(57)【要約】【課題】低温環境下におけるポンプの起動性の低下を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、水素ポンプ６４と、を備える。制御部１０は、燃料電池２０の運転を停止している間に、水素ポンプ６４の温度を表すパラメーターとして、燃料電池２０の温度を取得する（ステップＳ２０）。制御部１０は、燃料電池２０の検出温度に基づいて水素ポンプ６４の温度が氷点より低い所定の範囲内で設定された閾値以下であることを検出したときに、水素ポンプ６４のローター８３，８４を回転させる（ステップＳ３０〜Ｓ５０）。【選択図】図３
2016096057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
回転体と、前記回転体を収容する筐体と、を備え、前記燃料電池に対する反応ガスの供給に用いられるポンプと、
前記ポンプの温度を表すパラメーターを取得するパラメーター取得部と、
前記ポンプの駆動を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の運転が停止されている間に、前記パラメーターに基づいて前記ポンプの温度が氷点より低い所定の範囲内において設定された閾値以下であることを検出した場合に、所定の期間、前記ポンプを駆動し、前記回転体を回転させる回転体駆動処理を実行する、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、
前記閾値は、複数の閾値を含み、
前記制御部は、前記回転体駆動処理を実行するごとに、前記複数の閾値のうちの前回の閾値よりも小さい閾値を用いて、次の前記回転体駆動処理の実行の可否を判定する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記回転体駆動処理を複数回実行する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記パラメーター取得部は、前記燃料電池の温度の計測値を取得し、予め準備されている前記燃料電池の温度と前記ポンプの温度との関係を用いて、前記燃料電池の温度の計測値に対する前記ポンプの温度を、前記パラメータとして取得する、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記回転体駆動処理において、前記燃料電池の運転中における前記ポンプの回転数より小さい回転数で前記回転体を回転させる、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記ポンプは、前記燃料電池から排出された水素を前記燃料電池に再び送り出す循環ポンプである、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池と、
回転体と、前記回転体を収容する筐体と、を有し、前記燃料電池に対する反応ガスの供給に用いられるポンプと、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の運転を停止している間に、前記ポンプの温度を表すパラメーターを取得するパラメーター取得工程と、
前記パラメーターに基づいて、前記ポンプの温度が氷点より低い所定の範囲内において設定された閾値以下であることを検出した場合に、所定の期間、前記ポンプを駆動し、前記回転体を回転させる回転体駆動工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ。）を備える燃料電池システムでは、燃料電池に対する反応ガスの供給のために、回転体（ローター）を備えるポンプが用いられる場合がある。例えば、下記の特許文献１，２の技術では、燃料電池のアノードから排出される水素を燃料電池のアノードに循環させるための水素ポンプとしてルーツ式のポンプが用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３８７１３号公報
【特許文献２】特開２００７−０２４０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水素の循環に用いられる水素ポンプ内には、燃料電池の発電反応によってに生成された水分が排ガスとともに流入する。氷点下などの低温環境下では、水素ポンプの回転体と、回転体を収容する筐体（ケーシング）の壁面と、の間の隙間に、水素ポンプ内に残留している水分が入り込み、凍結することによって、回転体と筐体とが固着してしまう場合がある。そのため、燃料電池の運転を開始するときに、水素ポンプの起動が困難になってしまうという問題があった。こうした課題は、水素の循環に用いられるルーツ式の水素ポンプに限らず、回転体を備えるポンプにおいて共通する課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、少なくとも、回転体を有するポンプにおける上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
［１］本発明の第１の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、ポンプと、パラメーター取得部と、制御部と、を備えて良い。前記ポンプは、回転体と、前記回転体を収容する筐体と、を備え、前記燃料電池に対する反応ガスの供給に用いられて良い。前記パラメーター取得部は、前記ポンプの温度を表すパラメーターを取得して良い。前記制御部は、前記ポンプの駆動を制御して良い。前記制御部は、前記燃料電池の運転が停止されている間に、前記パラメーターに基づいて前記ポンプの温度が氷点より低い所定の範囲内において設定された閾値以下であることを検出した場合に、所定の期間、前記ポンプを駆動し、前記回転体を回転させる回転体駆動処理を実行して良い。この形態の燃料電池システムによれば、ポンプの回転体の凍結による固着が抑制され、低温環境下において燃料電池システムの起動性が低下してしまうことが抑制される。
【０００７】
［２］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記閾値は、複数の閾値を含み、前記制御部は、前記回転体駆動処理を実行するごとに、前記複数の閾値のうちの前回の閾値よりも小さい閾値を用いて、次の前記回転体駆動処理の実行可否を判定して良い。この形態の燃料電池システムによれば、ポンプ温度の低下に伴って、回転体駆動処理が複数回実行されるため、ポンプの回転体の凍結による固着が、より確実に抑制される。
【０００８】
［３］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記回転体駆動処理を複数回実行しても良い。この形態の燃料電池システムによれば、ポンプの回転体の凍結による固着がさらに抑制される。
【０００９】
［４］上記形態の燃料電池システムにおいて、 前記パラメーター取得部は、前記燃料電池の温度の計測値を取得し、予め準備されている前記燃料電池の温度と前記ポンプの温度との関係を用いて、前記燃料電池の温度の計測値に対する前記ポンプの温度を、前記パラメーターとして取得して良い。この形態の燃料電池システムによれば、ポンプの温度の直接的な計測を省略できるため、簡易な制御によってポンプの回転体の凍結による固着を抑制できる。
【００１０】
［５］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記回転体駆動処理において、前記燃料電池の運転中における前記ポンプの回転数より小さい回転数で前記回転体を回転させて良い。この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の運転停止中におけるポンプの駆動によるシステム効率の低下が抑制される。
【００１１】
［６］上記形態の燃料電池システムにおいて、前記ポンプは、前記燃料電池から排出された水素を前記燃料電池に再び送り出す循環ポンプであって良い。この形態の燃料電池システムであれば、水素用の循環ポンプにおいて、ポンプの回転体の凍結による固着が抑制される。
【００１２】
［７］本発明の第２の形態によれば、燃料電池システムの制御方法が提供される。前記燃料電池システムは、燃料電池と、ポンプと、を備えて良い。前記ポンプは、回転体と、前記回転体を収容する筐体と、を備え、前記燃料電池に対する反応ガスの供給に用いられて良い。この形態の燃料電池システムの制御方法は、パラメーター取得工程と、回転体駆動工程と、を備えて良い。前記パラメーター取得工程は、前記燃料電池の運転を停止している間に、前記ポンプの温度を表すパラメーターを取得する工程であって良い。前記回転体駆動工程は、前記パラメーターに基づいて、前記ポンプの温度が氷点より低い所定の範囲内において設定された閾値以下であることを検出した場合に、所定の期間、前記ポンプを駆動し、前記回転体を回転させる工程であって良い。この形態の燃料電池システムによれば、ポンプの回転体の凍結による固着が抑制され、低温環境下における起動性の低下が抑制される。
【００１３】
上述した本発明の各形態の有する複数の構成要素はすべてが必須のものではなく、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、適宜、前記複数の構成要素の一部の構成要素について、その変更、削除、新たな他の構成要素との差し替え、限定内容の一部削除を行うことが可能である。また、上述の課題の一部又は全部を解決するため、あるいは、本明細書に記載された効果の一部又は全部を達成するために、上述した本発明の一形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部を上述した本発明の他の形態に含まれる技術的特徴の一部又は全部と組み合わせて、本発明の独立した一形態とすることも可能である。
【００１４】
本発明は、燃料電池システムやその制御方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ポンプの制御方法や制御装置、燃料電池システムの制御装置、燃料電池システムやポンプの制御方法を実現するコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】水素ポンプの構成を示す概略図。
【図３】水素ポンプの凍結防止処理のフローを示す説明図。
【図４】残留水分の凍結に起因するローターの固着が抑制されるメカニズムを説明するための概略図。
【図５】凍結防止処理の実行中における水素ポンプの駆動タイミングを示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
A．第１実施形態：
［燃料電池システムの構成］
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の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷媒供給部７０と、を備える。
【００１７】
制御部１０は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピューターによって構成され、主記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部１０は、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池２０に出力要求に応じた電力を発電させる燃料電池２０の運転制御を実行する機能を有する。制御部１０は、さらに、燃料電池２０の運転停止中に水素ポンプ６４の凍結を防止するための凍結防止処理を実行する機能を有する。制御部１０による水素ポンプ６４の凍結防止処理については後述する。
【００１８】
燃料電池２０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池２０は、複数の単セル２１が積層されたスタック構造を有する。各単セル２１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレーター（図示せず）と、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。
【００１９】
カソードガス供給部３０は、燃料電池２０にカソードガスを供給する機能と、燃料電池２０のカソード側から排出される排水とカソード排ガスとを燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、を有する。カソードガス供給部３０は、燃料電池２０の上流側に、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサー３２と、エアフロメーター３３と、開閉弁３４と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池２０のカソード側の入口に接続されている配管である。エアコンプレッサー３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池２０に接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池２０に供給する。
【００２０】
エアフロメーター３３は、エアコンプレッサー３２の上流側において、エアコンプレッサー３２が取り込む外気の量を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、この計測値に基づいてエアコンプレッサー３２を駆動することにより、燃料電池２０に対する空気の供給量を制御する。開閉弁３４は、エアコンプレッサー３２と燃料電池２０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサー３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。
【００２１】
カソードガス供給部３０は、燃料電池２０の下流側に、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４と、を備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池２０のカソード側の出口に接続されている配管であり、排水及びカソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出可能である。調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池２０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。
【００２２】
アノードガス供給部５０は、燃料電池２０にアノードガスを供給する機能と、燃料電池２０から排出されるアノード排ガスを、燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、燃料電池システム１００内において循環させる機能と、を有する。アノードガス供給部５０は、燃料電池２０の上流側に、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２には、燃料電池２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池２０のアノード側の入口に接続されている。
【００２３】
アノードガス配管５１には、開閉弁５３と、レギュレーター５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とが、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。制御部１０は、開閉弁５３の開閉を制御することによって、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレーター５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部１０によって制御されている。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクターによって構成される。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５の開閉タイミングを表す駆動周期を制御することによって、燃料電池２０に供給される水素量を制御する。
【００２４】
アノードガス供給部５０は、燃料電池２０の下流側に、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７と、を備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池２０のアノード側の出口と気液分離部６２とを接続する配管である。アノード排ガス配管６１には、圧力計測部６７が設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池２０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池２０のアノード側の背圧）を計測し、制御部１０に送信する。
【００２５】
気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。アノード排ガス配管６１を介して気液分離部６２に流入したアノード排ガスは、気液分離部６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離部６２内において、アノード排ガスの気体成分はアノードガス循環配管６３へと誘導され、水分はアノード排水配管６５へと誘導される。
【００２６】
アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素ポンプ６４が設けられている。水素ポンプ６４は、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素をアノードガス配管５１へと送り出す循環ポンプとして機能する。本実施形態では、水素ポンプ６４は、ルーツ式のポンプによって構成されている。水素ポンプ６４の構成の詳細は後述する。
【００２７】
アノード排水配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部１０からの指令に応じて開閉する。制御部１０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。アノード排水配管６５の下流端は、アノード側の排水とアノード排ガスとを、カソード側の排水とカソード排ガスとに混合して排出可能なように、カソード排ガス配管４１に合流されている（図示は省略）。
【００２８】
冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエーター７２と、循環ポンプ７５と、２つの温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池２０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、で構成される。上流側配管７１ａは、燃料電池２０内の冷媒流路の出口とラジエーター７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池２０内の冷媒流路の入口とラジエーター７２の出口とを接続する。
【００２９】
ラジエーター７２は、外気を取り込むファンを有し、冷媒用配管７１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。循環ポンプ７５は、下流側配管７１ｂに設けられており、制御部１０の指令に基づき駆動する。冷媒は、循環ポンプ７５の駆動力によって冷媒用配管７１内を流れる。
【００３０】
第１温度計測部７６ａは上流側配管７１ａに設けられ、第２温度計測部７６ｂは下流側配管７１ｂに設けられている。制御部１０は、２つの温度計測部７６ａ，７６ｂによって各配管７１ａ，７１ｂにおける冷媒温度を検出し、各配管７１ａ，７１ｂの冷媒温度の差から燃料電池２０の運転温度を検出する。制御部１０は、燃料電池２０の運転温度に基づいて循環ポンプ７５の回転数を制御することによって、燃料電池２０の運転温度を制御する。
【００３１】
その他に、燃料電池システム１００は、二次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える（図示は省略）。二次電池は、燃料電池２０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池２０とともに電力源として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、二次電池の充放電や燃料電池２０の出力電圧を制御することができる。なお、上述した燃料電池システム１００の各構成部は、二次電池の電力を用いることにより、燃料電池２０の運転停止後においても駆動することが可能である。
【００３２】
［水素ポンプの構成］
図２は、水素ポンプ６４の構成を示す概略図である。図２の紙面左側には、水素ポンプ６４のローター８３，８４の回転軸ＲＸａ，ＲＸｂの軸方向に垂直な切断面における水素ポンプ６４の概略断面が図示されている。また、図２の紙面右側には、水素ポンプ６４における２つのローター８３，８４の回転軸ＲＸａ，ＲＸｂを含む切断面における水素ポンプ６４の概略断面が図示されている。水素ポンプ６４は、ローター収容部８０と、ローター駆動部８１と、を備えている。ローター収容部８０は、水素ポンプ６４の筐体に相当し、内部に密閉空間であるポンプ室８２を有する。ポンプ室８２の内部には、２つのローター８３，８４が収容されている。２つのローター８３，８４は本発明における回転体の下位概念に相当する。各ローター８３，８４は、ほぼ同一の形状を有しており、略楕円形状の長軸ＬＸ方向における中央部分を湾曲的に括れさせた断面形状（いわゆる繭形の断面形状）を有している。各ローター８３，８４は、２回対称の回転対称性を有している。
【００３３】
第１ローター８３の中心には主回転軸８３ｘが連結されており、第２ローター８４の中心には従回転軸８４ｘが連結されている。ローター駆動部８１は、モーター（図示は省略）を備えており、主回転軸８３ｘを介して第１ローター８３に回転駆動力を伝達して、第１ローター８３を回転させる。また、ローター駆動部８１は、ギヤ（図示は省略）によって従回転軸８４ｘを主回転軸８３ｘに従動するように回転させて、第２ローター８４を第１ローター８３とともに回転させる。制御部１０（図１）は、ローター駆動部８１のモーターを制御することによって、各ローター８３，８４の回転数を制御可能である。
【００３４】
ポンプ室８２内において２つのローター８３，８４は以下のような位置関係を有している。第１ローター８３の長軸ＬＸが第２ローター８４の長軸ＬＸと直交するときに、第１ローター８３の長軸ＬＸ方向における端部８３ｔが、第２ローター８４の長軸ＬＸ方向における中央に形成されている括れ部８４ｃに嵌合する。あるいは、第２ローター８４の長軸ＬＸ方向における端部８４ｔが、第１ローター８３の括れ部８３ｃに嵌合する。
【００３５】
ポンプ室８２は、主回転軸８３ｘを中心とする円Ｃ１と、従回転軸８４ｘを中心とする円Ｃ２と、が一部が重なり合うように連結された断面形状を有している（紙面左側）。ポンプ室８２における２つの円Ｃ１，Ｃ２が重なり合っている中央部位には、吸入口８５と排出口８６とが互いに対向するように設けられている。
【００３６】
２つのローター８３，８４はローター駆動部８１の回転駆動力によって、矢印で図示されているように、同じ回転速度で互いに反対の方向へと回転する。これによって、吸入口８５からの気体の吸入と、圧縮気体の排出口８６からの排出と、が繰り返される。
【００３７】
ここで、ポンプ室８２の内壁面８２ｓと、各ローター８３，８４の長軸ＬＸ方向における端部８３ｔ，８４ｔと、の間の距離Ｄａは、２０〜５０μｍの範囲内であることが好ましい。各ローター８３，８４の回転軸ＲＸａ，ＲＸｂに沿った方向におけるローター８３，８４の端面８３ｐ，８４ｐと、当該端面８３ｐ，８４ｐに対向するポンプ室８２の内壁面８２ｓと、の間の距離Ｄｂは、１０〜６０μｍの範囲内であることが好ましい（紙面右側）。距離Ｄｂは、１５〜２５μｍの範囲内であることが、より好ましい。これによって、凍結防止処理において、ポンプ室内８２の残留水分を、内壁面８２ｓに沿って引き延ばされた凍結状態に、より確実に導くことができ、低温環境下における水素ポンプ６４の固着を抑制することができる（詳細は後述）。
【００３８】
［水素ポンプの凍結防止処理］
図３は、制御部１０が実行する水素ポンプ６４の凍結防止処理のフローを示す説明図である。制御部１０は、燃料電池２０の運転を終了させるときに、その終了処理として、アノード側の掃気処理を実行する（ステップＳ１０）。この掃気処理では、制御部１０は、水素ポンプ６４を駆動させ、燃料電池２０に残留している水素を含むガスをパージガスとして循環させる。そして、所定のタイミングで排水弁６６を開き、気液分離部６２において分離された液水を排水する。これによって、燃料電池２０や、水素ポンプ６４、アノード側の配管５１，６１，６３等に残留していた水分量とを低減させることができる。ステップＳ１０の掃気処理では、エアコンプレッサー３２を駆動させてカソード側の掃気も実行されても良い。
【００３９】
制御部１０は、燃料電池２０の運転停止中に、所定の周期で起動し、ステップＳ２０以降の処理を実行する。ステップＳ２０では、制御部１０は、冷媒供給部７０の第１温度計測部７６ａおよび第２温度計測部７６ｂからの計測温度に基づいて現在の燃料電池２０の温度を取得する。ステップＳ３０では、制御部１０は、ステップＳ１０において取得した燃料電池２０の温度に基づいて、水素ポンプ６４の温度の推定値を、水素ポンプ６４の温度を表すパラメーターとして取得する。
【００４０】
本実施形態では、制御部１０は、予め実験等によって得られている運転終了後の燃料電池２０の温度変化と水素ポンプ６４の温度変化とを一意に対応付けた関係を表したマップを有している。制御部１０は、そのマップを参照して、燃料電池２０の温度に対する水素ポンプ６４の温度の推定値を取得する。ステップＳ２０，Ｓ３０の処理は、本発明におけるパラメーター取得工程の下位概念に相当する。なお、制御部１０は、前記のマップを用いる方法の他に、例えば、次の方法によって、燃料電池２０の温度に基づいて水素ポンプの温度の推定値を取得しても良い。まず、燃料電池２０の出口温度を表す第１温度計測部７６ａの計測値を、燃料電池２０の温度として取得し、その温度に所定の係数を乗算して水素ポンプ６４が有する第１の熱量の推定値を取得する。次に、外気温に基づいて水素ポンプ６４から外部に移動する第２の熱量の推定値を取得する。そして、第１の熱量から第２の熱量を減算することによって、水素ポンプ６４の温度の変化量の推定値を取得し、現在の水素ポンプ６４の温度の推定値を取得する。
【００４１】
ここで、ステップＳ３０において取得される水素ポンプ６４の温度の推定値は、特に、水素ポンプ６４におけるローター８３，８４の温度、あるいは、水素ポンプ６４におけるポンプ室８２の内壁面８２ｓの温度を表していることが望ましい。水素ポンプ６４の温度の推定値は、水素ポンプ６４におけるローター８３，８４の温度を表している方が好ましい。これによって、水素ポンプ６４の温度の推定値と、水素ポンプ６４に残留している水分の凍結に起因するローター８３，８４の固着の発生可能性と、の間の関連性がより高められる。水素ポンプ６４の温度の推定値は、水素ポンプ６４におけるポンプ室８２の温度を表している方がより好ましい。これによって、ポンプ室８２の内壁面８２ｓに、ポンプ室８２内の残留水分を引きのばした状態で凍結させることができる環境条件が、水素ポンプ６４の温度の推定値に、より適切に反映される。
【００４２】
ステップＳ３５では、制御部１０は、ステップＳ５０の水素ポンプ６４の回転駆動処理の実行回数を表す実行フラグＦ１〜Ｆ３に基づいて、ステップＳ５０の判定条件である閾値を変える処理を行う。本実施形態では、後述するステップＳ５０の処理は最大で３回実行されるため、３つの実行フラグＦ１〜Ｆ３が予め設定されている。実行フラグＦ１〜Ｆ３は初期値として０が設定されている。１回目のステップＳ５０の処理が実行されたときには、実行フラグＦ１が１に設定される（ステップＳ６０）。同様に、２回目のステップＳ５０の処理が実行されたときには、実行フラグＦ２が１に設定され、３回目のステップＳ５０の処理が実行されたときには、実行フラグＦ３が１に設定される。
【００４３】
制御部１０は、実行フラグＦ１が０のとき、つまり、ステップＳ５０の実行回数が０のときには、ステップＳ４０の判定条件として、第１の閾値Ｔｈ１を用いる。制御部１０は、実行フラグＦ１が１であり、実行フラグＦ２が０であるとき、つまり、ステップＳ５０の実行回数が１のときには、ステップＳ４０の判定条件として、第２の閾値Ｔｈ２を用いる。制御部１０は、実行フラグＦ１，Ｆ２が１であり、実行フラグＦ３が０のとき、つまり、ステップＳ５０の実行回数が２のときには、ステップＳ４０の判定条件として、第３の閾値Ｔｈ３を用いる。なお、制御部１０は、実行フラグＦ３が１である場合には、ステップＳ４０〜Ｓ６０の処理の実行をキャンセルし、ステップＳ５０の実行の繰り返しを終了する。この場合には、制御部１０は、次回の燃料電池システム１００の起動時まで、ステップＳ２０以降の処理をキャンセルするとしても良い。
【００４４】
ステップＳ４０において用いられる複数の閾値Ｔｈ１，Ｔｈ２，Ｔｈ３はいずれも、氷点よりも低い所定の温度範囲（例えば、−１０℃以上、０℃未満）内において設定された値であり、Ｔｈ１＞Ｔｈ２＞Ｔｈ３の関係を満たしている。例えば、第１の閾値Ｔｈ１を−１℃とし、第２の閾値Ｔｈ２を−３℃とし、第３の閾値Ｔｈ３を−５℃としても良い。このように、本実施形態では、ステップＳ５０の処理は氷点より低い温度において実行され、ステップＳ５０の実行回数が増えるほどステップＳ４０での判定閾値が低下する。これによって、以下に説明するように、水素ポンプ６４の温度の推定値が氷点より低い温度において低下していくときには、ステップＳ５０の処理が複数回実行されるとになる。
【００４５】
ステップＳ４０では、制御部１０は、ステップＳ３０において取得した水素ポンプ６４の温度の推定値に基づいて、水素ポンプ６４のポンプ室８２内に残留している水分が過冷却の状態になる可能性がある温度か否かを判定する。制御部１０は、水素ポンプ６４の温度推定値が、ステップＳ５０の実行回数に応じた閾値（閾値Ｔｈ１〜Ｔｈ３のいずれか）以下のときに、ポンプ室８２内の残留水分が過冷却の状態になる可能性があると判定する（ステップＳ４０のＹＥＳ）。この場合には、ステップＳ５０の処理が実行される。
【００４６】
ステップＳ５０では、制御部１０は、水素ポンプ６４を駆動させて、ローター８３，８４を所定の回転数（例えば、２００〜６００ｒｐｍ程度）で所定の期間（例えば１０〜１５秒程度）だけ回転させる。ステップＳ５０における水素ポンプ６４の駆動処理が、本発明における回転体駆動処理の下位概念に相当し、その実行工程が回転体駆動工程の下位概念に相当する。ステップＳ５０におけるローター８３，８４の所定期間の一時的な回転駆動によって、ポンプ室８２内に残留している水分の凍結に起因してローター８３，８４が固着してしまうことが抑制される。そのメカニズムについては後述する。
【００４７】
制御部１０は、ステップＳ４０において、水素ポンプ６４の温度の推定値が閾値より大きい場合には（ステップＳ４０のＮＯ）、水素ポンプ６４のポンプ室８２内の残留水分が過冷却の状態になる可能性はないものとして、次の起動周期まで待機状態に入る。そして、所定の周期での燃料電池２０の温度の検出と、水素ポンプ６４の温度の判定とを繰り返す（ステップＳ２０〜Ｓ４０）。ステップＳ５０において、水素ポンプ６４を駆動させた後、制御部１０は、上述したように、ステップＳ５０の実行回数に応じて、実行フラグＦ１〜Ｆ３のいずれかを１に設定する（ステップＳ６０）。その後、制御部１０は次の起動周期まで待機状態に入り、所定の周期での燃料電池２０の温度の検出と、水素ポンプ６４の温度の判定と、を繰り返す（ステップＳ２０〜Ｓ４０）。
【００４８】
図４は、ステップＳ５０において残留水分ＲＬの凍結に起因するローター８３，８４の固着が抑制されるメカニズムを説明するための概略図である。燃料電池２０の運転終了後に、水素ポンプ６４の駆動が停止され、ポンプ室８２内に水分が残留している場合には、その残留水分ＲＬがローター８３，８４とポンプ室８２の内壁面８２ｓとの間に入り込んでいる可能性がある。水素ポンプ６４の温度が氷点より低くなり、残留水分ＲＬが過冷却の状態にあるときに、水素ポンプ６４を駆動させてローター８３，８４を回転させると、残留水分ＲＬはポンプ室８２の内壁面８２ｓに沿って薄膜状に引き延ばされた状態になる。低温環境下では、ポンプ室８２の内壁面８２ｓは、ローター８３，８４よりも外側にあり、温度が低いため、引き延ばされた残留水分ＲＬは、内壁面８２ｓにおいて凍結に導かれる。このように、水素ポンプ６４内の残留水分ＲＬが過冷却である場合には、水素ポンプ６４のローター８３，８４の回転が水素ポンプ６４内の残留水分ＲＬの凍結のきっかけとなり、温度が低い内壁面８２ｓの側のみにおいて、残留水分ＲＬが凍結する。従って、内壁面８２ｓとローター８３，８４との間にまたがって残留水分ＲＬが凍結してしまい、ローター８３，８４が、凍結した残留水分ＲＬによって内壁面８２ｓに連結された状態で固着してしまうことが抑制される。よって、ローター８３，８４の回転可能な状態が確保される。本実施形態のように、水素ポンプ６４がルーツ式でる場合、ローター８３，８４の端面８３ｐ，８４ｐの面積が大きく、当該端面８３ｐ，８４ｐと内壁面８２ｓとの間に残留水分ＲＬが多量に存在する。このような場合であっても、低温環境下において、ステップＳ５０の処理が実行されれば、残留水分ＲＬの凍結に起因するローター８３，８４の固着を抑制することが可能である。
【００４９】
ステップＳ５０（図３）の水素ポンプ６４の駆動処理では、水素ポンプ６４は小さい回転数で駆動されることが望ましい。具体的には、制御部１０は、水素ポンプ６４を、燃料電池２０の運転中における水素ポンプ６４の平均回転数よりも低い回転数で駆動さても良い。制御部１０は、掃気処理を含む燃料電池システム１００の運転制御中における最も小さい回転数で水素ポンプ６４を駆動しても良いし、水素ポンプ６４に許容されている最小回転数で駆動しても良い。これによって、燃料電池２０の運転停止中の水素ポンプ６４の駆動によるエネルギー消費が抑制され、システム効率の低下が抑制される。
【００５０】
ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、以下に説明するように、水素ポンプ６４の温度の推定値が、上述した所定の温度範囲において継続して低下傾向にあるときに、ステップＳ５０の水素ポンプ６４の駆動処理が複数回、繰り返される。
【００５１】
図５は、凍結防止処理の実行中における水素ポンプ６４の駆動タイミングを示すタイミングチャートの一例を示す説明図である。図５では、燃料電池２０の温度の時間変化が実線グラフＧａによって図示されており、それに対する水素ポンプ６４の温度の時間変化が一点鎖線グラフＧｂによって図示されている。上記のように、燃料電池２０の温度ＴＦＣが検出されると、その検出温度ＴＦＣに対する水素ポンプ６４の温度の推定値である推定温度ＴＰが取得される（ステップＳ２０〜Ｓ３０）。最初は、実行フラグＦ１が０であるため、ステップＳ４０において、推定温度ＴＰが氷点より低い所定の第１の閾値Ｔｈ１以下になったことが検出されたときに、１回目の水素ポンプ６４の駆動処理が実行される（ステップＳ３５〜Ｓ５０）。
【００５２】
１回目のステップＳ５０の実行後に、実行フラグＦ１が１に設定される（ステップＳ６０）。待機状態を経た後、水素ポンプ６４の推定温度ＴＰが低下したときには、実行フラグＦ１が１であり、実行フラグＦ２が０であるため、所定の第２閾値温度Ｔｈ２以下になったときに、２回目の水素ポンプ６４の駆動処理が実行される（ステップＳ３５〜Ｓ５０）。そして、実行フラグＦ２が１に設定される（ステップＳ６０）。水素ポンプ６４の推定温度ＴＰがさらに低下したときには、実行フラグＦ１，Ｆ２が１であり、実行フラグＦ３が０であるため、所定の第３閾値温度Ｔｈ３以下になったときに、３回目の水素ポンプ６４の駆動処理が実行される（ステップＳ３５〜Ｓ５０）。そして、実行フラグＦ３が１に設定される（ステップＳ６０）。
【００５３】
このように、水素ポンプ６４の温度が低下傾向にある間に、複数回の水素ポンプ６４の駆動処理が繰り返されることによって、残留水分の凍結に起因するローター８３，８４の固着がより確実に抑制される。なお、ステップＳ５０の実行回数は３回に限定されない。制御部１０は、残留水分に過冷却が発生する可能性がある所定の温度範囲内でさらに小さい閾値を用いて、水素ポンプ６４の駆動処理を繰り返しても良い。また、制御部１０は、水素ポンプ６４の推定温度ＴＰが前記の所定の温度範囲内にあるときには、それ以降の温度変化にかかわらず、所定の周期で複数回、水素ポンプ６４の駆動処理を繰り返しても良い。
【００５４】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、水素ポンプ６４内において過冷却になっている残留水分に対して、ローター８３，８４の回転によって凍結のきっかけを与え、当該残留水分を温度が低いポンプ室８２の内壁面８２ｓにおいて凍結させることができる。従って、水素ポンプ６４内の残留水分がローター８３，８４とポンプ室８２の内壁面８２ｓとの間にまたがって凍結することが抑制され、残留水分の凍結に起因して水素ポンプ６４のローター８３，８４が固着してしまうことが抑制される。よって、低温環境下における燃料電池システム１００の起動性の低下が抑制される。
【００５５】
B．変形例：
B1．変形例１：
上記実施形態では、水素ポンプ６４は、繭型のローター８３，８４を有するルーツ式のポンプによって構成されている。これに対して、水素ポンプ６４は、いわゆる三つ葉型のローターを有するルーツ式のポンプによって構成されても良いし、ルーツ式以外のポンプによって構成されても良い。水素ポンプ６４は、回転体を備えるタイプのポンプであれば良く、例えば、スクリュー式のポンプであっても良い。本発明は、ポンプ以外に、エアコンプレッサーに適用されても良い。
【００５６】
B2．変形例２：
上記実施形態の燃料電池システム１００では、制御部１０は、燃料電池２０の温度に基づいて水素ポンプ６４の推定温度を取得している。これに対して、水素ポンプ６４の温度を直接的に計測可能な温度計測部を設けて、制御部１０が水素ポンプ６４の温度を表すパラメーターとして、水素ポンプ６４の温度の実測値を取得しても良い。あるいは、制御部１０は、外気温に基づいて水素ポンプ６４の推定温度を取得しても良い。
【００５７】
B3．変形例３：
上記実施形態では、水素ポンプ６４の温度を表すパラメーターが、ポンプ室８２内の残留水分が過冷却の状態になっている可能性がある所定の温度範囲にあるときに、ステップＳ５０の水素ポンプ６４の駆動処理が実行されている。ステップＳ５０の水素ポンプ６４の駆動処理は、水素ポンプ６４の温度を表すパラメーターが氷点より低い温度を示しているときに実行されれば良い。
【００５８】
B4．変形例４：
上記実施形態の水素ポンプ６４の凍結防止処理では、水素ポンプ６４の温度の推定値が低下していくときに、ステップＳ５０の水素ポンプ６４の駆動処理が複数回、繰り返し実行されている。これに対して、凍結防止処理では、ステップＳ５０の水素ポンプ６４の駆動処理が１回のみ実行されても良い。ステップＳ５０の処理は、水素ポンプ６４の温度の推定値の変化態様にかかわりなく、水素ポンプ６４の温度の推定値が氷点より低い所定の温度範囲内において、複数回が実行される構成であっても良い。
【００５９】
B5．変形例５：
上記実施形態の燃料電池システム１００では、水素ポンプ６４に対して、燃料電池２０の運転停止中にローター８３，８４を回転させることによって、ローター８３，８４の凍結による固着を抑制する凍結防止処理が実行されている。これに対して、上記実施形態の凍結防止処理は、水素ポンプ６４以外のガスの供給に用いられるポンプに適用されても良い。
【００６０】
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１０…制御部
２０…燃料電池
２１…単セル
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサー
３３…エアフロメーター
３４…開閉弁
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレーター
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
７０…冷媒供給部
７１（７１ａ，７１ｂ）…冷媒用配管
７２…ラジエーター
７５…循環ポンプ
７６ａ，７６ｂ…温度計測部
８０…ローター収容部
８１…ローター駆動部
８２…ポンプ室
８２ｓ…内壁面
８３，８４…ローター
８３ｃ，８４ｃ…括れ部
８３ｔ，８４ｔ…端部
８３ｘ…主回転軸
８４ｘ…従回転軸８４
８５…吸入口
８６…排出口
１００…燃料電池システム
【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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