(57)【要約】【課題】システム起動時に排出ガスの水素濃度が高くなるのを抑制する。【解決手段】パージ制御弁２６を閉じたまま燃料ガス通路２に燃料ガスを供給すると共に、カソード圧力制御弁３８を閉じたままコンプレッサ３３から吐出された酸化剤ガスを全てバイパス管２５に流入させ、その後アノード圧力が所定圧力以上になったと判定したら、一時的にパージ制御弁２６を開いて燃料ガス通路２内のガスを燃料ガスで掃気しつつ、カソード圧力制御弁３８を閉じたままコンプレッサ３３から吐出された酸化剤ガスが少なくとも酸化剤ガス通路３に流れ込むようにバイパス制御弁３５の開度を制御し、その後酸化剤ガス通路３内の燃料ガスの残量が所定量以下になったと判定したら、パージ制御弁２６が閉じられた状態でカソード圧力制御弁３８を開いて空気通路３内のガスを酸化剤ガスで掃気して燃料電池システム１００を起動する。【選択図】図１
2016122541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結される酸化剤ガス供給管と、
前記酸化剤ガス供給管に設けられ、酸化剤ガスを供給するためのコンプレッサと、
前記酸化剤ガス通路の出口に連結されるカソードオフガス管と、
前記カソードオフガス管に設けられ、前記酸化剤ガス通路内の圧力であるカソード圧力を制御するためのカソード圧力制御弁と、
前記コンプレッサよりも下流の前記酸化剤ガス供給管から分岐し、前記カソード圧力制御弁よりも下流の前記カソードオフガス管に連結されるバイパス管と、
前記コンプレッサから吐出された酸化剤ガスのうち前記酸化剤ガス通路に供給される酸化剤ガスの量及び前記バイパス管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御するためのバイパス制御弁と、
前記燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結されると共に燃料ガス源に連結される燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管に設けられ、前記燃料ガス源から前記燃料ガス通路への燃料ガスの供給を制御するための燃料ガス供給制御弁と、
前記燃料ガス通路の出口に連結されると共に前記カソードオフガス管に連結されるパージ管と、
前記パージ管に設けられ、前記カソードオフガス管に排出するアノードオフガスの量を制御するためのパージ制御弁と、
前記燃料ガス通路内の圧力であるアノード圧力を検出するためのアノード圧力検出器と、
を備え、前記カソード圧力制御弁、前記燃料ガス供給制御弁及び前記パージ制御弁を閉じ、かつ、前記コンプレッサから吐出された酸化剤ガスが全て前記バイパス管内へ流れ込むようにバイパス制御弁の開度を固定した状態で停止される燃料ガス非循環式の燃料電池システムの起動方法であって、
前記パージ制御弁を閉じたまま前記燃料ガス供給制御弁を制御して前記燃料ガス通路に燃料ガスを供給すると共に、前記カソード圧力制御弁を閉じたまま前記コンプレッサを駆動して前記コンプレッサから吐出された酸化剤ガスを前記バイパス管に流入させる第１工程と、
第１工程後、前記アノード圧力が所定圧力以上になったと判定したら、一時的に前記パージ制御弁を開いて燃料ガス通路内のガスを燃料ガスで掃気して前記カソードオフガス管に排出しつつ、前記カソード圧力制御弁を閉じたまま前記コンプレッサから吐出された酸化剤ガスが少なくとも前記酸化剤ガス通路に流れ込むように前記バイパス制御弁の開度を制御する第２工程と、
第２工程後、前記酸化剤ガス通路内の燃料ガスの残量が所定量以下になったと判定したら、前記パージ制御弁が閉じられた状態で前記カソード圧力制御弁を開いて空気通路内のガスを酸化剤ガスで掃気して前記カソードオフガス管に排出する第３工程と、
を備える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の起動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の出口から流出したアノードオフガスを、燃料ガス通路の入口に連結された燃料ガス供給管に戻さない燃料ガス非循環式の燃料電池システムがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５１７３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料ガス非循環式の燃料電池システムの場合、アノードオフガスを燃料ガス供給管に戻して循環させる循環ポンプがないため、システム起動時において、ある程度の量の燃料ガスを燃料ガス通路に供給して燃料ガス通路内の窒素等の不活性ガスを燃料ガスと共に燃料ガス通路からアノードオフガスとして排出する必要がある。また、システム起動時において、燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路には、システム停止中に膜電極接合体を介して燃料ガス通路からリークしてきた水素ガスが存在する場合がある。
【０００５】
そのため、システム起動時において、燃料ガス及び酸化剤ガスを同時に燃料電池スタックに供給して燃料電池スタックから排出させると、アノードオフガス及びカソードオフガスの混合ガスである排出ガスの水素濃度が高くなるという問題点があった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃料ガス非循環式の燃料電池システムの起動時に排出ガスの水素濃度が高くなるのを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内に形成された酸化剤ガス通路の入口に連結される酸化剤ガス供給管と、酸化剤ガス供給管に設けられ、酸化剤ガスを供給するためのコンプレッサと、酸化剤ガス通路の出口に連結されるカソードオフガス管と、カソードオフガス管に設けられ、酸化剤ガス通路内の圧力であるカソード圧力を制御するためのカソード圧力制御弁と、コンプレッサよりも下流の酸化剤ガス供給管から分岐し、カソード圧力制御弁よりも下流のカソードオフガス管に連結されるバイパス管と、コンプレッサから吐出された酸化剤ガスのうち酸化剤ガス通路に供給される酸化剤ガスの量及びバイパス管内へ流れ込む酸化剤ガスの量を制御するためのバイパス制御弁と、燃料電池スタック内に形成された燃料ガス通路の入口に連結されると共に燃料ガス源に連結される燃料ガス供給管と、燃料ガス供給管に設けられ、燃料ガス源から燃料ガス通路への燃料ガスの供給を制御するための燃料ガス供給制御弁と、燃料ガス通路の出口に連結されると共にカソードオフガス管に連結されるパージ管と、パージ管に設けられ、カソードオフガス管に排出するアノードオフガスの量を制御するためのパージ制御弁と、燃料ガス通路内の圧力であるアノード圧力を検出するためのアノード圧力検出器と、を備え、カソード圧力制御弁、燃料ガス供給制御弁及びパージ制御弁を閉じ、かつ、コンプレッサから吐出された酸化剤ガスが全てバイパス管内へ流れ込むようにバイパス制御弁の開度を固定した状態で停止される燃料ガス非循環式の燃料電池システムの起動方法が提供される。そして、燃料ガス非循環式の燃料電池システムの起動方法が、パージ制御弁を閉じたまま燃料ガス供給制御弁を制御して燃料ガス通路に燃料ガスを供給すると共に、カソード圧力制御弁を閉じたままコンプレッサを駆動してコンプレッサから吐出された酸化剤ガスを全て前記バイパス管に流入させる第１工程と、第１工程後、アノード圧力が所定圧力以上になったと判定したら、一時的に前記パージ制御弁を開いて燃料ガス通路内のガスを燃料ガスで掃気してカソードオフガス管に排出しつつ、カソード圧力制御弁を閉じたままコンプレッサから吐出された酸化剤ガスが少なくとも酸化剤ガス通路に流れ込むようにバイパス制御弁の開度を制御する第２工程と、第２工程後、酸化剤ガス通路内の燃料ガスの残量が所定量以下になったと判定したら、パージ制御弁が閉じられた状態でカソード圧力制御弁を開いて空気通路内のガスを酸化剤ガスで掃気してカソードオフガス管に排出する第３工程と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第２工程で燃料ガス通路内のガスを燃料ガスで掃気してカソードオフガス管に排出するときはカソード圧力制御弁が閉じられており、第３工程で酸化剤ガス通路内のガスを酸化剤ガスで掃気してカソードオフガス管に排出するときはパージ制御弁が閉じられているので、アノードオフガスとカソードオフガスとが同時にカソードオフガス管に排出されることがない。そのため、燃料ガス非循環式の燃料電池システムの起動時に排出ガスの水素濃度が高くなるのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム及び燃料電池システムを制御する電子制御ユニットの概略構成図である。
【図２】図２は、起動シーケンス中に実施される本実施形態による掃気処理について説明するフローチャートである。
【図３】図３は、空気通路内にリーク水素が存在する状態から空気通路に空気を供給したときの開回路電圧の変化を示す図である。
【図４】図４は、起動シーケンス中に実施される本実施形態による掃気処理について説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００及び燃料電池システム１００を制御する電子制御ユニット２００の概略構成図である。
【００１２】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に対して反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の給排を行うための燃料ガス供給部２０Ａ、燃料ガス排出部２０Ｂ、酸化剤ガス供給部３０Ａ及び酸化剤ガス排出部３０Ｂと、燃料電池スタック１０を冷却する冷却水を循環させるための冷却水循環部４０と、燃料電池スタック１０の出力端子に電気的に接続される電気負荷部５０と、を備える。
【００１３】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単セル（以下「単セル」という。）１を積層方向に沿って互いに積層し、各単セル１を電気的に直列に接続したものである。各単セル１は、膜電極接合体１ａを備える。膜電極接合体１ａは、膜状の電解質（以下「電解質膜」という。）と、電解質膜の一側に形成されたアノード極と、電解質膜の他側に形成されたカソード極と、を備える。
【００１４】
燃料電池スタック１０で発電が行われているときは、アノード極及びカソード極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ- 
カソード極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ 
【００１５】
各単セル１内には、アノード極に燃料ガスとしての水素を供給するための水素流通路２ａと、カソード極に酸化剤ガスとしての空気を供給するための空気流通路３ａと、が形成される。また、隣接する２つの単セル１同士間に、冷却水を供給するための冷却水流通路４ａが形成される。
【００１６】
各単セル１の水素流通路２ａ、空気流通路３ａ及び冷却水流通路４ａは、それぞれ燃料電池スタック１０内で並列に接続されており、これにより、燃料電池スタック１０内に水素通路２、空気通路３及び冷却水通路４が形成される。水素通路２、空気通路３及び冷却水通路４の入口及び出口は、それぞれ燃料電池スタック１０の積層方向一端側に設けられる。本実施形態では、燃料電池スタック１０内で水素及び空気の流れる向きが逆向きとなるように、水素通路２及び空気通路３にそれぞれ水素及び空気を供給しているが、同じ向きとなるように水素及び空気を供給しても良い。また、本実施形態では、冷却水の流れる向きを水素の流れる向きと同じ向きとしているが、逆向きとしても良い。
【００１７】
燃料ガス供給部２０Ａは、水素供給管２１と、水素源２２と、水素供給制御弁２３と、アノード圧力センサ２１１と、を備える。
【００１８】
水素供給管２１は、水素通路２に供給する水素が流れる配管であって、一端が水素源２２に連結され、他端が水素通路２の入口に連結される。
【００１９】
水素源２２は、例えば高圧水素タンクであって、水素供給管２１を介して水素通路２に供給するための水素を貯蔵する。
【００２０】
水素供給制御弁２３は、遮断弁２３１と、レギュレータ２３２と、インジェクタ２３３と、を含んで構成される。
【００２１】
遮断弁２３１は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、水素供給管２１に設けられる。遮断弁２３１が開かれると、水素源２２から水素供給管２１に水素が流出する。遮断弁２３１が閉じられると、水素源２２から水素供給管２１に水素が流出しなくなる。
【００２２】
レギュレータ２３２は、遮断弁２３１よりも下流の水素供給管２１に設けられる。レギュレータ２３２は、連続的又は段階的に開度を調整することができる圧力制御弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。レギュレータ２３２の開度を制御することで、レギュレータ２３２下流の水素の圧力、すなわちインジェクタ２３３から噴射される水素の圧力が制御される。
【００２３】
インジェクタ２３３は、レギュレータ２３２よりも下流の水素供給管２１に設けられる。インジェクタ２３３は、連続的又は段階的に開度を調整することができるニードル弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。インジェクタ２３３の開度を制御することで、インジェクタ２３３から噴射される水素の流量が制御される。
【００２４】
このように、水素供給制御弁２３によって、水素源２２から水素通路２への水素の供給が制御される。すなわち、水素供給制御弁２３によって、所望の圧力及び流量に制御された水素が、間欠的に水素通路２に供給される。
【００２５】
アノード圧力センサ２１１は、インジェクタ２３３よりも下流の水素供給管２１に設けられる。アノード圧力センサ２１１は、水素通路２内の水素の圧力（以下「アノード圧力」という。）を代表する値として、インジェクタ２３３よりも下流の水素供給管２１内の水素の圧力を検出する。
【００２６】
燃料ガス排出部２０Ｂは、バッファ部２４と、パージ管２５と、パージ制御弁２６と、を備える。
【００２７】
バッファ部２４は、例えば水素通路２の出口と連通させたタンクであり、水素通路２から流出してきたアノードオフガスを一時的に貯蔵する。アノードオフガスは、各単セル１内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素と、空気通路３から膜電極接合体１ａを介して水素通路２にリークしてきた窒素等の不活性ガスや水蒸気と、の混合ガスである。バッファ部２４は、アノードオフガスを一時的に貯蔵する機能を有していればよく、例えば水素通路２の下流側（出口近傍）にアノードオフガスを一時的に貯蔵できる程度の空間を形成し、その空間をバッファ部２４としても良い。すなわち、水素通路２の下流側がバッファ部２４として機能するように水素通路２を形成しても良い。
【００２８】
パージ管２５は、一端がバッファ部２４に連結され、他端が後述するカソードオフガス管３７に設けられた希釈器３９に連結される。
【００２９】
パージ制御弁２６は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、パージ管２５に設けられる。パージ制御弁２６は、通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁２６が開弁されると、バッファ部２４内のアノードオフガスがパージ管２５を介して希釈器３９に流入する。
【００３０】
酸化剤ガス供給部３０Ａは、空気供給管３１と、エアクリーナ３２と、コンプレッサ３３と、インタークーラ３４と、バイパス制御弁３５と、バイパス管３６と、第１流量センサ２１２と、第２流量センサ２１３と、を備える。
【００３１】
空気供給管３１は、空気通路３に供給する空気が流れる配管であって、一端がエアクリーナ３２に連結され、他端が空気通路３の入口に連結される。
【００３２】
エアクリーナ３２は、空気供給管３１に吸入される空気中の異物を取り除く。エアクリーナ３２は、酸素源３２ａとなる大気中に配置される。すなわち、酸素源３２ａはエアクリーナを介して空気供給管３１と連通している。
【００３３】
コンプレッサ３３は、例えば遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであり、空気供給管３１に設けられる。コンプレッサ３３は、エアクリーナ３２を介して空気供給管３１に吸入した空気を圧縮して吐出する。
【００３４】
インタークーラ３４は、コンプレッサ３３よりも下流の空気供給管３１に設けられ、コンプレッサ３３から吐出された空気を例えば走行風や冷却水などで冷却する。
【００３５】
バイパス管３６は、コンプレッサ３３から吐出された空気の一部又は全部を、必要に応じて燃料電池スタック１０を経由させずに後述するカソードオフガス管３７に直接流入させるための配管である。バイパス管３６は、一端がバイパス制御弁３５の第２出口ポート３５ｃに連結され、他端が後述するカソード圧力制御弁３８と希釈器３９との間のカソードオフガス管３７に連結される。
【００３６】
バイパス制御弁３５は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電動三方弁であって、入口ポート３５ａと、第１出口ポート３５ｂと、第２出口ポート３５ｃと、を備える。バイパス制御弁３５の開度は、電子制御ユニット２００によって制御される。入口ポート３５ａは、インタークーラ３４側の空気供給管３１に連結される。第１出口ポート３５ｂは、燃料電池スタック１０側の空気供給管３１に連結される。第２出口ポート３５ｃは、バイパス管３６に連結される。バイパス制御弁３５の開度を調整することで、入口ポート３５ａと、第１出口ポート３５ｂ及び第２出口ポート３５ｃと、の連通状態が調整される。
【００３７】
具体的には、バイパス制御弁３５が全閉にされたときは、入口ポート３５ａと第１出口ポート３５ｂとが連通状態となり、入口ポート３５ａと第２出口ポート３５ｃとが非連通状態となる。その結果、コンプレッサ３３から吐出された空気はバイパス管３６に流入せず、バイパス制御弁３５を介して全て空気供給管３１から空気通路３に流入する。
【００３８】
一方でバイパス制御弁３５が全開にされたときは、入口ポート３５ａと第１出口ポート３５ｂとが非連通状態となり、入口ポート３５ａと第２出口ポート３５ｃとが連通状態となる。その結果、コンプレッサ３３から吐出された空気はバイパス制御弁３５を介して全てバイパス管３６に流入し、空気通路３には流入しなくなる。
【００３９】
そして、バイパス弁制御弁が全閉及び全開以外の開度（任意の中間開度）にされたときは、入口ポート３５ａは、第１出口ポート３５ｂ及び第２出口ポート３５ｃとそれぞれ連通した状態となる。その結果、バイパス制御弁３５の開度に応じてコンプレッサ３３から吐出された空気の一部がバイパス制御弁３５を介してバイパス管３６に流入し、残りがバイパス制御弁３５を介して空気供給管３１から空気通路３に流入する。バイパス制御弁３５の開度を大きくするほど、コンプレッサ３３から吐出された空気のうち、バイパス管３６に流入する空気の比率が高くなる。
【００４０】
このようにバイパス制御弁３５は、コンプレッサ３３から吐出された空気のうち、空気通路３に供給される空気の量及びバイパス管３６内へ流れ込む空気の量を制御する。
【００４１】
第１流量センサ２１２は、コンプレッサ３３とインタークーラ３４との間の空気供給管３１に設けられ、コンプレッサ３３から吐出された空気の流量を検出する。なお、第１流量センサ２１２をコンプレッサ３３よりも上流の空気供給管３１に設け、第１流量センサ２１２によってコンプレッサ３３が吸入する空気の流量を検出するようにしても良い。
【００４２】
第２流量センサ２１３は、バイパス管３６に設けられ、バイパス制御弁３５を介してバイパス管３６に流入してきた空気（以下「バイパス空気」という。）の流量を検出する。
【００４３】
酸化剤ガス排出部３０Ｂは、カソードオフガス管３７と、カソード圧力制御弁３８と、希釈器３９と、カソード圧力センサ２１４と、を備える。
【００４４】
カソードオフガス管３７は、空気通路３の出口から流出したカソードオフガスが流れる配管であって、一端が空気通路３の出口に連結され、他端が大気に開口している。カソードオフガスは、各単セル１内で電気化学反応に使用されなかった余剰の酸素と、窒素等の不活性ガスと、電気化学反応によって生じた水蒸気と、の混合ガスである。
【００４５】
カソード圧力制御弁３８は、カソードオフガス管３７に設けられる。カソード圧力制御弁３８は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。カソード圧力制御弁３８の開度を制御することで、空気通路３内の圧力であるカソード圧力が制御される。
【００４６】
カソード圧力センサ２１４は、カソード圧力制御弁３８よりも上流のカソードオフガス管３７に設けられる。カソード圧力センサ２１４は、カソード圧力（空気通路３内の圧力）を代表する値として、カソード圧力制御弁３８よりも上流のカソードオフガス管３７内の圧力を検出する。
【００４７】
希釈器３９は、カソード圧力制御弁３８よりも下流のカソードオフガス管３７に設けられる。前述したように、希釈器３９にはパージ管２５が連結されており、カソードオフガス管３７を介してカソードオフガス及びバイパス空気が流入し、パージ管２５を介してアノードオフガスが流入する。その結果、希釈器３９の内部でカソードオフガス、バイパス空気及びアノードオフガスが混合され、それらの混合ガスが排出ガスとして希釈器３９よりも下流のカソードオフガス管３７から大気に排出される。このように、希釈器３９の内部でカソードオフガス、バイパス空気及びアノードオフガスを混合させることで、アノードオフガス中の水素をカソードオフガス及びバイパス空気によって希釈し、大気に排出される排出ガスの水素濃度が基準濃度（例えば４％）未満になるようにしている。
【００４８】
このように本実施形態では、水素通路２からパージ管２５に流出したアノードオフガスを、水素供給管２１に戻すことなくカソードオフガス管３７から大気に排出している。すなわち本実施形態による燃料電池システム１００は、水素非循環式である。
【００４９】
水素非循環式の燃料電池システム１００の場合、アノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させる水素循環式のシステムに比べ、アノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させるための循環ポンプなどが不要となる。そのため、水素非循環式の燃料電池システム１００は、水素循環式のシステムと比べて、循環ポンプを駆動するための電力が不要となって燃費の向上を図ることができると共に、構成を簡素化してコストを低減することができる。
【００５０】
冷却水循環部４０は、冷却水循環配管４１と、冷却水ポンプ４２と、ラジエータ４３と、ラジエータバイパス管４４と、ラジエータバイパス制御弁４５と、水温センサ２１５と、を備える。
【００５１】
冷却水循環配管４１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷却水を循環させる配管であって、一端が冷却水通路４の入口に接続され、他端が冷却水通路４の出口に接続される。以下では、冷却水通路４の出口側を冷却水循環配管４１の上流と定義し、冷却水通路４に入口側を冷却水循環配管４１の下流と定義して説明する。
【００５２】
冷却水ポンプ４２は、冷却水循環配管４１の下流側に設けられ、冷却水を循環させる。
【００５３】
ラジエータ４３は、冷却水ポンプ４２よりも上流の冷却水循環配管４１に設けられ、冷却水通路４の出口から流出した冷却水を、例えば走行風やラジエータファン４６によって吸い込んだ空気によって冷却する。
【００５４】
ラジエータバイパス管４４は、ラジエータ４３を経由させずに冷却水を循環させることができるように設けられた配管であって、一端がラジエータバイパス制御弁４５に接続され、他端がラジエータ４３と冷却水ポンプ４２との間の冷却水循環配管４１に接続される。
【００５５】
ラジエータバイパス制御弁４５は、例えばサーモスタットであり、ラジエータ４３よりも上流の冷却水循環配管４１に設けられる。ラジエータバイパス制御弁４５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が予め設定された基準温度よりも高いときは、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水が、ラジエータ４３を経由して再び冷却水通路４に流入するように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が基準温度以下のときは、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水が、ラジエータ４３を経由せずにラジエータバイパス管４４を流れて直接冷却水通路４に流入するように冷却水の循環経路を切り替える。
【００５６】
水温センサ２１５は、ラジエータバイパス制御弁４５よりも上流の冷却水循環配管４１に設けられ、冷却水通路４から冷却水循環配管４１に流出した冷却水の温度を検出する。
【００５７】
電気負荷部５０は、第１コンバータ５１と、回路遮断器５２と、バッテリ５３と、第２コンバータ５４と、モータジェネレータ５５と、インバータ５６と、を備える。電気負荷部５０と燃料電池スタック１０の出力端子との接続ライン５７には、燃料電池スタック１０から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出するための電流センサ２１６と、燃料電池スタック１０の出力端子の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出するための電圧センサ２１７と、が設けられる。
【００５８】
第１コンバータ５１は、一次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子が回路遮断器５２を介して燃料電池スタック１０の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第１コンバータ５１は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて一次側の端子間電圧となる燃料電池スタック１０の出力電圧を昇降圧させ、出力電圧を燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される目標出力電圧に制御する。
【００５９】
回路遮断器５２は、電子制御ユニット２００によって開閉され、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０とを電気的に接続又は遮断する。なお、回路遮断器５２は必ずしも設ける必要はない。
【００６０】
バッテリ５３は、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。バッテリ５３には、燃料電池スタック１０の余剰電力及びモータジェネレータ５５の回生電力が充電される。バッテリ５３に充電された電力は、必要に応じてモータジェネレータ５５やコンプレッサ３３等の燃料電池システム１００が備える各制御部品を駆動するために使用される。
【００６１】
第２コンバータ５４は、例えば二次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子がバッテリ５３の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第２コンバータ５４は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて二次側の端子間電圧となるインバータ５６の入力電圧を昇降圧させ、入力電圧を燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される目標入力電圧に制御する。
【００６２】
モータジェネレータ５５は、例えば三相の永久磁石型同期モータであり、燃料電池システム１００が搭載される車両の動力を発生させるモータとしての機能と、車両の減速時に発電するジュネレータとしての機能と、を備える。モータジェネレータ５５は、インバータ５６の交流側端子に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力及びバッテリ５３の電力によって駆動される。
【００６３】
インバータ５６は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて直流側端子から入力された直流電流を交流電流に変換して交流側端子から出力し、逆に電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて交流側端子から入力された交流電流を直流電流に変換して直流側端子から出力することが可能な電気回路を備える。インバータ５６の直流側端子は第１コンバータ５１及び第２コンバータ５４の二次側端子に接続され、インバータ５６の交流側端子はモータジェネレータ５５の入出力端子に接続される。インバータ５６は、モータジェネレータ５５をモータとして機能させるときは、燃料電池スタック１０の出力電流及びバッテリ５３の出力電流の合成直流電流を交流電流（本実施形態では三相交流電流）に変換してモータジェネレータ５５に供給する。一方でインバータ５６は、モータジェネレータ５５をジュネレータとして機能させるときは、モータジェネレータ５５からの交流電流を直流電流に変換してバッテリ５３等に供給する。
【００６４】
電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。
【００６５】
入力ポート２０５には、前述したアノード圧力センサ２１１や第１流量センサ２１２、第２流量センサ２１３、カソード圧力センサ２１４、水温センサ２１５、電流センサ２１６、電圧センサ２１７などの燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。また、入力ポート２０５には、燃料電池システム１００の起動及び停止を判断するためのスタートスイッチ２１８からの出力信号が入力される。
【００６６】
出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して水素供給制御弁２３（遮断弁２３１、レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３）やパージ制御弁２６、コンプレッサ３３、バイパス制御弁３５、カソード圧力制御弁３８、冷却水ポンプ４２、第１コンバータ５１、回路遮断器５２、第２コンバータ５４、モータジェネレータ５５、インバータ５６などの各制御部品が電気的に接続される。
【００６７】
電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力する。
【００６８】
電子制御ユニット２００は、スタートスイッチ２１８の出力信号に基づいてシステム停止要求があると判定すると、所定の停止シーケンスを実施した後に燃料電池システム１００を完全に停止させる。燃料電池システム１００を完全に停止させてから次に起動するまでのシステム停止中における開回路電圧が高電圧のまま維持されることによる膜電極接合体１ａの触媒の劣化を抑制するために、この停止シーケンスによって、システム停止要求時に空気通路３内に残留している酸素が発電によって消費され、空気通路３については通路内がほぼ窒素で満たされた状態で密閉され、水素通路２については通路内が水素で満たされた状態で密閉される。すなわち、遮断弁２３１、カソード圧力制御弁３８及びパージ制御弁２６については全閉とされた状態、バイパス制御弁３５については全開とされた状態で、燃料電池システム１００が完全に停止される。これらの各バルブ（遮断弁２３１、カソード圧力制御弁３８、パージ制御弁２６、バイパス制御弁３５）としては、各バルブが配置された各配管を完全に封止して、空気通路３及び水素通路２を完全に密閉できるようにシール材等が構成されたものが望ましいが、必ずしも完全な密閉状態が作れるように構成されたものでなくても良い。
【００６９】
なお、ここでいう開回路電圧は、燃料電池スタック１０で発電が行われていないとき、すなわち燃料電池スタック１０の出力電流がゼロ［Ａ］のときの燃料電池スタック１０の出力電圧のことである。
【００７０】
そして電子制御ユニット２００は、スタートスイッチ２１８の出力信号に基づいてシステム起動要求があると判定すると、所定の起動シーケンスを実施して燃料電池システム１００を起動させる。
【００７１】
ここで、空気通路３と水素通路２とは、燃料電池スタック１０内において膜電極接合体１ａによって隔てられているが、膜電極接合体１ａによってガスの透過を完全に防ぐことはできない。そのためシステム停止中は、空気通路３内及びバッファ部２４を含む水素通路２内のガス組成がほぼ同一となり、また、カソード圧力及びアノード圧力がほぼ同一となる平衡状態になるまで、空気通路３内の窒素が水素通路２内に徐々に透過していき、また、水素通路２内の水素が空気通路３内に徐々に透過していく。システム停止中における平衡状態での空気通路３内及び水素通路２内のガス組成は、それぞれ例えば窒素８０％、水素２０％である。
【００７２】
つまり、システム起動要求時は、システム停止時間にもよるが、基本的に空気通路３内及び水素通路２内にそれぞれ水素と窒素が存在する状態になっており、空気通路３内及び水素通路２内にそれぞれ発電に不要なガスが含まれている。そのため、燃料電池システム１００を起動させる際に実施される起動シーケンスに、空気通路３を一旦空気によって掃気する空気通路掃気処理と、水素通路２を一旦水素によって掃気する水素通路掃気処理と、を含ませることが望ましい。そして、燃料電池システム１００の起動時間を短縮するには、この空気通路掃気処理と水素通路掃気処理とを同時に行って、起動シーケンスの実施時間を短縮することが望ましい。
【００７３】
しかしながら、水素非循環式の燃料電池システム１００の場合、アノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させる循環ポンプがないため、水素通路２を掃気するには、ある程度の量の水素を水素源２２から水素通路２に供給して水素通路２内の窒素を水素と共に水素通路２からアノードオフガスとして排出する必要がある。そのため、水素通路２の掃気時に排出されるアノードオフガスは、その水素濃度が比較的高くなりやすい。
【００７４】
また、空気通路３には、前述したようにシステム停止中に膜電極接合体１ａを介して水素通路２からリークしてきた水素が存在する場合がある。
【００７５】
そのため、空気通路掃気処理と水素通路掃気処理とを同時に行って、空気通路３から流出したカソードオフガスと、水素通路２から流出したアノードオフガスと、を同時に希釈器３９に流入させると、いずれのオフガスにも水素が含まれており、アノードオフガスの水素濃度が比較的高くなりやすいので、希釈器３９から排出される排出ガスの水素濃度が高くなって、排出ガスの水素濃度が基準濃度を超えるおそれがある。
【００７６】
そこで本実施形態では、起動シーケンス中に排出ガスの水素濃度が基準濃度を超えないように水素通路掃気処理と空気通路掃気処理とを実施する。以下、この起動シーケンス中に実施される本実施形態による掃気処理について説明する。
【００７７】
図２は、起動シーケンス中に実施される本実施形態による掃気処理について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、スタートスイッチ２１８の出力信号がオフからオンになったとき、すなわちシステム起動要求があったときに実施される起動シーケンス中に、本フローチャートに示された掃気処理を実施する。なお、この掃気処理中は、回路遮断器５２は遮断状態となっている。
【００７８】
ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、パージ制御弁２６を閉じたまま水素供給制御弁２３を開き、水素供給管２１を介して水素源２２から水素通路２に水素を供給する。具体的には、電子制御ユニット２００は、パージ制御弁２６を閉じたまま遮断弁２３１を開くと共に、アノード圧力が目標起動アノード圧となるようにレギュレータ２３２及びインジェクタ２３３の開度を制御して、水素供給管２１を介して水素源２２から水素通路２に水素を供給する。
【００７９】
目標起動アノード圧は、システム起動要求時に水素通路２やバッファ部２４内に存在する窒素等の不活性ガスを、パージ制御弁２６が開かれたときに水素と共にアノードオフガスとしてパージ管２５を介して希釈器３９に流入させることが可能なアノード圧力であって、予め実験等によって設定される。本実施形態では、目標起動アノード圧を固定値としているが、例えばシステム停止時間やシステム停止時におけるバッファ部２４内の水素濃度等に応じて変更するようにしても良い。バッファ部２４内の水素濃度については、センサを設けて検出しても良いし、システム運転中に推定するようにしても良い。
【００８０】
なお、目標起動アノード圧を高くするほど、パージ制御弁２６が開かれたときに希釈器３９に流入するアノードオフガス中の水素濃度が高くなって、排出ガスとして無駄に大気に排出される水素量が多くなり燃費が悪化する。また、水素を希釈するために希釈器３９に流入させるバイパス空気量を増加させる必要もあるので、コンプレッサ３３の消費電力が増加して燃費が悪化すると共に、コンプレッサ３３の騒音も大きくなる。そのため、目標起動アノード圧は、可能な限り低い圧力にすることが望ましい。
【００８１】
またステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、水素通路２への水素の供給と併せて、バイパス制御弁３５を全開にしたままコンプレッサ３３を駆動し、コンプレッサ３３の吐出空気を全てバイパス管３６及びカソードオフガス管３７を介して希釈器３９に流入させる。このとき電子制御ユニット２００は、コンプレッサ３３の吐出空気流量が所定の目標起動流量となるようにコンプレッサ３３を制御する。
【００８２】
目標起動流量は、水素通路２の掃気時に希釈器３９に流入するアノードオフガス中の水素を希釈して、排出ガスの水素濃度を基準濃度未満にするために希釈器３９に流入させておく必要のある空気流量であって、予め実験等によって設定される。なお、目標起動流量を多くするほど、コンプレッサ３３の消費電力が増加して燃費が悪化すると共に、コンプレッサ３３の騒音も大きくなる。そのため、目標起動流量は、可能な限り低い流量にすることが望ましい。
【００８３】
ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、アノード圧力センサ２１１で検出されるアノード圧力が目標起動アノード圧以上になったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、アノード圧力が目標起動アノード圧以上であればステップＳ３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、アノード圧力が目標起動アノード圧未満であればステップＳ１に戻る。
【００８４】
ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、パージ制御弁２６を開き、システム起動要求時に水素通路２やバッファ部２４内に存在する窒素等の不活性ガスを水素と共にアノードオフガスとしてパージ管２５を介して希釈器３９に流入させる。すなわち、水素通路２及びバッファ部２４を水素で掃気し、水素通路２及びバッファ部２４内に存在していた窒素等の不活性ガスを水素に置換する。
【００８５】
希釈器３９には、すでにステップＳ１で駆動されたコンプレッサ３３の吐出空気がバイパス空気として流入しているので、水素通路２の掃気によって希釈器３９に流入したアノードオフガス中の水素は、希釈器３９内でバイパス空気によって希釈される。そのため、希釈器３９から排出される排出ガスの水素濃度が高くなるのを抑制でき、排出ガスの水素濃度は基準濃度未満にすることができる。
【００８６】
またステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、システム停止中に空気通路３内にリークした水素（以下「リーク水素」という。）を、カソード極で酸素と反応させて空気通路３内で消費するために、パージ制御弁２６の開弁に併せて、コンプレッサ３３の吐出空気が空気通路３及びバイパス管３６に流入するようにバイパス制御弁３５及びコンプレッサ３３を制御する。
【００８７】
具体的には、電子制御ユニット２００は、バイパス空気流量が前述した目標起動流量となるようにバイパス制御弁３５の開度を制御しつつ、カソード圧力が目標起動カソード圧となるようにコンプレッサ３３の吐出空気流量を制御する。これにより、目標起動流量となるように制御されていたコンプレッサ３３の吐出空気流量が、カソード圧力を目標起動カソード圧まで昇圧させるために目標起動流量から増量される。その結果、バイパス制御弁３５は全開となっているので、バイパス空気流量が目標起動流量よりも多くなり、バイパス空気流量を目標起動流量にするためにバイパス制御弁３５の開度が全開から閉じ方向に制御される。その結果、バイパス管３６には目標起動流量の空気が流入し、空気通路３にはカソード圧力を目標起動カソード圧まで昇圧させるために必要な流量の空気が流入する。
【００８８】
なお、目標起動カソード圧は、リーク水素を消費するために必要な量の酸素を空気通路３内に供給することが可能なカソード圧力であって、予め実験等によって設定される。本実施形態では、目標起動カソード圧を固定値としているが、例えばシステム停止時間などに応じて変化する可変値としても良い。
【００８９】
ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、水素通路２及びバッファ部２４の水素による掃気が完了したか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、パージ制御弁２６の開弁時間が所定時間以上であれば掃気が完了したと判定してステップＳ５の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、パージ制御弁２６の開弁時間が所定時間未満であれば掃気が未完了であると判定してステップＳ３の処理に戻る。
【００９０】
ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、パージ制御弁２６を閉じると共に、水素供給制御弁２３のうち少なくとも遮断弁２３１を閉じて、水素通路２からバッファ部２４までの空間を密閉する。
【００９１】
またステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、パージ制御弁２６の閉弁に併せて、バイパス制御弁３５を全閉にすると共に、コンプレッサ３３については引き続きカソード圧力が目標起動カソード圧となるように吐出空気流量を制御する。バイパス制御弁３５を全閉にするのは、パージ制御弁２６を閉じた後は希釈器３９にアノードオフガスが流入しなくなるので、バイパス空気を希釈器３９に流入させる必要がなくなるためである。このように、パージ制御弁２６の閉弁に併せてバイパス制御弁３５を全閉にすることで、コンプレッサ３３の吐出空気流量を抑えることができるので、コンプレッサ３３の消費電力を抑えて燃費の悪化を抑制ことができる。
【００９２】
なお、パージ制御弁２６よりも下流のパージ管２５には、パージ制御弁２６を閉じた後もアノードオフガスが残っている場合があるため、パージ制御弁２６を閉じてから所定時間経過した後にバイパス制御弁３５を全閉にするようにしても良い。また、パージ制御弁２６を閉じた後も、念のため、バイパス制御弁３５を全閉とせずに目標起動流量のバイパス空気が希釈器３９に流入するようにしても良い。
【００９３】
このように電子制御ユニット２００は、ステップＳ２でアノード圧力が目標起動アノード圧以上になったと判定したら、ステップＳ３からステップＳ５において、一時的にパージ制御弁２６を開いて水素通路２内の窒素をカソードオフガス管３７に排出しつつ、コンプレッサ３３から吐出された空気が少なくとも空気通路３に流れ込むようにバイパス制御弁３５の開度を制御する。
【００９４】
ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になったか否かを判定する。以下、図３を参照して空気通路３内のリーク水素の残量の推定方法について説明する。
【００９５】
図３は、空気通路３内にリーク水素が存在する状態（例えば空気通路３内のガス組成が窒素８０％、水素２０％の状態）から空気通路３に空気を供給したときの出力電圧（開回路電圧）の変化を示す図である。なお比較のために、図３に、空気通路３内にリーク水素が存在しない状態（例えば空気通路３内のガス組成が窒素１００％の状態）から空気通路３に空気を供給したときの出力電圧（開回路電圧）の変化を破線で示した。
【００９６】
図３に示すように、空気通路３内にリーク水素が存在する場合も存在しない場合も、空気通路３内に酸素が存在していないので、空気供給前の開回路電圧はほぼ０［Ｖ］である。
【００９７】
そして、空気通路３に空気が供給されると、破線で示すように空気通路３内にリーク水素が存在しない場合は、空気通路３内の酸素分圧が増加することにより開回路電圧が上昇していく。
【００９８】
一方、実線で示すように空気通路３内にリーク水素が存在する場合は、供給された空気中の酸素がカソード極で水素と反応して空気通路３内で消費されるので、しばらくの間は酸素分圧がほとんど増加せず、その結果開回路電圧もほとんど上昇しない。そして、リーク水素の減少と共に酸素分圧が増加すると、開回路電圧が上昇していく。
【００９９】
そのため、開回路電圧を検出すれば、空気通路３内のリーク水素の残量を推定することができる。そこで本実施形態では、開回路電圧に基づいて空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になったか否かを判定している。具体的には、電子制御ユニット２００は、開回路電圧が所定電圧以上であれば、空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になったと判定してステップＳ７の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、開回路電圧が所定電圧未満であれば、ステップＳ５の処理に戻る。
【０１００】
ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、カソード圧力制御弁３８を開いて空気通路３を空気で掃気し、未消費のリーク水素を空気と共にカソードオフガスとしてカソードオフガス管３７を介して希釈器３９に流入させる。
【０１０１】
このように、システム停止中に空気通路３内にリークしたリーク水素を予め空気通路３内で消費させた後、カソード圧力制御弁３８を開いて空気通路３の掃気を実施することで、希釈器３９に流入するカソードオフガス中の水素濃度を低く抑えることができる。また、パージ制御弁２６も閉じられているので、希釈器３９にはアノードオフガスが流入していない。そのため、希釈器３９から排出される排出ガスの水素濃度が高くなるのを抑制でき、排出ガスの水素濃度は基準濃度未満にすることができる。
【０１０２】
ステップＳ８において、電子制御ユニット２００は、空気通路３の空気による掃気が完了したか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、カソード圧力制御弁３８の開弁時間が所定時間未満であれば掃気が未完了であると判定してステップＳ７の処理に戻る。一方で電子制御ユニット２００は、カソード圧力制御弁３８の開弁時間が所定時間以上であれば掃気が完了したと判定して掃気処理を終了する。
【０１０３】
図４は、起動シーケンス中に実施される本実施形態による掃気処理について説明するタイムチャートである。
【０１０４】
電子制御ユニット２００は、システム起動要求があると判定すると、時刻ｔ１で、パージ制御弁２６を閉じたまま水素供給制御弁２３を開いて水素通路２に水素を供給すると共に、バイパス制御弁３５を全開にしたままコンプレッサ３３を駆動してコンプレッサの吐出空気を全てバイパス管３６に流入させる。
【０１０５】
次に時刻ｔ２で、アノード圧力が目標起動アノード圧まで増加したら、電子制御ユニット２００は、カソード圧力制御弁３８を閉じたままパージ制御弁２６を開いて水素通路２及びバッファ部２４の掃気を実施すると共に、バイパス制御弁３５を任意の中間開度に制御してコンプレッサ３３の吐出空気を空気通路３及びバイパス管３６の双方に流入させる。そして時刻ｔ３で、水素通路２及びバッファ部２４の掃気が完了したら、電子制御ユニット２００は、水素供給制御弁２３及びパージ制御弁２６を閉じると共に、バイパス制御弁３５を全閉にして、コンプレッサ３３の吐出空気を全て空気通路３に流入させる。
【０１０６】
時刻ｔ２から空気通路３に流入している空気中の酸素は、カソード極でリーク水素と反応して消費される。そのため、時刻ｔ２以降もしばらくは空気通路３内の酸素分圧は増加せず、出力電圧（開回路電圧）も変化しない。時刻ｔ４で、空気通路３に流入してくる酸素量が、空気通路３内でリーク水素と反応して消費される酸素量よりも多くなると、徐々に空気通路３内の酸素分圧が増加し、出力電圧も増加していく。
【０１０７】
時刻ｔ５で、出力電圧が所定電圧まで増加すると、電子制御ユニット２００は、水素供給制御弁２３及びパージ制御弁２６を閉じたままカソード圧力制御弁３８を開いて空気通路３の掃気を実施する。そして、時刻ｔ５以降で起動シーケンスが終了すると、燃料電池スタック１０による発電が開始される。
【０１０８】
このように電子制御ユニット２００は、水素非循環式の燃料電池システム１００を起動させるとき、少なくとも以下の手順を経て燃料電池システム１００を起動させる。
【０１０９】
すなわち電子制御ユニット２００は、システム起動の第１工程として、パージ制御弁２６を閉じたまま水素供給制御弁２３を制御して水素通路２に水素を供給すると共に、カソード圧力制御弁３８を閉じたままコンプレッサ３３を駆動してコンプレッサ３３から吐出された空気を全てバイパス管３６に流入させる。
【０１１０】
次に電子制御ユニット２００は、システム起動の第２工程として、アノード圧力が目標起動アノード圧以上になったと判定したら、一時的にパージ制御弁２６を開いて水素通路２内のガス（水素及び窒素）を水素で掃気してカソードオフガス管３７に排出しつつ、カソード圧力制御弁３８を閉じたままコンプレッサ３３から吐出された空気が少なくとも空気通路３に流れ込むようにバイパス制御弁３５の開度を制御する。
【０１１１】
最後に電子制御ユニット２００は、システム起動の第３工程として、空気通路３内の水素残量が所定量以下になったと判定したら、パージ制御弁２６が閉じられた状態でカソード圧力制御弁３８を開いて空気通路３内のガス（空気、リーク水素の一部）を空気で掃気してカソードオフガス管３７に排出する。
【０１１２】
これにより、以下の効果を得ることができる。
【０１１３】
すなわち、第２工程で水素通路２内のガスを水素で掃気してカソードオフガス管３７に排出するときはカソード圧力制御弁３８が閉じられており、第３工程で空気通路３内のガスを空気で掃気してカソードオフガス管３７に排出するときはパージ制御弁２６が閉じられているので、アノードオフガスとカソードオフガスとが同時にカソードオフガス管３７に排出されることがない。
【０１１４】
そのため、水素非循環式の燃料電池システム１００の起動時において、アノードオフガスとカソードオフガスとが同時にカソードオフガス管３７に排出されることに起因して水素濃度が高くなるのを抑制することができる。
【０１１５】
また、第２工程で水素通路２内のガスを水素で掃気してカソードオフガス管３７に排出する前に、第１工程で予め掃気時にカソードオフガス管３７に排出されるアノードオフガス中の水素を希釈するための空気をカソードオフガス管３７に流入させているので、アノード圧力が目標起動アノード圧以上になったらすぐにパージ制御弁２６を開弁することができる。
【０１１６】
そのため、燃料電池システム１００の起動時間を短縮しつつ、掃気時にカソードオフガス管３７に排出されるアノードオフガス中の水素を空気によって希釈して、水素濃度を確実に基準濃度未満にすることができる。
【０１１７】
また、第１工程では、コンプレッサの吐出空気の全てがバイパス管に流れるようにしているので、コンプレッサの吐出空気流量を水素希釈のために最低限必要な流量（目標起動流量）に抑えることができる。そのため、コンプレッサの消費電力を抑えて燃費の悪化を抑制すると共に、コンプレッサの騒音が大きくなるのを抑制することができる。
【０１１８】
また、第２工程では、パージ制御弁２６の開弁と併せて、空気通路３内のリーク水素を消費するために空気通路３への空気供給を開始している。そのため、例えばパージ制御弁２６を閉弁してから空気通路３への空気供給を開始する場合と比較して、システム起動要求があってから空気通路３の掃気を行うまでの時間を短縮することができる。したがって、燃料電池システム１００の起動時間を短縮することができる。
【０１１９】
また、第３工程では、空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になってから空気通路３内のガスを空気で掃気してカソードオフガス管３７に排出させるので、水素濃度を確実に基準濃度未満にすることができる。
【０１２０】
また、水素通路２内のガスを水素で掃気してから空気通路３内のガスを空気で掃気するようにしたので、さらに以下の効果を得ることができる。
【０１２１】
すなわち、空気通路３内を先に掃気してしまうと、その後の水素通路２内の掃気準備中や掃気時に、水素通路２内の水素が膜電極接合体１ａを介して空気通路３にリークするおそれがある。その結果、その後にカソード圧力制御弁３８が開かれたときに、空気通路３内を一旦掃気したにもかかわらず、空気通路３から排出されるカソードオフガス中に水素が含まれることになり、排出ガスの水素濃度が高くなるおそれがある。したがって、水素通路２内のガスを水素で掃気してから空気通路３内のガスを空気で掃気することで、このような問題を解消することができる。
【０１２２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１２３】
上記の実施形態では、燃料電池スタック１０の開回路電圧が所定電圧以上であれば空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になったと判定していたが、判定方法はこれに限られるものではない。
【０１２４】
例えば、空気通路３内にリーク水素が存在しない場合の燃料電池スタック１０の開回路電圧を基準値として記憶しておき、この基準値と電圧センサ２１７で検出した燃料電池スタック１０の開回路電圧と差分が所定値以下になったときに、空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になったと判定しても良い。
【０１２５】
また、電圧センサ２１７で検出した燃料電池スタック１０の開回路電圧の微分値が所定値以上になったときに、空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になったと判定しても良い。
【０１２６】
また、単セル１や単セル群の出力電圧を検出できるようにしておき、単セル１や単セル群の開回路電圧が所定電圧以上のときに、空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になったと判定しても良いし、上記の２つの例示において燃料電池スタック１０の開回路電圧に換えて単セル１や単セル群の開回路電圧を用いても良い。
【０１２７】
また、空気通路３内に空気を供給してからの経過時間が所定時間以上になったときに、空気通路３内のリーク水素の残量が所定量以下になったと判定しても良い。
【０１２８】
また、上記の実施形態では、起動シーケンス中の掃気処理において、バイパス空気流量が目標起動流量となるようにバイパス制御弁３５の開度を制御していたが、例えば希釈器３９や希釈器３９よりも下流のカソードオフガス管３７に排出ガスの水素濃度を検出する水素濃度センサを設け、排出ガスの水素濃度が基準濃度よりも低い所定濃度以上となったときにはバイパス空気流量が目標起動流量よりも多くなるようにバイパス制御弁３５の開度を制御しても良い。
【符号の説明】
【０１２９】
２    水素通路（燃料ガス通路）
２１    水素供給管（燃料ガス供給管）
２２    水素源（燃料ガス源）
２３    水素供給制御弁（燃料ガス供給制御弁）
２５    パージ管
２６    パージ制御弁
３    空気通路（酸化剤ガス通路）
３１    空気供給管（酸化剤ガス供給管）
３３    コンプレッサ
３５    バイパス制御弁
３６    バイパス管
３７    カソードオフガス管
３８    カソード圧力制御弁
１０    燃料電池スタック
１００    燃料電池システム
２００    電子制御ユニット（制御装置）
２１１    アノード圧力センサ（アノード圧力検出器）
【図１】
2016122541.tif 000003
【図２】
2016122541.tif 000004
【図３】
2016122541.tif 000005
【図４】
2016122541.tif 000006