(57)【要約】【課題】システム起動時に圧力調整弁が凍結している場合には積極的にこれを解凍して、迅速且つ適切に通常運転へと移行できるようにする。【解決手段】水素供給経路１３中のガス圧を調整する水素調圧弁１５を加熱手段１６で加熱できるようにすると共に、空気供給経路２６中のガス圧を調整する空気調圧弁２８を加熱手段３０で加熱できるようにする。システムコントローラ１００は、システム起動時に水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を駆動して、そのときの圧力変化から水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定する。そして、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結によって適切に動作していない状態にあると判断したら、加熱手段１６や加熱手段３０を作動させて、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を積極的に解凍する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、
燃料ガスが流れる燃料ガス経路と、
前記燃料ガス経路中のガス圧を検出する第１の圧力センサと、
前記燃料ガス経路中のガス圧を調整する第１の圧力調整弁と、
前記第１の圧力調整弁を加熱する第１の加熱手段と、
酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス経路と、
前記酸化剤ガス経路中のガス圧を検出する第２の圧力センサと、
前記酸化剤ガス経路中のガス圧を調整する第２の圧力調整弁と、
前記第２の圧力調整弁を加熱する第２の加熱手段と、
システム起動時における動作制御を実行する起動制御手段とを備え、
前記起動制御手段が、システム起動時に、前記第１の圧力調整弁及び前記第２の圧力調整弁に動作指令を出力すると共に、前記第１の圧力センサの検出値及び前記第２の圧力センサの検出値を読み込んで、前記燃料ガス経路中のガス圧及び前記酸化剤ガス経路中のガス圧の圧力変化に基づいて前記第１の圧力調整弁及び前記第２の圧力調整弁の動作状態を判定し、その判定結果に基づいて前記第１の加熱手段及び前記第２の加熱手段の加熱動作を制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記起動制御手段は、システム起動時に、燃料ガス供給源からの燃料ガスを前記燃料ガス経路に流すと共に酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを前記酸化剤ガス経路に流した状態で、前記第１の圧力調整弁及び前記第２の圧力調整弁の動作状態の判定を行う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】
前記第１の圧力調整弁の上流側で前記燃料ガス経路と前記酸化剤ガス経路とを接続するガス流通経路と、
前記ガス流通経路中に設けられた遮断弁とを更に備え、
前記起動制御手段は、システム起動時に、酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを前記酸化剤ガス経路に流すと共に、前記遮断弁を開放して、前記酸化剤ガス供給源からの酸化剤ガスを前記ガス流通経路を介して前記燃料ガス経路にも流した状態で、前記第１の圧力調整弁及び前記第２の圧力調整弁の動作状態の判定を行う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４】
当該燃料電池システムの環境温度を検出する温度センサを更に備え、
前記起動制御手段は、システム起動時に、前記温度センサの検出値を読み込んで、読み込んだ検出値が所定の閾値以下の場合に、前記第１の圧力調整弁及び前記第２の圧力調整弁の動作状態の判定を行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記第１の圧力センサを加熱する第３の加熱手段と、
前記第２の圧力センサを加熱する第４の加熱手段とを更に備え、
前記起動制御手段は、システム起動時に、前記第１の圧力センサの検出値が所定の検出対象範囲から外れた値となっている場合に前記第３の加熱手段を動作させると共に、前記第２の圧力センサの検出値が所定の検出対象範囲から外れた値となっている場合に前記第４の加熱手段を動作させることを特徴とする請求項１乃至４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、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電電力を得る燃料電池システムに関するものであり、特に、システムの起動を適切に行うための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に水素を含む燃料ガス、酸化剤極に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、燃料電池での電気化学反応により発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムは、クリーンな排気や高エネルギ効率を実現できることから、例えば、燃料電池車両の駆動動力源等の用途に大きな期待が寄せられている。
【０００３】
ところで、以上のような燃料電池システムを燃料電池車両の駆動動力源として用いる場合、燃料電池車両を寒冷地に停車させたときなど、燃料電池システムが氷点下のような極低温の温度環境にさらされることも想定される。そして、このような極低温の温度環境下でシステムの動作を長時間停止させたときには、次の起動時にシステムが凍結した状態となっていることもあり、このような場合にはシステム起動時に積極的に暖機促進を図ってこれを解凍する必要がある。このとき、燃料電池システムの解凍に時間がかかると、燃料電池車両の円滑な始動が阻害されることになるため、従来より、起動時における燃料電池システムの解凍を迅速に行って、起動時間を短縮させるための技術開発が様々な観点からなされている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
特許文献１には、起動時に燃料電池システムが凍結していると判断された際には、燃料電池の解凍のみを行って、加湿器を停止させた状態で燃料電池の稼働を開始し、無加湿運転を行った際の燃料電池の廃熱を利用して純水供給系の解凍を行う技術が記載されている。この特許文献１に記載の技術では、システム起動時には燃料電池のみを解凍するので、システム起動から燃料電池を稼働するまでの時間を大幅に短縮することが可能となっている。
【特許文献１】特開２００３−２９７４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池システムでは、通常、燃料電池へ供給する燃料ガスや酸化剤ガスの圧力及び流量を、燃料ガス経路や酸化剤ガス経路に設けられた圧力調整弁の開度制御によって調整している。ここで、システム凍結が進行したときには、これら圧力調整弁も凍結状態となる場合があり、このように圧力調整弁が凍結状態となると燃料ガスや酸化剤ガスの圧力及び流量の調整を適切に行えなえなくなるので、システム凍結後の起動時にはこれら圧力調整弁の解凍も積極的に行うことが望まれる。
【０００６】
しなしながら、上述した特許文献１に記載される技術では、圧力調整弁の凍結については考慮されておらず、システム凍結後の起動時に圧力調整弁を積極的に解凍するための対策がなされていないため、燃料電池の解凍が進んでも燃料電池に供給する燃料ガスや酸化剤ガスの圧力及び流量を適切に制御できず、燃料電池を適正に稼働できなくなることが懸念される。
【０００７】
本発明は、以上のような従来技術の有する問題点を解消すべく創案されたものであって、システム起動時に圧力調整弁が凍結している場合には積極的にこれを解凍して、迅速且つ適切に通常運転へと移行できる燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料ガス経路中のガス圧は第１の圧力センサ、酸化剤ガス経路中のガス圧は第２の圧力センサでそれぞれ検出できるようにしており、また、燃料ガス経路中のガス圧を調整する第１の圧力調整弁を第１の加熱手段で、酸化剤ガス経路中のガス圧を調整する第２の圧力調整弁を第２の加熱手段でそれぞれ加熱できるようにしている。そして、システム起動時には、起動制御手段が、第１の圧力調整弁及び第２の圧力調整弁に動作指令を出力すると共に、第１の圧力センサの検出値及び第２の圧力センサの検出値を読み込んで、燃料ガス経路中のガス圧及び酸化剤ガス経路中のガス圧の圧力変化に基づいて第１の圧力調整弁及び第２の圧力調整弁の動作状態を判定し、その判定結果に基づいて第１の加熱手段及び第２の加熱手段の加熱動作を制御するようにしている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムによれば、システム起動時に、燃料ガス経路中のガス圧を調整する第１の圧力調整弁及び酸化剤ガス経路中のガス圧を調整する第２の圧力調整弁の動作状態を判定し、その判定結果に基づいて第１の加熱手段及び第２の加熱手段の加熱動作を制御するようにしているので、第１の圧力調整弁や第２の圧力調整弁が凍結して適切に動作しない場合には、第１の加熱手段や第２の加熱手段によってこれらを加熱して積極的に解凍することができ、迅速且つ適切に通常運転へと移行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な一構成例を示すシステム構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池１に燃料ガスである水素ガス及び酸化剤ガスである空気を供給して、燃料電池１で電気化学反応を生じさせ、発電電力を得る発電システムである。なお、ここでは、燃料電池１として固体高分子型燃料電池を用い、この燃料電池１内部に加湿剤として純水を直接供給して、固体高分子電解質膜の加湿を行う内部加湿方式の燃料電池システムを例に挙げて説明するが、本発明は、この内部加湿方式の燃料電池システムに限らず、あらゆるタイプの燃料電池システムに対して有効に適用可能である。
【００１２】
本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の発電単位である単位セルは、燃料極（アノード）２及び酸化剤極（カソード）３と、これら燃料極２及び酸化剤極３の間に挟持される電解質膜４と、前記燃料極２及び酸化剤極３に対してセパレータ５，６を介して積層される純水極７，８、セパレータ９を介して積層される冷却水流路１０とから構成されている。そして、この燃料電池１の電解質膜３としては固体高分子膜が用いられ、セパレータ５，６には多孔質プレート、セパレータ９にはソリッドプレート等が用いられている。
【００１３】
以上の燃料電池１では、各単位セルの燃料極２に燃料ガスである水素ガスが供給され、酸化剤極３に酸化剤ガスである空気が供給されることで、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。
【００１４】
アノード（燃料極）：  Ｈ２ → ２Ｈ＋＋２ｅ−      （１）
カソード（酸化剤極）：  ２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２  → Ｈ２Ｏ      （２）
燃料電池１の各単位セルにおける燃料極２への水素ガスの供給は、水素供給源である水素タンク１１を有する水素供給系により行われる。水素タンク１１には燃料ガスである水素ガスが高圧の状態で貯留されており、この水素タンク１１から水素タンク元弁１２を介して供給される高圧水素ガスが、水素供給経路（燃料ガス経路）１３を通過する過程で減圧弁１４で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素調圧弁（第１の圧力調整弁）１５で燃料電池１の燃料極２での水素圧力が所望の圧力になるように制御され、燃料電池１の燃料極２に供給される。
【００１５】
水素調圧弁１５には、例えば電気ヒータ等を用いた加熱手段（第１の加熱手段）１６が設けられており、必要に応じてこの加熱手段１６によって水素調圧弁１５を加熱できるようになっている。なお、この加熱手段１６は、水素調圧弁１５を加熱できるものであればどのような構成であってもよく、水素調圧弁１５と別体に構成されて外部からこれを加熱するものであってもよいし、水素調圧弁１５内部に組み込まれていてもよい。
【００１６】
また、水素供給系には、燃料電池１の燃料極２で消費されずに燃料極２出口から排出された排水素ガスを燃料極２入口側へと環流させるために、水素循環経路１７、エゼクタ１８、水素循環ポンプ１９が設置されている。ここで、エゼクタ１８は、水素循環経路１７を流れる排水素ガスと水素調圧弁１５を介して供給される水素ガスとの差圧を利用して排水素ガスを水素供給経路１３に導入するものであり、水素循環ポンプ１９は、エゼクタ１８が作動しない領域を補うものである。
【００１７】
水素供給経路１３の燃料電池１前段には、当該水素供給経路１３中のガス圧を検出するための圧力センサ（第１の圧力センサ）２０が設置されており、この圧力センサ２０の検出値をフィードバックして水素調圧弁１５を駆動することによって、水素供給経路１３中のガス圧、すなわち燃料電池１の燃料極２での水素圧力が所望の圧力になるように制御される。
【００１８】
圧力センサ２０には、例えば電気ヒータ等を用いた加熱手段（第３の加熱手段）２１が設けられており、必要に応じてこの加熱手段２１によって圧力センサ２０を加熱できるようになっている。なお、この加熱手段２１は、水素調圧弁１５を加熱するための加熱手段１６と同様に、圧力センサ２０を加熱できるものであればどのような構成であってもよい。
【００１９】
また、燃料電池１の燃料極２出口には水素排出経路２２が接続されており、この水素排出経路２２中にパージ弁２３が設置されている。このパージ弁２３は、水素ガスを外部に排出するための弁であり、水素循環機能を確保するために水素供給系内に蓄積した窒素等の不純物を水素ガスと共に排出する目的と、燃料電池１の各単位セルのセル電圧を回復させるためにガス流路に詰まった水詰まりを水素ガスと共に吹き飛ばす目的とで使用される。
【００２０】
水素排出経路２２のパージ弁２３設置位置よりも後段には、希釈ブロア２４が設置されており、パージ弁２３を介して排出される水素ガスは、この希釈ブロア２４により可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈されて、外部に排出される。
【００２１】
燃料電池１の各単位セルにおける酸化剤極３への空気の供給は、空気供給源としてコンプレッサ２５を有する空気供給系により行われる。すなわち、空気供給系では、コンプレッサ２５の駆動によって外部から空気供給経路（酸化剤ガス経路）２６中に空気が取り込まれ、この外部から取り込まれた空気が、空気供給経路２６を通って燃料電池１の酸化剤極３へと圧送される。
【００２２】
この空気供給系では、空気供給経路２６の燃料電池１前段に当該空気供給経路２６中のガス圧を検出するための圧力センサ（第２の圧力センサ）２７が設置されていると共に、燃料電池１後段に、空気供給経路２６中のガス圧を調整するための空気調圧弁（第２の圧力調整弁）２８が設置されており、圧力センサ２７の検出値をフィードバックして空気調圧弁２８を駆動することによって、空気供給経路２６中のガス圧、すなわち燃料電池１の酸化剤極３での空気圧力が所望の圧力になるように制御される。
【００２３】
空気供給系の圧力センサ２７や空気調圧弁２８には、水素供給系と同様に、圧力センサ２７を加熱するための加熱手段（第４の加熱手段）２９や空気調圧弁２８を加熱するための加熱手段（第２の加熱手段）３０がそれぞれ設けられており、必要に応じてこれらの加熱手段２９，３０によって圧力センサ２７や空気調圧弁２８を加熱できるようになっている。なお、これらの加熱手段２９，３０も、圧力センサ２７や空気調圧弁２８を加熱できるものであればどのような構成であってもよい。
【００２４】
燃料電池１の各単位セルにおける純水極７，８への純水の供給は、純水タンク３１及び純水ポンプ３２を有する純水供給系により行われる。すなわち、純水ポンプ３２の駆動によって純水タンク３１に貯留された純水が純水供給経路３３を循環し、燃料電池１の純水極７，８へと供給される。また、純水供給経路３３には、燃料電池１の純水極７，８の入口側及び出口側の双方にシャット弁３４，３５が設置されている。これらシャット弁３４，３５は、システムの起動、停止時に、純水の循環供給を行わずに燃料極２に水素ガスを供給する制御を行う場合に、純水供給経路３３を燃料電池１の前後で遮断することで、純水供給系へ水素ガスがリークすることを防止する機能を有している。
【００２５】
なお、この純水供給系では、低温時の純水凍結による燃料電池１への負担軽減を考慮して、システム停止時にには、燃料電池１の純水極７，８内や純水供給経路３３内に滞留する純水を純水タンク３１へと積極的に回収させるようにしている。また、燃料電池１の酸化剤極３から排出される排空気中の水分（燃料電池１での発電反応によって生じる生成水）も、純水供給系の純水タンク３１へと回収させるようにしている。
【００２６】
以上の各供給系において、燃料ガスである水素ガスの目標圧力や、酸化剤ガスである空気の目標圧力、加湿剤である純水の目標圧力は、燃料電池１での発電効率や水収支を考慮して設定されると共に、燃料電池１の電解質膜４やセパレータ５，６に歪みを生じないように所定の差圧に管理される。
【００２７】
燃料電池１の各単位セルにおける冷却水流路１０への冷却水の供給は、冷却水ポンプ３６を有する冷却水供給系により行われる。すなわち、冷却水ポンプ３６の駆動により冷却水が冷却水供給経路３７を循環し、燃料電池１の冷却水流路１０へと供給される。冷却水供給経路３７には三方弁３８及びラジエータ３９が設けられており、三方弁３８を駆動することで、冷却水の流路をラジエータ３９方向とラジエータバイパス方向とで切り替え、あるいは分流できるようになっている。ラジエータ３９には、ラジエータファン４０が設けられており、このラジエータファン４０でラジエータ３９へ風を通過させて冷却水を冷却する。冷却水供給経路３７を循環する冷却水の温度は温度センサ４１によって検出され、その検出値をフィードバックして三方弁３８とラジエータファン４０とを駆動することによって、冷却水の温度が調整される。
【００２８】
また、本実施形態の燃料電池システムにはシステム内温度センサ４２が設けられており、このシステム内温度センサ４２によって、当該燃料電池システムの環境温度が検出できるようになっている。また、燃料電池１には電圧センサ４３が設けられており、この電圧センサ４３によって燃料電池１の出力電圧を検出できるようになっている。更に、燃料電池１にはパワーマネージャ４４が接続されており、このパワーマネージャ４４によって燃料電池１から電力を取り出して、例えば燃料電池車両を駆動する車両駆動用モータ等の負荷（図示しない）へ電力を供給するようになっている。
【００２９】
また、本実施形態の燃料電池システムには、当該燃料電池システム全体の動作を制御するためのシステムコントローラ１００（起動制御手段）が設けられており、このシステムコントローラ１００が、各種センサからの出力に基づいて当該燃料電池システム内の各部における動作状態を把握し、燃料電池システムに要求される発電電力を実現できる最適な動作状態となるように、各弁の開閉動作や開度の制御、各アクチュエータの動作制御等を行うようになっている。
【００３０】
ここで、特に本実施形態の燃料電池システムでは、システムコントローラ１００が、システム起動時における動作制御の一環として、水素供給系の水素調圧弁１５や空気供給系の空気調圧弁２８の動作状態を判定し、これら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結しているために動作状態が不良となっていると判定した場合には、加熱手段１６や加熱手段３０によってこれら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を加熱して、これらを積極的に解凍するようにしている。以下、このような本実施形態の燃料電池システムに特徴的なシステムコントローラ１００のシステム起動時における制御について、具体例を挙げながら詳しく説明する。
【００３１】
システムコントローラ１００は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭ、周辺インターフェース等を有するマイクロコンピュータとして構成されており、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用してＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することで、燃料電池システム内の各部の動作を制御する。そして、特に本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時に水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結している場合にこれらを積極的に解凍させるための機能として、図２に示すように、システムコントローラ１００に、凍結可能性判定手段１０１と、調圧弁動作確認手段１０２と、加熱動作制御手段１０３とが実現されるようになっている。
【００３２】
凍結可能性判定手段１０１は、燃料電池システムの起動動作を指示する起動信号が入力されると、システム内温度センサ４２の検出値を読み込んで、その検出値に基づき、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結している可能性があるかどうかを判定する。そして、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結している可能性があると判断した場合には、これらの動作状態を判定するために、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８に駆動信号を出力して、これら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を駆動させる。
【００３３】
なお、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を適切に判定するためには、水素供給経路１３や空気供給経路２６を流体が流れている状態としておく必要があるので、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の駆動に先立って、水素タンク１１から水素供給経路１３への水素ガスの供給と、コンプレッサ２５から空気供給経路２６への空気の供給とをそれぞれ開始しておくことが望ましい。
【００３４】
調圧弁動作確認手段１０２は、凍結可能性判定手段１０１での処理で水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を駆動したときに、圧力センサ２０，２７によって検出される検出値を読み込んで、その圧力変化から水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を確認する。すなわち、この調圧弁動作確認手段１０２では、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の駆動に伴って水素供給経路１３中のガス圧や空気供給経路２６中のガス圧が正常に変化しているかどうかによって、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が正常に動作しているか否かを判定する。
【００３５】
なお、このように圧力センサ２０，２７の検出値に基づいて水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定する場合、圧力センサ２０，２７が正常に動作していることが前提となるが、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結するような温度環境下では、これら圧力センサ２０，２７も凍結して正常に動作しないことも想定される。そこで、圧力センサ２０，２７の検出値が所定の検出範囲を超えるような異常な値となっているときには、これら圧力センサ２０，２７が凍結状態にあると判断して、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態の判定に先立って、加熱手段２１，２９によりこれら圧力センサ２０，２７を加熱して解凍し、正常に圧力を検出できる状態としておくことが望ましい。
【００３６】
加熱動作制御手段１０３は、調圧弁動作確認手段１０２において水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が正常に動作していないと判定されたときに、加熱手段２１，３０を動作させて、これら加熱手段２１，３０によって水素調圧弁１５、空気調圧弁２８をそれぞれ加熱させ、解凍を促進させる。このときの加熱手段２１，３０による加熱時間は、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を十分に解凍できる時間に予め設定しておいてもよいし、調圧弁動作確認手段１０２により判定された水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態からこれらの凍結度合いを推定し、それに応じた時間に設定するようにしてもよい。
【００３７】
図３は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時にシステムコントローラ１００により実行される一連の処理の具体例を示すフローチャートである。
【００３８】
システムコントローラ１００は、起動信号が入力されると、先ず、ステップＳ１０１において、システム内温度センサ４２の検出値Ｔを読み込む。そして、ステップＳ１０２において、読み込んだ検出値Ｔが所定の環境温度閾値Ｔｓ以下となっているかどうかを判定する。ここで、所定の環境温度閾値Ｔｓは、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８に凍結が生じている可能性の有無を判定する基準となるものであり、例えば５℃に設定される。このステップＳ１０２での判定で、システム内温度センサ４２の検出値Ｔが環境温度閾値Ｔｓ以下となっている、すなわち水素調圧弁１５や空気調圧弁２８に凍結が生じている可能性があると判断した場合には次のステップＳ１０３に進み、環境温度閾値Ｔｓを超えている、すなわち水素調圧弁１５や空気調圧弁２８に凍結が生じている可能性がないと判断した場合には、ステップＳ１１５へと処理を移行する。
【００３９】
ステップＳ１０３では、システムコントローラ１００は、水素供給系の圧力センサ２０や空気供給系の圧力センサ２７（以下、これらを特に区別しないときは単に圧力センサ２０，２７という。）の検出値Ｐ０を読み込む。そして、ステップＳ１０４において、読み込んだ検出値Ｐ０が所定の検出範囲（Ｐｓ１〜Ｐｓ２）を逸脱する異常な値となっているかどうかを判定する。ここで、Ｐｓ１は例えば１００ｋＰａ＿ａ、Ｐｓ２は例えば１０５ｋＰａ＿ａに設定される。このステップＳ１０４での判定で、圧力センサ２０，２７の検出値Ｐ０がＰｓ１未満或いはＰｓ２を超えていると判断した場合には、圧力センサ２０，２７に凍結が生じていることが推定されるので次のステップＳ１０５に進み、Ｐｓ１〜Ｐｓ２の範囲内にあると判断した場合には、ステップＳ１０７へと処理を移行する。
【００４０】
ステップＳ１０５では、システムコントローラ１００は、水素供給系の圧力センサ２０を加熱するための加熱手段２１や空気供給系の圧力センサ２７を加熱するための加熱手段２９（以下、これらを特に区別しないときは単に加熱手段２１，２９という。）に作動指令を送り、加熱手段２１，２９の作動を開始させる。この加熱手段２１，２９の作動を開始させた後、システムコントローラ１００は経過時間（加熱時間）ｔ１を監視して、経過時間ｔ１が所定時間ｔｓ１に達した段階で（ステップＳ１０６）、次のステップＳ１０７へと進む。ここで、所定時間ｔｓ１は、例えば、圧力センサ２０，２７を十分に解凍できる時間として予め実験等によって求めた時間に設定される。
【００４１】
ステップＳ１０７では、システムコントローラ１００は、水素タンク元弁１２を開いて水素タンク１１から水素供給経路１３への水素ガスの供給を開始させると共に、コンプレッサ２５を駆動して空気供給経路２６への空気供給を開始させる。そして、水素供給経路１３への水素ガスの供給及び空気供給経路２６への空気供給を開始させた状態で、ステップＳ１０８において、圧力センサ２０，２７の検出値Ｐ１を読み込む。
【００４２】
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ１０９において、水素供給系の水素調圧弁１５や空気供給系の空気調圧弁２８（以下、これらを特に区別しないときは単に調圧弁１５，２８という。）に駆動信号を出力して、調圧弁１５，２８を駆動させる。そして、調圧弁１５，２８を駆動させた状態で、ステップＳ１１０において、圧力センサ２０，２７の検出値Ｐ２を読み込む。
【００４３】
次に、システムコントローラ１００は、ステップＳ１１１において、ステップＳ１０８で読み込んだ圧力センサ２０，２７の検出値Ｐ１と、ステップＳ１１０で読み込んだ圧力センサ２０，２７の検出値Ｐ２とを比較して、これらの検出値Ｐ１，Ｐ２間の変化、すなわち調圧弁１５，２８の駆動に伴う圧力変化を判定する。このステップＳ１１１での判定で、検出値Ｐ１，Ｐ２が殆ど同じで調圧弁１５，２８を駆動したにも拘わらず圧力変化が生じていない場合には、調圧弁１５，２８に凍結が生じていることが推定されるので次のステップＳ１１２に進み、検出値Ｐ１，Ｐ２が調圧弁１５，２８の駆動に伴って適切に変化している場合には、調圧弁１５，２８が適切に動作していると判断して、ステップＳ１１５へと処理を移行する。
【００４４】
ステップＳ１１２では、システムコントローラ１００は、水素供給経路１３への水素ガスの供給及び空気供給経路２６への空気供給を停止させる。そして、ステップＳ１１３において、水素調圧弁１５を加熱するための加熱手段１６や空気調圧弁２８を加熱するための加熱手段３０（以下、これらを特に区別しないときは単に加熱手段１６，３０という。）に作動指令を送り、加熱手段１６，３０の作動を開始させる。この加熱手段１６，３０の作動を開始させた後、システムコントローラ１００は経過時間（加熱時間）ｔ２を監視して、経過時間ｔ２が所定時間ｔｓ２に達した段階で（ステップＳ１１４）、ステップＳ１０７に戻ってステップＳ１０７以降の処理を繰り返し行う。ここで、所定時間ｔｓ２は、例えば、調圧弁１５，２８を十分に解凍できる時間として予め実験等によって求めた時間に設定される。
【００４５】
加熱手段１６，３０による加熱によって調圧弁１５，２８が解凍されると、ステップＳ１１１での判定で調圧弁１５，２８が適切に動作していると判断されるので、ステップＳ１１５に進む。そして、このステップＳ１１５において、システムコントローラ１００は、通常運転に移行して燃料電池１の発電を開始させ、一連のシステム起動処理を終了する。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時に、システムコントローラ１００が水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を駆動して、そのときの圧力変化から水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定し、これら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結しているために動作状態が不良となっていると判断した場合には、加熱手段１６や加熱手段３０によってこれら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を加熱して、これらを積極的に解凍するようにしている。したがって、この燃料電池システムによれば、実際に通常運転に移行して燃料電池１での発電を開始させようとしたときに、燃料電池１に対する水素ガスや空気の供給が適切に制御できない状態となるといった不都合を生じさせることがなく、迅速且つ適切に通常運転へと移行することが可能となる。
【００４７】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、水素タンク１１からの水素ガスを水素供給経路１３に、コンプレッサ２５からの空気を空気供給経路２６にそれぞれ流した状態で水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を駆動し、そのときの圧力変化からこれら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定するようにしているので、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を極めて高精度に判定することができる。
【００４８】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、システム内温度センサ４２の検出値を読み込んで、この読み込んだ検出値が、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８に凍結が生じている可能性があると推定される閾値以下となっているときに、上述したような水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定する処理を行うようにしているので、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８に凍結が生じている可能性のない高温環境下では、これらの動作状態の判定を行わないことで、その分、起動時間を短縮を図ることができる。
【００４９】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、水素供給系の圧力センサ２０や空気供給系の圧力センサ２７の検出値が所定の検出範囲を逸脱する異常な値となっている場合には、加熱手段２０や加熱手段２９によりこれらの圧力センサ２０，２７を加熱するようにしているので、圧力センサ２０，２７が凍結して適切な圧力の検出が行えないといった不都合を有効に回避して、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を適切に判定することができる。
【００５０】
なお、以上説明した例では、水素供給経路１３中のガス圧を水素調圧弁１５で調整し、空気供給経路２６中のガス圧を空気調圧弁２８で調整することを前提に、システム起動時にこれら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定して、これらが凍結していると判断したときに積極的に解凍するようにしているが、水素供給経路１３や空気供給経路２６中のガス圧の調整に他の弁も用いる構成とした場合には、システム起動時にこれらガス圧の調整に関わる他の弁の動作状態も判定して、これらが凍結していると判断したときに積極的に解凍するようにしてもよい。
【００５１】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムでは、図４に示すように、上述した第１の実施形態の構成に加えて、水素調圧弁１５の上流側で水素供給経路１３と空気供給経路２６とを接続する流通経路５０を設け、この流通経路５０中に遮断弁５１を設けている。そして、システム起動時に水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定する際には、コンプレッサ２５からの空気を空気供給経路２６に流すと共に、遮断弁５１を開放して、コンプレッサ２５からの空気を水素供給経路１３にも流すようにしている。本実施形態の燃料電池システムにおけるその他の構成は、上述した第１の実施形態と同様であるので、以下、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付して重複した説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ２５と燃料電池１とを結ぶ空気供給経路２６がその中途部にて分岐され、分岐された一方の経路が流通経路５０とされて、水素調圧弁１５の上流側にて水素供給経路１３に接続されている。そして、この流通経路５０中に、遮断弁５１が配設されている。
【００５３】
遮断弁５１は、システムコントローラ１００によって開閉動作が制御され、通常は閉じられた状態とされている。この遮断弁５１が閉じられた状態では流通経路５０が遮断されるので、コンプレッサ２５からの空気は水素供給経路１３に導かれることなく、その全量が空気供給経路２６を流れることになる。一方、システム起動時に水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定する際には、システムコントローラ１００の制御によってこの遮断弁５１が開放される。遮断弁５１が開放されると、コンプレッサ２５からの空気の一部が流通経路５０を介して水素供給経路１３へと導かれて、水素供給経路１３を流れることになる。
【００５４】
本実施形態の燃料電池システムでは、システム起動時に水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定する際に、システムコントローラ１００が遮断弁５１を開放して、水素供給経路１３と空気供給経路２６との双方にコンプレッサ２５からの空気を流した状態で水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を駆動し、そのときの空気圧力の変化から、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定するようにしている。そして、これら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結しているために動作状態が不良となっていると判断した場合に、上述した第１の実施形態と同様、加熱手段１６や加熱手段３０によってこれら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を加熱して、これらを積極的に解凍するようにしている。
【００５５】
図５は、本実施形態の燃料電池システムにおいて、システム起動時にシステムコントローラ１００により実行される一連の処理の具体例を示すフローチャートである。
【００５６】
この図５に示す処理フローにおいて、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０６までの処理は、上述した第１の実施形態におけるステップＳ１０１〜ステップＳ１０６までの処理（図３参照）と同様である。
【００５７】
本実施形態の燃料電池システムでは、ステップＳ２０６において加熱手段２１，２９の加熱時間ｔ１が所定時間ｔｓ１に達したと判断した段階で、システムコントローラ１００が、ステップＳ２０７において、先ず、流通経路５０中に配設された遮断弁５１を開放する。そして、流通経路５０中の遮断弁５１を開放した状態で、ステップＳ２０８において、コンプレッサ２５の駆動を開始する。これにより、コンプレッサ２５からの空気が空気供給経路２６へと供給されると共に、その一部が流通経路５０を介して水素供給経路１３へと供給されることになる。
【００５８】
次のステップＳ２０９〜ステップＳ２１２までの処理は、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定する処理であり、上述した第１の実施形態におけるステップＳ１０８〜ステップＳ１１１までの処理（図３参照）と同様である。ただし、本実施形態の燃料電池システムでは、空気供給経路２６と水素供給経路１３との双方に空気を流した状態で、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定するようにしている。
【００５９】
そして、本実施形態の燃料電池システムでは、ステップＳ１１２での判定の結果、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８に凍結が生じていることが推定される場合に、システムコントローラ１００が、ステップＳ２１３において、先ず、流通経路５０中に配設された遮断弁５１を閉じる。そして、ステップＳ２１４において、コンプレッサ２５の駆動を停止して、空気供給経路２６及び水素供給経路１３への空気の供給を停止させる。
【００６０】
その後、第１の実施形態と同様に加熱手段１６，３０によって水素調圧弁１５や空気調圧弁２８を加熱し、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が解凍されて正常に動作するようになった段階で、通常運転に移行して燃料電池１の発電を開始させ（ステップＳ２１５〜ステップＳ２１７）、一連のシステム起動処理を終了する。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、上述した第１の実施形態の燃料電池システムと同様に、システム起動時に水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定し、これら水素調圧弁１５や空気調圧弁２８が凍結しているために動作状態が不良となっている場合には、加熱手段１６や加熱手段３０を作動させてこれらを積極的に解凍するようにしているので、実際に通常運転に移行して燃料電池１での発電を開始させようとしたときに、燃料電池１に対する水素ガスや空気の供給が適切に制御できない状態となるといった不都合を生じさせることがなく、迅速且つ適切に通常運転へと移行することが可能となる。
【００６２】
また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、コンプレッサ２５からの空気を水素供給経路１３に供給できるように流通経路５０を設け、システム起動時に水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定する際には、流通経路５０中の遮断弁５１を開放して、空気供給経路２６と水素供給経路１３との双方に空気を流した状態で水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を判定するようにしているので、水素調圧弁１５や空気調圧弁２８の動作状態を極めて高精度に判定できると共に、燃料ガスとなる水素ガスの消費量を抑制することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの一構成例を示すシステム構成図である。
【図２】前記燃料電池システムが備えるシステムコントローラの機能を説明する機能ブロック図である。
【図３】前記システムコントローラでシステム起動時に実行される一連の処理の一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した他の燃料電池システムの構成を示すシステム構成図である。
【図５】前記システムコントローラでシステム起動時に実行される一連の処理の他の例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１  燃料電池
１１  水素タンク
１３  水素供給経路
１５  水素調圧弁
１６  加熱手段
２０  圧力センサ
２１  加熱手段
２５  コンプレッサ
２６  空気供給経路
２７  圧力センサ
２８  空気調圧弁
２９  加熱手段
３０  加熱手段
４２  システム内温度センサ
５０  流通経路
５１  遮断弁
１００  システムコントローラ
【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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