(57)【要約】【課題】循環ポンプのモータ温度上昇時においても、ストイキ比を確保する。【解決手段】インバータ６２が許容するモータ６０の上限温度を表す制限線１０４より低温側に設定されている第１検知線１０２は、燃料電池１０の要求出力に対して、制御部５４が、水素ストイキを確保する手段として、循環ポンプ２８による水素の再利用から、水素濃度の上昇に切り替える基準となるモータ温度を表している。制御部５４は、燃料電池１０の要求出力に対して、モータ温度が第１検知線１０２を超えている場合には、モータ６０の回転数の上昇を抑制するとともに、シャットバルブ２２およびレギュレータ２３の開度を調整して、水素タンク２１から燃料電池１０へ供給する水素の濃度を増加させて、水素の供給圧力を上昇させる。こうすることにより、モータ温度上昇を抑制するとともに、水素ストイキ比を確保できる。【選択図】図３
2010021045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部と、
前記燃料電池と前記貯蔵部とを接続する供給配管と、
前記貯蔵部から前記燃料電池への供給圧力を調整する調整手段と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記供給配管へ循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプの温度を表すポンプ温度を測定する測定手段と、
前記ポンプ温度が、予め設定されている第１の温度以上である場合に、前記循環ポンプの回転数の上昇を抑制するとともに、前記調整手段を制御して前記貯蔵部から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給圧力を上昇させる制御手段と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記循環ポンプの回転数を低減させる、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記循環ポンプは、
前記第１の温度よりも高い第２の温度であって、予め設定されている第２の温度よりも、前記ポンプ温度が高い場合に、前記循環ポンプの出力を制限する制限手段を備えており、
前記第１の温度および前記第２の温度は、前記第１の温度と前記第２の温度との差分が、前記燃料電池に対する出力要求の低下に伴い、小さくなるように設定されている、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記循環ポンプは、前記ポンプ温度が前記第２の温度以上の場合、循環ポンプの稼働を制限するための、燃料電池システムから独立した制限手段を備えており、
前記制御手段は、前記ポンプ温度が、前記第１の温度より大きく、かつ、前記第２の温度より小さく設定されている第３の温度を超える場合、前記循環ポンプの稼働を停止する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４いずれか記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記ポンプ温度が、前記第１の温度よりも低い第４の温度以下の場合に、前記燃料ガスの供給圧力の制御および前記循環ポンプの動作状態の制御の少なくとも一方を解除する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の燃料ガスの排出口から排出された燃料ガスを燃料電池の燃料ガスの供給口に戻す循環ポンプを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを燃料電池スタックの入口に戻して再利用するために、循環ポンプが利用されている。循環ポンプはモータを備えており、モータの回転数を制御して燃料ガスを燃料電池スタックに供給している。このような燃料電池システムでは、循環ポンプのモータの温度が予め規定された所定値を超えると、燃料電池の出力制限を行いモータの損傷を抑制するものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３３３５４３号公報
【特許文献２】特開２００７−６６５５４号公報
【特許文献３】特開２００７−１８２９００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池の出力が制限されると、「燃料電池に供給される燃料ガス量」に対する「発電に使われる燃料ガス量」を表す水素ストイキ比が低下し、燃料電池の発電電圧が低下するという問題が生じる。
【０００５】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、循環ポンプのモータの温度上昇の抑制および水素ストイキ比の確保を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部と、前記燃料電池と前記貯蔵部とを接続する供給配管と、前記貯蔵部から前記燃料電池への供給圧力を調整する調整手段と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記供給配管へ循環させる循環ポンプと、前記循環ポンプの温度を表すポンプ温度を測定する測定手段と、前記ポンプ温度が、予め設定されている第１の温度以上である場合に、前記循環ポンプの回転数の上昇を抑制するとともに、前記調整手段を制御して前記貯蔵部から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給圧力を上昇させる制御手段と、を備える、燃料電池システム。
【０００８】
適用例１の燃料電池システムによれば、循環ポンプの温度が第１の温度以上となると、循環ポンプの回転数の上昇が抑制されるとともに、貯蔵部から燃料電池への燃料ガスの供給圧力が上昇される。従って、循環ポンプの回転数を上昇させることなく、「燃料電池に供給される燃料ガス量」に対する「発電に使われる燃料ガス量」を表すストイキ比の低下を抑制できる。よって、燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。
【０００９】
適用例１の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記循環ポンプの回転数を低減させる。適用例１の燃料電池システムによれば、循環ポンプの回転数が低減されるので、循環ポンプの負荷を軽減できる。従って、循環ポンプの温度上昇を抑制できる。
【００１０】
適用例１の燃料電池システムにおいて、前記循環ポンプは、前記第１の温度よりも高い第２の温度であって、予め設定されている第２の温度よりも、前記循環ポンプの温度が高い場合に、前記循環ポンプの出力を制限する制限手段を備えており、前記第１の温度および前記第２の温度は、前記第１の温度と前記第２の温度との差分が、前記燃料電池に対する出力要求の低下に伴い小さくなるように設定されている。適用例１の燃料電池システムによれば、第１の温度と第２の温度との差分が、燃料電池の負荷の減少に伴い小さくなるように設定されている。低負荷時には循環ポンプの発熱量も低く、温度上昇速度も低いので、所定の出力要求に対して、第１の温度から第２の温度まで上昇する時間が長くなる。従って、出力要求に応じて、循環ポンプの回転数および貯蔵部から燃料電池への燃料ガス供給圧力の制御を行うことができる。よって、燃料電池を効率的に発電させることができる。
【００１１】
適用例１の燃料電池システムにおいて、前記循環ポンプは、前記前記ポンプ温度が前記第２の温度以上の場合、循環ポンプの稼働を制限する、燃料電池システムから独立した制限手段を備えており、前記制御手段は、前記ポンプ温度が、前記第１の温度より大きく、前記第２の温度より小さい第３の温度を超える場合、前記循環ポンプの稼働を停止する。適用例１の燃料電池システムによれば、循環ポンプの回転数上昇を抑制しても循環ポンプの温度上昇が進行する場合に、燃料電池システムから独立した制限手段によって循環ポンプの稼働が制限される前に、循環ポンプが停止される。従って、燃料電池システムが循環ポンプを制御しつつ、循環ポンプの温度上昇を回避できる。
【００１２】
適用例１の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記ポンプ温度が、前記第１の温度よりも低い第４の温度以下の場合に、前記貯蔵部から前記燃料電池への燃料ガス供給圧力の制御および前記循環ポンプの回転数の上昇低減の制御を解除する。適用例１の燃料電池システムによれば、ポンプ温度が第４の温度以下になると、制御手段による制御が解除される。従って、燃料電池システムを通常の動作状態に戻すことができる。
【００１３】
本発明において、上述した種々の態様は、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりして適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの概略構成：
図１は、本発明の実施例としての、車両に搭載された燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、電気化学反応により発電を行う燃料電池１０、燃料電池１０に燃料ガスを供給・排出する燃料ガス系機器２０、燃料電池１０に酸化ガスを供給・排出する酸化ガス系機器３０、燃料電池システム１００を制御する制御ユニット５０を備えている。
【００１５】
燃料電池１０は、固体高分子形燃料電池であり、電解質膜とアノード及びカソードとで形成される電解質膜・電極接合体に、燃料ガスとしての水素と酸化ガスとしての空気とを供給して、電気化学反応によって発電を行う。
【００１６】
燃料ガス系機器２０は、水素タンク２１、シャットバルブ２２、レギュレータ２３、循環ポンプ２８、パージ弁２９と配管２４、２５、２６、２７および水素タンク２１のモータの温度を測定する温度センサ４０と、によって構成される。温度センサ４０は、図１では、循環ポンプ２８とは別に記載されているが、第１実施例では、循環ポンプ２８に内蔵されていてもよい。水素タンク２１に貯蔵された高圧水素は、シャットバルブ２２、レギュレータ２３によって圧力及び供給量が調整されて、配管２４を介して燃料電池１０のアノードに燃料ガスとして供給される。そして、アノードからの燃料オフガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管２５、配管２７、循環ポンプ２８及び配管２４を介して燃料電池１０に再循環される。なお、第１実施例では、水素タンク２１、循環ポンプ２８、温度センサ４０が、それぞれ、特許請求の範囲における「貯蔵部」、「循環ポンプ」、「測定手段」に当たり、シャットバルブ２２、レギュレータ２３が特許請求の範囲における「調整手段」に当たり、配管２４が特許請求の範囲における「供給配管」に当たる。
【００１７】
また、配管２５には配管２６が分岐して接続されており、この配管２６には、パージ弁２９が配設されている。上述のアノードオフガスの再循環の際には、このパージ弁２９は、通常、閉じられているが、所定のタイミングで開弁することで、アノードオフガスを、配管２６を介して希釈器３５に導入し、さらに系外に排出することで、不純物濃度が上昇することを抑えている。
【００１８】
酸化ガス系機器３０は、エアクリーナ３１、エアコンプレッサ３２、希釈器３５、配管３３、３４、３６によって構成される。エアクリーナ３１から吸入された空気は、エアコンプレッサ３２によって圧縮され、配管３３を介して燃料電池１０のカソードに酸化ガスとして供給される。カソードからの排ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管３４を介して希釈器３５に導入される。
【００１９】
この希釈器３５では、カソードオフガスと、上述の所定のタイミングで希釈器３５に導入されるアノードオフガスとを混合することによって、アノードオフガスに含まれる水素の濃度が希釈される。希釈器３５から排出された排出ガスは、配管３６を介して、燃料電池システム１００の系外へ排出される。
【００２０】
上述の装置は、制御ユニット５０により制御される。制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに展開して実行することで、出力要求５６と各種センサ５８からの信号を受けて、レギュレータ２３、エアコンプレッサ３２、パージ弁２９や燃料電池システム１００の各種アクチュエータ５７に駆動信号を出力し、燃料電池システム１００の運転全体を制御する。なお、温度センサ４０は、各種センサ５８に含まれる。
【００２１】
制御ユニット５０は、制御部５４と、温度出力マップ５５を備える。制御部５４は、出力要求５６に基づいて、循環ポンプ２８の回転数を制御する機能を有している。制御部５４は、循環ポンプ２８の温度と、温度出力マップ５５とに基づいて、循環ポンプ２８の回転数および水素タンク２１から燃料電池１０への水素の供給圧力を制御して、効率的に、水素のストイキ比を確保する。水素のストイキ比は、「燃料電池１０に供給される水素量」に対する「発電に使われる水素量」である。具体的には、例えば、循環ポンプ２８の温度が、温度出力マップ５５に設定されている所定の温度以上である場合に、循環ポンプ２８の回転数の上昇を抑制するとともに、シャットバルブ２２およびレギュレータ２３を制御して、水素タンク２１から燃料電池１０への水素の供給圧力を上昇させる機能を有している。温度出力マップ５５および水素ストイキ比の確保処理については後述する。第１実施例の制御部５４は、特許請求の範囲の「制御手段」に当たる。
【００２２】
Ａ２．循環ポンプの機能ブロック：
図２は、第１実施例における循環ポンプ２８の機能ブロックを例示する説明図である。循環ポンプ２８は、モータ６０と、温度センサ４０と、インバータ６２とを備える。第１実施例では、図２に示すように、温度センサ４０とインバータ６２は、それぞれ制御ユニット５０と接続されている。インバータ６２は、各種アクチュエータ５７に含まれる。
【００２３】
インバータ６２は、制御ユニット５０からの指示に基づいて、循環ポンプ２８の動源であるモータ６０を駆動する。温度センサ４０は、循環ポンプ２８のモータ６０の温度を測定し、制御ユニット５０およびインバータ６２に通知する。なお、インバータ６２は、モータ６０の温度が、後述する第２の温度を超えると、制御ユニット５０からの指示に関係なくモータ６０の出力を制限する。第１実施例では、この「制限」には、モータ６０の停止が含まれる。以降、実施例では、温度センサ４０により測定されるモータ６０の温度をモータ温度とも呼ぶ。
【００２４】
Ａ３．温度出力マップ：
図３は、第１実施例における温度出力マップ５５について説明する説明図である。温度出力マップ５５は、モータ６０の温度と燃料電池の出力の関係を表している。温度出力マップ５５において、横軸は、温度センサ４０によって測定されるモータ６０の温度ｔ（℃）を表しており、縦軸は、燃料電池１０の出力（％）を表している。温度出力マップ５５では、燃料電池の出力を、燃料電池の最大出力に対する要求出力の割合で表す。例えば、燃料電池の最大出力を１００として、所定の温度ｔのとき、燃料電池に要求されている出力（要求出力）が５０の場合には、燃料電池の出力は、（５０／１００）×１００＝５０％となる。
【００２５】
温度出力マップ５５において、破線で表される第１検知線１０２は、燃料電池１０の要求出力に対して、制御部５４が、水素ストイキを確保する手段として、循環ポンプ２８による水素の再利用から、水素濃度の上昇に切り替える基準となるモータ６０の温度（以降、第１実施例では、第１の温度と呼ぶ）を表している。例えば、温度出力マップ５５において、要求出力Ｐに対して、第１の温度はＴ１である。制御部５４は、燃料電池１０の要求出力に対して、モータ６０の温度が第１検知線１０２を超えている場合、すなわち、第１の温度を超えている場合には、モータ６０の回転数の上昇を抑制するとともに、シャットバルブ２２およびレギュレータ２３の開度を調整して、水素タンク２１から燃料電池１０へ供給する水素の濃度を増加させて、水素の供給圧力を上昇させる。なお、「モータ６０の回転数の上昇を抑制する」とは、モータ６０の回転数の維持および低減を含む。
【００２６】
温度出力マップ５５において、太実線で表す制限線１０４は、第１検知線１０２よりも高温側に設定されており、燃料電池１０の要求出力に対して、インバータ６２が許容するモータ６０の上限温度（以降、第１実施例では、第２の温度と呼ぶ）を表している。例えば、温度出力マップ５５において、要求出力Ｐに対して、第２の温度はＴ２である。モータ６０は熱に弱いため、温度上昇に伴い故障率が上昇する。そのため、インバータ６２は、燃料電池１０の要求出力に対して、モータ６０の温度が制限線１０４を超えている場合、すなわち、第２の温度を超えている場合には、制御ユニット５０からの指示に関わらず、モータ６０を停止することにより、モータ６０の故障を回避している。モータ６０が停止されると、循環ポンプ２８の機能は停止される。なお、第１実施例では、制限線１０４は、予め、インバータ６２に独自に設定されている温度である。
【００２７】
温度出力マップ５５において、一点鎖線で表す第２検知線１０６は、第１検知線１０２より高温側かつ制限線１０４より低温側に設定されており、燃料電池１０の要求出力に対して、制御部５４が許容するモータ６０の上限温度（以降、第１実施例では、第３の温度と呼ぶ）を表している。言い換えれば、第３の温度は、所定の要求出力について、第１の温度より高く、第２の温度よりも低くなるように設定されている。例えば、温度出力マップ５５において、要求出力Ｐに対して、第３の温度はＴ３である。制御部５４は、燃料電池１０の要求出力に対して、モータ６０の温度が第２検知線１０６を超えている場合、すなわち、第３の温度を超えている場合には、モータ６０を停止する。
【００２８】
温度出力マップ５５において、二点鎖線で表す回復線１０８は、第１検知線１０２より低温側に設定されており、燃料電池１０の要求出力に対して、制御部５４が、モータ６０およびシャットバルブ２２、レギュレータ２３への制御を解除し、通常の運転に戻す基準となるモータ６０の回復温度（以降、第１実施例では、第４の温度と呼ぶ）を表している。例えば、温度出力マップ５５において、要求出力Ｐに対して、第４の温度はＴ４である。
【００２９】
Ａ４．水素ストイキ比制御処理：
図３〜図５を参照しつつ、燃料電池システム１００の水素ストイキ比制御処理について説明する。図４および図５は、第１実施例における水素ストイキ比制御処理を説明するフローチャートである。水素ストイキ比制御処理は、制御ユニット５０が、各機能ブロックを制御することにより実行される処理である。以降、水素ストイキ比制御処理を制御ユニット５０が実行するものとして説明する。
【００３０】
制御ユニット５０は、出力要求５６を取得するとともに（ステップＳ１０）、温度センサ４０からモータ温度を取得する（ステップＳ１２）。制御ユニット５０は、モータ温度が第１の温度を超えているかを判断する（ステップＳ１４）。具体的には、制御ユニット５０は、燃料電池１０の要求出力におけるモータ温度が、第１検知線１０２を超えているかを判断する。例えば、図３に示すように、温度出力マップ５５において、要求出力Ｐに対してモータ温度がｔ１の場合、制御ユニット５０は、モータ温度が第１検知線１０２を超えている、すなわち、第１の温度を超えていると判断する。
【００３１】
制御ユニット５０は、モータ温度が第１の温度を超えている場合（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、モータ温度が第３の温度を超えているかを判断する（ステップＳ１６）。具体的には、制御ユニット５０は、燃料電池１０の要求出力におけるモータ温度が、第２検知線１０６を超えているかを判断する。例えば、図３に示すように、温度出力マップ５５において、要求出力Ｐに対してモータ温度がｔ２の場合、制御ユニット５０は、モータ温度が第２検知線１０６を超えている、すなわち、第３の温度を超えていると判断する。
【００３２】
制御ユニット５０は、モータ温度が第３の温度を超えている場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、インバータ６２に対して、モータ６０の停止を指示する（ステップＳ１８）。インバータ６２は、モータ６０の停止指示を受けると、モータ６０への電力供給を停止する。このように、モータ６０を停止させることにより、モータ温度上昇を抑制する。なお、この際、制御ユニット５０は、モータ６０の停止指示とともに、パージ弁２９の連続的な開弁を行うことが好ましい。こうすれば、効率的に水素ストイキ比を上昇させることができる。
【００３３】
制御ユニット５０は、モータ温度が第３の温度を超えていない場合、すなわち、モータ温度が第１の温度より高く、第３の温度より低い場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、インバータ６２に対して、モータ６０の回転数の低減を指示する（ステップＳ２０）。なお、第１実施例では、この際、モータ６０の回転数を低減させているが、回転数を維持するように制御してもよい。
【００３４】
制御ユニット５０は、循環ポンプ２８のモータ６０の停止もしくはモータ６０の回転数の低減を行った後、シャットバルブ２２、レギュレータ２３の開度を調整して、水素タンク２１から燃料電池１０への水素供給圧を上昇させる（ステップＳ２２）このように、循環ポンプ２８のモータ６０の回転数を上昇させることなく、水素供給圧を上昇させて燃料電池への供給水素濃度を増加させることにより、燃料電池の水素ストイキ比を確保する。
【００３５】
制御ユニット５０は、モータ温度が第１の温度を超えていない場合（ステップＳ１４：ＮＯ）、ストイキ確保制御中であるかを判断する（ステップＳ３０）。具体的には、ストイキ確保制御とは、モータの回転数制御（ステップＳ１８、Ｓ２０）および水素供給圧の制御（ステップＳ２２）を含んでおり、これらの制御が行われている場合には、燃料電池システム１００の状態は、ストイキ確保制御中であると判断される。
【００３６】
制御ユニット５０は、ストイキ確保制御中である場合（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、モータ温度が第４の温度以下であるかを判断する（ステップＳ３２）。具体的には、制御ユニット５０は、燃料電池１０の要求出力におけるモータ温度が、回復線１０８以下となっているかを判断する。例えば、図３に示すように、温度出力マップ５５において、要求出力Ｐに対してモータ温度がｔ３場合、制御ユニット５０は、モータ温度が回復線１０８以下となっている、すなわち、第４の温度以下であると判断する。
【００３７】
制御ユニット５０は、モータ温度が第４の温度以下である場合（ステップ３２：ＹＥＳ）、モータの回転数制御（ステップＳ１８、Ｓ２０）および水素供給圧の制御（ステップＳ２２）を解除し、出力要求に応じた運転実行（通常モードでの運転）を行う（ステップＳ３４）。制御ユニット５０は、このとき、排出バルブ２９の連続的な開弁も同時に注し解除（中止）することが好ましい。
【００３８】
制御ユニット５０は、モータ温度が第４の温度以下でない場合、すなわち、ストイキ確保制御中であって、モータ温度が第１の温度より低く第４の温度より高い場合（ステップＳ３２：ＮＯ）、ストイキ確保制御を行っている運転状態を維持する。
【００３９】
制御ユニット５０は、第１の温度以下であり（ステップＳ１４：ＮＯ）、かつ、ストイキ確保制御中でない場合（ステップＳ３０：ＮＯ）、通常モードでの運転を継続する（ステップＳ３４）。
【００４０】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００によれば、循環ポンプ２８の温度ｔが第１の温度以上となると、循環ポンプ２８の回転数の上昇が抑制されるとともに、水素タンク２１から燃料電池１０への水素の供給圧力が上昇される。従って、循環ポンプ２８の回転数を上昇させることなく、燃料電池１０の水素ストイキ比を確保できる。よって、循環ポンプ２８の損傷を抑制しつつ、燃料電池の発電性能の低下を抑制できる。
【００４１】
また、第１実施例の燃料電池システム１００によれば、循環ポンプ２８の回転数が低減されるので、循環ポンプ２８の負荷を軽減できる。従って、循環ポンプ２８の温度上昇を抑制できる。
【００４２】
また、第１実施例の燃料電池システム１００によれば、循環ポンプ２８の回転数上昇を抑制しても循環ポンプ２８の温度上昇が進行する場合に、燃料電池システム１００から独立したインバータ６２によってモータ６０への電力供給が停止され、循環ポンプ２８が停止される前に、循環ポンプ２８を停止できる。インバータ６２は、モータ温度に応じて、制御部５４から独立してモータ６０を停止するように構成されていることがあり、この場合、インバータ６２によって強制的に循環ポンプ２８が停止されると、循環ポンプ２８を再駆動させるなど、制御部５４から循環ポンプ２８の動作を円滑に制御することが容易でなくなる。そのため、第１実施例のように、インバータ６２によって制御部５４から独立して循環ポンプ２８が停止されるよりも前に、制御部５４が循環ポンプ２８を停止することにより、再度、循環ポンプ２８を稼働させるなど循環ポンプ２８の制御を容易に行うことができる。従って、燃料電池システム１００が循環ポンプ２８を制御しつつ、循環ポンプ２８の温度上昇を回避できる。
【００４３】
Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、温度出力マップ５５において、第１検知線と制限線との傾きをほぼ同一としているが、第２実施例では、第１検知線の傾きを、制限線の傾きに対して小さくする。
【００４４】
Ｂ１．温度出力マップ：
図６は、第２実施例における温度出力マップ５５ａを表す説明図である。温度出力マップ５５ａは、モータ温度と燃料電池１０の出力の関係を表している。温度出力マップ５５ａの横軸、縦軸は、第１実施例において説明した温度出力マップ５５の横軸、縦軸と同様である。なお、温度出力マップ５５ａにおいて、第１検知線１０２ａと制限線１０４以外の第２検知線１０６は存在しないものとし、回復線１０８については、図面を簡略とするために記載を省略している。
【００４５】
図６に示すように、温度出力マップ５５ａは、第１検知線１０２ａの傾きが、制限線１０４の傾きに対して小さい。すなわち、第１の温度と第２の温度との差分が、モータ温度が高くなるにつれ、小さくなるように設定されている。これは、言い換えれば、第１の温度と第２の温度との差分は燃料電池１０の負荷の減少に伴い小さくなるように設定されている、と言える。例えば、温度出力マップ５５ａに示すように、燃料電池１０の要求出力Ｐ１では、第１の温度ｔ１０から第２の温度ｔ１２までの温度差分がｄ１であり、燃料電池１０の要求出力Ｐ２では、第１の温度ｔ２０から第２の温度ｔ２２までの温度差分が、ｄ１よりも小さいｄ２である。
【００４６】
低負荷時には循環ポンプ２８の発熱量も低く、温度上昇速度も低い。そのため、第１実施例の第１検知線１０２に基づく制御時には、低負荷になるほど、所定の要求出力において第１検知線１０２を超えてから制限線１０４を越えるまでの時間が長くなる。そして、第１の温度を超えてから第２の温度に到達するまでは、モータの回転数上昇が抑制され、燃料電池への水素供給濃度を調整することによりストイキ比が確保されている。水素ストイキ比の確保には、水素濃度の増加よりも循環ポンプ２８によるアノードオフガスの循環の方が効率が良いことが知られているので、温度出力マップ５５ａのように、低負荷になるほど、第１の温度から第２の温度までの温度差分を小さく設定することにより、低負荷時には第１実施例より長時間、循環ポンプ２８によるアノードオフガスの循環によるストイキ比確保が実行される。
【００４７】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００によれば、第１の温度と第２の温度との差分が、燃料電池１０の負荷が低くなるにつれ、小さくなるように設定されている。こうすることにより、第１検知線１０２ａを超えてから制限線１０４を超えるまでの時間を燃料電池の負荷に応じて調整できる。従って、モータ６０の損傷を抑制しつつ、できるだけ長くモータ６０を用いることができる、低負荷時においても、燃料電池１０の発電効率の低下を抑制できる。
【００４８】
Ｃ．変形例：
（１）第１実施例では、モータ温度が第３の温度（第２検知線）以上の場合に、モータ６０を停止しているが、例えば、モータ６０を停止する判断を、モータ温度が第３の温度（第２検知線）以上、かつ、温度上昇速度が予め規定された上限値以上、としてもよい。温度上昇速度とは、ΔＴ／Δｔにより表される。ここで、Δｔは、所定時間を表しており、ΔＴは、所定時間Δｔの間のモータ６０の上昇温度を表している。これにより、温度上昇速度が所定よりも早い場合にのみモータ６０が停止される。温度上昇速度が遅い場合には、モータ６０の負荷は低いと考えられるため、モータ６０を停止せずともモータ６０の回転数の低減により徐々にモータ温度は下がると考えられる。水素濃度や水素供給圧力を上昇させることに比して、循環ポンプ２８を用いてオフガスを再循環させる方が、水素ストイキ比の確保には効果的であるので、モータ６０の負荷が軽いと考えられる場合には、モータ６０を停止させずに燃料電池１０を発電させるほうが、発電性能の低下を抑制できる。
【００４９】
（２）第１実施例では、第１の温度より高く第２の温度より低い第３の温度を超えると、制御部５４が循環ポンプ２８を停止しているが、例えば、第３の温度（第２検知線）は設定されていなくてもよい。モータ温度が第２の温度（制限線）を超えた場合に、インバータ６２がモータ６０の回転数を低下させるなどの出力制限を行なわれても、水素タンク２１から燃料電池１０に供給する水素濃度が上昇され、水素供給圧力が増加されているので、水素ストイキを維持できる。従って、燃料電池１０の急激な電圧低下を抑制できる。
【００５０】
以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１実施例における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図。
【図２】第１実施例における循環ポンプ２８の機能ブロックを例示する説明図。
【図３】第１実施例における温度出力マップ５５について説明する説明図。
【図４】第１実施例における水素ストイキ比制御処理を説明するフローチャート。
【図５】第１実施例における水素ストイキ比制御処理を説明するフローチャート。
【図６】第２実施例における温度出力マップ５５ａを表す説明図。
【符号の説明】
【００５２】
１０…燃料電池
２０…燃料ガス系機器
２１…水素タンク
２２…シャットバルブ
２３…レギュレータ
２４、２５、２６、２７、３３、３４、３６…配管
２８…循環ポンプ
２９…パージ弁
３０…酸化ガス系機器
３１…エアクリーナ
３２…エアコンプレッサ
３５…希釈器
４０…温度センサ
５０…制御ユニット
５４…制御部
５５…温度出力マップ
５５ａ…温度出力マップ
５６…出力要求
５７…各種アクチュエータ
５８…各種センサ
６０…モータ
６２…インバータ
１００…燃料電池システム
１０２、１０２ａ…第１検知線
１０４…制限線
１０６…第２検知線
１０８…回復線
【図１】
2010021045.tif 000003
【図２】
2010021045.tif 000004
【図３】
2010021045.tif 000005
【図４】
2010021045.tif 000006
【図５】
2010021045.tif 000007
【図６】
2010021045.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月6日(2009.11.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを貯蔵する貯蔵部と、
前記燃料電池と前記貯蔵部とを接続する供給配管と、
前記貯蔵部から前記燃料電池への供給圧力を調整する調整手段と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記供給配管へ循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプの温度を表すポンプ温度を測定する測定手段と、
前記ポンプに備えられ、予め設定されている第１の温度よりも高く設定されている第２の温度よりも、前記ポンプ温度が高い場合に、前記循環ポンプの稼働を停止する制限手段と、
前記ポンプ温度が前記第２の温度より低く設定されている第３の温度以下の場合に、前記循環ポンプの回転数を低減または維持するとともに、前記調整手段を制御して前記貯蔵部から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給圧力を上昇させるストイキ確保制御を実行し、前記ポンプ温度が前記第３の温度よりも高い場合に、前記循環ポンプの稼働を停止するとともに、前記調整手段を制御して前記貯蔵部から前記燃料電池への前記燃料ガスの供給圧力を上昇させるストイキ確保制御を実行する制御手段とを備え、
前記第１の温度および前記第２の温度は、前記第１の温度と前記第２の温度との差分が、前記燃料電池に対する出力要求の低下に伴い、小さくなるように設定されている、
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制限手段は、前記燃料電池システムの制御手段から独立して前記ポンプを停止できる、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記ストイキ確保制御実行中に、前記ポンプ温度が、前記第１の温度よりも低い第４の温度以下となった場合に、前記燃料ガスの供給圧力の制御および前記循環ポンプの動作状態の制御を解除する、
燃料電池システム。