燃料電池システムの起動制御方法
【課題】燃料電池システムの停止時発電処理を実施するにあたり、弁誤開弁等の不具合を防止できる燃料電池システムの起動制御方法を提供する。
【解決手段】停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止し、その後に燃料電池システム１０の起動指令を検出したとき、燃料電池２０のアノード圧力Ｐａが第１閾値圧力以下の場合には、酸化剤ガス供給装置１４による酸化剤ガスの供給を開始する前に、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの供給を開始し、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行うようにしたので、カソード側の圧力と同様になっている大気圧とアノード側の圧力との差圧（極間差圧）を上げることなく（極間差圧を下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池２０の外部で連通する空気導入弁５５の誤開弁等を防止することができる。
【解決手段】停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止し、その後に燃料電池システム１０の起動指令を検出したとき、燃料電池２０のアノード圧力Ｐａが第１閾値圧力以下の場合には、酸化剤ガス供給装置１４による酸化剤ガスの供給を開始する前に、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの供給を開始し、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行うようにしたので、カソード側の圧力と同様になっている大気圧とアノード側の圧力との差圧（極間差圧）を上げることなく（極間差圧を下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池２０の外部で連通する空気導入弁５５の誤開弁等を防止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの起動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。
【０００３】
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及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極接合体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００４】
この燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるが、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在し反応して電解質膜・電極構造体が劣化するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池の運転停止時に、アノード側への反応ガスの供給を遮断するとともに、カソード側へのブロア（エアポンプ）による反応ガスの供給を遮断し、アノード側排ガスをアノード側循環ラインを経由して上流側に循環させ、かつカソード側排ガスをカソード循環ラインを介して上流側に循環させ、燃料電池内の電気化学反応を継続させることで発電出力をバッテリに充電するとともに、アノード側排ガスの水素を消費させるとともに、カソード側排ガス中の酸素を消費して窒素ガスをタンクに蓄積し、蓄積した窒素ガスにより燃料電池のアノード内及びカソード内をガス置換している。
【０００６】
特許文献１に記載された技術のように、燃料電池の運転停止時に、窒素ガスにより燃料電池のアノード内及びカソード内を不活性なガスにより置換することは、運転停止後に、不必要な反応が発生する可能性が少なくなり、燃料電池の劣化防止という観点からも好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２２４８７号公報（図１、［００２９］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に係る燃料電池システムは、カソード側循環ラインや、窒素ガスを蓄積するタンク、並びに前記窒素ガスをアノード側に供給するライン等が必要となり、燃料電池システムとしての構造が複雑かつ高価になる。
【０００９】
そこで、燃料電池の運転停止時に、アノード側への燃料ガスの供給を遮断し、カソード側の空気供給量を少なくして発電を継続させることで、カソード側を窒素で充満させるようにして運転を停止させることが考えられる。
【００１０】
このような運転停止時処理を実施した場合、アノード側は、負圧が大きくなった状態で、気密に保持される。カソード側は、エアポンプを通じて大気に連通しているので、大気圧（０ｋＰｇ）となる。したがって、ソーク中は、アノードとカソード間の極間差圧が大きな状態となっている。
【００１１】
また、燃料電池システムでは、例えば、ソーク中に外気温が氷点下になるおそれがあるとき等、アノード側に溜まっている水等を燃料電池スタックの外側に吹き飛ばす（掃気する）ために、アノード側の燃料ガス入口連通孔と、エアポンプの出口側との間に、空気導入路が設けられ、この空気導入路には、空気導入弁が配設される。
【００１２】
この場合、アノード側の燃料ガス出口連通孔に連通するオフガス流路と希釈ボックスの入口との間に、パージ弁に並列に大容量の排出弁が設けられ、前記掃気（アノード掃気処理または単にアノード空気掃気処理という。）する際に、前記空気導入弁が開弁されるとともに、前記排出弁（必要であればパージ弁）が開弁され、エアポンプからの圧縮空気が、前記空気導入弁、燃料電池内のアノード、前記排出弁（パージ弁）を通じて、希釈ボックスに流入する。希釈ボックスの出口側は大気に連通している。このようにして、アノード側の液滴等を吹き飛ばすことによりアノード側の氷結が防止される。
【００１３】
ところで、上述した空気導入弁、パージ弁及び排出弁には、弁（弁体）が弾性力により閉じられ、電磁力により開かれるノーマルクローズ型｛非通電時に弁（弁体）が閉じられる。｝の開閉弁である電磁弁が採用されている。
【００１４】
したがって、前記した空気導入弁、パージ弁、及び排出弁には、前記運転停止後のソーク時に前記アノード掃気処理を行う前には、前記した大きな極間差圧がかかっている。
【００１５】
一方、従来技術に係る、燃料電池システムの起動時には、図１２のタイミングチャートに示すように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオン状態（ＩＧ ＯＮ）にされると、エアポンプが駆動されて酸化剤ガスがカソードに導入され、カソード圧力がエアポンプの回転数の増加に対応して所定圧力Ｐｄまで上昇した時間Ｔｓの経過時に、水素遮断弁を開弁して高圧の燃料ガスを導入するようにしている。
【００１６】
しかしながら、上記従来の起動手順を、上述した停止時発電処理後のソーク中の燃料電池システムに適用した場合には、イグニッションスイッチをオン（ＩＧ ＯＮ）してから遮断弁を開弁するまでの間に、負圧になっているアノードと正圧になったカソードとの間の極間差圧がさらに大きくなって、弾性力により閉じられている前記空気導入弁、パージ弁、及び排出弁のいずれかがが誤開弁（誤開放）してしまうという問題がある。
【００１７】
この発明は上記の課題を考慮してなされたものであり、運転スイッチ（イグニッション）のオン、すなわち起動指令を検出した燃料電池システムの起動時に、起動性をできるだけ損なうことなく、空気導入弁等が誤開弁する等の不具合を発生させないことを可能とする燃料電池システムの起動制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明に係る燃料電池システムの起動制御方法は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、を備え、前記燃料電池の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記燃料電池の前記アノードの圧力が第１閾値圧力以下の場合には、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行うことを特徴とする（請求項１に係る発明）。
【００１９】
この発明によれば、停止時発電処理を実施した後に燃料電池の発電を停止し、その後に燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記燃料電池の前記アノードの圧力が第１閾値圧力以下の場合には、酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行うようにしたので、アノードとカソードの極間差圧（ここでいう極間差圧は、カソード側の圧力と同様となっている大気圧とアノード側の圧力との差圧）を上げることなく（極間差圧を下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池の外部で連通する空気導入弁の誤開弁等を防止することができる。
【００２０】
また、この発明に係る燃料電池システムの起動制御方法は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、を備え、前記燃料電池の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲以内である場合には、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第２起動処理を行うことを特徴とする（請求項２に係る発明）。
【００２１】
この発明によれば、燃料電池の発電を停止した後、ソーク中に起動指令を検出したとき、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値（例えば、実施形態では、アノード圧力センサの測定下限範囲）以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲（例えば、実施形態では、起動時負圧保護が必要な時間範囲）以内である場合には、酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第２起動処理を行うようにしたので、アノードとカソードの極間差圧を上げることなく（下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池の外部で連通する空気導入弁の誤開弁等を防止することができる。
【００２２】
なお、請求項１に係る発明は、例えば、燃料電池のアノードの圧力が第１閾値圧力以下となっているかを測定可能な負圧側の圧力測定レンジ（アノード圧力センサの測定下限範囲）の広い圧力センサを用いることで実施可能であるが、請求項２に係る発明では、そのような負圧側の圧力測定レンジ（アノード圧力センサの測定下限範囲）の広い圧力センサを設けなくとも、前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲（例えば、実施形態では、起動時負圧保護が必要な時間範囲）以内という時間条件により燃料ガスの供給開始時点を想定できる点で利点がある。
【００２３】
この場合、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池のアノード側に掃気ガスを導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置を備え、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が前記第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が前記規定時間範囲に入る前の時間に、前記アノード掃気装置が作動した場合には、前記第２起動処理を中止し、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給開始を前記燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給開始よりも早くする第３起動処理を行うことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、燃料電池の発電を停止し、その後に燃料電池システムの起動指令を検出したとき、停止時発電処理を実施した後に燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が前記規定時間範囲に入る前の時間に、前記アノード掃気装置が作動した場合には、アノードの圧力が増加しているので、前記第２起動処理を行う必要がなくなるので中止し、酸化剤ガス供給装置による酸化剤ガスの供給開始を燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給開始よりも早くする第３起動処理（通常の起動処理）を行うようにしたので、発電停止時処理をした後の起動時における起動処理を迅速に行うことができる。
【００２５】
なお、前記規定時間範囲に入るまでの時間が、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときの前記アノードの温度及び湿度を考慮して予め定められる特性に基づき、高温高湿の場合には低温低湿の場合に比べて、短い時間に設定されるようにすることで、アノードの温度及び湿度に応じた的確な前記規定時間範囲に入るまでの時間を設定することができる。
【００２６】
また、前記燃料電池システムは、さらに、エアポンプに入力ポートが連通し、前記燃料電池の前記アノード側に出力ポートが連通する掃気弁を有し、前記エアポンプから前記掃気弁の入力ポート及び出力ポートを介して前記アノード側に掃気ガスを導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置を備え、前記掃気弁は、弾性力により弁体が閉弁し、前記弾性力を上回る電磁力により弁体が開弁するものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によれば、停止時発電処理を実施した後に燃料電池の発電を停止し、その後に燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記燃料電池の前記アノードの圧力が第１閾値圧力以下の場合には、酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行うようにしたので、アノードとカソードの極間差圧を上げることなく（極間差圧を下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池の外部で連通する空気導入弁の誤開弁等を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施形態に係る起動制御方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。
【図３】空気導入弁の要部断面図である。
【図４】燃料電池システムの運転停止時の動作説明に供されるタイミングチャートである。
【図５】停止時発電処理の模式的説明図である。
【図６】停止時発電処理を実施した場合のアノード圧力の変化状態の説明図である。
【図７】極間差圧保護必要時の起動時エア供給制御処理の説明に供されるフローチャートである。
【図８】極間差圧保護必要時の起動時エア供給制御処理の説明に供されるタイミングチャートである。
【図９】停止時発電処理を実施した後のソーク中に、アノード掃気処理が実施された場合のアノード圧力の変化状態の説明図である。
【図１０】停止時発電処理後に、アノード圧力が低下から上昇に転じる時点の要因説明図である。
【図１１】極間差圧保護必要判断と、エア供給制御処理の対応関係の説明図である。
【図１２】通常時の起動時エア供給制御処理の説明に供されるタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１に示すように、この発明の実施形態に係る起動制御方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、燃料電池スタック１２に置換ガスを導入するアノード掃気装置１５と、燃料電池スタック１２に接続自由なバッテリ（蓄電装置）１７と、燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御装置、制御部）１８とを備える。
【００３０】
コントローラ１８は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、時計、計時部としてのタイマ１９等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、たとえば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。
【００３１】
燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。バッテリ１７は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度であるとともに、後述する１２Ｖ電源９８よりも高電圧且つ高電力容量である。
【００３２】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池（セル又はセルペアともいう。）２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００３３】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００３４】
電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００３５】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
【００３６】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう。）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。
【００３７】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設される。空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。
【００３８】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するためのバタフライ弁等の開度調整可能な背圧制御弁（単に、背圧弁ともいう。）５８が設けられる。背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）制御弁により構成されることが好ましい。空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。
【００３９】
アノード掃気装置１５は、前記酸化剤ガス供給装置１４と共用するエアポンプ５０と、エゼクタ６６の下流側の水素供給流路６４と空気供給流路５２との間に配設された空気導入流路５３と、この空気導入流路５３に設けられた空気導入弁５５と、燃料ガスのオフガス流路７０と空気排出流路５６との間に配設された排出弁５９とを備える。
【００４０】
空気導入弁５５は、エアポンプ５０から空気供給流路５２及び空気導入流路５３を介し、燃料ガス入口連通孔４０ａを通じて燃料ガス流路３６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（アノード掃気処理ともいう。）時に開放される開閉弁であり、排出弁５９は、このアノード掃気処理時に、同時に開放される開閉弁である。
【００４１】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留し開閉弁であるインタンク電磁弁６３が一体的に設けられた水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。
【００４２】
この水素供給流路６４には、開閉弁である遮断弁６５及びエゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００４３】
燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。希釈ボックス６０の排出口側には、排出流路７４が接続される。なお、排出流路７４には、図示しない貯蔵バッファが配設され、この貯蔵バッファには、大気に連通する排気流路が接続される。
【００４４】
なお、上述した空気導入弁５５、排出弁５９、及びパージ弁７２は、容量は異なるが、その構造は共通している。ここで、空気導入弁５５を例としてその構造（構成）を説明する。
【００４５】
図３は、空気導入弁５５の要部断面を示している。空気導入弁５５は、ボディ１０１と、エアポンプ５０側に連通するポート（入力ポート）１２４と、ポート１２４に連通する弁室１２６と、燃料ガス入口連通孔４０ａに連通するポート（出力ポート）１２８と、ポート１２４とポート１２８との間を連通乃至遮断する弁体１２０と、弁体１２０がフランジ部として形成されたプランジャ１１２と、ボディ１０１とプランジャ１１２の間に設けられたスプリング１１４と、電磁コイル１１６と、を備える。
【００４６】
図３に示す閉弁状態では、弁体１２０は、スプリング１１４の弾性力によって、プランジャ１１２を介して閉弁方向に付勢され、ポート１２４とポート１２８との間を遮断している。プランジャ１１２は、電磁コイル１１６への通電による電磁力でスプリング１１４の弾性力に抗って、図３中、上方に可動し、弁体１２０を開弁方向に移動させ、ポート１２４とポート１２８との間を連通させる（開弁状態）。
【００４７】
コントローラ１８は、各種制御処理を実行するために、水素供給流路６４に設けられたアノード圧力Ｐａを検出する圧力センサ１０２、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍に設けられたカソード圧力Ｐｋを検出する圧力センサ１０３、燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍に設けられた水素温度Ｔｈを検出する温度センサ１０４、図示しない冷却媒体入口連通孔に設けられた冷媒温度Ｔｃを検出する温度センサ１０６、各燃料電池２０の電圧（セル電圧又はセルペア電圧という。）Ｖｃを検出する電圧センサ１０８、及び燃料電池スタック１２から流れ出る電流の電流値Ｉｏを検出する電流センサ１１０の各信号を取り込み、後述するＦＣコンタクタ８６のオン（閉）オフ（開）、遮断弁６５等の弁の開閉及び開度制御、及びエアポンプ５０の流量（風量）の調整等のアクチュエータの制御等を行う。
【００４８】
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、主電力線８０の一端が接続されるとともに、前記主電力線８０の他端がインバータ８２に接続される。インバータ８２には、三相の車両走行用の駆動モータ８４が接続される。なお、主電力線８０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記主電力線８０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。
【００４９】
主電力線８０には、ＦＣコンタクタ（主電源開閉器、燃料電池スタック開閉器）８６が配設されるとともに、エアポンプ５０が接続される。主電力線８０には、電力線８８の一端が接続され、電力線８８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０及びバッテリコンタクタ（蓄電装置開閉器）９２を介してバッテリ１７が接続される。電力線８８には、分岐電力線９４が設けられ、分岐電力線９４には、ダウンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）９６を介して１２Ｖ電源９８が接続される。なお、１２Ｖ電源９８は、バッテリ１７よりも低い電圧であればよく、１２Ｖに限定されるものではない。
【００５０】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５１】
先ず、燃料電池システム１０の通常運転時（通常発電時、又は通常発電処理時ともいう。）には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００５２】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。
【００５３】
一方、燃料ガス供給装置１６では、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５が開放されることにより、水素タンク６２から減圧制御弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
【００５４】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００５５】
一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。この水素ガスは、希釈ボックス６０内で空気オフガスと混合されることにより水素濃度が低下された後、貯蔵バッファ（図示せず）に排出される。
【００５６】
通常発電中には、アノード掃気装置１５は作動させず、空気導入弁５５及び排出弁５９は、閉じた状態に保持される。空気導入弁５５及び排出弁５９並びにパージ弁７２は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）の開閉弁である。
【００５７】
次に、燃料電池システム１０の運転停止時の動作について、図４に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００５８】
図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、通常発電運転を行うことにより、所望の走行が行われている。そして、図示しないイグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフされると、コントローラ１８は、これを停止指令として検出し（時点ｔ１）、燃料電池システム１０の運転停止処理を開始する。
【００５９】
先ず、後述するディスチャージ処理（低酸素ストイキ発電処理、停止時発電処理、Ｏ２リーン処理、又はＯ２リーン発電処理ともいう。）後に、燃料電池スタック１２内の燃料ガス圧力（アノード圧力Ｐａ）が設定圧力に維持されるように、水素ガス（燃料ガス）の供給圧力が、予め、設定される。
【００６０】
ディスチャージ処理時には、空気は、酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。
【００６１】
具体的には、低酸素ストイキは、値１前後に設定される。なお、酸素ストイキは、通常発電時には、１．２〜３．０の間に収まることが好ましい。一方、ディスチャージ処理時に、水素ガスは、供給が停止される。アノード圧力Ｐａ１は、ディスチャージ完了時に、一定圧力Ｐａ２以上に維持されるように設定される。一定圧力Ｐａ２は、水素の不足や過剰が発生しない程度の圧力である。
【００６２】
図４に示すように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフにされると（時点ｔ１）、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５の開放作用下に燃料電池スタック１２に水素ガスが供給され、燃料電池スタック１２内の圧力がアノード圧力Ｐａ１まで上昇する（時点ｔ１〜ｔ２：昇圧処理）。
【００６３】
昇圧処理が終了すると（時点ｔ２）、インタンク電磁弁６３が閉じられ、インタンク電磁弁６３の故障検知処理に移行する。この故障検知処理では、インタンク電磁弁６３の直下流の圧力変化の有無により故障検知が行われる。圧力が低下した場合には、インタンク電磁弁６３が正常とされる。すなわち、正常に閉弁されたと判断する。
【００６４】
インタンク電磁弁６３の故障検知処理が終了すると（時点ｔ３）と、カソード掃気処理が行われる。このカソード掃気処理では、カソード側の水滴を含む液滴等を吹き飛ばすため、及び希釈ボックス６０に残留している水素を完全に希釈するための空気による（酸化剤ガス供給装置１４による）掃気処理が行われる。この際、高回転数［ｒｐｍ］に設定されるエアポンプ５０を駆動するのに不足する電力は補充される（時点ｔ４〜ｔ５）。
【００６５】
カソード掃気処理後には、背圧制御弁５８の開度制御が一旦停止されて開放されることでカソード側が大気に連通し、カソード圧力ＰｋがＰｋ＝０［ｋＰａｇ：ｇはゲージ圧を意味する。］にされる状態が作られる（時点ｔ４〜ｔ５）。さらに、カソード掃気処理終了時点（時点ｔ４）で、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０は、通常運転時に比べて相当に回転数が減速され、酸化剤ガス中の酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。そして、圧力センサ１０３の学習処理（０点補正）がなされる。
【００６６】
その後、時点ｔ５〜ｔ８において、背圧制御弁５８の開度を調整することで、圧力センサ１０３により検出されるカソード圧力Ｐｋが、低酸素ストイキに対応する所定の低圧力Ｐｋ１とされ、さらに、その低圧力Ｐｋ１での背圧制御弁５８の学習処理がなされる（時点ｔ５〜ｔ６）。以降、エアポンプ５０のオフ（時点ｔ７）まで、低圧力Ｐｋ１とされる。
【００６７】
一方、燃料電池スタック１２は、発電が継続されている（時点ｔ１〜ｔ７）。
【００６８】
背圧制御弁５８の学習処理（時点ｔ５〜ｔ６）後の低酸素ストイキ発電処理（Ｏ２リーン発電処理、単にＯ２リーン処理ともいう。時点ｔ６〜ｔ７）では、燃料電池スタック１２から取り出される電流（ＦＣ電流）は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスである水素ガスが移動することを阻止する値に設定される。その際、図２において、ＦＣコンタクタ８６及びバッテリコンタクタ９２がオンされており、燃料電池スタック１２の発電時に得られる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により電圧を降圧させた後、バッテリ１７に充電される。
【００６９】
上記のように、燃料電池スタック１２では、低酸素ストイキの空気が供給される一方、遮断弁６５の閉塞（時点ｔ３）により水素ガスの供給が停止した状態で、発電が行われている。パージ弁７２も閉じられている。そして、燃料電池スタック１２による発電電力は、バッテリ１７に供給されることにより、ディスチャージ｛図４中、ＤＣＨＧ（Ｏ２リーン処理）｝されている。従って、燃料電池スタック１２の発電電圧が所定の電圧、すなわち、バッテリ１７に供給不能な電圧（バッテリ１７の電圧とほぼ同じ電圧）まで低下すると、エアポンプ５０にのみ発電電力が供給される。
【００７０】
これにより、燃料電池スタック１２内では、Ｏ２リーン処理（時点ｔ６〜ｔ７）の間にアノード側の水素濃度が低下する一方、カソード側の酸素濃度が低下していく。そこで、例えば、アノード側の水素圧力（アノード圧力Ｐａ）が所定の圧力Ｐａ２以下となった際に、エアポンプ５０がオフされるとともに、バッテリコンタクタ９２がオフされる（時点ｔ７）。
【００７１】
このため、燃料電池スタック１２は、内部に残存する水素ガスと空気とにより発電される（時点ｔ７〜ｔ８）。この燃料電池スタック１２の発電により発生する電力は、ダウンバータ９６を介して降圧された後、１２Ｖ電源９８に充電（図４中、Ｄ／Ｖ ＤＣＨＧ）されるとともに、必要に応じて図示しないラジエータファン等に電力が供給される。さらに、燃料電池スタック１２の発電電圧が、ダウンバータ９６の作動限界電圧の近傍まで低下すると、ＦＣコンタクタ８６がオフされる（時点ｔ８）。これにより燃料電池システム１０は、運転停止状態、いわゆるソーク状態となる。
【００７２】
上述したように、イグニッションスイッチがオフされると（時点ｔ１）、水素ガスの供給を停止する前に、燃料電池スタック１２内のアノード圧力Ｐａがアノード圧力Ｐａ１まで上昇された後（時点ｔ２）、背圧制御弁５８、エアポンプ５０、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５が操作されている。従って、燃料電池スタック１２では、この燃料電池スタック１２内に残存する水素ガスと低酸素ストイキの空気とにより発電が行われ、発電電力がバッテリ１７に供給されてディスチャージされている（時点ｔ２〜ｔ７）。
【００７３】
これにより、停止時発電処理による作用効果を模式的に説明する図５に示すように、燃料電池スタック１２内のアノード側では、水素残量が低下して（図５中、アノードの水素残量低下）水素濃度が減少するとともに、カソード側では、低酸素ストイキであるので酸素濃度が減少して窒素Ｎ２の濃度が上昇している。結果、排気側（空気排出流路５６側）からの酸素の進入（拡散）が防止され、カソード側の低酸素状態が保持される。
【００７４】
その上、水素ガスの供給を停止する前に、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの供給圧力を、アノード圧力Ｐａ１まで上昇させている（時点ｔ２）。このため、燃料電池スタック１２内に適正な量の水素が充填された状態で、低酸素ストイキによる発電（Ｏ２リーン処理）が良好に遂行され、ディスチャージ完了後に、燃料電池スタック１２内に過剰な水素ガスが残存したり、水素ガス不足が発生したりすることを、確実に阻止することができるという効果が得られる。
【００７５】
さらに、エアポンプ５０を停止することにより（時点ｔ７）、空気の供給を停止した状態で、すなわち、燃料電池スタック１２内に残存する水素及び酸素のみで、前記燃料電池スタック１２が発電されている（図４中、Ｄ/Ｖ ＤＣＨＧ）。
【００７６】
このため、エアポンプ５０を介して空気の供給を行いながら、燃料電池スタック１２の発電を行った場合、システム内の窒素置換範囲が、燃料電池スタック１２内に止まるのに対し、エアポンプ５０を停止した後、燃料電池スタック１２の発電を行うと、燃料電池スタック１２の入口側まで窒素ガスによる置換範囲が拡大される（図５参照）。これにより、燃料電池システム１０のカソード側は、比較的長期間にわたって停止されても、燃料電池２０の劣化を可及的に阻止することができるという利点がある。
【００７７】
図６は、停止時発電処理を実施した場合のアノード圧力Ｐａの変化状態を示している。なお、この変化状態を示す特性１３０は、予め、実験等により測定され、コントローラ１８のメモリ内に特性、マップ等として記憶されている。
【００７８】
イグニッションスイッチのオフ後、時点ｔ３において、遮断弁６５が閉じられると、アノード循環系（エゼクタ６６→燃料ガス入口連通孔４０ａ→燃料ガス流路３６→燃料ガス出口連通孔４０ｂ→水素循環路６８→エゼクタ）内のアノード圧力Ｐａは、停止時発電処理を原因とする反応により水素ガスが消費されるので、比較的急に減少していく。そして、停止時発電処理を実施した場合の運転停止時点ｔ８（ＦＣコンタクタ８６をオン状態からオフ状態にした時点）におけるアノード圧力Ｐａは、所定範囲内の負圧になっていることを確認している。
【００７９】
その一方、図６中、時点ｔ８以降のソーク中には、水素が消費されず、アノード圧力Ｐａの特性に示すように、アノード圧力Ｐａは徐々に低下するが、水素量が少なくなったときに（時点ｔ１０）、窒素ガスがカソード側からアノード側へ透過する量が大きくなり、アノード圧力Ｐａは、徐々に大きくなる（時点ｔ１０以降）。
【００８０】
図６において、第１閾値圧力Ｐｔｈ１は、アノード圧力Ｐａがこの第１閾値圧力Ｐｔｈ１以下であるときに、図１２に示したように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオン状態にされ、エアポンプ５０が駆動されて酸化剤ガスがカソードに導入され、カソード圧力Ｐｋがエアポンプ５０の回転数の増加に対応して所定圧力Ｐｄ（図１２参照）まで上昇したときに、図３に示した弁体１２０が開弁してしまう極間差圧（Ｐｋ−Ｐａ：Ｐｋは正圧でＰａは負圧であるので、極間差圧は|Ｐｋ|＋|Ｐａ|となる。）以上に大きくなる閾値を示している。
【００８１】
換言すれば、上記の極間差圧|Ｐｋ|＋|Ｐａ|は、空気導入弁５５の弁体１２０を閉弁方向に付勢しているスプリング１１４の弾性力に抗って弁体１２０を開弁（開放）してしまう圧力であり、ソーク時間が時点ｔ９〜ｔ１１までの第１閾値圧力Ｐｔｈ１以下の負圧保護期間Ｔｐｎにあるときは、次に説明する極間差圧保護処理（負圧保護処理）を行いながらの起動処理を行う。
【００８２】
すなわち、ソーク中の負圧保護期間Ｔｐｎ内でイグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオン状態にされたときには、図７のフローチャート及び図８のタイミングチャートの実線で示す極間差圧保護処理のように、より大きな極間差圧とならないように、イグニッションスイッチのオン（ＩＧ ＯＮ）後、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を作動させて酸化剤ガスの供給を開始する前に、遮断弁６５を開弁して（ステップＳ１：ＹＥＳ）、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの供給を開始し、開始したときから予め定められる時間（所定時間）Ｔｓ１後に（ステップＳ２：ＹＥＳ）、エアポンプ５０を駆動して、カソード圧力・流量指令値を起動用の圧力・流量に設定して（ステップＳ３）酸化剤ガスの供給を開始するようにしている。なお、ステップＳ１及びＳ２の判定が否定的であるとき（ステップＳ１：ＮＯ、ステップＳ２：ＮＯ）、ステップＳ４に示すように、カソード圧力・流量指令値を０（エアポンプ５０の回転数を０値）としておく。
【００８３】
ここで、所定時間Ｔｓ１は、この時間内に、アノード圧力Ｐａが上述した第１閾値圧力Ｐｔｈ１を上回るのに必要十分な時間に設定している。
【００８４】
なお、ソーク中に、外気温が氷点下等の低温になったとき、あるいは氷点下になることが予測されたときに、アノード掃気処理が必要と判断された場合であって、ソーク中の上述した期間Ｔｐｎ（図６参照、極間差圧|Ｐｋ|＋|Ｐａ|が、空気導入弁５５の弁体１２０を閉弁方向に付勢しているスプリング１１４の弾性力に抗って弁体１２０を開弁（開放）してしまう圧力以上の圧力になる時間帯）内に、図９の時点ｔ１０´に示すように、アノード掃気装置１５による上述したアノード掃気処理が行われた場合には、空気導入弁５５及び排出弁５９が開弁してアノード側が空気に置換されて大気圧となるので、アノード掃気後は、図７、図８を参照して説明した差圧保護処理は不要となり、図８の点線で示すタイミング（図１２で示した通常起動時のタイミング）でエアポンプ５０を起動した後、遮断弁６５を開弁する起動処理を行えばよい。
【００８５】
実際上、停止時発電処理後であって、図６に示したアノード圧力Ｐａが低下から上昇に転じる時点ｔ１０は、図１０に示すように、大気圧に対する依存性はほとんど無く、固体高分子電解質膜２２の温度と湿潤状態によって決定されることを確認している。すなわち、ソーク中に、アノード圧力Ｐａが低下から上昇に転じ時点ｔ１０は、固体高分子電解質膜２２が高温で湿潤（ＷＥＴ）状態である程、運転停止時点ｔ８（ＦＣコンタクタ８６がオン状態からオフ状態にされた時点）から短いソーク時間Ｔｓａ以降となり、低温で乾燥（ＤＲＹ）状態である程、運転停止時点ｔ８から長いソーク時間Ｔｓｄ以内となる。
【００８６】
よって、図１１のフローチャートに示すように、ステップＳ１１の判断において、（ｉ）停止時発電処理中のアノード圧力Ｐａが所定圧力Ｐｔｈ２｛ここでは、アノードの圧力センサ１０２の測定範囲下限値：これ以上、低い圧力（負圧）になるとセンサ出力がオーバーフローする。（それぞれが負圧で、この実施形態では、|Ｐｔｈ２|＜|Ｐｔｈ１|）｝、（ｉｉ）ソーク時間がソーク時間Ｔｓａを上回りかつソーク時間Ｔｓｄを下回る、（ｉｉｉ）ソーク中に、アノード掃気処理の実施履歴がないこと、（ｉｖ）起動時アノード圧力ＰａがＰｔｈ１以下であることの４つの条件が揃ったときに、ステップＳ１２に示すエア供給タイミングが極間差圧保護用のタイミング（図８中、実線で示すタイミング）とされ、４つの条件中、少なくとも１つの条件が欠けたときには、通常のタイミング（図８中、点線で示すタイミング）で、エア供給が実施される。
【００８７】
［実施形態のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態係る燃料電池システム１０の起動制御方法は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池２０に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、を備える。
【００８８】
コントローラ１８（制御部、制御手段）は、燃料電池２０の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池２０に供給しながら燃料電池２０を発電させる停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止し、その後に燃料電池システム１０の起動指令を検出したとき、燃料電池２０のアノード圧力Ｐａが第１閾値圧力Ｐｔｈ１（この場合、例えば、第１閾値圧力Ｐｔｈ１を測定可能な負圧側に広い測定レンジを有する圧力センサ１０２で測定する。）以下の場合には、酸化剤ガス供給装置１４による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、燃料ガス供給装置１６から前記燃料ガスの供給を開始し、開始したときから予め定められる時間Ｔｓ１後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理（図８参照）を行うようにしたので、アノードとカソードの極間差圧（ここでいう極間差圧とは、カソード側の圧力と同様となっている大気圧とアノード側圧力との差圧を意味する。）を上げることなく（極間差圧を下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池２０の外部で連通する空気導入弁５５、排出弁５９、及びパージ弁７２の誤開弁等を防止することができる。
【００８９】
また、圧力センサ１０２が、上記第１閾値圧力Ｐｔｈ１までは測定できない負圧側測定範囲が狭い圧力センサ１０２である場合であっても、燃料電池２０の前記停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止したときのアノード圧力Ｐａが第２閾値Ｐｔｈ２（この実施形態では、圧力センサ１０２による負圧測定値の仕様上の下限値）以下の圧力であって、かつ燃料電池２０の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲（図６中、時点ｔ９〜ｔ１１までの極間差圧保護起動が必要な時間範囲）以内である場合には、酸化剤ガス供給装置１４による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、燃料ガス供給装置１６から前記燃料ガスの供給を開始し、開始したときから予め定められる時間Ｔｓ１後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第２起動処理（図６、図８）を行うようにしたので、圧力センサ１０２が、上記第１閾値圧力Ｐｔｈ１までは測定できない負圧側測定範囲の狭い圧力センサ１０２である場合であっても、上記の経過時間を監視することで燃料ガスの供給開始時点を想定でき、アノードとカソードの極間差圧を上げることなく（下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池２０の外部で連通する空気導入弁５５、排出弁５９、及びパージ弁７２の誤開弁を防止することができる。
【００９０】
この場合、前記停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止し、その後に燃料電池システム１０の起動指令を検出したとき、停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止したときのアノードの圧力Ｐａが第２閾値Ｐｔｈ２以下の圧力であって、かつ燃料電池２０の発電を停止したときからの経過時間が時点ｔ９〜ｔ１１までの規定時間範囲に入る前の時間（この実施形態では、時点ｔ１０´）に、アノード掃気装置１５が作動した場合には、アノード圧力Ｐａが大気圧まで増加しているので、前記第２起動処理を行う必要がなくなるので中止し、酸化剤ガス供給装置１４による酸化剤ガスの供給開始を燃料ガス供給装置１６による燃料ガスの供給開始よりも早くする第３起動処理（通常の起動処理：図８中、点線で示した処理）を行うようにしたので、発電停止時処理をした後の起動時における起動処理を迅速に行うことができる。
【００９１】
なお、前記規定時間範囲に入るまでの時間Ｔｓａ、Ｔｓｂ（図１０参照）が、前記停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止したときの前記アノードの温度及び湿度を考慮して予め定められる特性１５０、１５２に基づき、高温高湿（特性１５０）の場合に設定される時間Ｔｓａは、低温低湿（特性１５２）の場合に設定される時間Ｔｓｂに比べて、短い時間に設定されるようにすることで、アノードの温度及び湿度に応じた的確な前記規定時間範囲に入るまでの時間を設定することができる。
【００９２】
また、燃料電池システム１０は、さらに、エアポンプ５０に入力ポートが連通し、燃料電池２０の前記アノード側に出力ポートが連通する掃気弁である空気導入弁５５を有し、エアポンプ５０から空気導入弁５５の入力ポート１２４及び出力ポート１２８を介して前記アノード側に掃気ガスである圧縮空気を導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置１５を備え、空気導入弁５５は、スプリング１１４の弾性力により弁体１２０が閉弁し、前記弾性力を上回る電磁力により弁体１２０が開弁するものであることが好ましい。
【００９３】
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採りうることができる。
【符号の説明】
【００９４】
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １５…アノード掃気装置
１６…燃料ガス供給装置 １７…バッテリ
１８…コントローラ １９…タイマ
２０…燃料電池 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極 ２６…アノード電極
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０…エアポンプ ５２…空気供給流路
５３…空気導入流路 ５４…加湿器
５５…空気導入弁 ５６…空気排出流路
５８…背圧制御弁 ５９…排出弁
６０…希釈ボックス ６２…水素タンク
６３…インタンク電磁弁 ６４…水素供給流路
６５…遮断弁 ６６…エゼクタ
６８…水素循環路 ７０…オフガス流路
７２…パージ弁 ７４…排出流路
８６…ＦＣコンタクタ ９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９２…バッテリコンタクタ ９６…ダウンバータ
９８…１２Ｖ電源 １０２、１０３…圧力センサ
１０４、１０６…温度センサ １０８…電圧センサ
１１０…電流センサ １１２…プランジャ
１１４…スプリング １２０…弁体
１２４、１２８…ポート
【技術分野】
【０００１】
この発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システムの起動制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれている。
【０００３】
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及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極接合体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。
【０００４】
この燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるが、燃料ガス流路内に前記燃料ガスが残留する一方、酸化剤ガス流路内に前記酸化剤ガスが残留している。従って、特に燃料電池の停止期間が長くなると、燃料ガスや酸化剤ガスが電解質膜を透過し、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混在し反応して電解質膜・電極構造体が劣化するおそれがある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池の運転停止時に、アノード側への反応ガスの供給を遮断するとともに、カソード側へのブロア（エアポンプ）による反応ガスの供給を遮断し、アノード側排ガスをアノード側循環ラインを経由して上流側に循環させ、かつカソード側排ガスをカソード循環ラインを介して上流側に循環させ、燃料電池内の電気化学反応を継続させることで発電出力をバッテリに充電するとともに、アノード側排ガスの水素を消費させるとともに、カソード側排ガス中の酸素を消費して窒素ガスをタンクに蓄積し、蓄積した窒素ガスにより燃料電池のアノード内及びカソード内をガス置換している。
【０００６】
特許文献１に記載された技術のように、燃料電池の運転停止時に、窒素ガスにより燃料電池のアノード内及びカソード内を不活性なガスにより置換することは、運転停止後に、不必要な反応が発生する可能性が少なくなり、燃料電池の劣化防止という観点からも好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−２２４８７号公報（図１、［００２９］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に係る燃料電池システムは、カソード側循環ラインや、窒素ガスを蓄積するタンク、並びに前記窒素ガスをアノード側に供給するライン等が必要となり、燃料電池システムとしての構造が複雑かつ高価になる。
【０００９】
そこで、燃料電池の運転停止時に、アノード側への燃料ガスの供給を遮断し、カソード側の空気供給量を少なくして発電を継続させることで、カソード側を窒素で充満させるようにして運転を停止させることが考えられる。
【００１０】
このような運転停止時処理を実施した場合、アノード側は、負圧が大きくなった状態で、気密に保持される。カソード側は、エアポンプを通じて大気に連通しているので、大気圧（０ｋＰｇ）となる。したがって、ソーク中は、アノードとカソード間の極間差圧が大きな状態となっている。
【００１１】
また、燃料電池システムでは、例えば、ソーク中に外気温が氷点下になるおそれがあるとき等、アノード側に溜まっている水等を燃料電池スタックの外側に吹き飛ばす（掃気する）ために、アノード側の燃料ガス入口連通孔と、エアポンプの出口側との間に、空気導入路が設けられ、この空気導入路には、空気導入弁が配設される。
【００１２】
この場合、アノード側の燃料ガス出口連通孔に連通するオフガス流路と希釈ボックスの入口との間に、パージ弁に並列に大容量の排出弁が設けられ、前記掃気（アノード掃気処理または単にアノード空気掃気処理という。）する際に、前記空気導入弁が開弁されるとともに、前記排出弁（必要であればパージ弁）が開弁され、エアポンプからの圧縮空気が、前記空気導入弁、燃料電池内のアノード、前記排出弁（パージ弁）を通じて、希釈ボックスに流入する。希釈ボックスの出口側は大気に連通している。このようにして、アノード側の液滴等を吹き飛ばすことによりアノード側の氷結が防止される。
【００１３】
ところで、上述した空気導入弁、パージ弁及び排出弁には、弁（弁体）が弾性力により閉じられ、電磁力により開かれるノーマルクローズ型｛非通電時に弁（弁体）が閉じられる。｝の開閉弁である電磁弁が採用されている。
【００１４】
したがって、前記した空気導入弁、パージ弁、及び排出弁には、前記運転停止後のソーク時に前記アノード掃気処理を行う前には、前記した大きな極間差圧がかかっている。
【００１５】
一方、従来技術に係る、燃料電池システムの起動時には、図１２のタイミングチャートに示すように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオン状態（ＩＧ ＯＮ）にされると、エアポンプが駆動されて酸化剤ガスがカソードに導入され、カソード圧力がエアポンプの回転数の増加に対応して所定圧力Ｐｄまで上昇した時間Ｔｓの経過時に、水素遮断弁を開弁して高圧の燃料ガスを導入するようにしている。
【００１６】
しかしながら、上記従来の起動手順を、上述した停止時発電処理後のソーク中の燃料電池システムに適用した場合には、イグニッションスイッチをオン（ＩＧ ＯＮ）してから遮断弁を開弁するまでの間に、負圧になっているアノードと正圧になったカソードとの間の極間差圧がさらに大きくなって、弾性力により閉じられている前記空気導入弁、パージ弁、及び排出弁のいずれかがが誤開弁（誤開放）してしまうという問題がある。
【００１７】
この発明は上記の課題を考慮してなされたものであり、運転スイッチ（イグニッション）のオン、すなわち起動指令を検出した燃料電池システムの起動時に、起動性をできるだけ損なうことなく、空気導入弁等が誤開弁する等の不具合を発生させないことを可能とする燃料電池システムの起動制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
この発明に係る燃料電池システムの起動制御方法は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、を備え、前記燃料電池の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記燃料電池の前記アノードの圧力が第１閾値圧力以下の場合には、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行うことを特徴とする（請求項１に係る発明）。
【００１９】
この発明によれば、停止時発電処理を実施した後に燃料電池の発電を停止し、その後に燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記燃料電池の前記アノードの圧力が第１閾値圧力以下の場合には、酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行うようにしたので、アノードとカソードの極間差圧（ここでいう極間差圧は、カソード側の圧力と同様となっている大気圧とアノード側の圧力との差圧）を上げることなく（極間差圧を下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池の外部で連通する空気導入弁の誤開弁等を防止することができる。
【００２０】
また、この発明に係る燃料電池システムの起動制御方法は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、を備え、前記燃料電池の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲以内である場合には、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第２起動処理を行うことを特徴とする（請求項２に係る発明）。
【００２１】
この発明によれば、燃料電池の発電を停止した後、ソーク中に起動指令を検出したとき、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値（例えば、実施形態では、アノード圧力センサの測定下限範囲）以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲（例えば、実施形態では、起動時負圧保護が必要な時間範囲）以内である場合には、酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第２起動処理を行うようにしたので、アノードとカソードの極間差圧を上げることなく（下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池の外部で連通する空気導入弁の誤開弁等を防止することができる。
【００２２】
なお、請求項１に係る発明は、例えば、燃料電池のアノードの圧力が第１閾値圧力以下となっているかを測定可能な負圧側の圧力測定レンジ（アノード圧力センサの測定下限範囲）の広い圧力センサを用いることで実施可能であるが、請求項２に係る発明では、そのような負圧側の圧力測定レンジ（アノード圧力センサの測定下限範囲）の広い圧力センサを設けなくとも、前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲（例えば、実施形態では、起動時負圧保護が必要な時間範囲）以内という時間条件により燃料ガスの供給開始時点を想定できる点で利点がある。
【００２３】
この場合、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池のアノード側に掃気ガスを導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置を備え、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が前記第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が前記規定時間範囲に入る前の時間に、前記アノード掃気装置が作動した場合には、前記第２起動処理を中止し、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給開始を前記燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給開始よりも早くする第３起動処理を行うことを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、燃料電池の発電を停止し、その後に燃料電池システムの起動指令を検出したとき、停止時発電処理を実施した後に燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が前記規定時間範囲に入る前の時間に、前記アノード掃気装置が作動した場合には、アノードの圧力が増加しているので、前記第２起動処理を行う必要がなくなるので中止し、酸化剤ガス供給装置による酸化剤ガスの供給開始を燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給開始よりも早くする第３起動処理（通常の起動処理）を行うようにしたので、発電停止時処理をした後の起動時における起動処理を迅速に行うことができる。
【００２５】
なお、前記規定時間範囲に入るまでの時間が、前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときの前記アノードの温度及び湿度を考慮して予め定められる特性に基づき、高温高湿の場合には低温低湿の場合に比べて、短い時間に設定されるようにすることで、アノードの温度及び湿度に応じた的確な前記規定時間範囲に入るまでの時間を設定することができる。
【００２６】
また、前記燃料電池システムは、さらに、エアポンプに入力ポートが連通し、前記燃料電池の前記アノード側に出力ポートが連通する掃気弁を有し、前記エアポンプから前記掃気弁の入力ポート及び出力ポートを介して前記アノード側に掃気ガスを導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置を備え、前記掃気弁は、弾性力により弁体が閉弁し、前記弾性力を上回る電磁力により弁体が開弁するものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によれば、停止時発電処理を実施した後に燃料電池の発電を停止し、その後に燃料電池システムの起動指令を検出したとき、前記燃料電池の前記アノードの圧力が第１閾値圧力以下の場合には、酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行うようにしたので、アノードとカソードの極間差圧を上げることなく（極間差圧を下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池の外部で連通する空気導入弁の誤開弁等を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施形態に係る起動制御方法が実施される燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する回路説明図である。
【図３】空気導入弁の要部断面図である。
【図４】燃料電池システムの運転停止時の動作説明に供されるタイミングチャートである。
【図５】停止時発電処理の模式的説明図である。
【図６】停止時発電処理を実施した場合のアノード圧力の変化状態の説明図である。
【図７】極間差圧保護必要時の起動時エア供給制御処理の説明に供されるフローチャートである。
【図８】極間差圧保護必要時の起動時エア供給制御処理の説明に供されるタイミングチャートである。
【図９】停止時発電処理を実施した後のソーク中に、アノード掃気処理が実施された場合のアノード圧力の変化状態の説明図である。
【図１０】停止時発電処理後に、アノード圧力が低下から上昇に転じる時点の要因説明図である。
【図１１】極間差圧保護必要判断と、エア供給制御処理の対応関係の説明図である。
【図１２】通常時の起動時エア供給制御処理の説明に供されるタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１に示すように、この発明の実施形態に係る起動制御方法が実施される燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、燃料電池スタック１２に置換ガスを導入するアノード掃気装置１５と、燃料電池スタック１２に接続自由なバッテリ（蓄電装置）１７と、燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ（制御装置、制御部）１８とを備える。
【００３０】
コントローラ１８は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭも含む。）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、その他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力装置、時計、計時部としてのタイマ１９等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記録されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）、たとえば制御部、演算部、及び処理部等として機能する。
【００３１】
燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の燃料電池車両に搭載される。バッテリ１７は、燃料電池車両を通常走行可能であり、例えば、２０Ａ、〜５００Ｖ程度であるとともに、後述する１２Ｖ電源９８よりも高電圧且つ高電力容量である。
【００３２】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池（セル又はセルペアともいう。）２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。
【００３３】
カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。
【００３４】
電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。
【００３５】
カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。
【００３６】
燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう。）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。
【００３７】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ５０を備え、前記エアポンプ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、供給ガスと排出ガスとの間で水分と熱を交換する加湿器５４が配設される。空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。
【００３８】
酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアポンプ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するためのバタフライ弁等の開度調整可能な背圧制御弁（単に、背圧弁ともいう。）５８が設けられる。背圧制御弁５８は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）制御弁により構成されることが好ましい。空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。
【００３９】
アノード掃気装置１５は、前記酸化剤ガス供給装置１４と共用するエアポンプ５０と、エゼクタ６６の下流側の水素供給流路６４と空気供給流路５２との間に配設された空気導入流路５３と、この空気導入流路５３に設けられた空気導入弁５５と、燃料ガスのオフガス流路７０と空気排出流路５６との間に配設された排出弁５９とを備える。
【００４０】
空気導入弁５５は、エアポンプ５０から空気供給流路５２及び空気導入流路５３を介し、燃料ガス入口連通孔４０ａを通じて燃料ガス流路３６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（アノード掃気処理ともいう。）時に開放される開閉弁であり、排出弁５９は、このアノード掃気処理時に、同時に開放される開閉弁である。
【００４１】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留し開閉弁であるインタンク電磁弁６３が一体的に設けられた水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。
【００４２】
この水素供給流路６４には、開閉弁である遮断弁６５及びエゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。
【００４３】
燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。希釈ボックス６０の排出口側には、排出流路７４が接続される。なお、排出流路７４には、図示しない貯蔵バッファが配設され、この貯蔵バッファには、大気に連通する排気流路が接続される。
【００４４】
なお、上述した空気導入弁５５、排出弁５９、及びパージ弁７２は、容量は異なるが、その構造は共通している。ここで、空気導入弁５５を例としてその構造（構成）を説明する。
【００４５】
図３は、空気導入弁５５の要部断面を示している。空気導入弁５５は、ボディ１０１と、エアポンプ５０側に連通するポート（入力ポート）１２４と、ポート１２４に連通する弁室１２６と、燃料ガス入口連通孔４０ａに連通するポート（出力ポート）１２８と、ポート１２４とポート１２８との間を連通乃至遮断する弁体１２０と、弁体１２０がフランジ部として形成されたプランジャ１１２と、ボディ１０１とプランジャ１１２の間に設けられたスプリング１１４と、電磁コイル１１６と、を備える。
【００４６】
図３に示す閉弁状態では、弁体１２０は、スプリング１１４の弾性力によって、プランジャ１１２を介して閉弁方向に付勢され、ポート１２４とポート１２８との間を遮断している。プランジャ１１２は、電磁コイル１１６への通電による電磁力でスプリング１１４の弾性力に抗って、図３中、上方に可動し、弁体１２０を開弁方向に移動させ、ポート１２４とポート１２８との間を連通させる（開弁状態）。
【００４７】
コントローラ１８は、各種制御処理を実行するために、水素供給流路６４に設けられたアノード圧力Ｐａを検出する圧力センサ１０２、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの近傍に設けられたカソード圧力Ｐｋを検出する圧力センサ１０３、燃料ガス出口連通孔４０ｂの近傍に設けられた水素温度Ｔｈを検出する温度センサ１０４、図示しない冷却媒体入口連通孔に設けられた冷媒温度Ｔｃを検出する温度センサ１０６、各燃料電池２０の電圧（セル電圧又はセルペア電圧という。）Ｖｃを検出する電圧センサ１０８、及び燃料電池スタック１２から流れ出る電流の電流値Ｉｏを検出する電流センサ１１０の各信号を取り込み、後述するＦＣコンタクタ８６のオン（閉）オフ（開）、遮断弁６５等の弁の開閉及び開度制御、及びエアポンプ５０の流量（風量）の調整等のアクチュエータの制御等を行う。
【００４８】
図２に示すように、燃料電池スタック１２には、主電力線８０の一端が接続されるとともに、前記主電力線８０の他端がインバータ８２に接続される。インバータ８２には、三相の車両走行用の駆動モータ８４が接続される。なお、主電力線８０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記主電力線８０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。
【００４９】
主電力線８０には、ＦＣコンタクタ（主電源開閉器、燃料電池スタック開閉器）８６が配設されるとともに、エアポンプ５０が接続される。主電力線８０には、電力線８８の一端が接続され、電力線８８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０及びバッテリコンタクタ（蓄電装置開閉器）９２を介してバッテリ１７が接続される。電力線８８には、分岐電力線９４が設けられ、分岐電力線９４には、ダウンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）９６を介して１２Ｖ電源９８が接続される。なお、１２Ｖ電源９８は、バッテリ１７よりも低い電圧であればよく、１２Ｖに限定されるものではない。
【００５０】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５１】
先ず、燃料電池システム１０の通常運転時（通常発電時、又は通常発電処理時ともいう。）には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。
【００５２】
使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。
【００５３】
一方、燃料ガス供給装置１６では、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５が開放されることにより、水素タンク６２から減圧制御弁（図示せず）により減圧された後、水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。
【００５４】
使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。
【００５５】
一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。この水素ガスは、希釈ボックス６０内で空気オフガスと混合されることにより水素濃度が低下された後、貯蔵バッファ（図示せず）に排出される。
【００５６】
通常発電中には、アノード掃気装置１５は作動させず、空気導入弁５５及び排出弁５９は、閉じた状態に保持される。空気導入弁５５及び排出弁５９並びにパージ弁７２は、ノーマルクローズ型（通電されない時に閉じられる）の開閉弁である。
【００５７】
次に、燃料電池システム１０の運転停止時の動作について、図４に示すタイミングチャートに沿って、以下に説明する。
【００５８】
図示しない燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１０は、上記のように、通常発電運転を行うことにより、所望の走行が行われている。そして、図示しないイグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフされると、コントローラ１８は、これを停止指令として検出し（時点ｔ１）、燃料電池システム１０の運転停止処理を開始する。
【００５９】
先ず、後述するディスチャージ処理（低酸素ストイキ発電処理、停止時発電処理、Ｏ２リーン処理、又はＯ２リーン発電処理ともいう。）後に、燃料電池スタック１２内の燃料ガス圧力（アノード圧力Ｐａ）が設定圧力に維持されるように、水素ガス（燃料ガス）の供給圧力が、予め、設定される。
【００６０】
ディスチャージ処理時には、空気は、酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。
【００６１】
具体的には、低酸素ストイキは、値１前後に設定される。なお、酸素ストイキは、通常発電時には、１．２〜３．０の間に収まることが好ましい。一方、ディスチャージ処理時に、水素ガスは、供給が停止される。アノード圧力Ｐａ１は、ディスチャージ完了時に、一定圧力Ｐａ２以上に維持されるように設定される。一定圧力Ｐａ２は、水素の不足や過剰が発生しない程度の圧力である。
【００６２】
図４に示すように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオフにされると（時点ｔ１）、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５の開放作用下に燃料電池スタック１２に水素ガスが供給され、燃料電池スタック１２内の圧力がアノード圧力Ｐａ１まで上昇する（時点ｔ１〜ｔ２：昇圧処理）。
【００６３】
昇圧処理が終了すると（時点ｔ２）、インタンク電磁弁６３が閉じられ、インタンク電磁弁６３の故障検知処理に移行する。この故障検知処理では、インタンク電磁弁６３の直下流の圧力変化の有無により故障検知が行われる。圧力が低下した場合には、インタンク電磁弁６３が正常とされる。すなわち、正常に閉弁されたと判断する。
【００６４】
インタンク電磁弁６３の故障検知処理が終了すると（時点ｔ３）と、カソード掃気処理が行われる。このカソード掃気処理では、カソード側の水滴を含む液滴等を吹き飛ばすため、及び希釈ボックス６０に残留している水素を完全に希釈するための空気による（酸化剤ガス供給装置１４による）掃気処理が行われる。この際、高回転数［ｒｐｍ］に設定されるエアポンプ５０を駆動するのに不足する電力は補充される（時点ｔ４〜ｔ５）。
【００６５】
カソード掃気処理後には、背圧制御弁５８の開度制御が一旦停止されて開放されることでカソード側が大気に連通し、カソード圧力ＰｋがＰｋ＝０［ｋＰａｇ：ｇはゲージ圧を意味する。］にされる状態が作られる（時点ｔ４〜ｔ５）。さらに、カソード掃気処理終了時点（時点ｔ４）で、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０は、通常運転時に比べて相当に回転数が減速され、酸化剤ガス中の酸素ストイキを、通常発電時の酸素ストイキよりも低い低酸素ストイキで供給する。具体的には、低酸素ストイキは、１前後に設定される。そして、圧力センサ１０３の学習処理（０点補正）がなされる。
【００６６】
その後、時点ｔ５〜ｔ８において、背圧制御弁５８の開度を調整することで、圧力センサ１０３により検出されるカソード圧力Ｐｋが、低酸素ストイキに対応する所定の低圧力Ｐｋ１とされ、さらに、その低圧力Ｐｋ１での背圧制御弁５８の学習処理がなされる（時点ｔ５〜ｔ６）。以降、エアポンプ５０のオフ（時点ｔ７）まで、低圧力Ｐｋ１とされる。
【００６７】
一方、燃料電池スタック１２は、発電が継続されている（時点ｔ１〜ｔ７）。
【００６８】
背圧制御弁５８の学習処理（時点ｔ５〜ｔ６）後の低酸素ストイキ発電処理（Ｏ２リーン発電処理、単にＯ２リーン処理ともいう。時点ｔ６〜ｔ７）では、燃料電池スタック１２から取り出される電流（ＦＣ電流）は、固体高分子電解質膜２２を透過してアノード側からカソード側に燃料ガスである水素ガスが移動することを阻止する値に設定される。その際、図２において、ＦＣコンタクタ８６及びバッテリコンタクタ９２がオンされており、燃料電池スタック１２の発電時に得られる電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０により電圧を降圧させた後、バッテリ１７に充電される。
【００６９】
上記のように、燃料電池スタック１２では、低酸素ストイキの空気が供給される一方、遮断弁６５の閉塞（時点ｔ３）により水素ガスの供給が停止した状態で、発電が行われている。パージ弁７２も閉じられている。そして、燃料電池スタック１２による発電電力は、バッテリ１７に供給されることにより、ディスチャージ｛図４中、ＤＣＨＧ（Ｏ２リーン処理）｝されている。従って、燃料電池スタック１２の発電電圧が所定の電圧、すなわち、バッテリ１７に供給不能な電圧（バッテリ１７の電圧とほぼ同じ電圧）まで低下すると、エアポンプ５０にのみ発電電力が供給される。
【００７０】
これにより、燃料電池スタック１２内では、Ｏ２リーン処理（時点ｔ６〜ｔ７）の間にアノード側の水素濃度が低下する一方、カソード側の酸素濃度が低下していく。そこで、例えば、アノード側の水素圧力（アノード圧力Ｐａ）が所定の圧力Ｐａ２以下となった際に、エアポンプ５０がオフされるとともに、バッテリコンタクタ９２がオフされる（時点ｔ７）。
【００７１】
このため、燃料電池スタック１２は、内部に残存する水素ガスと空気とにより発電される（時点ｔ７〜ｔ８）。この燃料電池スタック１２の発電により発生する電力は、ダウンバータ９６を介して降圧された後、１２Ｖ電源９８に充電（図４中、Ｄ／Ｖ ＤＣＨＧ）されるとともに、必要に応じて図示しないラジエータファン等に電力が供給される。さらに、燃料電池スタック１２の発電電圧が、ダウンバータ９６の作動限界電圧の近傍まで低下すると、ＦＣコンタクタ８６がオフされる（時点ｔ８）。これにより燃料電池システム１０は、運転停止状態、いわゆるソーク状態となる。
【００７２】
上述したように、イグニッションスイッチがオフされると（時点ｔ１）、水素ガスの供給を停止する前に、燃料電池スタック１２内のアノード圧力Ｐａがアノード圧力Ｐａ１まで上昇された後（時点ｔ２）、背圧制御弁５８、エアポンプ５０、インタンク電磁弁６３及び遮断弁６５が操作されている。従って、燃料電池スタック１２では、この燃料電池スタック１２内に残存する水素ガスと低酸素ストイキの空気とにより発電が行われ、発電電力がバッテリ１７に供給されてディスチャージされている（時点ｔ２〜ｔ７）。
【００７３】
これにより、停止時発電処理による作用効果を模式的に説明する図５に示すように、燃料電池スタック１２内のアノード側では、水素残量が低下して（図５中、アノードの水素残量低下）水素濃度が減少するとともに、カソード側では、低酸素ストイキであるので酸素濃度が減少して窒素Ｎ２の濃度が上昇している。結果、排気側（空気排出流路５６側）からの酸素の進入（拡散）が防止され、カソード側の低酸素状態が保持される。
【００７４】
その上、水素ガスの供給を停止する前に、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの供給圧力を、アノード圧力Ｐａ１まで上昇させている（時点ｔ２）。このため、燃料電池スタック１２内に適正な量の水素が充填された状態で、低酸素ストイキによる発電（Ｏ２リーン処理）が良好に遂行され、ディスチャージ完了後に、燃料電池スタック１２内に過剰な水素ガスが残存したり、水素ガス不足が発生したりすることを、確実に阻止することができるという効果が得られる。
【００７５】
さらに、エアポンプ５０を停止することにより（時点ｔ７）、空気の供給を停止した状態で、すなわち、燃料電池スタック１２内に残存する水素及び酸素のみで、前記燃料電池スタック１２が発電されている（図４中、Ｄ/Ｖ ＤＣＨＧ）。
【００７６】
このため、エアポンプ５０を介して空気の供給を行いながら、燃料電池スタック１２の発電を行った場合、システム内の窒素置換範囲が、燃料電池スタック１２内に止まるのに対し、エアポンプ５０を停止した後、燃料電池スタック１２の発電を行うと、燃料電池スタック１２の入口側まで窒素ガスによる置換範囲が拡大される（図５参照）。これにより、燃料電池システム１０のカソード側は、比較的長期間にわたって停止されても、燃料電池２０の劣化を可及的に阻止することができるという利点がある。
【００７７】
図６は、停止時発電処理を実施した場合のアノード圧力Ｐａの変化状態を示している。なお、この変化状態を示す特性１３０は、予め、実験等により測定され、コントローラ１８のメモリ内に特性、マップ等として記憶されている。
【００７８】
イグニッションスイッチのオフ後、時点ｔ３において、遮断弁６５が閉じられると、アノード循環系（エゼクタ６６→燃料ガス入口連通孔４０ａ→燃料ガス流路３６→燃料ガス出口連通孔４０ｂ→水素循環路６８→エゼクタ）内のアノード圧力Ｐａは、停止時発電処理を原因とする反応により水素ガスが消費されるので、比較的急に減少していく。そして、停止時発電処理を実施した場合の運転停止時点ｔ８（ＦＣコンタクタ８６をオン状態からオフ状態にした時点）におけるアノード圧力Ｐａは、所定範囲内の負圧になっていることを確認している。
【００７９】
その一方、図６中、時点ｔ８以降のソーク中には、水素が消費されず、アノード圧力Ｐａの特性に示すように、アノード圧力Ｐａは徐々に低下するが、水素量が少なくなったときに（時点ｔ１０）、窒素ガスがカソード側からアノード側へ透過する量が大きくなり、アノード圧力Ｐａは、徐々に大きくなる（時点ｔ１０以降）。
【００８０】
図６において、第１閾値圧力Ｐｔｈ１は、アノード圧力Ｐａがこの第１閾値圧力Ｐｔｈ１以下であるときに、図１２に示したように、イグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオン状態にされ、エアポンプ５０が駆動されて酸化剤ガスがカソードに導入され、カソード圧力Ｐｋがエアポンプ５０の回転数の増加に対応して所定圧力Ｐｄ（図１２参照）まで上昇したときに、図３に示した弁体１２０が開弁してしまう極間差圧（Ｐｋ−Ｐａ：Ｐｋは正圧でＰａは負圧であるので、極間差圧は|Ｐｋ|＋|Ｐａ|となる。）以上に大きくなる閾値を示している。
【００８１】
換言すれば、上記の極間差圧|Ｐｋ|＋|Ｐａ|は、空気導入弁５５の弁体１２０を閉弁方向に付勢しているスプリング１１４の弾性力に抗って弁体１２０を開弁（開放）してしまう圧力であり、ソーク時間が時点ｔ９〜ｔ１１までの第１閾値圧力Ｐｔｈ１以下の負圧保護期間Ｔｐｎにあるときは、次に説明する極間差圧保護処理（負圧保護処理）を行いながらの起動処理を行う。
【００８２】
すなわち、ソーク中の負圧保護期間Ｔｐｎ内でイグニッションスイッチ（運転スイッチ）がオン状態にされたときには、図７のフローチャート及び図８のタイミングチャートの実線で示す極間差圧保護処理のように、より大きな極間差圧とならないように、イグニッションスイッチのオン（ＩＧ ＯＮ）後、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアポンプ５０を作動させて酸化剤ガスの供給を開始する前に、遮断弁６５を開弁して（ステップＳ１：ＹＥＳ）、燃料ガス供給装置１６から燃料ガスの供給を開始し、開始したときから予め定められる時間（所定時間）Ｔｓ１後に（ステップＳ２：ＹＥＳ）、エアポンプ５０を駆動して、カソード圧力・流量指令値を起動用の圧力・流量に設定して（ステップＳ３）酸化剤ガスの供給を開始するようにしている。なお、ステップＳ１及びＳ２の判定が否定的であるとき（ステップＳ１：ＮＯ、ステップＳ２：ＮＯ）、ステップＳ４に示すように、カソード圧力・流量指令値を０（エアポンプ５０の回転数を０値）としておく。
【００８３】
ここで、所定時間Ｔｓ１は、この時間内に、アノード圧力Ｐａが上述した第１閾値圧力Ｐｔｈ１を上回るのに必要十分な時間に設定している。
【００８４】
なお、ソーク中に、外気温が氷点下等の低温になったとき、あるいは氷点下になることが予測されたときに、アノード掃気処理が必要と判断された場合であって、ソーク中の上述した期間Ｔｐｎ（図６参照、極間差圧|Ｐｋ|＋|Ｐａ|が、空気導入弁５５の弁体１２０を閉弁方向に付勢しているスプリング１１４の弾性力に抗って弁体１２０を開弁（開放）してしまう圧力以上の圧力になる時間帯）内に、図９の時点ｔ１０´に示すように、アノード掃気装置１５による上述したアノード掃気処理が行われた場合には、空気導入弁５５及び排出弁５９が開弁してアノード側が空気に置換されて大気圧となるので、アノード掃気後は、図７、図８を参照して説明した差圧保護処理は不要となり、図８の点線で示すタイミング（図１２で示した通常起動時のタイミング）でエアポンプ５０を起動した後、遮断弁６５を開弁する起動処理を行えばよい。
【００８５】
実際上、停止時発電処理後であって、図６に示したアノード圧力Ｐａが低下から上昇に転じる時点ｔ１０は、図１０に示すように、大気圧に対する依存性はほとんど無く、固体高分子電解質膜２２の温度と湿潤状態によって決定されることを確認している。すなわち、ソーク中に、アノード圧力Ｐａが低下から上昇に転じ時点ｔ１０は、固体高分子電解質膜２２が高温で湿潤（ＷＥＴ）状態である程、運転停止時点ｔ８（ＦＣコンタクタ８６がオン状態からオフ状態にされた時点）から短いソーク時間Ｔｓａ以降となり、低温で乾燥（ＤＲＹ）状態である程、運転停止時点ｔ８から長いソーク時間Ｔｓｄ以内となる。
【００８６】
よって、図１１のフローチャートに示すように、ステップＳ１１の判断において、（ｉ）停止時発電処理中のアノード圧力Ｐａが所定圧力Ｐｔｈ２｛ここでは、アノードの圧力センサ１０２の測定範囲下限値：これ以上、低い圧力（負圧）になるとセンサ出力がオーバーフローする。（それぞれが負圧で、この実施形態では、|Ｐｔｈ２|＜|Ｐｔｈ１|）｝、（ｉｉ）ソーク時間がソーク時間Ｔｓａを上回りかつソーク時間Ｔｓｄを下回る、（ｉｉｉ）ソーク中に、アノード掃気処理の実施履歴がないこと、（ｉｖ）起動時アノード圧力ＰａがＰｔｈ１以下であることの４つの条件が揃ったときに、ステップＳ１２に示すエア供給タイミングが極間差圧保護用のタイミング（図８中、実線で示すタイミング）とされ、４つの条件中、少なくとも１つの条件が欠けたときには、通常のタイミング（図８中、点線で示すタイミング）で、エア供給が実施される。
【００８７】
［実施形態のまとめ］
以上説明したように上述した実施形態係る燃料電池システム１０の起動制御方法は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、燃料電池２０に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、を備える。
【００８８】
コントローラ１８（制御部、制御手段）は、燃料電池２０の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池２０に供給しながら燃料電池２０を発電させる停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止し、その後に燃料電池システム１０の起動指令を検出したとき、燃料電池２０のアノード圧力Ｐａが第１閾値圧力Ｐｔｈ１（この場合、例えば、第１閾値圧力Ｐｔｈ１を測定可能な負圧側に広い測定レンジを有する圧力センサ１０２で測定する。）以下の場合には、酸化剤ガス供給装置１４による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、燃料ガス供給装置１６から前記燃料ガスの供給を開始し、開始したときから予め定められる時間Ｔｓ１後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理（図８参照）を行うようにしたので、アノードとカソードの極間差圧（ここでいう極間差圧とは、カソード側の圧力と同様となっている大気圧とアノード側圧力との差圧を意味する。）を上げることなく（極間差圧を下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池２０の外部で連通する空気導入弁５５、排出弁５９、及びパージ弁７２の誤開弁等を防止することができる。
【００８９】
また、圧力センサ１０２が、上記第１閾値圧力Ｐｔｈ１までは測定できない負圧側測定範囲が狭い圧力センサ１０２である場合であっても、燃料電池２０の前記停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止したときのアノード圧力Ｐａが第２閾値Ｐｔｈ２（この実施形態では、圧力センサ１０２による負圧測定値の仕様上の下限値）以下の圧力であって、かつ燃料電池２０の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲（図６中、時点ｔ９〜ｔ１１までの極間差圧保護起動が必要な時間範囲）以内である場合には、酸化剤ガス供給装置１４による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、燃料ガス供給装置１６から前記燃料ガスの供給を開始し、開始したときから予め定められる時間Ｔｓ１後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第２起動処理（図６、図８）を行うようにしたので、圧力センサ１０２が、上記第１閾値圧力Ｐｔｈ１までは測定できない負圧側測定範囲の狭い圧力センサ１０２である場合であっても、上記の経過時間を監視することで燃料ガスの供給開始時点を想定でき、アノードとカソードの極間差圧を上げることなく（下げて）起動することが可能となり、アノードとカソードとの間を燃料電池２０の外部で連通する空気導入弁５５、排出弁５９、及びパージ弁７２の誤開弁を防止することができる。
【００９０】
この場合、前記停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止し、その後に燃料電池システム１０の起動指令を検出したとき、停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止したときのアノードの圧力Ｐａが第２閾値Ｐｔｈ２以下の圧力であって、かつ燃料電池２０の発電を停止したときからの経過時間が時点ｔ９〜ｔ１１までの規定時間範囲に入る前の時間（この実施形態では、時点ｔ１０´）に、アノード掃気装置１５が作動した場合には、アノード圧力Ｐａが大気圧まで増加しているので、前記第２起動処理を行う必要がなくなるので中止し、酸化剤ガス供給装置１４による酸化剤ガスの供給開始を燃料ガス供給装置１６による燃料ガスの供給開始よりも早くする第３起動処理（通常の起動処理：図８中、点線で示した処理）を行うようにしたので、発電停止時処理をした後の起動時における起動処理を迅速に行うことができる。
【００９１】
なお、前記規定時間範囲に入るまでの時間Ｔｓａ、Ｔｓｂ（図１０参照）が、前記停止時発電処理を実施した後に燃料電池２０の発電を停止したときの前記アノードの温度及び湿度を考慮して予め定められる特性１５０、１５２に基づき、高温高湿（特性１５０）の場合に設定される時間Ｔｓａは、低温低湿（特性１５２）の場合に設定される時間Ｔｓｂに比べて、短い時間に設定されるようにすることで、アノードの温度及び湿度に応じた的確な前記規定時間範囲に入るまでの時間を設定することができる。
【００９２】
また、燃料電池システム１０は、さらに、エアポンプ５０に入力ポートが連通し、燃料電池２０の前記アノード側に出力ポートが連通する掃気弁である空気導入弁５５を有し、エアポンプ５０から空気導入弁５５の入力ポート１２４及び出力ポート１２８を介して前記アノード側に掃気ガスである圧縮空気を導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置１５を備え、空気導入弁５５は、スプリング１１４の弾性力により弁体１２０が閉弁し、前記弾性力を上回る電磁力により弁体１２０が開弁するものであることが好ましい。
【００９３】
なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採りうることができる。
【符号の説明】
【００９４】
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １５…アノード掃気装置
１６…燃料ガス供給装置 １７…バッテリ
１８…コントローラ １９…タイマ
２０…燃料電池 ２２…固体高分子電解質膜
２４…カソード電極 ２６…アノード電極
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４…酸化剤ガス流路 ３６…燃料ガス流路
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
５０…エアポンプ ５２…空気供給流路
５３…空気導入流路 ５４…加湿器
５５…空気導入弁 ５６…空気排出流路
５８…背圧制御弁 ５９…排出弁
６０…希釈ボックス ６２…水素タンク
６３…インタンク電磁弁 ６４…水素供給流路
６５…遮断弁 ６６…エゼクタ
６８…水素循環路 ７０…オフガス流路
７２…パージ弁 ７４…排出流路
８６…ＦＣコンタクタ ９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９２…バッテリコンタクタ ９６…ダウンバータ
９８…１２Ｖ電源 １０２、１０３…圧力センサ
１０４、１０６…温度センサ １０８…電圧センサ
１１０…電流センサ １１２…プランジャ
１１４…スプリング １２０…弁体
１２４、１２８…ポート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
を備え、
前記燃料電池の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、
その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、
前記燃料電池の前記アノードの圧力が第１閾値圧力以下の場合には、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項２】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
を備え、
前記燃料電池の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、
その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、
前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲以内である場合には、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、まず、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第２起動処理を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムの起動制御方法において、
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池のアノード側に掃気ガスを導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置を備え、
前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、
前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が前記規定時間範囲に入る前の時間に、前記アノード掃気装置が作動した場合には、前記第２起動処理を中止し、
前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給開始を前記燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給開始よりも早くする第３起動処理を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池システムの起動制御方法において、
前記規定時間範囲に入るまでの時間が、
前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときの前記アノードの温度及び湿度を考慮して予め定められる特性に基づき、高温高湿の場合には低温低湿の場合に比べて、短い時間に設定される
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項５】
請求項１、２又は４記載の燃料電池システムの起動制御方法において、
前記燃料電池システムは、さらに、エアポンプに入力ポートが連通し、前記燃料電池の前記アノード側に出力ポートが連通する掃気弁を有し、前記エアポンプから前記掃気弁の入力ポート及び出力ポートを介して前記アノード側に掃気ガスを導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置を備え、
前記掃気弁は、弾性力により弁体が閉弁し、前記弾性力を上回る電磁力により前記弁体が開弁するものである
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項１】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
を備え、
前記燃料電池の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、
その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、
前記燃料電池の前記アノードの圧力が第１閾値圧力以下の場合には、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第１起動処理を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項２】
カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
を備え、
前記燃料電池の運転停止指令を検出したとき、前記燃料ガスの供給を停止する一方、前記酸化剤ガスを燃料電池に供給しながら前記燃料電池を発電させる停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、
その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、
前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が規定時間範囲以内である場合には、前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給を開始する前に、まず、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、開始したときから予め定められる時間後に、前記酸化剤ガスの供給を開始する第２起動処理を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムの起動制御方法において、
前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池のアノード側に掃気ガスを導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置を備え、
前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止し、その後に前記燃料電池システムの起動指令を検出したとき、
前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときのアノードの圧力が第２閾値以下の圧力であって、かつ前記燃料電池の発電を停止したときからの経過時間が前記規定時間範囲に入る前の時間に、前記アノード掃気装置が作動した場合には、前記第２起動処理を中止し、
前記酸化剤ガス供給装置による前記酸化剤ガスの供給開始を前記燃料ガス供給装置による燃料ガスの供給開始よりも早くする第３起動処理を行う
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池システムの起動制御方法において、
前記規定時間範囲に入るまでの時間が、
前記停止時発電処理を実施した後に前記燃料電池の発電を停止したときの前記アノードの温度及び湿度を考慮して予め定められる特性に基づき、高温高湿の場合には低温低湿の場合に比べて、短い時間に設定される
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【請求項５】
請求項１、２又は４記載の燃料電池システムの起動制御方法において、
前記燃料電池システムは、さらに、エアポンプに入力ポートが連通し、前記燃料電池の前記アノード側に出力ポートが連通する掃気弁を有し、前記エアポンプから前記掃気弁の入力ポート及び出力ポートを介して前記アノード側に掃気ガスを導入して該アノードを掃気するアノード掃気装置を備え、
前記掃気弁は、弾性力により弁体が閉弁し、前記弾性力を上回る電磁力により前記弁体が開弁するものである
ことを特徴とする燃料電池システムの起動制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２１２６１７（Ｐ２０１２−２１２６１７Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７８４５１（Ｐ２０１１−７８４５１）
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１日（２０１２．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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