(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側に供給される燃料ガスおよびカソード側に供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路および燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス排出路と、
前記燃料排ガス排出路の作動状態を制御する燃料排ガス排出路制御装置と、
前記燃料排ガスを前記燃料電池の前記アノード側へ再循環させる燃料排ガス再循環路と、
前記燃料排ガス再循環路の作動状態を制御する燃料排ガス再循環路制御装置と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路および酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、
前記酸化剤ガス供給路から分岐し前記燃料電池をバイパスして前記酸化剤排ガス排出路に接続する酸化剤ガスバイパス路と、
前記酸化剤ガスバイパス路の作動状態を制御する酸化剤ガスバイパス路制御装置と、
前記酸化剤ガス供給路における前記酸化剤ガスバイパス路との分岐部よりも下流で前記酸化剤ガス供給路を封止する酸化剤ガス供給路封止装置と、
前記酸化剤排ガス排出路における前記酸化剤ガスバイパス路との接続部よりも上流で前記酸化剤排ガス排出路を封止する酸化剤排ガス排出路封止装置と、
前記燃料排ガス排出路の下流側および前記酸化剤排ガス排出路の下流側が接続される希釈器と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、
前記酸化剤ガス供給路封止装置により前記酸化剤ガス供給路を封止し、前記酸化剤排ガス排出路封止装置により前記酸化剤排ガス排出路を封止した状態で、前記酸化剤ガスバイパス路制御装置により前記酸化剤ガスバイパス路を作動させて、前記酸化剤ガス供給装置から前記希釈器へ前記酸化剤ガスを供給するとともに、
前記燃料ガス供給装置により前記燃料電池に前記燃料ガスを供給し、前記燃料排ガス再循環路制御装置により前記燃料排ガス再循環路を作動させ、前記燃料排ガス排出路制御装置により前記燃料排ガス排出路を作動させて、前記燃料電池の前記アノード側に残存するアノード残存ガスを前記希釈器へ排出するとともに、前記燃料電池の前記アノード側を前記燃料ガスに置換する燃料ガス置換工程を有する
ことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項２】
前記燃料ガス置換工程の後に、
前記燃料排ガス排出路制御装置により前記燃料排ガス排出路を封止するとともに、
前記酸化剤ガスバイパス路による前記酸化剤ガス供給装置から前記希釈器への前記酸化剤ガスの供給を所定時間継続する希釈工程を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項３】
前記希釈工程の後に、
前記酸化剤ガス供給路封止装置による前記酸化剤ガス供給路の封止を開放し、前記酸化剤排ガス排出路封止装置による前記酸化剤排ガス排出路の封止を開放させて、前記燃料電池の前記カソード側に残存するカソード残存ガスを前記希釈器へ排出するとともに、前記燃料電池の前記カソード側を前記酸化剤ガスに置換する酸化剤ガス置換工程を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項４】
前記酸化剤ガス置換工程の後に、
前記酸化剤ガスバイパス路制御装置により前記酸化剤ガスバイパス路を停止させる
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項５】
燃料電池システムの起動装置であって、
酸化剤ガス供給路封止装置を作動させて燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路を封止するとともに、酸化剤排ガス排出路封止装置を作動させて前記燃料電池から酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路を封止する手段と、
前記封止した状態で、酸化剤ガスバイパス路制御装置を作動させて前記酸化剤ガス供給路から分岐し前記燃料電池をバイパスして前記酸化剤排ガス排出路に接続する酸化剤ガスバイパス路により、酸化剤ガス供給装置から希釈器へ前記酸化剤ガスを供給する手段と、
燃料ガス供給装置を作動させて前記燃料電池に燃料ガスを供給し、さらに、燃料排ガス再循環路制御装置を作動させて燃料排ガス再循環路により前記燃料電池から燃料排ガス排出路を介して排出される燃料排ガスを再び前記燃料電池に供給する手段と、
燃料排ガス排出路制御装置を作動させて前記燃料排ガス排出路から前記燃料電池のアノード側に残存する前記燃料ガスを含むアノード残存ガスを前記希釈器へ排出するとともに、前記燃料電池の前記アノード側を前記燃料ガスに置換する手段を有する
ことを特徴とする燃料電池システムの起動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの起動方法および起動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば水素ガス）をアノード電極に供給し、酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば空気）をカソード電極に供給して、電気化学反応により、直流の電流エネルギを得るものである。
【０００３】
燃料電池として、例えば、固体高分子形燃料電池が知られている。固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと膜電極接合体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと膜電極接合体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００４】
ところで、燃料電池の停止時には、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給が停止されるものの、燃料電池の燃料ガス流路内に燃料ガスが残留し、燃料電池の酸化剤ガス流路内に酸化剤ガスが残留した状態となっている。このため、特に、燃料電池の停止期間が長くなると、残留した燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過して、電極の触媒や触媒支持体を劣化させ、燃料電池の寿命を低減させるおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示された燃料電池装置（燃料電池システム）は、燃料電池装置の停止時において、送風機によりアノード流路に空気を供給して、アノード流路が空気で完全に満たされた状態で、燃料電池装置を停止させるようになっている（特許文献１段落００２１参照）。
【０００６】
また、特許文献１に開示された燃料電池装置は、燃料電池装置の起動時において、アノード流路に水素を供給して、燃料電池装置の停止時にアノード流路内に残存していた空気をパージするようになっている。そして、アノード流路内の空気のパージが終了した後に、カソード流路内に空気を供給するようになっている（特許文献１請求項１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４３５７８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、特許文献１に開示された燃料電池装置は、燃料電池装置の起動時において、アノード流路に水素を供給してアノード流路内の空気をパージする際、供給された水素の一部が空気とともにアノード流路からパージされてしまう。
しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池装置は、アノード流路内の空気のパージが終了するまで（特許文献１請求項１における「燃料／空気前線がアノードの流れ場内を移動している間」に相当する。）、カソード流路に空気を供給しないようになっている(特許文献１請求項１参照)。
このため、特許文献１に開示された燃料電池装置は、アノード排ガスをカソード排ガスで希釈することができず、燃料電池装置から排出される排ガスの水素濃度が高くなるおそれがある。
【０００９】
また、特許文献１に開示された燃料電池装置は、燃料電池装置の起動時において、水素供給源からアノード流路に水素を供給して、「燃料／空気前線がアノードの流れの場を通って移動」（特許文献１請求項１参照）するように、アノード流路内の空気をパージさせるため、燃料電池のスタック面内や積層方向に水素の濃度勾配が発生するおそれがある。
即ち、水素を燃料電池セルのアノード側に供給し始めた時、燃料電池セルのアノード内で水素供給入口に近い側がアノード出口側に比べて水素リッチとなり、水素の濃度勾配が生じる。このように燃料電池セルのアノード内に水素濃度勾配が生じると、燃料電池セルのアノード出口側（水素リッチでない）でプロトン（Ｈ＋）が不足する。このため、燃料電池セルの出口側においてアノード側からカソード側に到達するプロトンが不足する状態となり、出口側のアノード−カソード間の電位が過剰に上昇し、この電位上昇がエネルギとなってカソード電極触媒の腐食反応を生じるおそれがある。また、出口側領域ではプロトン不足を補うため、カソード電極触媒を担持しているカーボンと水とが反応するようになる。その結果、カソード電極触媒の活性領域が低下し、劣化を引き起こす。
このように、燃料電池の電解質膜のアノード側における水素濃度が不均一となることにより、カソード触媒が高電位となり、腐食電流が発生して、触媒や触媒支持体を劣化し、燃料電池の寿命を低減させるおそれがある。
【００１０】
そこで、本発明は、燃料電池の劣化を抑制する燃料電池システムの起動方法および起動装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、アノード側に供給される燃料ガスおよびカソード側に供給される酸化剤ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路および燃料ガス供給装置と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス排出路と、前記燃料排ガス排出路の作動状態を制御する燃料排ガス排出路制御装置と、前記燃料排ガスを前記燃料電池の前記アノード側へ再循環させる燃料排ガス再循環路と、前記燃料排ガス再循環路の作動状態を制御する燃料排ガス再循環路制御装置と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路および酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、前記酸化剤ガス供給路から分岐し前記燃料電池をバイパスして前記酸化剤排ガス排出路に接続する酸化剤ガスバイパス路と、前記酸化剤ガスバイパス路の作動状態を制御する酸化剤ガスバイパス路制御装置と、前記酸化剤ガス供給路における前記酸化剤ガスバイパス路との分岐部よりも下流で前記酸化剤ガス供給路を封止する酸化剤ガス供給路封止装置と、前記酸化剤排ガス排出路における前記酸化剤ガスバイパス路との接続部よりも上流で前記酸化剤排ガス排出路を封止する酸化剤排ガス排出路封止装置と、前記燃料排ガス排出路の下流側および前記酸化剤排ガス排出路の下流側が接続される希釈器と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、前記酸化剤ガス供給路封止装置により前記酸化剤ガス供給路を封止し、前記酸化剤排ガス排出路封止装置により前記酸化剤排ガス排出路を封止した状態で、前記酸化剤ガスバイパス路制御装置により前記酸化剤ガスバイパス路を作動させて、前記酸化剤ガス供給装置から前記希釈器へ前記酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料ガス供給装置により前記燃料電池に前記燃料ガスを供給し、前記燃料排ガス再循環路制御装置により前記燃料排ガス再循環路を作動させ、前記燃料排ガス排出路制御装置により前記燃料排ガス排出路を作動させて、前記燃料電池の前記アノード側に残存するアノード残存ガスを前記希釈器へ排出するとともに、前記燃料電池の前記アノード側を前記燃料ガスに置換する燃料ガス置換工程を有することを特徴とする燃料電池システムの起動方法である。
【００１２】
このような構成によれば、燃料ガス供給装置により燃料電池に燃料ガスを供給しながら、燃料排ガス再循環路制御装置により燃料排ガス再循環路を作動させることにより、燃料ガス（水素）の濃度勾配を低減させることができるので、触媒や触媒支持体が劣化することを抑制し、燃料電池の寿命が低減することを抑止することができる。
また、酸化剤ガスバイパス路制御装置により酸化剤ガスバイパス路を作動させて、酸化剤ガス供給装置から希釈器へ酸化剤ガスを供給することができるので、アノード残存ガスとともに排出された燃料ガスを希釈器で希釈することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムの運転停止方法において、前記燃料ガス置換工程の後に、前記燃料排ガス排出路制御装置により前記燃料排ガス排出路を封止するとともに、前記酸化剤ガスバイパス路による前記酸化剤ガス供給装置から前記希釈器への前記酸化剤ガスの供給を所定時間継続する希釈工程を有することが好ましい。
【００１４】
このような構成によれば、燃料ガス置換工程においてアノード残存ガスとともに排出された燃料ガスを希釈器でより確実に希釈することができる。
【００１５】
また、前記燃料電池システムの運転停止方法において、前記希釈工程の後に、前記酸化剤ガス供給路封止装置による前記酸化剤ガス供給路の封止を開放し、前記酸化剤排ガス排出路封止装置による前記酸化剤排ガス排出路の封止を開放させて、前記燃料電池の前記カソード側に残存するカソード残存ガスを前記希釈器へ排出するとともに、前記燃料電池の前記カソード側を前記酸化剤ガスに置換する酸化剤ガス置換工程を有することが好ましい。
【００１６】
このような構成によれば、燃料ガス置換工程の後に酸化剤ガス置換工程を行うことができるので、燃料ガス置換工程においてカソード側を封止した状態とすることができる。即ち、燃料ガス置換工程において、カソードへの酸化剤ガスの供給を停止させることにより、腐食電流の発生を抑制して、触媒や触媒支持体の劣化を抑制し、燃料電池の寿命が低減することを抑止することができる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムの運転停止方法において、前記酸化剤ガス置換工程の後に、前記酸化剤ガスバイパス路制御装置により前記酸化剤ガスバイパス路を停止させることが好ましい。
【００１８】
このような構成によれば、酸化剤ガス供給路および酸化剤排ガス排出路から酸化剤排ガスが希釈器に排出される状態となった後に酸化剤ガスバイパス路を停止させるので、希釈器で燃料ガスを希釈させる希釈媒体（酸化剤ガス／酸化剤排ガス）が途切れることがないようにすることができる。
【００１９】
また、前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料電池システムの起動装置であって、酸化剤ガス供給路封止装置を作動させて燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路を封止するとともに、酸化剤排ガス排出路封止装置を作動させて前記燃料電池から酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路を封止する手段と、前記封止した状態で、酸化剤ガスバイパス路制御装置を作動させて前記酸化剤ガス供給路から分岐し前記燃料電池をバイパスして前記酸化剤排ガス排出路に接続する酸化剤ガスバイパス路により、酸化剤ガス供給装置から希釈器へ前記酸化剤ガスを供給する手段と、燃料ガス供給装置を作動させて前記燃料電池に燃料ガスを供給し、さらに、燃料排ガス再循環路制御装置を作動させて燃料排ガス再循環路により前記燃料電池から燃料排ガス排出路を介して排出される燃料排ガスを再び前記燃料電池に供給する手段と、燃料排ガス排出路制御装置を作動させて前記燃料排ガス排出路から前記燃料電池のアノード側に残存する前記燃料ガスを含むアノード残存ガスを前記希釈器へ排出するとともに、前記燃料電池の前記アノード側を前記燃料ガスに置換する手段を有することを特徴とする燃料電池システムの起動装置である。
【００２０】
このような構成によれば、燃料ガス供給装置により燃料電池に燃料ガスを供給しながら、燃料排ガス再循環路制御装置により燃料排ガス再循環路を作動させることにより、燃料ガス（水素）の濃度勾配を低減させることができるので、触媒や触媒支持体が劣化することを抑制し、燃料電池の寿命が低減することを抑止することができる。
また、酸化剤ガスバイパス路制御装置により酸化剤ガスバイパス路を作動させて、酸化剤ガス供給装置から希釈器へ酸化剤ガスを供給することができるので、アノード残存ガスとともに排出された燃料ガスを希釈器で希釈することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池の劣化を抑制する燃料電池システムの起動方法および起動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの起動処理のフローチャートである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの起動処理のタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２４】
≪燃料電池システム≫
まず、本実施形態に係る起動処理が実施される燃料電池システムＳの構成について、図１を用いて説明する。
図１に示す燃料電池システムＳは、例えば、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。
燃料電池システムＳは、燃料電池スタック１０（燃料電池）と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、アノード系からの燃料排ガスおよびカソード系からの酸化剤排ガスを燃料電池システムＳの外へ排気する希釈排気系と、燃料電池スタック１０の出力端子（図示せず）に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力を負荷に供給する電力供給系と、これらを電子制御する制御手段であるＥＣＵ８０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。なお、燃料ガス、酸化剤ガスの具体的種類はこれに限定されるものではない。
【００２５】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば数十〜数百枚）の固体高分子型の単セル（燃料電池）が積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly；膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００２６】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
【００２７】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１０ａ（燃料ガス流路）、カソード流路１０ｃ（酸化剤ガス流路）として機能している。また、このようなアノード流路１０ａ、カソード流路１０ｃは、特に単セルの全面に水素、空気を供給するべく、複数に分岐、合流等しており、その流路断面積は極小となっている。
【００２８】
そして、アノード流路１０ａを介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１０ｃを介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と後記する負荷７２とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００２９】
２Ｈ２→４Ｈ+＋４ｅ-           ……（１）
Ｏ２＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ２Ｏ    ……（２）
【００３０】
このように燃料電池スタック１０が発電すると、水分（水蒸気）がカソードで生成され、カソード流路１０ｃから排出される酸化剤排ガスは多湿となる。
【００３１】
＜アノード系＞
アノード系は、図示しない水素タンクと、遮断弁２１と、エゼクタ２２と、水素ポンプ２３と、アノードパージ弁２４と、を備えている。
【００３２】
水素タンク（図示せず）から、配管３１ａ、遮断弁２１、配管３１ｂ、エゼクタ２２、配管３１ｃを介して、アノード流路１０ａの入口に接続する燃料ガス供給路が形成されている。そして、水素タンクの水素（燃料ガス）が、燃料ガス供給路（配管３１ａ、遮断弁２１、配管３１ｂ、エゼクタ２２、配管３１ｃ）を通って、アノード流路１０ａに供給されるようになっている。
【００３３】
遮断弁２１は、常閉型の遮断弁であり、ＥＣＵ８０により開閉が制御されるようになっている。ＥＣＵ８０は、燃料電池システムＳの運転時（燃料電池スタック１０の発電時）、遮断弁２１を開弁するようになっている。
【００３４】
エゼクタ２２は、水素タンク（図示せず）からの水素（燃料ガス）をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管３３の燃料排ガスを吸引するものである。なお、エゼクタ２２は、ＥＣＵ８０により開閉が制御されるようになっている。
【００３５】
アノード流路１０ａの出口は、配管３２ａおよび配管３３を介して、エゼクタ２３の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１０ａから排出された燃料排ガスは、配管３２ａおよび配管３３を通って、エゼクタ２２に向かい、燃料排ガス（水素）が循環するようになっている。
なお、燃料排ガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素、及び、水蒸気を含んでいる。また、配管３３には、燃料排ガスに含まれる水分（凝縮水（液体）、水蒸気（気体））を分離・回収する気液分離器（図示せず）が設けられている。
【００３６】
また、アノード流路１０ａの出口と接続された配管３２ａから分岐する配管３４ａは、水素ポンプ２３の吸込口と接続され、水素ポンプ２３の吐出口は、配管３４ｂを介して配管３１ｃと接続され、アノード流路１０ａの出口から配管３２ａ、配管３４ａ、水素ポンプ２３、配管３４ｂ、配管３１ｃを介してアノード流路１０ａの入口に接続する燃料排ガス再循環路が形成されている。
水素ポンプ２３は、ＥＣＵ８０により運転が制御され、配管３２ａからの燃料排ガスを圧縮し、配管３１ｃへ圧送することができるようになっている。
【００３７】
配管３２ａは、アノードパージ弁２４、配管３２ｂを介して、後記する希釈器６０に接続され、燃料排ガス排出路が形成されている。
アノードパージ弁２４は、常閉型の遮断弁であり、ＥＣＵ８０により開閉が制御されるようになっている。ＥＣＵ８０は、燃料電池システムＳの運転時において燃料電池スタック１０の発電が安定していないと判定された場合、所定開弁時間にて、アノードパージ弁２４を開弁するようになっている。
【００３８】
＜カソード系＞
カソード系は、インテイク４１と、エアポンプ４２と、加湿器４３と、入口封止弁４４と、出口封止弁４５と、ＣＰＣＶ（Cathode Purge Control Valve；カソード背圧弁）４６と、を備えている。
【００３９】
外気を取り込むインテイク４１から、配管５１ａ、エアポンプ４２、配管５１ｂ、加湿器４３、配管５１ｃ、入口封止弁４４、配管５１ｄを介して、カソード流路１０ｃの入口に接続する酸化剤ガス供給路が形成されている。そして、インテイク４１から取り込まれた空気（酸化剤ガス）が、酸化剤ガス供給路（配管５１ａ、エアポンプ４２、配管５１ｂ、加湿器４３、配管５１ｃ、入口封止弁４４、配管５１ｄ）を通って、カソード流路１０ｃに供給されるようになっている。
【００４０】
エアポンプ４２は、ＥＣＵ８０により運転が制御され、配管５１ａからの空気を圧縮し、配管５１ｂへ圧送することができるようになっている。
【００４１】
加湿器４３は、水分透過性を有する複数の中空糸膜（図示せず）を備えている。そして、加湿器４３は、中空糸膜（図示せず）を介して、カソード流路１０ｃに向かう空気（配管５１ｃから配管５１ｄに流れる空気）とカソード流路１０ｃから排出された多湿の酸化剤排ガス（配管５２ｂから配管５２ｃに流れる酸化剤排ガス）とを水分交換させ、カソード流路１０ｃに向かう空気を加湿するようになっている。
【００４２】
入口封止弁４４は、ＥＣＵ８０により開閉が制御されるようになっている。
【００４３】
カソード流路１０ｃの出口は、配管５２ａ、出口封止弁４５、配管５２ｂ、加湿器４３、配管５２ｃ、ＣＰＣＶ４６、配管５２ｄを介して、後記する希釈器６０に接続され、酸化剤排ガス排出路が形成されている。
【００４４】
出口封止弁４５は、ＥＣＵ８０により開閉が制御されるようになっている。
【００４５】
ＣＰＣＶ４６は、例えばバタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ８０によって制御されることで、カソード流路１０ｃにおける空気の圧力を制御するものである。詳細には、ＣＰＣＶ４６の開度が小さくなると、カソード流路１０ｃにおける空気の圧力が上昇し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が高くなる。逆に、ＣＰＣＶ４６の開度が大きくなると、カソード流路１０ｃにおける空気の圧力が下降し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が低くなる。
【００４６】
＜希釈排気系＞
希釈排気系は、希釈器６０と、バイパスバルブ６１と、を備えている。
【００４７】
エアポンプ４２の吐出口と接続された配管５１ｂは、配管６２ａ、バイパスバルブ６１、配管６２ｂ、配管５２ｄを介して希釈器６０と接続する酸化剤ガスバイパス路が形成されている。即ち、燃料電池スタック１０のカソード流路１０ｃをバイパスして、エアポンプ４２から希釈器６０に空気を送ることができるようになっている。
バイパスバルブ６１は、常閉型の遮断弁であり、ＥＣＵ８０により開閉が制御されるようになっている。
【００４８】
希釈器６０は、酸化剤排ガス排出路の配管５２ｄからの酸化剤排ガス、または、開弁したバイパスバルブ６１を介して供給される空気を用いて、燃料排ガス排出路の配管３２ｂからの燃料排ガスを希釈して排出することができるようになっている。
【００４９】
＜電力供給系＞
電力供給系は、燃料電池スタック１０の出力端子（図示せず）に接続され、コンタクタ７１などを備え、燃料電池スタック１０の発電電力を負荷７２に供給する。
コンタクタ７１は、燃料電池スタック１０の出力端子（図示せず）と負荷７２との接続を遮断することができるようになっており、ＥＣＵ８０により制御されるようになっている。
【００５０】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ８０は、燃料電池システムＳを電子制御する制御装置であり、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おり、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、遮断弁２１、エゼクタ２２、水素ポンプ２３、アノードパージ弁２４、エアポンプ４２、入口封止弁４４、出口封止弁４５、ＣＰＣＶ４６、バイパスバルブ６１、コンタクタ７１等の各種機器を制御するようになっている。
また、燃料電池システムＳには各種センサが設けられており、検出された信号はＥＣＵ８０に送信されるようになっている。
【００５１】
≪燃料電池システムの起動処理≫
次に、図２および図３を用いて、本実施形態に係る燃料電池システムＳの起動処理について説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システムＳの起動処理のフローチャートである。図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの起動処理のタイムチャートである。
【００５２】
燃料電池システムＳの起動処理は、図３に示すように、アノード置換工程（燃料ガス置換工程）（図２におけるステップＳ１０１からＳ１０５）、希釈工程（図２におけるステップＳ１０６、Ｓ１０７）、カソード置換工程（酸化剤ガス置換工程）（図２におけるステップＳ１０８からＳ１１２）の順に行う。
【００５３】
ＥＣＵ８０が実行する燃料電池システムＳの起動処理について、図３を参照しつつ、図２を用いて説明する。
なお、燃料電池システムＳの運転停止時において、図３に示すように、遮断弁２１およびアノードパージ弁２４は閉弁され、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａは封止されており、アノード流路１０ａ内はアノード残存ガス（例えば、空気）が充填されているものとする。また、入口封止弁４４および出口封止弁４５は閉弁され、燃料電池スタック１０のカソード流路１０ｃは封止されており、カソード流路１０ｃ内はカソード残存ガス（例えば、空気）が充填されているものとする。
ＥＣＵ８０は、燃料電池システムＳの起動指令（ＩＧ−ＯＮ）を検出すると、図２に示す軌道処理を開始する。
【００５４】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ８０は、バイパスバルブ６１を開弁し、エアポンプ４２を作動させる。
これにより、酸化剤ガスバイパス路が形成され、インテイク４１から取り込まれた空気が、配管５１ａ、エアポンプ４２、配管５１ｂ、配管６２ａ、バイパスバルブ６１、配管６２ｂ、配管５２ｄを介して、希釈器６０に供給される。
なお、入口封止弁４４および出口封止弁４５は閉弁されており、燃料電池スタック１０のカソード流路１０ｃには、エアポンプ４２から圧送された空気が流入しないようになっている。
【００５５】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ８０は、遮断弁２１を開弁し、エゼクタ２２を作動させ、水素ポンプ２３を作動させる。
これにより、燃料ガス供給路および燃料排ガス再循環路が形成され、水素タンク（図示せず）から供給された水素が、配管３１ａ、遮断弁２１、配管３１ｂ、エゼクタ２２、配管３１ｃを介して、アノード流路１０ａの入口に供給される。そして、供給された水素およびアノード流路１０ａに残存していたアノード残存ガスが、アノード流路１０ａの出口から、配管３２ａ、配管３３、エゼクタ２２、配管３１ｃを介して、アノード流路１０ａの入口へと循環するようになっている。また、アノード流路１０ａの出口から、配管３２ａ、配管３４ａ、水素ポンプ２３、配管３１ｃを介して、アノード流路１０ａの入口へと循環するようになっている。
なお、アノードパージ弁２４は閉弁しているため、燃料ガス供給路から水素が供給されることにより、アノード流路１０ａにおけるガス圧（アノード圧力）が上昇する（図３参照）。
【００５６】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａにおけるガス圧を検知する圧力センサ（図示せず）から取得した燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａの圧力（アノード圧力）が、所定の圧力（パージ許可圧力Ｐ１）以上であるか否かを判定する。
ここで、パージ許可圧力Ｐ１は、アノードパージ弁２４を開弁することにより、アノード流路１０ａの燃料排ガスを希釈器６０にパージ可能な圧力の閾値であり、予め設定されている。
アノード圧力がパージ許可圧力Ｐ１以上である場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０４に進む。アノード圧力がパージ許可圧力Ｐ１以上でない場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０３を繰り返す。
【００５７】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ８０は、アノードパージ弁２４を開弁する。
これにより、燃料排ガス排出路が形成され、アノード残存ガス（例えば、空気）を水素とともに希釈器６０に排出する。
なお、希釈器６０では、配管３２ｂ（燃料排ガス排出路）から排出された水素およびアノード残存ガスを配管５２ｄ（酸化剤ガスバイパス路）から供給された空気で希釈して外部へ排出されるようになっている。
【００５８】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ８０は、アノードパージ弁２４から希釈器６０へパージされた燃料排ガスのパージ量が、所定のパージ量（アノード置換パージ量）以上であるか否かを判定する。
ここで、アノード置換パージ量は、アノード流路１０ａからアノード残存ガスが排出され、水素で置換されたと判断するための閾値であり、予め設定されている。
なお、燃料排ガスのパージ量は、例えば、配管３２ｂに設けられた流量センサ（図示せず）により検知してもよく、アノードパージ弁２４の開弁経過時間から推定してもよい。
パージ量がアノード置換パージ量以上である場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０６に進む。パージ量がアノード置換パージ量以上でない場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０５を繰り返す。
【００５９】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ８０は、アノードパージ弁２４を閉弁する。
これにより、燃料排ガス排出路が封止され、希釈器６０への燃料排ガスの排出が停止する。なお、希釈器６０は、前記したように、酸化剤ガスバイパス路を介して、希釈器６０に空気が供給されている（Ｓ１０１参照）。
【００６０】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ８０は、アノードパージ弁２４の閉弁（Ｓ１０６）から所定の時間（希釈時間）が経過したか否かを判定する。
ここで、所定の時間（希釈時間）は、ステップＳ１０４からステップＳ１０６までの間にアノード残存ガスとともにパージされた水素を、酸化剤ガスバイパス路を介して供給される空気で希釈するための時間であり、予め設定されている。
所定の時間（希釈時間）が経過した場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０８に進む。所定の時間（希釈時間）が経過していない場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０７を繰り返す。
【００６１】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ８０は、入口封止弁４４、出口封止弁４５、ＣＰＣＶ４６を開弁する。
これにより、酸化剤ガス供給路および酸化剤排ガス排出路が形成され、インテイク４１から取り込まれた空気が、配管５１ａ、エアポンプ４２、配管５１ｂ、加湿器４３、配管５１ｃ、入口封止弁４４、配管５１ｄを介して、カソード流路１０ｃの入口に供給される。そして、供給された空気および運転停止時にカソード流路１０ｃ等に残存していたカソード残存ガスが、カソード流路１０ｃの出口から、配管５２ａ、出口封止弁４５、配管５２ｂ、加湿器４３、配管５２ｃ、ＣＰＣＶ４６配管５２ｄを介して、希釈器６０に供給される。
【００６２】
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ８０は、入口封止弁４４、出口封止弁４５、ＣＰＣＶ４６の閉弁（Ｓ１０８）から所定の時間（カソード置換時間）が経過したか否かを判定する。
ここで、所定の時間（カソード置換時間）は、アノード置換パージ量は、カソード流路１０ｃからカソード残存ガスが排出され、空気で置換されたと判断するための閾値であり、予め設定されている。
所定の時間（カソード置換時間）が経過した場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１１０に進む。所定の時間（カソード置換時間）が経過していない場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１０９を繰り返す。
【００６３】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ８０は、バイパスバルブ６１を開弁する。
これにより、酸化剤ガスバイパス路が封止される。なお、以後の工程における燃料排ガス排出路からパージされた燃料排ガスに含まれる水素は、酸化剤排ガス排出路から排出される酸化剤排ガスで希釈される。
【００６４】
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１０の開放電圧（Open Circuit Voltage）の総電圧（ＦＣ電圧）を検知する電圧センサ（図示せず）から取得した燃料電池スタック１０のアノード流路１０ａの総電圧（ＦＣ電圧）が、所定の電圧（起動許可電圧）以上であるか否かを判定する。
ここで、起動許可電圧は、カソード置換が十分に行われたか否かを判定するための閾値であり、予め設定されている。なお、カソード置換が十分に行われておらず、酸素の不足が発生している状態において、燃料電池スタック１０を発電させると、触媒が劣化して、燃料電池スタック１０の寿命を低減させるおそれがあるためである。
ＦＣ電圧が起動許可電圧以上である場合（Ｓ１１１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１１２に進む。ＦＣ電圧が起動許可電圧以上でない場合（Ｓ１１１・Ｎｏ）、ＥＣＵ８０の処理はステップＳ１１１を繰り返す。
【００６５】
ステップＳ１１２において、ＥＣＵ８０は、コンタクタ７１をオン（接続）するとともに、発電電流値を指令する。以上により、燃料電池システムＳの起動が完了する。
【００６６】
以上の燃料電池システムＳの起動処理により、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、従来の燃料電池システム（例えば、特許文献１の燃料電池装置）と比較して、触媒の劣化を抑制し、燃料電池スタック１０の寿命が低減することを抑止することができる。
【００６７】
即ち、アノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃに空気を充填した燃料電池システムＳの運転停止状態から、燃料電池システムＳを起動する際、アノード流路１０ａを空気（アノード残存ガス）から水素へ置換するアノード置換工程において、特許文献１に開示された燃料電池装置（燃料電池システム）では、燃料電池スタック１０のスタック面内や積層方向に水素の濃度勾配が発生するおそれがある。
これに対し、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、ステップＳ１０２に示すように、遮断弁２１を開弁して水素をアノード流路１０ａに供給しながら、水素ポンプ２３によりアノード流路１０ａ内のガスを循環させるので、燃料電池スタック１０のスタック面内や積層方向での水素の濃度勾配を低減させることができるので、腐食電流の発生を抑制し、触媒の劣化を抑制し、燃料電池スタック１０の寿命が低減することを抑止することができる。
【００６８】
また、本実施形態に係る燃料電池システムＳは、酸化剤ガスバイパス路（配管６２ａ，６２ｂ）と、バイパスバルブ６１とを備え、アノード置換工程において、カソード流路１０ｃを封止した状態で、希釈器６０に空気を供給することができる（ステップＳ１０１参照）。これにより、アノード残存ガスとともに排出された水素を空気で希釈して希釈器６０から排出することができるので、希釈器６０（燃料電池システムＳ）から排出される排ガス中の水素濃度が高くなることを防止することができる。
【００６９】
≪変形例≫
なお、本実施形態に係る燃料電池スステムＳは、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
【００７０】
本実施形態において、燃料電池システムＳの運転停止時にアノード流路１０ａに充填されるアノード残存ガスおよびカソード流路１０ｃに充填されるカソード残存ガスは、空気であるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、アノード流路１０ａおよびカソード流路１０ｃに窒素ガス（もしくは、酸素を消費した空気）を充填する構成であってもよい。アノード残存ガスとカソード残存ガスとが異なるガスであってもよい。
【符号の説明】
【００７１】
Ｓ        燃料電池システム
１０      燃料電池スタック（燃料電池）
１０ａ    アノード流路（アノード側）
１０ｃ    カソード流路（カソード側）
２１      遮断弁（燃料ガス供給装置）
２２      エゼクタ
２３      水素ポンプ（燃料排ガス再循環路制御装置）
２４      アノードパージ弁（燃料排ガス排出路制御装置）
４１      インテイク（酸化剤ガス供給装置）
４２      エアポンプ（酸化剤ガス供給装置）
４３      加湿器
４４      入口封止弁（酸化剤ガス供給路封止装置）
４５      出口封止弁（酸化剤排ガス排出路封止装置）
４６      ＣＰＣＶ
６０      希釈器
６１      バイパスバルブ（酸化剤ガスバイパス路制御装置）
７１      コンタクタ
７２      負荷
８０      ＥＣＵ
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ          配管（燃料ガス供給路）
３２ａ，３２ｂ                  配管（燃料排ガス排出路）
３４ａ，３４ｂ                  配管（燃料排ガス再循環路）
５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ  配管（酸化剤ガス供給路）
５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄ  配管（酸化剤排ガス排出路）
６２ａ，６２ｂ                  配管（酸化剤ガスバイパス路）
【図１】
0005872315.tif 000002
【図２】
0005872315.tif 000003
【図３】
0005872315.tif 000004