(57)【要約】【課題】気液分離部を備える燃料電池システムにおいて、気液分離部の貯留水の温度が氷点下の場合に、貯留水の温度を昇温させる技術を提供すること。【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムであって、燃料電池からオフガスが導入され、オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、オフガスを、気液分離部から燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、パージガス中の水蒸気量が、所定量以上となるように、パージ弁を制御し、パージガスのパージ量を調整する調整部と、  を備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池からオフガスが導入され、該オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、
前記オフガスを、前記気液分離部から前記燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、
前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガス中の水蒸気量が、所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記気液分離部に貯留される前記貯留水が過冷却状態の場合において、前記パージガス中の前記水蒸気量が、前記所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整することを特徴と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に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定量は、前記気液分離部から排出される前記貯留水の温度を、凝縮熱によって氷点より上昇させるために必要な水蒸気量であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記パージ弁近傍であって前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力を低下させる圧力低下部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に供給する反応ガスを調圧可能な調圧部を備え、
前記気液分離部には、前記調圧部によって調圧された前記反応ガスが前記燃料電池において電気化学反応に供された後の前記オフガスが導入され、
前記圧力低下部は、
前記調圧部に前記反応ガスの圧力を低下させることにより、前記上流位置の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
前記気液分離部に導入された前記オフガスを、再利用するために、前記燃料電池に再供給するためのポンプを備え、
前記圧力低下部は、
前記ポンプの回転数を減少させることにより、前記上流位置の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が前記所定量以上となるように、前記燃料電池の温度に基づいて、調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が前記所定量以上となるように、前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力に基づいて、調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が、前記所定量であって、該パージ量が最小となるように調整することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスを、最低限パージすべき量である第１パージ量と、前記所定量以上の前記水蒸気が含まれる第２パージ量と、を検出し、前記第１パージ量が前記第２パージ量以下の場合には、前記パージ弁を制御し、前記第２パージ量で前記パージガスをパージさせ、前記第１パージ量が前記第２パージ量より大きい場合には、前記パージ弁を制御し、前記第１パージ量で前記パージガスをパージさせることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池からオフガスが導入され、該オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、
前記オフガスを、前記気液分離部から前記燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、
前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスのパージ量が、所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、
前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスのパージ量が、所定量以上となるように、前記燃料電池温度、または、前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力に基づいて、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池からオフガスが導入され、オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部を備える燃料電池システムが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１４７４１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記燃料電池システムの気液分離部において、貯留される貯留水の温度が氷点下になると、貯留水が、例えば、過冷却状態となる。このように、気液分離部において、貯留水が過冷却状態であると、種々の不具合が生じるおそれがあった。例えば、過冷却状態の貯留水を、パージ弁を介してパージすると、そのパージ弁で凍結し、その結果、パージ弁が制御できなくなるおそれがあった。また、気液分離部において、貯留水の温度が氷点下であって、凍結状態であると、例えば、気液分離部から貯留水がパージできず、新たに水が貯留できなくなるなどの不具合が生じるおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、気液分離部を備える燃料電池システムにおいて、気液分離部の貯留水の温度が氷点下の場合に、貯留水の温度を昇温させ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】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
[適用例１]
燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池からオフガスが導入され、該オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、前記オフガスを、前記気液分離部から前記燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガス中の水蒸気量が、所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整する調整部と、を備えることを要旨とする。
【０００８】
上記構成の燃料電池システムによれば、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、気液分離部の貯留水の温度を十分に昇温させることができる。
【０００９】
[適用例２]
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記気液分離部に貯留される前記貯留水が過冷却状態の場合において、前記パージガス中の前記水蒸気量が、前記所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
【００１０】
このようにすれば、貯留水が過冷却状態の場合において、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、気液分離部の貯留水の温度を十分に昇温させることができる。
【００１１】
[適用例３]
適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記所定量は、前記気液分離部から排出される前記貯留水の温度を、凝縮熱によって氷点より上昇させるために必要な水蒸気量であることを特徴とする燃料電池システム。
【００１２】
このようにすれば、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、気液分離部の貯留水の温度を十分に昇温させることができる。
【００１３】
[適用例４]
適用例１ないし適用例３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記パージ弁近傍であって前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力を低下させる圧力低下部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００１４】
このようにすれば、パージガスのパージ量を少なくすることができる。その結果、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
【００１５】
[適用例５]
適用例４に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に供給する反応ガスを調圧可能な調圧部を備え、前記気液分離部には、前記調圧部によって調圧された前記反応ガスが前記燃料電池において電気化学反応に供された後の前記オフガスが導入され、前記圧力低下部は、前記調圧部に前記反応ガスの圧力を低下させることにより、前記上流位置の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
【００１６】
このようにすれば、上流位置の圧力を容易に低下させることができる。そして、パージガスのパージ量を少なくすることができる。その結果、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
【００１７】
[適用例６]
適用例４または適用例５に記載の燃料電池システムにおいて、前記気液分離部に導入された前記オフガスを、再利用するために、前記燃料電池に再供給するためのポンプを備え、前記圧力低下部は、前記ポンプの回転数を減少させることにより、前記上流位置の圧力を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
【００１８】
このようにすれば、上流位置の圧力を容易に低下させることができる。そして、パージガスのパージ量を少なくすることができる。その結果、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
【００１９】
[適用例７]
適用例１ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が前記所定量以上となるように、前記燃料電池の温度に基づいて、調整することを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
【００２０】
[適用例８]
適用例１ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が前記所定量以上となるように、前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力に基づいて、調整することを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
【００２１】
[適用例９]
適用例１ないし適用例８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記パージガスの前記パージ量を、前記パージガス中の前記水蒸気量が、前記所定量であって、該パージ量が最小となるように調整することを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
【００２２】
[適用例１０]
適用例１ないし適用例９のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記調整部は、前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスを、最低限パージすべき量である第１パージ量と、前記所定量以上の前記水蒸気が含まれる第２パージ量と、を検出し、前記第１パージ量が前記第２パージ量以下の場合には、前記パージ弁を制御し、前記第２パージ量で前記パージガスをパージさせ、前記第１パージ量が前記第２パージ量より大きい場合には、前記パージ弁を制御し、前記第１パージ量で前記パージガスをパージさせることを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
【００２３】
[適用例１１]
燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池からオフガスが導入され、該オフガス中の水蒸気を凝縮すると共に、水を貯留可能な気液分離部と、前記オフガスを、前記気液分離部から前記燃料電池システムの外部にパージガスとしてパージするパージ弁と、前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスのパージ量が、所定量以上となるように、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整する調整部と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００２４】
上記構成の燃料電池システムによれば、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、気液分離部の貯留水の温度を十分に昇温させることができる。
【００２５】
［適用例１２］
燃料電池システムにおいて、
前記調整部は、前記気液分離部に貯留される貯留水の温度が氷点下の場合において、前記パージガスのパージ量が、所定量以上となるように、前記燃料電池温度、または、前記パージ弁よりも前記パージ弁から前記貯留水が排出される方向に対する上流位置の圧力に基づいて、前記パージ弁を制御し、前記パージガスのパージ量を調整することを特徴とする燃料電池システム。このようにすれば、余分にパージガスをパージすることを抑制することができる。
【００２６】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムの他、パージ弁の制御装置など、他の装置発明の態様で実現することも可能である。また、装置発明に限ることなく、燃料電池システムの制御方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。
【００２７】
また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システム１０００の構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０００は、主に、燃料電池１００と、水素タンク２００と、水素遮断弁２１０と、可変レギュレータ２１５と、コンプレッサ２３０と、水素循環ポンプ２５０と、制御回路４００と、冷媒循環ポンプ５００と、温度センサ５２０，５３０と、圧力センサ５４０と、ラジエータ５５０と、気液分離器６００と、パージ弁６１０と、を備えている。
【００２９】
燃料電池１００は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である。燃料電池１００は、燃料電池セル２０と、エンドプレート３００Ａ，３００Ｂと、テンションプレート３１０と、インシュレータ３３０Ａ，３３０Ｂと、ターミナル３４０Ａ，３４０Ｂと、を備えている。具体的には、燃料電池１００は、エンドプレート３００Ａ，インシュレータ３３０Ａ，ターミナル３４０Ａ，複数の燃料電池セル２０，ターミナル３４０Ｂ，インシュレータ３３０Ｂ，エンドプレート３００Ｂの順に積層され、テンションプレート３１０がボルト３２０によって各エンドプレート３００に結合されることによって、各燃料電池セル２０を、積層方向に所定の力で締結する構造となっている。
【００３０】
燃料電池セル２０は、膜電極接合体（図示せず）と、アノード側セパレータ（図示せず）と、カソード側セパレータ（図示せず）と、を備えている。膜電極接合体は、電解質膜（図示せず）と、電極であるカソード（図示せず）およびアノード（図示せず）と、ガス拡散層（図示せず）と、を備え、カソードおよびアノードが表面に形成された電解質膜を、ガス拡散層で挟持して構成される。燃料電池セル２０は、この膜電極接合体を、さらにアノード側セパレータおよびカソード側セパレータで挟持して構成される。
【００３１】
水素タンク２００は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給流路２０４を介して燃料電池１００に接続されている。燃料ガス供給流路２０４上において、水素タンク２００から近い順番に、水素遮断弁２１０と、可変レギュレータ２１５とが設けられている。水素遮断弁２１０を開弁することにより、燃料電池１００に水素ガスを燃料ガスとして供給する。なお、水素タンク２００に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側へ供給するものとしてもよい。
【００３２】
可変レギュレータ２１５は、後述の制御回路４００に制御され、燃料電池システム１０００の運転状況に応じて、燃料電池１００に供給する燃料ガスの調圧を行う。
【００３３】
コンプレッサ２３０は、酸化ガス供給流路２３４を介して燃料電池１００に接続され、空気を圧縮し酸化ガスとして、カソードに供給する。また、燃料電池１００は、酸化ガス排出流路２３６と接続され、カソードで電気化学反応に供された後の酸化オフガスは、この酸化ガス排出流路２３６を介して、燃料電池システム１０００の外部に排出される。
【００３４】
燃料電池１００内部には、各燃料電池セル２０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド（図示せず）と、各燃料電池セル２０からの燃料ガスを燃料電池１００外部に排出するための燃料ガス排出マニホールド（図示せず）と、各燃料電池セル２０に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド（図示せず）と、各燃料電池セル２０からの酸化ガスを燃料電池１００外部に排出するための酸化ガス排出マニホールド（図示せず）と、各燃料電池セル２０間に冷媒を供給するための冷媒供給マニホールド（図示せず）と、燃料電池セル２０間に供給された冷媒を燃料電池１００外部に排出するための冷媒排出マニホールド（図示せず）と、が設けられる。
【００３５】
燃料電池１００（冷媒供給マニホールドまたは冷媒排出マニホールド）は、冷媒循環流路５１０に接続される。冷媒循環流路５１０上には、冷媒循環ポンプ５００とラジエータ５５０とが設けられる。ラジエータ５５０は、燃料電池１００で暖められた冷媒を冷却し、冷媒循環ポンプ５００は、ラジエータ５５０によって冷却された冷媒を燃料電池１００に供給する。これにより、燃料電池１００を、冷媒によって継続的に冷却することができる。冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液（不凍液）などを用いることができる。
【００３６】
また、温度センサ５３０は、冷媒循環流路５１０と、燃料電池１００の冷媒排出マニホールドとの接続部分に配置され、燃料電池１００から排出される冷媒の温度［℃］を検出するためのセンサである。ここで、冷媒は、熱容量が大きいので、燃料電池１００から排出される冷媒の温度は、燃料電池１００の温度とみなすことができる。従って、温度センサ５３０によって検出される冷媒の温度を、以下では、燃料電池温度Ｔｆとも呼ぶ。
【００３７】
図２は、気液分離器６００周辺の拡大図である。気液分離器６００は、燃料ガス排出流路２０６を介して、燃料電池１００（燃料ガス排出マニホールド）と接続され、燃料電池１００のアノードで電気化学反応に供された後の燃料オフガスが導入される。この気液分離器６００は、燃料オフガス中に含まれる水蒸気を凝縮する凝縮部６００Ａと、凝縮部６００Ａで凝縮された凝縮水や燃料電池１００から燃料ガス排出流路２０６を介して液水として排出される水を貯留する貯留部６００Ｂとから構成される。以下では、この貯留部６００Ｂで貯留される水を貯留水と呼ぶ。また、気液分離器６００には、パージ弁６１０が設けられている。このパージ弁６１０は、排気排水流路６２０と接続されている。
【００３８】
気液分離器６００は、ガス循環流路２０７を介して、燃料ガス供給流路２０４と接続される。このガス循環流路２０７上には、水素循環ポンプ２５０が設けられる。燃料電池１００（燃料ガス排出マニホールド）から気液分離器６００へ排出された燃料オフガスは、水素循環ポンプ２５０によって、ガス循環流路２０７を介して、燃料ガスとして燃料ガス供給流路２０４へ導入される。このようにして、燃料オフガスに含まれる水素は、循環して、再び発電に使用される。なお、気液分離器６００と燃料ガス排出流路２０６との接続部などに、燃料電池１００から排出される液水中のイオンを除去するイオン交換装置を設けるようにしてもよい。
【００３９】
また、後述のパージ処理において、パージ弁６１０を開弁することで、不純物（例えば、窒素）濃度が高くなった燃料オフガスや、貯留部６００Ｂの貯留水を、パージ弁６１０、排気排水流路６２０を介して燃料電池システム１０００の外部へパージ（排出）する。この場合、図２に示すように、貯留部６００Ｂの貯留水は、凝縮部６００Ａに導入される燃料オフガスに吹き飛ばされるようにして、パージ弁６１０、排気排水流路６２０を介して燃料電池システム１０００の外部にパージ（排出）される。なお、貯留水を吹き飛ばしつつ、パージ弁６１０から排出される燃料オフガスを、以下では、パージガスとも呼ぶ。パージ弁６１０からパージされるパージガス量を、以下では、パージ量とも呼ぶ。パージ弁６１０から貯留水や燃料オフガスが排出される方向に対して、パージ弁６１０よりも上流位置をパージ弁上流とも呼ぶ。パージ処理についての詳細は、後述する。
【００４０】
温度センサ５２０は、貯留部６００Ｂの底辺に配置され、貯留部６００Ｂの貯留水の温度を検出するためのセンサである。温度センサ５２０によって検出される貯留水の温度を、以下では、貯留水温度Ｔｃとも呼ぶ。
【００４１】
圧力センサ５４０は、気液分離器６００（凝縮部６００Ａ）内のパージ弁上流位置であって、パージ弁６１０の入口に配置され、パージ弁６１０入口の圧力を検出するためのセンサである。圧力センサ５４０によって検出されるパージ弁６１０入口の圧力を、以下では、パージ弁入口圧力Ｐｉとも呼ぶ。
【００４２】
制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ４２０と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。そして、この制御回路４００は、水素遮断弁２１０、可変レギュレータ２１５、コンプレッサ２３０、水素循環ポンプ２５０、冷媒循環ポンプ５００、パージ弁６１０、などを制御し、すなわち、燃料電池システム１０００全体の制御を行う。
【００４３】
また、制御回路４００は、パージ制御部４１０としても機能し、後述するパージ処理を実行する。
【００４４】
ところで、上述のように、貯留部６００Ｂの貯留水やパージガスをパージする場合において、貯留水の温度が氷点下であって、貯留水が、過冷却状態の場合には、種々の不具合が生じるおそれがあった。例えば、貯留水をパージ弁６１０を介してパージする際、貯留水がパージ弁６１０で凍結し、パージ弁６１０が制御できなくなるおそれがあった。そこで、後述するパージ処理では、貯留水が過冷却状態の場合には、貯留水をパージガスで吹き飛ばす際に、パージガス中の水蒸気の凝縮熱で貯留水を昇温させることにより、パージされる貯留水の過冷却状態を解消させるようにしている。ここで、貯留水の過冷却状態を解消させるために必要なパージガス中の水蒸気量を、昇温必要蒸気量Ｓｔｈとも呼ぶ。また、昇温必要蒸気量Ｓｔｈを含有するために必要なパージ量を、昇温必要パージ量Ｍｊとも呼ぶ。なお、上記昇温必要蒸気量Ｓｔｈは、貯留部６００Ｂの形や容積等燃料電池システム１０００の具体的な設計等に基づいて適宜決定される。
【００４５】
図３は、パージガスのパージ量と、燃料電池温度若しくはパージ弁入口圧力との関係を表すグラフである。詳しくは、図３（Ａ）は、パージガス中に含有される水蒸気量及びパージガス入口圧力を一定とした場合において、パージ量と、燃料電池温度との関係を表すグラフである。図３（Ｂ）は、パージガス中に含有される水蒸気量及び燃料電池温度を一定とした場合において、パージ量と、パージ弁入口圧力との関係を表すグラフである。図３（Ａ）のグラフが示すように、パージガス中に含有される水蒸気量を一定とする場合、燃料電池温度が高くなると、パージ量は少なくすみ、燃料電池温度が低くなると、パージ量を多くする必要があることがわかる。すなわち、ある一定の水蒸気量を含有するために必要なパージ量は、燃料電池温度と相関関係にあることがわかる。また、図３（Ｂ）のグラフが示すように、パージガス中に含有される水蒸気量を一定とする場合、パージ弁入口圧力が低くなるにつれて、パージ量は少なくてすみ、パージ弁入口圧力を高くなると、パージ量を多くする必要があることがわかる。すなわち、ある一定の水蒸気量を含有するために必要なパージ量は、パージ弁入口圧力と相関関係にあることがわかる。従って、昇温必要パージ量Ｍｊは、燃料電池温度Ｔｆ及びパージ弁入口圧力Ｐｉと相関関係がある。本実施例では、昇温必要パージ量Ｍｊと、燃料電池温度Ｔｆ及びパージ弁入口圧力Ｐｉとの関係を表す関係式を予め検定により検出し、パージ量データＶｒとしてＲＡＭ４２０に記憶している。昇温必要パージ量Ｍｊは、このパージ量データＶｒに基づいて検出することができる。そして、後述のパージ処理では、少なくとも昇温必要パージ量Ｍｊ分のパージガスをパージするようにしている。
【００４６】
Ａ２．パージ処理：
図４は、本実施例の燃料電池システム１０００が行うパージ処理のフローチャートである。このパージ処理は、燃料電池システム１０００の発電開始後、燃料オフガス中の不純物や、貯留部６００Ｂの貯留水をパージ（排出）するための処理であり、燃料電池システム１０００の発電開始後定期的に実行される。
【００４７】
具体的には、パージ制御部４１０は、まず、パージガスを最低限パージすべき量である最低パージ量Ｍｉを算出（検出）する（ステップＳ５）。パージ制御部４１０は、可変レギュレータ２１５の調圧値や、燃料電池１００における燃料ガスの消費量等を検出し、それらに基づいて、最低パージ量Ｍｉを算出する。なお、燃料電池１００における燃料ガスの消費量は、燃料電池１００に接続される負荷（図示せず）の消費電力量から検出することができる。
【００４８】
続いて、パージ制御部４１０は、温度センサ５２０から貯留水温度Ｔｃを検出する（ステップＳ１０）。
【００４９】
そして、パージ制御部４１０は、貯留水温度Ｔｃに基づいて貯留部６００Ｂの貯留水が過冷却状態か否か、すなわち、貯留水温度Ｔｃが下記（１）式を満たすか否かを判断する（ステップＳ１５）。なお、式（１）のＴｋは、−４０℃〜−２０℃の範囲内の値であり、燃料電池システム１０００の具体的な設計に基づいて適宜定められる。
Ｔｋ≦Ｔｃ≦０・・・（１）
【００５０】
パージ制御部４１０は、貯留水が過冷却状態である場合には（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）、温度センサ５３０から燃料電池温度Ｔｆを検出する（ステップＳ２０）。さらに、パージ制御部４１０は、パージ弁入口圧力Ｐｉを検出する（ステップＳ３０）。
【００５１】
そして、パージ制御部４１０は、ＲＡＭ４２０からパージ量データＶｒを読み出し、パージ量データＶｒに基づいて、燃料電池温度Ｔｆおよびパージ弁入口圧力Ｐｉから、昇温必要蒸気量Ｓｔｈを含有するために必要な昇温必要パージ量Ｍｊを検出する（ステップＳ４０）。
【００５２】
次に、パージ制御部４１０は、昇温必要パージ量Ｍｊがパージ量Ｍｉ以上か否かを判断する（ステップＳ５０）。
【００５３】
パージ制御部４１０は、昇温必要パージ量Ｍｊがパージ量Ｍｉ以上の場合には（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）、パージ弁６１０を制御して、パージガスを昇温必要パージ量Ｍｊ分パージする（ステップＳ６０）。その後、パージ制御部４１０は、この処理を終了する。
【００５４】
パージ制御部４１０は、昇温必要パージ量Ｍｊがパージ量Ｍｉより少ない場合には（ステップＳ５０：Ｎｏ）、パージ弁６１０を制御して、パージガスを最低パージ量Ｍｉ分パージする（ステップＳ７０）。その後、パージ制御部４１０は、この処理を終了する。
【００５５】
また、パージ制御部４１０は、貯留水が過冷却状態ではない場合（ステップＳ５：Ｎｏ）には、パージ弁６１０を制御して、パージガスを最低パージ量Ｍｉ分パージする（ステップＳ７０）。その後、パージ制御部４１０は、この処理を終了する。
【００５６】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００では、パージ処理において、貯留水が過冷却状態の場合には、パージガス中の水蒸気量が、昇温必要蒸気量Ｓｔｈとなるように、パージ弁６１０を制御し、パージ量を調整するようにしている。このようにすれば、貯留水が過冷却状態の場合において、パージガスをパージする際、パージガス中の水蒸気によって、貯留部６００Ｂの貯留水の温度を十分に昇温させることができる。その結果、貯留水が過冷却状態のまま、パージ弁６１０を通過することを抑制することができ、パージ弁６１０の凍結を抑制することができる。
【００５７】
また、燃料電池システム１０００では、パージ処理において、昇温必要蒸気量Ｓｔｈを含有するために必要な昇温必要パージ量Ｍｊを、燃料電池温度Ｔｆ及びパージ弁入口圧力Ｐｉに基づいて、決定するようにしている。このようにすれば、昇温必要パージ量Ｍｊが多くなることを抑制することができ、すなわち、余分にパージガスをパージすることを抑制することができ、パージガス中の水素を燃料電池システム１０００の外部に放出することを抑制することができる。
【００５８】
燃料電池システム１０００では、ヒータ等、他の装置を用いることなく、水蒸気の凝縮熱によって、貯留部６００Ｂの貯留水の温度を昇温させるようにしているので、燃料電池システム１０００の小型化、軽量化、部品点数の軽減、および、製造コストの削減等を実現することができる。
【００５９】
なお、本実施例において、気液分離器６００は、請求項における気液分離部に該当し、パージ弁６１０は、請求項におけるパージ弁に該当し、パージ制御部４１０は、請求項における調整部に該当する。
【００６０】
Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００と同様の構成であり、各部の構成の説明は省略する。本実施例の燃料電池システム１０００Ａは、第１実施例の燃料電池システム１０００の行うパージ処理とは異なるパージ処理を実行する。以下に、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａが行うパージ処理を説明する。なお、本実施例のパージ処理の説明において、第１実施例のパージ処理と同様の処理については、同じステップ番号を付し、説明を省略する。
【００６１】
図５は、本実施例の燃料電池システム１０００Ａが行うパージ処理のフローチャートである。パージ制御部４１０は、パージ弁入口圧力Ｐｉを検出（ステップＳ３０）後、続いて、パージ弁入口圧力Ｐｉが、閾値Ｐｔｈより大きいか否かを判断する（ステップＳ３３）。
【００６２】
パージ制御部４１０は、パージ弁入口圧力Ｐｉが、閾値Ｐｔｈより大きい場合には（ステップＳ３３：Ｙｅｓ）、可変レギュレータ２１５を制御し、可変レギュレータ２１５の調圧値を下げ、パージ弁入口圧力Ｐｉを閾値Ｐｔｈまで下げる（ステップＳ３５）。その後、パージ制御部４１０は、ＲＡＭ４２０からパージ量データＶｒを読み出し、パージ量データＶｒに基づいて、燃料電池温度Ｔｆおよびパージ弁入口圧力Ｐｉから、昇温必要パージ量Ｍｊを検出する（ステップＳ４０）。
【００６３】
また、パージ制御部４１０は、パージ弁入口圧力Ｐｉが、閾値Ｐｔｈ以下の場合には（ステップＳ３３：Ｎｏ）、ステップＳ４０の処理に移行する。
【００６４】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、パージ処理において、パージ弁入口圧力Ｐｉを低下させた後、そのパージ弁入口圧力Ｐｉを用いて昇温必要パージ量Ｍｊを検出するようにしている。このようにすれば、パージ弁入口圧力Ｐｉの低下に伴い、昇温必要パージ量Ｍｊを少なくすることができる（図３（Ｂ）参照）。その結果、余分にパージガスをパージすることを抑制することができ、パージガス中の水素を燃料電池システム１０００Ａの外部に放出することを抑制することができる。
【００６５】
なお、本実施例において、パージ制御部４１０は、請求項における圧力低下部に該当し、可変レギュレータ２１５は、調圧部に該当する。
【００６６】
Ｃ．第３実施例：
図６は、第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂが行うパージ処理のフローチャートである。第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂは、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａと同様の構成であり、各部の構成の説明は省略する。本実施例の燃料電池システム１０００Ｂは、第２実施例の燃料電池システム１０００Ａの行うパージ処理と基本的に同じであるが、一部の処理が異なるパージ処理を実行する。
【００６７】
具体的には、パージ制御部４１０は、パージ弁入口圧力Ｐｉを検出し（ステップＳ３０）、パージ弁入口圧力Ｐｉが、閾値Ｐｔｈより大きい場合伊には（ステップＳ３３：Ｙｅｓ）、水素循環ポンプ２５０を制御し、水素循環ポンプ２５０の回転数を下げ、パージ弁入口圧力Ｐｉを閾値Ｐｔｈまで下げる（ステップＳ３５Ａ）。その後、パージ制御部４１０は、ＲＡＭ４２０からパージ量データＶｒを読み出し、パージ量データＶｒに基づいて、燃料電池温度Ｔｆおよびパージ弁入口圧力Ｐｉから、昇温必要パージ量Ｍｊを検出する（ステップＳ４０）。
【００６８】
以上のように、本実施例の燃料電池システム１０００Ｂでは、パージ処理において、水素循環ポンプ２５０の回転数を下げることで、パージ弁入口圧力Ｐｉを低下させるようにしている。このようにすれば、パージ弁入口圧力Ｐｉを容易に低下させることができる。
【００６９】
本実施例において、パージ制御部４１０は、請求項における圧力低下部に該当し、水素循環ポンプ２５０は、請求項におけるポンプに該当する。
【００７０】
Ｄ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の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、例えば以下のような変形も可能である。
【００７１】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例の燃料電池システムでは、パージ制御部４１０は、パージ処理において、貯留水が過冷却状態の場合にのみ、昇温必要パージ量Ｍｊを検出し、少なくとも昇温必要パージ量Ｍｊ分のパージガスをパージするようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、パージ制御部４１０は、パージ処理において、貯留水が過冷却状態の場合に加えて、凍結状態の場合においても、昇温必要パージ量Ｍｊを検出し、少なくとも昇温必要パージ量Ｍｊ分のパージガスをパージするようにしてもよい。このようにすれば、貯留水が凍結状態の場合であっても、パージガス中の水蒸気の凝縮熱により、貯留水を昇温させることができる。
【００７２】
Ｄ２．変形例２：
上記燃料電池システムでは、パージ制御部４１０は、パージ弁６１０入口の圧力であるパージ弁入口圧力Ｐｉに基づいて、昇温必要パージ量Ｍｊを検出するようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、気液分離器６００の凝縮部６００Ａのいずれかの場所の圧力に基づいて、昇温必要パージ量Ｍｊを検出するようにしてもよい。このようにしても、上記実施例の効果を奏することができる。
【００７３】
Ｄ３．変形例３：
上記第２実施例の燃料電池システム１０００Ａでは、パージ処理において、パージ制御部４１０は、可変レギュレータ２１５を制御して、パージ弁入口圧力Ｐｉを低下させるようにしており、上記第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂでは、パージ処理において、パージ制御部４１０は、水素循環ポンプ２５０を制御して、パージ弁入口圧力Ｐｉを低下させるようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、パージ制御部４１０は、可変レギュレータ２１５及び水素循環ポンプ２５０を制御して、パージ弁入口圧力Ｐｉを低下させるようにしてもよい。この場合、パージ制御部４１０は、可変レギュレータ２１５の調圧値を下げつつ、水素循環ポンプ２５０の回転数を低下させることで、パージ弁入口圧力Ｐｉを低下させる。このようにすれば、迅速にパージ弁入口圧力Ｐｉを低下させることができ、パージ処理を短縮することができる。
【００７４】
Ｄ４．変形例４：
上記実施例の燃料電池システムでは、パージ制御部４１０は、昇温必要パージ量Ｍｊを、燃料電池温度Ｔｆ及びパージ弁入口圧力Ｐｉに基づいて、決定するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、パージ制御部４１０は、昇温必要パージ量Ｍｊを、燃料電池温度Ｔｆ、または、パージ弁入口圧力Ｐｉのどちらか一方に基づいて、決定するようにしてもよい。このようにしても上記実施例の効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１実施例としての燃料電池システム１０００の構成を示すブロック図である。
【図２】気液分離器６００周辺の拡大図である。
【図３】パージガスのパージ量と燃料電池温度若しくはパージ弁入口圧力との関係を表すグラフである。
【図４】第２実施例の燃料電池システム１０００が行うパージ処理のフローチャートである。
【図５】本実施例の燃料電池システム１０００Ａが行うパージ処理のフローチャートである。
【図６】第３実施例の燃料電池システム１０００Ｂが行うパージ処理のフローチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
１００...燃料電池
２００...水素タンク
２０４...燃料ガス供給流路
２０６...燃料ガス排出流路
２０７...ガス循環流路
２１０...水素遮断弁
２１５...可変レギュレータ
２３０...コンプレッサ
２３４...酸化ガス供給流路
２３６...酸化ガス排出流路
２５０...水素循環ポンプ
４００...制御回路
４１０...パージ制御部
４２０...ＲＡＭ
５００...冷媒循環ポンプ
５１０...冷媒循環流路
５２０，５３０...温度センサ
５４０...圧力センサ
５５０...ラジエータ
６００...気液分離器
６００Ａ...凝縮部
６００Ｂ...貯留部
６１０...パージ弁
６２０...排気排水流路
１０００，１０００Ａ，１０００Ｂ...燃料電池システム
Ｔｃ...貯留水温度
Ｔｆ...燃料電池温度
Ｐｉ...パージ弁入口圧力
Ｍｉ...最低パージ量
Ｍｊ...昇温必要パージ量
Ｖｒ...パージ量データ
Ｓｔｈ...昇温必要蒸気量
【図１】
2009104966.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2009104966.tif 000007
【図６】
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