JP4063507B2

JP4063507B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4063507B2
Application number: JP2001154122A
Authority: JP
Inventors: 和男齋藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-23
Filing date: 2001-05-23
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2021-05-23
Also published as: JP2002352837A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池の発電を開始する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとしては、発電源として、いわゆる燃料電池スタックを用いたものが知られている。燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成された燃料電池構造体が、セパレータを介して複数積層されてなる。この燃料電池システムでは、燃料電池スタックに水素を燃料ガスとして燃料極に供給すると共に、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素とを電気化学的に反応させて直接発電するものである。
【０００３】
この燃料電池スタックでは、電解質膜内での物質移動速度や、燃料ガス及び酸化剤ガスの拡散状態に発電反応が影響される。したがって、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックからの取り出し電力に対応する燃料ガス及び酸化剤ガスより多い量の燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する必要があり、反応に寄与しない燃料ガスを廃棄していた。
【０００４】
これに対し、従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの廃棄量を少なくするために、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを再度燃料電池スタックの燃料極側に循環するエゼクタポンプを使用することにより燃料ガス循環系を構成し、無駄な燃料ガスの廃棄を抑制していた。
【０００５】
このような燃料ガス循環系を有する燃料電池システムは、燃料電池スタックの発電出力を安定させるために様々なものが提案されている。従来の燃料電池システムでは、燃料ガスの供給量と循環量との比を制御することはなく、循環した燃料ガス圧力のみによって供給量と循環量との比が決定されるため、燃料電池スタックの運転条件によって大きく変動してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、例えば特開平９−２１３３５３号公報では、燃料ガス循環系を構成する燃料ガス循環経路内に燃料ガスの流量を調整する燃料ガス流量調整弁を配設していた。このような燃料電池システムは、燃料電池スタックの負荷に応じて、燃料ガス循環経路の流量及び圧力を調整することで、常に安定した燃料電池スタックの運転を提案している。
【０００７】
従来の燃料電池システムの一例を図１３に示す。
【０００８】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１０１のアノード極（燃料極）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路Ｌ１０１、燃料ガスを循環する燃料ガス循環経路Ｌ１０２、空気供給装置１１１から燃料電池スタック１０１のカソード極（酸化剤極）に空気を供給する空気供給経路Ｌ１０３、燃料電池スタック１０１に冷却媒体を供給する冷却媒体循環経路Ｌ１０４を備えて構成されている。
【０００９】
また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１０１内の空気圧力を調整する排圧調整弁１１２を備えると共に、複数の圧力センサ１１３を備えて構成されている。
【００１０】
このような燃料電池システムでは、燃料ガス供給装置１２１に蓄積した燃料ガスを供給圧調整弁１２２で調圧し、エゼクタポンプ１２３を介して燃料電池スタック１０１に供給すると共に、燃料電池スタック１０１から排出された燃料ガスを燃料ガス循環経路Ｌ１０２を介して再度エゼクタポンプ１２３により燃料電池スタック１０１に供給する。
【００１１】
この燃料電池システムにおいて、起動時、燃料ガス循環経路Ｌ１０２内に十分な燃料ガスを蓄積するためには、先ず、燃料ガス供給装置１２１から燃料ガスの供給を開始すると共に、燃料電池スタック１０１の燃料ガス排出側に設けられた開放弁１２４を開状態にする。これにより、起動前に燃料ガス循環経路Ｌ１０２に残っていた空気を燃料ガスに置換する。そして、開放弁１２４を閉状態にして発電準備完了となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アノード側にエゼクタポンプ１２３を使用した従来の燃料電池システムでは、起動時に燃料電池スタック１０１から電力を取り出す場合、まず電力が取り出され、消費された燃料ガス分だけ燃料電池スタック１０１内の圧力が低くなって初めて燃料供給流路Ｌ１０１からエゼクタポンプ１２３へ燃料ガスが流れ始めるため、エゼクタノズル部における流速が小さく、エゼクタノズル部近傍での圧力低下も急峻には発生しないため、十分なポンプ効果を得ることができない。
【００１３】
したがって、従来の燃料電池システムでは、起動時に十分な燃料ガス循環量を得ることができないことがある。したがって、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１０１の起動後に所望とする発電電力を安定して取り出すことができないという問題点があった。
【００１４】
また、これを解決するため、従来の燃料電池システムにおいて開放弁１２４を設け、起動時に燃料ガス循環経路Ｌ１０２の一部を外部に開放可能な構成にし、開放弁１２４を開状態で燃料ガスの供給を開始して、エゼクタノズル部での流速を確保し、燃料ガス循環経路Ｌ１０２に十分な燃料ガスが循環している状態で、燃料電池スタック１０１から発電電力の取り出しを開始するという手法も提案されているが、燃料ガス循環経路Ｌ１０２で十分な循環流量が得られ、電力の取り出しが安定してから開放弁１２４を閉じるため、それまでに相当量の燃料ガスを廃棄する必要があるという問題点がある。
【００１５】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池スタックの起動時に、速やかに安定した発電出力を得ることができる燃料電池システムを提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１に係る発明では、電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、酸化剤ガス供給流路を介して上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス供給流路を介して上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、上記燃料ガス供給流路に配設され、上記燃料ガス供給手段から上記燃料電池に供給する燃料ガス圧力を制御する燃料ガス圧力制御弁と、上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを、燃料ガス循環流路を介して上記燃料電池の燃料ガス供給口に循環する循環手段と、上記燃料電池の燃料ガス排出口近傍であって上記燃料ガス循環流路に配設され、上記燃料電池内の燃料ガス圧力を制御する第１循環制御弁と、上記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを外部に排出する開放弁と、上記燃料電池を起動するに際して、上記第１循環制御弁及び上記開放弁を開状態に制御した後に、上記燃料ガス供給手段から上記燃料電池に燃料ガスを所定圧力で供給するように上記燃料ガス圧力制御弁を制御した後に、上記燃料電池内の燃料ガスが所定封入圧力となるように上記開放弁及び上記第１循環制御弁を閉状態にする制御をした後に、上記燃料電池の発電電力の取り出しを開始した後に、上記第１循環制御弁を開状態に制御する制御手段とを備え、前記所定封入圧力は、上記燃料電池の発電電力を取り出した直後での、上記燃料電池内の燃料ガス不足による上記燃料電池の出力電圧の低下を抑制する範囲に設定される。
【００１７】
請求項２に係る発明では、上記制御手段は、上記燃料電池の発電電力の取り出しを開始するのと同時に、上記燃料ガス供給手段から上記燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を上記所定圧力より一時的に増加させた電力取出時圧力とするように上記燃料ガス圧力制御弁を制御し、所定時間経過後に上記第１循環制御弁の開度を大きくする制御をする。
【００１８】
請求項３に係る発明では、上記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記燃料電池を起動するときに上記温度検出手段で検出された上記燃料電池の温度に応じて、上記所定封入圧力、上記電力取出時圧力、上記燃料電池の発電電力の取り出し開始タイミングを設定する。
【００１９】
請求項４に係る発明では、上記制御手段は、上記燃料電池を停止するに際して上記第１循環制御弁を閉状態にして上記燃料電池内に燃料ガスを封入し、次に上記燃料電池を起動するに際して上記燃料電池内に残余している燃料ガスの圧力に応じて上記電力取出時圧力、及び上記燃料電池の発電電力の取り出し開始タイミングを設定する。
【００２０】
請求項５に係る発明では、上記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、上記状態検出手段で検出された上記燃料電池の状態に基づいて上記燃料ガス循環流路の循環流量を演算する循環流量演算手段と、上記循環流量演算手段で演算された循環流量に従って上記第１循環制御弁の開度を制御する循環流量制御手段とを更に備える。
【００２１】
請求項６に係る発明では、上記燃料電池の燃料ガス供給口近傍に設けられた第２循環制御弁を更に備え、上記制御手段は、上記燃料電池の起動前に、所定圧力で燃料ガスを供給した後に上記第１循環制御弁及び第２循環制御弁を閉状態にして上記燃料電池内に燃料ガスを所定封入圧力で封入する制御をし、上記所定封入圧力より高い所定封入圧力より高い圧力で燃料ガスの供給をするように上記燃料ガス圧力制御弁を制御し、上記燃料電池の発電電力の取り出しを開始するのと同時に、上記第２循環制御弁を開状態にし、所定時間経過後に上記第１循環制御弁の開度を大きくする制御をする。
【００２２】
請求項７に係る発明では、上記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、上記制御手段は、上記燃料電池を起動するときに上記温度検出手段で検出された上記燃料電池の温度に応じて、上記所定封入圧力、上記所定封入圧力より高い圧力、上記第１循環制御弁及び第２循環制御弁の制御タイミングを設定する。
【００２３】
請求項８に係る発明では、上記制御手段は、上記燃料電池を停止するに際して上記第１循環制御弁及び第２循環制御弁を閉状態にして上記燃料電池内に燃料ガスを封入し、次に上記燃料電池を起動するに際して上記燃料電池内に残余している圧力に応じて所定封入圧力より高い圧力、及び上記第１循環制御弁及び第２循環制御弁の制御タイミングを設定する。
【００２４】
請求項９に係る発明では、上記燃料電池の燃料ガス排出口側に設けられ、燃料ガスを外部に放出する開放弁と、パージ動作を行うに際して、上記第１循環制御弁の開度を小さくした後に、上記第２循環制御弁の開度を全開とすると共に上記開放弁を開状態にして、上記燃料電池内の燃料ガス流路及び燃料ガス循環流路のパージ動作をするパージ制御手段とを更に備える。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池を起動するに際して、燃料電池に燃料ガスを所定圧力で供給すると共に、燃料電池内に燃料ガスを所定封入圧力で封入するように第１循環制御弁を閉状態にする制御をした後に、燃料電池の発電電力の取り出しを開始するので、予め高く設定した圧力で燃料電池入口流路及び循環流路に封入されていた燃料ガスが、発電開始とともに燃料電池入口側に一気に流入するため、出力に対して十分な燃料ガスが供給され、発電電力を取り出した直後での、燃料電池内の燃料ガス不足による燃料電池の出力電圧の急激な低下を抑制することができる。
【００２６】
したがって、請求項１に係る燃料電池システムによれば、発電電力の取り出し開始時に燃料電池に供給する燃料ガス流速を増加させ、循環手段としての効果を十分発揮して速やかに安定した出力電力を得ることができる。
【００２７】
請求項２に係る発明によれば、燃料電池の発電電力の取り出しを開始するのと同時に、燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を所定圧力より一時的に増加させた電力取出時圧力とし、所定時間経過後に第１循環制御弁の開度を大きくする制御をするので、第１循環制御弁を開状態にしたときに燃料ガス循環流路から燃料電池の燃料ガス排出口への燃料ガスの逆流を防止すると共に、循環手段としての効果を更に十分発揮することができる。
【００２８】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池を起動するときに、検出した燃料電池の温度に応じて、所定封入圧力、電力取出時圧力、燃料電池の発電電力の取り出し開始タイミングを設定するので、起動するときの燃料電池の冷機、暖機に拘わらず燃料電池の温度状態に応じた最適な出力電力を安定して取り出すことができる。
【００２９】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池を停止するに際して第１循環制御弁を閉状態にして燃料電池内に燃料ガスを封入し、次に燃料電池を起動するに際して燃料電池内に残余している燃料ガスの圧力に応じて電力取出時圧力、及び燃料電池の発電電力の取り出し開始タイミングを設定するので、再起動時に流路内ガスの置換のためのパージ動作を不要として、再起動に要する時間を短縮することができる。
【００３０】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の状態に基づいて燃料ガス循環流路の循環流量を演算し、演算して得た循環流量に従って第１循環制御弁の開度を制御するので、第１循環制御弁により循環流量を適正に制御することで最適な燃料電池の運転状態を実現することができる。
【００３１】
請求項６に係る発明によれば、燃料電池の起動前に、所定圧力で燃料ガスを供給した後に第１循環制御弁及び第２循環制御弁を閉状態にして燃料電池内に燃料ガスを所定封入圧力で封入する制御をし、所定封入圧力より高い圧力で燃料ガスの供給をするように燃料ガス圧力制御弁を制御し、燃料電池の発電電力の取り出しを開始するのと同時に、第２循環制御弁を開状態にし、所定時間経過後に第１循環制御弁の開度を大きくする制御をするので、発電電力取り出し開始時に第１循環制御弁の下流から燃料電池に向かって流速の速い燃料ガスを供給することができ、起動時の発電電力を更に素早く安定させることができる。
【００３２】
請求項７に係る発明によれば、燃料電池を起動するときに温度検出手段で検出された燃料電池の温度に応じて、所定封入圧力、所定封入圧力より高い圧力、第１循環制御弁及び第２循環制御弁の制御タイミングを設定するので、起動するときの燃料電池の冷機、暖機に拘わらず燃料電池の温度状態に応じた最適な発電電力を安定して取り出すことができると共に、より素早く安定した発電電力を取り出すことができる。
【００３３】
請求項８に係る発明によれば、燃料電池を停止するに際して第１循環制御弁及び第２循環制御弁を閉状態にして燃料電池内に燃料ガスを封入し、次に燃料電池を起動するに際して燃料電池内に残余している圧力に応じて所定封入圧力より高い圧力、及び第１循環制御弁及び第２循環制御弁の制御タイミングを設定するので、燃料電池の発電電力の取り出しを停止した後であっても、より素早く安定した発電電力を取り出すことができる。
【００３４】
請求項９に係る発明によれば、パージ動作を行うに際して、第１循環制御弁の開度を小さくした後に、第２循環制御弁の開度を全開とすると共に開放弁を開状態にして、燃料電池内の燃料ガス流路及び燃料ガス循環流路のパージ動作をするので、パージ時に開放弁が開いた際、循環流路から直接開放弁へと流れる逆流を防止し、パージ後の循環流量を素早く安定させると共に、供給ガス流速を早めるて循環流路に蓄積された窒素や凝縮水を排出しやすくすることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３６】
本発明は、例えば図１に示すように構成された第１構成例の燃料電池システムに適用される。
【００３７】
［燃料電池システムの第１構成例］
この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池スタック１のアノード極１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路Ｌ１と、燃料電池スタック１のアノード極１ａから排出された燃料ガスを循環する燃料ガス循環流路Ｌ２と、燃料電池スタック１のカソード極１ｂに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路Ｌ３と、カソード極１ｂから排出された酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路Ｌ４と、冷却媒体を燃料電池スタック１内に循環させる冷却媒体循環流路Ｌ５とを備える。
【００３８】
また、この燃料電池システムは、システム全体を制御する制御部２１を備える。この制御部２１は、後述の各部に制御信号を出力することで燃料電池スタック１の運転開始及び停止などの制御をする。
【００３９】
燃料ガス供給流路Ｌ１には、燃料ガスを蓄積する燃料ガス供給装置２、供給圧制御弁３、エゼクタポンプ４が配設されている。また、この供給圧制御弁３では、供給圧制御弁３の開度を調整する第１アクチュエータ５と、供給圧制御弁３とエゼクタポンプ４との間に配設された第１圧力センサ６と、エゼクタポンプ４と燃料電池スタック１との間に配設された第２圧力センサ７とを備える。
【００４０】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を発電させるに際して、第１圧力センサ６及び第２圧力センサ７で検出したセンサ信号を制御部２１で参照しながら、供給圧制御弁３の開度を調整するように第１アクチュエータ５を制御部２１により制御してエゼクタポンプ４を介して燃料電池スタック１のアノード極１ａに燃料ガスを供給する。
【００４１】
燃料ガス循環流路Ｌ２には、燃料電池スタック１の燃料ガス排出口近傍に設けられた循環制御弁８と、循環制御弁８の開度を調整する第２アクチュエータ９と、燃料電池スタック１と循環制御弁８との間に配設された第３圧力センサ１０と、循環制御弁８とエゼクタポンプ４との間に配設された第４圧力センサ１１とを備える。
【００４２】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１を発電させるに際して、第１圧力センサ６と第２圧力センサ７で検出したセンサ信号を制御部２１で参照しながら、供給圧制御弁３の開度を調整するように第１アクチュエータ５を制御部２１により制御して燃料電池スタック１への燃料ガス供給圧力を制御すると共に、第１圧力センサ６と第２圧力センサ７と第３圧力センサ１０と第４圧力センサ１１で検出したセンサ信号を制御部２１で参照しながら、循環制御弁８の開度を調整するように第２アクチュエータ９を制御部２１により制御して燃料電池スタック１に最適な燃料ガス流量を供給するように制御する。
【００４３】
酸化剤ガス供給流路Ｌ３には、例えば外部の空気を取り込んで酸化剤ガスとして燃料電池スタック１に供給する空気供給装置１２が配設される。
【００４４】
空気供給装置１２は、燃料電池スタック１を発電させるに際して、制御部２１からの制御信号により駆動量が制御されることで、外部から取り込む酸化剤ガス量が制御されて、酸化剤ガス供給流路Ｌ３に酸化剤ガスを供給する。
【００４５】
酸化剤ガス排出流路Ｌ４には、燃料電池スタック１の酸化剤ガス排出側に設けられた排圧制御弁１３と、排圧制御弁１３の開度を調整する第３アクチュエータ１４とが配設される。
【００４６】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１を発電させるに際して、排圧制御弁１３の開度を調整する制御信号を第３アクチュエータ１４に出力し、燃料電池スタック１への酸化剤ガス供給圧力を調整する。
【００４７】
冷却媒体循環流路Ｌ５には、図示しない冷却媒体循環装置が接続され、燃料電池スタック１を駆動させるに際して、燃料電池スタック１の温度を所定温度に保つように冷却媒体の流量が調整される。
【００４８】
また、燃料電池システムは、燃料電池スタック１のアノード極１ａから排出された燃料ガスを外部に排出する開放弁１５と、この開放弁１５の開度を調整する第４アクチュエータ１６とを備える。制御部２１は、燃料電池スタック１内及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の凝縮した水分や窒素を外部に排出するパージ動作を行うに際して、開放弁１５を開状態にする制御信号を第４アクチュエータ１６に供給する。
【００４９】
制御部２１は、上述したように各圧力センサからのセンサ信号を入力とし、センサ信号に基づいて燃料電池スタック１の発電を制御すると共に、後述の各種処理をする。なお、この制御部２１の処理の詳細については後述する。
【００５０】
「第１構成例の燃料電池システムの起動制御処理」
図２に、起動制御処理をするときの制御部２１の処理手順を示す。
【００５１】
制御部２１は、外部からの燃料電池スタック１の発電を開始する旨の命令に従って、ステップＳ１以下の起動制御処理を開始する。
【００５２】
ステップＳ１において、制御部２１は、開放弁１５を開状態にするように第４アクチュエータ１６を制御すると共に、循環制御弁８を開状態にするように第２アクチュエータ９を制御する。
【００５３】
次のステップＳ２において、制御部２１は、燃料ガス供給装置２及び供給圧制御弁３を制御することで燃料電池スタック１に燃料ガスを供給すると共に、空気供給装置１２を制御して燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給する。これにより、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の起動前に燃料ガス供給流路Ｌ１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内に残留していた残留ガスを外部に放出するパージ動作を行う。
【００５４】
次のステップＳ３において、制御部２１は、図示しない内部のタイマを動作させ、ステップＳ２において燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を開始した時刻から所定時間が経過したか否かの判定をする。ここでの所定時間は、燃料電池スタック１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内が残留ガスから燃料ガスに置換されるのに要する時間である。
【００５５】
制御部２１は、所定時間が経過していないと判定したときには燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を継続する。一方、制御部２１は、所定時間が経過したと判定したときには、燃料電池スタック１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスが排出されて燃料ガスに置換されたとしてステップＳ４に処理を進める。
【００５６】
ステップＳ４において、制御部２１は、燃料電池スタック１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止するように燃料ガス供給装置２及び供給圧制御弁３、及び空気供給装置１２を制御すると共に、循環制御弁８及び開放弁１５を閉状態にするように第２アクチュエータ９及び第４アクチュエータ１６を制御する。
【００５７】
次のステップＳ５において、制御部２１は、供給圧制御弁３を制御することにより燃料電池スタック１内が所定封入圧力となるように燃料ガスを燃料電池スタック１に供給すると共に、排圧制御弁１３を制御することにより上記所定封入圧力と同じ圧力で酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給開始する。
【００５８】
ステップＳ４で循環制御弁８及び開放弁１５を閉状態としたことから、燃料ガス供給流路Ｌ１内、燃料電池スタック１と開放弁１５とを挿通する流路、及び燃料電池スタック１と循環制御弁８とを挿通する流路に燃料ガスを封入している状態となる。
【００５９】
次のステップＳ６において、制御部２１は、ステップＳ５で供給開始して、第３圧力センサ１０からのセンサ信号に基づいて燃料電池スタック１内の圧力が所定封入圧力に達したか否かの判定をする。制御部２１は、燃料電池スタック１内が所定封入圧力に達したと判定したときにはステップＳ７に処理を進め、達していないと判定したときには燃料ガスの燃料電池スタック１への供給を継続する。
【００６０】
ステップＳ７において、制御部２１は、内蔵のタイマを動作させることにより、ステップＳ６で達した所定封入圧力を所定の時間だけ保持する。
【００６１】
次のステップＳ８において、制御部２１は、燃料電池スタック１が発電することによる出力電力の取り出しを開始する。ここで、制御部２１は、燃料電池スタック１で発電して得た出力電力を図示しないバッテリや負荷に供給する制御をする。
【００６２】
次のステップＳ９において、制御部２１は、供給圧制御弁３を所定開度開くように第１アクチュエータ５を制御して燃料ガスを電力取出時圧力にし、同時に、空気供給装置１２及び排圧制御弁１３を制御して燃料電池スタック１への燃料ガス供給圧力の変化に追従するように酸化剤ガス供給圧力を制御する。
【００６３】
次のステップＳ１０において、制御部２１は、図示しない燃料電池スタック１に接続された電圧センサからのセンサ信号を取り込んで、燃料電池スタック１から取り込んでいる出力電圧値が、予め設定した警告下限電圧を下回っているか否かの判定をする。ここで、警告下限電圧とは、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給している状態で正常に燃料電池スタック１が発電反応していると認められる出力電圧の下限値である。
【００６４】
制御部２１は、出力電圧が警告下限電圧を下回っていると判定したときには燃料電池スタック１が正常に発電反応をしていないとしてステップＳ１１に処理を進める。一方、制御部２１は、出力電力が警告下限電圧を下回っていないと判定したときには燃料電池スタック１が発電反応を正常に行っているとしてステップＳ１２に処理を進める。
【００６５】
ステップＳ１１において、制御部２１は、燃料電池スタック１が正常に発電反応をしていないとして燃料電池スタック１から出力電力の取り出しを停止して、ステップＳ１に処理を戻す。
【００６６】
ステップＳ１２において、制御部２１は、ステップＳ８で燃料電池スタック１からの出力電力の取り出しを開始してから所定時間が経過したか否かの判定をする。制御部２１は、所定時間経過したと判定したときにはステップＳ１３に処理を進め、所定時間経過していないと判定したときにはステップＳ１０に処理を戻す。これにより、制御部２１は、ステップＳ８で出力電力の取り出しを開始してから所定時間を経過した時点で出力電圧値が警告下限電圧を上回っていればステップＳ１３に処理を進める。
【００６７】
ステップＳ１３において、制御部２１は、循環制御弁８を開状態にするように第２アクチュエータ９を制御する。
【００６８】
次のステップＳ１４において、制御部２１は、循環制御弁８を開状態にした後の状態において、ステップＳ１０と同様に、燃料電池スタック１から取り込んでいる出力電圧値が所定の警告下限電圧を下回っているか否かの判定をし、下回っているときにはステップＳ１１に処理を戻し、下回っていないときにはステップＳ１５に処理を進めて燃料電池スタック１を通常運転させる。
【００６９】
このような処理をする燃料電池システムによれば、図３に示すように、ステップＳ５で供給圧制御弁３を開状態にして所定封入圧力で燃料ガスと封入して、時刻ｔ１（ステップＳ８）で燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを開始したときの燃料ガス循環量を増加させることができるので（ｂ）、時刻ｔ１直後での出力電圧の急激な低下を抑制することができる。
【００７０】
これにより、燃料電池システムは、出力電力の取り出し開始時にエゼクタポンプ４から燃料電池スタック１に燃料ガスを放出するエゼクタノズル部の燃料ガス流速を増加させ、エゼクタポンプ４のポンプ効果を十分に発揮させる状態とすることができ、燃料電池スタック１の起動時に、速やかに安定した発電状態を得ることができる。
【００７１】
これに対し、予め循環制御弁８により燃料ガスを封入状態にしない場合には、図３中の比較例で示すように、燃料電池スタックからの出力電力の取り出しを開始すると、燃料電池スタック１内で燃料ガスが消費されて発生する圧力低下によって燃料ガス出入口双方から燃料ガスが流れ込み、燃料ガス循環流路での逆流により、十分な循環流量、つまり十分な燃料ガスの供給量が得られないため（ｂ）、発電開始直後に急激に出力電圧が低下してしまう（ａ）。
【００７２】
また、上述の起動制御処理をする燃料電池システムによれば、ステップＳ８で出力電力の取り出しを開始してから所定時間を経過したらステップＳ１３で循環制御弁８を開状態とするように、出力電力の取り出し開始時刻から循環制御弁８を開状態とする時刻まで所定の時差を与えるので、発電開始時の燃料ガス出口への逆流を防止すると共に、正常な方向への循環流を発電開始直後から形成することができるので、十分な燃料ガスの供給流量を確保することができ、出力電圧の低下防止をより補強することができる。
【００７３】
また、この燃料電池システムによれば、パージ動作のまま発電を開始することで循環量を確保する必要がないため、無駄に燃料ガスを消費することがない。
【００７４】
「起動制御設定処理」
上述の燃料電池システムでは、燃料電池スタック１から取り出し可能な出力電力、ステップＳ６における判定の基準となる所定封入圧力、ステップＳ９の出力電力の取り出し開始時に供給圧制御弁３により供給する燃料ガス圧力、及びステップＳ１２で判定する所定時間が予め設定されていた場合について説明したが、図２におけるステップＳ１の前に、図４に示す起動制御設定処理を行うことが望ましい。
【００７５】
制御部２１は、外部からの燃料電池スタック１の発電を開始する旨の命令に従って、ステップＳ２１以下の起動制御設定処理を開始する。
【００７６】
図４によれば、先ず、ステップＳ２１において、制御部２１は、図示しない燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサからのセンサ信号を入力して燃料電池スタック１の温度を得る。
【００７７】
次のステップＳ２２において、制御部２１は、ステップＳ２１で得た燃料電池スタック１の温度に応じて、図５に示すような出力補正マップを参照して、燃料電池スタック１から取り出し可能な出力電力値を演算する。
【００７８】
図５に示す出力補正マップは、燃料電池スタック１から取り出し可能な最大出力電力に対する電圧値を示す負荷割合［％］を横軸にし、温度に応じた燃料電池スタック１から取り出し可能な出力電力値を縦軸にして表現される。制御部２１は、内部のメモリに燃料電池スタック１の温度又は燃料ガス圧力によって変化する、負荷割合に対する取り出し可能な出力電力値をテーブルとして記憶している。そして、制御部２１は、ステップＳ２２において、ステップＳ２１で検出した燃料電池スタック１の温度に応じて負荷割合に対する取り出し可能な出力電力値を演算する。
【００７９】
次のステップＳ２３において、制御部２１は、ステップＳ２２で得た取り出し可能な出力電力に基づいて、ステップＳ６における判定の基準となる所定封入圧力、ステップＳ９の出力電力の取り出し開始時に供給圧制御弁３により供給する燃料ガスの電力取出時圧力、燃料ガス循環流路Ｌ２の配管容積及びエゼクタポンプ４の性能からステップＳ１２で判定する所定時間を演算し、図２のステップＳ１以降の処理を開始する。ここで、制御部２１は、ステップＳ１２で判定する所定時間を演算することで、ステップＳ１３での循環制御弁８の駆動タイミングを決定する。
【００８０】
このような起動制御設定処理を行う燃料電池システムによれば、起動時の燃料電池スタック１の温度に応じて起動時に取り出し可能な出力電力を演算し、取り出し可能な出力電力に応じて、ステップＳ６における所定封入圧力、ステップＳ９において供給する燃料ガスの電力取出時圧力、ステップＳ１３における循環制御弁８の駆動タイミングを変化させる。
【００８１】
これにより、燃料電池システムは、起動するときの燃料電池スタック１の冷機、暖機に拘わらず燃料電池スタック１の温度状態に応じた最適な出力電力を安定して取り出すことができる。
【００８２】
「システム再起動制御処理」
図６に、図１に示す燃料電池システムにおいて、システム再起動制御処理をするときの制御部２１の処理手順を示す。
【００８３】
制御部２１は、図２中のステップＳ１１において燃料電池スタック１の出力を停止させたことに応じて、ステップＳ３１以降のシステム再起動制御処理を開始する。
【００８４】
ステップＳ３１において、制御部２１は、所定の圧力で燃料ガスを封入するように供給圧制御弁３、循環制御弁８及び開放弁１５を制御すると共に、燃料ガスと同じ所定の圧力で酸化剤ガスを燃料電池スタック１内に封入するように空気供給装置１２及び排圧制御弁１３を制御する。
【００８５】
次のステップＳ３２において、制御部２１は、外部からの命令により燃料電池スタック１から出力電力を取り出す出力要求が入力されているか否かを判定する。制御部２１は出力要求があるときにはステップＳ３３に進んで、要求された出力電力に応じて燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して出力電力を取り出す通常運転を行う。一方、制御部２１は出力要求がないと判定したときにはステップＳ３４に処理を進める。
【００８６】
ステップＳ３４において、制御部２１は、運転者に操作されるイグニッションスイッチ（ＩＧＮ）がオフ状態であるか否かを判定する。制御部２１はイグニッションスイッチがオフ状態でないと判定したときにはステップＳ３２に処理を戻し、イグニッションスイッチがオフ状態であるときにはステップＳ３５に処理を進め、燃料電池システム全体を停止させる。
【００８７】
次のステップＳ３６において制御部２１は、燃料電池システム再起動を開始し、ステップＳ３７において、図示しない燃料電池スタック１の温度を検出する温度センサからのセンサ信号を入力して温度を認識すると共に、第３圧力センサ１０からのセンサ信号を入力することで燃料電池スタック１内に残余する燃料ガスによる残余封入圧力を検出する。
【００８８】
次のステップＳ３８において、制御部２１は、予め内部のメモリ内に格納しておいた残余封入圧力に対する燃料電池スタック１の取り出し可能な出力電力との関係を示す出力対圧力対応マップを読み出す処理をする。これにより、制御部２１は、ステップＳ３７で検出した残余封入圧力に対する出力電力を認識する。次いで、制御部２１は、認識した出力電力をステップＳ３７で検出した温度に応じて補正をする。
【００８９】
このようなシステム再起動制御処理をする制御部２１によれば、ステップＳ１１で燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを停止した後であっても、次のステップＳ８で取り出す出力電力を、残余封入圧力及び温度に従って決定することができる。
【００９０】
したがって、この燃料電池システムによれば、システムを停止するに際してステップＳ３１での処理を行うことで常に所定の圧力で燃料ガスを封入した状態にし、残余封入圧力に応じて取り出し可能な出力電力を演算し、演算して得た出力電力に対応させ、ステップＳ９において供給する燃料ガス圧力、ステップＳ１３における循環制御弁８の駆動タイミングを変化させる。
【００９１】
また、このような燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の出力を停止した後であっても、ステップＳ３１で燃料ガス及び酸化剤ガスを所定の圧力で燃料電池スタック１内に封入することにより、システム再起動時にステップＳ２で行うような開放弁１５によるパージ動作を不要として、直接ステップＳ８から処理を開始することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、システム再起動に要する時間を短縮することができる。
【００９２】
「通常動作時における循環流量制御処理」
図７に、起動時外の通常動作時における循環流量制御処理を行うときの制御部２１の処理手順を示す。
【００９３】
制御部２１は、上述の図２におけるステップＳ１５以降において、ステップＳ４１以降の処理を行う。
【００９４】
ステップＳ４１において、制御部２１は、現在の燃料電池スタック１の状態を検出し、最適な燃料ガス循環流路Ｌ２での燃料ガス流量を演算する。ここで、制御部２１は、図示しない温度センサや電圧センサにより燃料電池スタック１の状態を検出し、検出した燃料電池スタック１の状態に対する必要な燃料ガス流量を演算することで、燃料ガス循環流路Ｌ２での最適な循環流量を演算する。
【００９５】
次のステップＳ４２において、制御部２１は、現在の燃料ガス循環流路Ｌ２の循環流量が、ステップＳ４１で演算して得た最適値であるか否かの判定をする。ここで、制御部２１は、例えば燃料ガス循環流路Ｌ２に設けられた流量センサなどの流量検出手段を使用して燃料ガス循環流路Ｌ２の循環流量を検出する。制御部２１は、現在の燃料ガス循環流路Ｌ２の循環流量が最適値であると判定したときにはステップＳ４１に処理を戻し、現在の燃料ガス循環流路Ｌ２の循環流量が最適値でないと判定したときにはステップＳ４３に処理を進める。
【００９６】
ステップＳ４３において、制御部２１は、ステップＳ４２で検出した現在の循環流量が、ステップＳ４１で演算した最適な循環流量よりも大きいか否かの判定をする。制御部２１は、現在の循環流量が最適な循環流量よりも大きいと判定したときにはステップＳ４４に処理を進め、現在の循環流量が最適な循環流量よりも大きくないと判定したときにはステップＳ４６に処理を進める。
【００９７】
ステップＳ４４において、制御部２１は、燃料ガス循環流路Ｌ２での現在の循環流量を小さくするために、循環制御弁８の開度を小さくするように第２アクチュエータ９を制御する。
【００９８】
次のステップＳ４５において、制御部２１は、外部から燃料電池スタック１を停止する命令が入力されたか否かを判定することで燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを停止するか否かの判定をする。制御部２１は、燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを停止すると判定したときには処理を終了し、燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを停止しないと判定したときにステップＳ４１に処理を戻す。
【００９９】
一方、ステップＳ４３で現在の循環流量が最適な循環流量よりも大きくないと判定したときのステップＳ４６において、制御部２１は、燃料ガス循環流路Ｌ２での現在の循環流量を大きくするために、循環制御弁８の開度を大きくするように第２アクチュエータ９を制御する。
【０１００】
次のステップＳ４７において、制御部２１は、外部から燃料電池スタック１を停止する命令が入力されたか否かを判定することで燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを停止するか否かの判定をする。制御部２１は、燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを停止すると判定したときには処理を終了し、燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを停止しないと判定したときにステップＳ４１に処理を戻す。
【０１０１】
このような燃料電池システムによれば、循環制御弁８が開度調整可能な構造を有する場合において、起動時のみならず通常運転時にも循環制御弁８の開度を調整して燃料ガス循環流路Ｌ２の循環流量或いは循環圧力を調整することにより、燃料電池スタック１の負荷や温度などの状態に応じて燃料ガスの利用率を制御することができる。
【０１０２】
［燃料電池システムの他の構成例］
つぎに、本発明を適用した燃料電池システムの第２構成例について説明する。なお、以下の説明において、上述の第１構成例の燃料電池システムと同じ部分については省略する。
【０１０３】
図８に、燃料電池システムの第２構成例を示す。この燃料電池システムは、エゼクタポンプ４及び第２圧力センサ７と燃料電池スタック１との間であって燃料電池スタック１の燃料ガス供給口近傍に配設された第２循環制御弁３１と、第２循環制御弁３１と燃料電池スタック１とを挿通する挿通管の燃料ガス圧力を検出する第５圧力センサ３２と、第２循環制御弁３１の開度を制御する第５アクチュエータ３３とを備える点で、図１に示す燃料電池システムと異なる。なお、以下の説明では、上述の循環制御弁８を、「第１循環制御弁８」と呼ぶ。
【０１０４】
「第２構成例の燃料電池システムの起動制御処理」
図９に、図８に示す燃料電池システムにおいて、起動制御処理をするときの制御部２１の処理手順を示す。
【０１０５】
制御部２１は、外部からの燃料電池スタック１の発電を開始する旨の命令に従って、ステップＳ５１以下の起動制御処理を開始する。
【０１０６】
ステップＳ５１において、制御部２１は、開放弁１５を開状態にするように第４アクチュエータ１６を制御すると共に、第２循環制御弁３１及び第１循環制御弁８を開状態にするように第５アクチュエータ３３及び第２アクチュエータ９を制御する。
【０１０７】
次のステップＳ５２において、制御部２１は、燃料ガス供給装置２及び供給圧制御弁３を制御することで燃料電池スタック１に燃料ガスを供給すると共に、空気供給装置１２を制御して燃料電池スタック１に酸化剤ガスを供給する。これにより、燃料電池システムでは、起動前に燃料電池スタック１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内に残留していた残留ガスをパージする。
【０１０８】
次のステップＳ５３において、制御部２１は、図示しない内部のタイマを動作させ、ステップＳ５２において燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を開始した時刻から所定時間が経過したか否かの判定をする。制御部２１は、所定時間が経過したと判定したときには、燃料電池スタック１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の残留ガスが排出されて燃料ガスに置換されたとしてステップＳ５４に処理を進める。
【０１０９】
ステップＳ５４において、制御部２１は、燃料電池スタック１への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止するように燃料ガス供給装置２、供給圧制御弁３、及び空気供給装置１２を制御すると共に、第１循環制御弁８及び開放弁１５を閉状態にするように第２アクチュエータ９及び第４アクチュエータ１６を制御する。
【０１１０】
ステップＳ５５において、制御部２１は、供給圧制御弁３を制御することにより燃料電池スタック１内が所定封入圧力となるように燃料ガスを燃料電池スタック１に供給すると共に、排圧制御弁１３を制御することにより上記所定圧力と同じ圧力で酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給開始する。
【０１１１】
ステップＳ５４で第１循環制御弁８及び開放弁１５が閉状態であることから、燃料ガス供給流路Ｌ１内、燃料電池スタック１と開放弁１５とを挿通する流路、及び燃料電池スタック１と第１循環制御弁８とを挿通する流路に燃料ガスを封入している状態となる。
【０１１２】
次のステップＳ５６において、制御部２１は、第５圧力センサ３２からのセンサ信号に基づいて、ステップＳ５５で供給開始したことにより燃料電池スタック１内の圧力が所定封入圧力に達したか否かの判定をする。制御部２１は、燃料電池スタック１内が所定封入圧力に達したと判定したときにはステップＳ５７に処理を進める。
【０１１３】
ステップＳ５７において、制御部２１は、第２循環制御弁３１を閉状態にするように第５アクチュエータ３３を制御すると共に、供給圧制御弁３により上記所定封入圧力より高い圧力となるように第１アクチュエータ５を制御して、燃料ガスを供給する。
【０１１４】
これにより、第２循環制御弁３１と第１循環制御弁８との間を上記所定封入圧力とすると共に、供給圧制御弁３と第２循環制御弁３１との間を上記所定封入圧力より高い圧力とする。
【０１１５】
次のステップＳ５８において、制御部２１は、ステップＳ５７で供給開始して、第２圧力センサ７からのセンサ信号に基づいて圧力が所定封入圧力より高い圧力に達したか否かの判定をする。制御部２１は、所定封入圧力より高い圧力に達したと判定したときにはステップＳ５９に処理を進める。
【０１１６】
次のステップＳ５９において、制御部２１は、燃料電池スタック１が発電することによる出力電力の取り出しを開始する。ここで、制御部２１は、燃料電池スタック１で発電して得た出力電力を図示しないバッテリや負荷に供給する制御をする。
【０１１７】
次のステップＳ６０において、制御部２１は、第２循環制御弁３１を開くように第５アクチュエータ３３を制御して燃料ガスを電力取出時圧力で供給し、同時に、空気供給装置１２及び排圧制御弁１３を制御して燃料電池スタック１への燃料ガス供給圧力変化に追従するように酸化剤ガス圧力を制御する。ここで、制御部２１は、燃料電池スタック１から取り出す出力電力に対応した圧力で燃料ガスを供給するように供給圧制御弁３を制御する。
【０１１８】
次のステップＳ６１において、制御部２１は、図示しない燃料電池スタック１に接続された電圧センサからのセンサ信号を取り込んで、燃料電池スタック１から取り込んでいる出力電力値が所定の警告下限電圧を下回っているか否かの判定をする。制御部２１は、出力電圧が警告下限電圧を下回っていると判定したときには燃料電池スタック１が正常に発電反応をしていないとしてステップＳ６２に処理を進める。一方、制御部２１は、出力電圧が警告下限電圧を下回っていないと判定したときには燃料電池スタック１が発電反応を正常に行っているとしてステップＳ６３に処理を進める。
【０１１９】
ステップＳ６２において、制御部２１は、燃料電池スタック１が正常に発電反応をしていないとして燃料電池スタック１からの出力電力の取り出しを停止して、ステップＳ５１に処理を戻す。
【０１２０】
ステップＳ６３において、制御部２１は、ステップＳ５９で燃料電池スタック１からの出力電力の取り出しを開始してから所定時間が経過したか否かの判定をする。制御部２１は所定時間経過したと判定したときにはステップＳ６４に処理を進め、所定時間経過していないと判定したときにはステップＳ６１に処理を戻す。これにより、制御部２１は、ステップＳ５９で出力電力の取り出しを開始してから所定時間を経過した時点で出力電力値が警告下限電圧を上回っていればステップＳ６４に処理を進める。
【０１２１】
ステップＳ６４において、制御部２１は、第１循環制御弁８を開状態にするように第２アクチュエータ９を制御する。
【０１２２】
次のステップＳ６５において、制御部２１は、第１循環制御弁８を開状態にした後の状態において、ステップＳ６１と同様に、燃料電池スタック１から取り込んでいる出力電力値が所定の警告下限電圧を下回っているか否かの判定をし、下回っているときにはステップＳ６２に処理を戻し、下回っていないときにはステップＳ６６に処理を進めて燃料電池スタック１を通常運転させる。
【０１２３】
このような処理を行う燃料電池システムによれば、第２循環制御弁３１と第１循環制御弁８との間の燃料ガス圧力より、供給圧制御弁３と第２循環制御弁３１との間の燃料ガス圧力を高くした状態で燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを開始し、第２循環制御弁３１を開状態にして、更に所定の時差で第１循環制御弁８を開状態とするので、第２循環制御弁３１の下流から燃料電池スタック１に向かって流速の速い燃料ガスを供給することができる。
【０１２４】
したがって、この燃料電池システムによれば、図１の燃料電池システムと比較して、出力電力の取り出し開始時にエゼクタポンプ４から燃料電池スタック１に燃料ガスを放出するエゼクタノズル部の燃料ガス流速を更に増加させ、エゼクタポンプ４のポンプ効果を十分に更に発揮させる状態とすることができ、起動時の出力電力を更に安定させることができる。
【０１２５】
「起動制御設定処理」
上述の燃料電池システムでは、図９におけるステップＳ１の前に、図１０に示す起動制御設定処理を行ってもよい。制御部２１は、外部からの燃料電池スタック１の発電を開始する旨の命令に従って、ステップＳ７１以下の起動制御設定処理を開始する。
【０１２６】
図１０によれば、先ず、ステップＳ７１及びステップＳ７２において、上述のステップＳ２１及びステップＳ２２と同じ処理をすることにより、燃料電池スタック１の温度を認識し、出力補正マップを参照して取り出し可能な出力電力値を演算する。
【０１２７】
次のステップＳ７３において、制御部２１は、ステップＳ７２で得た取り出し可能な出力電力に基づいて、ステップＳ５６における判定の基準となる所定封入圧力及びステップＳ５８における判定の基準となる所定封入圧力より高い圧力、ステップＳ６０の出力電力の取り出し開始時に供給圧制御弁３により供給する電力取出時圧力、燃料ガス循環流路Ｌ２の配管容積及びエゼクタポンプ４の性能からステップＳ６３で判定する所定時間を演算し、図９のステップＳ５１以降の処理を開始する。ここで、制御部２１は、ステップＳ６３で判定する所定時間を演算することで、ステップＳ６４での第１循環制御弁８の駆動タイミングを決定する。
【０１２８】
このような起動制御設定処理を行う燃料電池システムによれば、起動時の燃料電池スタック１の温度に応じて起動時に取り出し可能な出力電力を演算し、取り出し可能な出力電力に応じて、所定封入圧力及び所定封入圧力より高い圧力、ステップＳ６０における電力取出時圧力、ステップＳ６４における循環制御弁８の駆動タイミングを変化させる。
【０１２９】
これにより、燃料電池システムは、図１に示す燃料電池システムと同様に起動するときの燃料電池スタック１の冷機、暖機に拘わらず燃料電池スタック１の温度状態に応じた最適な出力電力を安定して取り出すことができると共に、図１に示す燃料電池システムよりもより素早く安定した出力電力を取り出すことができる。
【０１３０】
「システム再起動制御処理」
図１１に、図８に示す燃料電池システムにおいて、システム再起動制御処理をするときの制御部２１の処理手順を示す。
【０１３１】
図１１によれば、制御部２１は、上述のステップＳ３１〜ステップＳ３７で説明した処理と同様に、ステップＳ８１〜ステップＳ８７の処理を行ってステップＳ８８に処理を進める。
【０１３２】
ステップＳ８８において、制御部２１は、予め内部のメモリ内に格納しておいた残余封入圧力に対する燃料電池スタック１の取り出し可能な出力電力との関係を示す出力対圧力対応マップを読み出す処理をする。これにより、制御部２１は、ステップＳ８７で検出した残余封入圧力に対する出力電力を認識する。次いで、制御部２１は、認識した出力電力をステップＳ８７で検出した温度に応じて補正をすると共に、補正した出力電力を得るための所定封入圧力、所定封入圧力より高い圧力、第１循環制御弁８を開状態にする駆動タイミングを補正する。
【０１３３】
このようなシステム再起動制御処理をする制御部２１によれば、ステップＳ６２で燃料電池スタック１の出力電力の取り出しを停止した後であっても、図１に示す燃料電池システムと同様の効果を得ると共に、図１に示す燃料電池システムよりも素早く更に安定した出力電力を取り出すことができる。
【０１３４】
「通常動作時における循環流量制御処理」
図１２に、図８に示す燃料電池システムにおいて、起動時外の通常動作時における循環流量制御処理の制御部２１の処理手順を示す。
【０１３５】
燃料電池スタック１が通常動作しているとき、ステップＳ９１において、制御部２１は、燃料ガス循環流路Ｌ２の第１循環制御弁８を開状態にするパージ動作が必要であるか否かの判定をする。ここで、パージ動作を行うタイミングはシステムにより異なり、燃料ガス循環流路Ｌ２内に燃料ガスの加湿水が凝縮して滞留した場合、燃料電池スタック１内のガス流路で水詰まりが発生した場合、或いはカソード極１ｂから透過する微量な窒素が蓄積されることで燃料電池スタック１の運転効率を下げるような量に達した場合などを解消するために、所定時間ごとに実行される。制御部２１はパージ動作の必要があると判定したときにはステップＳ９２に処理を進める。
【０１３６】
ステップＳ９２において、制御部２１は、第２循環制御弁３１の開度を小さくするように第５アクチュエータ３３を制御すると共に、供給圧制御弁３を制御してエゼクタポンプ４への燃料ガス供給圧力を高くするように制御する。ここで、制御部２１は、燃料電池スタック１への供給燃料ガス流量及び圧力を変化させない程度に第２循環制御弁３１及び供給圧制御弁３を制御する。これにより、エゼクタポンプ４への供給圧力を上げ、かつエゼクタノズル部の流速を増加させる。
【０１３７】
次のステップＳ９３において、制御部２１は、第１循環制御弁８の開度を全開にするように第２アクチュエータ９を制御すると共に、内部タイマをスタートさせて開放弁１５を所定時間だけ開状態にするように第４アクチュエータ１６を制御する。これにより、燃料電池スタック１及び燃料ガス循環流路Ｌ２内の燃料ガス流速を速くしてパージ動作をする。
【０１３８】
次のステップＳ９４において、制御部２１は、図示しない電圧センサにより燃料電池スタック１のセル単位の出力電圧が下限電圧よりも小さいか否かを判定する。制御部２１は、いずれか一つのセル単位の出力電圧でも下限電圧よりも小さいと判定したときには燃料電池スタック１の異常が発生したとして燃料電池スタック１からの出力電力の取り出しを停止する。一方、制御部２１は、セル単位の出力電圧が下限電圧よりも小さくないと判定したときには、燃料電池スタック１が正常に発電反応をしているとしてステップＳ９５に処理を進める。
【０１３９】
ステップＳ９５において、制御部２１は、スタートさせたタイマで所定時間が終了したか否かを判定し、所定時間が経過したと判定したときにはステップＳ９１に処理を戻す。
【０１４０】
このような処理を行う図８に示す燃料電池システムによれば、パージ動作を行うに際して、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス流量及び圧力を変化させずに、第２循環制御弁３１の開度を小さくし、エゼクタノズル部での流速が増し、燃料ガス循環流路Ｌ２内の凝縮水や窒素を排出しやすくすると共に、瞬間的に第１循環制御弁８から開放弁１５に向かって排出される循環流の流れを、パージ動作終了（開放弁１５閉後）時に正常の方向に復帰させやすくする。さらには、燃料ガス循環流路Ｌ２内の圧力がパージ動作直前に増加するので、それがより燃料ガス循環流量Ｌ２内の凝縮水や窒素を排出しやすくする。
【０１４１】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの第１構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、起動制御処理をするときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】（ａ）は燃料電池スタックを起動するときの燃料電池電圧の変化を説明するための図であり、（ｂ）は燃料電池スタックを起動するときの燃料ガス循環流路内の燃料ガス循環量の変化を説明するための図である。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、起動制御設定処理をするときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】起動制御設定処理を行うに際して参照する、燃料電池スタックの温度により変化する燃料電池スタックの負荷割合と取り出し可能な出力電力との関係を示す出力補正マップを説明するための図である。
【図６】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、システム再起動制御処理をするときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、起動時外の通常動作時における循環流量制御処理を行うときの制御部２１の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明を適用した燃料電池システムの第２構成例を示すブロック図である。
【図９】第２構成例の燃料電池システムにおいて、起動制御処理をするときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】第２構成例の燃料電池システムにおいて、起動制御設定処理をするときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】第２構成例の燃料電池システムにおいて、システム再起動制御処理をするときの制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図１２】第２構成例の燃料電池システムにおいて、通常動作時における循環流量制御処理の制御部の処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】従来の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１燃料電池スタック
２燃料ガス供給装置
３供給圧制御弁
４エゼクタポンプ
５第１アクチュエータ
６第１圧力センサ
７第２圧力センサ
８循環制御弁（第１循環制御弁）
９第２アクチュエータ
１０第３圧力センサ
１１第４圧力センサ
１２空気供給装置
１３排圧制御弁
１４第３アクチュエータ
１５開放弁
１６第４アクチュエータ
２１制御部
３１第２循環制御弁
３２第５圧力センサ
３３第５アクチュエータ

Claims

電解質膜を、酸化剤極と燃料極とにより挟んで構成され、上記酸化剤極側に酸化剤ガスが供給されると共に、上記燃料極側に燃料ガスが供給されて発電する燃料電池と、
酸化剤ガス供給流路を介して上記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガス供給流路を介して上記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
上記燃料ガス供給流路に配設され、上記燃料ガス供給手段から上記燃料電池に供給する燃料ガス圧力を制御する燃料ガス圧力制御弁と、
上記燃料電池の燃料ガス排出口から排出された燃料ガスを、燃料ガス循環流路を介して上記燃料電池の燃料ガス供給口に循環する循環手段と、
上記燃料電池の燃料ガス排出口近傍であって上記燃料ガス循環流路に配設され、上記燃料電池内の燃料ガス圧力を制御する第１循環制御弁と、
上記燃料電池の燃料極から排出された燃料ガスを外部に排出する開放弁と、
上記燃料電池を起動するに際して、上記第１循環制御弁及び上記開放弁を開状態に制御した後に、上記燃料ガス供給手段から上記燃料電池に燃料ガスを所定圧力で供給するように上記燃料ガス圧力制御弁を制御した後に、上記燃料電池内の燃料ガスが所定封入圧力となるように上記開放弁及び上記第１循環制御弁を閉状態にする制御をした後に、上記燃料電池の発電電力の取り出しを開始した後に、上記第１循環制御弁を開状態に制御する制御手段とを備え、
前記所定封入圧力は、上記燃料電池の発電電力を取り出した直後での、上記燃料電池内の燃料ガス不足による上記燃料電池の出力電圧の低下を抑制する範囲に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
上記制御手段は、上記燃料電池の発電電力の取り出しを開始するのと同時に、上記燃料ガス供給手段から上記燃料電池に供給する燃料ガスの圧力を上記所定圧力より一時的に増加させた電力取出時圧力とするように上記燃料ガス圧力制御弁を制御し、
所定時間経過後に上記第１循環制御弁の開度を大きくする制御をすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
上記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
上記制御手段は、上記燃料電池を起動するときに上記温度検出手段で検出された上記燃料電池の温度に応じて、上記所定封入圧力、上記電力取出時圧力、上記燃料電池の発電電力の取り出し開始タイミングを設定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
上記制御手段は、上記燃料電池を停止するに際して上記第１循環制御弁を閉状態にして上記燃料電池内に燃料ガスを封入し、
次に上記燃料電池を起動するに際して上記燃料電池内に残余している燃料ガスの圧力に応じて上記電力取出時圧力、及び上記燃料電池の発電電力の取り出し開始タイミングを設定することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
上記燃料電池の状態を検出する状態検出手段と、
上記状態検出手段で検出された上記燃料電池の状態に基づいて上記燃料ガス循環流路の循環流量を演算する循環流量演算手段と、
上記循環流量演算手段で演算された循環流量に従って上記第１循環制御弁の開度を制御する循環流量制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
上記燃料電池の燃料ガス供給口近傍に設けられた第２循環制御弁を更に備え、
上記制御手段は、上記燃料電池の起動前に、所定圧力で燃料ガスを供給した後に上記第１循環制御弁及び第２循環制御弁を閉状態にして上記燃料電池内に燃料ガスを所定封入圧力で封入する制御をし、
上記所定封入圧力より高い圧力で燃料ガスの供給をするように上記燃料ガス圧力制御弁を制御し、
上記燃料電池の発電電力の取り出しを開始するのと同時に、上記第２循環制御弁を開状態にし、所定時間経過後に上記第１循環制御弁の開度を大きくする制御をすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
上記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
上記制御手段は、上記燃料電池を起動するときに上記温度検出手段で検出された上記燃料電池の温度に応じて、上記所定封入圧力、上記所定封入圧力より高い圧力、上記第１循環制御弁及び第２循環制御弁の制御タイミングを設定することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
上記制御手段は、上記燃料電池を停止するに際して上記第１循環制御弁及び第２循環制御弁を閉状態にして上記燃料電池内に燃料ガスを封入し、
次に上記燃料電池を起動するに際して上記燃料電池内に残余している圧力に応じて上記所定封入圧力より高い圧力、及び上記第１循環制御弁及び第２循環制御弁の制御タイミングを設定することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
上記燃料電池の燃料ガス排出口側に設けられ、燃料ガスを外部に放出する開放弁と、
パージ動作を行うに際して、上記第１循環制御弁の開度を小さくした後に、上記第２循環制御弁の開度を全開とすると共に上記開放弁を開状態にして、上記燃料電池内の燃料ガス流路及び燃料ガス循環流路のパージ動作をするパージ制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。