JP7434399B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池システムに関する。

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池（ＦＣ）に関する研究開発が行われている。

例えば、特許文献１には、燃料電池システムの停止時に、アノード側に残存していた燃料ガスが電解質膜を介してカソード側に拡散し、起動時に、高濃度の燃料ガスがカソード側の排気管から大気に放出されてしまうことを防止する燃料電池システムが開示されている。

この燃料電池システムでは、起動時に、燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給するポンプの流量を低減するように前記ポンプの運転を制御することで、前記カソード側の排気管から大気に放出される燃料ガスの濃度の上昇を抑制している。

特開２００４－１７２０２７号公報

しかしながら、燃料電池システムの起動時に、酸化剤ガスを供給するポンプの流量を低減すると、起動時に、カソード側の排気管から燃料ガスを排気する排気時間が長くなるという課題がある。
この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

この発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給流路を通じて供給する酸化剤ガス供給装置と、前記発電に供された酸化剤オフガスを前記燃料電池スタックから排出する酸化剤オフガス排出流路と、前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤オフガス排出流路とを接続するバイパス流路と、前記酸化剤ガス供給流路の流量を調整する入口側封止弁と、前記酸化剤オフガス排出流路の流量を調整する出口側封止弁と、前記バイパス流路の流量を調整するバイパス弁と、前記入口側封止弁、前記出口側封止弁及び前記バイパス弁の開度を調整する制御装置と、を備え、前記制御装置は、当該燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤ガス供給装置から供給される前記酸化剤ガスの前記バイパス流路の流量が、前記酸化剤ガス供給流路及び前記酸化剤オフガス排出流路の流量よりも大きくなるように、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整する。

この発明によれば、燃料電池システムの起動時に、酸化剤ガスのバイパス流路の流量が、前記酸化剤ガス供給流路及び前記酸化剤オフガス排出流路の流量よりも大きくなるように、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整しているので、燃料電池システムの起動時に燃料電池スタックのカソード側に残留している燃料ガスの濃度を希釈しながら短時間に外部に排出することができる。

図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池自動車の概略構成図である。 図２は、燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。 図３は、起動時に燃料電池スタックのカソード側に残留する燃料ガスの濃度希釈排出時の流量比説明図である。 図４は、図２のフローチャートにより説明した動作の一例を示す起動時全体についてのタイミングチャートである。 図５は、図４中、カソード側残留水素希釈排出期間及びアノード側残留ガス置換期間の排気水素濃度等の遷移状態を示すタイミングチャートである。 図６は、変形例の燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。

［実施形態］
［構成］
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システム１０が組み込まれた燃料電池自動車１２の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池自動車１２以外の船舶、航空機、ロボット等の他の移動体にも組み込み可能である。

燃料電池自動車１２は、該燃料電池自動車１２全体を制御する制御装置１５と、前記燃料電池システム１０と、該燃料電池システム１０に電気的に接続される出力部１６とから構成される。

制御装置１５は、一つではなく、例えば、燃料電池システム１０用と出力部１６用等、二つ以上の制御装置に分けてもよい。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう）１８と、水素タンク（燃料ガスタンク）２０と、酸化剤ガス供給装置２２と、燃料ガス供給装置２４と、冷媒供給装置２６とから構成される。

酸化剤ガス供給装置２２には、コンプレッサ（ＣＰ）２８及び加湿器（ＨＵＭ）３０が含まれる。

燃料ガス供給装置２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３２、エジェクタ３４及び気液分離器３６が含まれる。インジェクタ３２は、減圧弁に代替してもよい。
冷媒供給装置２６には、冷媒ポンプ（ＷＰ）３８及びラジエータ３９が含まれる。
出力部１６には、電圧変換部４２、蓄電部４３及びモータ（電動機）４６が含まれる。

電圧変換部４２には、インバータ４５と、昇圧コンバータであるＤＣ－ＤＣコンバータ（ＳＵＣ）４０と、昇降圧コンバータであるＤＣ－ＤＣコンバータ（ＳＵＤＣ）４１が含まれる。

蓄電部４３には、高電圧の蓄電装置（バッテリ、ＨＶ ＢＡＴ）４４、降圧コンバータであるＤＣ－ＤＣコンバータ（ＳＤＣ）４７、及び低電圧の蓄電装置（低圧バッテリ、ＬＶ ＢＡＴ）４８が含まれる。

燃料電池スタック１８に接続された電圧変換部４２及び高電圧の蓄電装置４４を備える蓄電部４３の負荷には、主機であるモータ４６と、高電圧の蓄電装置４４から電力が供給される高電圧補機であるコンプレッサ２８と、該コンプレッサ２８を除き、低電圧の蓄電装置４８から電力が供給される低電圧補機（例えば、エアコンディショナ及びそれぞれ後述する、各種センサ、各種電磁弁、インジェクタ３２及び冷媒ポンプ３８等）が含まれる。

ＤＣ－ＤＣコンバータ４０は、直流電圧の発電電圧Ｖｆｃを昇圧変換し、インバータ４５の直流端及びＤＣ－ＤＣコンバータ４１に駆動用の高電圧を印加する。

ＤＣ－ＤＣコンバータ４１は、前記駆動用の高電圧を、高電圧の蓄電装置４４のバッテリ電圧Ｖｂｈに降圧変換し、高電圧の蓄電装置４４を充電する。

ＤＣ－ＤＣコンバータ４７は、高電圧のバッテリ電圧Ｖｂｈを低電圧のバッテリ電圧Ｖｂｌに降圧し、低電圧の蓄電装置４８を充電する。

インバータ４５の直流端には、ＤＣ－ＤＣコンバータ４１によりバッテリ電圧Ｖｂｈが昇圧変換された高電圧及び／又はＤＣ－ＤＣコンバータ４０により発電電圧Ｖｆｃが昇圧変換された高電圧が印加される。

インバータ４５は、直流の前記高電圧を３相交流に変換してモータ４６を駆動する。インバータ４５は、モータ４６の回生電圧を直流の高電圧に変換する。この直流の高電圧は、ＤＣ－ＤＣコンバータ４１により低圧変換され、高電圧の蓄電装置４４に印加されて該高電圧の蓄電装置４４を充電する。
燃料電池自動車１２は、モータ４６が発生する駆動力により走行する。

燃料電池スタック１８は、複数の発電セル５０が積層される。発電セル５０は、電解質膜・電極構造体５２と、該電解質膜・電極構造体５２を挟持するセパレータ５３、５４とを備える。

電解質膜・電極構造体５２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５５と、前記固体高分子電解質膜５５を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５７とを備える。

カソード電極５６及びアノード電極５７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。ガス拡散層の表面に、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が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５５の両面に形成される。

一方のセパレータ５３の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には酸化剤ガス入口連通口１０１と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）５８が形成される。

他方のセパレータ５４の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には、燃料ガス入口連通口１０３と燃料ガス出口連通口１０４とを連通するアノード流路（燃料ガス流路）５９が形成される。

アノード電極５７では、燃料ガス（水素）が供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じ、該水素イオンが固体高分子電解質膜５５を透過してカソード電極５６に移動する一方、水素分子から電子が解放される。

水素分子から解放された電子は、負極端子１０６から電圧変換部４２を介してモータ４６等の負荷を通じ、正極端子１０８を介してカソード電極５６に移動する。

カソード電極５６では、触媒の作用によって前記水素イオン及び前記電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。

正極端子１０８及び負極端子１０６とＤＣ－ＤＣコンバータ４０を接続する配線の間には、発電電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ１１０が設けられる。さらに、正極端子１０８とＤＣ－ＤＣコンバータ４０を接続する配線には、発電電流Ｉｆｃを検出する電流センサ１１２が設けられる。

電圧センサ１１０と電流センサ１１２により、発電状態として発電電力を検出する発電状態取得部１１５が形成される。
発電状態取得部１１５は、電流センサ１１２のみにより形成してもよい。

コンプレッサ２８は、高電圧の蓄電装置４４のバッテリ電圧Ｖｂｈが印加されるコンプレッサ用インバータ（不図示）及び該コンプレッサ用インバータの３相交流出力により制御されるコンプレッサ用モータ（不図示）により駆動される機械式の過給器等で構成される。

コンプレッサ２８は、外気取入口１１３から外気（大気、空気）を吸引して加圧し、加湿器３０を通じて燃料電池スタック１８に供給する等の機能を有する。

加湿器３０は、流路３１Ａと流路３１Ｂとを有する。流路３１Ａには、コンプレッサ２８により圧縮され高温化されて乾燥した空気（酸化剤ガス）が流通する。流路３１Ｂには、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口連通口１０２から酸化剤オフガス出口９２を介して排出される排出ガスが流通する。

ここで、前記排出ガスは、後述するブリード弁７０の閉弁時には、湿潤な酸化剤オフガス（湿潤な酸化剤排ガス）とされ、ブリード弁７０の開弁時には、前記湿潤な酸化剤オフガスと燃料オフガスが混合された湿潤な排出ガスとされる。

加湿器３０は、コンプレッサ２８から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有する。すなわち、加湿器３０は、前記排出ガス（オフガス）中に含まれる水分を、流路３１Ｂから内部の多孔質膜を介して流路３１Ａに流通する供給ガス（酸化剤ガス）に移動させて加湿し、加湿した酸化剤ガスを、酸化剤ガス入口９１を通じて燃料電池スタック１８に供給する。

外気取入口１１３から酸化剤ガス入口９１までの酸化剤ガス供給流路６２（酸化剤ガス供給流路６２Ａ、６２Ｂを含む）には、外気取入口１１３から順にエアフローセンサ（ＡＦＳ：流量センサ）１１６、コンプレッサ２８、入口側封止弁１１８及び加湿器３０が設けられている。なお、二重線で描いている酸化剤ガス供給流路６２等の流路は、配管により形成されている（以下、同様）。入口側封止弁１１８は、酸化剤ガス供給流路６２を開閉する。

酸化剤オフガス出口９２に連通する酸化剤オフガス排出流路６３には、酸化剤オフガス出口９２から順に加湿器３０及び背圧弁としても機能する出口側封止弁１２０が設けられている。

入口側封止弁１１８の吸入口と出口側封止弁１２０の吐出口との間には、酸化剤ガス供給流路６２と酸化剤オフガス排出流路６３を連通するバイパス流路６６が設けられている。バイパス流路６６には、バイパス流路６６を開閉するバイパス弁１２２が設けられている。
バイパス弁１２２は、燃料電池スタック１８をバイパスする酸化剤ガスの流量を調整する。
バイパス流路６６と酸化剤オフガス排出流路６３との合流路は、排出流路６４に連通している。

水素タンク２０は、電磁作動式の水素遮断弁２１を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。

水素タンク２０から吐出される燃料ガス（水素）は、燃料ガス供給流路７２に設けられたインジェクタ３２及びエジェクタ３４を通じ、燃料電池スタック１８の燃料ガス入口９３及び燃料ガス入口連通口１０３を介してアノード流路５９の入口に供給される。

この場合、燃料ガス供給流路７２には、該燃料ガス供給流路７２内の燃料ガスのガス圧力（アノード圧力）Ｐａを検出（測定）する圧力センサ７３が設けられる。

アノード流路５９の出口は、燃料ガス出口連通口１０４、燃料オフガス出口９４及び燃料ガスの燃料オフガス排出流路７４を通じて気液分離器３６の入口１５１に連通され、該気液分離器３６にアノード流路５９から水素含有ガスである前記燃料オフガスが供給される。

また、燃料電池スタック１８を収容するケースの下端部（底部）には、燃料ガス出口連通口１０４に連通するケース側排出流路であるケース下端側排出流路１７２が設けられている。ケース下端側排出流路１７２は、ケース下端側開閉弁であるケース側ドレイン弁（排出弁）１７４を通じて排出流路９９に連通している。

ケース側ドレイン弁１７４が開弁されると、前記ケース内の底部に溜まった液水がケース下端側排出流路１７２に排出される。液水の排出が完了した後にも、ケース側ドレイン弁１７４が開弁状態にされていると、後述するドレイン弁（排出弁）１６４と同様に、燃料オフガスが排出される。

実際上、アノード流路５９には、燃料電池スタック１８の発電により生成された水の一部が、カソード流路５８から電解質膜・電極構造体５２を逆拡散（透過）して移動してくる。

この逆拡散水をケース下端側排出流路１７２、燃料オフガス排出流路７４あるいは循環流路７７から適切に排水できない場合、燃料電池スタック１８のアノード電極５７に水が浸入してアノード流路（燃料ガス流路）５９を塞いでしまい、燃料電池スタック１８の発電安定性の悪化を引き起こす。

この不都合を防止するために、水を一時的に貯留する気液分離器３６は、前記燃料オフガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。

燃料オフガスの気体成分（燃料オフガス）は、気液分離器３６の気体排出口１５２から排出され、循環流路７７を通じてエジェクタ３４の吸込口に供給される一方、ブリード弁７０が開弁されたときに、燃料オフガスは、接続流路（連絡流路）７８、ブリード弁７０を介し、酸化剤ガス供給流路６２Ｂにも供給される。

逆拡散水からなる、燃料オフガスの液体成分（液水）は、気液分離器３６の液体排出口１６０からドレイン弁１６４が設けられたドレイン流路１６２を通じ、排出流路６４から排出される排出ガスと混合され排出流路９９及び排ガス排気口１６８を通じて外気に排出される。

ドレイン流路１６２には、前記液水と共に、一部の燃料オフガス（水素含有ガス）が排出される。また、ドレイン流路１６２には、前記液水の排出完了後には、燃料オフガス（水素含有ガス）のみが排出されることになる。

燃料オフガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、コンプレッサ２８から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス流路６６を通じて、排出流路６４に供給されている。

ドレイン流路１６２から水が抜けた後も、ドレイン弁１６４を開け続けた場合、水素を無駄に捨ててしまうことになるため、気液分離器３６から水が排水された後は、ドレイン弁１６４を適切に閉弁する必要がある。

なお、ドレイン弁１６４は、燃料電池自動車１２のソーク時（電源スイッチ７１がオフ状態の期間）等にカソード流路５８から電解質膜・電極構造体５２を透過してきた窒素を排出するために起動時に開かれる。

起動時にアノード側に残留する窒素等のガスを外部に排出して燃料ガスに入れ替える処理を、アノード側残留ガス置換処理という。

なお、燃料電池自動車１２のソーク時（電源スイッチ７１がオフ状態の期間）等にアノード流路５９から電解質膜・電極構造体５２を透過してきた燃料ガスを、起動時に外部に希釈して排出する処理を、カソード側残留水素希釈排出処理という。

燃料オフガスの循環流路７７と酸化剤ガス供給流路６２Ｂを連通する接続流路７８に設けられたブリード弁７０は、燃料電池自動車１２の走行中に、カソード流路５８に存在する窒素が電解質膜・電極構造体５２を透過してアノード流路５９内の水素濃度を低下させることを原因とするアノード電極５７の劣化を防止するために開弁される。

ブリード弁７０が開弁されると、燃料電池スタック１８から燃料オフガス排出流路７４を通じ、気液分離器３６を介して吐出される燃料オフガスを、接続流路７８、酸化剤ガス供給流路６２Ｂ、酸化剤ガス入口９１及び酸化剤ガス入口連通口１０１を介してカソード流路５８に流通させる。

カソード流路５８に流通された燃料オフガス中の燃料ガスは、カソード電極５６での触媒反応により水素イオン化され、該水素イオンは酸化剤ガスと反応して水が生成される。

反応しなかった残部の燃料オフガス（窒素ガスと未反応の僅かな水素ガスとからなる）は、燃料電池スタック１８から酸化剤オフガスとして排出され、酸化剤オフガス排出流路６３に流通する。

酸化剤オフガス排出流路６３に流通する酸化剤オフガス（前記反応しなかった残部の燃料オフガスを含む）に酸化剤ガスのバイパス流路６６を通じて供給された酸化剤ガスが混合されて、酸化剤オフガス中の燃料オフガス（燃料ガスを含む）の濃度が希釈された酸化剤オフガスが、排出流路６４に流通する。

排出流路６４は、ドレイン流路１６２及びケース下端側排出流路１７２に連通し、合流して排出流路９９に連通する。

排出流路９９では、排出流路６４からの酸化剤オフガスにより、ケース下端側排出流路１７２及びドレイン流路１６２から吐出される液水と燃料オフガスの混合流体中の燃料ガスが希釈され、排ガス排気口１６８を通じて燃料電池自動車１２の外部（大気）に排出される。

燃料電池システム１０の冷媒供給装置２６は、冷媒（クーラント：ｃｌａ）を流通させる冷媒流路１３８を有する。冷媒流路１３８は、冷媒供給流路１４０と冷媒排出流路１４２とを有する。冷媒供給流路１４０は燃料電池スタック１８に冷媒を供給し、冷媒排出流路１４２は燃料電池スタック１８から冷媒を排出する。冷媒供給流路１４０及び冷媒排出流路１４２には、ラジエータ３９が接続される。

ラジエータ３９は冷媒を冷却する。冷媒供給流路１４０には、冷媒ポンプ３８が設けられる。冷媒ポンプ３８は、冷媒の循環回路内で冷媒を循環させる。冷媒の循環回路には、冷媒供給流路１４０、燃料電池スタック１８の内部冷媒流路、冷媒排出流路１４２及びラジエータ３９が含まれる。冷媒排出流路１４２に温度センサ７６が設けられる。該温度センサ７６により検出される冷却媒体の温度（冷媒出口温度）Ｔｓは、燃料電池スタック１８の（内部）温度であるものとして検出（測定）される。
以上の燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置１５によって統括制御される。

なお、入口側封止弁１１８、出口側封止弁１２０、ブリード弁７０、ドレイン弁１６４及びケース側ドレイン弁１７４は、制御装置１５により開度が制御される流量調整弁であるが、電磁制御式の開閉弁を用いデューティ制御してもよい。

制御装置１５は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成される。ＥＣＵは、１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、入出力インタフェース及び電子回路を有するコンピュータにより構成される。１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）は、メモリに記憶された図示しないプログラムを実行する。

制御装置１５のプロセッサ（ＣＰＵ）は、前記プログラムに従って演算を実行することで、燃料電池自動車１２及び燃料電池システム１０の運転制御を行う。

制御装置１５には、燃料電池自動車１２の電源スイッチ（電源ＳＷ）７１が接続されている。電源スイッチ７１は、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１８の発電運転を開始乃至継続（ＯＮ）させるか終了（ＯＦＦ）させる。制御装置１５には、また、それぞれ図示しないアクセル開度センサ、車速センサ、蓄電装置４４のＳＯＣセンサが接続される。

［動作］
この実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成される。以下、図２のフローチャートを参照しながら、燃料電池システム１０の動作について説明する。

図２のフローチャートによる処理は、電源スイッチ７１がＯＮ状態とされた燃料電池システム１０の起動時の制御装置１５による処理を示している。

ステップＳ１にて、制御装置１５は、電源スイッチ７１がＯＮ状態にあるかＯＦＦ状態にあるかを確認し、ＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移したとき、処理をステップＳ２に進める。

なお、電源スイッチ７１がＯＦＦ状態である燃料電池自動車１２のソーク状態では、全ての弁が閉弁状態にされている。電源スイッチ７１がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移すると、以下に説明するように、所定条件下、所定の手順で開閉される。

ステップＳ２にて、制御装置１５は、補機に電圧を印加して、処理をステップＳ３に進める。すなわち、コンプレッサ２８に高電圧の蓄電装置４４から高電圧のバッテリ電圧Ｖｂｈを印加すると共に、冷媒ポンプ３８、インジェクタ３２及び電圧変換部４２等に低電圧の蓄電装置４８から低電圧のバッテリ電圧Ｖｂｌを印加する。

ステップＳ３にて、制御装置１５は、ＤＣ－ＤＣコンバータ４１及びＤＣ－ＤＣコンバータ４０の接続点を所定目標電圧に設定する。

この設定（接続）中に、バイパス弁１２２の全閉位置及び全開位置間の開度（印加電圧開度特性）を学習し、電圧変換部４２の設定（接続）が確定したとき、処理をステップＳ４に進める。

ステップＳ４にて、制御装置１５は、バイパス弁１２２を所定開度に開弁する。ここでは、所定開度を全開にして、処理をステップＳ５に進める。

ステップＳ５にて、制御装置１５は、コンプレッサ２８の目標回転数Ｎｔａｒ［ｒｐｍ］を設定して起動すると共に、冷媒ポンプ３８の目標回転数を設定して起動し、処理をステップＳ６に進める。

ステップＳ６にて、制御装置１５は、コンプレッサ２８が目標回転数Ｎｔａｒ未満の閾値回転数Ｎｔｈ（コンプレッサ２８のインペラが浮上して起動が確定する回転数）まで回転数Ｎが上昇したか否かを判定する。

実際上、ステップＳ６にて、制御装置１５は、コンプレッサ２８が閾値回転数Ｎｔｈまで回転したか否かを、流量センサ１１６により検出されている酸化剤ガス流量［ｍ³／ｓｅｃ又はｋｇ／ｓｅｃ］が閾値流量Ｆｔｈ以上になったか否かにより判定し、閾値流量Ｆｔｈ以上になった（ステップＳ６：ＹＥＳ）とき、処理をステップＳ７に進める。

ステップＳ７にて、制御装置１５は、水素遮断弁２１を開弁し、圧力センサ７３により検出されるアノード圧力Ｐａの閾値圧力Ｐｔｈを設定して、インジェクタ３２を駆動し、燃料電池スタック１８への燃料ガスの供給を開始させる。このとき、制御装置１５は、燃料電池スタック１８の目標発電電圧（アイドリング時目標発電電圧）Ｖｆｃｔａｒを設定する。

ステップＳ８にて、制御装置１５は、アノード圧力Ｐａが閾値圧力Ｐｔｈ以上になったか否かを判定し、閾値圧力Ｐｔｈ以上となったときに、処理をステップＳ９に進める。

ステップＳ８の判定が肯定的となったとき、制御装置１５は、カソード流路５８及びカソード流路５８の酸化剤ガス入口９１に連通する閉弁中の入口側封止弁１１８までの酸化剤ガス供給流路６２Ｂ、閉弁中のブリード弁７０までの接続流路７８、並びにカソード流路５８の酸化剤オフガス出口９２に連通する閉弁中の出口側封止弁１２０までの酸化剤オフガス排出流路６３内に残留する燃料ガスの希釈排出処理（前記カソード側残留水素希釈排出処理）の準備が整ったものとみなす。

ステップＳ９にて、制御装置１５は、入口側封止弁１１８の弁開度を閉から全開に開弁し、出口側封止弁１２０の弁開度を、バイパス弁１２２の弁開度の１／ｎ（ｎは、ｎ＞１）に設定し、処理をステップＳ１０に進める。

入口側封止弁１１８が全開状態であれば、入口側封止弁１１８を通過する酸化剤ガスの流量は、背圧制御弁である出口側封止弁１２０の流量（開度）に依存する。

除数ｎは、燃料電池スタック１８のカソード側残留水素の濃度Ｄ［％］に応じて決める。なお、燃料ガス（水素）は、燃料電池自動車１２の電源スイッチ７１がオフ状態のソーク中にソーク時間に応じてアノード流路５９から電解質膜・電極構造体５２を透過してくる燃料ガスの量により決定されるので、予め測定され制御装置１５の記憶装置に記録されている。

図３は、起動時に燃料電池スタック１８のカソード側に残留する燃料ガス（水素）の濃度希釈排出時の流量比説明図である。この場合、例えば、ｎ＝９とすると、コンプレッサ２８から供給される酸化剤ガスの流量を仮に１０割（全量１０）としたとき、バイパス弁１２２に９割分の流量の酸化剤ガスが流れ、カソード流路５８に残りの１割分の流量の酸化剤ガスが流れる。

従って、排出流路６４に排出される濃度Ｄの燃料ガスを含む酸化剤オフガスの濃度（排気水素濃度）Ｄは、Ｄ÷（ｎ＋１）＝Ｄ÷１０［％］に希釈される。

ステップＳ９にて燃料電池スタック１８のカソード側残留水素希釈排出処理が開始される。なお、ステップＳ９では、燃料電池スタック１８の発電が開始される。

ステップＳ１０にて、制御装置１５は、ステップＳ９でカソード流路５８内に酸化剤ガスを投入開始したときからの酸化剤ガスの投入量［ｍ³］が、希釈制御が完了したとみなす閾値投入量Ｍｔｈ［ｍ³］になったか否かを判定する。なお、投入量の単位は、体積ではなく質量としてもよい。

投入量［ｍ³］は、入口側封止弁１１８及び出口側封止弁１２０を開弁した時点ｔ６以降の流量センサ１１６で計測される酸化剤ガス流量［ｍ³／ｓｅｃ］の時間積分値として算出することができる。

ステップＳ１０にて、制御装置１５は、酸化剤ガスの投入量が閾値投入量Ｍｔｈとなって希釈制御完了の判定が肯定的（ステップＳ１０：ＹＥＳ）になったときに、バイパス弁１２２の開度を全開から所定開度に設定し、処理をステップＳ１１に進める。

ステップＳ１１にて、制御装置１５は、アノード流路５９に残留する窒素等を燃料ガスに置換するために、ケース側ドレイン弁１７４及びドレイン弁１６４を開弁する。なお、ケース側ドレイン弁１７４及びドレイン弁１６４を開弁してドレイン弁１６４から燃料ガスの排出が開始されると、アノード圧力Ｐａが低下する。アノード圧力Ｐａが低下して所定圧力となったときに、アノード流路５９が燃料ガスに置換された判定することができる。すなわち、アノード側残留ガス置換処理が完了したと判定する。

次いで、処理をステップＳ１２に進め、ステップＳ１２にて、制御装置１５は、発電電圧Ｖｆｃが目標発電電圧Ｖｆｃｔａｒとなったときに、燃料電池システム１０の起動を完了する。

以降、制御装置１５は、モータ４６を含む負荷の燃料電池スタック１８への要求発電電力、例えば、モータ４６を制御するアクセル開度等に基づき要求発電電力を算出する。そして、制御装置１５は、燃料電池スタック１８の発電電力が、前記要求発電電力になるように、コンプレッサ２８を含む酸化剤ガス供給装置２２及びインジェクタ３２を含む燃料ガス供給装置２４をフィードバック制御する。

このようにして、起動時に、燃料電池スタック１８のカソード側に残留している燃料ガス（水素）を所定濃度以下に希釈しながら短時間で外部に排出することができる。

［タイミングチャートによる説明］
図２のフローチャートにより説明した動作の一例を図４（全体）のタイミングチャート及び図５（一部の詳細）のタイミングチャートを参照して説明する。

図４の時点ｔ１にて、電源スイッチ７１がＯＦＦ状態からＯＮ状態にされると、補機に電源電圧を印加する。

時点ｔ１～時点ｔ４の間で電圧変換部４２の接続が完了されるが、その間の時点ｔ２～時点ｔ３の間でバイパス弁１２２の開度学習がなされる。

時点ｔ４にて、コンプレッサ２８の回転数Ｎが目標回転数Ｎｔａｒに向かって起動されると共に、冷媒ポンプ３８が目標回転数に向かって起動される。

なお、図４のタイミングチャート中、例えば、コンプレッサ２８のタイミングチャートにおいて、実線は指令値（目標回転数Ｎｔａｒ等）、傾斜している破線は、実際の作動（インペラを回転させるコンプレッサ用モータの実回転数）を示している。

時点ｔ５にて、流量センサ１１６により計測されている酸化剤ガス流量が閾値流量Ｆｔｈに到達してコンプレッサ２８の起動（インペラの浮上）が確定すると、水素遮断弁２１が開弁される。同時に、インジェクタ３２が作動状態（ＯＮ状態）とされ、燃料電池スタック１８に燃料ガスが供給され、アノード流路５９に燃料ガスが流通を開始する。

なお、インジェクタ３２は、作動状態（ＯＮ状態）において、パルス幅変調制御され、ＯＮデューティ｛噴射時間／（噴射時間＋非噴射時間）、ここで（噴射時間＋非噴射時間）は、一定時間である｝が制御される。

時点ｔ６にて、アノード圧力Ｐａが、閾値圧力Ｐｔｈを上回ったときに、カソード流路５８等のガス置換処理であるカソード側残留水素希釈排出処理を開始する。

このため、時点ｔ６にて、入口側封止弁１１８の開度が１/ｎ～全開（ここではｎ＝１の全開）に設定され、出口側封止弁１２０の開度が１／ｎ（ここでは、１／９）に設定される（上記した図３参照）。

この状態で、カソード流路５８内に酸化剤ガスを投入開始したときからの酸化剤ガスの投入量が、希釈制御が完了したとみなす閾値投入量Ｍｔｈに到達するまで希釈制御を継続する。この実施形態では、制御装置１５は、予め測定しておいた閾値投入量Ｍｔｈになるまでの投入時間を規定時間Ｔｓｔとし、入口側封止弁１１８を閉状態から全開状態に設定した時点ｔ６から規定時間Ｔｓｔを経過したときの時点ｔ７にて、閾値投入量Ｍｔｈの投入が完了したと制御している。
時点ｔ７にて、バイパス弁１２２が全開から所定開度にされる。

この時点ｔ７では、燃料電池スタック１８にて発電が継続され、発電電圧Ｖｆｃが、目標発電電圧Ｖｆｃｔａｒに向かって上昇している。

規定時間Ｔｓｔの経過時点ｔ７でドレイン弁１６４が開弁される。ドレイン弁１６４が開放状態で予め定めた所定時間を経過すると、アノード流路５９に残留していた窒素が外部に排出され燃料ガスにガス置換される。

発電電圧Ｖｆｃが目標発電電圧Ｖｆｃｔａｒまで上昇した時点ｔ８にて、アノード側残留ガス置換処理が完了する。

時点ｔ９以降、制御装置１５は、負荷の要求発電電力を満たすための燃料電池スタック１８の通常の発電制御を開始する。

図５は、図４の時点ｔ６～時点ｔ８間の拡大タイミングチャートであり、最下段に、排気水素濃度［％］の時間遷移波形を示している。

バイパス弁１２２が全開状態で、入口側封止弁１１８が全開状態に開弁され、出口側封止弁１２０が、所定開度に開弁された時点ｔ６からカソード流路５８内の残留水素の希釈が開始される。すなわち、入口側封止弁１１８が全開状態で出口側封止弁１２０が開くことでカソード流路５８及びこれに連通している流路内の残留水素の希釈しながらの外部への排出が行われる。

排気水素濃度は、時点ｔ６直後に急激に上昇した後、１／ｎに希釈された略一定濃度の状態が一定時間経過すると、以降、徐々に減少する。

時点ｔ７にて、カソード側残留水素希釈排出処理が完了すると、バイパス弁１２２は所定開度とされ、出口側封止弁１２０が全開状態とされる。
これにより発電電圧Ｖｆｃの上昇が継続する。

一方、時点ｔ７では、ドレイン弁１６４が開弁されるため、アノード流路５９に残留している窒素が排出開始され、時点ｔ８にて、アノード側残留ガス置換処理（アノードガス置換処理）が完了する。

［変形例］
上記実施形態は、以下のような変形も可能である。
燃料電池システム１０の起動時間を短くするために、カソード流路５８内の残留水素が完全に排出される前に、アノード側残留ガス置換処理に移行してもよい。この変形例において、燃料電池システム１０及び燃料電池自動車１２のハードウエアの構成は、図１に示した実施形態と同一の構成である。

図６は、変形例の燃料電池システム１０の動作説明に供されるフローチャートである。
図６において、図２と同一の処理については、同一のステップ番号を付け、異なる部分だけを説明する。
ステップＳ１～ステップＳ４までの処理は、図２と同一の処理内容である。

ステップＳ５にて、制御装置１５は、コンプレッサ２８の目標回転数Ｎｔａｒを設定して起動すると共に、冷媒ポンプ３８の目標回転数を設定して起動した後、処理をステップＳ６に進める前に、ステップＳ９の処理を先に行う。
すなわち、コンプレッサ２８が目標回転数Ｎｔａｒになる前に、コンプレッサ２８を起動すると同時（図４の時点ｔ４）に、ステップＳ９にて、制御装置１５は、入口側封止弁１１８を全開に開弁し、出口側封止弁１２０の弁開度を、バイパス弁１２２の弁開度の１／ｎに設定し、処理をステップＳ６に進める。

ステップＳ６にて、制御装置１５は、流量センサ１１６により検出されている酸化剤ガス流量［ｍ³／ｓｅｃ又はｋｇ／ｓｅｃ］が閾値流量Ｆｔｈ以上になったか否かにより判定し、閾値流量Ｆｔｈ以上になった（ステップＳ６：ＹＥＳ）とき、処理をステップＳ７に進める。

以降、ステップＳ７、ステップＳ８の処理を行った後、処理をステップＳ１０に進める。
ステップＳ１０にて、制御装置１５は、ステップＳ９でカソード流路５８内に酸化剤ガスを投入開始したときからの酸化剤ガスの投入量［ｍ³］が、希釈制御が完了したとみなす閾値投入量Ｍｔｈ［ｍ³］になったか否かを判定する。

この変形例では、図４のタイミングチャートを参照して説明すると、入口側封止弁１１８及び出口側封止弁１２０の開弁時点が時点ｔ６から時点ｔ４に変更されているので、コンプレッサ２８が立ち上がった時点（時点ｔ５の少し前の時点）から右上がり破線で示す時点ｔ６までの期間の投入流量を早めに稼げるのでカソード側残留水素希釈排出処理の完了判定時点ｔ７を実施形態よりも早い時点に設定することができる。

従って、制御装置１５は、ステップＳ１１以降の処理を早く開始することができ、結果として燃料電池システム１０の起動時間を短縮することができる。

［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の一部には、上記実施形態及び変形例で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号を付けたものに限定されない。

（１）この発明に係る燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池スタック１８と、該燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給流路６２を通じて供給する酸化剤ガス供給装置２２と、前記発電に供された酸化剤オフガスを前記燃料電池スタックから排出する酸化剤オフガス排出流路６３と、前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤オフガス排出流路とを接続するバイパス流路６６と、前記酸化剤ガス供給流路の流量を調整する入口側封止弁１１８と、前記酸化剤オフガス排出流路の流量を調整する出口側封止弁１２０と、前記バイパス流路の流量を調整するバイパス弁１２２と、前記入口側封止弁、前記出口側封止弁及び前記バイパス弁の開度を調整する制御装置１５と、を備え、前記制御装置は、当該燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤ガス供給装置から供給される前記酸化剤ガスの前記バイパス流路の流量が、前記酸化剤ガス供給流路及び前記酸化剤オフガス排出流路の流量よりも大きくなるように、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整する。

この構成により、燃料電池システムの起動時に、酸化剤ガスのバイパス流路の流量が、前記酸化剤ガス供給流路及び前記酸化剤オフガス排出流路の流量よりも大きくなるように、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整しているので、燃料電池システムの起動時に燃料電池スタックのカソード側に残留している燃料ガスの濃度を希釈しながら短時間に外部に排出することができる。

（２）また、燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、前記起動時において、前記バイパス弁及び前記入口側封止弁の開度を所定開度とし、前記出口側封止弁の開度を全閉状態から所定開度状態になるように開方向に調整するようにしてもよい。

これにより、３つの弁の簡易な開度制御で、バイパス流路の流量が、酸化剤ガス供給流路及び酸化剤オフガス排出流路の流量よりも大きくなるように調整することができるので効率的である。

（３）さらに、燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、前記バイパス弁及び前記入口側封止弁の開度を全開開度に調整するようにしてもよい。

これにより、３つの弁のより簡易な開度制御で、バイパス流路の流量が、酸化剤ガス供給流路及び酸化剤オフガス排出流路の流量よりも大きくなるように調整することができる。

すなわち、弁開度の全閉、全開を除く所定開度への調整は、出口側封止弁のみ行えばよいので、より効率的である。また、水素を希釈するバイパス弁の流量を大きくできるので、所定の排出濃度を守りながらの水素排気時間を短い時間とすることができる。

（４）さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに燃料ガス供給流路７２を通じて供給する燃料ガス供給装置２４と、前記発電に供された燃料オフガスを前記燃料電池スタックから排出する燃料オフガス排出流路７４と、前記燃料ガス供給流路又は前記燃料オフガス排出流路に設けられ、前記燃料ガス供給流路、前記燃料オフガス排出流路及び前記燃料電池スタック内のアノード流路５９に残留するガスを排出する排出弁１７４と、をさらに備え、前記制御装置は、当該燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤ガス供給装置から前記酸化剤ガスの供給を開始した後、前記燃料ガス供給装置から前記燃料ガスの供給を開始し、その後、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整し、その状態で、前記酸化剤ガスの前記供給の開始後の酸化剤ガスの投入量又は供給時間が閾値以上となったとき、前記排出弁を開弁するようにしてもよい。

これによれば、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックのカソード側に残留している燃料ガスの濃度を希釈しながら外部に排出した後に、前記燃料電池スタック内のアノード流路に残留するガスを排出する排出弁を開弁しているので、燃料電池スタックのアノード側に残留している窒素ガスを燃料ガスに円滑に置換することができる。

（５）さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、前記起動時に、前記酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの流量が目標流量となる前に、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整するようにしてもよい。

この発明では、起動時に、酸化剤ガス供給装置から供給される酸化剤ガスの流量が目標流量となる前に、予め、燃料電池スタックのカソード側に残留する燃料ガスの濃度希釈に適した開度に、バイパス弁、入口側封止弁及び出口側封止弁を調整している。これにより、起動時に、燃料電池スタックのカソード側に残留している燃料ガスの濃度の希釈時間をより短い時間にすることができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池自動車
１５…制御装置 １８…燃料電池スタック
２２…酸化剤ガス供給装置 ２４…燃料ガス供給装置
２８…コンプレッサ ３２…インジェクタ
６２…酸化剤ガス供給流路 ６３…酸化剤オフガス排出流路
６６…バイパス流路 ７４…燃料オフガス排出流路
１１８…入口側封止弁 １２０…出口側封止弁
１２２…バイパス弁 １６４…ドレイン弁（排出弁）

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電する燃料電池スタックと、
   該燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給流路を通じて供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記発電に供された酸化剤オフガスを前記燃料電池スタックから排出する酸化剤オフガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤オフガス排出流路とを接続するバイパス流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路の流量を調整する入口側封止弁と、
   前記酸化剤オフガス排出流路の流量を調整する出口側封止弁と、
   前記バイパス流路の流量を調整するバイパス弁と、
   前記入口側封止弁、前記出口側封止弁及び前記バイパス弁の開度を調整する制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   当該燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤ガス供給装置から供給される前記酸化剤ガスの前記バイパス流路の流量が、前記酸化剤ガス供給流路及び前記酸化剤オフガス排出流路の流量よりも大きくなるように、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整する
   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において、
   前記制御装置は、
   前記起動時において、前記バイパス弁及び前記入口側封止弁の開度を所定開度とし、前記出口側封止弁の開度を全閉状態から所定開度状態になるように開方向に調整する
   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において、
   前記制御装置は、
   前記バイパス弁及び前記入口側封止弁の開度を全開開度に調整する
   燃料電池システム。
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において、
   前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに燃料ガス供給流路を通じて供給する燃料ガス供給装置と、
   前記発電に供された燃料オフガスを前記燃料電池スタックから排出する燃料オフガス排出流路と、
   前記燃料ガス供給流路又は前記燃料オフガス排出流路に設けられ、前記燃料ガス供給流路、前記燃料オフガス排出流路及び前記燃料電池スタック内のアノード流路に残留するガスを排出する排出弁と、をさらに備え、
   前記制御装置は、
   当該燃料電池システムの起動時に、前記酸化剤ガス供給装置から前記酸化剤ガスの供給を開始した後、前記燃料ガス供給装置から前記燃料ガスの供給を開始し、その後、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整し、その状態で、前記酸化剤ガスの前記供給の開始後の前記酸化剤ガスの投入量又は供給時間が閾値以上となったとき、前記排出弁を開弁する
   燃料電池システム。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、
   前記起動時に、前記酸化剤ガス供給装置から供給される前記酸化剤ガスの流量が目標流量となる前に、前記バイパス弁、前記入口側封止弁及び前記出口側封止弁の開度を調整する
   燃料電池システム。

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