JP2012054249A - 燃料電池システム - Google Patents

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Atsushi Oma
敦史 大間
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Mitsuhiro Kokubo
光浩 小久保
Takashi Fukuda
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Abstract

【課題】起動時のカソード極の劣化を防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】排アノードガスをアノード１ａに循環するバイパス流路６を備えた燃料電池システムにおいて、前記アノード１ａに供給される前記水素と排アノードガスとからなる混合ガスのガス組成を制御するガス組成制御手段７と、排アノードガスの外部への排出を制御するガス排出制御手段８と、前記ガス組成制御手段７と前記ガス排出制御手段８を制御するコントローラ２０を備え、前記アノード１ａ内に酸化剤ガスが存在する起動時に、前記コントローラ２０は、前記ガス排出制御弁８を閉じ、前記排アノードガスを前記アノード１ａに循環させ、前記混合ガスを構成するガスの濃度が所定濃度となるように前記ガス組成制御手段７を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。
通常の固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノードおよびカソードを高分子イオン交換膜を挟持するように構成された電解質膜・電極接合体（以下、ＭＥＡという）を、さらにセパレータによって挟持することにより構成している。アノードに供給された燃料ガス（水素）は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソードへと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソードには、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。以上の反応を示す化学式は以下のようになる。
アノード反応： Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード反応： ２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
前記固体高分子型燃料電池の１組を単位セルと呼ぶ。この単位セルを所定数だけ積層することにより、スタック状の燃料電池を構成している。また、触媒電極は担体としての炭素（カーボン）とこのカーボンに担持された反応触媒としての、例えばプラチナ触媒とから構成される。
しかしながら、燃料電池１の無負荷状態（燃料電池１に接続する回路に電流が流れていない状態。以下同様。）での停止時、放置時や起動時には、カソードの炭素が奪われてＭＥＡが劣化することになる。このカーボン腐食について図１２を用いて説明する。
従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池の無負荷状態での停止時、あるいは起動時からアノードへの水素供給を開始した時（アノード内では水素と酸素とが分離した状態の時）、アノードからカソードへプロトンＨ+が移動し、移動したプロトンＨ+とカソードの酸素とが反応して水が生成される（上式参照）。この反応でプロトンＨ+が必要とされ、無負荷状態では電子ｅ-が負荷を通じて移動してこない。このため、カソード内に存在する水と担体としての炭素とが反応し、生成された電子ｅ-が前述の水生成反応に用いられる。この反応時にカソードのカーボンが消費されて、ＭＥＡの劣化が生じる。一方、アノードでは、水素と混在した酸素と、カーボン消費時に生じたプロトンＨ+と、さらに水素のプロトン化で生じた電子ｅ-とが反応して水が生成される。
ここで開放端電圧が高いと、電子ｅ-の移動が活発となり、前述の化学反応が促進されてＭＥＡの劣化が一層進むことになる。ＭＥＡの劣化が進むと、発電電圧が低下して発電効率が低下することになる。
このようなＭＥＡの劣化を防止するために、高圧化した燃料ガス（水素）をアノードに流し込み、アノード内の存在する酸素を外部に排出することで、燃料電池内の燃料ガスと酸素との混在状態を短時間に制限することで、ＭＥＡの劣化を抑制する技術がある（特許文献１参照）。
特開２００４−１３９９８４号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、酸素を外部に排出する際に水素も一緒に排出されることになり、水素が無駄に排出され、燃料電池システムの発電効率が低下するという課題がある。
したがって、本発明の目的は、燃料電池起動時のＭＥＡの劣化の防止と、水素の放出を防止し、燃料電池の効率低下を抑制することである。
本発明は、外部からの水素を燃料電池のアノードの供給する水素供給流路と、この水素供給流路途中に接続し、前記アノードから排出される排アノードガスをアノードに循環するバイパス流路を備えた燃料電池システムにおいて、前記アノードに供給される前記水素と排アノードガスとからなる混合ガスのガス組成を制御するガス組成制御手段と、排アノードガスの外部への排出を制御するガス排出制御手段と、前記ガス組成制御手段と前記ガス排出制御手段を制御するコントローラを備え、前記アノード内に酸化剤ガスが存在する起動時に、前記コントローラは、前記ガス排出制御弁を閉じ、前記排アノードガスを前記バイパス流路を通じて前記アノードに循環させ、前記混合ガスを構成するガスの濃度が所定濃度となるように前記ガス組成制御手段を制御する。
本発明では、燃料電池システム起動時に排アノードガスの外部への排出を禁じ、排アノードガスをアノードに循環させるとともに、排アノードガスと外部からの水素との混合ガスの組成を所定濃度に制御するため、起動時に水素を外部へ放出することがなく、またカソードの腐食を防止できる。
燃料電池システムの構成図である。 コントローラのブロック図である。 本実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 アノードに種々の水素／空気濃度比の混合ガスを導入したとき、カソードのカーボン腐食による二酸化炭素発生を測定した結果を示す図である。 アノードの導入した混合ガスの水素濃度に対してアノードから排出された排ガスの水素濃度もしくは酸素濃度を調査した結果を示す図である。 第２の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 第３の実施形態の構成図である。 第３の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 第４の実施形態の構成図である。 第４の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 燃料電池の状態を説明する状態図である。 従来の課題を説明する図である。 第５の実施形態の構成図である。 第５の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 カソード出口で計測された二酸化炭素排出量と循環ポンプの回転数との関係を示す図である。 カソードから排出される空気中の二酸化炭素量を測定した結果を示す図である。 第６の実施形態の構成図である。 第６の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 循環ポンプの運転条件の一例を示す図である。 第７の実施形態の構成図である。 第７の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 循環流路系を流れるガスの圧力（静圧）の変化を示す図である。 第８の実施形態の構成図である。 第８の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 第９の実施形態の構成図である。 第９の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 第１０の実施形態の構成図である。 第１０の実施形態の制御内容を説明するフローチャート図である。 循環ポンプの直上流に気液分離器の有無による循環ポンプを流れる制御電流値の時系列変化を示す図である。
図１は、本発明を適用する燃料電池システムの実施形態の構成図である。この燃料電池システムは、スタック状の燃料電池１と、この燃料電池のアノード１ａに水素を供給する水素タンク２と、カソード１ｂに空気を供給するコンプレッサ１０と、アノード１ａから排出された排アノードガスをアノード１ａに循環させるバイパス流路６と、このバイパス流路６に設置され、排アノードガスの循環量を制御する循環ポンプ７とを備える。
燃料電池１のアノード１ａには高圧の水素を貯蔵した水素タンク２から水素供給流路２ａを通じて水素が供給され、カソード１ｂにはコンプレッサ１０の作用により空気が空気供給流路３ａを通じて供給される。燃料電池１での発電に供せられた水素あるいは空気はガス放出流路２ｂ及び空気放出流路３ｂから外部に放出される。ガス放出流路２ｂから外部に放出される水素を制御するパージ弁８がガス放出流路２ｂに設置される。
水素供給流路２ａには、水素タンク２からの水素の供給を制御する水素タンク元弁３と、水素タンク２からの水素の圧力を所定圧に減じる減圧弁４と、アノード１ａへ供給される水素量を制御する水素供給制御弁５とが設置される。さらに、水素供給流路２ａの水素供給制御弁５下流側（燃料電池１側）とガス放出流路２ｂのパージ弁８上流とを、燃料電池１をバイパスして連接するバイパス流路６が形成される。このバイパス流路６には燃料電池１から排出された排アノードガスをアノード１ａに循環する循環ポンプ７が設置される。
したがって、ガス放出流路２ｂに設置されたパージ弁８を閉じた状態で、バイパス流路６の循環ポンプ７が稼動すると、燃料電池１のアノード１ａから排出された排アノードガスは、バイパス流路６を通じて再度アノード１ａに供給される。一方、空気放出流路３ｂにはカソード１ｂの空気圧を調節する空気調圧弁９が設置される。
アノード１ａに水素、カソード１ｂに空気が供給されると燃料電池１で発電が開始され、燃料電池１で発電された電力は、パワーマネージャ１３により取り出され、負荷、例えば移動体の駆動源としてのモータに供給される。
この燃料電池システムを統合制御するコントローラ２０が設置される。コントローラ２０には、アノード入口の水素と排アノードガスの混合ガスの圧力を検出する第１圧力センサ１１ａの出力と、水素供給制御弁５に流入する水素の圧力を検出する第２圧力センサ１１ｂと、アノード入口での水素濃度を検出する水素濃度センサ１２の出力と、燃料電池１の発電量を検出する電圧センサ１４の出力とが入力される。
コントローラ２０は、これら入力値を用いて、燃料電池１の起動制御、水素タンク元弁３の開閉制御、水素供給制御弁５の流量制御、コンプレッサ１０の運転制御、循環ポンプ７の運転制御、パージ弁８の開閉制御、さらに空気調圧弁９の調圧制御等を司る。
コントローラ２０には、さらに、燃料電池システムを起動するメインスイッチ１５のオンオフ信号と、燃料電池１の負荷状態を検出する負荷スイッチ１９のオンオフ信号が入力される。
図２は、コントローラ２０の構成を説明するブロック図である。コントローラ２０は、メインスイッチのオンオフ信号に基づき燃料電池１の起動要求を判定する起動要求判定部２１と、前述の第１、第２圧力センサ１１ａ、１１ｂと濃度センサ１２と電圧センサ１４の検出値から燃料電池１の運転状態を検出する運転状態検出部２２と、燃料電池１の起動要求判定結果及び燃料電池１の運転状態を入力して、これらの入力に基づいて、燃料電池１起動時の運転条件を演算する起動演算部２３と、起動演算部２３の演算結果に基づいて水素供給制御弁５を制御してアノード１ａへの水素供給量を制御する燃料剤供給手段制御部２４と、同じく起動演算部２３の演算結果に基づいて循環ポンプ７を制御してバイパス流路６を循環する排アノードガス量を制御する燃料剤循環手段制御部２５とから構成される。
図３は、コントローラ２０が実施する燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード１ａ内に酸化剤ガス（空気）が存在し、かつ燃料電池１に接続する回路に電流が流れていない無負荷状態からの起動時に実施される制御である。
なお、燃料電池１起動時にアノード１ａ内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気等である。したがって、起動時にはアノード１ａに空気が存在しているものとして起動時制御を実施する。
まずステップＳ１１で、燃料電池システムの起動要求があるかどうかをメインスイッチ１５のオンオフ信号から判断する。オンであれば起動要求があるものと判断してステップＳ１２に進む。なお、この起動時には燃料電池１は無負荷状態を維持するように制御される。ステップＳ１２では、燃料電池１のアノード１ａに接続するガス放出流路２ｂを遮蔽するパージ弁８を閉じる。続くステップＳ１３で水素タンク元弁３を開き、ステップＳ１４で循環ポンプ７を稼動する。これにより、排アノードガスがバイパス流路６を通って、アノード１ａに循環する。
このステップＳ１４での循環ポンプは、次ステップＳ１５での水素供給制御弁５の開口により水素タンク２からアノード１ａに供給される水素が、水素供給流路２ａからバイパス流路６に流入しないように排アノードガスを循環する。
ステップＳ１５では水素供給制御弁５を開き、水素タンク２から水素をアノード１ａに供給する。したがって、排アノードガスを循環させる循環ポンプ７を稼動後にアノード１ａに水素タンク２から水素を供給することにより、アノード１ａ内の酸化剤ガスが水素と混合し、ガス放出流路２ｂからバイパス流路６へ送られる。
続くステップＳ１６では、循環ポンプ７によりアノード１ａへの排アノードガスの循環量制御を行う。アノード１ａに循環される排アノードガス量は、アノード入口に設置された濃度センサ１２により検出される混合ガス中の水素濃度に応じて設定される。具体的には、アノード１ａに供給される、水素タンク２とバイパス流路６からの水素の濃度とバイパス流路６からの空気の濃度との目標比が、水素が多い状態、例えば水素７：酸化剤ガス（空気）３となるように循環ポンプ７の運転負荷をフィードバック制御する。
続くステップＳ１７では、ステップＳ１５の水素供給開始からの経過時間が所定時間となったか否かを判定する。所定時間が経過した場合にはステップＳ１８に進み、経過していない場合にはステップＳ１６に戻り、循環ポンプ制御を繰り返す。ここで、所定時間は、アノード１ａ内の酸素が水素との反応により全て消費するまでに掛かる時間であり、アノード１ａに供給される水素量と、アノード１ａに供給される水素の濃度と空気の濃度との目標比（例えば７：３）とから酸素量を推定し、推定した酸素量を積分し、積分した酸素量が水素供給流路２ａの体積中に存在しうる最大量となるまでの時間を所定時間とする。
そしてステップＳ１８で、所定時間が経過したことによりアノード１ａ中の酸素が全て消費されたものと判断して、燃料電池１を起動し、ステップＳ１９でパージ弁８を開き、通常運転へ移行する。燃料電池１を起動して初めて負荷と燃料電池１との間に電流が流れる。なお、燃料電池１が起動するステップＳ１８までは、燃料電池システムは図示しない２次電池等を電源として稼動する。
次にアノード１ａに供給される混合ガス中の水素濃度と空気濃度との目標比の設定方法について説明する。発明者等は、アノード１ａに供給される混合ガス中の水素と空気（酸素）との濃度比とカソード１ｂのカーボン腐食との関係に着目し、濃度比の異なる混合ガスをアノード１ａに流した場合のカソード１ｂのカーボン腐食の発生状態を実験により確認した。
図４は、アノード１ａに水素と空気との濃度比を種々変えた混合ガスを導入したときのカソード１ｂでのカーボン腐食の発生状態を示す図である。ここで、カーボン腐食は、カーボン腐食時に発生する二酸化炭素量に基づき判断することができる。
まず、水素濃度１００％のガスをアノード１ａに導入した場合に発生した二酸化炭素は、供給した水素とアノード１ａ内の空気との境界がアノード１ａ内を通過した時に一時的に発生したものである。また水素濃度７０％＋酸素濃度３０％の混合ガスをアノード１ａに導入した場合には、水素濃度１００％を導入した場合と二酸化炭素の発生量に大きな変化は認められなかった。
しかし、水素濃度４０％＋酸素濃度６０％の混合ガスをアノード１ａに導入した場合は、二酸化炭素の発生量が水素濃度１００％を導入した場合に比して約４倍に上昇した。さらに、水素濃度３０％＋酸素濃度７０％の混合ガスをアノード１ａに導入すると、二酸化炭素は連続的に発生することが判明した。なお、図中の点は水素供給開始後３分間の発生量をプロットしたものである。この結果から、アノード１ａに供給する混合ガスの組成を水素濃度７０％以上とすることでカソード１ｂのカーボン腐食を抑制できることがわかる。
また、図５は、アノード１ａに導入した水素と空気の混合ガスの水素濃度に対してアノード１ａから排出された排アノードガスの水素濃度および空気濃度を調査した結果を示している。これによれば、図５にて連続的に二酸化炭素が発生する場合（水素濃度３０％＋酸素濃度７０％の混合ガスの場合）は、排アノードガスに水素が含まれていないことがわかる。すなわち、排アノードガスに水素が含まれるように制御することで、連続的な二酸化炭素の発生、つまり連続的なカーボンの腐食の進行を抑制することができる。一方、混合ガスの水素濃度を３０％以上とすることで、排アノードガス中の酸素濃度はほぼ０％となり、アノード１ａ内の酸素を除去できる。
したがって、本実施形態では、燃料電池システム起動時に、アノード１ａ内に酸化剤ガスが存在し、燃料電池１に接続する回路に電流が流れていない無負荷状態である場合には、パージ弁８を閉じて循環ポンプ７を起動し、アノード１ａから排出される排アノードガスをバイパス流路６に循環させた状態で水素供給制御弁５を開いて水素タンク２からアノード１ａに水素を供給する。そして、アノード１ａに供給する水素と排アノードガスとの混合ガスの水素濃度を所定値（例えば、７０％）以上となるように循環ポンプ７を制御する。
このようにしてアノード１ａに供給される混合ガスを構成するガスの組成（濃度）を制御してカソード１ｂのカーボン腐食を抑制するとともに、起動時にアノード１ａから排出される水素を含有する排アノードガスをバイパス流路６を通じてアノード１ａに循環させ、水素の無駄な放出が禁止されるため、燃料電池システムの発電効率の低下を抑制できる。また、起動時にパージ弁８を閉じて循環ポンプ７を起動した後、水素供給制御弁５を開くことで、水素タンク２からの水素がバイパス流路６内に逆流することが防止される。なお、アノード１ａに供給される混合ガスの水素濃度の制御に循環ポンプ７とともに水素供給制御弁５を用いるようにしてもよい。
図６は、第２の実施形態としてのコントローラ２０の制御内容を説明するフローチャートである。第１の実施形態との構成上の相違点は、アノード１ａに供給される混合ガス中の水素濃度を検出する水素濃度センサ１２に換えて、アノード１ａに供給される混合ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを設けた点であり、他の構成は第１の実施形態と同様である。以下、本実施形態での制御内容の相違を第１の実施形態のフローチャートと比較して説明する。
ステップＳ１１からステップＳ１６までは第１の実施形態と同様の制御内容とする。ステップＳ１６に続くステップＳ２７では、新たに設定した酸素濃度センサから酸素濃度を読み取り、検出した酸素濃度が所定濃度未満かどうかを判定する。ここで所定濃度は、例えばアノード１ａに残留していた酸化剤ガスが空気とした場合には６％として設定し、検出した酸素濃度が、６％以上であれば６％未満となるように循環ポンプ７の運転負荷をステップＳ１６で制御する。
酸素濃度が所定濃度未満になった場合には、ステップＳ２８以降に進み、ステップＳ２８では燃料電池１を起動し、ステップＳ２９では、ユーザーの要求に応じた燃料電池１の発電量となるように循環ポンプ８の運転負荷や水素供給制御弁５の開度等を制御する。ステップＳ３０では、パージ弁８を開きアノード１ａ内の残留窒素を外部に放出する。
この実施形態では、第１の実施形態と同様の効果を備えつつ、ステップＳ３０のパージ制御までの時間を短縮することができる。
なお、第１の実施形態の水素濃度センサ１２と第２の実施形態の酸素濃度センサを併設することで、空気中の窒素量や水蒸気量を考慮して水素濃度と酸素濃度との比をより精度よく制御することができる。
また、第１、第２の実施形態では、アノード入口に濃度センサを設置したが、カソード出口に二酸化炭素濃度を検出する濃度センサを設置してもよい。この場合には、図１２に示すように、カーボンの劣化により二酸化炭素が生成されるため、この生成された二酸化炭素の濃度からカーボンの劣化を判定し、この二酸化炭素が所定濃度以下となるように循環ポンプ８の運転負荷を制御するようにして、ＭＥＡの劣化を防止することができる。
また、アノード出口に酸素濃度を検出する濃度センサを設置してもよい。これは、燃料電池１の停止直後など燃料電池内に空気が外部から進入していないが、バイパス流路６に空気が進入しているような場合に、循環ポンプ７を稼動するとアノード１ａには酸素濃度の高い混合ガスがアノード１ａに供給される。このようなガスがアノード１ａに供給されるとアノード１ａ内では反応に供しない酸素が生じ、余った酸素はガス放出流路２ｂに排出される。この排出された酸素の濃度をセンサにより検出し、検出した酸素濃度が所定濃度より低くなるように循環ポンプ７の運転負荷を設定する。
さらに、第１の実施形態の水素濃度センサ１２に換えて、電圧センサ１４の出力値を用いて循環ポンプ７の運転負荷を制御することができる。酸素濃度の高い酸素リッチの混合ガスがアノード１ａに供給されると、燃料電池１の発電電圧が低下する。したがって、燃料電池１を構成する単セルの電圧、または単セルの所定枚数ごとの電圧を電圧センサ１４を用いて検出し、電圧の変化量が所定変化量以上の場合には、循環ポンプ７の吐出量を減少させて水素濃度の高い混合ガスを供給するように制御する。
図７は、第３の実施形態の構成図である。この実施形態の特徴的な構成は、バイパス流路６の循環ポンプ７の上流（ガス放出流路２ｂ側）に酸素濃度を検出する酸素濃度センサ１６と、循環ポンプ７の下流（水素供給流路２ａ側）に設置され、バイパス流路の排アノードガスの循環量を制御する循環量制御弁１８と、循環ポンプ７と循環量制御弁１８との間のバイパス流路設置され、バイパス流路６内の圧力を検出する第３圧力センサ１１ｃとを備えたことである。センサ１１ｃ、１６の出力はコントローラ２０に出力され、循環量制御弁１８はコントローラ２０によってセンサ１１ｃ、１６の出力に基づいて制御される。
図８は、コントローラ２０が行う本実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。ステップＳ１１からステップＳ１３までは第１の実施形態の制御と同様であり、説明を省略する。
ステップＳ１３で水素タンク元弁３を開いた後、続くステップＳ３１でバイパス流路６に設置した循環量制御弁１８を閉じる。循環量制御弁１８を閉じることで、水素供給流路２ａからバイパス流路６へ水素が流入することを防止する。続くステップＳ３２では循環ポンプ７を稼動する。これにより、循環量制御弁１８と循環ポンプ７との間のバイパス流路６の圧力が上昇する。このとき、第３圧力センサ１１ｃで検出されるバイパス流路６の圧力は、第１圧力センサ１１ａで検出される水素供給流路２ａの圧力より高くなる。
続くステップＳ３３では、酸素濃度センサ１６の検出値を用いて、検出した濃度が所定濃度未満かどうかを判定する。ここで所定濃度は、排アノードガス中の酸素濃度が十分低くなったと判断できる、例えば６％以下の値とする。所定値未満であれば、排アノードガス中の酸素濃度は十分に低いと判断してステップＳ３７に進み、所定値以上であればステップＳ３４に進む。
ステップＳ３４では、水素供給制御弁５を所定量開き、アノード１ａへ水素タンク２からの水素供給を開始する。続くステップＳ３５は、再び排アノードガス中の酸素濃度を酸素濃度センサ１６を用いて検出し、検出した酸素濃度をステップＳ３３で用いた所定濃度と比較して所定濃度未満かどうかを判定する。検出濃度が所定濃度未満であればステップＳ３７に進み、所定濃度以上であればステップＳ３６に進み、ステップＳ３６で循環量制御弁１８を用いて、酸素濃度が所定濃度未満となるように排アノードガスの循環量を制御する。この時、循環ポンプ７は、ステップＳ３２で上昇した循環量制御弁１８上流の圧力が低下しないように制御されている。
ステップＳ３７では、アノード１ａ中の酸素濃度が十分に低くなったとして循環量制御弁１８を全開にし、通常運転へ移行するためステップＳ２８に進む。ステップＳ２８からステップＳ３０は第１の実施形態と同様のステップである。
この実施形態の場合には、アノード１ａ中の酸素濃度が十分低くなるようにバイパス流路６を流通する排アノードガスの循環量を循環量制御弁１８で制御するため、アノード１ａへの水素供給量の変化が速い場合でも、水素供給量の変化に対応して循環量を迅速に変化させることができる。
また、燃料電池システム起動時の水素を供給する際に、最初はアノード１ａ内の圧力が低く水素タンク２の元圧（または減圧弁４下流の圧力）との差が大きいため、水素供給量は多いが、水素供給を続けるとアノード１ａ内の圧力が上昇するため水素供給量が少なくなってくる。一方で、循環ポンプ７の応答性が悪いと、水素供給開始当初は空気の供給が間に合わなくなる。そこで、第３の実施形態では、ステップＳ３４の水素供給前に、循環量制御弁１８を閉めておくとともに循環ポンプ７を運転して、循環ポンプ７と循環量制御弁１８の間のバイパス流路６内に高圧の空気を溜めておくことにより、水素供給直後にも大量の空気を供給できるため、空気を早く反応させ、消費することができる。
また第３の実施形態では、酸素濃度センサ１６を用いて、起動直後の水素供給経路内の空気（酸素）濃度を測定していた（ステップＳ３５）が、前回の燃料電池停止から、ユーザからの起動要求が来るまでの時間を計測して、空気濃度を推定してもよい。水素供給流路２ａ内に進入する空気の量は自然拡散で進入するため時間に依存するので、空気量を推定することが可能である。ここで燃料電池停止とは、電力取り出しを停止して、パージ弁を開けた状態をいう。
また、空気濃度を循環ポンプ７の消費電力により推定してもよい。起動直後の循環ポンプ回転速度を起動時には常に一定に動かすことにし、そのときの回転数と消費電力の関係を検出し、循環させる排アノードガス中の空気濃度が高ければ、消費電力は大きく、水素濃度が高ければ、消費電力が小さいのでこの傾向を用いて空気濃度の推定を行うことができる。
図９は、第４の実施形態の構成図であり、第１の実施形態の構成と比較して、循環ポンプ７の上下流での圧力差を検出する差圧センサ１７と、差圧センサ１７の上流に第４の圧力センサ１１ｄを設けたことを特徴とする。これらセンサ１７、１１ｄの出力信号は、コントローラ２０に送られる。
図１０は、本実施形態の制御内容を説明するためのフローチャートである。
ステップＳ１１からステップＳ１５までの内容は、第１の実施形態の制御内容と同様であり、説明は省略する。
続くステップＳ４１では、アノード１ａに供給する水素供給量を演算する。水素供給量の演算は、水素供給制御弁５の上流側及び下流側の圧力を検出する第１、第２の圧力センサ１１ａ、１１ｂの検出に基づいて演算される。また、演算された水素供給量に基づいてバイパス流路６からアノード１ａに循環する排アノードガスの流量が演算される。この排アノードガスの循環流量は、演算された水素供給量に対して３０％以下になるように循環ポンプ７の吐出量により制御される。循環ポンプ７の目標吐出量は、設置された差圧センサ１７と第４の圧力センサ１１ｄの検出値と循環ポンプ７の性能とに基づいて決定される。ここで流量は、質量流量を示す。なお、本実施形態では各種センサを用いて制御を行ったが、センサを用いずに燃料電池１や水素が流通する流路の圧損を推定して、循環ポンプ７の目標吐出量を設定してもよい。
水素供給量は、図１１に示すように、アノード入口の圧力が上がるほど低下する傾向にあり、この傾向に応じて循環ポンプ７の吐出量を制御する。
この実施形態では、水素供給制御弁５の前後での圧力差から、供給される水素供給量を演算し、演算された水素供給量に応じて、バイパス流路６からアノード１ａに循環する排アノードガスの流量を設定することにより、水素や空気等の気体濃度を検出することなく、アノード入口での水素流量や排アノードガス流量を管理してカーボンの腐食を防止することができる。
これまでの実施形態では、バイパス流路６を通じて排アノードガスを循環させるために循環ポンプ７を設置したが、循環ポンプ７の流量可変制御に換えて、バイパス流路６内に水素を供給するイジェクタを備えてもよい。
したがって本実施形態では、外部から水素が供給されるアノード１ａから排出される排アノードガスをアノード１ａに循環するバイパス流路を備えた燃料電池システムにおいて、前記アノード１ａに供給される前記水素と排アノードガスとからなる混合ガスのガス組成を制御するガス組成制御手段と、排アノードガスの外部への排出を制御するガス排出制御手段と、前記ガス組成制御手段と前記ガス排出制御手段を制御するコントローラを備え、前記アノード１ａ内に酸化剤ガスが存在し、前記燃料電池に接続する回路に電流が流れない無負荷の状態から起動する場合に、前記コントローラは、前記ガス排出制御弁を閉じ、前記アノード１ａに供給される前記混合ガスを構成するガスの濃度が所定濃度になるように前記ガス組成制御手段を制御するため、前記起動時に排アノードガスをバイパス流路を通じて循環させることで、水素が外部に放出されることを防止して燃料電池システムの発電効率の低下を抑止できる。また、アノード１ａに供給する混合ガスの水素濃度を所定濃度以上となるようにガス組成制御手段を制御するため、カソード１ｂでの炭素腐食を防止し、燃料電池の劣化を抑制することができる。
図１３は、第５の実施形態の構成図である。
本実施形態は、図１に示す第１の実施形態の構成と比較して、水素濃度センサ１２が酸素濃度センサ３１に変更されたこと、ガス放出流路２ｂがパージ弁８の下流で空気放出流路３ｂの空気調圧弁９上流と合流する構成としたことが異なる。また、水素タンク元弁３、減圧弁４及び第１圧力センサ１１ａを構成から廃止した。
このような構成で本実施形態では、バイパス流路６を介して循環する排アノードガス流量を安定的に制御しうる最大の循環量でアノードに循環するようにしたことを特徴とする。
図１４は、コントローラ２０が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード１ａ内、水素供給流路２ａ内及びバイパス流路６に酸化剤ガス（空気）が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。
なお、燃料電池１起動時にアノード１ａ内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード１ｂから電解質膜を介してアノード１ａにクロスリークしてきた空気等である。
また、本実施形態の起動時制御を開始する前（つまり、燃料電池システム停止中）の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁８は開、水素供給制御弁５は閉、空気調圧弁９は開の状態として、以下説明する。
まず、ステップＳ５１において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。起動判定のトリガーとしては、例えばメインスイッチ１５がオン状態であることが想定される。トリガーがオンであればステップＳ５２に進み、オフであれば制御を終了する。ステップＳ５２においてパージ弁８を閉じ、アノードから排出される排アノードガスがバイパス流路６を通じてアノードに循環されるようにする。パージ弁８を閉じることで、後述のステップＳ５７で供給される水素が外部に放出されることがない。続くステップＳ５３にてコンプレッサ１０を起動する。コンプレッサ１０は、後述するアイドル状態相当の回転数に制御される。
次に、ステップＳ５４で循環ポンプ７を起動する。ここで、循環ポンプ７の回転数は、安定して制御可能な通常運転時の最大回転数に制御する。ステップＳ５５で循環ポンプ７の回転数を図示しない回転数センサ等で検出して、最大回転数に安定的に収束したかどうかを判定する。収束した場合にはステップＳ５６に進み、収束していない場合には収束するまで制御を維持し、判定を繰り返す。ステップＳ５６では空気調圧弁９の開度を絞り、カソード内の昇圧を開始する。続いてステップＳ５７で水素供給制御弁５が開かれ、燃料電池１のアノードへの水素供給が開始される。
次に、ステップＳ５８で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間を予め実験等により求めておき、得られた所定時間に設定する。所定時間が経過した時にステップＳ５９に進み、燃料電池１より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行う。
続いてＳ６０において、酸素濃度センサ３１の出力を読み込み、検出した酸素濃度が所定値（例えば６％）以下に達したかどうかを判定し、６％以下になったらＳ６１に移行する。ここでは６％としたが、後述する劣化実験結果によれば６％以下の濃度であればよい。Ｓ６１において、循環ポンプ７の回転数をアイドル状態相当の回転数まで低減し、本起動時制御は終了し、通常運転へと移行する。ここでアイドル状態相当の回転数とは、燃料電池システムが発電可能状態にあり、かつ外部負荷等へ電力を供給する電力供給状態にないアイドル状態での回転数である。
尚、本実施形態では循環ポンプ７の最大回転数という表現を使用したが、１つの回転数に限定されるわけではなく、最大回転数近傍の回転数を含むことは言うまでもない。例えば、図１５においては循環ポンプ７の実際の最大回転数は１２０００（ｒｐｍ）であるが、本実施形態の説明上の最大回転数は、例えば１００００〜１２０００（ｒｐｍ）という範囲で定義される。
図１５にカソード出口で計測された二酸化炭素排出量と循環ポンプ７の回転数との関係を示す。これは、循環ポンプ７の回転数を所定の回転数に安定して制御した状態で、水素供給制御弁５を開いて水素昇圧を開始し、燃料電池１のアノードに水素を供給した場合における、カソードからの二酸化炭素の排出量と循環ポンプ７の回転数との関係を示す。
この結果は、燃料電池１のカソードには一定流量の空気を流し、カソード出口に設けたガス分析器にてカソードから排出された空気中に含まれる二酸化炭素の排出量（空気供給時に含まれていたＣＯ2を除く）を測定したものである。
循環ポンプ７の回転数のみを４０００、８０００、１２０００（ｒｐｍ）と変化させて他の試験条件は同じとした場合、循環ポンプ７の回転数を増すとカソード出口から排出される二酸化炭素量が著しく低減することが分かる。この二酸化炭素の排出は、下式に示されるカソードにおけるカーボン腐食に起因すると考えられる。つまり、循環ポンプ７の回転数を増大することで、空気を含む水素（排アノードガス）の循環量が増加してアノードにおいて残存空気が素早く消費され、カソードにおいて発生する下式で示されるカーボン腐食反応が抑制されるため、二酸化炭素の排出量が減少するのである。
Ｃ＋２Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ- （３）
次に、燃料電池１を構成する単セルのカソードに一定流量の空気を供給し、アノードに所定の比率で混合した水素と空気の混合ガスをそれぞれ供給した場合の、カソードから排出される空気（排カソードガス）中の二酸化炭素量を測定した結果を図１６に示す。
この結果によれば、アノードに供給される水素／空気濃度比によって、カソードから排出される二酸化炭素量は大きく変化し、水素／空気＝１０／９０％〜７０／３０％の間で二酸化炭素の排出が確認され、水素濃度７０％以上では二酸化炭素の排出がほぼ０になることが分かる。ここで、水素／空気＝７０／３０％の場合は水素／窒素／酸素=７０／２４／６％に相当するため、上述のステップＳ６０の酸素濃度の所定値６％が設定される。尚、この二酸化炭素発生も上述の(３)式と同じ反応機構であり、カソードの劣化の指標となる。また、本実施形態では酸素濃度を用いて二酸化炭素の排出判定をしたが、酸素濃度に代えて水素濃度を用いて判定するようにしてもよい。
起動時の水素供給前の段階において、燃料電池１のアノード内、水素供給経路としての水素供給流路２ａ内及びバイパス流路６内には、酸素が含まれている可能性がある。このような状態から、水素を供給すると、アノード内及び水素供給経路２ａ、６内には水素と酸素が共存した混合ガスが流通することになる。この混合ガスがバイパス流路６を通じて排アノードガスとしてアノードに循環され、カソードの酸化劣化（カーボン担持体の腐食、触媒金属の溶出や粒成長など）が進行する恐れがある。そこで本実施形態では、燃料電池システムで実現可能な最大の循環量で水素をアノードに供給することで、アノードでの燃焼反応により短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、代表として（３）式に示されるようなカソードの酸化劣化を最小限に抑制することができる。
また、循環ポンプ７の回転数を安定的に制御可能な範囲内での最大回転数近傍に設定することにより、アノードでの燃焼反応により短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、容易な制御でカソードの酸化劣化を抑制することができる。
また、水素導入後、アノード近傍及び水素供給経路内の酸素濃度が０に近い所定濃度以下となった時点で、カソードの酸化劣化反応は抑えられるため、カソードの劣化の観点からは循環量を低減させても問題はない。従って、循環ポンプ７の動力を低減し、消費電力を抑制することができる。
図１７は、第６の実施形態の構成図である。
本実施形態は、図１３に示す第５の実施形態の構成と比較して、酸素濃度センサ３１が削除された点が異なる。酸素濃度を検出する代わりに、予め酸素濃度が水素の供給開始時から所定の酸素濃度に達するまでの時間を実験等により求めておき、所定時間に達したら起動制御を終え、通常運転へ移行するようにしたものである。
図１８は、コントローラ２０が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード１ａ内、水素供給流路２ａ内及びバイパス流路６に酸化剤ガス（空気）が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。
なお、燃料電池１起動時にアノード１ａ内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード１ｂから電解質膜を介してアノード１ａにクロスリークしてきた空気等である。
また、本実施形態の起動時制御を開始する前（つまり、燃料電池システム停止中）の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁８は開、水素供給制御弁５は閉、空気調圧弁９は開の状態として、以下説明する。
まず、ステップＳ６１において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。起動判定トリガーとしては、例えばメインスイッチ１５がオン状態であることが想定できる。トリガーがオンであればステップＳ６２に進み、オフであれば制御を終了する。ステップＳ６２においてパージ弁８が閉じ、続くステップＳ６３にてコンプレッサ１０を起動する。コンプレッサ１０は、前述のアイドル状態相当の回転数に制御される。
次に、ステップＳ６４で循環ポンプ７を起動する。ここで、循環ポンプ７の停止状態から後述する所定の回転数に達するまでの循環ポンプ７の回転数の変化率（増加率）は、制御可能な略最大変化率で制御する。ステップＳ６５では、循環ポンプ７の回転数が安定的に制御可能な通常運転時の最大回転数を超え、所定の回転数に制御されたかどうかを判定する。本実施形態での循環ポンプ７の所定の回転数は、第５の実施形態の安定的に制御可能な通常運転時の最大回転数より大きい回転数とする。このため、本実施形態の水素と酸素からなる混合ガスの循環量は第５の実施形態の循環量より多くできる。
第６の実施形態での循環ポンプ７の運転条件の一例を図１９に示す。時刻ｔ１で循環ポンプ７が起動し、最大変化率で回転数を上昇させる。時刻ｔ２で通常運転領域の最大回転数を越え、制御上の不安定領域に入る。ここで通常運転領域は、安定的に回転数を制御できる領域であって、第５の実施形態の最大回転数は、この通常運転領域の最大回転数を意味する。不安定領域に入った循環ポンプ７の回転数は、制御上安定性に欠けるが所定の回転数になるように制御され、この時の循環ポンプ７の吐出量は通常領域の最大吐出量より多くなる。
続くステップＳ６６では、水素供給制御弁５を開き、水素供給流路内の水素の圧力が昇圧してアノードへの水素供給を開始する。さらにステップＳ６７で空気調圧弁９の開度を絞り、カソード内の空気圧力を昇圧させる。このとき、大気圧状態の水素及び空気を所定の圧力まで昇圧させる昇圧時間が最短時間となるように制御される。
次に、ステップＳ６８で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間に設定する。所定時間が経過した時に、Ｓ６９に進み、燃料電池１より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行う。
続くステップＳ７０では、ステップＳ６６での水素供給開始からの経過時間がアノード内に残存した酸素が消費されるのに必要な所定時間を越えたかどうかを判定する。ここで、アノード内に残存した酸素の濃度が６％以下になる時間を所定時間とする。経過時間が所定時間を超えた場合にはステップＳ７１に進み、循環ポンプ７の回転数を前述のアイドル状態相当の回転数まで低下させて制御を終了する。
このような起動時制御とすることにより、本実施形態では第５の実施形態と同様に、燃料電池システムで実現可能な循環量で水素（排アノードガス）をアノードに導入することで、アノードでの燃焼反応により短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、代表として（３）式に示されるようなカソードの酸化劣化を最小限に抑制することができる。
また、制御上安定的に制御できる通常運転条件の最大回転数よりも高い回転数で循環ポンプ７を運転して水素をアノードに供給することで、容易な制御でより多くの水素をアノードに供給し、アノードでの燃焼反応によりさらに短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、（３）式に示されるようなカソードでの酸化劣化を一層抑制することができる。
また、起動時に、循環ポンプ７の回転数を所定の回転数まで上げる際に、その回転数の変化率を制御可能な範囲で略最大変化率に制御することにより、短時間で回転数を所定回転数まで高くすることができる。
更に、水素圧力が所定の圧力に達するまでの昇圧時間を制御可能な最短時間となるように制御することにより、より多くの燃料が短時間に燃料電池１のアノードに供給されるため、残存する酸素と水素がアノードにおいて短時間で速やかに燃焼反応を起こして酸素が消費される。従って、（３）式に示されるようなカソードの酸化劣化を抑制することができる。
また、水素供給開始からの経過時間により酸素濃度が所定低減まで低減したと推定するため、濃度センサを設ける必要がなく、システムの低コスト化を図ることができる。
図２０は、第７の実施形態の構成図である。
本実施形態は、図１３に示す第５の実施形態の構成と比較して、酸素濃度センサ３１を削除し、カソードから排出されるガス中の二酸化炭素濃度を検出する濃度センサ３６を空気放出流路３ｂに設置し、またバイパス流路６の循環ポンプ７の上流側の一部を迂回する第２バイパス流路３２を設けた点が異なる。この第２バイパス流路３２には、補助循環ポンプ３３と、その上下流に制御弁３４、３５が設置される。ここで、濃度センサ３６の出力はコントローラ２０に入力され、補助循環ポンプ３３と制御弁３４、３５はコントローラ２０により制御される。本実施形態は、２機の循環ポンプ７、３３を協働して循環量を高めることで、カソードの劣化を抑制するものである、
図２１は、コントローラ２０が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード１ａ内、水素供給流路２ａ内及びバイパス流路６に酸化剤ガス（空気）が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。
なお、燃料電池１起動時にアノード１ａ内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード１ｂから電解質膜を介してアノード１ａにクロスリークしてきた空気等である。
また、本実施形態の起動時制御を開始する前（つまり、燃料電池システム停止中）の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁８は開、水素供給制御弁５は閉、空気調圧弁９は開の状態として、以下説明する。
まず、ステップＳ８１において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。トリガーとしては、例えばメインスイッチ１５がオン状態であることが想定できる。起動判定のトリガーがオンであればステップＳ８２に進み、オフであれば制御を終了する。ステップＳ８２においてパージ弁８が閉じ、続くステップＳ８３にてコンプレッサ１０を稼働する。コンプレッサ１０は、前述のアイドル状態相当の回転数に制御される。
次に、ステップＳ８４で循環ポンプ７を稼動する。ここで、循環ポンプ７の回転数の変化率（増加率）は、制御可能な略最大変化率で制御する。ステップＳ８５では、循環ポンプ７の回転数が制御可能な最大回転数を超え、所定の回転数に制御されたかどうかを判定する。制御されている場合にはステップＳ８６に進む。本実施形態での循環ポンプ７の所定の回転数は、第６の実施形態と同様に制御され、このため循環ポンプ７の吐出量は、第５の実施形態の吐出量より多くなる。
続くステップＳ８６で、補助循環ポンプ３３の上下流に設置した制御弁３４、３５を開き、ステップＳ８７で補助循環ポンプ３３を稼動する。ここで、補助循環ポンプ３３の回転数の変化率（増加率）は、循環ポンプ７と同様に、制御可能な略最大変化率で制御する。また、補助循環ポンプ３３の回転数も、循環ポンプ７と同様に制御の安定性に欠けるが、安定した制御が可能な最大回転数より大きい所定の回転数になるように制御される。
そして、ステップＳ８８で、補助循環ポンプ３３の回転数が制御可能な最大回転数を超え、所定の回転数に制御されたかどうかを判定する。制御されている場合にステップＳ８９に進み、ステップＳ８９では、水素供給制御弁５を開き、水素供給流路内の水素の圧力が昇圧してアノードへの水素供給を開始する。
さらにステップＳ９０で空気調圧弁９の開度を絞り、カソード内の空気圧力を昇圧させる。このとき、大気圧状態の水素及び空気を所定の圧力まで昇圧させる昇圧時間が最短時間となるように制御される。
次に、ステップＳ９１で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間に設定する。所定時間が経過した時に、Ｓ９２に進み、燃料電池１より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行う。
続くステップＳ９３では、濃度センサ３６の検出値を読み込み、二酸化炭素濃度が所定濃度以下になったかどうかを判定する。所定濃度（例えば１％）以下になた場合には、二酸化炭素濃度が下限まで低減したと判定し、ステップＳ９４に進む。ステップＳ８９でアノードに水素を供給した直後は、カソードのカーボン腐食に伴い二酸化炭素が発生する。その後に、水素供給経路内の酸素を消費したら二酸化炭素濃度は低くなり、空気中の二酸化炭素濃度である約１％に収束する。
ステップＳ９４では、循環ポンプ７の回転数を前述のアイドル状態相当の回転数まで低下させ、ステップＳ９５では、補助循環ポンプ３３の運転を停止する。そしてステップＳ９６で制御弁３４、３５を閉じて制御を終了する。
図２２は、水素供給流路２ａとバイパス流路６との分岐（以下、Ａ点という。図２０を参照）〜燃料電池１〜第１、第２バイパス流路６、３２を流れるガスの圧力（静圧）の変化を示す図である。
Ａ点より燃料電池１に向けてガスが流れ、その際に水素供給流路２ａを形成する配管で圧力損失が生じ、燃料電池１内ではより大きな圧力損失が生じる。その後、燃料電池１から流出したガスは第２バイパス流路３２に流入して、第２バイパス流路３２に設置された補助循環ポンプ３３の揚程により圧力が上昇する。その後、バイパス流路６、第２バイパス流路３２の配管による圧力損失で圧力が低下するが、再び水素循環ポンプ７で昇圧し、配管による圧力損失が発生してＡ点に戻る。
ここで、仮に補助循環ポンプ３３の設置位置を第２バイパス流路３２ではなくバイパス流路６の循環ポンプ７近傍の上流側に設置したと想定する。ここで循環ポンプ３３の燃料電池１の出口からの距離は、実施形態で説明した位置より想定した仮の位置の方が遠くなるように設置される。この場合の圧力変化を図２２の点線で示す。この比較からわかるように、燃料電池１の内部における圧力は、補助循環ポンプ３３の位置により変化し、燃料電池１の出口直後に循環ポンプを設けた方が、燃料電池１の内部圧力が低くできる。同じく、循環ポンプ７が燃料電池１の出口直後に配置しても同様の作用が期待される。
しかしながら、一方で通常運転時は循環ポンプ７のみを利用するため、水素圧力が高い方が燃料電池１の出力性能は高くなる。このため、起動時しか利用しない補助循環ポンプ３３を燃料電池１の出口直後に配置し、循環ポンプ７は出口から遠い位置に配置することが望ましい。このように、燃料電池１の出口直後に補助循環ポンプ３３を設けることで燃料電池１への水素導入がより短時間で行うことができる。
本実施形態では、第６の実施形態に記載した効果に加えて、以下の効果が期待できる。
即ち、通常運転時の循環ポンプ７に加え、起動用の補助循環ポンプ３３を設けたことにより、起動時の循環量を増加し、アノードでの燃焼反応によりアノード中の酸素を短時間で消費し、（３）式に示されるようなカソード中の酸化劣化を抑制することができる。
また、酸化劣化としてのカーボン担持体の腐食は、前述の（３）式の反応で生じるため、カソードがら排出されるガス中の二酸化炭素濃度を濃度センサ３６で測定することで循環量の低減を判断することができる。
更に、補助循環ポンプ３３をバイパス経路６、３３の燃料電池１の燃料出口近傍に設けることにより、燃料電池１の入口近傍に設けた場合に比べて、吸引負圧作用により燃料電池１のアノード近傍及び燃料電池１出口近傍の圧力が相対的に低くなる。従って、燃料電池１への水素供給時間が短くできる。
図２３は、第８の実施形態の構成図である。
本実施形態は、図１３に示す第５の実施形態の構成と比較して、バイパス流路６の循環ポンプ７を迂回する第３バイパス流路３７を設け、この第３バイパス流路３７に循環ポンプ７より揚程の大きい補助循環ポンプ３８を設けた点が異なる。さらに、この第２バイパス流路３２には、補助循環ポンプ３３の下流に制御弁３９を備えるとともに、バイパス流路６と第３バイパス流路３７との上流側分岐に三方弁４０を備える。補助循環ポンプ３８、制御弁３９及び三方弁４０はコントローラ２０により制御される。
図２４は、コントローラ２０が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード１ａ内、水素供給流路２ａ内及びバイパス流路に酸化剤ガス（空気）が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。
なお、燃料電池１起動時にアノード１ａ内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード１ｂから電解質膜を介してアノード１ａにクロスリークしてきた空気等である。
また、本実施形態の起動時制御を開始する前（つまり、燃料電池システム停止中）の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁８は開、水素供給制御弁５は閉、空気調圧弁９は開の状態として、以下説明する。
まず、ステップＳ１０１において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。トリガーとしては、例えばメインスイッチ１５がオン状態であることが想定できる。起動判定のトリガーがオンであればステップＳ１０２に進み、オフであれば制御を終了する。ステップＳ１０２においてパージ弁８が閉じ、続くステップＳ１０３にてコンプレッサ１０を起動する。コンプレッサ１０は、前述のアイドル状態相当の回転数に制御される。
次に、ステップＳ１０４で第３バイパス流路３７に設置した制御弁３９を開くとともに、第３バイパス流路３７にガスが流通するように三方弁４０を制御する。続くステップＳ１０５では補助循環ポンプ３８を起動する。ここで、補助循環ポンプ３８の回転数の変化率（増加率）は、制御可能な略最大変化率で制御する。また、補助循環ポンプ３７の回転数も、第７の実施形態と同様に、制御の安定性に欠けるが、安定した制御が可能な回転数より回転数の大きい所定の回転数になるように制御される。さらに前述の通り、補助循環ポンプの揚程能力は循環ポンプ７より大きいため、第５、６の実施形態より循環量が多くなる。
そして、ステップＳ１０６で、補助循環ポンプ３７の回転数が制御可能な最大回転数を超え、所定の回転数に制御されたかどうかを判定する。制御されている場合にステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０７では、水素供給制御弁５を開き、水素供給流路内の水素の圧力が昇圧してアノードへの水素供給を開始する。さらにステップＳ１０８で空気調圧弁９の開度を絞り、カソード内の空気圧力を昇圧させる。このとき、大気圧状態の水素及び空気を所定の圧力まで昇圧させる昇圧時間が最短時間となるように制御される。
続くステップＳ１０９では、図示しない電力を消費する外部負荷を固定抵抗と同様の電荷消費手段として利用し、燃料電池１で発生した起電力に応じて流れる電流を取り出す。つまり、外部負荷で取り出したい電力を規定するのではなく、固定抵抗のように燃料電池１の起電力に応じて流れる電流が変化する。
そしてＳ１１０に移行し、濃度センサー３１で検知する酸素濃度が所定濃度（例えば、６％）以下になったかどうかを判定し、所定濃度以下となったらＳ１１１で燃料電池１よりアイドル状態相当の負荷電流を取り出す。
ここでは、パワーマネージャ１３を燃料電池１の通常運転時に対応する負荷電流（出力）取り出しモードにて作動させる。Ｓ１１０ではアノード及びカソードにそれぞれ水素と空気が供給されているため、電荷消費機能を使用する際は酸素濃度にて判定することが望ましい。また所定濃度の決め方は、第５の実施形態で説明した通りである。続いてＳ１１２にて補助循環ポンプ３７を停止し、Ｓ１１３にて制御弁３９を閉じ、三方弁４０を切り換えてガスをバイパス流路６に流通させるように制御する。最後にＳ１１４にて水素循環ポンプ７をアイドル状態相当の回転数で稼働開始し、起動時制御を終了し、通常制御に移行する。
したがって、本実施形態では、第６の実施形態の効果に加えて、起動用の補助循環ポンプ３８の揚程能力（＝循環力）が通常運転時に使用する循環ポンプ７の揚程能力に比べて大きいため、起動時の循環量を一時的に増加させることが可能になる。従って、アノードでの燃焼反応により短時間で速やかに残存酸素が消費されるため、（３）式に示されるようなカソードの酸化劣化を最小限に抑制することができる。
更に、水素導入後、アノード近傍及び水素供給経路内部の酸素濃度が０に近づいた時点で、カソードの酸化劣化反応は抑えられるため、劣化の観点からは循環量を低減させることができる。
加えて、電荷消費手段を利用することで（３）式の反応を抑制でき、起動時のカソードにおける酸化劣化を著しく低減することができる。
図２５は、第９の実施形態の構成図である。
本実施形態は、図１３に示す第５の実施形態の構成と比較して、酸素濃度センサ３１に代えて水素供給流路２ａ内の酸素を除去する燃焼触媒４１、気液分離器４２を設置した構成としたことが異なる。
図２６は、コントローラ２０が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード１ａ内、水素供給流路２ａ内及びバイパス流路６に酸化剤ガス（空気）が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。
なお、燃料電池１起動時にアノード１ａ内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード１ｂから電解質膜を介してアノード１ａにクロスリークしてきた空気等である。
また、本実施形態の起動時制御を開始する前（つまり、燃料電池システム停止中）の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁８は開、水素供給制御弁５は閉、空気調圧弁９は開の状態として、以下説明する。
まず、ステップＳ１２１において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。トリガーとしては、例えばメインスイッチ１５がオン状態であることが想定できる。起動判定のトリガーがオンであればステップＳ１２２に進み、オフであれば制御を終了する。ステップＳ１２２においてパージ弁８が閉じ、続くステップＳ１２３にてコンプレッサ１０を起動する。コンプレッサ１０は、前述のアイドル状態の負荷電流相当の回転数に制御される。
次に、ステップＳ１２４で循環ポンプ７を起動する。ここで、循環ポンプ７の回転数は、安定して制御可能な範囲の最大回転数に制御する。ステップＳ１２５で循環ポンプ７の回転数を検出して、最大回転数に安定的に収束したかどうかを判定する。収束した場合にはステップＳ１２６に進み、収束していない場合には収束するまで判定を繰り返す。ステップＳ１２６では空気調圧弁９の開度を絞り、カソード内の昇圧を開始する。続いてステップＳ１２７で水素供給制御弁５が開かれ、燃料電池１のアノードへの水素供給が開始される。
次に、ステップＳ１２８で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間に設定する。所定時間が経過した時に、Ｓ１２９に進み、燃料電池１より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行う。
続いてＳ１３０において、ステップＳ１２７での水素供給開始からの経過時間がアノード内に残存した酸素が燃焼触媒４１で消費されるのにかかる所定時間を越えたかどうかを判定する。ここで、アノード内残存した酸素の濃度が所定濃度、例えば６％以下になる時間を所定時間とする。経過時間が所定時間を超えた場合にはステップＳ１３１に進み、循環ポンプ７の回転数を前述のアイドル状態相当の回転数まで低下させて制御を終了する。
以上の構成を備えた本実施形態では第５の実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。
即ち、燃料電池１の水素入口で水素供給流路２ａとバイパス流路６との分岐の下流部に、燃焼触媒（酸素濃度低減手段）４１を設けることにより、循環ポンプ７が稼動を始めてすぐに酸素を含む排アノードガスを導入する場合（最初の循環サイクル時）、水素供給流路２ａ、ガス放出流路２ｂ及びバイパス流路６からなる循環流路系に残存する酸素の濃度が燃焼触媒４１により低減される。このため燃料電池１に供給される排アノードガス中の酸素濃度が低くなる。従って、第１の実施形態のアノードでの燃焼反応により残存酸素が消費される時間が短くなるため、カソードの酸化劣化がさらに抑制される。
また、水素などの燃料を燃焼させる触媒燃焼４１を設けることで、水素と酸素の燃焼反応が、アノードではなく主に燃焼触媒４１で行われる。従って、更に短時間で速やかに酸素濃度を低減できる。
また、バイパス流路６に残存する水分が、排アノードガスと共に燃料電池１のアノードに供給されると、アノードの水分が電解質膜を介してカソードに行き渡りカソード近傍の水分が増す。従って、（３）式に示すようなカソードの酸化劣化を促進する反応が進むことになる。従って、アノードに導かれる水分を予め気液分離器４２で除去することにより、カソードの酸化劣化を抑制することができる。また、バイパス流路６に残存する水分を予め除去することで、燃料電池１における各単セルへの燃料配流を向上させることができる。
また、燃焼触媒４１では燃焼反応により水が発生するため、燃焼触媒４１を気液分離器４２の内部またはその上流部に設けることにより、燃焼触媒４１において発生した水分を気液分離器４２で効果的に除去することができる。
図２７は、第１０の実施形態の構成図である。
本実施形態は、図１３に示す第５の実施形態の構成と比較して、酸素濃度センサ３１と燃料電池１との間に第１酸素吸着材５１と第１気液分離器５２と設置し、さらにバイパス流路６の循環ポンプ７上流にも第２酸素吸着材５３と第２気液分離器５４を設置した構成とした点が異なる。
図２８は、コントローラ２０が実施する本実施形態の燃料電池システム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。この起動時制御は、アノード１ａ内、水素供給流路２ａ内及びバイパス流路６に酸化剤ガス（空気）が存在する無負荷状態からの起動時に実施される制御である。
なお、燃料電池１起動時にアノード１ａ内に存在する酸化剤ガスは、燃料電池の停止中に外部から進入してきた空気や、カソード１ｂから電解質膜を介してアノード１ａにクロスリークしてきた空気等である。
また、本実施形態の起動時制御を開始する前（つまり、燃料電池システム停止中）の状態は、全ての構成が停止した状態である。また、パージ弁８は開、水素供給制御弁５は閉、空気調圧弁９は開の状態として、以下説明する。
まず、ステップＳ１４１において、燃料電池システムの起動を判定するトリガーがオンかどうかを判定する。起動判定のトリガーとしては、例えばメインスイッチ１５がオン状態であることが想定できる。トリガーがオンであればステップＳ１４２に進み、オフであれば制御を終了する。ステップＳ１４２においてパージ弁８が閉じ、続くステップＳ１４３にてコンプレッサ１０を起動する。コンプレッサ１０は、前述のアイドル状態相当の回転数に制御される。
次に、ステップＳ１４４で循環ポンプ７を起動する。ここで、循環ポンプ７の回転数は、安定して制御可能な範囲の最大回転数に制御する。ステップＳ１４５で循環ポンプ７の回転数を検出して、最大回転数に安定的に収束したかどうかを判定する。収束した場合にはステップＳ１４６に進み、収束していない場合には収束するまで判定を繰り返す。ステップＳ１４６では空気調圧弁９の開度を絞り、カソード内の昇圧を開始する。続いてステップＳ１４７で水素供給制御弁５が開かれ、燃料電池１のアノードへの水素供給が開始される。
次に、ステップＳ１４８で水素供給開始後の経過時間が所定時間を経過したかどうかを判定する。ここで所定時間は、アノードへ水素が行き渡ったと予想される時間に設定する。所定時間が経過した時に、Ｓ１４９に進み、ステップＳ１４９では、図示しない電力を消費する外部負荷を固定抵抗と同様の電荷消費機能として利用し、燃料電池１で発生した起電力に応じて流れる電流を取り出す。つまり、外部負荷で取り出したい電力を規定するのではなく、固定抵抗のように燃料電池１の起電力に応じて流れる電流が変化する。続くＳ１５０に移行し、濃度センサー３１で検知する酸素濃度が所定濃度（例えば、６％）以下になったかどうかを判定し、所定濃度以下となったらＳ１５１で燃料電池１よりアイドル状態相当の負荷電流を取り出す。ここでは、パワーマネージャ１３を通常運転時制御に対応する負荷電流（出力）取り出しモードにて作動させる。Ｓ１５０ではアノード及びカソードにそれぞれ水素と空気が供給されているため、電荷消費機能を使用する際は酸素濃度にて判定することが望ましい。また所定濃度の決め方は、第５の実施形態で説明した通りである。
ステップＳ１５１では、燃料電池１より電流の取り出しを開始する。ここでは、アイドル状態相当の微小な負荷電流の取り出しを行い、ステップＳ１５２で、循環ポンプ７の回転数を前述のアイドル状態相当まで低下させて制御を終了する。
本実施形態では、第５の実施形態の効果に加えて、以下の効果を奏することができる。
即ち、水素や残存酸素等が循環する循環流路系に、酸素吸着材（酸素濃度低減手段）５１、５３を設けることにより、循環流路系を流れるガス中の酸素濃度が低くなるためアノードに導入される酸素濃度が低くなる。従って、アノードでの燃焼反応により残存酸素が消費される時間が短くなるため、（３）式に示されるようなカソードの酸化劣化が著しく抑制される。また、第９の実施形態の燃焼触媒に比べて、触媒金属溶出によるドレン水中のカチオン濃度（コンタミ濃度）上昇に伴う燃料電池システム性能劣化の加速を抑制できる。
また、燃料電池１の入口で水素供給流路２ａとバイパス流路６との分岐の下流部（燃料電池１側）に、第１酸素吸着材（酸素濃度低減手段）５１を設けることにより、循環ポンプ７が稼動を始めてすぐに水素を導入する場合（最初の循環サイクル時）、循環流路系に残存する酸素と導入される水素が燃料電池１のアノードに導入される前に酸素濃度が低くなる。従って、アノードでの燃焼反応により残存酸素が消費される時間が短くなるため、カソードの酸化劣化がさらに抑制される。
また、水素や残存酸素等が循環する循環流路系に第１、第２気液分離器５２、５４を設けることで、燃料電池１のアノードに供給される水分が低減される。従って、水分によって影響を受けやすい循環ポンプ７の性能低下を抑制することができる。ここでは第９の実施形態に比べ、循環ポンプ７の直上流に第２気液分離器５４を設け、水分を十分に除去することができる。また循環ポンプ７の直上流に第２酸素吸着材５３を設け、酸素を十分に除去することができる。
図２９に、循環ポンプ７の直上流に第２気液分離器５４を設けた場合と設けない場合について、循環ポンプ７を流れる制御電流値の時系列変化を示す。第２気液分離器５４がない場合に比べて、ある場合の方が、より目標制御電流に近い状態で精度良く制御されていることがわかる。これは水分量の違いと考えられ、第２気液分離器５４がない場合、水分が循環ポンプ７に混入するために過渡電流値が大きくなることがわかる。
更に、循環流路系に残存する水分が、水素と共に燃料電池１のアノードに供給されると、アノードの水分が電解質膜を介してカソードに行き渡りカソード近傍の水分が増す。従って、カソードの酸化劣化を促進する反応が進む（例えば（３）式）。従って、アノードに導かれる水分を予め第１気液分離器５２で除去することにより、上記の酸化劣化を抑制することができる。また、循環流路系に残存する水分を予め除去することで、燃料電池１における各単セルへの燃料配流を向上させることができる。
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
１ 燃料電池
２ 水素タンク
２ａ 水素供給流路
２ｂ ガス放出流路
３ 水素タンク元弁
４ 減圧弁
５ 水素供給制御弁
６ バイパス流路
７ 循環ポンプ
８ パージ弁
９ 空気調圧弁
１０ コンプレッサ
１１ａ 第１圧力センサ
１１ｂ 第２圧力センサ
１１ｃ 第３圧力センサ
１１ｄ 第４圧力センサ
１２ 水素濃度センサ
１３ パワーマネージャ
１４ 電圧センサ
１５ メインスイッチ
１６ 酸素濃度センサ
１７ 差圧センサ
１８ 循環量制御弁
２０ コントローラ
３１ 酸素濃度センサ
３２ 第２バイパス流路
３３ 補助循環ポンプ
３４ 制御弁
３５ 制御弁
３６ 二酸化炭素濃度センサ
３７ 第３バイパス流路
３８ 補助循環ポンプ
３９ 制御弁
４０ 三方弁
４１ 燃焼触媒
４２ 気液分離器
５１ 第１酸素吸着材
５２ 第１気液分離器
５３ 第２酸素吸着材
５４ 第２気液分離器
本発明は、外部からの水素を燃料電池のアノードの供給する水素供給流路と、この水素供給流路途中に接続し、前記アノードから排出される排アノードガスをアノードに循環するバイパス流路を備えた燃料電池システムにおいて、少なくとも前記バイパス流路に配置された循環ポンプを備え、前記アノードに供給される前記水素と排アノードガスとからなる混合ガスのガス組成を制御するガス組成制御手段と、排アノードガスの外部への排出を制御するガス排出制御手段と、前記ガス組成制御手段と前記ガス排出制御手段を制御するコントローラを備え、前記アノード内に酸化剤ガスが存在する起動時に、前記コントローラは、前記ガス排出制御弁を閉じ、前記ガス組成制御手段の循環ポンプを制御可能な最大回転数にして前記排アノードガスを前記バイパス流路を通じて前記アノードに循環させ、前記混合ガスを構成するガスの濃度が所定濃度となるように制御する。

Claims (33)

  1. 外部からの水素を燃料電池のアノードに供給する水素供給流路と、この水素供給流路途中に接続し、前記アノードから排出される排アノードガスをアノードに循環するバイパス流路を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記アノードに供給される前記水素と排アノードガスとからなる混合ガスのガス組成を制御するガス組成制御手段と、
    排アノードガスの外部への排出を制御するガス排出制御手段と、
    前記ガス組成制御手段と前記ガス排出制御手段を制御するコントローラを備え、
    前記コントローラは、前記アノード内に酸化剤ガスが存在する起動時に、
    前記ガス排出制御弁を閉じ、前記排アノードガスを前記バイパス流路を通じて前記アノードに循環させ、
    前記混合ガスを構成するガスの濃度が所定濃度となるように前記ガス組成制御手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記ガス組成制御手段は、少なくとも前記バイパス流路に配置され、前記排アノードガスの前記アノードへの循環量を制御する循環ポンプを備え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. 前記アノードに供給される混合ガス中の水素濃度を検出する水素濃度検出手段を備え、
    前記コントローラは、検出される水素濃度が所定水素濃度以上となるように前記ガス組成制御手段を制御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。
  4. 前記アノードに供給される混合ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
    前記コントローラは、検出される酸素濃度が所定酸素濃度以下となるように前記ガス組成制御手段を制御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。
  5. 前記アノードから排出される排アノードガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を備え、
    前記コントローラは、検出される酸素濃度が所定酸素濃度以下となるように前記ガス組成制御手段を制御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。
  6. 前記カソードから排出される排カソードガス中の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出手段を備え、
    前記コントローラは、検出される二酸化炭素濃度が所定二酸化炭素濃度以下となるように前記ガス組成制御手段を制御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。
  7. 燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
    前記コントローラは、検出される電圧の変化量が所定電圧変化量以下となるように前記ガス組成制御手段を制御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。
  8. 前記外部から前記アノードに供給する水素量を制御する水素供給制御弁を備え、
    前記コントローラは、前記ガス排出制御弁を閉じ、前記循環ポンプを起動させた後に前記水素供給制御弁を開き、アノードに水素を供給す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。
  9. 前記バイパス流路の前記循環ポンプの下流に排アノードガスの循環量を制御する循環量制御弁と、
    前記バイパス流路の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段とを備え、
    前記コントローラは、検出された酸素濃度が所定酸素濃度未満となるように前記循環量制御弁を制御す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。
  10. 前記コントローラは、前記ガス排出制御弁と前記循環量制御弁とを閉じ、前記循環ポンプを稼動させ、前記バイパス流路の前記循環量制御弁と前記循環手段との間の圧力を上昇させた後に、前記水素供給制御弁を開いて水素をアノードに供給し、検出された酸素濃度が所定酸素濃度未満となるように前記循環量制御弁を制御することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記水素供給制御弁の上下流に前記水素供給流路内の圧力を検出する圧力検出手段を設け、
    前記コントローラは、検出された圧力値に基づいて、アノードに供給される水素量を演算し、前記バイパス流路からアノードに循環される排アノードガスの流量が演算された水素量に対し３０％以下になるように前記ガス組成制御手段を制御す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。
  12. 前記水素所定濃度は、７０％であ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。
  13. 前記酸素所定濃度は、６％であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  14. 前記ガス組成制御手段は、前記バイパス流路に設置された循環ポンプであって、
    この循環ポンプは、前記燃料電池の起動時に、制御可能な最大回転数で排アノードガスを循環させ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。
  15. 前記循環ポンプは、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の通常運転時の最大回転数で排アノードガスを循環させることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
  16. 前記循環ポンプは、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の通常運転時の最大回転数を越える回転数で排アノードガスを循環させることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
  17. 前記バイパス流路に前記ガス組成制御手段としての補助循環ポンプをさらに備えたことを特徴とする請求項１４から１６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  18. 前記補助循環ポンプは、排アノードガス流れ方向で前記循環ポンプの上流側に設置され、
    前記燃料電池の起動時に、前記循環ポンプと前記補助循環ポンプとの協働により排アノードガスを循環することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
  19. 前記補助循環ポンプは、前記循環ポンプと並列に設置され、前記循環ポンプの揚程能力より大きい揚程能力を備え、
    前記燃料電池の起動時に、前記補助循環ポンプにより排アノードガスを循環することを特徴とする請求項１７に記載の燃料電池システム。
  20. 前記排アノードガスが循環する流路に排アノードガス内の酸素濃度を低減するための燃焼触媒を設けたことを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
  21. 前記排アノードガスの流れ方向で前記燃焼触媒の下流側に排アノードガス中の水分を除去する気液分離器を備えたことを特徴とする請求項２０に記載の燃料電池システム。
  22. 前記燃焼触媒と前記気液分離器は、前記水素供給流路と前記バイパス流路との分岐と前記燃料電池との間に設置されることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池システム。
  23. 前記燃焼触媒と前記気液分離器は、前記水素供給流路と前記バイパス流路との分岐と前記燃料電池との間、及び前記循環ポンプの上流側の前記バイパス流路とに設置されることを特徴とする請求項２１に記載の燃料電池システム。
  24. 前記排アノードガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度検出手段を設け、
    前記燃料電池の起動時に検出された酸素濃度が所定酸素濃度以下に場合に、前記循環ポンプ及び前記補助循環ポンプをアイドル状態にすることを特徴とする請求項１４から１９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  25. 前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、
    前記燃料電池のカソードから排出される排カソードガス中の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度検出手段を備え、
    前記燃料電池の起動時に、前記コンプレッサを起動し、前記燃料電池のカソードから排出された排カソードガス中の二酸化炭素濃度が所定二酸化炭素濃度以下の場合に、前記循環ポンプ及び前記補助循環ポンプをアイドル状態にすることを特徴とする請求項１４から１９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  26. 排アノードガス中の酸素濃度または水素濃度を検出する濃度検出手段を備え、
    前記燃料電池の起動時に、検出された酸素濃度が所定酸素濃度以下、または検出された水素濃度が所定水素濃度以上場合に、排アノードガスの循環量を低減することを特徴とする請求項１４から１９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  27. 排カソードガス中の二酸化炭素濃度を検出する濃度検出手段を備え、
    検出された二酸化炭素濃度が所定二酸化炭素濃度以下の場合に、排アノードガスの循環量を低減することを特徴とする請求項１４から１９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  28. 排アノードガスが循環する流路に排アノードガス中の酸素濃度を低減する酸素濃度低減手段を備えたことを特徴とする請求項１４から２７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  29. 前記酸素濃度低減手段は、排アノードガスが流通する前記燃料電池の入口直上流に設置されることを特徴とする請求項２８に記載の燃料電池システム。
  30. 前記酸素濃度低減手段は、酸化触媒であることを特徴とする請求項２８または２９に記載の燃料電池システム。
  31. 前記循環ポンプ上流の排アノードガスが循環する流路に排アノードガス中の酸素濃度を低減する第２酸素濃度低減手段を備えたことを特徴とする請求項３０に記載の燃料電池システム。
  32. 排アノードガスが循環する流路に排アノードガス中の水分を除去する気液分離手段を備えたことを特徴とする請求項１から３１のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  33. 前記気液分離手段は、前記酸素低減手段の下流に設置されることを特徴とする請求項２８から３１のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
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