(57)【要約】【課題】低温時における循環ポンプの損傷を回避し、システム効率を高めることができる燃料電池システムを課題とする。【解決手段】燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料電池に再循環する循環路、及び循環路内の燃料オフガスを圧送する循環ポンプを有する燃料ガス循環系と、循環ポンプの駆動を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、制御装置は、所定の低温時に循環ポンプの駆動を停止しておく。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池に循環する循環路、及び前記循環路内の燃料オフガスを圧送する循環ポンプ、を有する燃料ガス循環系と、
前記循環ポンプの駆動を制御する制御装置と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、所定の低温時に、前記循環ポンプの駆動を停止しておく燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記所定の低温時であって当該燃料電池システムの起動時に、前記循環ポンプの駆動を停止しておく請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定の低温時は、前記燃料電池の温度又は外気温が０度以下のときである請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の温度を検出する温度センサを備え、
前記制御装置は、前記温度センサにより検出された温度が前記所定の低温以下のときには前記循環ポンプの駆動を停止しておく一方、前記温度センサにより検出された温度が前記所定の低温よりも大きいときには前記循環ポンプの駆動を許可する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記循環路に接続され、前記燃料オフガスを排出するパージ通路と、
前記パージ通路を開閉するパージ弁と、を備え、
前記制御装置は、前記循環ポンプの駆動停止時に、前記パージ弁を開閉する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池に燃料ガスを供給して当該燃料電池から前記燃料オフガスを排出する燃料ガス系が構成されており、
前記循環ポンプの駆動を停止した場合における前記燃料ガス系のシステム損失の大きさが、前記循環ポンプを駆動した場合における前記燃料ガス系のシステム損失の大きさを逆転する温度があり、
前記所定の低温は、前記逆転する温度以下である請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料ガス系は、
前記燃料オフガスを排出するパージ通路と、
前記パージ通路を開閉するパージ弁と、を有し、
前記循環ポンプの駆動を停止した場合における前記燃料ガス系のシステム損失は、前記パージ弁の開弁によるパージ損失からなり、
前記循環ポンプを駆動した場合における前記燃料ガス系のシステム損失は、前記パージ弁の開弁によるパージ損失と、前記循環ポンプの駆動による動力損失とからなる請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記循環路に接続され、前記燃料オフガスを排出するパージ通路と、
前記パージ通路を開閉するパージ弁と、を更に備え、
前記循環ポンプの駆動を停止した状態で前記パージ弁を開閉した場合におけるパージ量が、許容量よりも多くなる第１の温度があり、
前記所定の低温は、前記第１の温度以下である請求項１又は２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、燃料オフガスを燃料電池に循環供給する燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池から排出された燃料オフガスを、循環ポンプにより再び燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。燃料オフガスは生成水を含み又は湿度が高いため、システム停止後の低温雰囲気下において、循環ポンプに残留し得る生成水又は凝縮した水分が凍結する場合がある。システム再始動時に、この凍結した状態で循環ポンプにトルクを発生させると、循環ポンプのインペラが破損するなど、循環ポンプを損傷するおそれがある。そこで、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、循環ポンプの凍結を防止するべく、システム停止時に、乾いた燃料ガスを循環ポンプに導入して循環ポンプ内の燃料オフガスと置換するという掃気処理を行うようにしている。
【特許文献１】特開２００３−１７８７８２号公報
【特許文献２】特開２００４−２２１９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、掃気処理を行うために、燃料ガスを無駄に消費しなければならなかった。そのため、燃料電池システム全体の効率が悪かった。
【０００４】
本発明は、低温時における循環ポンプの損傷を回避し、システム効率を高めることができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料電池に再循環する循環路、及び循環路内の燃料オフガスを圧送する循環ポンプを有する燃料ガス循環系と、循環ポンプの駆動を制御する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、制御装置は、所定の低温時に循環ポンプの駆動を停止しておくものである。
【０００６】
この構成によれば、仮に循環ポンプが凍結していたとしても、所定の低温時に循環ポンプの駆動を停止しておくので、低温時における循環ポンプの損傷を回避することができる。また、掃気処理を必ずしも行う必要が無いので、また所定の低温時に循環ポンプの動力損が生じないので、システム効率を高めることができる。
【０００７】
ここで、循環ポンプを駆動しないと、燃料電池に供給される燃料オフガス中の燃料ガス濃度が低下するという懸念が生じる。しかし、本発明者らは、例えば氷点下などの低温時では、燃料オフガス中の水蒸気分圧はほとんどゼロであり、且つ、窒素のクロスリーク量も少ないという知見を得た。よって、本発明のように所定の低温時に循環ポンプの駆動を停止しておいたとしても、上記した循環ポンプの損傷を回避し且つシステム効率を高めながら、燃料オフガス中の燃料ガス濃度を十分に維持できる。
【０００８】
好ましくは、制御装置は、所定の低温時であって燃料電池システムの起動時に、循環ポンプの駆動を停止しておく。
【０００９】
この構成によれば、燃料電池システムの起動時に循環ポンプが凍結していても、その駆動を停止しておくことができる。これにより、燃料電池システムを適切に起動できる。
【００１０】
好ましくは、所定の低温時は、燃料電池の温度又は外気温が０度以下のときである。
【００１１】
この構成によれば、循環ポンプが凍結し得る０度以下の温度のときに、循環ポンプの駆動を停止しておくため、循環ポンプの損傷を適切に回避することができる。一方で、燃料オフガス中の燃料ガス濃度を確保することもできる。
【００１２】
好ましくは、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の温度を検出する温度センサを備え、制御装置は、温度センサにより検出された温度が所定の低温以下のときには循環ポンプの駆動を停止しておく一方、温度センサにより検出された温度が所定の低温よりも大きいときには循環ポンプの駆動を許可する。
【００１３】
一般に、燃料電池の温度は燃料電池システムの運転に伴い変動する。例えば、燃料電池システムの起動時では燃料電池の温度は外気温とほぼ同じであるが、燃料電池システムの運転時では、例えば固体高分子電解質型の燃料電池の温度は６０-８０℃となる。上記した本発明のように、燃料電池の温度が所定の低温よりも大きいときには、循環ポンプの駆動を許可して本来の仕様に移行できる一方、燃料電池の温度が所定の低温以下のときには、循環ポンプの駆動を停止しておくことで、循環ポンプの損傷を適切に回避しながら、燃料オフガス中の燃料ガス濃度を確保することができる。
【００１４】
好ましくは、本発明の燃料電池システムは、循環路に接続されて燃料オフガスを排出するパージ通路と、パージ通路を開閉するパージ弁とを備え、制御装置は、循環ポンプの駆動停止時にパージ弁を開閉する。
【００１５】
この構成によれば、パージ弁を開弁することで、燃料オフガスと共に燃料オフガスに含まれる生成水や不純物をパージ通路に排出することができる。これにより、循環ポンプの駆動停止時に、燃料オフガス中の燃料ガス濃度が低下しても、燃料オフガス中の燃料ガス濃度を上昇することができる。
【００１６】
好ましくは、制御装置は、所定の低温時には他の条件よりも優先して循環ポンプの駆動を停止する。例えば、所定の低温時には、燃料電池への燃料ガスの供給停止、パージ弁の開弁、又は燃料電池の発電停止その他の条件よりも優先して、循環ポンプの駆動が停止される。
【００１７】
本発明の別の一態様では、燃料電池に燃料ガスを供給して燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料ガス系が構成されており、循環ポンプの駆動を停止した場合における燃料ガス系のシステム損失の大きさが、循環ポンプを駆動した場合における燃料ガス系のシステム損失の大きさを逆転する温度があり、前記所定の低温は、逆転する温度以下であることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、上記のシステム損失が逆転する温度を基準に、循環ポンプの駆動とその停止とを切り替えることができる。これにより、燃料ガス系のシステム損失を減らすことができ、全体のシステム効率を高めることができる。
【００１９】
より好ましくは、燃料ガス系は、燃料オフガスを排出するパージ通路と、パージ通路を開閉するパージ弁とを有し、循環ポンプの駆動を停止した場合における燃料ガス系のシステム損失は、パージ弁の開弁によるパージ損失からなり、循環ポンプを駆動した場合における燃料ガス系のシステム損失は、パージ弁の開弁によるパージ損失と循環ポンプの駆動による動力損失とからなる。
【００２０】
また、本発明の他の一態様では、本発明の燃料電池システムは、循環路に接続されて燃料オフガスを排出するパージ通路と、パージ通路を開閉するパージ弁と、を更に備え、循環ポンプの駆動を停止した状態でパージ弁を開閉した場合におけるパージ量が、許容量よりも多くなる第１の温度があり、前記所定の低温は、第１の温度以下であることが好ましい。
【００２１】
この構成によれば、循環ポンプの駆動停止時にパージ量を適切に抑制でき、全体としてシステム効率を高めることができる。
【発明の効果】
【００２２】
上記した本発明の燃料電池システムによれば、低温時における循環ポンプの損傷を回避し、システム効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００２４】
＜第１実施形態＞
図１は、燃料電池システムの構成図である。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システム全体を統括制御する制御装置７と、を備えている。
【００２５】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化ガス流路２ａに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路２ｂに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池２の温度は、およそ６０〜８０℃となる。
【００２６】
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００２７】
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続されたパージ路２５と、を有している。
【００２８】
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
【００２９】
供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガス循環系（燃料ガス循環系）２９の通路は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路２ｂと、循環路２３とを順番に連通することで構成される。この水素ガス循環系２９には、上記した循環路２３に設けられたポンプ２４が含まれる。
【００３０】
ポンプ２４（循環ポンプ）は、各種のタイプで構成することができ、例えば容積型で構成されている。ポンプ２４は、例えば、図示省略した三相交流のモータと、モータの駆動軸に連結されたインペラを有するコンプレッサ部と、を備えている。モータの駆動及び停止は、制御装置７によって制御される。ポンプ２４は、モータの駆動により、水素ガス循環系２９内の水素オフガスを燃料電池２に循環供給する一方、モータの駆動停止により、水素オフガスの循環供給を停止する。
【００３１】
パージ路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した燃焼器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。ここで、水素オフガス中の不純物には、水素オフガスに含有した生成水などの水分のほか、燃料電池２の空気極からイオン交換膜を介して燃料極に透過した窒素ガス、すなわちクロスリークした窒素ガスが含まれる。
【００３２】
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路２ｃに連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷媒流路４１は、燃料電池２の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ４６と、燃料電池２の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ４７と、を有している。温度センサ４７が検出する冷媒温度は、燃料電池２の内部温度（以下、燃料電池２の温度という。）を反映する。
【００３３】
制御装置７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ２４の制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ４６，４７、燃料電池システム１が置かれる外気温を検出する外気温センサ５１などの検出信号を入力し、ポンプ２４やパージ弁３３などの各種構成要素に制御信号を出力する。
【００３４】
図２は、本実施形態に係るポンプ２４の制御例を示すフローチャートである。
運転停止後の燃料電池システム１が氷点下の環境にさらされると、ポンプ２４のコンプレッサ部内では水素オフガス中の水分や生成水が凝固し、ポンプ２４が凍結するおそれがある。凍結したポンプ２４に無理にトルクを発生させると、ポンプ２４が損傷してしまう。そこで、ポンプ２４の損傷を回避しながら、燃料電池システム１の効率を高めた運転を行うべく、制御装置７は、燃料電池システム１の起動時に次のようなプログラムを実行している。なお、燃料電池システム１の運転時に、ポンプ２４の回転が一次的に停止する又は停止された場合にも、このプログラムを実行してもよい。
【００３５】
このプログラムでは、先ず、燃料電池システム１に関連する各種の温度が検出される（ステップＳ１）。具体的には、冷媒配管系５にある温度センサ４５及び４６、並びに外気温センサ５１の温度が検出される。
【００３６】
次に、これらセンサ４５、４６及び５１の少なくとも一つの検出温度Ｔiが、所定の温度Ｔ1以下か否かが判断される（ステップＳ２）。所定の温度Ｔ1は、例えば０℃である。そして、検出温度Ｔiが温度Ｔ1よりも大きい場合には（ステップＳ２：ＮＯ）、ポンプ２４が凍結していないと判断し、ポンプ２４の駆動を許可する（ステップＳ５）。
【００３７】
ここで、温度センサ４７が検出する燃料電池２の温度と、外気温センサ５１が検出する外気温とは異なる場合があるが、これは、主に燃料電池システム１の停止から再起動までの時間（放置時間）によるものである。例えば、放置時間が比較的長い場合には、両者の温度差はほとんどないが、放置時間が比較的短いと、燃料電池２の温度は外気温よりも高いことが多い。一方で、ポンプ２４自体の温度をより良く反映するのは、外気温センサ５１である。したがって、ステップＳ２では、主に、外気温センサ５１による検出温度Ｔiが温度Ｔ1よりも小さいか否かを判断して、ポンプ２４の駆動停止維持（ステップＳ３）か、ポンプ２４の駆動許可（ステップＳ５）かを決定するとよい。
【００３８】
検出温度Ｔiが温度Ｔ1以下の場合、例えばポンプ２４が凍結するような低温時の場合には（ステップＳ２：ＹＥＳ）、ポンプ２４の駆動を停止しておく（ステップＳ３）。つまり、制御装置７は、所定の低温時に他の条件より優先して水素オフガスの循環供給を実質的に停止した状態としながら、水素供給源２１から燃料電池２への水素ガスの供給とコンプレッサ１４による酸化ガスの供給とを行い、燃料電池２にて発電を行うようにする。つまり、水素オフガスを燃料電池２に強制的に循環することなく、燃料電池２にて発電を行う。このとき、ポンプ２４の駆動停止維持は、温度センサ４７による検出温度Ｔiiが閾値Ｔ2を超えるまで実行される（ステップＳ４：ＮＯ）。
【００３９】
ここで、ステップＳ３では、ポンプ２４を停止した状態で燃料電池システム１の運転を行うが、この場合であっても、燃料電池２の単セル内の水素濃度を高く維持することができる。なぜなら、燃料電池２の温度が０℃以下では、水素オフガス中の水蒸気分圧はほとんど０であり、且つ、窒素ガスのクロスリーク量も少ないからである。したがって、燃料電池２の温度が０℃以下の場合に、ポンプ２４の駆動を停止していても、燃料電池２での発電効率が低下することを抑制できる。
【００４０】
もっとも、ポンプ２４の駆動を停止している燃料電池２の発電中には、パージ弁３３を適宜開弁して、燃料電池２内の水素濃度を常に高く維持することが好ましい。この場合、パージ弁３３を開弁する回数は、通常の運転時（ポンプ２４の駆動時）よりも少ない方が好ましい。こうすることで、パージ量を抑制することができ、燃料電池システム１における水素利用率を高め、結果的にシステム効率を高めることができる。
【００４１】
燃料電池２の発電が開始されると、燃料電池２の温度が上昇していく。すると、水素オフガス中の水蒸気分圧が上がり、且つ、窒素ガスのクロスリーク量も増して、燃料電池２の単セル内の水素濃度が低下する。この場合にパージ弁３３の開閉のみで、単セル内の水素濃度を高く維持しようとすると、パージ弁３３の開閉頻度が多くなり、その結果、水素利用率が低下して、システム効率が悪くなる。
【００４２】
そこで、本実施形態では、燃料電池２の温度（温度センサ４７による検出温度Ｔii）が、ある閾値Ｔ2を超えたら（ステップＳ４：ＹＥＳ）、ポンプ２４の駆動を許可するようにしている（ステップＳ５）。ここで、閾値Ｔ2は、上記の温度Ｔ1よりも大きい温度であり、例えば０℃よりも大きい温度であり、より好ましくは、固体高分子型の燃料電池２の運転温度６０-８０℃を考慮すれば、例えば２０-３０℃である。
【００４３】
ステップＳ５への移行により、ポンプ２４に関する一連のプログラムが終了する。その後の燃料電池システム１では、ポンプ２４の駆動が開始され、燃料電池２の負荷に応じた通常の制御が行われるようになる。すなわち、燃料電池システム１では、ポンプ２４の駆動により水素オフガスを燃料電池２に循環供給することで、水素利用率を高める一方、パージ弁３３を適宜開弁することで、水素オフガス中の水素濃度を高く維持する。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、氷点下起動時にポンプ２４の駆動を停止した状態で、燃料電池２の発電を行うようにしている。これにより、仮にポンプ２４が凍結していたとしても、その駆動（トルク発生）を停止しているのでポンプ２４の損傷を回避できる。また、ポンプ２４を停止しているため、その動力損が発生せず、システム効率を高めることができる。
【００４５】
さらに、氷点下のときには、水素オフガスの水蒸気分圧がほぼ０で且つ窒素ガスのクロスリーク量も少ないという知見を本発明者らが得ている。したがって、上記のようにポンプ２４を停止したとしても、燃料電池２内の水素濃度を高く維持でき、燃料電池２を適切に発電させることができる。また、ポンプ２４を停止していても、水素オフガスを頻繁に又は全くパージする必要がないので、水素オフガスのパージ量を抑制できる。したがって、ポンプ２４を停止しながらも水素利用率を高めることができ、結果的にシステム効率を高めることができる。
【００４６】
また、燃料電池２が発電により所定の温度に暖まった場合、すなわち所定の条件（Ｔii＞Ｔ2）を満たした場合に、ポンプ２４の駆動開始を許可して、ポンプ２４及びパージ弁３３の通常の制御に移行している。したがって、燃料電池システム１によれば、ポンプ２４の駆動停止中及び駆動中のいずれにおいても、水素利用率を高めながら、燃料電池２における水素濃度を確保することができる。
【００４７】
一方で、ポンプ２４が凍結するような氷点下のときには、ポンプ２４を駆動しないため、ポンプ２４の凍結対策を簡素化することができる。例えば、燃料電池システム１の運転停止後におけるポンプ２４内の排水処理や、ポンプ２４が凍結しないような構造上の工夫などが不要となる。なお、排水処理の一例は、燃料電池システム１の運転停止時に、水素ガス循環系２９内の水素オフガスを水素供給源２１からの水素ガスに置換するという掃気処理である。
【００４８】
また、仮にポンプ２４が凍結していたとしても、ポンプ２４には、燃料電池２の発熱により加温された水素オフガスが導入される。このため、ポンプ２４が駆動開始するころには、水素オフガスの導入によりポンプ２４の凍結を解凍し得る。
【００４９】
＜第２実施形態＞
次に、図３及び図４を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、図２に示す温度Ｔ1及びＴ2を変更したことである。本実施形態の温度Ｔ1及びＴ2は、図３に示すいわゆるデッドエンド又は循環レスの燃料電池システム１００における水素系システム効率と、図１に示す循環式の燃料電池システム１における水素系システム効率とを比較して設定されている。
【００５０】
先ず、図３に示す燃料電池システム１００について簡単に説明する。図１の燃料電池システム１と異なる構成は、燃料電池システム１００の燃料ガス配管系４´が循環路２３及びポンプ２４を具備せず、且つ、燃料電池２から水素オフガスを排出する排出路２５にパージ弁３３が設けられたという構成である。その他の構成は、第１実施形態の燃料電池システム１と同一であるので、第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５１】
この燃料電池システム１００では、水素ガス及び酸化ガスを燃料電池２に供給する。燃料電池システム１００は、運転時に、パージ弁３３を適宜開弁し、水素オフガスを排出路２５の下流へと排出することで、燃料電池２の単セル内における水素濃度を確保する。
【００５２】
図４は、燃料電池２の温度に対する水素系システム損失の変化を示すグラフである。
ここで、燃料電池２の温度は上記したとおり、温度センサ４７による検出温度である。水素系システムは、図１では燃料ガス配管系４が相当し、図３では燃料ガス配管系４´が相当する。よって、図１における循環式の水素系システム損失は、ポンプ２３の動力損失と、パージ弁３３の開弁による水素オフガスのパージ損失と、を加算したものからなる。一方、図３における循環レス式の水素系システム損失は、パージ弁３３の開弁による水素オフガスのパージ損失からなる。
【００５３】
図４に示す線Ｌ１は、図１の燃料電池システム１の運転時に、燃料電池２の温度に関わらず、ポンプ２４を駆動すると共にパージ弁３３を開閉した場合の水素系システム損失を示している。線Ｌ１は、水素系システム損失が燃料電池２の温度によらず略一定であることを示している。
【００５４】
図４に示す曲線Ｌ２は、図３の燃料電池システム１００の運転時に、パージ弁３３を開閉した場合の水素系システム損失を示している。上記したとおり、燃料電池２の温度が高くなると、燃料電池２内の水素ガス濃度が低下する。そのため、図３の燃料ガス配管系４´では、燃料電池２内の水素ガス濃度を確保するために、燃料電池２の温度上昇に伴いパージ弁３３によるパージ量を増やす必要がある。したがって、曲線Ｌ２では、水素系システム損失（パージ損失）が燃料電池２の温度上昇に伴い大きくなることが示されている。
【００５５】
なお、図１の燃料ガス配管系４において、ポンプ２４を駆動せずにパージ弁３３の開閉のみで、燃料電池２内の水素濃度を確保しようとした場合、そのときの水素系システム損失は、曲線Ｌ２に実質的に相当すると考えられる。つまり、曲線Ｌ２は、ポンプ２４の駆動を停止した場合における燃料ガス配管系４のシステム損失を実質的に示していると考えられる。
【００５６】
図４に示す線Ｌ１及び曲線Ｌ２から分かるように、これらが交わる温度Ｔ´（ただし、Ｔ´＞０）までは、曲線Ｌ２が示す水素系システム損失の方が線Ｌ１のそれよりも少ない。また、温度Ｔ´移行では、線Ｌ１が示す水素系システム損失の方が、曲線Ｌ２のそれよりも少ない。これを分析するに、燃料電池２の温度を考慮して水素系システム損失を極力少なくするには、燃料ガス配管系４が温度Ｔ´までは曲線Ｌ２を実行し、且つ温度Ｔ´移行は線Ｌ１を実行することが望ましいと考えられる。
【００５７】
そこで、第２実施形態の燃料電池システム１では、その起動時において、温度Ｔ´まではポンプ２４の駆動を停止しておき、温度Ｔ´になったところで、ポンプ２４の駆動を開始するようにしている。つまり、第２実施形態では、図２のステップＳ２に示す温度Ｔ1は温度Ｔ´であり、ステップＳ４に示す温度Ｔ2も温度Ｔ´に設定されている。温度Ｔ´は、例えば固体高分子型の燃料電池２であれば、２０-３０℃である。
【００５８】
以上のように、第２実施形態の燃料電池システム１によれば、逆転する温度Ｔ´を基準に、ポンプ２４をその駆動と停止との間で切り替えている。したがって、より一層、燃料ガス配管系４の損失を減らすことができ、全体としてシステム効率をより一層高めることができる。また、第２実施形態によれば、凍結によるポンプ２４の損傷を回避できるなど、第１実施形態に記載の他の作用効果についても奏することができる。なお、温度Ｔ1及びＴ2を温度Ｔ´よりも小さい温度に設定してもよい。
【００５９】
＜第３実施形態＞
次に、図３及び図５を参照して、第３実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、図２に示す温度Ｔ1及びＴ2を変更したことである。これら温度Ｔ1及びＴ2については、第２実施形態と同様に、図３の燃料電池システム１００との比較で設定されている。
【００６０】
図５は、燃料電池２の温度に対するパージ量の変化を示すグラフである。
パージ量とは、上記のとおり、パージ弁３３の下流へと排出される水素オフガスの量をいう。図５に示す線Ｌ３は、図１の燃料電池システム１の運転時（ポンプ２４の駆動時）におけるパージ量を示している。線Ｌ３は、パージ量が燃料電池２の温度によらず略一定であることを示している。
【００６１】
図５に示す曲線Ｌ４は、図３の燃料電池システム１００の運転時におけるパージ量を示している。上記したとおり、燃料電池２の温度が高くなると、燃料電池２内の水素ガス濃度が低下する。そのため、図３の燃料ガス配管系４´では、燃料電池２内の水素ガス濃度を確保するために、燃料電池２の温度上昇に伴いパージ量を増やす必要がある。したがって、曲線Ｌ４では、パージ量が燃料電池２の温度上昇に伴い大きくなることが示されている。
【００６２】
なお、図１の燃料ガス配管系４において、ポンプ２４を駆動せずにパージ弁３３の開閉のみで、燃料電池２内の水素濃度を確保しようとした場合、そのときのパージ量は、曲線Ｌ４が示すパージ量に実質的に相当すると考えられる。つまり、曲線Ｌ４は、燃料ガス配管系４において、ポンプ２４の駆動を停止した状態でパージ弁３３を開閉した場合におけるパージ量を実質的に示していると考えられる。
【００６３】
図５に示す線Ｌ５は、排気保安基準のパージ量を示している。つまり、燃料電池システムの設計では、水素オフガスのパージ量が、線Ｌ５が示す許容量を越えないようにする必要がある。線Ｌ５は、曲線Ｌ４と温度Ｔ´´（第１の温度）で交差している。
【００６４】
第３実施形態の燃料電池システム１では、その起動時において、温度Ｔ´´まではポンプ２４の駆動を停止しておき、温度Ｔ´´になったところで、ポンプ２４の駆動を開始するようにしている。つまり、第３実施形態では、図２のステップＳ２に示す温度Ｔ1は温度Ｔ´´であり、ステップＳ４に示す温度Ｔ2も温度Ｔ´´に設定されている。
【００６５】
したがって、第３実施形態の燃料電池システム１によれば、温度Ｔ´´を基準に、ポンプ２４をその駆動と停止との間で切り替えているため、パージ量を適切に抑制でき、全体としてシステム効率を高めることができる。また、第３実施形態によれば、凍結によるポンプ２４の損傷を回避できるなど、第１実施形態に記載の他の作用効果についても奏することができる。なお、温度Ｔ1及びＴ2を温度Ｔ´´よりも小さい温度に設定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る循環ポンプの制御例を示すフローチャートである。
【図３】比較例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図４】燃料電池の温度に対する水素系システム損失の変化を示すグラフである。
【図５】燃料電池の温度に対するパージ量の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１：燃料電池システム、２：燃料電池、４：燃料ガス配管系（燃料ガス系）、７：制御装置、２３：循環路、２４：ポンプ、２５：パージ通路、２９：燃料ガス循環系、３３：パージ弁、４６，４７：温度センサ、５１：外気温センサ、
【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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