(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池を起動する際に、燃料電池の燃料極に存在していたガスが外部に排出されることを防止しつつ、燃料電池に燃料ガスを供給して燃料電池を発電可能な状態とする。【解決手段】燃料ガス供給経路３０、３１を流れる燃料ガスの流量およびオフガス循環経路を流れるオフガスの流量の少なくとも一方を制御し、燃料ガスのモル流量に対するオフガスのモル流量の比である循環比を調整する循環比調整手段３５、５０を設け、燃料電池１０で発電を開始する前に、循環比が所定範囲となるように燃料電池１０に燃料ガスを導入する発電前処理を行う。所定範囲の下限値は、発電前処理を行う前に燃料電池１０の燃料極側に存在していたガスのすべてを燃料電池１０の燃料極から排出できる値として設定する。所定範囲の上限値は、燃料電池１０に供給される燃料ガスとオフガスとの混合ガスの燃料ガス濃度を燃料電池１０が発電可能な濃度にできる値として設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）の燃料極に供給される燃料ガスが通過する燃料ガス供給経路（３０、３１）と、
前記燃料電池（１０）の燃料極の出口側と前記燃料ガス供給経路（３０、３１）とを接続し、前記燃料電池（１０）の燃料極から排出されるオフガスを前記燃料ガス供給経路（３０、３１）に合流させるオフガス循環経路（３２）と、
前記オフガス循環経路（３２）にオフガスを循環させるためのオフガス循環手段（３５、４１）と、
前記燃料ガスの流量および前記オフガスの流量の少なくとも一方を制御して、前記燃料ガス供給経路（３０、３１）を流れる燃料ガスのモル流量に対する前記オフガス循環流路（３２）を流れるオフガスのモル流量の比である循環比を調整する循環比調整手段（３４、３５、４１、４２、４３、５０）とを備え、
前記燃料電池（１０）の燃料極から排出されるオフガスは、前記オフガス循環経路（３２）を介して前記燃料ガス供給経路（３０、３１）を流れる燃料ガスに合流し、前記燃料ガスと混合されて前記燃料電池（１０）に供給されるように構成されており、
前記循環比調整手段（３４、３５、４１、４３、５０）は、前記燃料電池（１０）で発電を開始する前に、前記循環比が所定範囲となるように前記燃料電池（１０）に燃料ガスを導入する発電前処理を行うように構成され、
前記所定範囲の下限値は、前記燃料電池（１０）に燃料ガスを導入することにより、前記発電前処理を行う前に前記燃料電池（１０）の燃料極側に存在していたガスのすべてを前記燃料電池（１０）の燃料極から排出することが可能となる値として設定されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記所定範囲の上限値は、前記燃料電池（１０）に供給される燃料ガスとオフガスとの混合ガスの燃料ガス濃度を、前記燃料電池（１０）が発電可能な濃度とすることが可能となる値として設定されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環比調整手段は、前記燃料ガス供給経路（３０、３１）における前記オフガス循環経路（３２）の接続点に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することでオフガスを吸引し、燃料ガスとオフガスとを混合して吐出するとともに、前記ノズルの開度を調整して燃料ガスとオフガスとの混合割合を調整可能なエジェクタポンプ（３５）を含んでおり、
前記循環比調整手段は、前記発電前処理を行う際に、前記循環比が前記所定範囲となるように前記エジェクタポンプ（３５）のノズル開度を調整する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。
【請求項４】
前記循環比調整手段は、前記燃料ガス供給経路（３０、３１）における前記オフガス循環経路（３２）の接続点に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することでオフガスを吸引し、燃料ガスとオフガスとを混合して吐出するエジェクタポンプ（３５）と、前記燃料ガス供給経路（３０）における前記エジェクタポンプ（３５）の上流側に設けられ、燃料ガスの供給圧を変更可能な調圧機構（３４）とを含んでおり、
前記循環比調整手段は、前記発電前処理を行う際に、前記循環比が所定の範囲となるように前記調圧機構（３４）による燃料ガス供給圧を調整する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。
【請求項５】
前記燃料ガス供給経路（３０）を流れる燃料ガスの少なくとも一部を前記調圧機構（３４）をバイパスさせるバイパス経路（３９）と、
前記バイパス経路（３９）を開閉する開閉弁（４０）とを備え、
前記発電前処理を行う際に、前記開閉弁（４０）を開放することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記エジェクタポンプ（３５）は、前記ノズルの開度を調整することで燃料ガスとオフガスとの混合割合を調整可能であることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記開閉弁（４０）は、所定時間だけ開放されることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記所定時間が、前記燃料ガス供給経路（３１）内の圧力が前記燃料電池（１０）の発電開始時に必要な圧力となるのに要する時間として設定されることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス供給経路（３０、３１）における前記オフガス循環経路（３２）との合流点より下流側の経路（３１）内あるいは前記オフガス循環経路（３２）内の圧力を検出する圧力検出手段（３８）を備え、
前記開閉弁（４０）は、前記圧力検出手段（３８）にて検出した前記燃料ガス供給経路（３１）内の圧力が所定値を上回るまで開放されることを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記循環比調整手段は、前記オフガス循環経路（３２）においてオフガスを圧送するオフガス循環ポンプ（４１）と、前記燃料ガス供給経路（３０）における燃料ガスの供給圧を変更可能な調圧機構（３４）とを含んでおり、
前記循環比調整手段は、前記発電前処理を行う際に、前記オフガス循環ポンプ（４１）を作動させながら、前記循環比が前記所定範囲となるように前記調圧機構（３４）にて燃料ガスによる燃料ガスの供給圧を所定の上昇率で上昇させる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。
【請求項１１】
前記循環比調整手段は、前記オフガス循環経路（３２）においてオフガスを圧送するオフガス循環ポンプ（４１）と、前記燃料ガス供給経路（３０）における燃料ガスの供給圧を所定値にする調圧機構（３４）と、前記燃料ガス供給経路（３０）における前記調圧機構（３４）の上流側で前記燃料ガス供給経路（３０）を開閉する第１の開閉弁（３７）と、前記燃料ガス供給経路（３０）を流れる燃料ガスを前記開閉弁（３７）をバイパスさせるバイパス経路（３９）と、前記バイパス経路（３９）を開閉する第２の開閉弁（４０）と、前記バイパス経路（３９）の流路断面積を小さくするオリフィス（４２）とを含んでおり、
前記循環比調整手段は、前記発電前処理を行う際に、前記オフガス循環ポンプ（４１）を作動させながら、前記第１の開閉弁（３７）を閉鎖するとともに前記第２の開閉弁（４０）を開放する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。
【請求項１２】
前記第２の開閉弁（４０）は所定時間だけ開放されるように構成されており、前記所定時間は、前記燃料ガス供給経路（３１）内の圧力が前記燃料電池（１０）の発電開始時に必要な圧力となるのに要する時間として設定されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料ガス供給経路（３０、３１）における前記オフガス循環経路（３２）との合流点より下流側の経路（３１）内あるいは前記オフガス循環経路（３２）内の圧力を検出する圧力検出手段（３８）を備え、
前記第２の開閉弁（４０）は、前記圧力検出手段（３８）にて検出した前記燃料ガス供給経路（３１）内の圧力が所定値を上回るまで開放されることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記循環比調整手段は、前記オフガス循環経路（３２）においてオフガスを圧送するオフガス循環ポンプ（４１）と、前記燃料ガス供給経路（３０）の燃料ガスの流量を調整する流量調整機構（４３）とを含んでおり、
前記循環比調整手段は、前記発電前処理を行う際に、前記オフガス循環ポンプ（４１）を作動させながら、前記流量調整機構（４３）により前記循環比が所定範囲となるように前記燃料電池（１０）への燃料ガス供給量を調整する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。
【請求項１５】
所定の容積を有し、前記オフガス循環経路（３２）における前記オフガス循環手段（３５、４１）より上流側に設けられた容器（４４）を備えることを特徴とする請求項１ないし１４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の燃料電池システムを備える移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の停止時には、安全性および電解質膜の耐久性等の観点から燃料電池の水素極側（燃料極側）を空気もしくは不活性ガスで置換することが望ましい。また、燃料電池の水素極側を空気等で置換しない場合であっても、燃料電池を長時間放置した場合には、水素極側は空気極側から電解質膜を介して透過した空気によって置換される。そのため燃料電池で発電を開始するためには、水素極側に存在している空気を短時間で水素に置換する必要がある。
【０００３】
このような問題に対し、エジェクタを用いて水素極から排出されるオフガスを循環させる燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動時にエジェクタが逆流を起こす領域で燃料ガスを供給し、パージバルブからガスを排出することによって循環経路内を水素に置換する方法が提案されている（特許文献１参照）。水素極から排出されるオフガスを循環させる経路に、パージバルブより開口面積の大きい水素置換バルブを設け、燃料電池の起動時に水素置換バルブを開け、供給流量が一定になるように水素を供給しつつ、水素置換バルブから水素を放出する方法が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−１５７８７５号公報
【特許文献２】特開２００３−３３１８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１、２に記載の方法では、燃料電池の停止直後に再起動するような場合には、水素極側に高濃度の水素が存在しているので、高濃度の水素が排出されることがあり、安全上好ましくないという問題がある。
【０００５】
本発明は上記点に鑑み、燃料電池を起動する際に、燃料電池の燃料極に存在していたガスが外部に排出されることを防止しつつ、燃料電池に燃料ガスを供給して燃料電池を発電可能な状態とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）の燃料極に供給される燃料ガスが通過する燃料ガス供給経路（３０、３１）と、燃料電池（１０）の燃料極の出口側と燃料ガス供給経路（３０、３１）とを接続し、燃料電池（１０）の燃料極から排出されるオフガスを燃料ガス供給経路（３０、３１）に合流させるオフガス循環経路（３２）と、燃料ガスの流量およびオフガスの流量の少なくとも一方を制御して、燃料ガス供給経路（３０、３１）を流れる燃料ガスのモル流量に対するオフガス循環流路（３２）を流れるオフガスのモル流量の比である循環比を調整する循環比調整手段（３４、３５、４１、４３、５０）とを備え、燃料電池（１０）の燃料極から排出されるオフガスは、オフガス循環経路（３２）を介して燃料ガス供給経路（３０、３１）を流れる燃料ガスに合流し、燃料ガスと混合されて燃料電池（１０）に供給されるように構成されており、循環比調整手段（３４、３５、４１、４３、５０）は、燃料電池（１０）で発電を開始する前に、循環比が所定範囲となるように燃料電池（１０）に燃料ガスを導入する発電前処理を行うように構成され、所定範囲の下限値は、燃料電池（１０）に燃料ガスを導入することにより、発電前処理を行う前に燃料電池（１０）の燃料極に存在していたガスのすべてを燃料電池（１０）の燃料極から排出することが可能となる値として設定されることを特徴としている。
【０００７】
これにより、発電前処理を行う前に燃料電池（１０）の燃料極に存在していた初期ガスをオフガス循環経路（３２）で循環させながら、燃料電池（１０）の燃料極側を燃料ガスで置換することができ、短時間で燃料電池（１０）を起動させることができる。このため、仮に燃料電池（１０）の停止直後で燃料電池（１０）内に燃料ガスが残留している場合であっても、燃料ガスがシステム外に排出されることを防ぐことができる。
【０００８】
また、所定範囲の下限値を、燃料電池（１０）に燃料ガスを導入することにより、発電前処理を行う前に燃料電池（１０）の燃料極に存在していたガスのすべてを燃料電池（１０）の燃料極から排出することが可能となる値として設定することで、燃料電池（１０）内に初期ガスが残留し、燃料電池（１０）による発電が不安定化することを防止できる。なお、所定範囲の下限値は、燃料電池（１０）の燃料極容積を含む燃料ガス供給経路（３１）の容積と、オフガス循環経路（３２）の容積と、発電前処理を行う際の燃料電池（１０）への燃料ガス供給圧とに基づいて決定することができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明のように、所定範囲の上限値は、燃料電池（１０）に供給される燃料ガスとオフガスとの混合ガスの燃料ガス濃度を、燃料電池（１０）が発電可能な濃度とすることが可能となる値として設定することで、混合ガス中の燃料ガス濃度が不足し、燃料電池（１０）による発電が不安定化することを防止できる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、循環比調整手段は、燃料ガス供給経路（３０、３１）におけるオフガス循環経路（３２）の接続点に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することでオフガスを吸引し、燃料ガスとオフガスとを混合して吐出するとともに、ノズルの開度を調整して燃料ガスとオフガスとの混合割合を調整可能なエジェクタポンプ（３５）を含んでおり、循環比調整手段は、発電前処理を行う際に、循環比が所定範囲となるようにエジェクタポンプ（３５）のノズル開度を調整することを特徴としている。
【００１１】
このように、エジェクタポンプ（３５）のノズル開度を調整して燃料ガス流量を調整することで、エジェクタポンプ（３５）への燃料ガス供給圧が一定の場合でも、オフガス循環流量を調整して循環比を調整することができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明では、循環比調整手段は、燃料ガス供給経路（３０、３１）におけるオフガス循環経路（３２）の接続点に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することでオフガスを吸引し、燃料ガスとオフガスとを混合して吐出するエジェクタポンプ（３５）と、燃料ガス供給経路（３０）におけるエジェクタポンプ（３５）の上流側に設けられ、燃料ガスの供給圧を変更可能な調圧機構（３４）とを含んでおり、循環比調整手段は、発電前処理を行う際に、循環比が所定の範囲となるように調圧機構（３４）による燃料ガス供給圧を調整することを特徴としている。
【００１３】
これにより、調圧機構（３４）でエジェクタポンプ（３５）への燃料ガス供給圧を変更することで、同一の燃料ガス流量でもオフガス循環流量を調整することができ、循環比を調整することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明では、燃料ガス供給経路（３０）を流れる燃料ガスの少なくとも一部を調圧機構（３４）をバイパスさせるバイパス経路（３９）と、バイパス経路（３９）を開閉する開閉弁（４０）とを備え、発電前処理を行う際に、開閉弁（４０）を開放することを特徴としている。これにより、一時的にエジェクタポンプ（３５）への燃料ガス供給圧を高めることができ、オフガス循環手段のオフガス循環能力を高めることができる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明のように、エジェクタポンプ（３５）は、ノズルの開度を調整することで燃料ガスとオフガスとの混合割合を調整可能なものを用いることができる。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明のように、開閉弁（４０）を所定時間だけ開放することで、燃料電池（１０）へのガス供給圧が高くなって燃料電池（１０）に過剰な圧力が印加されることを防止できる。
【００１７】
また、請求項８に記載の発明のように、所定時間は、燃料ガス供給経路（３１）内の圧力が燃料電池（１０）の発電開始時に必要な圧力となるのに要する時間として設定することができる。なお、所定時間は、燃料電池（１０）の燃料極の容積と、燃料ガス供給経路（３１）におけるオフガス循環経路（３２）との合流点より下流側の容積と、オフガス循環経路（３２）の容積と、燃料電池（１０）への燃料ガスの供給流量とに基づいて設定することができる。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明では、燃料ガス供給経路（３０、３１）におけるオフガス循環経路（３２）との合流点より下流側の経路（３１）内あるいはオフガス循環経路（３２）内の圧力を検出する圧力検出手段（３８）を備え、開閉弁（４０）は、圧力検出手段（３８）にて検出した燃料ガス供給経路（３１）内の圧力が所定値を上回るまで開放されることを特徴としている。これにより、燃料電池（１０）へのガス供給圧が高くなって燃料電池（１０）に過剰な圧力が印加されることを防止できる。
【００１９】
また、請求項１０に記載の発明では、循環比調整手段は、オフガス循環経路（３２）においてオフガスを圧送するオフガス循環ポンプ（４１）と、燃料ガス供給経路（３０）における燃料ガスの供給圧を変更可能な調圧機構（３４）とを含んでおり、循環比調整手段は、発電前処理を行う際に、オフガス循環ポンプ（４１）を作動させながら、循環比が所定範囲となるように調圧機構（３４）にて燃料ガスによる燃料ガスの供給圧を所定の上昇率で上昇させることを特徴としている。このように調圧機構（３４）で燃料ガス供給圧を徐々に上昇させることで、燃料電池（１０）への水素導入量を制限し、循環比を所定範囲にすることができる。
【００２０】
また、請求項１１に記載の発明では、循環比調整手段は、オフガス循環経路（３２）においてオフガスを圧送するオフガス循環ポンプ（４１）と、燃料ガス供給経路（３０）における燃料ガスの供給圧を所定値にする調圧機構（３４）と、燃料ガス供給経路（３０）における調圧機構（３４）の上流側で燃料ガス供給経路（３０）を開閉する第１の開閉弁（３７）と、燃料ガス供給経路（３０）を流れる燃料ガスを開閉弁（３７）をバイパスさせるバイパス経路（３９）と、バイパス経路（３９）を開閉する第２の開閉弁（４０）と、バイパス経路（３９）の流路断面積を小さくするオリフィス（４２）とを含んでおり、循環比調整手段は、発電前処理を行う際に、オフガス循環ポンプ（４１）を作動させながら、第１の開閉弁（３７）を閉鎖するとともに第２の開閉弁（４０）を開放することを特徴としている。このように、流路断面積を小さくするオリフィス（４２）を設け、オリフィス（４２）径を変更することで燃料ガス流量を調整することができ、循環比を所定範囲にすることができる。
【００２１】
また、請求項１２に記載の発明では、第２の開閉弁（４０）は所定時間だけ開放されるように構成されており、所定時間は、燃料ガス供給経路（３１）内の圧力が燃料電池（１０）の発電開始時に必要な圧力となるのに要する時間として設定されることを特徴としている。これにより、燃料電池（１０）へのガス供給圧が高くなって燃料電池（１０）に過剰な圧力が印加されることを防止できる。
【００２２】
また、請求項１３に記載の発明では、燃料ガス供給経路（３０、３１）におけるオフガス循環経路（３２）との合流点より下流側の経路（３１）内あるいはオフガス循環経路（３２）内の圧力を検出する圧力検出手段（３８）を備え、第２の開閉弁（４０）は、圧力検出手段（３８）にて検出した燃料ガス供給経路（３１）内の圧力が所定値を上回るまで開放されることを特徴としている。これにより、燃料電池（１０）へのガス供給圧が高くなって燃料電池（１０）に過剰な圧力が印加されることを防止できる。
【００２３】
また、請求項１４に記載の発明では、循環比調整手段は、オフガス循環経路（３２）においてオフガスを圧送するオフガス循環ポンプ（４１）と、燃料ガス供給経路（３０）の燃料ガスの流量を調整する流量調整機構（４３）とを含んでおり、循環比調整手段は、発電前処理を行う際に、オフガス循環ポンプ（４１）を作動させながら、流量調整機構（４３）により循環比が所定範囲となるように燃料電池（１０）への燃料ガス供給量を調整することを特徴としている。これにより、流量調整機構（４３）で燃料ガス流量を調整することで、循環比を所定範囲にすることができる。
【００２４】
また、請求項１５に記載の発明では、所定の容積を有し、前記オフガス循環経路（３２）における前記オフガス循環手段（３５、４１）より上流側に設けられた容器（４４）を備えることを特徴としている。これにより、発電前処理を行う際の循環比の下限値を低くすることができ、オフガス循環手段の循環能力を低くすることができる。
【００２５】
また、請求項１６に記載の発明では、請求項１ないし１５のいずれか１つに記載の燃料電池システムを備える移動体であることを特徴としている。
【００２６】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。
【００２８】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、図示しない車両走行用モータ、二次電池、補機等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００２９】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層され直列接続されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対のセパレータで挟まれた構成となっている。燃料電池１０の各セルでは、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
【００３０】
（水素極側）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側）  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給経路２０と、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２１が設けられている。
【００３１】
空気供給経路２０には、空気を圧送して燃料電池１０に空気を供給するための空気供給装置２２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置２２としてコンプレッサを用いている。空気排出経路２１には、空気排出経路２１の流路断面積を調整することで燃料電池１０内の空気圧を調整する背圧調整弁２３が設けられている。
【００３２】
また、燃料電池１０の水素極（燃料極）側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０、３１と、燃料電池１０の水素極側から排出される未反応水素を含んだオフガスを燃料電池１０の再供給するためのオフガス循環経路３２とが設けられている。オフガス循環経路３２は、燃料電池１０の水素極出口側と水素供給経路３０とを接続している。水素供給経路３０、３１は、オフガス循環経路３２との合流点を境にして、上流側の第１水素供給経路３０と下流側の第２水素供給経路３１とから構成される。第１水素供給経路３０には、水素供給装置３３から供給される水素のみが流れ、第２水素供給経路３１には水素供給装置３３から供給される水素とオフガス循環経路３２により循環するオフガスとの混合ガスが流れる。
【００３３】
第１水素供給経路３０には、水素供給装置３３と調圧機構３４が設けられている。本実施形態では、水素供給装置３３として水素ガスが充填された高圧水素タンクを用いている。本実施形態の調圧機構３４は、水素の供給圧力を固定値に調整する圧力調整弁であり、本実施形態では調圧機構３４による水素供給圧を３００ｋＰａ・ａｂｓとしている。
【００３４】
水素供給経路３０におけるオフガス循環経路３２の合流点には、オフガス循環経路３２を流れるガスを循環させるためのオフガス循環手段としてのエジェクタポンプ３５が設けられている。エジェクタポンプ３５は、水素供給装置３３から供給される水素をノズル（図示せず）から高速で噴射して負圧を発生させ、オフガス循環経路３２を流れるオフガスを吸引し、水素とオフガスを混合して吐出するように構成されている。エジェクタポンプ３５は、ノズル開度を変更して水素流量を変化させるか、あるいはエジェクタポンプ３５への水素供給圧（エジェクタポンプ３５の一次圧）を変化させることで、オフガス循環流量を調整することができる。本実施形態のエジェクタポンプ３５は、ノズル開度を図示しないアクチュエータにより変更し、オフガス循環経路３２を流れるオフガス流量を調整することができるように構成されている。
【００３５】
オフガス循環流路３２には、オフガスを外部に排出するためのパージバルブ３６が設けられている。燃料電池１０の運転に伴って燃料電池１０の水素極側に窒素等の不純物が蓄積され、燃料電池１０から排出されるオフガス中の不純物濃度が高くなり水素濃度が低くなる。このため、燃料電池１０の運転中にパージバルブ３６を所定のタイミングで開放し、水素濃度が低くなったオフガスの一部をオフガス循環流路３２から外部に放出する。
【００３６】
また、燃料電池システムには、各種演算処理を行う制御装置５０が設けられている。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。制御装置５０は、エジェクタポンプ３５に制御信号に出力するように構成され、エジェクタポンプ３５は制御信号に基づいてノズル開度を変化させオフガス循環経路３２を流れるオフガス流量を調整する。また、図示を省略しているが、制御装置５０は、空気供給装置２２、背圧調整弁２３、水素供給装置３３、パージバルブ３６等にも制御信号を出力し、これらの装置は制御装置５０からの制御信号を受けて作動するように構成されている。なお、本実施形態では、エジェクタポンプ３５と制御装置５０とが本発明の循環比調整手段に相当している。
【００３７】
次に、本実施形態の燃料電池システムによる燃料電池１０の発電前処理について説明する。
【００３８】
図２は、水素供給経路３０、３１とオフガス循環経路３２におけるガスの流れを示している。図２に示すように、燃料電池１０は一般的には１００〜４００枚の単セル１００が積層されたものであり、燃料電池１０に供給されるガスは各セル１００に分配されて供給される。
【００３９】
燃料電池１０の水素極側は、燃料電池１０の運転停止時に大気圧の空気（窒素リッチガス）で置換されており、燃料電池１０で発電を開始するためには、発電開始前に燃料電池１０の水素極側を窒素リッチガスからなる初期ガスを排出して水素に置換する必要がある。このため、本実施形態では、燃料電池１０を起動する前に、水素供給経路３０、３１から水素を供給して燃料電池１０の水素極側に存在する初期ガスを排出させる発電前処理を行う。
【００４０】
発電前処理により燃料電池１０から排出された窒素リッチガスは、オフガス循環経路３２を介して第２水素供給経路３１に合流し、水素と窒素の混合ガスとして燃料電池１０に供給される。本実施形態では、燃料電池１０の起動前に燃料電池１０に水素を供給する際に、第２水素供給経路３１を通過するガスのモル流量Ａに対するオフガス循環経路３２を通過するガスのモル流量Ｂの循環比（Ｂ／Ａ）が所定範囲（本例では０．２〜１）内となるようしている。
【００４１】
まず、循環比の下限値について説明する。循環比が小さすぎる場合には、オフガス循環経路３２のオフガス循環量が不足して、燃料電池１０の水素極に存在している窒素リッチガスの排出量が過小となり、燃料電池１０の水素極出口付近に窒素リッチガスが残留する。そして、窒素リッチガスが残留したセル１００への混合ガスの供給量が不足する結果となり、窒素リッチガスが残留したセル１００は水素不足になる。この状態で燃料電池１０が発電開始すると、水素が不足しているセル１００では発電が不安定になる。そのため、燃料電池１０起動時における水素導入時に燃料電池１０の水素極側から窒素リッチガスをすべて排出する必要がある。
【００４２】
そこで、上記循環比の下限値は、燃料電池１０を起動する前に燃料電池１０の水素極に存在する窒素リッチガスを水素導入時にすべて排出することが可能となる循環比として決定される。具体的には、循環比の下限値は、第２水素供給経路３１の容積とオフガス循環経路３２の容積と起動時の燃料電池１０への水素供給圧とから決定される。ここで、第２水素供給経路３１の容積は、図２で太斜線で示した部分の容積であり、燃料電池１０の水素流入側マニホールドと水素極の容積が含まれている。また、オフガス循環経路３２の容積は、図２で細斜線で示した部分の容積であり、燃料電池１０の水素流出側マニホールドの容積が含まれている。
【００４３】
第２水素供給経路３１の容積がオフガス循環経路３２の容積に対して大きい場合は、燃料電池１０の水素極から多量のガスを排出させる必要があるので、循環比を大きくする必要がある。一方、第２水素供給経路３１の容積がオフガス循環経路３２の容積に対して小さい場合は、燃料電池１０の水素極から少量のガスを排出させればいいので、循環比を小さくすることができる。
【００４４】
図３は、燃料電池１０の水素導入圧力と循環比の下限値との関係を示している。図３は、燃料電池１０の水素極容積を含む混合ガス供給経路３１の容積が５リットルで、オフガス循環経路３２の容積が０．３リットルの場合を示している。図３に示す例では、燃料電池１０が起動する際の水素導入圧力が２００ｋＰａ・ａｂｓの場合には、必要な循環比が０．５程度となり、導入圧力が３００ｋＰａ・ａｂｓの場合には、必要な循環比が０．２程度となる。
【００４５】
次に、循環比の上限値について説明する。循環比が大きすぎる場合には、燃料電池１０の水素極に存在している窒素リッチガスの排出量が過多となり、この結果、燃料電池１０に供給される混合ガス中の窒素濃度が高くなり水素濃度が低くなる。この場合には、循環比が小さすぎる場合と同様、燃料電池１０は水素不足となり、発電が不安定になる。
【００４６】
そこで、上記循環比の上限値は、燃料電池１０が安定した発電を行うことが可能な水素濃度から決定される。例えば、燃料電池１０で安定した発電を行うために必要な水素濃度が、第２水素供給経路３１から供給される混合ガス中の５０％以上であるとした場合、循環比の上限は１となる。
【００４７】
次に、循環比の調整方法について説明する。本実施形態のエジェクタポンプ３５は、調圧機構３４から第１水素供給経路３０を介して供給される水素の圧力（エジェクタポンプ３５の一次圧）が一定の場合にも、ノズル開度を変化させることでオフガス循環経路３２を流れるガス流量を調整することができる。すなわち、エジェクタポンプ３５のノズル開度を調整することで循環比を調整することができる。
【００４８】
図４は、エジェクタポンプ３５のノズル開度と循環比との関係を示している。図４に示すように、本実施形態のエジェクタポンプ３５は、ノズル開度を２０％としたときに循環比が１となり、ノズル開度を５０％としたときに循環比が０．２となる。したがって、エジェクタポンプ３５のノズル開度を２０〜５０％の範囲内にすることで、循環比を０．２〜１の範囲内にすることができる。
【００４９】
燃料電池１０を起動する前の初期状態では、第２水素供給経路３１と燃料電池１０の水素極側は、大気圧の空気で満たされている。本実施形態では、燃料電池１０の発電前処理として、エジェクタポンプ３５のノズル開度を４０％として水素供給装置３３からの水素供給を開始し、燃料電池１０の水素極側に、水素濃度が５０％以上かつ水素圧が３００ｋＰａ・ａｂｓ以上となるまで水素を導入する。この発電前処理は、予め設定された所定時間行う。この所定時間は、燃料電池１０の水素極側が起動時の供給圧になるまでに要する時間であり、燃料電池１０への水素供給流量と、図２において太斜線で示す第２水素供給経路３１の容積と、図２において細斜線で示すオフガス循環経路３２の容積とから決定することができる。そして、発電前処理開始から所定時間経過後、燃料電池１０を起動させる。
【００５０】
以上のように、燃料電池１０の起動前に、循環比を所定範囲内とする発電前処理を行うことで、燃料電池１０の水素極側から初期ガスを排出して水素で置換することができ、短時間で燃料電池１０を起動させることができる。また、本実施形態の構成によれば、燃料電池１０の水素極側を水素で置換する際に燃料電池１０の水素極側に存在していた初期ガスを排出しないので、仮に燃料電池１０の停止直後で燃料電池１０内に水素が残留している場合であっても、水素がシステム外に排出されることを防ぐことができる。
【００５１】
燃料電池１０を起動する際に循環比が所定範囲（０．２〜１程度）になるようにすることで、燃料電池１０の水素極内の窒素リッチガスが排出され、燃料電池１０に供給される水素に混合される。この結果、水素と窒素の混合ガスの粘性係数を向上させる効果により、燃料電池１０内の窒素リッチガスの排出が促進される。この点について説明する。
【００５２】
図５は、水素と窒素との混合ガスの組成割合と、混合ガスの粘性係数との関係を示している。窒素の粘性は水素に比べて約２倍である。流路内の層流の圧損は流体の粘性係数に比例するので、セル１００内に窒素が主に存在する場合は、セル１００内に水素が主に存在する場合に比較して、圧損が約２倍になる。このため、各セル１００におけるガス流量は、水素が主に存在するセル１００では、窒素が主に存在するセル１００と比較して約２倍となり、水素の組成比が高いセル１００に集中的に混合ガスが流れ込む。
【００５３】
燃料電池１０の起動時に水素を燃料電池１０に導入する際、水素入口側付近のセル１００が先に混合ガスによって置換される。このため、混合ガスの水素濃度が高い場合には、燃料電池１０の入口側付近のセル１００に混合ガスの流れが集中することになり、燃料電池１０の水素入口側から離れているセル１００では窒素リッチガスから水素への置換がなされなくなる。この結果、各セル１００の水素濃度がばらつくこととなる。
【００５４】
これに対し、本実施形態のように、燃料電池１０を起動する際に、循環比が所定範囲（０．２〜１程度）にすることで、水素に窒素が混合されて混合ガスの粘性が高くなる。つまり、燃料電池１０に供給される混合ガスと燃料電池１０の水素極に存在する窒素リッチガスの粘性が近くなる。この結果、混合ガスは燃料電池１０の水素入口側から離れているセル１００にも流れるようになって、各セル１００における水素の分配が均一化し、各セル１００の水素濃度を均一化することができる。
【００５５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６、図７に基づいて説明する。
【００５６】
図６は、本第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。本実施形態では、エジェクタポンプ３５のノズル開度が固定値となっており、調圧機構３４は弁の開度を変更することで水素供給圧を変更可能に構成されている。本実施形態の調圧機構３４は、１００〜５００ｋＰａ・ａｂｓの範囲内で水素供給圧を変更できる。このため、本実施形態では、調圧機構３４によりエジェクタポンプ３５に供給される水素の圧力（エジェクタポンプ３５の一次圧）を変更することで、オフガス循環経路３２を流れるオフガス流量を調整する。なお、本実施形態では、調圧機構３４とエジェクタポンプ３５と制御装置５０とが本発明の循環比調整手段に相当している。
【００５７】
図６に示すように、第１水素供給経路３０における調圧機構３４とエジェクタポンプ３５との間には、第１水素供給経路３０を開閉するためのシャットバルブ３７が設けられている。また、第２水素供給経路３１には、第２水素供給経路３１内の圧力を検出するための圧力検出手段としての圧力センサ３８が設けられている。なお、圧力センサ３８は、第２水素供給経路３１に限らず、オフガス循環経路３２に設けてもよい。
【００５８】
制御装置５０には圧力センサ３８のセンサ信号が入力するように構成されている。また、制御装置５０は、調圧機構３４とシャットバルブ３７に制御信号を出力するように構成されており、調圧機構３４は制御装置５０からの制御信号を受けてエジェクタポンプ３５への水素供給圧を調整し、シャットバルブ３７制御装置５０からの制御信号を受けて第１水素供給経路３０を開閉するように構成されている。
【００５９】
図７は、本実施形態におけるエジェクタポンプ３５の一次圧と循環比との関係を示している。図７に示すように、エジェクタポンプ３５の一次圧が４００ｋＰａ・ａｂｓのときに循環比が０．２となり、エジェクタポンプ３５の一次圧が５００ｋＰａ・ａｂｓのときに循環比が１となる。したがって、循環比を０．２〜１の範囲内にするためには、調圧機構３４によりエジェクタポンプ３５の一次圧を４００〜５００ｋＰａ・ａｂｓの範囲内に調整すればいいことがわかる。
【００６０】
本実施形態では、調圧機構３４によりエジェクタポンプ３５の一次圧を４５０ｋＰａ・ａｂｓとしてシャットバルブ３７を開放する。これにより、水素供給装置３３から水素が供給され、燃料電池１０の水素極側から窒素リッチガスが排出され水素で置換される。圧力センサ３８にて検出した第２水素供給経路３１の圧力が３００ｋＰａ・ａｂｓになったときにシャットバルブ３７を閉鎖する。そして、調圧機構３５の水素供給圧を通常発電時の水素供給圧に設定してシャットバルブ３７を開放し、燃料電池１０による発電を開始して通常運転に移行する。
【００６１】
以上の本第２実施形態の構成により、エジェクタポンプ３５の一次圧を一時的に上昇させることができ、オフガス流量を燃料電池１９の定常発電時以上にすることが可能となる。これにより、上記第１実施形態と同様、燃料電池１０の水素極側に存在している初期ガスがシステム外に排出されることを防ぎつつ、燃料電池１０の水素極側から初期ガスを排出して水素で置換することができ、短時間で燃料電池１０を起動させることができる。
【００６２】
また、本実施形態のように調圧機構３４でエジェクタポンプ３５の一次圧を調整することで、上記第１実施形態のようにエジェクタポンプ３５のノズル開度する場合より、短時間で燃料電池１０に水素を導入することができる。
【００６３】
また、第２水素供給経路３１内の圧力が所定圧力になったときに発電前処理を終了することで、発電前処理を行う際にのみエジェクタポンプ３５の一次圧を上げ、定常運転時にはエジェクタポンプ３５の一次圧を下げることが可能となるので、安全性を高めることができる。
【００６４】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８に基づいて説明する。
【００６５】
本第３実施形態では、図１で示した上記第１実施形態の燃料電池システムの構成において、ノズル開度を変更可能なエジェクタポンプ３５に加え、調圧機構３４が上記第２実施形態と同様に水素供給圧を変更可能に構成されている。本実施形態の調圧機構３４は、１００〜５００ｋＰａ・ａｂｓの範囲内で水素供給圧を変更できる。このため、本第３実施形態では、エジェクタポンプ３５のノズル開度を変更することと、調圧機構３４で水素供給圧を変更することで、循環比を調整することができる。なお、本実施形態では、調圧機構３４とエジェクタポンプ３５と制御装置５０とが本発明の循環比調整手段に相当している。
【００６６】
図８は、エジェクタポンプ３５のノズル開度とエジェクタポンプ３５の一次圧との関係と、エジェクタポンプ３５の一次圧と循環比との関係を示している。図８は、ガス導入量を５００ＮＬ（ノルマルリットル）／ｍｉｎとして燃料電池１０に燃料ガスを導入する場合を示している。
【００６７】
図８に示すように、循環比を０．２〜１の範囲内にするためには、エジェクタポンプ３５の一次圧を３００〜８００ｋＰａ・ａｂｓの範囲内にすればいいことがわかる。また、エジェクタポンプ３５の一次圧を３００〜８００ｋＰａ・ａｂｓの範囲内として、燃料ガス導入量を５００ＮＬ／ｍｉｎとするためには、エジェクタポンプ３５のノズル開度を２０〜６０％の範囲内にすればいいことがわかる。
【００６８】
本実施形態では、調圧機構３４によりエジェクタポンプ３５の一次圧を５００ｋＰａ・ａｂｓとし、エジェクタポンプ３５のノズル開度を４０％として水素供給装置３３から水素の供給を開始して発電前処理を開始する。発電前処理を開始してから所定時間経過後に発電前処理を終了する。エジェクタポンプ３５のノズル開度を小さくし、調圧機構３４による水素供給圧を低下させ、エジェクタポンプ３５の一次圧を３００ｋＰａ・ａｂｓとして通常運転に移行する。
【００６９】
以上の構成により、上記各実施形態と同様、燃料電池１０の水素極側に存在している初期ガスがシステム外に排出されることを防ぎつつ、燃料電池１０の水素極側から初期ガスを排出して水素で置換することができ、短時間で燃料電池１０を起動させることができる。
【００７０】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図９、図１０に基づいて説明する。
【００７１】
本第４実施形態は、上記第１実施形態と同様、エジェクタポンプ３５はノズル開度を変更可能に構成されており、調圧機構３４は水素供給圧を固定値（３００ｋＰａ・ａｂｓ）に調圧するように構成されている。このため、本第４実施形態では、エジェクタポンプ３５のノズル開度を変更することで、循環比を調整することができる。なお、本実施形態では、調圧機構３４とエジェクタポンプ３５と制御装置５０とが本発明の循環比調整手段に相当している。
【００７２】
図９は、本第４実施形態の燃料電池システムの概念図である。図９に示すように、本第４実施形態では、第１水素供給経路３０において調圧機構３４とシャットバルブ３７をバイパスするバイパス経路３９が設けられている。バイパス経路３９には、バイパス経路３９を開閉する開閉手段としてのバイパス経路用シャットバルブ４０が設けられている。水素供給経路３０から供給される水素は、バイパス経路用シャットバルブ４０を閉鎖した場合は、第１水素供給経路のみを流れ、バイパス経路用シャットバルブ４０を開放した場合は、第１水素供給経路およびバイパス経路３９を流れる。水素供給装置３３から供給される水素をバイパス経路３９により調圧機構３４をバイパスさせた場合には、エジェクタポンプ３５の一次圧が燃料電池１０の電解質膜の耐圧より高くなる可能性があるので、バイパス経路用シャットバルブ４０の開放時間を制限して燃料電池１０に過剰な圧力が印加されることを防ぐことが必要となる。
【００７３】
図１０は、エジェクタポンプ３５のノズル開度とバイパス経路用シャットバルブ４０の開放時間との関係を示している。図１０に示すように、エジェクタポンプ３５のノズル開度が大きい場合には、バイパス経路用シャットバルブ４０の開放時間が短くなり、エジェクタポンプ３５のノズル開度が小さい場合には、バイパス経路用シャットバルブ４０の開放時間が長くなる。エジェクタポンプ３５のノズル開度とバイパス経路用シャットバルブ４０の開放時間との関係は、実験やシミュレーション等により予めマップ化しておくことができる。さらに、バイパス経路用シャットバルブ４０の開放時間は、燃料電池１０の水素極を含む第２水素供給経路３１とオフガス循環経路３２とからなる循環経路３１、３２の容積と、燃料電池１０の起動時の水素圧と、エジェクタポンプ３５の一次圧によっても変化する。
【００７４】
本実施形態では、エジェクタポンプ３５のノズル開度を４０％として水素供給装置３３から水素の供給を開始して発電前処理を開始する。そして、発電前処理を行う際にパイパス経路用シャットバルブ４０を予め設定した所定開放時間だけ開放し、エジェクタポンプ３５の一次圧を調圧機構３４の設定圧（３００ｋＰａ・ａｂｓ）より高い５００ｋＰａ・ａｂｓにする。発電前処理を開始してから所定時間経過後に発電前処理を終了する。エジェクタポンプ３５のノズル開度を小さくし、エジェクタポンプ３５の一次圧を３００ｋＰａ・ａｂｓとして通常運転に移行する。
【００７５】
以上の構成により、上記各実施形態と同様、燃料電池１０の水素極側に存在している初期ガスがシステム外に排出されることを防ぎつつ、燃料電池１０の水素極側から初期ガスを排出して水素で置換することができ、短時間で燃料電池１０を起動させることができる。
【００７６】
また、本第４実施形態の構成では、水素供給装置３３から供給される水素を第１水素供給経路３０において水素流れの抵抗となる調圧機構３４をバイパスさせることができるので、一時的にエジェクタポンプ３５の一次圧を高めることができる。この結果、エジェクタポンプ３５によるオフガスの循環能力を高めることができ、早期に燃料電池１０の水素極を水素で置換することが可能となる。また、バイパス経路用シャットバルブ４０の開放時間を所定開放時間に制限することで、燃料電池１０に過剰な圧力が印加されることを防ぐことができる。
【００７７】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１１に基づいて説明する。
【００７８】
図１１は、本第５実施形態の燃料電池システムの概念図である。本第５実施形態では、上記第２実施形態と比較して、エジェクタポンプ３５に代えて、オフガスを循環させるためのオフガス循環手段としてのオフガス循環ポンプ４１が設けられている点が異なっている。本実施形態のオフガス循環ポンプ４１は、最大流量が３００ＮＬ／ｍｉｎとなっている。オフガス循環ポンプ４１には、制御装置５０からの制御信号が入力し、この制御信号を受けてオフガス循環ポンプ４１はオフガスの循環流量を変更するように構成されている。また、本実施形態の調圧機構３４は、１００〜３００ｋＰａ・ａｂｓの範囲内で水素供給圧を変更できる。なお、本実施形態では、調圧機構３４とオフガス循環ポンプ４１と制御装置５０とが本発明の循環比調整手段に相当している。
【００７９】
本第５実施形態では、発電前処理を行う際に、オフガス循環ポンプ４１を最大流量である３００ＮＬ／ｍｉｎで作動させる。循環比を所定範囲（０．２〜１）にするためには、水素を３００〜１５００ＮＬ／ｍｉｎの流量で燃料電池１０に供給する必要がある。本実施形態では、オフガス循環ポンプ４１によるオフガス循環流量が３００ＮＬ／ｍｉｎであるので、循環比を０．５にするためには、６００ＮＬ／ｍｉｎで燃料電池１０に水素を供給する必要がある。
【００８０】
本実施形態では、循環比を所定範囲にするために、調圧機構３４による水素の供給圧を所定の上昇率で上昇させるようにしている。本実施形態では、燃料電池１０を含む第２水素供給経路３１とオフガス循環経路３２とからなる循環経路３１、３２の容積は１０リットルとなっている。このため、発電前処理を行う際に、調圧機構３４による水素供給圧を、１００〔ｋＰａ／ｓｅｃ〕（＝６００〔ＮＬ／ｍｉｎ〕÷１０〔Ｌ〕×１００〔ｋＰａ〕÷６０〔ｓｅｃ〕）の上昇速度で３００ｋＰａ・ａｂｓまで変化させることで、燃料電池１０への水素供給量を６００ＮＬ／ｍｉｎにすることができ、循環比を０．５にすることができる。本実施形態では、発電前処理を所定時間行った後、通常運転に移行する。
【００８１】
本実施形態では、オフガス循環ポンプ４１で最大流量でオフガスを循環させながら、水素供給装置３３から水素の供給を開始して発電前処理を開始し、調圧機構３４による水素供給圧を１００ｋＰａ・ａｂｓの速度で上昇させる。そして、圧力センサ３８にて検出した第２水素供給経路３１の圧力が３００ｋＰａ・ａｂｓになったときに発電前処理を終了し、通常運転に移行する。
【００８２】
以上の構成により、上記各実施形態と同様、燃料電池１０の水素極側に存在している初期ガスがシステム外に排出されることを防ぎつつ、燃料電池１０の水素極側から初期ガスを排出して水素で置換することができ、短時間で燃料電池１０を起動させることができる。
【００８３】
また、オフガス循環経路３２にオフガス循環ポンプ４１を設けることで、燃料電池１０への水素供給量が少ない場合にも、オフガスを確実に循環させることができる。さらに、オフガス循環ポンプ４１を最大流量で作動させる場合に調圧機構３４による水素供給圧を徐々に上げていくことで、燃料電池１０への水素導入量を制限し、循環比を所定範囲にすることができる。
【００８４】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１２に基づいて説明する。
【００８５】
図１２は、本第６実施形態の燃料電池システムの概念図である。本第６実施形態は、上記第５実施形態に比較して、第１水素供給経路３０にシャットバルブ３７が設けられているとともに、シャットバルブ３７をバイパスするバイパス経路３９が設けられている。バイパス経路３９には、バイパス経路用シャットバルブ４０とバイパス経路３９の流路断面積を小さくするためのオリフィス４２が設けられている。本実施形態では、調圧機構３４は水素供給圧を固定値（３００ｋＰａ・ａｂｓ）に調圧するように構成されている。また、本実施形態のオフガス循環ポンプ４１は、最大流量が２００ＮＬ／ｍｉｎとなっている。なお、本実施形態では、調圧機構３４、オフガス循環ポンプ４１、オリフィス４２、制御装置５０が本発明の循環比調整手段に相当している。
【００８６】
本第６実施形態では、発電前処理を行う際に、オフガス循環ポンプ４１を最大流量である２００ＮＬ／ｍｉｎで作動させる。循環比を所定範囲（０．２〜１）にするためには、水素を２００〜１０００ＮＬ／ｍｉｎの流量で燃料電池１０に供給する必要がある。本実施形態では、オフガス循環ポンプ４１によるオフガス循環流量が２００ＮＬ／ｍｉｎであるので、循環比を０．２にするためには、１０００ＮＬ／ｍｉｎで燃料電池１０に水素を供給する必要がある。
【００８７】
本実施形態では、通常の水素供給経路３０、３１を介して燃料電池１０に水素導入を行う場合には、水素供給流量が１０００ＮＬ／ｍｉｎ以上となってしまい、循環比が０．２以下になってしまう。このため、第１水素供給経路３０にシャットバルブ３７を設け、発電前処理には水素がバイパス経路３９のみを通過するようにし、さらにバイパス経路３９に流路断面積を小さくするオリフィス４２を設けることで、燃料電池１０への水素供給流量を制限するように構成されている。オリフィス４２の径は、水素供給流量の最大流量が１０００ＮＬ／ｍｉｎとなるように設定されている。
【００８８】
本実施形態では、オフガス循環ポンプ４１で最大流量でオフガスを循環させながら、シャットバルブ３７を閉じてバイパス経路３９のバイパス経路用シャットバルブ４０を開放し、水素供給装置３３から水素の供給を開始して発電前処理を開始する。そして、圧力センサ３８にて検出した第２水素供給経路３１の圧力が３００ｋＰａ・ａｂｓになったときに発電前処理を終了し、バイパス経路用シャットバルブ４０を閉じ、シャットバルブ３７を開放して通常運転に移行する。
【００８９】
以上の構成により、上記各実施形態と同様、燃料電池１０の水素極側に存在している初期ガスがシステム外に排出されることを防ぎつつ、燃料電池１０の水素極側から初期ガスを排出して水素で置換することができ、短時間で燃料電池１０を起動させることができる。
【００９０】
また、バイパス経路３９に設けたオリフィス４２によって水素供給流量を調整することで、簡易な構成で発電前処理を行う際の燃料電池１０への水素供給流量を調整し、循環比を所定範囲にすることができる。
【００９１】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図１３に基づいて説明する。
【００９２】
図１３は、本第７実施形態の燃料電池システムの概念図である。本第７実施形態は、上記第６実施形態と比較して、バイパス経路３９およびオリフィス４２に代えて、第１水素供給経路３０における調圧機構３４の上流側に、第１水素供給経路３０を流れる水素の流量を調整する流量調整弁４３が設けられている点が異なっている。流量調整弁４３は、水素供給流量の最大流量が１０００ＮＬ／ｍｉｎとなるように設定されている。なお、本実施形態では、調圧機構３４、オフガス循環ポンプ４１、流量調整弁４３、制御装置５０が本発明の循環比調整手段に相当している。
【００９３】
本実施形態では、オフガス循環ポンプ４１で最大流量でオフガスを循環させながら、流量調整弁４３による水素供給流量を１０００ＮＬ／ｍｉｎとして、水素供給装置３３から水素の供給を開始して発電前処理を開始する。このように、発電前処理を行う際には流量調整弁４３により水素供給量を制限する。
【００９４】
そして、圧力センサ３８にて検出した第２水素供給経路３１の圧力が３００ｋＰａ・ａｂｓになったときに発電前処理を終了し、流量調整弁４３による水素供給量を最大値として通常運転に移行する。このように、通常運転時には流量調整弁４３による水素供給量の制限を解除し、調圧機構３４により水素の流量調整を行う。
【００９５】
以上の構成により、上記各実施形態と同様、燃料電池１０の水素極側に存在している初期ガスがシステム外に排出されることを防ぎつつ、燃料電池１０の水素極側から初期ガスを排出して水素で置換することができ、短時間で燃料電池１０を起動させることができる。
【００９６】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態について図１４〜図１６に基づいて説明する。
【００９７】
図１４は、本第８実施形態の燃料電池システムの概念図である。本第８実施形態では、上記第３実施形態に比較して、オフガス循環経路３２に所定の容量を有する容器４４が設けられている点が異なっている。なお、本実施形態では、調圧機構３４、エジェクタポンプ３５、制御装置５０が本発明の循環比調整手段に相当している。
【００９８】
図１５は、燃料電池１０の水素導入圧力と循環比の下限値との関係を示している。図１５では、オフガス循環経路３２に容器４４を設けない場合と、１リットルの容量の容器４４を設けた場合と、３リットルの容量の容器４４を設けた場合を示している。図１５に示すように、オフガス循環経路３２に容器４４を設けることで、同一の水素導入圧を得るために必要な循環比の下限値を小さくすることができ、容器４４の容量が大きいほど、循環比の下限値を小さくすることができる。本実施形態では、容器４４の容量を１リットルとし、循環比の下限値を０．１としている。
【００９９】
図１６は、エジェクタポンプ３５のノズル開度とエジェクタポンプ３５の一次圧との関係と、エジェクタポンプ３５の一次圧と循環比との関係を示している。図１６は、ガス導入量を５００ＮＬ／ｍｉｎとして燃料電池１０に燃料ガスを導入する場合を示している。
【０１００】
図１６に示すように、循環比を０．１〜１の範囲内にするためには、エジェクタポンプ３５の一次圧を２００〜８００ｋＰａ・ａｂｓの範囲内にすればいいことがわかる。また、エジェクタポンプ３５の一次圧を２００〜８００ｋＰａ・ａｂｓの範囲内として、燃料ガス導入量を５００ＮＬ／ｍｉｎとするためには、エジェクタポンプ３５のノズル開度を２０〜８０％の範囲内にすればいいことがわかる。
【０１０１】
本実施形態では、調圧機構３４によりエジェクタポンプ３５の一次圧を３００ｋＰａ・ａｂｓとし、エジェクタポンプ３５のノズル開度を６０％として水素供給装置３３から水素の供給を開始して発電前処理を開始する。発電前処理を開始してから所定時間経過後に発電前処理を終了する。エジェクタポンプ３５のノズル開度を小さくし、調圧機構３４による水素供給圧を低下させ、エジェクタポンプ３５の一次圧を３００ｋＰａ・ａｂｓとして通常運転に移行する。
【０１０２】
以上の構成により、上記各実施形態と同様、燃料電池１０の水素極側に存在している初期ガスがシステム外に排出されることを防ぎつつ、燃料電池１０の水素極側から初期ガスを排出して水素で置換することができ、短時間で燃料電池１０を起動させることができる。
【０１０３】
また、オフガス循環経路３２に所定容量を持つ容器４４を設けることで、オフガスを循環させる調圧機構３４およびエジェクタポンプ３５からなるオフガス循環手段によるオフガス循環能力を下げることが可能となる。
【０１０４】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせて実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図２】水素供給経路とオフガス循環経路におけるガスの流れを示す概念図である。
【図３】燃料電池の水素導入圧力と循環比の下限値との関係を示す図である。
【図４】エジェクタポンプのノズル開度と循環比との関係を示す図である。
【図５】水素と窒素との混合ガスの組成割合と、混合ガスの粘性係数との関係を示す図である。
【図６】第２実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図７】第２実施形態におけるエジェクタポンプの一次圧と循環比との関係を示す図である。
【図８】第３実施形態におけるエジェクタポンプのノズル開度とエジェクタポンプの一次圧との関係と、エジェクタポンプの一次圧と循環比との関係を示す図である。
【図９】第４実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１０】第４実施形態におけるエジェクタポンプのノズル開度とバイパス経路用シャットバルブの開放時間との関係を示ず図である。
【図１１】第５実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１２】第６実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１３】第７実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１４】第８実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図１５】第８実施形態における燃料電池の水素導入圧力と循環比の下限値との関係を示す図である。
【図１６】第８実施形態におけるエジェクタポンプのノズル開度とエジェクタポンプの一次圧との関係と、エジェクタポンプの一次圧と循環比との関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１０…燃料電池、３０、３１…水素供給経路、３２…オフガス循環経路、３３…水素供給装置、３４…調圧機構、３５…エジェクタポンプ、３７…シャットバルブ、３８…圧力センサ、３９…バイパス経路、４０…バイパス経路シャットバルブ、４１…オフガス循環ポンプ、４３…流量調整弁、５０…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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