JP4770268B2

JP4770268B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4770268B2
Application number: JP2005149295A
Authority: JP
Inventors: 剛司片野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006331674A

Description

この発明は、燃料電池システムにおける反応ガス給排装置に関する。

水素ガスを燃料とする燃料電池システムでは、水素の利用率の向上と、アノードでの水の滞留の抑制のため、循環式の燃料ガス給排装置が用いられる。この燃料ガス給排装置では、燃料電池から排出される燃料ガス（アノードオフガス）に含まれる水分は、気液分離器により分離される。気液分離器により水分量が低減されたアノードオフガスは、循環ポンプにより、燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給配管に還流される。

この循環式の燃料ガス給排装置を用いた燃料電池システムを停止する際には、アノードオフガスから分離された気液分離器中の水の凍結を防止するため、気液分離器に設けられた排水弁から分離された水が排出される。

特開平１１−２７３７０５号公報特開２００４−３５９２７号公報特開２００２−２１６８１２号公報特開２０００−２１４３０号公報特開２００３−１５７８７５号公報特開平７−２３５３２４号公報

しかしながら、燃料電池システムを停止する際に気液分離器から排水を行っても、気液分離器と循環ポンプとを接続する還流配管に凝結した水が滞留する場合がある。この場合、滞留した水が時間とともに気液分離器に向かって落下し、気液分離器に設けられた排水弁の近くに蓄積する。蓄積した滞留水は、外気温が低くなると凍結し、排水弁の機能が損なわれるおそれがある。還流配管中の滞留水は、排水弁の開弁時間を長くすることにより排出することが可能である。しかしながら、排水弁の開弁時間を長くすると、排水弁の下流側からの拡散や逆流により不純物を含むガスが気液分離器に流入し、流入したガスにより燃料電池の始動性が悪くなるおそれがある。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの停止の際に、還流配管内に滞留している水の排出に要する排水弁の開弁時間を短縮する技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料電池に反応ガス供給流路を介して前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記燃料電池からの反応排ガスが供給される気液分離器と、前記気液分離器に設けられた排水弁と、前記気液分離器の上部に設けられた還流配管を介して供給される前記反応排ガスを前記反応ガス供給流路に送出する循環ポンプと、前記循環ポンプにより、前記気液分離器から前記反応ガス供給流路に還流される前記反応排ガスの還流量を表す還流量パラメータを取得する還流量パラメータ取得部と、燃料電池制御部と、を備え、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムを停止する際に、前記還流量パラメータによって表される前記還流量が所定の下限値となった後、前記排水弁を開くことにより前記気液分離器から水を排出する停止時排水モードを有することを特徴とする。

この構成によれば、反応排ガスの還流量が低下することにより、反応排ガスの動圧により滞留していた還流配管内の水が気液分離器に落下する。そのため、気液分離器からの排水に十分な時間だけ排水弁を開弁することにより還流配管内の滞留水を排出することができるので、排水弁の開弁時間を短縮することができる。

前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力を表す圧力パラメータを取得する圧力パラメータ取得部を備えており、前記燃料電池制御部は、前記停止時排水モードの実行前に、前記圧力パラメータで表される前記反応ガスの圧力を所定の目標圧力に設定する圧力調整モードを実行するものとしてもよい。

この構成によれば、反応ガスの圧力を予め所定の目標圧力に設定した後、停止時排水モードが実行されるので、停止時排水モード実行後の停止状態での燃料電池内の反応ガス圧力を燃料電池の停止状態に適した圧力にすることができる。

前記燃料電池システムは、さらに、前記気液分離器中の水量を表す水量パラメータを取得する水量パラメータ取得部と、前記水量パラメータに基づいて前記所定の目標圧力を算出する目標圧力算出部と、を備えるものとしてもよい。

この構成によれば、目標圧力を気液分離器中の水量に応じて設定できるので、停止時排水モード実行前の反応ガス圧力を排水に適した圧力とすることができる。また、気液分離器中の水量に対して停止時排水モード実行前の反応ガス圧力が低い場合に、停止時排水モードの実行中に反応ガス圧力が排水弁の下流側の圧力とほぼ同圧に低下して排水弁からの排水ができなくなる排水の中断の発生を抑制できる。排水の中断を抑制することにより排水を再開するために反応ガス圧力を高める処理が省略できるので、排水時間を短縮することができる。

前記燃料電池制御部は、前記停止時排水モードにおける前記排水弁の開弁時に、前記反応ガス供給部から前記反応ガス供給流路に前記反応ガスを供給するものとしてもよい。

この構成によれば、反応ガス供給部から供給された反応ガスが、還流配管を介して排水弁に供給されるので、還流配管内の滞留水をより速やかに排出できる。

前記燃料電池制御部は、前記停止時排水モード実行時に、前記排水弁を間欠的に開閉するものとしてもよい。

この構成によれば、排水弁の閉弁時に還流配管内および気液分離器内の水滴が凝集するので、還流配管内および気液分離器内の水の排出がより容易となる。

前記循環ポンプは、循環ポンプ内の回転運動によりガスを送出する回転式ポンプであり、前記還流量パラメータは、前記循環ポンプの回転数であり、前記循環ポンプの回転数が低いほど還流量が少ないとするものとしてもよい。

この構成によれば、測定の容易な循環ポンプの回転数により還流量パラメータが取得できるので、還流量パラメータの取得がより容易となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムにおける反応ガス給排装置とその給排装置の制御装置および制御方法、その給排装置と制御装置および制御方法を利用した燃料電池システム、また、その燃料電池システムを利用した発電装置およびその燃料電池を搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施例：
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の構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、複数のセル１１２を積層することにより構成された燃料電池１１０と、酸化剤ガス給排部２００と、燃料ガス給排部３００と、燃料電池制御部４００と、を備えている。

酸化剤ガス給排部２００と燃料電池１１０とは、酸化剤ガス供給配管１２２と酸化剤ガス排出配管１２４との２つの配管で互いに接続されている。同様に、燃料ガス給排部３００と燃料電池１１０とは、燃料ガス供給配管１３２と燃料ガス排出配管１３４との２つの配管で互いに接続されている。

酸化剤ガス給排部２００は、空気ポンプ２０２と、カソードオフガス排出部２０４と、を備えている。空気ポンプ２０２は、外気から圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、燃料電池１１０で使用される酸素を含む酸化剤ガスとして、酸化剤ガス供給配管１２２を介して燃料電池１１０に供給される。燃料電池１１０に供給された酸化剤ガスは、セル１１２内のカソードに供給される。カソードでは、酸化剤ガス中の酸素が燃料電池反応により消費されるとともに、水分が生成される。酸素の消費により酸素濃度が低下した酸化剤ガス（一般に、「カソードオフガス」と呼ばれる）は、酸化剤ガス排出配管１２４を介してカソードオフガス排出部２０４に排出される。カソードオフガス排出部２０４は、燃料電池１１０から排出されたカソードオフガスを大気中に放出する。

燃料ガス給排部３００は、水素ガスタンク３１０と、遮断弁３２０と、調圧弁３３０と、循環ポンプ３４０と、気液分離器３５０と、排気・排水弁３６０と、水・アノードオフガス排出部３７０と、を備えている。

高圧の水素ガスが充填された水素ガスタンク３１０は、第１の高圧水素配管３１２を介して遮断弁３２０に接続されている。燃料電池システム１００を運転する際には、遮断弁３２０が開かれる。遮断弁３２０が開くことにより、第１の高圧水素配管３１２と、遮断弁３２０と、第２の高圧水素配管３２２とを介して、水素ガスタンク３１０から調圧弁３３０に水素ガスが供給される。燃料電池システム１００を停止する際には、遮断弁３２０が閉じられて水素ガスの供給が停止される。

調圧弁３３０は、第２の高圧水素配管３２２を通して供給された高圧の水素ガスを適当な圧力にまで減圧する。低圧水素配管３３２から供給される水素ガスと、第１の還流配管３４２から供給されるアノードオフガス（後述する）とは混合されて、燃料ガスとして燃料ガス供給配管１３２を介して燃料電池１１０に供給される。

燃料電池１１０に供給された燃料ガスは、セル１１２内のアノードに供給される。アノードでは、燃料電池反応により燃料ガス中の水素が消費される。水素の消費により水素濃度が低下した燃料ガス（一般に、「アノードオフガス」と呼ばれる）は、燃料ガス排出配管１３４を介して気液分離器３５０に供給される。気液分離器３５０は、カソードで生成されカソードからアノードに透過してきた水分をアノードオフガスから分離する。

水分が分離されたアノードオフガスは、第２の還流配管３５４を介して循環ポンプ３４０に供給される。循環ポンプ３４０は、供給されたアノードオフガスを第１の還流配管３４２を介して燃料ガス供給配管１３２に送出する。このように、循環ポンプ３４０がアノードオフガスを第１の還流配管３４２に送出することにより、水素ガスとアノードオフガスとが混合された燃料ガスが、燃料電池１１０と、気液分離器３５０と、循環ポンプ３４０との間を循環する。なお、第１実施例では、循環ポンプ３４０として羽根車の回転によってガスを送出するターボポンプを使用している。

排気・排水弁３６０は、気液分離器３５０中の水の量が所定量以上となった場合や、循環する燃料ガス中の不純物濃度が高くなった場合等、必要に応じて開かれる。なお、排気・排水弁３６０は、燃料電池システム１００を停止する際にも開かれるが、この場合の動作については後述する。排気・排水弁３６０を開くことにより、気液分離器３５０中の水とアノードオフガスとは、配管３５２と、排気・排水弁３６０と、配管３６２とを介して、水・アノードオフガス排出部３７０に排出される。水・アノードオフガス排出部３７０は、排出されたアノードオフガス中に含まれる水素を燃焼させて不活性化した後、不活性化したアノードオフガスを大気中に放出する。

燃料電池制御部４００は、外部制御部からの電力要求や起動・停止の指示などの制御信号と、燃料電池システム１００に設けられた各種センサ（図示しない）および循環ポンプ３４０の出力信号とに基づいて、燃料電池システム１００の空気ポンプ２０２と、開閉弁３２０，３６０と、調圧弁３３０と、循環ポンプ３４０とを制御する。

図２は、燃料電池システム１００（図１）を停止する際に、気液分離器３５０（図１）から水を排出する排水制御ルーチンを示すフローチャートである。図３は、気液分離器３５０から水が排出される様子を示す説明図である。気液分離器３５０には、通常、燃料電池システム１００の運転時に分離された水がたまっているが、図３では、図示の便宜上、第２の還流配管３５４のみに水がある状態を示している。なお、図３では、閉じた状態の排気・排水弁３６０を黒の塗り潰しで、開いた状態の排気・排水弁３６０を白抜きで表している。また、図３は、図３の上方が鉛直上方となるように描かれている。

図２のステップＳ２００では、燃料電池１１０への水素ガスの供給を停止するため、燃料電池制御部４００は、遮断弁３２０を閉止する。次いで、ステップＳ２２０において、燃料電池制御部４００は、循環ポンプ３４０の駆動を停止する。循環ポンプ３４０は、その駆動が停止されても、慣性により回転はすぐに停止せず、徐々にその回転数が低下していく。

図３（ａ）は、燃料電池制御部４００が循環ポンプ３４０の駆動を停止した直後の状態を示している。このとき、循環ポンプ３４０は、燃料電池システム１００の通常運転時とほぼ同じ速度で回転している。そのため、通常運転時とほぼ同量のアノードオフガスが、燃料電池１１０から、燃料ガス排出配管１３４と、気液分離器３５０と、気液分離器３５０から鉛直上方に向かってのびている第２の還流配管３５４と、を介して循環ポンプ３４０に供給される。このように、通常運転時とほぼ同量のアノードオフガスが第２の還流配管３５４内を流れると、その動圧により、第２の還流配管３５４内の水滴は、循環ポンプ３４０方向の力を受ける。図３（ａ）の例では、水滴が受ける循環ポンプ３４０方向の力が水滴にかかる重力よりも大きいため、水滴は気液分離器３５０に落下せず、第２の還流配管３５４内に滞留する。

図２のステップＳ３００において、燃料電池制御部４００は、循環ポンプ３４０の回転数を取得する。そして、取得した循環ポンプ３４０の回転数が、所定の回転数下限値以下か否かを判断する。循環ポンプ３４０の回転数が所定の回転数よりも大きい場合には、制御は戻されステップＳ３００が繰り返し実行される。一方、循環ポンプ３４０の回転数が所定の回転数下限値以下の場合には、制御はステップＳ４００に移される。なお、所定の回転数下限値の決定方法については、後述する。

図３（ｂ）は、循環ポンプ３４０の回転数が所定の回転数下限値以下となった状態での気液分離器３５０の様子を示している。一般に、ターボポンプが送出する気体の流量は、ポンプの回転数の変化に従って変化する。そのため、循環ポンプ３４０の回転数が低下すると、燃料電池１１０から燃料ガス供給配管１３２に還流されるアノードオフガスの流量も低下する。アノードオフガスの還流量が低下することにより、アノードオフガスの流れによる循環ポンプ３４０方向の力は、水滴に係る重力よりも小さくなる。そのため、第２の還流配管３５４内の水滴は、重力により気液分離器３５０に向かって落下する。なお、所定の回転数下限値は、このように、第２の還流配管３５４内に滞留している水滴が気液分離器３５０に落下するようなアノードオフガスの還流量に基づいて決定される。

図３（ｃ）は、上述のように第２の還流配管３５４内に滞留していた水滴が、第２の還流配管３５４から落下した状態を示している。落下した水滴は、さらに、気液分離器３５０から配管３５２まで落下する。図３（ｃ）に示す状態では、排気・排水弁３６０が閉止されているので、落下した水滴は配管３５２に蓄積する。

図２のステップＳ４００では、配管３５２中の滞留水を排出するため、排気・排水弁３６０が開かれる。排気・排水弁３６０が開かれると、図３（ｄ）に示すように、配管３５２内の滞留水は、排気・排水弁３６０と、配管３６２とを介して、水・アノードオフガス排出部に排出される。このように、排水が行われるた後、ステップＳ４２０において、燃料電池制御部４００は、排気・排水弁３６０を閉じ、図２に示す排水制御ルーチンは終了する。

第１実施例では、燃料電池制御部４００は、循環ポンプ３４０の駆動を停止し（ステップＳ２２０）、循環ポンプ３４０の回転数が所定の回転数下限値以下となった後（ステップＳ３００）に排気・排水弁３６０を開く（ステップＳ４００）制御（停止時排水モード）を実行する。そのため、第２の還流配管３５４に滞留している水滴が気液分離器３５０に落下した後に、排気・排水弁３６０から排水が行われる。これにより、第２の還流配管３５４に滞留した水も排出されるので、気液分離器３５０からの排水に十分な時間だけ排気・排水弁３６０を開くことにより第２の還流配管３５４に滞留した水を排出することができ、排気・排水弁３６０の開弁時間が短縮される。そのため、排気・排水弁３６０の水・アノードオフガス排出部側（下流側）から気液分離器３５０側（上流側）への不純物を含むガスの拡散や逆流を抑制することができる。

Ｂ．第２実施例：
図４は、第２実施例における燃料電池システム１００ａの構成を示す説明図である。第２実施例の燃料電池システム１００ａは、圧力センサ１４０が配管１３６を介して燃料ガス供給配管１３２ａに接続されている点と、燃料電池制御部４００に圧力センサ１４０の出力信号が供給されている点と、で第１実施例の燃料電池システム１００（図１）と異なっている。他の構成は、第１実施例と同じである。

図５は、第２実施例における排水制御ルーチンを示すフローチャートである。図５に示す第２実施例の排水制御ルーチンは、燃料電池１１０内の燃料ガス圧力を調整するステップＳ１００〜Ｓ１４０が付加されている点で、図２に示す第１実施例の排水制御ルーチンと異なっている。他の点は、第１実施例と同じである。

図６（ａ）〜（ｄ）は、第２実施例において、燃料電池制御部４００が排水制御ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００ａの状態の時間変化を示す説明図である。図６（ａ）〜（ｄ）の横軸は、時間を表している。図６（ａ）の縦軸は、燃料電池１１０内の燃料ガスの圧力Ｐ（燃料電池圧力Ｐ）を表している。図６（ｂ）の縦軸は、循環ポンプ３４０の回転数Ｒ（循環ポンプ回転数Ｒ）を表している。また、図６（ｃ）と図６（ｄ）は、それぞれ、遮断弁３２０（図４）と排気・排水弁３６０（図４）の開閉状態を表している。

上述のように、気液分離器３５０（図４）中の水の量が所定量以上となった場合には、排気・排水弁３６０が開かれ、気液分離器３５０中の水は水・アノードオフガス排出部３７０から排出される。しかしながら、例えば、このように水が排出される直前に燃料電池システム１００ａを停止させると、停止時の排水の際に気液分離器３５０から排出すべき水の量が多くなる。この場合、気液分離器３５０中の水を排出するためには時間がかかるので、気液分離器３５０を介して排出されるアノードオフガスの量が多くなる。

図６は、このように、気液分離器３５０中の水量が多く、排水に時間がかかる場合の燃料電池システム１００ａの状態を示している。図６の例では、時刻ｔ₀において、燃料電池制御部４００に燃料電池システム１００ａ停止の指示が与えられている。燃料電池システム１００ａ停止の指示が与えられると、燃料電池制御部４００は、排水制御ルーチンを実行する。

ステップＳ１００において、燃料電池制御部４００は、気液分離器３５０中の水量を表す水量パラメータを取得する。水量パラメータとしては、例えば、気液分離器３５０に設けられた水量センサ出力値や、前回の排水時からの経過時間や発電量に基づいて推定された水量推定値を使用することができる。

ステップＳ１１０において、燃料電池制御部４００は、燃料電池１１０（図４）内の燃料ガスの目標圧力Ｐｔを算出する。目標圧力Ｐｔは、例えば、排水の際のアノードオフガスの排出による燃料電池圧力Ｐの低下量ΔＰと、停止時圧力Ｐｍと、に基づいて決定される。なお、停止時圧力Ｐｍとは、燃料電池システム１００ａが停止した際に、燃料電池１１０内に維持される圧力である。目標圧力Ｐｔは、具体的には、水量パラメータで表される気液分離器３５０内の水量に応じて決定される排水時間Ｔｅｘと、排水中に排気・排水弁３６０から排出されるアノードオフガスの流量Ｆｅａと、燃料電池１１０と気液分離器３５０と循環ポンプ３４０とこれらを接続する配管との総容積Ｖと、を用いて、例えば、以下の式（１）および（２）で求めることができる。

ΔＰ＝Ｔｅｘ＊Ｆｅａ／Ｖ …（１）
Ｐｔ＝Ｐｍ＋ΔＰ …（２）

ステップＳ１２０において、燃料電池制御部４００は、圧力センサ１４０（図４）から燃料電池圧力Ｐを取得し、燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ以上か否かを判断する。燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔ以上の場合、制御はステップＳ２００に移される。一方、燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔより低い場合には、制御はステップＳ１４０に移される。図６の例では、燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔよりも低いため、制御はステップＳ１４０に移される。

ステップＳ１４０において、燃料電池制御部４００は、調圧弁３３０を制御して燃料電池圧力Ｐを目標圧力Ｐｔまで昇圧する。昇圧が終了すると、制御はステップＳ２００に移される。図６の例では、時刻ｔ₀で燃料電池圧力の昇圧が開始され、時刻ｔ₁で昇圧は終了する。このとき燃料電池圧力Ｐは、図６（ａ）の実線で示すように、時刻ｔ₀から時刻ｔ₁までの間に、通常運転時の圧力Ｐｎから目標圧力Ｐｔまで上昇する。

昇圧が終了した時刻ｔ₁では、遮断弁３２０の閉止（ステップＳ２００）と、循環ポンプ３４０の駆動の停止（ステップＳ２２０）とが行われる。循環ポンプ３４０の駆動が停止されると、循環ポンプ回転数Ｒは、図６（ｂ）に示すように、通常運転時の回転数Ｒｎから低下し始める。そして時刻ｔ₂で循環ポンプ回転数Ｒが回転数下限値Ｒｔになる。循環ポンプ回転数Ｒが回転数下限値Ｒｔになる時刻ｔ₂では、図６（ｄ）に示すように、排気・排水弁３６０が開かれる（ステップＳ３００，Ｓ４００）。排気・排水弁３６０が開かれると、図６（ａ）の実線に示すように、アノードオフガスの排出に伴って燃料電池圧力Ｐは徐々に低下する。そして、排水が終了する時刻ｔ₄で、図６（ｄ）に示すように、排気・排水弁３６０は閉じられる（ステップＳ４２０）。このときの燃料電池圧力Ｐは、停止時圧力Ｐｍとなる。

一方、燃料電池圧力Ｐを目標圧力Ｐｔに調整しない場合、図６（ａ）の破線で示すように、時刻ｔ₁から燃料電池圧力Ｐは徐々に低下する。そして、時刻ｔ₃において燃料電池圧力Ｐは、排気・排水弁３６０の水・アノードオフガス排出部側の圧力Ｐａ（以下、「排水弁出口圧Ｐａ」とも呼ぶ）になる。燃料電池圧力Ｐが排水弁出口圧Ｐａになると、排気・排水弁３６０の気液分離器３５０側と水・アノードオフガス排出部側との差圧がなくなるので、気液分離器３５０からの排水ができなくなる。このとき、気液分離器３５０の排水を行うためには、遮断弁３２０から燃料電池１１０に水素ガスを供給しする必要が生じるので、排水制御に要する時間が長くなる。また、一般に、水・アノードオフガス排出部の圧損は小さいので、排水弁出口圧Ｐａは大気圧とほぼ同じである。そのため、燃料電池圧力ＰがＰａとなった状態で、排気・排水弁３６０が開いていると、排気・排水弁３６０から空気が逆流するおそれがある。

このように、第２実施例では、燃料電池制御部４００は、停止時排水モードの実行（ステップＳ２２０〜Ｓ４２０）前に、燃料電池圧力Ｐを上げて目標圧力Ｐｔに調整する圧力調整モードを実行する。圧力調整モードの実行により、気液分離器３５０中の水量が多く排水に時間がかかる場合であっても、停止時排水モードの実行中に燃料ガスが不足することを抑制できる。また、停止時排水モードの実行終了後の燃料電池圧力Ｐを停止時圧力Ｐｍ以上とすることができるので、燃料電池システム１００ａを望ましい状態で停止することができる。

第２実施例は、気液分離器３５０中の水量が多い場合であっても、停止時排水モードの実行中の燃料ガスの不足による排水制御時間が増加することを抑制できる点で、第１実施例よりも好ましい。一方、第１実施例は、燃料電池システムの制御がより容易となる点で、第２実施例よりも好ましい。

Ｃ．第３実施例：
図７は、第３実施例における排水制御ルーチンを示すフローチャートである。図７に示す第３実施例の排水制御ルーチンは、ステップＳ１２０がステップＳ１２０ａに置き換えられている点と、ステップＳ１６０，Ｓ１８０とが付加されている点とで、図５に示す第２実施例の排水制御ルーチンと異なっている。第３実施例の他の構成や機能は、第２実施例と同じである。

ステップＳ１２０ａでは、燃料電池制御部４００は、圧力センサ１４０（図４）から燃料電池圧力Ｐを取得し、燃料電池圧力Ｐと目標圧力Ｐｔとを比較する。燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔより低い（Ｐ＜Ｐｔ）場合には、制御はステップＳ１４０に移される。また、燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔに等しい（Ｐ＝Ｐｔ）場合には、制御はステップＳ２００に移される。一方、燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔより高い（Ｐ＞Ｐｔ）場合には、制御はステップＳ１６０に移される。

ステップＳ１６０において、燃料電池制御部４００は、遮断弁３２０（図４）を閉止する。そして、ステップＳ１８０では、燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔまで低減される。燃料電池圧力は、例えば、燃料電池１１０から電流を取り出し水素を消費させることによって下げることができる。また、排気・排水弁３６０（図４）を開くことにより、アノードオフガスを水・アノードオフガス排出部３７０（図４）に供給することによっても燃料電池圧力Ｐを下げることができる。燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔまで低減されると、制御はステップＳ２２０に移される。

停止時排水モード実行開始の際に燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔよりも高いと、燃料電池システム１００ａの停止時の燃料電池圧力Ｐを停止時圧力Ｐｍとするため、排気・排水弁３６０は排水に要する時間よりも長い時間開状態に維持される。この場合、多量のアノードオフガスが排気・排水弁３６０から連続して排出される。

これに対し、第３実施例では、停止時排水モード実行開始前に燃料電池圧力Ｐが目標圧力Ｐｔに調整されるので、停止時排水モード実行後の燃料電池圧力Ｐは停止時圧力Ｐｍとなる。そのため、排気・排水弁３６０から連続して排出されるアノードオフガスの量を抑制することができ、アノードオフガスの水・アノードオフガス排出部３７０における処理がより容易となる。

第３実施例は、気液分離器３５０中の水量が多い場合であっても、停止時排水モードの実行中の燃料ガスの不足により排水制御時間が増加することを抑制できる点で、第１実施例よりも好ましい。また、停止時排水モード実行時に連続して排出されるアノードオフガスの量を抑制することができる点で、第２実施例よりも好ましい。一方、第１実施例および第２実施例は、燃料電池システムの制御がより容易となる点で、第３実施例よりも好ましい。

Ｄ．第４実施例：
図８は、第４実施例における排水制御ルーチンを示すフローチャートである。図８に示す第３実施例の排水制御ルーチンは、停止時排水モード実行前のステップＳ２００で行われる遮断弁３２０の閉止が、停止時排水モード実行後のステップＳ４４０で行われている点で、図２に示す第１実施例の排水制御ルーチンと異なっている。第４実施例の他の構成や機能は、第１実施例と同じである。

第４実施例の排水制御ルーチンでは、停止時排水モード実行の前に遮断弁３２０（図１）が閉止されないので、停止時排水モード実行中にも燃料電池１１０（図１）には水素ガスが供給されつづける。燃料電池に水素ガスが供給されている状態で、循環ポンプ３４０（図１）の駆動が停止され（ステップＳ２２０）、循環ポンプ３４０の回転数が回転数下限値以下となると排気・排水弁３６０（図１）が開かれる（ステップＳ３００，Ｓ４００）。一般に、燃料電池１１０は、回転数が低下している循環ポンプ３４０よりも圧損が大きい。そのため、供給された水素ガスは、排気・排水弁３６０が開かれると循環ポンプ３４０を逆流する。

図９は、このときの燃料電池システム１００内の水素ガスの流れを示す説明図である。図９の太線の矢印で示される調圧弁からの水素ガスは、第１の還流配管３４２と、循環ポンプ３４０と、第２の還流配管３５４と、気液分離器３５０と、排気・排水弁３６０と、を介して水・アノードオフガス排出部に供給される。このとき、第２の還流配管３５４とに滞留している水滴には、逆流する水素ガスの動圧により気液分離器３５０方向の力が加わる。そのため、第２の還流配管内に滞留している水滴は、気液分離器３５０方向に流され、速やかに排出される。また、逆流する水素ガスは、燃料電池１１０を通らないので乾燥している。乾燥した水素ガスが、供給されることにより、第１の還流配管３４２と、循環ポンプ３４０と、第２の還流配管３５４とを乾燥させることができる。そのため、第４実施例では、第２の還流配管内の滞留水がより速やかに排出されるとともに、第１の還流配管３４２と循環ポンプ３４０とを乾燥することができる。

第４実施例は、第２の還流配管３５４の滞留水がより速やかに排出でき、また、第１の還流配管３４２と循環ポンプ３４０との乾燥が可能である点で、第１ないし第３実施例よりも好ましい。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記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、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記各実施例では、燃料電池制御部４００は、循環ポンプ回転数Ｒに応じて排気・排水弁３６０を開くか否かの判断をしているが、一般に、排気・排水弁３６０を開くか否かの判断は、気液分離器３５０から循環ポンプ３４０へのアノードオフガスの還流量を表すパラメータに基づいて決定することができる。例えば、第２の還流配管３５４に設けられた流量センサの出力に基づいて排気・排水弁３６０を開くか否かを判断するものとしてもよい。

Ｅ２．変形例２：
上記第１ないし第３実施例では、循環ポンプ３４０としてターボポンプを使用しているが、循環ポンプ３４０としては種々のポンプを使用することができる。循環ポンプ３４０としては、例えば、二葉ポンプや三葉ポンプなどの多葉ポンプや、往復ポンプや、エゼクタを使用することも可能である。なお、エゼクタを循環ポンプとして使用する場合、還流量としては、例えば、還流配管に設けられた流量センサにより直接測定された流量や、水素供給停止からの経過時間から実験的に求められる推定流量を使用することができる。

Ｅ３．変形例３：
上記各実施例では、循環ポンプ回転数Ｒが所定の回転数下限値Ｒｔ以下となった直後に排気・排水弁３６０を開いているが、排気・排水弁３６０の開弁は、循環ポンプ回転数Ｒが所定の回転数下限値Ｒｔとなった後の任意の時点で行うことができる。例えば、循環ポンプ回転数Ｒが回転数下限値Ｒｔとなった後、一定の待ち時間経過後に排気・排水弁３６０を開くものとしてもよい。この場合、第２の還流配管３５４内の滞留水を排気・排水弁３６０にまで落下させることができるので、滞留水の排水をより確実に行うことができる。

Ｅ４．変形例４：
上記各実施例では、停止時排水モードの実行時に、排気・排水弁３６０の開閉をそれぞれ１回づつ行っているが、排気モードの実行時に、排気・排水弁３６０の開閉を複数回行ってもよい。この場合、排気・排水弁３６０を閉じている間に、第２の還流配管３５４内および気液分離器３５０内の水滴が凝集するので、排気・排水弁３６０が開いたときの排水速度を高めることができる。そのため、停止時排水モード実行中での、排気・排水弁３６０の開弁時間を短縮することができる。

Ｅ５．変形例５：
上記各実施例では、図３に示すように、第２の還流配管３５４が気液分離器３５０から鉛直上方に伸びているが、一般に、第２の還流配管３５４は気液分離器３５０の上方に設けられていればよい。この場合、第２の還流配管３５４内の水滴に係る重力は、気液分離器３５０方向の成分を有するので、循環ポンプ回転数Ｒが所定の回転数下限値Ｒｔ以下になると第２の還流配管３５４内の水滴は気液分離器３５０に落下する。

Ｅ６．変形例６：
上記各実施例では、燃料ガスの循環流路には、水素ガスタンクから供給される水素ガス供給しているが、循環流路には、燃料電池の燃料となる成分を含む任意のガスを供給するものとしてもよい。循環流路に供給するガスとしては、例えば、炭化水素系の改質原料から改質器を用いて生成された水素を含む改質ガスを用いることもできる。

Ｅ７．変形例７：
上記各実施例では、本発明を燃料ガス給排部に適用することについて説明してきたが、酸化剤ガス給排部が循環流路を有し、酸化剤ガスがその循環流路内を循環する燃料電池システムであれば、酸化剤ガス給排部にも本発明を適用することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す説明図。燃料電池システム１００を停止する際に、気液分離器３５０から水を排出する排水制御ルーチンを示すフローチャート。気液分離器３５０から水が排出される様子を示す説明図。第２実施例における燃料電池システム１００ａの構成を示す説明図。第２実施例における排水制御ルーチンを示すフローチャート。第２実施例において、燃料電池制御部４００が排水制御ルーチンを実行する際の燃料電池システム１００ａの状態の時間変化を示す説明図。第３実施例における排水制御ルーチンを示すフローチャート。第４実施例における排水制御ルーチンを示すフローチャート。第４実施例における燃料電池システム１００内の水素ガスの流れを示す説明図。

符号の説明

１００，１００ａ…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１１２…セル
１２２…酸化剤ガス供給配管
１２４…酸化剤ガス排出配管
１３２，１３２ａ…燃料ガス供給配管
１３４…燃料ガス排出配管
１３６…配管
１４０…圧力センサ
２００…酸化剤ガス給排部
２０２…空気ポンプ
２０４…カソードオフガス排出部
３００…燃料ガス給排部
３１０…水素ガスタンク
３１２，３２２…高圧水素配管
３２０…遮断弁
３３０…調圧弁
３３２…低圧水素配管
３４０…循環ポンプ
３４２，３５４…還流配管
３５０…気液分離器
３５２，３６２…配管
３６０…排水弁
３７０…アノードオフガス排出部
４００…燃料電池制御部

Claims

燃料電池システムであって、
反応ガスを利用して発電する燃料電池と、
前記燃料電池に反応ガス供給流路を介して前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池からの反応排ガスが供給される気液分離器と、
前記気液分離器に設けられた排水弁と、
前記気液分離器の上部に設けられた還流配管を介して供給される前記反応排ガスを前記反応ガス供給流路に送出する循環ポンプと、
前記循環ポンプにより、前記気液分離器から前記反応ガス供給流路に還流される前記反応排ガスの還流量を表す還流量パラメータを取得する還流量パラメータ取得部と、
燃料電池制御部と、
を備え、
前記循環ポンプは、その駆動が停止されても、慣性により直ちに停止せず、徐々に送出する量が低下するものであり、
前記還流量パラメータによって表される還流量は、前記循環ポンプの送出する量の低下に応じて低下するものであり、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムを停止する際に、前記循環ポンプの駆動を停止してから前記還流量パラメータによって表される前記還流量が低下して所定の下限値となった後、前記排水弁を開くことにより前記気液分離器から水を排出する停止時排水モードを有する、燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力を表す圧力パラメータを取得する圧力パラメータ取得部を備えており、
前記燃料電池制御部は、前記停止時排水モードの実行前に、前記圧力パラメータで表される前記反応ガスの圧力を所定の目標圧力に設定する圧力調整モードを実行する、燃料電池システム。
請求項２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記気液分離器中の水量を表す水量パラメータを取得する水量パラメータ取得部と、
前記水量パラメータに基づいて前記所定の目標圧力を算出する目標圧力算出部と、
を備える、燃料電池システム。
請求項１ないし３のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記停止時排水モードにおける前記排水弁の開弁時に、前記反応ガス供給部から前記反応ガス供給流路に前記反応ガスを供給する、燃料電池システム。
請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記停止時排水モード実行時に、前記排水弁を間欠的に開閉する、燃料電池システム。
請求項１ないし５のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記循環ポンプは、循環ポンプ内の回転運動によりガスを送出する回転式ポンプであり、
前記還流量パラメータは、前記循環ポンプの回転数であり、前記循環ポンプの回転数が低いほど還流量が少ないとする、燃料電池システム。