(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システムを氷点下から起動することができるようにする。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、圧力調整弁３５が配設され、燃料電池スタック１０のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するためのカソードオフガス用排気管３４と、圧力調整弁３８が配設され、カソードオフガスを外部に排気するための排気管３７と、燃料電池システム１００の起動時であって、圧力調整弁３５の温度が０（℃）以下であるときに、圧力調整弁３８を制御する制御ユニット４０とを備える。【選択図】図１
2010015734.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、
燃料電池と、
第１の圧力調整弁が配設され、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための第１の排気管と、
第２の弁が配設され、前記カソードオフガスを外部に排気するための第２の排気管と、
前記燃料電池システムの起動時であって、前記第１の圧力調整弁の温度が０（℃）以下のときに、前記第２の弁を制御する制御部と、
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、
前記第２の排気管の内径は、前記第１の排気管の内径よりも小さい、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記第２の弁は、第２の圧力調整弁である、
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、
前記制御部は、さらに、前記燃料電池システムの起動時であって、前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の特性に応じて定められた所定温度よりも高いときに、前記燃料電池の温度が前記所定温度以下であるときよりも前記燃料電池内の圧力が高くなるように、前記第２の圧力調整弁を制御する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の電気抵抗を測定する測定部を備え、
前記制御部は、さらに、前記電気抵抗に基づいて、前記燃料電池の温度を推定する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記第２の弁は、開閉弁である、
燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
圧力調整弁が配設され、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための第１の排気管と、
リリーフ弁が配設され、前記カソードオフガスを外部に排気するための第２の排気管と、
を備える燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
圧力調整弁が配設され、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための第１の排気管と、
前記カソードオフガスを外部に排気するための第２の排気管であって、前記第１の排気管の内径よりも小さい内径を有する第２の排気管と、
を備え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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池のカソードでは、発電時に、カソード反応によって、水（生成水）が生成される。そして、この生成水は、燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを燃料電池システムの外部に排気するための排気管（カソードオフガス用排気管）を介して、カソードオフガスとともに排水される。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、発電停止後に、カソードオフガス用排気管の温度が氷点下になると、カソードオフガス用排気管内に残留する生成水が凍結してしまう。そして、カソードオフガス用排気管に圧力調整弁が配設される場合には、この圧力調整弁は、発電停止時には、外気の侵入を防止するために閉弁されるので、燃料電池システムの氷点下からの起動時に、生成水の凍結によって、閉弁したまま固着して開弁できなくなり、排気不能となるおそれがあった。
【０００４】
そこで、従来、燃料電池システムにおいて、上記生成水の凍結を抑制するための種々の技術が提案されている。また、燃料電池システムを氷点下から速やかに起動するための種々の技術も提案されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２４３０１３号公報
【特許文献２】特開２００５−４４７９５号公報
【特許文献３】特開２００２−１３４１５０号公報
【特許文献４】特開２００２−３１３３９５号公報
【特許文献５】特開２００５−７１７５１号公報
【特許文献６】特開２００６−１４７３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上記特許文献に記載された技術では、例えば、燃料電池システムの運転停止時に、カソードオフガス用排気管内に残留した生成水を排水する運転を行うため、その際に、エネルギを消費し、燃料電池システムのエネルギ効率の低下を招く。また、圧力調整弁を加熱すれば、凍結した生成水を解凍したり、生成水の凍結を防止したりすることができるが、これも燃料電池システムのエネルギ効率の低下を招く。
【０００７】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システムを氷点下から起動することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］燃料電池システムであって、燃料電池と、第１の圧力調整弁が配設され、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための第１の排気管と、第２の弁が配設され、前記カソードオフガスを外部に排気するための第２の排気管と、前記燃料電池システムの起動時であって、前記第１の圧力調整弁の温度が０（℃）以下のときに、前記第２の弁を制御する制御部と、を備える燃料電池システム。
【００１０】
適用例１の燃料電池システムでは、第１の圧力調整弁の温度が０（℃）よりも高いときには、第１の圧力調整弁を制御し、第１の排気管を介して、カソードオフガスの排気、および、生成水の排水を行う。そして、燃料電池システムの起動時であって、第１の圧力調整弁の温度が０（℃）以下であるとき、すなわち、第１の圧力調整弁が第１の排気管内に残留する生成水の凍結によって固着して開弁できないおそれがあるときには、第２の弁を制御し、第２の排気管を介して、カソードオフガスの排気、および、生成水の排水を行うことができる。したがって、適用例１の燃料電池システムでは、運転停止時に、第１の排気管内、および、第１の圧力調整弁内に残留する生成水を排水するための運転を行う必要がない。また、第１の圧力調整弁内に残留する生成水の凍結を抑制したり、凍結した生成水を解凍したりするために、第１の圧力調整弁を加熱する必要もない。つまり、適用例１の燃料電池システムによれば、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システムを氷点下から起動することができる。
【００１１】
なお、第２の排気管、および、第２の弁は、燃料電池システムの起動後の通常発電時には使用されないので、第２の弁が生成水の凍結によって固着することはほぼない。また、第２の弁は、燃料電池システムの運転停止中には、外気の侵入を防止する観点から、閉弁されることが好ましい。また、第１の圧力調整弁の温度は、例えば、第１の圧力調整弁の温度を直接的に検出するものとしてもよいし、燃料電池システム内の他の部位の温度、あるいは、燃料電池システムの外部の温度に基づいて推定するようにしてもよい。
【００１２】
［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記第２の排気管の内径は、前記第１の排気管の内径よりも小さい、燃料電池システム。
【００１３】
適用例２の燃料電池システムでは、第２の排気管の内径が、第１の排気管の内径よりも小さいので、燃料電池システムの氷点下からの起動時に、燃料電池内の圧力を昇圧しやすくし、燃料電池システムの起動を速やかに行うことができる。
【００１４】
［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池システムであって、前記第２の弁は、第２の圧力調整弁である、燃料電池システム。
【００１５】
適用例３の燃料電池システムでは、第２の圧力調整弁を制御することによって、燃料電池システムの氷点下からの起動時に、燃料電池内の圧力を適切に昇圧することができる。
【００１６】
［適用例４］適用例３記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、さらに、前記燃料電池システムの起動時であって、前記燃料電池の温度が、前記燃料電池の特性に応じて定められた所定温度よりも高いときに、前記燃料電池の温度が前記所定温度以下であるときよりも前記燃料電池内の圧力が高くなるように、前記第２の圧力調整弁を制御する、燃料電池システム。
【００１７】
燃料電池システムの氷点下からの起動時に、燃料電池内の圧力を昇圧することによって、燃料電池の起動時間（暖機時間）を短縮できることが知られているが、本願発明者は、燃料電池の温度が所定温度以下である場合には、燃料電池内の圧力を昇圧しても、ほとんど燃料電池の起動時間（暖機時間）を短縮することはできず、燃料電池内の圧力を昇圧することが燃料電池システムのエネルギロスを招くことを見出した。
【００１８】
適用例４の燃料電池システムでは、燃料電池システムの起動時であって、燃料電池の温度が所定値以下であるときには、燃料電池内の圧力を昇圧する制御を行わないので、燃料電池システムのエネルギ効率の低下をさらに抑制することができる。なお、燃料電池の温度は、例えば、燃料電池の温度を直接的に測定するようにしてもよいし、燃料電池を冷却するための冷却水の温度を測定して、この冷却水の温度に基づいて、燃料電池の温度を推定するようにしてもよい。また、上記所定温度は、燃料電池の特性、設計に応じて異なるものであり、燃料電池に応じて変更される。
【００１９】
［適用例５］適用例４記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池の電気抵抗を測定する測定部を備え、前記制御部は、さらに、前記電気抵抗に基づいて、前記燃料電池の温度を推定する、燃料電池システム。
【００２０】
［適用例６］適用例１または２記載の燃料電池システムであって、前記第２の弁は、開閉弁である、燃料電池システム。
【００２１】
［適用例７］燃料電池システムであって、燃料電池と、圧力調整弁が配設され、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための第１の排気管と、リリーフ弁が配設され、前記カソードオフガスを外部に排気するための第２の排気管と、を備える燃料電池システム。
【００２２】
適用例７の燃料電池システムでは、燃料電池システムの氷点下からの起動時に、圧力調整弁が第１の排気管内に残留する生成水の凍結によって固着して開弁できない場合であっても、第２の排気管およびリリーフ弁を介して、カソードオフガスの排気、および、生成水の排水を行うことができる。したがって、適用例７の燃料電池システムでは、運転停止時に、第１の排気管内、および、圧力調整弁内に残留する生成水を排水するための運転を行う必要がない。また、圧力調整弁内に残留する生成水の凍結を抑制したり、凍結した生成水を解凍したりするために、圧力調整弁を加熱する必要もない。つまり、適用例７の燃料電池システムによれば、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システムを氷点下から起動することができる。なお、第２の排気管、および、リリーフ弁は、燃料電池システムの起動後の通常発電時には使用されないので、リリーフ弁が生成水の凍結によって固着することはほぼない。
【００２３】
［適用例８］燃料電池システムであって、燃料電池と、圧力調整弁が配設され、前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガスを外部に排気するための第１の排気管と、前記カソードオフガスを外部に排気するための第２の排気管であって、前記第１の排気管の内径よりも小さい内径を有する第２の排気管と、を備える燃料電池システム。
【００２４】
適用例８の燃料電池システムでは、燃料電池システムの氷点下からの起動時に、圧力調整弁が第１の排気管内に残留する生成水の凍結によって固着して開弁できない場合であっても、第２の排気管を介して、カソードオフガスの排気、および、生成水の排水を行うことができる。したがって、適用例８の燃料電池システムでは、運転停止時に、第１の排気管内、および、圧力調整弁内に残留する生成水を排水するための運転を行う必要がない。また、圧力調整弁内に残留する生成水の凍結を抑制したり、凍結した生成水を解凍したりするために、圧力調整弁を加熱する必要もない。つまり、適用例８の燃料電池システムによれば、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システムを氷点下から起動することができる。
【００２５】
本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。
【００２６】
本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【００２８】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルモジュールを、複数積層させたスタック構造を有している。各セルモジュールは、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。セルモジュールの積層数は、燃料電池スタック１０に要求される出力に応じて任意に設定可能である。燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０の温度を検出するための温度センサ１２が設けられている。
【００２９】
燃料電池スタック１０のアノードには、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から、配管２２を介して、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２０の代わりに、例えば、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成する水素生成装置を用いるものとしてもよい。
【００３０】
水素タンク２０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク２０の出口に設けられた図示しないシャットバルブや、配管２２に配設された図示しないレギュレータによって圧力、および、供給量が調整されて、各セルモジュールのアノードに供給される。各セルモジュールのアノードから排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス用排気管２４を介して、燃料電池スタック１０の外部に排出することができる。
【００３１】
また、配管２２、および、アノードオフガス用排気管２４には、アノードオフガスを配管２２に再循環させるための循環配管２６が接続されている。そして、アノードオフガス用排気管２４の循環配管２６との接続部の下流側には、排気バルブ２５が配設されている。また、循環配管２６には、ポンプ２８が配設されている。ポンプ２８、および、排気バルブ２５の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管２２に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管２２に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。
【００３２】
燃料電池スタック１０のカソードには、エアコンプレッサ３０によって圧縮された圧縮空気が、配管３２を介して、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。各セルモジュールのカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス用排気管３４を介して、燃料電池スタック１０の外部に排出される。また、燃料電池スタック１０において、発電時に、上記電気化学反応によって生成された生成水も、カソードオフガス用排気管３４を介して、カソードオフガスとともに排水される。カソードオフガス用排気管３４には、カソードオフガスの排出圧力、すなわち、酸化剤ガスについての燃料電池スタック１０内の圧力を調整するための圧力調整弁３５、および、カソードオフガスの排出圧力を検出する圧力センサ３３が配設されている。そして、圧力調整弁３５には、圧力調整弁３５の温度を検出するための温度センサ３６が設けられている。なお、圧力調整弁３５は、燃料電池システム１００の運転停止時には、外気の侵入を防止するために閉弁される。
【００３３】
このような燃料電池システム１００では、発電停止後に、カソードオフガス用排気管３４、および、圧力調整弁３５の温度が０（℃）以下になると、これらの内部に残留する生成水が凍結して、燃料電池システム１００の氷点下からの起動時に、圧力調整弁３５が閉弁したまま固着して開弁できなくなり、排気不能となるおそれがある。そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、生成水の凍結によって、圧力調整弁３５が閉弁したまま固着した場合であっても排気可能なように、圧力調整弁３５の一次側のカソードオフガス用排気管３４に、燃料電池システム１００の氷点下からの起動時に用いられる排気管３７を分岐して接続することとした。本実施例では、排気管３７の内径は、カソードオフガス用排気管３４の内径よりも小さいものとした。そして、この排気管３７には、圧力調整弁３８が配設されており、圧力調整弁３８を制御することによって、燃料電池システム１００の氷点下からの起動時に、燃料電池スタック１０内の圧力を制御することができる。なお、これらは、燃料電池システム１００の起動後の通常発電時には使用されないので、生成水の凍結によって圧力調整弁３８が固着することはほぼない。カソードオフガス用排気管３４、および、排気管３７は、それぞれ、本発明における第１の排気管、および、第２の排気管に相当する。また、圧力調整弁３５、および、圧力調整弁３８は、それぞれ、本発明における第１の圧力調整弁、および、第２の圧力調整弁に相当する。
【００３４】
燃料電池システム１００の運転は、制御ユニット４０によって制御される。制御ユニット４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等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に従って、燃料電池スタック１０に対する出力要求や、各種センサの出力等に基づいて、各種バルブ、ポンプ、エアコンプレッサ３０の制御等、システムの運転を制御する。制御ユニット４０は、本発明における制御部に相当する。以下、本発明の特徴部分である燃料電池システム１００の起動制御処理について説明する。
【００３５】
Ａ２．起動制御処理：
図２は、燃料電池システム１００の起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００の起動時に、制御ユニット４０のＣＰＵが実行する処理である。本実施例では、燃料電池システム１００の起動時に、圧力調整弁３５の温度が、生成水が凍結する０（℃）以下であるか否かによって、起動制御が切り換えられる。なお、燃料電池システム１００の運転停止中には、圧力調整弁３５、および、圧力調整弁３８は、ともに閉弁されている。
【００３６】
ＣＰＵは、起動制御処理が開始されると、温度センサ３６によって、圧力調整弁３５の温度Ｔｖを検出し、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。そして、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高い場合、すなわち、圧力調整弁３５が圧力調整弁３５の内部に残留する生成水の凍結によって固着しているおそれがない場合には（ステップＳ１００：ＮＯ）、燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給するとともに、圧力調整弁３５を制御して、通常の起動制御（暖機）を実行する（ステップＳ１１０）。この場合の起動制御は、従前の起動制御であるので、詳細な説明は省略する。
【００３７】
ステップＳ１００において、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、圧力調整弁３５が圧力調整弁３５の内部に残留する生成水の凍結によって固着しているものと判断し、燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給するとともに、圧力調整弁３８を開弁して（ステップＳ１２０）、暖機を開始する。なお、暖機を行う間に、圧力調整弁３５の温度Ｔｖは、徐々に上昇する。
【００３８】
次に、ＣＰＵは、温度センサ１２によって、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃを検出し、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１３０）。そして、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）以下である場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高くなるまで、そのまま暖機を継続する。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高い場合には、ＣＰＵは、エアコンプレッサ３０、および、圧力調整弁３８を制御して（ステップＳ１４０）、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧する。燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高い場合に、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧する制御を行う理由については、後述する。
【００３９】
次に、ＣＰＵは、圧力センサ３３によって、燃料電池スタック１０内の圧力Ｐを検出し、燃料電池スタック１０内の圧力Ｐが１００（ｋＰａＧ）よりも高くなったか否かを判断する（ステップＳ１５０）。そして、燃料電池スタック１０内の圧力Ｐが１００（ｋＰａＧ）以下である場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、ＣＰＵは、１０内の圧力Ｐが１００（ｋＰａＧ）よりも高くなるまで、エアコンプレッサ３０、および、圧力調整弁３８の制御を継続する。
【００４０】
一方、燃料電池スタック１０内の圧力Ｐが１００（ｋＰａＧ）よりも高くなった場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、温度センサ３６によって、圧力調整弁３５の温度Ｔｖを検出し、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高くなったか否かを判断する（ステップＳ１６０）。そして、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１６０：ＮＯ）、ＣＰＵは、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高くなるまで、そのまま暖機を継続する。一方、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高くなった場合には（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、圧力調整弁３８を閉弁し（ステップＳ１７０）、起動制御処理を終了する。
【００４１】
図３は、燃料電池システム１００の氷点下からの起動時に、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高いときに、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧する制御を行い、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）以下であるときに、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧しない理由について示す説明図である。燃料電池スタック１０内の圧力を０（ｋＰａＧ）として発電を行ったときの発電温度と６０秒間あたりの積算発電量との関係（図中の実線カーブ）、および、燃料電池スタック１０内の圧力を１００（ｋＰａＧ）として発電を行ったときの発電温度と６０秒間当たりの積算発電量との関係（図中の破線カーブ）を示した。横軸は、発電温度、すなわち、燃料電池スタック１０の温度を表している。また、縦軸は、６０秒間当たりの積算発電量、換言すれば、単位時間当たりの発電量を示している。
【００４２】
図から分かるように、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高い場合には、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧することによって、燃料電池スタック１０による単位時間当たりの発電量を増加させることができる。したがって、燃料電池スタック１０の単位時間当たりの発熱量を増加させ、燃料電池スタック１０の暖機時間を短縮することができる。これに対し、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）以下の場合には、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧しても、燃料電池スタック１０による単位時間当たりの発電量は、ほとんど変わらない。したがって、エアコンプレッサ３０が備えるモータの回転数を上げて燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧することは、燃料電池システム１００のエネルギロスを招くことになる。
【００４３】
以上の実験結果から、本実施例では、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高いときには、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧して、燃料電池スタック１０の暖機時間を短縮し、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）以下であるときには、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧する制御を行わずに、燃料電池システム１００のエネルギ効率の低下を抑制することとした。なお、本実施例では、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高い場合に、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧する制御を行うものとしたが、この境界となる温度は、燃料電池スタック１０の特性、設計に応じて異なり、燃料電池スタックに応じて変更される。
【００４４】
以上説明した第１実施例の燃料電池システム１００では、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高いときには、圧力調整弁３５を制御し、カソードオフガス用排気管３４を介して、カソードオフガスの排気、および、生成水の排水を行う。そして、燃料電池システム１００の起動時であって、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）以下であるとき、すなわち、圧力調整弁３５が生成水の凍結によって固着して開弁できないおそれがあるときには、排気管３７を介して、カソードオフガスの排気、および、生成水の排水を行うことができる。したがって、本実施例の燃料電池システム１００によれば、運転停止時に、カソードオフガス用排気管３４、および、圧力調整弁３５内に残留する生成水を排水するための運転を行う必要がない。また、圧力調整弁３５内に残留する生成水の凍結を抑制したり、凍結した生成水を解凍したりするために、圧力調整弁３５を加熱する必要もない。つまり、本実施例の燃料電池システム１００によれば、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システム１００を氷点下から起動することができる。
【００４５】
Ｂ．第２実施例：
Ｂ１．燃料電池システムの構成：
図４は、本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１００Ａの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００の構成とほぼ同じである。そして、第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００における圧力調整弁３８の代わりに、開閉弁３８Ａを備えている。また、第２実施例の燃料電池システム１００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１００における制御ユニット４０の代わりに、制御ユニット４０Ａを備えている。以下、燃料電池システム１００Ａの起動制御処理について説明する。
【００４６】
Ｂ２．起動制御処理：
図５は、燃料電池システム１００Ａの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池システム１００Ａの起動時に、制御ユニット４０ＡのＣＰＵが実行する処理である。本実施例においても、第１実施例と同様に、燃料電池システム１００Ａの起動時に、圧力調整弁３５の温度が、生成水が凍結する０（℃）以下であるか否かによって、起動制御が切り換えられる。なお、燃料電池システム１００Ａの運転停止中には、圧力調整弁３５、および、開閉弁３８Ａは、ともに閉弁されている。
【００４７】
ＣＰＵは、起動制御処理が開始されると、温度センサ３６によって、圧力調整弁３５の温度Ｔｖを検出し、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）以下であるか否かを判断する（ステップＳ１００）。そして、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高い場合、すなわち、圧力調整弁３５が圧力調整弁３５の内部に残留する生成水の凍結によって固着しているおそれがない場合には（ステップＳ１００：ＮＯ）、燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給するとともに、圧力調整弁３５を制御して、通常の起動制御（暖機）を実行する（ステップＳ１１０）。
【００４８】
ステップＳ１００において、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１００：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、圧力調整弁３５が圧力調整弁３５の内部に残留する生成水の凍結によって固着しているものと判断し、燃料ガスとしての水素、および、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給するとともに、開閉弁３８Ａを開弁して（ステップＳ１２２）、暖機を開始する。なお、暖機を行う間に、圧力調整弁３５の温度Ｔｖは、徐々に上昇する。
【００４９】
次に、ＣＰＵは、温度センサ１２によって、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃを検出し、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高いか否かを判断する（ステップＳ１３０）。そして、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）以下である場合には（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ＣＰＵは、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高くなるまで、そのまま暖機を継続する。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高い場合には、ＣＰＵは、エアコンプレッサ３０を制御して（ステップＳ１４２）、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧する。
【００５０】
次に、ＣＰＵは、圧力センサ３３によって、燃料電池スタック１０内の圧力Ｐを検出し、燃料電池スタック１０内の圧力Ｐが１００（ｋＰａＧ）よりも高くなったか否かを判断する（ステップＳ１５０）。そして、燃料電池スタック１０内の圧力Ｐが１００（ｋＰａＧ）以下である場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、ＣＰＵは、１０内の圧力Ｐが１００（ｋＰａＧ）よりも高くなるまで、エアコンプレッサ３０の制御を継続する。
【００５１】
一方、燃料電池スタック１０内の圧力Ｐが１００（ｋＰａＧ）よりも高くなった場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、温度センサ３６によって、圧力調整弁３５の温度Ｔｖを検出し、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高くなったか否かを判断する（ステップＳ１６０）。そして、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）以下である場合には（ステップＳ１６０：ＮＯ）、ＣＰＵは、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高くなるまで、そのまま暖機を継続する。一方、圧力調整弁３５の温度Ｔｖが０（℃）よりも高くなった場合には（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、開閉弁３８Ａを閉弁し（ステップＳ１７２）、起動制御処理を終了する。
【００５２】
以上説明した第２実施例の燃料電池システム１００Ａによっても、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システム１００を氷点下から起動することができる。
【００５３】
Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。
【００５４】
Ｃ１．変形例１：
図６は、第１変形例としての燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。第１変形例の燃料電池システム１００Ｂの構成は、第１実施例の燃料電池システム１００の構成とほぼ同じである。そして、第１変形例の燃料電池システム１００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１００における温度センサ１２の代わりに、燃料電池スタック１０の電気抵抗を測定する電気抵抗測定器１４を備えている。また、第１変形例の燃料電池システム１００Ｂは、第１実施例の燃料電池システム１００における制御ユニット４０の代わりに、制御ユニット４０Ｂを備えている。そして、制御ユニット４０Ｂは、電気抵抗測定器１４によって測定された抵抗値に基づいて、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃを推定する。燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃと抵抗値との間には、一定の相関関係があるから、燃料電池スタック１０の抵抗値に基づいて、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃを間接的に求めることができる。なお、燃料電池システム１００Ｂの起動制御は、図２に示した第１実施例の燃料電池システム１００の起動制御において、温度センサ１２によって燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃを検出する代わりに、電気抵抗測定器１４によって測定された抵抗値に基づいて、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃを推定する態様となる。
【００５５】
以上説明した変形例の燃料電池システム１００Ｂによっても、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、第１実施例の燃料電池システム１００と同様に、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システム１００Ｂを氷点下から起動することができる。
【００５６】
Ｃ２．変形例２：
図７は、第２変形例としての燃料電池システム１００Ｃの概略構成を示す説明図である。第２変形例の燃料電池システム１００Ｃの構成は、第２実施例の燃料電池システム１００Ａの構成とほぼ同じである。そして、第２変形例の燃料電池システム１００Ｃは、第２実施例の燃料電池システム１００Ａにおける開閉弁３８Ａを省略した構成となっている。また、第２変形例の燃料電池システム１００Ｃは、第２実施例の燃料電池システム１００Ａにおける制御ユニット４０Ａの代わりに、制御ユニット４０Ｃを備えている。なお、燃料電池システム１００Ｃの起動制御は、図５に示した第２実施例の燃料電池システム１００Ａの起動制御において、開閉弁３８Ａの制御を省略した態様となる。
【００５７】
以上説明した変形例の燃料電池システム１００Ｃによっても、第２実施例の燃料電池システム１００Ａと同様に、エネルギ効率の低下を抑制しつつ、燃料電池システム１００Ｃを氷点下から起動することができる。
【００５８】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、排気管３７の内径は、カソードオフガス用排気管３４の内径よりも小さいものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、排気管３７の内径と、カソードオフガス用排気管３４の内径とを等しくしてもよい。ただし、排気管３７の内径をカソードオフガス用排気管３４の内径よりも小さくすることによって、燃料電池システム１００，１００Ａの氷点下からの起動時に、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧しやすくすることができる。
【００５９】
Ｃ４．変形例４：
上記実施例では、燃料電池システム１００，１００Ａの氷点下からの起動時に、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）以下であるときには、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧しないものとしたが、本発明は、これに限られない。ただし、図３を用いて説明したように、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）以下であるときに、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧しないようにすることによって、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧する場合よりも、燃料電池システム１００，１００Ａのエネルギ効率の低下を抑制することができる。
【００６０】
Ｃ５．変形例５：
上記第２実施例では、排気管３７に開閉弁３８Ａを配設するものとしたが、開閉弁３８Ａの代わりに、リリーフ弁を配設するようにしてもよい。
【００６１】
Ｃ６．変形例６：
上記実施例では、温度センサ３６によって、直接的に圧力調整弁３５の温度Ｔｖを検出するものとしたが、本発明は、これに限られない。圧力調整弁３５の温度Ｔｖを、例えば、燃料電池システム１００内の他の部位の温度、あるいは、燃料電池システム１００の外部の温度に基づいて推定するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池システム１００の起動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】燃料電池システム１００の氷点下からの起動時に、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）よりも高いときに、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧する制御を行い、燃料電池スタック１０の温度Ｔｆｃが−１５（℃）以下であるときに、燃料電池スタック１０内の圧力を昇圧しない理由について示す説明図である。
【図４】本発明の第２実施例としての燃料電池システム１００Ａの概略構成を示す説明図である。
【図５】燃料電池システム１００Ａの起動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】第１変形例としての燃料電池システム１００Ｂの概略構成を示す説明図である。
【図７】第２変形例としての燃料電池システム１００Ｃの概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１２…温度センサ
１４…電気抵抗測定器
２０…水素タンク
２２…配管
２４…アノードオフガス用排気管
２５…排気バルブ
２６…循環配管
２８…ポンプ
３０…エアコンプレッサ
３２…配管
３３…圧力センサ
３４…カソードオフガス用排気管
３５…圧力調整弁
３６…温度センサ
３７…排気管
３８…圧力調整弁
３８Ａ…開閉弁
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ…制御ユニット
【図１】
2010015734.tif 000003
【図２】
2010015734.tif 000004
【図３】
2010015734.tif 000005
【図４】
2010015734.tif 000006
【図５】
2010015734.tif 000007
【図６】
2010015734.tif 000008
【図７】
2010015734.tif 000009