JP2018055872A - 燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、及びコンピュータプログラム - Google Patents

燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、及びコンピュータプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】排出弁が開放される際に、水素循環ポンプの入口の圧力を大気圧よりも高くし、アノード排ガスを十分に排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】水素循環型の燃料電池システムにおいて、排出弁を開放する際に、水素循環ポンプの回転速度を低下させ、水素循環ポンプの入口と出口との圧力差を、スタックへの水素供給圧よりも低くする。これにより、水素循環路内における水素循環ポンプの入口側の圧力が大気圧に対して負圧になることを防ぐことができるので、排出弁を開放する際に大気が逆流することを防止し、十分にアノード排ガスを排出することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、スタックから排出されるアノード排ガスを循環させる水素循環路と、水素循環路に設けられる水素循環ポンプと、アノード排ガスを外部へ排出する排出弁とを備える燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、及び燃料電池システムの制御処理を実行させるためのコンピュータプログラムに関する。
水素及び酸素の電気化学反応により起電力を得る燃料電池システムの中には、スタックのアノード極から排出されるアノード排ガスを循環させる水素循環路を設け、アノード排ガスに含まれる残留水素を有効活用するようにしているものがある。このような燃料電池システムの場合、アノード排ガス中には、例えば、窒素、水蒸気などの不純物が含まれるため、アノード排ガスを循環させて発電を継続するとアノード極においてこれら不純物の濃度が高くなり、相対的に水素濃度が低下し、スタックの性能が低下してしまう虞がある。このため、従来、水素循環路に、アノード排ガスの一部を外部へ排出するための排出弁を設け、排出弁を定期的に開放することにより、不純物を外部に排出し、スタックの性能低下を抑制する技術が知られている。
従来の燃料電池システムの一例として、特許文献１に記載のシステムでは、水素循環路であるアノード排ガス路と、アノード排ガス路に設けられた水素循環ポンプである水素ポンプと、水素ポンプの入口側から分岐する排ガス排出路と、排ガス排出路に設けられた排出弁であるパージバルブとを備えた燃料電池システムが知られている。このシステムにおいて、パージバルブが開放されると、アノード排ガス路内のアノード排ガスの一部が外部に排出される。また、パージバルブが開放される際には、水素供給路における水素の圧力を上昇させて正圧にしている。
特開２００８−２６９９１０号公報
しかしながら、特許文献１に記載のシステムでは、排出弁の開閉タイミングと、水素循環ポンプの運転制御との関係については何も考慮がされていない。一般に、水素循環ポンプの出力が高くなるほど、水素循環ポンプの入口の圧力に対して出口の圧力は高くなる。このとき、水素循環ポンプの出口の圧力は水素供給路内の圧力と等しいため、水素循環ポンプの入口の圧力は水素供給路内の圧力に対して相対的に低くなる。このため、水素供給路内の圧力が正圧であっても、水素循環ポンプの入口の圧力が負圧になる場合があり、このような状態で排出弁を開放してもアノード排ガスを十分に排出することができないという問題があった。
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、排出弁が開放される際に、水素循環ポンプの入口の圧力を大気圧よりも高くし、アノード排ガスを十分に排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、前記スタックに水素を供給するための水素供給路と、前記スタックのアノード極から排出されるアノード排ガスを前記水素供給路へ戻すための水素循環路と、前記水素循環路に設けられ、入口と出口とを有し、前記アノード排ガスを循環させるために作動する水素循環ポンプと、前記水素循環路において前記アノード極と前記水素循環ポンプの入口との間から分岐し、前記アノード排ガスを外部に排出するための排ガス排出路と、前記排ガス排出路を開閉する第１の排出弁と、前記水素循環ポンプ及び前記第１の排出弁を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する際に、前記水素循環ポンプの入口における前記アノード排ガスの圧力が大気圧よりも高くなるように、前記水素循環ポンプの作動を制御することを特徴とするものである。
また、請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に、前記水素供給路内の圧力を検出する第１の圧力検出手段を備え、前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する際に、前記水素循環ポンプの入口の圧力が大気圧よりも高くなるように、前記水素ポンプの作動を制御することを特徴とするものである。
また、請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、更に、前記水素循環ポンプの回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、前記制御部は、前記回転速度検出手段により検出される回転速度に基づき、前記水素循環ポンプの出口の圧力と入口の圧力との圧力差を推定することを特徴とするものである。
また、請求項４記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に、前記水素循環ポンプの入口の圧力を検出する第２の圧力検出手段を備え、前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する際に、前記第２の圧力検出手段により検出される第２の圧力値が大気圧よりも高くなるように、前記水素循環ポンプの作動を制御することを特徴とするものである。
また、請求項５記載の燃料電池システムは、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に、前記水素循環ポンプは、出口から入口への逆流を防止する機能を備えたポンプであることを特徴とするものである。
また、請求項６記載の燃料電池システムは、請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に、前記水素供給路に水素を供給する水素貯蔵容器を備え、前記水素貯蔵容器は、水素吸蔵合金を内蔵することを特徴とするものである。
また、請求項７記載の燃料電池システムは、請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、更に、前記水素循環路に配置され、前記アノード排ガスに含まれる水分を分離可能な気液分離器と、前記気液分離器に接続され、前記気液分離器によって分離された水分を外部に排出するための排水路と、前記排水路を開閉する第２の排出弁と、を備え、前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する期間と、前記第２の排出弁を開放する期間とを、互いにずらすように制御することを特徴とするものである。
また、請求項８記載の制御方法は、水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、前記スタックに水素を供給するための水素供給路と、前記スタックのアノード極から排出されるアノード排ガスを前記水素供給路へ戻すための水素循環路と、前記水素循環路に設けられ、入口と出口とを有し、前記アノード排ガスを循環させるために作動する水素循環ポンプと、前記水素循環路において前記アノード極と前記水素循環ポンプの入口との間から分岐し、前記アノード排ガスを外部に排出するための排ガス排出路と、前記排ガス排出路を開閉する第１の排出弁と、前記水素循環ポンプ及び前記第１の排出弁を制御する制御部とを備える燃料電池システムの前記制御部による前記第１の排出弁及び前記水素循環ポンプの制御方法であって、前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する際に、前記水素循環ポンプの入口における前記アノード排ガスの圧力が大気圧よりも高くなるように、前記水素循環ポンプの作動を制御することを特徴とするものである。
また、請求項９記載のコンピュータプログラムは、水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、前記スタックに水素を供給するための水素供給路と、前記スタックのアノード極から排出されるアノード排ガスを前記水素供給路へ戻すための水素循環路と、前記水素循環路に設けられ、入口と出口とを有し、前記アノード排ガスを循環させるために作動する水素循環ポンプと、前記水素循環路において前記アノード極と前記水素循環ポンプの入口との間から分岐し、前記アノード排ガスを外部に排出するための排ガス排出路と、前記排ガス排出路を開閉する排出弁と、前記水素循環ポンプ及び前記第１の排出弁を制御する制御部とを備える燃料電池システムの前記制御部に、前記第１の排出弁を開放する際に、前記水素循環ポンプの入口における前記アノード排ガスの圧力が大気圧よりも高くなるように、前記水素循環ポンプの作動を制御する処理を実行させることを特徴とするものである。
請求項１記載の燃料電池システムによれば、第１の排出弁が開放される際に水素循環ポンプの作動を制御することにより、水素循環ポンプの入口の圧力を大気圧よりも高くすることができる。このため、アノード排ガスを十分に排出することができる。
また、請求項２記載の燃料電池システムによれば、第１の排出弁が開放される際に、水素循環ポンプの入口の圧力が大気圧よりも高くなるため、排ガス排出路から大気が逆流することを防ぐことができる。このため、アノード排ガスを確実に排出することができる。
また、請求項３記載の燃料電池システムによれば、回転速度検出手段により検出される回転速度に基づいて、水素循環ポンプの出口の圧力と入口の圧力との圧力差を推定できる。このため、水素循環ポンプの入口の圧力を測定するための圧力検出手段を設ける場合よりも簡易な構成で、水素循環路における水素循環ポンプの入口の圧力を制御することができる。
また、請求項４記載の燃料電池システムによれば、第１の排出弁が開放される際に、水素循環ポンプの入口の圧力が大気圧よりも高くなるため、排ガス排出路から大気が逆流することを防ぐことができる。このため、アノード排ガスを確実に排出することができる。
また、請求項５記載の燃料電池システムによれば、水素循環ポンプの出口から入口に向かって水素が逆流することが防止されるため、第１の排出弁が開放される際に、水素供給路の水素がスタックを通らずに外部へ排出されることを防止できる。このため、水素を無駄に消費することなく節約できる。
また、請求項６記載の燃料電池システムによれば、高圧ボンベと比較して水素の供給圧力が低い水素吸蔵合金タイプの容器を用いた場合であっても、第１の排出弁が開放される際に、水素循環ポンプの作動を制御することにより、水素循環ポンプの入口の圧力を大気圧よりも高くすることができる。このため、アノード排ガスを十分に排出することができる。
また、請求項７記載の燃料電池システムによれば、第１の排出弁を開放する期間と、第２の排出弁を開放する期間とが互いにずれるため、第１の排出弁または第２の排出弁が開放される際の水素循環路内の過剰な圧力低下を抑えることができる。このため、アノード排ガスまたは水を十分に排出することができる。
また、請求項８記載の燃料電池システムの制御方法によれば、第１の排出弁が開放される際に水素循環ポンプの作動を制御することにより、水素循環ポンプの入口の圧力を大気圧よりも高くすることができる。このため、アノード排ガスを十分に排出することができる。
また、請求項９記載の燃料電池システムのコンピュータプログラムによれば、第１の排出弁が開放される際に水素循環ポンプの作動を制御することにより、水素循環ポンプの入口の圧力を大気圧よりも高くすることができる。このため、アノード排ガスを十分に排出することができる。
第１実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。 第１実施形態におけるパージ及び排水の処理の手順を示すフローチャートである。 第２実施形態におけるパージ及び排水の処理の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態における燃料電池システムを示すブロック図である。 第３実施形態におけるパージ及び排水の処理の手順を示すフローチャートである。 第４実施形態におけるパージ及び排水の処理の手順を示すフローチャートである。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。
燃料電池システム３００は、発電部１００と燃料部２００とを備える。
発電部１００は、スタック１、水素流路３、空気流路５、及び制御部６を備える。
燃料部２００は、複数のＭＨ（Metal Hydride）ボンベ２０と、水素一次遮断弁２１と、レギュレータ２２とを備える。ＭＨボンベ２０は水素吸蔵合金を充填してなる。水素一次遮断弁２１には全てのＭＨボンベ２０が接続されており、水素一次遮断弁２１はレギュレータ２２に接続されている。レギュレータ２２により水素の供給圧力が調整される。水素吸蔵合金が水素を放出する際に生じる反応は吸熱反応であり、ＭＨボンベ２０は所定温度以上の状態で水素を供給する。
スタック１は、固体高分子電解質膜をアノード極１０とカソード極１１とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
スタック１のアノード極１０に、燃料部２００から流入した水素を含む燃料ガスが接触し、カソード極１１に空気等の酸素を含む酸化ガスが空気流路５から流入して接触することにより両電極で電気化学反応が生じて起電力が発生し、水が生じる。
＜水素流路＞
水素流路３は、水素供給路３０、水素循環路３１、排水路３２、及び排ガス排出路３３からなる。水素供給路３０の一端部はレギュレータ２２に接続され、他端部はスタック１のアノード極１０の入口側に接続されている。水素供給路３０には、燃料ガスの流れ方向に向かって、第１圧力センサ３４、水素二次遮断弁３５、水素二次遮断弁３６、及び逆止弁３７が設けられている。
水素循環路３１は、一端部がアノード極１０の出口側に接続され、他端部は水素供給路３０に接続されている。水素循環路３１には気液分離器３８及び水素循環ポンプ３９が設けられている。水素循環ポンプ３９は、例えば、ダイヤフラムポンプ等、出口から入口への逆流が防止されているタイプのポンプである。水素循環ポンプ３９には、水素循環ポンプ３９の回転速度を検出する回転速度計４５が設けられている。尚、水素循環ポンプ３９が回転速度を出力する機能を備えている場合には、回転速度計４５ではなく、水素循環ポンプ３９の回転速度出力機能を利用してもよい。
水素一次遮断弁２１、水素二次遮断弁３５、及び水素二次遮断弁３６を開いたとき、水素は水素供給路３０を通流し、スタック１のアノード極１０内を通流する。第１圧力センサ３４は、水素供給路３０内の水素の圧力を計測する。アノード極１０内を通流し、出口から排出された、水素、不純物（当初から水素に含有された不純物と反応により生じた不純物とを含む）及び水分は、水素循環路３１を通流し、気液分離器３８へ送られる。気液分離器３８は、内部にて水素及び不純物を含むガスと水とを分離する。
排ガス排出路３３は、気液分離器３８の上側で水素循環路３１から分岐して延びるように設けられており、排ガス排出路３３には水素及び不純物を含むガスを外部に排出するための第１の排出弁であるパージ弁４０及びパージ弁４１が直列に設けられている。水素及び不純物を含むガスは、所定のタイミングでパージ弁４０及びパージ弁４１に通電して開放することにより外部へ排出される。
気液分離器３８において分離された水素及び不純物を含むガスは、パージ弁４０及びパージ弁４１を閉じているとき、気液分離器３８から水素循環路３１を通流して水素循環ポンプ３９へ送られ、水素供給路３０を介してスタック１のアノード極１０に供給される。
排水路３２は気液分離器３８の下側に接続され、気液分離器３８の下方に向けて延びるように配置される。排水路３２には水を排出するための第２の排出弁である排水弁４２及び排水弁４３が直列に設けられている。気液分離器３８と排水弁４２との間には、液面センサ４４が設けられている。排水弁４２及び排水弁４３が閉じた状態で、排水路３２には水が貯留される。液面センサ４４は、排水路３２に所定の水量が貯留されているか否かを検出する。
気液分離器３８で分離された水は排水路３２に貯留され、後述する排水処理により排水弁４２及び排水弁４３に通電して開放することで排水路３２を通流され、外部へ排出される。
＜空気流路＞
空気流路５にはエアポンプ５０が設けられている。そして、空気流路５のスタック１への流入側部分には空気遮断弁５１が、スタック１からの流出側部分には空気遮断弁５２が設けられている。空気遮断弁５１及び空気遮断弁５２を開いたとき、エアポンプ５０から送出された空気は空気流路５を通流してスタック１のカソード極１１を通流されるように構成されている。カソード極１１内を通流した空気は、スタック１から排出され、空気遮断弁５２を通って外部へ排出される。
＜制御部＞
制御部６は、制御部６の各構成部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）６０を備え、ＣＰＵ６０には、バスを介して、ＲＯＭ６１、ＲＡＭ６２、及び計時部６３が接続されている。
ＲＯＭ６１は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）等の不揮発性メモリであり、燃料電池３００の運転プログラム６４と、本実施の形態に係るパージ制御プログラム６５とを記憶している。また、パージ制御プログラム６５は、コンピュータで読み取り可能に記録された可搬式メディアであるＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）−ＲＯＭ、ＢＤ（Blu-ray (登録商標)Disc）、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブ等の記録媒体に記録されており、ＣＰＵ６０が記録媒体から、パージ制御プログラム６５を読み出し、ＲＡＭ６２に記憶させてもよい。さらに、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本発明に係るパージ制御プログラム６５を取得し、ＲＡＭ６２に記憶させることにしてもよい。
ＲＡＭ６２は、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM)、SRAM(Static RAM）等のメモリであり、ＣＰＵ６０の演算処理を実行する際にＲＯＭ６１から読み出された運転プログラム６４、パージ制御プログラム６５、及びＣＰＵ６０の演算処理によって生ずる各種データを一時記憶する。
制御部６は発電部１００の各構成部、及び燃料部２００の水素一次遮断弁２１に接続されており、制御部６は各構成部及び水素一次遮断弁２１の動作を制御する。また、制御部６は第１圧力計３４に接続されており、第１圧力計３４から水素供給路３０内の圧力値を取得する。また、制御部６は回転速度計４５に接続されており、回転速度計４５から水素循環ポンプ３９の回転速度を取得する。なお、図１において、制御部６と各構成部との接続は、本実施の形態の説明において必要な部分のみ示している。
＜動作＞
以下、燃料電池システム３００の動作について説明する。ＣＰＵ６０は、ＲＯＭ６１に格納された運転プログラム６４を読み出し、燃料電池システム３００を動作させる。ＣＰＵ６０は、発電部１００に発電の命令を出力する。該命令を受けた発電部１００は、空気流路５からスタック１のカソード極１１に酸素を含む酸化ガスを供給し、燃料部２００からスタック１のアノード極１０に燃料ガスを供給する。これにより、スタック１において電気化学反応が生じ、発電が行われる。
発電部１００による発電において未反応の燃料ガスは、気液分離器３８に送られる。また、カソード極１１から電解質膜を通過してアノード極１０へ混入した水及び窒素も気液分離器３８に送られる。気液分離器３８は、送られてきた燃料ガス及び窒素が混合したガスと、水とを分離する。
気液分離器３８で分離されたガスは、水素循環ポンプ３９を介して水素供給路３０に送られ、再度スタック１のアノード極１０に供給される。これにより、発電部１００は、未反応の水素を含む燃料ガスを再利用して発電を行う。
所定時間以上発電を行った場合、水素循環路３１内を循環するガス中の窒素の濃度が上昇する。また、所定量の水が排水路３２に貯留される。したがって、発電部１００は、性能の維持のため、水素循環路３１内のガス及び排水路３２内の水を排出する必要が生じる。発電部１００は、後述するタイミングでパージ弁４０、パージ弁４１、排水弁４２、及び排水弁４３を開放することにより、水素循環路３１内のガス及び排水路３２内の水を排出する。
発電部１００は、上記の如く発電を行い、また、不純物の排出により発電の性能を維持している。また、制御部６は、回転速度計４５から水素循環ポンプ３９の回転速度を取得し、スタック１の発電量に応じて、水素循環ポンプ３９の出力を制御する。しかし、例えば高出力運転時など、水素循環ポンプ３９の出力が高い場合、水素循環ポンプ３９の入口の圧力に対して出口の圧力は高くなる。このとき、水素循環ポンプ３９の出口の圧力は水素供給路３０内の圧力と等しい。このため、水素循環ポンプ３９の入口の圧力は水素供給路３０内の圧力に対して相対的に低くなり、大気圧に対して負圧になる場合がある。このような状態でパージ弁４０及びパージ弁４１、または排水弁４２及び排水弁４３を開放すると、大気が逆流してしまい、水素循環路３１内のガス及び排水路３２内の水を排出することができない。また、パージを実施している間に排水弁４２及び排水弁４３を開放すると、水素循環路３１内の圧力が低下し、パージが不十分となる可能性がある。また、排水を実施いる間にパージ弁４０及びパージ弁４１を開放すると、排水が不十分となる可能性がある。したがって、制御部６は、十分にパージ及び排水ができるように以下の制御を実行する。
＜パージ制御プログラム＞
本実施の形態においては、ＣＰＵ６０は、発電部１００が発電開始したとき、ＲＯＭ６１からパージ制御プログラム６５を読み出して、パージ及び排水の処理を実行する。以下、パージ及び排水の処理について説明する。
図２は、ＣＰＵ６０によるパージ及び排水の処理の手順を示すフローチャートである。初期条件は発電部１００において発電を行っている場合であり、パージ弁４０、パージ弁４１、排水弁４２、及び排水弁４３が通電ＯＦＦ（閉）の状態である。この状態からＣＰＵ６０はパージ及び排水の処理を開始する。
まず、ＣＰＵ６０は、計時部６３にパージ周期時間ｔ１の計測を開始させる（Ｓ１）。ここで、パージ周期時間ｔ１とは、初回のパージの場合には発電部１００が発電開始してからの経過時間であり、２回目以降のパージの場合には前回パージを実施してからの経過時間である。
ＣＰＵ６０は、パージ周期時間ｔ１が閾値Ｊを経過したか否かを判定する（Ｓ２）。ここで、閾値Ｊとは、発電部１００における発電量に応じて設定される値であり、例えば１０分間である。尚、発電部１００における発電量が多い場合には閾値Ｊは短くしもよい。また、発電部１００における発電量が少ない場合には、閾値Ｊは長くしてもよい。ＣＰＵ６０は、パージ周期時間ｔ１が閾値Ｊを経過していないと判定した場合（Ｓ２：ＮＯ）、処理を後述するステップＳ１４に進める。
ＣＰＵ６０は、パージ周期時間ｔ１が閾値Ｊを経過したと判定した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下であるか否かを判定する（Ｓ３）。ここで、閾値Ｃとは、水素供給圧力を考慮して定められる値である。水素供給路３０内の圧力は水素循環ポンプ３９の出口の圧力と等しく、水素循環ポンプ３９の回転速度が速いほど水素循環ポンプ３９の入口の圧力は低くなるため、水素循環ポンプ３９の入口の圧力が大気圧よりも低くならないように閾値Ｃを定める。閾値Ｃは、第１圧力計３４が取得する圧力値に基づいて定められる。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下でないと判定した場合（Ｓ３：ＮＯ）、水素循環ポンプ指令電圧ＡにＡ−０．１を代入し（Ｓ４）、処理をステップＳ３に戻す。つまり、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下になるまで、水素循環ポンプ指令電圧Ａを０．１ボルトずつマイナスさせる。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下であると判定した場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、排水弁４２及び排水弁４３がＯＦＦ（閉）であるか否かを判定する（Ｓ５）。ＣＰＵ６０は、排水弁４２及び排水弁４３がＯＦＦ（閉）でないと判定した場合（Ｓ５：ＮＯ）、排水弁４２及び排水弁４３をＯＦＦ（閉）する（Ｓ６）。つまり、排水をしている場合には、排水を中断させる。
ＣＰＵ６０は、排水弁４２及び排水弁４３がＯＦＦ（閉）であると判定した場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、パージ弁４０及びパージ弁４１をＯＮ（開）し、パージを開始させる（Ｓ７）。次にＣＰＵ６０は、計時部６３によりパージ弁開放時間ｔ２の計測を開始させる（Ｓ８）。ここで、パージ弁開放時間ｔ２とは、パージ弁４０及びパージ弁４１が開放されている時間である。
ＣＰＵ６０は、パージ弁開放時間ｔ２が、閾値Ｔを経過したか否かを判定する（Ｓ９）。ＣＰＵ６０は、パージ弁開放時間ｔ２が、閾値Ｔを経過していないと判定した場合（Ｓ９：ＮＯ）、上述の判定を繰り返す。ＣＰＵ６０は、パージ弁開放時間ｔ２が、閾値Ｔを経過したと判定した場合（Ｓ９：ＹＥＳ）、パージ弁４０及びパージ弁４１をＯＦＦ（閉）してパージを終了する（Ｓ１０）。ここで、閾値Ｔとは、水素循環路３１の内部容積を考慮して決定される値であり、パージにより水素循環路３１内の不純物を十分に排出できる時間である。閾値Ｔは、例えば、１０秒間である。
ＣＰＵ６０は、計時部６３によるパージ弁開放時間ｔ２の計測を終了し、ｔ２をリセットして０に戻す（Ｓ１１）。ＣＰＵ６０は、パージ周期時間ｔ１をリセットして０に戻す（Ｓ１２）。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ指令電圧ＡにＢを代入する（Ｓ１３）。ここで、Ｂは、発電部１００の発電量に基づいて設定される電圧値である。発電量が多いほどＢも大きい。つまり、発電量が多いほど、水素循環路３１における循環量を多くする。
ＣＰＵ６０は、液面センサ４４がＯＮであるか否かを判定する（Ｓ１４）。ＣＰＵ６０は、液面センサ４４がＯＮでないと判定した場合（Ｓ１４：ＮＯ）、排水弁４２及び排水弁４３をＯＦＦ（閉）し（Ｓ１５）、水素循環ポンプ指令電圧ＡにＢを代入し（Ｓ１６）、処理をステップＳ２に戻す。
ステップＳ１４において、ＣＰＵ６０は、液面センサ４４がＯＮであると判定した場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下であるか否かを判定する（Ｓ１７）。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下でないと判定した場合（Ｓ１７：ＮＯ）、水素循環ポンプ指令電圧ＡにＡ−０．１を代入し（Ｓ１８）、処理をステップＳ１７に戻す。つまり、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下になるまで、水素循環ポンプ指令電圧Ａを０．１ボルトずつマイナスさせる。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下であると判定した場合（Ｓ１７：ＹＥＳ）、排水弁４２及び排水弁４３をＯＮ（開）して排水を開始し（Ｓ１９）、処理をステップＳ２に戻す。
以上のように、本実施の形態においては、パージまたは排水時に、水素循環ポンプ３９の回転速度を低下させ、水素循環ポンプ３９の入口の圧力を大気圧よりも高くすることにより、不純物及び水を十分に排出することができる。
また、本実施の形態においては、パージ弁４０及びパージ弁４１と、排水弁４２及び排水弁４３とが同時に開放されることがない。このため、パージ中に、排水によって水素循環路３１内の圧力が過度に低下することがなく、不純物を十分に排出することができる。また、排水中に、設定されたパージ周期時間なると、排水を中断し、パージを優先する。このため、排水の影響を受けることなく不純物を十分に排出することができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図３を参照して説明する。第２実施形態では、パージ及び排水の処理の手順が、第１実施形態とは異なる。尚、パージ及び排水の処理の手順を除く構成については上述の第１実施形態と同様なので、詳細な説明は省略する。
＜パージ制御プログラム＞
図３は、ＣＰＵ６０によるパージ及び排水の処理の手順を示すフローチャートである。初期条件は発電部１００において発電を行っている場合であり、パージ弁４０、パージ弁４１、排水弁４２、及び排水弁４３が通電ＯＦＦ（閉）の状態である。この状態からＣＰＵ６０はパージ及び排水の処理を開始する。
まず、ＣＰＵ６０は、計時部６３にパージ周期時間ｔ１の計測を開始させる（Ｓ３１）。ここで、パージ周期時間ｔ１とは、初回のパージの場合には発電部１００が発電開始してからの経過時間であり、２回目以降のパージの場合には前回パージを実施してからの経過時間である。
ＣＰＵ６０は、液面センサ４４がＯＮであるか否かを判定する（Ｓ３２）。ＣＰＵ６０は、液面センサ４４がＯＮであると判定した場合（Ｓ３２：ＹＥＳ）、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下であるか否かを判定する（Ｓ３３）。ここで、閾値Ｃとは、水素供給圧力を考慮して定められる値である。水素供給路３０内の圧力は水素循環ポンプ３９の出口の圧力と等しく、水素循環ポンプ３９の回転速度が速いほど水素循環ポンプ３９の入口の圧力は低くなるため、水素循環ポンプ３９の入口の圧力が大気圧よりも低くならないように、閾値Ｃを定める。閾値Ｃは、第１圧力計３４が取得する圧力値に基づいて定められる。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下でないと判定した場合（Ｓ３３：ＮＯ）、水素循環ポンプ指令電圧ＡにＡ−０．１を代入し（Ｓ３４）、処理をステップＳ３３に戻す。つまり、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下になるまで、水素循環ポンプ指令電圧Ａを０．１ボルトずつマイナスさせる。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下であると判定した場合（Ｓ３３：ＹＥＳ）、パージ弁４０及びパージ弁４１がＯＦＦ（閉）であるか否かを判定する（Ｓ３５）。ＣＰＵ６０は、パージ弁４０及びパージ弁４１がＯＦＦ（閉）でないと判定した場合（Ｓ３５：ＮＯ）、パージ弁４０及びパージ弁４１をＯＦＦ（閉）し（Ｓ３６）、パージ弁開放時間ｔ２の計測を中断する（Ｓ３７）。ここで、パージ弁開放時間ｔ２とは、パージ弁４０及びパージ弁４１が開放されている時間である。つまり、パージをしている場合には、パージを中断させる。
ＣＰＵ６０は、パージ弁４０及びパージ弁４１がＯＦＦ（閉）であると判定した場合（Ｓ３５：ＹＥＳ）、排水弁４２及び排水弁４３をＯＮ（開）し（Ｓ３８）、処理をステップＳ３２に戻す。
ステップＳ３２において、ＣＰＵ６０は、液面センサ４４がＯＮでないと判定した場合（Ｓ３２：ＮＯ）、排水弁４２及び排水弁４３をＯＦＦ（閉）し（Ｓ３９）、パージ弁開放時間ｔ２＝０であるか否かを判定する（Ｓ４０）。
ＣＰＵ６０は、パージ弁開放時間ｔ２＝０でないと判定した場合（Ｓ４０：ＮＯ）、処理を後述するステップＳ４５に進める。
ＣＰＵ６０は、パージ弁開放時間ｔ２＝０であると判定した場合（Ｓ４０：ＹＥＳ）、水素循環ポンプ指令電圧ＡにＢを代入する（Ｓ４１）。ここで、Ｂは、発電部１００の発電量に基づいて設定される電圧値である。発電量が多いほどＢも大きい。つまり、発電量が多いほど、水素循環路３１における循環量を多くする。
ＣＰＵ６０は、パージ周期時間ｔ１が閾値Ｊを経過したか否かを判定する（Ｓ４２）。ここで、閾値Ｊとは、発電部１００における発電量に応じて設定される値であり、例えば１０分間である。尚、発電部１００における発電量が多い場合には閾値Ｊは短くしもよい。また、発電部１００における発電量が少ない場合には、閾値Ｊは長くしてもよい。ＣＰＵ６０は、パージ周期時間ｔ１が閾値Ｊを経過していないと判定した場合（Ｓ４２：ＮＯ）、処理をステップＳ３２に戻す。
ＣＰＵ６０は、パージ周期時間ｔ１が閾値Ｊを経過したと判定した場合（Ｓ４２：ＹＥＳ）、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下であるか否かを判定する（Ｓ４３）。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下でないと判定した場合（Ｓ４３：ＮＯ）、水素循環ポンプ指令電圧ＡにＡ−０．１を代入し（Ｓ４４）、処理をステップＳ４３に戻す。つまり、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下になるまで、水素循環ポンプ指令電圧Ａを０．１ボルトずつマイナスさせる。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ３９の回転速度が閾値Ｃ以下であると判定した場合（Ｓ４３：ＹＥＳ）、計時部６３によりパージ弁開放時間ｔ２の計測を開始（ｔ２の計測が中断している場合には再開）させる（Ｓ４５）。
ＣＰＵ６０は、パージ弁４０及びパージ弁４１をＯＮ（開）し、パージを開始させる（Ｓ４６）。
ＣＰＵ６０は、パージ弁開放時間ｔ２が、閾値Ｔを経過したか否かを判定する（Ｓ４７）。ＣＰＵ６０は、パージ弁開放時間ｔ２が、閾値Ｔを経過していないと判定した場合（Ｓ４７：ＮＯ）、処理をステップＳ３２に戻す。ここで、閾値Ｔとは、水素循環路３１の内部容積を考慮して決定される値であり、パージにより水素循環路３１内の不純物を十分に排出できる時間である。閾値Ｔは、例えば、１０秒間である。
ＣＰＵ６０は、パージ弁開放時間ｔ２が、閾値Ｔを経過したと判定した場合（Ｓ４７：ＹＥＳ）、パージ弁４０及びパージ弁４１をＯＦＦ（閉）してパージを終了し（Ｓ４８）、計時部６３によるパージ弁開放時間ｔ２の計測を終了し、ｔ２をリセットして０に戻す（Ｓ４９）。ＣＰＵ６０は、計時部６３によるパージ周期時間ｔ１の計測をリセットして０に戻す（Ｓ５０）。
ＣＰＵ６０は、水素循環ポンプ指令電圧ＡにＢを代入し（Ｓ５１）、処理をステップＳ３２に戻す。
以上のように、本実施の形態においては、パージまたは排水時に、水素循環ポンプ３９の回転速度を低下させ、水素循環ポンプ３９の入口の圧力を大気圧よりも高くすることにより、不純物及び水を十分に排出することができる。
また、本実施の形態においては、パージ弁４０及びパージ弁４１と、排水弁４２及び排水弁４３とが同時に開放されることがない。このため、排水中に、パージによって水素循環路３１内の圧力が過度に低下することがなく、水を十分に排出することができる。また、パージ中に、液面センサがＯＮした場合、パージを中断し、排水を優先する。このため、パージの影響を受けることなく水を確実に排出することができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について図４及び図５を参照して説明する。第３実施形態では、第２圧力計４６及び第３圧力計４７が設けられる点と、パージ及び排水の処理の手順とが、第１実施形態とは異なる。尚、第２圧力計４６及び第３圧力計４７が設けられる点と、パージ及び排水の処理の手順とを除く構成については上述の第１実施形態と同様なので、詳細な説明は省略する。
水素循環路３１は、一端部がアノード極１０の出口側に接続され、他端部は水素供給路３０に接続されている。水素循環路３１には、アノード極１０の出口側から順に、気液分離器３８、第２圧力計４６、及び水素循環ポンプ３９が設けられている。第２圧力計４６は、水素循環路３１内における気液分離器３８と水素循環ポンプ３９との間の圧力を計測する。
発電部１００の筐体内には、第３圧力計４７が配置される。第３圧力計４７は、発電部１００の筐体内の圧力を計測する。発電部１００の筐体内の圧力は、大気圧とほぼ等しい。
制御部６は発電部１００の各構成部、及び燃料部２００の水素一次遮断弁２１に接続されており、制御部６は各構成部及び水素一次遮断弁２１の動作を制御する。また、制御部６は第１圧力計３４に接続されており、制御部６は第１圧力計３４から水素供給路３０内の圧力値を取得する。また、制御部６は回転速度計４５に接続されており、回転速度計４５から水素循環ポンプ３９の回転速度を取得する。また、制御部６は第２圧力計４６に接続されており、第２圧力計４６から水素循環路３１内における水素循環ポンプ３９入口側の圧力値Ｐ２を取得する。また、制御部６は第３圧力計４７に接続されており、第３圧力計４７から大気圧Ｐ３を取得する。なお、図４において、制御部６と各構成部との接続は、本実施の形態の説明において必要な部分のみ示している。
＜パージ制御プログラム＞
図５は、ＣＰＵ６０によるパージ及び排水の処理の手順を示すフローチャートである。図５において、ステップＳ６１は、第１実施形態のステップＳ３に対応する。また、ステップＳ６２は、第１実施形態のステップＳ１７に対応する。第３実施形態のステップＳ６１とステップＳ６２とを除くステップについては第１実施形態と同様なので、詳細な説明は省略する。
ステップＳ６１において、ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３であるか否かを判定する（Ｓ６１）。ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３でないと判定した場合（Ｓ６１：ＮＯ）、処理をステップＳ４に進める。ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３であると判定した場合（Ｓ６１：ＹＥＳ）、処理をステップＳ５に進める。つまり、水素循環ポンプ３９の入口の圧力が大気圧より高くなるまで、水素循環ポンプ指令電圧Ａを０．１ボルトずつマイナスさせる。
ステップＳ６２において、ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３であるか否かを判定する（Ｓ６２）。ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３でないと判定した場合（Ｓ６２：ＮＯ）、処理をステップＳ１８に進める。ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３であると判定した場合（Ｓ６２：ＹＥＳ）、処理をステップＳ１９に進める。つまり、水素循環ポンプ３９の入口の圧力が大気圧より高くなるまで、水素循環ポンプ指令電圧Ａを０．１ボルトずつマイナスさせる。
以上のように、本実施の形態においては、パージまたは排水時に、水素循環ポンプ３９の回転速度を低下させ、水素循環ポンプ３９の入口の圧力を大気圧よりも高くすることにより、不純物及び水を十分に排出することができる。
また、本実施の形態においては、パージ弁４０及びパージ弁４１と、排水弁４２及び排水弁４３とが同時に開放されることがない。このため、パージ中に、排水によって水素循環路３１内の圧力が過度に低下することがなく、不純物を十分に排出することができる。また、排水中に、設定されたパージ周期時間なると、排水を中断し、パージを優先する。このため、排水の影響を受けることなく不純物を十分に排出することができる。
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について図６を参照して説明する。第４実施形態では、パージ及び排水の処理の手順が、第３実施形態とは異なる。尚、パージ及び排水の処理の手順を除く構成については上述の第３実施形態と同様なので、詳細な説明は省略する。
＜パージ制御プログラム＞
図６は、ＣＰＵ６０によるパージ及び排水の処理の手順を示すフローチャートである。図６において、ステップＳ６３は、第２実施形態のステップＳ３３に対応する。また、ステップＳ６４は、第２実施形態のステップＳ４３に対応する。第４実施形態のステップＳ６３とステップＳ６４とを除くステップについては第２実施形態と同様なので、詳細な説明は省略する。
ステップＳ６３において、ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３であるか否かを判定する（Ｓ６３）。ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３でないと判定した場合（Ｓ６３：ＮＯ）、処理をステップＳ３４に進める。ＣＰＵは、Ｐ２＞Ｐ３であると判定した場合（Ｓ６３：ＹＥＳ）、処理をステップＳ３５に進める。つまり、水素循環ポンプ３９の入口の圧力が大気圧より高くなるまで、水素循環ポンプ指令電圧Ａを０．１ボルトずつマイナスさせる。
ステップＳ６４において、ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３であるか否かを判定する（Ｓ６４）。ＣＰＵ６０は、Ｐ２＞Ｐ３でないと判定した場合（Ｓ６４：ＮＯ）、処理をステップＳ４４に進める。ＣＰＵは、Ｐ２＞Ｐ３であると判定した場合（Ｓ６４：ＹＥＳ）、処理をステップＳ４５に進める。つまり、水素循環ポンプ３９の入口の圧力が大気圧より高くなるまで、水素循環ポンプ指令電圧Ａを０．１ボルトずつマイナスさせる。
以上のように、本実施の形態においては、パージまたは排水時に、水素循環ポンプ３９の回転速度を低下させ、水素循環ポンプ３９の入口の圧力を大気圧よりも高くすることにより、不純物及び水を十分に排出することができる。
また、本実施の形態においては、パージ弁４０及びパージ弁４１と、排水弁４２及び排水弁４３とが同時に開放されることがない。このため、排水中に、パージによって水素循環路３１内の圧力が過度に低下することがなく、水を十分に排出することができる。また、パージ中に、液面センサがＯＮした場合、パージを中断し、排水を優先する。このため、パージの影響を受けることなく水を確実に排出することができる。
［本発明と実施形態との構成の対応関係］
本実施形態の第１圧力計は、本発明の第１の圧力検出手段の一例である。本実施形態の回転速度計は、本発明の回転速度検出手段の一例である。本実施形態の第２圧力計は、本発明の第２の圧力検出手段の一例である。
本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
１ スタック
３ 水素流路
３０ 水素供給路
３１ 水素循環路
３２ 排水路
３３ 排ガス排出路
３４ 第１圧力計
３８ 気液分離器
３９ 水素循環ポンプ
４０、４１ パージ弁
４２、４３ 排水弁
４４ 液面センサ
４５ 回転速度計
４６ 第２圧力計
４７ 第３圧力計
５ 空気流路
６ 制御部
６０ ＣＰＵ
１００ 発電部
２００ 燃料部
３００ 燃料電池システム

Claims (9)

  1. 水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、
    前記スタックに水素を供給するための水素供給路と、
    前記スタックのアノード極から排出されるアノード排ガスを前記水素供給路へ戻すための水素循環路と、
    前記水素循環路に設けられ、入口と出口とを有し、前記アノード排ガスを循環させるために作動する水素循環ポンプと、
    前記水素循環路において前記アノード極と前記水素循環ポンプの入口との間から分岐し、前記アノード排ガスを外部に排出するための排ガス排出路と、
    前記排ガス排出路を開閉する第１の排出弁と、
    前記水素循環ポンプ及び前記第１の排出弁を制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する際に、前記水素循環ポンプの入口における前記アノード排ガスの圧力が大気圧よりも高くなるように、前記水素循環ポンプの作動を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記水素供給路内の圧力を検出する第１の圧力検出手段を備え、
    前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する際に、前記水素循環ポンプの入口の圧力が大気圧よりも高くなるように、前記水素ポンプの作動を制御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. 前記水素循環ポンプの回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、
    前記制御部は、前記回転速度検出手段により検出される回転速度に基づき、前記水素循環ポンプの出口の圧力と入口の圧力との圧力差を推定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記水素循環ポンプの入口の圧力を検出する第２の圧力検出手段を備え、
    前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する際に、前記第２の圧力検出手段により検出される第２の圧力値が大気圧よりも高くなるように、前記水素循環ポンプの作動を制御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。
  5. 前記水素循環ポンプは、出口から入口への逆流を防止する機能を備えたポンプであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記水素供給路に水素を供給する水素貯蔵容器を備え、
    前記水素貯蔵容器は、水素吸蔵合金を内蔵することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記水素循環路に配置され、前記アノード排ガスに含まれる水分を分離可能な気液分離器と、
    前記気液分離器に接続され、前記気液分離器によって分離された水分を外部に排出するための排水路と、
    前記排水路を開閉する第２の排出弁と、
    を備え、
    前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する期間と、前記第２の排出弁を開放する期間とを、互いにずらすように制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、前記スタックに水素を供給するための水素供給路と、前記スタックのアノード極から排出されるアノード排ガスを前記水素供給路へ戻すための水素循環路と、前記水素循環路に設けられ、入口と出口とを有し、前記アノード排ガスを循環させるために作動する水素循環ポンプと、前記水素循環路において前記アノード極と前記水素循環ポンプの入口との間から分岐し、前記アノード排ガスを外部に排出するための排ガス排出路と、前記排ガス排出路を開閉する第１の排出弁と、前記水素循環ポンプと前記第１の排出弁とを制御する制御部とを備える燃料電池システムの前記制御部による前記第１の排出弁及び前記水素循環ポンプの制御方法であって、
    前記制御部は、前記第１の排出弁を開放する際に、前記水素循環ポンプの入口における前記アノード排ガスの圧力が大気圧よりも高くなるように、前記水素循環ポンプの作動を制御する
    ことを特徴とする制御方法。
  9. 水素及び酸素を反応させて発電するスタックと、前記スタックに水素を供給するための水素供給路と、前記スタックのアノード極から排出されるアノード排ガスを前記水素供給路へ戻すための水素循環路と、前記水素循環路に設けられ、入口と出口とを有し、前記アノード排ガスを循環させるために作動する水素循環ポンプと、前記水素循環路において前記アノード極と前記水素循環ポンプの入口との間から分岐し、前記アノード排ガスを外部に排出するための排ガス排出路と、前記排ガス排出路を開閉する排出弁と、前記水素循環ポンプと前記第１の排出弁とを制御する制御部とを備える燃料電池システムの前記制御部に、
    前記第１の排出弁を開放する際に、前記水素循環ポンプの入口における前記アノード排ガスの圧力が大気圧よりも高くなるように、前記水素循環ポンプの作動を制御する
    処理を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
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