JP2016096081A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温始動時にも、循環機構の凍結および燃料電池の劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池と、燃料供給源と、燃料ガスの一部が循環する燃料ガス経路と、反応後の燃料ガスを外部に排出する排出機構と、燃料ガスを循環させる循環機構と、制御部と、を具備し、制御部は、排出機構からの排出が正常ではないと判断した場合に、循環機構による燃料ガスの循環を一旦停止させるとともに、排出機構からの排出が正常ではなく、燃料ガス経路中の水蒸気に関するパラメータが所定値以上であると判断した場合に、第１の循環速度で燃料ガスの循環が行われるように循環機構を駆動させ、排出機構からの排出が正常であると判断した場合に、第２の循環速度で燃料ガスの循環が行われるように循環機構を駆動させ、第１の循環速度が第２の循環速度よりも低速度である燃料電池システム。【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

燃料電池では、燃料として水素、酸化剤として酸素を含む空気を用い、化学反応により発電を行う。燃料電池システムでは、循環機構を用いて、燃料電池から排出された未反応の燃料ガス（水素ガス）を循環させる場合がある。この場合、水素ガス循環流路内には水素ガスだけではなく、窒素や水分などが存在するため、運転を継続しているうちに窒素ガスや水分等の不純物が濃縮してくる。そこで燃料電池システムは、発電に必要な水素分圧を確保できるように、適宜水素ガス排出流路からガスや水分の一部を大気に排出する排出機構を有していることが多い。

氷点下などの低温始動時においては、燃料電池内等に残留している水分が凍結し、水素ガス排出流路の一部が閉塞されることがある。この場合、水素ガスの流路が循環流路になっていると、水素ガスは燃料電池内で酸素と化学反応することにより減少するのに対し、反応しない窒素ガスは閉塞された水素ガス排出路から排出されず、閉塞された水素ガス排出路に窒素ガスが蓄積、濃縮することとなる。結果として水素分圧が低下し、燃料電池の発電電圧が低下する。発電電圧が低下し負電圧になると、燃料電池が劣化することがある。特許文献１には、燃料電池内部の水素ガス流路の閉塞発生時に、水素循環のためのポンプを停止する技術が記載されている。ポンプを停止することで窒素の循環が停止し、燃料電池への流入が抑制され、水素分圧の低下が抑制される。

国際公開第２０１１／０２１３０１号公報

また、低温始動時には、水素ガス排出流路だけではなく、循環経路から窒素ガスおよび水分などの不純物を排出するための排出機構が凍結することもある。排出機構が凍結すると水素ガス循環流路内から不純物の排出が困難になるため、循環流路および燃料電池のセルに窒素ガスが蓄積し、水素分圧が低下する。水素分圧の低下を抑制するためには、特許文献１と同様にやはり循環機構を停止すればよい。

しかしながら、循環機構を停止していても、水素ガス排出流路や排出機構が凍結したまま燃料電池で発電を続けていると、発電により発生した水分の一部が水蒸気となる。循環機構を停止していると、水蒸気を大気に排出することができないので、閉塞された流路内で水蒸気分圧が上昇する。水蒸気分圧が上昇すると、循環機構が停止していても水素ガス循環流路内を水蒸気が拡散することとなる。循環機構が停止していると循環機構が十分に昇温できないため、拡散してきた水蒸気が原因となって、循環機構が凍結してしまう恐れがある。本発明は上記課題に鑑み、低温始動時にも、循環機構の凍結および燃料電池の劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に接続され、燃料供給源から燃料が供給されるとともに、前記燃料電池から排出された燃料ガスの一部が循環する燃料ガス経路と、前記燃料電池における反応後のガスを外部に排出する排出機構と、前記燃料ガス経路に設けられ、前記燃料ガスを循環させる循環機構と、前記排出機構からの排出が正常ではないことが確認された場合に、前記循環機構による前記燃料ガスの循環を一旦停止させるとともに、前記排出機構からの排出が正常ではなく、前記燃料ガス経路中の水蒸気に関するパラメータが所定値以上であると判断された場合に、第１の循環速度で前記燃料ガスの循環が行われるように前記循環機構を駆動させ、前記排出機構からの排出が正常であると判断された場合に、第２の循環速度で前記燃料ガスの循環が行われるように前記循環機構を駆動させる制御部と、を具備し、前記第１の循環速度が前記第２の循環速度よりも低速度である燃料電池システムである。

上記構成において、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を検出する温度検出部を有し、前記温度検出部により検出された前記冷媒の温度が第１の温度以上、かつ前記第１の温度より高い温度である第２の温度未満である場合、前記制御部は、前記排出機構からの排出が正常ではなく、前記燃料ガス経路中の水蒸気が所定値以上であると判断する構成とすることができる。

上記構成において、前記第１の温度は、前記燃料電池から発生する水蒸気の量が所定値以上になると推定される温度であり、前記第２の温度は、前記循環機構の凍結が解除されると推定される温度である構成とすることができる。

上記構成において、前記制御部は、前記第１の循環速度を前記燃料ガス経路中の水分が前記燃料電池内に流れ込まない速度とすることができる。

上記構成において、前記制御部は、前記排出機構からの排出が正常になるまでの推定時間から求められる窒素濃縮具合が許容範囲内に収まるように前記第１の循環速度を定める構成とすることができる。

上記構成において、前記制御部は、前記第２の循環速度を、前記燃料電池に要求される発電電力に対し最適な速度となるように設定することができる。

上記構成において、前記排出機構は弁であり、前記循環機構はポンプであり、前記制御部は前記ポンプの回転速度を第１の回転速度とすることにより前記第１の循環速度とし、前記ポンプの回転速度を第２の回転速度とすることにより前記第２の循環速度とする構成とすることができる。

上記構成において、前記制御部は、前記排出機構に排出の指示を出したときの前記燃料ガス経路内の圧力の低下量により、前記排出機構からの排出が正常であるか否かを確認する構成とすることができる。

本発明によれば、低温始動時にも、循環機構の凍結および燃料電池の劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供することができる。

図１（ａ）は実施例１に係る燃料電池システムを例示するブロック図である。図１（ｂ）は制御部の構成を例示する機能ブロック図である。 図２は燃料電池システムの処理を示すフローチャートの一例である。

以下、図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は実施例１に係る燃料電池システム１００を例示するブロック図である。燃料電池システム１００は、車両が備える車輪を駆動する駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車や電気自動車等に搭載されて使用される。図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）１０、燃料電池２０（Fuel Cell：ＦＣ）、水素タンク２２、およびラジエータ２４（熱交換器）を備える。ＣＰＵ１０は制御部の一例である。水素タンク２２は燃料供給源の一例である。

燃料電池２０には、空気供給流路３０、空気排出流路３２、燃料ガス供給流路３４および燃料ガス排出流路３５が接続されている。燃料ガス供給流路３４と燃料ガス排出流路３５との間には循環流路３６が接続されている。循環流路３６には気液分離器３７が設けられている。燃料ガス供給流路３４、燃料ガス排出流路３５、および循環流路３６は水素ガスが循環する燃料ガス経路を形成する。なお、燃料ガス経路には、水素ガスと共に不純物（窒素ガスおよび水蒸気など）も循環する。

また、燃料電池２０には冷媒流路３９が接続されている。冷却水（冷媒）は冷媒流路３９を通じて燃料電池２０内に流れ、燃料電池２０を冷却する。冷却後の冷却水は冷媒流路３９を通じてラジエータ２４に供給される。冷媒は、ラジエータ２４において冷却され、再び燃料電池２０に供給される。

空気排出流路３２には弁４０が設けられ、燃料ガス供給流路３４には弁４１が設けられている。また外部排出流路３８には弁４２が設けられている。弁４０は空気の流量を調節する。弁４１は燃料ガスの流量を調節する。弁４２は燃料ガスの一部および不純物を、燃料ガス経路から外部に排出するための弁である。弁４２が開くことで、燃料ガスの一部および不純物は燃料ガス経路から外部排出流路３８に流れ、大気中に排出される。

圧力センサ４８は、燃料ガス排出流路３５に設けられ、燃料ガス経路（燃料ガス供給流路３４、燃料ガス排出流路３５、循環流路３６）内の圧力を検出する。温度センサ５０は、冷媒流路３９の燃料電池２０からの出口付近に設けられ、燃料電池２０冷却後の冷却水の温度（水温）を検出する。なお、温度センサ５０は温度検出部の一例である。水温は燃料電池２０の温度と対応しており、燃料電池２０が低温であれば水温も低く、燃料電池２０が高温であれば水温も高い。循環流路３６にはポンプ４４が設けられている。冷媒流路３９にはポンプ４６が設けられている。ポンプ４４および４６は、例えばルーツポンプ、スクリューポンプまたはターボポンプなどとすることができる。

空気は、大気から空気供給流路３０を通じて燃料電池２０の空気側極（酸化剤極）に供給される。水素ガスは水素タンク２２に貯留され、燃料ガス供給流路３４を通じて燃料電池２０の水素側極（燃料極）に供給される。燃料電池２０は、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤として酸素を含む空気を用いて発電する。発電された電力は、車両の走行のためのモータ、照明、空調およびオーディオなどの機器に利用される。

燃料電池２０における反応後の空気は、空気排出流路３２を通じて外部に排出される。反応において消費されなかった水素ガスは、燃料ガス排出流路３５から排出され、循環流路３６を通じて燃料ガス供給流路３４に循環し、再び燃料電池２０に供給される。

気液分離器３７において、窒素ガスおよび水分などの不純物と水素ガスとが比重差により分離される。気液分離器３７は傾斜した底面を備え、底面の最下部に外部排出流路３８が接続されている。比重の大きい不純物は気液分離器３７の下方に滞留し、外部排出流路３８に排出される。外部排出流路３８は空気排出流路３２に接続されており、不純物は弁４２を通じて外部排出流路３８から外部に排出される。一方、比重の小さい水素ガスは気液分離器３７から循環流路３６に流れる。なお、少量の不純物も水素ガスとともに循環する。

図１（ｂ）はＣＰＵ１０の構成を例示する機能ブロック図である。図１（ｂ）に示すように、ＣＰＵ１０は、圧力取得部１２、温度取得部１４、ポンプ制御部１６および弁制御部１８として機能する。圧力取得部１２は圧力センサ４８の検出した圧力を取得する。さらに圧力取得部１２は、弁４２の開弁指示をする前の圧力と、開弁指示をした後の圧力との差（圧力の低下量）に基づき、弁４２からの排気量を推定する。温度取得部１４は、温度センサ５０の検出した水温を取得する。ポンプ制御部１６は、ポンプ４４の駆動状態（回転数）を変化させることで燃料ガス経路内のガスの循環量を調整し、またポンプ４６の駆動状態を変化させ冷却水の流量を調整する。弁制御部１８は弁４０〜４２の開閉状態を変化させる。

図１（ａ）に示す弁４２を開くことにより、燃料ガス経路内の不純物は外部排出流路３８から大気へと排出される。しかし氷点下始動時には弁４２が凍結し、閉塞することがある。この場合、不純物は排出されず、燃料ガス流通経路内の圧力の低下量が小さくなる。以下において説明する処理は、氷点下始動時において実行される処理である。

図２は燃料電池システム１００の処理を示すフローチャートである。図２に示すように、まず弁制御部１８は、弁４２に開弁の指示を出す（ステップＳ１０）。

次に、圧力取得部１２は圧力センサ４８から圧力Ｐを取得し、開弁指示前後における圧力の低下量、および水素消費量に基づき、弁４２からの排気量を推定する（ステップＳ１２）。

ポンプ制御部１６は、推定された排気量（推定排気量）が目標排気量未満であるか否かを判断する（ステップＳ１４）。これにより弁４２が正常に機能しているか（弁４２からの排出が正常であるか）判断する。なお、目標排気量とは、開弁指示に対して期待される排気量である。ステップＳ１４においてＮｏの場合、ＣＰＵ１０はステップＳ３０に移行する。ステップＳ１４においてＹｅｓの場合、ＣＰＵ１０はステップＳ１６に移行する。ステップＳ１４を実行することにより、ＣＰＵ１０は弁４２が動作不良の状態にあるか否か判断することができる。つまり、弁４２が凍結していなければ、ステップＳ１０の開弁指示により弁４２は開く。このため、圧力の低下量は大きくなり、推定排気量は目標排気量となる。一方、弁４２が凍結していれば、弁４２は動作不良の状態にあり、開弁しない、またはわずかに開弁する。このため、圧力の低下量は小さくなり、推定排気量は目標排気量未満となる。

ステップＳ１４においてＹｅｓの場合、ステップＳ１６において、ポンプ制御部１６は、ポンプ４４を停止させる。このとき、燃料ガス経路内における水素ガス、窒素ガスなどの循環は停止する。

温度取得部１４は、温度センサ５０が検出した冷却水の温度（水温）Ｔを取得する（ステップＳ１８）。

ポンプ制御部１６は、水温Ｔが所定の温度Ｔ１（第１の温度、例えば３０〜４０℃）以上であるか判断する（ステップＳ２０）。Ｎｏの場合、ＣＰＵ１０はステップＳ１６に戻る。Ｙｅｓの場合、ＣＰＵ１０はステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２２において、ポンプ制御部１６は、水温Ｔが温度Ｔ２（第２の温度）未満であるか判断する。Ｔ２はＴ１より高い温度であり、例えば５０℃である。Ｎｏの場合、ＣＰＵ１０はステップＳ３０に移行する。Ｙｅｓの場合、ＣＰＵ１０はステップＳ２４に移行する。

ステップＳ２４において、ポンプ制御部１６は、ポンプ４４を低回転数で駆動させる。低回転数によるポンプ４４の回転により、燃料ガス経路内のガスの循環速度は第１の循環速度になる。第１の循環速度とは、水分が燃料電池２０内に流れ込まない循環速度、および弁４２が正常に機能可能になるまで（解凍するまで）にかかると推定される時間において、燃料電池２０における窒素の濃縮具合が許容範囲内に収まる程度の循環速度である。窒素の濃縮具合を許容範囲内とすることで、水素分圧を好適な水準とすることができる。ポンプ４４の駆動により、水素ガスが燃料ガス経路を循環し、燃料電池２０に送り込まれる。

圧力取得部１２は圧力センサ４８から圧力Ｐを取得し、圧力の低下量および水素消費量に基づき、排気量を推定する（ステップＳ２６）。

ポンプ制御部１６は、ステップＳ２６において推定された推定排気量が目標排気量以上であるか否かを判断する（ステップＳ２８）。これにより弁４２が正常に機能しているか（排出が正常であるか）判断する。Ｎｏの場合、ＣＰＵ１０はステップＳ２６に戻る。Ｙｅｓの場合、ＣＰＵ１０はステップＳ３０に移行する。

ステップＳ３０において、ポンプ制御部１６は、ポンプ４４を高回転数で駆動させる。高回転数とは、例えば水素ガスの流量が燃料電池２０に要求される発電電力に対して最適になるような回転数である。ポンプ４４の高回転数での駆動により、循環速度は第１の循環速度より大きい第２の循環速度になる。第２の循環速度は、例えば燃料電池２０に要求される発電電力に対して最適な循環速度である。ステップＳ３０の後、処理は終了する。

実施例１によれば、弁４２からの排出が不良である場合、ポンプ制御部１６はポンプ４４を一旦停止させる（図２のＳ１６）。このため、窒素ガスの燃料電池２０への流入が抑制される。したがって、窒素分圧の上昇および水素分圧の低下が抑制され、水素ガスの不足による燃料電池２０の発電電圧の低下が抑制される。ただし、ポンプ４４を長時間停止していると、燃料電池２０が発電することにより発生する水分により、ポンプ４４が凍結する恐れがある。実施例１によれば、弁４２の動作不良が確認され、かつ冷却水の温度ＴがＴ１以上かつＴ２未満である場合、ポンプ制御部１６はポンプ４４を駆動させる（Ｓ２４）。このためポンプ４４の凍結が抑制される。このとき、ポンプ４４を停止している場合に比べて燃料電池２０に水蒸気および窒素ガスは流入するものの、ポンプ４４の回転数は低い。また燃料電池２０の温度がある程度上昇していることから、弁４２が正常に動作するまでの時間が短くて済む。このため、弁４２が正常に動作するまでの水蒸気および窒素ガスの燃料電池２０への流入量が少なくできるので、水素分圧低下による燃料電池２０の劣化を抑制できる。つまり、本実施例１では、燃料電池２０の劣化を抑制しながら、ポンプ４４の凍結も防止することが可能となる。

また、推定排気量が目標排気量以上である場合、ポンプ制御部１６はポンプ４４を高回転数で駆動させる（Ｓ３０）。推定排気量が目標排気量以上である場合、弁４２は解凍している（弁４２からの排出が正常である）ものと推定されるため、外部排出流路３８を通じて窒素ガスおよび水分の排出が正常に行われる。したがって、窒素ガスおよび水蒸気が燃料ガス経路を循環しても、水素分圧は高く維持される。また、燃料電池２０の温度は始動時に比べて上昇している。したがって、水分が燃料電池２０に浸入しても、凍結は発生しにくい。よって、燃料電池２０に要求される発電電力に対して最適になるような高回転数でポンプ４４を回転させても、燃料電池２０の劣化を抑制することができる。以上のように、実施例１によれば、低温始動時においても、燃料電池の劣化およびポンプ４４の凍結を抑制できるので、早期に通常運転状態に移行することが可能となる。

なお、燃料電池２０の温度が低い状態で水分が燃料電池２０内に流れ込むと、燃料電池２０内のセルに凍結が発生する。このため、図２のステップＳ２４において、ポンプ制御部１６は、水分が燃料電池２０内に流れ込まない程度の循環速度になるような回転数でポンプ４４を駆動させることが好ましい。

また、ステップＳ２４におけるポンプ４４の回転による循環速度は、ステップＳ３０における循環速度より低速度であり、例えば弁４２が不良から正常になるまでの推定時間から求められる窒素濃縮具合が許容範囲内に収まるような循環速度とすることが好ましい。窒素濃縮具合を許容範囲内に収めることで、水素分圧は例えば８０ｋＰａ以上を維持する。

また、実施例１では、弁４２からの排出が正常ではなく、かつ水温ＴがＴ１以上Ｔ２未満である場合に、ポンプ４４を低回転数で駆動させるとした。水温ＴがＴ１以上Ｔ２未満の場合、燃料ガス経路内には所定値以上の水蒸気が拡散していると推定される。ポンプ４４を駆動させることで、ポンプ４４の凍結を抑制することができる。ただし、構成はこれに限定されない。すなわち、水蒸気に関するパラメータとしては、水温Ｔ以外のものを用いることができる。例えば燃料ガス経路中の水蒸気量、水蒸気分圧、燃料電池２０から発生する水蒸気量などである。これらのパラメータが所定量以上である場合、ポンプ４４を低回転数で駆動させる。上記のパラメータを測定するセンサを設け、ＣＰＵ１０がセンサからこれらのパラメータを取得してもよい。また、ＣＰＵ１０が、例えば水温Ｔや、燃料電池２０から排出されるガスの温度を取得し、これらの温度から水蒸気に関するパラメータが所定値以上であるか判断してもよい。なお、パラメータは複数用いてもよいし、上記のもののいずれか一つを用いてもよい。

また、実施例１では、開弁指示（排出の指示）をしたときの圧力Ｐの低下量から排気量を推定し、推定排気量と目標排気量とを比較することで弁４２の動作不良を検出したが、構成はこれに限定されない。例えば圧力取得部１２が、開弁指示後の圧力Ｐを取得し、その圧力Ｐが所定の圧力Ｐ１以上であるか判断することにより、弁４２の動作不良を検出してもよい。閾値となるＰ１は、弁４２からの排出が正常であると推定される圧力である。すなわち、弁４２が凍結していなければ、開弁指示により弁４２が開き、開弁指示に対して期待されるとおりに排気が行われ、圧力Ｐも低下しＰ１未満となる。一方、弁４２が凍結していれば、弁４２は動作不良の状態にあり、開弁しない、またはわずかに開弁する。このため、排気量が期待される排気量より小さくなり、圧力ＰはＰ１以上の高い値となる。また、温度センサ５０の検出する水温Ｔが所定の閾値（例えば上記のＴ２）以上になった場合に、弁４２の動作が正常であると判断してもよい。閾値Ｔ２は、弁４２の凍結が解除していると推定される温度である。

また、水蒸気分圧は３０〜４０℃から大きく上昇し、これにより燃料ガス経路内全体に水蒸気が拡散し、ポンプ４４が凍結する恐れがある。このため、Ｔ１を３０〜４０℃とすることが好ましい。水温ＴがＴ１以上になったときにポンプ４４が駆動することで、ポンプの凍結が抑制される。なお、温度Ｔ１およびＴ２は上記の値から変更可能である。

温度センサ５０は冷媒流路３９のラジエータ２４より上流側に設けられることが好ましく、特に燃料電池２０の冷却水出口付近に設けられることが好ましい。冷却に用いられた直後の冷却水の温度を検出することができるからである。

なお、ポンプ４４以外に、例えばエジェクタなどを水素の循環機構として用いてもよい。エジェクタを用いる場合、ＣＰＵ１０は、水素タンク２２からの水素供給速度、エジェクタの開度などを調整することで、循環速度を変化させる。また、弁４２以外の排出機構を用いてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ ＣＰＵ
１２ 圧力取得部
１４ 温度取得部
１６ ポンプ制御部
１８ 弁制御部
２０ 燃料電池
３４ 燃料ガス供給流路
３５ 燃料ガス排出流路
３６ 循環流路
４０〜４２ 弁
４４、４６ ポンプ
５０ 温度センサ

本発明は、燃料電池と、燃料供給源と、前記燃料電池に接続され、前記燃料供給源から燃料が供給されるとともに、前記燃料電池から排出された燃料ガスの一部が循環する燃料ガス経路と、前記燃料電池における反応後の前記燃料ガスを外部に排出する排出機構と、前記燃料ガス経路に設けられ、前記燃料ガスを循環させる循環機構と、制御部と、を具備し、前記制御部は、前記排出機構からの排出が正常ではないと判断した場合に、前記循環機構による前記燃料ガスの循環を一旦停止させるとともに、前記排出機構からの排出が正常ではなく、前記燃料ガス経路中の水蒸気に関するパラメータが所定値以上であると判断した場合に、第１の循環速度で前記燃料ガスの循環が行われるように前記循環機構を駆動させ、前記排出機構からの排出が正常であると判断した場合に、第２の循環速度で前記燃料ガスの循環が行われるように前記循環機構を駆動させ、前記第１の循環速度が前記第２の循環速度よりも低速度である燃料電池システムである。

上記構成において、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を検出する温度検出部を有し、前記制御部は、前記温度検出部により検出された前記冷媒の温度が第１の温度以上である場合に、前記燃料ガス経路中の水蒸気に関する前記パラメータが所定値以上であると判断し、前記第１の温度より高い温度である第２の温度未満である場合に、前記排出機構からの排出が正常ではないと判断する構成とすることができる。

上記構成において、前記燃料ガス経路内の圧力を検出する圧力センサを備え、前記制御部は、前記排出機構に排出の指示を出したときの前記燃料ガス経路内の開弁前後の所定時間での圧力の低下量により、前記排出機構からの排出が正常であるか否かを判断する構成とすることができる。

また、本発明は、燃料電池と、燃料供給源と、前記燃料電池に接続され、前記燃料供給源から燃料が供給されるとともに、前記燃料電池から排出された燃料ガスの一部が循環する燃料ガス経路と、前記燃料電池における反応後の前記燃料ガスを外部に排出する排出機構と、前記燃料ガス経路に設けられ、前記燃料ガスを循環させる循環機構と、前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を検出する温度検出部と、制御部と、を具備し、前記制御部は、前記排出機構からの排出が正常ではないと判断した場合に、前記循環機構による前記燃料ガスの循環を一旦停止させるとともに、前記排出機構からの排出が正常ではなく、前記温度検出部により検出された前記冷媒の温度が所定の温度以上であると判断した場合に、第１の循環速度で前記燃料ガスの循環が行われるように前記循環機構を駆動させ、前記排出機構からの排出が正常であると判断した場合に、第２の循環速度で前記燃料ガスの循環が行われるように前記循環機構を駆動させ、前記第１の循環速度が前記第２の循環速度よりも低速度である燃料電池システムである。

実施例１によれば、弁４２からの排出が不良である場合、ポンプ制御部１６はポンプ４４を一旦停止させる（図２のＳ１６）。このため、窒素ガスの燃料電池２０への流入が抑制される。したがって、窒素分圧の上昇および水素分圧の低下が抑制され、水素ガスの不足による燃料電池２０の発電電圧の低下が抑制される。ただし、ポンプ４４を長時間停止していると、燃料電池２０が発電することにより発生する水分により、ポンプ４４が凍結する恐れがある。実施例１によれば、弁４２の動作不良と判断され、かつ冷却水の温度ＴがＴ１以上かつＴ２未満である場合、ポンプ制御部１６はポンプ４４を駆動させる（Ｓ２４）。このためポンプ４４の凍結が抑制される。このとき、ポンプ４４を停止している場合に比べて燃料電池２０に水蒸気および窒素ガスは流入するものの、ポンプ４４の回転数は低い。また燃料電池２０の温度がある程度上昇していることから、弁４２が正常に動作するまでの時間が短くて済む。このため、弁４２が正常に動作するまでの水蒸気および窒素ガスの燃料電池２０への流入量が少なくできるので、水素分圧低下による燃料電池２０の劣化を抑制できる。つまり、本実施例１では、燃料電池２０の劣化を抑制しながら、ポンプ４４の凍結も防止することが可能となる。

Claims (8)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に接続され、燃料供給源から燃料が供給されるとともに、前記燃料電池から排出された燃料ガスの一部が循環する燃料ガス経路と、
   前記燃料電池における反応後のガスを外部に排出する排出機構と、
   前記燃料ガス経路に設けられ、前記燃料ガスを循環させる循環機構と、
   前記排出機構からの排出が正常ではないことが確認された場合に、前記循環機構による前記燃料ガスの循環を一旦停止させるとともに、
   前記排出機構からの排出が正常ではなく、前記燃料ガス経路中の水蒸気に関するパラメータが所定値以上であると判断された場合に、第１の循環速度で前記燃料ガスの循環が行われるように前記循環機構を駆動させ、
   前記排出機構からの排出が正常であると判断された場合に、第２の循環速度で前記燃料ガスの循環が行われるように前記循環機構を駆動させる制御部と、を具備し、前記第１の循環速度が前記第２の循環速度よりも低速度であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池を冷却する冷媒の温度を検出する温度検出部を有し、
   前記温度検出部により検出された前記冷媒の温度が第１の温度以上、かつ前記第１の温度より高い温度である第２の温度未満である場合、前記制御部は、前記排出機構からの排出が正常ではなく、前記燃料ガス経路中の水蒸気が所定値以上であると判断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。
3. 前記第１の温度は、前記燃料電池から発生する水蒸気の量が所定値以上になると推定される温度であり、
   前記第２の温度は、前記循環機構の凍結が解除されると推定される温度であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記第１の循環速度を前記燃料ガス経路中の水分が前記燃料電池内に流れ込まない速度とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記排出機構からの排出が正常になるまでの推定時間から求められる窒素濃縮具合が許容範囲内に収まるように前記第１の循環速度を定めることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記第２の循環速度を、前記燃料電池に要求される発電電力に対し最適な速度となるように設定することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記排出機構は弁であり、
   前記循環機構はポンプであり、
   前記制御部は前記ポンプの回転速度を第１の回転速度とすることにより前記第１の循環速度とし、前記ポンプの回転速度を第２の回転速度とすることにより前記第２の循環速度とすることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御部は、前記排出機構に排出の指示を出したときの前記燃料ガス経路内の圧力の低下量により、前記排出機構からの排出が正常であるか否かを確認することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
   
   

Images