(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいてポンプ装置が凍結するような低温下においてもアノードガスの利用率低下を抑制する。 【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、カソードガス流路と、カソードガス流路に設けられたコンプレッサと、カソードオフガス流路と、アノードガス流路と、アノードオフガス循環流路と、カソードオフガス流路におけるガス流によって駆動されるタービン部と、タービン部により駆動され、アノードオフガス循環流路においてアノードオフガスを圧送するポンプ部と、を有するポンプ装置と、燃料電池システムの各部を制御する制御部とを備える。制御部は、ポンプ装置が凍結していると判断したときには、アノードガスの供給を行わず、コンプレッサを駆動してカソードオフガス流路にガス流を発生させる。【選択図】図３
2014203723.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、
カソードガスを前記燃料電池のカソードに供給するカソードガス流路と、
前記カソードガス流路に設けられたコンプレッサと、
前記燃料電池の前記カソードから排出されたカソードオフガスを外部に排出するカソードオフガス流路と、
アノードガスを前記燃料電池のアノードに供給するアノードガス流路と、
前記燃料電池の前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料電池の前記アノードに循環させるアノードオフガス循環流路と、
前記カソードオフガス流路におけるガス流によって駆動されるタービン部と、前記タービン部により駆動され、前記アノードオフガス循環流路においてアノードオフガスを圧送するポンプ部と、を有するポンプ装置と、
前記燃料電池システムの各部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記ポンプ装置が凍結していると判断したときには、アノードガスの供給を行わず、前記コンプレッサを駆動して前記カソードオフガス流路にガス流を発生させる、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記ポンプ装置の温度に相関する温度を検出する温度センサを備え、
前記制御部は、前記温度センサの検出する温度に基づき、前記ポンプ装置が凍結しているか否かを判断する、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、さらに、
前記ポンプ装置の回転数を検出する回転センサを備え、
前記制御部は、前記回転センサの検出する回転数に基づき、前記ポンプ装置が凍結しているか否かを判断する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、所定の複数のタイミングで前記回転センサの検出する回転数に基づき前記ポンプ装置が凍結しているか否かを判断し、前記ポンプ装置が凍結していると判断したときには、前記コンプレッサの出力を増加させる、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記ポンプ装置を駆動するモータを備え、
前記制御部は、前記ポンプ装置が凍結していないと判断したときには、前記モータに前記ポンプ装置を駆動させる、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記カソードオフガス流路は、
前記タービン部をバイパスするカソードオフガスバイパス流路と、
前記カソードオフガス流路におけるガスの経路を、前記タービン部を経由する第１の経路と前記カソードオフガスバイパス流路を経由する第２の経路との間で切り換えるカソードオフガス切り換え弁と、を有し、
前記制御部は、前記ポンプ装置が凍結していないと判断したときには、前記カソードオフガス切り換え弁を前記第２の経路側に切り換える、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池に対する要求出力に基づき、前記カソードオフガス切り換え弁が前記第１の経路側に切り換えられた状態と前記第２の経路側に切り換えられた状態とのそれぞれについて、前記コンプレッサの消費電力と前記モータの消費電力との合計値を算出し、前記カソードオフガス切り換え弁を前記合計値が小さい経路側に切り換える、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記カソードガス流路と前記カソードオフガス流路とを前記燃料電池を経由することなく接続するカソードガスバイパス流路と、
カソードガスの経路を、前記燃料電池を経由して前記カソードオフガス流路に至る第３の経路と前記カソードガスバイパス流路を経由して前記カソードオフガス流路に至る第４の経路との間で切り換えるカソードガス切り換え弁と、を備え、
前記制御部は、前記ポンプ装置が凍結していると判断したときには、前記カソードガス切り換え弁を前記第４の経路側に切り換える、燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池と、カソードガスを前記燃料電池のカソードに供給するカソードガス流路と、前記カソードガス流路に設けられたコンプレッサと、前記燃料電池の前記カソードから排出されたカソードオフガスを外部に排出するカソードオフガス流路と、アノードガスを前記燃料電池のアノードに供給するアノードガス流路と、前記燃料電池の前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料電池の前記アノードに循環させるアノードオフガス循環流路と、前記カソードオフガス流路におけるガス流によって駆動されるタービン部と、前記タービン部により駆動され、前記アノードオフガス循環流路においてアノードオフガスを圧送するポンプ部と、を有するポンプ装置と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記ポンプ装置が凍結していると判断したときには、アノードガスの供給を行わず、前記コンプレッサを駆動して前記カソードオフガス流路にガス流を発生させる、制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜の一方の表面上にアノードが設けられ他方の表面上にカソードが設けられた構成の膜電極接合体を有しており、アノードに供給されたアノードガスとしての水素とカソードに供給されたカソードガスとしての空気とを利用して電気化学反応を引き起こすことにより、物質の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。
【０００３】
一般に、燃料電池のアノードから排出されたガス（アノードオフガス）には未反応の水素が含まれているため、水素の利用率（燃費）を向上させるために、アノードオフガスを燃料電池のアノードに循環させるアノードオフガス循環流路が設けられることが多い。アノードオフガス循環流路には、アノードオフガスを圧送するために、モータ駆動のポンプが設けられる。あるいは、アノードオフガス循環流路においてアノードオフガスを圧送するために、カソードオフガス流路上に設けられたタービン部と、アノードオフガス循環流路上に設けられたポンプ部と、が連結された構成のポンプ装置が用いられる（例えば、特許文献１等参照）。このポンプ装置では、タービン部がカソードオフガス流路におけるガス流によって駆動されることにより、タービン部に連結されたポンプ部が駆動され、アノードオフガス循環流路においてアノードオフガスが圧送される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３１２４４号公報
【特許文献２】特開２００８−２１０５３９号公報
【特許文献３】特開２００７−１８４１９６号公報
【特許文献４】特開２００５−１２９３０５号公報
【特許文献５】特開２００７−２００７３３号公報
【特許文献６】特開２００４−１７２０２５号公報
【特許文献７】特開２００７−１９２１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池システムにおいて、水素の利用率をできるだけ向上させるためには、アノードオフガス循環流路に設けられたポンプ装置が凍結するような低温下においても、アノードオフガスの循環が実現できることが好ましい。アノードオフガスの循環のために、モータ駆動のポンプを用いる場合に、ポンプが凍結するような低温下においてもアノードオフガスの循環を実現するためには、氷を砕いてポンプの凍結を解消させるのに十分な大トルクを発揮できるモータを採用する必要があり、モータの大型化やコストの増加、通常運転時のモータ効率の低下を招くといった課題があった。一方、カソードオフガス流路におけるガス流を利用して駆動されるポンプ装置を用いる場合に、ポンプ装置が凍結するような低温下においてもアノードオフガスの循環を実現するためには、氷を砕いてポンプ装置の凍結を解消させるために、燃料電池に反応ガスを供給してカソードオフガス流路にガス流を発生させる必要がある。そのため、反応ガスの供給開始からポンプ装置の凍結が解消するまでの間は、アノードオフガスが循環されずに外部に排出されることとなり、水素の利用率が低下するという課題があった。そのほか、従来の燃料電池システムにおいては、その小型化や、低コスト化、省資源化、製造の容易化、使い勝手の向上等が望まれていた。なお、上記課題は、アノードガスとして水素を利用する場合に限らず、水素以外のガスをアノードガスとして利用する場合にも共通の課題であった。
【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、以下の形態として実現することが可能である。
【０００７】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、カソードガスを前記燃料電池のカソードに供給するカソードガス流路と、前記カソードガス流路に設けられたコンプレッサと、前記燃料電池の前記カソードから排出されたカソードオフガスを外部に排出するカソードオフガス流路と、アノードガスを前記燃料電池のアノードに供給するアノードガス流路と、前記燃料電池の前記アノードから排出されたアノードオフガスを前記燃料電池の前記アノードに循環させるアノードオフガス循環流路と、前記カソードオフガス流路におけるガス流によって駆動されるタービン部と、前記タービン部により駆動され、前記アノードオフガス循環流路においてアノードオフガスを圧送するポンプ部と、を有するポンプ装置と、前記燃料電池システムの各部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記ポンプ装置が凍結していると判断したときには、アノードガスの供給を行わず、前記コンプレッサを駆動して前記カソードオフガス流路にガス流を発生させる。この形態の燃料電池システムによれば、制御部が、ポンプ装置が凍結していると判断したときには、燃料電池へのアノードガスの供給を行わず、コンプレッサを駆動することによってカソードオフガス流路にガス流を発生させるため、タービン部がカソードオフガス流路におけるガス流にさらされることとなり、ポンプ装置が凍結していた場合でもポンプ装置の凍結が解消されてポンプ装置が動作可能な状態となる。また、ポンプ装置の凍結が解消するまでの間は、燃料電池へのアノードガスの供給が行われないことからアノードオフガスは発生せず、ポンプ装置が凍結して動作不能状態となっていてもアノードガスの利用率が低下することはない。従って、この形態の燃料電池システムによれば、ポンプ装置が凍結するような低温下においても、アノードガスの利用率を向上させることができる。
【０００８】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記ポンプ装置の温度に相関する温度を検出する温度センサを備え、前記制御部は、前記温度センサの検出する温度に基づき、前記ポンプ装置が凍結しているか否かを判断する。としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、一般に燃料電池システムに設置されている温度センサによる温度検出値を利用して、ポンプ装置が凍結しているか否かの判定を行うため、燃料電池システムの構成の簡素化、小型化、コストの低減を実現することができる。
【０００９】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記ポンプ装置の回転数を検出する回転センサを備え、前記制御部は、前記回転センサの検出する回転数に基づき、前記ポンプ装置が凍結しているか否かを判断するとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、ポンプ装置の凍結判定を温度に基づき行う場合と比較して正確に実行することができるため、ポンプ装置の凍結を見落としてアノードガスの供給を開始することによりアノードガスの利用率が低下してしまうといった事態の発生を防止することができる。
【００１０】
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、所定の複数のタイミングで前記回転センサの検出する回転数に基づき前記ポンプ装置が凍結しているか否かを判断し、前記ポンプ装置が凍結していると判断したときには、前記コンプレッサの出力を増加させるとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、コンプレッサの出力が過大となって電力が浪費されたり、燃料電池に供給されるカソードガスの流量が過大となって燃料電池が過度に乾燥したりすることを防止することができる。
【００１１】
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記ポンプ装置を駆動するモータを備え、前記制御部は、前記ポンプ装置が凍結していないと判断したときには、前記モータに前記ポンプ装置を駆動させるとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、ポンプ装置を駆動するためのモータの小型化、コストの低減を実現することができると共に、モータとして、ポンプ装置が凍結していない通常状態において高効率で運転できる機種を選定することができ、燃料電池システムの消費電力の低下を実現することができる。
【００１２】
（６）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記カソードオフガス流路は、前記タービン部をバイパスするカソードオフガスバイパス流路と、前記カソードオフガス流路におけるガスの経路を、前記タービン部を経由する第１の経路と前記カソードオフガスバイパス流路を経由する第２の経路との間で切り換えるカソードオフガス切り換え弁と、を有し、前記制御部は、前記ポンプ装置が凍結していないと判断したときには、前記カソードオフガス切り換え弁を前記第２の経路側に切り換えるとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、ポンプ装置が凍結していないと判断したときにもカソードオフガスがタービン部を通過する場合と比較して、タービン部における圧力損失によるエネルギーロスの発生（コンプレッサの消費電力増加）を回避することができる。
【００１３】
（７）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池に対する要求出力に基づき、前記カソードオフガス切り換え弁が前記第１の経路側に切り換えられた状態と前記第２の経路側に切り換えられた状態とのそれぞれについて、前記コンプレッサの消費電力と前記モータの消費電力との合計値を算出し、前記カソードオフガス切り換え弁を前記合計値が小さい経路側に切り換える、としてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、コンプレッサの消費電力とモータの消費電力との合計が小さくなるようにカソードオフガス切り換え弁の切り替え制御が行われるため、燃料電池システム全体の消費電力を低減することができる。
【００１４】
（８）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記カソードガス流路と前記カソードオフガス流路とを前記燃料電池を経由することなく接続するカソードガスバイパス流路と、カソードガスの経路を、前記燃料電池を経由して前記カソードオフガス流路に至る第３の経路と前記カソードガスバイパス流路を経由して前記カソードオフガス流路に至る第４の経路との間で切り換えるカソードガス切り換え弁と、を備え、前記制御部は、前記ポンプ装置が凍結していると判断したときには、前記カソードガス切り換え弁を前記第４の経路側に切り換えるとしてもよい。この形態の燃料電池システムによれば、アノードガスの利用率低下を抑制しつつ、燃料電池の過度の乾燥や触媒の劣化、酸化皮膜の形成等による耐久性や発電性能の低下を抑制することができる。
【００１５】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
【００１６】
本発明は、燃料電池以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムを備える移動体、これらの制御方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。
【図３】第１実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。
【図４】第１実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。
【図５】第２実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。
【図６】第３実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図７】第３実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。
【図８】第４実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図９】第４実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。
【図１０】第４実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。
【図１１】第４実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。
【図１２】第５実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。
【図１３】第５実施形態における燃料電池システム１００の発電処理の流れを示す説明図である。
【図１４】第６実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。
【図１５】第６実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。
【図１６】第６実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。
【図１７】第６実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．燃料電池システムの構成：
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の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、車両に搭載され、車両からの出力要求に応じて、車両の駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードオフガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードオフガス循環排出部６０とを備える。
【００１９】
燃料電池１０は、アノードガスとしての水素とカソードガスとしての空気とを利用して発電を行う固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。各単セル１１の構成は、図示しないが、電解質膜の一方の表面上にアノードが設けられ他方の表面上にカソードが設けられた膜電極接合体を有する発電モジュールが一対のセパレータによって狭持された構成である。
【００２０】
アノードガス供給部５０は、水素を貯蔵するための水素タンク５２と、水素タンク５２と燃料電池１０に設けられた図示しないアノードガス供給マニホールドとの間を接続するアノードガス配管５１と、アノードガス配管５１上に設けられた開閉弁５３およびレギュレータ５４とを備える。水素タンク５２から放出された水素は、アノードガス流路としてのアノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードガス供給マニホールドに供給され、アノードガス供給マニホールドを介して各単セル１１のアノードに供給される。開閉弁５３は、アノードガス流路を開閉する。レギュレータ５４は、水素の供給圧力を調整する。
【００２１】
アノードオフガス循環排出部６０は、燃料電池１０に設けられた図示しないアノードガス排出マニホールドとアノードガス配管５１におけるレギュレータ５４より下流側の部分との間を接続するアノードオフガス循環配管６１と、アノードオフガス循環配管６１上に設けられた気液分離部６２と、気液分離部６２と希釈器４５（後述）とを接続するアノード排水配管６５と、アノード排水配管６５上に設けられたパージ弁６６とを備える。各単セル１１のアノードからアノードガス排出マニホールドを介して燃料電池１０の外部に排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス循環流路としてのアノードオフガス循環配管６１を介して気液分離部６２に導かれ、気液分離部６２において気体成分と水分とに分離される。このうち、気体成分については、アノードオフガス循環配管６１を介してアノードガス配管５１に循環され、燃料電池１０に再供給される。パージ弁６６は、アノード排水配管６５を開閉する弁であり、パージ弁６６が開状態となると、アノードオフガスおよび分離された水分は、気液分離部６２からアノード排水配管６５を介して希釈器４５へと誘導される。
【００２２】
カソードガス供給部３０は、燃料電池１０に設けられた図示しないカソードガス供給マニホールドに接続されたカソードガス配管３１と、カソードガス配管３１上に設けられたエアコンプレッサ３２とを備える。エアコンプレッサ３２は、外部から取り込んだ空気を圧縮して出力する。これにより、空気は、カソードガス流路としてのカソードガス配管３１を介して燃料電池１０のカソードガス供給マニホールドに供給され、カソードガス供給マニホールドを介して各単セル１１のカソードに供給される。
【００２３】
カソードオフガス排出部４０は、燃料電池１０に設けられた図示しないカソードガス排出マニホールドと希釈器４５との間を接続するカソードオフガス配管４１と、カソードオフガス配管４１上に設けられたシャット弁４９とを備える。各単セル１１のカソードからカソードガス排出マニホールドを介して燃料電池１０の外部に排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス流路としてのカソードオフガス配管４１を介して希釈器４５に導かれる。希釈器４５では、カソードオフガスとアノードオフガスとが混合されて燃料電池システム１００の外部へと排出される。シャット弁４９は、カソードオフガス流路を開閉する。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システム１００は、アノードオフガス循環配管６１においてアノードオフガスを圧送するためのポンプ装置６４を備えている。ポンプ装置６４は、タービン部６８とポンプ部６７とが軸部６９によって連結された構成を有しており、タービン部６８が軸部６９を中心に回転すると、ポンプ部６７も軸部６９を中心に回転する。タービン部６８は、カソードオフガス配管４１上の希釈器４５より上流側に配置され、ポンプ部６７は、アノードオフガス循環配管６１上の気液分離部６２より下流側に配置されている。カソードオフガス配管４１におけるガス流（ガス圧）によってタービン部６８が駆動されると、タービン部６８によってポンプ部６７が駆動される。ポンプ部６７は、アノードオフガス循環配管６１においてアノードオフガスを圧送する。
【００２５】
また、燃料電池システム１００は、ポンプ装置６４の回転数を検出する回転センサ７１と、外気温を検出する温度センサ８０とを備える。本実施形態では、ポンプ装置６４の位置における気温は外気温と略同一であると想定し、後述するように、温度センサ８０が検出した外気温に基づきポンプ装置６４が凍結しているか否かの判定を行っている。
【００２６】
制御部２０は、ＣＰＵとメモリとを備えるマイクロコンピュータによって構成されており、燃料電池システム１００の各部を制御する。例えば、制御部２０は、回転センサ７１や温度センサ８０から検出値を取得すると共に、車両からの出力要求を取得して、エアコンプレッサ３２やシャット弁４９、開閉弁５３、レギュレータ５４、パージ弁６６等の動作を制御する。
【００２７】
Ａ−２．燃料電池システムの制御：
図２は、第１実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。また、図３および図４は、第１実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。図３および図４には、燃料電池システム１００の一部の構成を抜粋して示すと共に、反応ガス（空気および水素）の流れを破線で示している。燃料電池システム１００の制御処理は、燃料電池システム１００の運転開始指示があったときに（例えば図示しないイグニションキーがオン状態とされたときに）開始される。
【００２８】
最初に、制御部２０は、温度センサ８０が検出した外気温が摂氏０度より高いか否かを判定する（ステップＳ１２０）。外気温が摂氏０度以下である場合には、ポンプ装置６４が凍結して動作不能状態となっている可能性がある。ポンプ装置６４が凍結して動作不能状態となっているときに燃料電池１０への水素の供給を開始すると、燃料電池１０からアノードオフガス循環配管６１を介して排出されたアノードオフガスをアノードガス配管５１に循環することができないため、アノードオフガスを気液分離部６２およびアノード排水配管６５を介してシステムの外部に排出せねばならず、水素利用率が低下してしまう。そのため、本実施形態では、外気温が摂氏０度以下であると判定された場合には、制御部２０は、燃料電池１０への水素の供給を開始することなく、エアコンプレッサ３２を始動する（ステップＳ１３０）。エアコンプレッサ３２が始動されると、図３に示すように、燃料電池１０に空気が供給され、燃料電池１０から排出されたカソードオフガスがカソードオフガス配管４１を流れるため、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流（ガス圧）にさらされる。ここで、ステップＳ１３０におけるエアコンプレッサ３２の始動時の出力は、カソードオフガス配管４１におけるガス圧がポンプ装置６４の凍結を解消するのに十分な大きさとなるような値に、予め設定されている。このような値は、事前に実験的に求められ、制御部２０に記憶される。そのため、ポンプ装置６４が凍結していた場合であっても、エアコンプレッサ３２を始動してカソードオフガス配管４１にガス圧を発生させることにより、ポンプ装置６４の凍結が確実に解消される。
【００２９】
外気温が摂氏０度より高いと判定された場合に、および、エアコンプレッサ３２を始動してポンプ装置６４の凍結を解消した後に、制御部２０は、アノードガス供給部５０を制御して燃料電池１０への水素の供給を開始する（ステップＳ１４０）。これにより、図４に示すように、燃料電池１０に空気と共に水素が供給される状態となり、燃料電池１０による発電が開始される（ステップＳ１５０）。このとき、アノードオフガスは、アノードオフガス循環配管６１上で動作するポンプ部６７によって、アノードガス配管５１へと循環される。以降は、燃料電池システム１００の運転停止指示があるまで（例えば図示しないイグニションキーがオフ状態とされるまで）、燃料電池１０による発電が継続され、運転停止指示があると（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、制御部２０は、燃料電池１０への空気および水素の供給を停止して燃料電池システム１００の運転を停止する（ステップＳ１７０）。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００では、制御部２０が、ポンプ装置６４が凍結していると判断したときには、燃料電池１０への水素の供給を行わず、エアコンプレッサ３２を駆動することによってカソードオフガス配管４１にガス流を発生させる。これにより、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流にさらされることとなり、ポンプ装置６４が凍結していた場合でも、ポンプ装置６４の凍結が解消されてポンプ装置６４が動作可能な状態となる。また、ポンプ装置６４の凍結が解消するまでの間は、燃料電池１０への水素の供給が行われないことからアノードオフガスは発生せず、ポンプ装置６４が凍結して動作不能状態となっていても水素の利用率が低下することはない。従って、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、ポンプ装置６４が凍結するような低温下においても、水素の利用率を向上させることができる。
【００３１】
また、第１実施形態の燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４がカソードオフガス配管４１におけるガス流を利用して駆動されるため、ポンプ装置６４を駆動するためのモータが不要となり、ポンプ装置６４の構成の簡素化、小型化、コストの低減を実現することができる。また、第１実施形態の燃料電池システム１００では、一般に車両に設置されている外気温検出のための温度センサ８０による温度検出値を利用して、ポンプ装置６４が凍結しているか否かの判定を行うため、燃料電池システム１００の構成の簡素化、小型化、コストの低減を実現することができる。
【００３２】
Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。図５に示した第２実施形態における燃料電池システム１００の制御処理は、主として、ポンプ装置６４の凍結判定の方法が、図２に示した第１実施形態と異なっている。なお、第２実施形態における燃料電池システム１００の構成は、図１に示した第１実施形態と同じである。
【００３３】
最初に制御部２０は、燃料電池１０への水素の供給を開始することなく、エアコンプレッサ３２を始動する（ステップＳ１３０）。エアコンプレッサ３２が始動されると、図３に示すように、燃料電池１０に空気が供給され、燃料電池１０から排出されたカソードオフガスがカソードオフガス配管４１を流れるため、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流（ガス圧）にさらされる。ここで、第２実施形態では、エアコンプレッサ３２の始動時の出力は、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態においてポンプ装置６４を駆動させるために必要な最小流量のガスがカソードオフガス配管４１に流れるような値に、予め設定されている。このような値は、事前に実験的に求められ、制御部２０に記憶される。そのため、ポンプ装置６４が凍結している場合には、エアコンプレッサ３２を始動してもポンプ装置６４の凍結が解消されるとは限らない。
【００３４】
次に、制御部２０は、回転センサ７１が検出したポンプ装置６４の回転数に基づき、ポンプ装置６４が回転しているか否かを判定する（ステップＳ１３２）。制御部２０は、ポンプ装置６４の回転数がゼロである場合には、ポンプ装置６４が凍結していて回転していないと判定して（ステップＳ１３２：ＮＯ）、エアコンプレッサ３２の出力を増加させる（ステップＳ１３４）。例えば、制御部２０は、エアコンプレッサ３２の出力を、初期値より１０％増加させる。
【００３５】
エアコンプレッサ３２の出力を増加させてから所定時間経過後、制御部２０は、再度、回転センサ７１が検出したポンプ装置６４の回転数に基づきポンプ装置６４が回転しているか否かを判定し（ステップＳ１３２）、ポンプ装置６４が回転していないと判定した場合には（ステップＳ１３２：ＮＯ）、エアコンプレッサ３２の出力を再増加させる（ステップＳ１３４）。このように、第２実施形態では、ポンプ装置６４の回転数に基づくポンプ装置６４の回転の有無（凍結の有無）の判定と、エアコンプレッサ３２の出力増加とが、ポンプ装置６４が回転している（凍結していない）と判定されるまで繰り返し実行される。
【００３６】
回転センサ７１の検出値に基づきポンプ装置６４が回転している（凍結していない）と判定された場合には（ステップＳ１３２：ＹＥＳ）、制御部２０は、アノードガス供給部５０を制御して燃料電池１０への水素の供給を開始する（ステップＳ１４０）。これにより、図４に示すように、燃料電池１０に空気と共に水素が供給される状態となり、燃料電池１０による発電が開始される（ステップＳ１５０）。このとき、アノードオフガスは、アノードオフガス循環配管６１上で動作するポンプ部６７によって、アノードガス配管５１へと循環される。以降の処理は、図２に示した第１実施形態と同様である。
【００３７】
以上説明したように、第２実施形態の燃料電池システム１００では、制御部２０が、ポンプ装置６４が凍結していると判断したときには、燃料電池１０への水素の供給を行わず、エアコンプレッサ３２を駆動することによってカソードオフガス配管４１にガス流を発生させる。これにより、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流にさらされることとなり、ポンプ装置６４が凍結していた場合でも、ポンプ装置６４の凍結が解消されてポンプ装置６４が動作可能な状態となる。また、ポンプ装置６４の凍結が解消するまでの間は、燃料電池１０への水素の供給が行われないことからアノードオフガスは発生せず、ポンプ装置６４が凍結して動作不能状態となっていても水素の利用率が低下することはない。従って、第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、ポンプ装置６４が凍結するような低温下においても、水素の利用率を向上させることができる。
【００３８】
また、第２実施形態の燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４がカソードオフガス配管４１におけるガス流を利用して駆動されるため、ポンプ装置６４を駆動するためのモータが不要となり、ポンプ装置６４の構成の簡素化、小型化、コストの低減を実現することができる。
【００３９】
さらに、第２実施形態の燃料電池システム１００では、回転センサ７１が検出したポンプ装置６４の回転数に基づきポンプ装置６４の凍結判定を行うため、外気温に基づき凍結判定を行う場合と比較して、凍結判定を正確に実行することができる。例えば、外気温が比較的高くても、ポンプ装置６４付近が雪や氷の付着等によって局所的に低温となって、ポンプ装置６４が凍結している場合も考えられる。第２実施形態の燃料電池システム１００では、このような場合でもポンプ装置６４の凍結を検出することができるため、ポンプ装置６４の凍結を見落として水素の供給を開始することにより水素の利用率が低下してしまうといった事態の発生を防止することができる。
【００４０】
さらに、第２実施形態の燃料電池システム１００では、エアコンプレッサ３２の始動時の出力が、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態において、ポンプ装置６４を駆動させるために必要な最小流量のガスがカソードオフガス配管４１に流れるような値に設定されており、ポンプ装置６４が凍結していると判定された場合にエアコンプレッサ３２の出力が徐々に増加されるため、電力の浪費を抑制することができる。例えば、始動時にポンプ装置６４が凍結していない場合には、エアコンプレッサ３２の出力は上記最小流量のガスがカソードオフガス配管４１に流れるような値となるため、エアコンプレッサ３２の出力が過大となって電力が浪費されることはない。また、第２実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１０に供給される空気の流量が過大となることを防止することができ、燃料電池１０の乾燥を抑制することができる。
【００４１】
Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。第３実施形態の燃料電池システム１００は、ポンプ装置６４が、ポンプ装置６４を駆動するための小型モータ７２を有している点が、図１に示した第１実施形態の燃料電池システム１００と異なっている。第３実施形態の燃料電池システム１００のその他の構成は、第１実施形態と同じである。
【００４２】
ポンプ装置６４は、小型モータ７２を有しているため、小型モータ７２によっても駆動されることができるし、第１実施形態と同様にカソードオフガス配管４１におけるガス流によっても駆動されることができる。小型モータ７２としては、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態において、ポンプ装置６４を駆動するのに必要十分な能力を有するモータが採用される。すなわち、小型モータ７２が、氷を砕いてポンプ装置６４の凍結を解消させるのに十分な大トルクを発揮できる必要はない。そのため、小型モータ７２としては、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態において高効率で運転できる機種が選定される。
【００４３】
図７は、第３実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。図７に示した第３実施形態における燃料電池システム１００の制御処理は、主として、ポンプ装置６４が凍結していないと判定された後のポンプ装置６４の駆動方法が、図５に示した第２実施形態と異なっている。
【００４４】
最初に、制御部２０は、ポンプ装置６４が凍結しているか否かについての初期判定を行う（ステップＳ１２２）。ポンプ装置６４の凍結についての初期判定は、第１実施形態のように温度センサ８０が検出した外気温に基づいて実行されてもよいし、第２実施形態のように回転センサ７１が検出したポンプ装置６４の回転数に基づいて実行されてもよい。
【００４５】
制御部２０は、ポンプ装置６４が凍結していると判定した場合には（ステップＳ１２２：ＹＥＳ）、燃料電池１０への水素の供給を開始することなく、エアコンプレッサ３２を始動する（ステップＳ１３０）。これにより、燃料電池１０に空気が供給され、燃料電池１０から排出されたカソードオフガスがカソードオフガス配管４１を流れるため、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流にさらされる。第３実施形態では、エアコンプレッサ３２の始動時の出力は、任意の値に設定される。その後、第２実施形態と同様に、ポンプ装置６４の回転数に基づくポンプ装置６４の回転の有無（凍結の有無）の判定（ステップＳ１３２）と、エアコンプレッサ３２の出力増加（ステップＳ１３４）とが、ポンプ装置６４が回転している（凍結していない）と判定されるまで繰り返し実行される。
【００４６】
ポンプ装置６４の凍結についての初期判定（ステップＳ１２２）またはその後の判定（ステップＳ１３２）において、ポンプ装置６４が凍結していないと判定された場合には、制御部２０は、アノードガス供給部５０を制御して燃料電池１０への水素の供給を開始すると共に、小型モータ７２を起動して小型モータ７２によるポンプ装置６４の駆動を開始する（ステップＳ１４２）。これにより、燃料電池１０に空気と共に水素が供給される状態となり、燃料電池１０による発電が開始される（ステップＳ１５０）。また、アノードオフガスは、小型モータ７２により駆動されるポンプ装置６４によって、アノードガス配管５１へと循環される。以降の処理は、図２に示した第１実施形態と同様である。
【００４７】
以上説明したように、第３実施形態における燃料電池システム１００では、制御部２０が、ポンプ装置６４が凍結していると判断したときには、燃料電池１０への水素の供給を行わず、エアコンプレッサ３２を駆動することによってタービン部６８を回転動作させる。これにより、ポンプ装置６４が凍結していた場合でも、ポンプ装置６４の凍結が解消されてポンプ装置６４が動作可能な状態となる。また、ポンプ装置６４の凍結が解消するまでの間は、燃料電池１０への水素の供給が行われないことからアノードオフガスは発生しないため、ポンプ装置６４が凍結していても水素の利用率が低下することはない。従って、第３実施形態の燃料電池システム１００によれば、ポンプ装置６４が凍結するような低温下においても、水素の利用率を向上させることができる。
【００４８】
また、第３実施形態の燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４が凍結していた場合のポンプ装置６４の凍結解消を、エアコンプレッサ３２を駆動することによってカソードオフガス配管４１にガス流を発生させることにより実現するため、ポンプ装置６４の小型モータ７２は、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態においてポンプ装置６４を駆動するのに必要十分な能力を有すればよく、小型モータ７２の小型化、コストの低減を実現することができる。また、小型モータ７２はポンプ装置６４の凍結を解消する能力を有する必要がないため、小型モータ７２として、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態において高効率で運転できる機種を選定することができ、燃料電池システム１００の消費電力の低下を実現することができる。
【００４９】
Ｄ．第４実施形態：
図８は、第４実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。第４実施形態の燃料電池システム１００は、カソードオフガス配管４１に接続されポンプ装置６４のタービン部６８をバイパスするカソードオフガスバイパス配管４４と、カソードオフガスの経路を、タービン部６８を経由する経路（以下「第１の経路」と呼ぶ）とタービン部６８を経由せずにカソードオフガスバイパス配管４４を経由する経路（以下「第２の経路」と呼ぶ）との間で切り換えるカソードオフガス切り換え弁４３と、を備える点が、図６に示した第３実施形態の燃料電池システム１００と異なっている。カソードオフガス切り換え弁４３は、制御部２０の制御指令に従い切り換えられる。第４実施形態の燃料電池システム１００のその他の構成は、第３実施形態と同じである。
【００５０】
図９は、第４実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。また、図１０および図１１は、第４実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。図１０および図１１には、燃料電池システム１００の一部の構成を抜粋して示すと共に、反応ガス（空気および水素）の流れを破線で示している。図９に示した第４実施形態における燃料電池システム１００の制御処理は、主として、カソードオフガス切り換え弁４３によるガスの経路の切り換えが行われる点が、図７に示した第３実施形態と異なっている。
【００５１】
最初に、制御部２０は、ポンプ装置６４が凍結しているか否かについての初期判定を行い（ステップＳ１２２）、ポンプ装置６４が凍結していると判定した場合には（ステップＳ１２２：ＹＥＳ）、カソードオフガスがタービン部６８側に流れるように（カソードオフガスの経路が第１の経路となるように）、カソードオフガス切り換え弁４３の切り換え制御を行った上で（ステップＳ１２４）、燃料電池１０への水素の供給を開始することなく、エアコンプレッサ３２を始動する（ステップＳ１３０）。エアコンプレッサ３２が始動されると、図１０に示すように、燃料電池１０に空気が供給され、燃料電池１０から排出されたカソードオフガスがカソードオフガス配管４１からタービン部６８に至り、タービン部６８がガス流にさらされる。その後、第３実施形態と同様に、ポンプ装置６４の回転数に基づくポンプ装置６４の回転有無（凍結有無）の判定（ステップＳ１３２）と、エアコンプレッサ３２の出力増加（ステップＳ１３４）とが、ポンプ装置６４が回転している（凍結していない）と判定されるまで繰り返し実行される。
【００５２】
ポンプ装置６４の凍結についての初期判定（ステップＳ１２２）またはその後の判定（ステップＳ１３２）において、ポンプ装置６４が凍結していないと判定された場合には、制御部２０は、カソードオフガスがカソードオフガスバイパス配管４４側に流れるように（カソードオフガスの経路が第２の経路となるように）、カソードオフガス切り換え弁４３の切り換え制御を行った上で（ステップＳ１３６）、アノードガス供給部５０を制御して燃料電池１０への水素の供給を開始すると共に、小型モータ７２を起動して小型モータ７２によるポンプ装置６４の駆動を開始する（ステップＳ１４２）。これにより、図１１に示すように、燃料電池１０に空気と共に水素が供給される状態となり、燃料電池１０による発電が開始される（ステップＳ１５０）。この状態では、カソードオフガスはタービン部６８をバイパスするカソードオフガスバイパス配管４４を通るため、カソードオフガスがタービン部６８を通過する場合のようにタービン部６８において生ずる圧力損失分だけエアコンプレッサ３２の出力を増加させる必要はない。また、アノードオフガスは、小型モータ７２により駆動されるポンプ装置６４によって、アノードガス配管５１へと循環される。一方、カソードオフガスは、タービン部６８をバイパスするカソードオフガスバイパス配管４４を通って、外部へと排出される。以降の処理は、図７に示した第３実施形態と同様である。
【００５３】
以上説明したように、第４実施形態における燃料電池システム１００では、制御部２０が、ポンプ装置６４が凍結していると判断したときには、燃料電池１０への水素の供給を行わず、エアコンプレッサ３２を駆動することによってカソードオフガス配管４１にガス流を発生させる。これにより、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流にさらされることとなり、ポンプ装置６４が凍結していた場合でも、ポンプ装置６４の凍結が解消されてポンプ装置６４が動作可能な状態となる。また、ポンプ装置６４の凍結が解消するまでの間は、燃料電池１０への水素の供給が行われないことからアノードオフガスは発生せず、ポンプ装置６４が凍結して動作不能状態となっていても水素の利用率が低下することはない。従って、第４実施形態の燃料電池システム１００によれば、ポンプ装置６４が凍結するような低温下においても、水素の利用率を向上させることができる。
【００５４】
また、第４実施形態の燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４が凍結していた場合のポンプ装置６４の凍結解消を、エアコンプレッサ３２を駆動することによってカソードオフガス配管４１にガス流を発生させることにより実現するため、ポンプ装置６４の小型モータ７２は、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態においてポンプ装置６４を駆動するのに必要十分な能力を有すればよく、小型モータ７２の小型化、コストの低減を実現することができる。また、小型モータ７２はポンプ装置６４の凍結を解消する能力を有する必要がないため、小型モータ７２として、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態において高効率で運転できる機種を選定することができ、燃料電池システム１００の消費電力の低下を実現することができる。
【００５５】
さらに、第４実施形態の燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態における発電の際に、カソードオフガスがタービン部６８をバイパスするカソードオフガスバイパス配管４４を通るため、通常状態においてもカソードオフガスがタービン部６８を通過する場合と比較して、タービン部６８における圧力損失によるエネルギーロスの発生（エアコンプレッサ３２の消費電力増加）を回避することができる。
【００５６】
Ｅ．第５実施形態：
図１２は、第５実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。図１２に示した第５実施形態における燃料電池システム１００の制御処理は、主として、ポンプ装置６４が凍結していないと判定された後の発電処理の内容が、図９に示した第４実施形態と異なっている。なお、第５実施形態における燃料電池システム１００の構成は、図８に示した第４実施形態と同じである。
【００５７】
第５実施形態における燃料電池システム１００の制御処理において、処理の開始から水素の供給開始まで（ステップＳ１４２まで）の処理内容は、図９に示した第４実施形態と同じである。水素の供給が開始されると、燃料電池１０による発電が開始される（ステップＳ１５２）。
【００５８】
図１３は、第５実施形態における燃料電池システム１００の発電処理の流れを示す説明図である。第５実施形態の発電処理では、以下に説明するように、燃料電池システム１００全体で最も効率の良い運転を行うために、要求出力に応じたエアコンプレッサ３２および小型モータ７２の消費電力に基づき、カソードオフガス切り換え弁４３の切り替え制御が行われる。
【００５９】
はじめに制御部２０は、車両からの要求出力を取得し（ステップＳ３１０）、要求出力に基づき空気必要量と水素必要量とを算出する（ステップＳ３２０およびＳ３５０）。次に、制御部２０は、算出された水素必要量に基づき、ポンプ装置６４の要求出力を算出すると共に（ステップＳ３６０）、算出された空気必要量に基づき、カソードオフガスの経路がタービン部６８を経由する経路（第１の経路）である場合とカソードオフガスバイパス配管４４を経由する経路（第２の経路）である場合とのそれぞれについて、エアコンプレッサ３２の消費電力を算出する（ステップＳ３３０）。カソードオフガスの経路がタービン部６８を経由する第１の経路である場合は、第２の経路である場合と比較して、タービン部６８における圧力損失の分だけ消費電力が大きくなる。また、制御部２０は、算出された空気必要量に基づき、カソードオフガスの経路が第１の経路である場合におけるタービン部６８による動力回収量の見込み値を算出する（ステップＳ３４０）。タービン部６８による動力回収量の見込み値を算出は、下記の式（１）に従って行われる。なお、カソードオフガスの経路が第２の経路である場合には、タービン部６８による動力回収は行われない。
Ｐｔ＝Ｃｐ×Ｖａ×（Ｔｉ−Ｔｏ）×Ｅｔ×１０-5・・・（１）
ただし、
Ｐｔ：タービン部６８による動力回収量（Ｊ／ｓｅｃ）
Ｃｐ：定圧比熱（Ｊ／ｍｏｌ×Ｋ）
Ｖａ：タービン部６８の入口空気量（ｍｏｌ／ｓｅｃ）
Ｔｉ：タービン部６８の入口空気温度（℃）
Ｔｏ：タービン部６８の出口空気温度（℃）
Ｅｔ：タービン部６８の効率（％）
【００６０】
制御部２０は、算出されたポンプ装置６４の要求出力とタービン部６８による動力回収量の見込み値とに基づき、カソードオフガスの経路がタービン部６８を経由する第１の経路である場合とタービン部６８を経由しない第２の経路である場合とのそれぞれについて、ポンプ装置６４を駆動するための小型モータ７２の消費電力を算出する（ステップＳ３７０）。カソードオフガスの経路が第２の経路である場合は、小型モータ７２はポンプ装置６４の要求出力のすべてをまかなうこととなる。一方、カソードオフガスの経路が第１の経路である場合は、小型モータ７２はポンプ装置６４の要求出力からタービン部６８による動力回収量を除いた分のみをまかなえばよいため、小型モータ７２の消費電力は小さくなる。
【００６１】
次に、制御部２０は、カソードオフガスの経路が第１の経路である場合と第２の経路である場合とのそれぞれについて、エアコンプレッサ３２の消費電力と小型モータ７２の消費電力との合計（以下「消費電力合計値」と呼ぶ）を算出し（ステップＳ３８０）、カソードオフガスの経路が第１の経路である場合の消費電力合計値（以下「消費電力合計値Ａ」と呼ぶ）が、カソードオフガスの経路が第２の経路である場合の消費電力合計値（以下「消費電力合計値Ｂ」と呼ぶ）以上である場合には（ステップＳ３９０：ＹＥＳ）、カソードオフガスがカソードオフガスバイパス配管４４側に流れるように（カソードオフガスの経路がタービン部６８を経由しない第２の経路となるように）、カソードオフガス切り換え弁４３の切り換え制御を行う（ステップＳ４００）。一方、消費電力合計値Ａが消費電力合計値Ｂより小さい場合には（ステップＳ３９０：ＮＯ）、制御部２０は、カソードオフガスがタービン部６８側に流れるように（カソードオフガスの経路がタービン部６８を経由する第１の経路となるように）、カソードオフガス切り換え弁４３の切り換え制御を行う（ステップＳ４１０）。このように、第５実施形態の発電処理では、要求出力に対して、カソードオフガスの経路をタービン部６８を経由する第１の経路とタービン部６８をバイパスする第２の経路とのいずれとした方がエアコンプレッサ３２の消費電力と小型モータ７２の消費電力との合計が小さくなるかを考慮して、カソードオフガスバイパス配管４４の切り替え制御が行われる。以降の処理は、図９に示した第４実施形態と同様である。
【００６２】
以上説明したように、第５実施形態における燃料電池システム１００では、制御部２０が、ポンプ装置６４が凍結していると判断したときには、燃料電池１０への水素の供給を行わず、エアコンプレッサ３２を駆動することによってカソードオフガス配管４１にガス流を発生させる。これにより、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流にさらされることとなり、ポンプ装置６４が凍結していた場合でも、ポンプ装置６４の凍結が解消されてポンプ装置６４が動作可能な状態となる。また、ポンプ装置６４の凍結が解消するまでの間は、燃料電池１０への水素の供給が行われないことからアノードオフガスは発生せず、ポンプ装置６４が凍結していても水素の利用率が低下することはない。従って、第５実施形態の燃料電池システム１００によれば、ポンプ装置６４が凍結するような低温下においても、水素の利用率を向上させることができる。
【００６３】
また、第５実施形態の燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４が凍結していた場合のポンプ装置６４の凍結解消を、エアコンプレッサ３２を駆動することによってカソードオフガス配管４１にガス流を発生させることにより実現するため、ポンプ装置６４の小型モータ７２は、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態においてポンプ装置６４を駆動するのに必要十分な能力を有すればよく、小型モータ７２の小型化、コストの低減を実現することができる。また、小型モータ７２はポンプ装置６４の凍結を解消する能力を有する必要がないため、小型モータ７２として、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態において高効率で運転できる機種を選定することができ、燃料電池システム１００の消費電力の低下を実現することができる。
【００６４】
さらに、第５実施形態の燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４が凍結していない通常状態における発電の際に、エアコンプレッサ３２の消費電力と小型モータ７２の消費電力との合計が小さくなるようにカソードオフガスバイパス配管４４の切り替え制御が行われるため、燃料電池システム１００全体の消費電力を低減することができる。
【００６５】
Ｆ．第６実施形態：
図１４は、第６実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。第６実施形態の燃料電池システム１００は、カソードガス配管３１とカソードオフガス配管４１とを燃料電池１０を経由することなく接続するカソードガスバイパス配管３７と、カソードガスの経路を、燃料電池１０を経由する経路（以下「第３の経路」と呼ぶ）と燃料電池１０を経由せずにカソードガスバイパス配管３７を通ってカソードオフガス配管４１に至る経路（以下「第４の経路」と呼ぶ）との間で切り換えるカソードガス切り換え弁３６と、を備える点が、図１に示した第１実施形態の燃料電池システム１００と異なっている。第６実施形態の燃料電池システム１００のその他の構成は、第１実施形態と同じである。
【００６６】
図１５は、第６実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の流れを示す説明図である。また、図１６および図１７は、第６実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の概要を示す説明図である。図１６および図１７には、燃料電池システム１００の一部の構成を抜粋して示すと共に、反応ガス（空気および水素）の流れを破線で示している。図１５に示した第６実施形態における燃料電池システム１００の制御処理は、主として、カソードガス切り換え弁３６によるカソードガスの経路切り換えが行われる点が、図２に示した第１実施形態と異なっている。
【００６７】
最初に、制御部２０は、ポンプ装置６４が凍結しているか否かについての初期判定を行う（ステップＳ１２２）。制御部２０は、ポンプ装置６４が凍結していると判定した場合には（ステップＳ１２２：ＹＥＳ）、カソードガスが燃料電池１０を経由せずにカソードガスバイパス配管３７側に流れるように（カソードガスの経路が第４の経路となるように）、カソードガス切り換え弁３６の切り換え制御を行った上で（ステップＳ１２６）、燃料電池１０への水素の供給を開始することなく、エアコンプレッサ３２を始動する（ステップＳ１３０）。エアコンプレッサ３２が始動されると、図１６に示すように、空気は燃料電池１０を経由することなくカソードガス配管３１からカソードガスバイパス配管３７を経てカソードオフガス配管４１に至る。そのため、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流にさらされる。なお、本明細書では、燃料電池１０を経ずにカソードオフガス配管４１に至る空気も、便宜上、カソードオフガスと呼ぶ。その後、第２実施形態と同様に、ポンプ装置６４の回転数に基づくポンプ装置６４の回転有無（凍結有無）の判定（ステップＳ１３２）と、エアコンプレッサ３２の出力増加（ステップＳ１３４）とが、ポンプ装置６４が回転している（凍結していない）と判定されるまで繰り返し実行される。
【００６８】
ポンプ装置６４の凍結についての初期判定（ステップＳ１２２）またはその後の判定（ステップＳ１３２）において、ポンプ装置６４が凍結していないと判定された場合には、制御部２０は、カソードガスがカソードガスバイパス配管３７側ではなく燃料電池１０側に流れるように（カソードガスの経路が第３の経路となるように）、カソードガス切り換え弁３６の切り換え制御を行った上で（ステップＳ１３８）、アノードガス供給部５０を制御して燃料電池１０への水素の供給を開始する（ステップＳ１４０）。これにより、図１７に示すように、燃料電池１０に空気と共に水素が供給される状態となり、燃料電池１０による発電が開始される（ステップＳ１５０）。また、アノードオフガスは、ポンプ装置６４によって、アノードガス配管５１へと循環される。以降の処理は、図２に示した第１実施形態と同様である。
【００６９】
以上説明したように、第６実施形態における燃料電池システム１００では、制御部２０が、ポンプ装置６４が凍結していると判断したときには、燃料電池１０への水素の供給を行わず、エアコンプレッサ３２を駆動することによってカソードオフガス配管４１にガス流を発生させる。これにより、タービン部６８がカソードオフガス配管４１におけるガス流にさらされることとなり、ポンプ装置６４が凍結していた場合でも、ポンプ装置６４の凍結が解消されてポンプ装置６４が動作可能な状態となる。また、ポンプ装置６４の凍結が解消するまでの間は、燃料電池１０への水素の供給が行われないことからアノードオフガスは発生せず、ポンプ装置６４が凍結していても水素の利用率が低下することはない。従って、第６実施形態の燃料電池システム１００によれば、ポンプ装置６４が凍結するような低温下においても、水素の利用率を向上させることができる。また、第６実施形態の燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４がカソードオフガスを利用して駆動されるため、ポンプ装置６４を駆動するためのモータが不要となり、ポンプ装置６４の構成の簡素化、小型化、コストの低減を実現することができる。
【００７０】
さらに、第６実施形態における燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４が凍結していると判定されてエアコンプレッサ３２が始動される際に、カソードガスが燃料電池１０をバイパスするようにカソードガス切り換え弁３６の切り替え制御が行われる。ポンプ装置６４の凍結解消前に（すなわち、燃料電池１０への水素の供給前に）カソードガスが燃料電池１０に供給されると、燃料電池１０が過度の乾燥状態となる恐れがある。この過度の乾燥を防ぐためにカソードガス供給部３０に加湿器を設けると、燃料電池システム１００の構成の複雑化やコストの増大を招く。また、燃料電池１０の発電開始前にカソードガスが燃料電池１０に供給されると、カソードが酸素雰囲気下にさらされるため、触媒の劣化や酸化皮膜の形成といった問題を招く恐れがある。これらの結果、燃料電池１０の耐久性や発電性能が低下する恐れがある。他方、これらの問題を回避するために、ポンプ装置６４の凍結解消前に燃料電池１０への水素の供給を開始して燃料電池１０の発電を開始すると、ポンプ装置６４の凍結が解消するまでの間、アノードオフガスの循環を行うことができずアノードオフガスを外部へと排出することになるため、水素の利用率が低下してしまう。しかし、第６実施形態における燃料電池システム１００では、ポンプ装置６４が凍結していると判定された場合には、ポンプ装置６４の凍結が解消するまでの間、燃料電池１０に空気が供給されることはないため、水素の利用率低下を抑制しつつ、燃料電池１０の耐久性や発電性能の低下を抑制することができる。
【００７１】
Ｇ．その他の変形例：
上記各実施形態における燃料電池システム１００の構成はあくまで一例であり、燃料電池システム１００の構成は種々変更可能である。例えば、上記各実施形態では、燃料電池１０は固体高分子型の燃料電池であるとしているが、燃料電池１０は固体高分子型以外のタイプの燃料電池であってもよい。また、上記各実施形態では、アノードガスとして水素が用いられカソードガスとして空気が用いられているが、アノードガスおよびカソードガスとして他のガスが用いられてもよい。また、上記各実施形態では、燃料電池システム１００は車両に搭載されて使用されるとしているが、燃料電池システム１００は必ずしも車両に搭載される必要はなく、車両以外の移動体に搭載されてもよいし、地面や建物といった固定物上に設置されてもよい。
【００７２】
また、上記各実施形態における燃料電池システム１００の制御処理の内容はあくまで一例であり、種々変更可能である。例えば、上記各実施形態では、温度センサ８０が検出した外気温が摂氏０度より高いか否かによってポンプ装置６４が凍結しているか否かの判定を行っているが、より余裕を見て、閾値の温度を摂氏０度より高い温度に設定してもよい。あるいは、ポンプ装置６４の位置における気温と外気温との差を予め想定し、想定された差を考慮して閾値の温度を設定してもよい。例えば、ポンプ装置６４の位置における気温は外気温より１度高いと想定し、温度センサ８０が検出した外気温が摂氏マイナス１度より高いか否かによってポンプ装置６４が凍結しているか否かの判定を行ってもよい。
【００７３】
また、上記各実施形態では、温度センサ８０が検出した外気温に基づきポンプ装置６４が凍結しているか否かの判定を行っているが、外気温ではなく、ポンプ装置６４の温度に相関する他の温度（例えばカソードオフガス配管４１におけるタービン部６８より下流側の位置の温度）を検出する温度センサを設けて、該温度センサにより検出された温度に基づきポンプ装置６４が凍結しているか否かの判定を行ってもよい。また、上記各実施形態では、ポンプ装置６４の回転数がゼロである場合に、ポンプ装置６４が凍結していると判定しているが、ポンプ装置６４の回転数がゼロではないが極めて低い値である場合にも、ポンプ装置６４が凍結していると判定してもよい。また、上記各実施形態において、温度センサ８０が検出した温度に基づくポンプ装置６４の凍結判定と回転センサ７１が検出した回転数に基づくポンプ装置６４の凍結判定とを、適宜入れ替えたり組み合わせたりすることも可能である。
【００７４】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１０…燃料電池
１１…単セル
２０…制御部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３６…カソードガス切り換え弁
３７…カソードガスバイパス配管
４０…カソードオフガス排出部
４１…カソードオフガス配管
４３…カソードオフガス切り換え弁
４４…カソードオフガスバイパス配管
４５…希釈器
４９…シャット弁
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
６０…アノードオフガス循環排出部
６１…アノードオフガス循環配管
６２…気液分離部
６４…ポンプ装置
６５…アノード排水配管
６６…パージ弁
６７…ポンプ部
６８…タービン部
６９…軸部
７１…回転センサ
７２…小型モータ
８０…温度センサ
１００…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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