(57)【要約】【課題】燃料電池システムの停止の際に、燃料電池システムからの水の排出を促進する。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料ガス供給配管１３２を介して燃料ガスを燃料電池１１０に供給する燃料ガス供給部と、燃料電池１１０から燃料ガス排出配管１３４に排出される燃料ガスを燃料電池システム１００の配管系統外に排出する排出弁３６０を有する燃料ガス排出部を備えている。燃料電池システム１００は、また、燃料電池１１０から燃料ガス排出配管１３４に排出される燃料ガスを燃料ガス供給配管１３２に還流する還流部を有している。燃料電池制御部４００は、燃料電池システム１００の停止の際に、還流部に設けられた循環ポンプ３４０のガスの送出方向を反転させることにより、還流部を介して燃料ガス供給配管１３２から排出弁３６０に燃料ガスを供給する逆流モードを実行する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガス供給配管を介して燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池から燃料ガス排出配管に排出される前記燃料ガスを前記燃料電池システムの配管系統外に排出する排出弁を有する燃料ガス排出部と、
前記燃料電池から前記燃料ガス排出配管に排出される前記燃料ガスを前記燃料ガス供給配管に還流する還流部と、
燃料電池制御部と、
を備え、
前記還流部は、
前記燃料ガス排出配管と前記燃料ガス供給配管とを接続する還流流路と、
前記還流流路上に設けられ、ガスの送出方向が反転可能な循環ポンプと、
を有しており、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムを停止する際に、前記循環ポンプのガスの送出方向の反転させることにより、前記還流部を介して前記燃料ガス供給配管から前記排出弁に前記燃料ガスを供給する逆流モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の発電の停止の後に前記燃料ガスを前記燃料ガス排出配管から前記燃料ガス供給配管に還流する順流モードの実行を一定時間維持した後、前記逆流モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記逆流モードを実行しているときに前記排出弁を開いた状態に維持する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記逆流モードの実行中に前記排出弁を間欠的に開閉する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、
前記順流モードの実行の後、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、前記燃料電池から前記燃料ガス排出配管を介して前記排出弁に前記燃料ガスを供給することにより、前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する順方向ガス排出モードを実行し、
前記順方向ガス排出モードの実行の後、前記順流モードと前記逆流モードとを実行する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記逆流モードを実行しているときに前記排出弁を開いた状態に維持する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５または６記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記順方向ガス排出モードと前記順流モードと前記逆流モードとの実行を複数回繰り返し、前記逆流モードの実行時に前記燃料ガス供給部からの前記燃料ガス供給配管への前記燃料ガスの供給を停止する、前記燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給部は、水素ガスタンクを備え、前記燃料ガスとして前記水素ガスタンクから供給される水素ガスを前記燃料電池に供給する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムにおける燃料ガス給排装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素ガスを燃料とする燃料電池システムでは、水素の利用率の向上と、アノードでの水の滞留の抑制のため、循環式の燃料ガス給排装置が用いられる。この燃料ガス給排装置では、燃料電池から排出される燃料ガス（アノードオフガス）中の液状の水（凝縮水）は、気液分離器により分離される。気液分離器により凝縮水が分離されたアノードオフガスは、還流部に設けられた循環ポンプにより、燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給配管に還流される。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２７３７０５号公報
【特許文献２】特開２００３−１５７８７５号公報
【特許文献３】特開２００２−２８９２３７号公報
【０００４】
しかしながら、アノードオフガスは、気液分離器により凝縮水が分離されても湿潤な状態となっている。そのため、気液分離器から燃料ガス供給配管にアノードオフガスを還流する還流部の配管や循環ポンプの内部には、アノードオフガス中の水分が凝縮した水が付着する可能性がある。還流部では、水の排出方向とは逆方向の気液分離器から燃料ガス供給配管方向にアノードオフガスが流れるため、燃料電池システムを停止した際に、還流部中の水が排出されず還流部に残留する可能性がある。このように還流部に残留した水は、外気温の低下に伴って凍結し、還流部の圧力損失の増大や閉塞を発生させるおそれがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの停止の際に、燃料電池システムからの水の排出を促進する技術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】
【０００６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス供給配管を介して燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池から燃料ガス排出配管に排出される前記燃料ガスを前記燃料電池システムの配管系統外に排出する排出弁を有する燃料ガス排出部と、前記燃料電池から前記燃料ガス排出配管に排出される前記燃料ガスを前記燃料ガス供給配管に還流する還流部と、燃料電池制御部と、を備え、前記還流部は、前記燃料ガス排出配管と前記燃料ガス供給配管とを接続する還流流路と、前記還流流路上に設けられ、ガスの送出方向が反転可能な循環ポンプと、を有しており、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムを停止する際に、前記循環ポンプのガスの送出方向の反転させることにより、前記還流部を介して前記燃料ガス供給配管から前記排出弁に前記燃料ガスを供給する逆流モードを実行することを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、燃料電池制御部による逆流モードの実行の際、燃料ガスが循環ポンプにより還流部を介して排出弁方向に送出されるため、還流部を排出弁方向に逆流する燃料ガスの流量を十分大きくすることができる。逆流する燃料ガスの流量を十分大きくすることにより、還流部を逆流する燃料ガスの動圧により還流部内部に付着した水には十分大きな力が排出弁方向に加わるので、還流部の内部に付着した水の排出弁からの排出が促進される。
【０００８】
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の発電の停止の後に前記燃料ガスを前記燃料ガス排出配管から前記燃料ガス供給配管に還流する順流モードの実行を一定時間維持した後、前記逆流モードを実行するものとしてもよい。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池の発電の停止により湿度が低下した燃料ガスが、燃料電池制御部による順流モードの実行により、燃料ガス排出配管を排出弁方向に流れる。そのため、燃料ガス排出配管内に付着した水の排出弁からの排出が促進される。
【００１０】
前記燃料電池制御部は、前記逆流モードを実行しているときに前記排出弁を開いた状態に維持するものとしてもよい。
【００１１】
この構成によれば、燃料電池制御部の逆流モードの実行時に還流部を通過したガスが排出弁から排出されるので、還流部を通過したガスの燃料電池への流入を抑制できる。
【００１２】
前記燃料電池制御部は、前記逆流モードの実行中に前記排出弁を間欠的に開閉するものとしてもよい。
【００１３】
この構成によれば、排出弁を閉じている状態では、還流部を介した燃料ガスの供給により燃料ガス排出配管の圧力が高められる。燃料ガス排出配管の圧力が高められた後、排出弁を開くことにより、排出弁から排出される燃料ガス排出配管中の燃料ガスの流速が高くなる。そのため、燃料ガス排出配管内に付着した水には排出弁方向の力が加えられるので、燃料ガス排出配管内の水の排出を促進することができる。
【００１４】
前記燃料電池制御部は、前記順流モードの実行の後、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止するとともに、前記燃料電池から前記燃料ガス排出配管を介して前記排出弁に前記燃料ガスを供給することにより、前記燃料電池から前記燃料ガスを排出する順方向ガス排出モードを実行し、前記順方向ガス排出モードの実行の後、前記順流モードと前記逆流モードとを実行するものとしても良い。
【００１５】
この構成によれば、順方向ガス排出モードの実行により、燃料電池からの排水が促進される。そのため、燃料電池停止時に燃料電池に必要以上の水分が残留することを抑制することが可能となる。
【００１６】
前記燃料電池制御部は、前記順方向ガス排出モードと前記順流モードと前記逆流モードとの実行を複数回繰り返し、前記逆流モードの実行時に前記燃料ガス供給部からの前記燃料ガス供給配管への前記燃料ガスの供給を停止するものとしても良い。
【００１７】
この構成によれば、逆流モードの実行後の順流モードの実行の際、前記燃料電池システムの配管系統内に圧力変動が生じる。圧力変動により配管系統内に付着した水が移動することにより、順方向ガス排出モードと逆流モードとの再度の実行時において水の排出が促進される。
【００１８】
前記燃料ガス供給部は、水素ガスタンクを備え、前記燃料ガスとして前記水素ガスタンクから供給される水素ガスを前記燃料電池に供給するものとしてもよい。
【００１９】
この構成によれば、逆流モードの実行により、水素ガスタンクから供給される乾燥した水素ガスが還流部を排出弁方向に逆流するので、還流部の内部に付着した水の排出をより促進することができる。
【００２０】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムにおける燃料ガス給排装置とその給排装置の制御装置および制御方法、その給排装置と制御装置および制御方法を利用した燃料電池システム、また、その燃料電池システムを利用した発電装置およびその燃料電池を搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：
【００２２】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、複数のセル１１２を積層することにより構成された燃料電池１１０と、酸化剤ガス給排部２００と、燃料ガス給排部３００と、燃料電池制御部４００と、を備えている。
【００２３】
酸化剤ガス給排部２００と燃料電池１１０とは、酸化剤ガス供給配管１２２と酸化剤ガス排出配管１２４との２つの配管で互いに接続されている。同様に、燃料ガス給排部３００と燃料電池１１０とは、燃料ガス供給配管１３２と燃料ガス排出配管１３４との２つの配管で互いに接続されている。
【００２４】
酸化剤ガス給排部２００は、空気ポンプ２０２と、カソードオフガス排出部２０４と、を備えている。空気ポンプ２０２は、外気から圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、燃料電池１１０で使用される酸素を含む酸化剤ガスとして、酸化剤ガス供給配管１２２を介して燃料電池１１０に供給される。燃料電池１１０に供給された酸化剤ガスは、セル１１２内のカソードに供給される。カソードでは、酸化剤ガス中の酸素が燃料電池反応により消費されるとともに、水分が生成される。酸素の消費により酸素濃度が低下するとともに、生成された水分により湿潤状態になった酸化剤ガス（一般に、「カソードオフガス」と呼ばれる）は、酸化剤ガス排出配管１２４を介してカソードオフガス排出部２０４に排出される。カソードオフガス排出部２０４は、燃料電池１１０から排出されたカソードオフガスを大気中に放出する。
【００２５】
なお、図１においては、カソードオフガスのように湿潤なガスの流れ方向を黒塗りの太矢印で示し、後述する水素ガスのように乾燥したガスの流れ方向を白抜きの太矢印で示している。また、酸化剤ガスのように、湿潤状態と乾燥状態との中間的な湿度を有するガスの流れ方向は、ハッチングされた太矢印で示している。
【００２６】
燃料ガス給排部３００は、水素ガスタンク３１０と、遮断弁３２０と、調圧弁３３０と、循環ポンプ３４０と、気液分離器３５０と、排気・排水弁３６０と、水・アノードオフガス排出部３７０と、を備えている。
【００２７】
高圧の水素ガスが充填された水素ガスタンク３１０は、第１の高圧水素配管３１２を介して遮断弁３２０に接続されている。燃料電池システム１００を運転する際には、遮断弁３２０が開かれる。遮断弁３２０が開くことにより、第１の高圧水素配管３１２と、遮断弁３２０と、第２の高圧水素配管３２２とを介して、水素ガスタンク３１０から調圧弁３３０に水素ガスが供給される。燃料電池システム１００を停止する際には、遮断弁３２０が閉じられて水素ガスの供給が停止される。
【００２８】
調圧弁３３０は、第２の高圧水素配管３２２を通して供給された高圧の水素ガスを適当な圧力にまで減圧する。このように高圧の水素ガスを減圧することにより得られる水素ガスは、一般に、湿度が低い乾燥したガスとなる。低圧水素配管３３２から供給される水素ガスと、第１の還流配管３４２から供給されるアノードオフガス（後述する）とは混合されて、燃料ガスとして燃料ガス供給配管１３２を介して燃料電池１１０に供給される。
【００２９】
燃料電池１１０に供給された燃料ガスは、セル１１２内のアノードに供給される。アノードでは、燃料電池反応により燃料ガス中の水素が消費される。アノードにおいては、燃料ガス中の水素が消費されるとともに、カソードで生成されカソードからアノードに透過してきた水分が燃料ガスに加わるため、燃料ガスの湿度が高くなる。このように、湿潤な燃料ガス（一般に、「アノードオフガス」と呼ばれる）は、燃料ガス排出配管１３４を介して気液分離器３５０に供給される。気液分離器３５０では、凝縮して液状となった水（凝縮水）がアノードオフガスから除去されるが、気液分離器３５０により凝縮水が除去されてもアノードオフガスは湿潤な状態となっている。なお、気液分離器３５０は、アノードオフガス中の凝縮水の量に応じて省略することも可能である。
【００３０】
凝縮水が除去されたアノードオフガスは、第２の還流配管３５４を介して循環ポンプ３４０に供給される。循環ポンプ３４０は、駆動軸の回転方向に応じてガスの送出方向を反転することが可能な機械式のポンプである。循環ポンプ３４０の駆動軸を第１の回転方向に回転させることにより、循環ポンプ３４０に供給されたアノードオフガスは、第１の還流配管３４２を介して燃料ガス供給配管１３２に送出される。なお、本明細書においては、駆動軸の第１の回転方向への回転を「正回転」とも呼び、駆動軸の第１の回転方向とは逆の方向への回転を「逆回転」とも呼ぶ。循環ポンプ３４０としては、ルーツポンプ、歯車ポンプ、スクロールポンプ等の容積移送式のポンプや、ターボポンプ等を使用することができる。なお、ガスの送出方向の反転については、後述する。
【００３１】
図２は、燃料電池システム１００の運転中の循環ポンプ３４０の駆動の様子を示す説明図である。図２のグラフの縦軸は、循環ポンプ３４０の回転数Ｒ（循環ポンプ回転数Ｒ）を表している。縦軸の「＋」側は正回転している場合の回転数を表し、縦軸の「−」側は逆回転している場合の回転数を表している。また、図２のグラフの横軸は、時間を表している。循環ポンプ３４０の回転数は、燃料電池１１０（図１）が出力する電力（出力電力）に応じて制御される。図２の例では、燃料電池１１０の出力電力が時間とともに漸増しているため、循環ポンプ３４０の回転数も出力電力の変化に応じて増加している。
【００３２】
図２に示すように、燃料電池システム１００の運転中は、循環ポンプ３４０が正回転の状態に維持される。そのため、図１に示すように、循環ポンプ３４０は、第２の還流配管３５４から第１の還流配管３４２にアノードオフガスを送出する。第１の還流配管３４２に送出されたアノードオフガスは、水素ガスと混合され、燃料ガスとして燃料電池１１０に供給される。
【００３３】
このように、燃料電池システム１００の運転中は、循環ポンプ３４０を正回転させることにより、燃料電池１１０と、気液分離器３５０と、循環ポンプ３４０との間を燃料ガスが循環する。なお、本明細書においては、燃料電池１１０と気液分離器３５０と循環ポンプ３４０とこれらの機器を接続する配管１３２，１３４，３５４，３４２とを併せて「アノード循環流路」とも呼ぶ。
【００３４】
アノード循環流路のうち、第１の還流配管３４２と循環ポンプ３４０と第２の還流配管３５４と（以下、これらを併せて「還流部」とも呼ぶ）には湿潤なアノードオフガスが流れるので、還流部の内部には水が付着する。また、燃料ガス排出配管１３４には、凝縮水分離前のアノードオフガスが流れるので、燃料ガス排出配管１３４には水が付着する。
【００３５】
図１に示す排気・排水弁３６０は、気液分離器３５０中の水の量が所定量以上となった場合や、循環する燃料ガス中の不純物濃度が高くなった場合等、必要に応じて開かれる。排気・排水弁３６０は、燃料電池システム１００を停止する際にも開閉されるが、この場合の動作については後述する。排気・排水弁３６０を開くことにより、気液分離器３５０中の水とアノードオフガスとは、配管３５２と、排気・排水弁３６０と、配管３６２とを介して、水・アノードオフガス排出部３７０に排出される。水・アノードオフガス排出部３７０は、排出されたアノードオフガス中に含まれる水素を燃焼させて不活性化した後、不活性化したアノードオフガスを大気中に放出する。
【００３６】
燃料電池制御部４００は、外部制御部からの電力要求や起動・停止の指示などの制御信号と、燃料電池システム１００に設けられた各種センサ（図示しない）とに基づいて、燃料電池システム１００の空気ポンプ２０２と、開閉弁３２０，３６０と、調圧弁３３０と、循環ポンプ３４０とを制御する。
【００３７】
図３は、燃料電池システム１００（図１）を停止する際に実行される停止処理ルーチンを示すフローチャートである。図４は、燃料電池制御部４００が停止処理ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００の状態を示す説明図である。図４（ａ）の縦軸は循環ポンプ回転数Ｒを表しており、図４（ｂ）は排気・排水弁３６０の開閉状態を示している。
【００３８】
図４の時刻ｔ0以前では、燃料電池システム１００は運転状態となっている。上述したように、燃料電池システム１００の運転中は、循環ポンプ３４０は正回転の状態に維持されている。また、排気・排水弁３６０の開閉状態は、不定である。図４の例では、時刻ｔ0において、燃料電池１１０による発電が停止されるとともに、燃料電池制御部４００に燃料電池システム１００を停止する指示が与えられる。なお、発電の停止は、燃料電池１１０に接続された負荷（図示しない）への燃料電池１１０からの電力の供給を停止することにより行われる。
【００３９】
燃料電池システム１００を停止する指示が与えられると、燃料電池制御部４００は、ステップＳ１１０において、排気・排水弁３６０を閉じる。排気・排水弁３６０が閉じた後、燃料電池制御部４００は、ステップＳ１２０において、発電停止から所定の時間Ｔ１が経過したか否かを判断する。発電停止から時間Ｔ１が経過している場合には、制御はステップＳ１３０に移される。一方、発電停止から時間Ｔ１が経過していない場合には、制御は戻され、発電停止から時間Ｔ１が経過するまでの間ステップＳ１２０が繰り返し実行される。図４の例では、時刻ｔ0における発電停止から時間Ｔ１が経過する時刻ｔ1まで、ステップＳ１２０が繰り返し実行される。なお、所定の時間Ｔ１の設定方法については、後述する。
【００４０】
図５（ａ）は、時刻ｔ0と時刻ｔ1との間におけるアノード循環流路のガスの流れを示す説明図である。燃料電池１１０による発電は時刻ｔ0において停止されるので、時刻ｔ0以後は発電による水素の消費が停止する。水素の消費が停止することにより、調圧弁からの水素ガスの供給が停止する。また、発電の停止により、水素の消費が停止するとともに、カソードにおける水の生成も止まりカソードからアノードに透過する水分量も低下する。そのため、燃料電池１１０から燃料ガス排出配管１３４に送出される燃料ガスの湿度は、燃料電池システム１００の運転時よりも低下する。
【００４１】
図５（ａ）に示すように、時刻ｔ0と時刻ｔ1との間では、燃料電池システム１００運転時のアノードオフガスよりも湿度が低い燃料ガスがアノード循環流路を循環する。このとき、燃料電池１１０から燃料ガス排出配管１３４に送出される燃料ガスの湿度が低下するので、燃料ガス排出配管１３４内での水の凝縮が抑制される。また、燃料ガス排出配管１３４には、燃料電池１１０から気液分離器３５０に向かって燃料ガスが流れるので、燃料ガス排出配管１３４内に付着している水には、気液分離器３５０に向かう方向の力が加えられる。そのため、燃料ガス排出配管１３４内に付着した水は、時刻ｔ0での発電停止後の燃料ガスの循環により除去される。なお、所定の時間Ｔ１は、このように燃料ガス排出配管１３４内の水の除去に要する時間に基づいて設定される。
【００４２】
発電の停止から所定の時間Ｔ１が経過した時刻ｔ1において、燃料電池制御部４００は、循環ポンプ３４０の駆動を停止する（ステップＳ１３０）。図４（ａ）に示すように、循環ポンプ３４０は、その駆動が停止されても慣性により回転はすぐに停止せず、徐々にその回転数が低下して時刻ｔ2で循環ポンプ３４０の回転が停止する。
【００４３】
循環ポンプ３４０の回転が停止すると、図４（ｂ）に示すように、燃料電池制御部４００は、排気・排水弁３６０を開く（ステップＳ２１０）。そして、時刻ｔ3において、燃料電池制御部４００は、循環ポンプ３４０を逆回転させる（ステップＳ２２０）。循環ポンプ３４０の回転数は、時間とともに大きくなり、時刻ｔ4で所定の回転数に到達する。なお、循環ポンプ３４０の逆回転は、例えば、循環ポンプ３４０を駆動する電気モータの回転方向を反転することによって行うことができ、ギアやプーリ等を用いた反転機構を用いて行うこともできる。
【００４４】
上述のように循環ポンプ３４０は、回転方向を反転することにより、ガスの送出方向を反転することができる。そのため、循環ポンプ３４０が逆回転している状態では、循環ポンプ３４０は、第１の還流配管３４２から第２の還流配管３５４に向かってガスを送出する。
【００４５】
図５（ｂ）は、循環ポンプ３４０が逆回転している状態でのアノード循環流路を流れるガスの様子を示している。循環ポンプ３４０を逆回転させることにより、水素ガスは、低圧水素配管３３２と還流部とを介して、調圧弁から気液分離器３５０に供給される。このとき、気液分離器３５０に配管３５２を介して接続されている排気・排水弁３６０は開状態であるので、気液分離器３５０に供給された水素ガスは、配管３５２と排気・排水弁３６０と配管３６２とを介して水・アノードオフガス排出部に排出される。このように、循環ポンプ３４０を逆回転させることにより、還流部には乾燥した水素ガスが水・アノードオフガス排出部に向かって流れるため、還流部内部の水が水素ガスの動圧と水素ガス中への蒸発により燃料電池システム１００外部に排出される。
【００４６】
図３のステップＳ２３０において、燃料電池制御部４００は、循環ポンプ３４０の逆回転の開始から所定の時間Ｔ２が経過したか否かを判断する。逆回転の開始から時間Ｔ２が経過している場合には、制御はステップＳ２４０に移される。一方、逆回転の開始から時間Ｔ２が経過していない場合には、制御は戻され、逆回転の開始から時間Ｔ２が経過するまでの間ステップＳ２３０が繰り返し実行される。図４の例では、時刻ｔ3における逆回転の開始から時間Ｔ２が経過する時刻ｔ5まで、ステップＳ２３０が繰り返し実行される。なお、所定の時間Ｔ２は、上述のように還流部からの水の排出に要する時間に基づいて設定される。
【００４７】
時刻ｔ3（図４）における逆回転の開始から所定の時間Ｔ２が経過した時刻ｔ5において、燃料電池制御部４００は、循環ポンプ３４０の駆動を停止する（ステップＳ２４０）。循環ポンプ３４０の回転数は時刻ｔ5から徐々に低下し、時刻ｔ6で循環ポンプ３４０の回転が停止する。循環ポンプ３４０の回転が停止すると、図４（ｂ）に示すように、燃料電池制御部４００は、排気・排水弁３６０を閉じ（ステップＳ３１０）、図３に示す停止処理ルーチンは終了する。
【００４８】
第１実施例では、燃料電池システム１００を停止する際に、発電を停止し排気・排水弁３６０を閉じた後に、循環ポンプ３４０が所定の時間Ｔ１正回転に維持される。これにより、燃料ガス排出配管１３４内部に付着した水は気液分離器３５０に送られるので、気液分離器から排水することにより燃料電池システム１００外に排出することができる。また、排気・排水弁３６０を開いた状態で循環ポンプを逆回転させることにより、還流部には乾燥した水素ガスが排気・排水弁３６０方向に流れるので、還流部内部の水を燃料電池システム１００外部に排出することができる。
【００４９】
なお、第１実施例では、時刻ｔ2での循環ポンプ３４０の正回転の停止と同時に排気・排水弁３６０を開き、時刻ｔ6での循環ポンプ３４０の逆回転の停止と同時に排気・排水弁３６０を閉じているが、一般に、排気・排水弁３６０は、循環ポンプ３４０が逆回転している間（時刻ｔ3〜時刻ｔ6）開状態に維持されていればよい。具体的には、排気・排水弁３６０は、発電が停止される時刻ｔ0から循環ポンプ３４０の逆回転が開始する時刻ｔ3の間の任意の時点で開くものとしてもよく、循環ポンプ３４０の逆回転が停止する時刻ｔ6以降の任意の時点で閉じるものとしてもよい。なお、排気・排水弁３６０からの空気の逆流を抑制するため、排気・排水弁３６０は、循環ポンプ３４０の正回転が停止する時刻ｔ2から循環ポンプ３４０の逆回転が開始する時刻ｔ3の間で開かれるのが好ましく、循環ポンプ３４０の逆回転が停止する時刻ｔ6で閉じられるのが好ましい。
【００５０】
Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例において、燃料電池システム１００（図１）を停止する際に実行される停止処理ルーチンを示すフローチャートである。図７は、燃料電池制御部４００が図６のフローチャートで示される停止処理ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００の状態を示す説明図である。図６のフローチャートは、２つのステップＳ２１０，Ｓ３１０が省略されている点と、ステップＳ２２０とステップＳ２３０との間にステップＳ２２２が付加されている点と、ステップＳ２３０とステップＳ２４０との間にステップＳ２３２が付加されている点とで、図３に示す第１実施例のフローチャートと異なっている。また、図７のグラフは、時刻ｔ2から時刻ｔ6の間の排気・排水弁の開閉状態が異なっている点で、図４のグラフと異なっている。他の点は、同じである。
【００５１】
時刻ｔ4で循環ポンプ３４０の逆回転が所定の回転数に達すると、燃料電池制御部４００（図１）は、排気・排水弁３６０の開閉状態を周期的に切り替える間欠開閉を開始する（ステップＳ２２２）。そして、時刻ｔ3における逆回転の開始から時間Ｔ２が経過する時刻ｔ5まで、ステップＳ２３０が繰り返し実行される。時間Ｔ２が経過した後、燃料電池制御部４００は、排気・排水弁３６０の間欠開閉を停止する（ステップＳ２３２）。
【００５２】
第２実施例では、循環ポンプ３４０が逆回転している際に、排気・排水弁３６０が間欠的に開閉される。排気・排水弁３６０が閉じている状態で循環ポンプ３４０が逆回転すると、第２の還流配管３５４と気液分離器３５０と配管３５２，１３４（以下、これらを併せて「燃料電池出口流路」とも呼ぶ）の圧力が上昇する。燃料電池出口流路の圧力が高くなった状態で排気・排水弁３６０を開くと、燃料電池出口流路中の水素ガスは、水・アノードオフガス排出部３７０（図１）を介して排出される。一般に、水・アノードオフガス排出部３７０は圧損が小さくほぼ大気圧となっているので、排出される水素ガスの流速は高くなる。そのため、燃料電池出口流路内部に付着した水には、排気・排水弁３６０に向かう方向の力が加えられ、その排出が促進される。一方、排気・排水弁３６０が開いている状態では、第１実施例と同様に、乾燥した水素ガスが還流部を流れるので、還流部内部の水が燃料電池システム１００外部に排出される。
【００５３】
このように、第２実施例では、第１実施例と同様に、燃料ガス排出配管１３４内部に付着した水と、還流部内部の水と、の燃料電池システム１００外部への排出が促進される。また、第２実施例では、循環ポンプ３４０を逆回転中に排気・排水弁３６０を間欠的に開閉することにより、燃料電池出口流路の内部に付着した水の燃料電池システム１００外部への排出を促進することができる。
【００５４】
Ｃ．第３実施例：
図８は、第３実施例における燃料電池システム１００ａの構成を示す説明図である。第３実施例の燃料電池システム１００ａは、燃料ガス供給部３００から燃料電池１１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管１３２ａ，１３２ｂ上に入口弁１４２が設けられている点と、燃料電池１１０から燃料ガス給排部３００にアノードオフガスを供給する燃料ガス排出配管１３４ａ，１３４ｂ上に出口弁１４４が設けられている点とで、図１に示す第１実施例の燃料電池システム１００と異なっている。他の点は、第１実施例の燃料電池システム１００と同じである。
【００５５】
図９は、第３実施例において、燃料電池システム１００ａ（図８）を停止する際に実行される停止処理ルーチンを示すフローチャートである。図１０は、図９に示す停止処理ルーチン実行時のアノード循環流路のガスの流れの様子を示す説明図である。図９のフローチャートは、ステップＳ１１０〜Ｓ２３０が５つのステップＳ４１０〜Ｓ４５０に替えられている点で、図３に示す第１実施例のフローチャートと異なっている。
【００５６】
図１０では、ガスの流れ方向を白抜きの矢印で示している。また、循環ポンプ３４０の回転方向を循環ポンプ３４０の左側に付した矢印で示している。循環ポンプ３４０の回転方向を示す矢印は、図１０の下から上に向かう方向が循環ポンプ３４０の正回転方向を示しており、図１０の上から下に向かう方向が循環ポンプ３４０の逆回転方向を示している。なお、図１０では、図示の便宜上、３つの配管１３４ｂ，３５２，３５４が接続される気液分離器の図示を省略している。
【００５７】
図９のステップＳ４１０において、燃料電池制御部４００ａ（図８）は、アノード循環流路に水素ガスを充填する。具体的には、燃料電池制御部４００ａは、図１０（ａ）に示すように、入口弁１４２と出口弁１４４とを開けるとともに、排気・排水弁３６０を閉じる。排気・排水弁３６０が閉じられることにより、アノード循環流路には、低圧水素配管３３２を介して調圧弁３３０から供給される水素ガスが充填される。水素ガス充填時には、図１０（ａ）に示すように、水素ガスが還流部を燃料ガス排出配管１３４ａ，１３４ｂから燃料ガス供給配管１３２ａ，１３４ｂに流れるように制御される。そのため、水素ガスの充填時には、燃料電池制御部４００ａが順流モードの制御を行っているともいうことができる。
【００５８】
なお、アノード循環流路に水素ガスを充填する際には、調圧弁３３０から供給される水素ガスの圧力を燃料電池システム１００ａの通常運転時よりも高くするのが好ましい。アノード循環流路の水素ガスの圧力を高くすれば、アノード循環流路からガスを排出する際のガスの流速が高くなる。ガスの流速が高くなると、アノード循環流路中の水に加わる力が大きくなるので、アノード循環流路からの水の排出がより促進される。
【００５９】
図９のステップＳ４２０において、燃料電池制御部４００ａは、アノード循環流路から充填された水素ガスを排出する。ステップＳ４２０における水素ガスの排出は、排出されるガスの流れ方向がアノード循環流路の順方向となるように行われる。具体的には、図１０（ｂ）に示すように、燃料電池制御部４００ａは、入口弁１４２を閉じるとともに、排気・排水弁３６０を開ける。燃料電池１１０に充填された水素ガスは、排気・排水弁３６０を介して水・アノードオフガス排出部に排出される。
【００６０】
この際、図１０（ｂ）に示すように、循環ポンプ３４０は正方向に回転している。そのため、低圧水素配管３３２を介して供給される水素ガスは、還流部を介しては排出されない。なお、図１０（ｂ）の例では、循環ポンプ３４０を正方向に回転させているが、循環ポンプ３４０を停止させるものとしても良い。循環ポンプ３４０を停止していても、循環ポンプ３４０の圧損により、水素ガスが還流部を逆方向に流れることが抑制される。
【００６１】
図９のステップＳ４３０において、燃料電池制御部４００ａは、アノード循環流路に水素ガスを充填する。なお、ステップＳ４３０における水素ガスの充填は、ステップＳ４１０における水素ガスの充填と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００６２】
図９のステップＳ４４０において、燃料電池制御部４００ａは、充填された水素ガスをアノード循環流路から排出する。ステップＳ４４０における水素ガスの排出は、排出されるガスの流れ方向がアノード循環流路の逆方向となるように行われる。具体的には、図１０（ｄ）に示すように、燃料電池制御部４００ａは、出口弁１４４を閉じるとともに、排気・排水弁３６０を開け、循環ポンプ３４０を逆方向に回転させる。
【００６３】
このとき、燃料電池１１０に充填された水素ガスは、還流部と排気・排水弁３６０とを介して水・アノードオフガス排出部に排出される。また、低圧水素配管３３２を介して調圧弁３３０から供給される水素ガスも、還流部と排気・排水弁３６０とを介して水・アノードオフガス排出部に排出される。そのため、逆方向ガス排出時には、燃料電池制御部４００ａが逆流モードの制御を行っているともいうことができる。
【００６４】
このように、循環ポンプ３４０を逆回転させることにより、アノード循環流路に充填された水素ガスは、還流部を水・アノードオフガス排出部に向かって流れる。そのため、還流部内部の水が水素ガスの動圧により燃料電池システム１００外部に排出される。また、調圧弁３３０から供給される乾燥した水素ガスが還流部を通過することにより、還流部の水分除去が促進される。
【００６５】
図９のステップＳ４５０において、燃料電池制御部４００ａは、ステップＳ４１０〜Ｓ４４０の各工程の繰り返しが所定の回数に達したか否かを判断する。繰り返しが所定の回数に達した場合、制御はステップＳ２４０に移される。一方、繰り返しが所定の回数に達していない場合、制御はステップＳ４１０に戻され、ステップＳ４１０〜Ｓ４４０の各工程の繰り返しが所定の回数に達するまで、ステップＳ４１０〜Ｓ４５０が繰り返し実行される。
【００６６】
なお、所定の回数は、アノード循環流路中の水が十分な量まで低減可能となるように実験等により適宜設定される。ステップＳ４１０〜Ｓ４４０を１回実行することによりアノード循環流路中の水が十分な量まで排出可能であれば、ステップＳ４５０は省略することが可能である。
【００６７】
また、図９のステップＳ４５０では、ステップＳ４１０〜Ｓ４４０の各工程の繰り返しを行うか否かを、繰り返しの回数で判断しているが、繰り返しの要否を他の方法で判断することも可能である。例えば、アノード循環流路中の水分量を測定し、その測定結果に基づいて繰り返しの要否を判断するものとしても良い。
【００６８】
第３実施例では、燃料電池システム１００ａを停止する際に、アノード循環流路に水素ガスが充填される。そして、排気・排水弁３６０を開いた状態で循環ポンプ３４０を逆回転させることにより、充填された水素ガスが排気・排水弁３６０方向に流れるので、還流部内部の水を燃料電池システム１００ａ外部に排出することができる。
【００６９】
なお、第３実施例は、燃料電池１１０に充填された水素ガスを排出することにより、燃料電池１１０からの水分の排出が可能になる点で、第１および第２実施例よりも好ましい。一方、第１および第２実施例は、燃料電池システムの構成がより簡単になる点で第３実施例よりも好ましい。
【００７０】
Ｄ．第４実施例：
図１１は、第４実施例における燃料電池システム１００ｂの構成を示す説明図である。第４実施例の燃料電池システム１００ｂは、燃料ガス供給部３００ａの低圧水素配管３３２ａ，３３２ｂ上に低圧遮断弁３３４が設けられている点で図８に示す第３実施例の燃料電池システム１００ａと異なっている。他の点は、第３実施例と同じである。
【００７１】
図１２は、停止処理ルーチン実行時のアノード循環流路のガスの流れの様子を示す説明図である。なお、第４実施例における停止処理ルーチンは、図９に示す第３実施例における停止処理ルーチンと同じである。
【００７２】
図９のステップＳ４１０において、燃料電池制御部４００ｂ（図１１）は、燃料電池制御部４００ｂは、図１２（ａ）に示すように、低圧遮断弁３３４と入口弁１４２と出口弁１４４とを開くとともに、排気・排水弁３６０を閉じる。排気・排水弁３６０が閉じられることにより、アノード循環流路には水素ガスが充填される。
【００７３】
図９のステップＳ４２０において、燃料電池制御部４００ｂは、アノード循環流路から充填された水素ガスを排出する。具体的には、図１２（ｂ）に示すように、燃料電池制御部４００ｂは、低圧遮断弁３３４と入口弁１４２とを閉じるとともに、排気・排水弁３６０を開ける。燃料電池１１０に充填された水素ガスは、排気・排水弁３６０を介して水・アノードオフガス排出部に排出される。
【００７４】
図９のステップＳ４４０において、燃料電池制御部４００ｂは、充填された水素ガスをアノード循環流路から排出する。具体的には、図１２（ｄ）に示すように、燃料電池制御部４００ｂは、低圧遮断弁３３４と出口弁１４４とを閉じるとともに、排気・排水弁３６０を開け、循環ポンプ３４０を逆方向に回転させる。
【００７５】
このとき、燃料電池１１０に充填された水素ガスは、還流部と排気・排水弁３６０とを介して水・アノードオフガス排出部に排出される。図１２（ｄ）の例では、低圧遮断弁３３４が閉じられているため、アノード循環流路中の圧力が低下する。そのため、図９のステップＳ４１０においてアノード循環流路に再度水素ガスを充填する際、圧力が低下したアノード循環流路に水素ガスが供給される。このように、圧力が低下したアノード循環流路に水素ガスを供給することにより、アノード循環流路内には圧力変動が生じる。
【００７６】
アノード循環流路内で圧力変動が生じると、ガス排出（ステップＳ４２０，Ｓ４４０）の際に排出されなかった残留水が移動する。残留水が移動することにより、再度のガス排出により残留水の排出が促進される。
【００７７】
第４実施例は、低圧遮断弁３３４の開閉で生じるアノード循環流路内で圧力変動により、アノード循環流路内に残留した水の排出がより促進される点で、第３実施例よりも好ましい。一方、第３実施例は、調圧弁３３０から供給される乾燥した水素ガスが還流部を通過することにより、還流部の水分除去が促進される点で第４実施例よりも好ましい。
【００７８】
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記実施例や実施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おいて実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７９】
Ｅ１．変形例１：
上記第１および第２実施例では、燃料電池制御部４００は、発電の停止の後、燃料ガスを気液分離器３５０から燃料ガス供給配管１３２に供給する制御（順流モード）を実行し、順流モードの実行後、水素ガスを燃料ガス供給配管１３２から気液分離器３５０に供給する制御（逆流モード）を実行しているが、順流モードの実行を省略することも可能である。この場合、燃料ガス排出配管１３４内部に付着した水の除去は、例えば、発電の停止前に循環ポンプ３４０の回転数を高めることによって行うことができる。
【００８０】
Ｅ２．変形例２：
上記第３および第４実施例では、燃料電池制御部４００ａ，４００ｂは、水素ガス充填（ステップＳ４１０）と順方向ガス排出（Ｓ４２０）とを行うことにより、燃料電池１１０および燃料ガス排出配管１３４ａ，１３４ｂから水を排出しているが、これらのステップの実行を省略することも可能である。この場合、燃料電池１１０および燃料ガス排出配管１３４ａ，１３４ｂからの水の排出は、例えば、発電の停止前に循環ポンプ３４０の回転数を高めることによって行うことができる。
【００８１】
Ｅ３．変形例３：
上記第１および第２実施例では、循環ポンプ３４０を逆回転させることにより水素ガスを燃料ガス供給配管１３２から気液分離器３５０に供給しているが、他の方法により水素ガスを低圧水素配管３３２から気液分離器３５０に供給することも可能である。例えば、循環ポンプ３４０にターボポンプ等のガスの逆流が可能なポンプを使用している場合には、循環ポンプ３４０の停止後に排気・排水弁３６０を開くことにより低圧水素配管３３２から気液分離器３５０に水素ガスを供給することができる。また、循環ポンプとしてエゼクタを使用する場合には、エゼクタに供給する水素ガスの流量を低減することにより低圧水素配管３３２から気液分離器３５０に水素ガスを供給することができる。
【００８２】
Ｅ４．変形例４：
上記各実施例では、水素ガスタンク３１０から供給される水素ガスを燃料ガスとして燃料電池１１０に供給しているが、燃料電池１１０に供給される燃料ガスとしては、燃料電池の燃料となる成分を含む種々のガスを使用することも可能である。例えば、炭化水素系の改質原料から改質器を用いて生成された改質ガスを燃料ガスとして燃料電池１１０に供給するものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す説明図。
【図２】燃料電池システム１００の運転中の循環ポンプ３４０の駆動の様子を示す説明図。
【図３】第１実施例において、燃料電池システム１００を停止する際に実行される停止処理ルーチンを示すフローチャート。
【図４】第１実施例において、燃料電池制御部４００が停止処理ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００の状態を示す説明図。
【図５】停止処理ルーチン実行中におけるアノード循環流路のガスの流れの様子を示す説明図。
【図６】第２実施例において、燃料電池システム１００を停止する際に実行される停止処理ルーチンを示すフローチャート。
【図７】第２実施例において、燃料電池制御部４００が停止処理ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００の状態を示す説明図。
【図８】第３実施例における燃料電池システム１００ａの構成を示す説明図。
【図９】第３実施例において、燃料電池システム１００ａを停止する際に実行される停止処理ルーチンを示すフローチャート。
【図１０】第３実施例における停止処理ルーチン実行時のアノード循環流路のガスの流れの様子を示す説明図。
【図１１】第４実施例における燃料電池システム１００ｂの構成を示す説明図。
【図１２】第４実施例における停止処理ルーチン実行時のアノード循環流路のガスの流れの様子を示す説明図。
【符号の説明】
【００８４】
１００，１００ａ，１００ｂ…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１１２…セル
１２２…酸化剤ガス供給配管
１２４…酸化剤ガス排出配管
１３２，１３２ａ，１３２ｂ…燃料ガス供給配管
１３４，１３４ａ，１３４ｂ…燃料ガス排出配管
１４２…入口弁
１４４…出口弁
２００…酸化剤ガス給排部
２０２…空気ポンプ
２０４…カソードオフガス排出部
３００，３００ｂ…燃料ガス給排部
３１０…水素ガスタンク
３１２，３２２…高圧水素配管
３２０…遮断弁
３３０…調圧弁
３３２，３３２ａ，３３２ｂ…低圧水素配管
３３４…低圧遮断弁
３４０…循環ポンプ
３４２，３５４…還流配管
３５０…気液分離器
３５２，３６２…配管
３６０…排気・排水弁
３７０…水・アノードオフガス排出部
４００，４００ａ，４００ｂ…燃料電池制御部
【図１】
2007005289.tif 000003
【図２】
2007005289.tif 000004
【図３】
2007005289.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2007005289.tif 000008
【図７】
2007005289.tif 000009
【図８】
2007005289.tif 000010
【図９】
2007005289.tif 000011
【図１０】
2007005289.tif 000012
【図１１】
2007005289.tif 000013
【図１２】
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