JP2008293824A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ燃料電池の発電を開始することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池２のアノード側ガス流路４２内の水素濃度に関する情報を取得するために、該アノード側ガス流路４２の水素濃度を推定する処理を実行する。燃料電池システムの始動時に、水素濃度の推定値に基づいて、アノード側ガス流路４２をパージしてから燃料電池２の発電を開始する第１始動制御と、アノード側ガス流路４２をパージすることなく燃料電池２の発電を開始する第２始動制御のどちらかの制御を選択して実行する。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

従来、例えば、下記の特許文献１に開示されるように、燃料電池の内部に燃料ガスを止めて運転する燃料電池システム（以下、アノードデッドエンド型システムという）が知られている。アノードデッドエンド型システムでは、運転時間の経過と共に燃料電池のアノード側ガス流路内に窒素や水分といった不純物質が蓄積されていく。

これら不純物質が膜電極接合体の表面を覆ってしまうと電極触媒における起電反応が阻害されて電圧の低下を招いてしまう。また、発生した異常電位が膜電極接合体を劣化させてしまうおそれもある。このため、従来のアノードデッドエンド型システムでは、適宜のタイミングで排気弁を開き、アノード側ガス流路内に蓄積された不純物質をアノードの下流端部から系外に排気していた。

特開２００５−３５３５６９号公報 特開２００５−３５３３０３号公報 特開平９−３１２１６７号公報

システム始動時においても、ガス流路内に不純物質が過度に存在する状況下では、発電を阻害したり、劣化を進めたりするおそれがある。上記従来の燃料電池システムでは、排気弁の開弁制御を発電開始前のタイミングにも行うこととすれば、発電開始前にアノード側ガス流路内の不純物質をパージすることができる。

ところで、システム始動時に、アノード側ガス流路内に前回のシステム停止時の残存燃料ガスが存在することがある。この残存燃料ガスの量は、前回のシステム停止時の運転状態や、システム停止中の状態などに影響を受け、始動時ごとに異なる場合がある。特に、アノードデッドエンド型システムでは、燃料電池のアノード側ガス流路内の燃料ガスの濃度分布が、供給燃料ガスの流速など種々の要因によって変化する。このため、システム停止時に残存する燃料ガス量が、発電停止直前の燃料ガスの供給速度（流速）に影響を受ける。

アノード側ガス流路内に不純物質と燃料ガスとが存在する場合、パージにより不純物質だけでなく燃料ガスも排気される。上記のようにアノード側ガス流路内の燃料ガス量が多いときにパージを実行すると、多くの燃料が発電に利用されずに無駄に排気されてしまう。燃費の向上という観点からは、燃料ガスの無駄な排出は出来るだけ防止したい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ燃料電池の発電を開始することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに空気の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノード側のガス流路の下流側に備えられ、パージ要求に応じて該アノード側のガス流路のパージをする排気機構と、
前記アノード側のガス流路内の燃料ガスの濃度を検知または推定する濃度情報取得手段と、
前記燃料電池の発電開始の要求の後、前記濃度情報取得手段により取得された燃料ガス濃度値を所定の基準値と比較する比較手段と、
前記燃料電池の発電開始の要求の後、前記比較手段の比較の結果に基づいて、前記アノード側のガス流路のパージを実行してから前記燃料電池の発電を開始する第１始動制御と、該アノード側のガス流路のパージを実行することなく該燃料電池の発電を開始する第２始動制御とのうちいずれかの制御を選択して実行する制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池の発電中に前記アノード側のガス流路へ燃料ガスを供給する燃料供給手段を備え、
前記排気機構は排気流量が可変とされ、前記アノード側のガス流路内での燃料ガスの消費量に比して微少量のガスを系外に排気する排気モードを備え、
前記第２始動制御は、前記アノード側のガス流路のパージを実行することなく前記燃料電池の発電を開始し、かつ、該燃料電池の発電開始以後に前記排気機構を前記排気モードへと切り替える制御であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記第２始動制御は、前記燃料電池の発電開始以後に前記排気機構を前記排気モードへと切り替えた後に、所定の時間、該排気機構を該排気モードの通常排気流量よりも大きな排気流量で動作させる増量排気制御を含むことを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記濃度情報取得手段により取得された燃料ガス濃度値に基づいて、前記増量排気制御時の前記排気機構の排気流量を設定する設定手段を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池システムの始動時に、燃料ガス濃度を所定の基準値と比較し、当該比較により発電開始に十分な燃料ガスがアノード側ガス流路に存在するか否かを判定できる。そして、この判定結果に応じて、発電開始前のパージの実行と非実行とを適切に切り替えることができる。この手法によれば、燃料ガス濃度が発電開始に不足であるとの判定結果を得た上でパージを実行するので、発電開始可能な状況下で燃料ガスが無駄に排気されてしまう事態を防ぐことができる。その結果、燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ、燃料電池の発電を開始することができる。

第２の発明によれば、燃料電池システムの始動時に、アノード側ガス流路内のガスの状態に応じて、発電開始前にパージをして発電を開始する制御と、パージをせずに発電を開始し、かつ、発電開始後に排気モードの排気を行う制御とのうちいずれかの制御を選択的に実行することができる。これにより、システム始動時にアノード側ガス流路内に不純物質が残存する状況下において、アノード側ガス流路内の燃料ガスの濃度に応じ、不純物質を排気する時期および手法を適切に使い分けることができる。その結果、燃料ガスの無駄な排出を抑えた優れた始動制御を行うことができる。

第３の発明によれば、燃料電池システムの始動時、燃料ガスの不足が生ずるのを効果的に防止することができる。燃料ガスの無駄な排気を抑えつつ不純物質を排気する観点から、排気モードにおける通常の排気流量は、燃料電池内の発電消費燃料ガス量に比して微小な量に設定される。一方、始動前の不純物質がそのまま残っている状況で発電が開始されると、アノード側ガス流路内の下流に不純物質が高濃度に存在する状態となる。第３の発明によれば、システム始動時の残存不純物質量が多い状況下で排気流量を通常の量よりも多くすることで、この残存不純物質を速やかに排気することが可能となる。その結果、燃料ガスの無駄な排出を抑えつつ、発電時に不純物質量を速やかに低減できる優れた始動制御を行うことができる。

第４の発明によれば、不純物質を速やかに排出すべく発電開始後に排気流量を増量する際に、増量分を加えた排気流量を、アノード側ガス流路内の燃料ガス濃度に応じた適切な流量に精度良く設定することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
（システムの構成）
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、燃料電池２によって発電してその電力をモータ等の負荷に供給するシステムである。通常、燃料電池２は、複数の単位燃料電池を積層してなる燃料電池スタックとして使用される。単位燃料電池は、図示は省略するが、膜電極接合体を一対の集電板で挟んだ構成になっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒が一体化されたものであり、さらにその各面にはガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接する２枚の膜電極接合体の間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位燃料電池は、アノードに燃料ガスとしての水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する仕組みになっている。

燃料電池２には、水素タンク４から燃料電池２に水素を供給するための水素供給管６が接続されている。水素供給管６の途中には、その上流から水素調圧弁８と水素入口弁１０が順に配置されている。水素は調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された水素は、燃料電池２内に形成された供給マニホールド（図示略）によって各単位燃料電池のアノードに分配される。

本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池２内からアノードガスを抜き出すための排気管１２を備えている。この排気管１２は、燃料電池２内に形成された排気マニホールド（図示略）を介して、各単位燃料電池のアノード側ガス流路の下流側端部に接続されている。アノード側ガス流路内のガス（アノードガス）は、排気マニホールドに集められて排気管１２に排出される。排気管１２の先端は大気に開放されるか、若しくは、希釈器に接続されている。

排気管１２には、排気管１２の連通状態を切り替える排気機構として、デューティ制御が可能な電磁式の排気弁１４が設けられている。排気弁１４は、好ましくは、流量の制御性に優れるインジェクタ式とする。インジェクタ式の排気弁は、その開閉時間が可変であり、高周波応答性を有し、流量の制御性に優れるという特徴がある。この点において、単にその開度が可変なバルブに比較して、より精度よい排気流量制御が可能となる。

アノード側ガス流路から系外へ排気されるアノードガスの排気量は、排気弁１４のデューティ比によって制御することができる。本実施の形態の燃料電池システムでは、アノード側ガス流路内での水素の消費量に比較して極微小な流量のアノードガスが系外へ排気（連続少量排気）されるように排気弁１４のデューティ制御が行われる。以下、このような連続少量排気を行う際のデューティ制御の動作を、「排気モード」とも呼称する。

また、排気弁１４は、開度を大きくすることで、アノード側ガス流路内のガスを即座に排気するパージが可能である。また、排気弁１４は、閉状態とすることで、アノード側ガス流路の下流側を閉塞することもできる。このように、排気弁１４は、少なくとも、排気モード、パージ、閉塞の３つの動作状態を備える排気弁である。

また、燃料電池２には、空気を供給するための空気供給管３０が接続されている。空気供給管３０には空気ポンプ３２が配置されている。空気ポンプ３２の作動によって空気供給管３０に空気が取り込まれ燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された空気は、燃料電池２内に形成された供給マニホールドによって各単位燃料電池のカソードに分配される。各単位燃料電池のカソードを通過した空気は、燃料電池２内に形成された排気マニホールドに集められて排気管３４に排出される。

排気弁１４の動作の制御は制御装置２０によって行われる。制御装置２０には、圧力センサ２６、温度センサ２４、電流計２２が接続されている。温度センサ２４は燃料電池２に取り付けられて、燃料電池２の温度を計測している。電流計２２は燃料電池２に取り付けられて燃料電池２の電流値を計測している。圧力センサ２６は、アノード側ガス流路４２内の圧力を測定する。

（燃料電池２の内部の構成）
図２は、燃料電池２を構成する単位燃料電池の内部構造と、そこで起きている現象を模式的に示す図である。図２では、本発明の特徴に特に係る部分を示し、集電体やマニホールド等、本発明の特徴以外の部分については図示は省略している。以下、図１とあわせて図２も参照して説明する。

図２に示すように、単位燃料電池内では膜電極接合体４０の各面に沿ってガス流路４２，４４が形成されている。膜電極接合体４０のアノード側のガス流路４２には、水素が供給されている。膜電極接合体４０のカソード側のガス流路４４には、空気が供給されている。なお、これらガス流路４２，４４の形状や構成には限定はない。例えば、集電体（セパレータ）の表面に溝を形成し、その溝をガス流路４２，４４としてもよい。また、集電体と膜電極接合体４０との間に導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってガス流路４２，４４を形成してもよい。

カソード側ガス流路４４に供給される空気には、発電に使用される酸素（O₂）のほかに窒素（N₂）が含まれている。窒素は不活性ガスであって発電には供されず、そのままカソード側ガス流路４４から系外に排気される。しかし、一部の窒素は、図２中に矢印で模式的に示すように膜電極接合体４０を透過してアノード側ガス流路４２に侵入してしまう。

このとき窒素をアノード側ガス流路４２側に移動させる駆動力となるのは、カソード側ガス流路４４とアノード側ガス流路４２との間での窒素の分圧差である。膜電極接合体４０を透過した窒素（N₂）は、アノード側ガス流路４２内の水素（H₂）の流れによって、図２中に矢印で模式的に示すようにアノード側ガス流路４２の下流へと流されていく。

窒素は、アノード側でも発電には使用されない。このため、排気弁１４が閉じられてアノード側ガス流路４２の下流が閉塞されている場合、図２中に模式的に示すように、窒素はアノード側ガス流路４２の下流端部に次第に蓄積されていく。窒素が膜電極接合体４０の表面を覆ってしまうと触媒における起電反応が阻害され、電圧の低下や異常電位による膜電極接合体４０の劣化を招いてしまう。

この点に関し、本実施の形態の燃料電池システムでは、排気弁１４をデューティ制御することで、アノード側ガス流路４２内の窒素を系外へ少しづつ排気することができる。なお、実施の形態１では、排気モード時の通常の排気流量を、単位時間当たりにアノードへと移動してくる窒素量（窒素のクロスリーク量）に応じた値とする。これにより、水素排出を抑えた過不足のない窒素排出を行うことができる。

なお、空気には窒素以外にも水蒸気や二酸化炭素等の発電に供されない不純物質が含まれている。しかし、それらの空気中における濃度は窒素に比較すれば極微小であるので、ここでは不純物質として窒素にのみ着目するものとする。ただし、本発明が想定する不純物質から窒素以外の物質を除外することを意味するものではない。

（燃料電池２の内部のガス濃度分布）
図３は、実施の形態１の燃料電池システムの運転時における、アノード側ガス流路４２内の水素濃度分布とその変化を説明するための図である。水素濃度の１００％に対する差が窒素濃度を表している。アノード側ガス流路４２の下流端部に窒素が蓄積されると、水素濃度分布は図３中に実線で示すようになる。上記の連続少量排気運転が、このようにアノード側ガス流路４２の下流端部に窒素が蓄積された状態で実行されることで、水素排出を抑え、かつ、窒素を優先的に排気できるという優れた効果が得られる。

アノード側ガス流路４２における窒素の分布は、アノード側ガス流路４２内での窒素の流れの状態によって決まる。図２中に矢印で模式的に示すように、窒素がアノード側ガス流路４２を下流方向に流れている場合には、必然的に窒素が下流端部に蓄積され得る状況となる。

アノード側ガス流路４２内の窒素の流れは、アノード側ガス流路４２内の窒素の拡散速度と、アノード側ガス流路４２内の水素の流速とによって決まる。水素の流速が窒素の拡散速度よりも大きければ、膜電極接合体４０を透過してきた窒素はアノード側ガス流路４２の上流に拡散することなく下流へ流されていくことになる。その結果、図３中に実線で示すような水素濃度分布ができることになる。

一方、水素の流速が窒素の拡散速度よりも小さければ、アノード側ガス流路４２の上流まで窒素が拡散していき、図３中に破線で示すような水素濃度分布ができることになる。水素の流速は、制御装置２０によって、随時、燃料電池２の負荷状態に応じた値に変更されている。負荷増加時には出力電流値が増加し、これに応じて、より大きな流速で水素が供給されることになる。

よって、アノード側ガス流路４２のガスの濃度分布は運転状態に応じて変化し、これに伴ってアノード側ガス流路４２に存在する水素濃度も変化する。このため、排気モード時の排気流量は、燃料電池２内の膜電極接合体を挟んだ窒素の移動量と、アノード側ガス流路４２内の水素濃度分布とを考慮して定めることが好ましい。この点を考慮して、例えば、排気モード時の通常排気流量を、燃料電池２の出力電流値に応じて変化させてもよい。また、この通常排気流量に、アノード側ガス流路４２内の圧力や、温度に応じた窒素の拡散速度の変化などをパラメータとして加えても良い。

（水素濃度推定処理）
実施の形態１の燃料電池システムでは、制御装置２０が、水素濃度推定処理を記憶している。この水素濃度推定処理は、燃料電池システムの前回の停止時刻から今回のシステム始動時刻までの経過時間に基づいて、燃料電池２のアノード側ガス流路４２内に存在する燃料ガスの量を推定演算する処理である。

図２を用いて述べたように、膜電極接合体４０を挟んで位置するアノードとカソードとの間で、分圧差を駆動力としたガスの授受が発生している。燃料電池システムがある運転状態で運転された後に停止されると、アノード側ガス流路４２内には停止前の運転状態に応じた量の水素が残存することになる。この残存水素はシステム停止後の時間の経過に伴って、カソード側ガス流路４４へと移動していく。

その結果、システム停止後の経過時間に応じて、アノード側ガス流路４２内の水素濃度が徐々に低下していく。そして、水素濃度の低下とは反対に、窒素分圧差を駆動力として、カソードからアノードへと、窒素が移動してくる。水素濃度推定処理では、このようなガスの単位時間あたりの移動量（クロスリーク量）について予め把握しておき、システム停止時刻からの経過時間に応じたアノード側ガス流路４２内の水素濃度を推定する。

［実施の形態１の動作］
以下、図４を用いて、実施の形態１の燃料電池システムの始動時の動作について説明する。図４は、システムの起動開始後、燃料電池２の発電が開始されて通常発電状態に移行するまでの排気弁１４の制御を、時間の経過と共に示す図である。図４では、縦軸が排気弁１４の排気流量に、横軸が時間に相当する。また、時刻Ｔ_１は燃料電池２の発電開始時刻である。時刻Ｔ_１よりも紙面左側の領域がシステム起動中でありかつ非発電中の期間に相当し、時刻Ｔ_１よりも紙面右側の領域がシステム運転中であり燃料電池２の発電中の期間に相当する。なお、図４では、排気弁１４の排気モード時の通常排気流量をＱ_Ｎとしている。

また、実施の形態１では、予め、燃料電池２が発電を開始するために最低限必要な水素濃度を、実験により把握しておく。具体的には、発電開始時にＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開放電圧）が十分に生ずる程度の最低限度の水素濃度（以下、限界水素濃度Ｃ_ｍｉｎとも呼称する）を、予め実験などにより把握しておく。この限界水素濃度は、例えば、１０％程度に定めることができる。

（水素濃度に基づく比較判定）
実施の形態１では、システムが起動されて燃料電池２の発電開始の要求があったら、先ず、制御装置２０が記憶している水素濃度推定処理を実行する。図４では、便宜上、時刻Ｔ_０に水素濃度推定処理が実行されたものとする。これにより、当該時刻Ｔ_０におけるアノード側ガス流路４２内の水素濃度の推定値Ｃが得られる。

続いて、時刻Ｔ_０に得られた推定水素濃度Ｃを限界水素濃度Ｃ_ｍｉｎと比較する。この比較によって、推定水素濃度Ｃが限界水素濃度Ｃ_ｍｉｎよりも小さい場合（Ｃ＜Ｃ_ｍｉｎ）には、燃料電池２の発電を開始できないとの判断をすることができる。逆に、推定水素濃度Ｃが限界水素濃度Ｃ_ｍｉｎ以上である場合（Ｃ≧Ｃ_ｍｉｎ）には、燃料電池２の発電の開始が可能との判断をすることができる。このように、推定水素濃度Ｃと限界水素濃度Ｃ_ｍｉｎとの比較に基づいて、燃料電池２の発電開始が可能か否かを判定する。

その後、実施の形態１では、上記の判定結果に基づいて、それ以降の制御内容を後述する第１、２始動制御から選択する。以下、図４（ａ）を用いて第１始動制御を、図４（ｂ）を用いて第２始動制御を、それぞれ説明する。

（第１始動制御）
実施の形態１のシステムでは、Ｃ＜Ｃ_ｍｉｎである場合には、第１始動制御を実行する。図４（ａ）は、第１始動制御の制御内容を説明するための図であり、第１始動制御における排気弁１４の動作を説明する図である。排気弁１４の排気流量の変化が実線で示されている。第１始動制御では、まず、アノード側ガス流路４２のパージを行う。具体的には、燃料電池２内のアノード側のガス流路の総容積Ｖ_Ａ分のガスを速やかに排気できるように定められた排気流量Ｑ_Ｐで、排気弁１４を動作させる。これにより、アノード側ガス流路４２内の窒素がパージされ、良好な始動性を確保することができる。

パージが終了したら排気弁１４が閉じられる。その後、時刻Ｔ_１において燃料電池２の発電開始処理を実行し、水素供給を開始して燃料電池２を所定の出力で発電させる。

また、実施の形態１では、発電を開始した後、所定の時間Ｔ_Ｃが経過するまで、排気弁１４を閉じた状態に保つこととする。具体的には、パージ後に発電を開始した後、アノード側ガス流路４２下流側端部の水素濃度が零付近になるまでの時間Ｔ_Ｃを予め求め、この時間Ｔ_Ｃが経過するまでは排気弁１４を閉じる。時間Ｔ_Ｃは、予め、窒素透過量や出力電流密度を考慮して定めておく。時間Ｔ_Ｃが経過したら、既述した排気モードで排気弁１４を動作させ、通常発電時の運転へと移行する。

第１始動制御ではシステム始動時にパージを行っているので、燃料電池２の発電開始時において、アノード側ガス流路４２内がほぼ純水素となる。水素濃度が高い状態で排気弁１４を不必要に開くことは、水素を無駄に排出するおそれがあり好ましくない。この点、実施の形態１の第１始動制御によれば、アノード側ガス流路４２内の窒素量が排出を必要とするほどに増加するまでは、排気弁１４を閉じた状態で発電を行うことができる。

なお、時間Ｔ_Ｃは、より具体的には、例えば、以下のような手法で決定できる。先ず、予め実験などにより、発電開始時の運転条件におけるアノード側ガス流路４２への窒素のクロスリーク量を把握する。これに基づいて、時間の経過に応じたアノード側ガス流路４２内の窒素量のマップを作成する。このマップを参照することで、発電開始後の特定の時刻におけるアノード側ガス流路４２下流側の窒素量を推定できる。また、発電開始時の出力電流密度が一定であれば、この時の水素流速も決まる。また、始動時の出力に応じて、発電による水素の消費量も定まる。これらの情報を用いて発電開始後の水素濃度分布の時間変化を推定することで、発電開始後にアノード側ガス流路４２下流側端部の水素濃度が零付近になるまでの時間を予測することができる。

なお、発電開始後に出力電流密度が変化すると、クロスリーク量が変化する。また、電解質膜の物性によっても、クロスリーク量は異なる。従って、上記の窒素量推定のマップは、発電開始時の出力電流密度や、膜電極接合体の電解質膜の物性に応じて適宜変更したり補正したりすることが好ましい。また、マップの作成以外にも、例えば、窒素量の予測モデルを構築してこれを利用したり、より簡略的に発電開始から出力（電圧）低下が認められるまでの時間を実験的に把握したりしてもよい。

（第２始動制御）
実施の形態１のシステムでは、Ｃ≧Ｃ_ｍｉｎである場合には、図４（ｂ）に示す第２始動制御を実行する。図４（ｂ）には、第２始動制御における排気弁１４の排気流量の時間変化が点線で示されている。上述したように、Ｃ≧Ｃ_ｍｉｎである場合には、アノード側ガス流路４２内に存在する水素濃度が、発電を開始する最低限度の濃度以上と判断できる。そこで、第２始動制御では、第１始動制御とは異なり、発電開始前のパージを実行することなく、燃料電池２の発電を開始する。このようにすることで、アノード側ガス流路４２に存在する水素を発電に消費することができる。

ところで、第２始動制御では、第１始動制御とは異なり発電開始前のパージをしないので、システム始動前の残存窒素がアノード側ガス流路４２内にそのまま存在している。図５は、アノード側ガス流路内に窒素が存在する状況下における、発電開始後の水素濃度分布の時間変化を計算した結果を示す図である。横軸はアノード側ガス流路内の位置を示しており、縦軸は水素濃度の相対的な値を示している。図５の水素濃度分布と図３の水素濃度分布とは、同様の形式で図示されている。

図５の初期状態（０秒）は、非発電時の状態における水素濃度分布である。また、図５には、開始から１秒後、２秒後、４秒後の水素濃度分布もそれぞれ示されている。初期状態（０秒）では水素の供給がなく、アノード側ガス流路内で窒素が拡散して均一に存在している。従って、水素濃度もアノード側ガス流路内で均一な値（図５では０．６）となっている。この状態から発電を開始して水素供給を開始すると、水素の流れによって窒素がアノード側ガス流路の下流側へと押し流される。

その結果、１秒、２秒、４秒と時間が経過するにつれ、アノード側ガス流路下流側の窒素濃度が上昇し、これに応じて水素濃度が低下していく。また、発電による水素の消費によって、下流側の水素濃度の低下がさらに速やかに進む。その結果、図５の計算結果では、４秒後にはアノード側ガス流路の下流側の水素濃度が０となり、当該部位が発電不能状態に陥っている。

第２始動制御では、上記の点に着目し、発電開始後に所定時間Δｔが経過するまで、排気弁１４の排気流量を、排気モードにおける通常排気流量Ｑ_Ｎよりも大きくする。そして、所定時間Δｔの経過後は、排気弁１４を通常排気流量Ｑ_Ｎで駆動させる。図４に、このような増量を行う際の排気流量を、排気流量Ｑ_１として示す。このような発電開始直後の排気流量の増量制御により、水素を発電に利用しつつ、システム始動時に窒素を速やかに排気することができる。

以上説明したように、実施の形態１によれば、システム始動時における残存水素濃度を推定し、この推定に基づいて燃料電池２の発電開始前のパージを実行するか否かの判定を行うことができる。そして、この判定の結果に基づいて、発電開始前にパージを実行する第１始動制御と、パージをすることなく発電を開始する第２始動制御とのいずれかを選択的に実行することができる。その結果、水素の無駄な排出を抑えつつ、燃料電池の発電を開始することができる。

また、実施の形態１によれば、第２始動制御によるパージ非実行の始動動作の後、排気モードによる連続少量排気運転が開始される。つまり、発電開始不可能な場合にのみパージをし、発電開始可能な場合には連続少量排気運転により発電を行いながら水素の無駄を抑えつつ窒素を排気することができる。このように、残存窒素の処理の手法を状況に応じて適切に切り替えることができ、水素の無駄な排出を抑えた優れた始動制御を行うことができる。

また、実施の形態１によれば、発電開始後、排気弁１４を排気流量Ｑ_１で駆動させている。このような手法によれば、システム始動時の残存窒素量が多い状況下で当該窒素を速やかに排気し、良好な発電状態を早期に確保することが可能となる。これにより、水素の無駄な排出を抑え、かつ、発電時に窒素量を速やかに低減できる優れた始動制御を行うことができる。なお、この排気流量Ｑ_１は、通常排気流量Ｑ_Ｎとは独立して定めることができる。

［実施の形態１の具体的処理］
以下、図６を用いて、実施の形態１の燃料電池システムが行う具体的処理を説明する。図６は、実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。図６に示すルーチンは、実施の形態１のシステムの運転開始要求があった後に実行される。このルーチンが実行される時点では、排気弁１４は閉状態とされている。なお、システム運転開始要求の有無の判断は、例えば実施の形態１のシステムが車両に搭載される場合には、イグニッションがＯＮとなったか否かの判定に基づいて行うことができる。

図６に示すルーチンでは、先ず、アノード側ガス流路４２内に存在する水素濃度Ｃを推定する処理が実行される（ステップＳ１００）。具体的には、制御装置２０が水素濃度推定処理を実行し、現在の水素濃度Ｃを推定する。

次に、推定水素濃度Ｃが、予め定められた限界水素濃度Ｃ_ｍｉｎ未満であるか否かの判別が行われる（ステップＳ１０２）。具体的には、制御装置２０が、推定水素濃度Ｃを限界水素濃度Ｃ_ｍｉｎと比較し、Ｃ＜Ｃ_ｍｉｎの関係が成立しているかを判定する。この条件の成立が認められた場合（Ｃ＜Ｃ_ｍｉｎの場合）には、燃料電池２の発電を開始できないとの判断が下され、アノード側ガス流路４２のパージが実行される（ステップＳ１０４）。これにより、アノード側ガス流路４２内のガスが速やかに排出される。ステップＳ１０４の処理が実行されたら、燃料電池２の発電を開始する。

続いて、制御装置２０は、発電開始時刻から所定の時間Ｔ_Ｃが経過するまで、排気弁１４を閉状態に保つ（ステップＳ１０６）。この時間Ｔ_Ｃの長さは、既述したように、時間の経過に応じた窒素量変化のマップを利用する手法により決定すればよい。時間Ｔ_Ｃの長さは、例えば、数十分から数時間程度とすることができる。但し、これに限られるものではない。時間Ｔ_Ｃが経過したら、排気弁１４の排気流量を通常排気流量Ｑ_Ｎに設定し、今回のルーチンが終了する。

ステップＳ１０２の条件の成立が認められない場合（Ｃ≧Ｃ_ｍｉｎの場合）には、燃料電池２の発電を開始可能との判断が下される。この場合には、先ず、水素濃度Ｃに応じて起動直後の排気流量Ｑ_１を算出する処理が実行される（ステップＳ１１０）。具体的には、制御装置２０が、以下の式（１）に基づいてＱ_１を算出する。
Ｑ_１ ＝ （１−Ｃ）×Ｖ_Ａ／Δｔ ・・・ （１）

式（１）において、Ｃは推定水素濃度、Ｖ_Ａは燃料電池２内のアノード側のガス流路の総容積である。式（１）では、水素濃度０％から１００％に応じて、０から１．０の値をそれぞれＣに代入する（例えば、５０％ではＣ＝０．５、１０％では０．１）。よって、式（１）において、（１−Ｃ）×Ｖ_Ａの値は、アノード側ガス流路内の水素以外の物質の総量（不純物質の総量）を規定している。Δｔは起動直後の増量排気時間であり、例えば５秒程度の値にすることができる。このように、式（１）は、起動直後に排出すべき不純物質量の総量を所定の時間で除算することにより、排気流量Ｑ_１を求める式である。

ステップＳ１１０の処理により排気流量Ｑ_１が決定したら、その後、排気弁１４を閉じたまま燃料電池２の発電を開始する。これにより、システム始動時にアノード側ガス流路４２内に残存する水素を、無駄なく燃料電池２の発電に消費することができる。

続いて、発電開始後速やかに、時間Δｔの間、排気流量Ｑ_１で動作するように排気弁１４が制御される（ステップＳ１１２）。燃料電池２の発電が開始されることで、水素供給が開始され、図３で述べたように窒素がアノード側ガス流路４２の下流側に集中している。ステップＳ１１２の処理によれば、このような状況下で、窒素を速やかに、かつ優先的に排気することができる。その後、Δｔが経過したら、排気流量を通常排気流量Ｑ_Ｎに設定され、今回のルーチンが終了する。

以上の処理によれば、水素の無駄な排出を抑えた優れた始動制御を行うことができる。

尚、上述した実施の形態１では、排気弁１４が前記第１の発明における「排気機構」に、水素濃度推定処理が前記第１の発明における「濃度情報取得手段」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１のフローチャートにおいて、ステップＳ１０２の処理が、前記第１の発明の「比較手段」および「制御手段」に相当している。また、上述した実施の形態１のフローチャートにおいて、ステップＳ１０４以降の処理が前記第１の発明の「第１始動制御」に、ステップＳ１１０以降の処理が前記第１および第２の発明の「第２始動制御」に、それぞれ相当している。

また、上述した実施の形態１では、図６のフローチャートのステップＳ１１２が、前記第３の発明における「増量排気制御」に相当し、時間Δｔが前記第３の発明における「所定の時間」に相当している。また、実施の形態１では、図６のフローチャートのステップＳ１１０が、前記第４の発明における「設定手段」に相当している。

［実施の形態１の変形例］
（第１変形例）
実施の形態１では、燃料電池２の発電開始後、所定の時間Δｔが経過するまで、排気流量Ｑ_１（Ｑ_１＞Ｑ_Ｎ）で動作するように排気弁１４を制御した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。燃料電池２の発電開始後、排気弁１４を通常排気流量Ｑ_Ｎで動作させてもよい。具体的には、図６のルーチンで、ステップＳ１１０、１１２を除いても良い。

（第２変形例）
上記述べた水素濃度推定処理以外の手法で、水素濃度に関する情報を取得してもよい。例えば、アノード側ガス流路４２内の窒素濃度の変化は、燃料電池２を冷却する冷却水の温度の変化と対応関係を持っている。この対応関係を利用して、冷却水温度の変化に基づいて、アノード側ガス流路４２内の窒素濃度を推定することができる。この推定窒素濃度から逆算して、アノード側ガス流路４２内の水素濃度を推定しても良い。

また、水素濃度センサを燃料電池２内におけるアノード側ガス流路４２と連通する部位に取りつけ、当該センサの計測値を利用してアノード側ガス流路４２内の水素濃度を検知してもよい。また、上記以外にも、水素濃度情報の取得に関する種々の公知の技術を適宜利用することができる。このような変形を行った場合には、水素センサを用いた検知手法が前記第１の発明における「濃度情報取得手段」に相当することになる。

（第３変形例）
実施の形態１では、第１始動制御において、発電開始から所定の時間Ｔ_Ｃが経過するまで、排気弁１４を閉状態に保持している（図６のルーチンのステップＳ１０６）。しかしながら、この動作を行わずに、発電開始後、速やかに、排気弁１４を排気モードで動作させても良い。

（その他の変形例）
なお、実施の形態１では、燃料電池２の発電開始後、連続少量排気運転を行うシステムとした。しかしながら、例えば、燃料電池の発電中に間欠的にパージを実行するシステムに、本発明の思想を適用することができる。この場合には、図６のルーチンにおけるステップＳ１１０、１１２を除き、ステップＳ１０８の処理を通常排気制御（間欠的にパージを実行する動作モード）への移行処理に置き換える。

このようにすることで、連続少量排気運転のシステム以外のシステムにおいても、実施の形態１と同様に、始動時にアノード側ガス流路内の燃料ガス量に応じて発電開始前のパージの実行と非実行とを切り替えることができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を説明するための図である。 単位燃料電池の内部の構造とそこで起きている現象を模式的に示す図である。 アノード側ガス流路内の水素濃度の分布と電流値との関係について示す図である。 実施の形態１のシステムの始動時の動作を説明するための図である。 燃料電池の発電開始時におけるアノード側ガス流路内の水素濃度の分布についての計算結果を示す図である。 実施の形態１のシステムが実行するルーチンのフローチャートである。

符号の説明

２ 燃料電池
４ 水素タンク
６ 水素供給管
８ 水素調圧弁
１０ 水素入口弁
１２ 排気管
１４ 排気弁
２０ 制御装置
２２ 電流計
２４ 温度センサ
２６ 圧力センサ
３０ 空気供給管
３２ 空気ポンプ
３４ 排気管
４０ 膜電極接合体
４２ アノード側ガス流路
４４ カソード側ガス流路
Ｃ 推定水素濃度
Ｃ_ｍｉｎ 限界水素濃度

Claims (4)

1. アノードに燃料ガスの供給を受けカソードに空気の供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の前記アノード側のガス流路の下流側に備えられ、パージ要求に応じて該アノード側のガス流路のパージをする排気機構と、
   前記アノード側のガス流路内の燃料ガスの濃度を検知または推定する濃度情報取得手段と、
   前記燃料電池の発電開始の要求の後、前記濃度情報取得手段により取得された燃料ガス濃度値を所定の基準値と比較する比較手段と、
   前記燃料電池の発電開始の要求の後、前記比較手段の比較の結果に基づいて、前記アノード側のガス流路のパージを実行してから前記燃料電池の発電を開始する第１始動制御と、該アノード側のガス流路のパージを実行することなく該燃料電池の発電を開始する第２始動制御とのうちいずれかの制御を選択して実行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の発電中に前記アノード側のガス流路へ燃料ガスを供給する燃料供給手段を備え、
   前記排気機構は排気流量が可変とされ、前記アノード側のガス流路内での燃料ガスの消費量に比して微少量のガスを系外に排気する排気モードを備え、
   前記第２始動制御は、前記アノード側のガス流路のパージを実行することなく前記燃料電池の発電を開始し、かつ、該燃料電池の発電開始以後に前記排気機構を前記排気モードへと切り替える制御であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記第２始動制御は、前記燃料電池の発電開始以後に前記排気機構を前記排気モードへと切り替えた後に、所定の時間、該排気機構を該排気モードの通常排気流量よりも大きな排気流量で動作させる増量排気制御を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記濃度情報取得手段により取得された燃料ガス濃度値に基づいて、前記増量排気制御時の前記排気機構の排気流量を設定する設定手段を備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。

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