(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給されたアノードガスおよびカソードに供給されたカソードガスによって発電する燃料電池と、
前記アノードに接続されたアノードガス流路と、前記アノードガスを前記アノードガス流路に供給するアノードガス供給手段と、
前記カソードに接続されたカソードガス流路と、前記カソードガスを前記カソードガス流路に供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
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、
前記燃料電池と接続される電気負荷と、
を備える燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池システムは、
前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在するか否かを判定する判定手段を備え、
前記燃料電池の起動時発電モードとして、
前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在するか否かを判定する第１工程と、
前記第１工程にて前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在すると判定された場合に前記カソードガス供給手段を駆動し、前記カソードガス流路を介して前記カソードに前記カソードガスを供給する工程と、
前記第１工程において前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在すると判定し、かつ前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の電圧が所定電圧に到達した場合には、前記電気負荷を接続して前記電圧を所定電圧以下に維持しつつ前記燃料電池の発電を行い、前記第１工程において前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在しないと判定した場合には前記燃料電池の発電を開始しない発電判断工程と、
を含むことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項２】
前記燃料電池システムは、
前記アノードガスを循環可能なアノードガス循環流路に設けられ、前記アノードを通過して排出された未反応の前記アノードガスの少なくとも一部を前記アノードに循環させる循環手段と、
前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能なコンタクタと、
前記燃料電池と前記電気負荷との間に配置され、前記燃料電池から出力される電圧および電流を調整する調整手段と、
を備え、
前記電気負荷は、前記循環手段を含み、
前記コンタクタを開放状態から接続状態へと切り替え、前記調整手段により前記燃料電池から出力される電圧および電流を調整することで前記循環手段を駆動可能とし、前記アノードに前記アノードガスを循環させる工程を含む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】
前記燃料電池システムは、
前記アノードの排出側に接続されたアノードガス排出流路と、
前記アノードガス排出流路の外部に対する開放と遮断とを切替可能なパージ弁と、
を備え、
前記発電判断工程を実施する前に、前記アノードガス流路に前記アノードガスの供給を開始するとともに前記パージ弁を開成する工程と、
前記パージ弁を開成した後、前記アノードの排出量が所定量よりも大きい場合には、前記パージ弁を閉じる工程と、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項４】
前記燃料電池システムは、
前記パージ弁から供給された前記アノードガスの濃度を希釈する希釈器と、
前記燃料電池の前記カソードを迂回して前記カソードガスをカソードガス排出流路に流通可能なバイパス流路に設けられたバイパス弁と、
を備え、
前記パージ弁を開成する工程の前に前記バイパス弁を開成する工程を含む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】
前記判定手段は、
前記燃料電池システムの停止放置時間が所定時間以内であるか否かを判定する第１判定と、
前記燃料電池の電圧が所定電圧以下であるか否かを判定する第２判定と、
前記アノードの圧力が所定圧力以上であるか否か、あるいは前記燃料電池システムの停止放置中の前記アノードの圧力の変化幅が減少傾向であるか否かを判定する第３判定と、
を行い、
前記第１判定から第３判定の少なくともいずれか１つの判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、前記アノードに前記アノードガスが存在すると判定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項６】
アノードに供給されたアノードガスおよびカソードに供給されたカソードガスによって発電する燃料電池と、
前記アノードに接続されたアノードガス流路と、前記アノードガスを前記アノードガス流路に供給するアノードガス供給手段と、
前記カソードに接続されたカソードガス流路と、前記カソードガスを前記カソードガス流路に供給するカソードガス供給手段と、
前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
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、
前記燃料電池と接続される電気負荷と、
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、
前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在するか否かを判定する判定手段を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の起動時発電モードとして、
前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在するか否かを判定する第１工程と、
前記第１工程にて前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在すると判定された場合に前記カソードガス供給手段を駆動し、前記カソードガス流路を介して前記カソードに前記カソードガスを供給する工程と、
前記第１工程において前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在すると判定し、かつ前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の電圧が所定電圧に到達した場合には、前記電気負荷を接続して前記電圧を所定電圧以下に維持しつつ前記燃料電池の発電を行い、前記第１工程において前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在しないと判定した場合には前記燃料電池の発電を開始しない発電判断工程と、
を実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池システムは、
前記アノードガスを循環可能なアノードガス循環流路に設けられ、前記アノードを通過して排出された未反応の前記アノードガスの少なくとも一部を前記アノードに循環させる循環手段と、
前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能なコンタクタと、
前記燃料電池と前記電気負荷との間に配置され、前記燃料電池から出力される電圧および電流を調整する調整手段と、
を備え、
前記電気負荷は、前記循環手段を含み、
前記制御手段は、前記コンタクタを開放状態から接続状態へと切り替え、前記調整手段により前記燃料電池から出力される電圧および電流を調整することで前記循環手段を駆動可能とし、前記アノードに前記アノードガスを循環させる工程を実行することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池システムは、
前記アノードの排出側に接続されたアノードガス排出流路と、
前記アノードガス排出流路の外部に対する開放と遮断とを切替可能なパージ弁と、
を備え、
前記制御手段は、
前記発電判断工程を実施する前に、前記アノードガス流路に前記アノードガスの供給を開始するとともに前記パージ弁を開成する工程と、
前記パージ弁を開成した後、前記アノードの排出量が所定量よりも大きい場合には、前記パージ弁を閉じる工程と、
を実行することを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池システムは、
前記パージ弁から供給された前記アノードガスの濃度を希釈する希釈器と、
前記燃料電池の前記カソードを迂回して前記カソードガスをカソードガス排出流路に流通可能なバイパス流路に設けられたバイパス弁と、
を備え、
前記制御手段は、前記パージ弁を開成する工程の前に前記バイパス弁を開成する工程を実行することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記判定手段は、
前記燃料電池システムの停止放置時間が所定時間以内であるか否かを判定する第１判定と、
前記燃料電池の電圧が所定電圧以下であるか否かを判定する第２判定と、
前記アノードの圧力が所定圧力以上であるか否か、あるいは前記燃料電池システムの停止放置中の前記アノードの圧力の変化幅が減少傾向であるか否かを判定する第３判定と、
を行い、
前記制御手段は、前記第１判定から第３判定の少なくともいずれか１つの判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、前記アノードに前記アノードガスが存在すると判定することを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムの起動方法および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池スタックの起動時に、アノードに存在する空気を水素によって置換（パージ）するためにアノードに連続的に水素を供給する際にカソードに空気を供給せず、この置換（パージ）を伴う起動の完了後に、カソードに空気の供給を開始し、かつ燃料電池スタックに電気負荷を接続して発電を行なう始動方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来、燃料電池スタックのアノードおよびカソードに空気が充満している状態からの燃料電池システムの始動方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
この始動方法においては、燃料電池システムの起動時に、先ず、アノードの再循環流路内に可燃性比率の水素と酸素を含まないように水素の供給流量を調整しつつアノードに水素を供給することによって水素と空気の混合状態を形成する。そして、アノードの再循環流路内に酸素が存在しなくなるまでアノードの触媒上での水素と酸素の反応によって水を生成させる。次に、アノードおよびカソードに通常の流量で水素および空気の供給を開始し、かつ燃料電池スタックに電気負荷を接続して発電を行なう。この始動方法においては、アノードに水素の供給を開始するより前において、カソードに空気を供給せずに燃料電池スタックに補助負荷抵抗を接続して発電し、アノードの再循環流路内に酸素が存在しなくなるまでセル電圧を所定電圧以下に維持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３５７８３６号公報
【特許文献２】特許第４１３７７９６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始動方法によれば、燃料電池スタックの起動が完了した後に電気負荷を接続して発電を行なうことから、カソードが高電位（例えば、カソード電位が０．９Ｖ以上など）になることを回避できずに、燃料電池スタックが劣化する虞がある。
また、上記従来技術に係る燃料電池システムの始動方法によれば、燃料電池スタックのアノードおよびカソードに空気が充満している状態のようにアノードにおける水素の濃度が所望の濃度よりも低い状態で発電を行なうと燃料電池スタックが劣化する虞がある。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、起動時に燃料電池の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の起動方法および燃料電池システム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の起動方法は、アノード（例えば、実施の形態でのアノード１１Ａ）に供給されたアノードガス（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１１Ｂ）に供給されたカソードガス（例えば、実施の形態での空気）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、前記アノードに接続されたアノードガス流路（例えば、実施の形態でのアノードガス流路４４）と、前記アノードガスを前記アノードガス流路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１９および水素遮断弁２０および水素供給弁２１）と、前記カソードに接続されたカソードガス流路（例えば、実施の形態でのカソードガス流路４１）と、前記カソードガスを前記カソードガス流路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ポンプ１３および封止入口弁１５および封止出口弁１６）と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段（例えば、実施の形態での電圧センサ３４）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３２）と、前記燃料電池と接続される電気負荷（例えば、実施の形態でのモータやパワードライブユニット、循環ポンプ２２）と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池システムは、前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在するか否かを判定する判定手段を備え、前記燃料電池の起動時発電モードとして、前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在するか否かを判定する第１工程と、前記第１工程にて前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在すると判定された場合に前記カソードガス供給手段を駆動し、前記カソードガス流路を介して前記カソードに前記カソードガスを供給する工程と、前記第１工程において前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在すると判定し、かつ前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の電圧が所定電圧に到達した場合には、前記電気負荷を接続して前記電圧を所定電圧以下に維持しつつ前記燃料電池の発電を行い、前記第１工程において前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在しないと判定した場合には前記燃料電池の発電を開始しない発電判断工程と、を含む。
【０００７】
さらに、本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記燃料電池システムは、前記アノードガスを循環可能なアノードガス循環流路（例えば、実施の形態での循環流路４６）に設けられ、前記アノードを通過して排出された未反応の前記アノードガスの少なくとも一部を前記アノードに循環させる循環手段（例えば、実施の形態での循環ポンプ２２）と、前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能なコンタクタ（例えば、実施の形態でのコンタクタ３０）と、前記燃料電池と前記電気負荷との間に配置され、前記燃料電池から出力される電圧および電流を調整する調整手段（例えば、実施の形態での電圧調整器３１）と、を備え、前記電気負荷は、前記循環手段を含み、前記コンタクタを開放状態から接続状態へと切り替え、前記調整手段により前記燃料電池から出力される電圧および電流を調整することで前記循環手段を駆動可能とし、前記アノードに前記アノードガスを循環させる工程を含む。
【０００８】
さらに、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では、前記燃料電池システムは、前記アノードの排出側に接続されたアノードガス排出流路（例えば、実施の形態でのアノードガス排出流路４５）と、前記アノードガス排出流路の外部に対する開放と遮断とを切替可能なパージ弁（例えば、実施の形態でのパージ弁２３）と、を備え、前記発電判断工程を実施する前に、前記アノードガス流路に前記アノードガスの供給を開始するとともに前記パージ弁を開成する工程と、前記パージ弁を開成した後、前記アノードの排出量が所定量よりも大きい場合には、前記パージ弁を閉じる工程と、を含む。
【０００９】
さらに、本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記燃料電池システムは、前記パージ弁から供給された前記アノードガスの濃度を希釈する希釈器（例えば、実施の形態での希釈器２４）と、前記燃料電池の前記カソードを迂回して前記カソードガスをカソードガス排出流路（例えば、実施の形態でのカソードガス排出流路４２）に流通可能なバイパス流路（例えば、実施の形態でのバイパス流路４３）に設けられたバイパス弁（例えば、実施の形態でのバイパス弁１８）と、を備え、前記パージ弁を開成する工程の前に前記バイパス弁を開成する工程を含む。
【００１０】
さらに、本発明の第５の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記判定手段は、前記燃料電池システムの停止放置時間が所定時間以内であるか否かを判定する第１判定と、前記燃料電池の電圧が所定電圧以下であるか否かを判定する第２判定と、前記アノードの圧力が所定圧力以上であるか否か、あるいは前記燃料電池システムの停止放置中の前記アノードの圧力の変化幅が減少傾向であるか否かを判定する第３判定と、を行い、前記第１判定から第３判定の少なくともいずれか１つの判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、前記アノードに前記アノードガスが存在すると判定する。
【００１１】
さらに、本発明の第６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１１Ａ）に供給されたアノードガス（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１１Ｂ）に供給されたカソードガス（例えば、実施の形態での空気）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、前記アノードに接続されたアノードガス流路（例えば、実施の形態でのアノードガス流路４４）と、前記アノードガスを前記アノードガス流路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１９および水素遮断弁２０および水素供給弁２１）と、前記カソードに接続されたカソードガス流路（例えば、実施の形態でのカソードガス流路４１）と、前記カソードガスを前記カソードガス流路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ポンプ１３および封止入口弁１５および封止出口弁１６）と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段（例えば、実施の形態での電圧センサ３４）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３２）と、前記燃料電池と接続される電気負荷（例えば、実施の形態でのモータやパワードライブユニット、循環ポンプ２２）と、を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在するか否かを判定する判定手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池の起動時発電モードとして、前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在するか否かを判定する第１工程と、前記第１工程にて前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在すると判定された場合に前記カソードガス供給手段を駆動し、前記カソードガス流路を介して前記カソードに前記カソードガスを供給する工程と、前記第１工程において前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在すると判定し、かつ前記電圧検出手段によって検出された前記燃料電池の電圧が所定電圧に到達した場合には、前記電気負荷を接続して前記電圧を所定電圧以下に維持しつつ前記燃料電池の発電を行い、前記第１工程において前記アノードガス流路に前記アノードガスが存在しないと判定した場合には前記燃料電池の発電を開始しない発電判断工程と、を実行する。
【００１２】
さらに、本発明の第７の発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池システムは、前記アノードガスを循環可能なアノードガス循環流路（例えば、実施の形態での循環流路４６）に設けられ、前記アノードを通過して排出された未反応の前記アノードガスの少なくとも一部を前記アノードに循環させる循環手段（例えば、実施の形態での循環ポンプ２２）と、前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能なコンタクタ（例えば、実施の形態でのコンタクタ３０）と、前記燃料電池と前記電気負荷との間に配置され、前記燃料電池から出力される電圧および電流を調整する調整手段（例えば、実施の形態での電圧調整器３１）と、を備え、前記電気負荷は、前記循環手段を含み、前記制御手段は、前記コンタクタを開放状態から接続状態へと切り替え、前記調整手段により前記燃料電池から出力される電圧および電流を調整することで前記循環手段を駆動可能とし、前記アノードに前記アノードガスを循環させる工程を実行する。
【００１３】
さらに、本発明の第８の発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池システムは、前記アノードの排出側に接続されたアノードガス排出流路（例えば、実施の形態でのアノードガス排出流路４５）と、前記アノードガス排出流路の外部に対する開放と遮断とを切替可能なパージ弁（例えば、実施の形態でのパージ弁２３）と、を備え、前記制御手段は、前記発電判断工程を実施する前に、前記アノードガス流路に前記アノードガスの供給を開始するとともに前記パージ弁を開成する工程と、前記パージ弁を開成した後、前記アノードの排出量が所定量よりも大きい場合には、前記パージ弁を閉じる工程と、を実行する。
【００１４】
さらに、本発明の第９の発明に係る燃料電池システムでは、前記燃料電池システムは、前記パージ弁から供給された前記アノードガスの濃度を希釈する希釈器（例えば、実施の形態での希釈器２４）と、前記燃料電池の前記カソードを迂回して前記カソードガスをカソードガス排出流路（例えば、実施の形態でのカソードガス排出流路４２）に流通可能なバイパス流路（例えば、実施の形態でのバイパス流路４３）に設けられたバイパス弁（例えば、実施の形態でのバイパス弁１８）と、を備え、前記制御手段は、前記パージ弁を開成する工程の前に前記バイパス弁を開成する工程を実行する。
【００１５】
さらに、本発明の第１０の発明に係る燃料電池システムでは、前記判定手段は、前記燃料電池システムの停止放置時間が所定時間以内であるか否かを判定する第１判定と、前記燃料電池の電圧が所定電圧以下であるか否かを判定する第２判定と、前記アノードの圧力が所定圧力以上であるか否か、あるいは前記燃料電池システムの停止放置中の前記アノードの圧力の変化幅が減少傾向であるか否かを判定する第３判定と、を行い、前記制御手段は、前記第１判定から第３判定の少なくともいずれか１つの判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、前記アノードに前記アノードガスが存在すると判定する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、アノードにアノードガスが存在しない状態でカソードガス流路を介してカソードにカソードガスが無駄に供給されることを防止することができる。
さらに、アノードにアノードガスが存在しない状態で燃料電池に電気負荷が接続されること（つまり燃料電池が発電すること）を防止することができ、発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池が劣化することを防止することができる。
また、発電判断工程を含むことにより、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）を防止し、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。
また、アノードのアノードガスの濃度を的確に所望の濃度にするとともに、過大な電圧上昇を適切に防ぐことができる。
【００１７】
本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、アノードにアノードガスが存在しない状態で燃料電池に電気負荷が接続されること（つまり燃料電池が発電すること）を防止することができ、発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池が劣化することを防止することができる。
【００１８】
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、発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池が劣化することを防止することができる。
【００１９】
本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、バイパス弁を開成することによって、バイパス流路を流通したカソードガスによって、カソードガス排出流路のアノードガスを希釈することができる。また、アノードのアノードガスの濃度を的確に所望の濃度にするとともに、過大な電圧上昇を適切に防ぐことができる。
【００２０】
本発明の第５の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、アノードにアノードガスが存在しない状態で燃料電池に電気負荷が接続されること（つまり燃料電池が発電すること）を防止することができ、発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池が劣化することを防止することができる。
【００２１】
本発明の第６の発明に係る燃料電池システムによれば、アノードにアノードガスが存在しない状態でカソードガス流路を介してカソードにカソードガスが無駄に供給されることを防止することができる。
さらに、アノードにアノードガスが存在しない状態で燃料電池に電気負荷が接続されること（つまり燃料電池が発電すること）を防止することができ、発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池が劣化することを防止することができる。
また、発電判断工程を含むことにより、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）を防止し、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。
また、アノードのアノードガスの濃度を的確に所望の濃度にするとともに、過大な電圧上昇を適切に防ぐことができる。
【００２２】
本発明の第７の発明に係る燃料電池システムによれば、アノードにアノードガスが存在しない状態で燃料電池に電気負荷が接続されること（つまり燃料電池が発電すること）を防止することができ、発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池が劣化することを防止することができる。
【００２３】
本発明の第８の発明に係る燃料電池システムによれば、発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池が劣化することを防止することができる。
【００２４】
本発明の第９の発明に係る燃料電池システムによれば、バイパス弁を開成することによって、バイパス流路を流通したカソードガスによって、カソードガス排出流路のアノードガスを希釈することができる。また、アノードのアノードガスの濃度を的確に所望の濃度にするとともに、過大な電圧上昇を適切に防ぐことができる。
【００２５】
本発明の第１０の発明に係る燃料電池システムによれば、アノードにアノードガスが存在しない状態で燃料電池に電気負荷が接続されること（つまり燃料電池が発電すること）を防止することができ、発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池が劣化することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【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停止放置状態における燃料電池スタックの電圧とアノードの圧力とアノードおよびカソードのガス濃度との変化の例を示すグラフ図である。
【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４】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および電源の各系の状態を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの起動時における実施例および比較例のカソードの電位の変化の例を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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（Ｍ）およびモータ（Ｍ）を制御するパワードライブユニット（ＰＤＵ）を備える車両１に電源として搭載されている。
なお、車両１は、例えばイグニッションスイッチなどのように、運転者による入力操作などに応じて車両１の起動を指示する信号を出力するスイッチ２を備えている。
【００２９】
燃料電池システム１０は、例えば図１に示すように、燃料電池スタック１１と、インテイク１２と、エアポンプ１３と、加湿器１４と、封止入口弁１５と、封止出口弁１６と、圧力制御弁１７と、バイパス弁１８と、水素タンク１９と、水素遮断弁２０と、水素供給弁２１と、循環ポンプ２２と、パージ弁２３と、希釈器２４と、アノード温度センサ２５およびアノード圧力センサ２６と、カソード湿度センサ２７およびカソード温度センサ２８およびカソード圧力センサ２９と、コンタクタ３０と、電圧調整器３１と、制御装置３２と、を備えている。
【００３０】
燃料電池スタック１１は、例えば、複数の燃料電池セル（図示略）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、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）１１Ａ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）１１Ｂと、アノードおよびカソード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１１Ｃと、を備えている。
【００３１】
燃料電池スタック１１のアノード１１Ａには、例えば、水素からなる燃料ガス（アノードガス）が水素タンク１９から供給され、カソード１１Ｂには、例えば、酸素を含む酸化剤ガス（カソードガス）である空気がエアポンプ１３から供給される。
アノード１１Ａ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１１Ｃを介してカソード１１Ｂ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１１Ａからカソード１１Ｂのカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソード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。
【００３２】
なお、燃料電池スタック１１の複数の燃料電池セルには、例えば、ＤＨＥ（Dynamic Hydrogen Electrode）などの参照電極（図示略）が接続されていてもよい。
参照電極は、例えば、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノード１１Ａ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３２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の全てに設けられていてもよいし、複数の燃料電池セルのうちの所定の燃料電池セルにのみ設けられていてもよい。
【００３３】
エアポンプ１３は、例えば、制御装置３２により駆動制御されるエアーコンプレッサーなどを備え、インテイク１２を介して外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気を、アノード１１Ａに接続されたカソードガス流路４１に排出する。
なお、例えば、インテイク１２にはエアフローセンサー３３が備えられ、エアフローセンサー３３は、エアポンプ１３によって外部から取り込まれる空気の流量Ｆｂを検出し、検出結果の信号を出力する。
【００３４】
加湿器１４は、例えば、中空糸膜などの水透過膜を備えて構成され、燃料電池スタック１１のカソード排出口１１ｂから排出された空気などの排出ガス（カソードオフガス）を加湿用のガスとして用いて、エアポンプ１３から供給された空気（カソードガス）を加湿する。
すなわち、加湿器１４は、例えば、エアポンプ１３から供給された空気と燃料電池スタック１１のカソード排出口１１ｂから排出された湿潤状態の排出ガスとを水透過膜を介して接触させることで、排出ガスに含まれる水分（特に、水蒸気）のうち水透過膜の膜穴を透過した水分を空気（カソードガス）に添加する。
【００３５】
封止入口弁１５は、例えば、エアポンプ１３と、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに空気を供給可能なカソード供給口１１ａと、を接続するカソードガス流路４１に設けられ、制御装置３２の制御によってカソードガス流路４１を遮断可能である。
【００３６】
封止出口弁１６は、例えば、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂから空気などを排出可能なカソード排出口１１ｂと、希釈器２４と、を接続するカソードガス排出流路４２に設けられ、制御装置３２の制御によってカソードガス排出流路４２を遮断可能である。
【００３７】
圧力制御弁１７は、例えば、カソードガス排出流路４２における加湿器１４と希釈器２４との間に設けられ、制御装置３２の制御によってカソードガス排出流路４２のカソードオフガスの圧力を制御する。
【００３８】
バイパス弁１８は、例えば、カソードガス流路４１におけるエアポンプ１３と加湿器１４との間と、カソードガス排出流路４２における圧力制御弁１７と希釈器２４との間と、を接続するバイパス流路４３に設けられている。
バイパス弁１８は、例えば、エアポンプ１３から供給された空気を、カソードガス流路４１から分岐して、バイパス流路４３を介して希釈器２４に供給可能であり、かつ制御装置３２の制御によってバイパス流路４３を遮断可能である。
【００３９】
水素タンク１９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。
水素遮断弁２０は、例えば、水素タンク１９と、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに水素を供給可能なアノード供給口１１ｃと、を接続するアノードガス流路４４に設けられ、制御装置３２の制御によってアノードガス流路４４を遮断可能である。
【００４０】
水素供給弁２１は、例えば、アノードガス流路４４において水素遮断弁２０とアノード供給口１１ｃとの間に設けられ、制御装置３２の制御またはエアポンプ１３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１９からアノードガス流路４４に供給する。これにより、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａとカソード１１Ｂとの間の極間差圧が所定の圧力に保持されている。
【００４１】
水素供給弁２１は、例えば、アノードガス排出流路４５から分岐した分岐流路４７に接続されたエゼクタ（図示略）を備えている。
エゼクタは、例えば、循環ポンプ２２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１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから排出された未反応の水素の少なくとも一部を、水素遮断弁２０からアノードガス流路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１１Ａに再び供給する。
【００４２】
循環ポンプ２２は、例えば、アノードガス流路４４における水素供給弁２１とアノード供給口１１ｃとの間と、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａから水素などを排出可能なアノード排出口１１ｄと希釈器２４とを接続するアノードガス排出流路４５と、を接続する循環流路４６に設けられている。
循環ポンプ２２は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄ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２１からアノードガス流路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１１Ａに再び供給する。
【００４３】
パージ弁２３は、例えば、アノードガス排出流路４５においてアノード排出口１１ｄと希釈器２４との間に設けられ、制御装置３２の制御によってアノードガス排出流路４５を遮断可能であるとともに、アノード排出口１１ｄから排出された未反応の水素などの排出ガスを制御装置３２の制御によって希釈器２４に供給可能である。
【００４４】
希釈器２４は、例えば、パージ弁２３から供給された排出ガスの水素濃度を圧力制御弁１７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。
【００４５】
アノード温度センサ２５およびアノード圧力センサ２６は、例えば、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに供給されるアノードガスである水素の温度Ｔａおよび圧力Ｐａを検出して、検出結果の信号を出力する。
【００４６】
カソード湿度センサ２７およびカソード温度センサ２８およびカソード圧力センサ２９は、例えば、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに供給されるカソードガスである空気の湿度Ｈｂおよび温度Ｔｂおよび圧力Ｐｂを検出して、検出結果の信号を出力する。
【００４７】
コンタクタ３０は、例えば、燃料電池スタック１１の正極および負極に接続され、制御装置３２の制御によって、燃料電池スタック１１と電気負荷（例えば、パワードライブユニット（ＰＤＵ）およびモータ（Ｍ）など）との接続と遮断とを切替可能である。
【００４８】
なお、例えば、燃料電池スタック１１とコンタクタ３０との間には、燃料電池スタック１１の正極および負極間の電圧（つまり、複数の燃料電池セルの電圧の総和である総電圧）ＶＦＣを検出する電圧センサ３４が備えられ、電圧センサ３４は、検出結果の信号を出力する。
【００４９】
電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）３１は、例えば、コンタクタ３０を介した燃料電池スタック１１の正極および負極と、電気負荷との間に配置され、制御装置３２の制御によって、燃料電池スタック１１から出力される電圧および電流を調整可能である。
【００５０】
制御装置３２は、例えば、スイッチ２から車両１の起動を指示する信号が出力された以後において、各センサ２５〜２９，３３，３４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。
【００５１】
なお、燃料電池システム１０は、例えば、車両１に搭載された走行駆動用のモータ（Ｍ）およびパワードライブユニット（ＰＤＵ）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３２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３２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。
【００５２】
制御装置３２は、例えば、燃料電池システム１０の起動時発電モードとして、各工程を実行する。
制御装置３２は、例えば、第１工程では、アノードガス流路４４に水素が存在するか否かを判定する。
制御装置３２は、例えば、第２工程では、第１工程にてアノードガス流路４４に水素が存在すると判定された場合に、コンタクタ３０を接続状態にする。
制御装置３２は、例えば、第６工程では、カソードガス流路４１を介してカソード１１Ｂに空気を供給する。
制御装置３２は、例えば、第７工程では、電圧センサ３４によって検出された電圧ＶＦＣが所定電圧に到達した場合に、燃料電池スタック１１に電気負荷を接続して、出力される電圧ＶＦＣを所定電圧以下に維持しつつ燃料電池スタック１１の発電（つまり電気負荷へのディスチャージ）を行なう。
【００５３】
制御装置３２は、例えば、第２工程では、スイッチ２によって車両１の起動が指示された場合に、燃料電池システム１０の停止放置時間（ソーク時間）と、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣと、アノード１１Ａの圧力Ｐａと、アノード１１Ａまたはカソード１１Ｂの酸素濃度と、のうち少なくとも何れか１つが各所定状態となる場合に、コンタクタ３０を接続状態にする。
【００５４】
例えば、制御装置３２は、燃料電池システム１０の停止放置時間（ソーク時間）が所定時間以内であればアノード１１Ａおよびカソード１１Ｂに水素が存在すると判定する。
また、例えば、制御装置３２は、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣが所定電圧以下であれば、アノード１１Ａに水素が存在すると判定する。一方、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣが所定電圧よりも高い場合には、カソード１１Ｂに酸素が存在していることにより、アノード１１Ａに水素が供給されることに起因して、電圧ＶＦＣが上昇する可能性があると判定する。
また、例えば、制御装置３２は、アノード１１Ａの圧力Ｐａが所定圧力以上あるいは燃料電池システム１０の停止放置中のアノード１１Ａの圧力Ｐａの変化幅が減少傾向であれば、アノード１１Ａに水素が存在すると判定する。
また、例えば、制御装置３２は、アノード１１Ａまたはカソード１１Ｂの酸素濃度が所定濃度以下であれば、アノード１１Ａに水素が存在すると判定する。
【００５５】
例えば、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、前回の燃料電池システム１０の停止時に所定の停止時発電などが実行されてカソード１１Ｂの酸素濃度が低減された後に封止入口弁１５および封止出口弁１６が遮断されて停止放置状態になると、カソード１１Ｂの酸素濃度はほぼゼロとなる。
これに対し、ソーク時間の増大に伴い、アノード１１Ａからの水素の流出およびアノード１１Ａへの空気の流入に伴う水素の消費によって、アノード１１Ａの水素濃度および圧力は低下傾向に変化する。
そして、ソーク時間の増大によって、例えば時刻ｔａ以降のように、アノード１１Ａの水素濃度が所定濃度以下に低下すると、アノード１１Ａに流入した空気が残留することによって、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣはゼロから増大し、アノード１１Ａの圧力は増大傾向に変化する。
したがって、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣが所定電圧以下の場合と、アノード１１Ａの圧力Ｐａの変化幅が減少傾向の場合とにおいて、アノード１１Ａに水素が存在すると判定される。
【００５６】
制御装置３２は、例えば、バイパス弁１８を開成しつつ第６工程を実行する。
制御装置３２は、例えば、バイパス弁１８を開成した後に、バイパス弁１８を閉じつつ、かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６を開成して第６工程を実行する。
制御装置３２は、例えば、定電圧制御などによって、電圧センサ３４によって検出された燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣが所定範囲の電圧になるようにして第７工程を実行する。
【００５７】
制御装置３２は、例えば、起動時発電モードの実行開始から所定時間が経過した場合に起動時発電モードに換えて通常発電モードを実行する。
通常発電モードは、例えば、燃料電池システム１０のアイドル運転状態などを含む運転モードであって、起動時発電モードに比べて、エアストイキ（つまり、所望の発電電流を出力するために必要とされるカソードガスの理論消費量に対する供給量の比率）がより小さく、かつ発電電流がより小さい状態の運転モードである。
【００５８】
また、制御装置３２は、例えば、燃料電池システム１０の起動時発電モードとして、各工程を実行する。
制御装置３２は、例えば、第２工程では、コンタクタ３０を開放状態から接続状態へと切り替える。
制御装置３２は、例えば、第３工程では、循環ポンプ２２を駆動する。
制御装置３２は、例えば、第４工程では、アノードガス流路４４に水素の供給を開始するとともにパージ弁２３を開成する。
【００５９】
制御装置３２は、例えば、第５工程では、所定パージの実施後にパージ弁２３を閉じる。
制御装置３２は、例えば、第６工程では、カソードガス流路４１を介してカソード１１Ｂに空気を供給する。
制御装置３２は、例えば、第７工程では、電圧センサ３４によって検出された電圧ＶＦＣが所定電圧に到達した場合に、燃料電池スタック１１に電気負荷を接続して、出力される電圧ＶＦＣを所定電圧以下に維持しつつ燃料電池スタック１１の発電（つまり電気負荷へのディスチャージ）を行なう。
【００６０】
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、車両１の起動を指示する信号がスイッチ２から出力された以後における燃料電池システム１０の起動時の制御装置３２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。
【００６１】
先ず、例えば図３に示すステップＳ０１においては、封止入口弁１５および封止出口弁１６の遮断状態での燃料電池システム１０の停止放置時間（ソーク時間）が所定時間以内であるか否か、または、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣが所定電圧以下であるか否か、または、アノード１１Ａの圧力（例えば、アノード１１Ａの入口側における水素の圧力など）Ｐａが所定圧力以上であるか否かを判定する。
これらの判定結果の少なくともいずれか１つが「ＹＥＳ」の場合には、アノード１１Ａに水素が存在すると判定し、ステップＳ０２に進む。そして、ステップＳ０２においては、起動時ディスチャージ実施フラグＦ＿ＳＴＤＣＨＧＯＫのフラグ値に、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）の実施を示す「１」を設定する。
一方、これらの判定結果の全てが「ＮＯ」の場合には、アノード１１Ａに水素が存在しないと判定し、ステップＳ０３に進む。そして、ステップＳ０３においては、起動時ディスチャージ実施フラグＦ＿ＳＴＤＣＨＧＯＫのフラグ値に、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）の禁止を示す「０」を設定する。
【００６２】
次に、ステップＳ０４においては、コンタクタ３０を開放状態から接続状態へと切り替える。そして、バイパス弁１８および水素遮断弁２０および水素供給弁２１を開成する。
そして、循環ポンプ２２を駆動し、循環ポンプ２２の回転数に対する指令値として所定の起動時指令値（所定循環ポンプ指令値）を設定する。
【００６３】
次に、ステップＳ０５においては、エアポンプ１３を駆動し、エアポンプ１３の回転数に対する指令値として、例えば、希釈器２４に供給される空気の所定の希釈空気量に対応した所定の起動時指令値（所定エアポンプ指令値）を設定する。
【００６４】
次に、ステップＳ０６においては、アノードガス流路４４に水素の供給を開始し、アノード１１Ａの圧力（例えば、アノード１１Ａの入口側における水素の圧力など）Ｐａが所定の目標圧力になるように制御する。
【００６５】
次に、ステップＳ０７においては、アノード１１Ａの圧力（例えば、アノード１１Ａの入口側における水素の圧力など）Ｐａが所定のパージ許可圧力よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０７の判定処理を繰り返す。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０８に進む。
【００６６】
そして、ステップＳ０８においては、パージ弁２３を開成する。
そして、ステップＳ０９においては、水素のパージ量（つまり、パージ弁２３からの水素の排出量）は所定のＯＣＶパージ量よりも大きいか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０９の判定処理を繰り返す。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、パージ弁２３を閉じて、ステップＳ１０に進む。
【００６７】
次に、ステップＳ１０においては、パージ弁２３を閉じてから所定時間が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１０の判定処理を繰り返す。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１１に進む。
次に、ステップＳ１１においては、遮断状態の封止入口弁１５および封止出口弁１６を開放状態に切り替える。
【００６８】
次に、ステップＳ１２においては、起動時ディスチャージ実施フラグＦ＿ＳＴＤＣＨＧＯＫのフラグ値が「１」であるか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１５に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１３に進む。
【００６９】
次に、ステップＳ１３においては、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣが所定の発電許可電圧よりも高いか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、後述するステップＳ１５に進む。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１４に進む。
そして、ステップＳ１４においては、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）を開始する。
【００７０】
次に、ステップＳ１５においては、遮断状態の封止入口弁１５および封止出口弁１６を開放状態に切り替えてから所定時間が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１５の判定処理を繰り返す。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１６に進む。
そして、ステップＳ１６においては、バイパス弁１８を閉じる。
次に、ステップＳ１７においては、エアポンプ１３の回転数に対する指令値として、例えば、エアポンプ１３のアイドル運転状態などでカソードガス流路４１に排出される所定の通常運転時空気量に対応した所定の起動後指令値（例えば、所定アイドル指令値など）を設定し、エンドに進む。
【００７１】
例えば図４に示す時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間のように、車両１の停止時における燃料電池システム１０の停止放置（ソーク）の状態では、封止入口弁１５および封止出口弁１６およびバイパス弁１８および水素遮断弁２０および水素供給弁２１およびパージ弁２３は遮断（ＣＬＯＳＥ）状態である。さらに、エアポンプ１３および循環ポンプ２２は停止（ＯＦＦ）状態であり、コンタクタ３０は開放（ＯＦＦ）状態であり、アノード１１Ａの圧力および燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣおよび発電電流はゼロである。
【００７２】
そして、例えば、車両１の起動を指示する信号がスイッチ２から出力された時刻ｔ１において、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）での水素によるアノード１１Ａの置換（いわゆるＯＣＶパージ）が開始される。
このアノード置換では、バイパス弁１８および水素遮断弁２０および水素供給弁２１は遮断状態から開成（ＯＰＥＮ）状態へと切り替えられる。そして、コンタクタ３０は開放状態から接続（ＯＮ）状態へと切り替えられる。そして、循環ポンプ２２は駆動が開始される。
さらに、エアポンプ１３は、時刻ｔ１つまりコンタクタ３０の接続（ＯＮ）タイミングから所定時間後の時刻ｔ２において駆動が開始される。
【００７３】
これらにより、例えばソーク時間などに応じて水素が存在していると判定されたアノード１１Ａに水素が追加され、時刻ｔ１以降においてアノード圧力Ｐａはゼロから徐々に増大する。
そして、例えば時刻ｔ３において、アノード１１Ａの圧力Ｐａが所定のパージ許可圧力Ｐ１に到達すると、パージ弁２３は遮断状態から開成状態へと切り替えられる。
そして、例えば、水素のパージ量（つまり、パージ弁２３からの水素の排出量）が所定のＯＣＶパージ量よりも大きくなった時刻ｔ４において、パージ弁２３は開成状態から遮断状態へと切り替えられる。
【００７４】
そして、例えば、パージ弁２３が遮断状態とされてから所定時間が経過した時刻ｔ５において、封止入口弁１５および封止出口弁１６は遮断状態から開成状態へと切り替えられる。これにより、アノード置換は終了され、空気によるカソード１１Ｂの置換が開始される。このカソード置換の開始により、カソード１１Ｂに空気が供給され、時刻ｔ５以降において燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣはゼロから徐々に増大する。
【００７５】
なお、パージ弁２３が遮断状態とされてから所定時間が経過した後にアノード置換が終了されてカソード置換が実行されることにより、アノード置換でパージ弁２３から排出される水素を空気により希釈し、カソード置換でパージ弁２３から排出される水素の濃度が所定の規定値を超えないようにされている。
【００７６】
そして、例えば、適宜の時間が経過した時刻ｔ６において、バイパス弁１８は閉じられる。
また、例えば、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣが所定の発電許可電圧Ｖ１に到達する時刻ｔ７において、定電圧制御によっ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）が開始され、燃料電池スタック１１の発電電流はゼロから所定電流Ｉ１へと変化する。
【００７７】
そして、例えば、遮断状態の封止入口弁１５および封止出口弁１６を開放状態に切り替えてから所定時間が経過した時刻ｔ８において、エアポンプ１３は停止され、カソード置換が終了され、燃料電池システム１０の起動が完了する。
【００７８】
上述した図４に示すようにアノード置換およびカソード置換を実行して燃料電池システム１０を起動した場合には、例えば図５（Ａ）に示す実施例のように、時刻ｔｓに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）を実行することによって、燃料電池スタック１１の複数の燃料電池セルのカソード１１Ｂの電位を所定電位Ｖａ程度に抑制することができる。
これに対して、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）を実行せずに燃料電池システム１０を起動した場合には、例えば図５（Ｂ）に示す比較例のように、燃料電池スタック１１の複数の燃料電池セルのカソード１１Ｂの電位が所定電位Ｖａよりも高い電位Ｖｂ程度まで上昇し、カソード触媒が劣化する虞がある。
【００７９】
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、アノードガス流路４４に水素が存在すると判定された場合に、カソードガス流路４１を介してカソード１１Ｂに空気を供給することから、アノード１１Ａに水素が存在しない状態でカソードガス流路４１を介してカソード１１Ｂに空気を無駄に供給することを防止することができる。
さらに、アノード１１Ａに水素が存在しない状態で燃料電池スタック１１に電気負荷を接続することを防止し、燃料電池スタック１１の発電時のアノードガスの不足に起因して燃料電池スタック１１が劣化することを防止することができる。
また、電圧ＶＦＣを所定電圧以下に維持しつつ燃料電池スタック１１の発電（つまり電気負荷へのディスチャージ）を行なうことにより、無負荷での過大な電位の上昇（例えば、カソード１１Ｂの電位の上昇など）を防止し、過大な電位の上昇に起因して燃料電池スタック１１が劣化することを防止することができる。
【００８０】
また、遮断状態の封止入口弁１５および封止出口弁１６を開放状態に切り替えて、カソードガス流路４１を介してカソード１１Ｂに空気の供給を開始する際に、バイパス弁１８を開成することによって、カソード１１Ｂから空気によって押し出されたカソードガス排出流路４２の水素を、バイパス流路４３を流通した空気によって希釈することができる。
さらに、カソードガス流路４１に供給された空気が、カソード１１Ｂとバイパス流路４３とに分岐して流通することから、カソード１１Ｂに導入される空気を少なくすることができ、カソード１１Ｂから排出される水素の濃度が過大となることを防止することができる。
【００８１】
また、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）を行なう際に、バイパス弁を開成した後に、バイパス弁１８を閉じつつ、かつ封止入口弁１５および封止出口弁１６を開成することによって、カソード１１Ｂの酸素濃度を的確に所望の濃度にすることができる。
【００８２】
また、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）を行なう際に、例えば定電圧制御などによって燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣを所定範囲の電圧にすることによって、煩雑な制御を必要とせずに、過大な電位の上昇を容易に防止することができる。
【００８３】
また、燃料電池システム１０の起動完了後において、アイドル運転状態などを含む通常発電モードの実行によって、カソード１１Ｂに対する空気の供給量および発電電流を低減可能であり、燃料電池システム１０の運転効率を向上させることができる。
【００８４】
また、アノード置換を実行することによって、アノード１１Ａの水素濃度を的確に所望の濃度にすることができる。
また、アノード置換の実行時に封止入口弁１５および封止出口弁１６によるカソード１１Ｂの封止状態を維持することによって、カソード１１Ｂ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）することができる。
【００８５】
なお、上述した実施の形態においては、例えば、コンタクタ３０や循環ポンプ２２は省略されてもよい。
また、予めアノード１１Ａに存在する水素の濃度が所定濃度以上である場合には、アノード置換、つまりアノード１１Ａへの水素の供給およびパージ弁２３の所定期間に亘る開成は省略されてもよい。
【００８６】
なお、上述した実施の形態においては、例えば図４に示すように、カソード１１Ｂに空気が供給されてから、燃料電池スタック１１の電圧ＶＦＣが所定の発電許可電圧Ｖ１に到達した後に燃料電池スタック１１の発電を開始するとしたが、これに限定されず、例えば、カソード１１Ｂに空気の供給を開始するのと同時に燃料電池スタック１１の発電を開始してもよい。
この場合であっても、予めアノード１１Ａに水素が存在することを把握していることから、アノードストイキ（つまり、所望の発電電流を出力するために必要とされるアノードガスの理論消費量に対する供給量の比率）が不足することを防ぐことができ、燃料電池スタック１１の劣化を防止することができる。
【００８７】
なお、上述した実施の形態においては、封止入口弁１５および封止出口弁１６を備え、カソード１１Ｂ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る。
【００８８】
なお、上述した実施の形態において、封止入口弁１５および封止出口弁１６は省略されてもよい。
【００８９】
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】
【００９０】
１  車両
２  スイッチ
１０  燃料電池システム
１１  燃料電池スタック（燃料電池）
１１Ａ  アノード
１１Ｂ  カソード
１３  エアポンプ（カソードガス供給手段）
１５  封止入口弁（カソードガス供給手段、封止弁）
１６  封止出口弁（カソードガス供給手段、封止弁）
１８  バイパス弁
１９  水素タンク（アノードガス供給手段）
２０  水素遮断弁（アノードガス供給手段）
２１  水素供給弁（アノードガス供給手段）
２２  循環ポンプ（循環手段）
２３  パージ弁
３０  コンタクタ
３２  制御装置（制御手段）
３４  電圧センサ（電圧検出手段）
４１  カソードガス流路
４２  カソードガス排出流路
４３  バイパス流路
４４  アノードガス流路
４５  アノードガス排出流路
４６  循環流路（アノードガス循環流路）
【図１】
0006031564.tif 000002
【図２】
0006031564.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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