(57)【要約】【課題】燃料電池システムの再起動時のパージにおいて、排出燃料ガス濃度を上げることなく、燃料ガス置換と残留水の除去を確実に行なうことができる燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池システムの停止時には、アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２、カソード入口バルブＶ３およびカソード出口バルブＶ４のすべて閉じられる。そして、ディスチャージ抵抗６０と燃料電池１０とを接続して、アノード１２の水素およびカソード１３の空気を消費させることにより、燃料電池１０内が負圧に設定される。燃料電池システムの再起動時には、アノード入口バルブＶ１の上流が昇圧された後に、アノード入口バルブＶ１が開かれて、イジェクタバイパス配管ａ９を介して水素パージが行なわれる。【選択図】図１
2009117189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス供給手段から燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを前記燃料ガス供給路にイジェクタを介して再循環させる循環路と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、
前記燃料排ガス路から燃料排ガスをパージするパージ手段と、
前記燃料ガス供給路のイジェクタの上流に配置され、前記燃料ガス供給路を遮断可能な燃料ガス遮断手段と、
前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給路に設けられて前記イジェクタをバイパスするイジェクタバイパス路と、
前記イジェクタバイパス路の開閉を行なう開閉手段と、
前記燃料電池システムの停止時に前記燃料ガス遮断手段を遮断し、前記パージ手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する燃料ガスを消費することにより前記燃料電池内を負圧にする燃料電池負圧形成手段と、をさらに備え、
前記燃料電池負圧形成手段により前記燃料電池内を負圧にした後、この負圧を維持し、前記燃料電池システムの再起動時に前記燃料ガス遮断手段を開放し、前記イジェクタバイパス路の開閉手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し、その後、前記パージ手段を開放してパージを行なうことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項２】
前記酸化剤ガス供給路を遮断可能な酸化剤ガス遮断手段と、
前記酸化剤排ガス排出路を遮断可能な酸化剤排ガス遮断手段と、を備え、
前記燃料電池負圧形成手段は、前記燃料電池システムの停止時に前記酸化剤ガス遮断手段を遮断し、前記酸化剤排ガス遮断手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する酸化剤ガスを消費することにより前記燃料電池内を負圧に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の制御方法。
【請求項３】
燃料ガス供給手段から燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを前記燃料ガス供給路にイジェクタを介して再循環させる循環路と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、
前記燃料排ガス路から燃料排ガスをパージするパージ手段と、
前記燃料ガス供給路のイジェクタの上流に配置され、前記燃料ガス供給路を遮断可能な燃料ガス遮断手段と、
前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給路に設けられて前記イジェクタをバイパスするイジェクタバイパス路と、
前記イジェクタバイパス路の開閉を行なう開閉手段と、
前記燃料ガス遮断手段を遮断し、前記パージ手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する燃料ガスを消費することにより前記燃料電池内を負圧にする燃料電池負圧形成手段と、をさらに備え、
前記燃料電池システムの再起動時に、前記燃料電池負圧形成手段により前記燃料電池内を負圧にした後、前記燃料ガス遮断手段を開放し、前記イジェクタバイパス路の開閉手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し、その後、前記パージ手段を開放してパージを行なうことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項４】
燃料ガス供給手段から燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを前記燃料ガス供給路にイジェクタを介して再循環させる循環路と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、
前記燃料排ガス路から燃料排ガスをパージするパージ手段と、
前記燃料ガス供給路のイジェクタの上流に配置され、前記燃料ガス供給路を遮断可能な燃料ガス遮断手段と、
前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給路に設けられて前記イジェクタをバイパスするイジェクタバイパス路と、
前記イジェクタバイパス路の開閉を行なう開閉手段と、
前記燃料ガス遮断手段を遮断し、前記パージ手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する燃料ガスを吸引することにより前記燃料電池内を負圧にする燃料電池負圧形成手段と、をさらに備え、
前記燃料電池システムの再起動時に、前記燃料電池負圧形成手段により前記燃料電池内を負圧にした後、前記燃料ガス遮断手段を開放し、前記イジェクタバイパス路の開閉手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し、その後、前記パージ手段を開放してパージを行なうことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
燃料ガス供給手段から燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを前記燃料ガス供給路にイジェクタを介して再循環させる循環路と、
前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、
前記燃料排ガス路から燃料排ガスをパージするパージ手段と、
前記燃料ガス供給路のイジェクタの上流に配置され、前記燃料ガス供給路を遮断可能な燃料ガス遮断手段と、
前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス供給路に設けられて前記イジェクタをバイパスするイジェクタバイパス路と、
前記イジェクタバイパス路の開閉を行なう開閉手段と、
前記燃料電池システムの停止時に前記燃料ガス遮断手段を遮断し、前記パージ手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する燃料ガスを吸引することにより前記燃料電池内を負圧にする燃料電池負圧形成手段と、をさらに備え、
前記燃料電池負圧形成手段により前記燃料電池内を負圧にした後、この負圧の状態を維持し、前記燃料電池システムの再起動時に前記燃料ガス遮断手段を開放し、前記イジェクタバイパス路の開閉手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し、その後、前記パージ手段を開放してパージを行なうことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池システムの再起動時に、前記燃料ガス遮断手段の上流側の燃料ガスの圧力を所定値に昇圧した後、前記燃料ガス遮断手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項７】
前記パージ手段を開放するタイミングは、前記燃料電池内の圧力が大気圧以上となったときであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、起動時に燃料電池内を燃料ガスでパージする燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、発電停止時に燃料電池のアノードに水素が、カソードに空気がそれぞれ残留していると燃料電池が高電位に曝されるため、アノードやカソード（電極）などが劣化するという問題がある。このため、燃料電池システムの発電停止時にアノード内に残留する水素を空気に置換する必要がある。
【０００３】
しかし、停止後の再起動時には発電を開始するために空気を水素に置換する必要があるが、このときアノードを水素パージした場合、空気が残留しているため、パージ時の水素の流速が遅くなり、水素置換を完全に行なうことができないという問題があった。そこで、水素の流速を上げるために水素の流量を上げてしまうと、燃料電池システムの外部に排出される排出水素濃度が高濃度となり、また捨てられる水素が多くなり燃料ロスを引き起こすという問題があった。
【０００４】
そこで、起動時にアノード内を負圧にすることにより水素パージにおける水素の流速を上げ、またアノード内を減圧することによりアノード内の空気を除去して、起動時の燃料空気前線（かたまり）の移動を排除する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特表２００７−５１７３７２号公報（段落００１８〜００２３、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載のような燃料電池システムでは、燃料電池内に残留する水の排出が十分に行なわれず、再起動時における空気から水素へのガス置換が十分に行なわれないという問題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池システムの再起動時のパージにおいて、排出燃料ガス濃度を上げることなく、燃料ガス置換と残留水の除去を確実に行なうことができる燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、燃料ガス供給手段から燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池からの燃料排ガスを前記燃料ガス供給路にイジェクタを介して再循環させる循環路と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、前記燃料排ガス路から燃料排ガスをパージするパージ手段と、前記燃料ガス供給路のイジェクタの上流に配置され、前記燃料ガス供給路を遮断可能な燃料ガス遮断手段と、前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給路に設けられて前記イジェクタをバイパスするイジェクタバイパス路と、前記イジェクタバイパス路の開閉を行なう開閉手段と、前記燃料電池システムの停止時に前記燃料ガス遮断手段を遮断し、前記パージ手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する燃料ガスを消費することにより前記燃料電池内を負圧にする燃料電池負圧形成手段と、をさらに備え、前記燃料電池負圧形成手段により前記燃料電池内を負圧にした後、この負圧を維持し、前記燃料電池システムの再起動時に前記燃料ガス遮断手段を開放し、前記イジェクタバイパス路の開閉手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し、その後、前記パージ手段を開放してパージを行なうことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池システムの停止時（燃料電池の発電停止時）に燃料ガスを消費することにより燃料電池（アノード）内を負圧にでき、さらに燃料電池システムの再起動時（燃料電池の起動時）にイジェクタバイパス路に燃料ガスを流通させることにより燃料ガスの流速を上げることができるので、燃料電池内の滞留水の除去と燃料ガス置換を同時に短時間で行なうことが可能になり、燃料電池システムの起動性能が向上する。
【０００９】
請求項２に係る発明は、前記酸化剤ガス供給路を遮断可能な酸化剤ガス遮断手段と、前記酸化剤排ガス排出路を遮断可能な酸化剤排ガス遮断手段と、を備え、前記燃料電池負圧形成手段は、前記燃料電池システムの停止時に前記酸化剤ガス遮断手段を遮断し、前記酸化剤排ガス遮断手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する酸化剤ガスを消費することにより前記燃料電池内を負圧にすることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、燃料電池システムの停止時間が長期に及んだ場合でも、燃料電池内の負圧を維持することが可能になる。さらに、酸化剤ガス供給手段を駆動させることなく、バルブの開閉のみで負圧を形成できるので、エネルギーのロスを少なくすることができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、燃料ガス供給手段から燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池からの燃料排ガスを前記燃料ガス供給路にイジェクタを介して再循環させる循環路と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、前記燃料排ガス路から燃料排ガスをパージするパージ手段と、前記燃料ガス供給路のイジェクタの上流に配置され、前記燃料ガス供給路を遮断可能な燃料ガス遮断手段と、前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給路に設けられて前記イジェクタをバイパスするイジェクタバイパス路と、前記イジェクタバイパス路の開閉を行なう開閉手段と、前記燃料ガス遮断手段を遮断し、前記パージ手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する燃料ガスを消費することにより前記燃料電池内を負圧にする燃料電池負圧形成手段と、をさらに備え、前記燃料電池システムの再起動時に、前記燃料電池負圧形成手段により前記燃料電池内を負圧にした後、前記燃料ガス遮断手段を開放し、前記イジェクタバイパス路の開閉手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し、その後、前記パージ手段を開放してパージを行なうことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池システムの再起動時に燃料ガスを消費することにより燃料電池（アノード）内を負圧にでき、さらにイジェクタバイパス路に燃料ガスを流通させて燃料ガスの流速を上げることができるので、燃料電池内の滞留水の除去と燃料ガス置換を同時に短時間で行なうことが可能になり、燃料電池システムの起動性能が向上する。
【００１３】
請求項４に係る発明は、燃料ガス供給手段から燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池からの燃料排ガスを前記燃料ガス供給路にイジェクタを介して再循環させる循環路と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、前記燃料排ガス路から燃料排ガスをパージするパージ手段と、前記燃料ガス供給路のイジェクタの上流に配置され、前記燃料ガス供給路を遮断可能な燃料ガス遮断手段と、前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給路に設けられて前記イジェクタをバイパスするイジェクタバイパス路と、前記イジェクタバイパス路の開閉を行なう開閉手段と、前記燃料ガス遮断手段を遮断し、前記パージ手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する燃料ガスを吸引することにより前記燃料電池内を負圧にする燃料電池負圧形成手段と、をさらに備え、前記燃料電池システムの再起動時に、前記燃料電池負圧形成手段により前記燃料電池内を負圧にした後、前記燃料ガス遮断手段を開放し、前記イジェクタバイパス路の開閉手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し、その後、前記パージ手段を開放してパージを行なうことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池システムの再起動時に燃料ガスを吸引することにより燃料電池（アノード）内を負圧でき、さらにイジェクタバイパス路に燃料ガスを流通させて燃料ガスの流速を上げることができるので、燃料電池内の滞留水の除去と燃料ガス置換を同時に短時間で行なうことが可能になり、燃料電池システムの起動性能が向上する。
【００１５】
請求項５に係る発明は、燃料ガス供給手段から燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記燃料電池からの燃料排ガスを前記燃料ガス供給路にイジェクタを介して再循環させる循環路と、前記燃料電池からの燃料排ガスを排出する燃料排ガス路と、前記燃料排ガス路から燃料排ガスをパージするパージ手段と、前記燃料ガス供給路のイジェクタの上流に配置され、前記燃料ガス供給路を遮断可能な燃料ガス遮断手段と、前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、前記燃料電池からの酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給路に設けられて前記イジェクタをバイパスするイジェクタバイパス路と、前記イジェクタバイパス路の開閉を行なう開閉手段と、前記燃料電池システムの停止時に前記燃料ガス遮断手段を遮断し、前記パージ手段を遮断し、その後に前記燃料電池内に残留する燃料ガスを吸引することにより前記燃料電池内を負圧にする燃料電池負圧形成手段と、をさらに備え、前記燃料電池負圧形成手段により前記燃料電池内を負圧にした後、この負圧の状態を維持し、前記燃料電池システムの再起動時に前記燃料ガス遮断手段を開放し、前記イジェクタバイパス路の開閉手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給し、その後、前記パージ手段を開放してパージを行なうことを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池システムの停止時（燃料電池の発電停止時）に燃料ガスを吸引することにより燃料電池（アノード）内を負圧にでき、さらに燃料電池システムの再起動時にイジェクタバイパス路に燃料ガスを流通させることにより燃料ガスの流速を上げることができるので、燃料電池内の滞留水の除去と燃料ガス置換を同時に短時間で行なうことが可能になり、燃料電池システムの起動性能が向上する。
【００１７】
請求項６に係る発明は、前記燃料電池システムの再起動時に、前記燃料ガス遮断手段の上流側の燃料ガスの圧力を所定圧に昇圧した後、前記燃料ガス遮断手段を開放して前記燃料ガスを前記燃料電池に供給することを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明によれば、燃料ガス遮断手段の上流側と下流側との差圧をさらに高めることができ、燃料電池内の滞留水をさらに排出し易くできる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、前記パージ手段を開放するタイミングは、前記燃料電池内の圧力が大気圧以上となったときであることを特徴とする。
【００２０】
請求項７に係る発明によれば、酸化剤ガス（例えば、空気）の逆流を防止することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池システムの再起動時のパージにおいて、排出燃料ガス濃度を上げることなく、燃料ガス置換と残留水の除去を確実に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの全体構成図、図２はイジェクタの構造を示す断面図、図３は第１実施形態の発電停止時における制御を示すフローチャート、図４は第１実施形態の再起動時における制御を示すフローチャートである。なお、以下に示す実施形態（他の実施形態も同様）では、燃料電池自動車（車両）を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶や航空機などの他の移動体に搭載される燃料電池システムに適用してもよく、あるいは家庭用などの定置式の燃料電池システムに適用してもよい。
【００２３】
図１に示す燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、制御系４０、希釈器５０、ディスチャージ抵抗６０などで構成されている。
【００２４】
前記燃料電池１０は、例えば、イオン交換膜として機能する固体高分子電解質膜１１を、触媒を含むアノード１２および触媒を含むカソード１３で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を有し、この膜電極接合体を導電性のセパレータ１４，１５で挟んで構成した単セル（Single Cell）が複数積層された構造を有している。単セルの各セパレータ１４には、燃料ガスとしての水素が流通するアノード流路１４ａと、アノード流路１４ａ同士を連通させる貫通孔（図示せず）が形成され、また各セパレータ１５には、酸化剤ガスとしての空気が流通するカソード流路１５ａと、カソード流路１５ａ同士を連通させる貫通孔（図示せず）が形成されている。なお、図１に燃料電池１０は、説明の便宜上、単セルの構造を模式的に示している。
【００２５】
前記アノード系２０は、水素タンク２１、遮断弁２２、減圧弁２３、アノード入口バルブＶ１、イジェクタ２４、アノード出口バルブＶ２、イジェクタバイパス配管ａ９、開閉バルブＶ５などで構成されている。また、水素タンク２１は配管ａ１を介して遮断弁２２と接続され、遮断弁２２は配管ａ２を介して減圧弁２３と接続され、減圧弁２３は配管ａ３を介してアノード入口バルブＶ１と接続され、アノード入口バルブＶ１は配管ａ４を介してイジェクタ２４と接続され、イジェクタ２４は配管ａ５を介して燃料電池１０のアノード流路１４ａの入口と接続されている。また、燃料電池１０のアノード流路１４ａの出口は、燃料電池１０から排出されるアノードオフガス（燃料排ガス）を再循環させる循環配管ａ６の一端と接続され、他端がイジェクタ２４と接続されている。また、循環配管ａ６は、配管ａ７を介してアノード出口バルブＶ２と接続されている。
【００２６】
前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。
【００２７】
前記遮断弁２２は、例えば、ソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁により構成されている。なお、遮断弁２２は、水素タンク２１と一体に構成されたインタンク式のものであってもよい。
【００２８】
前記減圧弁２３は、水素タンク２１から供給される高圧の水素ガスの圧力を所定圧に減圧する機能を有する。なお、この減圧弁２３は、例えば、カソード１３側の圧力が信号圧として入力されることによりアノード１２に供給される圧力が調節されるようになっている。つまり、減圧弁２３は、例えばカソード１３側の圧力が高くなればアノード１２側の圧力が高くなるように制御される。なお、減圧弁２３は、カソード１３の圧力に応じてアノード１２の圧力が調節されるものに限定されず、電気信号によって調節されるものであってもよい。
【００２９】
前記アノード入口バルブＶ１は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁であり、イジェクタ２４の上流側に設けられている。
【００３０】
前記イジェクタ２４は、図２に示すように、ベース部１００、ノズル１１０、ニードル１２０、駆動部１３０、ディフューザ１４０などで構成されている。
【００３１】
前記ベース部１００は、配管ａ４と接続される流路１００ａと、循環配管ａ６と接続される流路１００ｂとを有している。
【００３２】
前記ノズル１１０は、先端に向かって縮径する中空部１１０ａを有し、基端が流路１００ａと連通するようにベース部１００に取り付けられている。
【００３３】
前記ニードル１２０は、ノズル１１０の中空部１１０ａにおいて、その軸線上を進退自在に移動すると共に、ノズル１１０の噴射口に遊挿されている。
【００３４】
前記駆動部１３０は、ベース部１００に取り付けられ、後記するＥＣＵ４１ＡによってＯＮ／ＯＦＦされるソレノイド１３０ａなどによってニードル１２０を進退自在に移動させるようになっている。ソレノイド１３０ａがＯＦＦ（非励磁）されている場合には、ニードル１２０が圧縮コイルバネ１２１の弾性復帰力によってベース部１００に当接して所定の位置に係止される。また、ソレノイド１３０ａがＯＮ（励磁）されている場合には、ニードル１２０が吸引されてノズル１１０に対して後退し、ニードル１２０の先端が噴射口から離間するようになっている。
【００３５】
前記ディフューザ１４０は、その中心軸線上に水素流路１４１を有し、ベース部１００とディフューザ１４０の基端外面との間に隙間１４２が形成されるようにしてベース部１００に固定されている。水素流路１４１は、その基端部から順に、流路断面積が一定の円筒部１４１ａと、流路断面積が縮径する縮径部１４１ｂと、流路断面積が最小となるスロート部１４１ｃと、流路断面積が徐々に拡径する拡径する拡径部１４１ｄと、を有している。また、円筒部１４１ａには、周方向において複数（例えば４つ）のアノードオフガス導入孔１４１ａ１が形成され、隙間１４２を介して流路１００ｂと連通するようになっている。
【００３６】
これにより、水素タンク２１からの水素が、イジェクタ２４のノズル１１０から噴射されると、負圧が発生するようになっている。この負圧により、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスが、ベース部１００の流路１００ｂ、隙間１４２、アノードオフガス導入孔１４１ａ１、水素流路１４１に吸引されるようになっている。
【００３７】
図１に示すように、前記アノード出口バルブＶ２は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁であり、適宜開放することにより、燃料電池１０のアノード１２などに蓄積した不純物を外部（車外）に排出する機能を有する。なお、アノード出口バルブＶ２を開放するタイミングは、タイマを利用して所定時間毎に開放してもよく、あるいはセル電圧に基づいて開放してもよい。
【００３８】
また、アノード出口バルブＶ２は、配管ａ８を介して希釈器５０と接続されている。この希釈器５０は、例えば、燃料電池１０のアノード系２０から排出された水素を、燃料電池１０のカソード１３から排出されたカソードオフガスで所定の水素濃度以下に希釈して排出する機能を有し、水素を希釈するための空間を有している。
【００３９】
前記イジェクタバイパス配管ａ９は、水素タンク２１から供給される水素をイジェクタ２４をバイパス（迂回）して燃料電池１０に供給する流路であり、上流側の一端が配管ａ４に接続され、下流側の他端が配管ａ５に接続されている。
【００４０】
前記開閉バルブＶ５は、イジェクタバイパス配管ａ９の途中に設けられ、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁により構成されている。なお、イジェクタ２４とイジェクタバイパス配管ａ９との間で流路を切り替えることができるものであれば、本実施形態に限定されるものではなく、開閉バルブＶ５の位置や弁の種類（三方弁）を適宜変更できる。
【００４１】
前記カソード系３０は、カソード入口バルブＶ３、エアポンプ３１、カソード出口バルブＶ４、背圧バルブ３２などで構成されている。また、カソード入口バルブＶ３は、配管ｃ１を介してエアポンプ３１と接続され、カソード入口バルブＶ３の上流は、燃料電池システム１Ａの外部（大気）と連通するように構成されている。エアポンプ３１は配管ｃ２を介して燃料電池１０のカソード流路１５ａの入口と接続されている。また、燃料電池１０のカソード流路１５ａの出口は、燃料電池１０から排出されるカソードオフガス（酸化剤排ガス）が流通する配管ｃ３を介してカソード出口バルブＶ４と接続され、カソード出口バルブＶ４は配管ｃ４を介して背圧バルブ３２と接続されている。また、背圧バルブ３２は、配管ｃ５を介して希釈器５０と接続されている。なお、カソード入口バルブＶ３およびカソード出口バルブＶ４は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁により構成されている。
【００４２】
前記エアポンプ３１は、モータによって駆動されるスーパーチャージなどで構成され、配管ｃ１から取り込んだ空気を圧縮する機能を有する。
【００４３】
前記背圧バルブ３２は、例えばバタフライ弁などで構成され、開度を調節することによりカソード１３に供給される空気の圧力を調節する機能を有する。
【００４４】
なお、図示していないが、カソード系３０には、エアポンプ３１からの空気を加湿して燃料電池１０に供給するための加湿器などが設けられている。
【００４５】
前記制御系４０は、ＥＣＵ４１Ａ、圧力センサＳ１，Ｓ２、温度センサＳ３，Ｓ４などで構成されている。
【００４６】
前記ＥＣＵ（Electric Control Unit；電子制御装置）４１Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ、プログラムを記憶したＲＯＭ、各種回路などで構成され、燃料電池負圧形成手段を備えている。また、ＥＣＵ４１Ａは、遮断弁２２、アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２、カソード入口バルブＶ３、カソード出口バルブＶ４、開閉バルブＶ５を開閉し、エアポンプ３１のモータの回転速度を制御し、背圧バルブ３２の開度を調節する。また、ＥＣＵ４１Ａは、圧力センサＳ１からアノード１２の圧力（アノード圧力Ｐａｎ）を取得し、圧力センサＳ２からカソード１３の圧力（カソード圧力Ｐｃａ）を取得し、温度センサＳ３からアノード１２の温度（アノード温度Ｔａｎ）を取得し、温度センサＳ４からカソード１３の温度（カソード温度Ｔｃａ）を取得する。
【００４７】
前記ディスチャージ抵抗６０は、燃料電池１０と接続され、走行モータなどの外部負荷との接続が遮断されているときに、ＥＣＵ４１Ａの制御によって図示しないスイッチが接続されることにより、ディスチャージ抵抗６０により放電が行なわれて、燃料電池１０内の水素が消費されるようになっている。
【００４８】
なお、第１実施形態では、アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２、カソード入口バルブＶ３、カソード出口バルブＶ４、圧力センサＳ１，Ｓ２、温度センサＳ３，Ｓ４、ＥＣＵ４１Ａおよびディスチャージ抵抗６０により、燃料電池負圧形成手段が構成されている。
【００４９】
次に、第１実施形態の燃料電池システムの停止時および再起動時の制御について図３および図４を参照して説明する。なお、燃料電池システム１Ａの運転中においては、アノード系２０において、遮断弁２２およびアノード入口バルブＶ１が開弁され、アノード出口バルブＶ２が閉弁されて、水素タンク２１から放出された水素が、減圧弁２３で所定圧に減圧された後に燃料電池１０のアノード１２に供給される。また、カソード系３０では、カソード入口バルブＶ３およびカソード出口バルブＶ４が開弁され、背圧バルブ３２の開度が適宜調節され、エアポンプ３１から燃料電池１０のカソード１３に空気が供給される。
【００５０】
これにより、燃料電池１０のアノード１２では、触媒の作用により水素が乖離して、水素イオン（プロトン）が固体高分子電解質膜１１を介してカソード１３に透過し、水素から乖離した電子が走行モータや蓄電装置（バッテリやキャパシタ）などの外部負荷を通ってカソード１３に移動する。また、カソード１３では、固体高分子電解質膜１１を介してカソード１３に透過した水素イオンと、外部負荷を介してカソード１３に移動した電子と、カソード１３に供給された空気に含まれる酸素との反応により水が生成される。
【００５１】
そして、運転者によって車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＦＦ状態にされると、遮断弁２２が閉じられて燃料電池１０のアノード１２への水素の供給が停止され、エアポンプ３１が停止されて燃料電池１０のカソード１３への空気の供給が停止される。そして、ステップＳ１００において、ＥＣＵ４１Ａは、アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２、カソード入口バルブＶ３、カソード出口バルブＶ４のすべてを閉じる。これにより、アノード入口バルブＶ１とアノード出口バルブＶ２との間の配管ａ４，ａ５，ａ７、循環配管ａ６、イジェクタバイパス配管ａ９内の流路およびアノード流路１４ａには、水素が密閉された状態になる。また、カソード入口バルブＶ３とカソード出口バルブＶ４との間の配管ｃ１〜ｃ３内の流路およびカソード流路１５ａには、空気が密閉された状態になる。
【００５２】
そして、ステップＳ１１０において、ＥＣＵ４１Ａは、圧力センサＳ１からアノード１２の圧力Ｐａｎ、温度センサＳ３からアノード１２の温度Ｔａｎをそれぞれ測定し、圧力センサＳ２からカソード１３の圧力Ｐｃａ、温度センサＳ４からカソード１３の温度Ｔｃａを測定する。
【００５３】
そして、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ４１Ａは、アノード１２の水素量Ｎａｎ、カソード１３の酸素量Ｎｃａをそれぞれ計算する。アノード１２の水素量Ｎａｎは、気体の状態方程式ＰＶ＝ＮＲＴ（Ｐ；圧力、Ｖ；体積、Ｎ；モル数、Ｒ；気体定数、Ｔ；温度）を用いて計算される。なお、前記方程式において、体積Ｖは、配管ａ４，ａ５，ａ７、循環配管ａ６、イジェクタバイパス配管ａ９内の流路の体積およびアノード流路１４ａの体積によって予め算出することができ、これをＶａｎとする。したがって、水素量Ｎａｎ＝（Ｐａｎ・Ｖａｎ）／（ＲＨ２・Ｔａｎ）によって求めることができる。また、カソード１３の酸素量Ｎｃａについても同様にして気体の状態方程式から求めることができる。なお、配管ｃ１〜ｃ３内の流路およびカソード流路１５ａの体積をＶｃａとすると、酸素量Ｎｃａ＝（Ｐｃａ・Ｖｃａ）／（ＲＯ２・Ｔｃａ）によって求めることができる。なお、Ｖｃａは、空気中の酸素と窒素の割合を考慮して求められる。
【００５４】
そして、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ４１Ａは、ステップＳ１２０で算出した水素量Ｎａｎより電気量Ｑａｎを算出する。すなわち、化学反応式（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）より、電気量Ｑａｎ（Ｃ）＝水素量Ｎａｎ（ｍｏｌ）×２（電子数）×９６５００（ファラデー定数、Ｃ／ｍｏｌ）で表すことができる。また、ＥＣＵ４１Ａは、ステップＳ１２０で算出した酸素量Ｎｃａより電気量Ｑｃａを算出する。すなわち、化学反応式（１／２・Ｏ２＋２ｅ−＋２Ｈ＋→Ｈ２Ｏ）より、電気量Ｑｃａ（Ｃ）＝酸素量Ｎｃａ（ｍｏｌ）×４（電子数）×９６５００（ファラデー定数、Ｃ／ｍｏｌ）で表すことができる。なお、電子数が４というのは、酸素分子がＯ２（１ｍｏｌ）であるので、酸素１ｍｏｌ当たり電子が化学反応式の２倍の４ｍｏｌ必要になることによる。
【００５５】
そして、ステップＳ１４０において、ＥＣＵ４１Ａは、電気量Ｑａｎが電気量Ｑｃａより小さいか否かを判断する。ＥＣＵ４１Ａは、電気量Ｑａｎが電気量Ｑｃａよりも小さい（水素が少ない）と判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０に進み、発電させる電気量ＱとしてＱａｎを設定し、また電気量Ｑａｎが電気量Ｑｃａよりも小さくない（酸素が少ない）と判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６０に進み、発電させる電気量ＱとしてＱｃａを設定する。すなわち、アノードとカソードとを独立で各物質量（Ｎａｎ、Ｎｃａ、モル数）からいくらの電気量（エネルギー）を有しているかを計算し、少ない方を完全に消費するようになっている。
【００５６】
なお、ステップＳ１４０では、化学反応式（２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ）から、ＮａｎとＮｃａとの比が２：１であればよいので、前記のように電気量を求めてから少ない方を判断する他に、２Ｎａｎ＞ＮｃａのときにＮｃａ基準で電気を引くようにしてもよい。
【００５７】
そして、ステップＳ１７０において、ＥＣＵ４１Ａは、ステップＳ１５０またはステップＳ１６０で算出した電気量Ｑを発電する。電気量Ｑを発電させるには、燃料電池１０とディスチャージ抵抗６０とを接続して、ディスチャージ抵抗６０により放電させることにより行なわれる。なお、電気量Ｑを発電したか否かの判断は、燃料電池１０から取り出される電流値を検出する電流センサ（図示せず）に基づいて判断してもよく、あるいは電気量Ｑの発電が完了するまでの時間を算出して、その算出時間が経過することによって判断してもよい。また、電気量Ｑを発電させる際の手段として、ディスチャージ抵抗６０に替えて、蓄電装置（図示せず）などの外部負荷に接続するようにして水素を消費させてもよい。
【００５８】
なお、ステップＳ１７０では、電気量Ｑを発電させている状態において、セル電圧が負電圧になったら発電を停止させる処理が同時並行して行なわれる。なお、セル電圧とは、燃料電池１０を構成する各単セルの電圧を意味している。
【００５９】
このように、アノード１２内の水素が消費されることにより、燃料電池１０内が負圧に設定される。なお、本実施形態では、燃料電池１０内のアノード流路１４ａだけではなく、アノード入口バルブＶ１とアノード出口バルブＶ２との間の配管ａ４，ａ５，ａ７、循環配管ａ６、イジェクタバイパス配管ａ９内も負圧に設定される。また同時に、カソード１３内の空気中の酸素が消費されることにより、燃料電池１０内が負圧に設定される。なお、本実施形態では、カソード入口バルブＶ３とカソード出口バルブＶ４との間の配管ｃ１〜ｃ３内も負圧に設定される。なお、本実施形態では、燃料電池１０のアノード１２とカソード１３の双方が負圧に設定されるので、燃料電池システム１Ａの再起動時（燃料電池１０の再起動時）まで全バルブＶ１〜Ｖ４を閉じておくことにより、再起動時まで負圧が維持される。
【００６０】
図４に示すように、運転者によって車両のイグニッションスイッチがオン状態（ＩＧ−ＯＮ）にされると、遮断弁２２が開かれて、水素タンク２１から水素が放出され、エアポンプ３１の駆動が開始される。そして、ステップＳ２００において、ＥＣＵ４１Ａは、アノード入口バルブＶ１の上流側の圧力を所定値に昇圧する。アノード入口バルブＶ１の上流側の圧力を昇圧する手段としては、エアポンプ３１のモータの回転速度を上昇させること、または背圧バルブ３２の開度を絞ってカソード１３の圧力を上昇させて、減圧弁２３からアノード入口バルブＶ１に供給される水素の圧力を上昇させることなどである。なお、ステップＳ２００における所定値は、予め実験などによって求められ、燃料電池１０内の滞留水を外部（燃料電池システムの外部）に飛ばせるだけの流速が得られる差圧（アノード入口バルブＶ１の上流側の圧力と下流側の圧力との差）となるように設定される。
【００６１】
そして、ステップＳ２１０において、ＥＣＵ４１Ａは、アノード入口バルブＶ１および開閉バルブＶ５を開弁する。これにより、アノード１２を負圧にすることおよびアノード入口バルブＶ１の上流を昇圧することによる大きな差圧によって、水素が燃料電池１０のアノード１２に高い流速で供給されるようになる。さらに、イジェクタバイパス配管ａ９に水素と通すことにより、イジェクタ２４通過時の圧損を低減できるので、水素の流速がさらに高められて、滞留水の除去を効果的に行なうことができる。
【００６２】
そして、ステップＳ２２０において、ＥＣＵ４１Ａは、圧力センサＳ１によって検出されたアノード圧力Ｐａｎが大気圧Ｐａｂｓよりも高いか否かを判断する。ステップＳ２２０において、ＥＣＵ４１Ａは、アノード圧力Ｐａｎがまだ大気圧Ｐａｂｓより高くないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２１０に戻り、またアノード圧力Ｐａｎが大気圧Ｐａｂｓより高いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２３０において、アノード出口バルブＶ２を開く。これにより、燃料電池１０内の滞留水がアノード出口バルブＶ２を介して外部に排出され、水素パージが行なわれる。
【００６３】
第１実施形態によれば、アノード圧力Ｐａｎが大気圧Ｐａｂｓを超えたときにアノード出口バルブＶ２を開くことにより、アノード下流側からの空気の逆流を防止できる。なお、水素パージによってアノード１２が水素に置換されることにより、空気中の酸素との反応により開放端電圧（ＯＣＶ；Open Circuit Voltage、開回路電圧）が上昇するが、この開放端電圧が所定値まで上昇したときに、燃料電池１０と外部負荷（走行モータ、蓄電装置、補機など）とが接続されて、燃料電池１０の発電が開始される。
【００６４】
また第１実施形態によれば、燃料電池１０の発電停止時にアノード１２を負圧にし、さらにイジェクタ２４をバイパスして水素パージを行なうことにより、水素パージ時の水素の流速を従来よりも一層高めることができるので、排出水素濃度を高めることなくアノード１２の水素置換と滞留水の除去を同時に短時間で行なうことが可能になり、燃料電池システム１Ａの起動性能を向上することができる。さらに、燃料電池１０の起動時にアノード入口バルブＶ１の上流を昇圧して、アノード入口バルブＶ１の上流側と下流側との差圧を所定以上に確保した状態で水素パージ（ＯＣＶパージ）を行うことにより、滞留水の除去を効果的に行なうことが可能になる。
【００６５】
また、第１実施形態によれば、発電停止から再起動までの時間が長期に及ぶ場合であっても燃料電池１０内の負圧を維持することができる。
【００６６】
また、第１実施形態によれば、アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２、カソード入口バルブＶ３、カソード出口バルブＶ４の開閉を行なうだけであるので、エネルギーの消費を低く抑えることができる。
【００６７】
（第２実施形態）
図５は第２実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの全体構成図、図６は第２実施形態の発電停止時における制御を示すフローチャートである。第２実施形態は、燃料電池負圧形成手段として、水素の消費による負圧形成に替えて、水素の吸引による負圧形成としたものであり、燃料電池システム１Ｂの再起動時に負圧形成および水素パージが行なわれる構成である。なお、以下では、第１実施形態と同じ構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６８】
図５に示すように、第２実施形態の制御方法が適用される燃料電池システム１Ｂは、燃料電池負圧形成手段が、アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２、カソード入口バルブＶ３、吸引配管ｄ１、切替バルブＶ６、ＥＣＵ４１Ｂによって構成されている。また、燃料電池システム１Ｂは、掃気導入配管ｄ２および掃気バルブＶ７を備えている。
【００６９】
前記吸引配管ｄ１は、一端が配管ａ７（循環配管ａ６でもよい）に接続され、他端がエアポンプ３１とカソード入口バルブＶ３との間の配管ｃ１に接続されている。切替バルブＶ６は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁で構成され、ＥＣＵ４１Ｂによって開閉制御される。また、切替バルブＶ６は、吸引配管ｄ１上において配管ａ７近傍に設けられている。
【００７０】
前記掃気導入配管ｄ２は、一端が配管ｃ２と接続され、他端が配管ａ５と接続されている。前記掃気バルブＶ７は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁で構成され、ＥＣＵ４１Ｂによって開閉制御される。
【００７１】
図６に示すように、車両のイグニッションスイッチがオン状態（ＩＧ−ＯＮ）にされると、ステップＳ３００において、ＥＣＵ４１Ｂは、アノード掃気フラグが１であるかどうかを判断する。アノード掃気フラグが１であるとは掃気済みのことであり、アノード掃気フラグが１でない（＝０）とは未掃気のことである。
【００７２】
ステップＳ３００において、ＥＣＵ４１Ｂは、アノード掃気フラグが１でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３１０において、アノード掃気が行なわれる。アノード掃気は、ＥＣＵ４１Ｂによって、アノード入口バルブＶ１が閉じられ、アノード出口バルブＶ２およびカソード入口バルブＶ３が開かれた状態において、掃気バルブＶ７が開弁され、エアポンプ３１が駆動されることにより、掃気ガスとしての空気が掃気導入配管ｄ２を介してアノード１２側に供給される。これにより、アノード入口バルブＶ１とアノード出口バルブＶ２との間の配管ａ４，ａ５，ａ７、循環配管ａ６、イジェクタバイパス配管ａ９内の流路およびアノード流路１４ａに残留する水素がアノード出口バルブＶ２を介して排出される。なお、アノード出口バルブＶ２から希釈器５０の導入された水素は、背圧バルブ３２を通って希釈器５０に導入される空気によって希釈され、所定水素濃度以下で外部（車外）に排出される。また、アノード掃気は、例えば、タイマなどによって所定時間行なわれる。
【００７３】
一方、ステップＳ３００において、ＥＣＵ４１Ｂは、アノード掃気フラグが１である（アノード掃気済みである）と判断した場合には、アノード掃気は済んでいるので、ステップＳ３２０に進む。
【００７４】
そして、ステップＳ３２０において、ＥＣＵ４１Ｂは、アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２およびカソード入口バルブＶ３をすべて閉じ、切替バルブＶ６を開いて、エアポンプ３１の回転数（回転速度）指令値をＮに設定する。なお、回転数指令値Ｎは、消費電力とノイズおよび振動の観点から少ない回転数、および速やかに所定の圧力まで下げられる回転数に基づいて設定される。
【００７５】
そして、ステップＳ３３０において、ＥＣＵ４１Ｂは、ステップＳ３２０で設定された回転数指令値Ｎでエアポンプ３１の駆動を開始する。これにより、エアポンプ３１の駆動力によって燃料電池１０のアノード１２内の空気が吸引配管ｄ１を介して吸引される。吸引されたアノード１２の空気は、配管ｃ１，ｃ２、カソード流路１５ａ、配管ｃ３，ｃ５、希釈器５０を通って外部（車外）に排出される。
【００７６】
そして、ステップＳ３４０において、ＥＣＵ４１Ｂは、圧力センサＳ１によるアノード圧力Ｐａｎが目標圧Ｐよりも低くなったか否かを判断する。なお、目標圧Ｐは、予め実験等によって求められ、燃料電池１０（アノード１２）内部に溜まっている水を飛ばせるだけの流速が得られる圧力に設定される。
【００７７】
ステップＳ３４０において、ＥＣＵ４１Ｂは、アノード圧力Ｐａｎが目標圧Ｐより低くないつまり負圧の形成が十分でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３５０において、回転数指令値Ｎに回転数αを加算した値を、新たな回転数指令値Ｎとして設定し、ステップＳ３３０において、新たな回転数指令値に基づいてエアポンプ３１を駆動する。
【００７８】
また、ステップＳ３４０において、ＥＣＵ４１Ｂは、アノード圧力Ｐａｎが目標圧Ｐより低くなったと判断したつまり負圧の形成が十分であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３６０において、切替バルブＶ６を閉じ、エアポンプ３１の駆動を停止する。これにより、アノード入口バルブＶ１とアノード出口バルブＶ２との間の配管ａ４，ａ５，ａ７、循環配管ａ６およびイジェクタバイパス配管ａ９内の流路およびアノード流路１４ａが負圧に設定される。
【００７９】
そして、フローの図示を省略しているが、図６に示す負圧形成に続いて、図４に示すステップＳ２００ないしＳ２３０の処理が行なわれる。すなわち、アノード入口バルブＶ１の上流側の圧力を所定値に昇圧した後（Ｓ２００）、アノード入口バルブＶ１および開閉バルブＶ５を開き（Ｓ２１０）、アノード圧力Ｐａｎが大気圧Ｐａｂｓを超えたときに（Ｓ２２０、Ｙｅｓ）、アノード出口バルブＶ２を開いて（Ｓ２３０）、水素パージを行なう。このような水素パージによってアノード１２が水素に置換されるとともに、エアポンプ３１からカソード１３への空気の供給によって、開放端電圧（開回路電圧）が上昇する。開放端電圧が所定値まで上昇したときに、燃料電池１０と外部負荷（走行モータ、蓄電装置、補機など）とが接続されて、燃料電池１０の発電が開始される。
【００８０】
このように、第２実施形態によれば、燃料電池１０の再起動時にアノード１２を負圧にし、水素がイジェクタ２４をバイパスした状態でパージが行なわれるので、排出水素ガス濃度を上げることなく、水素へのガス置換および滞留水の除去を同時に短時間で行なうことができる。その結果、燃料電池システム１Ａの起動性能を向上できる。さらに、アノード入口バルブＶ１の上流を昇圧して、アノード入口バルブＶ１の上流側と下流側との差圧を所定以上に確保した状態で水素パージ（ＯＣＶパージ）が行なわれるので、アノード１２の滞留水の除去を効果的に行なうことができる。
【００８１】
また、第２実施形態では、アノード１２を負圧にするためにアノード１２内をエアポンプ３１で吸引する前に、アノード掃気が行なわれているので、水素がエアポンプ３１に導入されるのを防止できる。なお、仮にアノード１２に水素が残留している場合を想定して、吸引配管ｄ１の切替バルブＶ６下流側に水素センサ（図示せず）を設けて、負圧形成時に水素が検出されたときに、エアポンプ３１を停止して負圧の形成を停止するように制御してもよい。
【００８２】
なお、第２実施形態では、燃料電池システム１Ｂの再起動時（燃料電池１０の再起動時）にアノード１２を負圧にし、水素パージを行なう例を挙げて説明したが、第１実施形態のように、燃料電池１０の発電停止時（ＩＧ−ＯＦＦ）に負圧を形成し、再起動時までアノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２、切替バルブＶ６および掃気バルブＶ７を閉じて負圧を維持し、燃料電池１０の再起動時に図４に示す制御を実行するようにしてもよい。
【００８３】
また、図７に示すように、第２実施形態の変形例として、アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２、背圧バルブバイパス配管ｄ３、切替バルブＶ８、イジェクタ３３、吸引配管ｄ４、切替バルブＶ９、ＥＣＵ４１Ｃによって燃料電池負圧形成手段が構成されている。また、燃料電池システム１Ｂは、掃気導入配管ｄ２および掃気バルブＶ７を備えた燃料電池システム１Ｂであってもよい。図７は第２実施形態における燃料電池負圧形成手段の変形例を備えた燃料電池システムの全体構成図である。図８は図７に示す燃料電池システムの再起動時の制御を示すフローチャートである。
【００８４】
図７に示すように、背圧バルブバイパス配管ｄ３は、一端が背圧バルブ３２の上流側の配管ｃ３に接続され、他端が背圧バルブ３２の下流側の配管ｃ５に接続されている。また、背圧バルブバイパス配管ｄ３の途中には、上流側から順番に、切替バルブＶ８、イジェクタ３３が設けられている。イジェクタ３３は、前記イジェクタ２４と同様に構成されたものであり、配管ｃ３から導入された空気がイジェクタ３３のノズルから噴射されるようになっている。吸引配管ｄ４は、一端が配管ａ７に接続され、他端がイジェクタ３３と接続されている。また、切替バルブＶ９は、例えばソレノイドを有する電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁で構成され、吸引配管ｄ４の配管ａ７の近傍に設けられている。
【００８５】
図８に示すように、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、ステップＳ４００において、ＥＣＵ４１Ｃは、アノード入口バルブＶ１およびアノード出口バルブＶ２を閉じ、背圧バルブ３２を全閉にし、切替バルブＶ８，Ｖ９をそれぞれ開き、エアポンプ３１の回転数指令値をＮに設定する。なお、回転数指令値Ｎは、図６のステップＳ３２０と同様にして設定される。
【００８６】
そして、ステップＳ４１０において、ＥＣＵ４１Ｃは、エアポンプ３１の駆動を開始する。これにより、エアポンプ３１からの空気がカソード１３から排出され、背圧バルブバイパス配管ｄ３を通って、イジェクタ３３に供給される。エアポンプ３１からの空気がイジェクタ３３を通ることにより負圧が発生して、アノード１２内の水素が吸引配管ｄ４を介して吸引されるようになる。これにより、アノード入口バルブＶ１とアノード出口バルブＶ２との間の配管ａ４，ａ５，ａ７、循環配管ａ６およびイジェクタバイパス配管ａ９内およびアノード流路１４ａ内の圧力が低下する。なお、アノード１２から吸引された水素は、希釈器５０内で希釈された後に外部に排出されるようになっている。
【００８７】
そして、ステップＳ４２０において、ＥＣＵ４１Ｃは、圧力センサＳ１によって検出されたアノード圧力Ｐａｎが目標圧Ｐより低くなったかどうかを判断する。なお、目標圧Ｐは、図６のステップＳ３４０と同様にして設定される。ステップＳ４２０において、ＥＣＵ４１Ｃは、アノード圧力Ｐａｎが目標圧Ｐ以上より低くなっていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ４３０において、現在の回転数指令値Ｎに所定の回転数αを加算した値を新たな回転数指令値Ｎとして設定して、新たな回転数指令値Ｎでエアポンプ３１を駆動する。
【００８８】
一方、アノード圧力Ｐａｎが目標圧Ｐよりも低くなったと判断した場合には（Ｙｅｓ）、アノード１２の負圧形成が完了したと判断して、ステップＳ４４０において、背圧バルブ３２を全開にし、エアポンプ３１を停止し、切替バルブＶ８，Ｖ９をそれぞれ閉じる。
【００８９】
そして、図示していないが、ステップＳ４４０の処理後、図４に示すステップＳ２００ないしＳ２３０の処理が実行される。すなわち、アノード入口バルブＶ１の上流側の圧力を所定値に昇圧した状態において（Ｓ２００）、アノード入口バルブＶ１および開閉バルブＶ５を開き（Ｓ２１０）、アノード圧力Ｐａｎが大気圧Ｐａｂｓを超えたときに（Ｓ２２０、Ｙｅｓ）、アノード出口バルブＶ２を開いて（Ｓ２３０）、水素パージ（ＯＣＶパージ）が行なわれる。この水素パージによってアノード１２が水素に置換され、エアポンプ３１からの空気がカソード１３に供給され、開放端電圧（開回路電圧）が所定値まで上昇したときに、燃料電池１０と外部負荷（走行モータ、蓄電装置、補機など）とが接続されて、燃料電池１０の発電が開始される。
【００９０】
このように、第２実施形態によれば、燃料電池１０の起動時にアノード１２を負圧にし、イジェクタ２４をバイパスして水素をアノード１２に供給することにより、排出水素ガス濃度を上げることなく、水素へのガス置換および滞留水の除去を同時に短時間で行なうことが可能になり、燃料電池システム１Ｂの起動性能を向上できる。さらに、燃料電池１０の起動時にアノード入口バルブＶ１の上流を昇圧して、アノード入口バルブＶ１の上流側と下流側との差圧を所定以上に確保した状態で水素パージ（ＯＣＶパージ）が行なわれるので、滞留水の除去を効果的に行なうことができる。
【００９１】
なお、図７および図８に示す実施形態では、起動時にアノード１２を負圧にして水素パージを行なう例を挙げて説明したが、燃料電池１０の発電停止時にアノード１２を負圧にし、この負圧を再起動時まで維持し（アノード入口バルブＶ１、アノード出口バルブＶ２および切替バルブＶ９を閉状態に維持し）、再起動時に水素パージを行なうようにしてもよい。
【００９２】
また、第１実施形態では、燃料電池１０の発電停止時に負圧にし、再起動に水素パージを行なう例を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、第２実施形態のように、燃料電池１０の再起動時に、水素の消費によりアノード１２を負圧にし、または水素および酸素の消費によりアノード１２およびカソード１３を負圧し、水素パージを行なうようにしてもよい。
【００９３】
また、第２実施形態では、アノード１２のみを負圧にしたが、カソード１３も同時にまたはアノード１２の負圧形成に前後して、負圧にするようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第１実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】イジェクタの構造を示す断面図である。
【図３】第１実施形態の発電停止時における制御を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態の起動時における制御を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態の制御方法が適用される燃料電池システムの全体構成図である。
【図６】第２実施形態の再起動時における制御を示すフローチャートである。
【図７】第２実施形態における燃料電池負圧形成手段を備えた燃料電池システムの全体構成図である。
【図８】図７に示す燃料電池システムの再起動時における制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９５】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
１０    燃料電池
２１    水素タンク（燃料ガス供給手段）
２４    イジェクタ
３１    エアポンプ（酸化剤ガス供給手段）
３２    背圧バルブ
４１Ａ〜４１Ｃ  ＥＣＵ
６０    ディスチャージ抵抗
ａ１〜ａ５  配管（燃料ガス供給路）
ａ６    循環配管（循環路）
ａ７    配管（燃料排ガス路）
ａ９    イジェクタバイパス配管（イジェクタバイパス路）
ｃ１，ｃ２  配管（酸化剤ガス供給路）
ｃ３    配管（酸化剤排ガス排出路）
ｄ１，ｄ４  吸引配管
ｄ２    掃気導入配管
ｄ３    背圧バルブバイパス配管
Ｓ１，Ｓ２  圧力センサ
Ｓ３，Ｓ４  温度センサ
Ｖ１    アノード入口バルブ（燃料ガス遮断手段）
Ｖ２    アノード出口バルブ（パージ手段）
Ｖ３    カソード入口バルブ（酸化剤ガス遮断手段）
Ｖ４    カソード出口バルブ（酸化剤排ガス遮断手段）
Ｖ５    開閉バルブ（開閉手段）
Ｖ６，Ｖ８，Ｖ９  切替バルブ
Ｖ７    掃気バルブ
【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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