JP4867207B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する技術に関するものである。

近年、燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池が注目されている。このような燃料電池の起動時には、燃料電池に燃料ガスが供給され、その後、発電が開始される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２１６８１２号公報

ところで、燃料電池の起動時には、燃料電池内部の燃料ガス流路に電気化学反応に利用される燃料成分（例えば、水素）以外の成分（以下「不純物」とも呼ぶ。例えば、窒素や水）が溜まっている場合がある。すると、燃料ガス供給の当初において、燃料電池内部での燃料ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなり、不具合が発生する場合があった。

例えば、燃料電池の中には、複数のセルを積層したスタック構造を有するものがある。「セル」とは、電解質層と、その電解質層を挟むアノードとカソードとを有する構造体である。燃料ガス供給の当初においては、燃料ガスは、各セルのガス流路内に溜まっている不純物を押し出しながら流れる。ここで、燃料ガスが、ガスの流れやすいセルから順番に流れ始める場合がある。例えば、複数のセルの中に、燃料電池に接続された燃料ガス供給路に比較的近いセルと比較的遠いセルとが含まれる場合には、燃料ガスが、燃料ガス供給路に比較的近いセルから順番に流れる場合がある。すると、燃料電池に供給された燃料ガスは比較的近いセルを通り抜け、比較的遠いセルには不純物が残る。ここで、不純物の排出のために排ガスを外部に排出すると、燃料ガスも多量に排出してしまう場合があった。また、一部のセルへの燃料ガス供給量が不足し、発電を開始することができない場合があった。

なお、このような問題は、スタック構造を有する燃料電池に限らず、複数の内部燃料ガス流路を有する燃料電池に共通する問題であった。例えば、燃料電池内部で燃料ガスの流路が複数の支流に分岐する構造を有する燃料電池にも共通する問題であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料ガス供給の当初において、燃料電池内部での燃料ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制可能な技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、この発明における燃料電池システムは、複数の内部燃料ガス流路を有する燃料電池と、前記複数の内部燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記複数の内部燃料ガス流路からの排ガスを再び前記複数の内部燃料ガス流路に循環させる循環ポンプと、前記各部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料ガスを供給する供給モードとして、前記循環ポンプの駆動を開始させるとともに、前記循環ポンプの駆動開始からゼロよりも大きな所定の循環時間以上経過したタイミングで前記燃料ガス供給部に前記燃料ガスの供給を開始させる、第１供給モードを有する。

この燃料電池システムによれば、排ガス循環の開始からゼロよりも大きな所定の循環時間以上経過したタイミングで燃料ガスの供給が開始されるので、供給された燃料ガスは、複数の内部燃料ガス流路を循環するガスによって複数の内部燃料ガス流路に分散される。その結果、燃料ガス供給の当初において、燃料電池内部での燃料ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、さらに、前記燃料電池システムの起動時における前記供給モードとして、前記循環ポンプの駆動を開始させるとともに、前記第１供給モードにおける前記燃料ガスの供給開始タイミングよりも早いタイミングで前記燃料ガス供給部に前記燃料ガスの供給を開始させる、第２供給モードを有し、前記燃料電池システムは、さらに、前記複数の内部燃料ガス流路における不純物の量に相関のある不純物量パラメータ値を測定する不純物量パラメータ測定部を備え、前記制御部は、前記起動時に、前記不純物量パラメータ測定部を用いて前記不純物量パラメータ値を測定し、（ｉ）前記不純物量パラメータ値が、前記不純物量が比較的多いことを示す場合には、前記第１供給モードに従って前記燃料ガスの供給を行い、（ｉｉ）前記不純物量パラメータ値が、前記不純物量が比較的少ないことを示す場合には、前記第２供給モードに従って前記燃料ガスの供給を行うことが好ましい。

この構成によれば、不純物量パラメータ値が、不純物量が比較的多いことを示す場合には、燃料ガス供給開始のタイミングが第１供給モードに従った比較的遅いタイミングに設定され、不純物量パラメータ値が、不純物量が比較的少ないことを示す場合には、燃料ガス供給開始のタイミングが第２供給モードに従った比較的早いタイミングに設定される。その結果、燃料電池システムの起動に要する時間が過剰に長くなることを抑制しつつ、燃料ガス供給の当初において、燃料電池内部での燃料ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制することが可能となる。

上記各燃料電池システムにおいて、さらに、前記複数の内部燃料ガス流路から外部へ至る、前記複数の内部燃料ガス流路からの排ガスの排出流路と、前記排出流路に設けられた開閉可能な排出弁と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時において、前記第１供給モードに従った前記燃料ガス供給開始の後に、前記排出弁を開けることによって前記排ガスを前記外部に排出する排出処理を実行することとしてもよい。

この構成によれば、燃料ガス供給の当初において、燃料電池内部での燃料ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなることが抑制されるので、内部燃料ガス流路からの排ガスに過剰な量の燃料ガスが含まれることが抑制される。その結果、過剰な量の燃料ガスの外部への排出を抑制しつつ、不純物を外部に排出することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記排出処理の前に前記燃料ガス供給部に前記燃料ガスの供給を停止させるとともに、前記燃料ガスの供給が停止した状態で前記排出処理を実行することが好ましい。

この構成によれば、供給された燃料ガスがすぐに外部に排出されることを抑制することができる。

上記各燃料電池システムにおいて、さらに、前記排出弁の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧に相関のある差圧パラメータ値を測定する差圧パラメータ測定部を備え、前記制御部は、前記排出処理において、前記差圧パラメータ測定部を用いて前記差圧パラメータ値を測定するとともに、前記差圧パラメータ値が、前記差圧が所定の許容差圧以下であることを示す値になるまで、前記排出弁の開状態を続けることとしてもよい。

この構成によれば、差圧が許容差圧よりも大きい状態で排出弁を閉じる場合と比べて、大量の不純物を外部に排出することができる。

なお、この発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの起動方法または装置、これらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、この燃料電池システムを駆動用電源として搭載する車両、等の形態で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す説明図である。この燃料電池システム９００は、燃料電池スタック１００と、水素供給システム２００と、循環ポンプ４００と、排気弁５００と、制御部６００と、を備えている。

燃料電池スタック１００（以下、単に「スタック１００」とも呼ぶ）は、図示しない燃料電池セル（「単セル」とも呼ぶ）を複数積層したスタック構造を有する固体高分子電解質型の燃料電池である。図示しない単セルの各々は、内部アノード流路１０２と、内部カソード流路１０４とを、内部に備えている（図１では、１つの単セルの内部アノード流路１０２と内部カソード流路１０４とが代表して示されている）。内部アノード流路１０２には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される（後述）。内部カソード流路１０４には、酸素を含む酸化ガスとしての空気が供給される。燃料電池スタック１００は、内部アノード流路１０２を流れる水素と、内部カソード流路１０４を流れる酸素とを、用いた電気化学反応によって、発電を行う。なお、図１では、カソード側のガスの流路については、図示が省略されている。

水素供給システム２００は、水素を貯蔵する水素タンク２１０と、供給弁２２０と、調圧弁２３０と、を有している。水素タンク２１０は、水素供給路３００を介してスタック１００の内部アノード流路１０２に接続されている。水素供給路３００には、水素タンク２１０に近い側から順番に、供給弁２２０と、調圧弁２３０とが、設けられている。供給弁２２０が開状態にある場合には、水素タンク２１０の水素ガスがスタック１００に供給される。供給弁２２０が閉状態にある場合には、水素ガスの供給が遮断される。調圧弁２３０は、水素タンク２１０からの水素ガスの圧力を所定の圧力まで減圧する。調圧弁２３０の設定、すなわち、減圧後の圧力は、スタック１００に接続される負荷（図示せず）の大きさに応じて適宜設定可能である。

内部アノード流路１０２の下流側には、アノードオフガス流路３１０が接続されている。内部アノード流路１０２からの排ガス（以下「アノードオフガス」とも呼ぶ）は、アノードオフガス流路３１０を介してスタック１００から排出される。アノードオフガス流路３１０の下流側は、調圧弁２３０とスタック１００との間の水素供給路３００に接続されている（合流点Ｃ）。このように、水素供給路３００の合流点Ｃよりも下流側と、アノードオフガス流路３１０と、の全体は、アノードオフガスを、再び、内部アノード流路１０２に循環させる循環流路を形成している。

また、アノードオフガス流路３１０の途中には、循環ポンプ４００が設けられている。この循環ポンプ４００は、アノードオフガスを強制的に循環させる。発電運転時には、この循環ポンプ４００が駆動され、アノードオフガスが、再び、内部アノード流路１０２に供給される。また、燃料電池システム９００の起動時にも、循環ポンプ４００が駆動される（後述）。

内部アノード流路１０２の下流側と循環ポンプ４００との間のアノードオフガス流路３１０には、オフガス排出路３２０が接続されている。オフガス排出路３２０の下流端は、大気中に開放されている。このオフガス排出路３２０は、アノードオフガス流路３１０を流れるガス、すなわち、アノードオフガスを、内部アノード流路１０２へ至る循環路（アノードオフガス流路３１０、水素供給路３００）の外部に排出するためのガス流路である。また、このオフガス排出路３２０には、排気弁５００が設けられている。

ところで、アノードオフガスには、不純物が含まれる場合がある。不純物としては、例えば、電気化学反応によって生成された水分や、内部カソード流路１０４から電解質層（図示せず）を透過して内部アノード流路１０２へ到達した窒素、水分等がある。本明細書において、内部アノード流路１０２における不純物とは、電気化学反応に用いられる燃料成分（例えば、水素）以外の成分を意味する。このような不純物は消費されずに残留する。従って、アノードオフガス中の不純物の量は徐々に増加する。ここで、排気弁５００を開くと、不純物を含むガスが、アノードオフガス流路３１０から外部に排出される。その結果、内部アノード流路１０２を流れるガス中の不純物の量を少なくすることが可能となる。制御部６００は、排気弁５００を間欠的に開閉させることによって、不純物量が過剰に多くなることを防止している。以下、排気弁５００を開けてガスを排出する排出処理のことを「パージ処理」とも呼ぶ。

制御部６００は、燃料電池システム９００を構成する各構成要素からデータ信号を受信するとともに、各構成要素に駆動信号を出力することによって、燃料電池システム９００の全体の運転状態を制御する（後述）。制御部６００はＣＰＵとメモリとを有しており、コンピュータプログラムを実行することによって種々の機能を実現する。このようなコンピュータプログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録された形態で供給され得る。また、制御部６００の機能の一部、または、全部をハードウェアによって実現してもよい。また、制御部６００には、タイマ６１０が接続されている。制御部６００は、このタイマ６１０を用いることによって、種々の時間を測定可能である（後述）。

図２は、燃料電池システム９００の起動処理の比較例の概要を示す説明図である。燃料電池システム９００の状態は、起動処理において、図２の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）という順に変化する。以下、図２の（Ａ）部分を「図２（Ａ）」と示す。他の部分（Ｂ）〜（Ｄ）と、後述する図３の各部分（Ａ）〜（Ｄ）についても同様である。

図２の各部分（Ａ）〜（Ｄ）の燃料電池スタック１００には、複数の単セルのうちの３つの単セルの内部アノード流路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが、代表して示されている。各流路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの上流側は合流して水素供給路３００に接続されている。ここで、第１内部アノード流路１０２ａと第３内部アノード流路１０２ｃとは、第２内部アノード流路１０２ｂと比べて、水素供給路３００から遠い位置に配置されている。一方、各流路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの下流側は合流してアノードオフガス流路３１０に接続されている。また、第１内部アノード流路１０２ａと第３内部アノード流路１０２ｃとは、第２内部アノード流路１０２ｂと比べて、アノードオフガス流路３１０から遠い位置に配置されている。

図２（Ａ）は、起動前、すなわち、停止状態の燃料電池システム９００を示している。この停止状態では、供給弁２２０と排気弁５００とは閉じられている。また、内部アノード流路１０２には、不純物が蓄積している。このような不純物としては、例えば、内部カソード流路（図示せず）から電解質（図示せず）を透過して内部アノード流路１０２に移動した窒素がある。

水素タンク２１０と供給弁２２０との間の水素供給路３００にはハッチングが付されている。このハッチングは、その流路部分内のガスの水素濃度が、ハッチングの無い流路部分内のガスの水素濃度と比べて高いことを示している。換言すれば、ハッチングの付された流路部分内のガスの不純物濃度は、ハッチングの無い流路部分内のガスの不純物濃度と比べて低い。これは、図２の他の部分や、後述する図３についても同様である。

起動処理の比較例では、まず、制御部６００（図１）は、供給弁２２０を開け、スタック１００に水素を供給する。すると、燃料電池システム９００は、図２（Ｂ）に示す状態となる。水素は水素供給路３００を介してスタック１００に供給される。

次に制御部６００は、循環ポンプ４００を駆動させる。すると、燃料電池システム９００は、図２（Ｃ）に示す状態となる。循環ポンプ４００は、スタック１００からのアノードオフガスを強制的に循環させる。

図２（Ｃ）の例では、スタック１００に供給された水素は、第２内部アノード流路１０２ｂを通り抜けてアノードオフガス流路３１０に排出されている。一方、他の内部アノード流路１０２ａ、１０２ｃには、不純物が残っている。この理由は以下の通りである。内部アノード流路１０２ａ、１０２ｃは、第２内部アノード流路１０２ｂと比べて、水素供給路３００とアノードオフガス流路３１０とから遠い。換言すれば、水素供給路３００からアノードオフガス流路３１０へ至る流路の長さは、第２内部アノード流路１０２ｂを通る場合よりも、他の内部アノード流路１０２ａ、１０２ｃを通る場合の方が長い。従って、水素は、第２内部アノード流路１０２ｂを流れる場合の方が、他の内部アノード流路１０２ａ、１０２ｃを流れる場合よりも、流路内の不純物を押し出しやすい。すると、水素は先に第２内部アノード流路１０２ｂを通り抜け、また、他の内部アノード流路１０２ａ、１０２ｃには、水素が遅れて流れることとなる。すなわち、循環の当初には、内部アノード流路１０２ａ、１０２ｃには、不純物が残ることとなる。

次に、制御部６００は、排気弁５００を開けて、不純物を排出させる。すると、燃料電池システム９００は、図２（Ｄ）に示す状態となる。図２（Ｄ）に示す例では、内部アノード流路１０２ａ、１０２ｃ内に不純物が残っている。その結果、オフガス排出路３２０からは、水素濃度が高いガスが排出されるおそれがある。

以後、制御部６００は、所定の時間だけ排気弁５００を開ける処理を、所定のタイミングで繰り返し実行する。すると、不純物が排出され、その代わりに、燃料ガスが供給されるので、内部アノード流路１０２を循環するガスの水素濃度が上昇する。そして、制御部６００は、スタック１００に発電を開始させる。なお、単セルの内部アノード流路内に不純物が残っていると、その単セルで発電を開始できない場合がある。そこで、全ての単セルに速やかに水素を供給するために、起動時における調圧弁２３０の設定圧力（すなわち、スタック１００に供給される燃料ガスの圧力）を、通常の発電運転時での圧力よりも高い値に設定する場合もある。

図３は、第１実施例における燃料電池システム９００の起動処理の概要を示す説明図である。また、図４は、第１実施例における燃料電池システム９００の起動処理の手順を示すフローチャートである。この起動処理において、燃料電池システム９００の状態は、図３の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）という順に変化する。図３の各部分（Ａ）〜（Ｄ）には、図２と同様の燃料電池システム９００が示されている。また、流路に付されたハッチングの意味は、図２でのハッチングと同じである。

最初のステップＳ１００（図４）では、制御部６００（図１）は、まず、循環ポンプ４００の駆動を開始させる。すると、内部アノード流路１０２やアノードオフガス流路３１０、水素供給路３００の内に溜まっていたガス（不純物）が循環し始める。

次のステップＳ１１０では、制御部６００は、循環ポンプ４００の運転時間を測定し、この運転時間が所定時間以上となるまで待つ。すると、燃料電池システム９００は、図３（Ａ）に示す状態となる。この段階では、供給弁２２０と排気弁５００とは、閉じられたままである。また、いずれの内部アノード流路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃにも、ガス（不純物）が循環している。循環ポンプ４００が駆動を開始すると、図２（Ｃ）に示す例と同様に、循環ポンプ４００によってスタック１００供給されたガス（不純物）は、最初に、第２内部アノード流路１０２ｂを通り抜ける。そして、時間の経過とともに、他の内部アノード流路１０２ａ、１０２ｃ内に溜まっていたガスも流れはじめる。所定時間の経過後には、いずれの内部アノード流路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃにも、ガスが循環する。ここで、所定時間は、各セルの内部アノード流路をガスが循環するのに十分な時間となるように、予め実験に基づいて定めておくことが可能である（例えば、３秒程度）。

次のステップＳ１２０では、制御部６００は、供給弁２２０を開ける。水素は、水素供給路３００を介してスタック１００に供給される。すると、燃料電池システム９００は、図３（Ｂ）に示す状態となる。この際、水素は、循環ポンプ４００によって供給されたガス（不純物）と混合された後に、スタック１００に供給される。なお、合流点Ｃよりも下流側の水素供給路３００では、水素濃度が不純物との混合によって低くなる。従って、合流点Ｃよりも下流側の水素供給路３００に付されたハッチングは、上流側よりも薄くなっている。

スタック１００に供給された水素は、各セルの内部アノード流路に供給される。第１実施例では、循環ポンプ４００の運転時間が所定時間以上となった後に、すなわち、ガスが各セルの内部アノード流路を循環するようになった後に、水素が供給される。従って、スタック１００に供給されたガスは、スムーズに、各セルの内部アノード流路を通り抜けることができる。その結果、水素は、図２に示す比較例のように一部の内部アノード流路に偏ることなく、各セルの内部アノード流路に供給される。すると、燃料電池システム９００は、図３（Ｃ）に示す状態となる。図３（Ｃ）の例では、３つの内部アノード流路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃのいずれにおいても、水素が通り抜けている。また、いずれの内部アノード流路１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃからも、不純物が排出されている。このように、第１実施例では、比較例と比べて、水素供給の当初において、排出されずにスタック１００内に残る不純物の量を少なくすることが可能となる。その結果、スタック１００を循環するガスの水素濃度は、比較例と比べて低くなる。

次のステップＳ１３０では、制御部６００は、排出処理を開始する。第１実施例では、制御部６００は、排気弁５００を所定の時間だけ開けた後に再び閉じる処理（以下「一定時間パージ処理」とも呼ぶ）を、所定のタイミングで繰り返し実行する。制御部６００が排気弁５００を開けると、燃料電池システム９００は、図３（Ｄ）に示す状態となる。図３（Ｄ）に示す第１実施例では、図２に示す比較例と比べて、不純物濃度が高く水素濃度が低いガスが排出される。なお、不純物が排出されると、その代わりに、燃料ガスが供給されるので、内部アノード流路１０２を循環するガスの水素濃度は上昇する。

次のステップＳ１４０では、制御部６００は、スタック１００に発電を開始させる。例えば、制御部６００は、スタック１００と負荷（図示せず）とを電気的に接続可能なスイッチ（図示せず）を「オン」に切り替えて、発電電力を負荷に供給する。

以上のように、第１実施例では、予め、循環ポンプ４００をゼロより大きな所定時間だけ駆動させた後に、水素ガスの供給を行うので、水素ガス供給当初において、燃料電池内部での水素ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制することができる。その結果、排気弁５００が開けられる際に、外部に排出されるガスの水素濃度が過剰に高くなることを抑制できる。すなわち、発電に寄与せずに排出される水素の量が過剰に多くなることを防止できる。また、一部のセルに供給される水素量が過剰に少なくなることが抑制されるので、一部のセルで発電が開始できなくなることを抑制することもできる。その結果、スタック１００に供給される燃料ガスの圧力を過剰に高くせずに、燃料電池システム９００を起動させることが可能となる。

なお、水素供給（図４：ステップＳ１２０）後の内部アノード流路１０２内の水素濃度が、起動処理の直前（すなわち、起動処理の開始時）の水素濃度に拘わらずに、発電を開始するのに十分に高い場合には、排出処理（ステップＳ１３０）を省略してもよい。

Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例における燃料電池システム９００の起動処理の手順を示すフローチャートである。図４に示す第１実施例の起動処理との差違は、２点ある。１つ目の差違は、制御部６００が、供給弁２２０を閉じた状態で、排出処理を実行する点である。２つ目の差違は、排出処理において制御部６００（図１）が排気弁５００を開ける時間（以下「開放時間」とも呼ぶ）が、アノードオフガスを十分に排出できるような長い時間に設定されている点である。燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム９００（図１）と同じである。

ステップＳ２００〜Ｓ２２０の処理は、図４のステップＳ１００〜Ｓ１２０と、それぞれ同じである。

スタック１００（図１）へ水素を供給したら（Ｓ２２０）、制御部６００は、次のステップＳ２３０で供給弁２２０を閉じ、次のステップＳ２４０で、排気弁５００を開ける。そして、次のステップＳ２４５で、制御部６００は、排気弁５００を開けてからの経過時間を測定する。この経過時間は、排気弁５００の開状態が維持されている時間である（開放時間）。制御部６００は、この開放時間が所定の排出時間以上となるのを待つ。

第２実施例では、所定の排出時間は、アノードオフガスを十分に排出できるような長い時間に予め設定されている。一方、オフガス排出路３２０（図１）の排気弁５００よりも下流側の圧力は大気圧（約１００ｋＰａ）と同じである。ステップＳ２４０、Ｓ２４５では、オフガス排出路３２０の排気弁５００よりも上流側の圧力が、下流側の圧力（大気圧）とほぼ同じとなるまで、アノードオフガスが排出される。

アノードオフガスを外部に排出したら、制御部６００（図１）は、次のステップＳ２５０で、排気弁５００を閉じ、次のステップＳ２６０で、供給弁２２０を開ける。すると、水素がスタック１００に供給される。次のステップＳ２７０では、制御部６００は、スタック１００に発電を開始させる。

以上のように、第２実施例の起動処理では、制御部６００は、供給弁２２０を閉じた状態で（すなわち、燃料ガスの供給を停止させた状態で）、排出処理を実行している。その結果、供給された水素が直ぐに外部に排出されることを抑制できる。さらに、第２実施例では、制御部６００は、排気弁５００が開いている間は、供給弁２２０を閉じることとしている。その結果、供給された水素が直ぐに外部に排出されることをさらに抑制できる。ただし、排気弁５００を閉じる前に供給弁２２０を開けることとしてもよい。

また、第２実施例の排出処理では、開放時間がアノードオフガスを十分に排出できるような長い時間（所定の排出時間）に設定されている。特に、第２実施例の排出処理では、この所定の排出時間が、排気弁５００（図１）を開けてから、排気弁５００の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧が所定の許容差圧以下となるまでの時間に設定されている。すなわち、差圧が許容差圧以下となるまで排気弁５００が開けられる（以下、開放時間がこのような排出時間以上である排出処理を「低差圧排出処理」とも呼ぶ）。その結果、差圧が許容差圧よりも高い状態で排気弁５００を閉じる排出処理（以下、「高差圧排出処理」と呼ぶ）と比べて、大量の不純物を外部に排出することができる。従って、第２実施例では、高差圧排出処理と水素の供給とを繰り返す場合と比べて、発電に寄与せずに外部に排出される水素の量が過剰に多くなることを防止しつつ、内部アノード流路１０２を循環するガスの水素濃度を高めることが可能となる。なお、本実施例では、開放時間が「差圧パラメータ値」に相当する。また、制御部６００とタイマ６１０との全体が「差圧パラメータ測定部」に相当する。

ここで、許容差圧は、排気弁５００の下流側の圧力と比べて小さいことが好ましい。例えば、下流側の圧力の１０分の１以下の値を採用可能である（例えば、１０ｋＰａ）。なお、差圧が許容差圧以下となるまでの時間（所定の排出時間）は、予め実験的に定めておくことが可能である。

なお、排出処理を終了するタイミング（排気弁５００を閉じるタイミング）の決定に用いるパラメータ値としては、開放時間に限らず、排気弁５００の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧に相関のある種々のパラメータ値（差圧パラメータ値）を採用可能である。例えば、オフガス排出路３２０の排気弁５００よりも上流側と下流側とのそれぞれに圧力センサを設けることができる。この場合には、これらの圧力センサの測定値から得られる差圧を採用可能である。いずれの場合も、制御部６００は、排出処理において、差圧パラメータ測定部を用いて差圧パラメータ値を測定し、差圧パラメータ値が、差圧が所定の許容差圧以下であることを示す値になるまで、排気弁５００の開状態を続けることが好ましい。

なお、図５に示す起動処理において、開放時間が上述したような排出時間よりも短くても良い。いずれの場合も、制御部６００は、排出処理での開放時間の長さに関わらずに、燃料ガスの供給を停止させた状態で排出処理を実行することが好ましい。

一方、制御部６００が、燃料ガスを供給している状態で、排出処理を実行することとしてもよい。例えば、図５に示す起動処理において、ステップＳ２３０を省略してもよい。この場合には、排出処理によって排気弁５００の上流側の圧力が十分に下がるように、燃料ガスの供給速度（単位時間あたりの供給量）を小さい値に設定しておくことが好ましい。例えば、供給弁２２０の開度を小さくすることによって、供給速度を小さくすることができる。

ところで、制御部６００が、内部アノード流路１０２における水素濃度に応じて、排出処理（ステップＳ２４０）を実行するか否かを判断することとしてもよい。例えば、制御部６００が、水素濃度が所定のしきい値以上となるまで、ステップＳ２３０〜Ｓ２６０の処理を、繰り返し実行する構成を採用可能である。

水素濃度の取得方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、燃料電池システム９００（例えば、水素供給路３００やアノードオフガス流路３１０）に、内部アノード流路１０２を循環するガスの水素濃度を測定する水素濃度センサを設けることができる。制御部６００は、この水素濃度センサの測定値を、水素濃度として採用可能である。

また、測定値の代わりに、水素濃度の推定値を用いる方法を採用してもよい。図６は、燃料電池システム９００の運転を最後に停止してからの経過時間（以下「停止時間」とも呼ぶ）と、内部アノード流路１０２内の水素分圧と、内部アノード流路１０２内の窒素分圧と、の対応関係（以下「時間分圧関係」とも呼ぶ）の一例を示すグラフである。横軸は経過時間（停止時間）を示し、縦軸は分圧を示している。また、実線のグラフは、水素分圧を示し、破線のグラフは窒素分圧を示している。

燃料電池システム９００の運転が停止すると、内部アノード流路１０２内の水素が、スタック１００の電解質層を透過して内部カソード流路１０４へ移動するので、内部アノード流路１０２内の水素分圧が徐々に低くなる。さらに、内部カソード流路１０４内の窒素が、電解質層を透過して内部アノード流路１０２へ移動するので、内部アノード流路１０２内の窒素の分圧が徐々に高くなる。このような時間分圧関係は、予め実験的に求めておくことが可能である。また、実験的に設定された時間分圧関係を、制御部６００のメモリ（図示せず）に予め格納しておくこともできる。こうすれば、制御部６００は、時間分圧関係を参照することによって、起動処理の開始時における水素分圧と窒素分圧とを推定可能である。さらに、制御部６００は、こうして得られた水素分圧推定値と窒素分圧推定値とに加えて、調圧弁２３０の設定圧力を用いることによって、起動処理における水素濃度を推定することができる。

図７は、制御部６００が、起動処理において水素濃度を推定する様子を示す概略図である。図７の例では、水素濃度として、内部アノード流路１０２内の全圧に対する水素分圧の比率（以下「水素分圧比」と呼ぶ）を用いることとしている。また、この水素分圧比が所定比率（例えば、７０％）以上で発電を開始することとしている。また、起動処理における調圧弁２３０の設定圧力（すなわち、水素供給後の内部アノード流路１０２の全圧）が２００ｋＰａであることとしている。

図７の例では、起動処理の開始時において、水素分圧推定値が０ｋＰａで、窒素分圧推定値が１００ｋＰａである。これらの推定値は、時間分圧関係（図６）と停止時間測定値とから得られたものである。他の成分（例えば、酸素）の分圧については、十分に小さいので省略することとする。この状態で供給弁２２０が開けられると（図５：ステップＳ２２０）、スタック１００（内部アノード流路１０２）が水素によって加圧され、全圧が２００ｋＰａとなる。ここで、窒素分圧は変わらないので、制御部６００は、全圧（２００ｋＰａ）から窒素分圧（１００ｋＰａ）を差し引いた残り（１００ｋＰａ）が水素分圧であると推定できる。また、制御部６００は、水素分圧比が５０％であると推定できる。この水素分圧比推定値（５０％）は、所定比率（７０％）未満であるので、制御部６００は、供給弁２２０を閉じて（Ｓ２３０）、排出処理（Ｓ２４０）を実行する。

排出処理を実行すると、全圧がほぼ大気圧（１００ｋＰａ）となる。ここで、水素分圧と窒素分圧との比率は一定である。従って、制御部６００は、排出処理後における、水素分圧が５０ｋＰａで、窒素分圧が５０ｋＰａであると推定できる。

次に、制御部６００は、排気弁５００を閉じて（ステップＳ２５０）、再び、水素を供給する（ステップＳ２６０）。すると、全圧が２００ｋＰａとなる。ここで、窒素分圧は変わらないので、制御部６００は、全圧（２００ｋＰａ）から窒素分圧（５０ｋＰａ）を差し引いた残り（１５０ｋＰａ）が水素分圧であると推定できる。また、制御部６００は、水素分圧比が７５％であると推定できる。この水素分圧比推定値（７５％）は、所定比率（７０％）以上であるので、制御部６００は、発電を開始する（ステップＳ２７０）。

なお、ステップＳ２６０の後で、水素分圧比推定値が所定比率未満である場合には、制御部６００は、水素分圧比推定値が所定比率以上となるまで、ステップＳ２３０〜Ｓ２６０の処理を繰り返し実行する。また、ステップＳ２２０の後で、水素分圧比推定値が所定比率以上である場合には、制御部６００は、ステップＳ２３０〜Ｓ２６０の処理を飛ばして、ステップＳ２７０に移行する。このような場合としては、例えば、燃料電池システム９００の運転停止直後に、再び、燃料電池システム９００を再起動させる場合がある。

なお、図６、図７に示す例では、制御部６００は、水素分圧と窒素分圧との推定値を用いて水素濃度を推定しているが、さらに、不純物の他の成分（例えば、酸素や水等）の分圧を考慮して水素濃度を推定してもよい。

Ｃ．第３実施例：
図８は、第３実施例における燃料電池システム９００の起動処理の手順を示すフローチャートである。図４に示す第１実施例や、図５に示す第２実施例との差違は、制御部６００が、起動処理の開始時における窒素分圧を推定し、その推定値に応じて、供給弁２２０を開けるタイミングを変えている点である。燃料電池システムの構成は、第１実施例の燃料電池システム９００（図１）と同じである。

最初のステップＳ３００では、制御部６００は、内部アノード流路１０２内の窒素分圧を推定する。窒素分圧の推定方法としては、種々の方法を採用可能である。例えば、制御部６００のメモリ（図示省略）に、予め実験的に設定された時間分圧関係（図６）を格納しておくことが可能である。制御部６００は、停止時間（燃料電池システム９００の運転を最後に停止してからの経過時間）を測定し、この時間分圧関係を参照することによって、窒素分圧を推定できる。なお、この場合には、停止時間が「不純物量パラメータ値」に相当する。また、制御部６００とタイマ６１０との全体が「不純物量パラメータ測定部」に相当する。

また、燃料電池システム９００に、内部アノード流路１０２内の圧力を測定する圧力センサと、内部アノード流路１０２内のガスの水素濃度を測定する水素濃度センサと、を設けることができる。制御部６００は、これらのセンサの測定値から水素分圧を推定可能である。また、圧力センサの測定値（全圧）から水素分圧推定値を差し引いた残りを、窒素分圧であると推定可能である。なお、このような水素濃度センサは、例えば、内部アノード流路１０２から再び内部アノード流路１０２へ至る循環流路（水素供給路３００の合流点Ｃよりも下流側と、アノードオフガス流路３１０）に設けることができる。圧力センサについても同様である。なお、この場合には、水素濃度と圧力との全体が「不純物量パラメータ値」に相当する。また、水素濃度センサと圧力センサとの全体が「不純物量パラメータ測定部」に相当する。

次のステップＳ３１０では、制御部６００は、窒素分圧の推定値が所定分圧以上であるか否かを判断する。窒素分圧が所定分圧以上である場合には、制御部６００は、ステップＳ３２０に移行する。ステップＳ３２０では、制御部６００は、図４に示す第１実施例と同じ起動処理を実行する。ここで、制御部６００は、ステップＳ１１０（図４）で、所定時間として第１所定時間を用いる。この第１所定時間は、ゼロよりも大きな値であり、さらに、後述する第２所定時間よりも大きな値である。

一方、窒素分圧が所定分圧未満である場合には、制御部６００は、ステップＳ３３０に移行する。ステップＳ３３０では、制御部６００は、ステップ３２０と同様に、図４に示す第１実施例と同じ起動処理を実行する。ここで、制御部６００は、ステップＳ１１０（図４）で、所定時間として第２所定時間を用いる。この第２所定時間は、ステップＳ３２０で用いられる第１所定時間よりも小さい値である。

このように、第３実施例では、制御部６００は、窒素分圧推定値が比較的高い場合には、水素を供給するまでの循環ポンプ４００の駆動時間を比較的長い第１所定時間に設定する（ステップＳ３２０）。窒素分圧が高ければ、それだけ、内部アノード流路１０２内の窒素を押し出すために要する時間も長くなる傾向にある。そこで、制御部６００は、水素供給開始前の循環ポンプ４００の駆動時間を比較的長い時間（第１所定時間）に設定することによって、水素供給当初において、燃料電池内部での水素供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制することができる。

一方、制御部６００は、窒素分圧推定値が比較的低い場合には、水素を供給するまでの循環ポンプ４００の駆動時間を比較的短い第２所定時間に設定する（ステップＳ３３０）。窒素分圧が低ければ、それだけ、内部アノード流路１０２内の窒素を押し出すために要する時間も短くなる傾向にある。そこで、制御部６００は、水素供給開始前の循環ポンプ４００の駆動時間を比較的短い時間（第２所定時間）に設定することによって、起動処理に過剰な時間がかかることを防止できる。

なお、所定分圧と、第１所定時間と、第２所定時間とは、水素供給当初において、燃料電池内部での水素供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制できるような値に、予め実験に基づいて設定しておけばよい。

また、ステップＳ３２０、Ｓ３３０で制御部６００が実行する起動処理は、図４に示す処理に限らず、種々の処理を採用可能である。例えば、図４の手順からステップＳ１３０を省略した処理を採用してもよい。また、図５に示す第２実施例と同じ起動処理を採用してもよい。この場合には、制御部６００は、ステップＳ２１０（図５）で、窒素分圧推定値に応じて、第１所定時間と第２所定時間とを使い分ければよい。ここで、ステップＳ２２０以降の処理としては、第２実施例で説明した種々の処理を採用可能である。

なお、ステップＳ３２０で実行される起動処理としては、循環ポンプ４００を駆動させるとともに、循環ポンプ４００をゼロより大きな所定時間（第１所定時間）だけ運転させた後に水素の供給を開始する（供給弁２２０を開ける）処理（例えば、図４のステップＳ１００〜Ｓ１２０の処理）を含む任意の起動処理を採用可能である。

また、ステップＳ３３０で実行される起動処理としては、循環ポンプ４００を第１所定時間より小さな所定時間（第２所定時間）だけ運転させた後に水素の供給を開始する（供給弁２２０を開ける）処理を含む任意の起動処理を採用可能である。さらに、ステップＳ３３０で実行される起動処理としては、水素供給開始前に循環ポンプ４００を駆動させる起動処理に限らず、循環ポンプ４００の駆動開始と同時に水素供給を開始する起動処理を採用してもよい。また、水素供給を開始した後に循環ポンプ４００の駆動を開始する起動処理を採用してもよい。一般には、ステップＳ３３０で実行される起動処理としては、循環ポンプ４００を駆動させるとともに、水素供給開始のタイミングが、ステップＳ３２０の起動処理でのタイミングよりも早い任意の起動処理を採用可能である。

Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

変形例１：
図８に示す第３実施例では、制御部６００は、停止時間や、水素濃度を、窒素分圧に換算しているが、このような測定値（停止時間や水素濃度）を窒素分圧に換算せずにそのまま用いて、水素供給開始のタイミングの調整を行ってもよい。例えば、停止時間を用いる場合には、制御部６００は、停止時間が所定のしきい時間以上である場合にはステップＳ３２０に移行し、停止時間がしきい時間未満である場合にはステップＳ３３０に移行することとしてもよい。

また、不純物量としては、窒素の分圧に限らず、種々の値を採用可能である。例えば、窒素以外の他の成分（例えば、酸素や水等）を含む不純物の分圧を用いることが可能である。また、不純物の分圧の代わりに、内部アノード流路１０２における不純物の濃度を用いることも可能である。いずれの場合も、不純物の成分の中の最も量の多い成分（通常は、窒素）を少なくとも含む不純物の量を用いることが好ましい。

なお、水素供給開始のタイミングの決定に用いるパラメータ値としては、停止時間や、水素濃度に限らず、複数の内部アノード流路１０２における不純物量に相関のある種々のパラメータ値（不純物量パラメータ値）を採用可能である。例えば、積算発電量の増加に伴って不純物量も増加する場合がある。このような場合には、積算発電量を採用可能である。また、図８の例では、制御部６００が、水素供給開始のタイミングを２段階に切り替えることとしているが、３段階以上に切り替えることとしてもよい。また、制御部６００が、不純物量パラメータ値に応じて連続的に水素供給開始のタイミングを変化させることとしてもよい。いずれの場合も、制御部６００は、起動時に、不純物量パラメータ測定部を用いて不純物量パラメータ値を測定し、（ｉ）不純物量パラメータ値が、不純物量が比較的多いことを示す場合には、水素供給開始のタイミングを比較的遅いタイミングに設定し、（ｉｉ）不純物量パラメータ値が、不純物量が比較的少ないことを示す場合には、水素供給開始のタイミングを比較的早いタイミングに設定することが好ましい。

変形例２：
図３の例では、水素供給路３００から各単セルの内部アノード流路１０２を通ってアノードオフガス流路３１０へ至る流路長が単セルによって異なる場合について説明したが、スタック１００の構成としては、他の任意の構成を採用可能である。例えば、水素供給路３００から各単セルの内部アノード流路１０２を通ってアノードオフガス流路３１０へ至る流路長が、各単セルについて同じとなるようにスタック１００が構成されていてもよい。いずれの場合も、燃料電池へのガス供給の当初においては、種々の要因によって、一部の単セルの内部アノード流路１０２内のガス（不純物）が排出されずに残り得る。要因としては、例えば、水素供給路３００から各内部アノード流路１０２へ至る流路の形状の違いや、各単セルの内部アノード流路１０２の形状の個体差等がある。そこで、上述の各実施例と同様に、循環ポンプを所定時間だけ駆動させた後に水素ガスの供給を開始すれば、水素ガス供給当初において、燃料電池内部での水素ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制することができる。

変形例３：
図４に示す第１実施例の起動処理においても、第２実施例と同様に、制御部６００（図１）が、排出処理（ステップＳ１３０）を実行するか否かを、内部アノード流路１０２における水素濃度に応じて決めることとしてもよい。具体的には、制御部６００は、水素濃度がしきい値以上となるまで排出処理を繰り返し実行すればよい。この場合も、制御部６００は、第２実施例と同様に、水素濃度が所定のしきい値以上であるか否かを判断することが可能である。例えば、一定時間パージ処理前の水素濃度と、一定時間パージ処理後（水素を供給した後）の水素濃度と、の対応関係（以下「濃度変化対応関係」とも呼ぶ）を、予め実験的に求めておくことが可能である。また、時間分圧関係（図６）に加えて、このような濃度変化対応関係を、制御部６００のメモリ（図示せず）に予め格納しておくこともできる。こうすれば、制御部６００は、これらの対応関係を参照することによって、一定時間パージ処理を繰り返し実行しつつ、水素濃度を推定することができる。ここで、制御部６００は、停止時間を測定し、パージ処理の繰り返し回数を数え（測定し）、停止時間と回数とを用いることによって、水素濃度を推定する。

なお、制御部６００は、水素濃度に限らず、内部アノード流路１０２における水素濃度に相関のある種々のパラメータ値（水素濃度パラメータ値）を用いることが可能である。例えば、水素濃度センサの測定値や、停止時間の測定値と排出処理の繰り返し回数の測定値との組み合わせや、変形例１で説明した不純物量パラメータ値等を採用可能である。ここで、制御部６００は、排出処理を実行する前に、水素濃度パラメータ測定部を用いて水素濃度パラメータ値を測定し、（ｉ）水素濃度パラメータ値が、水素濃度が所定のしきい値未満であることを示す場合には、排出処理を実行し、（ｉｉ）水素パラメータ値が、水素濃度が所定のしきい値以上であることを示す場合には、排出処理を実行せずに発電を開始する、ことが好ましい。図５に示す第２実施例の起動処理についても同様である。

また、制御部６００が、パージ処理（例えば、図４：Ｓ１３０）における開放時間を、水素濃度に応じて調整することとしてもよい。具体的には、開放時間を、水素濃度が低いほど長い値に設定すればよい。こうすれば、発電に寄与せずに排出される水素の量が過剰に多くなることを防止しつつ、不純物を排出することができる。また、制御部６００が、水素濃度の代わりに、不純物の濃度や分圧（より一般的には、不純物の量に相関のある不純物量パラメータ値）に応じて開放時間を設定してもよい。ここで、制御部６００は、排出処理を実行する際に、不純物量パラメータ測定部を用いて不純物量パラメータ値を測定し、（ｉ）不純物量パラメータ値が、不純物量が比較的多いことを示す場合には、開放時間を比較的長い時間に設定し、（ｉｉ）不純物量パラメータ値が、不純物量が比較的少ないことを示す場合には、開放時間を比較的短い時間に設定することが好ましい。なお、開放時間を設定するために用いる不純物量パラメータ値としては、水素濃度や、変形例１で説明した水素供給開始のタイミングを決定するために用いる不純物量パラメータ値と同様のものを用いることが可能である。同様に、図５に示す起動処理のパージ処理においても、制御部６００が、開放時間（ステップＳ２４５の排出時間）を、不純物量パラメータ値に応じて調整することとしてもよい。

変形例４：
上記各実施例において、水素タンク２１０としては、高圧水素タンクや、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなど、水素を貯蔵する種々の装置を用いることができる。また、上記各実施例において、燃料ガス供給部（上記各実施例では、水素供給システム２００）の構成としては、水素タンク２１０を有する構成に限らず、発電のための電気化学反応に利用される燃料成分（例えば、水素）を含む燃料ガスを供給可能であるとともに、燃料ガス供給の開始タイミングを制御可能な種々の構成を採用可能である。例えば、水素タンク２１０の代わりに改質反応によって水素を生成する改質器を有するとともに、生成された水素を含む改質ガスを燃料ガスとして供給する燃料ガス供給装置を用いてもよい。

変形例５：
上記各実施例において、循環ポンプ４００としては、周知の種々のポンプを採用可能である。例えば、回転駆動によって吸気と排気とを行うポンプを採用可能である。また、回転駆動を用いるポンプの中には、駆動を開始しても、回転数が、予め指定された回転数（「指示回転数」とも呼ぶ）まで、すぐには上がらないものがある。そこで、上記各実施例において、所定時間と比較するポンプの運転時間（例えば、図４のステップＳ１１０、図５のステップＳ２１０）として、駆動開始からの運転時間の代わりに、ポンプの回転数が所定の指示回転数以上となったタイミングからの運転時間を用いることとしてもよい。こうすれば、ポンプの回転数が上がるのに時間がかかることによって、燃料ガス供給の当初において、燃料電池内部での燃料ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制できる。なお、指示回転数は、各セルの内部アノード流路にガスを循環させることが可能な値であればよく、予め実験に基づいて定めておけばよい。

変形例６：
上記各実施例では、燃料電池として、複数の単セルを有する燃料電池スタック１００を採用しているが、燃料電池としては、複数の単セルを有する燃料電池に限らず、一般に、複数の内部燃料ガス流路を有する任意の燃料電池を採用可能である。例えば、単セル内部で燃料ガスの流路が枝分かれしている構成を有する単セルを採用してもよい。このような単セルでは、単セルへのガス供給の当初において、一部の支流内のガス（不純物）が、他の支流内のガス（不純物）と比べて、排出されにくい場合がある。そこで、上記各実施例と同様に、循環ポンプを所定時間だけ駆動させた後に燃料ガスの供給を開始すれば、燃料ガス供給当初において、単セル内部での燃料ガス供給量の局所的なバラツキが大きくなることを抑制することができる。なお、燃料電池としては、このような単セルを複数有する燃料電池スタックを用いてもよく、このような単セルを１つだけ有する燃料電池を用いてもよい。

変形例７：
燃料電池スタック１００に接続されるアノード側のガス流路の構成としては、図１に示す燃料電池システム９００の構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、アノードオフガス流路３１０の下流側が、水素供給路３００と合流せずに、直接に、複数の内部アノード流路１０２に接続されていてもよい。また、オフガス排出路３２０が、アノードオフガス流路３１０の代わりに、直接に、複数の内部アノード流路１０２に接続されていてもよい。一般には、アノード側のガス流路の構成としては、複数の内部燃料ガス流路から循環ポンプを通って再び複数の内部燃料ガス流路に至るアノードオフガスの循環路と、燃料ガス供給部から複数の内部燃料ガス流路へ至る燃料ガスの供給路と、を有する構成を採用可能である。さらに、アノード側のガス流路の構成が、複数の内部燃料ガス流路から排出弁を通って循環路の外部へ至るアノードオフガスの排出流路を有することが好ましい。

変形例８：
上記各実施例において、オフガス排出路３２０に、排出ガスを空気で希釈する希釈装置を設けてもよい。上記各実施例では、起動処理において、オフガス排出路３２０から外部に排出されるガスの水素濃度が過剰に高くなることが抑制されている。従って、希釈装置に対する負荷が過剰に大きくなることが抑制される。

変形例９：
上述の各実施例では、電解質として固体高分子電解質を用いたが、この他にも、固体酸化物電解質や、リン酸電解質や、アルカリ水溶液電解質や、溶融炭酸塩電解質等、種々のタイプの電解質を用いることができる。

変形例１０：
上述の図４の起動処理と図５の起動処理とのそれぞれに関する実施例と変形例とは、いずれも、図８のステップＳ３２０、Ｓ３３０に適用可能である。

本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す説明図。 燃料電池システム９００の起動処理の比較例の概要を示す説明図。 第１実施例における燃料電池システム９００の起動処理の概要を示す説明図。 第１実施例における燃料電池システム９００の起動処理の手順を示すフローチャート。 第２実施例における燃料電池システム９００の起動処理の手順を示すフローチャート。 経過時間と水素分圧と窒素分圧との対応関係の一例を示すグラフ。 制御部６００が起動処理において水素濃度を推定する様子を示す概略図。 第３実施例における燃料電池システム９００の起動処理の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１００...燃料電池スタック
１０２...内部アノード流路、１０２ａ...第１内部アノード流路、
１０２ｂ...第２内部アノード流路、１０２ｃ...第３内部アノード流路
１０４...内部カソード流路
２００...水素供給システム
２１０...水素タンク
２２０...供給弁
２３０...調圧弁
３００...水素供給路
３１０...アノードオフガス流路
３２０...オフガス排出路
４００...循環ポンプ
５００...排気弁
６００...制御部
６１０...タイマ
９００...燃料電池システム
Ｃ...合流点

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の内部燃料ガス流路を有する燃料電池と、
   前記複数の内部燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
   前記複数の内部燃料ガス流路からの排ガスを再び前記複数の内部燃料ガス流路に循環させる循環ポンプと、
   前記各部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料ガスを供給する供給モードとして、
   前記循環ポンプの駆動を開始させるとともに、前記循環ポンプの駆動開始からゼロよりも大きな所定の循環時間以上経過したタイミングで前記燃料ガス供給部に前記燃料ガスの供給を開始させる、第１供給モードと、
   前記循環ポンプの駆動を開始させるとともに、前記第１供給モードにおける前記燃料ガスの供給開始タイミングよりも早いタイミングで前記燃料ガス供給部に前記燃料ガスの供給を開始させる、第２供給モードと、を有し、
   前記燃料電池システムは、さらに、前記複数の内部燃料ガス流路における不純物の量に相関のある不純物量パラメータ値を測定する不純物量パラメータ測定部を備え、
   前記制御部は、前記起動時に、前記不純物量パラメータ測定部を用いて前記不純物量パラメータ値を測定し、
   （ｉ）前記不純物量パラメータ値が、前記不純物量が比較的多いことを示す場合には、前記第１供給モードに従って前記燃料ガスの供給を行い、
   （ｉｉ）前記不純物量パラメータ値が、前記不純物量が比較的少ないことを示す場合には、前記第２供給モードに従って前記燃料ガスの供給を行う、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記複数の内部燃料ガス流路から外部へ至る、前記複数の内部燃料ガス流路からの排ガスの排出流路と、
   前記排出流路に設けられた開閉可能な排出弁と、
   を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池システムの起動時において、少なくとも、前記第１供給モードに従った前記燃料ガス供給開始の後に、前記排出弁を開けることによって前記排ガスを前記外部に排出する排出処理を実行する、
   燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記排出処理の前に前記燃料ガス供給部に前記燃料ガスの供給を停止させるとともに、前記燃料ガスの供給が停止した状態で前記排出処理を実行する、燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記排出弁の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧に相関のある差圧パラメータ値を測定する差圧パラメータ測定部を備え、
   前記制御部は、前記排出処理において、前記差圧パラメータ測定部を用いて前記差圧パラメータ値を測定するとともに、前記差圧パラメータ値が、前記差圧が所定の許容差圧以下であることを示す値になるまで、前記排出弁の開状態を続ける、燃料電池システム。
5. 複数の内部燃料ガス流路を有する燃料電池を備える燃料電池システムの起動方法であって、
   （Ａ）前記燃料電池システムの起動時に燃料ガスを供給する供給モードとしての第１供給モードで前記複数の内部燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する工程と、
   （Ｂ）前記燃料電池システムの起動時に燃料ガスを供給する供給モードとしての第２供給モードで前記複数の内部燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する工程と、
   （Ｃ）前記起動時に、前記複数の内部燃料ガス流路における不純物の量に相関のある不純物量パラメータ値を測定し、前記不純物量パラメータ値が、前記不純物量が比較的多いことを示す場合には、前記第１供給モードに従って前記燃料ガスの供給を行い、前記不純物量パラメータ値が、前記不純物量が比較的少ないことを示す場合には、前記第２供給モードに従って前記燃料ガスの供給を行う工程と、
   を備え、
   前記工程（Ａ）は、
   （Ａ１）前記複数の内部燃料ガス流路からの排ガスを再び前記複数の内部燃料ガス流路に循環させる処理を開始する工程と、
   （Ａ２）前記循環開始からゼロよりも大きな所定の循環時間以上経過したタイミングで、前記複数の内部燃料ガス流路に対する前記燃料ガスの供給を開始する工程と、を有し、
   前記工程（Ｂ）は、
   （Ｂ１）前記複数の内部燃料ガス流路からの排ガスを再び前記複数の内部燃料ガス流路に循環させる処理を開始する工程と、
   （Ｂ２）前記循環開始から、前記第１供給モードにおける前記燃料ガスの供給開始タイミングよりも早いタイミングで、前記複数の内部燃料ガス流路に対する前記燃料ガスの供給を開始する工程と、を有する、
   起動方法。

Images