WO2007094380A1

WO2007094380A1 - 燃料電池システム

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Publication number: WO2007094380A1
Application number: PCT/JP2007/052657
Authority: WO
Inventors: Yoshiaki Naganuma
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2006-02-15
Filing date: 2007-02-08
Publication date: 2007-08-23
Also published as: JP2007220425A; DE112007000358B4; US8835066B2; US20090053566A1; KR20080094036A; CN101385177A; KR101036263B1; JP4953051B2; CN101385177B; DE112007000358T5

Description

明細書燃料電池システム技術分野

本発明は、燃料ォフガスを燃料電池に循環供給する燃料電池システムに関するものである。背景技術

燃料電池から排出された燃料オフガスを、循環ポンプにより再び燃料電池に供給する燃料電池システムが知られている（例えば、特開 2003— 17 8782号公報及び特開 2004— 22198号公報。）。燃料オフガスは生成水を含み又は湿度が高い。このため、システム停止後の低温雰囲気下で、循環ポンプに残留し得る生成水又は凝縮した水分が凍結する場合がある。システム再始動時に、凍結した状態で循環ポンプにトルクを発生させると、循環ポンプのインペラが破損するなど、循環ポンプを損傷するおそれがある。循環ポンプの凍結を防止するべく、特開 2003— 178782号公報に記載の燃料電池システムは、システム停止時に、乾いた燃料ガスを循環ポンプに導入する。循環ポンプ内の燃料オフガスが、乾いた燃料ガスで置換され、それにより燃料電池システムは掃気処理を行うようにしている。発明の開示

しかしながら、特開 2003— 178782号公報に記載の燃料電池システムでは、掃気処理を行うために、燃料ガスを無駄に消費しなければならなかった。そのため、燃料電池システム全体の効率が悪かった。

本発明は、低温時における循環ポンプの損傷を回避し、システム効率を高めることができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。上記目的を目的するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出された燃料ォフガスを燃料電池に循環する循環路、及ぴ循環路内の燃料ォフガスを圧送する循環ポンプを有する燃料ガス循環系と、循環ポンプの駆動を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、所定の低温時に循環ポンプの駆動を停止しておく。

この構成によれば、仮に循環ポンプが凍結していたとしても、所定の低温時に循環ポンプの駆動を停止しておくので、低温時における循環ポ：プの損傷を回避することができる。また、掃気処理を必ずしも行う必要が無いので、また、所定の低温時に循環ポンプの動力損が生じないので、システム効率を高めることができる。

ここで、循環ポンプを駆動しないと、燃料電池に供給される燃料オフガス中の燃料ガス濃度が低下するという懸念が生じる。し力し、本発明者らは、例えば氷点下などの低温時では、 .燃料オフガス中の水蒸気分圧はほとんどゼ口であり、且つ、窒素のクロスリーク量も少ないという知見を得た。よって、本発明のように所定の低温時に循環ポンプの駆動を停止しておいたとしても、上記した循環ポンプの損傷を回避し且つシステム効率を高めながら、燃料ォフガス中の燃料ガス濃度を十分に維持できる。

好ましくは、制御装置は、所定の低温時であって燃料電池システムの起動時に、循環ポンプの駆動を停止しておくとよい。

これにより、燃料電池システムを適切に起動できる。

好ましくは、所定の低温時は、燃料電池の温度又は外気温が 0度以下のときであるとよレ、。

この構成によれば、循環ポンプが凍結し得る 0度以下の温度のときに、循環ポンプの駆動を停止しておくため、循環ポンプの損傷を適切に回避することができる。一方で、燃料オフガス中の燃料ガス濃度を確保することもできる。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の温度を検出する温度センサを備えるとよい。制御装置は、温度センサにより検出された温度が所定の低温以下のときには循環ポンプの駆動を停止しておく一方、温度センサにより検出された温度が所定の低温よりも大きいときには循環ポンプの駆動を許可するとよい。

一般に、燃料電池の温度は燃料電池システムの運転に伴い変動する。例えば、燃料電池システムの起動時では燃料電池の温度は外気温とほぼ同じであるが、燃料電池システムの運転時では、例えば固体高分子電解質型の燃料電池の温度は 6 0 - 8 0 °Cとなる。上記した本発明のように、燃料電池の温度が所定の低温よりも大きいときには、循環ポンプの駆動を許可して本来の仕様に移行できる。また、燃料電池の温度が所定の低温以下のときには、循環ポンプの駆動を停止しておくことで、循環ポンプの損傷を適切に回避しながら、燃料オフガス中の燃料ガス濃度を確保することができる。

好ましくは、本発明の燃料電池システムは、循環路に接続されて燃料オフガスを排出するパージ通路と、パージ通路を開閉するパージ弁と、を備えるとよい。制御装置は、循環ポンプの駆動停止時にパージ弁を開閉するとよい。 ' この構成によれば、パージ弁を開弁することで、燃料オフガスと共に燃料オフガスに含まれる生成水や不純物をパージ通路に排出することができる。これにより、循環ポンプの駆動停止時に、燃料オフガス中の燃料ガス濃度が低下しても、燃料オフガス中の燃料ガス濃度を上昇することができる。

好ましくは、制御装置は、所定の低温時には他の条件よりも優先して循環ポンプの駆動を停止するとよい。例えば、所定の低温時には、燃料電池への燃料ガスの供給停止、パージ弁の開弁、又は燃料電池の発電停止その他の条件よりも優先して、循環ポンプの駆動が停止されるとよい。

本発明の別の好ましい一態様では、燃料電池に燃科ガスを供給して燃料電池から燃料オフガスを排出する燃料ガス系が構成されているとよい。循環ポンプの駆動を停止した場合における燃料ガス系のシステム損失の大きさが、循環ポンプを駆動した場合における燃料ガス系のシステム損失の大きさを逆転する温度があり、前記所定の低温は、逆転する温度以下であるとよい。この構成によれば、上記のシステム損失が逆転する温度を基準に、循環ポ' ンプの駆動とその停止とを切り替えることができる。これにより、燃料ガス系のシステム損失を減らすことができ、全体のシステム効率を高めることができる。

より好ましくは、燃料ガス系は、燃料オフガを排出するパージ通路と、パージ通路を開閉するパージ弁とを有するとよい。循環ポンプの駆動を ί 止した場合における燃料ガス系のシステム損失は、パージ弁の開弁によるパージ損失からなり、循環ポンプを駆動した場合における燃料ガス系のシステム損失は、パージ弁の開弁によるパージ損失と循環ポンプの駆動による動力損失とからなるとよい。 '

本発明の他の好ましい一態様では、本発明の燃料電池システムは、循環路に接続されて燃料オフガスを排出するパージ通路と、パージ通路を開閉するパージ弁と、を更に備えるとよい。循環ポンプの駆動を停止した状態でパージ弁を開閉した場合におけるパージ量が、許容量よりも多くなる第 1の温度があり、前記所定の低温は、第 1の温度以下であるとよい。

この構成によれば、循環ポンプの駆動停止時にパージ量を適切に抑制でき、全体としてシステム効率を高めることができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

図 2は、本発明の実施形態に係る循環ポンプの制御例を示すフローチヤ一トである。図 3は、比較例に係る燃料電池システムの構成図である。

図 4は、燃料電池の温度に対する水素系システム損失の変化を示すグラフである。

図 5は、燃料電池の温度に対するパージ量の変化を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。

第 1実施形態

図 1に示すように、燃料電池システム 1は、燃料電池 2と、酸化ガス配管系 3と、燃料ガス配管系 4と、冷媒配管系 5と、システム 1全体を統括制御する制御装置 7と、を備える。

燃料電池 2は、例えば固体高分子電解質型で構成される。燃料電池 2は、多数の単セルを積層しだスタック構造を備える。燃料電池 2の単セルは、ィオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及ぴ燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの酸化ガス流路 2 aに酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃科ガス流路 2 bに燃料ガスが供給される。供給された燃料ガス及び酸化ガスの電気化学反応により、燃料電池 2は電力を発生する。燃料電池 2での電気化学反応は発熱反応であり、固体高分子電解質型の燃料電池 2の温度は、およそ 6 0〜8 0 °Cとなる。

酸化ガス配管系 3は、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池 2に供給する。酸化ガス配管系 3は、燃料電池 2に供給される酸化ガスが流れる供給路 1 1と、燃料電池 2から排出された酸化オフガスが流れる排出路 1 2と、を有している。供給路 1 1には、フィルタ 1 3を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ 1 4と、コンプレッサ 1 4により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器 1 5と、が設けられている。排出路 1 2を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁 1 6を通って加湿器 1 5で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃科ガス配管系 4は、燃料ガスとしての水素を燃料電池 2に供給する。燃料ガス配管系 4は、水素供給源 2 1と、水素供給源 2 1から燃料電池 2に供給される水素ガスが流れる供給路 2 2と、燃料電池 2から排出.された水素ォフガス (燃料オフガス) を供給路 2 2の合流点 Aに戻すための循環路 2 3と、循環路 2 3内の水素オフガスを供給路 2 2に圧送するポンプ 2 4と、循環路 2 3に分岐接続されたパージ路 2 5と、を有している。 ' 水素供給源 2 1は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば 3 5 M P a又は 7 O M P aの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源 2 1の元弁 2 6を開くと、供給路 2 2に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁 2 7その他の減圧弁により、最終的に例えば 2 0 0 k P a程度まで減圧されて、燃料電池 2に供給される。

供給路 2 2の合流点 Aの上流側には、遮断弁 2 8が設けられている。水素ガス循環系（燃料ガス循環系） 2 9の通路は、供給路 2 2の合流点 Aの下流側流路と、燃料電池 2のセパレータに形成される燃料ガス流路 2 bと、循環路 2 3と、を順番に連通することで構成される。水素ガス循環系 2 9には、上記した循環路 2 3に設けられたポンプ 2 4が含まれる。

ポンプ 2 4 (循環ポンプ）は、各種のタイプで構成することができ、例えば容積型で構成されている。ポンプ 2 4は、例えば、図示省略した三相交流のモータと、モータの駆動軸に連結されたインペラを有するコンプレッサ部と、を備えている。モータの駆動及び停止は、制御装置 7によって制御される。ポンプ 2 4は、モータの駆動により、水素ガス循環系 2 9内の水素オフガスを燃料電池 2に循環供給する一方、モータの駆動停止により、水素オフガスの循環供給を停止する。パージ路 2 5には、遮断弁であるパージ弁 3 3が設けられている。パージ弁 3 3が燃料電池システム 1の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した希釈器に排出される。パージ弁 3 3の開弁により、循環路 2 3内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。ここで、水素オフガス中の不純物には、水素オフガスに含有した生成水などの水分のほか、燃料電池 2の空気極からイオン交換膜を介して燃料極に透過した窒素ガス、すなわちクロスリークした窒素ガスが含まれる。

冷媒配管系 5は、燃料電池 2に冷媒を供給して燃料電池 2を冷却すさ。冷媒配管系 5は、燃料電池 2内の冷却流路 2 cに連通する冷媒流路 4 1と、'冷媒流路 4 1に設けられた冷却ポンプ 4 2と、燃料電池 2から排出される冷媒を冷却するラジェータ 4 3と、ラジェータ 4 3をバイパスするバイパス流路 4 4と、ラジェータ 4 3及ぴパイパス流路 4 4への冷却水の通流を設定する切替え弁 4 5と、を有じている。冷媒流路 4 1は、燃料電池 2の冷媒入口の近傍に設けられた温度センサ 4 6と、燃料電池 2の冷媒出口の近傍に設けられた温度センサ 4 7と、を有している。温度センサ 4 7が検出する冷媒温度は、燃料電池 2の内部温度（以下、燃料電池 2の温度という。）を反映する。制御装置 7は、内部に C P U , R OM, R AMを備えたマイクロコンピュータとして構成される。 C P Uは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ 2 4の制御など、種々の処理や制御を行う。 R OM は、 C P Uで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。 R AMは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置 7は、ガス系統（3， 4 ) ゃ冷媒系統 5に用いられる各種の圧力センサや温度センサ 4 6 , 4 7、燃料電池システム 1がおかれる外気温を検出する外気温センサ 5 1などの検出信号を入力する。制御装置 7は、ポンプ 2 4やパージ弁 3 3などの各種構成要素に制御信号を出力する。図 2は、本実施形態に係るポンプ 2 4の制御例を示すフローチャートである。

運転停止後の燃料電池システム 1が氷点下の環境にさらされると、ポンプ 2 4のコンプレッサ部内では水素オフガス中の水分や生成水が凝固し、それによりポンプ 2 4が凍結するおそれがある。凍結したポンプ 2 4に無理にトルクを発生させると、ポンプ 2 4が損傷してしまう。そこで、ポンプ 2 4の損傷を回避しながら、燃料電池システム 1の効率を高めた運転を行うべく、制御装置 7は、燃料電池システム 1の起動時に次のようなプログラムを実行 , している。なお、燃料電池システム 1の運転時に、ポンプ 2 4の回転が一次 '的に停止する又は停止された場合にも、このプログラムを実行してもよい。

図 2に示すように、このプログラムでは、先ず、燃料電池システム 1に関連する各種の温度が検出される（ステップ S l )。具体的には、冷媒配管系 5にある温度センサ 4 5及ぴ 4 6、並びに外気温センサ 5 1の温度が検出される。 '

次に、これらセンサ 4 5'、 4 6及ぴ 5 1の少なくとも一つの検出温度 T i ヽ所定の温度 1\以下か否かが判断される (ステップ S 2 )。所定の温度 1\は、例えば 0 °Cである。そして、検出温度 Ί\が温度 1\よりも大きい場合には（ステップ S 2 ： N O ) , ポンプ 2 4が凍結していないと判断され、ポンプ 2 4の駆動が許可される（ステップ S 5 )。

ここで、温度センサ 4 7が検出する燃料電池 2の温度と、外気温センサ 5 1が検出する外気温とは異なる場合がある。この違いは、主に燃料電池システム 1の停止から再起動までの時間（放置時間）によるものである。例えば、放置時間が比較的長い場合には、両者の温度差はほとんどない。しかし、放置時間が比較的短いと、燃料電池 2の温度は外気温よりも高いことが多い。 —方で、ポンプ 2 4自体の温度をより良く反映するのは、外気温センサ 5 1 である。したがって、ステップ S 2では、主に、外気温センサ 5 1による検出温度 T が温度 T\よりも小さいか否かを判断して、ポンプ 2 4の駆動停止維持（ステップ S 3 ) か、ポンプ 2 4の駆動許可（ステップ S 5 ) かを決定するとよい。

検出温度 T iが温度 1\以下の場合、例えばポンプ 2 4が凍結するような低温時の場合には（ステップ S 2 ： Y E S ) , ポンプ 2 4の駆動を停止しておく（ステップ S 3 )。つまり、制御装置 7は、所定の低温時に他の条件より優先して水素オフガスの循環を実質的に停止した状態とする。と同時に、制御装置 7は、水素供給源 2 1から燃料電池 2への水素ガスの供給とコンプレッサ 1 4による酸化ガスの供給とを行い、燃料電池 2にて発電を行ようにする。つまり、水素オフガスを燃料電池 2に強制的に循環することなく、燃料電池 2にて発電を行う。このとき、ポンプ 2 4の駆動停止維持は、温度センサ 4 7による検出温度が閾値 T ₂を超えるまで実行される（ステツプ S 4 ： Ν Ο)。

ここで、ステップ S 3では、ポンプ 2 4を停止した状態で燃料電池システム 1の運転を行うが、この場合であっても、燃料電池 2の単セル内の水素濃度を高く維持することができる。なぜなら、燃料電池 2の温度が 0 °C以下では、水素オフガス中の水蒸気分圧はほとんど 0であり、且つ、窒素ガスのクロスリーク量も少ないからである。したがって、燃料電池 2の温度が 0 °C以下の場合に、ポンプ 2 4の駆動を停止していても、燃料電池 2での発電効率が低下することを抑制できる。

もっとも、ポンプ 2 4の駆動を停止している燃料電池 2の発電中には、パージ弁 3 3を適宜開弁して、燃料電池 2内の水素濃度を常に高く維持することが好ましい。この場合、パージ弁 3 3を開弁する回数は、通常の運転時 (ポンプ 2 4の駆動時）よりも少ない方が好ましい。こうすることで、パージ量を抑制することができ、燃料電池システム 1における水素利用率を高め結果的にシステム効率を高めることができる。燃料電池 2の発電が開始されると、燃料電池 2の温度が上昇していく。すると、水素オフガス中の水蒸気分圧が上がり、且つ、窒素ガスのクロスリーク量も増して、燃料電池 2の単セル内の水素濃度が低下する。この場合にパージ弁 3 3の開閉のみで、単セル内の水素濃度を高く維持しようとすると、パージ弁 3 3の開閉頻度が多くなる。その結果、水素利用率が低下して、システム効率が悪くなる。

そこで、本実施形態では、燃料電池 2の温度、すなわち温度センサ 4 7による検出温度 T _u力ある閾値 T ₂を超えたら（ステップ S 4 ： Y E S ) , ポンプ 2 4の駆動を許可するようにしている (ステップ S 5 )。ここセ、閾 '値 T ₂は、上記の温度 1\よりも大きい温度であり、例えば o °cよりも大きい温度であるとよい。好ましくは、閾値 T ₂は、固体高分子型の燃料電池 2 の運転温度 6 0 - 8 0 °Cを考慮すれば、例えば 2 0 - 3 0 °Cである。

ステップ S 5への移行により、ポンプ 2 4に関する一連のプログラムが終了する。その後の燃料電池システム 1では、ポンプ 2 4の駆動が開始され、燃料電池 2の負荷に応じた通常の制御が行われるようになる。すなわち、燃料電池システム 1では、ポンプ 2 4の駆動により水素オフガスを燃料電池 2 に循環供給することで、水素利用率を高める一方、パージ弁 3 3を適宜開弁することで、水素オフガス中の水素濃度を高く維持する。 +

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム 1によれば、氷点下起動時にポンプ 2 4の駆動を停止した状態で、燃料電池 2の発電を行うようにしている。これにより、仮にポンプ 2 4が凍結していたとしても、その駆動（トノレク発生）を停止しているのでポンプ 2 4の損傷を回避できる。また、ポンプ 2 4を停止しているため、その動力損が発生せず、システム効率を高めることができる。

さらに、氷点下のときには、水素オフガスの水蒸気分圧がほぼ 0で且つ窒素ガスのクロスリーク量も少ないという知見を、本発明者らが得ている。したがって、上記のようにポンプ 2 4を停止したとしても、燃料電池 2内の水素濃度を高く維持でき、燃料電池 2を適切に発電させることができる。また、ポンプ 2 4を停止していても、水素オフガスを頻繁に又は全くパージする必要がないので、水素オフガスのパージ量を抑制できる。したがって、ポンプ 2 4を停止しながらも水素利用率を高めることができ、結果的にシステム効率を高めることができる。

また、燃料電池 2が発電により所定の温度に暖まった場合、すなわち所定の条件（Τ > Τ ₂) を満たした場合に、ポンプ 2 4の駆動開始を許可して、ポンプ 2 4及びパージ弁 3 3の通常の制御に移行している。したがつそ、燃 '料電池システム 1によれば、ポンプ 2 4の駆動停止中及び駆動中のいずれにおいても、水素利用率を高めながら、燃料電池 2における水素濃度を確保することができる。 - 一方で、ポンプ 2 4が凍結するような氷点下のときには、ポンプ 2 4を駆動しないため、ポンプ 2 4の凍結対策を簡素化することができる。例えば、燃料電池システム 1の運転停止後におけるポンプ 2 4内の排水処理や、ボンプ 2 4が凍結しないような構造上の工夫などを不要にできる。なお、排水処理の一例は、燃料電池システム 1の運転停止時に、水素ガス循環系 2 9内の水素オフガスを水素供給源 2 1からの水素ガスに置換するという掃気処理でめる。

また、仮にポンプ 2 4が凍結していたとしても、ポンプ 2 4には、燃料電池 2の発熱により加温された水素オフガスが導入される。このため、ポンプ 2 4が駆動開始するころには、水素オフガスの導入によりポンプ 2 4の凍結を解凍し得る。第 2実施形態

次に、図 3及ぴ図 4を参照して、第 2実施形態に係る燃料電池システム 1 について相違点を中心に説明する。第 1実施形態との相違点は、図 2に示す温度 T i及び T ₂を変更したことである。本実施形態の温度 T 及ぴ T ₂は、図 3に示すいわゆるデッドエンド又は循環レスの燃料電池システム 1 0 0における水素系システム効率と、図 1に示す循環式の燃料電池システム 1における水素系システム効率とを比較して設定されている。 ' 先ず、図 3に示す燃料電池システム 1 0 0について簡単に説明する。図 1 の燃料電池システム 1と異なる点は、燃料電池システム 1 0 0の燃料ガス配管系 4 が循環路 2 3及びポンプ 2 4を具備せず、且つ、燃料電池 2から水素オフガスを排出する排出路 2 5にパージ弁 3 3が設けられたという櫧成で 'ある。その他の構成は、第 1実施形態の燃料電池システム 1と同一であるので、第 1実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。

燃料電池システム 1 0 0では、水素ガス及び酸化ガスを燃料電池 2に供給する。燃料電池システム 1 0 0は、運転時に、パージ弁 3 3を適宜開弁する。これにより、水素オフガスを排出路 2 5の下流へと排出することで、燃料電池 2の単セル内における水素濃度を確保する。

図 4は、燃料電池 2の温度に対する水素系システム損失の変化を示すグラフである。ここで、燃料電池 2の温度は上記したとおり、温度センサ 4 7による検出温度である。水素系システムは、図 1では燃料ガス配管系 4が相当し、図 3では燃料ガス配管系 4 が相当する。よって、図 1における循環式の水素系システム損失は、ポンプ 2 3の動力損失と、パージ弁 3 3の開弁による水素オフガスのパージ損失と、を加算したものからなる。一方、図 3における循環レス式の水素系システム損失は、パージ弁 3 3の開弁による水素オフガスのパージ損失からなる。

図 4に示す線 L 1は、図 1の燃料電池システム 1の運転時に、燃料電池 2 の温度に関わらず、ポンプ 2 4を駆動すると共にパージ弁 3 3を開閉した場合の水素系システム損失を示している。線 L 1は、水素系システム損失が燃料電池 2の温度によらず略一定であることを示している。

図 4に示す曲線 L 2は、図 3の燃料電池システム 1 0 0の運転時に、パージ弁 3 3を開閉した場合の水素系システム損失を示している。上記したとおり、燃料電池 2の温度が高くなると、燃料電池 2内の水素ガス濃度が低下する。そのため、図 3の燃料ガス配管系 4 'では、燃料電池 2内の水素ガス濃度を確保するために、燃料電池 2の温度上昇に伴いパージ弁 3 3によるパージ量を増やす必要がある。したがって、曲線 L 2では、水素系システム損失 (パージ損失）が燃料電池 2の温度上昇に伴い大きくなることが示されている。 . ■ ' なお、図 1の燃料ガス配管系 4において、ポンプ 2 4を駆動せずにパージ弁 3 3の開閉のみで、燃料電池 2内の水素濃度を確保しようとした場合、そのときの水素系システム損失は、曲線 L 2に実質的に相当すると考えられる。つまり、曲線 L 2は、ポンプ 2 4の駆動を停止した場合における燃料ガス配管系 4のシステム損失実質的に示していると考えられる。

線 L 1及び曲線 L 2から分かるように、これらが交わる温度 T (ただし、 T ' > 0 ) までは、曲線 L 2が示す水素系システム損失の方が線 L 1のそれよりも少ない。また、温度 T '移行では、線 1が示す水素系システム損失の方が、曲線 L 2のそれよりも少ない。これを分析するに、燃料電池 2の温度を考慮して水素系システム損失を極力少なくするには、燃料ガス配管系 4 が温度 T 'までは曲線 L 2を実行し、且つ温度 T '以降は線 L 1を実行することが望ましいと考えられる。

そこで、第 2実施形態の燃料電池システム 1では、その起動時において、温度 T 'まではポンプ 2 4の駆動を停止しておき、温度 T "になったところで、ポンプ 2 4の駆動を開始するようにしている。つまり、第 2実施形態では、図 2のステップ S 2に示す温度 1 は温度 T,であり、ステップ S 4に示す温度 τ ₂も温度 τ に設定されている。温度 τ は、例えば固体高分子型の燃料電池 2であれば、 2 0 - 3 0 °Cである。

以上のように、第 2実施形態の燃料電池システム 1によれば、逆転する温度 T を基準に、ポンプ 2 4を駆動と停止との間で切り替えている。したがつて、より一層、燃料ガス配管系 4の損失を減らすことができ、全体としてシステム効率をより一層高めることができる。また、第 2実施形態によれば、凍結によるポンプ 2 4の損傷を回避できるなど、第 1実施形態に記載の他の作用効果についても奏することができる。なお、温度及び T ₂を温度 T 'よりも小さい温度に設定してもよい。第 3実施形態

次に、図 3及び図 5を参照して、第 3実施形態に係る燃料電池システム 1 について相違点を中心に説明する。第 1実施形態との相違点は、図 2に示す温度 1\及ぴ丁₂を変更したことである。これら温度 1\及ぴ丁₂については、第 2実施形態と同様に、 '図 3の燃料電池システム 1 0 0との比較で設定されている。

図 5は、燃料電池 2の温度に対するパージ量の変化を示すグラフである。パージ量とは、上記のとおり、パージ弁 3 3の下流へと排出される水素オフガスの量をいう。図 5に示す線 L 3は、図 1の燃料電池システム 1の運転時 (ポンプ 2 4の駆動時）におけるパージ量を示している。線 L 3は、パージ量が燃料電池 2の温度によらず略一定であることを示している。

図 5に示す曲線 L 4は、図 3の燃料電池システム 1 0 0の運転時におけるパージ量を示している。上記したとおり、燃料電池 2の温度が高くなると、燃料電池 2内の水素ガス濃度が低下する。そのため、図 3の燃料ガス配管系 4一では、燃料電池 2内の水素ガス濃度を確保するために、燃料電池 2の温度上昇に伴いパージ量を増やす必要がある。したがって、曲線 L 4では、パージ量が燃料電池 2の温度上昇に伴い大きくなることが示されている。なお、図 1の燃料ガス配管系 4において、ポンプ 2 4を駆動せずにパージ弁 3 3の開閉のみで、燃料電池 2内の水素濃度を確保しようとした場合、そのときのパージ量は、曲線 L 4が示すパージ量に実質的に相当すると考えられる。つまり、曲線 L 4は、燃料ガス配管系 4において、ポンプ 2 4の駆動を停止した状態でパージ弁 3 3を開閉した場合におけるパージ量を実質的に示していると考えられる。

図 5に示す線 L 5は、排気保安基準のパージ量を示している。つまり、燃料電池システムの設計では、水素オフガスのパージ量が、線 L 5が示す許容量を越えないようにする必要がある。線 L 5は、曲線 L 4と温度 T ' （笫 1の温度）で交差している。

第 3実施形態の燃料電池システム 1では、その起動時において、温度まではポンプ 2 4の駆動を停止しておき、温度一になつたところで、ポンプ 2 4の駆動を開始するようにしている。つまり、第 3実施形態では、図 2のステップ S 2に示す温度 Τ\は温度 Τ 一であり、ステップ S 4に示す温度 Τ ₂も温度 Τ ' 'に設定されている。

したがって、第 3実施形態の燃料電池システム 1によれば、温度 'を基準に、ポンプ 2 4をその駆動と停止との間で切り替えている。これにより、パージ量を適切に抑制でき、全体としてシステム効率を高めることができる。また、第 3実施形態によれば、凍結によるポンプ 2 4の損傷を回避できるなど、第 1実施形態に記載の他の作用効果についても奏することができる。なお、温度 1\及ぴ1 を温度 Τ 'よりも小さい温度に設定してもよい。産業上の利用可能性

本発明の燃料電池システム 1は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム 1は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池から排出された燃料オフガスを当該燃料電池に循環する循環路、及び前記循環路内の燃料オフガスを圧送する循環ポンプ、を有する燃料ガス循環系と、

前記循環ポンプの駆動を制御する制御装置と、

を備えた燃料電池システムにおいて、

前記制御装置は、所定の低温時に、前記循環ポンプの駆動を停止しておく燃料電池システム。 .

2 . 前記制御装置は、前記所定の低温時であって当該燃料電池システムの起動時に、前記循環ポンプの駆動を停止しておく請求項 1に記載の燃料電池システム。

3 . 前記所定の低温時は、前記燃料電池の温度が 0度以下のときである請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。

4 . 前記所定の低温時は、外気温が 0度以下のときである請求項 1又は 2 に記載の燃料電池システム。

5 . 前記燃料電池の温度を検出する温度センサを備え、

前記制御装置は、前記温度センサにより検出された温度が前記所定の低温以下のときには前記循環ポンプの駆動を停止しておく一方、前記温度センサにより検出された温度が前記所定の低温よりも大きいときには前記循環ボンプの駆動を許可する請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。

6 . 前記制御装置は、前記燃料電池の温度が前記所定の低温よりも高い第 2の温度を越えたときに、前記循環ポンプの駆動を許可する、請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。

7 . 前記循環路に接続され、前記燃料オフガスを排出するパージ通路と、前記パージ通路を開閉するパージ弁と、を備え、前記制御装置は、前記循環ポンプの駆動停止時に、前記パージ弁を開閉する請求項 1ないし 6のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 '

8 . 前記燃料電池に燃料ガスを供給して当該燃料電池から前記燃料オフガスを排出する燃料ガス系が構成されており、

前記循環ポンプの駆動を停止した場合における前記燃料ガス系のシステム損失の大きさが、前記循環ポンプを駆動した場合における前記燃料ガス系のシステム損失の大きさを逆転する温度があり、

前記所定の低温は、前記逆転する温度以下である請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。

9 . 前記燃料ガス系は、

前記燃料オフガスを排出するパージ通路と、

前記パージ通路を開閉するパージ弁と、を有し、

前記循環ポンプの駆動を停止した場合における前記燃料ガス系のシステム損失は、前記パージ弁の開弁によるパージ損失からなり、

前記循環ポンプを駆動した場合における前記燃料ガス系のシステム損失は、前記パージ弁の開弁によるパージ損失と、前記循環ポンプの駆動による動力損失とからなる請求項 8に記載の燃料電池システム。

1 0 . 前記循環路に接続され、前記燃料オフガスを排出するパージ通路と、前記パージ通路を開閉するパージ弁と、を更に備え、

前記循環ポンプの駆動を停止した状態で前記パージ弁を開閉した場合におけるパージ量が、許容量よりも多くなる第 1の温度があり、

前記所定の低温は、前記第 1の温度以下である請求項 1又は 2に記載の燃料電池システム。