JP6489229B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、始動時のアノード調圧弁を暖機可能な燃料電池システム及びその制御方法に関する。

燃料電池システムとして、燃料ガスであるアノードガスを循環させず、反応後のアノードオフガスをカソードオフガスとともに排出するアノードガス非循環型燃料電池システムと、アノードガスを循環させ、必要に応じて、高圧タンクからアノードガスを追加供給するアノードガス循環型燃料電池システムとが提案されている。

燃料電池（燃料電池スタック）にアノードガスを供給するためには、中圧調圧弁を介して、高圧タンクに貯蔵されている高圧のアノードガスを中圧に減圧し、負荷の要求や燃料電池の運転状態に応じて、中圧調圧弁の下流に設けたアノード調圧弁により、その中圧のアノードガスを所定のデューティ比で燃料電池に供給している。

アノード調圧弁は、通常、常時閉型の電磁弁を用いており、ソレノイドコイルを内蔵するＯＮ／ＯＦＦタイプの弁である。アノード調圧弁のデューティ比は、燃料電池全体を制御するコントローラにより演算され、ソレノイドコイルへの駆動信号は、強電バッテリ又は燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータを介して供給される。そのため、燃料電池システムの運転中においては、この駆動信号の電圧は安定している。

ところで、このような電磁弁では、使用環境の温度変化により動作状態に影響を受けてしまう。すなわち、使用環境の温度変化により、電磁弁のソレノイドコイルの電気抵抗や、可動鉄心であるプランジャの摺動抵抗などが変化する。

このため、使用環境によっては、同じデューティ比の駆動信号を電磁弁に出力しても、アノード調圧弁の弁開度が異なってしまうこともある。特に、燃料電池システムの最初の起動時には、しばらくの間電磁弁に駆動信号が供給されていないため、このような影響が顕著となる。

そして、使用環境温度が零下の場合には、燃料電池システムを零下から起動させることになるが、アノード調圧弁の最初の駆動時には、プランジャの反応がデューティ比に追従することができず、燃料電池内のアノードガス圧力がオーバーシュートしてしまうという問題があった。

このような問題を解決するために、例えば、ＪＰ２９９８５４９Ｂには、電磁弁のソレノイドコイルの電気抵抗を直接的又は間接的に測定し、その結果に基づいて、コントローラのフィードバックゲインを変更させる電流制御型電磁弁の制御装置が開示される。

また、ＪＰ２００８−２７３３３８Ａでは、制動制御装置の雰囲気温度を推定し、推定した雰囲気温度に対する電磁弁の温度伝達特性に基づいて、電磁弁のソレノイドコイルの温度（コイル温度）を推定し、推定したコイル温度に応じて、電磁弁の出力デューティ比を補正する制動制御装置が開示される。

しかしながら、ＪＰ２９９８５４９Ｂに開示される電流制御型電磁弁の制御装置では、ソレノイドコイルの電気抵抗を直接的に測定する場合には、抵抗測定器や電流センサ及び電圧センサが必要となる。また、電気抵抗を推定する場合には、例えば、温度センサ等が必要となる。このような補機を必要とするため、システムが煩雑になったり、システムの製造コストが増加したりするという問題がある。

また、ＪＰ２００８−２７３３３８Ａに開示される制動制御装置では、雰囲気温度やコイル温度を推定するためには、最初に電磁弁のソレノイドコイルに電流を流す必要があり、システムの起動時などには不具合を生じる可能性もある。

この制動制御装置では、雰囲気温度やコイル温度を推定することができない場合に対応するための処置が必要となる。そして、この制動制御装置では、コイル温度を推定することができない場合であっても、ソレノイドコイルに過電流が流れることを防止するために、最低温度での許容電流値を供給している。

このような場合、すなわち、コイル温度を推定することができない場合であって、実際にはコイル温度が高いときには、ソレノイドコイルに供給される電流が安全側に補正されているため、燃料電池内のアノードガス昇圧速度が遅くなってしまう可能性がある。アノードガス昇圧速度が遅くなると、燃料電池の運転状態によっては、燃料電池内の電解質膜等を損傷する可能性もある。

本発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、どのような起動条件においても、燃料電池内のアノードガス昇圧速度の要求を満足するとともに、アノードガス圧力のオーバーシュートを抑制することができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、本発明の燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、燃料電池に供給するアノードガスを高圧で貯蔵する高圧タンクと、高圧タンクから燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、アノードガス供給通路上に設けられ、燃料電池のアノードガス圧力を調節するアノード調圧弁と、高圧タンクとアノード調圧弁との間に設けられ、該アノード調圧弁の元圧を調節するアノードガス弁と、燃料電池システムの運転状態に基づいて、アノード調圧弁及びアノードガス弁の開閉を制御する弁制御部と、を備える。そして、弁制御部は、燃料電池システムを停止させる前に、アノードガス供給通路におけるアノードガス弁とアノード調圧弁との間の第１配管内の圧力である第１配管圧力が所定圧力未満になるように、アノード調圧弁を制御してから、アノード調圧弁を閉弁する。一方、弁制御部は、燃料電池システムの起動時に、アノード調圧弁を開弁する。この場合、所定圧力は、燃料電池システムの起動時において燃料電池の耐久性を悪化させることを抑制する耐久性圧力より小さいものである。

図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。 図２は、図１のアノードガス給排装置の拡大図である。 図３は、本実施形態の燃料電池システムの停止・起動方法を示すタイムチャートである。 図４は、燃料電池システムの停止時における第１配管圧力と第２配管圧力との関係を示すグラフである。 図５は、本実施形態におけるコントローラにより実行されるシステム停止処理を示すフローチャートである。 図６は、本実施形態におけるコントローラにより実行されるシステム起動処理を示すフローチャートである。 図７は、本実施形態の燃料電池システムの停止・起動方法を示す別のタイムチャートである。 図８は、アノード調圧弁におけるソレノイド電流と雰囲気温度との関係を示すグラフである。 図９は、第１配管圧力が所定圧力未満であった場合におけるアノード調圧弁の暖機時のアノードガスの流入状態を示す図である。 図１０は、第１配管圧力が所定圧力以上で燃料電池システムを停止した場合のタイムチャートである。 図１１は、第１配管圧力が所定圧力以上であった場合におけるアノード調圧弁の暖機時のアノードガスの流入状態を示す図である。 図１２は、第１配管圧力が第２の所定圧力以上であった場合におけるアノード調圧弁の暖機時のアノードガスの流入状態を示す図である。 図１３は、第１配管と第２配管系の体積比と所定圧力との関係を示すグラフである。 図１４は、燃料電池システムの停止時における第１配管圧力と第２配管圧力との関係を示す別のグラフである。 図１５は、第２実施形態における燃料電池システムの停止・起動方法を示すタイムチャートである。 図１６は、第２実施形態におけるコントローラにより実行されるシステム起動処理を示すフローチャートである。 図１７は、第３実施形態におけるコントローラにより実行されるシステム起動処理を示すフローチャートである。 図１８は、第４実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の全体構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、アノードガス非循環型の燃料電池システムである。この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して外部から発電に必要となるアノードガス（燃料ガス）及びカソードガス（酸化剤ガス）を供給し、図示しないアノード電極及びカソード電極で電極反応を起こさせ、電気的に接続される負荷装置５の動作状態に応じて燃料電池スタック１で発電させる電源システムを構成する。この燃料電池システム１００は、例えば、駆動モータで車両を駆動する電気自動車に搭載される。なお、この燃料電池システム１００は、燃料電池を駆動源とするものであれば、燃料電池車両（燃料電池を利用した電気自動車）以外の装置等の負荷にも適用することができる。

燃料電池システム１００は、図１に示すように、主として、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、負荷装置５と、コントローラ１０とを備える。

燃料電池スタック１は、図示しない複数の燃料電池が積層された積層電池である。燃料電池スタック１は、負荷装置５に接続され、電極反応により発電した電力を負荷装置５に供給する。燃料電池スタック１は、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流電圧を生成する。

図示しないが、燃料電池スタック１は、電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟んで構成される。燃料電池スタック１の運転時には、アノード電極では、水素がイオン化して、水素イオンと電子が生成される。また、カソード電極では、アノード電極で生成した水素イオン及び電子と、酸素とが反応して、水が生成される。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを大気に排出する装置である。なお、カソードオフガスには、カソード電極で反応しなかった酸素や窒素、生成した水蒸気などが含まれる。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、コンプレッサ２２と、流量センサ２３と、圧力センサ２４と、カソードガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６とを含む。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１の一端は開口しており、他端は、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１上に設けられる。コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１の開口端から酸素を含有する空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。コンプレッサ２２の回転速度は、コントローラ１０によって制御される。

流量センサ２３は、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１上に設けられる。流量センサ２３は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。流量センサ２３により検出したカソードガスの流量データは、コントローラ１０に出力される。

圧力センサ２４は、流量センサ２３と同様に、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１上に設けられる。圧力センサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。圧力センサ２４により検出したカソードガスの圧力データは、コントローラ１０に出力される。

カソードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１からカソードオフガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路２５の一端は、燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口している。

カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２５上に設けられる。カソード調圧弁２６としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。カソード調圧弁２６は、コントローラ１０によって開閉制御される。この開閉制御によってカソードガス圧力が所望の圧力に調節される。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを大気に排出する装置である。なお、図示を省略するが、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスは、カソードガス排出通路２５内でカソードオフガスと混合されて燃料電池システム１００の外部に排出される。アノードオフガスには、電極反応に使用されなかった余剰の水素が含まれているので、カソードオフガスと混合させて燃料電池システム１００の外部に排出することで、その排出ガス中の水素濃度が予め定められた所定濃度以下となるようにしている。

アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路上の第１配管３２及び第２配管３３と、アノードガス排出通路３４と、アノードガス弁３５と、アノード調圧弁３６と、パージ弁３７と、第１配管圧力センサ３８と、第２配管圧力センサ３９とを含む。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス（水素ガス）を高圧状態に保って貯蔵する水素タンクである。

アノードガス供給通路の第１配管３２は、高圧タンク３１に貯蔵されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路であって、アノードガス弁３５とアノード調圧弁３６の間の配管である。また、アノードガス供給通路の第２配管３３は、アノード調圧弁３６とアノードガス入口孔の間の配管である。

アノードガス供給通路の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端は、アノード調圧弁３６及びアノードガス弁３５を介して、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノードガス排出通路３４は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３４は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、上述のように、他端がカソードガス排出通路２５に接続される。

アノードガス弁３５は、高圧タンク３１の下流のアノードガス供給通路上に設けられる。アノードガス弁３５は、高圧タンク３１に貯蔵されている高圧のアノードガスを第１配管内に供給するための電磁弁又は機械式弁である。

なお、本実施形態では、図示の利便性のために、１つのアノードガス弁３５のみがアノードガス供給通路上に設けられた場合を示しているが、本発明は、このような構成に限らない。例えば、アノードガス弁３５として、高圧タンク３１の高圧のアノードガスの供給をＯＮ／ＯＦＦする主止弁や、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを中圧に保持する中圧弁や中圧遮断弁などの複数の弁から構成されてもよい。

また、アノードガス弁３５は、上述のように、機械式の弁であっても、電磁弁であってもよい。電磁弁の場合には、図１に示すように、アノードガス弁３５は、コントローラ１０によりその開閉（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御される。

アノード調圧弁３６は、アノードガス弁３５と、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔との間のアノードガス供給通路上に設けられる。アノード調圧弁３６としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁３６は、コントローラ１０によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力、すなわち、第２配管内の圧力が調節される。

パージ弁３７は、アノードガス排出通路３４上に設けられる。パージ弁３７は、アノードオフガスをカソードガス排出通路２５に排出するための電磁弁である。パージ弁３７の開度は、コントローラ１０により制御される。

第１配管圧力センサ３８は、アノードガス弁３５とアノード調圧弁３６との間のアノードガス供給通路、すなわち、第１配管上に設けられる。第１配管圧力センサ３８は、第１配管内の圧力を検出する。第１配管圧力センサ３８により検出したアノードガスの圧力データ、すなわち、第１配管圧力データは、コントローラ１０に出力される。

第２配管圧力センサ３９は、アノード調圧弁３６と燃料電池スタック１のアノードガス入口孔との間のアノードガス供給通路、すなわち、第２配管上に設けられる。第２配管圧力センサ３９は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力を検出する。第２配管圧力センサ３９により検出したアノードガスの圧力データ、すなわち、第２配管圧力データは、コントローラ１０に出力される。

負荷装置５は、燃料電池スタック１から供給される発電電力（直流電力）を受けることにより駆動する。負荷装置５としては、例えば、車両を駆動する電動モータや、燃料電池スタック１から出力された直流電力を電動モータに供給する交流電力に変換する電動モータ用インバータや、燃料電池スタック１の発電を補助する補機の一部、電動モータを制御する制御ユニットなどによって構成される。燃料電池スタック１の補機としては、例えば、コンプレッサ２２などが挙げられる。

負荷装置５は、図２に示すように、燃料電池スタック１から出力された直流電力を所定の要求電圧比で昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ６をさらに備えている。図２は、図１のアノードガス給排装置３の拡大図である。このＤＣ／ＤＣコンバータ６は、燃料電池スタック１と電動モータインバータとの間に配置される。また、本実施形態では、図示を省略するが、ＤＣ／ＤＣコンバータ６に対して燃料電池スタック１と並列に、高圧バッテリが設けられている。この高圧バッテリの出力側にも高圧バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータが設けられていてもよい。

なお、負荷装置５を制御する制御ユニット（図示せず）は、燃料電池スタック１に要求する要求電力をコントローラ１０に出力する。例えば、車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、負荷装置５の要求電力は大きくなる。

負荷装置５と燃料電池スタック１との間には、図１に示すように、電流センサ５１と電圧センサ５２とが配置される。

電流センサ５１は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負荷装置５との間の電源線に接続される。電流センサ５１は、燃料電池スタック１から負荷装置５に出力される電流を燃料電池スタック１の出力電力として検出する。電流センサ５１で検出した燃料電池スタック１の出力電流データは、コントローラ１０に出力される。

電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと正極端子１ｎとの間に接続される。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐ及び正極端子１ｎ間の電圧である端子間電圧を検出する。電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧データは、コントローラ１０に出力される。

なお、図示を省略したが、燃料電池スタック１の電解質膜の湿潤状態を検出するためのインピーダンス測定装置をさらに備えている。このインピーダンス測定装置は、電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するための装置である。

一般に、電解質膜の含水量が少なくなるほど、すなわち、電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスの電気抵抗成分は大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち、電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスの電気抵抗成分は小さくなる。このため、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが用いられる。

インピーダンス測定装置は、燃料電池スタック１の内部抵抗を検出するのに適した周波数を有する交流電流を正極端子１ｐに供給する。そして、インピーダンス測定装置は、この周波数の交流電流によって正極端子１ｐと正極端子１ｎとの間に生じる交流電圧を検出し、検出した交流電圧の振幅を、正極端子１ｐに供給した交流電流の振幅で除算することにより、内部インピーダンスを算出する。

本実施形態では、燃料電池スタック１は、負荷装置５の要求に応じた電力を発電し、燃料電池スタック１の発電状態に応じて、燃料電池スタック１の内部インピーダンス、すなわち、電解質膜の湿潤度が制御される。

コントローラ１０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）などを備えたマイクロコンピュータにより構成される。

コントローラ１０には、流量センサ２３、圧力センサ２４、第１配管圧力センサ３８、第２配管圧力センサ３９、電流センサ５１、及び電圧センサ５２の各検出データが入力される。これらのデータは、燃料電池システム１００の運転状態に関するパラメータとして用いられる。

コントローラ１０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６を制御することでカソードガスの流量及び圧力を制御するとともに、アノードガス弁３５、アノード調圧弁３６、及びパージ弁３７を制御することでアノードガスの流量及び圧力を制御する。

次に、図２及び図３を参照して、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。図３は、本実施形態の制御方法を示すタイムチャートである。まず、図２に示す構成を簡単に説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、本実施形態では、燃料電池スタック１の出力側に設けられ、燃料電池スタック１の出力電圧を所定の要求電圧比で昇圧する昇圧コンバータである。図示を省略するが、このＤＣ／ＤＣコンバータ６には、複数のスイッチング素子が含まれる。本実施形態では、スイッチング素子は、コントローラ１０の制御により、スイッチング動作を行い、アノード調圧弁３６やパージ弁３７の開閉制御を行うためのＰＷＭ信号を生成する。生成したＰＷＭ信号はアノード調圧弁３６に出力され、アノード調圧弁３６は、そのＰＷＭ信号のデューティ比に基づいて、その開閉を制御される。

図１では示していないが、アノード調圧弁３６の近傍には、アノード調圧弁３６の雰囲気温度を検出するための温度センサ６０が設けられる。温度センサ６０により検出したアノード調圧弁３６の雰囲気温度データは、コントローラ１０に出力される。

本実施形態では、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の停止シーケンスが開始されると、第１配管３２内の圧力である第１配管圧力を所定圧力未満に減圧するように構成される。

「所定圧力」とは、燃料電池システム１００の起動時において燃料電池スタック１の耐久性を悪化させることを抑制する耐久性圧力より小さい圧力のことである。第１配管３２内をこのような所定圧力まで減圧してから燃料電池システム１００を停止することにより、次回起動時にアノード調圧弁３６が指令値よりも大きい開度で開弁したとしても、燃料電池スタック１内の各電極や電解質膜などを破損することがない。なお、以下では、必要に応じて、所定圧力及び耐久性圧力（の最大値）をそれぞれＰ₀、Ｐ_maxとして説明する。

また、本実施形態では、燃料電池システム１００の起動時には、まず、アノード調圧弁３６の図示しないソレノイドコイルに電流を流すことにより、アノード調圧弁３６を開弁して暖機を行っている。これにより、燃料電池スタック１が運転を開始する前に、アノード調圧弁３６のソレノイドコイルの電気抵抗やプランジャの摺動抵抗を通常運転状態と変わらない状態にすることができる。したがって、どのような起動条件においても、燃料電池スタック１内のアノードガス昇圧速度の要求を満足するとともに、アノードガス圧力のオーバーシュートを抑制することができる。

ここで、図４を参照して、燃料電池システム１００の停止時の第１配管３２内の第１配管圧力と第２配管３３内の第２配管圧力との関係を説明する。図４は、燃料電池システム１００の停止時における第１配管圧力と第２配管圧力との関係を示すグラフである。なお、第２配管圧力は、燃料電池スタック１を含むパージ弁３７までの圧力と同じになるので、それら全体を含む関係として説明する。

第１配管内の体積をＶ₁、第２配管と燃料電池スタック１とを含むパージ弁３７までのアノード系全体（以下、「第２配管系」という）の体積をＶ₂とし、燃料電池システム１００の停止時における第１配管圧力及び第２配管圧力をそれぞれＰ₁、Ｐ₂とし、アノード調圧弁３６の開弁後の全体の圧力をＰ₃とする。そして、第１配管内に残存するアノードガスと、第２配管系内に残存するアノードオフガスとを理想気体と想定すると、以下のような関係式が成立する。

Ｐ₁×Ｖ₁＋Ｐ₂×Ｖ₂＝Ｐ₃×（Ｖ₁＋Ｖ₂） （１）
本実施形態では、このＰ３が燃料電池スタック１の耐久性圧力（アノード調圧弁３６よりも下流の耐圧）の最大値Ｐ_max以下であればよいので、以下の関係式が成立する。

Ｐ_max×（Ｖ₁＋Ｖ₂）≧Ｐ₁×Ｖ₁＋Ｐ₂×Ｖ₂ （２）
Ｐ₁について解くと、以下の関係式となる。

Ｐ₁≦｛Ｐ_max×（Ｖ₁＋Ｖ₂）−Ｐ₂×Ｖ₂｝／Ｖ₁ （３）
ここで、Ｐmaxは、燃料電池スタック１を含む燃料電池システム１００の設計段階で決定される耐圧となるので一定値であり、同様に、Ｖ₁、Ｖ₂も一定値である。したがって、上記式（３）は、Ｐ₁とＰ₂の一次関数となり、図４に示すような右肩下がりのグラフとなる。

したがって、第１配管圧力Ｐ₁は、図４の直線よりも下側の領域に位置するように、燃料電池システム１００の停止時にアノード調圧弁３６及びパージ弁３７の開閉動作を行えばよい。これにより、燃料電池システム１００の次回起動時に燃料電池スタック１の耐圧を遵守することができる。

なお、上記式（１）〜（３）では、残存する気体を理想気体と想定するとともに、燃料電池システム１００の停止後のアノードガスの濃度の変化（例えば、酸素と反応したり、配管から漏洩したりするアノードガスによる変化）や雰囲気温度の変化を考慮していない。特に、燃料電池システム１００の構成によっては、システム停止後ある程度時間が経過すると、第１配管及び第２配管系内に残存するアノードガス濃度が低下することも考えられる。そのため、必要に応じて、アノードガス濃度や温度等の変化を考慮して、システム停止後の第１配管圧力Ｐ₁を決定すればよい。

本実施形態では、図４の条件を満たすように、コントローラ１０は、燃料電池システム１００の停止時に、アノード調圧弁３６とパージ弁３７の開閉制御を行っている。以下、図３のタイミングチャートでその制御を説明する。

図３は、燃料電池システム１００の停止シーケンスの開始から燃料電池システム１００の次回起動時までの各部の動作や指令値を示すものである。図３（ａ）は、第１配管圧力Ｐ₁及び第２配管圧力Ｐ₂の変化を示す。図３（ｂ）は、アノード調圧弁３６の実際の開度を示す。図３（ｃ）は、アノード調圧弁３６に対するコントローラ１０からのデューティ指令値を示す。図３（ｄ）は、アノードガス弁３５の実際の開度を示す。

燃料電池システム１００を搭載した車両のユーザがイグニッションキーをＯＦＦすると、燃料電池システム１００は、システム停止シーケンスを行う。なお、本実施形態では、燃料電池システム１００の起動・停止をイグニッションキーで行うこととしたが、本発明は、このような構成に限らない。例えば、イグニッションキーの代わりに、スタートボタン等を備えた車両においても本発明の燃料電池システム１００を搭載することができる。

システム停止シーケンスを開始すると、燃料電池スタック１を停止するために、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６の指令デューティ比を設定し、アノード調圧弁３６に出力する。アノード調圧弁３６は、この指令デューティ比に基づいて、開弁動作を行う。このとき、コントローラ１０は、パージ弁３７にも同様の開指令を行っており、図３（ａ）に示すように、第１配管圧力Ｐ₁及び第２配管圧力Ｐ₂は、徐々に低下していく。

その後、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６に閉弁のデューティ指令値を出力し、アノード調圧弁３６が閉弁すると、燃料電池システム１００内の燃料電池スタック１が停止する。このとき、第１配管圧力Ｐ₁は、図示の所定圧力Ｐ₀よりも低い圧力となっている。

なお、本実施形態では、アノード調圧弁３６を閉弁したタイミングで、燃料電池システム１００が停止したと説明したが、燃料電池システム１００の完全停止のタイミングは、この場合に限らない。例えば、燃料電池システム１００は、アノード調圧弁３６を閉弁した後、所定の停止シーケンスの動作を行ってもよく、その代わりに、燃料電池システム１００の停止シーケンスが完全に終了した後、アノード調圧弁３６とパージ弁３７を開弁して、第１配管圧力Ｐ₁を所定圧力Ｐ₀未満にしてもよい。

その後、燃料電池システム１００の停止中において、燃料電池スタック１内に残留するアノードガスとカソードガスが反応したり、アノードガスが系外にリークしたりすることにより、第２配管圧力Ｐ₂は、徐々に低下していく。

次いで、燃料電池システム１００の起動時、すなわち、燃料電池システム１００を搭載した車両のイグニッションキーのＯＮ時には、システム起動シーケンスを開始する前に、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６の指令デューティ比を設定し、アノード調圧弁３６に出力する。アノード調圧弁３６は、この指令デューティ比に基づいて、開弁動作を行う。

アノード調圧弁３６が開弁すると、第１配管３２内のアノードガスが第２配管３３側に流入し、全体として同じ圧力Ｐ₃（Ｐ₃＜Ｐ₁）となる。燃料電池システム１００の停止時に、第１配管圧力Ｐ₁は、既に所定圧力Ｐ₀未満となっているので、アノード調圧弁３６の暖機を行ったとしても燃料電池スタック１内が所定圧力Ｐ₀以上になることはない。したがって、燃料電池スタック１内の部品が破損等することを防止することができる。

次に、図５及び図６のフローチャートを参照して、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。図５は、本実施形態におけるコントローラ１０により実行されるシステム停止処理を示すフローチャートである。図６は、本実施形態におけるコントローラ１０により実行されるシステム起動処理を示すフローチャートである。なお、システム停止処理及びシステム起動処理は、例えば、所定の時間間隔（例えば、１００ミリ秒毎）に実行される。

最初にシステム停止処理について説明する。システム停止処理では、コントローラ１０は、まず、車両のユーザによりイグニッションキーがＯＦＦされたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。イグニッションキーがＯＦＦされていないと判定した場合には、コントローラ１０は、このシステム停止処理を終了する。

一方、イグニッションキーがＯＦＦされたと判定した場合には、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を開弁するとともに（ステップＳ１０２）、第１配管圧力センサ３８を用いて、第１配管内の圧力、すなわち、第１配管圧力Ｐ₁を検出する（ステップＳ１０３）。

次いで、コントローラ１０は、ステップＳ１０３において検出した第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀未満になったか否かを判定する（ステップＳ１０４）。第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀未満になっていないと判定した場合には、コントローラ１０は、ステップＳ１０３及びＳ１０４の処理を繰り返す。

一方、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀未満になったと判定した場合には、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を閉弁し（ステップＳ１０５）、燃料電池システム１００のシステム停止シーケンスを実行して（ステップＳ１０６）、このシステム停止処理を終了する。なお、システム停止シーケンスについては、燃料電池システム１００のシステム構成に応じて、公知の方法で行えばよいので、ここではその詳細な説明を省略する。

次に、システム起動処理について説明する。システム起動処理では、コントローラ１０は、まず、車両のユーザによりイグニッションキーがＯＮされたか否かを判定する（ステップＳ２０１）。イグニッションキーがＯＮされていないと判定した場合には、コントローラ１０は、このシステム起動処理を終了する。

一方、イグニッションキーがＯＮされたと判定した場合には、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を開弁する（ステップＳ２０２）。そして、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を開弁してからの時間を計測し、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０３）。コントローラ１０は、所定時間が経過するまでステップＳ２０３で待機する。

所定時間が経過したと判定した場合には、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を閉弁し（ステップＳ２０４）、燃料電池スタック１を起動させるための起動シーケンスを実行し（ステップＳ２０５）、このシステム起動処理を終了する。なお、燃料電池スタック１の起動シーケンスについては、燃料電池システム１００のシステム構成に応じて、公知の方法で行えばよいので、ここではその詳細な説明を省略する。

ここで、図３のタイムチャートに対応して、アノード調圧弁３６のソレノイドコイルに供給するソレノイド電流について説明する。図７は、図３のタイムチャートに対応するソレノイド電流のタイムチャートである。図７（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

図７（ｅ）は、アノード調圧弁３６のソレノイドコイルに供給されるソレノイド電流を示す。コントローラ１０は、燃料電池システム１００のシステム停止シーケンスを開始すると、アノード調圧弁３６に対して、デューティ指令値とともに、ソレノイド電流の指令値を出力する。アノード調圧弁３６は、このデューティ指令値とソレノイド電流指令値に基づいて、開弁動作を行う。

また、燃料電池システム１００の起動時には、システム起動シーケンスを開始する前に、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６の指令デューティ比とソレノイド電流指令値を設定し、アノード調圧弁３６に出力する。アノード調圧弁３６は、指令デューティ比とソレノイド電流指令値に基づいて、開弁動作を行う。

コントローラ１０は、ソレノイド電流指令値を所定時間継続することにより、アノード調圧弁３６を暖機する。所定時間としては、例えば、１〜数秒程度である。このように、アノード調圧弁３６のソレノイドコイルに所定時間電流を流すことにより、アノード調圧弁３６のソレノイドコイルの電気抵抗やプランジャの摺動抵抗が通常運転時と同程度になるので、その後のシステム起動シーケンスにおいて、燃料電池スタック１内のアノードガス昇圧速度の要求を満足させることができる。

なお、図７（ｅ）では、アノード調圧弁３６の暖機時には、システム停止シーケンスのときに比べて、ソレノイド電流が大きくなるように図示しているが、実際には、温度センサ６０により検出されるアノード調圧弁３６の雰囲気温度（燃料電池システム１００の環境温度）に基づいて、ソレノイド電流の値が決定される。以下、図８を参照して、ソレノイド電流の決定方法を簡単に説明する。

図８は、アノード調圧弁３６に供給すべきソレノイド電流と、アノード調圧弁３６の雰囲気温度との関係を示すグラフである。図８に示すように、ソレノイド電流には、品質保証による許容最大電流値が設定されている。また、放射状に伸びる複数の直線が各温度におけるソレノイド電流値を示す。

図８から分かるように、所定の暖機時指令値に対応するソレノイド電流値は、雰囲気温度が低いほど高くなる。本実施形態では、コントローラ１０は、このグラフを参照することにより、温度センサ６０により検出されるアノード調圧弁３６の雰囲気温度に基づいて、ソレノイド電流値を決定する。

次に、アノード調圧弁３６の暖機時における第２配管３３へのアノードガスの流入状態について説明する。以下では、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀未満の場合（Ａ領域）と、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀以上の場合とに分けて説明する。また、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀以上の場合については、さらに、第２の所定圧力未満の場合（Ｘ領域）と、第２の所定圧力以上の場合（Ｂ領域）に分けて説明する。なお、以下では、必要に応じて、第２の所定圧力をＰ₂とする。

まず、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀未満の場合について説明する。図９は、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀未満であった場合におけるアノード調圧弁３６の暖機時のアノードガスの流入状態を示す。第１配管３２と第２配管３３において斜線で示す部分には、アノードガスが流入している。このように、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀未満の場合には、第２配管３３の途中までアノードガスが流入する。

燃料電池システム１００を停止して、十分な時間が経つと、燃料電池スタック１内に残留しているカソードガスとアノードガスがクロスリークにより混ざり合い、燃料電池スタック１内のアノードガス流路（図示せず）にも酸素が存在することとなる。そのため、アノード調圧弁３６の暖機後には、アノードガス供給通路やアノードガス流路において、アノードガスと残留ガス（カソードガスを含む）との境界面（水素フロント）が存在する状態となる。

本実施形態では、燃料電池システム１００の停止時に、第１配管圧力Ｐ₁を所定圧力Ｐ₀₁未満に減圧した後、アノード調圧弁３６を閉弁しているので、アノード調圧弁３６の暖機時においても燃料電池スタック１内にその境界面（水素フロント）が生じることがない。したがって、燃料電池スタック１内の触媒劣化等を効果的に防止することができる。

次いで、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀₁以上であって、第２の所定圧力Ｐ₀₂未満である場合について説明する。ここでは、燃料電池システム１００のシステム停止シーケンスの開始時から燃料電池システム１００の次回起動時までのタイムチャートについて簡単に説明する。

図１０は、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀₁以上で燃料電池システム１００を停止した場合のタイムチャートである。この場合には、図１０に示すように、第１配管圧力Ｐ₁及び第２配管圧力Ｐ₂が所定圧力Ｐ₀₁以上の状態において、燃料電池システム１００が停止する。その後、燃料電池システム１００の停止中において、燃料電池スタック１内に残留するアノードガスとカソードガスが反応したり、アノードガスが系外にリークしたりすることにより、第２配管圧力Ｐ₂は、徐々に低下していく。

しかしながら、第１配管圧力Ｐ₁は、ほとんど変化しないので、アノード調圧弁３６の暖機時には、第１配管３２及び第２配管３３を含むアノード調圧弁３６からパージ弁３７までのアノード系の全体の圧力は、所定圧力Ｐ₀₁以上となる。

図１１は、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力Ｐ₀₁以上であった場合におけるアノード調圧弁３６の暖機時のアノードガスの流入状態を示す図である。第１配管３２、第２配管３３及び燃料電池スタック１において斜線で示す部分には、アノードガスが流入している。この場合、図１１に示すように、残留ガスとアノードガスとの境界面（水素フロント）は、燃料電池スタック１内に存在してしまう。そのため、燃料電池スタック１内のアノードガス流路の上流をアノード電極、下流をカソード電極とした局部電池がアノード電極側に形成されることとなる。境界面（水素フロント）近傍では、アノードガスとカソードガスが反応することにより、燃料電池スタック１内の触媒層のカーボンが劣化してしまう。

したがって、本実施形態の燃料電池システム１００のように、燃料電池システム１００の停止時に第１配管圧力Ｐ₁を所定圧力Ｐ₀₁未満にすることにより、このような問題が生じることを防止することができる。

次いで、第１配管圧力Ｐ₁が第２の所定圧力Ｐ₀₂以上である場合について説明する。図１２は、第１配管圧力Ｐ₁が第２の所定圧力Ｐ₀₂以上であった場合におけるアノード調圧弁３６の暖機時のアノードガスの流入状態を示す図である。第１配管３２、第２配管３３、燃料電池スタック１及びアノードガス排出通路３４において斜線で示す部分には、アノードガスが流入している。

この場合、残留ガスとアノードガスの境界面は、アノードガス排出通路３４上に存在することとなる。したがって、上記のようなアノードガスとカソードガスの反応による触媒劣化等の問題は生じることがない。本実施形態では、第１配管圧力Ｐ₁を所定圧力Ｐ₀₁未満に調整する代わりに、第１配管圧力Ｐ₁を第２の所定圧力Ｐ₀₂以上に調整してもよい。なお、この場合であっても、第２の所定圧力Ｐ₀₂は、燃料電池システム１００の起動時において燃料電池スタック１の耐久性を悪化させることを抑制する耐久性圧力（の最大値）Ｐ_maxより小さい圧力に設定される。

ここで、上述した第１配管３２の体積Ｖ₁と第２配管系の体積Ｖ₂の体積比Ｖ₂／Ｖ₁と、上記各領域Ａ、Ｂ及びＸとの関係を説明する。図１３は、第１配管３２と第２配管系の体積比Ｖ₂／Ｖ₁と所定圧力Ｐ₀₁及び第２の所定圧力Ｐ₀₂との関係を示すグラフである。

所定圧力がＡ領域とＢ領域にある場合に、アノードガスと残留ガスの境界面が燃料電池スタック１内に存在しないことになるので、体積比Ｖ₂／Ｖ₁が図１３に示す縦線部分に収まるように、燃料電池システム１００を設計すればよい。なお、２つの領域Ａ、Ｂの間の領域がＸ領域を示し、Ａ領域が所定圧力Ｐ₀₁に対応し、Ｂ領域が第２の所定圧力Ｐ₀₂に対応する。なお、Ｂ領域の上限は、耐久性圧力の最大値Ｐ_maxを示している。

また、本実施形態では、燃料電池システム１００の起動時における燃料電池スタック１の水素保持性能を考慮して、所定圧力の下限値として、Ｐ_minを設定している。この「水素保持性能」とは、燃料電池システム１００の次回起動時に燃料電池スタック１内の電極反応を効率的に起こさせるための条件を意味する。

すなわち、所定圧力は、燃料電池システム１００を停止させた後に燃料電池スタック１内に残留させるべきアノードガス量に対応する圧力（下限圧力）Ｐ_min以上であればよい。そのため、図１３では、Ａ領域の下限圧力Ｐ_min未満の部分は、縦線部分から排除されている。

本実施形態では、所定圧力をこのように設定するように、燃料電池システム１００を構成しているので、どのような起動条件においても、水素保持性能を確保することができるとともに、燃料電池スタック１内のアノードガス昇圧速度の要求を満足し、さらに、アノードガス圧力のオーバーシュートを抑制することができる。また、所定圧力が燃料電池スタック１の耐久性圧力も満足する圧力であるので、燃料電池スタック１内の各電極や電解質膜などの破損を効果的に防止することができる。

図１３の領域を考慮すると、図４の第１配管圧力と第２配管圧力との関係は、図１４に示すように、その一部が排除されることとなる。図１４は、燃料電池システムの停止時における第１配管圧力Ｐ₁と第２配管圧力Ｐ₂との関係を示す別のグラフである。図１４に示す斜線部分が、第１配管圧力Ｐ₁と第２配管圧力Ｐ₂が本実施形態の条件を満たす領域である。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック１（燃料電池）に供給して発電させる燃料電池システム１００であって、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧で貯蔵する高圧タンク３１と、高圧タンク３１から燃料電池スタック１にアノードガスを供給するための第１配管３２及び第２配管３３から構成されるアノードガス供給通路と、アノードガス供給通路上に設けられ、燃料電池スタック１のアノードガス圧力を調節するアノード調圧弁３６と、高圧タンク３１とアノード調圧弁３６との間に設けられ、アノード調圧弁３６の元圧を調節するアノードガス弁３５と、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、アノード調圧弁３６及びアノードガス弁３５の開閉を制御する弁制御部として機能するコントローラ１０と、を備え、コントローラ１０は、燃料電池システム１００を停止させる前に、アノードガス供給通路におけるアノードガス弁３５とアノード調圧弁３６との間の第１配管３２内の圧力である第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力未満になるように、アノードガス弁３５を閉弁した後、アノード調圧弁３６を制御してから、アノード調圧弁３６を閉弁し、コントローラ１０は、燃料電池システム１００の起動時に、アノード調圧弁３６を開弁し、所定圧力は、燃料電池システム１００の起動時において燃料電池スタック１の耐久性を悪化させる圧力より小さいように構成されることとした。本実施形態の燃料電池システム１００は、このように構成しているので、以下のような作用・効果を奏する。

すなわち、本実施形態の燃料電池システム１００では、システム停止時におけアノードガス供給通路内の第１配管３２の圧力である第１配管圧力Ｐ₁を耐久性圧力の最大値Ｐ_maxよりも小さい所定圧力（燃料電池スタック１の耐久性を悪化させる圧力より小さい圧力）にするように構成したので、システム起動時にアノード調圧弁３６を暖機するためにアノード調圧弁３６を開弁するときにおいても、燃料電池スタック１内の各電極や電解質膜などが破損することを効果的に防止することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００では、所定圧力は、燃料電池システム１００の起動時にアノード調圧弁３６を開弁したとき、第１配管３２内のアノードガスと、アノード調圧弁３６及び燃料電池スタック１の間の第２配管３３内の残留ガスとの境界面が燃料電池スタック１の外になる（すなわち、燃料電池スタック１内に留まらないような）圧力であればよい。すなわち、上記実施形態において、所定圧力は、図９又は図１２に示すような状態になるような圧力であればよい。アノードガスと残留ガス（カソードガスを含む）の境界面（水素フロント）が燃料電池スタック１内に存在する状態となると、燃料電池スタック１内のアノードガス流路の上流をアノード電極、下流をカソード電極とした局部電池がアノード電極側に形成されることとなる。境界面（水素フロント）近傍では、アノードガスとカソードガスが反応することにより、燃料電池スタック１内の触媒層のカーボンが劣化してしまう。所定圧力をこのように設定することにより、燃料電池スタック１内の触媒層の劣化等を効果的に防止することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００では、所定圧力は、燃料電池システム１００の起動時に必要となる圧力（すなわち、燃料電池システム１００を起動させるために必要な圧力）以上であればよい。これにより、上述のような水素保持性能に影響を与えることがない。

また、本実施形態の別の態様では、燃料電池システム１００は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池スタック１に供給して発電させる燃料電池システム１００であって、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧で貯蔵する高圧タンク３１と、高圧タンク３１から燃料電池スタック１にアノードガスを供給するための第１配管３２及び第２配管３３から構成されるアノードガス供給通路と、アノードガス供給通路上に設けられ、燃料電池スタック１のアノードガス圧力を調節するアノード調圧弁３６と、高圧タンク３１とアノード調圧弁３６との間に設けられ、アノード調圧弁３６の元圧を調節するアノードガス弁３５と、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、アノード調圧弁３６及びアノードガス弁３５の開閉を制御する弁制御部として機能するコントローラ１０と、を備え、コントローラ１０は、燃料電池システム１００の運転中、アノードガス供給通路におけるアノードガス弁３５とアノード調圧弁３６との間の第１配管３２内の圧力である第１配管圧力Ｐ₁を所定の運転圧力に制御し、コントローラ１０は、燃料電池システム１００を停止させる前に、アノードガス弁３５を閉弁した後、所定の運転圧力よりも低い所定圧力まで第１配管圧力Ｐ₁を減圧してから、アノード調圧弁３６を閉弁するとともに、燃料電池システム１００の起動時には、アノード調圧弁３６を開弁するように構成した。このように、燃料電池システム１００の停止時には、第１配管圧力Ｐ₁を所定の運転圧力よりも低い所定圧力に低下させているので、上記と同様に、システム起動時にアノード調圧弁３６を暖機するためにアノード調圧弁３６を開弁するときにおいても、燃料電池スタック１内の各電極や電解質膜などが破損することを効果的に防止することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の起動時に、アノード調圧弁３６に供給する電流指令値は、アノード調圧弁３６が使われる使用条件の中で最も電気抵抗が小さくなる状況（通常、使用環境において最低温度となる状況）においてもアノード調圧弁３６の保証範囲内の電流となる指令値であればよい。例えば、燃料電池システム１００を零下起動させる場合には、アノード調圧弁３６を暖機するために、アノード調圧弁３６のソレノイドコイルに電流を流すが、ソレノイドコイルの電気抵抗やプランジャの摺動抵抗が小さくなっている。そのため、通常の電圧値の電圧を印加すると、電流値が大きくなってしまう。そして、アノード調圧弁３６の仕様範囲外の電流が流れてしまうような状況になれば、アノード調圧弁３６を破損させてしまう可能性がある。そのため、本実施形態では、アノード調圧弁３６の暖機時に、ソレノイドコイルに流す電流が所定値以上とならないような指令値を用いている。

本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ１０は、燃料電池システム１００の起動時に、アノード調圧弁３６に電流を供給し、所定時間経過したときに電流の供給を終了するように構成される。このように、アノード調圧弁３６に所定時間電流を流したことで、アノード調圧弁３６の暖機が完了したものと判断し、コントローラ１０は、電流供給を終了すればよい。なお、「所定時間」は、予め実験等により設定されればよい。ここで、アノード調圧弁３６を暖機するために電流を流すと、ソレノイドコイルに電流が流れて温まることにより電気抵抗が高くなってくる。そのため、電流が徐々に下がってくるので、その状態を確認して、暖機の完了を判断することもできる。

なお、上述の実施形態では、図示を省略したが、アノード調圧弁３６の暖機終了の判定は、燃料電池システム１００の強電系の装置起動後にＤＣ／ＤＣコンバータ６を使用して、アノード調圧弁３６に電流を供給している状態で実施すればよい。このように、燃料電池システム１００の強電起動シーケンスが作動してから、アノード調圧弁３６に供給する電流値に基づいて、アノード調圧弁３６の暖機の終了を判定する。アノード調圧弁３６の暖機時間（上記「所定時間」）の判定精度を上げるため、電源電圧を一定に安定させてから判定するのがよい。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の起動後に暖機の終了を判定すればよい。なお、図示しない弱電バッテリから電流を供給する場合には、雰囲気温度等によって弱電バッテリの電圧が変動するため、アノード調圧弁３６に流す電流による暖機判定は、確実性が低いと考えられる。本実施形態では、より安全性を考慮して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してアノード調圧弁３６に電流を供給している。

上述の実施形態では、具体的に説明していないが、アノード調圧弁３６の雰囲気温度を検出するための温度センサ６０を用いて、暖機完了の判定を行うこともできる。すなわち、アノード調圧弁３６の暖機を開始すると、温度センサ６０を用いて、アノード調圧弁３６の雰囲気温度を計測し、その雰囲気温度が所定温度以上になったことを条件として、暖機終了を判定してもよい。

アノード調圧弁３６を開弁するために電流を流すと、内部のソレノイドコイルが発熱して、雰囲気温度が上昇する。この雰囲気温度の上昇に基づいて、アノード調圧弁３６の暖機の完了を判定してもよい。この場合、雰囲気温度が所定温度以上になるだけでなく、例えば、暖機開始前から一定温度だけ上昇したことにより、暖機の終了を判定することもできる。これにより、電流値が計測できないような状況においても、アノード調圧弁３６の異常発熱を確認することができ、そのような状況の発生を防止することができる。

上述の実施形態では、具体的に説明していないが、アノード調圧弁３６の雰囲気温度を検出するための温度センサ６０を用いて、アノード調圧弁３６の暖機の要否を判定することにしてもよい。この場合、温度センサ６０により、アノード調圧弁３６の暖機前の温度を検出し、検出した雰囲気温度が所定温度未満の場合には、燃料電池システム１００の起動時に、アノード調圧弁３６の暖機を実施するように構成すればよい。このように構成したことにより、アノード調圧弁３６の暖機が必要ない場合にはその暖機を実施しないことにより、燃料電池システム１００の電力を無駄に使用することを防止することができるとともに、燃料電池システム１００の起動時間を短縮することができる。

なお、この場合の「所定温度」は、予め実験等により決定される。すなわち、実験により、起動時の雰囲気温度や外気温度と、そのときのソレノイドコイルの電気抵抗、制御精度（オーバーシュート量）との関係を取得し、許容される温度を所定温度とすればよい。制御精度を考慮するのは、雰囲気温度によりソレノイドコイルの電気抵抗やプランジャの摺動抵抗が変化し、アノード調圧弁３６の開度に影響を与えるためである。

また、上述の実施形態では、アノード調圧弁３６の雰囲気温度を検出するための温度センサ６０を設けているが、外気温度を検出する外気温センサや、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水の温度を検出する冷却水温センサなどで代用してもよい。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。なお、燃料電池システム１００の全体構成は同様であるので、図１及び図２を用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

上記第１実施形態では、アノード調圧弁３６の暖機の終了後、第１配管３２内の圧力である第１配管圧力Ｐ₁を通常運転時の圧力に上昇させることなく、システム起動シーケンス内の所定のタイミングで実行することとしていた。本実施形態では、システム起動処理において、第１配管３２内の圧力を通常運転時の圧力に上昇させるように構成するものである。

図１５は、第２実施形態における燃料電池システムの停止・起動方法を示すタイムチャートである。図１５（ａ）〜（ｃ）は、図３（ａ）〜（ｃ）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。図１５（ｆ）は、アノードガス弁３５の開度を示す。燃料電池システム１００の起動時には、アノード調圧弁３６の暖機を行うが、その暖機の終了後に、アノードガス弁３５を開弁して、第１配管３２内の圧力である第１配管圧力Ｐ₁を所定の運転圧力まで昇圧している。これにより、燃料電池システム１００の起動時間を短縮させることができるとともに、アノード調圧弁３６により調圧精度を確保することができる。

なお、第１実施形態では具体的に説明していないが、高圧タンク３１内に貯蔵されているアノードガスの圧力は、例えば、７０ＭＰａ（メガパスカル）程度であり、アノードガス弁３５とアノード調圧弁３６との間の第１配管圧力Ｐ₁は、例えば、２〜４ＭＰａ程度であり、アノード調圧弁３６により調圧される第２配管圧力Ｐ₂は、例えば、２００ｋＰａ程度である。

次に、本実施形態における燃料電池システム１００の動作について説明する。なお、システム停止処理については、図５のフローチャートと同様であるため、システム起動処理のみを説明する。

図１６は、本実施形態におけるコントローラ１０により実行されるシステム起動処理を示すフローチャートである。図６のフローチャートと同様のステップには、同じステップ番号を付してある。

システム起動処理では、コントローラ１０は、まず、車両のユーザによりイグニッションキーがＯＮされたか否かを判定する（ステップＳ２０１）。イグニッションキーがＯＮされていないと判定した場合には、コントローラ１０は、このシステム起動処理を終了する。

一方、イグニッションキーがＯＮされたと判定した場合には、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を開弁する（ステップＳ２０２）。そして、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を開弁してからの時間を計測し、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０３）。コントローラ１０は、所定時間が経過するまでステップＳ２０３で待機する。

所定時間が経過したと判定した場合には、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を閉弁し（ステップＳ２０４）、アノード調圧弁３６の全閉後に、アノードガス弁３５を開弁する（ステップＳ３０１）。そして、コントローラ１０は、第１配管３２内の圧力である第１配管圧力Ｐ₁を監視する。

次いで、コントローラ１０は、第１配管圧力Ｐ₁が所定の運転圧力以上になったか否かを判定する（ステップＳ３０２）。コントローラ１０は、第１配管圧力Ｐ₁が所定の運転圧力以上になるまで、ステップＳ３０２で待機する。

そして、第１配管圧力Ｐ₁が所定の運転圧力以上になったと判定した場合には、コントローラ１０は、アノードガス弁３５を閉弁し（ステップＳ３０３）、燃料電池スタック１を起動させるための起動シーケンスを実行し（ステップＳ２０５）、このシステム起動処理を終了する。なお、燃料電池スタック１の起動シーケンスについては、燃料電池システム１００のシステム構成に応じて、公知の方法で行えばよいので、ここではその詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、コントローラ１０が、燃料電池システム１００の起動時に、アノード調圧弁３６を開弁し、所定時間経過後に閉弁し、その後アノードガス弁３５を開弁することにより、第１配管圧力Ｐ₁を所定の運転圧力に設定し、アノードガス弁３５を閉弁した後、燃料電池スタック１の起動を実施するように構成した。これにより、上記第１実施形態における効果に加えて、第１配管圧力Ｐ₁を中圧まで昇圧することにより、アノード調圧弁３６の調圧精度を確保することができる。

なお、第１配管３２内のアノードガス圧力が低いまま燃料電池スタック１を起動してしまうと、起動時の昇圧スピードが遅くなってしまい、アノードガス圧力のフィードバック制御に影響を及ぼす可能性がある。そのため、本実施形態では、アノード調圧弁３６の暖機後速やかに第１配管圧力Ｐ₁を中圧まで昇圧することとしている。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について、第２実施形態との相違点を主として説明する。なお、燃料電池システム１００の全体構成は同様であるので、図１及び図２を用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。本実施形態では、前述した第１実施形態及び第２実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

上記第２実施形態では、イグニッションキーがＯＮされたことを確認すると、燃料電池スタック１の起動前にアノード調圧弁３６を開閉することにより、アノード調圧弁３６を暖機していた。本実施形態では、第１配管圧力Ｐ₁を確認して、アノード調圧弁３６の暖機をするか否かを決定するように構成している。

本実施形態における燃料電池システム１００の動作について説明する。なお、システム停止処理については、図５のフローチャートと同様であるため、システム起動処理のみを説明する。

図１７は、第３実施形態におけるコントローラ１０により実行されるシステム起動処理を示すフローチャートである。図６及び図１６のフローチャートと同様のステップには、同じステップ番号を付してある。

システム起動処理では、コントローラ１０は、まず、車両のユーザによりイグニッションキーがＯＮされたか否かを判定する（ステップＳ２０１）。イグニッションキーがＯＮされていないと判定した場合には、コントローラ１０は、このシステム起動処理を終了する。

一方、イグニッションキーがＯＮされたと判定した場合には、コントローラ１０は、第１配管圧力センサ３８の検出値に基づいて、第１配管圧力Ｐ₁が耐久性圧力未満か否かを判定する（ステップＳ４０１）。第１配管圧力Ｐ₁が耐久性圧力未満ではない場合、すなわち、第１配管圧力Ｐ₁が耐久性圧力以上である場合には、そのままアノード調圧弁３６を暖機すると、燃料電池スタック１の耐久性を悪化させてしまう可能性がある。そのため、第１配管圧力Ｐ₁が耐久性圧力未満ではないと判定した場合には、コントローラ１０は、暖機ＮＧフラグをＯＮにして（ステップＳ４０２）、燃料電池スタック起動処理を実行し（ステップＳ２０５）、このシステム起動処理を終了する。

なお、上述の第１及び第２実施形態と同様に図示を省略するが、暖機ＮＧフラグがＯＮに設定されている場合には、燃料電池スタック起動処理では、コントローラ１０は、圧力センサ３９により検出した燃料電池スタック１内のアノードガス流路の圧力に基づく始動時の目標圧力よりも小さい目標圧力を設定し、その設定値に応じて、アノード調圧弁３６を開弁するようにすればよい。これにより、アノード調圧弁３６の暖機を行うことができないが、燃料電池スタック１の耐久性を悪化させることを防止することができる。

一方、コントローラ１０は、第１配管圧力Ｐ₁が耐久性圧力未満であると判定した場合には、アノード調圧弁３６を開弁する（ステップＳ２０２）。そして、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を開弁してからの時間を計測し、所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ２０３）。コントローラ１０は、所定時間が経過するまでステップＳ２０３で待機する。

所定時間が経過したと判定した場合には、コントローラ１０は、アノード調圧弁３６を閉弁し（ステップＳ２０４）、アノード調圧弁３６の全閉後に、アノードガス弁３５を開弁する（ステップＳ３０１）。そして、コントローラ１０は、第１配管３２内の圧力である第１配管圧力Ｐ₁を監視する。

次いで、コントローラ１０は、第１配管圧力Ｐ₁が所定の運転圧力以上になったか否かを判定する（ステップＳ３０２）。コントローラ１０は、第１配管圧力Ｐ₁が所定の運転圧力以上になるまで、ステップＳ３０２で待機する。

そして、第１配管圧力Ｐ₁が所定の運転圧力以上になったと判定した場合には、コントローラ１０は、アノードガス弁３５を閉弁し（ステップＳ３０３）、燃料電池スタック１を起動させるための起動シーケンスを実行し（ステップＳ２０５）、このシステム起動処理を終了する。なお、燃料電池スタック１の起動シーケンスについては、燃料電池システム１００のシステム構成に応じて、公知の方法で行えばよいので、ここではその詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００を起動させる前の第１配管圧力Ｐ₁が耐久性圧力以上の場合には、燃料電池システム１００の起動時に、アノード調圧弁３６の開弁、すなわち、アノード調圧弁３６の暖機を実施しないように構成した。特に、Ｆａｉｌなどで燃料電池システム１００が停止した場合など、第１配管圧力Ｐ₁が所定圧力以上となっている場合には、燃料電池スタック１内の各電極や電解質膜などを破損するおそれがある。また、アノード調圧弁３６を開弁すると、アノードガスと残留ガスとの境界面（水素フロント）が燃料電池スタック１内に生じる可能性もある。本実施形態では、燃料電池システム１００をこのように構成したことにより、これらの不具合が発生することを効果的に防止することができる。

（第４実施形態）
以下、本発明の第４実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。本実施形態では、燃料電池システム１００の全体構成が異なるので、図１８を用いて、燃料電池システム１００'の構成を説明する。図１８は、第４実施形態における燃料電池システム１００'の全体構成を示す図である。本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

上記第１実施形態〜第３実施形態では、アノードガス非循環型の燃料電池システムで本発明の制御方法を実行していた。本実施形態では、アノードガス循環型の燃料電池システムにおいてそれらの制御方法を実行することとする。

図１８は、第４実施形態における燃料電池システム１００’の全体構成を示す図である。図１８に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００’は、アノードガス循環型の燃料電池システムである。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させる装置である。

アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路上の第１配管３２及び第２配管３３と、アノードガス循環通路４０と、アノードガス弁３５と、アノード調圧弁３６と、パージ弁３７と、エゼクタ４２と、アノード循環ポンプ４１とを含む。なお、図示を省略するが、アノードガス循環通路４０上には、アノードガス循環通路４０内のアノードオフガスと、電極反応により発生した水蒸気が凝縮することにより生成される水（液水）とを分離するための気液分離装置が設けられる。

アノードガス循環通路４０は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスをアノードガス供給通路に循環させる通路である。アノードガス循環通路４０の一端は、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端は、エゼクタ４２の吸引口に接続される。

エゼクタ４２は、アノード調圧弁３６と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路上に設けられる。エゼクタ４２は、アノードガス供給通路に対してアノードガス循環通路４０が合流する部分に設けられる機械式ポンプである。アノードガス供給通路上にエゼクタ４２を設けることにより、簡易な構成で燃料電池スタック１にアノードオフガスを循環させることができる。

エゼクタ４２は、アノード調圧弁３６から供給されるアノードガスの流速を加速させて負圧を生じさせることにより、燃料電池スタック１からのアノードオフガスを吸引する。エゼクタ４２は、アノード調圧弁３６から供給されるアノードガスとともに、吸引したアノードオフガスを燃料電池スタック１に吐出する。

エゼクタ４２は、例えば、アノード調圧弁３６から燃料電池スタック１に向かって開口を狭くした円錐状のノズルと、燃料電池スタック１からアノードオフガスを吸引する吸引口を備えたディフューザとにより構成される。なお、本実施形態では、アノードガス供給通路とアノードガス循環通路４０の合流手段としてエゼクタ４２を用いたが、単にアノードガス供給通路にアノードガス循環通路４０を合流させるものであってもよい。

アノード循環ポンプ４１は、アノードガス循環通路４０上に設けられる。アノード循環ポンプ４１は、エゼクタ４２を介して燃料電池スタック１にアノードオフガスを循環させる。アノード循環ポンプ４１の回転速度は、コントローラ１０によって制御される。これにより、燃料電池スタック１を循環するアノードオフガスの流量が調整される。

本実施形態では、第２配管３３及びアノードガス循環通路４０を合わせた第２配管系の体積と、第１配管３２内の体積との体積比に基づいて、図１３に示すようなグラフの斜線部分のＡ領域となるように、所定圧力を決定すればよい。なお、Ｂ領域の所定圧力を設定することも可能であるが、アノード調圧弁３６の暖機時には、エゼクタ４２を介してアノードガス循環装置４０側にもアノードガスが流入することが考えられる。そのため、実験等によりその挙動を確認して、Ｂ領域を設定すればよい。

なお、本実施形態では、第２配管系の体積がそれなりに大きくなるので、アノードガス循環通路４０を利用することも考えられる。すなわち、アノード調圧弁３６を暖機するために開弁すると同時に、アノード循環ポンプ４１を起動させることにより、積極的に残留ガスとアノードガスとを混合させ、アノードガスと残留ガスとの境界面(水素フロント)をなくすようにしてもよい。これにより、燃料電池スタック１内にその境界面が生じることを効果的に防止することができ、燃料電池スタック１内の各電極や電解質膜などを破損することを防止することができる。

本実施形態の燃料電池システム１００’においても、上述の第１実施形態〜第３実施形態のシステム停止処理及びシステム起動処理を実行することにより、上述の実施形態と同様の効果を奏することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、第１実施形態の一部を省略してもよく、必要に応じて、上述の実施形態を適宜組み合わせることができる。

Claims (8)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムであって、
   前記燃料電池に供給するアノードガスを高圧で貯蔵する高圧タンクと、
   前記高圧タンクから前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、
   前記アノードガス供給通路上に設けられ、燃料電池のアノードガス圧力を調節するアノード調圧弁と、
   前記高圧タンクと前記アノード調圧弁との間に設けられ、該アノード調圧弁の元圧を調節するアノードガス弁と、
   前記燃料電池システムの運転状態に基づいて、前記アノード調圧弁及び前記アノードガス弁の開閉を制御する弁制御部と、
   を備え、
   前記弁制御部は、前記燃料電池システムを停止させる前に、前記アノードガス供給通路における前記アノードガス弁と前記アノード調圧弁との間の第１配管内の圧力である第１配管圧力が所定圧力未満になるように、前記アノードガス弁を閉弁した後、前記アノード調圧弁を制御してから、前記アノード調圧弁を閉弁し、
   前記弁制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記アノード調圧弁を開弁し、
   前記所定圧力は、前記燃料電池システムの起動時において前記燃料電池の耐久性を悪化させる圧力より小さい、
   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であって、
   前記所定圧力は、前記燃料電池システムの起動時に前記アノード調圧弁を開弁したとき、前記第１配管内のアノードガスと、前記アノード調圧弁及び前記燃料電池の間の第２配管内のガスとの境界面が前記燃料電池より外となる圧力である、
   燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記所定圧力は、前記燃料電池システムの起動時に必要となる圧力以上である、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記アノード調圧弁に供給する電流指令値は、前記アノード調圧弁が使われる使用条件の中で最も電気抵抗が小さくなる状況においても前記アノード調圧弁の保証範囲内の電流となる指令値である、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記弁制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記アノード調圧弁に電流を供給し、所定時間経過したときに該電流の供給を終了する、
   燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記弁制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記アノード調圧弁を開弁し、所定時間経過後に閉弁し、その後前記アノードガス弁を開弁することにより、前記第１配管圧力を所定の運転圧力に設定し、前記アノードガス弁を閉弁した後、前記燃料電池の起動を実施する、
   燃料電池システム。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムを起動させる前の前記第１配管圧力が前記所定圧力以上の場合には、前記燃料電池システムの起動時に、前記アノード調圧弁の開弁を実施しない、
   燃料電池システム。
8. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させる燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池システムは、
   前記燃料電池に供給するアノードガスを高圧で貯蔵する高圧タンクと、
   前記高圧タンクから前記燃料電池にアノードガスを供給するためのアノードガス供給通路と、
   前記アノードガス供給通路上に設けられ、燃料電池のアノードガス圧力を調節するアノード調圧弁と、
   前記高圧タンクと前記アノード調圧弁との間に設けられ、該アノード調圧弁の元圧を調節するアノードガス弁と、
   を備え、
   前記制御方法は、
   前記燃料電池システムを停止させる前に、前記アノードガス弁を閉弁した後、前記アノード調圧弁により、前記アノードガス供給通路における前記アノードガス弁と前記アノード調圧弁との間の第１配管内の圧力である第１配管圧力を所定圧力に調節してから、前記アノード調圧弁を閉弁するステップと、
   前記燃料電池システムの起動時に、前記アノード調圧弁を開弁してから閉弁するステップと、
   を含み、
   前記所定圧力は、前記燃料電池システムの起動時において前記燃料電池の耐久性を悪化させることを抑制する耐久性圧力より小さい、
   燃料電池システムの制御方法。

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