(57)【要約】【課題】燃料電池の運転停止後における電池内流路での燃料ガス分布の均一化を簡単な構成で達成する。【解決手段】燃料電池２０の運転停止に伴って、燃料ガス給排部３０からの燃料ガス供給を停止すると共に、アノード循環路３３０および電池内流入流路２０ｉｎをアノード供給路３１０から遮断する。その上で、運転停止から所定時間経過した初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０において、循環ポンプ３３４をポンプ駆動時間ＤＴに亘って駆動し、それ以降においては、この初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０からポンプ駆動サイクルタイムＣＴの周期を持って繰り返し周期的に駆動する。【選択図】図１
2011233394.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電の単位である単セルを積層し、該積層された単セルへの発電用の燃料ガスの供給を図る電池内流路を備え、前記燃料ガスを前記電池内流路を経て前記単セルのそれぞれに供給する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の発電時に、前記燃料ガスを燃料ガス供給系を経て前記電池内流路に供給しつつ、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記電池内流路に環流する循環系を介して、前記排出燃料ガスを燃料電池に環流し、
燃料電池の運転停止に伴って、前記燃料ガス供給系からの前記燃料ガスの供給を停止すると共に、前記循環系および前記電池内流路が前記燃料ガス供給系から遮断された経路となるよう前記燃料ガス供給系を閉塞し、
前記循環系に設けた循環ポンプを周期をもって駆動するポンプ周期駆動を、前記運転停止から予め定めた時間の経過後に開始した後に、前記運転停止から所定期間において継続実行する
燃料電池の運転方法。
【請求項２】
前記所定期間を、前記電池内流路と前記循環系に残存する前記燃料ガス中の燃料が前記運転停止後において全て消費されると予想される残存ガス消費期間を前記所定期間とし、該残存ガス消費期間において前記ポンプ周期駆動を継続実行する請求項１に記載の燃料電池の運転方法。
【請求項３】
発電の単位である単セルを積層し、該積層された単セルへの発電用の燃料ガスの供給を図る電池内流路を備え、前記燃料ガスを前記電池内流路を経て前記単セルのそれぞれに供給する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の前記単セルに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記燃料電池の前記単セルから排出された排出燃料ガスを前記電池内流路に環流する経路を有する循環系と、
該循環系の経路に設けられ、前記排出燃料ガスの循環供給を図る循環ポンプと、
前記燃料電池の発電時に、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給系を経て前記電池内流路に供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の発電時に前記循環ポンプを駆動して、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記循環系を介して前記電池内流路に環流するポンプ発電制御部と、
前記燃料電池の運転停止に伴って、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給を停止すると共に、前記循環系および前記電池内流路が前記燃料ガス供給系から遮断された経路となるよう前記燃料ガス供給系を閉塞するガス供給停止部と、
前記循環ポンプを周期をもって駆動するポンプ周期駆動を、前記運転停止から予め定めた時間である初期駆動時間の経過後に開始すると共に、前記ポンプ周期駆動を、前記運転停止から所定期間において継続実行するポンプ周期制御部とを備える
燃料電池システム。
【請求項４】
前記電池内流路は、前記燃料ガス供給系の側の単セル積層方向の一方の端部から他方の端部まで延びて該他方の端部側で閉塞した流路とされ、前記燃料ガスを前記電池内流路に滞留させた状態で前記単セルのそれぞれに供給する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ポンプ周期制御部は、前記所定期間を、電池内流路と前記循環系に残存する前記燃料ガス中の燃料が前記運転停止後において全て消費されると予想される残存ガス消費期間とし、該残存ガス消費期間において前記ポンプ周期駆動を継続実行する請求項３または請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ポンプ周期制御部は、前記燃料ガス供給系から遮断された前記循環系および前記電池内流路を含む前記燃料ガスの通過経路のガス容積の半分相当のガス量が１周期の前記ポンプ駆動により流れるよう、前記ポンプ周期駆動を実行する請求項３ないし請求項５いずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記ポンプ周期制御部は、外気温が高いほど早い時間の前記初期駆動時間で、前記ポンプ周期駆動を開始する請求項３ないし請求項６いずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記ポンプ周期制御部は、外気温が高いほど短い前記周期で、前記ポンプ周期駆動を実行する請求項３ないし請求項７いずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記ポンプ周期制御部は、外気温が高いほど短い前記残存ガス消費期間において、前記ポンプ周期駆動を継続実行する請求項３ないし請求項８いずれか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、発電の単位である単セルを積層し、その積層された複数の単セルに発電用の燃料ガスを供給して発電を行う燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般に、単セルの積層構造を取り、単セルは、表面に触媒層を形成する電解質層からなるＭＥＡ（Membrance Electrode Assembly）を、燃料ガス・酸化ガスのガス流路形成部材で挟持する。こうした単セルの積層構造を有する燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスの双方のガスを各単セルに供給するに当たり、ガスごとの供給系が用いられている。そして、燃料ガスの利用効率を高めるため、アノード側では、燃料ガスを燃料電池の各単セルに電池内で供給するに当たり、電池内流路を末端側で閉塞したいわゆるデッドエンドの流路とし、燃料ガスを滞留させた状態で単セルのそれぞれで発電に利用する手法が取られている。また、供給した燃料ガスは、その総てが各単セルにおいて水素と酸素の電気化学反応に供せられるわけではなく、燃料ガス中の一部の水素が未反応のまま単セル、延いては燃料電池から排出される。こうした未反応水素の有効利用を図るため、燃料ガス供給系に、燃料電池から排出された燃料ガスを環流させる循環系を設けることが一般的に行われている。
【０００３】
ガス供給に伴う単セルでの水素と酸素の電気化学反応は、触媒により起きることから、触媒劣化の抑制は、上記したガス利用効率向上のためのガス循環やデットエンド流路と並んで重要視される。カソード側では、ガス供給停止後にも配管を通じて大気中から酸素が流入するため、流路中に酸素が存在するのに対して、アノード側では水素ガス（燃料ガス）を供給しない限り水素が存在しないことから、燃料電池の運転停止時において、アノード側の流路中の水素が消費され、水素が欠乏する自体が起き得る。特に、カソード配管側の酸素の流入割合がエンド側より多くなるため、水素の消費もカソード配管側で多くなる。このため、セル位置により、単セルの間で水素欠乏の程度が相違する。水素欠乏は触媒劣化を招きやすいことから、単セル内での水素欠乏の局所的存在や、セル位置の相違に基づく水素欠乏の相違により、燃料電池全体の性能低下が危惧される。このため、燃料電池の運転停止時における水素欠乏に起因する触媒劣化を抑制する手法が種々提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４２４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献では、アノード出口側で測定した水素濃度、或いは運転停止時からの経過時間に伴って予測した水素濃度が所定の範囲内にあると、循環ポンプを定常的に駆動して、水素ガスの均一化を図っている。ところが、燃料電池の運転停止後では、既述したようにエンド側で水素濃度が高くなりがちである。このため、循環ポンプの駆動を行うと、濃度が高い水素ガスがアノード出口に到達して測定水素濃度が所定範囲を超えてしまうので、ポンプ駆動により循環供給されたガスが流路において既存ガスと混ざって濃度が希釈化される前にポンプ停止の事態となる。そして、ポンプ停止後において、濃度希釈前の高い濃度の水素ガスが改めてアノード出口で測定されてその測定水素濃度が所定範囲を超えてしまい、短時間の内に再度のポンプ駆動がなされてしまう。つまり、ポンプ駆動を開始した当初では、短時間の内にポンプ駆動と停止が不用意に繰り返されてしまう事態となるばかりか、水素ガスの均一化の実効性が確保できないことが指摘されるに到った。なお、上記した状況はデッドエンドの流路を有する場合に顕著であるが、セルへの燃料ガス供給のための流路がデッドエンドのものでない場合にも、その程度の差はあれ起き得る。
【０００６】
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、燃料電池の運転停止後における電池内流路での燃料ガス分布の均一化を簡単な構成で達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００８】
[適用１：燃料電池の運転方法]
発電の単位である単セルを積層し、該積層された単セルへの発電用の燃料ガスの供給を図る電池内流路を備え、前記燃料ガスを前記電池内流路を経て前記単セルのそれぞれに供給する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の発電時に、前記燃料ガスを燃料ガス供給系を経て前記電池内流路に供給しつつ、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記電池内流路に環流する循環系を介して、前記排出燃料ガスを燃料電池に環流し、
燃料電池の運転停止に伴って、前記燃料ガス供給系からの前記燃料ガスの供給を停止すると共に、前記循環系および前記電池内流路が前記燃料ガス供給系から遮断された経路となるよう前記燃料ガス供給系を閉塞し、
前記循環系に設けた循環ポンプを周期をもって駆動するポンプ周期駆動を、前記運転停止から予め定めた時間の経過後に開始た後に、前記運転停止から所定期間において継続実行する
ことを要旨とする。
【０００９】
この場合、前記所定期間を、前記電池内流路と前記循環系に残存する前記燃料ガス中の燃料が前記運転停止後において全て消費されると予想される残存ガス消費期間を前記所定期間とし、該残存ガス消費期間において前記ポンプ周期駆動を継続実行するようにできる。
【００１０】
[適用２：燃料電池システム]
発電の単位である単セルを積層し、該積層された単セルへの発電用の燃料ガスの供給を図る電池内流路を備え、前記燃料ガスを前記電池内流路を経て前記単セルのそれぞれに供給する燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池の前記単セルに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給系と、
前記燃料電池の前記単セルから排出された排出燃料ガスを前記電池内流路に環流する経路を有する循環系と、
該循環系の経路に設けられ、前記排出燃料ガスの循環供給を図る循環ポンプと、
前記燃料電池の発電時に、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給系を経て前記電池内流路に供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池の発電時に前記循環ポンプを駆動して、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記循環系を介して前記電池内流路に環流するポンプ発電制御部と、
前記燃料電池の運転停止に伴って、前記燃料ガス供給部による前記燃料ガスの供給を停止すると共に、前記循環系および前記電池内流路が前記燃料ガス供給系から遮断された経路となるよう前記燃料ガス供給系を閉塞するガス供給停止部と、
前記循環ポンプを周期をもって駆動するポンプ周期駆動を、前記運転停止から予め定めた時間である初期駆動時間の経過後に開始すると共に、前記ポンプ周期駆動を、前記運転停止から所定期間において継続実行するポンプ周期制御部とを備える
ことを要旨とする。
【００１１】
この燃料電池システムであっても、前記ポンプ周期制御部は、前記所定期間を、電池内流路と前記循環系に残存する前記燃料ガス中の燃料が前記運転停止後において全て消費されると予想される残存ガス消費期間とし、該残存ガス消費期間において前記ポンプ周期駆動を継続実行するようにできる。
【００１２】
上記構成を備える燃料電池の運転方法および燃料電池システムでは、その燃料電池は、発電の単位である単セルを積層し、該積層された単セルへの発電用の燃料ガスの供給を図る電池内流路を経て前記単セルのそれぞれに燃料ガスを供給する。こうして供給された燃料ガスは、単セルのそれぞれにて発電に利用される。そして、この燃料電池の単セルのそれぞれにて燃料ガスを利用して発電を行うに当たっては、燃料電池への燃料ガスを供給しつつ、循環系を介して、燃料電池からの排出燃料ガスを燃料電池の電池内流路に環流させる。こうした排出燃料ガスの環流により未反応水素を含む排出燃料ガスの有効利用を図る。この場合、燃料ガスは、発電単位である単セルが備えた構成によって定まり、例えば、水素イオン透過性の電解質膜を備えた単セルであれば、水素ガスを燃料ガスとして供給することになる。また、水素とその他のガスを含有したガスを燃料ガスとして供給する場合もある。
【００１３】
その一方、燃料電池の運転が停止されると、この運転停止に伴って、燃料ガス供給系からの燃料ガス供給を停止すると共に、循環系および電池内流路を燃料ガス供給系から遮断する。これにより、燃料電池の運転停止時以降では、燃料ガスは、循環系の循環ポンプ駆動を経て、循環系と電池内流路で循環供給されることになる。こうした上で、循環ポンプの駆動は周期をもったポンプ周期駆動とされ、このポンプ周期駆動を、運転停止から予め定めた時間の経過後に開始する。そして、一旦開始した後のポンプ周期駆動は、所定の期間において継続実行される。このため、運転停止から予め定めた時間の経過後に開始した最初のポンプ周期駆動とその後に行うポンプ周期駆動との間の期間を確保した上で、この期間において、最初のポンプ周期駆動により電池内流路と循環系に循環供給された燃料ガスが既存ガスと混ざることを確保できる。
【００１４】
その上で、最初のポンプ周期駆動に続いてポンプ周期駆動を所定の期間において周期を持って継続実行することから、ポンプ周期駆動による燃料ガスの循環供給が繰り返される。この結果、燃料ガスと既存ガスの混合がポンプ周期駆動の都度に進んで、循環系はもとより電池内流路での燃料ガス濃度の希釈化、延いては燃料ガス濃度の均一化を高い実効性で図ることができる。そして、最初のポンプ周期駆動に続いてポンプ周期駆動を継続実行する所定の期間を、例えば、燃料ガス供給系から遮断済みの電池内流路と循環系に残存する燃料ガス中の燃料が運転停止後において全て消費されると予想される残存ガス消費期間とすれば、循環系に燃料ガス中の燃料が残存しない状態においてポンプ周期駆動を行うことがない。よって、不用意なポンプ駆動を省略できる。
【００１５】
上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、燃料ガス供給用の電池内流路を、前記燃料ガス供給系の側の単セル積層方向の一方の端部から他方の端部まで延びて該他方の端部側で閉塞した流路とし、前記燃料ガスを前記電池内流路に滞留させた状態で前記単セルのそれぞれに供給するようにできる。こうすれば、流路末端が閉塞した電池内流路とすることでガス利用効率を高めた上で、上記したように電池内流路での燃料ガス濃度の希釈化を図ることができる。
【００１６】
また、前記燃料ガス供給系から遮断された前記循環系および前記電池内流路を含む前記燃料ガスの通過経路のガス容積の半分相当のガス量が１周期の前記ポンプ駆動により流れるよう、前記ポンプ周期駆動を実行することである。こうすれば、ポンプ周期駆動の都度に、循環系および電池内流路を含む燃料ガスの通過経路の半分相当量のガスが混ざり合うことになるので、ポンプ駆動に必要なエネルギーを抑制しつつ、ガス濃度の均一化の実効性を高めることができる。
【００１７】
この他、外気温が高いほど早い時間の前記初期駆動時間で、前記ポンプ周期駆動を開始する態様や、外気温が高いほど短い前記周期で、前記ポンプ周期駆動を実行する態様、外気温が高いほど短い前記残存ガス消費期間において、前記ポンプ周期駆動を継続実行する態様とすることもできる。外気温が高いと、循環系はもとより電池内流路の既存ガスの拡散性は高まるので、あるタイミングでのポンプ周期駆動とその後に行うポンプ周期駆動との間の周期における既存ガスの混合が進むことになる。このため、上記したそれぞれの態様では、早期の内のガス濃度の均一化を図ることができ、ポンプ周期駆動の駆動回数も少なくなるので運転コスト低減と省エネルギーの点からより有益となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池システム１０の全体構成を概略的に示す説明図である。
【図２】燃料電池２０におけるアノード側のガス循環の様子を模式的に示す説明図である。
【図３】ポンプ周期制御の処理内容を示すフローチャートである。
【図４】このポンプ制御にて行われる周期を持ったポンプ駆動の様子を時系列的に示す説明図である。
【図５】燃料電池２０の運転停止時点からの経過時間と電池内流入流路２０ｉｎに沿って並んだエンド側の単セル２１ｅにおける水素分圧推移の関係を示す説明図である。
【図６】ポンプ周期制御に用いる種々のパラメータを外気温に対応させたマップデータを示す説明図である。
【図７】ポンプ駆動サイクルタイムＣＴの都度のポンプ駆動時間ＤＴを変化させた一例を示す説明図である。
【図８】循環ポンプ３３４を三角波波形のポンプ出力で駆動するポンプ周期駆動の様子を示す説明図である。
【図９】循環ポンプ３３４を山形波形のポンプ出力で駆動するポンプ周期駆動の様子を示す説明図である。
【図１０】ポンプ駆動サイクルタイムＣＴを持って循環ポンプ３３４を周期駆動する際に循環ポンプ３３４を低出力にて運転させたポンプ周期駆動の様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は燃料電池システム１０の全体構成を概略的に示す説明図、図２は燃料電池２０におけるアノード側のガス循環の様子を模式的に示す説明図である。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池２０を備え、図示しない電力負荷部への電力供給のために燃料電池２０を運転する。燃料電池システム１０は、燃料電池２０の他、燃料ガス給排部３０と、酸化ガス給排部５０と、制御装置９０とを備える。本実施例では、燃料電池システム１０は、車輪を駆動する図示しないモータを電力負荷部とし、車両に搭載されるシステムである。この他、燃料電池システム１０を、住宅や施設の電源として設置されるシステムに適用したり、電気で駆動する電気機械機器への電源供給源としてのシステムに適用することができる。
【００２１】
燃料電池システム１０の燃料電池２０は、反応ガスの供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池２０は、燃料ガスから直接的に電気エネルギーを取り出す発電単位の複数の単セル２１を備え、これら複数の単セル２１は電気的に直列に積層されている。本実施例では、燃料電池２０に供給される反応ガスは、水素を含有する燃料ガスと、酸素を含有する酸化ガス（空気）とを含む。燃料電池２０は、アノードに供給された燃料ガスの水素と、カソードに供給された空気中の酸素とを電気化学反応に供することで発電する。燃料ガス中の水素は、それぞれの単セル２１にて消費されるが、未消費の水素を含む燃料ガスはアノードオフガスとして燃料電池２０から排出される。本実施例では、燃料電池２０に用いられる燃料ガスは、水素タンクや水素吸蔵合金に貯蔵した水素ガスであるが、炭化水素系燃料を改質して得られる水素ガスであっても良い。本実施例では、燃料電池システム１０は、燃料ガスを循環して再利用する循環方式のシステムであり、アノードオフガスは、燃料ガスとして再利用される。燃料電池２０に供給された酸化ガスは、水素との電気化学反応の進行に伴って酸素濃度が低下し、カソードオフガスとして燃料電池２０から排出される。本実施例では、燃料電池２０に用いられる酸化ガスは、大気中から取り込まれた空気である。
【００２２】
燃料電池システム１０の燃料ガス給排部３０は、燃料電池２０に燃料ガスを供給すると共に、燃料電池２０から排出されるアノードオフガスを処理する。燃料ガス給排部３０は、燃料ガス供給源３０２と、アノード供給路３１０と、アノード排出路３２０と、アノード循環路３３０とを備える。
【００２３】
燃料ガス給排部３０の燃料ガス供給源３０２は、本実施例では、水素を圧縮して貯蔵するタンクから水素を供給する装置である。他の実施形態において、燃料ガス供給源３０２は、水素を吸蔵する水素吸蔵合金から水素を供給する装置であっても良いし、天然ガス、メタノール、ガソリンなどの炭化水素系燃料を改質して水素を取り出す改質器から水素を供給する装置であっても良い。
【００２４】
燃料ガス給排部３０のアノード供給路３１０は、上流側バルブ３１４と図示しない調圧バルブを介在させて、燃料ガス供給源３０２から燃料電池２０までの燃料ガス流路を形成する。このため、燃料電池２０のアノードには、燃料ガスが調圧済みの圧力で流れ、その際のガス流量は上流側バルブ３１４にて調整される。上流側バルブ３１４は、流路の開口面積を調整することで流量を調整し、ガス流量をゼロとする流路閉塞も可能に構成されている。この上流側バルブ３１４は、制御装置９０に電気的に接続され、制御装置９０からの制御信号に基づいて、流量調整並びに流路閉塞を行う。
【００２５】
燃料ガス給排部３０のアノード排出路３２０は、燃料電池２０から排出されるアノードオフガスを流す流路を形成する。アノード排出路３２０には、アノード排出バルブ３２２が設けられ、アノード排出バルブ３２２は、制御装置９０に電気的に接続され、制御装置９０からの制御信号に基づいて、燃料電池２０から排出されるアノードオフガスの排出量を調整する。
【００２６】
燃料ガス給排部３０のアノード循環路３３０は、アノード排出路３２０から分岐してアノード供給路３１０に戻るガス循環流路を形成し、流路の分岐箇所側から、循環入口バルブ３３２と循環ポンプ３３４を有する。循環入口バルブ３３２は、制御装置９０に電気的に接続され、制御装置９０からの制御信号に基づいて、アノード排出路３２０からアノード供給路３１０に到るガス循環路を開閉する。本実施例では、後述するように循環ポンプ３３４にてアノードオフガスの循環量を制御するので、循環入口バルブ３３２は、通常は所定の流路面積で流路を解放し、ガス循環が不要な際に、流路を閉塞する。循環ポンプ３３４は、制御装置９０に電気的に接続され、制御装置９０からの制御信号に基づいて、アノード排出路３２０からアノード供給路３１０へとアノードオフガスを循環供給する。
【００２７】
図２に示すように、燃料電池２０は、そのアノード側において、アノード供給路３１０に上流側バルブ３１４を介して繋がる電池内流入流路２０ｉｎと、アノード排出路３２０にアノード排出バルブ３２２を介して繋がる電池内流出流路２０ｏｕｔを備える。電池内流入流路２０ｉｎは、燃料電池２０における単セル２１の積層方向の一方の端部（図においては流入側の単セル２１ｔの側の端部）から閉塞した他方の端部の側（図においては末端側の単セル２１ｅの側の端部）まで延びたデッドエンドの流路であり、積層されたそれぞれの単セル２１に燃料ガスを供給する。電池内流出流路２０ｏｕｔは、単セル２１ｅの側の閉塞した末端側から単セル２１ｔの側の流入側に延び、積層されたそれぞれの単セル２１で未消費の燃料ガス（アノードオフガス）をアノード排出路３２０或いはアノード循環路３３０に流す。それぞれの単セル２１には、上記した電池内流入流路２０ｉｎからのガス供給がなされることから、供給された燃料ガスは、電池内流入流路２０ｉｎに滞留した状態でそれぞれの単セル２１にて発電に利用されることになる。流入側の単セル２１ｔ〜末端側の単セル２１ｅまでの各単セル２１は、電池内流入流路２０ｉｎからのガス供給と電池内流出流路２０ｏｕｔへのオフガス排出ができるよう、各セルごとのマニホールドを流路に臨ませて、エンドプレート２３の間に積層されている。
【００２８】
燃料電池システム１０の酸化ガス給排部５０は、燃料電池２０に酸化ガスを供給すると共に、燃料電池２０から排出されるカソードオフガスを処理する。酸化ガス給排部５０は、酸化ガス供給源５０２と、カソード供給路５１０と、カソード排出路５２０とを備える。酸化ガス給排部５０の酸化ガス供給源５０２は、制御装置９０の制御信号に基づいて、酸化ガスである空気を燃料電池２０に供給する。本実施例では、酸化ガス供給源５０２は、ポンプで大気中から取り込んだ空気を供給する装置である。酸化ガス給排部５０のカソード供給路５１０は、酸化ガス供給源５０２から燃料電池２０に酸化ガスを流す流路を形成し、酸化ガス給排部５０のカソード排出路５２０は、燃料電池２０から排出されるカソードオフガスを流す流路を形成する。カソード排出路５２０には、カソード排出バルブ５２２が設けられ、カソード排出バルブ５２２は、制御装置９０に電気的に接続され、制御装置９０からの制御信号に基づいて、燃料電池２０から排出されるカソードオフガスの排出量を調整する。
【００２９】
上記した燃料電池２０での発電運転に際しては、燃料ガス給排部３０は、後述する制御装置９０の制御を受けて、アノード供給路３１０を経て燃料電池２０における電池内流入流路２０ｉｎに燃料ガスを供給する。こうしたガス供給と共に、燃料ガス給排部３０は、循環入口バルブ３３２を流路開放状態とした上で、循環ポンプ３３４を駆動させ、それぞれの単セル２１で未消費のアノードオフガスを、燃料電池２０における電池内流出流路２０ｏｕｔからアノード循環路３３０を経て電池内流入流路２０ｉｎに循環供給する。
【００３０】
一方、燃料電池２０の運転停止の際には、燃料ガス給排部３０は、制御装置９０の制御を受けて、上流側バルブ３１４にてアノード供給路３１０を閉鎖し、このアノード供給路３１０からの燃料ガス供給を停止する。こうした供給停止と共に、アノード排出バルブ３２２についても流路閉鎖制御して、アノード排出路３２０をバルブ設置箇所にて閉塞する。これにより、アノード循環路３３０と循環ポンプ３３４を含む循環系と、電池内流入流路２０ｉｎおよび電池内流出流路２０ｏｕｔは、アノード供給路３１０からから遮断された経路となって、循環ポンプ３３４の後述する周期駆動によるアノードオフガスの循環供給を行う。
【００３１】
燃料電池システム１０の制御装置９０は、燃料ガス給排部３０や酸化ガス給排部５０におけるバルブ等の制御器機に電気的に接続され、燃料電池システム１０の制御全体を統括する。制御装置９０は、燃料電池２０を運転する制御を行う運転制御部９１０と、各種のデータを記憶する記憶部９２０と、燃料電池システム１０の各部との間を電気的に接続するインタフェース９３０とを備える。
【００３２】
制御装置９０の運転制御部９１０は、ガス供給制御部９１２と、ポンプ発電制御部９１４と、ガス供給停止部９１６と、ポンプ周期制御部９１８とを備える。運転制御部９１０は、論理演算を実行するＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を用いて構成され、ＣＰＵがＲＯＭに記憶済みのプログラムに基づいて動作することにより、ガス供給制御部９１２やポンプ発電制御部９１４等の機能が実現される。
【００３３】
運転制御部９１０のガス供給制御部９１２は、燃料電池２０の発電運転時におけるガス供給に関与し、燃料ガス給排部３０における燃料ガス供給源３０２のガス供給制御や、上流側バルブ３１４の流量調整制御、アノード排出バルブ３２２の流量調整制御、循環入口バルブ３３２の流路開制御、および、酸化ガス給排部５０における酸化ガス供給源５０２のガス供給制御、カソード排出バルブ５２２の流量調整制御を行う。これにより、燃料電池２０を構成するそれぞれの単セル２１のアノードには、アノード供給路３１０を電池内流入流路２０ｉｎに流れ込んだ燃料ガスが電池内流入流路２０ｉｎに滞留した状態で供給され、カソードにあっても、空気が供給される。よって、燃料電池２０は、供給されたガス量に応じて発電する。
【００３４】
ポンプ発電制御部９１４は、燃料電池２０の発電運転時におけるアノードオフガスの循環供給に関与し、燃料ガス給排部３０における循環ポンプ３３４の定常駆動制御を行う。これにより、燃料電池２０を構成するそれぞれの単セル２１のアノードには、アノードオフガスがアノード循環路３３０を経て循環供給される。この際、循環ポンプ３３４は、例えば、水素ガス供給量に応じた所定の定常状態で継続運転制御されるので、アノードオフガスは、電池内流入流路２０ｉｎに継続して循環供給される。
【００３５】
ガス供給停止部９１６は、燃料電池２０の運転停止時におけるガス供給に関与し、燃料ガス給排部３０における燃料ガス供給源３０２のガス供給停止制御や、上流側バルブ３１４およびアノード排出バルブ３２２の流路閉鎖制御、循環入口バルブ３３２の流路開制御、および、酸化ガス給排部５０における酸化ガス供給源５０２のガス供給停止制御、カソード排出バルブ５２２の流路閉鎖制御を行う。これにより、燃料電池２０には燃料ガスおよび空気の供給が絶たれ、燃料電池２０は、その運転を停止する。なお、こうした停止時において、酸化ガス給排部５０からは、若干の空気供給を行うようにでき、こうすれば、燃料電池２０の運転停止後にそれぞれの単セル２１のアノードに残存する水素を電気化学反応に処して減ずることができる。
【００３６】
ポンプ周期制御部９１８は、燃料電池２０の運転停止時におけるポンプ駆動に関与し、燃料ガス給排部３０における循環ポンプ３３４を周期を持って駆動する周期制御を行う。このポンプ周期制御については、後述する。
【００３７】
記憶部９２０は、後述のポンプ周期制御に用いる種々のパラメータを、外気温に対応させてマップ状に記憶する。記憶部９２０が記憶するマップデータについては、ポンプ周期制御と併せて後述する。
【００３８】
図３はポンプ周期制御の処理内容を示すフローチャート、図４はこのポンプ制御にて行われる周期を持ったポンプ駆動の様子を時系列的に示す説明図である。
【００３９】
図３に示すポンプ周期制御は、図示しないイグニッションスイッチがオフとされた燃料電池２０の運転が停止されてから、所定時間ごとに繰り返し実行される。つまり、図３のポンプ周期制御は、例えば上記のスイッチのオフ信号をトリガとして実行され、まず、燃料電池２０の運転停止からの経過時間Ｔを読み込む（ステップＳ１００）。燃料電池２０の運転が停止されると、図示しない経過時間計時処理も実行され、当該計時処理にて、燃料電池２０の運転停止からの経過時間Ｔが計時されているので、ステップＳ１００では、図３のポンプ周期制御の実行の都度に経過時間Ｔを読み込む。
【００４０】
既述したように、燃料電池２０の運転停止に伴い、それまでなされていた燃料ガスおよび空気の供給停止がなされると共に、アノード循環路３３０の循環ポンプ３３４にあっても停止制御され、循環ポンプ３３４の駆動によるアノードオフガスの循環供給は停止状態となる。また、アノード供給路３１０は、上流側バルブ３１４にて閉鎖され、アノード排出路３２０についてもアノード排出バルブ３２２により閉鎖されるので、アノード循環路３３０と循環ポンプ３３４を含む循環系と、電池内流入流路２０ｉｎおよび電池内流出流路２０ｏｕｔは、アノード供給路３１０からから遮断された経路とされている。つまり、こうした状況下で、図３のポンプ周期制御が実行されることになる。
【００４１】
ステップＳ１００に続いては、読み込み済みの経過時間Ｔが予め定めた初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０を超えたか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで否定判定すれば、燃料電池２０の運転停止後から循環ポンプ３３４の初回の周期駆動を図る時間まで経過していないので、何の処理も行うことなく本ルーチンを一旦終了する。一方、ステップＳ１１０で肯定判定すれば、循環ポンプ３３４の初回の周期駆動を行うべく、ポンプ周期運転時間ＴＴを演算する（ステップＳ１２０）。ここで、ポンプ周期運転時間ＴＴや初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０について説明する。図５は燃料電池２０の運転停止時点からの経過時間と電池内流入流路２０ｉｎに沿って並んだエンド側の単セル２１ｅにおける水素分圧推移の関係を示す説明図である。なお、図５の推移曲線は、後述の種々の形態を取った場合の単セル２１ｅにおける水素分圧推移を示しており、燃料電池２０の運転停止後に、循環ポンプ３３４を駆動することなく単セル２１ｅにおける水素分圧を経過時間ごとに測定、もしくはシミュレート演算してプロットしたものである。
【００４２】
この図５にドットと併記される分圧推移曲線は、単セル２１の縦横サイズや電池内流入流路２０ｉｎおよびセル内ガス流路が標準的とされた標準モデルにおける水素分圧推移を示している。これによれば、標準モデルでは、水素分圧は運転停止後から徐々に低減し、運転停止から時間ＴＥが経過した時点で、水素が全て消費されたことを示している。単セル２１にて水素の全消費が起きれば、電池内流入流路２０ｉｎとアノード循環路３３０に残存する水素ガス中の水素が運転停止後において全て消費されたと予想される。本実施例では、運転停止から時間ＴＥが経過するまでを水素ガス消費期間とし、この時間ＴＥを種々の形態ごとに把握した。
【００４３】
例えば、単セル２１のアノード側における電池内流入流路２０ｉｎのマニホールドを標準モデルのマニホールドより小さくしたモデル（マニホールド狭小化モデル）では、セル内への水素の供給が制限されることから、運転停止の時点から水素分圧は小さく、その小さな水素分圧から、標準モデルとほぼ同じように水素分圧は低減する。そして、このマニホールド狭小化モデルでは、当初の水素ガスが少ない分、時間ＴＥ（水素ガス消費期間）は短くなる。また、単セル２１のカソードに空気を供給するカソード供給路５１０における図示しない弁の弁径を、標準モデルの弁径より１／２としたモデル（酸素側弁径１／２倍モデル）では、残存水素との反応に供される酸素が少ないことになる。このため、この酸素側弁径１／２倍モデルでは、水素の消費が緩慢となるので、図示するように全ての水素消費までの時間ＴＥ（水素ガス消費期間）は長くなる。その一方、弁の弁径を標準モデルの弁径の２倍としたモデル（酸素側弁径２倍モデル）では、残存水素との反応に供される酸素が多いことから、水素の消費が短時間の内に急速に進むため、図示するように水素分圧は急激に低減し、時間ＴＥ（水素ガス消費期間）は短くなる。そして、この酸素側弁径２倍モデルにおいて、例えば、水素ガス濃度を低くした水素ガスを供給すると、その濃度変位に対応して、時間ＴＥ（水素ガス消費期間）は図示した偏差Δの分、短くなる。つまり、本実施例では、こうした燃料電池２０のスペックに基づいて時間ＴＥ（水素ガス消費期間）が変化することを把握した上で、図３のポンプ周期制御を行っている。
【００４４】
図５に示した水素分圧推移は、残存水素が関与する電気化学反応の進行に基づいており、電気化学反応の進行程度は、単セル２１における水素ガスの拡散の程度に依存する。ガスの拡散は、通常、温度が高まれば活性化する。このため、本実施例では、ガスの拡散に影響を及ぼす外気温に応じて、時間ＴＥや初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０を定めることとした。図６はポンプ周期制御に用いる種々のパラメータを外気温に対応させたマップデータを示す説明図である。
【００４５】
図示するように、本実施例では、上記した時間ＴＥ（水素ガス消費期間）としての水素消費完了予想時間ＴＥと、初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０と、ポンプ駆動サイクルタイムＣＴと、ポンプ駆動時間ＤＴとが、外気温に対応付けてマップデータを、記憶部９２０に記憶している。これらの時間パラメータと外気温の対応関係は、外気温が高いほど水素消費完了予想時間ＴＥとポンプ駆動サイクルタイムＣＴとが短い時間となるように定められている。図５でもって説明すると、例えば標準モデルでは、外気温が高いほど水素消費完了予想時間ＴＥが短い時間に設定される。ポンプ駆動サイクルタイムＣＴについても同様であるが、その詳細については後述する。また、水素消費完了予想時間ＴＥの半分の初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０にあっては、水素消費完了予想時間ＴＥが外気温上昇に応じて短い時間となることから、外気温が高いほど早い開始時刻となる。そして、本実施例では、図３のポンプ周期制御に先だって、外気温に対応した上記のパラメータを予め決定する。つまり、既述したステップＳ１１０では、図６に示した外気温に対応してマップ状に記憶済みの初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０と経過時間Ｔが対比される。なお、通常、車両にはエアコン制御等の都合から外気温センサーが装着されているので、当該センサーからの検出値に基づいて、マップを選択すればよい。
【００４６】
ステップＳ１１０での肯定判定に続くステップＳ１２０では、経過時間Ｔが初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０よりも大きいことから、両者の時間差Ａを求める。
【００４７】
時間差Ａ＝Ｔ−Ｔ０
【００４８】
次に、この時間差Ａをポンプ駆動サイクルタイムＣＴで除算して整数化演算（ＩＮＴ）を行い、ポンプ駆動サイクル単位での駆動回数を表す駆動回数数値ＩＡを求める。
【００４９】
駆動回数数値ＩＡ＝ＩＮＴ（Ａ／ＣＴ）
【００５０】
次に、この駆動回数数値ＩＡを用いてポンプ周期運転時間ＴＴを算出する。
【００５１】
ポンプ周期運転時間ＴＴ＝Ａ−ＩＡ＊ＣＴ
【００５２】
ステップＳ１２０以降の処理については、上記した駆動回数数値ＩＡとポンプ周期運転時間ＴＴの説明と併せて、経過時間Ｔの推移に伴って説明する。経過時間Ｔが初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０と一致すると（Ｔ＝Ｔ０）、ステップＳ１１０では肯定判定されるので、その時点以降において、ステップＳ１２０が実行される。経過時間Ｔが初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０と一致した初回ポンプ駆動タイミングでは、時間差Ａはゼロとなり、駆動回数数値ＩＡもゼロとなり、ポンプ周期運転時間ＴＴ＝Ａ、即ちゼロとなる。
【００５３】
ステップＳ１２０に続くステップＳ１３０では、経過時間Ｔと既述した水素消費完了予想時間ＴＥ（図５参照）の大小対比がなされる。上記の初回ポンプ駆動タイミングでは、経過時間Ｔ＝Ｔ０（＜ＴＥ）であることから、ステップＳ１３０では肯定判定され、続くステップＳ１４０にて、ポンプ周期運転時間ＴＴとポンプ駆動時間ＤＴ（図５参照）の大小対比がなされる。この場合は上記した初回ポンプ駆動タイミングであることから、ポンプ周期運転時間ＴＴは時間差Ａ（＝０）なため、ステップＳ１４０では肯定判定され、ステップＳ１５０に移行する。
【００５４】
このステップＳ１５０では、循環ポンプ３３４を駆動し、本ルーチンを一旦終了する。これにより、図４に示すように、経過時間Ｔが初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０と一致した初回ポンプ駆動タイミングにおいて、循環ポンプ３３４の初回の駆動が開始される。ステップＳ１５０で行う循環ポンプ３３４の駆動は、図４に示すように、発電運転時に想定される能力１００％でのポンプ駆動とする必要はなく、アノード供給路３１０と電池内流入流路２０ｉｎへの水素ガスの循環供給が可能な程度のものとすればよい。こうすれば、燃料電池２０の運転停止時における循環ポンプ３３４の駆動エネルギーの低減、駆動音の低減が可能となる。
【００５５】
上記した初回ポンプ駆動タイミング（初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０）以降の図３のポンプ周期制御の実行タイミングでは、改めて経過時間Ｔが読み込まれる（ステップＳ１００）。初回ポンプ駆動タイミング以降の図３のポンプ周期制御の実行タイミングでは、経過時間Ｔは初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０を超えていることから、ステップＳ１１０では常に肯定判定されて、ステップＳ１２０にてポンプ周期運転時間ＴＴの演算がなされる。そして、初回ポンプ駆動タイミング（初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０）以降のステップＳ１２０では、経過時間Ｔが初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０を超えることから、時間差Ａはゼロ以上となり、時間差Ａがポンプ駆動サイクルタイムＣＴを超えるまで、駆動回数数値ＩＡはゼロ、ポンプ周期運転時間ＴＴは時間差Ａの値そのものとなる。
【００５６】
ステップＳ１３０では、経過時間Ｔは依然として水素消費完了予想時間ＴＥ（図５参照）より小さいことから肯定判定され、続くステップＳ１４０にて、ポンプ周期運転時間ＴＴ（＝Ａ）とポンプ駆動時間ＤＴ（図５参照）の大小対比がなされる。よって、ポンプ周期運転時間ＴＴ即ち時間差Ａがポンプ駆動時間ＤＴより小さい間は、ステップＳ１４０では肯定判定が続くことになり、このポンプ駆動時間ＤＴの間に亘るステップＳ１５０により、循環ポンプ３３４は、初回ポンプ駆動タイミングで駆動を開始してポンプ駆動時間ＤＴの時間に亘って駆動する。これにより、図４に示すように、経過時間Ｔが初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０と一致した初回ポンプ駆動タイミングからポンプ駆動時間ＤＴの時間だけ循環ポンプ３３４の駆動によるアノード循環路３３０および電池内流入流路２０ｉｎへのアノードオフガスの循環供給がなされる。そして、初回ポンプ駆動タイミング（初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０）からの経過時間を表すポンプ周期運転時間ＴＴ（＝Ａ）がポンプ駆動時間ＤＴと一致すると、ステップＳ１４０では否定判定され、続くステップＳ１７０により循環ポンプ３３４が停止制御される。
【００５７】
循環ポンプ３３４の駆動時間を定めるポンプ駆動時間ＤＴは、この駆動の際のポンプ出力と相まって、次のように定めた。アノード循環路３３０と電池内流入流路２０ｉｎを合わせた流路内容積は、その設計仕様から既知であるので、ポンプ駆動時間ＤＴでの循環ポンプ３３４の１回の周期駆動により、アノード供給路３１０から遮断済みのアノード循環路３３０および電池内流入流路２０ｉｎにおける内容積の半分相当のガス量が供給されるよう、ポンプ駆動時間ＤＴをその際のポンプ出力と相まって定めた。
【００５８】
上記した初回ポンプ駆動タイミング（初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０）での循環ポンプ３３４の駆動の後の図３のポンプ周期制御の実行タイミングでは、改めての経過時間Ｔの読み込み（ステップＳ１００）がなされ、ステップＳ１１０での肯定判定に続き、ステップＳ１２０でのポンプ周期運転時間ＴＴの演算がなされる。そして、初回ポンプ駆動タイミングでの循環ポンプ３３４の駆動以降においては、時間差Ａがポンプ駆動サイクルタイムＣＴを超えるまで、駆動回数数値ＩＡはゼロで、ポンプ周期運転時間ＴＴは時間差Ａの値そのものとなる。
【００５９】
ステップＳ１３０では、経過時間Ｔは依然として水素消費完了予想時間ＴＥ（図５参照）より小さいことから肯定判定され、続くステップＳ１４０にて、ポンプ周期運転時間ＴＴ（＝Ａ）とポンプ駆動時間ＤＴ（図５参照）の大小対比がなされる。この場合、時間差Ａはポンプ駆動サイクルタイムＣＴに一致するまでは、駆動回数数値ＩＡはゼロで、ポンプ周期運転時間ＴＴは時間差Ａの値そのものであってポンプ駆動時間ＤＴより大きいことから、ステップＳ１４０では否定判定される。このステップＳ１４０の否定判定は、時間差Ａがポンプ駆動サイクルタイムＣＴに一致して、駆動回数数値ＩＡが値１となってポンプ周期運転時間ＴＴがゼロとなるまで継続される。このため、循環ポンプ３３４は、時間差Ａが改めてポンプ駆動サイクルタイムＣＴに一致するまでの期間に亘ってその運転が停止されることになる。この運転停止の終了は、図４において時刻Ｔ１となる。
【００６０】
経過時間Ｔが図４の時刻Ｔ１となった時点では、ステップＳ１２０において、駆動回数数値ＩＡが値１となり、ポンプ周期運転時間ＴＴはゼロとなる。よって、この時点（時刻Ｔ１）では、ステップＳ１４０で肯定判定されることから、ステップＳ１５０にて循環ポンプ３３４の駆動がポンプ駆動サイクルタイムＣＴの周期を持って再開されることになる。それ以降は、このポンプ駆動サイクルタイムＣＴごとに、ポンプ駆動時間ＤＴでの循環ポンプ３３４のポンプ駆動が繰り返される。つまり、図４に示すように、循環ポンプ３３４は、初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０における初回ポンプ駆動タイミングでの駆動の後、ポンプ駆動サイクルタイムＣＴの周期を持った時刻Ｔ１、Ｔ２・・・Ｔｉ・・Ｔｅの各時刻において、ポンプ駆動時間ＤＴだけ周期的に駆動されることになる。循環ポンプ３３４のこうした周期を持ったポンプ周期駆動により、アノード循環路３３０および電池内流入流路２０ｉｎへのアノードオフガスの循環供給が図４に示す上記の時刻ごとになされる。そして、経過時間Ｔが水素消費完了予想時間ＴＥに達すると、ステップＳ１３０で否定判定されるので、それまで図示しない経過時間計時処理で計時していた経過時間Ｔのリセット（ステップＳ１６０）を経て、ステップＳ１７０にて循環ポンプ３３４の駆動を停止する。
【００６１】
本実施例の燃料電池システム１０では、上記したポンプ周期制御を行うに当たり、外気温に応じた図６のマップにより、循環ポンプ３３４の初回ポンプ駆動タイミングを定める初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０や、駆動周期を定めるポンプ駆動サイクルタイムＣＴ、および駆動時間を定めるポンプ駆動時間ＤＴを、本実施例では外気温に応じて使い分ける。そして、外気温が高いほど、初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０を短くして、初回ポンプ駆動を早いタイミングで開始し、循環ポンプ３３４の周期駆動を短いポンプ駆動サイクルタイムＣＴで繰り返す。また、外気温が高いほど、ポンプ駆動サイクルタイムＣＴごとの循環ポンプ３３４の駆動時間を短い時間のポンプ駆動時間ＤＴとし、循環ポンプ３３４の周期駆動の終了を規定する水素消費完了予想時間ＴＥについても、外気温が高いほど短くしている。
【００６２】
以上説明した本実施例の燃料電池システム１０では、その有する燃料電池２０を、積層した発電単位の単セル２１への水素ガス供給のための電池内流入流路２０ｉｎをセル積層方向の末端側で閉塞したデッドエンドの流路として、発電運転時にあっては、水素ガスを燃料ガス給排部３０から電池内流入流路２０ｉｎに供給する。供給された水素ガスは、電池内流入流路２０ｉｎにて滞留した状態で単セル２１のそれぞれにて、発電のために利用される。こうした発電時のガス供給と並行して、アノード循環路３３０を介して、燃料電池２０からのアノードオフガスを電池内流入流路２０ｉｎに環流させることで、アノードオフガス中の水素の有効利用を図ることができる。
【００６３】
その一方、本実施例の燃料電池システム１０は、燃料電池２０の運転が停止されると、この運転停止に伴って、燃料ガス給排部３０からの燃料ガス供給を停止すると共に、上流側バルブ３１４およびアノード排出バルブ３２２を閉鎖制御して、アノード循環路３３０および電池内流入流路２０ｉｎをアノード供給路３１０から遮断する。これにより、燃料電池２０の運転停止時以降では、水素ガスは、アノード循環路３３０の循環ポンプ３３４の駆動を経て、アノード循環路３３０と電池内流入流路２０ｉｎで循環供給されることになる。その上で、本実施例の燃料電池システム１０は、運転停止から所定時間経過した初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０において、循環ポンプ３３４をポンプ駆動時間ＤＴに亘って駆動し、それ以降においては、この初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０からポンプ駆動サイクルタイムＣＴの周期を持って繰り返し周期的に駆動する（ステップＳ１２０〜１７０）。
【００６４】
本実施例の燃料電池システム１０は、こうした循環ポンプ３３４の周期駆動を、アノード供給路３１０から遮断済みのアノード供給路３１０と電池内流入流路２０ｉｎに残存する水素ガス中の水素が運転停止後において全て消費されると予想される水素消費完了予想時間ＴＥまで継続する。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、燃料電池２０の運転停止から予め定めた初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０と、その後に行うポンプ周期駆動を行う時刻Ｔ１との期間を確実に確保し、この期間において、初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０での初回のポンプ周期駆動によりアノード供給路３１０と電池内流入流路２０ｉｎに循環供給された水素ガスを既存ガスに確実に混ぜ合わせることができる。
【００６５】
本実施例の燃料電池システム１０は、その上で、初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０での初回のポンプ周期駆動に続いてポンプ駆動サイクルタイムＣＴの周期を持ったポンプ周期駆動を水素消費完了予想時間ＴＥの間において継続実行する。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、循環ポンプ３３４のポンプ周期駆動による水素ガスの循環供給の繰り返しにより、循環供給した燃料ガスと既存ガスの混合をポンプ周期駆動の都度に進ませるので、アノード供給路３１０はもとより電池内流入流路２０ｉｎでの水素ガス濃度の希釈化、延いては水素ガス濃度を高い実効性で均一化することができる。こうした水素ガス濃度の希釈化、均一化により、触媒劣化も抑制でき、電池性能も維持できる。
【００６６】
そして、本実施例の燃料電池システム１０は、初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０での初回のポンプ周期駆動に続いてポンプ周期駆動を水素消費完了予想時間ＴＥにおいて継続するものの、この水素消費完了予想時間ＴＥが経過するとポンプ駆動周期を行わない。よって、アノード供給路３１０と電池内流入流路２０ｉｎに水素ガス中の水素が残存しない状態となると、不用意なポンプ駆動を省略できる。
【００６７】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、上記した水素ガス濃度の均一化を行うに当たり、水素ガス濃度検出のためのセンサーを必要とせず、センサー出力に基づいた制御も要しない。よって、システム構成の簡略化や、これに伴うコスト低減も図ることができる。また、循環ポンプ３３４を所定期間に亘って定常的に駆動する必要も無いため、運転コストの低減や、省エネルギーの点からも有益である。
【００６８】
また、本実施例の燃料電池システム１０では、循環ポンプ３３４を図４に示すように周期駆動する際の各周期ごとの駆動時間を定めるポンプ駆動時間ＤＴを、アノード供給路３１０から遮断済みのアノード循環路３３０および電池内流入流路２０ｉｎにおける内容積の半分相当のガス量が供給可能なように、ポンプ出力と相まって定めた。このため、本実施例の燃料電池システム１０によれば、循環ポンプ３３４の周期駆動の都度に、アノード循環路３３０および電池内流入流路２０ｉｎにおける内容積の半分相当量のガスを混ぜ合わすことができるので、循環ポンプ３３４の駆動に必要なエネルギーを抑制しつつ、ガス濃度の均一化の実効性をより高めることができる。
【００６９】
この他、本実施例の燃料電池システム１０では、循環ポンプ３３４の初回ポンプ駆動タイミングを定める初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０や、駆動周期を定めるポンプ駆動サイクルタイムＣＴ、および駆動時間を定めるポンプ駆動時間ＤＴを、外気温と対応付けてマップ状のデータとして記憶し（図６参照）、これらを、外気温に応じて使い分けている。しかも、その使い分けに際しては、外気温が高いほど、初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０を短くして、初回ポンプ駆動を早いタイミングで開始し、循環ポンプ３３４の周期駆動を短いポンプ駆動サイクルタイムＣＴで繰り返す。また、外気温が高いほど、ポンプ駆動サイクルタイムＣＴごとの循環ポンプ３３４の駆動時間を短い時間のポンプ駆動時間ＤＴとし、循環ポンプ３３４の周期駆動の終了を規定する水素消費完了予想時間ＴＥについても、外気温が高いほど短くしている。外気温が高いと、アノード循環路３３０はもとより電池内流入流路２０ｉｎの既存ガスの拡散性は自ずと高まるので、あるタイミングでのポンプ周期駆動とその後に行うポンプ周期駆動との間の周期における既存ガスの混合が進むことになる。このため、上記したように、外気温が高いほど上記したように早いタイミングで初回ポンプ駆動を実行したり、短い周期のポンプ駆動サイクルタイムＣＴとポンプ駆動時間ＤＴでのポンプ駆動などによっても、早期の内のガス濃度の均一化を図ることができ、ポンプ周期駆動の駆動回数も少なくなるので運転コスト低減と省エネルギーの点からより有益となる。
【００７０】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、ポンプ駆動サイクルタイムＣＴを持った循環ポンプ３３４の周期駆動の都度のポンプ駆動時間ＤＴを同じとしたが、次のように変形することもできる。図７はポンプ駆動サイクルタイムＣＴの都度のポンプ駆動時間ＤＴを変化させた一例を示す説明図である。
【００７１】
図示するように、この変形例では、初回ポンプ駆動開始時刻Ｔ０での循環ポンプ３３４の初回ポンプ駆動から周期駆動を実行する都度に、ポンプ駆動時間ＤＴを短くしている。こうすれば、循環ポンプ３３４の初回ポンプ駆動により、多くの循環供給量でアノードオフガスを当初には循環供給できるので、早期の内に水素ガスの混合を進めて濃度の均一化を図ることができる。この場合、ポンプ駆動時間ＤＴを同じにして、循環ポンプ３３４のポンプ出力を徐々に低減させたりすることもできる。
【００７２】
この他、循環ポンプ３３４の駆動状況を定めるポンプ出力波形を、図４に示した矩形波形以外とすることもできる。図８は循環ポンプ３３４を三角波波形のポンプ出力で駆動するポンプ周期駆動の様子を示す説明図、図９は循環ポンプ３３４を山形波形のポンプ出力で駆動するポンプ周期駆動の様子を示す説明図である。これらポンプ波形により循環ポンプ３３４をポンプ駆動サイクルタイムＣＴを持って周期駆動させても、既述した効果を奏することができる。
【００７３】
また、上記の実施例では、ポンプ駆動サイクルタイムＣＴの間において、詳しくはポンプ駆動サイクルタイムＣＴからポンプ駆動時間ＤＴを差し引いた時間に亘って、循環ポンプ３３４を停止制御するようにしたが、次のように変形することもできる。図１０はポンプ駆動サイクルタイムＣＴを持って循環ポンプ３３４を周期駆動する際に循環ポンプ３３４を低出力にて運転させたポンプ周期駆動の様子を示す説明図である。この変形例では、低出力とはいえ、循環ポンプ３３４によるアノードオフガスの循環供給を継続できることから、ポンプ駆動時間ＤＴでの循環ポンプ３３４の周期駆動回数を減らしたり、水素消費完了予想時間ＴＥを短くしても、水素ガス濃度の均一化を高い実効性で図ることができる。
【００７４】
また、ポンプ駆動サイクルタイムＣＴについては一定としたが、ポンプ駆動サイクルタイムＣＴを、当初は長くして、徐々に短くするようにもできる。ポンプ周期駆動の終期を定める時間を本実施例では、水素消費完了予想時間ＴＥとしたが、例えば、燃料電池２０の運転が停止される以前の運転継続時間に応じて、ポンプ周期駆動の終期を定める時間を設定するようにすることもできる。
【００７５】
この他、上記した実施例では、電池内流入流路２０ｉｎを流路末端側が閉塞したデッドエンドの流路とした燃料電池２０について説明したが、これに限られるものではない。
【符号の説明】
【００７６】
１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
２０ｉｎ…電池内流入流路
２０ｏｕｔ…電池内流出流路
２１、２１ｔ〜２１ｅ…単セル
２３…エンドプレート
３０…燃料ガス給排部
５０…酸化ガス給排部
９０…制御装置
３０２…燃料ガス供給源
３１０…アノード供給路
３１４…上流側バルブ
３２０…アノード排出路
３２２…アノード排出バルブ
３３０…アノード循環路
３３２…循環入口バルブ
３３４…循環ポンプ
５０２…酸化ガス供給源
５１０…カソード供給路
５２０…カソード排出路
５２２…カソード排出バルブ
９１０…運転制御部
９１２…ガス供給制御部
９１４…ポンプ発電制御部
９１６…ガス供給停止部
９１８…ポンプ周期制御部
９２０…記憶部
９３０…インタフェース
【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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