JP2014186815A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体を循環させる循環器にエア噛み異常が生じた場合に、従来に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る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１００は、燃料電池１と、燃料電池１を冷却する第１熱媒体を循環させる第１循環器３と、第１熱媒体から熱を回収する第２熱媒体を循環させる第２循環器４と、第１循環器３及び第２循環器４の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じると、第１循環器３及び第２循環器４の出力を共に増加させるとともに、燃料電池１の発電量を増加させる制御器５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガス中の水素を空気中の酸素との間で電気化学反応させて発電する。この化学反応は発熱反応なので、燃料電池は、発電中、発熱状態になる。そこで、燃料電池システムでは、燃料電池の温度を、上記の反応に適した温度に維持するよう、熱媒体、ポンプ、熱交換器などを組み合わせた機構が一般的に採用されている。特に、ポンプについては、安価で信頼性が高い遠心式ポンプが採用されることがある。

しかし、遠心式ポンプは、ポンプ内にエアが混入すると（以下、「エア噛み」という）、所望の量の熱媒体を送れない場合がある。

そこで、被凝縮ガス（燃焼排ガス）の凝縮器出口温度に基づいて、冷媒を送るポンプのエア噛み異常を検知する例が提案されている（例えば、特許文献１）。そして、特許文献１では、エア噛み異常の検知により、ポンプの吐出量を増大させることが提案されている。

特開２０１０−２５５９５０号公報

しかし、特許文献１では、ポンプにエア噛み異常が生じた場合、燃料電池の温度制御について十分に検討されていない。

本発明の一態様は、このような事情に鑑みてなされたものであり、熱媒体を循環させる循環器にエア噛み異常が生じた場合に、従来に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する第１熱媒体を循環させる第１循環器と、第１熱媒体から熱を回収する第２熱媒体を循環させる第２循環器と、前記第１循環器及び前記第２循環器の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じると、前記第１循環器及び前記第２循環器の出力を共に増加させるとともに、前記燃料電池の発電量を増加させる制御器とを備える。

本発明の一態様の燃料電池システムは、熱媒体を循環させる循環器にエア噛み異常が生じた場合に、従来に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る適切に制御し得る。

図１は第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 図２は第１実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図３は第１実施形態における実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図４は第１実施形態における変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図５は第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。 図６は第２実施形態における変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。

（第１実施形態）
本発明者らは、熱媒体を循環させる循環器にエア噛み異常が生じた場合における、燃料電池の温度制御の問題について鋭意検討し、以下の知見を得た。

特許文献１の如く、ポンプに生じたエア噛み異常を解消すべく単にポンプ出力だけを上げると、燃料電池の熱を回収する熱回収器での熱交換量が増加する。すると、燃料電池の温度が、本来制御すべき温度範囲から逸脱し、ハンチング現象が起こる恐れがある。燃料電池は、この温度範囲を逸脱すると、燃料電池の反応平衡点が変化する。また、この温度範囲を逸脱すると、燃料電池のフラッディングなどが進行し、燃料電池システムの安定的な運転に影響を及ぼす。

そこで、第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却する第１熱媒体を循環させる第１循環器と、第１熱媒体から熱を回収する第２熱媒体を循環させる第２循環器と、第１循環器及び第２循環器の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じると、第１循環器及び第２循環器の出力を共に増加させるとともに、燃料電池の発電量を増加させる制御器とを備える。

かかる構成により、第１循環器及び第２循環器にエア噛み異常が生じた場合に、従来に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る適切に制御し得る。つまり、第１循環器及び第２循環器の出力を増加させる場合、燃料電池の発電量を増加させない場合に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る。また、燃料電池の発電量を増加させない場合に比べ、燃料電池の熱を回収する第２熱媒体の温度低下を抑制し得る。

［装置構成］
図１は第１実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。

図１に示す例では、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池１と、熱回収器２と、第１循環器３と、第２循環器４と、制御器５とを備える。

燃料電池１は、いずれの種類の燃料電池であってもよく、例えば、高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池又は燐酸形燃料電池などを用いることができる。

第１循環器３は、燃料電池１を冷却する第１熱媒体を循環させる。第１循環器３は、第１熱媒体を循環できれば、どのような構成であってもよい。例えば、第１循環器３として、遠心ポンプなどのターボ形ポンプを用いることができる。なお、第１熱媒体として、例えば、水、不凍液などが例示できる。

第２循環器４は、第１熱媒体から熱を回収する第２熱媒体を循環させる。第２循環器４は、第２熱媒体を循環できれば、どのような構成であってもよい。例えば、第２循環器４として、遠心ポンプなどのターボ形ポンプを用いることができる。なお、第２熱媒体として、例えば、水、不凍液などが例示できる。また、第２熱媒体が循環する経路上に、熱媒体を貯える蓄熱器を配置しても構わない。蓄熱器として、例えば、水を貯める貯湯タンクなどが例示できる。

熱回収器２は、第１熱媒体の熱の回収に用いられる。熱回収器２は、第１熱媒体から熱を回収できれば、どのような構成であってもよい。例えば、熱回収器２として、熱交換器を用いることができる。

制御器５は、第１循環器３及び第２循環器４の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じると、第１循環器３及び第２循環器４の出力を共に増加させるとともに、燃料電池１の発電量を増加させる。

制御器５は、制御機能を有するものであればどのような構成でもよく、演算処理部（図示せず）と、制御プログラムを記憶する記憶部（図示せず）とを備えてもよい。演算処理部としては、ＭＰＵ、ＣＰＵが例示される。記憶部としては、メモリーが例示される。制御器５は、集中制御を行う単独の制御器で構成されてもいいし、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されてもいい。

かかる構成により、燃料電池システム１００の運転ポイントを高負荷側に移動させ、燃料電池１の温度制御を適切に行い得るとともに、第１循環器３及び第２循環器４の出力増加により、第１循環器３及び第２循環器４のエア噛み異常を解消できる。

具体的には、第１循環器３の出力を増加させると、燃料電池１を冷却する第１熱媒体の流量が増し、燃料電池１の熱交換量が増加する。すると、燃料電池１の熱媒体出口側の第１熱媒体の温度が低下する。そこで、上記のとおり、燃料電池システム１００の運転ポイントを高負荷側に移動させ、燃料電池１の発電量を増加させる。これにより、燃料電池１の熱交換量の増加を賄える燃料電池１の発熱量を確保できるので、燃料電池１の熱媒体出口側の第１熱媒体の温度を適温に制御できる。

同様に、第２循環器４の出力を増加させると、燃料電池１の熱を回収する第２熱媒体の流量が増し、熱回収器２の熱回収量が増加する。すると、燃料電池１の熱媒体入口側の第１熱媒体の温度が低下する。また、燃料電池システム１００が、蓄熱器を備える場合、蓄熱器に入る第２熱媒体の温度が低下する。そこで、上記のとおり、燃料電池システム１００の運転ポイントを高負荷側に移動させ、燃料電池１の発電量を増加させる。これにより、熱回収器２の熱回収量の増加を賄える燃料電池１の発熱量を確保でき、燃料電池１の熱媒体入口側の第１熱媒体の温度を適温に制御できる。また、蓄熱器に入る第２熱媒体の温度が低下することを抑制できる。

ところで、第１循環器３及び第２循環器４に遠心ポンプなどのターボ形ポンプ（以下、「ポンプ」と略す）を用いる場合、制御器５は、ポンプのエア噛みは、ポンプの入力電力及び回転数に基づいて検知可能である。これは以下の理由による。

熱媒体が流れる経路にエアが存在しても、経路上のポンプの揚程が十分に出力されている場合、熱媒体を送り出すことが可能である。一方、燃料電池システム１００の出力負荷が小さく、熱回収器２の熱交換量及び燃料電池１の発熱量が小さい場合、必要とされる熱媒体の流量が少ない。このとき、経路内を流れる熱媒体の流速が低く、特に熱媒体が層流状態となる場合、複数の細かい泡は合体しエアとなる。ポンプにエアが存在すると、ポンプ羽根車がエアを押し出すだけの十分な遠心力がない場合、ポンプ内にエアが滞留し続け、これにより、ポンプにエア噛み異常が発生する。ポンプにエア噛み異常が発生すると、必要とされるポンプの揚程も出力できない。そして、このエア噛み異常が顕著となり、ポンプが空転し続けると、ポンプが破損する場合がある。

つまり、ポンプにエア噛み異常が生じると、ポンプによる熱媒体の吐送量が減少するため、ポンプの仕事量が減少する。これは、ポンプにエア噛み異常が生じた場合、ポンプ内は、気液混合の状態となっており、ポンプ羽根車が、エアが含まれない熱媒体を押す場合に比べて、ポンプ内の熱媒体の粘性抵抗が低くなり、ポンプ羽根車が行う仕事量が減るからである。よって、ポンプの入力電力が一定であるにもかかわらず、ポンプの回転数が上昇する場合、ポンプにエア噛み異常が生じていると判断できる。同様に、ポンプの回転数が一定の値であるにもかかわらず、ポンプの入力電力が低下する場合も、ポンプにエア噛み異常が生じていると判断できる。

そこで、本実施形態では、制御器５は、ポンプの回転数及び入力電力に基づいて、ポンプにエア噛み異常が生じているか否かを判定する。例えば、制御器５は、ポンプの回転数及び入力電力の比が、所定値以上に変動した場合、ポンプの熱媒体の粘性抵抗が変動したとみなし、ポンプにエア噛み異常が発生していると判定する。また、ポンプの回転数と入力電力の比が、変動前の値の近似値に戻った場合、ポンプのエア噛み異常が解消されたと判定する。

かかる構成により、ポンプのエア噛みの判定に温度センサを用いる場合に比べ、エア噛みを誤って検知する可能性を低減できる。これは、温度センサが計測する温度は、環境温度の影響を受けるので、環境温度が変動すると、ポンプのエア噛みを誤って検知する恐れがあるからである。

また、ポンプのエア噛みの判定に温度センサを用いる場合に比べ、ポンプが空転した場合でも、ポンプのエア噛みを迅速に検知できる。ポンプが、エア噛みによって空転すると、ポンプによる熱媒体の送出が停止し、熱媒体は滞留する。滞留した熱媒体は放熱によって自然に温度が低下していく。特開２０１０−２５５９５０号公報では、温度センサを用いて、熱媒体と熱交換する燃焼排ガスの温度を計測し、これにより、ポンプのエア噛みを検知しているので、異常検知に時間がかかる。これに対し、本実施形態では、ポンプの入力電力と回転数の比からエア噛みを検知するので、ポンプがエア噛みによって空転すると、入力電力に対する回転数の比が急激に増大し、従来に比べ、ポンプのエア噛み異常をより速やかに検知できる。

［動作］
図２は第１実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器５により制御される。

図２に示すように、ステップＳ１で、第１循環器３及び第２循環器４の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じているか否かが判定される。そして、第１循環器３及び第２循環器４の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じると、ステップＳ２で、第１循環器３及び第２循環器４の出力を共に増加させるとともに、ステップＳ３で、燃料電池１の発電量を増加させる。

以下、第１循環器３及び第２循環器４にポンプを用いる場合、上記ステップＳ１の具体例を述べる。

一例として、ステップＳ１では、ポンプの回転数をデューティ比（以下、「Ｄｕｔｙ比」という）で割った値（回転数／Ｄｕｔｙ比）の移動平均が、燃料電池システム１００の最大負荷運転時（最大発電運転時）における本移動平均の１．５倍以上であると、制御器５は、ポンプにエア噛み異常が徐々に生じていると判定する。

なお、ポンプのＤｕｔｙ比は、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御が行われるポンプの入力電力を表す代表的な値である。

ポンプにエアが混入すると、回転数／Ｄｕｔｙ比は上昇するが、ポンプからエアが抜けると、この値は低下する。このため、ポンプにおけるエアの発生状況に応じて、回転数／Ｄｕｔｙ比は細かく振動する。よって、回転数／Ｄｕｔｙ比の移動平均を用いて、ポンプにエア噛み異常が徐々に進行しているか否かを判定できる。また、燃料電池システム１００の最大負荷運転時の上記移動平均を基準とする理由は、燃料電池システム１００は、その最大負荷運転時に最も安定に運転できるので、ポンプのエア噛み異常が発生する可能性が最も低いと考えられるからである。また、ポンプが吐出する熱媒体の流量が最も多く、かつ、ポンプの揚程が最も高いので、回転数／Ｄｕｔｙ比が熱媒体の温度や粘性などの影響を受けにくいと考えられるからである。

なお、上記エア噛み異常の発生の判定方法及び本判定に用いる具体的な数値は例示であって、本実施形態は、本例に限定されるものではない。

（実施例）
第１実施形態における実施例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、エア噛み異常が生じると、第１循環器及び第２循環器の出力を共に増加させるとともに、燃料電池の発電量を最大出力に増加させる。

かかる構成により、第１循環器及び第２循環器の出力を増加させる場合、燃料電池の発電量を最大出力に増加させない場合に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る。
本実施例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
本実施例の燃料電池システム１００は、図１と同じ構成であり、燃料電池１と、熱回収器２と、第１循環器３と、第２循環器４と、制御器５とを備える。構成については第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

［動作］
図３は第１実施形態における実施例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器５により制御される。

図３に示すように、ステップＳ１で、第１循環器３及び第２循環器４の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じているか否かが判定される。そして、第１循環器３及び第２循環器４の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じると、ステップＳ２で、第１循環器３及び第２循環器４の出力を共に増加させるとともに、ステップＳ３Ａで、燃料電池１の発電量を最大出力に増加させる。

以下、第１循環器３及び第２循環器４にポンプを用いる場合、上記ステップＳ２及びステップ３ＳＡの具体例を述べる。なお、ステップＳ１については第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

ポンプにエア噛み異常が徐々に進行していると判定された場合、一例として、下記式（１）に示すように、ポンプの回転数の目標値が、ポンプの現在の回転数に、燃料電池１の最大出力を掛け合わせ、これを燃料電池１の現在の出力で割った値になるように設定してもよい。
回転数の目標値＝現在の回転数×（最大出力／現在の出力）・・・（１）

以上により、ステップＳ２でポンプの回転数を増加させ、このポンプの回転数に合わせて、ステップＳ３Ａで燃料電池１の発電量を最大出力に増加できる。よって、ポンプの回転数を増加させる場合、燃料電池１の発電量を最大出力に増加させない場合に比べ、燃料電池１の温度制御を適切に行い得る。

なお、上記回転数の目標値の設定方法は例示であって、本実施例は、本例に限定されるものではない。

（変形例）
第１実施形態における変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、エア噛み異常が解消すると、第１循環器及び第２循環器の出力を共に低下させるとともに燃料電池の発電量を低下させる。

かかる構成により、第１循環器及び第２循環器の出力を低下させる場合、燃料電池の発電量を低下させない場合に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る。

本変形例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
本変形例の燃料電池システム１００は、図１と同じ構成であり、燃料電池１と、熱回収器２と、第１循環器３と、第２循環器４と、制御器５とを備える。構成については第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

［動作］
図４は第１実施形態における変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器５により制御される。

図４に示すように、ステップＳ４は、図２のステップＳ３または図３のステップＳ３Ａから続く次のステップである。ステップＳ４で、上記のエア噛み異常が解消したか否かが判定される。このエア噛み異常が解消するまでは、第１循環器３及び第２循環器４の出力及び燃料電池１の発電量は増加させたままの状態で、燃料電池システム１００の運転が行われる。

そして、エア噛み異常が解消すると、ステップＳ５で、第１循環器３及び第２循環器４の出力を共に低下させるとともに、ステップＳ６で、燃料電池１の発電量を低下させる。
以下、第１循環器３及び第２循環器４にポンプを用いる場合、上記ステップＳ４−ステップＳ６の具体例を述べる。

一例として、ステップＳ４では、ポンプの回転数をＤｕｔｙ比で割った値（回転数／Ｄｕｔｙ比）の移動平均が、燃料電池システム１００の最大負荷運転時における本移動平均の１．１倍以下であると、制御器５は、ポンプのエア噛み異常が解消すると判定する。

上記のとおり、ポンプにエアが混入すると、回転数／Ｄｕｔｙ比は上昇するが、ポンプからエアが抜けると、この値は低下する。このため、ポンプにおけるエアの発生状況に応じて、回転数／Ｄｕｔｙ比は細かく振動する。よって、回転数／Ｄｕｔｙ比の移動平均を用いて、ポンプのエア噛み異常が解消したか否かを判定できる。

ポンプのエア噛み異常が解消されたと判定された場合、一例として、下記式（２）に示すように、ポンプの回転数の目標値が、ポンプの現在の回転数に、燃料電池１の通常の出力を掛け合わせて、これを燃料電池１の最大出力で割った値になるように設定してもよい。
回転数の目標値＝現在の回転数×（通常出力／最大出力）・・・（２）

以上により、ステップＳ５でポンプの回転数を通常の値にまで低下させ、このポンプの回転数に合わせて、ステップＳ６で燃料電池１の発電量に低下できる。よって、ポンプの回転数を低下させる場合、燃料電池１の発電量を低下させない場合に比べ、燃料電池１の温度制御を適切に行い得る。

なお、上記エア噛み異常の解消の判定方法及び本判定に用いる具体的な数値は例示であって、本変形例は、本例に限定されるものではない。また、上記回転数の目標値の設定方法も例示であって、本変形例は、本例に限定されるものではない。

（第２実施形態）
第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、エア噛み異常が生じると、第１循環器及び第２循環器の下限出力を共に増加させるとともに、燃料電池の発電量の下限値を増加させる。

かかる構成により、燃料電池システムの経路内において、第１熱媒体及び第２熱媒体の最低限の流速が確保されるので、第１循環器及び第２循環器の下限出力を増加させない場合に比べ、第１循環器及び第２循環器の少なくともいずれか一方から抜け出たエアが、燃料電池システムに滞留することを抑制し得る。また、第１循環器及び第２循環器の下限出力を増加させる場合、燃料電池の発電量の下限値を増加させない場合に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る。

本実施形態の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
本実施形態の燃料電池システム１００は、図１と同じ構成であり、燃料電池１と、熱回収器２と、第１循環器３と、第２循環器４と、制御器５とを備える。構成については第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

［動作］
図５は第２実施形態の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器５により制御される。

図５に示すように、ステップＳ７で、第１循環器３及び第２循環器４の少なくともいずれか一方に巨大なエアによるエア噛み異常が生じたか否かが判定される。

そして、第１循環器３及び第２循環器４の少なくともいずれか一方に、上記のエア噛み異常が生じると、ステップＳ８で、燃料電池１の発電量の下限値を増加させ、ステップＳ９で、第１循環器３及び第２循環器４の下限出力を共に増加させる。

なお、ステップＳ８−ステップＳ９の動作期間中に、第１実施形態のステップＳ２−ステップＳ３の動作を行っても構わない。また、第１実施形態の変形例のステップＳ４−ステップＳ６の動作を行っても構わない。逆に、第１実施形態のステップＳ２−ステップＳ３の動作期間中、または、第１実施形態の変形例のステップＳ４−ステップＳ６の動作期間中に、ステップＳ８−ステップＳ９の動作を行っても構わない。なお、ステップＳ８において燃料電池１の発電量の下限値を増加させた状態で、第１実施形態のステップ２において第１循環器３及び第２循環器４の出力を増加させる場合、第１循環器３及び第２循環器４の出力が上限値（最大ポンプ回転数）に到達する場合がある。この場合、第１循環器３及び第２循環器４は、本上限値の出力で動作される。

以下、第１循環器３及び第２循環器４にポンプを用いる場合、上記ステップＳ７−ステップＳ８の具体例を述べる。

一例として、ステップＳ７では、ポンプの回転数をＤｕｔｙ比で割った値（回転数／Ｄｕｔｙ比）の瞬間値が、燃料電池システム１００の最大負荷運転時における回転数／Ｄｕｔｙ比の移動平均の２．０倍以上であると、制御器５は、ポンプに巨大なエアが混入することによって、エア噛み異常が生じたと判定する。つまり、回転数／Ｄｕｔｙ比が、上記最大負荷時における回転数／Ｄｕｔｙ比の移動平均の２倍以上に大きく振動する場合、ポンプに徐々にエア噛み異常が生じているのではなく、ポンプの入口側から巨大なエアの塊が混入したと判断する。

上記の場合、仮に巨大なエアがポンプから抜けたとても、このような巨大なエアが燃料電池１内または熱回収器２内などに滞留すると、熱媒体との熱交換を阻害する可能性がある。このため、巨大なエアによるエア噛み異常が生じた場合、ポンプから抜き出たエアがポンプの下流にある機器または経路に滞留しないよう、ステップＳ８−ステップＳ９の動作を実行する必要がある。

具体的には、燃料電池１内または熱回収器２内などにエアが滞留しないよう、熱媒体の最低限の流速を一定時間確保する必要がある。そこで、上記のとおり、ステップＳ８で、燃料電池１の発電量の下限値（以下、「燃料電池１の下限出力」という）を増加させ、燃料電池１の下限出力の増加に合わせて、ステップＳ９で、第１循環器３及び第２循環器４の下限出力を共に増加させる。

なお、一例として、第１循環器３及び第２循環器４にポンプを用いる場合、ステップＳ９では、下記式（３）に示すように、ポンプの最低回転数が、ポンプの現在の最低回転数に、燃料電池１の下限出力が増加した現在の下限出力を掛け合わせ、これを燃料電池１の通常の下限出力で割った値になるように設定してもよい。
最低回転数の目標値＝現在の最低回転数×（現在の下限出力／通常の下限出力）
・・（３）

以上により、ステップＳ８で燃料電池１の下限出力を増加させ、この燃料電池１の下限出力に合わせて、ステップＳ９でポンプの最低回転数を増加できる。よって、ポンプの最低回転数を増加させない場合に比べ、ポンプから抜け出たエアが、燃料電池システム１００に滞留することを抑制し得る。

このとき、燃料電池１の経路内にエアが溜まった場合でも、ポンプの最低回転数に基づく熱媒体の流速が、エアの浮力と表面張力に打ち勝ち得るように、燃料電池１の下限出力の増加量を設定する必要がある。また、仮に燃料電池システム１００の熱媒体が鉛直方向の経路の上から下方向に流れる場合は、本経路内の断面積と同等の大きさのエアが経路内に噛みこんだとして、このエアに働く浮力とエアが周囲の表面張力から受ける力と釣り合うだけの熱媒体の流速の確保が必要となる。

なお、上記のエア噛み異常の発生の判定方法及び本判定に用いる具体的な数値は例示であって、本実施形態は、本例に限定されるものではない。また、上記最低回転数の目標値の設定方法も例示であって、本実施形態は、本例に限定されるものではない。

（変形例）
第２実施形態における変形例の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システムにおいて、制御器は、エア噛み異常が解消すると、第１循環器及び第２循環器の下限出力を共に低下させるとともに、燃料電池の発電量の下限値を低下させる。

かかる構成により、第１循環器及び第２循環器の下限出力を低下させる場合、燃料電池の発電量の下限値を低下させない場合に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る。

本変形例の燃料電池システムは、上記特徴以外は、第１実施形態の燃料電池システムと同様に構成してもよい。

［装置構成］
本変形例の燃料電池システム１００は、図１と同じ構成であり、燃料電池１と、熱回収器２と、第１循環器３と、第２循環器４と、制御器５とを備える。構成については第１実施形態と同じであるので説明を省略する。

［動作］
図６は第２実施形態における変形例の燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。なお、以下の動作は、制御器５により制御される。

図６に示すように、ステップＳ１０は、図５のステップＳ９から続く次のステップである。ステップＳ１０で、巨大なエアによるエア噛み異常が解消したか否かが判定され、このエア噛み異常の解消の後、所定時間が経過したか否かが判定される。なお、所定時間が経過するまでは、第１循環器３及び第２循環器４の下限出力及び燃料電池１の発電量の下限値は増加させたままの状態で、燃料電池システム１００の運転が行われる。

そして、巨大なエアによるエア噛み異常が解消した後、所定時間が経過すると、ステップＳ１１で、第１循環器３及び第２循環器４の下限出力を共に低下させ、ステップＳ１２で、燃料電池１の発電量の下限値を低下させる。

ステップＳ１０におけるエア噛み異常を解消したか否かの判定については、第１実施形態の変形例のステップＳ４と同じであるので説明を省略する。一方、ステップＳ１０の所定時間は、例えば、以下の如く決定することができる。

まず、燃料電池１を冷却する第１熱媒体にエアが混入した場合、第１熱媒体を循環させる第１循環器３の出口から燃料電池１などを経て、図示しないタンクに至るまでの経路の断面積及び経路長、並びに、第１循環器３の最低回転数で送り得る第１熱媒体の流速から、エアが経路外に出るのに必要な時間を算出できる。また、燃料電池１の熱を回収する第２熱媒体にエアが混入した場合、第２熱媒体を循環させる第２循環器４の出口から熱回収器２などを経て、図示しない蓄熱器に至るまでの経路の断面積及び経路長、並びに、第２循環器４の最低回転数で送り得る第２熱媒体の流速から、エアが経路外に出るのに必要な時間を算出できる。そこで、これらの算出された時間のうちの長い方を、ステップＳ１０の所定時間として採用できる。

以上により、巨大なエアによるエア噛み異常が解消した後、所定時間が経過すると、巨大なエアが、燃料電池システム１００の経路外に出たと判断できる。

なお、一例として、第１循環器３及び第２循環器４にポンプを用いる場合、ステップＳ１１では、下記式（４）に示すように、ポンプの最低回転数が、ポンプの現在の最低回転数に、燃料電池１の通常の下限出力を掛け合わせ、これを、ステップＳ８で設定された燃料電池１の現在の下限出力で割った値になるように設定してもよい。
最低回転数の目標値＝現在の最低回転数×（通常の下限出力／現在の下限出力）
・・（４）

以上により、ステップＳ１１でポンプの最低回転数を低下させ、このポンプの最低回転数に合わせて、ステップＳ６で燃料電池１の下限出力に低下できる。よって、ポンプの最低回転数を低下させる場合、燃料電池１の下限出力を低下させない場合に比べ、燃料電池１の温度制御を適切に行い得る。

なお、上記の所定時間の設定方法は例示であって、本変形例は、本例に限定されるものではない。また、上記の最低回転数の目標値の設定方法も例示であって、本変形例は、本例に限定されるものではない。

本発明の一態様によれば、熱媒体を循環させる循環器にエア噛み異常が生じた場合に、従来に比べ、燃料電池の温度制御を適切に行い得る。よって、本発明の一態様は、例えば、燃料電池システムに利用できる。

１ 燃料電池
２ 熱回収器
３ 第１循環器
４ 第２循環器
５ 制御器
１００ 燃料電池システム

Claims (5)

1. 燃料電池と、燃料電池を冷却する第１熱媒体を循環させる第１循環器と、第１熱媒体から熱を回収する第２熱媒体を循環させる第２循環器と、前記第１循環器及び前記第２循環器の少なくともいずれか一方にエア噛み異常が生じると、前記第１循環器及び前記第２循環器の出力を共に増加させるとともに、前記燃料電池の発電量を増加させる制御器とを備える、燃料電池システム。
2. 前記制御器は、前記エア噛み異常が生じると、前記第１循環器及び前記第２循環器の出力を共に増加させるとともに、前記燃料電池の発電量を最大出力に増加させる、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御器は、前記エア噛み異常が解消すると、前記第１循環器及び前記第２循環器の出力を共に低下させるとともに、前記燃料電池の発電量を低下させる、請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記制御器は、前記エア噛み異常が生じると、前記第１循環器及び前記第２循環器の下限出力を共に増加させるとともに、前記燃料電池の発電量の下限値を増加させる、請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記制御器は、前記エア噛み異常が解消すると、前記第１循環器及び前記第２循環器の下限出力を共に低下させるとともに、前記燃料電池の発電量の下限値を低下させる、請求項１記載の燃料電池システム。
   
   

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