(57)【要約】【課題】  水を排出するにあたり、ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池システム１では、循環ポンプ３２から燃料電池スタック１０の入口までの第１容積よりも、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの第２容積が大きくされている。さらに、制御バルブ３３から循環ポンプ３２までの流路容積を第３容積とし、第３容積から第１容積を減じた容積を第４容積とした場合、第２容積よりも第４容積の方が大きくされている。この容積条件とすることにより、水回収排出系４０近傍の圧力を昇圧するにあたり、循環ポンプ３２の仕事量を少なくすることができる。このため、燃料電池システム１は、電力消費及び騒音を抑えることができる。【選択図】      図１
2007128761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させるガス循環ラインと、
前記ガス循環ライン上に設けられ、前記燃料電池スタックの燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から燃料極側入口に循環させる動力源となる循環ポンプと、
前記燃料電池スタックから前記循環ポンプまでの前記ガス循環ライン上に設けられ、開度を調節可能とされた制御バルブと、
前記燃料電池スタックから前記制御バルブまでの前記ガス循環ライン上に設けられ、前記燃料電池スタックの燃料極側で発生した水を回収し外部に排出する水回収排出手段と、を備え、
前記燃料電池スタック、前記循環ポンプ及び前記制御バルブは、前記循環ポンプから前記燃料電池スタック入口までの流路容積を第１容積とし、前記燃料電池スタック出口から前記制御バルブまでの流路容積を第２容積とし、前記制御バルブから前記循環ポンプまでの流路容積を第３容積とし、前記第３容積から前記第１容積を減じた容積を第４容積とした場合、前記第１容積よりも前記第２容積の方が大きく、前記第２容積よりも前記第４容積の方が大きくなるように、配置されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタック出口から前記制御バルブまでの区間の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、
前記制御バルブは、前記圧力検出手段により検出された圧力値が低くなるに従って、開度を小さくし、
前記循環ポンプは、前記圧力検出手段により検出された圧力値が低くなるに従って、且つ、発電負荷が高くなるに従って、回転数を高くする
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタック出口から前記制御バルブまでの区間の圧力を検出する圧力検出手段をさらに備え、
前記制御バルブは、最大限に開度を小さくし、
前記循環ポンプは、前記圧力検出手段により検出された圧力値が低くなるに従って、且つ、発電負荷が高くなるに従って、回転数を高くする
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスを供給するガス供給手段をさらに備え、
前記ガス供給手段は、前記水回収排出手段により水が排出された後に、前記圧力検出手段により検出された圧力値が所定値未満である場合、前記圧力検出手段により検出された圧力値が所定値以上となるまで、前記燃料電池スタックの燃料極側に燃料ガスを供給する
ことを特徴とする請求項２または請求項３の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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池スタックでの発電停止前が低負荷運転である場合、発電停止後の所定時間だけ水素循環ポンプを駆動することで、燃料電池スタックの燃料極内において発生した生成水をパージ弁近傍に掻き出し、生成水を排出する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７２０３０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、従来の燃料電池システムでは、所定時間水素循環ポンプを駆動させるため、水素循環ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生という問題が生じる。
【０００４】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、水を排出するにあたり、ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させることにより発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックの燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させるガス循環ラインと、ガス循環ライン上に設けられ、燃料電池スタックの燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から燃料極側入口に循環させる動力源となる循環ポンプと、燃料電池スタックから循環ポンプまでのガス循環ライン上に設けられ、開度を調節可能とされた制御バルブと、燃料電池スタックから制御バルブまでのガス循環ライン上に設けられ、燃料電池スタックの燃料極側で発生した水を回収し外部に排出する水回収排出手段とを備えている。さらに、燃料電池スタック、循環ポンプ及び制御バルブは、循環ポンプから燃料電池スタック入口までの流路容積を第１容積とし、燃料電池スタック出口から制御バルブまでの流路容積を第２容積とし、制御バルブから循環ポンプまでの流路容積を第３容積とし、第３容積から第１容積を減じた容積を第４容積とした場合、第１容積よりも第２容積の方が大きく、第２容積よりも第４容積の方が大きくなるように、配置されている。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、循環ポンプから燃料電池スタックの入口までの流路容積を第１容積とし、燃料電池スタック出口から制御バルブまでの流路容積を第２容積とし、制御バルブから循環ポンプまでの流路容積を第３容積とし、第３容積から前記第１容積を減じた容積を第４容積とした場合、第１容積よりも第２容積の方が大きく、第２容積よりも第４容積の方が大きくなるように、燃料電池スタック、循環ポンプ及び制御バルブが配置されている。ここで、水回収排出手段による水の排出を行うためには、水回収排出手段近傍の圧力を外気圧よりも高くしておく必要がある。このため、水回収排出手段近傍の圧力が外気圧以下である場合、循環ポンプを駆動して昇圧する必要がある。この際、上記容積となるように燃料電池スタック、循環ポンプ及び制御バルブを配置していれば、循環ポンプを効率よく運転したうえで、水回収排出手段近傍の圧力を外気圧よりも高くすることができる。すなわち、上記容積条件とすることで、水回収排出手段近傍の圧力を外気圧よりも高くするにあたり、循環ポンプの仕事量を少なくすることができる。このように、循環ポンプの仕事量を少なくするため、電力消費及び騒音を抑えることができる。従って、水を排出するにあたり、ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００８】
図１は、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１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給系（ガス供給手段）２０と、ガス循環系３０と、水回収排出系（水回収排出手段）４０と、水位センサ５０と、圧力センサ（圧力検出手段）６０と、コントローラ７０とを備えている。
【０００９】
燃料電池スタック１０は、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）とを反応させることにより発電を行うものであり、水素ガスの供給を受ける燃料極と、酸素を含む空気の供給を受ける酸化剤極とを有している。また、燃料極と酸化剤極とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池スタック１０は、これら発電セルが複数層積層された構造となっている。
【００１０】
燃料ガス供給系２０は、燃料電池スタック１０の燃料極側に水素ガスを供給するものであり、水素タンク２１と、水素ガス供給配管２２と、圧力調整弁２３とからなっている。水素タンク２１は、燃料電池スタック１０の燃料極に供給する水素ガスを蓄えておくものである。水素ガス供給配管２２は水素タンク２１と燃料電池スタック１０の燃料極側入口とを接続し、水素タンク２１からの水素ガスを燃料電池スタック１０の燃料極まで導く流路となるものである。圧力調整弁２３は、水素ガス供給配管２２に設けられ、開度を調整することにより、水素タンク２１から燃料電池スタック１０の燃料極側に供給される水素ガスの供給量を制御すると共に、水素ガスの供給量を制御することにより燃料極側の圧力についても制御する構成となっている。
【００１１】
ガス循環系３０は、発電に寄与することなく排出された水素ガスを再利用するためのものであって、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から入口に循環させるものである。このガス循環系３０は、循環配管（ガス循環ライン）３１と、循環ポンプ３２と、制御バルブ３３とからなっている。
【００１２】
循環配管３１は、燃料電池スタック１０の燃料極側出口から排出されたガスを燃料極側入口に循環させる流路となるものである。循環ポンプ３２は、循環配管３１上に設けられ、燃料電池スタック１０の燃料極側から排出されるガスを燃料極側出口から燃料極側入口に循環させる動力源となるものである。制御バルブ３３は、燃料電池スタック１０から循環ポンプ３２に至るまでの循環配管３１上に設けられ、圧力調整弁２３と同様に開度を調節可能とされたものである。
【００１３】
水回収排出系４０は、燃料電池スタック１０から制御バルブ３３までの循環配管３１に設けられ、燃料電池スタック１０の燃料極側で発生した生成水等を回収し外部に排出するものである。この水回収排出系４０は、水タンク４１と、水排出配管４２と、パージ弁４３とからなっている。水タンク４１は、燃料極側からのオフガスに含まれる水分を冷却等により凝縮して回収するものである。水排出配管４２は、水タンク４１と外部とを接続する配管であって、水タンク４１により回収された水は水排出配管４２を通って外部に捨てられることとなる。パージ弁４３は、水排出配管４２上に設けられ、開閉動作することにより、水タンク４１からの水の排出を制御するものである。
【００１４】
水位センサ５０は、水タンク４１に蓄えられる水量を検出するものである。圧力センサ６０は、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力を検出するものである。
【００１５】
コントローラ７０は、燃料電池システム１の全体を制御するものであり、例えば、水位センサ５０の信号に基づいてパージ弁４３の開閉を制御するようになっている。また、コントローラ７０は、圧力センサ６０からの信号に基づいて制御バルブ３３の開度、及び循環ポンプ３２の回転数を制御するようになっている。さらに、コントローラ７０は、燃料電池スタック１０における発電や、圧力調整弁２３の開度についても制御することができる構成となっている。
【００１６】
ここで、上記した燃料電池スタック１０、循環ポンプ３２及び制御バルブ３３は、以下の関係が成立するように配置されている。まず、循環ポンプ３２から燃料電池スタック１０の入口までの流路容積を第１容積とし、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの流路容積を第２容積とする。また、制御バルブ３３から循環ポンプ３２までの流路容積を第３容積とし、第３容積から第１容積を減じた容積を第４容積とする。この場合、燃料電池スタック１０、循環ポンプ３２及び制御バルブ３３は、第１容積よりも第２容積の方が大きく、第２容積よりも第４容積の方が大きくなるように配置されている。
【００１７】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１における水排出の必要性について述べる。まず、燃料電池スタック１０での発電により、燃料極側において水が生成される。そして、生成水を何ら回収等することなく、放置しておくとフラッディングが発生し、発電効率を低下させることとなる。さらに、生成水が循環ポンプ３２に流入し、循環ポンプ３２での消費電力が増加してしまう。
【００１８】
特に、燃料電池システム１が車両に搭載されている場合、車両のアイドルストップ中などでは以下の問題が生じ得る。アイドルストップ中などの場合、水素ガス及び空気の供給は停止するが、水素ガス及び空気中の酸素は外部に排出されたわけでなく燃料極側及び酸化剤極側に残存しているため、これらが反応して生成水が生じる。また、アイドルストップ中に燃料電池スタック１０の温度が低下することにより凝縮水も発生してしまう。そして、これらの水をそのままにしておくと、アイドルストップが解除され、車両が急発進する場合、水素ガスが一気に燃料極側に供給されると共に循環ポンプ３２が全開で回り出し、その影響で溜まった水が大量に循環ポンプ３２に流れ込んでしまう。これにより、循環ポンプ３２の消費電力が一気に高まり、循環ポンプ３２の焼損保護のため、循環ポンプ３２に電流制限をかける必要が出てくる。そうした場合、必要量の水素ストイキが確保できなくなるため、燃料電池スタック１０での発電量が制限され、車両のアクセルペダルを踏んでも、いつもどおりの加速をしないという問題が出てくる。
【００１９】
このため、図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１では、水回収排出系４０を備え、定期的に又は水タンク４１に生成水が一定量溜まると排出するようにしている。
【００２０】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の水排出動作の概略を、図１を参照して説明する。まず、本実施形態の燃料電池システム１では、水回収排出系４０による水排出の前に、水回収排出系４０の近傍圧力が外気圧より高いことを確認する。すなわち、アイドルストップ中などでは、燃料極内への水素ガス供給を停止させるのが一般的であるため、燃料極側の圧力が低下してしまう。この圧力低下により、水を排出しようとしてパージ弁４３を開けたとしても、水がうまく排出されず、外気が逆流して燃料極側に流入してくる可能性がある。
【００２１】
そこで、本実施形態の燃料電池システム１では、まず、水回収排出系４０の近傍圧力が外気圧を超えるか否かを、圧力センサ６０からの信号に基づいて判断する。ここで、水回収排出系４０の近傍圧力が外気圧を超えない場合、コントローラ７０は、水回収排出系４０の近傍圧力が外気圧を超えるように制御する。
【００２２】
具体的にコントローラ７０は、制御バルブ３３を絞り、循環ポンプ３２を回転させる。これにより、制御バルブ３３から循環ポンプ３２に至るまでの区間の圧力は低下するものの、循環ポンプ３２から燃料電池スタック１０まで、及び燃料電池スタック１０から制御バルブ３３までの区間については、圧力が上昇する。そして、コントローラ７０は、水回収排出系４０近傍の圧力が外気圧を超えると、パージ弁４３を開いて水を外部に排出させる。
【００２３】
ここで、従来技術では水を排出するにあたり、所定時間ポンプを駆動させていたため、消費電力の増加及び騒音の発生という問題が生じていた。ところが、本実施形態の燃料電池システム１では、従来技術と異なり、水を排出するにあたり、ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生を抑制することができる。以下、その理由を説明する。
【００２４】
まず、ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生を抑制するためには、水回収排出系４０近傍の圧力を外気圧より高くするについて循環ポンプ３２の仕事量を少なくする必要がある。
【００２５】
ここで、循環ポンプ３２の仕事量を少なくするためには、ガスの移動モル数を少なくすればよい。すなわち、少ない移動モル数で、水回収排出系４０の近傍区間の圧力が外気圧を超えればよい。従って、上記した第１及び第２容積は小さくされていることが条件となる。第１及び第２容積が小さいと、循環ポンプ３２によるガスの移動モル数が少なくても、水回収排出系４０の近傍は容易に高圧化するためである。すなわち、第１容積＋第２容積＜第３容積の関係が成立するように、燃料電池スタック１０等が配置されていれば、ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生を抑制することができる。このため、本実施形態の燃料電池システム１において、燃料電池スタック１０、循環ポンプ３２及び制御バルブ３３は、第２容積＜第３容積−第１容積＝第４容積となるように配置されている。
【００２６】
また、循環ポンプ３２の仕事量を小さくするためには、第２容積が第１容積よりも大きくされている必要がある。第２容積の区間と第１容積の区間との間には、燃料電池スタック１０が設けられており、燃料電池スタック１０の圧力損失により第１容積の区間の圧力の方が第２容積の区間の圧力よりも高くなる。特に、水回収排出系４０近傍の高圧化の最中では、循環するガスの流量が比較的高いため、燃料電池スタック１０での圧力損失も比較的高くなる。このため、第２容積の区間の圧力を外気圧より高くするためには、第１容積の区間の圧力全体を（外気圧より高い圧力＋圧力損失）とする必要があり、第１容積を小さくすればこの圧力損失分に関する循環ポンプ３２の仕事量を小さくすることができる。従って、本実施形態の燃料電池システム１において、燃料電池スタック１０、循環ポンプ３２及び制御バルブ３３は、第１容積＜第２容積となるように配置されている。
【００２７】
以上、本実施形態の燃料電池システム１では、第１容積＜第２容積＜第４容積とされているため、従来技術と異なり、水を排出するにあたり、ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生を抑制することができる。
【００２８】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の水排出動作の詳細を説明する。図２は、本実施形態に係る燃料電池システム１の水排出動作の詳細を示すフローチャートである。まず、コントローラ７０は、水位センサ５０からの信号に基づいて水タンク４１の水位を検出する（ＳＴ１）。次いで、コントローラ７０は、水位が設定値以上であるか否かを判断する（ＳＴ２）。
【００２９】
水位が設定値以上でないと判断した場合（ＳＴ２：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１に移行する。一方、水位が設定値以上であると判断した場合（ＳＴ２：ＹＥＳ）、コントローラ７０は、圧力センサ６０からの信号を読み取って、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力を検出する（ＳＴ３）。次いで、コントローラ７０は、制御バルブ３３の開度を小さくする（ＳＴ４）。このとき、コントローラ７０は、制御バルブ３３の開度を最大限に小さくしてもよいし、図３に示すように圧力センサ６０により検出された圧力に応じて開度を小さくしてもよい。
【００３０】
図３は、図２に示したステップＳＴ４の詳細説明図である。燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力が低い場合、この区間の圧力を早期に外気圧よりも高くする必要がある。このため、図３に示すように制御バルブ３３は検出圧力値が低くなるに従って開度を小さくするようになっている。これにより、上記区間の圧力が小さいときに制御バルブ３３が大きく絞られ、上記区間の圧力を早期に高めることができる。
【００３１】
再度、図２を参照する。制御バルブ３３の開度を小さくした後、コントローラ７０は、循環ポンプ３２の回転数を調整する（ＳＴ５）。このとき、コントローラ７０は、図４に示すようにして、循環ポンプ３２の回転数を調整する。
【００３２】
図４は、図２に示したステップＳＴ５の詳細説明図である。図４に示すように、コントローラ７０は、圧力センサ６０により検出された圧力値が低くなるに従って循環ポンプ３２の回転数を高くする。これにより、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力が小さいときに、循環ポンプ３２により上記区間に多くのモル数のガスを流入させ、上記区間の圧力を早期に高めることができる。
【００３３】
さらに、コントローラ７０は、発電負荷（負荷側に要求される発電電力量）が高くなるに従って循環ポンプ３２の回転数を高くする。すなわち、コントローラ７０は、発電負荷が低くなるに従って循環ポンプ３２の回転数を小さくする。ここで、発電負荷が低い場合とは、燃料電池システム１の各種機器が停止などし、各種機器からの発生する音が小さくなると言える。このため、発電負荷が小さく、燃料電池システム１の各種機器が停止などし、各種機器からの発生する音が小さくなる状況において、コントローラ７０は、循環ポンプ３２の回転数を小さくし、循環ポンプ３２の騒音が目立ち難いようにすることができる。
【００３４】
再度、図２を参照する。循環ポンプ３２の回転数を調整した後、コントローラ７０は、検出した圧力が外気圧を超えるか否かを判断する（ＳＴ６）。検出した圧力が外気圧を超えないと判断した場合（ＳＴ６：ＮＯ）、処理はステップＳＴ３に移行する。一方、検出した圧力が外気圧を超えると判断した場合（ＳＴ６：ＹＥＳ）、コントローラ７０は、パージ弁４３を開ける（ＳＴ７）。これにより、水タンク４１から水が排出される。
【００３５】
その後、コントローラ７０は、水位センサ５０からの信号に基づいて、水位が規定値以下となったか否かを判断する（ＳＴ８）。水位が規定値以下になっていないと判断した場合（ＳＴ８：ＮＯ）、水位が規定値以下であると判断されるまで、この処理が繰り返される。一方、水位が規定値以下になったと判断した場合（ＳＴ８：ＹＥＳ）、コントローラ７０は、パージ弁４３を閉じる（ＳＴ９）。
【００３６】
そして、コントローラ７０は、水排出の終了制御を行い（ＳＴ１０）、その後、水排出動作は終了し、燃料電池システム１は、通常運転等に移行する。
【００３７】
図５は、図４に示した水排出終了制御（ＳＴ１０）の詳細を示すフローチャートである。終了制御にあたり、コントローラ７０は、まず、圧力センサ６０からの信号に基づいて、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力を検出する（ＳＴ１１）。
【００３８】
次いで、コントローラ７０は、検出した圧力が所定値以上であるか否かを判断する（ＳＴ１２）。検出した圧力が所定値以上でないと判断した場合（ＳＴ１２：ＮＯ）、コントローラ７０は、圧力調整弁２３を制御して、水素ガスを所定量だけ燃料電池スタック１０に供給する（ＳＴ１３）。そして、処理はステップＳＴ１１に移行する。
【００３９】
このステップＳＴ１３の処理により、コントローラ７０は、燃料極側の昇圧を行っている。燃料電池システム１では、水排出により、上記区間の圧力が外気圧程度まで低下している可能性がある。このため、燃料電池スタック１０の燃料極側の圧力と酸化剤極側との圧力との差が大きくなり、両極を挟む電解質膜を劣化させてしまう可能性がある。そこで、燃料ガス供給系２０は、ステップＳＴ１３において所定量だけ水素ガスを供給し、燃料極側を昇圧させることとしている。
【００４０】
なお、圧力センサ６０による検出圧力が所定値以上となるまで、ステップＳＴ１３の処理が実行されることから、燃料ガス供給系２０は、検出圧力値が所定値以上となるまで、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスを供給することとなる。また、上記所定値は、例えば、大気圧−限界膜間差圧＋マージンに設定しておく。
【００４１】
検出した圧力が所定値以上でないと判断した場合（ＳＴ１２：ＮＯ）、コントローラ７０は、循環ポンプ３２の回転数を低下させる（ＳＴ１４）。図２に示したように、水の排出を行う際には昇圧を行うため、循環ポンプ３２の回転数は、通常時よりも高くなっている。このため、コントローラ７０は、通常運転状態に戻すべく、循環ポンプ３２の回転数を低下させる。
【００４２】
その後、コントローラ７０は、循環ポンプ３２の回転数が目標値に達したか否かを判断する（ＳＴ１５）。目標値は、図２に示した水排出の制御を行うまえの循環ポンプ３２の回転数であり、水排出の制御を行うまえの状態がアイドルステップ状態であった場合、目標値は「０」とされる。ここで、循環ポンプ３２の回転数が目標値に達していないと判断した場合（ＳＴ１５：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１１に移行する。
【００４３】
一方、循環ポンプ３２の回転数が目標値に達したと判断した場合（ＳＴ１５：ＹＥＳ）、コントローラ７０は、制御バルブ３３を全開（開度最大）とし（ＳＴ１６）、その後、図５に示す処理は終了する。
【００４４】
このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、循環ポンプ３２から燃料電池スタック１０の入口までの流路容積を第１容積とし、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの流路容積を第２容積とし、制御バルブ３３から循環ポンプ３２までの流路容積を第３容積とし、第３容積から前記第１容積を減じた容積を第４容積とした場合、第１容積よりも第２容積の方が大きく、第２容積よりも第４容積の方が大きくなるように、燃料電池スタック１０、循環ポンプ３２及び制御バルブ３３が配置されている。ここで、水回収排出系４０による水の排出を行うためには、水回収排出系４０近傍の圧力を外気圧よりも高くしておく必要がある。このため、水回収排出系４０近傍の圧力が外気圧以下である場合、循環ポンプ３２を駆動して昇圧する必要がある。この際、上記容積となるように燃料電池スタック１０、循環ポンプ３２及び制御バルブ３３を配置していれば、循環ポンプ３２を効率よく運転したうえで、水回収排出系４０近傍の圧力を外気圧よりも高くすることができる。すなわち、上記容積条件とすることで、水回収排出系４０近傍の圧力を外気圧よりも高くするにあたり、循環ポンプ３２の仕事量を少なくすることができる。このように、循環ポンプ３２の仕事量を少なくするため、電力消費及び騒音を抑えることができる。従って、水を排出するにあたり、ポンプ駆動による消費電力の増加及び騒音の発生を抑制することができる。
【００４５】
また、制御バルブ３３は、検出圧力値が低くなるに従って開度を小さくし、循環ポンプ３２は、検出圧力値が低くなるに従って、且つ、発電負荷が高くなるに従って、回転数を高くすることとしている。
【００４６】
ここで、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力が低い場合、この区間の圧力を早期に外気圧よりも高くする必要がある。このため、制御バルブ３３は検出圧力値が低くなるに従って開度を小さくするようになっている。これにより、上記区間の圧力が小さいときに制御バルブ３３が大きく絞られ、循環ポンプ３２の駆動により上記区間の圧力を早期に高めることができる。
【００４７】
また、循環ポンプ３２は、検出圧力値が低くなるに従って回転数を高くする。これにより、上記区間の圧力が小さいときに循環ポンプ３２により上記区間に多くのガスを流入させ、上記区間の圧力を早期に高めることができる。
【００４８】
さらに、循環ポンプ３２は、発電負荷が高くなるに従って回転数を高くする。すなわち、発電負荷が低くなるに従って回転数を小さくする。ここで、発電負荷が低い場合とは、発電負荷が小さく、燃料電池システム１の各種機器が停止などし、各種機器からの発生する音が小さくなる場合と言える。このため、発電負荷が低くなるに従って回転数を小さくすることで、各種機器からの発生する音が小さくなる状況において、循環ポンプ３２の回転数を小さくすることとなり、循環ポンプ３２の騒音が目立ち難いようにすることができる。
【００４９】
従って、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブまでの区間の圧力を早期に高め、且つ、循環ポンプ３２の騒音を目立ち難くすることができる。
【００５０】
また、制御バルブ３３は最大限に開度を小さくしている。これにより、制御バルブ３３の開度を最大限に小さくし、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力を早期に高めることができる。また、循環ポンプ３２は、検出圧力値が低くなるに従って、且つ、発電負荷が高くなるに従って、回転数を高くすることとしているため、上記と同様に、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力を早期に高めることができ、且つ、循環ポンプ３２の騒音が目立ち難いようにすることができる。従って、燃料電池スタック１０の出口から制御バルブ３３までの区間の圧力を早期に高め、且つ、循環ポンプの騒音を目立ち難くすることができる。
【００５１】
また、水回収排出系４０により水が排出された後に、上記区間の検出圧力値が所定値未満である場合、その区間の圧力が所定値以上となるまで、燃料電池スタック１０の燃料極側に燃料ガスを供給することとしている。このため、水の排出に伴い、上記区間の圧力が低下して所定値未満となり、酸化剤極側の圧力との差が大きくなって、両極に挟まれる膜が劣化してしまうことを抑制することができる。
【００５２】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【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】本実施形態に係る燃料電池システムの水排出動作の詳細を示すフローチャートである。
【図３】図２に示したステップＳＴ４の詳細説明図である。
【図４】図２に示したステップＳＴ５の詳細説明図である。
【図５】図４に示した水排出終了制御（ＳＴ１０）の詳細を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５４】
１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料ガス供給系（ガス供給手段）
２１…水素タンク
２２…水素ガス供給配管
２３…圧力調整弁
３０…ガス循環系
３１…循環配管（ガス循環ライン）
３２…循環ポンプ
３３…制御バルブ
４０…水回収排出系（水回収排出手段）
４１…水タンク
４２…水排出配管
４３…パージ弁
５０…水位センサ
６０…圧力センサ（圧力検出手段）
７０…コントローラ
【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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