特開 2024-42153 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024042153

(43)【公開日】2024-03-28

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04746 20160101AFI20240321BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240321BHJP

   H01M 8/04225 20160101ALI20240321BHJP

   H01M 8/04302 20160101ALI20240321BHJP

   H01M 8/0444 20160101ALI20240321BHJP

   H01M 8/04664 20160101ALI20240321BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20240321BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240321BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04746

H01M8/04 H

H01M8/04225

H01M8/04302

H01M8/0444

H01M8/04664

H01M8/0438

H01M8/10 101

【審査請求】有

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022146658

(22)【出願日】2022-09-15

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100077665

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 剛宏

(74)【代理人】

【識別番号】100116676

【弁理士】

【氏名又は名称】宮寺 利幸

(74)【代理人】

【識別番号】100191134

【弁理士】

【氏名又は名称】千馬 隆之

(74)【代理人】

【識別番号】100136548

【弁理士】

【氏名又は名称】仲宗根 康晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136641

【弁理士】

【氏名又は名称】坂井 志郎

(74)【代理人】

【識別番号】100180448

【弁理士】

【氏名又は名称】関口 亨祐

(72)【発明者】

【氏名】井上 智之

(72)【発明者】

【氏名】中谷 優斗

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB04

5H127AB29

5H127BA02

5H127BA28

5H127BA33

5H127BA39

5H127BA58

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB34

5H127BB37

5H127BB39

5H127BB40

5H127DA01

5H127DA05

5H127DA15

5H127DB02

5H127DB03

5H127DB13

5H127DB19

5H127DB22

5H127DB23

5H127DB33

5H127DB96

5H127DC22

5H127DC29

5H127DC32

5H127DC39

5H127FF02

(57)【要約】      （修正有）

【課題】燃料電池システムの起動時における酸化剤ガス供給流量を少なくし、これにより、発電開始までの起動時間を短くする。
【解決手段】制御装置は、供給側封止弁と排出側封止弁を閉弁している起動時に、酸化剤ガス供給流量が、設定された起動時の酸化剤ガス供給流量（Ｑ１又はＱ２）に到達したときに、インジェクタによる燃料ガスの噴射を許容し、その後、供給側封止弁と排出側封止弁を開弁する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

アノード流路を介してアノード電極に供給される燃料ガスと、カソード流路を介してカソード電極に供給される酸化剤ガスと、の電気化学反応により発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタック内の前記カソード流路に、酸化剤ガス供給流路を通じて前記酸化剤ガスを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し、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を、前記燃料電池スタック内の前記カソード流路を迂回して前記酸化剤オフガス排出流路に通流するバイパス流路と、
前記燃料電池システムを制御する制御装置と、を備え、
該制御装置は、
前記燃料電池システムの運転時及びソーク時における燃料ガスのリークを検知し、検知結果に基づき、リークが検知されている場合に比較してリークが検知されていない場合の起動時の酸化剤ガス供給流量を少なく設定する
燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスのリークは、前記燃料電池スタック内でのクロスリークにより発生し又は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に設けられた燃料オフガス排出弁の開故障状態により発生する
燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの前記アノード流路に燃料ガス供給流路を通じて前記燃料ガスを噴射するインジェクタを備え、
前記制御装置は、前記起動時において、前記酸化剤ガス供給流量が、設定された前記起動時の酸化剤ガス供給流量に到達したとき、前記インジェクタによる前記燃料ガスの噴射を許容する
燃料電池システム。

【請求項4】

請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの前記アノード流路に燃料ガス供給流路を通じて前記燃料ガスを噴射するインジェクタと、
前記酸化剤ガス供給流路に配され、前記酸化剤ガス供給流路に流れる前記酸化剤ガスの流量を調整する供給側封止弁と、
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前記酸化剤オフガス排出流路に配され、前記酸化剤オフガスの流量を調整する排出側封止弁と、を備え、
前記制御装置は、前記供給側封止弁と前記排出側封止弁を閉弁している起動時に、前記酸化剤ガス供給流量が、設定された前記起動時の酸化剤ガス供給流量に到達したときに、前記インジェクタによる前記燃料ガスの噴射を許容し、その後、前記供給側封止弁と前記排出側封止弁を開弁する
燃料電池システム。

【請求項5】

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、前記ソーク時における燃料ガスのリークの検知を、前記ソーク中における前記燃料電池スタックの前記アノード流路の圧力の変化又は前記カソード流路の圧力の変化により検知する
燃料電池システム。

【請求項6】

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、前記燃料電池システムの運転時における燃料ガスのリークの検知を、発電状態の変化に基づき検知する
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

近年、より多くの人々が手頃で信頼でき、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。

【0003】

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（透過）し、起動時における酸化剤ガスのカソード側への供給時に、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。

【0004】

特許文献１に開示された燃料電池システムでは、エアポンプから酸化剤ガスをカソード側に供給する供給管に、前記排気管に連通し、開閉可能なバイパス弁を有するバイパス流路を設けている。

【0005】

特許文献１に開示された燃料電池システムでは、起動時に、カソードの水素濃度が所定値以上か否かを判断する。所定値以上の場合には、前記エアポンプの運転を制限して酸化剤ガス供給流量を低減し、前記バイパス流路を通じて前記酸化剤ガスを前記排気管に供給し、大気に放出される燃料ガスの濃度を低下させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００４－１７２０２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、起動時にエアポンプの運転を制限すると、エアポンプを通常運転状態にするまでの起動時間が長くなり、燃料電池スタックの起動時間が長くなるという課題がある。

【0008】

また、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、アノード側排出弁が故障等により意図せずに開いてしまった場合にも、起動時にエアポンプの運転を制限することになるが、この場合においても、エアポンプを通常運転状態にするまでの起動時間が長くなり、燃料電池スタックの起動時間が長くなるという課題がある。

【0009】

この発明は、上記した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この発明の一態様に係る燃料電池システムは、アノード流路を介してアノード電極に供給される燃料ガスと、カソード流路を介してカソード電極に供給される酸化剤ガスと、の電気化学反応により発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタック内の前記カソード流路に、酸化剤ガス供給流路を通じて前記酸化剤ガスを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し、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を、前記燃料電池スタック内の前記カソード流路を迂回して前記酸化剤オフガス排出流路に通流するバイパス流路と、前記燃料電池システムを制御する制御装置と、を備え、該制御装置は、前記燃料電池システムの運転時及びソーク時における燃料ガスのリークを検知し、検知結果に基づき、リークが検知されている場合に比較してリークが検知されていない場合の起動時の酸化剤ガス供給流量を少なく設定する。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、燃料電池システムの起動時に、運転時及びソーク時における燃料ガスのリークの検知結果に基づき、前記起動時の酸化剤ガス供給流量を設定するようにしたので、リークが検知されていない場合には、起動時における酸化剤ガス供給流量を少なくできる。これにより、発電開始までの起動時間を短くすることができる。

【0012】

起動時に、燃料ガスのリークが検知されていた場合には、リークが検知されていない場合に比較して、酸化剤ガス供給流量を大きな値に設定し、大気に放出される燃料ガスの濃度を低下させて希釈時間を短くすることで起動時間を短くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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】図２は、制御装置による燃料電池システムの始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。

【図3】図３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タイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

［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以外の車両、船舶、航空機、ロボット等の移動体にも組み込み可能である。

【0015】

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１６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２００とから構成される。

【0016】

制御装置１６は、一つではなく、例えば、燃料電池システム１０用と出力部２００用等、二つ以上の制御装置に分けてもよい。

【0017】

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック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、を有する。

【0018】

出力部２００は、駆動部２０４と、蓄電部２０６と、モータ２０８と、を有する。
駆動部２０４には、それぞれ不図示の昇圧コンバータ及び複数のインバータ等が含まれる。

【0019】

蓄電部２０６には、高電圧の電力を蓄電する蓄電装置（高圧バッテリ）、前記高電圧を低電圧に変換する降圧コンバータ、前記低電圧の電力を蓄電する蓄電装置（低圧バッテリ）が含まれる。

【0020】

駆動部２０４の入力端子には、燃料電池スタック１８の負極端子１０６及び正極端子１０８がそれぞれ電線を通じて接続される。
負極端子１０６と正極端子１０８との間には、電圧センサ１１０が設けられる。

【0021】

該電圧センサ１１０は、負極端子１０６と正極端子１０８との間の電圧である燃料電池電圧（発電電圧）Ｖｆｃを測定（検出）する。

【0022】

電圧センサ１１０は、また、燃料電池スタック１８を構成する各発電セル５０の電圧（セル電圧）Ｖcellを測定（検出）する。

【0023】

前記電線の一方又は両方には、燃料電池スタック１８の発電電流Ｉｆｃを測定（検出）する電流センサ１１２が挿入されている。

【0024】

駆動部２０４の前記昇圧コンバータは、発電電圧Ｖｆｃを昇圧する。前記インバータは、昇圧された直流電圧を３相交流に変換してモータ２０８に供給する。昇圧された前記直流電圧は、蓄電部２０６の前記高圧バッテリに蓄電される。

【0025】

モータ２０８は、蓄電部２０６中の前記高圧バッテリの高電圧の電力又は燃料電池スタック１８の発電電圧Ｖｆｃが昇圧された高電圧の電力により動作する。
モータ２０８の回生電力は、インバータを通じて前記高圧バッテリに充電される。

【0026】

駆動部２０４は、さらに、コンプレッサ２８に電線により接続され、インバータを通じてコンプレッサ２８を回転駆動する。コンプレッサ２８のロータの回転数Ｎ［ｒｐｍ］は、レゾルバ（不図示）等を介して制御装置１６により検出される。

【0027】

燃料電池スタック１８は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う。燃料ガスとして、水素ガスが挙げられる。酸化剤ガスとして、酸素ガスを含有する空気等が挙げられる。

【0028】

燃料電池スタック１８には、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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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５８が形成される。

【0032】

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５９が形成される。

【0033】

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から駆動部２０４を含む負荷を通じ、正極端子１０８を介してカソード電極５６に移動する。

【0034】

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。
酸化剤ガス供給装置２２は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１８に供給する。
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。

【0035】

コンプレッサ２８は、圧縮空気によって軸受けからロータを浮かせるエアベアリングを採用した電動エアコンプレッサであり、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。
外気取入口１１３には、外気温度Ｔａを測定（検出）する温度センサ７３が設けられている。

【0036】

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から排出される排出ガス（酸化剤オフガス）が流通する。

【0037】

酸化剤ガス出口連通口１０２と加湿器３０との間の酸化剤オフガス排出流路８０には、酸化剤ガス出口のガス圧力Ｐｋを測定（検出）する圧力センサ１８０が設けられる。

【0038】

ここで、燃料電池システム１０の運転時（発電時）に、燃料電池スタック１８から酸化剤オフガス排出流路８０に排出される排出ガスは、ブリード弁７０の閉弁時には、湿潤な酸化剤オフガス（湿潤なカソードオフガス、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（アノードオフガス、燃料排ガス）が混合された湿潤な排出ガス（オフガス）が流通する。

【0039】

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燃料電池スタック１８に供給する。

【0040】

外気取入口１１３から酸化剤ガス入口連通口１０１までの酸化剤ガス供給流路６０（酸化剤ガス供給流路６０Ａ、６０Ｂを含む）には、外気取入口１１３から順に遮断弁１１４、エアフローセンサ（ＡＦＳ：流量センサ）１１６、コンプレッサ２８、供給側封止弁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６０等の流路は、配管により形成されている（以下、同様）。
遮断弁１１４は、酸化剤ガス供給流路６０への空気の取り入れを解放又は遮断するために開閉される。

【0041】

エアフローセンサ１１６は、コンプレッサ２８を通じて燃料電池スタック１８に供給される酸化剤ガスの流量（質量流量[ｇ/ｓ]）を測定（検出）する。なお、質量流量を、空気の温度（外気温度Ｔａ）と気圧に基づき状態方程式を通じて計算される空気の密度[ｇ/ｍ³]で除することにより体積流量[ｍ³/ｓ]に一意に変換可能である。その地域の気圧は、例えば、気象庁のデータベースにアクセスすることにより取得可能である。
供給側封止弁１１８は、酸化剤ガス供給流路６０Ａを開閉する。

【0042】

酸化剤ガス出口連通口１０２に連通する酸化剤オフガス排出流路６２には、酸化剤ガス出口連通口１０２から順に加湿器３０及び背圧弁としても機能する排出側封止弁１２０が設けられている。

【0043】

供給側封止弁１１８の吸入口と排出側封止弁１２０の吐出口との間には、酸化剤ガス供給流路６０と酸化剤オフガス排出流路６２とを連通するバイパス流路６４が設けられている。バイパス流路６４は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１８からバイパス（迂回）するため、酸化剤ガス供給流路６０と酸化剤オフガス排出流路６２との間に接続される。バイパス流路６４には、バイパス流路６４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６４及び酸化剤オフガス排出流路６２が希釈ガス流路６３に連通する。

【0044】

水素タンク２０は、電磁作動式の遮断弁（不図示）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。

【0045】

燃料ガス供給装置２４は、水素タンク２０から供給される燃料ガスを燃料電池スタック１８に供給する。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（GLS: Gas Liquid Separator）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。

【0046】

水素タンク２０から吐出される燃料ガスは、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、燃料ガス入口連通口１０３を介して燃料電池スタック１８のアノード流路５９の入口に供給される。

【0047】

アノード流路５９の出口は、燃料ガス出口連通口１０４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排出される。

【0048】

燃料ガス出口連通口１０４と気液分離器３６との間の燃料オフガス排出流路７４には、燃料ガス出口の（燃料オフガスの）ガス圧力Ｐａを測定（検出）する圧力センサ１７４が設けられる。

【0049】

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（燃料排ガス）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、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６０Ｂにも供給される。

【0050】

燃料排ガスの液体成分は、気液分離器３６の液体排出口１６０からドレイン流路１６２を通じ、酸化剤オフガス排出流路６２に連通する希釈ガス流路６３との合流部分に設けられた希釈器１７０に供給される。

【0051】

希釈器１７０には、排出流路９９が接続される。排出流路９９は、酸化剤オフガス排出流路６２から供給される酸化剤排ガスと、ドレイン流路１６２から供給される燃料排ガスとを混合し、排ガス排気口１６８を通じて外部に排出する。

【0052】

実際上、ドレイン流路１６２には、液体成分と共に、一部の燃料オフガス（水素含有ガス）が排出される。この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６４を通じて、希釈器１７０に供給されている。

【0053】

燃料オフガスの循環流路７７と酸化剤ガス供給流路６０Ｂを連通する接続流路７８にブリード弁７０が設けられる。

【0054】

ブリード弁７０は、燃料電池システム１０が搭載された移動体の移動中に、カソード流路５８に存在する窒素ガスが電解質膜・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。

【0055】

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６０Ｂ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。

【0056】

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を生成する。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の酸化剤ガス出口連通口１０２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６２に流通する。

【0057】

酸化剤オフガス排出流路６２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、バイパス流路６４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、希釈器１７０に流通する。

【0058】

希釈器１７０に接続される排出流路９９では、バイパス流路６４から供給される酸化剤ガス及び／又は酸化剤オフガス排出流路６２からの酸化剤オフガスにより、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を通じて外部（大気）に排出される。

【0059】

制御装置１６は、１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）と記憶媒体とを有し、プロセッサによる演算により各種の処理を実行する。記憶媒体は、ＲＡＭ等の揮発性メモリと、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク等の不揮発性メモリとを含む。記憶媒体の少なくとも一部は、プロセッサに備えられていてもよい。

【0060】

制御装置１６は、コンプレッサ２８、インジェクタ３２、及びバイパス弁１２２等の全ての弁の制御を含む燃料電池システム１０全体を制御する。

【0061】

制御装置１６には、燃料電池システム１０及び燃料電池自動車１２を起動し、停止する電源スイッチ（電源ＳＷ）３００が接続される。

【0062】

制御装置１６は、電源スイッチ３００がＯＦＦ状態からＯＮ状態に切り替えられると、燃料電池システム１０の運転を開始させるための始動制御処理を実行する。

【0063】

[動作]
図２は、制御装置１６による燃料電池システム１０の始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。

【0064】

ステップＳ１にて、制御装置１６は、電源スイッチ３００がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移したか否かを判定する。
ＯＮ状態に遷移した（ステップＳ１：ＹＥＳ）と判定すると、処理をステップＳ２に進める。

【0065】

ステップＳ２にて、制御装置１６は、コンプレッサ２８の回転数Ｎをコンプレッサ２８から第２供給流量Ｑ２［ｍ³／ｓ］の酸化剤ガス供給流量が供給可能な回転数Ｎ２に設定し、駆動部２０４を通じてコンプレッサ２８を駆動すると同時にコンプレッサ２８の回転数（ロータの回転数）Ｎを監視する。

【0066】

ここで、第２供給流量Ｑ２は、ドレイン弁（燃料オフガス排出弁）１６４が凍結等により開いたままの開故障状態となっていても、ドレイン弁１６４から排出される燃料オフガスを希釈器１７０により希釈し、水素濃度が所定濃度以下の排出ガスとして、排出流路９９及び排ガス排気口１６８を通じて大気に排出可能な相対的に大きな酸化剤ガス供給流量である。

【0067】

また、第２供給流量Ｑ２は、ソーク中にカソード流路５８から電解質膜・電極構造体５２を介してアノード流路５９に透過（クロスリーク）した窒素ガスを、起動時に、燃料ガスを混合してドレイン弁１６４から希釈器１７０を通じて燃料ガス濃度を所定濃度以下に希釈しながら大気に排気可能な相対的に大きな酸化剤供給流量でもある（「アノードのガス置換処理」という）。

【0068】

なお、制御装置１６により「ステップＳ１：ＹＥＳ」の判定がなされたとき、遮断弁１１４及びバイパス弁１２２は開弁される。一方、供給側封止弁１１８、排出側封止弁１２０、ブリード弁７０及びドレイン弁１６４は、制御装置１６により閉状態に維持される。また、インジェクタ３２は、制御装置１６によりＯＦＦ状態に維持されている。

【0069】

ステップＳ３にて、制御装置１６は、前回運転時にクロスリークがあった否か、及び前回運転終了後のソーク時にクロスリーク又はアノード流路５９に残存していた燃料ガスのリークがあったか否かを判定する。

【0070】

運転時のクロスリークは、発電中に、セル電圧Ｖｃｅｌｌが低下した発電セル５０が電圧センサ１１０により検出された場合、運転時のクロスリーク（燃料ガスのアノード流路５９からカソード流路５８へのリーク）があるとして記憶装置に記録されている。

【0071】

ソーク時のリークは、電源スイッチ３００がＯＮ状態からＯＦＦ状態にされたときの燃料オフガスの圧力センサ１７４により検出されるガス圧力Ｐａの変動が所定値以上のときに、リークあり（ステップＳ３：ＹＥＳ）と判定される。この場合には、ドレイン弁１６４が開故障状態にあるとみなされる。

【0072】

また、ソーク時のクロスリークは、電源スイッチ３００がＯＮ状態からＯＦＦ状態にされたときの圧力センサ１８０により検出されるガス圧力Ｐｋの変動が所定値以上のときに、リークあり（ステップＳ３：ＹＥＳ）と判定される。

【0073】

制御装置１６は、リークなし（ステップＳ３：ＮＯ）の場合には処理をステップＳ４に進め、リークあり（ステップＳ３：ＹＥＳ）の場合には処理をステップＳ５に進める。

【0074】

制御装置１６は、ステップＳ４にて、コンプレッサ２８から酸化剤ガス供給流路６０Ａに吐出される酸化剤ガスの供給流量が相対的に少ない小さい値の通常の第１供給流量Ｑ１に設定し、処理をステップＳ６に進める。

【0075】

制御装置１６は、ステップＳ５にて、コンプレッサ２８から酸化剤ガス供給流路６０Ａに吐出される酸化剤ガスの供給流量が相対的に多い大きな値の第２供給流量Ｑ２に設定し、処理をステップＳ６に進める。

【0076】

なお、第１供給流量Ｑ１（回転数Ｎ１）及び第２供給流量Ｑ２（回転数Ｎ２）は、インジェクタ３２の動作を開始するのに必要な希釈に用いられる酸化剤ガスの供給流量の閾値として利用される。

【0077】

ステップＳ６にて、制御装置１６は、監視中のコンプレッサ２８の回転数Ｎが、ロータが浮上する浮上回転数Ｎｆ以上（Ｎ≧Ｎｆ）となったことでコンプレッサ２８が正常に動作していることを確認する。

【0078】

同時に、ステップＳ６にて、制御装置１６は、供給流量Ｑ（回転数Ｎ）が、ステップＳ４又はステップＳ５で設定した第１供給流量Ｑ１（回転数Ｎ１）又は第２供給流量Ｑ２（回転数Ｎ２）に到達したか否かを判定する。

【0079】

制御装置１６は、ステップＳ６の判定が成立した（Ｎ≧Ｎｆ及びＱ≧Ｑ１、又はＮ≧Ｎｆ及びＱ≧Ｑ２）とき、処理をステップＳ７に進める。

【0080】

ステップＳ７にて、制御装置１６は、ステップＳ３にて、リークを検知していない場合には、コンプレッサ２８の回転数Ｎが第１供給流量Ｑ１に対応する回転数Ｎ１に到達したときに、インジェクタ３２の動作を開始する一方、リークを検知している場合には、コンプレッサ２８の回転数Ｎが第２供給流量Ｑ２（Ｑ２＞Ｑ１）に対応する回転数Ｎ２（Ｎ２＞Ｎ１）に到達したときに、インジェクタ３２の動作を開始する。

【0081】

制御装置１６は、ステップＳ７にて、インジェクタ３２の動作を開始した後、ステップＳ８にて、ガス置換処理を行う。

【0082】

制御装置１６は、ステップＳ８にて、供給側封止弁１１８及び排出側封止弁１２０を開いて燃料電池スタック１８による発電を開始させると共に、ソーク中にアノード流路５９から電解質膜・電極構造体５２を透過してカソード流路５８に透過した燃料ガスを、希釈器１７０を通じて希釈して排出する（カソードのガス置換処理という）。

【0083】

さらに、制御装置１６は、上記のカソードのガス置換処理後に、ドレイン弁１６４を開いて、ソーク中にカソード流路５８から電解質膜・電極構造体５２を介してアノード流路５９に透過した窒素ガスを燃料ガスで置換するアノードのガス置換処理を行う。

【0084】

［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３のタイミングチャートを参照して説明する。

【0085】

時点ｔ０にて、電源スイッチ３００がＯＦＦ状態からＯＮ状態に遷移したことを検知した（ステップＳ１：ＹＥＳ）制御装置１６は、駆動部２０４のコンタクタ（不図示）等の接続を開始する。

【0086】

時点ｔ１にて駆動部２０４の接続が完了すると、制御装置１６は、時点ｔ１にて、コンプレッサ２８の回転数ＮをＮ＝Ｎ２（第２供給流量Ｑ２が得られる回転数）に設定して（ステップＳ２）、コンプレッサ２８を駆動する。

【0087】

コンプレッサ２８は、回転数Ｎが、Ｎ＝Ｎｆとなった時点ｔ２にてロータの浮上が完了し、以降、酸化剤ガスの吐出流量が安定化する。

【0088】

前回運転時のクロスリーク又はソーク時のリークがなかった（所定値以下だった場合も含む）場合、制御装置１６は、コンプレッサ２８の回転数ＮがＮ＝Ｎ１（第１供給流量Ｑ１が得られる回転数）になった時点ｔ３にて、実線で示すように、インジェクタ３２の動作を開始する。

【0089】

次いで、コンプレッサ２８の回転数ＮがＮ＝Ｎ２（第２供給流量Ｑ２が得られる回転数）になった時点ｔ４にて、実線で示すように、供給側封止弁１１８及び排出側封止弁１２０を開弁してカソード流路５８のガスを酸化剤ガスに置換する（カソードガス置換という）。

【0090】

なお、カソード流路５８の酸化剤ガスへの置換後、ドレイン弁１６４を開きアノード流路５９の燃料ガスへの置換処理を行う（アノードガス置換という）。

【0091】

通常、このアノードガス置換処理では、ソーク中に、電解質膜・電極構造体５２を介してカソード流路５８からアノード流路５９に透過した窒素も大気に排出され、アノード流路５９が燃料ガスに置換される。

【0092】

一方、前回運転時のクロスリーク又はソーク時のリークがあった場合、制御装置１６は、コンプレッサ２８の回転数ＮがＮ＝Ｎ２（第２供給流量Ｑ２が得られる回転数）になった時点ｔ５にて、破線で示すように、インジェクタ３２の動作を開始する。

【0093】

次いで、所定時間経過後の時点ｔ５にて、制御装置１６は、破線で示すように、供給側封止弁１１８及び排出側封止弁１２０を開弁してカソード流路５８のガスを酸化剤ガスに置換する（カソードガス置換）。

【0094】

この場合にも、カソード流路５８の酸化剤ガスへの置換後、ドレイン弁１６４を開きアノード流路５９の燃料ガスへの置換処理（アノードガス置換）を行う。

【0095】

このように上記した実施形態によれば、リークを検知しない場合には、インジェクタ３２の動作開始時点を早くすることで、起動時間を短くすることができ、リークを検知した場合でも、特許文献１に開示された技術のように、酸化剤ガス流量を制限しないので、起動時間を短くすることができる。

【0096】

［実施形態から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態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。

【0097】

（１）この発明に係る燃料電池システム１０は、アノード流路５９を介してアノード電極５７に供給される燃料ガスと、カソード流路５８を介してカソード電極５６に供給される酸化剤ガスと、の電気化学反応により発電する燃料電池スタック１８を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタック内の前記カソード流路に、酸化剤ガス供給流路６０を通じて前記酸化剤ガスを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１８から排出する酸化剤オフガス排出流路６２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し、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を、前記燃料電池スタック内の前記カソード流路を迂回して前記酸化剤オフガス排出流路に通流するバイパス流路６４と、前記燃料電池システムを制御する制御装置１６と、を備え、該制御装置は、前記燃料電池システムの運転時及びソーク時における燃料ガスのリークを検知し、検知結果に基づき、リークが検知されている場合に比較してリークが検知されていない場合の起動時の酸化剤ガス供給流量を少なく設定する。

【0098】

この構成により、燃料電池システムの起動時に、運転時及びソーク時における燃料ガスのリークの検知結果に基づき、前記起動時の酸化剤ガス供給流量を設定するようにしたので、リークが検知されていない場合には、起動時における酸化剤ガス供給流量を少なくできる。これにより、発電開始までの起動時間を短くすることができる。

【0099】

起動時に、燃料ガスのリークが検知されていた場合には、リークが検知されていない場合に比較して、酸化剤ガス供給流量を大きな値に設定し、大気に放出される燃料ガスの濃度を低下させて希釈時間を短くすることで起動時間を短くすることができる。
延いてはエネルギの効率化に寄与する。

【0100】

（２）また、燃料電池システムにおいては、前記燃料ガスのリークは、前記燃料電池スタック内でのクロスリークにより発生し又は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に設けられた燃料オフガス排出弁の開故障状態により発生するとしてもよい。

【0101】

これにより、クロスリークが発生している場合又は燃料オフガス排出弁が開故障状態にある場合には、起動時の酸化剤ガス供給流量を大きな値に設定しているので、大気に排出される燃料ガスの濃度を希釈することができる。

【0102】

（３）さらに、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックの前記アノード流路に燃料ガス供給流路７２を通じて前記燃料ガスを噴射するインジェクタ３２を備え、前記制御装置は、前記起動時において、前記酸化剤ガス供給流量が、設定された前記起動時の酸化剤ガス供給流量に到達したとき、前記インジェクタによる前記燃料ガスの噴射を許容するようにしてもよい。

【0103】

これにより、起動時に、大気に排出される燃料ガスの濃度を希釈しつつ、起動時間を短くすることができる。

【0104】

（４）さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックの前記アノード流路に燃料ガス供給流路を通じて前記燃料ガスを噴射するインジェクタと、前記酸化剤ガス供給流路に配され、前記酸化剤ガス供給流路に流れる前記酸化剤ガスの流量を調整する供給側封止弁１１８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前記酸化剤オフガス排出流路に配され、前記酸化剤オフガスの流量を調整する排出側封止弁１２０と、を備え、前記制御装置は、前記供給側封止弁と前記排出側封止弁を閉弁している起動時に、前記酸化剤ガス供給流量が、設定された前記起動時の酸化剤ガス供給流量に到達したときに、前記インジェクタによる前記燃料ガスの噴射を許容し、その後、前記供給側封止弁と前記排出側封止弁を開弁するようにしてもよい。

【0105】

これにより、酸化剤ガスが流通する供給側封止弁及び酸化剤オフガスが流通する排出側封止弁が閉弁されている起動時に、前記酸化剤ガス供給流量が、設定された前記起動時の酸化剤ガス供給流量に到達したときに、インジェクタによる燃料ガスの噴射を許容し、その後、前記供給側封止弁及び前記排出側封止弁を開弁することで、停止時にカソード側からアノード側にクロスリークされた窒素が含まれる燃料オフガスを希釈して大気に排出することができるので、起動時間を短くすることができる。

【0106】

（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、前記ソーク時における燃料ガスのリークの検知を、前記ソーク中における前記燃料電池スタックの前記アノード流路の圧力の変化又は前記カソード流路の圧力の変化により検知するようにしてもよい。
これにより、ソーク中のリーク（クロスリークを含む）の有無を簡易に検知することができる。

【0107】

（６）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、前記燃料電池システムの運転時における燃料ガスのリークの検知を、発電状態の変化に基づき検知するようにしてもよい。
これにより、発電中のクロスリークの有無を簡易に検知することができる。

【0108】

なお、この発明は、上述した開示に限らず、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。

【符号の説明】

【0109】

１０…燃料電池システム １２…燃料電池自動車
１６…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
３６…気液分離器 ５０…発電セル
５２…電解質膜・電極構造体 ５６…カソード電極
５７…アノード電極 ５８…カソード流路
５９…アノード流路
６０、６０Ａ、６０Ｂ…酸化剤ガス供給流路
６２、８０…酸化剤オフガス排出流路
６３…希釈ガス流路 ６４…バイパス流路
７２…燃料ガス供給流路 ７４…燃料オフガス排出流路
９９…排出流路 １１６…エアフローセンサ
１１８…供給側封止弁 １２０…排出側封止弁
１２２…バイパス弁 １７４、１８０…圧力センサ
２００…出力部 ２０４…駆動部

【図1】

【図2】

【図3】