(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、低温状態においても効率的に起動、排出水素ガス濃度の低下を可能とする。【解決手段】燃料電池システム停止の際に、バイパス弁を微開状態として停止する。燃料電池システムの起動時においては、バイパス弁を微小開度として空気圧縮機からの高温空気によってバイパス弁を解凍すると共に、バイパス弁を微小開度に保持して高圧力の動作ガスを遮断弁駆動部に供給して、凍結状態でも遮断弁の開閉動作を可能とする。遮断弁を開状態とした後、バイパス弁を全開として空気側電極に滞留している水素を希釈して大気放出する。水素の大気放出後、バイパス弁を全閉として燃料電池を通常運転する。【選択図】図３
2008021485.tif 000002
【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と、
前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮した酸化剤ガスを、前記燃料電池をバイパスして流すバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられる開度調整可能なバイパス弁と、
前記燃料電池の起動停止制御を行う制御部と、
を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記バイパス弁の開度を所定の開度とした状態で燃料電池を停止する燃料電池停止手段、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
更に、前記圧縮機と前記燃料電池とを接続し前記圧縮機によって圧縮した酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池に接続され反応後の酸化剤ガスを前記燃料電池から大気に排気する酸化剤ガス排気流路とにそれぞれ設けられる遮断弁を含み、
前記燃料電池停止手段は、更に、前記各遮断弁を閉弁して前記燃料電池を停止すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
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と、
前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と前記燃料電池とを接続し、前記圧縮機によって圧縮した酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池に接続され、反応後の酸化剤ガスを前記燃料電池から大気に排気する酸化剤ガス排気流路と、
前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排気流路とにそれぞれ設けられ、前記圧縮機によって圧縮された酸化剤ガスを動作ガスとする開閉駆動部によって開閉駆動される遮断弁と、
前記圧縮機と前記開閉駆動部を接続する動作ガス供給流路と、
前記動作ガス供給流路に設けられた動作ガス供給調整手段と、
前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排気流路とを、前記各遮断弁の前記燃料電池と反対側において接続し、前記圧縮機によって圧縮した酸化剤ガスを前記酸化剤ガス排気流路にバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられる開度調整可能なバイパス弁と、
前記燃料電池の起動停止制御を行う制御部と、
を含む燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記バイパス弁の開度を所定の開度に保持し、前記動作ガス供給調整手段によって酸化剤ガスを前記開閉駆動部に供給して前記遮断弁を開弁させた後に、前記バイパス弁を全開する燃料電池起動手段、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、更に、前記バイパス弁の開度を所定の開度とした状態で燃料電池を停止する燃料電池停止手段、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
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において、
前記バイパス弁の所定の開度は、前記圧縮機によって圧縮された酸化剤ガス温度が通常運転時の酸化剤ガス温度よりも高くなるような開度であること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
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において、
前記バイパス弁の所定の開度は、前記バイパス弁の最低保持開度であること、
を特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの起動停止制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、例えば、燃料には水素、酸化剤としては酸素を含む空気が用いられ、水素は燃料側電極の触媒の作用によって水素イオンと電子に別れ、水素イオンは電解質膜を通して酸化剤極に移動し、酸化剤側電極の触媒の作用で水素イオンと外部の負荷を回ってきた電子と酸素が結合して水が生成される。反応生成物の水は酸化剤としての空気と共に燃料電池の外部に排出されるが、生成された水の一部は、電解質膜を湿度雰囲気に保つため、加湿モジュールによって燃料電池入口に再循環するシステムが多く用いられている。このような燃料電池では、通常運転中には水素イオンは燃料側電極から電解質膜を通して酸化剤側電極に移動するが水素分子は酸化剤側電極には移動してこない。ところが、燃料電池を停止すると、停止時に燃料電池の中に残留している水素分子は電解質膜を通して酸化剤側電極に透過、滞留してくる（例えば、特許文献１参照）。酸化剤側電極には、酸化剤としての空気あるいは生成水を燃料電池の外部に排出する排気管が接続されているため、燃料電池の停止中に酸化剤側電極に透過して滞留した濃度の高い水素は燃料電池の起動時に排気管から燃料電池の外部に排出される。そこで空気供給管から燃料電池をバイパスして排気管に接続するバイパス管路を設けて、燃料電池の起動時には、酸素剤側電極に滞留している水素ガスを稀釈して大気に排出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、燃料電池内には、上記のように系統内部、および配管管路内に水分を含んでいる。したがって、氷点下以下の温度において燃料電池システムを長時間停止させた場合には、燃料電池内部で水分が凍結し、システムが起動できなくなるという問題がある。このため、燃料電池、及び加湿モジュールを保温、断熱材で囲み、加温、廃熱を効果的に組み合わせて低温環境下でのシステムの保護、起動時間の短縮を可能とする燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１７２０２７号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１５９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２に開示された従来技術においては、燃料電池システムの大半を断熱材で囲むこととなるため、装置全体が大型化すること、断熱材で囲まれた領域以外の部分、例えば、接続配管やバルブなどについては、凍結防止となっておらず、周辺の弁類が凍結して燃料電池システムの起動が遅れる場合があるという問題がある。また、特許文献１に開示されている従来技術では、燃料電池システムの低温での凍結という問題について開示がなく、凍結が発生した場合にどのようにして水素ガスを稀釈して燃料電池システムを起動するかという点については、開示も記載もされていない。
【０００６】
本発明は、低温状態においても、効率的に起動す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。また、本発明の他の目的は、低温状態からの起動においても効率的に排出水素ガス濃度を低下させることが出来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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、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と、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮した酸化剤ガスを、前記燃料電池をバイパスして流すバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられる開度調整可能なバイパス弁と、前記燃料電池の起動停止制御を行う制御部と、を含む燃料電池システムであって、前記制御部は、前記バイパス弁の開度を所定の開度とした状態で燃料電池を停止する燃料電池停止手段、を備えることを特徴とする。また、本発明の燃料電池システムにおいて、更に、前記圧縮機と前記燃料電池とを接続し前記圧縮機によって圧縮した酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池に接続され反応後の酸化剤ガスを前記燃料電池から大気に排気する酸化剤ガス排気流路とにそれぞれ設けられる遮断弁を含み、前記燃料電池停止手段は、更に、前記各遮断弁を閉弁して前記燃料電池を停止すること、としても好適である。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムは、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と、前記酸化剤ガスを圧縮する圧縮機と、前記圧縮機と前記燃料電池とを接続し、前記圧縮機によって圧縮した酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池に接続され、反応後の酸化剤ガスを前記燃料電池から大気に排気する酸化剤ガス排気流路と、前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排気流路とにそれぞれ設けられ、前記圧縮機によって圧縮された酸化剤ガスを動作ガスとする開閉駆動部によって開閉駆動される遮断弁と、前記圧縮機と前記開閉駆動部を接続する動作ガス供給流路と、前記動作ガス供給流路に設けられた動作ガス供給調整手段と、前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排気流路とを、前記各遮断弁の前記燃料電池と反対側において接続し、前記圧縮機によって圧縮した酸化剤ガスを前記酸化剤ガス排気流路にバイパスするバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられる開度調整可能なバイパス弁と、前記燃料電池の起動停止制御を行う制御部と、を含む燃料電池システムであって、前記制御部は、前記バイパス弁の開度を所定の開度に保持し、前記動作ガス供給調整手段によって酸化剤ガスを前記開閉駆動部に供給して前記遮断弁を開弁させた後に、前記バイパス弁を全開する燃料電池起動手段、を備えることを特徴とする。また、前記制御部は、更に、前記バイパス弁の開度を所定の開度とした状態で燃料電池を停止する燃料電池停止手段、を備えることとしても好適である。
【０００９】
更に、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記バイパス弁の所定の開度は、前記圧縮機によって圧縮された酸化剤ガス温度が通常運転時の酸化剤ガス温度よりも高くなるような開度であること、としても好適であるし、前記バイパス弁の所定の開度は、前記バイパス弁の最低保持開度であること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、低温状態においても、燃料電池システムを効率的に起動することができるという効果を奏する。また、本発明は、低温状態からの起動においても効率的に排出水素ガス濃度を低下させることが出来るという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の好適な実施形態について、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の燃料電池システムに係る実施形態を示す概略系統図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは酸化剤ガスとして酸素を含む空気を用い、燃料ガスとして水素を用いている。酸化剤ガスである空気は大気から吸気流量計１８や空気フィルタを介して空気吸込み管路１９から空気圧縮機１４に吸込まれ、空気圧縮機１４によって加圧された吐出空気は圧縮機吐出管路２０から燃料電池の空気供給管路２１に供給される。供給系統に入った空気は、加湿モジュール３７において燃料電池１１での反応で生成された水分を付加され、湿り空気となって空気供給管路２１から燃料電池１１に供給される。燃料電池１１の酸化剤極である空気側電極１２から燃料電池内に入った空気は、水素系統から供給された水素との発電反応によって酸素が減少する。そして反応の結果の生成水が水蒸気あるいは水滴として空気中に増えてくる。湿分の増加した空気は燃料電池１１の空気排気管路２３に排出される。排気された湿分を多く含む空気は、加湿モジュール３７でその湿分の一部を供給空気への付加湿分とするために除去される。湿分量が減少した排出空気は排気管路２３によって下流に流れて行く。一方、空気供給管路２１と空気排気管路２３との間には、燃料電池１１をバイパスして空気圧縮機１４の吐出空気の一部を空気供給管路２１から空気排気管路２３に流すバイパス管路２５が設けられている。バイパス管路２５には弁開度が調整可能なバイパス弁２７が取り付けられている。空気排気管路２３からの排気はこのバイパス管路２５を通ってきたバイパス空気と合流した後、大気放出管路２４からサイレンサ５３を通って大気放出口５５から大気に放出される。燃料電池１１への空気供給管路２１と空気排気管路２３には、燃料電池１１の停止時に外気が燃料電池１１の中に入り込んで、燃料電池１１の中に残留している水素と反応して触媒などの劣化を防止するように、停止時には閉状態とされる各遮断弁２９ａ，２９ｂが設けられている。空気供給管路２１には、空気入口遮断弁２９ａが設けられ、空気排気管路２３には空気出口遮断弁２９ｂが設けられている。各各遮断弁２９ａ，２９ｂは、遮断弁駆動部３１ａ，３１ｂによって開閉される。各遮断弁駆動部３１ａ，３１ｂは動作ガスによってダイヤフラムを上下に動作させて弁を開閉する空圧式駆動装置である。動作ガスは空気圧縮機１４によって圧縮された空気を用いている。動作ガスの空気は空気圧縮機１４の出口の圧縮機出口管路２０に接続された動作ガス供給管路３３から各遮断弁２９ａ，２９ｂの各動作ガス供給管路３３ａ，３３ｂによって供給される。各動作ガス供給管路３３ａ，３３ｂには、各遮断弁駆動部３１ａ，３１ｂへの動作ガスの供給を調節する各遮断弁動作ガス調節弁３５ａ，３５ｂが取り付けられている。燃料電池１１と空気出口遮断弁２９ｂとの間の空気排気管路２３には、燃料電池１１の空気側電極の中を流れる空気の圧力を調整する空気圧力調節弁２６が取り付けられている。バイパス管路２５は各遮断弁２９ａ，２９ｂの燃料電池１１と反対側において、燃料電池１１をバイパスするように配置されていれば良く、図１に示すように、空気供給管路２１の加湿モジュール３７の上流側と空気排気管路２３の加湿モジュール下流側とを接続するようにしても良いし、空気供給管路２１の加湿モジュール３７の下流側であって空気入口遮断弁２９ａの上流側と空気排気管路２３の加湿モジュール上流側であって空気出口遮断弁２９ｂの下流側とを接続するようにしてもよい。したがって、各遮断弁２９ａ，２９ｂの燃料電池側において、空気供給管路２１と空気排気管路２３とを接続することは含まない。また、各遮断弁駆動部３１ａ，３１ｂは空圧式の駆動装置であればダイヤフラム式に限らず、ピストン式など他の方式であってもよい。
【００１２】
燃料ガスである水素ガスは水素ガスタンク４１に貯留されている。水素は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３によって燃料電池の燃料側電極である水素側電極１３に供給される。燃料電池１１に供給された水素の一部は空気側電極１２に供給された酸化剤である空気中の酸素と反応して消費されるが、消費されなかった水素は水素側電極１３から排出された後、水素循環管路４５に設けられた水素循環ポンプ４７によって再度加圧されて燃料電池１１の水素側電極１３に供給される。そして発電によって消費された水素分は水素ガスタンク４１から水素供給管路４３によって補充される。補充される水素ガスの量は水素ガス供給調節弁４４によって調節される。水素系統は循環系統となっているので、長時間運転していると循環している水素ガス中に反応などによって発生する不純物や当初から水素ガス中に入っていた不純物が濃縮されてくる。そこで、このような不純物がある程度濃縮されてきた場合には、所定量の水素ガスを水素排気管路４６から外気に放出する。この場合は、高濃度の水素ガスを直接大気に放出することがないように、混合器４９によって排気空気と混合して、その濃度を下げてから大気に排出するようになっている。
【００１３】
燃料電池１１はその保護と低温での停止中の内部温度の低下による劣化の防止のために燃料電池ケース７１の中に収められている。この燃料電池ケース７１の中には燃料電池１１本体のみならず、直接燃料電池の制御に関係する空気圧力調節弁２６や図示していない水素系統の調節弁などが一緒に収納されている。
【００１４】
各計器、調節弁、燃料電池、空気圧縮機や循環ポンプのモータなどは、すべて制御部６１に接続されており、各計器からの計測値は制御部６１に入力され、制御部６１は各調節弁の開度指令、モータの回転数指令を出力して燃料電池システム１０全体の制御を行う。制御部６１はＣＰＵや記憶部を含みソフトウェアによって全体の制御を行うようになっていても良いし、電気回路を組み合わせて制御を行うようになっていても良い。また、制御部６１には車両の走行状態や必要要求付加など車両からのテータが入力されるようになっていても良い。
【００１５】
本実施形態の燃料電池システム１０においては、空気圧縮機１４はスクロール型である。スクロール型の空気圧縮機１４は容積型の空気圧縮機の一種であり、主に回転数を調整することによって空気流量を調整することが出来るものである。この空気圧縮機１４の吐出空気流量と吐出圧力の関係を図２に示す。この図に示すように、空気圧縮機１４は吐出空気流量が少ないと吐出圧力は高く、吐出流量が多くなるにしたがって吐出圧力が低下してくる特性を持っている。燃料電池システム１０の通常運転中は、空気流量は空気圧縮機１４の回転数を調整することによって行い、圧力は燃料電池１１の空気側電極１２の出口の空気圧力調節弁２６によって調節している。空気圧縮機１４は必要圧力、流量の空気を燃料電池１１の空気側電極１２に供給できれば、スクロール式にかぎらずスクリュー式などでもよいし、遠心式のブロワのようなものであってもよい。
【００１６】
以上述べた本実施形態の燃料電池システム１０の、低温状態における停止動作と起動動作について、図３を参照しながら説明する。低温状態であっても、通常運転中は燃料電池１１からの反応熱によって、燃料電池システム１０は適度な動作温度に保たれている。通常の動作状態では、燃料電池１１の出力は車両からの要求出力に従って燃料ガスである水素及び酸化剤ガスである空気の流量を制御することによって制御されている。空気側電極１２の空気入口遮断弁２９ａ、空気出口遮断弁２９ｂは共に開状態で酸化剤ガスである空気を燃料電池１１に供給、排気することが出来るようになっており、空気側電極１２に供給される空気圧力は制御部６１の指令によって空気圧力調節弁２６で制御され、空気流量は制御部６１からの指令によって空気圧縮機１４の回転数を調整することによって制御されている。燃料電池１１の運転中は発電反応によって生成された水分の一部は加湿モジュール３７によって供給空気に循環され、空気側電極１２の入口側の空気も湿り状態となっている。また生成水によって燃料電池１１と加湿モジュール３７との間の空気排気管路２３を流れる空気も湿り状態となっており、更に加湿モジュール３７の出口の空気排気管路２３を流れる空気も、湿度は加湿モジュール３７の入口側よりも低いものの、湿り状態の空気が流れている。通常運転中は、バイパス弁２７は全閉状態となっており、空気圧縮機１４によって圧縮された空気はすべて燃料電池１１の空気側電極１２に供給されるようになっている。バイパス弁２７の下流側は湿り空気が流れている空気排気管路２３に接続されていることから、バイパス弁２７の内部は湿り空気に接している状態となっている。湿り空気は大気放出管路２４からサイレンサ５３を通って大気放出口５５から大気に放出されている。
【００１７】
車両が停止し、燃料電池１１も停止すると、空気側電極１２の空気入口、出口の各遮断弁２９ａ，２９ｂは停止中に空気が燃料電池１１の空気側電極１２に進入しない様に全閉となる。そして、バイパス弁２７の開度は所定の微小開度に設定される。微小開度は、パイパス弁の最低保持開度、例えば３〜５％開度である。また、弁の種類によっては１０％程度でも良い。低温状態での停止であることから、燃料電池システム１０全体の温度は燃料電池システム１０の停止後すぐに低下を始める。そして燃料電池ケース７１に収納されていない湿り空気に接している機器は、温度の低下にしたがって凍結を始める。そして、空気入口、出口の遮断弁２９ａ，２９ｂ及び、バイパス弁２７の弁体は一晩程度の停止で微小な隙間となっている弁棒と弁体の間が凍結し、弁体が動作しなってしまい、弁が動作不能となってしまう。一方、燃料電池ケース７１に収納されている空気圧力調節弁２６は燃料電池１１の残熱のため一晩程度の燃料電池１１の停止では凍結しない。また、燃料電池１１が停止すると、停止時に燃料電池１１の水素側電極１３の中に残留した水素は電解質膜を透過して徐々に空気側電極１２に滞留してくる。
【００１８】
このように上記の各弁が凍結して動作しない状態であって、空気側電極１２に水素側電極から透過した水素が滞留している状態で燃料電池１１を起動する。停止時には、バイパス弁２７は微開状態として停止しているので、凍結後も微開状態となっている。一方、燃料電池１１の空気側電極１２の空気入口、出口の各遮断弁２９ａ，２９ｂは全閉状態のまま凍結しているので、空気を燃料電池の空気側電極１２に供給できない状態となっている。この状態で、燃料電池１１を起動する際には、制御部６１の指令によって、まず空気圧縮機１４を起動する。各遮断弁２９ａ，２９ｂが閉状態となっていることから、空気圧縮機１４の吐出空気は微開状態で凍結停止しているバイパス弁２７から空気排気管路２３に流れ、更に大気放出管路２４からサイレンサ５３を介して大気放出口５５から大気に放出される。ここで、空気圧縮機１４の回転数を上げると、空気圧縮機１４の吐出圧力が上昇すると共に、圧縮によって吐出空気温度も上昇してくる。例えば、吐出空気圧力を１００ｋＰａ程度にすると、空気圧縮機１４の吐出空気温度は７０℃程度となる。この７０℃程度の空気は微開状態となっているバイパス弁に流れ、その弁体及び弁棒を加温、解凍する。これによってバイパス弁２７は動作可能な状態となる。
【００１９】
一方、加温空気の流れない空気供給管路２１、空気排気管路２３に取り付けられている各遮断弁２９ａ，２９ｂは凍結状態のままであり、燃料電池１１に空気を通気することはできない状態となっている。しかし、バイパス弁２７が微開状態で保持されていることから、空気圧縮機１４の吐出圧力は先に述べたように、例えば１００ｋＰａ程度に保持されている。この圧縮機吐出圧力は、各遮断弁２９ａ，２９ｂの各駆動部３１ａ，３１ｂの動作ガス供給管路３３に掛かっている。遮断弁動作ガス調節弁３５ａ，３５ｂは湿り空気の進入してくる環境にないため、一晩程度の燃料電池１１の停止では凍結することはなく、制御部６１の指令によって開閉動作が可能な状況となっている。また、各遮断弁２９ａ，２９ｂは空圧式駆動部を有しているため、駆動ガス圧力が高い場合には、大きな駆動力を発生させることが出来る。例えば、本実施形態では、１００ｋＰａ程度の圧力であれば遮断弁駆動部に凍結状態でも弁を開とするのに十分大きな駆動力を発生させることが出来る大きさのダイヤフラムを備えているので、各遮断弁２９ａ，２９ｂが凍結している状態であっても開閉動作を行うことができる。
【００２０】
そこで、燃料電池１１の起動において、バイパス弁２７の開度を微開とした状態で空気圧縮機１４を運転して吐出圧力を、例えば１００ｋＰａ程度に上昇させた状態を保持する。そして、制御部６１からの指令によって各遮断弁動作ガス調節弁３５ａ，３５ｂを開として、その圧力の動作ガスを動作ガス供給管路３３から各遮断弁２９ａ，２９ｂの各駆動部３１ａ，３１ｂに供給する。これによって、凍結状態の各遮断弁２９ａ，２９ｂを開とする。各遮断弁２９ａ，２９ｂを開とすると空気が燃料電池１１の空気側電極１２に流入することが出来る状態となる。
【００２１】
各遮断弁２９ａ，２９ｂが開となった状態で、燃料電池ケース７１に収納されていて凍結していない状態の空気圧力調節弁２６によって空気側電極１２の空気圧力を調節して燃料電池１１の起動、発電を開始することが出来る状態となる。ところが、燃料電池１１の停止中には、先に述べたように、水素側電極１３から空気側電極１２に残留水素が浸透、滞留していることから、空気圧力調節弁２６によって空気圧力を調節して発電を開始する前に、滞留している水素を希釈してから排出することが必要となる。そこで、すでに温度の高い空気の流入によって解凍されて動作可能となっているバイパス弁２７を微小開度から全開開度として空気排気管路２３から大気放出管路２４に流れる空気流量を多くする。そして、空気流量が多い状態で、制御部６１によって燃料電池１１の空気圧力調節弁２６を制御して、徐々に空気を空気側電極１２に導入していく。すると、燃料電池１１の空気側電極１２に滞留している水素が徐々に空気排気管路２３から排出される。空気排気管路２３に排出された水素は、全開のバイパス弁２７を通って流入する大量の空気によって希釈され、大気放出管路２４からサイレンサ５３を経て大気に放出される。このように、燃料電池１１の起動時においても、排出される水素濃度を低くできることから、環境に対する影響を少なくすることができる。
【００２２】
上記のように、バイパス弁２７を全開として大量の空気がバイパス管２５に流れるようにすると、図２の空気圧縮機１４の流量特性に示すように、空気圧縮機１４の吐出圧力は微小開度のときに比較して、例えば４０ｋＰａ程度まで低下してしまう。しかし、すでに、各遮断弁２９ａ，２９ｂは開となっていることから、各遮断弁２９ａ，２９ｂの動作ガスとしての高い空気圧力は必要なく、圧力が低い状態であっても、燃料電池１１の空気側電極１２に滞留した水素を排出するには十分な圧力であることから、問題なく空気側電極１２に滞留した水素を希釈、排出することができる。
【００２３】
所定の時間、上記のように空気側電極１２に滞留した水素の排出運転を行った後、バイパス弁２７を全閉とする。これによって、空気側電極１２の空気圧力は空気圧力調節弁２６によって調整され、空気流量は空気圧縮機１４の回転数を制御することによって調整される通常の運転が行える状態となる。この後、燃料電池１１の出力は負荷要求に応じて上昇していく。
【００２４】
上記の本実施形態では、バイパス弁２７を微小開度に保つことによって各遮断弁２９ａ，２９ｂの各駆動部３１ａ，３１ｂの供給される動作ガス圧力を高くして凍結状態の遮断弁２６ａ，２９ｂを開弁することで説明したが、バイパス弁２７の開度が空気圧縮機１４の吐出空気温度が通常運転時よりも高くなるように保持できる開度で空気圧縮機１４を起動し、バイパス弁２７を解凍して動作可能とした後、バイパス弁２７を絞って遮断弁２９ａ，２９ｂの各駆動部３１ａ，３１ｂの供給される動作ガス圧力を高くして、凍結状態の遮断弁２６ａ，２９ｂを開弁することしても良い。この場合、バイパス弁２７の開度は空気圧縮機１４の吐出温度を通常運転時の吐出空気温度よりも高くしてバイパス弁２７を解凍することがきる弁開度であれば、バイパス弁２７の所定の開度は最低弁開度に限られない。例えば２０〜３０％開度であっても良い。また、本実施形態では、空気側電極１２に滞留している水素を排出する際に、バイパス弁２７を全開とすることで説明したが、全開でなくとも、大気に排出可能な程度に弁開度を設定し、水素をパージしてもよい。
【００２５】
以上述べたように、本実施形態では、燃料電池ケース７１に収納されていない周辺機器が凍結するような低温状態においても、バイパス弁２７を微開で停止することによって、空気圧縮機１４の出口温度、圧力を高い状態として起動でき、早い段階で高温空気によってバイパス弁２７を解凍し、開閉動作を可能とすることができる。そして、バイパス弁２７の動作を可能とすることによって空気側電極１２に滞留した残留水素を希釈して排出することができるという効果を奏する。更に、空気圧縮機１４の出口圧力を高く保った状態で起動できることから、各遮断弁２９ａ，２９ｂの各駆動部３１ａ，３１ｂに高い駆動圧力を供給でき、凍結状態であっても各遮断弁２９ａ，２９ｂを開状態とすることができるという効果を奏する。これによって、バイパス弁２７、各遮断弁２９ａ，２９ｂが凍結している状態であっても、燃料電池システムを効率的に起動することができるという効果を奏し、低温状態からの起動においても効率的に排出水素ガス濃度を低下させることが出来るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施形態の系統図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムに使用される空気圧縮機の流量特性を示すグラフである。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの停止、起動時の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００２７】
１０  燃料電池システム、１１  燃料電池、１２  空気側電極、１３  水素側電極、１４  空気圧縮機、１８  吸気流量計、１９  空気吸込み管路、２０  圧縮機吐出管路、２１  空気供給管路、２３  空気排気管路、２４  大気放出管路、２５  バイパス管路、２６  空気圧力調節弁、２７  バイパス弁、２９ａ，２９ｂ  空気出口遮断弁、３１ａ，３１ｂ  遮断弁駆動部、３３，３３ａ，３３ｂ  動作ガス供給管路、３５ａ，３５ｂ      遮断弁動作ガス調節弁、３７  加湿モジュール、４１  水素ガスタンク、４３  水素供給管路、４４  水素ガス供給調節弁、４５  水素循環管路、４６  水素排気管路、４７  水素循環ポンプ、４９  混合器、５３  サイレンサ、５５  大気放出口、６１  制御部、７１  燃料電池ケース。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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