度環境においてシステムの異常などが原因で燃料電池の運転を強制停止した後に再起動するようなときは、ポンプを駆動してカソードガス流路から滞留アノードガスを排出した後に、アノードガスの遮断弁を開く。
【００１４】
このため、起動時において、万一凍結によりパージ弁が開いた状態であっても、遮断弁の開弁によってパージ弁からアノードガスがカソードガス排出通路へ漏れ出す前に、事前にカソードガス流路内の滞留アノードガスがカソードガス排出通路に排出される。
【００１５】
したがって、強制停止後の起動時において、カソードガス排出通路から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制することができる。
【００１６】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。
【図２】図２は、燃料電池スタックの単セルを示す断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、燃料電池を構成するアノードセパレータを示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、燃料電池を構成するカソードセパレータを示す平面図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図５】図５は、通常起動処理を示すタイミングチャートである。
【図６】図６は、強制停止後の再起動処理を示すタイミングチャートである。
【図７】図７は、コントローラーの空気流量制御部を示す機能ブロック図である。
【図８】図８は、水素圧力値と空気流量との関係を示すマップ図である。
【図９】図９は、発電電流と空気流量との関係を示すマップ図である。
【図１０】図１０は、コントローラーの水素圧力制御部を示す機能ブロック図である。
【図１１】図１１は、発電電流と脈動幅との関係を示すマップ図である。
【図１２】図１２は、コントローラーによる起動処理方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムに用いられる燃料電池スタック１１０を示す斜視図である。
【００１９】
燃料電池スタック１１０は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータに電力を供給する電源として用いられる。燃料電池スタック１１０は、複数枚の燃料電池を積層したものである。
【００２０】
燃料電池は、アノード電極（いわゆる燃料極）と、カソード電極（いわゆる酸化剤極）と、これらの電極に挟まれる電解質膜と、を備える。ここでは、積層された複数の燃料電池のひとつを「単セル」という。
【００２１】
燃料電池は、アノード電極に供給される水素を含有するアノードガス（いわゆる燃料ガス）及びカソード電極に供給される酸素を含有するカソードガス（いわゆる酸化剤ガス）を用いて発電する。燃料電池の電気化学反応は、アノード電極及びカソード電極の両電極において、以下のとおり進行する。
【００２２】
アノード電極：  ２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ−        ・・・（１）
カソード電極：  ４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ      ・・・（２）
【００２３】
燃料電池スタック１１０は、積層された複数の単セル１と、一対の集電板２ａ及び２ｂと、一対の絶縁板３ａ及び３ｂと、一対のエンドプレート４ａ及び４ｂと、図示しない４本のテンションロッドに螺合するナット５と、を有する。
【００２４】
単セル１は、起電力を生じる固体高分子型燃料電池の単位セルである。単セル１は、１ボルト程度の起電圧を生じる。単セル１の構造については図２を参照して後述する。
【００２５】
一対の集電板２ａ及び２ｂは、積層された複数の単セル１の外側にそれぞれ配置される。集電板２ａ及び２ｂは、ガス不透過性の導電性部材で形成される。ガス不透過性の導電部材は、例えば緻密質カーボンである。集電板２ａ及び２ｂは、上辺の一部に出力端子６を備える。燃料電池スタック１１０は、出力端子６から単セル１ごとに生じた電子ｅ−を取り出して出力する。
【００２６】
一対の絶縁板３ａ及び３ｂは、集電板２ａ及び２ｂの外側にそれぞれ配置される。絶縁板３ａ及び３ｂは、絶縁性の部材で形成される。絶縁性の部材は例えばゴムなどである。
【００２７】
一対のエンドプレート４ａ及び４ｂは、絶縁板３ａ及び３ｂの外側にそれぞれ配置される。エンドプレート４ａ及び４ｂは、剛性を備える金属性の材料で形成され、例えば鋼などで形成される。
【００２８】
一対のエンドプレート４ａ及び４ｂのうち、一方のエンドプレート４ａには、冷却水の入口孔４１ａ及び出口孔４１ｂと、アノードガスの入口孔４２ａ及び出口孔４２ｂと、カソードガスの入口孔４３ａ及び出口孔４３ｂとが形成される。なお、冷却水入口孔４１ａ、アノードガス出口孔４２ｂ及びカソードガス入口孔４３ａは、エンドプレート４ａの一端側（図中右側）に形成され、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａ及びカソードガス出口孔４３ｂは、他端側（図中左側）に形成される。
【００２９】
ここで、アノードガス入口孔４２ａに水素を供給する方法としては、例えば水素ガスを水素貯蔵装置から直接供給する方法又は水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法がある。
【００３０】
なお、水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料ガスとしては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。また、カソードガス入口孔４３ａに供給する酸化剤ガスとしては、一般的に空気が利用される。
【００３１】
ナット５は、燃料電池スタック１１０の内部を貫通する図示しない４本のテンションロッドの両端部に形成された雄ねじ部に螺合する。テンションロッドにナット５を螺合締結することで、燃料電池スタック１１０を積層方向に締め付ける。テンションロッドは、剛性を備えた金属材料で形成され、例えば鋼などで形成される。テンションロッドの表面には絶縁処理が施され、単セル１同士の電気短絡を防止している。
【００３２】
図２は、図１のII-II線に沿う方向から見た単セル１の断面の一部を示す図である。
【００３３】
単セル１は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：以下「ＭＥＡ」という）１１を、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とで挟持して構成する。
【００３４】
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａと、アノード電極１１ｂと、カソード電極１１ｃとを有する。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１ａの一方の面にアノード電極１１ｂを有し、他方の面にカソード電極１１ｃを有する。
【００３５】
電解質膜１１ａは、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１ａは、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
【００３６】
アノード電極１１ｂ及びカソード電極１１ｃは、ガス拡散層、撥水層、及び触媒層から構成される。ガス拡散層は、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。撥水層は、ポリエチレンフルオロエチレンと炭素材を含む層である。触媒層は、白金が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。
【００３７】
アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する。アノードセパレータ２０は、アノード電極１１ｂと接する側に、アノード電極１１ｂにアノードガスを供給するためのアノードガス流路２４を有する。そして、アノード電極１１ｂと直接接する面（後述する流路リブ２５の頂面）２５ａの反対面に、発電により暖められた燃料電池スタック１１０を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２６を有する。
【００３８】
カソードセパレータ３０も同様に、カソード電極１１ｃと接する側に、カソード電極１１ｃにカソードガスを供給するためのカソードガス流路３４を有し、カソード電極１１ｃと接する面（後述する流路リブ３５の頂面）３５ａの反対面に冷却水流路３６を有する。アノードセパレータ２０及びカソードセパレータ３０は、金属又はカーボンである。
【００３９】
なお、隣接するアノードセパレータ２０とカソードセパレータ３０とに設けられたそれぞれの冷却水流路２６及び冷却水流路３６は、互いに向き合うように形成されており、この冷却水流路２６及び冷却水流路３６によって１つの冷却水流路５１が形成される。
【００４０】
また、ガス流路２４を流れるアノードガスと、ガス流路３４を流れるカソードガスとは、ＭＥＡ１１を介して互いに逆向きに流れている。本実施形態では、ガス流路２４を流れるアノードガスは紙面奥から手前へ流れており、ガス流路３４を流れるカソードガスは紙面手前から奥へ流れている。
【００４１】
図３Ａは、アノードセパレータ２０をアノード電極側から見た平面図である。
【００４２】
アノードセパレータ２０の一端（図中左側）には、上から順に、カソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。一方、アノードセパレータ２０の他端（図中右側）には、上から順に、アノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。
【００４３】
また、アノードセパレータ２０の表面には、アノードガス拡散部２１と、複数の溝状のアノードガス流路２４と、アノードガス合流部２７とが形成される。ここでは、アノードガス流路は、単に「ガス流路」という。
【００４４】
ガス流路２４は、ガス流路底面２４ａからアノード電極側へ突出してアノード電極と接する複数の流路リブ２５との間に形成される流路である。なお、流路リブ２５の背面が、前述した冷却水流路２６となっている。流路リブ２５の側面２５ｂはテーパ状となっており、流路リブ頂面２５ａからガス流路底面２４ａへ向けて一定の角度で傾斜している。これにより、ガス流路２４を流れるガス及び冷却水流路２６を流れる冷却水の余分な乱流を抑制して圧力損失を低減している。
【００４５】
アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａとガス流路２４との間に形成される。アノードガス拡散部２１は、アノードガス入口孔４２ａからガス流路２４へ向かって幅が広がっていくガス流路である。
【００４６】
アノードガス拡散部２１には、アノードガスを各ガス流路２４へ均等に分配するために、アノードガス拡散部底面２１ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の突起状の拡散リブ２２が格子状に形成される。
【００４７】
アノードガス合流部２７は、ガス流路２４とアノードガス出口孔４２ｂとの間に形成される。アノードガス合流部２７は、ガス流路２４からアノードガス出口孔４２ｂへ向かって幅が狭くなっていくガス流路である。
【００４８】
アノードガス合流部２７には、アノードガス合流部底面２７ａからアノード電極へ突出してアノード電極と接する複数の合流リブ２８が形成される。アノードガス合流部２７は、この合流リブ２８によって複数の領域２９に区分けされる。以下では、この区分けされた各領域２９を「ガス合流流路２９」という。
【００４９】
合流リブ２８は、ガス流路終端２７ａからアノードガス出口孔４２ｂへ向かって形成される。合流リブ２８は、アノードガス出口孔４２ｂへ行くほどガス合流流路２９の幅が狭くなるように形成される。合流リブ２８は、ガス流路２４から各ガス合流流路２９に流れ込むガス流量が略同一となるように形成される。合流リブ２８の本数は、流路リブ２５の本数よりも少ない。なお、隣接するガス合流流路２９の流路幅がガス流路２４の流路幅と略同一になるまで、一部の流路リブ２５の終端が延長されている。
【００５０】
図３Ｂは、カソードセパレータ３０をカソード電極１１ｃ側から見た平面図である。
【００５１】
カソードセパレータ３０は、アノードセパレータ２０と同様の構成である。カソードセパレータ３０は、カソードガス拡散部３１と、カソードガス流路３４と、流路リブ３５と、カソードガス合流部３７とを有する。ここでは、カソードガス流路を単に「ガス流路」という。
【００５２】
カソードガス拡散部３１には拡散リブ３２が設けられる。カソードガス合流部３７には、合流リブ３８が設けられ、ガス合流流路３９が形成される。
【００５３】
カソードセパレータ３０は、ＭＥＡ１１を介してアノードセパレータ２０と対向しているため、カソードセパレータ３０の一端側（図中左側）は、アノードセパレータ２０の他端側（図３Ａの右側）となる。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図中右側）が、アノードセパレータ２０の一端側（図３Ａの左側）となる。
【００５４】
したがって、カソードセパレータ３０の一端側（図中左側）には、アノードセパレータ２０の他端側に形成される３つの孔に対応してアノードガス出口孔４２ｂ、冷却水入口孔４１ａ、カソードガス入口孔４３ａが形成される。そして、カソードセパレータ３０の他端側（図中右側）にも、アノードセパレータ２０の一端側に形成される３つの孔に対応してカソードガス出口孔４３ｂ、冷却水出口孔４１ｂ、アノードガス入口孔４２ａが形成される。
【００５５】
図４は、本発明の実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。
【００５６】
燃料電池システム１００は、燃料電池に対して外部から発電に必要な燃料ガスを供給し、負荷に応じて発電する電源システムである。燃料電池システム１００は、本実施形態では、車両を駆動する駆動モータなどに電力を供給する。
【００５７】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１１０と、カソードガス給排装置１２０と、アノードガス給排装置１３０と、スタック冷却装置１４０と、コントローラー１５０と、を備える。
【００５８】
燃料電池スタック１１０は、例えば数百Ｖ（ボルト）の電圧を発電する。燃料電池スタック１１０は、駆動モータや補機に接続される。燃料電池スタック１１０に積層された単セル１は、互いに直列に接続されているため、燃料電池スタック１１０では、各単セル１に生じるセル電圧の総和が出力電圧となる。
【００５９】
燃料電池スタック１１０は、カソードガス給排装置１２０からカソードガスが供給され、アノードガス給排装置１３０からアノードガスが供給される。
【００６０】
カソードガス給排装置１２０は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１０から排出されるカソードガスを大気に排出する装置である。
【００６１】
カソードガス給排装置１２０は、カソードガス供給通路１２１と、カソードコンプレッサー１２２と、カソード圧力センサー１２３と、カソードガス排出通路１２４と、を備える。
【００６２】
カソードガス供給通路１２１は、燃料電池スタック１１０にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路１２１の一端は、外気から酸素を取り込む通路と連通し、他端はカソードガス入口孔４３ａに接続される。
【００６３】
カソードコンプレッサー１２２は、カソードガスを燃料電池スタック１１０に供給するポンプである。カソードコンプレッサー１２２は、カソードガス供給通路１２１に設けられる。カソードコンプレッサー１２２は、外気からカソードガス供給通路１２１に酸素を含む空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１１０に供給する。
【００６４】
カソード圧力センサー１２３は、カソードコンプレッサー１２２よりも下流に位置するカソードガス供給通路１２１に設けられる。カソード圧力センサー１２３は、カソードガスの圧力を検出する。カソード圧力センサー１２３は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。カソード圧力センサー１２３の検出値は、例えばカソードコンプレッサー１２２の流量調整に用いられる。
【００６５】
カソードガス排出通路１２４は、燃料電池スタック１１０からカソードガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路１２４の一端は、カソードガス出口孔４３ｂに接続され、他端は開口している。以下では、カソードガス排出通路１２４から排出されるガスのことを「排出ガス」という。
【００６６】
アノードガス給排装置１３０は、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給すると共に、燃料電池スタック１１０から不純物をカソードガス排出通路へ排出する装置である。
【００６７】
アノードガス給排装置１３０は、アノードガス供給通路１３１と、遮断弁１３２と、アノード調圧弁１３３と、アノード圧力センサー１３４と、を備える。さらにアノードガス給排装置１３０は、アノードガス排出通路１３５を備える。
【００６８】
アノードガス供給通路１３１は、燃料電池スタック１１０にアノードガスを供給するための通路である。アノードガス供給通路１３１の一端は、例えばアノードガスが充填された高圧タンクに接続され、他端は、アノードガス入口孔４２ａに接続される。
【００６９】
遮断弁１３２は、アノードガス供給通路１３１に設けられる。遮断弁１３２は、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスを遮断する。遮断弁１３２は、コントローラー１５０によって開閉制御される。遮断弁１３２は、燃料電池システム１００の起動中に開弁し、停止時に閉止する。
【００７０】
アノード調圧弁１３３は、遮断弁１３２よりも下流に位置するアノードガス供給通路１３１に設けられる。アノード調圧弁１３３は、コントローラー１５０によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１１０に供給されるアノードガスが、燃料電池に要求される発電電力に基づいて所定の圧力に調節される。
【００７１】
アノード圧力センサー１３４は、アノード調圧弁１３３とアノードガス入口孔４２ａとの間のアノードガス供給通路１３１に設けられる。アノード圧力センサー１３４は、アノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサー１３４は、検出した値をコントローラー１５０に出力する。アノード圧力センサー１３４の検出値は、例えばアノード調圧弁１３３の開度の調整に用いられる。
【００７２】
アノードガス排出通路１３５は、燃料電池スタック１１０からアノードガスに含まれる不純物を排出する通路である。アノードガス排出通路１３５の一端は、カソードガス排出通路１２４に合流し、他端は、貯水バッファ１３６の出口孔に接続される。
【００７３】
貯水バッファ１３６は、アノードガス出口孔４２ｂに設けられる。なお、本実施形態では貯水バッファ１３６をアノードガス出口孔４２ｂに直接接続しているが、アノードガス出口孔４２ｂとカソードガス排出通路１２４とを結ぶアノードガス排出通路の途中に貯水バッファ１３６を設けても良い。
【００７４】
アノードガス出口孔４２ｂから排出されるアノードガスには、発電反応に使用されなかった余剰のアノードガスの他に、カソードガスに含まれる不活性ガスの窒素や、発電反応に伴う水蒸気などの不純物が含まれている。
【００７５】
貯水バッファ１３６は、アノードガス出口孔４２ｂから、後述のパージ弁３６２の排水性能を超える流量の凝縮水が一時的に排出された場合に、凝縮水がアノードガス出口孔４２ｂに逆流するのを防止する役割を果たす。
【００７６】
アノードガス排出通路１３５には、アノードガス中の窒素、水蒸気、凝縮水をカソードガス排出通路１２４へ排出するためのパージ弁３６２を備える。
【００７７】
パージ弁３６２からは、アノードガス排出通路１３５内の水素を含むアノードガスが、カソードガス排出通路１２４へ排出される。これにより、カソードガスで排出ガス中の水素が希釈される。パージ弁３６２は、コントローラー１５０によって開閉制御される。この開閉制御によって、カソードガス排出通路１２４の出口端で水素濃度が規定値以下に維持される。
【００７８】
スタック冷却装置１４０は、冷媒によって燃料電池スタック１１０及び貯水バッファ１３６を冷却する装置である。冷媒としては、本実施形態では冷却水が用いられる。
【００７９】
スタック冷却装置１４０は、冷却水循環通路１４１と、熱交換器１４２と、冷却水ポンプ１４３と、バイパス流路１４４と、サーモスタット１４５と、分岐通路４１１及び合流通路４１２と、を備える。
【００８０】
冷却水循環通路１４１は、燃料電池スタック１１０に冷却水を循環させる通路である。
【００８１】
熱交換器１４２は、冷却水循環通路１４１に設けられる。熱交換器１４２は、燃料電池スタック１１０で温められた冷却水を、例えばファンによって冷却する。
【００８２】
冷却水ポンプ１４３は、冷却水循環通路１４１に設けられる。冷却水ポンプ１４３は、熱交換器１４２で冷やされた冷却水を燃料電池スタック１１０に吐出する。冷却水ポンプ１４３の吐出流量は、コントローラー１５０によって制御される。
【００８３】
バイパス流路１４４は、燃料電池スタック１１０の下流の冷却水循環通路１４１から分岐して冷却水ポンプ１４３の上流に合流する。
【００８４】
サーモスタット１４５は、バイパス流路１４４の合流部に設けられる。サーモスタット１４５は、バイパス流路１４４および熱交換器１４２に供給される冷却水の流量を制御する。これにより、冷却水ポンプ１４３に供給される冷却水の温度を制御することができる。具体的には、冷却水の温度が低いほど、バイパス流路１４４を流れる冷却水流量が多くなるように制御する。
【００８５】
分岐通路４１１は、冷却水ポンプ１４３の下流の冷却水循環通路１４１から分岐して貯水バッファ１３６およびパージ弁３６２の筐体に冷却水を通す。このため、容積部３６１とパージ弁３６２とを通過する内部通路には、燃料電池スタック１１０の暖機操作（暖機運転）により燃料電池スタック１１０で温められた冷却水が流れる。
【００８６】
これにより、貯水バッファ１３６およびパージ弁３６２も暖機されるので、零下環境下で凝縮水が凍結するのを防止することができる。なお、バイパス通路１４４にヒーターを設け、ヒーターによって冷却水を加熱して貯水バッファ１３６及びパージ弁３６２を暖機してもよい。
【００８７】
合流通路４１２は、貯水バッファ１３６およびパージ弁３６２の内部通路から延びて冷却水ポンプ１４３の上流の冷却水循環通路１４１に合流する。
【００８８】
コントローラー１５０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。
【００８９】
コントローラー１５０は、カソードコンプレッサー１２２、遮断弁１３２、アノード調圧弁１３３、パージ弁３６２及び冷却水ポンプ１４３を制御して、燃料電池スタック１１０を発電させる。
【００９０】
また、コントローラー１５０は、燃料電池システム１００を停止するときに水抜き操作を行う。具体的にはコントローラー１５０は、停止処理中に燃料電池の発電電力を最小値まで下げた状態でパージ弁３６２を開き、パージ弁３６２の開状態を所定時間継続させる。もしくは、コントローラー１５０は、停止処理中に発電電力を最小値まで下げた状態でパージ弁３６２の開閉操作を数回連続して行う。これにより、貯水バッファ１３６内部の液水が排出されるので、システム停止中にパージ弁３６２が凍結するのを防止できる。
【００９１】
その後、コントローラー１５０は、燃料電池スタック１１０の劣化を防止するために、カソードガス流路３４内の酸素濃度を十分に下げた後、遮断弁１３２を閉じる。そのため、燃料電池スタック１１０のアノード極にアノードガスが充填された状態で、燃料電池システム１００が停止される。
【００９２】
燃料電池の膜電極接合体１１は高分子の膜で構成されるため、両極（アノード電極及びカソード電極）のガスの分圧差によってガスが透過する。燃料電池システム１００の停止直後は、カソードガス流路３４の水素分圧はほぼゼロであるのに対し、アノードガス流路２４には水素を中心とするガスで充填されているため水素分圧が高い状態である。このため、アノードガスが膜電極接合体１１を透過してカソードガス流路３４に流れてくる。
【００９３】
その結果、燃料電池システム１００を起動するときには、膜電極接合体１１を透過してくるアノードガス（いわゆるクロスオーバー水素）が、カソードガス流路３４に多量に滞留している。以下では、停止中にカソードガス流路３４内に滞留したアノードガスを「滞留アノードガス」という。
【００９４】
コントローラー１５０は、図５に示すように、滞留アノードガスを燃料電池システム１００の起動中に排出する。
【００９５】
図５は、滞留アノードガスを排出するために通常行われる起動処理を示すタイミングチャートである。
【００９６】
図５（ａ）は、カソード圧力センサー１２３で検出されるカソードガスの圧力と、遮断弁１３２の上流側のアノードガスの圧力とを示す図である。ここでは、アノードガスの圧力が実線で示され、カソードガスの圧力が破線で示されている。
【００９７】
図５（ｂ）は、遮断弁１３２の開閉状態を示す図である。図５（ｃ）は、カソードコンプレッサー１２２による空気流量を示す図である。図５（ｂ）及び図５（ｃ）では、コントローラー１５０による指令値が実線で示され、実際の状態が点線で示されている。図５（ｄ）は、パージ弁３６２の開閉状態を示す図である。図５（ａ）から図５（ｄ）では、互いに横軸が共通の時間軸で示されている。
【００９８】
まず、時刻ｔ０において、例えば車両のイグニッションキーがＯＮに設定されたことにより、コントローラー１５０は、燃料電池システム１００の起動処理を開始する。このとき、遮断弁１３２及びパージ弁３６２は、共に閉弁状態であり、また、カソードコンプレッサー１２２は停止状態である。このため、空気流量はゼロ（０）であり、カソードガスの圧力は大気圧と同等である。
【００９９】
時刻ｔ１では、図５（ｂ）に示すように、遮断弁１３２が閉止状態から開弁状態に切り替えられる。これにより、遮断弁１３２よりも上流側のアノードガスの圧力はカソードガスの圧力よりも高くなり、アノード調圧弁１３３がアノードガスの圧力を制御可能な状態になる。
【０１００】
時刻ｔ２では、アノードガス圧力およびカソードガス圧力の目標値を上昇させることで、燃料電池の両極にそれぞれアノードガス、カソードガスを供給する。
【０１０１】
燃料電池システム１００の起動時は、起動前の放置時間によってはアノードガス流路２４内に多量の不純物ガスが蓄積している可能性がある。このため、アノードガス圧力をアイドル時の圧力に対して高く設定し、アノードガス流路２４に多量に水素を供給することでアノードガス流路２４内の水素濃度を確保する。
【０１０２】
一方、カソードガスは、カソードコンプレッサー１２２によってカソードガス流路３４内の滞留アノードガスを排出するための空気流量（以下「滞留ガス排出空気流量」という）に設定される。そして図５（ｃ）に示すように、カソードコンプレッサー１２２の操作量を増加させた状態で、所定の排出期間（例えば数秒）以上、カソードコンプレッサー１２２の操作量を維持する。
【０１０３】
これにより、カソードガス流路３４から滞留アノードガスを大気に排出するこができる。なお、カソードコンプレッサー１２２による滞留ガス排出空気流量は、滞留アノードガス中の水素濃度やアノードガス流路２４の体積などによって予め定められている。
【０１０４】
滞留アノードガス排出期間を経過した時刻ｔ３において、パージ弁３６２からアノードガス流路２４内の不純物ガスをパージするための準備を開始する。パージ弁３６２からパージを開始すると、不純物と一緒に水素が排出されるため、カソードガス排出通路１２４に、排出される水素を規定の濃度に希釈するためのカソードガスを供給しなければならない。そこで、図５（ｃ）に示すように、時刻ｔ３においてカソードコンプレッサー１２２の目標値を切り替える。
【０１０５】
これにより、カソードガスで希釈される水素の濃度が規定値以下に抑えられる。パージされるアノードガスを希釈するための空気流量（以下「パージ希釈空気流量」という）の演算方法は、後に図８および図９を用いて説明する。
【０１０６】
カソードコンプレッサー１２２による空気流量が所定のパージ希釈空気流量まで上昇していることが確認されると、パージ弁３６２が開かれる（時刻ｔ４）。その後、燃料電池システム１００の起動処理が終了し、燃料電池スタック１１０の暖機運転が実施される（時刻ｔ５）。
【０１０７】
このように、燃料電池システム１００の通常起動処理では、カソードコンプレッサー１２２を駆動してカソードガス流路３４内の滞留アノードガスを排出した後に、パージ弁３６２を開いてアノードガスのパージを開始する。
【０１０８】
このような燃料電池システム１００において、仮にシステム構成部品に何等かの異常（例えば、暖機運転中に燃料電池スタック１１０の電圧がフェイル閾値よりも低下する、等）が発生した場合、コントローラー１５０は、システム保護のために緊急停止（強制停止）処置を実行せざるを得ない。この緊急停止処置が氷点温度以下でシステムを暖機している際に発生した場合、次回の起動を通常起動処理により行うと、次のような不都合が生じる可能性を発明者らは見出した。
【０１０９】
燃料電池スタック１１０の運転中は、発電反応によってカソードガス流路３４で水蒸気が生成され、その水蒸気は、膜電極接合体１１を透過してアノードガス流路２４を流れてパージ弁３６２まで到達する。パージ弁３６２が氷点以上に暖機されていない状態で凝縮水がパージ弁３６２に到達した場合、凝縮水の凍結により、パージ弁３６２が凍結してしまう。この状態でパージ弁３６２に対して開閉制御を実行すると、パージ弁３６２を開けることはできても、氷の存在によって閉止できなくなる。
【０１１０】
燃料電池システム１００が強制停止するときは、前述の水抜き操作が実施されないまま停止され、放置状態となるため、この状態で零下環境下に至ると、パージ弁３６２内部に残存した凝縮水が凍結し、パージ弁３６２を閉じる制御を実行しても、凍結によって実際にはパージ弁３６２が閉止できずに開いている可能性がある。
【０１１１】
このような状況で、通常起動処理により遮断弁１３２の開弁後にカソードコンプレッサー１２２を駆動すると、アノード調圧弁１３３の調圧処理によりパージ弁３６２からアノードガスが漏れ出し、この状態でカソードガス流路３４から滞留アノードガスが排出されてしまう。
【０１１２】
その結果、カソードガス排出通路１２４から排出されるカソードガス中の水素濃度が規定の濃度を超えることが懸念される。
【０１１３】
そこで本発明では、零下で燃料電池１１０の暖機運転を強制停止した後に再起動するようなときには、遮断弁１３２の開弁時期をカソードコンプレッサー１２２の始動時期よりも遅らせる。これにより、万一、凍結によりパージ弁３６２が開いた状態であっても、排出ガスの水素濃度が規定値を超えないようにする。
【０１１４】
図６は、本発明の実施形態における強制停止後の再起動処理を示すタイミングチャートである。
【０１１５】
図６（ａ）から図６（ｄ）までの各図面の縦軸及び横軸は、図５（ａ）から図５（ｄ）までのものと同じである。また、図６（ｂ）から図６（ｄ）までの各図面では、コントローラー１５０による指令値が実線で示され、実際の状態が点線で示されている。
【０１１６】
ここでは、パージ弁３６２が凍結している状態で燃料電池システム１００を強制停止したときに、パージ弁３６２を閉止できずに開いている状態を想定している。この状態で時刻ｔ１０においてコントローラー１５０は、再起動処理を開始する。
【０１１７】
そして時刻ｔ１１では、コントローラー１５０は、図６（ｃ）に示すように、カソードガスの空気流量を、図５（ｃ）で示した滞留ガス排出空気流量と同じ値に設定し、カソードコンプレッサー１２２を所定の排出期間だけ駆動する。これにより、図６（ａ）に示すように、カソードガスの圧力は上昇する。
【０１１８】
ここでの滞留アノードガスの排出期間は、図５（ｃ）で示した排出期間と同じ期間である。なお、滞留アノードガスの排出期間は、通常起動処理のときよりも長くしても良い。
【０１１９】
滞留アノードガスの排出期間を経過した時刻ｔ１２では、コントローラー１５０は、図６（ｃ）に示すように、カソードコンプレッサー１２２による空気流量を、所定のパージ希釈空気流量に設定すると共に、図６（ｄ）に示すようにパージ弁３６２を開ける。
【０１２０】
さらに本実施形態では、コントローラー１５０は、カソードガスの空気流量がパージ希釈空気流量まで上昇した後に、図６（ｂ）に示すように遮断弁１３２を開け、遮断弁１３２の開弁が確認された時点で、目標水素圧力を上昇させ、燃料電池スタック１１０に水素を供給する。その結果、図６（ａ）に示すようにアノードガスの圧力が高くなり、凍結状態のパージ弁３６２からアノードガスが、カソードガス排出通路１２４へ漏れ出す。
【０１２１】
しかしながら、パージ弁３６２からアノードガスが漏れ出しても、カソードコンプレッサー１２２により希釈用の空気流量がカソードガス排出通路１２４に供給されているので、排出ガス中の水素濃度を規定値以下に抑えることができる。
【０１２２】
時刻ｔ１３では、図６（ａ）に示すように、アノードガスの目標圧力を増加させる。遮断弁１３２の開弁によってアノードガスの圧力がカソードガスの圧力よりも高くなる。そしてアノード調圧弁１３３によってアノードガスの圧力が目標値に制御され、時刻１４で起動処理が完了する。
【０１２３】
このように、強制停止後の起動処理では、遮断弁１３２を開弁する前に、カソードコンプレッサー１２２を駆動して滞留アノードガスを排出し、所定の排出期間経過後に遮断弁１３２を開ける。
【０１２４】
これにより、遮断弁１３２の開弁によってパージ弁３６２からアノードガスが漏れ出す前に、カソードガス流路３４から滞留アノードガスをカソードガス排出通路１２４に排出することができる。このため、パージ弁３６２から漏れ出したアノードガスと滞留アノードガスとが同時にカソードガス排出通路１２４から排出されて排出ガス中の水素濃度が規定値を超えてしまうという事態を回避することができる。
【０１２５】
次にコントローラー１５０の機能構成について図面を参照して詳細に説明する。
【０１２６】
図７は、コントローラー１５０の空気流量制御部２００を示す機能ブロック図である。
【０１２７】
空気流量制御部２００は、カソードコンプレッサー１２２による空気流量を制御する。
【０１２８】
空気流量制御部２００は、滞留ガス排出流量演算部２１１と、設定部２１２と、切替部２１３と、実行情報保持部２１４と、完了情報保持部２１５と、を備える。また、空気流量制御部２００は、パージ希釈流量演算部２２１と、設定部２２２と、切替部２２３と、開弁情報保持部２２４と、閉弁情報保持部２２５と、発電要求流量演算部２３１と、を備える。
【０１２９】
滞留ガス排出流量演算部２１１は、カソードガス流路３４から滞留アノードガスを排出するための空気流量（以下「滞留ガス排出空気流量」という）を演算する。滞留ガス排出空気流量は、起動時にカソードガス流路３４から滞留アノードガスを排出するのに必要な空気流量のことである。
【０１３０】
滞留ガス排出流量演算部２１１には、所定の滞留ガス排出空気流量を示す滞留ガス排出データが予め記憶されている。滞留ガス排出流量演算部２１１は、滞留ガス排出空気流量を設定部２１２に供給する。
【０１３１】
実行情報保持部２１４は、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部２４０に設定するための情報として「１」を保持する。
【０１３２】
完了情報保持部２１５は、滞留ガス排出空気流量の設定を解除するための情報として「０」を保持する。
【０１３３】
設定部２１２は、滞留ガス排出空気流量に切替部２１３の出力値を乗算する。設定部２１２は、切替部２１３の出力値が「１」である場合には、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部２４０に供給する。設定部２１２は、切替部２１３の出力値が「０」である場合には、目標流量設定部２４０に「０」を供給する。
【０１３４】
切替部２１３は、起動時排出完了フラグに基づいて、実行情報保持部２１４又は完了情報保持部２１５に保持された情報を設定部２１２に出力する。
【０１３５】
起動時排出完了フラグは、カソードガス流路３４から滞留アノードガスの排出が完了したか否かを示すフラグである。起動時排出完了フラグは、例えば、滞留アノードガスの排出を開始するときにＨ（Ｈｉｇｈ）レベルに設定され、滞留アノードガスの排出が完了するとＬ（Ｌｏｗ）レベルに設定される。
【０１３６】
切替部２１３は、図６（ｃ）に示した滞留アノードガス排出期間の開始時に、起動時排出完了フラグがＨレベルに設定されるため、実行情報保持部２１４から「１」を設定部２１２に出力する。これにより、設定部２１２は、滞留ガス排出空気流量を目標流量設定部２４０に設定する。
【０１３７】
一方、切替部２１３は、図６（ｃ）に示した滞留アノードガスの排出期間の経過後に、起動時排出完了フラグがＬレベルに切り替えられるため、完了情報保持部２１５から「０」を設定部２１２に出力する。これにより、設定部２１２は、滞留ガス排出空気流量を「０」に設定する。
【０１３８】
パージ希釈流量演算部２２１は、アノード圧力センサー１３４で検出される水素圧力値に基づいて空気流量（以下「パージ希釈空気流量」という）を演算する。パージ希釈空気流量は、パージ弁３６２からパージされる水素を規定の濃度以下に希釈するのに必要な空気流量のことである。
【０１３９】
パージ希釈流量演算部２２１は、大気圧センサー１６１で検出される大気圧力値に応じてパージ希釈空気流量を補正する。
【０１４０】
本実施形態では、パージ希釈流量演算部２２１には、大気圧力値ごとに水素圧力値と空気流量との関係を示すパージ希釈マップが予め記憶されている。そしてパージ希釈流量演算部２２１は、水素圧力値及び大気圧力値を受け付けると、大気圧力値のパージ希釈マップを参照し、水素圧力値に対応するパージ希釈空気流量を取得する。
【０１４１】
パージ希釈流量演算部２２１は、パージ希釈空気流量を設定部２２２に供給する。なお、パージ希釈マップについては図８を参照して説明する。
【０１４２】
開弁情報保持部２２４は、パージ希釈空気流量を目標流量設定部２４０に設定するための情報として「１」を保持する。
【０１４３】
閉弁情報保持部２２５は、パージ希釈空気流量の設定を解除するための情報として「０」を保持する。
【０１４４】
設定部２２２は、パージ希釈空気流量に切替部２２３の出力値を乗算する。設定部２２２は、切替部２２３の出力値が「１」である場合には、パージ希釈空気流量を目標流量設定部２４０に供給する。設定部２２２は、切替部２２３の出力値が「０」である場合には、目標流量設定部２４０に「０」を供給する。
【０１４５】
切替部２２３は、パージ弁制御フラグに基づいて、開弁情報保持部２２４又は閉弁情報保持部２２５に保持された情報を設定部２２２に出力する。
【０１４６】
パージ弁制御フラグは、パージ弁３６２に対する開閉制御の状態を示すフラグである。パージ弁制御フラグは、図６（ｄ）に示したように、パージ弁３６２の開閉制御を実施している場合はＨ（Ｈｉｇｈ）レベルに設定され、パージ弁３６２を閉状態に保持している場合はＬ（Ｌｏｗ）レベルに設定される。
【０１４７】
切替部２２３は、燃料電池システム１００の起動処理を開始してから滞留アノードガスの排出期間が終了するまでの間は、パージ弁制御フラグがＬレベルであるため、閉弁情報保持部２２５から「０」を設定部２２２に出力する。これにより、設定部２２２は、パージ弁希釈空気流量に「０」を設定する。
【０１４８】
一方、切替部２２３は、図６（ｄ）に示した滞留アノードガスの排出期間経過後にパージ弁制御フラグがＨレベルに切り替えられるため、開弁情報保持部２２４から「１」を設定部２２２に出力する。これにより、設定部２２２は、パージ弁希釈空気流量を目標流量設定部２４０に設定する。
【０１４９】
発電要求流量演算部２３１は、燃料電池スタック１１０の要求電流に基づいて空気流量（以下「発電要求空気流量」という）を演算する。要求電流は、駆動モータなどの負荷の駆動に必要な要求電力によって決まる発電電流値のことである。発電要求空気流量は、発電に必要な空気流量のことである。
【０１５０】
発電要求流量演算部２３１は、要求発電電流が大きくなるほど、要求空気流量を大きくする。本実施形態では、発電要求流量演算部２３１には、要求発電電流と空気流量との関係を示す発電要求マップが予め記憶されている。そして発電要求流量演算部２３１は、要求発電電流を受け付けると、発電要求マップを参照し、要求発電電流に対応する要求空気流量を取得する。なお、発電要求マップについては図９を参照して説明する。
【０１５１】
発電要求流量演算部２３１は、発電要求空気流量を目標流量設定部２４０に供給する。通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理では、要求発電電流は「０」であるので、発電要求空気流量は「０」に設定される。
【０１５２】
目標流量設定部２４０は、滞留ガス排出空気流量と、パージ希釈空気流量と、発電要求空気流量とのうち、最も大きな値を選択し、その値を目標空気流量に設定する。
【０１５３】
目標流量設定部２４０は、通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理では、図５（ｃ）及び図６（ｃ）に示した滞留アノードガス排出期間中は滞留ガス排出空気流量を目標空気流量に設定する。そして目標流量設定部２４０は、滞留アノードガス排出期間の経過後に、パージ希釈空気流量を目標空気流量に設定する。
【０１５４】
なお、以下では、コントローラー１５０による通常起動処理、及び強制停止後の再起動処理のことを総じて「起動処理」という。
【０１５５】
図８は、パージ希釈流量演算部２２１に保持されるパージ希釈マップを示す図である。図８では、横軸がアノードガスの水素圧力値であり、縦軸がカソードガスの空気流量である。
【０１５６】
パージ希釈マップでは、大気圧力値ごとに、アノードガスの水素圧力値とパージ希釈空気流量とが互いに対応付けられている。パージ希釈空気流量は、パージ弁３６２から排出される水素を規定の濃度以下に希釈できる流量のことである。例えば、パージ希釈空気流量は、実験データに基づいて設定される。
【０１５７】
水素圧力値が大きくなるほど、パージ弁３６２から排出される水素の排出量が多くなるため、パージ希釈空気流量を大きくしている。これにより、水素圧力値に適したパージ希釈空気流量を設定できるので、空気を過剰に排出することなく、規定の濃度を超えないように安全に水素を希釈することができる。
【０１５８】
また同一の水素圧力値において、大気圧が低くなるほど、パージ弁３６２の上流側の水素圧力と下流側の水素圧力との差圧が大きくなり水素の排出量が多くなるので、空気流量を大きくしている。これにより、大気圧が低い場合でも、カソードガス排出通路１２４内の水素濃度を規定値以下に抑えることができる。
【０１５９】
図９は、発電要求流量演算部２３１に保持される発電要求マップを示す図である。図９では、横軸が燃料電池スタック１１０の発電電流であり、縦軸がカソードガスの空気流量である。
【０１６０】
発電要求マップでは、発電電流と発電要求空気流量とが互いに対応付けられている。発電要求空気流量は、燃料電池スタック１１０の発電に最低限必要な空気流量のことである。例えば、発電要求空気流量は、実験データに基づいて設定される。
【０１６１】
発電電流が大きくなるほど、燃料電池スタック１１０で消費される空気が多くなるため、発電空気流量を大きくしている。これにより、燃料電池スタック１１０に空気を過剰に供給することを回避できるので、カソードコンプレッサー１２２の消費電力を低減することができる。
【０１６２】
図１０は、コントローラー１５０の水素圧力制御部３００を示す機能ブロック図である。
【０１６３】
水素圧力制御部３００は、アノード調圧弁１３３の開度を調整して水素圧力を制御する。水素圧力制御部３００は、アノードガス流路２４に滞留する窒素や水蒸気などの不純物を容積部３６１に押し出すために、起動処理完了後にアノードガスの水素圧力を脈動させる。
【０１６４】
水素圧力制御部３００は、目標脈動幅演算部３１１と、上限圧力算出部３１２と、脈動波形演算部３１３と、起動時圧力設定部３２０と、目標圧力設定部３３０と、を備える。
【０１６５】
目標脈動幅演算部３１１は、燃料電池スタック１１０の要求電流に基づいて目標脈動幅を演算する。目標脈動幅は、アノードガス流路２４の下流側に滞留する不純物を押し出すのに必要な振幅のことである。
【０１６６】
また、目標脈動幅演算部３１１は、燃料電池スタック１１０の内部抵抗値（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）に応じて目標脈動幅を補正する。燃料電池スタック１１０の内部抵抗値は、電解質膜１１ａの保水量が少なく乾燥しているほど大きくなり、電解質膜１１ａの保水量が多いほど内部抵抗値が小さくなる。
【０１６７】
内部抵抗値は、不図示の内部抵抗測定装置によって測定される。内部抵抗測定装置は、燃料電池スタック１１０の電圧端子に所定の高周波の交流電流を供給し、交流電流によって電圧端子に生じる電圧の振幅を検出する。そして検出した振幅を交流電流の振幅で除算して内部抵抗値を求める。
【０１６８】
本実施形態では、目標脈動幅演算部３１１には、内部抵抗値ごとに、要求電流と脈動幅との関係を示す脈動幅マップが予め記憶されている。そして目標脈動幅演算部３１１は、要求電流及び内部抵抗値を受け付けると、内部抵抗値で特定された脈動幅マップを参照し、要求電流に対応する目標脈動幅を演算する。目標脈動幅演算部３１１は、目標脈動幅を上限圧力算出部３１２に出力する。なお、脈動幅マップについては図１１を参照して説明する。
【０１６９】
上限圧力算出部３１２は、目標脈動幅とカソード圧力値とを加算して脈動圧力の上限値を算出する。カソード圧力値は、カソード圧力センサー１２３で検出される圧力である。
【０１７０】
脈動波形演算部３１３は、上限圧力算出部３１２から脈動圧力の上限値を受け付けると共に、脈動圧力の下限値としてカソード圧力値を受け付ける。
【０１７１】
脈動波形演算部３１３は、不純物の排出要求を受けると、予め定められた変化率でアノードガスの脈動圧力を、下限値から上限値まで徐々に大きくする。脈動波形演算部３１３は、下限値から上限値までの範囲で変化する脈動圧力を目標圧力設定部３３０に出力する。
【０１７２】
なお、不純物の排出要求は、燃料電池スタック１１０内の不純物の蓄積量が所定の閾値を超えたときに、脈動波形演算部３１３に入力される。また、不純物の蓄積量は、例えば、要求電流、パージ弁３６２からの排出量や、電解質膜１１ａの透過量に相関のあるスタック温度などに基づいて推定される。
【０１７３】
起動時圧力設定部３２０は、燃料電池システム１００の起動時水素圧力を目標圧力設定部３３０に出力する。起動時水素圧力は、起動処理中に行われる調圧処理のためのアノードガスの圧力値のことである。起動時圧力設定部３２０には、調圧処理用の上限圧力値や下限圧力値などが予め記憶されている。
【０１７４】
目標圧力設定部３３０は、起動完了フラグに基づいて脈動圧力を目標水素圧力に設定する。
【０１７５】
起動完了フラグは、通常起動処理、又は強制停止後の再起動処理を完了したか否かを示すフラグである。起動完了フラグは、例えば、燃料電池システム１００の起動処理を開始するときにＬレベルに設定され、起動処理が完了するとＨレベルに設定される。
【０１７６】
目標圧力設定部３３０は、燃料電池システム１００の起動処理の開始時に、起動完了フラグがＬレベルに設定されるため、起動時圧力設定部３２０からの起動時水素圧力を目標水素圧力として出力する。
【０１７７】
目標圧力設定部３３０は、図５及び図６に示した起動処理の完了時に、起動完了フラグがＨレベルに設定されるため、脈動波形演算部３１３からの脈動圧力を目標水素圧力として出力する。目標水素圧力に基づいてアノード調圧弁１３３が開閉制御されることにより、アノードガスの圧力が脈動する。具体的には、アノードガスの昇圧時にアノード調圧弁１３３を開け、アノードガスの降圧時にアノード調圧弁１３３を閉じる。
【０１７８】
図１１は、目標脈動幅演算部３１１に保持された脈動幅マップを示す図である。図１１では、横軸が燃料電池スタック１１０に要求される発電電流であり、縦軸がアノードガスの脈動幅である。
【０１７９】
脈動幅マップでは、発電電流が大きくなるほど、発電に伴う水蒸気の発生量が多くなるため、脈動幅が大きくなる。このため、発電電流が大きく燃料電池スタック１１０に不純物が滞留しやすい状況では、不純物の排出量を増やすことができる。これにより、発電領域での不純物濃度の増加が抑えられるので、発電効率の低下を抑制することができる。
【０１８０】
また、同一の発電電流において、内部抵抗値が小さいほど、電解質膜１１ａの保水量が多く水蒸気が多量に発生しているため、脈動幅は大きくなる。これにより、燃料電池スタック１１０の湿潤状態に応じて適切に脈動幅を調整することができる。
【０１８１】
次に燃料電池システム１００の起動方法の一例について図面を参照して説明する。
【０１８２】
図１２は、コントローラー１５０による起動処理方法を示すフローチャートである。
【０１８３】
まず、ステップＳ９１０において、コントローラー１５０は、燃料電池システム１００の起動処理を開始すると、前回の燃料電池システム１００の停止処理が、起動時のシステム異常による強制停止か否かを判断する。
【０１８４】
例えば、コントローラー１５０は、システム異常の有無を示す強制停止フラグを有し、起動中にシステム異常によって強制停止処理を実行した場合には、強制停止フラグを「１」に設定し、通常の停止処理を実行した場合には、強制停止フラグを「０」に設定する。そしてコントローラー１５０は、起動処理を開始するときに、強制停止フラグが「０」を示す場合には、通常起動処理を実行する（ステップＳ９１１〜Ｓ９１４）。
【０１８５】
ステップＳ９１１においてコントローラー１５０は、強制停止フラグに基づき、前回の停止処理が通常の停止処理であると判断した場合には、遮断弁１３２を開ける。
【０１８６】
そしてステップＳ９１２においてコントローラー１５０は、遮断弁１３２を開けてから所定時間経過した後、アノード調圧弁１３３を開閉制御してアノードガスの調圧処理を実行する。
【０１８７】
また、ステップＳ９１３においてコントローラー１５０は、遮断弁１３２を開けてから所定時間経過した後、カソードガスの流量が所定の滞留ガス排出空気流量となるようにカソードコンプレッサー１２２を駆動する。
【０１８８】
そしてステップＳ９１４においてコントローラー１５０は、カソードコンプレッサー１２２を始動してから所定の排出期間が経過するまでカソードコンプレッサー１２２を駆動し続ける。これにより、カソードガス流路３４から滞留アノードガスが全て排出される。
【０１８９】
一方、ステップＳ９１０の処理で、強制停止フラグに基づき、前回の停止処理が、強制停止であると判断した場合には、強制停止後の再起動処理を実行する（ステップＳ９２１〜Ｓ９２４）。
【０１９０】
ステップＳ９２１においてコントローラー１５０は、前回の停止処理が強制停止であると判断した後に、ステップＳ９１３と同様、カソードガスの流量が所定の滞留ガス排出空気流量となるようにカソードコンプレッサー１２２を駆動する。
【０１９１】
そしてステップＳ９２２においてコントローラー１５０は、ステップＳ９１４と同様、カソードコンプレッサー１２２を始動してから所定の排出期間が経過するまでカソードコンプレッサー１２２を駆動し続ける。これにより、カソードガス流路３４から滞留アノードガスが全て排出される。
【０１９２】
ステップＳ９２３においてコントローラー１５０は、排出期間経過後に遮断弁１３２を開ける。
【０１９３】
そしてステップＳ９２４においてコントローラー１５０は、アノード調圧弁１３３を開閉制御してアノードガスの調圧処理を実行する。
【０１９４】
これにより、パージ弁３６２が凍結して閉止できない状態で遮断弁１３２及びアノード調圧弁１３３の開弁によってパージ弁３６２からアノードガスが漏れ出しても、既に滞留アノードガスは排出されているので、排出ガス中の水素濃度が規定値を超えることはない。
【０１９５】
ステップＳ９１４又はステップＳ９２４の処理が終了した後に、ステップＳ９１５において燃料電池システム１００の起動処理が完了してコントローラー１５０による起動方法が終了する。
【０１９６】
本発明の態様によれば、通常起動処理では、遮断弁１３２を開き、カソードコンプレッサー１２２を駆動してカソードガス流路３４に透過してきた滞留アノードガスをカソードガス排出通路１２４に排出した後にパージ弁３６２を開く。
【０１９７】
一方、零下において強制停止した後に再起動するようなときは、コントローラー１５０は、カソードコンプレッサー１２２を駆動して滞留アノードガスを排出した後にアノードガスの遮断弁１３２を開ける。これにより、万一、凍結によってパージ弁３６２が開いた状態で起動処理が行われ、遮断弁１３２の開弁に伴いパージ弁３６２からアノードガスが漏れ出したとしても、事前に滞留アノードガスを排出しているので、排出ガス中の水素濃度の増加を抑制できる。
【０１９８】
すなわち、強制停止後に燃料電池システム１００を起動する場合において、カソードガス排出通路１２４から排出されるアノードガスの濃度上昇を抑制することができる。したがって、カソードガス排出通路１２４から排出されるガスの水素濃度を規定値以下に抑えることが可能になる。
【０１９９】
また、本実施形態では、図５（ｃ）に示した排出期間（第１所定期間）、及び、図６（ｃ）に示した排出期間（第２所定期間）は、カソードガス流路３４から滞留アノードガスを排出するのに必要な期間である。
【０２００】
これにより、カソードコンプレッサー１２２は、アノードガス流路２４に所定の排出期間だけカソードガスを送り続けるので、カソードガス流路３４から滞留アノードガスが全て排出される。そして全ての滞留アノードガスを排出した後にパージ弁３６２が開けられるので、カソードガス流路３４に残留したアノードガスによる排出ガス中の水素濃度の上昇を抑制することができる。
【０２０１】
また、コントローラー１５０は、零下で、図４に示した通常起動処理によってパージ弁３６２を開いた後に燃料電池システムの異常により強制停止したときにのみ、強制停止後の再起動処理（強制停止時起動手段）を実行するようにしても良い。これは、パージ弁３６２を一度も開けていない状態においては、たとえパージ弁３６２で凝縮水が凍結したとしても、パージ弁３６２が開いてしまうことはないからである。
【０２０２】
具体的には、コントローラー１５０は、図５に示す燃料電池スタック１１０の通常起動において時刻ｔ４よりも後にシステム異常によって強制停止したときにのみ、強制停止の実行を示す強制停止フラグを「１」に設定する。そしてコントローラー１５０は、起動処理を開始する時点で、強制停止フラグが「１」を示す場合に、強制停止後の再起動処理を実行する。
【０２０３】
一方、図６に示す燃料電池スタック１１０の強制停止後の再起動処理中に、システム異常によって強制停止した場合は、時刻ｔ１４より前であっても、強制停止フラグを「１」に設定し、次回起動時は強制停止後の再起動処理を再度選択する。
【０２０４】
これにより、コントローラー１５０は、強制停止後の再起動処理を、パージ弁３６２が凍結して開いた状態である可能性が高いときにのみ実行することができる。例えば、パージ弁３６２が凍結していないときに強制停止後の再起動処理を実行すると、遮断弁１３２の開弁時期が遅くなるため起動に要する時間が長くなり、走行許可を出す時期を遅らせることになる。そのため、不必要な強制停止後の再起動処理を減らすことにより、起動処理の迅速化を図ることができる。
【０２０５】
また、コントローラー１５０は、燃料電池システム１００を強制停止した後に再起動する場合において、パージ弁３６２の温度が氷点温度よりも低いと判断した場合に、強制停止後の再起動処理を実行するようにしてもよい。
【０２０６】
この場合、パージ弁３６２の近傍に温度センサーを設け、温度センサーの検出値が氷点温度よりも低いときに、強制停止後の再起動処理を実行する。
【０２０７】
これにより、パージ弁３６２が凍結状態のときに確実に強制停止後の再起動処理を実行することができる。なお、温度センサーを合流通路４１２に設け、合流通路４１２を流れる冷却水の温度を検出するようにしてもよい。
【０２０８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０２０９】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【０２１０】
１  単セル（燃料電池）
３４  カソードガス流路
１００    燃料電池システム
１１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１２１    カソードガス供給通路
１２２    カソードコンプレッサー（ポンプ）
１２４    カソードガス排出通路
１３１    アノードガス供給通路
１３２    遮断弁
１３５    アノードガス排出通路
３６２    パージ弁
Ｓ９１１〜９１４  通常起動処理（通常起動手段）
Ｓ９２１〜９２４  強制停止後の再起動処理（強制停止時起動手段）
【図１】
2014241211.tif 000003
【図２】
2014241211.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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