JP5168828B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、運転停止中に燃料電池の電圧をモニタし、電圧値が所定電圧以上となると燃料電池の燃料極側および酸化剤極側に過度の量の酸素が存在していると判断する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
特表２００５−５３９３５３号公報

ここで、燃料電池システムの最適な保管方法および再起動方法は燃料電池内のガス組成に応じて異なってくる。しかし、従来の燃料電池システムでは、酸素が過度に存在するか否かを判断するのみであり、ガス組成を判断することができず、保管方法や再起動方法の適切化を図ることができない。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、保管方法や再起動方法の適切化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタック内の燃料ガス濃度を推定するガス組成推定手段と、燃料電池システムを再起動する際に、ガス組成推定手段により推定された燃料ガス濃度に基づいて、燃料ガスならびに酸化剤ガスの供給順序を制御する制御手段と、を備えている。さらに、ガス組成推定手段は、システムを停止してからの経過時間が所定時間未満か否かに基づいて燃料ガス濃度を推定する第１推定方法、システム停止中での前記燃料電池スタックの開放電圧が所定電圧未満であるか否かに基づいて燃料ガス濃度を推定する第２推定方法、および、システム停止中での所定負荷に応じた前記燃料電池スタックの電圧変化速度が所定値未満か否かに基づいて燃料ガス濃度を推定する第３推定方法を備え、最初に前記第１推定方法を実行し、前記経過時間が所定時間未満でない場合に前記第２推定方法を実行し、前記開放電圧が略零である場合に前記第３推定方法を実行する構成となっている。

本発明によれば、システムを停止してからの経過時間が所定時間未満か否かに基づいてガス組成を推定する第１推定方法、システム停止中での燃料電池スタックの開放電圧が所定電圧未満であるか否かに基づいてガス組成を推定する第２推定方法、および、システム停止中での所定負荷に応じた燃料電池スタックの電圧変化速度が所定値未満か否かに基づいてガス組成を推定する第３推定方法の少なくとも１つからガス組成を推定する。ここで、システムを停止してから経過時間が短い場合には、ガス組成に変化が少ないと推定できる。また、燃料電池スタックの開放電圧が略零（所定電圧未満）でないと一方の極に燃料ガスが存在し他方の極に酸化剤ガスが存在すると推定できる。また、システム停止中での所定負荷に応じた燃料電池スタックの電圧変化速度は、両極に燃料ガスが存在する場合と両極に酸化剤ガスが存在する場合とで比較すると前者の方が低くなる傾向にある。以上から、第１〜第３推定方法によってガス組成を推定することができ、保管方法や再起動方法の適切化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示す燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料ガスの供給を受ける燃料極と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とを有し燃料電池構造体（燃料電池セル）をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給され、これらガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして酸素（具体的には、酸素を含む空気）を用いるケースについて説明する。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動モータの電源として、車両に搭載される。

燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０と、制御装置３と、各センサ３２，３４，３５とが備えられている。

水素系１０において、燃料ガスである水素は、燃料供給装置（例えば、高圧水素ボンベである燃料タンク）１１から、水素供給流路Ｌ１０を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１１の下流の水素供給流路Ｌ１０には水素供給弁１２が設けられており、この水素供給弁１２が開状態となると、燃料タンク１１からの高圧水素ガスが、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁１３によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素供給弁１２は、燃料電池スタック１への水素供給の必要性に応じて、制御装置３によってその開閉状態が制御され、また、水素調圧弁１３は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、制御装置３によってその開度が制御される。

燃料電池スタック１の燃料極側から排出されるガス（未使用の水素を含む排出ガス）は、水素循環流路Ｌ１１へと排出される。この水素循環流路Ｌ１１は、他方の端部が水素調圧弁１３よりも下流側の水素供給流路Ｌ１０に接続されている。水素循環流路Ｌ１１には、例えば、水素循環ポンプ１４およびエゼクタ１５といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料極の排出側から排出された水素はその供給側へと循環され、水素の燃費向上を図ることができる。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系１０におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ１１には、水素系１０内のガスを外部に排出する水素排出流路Ｌ１２が接続されている（換言すれば、水素循環流路Ｌ１１の一部は、燃料極から水素を排出する水素排出流路Ｌ１２としての機能を担う）。水素排出流路Ｌ１２には、パージ弁１６が設けられており、このパージ弁１６の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ１１を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージ弁１６は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御装置３によって制御される。パージ弁１６は、基本的に閉状態に制御されているが、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。

空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２１によって取り込まれて加圧されると、この加圧状態の空気が、空気供給流路Ｌ２０を介して燃料電池スタック１に供給される。燃料電池スタック１の酸化剤極側から排出されるガス（酸素の一部が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ２１を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ２１には、空気調圧弁２２が設けられている。空気調圧弁２２は、燃料電池スタック１に供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともに制御装置３によって制御される。

空気系入口弁２３は、空気供給流路Ｌ２０に設けられており、自己の開閉状態に応じて、この流路を開閉する。これにより、空気系入口弁２３は、空気供給流路Ｌ２０から燃料電池スタック１への外気の進入を規制することができる。また、空気系出口弁２４は、空気排出流路Ｌ２１に設けられており、自己の開閉状態に応じて、この流路を開閉する。これにより、空気系出口弁２４は、空気排出流路Ｌ２１から燃料電池スタック１への外気の進入を規制することができる。

制御装置３は、電流取出部３０と、メイン制御部（制御手段）３１と、ガス組成推定部（ガス組成推定手段）３３とを主体に構成されている。電流取出部３０は、メイン制御部３１によって制御され、燃料電池スタック１から電流を取り出すユニットである。メイン制御部３１は、システム全体を統合的に制御するユニットである。このメイン制御部３１は、制御プログラムに従い、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。メイン制御部３１には、燃料電池システムの運転状態を検出するために、各種センサからの検出信号が入力されている。ガス組成推定部３３は、燃料電池スタック１内のガスの組成を推定するものである。このガス組成推定部３３は、第１〜第３推定方法によりガス組成を推定するようになっており、特に第２推定方法および第３推定方法を実行する場合には、電圧センサ３２からの検出信号に基づいてガス組成を推定するようになっている。

ここで、電圧センサ３２は、以下の図２〜図５のいずれかに示すように設置されている。図２は、図１に示した電圧センサ３２の設置例を示す第１の図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示している。まず、電圧センサ３２の設置の様子を説明するに先だって、燃料電池スタック１について説明する。図２（ａ）および（ｂ）に示す燃料電池スタック１は、空気を流通させるスタック内空気流路（スタック内ガス流路）を有しており、スタック内空気流路を通じて酸素を各セルに供給する構成となっている。

電圧センサ３２は、スタック内空気流路の入口及び出口近傍に位置するセルの電圧を検出するように設置されている。すなわち、スタック内空気流路の入口には酸化剤ガス給気マニホールド１ａが設置され、スタック内空気流路の出口には酸化剤ガス排気マニホールド１ｂが設置されており、電圧センサ３２は、酸化剤ガス給気マニホールド１ａ及び酸化剤ガス排気マニホールド１ｂの近傍のセル電圧を検出するように設けられている。なお、電圧センサ３２は、スタック内空気流路の入口近傍及び出口近傍のいずれか一方のセル電圧を検出するように設けられていてもよい。

また、電圧センサ３２は、スタック内空気流路の入口と出口との中間地点のセルを検出するように設置されている。すなわち、電圧センサ３２は、酸化剤ガス給気マニホールド１ａと酸化剤ガス排気マニホールド１ｂとの中間地点のセル電圧を検出するように設けられている。なお、電圧センサ３２は、セル電圧を検出するのに代えて、各セルを含む複数のセルからなるサブスタックの電圧を検出するようにされていてもよい。

図３は、図１に示した電圧センサ３２の設置例を示す第２の図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示している。図３に示す例は図２に示す例とほぼ同じである。まず、電圧センサ３２の設置の様子を説明するに先だって、燃料電池スタック１について説明する。図３（ａ）および（ｂ）に示す燃料電池スタック１は、水素ガスを流通させるスタック内水素流路（スタック内ガス流路）を有しており、スタック内水素流路を通じて水素ガスを各セルに供給する構成となっている。

電圧センサ３２は、スタック内水素流路の入口及び出口近傍に位置するセルの電圧を検出するように設置されている。すなわち、スタック内水素流路の入口には水素ガス給気マニホールド１ｃが設置され、スタック内水素流路の出口には水素ガス排気マニホールド１ｄが設置されており、電圧センサ３２は、水素ガス給気マニホールド１ｃ及び水素ガス排気マニホールド１ｄの近傍のセル電圧を検出するように設けられている。なお、電圧センサ３２は、スタック内水素流路の入口近傍及び出口近傍のいずれか一方のセル電圧を検出するように設けられていてもよい。

また、電圧センサ３２は、スタック内水素流路の入口と出口との中間地点のセルを検出するように設置されている。すなわち、電圧センサ３２は、水素ガス給気マニホールド１ａと水素ガス排気マニホールド１ｂとの中間地点のセル電圧を検出するように設けられている。なお、電圧センサ３２は、セル電圧を検出するのに代えて、各セルを含む複数のセルからなるサブスタックの電圧を検出するようにされていてもよい。

図４は、図１に示した電圧センサ３２の設置例を示す第３の図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示し、（ｃ）は第３の例を示している。同図（ａ）〜（ｃ）に示すように、電圧センサ３２は、セル電圧を複数箇所において検出すると共に、複数の検出箇所が燃料電池スタック１のセルの積層方向にそれぞれ異なっている。なお、図４（ｃ）に示すように、外付けのセル１ｅを備え、外付けのセル１ｅの電圧を検出することで、セル電圧を複数箇所において検出し、複数の検出箇所がセルの積層方向にそれぞれ異なるようになっていてもよい。また、セル電圧に代えて、複数のセルからなるサブスタック電圧を複数箇所において検出するようになっていてもよい。

図５は、図１に示した電圧センサ３２の設置例を示す第４の図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示している。まず、電圧センサ３２の設置の様子を説明するに先だって、燃料電池スタック１について説明する。図５（ａ）に示す燃料電池スタック１は、水素ガスまたは空気のうちの一方の供給ガスを流通させるスタック内ガス流路を有しており、スタック内ガス流路を通じて供給ガスを各セルに供給する構成となっている。

特に、燃料電池スタック１は、スタック内ガス流路の配索方向に見た場合に入口または出口から同一距離の位置において２以上のセルが絶縁配置されている。電圧センサ３２は、この絶縁配置される２以上のセルのうち複数のセルについて電圧を検出する。

なお、図５（ｂ）に示すように、他のセルと絶縁される外付けのセル１ｅを備え、外付けのセル１ｅの電圧を検出することで、スタック内ガス流路の配索方向に見た場合に入口または出口から同一距離の位置の複数のセルについて電圧を検出するようにしてもよい。また、セル電圧に代えて、複数のセルからなるサブスタック電圧を複数箇所において検出するようになっていてもよい。

再度、図１を参照する。水素圧力センサ３４は、水素供給流路Ｌ１０に設けられており、燃料電池スタック１の燃料極に供給される水素の圧力を検出するものである。空気圧力センサ３５は、空気供給流路Ｌ２０に設けられており、燃料電池スタック１の酸化剤極に供給される空気の圧力を検出するものである。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明する。燃料電池システムの停止動作、燃料電池システム停止中の動作、燃料電池システムの再起動時の動作の順に説明する。

まず、燃料電池システムの停止動作を説明する。燃料電池システムを停止させて長時間放置した場合、燃料電池スタック１の内部に空気が流入してくる。そして、燃料電池スタック１の内部の水素ガスと空気中の酸素とが反応して水が生成されるため、燃料電池スタック１の内部から水素ガスが無くなっていく。このため、燃料電池スタック１内は、空気で満たされることとなる。

そして、両極に空気が存在する状態で燃料電池システムを再起動させて燃料極側に水素ガスを供給すると、燃料極側のうち水素が存在しない領域と対峙する酸化剤極側において、
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ （１）
という反応が生じ、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、燃料電池スタック１を劣化させてしまう。

そこで、本実施形態に係る燃料電池システムでは、両極が空気で満たされにくくなるように、システム停止時に両極を水素ガスで満たすようにする。具体的に説明すると、メイン制御部３１が水素供給弁１２を開状態とする。さらに、メイン制御部３１は、水素供給弁１２の開度を制御し、水素ガスを燃料電池スタック１の燃料極側に供給する。また、燃料極側に供給された水素ガスはクロスリークして酸化剤極側に至る。このため、酸化剤極にも水素ガスを行き渡らせることができる。このように、燃料電池システムは、両極を水素雰囲気としたうえで、停止することとなる。なお、このとき、メイン制御部３１はパージ弁１６、空気系入口弁２３および空気系出口弁２４を閉状態とする。

次に、燃料電池システム停止中の動作について説明する。燃料電池システムの停止中においてガス組成推定部３３は、燃料電池スタック１内のガスの組成を推定する。図６は、燃料電池システム停止中におけるガス組成の変化を示す図である。図６に示すように、燃料電池スタック１は密閉性が高いものであるが、僅かな隙間などから両極に空気が侵入してくる。

特に、酸化剤極側より燃料極側の密閉性が低い場合、燃料極側は、水素雰囲気から水素と窒素とからなる雰囲気に変化し、その後、窒素雰囲気、窒素と酸素とからなる雰囲気、及び空気雰囲気の順に変化する（図６符号ａ参照）。そして、燃料極側の空気がクロスリークして酸化剤極に至り、酸化剤極側は、水素雰囲気、水素と窒素とからなる雰囲気、窒素雰囲気、窒素と酸素とからなる雰囲気、及び空気雰囲気の順に変化する（図６符号ｂ参照）。

逆に、燃料極側より酸化剤極側の密閉性が低い場合、先に酸化剤極側が空気雰囲気に変化し（図６符号ｃ参照）、その後酸化剤極側の空気がクロスリークして、燃料極側が空気雰囲気となる（図６符号ｄ参照）。また、双方の密閉性が同程度である場合、両極が同時に水素雰囲気、水素と窒素とからなる雰囲気、窒素雰囲気、窒素と酸素とからなる雰囲気、及び空気雰囲気の順に変化していく（図６符号ｅ参照）。

このように、燃料電池システムの停止時において両極に水素ガスを充満させても燃料電池システムの停止中にガス組成が変化してしまい、システムを再起動するときに触媒劣化などの不都合が生じてしまう。そこで、再起動時に触媒劣化等を起こさないように、システム停止中のガス組成を推定し、燃料電池システムを適切に保管することを行う。このガス組成の推定にあたり、ガス組成推定部３３は、第１〜第３推定方法を実行する。

まず、第１推定方法について説明する。ガス組成推定部３３は、システムを停止してからの経過時間が所定時間未満か否かに基づいてガス組成を推定する（第１推定方法）。図７は、図１に示したガス組成推定部３３による第１推定方法を説明する図である。図７において縦軸は両極とも水素雰囲気である確率（％）を示し、横軸はシステム停止からの経過時間（ｈ）を示している。経過時間が短い場合には、ガス組成に変化が少ないと推定できる。すなわち、ガス組成推定部３３は、経過時間が所定時間ｘｈ未満である場合には、燃料電池スタック１内が水素ガスで満たされていると推定することとなる。

次に、第２推定方法について説明する。ガス組成推定部３３は、システム停止中での燃料電池スタック１の開放電圧が所定電圧未満であるか否かに基づいてガス組成を推定する（第２推定方法）。燃料電池スタック１の開放電圧が略零（所定電圧未満）でないと一方の極に水素ガスが存在し他方の極に酸素ガスが存在すると推定できる。図８は、図１に示したガス組成推定部３３による第２推定方法を説明する図である。ガス組成推定部３３は、図８に示す破線部分のように開放電圧が約１Ｖ弱となる場合（所定電圧未満でない場合）、一方の極に水素ガスが存在し他方の極に酸素ガスが存在すると推定し、白抜き部分のように開放電圧が所定電圧未満（例えば０．１５Ｖ未満）となる場合、双方の極に同様のガスが存在すると推定する。

次に、第３推定方法について説明する。ガス組成推定部３３は、システム停止中での所定負荷に応じた燃料電池スタック１の電圧変化速度が所定値未満か否かに基づいてガス組成を推定する（第３推定方法）。システム停止中での所定負荷に応じた燃料電池スタック１の電圧変化速度は、両極に水素ガスが存在する場合と両極に酸素ガスが存在する場合とで比較すると前者の方が低くなる傾向にある。

図９は、図１に示したガス組成推定部３３による第３推定方法を説明する図である。図９において縦軸はセル電圧を示し、横軸は時間を示している。図９に示すように、システム停止中での所定負荷に応じた燃料電池スタック１の電圧は、両極が酸素雰囲気である場合よりも水素雰囲気である方が低くなる傾向にある。

図１０は、図９の破線部分の拡大図である。図１０において縦軸はセル電圧を示し、横軸は時間を示している。電圧変化速度について、両極が水素雰囲気である場合と酸素雰囲気である場合とを比較すると、時刻０〜時刻αでは水素雰囲気である方が電圧変化速度が高い。しかし、時刻α以降では水素雰囲気である方が電圧変化速度が低い。このため、ガス組成推定部３３は、このような傾向に基づいて両極が水素雰囲気であるか、酸素雰囲気であるかを推定する。すなわち、時刻０〜時刻αの電圧変化速度を測定することは困難であるため、ガス組成推定部３３は、時刻α以降の電圧変化速度を測定し、電圧変化速度が所定値未満であるである場合に、両極が水素雰囲気であると推定する。

図１１は、両極が酸素雰囲気であるときの電圧の変化速度を示す図である。図１１において縦軸はセル電圧を示し、横軸は時間を示している。同図に示すように、両極が酸素雰囲気であるとき、電流密度の大きさに応じて電圧の変化速度が大きく変化する傾向がある。すなわち、電流密度が小さくなるほど電圧の変化速度が顕著に遅くなる傾向（電圧の安定が遅くなり、変化速度は大きくなる傾向）がある。これに対して両極が水素雰囲気であるとき、電流密度の大きさに応じて電圧の変化速度はあまり変化しない。従って、第３推定方法によりガス組成を推定する場合には、電流密度の大きさを適切とし、両極が酸素雰囲気であるときと水素雰囲気であるときとの差が明確となるようにすることが望ましい（すなわち定電流密度とすることが望ましい）。

また、ガス組成推定部３３は、最初に第１推定方法を実行し、システム停止からの経過時間が所定時間ｘｈ未満でない場合に第２推定方法を実行し、開放電圧が略零（所定電圧未満）である場合に第３推定方法を実行することが望ましい。これにより、以下の利点がある。すなわち、最初に第１推定方法を実行して経過時間が所定時間未満である場合、ガス組成に変化が少ないと推定できる。従って、システム停止時に両極に水素ガスを封入した場合には、両極が水素雰囲気である推定することができる。一方、経過時間が所定時間未満でない場合、ガス組成に変化があると考えられるため、第２推定方法を実行する。そして、開放電圧が略零でない場合、一方の極に水素ガスが存在し他方の極に酸素ガスが存在すると推定できる。逆に、開放電圧が略零である場合、双方の極に水素ガスが存在し、または双方の極に空気が存在すると考えられる。このため、第３推定方法を実行する。ここで、電圧変化速度は、両極に水素ガスが存在する場合と両極に空気が存在する場合とで比較すると前者の方が低くなる傾向にある。以上より、不要な推定方法を実行することなく適切な順序でガス組成を推定することができる。

なお、第２推定方法において検出される開放電圧及び第３推定方法において検出される電圧変化速度は、前述の電圧センサ３２に基づいて検出される。すなわち、電圧センサ３２が図２に示す構成を有している場合、ガス組成推定部３３は、スタック内空気流路の入口若しくは出口近傍に位置するセル、または入口若しくは出口近傍に位置するセルを含む複数のセルからなるサブスタック、および、スタック内空気流路の入口と出口との中間地点のセル、または中間地点のセルを含む複数のセルからなるサブスタックから、電圧を検出することとなる。ここで、システム停止時に両極に水素ガスを封入しているため、スタック内空気流路のガスは、入口または出口近傍から空気に置換されていく。一方、スタック内空気流路の中間部は、最後に空気に置換されていく。このため、これらの各所のセルまたはサブスタック電圧を検出することで、入口または出口近傍と中間地点との双方のガス組成を推定することができ、一層正確にスタック内のガス組成を推定することができる。また、電圧センサ３２が図３に示す構成を有している場合も同様である。

また、電圧センサ３２が図４に示す構成を有している場合、ガス組成推定部３３は、セル電圧、または複数のセルからなるサブスタック電圧を複数箇所において検出することとなる。なお、前述したように、複数の検出箇所は燃料電池スタック１のセルの積層方向にそれぞれ異なっている。ここで、スタック内ガス流路はセルの積層方向に配索されていることが多い。また、スタック内ガス流路は入口や出口に近いほど外部からの酸化剤ガスが流入しやすくなり、ガス組成が変化しやすくなっている。よって、積層方向に複数箇所セル電圧やサブスタック電圧を検出することで、スタック内の流路に沿ってセル電圧やサブスタック電圧を検出することとなり、各箇所のガス組成を推定して、一層正確にスタック内のガス組成を推定することができる。

さらに、電圧センサ３２が図５に示す構成を有している場合、ガス組成推定部３３は、スタック内ガス流路の配索方向に見た場合に入口または出口から同一距離の位置において絶縁配置される２以上のセルのうち複数のセルについて電圧を検出することとなる。ここで、絶縁配置される２以上のセルは、スタック内ガス流路の入口または出口から同一距離の位置していることから、外部から空気が流入した場合、同程度の量の空気がそれぞれのセルに行き渡ると考えられる。ところが、絶縁配置される２以上のセルには必ずしも同程度の量のガスが行き渡るとは言えず、それぞれに行き渡るガス量が異なることがある。すなわち、スタック内ガス流路の入口または出口から同一距離に位置しているセルのガス組成は同じではなく異なっていることがある。このため、絶縁配置される２以上のセルのうち複数のセルについて電圧を検出することで、スタック内ガス流路の配索方向に見た場合に入口または出口からの距離が同一であっても、それぞれの箇所でのガス組成を推定することができる。

また、燃料電池システムの停止中において、ガス組成推定部３３は、適切なタイミングでガス組成を推定するようになっている。具体的にガス組成推定部３３は、ガス組成を推定する頻度を、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関、および、システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成との相関の少なくとも一方から決定する。

図１２は、システム停止してから再起動されるまでの経過時間と再起動回数（再起動頻度）との相関を示す図であり、ガス組成の推定頻度を説明する図である。図１２において縦軸は再起動頻度（％）を示し、横軸は経過時間（ｈ）を示している。図１２に示すように、例えばシステム利用者は経過時間１ｈ〜４ｈの期間において燃料電池システムを再起動する傾向がある。後述するように、本実施形態に係る燃料電池システムはガス組成に応じて再起動方法が異なっている。このため、利用者が頻繁に再起動を行う時間帯では頻繁にガス組成の推定を行って再起動に備えておくことが望ましい。よって、ガス組成を推定する頻度を、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関から決定すると、好適な再起動を行うことができる。

図１３は、システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成との相関を示す図であり、ガス組成の推定頻度を説明する図である。図１３において縦軸は両極とも水素雰囲気である確率（％）を示し、横軸は経過時間（ｈ）を示している。例えばシステム停止時に両極に水素ガスを封入しているため、経過時間が短ければ両極に水素ガスが存在していると言える。すなわち、経過時間が短ければ水素ガスが存在していることがわかっているのだから、ガス組成を推定する必要性が少なく、ガス組成を推定する頻度を少なくしてもよい。逆に外部から酸化剤ガスが流入してガス組成が急激に変化するような時間（図１３：経過時間５ｈ〜１５ｈ）ではガス組成を推定する頻度を多くした方が望ましい。これにより、好適にガス組成を知ることができるからである。

また、燃料電池システムの停止中において、メイン制御部３１は、ガス組成推定部３３により推定されたガス組成に基づいて、水素ガス濃度が第１所定濃度未満と判断された場合、燃料極側に水素ガスを供給する。これにより、両極を再度水素雰囲気とすることができる。

さらに、メイン制御部３１は、燃料極側に水素ガスを供給する場合、燃料極と酸化剤極とを電気的に短絡させることが望ましい。電気的に短絡させることにより、
燃料極側 ：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （２）
酸化剤極側：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２ （３）
なる反応を起こすことができ、クロスリークのみでなく水素ガスを積極的に酸化剤極側に移行させることができるからである。

さらに、メイン制御部３１は、さらに、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関、および、システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成との相関の少なくとも一方から燃料極側に水素ガスを供給するかを決定することが望ましい。

図１４は、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数（再起動頻度）との相関を示す図であり、水素ガスを供給するかを決定する処理を説明する図である。図１４において縦軸は再起動頻度（％）を示し、横軸は経過時間（ｈ）を示している。図１４の符号ａに示すように、例えばシステム利用者は経過時間１ｈ〜４ｈの期間において燃料電池システムを再起動する傾向があるとする。この場合、経過時間１ｈ〜４ｈの期間において水素ガス濃度が第１所定濃度未満と判断された場合、メイン制御部３１は、積極的に水素ガスを供給させて、燃料電池スタック１の両極を水素雰囲気とする。逆に、システム利用者は経過時間５０ｈ以降において燃料電池システムを再起動する傾向があるとする（図１４の符号ｂ参照）。この場合、経過時間が１０ｈ未満の場合に水素ガスを供給しても、供給後に再度燃料電池スタック１に空気が流入して水素ガスを消費してしまう。このため、メイン制御部３１は、水素ガスを供給させないようにする。このように、水素ガスの供給を調整することで、無駄な水素ガスの消費を抑制することができる。

図１５は、システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成との相関を示す図であり、水素ガスを供給するかを決定する処理を説明する図である。図１５において縦軸は両極とも水素雰囲気である確率（％）を示し、横軸は経過時間（ｈ）を示している。

図１５に示すように燃料電池スタック１が破損等していない場合（正常時の場合）、経過時間が３ｈ未満において両極は共に水素雰囲気であるはずである。ところが、経過時間が３ｈ未満であるにも拘わらず両極が空気で満たされている場合、燃料電池スタック１には破損等があると考えられる。このような場合、燃料極側に水素ガスを供給してもすぐに水素ガスが漏れだしてしまう。このため、ガス組成推定部３３は、水素ガスの供給を行わないなどをすることができる。

次に、燃料電池システムの再起動時の動作を説明する。燃料電池システムは、再起動時のガス組成に応じて再起動方法を変更するようになっている。まず、ガス組成推定部３３により両極の水素ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断されている場合、メイン制御部３１は、水素ガスに先だって空気の供給を開始させ、または、水素ガスの供給と空気の供給とを同時に開始させる（以下、この起動方法を第１起動方法という）。ここで、通常の再起動方法では、燃料電池システムを放置したことにより両極が空気雰囲気であると考えられるため、燃料極側に水素ガスを供給し、燃料極側を水素雰囲気とし、酸化剤極側を空気雰囲気とし、その後電流を取り出す制御を行うこととなる。ところが、両極の水素ガス濃度が第２所定濃度以上である場合では、水素ガスを先行して供給する必要がなく、双方のガスを同時または空気を先行して供給することで、適切な起動を行うことができる。

また、ガス組成推定部３３により燃料極側の水素ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断され、酸化剤極側の水素ガス濃度が少なくとも１カ所（複数箇所の電圧センサ３２にて各箇所のガス組成を推定した場合、そのうちの１カ所）において第２所定濃度未満であると判断されているとする。この場合、メイン制御部３１は、水素ガスの供給と空気の供給とを同時に開始させる（以下、この起動方法を第２起動方法という）。この場合、燃料極側が水素雰囲気であり、酸化剤極側が空気雰囲気であるため、双方のガスを同時に供給することで、適切な起動を行うことができる。

また、ガス組成推定部３３により燃料極側の水素ガス濃度が少なくとも１カ所において第２所定濃度未満であると判断され、酸化剤極側の水素ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断されているとする。この場合、メイン制御部３１は、燃料極側に水素ガスを供給し、両極を電気的に接続して電流を取り出すことにより燃料極側の酸素を消費し、両極の燃料ガス濃度が第２所定濃度以上となったと判断した後に空気の供給を開始する（以下、この起動方法を第３起動方法という）。この場合、燃料極側が空気雰囲気であり、酸化剤極側が水素雰囲気であるため、燃料極側に水素ガスを供給し、両極を電気的に接続して電流を取り出すことにより燃料極側の酸素を消費して、両極を水素雰囲気とすることができる。そして、この状態から空気の供給を開始するため、両極に酸化剤ガスが存在する状態からの起動を回避でき、燃料電池スタック１の劣化を防止した適切な起動を行うことができる。

また、ガス組成推定部３３により両極の水素ガス濃度が少なくとも１カ所において第２所定濃度未満であると判断されている場合、メイン制御部３１は、両極を電気的に接続したうえで水素ガスを供給し、その後空気の供給を行う（以下、この起動方法を第４起動方法という）。この場合、両極が空気雰囲気であるため、燃料極側に燃料ガスを供給すると、触媒劣化による燃料電池スタック１の劣化を招いてしまう。このため、両極を電気的に接続したうえで水素ガスを供給することで、（１）式の反応を抑制することとなり、燃料電池スタック１の劣化を防止した適切な起動を行うことができる。

次に、本実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作の一例を説明する。図１６は、本実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作の一例を示すフローチャートである。図１６に示す処理は、燃料電池システムを停止して両極を水素雰囲気とした後に実行される。

まず、図１６に示すように、ガス組成推定部３３は、経過時間が所定時間未満であるか否かを判断する（ＳＴ１）。すなわち、ガス組成推定部３３は第１推定方法を実行する。所定時間未満であると判断した場合（ＳＴ１：ＹＥＳ）、ガス組成推定部３３は、両極が水素雰囲気であると判断する。但し、ガス組成推定部３３は、両極の水素濃度が高いか低いかを判断するために、電圧変化速度が第１所定値未満であるか否かを判断する（ＳＴ２）。電圧変化速度が第１所定値未満でないと判断した場合（ＳＴ２：ＮＯ）、すなわち電圧変化速度が第１所定値以上である場合、ガス組成推定部３３は、両極が濃度の高い水素によって満たされていると判断する（ＳＴ３）。そして、メイン制御部３１は、再起動が行われる場合には上記第１起動方法を行うと決定する（ＳＴ４）。その後、図１６に示す処理は終了する。

一方、電圧変化速度が第１所定値未満であると判断した場合（ＳＴ２：ＹＥＳ）、ガス組成推定部３３は、両極が濃度の低い水素によって満たされていると判断する（ＳＴ５）。そして、メイン制御部３１は、再起動が行われる場合には上記第１起動方法を行うと決定する（ＳＴ６）。また、メイン制御部３１は、水素供給を行うようにしてもよい（ＳＴ６）。その後、図１６に示す処理は終了する。

ところで、経過時間が所定時間未満でないと判断した場合（ＳＴ１：ＮＯ）、ガス組成推定部３３は、開放電圧が略零（所定電圧未満）であるか否かを判断する（ＳＴ７）。すなわち、ガス組成推定部３３は第２推定方法を実行する。開放電圧が略零でないと判断した場合（ＳＴ７：ＮＯ）、ガス組成推定部３３は、一方の極が水素雰囲気であり、他方の極は空気雰囲気であると判断する。そして、ガス組成推定部３３は、開放電圧が正であるか否かを判断する（ＳＴ８）。

開放電圧が正であると判断した場合（ＳＴ８：ＹＥＳ）、ガス組成推定部３３は、燃料極側が水素雰囲気であり酸化剤極側が空気雰囲気であると判断する（ＳＴ９）。そして、メイン制御部３１は、再起動が行われる場合には上記第２起動方法を行うと決定する（ＳＴ１０）。また、メイン制御部３１は、水素供給を行うようにしてもよい（ＳＴ１０）。その後、図１６に示す処理は終了する。

一方、開放電圧が正でないと判断した場合（ＳＴ８：ＮＯ）、ガス組成推定部３３は、燃料極側が空気雰囲気であり酸化剤極側が水素雰囲気であると判断する（ＳＴ１１）。そして、メイン制御部３１は、再起動が行われる場合には上記第３起動方法を行うと決定する（ＳＴ１２）。また、メイン制御部３１は、水素供給を行うようにしてもよい（ＳＴ１２）。その後、図１６に示す処理は終了する。

また、開放電圧が略零であると判断した場合（ＳＴ７：ＹＥＳ）、ガス組成推定部３３は、両極が同様のガスで満たされていると判断する。そして、メイン制御部３１は、微小負荷を印加する（ＳＴ１３）。その後、ガス組成推定部３３は、電圧の変化速度が第２所定値未満であるか否かを判断する（ＳＴ１４）。すなわち、ガス組成推定部３３は第３推定方法を実行する。

電圧変化速度が第２所定値未満であると判断した場合（ＳＴ１４：ＹＥＳ）、処理はステップＳＴ２に移行する。一方、電圧変化速度が第２所定値未満でないと判断した場合（ＳＴ１４：ＮＯ）、ガス組成推定部３３は、両極が空気雰囲気であると判断する（ＳＴ１５）。そして、メイン制御部３１は、再起動が行われる場合には上記第４起動方法を行うと決定する（ＳＴ１６）。また、メイン制御部３１は、水素供給を行うようにしてもよい（ＳＴ１６）。その後、図１６に示す処理は終了する。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、システムを停止してからの経過時間が所定時間未満か否かに基づいてガス組成を推定する第１推定方法、システム停止中での燃料電池スタック１の開放電圧が所定電圧未満であるか否かに基づいてガス組成を推定する第２推定方法、および、システム停止中での所定負荷に応じた燃料電池スタック１の電圧変化速度が所定値未満か否かに基づいてガス組成を推定する第３推定方法を実行する。ここで、システムを停止してから経過時間が短い場合には、ガス組成に変化が少ないと推定できる。また、燃料電池スタック１の開放電圧が略零（所定電圧未満）でないと一方の極に水素ガスが存在し他方の極に空気が存在すると推定できる。また、システム停止中での所定負荷に応じた燃料電池スタック１の電圧変化速度は、両極に水素ガスが存在する場合と両極に空気が存在する場合とで比較すると前者の方が低くなる傾向にある。以上から、第１〜第３推定方法によってガス組成を推定することができ、保管方法や再起動方法の適切化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することができる。

また、最初に第１推定方法を実行し、経過時間が所定時間未満でない場合に第２推定方法を実行し、開放電圧が所定電圧未満である場合に第３推定方法を実行する。ここで、最初に第１推定方法を実行して経過時間が所定時間未満である場合、ガス組成に変化が少ないと推定できる。従って、システム停止時に両極に水素ガスを封入した場合には、両極が水素雰囲気のガス組成である推定することができる。一方、経過時間が所定時間未満でない場合、ガス組成に変化があると考えられるため、第２推定方法を実行する。そして、開放電圧が略零でない場合、一方の極に水素ガスが存在し他方の極に空気が存在するガス組成であると推定できる。一方、開放電圧が略零である場合、双方の極に水素ガスが存在し、または双方の極に空気が存在すると考えられる。このため、第３推定方法を実行する。ここで、電圧変化速度は、両極に水素ガスが存在する場合と両極に空気が存在する場合とで比較すると前者の方が低くなる傾向にある。以上より、不要な推定方法を実行することなく適切な順序でガス組成を推定することができる。

また、ガス組成を推定する頻度を、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関、および、システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成との相関の少なくとも一方から決定する。ここで、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関から、利用者が頻繁に再起動を行う時間帯を予測することができる。そして、利用者が頻繁に再起動を行う時間帯では頻繁にガス組成の推定を行って再起動に備えておくことが望ましい。よって、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関からガス組成を推定する頻度を決定すると好適な再起動を行うことができる。また、システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成との相関からガス組成をある程度判断することができる。例えばシステム停止時に両極に水素ガスを封入した場合、経過時間が短ければ両極に水素ガスが存在していると言え、ガス組成を推定する頻度を少なくしてもよい。逆に外部から空気が流入してガス組成が急激に変化するような時間ではガス組成を推定する頻度を多くした方が望ましい。これにより、好適にガス組成を知ることができる。

また、第２推定方法および第３推定方法を実行する場合、スタック内ガス流路の入口若しくは出口近傍に位置するセル、および、スタック内ガス流路の入口と出口との中間地点のセルから、電圧を検出する。また、セルから電圧を検出するのに代えて、各セルを含む複数のセルからなるサブスタックから電圧を検出してもよい。ここで、システム停止時に両極に水素ガスを封入した場合、スタック内ガス流路のガスは、入口または出口近傍から空気に置換されていく。また、スタック内ガス流路の中間部は、最後に空気に置換されていく。このため、これらの各所のセルまたはサブスタック電圧を検出することで、入口または出口近傍と中間地点との双方のガス組成を推定することができ、一層正確にスタック内のガス組成を推定することができる。なお、これは上記実施形態のように第２推定方法および第３推定方法の双方を実行する場合に限らず、いずれか一方を実行する場合にのみに行ってもよい。

また、第２推定方法および第３推定方法を実行する場合、セル電圧、または複数のセルからなるサブスタック電圧をセルの複数箇所において検出すると共に、複数の検出箇所が燃料電池スタック１のセルの積層方向にそれぞれ異ならせている。ここで、スタック内ガス流路はセルの積層方向に配索されていることが多い。また、スタック内ガス流路は入口や出口に近いほど外部からの空気が流入しやすくなり、ガス組成が変化しやすくなっている。よって、積層方向に複数箇所セル電圧やサブスタック電圧を検出することで、スタック内の流路に沿ってセル電圧やサブスタック電圧を検出することとなり、各箇所のガス組成を推定して、一層正確にスタック内のガス組成を推定することができる。なお、これは上記実施形態のように第２推定方法および第３推定方法の双方を実行する場合に限らず、いずれか一方を実行する場合にのみに行ってもよい。

また、第２推定方法および第３推定方法を実行する場合、スタック内ガス流路の配索方向に見た場合に入口または出口から同一距離の位置において絶縁配置される２以上のセルのうち複数のセルについて電圧を検出する。ここで、絶縁配置される２以上のセルは、スタック内ガス流路の入口または出口から同一距離の位置していることから、外部から酸化剤ガスが流入した場合、同程度の量の酸化剤ガスがそれぞれのセルに行き渡ると考えられる。ところが、絶縁配置される２以上のセルには必ずしも同程度の量のガスが行き渡るとは言えず、それぞれに行き渡るガス量が異なることがある。すなわち、スタック内ガス流路の入口または出口から同一距離の位置しているセルのガス組成は同じではなく異なっていることがある。このため、絶縁配置される２以上のセルのうち複数のセルについて電圧を検出することで、スタック内ガス流路の配索方向に見た場合に入口または出口からの距離が同一であっても、それぞれの箇所でのガス組成を推定することができる。なお、これは上記実施形態のように第２推定方法および第３推定方法の双方を実行する場合に限らず、いずれか一方を実行する場合にのみに行ってもよい。

また、両極に空気が存在する状態でシステムを再起動させて燃料極側に水素ガスを供給すると、燃料極側のうち水素が存在しない領域と対峙する酸化剤極側において、上記（１）式の反応が生じ、白金等の触媒を担持しているカーボン担体の腐食が起こり、燃料電池スタック１を劣化させてしまう。ところが、本実施形態では水素ガス濃度が第１所定濃度未満と判断された場合に燃料極側に水素ガスを供給させるため、供給した水素ガスによって燃料極側の空気が反応し燃料極側の空気を消費させることができる。さらに、燃料極側の水素ガスはクロスリークして酸化剤極に至るため、同様に酸化剤極の空気を消費させることができる。これにより、両極を再び水素雰囲気とし、システム再起動時における燃料電池スタック１の劣化を抑制することができる。

また、燃料極側に水素ガスを供給させる場合、燃料極と酸化剤極とを電気的に短絡させるため、上記（２）及び（３）式の反応を起こすことができ、クロスリークのみに頼ることなく水素ガスを酸化剤極側に移行させることができる。

また、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関から燃料極側に水素ガスを供給するかを決定する。ここで、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関から、利用者がシステム停止後どれだけ時間が経過したときに頻繁に燃料電池システムを再利用するかがわかる。このため、頻繁に再利用するときに両極が水素ガスで満たされるように水素ガスの供給を調整することができる。また、システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成から燃料極側に水素ガスを供給するかを決定する。ここで、システム停止してからの経過時間が短いにも拘わらず両極が空気で満たされている場合、燃料電池スタック１は外部から空気を取り込み易いような状態（破損個所等がある状態）となっていると考えられる。このため、燃料極側に水素ガスを供給してもすぐに水素ガスが漏れだしてしまうことから、水素ガスの供給を行わないなどをすることができる。以上のように、上記相関に基づいて水素ガスの供給を決定することで、適切に水素ガスの供給を行って、両極を水素雰囲気に保つことができる。

また、システムを再起動する場合において、両極の水素ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断されているときには、第１起動方法を実行する。すなわち、水素ガスに先だって空気の供給を開始させ、または、水素ガスの供給と空気の供給とを同時に開始させる。ここで、通常の再起動方法では、燃料電池システムを放置したことにより両極が空気雰囲気であると考えられるため、燃料極側に水素ガスを供給し、燃料極側を水素雰囲気とし、酸化剤極側を空気雰囲気とし、その後電流を取り出す制御を行うこととなる。ところが、両極の水素ガス濃度が第２所定濃度以上である場合では、水素ガスを先行して供給する必要がなく、双方のガスを同時または空気を先行して供給することで、適切な起動を行うことができる。

また、システムを再起動する場合において、燃料極側の水素ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断され、酸化剤極側の水素ガス濃度が少なくとも１カ所において第２所定濃度未満であると判断されているときには、第２起動方法を実行する。すなわち、水素ガスの供給と空気の供給とを同時に開始させる。この場合、燃料極側が水素雰囲気であり、酸化剤極側が空気雰囲気であるため、双方のガスを同時に供給することで、適切な起動を行うことができる。

また、システムを再起動する場合において、燃料極側の水素ガス濃度が少なくとも１カ所において第２所定濃度未満であると判断され、酸化剤極側の水素ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断されているときには、第３起動方法を実行する。すなわち、燃料極側に水素ガスを供給し、両極を電気的に接続して電流を取り出すことにより燃料極側の酸素を消費し、両極の水素ガス濃度が第２所定濃度以上となったと判断した後に空気の供給を開始する。この場合、燃料極側が空気雰囲気であり、酸化剤極側が水素雰囲気であるため、燃料極側に水素ガスを供給し、両極を電気的に接続して電流を取り出すことにより燃料極側の酸素を消費して、両極を水素雰囲気とすることができる。そして、この状態から空気の供給を開始するため、両極に空気が存在する状態からの起動を回避でき、燃料電池スタック１の劣化を防止した適切な起動を行うことができる。

また、システムを再起動する場合において、両極の水素ガス濃度が少なくとも１カ所において第２所定濃度未満であると判断されているときには、両極を電気的に接続したうえで水素ガスを供給し、その後空気の供給を行う。この場合、両極が空気雰囲気であるため、燃料極側に水素ガスを供給すると、触媒劣化による燃料電池スタックの劣化を招いてしまう。このため、両極を電気的に接続したうえで水素ガスを供給することで、（１）式の反応を抑制することとなり、燃料電池スタック１の劣化を防止した適切な起動を行うことができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。例えば、本実施形態では、第１〜第３推定方法の全てを実行する構成であるが、いずれか１つのみを実行する構成であってもよいし、２つを実行する構成であってもよい。

また、ガス組成推定部３３は、システムを再起動し、燃料電池スタック１に水素ガスを供給した場合のセル電圧の上昇度合いから、ガス組成を推定する第４推定方法を実行してもよい。ここで、水素ガスを導入した際に酸化剤極が水素雰囲気であれば、セル電圧の急増はみられない。一方、水素ガスを導入した際に酸化剤極が空気雰囲気であれば、セル電圧は急増する。このため、セル電圧の上昇度合いからガス組成を推定することで、システム起動時に補完的にガス組成を推定することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した電圧センサの設置例を示す第１の図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示している。 図１に示した電圧センサの設置例を示す第２の図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示している。 図１に示した電圧センサの設置例を示す第３の図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示し、（ｃ）は第３の例を示している。 図１に示した電圧センサの設置例を示す第４の図であり、（ａ）は第１の例を示し、（ｂ）は第２の例を示している。 燃料電池システム停止中におけるガス組成の変化を示す図である。 図１に示したガス組成推定部による第１推定方法を説明する図である。 図１に示したガス組成推定部による第２推定方法を説明する図である。 図１に示したガス組成推定部による第３推定方法を説明する図である。 図９の破線部分の拡大図である。 両極が酸素雰囲気であるときの電圧の変化速度を示す図である。 システム停止してから再起動されるまでの経過時間と再起動回数（再起動頻度）との相関を示す図であり、ガス組成の推定頻度を説明する図である。 システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成との相関を示す図であり、ガス組成の推定頻度を説明する図である。 システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数（再起動頻度）との相関を示す図であり、水素ガスを供給するかを決定する処理を説明する図である。 システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じたガス組成との相関を示す図であり、水素ガスを供給するかを決定する処理を説明する図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池スタック
３…制御装置
１０…水素系
１１…燃料タンク
１２…水素供給弁
１３…水素調圧弁
１４…水素循環ポンプ
１５…エゼクタ
１６…パージ弁
２０…空気系
２１…コンプレッサ
２２…空気調圧弁
２３…空気系入口弁
２４…空気系出口弁
３０…電流取出部
３１…メイン制御部（制御手段）
３２…電圧センサ
３３…ガス組成推定部（ガス組成推定手段）
３４…水素圧力センサ
３５…空気圧力センサ

Claims (12)

1. 燃料ガスの供給を受ける燃料極および酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内の燃料ガス濃度を推定するガス組成推定手段と、
   燃料電池システムを再起動する際に、前記ガス組成推定手段により推定された燃料ガス濃度に基づいて、燃料ガスならびに酸化剤ガスの供給順序を制御する制御手段と、を備え、
   前記ガス組成推定手段は、システムを停止してからの経過時間が所定時間未満か否かに基づいて燃料ガス濃度を推定する第１推定方法、システム停止中での前記燃料電池スタックの開放電圧が所定電圧未満であるか否かに基づいて燃料ガス濃度を推定する第２推定方法、および、システム停止中での所定負荷に応じた前記燃料電池スタックの電圧変化速度が所定値未満か否かに基づいて燃料ガス濃度を推定する第３推定方法を備え、最初に前記第１推定方法を実行し、前記経過時間が所定時間未満でない場合に前記第２推定方法を実行し、前記開放電圧が略零である場合に前記第３推定方法を実行する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記ガス組成推定手段は、燃料ガス濃度を推定する頻度を、システム停止してから再起動されるまでの時間と再起動回数との相関、および、システム停止してからの経過時間とその経過時間に応じた燃料ガス濃度との相関の少なくとも一方から決定し、システム停止してから再起動されるまでの時間において再起動が多くなる時間帯ほど、ならびにシステム停止してから燃料ガス濃度が急激に変化する時間帯ほど燃料ガス濃度を推定する頻度を高くする
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのうちの一方の反応ガスを流通させるスタック内ガス流路を有し、前記スタック内ガス流路を通じて反応ガスを各セルに供給する構成となっており、
   前記ガス組成推定手段は、前記第２推定方法および前記第３推定方法の少なくとも一方を実行する場合、前記スタック内ガス流路の入口若しくは出口近傍に位置するセル、または前記入口若しくは出口近傍に位置するセルを含む複数のセルからなるサブスタック、および、前記スタック内ガス流路の入口と出口との中間地点のセル、または前記中間地点のセルを含む複数のセルからなるサブスタックから、電圧を検出する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システム。
4. 前記ガス組成推定手段は、前記第２推定方法および前記第３推定方法の少なくとも一方を実行する場合、セル電圧、または複数のセルからなるサブスタック電圧を複数箇所において検出すると共に、複数の検出箇所が前記燃料電池スタックのセルの積層方向にそれぞれ異なっている
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックは、燃料ガスおよび酸化剤ガスのうちの一方の反応ガスを流通させるスタック内ガス流路を有すると共に、このスタック内ガス流路の燃料電池スタック積層方向に見た場合に入口または出口から同一距離の位置において２以上のセルが電気的に絶縁されて配置されており、
   前記ガス組成推定手段は、前記第２推定方法および前記第３推定方法の少なくとも一方を実行する場合、前記２以上のセルのうち複数のセルについて電圧を検出する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記ガス組成推定手段により推定されたガス組成に基づいて、燃料ガス濃度が第１所定濃度未満と判断された場合に、前記燃料極側に燃料ガスを供給させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記燃料極側に燃料ガスを供給させる場合、前記燃料極と前記酸化剤極とを電気的に短絡させる
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、システムを再起動する場合において、前記ガス組成推定手段により両極の燃料ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断されているときには、燃料ガスに先だって酸化剤ガスの供給を開始させ、または、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給とを同時に開始させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記制御手段は、システムを再起動する場合において、前記ガス組成推定手段により燃料極側の燃料ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断され、酸化剤極側の燃料ガス濃度が少なくとも１カ所において第２所定濃度未満であると判断されているときには、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給とを同時に開始させる
   ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記制御手段は、システムを再起動する場合において、前記ガス組成推定手段により燃料極側の燃料ガス濃度が少なくとも１カ所において第２所定濃度未満であると判断され、酸化剤極側の燃料ガス濃度が第２所定濃度以上であると判断されているときには、燃料極側に燃料ガスを供給し、両極を電気的に接続して電流を取り出すことにより燃料極側の酸化剤ガスを消費し、両極の燃料ガス濃度が第２所定濃度以上となったと判断した後に酸化剤ガスの供給を開始する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、システムを再起動する場合において、前記ガス組成推定手段により両極の燃料ガス濃度が少なくとも１カ所において第２所定濃度未満であると判断されているときには、両極を電気的に接続したうえで燃料ガスを供給し、その後酸化剤ガスの供給を行う
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記ガス組成推定手段は、システムを再起動し、前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給した場合のセル電圧の上昇度合いから、ガス組成を推定する第４推定方法を実行する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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