(57)【要約】【課題】安全性を担保しつつ消費電力を抑制させることができる燃料電池システムを提案する。【解決手段】  本発明の燃料電池システムは、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出経路と、アノードオフガス排出経路に設けられたパージ弁と、アノードオフガスを希釈するための空気をアノードオフガス排出経路に供給する第１空気供給器と、制御器と、を備え、制御器は、燃料電池の発電時以外においてパージ弁を開状態とするときは、燃料電池の発電時においてパージ弁を開状態とするときよりも多く空気をアノードオフガス排出経路に供給するように第１空気供給器を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出経路と、
前記アノードオフガス排出経路に設けられたパージ弁と、
前記アノードオフガスを希釈するための空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する第１空気供給器と、
制御器と、を備え、
前記制御器は、前記燃料電池の発電時以外において前記パージ弁を開状態とするときは、前記燃料電池の発電時において前記パージ弁を開状態とするときよりも多く前記空気を前記アノードオフガス排出経路に供給するように第１空気供給器を制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池で発生した熱を回収する熱媒体が循環する熱媒体循環経路と、
前記熱媒体循環経路に設けられた熱交換器と、を備え、
前記第１空気供給器は、前記空気を前記熱交換器に供給するとともに、該熱交換器に供給した該空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御器は、前記熱媒体循環経路を循環する熱媒体の温度を示す第１温度に基づいて前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を算出し、算出した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器を動作させるように制御する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御器は、前記アノードオフガス排出経路における前記パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力に基づいて、前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を算出し、算出した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器を動作させるように制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御器は、前記アノードオフガス排出経路を流通する前記アノードオフガスの温度である第２温度に基づいて、前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を決定し、決定した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器を動作させるように制御する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する第２空気供給器をさらに備え、
前記制御器は、少なくとも前記燃料電池の発電時以外において前記パージ弁を開状態とするときは、前記燃料電池の発電時において前記パージ弁を開状態とするときよりも多く前記空気を前記アノードオフガス排出経路に供給するように、前記第１空気供給器および前記第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させるように制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池で発生した熱を回収する熱媒体が循環する熱媒体循環経路と、
前記熱媒体循環経路に設けられた熱交換器と、を備え、
前記第１空気供給器は、前記空気を前記熱交換器に供給するとともに、該熱交換器に供給した該空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御器は、前記熱媒体循環経路を循環する熱媒体の温度を示す第１温度に基づいて前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を算出し、算出した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器および前記第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させるように制御する請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御器は、前記アノードオフガス排出経路における前記パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力に基づいて、前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を算出し、算出した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器および前記第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させるように制御する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記制御器は、前記アノードオフガス排出経路を流通する前記アノードオフガスの温度である第２温度に基づいて、前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を決定し、決定した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器および前記第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させるように制御する、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記熱媒体循環経路に設けられた、前記第１温度を検知する第１温度検知器を備える、請求項３または８に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記アノードオフガス排出経路における前記パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力を検知する圧力検知器を備える、請求項４または９に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第２温度を検知する第２温度検知器を備える、請求項５または１０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、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池のアノードからアノードオフガスを排出する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムから排出される排ガスを空気により希釈させて外部に排気する構成が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１に開示された燃料電池システムは、アノードオフガス（アノードパージガス）を排気する排気菅と、燃料電池を冷却するために燃料電池内を通過して循環する熱媒体（冷却水）と、この熱媒体を冷却させるためのラジエータと、ラジエータを通過する空気の流量（体積流量）を増大させるためのラジエータファンとを備えている。そして、ラジエータファンの回転によって発生した空気流は、ラジエータを通過した後、ガイド配管を通じて収容ケース外に導かれる。この排気菅の端部とガイド配管の出口部とが隣接して設けられており、ガイド配管を通じて導かれた空気流によって排気菅から排気されるアノードオフガスを拡散させることができる。
【０００４】
このような構成において、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、上記した構成において、燃料電池の起動直後から所定時間の間、ラジエータファンを最大回転数で回転させるように制御するとともに、循環する熱媒体の流量が小さくなるように制御する。このように制御することによって、特許文献１に開示された燃料電池システムは、燃料電池の起動直後に行われるアノードパージにおいて、排出されるアノードオフガス中の水素濃度を低減させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−６５９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献１に開示された従来技術では、燃料電池の起動直後から所定時間の間、ラジエータファンを最大回転数で回転させるように制御する構成であり、アノードオフガスを希釈する際に必要流量以上の空気を供給させてしまう可能性がある。このため、燃料電池の起動時においてアノードオフガスを希釈する際、ラジエータファンを回転させるために消費される電力量が大きくなるという問題がある。
【０００７】
本発明は、一例として、安全性を担保しつつ消費電力を抑制させることができる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムの一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出経路と、前記アノードオフガス排出経路に設けられたパージ弁と、前記アノードオフガスを希釈するための空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する第１空気供給器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電時以外において前記パージ弁を開状態とするときは、前記燃料電池の発電時において前記パージ弁を開状態とするときよりも多く前記空気を前記アノードオフガス排出経路に供給するように第１空気供給器を制御する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、安全性を担保しつつ消費電力を抑制させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】発電時および起動時それぞれにおいてパージにより排出されるアノードオフガスの流量と、アノードオフガス排出経路の所定位置と大気圧との間の圧力差の関係を示すグラフである。
【図２】実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムにおいて実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池システムにおいて実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態の変形例２に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施形態の変形例２に係る燃料電池システムにおいて実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態の変形例３に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。
【図９】本発明の実施形態の変形例３に係る燃料電池システムにおいて実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施形態の変形例４に係る燃料電池システムの構成の一例を模式的に示す図である。
【図１１】本発明の実施形態の変形例４に係る燃料電池システムにおいて実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本発明の一形態を得るに至った経緯）
燃料電池の発電時、燃料電池スタックのアノード側には、発電に必要な消費量より余分の燃料ガス（水素）が供給される。そして、発電に利用されなかった水素と、発電により生成した水蒸気と、電解質膜を通してカソードから侵入してきた窒素とが混合されたアノードオフガスが燃料電池スタックから排出される。
【００１２】
ここで、燃料電池においてアノードに燃料ガス（水素）を供給する方法として、デットエンド方式や循環供給方式が挙げられる。例えば、デッドエンド方式の燃料電池では、アノードの出口が封止され、燃料電池の発電に必要な水素量だけ供給することにより、水素供給量が削減されている。また、循環供給方式では、燃料電池スタックのアノードに水素を供給し、該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側に戻し、新たに供給された水素とともに燃料電池スタックに再供給する。この方式では、アノード経路内に窒素が経時的に蓄積されていく。このため、窒素を排出させるために所定のタイミングで循環経路のパージを行う必要がある。具体的には循環経路から分岐したアノードオフガス排出経路と、アノードオフガス排出経路中に設けられたパージ弁とを備え、所定のタイミングでパージ弁を開くことによりアノードオフガス排出経路を通じてアノードオフガスを大気中に放出させる。
【００１３】
なお、アノードオフガス排出経路を通じてアノードオフガスを排出させる場合、アノードオフガスをそのまま、大気中に排出させることができず、アノードオフガスを空気と混合させてアノードオフガス中の水素濃度が爆発限界よりも小さくなるように低下させる必要がある。例えばこのような循環供給方式等において、所定のタイミングでアノードオフガスのパージを行う構成について、本発明者らは鋭意検討を行った結果、以下の知見を得た。
【００１４】
すなわち、図１に示すように、本発明者らは、アノードオフガス排出経路においてパージ弁よりも上流側を流通するアノードオフガスの圧力と、大気圧との圧力差が大きくなればなるほど、アノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの単位時間あたりの体積（体積流量）が大きくなることを見出した。さらにまた、アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの温度によっても、アノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの体積流量が異なることに気が付いた。なお、以下では、アノードオフガスの体積流量を単にアノードオフガスの流量と称する。
【００１５】
図１は、発電時および起動時それぞれにおいてパージにより排出されるアノードオフガスの流量と、アノードオフガス排出経路の所定位置と大気圧との間の圧力差の関係を示すグラフである。図１に示す実験では、所定位置は、アノードオフガスの流通方向において、アノードオフガス排出経路におけるパージ弁の上流側の位置とした。
【００１６】
また、図１では、実線により起動時における上記した圧力差とアノードオフガスの流量との関係を示し、破線により発電時における上記した圧力差とアノードオフガスの流量との関係を示している。起動時においてパージにより排出されるアノードオフガスの温度は常温に準じた温度でありここでは２７℃とした。一方、発電時においてパージにより排出されるアノードオフガスの温度は、燃料電池スタック温度に準じた温度である。ここでは燃料電池スタック温度と相関のある該燃料電池スタックを冷却するための熱媒体の温度からアノードオフガス温度を規定した。具体的には、アノードオフガス温度は、燃料電池スタックに流入する熱媒体の温度が５７℃であり、燃料電池スタックから排出される熱媒体の温度が７１℃となるときの温度であり、約７０℃とした。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池の発電時および起動時のいずれの場合も、圧力差が大きくなればなるほど大気中に排出されるアノードオフガスの流量が大きくなることが分かった。また、圧力差が同じであったとしても、燃料電池の発電時のように起動時よりもアノードオフガスの温度が高温となる場合の方が、パージにより排出されるアノードオフガスの流量が小さくなることが分かった。これは、燃料電池の温度が発電時と比べて低いとき（例えば、起動時または運転停止時などの発電時以外のとき）においてパージにより排出されるアノードオフガスよりも発電時においてパージにより排出されるアノードオフガスの方が、露点が高くなり、含まれる水蒸気の割合が高くなる、換言すると水素の割合が低くなることに起因する。
【００１８】
つまり、水素は水蒸気よりもパージ弁を通過する際の圧力損失が小さい。このため、発電時においてパージにより排出されるアノードオフガスの方が、起動時においてパージにより排出されるアノードオフガスよりも流れにくくなる。その結果、発電時においてパージにより排出されるアノードオフガスの流量は、燃料電池の温度が発電時と比べて低いとき（例えば、起動時または運転停止時などの発電時以外のとき）においてパージにより排出されるアノードオフガスの流量よりも小さくなることを見出した。
【００１９】
以上より、本発明者らは、パージ弁を通過して排出されるアノードオフガスの流量は、パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスと大気との圧力差、および／またはアノードオフガスの温度に基づいて推定できることを見出した。例えば、パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力と大気との圧力差が一定であり、アノードオフガスの温度が変動する場合、アノードオフガスの温度に基づいて、パージにより排出されるアノードオフガスの流量を推定することができる。逆に、アノードオフガスの温度が一定であり、パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスと大気との圧力差が変動する場合、この圧力差に基づいて、パージにより排出されるアノードオフガスの流量を推定することができる。また、アノードオフガスの温度、およびパージ弁の上流側を流通するアノードオフガスと大気との圧力差がともに変動する場合、アノードオフガスの温度とこの圧力差とに基づいて、パージにより排出されるアノードオフガスの流量を推定することができる。
【００２０】
上記した知見に基づき、本発明者らは、特許文献１に開示された燃料電池システムに関して鋭意検討を行った。具体的には、特許文献１の燃料電池システムでは、アノードオフガスの排出時にはラジエータファン（熱交換器用ファン）を最大回転数で駆動している。これにより、ラジエータファンによる空気で、排気菅から排気されるアノードオフガスを拡散させることができる。
【００２１】
しかしながら、ラジエータファンを最大回転数で駆動するとラジエータファンの回転により発生した空気によって熱媒体（冷却水）の温度が下がり過ぎるだけでなく、ラジエータファンによって消費される電力量も多くなってしまう。特許文献１に開示された燃料電池システムでは、熱媒体の温度が下がり過ぎるという問題については、ラジエータファンを最大回転数で駆動している間は、循環する熱媒体の流量を小さくするように循環ポンプの回転を制御することで対処している。しかしながら、消費電力量の増大については考慮されていない。
【００２２】
そこで、本発明者らはアノードオフガスに空気を混合させることで希釈して排出させる構成の場合、発電時において供給させる空気の流量よりも、起動時等の発電時以外において供給させる空気の流量の方が多くなるように制御する必要があることに気が付いた。特に、燃料電池の発電時以外におけるアノードオフガスの温度と発電時におけるアノードオフガスの温度との違いに起因するアノードオフガス中の水素濃度の違いを考慮して、発電時以外では、発電時よりも適切な流量だけ多くなる空気をアノードオフガス排出経路に供給することが、燃料電池システムにおいて消費される電力量を抑制しつつ、安全にアノードオフガスを希釈して排出する上で重要であることを見出した。
【００２３】
そこで、本発明者らはこの問題点に関し、鋭意検討を重ねた結果、本発明に至った。そして、本発明では以下に示す態様を提供する。
【００２４】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、上記した課題を解決するために、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガスを排出するためのアノードオフガス排出経路と、前記アノードオフガス排出経路に設けられたパージ弁と、前記アノードオフガスを希釈するための空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する第１空気供給器と、制御器と、を備え、前記制御器は、前記燃料電池の発電時以外において前記パージ弁を開状態とするときは、前記燃料電池の発電時において前記パージ弁を開状態とするときよりも多く前記空気を前記アノードオフガス排出経路に供給するように第１空気供給器を制御する。
【００２５】
ここで、燃料電池の発電時以外とは、例えば、燃料電池の起動時が挙げられる。起動時とは、燃料電池システムに対して起動指令が入力されてから燃料電池の温度（燃料電池のスタック温度）が発電時（定常運転時）の所定温度まで上昇するまでの期間である。発電時（定常運転時）の所定温度は、燃料電池のスタックの構成に応じて予め設定されている。また、起動時以外の期間であって、発電時よりも燃料電池の温度が低くなる期間があり、このような期間も発電時以外の期間に含めることができる。このような期間としては、例えば、燃料電池の待機運転時または停止運転時が挙げられる。待機運転時とは、燃料電池の温度が発電時の温度まで到達しておらず、燃料電池は、外部負荷に電力を供給していない状態である。また、停止運転時とは、燃料電池の電力出力を一定の変化率で低減させつつ停止させる運転状態である。
【００２６】
上記構成によると、発電時以外にパージ弁を開状態とするときは、第１空気供給器の風量を発電時にパージ弁を開状態とするときよりも増加させることができるため、アノードオフガスの流量が発電時よりも多くなる、起動時等の発電時以外において、アノードオフガスを希釈させるために十分な流量の空気を確保できる。また、発電時以外においてパージ弁が開かれているときにアノードオフガス排出経路に空気を供給する際、上記した従来技術のように第１空気供給器を最大回転数で駆動させる構成ではないため、消費電力量の増大を抑制することができる。
【００２７】
よって、本発明に係る燃料電池システムは、安全性を担保しつつ消費電力を抑制させることができるという効果を奏する。
【００２８】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記燃料電池で発生した熱を回収する熱媒体が循環する熱媒体循環経路と、前記熱媒体循環経路に設けられた熱交換器と、を備え、前記第１空気供給器は、前記空気を前記熱交換器に供給するとともに、該熱交換器に供給した該空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する構成であってもよい。
【００２９】
上記構成によると、第１空気供給器は、アノードオフガスを希釈するために空気を供給する空気供給器と、熱媒体を冷却させるために熱交換器に空気を供給する空気供給器とを兼ねることができる。
【００３０】
このため、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムは、製造コストの低減を図るとともに、燃料電池システム内のレイアウトの自由度を高めることができる。
【００３１】
本発明の第３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記制御器は、前記熱媒体循環経路を循環する熱媒体の温度を示す第１温度に基づいて前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を算出し、算出した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器を動作させるように制御する構成であってもよい。
【００３２】
ここで第１温度として示される熱媒体の温度は、燃料電池の温度および燃料電池から排出されるアノードオフガスの温度と相関がある。また、「本発明の一形態を得るに至った経緯」で述べたように、アノードオフガスの温度は、アノードオフガス排出経路から排出されるアノードオフガスの流量と相関する。
【００３３】
上記構成によると、制御器は、燃料電池から排出されるアノードオフガスの温度を、熱媒体の温度を示す第１温度で代替させることができる。また、制御器は、この第１温度からアノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの流量を推定することができるため、アノードオフガス排出経路に供給するにあたり必要となる空気の流量を求めることができる。
【００３４】
このように、制御器は、アノードオフガスの温度を直接、検知することなくアノードオフガスを希釈するために必要な空気の流量を決定し、第１空気供給器を動作させてアノードオフガス排出経路に供給させることができる。
【００３５】
よって、本発明の第３の態様に係る燃料電池システムでは、アノードオフガスの温度に応じて必要となる空気の流量を、アノードオフガス排出経路に供給させることができるため、第１空気供給器で消費される電力量を抑えることができる。
【００３６】
なお、この第１温度は、例えば、熱媒体循環経路において熱媒体を循環させる循環ポンプ等の回転数から求めた熱媒体の流量と、燃料電池の発電状態から求めた燃料電池における発熱量とから得てもよい。
【００３７】
本発明の第４の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記制御器は、前記アノードオフガス排出経路における前記パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力に基づいて、前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を算出し、算出した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器を動作させるように制御する構成であってもよい。
【００３８】
アノードオフガス排出経路においてパージ弁の上流側を流通するアノードオフガスとアノードオフガス排出経路の外部（大気中）との圧力差の大きさは、上記した「本発明の一形態を得るに至った経緯」でも述べたように、アノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの流量と相関する。なお、パージ弁の上流側とは、アノードオフガスの流通方向においてパージ弁よりも上流に位置する部分を意味する。
【００３９】
上記構成によると、制御器は、アノードオフガス排出経路においてパージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力から、アノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの流量を推定することができる。このため、制御器は、アノードオフガス排出経路に供給するにあたり必要となる空気の流量を求めることができる。
【００４０】
よって、本発明の第４の態様に係る燃料電池システムでは、アノードオフガス排出経路においてパージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力に応じて、必要となる空気の流量を求め、アノードオフガス排出経路に供給させることができるため、第１空気供給器で消費される電力量を抑えることができる。
【００４１】
なお、パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力は、例えば、アノードに燃料ガスを供給するブースターポンプ等の羽根車を動作させるモーターの出力等から得てもよい。
【００４２】
本発明の第５の態様に係る燃料電池システムは、上記した第２の態様において、前記制御器は、前記アノードオフガス排出経路を流通する前記アノードオフガスの温度である第２温度に基づいて、前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を決定し、決定した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器を動作させるように制御するように構成してもよい。
【００４３】
アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの温度は、上記した「本発明の一形態を得るに至った経緯」でも述べたように、アノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの流量と相関する。
【００４４】
上記構成によると、制御器は、アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの温度から、アノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの流量を求めることができるため、アノードオフガス排出経路に供給するにあたり必要となる空気の流量を求めることができる。
【００４５】
よって、本発明の第５の態様に係る燃料電池システムでは、アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの温度に応じて必要となる空気の流量を、アノードオフガス排出経路に供給させることができるため、第１空気供給器で消費される電力量を抑えることができる。
【００４６】
本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、上記した第１の態様において、前記空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する第２空気供給器をさらに備え、前記制御器は、少なくとも前記燃料電池の発電時以外において前記パージ弁を開状態とするときは、前記燃料電池の発電時において前記パージ弁を開状態とするときよりも多く前記空気を前記アノードオフガス排出経路に供給するように、前記第１空気供給器および前記第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させるように制御する構成であってもよい。
【００４７】
上記構成によると、本発明の第６の態様に係る燃料電池システムは、さらに第２空気供給器を備えるため、この第２空気供給器と第１空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させることで必要な空気の流量をアノードオフガス排出経路に供給することができる。
【００４８】
したがって、第１空気供給器または第２空気供給器それぞれでは、必要な流量の空気をアノードオフガス排出経路に供給する能力が無い場合であっても、両者を動作させることで必要な流量の空気をアノードオフガス排出経路に供給させることができる。
【００４９】
このため、燃料電池の発電時に必要とされる流量より大きな流量の空気を供給可能とする高性能な空気供給器を予め設けておく必要がなく製造コストを抑制することができる。
【００５０】
本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、上記した第６の態様において、前記燃料電池で発生した熱を回収する熱媒体が循環する熱媒体循環経路と、前記熱媒体循環経路に設けらた熱交換器と、を備え、前記第１空気供給器は、前記空気を前記熱交換器に供給するとともに、該熱交換器に供給した該空気を前記アノードオフガス排出経路に供給する構成であってもよい。
【００５１】
上記構成によると、第１空気供給器は、アノードオフガスを希釈するために空気を供給する空気供給器と、熱媒体を冷却させて温度を制御するために熱交換器に空気を供給する空気供給器とを兼ねることができる。
【００５２】
このため、本発明の第７の態様に係る燃料電池システムは、製造コストの低減を図るとともに、燃料電池システム内のレイアウトの自由度を高めることができる。
【００５３】
本発明の第８の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７の態様において、前記制御器は、前記熱媒体循環経路を循環する熱媒体の温度を示す第１温度に基づいて前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を算出し、算出した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器および前記第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させるように制御する構成であってもよい。
【００５４】
上記構成によると、制御器は、燃料電池から排出されるアノードオフガスの温度を、熱媒体の温度を示す第１温度で代替させることができる。また、制御器は、この第１温度からアノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの流量を推定することができるため、アノードオフガス排出経路に供給する必要な空気の流量を求めることができる。
【００５５】
このように、制御器は、アノードオフガスの温度を直接、検知することなくアノードオフガスを希釈するために必要な空気の流量を決定し、第１空気供給器および第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させてアノードオフガス排出経路に供給することができる。
【００５６】
よって、本発明の第８の態様に係る燃料電池システムでは、アノードオフガスの温度に応じて、必要となる空気の流量を求め、アノードオフガス排出経路に供給させることができるため、第１空気供給器および第２空気供給器で消費される電力量を抑えることができる。
【００５７】
本発明の第９の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７の態様において、前記制御器は、前記アノードオフガス排出経路における前記パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力に基づいて、前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を算出し、算出した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器および前記第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させるように制御する構成であってもよい。
【００５８】
上記構成によると、制御器は、アノードオフガス排出経路におけるパージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力から、アノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの流量を推定することができる。このため、制御器は、アノードオフガス排出経路に供給するにあたり必要となる空気の流量を求めることができる。
【００５９】
よって、本発明の第９の態様に係る燃料電池システムでは、パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力に応じて、必要となる空気の流量を求め、アノードオフガス排出経路に供給させることができるため、第１空気供給器および第２空気供給器で消費される電力量を抑えることができる。
【００６０】
本発明の第１０の態様に係る燃料電池システムは、上記した第７の態様において、前記制御器は、前記アノードオフガス排出経路を流通する前記アノードオフガスの温度である第２温度に基づいて、前記アノードオフガス排出経路に供給する前記空気の流量を決定し、決定した該空気の流量に応じて、前記第１空気供給器および前記第２空気供給器の少なくともいずれか一方を動作させるように制御する構成であってもよい。
【００６１】
上記構成によると、制御器は、アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの温度から、アノードオフガス排出経路を通じて排出されるアノードオフガスの流量を求めることができるため、アノードオフガス排出経路に供給するにあたり必要となる空気の流量を求めることができる。
【００６２】
よって、本発明の第１０の態様に係る燃料電池システムでは、アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの温度に応じて必要となる空気の流量を、アノードオフガス排出経路に供給させることができるため、第１空気供給器および第２空気供給器で消費される電力量を抑えることができる。
【００６３】
本発明の第１１の態様に係る燃料電池システムは、上記した第３または第８の態様において、前記熱媒体循環経路に設けられた、前記第１温度を検知する第１温度検知器を備える構成であってもよい。
【００６４】
上記構成によると第１温度検知器を備えるため、熱媒体循環経路を循環する熱媒体の温度を示す第１温度を検知することができる。さらには、この第１温度からアノードオフガスの温度を求め、求めたアノードオフガスの温度に基づきアノードオフガス排出経路から排出されるアノードオフガスの流量を推定することができる。
【００６５】
このように、第１温度検知器は、熱媒体循環経路における熱媒体の温度管理を行うための検知器として機能するとともに、アノードオフガス排出経路に供給すべき空気流量を求めるための情報を得るための検知器として機能することができる。このため、本発明の第１１の態様に係る燃料電池システムは、熱媒体の温度管理を行うための検知器と、アノードオフガス排出経路に供給すべき空気流量を求めるための情報を得るための検知器とをそれぞれ別々に設ける必要がない。それゆえ、製造コストを増加させることなく、適切な流量の空気をアノードオフガス排出経路に供給することができる。
【００６６】
本発明の第１２の態様に係る燃料電池システムは、上記した第４または第９の態様において、前記アノードオフガス排出経路における前記パージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力を検知する圧力検知器を備える構成であってもよい。
【００６７】
上記構成によると圧力検知器を備えるため、アノードオフガス排出経路におけるパージ弁の上流側を流通するアノードオフガスの圧力を検知することができる。さらには、この検知した圧力からアノードオフガス排出経路に供給する必要な空気流量を求めることができる。
【００６８】
このため、本発明の第１２の態様に係る燃料電池システムは、アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの圧力が変動したとしても、検知した圧力に基づきアノードオフガスの流量を求めることで、適切な流量の空気をアノードオフガス排出経路に供給させることができる。
【００６９】
本発明の第１３の態様に係る燃料電池システムは、上記した第５または第１０の態様において、前記第２温度を検知する第２温度検知器を備える構成であってもよい。
【００７０】
上記構成によると第２温度検知器を備えるため、アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの温度を検知することができる。さらには、この検知した第２温度からアノードオフガス排出経路に供給する必要な空気流量を精度よく求めることができる。
【００７１】
このため、本発明の第１３の態様に係る燃料電池システムは、アノードオフガス排出経路を流通するアノードオフガスの温度が変動したとしても、検知した第２温度に基づきアノードオフガスの流量を求めることで、適切な流量の空気をアノードオフガス排出経路に供給させることができる。
【００７２】
以下、実施形態の具体例について、図面を参照して説明する。
【００７３】
（実施形態）
［燃料電池システムの構成］
まず、図２を参照して、実施形態に係る燃料電池システム１００の構成について説明する。図２は、実施形態に係る燃料電池システム１００の構成の一例を模式的に示す図である。
【００７４】
図２に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、アノードオフガス排出経路２と、パージ弁３と、第１空気供給器４と、制御器５と、を備える。
【００７５】
燃料電池１は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。燃料電池１は、例えば、電解質（図示せず）と、これを挟む一対の電極（図示せず）を備える複数の単セルを含み、これらの単セルを積層させたスタック（図示せず）を備える。なお、アノードに供給される燃料ガスとして、例えば、水素などを例示できる。燃料ガスが水素の場合、アノードを通過し排出されるアノードオフガスは、オフ水素ガスである。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００では、燃料ガス供給源（図示せず）から燃料ガス（水素）が燃料ガス供給経路（図示せず）を通じて、燃料電池１のアノードに供給されている。燃料ガス供給源は、所定の供給元圧を有した、例えば、燃料ガスインフラ、燃料ガスボンベなどを例示できる。
【００７６】
燃料電池１としては、いずれの種類であってもよい。本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１として固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を例に挙げて説明するが、これに限定されない。また、燃料電池１における燃料ガスの供給方式は、循環供給方式であってもよい。循環供給方式により燃料ガスが供給される構成の場合、アノードオフガスが循環する循環経路（図示せず）と連通するようにアノードオフガス排出経路２が設けられる。
【００７７】
アノードオフガス排出経路２は、燃料電池１のアノードを通過したアノードオフガスを大気中に排出するための流路である。アノードオフガス排出経路２にはパージ弁３が設けられており、パージ弁３が開状態となってアノードオフガス排出経路２を開放させると、アノードオフガスはアノードオフガス排出経路２を介し大気中に放出される。パージ弁３は、アノードオフガス排出経路２を開放および閉止できれば、どのような構成であってもよい。例えば、パージ弁３は、アノードオフガス排出経路２において該経路を全開させたり全閉させたりする開閉弁でもよい。あるいは、パージ弁３は、アノードオフガス排出経路２の開度調整を可能とする流量調整弁（例えば、ニードル弁など）であってもよい。アノードオフガス排出経路２の下流端は大気に連通しており、パージ弁３は、アノードオフガスを大気中に放出するための機器として使用される。循環供給方式の場合、パージ弁３が閉状態にある間は、アノードオフガス中には、燃料ガス（水素）以外の不純物が経時的に増加していく。この不純物としては、例えば、燃料電池１のカソードから電解質膜を通じてアノード側へ漏れる窒素などを例示できる。アノードオフガス中の不純物が増加すると、アノードオフガス中の水素濃度は低下するので、燃料電池１の発電中には、適時に、パージ弁３を一時的に開くことで不純物を含むアノードオフガスを大気へ放出（パージ）する。これにより、アノードオフガス中の不純物の濃度を低減させることが可能となり、アノードオフガス中の水素濃度を回復させることができる。
【００７８】
第１空気供給器４は、アノードオフガス排出経路２に空気を供給する送風機である。第１空気供給器４は、アノードオフガス排出経路２から排出されるアノードオフガスの流量に応じて、必要となる流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給する。なお、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００では、アノードオフガスの流通方向において、アノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３よりも下流側で、アノードオフガスと空気とが合流し、アノードオフガスが希釈されるように構成されている。
【００７９】
また、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００では、アノードオフガス排出経路２に供給される空気の流量と、アノードオフガスの流量との関係は、該空気とアノードオフガスの混合気において、該アノードオフガスの割合が１％となるように規定されている。水素と空気とからなる混合気において水素の爆発限界の下限界は４％である。そこで、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００では、アノードオフガスを水素とみなし、供給される空気に対するアノードオフガスの割合が水素の爆発限界の下限界の１／４（１％）となるように規定している。なお、アノードオフガス排出経路２に供給される空気の流量と、アノードオフガスの流量との関係は、上記した関係に限定されるものではなく、アノードオフガスと空気との混合気において含まれる水素の割合が爆発限界の下限界よりも小さくなればよい。
【００８０】
第１空気供給器４は、アノードオフガスを希釈するための空気をアノードオフガス排出経路２に引き入れる、吸い込み型送風機であってもよいし、アノードオフガス排出経路２に空気を送る、吹き付け型送風機であってもよい。また、第１空気供給器４は、制御器５からの制御指示に応じて、アノードオフガス排出経路２に供給する風量が可変となっている。なお、風量の調整は、例えば、第１空気供給器４の羽根車を動作させるモーターの回転数を制御することによって行う構成であっても良い。第１空気供給器４は、ファンであってもよいし、コンプレッサなどの他の送風機であってもよい。
【００８１】
制御器５は、燃料電池システム１００が備える各部の各種制御を行うものであり、制御機能を有するものであればどのような構成であってもよい。例えば、制御器５は、演算回路（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶回路（図示せず）と、を備える。演算回路として、例えば、ＭＰＵ、ＣＰＵなどを例示できる。記憶回路として、例えば、メモリなどを例示できる。制御器５は、集中制御を行う単独の制御器で構成されていてもよいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されていてもよい。
【００８２】
制御器５は、例えば、燃料電池１の温度、燃料電池１の発電量などの情報に基づき、燃料電池に供給する燃料ガスの流量および酸化剤ガスの流量、ならびに燃料電池から排出されるオフガス（アノードオフガスおよびカソードオフガス）の流量を調整するように、燃料ガス供給器（図示せず）およびカソードガス供給器等を制御することができる。
【００８３】
また、制御器５は、所定のタイミングでアノードオフガス排出経路２においてパージ弁３を開状態とするように制御したとき、燃料電池１の稼働状態に応じて、必要となる流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給するように第１空気供給器を制御する。例えば、制御器５は、燃料電池１の起動時においてパージ弁３を開状態とするとき、アノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量が、燃料電池１の発電時（定常運転時）にパージ弁３を開状態とするときよりも多くなるように第１空気供給器を制御する。
【００８４】
なお、上記した起動時以外の期間であって、発電時（定常運転時）よりも燃料電池１の温度が低くなる期間にパージ弁３を開状態とするときも起動時と同様に、アノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量が、燃料電池１の発電時（定常運転時）にパージ弁３を開状態とするときよりも多くなるように第１空気供給器４を制御するように構成されていてもよい。なお、発電時（定常運転時）以外の期間としては、例えば、起動時が挙げられる。起動時とは、燃料電池システム１００の制御器５に対して起動指令が入力されてから燃料電池１の温度（燃料電池のスタック温度）が発電時（定常運転時）の所定温度まで上昇するまでの期間である。発電時（定常運転時）の所定温度は、燃料電池のスタックの構成に応じて予め設定されており、ＰＥＦＣの場合は例えば、５７℃とすることができる。
【００８５】
また、起動時以外の期間であって、発電時（定常運転時）よりも燃料電池１の温度が低くなる期間があり、そのような期間も発電時以外の期間に含める。例えば、燃料電池１の待機運転時または停止運転時が挙げられる。待機運転時とは、燃料電池１の温度が発電時（定常運転時）の温度まで到達しておらず、燃料電池１は、外部負荷に電力を供給していない状態である。また、停止運転時とは、燃料電池１の電力出力を一定の変化率で低減させつつ停止させる運転状態である。
【００８６】
本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００では、少なくとも、燃料電池１の発電時以外においてパージ弁３を開状態とするとき、上記したように、アノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量が、燃料電池１の発電時（定常運転時）にパージ弁３を開状態とするときよりも多くなるように第１空気供給器４を制御する。
【００８７】
つまり、図１に示すように、パージ弁３を通過しアノードオフガス排出経路２を流通するアノードオフガスの流量は、アノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力と大気圧との圧力差、および／またはアノードオフガスの温度によって推定できる。燃料電池１の温度が低く、それにともなってアノードオフガスの温度が低くなる場合、露点が低いため、アノードオフガス中に含まれる水蒸気の割合が小さくなる。そのため、アノードオフガス中に含まれる水素の割合が高くなり、パージ弁３を通過する際の圧力損失が小さくなり、アノードオフガスの流量が増えることとなる。したがって、アノードオフガスの温度が低くなる場合、アノードオフガスを希釈するために必要となる空気の流量が多くなる。
【００８８】
なお、燃料電池１の発電時でのアノードオフガスの温度および発電時以外でのアノードオフガスの温度および／またはパージ弁の上流側を流通するアノードオフガスと大気との圧力差を予め調べておき、制御器５がこれらアノードオフガスの温度に基づき、それぞれの運転状態に応じた空気の流量を設定できるように構成されていてもよい。そして、制御器５は、パージ弁が開状態となった時に、運転状態に応じて設定されている流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給する構成としてもよい。
【００８９】
なお、図２において特に図示されてはいないが、燃料電池システム１００は、燃料電池１の発電において必要となる機器を適宜、備えている。例えば、燃料電池システム１００は、燃料電池１のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給器を備えてもよい。酸化剤ガスとして、例えば、空気を例示できる。酸化剤ガスが空気の場合、酸化剤ガス供給器として、例えば、ブロア、シロッコファンなどの送風機を例示できる。また、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給経路を流通する燃料ガスを加湿するための加湿器をさらに備えてもよい。また、燃料ガス供給源の供給元圧が燃料電池システム１００において必要な供給圧力（燃料ガスの供給圧力）よりも高い場合、燃料ガス供給経路において、燃料ガスの圧力を下げて一定の供給圧力とするためのガバナなどが設けられていてもよい。
【００９０】
［空気供給制御］
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００においてパージ弁３を開状態とするときに実施される、アノードオフガス排出経路２へ空気を供給する空気供給制御について図３を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００において実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【００９１】
なお、以下に示す空気供給制御の各ステップは、例えば、制御器５の演算回路が記憶装置から制御プログラムを読み出し、実行することで実現することができる。
【００９２】
まず、ステップＳ１１では制御器５は、燃料電池１が発電時なのか否かを判定する。発電時であると判定した場合（ステップＳ１１で「Ｙｅｓ」）、制御器５は、発電時においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量に設定する（Ｓ１２）。一方、燃料電池１が発電時以外（例えば、起動時）であると判定した場合（ステップＳ１１で「Ｎｏ」）、制御器５は、発電時以外の運転時においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量に設定する（ステップＳ１３）。
【００９３】
なお、ステップＳ１２およびステップＳ１３における、空気の流量の設定方法は、燃料電池１の発電時または発電時以外（例えば、起動時）において推算されたデータを用いて決定することができる。例えば、図１に示すように、パージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスと大気との圧力差が３ｋＰａになるとした場合、発電時以外の時（起動時）にアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量は、発電時にアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量の約２．５倍となるように設定する。
【００９４】
次に制御器５は、パージ弁３を開状態とするタイミングか否か判定する（ステップＳ１４）。上記したように、アノードオフガス中の不純物が増加すると、アノードオフガス中の水素濃度が低下する。このため、例えば、循環供給方式で燃料ガスをアノードに供給する構成では、燃料電池１の発電中に、適時のタイミングで、パージ弁３を一時的に開く必要がある。
【００９５】
なお、パージ弁３を開状態とするタイミングは、前回のパージ弁３を開放した時から所定期間の経過後であってもよい。あるいは、制御器５が、パージ弁３の開放を指示する指示信号を、外部から受け付けたタイミングであってもよい。後者の場合、例えば、以下のようにして制御器５は指示信号を受けつける構成であってもよい。すなわち、燃料電池システム１００は、アノードオフガス中の水素濃度を検知する水素検知器（図示せず）を備え、この水素検知器がアノードオフガス中の水素濃度が所定濃度以下になったと判定すると、上記した指示信号を制御器５に送信する構成としてもよい。
【００９６】
一方、パージ弁３を開状態とするタイミングではない場合（ステップＳ１４において「Ｎｏ」）、パージ弁３の閉状態が維持され、ステップＳ１４の判定が繰り返される。
【００９７】
ステップＳ１４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、制御器５は、ステップＳ１２またはステップＳ１３で設定した流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給するように第１空気供給器４を制御する（ステップＳ１５）。なお、制御器５は、以下のようにして第１空気供給器４を制御する構成であってもよい。すなわち、燃料電池システム１００は、第１空気供給器４が備える羽根車の回転数または羽根車を動作させるモーターの回転数を検知する、回転数検知器（図示せず）をさらに備え、回転数検知器によって検知された検知データに基づくフィードバック制御によって制御器５が第１空気供給器４を制御する構成としてもよい。
【００９８】
このようにして第１空気供給器４が制御されると、制御器５は、パージ弁３を制御して開状態とする（ステップＳ１６）。これによりアノードオフガス排出経路２からアノードオフガスが空気によって希釈された状態で大気へ放出（パージ）される。このアノードオフガスのパージによって、燃料電池システム１００では、アノードオフガス中の不純物の濃度を低減させ、アノードオフガス中の水素濃度を回復させることができる。
【００９９】
次に、制御器５は、パージ弁３を閉状態とするタイミングになったか否か判定する（ステップＳ１７）。なお、パージ弁３を閉状態とするタイミングは、パージ弁３を開放した時から所定期間の経過後であってもよい。あるいは、制御器５が、パージ弁３の閉止を指示する指示信号を、外部から受け付けたタイミングであってもよい。後者の場合、例えば、以下のようにして制御器５は指示信号を受けつける構成であってもよい。すなわち、燃料電池システム１００は、アノードオフガス中の水素濃度を検知する水素検知器（図示せず）を備え、この水素検知器がアノードオフガス中の水素濃度が所定濃度以上になったと判定すると、上記した指示信号を制御器５に送信する構成としてもよい。
【０１００】
一方、パージ弁３を閉状態とするタイミングではない場合（ステップＳ１７において「Ｎｏ」）、パージ弁は開状態が維持され、ステップＳ１７の判定が繰り返される。
【０１０１】
一方、パージ弁３を閉状態とするタイミングになったと判定された場合（ステップＳ１７で「Ｙｅｓ」の場合）、制御器５は、パージ弁３を閉止するように制御し（ステップＳ１８）、その後、第１空気供給器４の動作を停止させるように制御する（ステップＳ１９）。そして、ステップＳ１１に戻って空気供給制御を繰り返す。
【０１０２】
なお、燃料電池システム１００では、ステップＳ１９において第１空気供給器４は動作を停止する構成であった。しかしながら、発電中において発熱する部材を冷却させる等、第１空気供給器４がアノードオフガス排出経路２に空気を供給させる以外の機能も兼ねている場合は、第１空気供給器４の動作を完全に停止させるのではなく、供給する空気の流量を低減させて、空気の供給を継続する構成であってもよい。
【０１０３】
以上のように、燃料電池システム１００は、空気供給制御を実施することにより、アノードオフガスの一部を空気で希釈させた状態で大気中に適切に放出させることができる。
【０１０４】
（変形例１）
［装置構成］
次に本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００について説明する。まず、燃料電池システム２００の装置構成について図４を参照して説明する。図４は本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００の構成の一例を模式的に示す図である。
【０１０５】
図４に示すように実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００は、実施形態に係る燃料電池システム１００と比較して、さらに第２空気供給器６を備えた構成となっている点で相違しており、それ以外の構成は同様となる。したがって、実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００において、実施形態に係る燃料電池システム１００と同一の部材については同じ番号を付し、その説明は省略する。
【０１０６】
第２空気供給器６は、アノードオフガス排出経路２に空気を供給する送風機である。第２空気供給器６は、アノードオフガス排出経路２から排出されるアノードオフガスの流量に応じて、必要となる流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給する。なお、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００では、アノードオフガスの流通方向において、アノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３よりも下流側でアノードオフガスと空気とが合流し、アノードオフガスが希釈されるように構成されている。
【０１０７】
第２空気供給器６は、アノードオフガスを希釈するための空気をアノードオフガス排出経路２に引き入れる、吸い込み型送風機であってもよいし、アノードオフガス排出経路２に空気を送る、吹き付け型送風機であってもよい。また、第２空気供給器６は、制御器５からの制御指示に応じて、アノードオフガス排出経路２に供給する風量が可変となっている。なお、風量の調整は、例えば、第２空気供給器６の羽根車を動作させるモーターの回転数を制御することによって行う構成であっても良い。第２空気供給器６は、ファンであってもよいし、コンプレッサなどの他の送風機であってもよい。
【０１０８】
［空気供給制御］
次に、本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００においてパージ弁３を開状態とするときに実施される、アノードオフガス排出経路２へ空気を供給する空気供給制御について図５を参照して説明する。図５は、本発明の実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００において実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【０１０９】
なお、図５におけるステップＳ２１〜ステップＳ２３、ステップＳ２８〜ステップＳ３３は、図３におけるステップＳ１１〜Ｓ１９と同様であるため詳細な説明は省略する。
【０１１０】
ステップＳ２２またはステップＳ２３で、発電時または発電時以外においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定すると、この設定した空気の流量に基づき、制御器５は、使用する空気供給器の組合せを、第１空気供給器４のみ、第２空気供給器６のみ、または第１空気供給器４および第２空気供給器６のいずれにするか判定する（ステップＳ２４）。
【０１１１】
使用する空気供給器の組合せの選択方法は、予め、第１空気供給器４および第２空気供給器６の有する性能に関する情報を保持しておき、この情報と設定した空気の流量とに基づき、空気供給器の組合せを選択する構成であってもよい。あるいは、設定される空気の流量に応じて、予め、第１空気供給器４のみを選択するのか、第２空気供給器６のみを選択するのか、第１空気供給器４および第２空気供給器６の両方を選択するのか決められていてもよい。
【０１１２】
ステップＳ２４の判定の結果、第１空気供給器４を選択する場合、制御器５は、第１空気供給器４によってアノードオフガス排出経路２に供給される空気の流量を設定する（ステップＳ２５）。第２空気供給器６を選択する場合、制御器５は、第２空気供給器６によってアノードオフガス排出経路２に供給される空気の流量を設定する（ステップＳ２６）。一方、第１空気供給器４および第２空気供給器６を選択する場合、制御器５は、第１空気供給器４および第２空気供給器６によってアノードオフガス排出経路２に供給される空気の流量を設定する（ステップＳ２７）。
【０１１３】
以上のようにして、選択された空気供給器の組合せによってアノードオフガス排出経路２に供給される空気の流量が設定される。そして、図３に示すステップＳ１４〜ステップＳ１９と同様にして、その後のステップＳ２８〜ステップＳ３３が実施される。
【０１１４】
なお、実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００は、第１空気供給器４および第２空気供給器６を備える構成であったが、備える空気供給器はこれら２つに限定されるものではなく、さらに別の空気供給器を備えた構成であってもよい。
【０１１５】
（変形例２）
［装置構成］
次に本発明の実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００について説明する。まず、燃料電池システム３００の装置構成について図６を参照して説明する。図６は本発明の実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００の構成の一例を模式的に示す図である。
【０１１６】
図６に示すように、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００は、実施形態に係る燃料電池システム１００と比較して、さらに、第２空気供給器６と、燃料電池１で発生した熱を回収する熱媒体と空気との間で熱交換させる熱交換器７と、燃料電池１と熱交換器７との間を熱媒体が循環する熱媒体循環経路８と、熱媒体循環経路８に設けられた、熱媒体の温度を示す第１温度を検知する第１温度検知器９と、を備える点で相違する。また、第１空気供給器４が、アノードオフガス排出経路２に空気を供給する機能に加えて、熱交換器７に空気を導き、熱媒体を冷却させて温度を制御する機能を兼ねている点でも相違する。すなわち、第１空気供給器４は、熱交換器７に空気を供給するとともに、該熱交換器７に供給した該空気をアノードオフガス排出経路２に供給するように構成されている。
【０１１７】
それ以外の構成については、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００は、実施形態に係る燃料電池システム１００と同様となる。したがって、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００において、実施形態に係る燃料電池システム１００と同一の部材については同じ番号を付し、その説明は省略する。
【０１１８】
熱媒体循環経路８は、燃料電池１の温度を所定の目標温度に維持するための熱媒体が流通する流路であり、燃料電池１及び熱交換器７を貫通し、燃料電池１と熱交換器７との間を循環している。なお、熱媒体としては、例えば、冷却水が挙げられる。この熱媒体循環経路８には、上記した燃料電池１、熱交換器７、第１温度検知器９に加えて、必要に応じて流量計および熱媒体を循環させるポンプ等がさらに設けられていてもよい。
【０１１９】
熱交換器７は、燃料電池１を流通する熱媒体と、空気との間で熱交換をさせる機器である。例えば、熱交換器７としては、フィンアンドチューブ型のラジエータが挙げられる。熱交換器７における空気と熱媒体との熱交換により、熱媒体の保有する熱は空気中に放出され、熱媒体は冷却される。なお、熱交換器７は、第１空気供給器によって空気が供給されるように構成されており、この構成により空気と熱媒体との熱交換の効率を向上させることができる。
【０１２０】
第１温度検知器９は、熱媒体循環経路８を流通する熱媒体の温度を示す第１温度を検知する装置である。第１温度検知器９は、熱媒体循環経路８を流通する熱媒体の温度を示す第１温度を検知できればどのような構成であっても良い。また、熱媒体循環経路８において第１温度検知器９が設けられる位置は任意である。例えば、図６に示すように、第１温度検知器９は、熱媒体の流通方向において熱交換器７より下流側であって、熱媒体が熱交換器７において空気との熱交換によって冷却された後に設けられてもよい。あるいは、第１温度検知器９は、熱媒体の流通方向において燃料電池１より下流側であって、熱媒体が燃料電池１によって加熱された後に設けられても良い。
【０１２１】
［空気供給制御］
次に、本発明の実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００においてパージ弁３を開状態とするときに実施される、アノードオフガス排出経路２へ空気を供給する空気供給制御について図７を参照して説明する。図７は、本発明の実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００において実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【０１２２】
なお、図７におけるステップＳ４１、ステップＳ４４〜ステップＳ５３は、図５におけるステップＳ２１、ステップＳ２４〜ステップＳ３３と同様であるため詳細な説明は省略する。
【０１２３】
図７に示すように、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００では、制御器５が燃料電池１の運転状態が発電時（定常運転時）か、発電時以外（例えば、起動時）か判定する（ステップＳ４１）。制御器５は、燃料電池１の運転状態が発電時であると判定した場合（ステップＳ４１において「ＹＥＳ」）、第１温度検知器９によって検知された第１温度を取得し、該第１温度に基づき、アノードオフガス排出経路２を流通して排出されるアノードオフガスの流量を求める。そして、制御器５は、求めたアノードオフガスの流量に応じて、発電時においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定する（ステップＳ４２）。
【０１２４】
一方、制御器５は、燃料電池１の運転状態が発電時以外（例えば、起動時）であると判定した場合（ステップＳ４１において「ＮＯ」）、第１温度検知器９によって検知された第１温度を取得し、該第１温度に基づき、アノードオフガス排出経路２を流通して排出されるアノードオフガスの流量を求める。そして、制御器５は、求めたアノードオフガスの流量に応じて、発電時以外（例えば、起動時）においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定する（ステップＳ４３）。
【０１２５】
上記ステップＳ４２またはステップＳ４３において設定された空気の流量から、制御器５は、使用する空気供給器の組合せを判定する（ステップＳ４４）。そして、図５におけるステップＳ２５〜ステップＳ３３と同様にして、その後のステップＳ４５〜ステップＳ５３が実施される。
【０１２６】
上記した実施形態および実施形態の変形例１では、発電時か発電時以外（例えば起動時）という運転状態に応じて、予めアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定していた。これに対して、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００では、第１温度である熱媒体循環経路８を流通する熱媒体の温度からアノードオフガスの温度を推定し、該アノードオフガスの温度に基づき、アノードオフガス排出経路２に供給するにあたり必要となる空気の流量を求める構成となっている。なお、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００では、アノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力は予め設定された値となるものとする。
【０１２７】
このように構成することで、燃料電池システム３００は、アノードオフガス排出経路２に供給するにあたり必要となる空気の流量を精度よく求めることができる。すなわち、燃料電池１の発電時、または燃料電池１の発電時以外（例えば、起動時）のいずれであっても、図１に示すようにアノードオフガスの温度に応じて変化するアノードオフガスの流量に対応させて、適切な流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給することができる。よって、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００は、アノードオフガスの温度が一定でない場合であっても、適切な流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給させることができる。
【０１２８】
また、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００は、第１空気供給器４および第２空気供給器６を備え、第１空気供給器４は、空気をアノードオフガス排出経路２に供給させる機能と、熱交換器７に空気を供給して熱媒体の温度制御を行う機能とを兼ねた構成となっていた。そこで、第２空気供給器６のみによって必要な流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給することが可能な場合は、第１空気供給器４は熱媒体の温度制御に影響を与えることのない流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給し、不足分の空気の流量を第２空気供給器６によって補うことができる。
【０１２９】
（変形例３）
［装置構成］
次に本発明の実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００について説明する。まず、燃料電池システム４００の装置構成について図８を参照して説明する。図８は、本発明の実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００の構成の一例を模式的に示す図である。
【０１３０】
図８に示すように、実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００は、実施形態に係る燃料電池システム１００と比較して、さらに、アノードオフガスの流通方向においてパージ弁３の上流側に設けられた圧力検知器１０を備える点で相違しており、それ以外の構成については、実施形態に係る燃料電池システム１００と同様となる。したがって、実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００において、実施形態に係る燃料電池システム１００と同一の部材については同じ番号を付し、その説明は省略する。
【０１３１】
圧力検知器１０は、アノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力を検知する装置である。ここでアノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力は、燃料ガスの供給圧力とみなすことができる。したがって、圧力検知器１０は、燃料ガスの供給圧力を検知できる装置であれば、どのような構成であってもよい。例えば、圧力検知器１０として、大気圧との差圧を計測することができる差圧計などが挙げられる。
【０１３２】
［空気供給制御］
次に、本発明の実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００においてパージ弁３を開状態とするときに実施される、アノードオフガス排出経路２へ空気を供給する空気供給制御について図９を参照して説明する。図９は、本発明の実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００において実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【０１３３】
なお、図９におけるステップＳ６１、ステップＳ６４〜ステップＳ６９は、図３に示すステップＳ１１、ステップＳ１４〜ステップＳ１９と同様であるため詳細な説明は省略する。
【０１３４】
図９に示すように、実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００では、制御器５が燃料電池１の運転状態が発電時（定常運転時）か、発電時以外（例えば、起動時）か判定する（ステップＳ６１）。制御器５は、燃料電池１の運転状態が発電時であると判定した場合（ステップＳ６１において「ＹＥＳ」）、圧力検知器１０によって検知された、アノードオフガス排出経路２のパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力を示す情報を取得し、該圧力と大気圧との圧力差に基づき、アノードオフガス排出経路２を流通して排出されるアノードオフガスの流量を求める。そして、制御器５は、求めたアノードオフガスの流量に応じて、発電時においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定する（ステップＳ６２）。
【０１３５】
一方、制御器５は、燃料電池１の運転状態が発電時以外（例えば、起動時）であると判定した場合（ステップＳ６１において「ＮＯ」）、圧力検知器１０によって検知されたアノードオフガス排出経路２のパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力を示す情報を取得し、該圧力と大気圧との圧力差に基づき、アノードオフガス排出経路２を流通して排出されるアノードオフガスの流量を求める。そして、制御器５は、求めたアノードオフガスの流量に応じて、発電時以外（例えば、起動時）においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定する（ステップＳ６３）。
【０１３６】
そして、図３におけるステップＳ１４〜ステップＳ１９と同様にして、その後のステップＳ６４〜ステップＳ６９が実施される。
【０１３７】
上記した実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００では、アノードオフガス排出経路２のパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力は、予め設定された値になるものとして仮定していた。しかしながら、アノードオフガス排出経路２のパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力と大気圧との圧力差が変化する場合もある。また、図１に示すように、この圧力差が変化するとアノードオフガス排出経路２を流通して排出されるアノードオフガスの流量が変化する。
【０１３８】
そこで、実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００で実施する空気供給制御では、圧力検知器１０によってアノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力を検知する。そして、この検知した圧力と大気圧との圧力差に基づきアノードオフガス排出経路２を流通して排出されるアノードオフガスの流量を求める。このため、実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００は、アノードオフガス排出経路２のパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力と大気圧との圧力差が変化する場合であっても必要な流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給することができる。
【０１３９】
なお、実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００は、実施形態に係る燃料電池システム１００と同様に、第１空気供給器４のみを備える構成であった。しかしながらこの構成に限定されるものではない。例えば、実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００は、実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００と同様に、さらに第２空気供給器６を備えた構成としてもよい。また、実施形態の変形例３に係る燃料電池システム４００は、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００と同様に、熱交換器７と熱媒体循環経路８とを備え、第１空気供給器４が、アノードオフガス排出経路２に空気を供給する機能に加えて、熱交換器７に空気を供給して、熱媒体を冷却させて温度を制御する機能を兼ねた構成としてもよい。
【０１４０】
（変形例４）
［装置構成］
次に本発明の実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００について説明する。まず、燃料電池システム５００の装置構成について図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００の構成の一例を模式的に示す図である。
【０１４１】
図１０示すように、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００は、実施形態に係る燃料電池システム１００と比較して、さらに、アノードオフガス排出経路２に第２温度検知器１１を備え、アノードオフガス排出経路２を流通するアノードオフガスの温度を検知する点で相違しており、それ以外の構成については、実施形態に係る燃料電池システム１００と同様となる。したがって、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００において、実施形態に係る燃料電池システム１００と同一の部材については同じ番号を付し、その説明は省略する。
【０１４２】
第２温度検知器１１は、アノードオフガス排出経路２を流通するアノードオフガスの温度を検知する装置である。第２温度検知器１１はアノードオフガス排出経路２を流通するアノードオフガスの温度を検知することができる検知器であればよい。図１０に示す例では、第２温度検知器１１は、アノードオフガスの流通方向において、アノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３よりも上流側となる位置に設けられているが、設けられる位置はこれに限定されるものではなく、アノードオフガス排出経路２を流通するアノードオフガスの温度が検知できる位置であればよい。
【０１４３】
［空気供給制御］
次に、本発明の実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００においてパージ弁３を開状態とするときに実施される、アノードオフガス排出経路２へ空気を供給する空気供給制御について図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００において実施される空気供給制御の動作フローの一例を示すフローチャートである。
【０１４４】
なお、図１１におけるステップＳ７１、ステップＳ７４〜ステップＳ７９は、図３に示すステップＳ１１、ステップＳ１４〜ステップＳ１９と同様であるため詳細な説明は省略する。
【０１４５】
図１１に示すように、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム４００では、制御器５が燃料電池１の運転状態が発電時（定常運転時）か、発電時以外（例えば、起動時）か判定する（ステップＳ７１）。制御器５は、燃料電池１の運転状態が発電時であると判定した場合（ステップＳ７１において「ＹＥＳ」）、第２温度検知器１１によって検知された、アノードオフガス排出経路２を流通するアノードオフガスの温度を示す情報を取得し、該温度に基づき、アノードオフガス排出経路２を流通して排出されるアノードオフガスの流量を求める。そして、制御器５は、求めたアノードオフガスの流量に応じて、発電時においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定する（ステップＳ７２）。
【０１４６】
一方、制御器５は、燃料電池１の運転状態が発電時以外（例えば、起動時）であると判定した場合（ステップＳ７１において「ＮＯ」）、第２温度検知器１１によって検知されたアノードオフガス排出経路２を流通するアノードオフガスの温度を示す情報を取得し、該温度に基づき、アノードオフガス排出経路２を流通して排出されるアノードオフガスの流量を求める。そして、制御器５は、求めたアノードオフガスの流量に応じて、発電時以外においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定する（ステップＳ７３）。
【０１４７】
そして、図３におけるステップＳ１４〜ステップＳ１９と同様にして、その後のステップＳ７４〜ステップＳ７９が実施される。
【０１４８】
上記した実施形態および実施形態の変形例１では、発電時か発電時以外（例えば起動時）という運転状態に応じて、予めアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定していた。これに対して、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００では、第２温度であるアノードオフガスの温度を実測し、該アノードオフガスの温度に基づき、アノードオフガス排出経路２に供給するにあたり必要となる空気の流量を求める構成となっている。なお、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００では、アノードオフガス排出経路２のパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力は予め設定された値となるものとする。
【０１４９】
このように構成することで、燃料電池システム５００は、アノードオフガス排出経路２に供給するにあたり必要となる空気の流量を精度よく求めることができる。すなわち、燃料電池１の発電時、または燃料電池１の発電時以外（例えば、起動時）のいずれであっても、図１に示すようにアノードオフガスの温度に応じて変化するアノードオフガスの流量に対応させて、適切な流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給することができる。よって、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００は、アノードオフガスの温度が一定でない場合であっても、適切な流量の空気をアノードオフガス排出経路２に供給させることができる。
【０１５０】
なお、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００は、実施形態に係る燃料電池システム１００と同様に、第１空気供給器４のみを備える構成であった。しかしながらこの構成に限定されるものではない。例えば、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００は、実施形態の変形例１に係る燃料電池システム２００と同様に、さらに第２空気供給器６を備えた構成としてもよい。また、実施形態の変形例４に係る燃料電池システム５００は、実施形態の変形例２に係る燃料電池システム３００と同様に、熱交換器７と熱媒体循環経路８とを備え、第１空気供給器４が、アノードオフガス排出経路２に空気を供給する機能に加えて、熱交換器７に空気を供給して、熱媒体を冷却させて温度を制御する機能を兼ねた構成としてもよい。
【０１５１】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。例えば、燃料電池システムが、アノードオフガス排出経路２を流通するアノードオフガスの温度、およびアノードオフガス排出経路２におけるパージ弁３の上流側を流通するアノードオフガスの圧力がそれぞれ変動する構成の場合、変形例２に係る燃料電池システム３００と変形例３に係る燃料電池システム４００とを組み合わせる、あるいは変形例３に係る燃料電池システム４００と変形例４に係る燃料電池システム５００とを組み合わせてもよい。すなわち、制御器５はこのアノードオフガスの温度と圧力とに基づき、発電時または発電時以外においてアノードオフガス排出経路２に供給する空気の流量を設定する構成としてもよい。
【０１５２】
従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【産業上の利用可能性】
【０１５３】
本発明は、アノードパージを行う燃料電池システムにおいて広く適用できる。
【符号の説明】
【０１５４】
１  燃料電池
２  アノードオフガス排出経路
３  パージ弁
４  第１空気供給器
５  制御器
６  第２空気供給器
７  熱交換器
８  熱媒体循環経路
９  第１温度検知器
１０  圧力検知器
１１  第２温度検知器
１００  燃料電池システム
２００  燃料電池システム
３００  燃料電池システム
４００  燃料電池システム
５００  燃料電池システム
【図１】
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【図２】
2019114345.tif 000004
【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】
2019114345.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019114345.tif 000011
【図１０】
2019114345.tif 000012
【図１１】
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