JP2004193107A - 燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 速やかに始動を行うことができる燃料電池システムの起動方法を提供するものである。
【解決手段】 水素ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池１と、前記燃料電池１と接続された水素ガス排出流路１６を水素ガス供給流路１２に合流させる水素ガス循環流路１３を備え、水素ガス循環流路１３から循環水素ガスを排出するパージ弁１５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１に水素ガスを供給すると共に前記パージ弁１５を開作動させ、前記水素ガス循環流路１３の窒素ガスが水素ガスで置換された後に、前記パージ弁１５を閉作動させることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、起動性を高めることができる燃料電池システムの起動方法に関するものである。

燃料電池には、固体高分子電解質膜の両側にアノードとカソードとを備え、アノードに燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、カソードに酸化剤ガス（例えば空気）を供給して、これら反応ガスの酸化還元反応にかかる化学エネルギーを直接電気エネルギーとして抽出するようにしたものがある。
この燃料電池では、一般に、燃料の利用率を上げて燃費を向上させるために、消費されずに燃料電池から排出される未反応の水素ガスをリサイクルさせ新鮮な燃料ガスと混合して再度燃料電池に供給するように燃料循環流路を形成したものがある。
これらの燃料電池を停止するにあたっては空気の供給を停止し、次に水素ガスの供給を停止することで、停止後に燃料電池内部に残った反応ガスにより停止時に電圧が残らないようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特表２０００−５１２０６９号公報

ところで、燃料電池の停止時においては外部負荷への電力供給は遮断されるが、燃料電池はアノード又はカソードの触媒による酸化反応で系内に残留している反応ガスが消費される。つまり、酸化剤供給系では空気、燃料循環系では水素ガスが系内に残留してその残留反応成分は燃料電池の停止時間にしたがって徐々に消費されるのである。ところが、空気中の酸素ガスは消費されるが、窒素ガスは内部に残りカソード側の窒素ガス分圧が高まり水素循環系の圧力が低下するのでアノード側へも窒素ガスが固体高分子電解質膜を通過してリークし、燃料電池の循環系内に浸透する。

しかしながら、上述したように燃料電池の循環系に窒素ガスが浸透すると、起動時において、反応ガス、とりわけ水素ガスを供給した場合に、水素循環系内に窒素ガスが浸透しているため、燃料電池内に反応ガスを供給しても窒素ガスが障害となり反応がスムーズになされない問題がある。
特に、燃料電池が車両用燃料電池である場合には、上記空気中の窒素ガスが系内に浸透していると燃料電池の起動に時間がかかるため、燃料電池車両の始動性が悪くなり商品性が悪化するという問題がある。
そこで、この発明は速やかに始動を行うことができる燃料電池システムの起動方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料ガス（例えば、実施形態における水素ガス）と空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）と、前記燃料電池と接続された燃料ガス排出流路（例えば、実施形態における水素ガス排出流路１６）を燃料ガス供給流路（例えば、実施形態における水素ガス供給流路１２）に合流させる燃料ガス循環流路（例えば、実施形態における水素ガス循環流路１３）を備え、燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁（例えば、実施形態におけるパージ弁１５）を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池に燃料ガスを供給すると共に前記パージ弁を開作動させ、前記燃料ガス循環流路の窒素ガスが燃料ガスで置換された後に、前記パージ弁を閉作動させることを特徴とする。
このように構成することで、燃料ガスの供給とパージ弁の開作動により、とりわけ窒素ガスによる悪影響が大きい燃料ガス側の系内の窒素ガスを排出して、燃料ガスを供給し燃料電池内に燃料ガスを満たした後にパージ弁を閉じる。

請求項２に記載した発明は、前記パージ弁を閉作動させる時期は、前記燃料電池の停止時間に応じて決定されることを特徴とする。
このように構成することで、燃料電池の停止時間が長ければ長いほど、パージ弁を閉作動させる時期を遅らせて、窒素ガスを燃料ガスで置換する時間を確保することができる。

請求項３に記載した発明は、前記燃料電池の停止時間は、前記燃料電池の温度又は前記燃料電池の電圧（例えば、実施形態におけるセル電圧、総電圧）に基づいて推定されることを特徴とする。
このように構成することで、燃料電池の停止時間が長ければ長いほど燃料電池の温度は低くなり、又は発電電圧は低くなることに着目して、燃料ガスに置換すべき窒素ガスの量を決定する前記燃料電池の停止時間を推定する。

請求項４に記載した発明は、前記パージ弁を閉作動させる時期は、前記燃料ガス循環流路からの排出ガスに含まれる燃料ガス濃度に応じて決定されることを特徴とする。
このように構成することで、窒素ガスが燃料ガスに置換されるほど、燃料ガス循環流路内の燃料ガス濃度が上がることに着目して前記パージ弁を閉作動させる時期を決定することができる。

請求項５に記載した発明は、燃料ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池と接続された燃料ガス排出流路を燃料ガス供給流路に合流させる燃料ガス循環流路を備え、燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池に燃料ガスを供給し、その後前記パージ弁を開作動させ、前記燃料電池の推定停止時間に応じて決定される前記パージ弁を開作動させる時間の経過後、前記パージ弁を閉作動させることを特徴とする。
このように構成することで、前記燃料ガスを供給した後にパージ弁を前記推定停止時間に応じた時間で開作動させることにより、燃料ガス側の系内の窒素ガスを排出して、燃料電池内に燃料ガスを満たした後にパージ弁を閉じる。

請求項６に記載した発明は、前記燃料電池の推定停止時間は、前記燃料電池の温度又は前記燃料電池の電圧に基づいて推定されることを特徴とする。
このように構成することで、燃料電池の停止時間が長ければ長いほど燃料電池の温度は低くなり、又は発電電圧は低くなることに着目して、前記燃料電池の推定停止時間を推定することができる。

請求項７に記載した発明は、燃料ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池と接続された燃料ガス排出流路を燃料ガス供給流路に合流させる燃料ガス循環流路を備え、燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池に燃料ガスを供給し、その後前記パージ弁を開作動させ、前記燃料ガス循環流路からの排出ガスに含まれる燃料ガス濃度に応じて前記パージ弁を閉作動させることを特徴とする。
このように構成することで、前記燃料電池に燃料ガスが供給されるほど、燃料ガス循環流路内の燃料ガス濃度が上がることに着目して前記パージ弁を閉作動させる時期を決定することができる。

請求項８に記載した発明は、前記パージ弁の閉作動後、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする。
このように構成することで、燃料ガス側の系内に燃料ガスを満たした状態で、前記燃料電池の発電を開始することができる。

請求項９に記載した発明は、前記パージ弁を閉作動させる時期は、前記燃料ガス循環流路の圧力および前記燃料電池の電圧に応じて決定されることを特徴とする。
このように構成することで、前記燃料電池の停止時間が長ければ長いほど発電電圧は低くなり、その一方で、前記燃料電池の停止時間が比較的短い場合には残存する水素が前記酸素ガスの系内に残存する酸素と反応するため前記燃料ガス循環流路の圧力は低下していき、前記燃料電池の停止時間が比較的長くなると前記酸素ガスの系内に残存する窒素ガスが前記燃料ガスの系内に逆拡散するため前記燃料ガス循環流路の圧力は上昇していくことに着目して、前記燃料電池の推定停止時間を精度よく推定することができる。

以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、燃料ガスの供給とパージ弁の開作動により、とりわけ窒素ガスによる悪影響が大きい燃料ガス側の循環流路内の窒素ガスを排出して、燃料ガスを供給し燃料電池内に燃料ガスを満たした後にパージ弁を閉じることにより、無駄な燃料ガスを使用せず、燃料ガス循環流路に残留した窒素ガスが障害となって発電開始までの時間が長くなるのを防止できる。したがって、車両用として使用した場合に始動性が向上して好適である。

請求項２に記載した発明によれば、請求項１の効果に加え、燃料電池の停止時間に応じて決定される燃料ガス循環流路内の残留窒素ガスを燃料ガスで置換できた時点で正確にパージ弁を閉作動させることができる効果がある。

請求項３に記載した発明によれば、請求項２の効果に加え、燃料電池の停止時間を正確に推定できる効果がある。

請求項４に記載した発明によれば、窒素ガスが燃料ガスに置換されるほど、燃料ガス循環流路内の燃料ガス濃度が上がることに着目して前記パージ弁を閉作動させる時期を決定することができるため、無駄な燃料ガスを使用せず、燃料ガス循環流路に残留した窒素ガスが障害となって発電開始までの時間が長くなるのを防止できる。したがって、車両用として使用した場合に始動性が向上して好適である。

請求項５に記載した発明によれば、無駄な燃料ガスを使用せず、燃料ガス循環流路に残留した窒素ガスが障害となって発電開始までの時間が長くなるのを防止できる。したがって、車両用として使用した場合に始動性が向上して好適である。

請求項６に記載した発明によれば、請求項５の効果に加え、燃料電池の停止時間を正確に推定できる効果がある。

請求項７に記載した発明によれば、無駄な燃料ガスを使用せず、燃料ガス循環流路に残留した窒素ガスが障害となって発電開始までの時間が長くなるのを防止できる。したがって、車両用として使用した場合に始動性が向上して好適である。

請求項８に記載した発明によれば、燃料ガス側の系内に燃料ガスを満たした状態で、前記燃料電池の発電を開始することができるため、車両用として使用した場合に始動性がさらに向上して好適である。

請求項９に記載した発明によれば、前記燃料電池の推定停止時間を精度よく推定することができるので、燃料ガス側の系内から窒素ガスを排出して燃料ガスで満たすことができるとともに、無駄な燃料ガスを使用せず、燃料ガス循環流路に残留した窒素ガスが障害となって発電開始までの時間が長くなるのをより確実に防止できる。したがって、車両用として使用した場合に始動性がさらに向上して好適である。

以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。図１に示すのは燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜２をアノード３とカソード４とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたものであり（図１では単セルのみを示す）、アノード３の反応ガス流路５に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード４の反応ガス流路６に酸化剤ガスとして酸素ガスを含む空気を供給すると、アノード３で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２を通過してカソード４まで移動して、カソード４で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜２を介してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。

空気はスーパーチャージャー（Ｓ／Ｃ）などのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１のカソード４の反応ガス流路６に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、排出ガス処理装置１０に導入される。以下、燃料電池１に供給される空気を供給空気、燃料電池１から排出される空気を排出空気として区別する。

一方、水素タンク（Ｈ２）１１から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路（燃料ガス供給流路）１２を通って燃料電池１のアノード３の反応ガス流路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素ガスは、アノード側の生成水と共にアノード側に接続された水素ガス排出流路（燃料ガス排出流路）１６を経て水素ガス循環流路（燃料ガス循環流路）１３に排出され、更に、水素ガス循環流路１３に設けた水素ポンプ１４を介して水素ガス供給流路１２に合流する。つまり、燃料電池１から排出された水素ガスは、水素タンク１１から供給される新鮮な水素ガスと合流して、再び燃料電池１のアノード３の反応ガス流路５に供給される。

水素ガス循環流路１３からは、排出弁であるパージ弁１５を備えた水素ガスパージ流路２２が分岐しており、水素ガスパージ流路２２は排出ガス処理装置１０に接続されている。この排出ガス処理装置１０において燃料電池１の空気排出流路９から排出された排出空気と、水素ガスパージ流路２２から排出された水素ガスとが希釈処理されて排出される。尚、１７は水素タンク１１から供給される水素ガスを遮断する遮断弁、１８は燃料電池１の電気エネルギーにより駆動する車両走行用のモータ（外部負荷）を示している。ここで、パージ弁１５は電気化学反応により生成される燃料電池１内の水を排出するために定期的に開作動したり、燃料電池１の発電電圧（例えばセル電圧）が低下した場合に開作動させる。

前記燃料電池１は図示しない冷却循環流路及びその循環流路に冷却水を循環させるウォーターポンプなどを備え、電気化学反応に適した温度（例えば７０°Ｃ）に制御されている。
前記燃料電池１は、コントロールユニットであるＥＣＵ１９により制御され、そのためＥＣＵ１９には、燃料電池１の冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２０からの信号が入力され、コンプレッサ７の回転数、水素ポンプ１４の回転数、遮断弁１７の開閉、パージ弁１５の開閉制御が行われる。又、ＥＣＵ１９は燃料電池１のセル電圧センサ２１、発電電流を検出する電流センサ２３、燃料電池１の総電圧（全セル電圧）を検出する電圧センサ２４、水素センサ２５、アノード圧力センサ２６からの信号が入力される。尚、電圧センサ２１は各セル毎に電圧を測定するセンサであり、水素センサ２５は排出ガス処理装置１０内に設けられ水素濃度を検出するセンサであり、アノード圧力センサ２６は燃料電池１の燃料ガス側の系内の圧力を検出するセンサである。本実施形態においては、燃料ガス側の系として、水素ガス循環流路１３内の圧力をアノード圧力センサ２６で検出している。

次に、図２のフローチャートに基づいて燃料電池システムの起動処理について説明する。この処理は燃料電池車両のイグニッションスイッチがＯＮとなった場合に発電が開始されるまでの間に実行される処理である。
ステップＳ０１において遮断弁１７を開いて水素供給を開始すると共にパージ弁１５を開き、必要に応じて水素ポンプ１４を駆動する。そして、ステップＳ０２に進む。

ステップＳ０２ではタイムリミットか否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」である場合はステップＳ０７に進み、判定結果が「ＮＯ」である場合はステップＳ０３に進む。ステップＳ０７では水素センサ２５が故障と判定してステップＳ８でパージ弁１５を閉じて処理を終了する。タイムリミットを超えても、後述するステップＳ０５において水素ガス濃度が上がらないのは、水素センサ２５の故障が原因と考えられるからである。

ステップＳ０３では燃料電池１の温度に応じたパージ弁１５の開弁時間の算出を行いステップＳ０４に進む。この算出は図３のマップ値を読み込むことにより行われる。このマップは横軸に燃料電池（冷却水）温度、縦軸にパージ弁１５の開弁時間とした場合に、温度が一定の範囲で温度が高ければ高いほど開弁時間を短く設定している。尚、この燃料電池温度に替えて、燃料電池１のセル電圧（総電圧）を開弁時間を設定するパラメータとしてもよい。この場合には、図４に示すように、セル電圧センサ２１（電圧センサ２４）によりセル電圧（総電圧）が最低セル電圧（あるいは最低総電圧）を超えるとパージ弁１５の開弁時間が短くなるように（図５のｂ→ｂ’）設定することができる。
このようにして、前記燃料電池１の冷却水温度又は前記燃料電池１のセル電圧（総電圧）に基づいて燃料電池１の停止時間を推定してパージ弁１５を閉作動させる時期を決定している。つまり、燃料電池１の停止時間が長いほど、燃料電池１の温度あるいは電圧は低いため、残留している水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して、それだけ多くの窒素ガスが水素ガス循環流路１３内に残留しているので、パージ弁１５を開弁時間を長く設定する必要があるのである。

ステップＳ０４ではパージ弁１５を開いてから経過した時間がステップＳ０３の算出時間を超えているか否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」で、超えている場合はステップＳ０８に進み、判定結果が「ＮＯ」で、超えていない場合はステップＳ０５に進む。尚、この算出時間は水素ガス濃度が所定値以上にならないように設定してある。
ステップＳ０５では水素センサ２５により検出された水素ガス濃度が所定値を超えているか否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」で、所定値を超えている場合はステップＳ０８に進み、判定結果が「ＮＯ」で、所定値を超えていない場合はステップＳ０６に進んでパージ弁１５を開いた状態を維持する。水素ガス濃度が所定値を超えていたら、十分に窒素ガスが水素ガスに置換されたと考えらえるからである。

したがって、遮断弁１７を開き水素タンク１１から水素ガスを供給すると共にパージ弁１５を開いた場合に、燃料電池１の温度がある程度高くなったり、あるいは水素センサ２５により検出された排出ガス処理装置１０内の水素ガス濃度が高くなった場合に、燃料電池１内部の窒素ガスが十分に排出され、水素ガス循環流路１３内の窒素ガスが水素ガスによって置換できたと判定できるため、この時点でパージ弁１５を閉じることで、無駄に水素ガスを消費せず、短時間で燃料電池１を起動することができる。よって、燃料電池車両の始動性を良好にすることができる。

図５は図２に対応したこの発明の第１実施形態のタイムチャート図を示している。同図において、イグニッションスイッチがＯＮ（ＩＧＳＷＯＮ）となると、燃料電池１は無負荷運転（ａの区間）を行う。この運転は、燃料電池１がモータ１８などの電気負荷とは接続はされていない運転であり、ここでは無負荷電圧のチェックが行われ、又、二次電源として別に設けたバッテリやキャパシタ等の蓄電装置からの電力でコンプレッサ７を駆動することで酸化剤ガスである空気と共に水素ガスを供給する。よって、この無負荷運転の間は負荷に対して発電電流が流れていない。

ここで、イグニッションスイッチＯＮ（ＩＧＳＷＯＮ）の直後に、水素ガス及び空気の供給を行うと共にパージ弁１５を開くため排出ガス処理装置１０の水素ガス濃度は上昇する。つまり、燃料電池１内部の窒素ガスが排出されてしまった後に、水素ガス濃度が上がり始めるのである。その後、燃料電池１の冷却水温の温度、あるいはセル電圧（総電圧）に応じて算出された一定時間（例えば、ｂの区間）の後にパージ弁１５が閉じると、供給される水素ガスの一部が反応で消費される無負荷運転により水素ガス濃度は低下してゆく。尚、このｂの区間は図３又は図４に示す上側のラインを示している。
そして、セル電圧が発電許可判定電圧閾値Ｘとなると、燃料電池１がモータ１８等の負荷に接続されて発電が開始される。これにより発電電流が生じセル電圧（総電圧）はやや低下する。そして、イグニッションスイッチＯＦＦ（ＩＧＳＷＯＦＦ）で発電が停止される。

次に、再度イグニッションスイッチＯＮ（再ＩＧＳＷＯＮ）となり、一定時間（ａ’の区間）の無負荷運転が経過した後、燃料電池１の冷却水温の温度、あるいはセル電圧（総電圧）に応じて算出された一定時間（例えば、ｂ’（ｂ’＜ｂ）の区間）の後にパージ弁１５が閉じると、供給される水素ガスの一部が反応で消費される無負荷運転により水素ガス濃度は低下してゆく。尚、このｂ’の区間は図３又は図４に示す下側のラインを示している。そして、セル電圧が発電許可判定電圧閾値Ｘに達したら発電を開始する。

したがって、このような再起動時においては、水素ガス循環流路１３内にそれほどの窒素ガスが浸透していないので、パージ弁１５の開作動時間を短くし（ｂ’＜ｂ）、無駄な水素ガスが排出されないようにし、より早く発電を開始できるようにしている。尚、図５に示すように、水素ガス濃度は排出水素濃度許可閾値以下に抑えられている。
ここで、この実施形態における燃料電池１の停止時間とは、図５におけるイグニッションスイッチＯＦＦ（ＩＧＳＷＯＦＦ）からイグニッションスイッチＯＮ（ＩＧＳＷＯＮ）までの時間、及び図示しない最後のイグニッションスイッチＯＦＦ（ＩＧＳＷＯＦＦ）から図５の最初のイグニッションスイッチＯＮ（ＩＧＳＷＯＮ）までの時間を意味している。

次に、図６のフローチャートに基づいてこの発明の第２実施形態の燃料電池システムの起動処理について説明する。
この実施形態では、パージ弁１５の開弁時間を、水素ガスを供給する前の燃料電池のセル電圧（総電圧でも可）に基づいて定めたものである。
ステップＳ１０において、遮断弁１７が開か否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」（開）である場合はステップＳ１７に進み、判定結果が「ＮＯ」（閉）である場合はステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１において水素ガス投入前の燃料電池１のセル電圧（総電圧）に応じたパージ弁１５の開弁時間を算出する。例えば、第１実施形態の図４のように、最低セル電圧を境にしてパージ弁１５の開弁時間を持ち替えてもよいし、セル電圧が高ければ高いほど、開弁時間を徐々に短く設定するようにもできる。
燃料電池１の電圧が低ければ低いほど、燃料電池１の停止時間が長いことになるので、残留している水素ガスと空気中の酸素ガスとが反応して多くの窒素ガスが残留していることになり、パージ弁１５を開弁時間を長く設定する必要があるからである。

次に、ステップＳ１２において開弁時間の算出が終了したか否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」（算出時間決定）である場合はステップＳ１４に進み、判定結果が「ＮＯ」（算出中）である場合はステップＳ１３に進む。
ステップＳ１４ではパージ弁１５の開弁処理タイマをセットし、次のステップＳ１５で水素供給開始を決定し、更に、ステップＳ１６で遮断弁１７を開いて処理を終了する。ステップＳ１３においては、開弁時間を算出中なので遮断弁１７は閉じたままの状態で処理を終了する。

そして、遮断弁１７が開くとステップＳ１０における判定が「ＹＥＳ」となり、ステップＳ１７において開弁処理タイマ＝０か否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」（＝０）である場合はステップＳ１９に進みパージ弁１５を閉弁して処理を終了する。判定結果が「ＮＯ」（≠０）である場合はステップＳ１８に進み、パージ弁１５を開いて処理を終了する。

したがって、遮断弁１７を開き水素タンク１１から水素ガスを供給すると共にパージ弁１５を開いた場合に、水素投入前の燃料電池１のセル電圧（総電圧）に応じてパージ弁１５の開弁時間を算出して、その時間だけパージ弁１５を開くため、無駄に水素ガスを消費せず、又、燃料電池１の発電電圧が水素ガスの供給によって変動しないので、より正確にパージ弁１５の開弁時間（閉弁時期）を設定することができ、短時間で燃料電池１を起動することができる。よって、燃料電池車両の始動性を良好にすることができる。

図７は図６に対応したこの発明の第２実施形態のタイムチャート図を示している。同図において、イグニッションスイッチがＯＮ（ＩＧＳＷＯＮ）となると、燃料電池１は水素供給前のセル電圧チェック（ｄの区間）を行う。これにより、水素供給前の電圧により燃料電池１の停止時間、つまり内部残留窒素ガス量（あるいは水素ガス量）を推定し、この窒素ガスを排出するためパージ弁１５の開時間（ｆの区間）を算出することができる。
次に、遮断弁１７が開き水素ガスの供給が開始されて無負荷運転がなされ、水素供給後の無負荷電圧チェックがなされる（ｅの区間）。この無負荷電圧チェックは前記実施形態と同様の内容であるので説明は省略する。

水素ガスの供給が開始されるとパージ弁１５が前記ｆの間だけ開くが、このパージ弁１５の開作動により排出ガス処理装置１０の水素ガス濃度は上昇する。つまり、燃料電池１内部の窒素ガスが排出された後に、水素ガス濃度が上がり始めるのである。その後、パージ弁１５が閉じると、供給される水素ガスの一部が反応で消費される無負荷運転により水素ガス濃度は低下してゆく。
そして、セル電圧が発電許可判定電圧閾値Ｘとなると、燃料電池１がモータ１８等の負荷に接続されて発電が開始される。これにより発電電流が生じセル電圧（総電圧）はやや低下する。

したがって、水素ガス投入前の燃料電池１のセル電圧（総電圧）に基づいてパージ弁１５の開弁時間を算出するため無駄な水素ガスが排出されないようにしてより早く発電を開始できるようにしている。尚、この実施形態では、水素投入前の燃料電池１の電圧により残留窒素ガス量又は水素ガス量を推定でき、正確に開弁時間（閉弁時期）を算出できるので、その点でも水素ガス濃度が排出水素濃度許可閾値を超えることがない点で有利である。

上記実施形態によれば、燃料電池システムを起動するにあたり、前記燃料電池１に水素ガスを供給すると共にパージ弁１５を開作動させ、前記水素ガス循環流路１３の窒素ガスが水素ガスで置換された後に、前記パージ弁１５を閉作動させ、水素ガスの供給とパージ弁１５の開作動により、とりわけ窒素ガスによる悪影響が大きい水素ガス側の系内の窒素ガスを排出して、水素ガスを供給し燃料電池１内に水素ガスで置換することにより、無駄な水素ガスを使用せず、水素ガス循環流路１３に残留した窒素ガスが障害となって発電開始までの時間が長くなるのを防止できる。したがって、頻繁に走行停止を繰り返し、始動性能が要求される車両搭載用の燃料電池１として使用した場合に好適である。

前記パージ弁１５を閉作動させる時期は、前記燃料電池１の停止時間に応じて決定されることで、燃料電池１の停止時間が長ければ長いほど、パージ弁１５を閉作動させる時期を遅らせて、窒素ガスを水素ガスで置換する時間を確保することができる。よって、燃料電池１の停止時間に応じて決定される水素ガス循環流路１３内の残留窒素ガスを水素ガスで置換できた時点で正確にパージ弁１５を閉作動させることができる。
そして、前記燃料電池１の停止時間は、前記燃料電池１の温度又は前記燃料電池１のセル電圧や総電圧に基づいて推定されるので、燃料電池１の停止時間が長ければ長いほど燃料電池１の温度は低くなり、又は発電電圧は低くなることに着目して、水素ガスに置換すべき窒素ガスの量を決定する前記燃料電池１の停止時間を正確に推定できる。
又、前記パージ弁１５を閉作動させる時期を、前記水素ガス循環流路１３からの排出ガスに含まれる水素ガス濃度によっても決定しているため、排出される水素ガス濃度を直接的に用いることで、無駄な水素ガスの使用を最小限に抑え、水素ガス循環流路１３に残留した窒素ガスが障害となって発電開始までの時間が長くなるのを防止し、燃料電池車両の始動性を高めることができる。

次に、図８のフローチャートに基づいてこの発明の第３実施形態の燃料電池システムの起動処理について説明する。
この実施形態では、パージ弁１５の開弁時間を、燃料電池のスタック電圧（総電圧。セル電圧でも可）とアノード圧力とに基づいて定めたものである。
ステップＳ２０において、電圧センサ２４で検出されたスタック電圧が閾値Ｖ０（図９参照）以下か否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」（閾値Ｖ０以下）である場合はステップＳ２２に進み、判定結果が「ＮＯ」（閾値Ｖ０より上）である場合はステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１において水素ガス投入前の燃料電池１のスタック電圧に応じたパージ弁１５の開弁時間ｂ’を算出する。この算出は図９のグラフに基づいて行われる。このグラフは燃料電池停止時間に対するスタック電圧を示している。また、スタック電圧と開弁時間とのマップを別途有しており、スタック電圧が閾値Ｖ０より高い場合には開弁時間をｂ’に設定する。上述したように、燃料電池１の電圧が低ければ低いほど、燃料電池１の停止時間が長いことになると判断できることから、開弁時間ｂ’は、後述する開弁時間ｂ、開弁時間ｃよりも短い時間に設定される。

ステップＳ２２では圧力センサ２６で検出されたアノード圧力が閾値Ｐ０（図１０参照）以上か否かを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」で、閾値Ｐ０以上であればステップＳ２４に進み、判定結果が「ＮＯ」で、閾値Ｐ０未満であればステップＳ２３に進む。ステップＳ２３において、パージ弁１５の開弁時間ｂを算出する。また、ステップＳ２４において、パージ弁１５の開弁時間ｃを算出する。これらの開弁時間ｂ、ｃの算出は図１０のグラフに基づいて行われる。このグラフは燃料電池停止時間に対するアノード圧力を示している。また、アノード圧力と開弁時間とのマップを別途有しており、アノード圧力が閾値Ｐ０よりも小さいと開弁時間をｂに設定し、閾値Ｐ０以上のときは開弁時間をｃに設定する。ここで、開弁時間ｂは開弁時間ｃより短いが、上述した開弁時間ｂ’より長い時間に設定している。

この時間設定は以下の点に着目してなされている。すなわち、前記燃料電池停止時間が比較的短い場合には、水素ガス循環流路１３内に残存する水素が前記酸素ガスの系内に残存する酸素と反応するため、前記水素ガス循環流路１３の圧力は低下していく。ただし、前記燃料電池停止時間が比較的長くなると前記酸素ガスの系内に残存する窒素ガスが前記燃料ガスの系内に逆拡散するため、水素ガス循環流路１３の圧力は上昇していく。従って、このような点に着目することで、前記燃料電池推定停止時間を精度よく推定することができるので、燃料ガス側の系内から窒素ガスを排出して燃料ガスで満たすことができるとともに、無駄な燃料ガスを使用せず、水素ガス循環流路１３に残留した窒素ガスが障害となって発電開始までの時間が長くなるのをより確実に防止できる。

尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、燃料電池車両に搭載される燃料電池に限られるものではない。
又、パージ弁１５の閉弁時期を決定するために、燃料電池１の停止時間を直接的に測定して用いることもできる。この場合は燃料電池１の停止時間が短ければ短いほどパージ弁１５を閉じる時期を早めに設定することで対処できる。
更に、燃料電池１の温度、セル電圧（総電圧）、あるいは前記水素ガス循環流路１３からの排出ガスに含まれる燃料ガス濃度の何れか１つを単独であるいは任意に組み合わせて用いてパージ弁１５を閉作動させる時期を決定することができる。

この発明の実施形態の燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの概略構成図である。 この発明の第１実施形態の燃料電池車両に搭載された燃料電池の起動処理を示すフローチャート図である。 この発明の第１実施形態のグラフ図である。 この発明の第１実施形態の他の態様のグラフ図である。 この発明の第１実施形態のタイムチャート図である。 この発明の第２実施形態のフローチャート図である。 この発明の第２実施形態のタイムチャート図である。 この発明の第３実施形態のフローチャート図である。 この発明の第３実施形態のグラフ図である。 この発明の第３実施形態の他のグラフ図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１２ 水素ガス供給流路（燃料ガス供給流路）
１３ 水素ガス循環流路（燃料ガス循環流路）
１５ パージ弁
１６ 水素ガス排出流路（燃料ガス排出流路）

Claims (9)

1. 燃料ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池と接続された燃料ガス排出流路を燃料ガス供給流路に合流させる燃料ガス循環流路を備え、燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池に燃料ガスを供給すると共に前記パージ弁を開作動させ、前記燃料ガス循環流路の窒素ガスが燃料ガスで置換された後に、前記パージ弁を閉作動させることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
2. 前記パージ弁を閉作動させる時期は、前記燃料電池の停止時間に応じて決定さ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の起動方法。
3. 前記燃料電池の停止時間は、前記燃料電池の温度又は前記燃料電池の電圧に基づいて推定され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の起動方法。
4. 前記パージ弁を閉作動させる時期は、前記燃料ガス循環流路からの排出ガスに含まれる燃料ガス濃度に応じて決定さ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の起動方法。
5. 燃料ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池と接続された燃料ガス排出流路を燃料ガス供給流路に合流させる燃料ガス循環流路を備え、燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池に燃料ガスを供給し、その後前記パージ弁を開作動させ、前記燃料電池の推定停止時間に応じて決定される前記パージ弁を開作動させる時間の経過後、前記パージ弁を閉作動させることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
6. 前記燃料電池の推定停止時間は、前記燃料電池の温度又は前記燃料電池の電圧に基づいて推定されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの起動方法。
7. 燃料ガスと空気中の酸素ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池と接続された燃料ガス排出流路を燃料ガス供給流路に合流させる燃料ガス循環流路を備え、燃料ガス循環流路から循環燃料ガスを排出するパージ弁を備えた燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池に燃料ガスを供給し、その後前記パージ弁を開作動させ、前記燃料ガス循環流路からの排出ガスに含まれる燃料ガス濃度に応じて前記パージ弁を閉作動させることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
8. 前記パージ弁の閉作動後、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする請求項５から請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムの起動方法。
9. 前記パージ弁を閉作動させる時期は、前記燃料ガス循環流路の圧力および前記燃料電池の電圧に応じて決定されることを特徴とする請求項５から請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムの起動方法。
   

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