JP2009277622A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の停止期間中に掃気処理を行う燃料電池システムであって、起動後の発電安定性を確保しつつ、より速やかに起動できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池の停止期間中に、アノードガス系内に掃気ガスを供給するアノード掃気処理を実行する。ここで、アノード掃気処理の実行中に燃料電池の起動要求が検出された場合には、アノードガス系内の水素濃度を検出し、この検出したアノードガス系内の水素濃度に基づいて、アノード掃気処理を継続し燃料電池の起動を禁止するか、又は、アノード掃気処理を中断し燃料電池の起動を許可するかを判断する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、燃料電池の停止期間中にアノードガス系内の掃気処理を実行する燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしてのエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池システムが注目されている。

このような燃料電池システムにおいて、発電停止後の燃料電池や反応ガス流路の内部等には、発電中に生成された水が残留する。外気温度が氷点下の環境に、発電停止後の燃料電池システムを放置すると、このような残留水が燃料電池や反応ガス流路の内部で凍結してしまい、次回燃料電池システムを起動する際に、燃料電池の発電安定性を確保しにくくなるおそれがある。

そこで、燃料電池の停止期間中には、これら燃料電池や反応ガス流路の内部に掃気ガスを流通させることで、残留水をシステム外部に排出する掃気処理を実行する（特許文献１参照）。特に、この特許文献１に示された燃料電池システムでは、掃気処理が完了するまで、すなわち燃料電池や反応ガス流路の内部の掃気が完全に完了するまで、燃料電池の起動を禁止しており、これにより、起動直後における発電安定性を確実に確保する。
特開２００７−１８００１０号公報

しかしながらこのような燃料電池システムでは、起動後の発電安定性を確実に確保できるものの、掃気処理の実行中において運転者がイグニッションをオンにし燃料電池の起動を指令した場合、実際に起動するには掃気処理が完了するまで待たなければならず、商品性が低下する虞がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の停止期間中に掃気処理を行う燃料電池システムであって、起動後の発電安定性を確保しつつ、より速やかに起動できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、アノードガスをアノード極に供給しカソードガスをカソード極に供給し、これらアノードガス及びカソードガスの反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、アノードガス及びアノードオフガスが流通するアノードガス系（例えば、後述のアノード流路１３、水素供給路３３、水素還流路３４、水素排出路３５、及びアノード掃気排出路３６）内に掃気ガスを供給する掃気処理を、前記燃料電池の停止期間中に実行する掃気手段（例えば、後述のＥＣＵ４０、及び掃気処理実行部４２）と、前記燃料電池の起動要求を検出する起動要求検出手段（例えば、後述のイグニッションスイッチ４１）と、を備える燃料電池システムであって、前記アノードガス系内におけるアノードガスの濃度を第１ガス濃度として、当該第１ガス濃度を検出する第１ガス濃度検出手段（例えば、後述のＥＣＵ４０、パージ処理実行部４３、及び図３のステップＳ２の実行に係る手段）と、前記掃気処理の実行中に前記燃料電池の起動要求が検出された場合には、前記検出された第１ガス濃度に基づいて、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止するか、又は、前記掃気処理を中断し前記燃料電池の起動を許可するかを判断する掃気時起動判断手段（例えば、後述のＥＣＵ４０、パージ処理実行部４３、及び図３のステップＳ３〜Ｓ５の実行に係る手段）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、アノードガス系内の掃気処理の実行中に燃料電池の起動要求が検出された場合には、第１ガス濃度検出手段により検出された第１ガス濃度に基づいて、掃気処理を継続し燃料電池の起動を禁止するか、又は、掃気処理を中断し燃料電池の起動を許可するかを判断する。
これにより、掃気処理の実行中に起動要求を検出した場合、この掃気処理が完了するまで待つことなく、速やかに燃料電池を起動できる場合がある。特にここで、アノードガス系内におけるアノードガスの濃度に応じて、燃料電池の起動を許可するか禁止するかの判断を行う。これにより、燃料電池の起動後の発電安定性を確保しつつ、より速やかに起動し、燃料電池システムの商品性を向上することができる。

この場合、前記掃気時起動判断手段は、前記検出された第１ガス濃度が所定の第１判定濃度より大きい場合には、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止すると判断することが好ましい。

この発明によれば、アノードガス系内の掃気処理の実行中に燃料電池の起動要求が検出されると、第１ガス濃度を検出し、この第１ガス濃度が第１判定濃度より大きい場合には、掃気処理を継続し燃料電池の起動を禁止する。これにより、掃気処理が実質的に完了していない状態で燃料電池の起動が許可されるのを防止し、燃料電池システムの商品性を向上することができる。

この場合、アノードオフガスと、このアノードオフガスを希釈する希釈ガスとを混合し、この混合したガスをシステム外に放出する希釈手段（例えば、後述の希釈器５０）と、当該希釈手段に残留するアノードオフガス濃度を第２ガス濃度として、当該第２ガス濃度を検出する第２ガス濃度検出手段（例えば、後述のＥＣＵ４０、パージ処理実行部４３、及び図３のステップＳ６の実行に係る手段）と、前記アノードガス系内のガスを新規に供給したアノードガスで置換するパージ処理を、前記燃料電池の起動時に実行する起動パージ手段（例えば、後述のＥＣＵ４０、パージ処理実行部４３、及び図３のステップＳ７〜Ｓ１０の実行に係る手段）と、をさらに備え、前記起動パージ手段は、前記掃気時起動判断手段により前記燃料電池の起動が許可された後に前記パージ処理を実行する場合、前記検出された第２ガス濃度が大きくなるに従い前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を少なくすることが好ましい。

ところで、このようなパージ処理を実行すると、希釈手段におけるアノードオフガス濃度が一時的に上昇する。そこで、このアノードオフガス濃度が希釈手段の希釈可能濃度を超えてしまうと、アノードオフガス濃度が大きいガスが放出される場合がある。
この発明によれば、燃料電池の起動が許可された後に、アノードガス系内のガスを新規に供給したアノードガスで置換するパージ処理を実行する場合には、第２ガス濃度検出手段により検出された第２ガス濃度が大きくなるに従い、このパージ処理の実行に係るガスの置換量を少なくする。これにより、希釈手段に残留するガスのアノードオフガス濃度に合わせてパージ処理を実行し、このパージ処理にかかる時間を短縮することができる。したがって、より速やかに燃料電池を起動し、燃料電池システムの商品性を向上することができる。

この場合、前記起動パージ手段は、前記検出された第２ガス濃度が所定の第２判定濃度以下である場合には、前記検出された第２ガス濃度にかかわらず、前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を一定にすることが好ましい。

この発明によれば、燃料電池の起動が許可された後にパージ処理を実行する際、第２ガス濃度を検出し、この第２ガス濃度が所定の第２判定濃度以下である場合には、パージ処理の実行に係るガスの置換量を一定にする。これにより、パージ処理にかかる時間を短縮することができる。したがって、より速やかに燃料電池を起動し、燃料電池システムの商品性を向上することができる。

本発明の燃料電池の起動方法は、アノードガスをアノード極に供給しカソードガスをカソード極に供給し、これらアノードガス及びカソードガスの反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の起動要求を検出する起動要求検出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の停止期間中に、アノードガス及びアノードオフガスが流通するアノードガス系内に掃気ガスを供給する掃気処理を実行する掃気処理工程と、前記掃気処理の実行中に前記燃料電池の起動要求が検出された場合には、前記アノードガス系内におけるアノードガス濃度を第１ガス濃度として、当該第１ガス濃度を検出し、この検出した第１ガス濃度に基づいて、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止するか、又は、前記掃気処理を中断し前記燃料電池の起動を許可するかを判断する掃気時起動判断工程と、を備えることを特徴とする。

この場合、前記掃気時起動判断工程では、前記検出した第１ガス濃度が所定の第１判定濃度より大きい場合には、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止すると判断することが好ましい。

この場合、前記燃料電池システムは、アノードオフガスと、このアノードオフガスを希釈する希釈ガスとを混合し、この混合したガスをシステム外に放出する希釈手段を備え、前記燃料電池の起動時に、前記アノードガス系内のガスを新規に供給したアノードガスで置換するパージ処理を実行する起動パージ制御工程をさらに備え、当該起動パージ制御工程では、前記掃気時起動判断工程において前記燃料電池の起動が許可された後に前記パージ処理を実行する場合、前記希釈手段に残留するアノードオフガス濃度を第２ガス濃度として、当該第２ガス濃度を検出し、この検出した第２ガス濃度が大きくなるに従い前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を少なくすることが好ましい。

この場合、前記起動パージ制御工程では、前記検出された第２ガス濃度が所定の第２判定濃度以下である場合には、前記検出された第２ガス濃度にかかわらず、前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を一定にすることが好ましい。

これら燃料電池システムの制御方法は、それぞれ、上述の燃料電池システムを、方法の発明として展開したものであり、上述の燃料電池システムと同様の効果を奏する。

この発明によれば、掃気処理の実行中に起動要求を検出した場合、この掃気処理が完了するまで待つことなく、速やかに燃料電池を起動できる場合がある。特にここで、アノードガス系内におけるアノードガスの濃度に応じて、燃料電池の起動を許可するか禁止するかの判断を行う。これにより、燃料電池の起動後の発電安定性を確保しつつ、より速やかに起動し、燃料電池システムの商品性を向上することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０にアノードガスやカソードガスを供給する供給装置２０と、これら燃料電池１０及び供給装置２０を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）４０とを有する。この燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１０により発電された電力を動力源とする図示しない燃料電池車両に搭載される。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に形成されたアノード流路１３にアノードガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に形成されたカソード流路１４に酸素を含むカソードガスとしての空気（エア）が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード流路１４にエアを供給するエアコンプレッサ２１と、燃料電池１０のアノード流路１３に水素ガスを供給する水素タンク３１及びエゼクタ３２と、を含んで構成される。

エアコンプレッサ２１は、エア供給路２２を介して、燃料電池１０のカソード流路１４の一端側に接続されている。燃料電池１０のカソード流路１４の他端側には、エア排出路２３が接続され、このエア排出路２３の先端側には、後述の希釈手段としての希釈器５０が接続されている。この他、エア排出路２３には、図示しない背圧弁が設けられている。

また、エア供給路２２には、アノード掃気導入路２４が分岐して設けられている。アノード掃気導入路２４の先端側は、後述の水素供給路３３に接続されている。また、このアノード掃気導入路２４には、アノード掃気導入弁２４１が設けられている。このアノード掃気導入弁２４１を閉じた状態では、エア供給路２２と水素供給路３３は遮断され、アノード掃気導入弁２４１を開いた状態では、エア供給路２２と水素供給路３３は連通し、エアを水素供給路３３に供給することが可能となる。

水素タンク３１は、水素供給路３３を介して、燃料電池１０のアノード流路１３の一端側に接続されている。この水素供給路３３には、エゼクタ２８が設けられている。また、水素供給路３３のうち水素タンク３１とエゼクタ３２との間には、水素タンク３１から供給される水素ガスを減圧する図示しない遮断弁及びレギュレータが設けられている。

燃料電池１０のアノード流路１３の他端側には、水素還流路３４が接続される。この水素還流路３４の先端側は、エゼクタ３２に接続されている。エゼクタ３２は、水素還流路３４を流通する水素ガスを回収し、水素供給路３３に還流する。

また、この水素還流路３４には、水素排出路３５とアノード掃気排出路３６とが、それぞれ分岐して設けられている。これら水素排出路３５とアノード掃気排出路３６の先端側には、希釈器５０が接続されている。

水素排出路３５には、この水素排出路３５を開閉するパージ弁３５１が設けられている。後述のパージ処理を実行する際には、このパージ弁３５１を開き、水素還流路３４を流通するガスを希釈器５０に導入する。

アノード掃気排出路３６には、このアノード掃気排出路３６を開閉するアノード掃気排出弁３６１が設けられている。後述の掃気処理を実行する際には、パージ弁３５１とともにこのアノード掃気排出弁３６１を開き、水素還流路３４を流通するガスを希釈器５０に導入する。

希釈器５０は、エア排出路２３を介して導入されたカソードオフガスを希釈ガスとして用い、上述の水素排出路３５及びアノード掃気排出路３６を介して導入されたアノードオフガスと、この希釈ガスとを混合して希釈した後に、この混合したガスを燃料電池システム１の外に放出する。

本実施形態では、アノード流路１３、水素供給路３３、水素還流路３４、水素排出路３５、及びアノード掃気排出路３６により、アノードガス及び燃料電池１０から排出されたアノードオフガスが流通するアノードガス系が構成される。
また、カソード流路１４、エア供給路２２、エア排出路２３、及びアノード掃気導入路２４により、カソードガス及び燃料電池１０から排出されたカソードオフガスが流通するカソードガス系が構成される。また、この図１では、アノードガス系を白抜きの矢印で示し、カソードガス系を実線の矢印で示す。

上述のエアコンプレッサ２１、背圧弁、アノード掃気導入弁２４１、遮断弁、パージ弁３５１、及びアノード掃気排出弁３６１は、ＥＣＵ４０に電気的に接続されており、ＥＣＵ４０により制御される。

また、ＥＣＵ４０には、燃料電池１０の起動要求及び停止要求を検出する起動要求検出手段としてのイグニッションスイッチ４１が接続されている。このイグニッションスイッチ４１は、燃料電池システム１が搭載された燃料電池車両の運転席に設けられており、運転者の操作に応じて、起動を指令するオン信号又は停止を指令するオフ信号をＥＣＵ４０に送信する。ＥＣＵ４０は、イグニッションスイッチ４１から出力されたオン／オフ信号に従い、燃料電池１０の起動を開始したり、燃料電池１０の発電を停止したりする。

ＥＣＵ４０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）とを備える。この他、ＥＣＵ４０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路と、エアコンプレッサ２１、背圧弁、アノード掃気導入弁２４１、遮断弁、パージ弁３５１、及びアノード掃気排出弁３６１等に制御信号を出力する出力回路とを備える。

ＥＣＵ４０は、掃気処理を実行する掃気処理実行部４２と、パージ処理を実行するパージ処理実行部４３と、を備える。図１においては、これら掃気処理及びパージ処理の実行に係る制御ブロックのみを示す。以下では、掃気処理実行部４２及による掃気処理、及び、パージ処理実行部４３によるパージ処理についてそれぞれ説明する。

＜掃気処理＞
掃気処理は、カソードガス系及びアノードガス系内に掃気ガスを供給することで、これらカソードガス系及びアノードガス系内を掃気する処理である。なお、本実施形態では、掃気ガスとしてエアコンプレッサ２１により供給されるエアを用いる。この掃気処理は、燃料電池１０の停止期間中に実行される。より具体的には、掃気処理は、燃料電池１０による発電停止直後に実行する場合と、燃料電池１０による発電停止後、ＥＣＵ４０に内蔵されたＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）に基づき所定時間ごとにシステムを起動し、必要に応じて実行する場合とがある。

また、掃気処理は、アノード掃気導入弁２４１を閉じてカソードガス系内のみを掃気するカソード掃気処理と、アノード掃気導入弁２４１を開いてアノードガス系内を掃気するアノード掃気処理との２つの処理を含んで構成される。

カソード掃気処理では、アノード掃気導入弁２４１を閉じた状態でエアコンプレッサ２１を駆動し、カソードガス系内に所定の時間に亘って掃気ガスを供給し続けることで、カソードガス系内を掃気する。

アノード掃気処理は、アノードガス系内の水素を含むガスを掃気ガスで置換することと、アノードガス系内の水分を排出することと、燃料電池１０のＭＥＡを乾燥させることとを目的とする。そこで、このアノード掃気処理は、アノード掃気導入弁２４１を開き、さらにアノード掃気排出弁３６１及びパージ弁３５１を開いた状態でエアコンプレッサ２１を駆動し、アノードガス系内に所定の時間に亘って掃気ガスを供給し続けることで、アノードガス系内を掃気する。

以下では、図２を参照して、本実施形態のアノード掃気処理について説明する。
図２は、ＥＣＵの掃気処理実行部によるアノード掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。図２は、時刻ｔ_０においてＲＴＣに基づいて掃気処理を開始し、その後時刻ｔ_６においてこの掃気処理を完了した例を示す。また、この図２に示すタイムチャートでは、上段から順に、アノード掃気導入弁、パージ弁、及びアノード掃気排出弁の状態と、エアコンプレッサの出力と、アノードガス系内の圧力と、アノードガス系内の水素濃度と、希釈器内の水素濃度とを示す。

図２に示すように、アノード掃気処理は、「準備工程」（時刻ｔ_０〜ｔ_１）と、「掃気工程」（時刻ｔ_１〜ｔ_４）と、「終了工程」（時刻ｔ_４〜ｔ_６）との３つの工程を含んで構成される。

「準備工程」では、時刻ｔ_０から時刻ｔ_１までの間において、アノードガス系内の掃気を実行するために、アノード掃気導入弁、パージ弁、アノード掃気排出弁、及びエアコンプレッサを駆動する準備を行う。

「掃気工程」では、時刻ｔ_１からｔ_４までの間において、アノード掃気導入弁、パージ弁、及びアノード掃気排出弁を開いた状態でエアコンプレッサを駆動することで、アノードガス系内を掃気する。この間、アノードガス系内及び希釈器内の水素濃度は徐々に低下する。また同時に、アノードガス系内の水分は排出され、燃料電池のＭＥＡも徐々に乾燥する。

「終了工程」では、時刻ｔ_４からｔ_６までの間において、バルブの故障を検出する。より具体的には、時刻ｔ_４からｔ_５までの間、アノードガス系に係る全てのバルブ（アノード掃気導入弁、パージ弁、アノード掃気排出弁）を閉じ、アノードガス系内の圧力の変化を検出することにより、これらバルブの故障を判断する。すなわち、これら３つのバルブのうち何れかが故障していた場合には、この時刻ｔ_４からｔ_５までの間において、アノードガス系内の圧力は低下することとなる。ここでは、このようなアノードガス系内の圧力の低下を検出することで、上述のバルブの故障を検出する。また、バルブの故障が検出されなかった場合には、時刻ｔ_５からｔ_６までの間において、アノード掃気排出弁のみを開いた状態にすることで、アノードガス系内のエアを排出し（エア抜き）、アノードガス系内の圧力を大気圧まで低下させ、アノード掃気処理を完了する。

次に、以上のようなアノード掃気処理におけるアノードガス系及び希釈器内の状態について詳細に説明する。

先ず、時刻ｔ_１からｔ_２の間では、水素を含んだアノードガス系内のガスは、アノードガス系内の水分とともに、掃気ガスにより希釈器内へ押し出され、アノードガス系内は掃気ガスで置換される。これにより、アノードガス系内の水素濃度は時刻ｔ_１から時刻ｔ_２へかけて低下し、時刻ｔ_２においてアノードガス系内のガスの置換が完了する。一方、希釈器内の水素濃度は、時刻ｔ_１から時刻ｔ_２へかけて増加する。
次に、時刻ｔ_２からｔ_３の間では、アノードガス系を介して掃気ガスを希釈器に供給することで、希釈器内の水素ガスが希釈される。これにより、希釈器内の水素濃度はｔ_２からｔ_３へかけて低下する。
次に、時刻ｔ_３からｔ_４の間では、アノードガス系及び希釈器内の水素濃度が十分に低下した後も掃気ガスを供給し続けることにより、燃料電池のＭＥＡの乾燥を促進する。

以上のように、アノード掃気処理中における燃料電池システムの状態は、アノードガス系内の水素濃度、希釈器内の水素濃度、及びＭＥＡの状態に応じて３つに分類される。
すなわち、燃料電池システムの状態は、アノードガス系内の水素及び水分を希釈器内に排出する「水素排出状態」（時刻ｔ_１〜ｔ_２）と、希釈器内の水素を希釈してシステム外に排出する「希釈状態」（時刻ｔ_２〜ｔ_３）と、アノードガス系及び希釈器内の置換が完了しＭＥＡを乾燥する「予備乾燥状態」（時刻ｔ_３からｔ_６）との３つに分類される。

＜パージ処理＞
図１に戻って、パージ処理は、アノードガス系内を循環するガスを、水素タンク３１から新規に供給した水素ガスで置換し、アノードガス系内の水素濃度を高くする処理である。より具体的には、このパージ処理では、パージ弁３５１を所定のタイミングで開閉（以下、「パージ制御」という）して、アノードガス系内を循環するガスをシステム外に放出しつつ、水素タンク３１から水素ガスをアノードガス系内に新規に供給することにより、アノードガス系内を循環するガスを新規に供給した水素ガスで置換する。また、本実施形態では、このパージ処理の実行に係る単位時間当たりのガスの置換量、すなわち、単位時間当たりに希釈器５０に導入されるガスの量をパージ量と定義する。したがって、このパージ量は、パージ弁３５１の開弁時間、又は、パージ弁３５１の開度に略比例する。

このパージ処理を実行すると、アノードガス系内から希釈器内へ水素を含むガスが流入するため、希釈器内の水素濃度が一時的に上昇する。このためパージ量は、パージ処理中における希釈器内の水素濃度が希釈器の希釈可能濃度を上回らないように設定することが好ましい。

また、このパージ処理は、燃料電池１０の発電性能を確保するため、燃料電池１０の起動時に実行する起動パージ処理と、燃料電池１０の発電性能を維持するため、燃料電池１０の発電中に定期的に実行する定期パージ処理と、を含む。以下では、図３〜図６を参照して、本実施形態の起動パージ処理について詳細に説明する。

図３は、ＥＣＵのパージ処理実行部による起動パージ処理の手順を示すフローチャートである。
この起動パージ処理は、イグニッションスイッチがオンにされたこと、すなわち、イグニッションスイッチが起動要求を検出したことに応じて実行される。また図３に示すように、本実施形態の起動パージ処理は、アノードガス系内の水素濃度に基づいて燃料電池の起動を判断する掃気時起動判断工程（ステップＳ２〜Ｓ５）と、希釈器内の水素濃度に基づいて起動パージ制御を行う起動パージ制御工程（ステップＳ６〜Ｓ１０）とを含む。

ステップＳ１では、上述のアノード掃気処理を実行中であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、ステップＳ２に移り、ＮＯの場合には、ステップＳ８に移る。

ステップＳ２では、アノードガス系内の水素濃度を検出し、ステップＳ３に移る。より具体的には、このステップＳ２では、例えば、アノード掃気処理の実行時間に基づいてアノードガス系内の水素濃度を検出する。すなわち、アノード掃気処理の実行時間とアノードガス系内の水素濃度との関係を制御マップとして設定しておき、この制御マップに基づいてアノードガス系内の水素濃度を検出する。

ステップＳ３では、検出したアノードガス系内の水素濃度が所定の第１判定濃度以下であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、アノードガス系内の水素濃度が第１判定濃度以下であることをうけて、アノード掃気処理を中断するとともに燃料電池の起動を許可し（ステップＳ４）、ステップＳ６に移る。また、この判別がＮＯの場合には、アノードガス系内の水素濃度が第１判定濃度より大きいことをうけて、アノード掃気処理を継続するとともに燃料電池の起動を禁止し（ステップＳ５）、ステップＳ２に移る。

ここで、上述の第１判定濃度は、アノードガス系内の水素濃度に基づいて、燃料電池システムの状態が燃料電池の起動を許可できる状態であるか否かを判断するために設定される。より具体的には、この第１判定濃度は、例えば、上述のアノード掃気処理中における燃料電池システムの状態のうち、「水素排出状態」から「希釈状態」に移行する際の濃度（図２参照）に設定される。

このようにして第１判定濃度を設定すると、検出したアノードガス系内の水素濃度が第１判定濃度より大きい場合、すなわち、燃料電池システムの状態が「水素排出状態」である場合には、燃料電池を起動するために必要なアノードガス系内の水素及び水分の排出が完了していないとして、アノード掃気処理を継続するとともに燃料電池の起動を禁止する。
また、検出したアノードガス系内の水素濃度が第１判定濃度以下である場合、すなわち、燃料電池システムの状態が「希釈状態」である場合には、燃料電池を起動するために必要なアノードガス系内の水素及び水分の排出が完了したとして、アノード掃気処理を中断するとともに、燃料電池の起動を許可する。

また、ステップＳ４においてアノード掃気処理を中断する際には、後に図５及び図６を参照して詳述するように、アノード掃気処理における「掃気工程」を直ちに中断し、「終了工程」を実行する。

ステップＳ６では、希釈器内の水素濃度を検出し、ステップＳ７に移る。より具体的には、このステップＳ６では、例えば、アノード掃気処理の実行時間に基づいて希釈器内の水素濃度を検出する。すなわち、実験に基づいてアノード掃気処理の実行時間と希釈器内の水素濃度との関係を制御マップとして設定しておき、この制御マップに基づいて希釈器内の水素濃度を検出する。

ステップＳ７では、検出した希釈器内の水素濃度が、所定の第２判定濃度以下であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合には、検出した希釈器内の水素濃度が第２判定濃度以下であることをうけて、起動パージ制御の実行に係るパージ量として所定の通常パージ量を設定し（ステップＳ８）、ステップＳ１０に移る。また、この判別がＮＯの場合には、検出した希釈器内の水素濃度が第２判定濃度より大きいことをうけて、起動パージ制御の実行に係るパージ量として、上述の通常パージ量より少ない可変パージ量を設定し（ステップＳ９）、ステップＳ１０に移る。
ステップＳ１０では、設定されたパージ量に基づいて起動パージ制御を実行した後に、この処理を終了し、燃料電池による発電を開始する。

上述の通常パージ量は、検出した希釈器内の水素濃度にかかわらず一定に設定される。また、可変パージ量は、起動パージ制御の実行により希釈器から水素濃度の高いガスが放出されるのを防止するために、通常パージ量よりも少なく設定されるとともに、検出した希釈器内の水素濃度が大きくなるに従い、パージ量が少なくなるように設定される。

ここで、第２判定濃度は、希釈器内の水素濃度に基づいて、通常パージ量で起動パージ制御を実行できるか否かを判断するために設定される。より具体的には、この第２判定濃度は、例えば、上述のアノード掃気処理中における燃料電池システムの状態のうち、「希釈状態」から「予備乾燥状態」に移行する際の濃度（図２参照）に設定される。

このようにして第２判定濃度を設定すると、検出した希釈器内の水素濃度が第２判定濃度以下である場合、すなわち、燃料電池システムの状態が「予備乾燥状態」である場合には、希釈器内の水素濃度が、通常パージ量で起動パージ制御を実行できる濃度以下であるとして、通常パージ量で起動パージ制御を実行する。
また、検出した希釈器内の水素濃度が第２判定濃度より大きい場合、すなわち、燃料電池システムの状態が「希釈状態」である場合には、希釈器内の水素濃度が、通常パージ量で起動パージ制御を実行できる濃度より大きいとして、通常パージ量より少ない可変パージ量で起動パージ制御を実行する。またこの際、希釈器内の水素濃度が大きくなるに従い、パージ量が少なくなるようにする。

次に、図４から図６を参照して、上述の起動パージ処理による制御例について説明する。また、ここでは特に、アノード掃気処理の実行中に起動要求があった場合における制御例について説明する。

図４は、「予備乾燥状態」において起動要求があった場合における、起動パージ処理の制御例を示すタイムチャートである。図４は、時刻ｔ_１０においてＲＴＣに基づいてアノード掃気処理を開始し、その後時刻ｔ_１４において起動要求を検出した場合における制御例を示す。

時刻ｔ_１４では、アノードガス系内の水素濃度を検出（図３のステップＳ２参照）し、この水素濃度が第１判定濃度以下であると判定（図３のステップＳ３参照）されたことに応じて、「掃気工程」を中断し、その後ｔ_１４〜ｔ_１６の間において「終了工程」を実行し、アノード掃気処理を中断する（図３のステップＳ４参照）。

次に、時刻ｔ_１６では、希釈器内の水素濃度を検出し（図３のステップＳ６参照）、この水素濃度が第２判定濃度以下であると判定（図３のステップＳ７参照）されたことに応じて、通常パージ量を設定（図３のステップＳ８参照）する。その後、設定された通常パージ量で起動パージ制御を実行する（図３のステップＳ１０参照）し、時刻ｔ_１７において起動パージ処理が終了し、燃料電池による発電（燃料電池車両の走行）が可能となる。

特にここで、起動パージ処理中（時刻ｔ_１６〜ｔ_１７）において、設定された通常パージ量でパージ弁を開く起動パージ制御を実行することにより、希釈器内の水素濃度が一時的に増加する。しかしながら、「予備乾燥状態」では希釈器内の水素濃度は十分に小さくなっているので、起動パージ処理中に水素濃度が希釈器の希釈可能濃度を上回ることはない。

図５は、「希釈状態」において起動要求があった場合における、起動パージ処理の制御例を示すタイムチャートである。図５は、時刻ｔ_２０においてＲＴＣに基づいてアノード掃気処理を開始し、その後時刻ｔ_２３において起動要求を検出した場合における制御例を示す。

時刻ｔ_２３では、アノードガス系内の水素濃度を検出（図３のステップＳ２参照）し、この水素濃度が第１判定濃度以下であると判定（図３のステップＳ３参照）されたことに応じて、「掃気工程」を中断し、その後ｔ_２３〜ｔ_２５の間において「終了工程」を実行し、アノード掃気処理を中断する（図３のステップＳ４参照）。

次に、時刻ｔ_２５では、希釈器内の水素濃度を検出し（図３のステップＳ６参照）、この水素濃度が第２判定濃度より大きいと判定（図３のステップＳ７参照）されたことに応じて、希釈器内の水素濃度に応じた可変パージ量を設定（図３のステップＳ９参照）する。その後、設定された可変パージ量で起動パージ制御を実行（図３のステップＳ１０参照）し、時刻ｔ_２６において起動パージ処理が終了し、燃料電池による発電（燃料電池車両の走行）が可能となる。
ここで、本実施形態では、図５に示すようにパージ弁をパルス状に開閉して単位時間当たりのパージ弁の開弁時間を調整することで、設定された可変パージ量に合わせて起動パージ制御を実行する。

また、起動パージ処理中（時刻ｔ_２５〜ｔ_２６）において、起動パージ制御を実行することにより、希釈器内の水素濃度が一時的に増加する。また、上述のようにアノード掃気処理の「掃気工程」を中断することにより、希釈器内の水素濃度は、上述の「予備乾燥状態」における水素濃度（図４参照）よりも大きい。しかしながら、希釈器内の水素濃度に応じて設定された可変パージ量で起動パージ制御を行うことにより、起動パージ処理中に水素濃度が希釈器の希釈可能濃度を上回ることはない。

図６は、「水素排出状態」において起動要求があった場合における、起動パージ処理の制御例を示すタイムチャートである。図６は、時刻ｔ_３０においてＲＴＣに基づいて掃気処理を開始し、その後時刻ｔ_３２において起動要求を検出した場合における制御例を示す。

時刻ｔ_３２では、アノードガス系内の水素濃度を検出（図３のステップＳ２参照）し、この水素濃度が第１判定濃度より大きいと判定（図３のステップＳ３参照）されたことに応じて、燃料電池の起動を禁止するとともに、アノード掃気処理の「掃気工程」を継続する。これにより、アノードガス系内の水素濃度が減少する。
時刻ｔ_３３では、アノードガス系内の水素濃度が第１判定濃度以下であると判定（図３のステップＳ３参照）されたことに応じて、燃料電池の起動を許可するとともに「掃気工程」を中断し、その後ｔ_３３〜ｔ_３５の間において「終了工程」を実行し、アノード掃気処理を中断する（図３のステップＳ４参照）。ここで、時刻ｔ_３２において起動要求を検出してから、時刻ｔ_３３において燃料電池の起動が許可されるまでの間は、起動待ちの状態となる。

次に、時刻ｔ_３５では、希釈器内の水素濃度を検出し（図３のステップＳ６参照）、この水素濃度が第２判定濃度より大きいと判定（図３のステップＳ７参照）されたことに応じて、希釈器内の水素濃度に応じた可変パージ量を設定（図３のステップＳ９参照）する。その後、設定された可変パージ量で起動パージ制御を実行する（図３のステップＳ１０参照）し、時刻ｔ_３６において起動パージ処理が終了し、燃料電池による発電（燃料電池車両の走行）が可能となる。
ここで、本実施形態では、図６に示すようにパージ弁をパルス状に開閉して単位時間当たりのパージ弁の開弁時間を調整することで、設定された可変パージ量に合わせて起動パージ制御を実行する。

また、起動パージ処理中（時刻ｔ_３５〜ｔ_３６）において、起動パージ制御を実行することにより、希釈器内の水素濃度が一時的に増加する。また、上述のようにアノード掃気処理の「掃気工程」を中断することにより、希釈器内の水素濃度は、上述の「予備乾燥状態」における水素濃度（図４参照）よりも大きい。しかしながら、希釈器内の水素濃度に応じて設定された可変パージ量で起動パージ制御を行うことにより、起動パージ処理中に水素濃度が希釈器の希釈可能濃度を上回ることはない。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）アノード掃気処理の実行中に燃料電池１０の起動要求が検出された場合には、アノードガス系内の水素濃度を検出し、この水素濃度に基づいて、アノード掃気処理を継続し燃料電池１０の起動を禁止するか、又は、アノード掃気処理を中断し燃料電池１０の起動を許可するかを判断する。これにより、アノード掃気処理の実行中に起動要求を検出した場合、このアノード掃気処理が完了するまで待つことなく、速やかに燃料電池１０を起動できる場合がある。特にここで、アノードガス系内における水素濃度に応じて、燃料電池１０の起動を許可するか禁止するかの判断を行う。これにより、燃料電池１０の起動後の発電安定性を確保しつつ、より速やかに起動し、燃料電池システム１の商品性を向上することができる。

（２）アノード掃気処理の実行中に燃料電池１０の起動要求が検出されると、アノードガス系内の水素濃度を検出し、この水素濃度が所定の第１判定濃度より大きい場合には、アノード掃気処理を継続し燃料電池１０の起動を禁止する。これにより、アノード掃気処理が実質的に完了していない状態で燃料電池１０の起動が許可されるのを防止し、燃料電池システム１の商品性を向上することができる。

（３）燃料電池１０の起動が許可された後に起動パージ処理を実行する場合には、希釈器５０内の水素濃度を検出し、この水素濃度が大きくなるに従い、起動パージ処理のパージ量を少なくする。これにより、希釈器５０に残留するガスの水素濃度に合わせて起動パージ処理を実行し、この起動パージ処理にかかる時間を短縮することができる。したがって、より速やかに燃料電池１０を起動し、燃料電池システム１の商品性を向上することができる。

（４）燃料電池１０の起動が許可された後に起動パージ処理を実行する際、希釈器５０内の水素濃度を検出し、この水素濃度が所定の第２判定濃度以下である場合には、起動パージ処理の実行に係るガスの置換量を一定にする。これにより、起動パージ処理にかかる時間を短縮することができる。したがって、より速やかに燃料電池１０を起動し、燃料電池システム１の商品性を向上することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
上記実施形態では、第１ガス濃度検出手段として、図２のステップＳ２においてアノード掃気処理の実行時間に基づいてアノードガス系内の水素濃度を間接的に検出したが、これに限らない。例えば、アノードガス系に水素センサを設け、これによりアノードガス系内の水素濃度を直接検出してもよい。またこの他、アノードガス系内の圧力に基づいて間接的に検出してもよい。

また、上記実施形態では、第２ガス濃度検出手段として、図２のステップＳ６において、アノード掃気処理の実行時間に基づいて希釈器内の水素濃度を間接的に検出したが、これに限らない。例えば、希釈器に水素センサを設け、これにより希釈器内の水素濃度を直接検出してもよい。またこの他、希釈器内の圧力に基づいて間接的に検出してもよい。

また、上記実施形態では、パージ弁をパルス状に開閉して単位時間当たりのパージ弁の開弁時間を調整することで、設定された可変パージ量に合わせた起動パージ制御を実行したが、これに限らない。例えば、図７に示すように、パージ弁の開度を調整することで、設定された可変パージ量に合わせた起動パージ制御を実行してもよい。なお、図７では、パージ弁の開弁時間を調整した上記実施形態による制御例を破線で示し、パージ弁の開度を調整した変形例による制御例を実線で示す。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 上記実施形態に係る掃気処理実行部によるアノード掃気処理の制御例を示すタイムチャートである。 上記実施形態に係るパージ処理実行部による起動パージ処理の手順を示すフローチャートである。 上記実施形態に係るアノード掃気処理中の「水素排出状態」において起動要求があった場合における、起動パージ処理の制御例を示すタイムチャートである。 上記実施形態に係るアノード掃気処理中の「希釈状態」において起動要求があった場合における、起動パージ処理の制御例を示すタイムチャートである。 上記実施形態に係るアノード掃気処理中の「予備乾燥状態」において起動要求があった場合における、起動パージ処理の制御例を示すタイムチャートである。 上記実施形態の変形例に係る起動パージ処理の制御例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１３…アノード流路（アノードガス系）
１４…カソード流路（カソードガス系）
２０…供給装置
２２…エア供給路（カソードガス系）
２３…エア排出路（カソードガス系）
２４…アノード掃気導入路（カソードガス系）
３３…水素供給路（アノードガス系）
３４…水素還流路（アノードガス系）
３５…水素排出路（アノードガス系）
３６…アノード掃気排出路（アノードガス系）
４０…ＥＣＵ（掃気手段、掃気時起動判断手段、起動パージ手段、第１ガス濃度検出手段、第２ガス濃度検出手段）
４１…イグニッションスイッチ（起動要求検出手段）
４２…掃気処理実行部（掃気手段）
４３…パージ処理実行部（掃気時起動判断手段、起動パージ手段）
５０…希釈器（希釈手段）

Claims (8)

1. アノードガスをアノード極に供給しカソードガスをカソード極に供給し、これらアノードガス及びカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
   アノードガス及びアノードオフガスが流通するアノードガス系内に掃気ガスを供給する掃気処理を、前記燃料電池の停止期間中に実行する掃気手段と、
   前記燃料電池の起動要求を検出する起動要求検出手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記アノードガス系内におけるアノードガスの濃度を第１ガス濃度として、当該第１ガス濃度を検出する第１ガス濃度検出手段と、
   前記掃気処理の実行中に前記燃料電池の起動要求が検出された場合には、前記検出された第１ガス濃度に基づいて、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止するか、又は、前記掃気処理を中断し前記燃料電池の起動を許可するかを判断する掃気時起動判断手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記掃気時起動判断手段は、
   前記検出された第１ガス濃度が所定の第１判定濃度より大きい場合には、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止すると判断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。
3. アノードオフガスと、このアノードオフガスを希釈する希釈ガスとを混合し、この混合したガスをシステム外に放出する希釈手段と、
   当該希釈手段に残留するアノードオフガス濃度を第２ガス濃度として、当該第２ガス濃度を検出する第２ガス濃度検出手段と、
   前記アノードガス系内のガスを新規に供給したアノードガスで置換するパージ処理を、前記燃料電池の起動時に実行する起動パージ手段と、をさらに備え、
   前記起動パージ手段は、
   前記掃気時起動判断手段により前記燃料電池の起動が許可された後に前記パージ処理を実行する場合、前記検出された第２ガス濃度が大きくなるに従い前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を少なくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記起動パージ手段は、
   前記検出された第２ガス濃度が所定の第２判定濃度以下である場合には、前記検出された第２ガス濃度にかかわらず、前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を一定にすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. アノードガスをアノード極に供給しカソードガスをカソード極に供給し、これらアノードガス及びカソードガスの反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の起動要求を検出する起動要求検出手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池の停止期間中に、アノードガス及びアノードオフガスが流通するアノードガス系内に掃気ガスを供給する掃気処理を実行する掃気処理工程と、
   前記掃気処理の実行中に前記燃料電池の起動要求が検出された場合には、前記アノードガス系内におけるアノードガス濃度を第１ガス濃度として、当該第１ガス濃度を検出し、この検出した第１ガス濃度に基づいて、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止するか、又は、前記掃気処理を中断し前記燃料電池の起動を許可するかを判断する掃気時起動判断工程と、を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 前記掃気時起動判断工程では、前記検出した第１ガス濃度が所定の第１判定濃度より大きい場合には、前記掃気処理を継続し前記燃料電池の起動を禁止すると判断す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制御方法。
7. 前記燃料電池システムは、アノードオフガスと、このアノードオフガスを希釈する希釈ガスとを混合し、この混合したガスをシステム外に放出する希釈手段を備え、
   前記燃料電池の起動時に、前記アノードガス系内のガスを新規に供給したアノードガスで置換するパージ処理を実行する起動パージ制御工程をさらに備え、
   当該起動パージ制御工程では、
   前記掃気時起動判断工程において前記燃料電池の起動が許可された後に前記パージ処理を実行する場合、前記希釈手段に残留するアノードオフガス濃度を第２ガス濃度として、当該第２ガス濃度を検出し、この検出した第２ガス濃度が大きくなるに従い前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を少なくすることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池システムの制御方法。
8. 前記起動パージ制御工程では、
   前記検出された第２ガス濃度が所定の第２判定濃度以下である場合には、前記検出された第２ガス濃度にかかわらず、前記パージ処理の実行に係るガスの置換量を一定にすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。

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