(57)【要約】【課題】水素ガスや電力を必要以上に消費したり、使用状況に応じて起動時間がばらついたりすることなく発電を開始させることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池１０による発電が停止してから当該燃料電池が起動するまでのソーク時間を計時するソーク時間計時部５１と、ソーク時間に基づいて、燃料電池１０による発電を開始するために必要なパージ弁２６１から排出される起動許可パージ量を決定する起動許可パージ量決定部５３と、少なくとも、パージ実行量算出部５２により算出されたパージ量が起動許可パージ量以上となった場合には、アノード流路１１内のガスの置換が完了したと判断する置換完了判断部５４と、置換完了判断部５４によりアノード流路１１内のガスの置換が完了したと判断されたことに基づいて、燃料電池１０による発電の開始を許可する発電開始許可部５５と、を備える。【選択図】図１
2008257984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に流通するアノード流路にアノードガスを供給するアノードガス供給手段と、
前記アノード流路内のガスを排出するアノード排出弁と、
前記燃料電池の起動時には、当該燃料電池による発電の開始が許可されるまで、前記アノード排出弁を開弁し、前記アノードガス供給手段によりアノードガスを供給することで、当該アノード流路内のガスをアノードガスにより置換する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記アノード排出弁から排出されたガス排出量を算出するガス排出量算出手段をさらに備え、
前記制御手段は、
前記燃料電池による発電が停止してから当該燃料電池が起動するまでの停止時間を計時する停止時間計時手段と、
前記停止時間に基づいて、前記燃料電池による発電を開始するために必要な前記アノード排出弁から排出される発電開始許可ガス排出量を決定する発電開始許可ガス排出量決定手段と、
少なくとも、前記ガス排出量算出手段により算出されたガス排出量が前記発電開始許可ガス排出量以上となった場合には、前記アノード流路内のガスの置換が完了したと判断する置換完了判断手段と、
前記置換完了判断手段により前記アノード流路内のガスの置換が完了したと判断されたことに基づいて、前記燃料電池による発電の開始を許可する発電開始許可手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記発電開始許可ガス排出量決定手段は、前記停止時間が長くなるに従い、前記発電開始許可ガス排出量を大きな値に決定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】
前記置換完了判断手段は、
前記ガス排出量算出手段により算出されたガス排出量にかかわらず、前記燃料電池の開放電圧が第１所定値以上となった場合にも、前記アノード流路内のガスの置換が完了したと判断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】
前記発電開始許可手段は、
前記置換完了判断手段により前記アノード流路内のガスの置換が完了したと判断し、かつ、前記燃料電池の開放電圧が第２所定値よりも大きい場合、前記燃料電池による発電の開始を許可することを特徴とする請求項１から３の何れか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。詳しくは、システムのソーク時間に応じて適切に発電を開始できる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
【０００５】
ところで、このような燃料電池システムにおいて、水素ガス及び空気の供給を止めて発電を停止させた状態では、両電極間で差圧が生じ、カソード電極側に供給された空気に含まれる窒素がアノード電極側へ流入し、アノード流路内の水素濃度が低下する。このため従来より、燃料電池システムを起動させる際には、アノード流路内の水素濃度を高めるために、アノード流路内に滞留したガスを新規に供給された水素ガスで置換する所謂ＯＣＶチェックを行った後に、発電の開始、すなわち負荷運転の開始を許可していた。
【０００６】
ここで、このようなＯＣＶチェックを行う方法として、例えば特許文献１には、燃料電池の出力電圧が所定の値に達したか否かを判断することにより、上述の水素ガスの置換の完了を判断する燃料電池発電装置の起動方法が示されている。燃料電池による発電を開始するための準備として、以上のようなＯＣＶチェックを行うことにより、例えば、この燃料電池システムを長時間起動せずに放置した後であっても、確実に起動させることができる。
【特許文献１】特許２７３５３９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、例えばセルの劣化などにより燃料電池のＩＶ特性が変化した場合には、燃料電池に負荷を接続し、発電を開始するのに十分な程度に水素ガスの置換が完了しているにもかかわらず、出力電圧が水素ガスの置換が完了したと判断するために必要な値にまで達しない場合がある。このため、特許文献１に示された起動方法によれば、使用状況に応じて、システムの起動時間に大きなばらつきが生じて商品性が悪化したり、水素ガスを必要以上に消費したりするおそれがある。
【０００８】
また近年では、コンプレッサによる空気の供給と連動して水素ガスの供給を行う燃料電池システムが提案されている。例えば、このような燃料電池システムに特許文献１に示された起動方法を適用した場合には、上述のように必要以上の水素ガスの置換が行われてしまうと、供給される水素ガスに加えて、コンプレッサを駆動するための電力も必要以上に消費されてしまうこととなる。
【０００９】
本発明は、水素ガスや電力を必要以上に消費したり、使用状況に応じて起動時間がばらついたりすることなく発電を開始させることができる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】
本発明の燃料電池システムは、アノードガス（例えば、後述の水素ガス）及びカソードガス（例えば、後述の空気）の反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池に流通するアノード流路（例えば、後述のアノード流路１１）にアノードガスを供給するアノードガス供給手段（例えば、後述の供給装置２０）と、前記アノード流路内のガスを排出するアノード排出弁（例えば、後述のパージ弁２６１）と、前記燃料電池の起動時には、当該燃料電池による発電の開始が許可されるまで、前記アノード排出弁を開弁し、前記アノードガス供給手段によりアノードガスを供給することで、当該アノード流路内のガスをアノードガスにより置換する制御手段（例えば、後述の制御装置４０）と、を備える燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）であって、前記アノード排出弁から排出されたガス排出量（例えば、後述のパージ実行量）を算出するガス排出量算出手段（例えば、後述のパージ実行量算出部５２）をさらに備え、前記制御手段は、前記燃料電池による発電が停止してから当該燃料電池が起動するまでの停止時間（例えば、後述のソーク時間）を計時する停止時間計時手段（例えば、後述のソーク時間計時部５１）と、前記停止時間に基づいて、前記燃料電池による発電を開始するために必要な前記アノード排出弁から排出される発電開始許可ガス排出量（例えば、後述の起動許可パージ量）を決定する発電開始許可ガス排出量決定手段（例えば、後述の起動許可パージ量決定部５３）と、少なくとも、前記ガス排出量算出手段により算出されたガス排出量が前記発電開始許可ガス排出量以上となった場合には、前記アノード流路内のガスの置換が完了したと判断する置換完了判断手段（例えば、後述の置換完了判断部５４）と、前記置換完了判断手段により前記アノード流路内のガスの置換が完了したと判断されたことに基づいて、前記燃料電池による発電の開始を許可する発電開始許可手段（例えば、後述の発電開始許可部５５）と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、ガス排出量算出手段により算出されたガス排出量が発電開始許可ガス排出量以上となった場合に、アノード流路内のガスの置換が完了したと判断する置換完了判断手段と、この置換完了判断手段による判断に基づいて燃料電池による発電の開始を許可する発電開始許可手段と、を設けた。つまり、発電開始許可ガス排出量以上のガスがアノード流路から排出された場合には、発電の開始が許可されることとなる。これにより、上述の特許文献１の燃料電池システムとは異なり、発電を開始するまでにかかる時間が、燃料電池のＩＶ特性の変化などの使用状況に応じてばらつくのを防止することができる。
【００１２】
また、発電開始許可ガス排出量は、ソーク時間計時手段で計時されたソーク時間に基づいて、発電開始許可ガス排出量決定手段により決定される。ここで、発電開始許可ガス排出量を、ソーク時間に応じた適切な値にすることにより、アノードガスや、このアノードガスを供給するために必要な電力を必要以上に消費することなく発電を開始させることができる。
【００１３】
この場合、前記発電開始許可ガス排出量決定手段は、前記停止時間が長くなるに従い、前記発電開始許可ガス排出量を大きな値に決定することが好ましい。
【００１４】
アノード流路内の不純物は、ソーク時間が長くなるに従い多くなる。この発明によれば、発電開始許可ガス排出量を、ソーク時間が長くなるに従い大きな値に決定することにより、アノード流路内の不純物の量に応じた適切な時間及び適切なアノードガス供給量で、アノード流路内のガスの置換を行うことができる。
【００１５】
この場合、前記置換完了判断手段は、前記ガス排出量算出手段により算出されたガス排出量にかかわらず、前記燃料電池の開放電圧が第１所定値（例えば、後述の燃料電池１０を通常起動する際には確保されていることが好ましい電圧値）以上となった場合にも、前記アノード流路内のガスの置換が完了したと判断することが好ましい。
【００１６】
例えば、燃料電池の温度が高く膜電極の触媒が活性化しやすい状態では、アノード流路内のガスの置換が完全に完了していなくても、必要な出力電圧を確保することができる場合がある。この発明によれば、ガス排出量算出手段により算出されたガス排出量にかかわらず、燃料電池の電圧が発電を開始するために十分な値よりも大きくなった場合にも、ガスの置換が完了したと判断することにより、反応ガスやこの反応ガスを供給するために必要な電力を無駄に消費することなく、アノード流路内のガスの置換を行うことができる。
【００１７】
この場合、前記発電開始許可手段は、前記置換完了判断手段により前記アノード流路内のガスの置換が完了したと判断し、かつ、前記燃料電池の開放電圧が第２所定値（例えば、後述の燃料電池１０を起動する際には最低限確保しておきたい電圧値）よりも大きい場合、前記燃料電池による発電の開始を許可することが好ましい。
【００１８】
この発明によれば、燃料電池による発電は、置換完了判断手段によりアノード流路内のガスの置換が完了したと判断され、かつ、燃料電池の開放電圧が第２所定値よりも大きい場合に許可される。換言すれば、たとえ反応ガスの置換が完了したと置換完了判断手段により判断された場合であっても、開放電圧が発電を開始するために最低限必要な値よりも小さい場合には、発電の開始が許可されない。これにより、発電を開始するのに適切でない状態で発電が開始されて、燃料電池の膜電極が劣化するのを防止できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、発電開始許可ガス排出量以上のガスがアノード流路から排出された場合には、発電の開始が許可されることとなる。これにより、発電を開始するまでにかかる時間が、燃料電池のＩＶ特性の変化などの使用状況に応じてばらつくのを防止することができる。また、発電開始許可ガス排出量は、ソーク時間計時手段で計時されたソーク時間に基づいて、発電開始許可ガス排出量決定手段により決定される。ここで、発電開始許可ガス排出量を、ソーク時間に応じた適切な値にすることにより、アノードガスや、このアノードガスを供給するために必要な電力を必要以上に消費することなく発電を開始させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０にアノードガスとしての水素ガスやカソードガスとしての空気を供給する供給装置２０と、これら燃料電池１０及び供給装置２０を制御する制御装置４０とを有する。
【００２２】
燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。
【００２３】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に形成されたアノード流路１１に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に形成されたカソード流路１２に酸素を含む空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。また、この燃料電池１０には、燃料電池１０の電圧を計測する燃料電池電圧センサ１０１が接続されている。燃料電池電圧センサ１０１は、計測した燃料電池１０の電圧値を制御装置４０に出力する。
【００２４】
供給装置２０は、燃料電池１０のカソード流路１２に空気を供給するコンプレッサ２１と、アノード流路１１に水素ガスを供給するアノードガス供給手段としての水素タンク２２及びエゼクタ２８と、を含んで構成される。
【００２５】
コンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード流路１２の一端側に接続されている。また、燃料電池１０のカソード流路１２の他端側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、背圧弁２４１が設けられる。
【００２６】
水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード流路１１の一端側に接続されている。この水素供給路２５には、エゼクタ２８が設けられている。水素供給路２５のうち水素タンク２２とエゼクタ２８との間には、遮断弁２５１が設けられている。また、この水素供給路２５のうちエゼクタ２８とアノード流路１１との間には、水素供給路２５内の圧力を検出する圧力センサ２５２が設けられている。この圧力センサ２５２は、検出した圧力を制御装置４０に出力する。
【００２７】
また、燃料電池１０のアノード流路１１の他端側には、水素排出路２６が接続される。この水素排出路２６の先端側には、アノード流路１１内のガスを、水素排出路２６を介して排出するアノード排出弁としてのパージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード流路１１側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。
【００２８】
制御装置４０には、上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、遮断弁２５１、及びパージ弁２６１、並びに、圧力センサ２５２、及び燃料電池電圧センサ１０１が接続される。
【００２９】
また、制御装置４０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池システム１が搭載された車両の運転席に設けられており、運転者の操作に従って、オン／オフ信号を制御装置４０に送信する。制御装置４０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の起動を行い、発電を開始する。
【００３０】
ここで、後に詳述する手順により発電の開始が許可された後、燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水とともに、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。これら水素ガスおよび空気は、図示しない排ガス処理装置で処理されて、外部に排出される。
【００３１】
制御装置４０は、停止時間計時手段としてのソーク時間計時部５１と、ガス排出量算出手段としてのパージ実行量算出部５２と、発電開始許可ガス排出量決定手段としての起動許可パージ量決定部５３と、置換完了判断手段としての置換完了判断部５４と、発電開始許可部５５と、水素置換実行部５６とを備え、燃料電池１０を起動し、上述のようにして発電を行う。図１においては、燃料電池１０の起動及び発電開始の許可に係る制御ブロックのみを示す。
【００３２】
ソーク時間計時部５１は、燃料電池システム１において、燃料電池１０による発電が停止してから、この燃料電池１０が起動するまでの停止時間としてのソーク時間を計時する。
【００３３】
パージ実行量算出部５２は、パージ弁２６１から排出されたガスの排出量をパージ実行量として、このパージ実行量を算出する。具体的には、パージ実行量算出部５２は、圧力センサ２５２から入力された水素供給路２５内の圧力と、パージ弁２６１が開弁された時間（パージ時間）と、パージ弁２６１のＰＱ特性とに基づいて、パージ実行量を算出する。
【００３４】
起動許可パージ量決定部５３は、ソーク時間計時部５１により計時されたソーク時間に基づいて、燃料電池１０による発電を開始するために必要なパージ弁２６１から排出される発電開始許可ガス排出量（以下、起動許可パージ量とする）を決定する。起動許可パージ量決定部５３は、制御マップを備えており、この制御マップに基づいて、ソーク時間に応じた起動許可パージ量を決定する。具体的には、起動許可パージ量決定部５３は、ソーク時間が長くなるに従い、起動許可パージ量を大きな値に決定する（後述の図３参照）。
【００３５】
置換完了判断部５４は、起動許可パージ量決定部５３により決定された起動許可パージ量と、パージ実行量算出部５２により算出されたパージ実行量とに基づいて、アノード流路１１内のガスの置換の完了を判断する。具体的には、置換完了判断部５４は、パージ実行量算出部５２により算出されたパージ実行量と、起動許可パージ量決定部５３により決定された起動許可パージ量とを比較し、パージ実行量が起動許可パージ量以上となった場合には、アノード流路１１内のガスの置換が完了したと判断する。
【００３６】
また、この置換完了判断部５４は、パージ弁２６１が正常に開弁されたか否かを判断することが可能となっている。具体的には、置換完了判断部５４は、圧力センサ２５２により検出された水素供給路２５内の圧力値を監視しており、パージ弁２６１を開弁する際における、水素供給路２５内の圧力値の変化に基づいて、パージ弁２６１が正常に開弁されたか否かを判断する。
【００３７】
つまり、パージ弁２６１を開弁すると、このパージ弁２６１から排出されるガスの排出量は、水素タンク２２から供給される水素供給量よりも瞬間的に増加する。これにより、置換完了判断部５４は、パージ弁２６１を開弁する際に、水素供給路２５内の圧力低下を検知した場合にはパージ弁２６１が正常に開弁されたと判断し、水素供給路２５内の圧力低下を検知できなかった場合にはパージ弁２６１が正常に開弁されなかったと判断する。
【００３８】
そこで、この置換完了判断部５４は、上述のようにパージ弁２６１が正常に開弁されなかったと判断された場合には、燃料電池電圧センサ１０１により検出された燃料電池１０の電圧値に基づいて、アノード流路１１内のガスの置換の完了を判断する。より具体的には、置換完了判断部５４は、パージ実行量算出部５２により算出されたパージ実行量にかかわらず、燃料電池１０の開放電圧が第１所定値以上となった場合にも、アノード流路１１内のガスの置換が完了したと判断する。
【００３９】
この第１所定値は、燃料電池１０を通常起動する際には確保されていることが好ましい電圧値に設定される。ここで、確保されていることが好ましい値とは、例えば、燃料電池システム１が搭載された車両を、違和感無く走行させるために必要な電圧値であり、本実施形態では例えば８００ｍＶとする。
【００４０】
発電開始許可部５５は、上述の置換完了判断部５４によりアノード流路１１内のガスの置換の完了が判断されたことに基づいて、燃料電池１０による発電の開始を許可する。より具体的には、発電開始許可部５５は、燃料電池電圧センサ１０１により計測された電圧値が第２所定値よりも大きい場合に、燃料電池１０による発電の開始を許可する。ここで、この第２所定値は、燃料電池１０を起動する際には最低限確保しておきたい電圧値に設定される。つまり、この第２所定値は、上述の第１所定値よりも小さい値に設定される。また、最低限確保しておきたい電圧値とは、例えば、燃料電池システム１が搭載された車両を走行させることが可能な電圧値の下限値であり、本実施形態では例えば３００ｍＶとする。
【００４１】
水素置換実行部５６は、燃料電池１０の起動時に、発電の開始が許可されるまで、パージ弁２６１を開弁し、水素タンク２２により水素ガスを供給することで、アノード流路１１内のガスを水素ガスにより置換する。具体的には、水素置換実行部５６は、イグニッションスイッチがオンにされたことに基づいて燃料電池１０の起動が開始されてから、上述の置換完了判断部５４によりアノード流路１１内のガスの置換の完了が判断されるまでの間、遮断弁２５１及びパージ弁２６１を開弁し、水素置換を実行する。
【００４２】
制御装置４０のうち、燃料電池１０の起動及び発電の開始に係る動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。
図２は、燃料電池１０を起動してから、燃料電池１０の発電の開始を許可するまでの手順を示すフローチャートである。
【００４３】
まず、燃料電池１０の起動は、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンにされたことに基づいて開始する。ＳＴ１では、起動許可パージ量決定部５３により、ソーク時間計時部５１で計時されたソーク時間に応じた起動許可パージ量を決定し、ＳＴ２移る。ＳＴ２では、アノード流路１１内の水素置換を開始し、ＳＴ３に移る。具体的には、このステップでは、水素置換実行部５６によりパージ弁２６１を開弁し、遮断弁２５１を開弁することにより、アノード流路１１内のガスを新たに供給された水素ガスで置換する。
【００４４】
ＳＴ３では、パージ弁２６１が正常に開弁されたか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”の場合にはＳＴ４に移り、この判別が“ＮＯ”の場合にはＳＴ６に移る。具体的には、このステップでは、置換完了判断部５４により、上述のように圧力センサ２５２で検出された圧力に基づいてパージ弁２６１が正常に開弁されたか否かを判別する。
【００４５】
ＳＴ４では、置換完了判断部５４によりパージ実行量が起動許可パージ量以上となったか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”の場合にはアノード流路１１内のガスの置換が完了したと判断しＳＴ５に移り、この判別が“ＮＯ”の場合にはＳＴ６に移る。ＳＴ５では、水素置換実行部５６によるアノード流路１１内の水素置換を完了し、ＳＴ８に移る。
【００４６】
ＳＴ６では、置換完了判断部５４により燃料電池１０の電圧値が第１所定値（８００ｍＶ）よりも大きい否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”の場合にはアノード流路１１内のガスの置換が完了したと判断しＳＴ７に移り、この判別が“ＮＯ”の場合にはＳＴ４に移る。ＳＴ７では、水素置換実行部５６によるアノード流路１１内の水素置換を完了し、ＳＴ９に移る。
【００４７】
ＳＴ８では、発電開始許可部５５により燃料電池１０の電圧値が第２所定値（３００ｍＶ）よりも大きいか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”の場合にはＳＴ９に移り、この判別が“ＮＯ”の場合にはＳＴ１１に移る。ＳＴ９では、発電開始許可部５５により燃料電池１０の発電の開始を許可し、ＳＴ１０に移る。ＳＴ１０では、燃料電池１０の発電を開始する。ＳＴ１１では、燃料電池１０の起動を中止する。
【００４８】
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
【００４９】
（１）本実施形態の燃料電池システム１によれば、パージ実行量算出部５２により算出されたパージ実行量が起動許可パージ量以上となった場合に、アノード流路１１内のガスの置換が完了したと判断する置換完了判断部５４と、この置換完了判断部５４による判断に基づいて燃料電池１０による発電の開始を許可する発電開始許可部５５と、を設けた。つまり、起動許可パージ量以上のガスがアノード流路１１から排出された場合には、発電の開始が許可されることとなる。これにより、上述の特許文献１の燃料電池システムとは異なり、発電を開始するまでにかかる時間が、燃料電池１０のＩＶ特性の変化などの使用状況に応じてばらつくのを防止することができる。
【００５０】
また、起動許可パージ量は、ソーク時間計時部５１で計時されたソーク時間に基づいて、起動許可パージ量決定部５３により決定される。ここで、起動許可パージ量を、ソーク時間に応じた適切な値にすることにより、水素ガスや、この水素ガスを供給するために必要な電力を必要以上に消費することなく発電を開始させることができる。
【００５１】
図３は、燃料電池システムのソーク時間と、燃料電池の発電の開始を許可するのに必要なパージ量との関係を示す図である。図３において、実線９１は本実施形態の燃料電池システム１における上記パージ量を示し、破線９２は従来の燃料電池システムにおける上記パージ量を示す。ここで、従来の燃料電池システムとは、燃料電池の電圧値に基づいて水素置換の完了の判断を行う特許文献１に示された燃料電池システムを示す。
【００５２】
例えば、膜電極の劣化等により燃料電池のＩＶ特性が変化した場合には、燃料電池に負荷を接続し、発電を開始するのに十分な程度に水素ガスの置換が完了しているにもかかわらず、出力電圧が水素ガスの置換が完了したと判断するために必要な値にまで達しない場合がある。しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１によれば、起動許可パージ量は、ソーク時間によって決定されるので、図３の実線９１に示すように、破線９２に示す従来のパージ量よりも少ないパージ量で燃料電池１０の発電を開始させることができる。
【００５３】
（２）アノード流路１１内の不純物は、ソーク時間が長くなるに従い多くなる。本実施形態の燃料電池システム１によれば、起動許可パージ量を、ソーク時間が長くなるに従い大きな値に決定することにより、アノード流路１１内の不純物の量に応じた適切な時間及び適切な水素ガス供給量で、アノード流路１１内のガスの置換を行うことができる。
【００５４】
（３）例えば、燃料電池１０の温度が高く膜電極の触媒が活性化しやすい状態では、アノード流路１１内のガスの置換が完全に完了していなくても、必要な出力電圧を確保することができる場合がある。本実施形態の燃料電池システム１によれば、パージ実行量算出部５２により算出されたパージ実行量にかかわらず、燃料電池１０の電圧が発電を開始するために十分な値よりも大きくなった場合にも、ガスの置換が完了したと判断することにより、水素ガスやこの水素ガスを供給するために必要な電力を無駄に消費することなく、アノード流路１１内のガスの置換を行うことができる。
【００５５】
（４）本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池１０による発電は、置換完了判断部５４によりアノード流路１１内のガスの置換が完了したと判断され、かつ、燃料電池１０の開放電圧が第２所定値よりも大きい場合に許可される。換言すれば、たとえ水素ガスの置換が完了したと置換完了判断部５４により判断された場合であっても、開放電圧が発電を開始するために最低限必要な値よりも小さい場合には、発電の開始が許可されない。これにより、発電を開始するのに適切でない状態で発電が開始されて、燃料電池１０の膜電極が劣化するのを防止できる。
【００５６】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００５７】
上記実施形態の燃料電池システム１では、パージ弁２６１から排出されたパージ実行量を、圧力センサ２５２から入力された水素供給路２５内の圧力と、パージ弁２６１が開弁された時間（パージ時間）と、パージ弁２６１のＰＱ特性とに基づいて算出したが、これに限らない。例えば、パージ弁から排出されたガスの流量を検出する流量計を設け、この検出されたガスの流量に基づいてパージ実行量を算出してもよい。
【００５８】
ところで、燃料電池システム１において、水素ガスが流通する水素供給路２５、アノード流路１１、及び水素排出路２６は、両端が遮断弁２５１及びパージ弁２６１により密閉されているが、空気が流通するエア供給路２３、カソード流路１２、及びエア排出路２４は、大気に開放されている。このため、アノード流路１１とカソード流路１２との間の差圧は、燃料電池システム１の温度により変化する。具体的には、例えば、温度が低くなると、アノード流路１１側の圧力はカソード流路１２側の圧力よりも低くなり、より多くの不純物がアノード流路１１側へ侵入する。つまり、適切な起動許可パージ量は、停止中の燃料電池システム１の温度にも依存する。
【００５９】
上記実施形態の燃料電池システム１では、ソーク時間のみに応じて起動許可パージ量を算出したが、これに限らない。上述のように、停止中の燃料電池システム１の温度を考慮して、ソーク時間に応じて決定された起動許可パージ量を停止中の燃料電池システムの温度に応じて補正してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図２】前記実施形態に係る燃料電池を起動してから、燃料電池の発電の開始を許可するまでの手順を示すフローチャートである。
【図３】前記実施形態に係る燃料電池システムのソーク時間と、燃料電池の発電の開始を許可するのに必要なパージ量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６１】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池
１１    アノード流路
１２    カソード流路
２０    供給装置（アノードガス供給手段）
２２    水素タンク２２
２５１    遮断弁
２６１    パージ弁（アノード排出弁）
４０    制御装置（制御手段）
５１    ソーク時間計時部（停止時間計時手段）
５２    パージ実行量算出部（ガス排出量算出手段）
５３    起動許可パージ量決定部（発電開始許可ガス排出量決定手段）
５４    置換完了判断部（置換完了判断手段）
５５    発電開始許可部（発電開始許可手段）
５６    水素置換実行部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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