JP7065064B2 - 燃料電池システムの起動方法 - Google Patents

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Description

この発明は、大気を酸化剤ガスとして燃料電池スタックのカソード流路の入口に供給するエアポンプと、前記カソード流路の出口から排出される酸化剤排ガス（カソードオフガス）を前記カソード流路の入口に循環供給する排気再循環ポンプを備える燃料電池システムの起動方法に関する。
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一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。
この燃料電池では、発電（運転）が停止されると、前記燃料電池への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるものの、アノード電極に前記燃料ガスが残存する一方、カソード電極に前記酸化剤ガスが残存している。このため、燃料電池の停止中であるソーク状態に、特にカソード側が高電位に保持されてしまい電極触媒層が劣化するという問題がある。
このソーク状態での劣化を防止するために、燃料電池の運転停止時に、燃料電池スタックのカソード流路内に残存する酸化剤ガス（空気）を再循環させてディスチャージする処理、すなわち、ＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）処理が行われている。この種の技術として、例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムの制御方法が知られている。
特許文献１に開示された燃料電池システムには、エアポンプにより酸化剤ガスを燃料電池スタックのカソードに供給するために通流させる酸化剤ガス供給路と、前記カソードから排出されるカソードオフガスを通流させる酸化剤排ガス排出路とを備えている。酸化剤ガス供給路には、入口封止バルブが設けられる一方、酸化剤排ガス排出路には、出口封止バルブが設けられている。
そして、酸化剤ガス供給路と酸化剤排ガス排出路とには、入口封止バルブ及び出口封止バルブと燃料電池スタックとの間に位置して排気再循環路が設けられている。排気再循環路には、排気再循環ポンプ（以下、ＥＧＲポンプともいう。）が配設されている。
ＥＧＲポンプを備える燃料電池システムで停止処理を行う際には、入口封止バルブ及び出口封止バルブのうち少なくとも前記出口封止バルブを閉状態とし、ＥＧＲ発電を実行している。ＥＧＲ発電では、ＥＧＲポンプを駆動してカソードオフガスをカソード流路に循環させるとともに、燃料電池スタックと高圧バッテリとを電気的に接続するためのコンタクタを接続状態にして燃料電池スタックの発電を行っている。
この発電により、カソードの酸素濃度を低下させ、窒素濃度を増大させるとともに、燃料電池スタックの発電電力を放電し高圧バッテリへの充電を行うことで、前記燃料電池スタックの電圧を低下させるとともに、高圧バッテリの電力を利用した次回の燃料電池システムを備えた車両の起動に備えている。
特開２０１７－１５２１７４号公報
しかしながら停止時にＥＧＲ発電を行い高圧バッテリに電力を充電し得たとしても、前記燃料電池システムを備えた車両が長期間発電されずに放置された場合、つまり長い間ソーク状態に置かれた場合には、前記高圧バッテリの自己放電によりＳＯＣが低下して、前記エアポンプを回転させることができなくなり、燃料電池システムの起動及び車両の起動ができなくなるという課題がある。
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り、高圧バッテリのＳＯＣがエアポンプを回転させることができなくなる程低下し、エアポンプによる酸化剤ガスの供給が不能となって、燃料電池システムの起動、ひいては車両の起動ができなくなる状態下においても、燃料電池システムの起動を可能する燃料電池システムの起動方法を提供することを目的とする。
この発明の一態様は、酸化剤排ガスを燃料電池スタックのカソード流路の出口から前記カソード流路の入口に循環させる排気再循環路に排気再循環ポンプが設けられた燃料電池システムの起動方法であって、高圧バッテリと、エアポンプと、低圧バッテリと、燃料タンクとを備え、前記燃料電池システムの起動時に、前記高圧バッテリの開回路電圧を検出する工程と、検出された前記開回路電圧が前記エアポンプを駆動可能な閾値電圧未満である場合に、前記低圧バッテリにより前記排気再循環ポンプを駆動して大気を吸い込ませ、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスとして供給するとともに前記燃料タンクから燃料ガスを供給することで発電を開始する発電開始工程と、前記排気再循環ポンプによる発電を、前記高圧バッテリの開回路電圧が前記閾値電圧になるまで継続する発電継続工程と、前記高圧バッテリの前記開回路電圧が前記閾値電圧になったとき、前記排気再循環ポンプを停止し、前記高圧バッテリにより前記エアポンプを駆動し、前記エアポンプから前記燃料電池スタックの発電に必要な酸化剤ガスを供給する本発電工程と、を備える。
この発明によれば、高圧バッテリのＳＯＣがエアポンプを回転させることができなくなる程低下し、エアポンプによる酸化剤ガスの供給が不能となって、燃料電池システムの起動、ひいては車両の起動ができなくなる状態下の起動時には、排気再循環ポンプを低圧バッテリにより駆動して大気を吸い込ませ、燃料電池スタックに酸化剤ガスとして供給するとともに、燃料タンクから燃料ガスを供給して発電し、高圧バッテリを充電するようにしたので、充電された高圧バッテリの高電圧の電力により燃料電池システムの通常発電を実施することができる。
図１は、実施形態に係る燃料電池システムの起動方法が実施される実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両（燃料電池車両）の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、実施形態に係る燃料電池システムの通常発電動作説明に供される矢線を挿入したブロック図である。 図３は、実施形態に係る燃料電池システムの起動方法の説明に供されるフローチャートである。 図４は、実施形態に係る燃料電池システムの起動方法の説明に供されるタイミングチャートである。 図５は、実施形態に係る燃料電池システムの起動時発電処理の説明に供される矢線を挿入したブロック図である。 図６は、変形例に係る燃料電池システムの起動方法が実施される変形例に係る燃料電池システムを搭載した車両（燃料電池車両）の構成の一例の要部を示すブロック図である。
この発明に係る燃料電池システムの起動方法について実施形態を挙げ、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。
［実施形態］
［構成］
図１は、実施形態に係る燃料電池システムの起動方法が実施される実施形態に係る燃料電池システム１２を搭載した車両（燃料電池車両）１０の構成の一例を示すブロック図である。
図１に示すように、燃料電池車両１０は、例えば、燃料電池電気自動車である。
燃料電池車両１０は、燃料電池システム１２の他、数百ボルト程度の高電圧Ｖｈを発生する高圧バッテリ（高圧蓄電装置）１４、該高圧バッテリ１４よりも電圧の低い数十ボルト程度以下の低電圧Ｖｌ、例えば＋１２［Ｖ］を発生する低圧バッテリ（低圧蓄電装置）１６、昇圧コンバータ（ＦＣＶＣＵ：燃料電池電圧制御ユニット）１８、インバータ（回転電機の駆動装置）２０、モータ（車両駆動用の回転電機）２４、昇降圧（両方向）コンバータ（ＢＡＴＶＣＵ：バッテリ電圧制御ユニット）２６、降圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）２８、制御装置（ＥＣＵ）３０、及び電源スイッチ（電源ＳＷ）３２を備える。
前記制御装置３０は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）により構成され、ＣＰＵがメモリに記憶されたプログラムを実行することで発電制御部等、各種機能制御部等として動作し、燃料電池システム１２を含む燃料電池車両１０の各構成要素を図示しない制御線（無線も含む。）を通じて統括制御する。
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック（燃料電池）３４、酸化剤ガス供給装置３６、及び燃料ガス供給装置３８を備える。
酸化剤ガス供給装置３６は、燃料電池スタック３４に酸化剤ガスを供給し、燃料ガス供給装置３８は、前記燃料電池スタック３４に燃料ガスを供給する。
燃料電池スタック３４は、複数の発電セル４０が積層される。発電セル４０は、電解質膜・電極構造体４４と、前記電解質膜・電極構造体４４を挟持するセパレータ４５、４６とを備える。
電解質膜・電極構造体４４は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜４１と、前記固体高分子電解質膜４１を挟持するカソード電極４２及びアノード電極４３とを備える。
カソード電極４２及びアノード電極４３は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４１の両面に形成される。
一方のセパレータ４５の電解質膜・電極構造体４４に向かう面には酸化剤ガス入口連通口５８ａと酸化剤ガス出口連通口５８ｂとを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）４７が形成される。
他方のセパレータ４６の電解質膜・電極構造体４４に向かう面には、燃料ガス入口連通口５６ａと燃料ガス出口連通口５６ｂとを連通するアノード流路（燃料ガス流路）４８が形成される。
積層された発電セル４０の出力、すなわち燃料電池スタック３４の出力（高電圧の発電電圧Ｖｆｃの発電電力）は、制御装置３０による制御下に、昇圧コンバータ１８及びインバータ２０を通じてモータ２４に供給されるとともに、昇圧コンバータ１８、昇降圧コンバータ（降圧コンバータとして機能）２６、及びコンタクタ４９を通じて高圧バッテリ１４に充電可能である。
また、燃料電池スタック３４の出力（発電電圧Ｖｆｃの発電電力）は、昇圧コンバータ１８、昇降圧コンバータ（降圧コンバータとして機能）２６、及び降圧コンバータ２８を通じて低圧バッテリ１６に充電可能である。
高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈの電力は、例えば、電源スイッチ３２がオフ（ＯＦＦ）状態からオン（ＯＮ）状態に遷移する起動時（始動時）あるいは燃料電池車両１０の走行中のアクセル操作による加速時に昇降圧コンバータ（昇圧コンバータとして機能）２６、及びインバータ２０を通じてモータ２４を駆動可能である。
減速時に発生するモータ２４の回生電力は、インバータ２０、昇降圧コンバータ（降圧コンバータとして機能）２６を通じて、高圧バッテリ１４に充電される。
さらに、高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈの電力は、コンタクタ４９、５０を通じてエアポンプ（ＡＰ、エアコンプレッサ）５２を駆動可能である。
低圧バッテリ１６の低電圧Ｖｌの電力は、排気再循環ポンプ（ＥＧＲポンプ）５４、インジェクタ５７、制御装置３０、及び後述する各種電磁バルブの他、図示しないエアコンディショナ等に供給される。
なお、この実施形態において、ＥＧＲポンプ５４は、正回転又は逆回転が可能な可変容量形のポンプ、具体的にはベーンポンプとされている。
燃料電池スタック３４には、アノード流路４８を通じてアノード電極４３に燃料ガス（例えば、水素ガス）を供給する燃料ガス入口連通口５６ａ及び燃料ガス出口連通口５６ｂが設けられる。
燃料電池スタック３４には、カソード流路４７を通じてカソード電極４２に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給する酸化剤ガス入口連通口５８ａ及び酸化剤ガス出口連通口５８ｂが設けられる。
なお、燃料電池スタック３４には、各発電セル４０に図示しない冷却媒体を流通させる冷却媒体入口連通口（不図示）及び冷却媒体出口連通口（不図示）が設けられる。
酸化剤ガス供給装置３６には、大気からの空気を吸入し圧縮して酸化剤ガスとして燃料電池スタック３４に供給するエアポンプ５２が、酸化剤ガス供給路６０に配設される。
酸化剤ガス供給路６０には、加湿器（ＨＵＭ）６２と、バイパスバルブ６４を介して前記加湿器６２をバイパスするバイパス路６６とが設けられる。
酸化剤ガス供給路６０は、加湿器６２及び酸化剤ガス供給路６５を通じて燃料電池スタック３４の酸化剤ガス入口連通口５８ａに連通する。
酸化剤ガス出口連通口５８ｂには、酸化剤排ガス排出路６７及び加湿器６２を通じて、酸化剤排ガス排出路６８が連通する。酸化剤排ガス排出路６８と酸化剤ガス供給路６０との間にはＥＧＲポンプ５４が設けられている。
ＥＧＲポンプ５４は、酸化剤ガス出口連通口５８ｂから排出されたガスである酸化剤排ガス（カソードオフガス）の一部を酸化剤ガス入口連通口５８ａ側に還流させる。
エアポンプ５２の酸化剤ガス供給路６０側には、入口封止バルブ７０が配設される。
酸化剤排ガス排出路６８には、出口封止バルブ７２が設けられるとともに、出口封止バルブ７２の下流には、背圧制御バルブ７４を通じて希釈器７６が接続される。
酸化剤排ガス排出路６８には、酸化剤ガス導入路７９から大気を導入する際に開かれる空気吸入バルブ７８が設けられる。
燃料ガス供給装置３８は、高圧水素を貯留する高圧の水素タンク（アキュムレータ）８０を備え、前記高圧の水素タンク８０は、燃料ガス供給路８２を介して燃料電池スタック３４の燃料ガス入口連通口５６ａに連通する。燃料ガス供給路８２には、遮断バルブ８４、流量調整用のインジェクタ５７及びエゼクタ８６が、水素ガス流れ方向に沿って、順次、設けられる。
燃料電池スタック３４の燃料ガス出口連通口５６ｂには、燃料排ガス路８８が連通する。燃料排ガス路８８は、気液分離器９０に接続されるとともに、前記気液分離器９０には、液体成分（液水）を排出するドレン路９２と、水素及び窒素を含む気体成分を排出する気体路９４とが設けられる。気体路９４は、循環路９６を介してエゼクタ８６に接続される一方、パージバルブ９８の開放作用下に希釈器７６に連通する。ドレン路９２は、ドレンバルブ１００を介して希釈器７６に連通する。
希釈器７６は、燃料電池スタック３４の燃料ガス出口連通口５６ｂから排出される燃料排ガス（水素ガスを含有するアノードオフガス）と、前記燃料電池スタック３４の酸化剤ガス出口連通口５８ｂから排出される酸化剤排ガス（酸素を含有するカソードオフガス）とを混在させて、水素濃度を規定値以下に希釈する機能を有する。
酸化剤ガス供給路６５、酸化剤排ガス排出路６７、燃料ガス供給路８２、燃料排ガス路８８及び高圧の水素タンク８０の出口側には、それぞれ圧力計１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ及び１０２ｅが配置される。酸化剤ガス供給路６５には、湿度計１０３が配置される。酸化剤排ガス排出路６７、燃料排ガス路８８には、温度計１０４ａ、１０４ｂが配置される。
高圧バッテリ１４及び低圧バッテリ１６には、それぞれ電圧計１０６ａ、１０６ｂ、電流計１０７ａ、１０７ｂ及び温度計１０８ａ、１０８ｂが配置される。昇圧コンバータ１８、昇降圧コンバータ２６、降圧コンバータ２８及びインバータ２０等の電気回路には、図示しない電圧計、電流計及び温度計が配置される。
［走行時等における燃料電池システム１２の通常動作］
基本的には以上のように構成される燃料電池車両１０の走行時等における燃料電池システム１２の通常動作（通常発電動作）について、燃料ガス、酸化剤ガス、電力の流れに矢線を付けた図２を参照して、以下に説明する。
通常動作時には、高電圧Ｖｈの電力で動作するエアポンプ５２から酸化剤ガス供給路６０に酸化剤ガス（空気）が送られる。この酸化剤ガスは、加湿器６２を通って加湿された後、又は、バイパス路６６を通って前記加湿器６２をバイパスした後、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス入口連通口５８ａに供給される。
なお、加湿器６２は、酸化剤ガス（乾燥した空気）が流通する流路６３ａと、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス出口連通口５８ｂからの排出ガス（湿潤な酸化剤排ガス、カソードオフガス）が、燃料電池スタック３４の酸化剤ガス出口連通口５８ｂ及び酸化剤排ガス排出路６７を通じて流通する流路６３ｂを有し、エアポンプ５２から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有している。すなわち、加湿器６２は、カソードオフガス中に含まれる水分を、多孔質膜を介して供給ガス（酸化剤ガス）に移動させる。
このときの加湿の程度は、固体高分子電解質膜４１を加湿して燃料電池スタック３４において発電性能が良好に発揮される加湿量に設定される。加湿量の設定は、湿度計１０３を参照した制御装置３０によるバイパスバルブ６４の開度制御により行われる。
一方、燃料ガス供給装置３８では、インジェクタ５７の開放作用下に、高圧の水素タンク８０から燃料ガス供給路８２に水素ガス（燃料ガス）が供給される。この水素ガスは、循環路９６を通じてエゼクタ８６に吸引されたアノードオフガスと混合されてエゼクタ８６を通った後、燃料電池スタック３４の燃料ガス入口連通口５６ａに供給される。
燃料電池スタック３４内で、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通口５８ａから各発電セル４０のカソード流路４７を介してカソード電極４２に供給される。一方、水素ガスは、燃料ガス入口連通口５６ａから各発電セル４０のアノード流路４８を介してアノード電極４３に供給される。従って、各発電セル４０では、カソード電極４２に供給される空気中に含まれる酸素ガスと、アノード電極４３に供給される水素ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。
次いで、カソード電極４２に供給されて消費された空気からなるカソードオフガス及び反応生成水は、酸化剤ガス出口連通口５８ｂに排出され、酸化剤排ガス排出路６８を流通して希釈器７６に導入される。同様に、アノード電極４３に供給されて消費された水素ガスは、アノードオフガス（一部が消費された燃料ガス）として燃料ガス出口連通口５６ｂに排出される。アノードオフガスは、燃料排ガス路８８から気液分離器９０に導入されて液体成分（液水）が除去された後、気体路９４から循環路９６を介してエゼクタ８６に吸引される。
複数の発電セル４０が電気的に直列に接続された燃料電池スタック３４により発電された高電圧の発電電圧Ｖｆｃの電力は、昇圧コンバータ１８を介してモータ２４の必要駆動トルクを得るためにさらに高電圧（駆動電圧）Ｖｉｎｖの電力に変換されてインバータ２０の入力側に供給される。
インバータ２０は、図示しないアクセル開度に基づいてデューティが制御されモータ２４を３相ＰＷＭ駆動する。これにより燃料電池車両１０が走行する。
燃料電池スタック３４により発電された発電電圧Ｖｆｃの電力に余裕がある場合、昇降圧コンバータ２６を通じ、コンタクタ４９を介して高電圧Ｖｈの高圧バッテリ１４を充電するとともに、降圧コンバータ２８を介して低電圧Ｖｌの電力に変換して低圧バッテリ１６を充電する。
高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈの電力は、コンタクタ５０を介してエアポンプ５２に供給される。
低圧バッテリ１６の低電圧Ｖｌは、制御装置３０、インジェクタ５７、図示しないエアコンディショナ等に供給される。
高圧バッテリ１４及び低圧バッテリ１６の各ＳＯＣ（充電状態、満充電状態で１００［％］）は、電圧計１０６ａ、１０６ｂにより検出される電圧、電流計１０７ａ、１０７ｂにより検出される電流、及び温度計１０８ａ、１０８ｂにより検出される温度に基づいて図示しないマップが参照されて制御装置３０により算出される。
［燃料電池車両１０の停止時動作及びソーク後の起動時動作］
以上が走行時等における燃料電池システム１２の通常動作の説明である。次に、この発明の実施形態に係る燃料電池システムの起動方法について、これを実施する燃料電池システム１２を搭載する燃料電池車両１０の停止時動作及びソーク後の起動時動作について、図３のフローチャートを参照して、以下に説明する。
ステップＳ１での上述した通常動作（通常発電動作）中、ステップＳ２にて、燃料電池車両１０の停止時（停車時）に、電源スイッチ３２がＯＮ状態からＯＦＦ状態に遷移したか否かが判定される。
電源スイッチ３２がＯＦＦ状態に遷移したことが検出される（ステップＳ２：ＹＥＳ）と、ステップＳ３にて、ＥＧＲポンプ５４による停止時発電処理（エンドチャージ）を含む燃料電池システム１２の停止処理が行われる。
この停止処理では、エアポンプ５２が動作停止されコンタクタ５０が開かれて、エアポンプ５２の駆動が停止される。また、燃料ガス供給用のインジェクタ５７のデューティが小さくされ、燃料ガス流量が絞られる。
さらに、出口封止バルブ７２を閉じて、ＥＧＲポンプ５４を正転駆動し酸化剤ガス出口連通口５８ｂから吐出されるカソードオフガスを、酸化剤ガス入口連通口５８ａを通じて燃料電池スタック３４内のカソード流路４７に循環させるとともに、燃料電池スタック３４と高圧バッテリ１４とを電気的に接続するためのコンタクタ４９を閉じて燃料電池スタック３４の発電を行う。
この発電により、カソード側循環路内の酸素濃度を低下させ、窒素濃度を増大させるとともに、燃料電池スタック３４の発電電力を放電し、昇圧コンバータ１８及び昇降圧コンバータ２６を介して高圧バッテリ１４への充電（エンドチャージ）を行う。
この後、ＥＧＲポンプ５４の駆動を停止し、コンタクタ４９を開く。
このようにして、ステップＳ３では、燃料電池スタック３４の発電電圧Ｖｆｃを低下させるとともに、高圧バッテリ１４の電力を利用した次回の燃料電池車両１０の起動に備えている。
そして、ステップＳ４にて、燃料電池車両１０は、ソーク状態に至り、ソーク状態を継続する。
このソーク状態の継続中に、ステップＳ５にて、電源スイッチ３２がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移されたか否かが監視される。
電源スイッチ３２がＯＮ状態に遷移されたことが検出される（ステップＳ５：ＹＥＳ）と、ステップＳ６にて、高圧バッテリ１４及び低圧バッテリ１６の高電圧Ｖｈ及び低電圧Ｖｌがそれぞれ電圧計１０６ａ、１０６ｂにて取得されるとともに、高圧バッテリ１４及び低圧バッテリ１６の温度Ｔｈｖ、Ｔｌｖがそれぞれ温度計１０８ａ、１０８ｂにて取得される。なお、この時点では、コンタクタ４９、５０は開状態になっているので、高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈは、開回路電圧Ｖｈｏｃｖが測定される。
このステップＳ６では、高電圧Ｖｈの開回路電圧Ｖｈｏｃｖ及び温度Ｔｈｖに基づき高圧バッテリ１４のＳＯＣが算出され、低電圧Ｖｌ及び温度Ｔｌｖに基づき低圧バッテリ１６のＳＯＣが算出される。
次いで、ステップＳ７にて、高圧バッテリ１４の開回路電圧Ｖｈｏｃｖが、エアポンプ５２を駆動可能な閾値電圧Ｖｔｈ（閾値電圧Ｖｔｈは、温度Ｔｈｖに応じて異なる値とされている。特に、温度Ｔｈｖが氷点下以下の温度になっている場合には、氷点下以上の温度の場合に比較して低い値の閾値電圧とされる。）以上の電圧であるか否かが判定される。
Ｖｈｏｃｖ≧Ｖｔｈと、高圧バッテリ１４の開回路電圧Ｖｈｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈ以上の電圧であった（ステップＳ７：ＹＥＳ）場合には、エアポンプ５２を駆動可能な高電圧となっているので、ステップＳ８にて、コンタクタ５０が閉状態とされてエアポンプ５２が起動される。以降、ステップＳ１の通常発電動作が実施される。
一方、ステップＳ７の判定にて、Ｖｈｏｃｖ＜Ｖｔｈと、高圧バッテリ１４の開回路電圧Ｖｈｏｃｖが閾値電圧Ｖｔｈ未満の電圧であった（ステップＳ７：ＮＯ）場合には、高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈによりエアポンプ５２を駆動することができない電圧であると判断し、ステップＳ９にて、ＥＧＲポンプ５４を利用した起動時発電処理を実行する。
ＥＧＲポンプ５４を利用した起動時発電処理（実施形態に係る燃料電池システムの起動方法）を、図４のタイムチャート及び図５を参照して説明する。
時点ｔ１にて、電源スイッチ３２がＯＦＦ状態からＯＮ状態とされた（ステップＳ５：ＹＥＳ）場合に、ステップＳ７の判定が非成立（ステップＳ７：ＮＯ、Ｖｈｏｃｖ＜Ｖｔｈ）のとき、エアポンプ５２がＯＦＦ状態で、空気吸入バルブ７８の閉状態下に、時点ｔ１にてＥＧＲポンプ５４が逆転駆動開始される。時点ｔ１～時点ｔ２の間、ＥＧＲポンプ５４の逆回転駆動により燃料電池システム１２のカソード経路（ＥＧＲポンプ５４→酸化剤排ガス排出路６７→カソード流路４７→酸化剤ガス供給路６５→酸化剤ガス供給路６０→ＥＧＲポンプ５４）で内部空気が循環される（図５参照）。
ＥＧＲポンプ５４が逆回転駆動されてカソード循環経路で内部空気（カソードオフガス）が循環されている時点ｔ２にて空気吸入バルブ７８が開かれると、内部空気循環による負圧により大気が酸化剤ガス導入路７９から空気吸入バルブ７８を介して酸化剤排ガス排出路６７側に吸い込まれ、酸化剤ガス出口連通口５８ｂからカソード流路４７に導入されることで、カソード流路４７内の酸素濃度が上がる。
なお、空気吸入バルブ７８及び酸化剤ガス導入路７９が設けられていないシステムの場合には、出口封止バルブ７２及び背圧制御バルブ７４をともに開いて、希釈器７６側から大気を導くようにしてもよい。また、空気吸入バルブ７８を開く際には、出口封止バルブ７２及び背圧制御バルブ７４を同時に開いてもよい。
そこで、時点ｔ３にて、遮断バルブ８４を開き、インジェクタ５７を駆動して、水素タンク８０から燃料ガスを吐出させ、燃料ガスをアノード経路（燃料ガス供給路８２→エゼクタ８６→アノード流路４８→燃料排ガス路８８→循環路９６→エゼクタ８６）内を循環させるとともに、高圧バッテリ１４のコンタクタ４９を閉じる。
これにより、時点ｔ３～時点ｔ４の間、水素タンク８０から燃料ガスが供給されて、ＥＧＲポンプ５４を利用した起動時発電（高圧バッテリ１４のＳＯＣ低下時充電）が行われる。
すなわち、時点ｔ３～時点ｔ４の間、燃料電池スタック３４の発電電力は、昇圧コンバータ１８、昇降圧コンバータ２６、及びコンタクタ４９を介してＳＯＣが低下している高圧バッテリ１４を充電する。
このステップＳ９の起動時発電中に、ＥＧＲポンプ５４の逆転駆動により高圧バッテリ１４の充電が進み、ステップＳ７の判定が成立（Ｖｈｏｃｖ≧Ｖｔｈ）するか否かが監視される。
なお、時点ｔ３にて、コンタクタ４９が閉じたときに電流計１０７ａにより検出した電流値及び電圧計１０６ａにより検出した高電圧Ｖｈ、並びに、コンタクタ４９が開いている間（時点ｔ１～時点ｔ３）に、電圧計１０６ａにより検出した開回路電圧Ｖｈｏｃｖから高圧バッテリ１４の内部抵抗値を推定して、時点ｔ３～時点ｔ４の間での高圧バッテリ１４の開回路電圧Ｖｈｏｃｖを推定することができる。
ステップＳ７の判定が成立（Ｖｈｏｃｖ≧Ｖｔｈ）した時点ｔ４にて、コンタクタ５０及び空気吸入バルブ７８が閉じられ、高圧バッテリ１４の高電圧Ｖｈの電力によりエアポンプ５２が駆動され、図２を参照して説明したステップＳ１の通常発電動作が開始される。
上記実施形態は、以下のような変形例も可能である。
［変形例］
ＥＧＲポンプ５４が、ベーンポンプ等の正回転及び逆回転可能なポンプではない、例えば、羽根車を利用したターボポンプ（ＥＧＲポンプ５４Ａという。）である場合には、図６に示すように、燃料電池システム１２Ａを備える燃料電池車両１０Ａにおいて、ＥＧＲポンプ５４Ａの管路に方向制御バルブ１１０を設ける。そして、方向制御バルブ１１０を制御装置３０によって切り換えることによりＥＧＲポンプ５４Ａが同一方向に回転していても、酸化剤ガスを図５に示したように逆流させることができる。
また、図６中、細い破線で示すように、空気吸入バルブ７８は、酸化剤ガス供給路６０側に空気吸入バルブ７８´及び酸化剤ガス導入路７９´として設けてもよい。
ただし、燃料電池システム１２、１２Ａでは、背圧制御バルブ７４による背圧制御を行うこと及び電極反応による反応生成水が流れることから酸化剤排ガス排出路６７、６８の管径が、酸化剤ガス供給路６０、６５の管径より大きいので、空気吸入バルブ７８は、酸化剤排ガス排出路６８側に設けることが大気を吸入し易く好ましい。
［実施形態及び変形例から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態及び変形例から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素には上記で（実施形態及び変形例）用いた符号を括弧書きで付けているが、該構成要素は、その符号をつけたものに限定されない。
この発明に係る燃料電池システムの起動方法は、酸化剤排ガスを燃料電池スタック（３４）のカソード流路（４７）の出口（５８ｂ）から前記カソード流路（４７）の入口に循環させる排気再循環路に排気再循環ポンプ（５４）が設けられた燃料電池システム（１２）の起動方法であって、高圧バッテリ（１４）と、エアポンプ（５２）と、低圧バッテリ（１６）と、燃料タンク（８０）とを備え、前記燃料電池システム（１２）の起動時に、前記高圧バッテリ（１４）の開回路電圧（Ｖｈｏｃｖ）を検出する工程（ステップＳ６）と、検出された前記開回路電圧（Ｖｈｏｃｖ）が前記エアポンプ（５２）を駆動可能な閾値電圧（Ｖｔｈ）未満である場合に、前記低圧バッテリ（１６）により前記排気再循環ポンプ（５４）を駆動して大気を吸い込ませ、前記燃料電池スタック（３４）に酸化剤ガスとして供給するとともに前記燃料タンク（８０）から燃料ガスを供給することで発電を開始する発電開始工程（ステップＳ９）と、前記排気再循環ポンプ（５４）による発電を、前記高圧バッテリ（１４）の開回路電圧（Ｖｈｏｃｖ）が前記閾値電圧（Ｖｔｈ）になるまで継続する発電継続工程（ステップＳ９）と、前記高圧バッテリ（１４）の前記開回路電圧（Ｖｈｏｃｖ）が前記閾値電圧（Ｖｔｈ）になったとき、前記排気再循環ポンプ（５４）を停止し、前記高圧バッテリ（１４）により前記エアポンプ（５２）を駆動し、前記エアポンプ（５２）から前記燃料電池スタック（３４）の発電に必要な酸化剤ガスを供給する本発電工程（ステップＳ１）と、を備える。
この発明によれば、高圧バッテリ（１４）のＳＯＣ（開回路電圧（Ｖｈｏｃｖ）にリンクする。）がエアポンプ（５２）を回転させることができなくなる程低下し、エアポンプ（５２）による酸化剤ガスの供給が不能となって、燃料電池システム（１２）の起動、ひいては車両（１０）の起動ができなくなる状態下の起動時には、排気再循環ポンプ（５４）を低圧バッテリ（１６）により駆動して大気を吸い込ませ、燃料電池スタック（３４）に酸化剤ガスとして供給するとともに、燃料タンク（８０）から燃料ガスを供給して発電し、高圧バッテリ（１４）を充電するようにしたので、充電された高圧バッテリ（１４）の高電圧（Ｖｈ）の電力により燃料電池システム（１２）の通常発電を実施することができる。
なお、前記燃料電池システム（１２）の酸化剤排ガス排出路（６８）又は酸化剤ガス供給路（６０）に空気吸入バルブ（７８、７８´）を設け、前記発電開始工程（ステップＳ９）から前記高圧バッテリ（１４）の前記開回路電圧（Ｖｈｏｃｖ）が前記閾値電圧（Ｖｔｈ）となるまで、前記空気吸入バルブ（７８又は７８´）を開き、前記燃料電池スタック（３４）に酸化剤ガスを供給することが好ましい。
これによれば、燃料電池スタック（３４）の酸化剤排ガス排出路（６８）又は酸化剤ガス供給路（６０）に空気吸入バルブ（７８、７８´）を設けることで、エアポンプを使わずに、酸化剤ガスを燃料電池スタック（３４）に供給することができる。
また、前記空気吸入バルブ（７８、７８´）を開く前記発電開始工程（ステップＳ９の時点ｔ３）の前に、前記排気再循環ポンプ（５４）を駆動する前記排気再循環ポンプ（５４）の予備駆動工程（ステップＳ９の時点ｔ１～時点ｔ２）を設け、該予備駆動工程（ステップＳ９の時点ｔ１～時点ｔ２）では、前記カソード流路（４７）に停留している酸化剤ガスを循環させるようにしてもよい。
空気吸入バルブ（７８、７８´）を開く前に、排気再循環ポンプ（５４）を駆動して、カソード流路（４７）に停留している酸化剤ガスを循環させるようにしたので大気を吸引する負圧形成が容易になる。
さらに、前記排気再循環ポンプ（５４）を駆動する際、前記発電継続工程（時点ｔ３～時点ｔ４）の開始時（時点ｔ３）までは、前記カソード流路（４７）の入口（５８ａ）から前記排気再循環路を通り前記カソード流路（４７）の出口（５８ｂ）へ向かう逆方向に酸化剤ガスが循環するように前記排気再循環ポンプ（５４）を駆動するようにしてもよい。
このように、起動時に、排気再循環ポンプ（５４）を駆動する際、発電継続工程の開始時（時点ｔ３）までは、カソード流路（４７）の入口（５８ａ）から前記排気再循環路を通りカソード流路（４７）の出口（５８ｂ）へ向かう逆方向に酸化剤ガスが循環するように排気再循環ポンプ（５４）を駆動するようにしているので、カソード流路（４７）の出口（５８ｂ）側から燃料電池スタック（３４）内に大気を吸い込ませることが容易になる。
さらにまた、前記排気再循環ポンプ（５４）が逆回転不能な形式のポンプである場合には、方向制御バルブ（１１０）を配設し、前記カソード流路（４７）の入口（５８ａ）から前記排気再循環路を通り前記カソード流路（４７）の出口（５８ｂ）への逆方向に酸化剤ガスが循環するように前記方向制御バルブ（１１０）を切り換えることで、カソード流路（４７）の入口（５８ａ）から排気再循環路を通りカソード流路（４７）の出口への逆方向に酸化剤ガスを容易に循環させることができる。
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
１０、１０Ａ…燃料電池車両 １２、１２Ａ…燃料電池システム
１４…高圧バッテリ １６…低圧バッテリ
１８…昇圧コンバータ ２０…インバータ
２４…モータ ２６…昇降圧コンバータ
２８…降圧コンバータ ３０…制御装置
３２…電源スイッチ ３４…燃料電池スタック
３６…酸化剤ガス供給装置 ３８…燃料ガス供給装置
４０…発電セル ４１…固体高分子電解質膜
４２…カソード電極 ４３…アノード電極
４４…電解質膜・電極構造体 ４５、４６…セパレータ
４７…カソード流路 ４８…アノード流路
４９、５０…コンタクタ ５２…エアポンプ
５４、５４Ａ…ＥＧＲポンプ ５６ａ…燃料ガス入口連通口
５６ｂ…燃料ガス出口連通口 ５７…インジェクタ
５８ａ…酸化剤ガス入口連通口 ５８ｂ…酸化剤ガス出口連通口
６０、６５…酸化剤ガス供給路 ６２…加湿器
６３ａ、６３ｂ…流路 ６４…バイパスバルブ
６６…バイパス路 ６７、６８…酸化剤排ガス排出路
７０…入口封止バルブ ７２…出口封止バルブ
７４…背圧制御バルブ ７６…希釈器
７８、７８´…空気吸入バルブ ７９、７９´…酸化剤ガス導入路
８０…水素タンク ８２…燃料ガス供給路
８４…遮断バルブ ８６…エゼクタ
８８…燃料排ガス路 ９０…気液分離器
９２…ドレン路 ９４…気体路
９６…循環路 ９８…パージバルブ
１００…ドレンバルブ １０２ａ～１０２ｅ…圧力計
１０３…湿度計
１０４ａ、１０４ｂ、１０８ａ、１０８ｂ…温度計
１０６ａ、１０６ｂ…電圧計 １０７ａ、１０７ｂ…電流計
１１０…方向制御バルブ

Claims (5)

  1. 酸化剤排ガスを燃料電池スタックのカソード流路の出口から前記カソード流路の入口に循環させる排気再循環路に排気再循環ポンプが設けられた燃料電池システムの起動方法であって、
    高圧バッテリと、エアポンプと、低圧バッテリと、燃料タンクとを備え、
    前記燃料電池システムの起動時に、前記高圧バッテリの開回路電圧を検出する工程と、
    検出された前記開回路電圧が前記エアポンプを駆動可能な閾値電圧未満である場合に、前記低圧バッテリにより前記排気再循環ポンプを駆動して大気を吸い込ませ、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスとして供給するとともに前記燃料タンクから燃料ガスを供給することで発電を開始する発電開始工程と、
    前記排気再循環ポンプによる発電を、前記高圧バッテリの開回路電圧が前記閾値電圧になるまで継続する発電継続工程と、
    前記高圧バッテリの前記開回路電圧が前記閾値電圧になったとき、前記排気再循環ポンプを停止し、前記高圧バッテリにより前記エアポンプを駆動し、前記エアポンプから前記燃料電池スタックの発電に必要な酸化剤ガスを供給する本発電工程と、
    を備える燃料電池システムの起動方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムの起動方法において、
    前記燃料電池スタックの酸化剤排ガス排出路又は酸化剤ガス供給路に空気吸入バルブを設け、
    前記発電開始工程から前記高圧バッテリの前記開回路電圧が前記閾値電圧となるまで、前記空気吸入バルブを開き、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する
    燃料電池システムの起動方法。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムの起動方法において、
    前記空気吸入バルブを開く前記発電開始工程の前に、前記排気再循環ポンプを駆動する前記排気再循環ポンプの予備駆動工程を設け、該予備駆動工程では、前記カソード流路に貯留している酸化剤ガスを循環させる
    燃料電池システムの起動方法。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの起動方法において、
    前記排気再循環ポンプを駆動する際、前記発電継続工程の開始時までは、前記カソード流路の入口から前記排気再循環路を通り前記カソード流路の出口へ向かう逆方向に酸化剤ガスが循環するように前記排気再循環ポンプを駆動する
    燃料電池システムの起動方法。
  5. 請求項４に記載の燃料電池システムの起動方法において、
    前記排気再循環ポンプが逆回転不能な形式のポンプである場合には、方向制御バルブを配設し、前記カソード流路の入口から前記排気再循環路を通り前記カソード流路の出口への逆方向に酸化剤ガスが循環するように前記方向制御バルブを切り換える
    燃料電池システムの起動方法。
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