(57)【要約】【課題】循環量を適切な値に制御し、気液分離性能を高い状態に維持する。【解決手段】燃料電池システムは、循環通路を通じて排出通路のガスを供給通路に循環させる駆動手段、循環させるガスから水分を分離する分離器、水分を貯留する貯留器、燃料電池の運転状態及び燃料電池が運転される環境の状態を基にシステム内の残水量を算出する手段、貯留器内の水分を排水する排水手段、運転状態及び環境の状態に従い残水量を減少させるために駆動手段を作動させる作動時間を算出する手段、貯留器内の水分を排水するために排水手段を作動させる作動時間を算出する手段、貯留器に貯留している水分量を算出する手段、水分量が閾値以上であるかを判定する手段、駆動手段を作動時間の終了まで作動させ、排水手段を作動時間の終了まで作動させる制御手段を備え、制御手段は、水分量が閾値以上であるか否かに応じて異なる駆動量でガス駆動手段を作動させる。【選択図】図１
2007207724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、
前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、
前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、
前記ガス循環通路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、
前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、
前記分離した水分を貯留する貯留器と、
前記貯留器内の水分を前記燃料電池システム外に排水する排水手段と、
前記貯留器に貯留している水分量を算出する水分量算出手段と、
前記水分量が所定の閾値以上であるか否かに応じて異なる駆動量で前記ガス駆動手段を作動させる制御手段と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、前記ガス供給通路、前記ガス排出通路、および前記ガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する手段と、
前記運転状態および前記環境の状態にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する作動時間算出手段と、
前記貯留器内の水分を前記燃料電池システム外に排水するために前記排水手段を作動させる排水作動時間を算出する排水時間算出手段と、を更に備え、
前記制御手段は、前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させるとともに前記排水手段を前記排水作動時間の終了まで作動させる請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記水分量が所定の閾値以上である場合、前記排水作動時間を所定時間延長させた時間の終了まで前記排水手段を作動させる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記水分量が所定の閾値以上である場合、前記駆動量を所定値減少させる請求項１から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、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池ともいう）システムの停止時に燃料電池内や経路内に必要以上の水分が存在している場合、長時間氷点下にさらされると水分が凍結する問題がある。そのため、燃料電池システムを氷点下でも安定的に運転する為には、燃料電池システムの経路内の水分を燃料電池システムの停止時に排出する必要がある。このため、循環系のガス経路を含む燃料電池では、気液分離器を含む経路でガスを循環させ（これを掃気という）、残水量を減少させている。しかし、燃料電池システムの経路内の掃気時間が長くなると、燃料電池システムの停止に必要な時間が長くなる等、使い勝手が悪くなる。すなわち、掃気や希釈空気の供給をポンプに頼る為、長時間の掃気には多量の電力が消費され、また、ポンプの駆動時の騒音が問題となる。さらに、イグニッションスイッチがＯＦＦにされた後、燃料電池システムの停止処理に時間がかかると商品性を損なうという問題がある。
【０００３】
また、燃料電池における電解質膜内のプロトン（水素イオン）は、水分子により移動する。燃料電池の運転には、プロトン移動性を確保するため、燃料電池の電解質膜内やその近傍も湿潤させることが必要である。そのため、氷点下においても、燃料電池システムを円滑に始動させ、安定した運転状態を達成するためには、燃料電池内部にある程度の水分が必要である。
【特許文献１】特開２００３−２９７３９９号公報
【特許文献２】特開２００４−２８８４９１号公報
【特許文献３】特開２００５−１４１９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池システム内を循環するガスから水分を分離する性能（気液分離性能）は、燃料電池システム内の残水量、循環量（燃料電池システム内を循環するガスの単位時間あたりの流量）及び気液分離器が分離した水分を貯留するタンクの水位により変化する。しかし、上記従来の技術は、気液分離性能の変化に応じて、循環量を適切な値に制御していない。そのため、気液分離性能を高い状態に維持することができない。本発明の目的は、循環量を適切な値に制御し、気液分離性能を高い状態に維持する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、前記ガス循環通路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、前記分離した水分を貯留する貯留器と、前記貯留器内の水分を前記燃料電池システム外に排水する排水手段と、前記貯留器に貯留している水分量を算出する水分量算出手段と、前記水分量が所定の閾値以上であるか否かに応じて異なる駆動量で前記ガス駆動手段を作動させる制御手段とを備える燃料電池システムである。本発明では、貯留器に貯留している水分量に応じて異なる駆動量でガス駆動手段を作動させる。そのため、貯留器に貯留している水分量に応じた駆動量で燃料電池システム内の残水を掃気する。その結果、気液分離器の気液分離性能を高い状態に維持することができる。
【０００６】
また、上記燃料電池システムは、前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、前記ガス供給通路、前記ガス排出通路、および前記ガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する手段と、前記運転状態および前記環境の状態にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する作動時間算出手段と、前記貯留器内の水分を前記燃料電池システム外に排水するために前記排水手段を作動させる排水作動時間を算出する排水時間算出手段とを更に備え、前記制御手段が、前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させるとともに前記排水手段を前記排水作動時間の終了まで作動させてもよい。本発明では、燃料電池システム内の残水量に応じた適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。また、貯留器内の水分を適切な時間により排水する。その結果、気液分離器の気液分離性能を高い状態に維持することができる。
【０００７】
また、上記燃料電池システムは、前記水分量が所定の閾値以上である場合、前記制御手段が、前記排水作動時間を所定時間延長させた時間の終了まで前記排水手段を作動させてもよい。本発明では、貯留器に貯留している水分を燃料電池システム外に排水する時間を調整することで、貯留器に貯留している水分量を適切な値に維持することができる。
【０００８】
また、上記燃料電池システムは、前記水分量が所定の閾値以上である場合、前記制御手段が、前記駆動量を所定値減少させてもよい。本発明では、ガス駆動手段の駆動量を減少させ、気液分離器の気液分離性能を高い状態に維持することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、循環量を適切な値に制御し、気液分離性能を高い状態に維持できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）に係る設計装置について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１１】
本実施形態に係る燃料電池システムを図１および図２の図面に基いて説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、アノードオフガス循環通路４、カソードガス通路５、カソードオフガス通路６、水素タンク７、水素ポンプ８、ポンプ９、調圧弁１０、１１、フィルタ１２、加湿器１３、気液分離器１４、ドレンタンク１５、排水弁１６、制御部１７、残水量算出部１８、パージ弁１９及び水位検出部２０を有する。
【００１２】
燃料電池スタック１は、複数のセルが積層されて構成されている。各セルは電解質膜、アノード（燃料極）、カソード（空気極）、及びセパレータとから構成される。アノードとカソードとの間には、水素及び空気の流路が形成されている。アノードガス通路２は、燃料電池スタック１のアノードに水素を含んだアノードガスを供給する通路である。カソードガス通路５は、燃料電池スタック１のカソードに空気を含んだカソードガスを供給する経路である。
【００１３】
水素タンク７は、アノードガス通路２にアノードガスを供給する。水素タンク７から供給されるアノードガスは、調圧弁１０により所定圧力に調整される。また、アノードガスはアノードガス通路２から燃料電池スタック１のアノードに供給されている。ポンプ９（エアーコンプレッサともいう）が駆動することにより、燃料電池システム外から供給されるカソードガスが燃料電池スタック１のカソードに供給される。
【００１４】
燃料電池スタック１のアノードでは、アノードガスが供給されると、アノードガスに含まれる水素から水素イオンが生成される。また、燃料電池スタック１のカソードには、空気に含まれる酸素が供給される。そして、燃料電池スタック１では、水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。また、燃料電池スタック１のカソードでは、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。
【００１５】
加湿器１３は、燃料電池スタック１に供給される空気を加湿する。燃料電池スタック１内で電気化学反応が適切に行われるためには、燃料電池スタック１内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態である必要があるため、空気を加湿している。また、電解質膜の水分は細かいクラスタに分離し、電解質膜内のスルホン酸基と結びついて電解膜質内の水分は氷結しにくい。
【００１６】
アノードに供給されたアノードガスのうち未反応の水素及びカソードから透過する窒素等を含むガス（以下、アノードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路３に送出される。
【００１７】
また、カソードに供給されたカソードガスのうち未反応のガス（以下、カソードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路６に排出される。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス通路６を通り、燃料電池システム外に排出される。
【００１８】
燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路３及びアノードオフガス循環通路４を通り、水素タンク７からのアノードガスとともに再び燃料電池スタック１のアノードへ供給される。そのため、アノードオフガス通路３は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスを気液分離器１４に供給する。
【００１９】
気液分離器１４は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水分と水素を分離する。気液分離器１４で水分を分離された水素は水素ポンプ８によりアノードガスとしてアノードオフガス循環通路４を通り、アノードガス通路２に供給される。アノードオフガス循環通路４は、水素ポンプ８から送出されるアノードガスをアノードガス通路２に循環させるための通路である。アノードオフガス循環通路４により、アノード側の循環経路が構成されている。
【００２０】
ドレンタンク１５は、気液分離器１４が分離した水分を貯留する。排水弁１６の開閉を行うことにより、ドレンタンク１５に貯留されている水は循環経路外に排出される。また、排水弁１６は、ドレンタンク１５に貯留される水が溢れないように適度に開閉される。
【００２１】
また、制御部１７は、水素ポンプ８及び排水弁１６と電気的に接続されており、水素ポンプ８及び排水弁１６の駆動を制御する。制御部１７は、排水弁１６の駆動を制御することにより、排水弁１６の開閉時間を制御することができる。
【００２２】
残水量算出部１８は、燃料電池システム内の残水量を推定する。燃料電池システム内の残水量は、燃料電池スタック１、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、アノードオフガス循環通路４、水素ポンプ８、気液分離器１４及びドレンタンク１５内に存在する水などの燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップに影響する水分の量をいう。
【００２３】
パージ弁１９は、アノードから排出されるアノードオフガス中に窒素などの不純物が増
加したときに、不図示の希釈器を介してアノードオフガス（および水素ポンプ８で循環されるアノードガス）を循環経路外に排出する。水位検出部２０は、ドレンタンク１５に貯留されている水の水位を検出し、測定する。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに対して発電停止の処理が行われた場合に図２の処理を実行する。例えば、イグニッションスイッチがＯＦＦにされた場合、燃料電池システムの停止の指令があったと判断し、図２の処理が行われる。
【００２５】
まず、燃料電池スタック１の発電停止の処理が行われる（Ｓ０１）。具体的には、水素タンク７に備え付けられている図示しないシャット弁が閉じられ、水素タンク７からのアノードガスの供給が遮断されることにより発電を停止させる。本実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池システム内の残水を掃気するために、燃料電池システム内をアノードガス及びアノードオフガスが循環している。そして、燃料電池スタック１の発電停止の処理が行われた後も燃料電池システム内の残水は水素ポンプ８の駆動により掃気される。
【００２６】
具体的には、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を制御し、アノードガス経路２及び燃料電池スタック１内にアノードガスを循環させる。そして、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水と水素が気液分離器１４により分離される。そして、制御部１７は、排水弁１６の駆動を制御し、分離した水を循環経路外に排出する。本実施形態においては、燃料電池スタック１の発電停止後の燃料電池システム内の残水を気液分離器１４から排出させるための処理を掃気・循環処理という。
【００２７】
つぎに、残水量算出部１８は、発電停止の処理が行われた直前の状態量から発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する（Ｓ０２）。例えば、残水量算出部１８は、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する処理として、残水量Ｑｉｎｉを算出する。残水量Ｑｉｎｉは、発電停止の処理が行われた直前の状態量から求まる発電停止時の燃料電池システム内の残水量の推定値である。
【００２８】
状態量には、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等がある。燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスを測定することにより、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態を知ることができる。インピーダンスは、燃料電池スタック１の電極間に高圧電気系からある周波数の交流を加えて、その応答から測定することができる。インピーダンスは、発電停止の処理を行った直前の値を使用する。発電停止の処理を行う直前までインピーダンスを常時測定しておくことにより、発電停止の処理を行った直前のインピーダンスの値を使用することができる。
【００２９】
負荷積算値（電流積算値）は、総発電量であり、負荷積算値を測定することにより燃料電池内での総生成水量を知ることができる。運転時間は、燃料電池システムの発電時間である。燃料電池システムの発電が短時間の場合と、燃料電池システムの発電が長時間の場合とでは、発電量が同程度でも燃料電池システムの発電が短時間の方が経路内の温度が低い。このため、短時間の発電の場合、長時間の発電の場合に比較して液体となっている水の量が多い。
【００３０】
冷媒温度又は冷媒温度の変化量は、絶対値よりもどれだけ温まったのかという相対的な変化量が重要となる。燃料電池スタック１内の温度が高い場合は、燃料電池スタック１内の水分は蒸気となり燃料量電池システム外に出ていきやすい。一方、燃料電池スタック１内の温度が低い場合は、燃料電池スタック１内の水分は蒸気とならず燃料電池システム内
に留まりやすい。
【００３１】
燃料電池スタック１からの放熱は外気温度によって変化するので、外気温度は冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響する。また、外気の湿度は、経路内の湿度に影響し、したがって、残水量に影響する。上記状態量は、発電停止直後の所定時間内の状態量を使用することもできる。また、上記状態量の複数を組み合わせて、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定することもできる。
【００３２】
図３及び図４は、状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。図３において、負荷積算値が小さい場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、負荷積算値が大きい場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。また、図４において、冷媒温度が高い場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、冷媒温度が低い場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。
【００３３】
このような、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係は、実験式として求めることができる。また、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係をマップ化しておき、そのマップ（テーブル）を参照することにより燃料電池システム内の残水量を求めてもよい。残水量算出部１８は、この実験式又はマップにしたがって、残水量Ｑｉｎｉを算出する。例えば、状態量のうち、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量等は運転履歴又は運転状態とも呼ばれる。また、状態量のうち、外気温度、湿度等は使用環境又は運転環境とも呼ばれる。
【００３４】
さらに、制御部１７は、目標残水量Ｑｒｅｑを算出する（Ｓ０３）。目標残水量Ｑｒｅｑとは、燃料電池システムを動作する上で燃料電池スタック１内の電解質膜が適度な湿潤状態となるために必要な燃料電池システム内の残水量であり、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる残水量である。したがって、目標残水量Ｑｒｅｑは、燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップを回避するために適切な値が求められる。
【００３５】
また、目標残水量Ｑｒｅｑは、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）や構成部品に依存する。さらに、目標残水量Ｑｒｅｑの値は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作環境が寒冷地や温暖地などの仕向先によって変化する値である。
【００３６】
次に、制御部１７は、必要掃気時間Ｔ、循環量初期値Ｑ及び排水弁開時間初期値Ｔｖを算出する（Ｓ０４）。必要掃気時間Ｔは、燃料電池システム内の残水量を目標残水量Ｑｒｅｑにまで減少させるために必要な掃気・循環処理の実行時間を推定した値である。すなわち、燃料電池システム内の残水量Ｑｉｎｉが目標残水量Ｑｒｅｑに達するのに必要な掃気・循環処理の推定時間である。この推定時間は秒で求めてもよい。具体的には、予め、燃料電池システム内の残水量Ｑｉｎｉと燃料電池システム内の残水を目標残水量Ｑｒｅｑまで掃気するのに必要な掃気・循環処理の時間との関係をマップ化しておく。そして、燃料電池システム内の残水量Ｑｉｎｉの値に対応する必要掃気時間Ｔをマップより求める。
【００３７】
循環量初期値Ｑは、発電停止時の循環量（Ｌ／ｍｉｎ）の値である。循環量は、水素ポンプ８の回転数を増加することや、水素ポンプ８の駆動を脈動にすることにより循環量を多くすることができる。また、循環量は、水素ポンプ８の回転数を減少させることや、水素ポンプ８の駆動を脈動から通常の駆動に戻すことにより循環量を少なくすることができ
る。この循環量初期値Ｑの値は、実測（又はシミュレーション）により求めることができる。
【００３８】
排水弁開時間初期値Ｔｖは、発電停止時の排水弁１６の開放時間をいう。排水弁１６の開放時間は、ドレンタンク１５に貯留されている水を排出するために排水弁１６が開かれる時間である。排水弁１６が開かれる時間は、制御部１７によって制御される。排水弁１６の開閉は、発電時のみならず発電停止後もバッファー水位が所定値以上である場合は、所定時間行なわれる。
【００３９】
排水弁１６の開放時間は発電開始時に予め設定されている。そのため、発電中に排水弁１６の開放時間が変更されなければ、発電開始時に設定された時間が発電停止時の排水弁１６の開放時間となる。また、排水弁１６の開放時間は発電中に変更することができる。そのため、発電中に排水弁１６の開放時間に変更があれば、変更後の時間が発電停止時の排水弁１６の開放時間となる。発電停止時の排水弁１６の開放時間を記憶しておき、制御部１７は、記憶されている発電停止時の排水弁１６の開放時間を取得し、算出する。排水弁１６の開放時間は、バッファー容量（Ｌ）、気液分離器１４の気液分離性能及び循環量等に基づいて決定する。バッファー容量とは、ドレンタンク１５に貯留できる水の容量である。また、バッファー容量は、設計要件によって決定される。さらに、この排水弁１６の開放時間の値は、実測（又はシミュレーション）により求めることができる。
【００４０】
そして、制御部１７は、水位検出部２０からバッファー水位を取得する（Ｓ０５）。バッファー水位は、ドレンタンク１５に貯留されている水の水位（ｍｍ）である。水位検出部２０は、ドレンタンク１５に水が存在しないときを基準として、バッファー水位を測定する。また、水位検出部２０は、バッファー水位を常時測定しておく。ここで、制御部１７が水位検出部２０から取得したバッファー水位をバッファー水位ａとする。
【００４１】
次に、制御部１７は、水位検出部２０から取得したバッファー水位ａが所定の閾値Ａ以上であるかを判定する（Ｓ０６）。アノードから送出されたアノードオフガスは、気液分離器１４に入り、水素と水に分離される。水の水位が高い場合、ドレンタンク１５に貯留されている水面付近の水が分離された水素とともに再びアノードオフガス通路３に送出される可能性が高くなる。そのため、ドレンタンク１５に貯留されている水の水位が高い場合、気液分離器１４の気液分離性能は低くなる。ここで、気液分離器１４の回収水量（ドレンタンク１５に貯留している水量）を導入水量（気液分離器１４の入り口部分に入る水量）で割った値を気液分離率（％）という。
【００４２】
図５は、バッファー水位と気液分離率との関係を示した図である。図５の横軸は、バッファー水位（ｍｍ）を示しており、図５の縦軸は、気液分離率（％）を示している。図５の曲線Ｘは、循環量が少ない場合におけるバッファー水位に対する気液分離率の変化を示したものである。図５の曲線Ｙは、循環量が多い場合におけるバッファー水位に対する気液分離率の変化を示したものである。図５で示すように、曲線Ｙ（循環量が多い場合）に比べて、曲線Ｘ（循環量が少ない場合）の方が気液分離率は高い値を維持している。
【００４３】
循環量が多い場合、気液分離率はバッファー水位がある値以上（図５のＡ）になると急激に下がる傾向がある。本実施形態では、バッファー水位が上昇すると気液分離率が下がり始める、そのようなバッファー水位の値を所定の閾値Ａとする。所定の閾値Ａは、実測（又はシミュレーション）によって求めておけばよい。
【００４４】
バッファー水位ａが所定の閾値Ａ以上である場合、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を制御し、循環量を現在の値から所定値減少させる（Ｓ０７）。具体的には、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を制御し、水素ポンプ８の回転数を現在の値から所定値減少させ
る。また、水素ポンプ８の駆動が脈動に切り替わっている場合、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を制御する。そして、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を脈動から通常の駆動に切り替える。これにより、循環量を現在の値から所定値減少させることができる。
【００４５】
この場合、循環量は回転効率が高効率となる値とする。回転効率は、ガスが燃料電池システム内を１回循環した場合に対して、液水（液体の水）が燃料電池システム内を循環した回数を百分率で表したものである。図６は、循環量と回転効率との関係を示した図である。図６の横軸は、循環量（Ｌ／ｍｉｎ）を示しており、縦軸は回転効率（％）を示している。図６では、循環量が０付近で回転効率が最も低い値を示している。そして、循環量が図６のＢの値まで増加するとともに回転効率も上昇している。しかし、循環量が図６のＢの値から図６のＣの値まで増加しても、回転効率は一定の高い値を維持している。このような回転効率が一定の高い値を維持する場合の循環量を高効率領域という。循環量が高効率領域となる値は、実測（又はシミュレーション）によって求めておく。また、水素ポンプ８の回転数を減少させる所定値（すなわち、水素ポンプ８の回転数の現在の値と循環量が高効率領域となる水素ポンプ８の回転数の値の差分）は、実測（又はシミュレーション）によって求めてもよい。
【００４６】
また、水素ポンプ８の回転数を減少させるように水素ポンプ８の駆動を制御した場合、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を減少させた後の必要掃気時間Ｔを再度算出してもよい。さらに、水素ポンプ８の駆動を脈動から通常の駆動に切り替えるように制御した場合、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を脈動から通常の駆動に切り替えた後の必要掃気時間Ｔを再度算出してもよい。これらの場合、再度算出した必要掃気時間Ｔを用いて以降の処理（図２のＳ０８からＳ１０の処理）を行ってもよい。
【００４７】
次に、制御部１７は、排水弁開時間初期値Ｔｖを所定時間増加させる（Ｓ０８）。この所定時間は、バッファー容量、気液分離器１４の気液分離性能及び現在の循環量（Ｓ０７の処理で減少させた循環量）等に基づいて決定する。また、排水弁開時間初期値Ｔｖを増加させる所定時間の値は、実測（又はシミュレーション）により求めることができる。
【００４８】
また、本実施形態では、排水弁開時間初期値Ｔｖを所定時間増加させる場合の例を示した。しかし、本発明の実施はこのような構成に限定されず、例えば、排水弁開時間初期値Ｔｖを所定時間増加させずに図２に示す処理を行うようにしてもよい。その場合、水素ポンプ８の駆動を制御し、循環量を減少させる処理（Ｓ０７の処理）を行った後、排水弁開時間初期値Ｔｖを所定時間増加させる処理（Ｓ０８の処理）を行わずにＳ０９の処理を行うようにすればよい。
【００４９】
一方、バッファー水位ａが所定の閾値Ａ以上でない場合（Ｓ０６において否定と判定した場合）、Ｓ０９の処理を行う。
【００５０】
そして、制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達したか否かを判定する（Ｓ０９）。具体的には、制御部１７は、掃気・循環処理の時間をカウントするタイマー（図示せず）から掃気・循環処理の経過時間を取得し、必要掃気時間Ｔと比較する。そして、制御部１７は、取得した掃気・循環処理の経過時間が必要掃気時間Ｔと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判定する。
【００５１】
制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達していないと判定した場合、掃気・循環処理を続行し、Ｓ０５の処理に制御を戻す。そして、Ｓ０５からＳ０９の処理を再度行う。
【００５２】
一方、制御部１７は、掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔに達したと判定した場合
、水素ポンプ８の駆動を停止するよう制御するとともに、排水弁１６の駆動を停止するよう制御する（Ｓ１０）。制御部１７が排水弁１６の駆動を停止するように制御した場合、排水弁１６の開閉が停止する。上記の場合、水素ポンプ８の駆動の停止と同時に、排水弁１６の開閉を停止してもよい。また、水素ポンプ８の駆動の停止とは別個に、排水弁１６の開閉を停止してもよい。例えば、制御部１７が水素ポンプ８の駆動を停止させたときに、排水弁１６の開放時間が終了していない場合、排水弁１６の開放時間の終了後に排水弁１６の開閉を停止させてもよい。そして、制御部１７が、水素ポンプ８の駆動を停止するよう制御するとともに、排水弁１６の駆動を停止するよう制御した場合、燃料電池システムの動作を停止する。
【００５３】
本実施形態によれば、バッファー水位ａが所定の閾値Ａ以上であるとき、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を制御し循環量を少なくする。また、その循環量を高効率領域とする。そのため、気液分離器１４の気液分離性能を高い状態に維持することができる。そして、気液分離器１４の気液分離性能が高い状態で燃料電池システム内の掃気・循環処理を行うことができる。その結果、燃料電池システム内の掃気・循環処理の時間を短縮することができる。また、燃料電池システム内の残水の凍結を防止することがきる。さらに、燃料電池システム内の掃気・循環処理の時間の短縮と燃料電池システム内の残水の凍結防止との両立が可能となる。また、燃料電池システム内の残水の凍結により、燃料電池の安定的な発電を阻害したり、補機が損失する可能性を低減することが可能となる。
【００５４】
〈変形例〉
上記実施形態では、燃料電池システムは、水素ポンプ８及び気液分離器１４を有している。例えば、カソード側のポンプ９を水素ポンプ８のように、燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用してもよい。また、アノードオフガス通路３の気液分離器１４をカソードオフガス通路６に設けるようにしてもよい。さらに、その場合の気液分離器１４にドレンタンク１５及び排水弁１６を設けるようにしてもよい。
【００５５】
また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路６に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック１のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環通路により、カソード側の循環経路が構成される。ポンプ９及び気液分離器１４の駆動を制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。
【００５６】
また、例えば、アノードガス通路２に水素ポンプ８及び気液分離器１４を備えた状態で、ポンプ９を燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用し、カソードオフガス通路６にカソード気液分離器を設けるようにしてもよい。さらに、その場合のカソード気液分離器にドレンタンク１５及び排水弁１６を設けるようにしてもよい。
【００５７】
また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路６に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック１のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環通路により、カソード側の循環経路が構成される。水素ポンプ８、ポンプ９、気液分離器１４及びカソード気液分離器のいずれか又はすべてを制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図３】状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。
【図４】状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。
【図５】バッファー水位と気液分離率との関係を示した図である。
【図６】循環量と回転効率との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００５９】
１    燃料電池スタック
２    アノードガス通路
３    アノードオフガス通路
４    アノードオフガス循環通路
５    カソードガス通路
６    カソードオフガス通路
７    水素タンク
８    水素ポンプ
９    ポンプ
１０、１１  調圧弁
１２  フィルタ
１３  加湿器
１４  気液分離器
１５  ドレンタンク
１６  排水弁
１７  制御部
１８  残水量算出部
１９  パージ弁
２０  水位検出部
【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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