(57)【要約】【課題】  本発明では、燃料電池の起動を良好に行うことができ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を提供することを主たる目的とする。【解決手段】  燃料電池システム１は、燃料電池１３と、水素ガスを燃料電池１３に供給する高圧水素タンク１１と、空気を燃料電池１３に供給するコンプレッサ１２と、燃料電池１３に接続される抵抗４１を備えた補助外部回路４０と、補助外部回路４０の断接を行うスイッチ４２と、を備えている。さらに、燃料電池システム１は、燃料電池１３を起動させるための指令を受けると、補助外部回路４０を燃料電池１３に接続してから水素ガスのみを燃料電池１３に供給し、この水素ガスの供給から所定時間経過後に、空気を燃料電池１３に供給する制御部１７を備えている。【選択図】      図１
2006019153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、
前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第２の負荷と、
前記第２の負荷の断接を行う負荷断接手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を前記燃料電池に電気的に接続してから前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、
前記燃料電池に電気的に接続され、前記燃料電池から取り出す電力を制限する取出し電力制限手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の起動に際して、前記取出し電力制限手段によって前記燃料電池から前記負荷に向けて取り出す電力を小さく制限しつつ、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の前記アノード極内の燃料ガスの量を検知する燃料検知手段を備えた請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段が、
前記燃料ガスを前記アノード極に供給した後、前記燃料検知手段からの信号に基づいて当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を、前記酸化剤ガスの前記カソード極への供給前に切断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の前記アノード極内の燃料ガスの量を検知する燃料検知手段を備えた請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段が、
前記燃料ガスを前記アノード極に供給した後、前記燃料検知手段からの信号に基づいて当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記取出し電力制限手段による制限を解除又は緩和することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、
前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第２の負荷と、
前記第２の負荷の断接を行う負荷断接手段と、を備えた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の起動を制御する制御手段が、前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、
前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を前記燃料電池に接続する接続工程と、
前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガスを前記アノード極に供給する燃料ガス供給工程と、
前記第２の負荷を前記負荷断接手段により切断する工程と、
前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給工程と、を実行することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜（ＰＥＭ膜）を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するものである。このような燃料電池としては、前記した高分子電解質膜をカソード極とアノード極で挟んだものを良好な導電性を有するセパレータで挟持してなるセル（単セル）を複数積層された燃料電池が知られており、この燃料電池では、各セルにおいて良好に水素と酸素とが反応することで良好な発電を行うことが可能となっている。
【０００３】
ところで、燃料電池は、燃料と酸素があれば電圧が発生するが、燃料電池の触媒は、高電圧（例えば０．８Ｖ／単電池以上）に長時間放置されると活性が低下する（特許文献１の段落０００３）。また、積層された燃料電池の場合、反応ガスが燃料電池の各単電池に行き渡る前に燃料電池から電流を抜き出すと、単電池を積層している関係から、反応ガスが行き渡っていない単電池にも電流が流れることとなり、これにより単電池の構造体であるカーボンが腐食することがある（特許文献１の段落０００４）。
【０００４】
ところで、この問題（起動時に単電池が高電圧状態になること、起動時に反応ガスが供給されないうちに外部負荷との接続により燃料不足の単電池にも大きな電流が流れてしまうこと）に対しては、従来は、（１）「単電池の開回路電圧が所定の電圧になったのを確認してから、外部負荷を接続する」ことや、（２）「燃料電池の両極間にその途中に抵抗器と開閉器を有する外部接続回路を設け、外部負荷接続までこの外部接続回路に微小な電流を流し、単電池の電圧を下げつつ所定時間経過後に外部負荷を接続する」ことが行われていた（特許文献１の段落０００５）。
【０００５】
しかし、前記した（１）では、依然として単電池の電圧が高電圧になり、前記した（２）では、外部接続回路に微小な電流が流れていて、スタックの開回路の検知が容易でないので、外部負荷接続のタイミングが取りにくいという問題があった（特許文献１の段落０００６）。このため、特許文献１の技術では、燃料電池の起動時に、少なくとも抵抗からなる補助回路を接続することで単電池の電圧が高くなることと大きな電流が流れることを防止しすることとし、また、補助回路を流れている電流や電圧を検知し、所定の電流値や電圧値に達したときに外部負荷を接続して燃料電池を起動することで外部負荷接続のタイミングを決めることとしている（特許文献１の請求項１、２、段落０００６、０００７）。
【特許文献１】特開平１０−２８４１０４号公報（請求項１、２、段落０００４〜０００７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記した特許文献１の技術においては、アノード極に供給した燃料ガスは、カソード極に供給した空気中の酸素（酸化剤）と反応することになるので、燃料ガスが消費され、アノード極を燃料ガスで満たすまでに時間がかかることになる。また、アノード極に供給した燃料ガスが、併せてカソード極に供給される空気中の酸素と反応することで、補助回路に大きな電流が流れることとなる。また、起動時、空気により掃気されたアノード極に燃料を供給すると、同極（１つの極）に燃料と空気とが共存することとなり、いわゆる同極発電という現象を生じて燃料電池の構成材料を劣化（セパレータや膜電極構造体等を腐食）させるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明では、かかる課題を解決し、燃料電池の起動を良好に行うことができる燃料電池システムおよびその起動方法を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、前記した課題に鑑み、アノード極に燃料ガスを供給した後、カソード極に酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池の起動を良好に行うことができることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第２の負荷と、前記第２の負荷の断接を行う負荷断接手段と、を備えた燃料電池システムである。そして、この燃料電池システムは、前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を前記燃料電池に電気的に接続してから前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
この請求項１に記載の発明によれば、制御手段は、燃料電池の起動の際、負荷断接手段によって第２の負荷を燃料電池に接続させ、その後燃料ガス供給手段によって燃料ガスをアノード極に供給させる。この際、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に既に存在する酸化剤ガスとが反応する。この結果として発生した電力は第２の負荷に供給されるので、燃料電池の単セルの高電圧化が防止される。また、第２の負荷を接続することにより、同極発電による燃料電池の構成材料の劣化が防止される。
【００１０】
ところで、酸化剤ガスを供給していない状況で第２の負荷が電力を消費すると、アノード極に供給している燃料ガスと反応すべきカソード極の酸化剤ガスは欠乏する。これにより反応が抑制され、アノード極の燃料ガスの消費が押さえられる。この結果、アノード極を燃料ガスで満たす時間を短縮することが可能となる。また、反応が抑制されることにより、単セルに大きな電流が流れることも抑制される。よって、燃料ガスが不足している単セル（全体として不足している単セル／部分的に不足している単セル）に大きな電流が流れることによる燃料電池の構成材料の腐食といった問題を抑制することができる。また、高電圧化も抑制される。
そして、制御手段は、その後、酸化剤ガスを燃料電池に供給する。
【００１１】
また、前記課題を解決する本発明のうち請求項２に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記燃料電池から取り出す電力を制限する取出し電力制限手段と、を備えた燃料電池システムである。そして、この燃料電池システムは、前記燃料電池の起動に際して、前記取出し電力制限手段によって前記燃料電池から前記負荷に向けて取り出す電力を小さく制限しつつ、前記燃料ガス供給手段によって前記燃料ガスを前記アノード極に供給し、その後、前記酸化剤ガス供給手段によって前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給させる制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【００１２】
この請求項２に記載の発明では、請求項１が第２の負荷で行っていたことを、取出し電力制限手段により行う。この取出し電力制限手段は、燃料電池から取り出して負荷に与える電力が起動時に小さくなるように制御される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記アノード極内の燃料ガスの量を検知する燃料検知手段を備えた請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段が、前記燃料ガスを前記アノード極に供給した後、前記燃料検知手段からの信号に基づいて前記アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を、前記酸化剤ガスの前記燃料電池への供給前に切断することを特徴とする。
【００１４】
この請求項３に記載の発明によれば、アノード極内の燃料ガスの量（濃度・圧力）を検知する燃料検知手段を設けたので、アノード極内が燃料ガスで満たされたか否かを正確に知ることができる。また、酸化剤ガスを燃料電池へ供給する前に、第２の負荷を切断するので、カソード極内に供給した酸化剤ガスとアノード極内に供給した燃料ガスとが反応することで生ずる大きな電流が第２の負荷に流れるのを防止できる。そのため、第２の負荷に設ける抵抗を小型にすることができる。なお、前記したように燃料電池に燃料ガスを供給する際は、第２の負荷には小さな電流しか流れないので、この小さな電流に対応する程度の大きさの抵抗を設ければよいことになり、その分コストを下げることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、前記アノード極内の燃料ガスの量を検知する燃料検知手段を備えた請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段が、前記燃料ガスを前記アノード極に供給した後、前記燃料検知手段からの信号に基づいて当該アノード極内の前記燃料ガスの量が所定値以上になったか否かを判断し、所定値以上になったと判断した後、前記取出し電力制限手段による制限を解除又は緩和することを特徴とする。
【００１６】
この請求項４に記載の発明によれば、燃料ガスの量により取出し電力制限手段による制限を解除したり緩和したりする。つまり、アノード極内が燃料ガスで満たされたか否かを正確に知ることができるので、燃料電池が制限なしに電力を負荷に供給できる時期や、制限を緩和して電力を負荷に供給できるタイミングを、客観的に、かつ再現性よく決定することができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、燃料ガス供給手段からアノード極に供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給手段からカソード極に供給される酸化剤ガスとの反応により、負荷に供給する電力を発電する単セルが積層された燃料電池と、前記燃料電池に電気的に接続され、前記負荷よりも消費電力が小さな第２の負荷と、前記第２の負荷の断接を行う負荷断接手段と、を備えた燃料電池システムの起動方法である。そして、この起動方法では、前記燃料電池システムの起動を制御する制御手段が、前記燃料電池の起動に際して、前記燃料電池から前記負荷に電力を供給する前に、前記負荷断接手段によって前記第２の負荷を前記燃料電池に接続する接続工程と、前記燃料ガス供給手段から前記燃料ガスを前記アノード極に供給する燃料ガス供給工程と、前記第２の負荷を前記負荷断接手段により切断する工程と、前記酸化剤ガス供給手段から前記酸化剤ガスを前記カソード極に供給する酸化剤ガス供給工程と、を実行することを特徴とする。
【００１８】
この請求項５に記載の発明によれば、燃料電池を起動させると、接続工程において第２の負荷が燃料電池に接続され、その後燃料ガス供給工程において燃料ガスが燃料電池に供給される。この際、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に既に存在する酸化剤ガスとが反応する。しかし、この反応は、カソード極に酸化剤ガスが供給されていないことから限定的なものになり、高電圧化や燃料ガスの消費が抑制される。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１、２、５に記載の発明によれば、燃料電池の起動を良好に行うことができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、酸化剤ガスを燃料電池へ供給することで燃料電池から大きな起電力が発生する前に、第２の負荷を切断するので、第２の負荷に設ける抵抗を小型にすることができ、その分コストを下げることができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、電力制限の解除又は緩和のタイミング（発電タイミング）を燃料検知手段により適切に決定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
［システム構成］
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池システム１は、高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）１１、コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）１２、燃料電池１３、遮断弁１４、切替弁１５、パージ弁１６および制御部（制御手段）１７を主に備えている。さらに、この燃料電池システム１には、燃料電池１３で発電された電力をモータ等の負荷３１に供給するための主回路３０と、燃料電池１３の起動時に利用される補助外部回路４０と、燃料電池１３内での反応に寄与しなかった水素ガスを希釈して外部に排出するための希釈ボックス５０とが設けられている。なお、本実施形態では、高圧水素タンク１１とコンプレッサ１２も燃料電池システム１の構成要素に含めることとして説明する。
【００２４】
高圧水素タンク１１内には、数十ＭＰａの高圧の水素ガス（燃料ガス）が貯蔵されており、この水素ガスは遮断弁１４が開かれることで燃料電池１３のアノード極（燃料極）へ供給されるようになっている。なお、この高圧水素タンク１１と燃料電池１３との間には、水素ガスの通り道となる管状の燃料ガス供給路２１が設けられており、この燃料ガス供給路２１には、高圧水素タンク１１側から燃料電池１３側に向けて順に、遮断弁１４、エゼクタ２１Ａ、圧力センサ２１Ｂが設けられている。この圧力センサ２１Ａは、燃料電池１３の上流側（アノード極の入口）ではなく、下流側（アノード極の出口）に設けてもよい。
【００２５】
なお、エゼクタ２１Ａは、高圧水素タンク１１から送られてくる水素ガスと燃料電池１３のアノード極側の排出口から循環流路ＲＰ（図示せぬ循環ポンプ等を含む）を介して戻ってくる水素ガスとを混合させて燃料電池１３に再供給して水素ガスを循環させるものである。また、圧力センサ２１Ｂは、常時燃料ガス供給路２１内の圧力（燃料電池１３のアノード極内の圧力）を検出しており、その圧力値を示す信号を制御部１７に出力している。ここで、圧力センサ２１Ｂは、アノード極内（アノード極入口）の圧力を検出するものであるが、圧力と水素ガスの量とは比例の関係にあるので、間接的に水素ガスの量の検出に寄与することとなる。
【００２６】
コンプレッサ１２は、空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池１３のカソード極（空気極）に供給するものである。そして、コンプレッサ１２と燃料電池１３との間には、空気の通り道となる管状の空気供給路２２が設けられている。
【００２７】
燃料電池１３は、図示せぬ高分子電解質膜、カソード極、アノード極およびセパレータ等によって構成される単セル１３ａが複数積層（例えば数百枚積層）されて構成されており、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスと、コンプレッサ１２から供給される空気中の酸素とを各単セル１３ａにおいて電気化学反応させることにより発電するものである。具体的には、この燃料電池１３においては、高圧水素タンク１１やコンプレッサ１２から送られてくる水素ガスや空気が、燃料電池１３の入口側に位置する単セル１３ａから出口側に位置する単セル１３ａへと順に送られるようになっている。
【００２８】
また、燃料電池１３には、負荷３１が主回路３０を介して接続されており、この負荷３１を制御部１７でＯＮ・ＯＦＦ（駆動・停止）することにより、燃料電池１３が稼動・停止されるように（燃料電池１３からの電流の取り出し・取り出しの停止がされるように）なっている。ちなみに、燃料電池システム１は、負荷３１で消費される消費電力に見合う電力を燃料電池１３から取り出せるように（発電できるように）、消費電力に応じた量の空気、つまり消費電力が多い場合は多い量の空気を、消費電力が少ない場合は少ない量の空気を、コンプレッサ１２から燃料電池１３に供給しているものとする。また、水素は、燃料電池１３による水素の消費量が多くなるとそれに付随して多く供給されるように構成されているものとする。なお、燃料電池１３の性質上、燃料電池１３に豊富な空気および水素が供給されていても、負荷３１が電力を消費しなければ燃料電池１３は発電しない（酸素も水素も消費しない）。
【００２９】
次に、本実施形態では、燃料電池１３には、前記した主回路３０の他に、補助外部回路４０が接続されている。ここで、この補助外部回路４０は、主に、負荷３１よりも消費電力の小さな抵抗（第２の負荷）４１とスイッチ（負荷断接手段）４２とを有する回路である。そして、スイッチ４２を制御部１７によってＯＮ・ＯＦＦすることによって、燃料電池１３と補助外部回路４０とが電気的に接続・切断（断接）されるようになっている。
【００３０】
遮断弁１４は、制御部１７によって適宜開閉されることによって、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給・停止を切り替えている。
【００３１】
切替弁１５は、制御部１７によって適宜開閉される弁であり、燃料ガス供給路２１における遮断弁１４の下流側部分と空気供給路２２とに跨るように接続される掃気用流路２３に設けられている。そして、この切替弁１５が閉じられた状態では、コンプレッサ１２からの空気は空気供給路２２を介して燃料電池１３のカソード極側のみに供給され、切替弁１５が開かれた状態では、コンプレッサ１２からの空気は、燃料電池１３のカソード極側に供給される他、掃気用流路２３および燃料ガス供給路２１を介して燃料電池１３のアノード極側にも供給されるようになっている。
【００３２】
パージ弁１６は、制御部１７によって適宜開閉される弁であり、燃料電池１３のアノード極側の出口に接続される燃料ガス排出路２４に設けられている。そして、このパージ弁１６と前記した切替弁１５をともに開くことによって、アノード極側の掃気が行われるようになっている。
【００３３】
希釈ボックス５０は、前記した燃料ガス排出路２４から排出されてくる水素ガスと、燃料電池１３のカソード極側の出口に接続される空気排出路２５から排出されてくる空気とを、その内部で混合させることにより、水素ガスを希釈して外部へ排出するための装置である。
【００３４】
制御部１７は、ＣＰＵ、メモリ（ＲＯＭ・ＲＡＭ）、入出力インタフェイス、各種電子回路等を含んで構成され、コンプレッサ１２の駆動・停止またはその回転速度を変更させる機能や、遮断弁１４、切替弁１５およびパージ弁１６を開閉させる機能や、スイッチ４２および負荷３１をＯＮ・ＯＦＦさせる機能を主に有しており、燃料電池システム１の起動時または停止時等においてこれらの各機器を適宜制御している。システムの起動時における制御部１７の機能を簡単に説明すると、制御部１７は、図示しないイグニッションスイッチのＯＮ（ＩＧ−ＯＮ）により前記した各種機能を準備する。準備後は、最初にスイッチ４２をＯＮにするとともに遮断弁１４を開き、アノード極に水素の供給を行い、水素の濃度が所定値以上になるとスイッチ４２をＯＦＦにし、その後コンプレッサ１２を駆動させてカソード極に空気を供給する機能を有している。具体的には、システムの起動時において、制御部１７は図２に示すフローチャートに基づいて動作している。
【００３５】
［起動時の動作］
以下に、システムの起動時における制御部１７の動作について、図２に示すフローチャートや図１を参照して説明する。参照する図面において、図２はシステムの起動時における制御部の動作を示すフローチャートであり、図３はパージ時間から水素濃度を導出するために利用するマップである。
【００３６】
制御部１７は、例えば運転者がイグニッションスイッチ（図示せず）をＯＮにすることによって各種機能を準備する（ステップＳ１）。具体的には、制御部１７のＲＯＭに書き込まれているプログラムやマップ等をＣＰＵに読み込み、前記した各機能を準備する。なお、この段階では、主回路３０は燃料電池１３には電気的に接続されていない。ステップＳ１により各機能を準備すると、次に、制御部１７は、スイッチ４２をＯＮにし、補助外部回路４０を燃料電池１３に電気的に接続させる（ステップＳ２）。ステップＳ２の後、制御部１７は、遮断弁１４を開き、これによって高圧水素タンク１１から燃料電池１３のアノード極へ水素ガスを供給させる（ステップＳ３）。併せて、制御部１７は、パージ弁１６を開き、燃料電池１３のアノード極内の空気を希釈ボックス５０にパージして排出する（ステップＳ４）。これにより、起動前にアノード極に満たされていた空気（或いは不活性ガス）がアノード極から排出され水素濃度が上昇する（アノード極に水素が行き渡って満たされていく）。
【００３７】
ステップ４でパージを行いつつ、制御部１７は、図示しないタイマで水素の供給時間を計測しており、この供給時間と図３に示すマップとに基づいて、燃料電池１３におけるアノード極内の水素ガスの量（濃度）が所定値以上になったか否かを判断する（ステップＳ５）。つまり、ステップＳ５では、各単セル１３ａが水素で満たされたか否かを判断する。なお、水素で満たされたか否かの判断値である所定値は、燃料電池１３の寿命を短縮化させない等の観点に基づき、実験等により予め定められている。このステップＳ５において、制御部１７は、水素ガスの濃度が所定値未満であると判断すると（Ｎｏ）、再度ステップＳ５の処理を繰り返す。そして、水素ガスの濃度が所定値以上になったと判断すると（Ｙｅｓ）、制御部１７はパージ弁１６を閉じる。なお、供給時間からアノード極内の水素の量を決定する図３のマップは、実験等の結果に基づいて予め作成されるものであり、制御部１７内の図示しないメモリに予め記憶されている。ここで、タイマと図３のマップとが燃料ガスの量を検知する燃料検知手段に相当する。ちなみに、図２のフローチャートのステップＳ３とステップＳ４は順序が逆でもよい。また、ステップＳ４〜ステップＳ６は、「水素濃度が所定値以上となる所定時間だけパージ弁を開く」というものでもよい。この場合における所定時間は、燃料電池１３の内部にあるガス流路の体積や供給されるガスの流量等により計算することができるし、予め実験により定めることもできる。
【００３８】
ところで、ステップＳ３で水素がアノード極に供給されると、この水素は、カソード極に既に存在する空気との間で電気化学反応を起こし、電圧を生じる。しかし、ステップＳ２で燃料電池１３には電気的に補助外部回路４０が接続されているので、この補助外部回路４０に電流が流れ、単セル１３ａの電圧が高くなることが抑制される。また、ステップＳ３で水素がアノード極に供給されると、アノード極に水素と酸素とが双方とも濃い状態で存在することとなり、同極発電による燃料電池１３の構成材料の劣化が心配される。しかし、ステップＳ２で燃料電池１３には電気的に補助外部回路４０が接続されているので、同極発電によるアノード極の劣化は防止される。つまり、補助外部回路４０により、セパレータや膜電極構造体等の腐食が防止される。
【００３９】
ちなみに、補助外部回路４０が接続されていると燃料電池１３は発電を継続するが、ステップＳ４とステップＳ５が実行されている段階では、カソード極にコンプレッサ１２から空気が供給されていない。このため、カソード極は直ぐに酸素不足の状況となり、電気化学反応は抑制される（収束する）。これにより、水素の消費が抑制され、アノード極を水素で満たすまでにかかる時間を短縮することが可能となる。また、反応が抑制されることで、電圧の上昇も抑制され、さらに、補助外部回路４０に流れる電流も抑制される。
【００４０】
なお、燃料電池１３の電圧と補助外部回路４０を流れる電流について説明すると、アノード極が水素で満たされていくと、燃料電池１３の電圧は上昇する方向に向かうと共に、補助外部回路４０に流れる電流も上昇する方向に向かう。一方、カソード極の酸素が消費されていくと、燃料電池１３の電圧は低下する方向に向かうと共に、補助外部回路４０に流れる電流も低下する方向に向かう。このため、本実施形態のステップＳ３〜ステップＳ５では、全体として電圧・電流とも上昇が抑制される。
【００４１】
この結果、触媒が高電圧に長時間放置されることによって触媒の活性が低下したり、燃料電池１３に水素が不足する状況で強制的に大きな電流が流れることにより、燃料電池１３の構造体が腐食したりするといった問題を抑制することができる。しかも、供給された水素は消費が抑制されるので、迅速にアノード極に水素を供給することができる。
【００４２】
ステップＳ５において、水素濃度が所定値以上になると、制御部１７は、パージ弁１６を閉じ（ステップＳ６）、その後、スイッチ４２をＯＦＦにして補助外部回路４０を燃料電池１３から電気的に切断させる（ステップＳ７）。
【００４３】
ステップＳ７の後、制御部１７は、コンプレッサ１２を駆動させて空気を燃料電池１３に供給する（ステップＳ８）。そして、二つの回路３０，４０がともに接続されていない状態の燃料電池１３の開放セル電圧（ＯＣＶ；Open Circuit Voltage）が所定値以上になったか否かを判断する（ステップＳ９）。つまり、ステップＳ９では、空気が各単セル１３ａに行き渡ったか否か（空気で満たされたか否か）を判断する。そして、このステップＳ９において、制御部１７は、開放セル電圧が所定値未満であると判断すると（Ｎｏ）、再度ステップＳ９の処理を繰り返し、開放セル電圧が所定値以上になったと判断すると（Ｙｅｓ）、負荷３１をＯＮにすることで発電を開始させる。なお、開放セル電圧は、図示せぬ電圧計等によって検出されている。これによれば、燃料電池１３の発電のタイミングを適切に決定することができる。
【００４４】
ところで、前記したとおり、アノード極が燃料不足の状態で大きな電流が燃料電池１３に流れるとカーボンの腐食等の問題が生じる。しかし、カソード極が酸化剤ガス不足（酸素不足）の状態で大きな電流が流れても、燃料電池１３の構成部材には酸素に代わる酸化剤がないことから、カソード極が酸素不足になることによる燃料電池１３の構成部材の腐食反応（還元反応）は生じない。よって、本実施形態の場合、喩え各単セル１３ａが新鮮な空気（コンプレッサ１２で供給された空気）で満たされる前に、或いは単セル１３ａ内が新鮮な空気で満たされる前に大きな電流が流れたとしても、アノード極が水素で満たされている状態では、カーボンの腐食やその他の燃料電池１３の構成部材の腐食は発生しづらいものと考えられる。この点を考慮すると、各単セル１３ａが水素で満たされたところで、カソード極に空気の供給を開始すると共に、主回路３０を燃料電池１３に電気的に接続して、負荷３１に電力を供給するようにしてもよい。
【００４５】
［停止時の動作］
続いて、システムの停止時における制御部１７の動作について、図４に示すフローチャートや図１を参照して説明する。なお、停止時における制御部１７の動作は、本発明とは間接的に関係があるだけなので、あくまでも一例として簡単に説明することとする。参照する図面において、図４は燃料電池システムの停止時における制御部の動作を示すフローチャートである。
【００４６】
制御部１７は、システムの停止要求を入力すると（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、遮断弁１４を閉じ（遮断弁ＯＦＦ、ステップＳ１２）、燃料電池１３のアノード極内の掃気を行うか否かを判断する（ステップＳ１３）。なお、掃気を行うか否かの判断は、例えば図示しない温度センサで検出する外気温が所定値以下であるか否か（燃料電池システム１の流路内に残存する水が凍る可能性があるか否か）を判断することにより行うことができる。また、ネットワークを通じて外部から気象予報データを取得して、このデータに基づいて掃気を行うか否かの判断を行うことができる。
【００４７】
制御部１７は、ステップＳ１３においてアノード掃気を行わないと判断すると（Ｎｏ）、アノード極内の圧力ＰＨ（図示しない圧力センサでアノード極の出口の圧力検出）が所定値Ｐ１になるまで燃料電池１３による発電を続行させ（ステップＳ１４）水素を消費し、圧力が所定値Ｐ１になったら負荷３１をＯＦＦにすることで（ステップＳ１５）、燃料電池１３による発電を停止させる。なお、この間発電した電力を負荷３１で消費するのではなく、図示いない蓄電手段に蓄電することができる。ステップＳ１５の後において、制御部１７は、所定時間Ｔ１が経過したと判断すると（ステップＳ１６：Ｙｅｓ）、コンプレッサ１２によるカソード側の掃気が完了したと判断して、パージ弁１６を開く（パージ弁ＯＮ、ステップＳ１７）。これにより、アノード極内の水素ガスの残圧（所定値Ｐ１）によってアノード極内のガスが希釈ボックス５０に排出される。
【００４８】
一方、前記したステップＳ１３において、制御部１７は、気温が低い等により、アノード極内の掃気を行うと判断すると（Ｙｅｓ）、アノード極内の圧力ＰＨが前記所定値Ｐ１よりも低い圧力となる所定値Ｐ２になるまで燃料電池１３による発電を続行させ（ステップＳ１８）、所定値Ｐ２になったら負荷３１をＯＦＦにすることで（ステップＳ１９）、燃料電池１３による発電を停止させる。ステップＳ１９の後、制御部１７は、切替弁１５およびパージ弁１６をともに開らくことで（切替弁・パージ弁ＯＮ、ステップＳ２０）、コンプレッサ１２からの空気をアノード極およびカソード極の両方に供給させる。これにより、これらの系内がともに掃気されることとなる。
【００４９】
ステップＳ２０の後において、制御部１７は、所定時間Ｔ２が経過したと判断すると（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、アノード極およびカソード極の掃気が完了したと判断して、切替弁１５を閉じる（切替弁ＯＦＦ、ステップＳ２２）。これにより、コンプレッサ１２からアノード極への空気の供給が止められることとなる。
【００５０】
そして、ステップＳ２２の後や、前記したステップＳ１７の後、制御部１７は、アノード極の圧力ＰＨが前記した所定値Ｐ１，Ｐ２より低く大気圧より高い値となる所定値Ｐ３以下であるか否かを判断する（ステップＳ２３）。ステップＳ２３において、圧力ＰＨが所定値Ｐ３以下であると判断されると（Ｙｅｓ）、制御部１７はパージ弁１６を閉じた後（パージ弁ＯＦＦ、ステップＳ２４）、コンプレッサ１２による空気の供給を停止させ（エア供給ＯＦＦ、ステップＳ２５）、このフローチャートによる動作を終了させる。
【００５１】
以上によれば、本実施形態において、燃料電池システム１（燃料電池１３）の起動を次のように良好に行うことができる。
燃料電池１３の起動時において、補助外部回路４０を燃料電池１３に接続した後、水素ガスを燃料電池１３に供給することによって、水素ガスとカソード極側の空気中の酸素との反応を抑えることができるので、アノード極を水素ガスで満たすまでにかかる時間を短縮させることができる。
水素を供給した後、空気を燃料電池１３へ供給すると、燃料電池１３から大きな起電力が発生するが、本実施形態では、空気を燃料電池１３へ供給する前に補助外部回路４０を燃料電池１３から電気的に切断するので、補助外部回路４０に設ける抵抗４１を小型にすることができ、その分コストを下げることができる。
また、水素濃度を検出することで、起動時における燃料電池１３の発電タイミング（補助外部回路４０を切断するタイミングや後記する電流の制限を解除又は緩和するタイミング）をより適切に決定することができる。
【００５２】
また、燃料電池１３による発電開始前に補助外部回路４０を切断することで、開放セル電圧をチェックすることが可能となるので、これにより、燃料電池１３の発電のタイミング（負荷３１への電力の供給のタイミング）を適切に決定することができる。また、開放セル電圧をチェックすることで、クロスリーク（水素や空気が薄い高分子電解質膜を透過して相互に行き来すること）の発生等、高分子電解質膜の劣化やその他の理由によるリークを確認することができる。
また、本発明では、空気を供給しない状態で先に水素を燃料電池１３に供給することから、本質的に燃料不足になりづらく、かつ本質的に高電圧になりづらい構成をしているといえる。このため、燃料電池１３の起動を良好に行うことができる。また、本質的に燃料不足になりづらく、かつ本質的に高電圧になりづらい構成をしていることから、補助外部回路４０を切断するタイミングを早くすることもできる。
【００５３】
なお、本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
例えば、前記した実施形態では、アノード極内の水素濃度を知るために、換言すると、アノード極が水素で満たされたかどうかを知るために（ステップＳ７／ステップＳ８の開始タイミングを知るために）、タイマと図３のマップとを用いたが、圧力センサ２１Ｂとマップとにより、水素濃度（水素の量）を検出するようにしてもよい。圧力により水素濃度を検出できるのは、燃料電池１３のアノード極の圧力と水素の量とは関連性があるからである。また、図２のステップＳ４でパージ弁１４を所定時間開いてパージを行い、パージ弁１４を閉じてパージを終了した後、圧力センサ２１Ｂによりアノード極の圧力の上昇を検知し、水素濃度を検出するようにしてもよい。また、間接的に水素の量（濃度）を検出するのではなく、水素濃度センサにより水素の量（濃度）を直接的に検出するようにしてもよい。また、マップは、関数やテーブルに置き換えることもできる。
【００５４】
また、本実施形態では、アノード極が掃気してあって、アノード極が空気で満たされている状態から燃料電池１３を起動することを説明したが、アノード極が掃気されていない場合に本発明を適用してもよい。すなわち、前記した図４のフローチャートのステップＳ１３でアノード掃気を行わない場合について、本発明を適用してもよい。この場合でも、アノード極が所定の圧力に上昇するまでの間、空気を供給しないことから水素の消費を抑制でき、迅速にアノード極の圧力上昇を図ることができる。
【００５５】
また、第２の負荷としての抵抗４１は、単純な抵抗ではなく、照明のランプといったように熱以外のもの（光・振動・回転力）を発生させるようなものでもよい。また、第２の負荷が起動時に燃料電池１３が発電した電力を蓄える蓄電手段のようなものでもよい。
【００５６】
また、図１に示したような補助外部回路４０を備えた構成の代わりに（或いは併せて）、図５に示すように、主回路３０に燃料電池１３から取り出す電力（電流）を制限する取出し電流制限手段（取り出し電力制限手段）３２を備えた構成にし、起動時に、この取出し電流制限手段３２により負荷３１に供給する電流を小さく制限する構成としてもよい。この場合、図２のステップＳ２の「補助外部回路接続」は、「取出し電流制限手段により燃料電池から取り出す電力を小さく制限」というように読み替えるとよい。また、ステップＳ７の「補助外部回路切断」は、「取出し電流制限手段による制限を解除（緩和）」というように読み替えるとよい。ちなみに、制限して取り出した電流は、キャパシタとか二次電池のような蓄電手段等に蓄えたりする構成としたり、負荷３１を構成する各種電力消費機器のうち、消費電力の小さな機器で消費する構成としたりすることができる。ここで、取出し電流（電力）の制限量は、起動時における単セル１３ａの高電圧化の防止、水素をアノード極に満たす際における水素の消費を低く押さえる等の点を考慮しつつ設定される。
なお、図５は、常に取出し電流制限手段３２を介して燃料電池１３から電流を取り出して負荷３１に供給する構成を示しているが、スイッチによる切換え等により、起動時にだけ取出し電流制限手段３２を負荷３１と燃料電池１３との間に介在させるようにしてもよい。
【００５７】
また、図４のフローチャートについて、アノード掃気を行う場合に、ステップＳ１９の後に補助外部回路４０を燃料電池１３に電気的に接続するようにして、アノード掃気の際の同極発電による問題を防止するようにしてもよい。なお、接続した補助外部回路４０の切断は、例えばアノード極が空気により置換された後に行うようにするとよい（例えばステップＳ２１の後）。もちろん、図５に示した取出し電流制限手段３２を備えた構成の場合も、補助外部回路４０を備えた構成の場合と同様に、取出し電流制限手段３２によりアノード掃気時の同極発電による問題を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】燃料電池システムの起動時における制御部の動作を示すフローチャートである。
【図３】パージ時間から水素濃度を導出するために利用するマップである。
【図４】燃料電池システムの停止時における制御部の動作を示すフローチャートである。
【図５】図１の補助外部回路に代えて、取出し電流制限手段備えた構成を示したブロック図である。
【符号の説明】
【００５９】
１      燃料電池システム
１１    高圧水素タンク
１２    コンプレッサ
１３    燃料電池
１３ａ  セル
１４    遮断弁
１５    切替弁
１６    パージ弁
１７    制御部
２１Ｂ  圧力センサ
３０    主回路
３１    負荷
３２    取出し電流制限手段（取出し電力制限手段）
４０    補助外部回路
４１    抵抗（第２の負荷）
４２    スイッチ
５０    希釈ボックス
【図１】
2006019153.tif 000003
【図２】
2006019153.tif 000004
【図３】
2006019153.tif 000005
【図４】
2006019153.tif 000006
【図５】
2006019153.tif 000007