(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のアノードに水素を供給し、前記燃料電池のカソードに空気を供給して発電する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の発電によって得られた発電電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池システムの起動時には、前記燃料電池に空気を供給せずに水素のみを供給し、前記電圧検出手段で検出された前記燃料電池の発電電圧が、前記燃料電池から電力の取り出しを開始するクリッピング電圧を超えた場合には、前記燃料電池から第１の消費時間の間電力を取り出すことによって前記カソードに存在する酸素を消費させるカソード酸素消費手段とを有し、
前記酸素消費手段は、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池に空気を供給せずに水素のみの供給を開始し、所定の待機時間が経過した後、前記発電電圧が前記クリッピング電圧を超えない場合には、前記第１の消費時間よりも短い時間に設定された第２の消費時間の間電力を取り出すことによって前記カソードに存在する酸素を消費させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記カソード酸素消費手段は、前記燃料電池に水素のみの供給を開始してから前記待機時間後までに前記発電電圧が前記クリッピング電圧を超えていない場合には、前記第２の消費時間が経過し、かつ前記発電電圧が所定電圧に下がるまでの間、前記燃料電池から電力を取り出して前記カソードに存在する酸素を消費させる
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記カソード酸素消費手段は、前記燃料電池に空気を供給せずに水素のみの供給を開始し、予め設定された待機時間が経過した後、前記発電電圧が前記クリッピング電圧を超えない場合には、前記待機時間後の前記発電電圧の値が大きいほど、前記第２の消費時間を長く設定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記カソード酸素消費手段は、前記燃料電池を停止してから起動を開始するまでに経過した時間が長いほど、前記第２の消費時間を長く設定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の温度、あるいは前記燃料電池を冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段を有し、
前記カソード酸素消費手段は、前記温度検出手段で検出された前記燃料電池の温度、あるいは前記燃料電池の冷却水の温度が低いほど、前記第２の消費時間を長く設定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の温度、あるいは前記燃料電池を冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池がおかれた環境の外気温度を検出する外気温検出手段とを有し、
前記カソード酸素消費手段は、前記温度検出手段で検出された前記燃料電池の温度あるいは前記燃料電池の冷却水温度が低いほど、前記第２の消費時間を長く設定し、前記温度検出手段で検出された前記燃料電池の温度あるいは前記燃料電池の冷却水温度が、前記外気温検出手段で検出された外気温である場合には、前記第２の消費時間を前記燃料電池の通常の起動時と同様の時間に設定する
ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記カソード酸素消費手段は、前記燃料電池システムの運転を停止した後起動が開始されるまでに経過した時間が長いほど、前記待機時間を長く設定する
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の温度、あるいは前記燃料電池を冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段を有し、
前記カソード酸素消費手段は、前記温度検出手段で検出された前記燃料電池の温度、あるいは前記燃料電池の冷却水温度が低いほど、前記待機時間を長く設定する
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の温度、あるいは前記燃料電池を冷却する冷却水の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池がおかれた環境の外気温度を検出する外気温検出手段とを有し、
前記カソード酸素消費手段は、前記温度検出手段で検出された前記燃料電池の温度あるいは前記燃料電池の冷却水温度が低いほど、前記待機時間を長く設定し、前記温度検出手段で検出された前記燃料電池の温度あるいは前記燃料電池の冷却水温度が、前記外気温検出手段で検出された外気温である場合には、前記第２の消費時間を前記燃料電池の通常の起動時と同様の時間に設定する
ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項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、炭素を担体とした触媒を有する燃料電池の起動制御を改善した燃料電池システム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の電解質膜には、プラチナ触媒などの反応触媒が炭素を担体として炭素の表面に塗られている。このような燃料電池の電解質膜にあっては、燃料電池システムの停止時、放置時、ならびに起動時にカソードとアノードが、図１６ならびに図１７に示すような状態になると、カソードで電解質膜上の炭素と水が反応して炭素腐食が起こり、電解質膜が劣化するという問題がある。
【０００３】
この現象を図１６ならびに図１７を参照して詳しく説明する。図１６は燃料電池における炭素腐食による劣化のメカニズムを説明するための燃料電池の断面図であり、図１７は劣化を引き起こす状態と解決手段との関係を示す図である。
【０００４】
燃料電池１６１の停止時に、カソード１６２とアノード１６３に酸素と水素が残ったままで燃料電池に負荷１６６を接続しない状態で放置した場合、また起動時にアノード１６３に水素を供給し始めて、アノード１６３に水素と酸素が混在した状態になる場合には、アノード１６３からカソード１６２へプロトンＨ＋  が移動し、移動したＨ＋  とカソード１６２の酸素が反応して水が生成される。この反応では電子ｅ−  が必要になるが、燃料電池１６１に負荷１６６が接続されていないため、電子ｅ−  が負荷１６６を通じてカソード１６２に移動してこない。そのため、カソード１６２に存在する水と電解質膜１６４上の炭素１６５が、下記の反応式で示すようにして反応し、生成された電子ｅ−  が上記カソード１６２における水の生成反応に使われる。
【０００５】
（化１）
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−
上記化学反応が生じる際に、電解質膜１６４上の炭素１６５が奪われて、電解質膜１６４が劣化する。一方、アノード１６３では、アノード１６３に混在している酸素と、カソード１６２から移動してきたプロトン水素Ｈ＋  と、水素のプロトン化で生じた電子ｅ−  が反応して水が生成される。
【０００６】
このような反応は、燃料電池１６１の開放端電圧が高いほど電子の移動が起こりすくなるため、これらの化学反応が促進されて電解質膜触媒の炭素腐食が激しくなる。
【０００７】
このような炭素腐食を防止するために、例えば以下に示す文献に記載されたものが従来知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、燃料電池の起動時に燃料電池に固定抵抗を接続し、この固定抵抗に電流を流すことで燃料電池から電力を取り出し、カソードの酸素を消費させるようにしている。
【特許文献１】特開平１０−２８４１０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、燃料電池を停止した後直ちに再起動した場合に、燃料電池が停止してある程度の時間が経過しカソードの酸素濃度が十分である通常起動時と同じように固定抵抗を燃料電池に接続する従来の手法を適用すると、カソードの酸素濃度が薄いために、起動に必要以上に時間がかかるとともに、水素が無駄に使われ燃費が悪くなるという問題があった。
【０００９】
特に、カソードの酸素を消費させる処理をして燃料電池を停止した後に即再起動した場合には、カソードにはほとんど酸素が残留していないので、上記問題は顕著になる。
【００１０】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池システムの停止後即再起動する際には、カソードの酸素消費処理を適切に行い、起動時間を短縮した燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料電池のアノードに水素を供給し、前記燃料電池のカソードに空気を供給して発電する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電によって得られた発電電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池システムの起動時には、前記燃料電池に空気を供給せずに水素のみを供給し、前記電圧検出手段で検出された前記燃料電池の発電電圧が、前記燃料電池から電力の取り出しを開始するクリッピング電圧を超えた場合には、前記燃料電池から第１の消費時間の間電力を取り出すことによって前記カソードに存在する酸素を消費させるカソード酸素消費手段とを有し、前記酸素消費手段は、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池に空気を供給せずに水素のみの供給を開始し、所定の待機時間が経過した後、前記発電電圧が前記クリッピング電圧を超えない場合には、前記第１の消費時間よりも短い時間に設定された第２の消費時間の間電力を取り出すことによって前記カソードに存在する酸素を消費させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、カソードの酸素を消費させる際に、水素の供給を開始してから所定の待機時間が経過した後、発電電圧がクリッピング電圧を超えない場合には、クリッピング電圧を超えた場合の第１の消費時間よりも短い第２の消費時間の間燃料電池から電力を取り出してカソードの酸素を消費するようにしたので、燃料電池の劣化を招くことなくシステムの起動時間を短縮することができる。また、システム起動時の水素の消費量が削減され、燃費を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
（実施例１）
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システムにおいて、燃料電池１は、アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００１５】
（化２）
アノード（水素極）：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード（酸素極）：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
このような電極反応において、アノードへの水素供給は水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁８、水素供給弁４を介してなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁８で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４で燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧に制御されてアノードへ供給される。
【００１６】
エゼクタ５は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置されている。アノードの水素圧は、アノードの入口側に設置された圧力センサ６ａで検出された水素圧力がフィードバックされて入力される水素圧力制御手段２１が水素供給弁４を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。
【００１７】
パージ弁７は、水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。また、パージ弁７は、セル電圧を回復させるために、水素ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばしてパージする。さらに、燃料電池１の劣化を防止するために、起動時にカソードの酸素を電力消費させつつ水素系内のガスを水素置換する。希釈ブロア１５は、パージ弁７から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈してシステム外へ排出する。
【００１８】
カソードへの空気はコンプレッサ９により供給される。カソードの空気圧は、カソードの入口側に設置された圧力センサ６ｂで検出された圧力がフィードバックされて入力される空気圧力制御手段２０が空気調圧弁１０を駆動することによって制御される。
【００１９】
燃料電池１の純水極への純水は、純水タンク１２から純水ポンプ１１を介して供給される。燃料電池１の空気圧、水素圧、純水圧は、発電効率や水収支を考慮して設定されるとともに、燃料電池１の電解質膜やセパレータに歪みを生じないように所定の差圧に管理される。
【００２０】
パワーマネージャー１３は、燃料電池１から電力を取り出して負荷、例えば車両を駆動するモータ（図示せず）やコンプレッサなどの燃料電池補機へ電力を供給する。
【００２１】
電圧センサ１６は、燃料電池１の発電によって得られた電圧を測定するセンサであり、燃料電池１を構成するすべてのセルの電圧（総セル電圧）を検出する。検出された電圧は、カソード酸素消費手段２２に与えられる。なお、以下に示す実施例１〜７においては、燃料電池１の発電によって得られた電力の電圧として、総セル電圧を使用しているが、燃料電池１を構成する一部のセルの電圧を使用する場合には、電圧センサ１６は、一部のセルの電圧を測定する。
【００２２】
カソード酸素消費手段２２は、電圧センサ１６で検出された燃料電池１の総セル電圧を入力し、ならびにコントローラ３０から動作指令を受けて、このれらの入力に基づいて、燃料電池システムの起動時にコンプレッサ９による空気の供給を停止させ、空気調圧弁１０を閉じて燃料電池１に水素のみを供給して燃料電池１から電力を取り出し、カソードの酸素を消費させる処理に関わる動作を制御実行する。カソード酸素消費手段２２は、後述するカソードの酸素を消費するために燃料電池１から電力を取り出す処理を実施する時間（第２の消費時間）、ならびに本システムの起動後カソードの酸素を消費する処理を開始するまでの時間（待機時間）を設定する。
【００２３】
コントローラ３０は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントローラ３０は、本システムにおける圧力センサ６ａ，６ｂ等の各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する本システムの起動シーケンス、運転ならびに停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。コントローラ３０は、本システムの起動時には、本システムが例えば車両に搭載された際にシステムの起動を示すイグニッション（ＩＧＮ）キーの起動信号を受けて、水素タンク元弁３、パージ弁７、純水ポンプ１１、パワーマネージャー１３、希釈ブロア１５、空気圧力制御手段２０、水素圧力制御手段２１ならびにカソード酸素消費手段２２に動作指令を与えて、本システムの起動シーケンスを実行制御する。
【００２４】
次に、起動シーケンスの動作手順を示す図２のフローチャート、ならびに起動シーケンスにおける各パラメータ（総セル電圧、パワーマネージャー取出電力指令値、水素圧力、カソード酸素含有率、アノード水素含有率）の時間変化を示す図３のタイミングチャートを参照して、この実施例１の起動シーケンスを説明する。なお、図３（ａ）は本システムの運転停止後長時間が経過して、カソードならびにアノードに酸素が十分に浸入した状態で本システムを起動した場合であり、同図（ｂ）は本システムの運転停止後時間の経過が短く、カソードに酸素がほとんどない状態で再起動した場合を示している。
【００２５】
図２において、先ず、水素タンク元弁３が開かれて水素供給が開始され、水素圧力が所定の圧力に制御される（ステップＳ２０１）。このとき水素置換をするため、パージ弁７を開いて、希釈ブロア１５を作動させる。続いて、燃料電池１の総セル電圧が電圧センサ１６で検出され（ステップＳ２０２）、検出された総セル電圧と、燃料電池１を劣化させないための上限電圧であって、電力の取り出しを開始する電圧となる、例えば３００セルのスタックの場合では４０Ｖ程度に設定されるクリッピング電圧とが比較判別される（ステップＳ２０３）。
【００２６】
比較判別の結果、総セル電圧検出値がクリッピング電圧を超えている場合は、カソード酸素消費手段２２からの指令に基づいてパワーマネージャー１３の制御の下に燃料電池１から電力を取り出し、カソードの酸素を消費させる（ステップＳ２０４）。続いて、カソードの酸素を消費させるのに必要な所定時間Ａ（第１の消費時間）、例えば２０秒程度に設定されるが経過したか否かが判断される（ステップＳ２０５）。
【００２７】
判断の結果、電力取出開始から所定時間Ａが経過するまでは、ステップＳ２０４とステップＳ２０５の処理を繰り返す。一方、所定時間Ａが経過すると、再び総セル電圧が検出され（ステップＳ２０６）、総セル電圧検出値が、カソードに酸素がなくなったことが判断できる電圧となる総セル電圧しきい値（例えば１０Ｖ程度に設定される）と比較判別される（ステップＳ２０７）。比較判別の結果、総セル電圧検出値が総セル電圧しきい値を下まわっていない場合は、カソードの酸素が消費されていないものと判断し、ステップＳ２０４に戻って燃料電池１から電力の取り出しを続行する。これに対して、総セル電圧検出値が総セル電圧しきい値を下まわっている場合には、カソードの酸素が消費されたものと判断し、燃料電池１から電力の取り出しを終了する（ステップＳ２０８）。
【００２８】
一方、ステップＳ２０３の比較判別の結果、総セル電圧検出値がクリッピング電圧を超えていない場合には、水素供給開始からの経過時間がクリップＯＮ待ち時間（待機時間）、例えば１０秒程度に設定されると比較判別される（ステップＳ２０９）。比較判別の結果、水素の供給が開始されてクリップＯＮ待ち時間が経過していない場合は、先のステップＳ２０２に戻る一方、水素の供給が開始されてクリップＯＮ待ち時間が経過した場合には、カソード酸素消費手段２２からの指令に基づいてパワーマネージャー１３の制御の下に燃料電池１から電力を取り出し、カソードの酸素を消費させる（ステップＳ２１０）。
【００２９】
燃料電池１から電力の取り出しが開始された後、カソードの酸素を消費させるのに必要な所定時間Ｂ（第２の消費時間）、所定時間Ｂ＜前記所定時間Ａとして例えば１０秒程度に設定されるが経過したか否かが判別される（ステップＳ２１１）。判別の結果、所定時間Ｂが経過していない場合は、電力の取り出しを続行する一方、所定時間Ｂが経過した場合には、再び総セル電圧が検出される（ステップＳ２１２）。引き続いて、総セル電圧検出値と総セル電圧しきい値とが比較判別される（ステップＳ２１３）。比較判別の結果、総セル電圧検出値が総セル電圧しきい値を下まわっている場合は、カソードの酸素が消費されたものと判断し、電力の取り出しを終了する（ステップＳ２０８）。
【００３０】
燃料電池１から電力の取り出しが終了すると（ステップＳ２０８）、次にアノードにおける水素置換が終了したか否かが判断される（ステップＳ２１４）。この判断は、例えば水素供給を開始してからの時間に基づいて行われる。アノードの水素置換が終了するまでは、空気の供給開始を待って水素置換を続ける。アノードの水素置換が終了すると、コンプレッサ９と空気調圧弁１０を駆動して空気の供給を開始するとともに、純水ポンプ１１を駆動して純水の循環を開始し（ステップＳ２１５）、通常発電を開始する（ステップＳ２１６）。
【００３１】
このような本システムの起動シーケンスにおいて、酸素がカソードに十分ある場合は、図３（ａ）に示すように、水素の供給が開始されると、燃料電池１の電圧（総セル電圧）が立ち上がってくる。総セル電圧がクリッピング電圧を超えたときにパワーマネージャー１３の制御の下に燃料電池１から電力の取り出しを開始し、カソードの酸素を消費させる。カソードの酸素を消費させるのに必要な所定時間Ａが経過し、カソードに酸素がなくなったことが判断できる総セル電圧しきい値まで総セル電圧が下がった場合に電力の取り出しを止め、カソードの酸素を消費させる処理を終える。酸素の消費処理が終了すると、アノードの水素置換が完了するまで水素の供給のみを続け、水素置換完了後に空気の供給を開始して、通常発電を開始する。
【００３２】
これに対して、システムの停止後直ちに再起動するような場合、すなわち酸素がカソードにほとんどない状態で起動する場合には、図３（ｂ）に示すように、水素の供給を開始しても総セル電圧はクリッピング電圧を超えるほどは上昇しない。したがって、水素の供給を開始した後クリップＯＮ待ち時間が経過した場合であっても、総セル電圧がクリッピング電圧を超えないので、クリップＯＮ待ち時間が経過した後、所定時間Ａより短い所定時間Ｂだけ燃料電池１から電力を取り出して、カソードの酸素を消費させる。所定時間Ｂが経過した後に、カソードに酸素がなくなったことが判断できる電圧まで総セル電圧が下がった場合には、電力の取り出しを止め、カソードの酸素を消費させる処理を終える。
【００３３】
このように、上記実施例１においては、システムの起動時に水素のみを供給してクリップＯＮ待ち時間が経過しても総セル電圧がクリッピング電圧を超えない場合には、燃料電池１で炭素腐食が発生して劣化を引き起こすほどカソードには酸素が存在していないものと判断し、カソードの酸素を消費する処理を実施する時間を、越えた場合に比べて短い時間としている。これにより、燃料電池の劣化に影響を及ぼすことなく、酸素の消費処理が終了して通常の発電が開始されるまでの時間、すなわちシステムの起動時間を従来に比べて短縮することができる。また、酸素の消費処理の時間が短くなるので、消費処理に費やされる水素の量を低減することができ、燃費を向上することができる。
（実施例２）
【実施例２】
【００３４】
次に、起動シーケンスの動作手順を示す図４を参照して、この発明の実施例２を説明する。この実施例２の特徴とするところは、燃料電池１に水素の供給を開始してから所定のクリップＯＮ待ち時間が経過した後総セル電圧がクリッピング電圧を超えない場合には、クリップＯＮ待ち時間後の総セル電圧の検出値に応じて燃料電池１から電力を取り出す所定時間Ｂ（第２の消費時間）を設定するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様であり、構成も図１に示すものと同様である。
【００３５】
図４において、ステップＳ２０１〜Ｓ２１６は先の図２に示すステップと同様であり、この実施例２の特徴となる点は、ステップＳ２０９とステップＳ２１０との処理の間に、クリップＯＮ待ち時間後の総セル電圧に応じて所定時間Ｂを定める処理を実行する（ステップＳ４０１）。所定時間Ｂは、例えば図５に示す、クリップＯＮ待ち時間後の総セル電圧が高くなるにつれて所定時間Ｂが長くなるような、クリップＯＮ待ち時間後の総セル電圧と所定時間Ｂとの関係に基づいて設定される。したがって、総セル電圧値が小さいほどカソードの酸素含有量は少ないため、ステップＳ４０１の処理を実行することで、酸素の消費に必要な所定時間Ｂを短く設定している。
【００３６】
このように、実施例２においては、システムの起動時のカソード酸素含有量に応じてクリップＯＮ待ち時間後の総セル電圧の値が変わることに着目して、起動時のカソード酸素含有量に応じて、酸素消費時間を適切に設定することが可能となる。これにより、燃料電池１の炭素腐食を抑制しつつ、燃料電池１の起動時間を短縮することができる。
（参考例）
【実施例３】
【００３７】
次に、起動シーケンスの動作手順を示す図６を参照して、この発明の参考例を説明する。この参考例の特徴とするところは、カソードにおける酸素の消費処理が終了したか否かを、先の実施例１ならびに実施例２のように所定時間Ｂが経過したか否かを判断することで行っていたのに代えて、総セル電圧が総セル電圧しきい値より下がったか否かを判断することで行うようにしたことにあり、他は実施例１と同様であり、構成も図１に示すものと同様である。
【００３８】
図６において、ステップＳ２０１〜Ｓ２０９，ステップＳ２１４〜ステップＳ２１６は先の図２に示すステップと同様であり、この参考例の起動シーケンスの特徴は、図２に示す手順に比べて、図２のステップＳ２１０〜Ｓ２１３に代えて、新たなステップＳ６０１〜Ｓ６０３で示す処理を行うようにしている。すなわち、図６において、ステップＳ２０９の比較判別の結果、クリップＯＮ待ち時間が経過した場合には、総セル電圧を検出し（ステップＳ６０１）、続いて総セル電圧検出値と総セル電圧しきい値とが比較され（ステップＳ６０２）、総セル電圧検出値が総セル電圧しきい値を下まわるまでは、燃料電池１から電力を取り出し（ステップＳ６０３）、総セル電圧検出値が総セル電圧しきい値を下まわった場合には、電力の取り出しを終了する（ステップＳ２０８）。
【００３９】
一方、クリップＯＮ待ち時間が経過した後、総セル電圧検出値が総セル電圧しきい値よりも低い場合には、炭素腐食を引き起こすほどカソードには酸素が存在しないと判断し、燃料電池１から電力を取り出さずに、酸素を消費することなくステップＳ２１４の処理を行う。
【００４０】
このように、参考例においては、クリップＯＮ待ち時間が経過した後、総セル電圧に基づいてカソードにおける酸素の消費処理を行うか否かを判断するようにしているので、燃料電池１の運転を停止した直後に再起動するような場合、すなわち総セル電圧検出値が総セル電圧しきい値よりも低く、カソードの酸素含有量がほとんどないような場合には、所定時間Ｂを０とし、すなわち電力を取り出さずにカソードの酸素消費処理を省略するようにしている。これにより、燃料電池１における炭素腐食に影響を与えることなく、システムの起動時間をさらに短縮することが可能となる。
【００４１】
また、先の実施例１ならびに実施例２と同様に、カソードの酸素を確実に消費することが可能となり、炭素腐食を防止することができる。
（実施例３）
【実施例４】
【００４２】
図７は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。この実施例３の特徴とするところは、図１に示す実施例１のシステム構成に比べて、システムが停止した後システムが再び起動されるまでの時間を測定する停止後経過時間測定手段２３を設け、
この停止後経過時間測定手段２３で測定された、燃料電池１を停止してから起動が開始されるまでに経過した時間に応じてカソード酸素消費手段２２はカソードの酸素消費を実施する時間を設定するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００４３】
次に、起動シーケンスの動作手順を示す図８を参照して、実施例３の動作手順を説明する。図８において、ステップＳ２０１〜Ｓ２１６は先の図２に示すステップと同様であり、この実施例３の起動シーケンスの特徴は、図２に示す手順に比べて、図２のステップＳ２０１に示す処理を実行する前に、新たなステップＳ８０１で示す処理を行うようにしている。すなわち、前回燃料電池１を停止してから起動が開始されるまでに経過した時間が、停止後経過時間測定手段２３で測定され、この測定結果すなわち経過時間に基づいて、カソードに存在する酸素を消費する処理を実施する所定時間Ｂを設定する（ステップＳ８０１）。所定時間Ｂは、例えば図９に示す、システム停止後から起動開始までの経過時間が短くなるにつれて所定時間Ｂが短くなるような、システム停止後から起動開始までの経過時間と所定時間Ｂとの関係に基づいて設定される。例えば、経過時間が１分ならば所定時間Ｂ＝５秒程度、経過時間が３分ならば所定時間Ｂ＝１０秒程度に設定する。
【００４４】
したがって、停止後の経過時間が短いほどカソードの酸素含有量は少なくなり、ステップＳ８０１の処理を実行することで、所定時間Ｂは酸素の含有量に応じて適切に設定される。
【００４５】
このように、実施例３においては、停止後の経過時間に応じてカソードに徐々に酸素が侵入してくることに着目し、経過時間に応じてカソードにおける酸素を消費するために必要となる所定時間Ｂを設定するようにしたので、上述した炭素腐食を防止しつつ、燃料電池１の起動時間を短縮することができる。
（実施例４）
【実施例５】
【００４６】
図１０は本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。この実施例４の特徴とするところは、図１に示す実施例１のシステム構成に比べて、燃料電池１を循環する冷却水の温度を測定する燃料電池冷却水温度測定手段２４と、システムが置かれた環境の外気温度を測定する外気温度測定手段２５を備え、システム起動時における燃料電池１の冷却水の温度と外気温に応じてカソード酸素消費手段２２が燃料電池１から電力を取り出してカソードの酸素を消費させる所定時間Ｂを設定することにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００４７】
次に、起動シーケンスの動作手順を示す図１１を参照して、実施例４の動作手順を説明する。図１１において、ステップＳ２０１〜Ｓ２１６は先の図２に示すステップと同様であり、この実施例４の起動シーケンスの特徴は、図２に示す手順に比べて、図２のステップＳ２０１で示す処理を実行する前に、新たなステップＳ１１０１で示す処理を行うようにしている。すなわち、燃料電池冷却水温度測定手段２４で燃料電池１の冷却水の温度が測定され、かつ外気温度測定手段２５で外気温が測定され、この測定結果の冷却水温度と外気温度に基づいて、カソードに存在する酸素を消費する処理を実施する所定時間Ｂを設定する（ステップＳ１１０１）。
【００４８】
所定時間Ｂは、例えば図１２に示す、冷却水の温度が冷却水の目標温度（燃料電池の通常運転時の冷却水温度）に対して低下するにつれて所定時間Ｂが長くなるように設定し、冷却水温度が外気温付近まで低下している場合には、所定時間Ｂを通常の起動時と同様の時間に設定する。このような所定時間Ｂの設定手法は、燃料電池１の運転を停止すると冷却水温度が徐々に低下するので、この冷却水温度によりシステムの停止後の経過時間が推測でき、カソードへの酸素の浸入度合いも把握することが可能になることに着目したことによる。
【００４９】
したがって、実施例４においても、実施例３と同様に、上述した炭素腐食を防止しつつ、燃料電池１の起動時間を短縮することができる。
【００５０】
なお、実施例４において、所定時間Ｂは、冷却水温度のみを用いて上述したように設定するようにしてもよく、この場合には外気温度測定手段２５の構成が不要となり、構成の簡素化、小型化を図ることができる。
【００５１】
また、システムの停止後の経過時間を推測する手段として、燃料電池冷却水温度測定手段２４に代えて、燃料電池１自体の温度を測定する燃料電池温度測定手段を設け、冷却水温度に代えて燃料電池１自体の温度を用い、図１２に示すと同様な関係となる、燃料電池１の温度と所定時間Ｂとの関係を採用するようにしても、同様の効果を得ることができる。
（実施例５）
【実施例６】
【００５２】
次に、起動シーケンスの動作手順を示す図１３、ならびに各パラメータ（総セル電圧、パワーマネージャー取出電力指令値、水素圧力、カソード酸素含有率、アノード水素含有率）の時間変化を示す図１４のタイミングチャートを参照して、この発明の実施例５を説明する。なお、図１４（ａ）は本システムの運転停止後長時間が経過して、カソードならびにアノードに酸素が十分に浸入した状態で本システムを起動した場合であり、同図（ｂ）は本システムの運転停止後時間の経過が短く、カソードに酸素がほとんどない状態で再起動した場合を示している。
【００５３】
この実施例５の特徴とするところは、燃料電池１を停止してから起動が開始されるまでに経過した時間に基づいて、カソード酸素消費手段２２がクリップＯＮ待ち時間（所定時間Ｃ＝待機時間）とカソードの酸素を消費する処理を実施する所定時間Ｂを設定するようにしたことにあり、他は実施例３と同様であり、構成も図７に示すものと同様である。
【００５４】
図１３において、ステップＳ２０１〜ステップＳ２１６は先の図２に示すステップと同様であり、この実施例５の起動シーケンスの特徴は、図２に示す手順に比べて、図２のステップＳ２０１で示す処理を実行する前に、新たなステップＳ１３０１で示す処理を行うようにしてたことにある。すなわち、前回燃料電池１を停止してから起動が開始されるまでに経過した時間に基づいて、所定時間Ｃと所定時間Ｂを設定する（ステップＳ１３０１）。
【００５５】
所定時間Ｂは、先の実施例３と同様にして設定する。また、停止後から起動開始までの経過時間が短くなるにつれて、所定時間Ｃが短くなるように設定する。このような設定手法は、図１４（ｂ）に示すように、燃料電池１を停止してから起動が開始されるまでの経過時間が短い場合には、燃料電池１の温度がまだ冷えてないので、温度に依存するＩ−Ｖ特性が高く総セル電圧が立ち上がり易いことに着目したことによる。
【００５６】
このように、実施例５においては、システムの停止直後に起動するような場合には、先の実施例３に比べて、クリップＯＮ待ち時間を短縮することが可能となる。この結果、起動時間も短縮することができる。
（実施例６）
【実施例７】
【００５７】
次に、起動シーケンスの動作手順を示す図１５を参照して、この発明の実施例６を説明する。この実施例６の特徴とするところは、、システム起動時における燃料電池１の冷却水の温度と外気温に基づいて、カソード酸素消費手段２２がクリップＯＮ待ち時間（所定時間Ｃ＝待機時間）とカソードの酸素を消費する処理を実施する所定時間Ｂを設定するようにしたことにあり、他は実施例４と同様であり、構成も図１０に示すものと同様である。
【００５８】
図１５において、ステップＳ２０１〜ステップＳ２１６は先の図２に示すステップと同様であり、この実施例６の起動シーケンスの特徴は、図２に示す手順に比べて、図２のステップＳ２０１で示す処理を実行する前に、新たなステップＳ１５０１で示す処理を行うようにしたことにある。すなわち、システム起動時における燃料電池１の冷却水の温度と外気温に基づいて、所定時間Ｃと所定時間Ｂを設定する（ステップＳ１５０１）。
【００５９】
所定時間Ｂは、先の実施例４と同様にして設定し、所定時間Ｃは図１２に示すと同様な関係となる、冷却水温度と所定時間Ｃとの関係に基づいて所定時間Ｃを設定する。
【００６０】
このように、実施例６においては、実施例４ならびに実施例５と同様な効果を得ることができる。
【００６１】
なお、実施例６において、所定時間Ｃは、冷却水温度のみを用いて上述したように設定するようにしてもよく、また、冷却水温度に代えて燃料電池１自体の温度を採用するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００６２】
なお、上記各実施例１〜６では、燃料電池１の検出電圧としてすべてのセルの総電圧を用いているが、燃料電池１の一部のセルのセル電圧を用いて制御を行ってもよい。また、システム停止時の制御については詳細に記載していないが、システム起動時と同様に酸素の供給を停止した状態で水素の供給を継続して電力を取り出すことで酸素を消費する制御を組み合わせることにより、より一層効果的に起動時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】実施例１の起動シーケンスの動作手順を示すフローチャートである。
【図３】実施例１の起動シーケンスにおける各パラメータの時間変化を示すタイミングチャートである。
【図４】実施例２の起動シーケンスの動作手順を示すフローチャートである。
【図５】クリップＯＮ待ち時間後の総セル電圧と所定時間Ｂとの関係を示す図である。
【図６】参考例の起動シーケンスの動作手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図８】実施例３の起動シーケンスの動作手順を示すフローチャートである。
【図９】システム停止後から起動開始までの経過時間と所定時間Ｂとの関係を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１１】実施例４の起動シーケンスの動作手順を示すフローチャートである。
【図１２】燃料電池冷却水の温度と所定時間Ｂとの関係を示す図である。
【図１３】実施例５の起動シーケンスの動作手順を示すフローチャートである。
【図１４】実施例５の起動シーケンスにおける各パラメータの時間変化を示すタイミングチャートである。
【図１５】実施例６の起動シーケンスの動作手順を示すフローチャートである。
【図１６】燃料電池の炭素腐食のメカニズムを説明するための断面図である。
【図１７】燃料電池の炭素腐食を引き起こす状態と解決手段との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１，１６１…燃料電池
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…エゼクタ
６ａ…圧力センサ
６ｂ…圧力センサ
７…パージ弁
８…減圧弁
９…コンプレッサ
１０…空気調圧弁
１１…純水ポンプ
１２…純水タンク
１３…パワーマネージャー
１５…希釈ブロア
１６…電圧センサ
２０…空気圧力制御手段
２１…水素圧力制御手段
２２…カソード酸素消費手段
２３…停止後経過時間測定手段
２４…燃料電池冷却水温度測定手段
２５…外気温度測定手段
３０…コントローラ
１６２…カソード
１６３…アノード
１６４…電解質膜
１６５…炭素
１６６…負荷
【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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【図１７】
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