(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
上記燃料電池の燃料極に燃料ガスを燃料ガス供給流路を介して供給する燃料ガス供給手段と、
上記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス排出流路を介して外気へ排出する燃料ガス排出手段と、
上記燃料電池内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、
上記燃料電池を始動開始するに際して、
上記燃料ガス排出手段を開状態にし、上記圧力検出手段で検出された上記燃料電池内の燃料ガス圧力に基づいて上記燃料電池内の燃料ガス圧力を一定とするように上記燃料ガス供給手段の上記燃料電池への燃料ガス供給量を調整する制御をし、上記燃料ガス供給手段の燃料ガス供給量が、前記燃料ガスのみが前記ガス排出手段から排出されていると判断される所定量以上になったことに応じて、上記燃料ガス排出手段を閉状態にして上記燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御する第１判定処理、
又は上記燃料ガス排出手段を開状態にし、上記燃料電池への燃料ガス供給量を一定にするように上記燃料ガス供給手段を制御し、上記圧力検出手段で検出された上記燃料電池内のガス圧力が、前記燃料ガスのみが前記ガス排出手段から排出されていると判断される所定値以下になったことに応じて、上記燃料ガス排出手段を閉状態にして上記燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御する第２判定処理をする始動制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
上記燃料ガス排出手段は、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを上記燃料電池の燃料ガス供給口に循環する燃料ガス循環流路上に設けられること
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】
上記燃料ガス排出手段は、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出流路であって上記燃料ガス排出口近傍に設けられること
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４】
上記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
上記燃料ガス排出手段を閉状態にした後に、上記電圧検出手段で検出された上記燃料電池の電圧に基づいて上記燃料電池の状態を検出すること
を特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の運転を開始するに際して、燃料電池への燃料ガスの供給をすると共に燃料ガス排出弁を開状態にして、燃料ガス流路内の空気などの残留ガスを燃料ガスに置換する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、発電源として、いわゆる燃料電池スタックを用いたものが知られている。燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなる。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックに水素を燃料ガスとして燃料極に供給すると共に、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直接発電するものである。
【０００３】
通常、燃料電池システムでは、燃料電池スタックを起動するに際して、燃料ガス配管流路中の燃料ガス以外の残留ガス（空気）を、燃料ガスで置換する必要がある。
【０００４】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池を起動するに際して、特開平１１−９７０４７号公報に開示されている技術が知られている。
【０００５】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時において、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給開始し、電圧検出手段により燃料電池スタックの発電電圧を検出する。そして、燃料電池スタックの発電電圧が一定となると、燃料電池システムの燃料ガス配管流路中が燃料ガスで満たされたことを検知する。このとき、燃料電池システムでは、燃料ガス配管流路中の残留ガスを燃料ガスで置換するために、燃料ガス配管流路に設けられた排出バルブを開状態にしておくようにしていた。
【０００６】
また、この燃料電池システムでは、一定体積の燃料ガス以外の残留ガスを排出バルブから排出したら、燃料ガス配管流路が燃料ガスで満たされたことを判定していた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来の燃料電池システムでは、一般的に、燃料電池スタックの温度や、燃料電池スタック内のガス供給流路の水詰まり有無によって、燃料電池スタックの発電状態が異なってしまう。
【０００８】
しかし、上述の従来の特開平１１−９７０４７号公報に開示された燃料電池システムでは、燃料電池スタックの起動時に燃料ガス配管流路中が燃料ガスで置換されたことを単に燃料電池スタックの発電電圧を検知して判定しているために、水詰まりか、或いはその他の要因で発電に支障がある条件下などでは正確に燃料ガスの置換状態を判定することができない場合がある。
【０００９】
また、この燃料電池システムでは、燃料ガス配管流路中の残留ガスを燃料ガスで置換するに際して、一定体積のガスを排出したら燃料ガス配管流路が燃料ガスで満たされたことを判定していたが、燃料ガス配管流路中のガスの流れ具合によっては燃料ガスで置換が行われたか否かの正確な判定が困難となる。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池スタックの始動時に、燃料ガスの排出量を抑制すると共に燃料ガス流路中の残留ガスを燃料ガスに確実に置換することができる燃料電池システムを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明では、電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、上記燃料電池の燃料極に燃料ガスを燃料ガス供給流路を介して供給する燃料ガス供給手段と、上記燃料電池から排出された燃料ガスを燃料ガス排出流路を介して外気へ排出する燃料ガス排出手段と、上記燃料電池内のガス圧力を検出する圧力検出手段と、上記燃料電池を始動開始するに際して、上記燃料ガス排出手段を開状態にし、上記圧力検出手段で検出された上記燃料電池内の燃料ガス圧力に基づいて上記燃料電池内の燃料ガス圧力を一定とするように上記燃料ガス供給手段の上記燃料電池への燃料ガス供給量を調整する制御をし、上記燃料ガス供給手段の燃料ガス供給量が、前記燃料ガスのみが前記ガス排出手段から排出されていると判断される所定量以上になったことに応じて、上記燃料ガス排出手段を閉状態にして上記燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御する第１判定処理、又は上記燃料ガス排出手段を開状態にし、上記燃料電池への燃料ガス供給量を一定にするように上記燃料ガス供給手段を制御し、上記圧力検出手段で検出された上記燃料電池内のガス圧力が、前記燃料ガスのみが前記ガス排出手段から排出されていると判断される所定値以下になったことに応じて、上記燃料ガス排出手段を閉状態にして上記燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御する第２判定処理をする始動制御手段とを備える。
【００１４】
請求項２に係る発明では、上記燃料ガス排出手段は、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを上記燃料電池の燃料ガス供給口に循環する燃料ガス循環流路上に設けられる。
【００１５】
請求項３に係る発明では、上記燃料ガス排出手段は、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出流路であって上記燃料ガス排出口近傍に設けられる。
【００１６】
請求項４に係る発明では、上記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、
上記燃料ガス排出手段を閉状態にした後に、上記電圧検出手段で検出された上記燃料電池の電圧に基づいて上記燃料電池の状態を検出する。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池を始動開始するに際して、燃料ガス排出手段を開状態にし、圧力検出手段で検出された燃料電池内の燃料ガス圧力に基づいて燃料電池内の燃料ガス圧力を一定とするように燃料ガス供給手段の燃料電池への燃料ガス供給量を調整する制御をし、燃料ガス供給手段の燃料ガス供給量に基づいて燃料ガス排出手段を閉状態にする第１判定処理、又は燃料ガス排出手段を開状態にし、燃料電池への燃料ガス供給量を一定にするように燃料ガス供給手段を制御し、圧力検出手段で検出された燃料電池内の燃料ガス圧力に基づいて燃料ガス排出手段を閉状態にする第２判定処理をするので、燃料ガス供給流路内における燃料ガスへの置換状況を的確に判断することができる。
請求項１に係る発明によれば、第１判定処理において、燃料ガス供給手段の燃料ガス供給量が所定量以上になったことに応じて燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御するので、燃料電池の始動開始時に、必要以上の燃料ガスを排出することを抑制して燃費の向上を図ることができると共に、燃料ガスへの置換不足による燃料電池の性能劣化を防止することができる。
請求項１に係る発明によれば、第２判定処理において、圧力検出手段で検出された燃料電池内の燃料ガス圧力が所定値以下になったことに応じて燃料ガス排出手段の燃料ガス排出量を制御するので、燃料電池の始動開始時に、必要以上の燃料ガスを排出することを抑制して燃費の向上を図ることができると共に、燃料ガスへの置換不足による燃料電池の性能劣化を防止することができる。また、この請求項３に係る発明によれば、第１判定処理よりも制御内容を簡略化することができる。
【００２０】
請求項２に係る発明では、燃料ガス排出手段を燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを燃料電池の燃料ガス供給口に循環する燃料ガス循環流路上に設けられるので、燃料ガス供給流路及び燃料ガス循環流路内の燃料ガスへの置換を確実に行うことができる。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出流路であって燃料ガス排出口近傍に設けられるので、燃料ガス循環流路を有していない場合にも請求項１乃至３に係る処理を行うことができる。
【００２２】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を更に備え、燃料ガス排出手段を閉状態にした後に、電圧検出手段で検出された燃料電池の電圧に基づいて燃料電池の状態を検出するので、燃料電池内の水詰まり等による発電不良などの燃料電池状態を始動制御時に検出することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００２５】
［燃料電池システムの構成（図１）］
この燃料電池システムに備えられる燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなるスタック構造となっている。また、この燃料電池スタック１では、内部に酸化剤ガスを通過させる酸化剤ガス流路１ａ、燃料ガスを通過させる燃料ガス流路１ｂ、冷却水を通過させる冷却水流路（図示せず）が設けられている。そして、燃料電池スタック１は、上記酸化剤極側に酸化剤ガスとしての空気が供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスとしての水素ガスが供給される。これにより、燃料電池スタック１は、水分を媒体として膜中をそれぞれのイオンが移動して接触して発電する。
【００２６】
この燃料電池システムは、各部の動作を制御する制御部２１が備えられている。制御部２１としては、例えば、各種半導体素子などによって構成されたコンピュータ等の情報処理装置が用いられており、この制御部２１によって各部が制御されることにより、燃料電池システム全体としての動作が制御される。
【００２７】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスを蓄積する燃料貯蔵用タンク２、レギュレータ３、燃料供給調整弁４、エゼクタポンプ５が燃料ガス供給流路Ｌ１上に配設され、起動時用燃料ガス排出弁６が燃料ガス循環流路Ｌ２上に配設されて構成されている。
【００２８】
また、この燃料電池システムは、起動時用燃料ガス排出弁６の燃料ガス流入側近傍に、燃料ガス循環流路Ｌ２中の燃料ガス圧力を検出する圧力センサ７が配設され、更に燃料ガス循環流路Ｌ２から分岐した燃料ガスパージ流路Ｌ３上にパージ弁８が配設されている。
【００２９】
圧力センサ７は、燃料ガス循環流路Ｌ２内のガス圧力を検出し、センサ信号として制御部２１に出力する。この圧力センサ７により検出されたガス圧力は、制御部２１により燃料電池スタック１内のガス圧力として認識される。
【００３０】
更に、この燃料電池システムは、燃料供給調整弁４の弁開度の調整をする第１アクチュエータ９と、起動時用燃料ガス排出弁６の弁開度の調整をする第２アクチュエータ１０と、パージ弁８の弁開度の調整をする第３アクチュエータ１１とを備える。
【００３１】
これらの第１アクチュエータ９、第２アクチュエータ１０及び第３アクチュエータ１１は、制御部２１からの制御信号にしたがって、燃料供給調整弁４、起動時用燃料ガス排出弁６及びパージ弁８を駆動して弁開度を調整する。
【００３２】
制御部２１は、例えば外部から燃料電池スタック１の運転を開始する旨の命令が供給されることで、燃料電池スタック１の発電を開始するように各部を制御し、後述の第１〜第３始動制御処理のいずれかを実行する。
【００３３】
この第１〜第３始動制御処理は、燃料ガス供給流路Ｌ１内及び燃料ガス循環流路Ｌ２内で燃料電池スタック１の始動前に蓄積されていた燃料ガス以外の残留ガスを、燃料ガスに置換する処理である。燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスとは、主として、前回のパージ弁８によるパージ動作で流入した空気などがある。
【００３４】
このような燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の運転を開始するに際して、制御部２１の制御に従って、酸化剤ガス供給流路Ｌ４を介して燃料電池スタック１の酸素極に酸素を含む酸化剤ガスを供給すると共に、燃料電池スタック１の燃料極に水素を含む燃料ガスを供給する。
【００３５】
［燃料電池システムの始動制御処理（図２、図３）］
「第１始動制御処理」
第１始動制御処理では、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に燃料電池スタック１を始動開始する前に残留している残留ガスを、燃料ガスに置換するに際して、起動時用燃料ガス排出弁６を開にした状態で、燃料供給調整弁４の開度を変化させるように制御部２１により制御する。
【００３６】
これは、燃料電池システムにおいて、モル流量ｎの関係が、
ｎ＝A×(1/(ρ0)１／２)×{(2κ/(κ-1))×p0・f(p/p0)}１／２   （式１）
で表現される。上記式１において、Ａは燃料供給調整弁４又は起動時用燃料ガス排出弁６の開口面積、ρ０はガス密度、ｐは燃料供給調整弁４又は起動時用燃料ガス排出弁６の上流でのガス圧力、ｐ０は燃料供給調整弁４又は起動時用燃料ガス排出弁６の下流でのガス圧力を示す。
【００３７】
上記モル流量ｎの式１より、燃料供給調整弁４と起動時用燃料ガス排出弁６との開口面積が同等である場合には、残留ガス（空気）のガス密度が燃料ガス（水素）のガス密度よりも約１４倍高いので、起動時用燃料ガス排出弁６から空気が排出されにくい。
【００３８】
したがって、この第１始動制御処理では、モル流量ｎを残留ガスと燃料ガスとで同等にするために、残留ガスを起動時用燃料ガス排出弁６から排出する時よりも、燃料ガスを起動時用燃料ガス排出弁６から排出する時に、起動時用燃料ガス排出弁６の上流でのガス圧力を高くする。このために、制御部２１は、図２に示すように、燃料供給調整弁４の開度を開いて開口面積を大きくする制御をする。
【００３９】
制御部２１は、図２から分かるように、時刻ｔ０で燃料電池スタック１の始動を開始すると、燃料供給調整弁４の開度を徐々に大きくて残留ガス排出を開始し、起動時用燃料ガス排出弁６から燃料ガスが排出され始めると起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が下がる。
【００４０】
これに対し、制御部２１は、時刻ｔ１以降から、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力を一定するように燃料供給調整弁４の開度を徐々に大きくする制御をすることで、残留ガス及び燃料ガスを排出する。
【００４１】
制御部２１は、燃料ガスの排出量が多くなるほど起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が小さくなるが、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力を一定にしたまま燃料供給調整弁４の開度を徐々に大きくする制御をする。
【００４２】
そして、時刻ｔ２以降から、燃料供給調整弁４の開度が設定値Ｖｓ以上となると、燃料ガスのみが起動時用燃料ガス排出弁６から排出されており、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスから燃料ガスへの置換が完了したとする。
【００４３】
図３に、このような第１始動制御処理を行うときの制御部２１の処理手順を示す。
【００４４】
先ず、制御部２１は、燃料電池スタック１を起動する旨の命令を入力することに応じて、ステップＳ１以降の処理を開始する。
【００４５】
ステップＳ１において、制御部２１は、燃料電池スタック１を始動するために、先ず、起動時用燃料ガス排出弁６を開状態にする制御信号を第２アクチュエータ１０に出力する。これに応じて、第２アクチュエータ１０は起動時用燃料ガス排出弁６を開状態に駆動する。
【００４６】
次のステップＳ２において、制御部２１は、燃料供給調整弁４を初期設定開度Ｖαまで開く制御信号を第１アクチュエータ９に出力する。これに応じて、第１アクチュエータ９は燃料供給調整弁４の開度Ｖを初期設定開度Ｖαまで開くように駆動する。ここで、制御部２１は、初期設定開度Ｖαを予め内部メモリに記憶しており、初期設定開度ＶαをステップＳ１における起動時用燃料ガス排出弁６の開口面積よりも小さく設定している。
【００４７】
ステップＳ２が終了した時点では、燃料貯蔵用タンク２からの燃料ガスが燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内に供給され、燃料ガス供給前に燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に蓄積された残留ガスが起動時用燃料ガス排出弁６から排出されている状態となる。
【００４８】
この状態において、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内では、燃料貯蔵用タンク２から燃料供給調整弁４を介して供給された燃料ガス濃度が徐々に増えているのに対して、燃料ガス供給前に燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に蓄積されていたガスの濃度が徐々に低くなっている。
【００４９】
次のステップＳ３において、制御部２１は、圧力センサ７からのセンサ信号を入力し、センサ信号から燃料ガス循環流路Ｌ２内の現在の燃料ガス圧力値Ｐｒを得る。
【００５０】
次のステップＳ４において、制御部２１は、ステップＳ３において検出したガス圧力値Ｐｒと、予め内部メモリに記憶しておいた圧力目標値Ｐｓとの比較をし、ガス圧力値Ｐｒが圧力目標値Ｐｓよりも小さいか否かの判定をする。制御部２１は、ガス圧力値Ｐｒが圧力目標値Ｐｓよりも小さいときにはステップＳ５に処理を進め、小さくないときにはステップＳ３に処理を戻す。
【００５１】
ステップＳ５において、制御部２１は、燃料供給調整弁４の開度を設定値β分だけ開く制御信号を第１アクチュエータ９に出力する。これに応じて、第１アクチュエータ９はステップＳ４の時点での開度よりも設定値β分だけ開くように燃料供給調整弁４を駆動する。
【００５２】
ここで、上記設定値βは、起動時用燃料ガス排出弁６から燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスを排出するときに必要な燃料供給調整弁４の開度面積と、起動時用燃料ガス排出弁６から燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の燃料ガスを排出するときに必要な燃料供給調整弁４の開度面積との差を、等分した値とする。この設定値βは、燃料電池システムの構成や仕様により異なるものであり、予め制御部２１内のメモリに格納された値である。
【００５３】
次のステップＳ６において、制御部２１は、ステップＳ５で変更された燃料供給調整弁４の開度Ｖと、設定値Ｖｓとの比較をする。制御部２１は、設定値Ｖｓが燃料供給調整弁４の開度Ｖよりも大きい場合には、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内のガスを燃料ガスで置換している最中であると判定してステップＳ３に処理を戻し、大きくない場合には燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスを燃料ガスで置換終了したと判定してステップＳ７に処理を進める。
【００５４】
ステップＳ７において、制御部２１は、起動時用燃料ガス排出弁６を閉じる制御信号を第２アクチュエータ１０に出力し、第２アクチュエータ１０により起動時用燃料ガス排出弁６を閉じるように駆動させて、処理を終了する。
【００５５】
このような処理を行う制御部２１を備えた燃料電池システムによれば、燃料供給調整弁４の開度、すなわち燃料供給調整弁４から燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に供給する燃料ガス供給量に基づいて、燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスから燃料ガスへの置換状況を的確に判断することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の始動開始時に、必要以上の燃料ガスを排出することを抑制して燃費の向上を図ることができると共に、残留ガスから燃料ガスへの置換不足による燃料電池スタック１の性能劣化を防止することができる。
【００５６】
「第２始動制御処理（図４、図５）」
第２始動制御処理では、上記式１より、燃料供給調整弁４と起動時用燃料ガス排出弁６との開口面積が同等である場合には、残留ガス（空気）のガス密度が燃料ガス（水素）のガス密度よりも約１４倍高く、残留ガス排出時と燃料ガス排出時とで起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が変化することを利用する。
【００５７】
すなわち、図４に示すように、制御部２１は、時刻ｔ０以降から、燃料供給調整弁４の開度を一定にした状態で燃料ガスを燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に供給開始する。すると、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に残留していた残留ガスが起動時用燃料ガス排出弁６から排出され、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が高い状態となる。
【００５８】
これは、上記式１の関係より、燃料供給調整弁４と起動時用燃料ガス排出弁６との開口面積を一定にした場合、残留ガスの密度が燃料ガスの密度よりも大きいために、燃料ガスと比較して残留ガスが起動時用燃料ガス排出弁６に流れにくいことによる。
【００５９】
そして、起動時用燃料ガス排出弁６からの燃料ガス排出が時刻ｔ１１以降から始まると、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力が次第に低くなり、時刻ｔ１２以降で設定値Ｐα以下となる。
【００６０】
これは、上記式１の関係より、燃料供給調整弁４と起動時用燃料ガス排出弁６との開口面積を一定にした場合、燃料ガスの密度が残留ガスの密度よりも小さいために、残留ガスと比較して燃料ガスが起動時用燃料ガス排出弁６に流れやすくなることによる。
【００６１】
これに応じて、制御部２１は、燃料ガスのみが起動時用燃料ガス排出弁６から排出されており、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスから燃料ガスへの置換が完了したとする。
【００６２】
図５に、このような第２始動制御処理を行うときの制御部２１の処理手順を示す。
【００６３】
先ず、制御部２１は、燃料電池スタック１を起動する旨の命令を入力することに応じて、ステップＳ１１以降の処理を開始する。
【００６４】
ステップＳ１１において、制御部２１は、燃料電池スタック１を始動するために、先ず、起動時用燃料ガス排出弁６を開状態にする制御信号を第２アクチュエータ１０に出力する。これに応じて、第２アクチュエータ１０は起動時用燃料ガス排出弁６を開状態に駆動する。
【００６５】
次のステップＳ２において、制御部２１は、燃料供給調整弁４を初期設定開度Ｖｒまで開く制御信号を第１アクチュエータ９に出力する。これに応じて、第１アクチュエータ９は燃料供給調整弁４の開度Ｖを初期設定開度Ｖｒまで開くように駆動する。
【００６６】
ステップＳ１２が終了した時点では、燃料貯蔵用タンク２からの燃料ガスが燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内に供給され、燃料ガス供給前に燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２に蓄積された残留ガスが起動時用燃料ガス排出弁６から排出されている状態となる。したがって、図４に示したように、起動時用燃料ガス排出弁６上流圧力値は高い状態となる。
【００６７】
次のステップＳ１３において、制御部２１は、圧力センサ７からのセンサ信号を入力し、センサ信号から燃料ガス循環流路Ｌ２内の現在のガス圧力値Ｐｒを得る。
【００６８】
次のステップＳ１４において、制御部２１は、ステップＳ１３において検出したガス圧力値Ｐｒと、予め内部メモリに記憶しておいた圧力目標値Ｐαとの比較をし、ガス圧力値Ｐｒが圧力目標値Ｐαよりも小さいか否かの判定をする。制御部２１は、ガス圧力値Ｐｒが圧力目標値Ｐαよりも小さいときにはステップＳ１３に処理を戻し、小さくないときにはステップＳ１５に処理を進める。
【００６９】
ステップＳ１５において、制御部２１は、起動時用燃料ガス排出弁６を閉じる制御信号を第２アクチュエータ１０に出力し、第２アクチュエータ１０により起動時用燃料ガス排出弁６を閉じるように駆動させて、処理を終了する。
【００７０】
このような処理を行う制御部２１を備えた燃料電池システムによれば、燃料ガス循環流路Ｌ２内の燃料ガスへの置換状況を的確に判断することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の始動開始時に、必要以上の燃料ガスを排出することを抑制して燃費の向上を図ることができると共に、燃料ガスへの置換不足による燃料電池スタック１の性能劣化を防止することができる。
【００７１】
また、この燃料電池システムによれば、上述の第１始動制御処理とは異なり燃料供給調整弁４の開度を制御する必要がないので、第１始動制御処理と比較して制御内容を簡略化することができる。
【００７２】
「第３始動制御処理（図６、図７）」
この第３始動制御処理を行う燃料電池システムは、燃料電池スタック１の電圧を検出する電圧センサ（図示せず）、燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサ（図示せず）を更に備え、電圧センサ及び温度センサで検出されたセンサ信号に従った処理を制御部２１により行う。
【００７３】
図６に、このような第３始動制御処理を行うときの制御部２１の処理手順を示す。
【００７４】
第３始動制御処理において、制御部２１は、先ず、ステップＳ２１において、上述の第１始動制御処理又は第２始動制御処理を行った後に、燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２の燃料ガスへの置換が終了したか否かの判定をする。制御部２１は、燃料ガスへの置換が終了したと判定したときにはステップＳ２２に処理を進める。
【００７５】
ステップＳ２２において、制御部２１は、電圧センサからのセンサ信号を入力して現在の燃料電池スタック１の電圧Ｖｒを認識すると共に、ステップＳ２３において、温度センサからのセンサ信号を入力して現在の燃料電池スタック１の温度Ｔｅを認識する。
【００７６】
次のステップＳ２４において、制御部２１は、図７に示すステップＳ２３で検出した燃料電池スタック１の温度Ｔｅに応じた補正値ｋを読み出し、読み出した補正値ｋとステップＳ２２で検出した燃料電池スタック１の電圧Ｖｒとを乗算した補正電圧値ｋ・Ｖｒを算出する。そして、制御部２１は、補正電圧値ｋ・Ｖｒと、燃料ガス圧力に基づいた燃料電池スタック１の電圧を示す圧力電圧値Ｖｔとの比較をする。制御部２１は、補正電圧値ｋ・Ｖｒが圧力電圧値Ｖｔより大きいときには、燃料電池スタック１内の水詰まり等による燃料電池スタック１不良はないと判定して処理を終了し、大きくないときにはステップＳ２５に処理を進める。
【００７７】
ここで、制御部２１は、予め図７に示す燃料電池スタック１の温度Ｔｅと補正値ｋとの関係を示すテーブルを内部メモリに格納しており、ステップＳ２４の処理を行うに際してテーブルの読み出しを行って、補正値ｋを取得する。
【００７８】
この補正値ｋは、燃料電池スタック１の温度Ｔｅにおいて正常反応している燃料電池スタック１が出力すべき電圧値に、燃料電池スタック１の電圧Ｖｒを変換する値が設定されている。
【００７９】
ステップＳ２５において、制御部２１は、ステップＳ２１で燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２の燃料ガスへの置換が終了したにも拘わらず、燃料電池スタック１の電圧Ｖｒが所定値まであがらないと判定して、燃料電池スタック１不良と診断する。そして、制御部２１は、燃料電池スタック１を停止する処理や、燃料電池スタック１不良が発生していることを利用者に通知、警告する処理などをする。
【００８０】
このような第３始動制御処理を行う燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１内の水詰まり等による燃料電池スタック１不良などの燃料電池スタック１状態を始動制御時に検出することができる。
【００８１】
［燃料電池システムの他の構成（図８）］
図８に、燃料電池システムの他の構成を示す。この燃料電池システムは、図１のような燃料ガス循環流路Ｌ２を有せず、燃料電池スタック１から排出された燃料ガスを改質器３１により改質して外部に排出する構成となっている。
【００８２】
このような燃料電池システムにおいては、圧力センサ７を、燃料電池スタック１の燃料ガス排出口近傍であって、起動時用燃料ガス排出弁６の燃料ガス上流側に設けることが望ましい。
【００８３】
このような燃料電池システムによれば、上述したように第１始動制御処理及び第２始動制御処理を行うことができると共に、改質器３１を設けた構成に対応することができる。
【００８４】
また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の燃料ガス排出口近傍に圧力センサ７が設けられているので、正確に燃料電池スタック１内の圧力を検出することができる。
【００８５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【００８６】
すなわち、上述の燃料電池システムでは、制御部２１により第１始動制御処理及び第２始動制御処理の双方を行うように構成してもよく、第１又は第２始動制御処理の後に第３始動制御処理を行ってもよい。
【００８７】
また、上述の図８に示した燃料電池システムにより第１又は第２制御処理、並びに第３始動制御処理を行うことができるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】  本発明を適用した燃料電池システムにおいて、圧力センサで検出するガス圧力を一定にした場合における燃料供給調整弁の開度の変化を示す図である。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、第１始動制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】  本発明を適用した燃料電池システムにおいて、燃料供給調整弁の開度を一定にした場合における圧力センサで検出するガス圧力の変化を示す図である。
【図５】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、第２始動制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、第３始動制御処理を行うときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】第３始動制御処理における、燃料電池スタックの温度と、燃料電池スタックの電圧を補正する補正値との関係を示す図である。
【図８】本発明を適用した燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  燃料貯蔵用タンク
３  レギュレータ
４  燃料供給調整弁
５  エゼクタポンプ
６  起動時用燃料ガス排出弁
７  圧力センサ
８  パージ弁
９  第１アクチュエータ
１０  第２アクチュエータ
１１  第３アクチュエータ
２１  制御部
３１  改質器
【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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