(57)【要約】【課題】燃料電池システムの停止中にカソードへクロスオーバーして蓄積した水素を、システムの起動時に希釈して排出することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム１は、燃料電池２のカソード上流にシャット弁４と、燃料電池２のカソード下流に空気調圧弁８とを備え、燃料電池２の起動時には、シャット弁４と空気調圧弁８との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送し、所定圧力になったところでシャット弁４を閉じて封入することによってカソード経路内にある水素を燃料電池２の触媒上で消費させて希釈することを特徴とする。【選択図】      図１
2007103023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池のカソード上流にシャット弁を備え、前記燃料電池のカソード下流に空気調圧弁を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の起動時には、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送して封入し、カソード経路内にある水素を前記燃料電池で消費することによって希釈する水素希釈処理を実施することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池のカソード出口からカソード入口へガスを循環させる循環経路と、前記循環経路内にあるガスを循環させる循環ポンプとをさらに備え、
前記燃料電池の起動時には、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送して封入し、封入されたガスを前記循環ポンプによって循環させて前記水素希釈処理を実施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】
前記循環経路に外部から酸化剤ガスを吸入する吸入経路をさらに備え、
前記燃料電池の起動時には、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで前記吸入経路を通じて外部から吸入して封入し、封入されたガスを前記循環ポンプによって循環させて前記水素希釈処理を実施することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池のカソードにおける水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備え、
前記水素濃度推定手段によって推定された水素濃度と封入されるカソード経路の容積とから水素量を推定し、この水素量を触媒反応によって消費するために必要な酸素量を前記カソード経路に封入した場合に生じる圧力を、前記所定圧力とすることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池のカソードにおける水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備え、
前記水素濃度推定手段によって推定された水素濃度に基づいて前記水素希釈処理が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池で発電される電圧を推定する電圧推定手段を備え、
前記電圧推定手段によって推定された電圧に基づいて前記水素希釈処理が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に封入されたガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて前記水素希釈処理が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池で発電される電圧を推定する電圧推定手段と、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に封入されたガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備え、
前記電圧推定手段によって推定された電圧と前記圧力検出手段によって検出された圧力とに基づいて前記水素希釈処理が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池のカソードにおける水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備え、
前記水素濃度推定手段によって推定された水素濃度に基づいて、前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池で発電される電圧を推定する電圧推定手段を備え、
前記電圧推定手段によって推定された電圧に基づいて、前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に封入されたガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて、前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池で発電される電圧を推定する電圧推定手段と、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に封入されたガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備え、
前記電圧推定手段によって推定された電圧と前記圧力検出手段によって検出された圧力とに基づいて、前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池を停止してから起動するまでの時間に応じて前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
燃料電池のカソード上流にシャット弁を備え、前記燃料電池のカソード下流に空気調圧弁を備えた燃料電池システムの起動方法であって、
前記燃料電池の起動時には、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送して封入し、カソード経路内にある水素を前記燃料電池で消費することによって希釈する水素希釈処理を実施することを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
【請求項１５】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池のカソード出口からカソード入口へガスを循環させる循環経路と、前記循環経路内にあるガスを循環させる循環ポンプとをさらに備え、
前記燃料電池の起動時には、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送して封入し、封入されたガスを前記循環ポンプによって循環させて前記水素希釈処理を実施することを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項１６】
前記燃料電池システムは前記循環経路に外部から酸化剤ガスを吸入する吸入経路をさらに備え、
前記燃料電池の起動時には、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで前記吸入経路を通じて外部から吸入して封入し、封入されたガスを前記循環ポンプによって循環させて前記水素希釈処理を実施することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項１７】
前記燃料電池システムは前記燃料電池のカソードにおける水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備え、
前記水素濃度推定手段によって推定された水素濃度と封入されるカソード経路の容積とから水素量を推定し、この水素量を触媒反応によって消費するために必要な酸素量を前記カソード経路に封入した場合に生じる圧力を、前記所定圧力とすることを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項１８】
前記燃料電池システムは前記燃料電池のカソードにおける水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備え、
前記水素濃度推定手段によって推定された水素濃度に基づいて前記水素希釈処理が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項１９】
前記燃料電池システムは前記燃料電池で発電される電圧を推定する電圧推定手段を備え、
前記電圧推定手段によって推定された電圧に基づいて前記水素希釈処理が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項２０】
前記燃料電池システムは前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に封入されたガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて前記水素希釈処理が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項２１】
前記燃料電池システムは、前記燃料電池で発電される電圧を推定する電圧推定手段と、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に封入されたガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備え、
前記電圧推定手段によって推定された電圧と前記圧力検出手段によって検出された圧力とに基づいて前記水素希釈処理が完了したか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項２２】
前記燃料電池システムは前記燃料電池のカソードにおける水素濃度を推定する水素濃度推定手段を備え、
前記水素濃度推定手段によって推定された水素濃度に基づいて、前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項２３】
前記燃料電池システムは前記燃料電池で発電される電圧を推定する電圧推定手段を備え、
前記電圧推定手段によって推定された電圧に基づいて、前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項２４】
前記燃料電池システムは前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に封入されたガスの圧力を検出する圧力検出手段を備え、
前記圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて、前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項２５】
前記燃料電池システムは前記燃料電池で発電される電圧を推定する電圧推定手段と、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に封入されたガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備え、
前記電圧推定手段によって推定された電圧と前記圧力検出手段によって検出された圧力とに基づいて、前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【請求項２６】
前記燃料電池を停止してから起動するまでの時間に応じて前記水素希釈処理を実施するか否かを判断することを特徴とする請求項１４から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法。
【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係り、特に燃料電池システムの停止中にアノードからカソードへクロスオーバーして蓄積した水素を、システムの起動時に希釈して排気する燃料電池システム及びその起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料ガスのもつ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、その一つとして電解質膜に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
この固体高分子型の燃料電池システムでは、システムを停止させたときに通常アノードに水素が残された状態になっている。このアノードに残された水素はそのまま放置しておくと、アノードからカソードへクロスオーバーしてカソード経路に蓄積する。そして、蓄積した高濃度の水素は、次回の起動時に高濃度のままカソードから排出される場合がある。
【０００４】
このような課題を解決する方法として、従来では停止時に出力電圧が０Ｖになるまで放電し、残存水素を消費するように構成した燃料電池システムがあり、例えば特開２００１−３４５１１４号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００５】
また、起動時に排気する空気流量を抑制し、排出水素量を低減するように構成した燃料電池システムがあり、例えば特開２００４−１７２０２７号公報（特許文献２）に開示されている。さらに、この特許文献２に開示された従来例では、コンプレッサの下流から排気経路にバイパスして空気を供給し、この空気によって水素を希釈するようにも構成している。
【０００６】
また、希釈ボックス及び希釈ブロアなどの希釈装置を設けて水素を希釈するように構成した燃料電池システムの従来例としては、例えば特開２００４−１７９１０２号公報（特許文献３）に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３４５１１４号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２０２７号公報
【特許文献３】特開２００４−１７９１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１に開示された従来例では、システムの停止時に出力電圧が０Ｖになるまで放電して残存水素を消費するので、燃料電池システムが異常停止した場合には機能せず、結局水素が残存してしまい、可燃濃度以上の水素が排気されてしまう問題点があった。
【０００８】
また、特許文献２で開示された従来例では、システムの起動時に排気する空気流量を抑制し、排出水素量を低減させるようにして拡散による効果を狙っているが、排出量は少なくても濃度は可燃濃度以上であることに変わりはなく、好ましくない。さらに、空気流量を抑制して拡散による水素濃度の低減を狙うので、起動にかかる時間が長くなってしまうという問題点がある。
【０００９】
また、特許文献２で開示された従来例では、カソード経路の燃料電池上流から排気経路に空気をバイパスさせて希釈するようにしているので、希釈時にコンプレッサによる音や振動が発生するという問題点もあった。
【００１０】
さらに、特許文献３で開示された従来例では、希釈容積部及び希釈ブロアなどの希釈装置を設けて希釈しているので、希釈のための容積部や希釈用のブロアなどを設置するためのスペースが必要となり、移動媒体など限られたスペースに搭載するにはデメリットが大きかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池のカソード上流にシャット弁を備え、前記燃料電池のカソード下流に空気調圧弁を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の起動時には、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送して封入し、カソード経路内にある水素を前記燃料電池で消費することによって希釈する水素希釈処理を実施することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムの起動方法は、燃料電池のカソード上流にシャット弁を備え、前記燃料電池のカソード下流に空気調圧弁を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池の起動時には、前記シャット弁と前記空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送して封入し、カソード経路内にある水素を前記燃料電池で消費することによって希釈する水素希釈処理を実施することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の起動時にシャット弁と空気調圧弁との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで圧送して封入し、カソード経路内にある水素をカソード内の触媒上で燃焼処理することによって消費し、かつ希釈するので、システム停止後の放置中にアノードからクロスオーバーしてカソードに蓄積した水素が、システムの起動時に高濃度で排出されることを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係わる燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法について実施例を説明する。
【実施例１】
【００１５】
以下、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１６】
図１に示すように、本実施例の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池（ＦＣ）２と、酸化剤ガスである空気を加圧して燃料電池２のカソードに供給するコンプレッサ３と、コンプレッサ３から燃料電池２への空気の供給を遮断するシャット弁４と、燃料電池２のカソード入口における圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）５と、燃料電池２で発電される電圧を推定する電圧推定部（電圧推定手段）６と、燃料電池２のカソードにおける水素濃度を推定する水素濃度推定部（水素濃度推定手段）７と、燃料電池２における空気の圧力を調整する空気調圧弁８とを備えている。
【００１７】
ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
【００１８】
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）
また、図１に示した空気系では、コンプレッサ３によって空気が加圧され、燃料電池２のカソードに供給されており、カソードにおける空気の圧力は圧力センサ５によって検出され、この検出値に基づいてコンプレッサ３の回転数及び空気調圧弁８の開口面積を調節することによってカソードにおける空気圧が制御されている。
【００１９】
電圧推定部６は、燃料電池２で発電される電圧を推定しており、燃料電池セル毎に設置してもよいし、燃料電池スタックに設置するようにしてもよい。
【００２０】
水素濃度推定部７は、カソードから排出されるカソードオフガスに基づいて、システム停止中にアノードからカソードへクロスオーバーして蓄積した水素の濃度を推定している。
【００２１】
一方、上述した空気系以外の経路部品については一般的なものでよく、燃料電池２に燃料ガスである水素を供給する水素系では、水素タンクから減圧弁、水素供給弁などを通じて燃料電池２のアノードに水素ガスが供給されている。水素タンクから供給される高圧水素は、減圧弁で機械的に所定の圧力まで減圧され、次に水素供給弁の開度を調節することによって燃料電池２における水素ガスの圧力が所望の圧力になるように制御されている。
【００２２】
次に、本実施例の燃料電池システム１による起動方法を図２のフローチャートと図３のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００２３】
まず、燃料電池システム１が停止している状態において、全てのバルブ類は閉じられた状態になっている。そして、図２に示すように燃料電池システム１を起動させるためにイグニッションをＯＮにすると（Ｓ２０１、図３：Ｔ１）、水素濃度推定部７によってカソードの水素濃度Ａ１が推定される（Ｓ２０２）。
【００２４】
そして、推定した水素濃度Ａ１が所定値α１よりも大きいか否かを判定し（Ｓ２０３）、水素濃度Ａ１が所定値α１以下となる場合には、水素を希釈する処理は不要であると判断して通常の発電を開始する（Ｓ２０４）。ここで、所定値α１は水素の可燃濃度の下限値よりも低い方に余裕を持たせた値に設定されている。また、水素濃度によって水素希釈処理が必要であるか否かを判断するのではなく、燃料電池２を前回停止してから今回起動するまでの時間に応じて水素希釈処理が必要であるか否かを判断するようにしてもよい。これによってより簡単な方法で水素希釈処理の有無を判断することができる。
【００２５】
一方、ステップＳ２０３において水素濃度Ａ１が所定値α１よりも大きい場合には、水素を希釈する処理が必要であると判断してシャット弁４を開放し（Ｓ２０５、図３：Ｔ２）、コンプレッサ３を駆動して空気を燃料電池２のカソードに供給する（Ｓ２０６、図３：Ｔ３）。このとき、空気調圧弁８は閉じているため、空気調圧弁８よりも上流側では昇圧されることになる。
【００２６】
次に、圧力センサ５でカソード経路における圧力Ｂ１を検出し（Ｓ２０７）、検出した圧力Ｂ１が所定値β１よりも大きいか否かを判定する（Ｓ２０８）。
【００２７】
そして、圧力Ｂ１が所定値β１よりも大きくなると、シャット弁４を閉じて（Ｓ２０９、図３：Ｔ４）空気の供給を停止する（Ｓ２１０）。ここで、所定値β１の設定方法としては、空気調圧弁８とシャット弁４との間のカソード経路の容積と水素濃度推定部７により推定された水素濃度とから水素量を推定し、この水素量を触媒反応によって消費するために必要となる酸素量をカソード経路に封入した場合に生じる圧力を所定値β１として設定する。
【００２８】
こうしてシャット弁４を閉じると、空気調圧弁８とシャット弁４との間のカソード経路には、空気と水素の混合ガスが昇圧された状態で封入されることになる。この状態では、燃料電池２内の触媒上に酸素と水素が拡散によって供給され、触媒反応が起こっている。
【００２９】
この状態において、水素濃度推定部７によってカソード経路の水素濃度Ｃ１を推定し（Ｓ２１１）、推定した水素濃度Ｃ１が所定値γ１よりも小さくなるか否かを判定する（Ｓ２１２）。ここで、所定値γ１は水素の可燃濃度の下限値よりも十分に低い方に余裕を持たせた値に設定されている。
【００３０】
そして、水素濃度Ｃ１が所定値γ１よりも小さくなると、水素を希釈する処理が完了したと判断してシャット弁４を開放し（Ｓ２１３、図３：Ｔ５）、空気と水素を供給して（Ｓ２１４、図３：Ｔ５）、通常の発電を開始すると（Ｓ２０４、図３：Ｔ６）、本実施例の燃料電池システム１による起動処理を終了する。
【００３１】
このように、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池２の起動時にシャット弁４と空気調圧弁８との間に空気を所定圧力になるまで圧送して封入し、カソード経路内にある水素を燃料電池２で消費することによって希釈するようにしたので、システム停止後の放置中にアノードからクロスオーバーしてカソードに蓄積した水素を、燃料電池２のカソード内の触媒上で燃焼処理することができ、システムの起動時にカソードから高濃度水素が排出されることを抑制することができる（請求項１、１４の効果）。
【００３２】
また、本実施例の燃料電池システム１では、水素濃度推定部７で推定された水素濃度と封入されるカソード経路の容積とから水素量を推定し、この水素量を触媒反応によって消費するために必要な酸素量をカソード経路に封入した場合に生じる圧力を所定圧力β１として設定したので、システム停止後にアノードからクロスオーバーしてカソードに蓄積した水素を、触媒上で燃焼処理するのに必要な酸素を不足なく供給することができる（請求項４、１７の効果）。
【００３３】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、水素濃度推定部７で推定された水素濃度に基づいて水素希釈処理が完了したか否かを判断するので、必要以上の時間を要することなく、システム起動時にカソードから排出される水素ガスの濃度を低く抑えることができる（請求項５、１８の効果）。
【００３４】
また、本実施例の燃料電池システム１では、水素濃度推定部７で推定された水素濃度に基づいて水素希釈処理を実施するか否かを判断するので、水素の希釈が必要であるか否かを正確に判断することができ、水素の希釈が不要な場合におけるシステムの起動時間を短縮することができる（請求項９、２１の効果）。
【００３５】
さらに、本実施例の燃料電池システム１では、燃料電池２を停止してから起動するまでの時間に応じて水素希釈処理を実施するか否かを判断するので、水素の希釈が必要であるか否かを簡単な方法で判断することができ、水素の希釈が不要な場合におけるシステムの起動時間を短縮することができる（請求項１３、２６の効果）。
【実施例２】
【００３６】
次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。図４は、実施例２の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図４に示すように、本実施例の燃料電池システム４１は、燃料電池のカソード出口からカソード入口へカソードオフガスを循環させる循環経路４２と、循環経路４２内にあるガスを循環させる循環ポンプ４３とを備えたことが実施例１と異なっており、その他の構成については実施例１と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００３７】
本実施例の燃料電池システム４１では、燃料電池２の起動時にシャット弁４と空気調圧弁８との間に空気を所定圧力になるまで圧送して封入し、封入されたガスを循環ポンプ４３によって循環させて水素希釈処理を実施するようにしている。
【００３８】
次に、本実施例の燃料電池システム４１による起動方法を図５のフローチャートと図６のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００３９】
まず、燃料電池システム４１が停止している状態において、全てのバルブ類は閉じられた状態になっている。そして、図５に示すように燃料電池システム４１を起動させるためにイグニッションをＯＮにすると（Ｓ５０１、図６：Ｔ１）、水素濃度推定部７によって水素濃度Ａ２が推定される（Ｓ５０２）。
【００４０】
そして、推定した水素濃度Ａ２が所定値α２よりも大きいか否かを判定し（Ｓ５０３）、水素濃度Ａ２が所定値α２以下となる場合には、水素を希釈する処理は不要であると判断して通常の発電を開始する（Ｓ５０４）。ここで、所定値α２は水素の可燃濃度の下限値よりも低い方に余裕を持たせた値に設定されている。
【００４１】
一方、ステップＳ５０３において水素濃度Ａ２が所定値α２よりも大きい場合には、水素を希釈する処理が必要であると判断してシャット弁４を開放し（Ｓ５０５、図６：Ｔ２）、コンプレッサ３を駆動して空気を燃料電池２のカソードに供給する（Ｓ５０６、図６：Ｔ３）。このとき、空気調圧弁８は閉じているため、空気調圧弁８よりも上流側では昇圧されることになる。さらに、このとき循環ポンプ４３の駆動を開始して（Ｓ５０７、図６：Ｔ３）、カソード経路や循環経路４２内にあるガスを循環させる。
【００４２】
次に、圧力センサ５でカソード経路における圧力Ｂ２を検出し（Ｓ５０８）、検出した圧力Ｂ２が所定値β２よりも大きいか否かを判定する（Ｓ５０９）。
【００４３】
そして、圧力Ｂ２が所定値β２よりも大きくなると、シャット弁４を閉じて（Ｓ５１０、図６：Ｔ４）空気の供給を停止する（Ｓ５１１）。ここで、所定値β２の設定方法としては、空気調圧弁８とシャット弁４との間のカソード経路の容積と水素濃度推定部７により推定された水素濃度とから水素量を推定し、この水素量を触媒反応によって消費するために必要となる酸素量をカソード経路や循環経路４２に封入した場合に生じる圧力を所定値β２として設定する。
【００４４】
こうしてシャット弁４を閉じると、空気調圧弁８とシャット弁４との間のカソード経路と循環経路４２には、空気と水素の混合ガスが昇圧された状態で封入されることになる。この状態では、燃料電池２内の触媒上に酸素と水素が拡散によって供給され、触媒反応が起こっている。さらに、循環ポンプ４３によって封入されたガスを循環させるので、水素と酸素の拡散を促進してより早く触媒上で燃焼させることができる。
【００４５】
この状態において、水素濃度推定部７によってカソード経路の水素濃度Ｃ２を推定し（Ｓ５１２）、推定した水素濃度Ｃ２が所定値γ２よりも小さくなるか否かを判定する（Ｓ５１３）。ここで、所定値γ２は水素の可燃濃度の下限値よりも十分に低い方に余裕を持たせた値に設定されている。
【００４６】
そして、水素濃度Ｃ２が所定値γ２よりも小さくなると、水素を希釈する処理が完了したと判断してシャット弁４を開放し（Ｓ５１４、図６：Ｔ５）、空気と水素を供給して（Ｓ５１５、図６：Ｔ５）通常の発電を開始すると（Ｓ５０４、図６：Ｔ６）、本実施例の燃料電池システム４１による起動処理を終了する。
【００４７】
このように、本実施例の燃料電池システム４１では、燃料電池２のカソード出口からカソード入口へガスを循環させる循環経路４２と、循環経路４２内にあるガスを循環させる循環ポンプ４３とをさらに備え、燃料電池２の起動時にシャット弁４と空気調圧弁８との間に空気を所定圧力になるまで圧送して封入し、封入されたガスを循環ポンプ４３によって循環させて水素希釈処理を実施するので、システム停止後の放置中にアノードからクロスオーバーしてカソードに蓄積した水素を、燃料電池のカソード内の触媒上で燃焼処理することができ、システムの起動時にカソードから高濃度水素が排出されることを抑制することができる。さらに、循環経路４２で封入されたガスを循環させることにより、水素と酸素の拡散を促進してより早く触媒上で燃焼させることが可能となる（請求項２、１５の効果）。
【実施例３】
【００４８】
次に、本発明の実施例３を図面に基づいて説明する。図７は、実施例３の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施例の燃料電池システム７１は、循環経路４２の循環ポンプ４３上流に設けられた第２シャット弁７２と、循環ポンプ４３と第２シャット弁７２との間に外部から空気を吸入する吸入経路７３と、吸入経路７３に設置された異物フィルタ７４と、吸入経路７３に設置された第３シャット弁７５とを備えたことが実施例２と異なっており、その他の構成については実施例２と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００４９】
本実施例の燃料電池システム７１では、燃料電池２の起動時にシャット弁４と空気調圧弁８との間に吸入経路７３を通じて外部から空気を吸入し、所定圧力になると第３シャット弁７５を閉じて封入し、循環ポンプ４３によって封入されたガスを循環させて水素希釈処理を実施するようにしている。
【００５０】
次に、本実施例の燃料電池システム７１による起動方法を図８のフローチャートと図９のタイミングチャートに基づいて説明する。
【００５１】
まず、燃料電池システム７１が停止している状態において、全てのバルブ類は閉じられた状態になっている。そして、図８に示すように燃料電池システム７１を起動させるためにイグニッションをＯＮにすると（Ｓ８０１、図９：Ｔ１）、水素濃度推定部７によって水素濃度Ａ３が推定される（Ｓ８０２）。
【００５２】
そして、推定した水素濃度Ａ３が所定値α３よりも大きいか否かを判定し（Ｓ８０３）、水素濃度Ａ３が所定値α３以下となる場合には、水素を希釈する処理は不要であると判断して通常の発電を開始する（Ｓ８０４）。ここで、所定値α３は水素の可燃濃度の下限値よりも低い方に余裕を持たせた値に設定されている。
【００５３】
一方、ステップＳ８０３において水素濃度Ａ３が所定値α３よりも大きい場合には、水素を希釈する処理が必要であると判断して第３シャット弁７５を開放し（Ｓ８０５、図９：Ｔ２）、循環ポンプ４３を駆動して（Ｓ８０６、図９：Ｔ３）、吸入経路７３を通じて外部から空気を吸入して燃料電池２のカソードに供給する。このとき、シャット弁４、空気調圧弁８、第２シャット弁７２は閉じているため、空気調圧弁８よりも上流側では昇圧されることになる。
【００５４】
次に、圧力センサ５でカソード経路における圧力Ｂ３を検出し（Ｓ８０７）、検出した圧力Ｂ３が所定値β３よりも大きいか否かを判定する（Ｓ８０８）。
【００５５】
そして、圧力Ｂ３が所定値β３よりも大きくなると、第３シャット弁７５を閉じて（Ｓ８０９、図９：Ｔ４）空気の吸入を停止し、第２シャット弁７２を開放する（Ｓ８１０）。ここで、所定値β３の設定方法としては、空気調圧弁８とシャット弁４との間のカソード経路の容積と水素濃度推定部７により推定された水素濃度とから水素量を推定し、この水素量を触媒反応によって消費するために必要となる酸素量をカソード経路や循環経路４２に封入した場合に生じる圧力を所定値β３として設定する。
【００５６】
こうして第３シャット弁７５を閉じて第２シャット弁７２を開放すると、空気調圧弁８とシャット弁４との間のカソード経路と循環経路４２には、空気と水素の混合ガスが昇圧された状態で封入されることになる。この状態では、燃料電池２内の触媒上に酸素と水素が拡散によって供給され、触媒反応が起こっている。さらに、循環ポンプ４３によって封入されたガスを循環させるので、水素と酸素の拡散を促進してより早く触媒上で燃焼させることができる。
【００５７】
この状態において、水素濃度推定部７によってカソード経路の水素濃度Ｃ３を推定し（Ｓ８１１）、推定した水素濃度Ｃ３が所定値γ３よりも小さくなるか否かを判定する（Ｓ８１２）。ここで、所定値γ３は水素の可燃濃度の下限値よりも十分に低い方に余裕を持たせた値に設定されている。
【００５８】
そして、水素濃度Ｃ３が所定値γ３よりも小さくなると、水素を希釈する処理が完了したと判断してシャット弁４を開放し（Ｓ８１３、図９：Ｔ５）、空気と水素を供給して（Ｓ８１４、図９：Ｔ５）、通常の発電を開始すると（Ｓ８０４、図６：Ｔ６）、本実施例の燃料電池システム７１による起動処理を終了する。
【００５９】
このように、本実施例の燃料電池システム７１では、循環経路４２に外部から空気を吸入する吸入経路７３をさらに備え、燃料電池２の起動時にシャット弁４と空気調圧弁８との間に酸化剤ガスを所定圧力になるまで吸入経路７３を通じて外部から吸入して封入し、封入されたガスを循環ポンプ４３によって循環させて水素希釈処理を実施するので、システム停止後の放置中にアノードからクロスオーバーしてカソードに蓄積した水素を、燃料電池のカソード内の触媒上で燃焼処理することができ、システムの起動時にカソードから高濃度水素が排出されることを抑制することができる。さらに、循環経路４２で封入されたガスを循環させることにより、水素と酸素の拡散を促進してより早く触媒上で燃焼させることができる。また、コンプレッサ３を使用しないで空気を吸入するので、コンプレッサ３の駆動に伴う音や振動を防いで、消費電力を低減することができる（請求項３、１６の効果）。
【実施例４】
【００６０】
次に、本発明の実施例４を図面に基づいて説明する。図１０は、実施例４に係る燃料電池システムの起動方法を示すフローチャートである。尚、本実施例の燃料電池システムの構成は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００６１】
上述した実施例１では、水素濃度推定部７で推定された水素濃度に基づいて水素希釈処理を実施するか否かを判断していたが、本実施例の燃料電池システムでは電圧推定部６で推定された電圧に基づいて、水素希釈処理を実施するか否かを判断するようにしている。
【００６２】
同様に水素希釈処理が完了したか否かの判断も、実施例１では水素濃度に基づいて判断していたのに対して、本実施例では電圧推定部６で推定された電圧に基づいて判断するようにしている。
【００６３】
次に、本実施例の燃料電池システムによる起動方法を図１０のフローチャートに基づいて説明する。図１０に示すように、本実施例の燃料電池システムによる起動方法では、ステップＳ１００２において、電圧推定部６によって燃料電池２で発電される電圧Ｄを推定し、ステップＳ１００３において推定した電圧Ｄが所定値α４よりも大きいか否かを判定するようにしている。ここで、所定値α４は水素が可燃濃度以上存在している場合に燃料電池２で発電される電圧値に設定されている。
【００６４】
そして、電圧Ｄが所定値α４以下となる場合には、水素を希釈する処理は不要であると判断して通常の発電を開始し（Ｓ１００４）、電圧Ｄが所定値α４よりも大きい場合には、水素を希釈する処理が必要であると判断してシャット弁４を開放して（Ｓ１００５）、ステップＳ１００５からステップＳ１０１０に示す水素希釈処理を実施する。この水素希釈処理は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００６５】
こうして水素希釈処理が実施され、ステップＳ１０１１において電圧推定部６によって燃料電池２で発電される電圧Ｅを推定し、ステップＳ１０１２において推定した電圧が所定値γ４より小さくなったか否かを判定する。ここで、所定値γ４は水素が可燃濃度以上存在している場合に燃料電池２で発電される電圧値に設定されている。
【００６６】
そして、電圧Ｅが所定値γ４より小さくなると、水素希釈処理が完了したと判断して通常の発電を開始して（Ｓ１００４）、本実施例の燃料電池システムによる起動処理を終了する。
【００６７】
このように、本実施例の燃料電池システムでは、電圧推定部６で推定された電圧に基づいて水素希釈処理が完了したか否かを判断するので、水素濃度推定部７を使用せずに必要以上の時間を要することなく、システム起動時にカソードから排出される水素濃度を低く抑えることができる（請求項６、１９の効果）。
【００６８】
また、本実施例の燃料電池システムでは、電圧推定部６で推定された電圧に基づいて水素希釈処理を実施するか否かを判断するので、電圧推定部６の出力に基づいて水素濃度を推定してより簡単な方法で水素希釈処理を実施するか否かを判断することができる（請求項１０、２３の効果）。
【実施例５】
【００６９】
次に、本発明の実施例５を図面に基づいて説明する。図１１は、実施例５に係る燃料電池システムの起動方法を示すフローチャートである。尚、本実施例の燃料電池システムの構成は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００７０】
上述した実施例１では、水素濃度推定部７で推定された水素濃度に基づいて水素希釈処理を実施するか否かを判断していたが、本実施例の燃料電池システムでは圧力センサ５で検出された圧力に基づいて、水素希釈処理を実施するか否かを判断するようにしている。
【００７１】
同様に水素希釈処理が完了したか否かの判断も、実施例１では水素濃度に基づいて判断していたのに対して、本実施例では圧力センサ５で検出された圧力に基づいて判断するようにしている。
【００７２】
次に、本実施例の燃料電池システムによる起動方法を図１１のフローチャートに基づいて説明する。図１１に示すように、本実施例の燃料電池システムによる起動方法では、ステップＳ１１０２において圧力センサ５によってカソード経路の圧力Ｆを検出し、ステップＳ１１０３において検出した圧力Ｆが所定値α５よりも大きいか否かを判定するようにしている。ここで、所定値α５は水素が可燃濃度以上存在している場合の圧力に設定されている。
【００７３】
そして、圧力Ｆが所定値α５以下となる場合には、水素を希釈する処理は不要であると判断して通常の発電を開始し（Ｓ１１０４）、圧力Ｆが所定値α５よりも大きい場合には、水素を希釈する処理が必要であると判断してシャット弁４を開放して（Ｓ１１０５）、ステップＳ１１０５からステップＳ１１１０に示す水素希釈処理を実施する。この水素希釈処理は実施例１と同一なので、詳しい説明は省略する。
【００７４】
こうして水素希釈処理が実施され、ステップＳ１１１１において圧力センサ５によってカソード経路の圧力Ｇを検出し、ステップＳ１１１２において検出した圧力Ｇが所定値γ５より小さくなったか否かを判定する。ここで、所定値γ５は水素が可燃濃度以上存在している場合の圧力に設定されている。
【００７５】
そして、圧力Ｇが所定値γ５より小さくなると、水素希釈処理が完了したと判断して通常の発電を開始して（Ｓ１１０４）、本実施例の燃料電池システムによる起動処理を終了する。
【００７６】
また、上述した実施例４で説明した電圧推定部６で推定した電圧値と本実施例で説明した圧力センサ５で検出した圧力との両方に基づいて、ステップＳ１１０３において水素希釈処理を実施するか否かを判断するようにしてもよい。
【００７７】
さらに、ステップＳ１１１２における水素希釈処理が完了したか否かの判断も、電圧推定部６で推定された電圧値と圧力センサ５で検出した圧力との両方に基づいて判断するようにしてもよい。
【００７８】
このように、本実施例の燃料電池システムでは、圧力センサ５で検出された圧力に基づいて水素希釈処理が完了したか否かを判断するので、水素濃度推定部７を使用せずに必要以上の時間を要することなく、システム起動時にカソードから排出される水素濃度を低く抑えることができる（請求項７、２０の効果）。
【００７９】
また、本実施例の燃料電池システムでは、電圧推定部６で推定された電圧と圧力センサ５で検出された圧力とに基づいて水素希釈処理が完了したか否かを判断するので、水素濃度推定部７を使用せずに必要以上の時間を要することなく、より精度よくシステム起動時にカソードから排出される水素濃度を低く抑えることができる（請求項８、２１の効果）。
【００８０】
さらに、本実施例の燃料電池システムでは、圧力センサ５で検出された圧力に基づいて水素希釈処理を実施するか否かを判断するので、圧力センサ５の出力に基づいて水素濃度を推定してより簡単な方法で水素希釈処理を実施するか否かを判断することができる（請求項１１、２４の効果）。
【００８１】
また、本実施例の燃料電池システムでは、電圧推定部６で推定された電圧と圧力センサ５で検出された圧力とに基づいて水素希釈処理を実施するか否かを判断するので、電圧推定部６の出力と圧力センサ５の出力の両方に基づいて水素濃度を推定してより精度よく水素希釈処理を実施するか否かを判断することができる（請求項１２、２５の効果）。
【００８２】
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施例に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【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ブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係る燃料電池システムによる起動方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施例１に係る燃料電池システムによる起動方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図４】本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施例２に係る燃料電池システムによる起動方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施例２に係る燃料電池システムによる起動方法を説明するためのタイミングチャートである。
【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ブロック図である。
【図８】本発明の実施例３に係る燃料電池システムによる起動方法を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施例３に係る燃料電池システムによる起動方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】本発明の実施例４に係る燃料電池システムによる起動方法を示すフローチャートである。
【図１１】本発明の実施例５に係る燃料電池システムによる起動方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８４】
１、４１、７１  燃料電池システム
２  燃料電池
３  コンプレッサ
４  シャット弁
５  圧力センサ（圧力検出手段）
６  電圧推定部（電圧推定手段）
７  水素濃度推定部（水素濃度推定手段）
８  空気調圧弁
４２  循環経路
４３  循環ポンプ
７２  第２シャット弁
７３  吸入経路
７４  異物フィルタ
７５  第３シャット弁
【図１】
2007103023.tif 000003
【図２】
2007103023.tif 000004
【図３】
2007103023.tif 000005
【図４】
2007103023.tif 000006
【図５】
2007103023.tif 000007
【図６】
2007103023.tif 000008
【図７】
2007103023.tif 000009
【図８】
2007103023.tif 000010
【図９】
2007103023.tif 000011
【図１０】
2007103023.tif 000012
【図１１】
2007103023.tif 000013