JP4956109B2 - 燃料電池システム及び該システムの起動制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池システムの発電停止時又は発電停止後に、燃料電池内の燃料ガス経路又は酸化剤ガス経路の少なくとも一方を空気等の掃気ガスにより掃気して次回の起動に備える燃料電池システム及び該システムの起動制御方法に関し、特に、次回の氷点下起動等の低温時起動に備える燃料電池車両に適用して好適な燃料電池システム及び該システムにおける起動制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス経路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤ガス経路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、燃料ガス経路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒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電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は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。カソード電極には、酸化剤ガス経路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。水分は、カソード側からの逆拡散あるいは燃料ガスの高湿化等を原因としてアノード電極にも貯留される。

水分がいずれかの電極において過多状態になると、水詰まり状態を起こすことがあり、そこで、このような燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転停止時に、カソード電極ばかりではなくアノード電極にも酸化剤ガスを流通させ、燃料電池内の電解質膜・電極構造体やセパレータに付着している生成水等を除去する掃気処理技術が提案されている（特許文献１参照）。

ところで、燃料電池システムのシステム停止後に、外気温が下がり、燃料電池システムを氷点下等の低温時に燃料電池システムを起動したとき、燃料電池が暖機される前に、運転者等の操作者の都合等によりイグニッションスイッチがオフ状態にされイグニッションスイッチから停止信号を受ける可能性がある。このような、低温時短時間発電後停止要求の操作（例えば、氷点下起動後に発電短時間にて燃料電池システムを停止させる操作、換言すれば、氷点下で燃料電池システムをちょっと起動した後すぐに停止させる操作）がなされた場合には、上記した電解質膜の活性が十分になされないこと等を原因として、燃料電池システムが不安定になる場合があることが分かった。

この出願の出願人は、この不安定さを予め取り除き、次回の安定な起動性を確保するための技術を、後述するように、２段掃気処理技術及び３段掃気処理技術として特願２００５−３０７１９３号で提案している。

この２段掃気処理技術及び３段掃気処理技術では、前記低温時短時間発電後停止要求の操作が行われた場合であっても、その操作があったときに、確実に掃気処理が行え、次回の氷点下等の低温時においても確実な再起動を行うことができる。

特開２００１−３５１６６６号公報

ところで、上記特許文献１に開示された技術又は特願２００５−３０７１９３号で提案された技術において、イグニッションスイッチからの停止信号を受けて、アノード電極に酸化剤ガス等の掃気ガスが供給されている掃気処理の途中に、燃料電池を再起動するために、再び、イグニッションスイッチから起動信号が送出される事態が存在することがある。

しかしながら、上記特許文献１のように、イグニッションスイッチから停止信号を受けて、アノード電極も酸化剤ガスで掃気している最中に、イグニッションスイッチから再び起動信号を受けたとき、直ちに、アノード電極に燃料ガスを供給して燃料電池の再起動を行おうとした場合には、起動前のアノード電極の燃料ガスによる置換が精度よく行われず、再起動時の発電安定性が損なわれるという問題がある。

また、イグニッションスイッチから停止信号を受けた後の前記２段掃気処理及び前記３段掃気処理での掃気処理中に、イグニッションスイッチから再び起動信号が送出されたとき、これらの掃気処理が完了するまで待った後に、燃料電池の再起動を行うように制御する場合には、時間がかかりすぎ、操作者に対して違和感を与えるおそれがある。

この発明は、このような課題を考慮してなされたものであって、イグニッションスイッチから停止信号を受けた後の掃気処理中に、イグニッションスイッチから起動信号を受けたときの燃料電池の再起動時に発電安定性が損なわれることのない燃料電池システム及び該システムの起動制御方法を提供することを目的とする。

また、この発明は、イグニッションスイッチからの停止信号を受けた後の掃気処理中に、イグニッションスイッチから起動信号を受けたときの燃料電池の再起動時に発電安定性が損なわれることがなく、かつ再起動までの時間を短縮することを可能とする燃料電池システム及び該システムの起動制御方法を提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池システムは、アノード電極に燃料ガスが供給され、カソード電極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を起動させる起動信号と前記燃料電池を停止させる停止信号を送出する起動・停止手段と、前記停止信号を受けたときに、掃気ガスにより前記アノード電極の前記燃料ガスを掃気するアノード電極掃気手段と、を備える燃料電池システムにおいて、以下の（１）〜（４）の特徴を有する。

（１）前記停止信号を受けたときに、前記掃気ガスにより前記アノード電極掃気手段による前記アノード電極の掃気に先立ち、前記掃気ガスにより前記カソード電極を掃気するカソード電極掃気手段と、前記停止信号を受けて前記カソード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたときは、前記燃料電池の起動を許可する起動許可手段（例えば、実施形態における第２起動許可手段）と、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されたことを判断する置換判断手段と、前記停止信号を受けて前記掃気ガスによる前記アノード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたとき、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されていない間は、前記燃料電池の起動を禁止する起動禁止手段と、を備えることを特徴とする。

この特徴（１）を備える発明によれば、停止信号を受けたときに、掃気ガスによるアノード電極の掃気に先立つ掃気ガスによるカソード電極の掃気中に起動信号を受けたときは、燃料電池の起動を許可するようにしている。すなわち、カソード電極の掃気は、再起動時のアノード電極の燃料ガス置換に無関係であるので（寄与しないので）、即座に（直ちに）、起動を許可することで再起動までの時間を短縮することができる。
また、掃気ガスによるアノード電極の掃気中に、起動信号を受けたとき、アノード電極の燃料ガスが掃気ガスに置換されていない間は、燃料電池の起動を禁止しているようにしているので、起動時の燃料ガス置換を通常通りに容易に行うことができ、再起動時の発電安定性、すなわち起動性が損なわれることがない。

アノード電極に対し掃気ガスによる掃気を行った場合には、システムの停止時に、アノード電極の経路が掃気ガスにより完全に置換が完了した状態でないと、燃料電池の再起動時におけるアノード電極の燃料ガス濃度を精度よく把握することが困難である。掃気ガスと燃料ガスとが混合された状態で再起動すると、停止時にどの程度、燃料ガスがアノード電極の経路に残っているのかを把握することが難しく、例えば、排出される燃料ガスが増加する等のおそれがある。そのため、アノード電極の経路を掃気ガスにより完全に置換してしまった方が、再起動時における燃料ガスの置換制御がし易い。

（２）上記（１）の特徴を有する発明において、さらに、前記停止信号を受けて前記掃気ガスによる前記アノード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたとき、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されたと判断された時は、前記起動禁止手段による起動の禁止を解除し、前記燃料電池の起動を許可する他の起動許可手段（例えば、実施形態における第１起動許可手段）を備えることを特徴とする。

この特徴（２）を有する発明によれば、アノード電極の燃料ガスが掃気ガスにより置換されたと判断された時、という必要最小限の条件を満たした状態で、燃料電池の起動が許可されるので、再起動までの時間を短縮することができる。

（３）上記（１）又は（２）の特徴を有する発明において、さらに、前記起動許可手段又は前記他の起動許可手段により前記燃料電池の発電が許可された時に、前記アノード電極に前記燃料ガスが供給される前に、再び停止信号を受けた場合には、前記燃料電池の発電が許可される直前の掃気の残り部分の掃気を続行する掃気続行手段を備えることを特徴とする。

この特徴（３）を有する発明によれば、中断された掃気が継続可能である場合、始めから掃気処理の全体を行うのではなく、掃気処理の残りの部分を続行して行うようにしているので再起動までの時間を短縮することができる。最初の停止信号を受けて掃気処理が開始された後、起動信号を受け、燃料電池の発電が許可される条件が整ったときに、アノード電極に燃料ガスが供給されるまでには、所定時間を要する。そのため、アノード電極に燃料ガスが供給される前に再度停止信号を受けた場合には、アノード電極及び（又は）カソード電極の経路の燃料ガス及び（又は）酸化剤ガスの状態は、最初の停止信号を受けてから前記起動信号を受けた直前の状態と同一の状態にあるので、前記の掃気の残りの部分の掃気を行えばよいことになり、結果として、システム停止とするまでの時間を短縮することができ、停止時において、操作者に違和感を与えるおそれが軽減される。

この発明に係る燃料電池システムの起動制御方法は、アノード電極に燃料ガスが供給され、カソード電極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を起動させる起動信号と、前記燃料電池を停止させる停止信号を送出する起動・停止手段とを有し、前記停止信号を受けたときに、掃気ガスにより前記アノード電極の前記燃料ガスを掃気するアノード電極掃気ステップを備える燃料電池システムの起動制御方法において、以下の（４）の特徴を有する。

（４）前記停止信号を受けたときに、前記掃気ガスにより前記アノード電極掃気ステップによる前記アノード電極の掃気に先立ち、前記掃気ガスにより前記カソード電極を掃気するカソード電極掃気ステップと、前記停止信号を受けて前記カソード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたときは、前記燃料電池の起動を許可する起動許可ステップ（例えば、実施形態における第２起動許可ステップ）と、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されたことを判断する置換判断ステップと、前記停止信号を受けて前記掃気ガスによる前記アノード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたとき、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されていない間は、前記燃料電池の起動を禁止する起動禁止ステップと、を備えることを特徴とする。

この特徴（４）を備える方法の発明によれば、上記特徴（１）を備える物の発明と同様に、停止信号を受けたときに、掃気ガスによるアノード電極の掃気に先立つ掃気ガスによるカソード電極の掃気中に起動信号を受けたときは、燃料電池の起動を許可するようにしている。すなわち、カソード電極の掃気は、再起動時のアノード電極の燃料ガス置換に無関係であるので（寄与しないので）、即座に（直ちに）、起動を許可することで再起動までの時間を短縮することができる。また、掃気ガスによるアノード電極の掃気中に、起動信号を受けたとき、アノード電極の燃料ガスが掃気ガスに置換されていない間は、燃料電池の起動を禁止しているようにしているので、起動時の燃料ガス置換を通常通りに容易に行うことができ、再起動時の発電安定性、すなわち起動性が損なわれることがない。

また、上記特徴（２）又は（３）を備える物の発明に対応する下記特徴（５）又は（６）を備える方法の発明もこの発明に含まれる。

（５）上記（４）の特徴を有する発明において、さらに、前記停止信号を受けて前記掃気ガスによる前記アノード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたとき、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されたと判断された時は、前記起動禁止ステップによる起動の禁止を解除し、前記燃料電池の起動を許可する他の起動許可ステップ（例えば、実施形態における第１起動ステップ）を備えることを特徴とする。

（６）上記（４）又は（５）の特徴を有する発明において、前記起動許可ステップ又は前記他の起動許可ステップにより前記燃料電池の発電が許可された時に、前記アノード電極に前記燃料ガスが供給される前に、再び停止信号を受けた場合には、前記燃料電池の発電が許可される直前の掃気の残り部分の掃気を続行する掃気続行ステップを備えることを特徴とする。

この発明によれば、掃気処理中に、イグニッションスイッチがオン状態に切り替えられて起動信号を受けたとき、起動時の燃料ガスの置換が容易に行えるようにしているので、再起動時の発電安定性が損なわれることがないという効果が達成される。

また、この発明は、掃気処理中に、イグニッションスイッチがオン状態に切り替えられて起動信号を受けたとき、掃気の内容に応じた必要最小限の処理を続行するようにしているので、再起動までの時間を短縮することができるという効果が達成される。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０を備える燃料電池車両１２の概略構成図である。

この燃料電池車両１２は、基本的には、燃料電池１４と、この燃料電池１４の出力を補助するとともに、この燃料電池１４の発電電力により充電される蓄電装置１６と、走行用の駆動モータ等を含む負荷１８と、エアコンプレッサ３６等の補機とから構成される。

燃料電池１４は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んで保持して構成される燃料電池セルを、複数積層させて一体化させたスタック構造になっている。各燃料電池セルは、電解質膜（固体高分子電解質膜）・電極構造体を挟んで保持する金属のセパレータとを備える。一方のセパレータの電解質膜・電極構造体のカソード電極に対向する面には、酸化剤ガス経路（反応ガス経路ともいう。）１４６が設けられる。他方のセパレータの電解質膜・電極構造体のアノード電極に対向する面には、燃料ガス経路（反応ガス経路ともいう。）１４８が形成される。

燃料電池１４には、この燃料電池１４の燃料ガス経路１４８を通じてアノード電極に燃料ガス、例えば水素（Ｈ₂）ガスを供給するための水素供給口２０と、燃料電池１４の燃料ガス経路１４８から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを排出するための水素排出口２２と、燃料電池１４の酸化剤ガス経路１４６を通じてカソード電極に、酸化剤ガス、例えば酸素（Ｏ₂）を含む空気（エア）を供給するための空気供給口２４と、酸化剤ガス経路１４６から未使用の酸素を含む空気を燃料電池１４から排出するための空気排出口２６とが設けられている。

なお、水素排出口２２の近傍には、水素排出口２２内のガスの温度Ｔｈを検出（測定）する温度検出手段としての温度センサ７１が取り付けられている。

水素供給口２０には、水素供給流路２８が連通される。この水素供給流路２８には、水素供給流路２８内のガスの圧力Ｐ１を検出（測定）する圧力センサ９１を介してエゼクタ４８が設けられ、このエゼクタ４８は、高圧水素を貯留する水素タンク４２から水素供給弁４４を通じて供給される水素ガスを、水素供給流路２８及び水素供給口２０を通じて燃料電池１４に供給するとともに、燃料電池１４で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを水素排出口２２に連通する水素循環流路４６から吸引して燃料電池１４に再供給する。

水素循環流路４６には、アノード電極に溜まった水やカソード電極から電解質膜を透過してアノード電極に混入した窒素ガスを含む燃料ガスを水素パージ流路３２、希釈ボックス９０及び排出流路９４を介して外部（外気・大気）に排出して発電安定性を確保するため通常発電運転時等に適宜開放される比較的に大流量用の水素パージ弁３０が設けられる他、水素循環流路４６の図示しないキャッチタンクに溜まった水等を水素ガスを含む排出ガスとともに、排出流路５２、希釈ボックス９０及び排出流路９４を介して大気に排出するための比較的に小流量のドレイン弁５０が設けられている。

なお、排出流路９４には、排出ガス中の水素濃度Ｄｈを検出（測定）する水素濃度センサ９３が設けられている。

一方、空気供給口２４には、空気供給流路３４が連通され、この空気供給流路３４には、空気供給流路３４内のガスの圧力Ｐ２を検出（測定）する圧力センサ９２を介して、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ用モータと一体となったエアコンプレッサ３６が接続される。

また、空気排出口２６には、エアコンプレッサ３６から空気供給流路３４及び空気供給口２４を通じて燃料電池１４に供給される空気の圧力を調整するための背圧制御弁３８が設けられ、燃料電池１４の空気排出口２６は、この背圧制御弁３８を介し空気排出流路４０、希釈ボックス９０及び排出流路９４を通じて大気に連通している。

希釈ボックス９０は、水素パージ流路３２及び排出流路５２を通じて供給される燃料ガス（排ガス）を空気排出流路４０から供給される酸化剤ガスにより希釈して外部に排出する機能を有する。

さらに、燃料電池１４の水素供給流路２８と空気供給流路３５との間には、空気導入流路５３を介し水素供給口２０を通じて燃料ガス経路１４８に圧縮空気を導入するための、いわゆるアノード側空気掃気処理時に開放される空気導入弁５４が設けられる。

なお、背圧制御弁３８を除き、水素供給弁４４、空気導入弁５４、水素パージ弁３０、ドレイン弁５０は、それぞれオンオフ弁である。

さらに、燃料電池システム１０及びこの燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２には、制御装置７０が設けられ、この制御装置７０により、燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２の前記各種弁の開閉、負荷１８の制御、エアコンプレッサ３６等の補機の制御、蓄電装置１６の充放電制御等を含め、全ての動作が制御される。

制御装置７０は、コンピュータ（ＥＣＵ）により構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段としても動作する。この実施形態において、制御装置７０は、それぞれ、後述する起動・停止手段、アノード電極掃気手段、置換判断手段、起動禁止手段、第１起動許可手段、カソード電極掃気手段、第２起動許可手段、計時手段（カウンタ・タイマ）等、各機能手段の全部あるいは一部として機能する。

なお、図１において、太い実線は電力線を示し、細い実線は信号線を示す。また、二重線は、配管を示している。

燃料電池システム１０の通常発電運転時には、制御装置７０による弁制御により、基本的には、水素供給弁４４は開放され背圧制御弁３８が適量に開いた状態になっており、水素パージ弁３０及びドレイン弁５０は適宜開かれるが通常は閉じた状態となっており、さらに、空気導入弁５４は、閉じた状態になっている。

この通常発電運転時において、水素タンク４２から供給される燃料ガスが、エゼクタ４８を介し水素供給流路２８を通じて燃料電池１４の水素供給口２０に供給される。

水素供給口２０に供給された燃料ガスは、各燃料電池セルを構成する燃料ガス経路１４８に沿ってアノード電極に供給されアノード電極に沿って移動後、水分を含む未使用の水素ガスを含む排ガスは、水素排出口２２から排出されて水素循環流路４６に送られる。

水素循環流路４６に排出された排ガスは、エゼクタ４８の吸引作用下に、水素供給流路２８の途上に戻された後、再度、燃料電池１４内に燃料ガスとして供給される。この燃料ガスは、水分を含むガス、すなわち加湿ガスになっている。

一方、空気は、外気が圧縮された圧縮空気としてコンプレッサ１０２から供給され、通常運転時には、圧縮空気が空気供給流路３４に供給される。この空気、すなわち酸化剤ガスは、空気供給口２４から各燃料電池セルを構成する酸化剤ガス経路１４６に沿ってカソード電極に供給されカソード電極に沿って移動後、未使用の空気を含む排ガスが、空気排出口２６から空気排出流路４０に排出される。

これにより、各燃料電池セルでは、アノード電極に供給される燃料ガスである水素と、カソード電極に供給される酸化剤ガス中の酸素とが反応して発電が行われる。発電電力は、負荷１８、エアコンプレッサ３６、及び蓄電装置１６に供給される。

発電状態が一定時間以上継続されると、カソード電極側で発生し酸化剤ガス経路１４６にも貯留されている生成水が電解質膜、アノード電極を透過して燃料ガス経路１４８側に伝達され、燃料ガス経路１４８内にも貯留されることとなる。

すなわち、燃料電池１４において発電が開始されると、最初に酸化剤ガス経路１４６に液滴が発生し、所定発電時間経過後に燃料ガス経路１４８内にも液滴が発生することになる。

通常発電運転時に、この燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２において、制御装置７０は、アクセルペダルの踏み込み量Ａｐや車速Ｖｓ等から必要電力を算出し、この算出した必要電力に基づいて燃料電池１４、負荷１８、エアコンプレッサ３６及び背圧制御弁３８等にそれぞれ制御信号を送出する等の各種制御を行う。

また、制御装置７０は、負荷１８の制御及び氷点下起動制御等の低温時起動制御を確実に実施するために、外気温センサ７４、温度センサ７１、圧力センサ９１、９２及び水素濃度センサ９３から、それぞれ、外気温Ｔａ、水素排出口２２内のガス温度Ｔｈ、水素供給流路２８の圧力Ｐ１、空気供給流路３４の圧力Ｐ２、排出流路９４の水素濃度Ｄｈの各信号を取り込む。

さらに、制御装置７０には、燃料電池車両１２及び燃料電池システム１０の起動信号ＩＧｏｎであるオン信号（燃料電池システム１０をオフ状態からオン状態にする信号）及び停止信号ＩＧｏｆｆであるオフ信号（燃料電池システム１０をオン状態からオフ状態にする信号）を出力する起動・停止手段としてのイグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）７６が接続されている。

基本的には、以上のように構成され、かつ動作する燃料電池システム１０の起動制御動作について説明する前に、特願２００５−３０７１９３号で提案している２段掃気処理技術及び３段掃気処理技術について、図２のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１において、制御装置７０が燃料電池システム１０（燃料電池車両１２）のイグニッションスイッチ７６から起動信号ＩＧｏｎを受けたとき、ステップＳ２において、燃料電池１４の発電が開始される。

次に、ステップＳ３において、水素排出口２２に取り付けられた温度センサ７１により温度（燃料電池の温度とする。）Ｔｈを検出し、発電開始直後の燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｓ）が所定温度（閾値）Ｔａ以下であるかどうかが判定される。ここでの、所定温度Ｔａは、例えば、低温時の目安とされる氷点である０［℃］（Ｔａ＝０［℃］）に設定される。

次いで、発電開始直後の燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｓ）が所定温度Ｔａ以下の温度であった場合（Ｔｓ≦Ｔａ）、ステップＳ４において、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けたかどうかが判断される。

停止信号ＩＧｏｆｆを受けると、燃料電池１４の起動（ステップＳ１）後の発電運転中に停止要求を受けたと判定され、次のステップＳ５において、今回起動時点（ステップＳ１：ＹＥＳ）から停止要求を受けた時点（ステップＳ４：ＹＥＳ）までに燃料電池１４の発電により水分が、燃料電池１４内で発生しているかどうかが判定される。

このステップＳ７の判定は、制御装置７０で算出される、今回起動時点から停止要求を受けた時点までの燃料電池１４の発電電力量、いわゆる積算発電量［Ｗｈ］で判定することができる。

ステップＳ５において、例えば、水分が発生していないと判定された場合には、掃気処理を行う必要がないので、掃気処理を行わずに、ステップＳ６において、燃料電池システム１０の通常のシステム停止処理（水素供給弁４４を閉じる、エアコンプレッサ３６を停止させる等の処理）が行われる。

その一方、ステップＳ５において、水分が発生していると判定されたときには、ステップＳ７において、燃料電池１４の温度Ｔｈ（今回の運転停止時である停止要求を受けた時点の温度Ｔｅとする。）を温度センサ７１により検出し、検出した、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けた直後の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｅ）が、所定温度（閾値）Ｔｂ以下であるかどうかが判定される。この所定温度Ｔｂ（Ｔａ＜Ｔｂ）は予め決定され、メモリに格納されている温度であるが、このステップＳ７の判定は、発電開始からそれほど時間が経過していないため酸化剤ガス経路１４６側のみに水分が発生していて、燃料ガス経路１４８側には水分が伝達していない状態を判定するための閾値である。

なお、このステップＳ７の判定は、今回の起動時（ステップＳ１：ＹＥＳ）からイグニッションオフ時（ステップＳ４：ＹＥＳ）までに発電された積算発電量が所定積算発電量以下であるかどうかにより判定することもできる。

ステップＳ７の判定が否定的である場合、すなわち、燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｅ）が所定温度Ｔｂを超える値であった場合には、ステップＳ８において、ステップＳ７で検出された燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｅ）が、所定温度（閾値）Ｔｃ以下であるかどうかが判定される（Ｔｂ≦Ｔｅ≦Ｔｃ）。

この所定温度Ｔｃ（Ｔｂ＜Ｔｃ）は予め決定され、メモリに格納されている温度であるが、このステップＳ８の判定は、酸化剤ガス経路１４６と燃料ガス経路１４８の両方に水分が発生しているかどうかを判定するためのものである。つまり、所定温度Ｔｃは、酸化剤ガス経路１４６と燃料ガス経路１４８の両方に水分が発生していることを判定するための閾値である。

ステップＳ８の判定が肯定的である場合、及びステップＳ７の判定が肯定的である場合には、ステップＳ４でのイグニッションスイッチ７６からの停止信号ＩＧｏｆｆの受信（イグニッションスイッチ７６のオフ状態への操作）は、低温時短時間発電後停止要求の操作であると決定される。

そして、ステップＳ８の判定が肯定的であった場合には、ステップＳ９において、低温時短時間発電後停止要求に基づく掃気処理フラグＦｓとして、３段掃気処理用のフラグＦｓ＝３を立てる。

また、ステップＳ７の判定が肯定的であった場合にも、ステップＳ４でのイグニッションスイッチ７６からの停止信号ＩＧｏｆｆの受信は、低温時短時間発電後停止要求の操作であると決定され、ステップＳ１０において、低温時短時間停止要求に基づく掃気処理フラグＦｓとして、２段掃気処理用のフラグＦｓ＝２を立てる。

さらに、ステップＳ３の判定において、発電開始直後の燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｓ）が、所定温度Ｔａ（Ｔａ＝０［℃］）を超える温度であって（Ｔｓ＞Ｔａ）、その後、ステップＳ１１において、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受信したとき、及びステップＳ８の判定において、燃料電池１４の温度Ｔｈ（Ｔｈ＝Ｔｅ）が、所定温度Ｔｃを上回る温度であった場合（Ｔｅ＞Ｔｃ）には、ステップＳ４におけるイグニッションスイッチ７６の停止信号ＩＧｏｆｆの受信は、それぞれ、低温時起動に該当せず、また低温時起動に該当しても充分な時間発電運転が行われていたものと判定し、それぞれ低温時短時間発電後停止要求ではないものと決定する。そのため、ステップＳ１２において、掃気処理フラグＦｓとして、デフォルトの通常掃気処理用のフラグＦｓ＝１を立てる。

次いで、ステップＳ１３において、掃気処理フラグＦｓの値が判定され、掃気処理フラグＦｓの値が「１」であった場合には、ステップＳ１４で、燃料電池１４が通常通りに停止されたときの通常掃気処理（カソード電極掃気ステップ）が行われ、「２」であった場合には、ステップＳ１５で、２段掃気処理（カソード電極掃気ステップ）が行われ、「３」であった場合には、ステップＳ１６で、３段掃気処理（カソード電極掃気ステップ及びアノード電極掃気ステップ）が行われる。

いずれかの掃気処理が行われた後、ステップＳ６のシステム停止処理が行われる。

次に、ステップＳ１４の通常掃気処理、ステップＳ１５の２段掃気処理、及びステップＳ１６の３段掃気処理の意義並びに処理内容をフローチャート及びタイムチャートを利用して説明する。

まず、図３のフローチャートを参照して、ステップＳ１４の通常掃気処理の動作について説明する。

この場合、ステップＳ１４ａにおいて、制御装置７０により水素供給弁４４が閉じられ（遮断され）燃料電池１４に対する燃料ガスの供給が停止される。

次いで、ステップＳ１４ｂにおいて、エアコンプレッサ３６の吐出空気量が増量され、大流量とされた空気が空気供給口２４から燃料電池１４内に導入される。

導入された大流量の空気により燃料電池１４内の酸化剤ガス経路１４６の生成水（液滴）等が、空気排出口２６、背圧制御弁３８、空気排出流路４０、希釈ボックス９０、排出流路９４を介して外気に排出されることで、カソード側掃気処理が開始される。

次に、ステップＳ１４ｃにおいて、所定時間経過後に、カソード側掃気処理が完了すると、ステップＳ１４ｄにおいて、エアコンプレッサ３６の作動が停止されることで、燃料電池１４に対する空気の供給が停止される。このとき、背圧制御弁３８が全開とされ酸化剤ガス経路１４６が外気に開放されることで通常掃気処理が終了する。この通常掃気処理では、カソード電極側のみ、すなわち酸化剤ガス経路１４６のみに掃気ガスである酸化剤ガスが供給され、アノード電極側である燃料ガス経路１４８には、掃気ガスである酸化剤ガスが供給されない。

次いで、ステップＳ６にもどり、燃料電池システム１０がシステム停止状態とされる。

このように、通常掃気処理においては、ステップＳ１３においてイグニッションスイッチ７６のオフ状態を検出してから短時間で燃料電池システム１０がシステム停止状態となるので、運転者等の燃料電池車両１２の操作者に違和感を与えることがない。

次に、図４のフローチャート及び図５のタイムチャートを参照して、ステップＳ４の今回のイグニッションスイッチ７６からの停止信号ＩＧｏｆｆの受信が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極側である酸化剤ガス経路１４６内にのみ水分が発生したと判定した場合に行われるステップＳ１５の２段掃気処理の動作について説明する。

この場合、今回のシステム停止制御及び次回の氷点下時等の低温時の確実な起動を確保するために、時点ｔ０において、イグニッションスイッチ７６のオフ信号を検出したとき、まず、ステップＳ１５ａにおいて発電電流により蓄電装置１６を所定容量まで充電する。蓄電装置１６としてキャパシタを使用しているので、この充電は、きわめて短時間に終了する。

充電完了後、ステップＳ１５ｂにおいて、水素供給弁４４が閉じられ燃料ガスの燃料電池１４に対する供給が停止される。

次いで、ステップＳ１５ｃ、１５ｄで、酸化剤ガス経路１４６内の液滴を排出するための２段掃気処理第１段処理を行う（時点ｔ０〜ｔ１）。この場合、まず、ステップＳ１５ｃで、エアコンプレッサ３６から吐出される空気量を大流量に設定し（時点ｔ０）、大流量の空気を、ステップＳ１５ｄでの所定時間（時点ｔ０〜ｔ１）、酸化剤ガス経路１４６に流通させることで酸化剤ガス経路１４６に残存する液滴を排出（除去）する。

２段掃気処理第１段処理による酸化剤ガス経路１４６から液滴の排出後、ステップＳ１５ｅ〜Ｓ１５ｇで、燃料電池１４のカソード電極側の乾燥を促進し、次回の氷点下等の低温時起動を確実にするための２段掃気処理第２段処理を行う（時点ｔ１〜ｔ２）。

この場合、まず、ステップＳ１５ｅでエアコンプレッサ３６の駆動を小さくして小流量空気量に設定し、小流量の空気を酸化剤ガス経路１４６内に供給する（時点ｔ１）。

そして、ステップＳ１５ｆにおいて、酸化剤ガス経路１４６内に小流量の空気を所定時間流通させることで、次回の低温時起動を確実にする（時点ｔ１〜ｔ２）。

次いで、ステップＳ１５ｇにおいて、エアコンプレッサ３６の駆動が停止され、２段掃気処理第２段処理が終了することで２段掃気処理が終了する。

このようにして、ステップＳ４でイグニッションスイッチ７６からの停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極側である酸化剤ガス経路１４６内にのみ水が発生したと判定した場合には、酸化剤ガス経路１４６の液滴を大流量、短時間で排出した後、酸化剤ガス経路１４６のカソード電極を小流量、長時間で乾燥する２段掃気処理を行うことで、次回の氷点下等の低温時において安定な起動性を確保することができる。なお、図５から分かるように、この２段掃気処理では、カソード電極側の酸化剤ガス経路１４６のみに掃気ガスである酸化剤ガスが供給され、アノード電極側である燃料ガス経路１４８には、掃気ガスである酸化剤ガスは供給されない。

上述した図５のタイムチャート及び図６のフローチャートを参照して説明した２段掃気処理第１段処理と２段掃気処理第２段処理とは、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けたとき、時間的に連続的に行っているが、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに、２段掃気処理第１段処理を行い、所定時間経過後に２段掃気処理第２段処理を行うように時間的に分割して行うようにしてもよい。

次に、図６のフローチャート及び図７のタイムチャートを参照して、ステップＳ６の今回のイグニッションスイッチ７６からの停止信号ＩＧｏｆｆの受信が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極側である酸化剤ガス経路１４６とアノード電極側である燃料ガス経路１４８の両経路に水分が発生したと判定した場合に行われるステップＳ１６の３段掃気処理の動作について説明する。

この場合、今回のシステム停止制御及び次回の氷点下時等の低温時の確実な起動を確保するために、時点ｔ１０において、イグニッションスイッチ７６のオフ状態を検出したとき、まず、ステップＳ１６ａにおいて発電電流により蓄電装置１６を所定容量まで充電する。

充電が完了後、ステップＳ１６ｂにおいて、水素供給弁４４が閉じられ燃料ガスの燃料電池１４に対する供給が停止される。

次いで、ステップＳ１６ｃにおいて、燃料電池システム１０から外部に排出される燃料ガスの希釈要件を満足するために、比較的に小流量のドレイン弁５０を開くとともに、空気導入弁５４を開く（時点ｔ１０）。

そして、ステップＳ１６ｄにおいて、図４のフローチャートを参照して説明したステップＳ１５ｃ〜Ｓ１５ｄの処理と同一の２段掃気処理の第１段処理、すなわち、酸化剤ガス経路１４６内の液滴を排出するためのカソード電極側大流量短時間掃気処理を行う（時点ｔ１０〜ｔ１１）。したがって、時点ｔ１０〜ｔ１１の間では、上述したように、大流量の空気が酸化剤ガス経路１４６に流通され、酸化剤ガス経路１４６に残存する液滴が排出（除去）される。

なお、時点ｔ１０で空気導入弁５４が開かれているので、この時点ｔ１０以降、燃料ガス経路１４８にも空気が導入されるが、大流量の水素パージ弁３０は閉じており、小流量のドレイン弁５０が開かれているので、燃料ガス経路１４８にも、小流量の空気が導入される。この場合、燃料ガス経路１４８からドレイン弁５０を通じ排出流路５２を通じて排出される燃料ガスと、空気排出流路４０から排出される酸化剤ガスとが希釈ボックス９０を介して希釈され、希釈された燃料ガスとして排出流路９４を通じて外気に排出される。

このようにして、酸化剤ガス経路１４６から液滴が排出され、燃料ガス経路１４８からも燃料ガスが排出濃度を上昇させることなく希釈して排出された時点ｔ１１から燃料ガス経路１４８からの液滴の排出（除去）処理を行う。

この場合、ステップＳ１６ｅにおいて、大流量の水素パージ弁３０を開くことで（時点ｔ１１）、希釈された燃料ガスが残る燃料ガス経路１４８内に、ステップＳ１６ｆでの所定時間（時点ｔ１１〜ｔ１２）、大流量の空気が流通され、燃料ガス経路１４８内の液滴が排出（除去）されるとともに、希釈された燃料ガスが排出される。そして、ステップＳ１６ｇにおいて、空気導入弁５４が閉じられる（時点ｔ１２）。

時点ｔ１０〜ｔ１２に示すように、掃気ガスである酸化剤ガスの酸化剤ガス経路１４６内流量と燃料ガス経路１４８内流量が同時に大きくならないように時間的に分けて酸化剤ガス経路１４６と燃料ガス経路１４８内の液滴を除去するようにしているので、エアコンプレッサ３６の駆動を抑制することができ、騒音を抑制することができる。結果、従来技術に比較して小型・軽量で小容量のエアコンプレッサ３６を使用することが可能となる。また、時点ｔ１０〜ｔ１１の間では、燃料ガスが徐々に希釈されて排出されるようにしているので、燃料ガス希釈だけのための希釈ボックス９０への酸化剤ガスの供給が不要となる。

次いで、ステップＳ１６ｈにおいて、図４のフローチャートを参照して説明したステップＳ１５ｅ〜Ｓ１５ｇの処理と同一の２段掃気処理の第２段処理、すなわち、燃料電池１４のカソード電極側の乾燥を促進し、次回の氷点下等の低温時起動を確実にするための小流量長時間の掃気処理を行う（時点ｔ１２〜ｔ１３）。

このようにして、ステップＳ４のイグニッションスイッチ７６からの停止信号ＩＧｏｆｆの受信が、低温時短時間発電後停止要求であって、かつカソード電極側である酸化剤ガス経路１４６とアノード電極側である燃料ガス経路１４８の両経路に水が発生したと判定した場合に行われる３段掃気処理を行うことで、次回の氷点下等の低温時において安定な起動性を確保することができる。この３段掃気処理では、結果として、カソード電極側の酸化剤ガス経路１４６とアノード電極側の燃料ガス経路１４８の両方に掃気ガスである酸化剤ガスが供給されて掃気される。

上述した図６のフローチャート及び図７のタイムチャートを参照して説明した３段掃気処理中の２段掃気処理第１段処理と２段掃気処理第２段処理とは、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに時間的に連続して行っているが、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに２段掃気処理第１段処理を行い、所定時間経過（所定条件成立）後に２段掃気処理第２段処理と燃料ガス経路１４８内の液滴を除去する処理を行うように時間的に分割して行うようにしてもよい。

以上の説明が、２段掃気処理技術及び３段掃気処理技術についての説明である。

次に、この実施形態に係る燃料電池システム１０の起動制御動作について、図８のフローチャート及び図９〜図１１のタイムチャートを参照して説明する。

なお、図９のタイムチャートの内容は、簡単に説明すると、運転モードが発電モードであるときに、時点ｔ０でイグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受け（ステップＳ４：ＹＥＳ）、２段掃気モード（ステップＳ２１：２段掃気）のカソード電極側大流量掃気処理（時点ｔ０〜ｔ１）、カソード電極側小流量掃気処理の途中の時点１ａでイグニッションスイッチ７６から起動信号ＩＧｏｎを受けた場合に（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、その時点ｔ１ａで直ちに（即座）ステップＳ２８、Ｓ２９の処理を行い、発電モード（ステップＳ３１）に入る処理を説明している。

図１０のタイムチャートの内容は、簡単に説明すると、運転モードが発電モードであるときに、時点ｔ１０でイグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受け（ステップＳ４：ＹＥＳ）、３段掃気モード（ステップＳ２１：３段掃気）のカソード電極側大流量掃気処理（時点ｔ１０〜ｔ１１）、アノード電極側大流量掃気処理の途中の時点１１ａでイグニッションスイッチ７６から起動信号ＩＧｏｎを受けた場合に（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、その時点ｔ１１ａで即座に発電モードに入ることなく、時点ｔ１０（又は時点ｔ１１）〜ｔ１２（ｔ１２ａ）までの、燃料ガス経路１４８が酸化剤ガスによる完全に置換されたとみなす期間、再起動を禁止し（ステップＳ２７：ＮＯ）、禁止を解除して再起動許可後（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、ステップＳ２８、Ｓ２９の処理を行い、発電モード（ステップＳ３１）に入る処理を説明している。

図１１のタイムチャートの内容は、簡単に説明すると、図１０のタイムチャートの時点ｔ１２ａ以降の時点ｔ１２ｂでイグニッションスイッチ７６から再び停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、３段掃気処理の残りの部分の処理を続行してシステム停止とすることで（ステップＳ３２→Ｓ６）、システム停止までの時間を短縮する処理を説明している。

そこで、図８のフローチャートにおいて、まず、ステップＳ４（図２のステップＳ４と同じ）で、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けると、ステップＳ２１において、ステップＳ１３（図２参照）のフラグＦｓの値により、掃気処理の種類が判定され、２段掃気処理又は通常掃気処理であった場合には、次に、ステップＳ２２で、これらの掃気処理中に、イグニッションスイッチ７６から再度起動信号ＩＧｏｎを受けたかどうかが判断され、起動信号ＩＧｏｎを受けなかった場合には、ステップＳ２３で２段掃気処理又は通常掃気処理の掃気完了（ステップＳ１４ｄ、ステップＳ１５ｇ）を検出した場合、ステップＳ６のシステムの停止処理を行う。

ステップＳ２１で、３段掃気処理と判定された場合には、ステップＳ２４で、この３段掃気処理中に、イグニッションスイッチ７６から再度起動信号ＩＧｏｎを受けたかどうかが判定され、起動信号ＩＧｏｎを受けていなかった場合には、次に、ステップＳ２５で３段掃気処理の掃気完了（ステップＳ１６ｈ中のＳ１５ｇ）を検出した場合、ステップＳ６のシステム停止処理が行われる。

一方、ステップＳ２４で、イグニッションスイッチ７６から再度起動信号ＩＧｏｎを受けた場合、ステップＳ２６でイグニッションスイッチ７６から再度停止信号ＩＧｏｆｆを受信したかどうかが判定される。

ステップＳ２６で、停止信号ＩＧｏｆｆを受信しなかった場合には、ステップＳ２７で、燃料電池１４の発電の再起動の許可を判断する。

このステップＳ２７の再起動許可判断処理は、図１０、図１１に示すように、運転モードが発電モード中に、ステップＳ４で停止信号ＩＧｏｆｆを受信した時点ｔ１０で停止処理に入り、ステップＳ１６ｃで空気導入弁５４が開かれた時点ｔ１０からタイマにより計時を開始し、燃料ガス経路１４８内が完全に酸化剤ガス（掃気ガス）により置換されたと判断する時点ｔ１２が経過するまでの時間（予め定められた時間：所定時間）を計時することにより行うことができる。また、ステップＳ２７の再起動許可判断処理は、タイマによる所定時間の計時の他、水素濃度センサ９３により検出される水素濃度Ｄｈが所定濃度以下となったときに、燃料ガス経路１４８内が、酸化剤ガスにより完全に置換されたと判断することができる。

ステップＳ２７の判定が成立した時点ｔ１２において、図１０、図１１のタイムチャート中、３段掃気モードのタイムチャートからも分かるように、空気導入弁５４が閉弁される。また、水素パージ弁３０、ドレイン弁５０も閉弁される。

次いで、ステップＳ２８（時点ｔ１２ａ）において、ステップＳ２４の再起動信号ＩＧｏｎの受信に基づく再起動開始指令が、水素供給弁４４に開弁指令として供給されるとともに、エアコンプレッサ３６に対する駆動指令として供給される。

なお、図１０、図１１において、時点ｔ１０〜ｔ１２ａの間は、再起動が制限される期間である。この再起動制限時間は、ステップＳ２７のタイマによる所定時間（ｔ１０〜ｔ１２）の計時の他、水素濃度センサ９３により検出される水素濃度Ｄｈが所定濃度以下となったときに、空気導入弁５４の故障検知処理を実施する時間（ｔ１２〜ｔ１２ａ）を加えた時間であるが、空気導入弁５４の故障検知処理を実施する時間は、ステップＳ２７の再起動許可判断処理の時間に比較してきわめて短い時間であるので、実質的に、再起動制限時間は、ステップＳ２７の再起動許可判断処理に要する時間（ｔ１０〜ｔ１２）と考えることができる。

一方、ステップＳ２１で２段掃気処理又は通常掃気処理中と判定され、ステップＳ２２で、これらの掃気処理中（例えば、図５の時点ｔ０〜ｔ２の間）にイグニッションスイッチ７６から起動信号ＩＧｏｎを再び受信した場合には、燃料ガス経路１４８に掃気ガスとして酸化剤ガスが投入されていないので、ステップＳ２７の再起動許可判断を行うことなく、ステップＳ２８（時点ｔ１２ａ）において、ステップＳ２４の再起動信号ＩＧｏｎの受信に基づく再起動開始指令が、水素供給弁４４に開弁指令として供給されるとともに、エアコンプレッサ３６に対する駆動指令として供給される。

例えば、図９に示すように、時点ｔ０で、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けた後（ステップＳ４：ＹＥＳ）、時点ｔ１以降のカソード電極小流量掃気処理が行われている途中の時点ｔ１ａで再び起動信号ＩＧｏｎを受けたとき（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、ステップＳ２８（時点ｔ１ａ）において、再起動開始指令が制御装置７０から出力される。

次いで、ステップＳ２９において、燃料供給前の起動処理が完了したかどうかが判断される。燃料電池システム１０の起動時においては、水素供給弁４４を開弁するとき、弁の一方側（高圧水素タンク４２側）が高圧となっており、弁の他方側（エゼクタ４８側）は大気圧より僅かに高い程度となっているので、この水素供給弁４４には、開弁に必要な駆動力の小さいパイロット式の電磁弁が用いられている。そして、このパイロット式の電磁弁では、開弁指令が供給されてから、メインバルブの開弁に先立ち、駆動力の小さいパイロット弁が開弁し、メインバルブの上流側圧力と下流側圧力とが略同一となってからメインバルブが開弁される。このため、水素供給弁４４に開弁指令が供給されてから実際に開弁するまでに一定の時間がかかる。水素供給弁４４の開弁は、圧力センサ９１の圧力値Ｐ１の増加により検出することができる。ステップＳ２９の燃料供給前の起動処理時間は、この水素供給弁４４の開弁時間に依存する。

ステップＳ２９の起動処理が完了していない場合には、ステップＳ３０でイグニッションスイッチ７６から再度停止信号ＩＧｏｆｆを受けたかどうかが監視され、停止信号ＩＧｏｆｆを受けていないで、ステップＳ２９の起動処理完了の判定が肯定的となった場合には、ステップＳ３１で発電モード（図９、図１０参照）に入り通常発電を開始し、起動制御処理を終了する。

その一方、ステップＳ２９の起動処理が完了していない前にイグニッションスイッチ７６から再度停止信号ＩＧｏｆｆを受けた場合には、ステップＳ３２において、２段掃気処理の残りの処理又は３段掃気処理の残りの処理が続行される。

すなわち、２段掃気処理中に、ステップＳ２２でイグニッションスイッチ７６から起動信号ＩＧｏｎを受けた後、ステップＳ３０でイグニッションスイッチ７６から再び停止信号ＩＧｏｆｆを受けた場合には、アノード電極側の酸化剤ガスによる掃気処理を行っていないので、図５に示す時点ｔ０〜ｔ２の間で、掃気処理が中断された時点（ステップＳ２２：ＹＥＳ）から時点ｔ２までの残りの時間の対応する処理（カソード電極側大流量掃気処理又はカソード電極側小流量掃気処理のいずれかの処理）が継続して続行される。

また、３段掃気処理中に、ステップＳ２７での再起動許可判断が成立した場合には、図７中、時点ｔ１１〜ｔ１２の燃料ガス経路１４８の空気置換が完了していることから、時点ｔ１２以降のカソード電極側小流量掃気処理中であるので、ステップＳ３０でイグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けた場合には、時点ｔ１２〜ｔ１３の間で、掃気処理が中断された時点から時点ｔ１３までの残りの時間のカソード電極側小流量掃気処理が実行される。

すなわち、図１１を参照して説明すると、時点ｔ１２ａで、ステップＳ２９の燃料ガス供給前の起動処理が行われている途中に、時点ｔ１２ｂでイグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けた場合（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、時点ｔ１２ｂ〜ｔ１２ｃに示すように、アノード電極側大流量掃気処理の残りの時間と、時点ｔ１２ｃ〜ｔ１３ａ（図７の時点ｔ１２〜ｔ１３までの時間と同一の時間）でのカソード電極側小流量掃気処理が実行される。

ステップＳ３２の残りの掃気処理が完了後、ステップＳ６のシステム停止処理が実行される。

なお、通常掃気処理中に、ステップＳ２２でイグニッションスイッチ７６から起動信号ＩＧｏｎを受けた後、停止信号ＩＧｏｆｆを受けた場合には、ステップＳ３２で、ステップＳ１４ｃで決められた所定時間のカソード電極側掃気処理の残りの時間分の処理が続行される。

図８のフローチャートを参照して説明した起動制御処理例では、通常掃気処理、２段掃気処理、又は３段掃気処理中に、イグニッションスイッチ７６から再度起動信号ＩＧｏｎを受けたときの動作について説明しているが、この発明は、この例に限定されることなく、例えば、図１２のフローチャートに示すように、ステップＳ２１の判定処理が、ステップＳ４１の「アノード電極側空気処理中」処理に代替された場合でも、このステップＳ４１の判定以降の他のステップＳ２２〜Ｓ３２をそのまま利用することができる。

このステップＳ４１の判断を有する図１２のフローチャートは、ステップＳ４において、イグニッションスイッチ７６から停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに、アノード電極側空気掃気処理、又はアノード電極側空気掃気処理及びカソード電極側空気掃気処理を行い、その後にカソード電極側空気処理を行う掃気技術を採用する全ての燃料電池システムに同様に適用することができる。

以上説明したように上述した実施形態は、アノード電極に燃料ガスが供給され、カソード電極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池１４と、燃料電池１４を起動させる起動信号ＩＧｏｎと燃料電池１４を停止させる停止信号ＩＧｏｆｆを送出する起動・停止手段としてのイグニッションスイッチ７６と、停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに、掃気ガスとしての酸化剤ガスによりアノード電極の燃料ガスを掃気するアノード電極掃気手段としての空気導入弁５４と、を備える燃料電池システム１０に適用され、以下の第１〜第５実施例を含む。

なお、掃気ガスとしては、酸化剤ガスに限らず、他のガス、例えば窒素ガスを利用することもできる。

第１実施例：アノード電極に燃料ガスが供給され、カソード電極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池１４と、燃料電池１４を起動させる起動信号ＩＧｏｎと燃料電池１４を停止させる停止信号ＩＧｏｆｆを送出する起動・停止手段としてのイグニッションスイッチ７６と、停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに、掃気ガス（ここでは、酸化剤ガス）によりアノード電極の燃料ガスを掃気するアノード電極掃気手段としての空気導入弁５４と、を備える燃料電池システム１０において、アノード電極の燃料ガスが、酸化剤ガスにより置換されたことを判断する置換判断手段（ステップＳ２７）と、前記停止信号を受けて前記掃気ガスによる前記アノード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたとき、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されていない間は、前記燃料電池の起動を禁止する起動禁止手段（ステップＳ２７：ＮＯ）とを備える。

この第１実施例によれば、掃気ガスによるアノード電極の掃気中に、起動信号ＩＧｏｎを受けたとき（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、アノード電極の燃料ガスが掃気ガスに置換されていない間は、燃料電池１４の起動を禁止しているようにしているので、起動時の燃料ガス置換を通常通りに容易に行うことができ、再起動時の発電安定性、すなわち起動性が損なわれることがない。

アノード電極に対し掃気ガスによる掃気を行った場合には、システムの停止時に、アノード電極の経路が掃気ガスにより完全に置換が完了した状態でないと、燃料電池１４の再起動時におけるアノード電極の燃料ガス濃度を精度よく把握することが困難である。掃気ガスと燃料ガスとが混合された状態で再起動すると、停止時にどの程度、燃料ガスがアノード電極の燃料ガス経路１４８に残っているのかを把握することが難しく、例えば、排出される燃料ガスが増加する等のおそれがある。そのため、アノード電極の燃料ガス経路１４８を掃気ガスにより完全に置換してしまった方が、再起動時における燃料ガスの置換制御がし易い。

第２実施例：上記第１実施例において、停止信号ＩＧｏｆｆを受けて（ステップＳ４：ＹＥＳ）掃気ガスによるアノード電極の掃気中に、起動信号を受けたとき（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、アノード電極の燃料ガスが、掃気ガスにより置換されたと判断された時は（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、起動禁止手段（ステップＳ２７：ＮＯ）による起動の禁止を解除し、燃料電池１４の起動を許可する第１起動許可手段（第１起動許可ステップ、ステップＳ２７：ＹＥＳ）を備える。

この第２実施例によれば、アノード電極の燃料ガスが掃気ガスにより置換されたと判断された時、という必要最小限の条件を満たした状態で、燃料電池１４の起動が許可されるので、再起動までの時間を短縮することができる。

第３実施例：上記第１実施例又は上記第２実施例において、さらに、停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに（ステップＳ４：ＹＥＳ）、掃気ガスにより空気導入弁５４の開放によるアノード電極の掃気に先立ち、掃気ガスによりカソード電極を掃気するカソード電極掃気手段としてのエアコンプレッサ３６と、停止信号ＩＧｏｆｆを受けてカソード電極の掃気中に（ステップＳ２１：ＮＯ）、起動信号を受けたときは（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、燃料電池１４の起動を許可する第２起動許可手段（第２起動許可ステップ、ステップＳ２８）と、を備える。

この第３実施例によれば、停止信号ＩＧｏｆｆを受けたときに、掃気ガスによるアノード電極の掃気に先立つ掃気ガスによるカソード電極の掃気中に起動信号ＩＧｏｆｆを受けたときは、燃料電池１４の起動を許可するようにしている。すなわち、カソード電極の掃気は、再起動時のアノード電極の燃料ガス置換に無関係であるので（寄与しないので）、即座に（直ちに）、起動を許可することで再起動までの時間を短縮することができる。

第４実施例：上記第２実施例又は第３実施例において、さらに、第１起動許可手段（ステップＳ２７：ＹＥＳ）又は第２起動許可手段（ステップＳ２８）により燃料電池１４の発電が許可された時に、アノード電極に燃料ガスが供給される前に（ステップＳ２９：ＮＯ）、再び停止信号を受けた場合には（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、燃料電池１４の発電が許可される直前の掃気の残り部分の掃気を続行する掃気続行手段（掃気続行ステップ、ステップＳ３２）を備える。

この第４実施例によれば、中断された掃気が継続可能である場合、始めから掃気処理の全体を行うのではなく、掃気処理の残りの部分を続行して行うようにしているので再起動までの時間を短縮することができる。最初の停止信号ＩＧｏｆｆを受けて（ステップＳ４：ＹＥＳ）掃気処理が開始された後、起動信号ＩＧｏｎを受け（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、燃料電池１４の発電が許可される条件が整ったときに、アノード電極に燃料ガスが供給されるまでには、所定時間を要する。そのため、アノード電極に燃料ガスが供給される前に再度停止信号ＩＧｏｆｆを受けた場合には（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、アノード電極及び（又は）カソード電極の経路の燃料ガス及び（又は）酸化剤ガスの状態は、最初の停止信号ＩＧｏｆｆ（ステップＳ４：ＹＥＳ）を受けてから起動信号ＩＧｏｎを受けた（ステップＳ２２：ＹＥＳ）直前の状態と同一の状態にあるので、掃気の残りの部分の掃気を行えばよいことになり、結果として、システム停止とするまでの時間を短縮することができ、停止時において、操作者に違和感を与えるおそれが軽減される。

この発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成図である。 掃気処理の全体的動作説明に供されるフローチャートである。 通常掃気処理に係るフローチャートである。 ２段掃気処理に係るフローチャートである。 ２段掃気処理に係るタイムチャートである。 ３段掃気処理に係るフローチャートである。 ３段掃気処理に係るタイムチャートである。 この発明の実施形態に係る再起動制御処理の動作説明に供されるフローチャートである。 ２段掃気処理の再起動制御処理に係るタイムチャートである。 ３段掃気処理の再起動制御処理に係るタイムチャートである。 ３段掃気処理の他の再起動制御処理に係るタイムチャートである。 この発明の他の実施形態に係る再起動制御処理の動作説明に供されるフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４…燃料電池 ３６…エアコンプレッサ
５４…空気導入弁 ７０…制御装置
７６…イグニッションスイッチ

Claims (4)

1. アノード電極に燃料ガスが供給され、カソード電極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池を起動させる起動信号と前記燃料電池を停止させる停止信号を送出する起動・停止手段と、
   前記停止信号を受けたときに、掃気ガスにより前記アノード電極の前記燃料ガスを掃気するアノード電極掃気手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記停止信号を受けたときに、前記掃気ガスにより前記アノード電極掃気手段による前記アノード電極の掃気に先立ち、前記掃気ガスにより前記カソード電極を掃気するカソード電極掃気手段と、
   前記停止信号を受けて前記カソード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたときは、前記燃料電池の起動を許可する起動許可手段と、
   前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されたことを判断する置換判断手段と、
   前記停止信号を受けて前記掃気ガスによる前記アノード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたとき、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されていない間は、前記燃料電池の起動を禁止する起動禁止手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、
   前記停止信号を受けて前記掃気ガスによる前記アノード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたとき、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されたと判断された時は、前記起動禁止手段による起動の禁止を解除し、前記燃料電池の起動を許可する他の起動許可手段
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、
   前記起動許可手段又は前記他の起動許可手段により前記燃料電池の発電が許可された時に、前記アノード電極に前記燃料ガスが供給される前に、再び停止信号を受けた場合には、前記燃料電池の発電が許可される直前の掃気の残り部分の掃気を続行する掃気続行手段
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. アノード電極に燃料ガスが供給され、カソード電極に酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を起動させる起動信号と前記燃料電池を停止させる停止信号を送出する起動・停止手段とを有し、前記停止信号を受けたときに、掃気ガスにより前記アノード電極の前記燃料ガスを掃気するアノード電極掃気ステップを備える燃料電池システムの起動制御方法において、
   前記停止信号を受けたときに、前記掃気ガスにより前記アノード電極掃気ステップによる前記アノード電極の掃気に先立ち、前記掃気ガスにより前記カソード電極を掃気するカソード電極掃気ステップと、
   前記停止信号を受けて前記カソード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたときは、前記燃料電池の起動を許可する起動許可ステップと、
   前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されたことを判断する置換判断ステップと、
   前記停止信号を受けて前記掃気ガスによる前記アノード電極の掃気中に、前記起動信号を受けたとき、前記アノード電極の前記燃料ガスが、前記掃気ガスにより置換されていない間は、前記燃料電池の起動を禁止する起動禁止ステップと、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。

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