(57)【要約】【課題】起動時における燃料電池スタックの劣化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、システム起動時に燃料電池スタック１０から電流を取り出しつつ、燃料ガスの排出と酸化剤ガスのガス供給とを行わずに、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給し、その後酸化剤ガスの供給を行う。このため、燃料ガスが供給されて水素フロント等の存在により燃料電池スタック１０の劣化につながる反応が生じようとするが、燃料電池スタック１０から電流（電子）を取り出しているため、この反応が抑制されることとなる。従って、燃料電池スタック１０の劣化を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの燃料極側からのガスを外部に排出する燃料極側排出手段と、
前記燃料電池スタックから電流を取り出す電流取出手段と、
前記燃料ガス供給手段および前記酸化剤ガス供給手段によるガス供給、前記燃料極側排出手段によるガス排出、並びに前記電流取出手段による電流の取出を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、システム起動時に前記電流取出手段により電流を取り出しつつ、前記燃料極側排出手段によるガス排出と前記酸化剤極ガス供給手段によるガス供給とを行わずに、前記燃料ガス供給手段によって燃料ガスを供給し、その後前記酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスの供給を行う
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの燃料極側圧力を制御可能であって、システム起動時に燃料ガスを供給する際に前記燃料極側を昇圧させ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】
前記燃料電池スタックの燃料極側から排出されたガスを再度燃料電池スタックの燃料極側上流に循環させる循環手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記循環手段によるガス循環を制御可能であって、システム起動時に燃料ガスを供給する際には前記循環手段によってガスを循環させる
ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの酸化剤極側からのガスを外部に排出する酸化剤極側排出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記酸化剤極側排出手段によるガス排出を制御可能であって、システム起動時に前記酸化剤極側排出手段によるガス排出を禁止する
ことを特徴とする請求項１〜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】
前記制御手段は、システム起動時に前記燃料ガス供給手段によって燃料ガスを供給し、その後前記酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスの供給を行った場合、この酸化剤ガスの供給後に、前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給を継続しつつ前記燃料極側排出手段によってガス排出を行うと共に、この燃料ガス供給とガス排出とによって変化する前記燃料極側の燃料ガス濃度を推定し、推定した濃度から取出可能電力を算出し、算出した取出可能電力が所定電力以上となると、システム起動完了とすることを特徴とする請求項１〜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】
前記制御手段は、システム起動時に前記燃料ガス供給手段によって燃料ガスを供給し、その後前記酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスの供給を行った場合、この燃料ガスの供給から所定時間経過後にシステム起動完了とすることを特徴とする請求項１〜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】
前記制御手段は、システム起動時に燃料ガスを供給する際に前記循環手段によってガスを循環させるにあたり、前記循環手段によってガスを循環させ、その後、前記燃料ガス供給手段によって燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記循環手段によってガスを循環させてから規定時間経過後に、燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、前記循環手段によってガスを循環させ、ガス循環流量が所定流量に達した場合、燃料ガスの供給を開始することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記所定流量は、予め求めておいた前記燃料電池スタックの劣化度合いと燃料ガス供給開始時のガス循環流量との相関を示す相関データから得られる燃料電池スタックの劣化度合いが最小となるガス循環流量よりも小さい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１１】
前記燃料ガス供給手段は、燃料ガスを第１圧力で貯蔵する貯蔵タンクと、一端が前記貯蔵タンクに接続され他端が前記燃料電池スタックの燃料極側入口に接続され前記貯蔵タンクの燃料ガスを前記燃料電池スタックに導く燃料ガス供給ラインと、前記ガス供給ライン上に設けられた第１制御弁と、前記ガス供給ラインのうち前記第１制御弁から前記燃料電池スタックに至るまでの部分に設けられた第２制御弁と、を有し、
前記制御手段は、システム起動時に燃料ガスを供給する場合、前記第１制御弁を開けて、前記第１制御弁から前記第２制御弁に至るまでの区間の燃料ガス圧力を前記第１圧力まで上昇させたうえで、前記第２制御弁の開度を調整して前記燃料電池スタックの燃料極側の圧力を調整する
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１２】
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの燃料極側の圧力と酸化剤極側の圧力との差が許容圧力以下となるように、前記燃料極側の圧力を調整することを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給を開始してからシステム起動完了に至るまでの起動時間内に前記燃料電池スタックの前記酸化剤極側の燃料ガス濃度が所定濃度を超えないように、前記燃料極側の圧力を調整することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池スタックを覆うスタックケースをさらに備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの燃料極側から前記スタックケースに漏れ出す燃料ガス量が所定量以下となるように、前記燃料極側の圧力を調整することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記制御手段は、システム起動時に前記燃料極側圧力を昇圧させるときの昇圧速度を、前記燃料電池スタックを構成する各セルの電圧の上昇度合いのばらつきが最小となる第１速度とすることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記制御手段は、前記各セルの電圧の上昇度合いのばらつきが大きくなるに従って、又は前記電流取出手段により取出可能な電流の最大値が小さくなるに従って、前記昇圧速度を前記第１速度よりも高くなるように補正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。
【請求項１７】
前記制御手段は、前記燃料ガス供給手段による燃料ガスの供給を開始してからシステム起動完了に至るまでの起動時間が目標とする時間内に収まる範囲内で前記電流取出手段によって電流を取り出しつつ、前記燃料電池スタックの電圧のピークが最小となるように前記昇圧速度を補正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。
【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。
【背景技術】
【０００２】
従来、システム起動時に、水素ガス及び空気を燃料電池スタックに供給し、アノードガス排出バルブを開けて電圧が所定値以上となったらアノードガス排出バルブを閉じて起動完了とする燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、長時間の放置により窒素ガスが燃料電池スタックの燃料極側に残留していたとしても、システム起動時に水素ガスを供給しつつ排出を行うため、窒素ガスが排出されることとなり、燃料電池システムの起動がスムーズに行われるようになっている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−９７０４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、燃料電池システムが長時間放置された場合、システム起動時には燃料極側に残存する空気と新たに供給される水素ガスとの界面となる水素フロントの存在によって燃料電池スタックが劣化してしまう。具体的に説明すると、燃料極側において水素フロントが存在する場合、燃料極側のうち水素が存在しない領域と対峙する酸化剤極側において、
Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−                            （１）
という反応が生じ、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、燃料電池スタックを劣化させてしまう。
【０００４】
なお、この問題は、水素ガス及び酸素を供給ガスとし白金等の触媒をカーボンにて担持する燃料電池システムに限らず、式（１）と同様の反応により燃料電池スタックが劣化する燃料電池システムに共通する問題である。
【０００５】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、起動時における燃料電池スタックの劣化を抑制することが可能な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】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料ガス供給手段と、酸化剤ガス供給手段と、燃料極側排出手段と、電流取出手段と、制御手段とを備えている。燃料電池スタックは、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものである。燃料ガス供給手段は、燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスを供給するものである。酸化剤ガス供給手段は、燃料電池スタックの酸化剤極側に酸化剤ガスを供給するものである。燃料極側排出手段は、燃料電池スタックの燃料極側からのガスを外部に排出するものである。電流取出手段は、燃料電池スタックから電流を取り出すものである。制御手段は、燃料ガス供給手段および酸化剤ガス供給手段によるガス供給、燃料極側排出手段によるガス排出、並びに電流取出手段による電流の取出を制御するものである。さらに、制御手段は、システム起動時に電流取出手段により電流を取り出しつつ、燃料極側排出手段によるガス排出と酸化剤極ガス供給手段によるガス供給とを行わずに、燃料ガス供給手段によって燃料ガスを供給し、その後酸化剤ガス供給手段によって酸化剤ガスの供給を行う構成となっている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、システム起動時に燃料電池スタックから電流を取り出しつつ、燃料ガスの排出と酸化剤ガスのガス供給とを行わずに、燃料電池スタックに燃料ガスを供給し、その後酸化剤ガスの供給を行う。このため、燃料ガスが供給されて水素フロント等の存在により式（１）のような反応が生じようとするが、燃料電池スタックから電流（電子）を取り出しているため、式（１）のような反応が抑制されることとなる。従って、燃料電池スタックの劣化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】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系（燃料ガス供給手段）２０と、燃料極側排出系（燃料極側排出手段）３０と、循環系（循環手段）４０と、酸化剤ガス供給系（酸化剤ガス供給手段）５０と、酸化剤極側排出系（酸化剤極側排出手段）６０とを備えている。
【００１０】
燃料電池スタック１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行うものであり、燃料極と酸化剤極とを有している。燃料極には燃料ガスである水素ガスが供給され、酸化剤極には酸化剤ガスである酸素（空気）が供給され、電気化学反応により発電が行われる。また、燃料極と酸化剤極とは電解質を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池スタック１０は、複数の発電セルが多段積層された構造となっている。さらに、燃料電池スタック１０では、白金等の触媒をカーボンにて担持している。
【００１１】
燃料ガス供給系２０は、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスである水素ガスを供給するものであって、高圧水素タンク（貯蔵タンク）２１と、水素ガス供給配管（燃料ガス供給ライン）２２と、第１制御弁２３と、第２制御弁２４とからなっている。高圧水素タンク２１は、燃料ガスを第１圧力で貯蔵するものである。水素ガス供給配管２２は、一端が高圧水素タンク２１に接続され他端が燃料電池スタック１０の燃料極側入口に接続され、高圧水素タンク２１の水素ガスを燃料電池スタック１０に導くものである。第１制御弁２３は、水素ガス供給配管２２上に設けられ、開閉動作することにより流路を解放したり遮断したりするものである。第２制御弁２４は、水素ガス供給配管２２のうち前記第１制御弁２３から燃料電池スタック１０に至るまでの部分に設けられ、開度調節することにより、燃料極側に供給する水素ガス量を制御するものである。また、第２制御弁２４は、燃料極側に供給する水素ガス量を制御することで、燃料極側の圧力についても制御する構成となっている。
【００１２】
燃料極側排出系３０は、燃料電池スタック１０の燃料極側からのガスを外部に排出するものであって、燃料極側排出配管３１と、燃料極側排出弁３２とを備えている。燃料極側排出配管３１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口と後述の酸化剤極側排出配管６１とを接続し、燃料極側のガスを外部に導くための流路となるものである。燃料極側排出弁３２は、燃料極側排出配管３１に設けられ、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりして燃料極側のガスの排出を制御するものである。
【００１３】
循環系４０は、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されたガスを再度燃料電池スタック１０の燃料極側上流に循環させるものであって、循環配管４１と、循環ポンプ４２とを備えている。循環配管４１は、一端が燃料電池スタック１０の燃料極側出口から燃料極側排出弁３２に至るまでの燃料極側排出配管３１に接続され、他端が第２制御弁２４から燃料電池スタック１０の燃料極側入口に至るまでの水素ガス供給配管２２に接続されており、燃料電池スタック１０の燃料極側下流のガスを燃料極側上流に戻すための流路となるものである。循環ポンプ４２は、循環配管４１に設けられて燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されたガスを燃料極側上流に戻す循環動力源となるものである。
【００１４】
酸化剤ガス供給系５０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側に酸化剤ガスである酸素を含んだ空気を供給するものであって、コンプレッサ５１と、空気供給配管５２とを備えている。コンプレッサ５１は、空気を圧縮して燃料電池スタック１０の酸化剤極側に送り込むものである。空気供給配管５２は、コンプレッサ５１と燃料電池スタック１０の酸化剤極入口とを接続するものであり、コンプレッサ５１により圧送される空気を燃料電池スタック１０の酸化剤極に導くものである。
【００１５】
酸化剤極側排出系６０は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側からのガスを外部に排出するものであって、酸化剤極側排出配管６１と、酸化剤極側排出弁６２とを備えている。酸化剤極側排出配管６１は、燃料電池スタック１０の酸化剤極側出口と外部とを接続し、燃料電池スタック１０の酸化剤極側から排出されるガスを外部に導くための流路となるものである。酸化剤極側排出弁６２は、酸化剤極側排出配管６１に設けられ、開度調節することにより、酸化剤極側から排出されるガス量を制御するものである。また、酸化剤極側排出弁６２は、排出ガス量を制御することにより、酸化剤極側の圧力についても制御する構成となっている。なお、上記した燃料極側排出配管３１は、酸化剤極側排出配管６１のうち酸化剤極側排出弁６２の下流側に接続されている。
【００１６】
さらに、上記燃料電池システム１は、電流取出装置（電流取出手段）７０と、スタックケース８０と、制御装置（制御手段）９０とを有している。電流取出装置７０は、燃料電池スタック１０から電流を取り出すものであり、放電や二次電池への蓄電を行うことで燃料電池スタック１０から電流を取り出す構成となっている。スタックケース８０は、燃料電池スタック１０の全周囲を覆う筐体であり、密閉性に優れており、仮に燃料電池スタック１０からガスが漏れだしたとしても、そのガスがシステム１外に漏洩しないように構成されている。なお、スタックケース８０には、各配管２２，３１，５２，６１を通すための孔が形成されていることはいうまでもない。
【００１７】
制御装置９０は、第１制御弁２３及び燃料極側排出弁３２の開閉、第２制御弁２４及び酸化剤極側排出弁６２の開度調整、循環ポンプ４２及びコンプレッサ５１の駆動を制御する構成となっている。これにより、制御装置９０は、燃料ガス供給系２０及び酸化剤ガス供給系５０によるガス供給、燃料極側排出系３０及び酸化剤極側排出系６０によるガス排出、循環系４０によるガス循環、並びに燃料電池スタック１０の燃料極側圧力及び酸化剤極側圧力を制御可能となっている。さらに、制御装置９０は、電流取出装置７０による電流の取出についても制御する構成となっている。
【００１８】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の起動時における動作を説明する。本実施形態の制御装置９０は、起動時に、燃料極側排出系３０によるガス排出と酸化剤ガス供給系５０による空気の供給とを禁止したうえで、燃料ガス供給系２０により水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する。このため、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池スタック１０の燃料極側では水素フロントが移動し、式（１）の反応によって燃料電池スタック１０の劣化が生じようとする。
【００１９】
ところが、本実施形態に係る燃料電池システム１では、システム起動時に電流取出装置７０によって電流（電子）を取り出す。このため、式（１）の反応が抑制され、燃料電池スタック１０の劣化を抑制することとなる。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１の起動時における動作を説明する図である。なお、図２において縦軸は電圧を示し、横軸は時刻を示している。また、図２では、時刻０において燃料電池スタック１０への水素ガスの供給が開始し、これと同時に燃料電池スタック１０から電流を取り出した例を示している。
【００２１】
図２に示すように、水素ガス供給後、水素フロントの影響によって式（１）の反応が生じ、時刻ｔ１までは電圧が上昇している。しかし、本実施形態では電流取出装置７０により電流を取り出すため、時刻ｔ１以降では電圧が下降する。そして、燃料電池スタック１０の電圧のピークについて電流を取り出す場合と取り出さない場合と比較すると、電流を取り出す場合では、電流を取り出さない場合よりも電圧ピークが小さくなっていることがわかる。ここで、電圧のピークが高いほど、式（１）の反応によって燃料電池スタック１０の劣化が行われていることを示すことから、本実施形態では電流の取出によって燃料電池スタック１０の劣化を抑制していると言える。
【００２２】
その後、本実施形態に係る燃料電池システム１では、例えば時刻ｔ２などのように充分に電圧が小さくなった段階で酸化剤ガス供給系５０によって酸化剤ガスの供給を開始する。なお、時刻ｔ１以後では酸化剤極側の酸素が消費され酸素濃度が減少していくため、時刻ｔ２以後に式（１）の反応が生じて電圧が上昇することはない。
【００２３】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の起動時における詳細動作を説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１の起動時における詳細動作の一例を示すフローチャートである。
【００２４】
図３に示すように、まず、制御装置９０は、電流取出装置７０を制御して燃料電池スタック１０から電流を取り出す（ＳＴ１）。次いで、制御装置９０は、酸化剤極側排出弁６２を閉じ（ＳＴ２）、酸化剤極側からのガス排出を禁止する。これにより、ガス排出のみならず酸化剤極側排出配管６１を通じて空気が燃料電池スタック１０の酸化剤極側に流入してくることを防止している。ここで、式（１）の反応は、燃料極側に水素フロントが存在し、酸化剤極側で酸素が存在する場合に生じる。このため、燃料電池スタック１０の酸化剤極側に酸化剤ガスが流入してくることを防止すると、式（１）の反応が抑えられ、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の劣化を一層抑えることとなる。
【００２５】
次いで、制御装置９０は、循環ポンプ４２の駆動を開始する（ＳＴ３）。これにより、後に燃料電池スタック１０に水素ガスを投入する段階で、水素フロントを素早く移動させ、劣化を抑制することができる。そして、制御装置９０は、ガスの循環流量が所定流量に達したか否かを判断する（ＳＴ４）。
【００２６】
ここで、ガスの循環流量が所定流量に達していないと判断した場合（ＳＴ４：ＮＯ）、所定流量に達したと判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、ガスの循環流量が所定流量に達したと判断した場合（ＳＴ４：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ５に進む。このように、制御装置９０は、ガスの循環流量を所定流量まで到達させるため、ガスの循環流量が小さい段階で水素ガスの供給を開始しないこととなり、一層スムーズに水素フロントを通過させるようにしている。
【００２７】
なお、所定流量は、予め求めておいた相関データ（燃料電池スタック１０の劣化度合いと水素ガス供給開始時のガス循環流量との相関を示すデータ）から得られる燃料電池スタック１０の劣化度合いが最小となるガス循環流量（以下最小劣化流量という）よりも小さいことが望ましい。
【００２８】
図４は、所定流量を説明する図である。なお、図４において縦軸は燃料電池スタック１０の劣化度合いを示し、横軸は水素ガス供給開始時のガス循環流量を示している。図４に示すように、水素ガス供給開始時のガス循環流量が低い場合、水素フロントの通過速度が遅くなり、燃料電池スタック１０の劣化度合いが高くなる。一方、水素ガス供給開始時のガス循環流量が高まると、水素フロントが素早く移動することとなり、燃料電池スタック１０の劣化度合いは低くなっていく。また、水素ガス供給開始時のガス循環流量が高すぎると、電解質膜や循環ポンプの影響もあるが、一般に燃料電池スタック１０の劣化度合いは高まっていく。燃料電池システム１では、上記のような性質があり、図４に示す相関を予め求めておくことができる。そして、燃料電池システム１は、ガスを循環させる際、燃料電池スタック１０の劣化度合いが最小となる最小劣化流量を目標として循環ポンプ４２を制御することとなる。
【００２９】
本実施形態に係る燃料電池システム１では、所定流量が最小劣化流量よりも小さめに設定されている。このため、ガスの循環流量が最小劣化流量に達する前に水素ガスが燃料電池スタック１０に供給されることとなる。これにより、ガスの循環流量が最小劣化流量に達するまえに燃料ガスを供給して燃料電池システム１の起動時間を短縮するようにしている。
【００３０】
なお、所定流量はあまりにも小さすぎると、水素フロントを素早く移動させることができなくなってしまうため、所定流量は少なくとも規定の流量（最小劣化流量−α）以上である必要がある。
【００３１】
再度、図３を参照する。ステップＳＴ５において制御装置９０は、ガスを循環させてから規定時間経過したか否かを判断する（ＳＴ５）。ガスを循環させてから規定時間経過していないと判断した場合（ＳＴ５：ＮＯ）、経過したと判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、ガスを循環させてから規定時間経過したと判断した場合（ＳＴ５：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ６に進む。このように、制御装置９０は、ガスを循環させてから規定時間経過後に水素ガスの供給を開始するため、ステップＳＴ４と同様に、充分にガスの循環速度が高まってから水素ガスを投入することとなり、一層スムーズに水素フロントを通過させることができる。
【００３２】
ステップＳＴ６において、制御装置９０は、第１制御弁２３を開ける（ＳＴ６）。その後、制御装置９０は、第２制御弁２４の開度を調整して燃料電池スタック１０の燃料極側を昇圧させる（ＳＴ７）。この昇圧によって、燃料極側に投入される水素ガス量を多くし、燃料極側の各セルに水素ガスを行き渡りやすくすることができる。従って、この昇圧により、水素ガスの欠乏によってセルの酸化剤極側で劣化が促進してしまうことを防止することができる。
【００３３】
また、昇圧を行うにあたり、制御装置９０は、以下の４つの条件を満たすようにする。１つ目の条件として制御装置９０は、ステップＳＴ６において第１制御弁２３を開けて、第１制御弁２３から第２制御弁２４に至るまでの区間の水素ガス圧力を第１圧力まで上昇させたうえで、ステップＳＴ７において第２制御弁の開度を調整して燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力を調整する。ここで、第１制御弁２３から第２制御弁２４に至るまでの区間の圧力を第１圧力まで上昇させるまえに第２制御弁２４の開度を調整してしまうと、上記区間の圧力自体が不安定であるため、燃料電池スタック１０の燃料極側の調圧についても不安定となってしまう。ところが、上記区間を第１圧力まで上昇させてから第２制御弁２４の開度を調整することで、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力調整を行いやすくすることができる。
【００３４】
また、２つ目の条件として制御装置９０は、昇圧にあたり、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力と酸化剤極側の圧力との差が許容圧力以下となるように燃料極側の圧力を調整する。これにより、燃料電池スタック１０の電解質膜の劣化を抑制することができるからである。
【００３５】
さらに、制御装置９０は、ステップＳＴ７において燃料ガス供給系２０による水素ガスの供給を開始することとなるが、３つ目の条件として、この水素ガスの供給開始からシステム起動完了（すなわち図３に示すフローチャートの終了）に至るまでの起動時間内に燃料電池スタック１０の酸化剤極側の水素ガス濃度が所定濃度を超えないように、燃料極側の圧力を調整することが望ましい。ステップＳＴ７において燃料極側に水素ガスを供給し昇圧するため、圧力差の関係から燃料極側の水素ガスがクロスリークして酸化剤極側に移動する。この移動量が多くなると酸化剤極側の水素ガス濃度が高まる。そして、水素ガス濃度が高まった状態で燃料電池スタック１０の酸化剤極側と外部とを連通させた場合には、高濃度の水素ガスが排出されてしまうこととなってしまう。このため、制御装置９０は、水素ガスの供給を開始してからシステム起動完了に至るまでの起動時間内に燃料電池スタック１０の酸化剤極側の水素ガス濃度が所定濃度を超えないように燃料極側の圧力を調整する。これにより、起動時間内に燃料極側から酸化剤極側に燃料ガスが多く流入してしまうことを防止することができる。
【００３６】
さらに、４つ目の条件として制御装置９０は、起動時間内に燃料電池スタック１０の燃料極側からスタックケース８０に漏れ出す水素ガス量が所定量以下となるように、燃料極側の圧力を調整することが望ましい。燃料極側から燃料電池スタック外に多くの燃料ガスが漏れ出してしまう事態を防止することができるためである。
【００３７】
再度、フローチャートを説明する。ステップＳＴ７において第２制御弁２４の開度を調整した後、制御装置９０は一定時間待機する（ＳＴ８）。これにより、図２に示したように、電圧の低下を待つこととしている。なお、待機する一定時間は、予め実験等により計測され、制御装置９０に記憶されている。また、燃料電池システム１が酸素濃度センサを備える場合には、制御装置９０は酸素濃度が所定濃度以下に低下するまで待機するようにしてもよい。
【００３８】
その後、制御装置９０は、コンプレッサ５１の駆動を開始する（ＳＴ９）。この際、酸化剤極側排出弁６２の開度を調節して酸化剤極側の調圧を行ってもよい。次いで、制御装置９０は、燃料極側排出弁３２を開け、燃料極側のガスの排出を開始する（ＳＴ１０）。そして、制御装置９０は、ステップＳＴ７の水素ガスの供給開始から所定時間経過したか否かを判断する（ＳＴ１１）。
【００３９】
ここで、ステップＳＴ７の水素ガスの供給開始から所定時間経過していないと判断した場合（ＳＴ１１：ＮＯ）、所定時間経過したと判断されるまで、この処理を繰り返すこととなる。一方、ステップＳＴ７の水素ガスの供給開始から所定時間経過したと判断した場合（ＳＴ１１：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ１２に移行する。このように、本実施形態に係る燃料電池システム１では、システム起動時に燃料電池スタック１０に水素ガスを供給し、その後空気の供給を行った場合、水素ガスの供給から所定時間経過後にシステム起動完了とすることとなる。このため、水素ガスの供給開始から間もなく起動完了となり、燃料極側において水素ガスが不足したまま起動完了となってしまう事態を防止することができる。
【００４０】
その後、制御装置９０は、燃料極側の水素ガス濃度を推定する（ＳＴ１２）。ステップＳＴ１２の時点では、燃料極側に水素ガスが供給されると共に、燃料極側からガスが排出されている。故に、燃料極側の水素ガス濃度は徐々に高まっている。制御装置９０は、この水素ガス供給とガス排出とによって変化する燃料極側の水素ガス濃度を推定する。この際、制御装置９０は、水素ガスの供給開始からの時間、及び各配管２２，３１，６１の径などから水素ガス濃度を推定する。
【００４１】
次に、制御装置９０は、推定した水素ガス濃度から取出可能電力を算出する（ＳＴ１３）。そして、制御装置９０は、取出可能電力が所定電力以上となったか否かを判断する（ＳＴ１４）。取出可能電力が所定電力以上となっていないと判断した場合（ＳＴ１４：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１２に移行し、再度水素ガス濃度の推定から実行される。一方、取出可能電力が所定電力以上となったと判断した場合（ＳＴ１４：ＹＥＳ）、図３に示す処理は終了し、システム起動が完了する。このように、水素ガス濃度を推定し、推定した濃度から取出可能電力を算出し、算出した取出可能電力が所定電力以上となると、システム起動完了とするため、水素ガスの濃度が充分となり、充分な電力を得られた段階で起動完了となる。よって、例えば燃料電池システム１が車両の駆動動力源として搭載されている場合に、水素ガスが不十分な状態で運転者がアクセルを踏み、水素ガスが欠乏して燃料電池スタック１０が劣化してしまう事態を抑制することができる。
【００４２】
このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、システム起動時に燃料電池スタック１０から電流を取り出しつつ、燃料ガスの排出と酸化剤ガスのガス供給とを行わずに、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給し、その後酸化剤ガスの供給を行う。このため、燃料ガスが供給されて水素フロント等の存在により式（１）のような反応が生じようとするが、燃料電池スタック１０から電流（電子）を取り出しているため、式（１）のような反応が抑制されることとなる。従って、燃料電池スタック１０の劣化を抑制することができる。
【００４３】
また、システム起動時に燃料ガスを供給する際に燃料極側を昇圧させるため、燃料極側に投入される燃料ガス量が多くなり、燃料極側の各セルにおいて燃料ガスが行き渡りやすくなり、燃料ガスの欠乏によってセルの酸化剤極側で劣化が促進してしまうことを防止することができる。
【００４４】
また、システム起動時に燃料ガスを供給する際には循環系によりガスを循環させる。このため、燃料電池スタック１０の燃料極側において水素フロントが素早く通過することとなり、燃料電池スタック１０の劣化を一層抑制することができる。
【００４５】
また、システム起動時に酸化剤極側からのガス排出を禁止するため、酸化剤ガスの排出路を通じて燃料電池スタック１０の酸化剤極側に酸化剤ガスが流入してくることを防止することとなる。ここで、式（１）のような反応は、燃料極側に水素フロント等が存在し、酸化剤極側で酸素が存在する場合に生じる。このため、燃料電池スタック１０の酸化剤極側に酸化剤ガスが流入してくることを防止すると、式（１）のような反応が抑えられることとなる。従って、燃料電池スタック１０の劣化を一層抑制することができる。
【００４６】
また、システム起動時に燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給し、その後酸化剤ガスの供給を行った場合、この酸化剤ガスの供給後に燃料ガスの供給を継続しつつ燃料極側からガス排出を行うと共に、この燃料ガス供給とガス排出とによって変化する燃料極側の燃料ガス濃度を推定する。そして、推定した濃度から取出可能電力を算出し、算出した取出可能電力が所定電力以上となると、システム起動完了とする。このため、燃料ガスの濃度が充分となり、充分な電力を得られた段階で起動完了となる。よって、例えば燃料電池システム１が車両の駆動動力源として搭載されている場合に、燃料ガスが不十分な状態で運転者がアクセルを踏み、燃料ガスが欠乏して燃料電池スタック１０が劣化してしまう事態を抑制することができる。
【００４７】
また、システム起動時に燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給し、その後酸化剤ガスの供給を行った場合、この燃料ガスの供給から所定時間経過後にシステム起動完了とする。このため、燃料ガスの供給開始から間もなく起動完了となり、燃料極側において燃料ガスが不足したまま起動完了となってしまう事態を防止することができる。
【００４８】
また、システム起動時に燃料ガスを供給する際に循環系４０によってガスを循環させるにあたり、まず、循環系４０によってガスを循環させ、その後、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給を開始する。このため、燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給開始後にガスを循環させる場合に比して、スムーズに水素フロントを通過させることができる。
【００４９】
また、循環系４０によってガスを循環させてから規定時間経過後に、燃料ガスの供給を開始する。このため、充分にガスの循環速度が高まってから燃料ガスを投入することとなり、一層スムーズに水素フロントを通過させることができる。
【００５０】
また、循環系によってガスを循環させ、ガス循環流量が所定流量に達したときに、燃料ガスの供給を開始する。このため、ガスの循環流量が小さい段階で燃料ガスの供給を開始することなく、一層スムーズに水素フロントを通過させることができる。
【００５１】
また、所定流量は、燃料電池スタック１０の劣化度合いと燃料ガス供給開始時のガス循環流量との相関を示す相関データより得られる劣化度合いが最小となる最小劣化流量よりも小さい。ここで、燃料ガス供給開始時のガス循環流量が低い場合、水素フロント等の通過速度が遅くなり、燃料電池スタック１０の劣化度合いが高くなる。一方、燃料ガス供給開始時のガス循環流量が高まるに連れて、燃料電池スタック１０の劣化度合いは低くなっていく。また、燃料ガス供給開始時のガス循環流量が高すぎると、電解質膜や循環ポンプの影響もあるが、一般には燃料電池スタック１０の劣化度合いが高まっていく。燃料電池システム１では、予め上記のような相関を求めておくことができ、ガスを循環させる際には、燃料電池スタック１０の劣化度合いが最小となる最小劣化流量を目標としてガスの循環ポンプを制御することとなる。そして、本実施形態に係る燃料電池システム１では、最小劣化流量が所定流量よりも小さくされているため、ガスの循環流量が最小劣化流量に達する前に燃料ガスが燃料電池スタックに供給されることとなる。これにより、ガスの循環流量が最小劣化流量に達するまえに燃料ガスを供給して燃料電池システム１の起動時間を短縮することができる。
【００５２】
また、システム起動時に燃料ガスを供給する場合、第１制御弁２３を開けて、第１制御弁２３から第２制御弁２４に至るまでの区間の燃料ガス圧力を第１圧力まで上昇させたうえで、第２制御弁２４の開度を調整して燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力を調整する。ここで、第１制御弁２３から第２制御弁２４に至るまでの区間の燃料ガス圧力を第１圧力まで上昇するまえに第２制御弁２４の開度を調整してしまうと、上記区間の圧力自体が不安定であることから、燃料電池スタック１０の燃料極側の調圧についても不安定となってしまう。ところが、上記区間を第１圧力まで上昇させてから第２制御弁２４の開度を調整することで、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力調整を行いやすくすることができる。
【００５３】
また、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力と酸化剤極側の圧力との差が許容圧力以下となるように燃料極側の圧力を調整するため、燃料電池スタック１０の電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００５４】
また、燃料ガスの供給を開始してからシステム起動完了に至るまでの起動時間内に燃料電池スタック１０の酸化剤極側の燃料ガス濃度が所定濃度を超えないように燃料極側の圧力を調整する。これにより、起動時間内に燃料極側から酸化剤極側に燃料ガスが多く流入してしまうことを防止することができる。
【００５５】
また、燃料電池スタック１０の燃料極側からスタックケース８０に漏れ出す燃料ガス量が所定量以下となるように燃料極側の圧力を調整するため、燃料極側から燃料電池スタック１０外に多くの燃料ガスが漏れ出してしまう事態を防止することができる。
【００５６】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態と同様の構成を有しているが、システム起動時において燃料極側を昇圧するときの昇圧速度が適切に調整されている点で、第１実施形態と異なっている。
【００５７】
具体的に説明すると、第２実施形態に係る燃料電池システム２では、図３に示したステップＳＴ７での水素ガス供給にあたり、以下の４つの動作の少なくとも１つを行って昇圧速度を適切とする。
【００５８】
第１の動作として制御装置９０は、昇圧速度を、燃料電池スタック１０を構成する各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが最小となる第１速度とする。ここで、水素ガスの昇圧速度によっては、各セルへの水素ガスの供給が不均一となりやすくなってしまう。そして、各セルへの燃料ガスの供給について不均一さが大きくなると、すなわち各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが大きくなると、電流を取り出したときに水素ガスが充分に行き渡っていないセルについて劣化を促進してしまうこととなる。ところが、昇圧速度を上記第１速度とすることで、各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきを最小とし、安定した劣化抑制を行うことができる。なお、第１速度は、燃料電池システムの仕様に応じて変化するものであり、予め実験により求めておくことができる。また、制御装置９０は、各セルを対象に、（セル電圧の平均）−（対象となるセルの電圧）の演算を行い、前記演算式から得られた複数の値のうちの最大値が大きくなるほど、ばらつきが大きいと判断する。
【００５９】
また、第２の動作として制御装置９０は、各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが大きくなるに従って、昇圧速度を第１速度よりも高くなるように補正する。各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが大きくなる原因には、或るセルへの水素ガスの供給路に水が詰まり水素ガス供給が不充分となっている場合が考えられる。このため、昇圧速度を第１速度よりも高くなるように補正することで、水を飛ばし水素ガスをそのセルに充分に供給するようにすることができる。
【００６０】
また、第３の動作として制御装置９０は、電流取出装置７０により取出可能な電流の最大値が小さくなるに従って、昇圧速度を第１速度よりも高くなるように補正する。取出可能な電流の最大値が小さくなるということは、例えば燃料ガス欠乏によって転極が生じた場合など各セルへの水素ガスの供給が不充分となっていることを示している。このため、昇圧速度を第１速度よりも高くなるように補正することで、各セルに充分に水素ガスを供給するようにすることができる。
【００６１】
さらに、第４の動作として制御装置９０は、起動時間が目標とする時間内に収まる範囲内で電流取出装置７０によって電流を取り出しつつ、燃料電池スタック１０の電圧のピークが最小となるように昇圧速度を補正する。この点について図５を参照しつつ説明する。
【００６２】
図５は、起動時間と電圧ピークと昇圧速度との相関を示す図である。図５において縦軸は昇圧速度及び電圧ピークであり、横軸は時間（起動時間）を示している。図５に示すように、昇圧速度が高い場合、電圧は時刻ｔ１２においてピークに達しており、昇圧速度が低い場合、電圧は時刻ｔ２２においてピークに達している。両ピークを比較すると、昇圧速度の低い方が、ピークが小さくなっている。すなわち、昇圧速度が低いほど燃料電池スタック１０の劣化を抑制することができる。一方、昇圧速度が高い場合、電圧は時刻ｔ１１までにほぼ低下している。一方、昇圧速度が低い場合、電圧は時刻ｔ１１よりも遅い時刻ｔ２１までかかって低下している。このように、昇圧速度が小さいと電圧ピークが下がるものの、単位時間あたり電流の取出量についても減少してしまうため、起動時間が長くなってしまう。
【００６３】
本実施形態では、起動時間が目標とする時間内に収まる範囲内で電流を取り出しつつ、燃料電池スタック１０の電圧のピークが最小となるように昇圧速度を補正する。このため、燃料電池スタック１０の劣化と起動完了までの時間との調和をとった好適な昇圧速度とすることができる。なお、第４の動作に代えて、起動時間が目標とする時間内に収まる範囲内で電圧計測値のばらつきが最も小さくなるように昇圧速度を補正するようにしてもよい。これによっても、燃料電池スタック１０の劣化と起動完了までの時間との調和をとった好適な昇圧速度とすることができる。
【００６４】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、燃料電池スタック１０の劣化を抑制することができ、燃料ガスの欠乏によってセルの酸化剤極側で劣化が促進してしまうことを防止することができる。また、燃料電池スタック１０の劣化を一層抑制することができ、燃料ガスが欠乏して燃料電池スタック１０が劣化してしまう事態を抑制することができる。また、燃料極側において燃料ガスが不足したまま起動完了となってしまう事態を防止することができ、スムーズに水素フロントを通過させることができる。また、ガスの循環流量が最小劣化流量に達するまえに燃料ガスを供給して燃料電池システム２の起動時間を短縮することができ、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力調整を行いやすくすることができ。また、起動時間内に燃料極側から酸化剤極側に燃料ガスが多く流入してしまうことを防止することができ、燃料極側から燃料電池スタック１０外に多くの燃料ガスが漏れ出してしまう事態を防止することができる。
【００６５】
さらに、第２実施形態によれば、システム起動時に燃料極側圧力を昇圧させるときの昇圧速度を、燃料電池スタック１０を構成する各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが最小となる第１速度とする。ここで、燃料ガスの昇圧速度によっては、各セルへの燃料ガスの供給が不均一となりやすくなってしまう。そして、各セルへの燃料ガスの供給が不均一さが大きくなると、すなわち各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが大きくなると、電流を取り出したときに燃料ガスが充分に行き渡っていないセルについて劣化を促進してしまうこととなる。ところが、昇圧速度を上記第１速度とすることで、各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが最小とし、安定した劣化抑制を行うことができる。
【００６６】
また、各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが大きくなるに従って、又は電流の取出可能量の最大値が小さくなるに従って、昇圧速度を第１速度よりも高くなるように補正する。ここで、各セルの電圧の上昇度合いについてのばらつきが大きくなる原因には、或るセルへの燃料ガスの供給路に水が詰まり燃料ガス供給が不充分となっている場合が考えられる。このため、昇圧速度を第１速度よりも高くなるように補正することで、水を飛ばし燃料ガスを単位セルに充分に供給するようにすることができる。また、取出可能な電流の最大値が小さくなることについても同様に燃料ガス供給が不充分となっている場合が考えられ、昇圧速度を第１速度よりも高くなるように補正することで、各セルに充分に燃料ガスを供給するようにすることができる。
【００６７】
また、燃料電池スタックの電圧のピークを小さくすればするほど、燃料電池スタック１０の劣化が抑制されることとなる。一方、燃料電池スタック１０の電圧のピークを小さくし過ぎると、すなわち単位時間あたりの電流取出量が少なくなると燃料電池システム２の起動完了までの時間が長くなってしまう。本実施形態では、燃料ガスの供給を開始してからシステム起動完了に至るまでの起動時間が目標とする時間内に収まる範囲内で、電流を取り出しつつ燃料電池スタック１０の電圧のピークが最小となるように昇圧速度を補正する。このため、燃料電池スタック１０の劣化と起動完了までの時間との調和をとった好適な昇圧速度とすることができる。
【００６８】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態では、燃料ガスを水素ガスとし、酸化剤ガスを酸素（空気）とし、白金等の触媒をカーボンにて担持した燃料電池スタック１０を例に説明したが、これに限らず、式（１）のような反応が発生し得る燃料電池スタック１０であれば、他の構成であってもよい。
【００６９】
また、本実施形態では、昇圧速度を上記４つの条件から定めることとしているが、これに限らず、例えば、昇圧速度を、安定して制御可能な範囲で最大とするようにしてもよい。これにより、燃料電池スタック１０の劣化を抑えつつ、昇圧速度なるべく速くして起動時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を説明する図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの起動時における詳細動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】所定流量を説明する図である。
【図５】起動時間と電圧ピークと昇圧速度との相関を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１，２…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料ガス供給系（燃料ガス供給手段）
２１…高圧水素タンク（貯蔵タンク）
２２…水素ガス供給配管（燃料ガス供給ライン）
２３…第１制御弁
２４…第２制御弁
３０…燃料極側排出系（燃料極側排出手段）
３１…燃料極側排出配管
３２…燃料極側排出弁
４０…循環系（循環手段）
４１…循環配管
４２…循環ポンプ
５０…酸化剤ガス供給系（酸化剤ガス供給手段）
５１…コンプレッサ
５２…空気供給配管
６０…酸化剤極側排出系（酸化剤極側排出手段）
６１…酸化剤極側排出配管
６２…酸化剤極側排出弁
７０…電流取出装置（電流取出手段）
８０…スタックケース
９０…制御装置（制御手段）
【図１】
2007179826.tif 000003
【図２】
2007179826.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007179826.tif 000006
【図５】
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