(57)【要約】【課題】強制停止後の再起動時における燃料電池システムの安全性を確保する。【解決手段】燃料電池に水素を含むアノードガス及び酸素を含むカソードガスを供給して負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムは、カソードガス通路に設けられる電気式部品と、燃料電池システムの起動後に、電気式部品に通電する通電手段とを含む。そして燃料電池システムは、燃料電池システムの起動後に、燃料電池システムの運転状態に応じて燃料電池にカソードガスを供給するガス供給手段を含む。ガス供給手段がカソードガスを前記燃料電池に供給してから所定期間が経過した後に、通電手段は、電気式部品への通電を開始する。【選択図】図３
2015153586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に水素を含むアノードガス及び酸素を含むカソードガスを供給して負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
カソードガス通路に設けられる電気式部品と、
前記燃料電池システムの起動後に、前記電気式部品への通電を開始する通電手段と、
前記燃料電池システムの起動後に、前記燃料電池システムの運転状態に応じて前記燃料電池にカソードガスを供給するガス供給手段と、
を備え、
前記通電手段は、
前記ガス供給手段がカソードガスを前記燃料電池に供給してから所定期間が経過した後に前記電気式部品への通電を開始する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記通電手段は、
通常停止後の再起動時は、所定期間が経過する前に前記電気式部品への通電を開始し、
強制停止後の再起動時は、前記所定期間が経過した後に前記電気式部品への通電を開始する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムのフェールを判定したときに、アノードガス及びカソードガスの供給を停止して前記燃料電池システムを強制的に停止させる強制停止手段を備え、
前記ガス供給手段は、
強制停止後に、前記燃料電池システムの起動又は停止を行うためのイグニッションスイッチがＯＮされた強制停止後の再起動時は、アノードガスの供給を停止したまま、所定流量のカソードガスを前記燃料電池に供給する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
強制停止後の再起動であっても、
前記燃料電池システムを強制的に停止させてから再起動に至るまでの放置時間が所定時間以上の場合には、前記所定期間が経過する前に前記電気式部品への通電を開始する
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の出力電圧を検出する出力電圧検出手段を備え、
前記電気式部品としてカソードガス供給通路にエアフローセンサを配置し、
前記通電手段は、カソードガスを前記燃料電池に供給してから前記出力電圧が所定電圧を超えた後に前記エアフローセンサへの通電を開始する、
ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池内のアノード側の圧力を検出するアノード圧力検出手段を備え、
前記通電手段は、検出したアノード側の圧力と、強制停止後の再起動時に検出したアノード側の圧力と、の差圧が所定値を超えた後にエアフローセンサへの通電を開始する、
ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記通電手段は、カソードガスを前記燃料電池に供給してからの経過時間が所定の経過時間を超えた後にエアフローセンサへの通電を開始する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池から排出された排気ガスを大気に放出するためのカソードガス排出通路と、
前記カソードガス排出通路にアノードオフガスを合流させるアノードガス排出通路と、
前記アノードオフガスを排出するために開閉するアノードパージ弁と、
をさらに備え、
強制停止後の再起動時は、前記所定期間が経過するまで前記アノードパージ弁を開弁しない
ことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１つ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】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池の出力電圧が低下したときに、燃料電池システムを強制的に停止するものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３１３３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システムが停止されるときは、通常、燃料電池へのカソードガス及びアノードガスの供給が停止され、この状態で燃料電池から電流を取り出すことにより、アノードガスに含まれる水素が消費されて、燃料電池内の水素圧力が所定の値以下に制御される。このため、燃料電池を構成する触媒のアノード側の電位が低下するので、高電位によるアノード側の触媒劣化が抑制される。
【０００５】
一方、燃料電池システムに何らかのフェールが発生した場合は、燃料電池システムが強制的に停止されることがあり、強制停止時には燃料電池内の水素圧力を低下させる制御が行われない。
【０００６】
このため、燃料電池を高負荷で運転していた場合など燃料電池内のアノード側の圧力が高圧になっている状態で、燃料電池システムが強制的に停止されると、強制停止後はアノード側の圧力が通常停止時よりも高い状態に維持されるので、アノード側の水素がカソード側へと透過していく。そして、カソード側へと透過した水素は、燃料電池内に留まらずにカソードガス供給通路に設けられたエアフローセンサなどの電気系部品まで拡散していくことがある。
【０００７】
現在開発中の燃料電池システムでは、エアフローセンサとして圧力損失の少ない熱線式のセンサが使用されている。この熱線式のセンサでは、カソードガス供給通路内のガス雰囲気中に熱線が配置され、この熱線が一定の温度となるように熱線に供給される電流が制御される。熱線に供給される電流値はカソードガス流量に応じて変化するので、この特性を利用してカソードガス通路を流れるガス流量が検知される。
【０００８】
このようにカソードガス通路内に電気式部品が設けられた燃料電池システムでは、強制停止後に、燃料電池システムが再起動されると、電気式部品の周りに水素が存在した状態で通電が開始されてしまうことが懸念される。
【０００９】
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、強制停止後の再起動時における上記の懸念を改善させた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】
【００１０】
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料電池に水素を含むアノードガス及び酸素を含むカソードガスを供給して負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムである。この燃料電池システムは、カソードガス通路に設けられる電気式部品と、燃料電池システムの起動後に、電気式部品に通電する通電手段と、燃料電池システムの起動後に、前記燃料電池システムの運転状態に応じて前記燃料電池にカソードガスを供給するガス供給手段とを備える。そして通電手段は、ガス供給手段がカソードガスを燃料電池に供給してから所定期間が経過した後に電気式部品への通電を開始することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この態様によれば、燃料電池システムが起動され、カソードガスを燃料電池に供給してから所定期間が経過した後に、カソードガス通路に設けられた電気式部品への通電が開始される。そのため、電気式部品の周りに拡散してきたガスをカソードガスによって掃気した後に、電気式部品への通電を開始するので、電気式部品の周りに水素が存在した状態で電気式部品への通電が開始されるのを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略図である。
【図２】図２は、カソードガス通路に設けられたエアフローセンサの一例を示す図である。
【図３】図３は、燃料電池システムの起動処理方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は、燃料電池スタックのセル電圧を検出して、カソードガス供給通路の掃気処理を終了する手法を示す図である。
【図５】図５は、燃料電池スタックに供給されるアノードガスの圧力を検出して、カソードガス通路の掃気処理を終了する手法を示す図である。
【図６】図６は、燃料電池システムの強制停止後のエアフローセンサ近傍のカソードガス供給通路の水素濃度の時間変化を示す図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの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】
【００１３】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１４】
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１５】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１６】
この電極反応（１）（２）によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１７】
燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、車両の駆動に必要な電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックが使用される。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、燃料電池スタックから車両駆動用の電力を取り出す。なお、燃料電池スタックに積層された複数の燃料電池のうちのひとつの燃料電池を電池セルという。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の概略図である。
【００１９】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ４と、バッテリ５と、電源供給スイッチ６と、セル電圧測定装置７と、負荷装置８と、を備える。
【００２０】
燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。
【００２１】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する。カソードオフガスは、燃料電池スタック１において、電極反応で使用されなかった余剰のカソードガスや、電極反応によって生じた水蒸気などが混合されたガスである。
【００２２】
カソードガス給排装置２は、カソードガス通路として、カソードガス供給通路２０１、カソードガス排出通路２０２及びカソードガスバイパス通路２０３を備える。
【００２３】
カソードガス供給通路２０１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２０１の一端は開口端となっており、他端は燃料電池スタック１に形成されたカソードガス入口孔に接続される。
【００２４】
カソードガス供給通路２０１には、エアフローセンサ２１と、カソードコンプレッサ２２と、インタークーラ２３と、エアフローセンサ２４と、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２５と、カソード圧力センサ２６とが設けられる。
【００２５】
エアフローセンサ２１は、カソードガス供給通路２０１の開口端とカソードコンプレッサ２２との間のカソードガス供給通路２０１に設けられる。エアフローセンサ２１は、カソードコンプレッサ２２に吸入されるカソードガスの流量（以下、「コンプレッサ流量」という。）を検出する。エアフローセンサ２１により検出されたコンプレッサ流量は、コントローラ４に出力される。本実施形態ではエアフローセンサ２１として、圧力損失の少ない熱線式のセンサが使用される。
【００２６】
カソードコンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２０１に設けられる。カソードコンプレッサ２２は、カソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２０１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。カソードコンプレッサ２２は、コントローラ４によって制御されてコンプレッサ流量が調節される。
【００２７】
インタークーラ２３は、カソードコンプレッサ２２よりも下流のカソードガス供給通路２０１に設けられる。インタークーラ２３は、カソードコンプレッサ２２から吐出されたカソードガスを冷却する。
【００２８】
エアフローセンサ２４は、インタークーラ２３とＷＲＤ２５との間のカソードガス供給通路２０１に設けられる。エアフローセンサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下、「スタック流量」という。）を検出する。エアフローセンサ２４により検出されたスタック流量は、コントローラ４に出力される。本実施形態ではエアフローセンサ２４は、エアフローセンサ２１と同じものである。
【００２９】
ＷＲＤ２５は、カソードガス供給通路２０１及びカソードガス排出通路２０２とそれぞれ接続される。そしてＷＲＤ２５は、カソードガス排出通路２０２を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収された水分を利用してカソードガス供給通路２０１を流れるカソードガスを加湿する。
【００３０】
カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２５と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２０１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下、「カソード圧」という。）を検出する。カソード圧力センサ２６により検出されたカソード圧は、コントローラ４に出力される。
【００３１】
カソードガス排出通路２０２は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２０２の一端は燃料電池スタック１に形成されたカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。カソードガス排出通路２０２によって、燃料電池スタック１から排出された排気ガスが大気に放出される。
【００３２】
カソードガス排出通路２０２には、カソード調圧弁２７とマフラ２８とが設けられる。
【００３３】
カソード調圧弁２７は、ＷＲＤ２５よりも下流のカソードガス排出通路２０２に設けられる。カソード調圧弁２７は、コントローラ４に従って開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。例えばカソード調圧弁２７は、その開度を段階的に調整可能な電磁弁により実現される。
【００３４】
マフラ２８は、カソードガス排出通路２０２から外部に伝播される騒音を吸収するものである。マフラ２８は主に吸音材により形成されている。マフラ２８の内部においてアノードガス排出通路３０２がカソードガス排出通路２０２に合流している。また、マフラ２８とカソード調圧弁２７との間のカソードガス排出通路２０２には、カソードガスバイパス通路２０３が合流している。
【００３５】
カソードガスバイパス通路２０３は、カソードコンプレッサ２２から吐出されるカソードガスの一部が、燃料電池スタック１をバイパスさせてカソードガス排出通路２０２に流れる通路である。カソードガスバイパス通路２０３は、カソードコンプレッサ２２とインタークーラ２３との間のカソードガス供給通路２０１から分岐してカソードガス排出通路２０２に接続される。
【００３６】
カソードバイパス弁２９は、カソードガスバイパス通路２０３に設けられる。カソードバイパス弁２９は、コントローラ４によって開閉制御されて、カソードガス供給通路２０１からカソードガス排出通路２０２にバイパスさせるカソードガスの流量を調節する。カソードバイパス弁２９は、その開度を段階的に調整可能な電磁弁により実現される。
【００３７】
アノードオフガスを希釈するために必要なコンプレッサ流量が、燃料電池スタック１に必要なスタック流量よりも大きい場合には、カソードバイパス弁２９によって、コンプレッサ流量からスタック流量を差し引いた流量のカソードガスがバイパスされる。あるいは、カソードコンプレッサ２２に生じるサージを回避するために必要なコンプレッサ流量が、燃料電池スタック１に必要なスタック流量よりも大きい場合には、カソードバイパス弁２９によって、コンプレッサ流量からスタック流量を差し引いた流量のカソードガスがバイパスされる。
【００３８】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスをカソードガス排出通路２０２に排出する。アノードオフガスは、燃料電池スタック１において、電極反応で使用されなかった余剰のアノードガスや、カソード側からリークしてきた窒素及び水蒸気などが混合されたガスである。
【００３９】
アノードガス給排装置３は、アノードガス供給通路３０１及びアノードガス排出通路３０２を備える。
【００４０】
アノードガス供給通路３０１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスが流れる通路である。アノードガス供給通路３０１の一端は、不図示の高圧タンクに接続され、他端は燃料電池スタック１に形成されたアノードガス入口孔に接続される。高圧タンクには、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスが高圧状態に保って貯蔵される。
【００４１】
アノードガス供給通路３０１には、アノード調圧弁３１とアノード圧力センサ３２とが設けられる。
【００４２】
アノード調圧弁３１は、高圧タンクよりも下流のアノードガス供給通路３０１に設けられる。アノード調圧弁３１は、コントローラ４によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調節する。例えばアノード調圧弁３１は、その開度を段階的に調整可能な電磁弁により実現される。
【００４３】
アノード圧力センサ３２は、アノード調圧弁３１と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３０１に設けられる。アノード圧力センサ３２は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下、「アノード圧」という。）を検出する。アノード圧力センサ３２により検出されたアノード圧は、コントローラ４に出力される。
【００４４】
アノードガス排出通路３０２は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３０２の一端は燃料電池スタック１に形成されたアノードガス出口孔に接続され、他端はマフラ２８内でカソードガス排出通路２０２に接続される。すなわち、アノードガス排出通路３０２によって、カソードガス排出通路２０２にアノードオフガスを合流させる。
【００４５】
アノードガス排出通路３０２を介してカソードガス排出通路２０２に排出されたアノードオフガスは、カソードガス排出通路２０２を流れるカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガス（水素）が含まれているので、カソードオフガスと混合させて排出することで、カソードガス排出通路２０２から排出されるガスの水素濃度が予め定められた規定値以下となるようにコンプレッサ流量が制御される。
【００４６】
アノードパージ弁３３は、アノードガス排出通路３０２に設けられ、アノードオフガスを排出するために開閉する。アノードパージ弁３３は、コントローラ４によって開閉制御されて、アノードガス排出通路３０２からカソードガス排出通路２０２に排出されるアノードオフガスの流量を調節する。
【００４７】
バッテリ５は、例えば１４Ｖ（ボルト）の直流電圧を出力する。バッテリ５は、電源供給スイッチ６を介して、エアフローセンサ２１、及びエアフローセンサ２４に接続される。すなわち、バッテリ５は、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４の電源として用いられる。バッテリ５は、例えばリチウムイオン電池により実現される。
【００４８】
電源供給スイッチ６は、コントローラ４の制御に従って、バッテリ５から出力される直流電圧をエアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４に供給する。
【００４９】
例えば、電源供給スイッチ６が接続状態（ＯＮ）に設定されると、バッテリ５からエアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４に直流電圧が供給されて、カソードガス流量の検出が開始される。一方、電源供給スイッチ６が切断状態（ＯＦＦ）に設定されると、バッテリ５から出力される直流電圧の供給が停止されてエアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４による検出が停止される。
【００５０】
セル電圧測定装置７は、燃料電池スタック１に積層される複数の電池セルに生じる出力電圧（以下、「セル電圧」という。）を、電池セルごとに測定する。セル電圧測定装置７は、測定した各セル電圧をコントローラ４に出力する。
【００５１】
負荷装置８は、燃料電池スタック１に接続される電動モータなどの負荷である。例えば、負荷装置８は、一方が燃料電池スタック１に接続され他方が数百Ｖの強電バッテリに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを含み、コントローラ４によってＤＣ／ＤＣコンバータが制御されて燃料電池スタック１の出力電圧が所望の値に調整される。
【００５２】
コントローラ４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で構成される。
【００５３】
コントローラ４には、前述したセル電圧測定装置７、エアフローセンサ２１、エアフローセンサ２４、カソード圧力センサ２６、及びアノード圧力センサ３２から出力される信号が入力される。その他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下、「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサや、イグニッションキーを操作して燃料電池システム１００の起動又は停止を指示する指令信号を出力するイグニッションスイッチ４１などの各種センサからの信号が入力される。
【００５４】
イグニッションスイッチ４１がＯＮされてイグニッションスイッチ４１から、燃料電池システム１００の起動を指示する指令信号がコントローラ４に出力されると、コントローラ４は、その指令信号に従って、燃料電池システム１００の起動処理を実行する。その後コントローラ４は、各種センサの出力信号や、カソード調圧弁２７などの各種電気部品の作動状態、アクセル操作量から求められる要求電力などに基づいて、燃料電池スタック１を発電させる。
【００５５】
例えばコントローラ４は、負荷装置８からの要求電力や、燃料電池スタック１の温度状態、内部圧力状態、電解質膜の湿潤状態、水素希釈状態などの燃料電池システム１００の運転状態に応じて、カソードガス及びアノードガスを燃料電池スタック１に供給する。具体的には、コントローラ４は、カソードコンプレッサ２２及びカソード調圧弁２７を制御して、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量及び圧力を調整する。またコントローラ４は、アノード調圧弁３１を制御して燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を調整する。
【００５６】
一方、イグニッションスイッチ４１がＯＦＦされてイグニッションスイッチ４１から、燃料電池システム１００の停止を指示する指令信号がコントローラ４に出力されると、コントローラ４は、その指令信号に従って、燃料電池スタック１の停止処理を実行する。
【００５７】
本実施形態では、コントローラ４は、燃料電池システム１００を停止させるために、カソードコンプレッサ２２を停止して燃料電池スタック１へのカソードガスの供給を停止し、アノード調圧弁３１及びアノードパージ弁３３を閉じてアノードガスの供給を停止する。この状態でコントローラ４は、負荷装置８に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータを制御して燃料電池スタック１から電流を取り出す。
【００５８】
これにより、燃料電池スタック１内のアノードガスに含まれる水素が消費されるので、燃料電池スタック１内の水素圧力が所定値よりも低くなるように制御される。このため、燃料電池を構成する電解質膜のアノード側の電位が低下するので、アノード側の電位が高く維持されることによって生じる電解質膜の酸化が抑制される。したがって、燃料電池システム１００の停止後に、電解質膜のアノード側の酸化によって発電性能が低下することを抑制できる。
【００５９】
一方、燃料電池スタック１の温度や、セル電圧、ガス圧力などが、燃料電池スタック１の損傷を防止するために定められた各閾値を超えた場合は、燃料電池システム１００に何らかのフェールが発生し、燃料電池システム１００が強制的に停止されることがある。
【００６０】
強制停止時は、燃料電池スタック１を保護するために燃料電池システム１００を迅速に停止させることが望ましいため、通常の停止処理で行われる燃料電池スタック１内の水素圧力を低下させる制御は省略される。すなわち、強制停止処理では、コントローラ４は、燃料電池スタック１へのアノードガス及びカソードガスの供給を停止するのみであり、燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力を所定値まで下げる制御を行われない。
【００６１】
そのため、燃料電池スタック１を高負荷で運転していた場合など、燃料電池スタック１内のアノード圧が高くなっている状態において、燃料電池システム１００が強制的に停止されると、強制停止後はアノード圧が通常停止時よりも高い状態に維持される。
【００６２】
このような状態では、燃料電池スタック１内に形成されたアノードガス通路に存在する水素が、電解質膜を介して反対側のカソードガス通路へと透過していく。そして、カソードガス通路へと透過した水素は、燃料電池スタック１内に留まらずに、燃料電池スタック１よりも上流のカソードガス供給通路２０１に設けられたエアフローセンサ２４などの電気系部品まで拡散していくことがある。
【００６３】
図２は、熱線式のエアフローセンサ２４の構成を示す模式図である。
【００６４】
エアフローセンサ２４は、カソードガス供給通路２０１に設けられる圧力損失の少ない熱線式のセンサである。エアフローセンサ２４は、熱線２４１と検出回路２４２とを備える。
【００６５】
熱線２４１は、電気信号が供給される電気式部品であり、カソードガス供給通路２０１内のガス雰囲気中に配置される。熱線２４１は、検出回路２４２に接続されている。
【００６６】
検出回路２４２は、カソードガス供給通路２０１の外周面に配置される。検出回路２４２は、電源供給スイッチ６がＯＮに設定されると、バッテリ５から直流電圧を受けて熱線２４１に電圧を供給する。
【００６７】
検出回路２４２は、熱線２４１が所定温度に維持されるように、熱線２４１に供給される電流の大きさを制御する。そのため、カソードガスの流量が大きくなるほど熱線２４１が冷やされて温度が低下するので、検出回路２４２から熱線２４１に供給される電流値が大きくなる。一方、カソードガスの流量が小さくなるほど熱線２４１の温度が上昇するので、検出回路２４２から熱線２４１に供給される電流値が小さくなる。このように検出回路２４２から熱線２４１に供給される電流値はカソードガスの流量に応じて変化するので、この特性を利用してカソードガス供給通路２０１を流れるガス流量が検出回路２４２によって検知される。
【００６８】
具体的には、検出回路２４２は、熱線２４１に供給される電流値を検出し、その電流値に応じて信号レベルが変化する検出信号を、カソードガスの流量としてコントローラ４に出力する。
【００６９】
このようにカソードガス通路内に熱線２４１などの電気式部品が設けられた燃料電池システム１００においては、強制停止後に燃料電池システム１００が再起動されると、電気式部品の周りに水素が存在した状態で、通電が開始されることが懸念される。特に、熱線２４１の損傷等の異常によって熱線抵抗が増大していた場合は、熱線２４１で生じる発熱量が通常よりも大きくなるので、望ましくない。
【００７０】
そこで本実施形態では、燃料電池システム１００が起動されると、コントローラ４は、カソードガスを燃料電池スタック１に供給した後に、カソードガス通路に設けられた電気式部品への通電が開始されるように制御する。以下、本実施形態による燃料電池システム１００の動作について詳細に説明する。
【００７１】
図３は、コントローラ４による燃料電池システム１００の起動処理方法を示すフローチャートである。
【００７２】
まず、イグニッションスイッチ４１がＯＮされてイグニッションスイッチ４１から、燃料電池システム１００の起動を指示する指令信号がコントローラ４に出力される。
【００７３】
そしてステップＳ９１１においてコントローラ４は、燃料電池システム１００の起動処理を開始し、前回行われた燃料電池システム１００の停止処理が、強制停止処理か通常停止処理かを判断する。
【００７４】
例えば、コントローラ４では、燃料電池システム１００に何らかのフェールが発生して強制停止処理が行われた場合には、メモリ４９に記憶された強制停止フラグが「１」に設定され、通常停止処理が行われた場合には、強制停止フラグが「０」に設定される。
【００７５】
そしてコントローラ４は、燃料電池システム１００の起動時においてメモリ４９に記憶された強制停止フラグを参照し、強制停止フラグが「１」を示す場合には、燃料電池システム１００が前回停止された時（前回停止時）に強制停止処理が実行されたと判定する。一方、コントローラ４は、強制停止フラグが「０」を示す場合には、前回停止時に通常停止処理が実行されたと判定する。
【００７６】
前回停止時に通常停止処理が実行されたと判定された場合には、ステップＳ９２０においてコントローラ４は、電源供給スイッチ６の接続状態をＯＮに設定して、バッテリ５からエアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４へ電源電圧を供給する。バッテリ５から供給される電源電圧によって、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４の熱線２４１への通電が開始される。そしてステップＳ９２１においてコントローラ４は、燃料電池スタック１を起動するための起動処理を実行して、燃料電池システム１００の起動処理方法を終了する。
【００７７】
一方、前回停止時に強制停止処理が実行されたと判定された場合には、ステップＳ９１２においてコントローラ４は、アノード調圧弁３１及びアノードパージ弁３３を共に全閉にした状態でカソードコンプレッサ２２を駆動し、カソードガス供給通路２０１を掃気する。
【００７８】
本実施形態では、コントローラ４は、アノードパージ弁３３を全閉にした状態でカソードコンプレッサ２２の回転速度を、カソードガス供給通路２０１の掃気に必要な所定の値（以下、「掃気回転速度」という。）ｖｃに固定する。
【００７９】
そしてコントローラ４は、カソード調圧弁２７を開き、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が、カソードガスバイパス通路２０３を流れるカソードガスの流量よりも少なくなるように、カソードバイパス弁２９の開度を調整する。これにより、カソードガス供給通路２０１や燃料電池スタック１内のカソードガス通路などに存在する水素ガスを掃気している間に、カソードガス排出通路２０２から外部に排出されるガス中の水素濃度を規定値以下に維持することができる。
【００８０】
ステップＳ９１３乃至Ｓ９１５においてコントローラ４は、カソードガス供給通路２０１に拡散してきた水素ガスが十分に排出されたこと、すなわちカソードガス供給通路２０１に対する掃気が終了したことを検出する。
【００８１】
ステップＳ９１３においてコントローラ４は、セル電圧測定装置７によって測定されたセル電圧（出力電圧）に基づいて、カソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出されたか否かを判断する。
【００８２】
例えば、強制停止後の再起動時にカソードコンプレッサ２２からカソードガス供給通路２０１に供給されるカソードガスが多くなるほど、燃料電池スタック１内に形成されたカソードガス通路に滞留した水素が押し出されて酸素量が多くなり、セル電圧が高くなる。
【００８３】
このように、カソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出される量が増加するほど、セル電圧が高くなる。この特性を利用することにより、セル電圧に基づいてカソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出されたか否かを推定することができる。
【００８４】
本実施形態では、コントローラ４は、燃料電池スタック１のセル電圧が、電圧閾値Ｖｔｈよりも大きいか否かを判断する。なお、電圧閾値Ｖｔｈは、実験データ等により設定され、本実施形態ではメモリ４９に予め記憶されている。
【００８５】
そしてコントローラ４は、セル電圧が電圧閾値Ｖｔｈよりも大きい場合には、カソードガス供給通路２０１の掃気が完了したと判断し、ステップＳ９２０に進み、熱線２４１への通電を開始させる。
【００８６】
なお、カソードガス通路の掃気が終了したことを検出するために用いられるセル電圧としては、セル電圧測定装置７で測定される複数のセル電圧のうち、電圧値が最も低い電池セルに生じるセル電圧の値や、各セル電圧を平均した値などが用いられる。あるいは、セル電圧の代わりに、燃料電池スタック１の各セル電圧を加算した値、いわゆる総電圧の値を用いてもよい。
【００８７】
ステップＳ９１４においてコントローラ４は、燃料電池スタック１のセル電圧が電圧閾値Ｖｔｈ以下である場合には、アノード圧力センサ３２によって検出されたアノード圧に基づいて、カソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出されたか否かを判断する。
【００８８】
例えば、コントローラ４は、アノード圧力センサ３２によって検出されたアノード圧の現在値と、燃料電池システム１００の起動時に検出されたアノード圧の初期値との差分に基づいて、カソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出されたか否かを判断する。
【００８９】
カソードコンプレッサ２２からカソードガス供給通路２０１を介して燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが多くなるほど、燃料電池スタック１内の電解質膜で生じる電極反応によって水素が消費される量が増加する。その結果、燃料電池スタック１内に形成されたアノードガス通路のアノードガスの圧力が低下する。
【００９０】
このように、カソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出される量が増加するほど、アノード圧の現在値と初期値との差圧が大きくなる。この特性を利用することにより、アノード圧の現在値と初期値との差圧に基づいてカソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出されたか否かを推定することができる。
【００９１】
本実施形態では、コントローラ４は、アノード圧の現在値から初期値を減算した差圧である低下幅が、低下閾値ΔＰａｔｈよりも大きいか否かを判断する。なお、低下閾値ΔＰａｔｈは、実験データ等により設定され、本実施形態ではメモリ４９に記憶されている。
【００９２】
そしてコントローラ４は、アノード圧の低下幅が低下閾値ΔＰａｔｈよりも大きい場合には、カソードガス供給通路２０１の掃気が完了したと判断し、ステップＳ９２０に進み、熱線２４１への通電を開始させる。
【００９３】
ステップＳ９１５においてコントローラ４は、アノード圧の低下幅が低下閾値ΔＰａｔｈ以下である場合には、カソードコンプレッサ２２を掃気回転速度ｖｃに設定してからの経過時間に基づいて、カソードガス供給通路２０１から水素が排出されたか否かを判断する。
【００９４】
カソードコンプレッサ２２からカソードガス供給通路２０１にカソードガスを吐出する時間が長くなるほど、カソードガス供給通路２０１を流れるカソードガスが多くなり、カソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出される量が増加する。
【００９５】
そこで本実施形態では、コントローラ４は、カソードコンプレッサ２２を掃気回転速度ｖｃに設定してから経過した時間（以下、「掃気時間」という。）を、例えばカウンタを用いて計測する。そしてコントローラ４は、掃気時間が所定の時間閾値Ｔｔｈよりも長いか否かを判断する。なお、時間閾値Ｔｔｈは、実験データ等により設定され、本実施形態ではメモリ４９に記憶されている。
【００９６】
そしてコントローラ４は、カソードガス供給通路２０１の掃気時間が時間閾値Ｔｔｈよりも長い場合には、カソードガス供給通路２０１の掃気が完了したと判断し、ステップＳ９２０に進み、熱線２４１への通電を開始させる。
【００９７】
一方、コントローラ４は、カソードガス供給通路２０１を掃気している時間が時間閾値Ｔｔｈと等しいか時間閾値Ｔｔｈよりも短い場合には、カソードガス供給通路２０１の掃気が完了していないと判断し、ステップＳ９１２に戻る。
【００９８】
そして、ステップＳ９１３からＳ９１５までの処理のうちいずれかひとつの処理において、カソードガスによって十分に水素ガスが希釈されたことが検出されるまで、ステップＳ９１３からＳ９１５までの一連の処理が繰り返される。
【００９９】
カソードガス供給通路２０１から水素ガスが排出されたことを検出した場合には、ステップＳ９２０においてコントローラ４は、電源供給スイッチ６をＯＮに設定してエアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４の熱線２４１に通電を開始させる。
【０１００】
ステップＳ９２１においてコントローラ４は、燃料電池スタック１の通常起動処理を実行して燃料電池システム１００の起動処理方法についての一連の処理手順を終了する。
【０１０１】
次に、燃料電池システム１００の強制停止後の再起動時に行われるカソードガス供給通路２０１に対する掃気が完了したことを検出する検出手法について説明する。
【０１０２】
図４は、燃料電池スタック１のセル電圧に基づいて、カソードガス供給通路２０１の掃気が終了したことを検出したときの燃料電池システム１００の起動処理を説明するためのタイムチャートである。
【０１０３】
図４（ａ）は、セル電圧測定装置７で測定されるセル電圧の変化を示す図である。図４（ｂ）は、カソードガス排出通路２０２から排出されるガス中の水素濃度、いわゆる排気水素濃度の変化を示す図である。図４（ｃ）から図４（ｆ）は、コントローラ４によって制御されるカソード調圧弁２７の開度、カソードバイパス弁２９の開度、カソードコンプレッサ２２の回転速度、及び、アノードパージ弁３３の開度の変化を示す図である。
【０１０４】
図４（ｇ）は、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４の電源がＯＮされるタイミングを示す図である。図４（ａ）から図４（ｆ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０１０５】
時刻ｔ１０よりも前に、燃料電池スタック１が高負荷で運転されている状態で燃料電池システム１００に何らかのフェールが発生して強制的に停止されたことを想定している。
【０１０６】
強制停止後は、燃料電池スタック１内のアノード圧が通常停止時よりも高くなることから、燃料電池スタック１内に形成されたアノードガス通路から、電解質膜を介してカソードガス通路へとアノードガスが押し出される量が増加する。カソードガス通路を透過してきたアノードガスに含まれる水素は、拡散性が高いのでエアフローセンサ２４まで拡散される。
【０１０７】
また強制停止後は、燃料電池スタック１内のアノードガス通路からカソードガス通路へとアノードガスが押し出される量が通常停止時よりも増加するので、カソードガス通路内の酸素濃度が低下すると共にアノードガス通路内の水素濃度が低下する。そのため、図４（ａ）に示されるセル電圧は低下し、図４（ｂ）に示される排気水素濃度は、通常停止時に比べて高くなる。
【０１０８】
また停止処理が行われたため、図４（ｃ）から図４（ｆ）に示すように、カソード調圧弁２７は開いた状態であり、カソードバイパス弁２９は少し開いた状態であり、カソードコンプレッサ２２の回転速度が０であり、アノードパージ弁３３は閉弁状態である。さらに、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４では、電源がＯＦＦされた状態であり、検出値が０となっている。
【０１０９】
時刻ｔ１０において、イグニッションスイッチ４１によってイグニッションキーがＯＦＦからＯＮへ操作されたことが検出され、これによってイグニッションスイッチ４１から、燃料電池システム１００の起動を指示する指令信号がコントローラ４に供給される。そしてコントローラ４は、燃料電池システム１００を起動するための起動処理を開始する。
【０１１０】
燃料電池システム１００の起動処理が開始されると、時刻ｔ１１において、コントローラ４は、メモリ４９に記憶された強制停止フラグを参照して、燃料電池システム１００の前回停止処理が、強制停止処理か通常停止処理かを判断する。
【０１１１】
図４では、メモリ４９に記憶された強制停止フラグが「１」を示すため、コントローラ４は、燃料電池システム１００が前回停止時に強制停止処理が実行されたと判断し、カソードガス通路を掃気するための掃気処理を開始する。これに伴い、コントローラ４は、掃気処理を終了するタイミングを検出するために、所定周期で、燃料電池スタック１のセル電圧が電圧閾値Ｖｔｈよりも低いか否かを判断する。
【０１１２】
なお、強制停止フラグが「０」を示す場合には、燃料電池システム１００の前回停止時に通常停止処理が実行されたことになるため、カソードガス供給通路２０１に拡散してきた水素は無視できるほど僅かである。そのため、コントローラ４は、強制停止フラグが「０」を示す場合は、電源供給スイッチ６の接続状態をＯＮに設定してエアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４の熱線２４１への通電を開始し、燃料電池スタック１の起動処理を実行する。
【０１１３】
カソードガス通路の掃気処理では、コントローラ４は、図４（ｅ）に示すようにカソードコンプレッサ２２の回転速度を、カソードガス供給通路２０１を掃気するために定められた掃気回転速度ｖｃに設定する。これと共にコントローラ４は、図４（ｃ）に示すようにカソード調圧弁２７の開度を、燃料電池スタック１のカソードガス通路に滞留した水素の排出量を少なくするために小さな値ａｃに設定する。これにより、排気水素濃度の増加を抑制すると共に、カソードガス供給通路２０１を流れる流速が速くなるので水素ガスを掃気しやすくなって掃気時間を短くすることができる。
【０１１４】
その後、図４（ｄ）に示すように、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が、カソードガスバイパス通路２０３を流れるカソードガスの流量よりも少なくなるように、コントローラ４は、カソードバイパス弁２９の開度を大きくして開弁する。これにより、図４（ｂ）に示すように、排気水素濃度を低下させることができる。
【０１１５】
時刻ｔ１２において、図４（ｃ）に示すようにカソード調圧弁２７の開度が下げられて所定の値ａｃに固定されると共に、図４（ｄ）に示すようにカソードバイパス弁２９の開度が上げられて全開状態に固定される。そして、図４（ｅ）に示すように、カソードコンプレッサ２２の回転速度が上昇して掃気回転速度ｖｃに固定される。
【０１１６】
このようにコントローラ４は、カソード調圧弁２７の開度を燃料電池スタック１の起動処理のときよりも小さな値に設定し、カソードバイパス弁２９の開度を燃料電池スタック１の起動処理のときよりも大きな値に設定する。これにより、排気水素濃度を規定値以下に維持しつつ、カソードガス排出通路２０２から水素ガスを掃気することができる。
【０１１７】
その後、時刻ｔ１３において、図４（ａ）に示すようにセル電圧が電圧閾値Ｖｔｈよりも高くなるため、コントローラ４は、カソードガス供給通路２０１から水素が排出されたと判断する。すなわち、カソードガス通路の掃気が終了したことが検出される。
【０１１８】
これに伴いコントローラ４は、燃料電池スタック１を起動するために、カソード調圧弁２７の開度を燃料電池スタック１の発電に適した値に調整しつつ、カソードバイパス弁２９の開度を閉じる方向、例えばゼロ（０）に設定する。
【０１１９】
時刻ｔ１４において、図４（ｄ）に示すようにカソードバイパス弁２９の開度が設定値にまで下がり、燃料電池スタック１の起動処理が開始される。なお、燃料電池システム１００が通常停止処理によって停止された後に燃料電池システム１００が起動された場合には、通常、燃料電池スタック１の起動処理が直ぐに実行される。
【０１２０】
燃料電池スタック１の起動処理を行うために、コントローラ４は、電源供給スイッチ６をＯＮに設定して、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４の熱線２４１への通電を開始する。これにより、図４（ｇ）に示すように、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４から出力される検出信号が上昇する。
【０１２１】
また燃料電池スタック１の起動処理が開始されると、コントローラ４は、図４（ｅ）に示すように、カソードコンプレッサ２２の回転速度を、燃料電池スタック１を発電させるために必要とされる起動回転速度ｖｂに設定する。また、コントローラ４は、アノード調圧弁３１を全閉状態から発電に適した開度まで開く。
【０１２２】
時刻ｔ１５において、カソードコンプレッサ２２が起動回転速度ｖｂまで上昇すると、コントローラ４は、図４（ｆ）に示すように、アノードパージ弁３３の開度を大きくしてアノードパージ弁３３を開く。
【０１２３】
このようにカソードガス供給通路２０１を掃気した後にアノードパージ弁３３を開くことにより、カソードガス通路の掃気中において、燃料電池スタック１からカソードガス排出通路２０２へ水素が排出されなくなる。このため、確実に、排気水素濃度を規定値以下に抑えることができる。なお、エアフローセンサ２４では検出信号が次第に上昇し、カソードガス流量を正しく検出できる状態になる。
【０１２４】
図５は、燃料電池スタック１内のアノード圧に基づいて、カソードガス供給通路２０１の掃気が終了したことを検出したときの燃料電池システム１００の起動処理を説明するためのタイムチャートである。
【０１２５】
図５（ａ）は、アノード圧力センサ３２によって検出されるアノード圧の変化を示す図である。図５（ｂ）から図５（ｇ）までの各図面は、それぞれ、図４（ｂ）から図４（ｇ）までの各図面と同じである。また図５（ａ）から図５（ｆ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。
【０１２６】
図５では、図４と同様、時刻ｔ２０よりも前において、燃料電池システム１００に何らかのフェールが発生して強制的に停止されたことを想定している。
【０１２７】
強制停止処理では、燃料電池スタック１内のアノード圧を所定の値まで低下させる制御が行われないため、図５（ａ）に示されるアノード圧は、通常停止時よりも高くなる。これに伴い、燃料電池スタック１内に形成されたアノードガス通路からカソードガス通路へと水素が押し出される量が増加するため、図５（ｂ）に示される排気水素濃度は、通常停止時よりも高くなる。
【０１２８】
また停止処理が行われたため、図５（ｃ）から図５（ｆ）に示すように、カソード調圧弁２７は開いた状態であり、カソードバイパス弁２９は少し開いた状態であり、カソードコンプレッサ２２は停止されて回転速度が０であり、アノードパージ弁３３は閉弁状態である。さらに、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４では、電源がＯＦＦされた状態であり、検出値が０となっている。
【０１２９】
時刻ｔ２０において、イグニッションスイッチ４１によってイグニッションキーがＯＦＦからＯＮへ操作されたことが検出され、これによってイグニッションスイッチ４１から、燃料電池システム１００の起動を指示する指令信号がコントローラ４に供給される。そしてコントローラ４は、燃料電池システム１００の起動処理を開始する。
【０１３０】
起動処理が開始された時点において、コントローラ４は、カソードガス供給通路２０１を掃気している間にアノード圧が低下した低下幅を求めるために、アノード圧力センサ３２から出力されるアノード圧を初期値Ｐｂとして取得する。
【０１３１】
そして時刻ｔ２１において、コントローラ４は、メモリ４９に記憶された強制停止フラグを参照して、燃料電池システム１００の前回停止処理が、強制停止処理か通常停止処理かを判断する。
【０１３２】
図５では、メモリ４９に記憶された強制停止フラグが「１」を示すため、コントローラ４は、燃料電池システム１００が前回停止時に強制停止処理が実行されたと判断し、カソードガス通路の掃気処理を開始する。これに伴い、コントローラ４は、掃気処理を終了するタイミングを検出するために、所定周期でアノード圧力センサ３２によって検出されるアノード圧の現在値と、上述の初期値Ｐｂとの差分ΔＰａが、低下閾値ΔＰａｔｈを超えるか否かを判断する。
【０１３３】
なお、強制停止フラグが「０」を示す場合には、カソードガス供給通路２０１に拡散してきた水素は無視できるほど僅かであるため、電源供給スイッチ６の接続状態をＯＮに設定して熱線２４１への通電を開始させ、燃料電池スタック１の起動処理を実行する。
【０１３４】
カソードガス通路の掃気処理では、図４で述べた通り、コントローラ４は、図５（ｅ）に示すようにカソードコンプレッサ２２の回転速度を掃気回転速度ｖｃに設定すると共に、図５（ｃ）に示すようにカソード調圧弁２７の開度を小さな値ａｃに設定する。
【０１３５】
その後、図５（ｄ）に示すように、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が、カソードガスバイパス通路２０３を流れるカソードガスの流量よりも少なくなるように、コントローラ４は、カソードバイパス弁２９の開度を大きくして開弁する。
【０１３６】
時刻ｔ２２において、図５（ｃ）に示すようにカソード調圧弁２７の開度が下げられて所定の値ａｃに固定されると共に、図５（ｄ）に示すようにカソードバイパス弁２９の開度が上げられて全開状態に固定される。そして、図５（ｅ）に示すように、カソードコンプレッサ２２の回転速度が上昇して掃気回転速度ｖｃに固定される。
【０１３７】
このようにコントローラ４は、カソード調圧弁２７の開度を燃料電池スタック１の起動処理のときよりも小さな値に設定し、カソードバイパス弁２９の開度を燃料電池スタック１の起動処理のときよりも大きな値に設定する。これにより、排気水素濃度を規定値以下に維持しつつ、カソードガス排出通路２０２から水素ガスを掃気することができる。
【０１３８】
この後、カソードコンプレッサ２２からカソードガス供給通路２０１を介して燃料電池スタック１にカソードガスが供給されると、電解質膜で生じる電極反応によって水素が消費される。このため、カソードコンプレッサ２２からカソードガス供給通路２０１に吐出されるカソードガスが多くなるほど、水素の消費量が多くなるので、燃料電池スタック１内に形成されたアノードガス通路内のアノード圧が低下する。
【０１３９】
そして時刻ｔ２３において、図５（ａ）に示すように、アノード圧の低下幅ΔＰａが低下閾値ΔＰａｔｈよりも大きくなるため、コントローラ４は、カソードガス供給通路２０１から水素が排出されたと判断する。すなわち、カソードガス通路の掃気が終了したことが検出される。
【０１４０】
これに伴いコントローラ４は、燃料電池スタック１を起動するために、カソード調圧弁２７の開度を燃料電池スタック１の発電に適した値に調整しつつ、カソードバイパス弁２９の開度を水素希釈に必要な値に設定する。
【０１４１】
時刻ｔ２４において、図５（ｄ）に示すようにカソードバイパス弁２９の開度が設定値まで下がり、燃料電池スタック１の起動処理が開始される。
【０１４２】
そしてコントローラ４は、電源供給スイッチ６をＯＮに設定して、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４の熱線２４１への通電を開始する。これにより、図５（ｇ）に示すように、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４から出力される検出信号が上昇する。
【０１４３】
また燃料電池スタック１の起動処理が開始されると、図４で述べた通り、コントローラ４は、図５（ｅ）に示すように、カソードコンプレッサ２２の回転速度を起動回転速度ｖｂに設定する。
【０１４４】
時刻ｔ２５において、カソードコンプレッサ２２が起動回転速度Ｖｂまで上昇すると、コントローラ４は、図５（ｆ）に示すように、アノードパージ弁３３の開度を大きくしてアノードパージ弁３３を開く。
【０１４５】
このようにカソードガス供給通路２０１を掃気した後にアノードパージ弁３３を開くことにより、カソードガス通路の掃気中において、燃料電池スタック１からカソードガス排出通路２０２へ水素が排出されなくなる。このため、確実に、排気水素濃度を規定値以下に抑えることができる。
【０１４６】
なお、図５ではアノード圧の現在値と初期値との差圧が低下閾値よりも大きい場合にカソードガス通路の掃気が完了したと判断する例について説明したが、アノード圧の現在値が所定の閾値よりも低下した場合に掃気が完了したと判断するようにしてもよい。
【０１４７】
本発明の第１実施形態によれば、カソードガス通路内に電気式部品が設けられた燃料電池システム１００において、コントローラ４は、燃料電池システム１００の起動後に、カソードガス通路を介してカソードガスを燃料電池スタック１に供給する。そしてコントローラ４は、カソードガスを燃料電池スタック１に供給してから、カソードガス通路に存在する水素を掃気するのに必要となる所定期間が経過した後に電気式部品への通電を開始する。
【０１４８】
これにより、カソードガス通路内に設けられた電気式部品の周りに拡散してきたアノードガスをカソードガスによって掃気した後に電気式部品への通電が開始されるので、電気式部品の周りに水素が存在した状態で電気式部品への通電が開始されることを回避できる。したがって、強制停止後の再起動時における燃料電池システム１００の安全性を確保することができる。
【０１４９】
ここで電気式部品としては、例えば、エアフローセンサ２１及びエアフローセンサ２４に用いられる熱線２４１などが挙げられる。また電気式部品が設けられるカソードガス通路としては、例えば、カソードガス供給通路２０１や、カソードガス排出通路２０２、カソードガスバイパス通路２０３などが考えられる。
【０１５０】
また、通常停止後の再起動時は、強制停止後の再起動時に比べて、カソードガス通路に拡散してくる水素の量が少ない。このため、強制停止後の再起動時においてカソードガス通路に存在する水素を掃気するのに必要とされる所定時間を待たずに電気式部品への通電を開始することが可能である。
【０１５１】
そのため、本実施形態では、コントローラ４は、通常停止後の再起動時は、強制停止後の再起動時にカソードガス通路を掃気するのに必要とされる所定期間が経過する前に、電気式部品への通電を開始する。これにより、電気式部品の通電後に行われる燃料電池スタック１の起動処理を迅速に実行できるので、燃料電池システム１００の起動処理に要する全体の起動時間を短縮することができる。
【０１５２】
また本実施形態では、コントローラ４は、燃料電池システム１００のフェールを判定したときに、アノードガス及びカソードガスの供給を停止して燃料電池システム１００を強制的に停止させる。強制停止後にコントローラ４は、燃料電池システム１００の起動及び停止を行うために用いられるイグニッションスイッチがＯＮされた強制停止後の再起動時は、アノードガスの供給を停止したまま、所定流量のカソードガスを燃料電池スタック１に供給する。
【０１５３】
このように、カソードガス通路を掃気している間は、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給を停止することにより、燃料電池スタック１に形成されたアノードガス通路から電解質膜を介してカソードガス通路へとアノードガスがリークしにくくなる。このため、カソードガス通路へリークしてくる水素の量が低減するので、カソードガス通路を掃気しているときにカソードガス排出通路２０２から排出されるガス中の水素濃度の増加を抑制することができる。
【０１５４】
また本実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１の出力電圧として電池セルに生じるセル電圧を検出するセル電圧測定装置７を備え、電気式部品としてカソードガス供給通路２０１にエアフローセンサ２４が配置される。そしてコントローラ４は、燃料電池システム１００の起動後に、カソードガス供給通路２０１を介してカソードガスを燃料電池スタック１に供給してから、セル電圧が所定電圧Ｖｔｈを超えた後にエアフローセンサ２４への通電を開始する。
【０１５５】
一般的に、カソードコンプレッサ２２からカソードガス供給通路２０１に吐出されるカソードガスが多くなるほど、燃料電池スタック１内のカソードガス通路に滞留した水素が押し出されて酸素量が多くなり、セル電圧が高くなる。
【０１５６】
このため、燃料電池スタック１のセル電圧を監視することにより、カソードガス供給通路２０１に存在する水素の量を推定できるので、カソードガス供給通路２０１に対する掃気が完了したことを的確に検出することができる。したがって、安全にエアフローセンサ２４への通電を開始できる。さらにカソードガス供給通路２０１の掃気時間を長くし過ぎて燃料電池システム１００の起動時間が長期化することを防止できる。
【０１５７】
また本実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１内に形成されたアノードガス通路のアノード圧、すなわちアノード側の圧力を検出するアノード圧力センサ３２を備える。そしてコントローラ４は、アノード圧力センサ３２で検出されたアノード側の圧力の現在値と、強制停止後の再起動時に検出されたアノード側の圧力の初期値との差圧が、所定値ΔＰａｔｈとなるまでの所定時間を超えるまで、エアフローセンサ４２への通電を行わない。
【０１５８】
カソードコンプレッサ２２からカソードガス供給通路２０１を介して燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが多くなるほど、燃料電池スタック１で消費される水素が増加するので、燃料電池スタック１内のアノードガスの圧力が低下する。
【０１５９】
このため、アノード圧の現在値と初期値との差圧を監視することにより、カソードガス供給通路２０１に存在する水素の量を推定できるので、カソードガス供給通路２０１から水素が排出されたことを的確に検出することができる。したがって、安全にエアフローセンサ４２への通電を行うことができる。さらにカソードガス供給通路２０１の掃気時間を長くしすぎて燃料電池システム１００の起動時間が長期化することを防止できる。
【０１６０】
また本実施形態では、コントローラ４は、カソードガスを燃料電池スタック１に供給してから、予め定められた経過時間Ｔｔｈに到達するまでの所定期間、カソードガス供給通路２０１を掃気する。これにより、セル電圧測定装置７やアノード圧力センサ３２などの故障によってセル電圧やアノード圧が正確に検出されない状況でも、簡易な構成で確実に、カソードガス供給通路２０１に対する掃気を終了させることができる。
【０１６１】
また本実施形態では、カソードガス排出通路２０２にアノードオフガスを合流させるアノードガス排出通路３０２と、アノードオフガスを排出するために開閉するアノードパージ弁３３と、をさらに備える。そしてコントローラ４は、強制停止後の再起動時は、カソードガス供給通路２０１の掃気に必要な所定期間が経過するまで、アノードパージ弁３３を開弁しない。
【０１６２】
このように、カソードガス通路を掃気している間は、アノードパージ弁３３を閉弁することにより、燃料電池スタック１からアノードガス排出通路３０２を介してカソードガス排出通路２０２へ水素が排出されない。このため、カソードガス通路を掃気しているときに、カソードガス排出通路２０２から排出されるガス中の水素濃度の増加を抑制することができる。
【０１６３】
（第２実施形態）
図６は、エアフローセンサ２４近傍に位置するカソードガス供給通路２０１における強制停止後の水素濃度の時間変化を示す図である。
【０１６４】
時刻ｔ３０において燃料電池システム１００が強制停止され、エアフローセンサ２４の熱線２４１周辺まで水素が拡散してくるため、エアフローセンサ２４近傍の水素濃度は、通常停止時よりも高くなる。
【０１６５】
この後、エアフローセンサ２４近傍の水素濃度は、時刻ｔ３１を経過するまで急激に低下し、時刻ｔ３１を経過した後は徐々に低下する。
【０１６６】
そして時刻ｔ３２では、エアフローセンサ２４近傍の水素濃度は、燃料電池システム１００の安全性が確保できる程度まで十分に低下する。
【０１６７】
このように、燃料電池システム１００を強制的に停止した後、時刻ｔ３０から時刻ｔ３２までの数十時間程度の時間Ｔｕが経過している場合には、水素濃度は十分低くなるので、カソードガス供給通路２０１を掃気しなくてもよい。
【０１６８】
そこで本発明の第２実施形態では、コントローラ４は、例えばカウンタなどを用いて、燃料電池システム１００が強制停止されてから再起動されるまでの放置時間を計測する。燃料電池システム１００の起動後にコントローラ４は、計測した放置時間が、カソードガス供給通路２０１の掃気が不要となる時間Ｔｕを経過している場合には、エアフローセンサ２４の熱線２４１への通電を開始する。
【０１６９】
図７は、第２実施形態における燃料電池システム１００の起動方法を示すフローチャートである。図７では、ステップＳ９３０以外の処理は、図３に示した処理と同じであるため、同一符号を付してステップＳ９３０についてのみ説明する。
【０１７０】
ステップＳ９３０においてコントローラ４は、ステップＳ９１１で前回の停止処理が強制停止処理であると判定された場合には、強制停止されてから再起動されるまでの放置時間が、掃気の不要となる時間Ｔｕを経過しているか否かを判断する。なお、掃気が不要となる時間Ｔｕは、実験データ等により設定され、本実施形態ではメモリ４９に予め記憶されている。
【０１７１】
そして、コントローラ４は、燃料電池システム１００が強制停止されてから再起動されるまでの放置時間が、掃気が不要となる時間Ｔｕを経過している場合には、ステップＳ９２０に進み、エアフローセンサ２４の熱線２４１への通電を開始する。
【０１７２】
一方、コントローラ４は、燃料電池システム１００が強制停止されてから再起動されるまでの放置時間が、掃気が不要となる時間Ｔｕを経過していない場合には、ステップＳ９１２に進み、カソードコンプレッサ２２を掃気回転速度ｖｃに設定する。
【０１７３】
本発明の第２実施形態によれば、燃料電池システム１００が強制停止されてから再起動に至るまでの放置時間が、掃気が不要となる時間Ｔｕを経過している場合には、カソードガス供給通路２０１を掃気せずに、熱線２４１への通電を開始する。
【０１７４】
これにより、無用にカソードコンプレッサ２２を駆動してカソードガス供給通路２０１を掃気するのを抑制できるので、カソードコンプレッサ２２の消費電力を削減すると共に、燃料電池スタック１の起動処理が完了するまでの時間を短縮することができる。
【０１７５】
なお、本実施形態では燃料電池システム１００が強制停止されてからの放置時間が、掃気が不要となる時間Ｔｕを経過している場合にはカソードガス通路を掃気せずに熱線２４１への通電を開始する例について説明したが、これに限られるものではない。
【０１７６】
例えば、コントローラ４は、燃料電池システム１００の強制停止後の放置時間が、掃気が不要となる所定時間Ｔｕ以上の場合には、カソードガス供給通路２０１を掃気し、掃気時間が時間閾値Ｔｔｈを経過する前に、熱線２４１への通電を開始するようにしてもよい。これにより、燃料電池システム１００の安全性を確保しつつ、燃料電池スタック１の起動処理を迅速に実行することができる。
【０１７７】
あるいは、コントローラ４は、強制停止から掃気が不要となる時間Ｔｕを経過していない場合には、図６を参照し、放置時間の長さに応じて時間閾値Ｔｈを変更するようにしてもよい。具体的には、コントローラ４は、放置時間が長くなるほど、掃気時間が短くなるように時間閾値を小さくする。これにより、無用にカソードコンプレッサ２２を駆動してカソードガス供給通路２０１が掃気されることを回避できるので、カソードコンプレッサ２２の消費電力を削減できると共に、燃料電池スタック１の起動が完了するまでの時間を短縮することができる。
【０１７８】
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。
【０１７９】
例えば、本実施形態ではアノードガス排出通路３０２にアノードパージ弁３３を備えたアノードガスデッドエンド式の燃料電池システムについて説明したが、アノードガス循環型の燃料電池システムに対しても本発明を適用してもよい。この場合にも、本実施形態と同様の作用効果が得られる。
【０１８０】
また、本実施形態ではカソードガスバイパス通路２０３にカソードバイパス弁２９を備えた燃料電池システムについて説明したが、カソードガスバイパス通路２０３が設けられていない燃料電池システムに対しても本発明を適用してもよい。この場合にも、本実施形態と同様の作用効果が得られる。
【０１８１】
１    燃料電池スタック（燃料電池）
４    コントローラ（通電手段、ガス供給手段、強制停止手段）
７      セル電圧測定装置（出力電圧検出手段）
２２    カソードコンプレッサ（ガス供給手段）
２１、２４    エアフローセンサ
２４１    熱線（電気式部品）
３２    アノード圧力センサ（アノード圧力検出手段）
３３    アノードパージ弁
１００    燃料電池システム
２０１    カソードガス供給通路（カソードガス通路）
２０２    カソードガス排出通路（カソードガス通路）
２０３    カソードガスバイパス通路（カソードガス通路）
３０２    アノードガス排出通路
【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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