(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、燃料電池から排出される燃料オフガスを当該燃料電池に循環供給するための循環系と、前記循環系内の流体を圧送する圧送機と、前記循環系内の流体を外部に排出するための排出弁と、前記圧送機及び前記排出弁を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の起動時において低温環境下であれば、
前記制御装置は、
前記燃料電池が発電中の第１の期間であって、前記圧送機の駆動が開始されるまでの第１の期間と、
前記第１の期間の後に、前記圧送機の駆動を行うと共に前記排出弁を閉じておく第２の期間と、
前記第２の期間の後に、前記圧送機の駆動を停止してから前記排出弁を開くまでの第３の期間と、を含むように制御する、燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記第３の期間の後に、前記排出弁を開いてから前記圧送機の駆動を再開させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧送機の回転数は、その駆動を再開したときよりも、前記第２の期間の方が小さい、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第３の期間は、前記第１及び第２の期間よりも短い、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御装置は、前記燃料電池の温度及び発電時間が所定値に達したら、前記第１の期間から前記第２の期間に移行させる、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記第１の期間において、前記排出弁を開閉させる、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記循環系は、燃料オフガスから水分を分離して貯留する気液分離器を有し、
前記排出弁は、開弁時に、前記気液分離器に貯留された水分を燃料オフガスと共に外部に排出する、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスの循環系を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、低温環境下における凍結防止を考慮したものが知られている。例えば特許文献１では、燃料電池の停止時に、酸化ガス供給系に設けた流量制御弁に乾燥空気を送り込み、流量制御弁に付着した水滴を吹き飛ばすようにしている。
【０００３】
また、燃料電池システムとして、循環ポンプによって燃料オフガスを燃料電池に循環供給する循環系に、排出弁を設けたものも知られている。システム運転中に排出弁を適宜開弁することで、燃料オフガスに含まれ得る不純物（窒素ガス等）が燃料オフガスとともに循環系外に排出され、それにより循環系内の水素濃度の低下が抑制される。また、燃料電池の電気化学反応により水が生成されるが、この燃料電池内の生成水は、循環ポンプによって燃料オフガスとともに循環系へと積極的に排出されると共に、排出弁の開弁により循環系外に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２０３６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、氷点下以下の低温環境下の場合、燃料電池から循環系へと排出された生成水が排出弁や排出弁までの経路の内部に付着すると、それが凍結して排出弁の開弁不良をもたらすおそれがある。特に、燃料電池の起動時では生成水の熱量が小さいため、そのような凍結による問題が生じ易い。
このような凍結に対して、凍結箇所を溶かすヒーターを設置する対策では、システム全体の設備やコスト等が増加してしまう。また、特許文献１に記載の対策は、凍結が生じ易い燃料電池の起動時に関するものではないため、必ずしも有効であるとはいえない。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料電池の低温起動時に、凍結による排出弁の開弁不良を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出される燃料オフガスを燃料電池に循環供給するための循環系と、循環系内の流体を圧送する圧送機と、循環系内の流体を外部に排出するための排出弁と、圧送機及び排出弁を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動時において低温環境下であれば、制御装置は、燃料電池が発電中の第１の期間であって、圧送機の駆動が開始されるまでの第１の期間と、第１の期間の後に、排出弁を閉じておきながら圧送機の駆動を行う第２の期間と、第２の期間の後に、前記圧送機の駆動を停止してから前記排出弁を開くまでの第３の期間と、を含むように制御する。
【０００８】
本発明によれば、第１の期間において、燃料電池内で水が生成しその温度が燃料電池の発電により上昇し、第２の期間において、その温度上昇した生成水を圧送機の駆動によって燃料電池内から循環系へと排出する。この排出される生成水によって、燃料電池から排出弁までの経路を昇温することができるので、低温起動時に排出された生成水の凍結が抑制される。これにより、ヒーターなどを別途設けなくとも、凍結に起因する排出弁の開弁不良を抑制することができる。
【０００９】
また、制御装置は、第２の期間の後に、圧送機の駆動を停止してから排出弁を開くまでの第３の期間を含むので、排出弁までの経路を昇温するための時間を確保しつつ、圧送機への生成水の巻き上げを抑制することができる。例えば、燃料電池からの生成水が溜められる気液分離器を設けていて、その溜められた生成水が排出弁の開弁によって循環系外に排出される場合を想定すると、気液分離器の容量を超えて生成水が溜められている状態で圧送機の駆動を続けると、その生成水が圧送機に巻き上げられてしまう。これに対し、本発明によれば、そのような圧送機による生成水の巻き上げを抑制することができる。
【００１０】
より好ましくは、制御装置は、第３の期間の後に、排出弁を開いてから圧送機の駆動を再開させるとよい。
こうすることで、循環系内の生成水を排出弁を介して外部に排出してから圧送機の駆動を再開できるので、圧送機への生成水の巻き上げをより一層抑制することができる。
【００１１】
より好ましくは、圧送機の回転数は、その駆動を再開したときよりも、第２の期間の方が小さいとよい。
こうすることで、第２の期間におけるＮＶ（騒音）を低減することができる。
【００１２】
好ましくは、第３の期間は、第１及び第２の期間よりも短いとよい。また、第２の期間は、第１の期間よりも短いとよい。
【００１３】
好ましくは、制御装置は、燃料電池の温度及び発電時間が所定値に達したら、第１の期間から第２の期間に移行させるとよい。
燃料電池の温度及び発電時間から生成水の熱量を把握することが可能であるため、排出弁までの経路において凍結が生じない熱量に相当する燃料電池の温度及び発電時間の値（所定値）を予め求めておけば、その所定値に達した段階で第２の期間に速やかに移行することができる。これにより、第１の期間を最適な長さとすることができ、排出弁までの経路の昇温にかける時間をできるだけ短縮することができる。
【００１４】
好ましくは、制御装置は、第１の期間において、排出弁を開閉させるとよい。
これにより、循環系内の不純物を排出弁から循環系外に排出することができ、循環系内の燃料濃度の低下を抑制することができる。
【００１５】
好ましくは、循環系は、燃料オフガスから水分を分離して貯留する気液分離器を有し、排出弁は、開弁時に、気液分離器に貯留された水分を燃料オフガスと共に外部に排出するとよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。
【図２】実施形態に係る排出弁の断面図である。
【図３】実施形態に係る燃料電池システムの低温始動時の制御動作を示すフローチャートである。
【図４】（ａ）は、実施形態に係る燃料電池システムの低温始動時における燃料電池の温度と時間との関係を示すグラフであり、（ｂ）は、この低温始動時におけるポンプの駆動タイミング及び排出弁の開閉タイミングを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２、酸素ガス配管系３、燃料ガス配管系４、及び制御装置６を備える。この燃料電池システム１は、車両に搭載されてトラクションモータに電力を供給するのに適したものであるが、車両に限らず、船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等、あらゆる移動体に適用することができる。また、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等にも適用することもできる。
【００１９】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数の単セルを積層したスタック構造を有する。固体高分子電解質型の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソードを有し、他方の面にアノードを有し、さらにカソード及びアノードを両側から挟みこむように一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生すると共に発熱する。固体高分子電解質型の場合、燃料電池２の温度（以下、「スタック温度」という。）は、約６０〜８０℃が運転に適した温度であり、温度センサ７によって検出される。また、燃料電池２の電気化学反応によって、燃料電池２のカソード側には水が生成される。この生成水の一部は、単セルの電解質膜を通過して、アノード側にも移動する。
【００２０】
酸素ガス及び燃料ガスは、反応ガスと総称されるものである。特に、燃料電池２から排出される酸素ガス及び燃料ガスは、それぞれ酸素オフガス及び燃料オフガスと称され、これらは反応オフガスと総称される。燃料ガスは、水素を含むガスである。以下では、酸素ガスとして空気を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを例に説明する。また、燃料オフガスを水素オフガスと称することにする。
【００２１】
酸素ガス配管系３は、加湿器３０、供給流路３１、排出流路３２、排気流路３３、及びコンプレッサ３４を有する。コンプレッサ３４は、供給流路３１の上流端に設けられる。コンプレッサ３４により取り込まれた大気中の空気（酸素ガス）が、供給流路３１を流れて加湿器３０に圧送され、加湿器３０により加湿されて燃料電池２に供給される。燃料電池２から排出された酸素オフガスは、排出流路３２を流れて加湿器３０に導入された後、排気流路３３を流れて外部に排出される。
【００２２】
燃料ガス配管系４は、水素タンク４０、供給流路４１及び循環流路４２を有する。
水素タンク４０は、高圧（例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した水素供給源である。なお、水素タンク４０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を水素供給源として採用することもできる。また、水素タンク４０に代えて、水素吸蔵合金を有するタンクを採用してもよい。
【００２３】
供給流路４１は、水素タンク４０内の水素ガスを燃料電池２に供給するための流路であり、合流点Ａを境として主流流路４１ａと混合流路４１ｂとからなる。主流流路４１ａには、シャットバルブ４３、レギュレータ４４及びインジェクタ４５が設けられる。シャットバルブ４３は、水素タンク４０の元弁として機能し、水素タンク４０から燃料電池２側への水素ガスの供給を遮断または許容する。レギュレータ４４は、例えば機械式の減圧弁であり、水素ガスのガス圧を予め設定した二次圧に減圧する。インジェクタ４５は、電磁駆動式の開閉弁であり、混合流路４１ｂ側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整する。
【００２４】
循環流路４２は、燃料電池２の水素ガス出口から排出された水素オフガスを供給流路４１に戻すための戻り配管である。循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して合流点Ａに圧送する水素ポンプ４６が設けられる。合流点Ａでは、水素タンク４０からの新たな水素ガスと水素ポンプ４６からの水素オフガスとが合流し、この合流後の混合水素ガスが混合流路４１ｂを流れて燃料電池２に供給される。これにより、水素オフガス内の残存水素が燃料電池２の発電に再び供される。なお、水素ポンプ４６とは、ブロワーなどを含む圧送機の一つである。
【００２５】
循環流路４２は、水素ポンプ４６の上流側に設けられた気液分離器４７及び排出弁４８を介して、排出流路４９に接続される。循環流路４２を流れる流体は、水素オフガスの他、水素オフガスの量に比べると微量ではあるが、電解質膜からアノード側へと透過した生成水の一部及び窒素ガスが含まれる。気液分離器４７は、循環流路４２を流れる流体を液体と気体とに分離し、分離した液体（生成水）を液体貯留部４７ａに貯留する。液体貯留部４７ａは、流体が流動可能な接続流路４７ｂを介して排出弁４８に接続されており、液体貯留部４７ａ内の液体は、排出弁４８を開弁することで接続経路４７ｂから排出流路４９に放出され、外部に排出される。また、排出弁４８の開弁により、水素オフガスの一部も排出流路４９に放出され、外部に排出される。排出弁４８の下流端は、そのまま大気開放されてもよいが、図示省略した希釈器や排気流路３３に接続してもよい。
【００２６】
このように、排出弁４８は、循環系５０内の生成水を外部に排出する排水弁として機能するのみならず、循環系５０内の水素オフガスを窒素ガス（不純物）とともに外部に排出する排気弁として機能する。したがって、排出弁４８が開弁することで、液体貯留部４７ａ及び接続流路４７ｂにある生成水を排出できると共に、水素オフガス中の水素濃度を上げることができる。なお、循環系５０とは、循環流路４２及び混合流路４１を連ねた系統であり、水素オフガスを燃料電池２の燃料ガス流路２ｂに再び循環供給するためのものである。
【００２７】
図２に示すように、排出弁４８は、例えば、アングル弁構造からなる電磁駆動式の開閉弁であり、バルブボディ６１、弁座６１ｄ、弁体６２及びプランジャ６４を有する。バルブボディ６１内には、流入路６１ａ、流出路６１ｂ、並びに、流入路６１ａと流出路６１ｂとを接続する弁室６１ｃが形成される。流入路６１ａは接続流路４７ｂを介して液体貯留部４７ａに連通し、流出路６１ｂは排出流路４９を介して外部に連通する。弁座６１ｄは、弁室６１ｃの底面に形成され、流出路６１ｂに連通する開口を有する。弁体６２は、軸線Ｘ−Ｘ方向に移動することで弁座６１ｄに離接し、弁座６１ｄの開口を開閉する。これにより、排出弁４８の開閉がなされる。
【００２８】
プランジャ６４は、先端に弁体６２が固定され、スリーブ６７の内周面に沿って軸線Ｘ−Ｘ方向に摺動する。プランジャ６４は、スプリング６４ａにより、センタコア６８から遠ざかる方向に付勢される。プランジャ６４、コイル６５及び鉄心６６は、弁体６２を軸線Ｘ−Ｘ方向に所定のストロークで往復移動させるためのソレノイド型アクチュエータの駆動部を構成する。この駆動部のコイル６５への給電のオン及びオフにより、排出弁４８は基本的に「開」及び「閉」の２位置で用いられる。この給電のオン及びオフは、制御装置６によって制御される。なお、排出弁４８として、電磁弁に代えて、ステップモータを駆動部とする電動弁など、他の電気式弁を用いることも可能である。
【００２９】
制御装置６は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、後述する低温始動時における水素ポンプ４６及び排出弁４８の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。
【００３０】
制御装置６は、温度センサ７の検出情報のほか、各配管系３，４を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、燃料電池システム１がおかれる環境温度を検出する外気温センサ８の検出情報等を入力される。そして、制御装置６は、各センサの検出情報等に基づき、コンプレッサ３４、シャットバルブ４３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６及び排出弁４８等を制御する。この制御により、燃料電池システム１の通常運転時には、要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスが燃料電池２に供給されると共に、排出弁４８の開閉により循環系５０内の清浄化が図られる。
【００３１】
温度センサ７は、燃料電池２の内部又はその構成部品を直接検出するものであってもよいが、ここでは、燃料電池２に循環される冷媒（例えば冷却水）の温度を検出するもので構成される。具体的には、燃料電池システム１には、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷媒配管系（図示省略）が設けられており、その冷媒配管系における燃料電池２の冷却水出口側に温度センサ７が設けられている。この温度センサ７が検出する冷却水温度は、燃料電池２の温度（スタック温度）を実質的に反映したものとなる。したがって、制御装置６は、温度センサ７が検出する冷却水温度を、スタック温度として認識することになる。
【００３２】
続いて、図３及び図４を参照して、燃料電池システム１の低温始動時の制御動作について説明する。
この低温始動時の制御動作は、燃料電池２が発電を開始する時、すなわち燃料電池２の起動時に、燃料電池システム１の周囲の環境温度が所定の低温である場合に実行されるものである。この所定の低温であるか否かは、温度センサ７又は外気温センサ８によって検出される温度情報をもとに、制御装置６が判断する。例えば、水が凍結し始める０℃、これよりも安全側の温度（例えば２℃）又は０℃よりも低い温度を基準として、その基準よりも低い温度が検出されれば所定の低温であると判断される。ここでは、「所定の低温」の基準を０℃よりも低い温度とした例について説明する。
【００３３】
１．発電開始（ｔ＝０）
図４（ａ）に示すように、燃料電池２の起動時のスタック温度Ｔ1が０℃未満である低温環境下である場合、制御装置６は、図３に示すフローチャートを読み出す。図３に示すフローチャートが読み出されると、燃料電池システム１の低温始動開始となる（ステップＳ１）。これにより、酸素ガス及び水素ガスが燃料電池２に供給され始めて、燃料電池２の発電が開始される（ステップＳ２）。
【００３４】
上記したように、燃料電池２の発電によって、燃料電池２のカソード側で水が生じ、その生成水の一部がアノード側に移動する。アノード側に移動した生成水の一部は、燃料ガス流路２ｂに水滴として存在する。
【００３５】
なお、燃料電池２の今回の起動が前回の運転終了から長時間放置後になされたものである場合には、外気温センサ８の検出温度は、温度センサ７の検出温度と等しくなり、スタック温度Ｔ1となる。
【００３６】
２．第１の期間ｐ1（０＜ｔ＜ｔ1）
図４（ａ）に示すように、発電開始から時間ｔ0が経過すると、上昇したスタック温度は０℃に達する。スタック温度が上昇するのは、上記したように、燃料電池２の発電は発熱反応を伴うからである。
その後も、発電に伴ってスタック温度は上昇を続ける。スタック温度が温度Ｔ2（ただし、Ｔ2＞０。）に達し且つ発電時間が時間ｔ1に達するまでの期間ｐ1では、水素ポンプ４６の駆動は開始されない（参照：図４（ｂ））。また、この期間ｐ1では、排出弁４８は適宜開閉されており、図４（ｂ）に示す一例では、計４回、排出弁４８の開弁がなされる。この開弁のたびに、循環系５０内の窒素ガスが水素オフガスとともに外部に排出される。なお、期間ｐ1に対応する図３の制御動作としては、ステップＳ３及びＳ４が実行されていることになる。
【００３７】
ここで、期間ｐ1では、水素ポンプ４６の駆動がなされていないため、燃料ガス流路２ｂにある水滴（生成水）は、積極的には循環流路４２に排出されず、燃料ガス流路２ｂにとどまる。そして、期間ｐ1では、燃料電池２の発電中であるため、燃料ガス流路２ｂにある生成水は、その量を増しながら、昇温されていく。すなわち、燃料ガス流路２ｂにある生成水の熱量は、時間の経過に伴い、大きくなっていく。
【００３８】
３．第２の期間ｐ2（ｔ1≦ｔ＜ｔ2）
図４（ｂ）に示すように、第２の期間ｐ2が始まる時間ｔ1において、水素ポンプ４６の駆動が開始される。開始から一定期間（すなわち、期間ｐ2）の経過後、水素ポンプ４６の駆動は停止する。また、水素ポンプ４６の駆動中は、排出弁４８は閉じられている。
【００３９】
したがって、期間ｐ2に対応する図３の制御動作としては、先ず、排出弁４８が閉弁状態を維持するように制御される（ステップＳ５）。次いで、水素ポンプ４６に回転数が指示されてその駆動が開始され（ステップＳ６）、一定期間ｐ2が経過するまで水素ポンプ４６の駆動が行われる（ステップＳ７）。なお、これらの制御は制御装置６によってなされる。
【００４０】
ここで、期間ｐ2では、水素ポンプ４６の駆動がなされることによって、燃料ガス流路２ｂに溜まった生成水が、水素オフガスとともに循環流路４２に積極的に又は強制的に排出される。その後、生成水は、水素オフガスともに気液分離器４７に圧送され、そこで気体と分離される。分離後の生成水は、液体貯留部４７ａ、接続流路４７ｂ及び弁室６１ｃに達する。上記したように、この生成水は期間ｐ1において熱量が大きくなったものであるため、期間ｐ2では、燃料電池２から排出弁４８までの経路（循環流路４２の一部及び接続流路４７ｂを含む。）が生成水によって昇温されることになる。また、閉弁中の排出弁４８の弁体６２も、生成水によって昇温されることになる。
【００４１】
したがって、水素ポンプ４６の駆動開始のタイミングに関しては、燃料電池２から排出される生成水によって、排出弁４８までの経路が昇温されて凍らないような熱量の生成水となっていることを基準とすればよい。別の観点で説明すると、期間ｐ1から期間ｐ2への移行基準である所定値、すなわち温度Ｔ2及び時間ｔ1については、スタック温度及び生成水の発生量から導かれる生成水の熱量が、排出弁４８までの経路を氷点下より生成水が凍らない温度（例えば０℃）まで昇温する熱量以上となるときの値に設定すればよい。この設定は、事前の評価やシミュレーションにより実行することが可能である。
【００４２】
なお、排出弁４８までの経路の流路設計は上記とは逆にし、燃料電池２より排出される熱量の生成水にて氷点下から凍らない温度に上げる設計とすればよい。例えば、配管構造を採る場合などは、配管熱量（長さ、材質に起因する。）と表面積をパラメータにすればよい。
【００４３】
以上の制御を行うことで、低温起動時に燃料電池２から排出される生成水の凍結を抑制することができる。また、水素ポンプ４６の駆動開始のタイミングとして最適なものを用いれば、期間ｐ2に速やかに移行することができるので、排出弁４８までの経路の昇温にかける時間をできるだけ短縮することができる。
【００４４】
４．第３の期間ｐ3（ｔ2≦ｔ＜ｔ3）
図４（ｂ）に示すように、第３の期間ｐ3が始まる時間ｔ2において、水素ポンプ４６の駆動が停止する。この期間ｐ3では、水素ポンプ４６の駆動は停止していると共に、排出弁４８の閉弁状態が継続される。このような期間ｐ3に対応する図３の制御動作としては、ステップＳ８及びＳ９が実行される。
【００４５】
ここで、期間ｐ3では、生成水によって、排出弁４８までの経路及び排出弁４８が昇温されていく。特に、期間ｐ3では、既に接続流路４７ｂ及び弁室６１ｃに達している生成水によって接続流路４７ｂ及び弁室６１ｃが昇温される。また、水素ポンプ４６は停止しているが、循環系５０内の残圧や自然流下などによって、期間ｐ3においても接続流路４７ｂ及び弁室６１ｃへと流動する生成水によりこれらが昇温され得る。このように、期間ｐ3を設けておくことで、排出弁４８までの経路及び排出弁４８（特に弁体６２）が昇温される時間をより確実に確保することができる。
【００４６】
ここで、水素ポンプ４６の駆動停止のタイミング（すなわち、時間ｔ2）に関しては、必要熱量の生成水を燃料電池２から排出できる水素ポンプ４６の駆動量（回転数、回転時間）を考慮することはもちろん、水素ポンプ４６への生成水の巻き上げを考慮して決定するとよい。具体的に説明すると、気液分離器４７の生成水が液体貯留部４７ａの容量を超えている場合に水素ポンプ４６の駆動を続行すると、その容量を超えた生成水が水素ポンプ４６に巻き上げられるおそれがある。そうなると、水素ポンプ４６がロックしたり、燃料電池２の単セル内で水詰りが生じたりしてしまう。そこで、この点を考慮し、水素ポンプ４６の駆動停止のタイミングについては、少なくとも、燃料電池２から排出された生成水が液体貯留部４７ａの容量を超えないタイミングに設定するとよい。なお、この設定は、事前の評価やシミュレーションにより実行することが可能である。
【００４７】
５．その後（ｔ3≦ｔ）
図４（ｂ）に示すように、第３の期間ｐ3が終わる時間ｔ3において、排出弁４８の開弁がなされる。これにより、液体貯留部４７ａ内の生成水が、接続流路４７ｂや排出弁４８内の生成水とともに排出流路４９へと排出される。この時点では、水素ポンプ４６の駆動は停止したままである。その後、通常運転がなされる結果、排出弁４８の開閉が繰り返されると共に、水素ポンプ４６の駆動が再開される。
【００４８】
したがって、時間ｔ3以降に対応する図３の制御動作としては、先ず、排出弁４８の通常起動（開閉の繰り返し）がなされる（ステップＳ１０）。次いで、燃料電池システム１では、通常運転が行われる（ステップＳ１１）。この通常運転では、上記のように、要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスが燃料電池２に供給されると共に、水素ポンプ４６の駆動及び排出弁４８の適宜の開閉がなされる。
【００４９】
ここで、排出弁４８を通常起動するタイミング（すなわち、時間ｔ3）に関しては、排出弁４８までの経路及び排出弁４８が所定の温度（例えば０℃）まで上がったと推測されるタイミングに設定すればよい。この設定についても、事前の評価やシミュレーションにより実行することが可能である。
【００５０】
また、通常運転を開始したとき又は通常運転中の水素ポンプ４６の回転数は、第２の期間ｐ2における水素ポンプ４６の回転数よりも大きく設定するとよい。これとは逆に、期間ｐ2における水素ポンプ４６の回転数を通常運転のものにあわせるようにすると、期間ｐ2における水素ポンプ４６の運転音（ＮＶ）を低減することができないからである。
【００５１】
なお、上記の期間ｐ1〜ｐ3の長さに着目すると、期間ｐ3は期間ｐ1及び期間ｐ2よりも短く、期間ｐ2は期間ｐ3よりも短い。また、期間ｐ1以降も燃料電池２の発電は行われる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池２の低温起動時に、燃料電池２の生成水を利用して、排出弁４８までの経路及び排出弁４８を昇温することができる。これにより、ヒーターなどの装置を別途設けなくとも、低温起動時に排出された生成水の凍結に起因する排出弁４８の開弁不良を抑制することができる。
【００５３】
特に、本実施形態とは異なり、発電開始時から水素ポンプ４６を駆動した場合には、熱量の小さい生成水が排出弁４８までの経路内に流入し、氷点下の外気温によって凍結するおそれがある。
これに対し、本実施形態によれば、所定の熱量となるまでは水素ポンプ４６の駆動を開始しないので、そのような凍結を抑制することができる。
【００５４】
また、本実施形態とは異なり、第２の期間ｐ2で排出弁４８を開弁した場合には、排出弁４８が生成水によって十分に昇温されないおそれがある。
これに対し、本実施形態によれば、第２の期間ｐ2で排出弁４８を閉じているので、生成水を排出弁４８の昇温にとって有効となる。
【００５５】
なお、図３及び図４に示した低温始動時の制御動作が行われない条件の場合、すなわち、燃料電池２の起動時に、燃料電池システム１の周囲の環境温度が所定の低温を超える場合には、通常運転（図３：ステップＳ１１）が行われる。
【００５６】
また、他の実施態様では、排出弁４８までの経路に生成水を送りこめることができる態様であれば、排出弁４８は排気弁としてのみ機能し、排水弁としては積極的には機能しないものであってもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、６：制御装置、４６：水素ポンプ（圧送機）、４７：気液分離器、４８：排出弁、５０：循環系、ｐ1：第１の期間、ｐ2：第２の期間、ｐ3：第３の期間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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