JP2014146505A - 燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の起動時に生じる劣化を抑制し、起動時間を短縮する。
【解決手段】燃料電池システム１０の起動方法は、水素のアノード１１Ａでの濃度を取得する水素濃度取得工程と、水素濃度取得工程によって取得された水素の濃度が所定の第２閾値Ｍ２以上であるか否かを判定する閾値判定工程と、コンタクタ３９の遮断状態で水素タンク２１からアノード１１Ａに水素を供給する際に水素タンク２１からアノード１１Ａに供給される水素の圧力を設定する起動時圧力設定工程と、を含む。起動時圧力設定工程は、閾値判定工程によって水素の濃度が所定の第２閾値Ｍ２以上であると判定された場合に、水素の圧力を、燃料電池システム１０の起動完了後に実行される通常発電での所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮ以下に設定し、水素の濃度が所定の第２閾値Ｍ２未満であると判定された場合に、水素の圧力を、所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮよりも高く設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池システムの起動方法に関する。

従来、燃料電池システムの起動時に燃料電池に電気負荷が接続されていない状態（無負荷）でアノードに燃料ガスを供給して、燃料ガスによる置換を行なう際に、燃料ガスによる置換を促進するために、燃料ガスの濃度に応じて燃料ガスの圧力を低下させる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−３０１７７１号公報

ところで、上記従来技術に係る燃料電池システムにおいては、燃料ガスの圧力を低下させることに伴い、アノードの入口側と出口側とにおける燃料ガスの置換が完了するまでの時間が長くなり、無負荷での過大な電位上昇の継続時間が長くなる虞がある。これによって、アノード全体での燃料ガスによる置換の促進と、過大な電位上昇に起因する劣化の抑制とを、適切に制御することが望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、燃料電池の起動時に生じる劣化を抑制し、起動時間を短縮することが可能な燃料電池システムの起動方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明の第１の発明に係る燃料電池システムの起動方法は、アノード（例えば、実施の形態でのアノード１１Ａ）の燃料およびカソード（例えば、実施の形態でのカソード１１Ｂ）の酸化剤によって発電する燃料電池（例えば、実施の形態での燃料電池スタック１１）と、前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段（例えば、実施の形態での水素タンク２１および水素供給弁２２）と、前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段（例えば、実施の形態でのエアーコンプレッサー１３）と、前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能な断接手段（例えば、実施の形態でのコンタクタ３９）と、前記燃料ガス供給手段および前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段（例えば、実施の形態での制御装置４１）と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料としての水素の前記アノードでの濃度を取得する水素濃度取得工程と、前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度が第１の閾値（例えば、実施の形態での所定の第２閾値Ｍ２）以上であるか否かを判定する閾値判定工程と、前記断接手段の遮断状態で前記燃料ガス供給手段から前記アノードに前記水素を供給する前記燃料電池の起動実行時に、前記閾値判定工程によって判定された判定結果に基づいて、前記燃料ガス供給手段から供給される前記水素の圧力を設定する起動時圧力設定工程と、を含み、前記起動時圧力設定工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第１の閾値以上であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記燃料電池の起動完了後に実行される通常発電の実行時の前記水素の圧力（例えば、実施の形態での所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮ）以下に設定し、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第１の閾値未満であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記通常発電の実行時の前記水素の圧力よりも高く設定する。

さらに、本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記燃料電池システムは、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路（例えば、実施の形態での燃料ガス排出路５６）と、前記燃料ガス排出路を開閉可能なパージ弁（例えば、実施の形態でのパージ弁３０）と、を備え、前記燃料電池の起動時に前記燃料ガス供給手段から供給される前記水素の圧力が、前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度に応じた所定圧力（例えば、実施の形態での所定圧力＃Ｐ２、＃Ｐ３）以上か否かを判定する所定圧力判定工程と、前記所定圧力判定工程によって前記水素の圧力が前記所定圧力未満であると判定された場合に前記パージ弁を閉弁させ、前記所定圧力判定工程によって前記水素の圧力が前記所定圧力以上であると判定された場合に前記パージ弁を開弁させるパージ弁開弁工程と、を含む。

さらに、本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記閾値判定工程は、前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値（例えば、実施の形態での所定の第１閾値Ｍ１）以上であるか否かを判定し、前記起動時圧力設定工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第２の閾値以上であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記通常発電の実行時の前記水素の圧力と同一に設定し、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第２の閾値以上であると判定された場合に、前記パージ弁の開弁を禁止するパージ弁開弁禁止工程を含む。

さらに、本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記燃料電池システムは、前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路（例えば、実施の形態での燃料ガス供給路５５）と、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路（例えば、実施の形態での燃料ガス排出路５６）と、前記燃料ガス排出路と前記燃料ガス供給路とを接続し、前記アノードから排出された燃料ガスを前記燃料ガス供給路に通流させる燃料ガス循環路（例えば、実施の形態での燃料ガス循環路５７）と、前記燃料ガス循環路において前記水素を循環させる水素ポンプ（例えば、実施の形態での水素ポンプ２８）と、を備え、前記燃料電池の起動実行時に前記水素ポンプを駆動する水素ポンプ駆動工程を含む。

さらに、本発明の第５の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記水素ポンプ駆動工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第１の閾値未満であると判定された場合に、前記水素ポンプの駆動回転数を、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第１の閾値以上であると判定された場合に比べて、増大させる。

さらに、本発明の第６の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記水素ポンプ駆動工程は、前記燃料ガス供給手段から前記アノードに前記水素を供給することに先立って、前記水素ポンプを駆動する。

また、本発明の第７の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記水素ポンプ駆動工程は、前記燃料電池の停止放置時間（例えば、実施の形態でのソーク時間ＴＭＳＯＡＫ）の増大に伴い、前記水素ポンプの駆動時間を増大傾向に変化させる

さらに、本発明の第８の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記水素ポンプ駆動工程は、前記水素ポンプの駆動回転数を増大させてから所定時間経過後に前記水素ポンプの駆動回転数を低下させる。

さらに、本発明の第９の発明に係る燃料電池システムの起動方法では、前記水素濃度取得工程は、前記燃料電池の停止放置時間（例えば、実施の形態でのソーク時間ＴＭＳＯＡＫ）と、前記燃料電池の停止放置期間の前記アノードの雰囲気の圧力（例えば、実施の形態でのアノード圧力Ｐｈ）と、前記燃料電池の停止放置期間の前記カソードの雰囲気の圧力（例えば、実施の形態でのカソード圧力Ｐａ）と、のうち少なくとも何れかを用いて前記水素の濃度を推定する。

本発明の第１の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、水素の濃度が第１閾値以上である場合には、アノード全体での水素による置換が短時間で完了すると想定される。これによって、燃料ガス供給手段から供給される水素の圧力を通常発電の実行時よりも低下させて、水素による置換を促進することによって、迅速に燃料電池を起動させることができる。
一方、水素の濃度が第１閾値未満である場合には、アノード全体での水素による置換が短時間では完了せずに、無負荷での過大な電位上昇の継続時間が長くなる虞があると想定される。これによって、燃料ガス供給手段から供給される水素の圧力を通常発電の実行時よりも増大させて、アノードの入口側と出口側とにおける水素による混合を促進することによって、無負荷での過大な電位上昇を抑制し、燃料電池の劣化を抑制することができる。

本発明の第２の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、パージ弁を開弁させることによって、アノードでの水素による置換を促進することができる。

本発明の第３の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、パージ弁の開弁を禁止することによって、燃料ガス排出路から排出される水素の濃度が過大になることを防止することができる。
また、燃料電池の起動実行時の水素の圧力を通常発電の実行時の水素の圧力と同一に設定することによって、燃料電池の起動実行の完了後に迅速に通常発電の実行を開始することができる。

本発明の第４の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、燃料ガス循環路の水素ポンプを駆動することによって、アノードでの水素による置換を促進することができる。

本発明の第５の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、水素ポンプの駆動回転数を増大させることによって、アノードの入口側と出口側とにおける水素による混合を促進して、無負荷での過大な電位上昇を迅速に解消し、燃料電池の劣化を抑制することができる。

本発明の第６の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、燃料ガス循環路と燃料ガス供給路とアノードと燃料ガス排出路とによる循環系内において水素ポンプの駆動によってガスの流れを形成した後に、燃料ガス供給手段から水素を供給することによって、アノードでの水素による置換を促進することができる。

本発明の第７の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、燃料電池の停止放置時間にかかわらずにアノードでの水素による所望の置換を行なうことができる。

本発明の第８の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、水素ポンプの駆動回転数を増大させることによって、アノードの入口側と出口側とにおける水素による混合を促進した後に、アノードの系内の滞留水を排出する際には、水素ポンプの駆動回転数を低下させる。これによって、滞留水の排出およびキャッチタンクでの補水を促進し、迅速に燃料電池システムを起動させることができるとともに、電力消費を削減して、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。

本発明の第９の発明に係る燃料電池システムの起動方法によれば、水素の濃度を検出するセンサなどを備える必要無しに、水素濃度を精度良く取得することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの動作、特に、燃料電池システムの起動時における制御装置による制御動作（つまり、燃料電池システムの起動方法）を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの起動信号を受信した時点での燃料電池スタックのアノードでの水素の濃度（アノード水素濃度）とソーク時間との対応関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの起動信号を受信した時点での燃料電池スタックのアノードでの水素の圧力（アノード圧力）とソーク時間との対応関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における各状態１，２，３での燃料電池スタックのアノードでの水素の圧力と、パージ弁の開閉状態と、水素ポンプの駆動回転数との時間変化の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における各所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３とソーク時間との対応関係の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの起動方法について添付図面を参照しながら説明する。

本実施形態による燃料電池システム１０は、例えば、走行駆動用のモータＭおよびモータＭを制御するパワードライブユニットＰＤＵを備える車両１に電源として搭載されている。
なお、車両１は、例えばイグニッションスイッチなどのように、運転者による入力操作に応じて車両１の起動を指示する起動信号または停止を指示する停止信号を出力するスイッチ２を備えている。

燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１１と、インテイク１２と、エアーコンプレッサー１３と、加湿器１４と、封止入口弁１５と、封止出口弁１６と、圧力制御弁１７と、バイパス弁１８と、排気再循環ポンプ１９と、逆止弁２０と、水素タンク２１と、水素供給弁２２と、遮断弁２３と、インジェクタ２４と、エゼクタ２５と、バイパスインジェクタ２６と、気液分離器２７と、水素ポンプ２８と、逆止弁２９と、パージ弁３０と、ドレイン弁３１と、希釈器３２と、エアフローセンサー３３と、温度センサ３４と、圧力センサ３５と、水素温度センサ３６と、水素圧力センサ３７と、電圧センサ３８と、コンタクタ３９と、電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）４０と、制御装置４１と、を備えている。

燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池セルが積層された積層体（図示略）と、この積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレート（図示略）と、を備えている。
燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、この膜電極接合体を接合方向の両側から挟み込む一対のセパレータと、を備えている。
膜電極接合体は、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）１１Ａと、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）１１Ｂと、アノード１１Ａおよびカソード１１Ｂによって厚さ方向の両側から挟み込まれた陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜１１Ｃと、を備えている。

燃料電池スタック１１のアノード１１Ａには、燃料として水素を含む燃料ガス（反応ガス）が水素タンク２１から供給され、カソード１１Ｂには、酸化剤として酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサー１３から供給される。
アノード１１Ａに供給された水素は、アノード触媒上で触媒反応によりイオン化され、水素イオンは、適度に加湿された固体高分子電解質膜１１Ｃを介してカソード１１Ｂへと移動する。水素イオンの移動に伴って発生する電子は直流電流として外部回路（電圧調整器４０など）に取り出し可能である。
アノード１１Ａからカソード１１Ｂのカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソード１１Ｂに供給された酸素と、カソード触媒上の電子と反応して、水を生成する。

なお、燃料電池スタック１１の複数の燃料電池セルには、例えばＤＨＥ（Dynamic Hydrogen Electrode）などの参照電極（図示略）が接続されていてもよい。
参照電極は、例えば、水素を参照電位（０Ｖ）として、参照電位に対するアノード１１Ａの電位（アノード電位）を測定して、測定結果の信号を制御装置４１に出力可能である。
参照電極は、例えば、複数の燃料電池セルの全てに設けられていてもよいし、複数の燃料電池セルのうちの所定の燃料電池セルにのみ設けられていてもよい。

エアーコンプレッサー１３は、制御装置４１により駆動制御されるモータなどを備え、このモータの駆動力によってインテイク１２を介して外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気をカソード１１Ｂに接続された酸化剤ガス供給路５１に排出する。

加湿器１４は、例えば中空糸膜などの水透過膜を備え、燃料電池スタック１１のカソード排出口１１ｂから酸化剤ガス排出路５２に排出された空気などの排出ガス（カソードオフガス）を加湿用のガスとして用いて、エアーコンプレッサー１３から酸化剤ガス供給路５１に排出された空気（カソードガス）を加湿する。
より詳細には、加湿器１４は、エアーコンプレッサー１３から排出された空気と燃料電池スタック１１のカソード排出口１１ｂから排出された湿潤状態の排出ガスとを水透過膜を介して接触させることで、排出ガスに含まれる水分（特に、水蒸気）のうち水透過膜の膜穴を透過した水分を空気（カソードガス）に添加する。

封止入口弁１５は、エアーコンプレッサー１３と、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに空気を供給可能なカソード供給口１１ａと、を接続する酸化剤ガス供給路５１に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス供給路５１を開閉可能であって、カソード１１Ｂを封止可能である。
封止出口弁１６は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂから空気などの排出ガス（カソードオフガス）を排出可能なカソード排出口１１ｂと、希釈器３２と、を接続する酸化剤ガス排出路５２に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス排出路５２を開閉可能であって、カソード１１Ｂを封止可能である。

圧力制御弁１７は、酸化剤ガス排出路５２における加湿器１４と希釈器３２との間に設けられ、制御装置４１の制御によって酸化剤ガス排出路５２を流通するカソードオフガスの圧力を制御する。

バイパス弁１８は、酸化剤ガス供給路５１におけるエアーコンプレッサー１３と加湿器１４との間と、酸化剤ガス排出路５２における圧力制御弁１７と希釈器３２との間と、を接続するバイパス路５３に設けられている。
バイパス弁１８は、エアーコンプレッサー１３から供給された空気を、酸化剤ガス供給路５１から分岐してカソード１１Ｂを迂回するバイパス路５３を介して、希釈器３２に供給可能であり、制御装置４１の制御によってバイパス路５３を開閉可能である。

排気再循環ポンプ１９は、酸化剤ガス供給路５１における封止入口弁１５とカソード供給口１１ａとの間と、酸化剤ガス排出路５２におけるカソード排出口１１ｂと封止出口弁１６との間と、を接続する排気再循環路５４に設けられている。
排気再循環ポンプ１９は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂを通過してカソード排出口１１ｂから酸化剤ガス排出路５２に排出されたカソードオフガスの少なくとも一部を排気再循環路５４に通流させる。そして、排気再循環路５４を流通したカソードオフガスを、封止入口弁１５からカソード供給口１１ａに向かい酸化剤ガス供給路５１を流通する空気（カソードガス）に混合して、カソード１１Ｂに再び供給する。

逆止弁２０は、酸化剤ガス排出路５２から酸化剤ガス供給路５１に向かう方向を順方向として、排気再循環路５４に設けられている。

水素タンク２１は、圧縮された水素を貯留し、水素を排出可能である。
水素供給弁２２は、水素タンク２１と、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに水素を供給可能なアノード供給口１１ｃと、を接続する燃料ガス供給路５５に設けられている。
水素供給弁２２は、制御装置４１の制御またはエアーコンプレッサー１３から排出される空気の圧力による信号圧などに応じた圧力を有する水素を、水素タンク２１から燃料ガス供給路５５に供給する。

遮断弁２３は、燃料ガス供給路５５において水素供給弁２２とアノード供給口１１ｃとの間に設けられ、制御装置４１の制御によって燃料ガス供給路５５を遮断可能である。

インジェクタ２４は、燃料ガス供給路５５において遮断弁２３とアノード供給口１１ｃとの間に設けられ、制御装置４１の制御によって目標圧力の水素をアノード供給口１１ｃへ所定の周期で間欠的に供給する。これによって、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂとアノード１１Ａとの間の極間差圧を所定の圧力に保持する。

エゼクタ２５は、燃料ガス供給路５５においてインジェクタ２４とアノード供給口１１ｃとの間に設けられている。
エゼクタ２５は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから燃料ガス排出路５６に排出された未反応の水素を含む排出ガス（アノードオフガス）の少なくとも一部を、燃料ガス排出路５６と燃料ガス供給路５５とを接続する燃料ガス循環路５７に通流させる。そして、燃料ガス循環路５７を流通したアノードオフガスを、インジェクタ２４からアノード供給口１１ｃに向かい燃料ガス供給路５５を流通する水素に混合して、アノード１１Ａに再び供給する。

バイパスインジェクタ２６は、燃料ガス供給路５５における遮断弁２３とアノード供給口１１ｃとの間でインジェクタ２４およびエゼクタ２５を迂回して燃料ガス供給路５５に接続された迂回路５８に設けられている。
バイパスインジェクタ２６は、制御装置４１の制御によってインジェクタ２４を補助するようにして目標圧力の水素をアノード供給口１１ｃへ供給する。

気液分離器２７は、燃料ガス排出路５６においてアノード排出口１１ｄと燃料ガス循環路５７との間に設けられている。
気液分離器２７は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから排出されたアノードオフガスに含まれる水分を分離する。そして、分離後のアノードオフガスを燃料ガス排出路５６に接続されたガス排出口（図示略）から排出し、分離後の水分を水分排出路５９に接続された水分排出口（図示略）から排出する。

水素ポンプ２８は、燃料ガス排出路５６における気液分離器２７とパージ弁３０との間と、エゼクタ２５の副流導入口（図示略）とに接続された燃料ガス循環路５７に設けられている。
水素ポンプ２８は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａを通過してアノード排出口１１ｄから燃料ガス排出路５６に排出されたアノードオフガスの少なくとも一部を、燃料ガス循環路５７に通流させる。そして、燃料ガス循環路５７を流通したアノードオフガスを、インジェクタ２４からアノード供給口１１ｃに向かい燃料ガス供給路５５を流通する水素に混合して、アノード１１Ａに再び供給する。

逆止弁２９は、燃料ガス排出路５６から燃料ガス供給路５５に向かう方向を順方向として、燃料ガス循環路５７に設けられている。

パージ弁３０は、燃料ガス排出路５６において気液分離器２７のガス排出口と希釈器３２との間に設けられている。パージ弁３０は、制御装置４１の制御によって燃料ガス排出路５６を開閉可能であって、気液分離器２７のガス排出口から排出されたアノードオフガスを制御装置４１の制御によって希釈器３２に供給可能である。

ドレイン弁３１は、水分排出路５９において気液分離器２７の水分排出口と希釈器３２との間に設けられている。ドレイン弁３１は、制御装置４１の制御によって水分排出路５９を開閉可能であって、気液分離器２７の水分排出口から排出された水分を制御装置４１の制御によって希釈器３２に供給可能である。

希釈器３２は、酸化剤ガス排出路５２と、燃料ガス排出路５６と、水分排出路５９と、に接続されている。
希釈器３２は、パージ弁３０から供給されたアノードオフガスの水素濃度を、バイパス弁１８から供給された空気または圧力制御弁１７から供給されたカソードオフガスによって希釈する。そして、希釈後の水素濃度が所定濃度以下に低減された排出ガスを外部（例えば、大気中など）に排出する。

エアフローセンサー３３は、インテイク１２の下流側に設けられ、インテイク１２を介して外部から取り込まれる空気の流量Ｇａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
温度センサ３４は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに供給される空気の温度Ｔａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
圧力センサ３５は、燃料電池スタック１１のカソード１１Ｂに供給される空気の圧力Ｐａを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。

水素温度センサ３６は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに供給される燃料ガスの温度Ｔｈを検出して、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。
水素圧力センサ３７は、燃料電池スタック１１のアノード１１Ａに供給される燃料ガスの圧力Ｐｈを検出し、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。

電圧センサ３８は、燃料電池スタック１１の正極および負極間の電圧（つまり、複数の燃料電池セルの電圧の総和である総電圧）ＶＦＣを検出して、検出結果の信号を制御装置４１に出力する。

コンタクタ３９は、燃料電池スタック１１の正極および負極に接続され、制御装置４１の制御によって、燃料電池スタック１１と電気負荷（例えば、パワードライブユニットＰＤＵなど）との接続と遮断とを切り替える。

電圧調整器（ＦＣＶＣＵ）４０は、コンタクタ３９を介した燃料電池スタック１１の正極および負極と、電気負荷との間に配置され、制御装置４１の制御によって、燃料電池スタック１１から出力される電圧および電流を調整する。

制御装置４１は、スイッチ２から出力される信号と、各センサ３３−３８から出力される検出結果の信号に基づいて、燃料電池システム１０の動作を制御する。

なお、燃料電池システム１０は、例えば、車両１に搭載された走行駆動用のモータＭおよび蓄電装置（図示略）などの電気機器に加えて、制御装置４１の制御によって燃料電池スタック１１に対する接続および遮断が切り替え可能かつ負荷電流が変更可能とされた電気負荷（例えば、ディスチャージ抵抗や電子負荷など）を備えていてもよい。この場合、制御装置４１は、燃料電池スタック１１の発電時の放電（ディスチャージ）として、電気負荷への放電を制御可能である。

本実施形態による燃料電池システム１０は上記構成を備えており、次に、この燃料電池システム１０の起動時の制御装置４１による制御動作（つまり、燃料電池システム１０の起動方法）について説明する。

先ず、図２に示すステップＳ０１においては、スイッチ２に対する運転者の入力操作などによって燃料電池システム１０の起動を指示する起動信号（ＩＧ−ＯＮ）を受信したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０１の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０２に進む。

次に、ステップＳ０２においては、水素濃度取得工程として、起動信号を受信するまでの燃料電池スタック１１の停止放置時間（ソーク時間）ＴＭＳＯＡＫを取得する。
次に、ステップＳ０３においては、水素濃度取得工程として、圧力センサ３５および水素圧力センサ３７から出力された信号に基づき、燃料電池スタック１１の停止放置期間のアノード１１Ａの雰囲気の圧力（アノード圧力Ｐｈ）とカソード１１Ｂの雰囲気の圧力（カソード圧力Ｐａ）とを取得する。

なお、燃料電池システム１０の起動信号を受信した時点での燃料電池スタック１１のアノード１１Ａでの水素の濃度（アノード水素濃度）は、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫと、アノード圧力Ｐｈと、カソード圧力Ｐａと、のうち少なくとも何れかに応じた値とされている。
例えば図３に示すように、アノード水素濃度は、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが長くなることに伴い、減少傾向に変化する。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１以下であれば、アノード水素濃度は所定の第１閾値Ｍ１以上である。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１よりも長い所定の第２ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ２以上であれば、アノード水素濃度は所定の第１閾値Ｍ１よりも小さい所定の第２閾値Ｍ２以下である。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１以上かつ所定の第２ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ２以下であれば、アノード水素濃度は所定の第１閾値Ｍ１以下かつ所定の第２閾値Ｍ２以上である。

また、例えば図４に示すように、アノード圧力Ｐｈは、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが長くなることに伴い、減少傾向に変化する。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１以下であれば、アノード圧力Ｐｈは所定の第１閾値Ｐｈ１以上である。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１よりも長い所定の第２ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ２以上であれば、アノード圧力Ｐｈは所定の第１閾値Ｐｈ１よりも小さい所定の第２閾値Ｐｈ２以下である。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１以上かつ所定の第２ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ２以下であれば、アノード圧力Ｐｈは所定の第１閾値Ｐｈ１以下かつ所定の第２閾値Ｐｈ２以上である。

また、アノード圧力Ｐｈと同様に、カソード圧力Ｐａは、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが長くなることに伴い、減少傾向に変化する。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１以下であれば、カソード圧力Ｐａは所定の第１閾値Ｐａ１以上である。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１よりも長い所定の第２ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ２以上であれば、カソード圧力Ｐａは所定の第１閾値Ｐａ１よりも小さい所定の第２閾値Ｐａ２以下である。ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１以上かつ所定の第２ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ２以下であれば、カソード圧力Ｐａは所定の第１閾値Ｐａ１以下かつ所定の第２閾値Ｐａ２以上である。

なお、アノード水素濃度に対する所定の第１閾値Ｍ１は、例えば、アノード１１Ａの雰囲気を水素タンク２１から供給される水素によって置換する必要無しに、水素ポンプ２８の駆動によってアノード１１Ａの水素の圧力を所定圧力に増大させるだけで、燃料電池スタック１１の通常発電を適正に実行可能な水素濃度である。なお、通常発電は、例えば燃料電池スタック１１の発電効率を優先させる発電などである。
また、アノード水素濃度に対する所定の第２閾値Ｍ２は、例えば、アノード１１Ａの雰囲気を水素タンク２１から供給される水素によって置換することを優先する状態と、カソード電位の高電位状態の発生を抑制することを優先する状態と、を区分する水素濃度である。なお、カソード電位の高電位状態は、例えば、アノード１１Ａのアノード供給口１１ｃ側に比べてアノード排出口１１ｄ側における水素による置換度合が低いことに起因して生じる。

水素濃度取得工程では、例えば図３および図４に示すような予め設定された所定マップなどのデータに基づき、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫと、アノード圧力Ｐｈと、カソード圧力Ｐａと、のうち少なくとも何れかに応じて、アノード水素濃度を推定する。

次に、ステップＳ０４においては、閾値判定工程として、アノード水素濃度は所定の第１閾値Ｍ１よりも大きいか否かを判定する。
より詳細には、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫは所定の第１ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ１未満であるか否か、または、アノード圧力Ｐｈは所定の第１閾値Ｐｈ１よりも大きいか否か、または、カソード圧力Ｐａは所定の第１閾値Ｐａ１よりも大きいか否か、を判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、「状態１」であると判定して、後述するステップＳ０６に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０５に進む。

次に、ステップＳ０５においては、閾値判定工程として、アノード水素濃度は所定の第１閾値Ｍ２よりも大きいか否かを判定する。
より詳細には、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫは所定の第２ソーク時間＃ＴＭＳＯＡＫ２未満であるか否か、または、アノード圧力Ｐｈは所定の第２閾値Ｐｈ２よりも大きいか否か、または、カソード圧力Ｐａは所定の第２閾値Ｐａ２よりも大きいか否か、を判定する。
この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、「状態２」であると判定して、後述するステップＳ１２に進む。
一方、この判定結果が「ＮＯ」の場合には、「状態３」であると判定して、後述するステップＳ１７に進む。

そして、ステップＳ０６においては、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素を供給することに先立って、水素ポンプ２８を駆動する水素ポンプ駆動工程を実行する。この水素ポンプ駆動工程では、水素ポンプ２８の駆動回転数を指示する指令値Ｈ２ＰＭＰに、閾値判定工程の判定結果に応じた値、例えば所定の第１駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ１よりも小さい所定の第２駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ２を設定する。

そして、ステップＳ０７においては、所定時間Ｔ１（水素ポンプ２８の駆動回転数が指令値Ｈ２ＰＭＰに到達するのに要する時間：駆動時間）が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ０７の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ０８に進む。これによって、例えば図５に示すように、起動信号（ＩＧ−ＯＮ）を受信した時刻ｔ１以降の駆動時間Ｔ１の期間において、水素ポンプ２８の駆動回転数が指令値Ｈ２ＰＭＰ（＝第２駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ２）に到達する。

そして、ステップＳ０８においては、起動時圧力設定工程として、コンタクタ３９の遮断状態で水素タンク２１からアノード１１Ａに水素を供給する際のアノード１１Ａの水素の圧力を指示する圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫに、閾値判定工程の判定結果に応じた値を設定する。そして、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始する。この起動時圧力設定工程では、圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫに、例えば燃料電池システム１０の起動完了後に実行される通常発電の実行時の水素の圧力などの所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮを設定する。

そして、ステップＳ０９においては、パージ弁開弁禁止工程として、ＯＣＶパージの実行を禁止する。このＯＣＶパージは、燃料電池スタック１１を電気負荷から遮断した無負荷（つまり非発電状態）かつパージ弁３０および遮断弁２３の開弁状態で、水素タンク２１からアノード１１Ａを介して希釈器３２に水素を供給する動作である。
これによって、例えば図５に示すように、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始した時刻ｔ２以降において、アノード１１Ａの水素の圧力は所定初期値Ｐｈ０から圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫ（＝所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮ）に向かい増大する。また、パージ弁３０は閉弁状態に維持される。
そして、アノード１１Ａの水素の圧力が圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫ（＝所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮ）に到達した後の所定の時刻ｔ４（例えば、燃料電池スタック１１の電圧が発電開始を許可する所定電圧に到達した時点など）において、燃料電池スタック１１の発電が開始される。

そして、ステップＳ１０においては、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始した以後に所定時間（Ｔ２＋Ｔ３）が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１０の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１１に進む。
なお、所定時間Ｔ２は、水素タンク２１から供給される水素によってアノード１１Ａの雰囲気を所定の程度に置換するのに要する水素ポンプ２８の駆動継続時間である。所定時間Ｔ３は、アノード１１Ａの系内の滞留水を水素タンク２１から供給される水素によって所定の程度に排出するのに要する水素ポンプ２８の駆動継続時間である。「状態１」および「状態２」における所定時間Ｔ３は、後述する「状態３」の所定時間Ｔ３に比べてより短くされてもよいし、ゼロであってもよい。

そして、ステップＳ１１においては、水素ポンプ２８の駆動回転数を指示する指令値Ｈ２ＰＭＰにゼロを設定し、燃料電池システム１０の起動が完了し、エンドに進む。これによって、例えば図５に示すように、指令値Ｈ２ＰＭＰにゼロを設定した時刻ｔ６以降において、水素ポンプ２８の駆動回転数はゼロに向かい低下する。

また、ステップＳ１２においては、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素を供給することに先立って、水素ポンプ２８を駆動する水素ポンプ駆動工程を実行する。この水素ポンプ駆動工程では、水素ポンプ２８の駆動回転数を指示する指令値Ｈ２ＰＭＰに、閾値判定工程の判定結果に応じた値、例えば所定の第１駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ１よりも小さい所定の第２駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ２を設定する。

そして、ステップＳ１３においては、所定時間Ｔ１（水素ポンプ２８の駆動回転数が指令値Ｈ２ＰＭＰに到達するのに要する時間：駆動時間）が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１３の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１４に進む。これによって、例えば図５に示すように、起動信号（ＩＧ−ＯＮ）を受信した時刻ｔ１以降の駆動時間Ｔ１の期間において、水素ポンプ２８の駆動回転数が指令値Ｈ２ＰＭＰ（＝第２駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ２）に到達する。

そして、ステップＳ１４においては、起動時圧力設定工程として、コンタクタ３９の遮断状態で水素タンク２１からアノード１１Ａに水素を供給する際のアノード１１Ａの水素の圧力を指示する圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫに、閾値判定工程の判定結果に応じた値を設定する。そして、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始する。この起動時圧力設定工程では、圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫに、例えば燃料電池システム１０の起動完了後に実行される通常発電の実行時の水素の圧力などの所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮよりも小さいロー側所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＬを設定する。なお、通常発電は、例えば燃料電池スタック１１の発電効率を優先させる発電などである。

そして、ステップＳ１５においては、所定圧力判定工程およびパージ弁開弁工程を実行する。所定圧力判定工程では、アノード１１Ａの水素の圧力が閾値判定工程の判定結果に応じた所定閾値＃Ｐ２以上に到達したか否かを判定する。パージ弁開弁工程では、所定圧力判定工程によってアノード１１Ａの水素の圧力が閾値判定工程の判定結果に応じた所定閾値＃Ｐ２以上に到達したと判定された場合に、ＯＣＶパージを実行する。一方、所定圧力判定工程によってアノード１１Ａの水素の圧力が所定閾値＃Ｐ２未満であると判定された場合に、パージ弁３０を閉弁状態に維持する。
これによって、例えば図５に示すように、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始した時刻ｔ２以降において、アノード１１Ａの水素の圧力は所定初期値Ｐｈ０から圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫ（＝ロー側所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＬ）に向かい増大する。そして、アノード１１Ａの水素の圧力が所定閾値＃Ｐ２に到達した時刻ｔ３においてパージ弁３０は閉弁状態から開弁状態へと切り替えられる。

そして、ステップＳ１６においては、例えば図５に示すように、アノード１１Ａの水素の圧力が圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫ（＝ロー側所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＬ）に到達した後の所定の時刻ｔ４において、圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫに所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮを設定する。そして、パージ弁３０を開弁状態から閉弁状態へと切り替え、燃料電池スタック１１の発電を開始する。
なお、所定の時刻ｔ４は、例えば、燃料電池スタック１１の電圧が発電開始を許可する所定電圧に到達した時点やパージ弁３０から希釈器３２に排出される水素量（パージ量）が所定量に到達した時点などである。水素量（パージ量）が所定量に到達したか否かは、燃料電池スタック１１外部の大気圧とアノード１１Ａの圧力との差圧およびパージ弁３０の大きさなどに基づいて判定されてもよいし、ＯＣＶパージの実行継続時間が所定時間に到達したか否かに応じて判定されてもよい。そして、このステップＳ１６の実行後に、上述したステップＳ１０に進む。

また、ステップＳ１７においては、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素を供給することに先立って、水素ポンプ２８を駆動する水素ポンプ駆動工程を実行する。この水素ポンプ駆動工程では、水素ポンプ２８の駆動回転数を指示する指令値Ｈ２ＰＭＰに、閾値判定工程の判定結果に応じた値、例えば所定の第２駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ２よりも大きい所定の第１駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ１を設定する。

そして、ステップＳ１８においては、所定時間Ｔ１（水素ポンプ２８の駆動回転数が指令値Ｈ２ＰＭＰに到達するのに要する時間：駆動時間）が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１８の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１９に進む。これによって、例えば図５に示すように、起動信号（ＩＧ−ＯＮ）を受信した時刻ｔ１以降の駆動時間Ｔ１の期間において、水素ポンプ２８の駆動回転数が指令値Ｈ２ＰＭＰ（＝第１駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ１）に到達する。

そして、ステップＳ１９においては、起動時圧力設定工程として、コンタクタ３９の遮断状態で水素タンク２１からアノード１１Ａに水素を供給する際のアノード１１Ａの水素の圧力を指示する圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫに、閾値判定工程の判定結果に応じた値を設定する。そして、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始する。この起動時圧力設定工程では、圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫに、例えば燃料電池システム１０の起動完了後に実行される通常発電の実行時の水素の圧力などの所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮよりも大きいハイ側所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＨを設定する。なお、通常発電は、例えば燃料電池スタック１１の発電効率を優先させる発電などである。

そして、ステップＳ２０においては、所定圧力判定工程およびパージ弁開弁工程を実行する。所定圧力判定工程では、アノード１１Ａの水素の圧力が閾値判定工程の判定結果に応じた所定閾値＃Ｐ３以上に到達したか否かを判定する。パージ弁開弁工程では、所定圧力判定工程によってアノード１１Ａの水素の圧力が閾値判定工程の判定結果に応じた所定閾値＃Ｐ３以上に到達したと判定された場合に、ＯＣＶパージを実行する。一方、所定圧力判定工程によってアノード１１Ａの水素の圧力が所定閾値＃Ｐ２未満であると判定された場合に、パージ弁３０を閉弁状態に維持する。
これによって、例えば図５に示すように、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始した時刻ｔ２以降において、アノード１１Ａの水素の圧力は所定初期値Ｐｈ０から圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫ（＝ハイ側所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＨ）に向かい増大する。そして、アノード１１Ａの水素の圧力が所定閾値＃Ｐ３に到達した時刻ｔ３においてパージ弁３０は閉弁状態から開弁状態へと切り替えられる。

そして、ステップＳ２１においては、例えば図５に示すように、アノード１１Ａの水素の圧力が圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫ（＝ハイ側所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＨ）に到達した後の所定の時刻ｔ４において、圧力指令値ＰＨ２ＦＣＣＨＫに所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮを設定する。そして、パージ弁３０を開弁状態から閉弁状態へと切り替え、燃料電池スタック１１の発電を開始する。
なお、所定の時刻ｔ４は、例えば、燃料電池スタック１１の電圧が発電開始を許可する所定電圧に到達した時点やパージ弁３０から希釈器３２に排出される水素量（パージ量）が所定量に到達した時点などである。水素量（パージ量）が所定量に到達したか否かは、燃料電池スタック１１外部の大気圧とアノード１１Ａの圧力との差圧およびパージ弁３０の大きさなどに基づいて判定されてもよいし、ＯＣＶパージの実行継続時間が所定時間に到達したか否かに応じて判定されてもよい。

そして、ステップＳ２２においては、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始した以後に所定時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２２の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２３に進む。
なお、所定時間Ｔ２は、水素タンク２１から供給される水素によってアノード１１Ａの雰囲気を所定の程度に置換するのに要する水素ポンプ２８の駆動継続時間である。

そして、ステップＳ２３においては、水素ポンプ２８の駆動回転数を指示する指令値Ｈ２ＰＭＰに所定の第１駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ１よりも小さい所定の第２駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ２を設定する。
これによって、例えば図５に示すように、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始した以後に所定時間Ｔ２が経過した時刻ｔ５以降において、水素ポンプ２８の駆動回転数は所定の第１駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ１から所定の第２駆動回転数＃Ｈ２ＰＭＰ２に向かい低下する。

そして、ステップＳ２４においては、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始した以後に所定時間Ｔ３が経過したか否かを判定する。
この判定結果が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２４の判定処理を繰り返し実行する。
一方、この判定結果が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２５に進む。
なお、所定時間Ｔ３は、アノード１１Ａの滞留水を水素タンク２１から供給される水素によって所定の程度に排出するのに要する水素ポンプ２８の駆動継続時間である。「状態３」における所定時間Ｔ３は、「状態１」および「状態２」の所定時間Ｔ３に比べてより長くされている。

そして、ステップＳ２５においては、水素ポンプ２８の駆動回転数を指示する指令値Ｈ２ＰＭＰにゼロを設定し、燃料電池システム１０の起動が完了し、エンドに進む。これによって、例えば図５に示すように、指令値Ｈ２ＰＭＰにゼロを設定した時刻ｔ６以降において、水素ポンプ２８の駆動回転数はゼロに向かい低下する。

なお、「状態１」、「状態２」および「状態３」のそれぞれにおいて、各所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、例えば図６に示すように、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫに応じた値であってもよい。例えば、各所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが長くなることに伴い、増大傾向に変化する。

上述したように、本実施の形態による燃料電池システム１０の起動方法によれば、アノード水素濃度が所定の第１閾値Ｍ１以上である「状態１」においては、パージ弁３０の開弁を禁止することによって、燃料ガス排出路５６から希釈器３２に排出される水素の濃度が過大になることを防止することができる。さらに、アノード１１Ａの水素の圧力を通常発電の実行時の水素の圧力（所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮ）と同一に設定することによって、燃料電池システム１０の起動完了後に迅速に通常発電の実行を開始することができる。

また、アノード水素濃度が所定の第２閾値Ｍ２以上かつ所定の第２閾値Ｍ２未満である「状態２」においては、アノード１１Ａの水素の圧力を所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮよりも低下させることによって、燃料ガス排出路５６から希釈器３２に排出される水素量の増大を抑制しつつ、アノード１１Ａにおける水素による置換を促進し、迅速に燃料電池システム１０を起動させることができる。

また、アノード水素濃度が所定の第２閾値Ｍ２未満である「状態３」においては、アノード１１Ａの水素の圧力を所定圧力＃ＰＨ２ＦＣＣＨＫＮよりも増大させることによって、アノード１１Ａのアノード供給口１１ｃ側とアノード排出口１１ｄ側とにおける水素による混合を促進する。これによって、カソード電位の高電位状態の発生を抑制し、燃料電池スタック１１の劣化を抑制することができる。さらに、「状態１」および「状態２」に比べて、水素ポンプ２８の駆動回転数を増大させることによって、アノード１１Ａのアノード供給口１１ｃ側とアノード排出口１１ｄ側とにおける水素による混合を、より一層、促進することができる。さらに、アノード１１Ａの系内の滞留水を排出する際には、カソード電位の高電位状態の発生を抑制する場合に比べて、水素ポンプ２８の駆動回転数を低下させることによって、滞留水の排出およびキャッチタンク（図示略）での補水を促進し、迅速に燃料電池システム１０を起動させることができるとともに、燃料電池システム１０の運転効率を向上させることができる。

さらに、「状態２」および「状態３」においては、パージ弁３０を開弁させることによって、アノード１１Ａでの水素による置換を促進することができる。
さらに、燃料ガス循環路５７の水素ポンプ２８を駆動することによって、アノード１１Ａでの水素による置換を促進することができる。

さらに、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始することに先立って、水素ポンプ２８を駆動することによって、予め、燃料ガス循環路５７と燃料ガス供給路５５とアノード１１Ａと燃料ガス排出路５６とによる循環系内においてガスの流れを形成することができる。これによって、水素タンク２１からアノード１１Ａに水素の供給を開始した場合に、スタック面内に水素濃度分布の不均一状態が生じることを抑制しつつ、アノード１１Ａでの水素による置換を促進することができる。さらに、燃料電池スタック１１の発電開始後においても水素ポンプ２８の駆動を継続することによって、例えばアノード圧力の低下時にインジェクタ２４からの水素の供給が停止した場合などであっても、スタック面内に水素濃度分布の不均一状態が生じることを抑制し、ストイキが低下することを抑制することができる。

さらに、水素ポンプ２８の駆動時間、つまり各所定時間Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３を、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫが長くなることに伴い、増大傾向に変化させることによって、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫにかかわらずにアノード１１Ａでの水素による所望の置換を的確に行なうことができる。
さらに、ソーク時間ＴＭＳＯＡＫと、アノード圧力Ｐｈと、カソード圧力Ｐａと、のうち少なくとも何れかに応じて、アノード水素濃度を推定することによって、水素の濃度を検出するセンサなどを備える必要無しに、水素濃度を精度良く取得することができる。

以上、説明した本実施形態は、本発明を実施するうえでの一例を示すものであり、本発明が前記した実施形態に限定して解釈されるものではないことは言うまでもない。

１０ 燃料電池システム
１１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１１Ａ アノード
１１Ｂ カソード
１３ エアーコンプレッサー（空気供給手段）
１５ 封止入口弁（封止弁）
１６ 封止出口弁（封止弁）
１８ バイパス弁
２１ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２ 水素供給弁（燃料ガス供給手段）
２８ 水素ポンプ
３０ パージ弁
３２ 希釈器（希釈手段）
３９ コンタクタ（断接手段）
４１ 制御装置（制御手段）
５１ 酸化剤ガス供給路
５２ 酸化剤ガス排出路
５３ バイパス路
５５ 燃料ガス供給路
５６ 燃料ガス排出路
５７ 燃料ガス循環路

Claims (9)

1. アノードの燃料およびカソードの酸化剤によって発電する燃料電池と、
   前記燃料を含む燃料ガスを前記アノードに供給する燃料ガス供給手段と、
   前記酸化剤を含む酸化剤ガスを前記カソードに供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池と電気負荷との接続と遮断とを切替可能な断接手段と、
   前記燃料ガス供給手段および前記酸化剤ガス供給手段を制御する制御手段と、
   を備える燃料電池システムの起動方法であって、
   前記燃料としての水素の前記アノードでの濃度を取得する水素濃度取得工程と、
   前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度が第１の閾値以上であるか否かを判定する閾値判定工程と、
   前記断接手段の遮断状態で前記燃料ガス供給手段から前記アノードに前記水素を供給する前記燃料電池の起動実行時に、前記閾値判定工程によって判定された判定結果に基づいて、前記燃料ガス供給手段から供給される前記水素の圧力を設定する起動時圧力設定工程と、
   を含み、
   前記起動時圧力設定工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第１の閾値以上であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記燃料電池の起動完了後に実行される通常発電の実行時の前記水素の圧力以下に設定し、
   前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第１の閾値未満であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記通常発電の実行時の前記水素の圧力よりも高く設定する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの起動方法。
2. 前記燃料電池システムは、前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、前記燃料ガス排出路を開閉可能なパージ弁と、を備え、
   前記燃料電池の起動時に前記燃料ガス供給手段から供給される前記水素の圧力が、前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度に応じた所定圧力以上か否かを判定する所定圧力判定工程と、
   前記所定圧力判定工程によって前記水素の圧力が前記所定圧力未満であると判定された場合に前記パージ弁を閉弁させ、
   前記所定圧力判定工程によって前記水素の圧力が前記所定圧力以上であると判定された場合に前記パージ弁を開弁させるパージ弁開弁工程と、
   を含む、
   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. 前記閾値判定工程は、前記水素濃度取得工程によって取得された前記水素の濃度が前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上であるか否かを判定し、
   前記起動時圧力設定工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第２の閾値以上であると判定された場合に、前記水素の圧力を、前記通常発電の実行時の前記水素の圧力と同一に設定し、
   前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第２の閾値以上であると判定された場合に、前記パージ弁の開弁を禁止するパージ弁開弁禁止工程を含む、
   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. 前記燃料電池システムは、
   前記燃料ガスを前記アノードに供給するために通流させる燃料ガス供給路と、
   前記アノードから排出される前記燃料ガスを通流させる燃料ガス排出路と、
   前記燃料ガス排出路と前記燃料ガス供給路とを接続し、前記アノードから排出された燃料ガスを前記燃料ガス供給路に通流させる燃料ガス循環路と、
   前記燃料ガス循環路において前記水素を循環させる水素ポンプと、
   を備え、
   前記燃料電池の起動実行時に前記水素ポンプを駆動する水素ポンプ駆動工程を含む、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１つに記載の燃料電池システムの起動方法。
5. 前記水素ポンプ駆動工程は、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第１の閾値未満であると判定された場合に、前記水素ポンプの駆動回転数を、前記閾値判定工程によって前記水素の濃度が前記第１の閾値以上であると判定された場合に比べて、増大させる、ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの起動方法。
6. 前記水素ポンプ駆動工程は、前記燃料ガス供給手段から前記アノードに前記水素を供給することに先立って、前記水素ポンプを駆動する、
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムの起動方法。
7. 前記水素ポンプ駆動工程は、前記燃料電池の停止放置時間の増大に伴い、前記水素ポンプの駆動時間を増大傾向に変化させる、
   ことを特徴とする請求項４から請求項６の何れか１つに記載の燃料電池システムの起動方法。
8. 前記水素ポンプ駆動工程は、前記水素ポンプの駆動回転数を増大させてから所定時間経過後に前記水素ポンプの駆動回転数を低下させる、
   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。
9. 前記水素濃度取得工程は、前記燃料電池の停止放置時間と、前記燃料電池の停止放置期間の前記アノードの雰囲気の圧力と、前記燃料電池の停止放置期間の前記カソードの雰囲気の圧力と、のうち少なくとも何れかを用いて前記水素の濃度を推定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８の何れか１つに記載の燃料電池システムの起動方法。

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