JP2009158379A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】システム停止後にバッテリや外部電源等の電力の利用をしなくとも、反応ガスを循環させるポンプ手段の凍結を抑制することができる燃料電池システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】制御部５０は、システムの停止時において、水素循環ポンプ１２の周囲（前後）における水素循環流路Ｌ２の配管温度よりも水素循環ポンプ１２の温度が高くなるように、水素循環ポンプ１２の温度を増加させる加熱制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。
例えば、特許文献１には、温度制御の観点から、酸化剤ガスに対応する循環系を備える燃料電池システムが開示されている。具体的には、この燃料電池システムでは、燃料電池の酸化剤極を通過した排ガスの一部を、酸化剤極に一次的に供給される空気に合流させることにより、排出ガスを燃料電池に循環させている。
例えば、特許文献２には、燃費向上の観点から、燃料ガスに対応する循環系を備える燃料電池システムが開示されている。具体的には、この燃料電池システムでは、燃料極から排出される未反応の燃料ガスを、燃料極に一次的に供給される燃料ガスに合流させ、循環させている。
ここで、例えば、特許文献３には、燃料電池システムの運転停止後における低温環境下において、循環系における循環ポンプ（特許文献では、燃料ガスの循環系における循環ポンプ）の凍結固着を抑制する手法について開示されている。具体的には、システムの停止後に、温度計によって測定された循環ポンプ内の温度が第１の閾値以下となったことに応じて、システムコントローラが、循環ポンプを低速回転駆動させるよう制御し、第２の閾値以下となったことに応じて低速回転駆動させた循環ポンプを停止させる。
特開平７−１６１３７１号公報 特開２００７−１８４１９６号公報 特開２００７−３５５１７号公報
ところで、特許文献３に開示された手法によれば、システムの停止後に循環ポンプを駆動するため、バッテリや外部電源等の電力を利用する必要がある。
本発明の目的は、システム停止後にバッテリや外部電源等の電力の利用をしなくとも、反応ガスを循環させるポンプ手段の凍結を抑制することである。
かかる課題を解決するために、本発明は、制御手段が、システムの停止時に実行する停止処理において、反応ガス供給流路の配管温度よりもポンプ手段の温度が高くなるように、ポンプ手段の温度を増加させる加熱制御を行う。
本発明によれば、システム停止後の放置中では、温度の低い反応ガス循環流路の配管に多くの凝縮水が発生するので、ポンプ手段への凝縮水の付着を抑制することができる。そのため、システム停止後にバッテリや外部電源等の電力の利用をしなくとも、ポンプ手段の凍結を抑制することができる。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。
水素系において、燃料ガスである水素は、例えば、高圧水素ボンベといった燃料タンク（反応ガス供給手段）１０に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路（反応ガス供給流路）Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流には燃料タンク元バルブ（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によって所望の圧力に調圧され、燃料電池スタック１に供給される。
個々の燃料極から排出されるガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路（反応ガス循環流路）Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されている。この水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ（ポンプ手段）１２といった循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、水素循環流路Ｌ２を介して、燃料電池スタック１から排出される排出ガスを、水素供給流路Ｌ１を流れる燃料タンク１０からの反応ガスに合流させて燃料電池スタック１の燃料極に循環させる。
また、この水素循環流路Ｌ２は、水素循環ポンプ１２を基準としてその上流側の配管および下流側の配管が、水素循環ポンプ１２よりも外気に対する温度低下速度が大きくなるように、例えば、配管の薄肉化がなされている。この薄肉化の領域は、なるべく長い範囲で設定することが好ましい。
燃料電池スタック１では、燃料極および酸化剤極における水素と空気との反応に伴って水が生成される。生成水はとくに酸化極側で生じやすいが、電解質膜を通して燃料極側へと移動するため、この生成水が水素循環流路Ｌ２へと流入し、水素循環ポンプ１２等に不具合を生じさせる可能性がある。さらに、この生成水が燃料電池スタック１へと流入した場合には、燃料極の反応面積を減少させるといった水詰り（フラッティング）の問題が生じる可能性もある。そのため、水素循環流路Ｌ２には、水素循環ポンプ１２よりも上流側に、循環ガス（燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガス）を、燃料ガスと水とに分離する気液分離装置１３が設けられている。気液分離装置１３には、排出流路が接続されており、この排出流路に設けられた排水バルブ１４を開状態に設定することにより、気液分離装置１３の内部に貯留する生成水を排出することができる。
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、空気中の不純物が酸化剤極から燃料極に透過するため、燃料極および水素循環流路Ｌ２を含む循環系内の不純物が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。ここで、不純物は、燃料ガスである水素以外の非燃料ガス成分であり、代表的には窒素を挙げることができる。不純物量が多くなりすぎると、燃料電池スタック１からの出力が低下したりするため、循環系内の不純物量を管理する必要がある。そこで、水素循環流路Ｌ２には、循環ガスを外部に排出するパージ流路Ｌ３が設けられている。パージ流路Ｌ３には、パージバルブ１５が設けられており、このパージバルブ１５の開き量およびその時間を調整することにより、パージ流路Ｌ３を介して外部に排出される不純物量を調整することができる。これにより、燃料極および水素循環流路Ｌ２内に存在する不純物量が、発電性能を維持できるように管理される。
また、本実施形態では、水素循環ポンプ１２には、これを冷却液によって冷却するためのポンプ冷却流路Ｌ４が設けられている。このポンプ冷却流路Ｌ４は、冷却液（例えば、冷却水）が循環する閉ループ状の流路であり、この流路により冷却液が水素循環ポンプ１２に供給される。ポンプ冷却流路Ｌ４には、冷却水を循環させる循環ポンプ（以下、必要に応じて「ポンプ冷却用循環ポンプ」という）１７が設けられている。この循環ポンプ１７を動作させることにより、ポンプ冷却流路Ｌ４内の冷却水が循環する。ポンプ冷却流路Ｌ４には、ラジエータ（ポンプ冷却手段）１８が設けられており、このラジエータ１８には、ラジエータ１８を送風するファン１９が設けられている。水素循環ポンプ１２の冷却によって温度が上昇した冷却水は、ポンプ冷却流路Ｌ４を経由して、ラジエータ１８に流れ、ラジエータ１８によって冷却される。冷却された冷却水は、再度水素循環ポンプ１２に供給される。ポンプ冷却流路Ｌ４における冷却水の温度は、ファン１９の回転数、ポンプ冷却用循環ポンプ１７の回転数を制御することにより、調整することができる。さらに、ポンプ冷却流路Ｌ４には、ポンプ冷却用循環ポンプ１７と水素循環ポンプ１２との間に加熱用ヒータ（冷却液加熱手段）２０が設けられている。この加熱用ヒータ２０によってポンプ冷却流路Ｌ４を流れる冷却水を加熱することにより、この冷却水を介して水素循環ポンプ１２を加熱することができる。
なお、本実施形態では、ポンプ冷却流路Ｌ４は、特段図示しないが、システムを構成する他の補機等も冷却にも利用される構成となっている。そのため、ポンプ冷却流路Ｌ４を流れる冷却水は、水素循環ポンプ１２の管理温度のみならず、他の補機等の管理温度も考慮して、その設定温度が設定されている（例えば、５０℃）。この設定温度は、後述する燃料電池スタック１の冷却系における冷却液のそれよりも相対的に低くなる関係となっている。
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ３０によって取り込まれるとともに加圧され、加圧された空気は、空気供給流路Ｌ５を介して燃料電池スタック１に供給される。酸化剤極から排出されるガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ６を介して外部に排出される。この空気排出流路Ｌ６には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ３１が設けられている。
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却液（冷却水）が循環する閉ループ状のスタック冷却流路（燃料電池冷却流路）Ｌ７を有しており、このスタック冷却流路Ｌ７には、冷却水を循環させる循環ポンプ（以下、必要に応じて「スタック冷却用循環ポンプ」という）４０が設けられている。この循環ポンプ４０を動作させることにより、スタック冷却流路Ｌ７内の冷却水が循環する。スタック冷却流路Ｌ７には、ラジエータ（燃料電池冷却手段）４１が設けられており、このラジエータ４１には、ラジエータ４１を送風するファン４２が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、スタック冷却流路Ｌ７を経由して、ラジエータ４１に流れ、ラジエータ４１によって冷却される。冷却された冷却水は、燃料電池スタック１に供給される。スタック冷却流路Ｌ７は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。
スタック冷却流路Ｌ７には、燃料電池スタック１から排出された冷却水を、ラジエータ４１を迂回させて燃料電池スタック１に循環させるバイパス流路Ｌ８が設けられている。スタック冷却流路Ｌ７からバイパス流路Ｌ８へと分岐する分岐部位には、バイパス流路Ｌ８とスタック冷却流路Ｌ７のラジエータ４１側とに対する流量配分を調整する三方弁４３が設けられている。スタック冷却流路Ｌ７における冷却水の温度は、スタック冷却用循環ポンプ４０の回転数、ファン４２の回転数、三方弁４３の開度を制御することにより、調整することができる。スタック冷却流路Ｌ７における冷却水は、燃料電池スタック１の発電特性等を考慮して、その設定温度が、例えば、６０℃〜９０℃程度に設定されている。
燃料電池スタック１には、図示しない電力取出装置が接続されている。この電力取出装置は、燃料電池スタック１から電流を取り出すことにより、燃料電池スタック１において発電された電力を、車両を駆動する電動モータ２等に供給する。また、電力取出装置には、電動モータ２と並列的に、二次電池３が接続されている。この二次電池３は、第１に、燃料電池スタック１で発電を行うために動作させる種々の補機（例えば、水素循環ポンプ１２やコンプレッサ３０）に対して、それを駆動するために必要な電力を供給する。第２に、システムに要求される電力（要求電力）に対し、燃料電池スタック１における発電電力が不足する場合、不足分の電力を電動モータ２に供給する。第３に、燃料電池スタック１の発電電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、電動モータ２の回生電力を蓄電する。
制御部（制御手段）５０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部５０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部５０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、水素循環ポンプ１２、パージバルブ１５、ポンプ冷却用循環ポンプ１７、加熱用ヒータ２０、コンプレッサ３０、空気調圧バルブ３１、スタック冷却用循環ポンプ４０、三方弁４３といった種々の要素を制御する。
制御部５０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。ポンプ温度センサ５１は、水素循環ポンプ１２の温度を検出する。スタック入口温度センサ５２は、燃料電池スタック１に流入するスタック冷却用の冷却水の温度（以下「スタック入口温度」という）を検出する。スタック出口温度センサ５３は、燃料電池スタック１から流出するスタック冷却用の冷却水の温度（以下「スタック出口温度」という）を検出する。ここで、スタック入口温度およびスタック出口温度は、燃料電池スタック１の温度（循環ガスの温度）と対応する。換言すれば、これらの温度を検出するスタック入口温度センサ５２およびスタック出口温度センサ５３は、燃料電池スタック１の温度（循環ガスの温度）を検出する燃料電池温度検出手段として機能する。この場合、水素循環流路Ｌ２の燃料電池スタック１からの出口側が、スタック冷却流路Ｌ７の燃料電池スタック１への入口側と位置的に対応している場合には、スタック入口温度を参照すること好ましく、水素循環流路Ｌ２の燃料電池スタック１からの出口側が、スタック冷却流路Ｌ７の燃料電池スタック１への出口側と位置的に対応している場合には、スタック出口温度を参照すること好ましい。
本実施形態との関係において、制御部５０は、システムの停止処理において、水素循環流路Ｌ２の配管温度よりも水素循環ポンプ１２の温度が高くなるように、水素循環ポンプ１２の温度を増加させる加熱制御を行う。また、制御部５０は、システムの停止処理において、水素循環ポンプ１２を回転駆動させる回転制御を行う。
このような構成を前提として、以下、本実施形態にかかる燃料電池ステムの制御方法に含まれる、システムの停止処理における水素循環ポンプ１２の凍結抑制制御について説明する。この凍結抑制制御は、システムの停止後（放置中）の低温環境において、水素循環流路Ｌ２内の水蒸気が凝縮し、これが水素循環ポンプ１２内の稼動部に付着することにより、水素循環ポンプ１２の可動部等の凍結を抑制する制御である。凍結抑制制御は、水素循環ポンプ１２の加熱制御と、水素循環ポンプ１２の回転制御とに区別することができる。
図２は、本発明の第１の実施形態にかかる水素循環ポンプ１２の加熱制御の手順を示すフローチャートである。水素循環ポンプ１２の加熱制御は、燃料電池システムのシステム停止後に、凝縮水が水素循環ポンプ１２に集中的に発生することを抑制する制御である。このフローチャートに示す処理は、制御部５０によって実行される。
まず、ステップ１（Ｓ１）において、例えば、イグニッションスイッチがオフされるといったように、システムの停止指令を取得したか否かが判断される。このステップ１において肯定判定された場合、すなわち、システムの停止指令を取得した場合には、システムの停止処理に相当するステップ２（Ｓ２）以降の処理に進む。一方、ステップ１において否定判定された場合、すなわち、システムの停止指令を取得していない場合には、所定時間後に再度ステップ１の処理を実行する。
ステップ２において、スタック温度Ｔｓおよびポンプ温度Ｔｐが読み込まれる。スタック温度Ｔｓは、燃料電池スタック１の温度であり、システムの構成に応じて、スタック入口温度センサ５２またはスタック出口温度センサ５３から読み込まれる。これに対して、ポンプ温度Ｔｐは、水素循環ポンプ１２の温度であり、ポンプ温度センサ５１から読み込まれる。
ステップ３（Ｓ３）において、ポンプ温度Ｔｐが制御開始温度Ｔsthよりも小さいか否か判断される。この制御開始温度Ｔsthは、後述する加熱制御を実施するか否かを判定するための温度であり、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている。具体的には、制御開始温度Ｔsthは、燃料電池スタック１の温度（より正確には、燃料電池スタック１からの循環ガスの熱影響を受ける水素循環流路Ｌ２の配管温度）よりもポンプ温度Ｔｐが低い場合には、加熱制御を行うとの観点から、ポンプ温度Ｔｐが燃料電池スタック１の温度よりも低いか否かを切り分ける値となっている（例えば、６０℃）。
このステップ３において肯定判定された場合、すなわち、ポンプ温度Ｔｐが制御開始温度Ｔsthよりも小さい場合には、（Ｔｐ＜Ｔsth）、ステップ４（Ｓ４）に進む。一方、ステップ３において否定判定された場合、すなわち、ポンプ温度Ｔｐが制御開始温度Ｔsth以上の場合には（Ｔｐ≧Ｔsth）、ステップ７（Ｓ７）の処理にスキップする。
ステップ４において、水素循環ポンプ１２を加熱する加熱制御が行われる。具体的には、制御部５０は、基本的に、ポンプ冷却流路Ｌ４に設けられている加熱用ヒータ２０をオフ状態からオン状態へと切り替え、ポンプ冷却流路Ｌ４における冷却水の昇温を通じて、水素循環ポンプ１２の加熱を行う。また、制御部５０は、冷却水の温度を効率的に加熱するために、次に挙げるような制御を、加熱制御として追加的に行ってもよい。第１の制御としては、ポンプ冷却用循環ポンプ１７の回転数を低下させ、冷却水の流量を下げることにより、加熱用ヒータ２０の出口における冷却水の昇温効率を高めることである。また、第２の制御としては、ファン１９を停止させることにより、ラジエータ１８による放熱効率を低下させることである。
ステップ５（Ｓ５）において、ポンプ温度Ｔｐが制御終了温度（Ｔｓ＋ΔＴth）以上となったか否かが判断される。この制御終了温度は、スタック温度Ｔｓと判定温度ΔＴthとの和であり、ポンプ温度Ｔｐがスタック温度Ｔｓよりも所定値以上高い状態であるか否かを判断するための温度である。そこで、判定温度ΔＴthは、実験やシミュレーションを通じてその最適値が予め設定されている（例えば、１０℃）。
ステップ５において肯定判定された場合、すなわち、ポンプ温度Ｔpが制御終了温度以上の場合には（Ｔｐ≧Ｔｓ＋ΔＴth）、ステップ７に進む。一方、ステップ５において否定判定された場合、すなわち、ポンプ温度Ｔｐが制御終了温度よりも低い場合には（Ｔｐ＜Ｔｓ＋ΔＴth）、ステップ６（Ｓ６）の処理においてスタック温度Ｔｓおよびポンプ温度Ｔｐを読み込んだ後に、再度ステップ１の処理を実行する。
ステップ７において、システムが停止される。具体的には、燃料電池スタック１に対する水素および酸素の供給を停止するとともに、ポンプ冷却流路Ｌ４における加熱用ヒータ２０をオフ状態に制御する。
つぎに、水素循環ポンプ１２の回転制御について説明する。システムの通常運転中には、燃料電池スタック１より排出された液水または水蒸気が凝縮した液水が水素循環ポンプ１２内に付着している。そこで、水素循環ポンプ１２の回転制御として、水素循環ポンプ１２を回転させ、これにより、水素循環ポンプ１２に付着している凝縮水を水素循環流路Ｌ２へ排出する。水素循環ポンプ１２の回転制御は、制御部５０によって水素循環ポンプ１２の回転数を制御することにより実行される。
燃料電池システムの停止時において、水素循環ポンプ１２の加熱制御中は、加熱用ヒータ２０やポンプ冷却用循環ポンプ１７等の電力を賄う必要がある。この際、この賄い用の電力は、二次電池３に蓄えられた電力を利用することも可能であるが、次回の起動時に必要な電力を二次電池３に確保しておく必要があるため、燃料電池スタック１による発電電力を用いることとする。燃料電池スタック１にて発電を行う場合には、燃料電池スタック１への水素供給のため、水素循環ポンプ１２を駆動させる必要がある。この場合、通常発電中に付着していた凝縮水を水素循環ポンプ１２から排出するとの観点から、水素循環ポンプ１２の回転数を通常発電時のそれよりも大きな値に設定するものとする。
しかしながら、水素循環ポンプ１２の回転数が高い値に設定される程、その消費電力が大きくなり、水素循環ポンプ１２の発熱量も増加してしまう。この場合、水素循環ポンプ１２の過加熱による破損を防止するために、上述の加熱制御を中止する必要性があるため、ポンプ冷却流路における冷却水を十分に加熱できない虞がある。
図３は、水素循環ポンプ１２の回転制御における水素循環ポンプ１２の回転数と温度との関係の説明図である。本実施形態では、停止処理として実行される水素循環ポンプ１２の加熱制御の初期段階では、通常発電時の回転数よりも高い回転数に設定して、水素循環ポンプ１２を制御する。そして、水素循環ポンプ１２の温度が上昇するに応じて、水素循環ポンプ１２の回転数が低くなるように、例えば、線形的に低くなるように回転数を設定して、水素循環ポンプ１２を制御する。これにより、水素循環ポンプ１２の温度（ポンプ温度Ｔｐ）が、その耐熱性能を超えるような著しい温度増加が抑制され、同図に示すように、過加熱を抑制しつつ、緩やかな勾配にて温度増加を実現することができる。
以下、本実施形態にかかる凍結抑制制御の概念について説明する。図４は、本実施形態にかかる水素循環ポンプ１２の凍結抑制制御に関する概念説明のための図である。同図において、Ａ部は、水素循環ポンプ１２の極近傍の雰囲気、Ｂ部は、水素循環流路Ｌ２の配管における配管近傍かつ水素循環ポンプ１２近傍の雰囲気、Ｃ部は、水素循環流路Ｌ２の内部の雰囲気である。
システムの停止直後、水素循環ポンプ１２の温度が、その前後の配管よりも温度が低い場合、以下に示す関係が成立する。
（数式１）
ＴＣ＞ＴＢ＞ＴＡ
ここで、ＴＣはＣ部の温度、ＴＢはＢ部の温度、ＴＡはＡ部の温度である。
水素循環流路Ｌ２の循環ガスは、通常発電中およびシステム停止後の放置中、基本的に相対湿度１００％のままとなっている。したがって、循環ガスの温度が露点（凝縮温度）と対応し、この露点より低いＡ部、Ｂ部では凝縮が始まる。Ａ部の蒸気が凝縮すると、Ａ部の蒸気圧が下がるため、それと平衡を保とうと、C部の蒸気が流れ込み、これがまた冷やされてＡ部で凝縮するというサイクルが続く。同様に、Ｂ部においても凝縮は発生するものの、蒸気の凝縮速度は、循環ガスの温度とＡ部の温度（またはＢ部の温度）との温度差に概ね比例する。そのため、水素循環ポンプ１２の温度が水素循環流路Ｌ２の配管温度より低ければ、水素循環ポンプ１２に凝縮水が集中的に付着することになる。
図５は、通常運転中から放置中にかけての温度Ｔの状況と、付着する凝縮水量ＷＤと関係を示す説明図である。同図において、（ａ）は、凍結抑制制御を実施しないケースでの関係図であり、（ｂ）は、本実施形態の凍結抑制制御を実施したケースでの関係図である。ここで、ＬＮ１は循環ガスの温度推移、ＬＮ２は水素循環流路Ｌ２の配管の温度推移、ＬＮ３は水素循環ポンプ１２の温度推移を示す。また、ＬＮ４は水素循環ポンプ１２に付着する凝縮水量の推移、ＬＮ５は、水素循環流路Ｌ２の配管に付着する凝縮水量の推移を示す。
まず、同図（ａ）から分かるように、通常運転中であっても凝縮水は発生するものの、水素循環ポンプ１２が駆動し、循環ガスに流れがあるため、凝縮水量は少ない傾向となる。一方、システム停止後の放置中では、凝縮が始まり、温度の低い部分（水素循環ポンプ１２）に多くの凝縮水が発生する傾向となる。同図（ａ）において、斜線のハッチング領域は、凝縮水が発生しやすい領域を示している。また、温度が高いところでは、凝縮水量が多くなるので、停止直後の凝縮水量の立ち上がりが大きくなる。このため、水素循環ポンプ１２に凝縮水が集中的に付着してしまう。
これに対して、本実施形態において、制御部５０は、システムの停止時において、水素循環ポンプ１２の周囲（前後）における水素循環流路Ｌ２の配管温度よりも水素循環ポンプ１２の温度が高くなるように、水素循環ポンプ１２の温度を増加させる加熱制御を行う。そのため、同図（ｂ）に示すように、水素循環ポンプ１２の温度が水素循環流路Ｌ２の配管温度よりも高くなるため、システム停止後の放置中では、温度の低い水素循環流路Ｌ２の配管に多くの凝縮水が発生する。同図（ｂ）において、斜線のハッチング領域は、凝縮水が発生しやすい領域を示している。これにより、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。そのため、システム停止中にバッテリ等の電力を利用しなくても、水素循環ポンプ１２の凍結を抑制することができる。
また、本実施形態によれば、システムの通常運転時において、水素循環ポンプ１２を冷却する冷却水の設定温度が、燃料電池スタック１を冷却する冷却水の設定温度よりも低く設定されている。かかる構成によれば、システム停止時には、水素循環ポンプ１２の方が水素循環流路Ｌ２の配管よりも相対的に温度が低い関係となり、水素循環ポンプ１２に凝縮水が集中的に付着してしまう可能性があるが、水素循環ポンプ１２の加熱制御を行うことにより、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。
また、本実施形態では、水素循環ポンプ１２の冷却用のラジエータ１８から水素循環ポンプ１２へと流れる冷却水を加熱用ヒータ２０によって加熱し、この冷却水を介して、水素循環ポンプ１２を加熱している。かかる構成によれば、加熱用ヒータ２０がラジエータ１８の後段に位置するため、水素循環ポンプ１２の保温性の向上を図ることができる。そのため、水素循環ポンプ１２よりも先に水素循環流路Ｌ２の配管が冷え易くなるので、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。
また、本実施形態によれば、制御部５０は、水素循環ポンプ１２の温度が燃料電池スタック１の温度を基準に、予め設定された判定温度ΔＴth以上上昇するまで、水素循環ポンプ１２の加熱制御を行う。かかる構成によれば、水素循環ポンプ１２を、燃料電池スタック１の温度（循環ガスの温度）よりも高い温度まで増加させることができる。これにより、水素循環ポンプ１２の保温性の向上を図ることができる。そのため、水素循環ポンプ１２よりも先に水素循環流路Ｌ２の配管が冷え易くなるので、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。また、水素循環ポンプ１２の温度をモニタリングすることができるので、水素循環ポンプ１２が加熱され過ぎて、例えば、破損してしまうといった不都合を抑制するのに役立つ。なお、本実施形態では、ポンプ温度センサ５１は、水素循環ポンプ１２の温度を直接的に検出するものであるが、ポンプ冷却流路Ｌ４を流れる冷却水の温度から、水素循環ポンプ１２の温度を検出する構成であってもよい。かかる構成であっても、同様の効果を奏することができる。
また、本実施形態によれば、制御部５０は、システムの停止時において、水素循環ポンプ１２を回転駆動させるとともに、この初期時の回転数を上限として、水素循環ポンプ１２の温度上昇に応じて回転数を低下させるように、水素循環ポンプ１２を制御する回転制御をさらに行う。かかる構成によれば、水素循環ポンプ１２の回転駆動により、通常運転中に付着する凝縮水を排出することができる。また、水素循環ポンプ１２の消費電力を低減させ、また、水素循環ポンプ１２の耐熱性を維持しつつ、水素循環ポンプ１２用の冷却液の温度を高めることができる。これにより、水素循環ポンプ１２の保温性の向上を図ることができる。そのため、水素循環ポンプ１２よりも先に水素循環流路Ｌ２の配管が冷え易くなるので、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。ただし、水素循環ポンプ１２の過加熱を気にする必要がないのであれば、回転数を低下させる必要はない。
さらに、本実施形態によれば、この水素循環流路Ｌ２は、水素循環ポンプ１２に接続するその上流側の配管および下流側の配管に対して、薄肉化がなされている。かかる構成によれば、水素循環ポンプ１２の上流側および下流側の配管が、水素循環ポンプ１２よりも外気に対する温度低下速度が大きくなるので、配管内面に凝縮水付着を促すことができる。これのより、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。なお、配管内面に付着した凝縮水が凍結した場合には、流路の圧損が若干増加する可能性があるが、その薄肉化の領域が長い程、氷の膜の厚みが減るので、圧損増加を抑制するうえで好ましい。また、水素循環流路Ｌ２内の水蒸気が、薄肉化された配管内で凝縮し、凍結する可能性があるが、この際の圧力損失を考慮し、配管径を細く設定しておくことも可能である。
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素循環ポンプ１２の冷却系の構成である。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。
具体的には、ポンプ冷却流路Ｌ４には、水素循環ポンプ１２側からの冷却水を、ラジエータ１８を迂回させて水素循環ポンプ１２に循環させるバイパス流路Ｌ９が設けられている。ポンプ冷却流路Ｌ４からバイパス流路Ｌ９へと分岐する分岐部位には、バイパス流路Ｌ９とポンプ冷却流路Ｌ４のラジエータ１８側との間で流路を切り替え可能な三方弁（切替手段）２１が設けられている。
この構成において、制御部５０は、水素循環ポンプ１２の加熱制御時には、三方弁２１を制御して、冷却水の流路をバイパス流路Ｌ９側へと切り替える。
かかる構成によれば、水素循環ポンプ１２の保温性の向上を図ることができる。そのため、水素循環ポンプ１２よりも先に水素循環流路Ｌ２の配管が冷え易くなるので、水素循環ポンプ１２への凝縮水の付着をさらに抑制することができる。
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す説明図である。この第３の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素循環ポンプ１２の冷却系の構成である。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。
具体的には、本実施形態では、ポンプ冷却流路Ｌ４において、加熱用ヒータ２０が省略された構成となっている。そのため、水素循環ポンプ１２の加熱制御を行う場合には、水素循環ポンプ１２の駆動にともなう発熱を利用する。換言すれば、本実施形態における水素循環ポンプ１２は、水素循環ポンプ１２による循環ガスの圧送動作にともなう発熱により、自己を加熱するポンプ調温手段としての機能も担っている。
水素循環ポンプ１２の加熱制御時は、水素循環ポンプ１２の回転数を所定値とするとともに、ポンプ冷却流路Ｌ４におけるポンプ冷却用循環ポンプ１７の回転数を低下させる。これにより、水素循環ポンプ１２で発生した熱を他の部分で放熱させないようにする。
かかる構成によれば、第１の実施形態と同様、システム停止後の放置中では、温度の低い水素循環流路Ｌ２の配管に多くの凝縮水が発生する。そのため、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。また、本実施形態によれば、加熱用のヒータ等を設ける必要がないので、システム構成の簡素化を図ることができる。さらに、水素循環ポンプ１２は、ヒータ等に比べると温度増加のスピードが遅く可能性があるが、加熱制御に要する時間を大きく設定することにより、簡素な構成にて、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。
なお、第３の実施形態に示す第１の実施形態の変形的な手法は、第２の実施形態および後述する実施形態に対しても同様に適用可能である。
（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第４の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素循環ポンプ１２の冷却系と燃料電池スタック１の冷却系とが流路を共用していることである。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。
本実施形態におけるポンプ冷却流路Ｌ１０は、スタック冷却流路Ｌ７におけるスタック冷却用循環ポンプ４０の下流において分岐して、水素循環ポンプ１２に接続する。また、ポンプ冷却流路Ｌ１０は、水素循環ポンプ１２を経由した後に、スタック冷却流路Ｌ７におけるスタック冷却用循環ポンプ４０の上流において合流する。
このような構成において、水素循環ポンプ１２の加熱制御では、第１の実施形態と同様に、加熱用ヒータ２０により、冷却液の加熱を行う。具体的には、加熱開始時、冷却水の温度はスタック入口温度と同じであるため、水素循環ポンプ１２の冷却系が独立しているシステムよりも温度の増加幅が小さい可能性があり、これにより、速やかに水素循環ポンプ１２の温度を、燃料電池スタック１の温度より判定温度ΔＴth以上に加熱することができる。また、スタック冷却流路Ｌ７において、バイパス流路Ｌ８を流すように三方弁４３を制御することにより、冷却液（すなわち、水素循環ポンプ１２）を効率よく加熱することができる。また、加熱用ヒータ２０により冷却水は熱を享受するが、燃料電池スタック１の熱容量に比べ水素循環ポンプ１２の熱容量は小さい。そのため、燃料電池スタック１に比べ、水素循環ポンプ１２の方が、温度は上昇しやすい。
また、水素循環ポンプ１２の回転制御については、第１の実施形態と同様である。図９は、水素循環ポンプ１２の回転制御における水素循環ポンプ１２の回転数と温度との関係の説明図である。具体的には、停止処理として実行される水素循環ポンプ１２の加熱制御の初期段階では、通常発電時の回転数よりも高い回転数に設定して、水素循環ポンプ１２を制御する。そして、水素循環ポンプ１２の温度が上昇するに応じて、水素循環ポンプ１２の回転数が低くなるように、例えば、線形的に低くなるように回転数を設定して、水素循環ポンプ１２を制御する。これにより、水素循環ポンプ１２の温度（ポンプ温度Ｔｐ）が、その耐熱性能を超えるような著しい温度増加が抑制され、同図に示すように、過加熱を抑制しつつ、緩やかな勾配にて温度増加を実現することができる。
かかる構成によれば、第１の実施形態と同様、システム停止後の放置中では、温度の低い水素循環流路Ｌ２の配管に多くの凝縮水が発生する。そのため、水素循環ポンプ１２に凝縮水が付着するといった事態を抑制することができる。また、水素循環ポンプ１２を冷却するための独立した冷却系、例えば、ラジエータ、ファン、ポンプ冷却用循環ポンプといった構成が不要となるので、システム全体として、コストや重量の低下および構成的な簡素化を実現することができる。
（第５の実施形態）
図１０は、第５の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この第５の実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素循環ポンプ１２の冷却系と燃料電池スタック１の冷却系とが流路を共用していることである。なお、第１の実施形態と共通する構成・制御手順については、説明を省略することとし、以下相違点を中心に説明を行う。
本実施形態におけるポンプ冷却流路Ｌ１１は、スタック冷却流路Ｌ７における燃料電池スタック１の下流において分岐して、水素循環ポンプ１２に接続する。また、ポンプ冷却流路Ｌ１１は、水素循環ポンプ１２を経由した後に、スタック冷却流路Ｌ７におけるスタック冷却用循環ポンプ４０の上流において合流する。
第１の実施形態で述べるように、停止処理中は、燃料電池スタック１は発電している。そのため、スタック冷却流路Ｌ７では、燃料電池スタック１よりも上流に比べ、その下流の方が、冷却水の温度が高くなる。そのため、第４の実施形態と比較して、これにより、水素循環ポンプ１２の温度を、速やかに燃料電池スタック１の温度より判定温度ΔＴth以上に加熱することができる。
また、水素循環流路Ｌ２の燃料電池スタック１における出口側が、スタック冷却流路Ｌ７の燃料電池スタック１における入口側に相当する場合には、通常運転時に、以下に示す関係が成立する。
（数２）
Ｔ１≦Ｔ２≦Ｔ３≦Ｔ４
ここで、Ｔ１は、水素循環流路Ｌ２の循環ガスの温度であり、Ｔ２は、スタック入口温度である。また、Ｔ３は、スタック出口温度であり、Ｔ４は、ポンプ冷却流路Ｌ４における水素循環ポンプ１２の入口側温度である。
そのため、水素循環ポンプ１２の加熱制御において、温度の増加幅が小さく、短時間で加熱制御を行うことができる。
なお、通常運転中は、高い温度の冷却水が水素循環ポンプ１２に供給される虞があるが、水素循環ポンプ１２に対する冷却水の流量を増大させる等といった手法により冷却性能を確保することにより、水素循環ポンプ１２の性能が悪化するといった事態を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。
例えば、水素循環ポンプ１２の保温性をさらに向上させる手段として、その表面に断熱材を添付したり、水素循環ポンプ１２の止め点に断熱材を間挿したりしてもよい。また、水素循環ポンプ１２の構造としても、水素循環ポンプ１２の冷却部と、水素を圧送する循環部（例えば、インペラ、ボリュート）とが、熱的に導通していることが望ましい。この場合、水素循環ポンプ１２に対する冷却水が有している熱を効率よく循環部に伝えることで、凝縮水の付着を抑制でき、凍結による循環部の固着等を抑制することができる。また、循環部（ボリュート）に冷却液を通水させる構造としてもよい。
また、各実施形態では、燃料電池スタック１の燃料極に対応する循環系を備える構成であるが、本発明は、これに限定されない。燃料電池スタック１の酸化剤極に対応する循環系を備える構成において、その酸化剤ガスを循環させるポンプ手段に凍結抑制制御を適用してもよい。
第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図 第１の実施形態にかかる水素循環ポンプ１２の加熱制御の手順を示すフローチャート 水素循環ポンプ１２の回転制御における水素循環ポンプ１２の回転数と温度との関係の説明図 水素循環ポンプ１２の凍結抑制制御に関する概念説明のための図 通常運転中から放置中にかけての温度Ｔの状況と付着する凝縮水量ＷＤと関係を示す説明図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す説明図 第４の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図 水素循環ポンプ１２の回転制御における水素循環ポンプ１２の回転数と温度との関係の説明図 第５の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図
符号の説明
１ 燃料電池スタック
２ 電動モータ
３ 二次電池
１０ 燃料タンク
１１ 水素調圧バルブ
１２ 水素循環ポンプ
１３ 気液分離装置
１４ 排水バルブ
１５ パージバルブ
１７ ポンプ冷却用循環ポンプ
１８ ラジエータ
１９ ファン
２０ 加熱用ヒータ
２１ 三方弁
３０ コンプレッサ
３１ 空気調圧バルブ
４０ スタック冷却用循環ポンプ
４１ ラジエータ
４２ ファン
４３ 三方弁
５０ 制御部
５１ ポンプ温度センサ
５２ スタック入口温度センサ
５３ スタック出口温度センサ
Ｌ１ 水素供給流路
Ｌ２ 水素循環流路
Ｌ３ パージ流路
Ｌ４ ポンプ冷却流路
Ｌ５ 空気供給流路
Ｌ６ 空気排出流路
Ｌ７ スタック冷却流路
Ｌ８ バイパス流路
Ｌ９ バイパス流路
Ｌ１０ ポンプ冷却流路
Ｌ１１ ポンプ冷却流路

Claims (11)

  1. 燃料電池システムにおいて、
    反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
    反応ガス供給手段からの反応ガスを前記燃料電池に供給する反応ガス供給流路と、
    前記燃料電池から排出される排出ガスを、前記反応ガス供給流路を流れる反応ガスに合流させて前記燃料電池に循環させる反応ガス循環流路と、
    前記反応ガス循環流路に設けられており、前記燃料電池からの排出ガスを圧送するポンプ手段と、
    前記ポンプ手段の温度を増加させるポンプ調温手段と、
    システムの停止時に実行する停止処理において、前記反応ガス循環流路の配管温度よりも前記ポンプ手段の温度が高くなるように、前記ポンプ調温手段を制御する加熱制御を行う制御手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記ポンプ手段に配設されたポンプ冷却流路を流れる冷却液を介して、前記ポンプ手段を冷却するポンプ冷却手段と、
    前記燃料電池に配設された燃料電池冷却流路を流れる冷却液を介して、前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段とをさらに有し、
    前記ポンプ冷却手段は、システムの通常運転時における冷却液の設定温度が、前記燃料電池冷却手段における冷却液の設定温度よりも低い温度に設定されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
  3. 前記ポンプ冷却流路に設けられており、前記ポンプ冷却手段から前記ポンプ手段へと流れる冷却液を加熱する冷却液加熱手段をさらに有し、
    前記ポンプ調温手段は、前記冷却液加熱手段によって加熱された冷却液を介して、前記ポンプ手段を加熱する手段であることを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
  4. 前記ポンプ調温手段は、前記ポンプ手段による圧送動作にともなう自己の発熱により、前記ポンプ手段を加熱する手段であること特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
  5. 前記ポンプ冷却流路において、前記ポンプ冷却手段をバイパスするバイパス流路と、前記ポンプ冷却手段側との間で冷却液の流れを切り替え可能な切替手段を有し、
    前記制御手段は、前記加熱制御として、前記切替手段を介して冷却液の流れを前記バイパス流路側に切り替え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された燃料電池システム。
  6. 前記ポンプ手段の温度を検出するポンプ温度検出手段と、
    前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段とをさらに有し、
    前記制御手段は、前記ポンプ温度検出手段によって検出された温度が、前記燃料電池温度検出手段によって検出された温度を基準として予め設定された判定温度以上上昇するまで、前記加熱制御を行う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された燃料電池システム。
  7. 前記ポンプ冷却流路を流れる冷却液の温度から、前記ポンプ手段の温度を検出するポンプ温度検出手段と、
    前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段とをさらに有し、
    前記制御手段は、前記ポンプ温度検出手段によって検出された温度が、前記燃料電池温度検出手段によって検出された温度を基準として予め設定された判定温度以上上昇するまで、前記加熱制御を行うことを特徴とする請求項２から５のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
  8. 前記制御手段は、前記停止処理において、前記ポンプ手段を回転駆動させるとともに、当該停止処理開始時の回転数を上限として、当該ポンプ手段の温度上昇に応じて回転数を低下させるように、前記ポンプ手段を制御する回転制御をさらに行う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された燃料電池システム。
  9. 前記反応ガス循環流路は、前記ポンプ手段に接続する上流側の配管と下流側の配管とが、前記ポンプ手段よりも外気に対する温度低下速度が大きくなるように設定された配管によって構成され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された燃料電池システム。
  10. 前記ポンプ手段に配設されたポンプ冷却流路を流れる冷却液を介して、前記ポンプ手段を冷却するポンプ冷却手段と、
    前記燃料電池に配設された燃料電池冷却流路を流れる冷却液を介して、前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段とをさらに有し、
    前記ポンプ冷却流路は、前記燃料電池冷却流路を流れる冷却液を共用することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
  11. 反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
    反応ガス供給流路を介して、前記反応ガスを前記燃料電池に供給する第１のステップと、
    前記燃料電池から排出される排出ガスを、反応ガス循環流路に設けられたポンプ手段によって圧送して、前記反応ガス供給流路を流れる反応ガスに合流させて前記燃料電池に循環させる第２のステップと、
    システムの停止時に実行する停止処理において、前記反応ガス循環流路の配管温度よりも前記ポンプ手段の温度が高くなるように、加熱制御を行う第３のステップと
    を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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