JP2009164019A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効率的に掃気を行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】イグニッションオフされた場合には、タイマをスタートさせ（Ｓ１００）、所定時間ｓ１経過ごとに（Ｓ１１０，Ｙｅｓ）、温度センサ６２〜６４から温度Ｔ１〜Ｔ３を検出する（Ｓ１２０）。いずれかの温度Ｔ１〜Ｔ３が掃気実施閾値Ｔ０以下であった場合には（Ｓ１２０，Ｙｅｓ）、ウォータポンプを所定時間ｓ２駆動させる（Ｓ１５０）。所定時間ｓ２駆動後に、再度温度Ｔ１〜Ｔ３を検出し（Ｓ１６０）、いずれかの温度Ｔ１〜Ｔ３が掃気実施閾値Ｔ０以下である場合には（Ｓ１６０，Ｙｅｓ）、掃気を実施する（Ｓ１８０）。一方、すべての温度Ｔ１〜Ｔ３が掃気実施閾値Ｔ０を超えていた場合には（Ｓ１６０，Ｎｏ）、タイマをリセットして（Ｓ１７０）、タイマを再スタートさせ（Ｓ１００）。
【選択図】図２

Description

本発明は、発電停止後に燃料電池を掃気する制御を行う燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池システムを寒冷地や冬季などの低温環境下で使用すると、発電停止後に発電時の生成水が凍結するという問題がある。そこで、この種の燃料電池システムでは、発電停止後に燃料電池内に掃気ガスを導入して燃料電池内の生成水を排出する掃気制御を行う必要がある。例えば、燃料電池内に残留している水分をできるだけ多く排出するために、燃料電池の温度が所定温度閾値以下まで低下したときに掃気を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００７−３５３８９号公報（段落００５１）

しかしながら、燃料電池や燃料電池周辺の補機は、システム停止中においてウォータポンプが停止しているため、その設置環境や熱マスなどの影響により、温度にバラツキが生じる。このようなバラツキのあるシステムでは、温度センサが温度の比較的低い箇所に設置されると、温度センサの検出値が掃気実行閾値以下になった場合、掃気実行閾値以下になっていない箇所があるにもかかわらず掃気が実行されることになる。すなわち、燃料電池の膜（ＭＥＡ；膜電極接合体）は温度が高いほど生成水の含水率が高くなるので、そのような状態で掃気しても液滴として排出される量が少ないという問題がある。また、温度が高い状態で掃気された部分は、掃気後の発電停止中に温度が低下することにより再び結露が発生するという問題がある。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、効率的に掃気を行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の内部を流通する冷媒を循環させる冷媒循環手段と、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、前記燃料電池の内部に掃気ガスを導入して掃気制御を行う掃気手段と、前記燃料電池の温度が所定閾値以下となったときに掃気実行判定を行う掃気実行判定手段と、を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に前記冷媒循環手段を所定時間駆動させ、駆動完了状態においても前記燃料電池の温度が前記所定閾値以下である場合には掃気を実行することを特徴とする。
また、請求項５に係る発明は、反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の内部を流通する冷媒を循環させる冷媒循環手段と、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、前記燃料電池の内部に掃気ガスを導入して掃気制御を行う掃気手段と、を備え、前記燃料電池の温度が所定閾値以下になったときに掃気実行判定を行う燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に前記冷媒循環手段を所定時間駆動させるステップと、駆動完了状態においても前記燃料電池の温度が前記所定閾値以下である場合には掃気を実行するステップと、を含むことを特徴とする。

請求項１および請求項５に係る発明によれば、温度にバラツキのある燃料電池（または燃料電池システム）であっても、温度が所定温度（掃気実施温度閾値）以下になったときに、冷媒循環手段を再度駆動するため、燃料電池の温度を均一化することができる。つまり、掃気を実行する際には燃料電池の温度が所定温度以下の均一な状態まで下がっているため、以下の（１）および（２）に示す効果を得ることが可能になる。つまり、（１）ＭＥＡの温度が低いため、ＭＥＡ内の生成水の含有率が少なくなるので、掃気時に液滴として排出される量を増やすことができ、（２）燃料電池の温度が低い温度で掃気されるため、掃気後の発電停止中における結露の度合いを軽くすることができる。
また、従来の燃料電池システムでは、燃料電池周辺のどこかの温度が低くなったら直ちに掃気を行っていたため、無駄に掃気を実行してしまうこともあったが、本発明の手法により燃料電池の温度が全体的に低くなってから掃気が実行されるので、掃気頻度低減による消費エネルギの削減に効果がある。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池温度検出手段を複数有し、いずれかの燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に前記冷媒循環手段を所定時間駆動させ、駆動完了状態においても、いずれかの前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下である場合には掃気を実行することを特徴とする。
また、請求項６に係る発明は、前記燃料電池温度検出手段を複数有し、いずれかの燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に前記冷媒循環手段を所定時間駆動させるステップと、駆動完了状態においても、いずれかの前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下である場合には掃気を実行するステップと、を含むことを特徴とする。

請求項２および請求項６に係る発明によれば、複数の燃料電池温度検出手段（温度センサ）で検出し、冷媒循環手段の駆動後もいずれかの燃料電池の温度が所定閾値以下となった場合に掃気を実行するため、このような掃気を遅らせるような制御を行ったとしても、ＭＥＡ等で水分が凍結してしまうことを防止できる。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に駆動される前記冷媒循環手段の駆動時間を、駆動を繰り返す毎に長くすることを特徴とする。
また、請求項７に係る発明は、前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に駆動される前記冷媒循環手段の駆動時間を、駆動を繰り返す毎に長くするステップを含むことを特徴とする。

請求項３および請求項７に係る発明によれば、燃料電池温度検出手段の部分の冷媒とその他の部分の冷媒との温度差が小さい状況でも冷媒循環手段の駆動時間を長くすることにより、冷媒の温度を均一化することができ、燃料電池自体がより低温となるまで掃気を遅らせることが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記掃気手段および前記冷媒循環手段に電力を供給する蓄電装置と、前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段と、を備え、前記蓄電装置の残容量が前記掃気手段による掃気に必要な電力以下になると予測される場合には、前記駆動完了状態において前記燃料電池の温度が所定閾値以下とならない場合でも掃気を実行することを特徴とする。
また、請求項８に係る発明は、前記掃気手段および前記冷媒循環手段に電力を供給する蓄電装置と、前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段と、を備え、前記残容量が前記掃気手段による掃気に必要な電力以下になると予測される場合には、前記駆動完了状態において前記燃料電池の温度が所定閾値以下とならない場合でも掃気を実行するステップを含むことを特徴とする。

請求項４および請求項８に係る発明によれば、蓄電装置の残容量が掃気を行えないほど低下するのを防止でき、確実に掃気を行うことが可能になるため、低温起動性を確実に確保することができる。

本発明によれば、効率的な掃気を行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は本実施形態の燃料電池システムにおける掃気制御を示すフローチャート、図３は温度変化に応じたウォータポンプの制御と掃気判断を示すタイムチャート、図４（ａ）は燃料電池内の温度とＭＥＡの生成水含有率との関係を示すグラフ、（ｂ）は掃気時の燃料電池の温度と発電停止後の燃料電池内の結露水発生量との関係を示すグラフである。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システム１を燃料電池自動車（車両）に搭載した場合を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶、航空機などの移動体、または家庭用電源などの定置式のものなどあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷却系４０、高電圧系５０、制御系６０などを含んで構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子からなる電解質膜をアノードとカソードで挟んで膜電極接合体（ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）を構成し、この膜電極接合体を導電性のセパレータで挟んでなる単セルを厚み方向に複数積層した構造を有している。また、セパレータには、アノードに対向する面に水素（反応ガス、燃料ガス）が流通する流路が形成され、カソードに対向する面に空気（反応ガス、酸化剤ガス）が流通する流路が形成されている。

前記アノード系２０は、水素タンク２１、エゼクタ２２、パージ弁２３、ドレイン弁２４、排出弁２５、配管ａ１〜ａ７などを含んで構成されている。

前記水素タンク２１は、高純度の水素を非常に高い圧力で蓄積する容器であり、電磁作動式の遮断弁（図示せず）を備えている。

前記エゼクタ２２は、配管ａ１を介して水素タンク２１と接続され、燃料電池１０のアノードの出口から配管ａ３を介して排出された未反応の水素を配管ａ４を介してエゼクタ２２に戻し、そして配管ａ２を介してアノードの入口に戻して再循環させる真空ポンプの一種である。

前記パージ弁２３は、ソレノイドを有する電磁作動式のオン／オフ弁であり、配管ａ４と接続された配管ａ５に設けられている。また、パージ弁２３は、後記するＥＣＵ（Electric Control Unit）６１によって適宜開弁されて、アノード系２０内に蓄積する不純物（窒素、生成水）を外部に排出する機能を有する。

前記ドレイン弁２４は、ソレノイドを有する電磁作動式のオン／オフ弁であり、配管ａ４と接続された配管ａ６に設けられている。また、ドレイン弁２４は、後記するＥＣＵ（Electric Control Unit）６１によって適宜開弁されて、図示しない貯留部に溜まった生成水を外部に排出する機能を有する。

前記排出弁２５は、ソレノイドを有する電磁作動式のオン／オフ弁であり、配管ａ４と接続された配管ａ７に設けられている。また、排出弁２５は、後記するＥＣＵ（Electric Control Unit）６１によってアノード掃気時に開弁されて、アノード系２０内に導入された掃気ガスを外部に排出する機能を有する。

また、ドレイン弁２４は、パージ弁２３よりも流路径が小さく形成され、パージ弁２３は、排出弁２５よりも流路径が小さく形成されている。つまり、ドレイン弁２４では小流量、パージ弁２３では中流量、排出弁２５では大流量のガスがそれぞれ流れるようになっている。

なお、図示していないが、アノード系２０には、水素タンク２１から供給される高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。

前記カソード系３０は、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３２、配管ｃ１，ｃ２などを含んで構成されている。

前記エアコンプレッサ３１は、例えばモータで駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、外部から取り込まれた空気を圧縮して配管ｃ１を介して燃料電池１０のカソードに供給する機能を有する。

前記背圧制御弁３２は、例えばバタフライ弁などの開度調節可能な弁で構成され、燃料電池１０のカソードに供給される空気圧を適宜調節する機能を有する。また、背圧制御弁３２は、燃料電池１０のカソードの出口と配管ｃ２を介して接続されている。

なお、図示していないが、カソード系３０には、エアコンプレッサ３１から供給される空気を加湿して燃料電池１０のカソードに供給するための加湿器などが設けられている。また、パージ弁２３、ドレイン弁２４、排出弁２５の下流と、背圧制御弁３２の下流とは希釈器（図示せず）と接続され、アノード系２０から排出された水素をカソード系３０から排出された空気で希釈して外部（車外）に排出するようになっている。

前記冷却系４０は、発電時における燃料電池１０を適宜冷却する機能を有し、ラジエータ４１、ウォータポンプ４２、配管ｄ１〜ｄ３などを含んで構成されている。

前記ラジエータ４１は、燃料電池１０によって温められた冷媒に対して放熱する機能を有し、配管ｄ１を介して燃料電池１０の冷媒の入口と接続されている。

前記ウォータポンプ４２は、冷媒を循環させる機能を有し、後記するＥＣＵ６１によってモータの回転速度が制御される。また、ウォータポンプ４２は、配管ｄ２を介して燃料電池１０の冷媒の出口と接続され、配管ｄ３を介してラジエータ４１の入口と接続されている。

また、本実施形態の燃料電池システム１は、掃気用のエア（掃気ガス）をアノード系２０に導入する、エア導入配管５５、エア導入弁５６を備えている。エア導入配管５５は、掃気ガスとしての空気をアノード側に導入する流路であり、上流側の一端が配管ｃ１に接続され、下流側の他端が配管ａ２に接続されている。エア導入弁５６は、例えば電磁作動式のＯＮ／ＯＦＦ弁であり、エア導入配管５５の途中のアノード寄りに設けられ、後記するＥＣＵ６１によって開閉制御されるようになっている。なお、エア導入配管５５の上流は、配管ｃ１に設けられた加湿器（図示せず）の上流側に設けられている。

前記高電圧系５０は、蓄電装置５１、残容量センサ５２、電力分配器５３などを含んで構成されている。

前記蓄電装置５１は、例えばリチウムイオン、ニッケル水素、キャパシタなどで構成され、燃料電池１０からの発電電力を受けて充電可能であると共に放電可能なものである。

前記残容量センサ５２は、例えば電流計および電圧計で構成され、蓄電装置５１に蓄積されている残容量（充電量）を検出するセンサである。なお、蓄電装置５１の残容量は、例えばＳＯＣ（State Of Charge）で表されるが、ＳＯＣの計算は後記するＥＣＵ６１によって行われる。

前記電力分配器５３は、ＤＣ／ＤＣコンバータなどを備えて構成され、後記するＥＣＵ６１の制御によって、燃料電池１０の発電電力を制御する機能を有する。なお、補機とは、エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４２、走行モータ（図示せず）などである。

なお、図示していないが、燃料電池１０と電力分配器５３との間、蓄電装置５１と電力分配器５３との間には、それぞれ電気的に接続および遮断を行うコンタクタが設けられている。また、蓄電装置５１とエアコンプレッサ３１とは、例えば３相に変換するインバータ（図示せず）を介して接続され、また蓄電装置５１とウォータポンプ４２とは、例えば電圧を下げるＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）を介して接続されている。

前記制御系６０は、ＥＣＵ６１、温度センサ６２，６３，６４などを含んで構成されている。なお、これら温度センサ６２〜６４は、燃料電池１０の温度を検出するセンサである。例えば、温度センサ６２は、燃料電池１０を循環する冷媒の出口に設けられ、温度センサ６３は、燃料電池１０のアノードの出口に設けられ、温度センサ６４は、燃料電池１０のカソードの出口に設けられている。

前記ＥＣＵ６１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ、プログラムなどが記録されたＲＯＭなどで構成され、掃気実行判定手段を備えている。また、ＥＣＵ６１は、パージ弁２３、ドレイン弁２４、排出弁２５、エア導入弁５６を適宜開閉し、背圧制御弁３２の開度を調節し、エアコンプレッサ３１およびウォータポンプ４２のモータの回転速度を制御する。また、掃気実行判定手段は、燃料電池１０の温度が掃気実施閾値Ｔ０以下（所定閾値以下）であると判定された場合に掃気を実行する判定を行う機能を有する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について図２を参照して説明する。なお、燃料電池システム１の運転時においては、排出弁２５およびエア導入弁５６が閉じられており、水素タンク２１に設けられた図示しない遮断弁が開弁されて燃料電池１０のアノードに水素が供給され、エアコンプレッサ３１が駆動されて燃料電池１０のカソードに空気が供給されて発電が行われる。燃料電池１０の発電電力は、エアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４２、走行モータ（図示せず）などに供給されている。また、運転時には、ウォータポンプ４２が駆動されることにより、燃料電池１０内に冷媒が循環されて、燃料電池１０を適宜冷却するようになっている。

図２に示すように、運転者によってイグニッションスイッチ（図示せず）がオフにされると、燃料電池１０側の図示しないコンタクタを遮断（ＯＦＦ）し、水素タンク２１の遮断弁を閉じ、エアコンプレッサ３１の駆動を停止する。これにより、燃料電池１０の発電が停止する。

そして、ステップＳ１００において、ＥＣＵ６１は、内部に有するタイマをスタートする。なお、このタイマは、例えば蓄電装置５１とは別に設けられた低電圧のバッテリから電力が供給されて、発電停止中においても作動するようになっている。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ６１は、タイマによる計測開始から所定時間が経過したか否かを判断し、所定時間が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０を繰り返し、所定時間が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０に進む。なお、ここでの所定時間は、予め実験等によって決められる。

ステップＳ１２０において、温度センサ６２から得られる燃料電池１０の温度をＴ１、温度センサ６３から得られる燃料電池１０の温度をＴ２、温度センサ６４から得られる燃料電池１０の温度をＴ３としたときに、温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のいずれかが掃気実施閾値（Ｔ０）以下であるか否かを判断する。ステップＳ１２０において、ＥＣＵ６１は、すべての温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３が掃気実施閾値Ｔ０を超えていると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１３０において、タイマをリセットする。そして、ステップＳ１００に進み、ＥＣＵ６１は、再度タイマをスタートする。また、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ６１は、温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のいずれかが掃気実施閾値Ｔ０以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４０に進む。

なお、図示していないが、ステップＳ１２０において、ＥＣＵ６１は、温度Ｔ１〜Ｔ３が氷点下にならないと予想される場合には、図２に示す処理を終了するように制御する。氷点下にならないと予想される場合とは、例えば、測定している温度が上昇している場合などである。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ６１は、残容量センサ５２から得られる検出値に基づいて蓄電装置５１の残容量（ＳＯＣ；State Of Charge）が所定以上であるか否かを判断する。なお、所定とは、掃気手段（エアコンプレッサ３１など）による掃気に必要な電力に相当する値であり、予め実験等に基づいて決定される。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ６１は、ＳＯＣが所定以上であると判断した場合（Ｙｅｓ）、つまり掃気を行うのに必要な電力が残っていると判断した場合には、ステップＳ１５０に進み、ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４２を所定時間ｓ２駆動する。

ステップＳ１５０では、蓄電装置５１側のコンタクタ（図示せず）を接続して、蓄電装置５１からウォータポンプ４２に電力を供給して、ウォータポンプ４２を駆動する。ウォータポンプ４２を駆動させることにより、冷媒の部分的に熱い場所と冷たい場所とが攪拌されて、燃料電池１０内の温度の均一化を図ることが可能になる。なお、ここでの所定時間ｓ２は、予め実験等によって求められる。

ステップＳ１６０において、ＥＣＵ６１は、ウォータポンプ４２を所定時間ｓ２駆動させた後、再び温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３のいずれかが掃気実施閾値（Ｔ０）以下であるか否かを判断する。ステップＳ１６０において、ＥＣＵ６１は、温度Ｔ１〜Ｔ３のすべてが掃気実施閾値（Ｔ０）を超えていると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１７０に進み、ＥＣＵ６１内のタイマをリセットして、ステップＳ１００に戻る。また、ステップＳ１６０において、ＥＣＵ６１は、温度Ｔ１〜Ｔ３のいずれかが掃気実施閾値（Ｔ０）以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、燃料電池１０の温度が全体的に均一化され、かつ、燃料電池１０の温度が十分に低下した（結露が十分に進んだ）と判断して、ステップＳ１８０に進み、掃気を実施する。

ステップＳ１８０の掃気では、例えば、ＥＣＵ６１によって、エア導入弁５６を閉じたままの状態において、背圧制御弁３２が全開にされ、蓄電装置５１の電力によってエアコンプレッサ３１が駆動される。これにより、エアコンプレッサ３１から導入された空気（掃気ガス）は、配管ｃ１、燃料電池１０のカソード、配管ｃ２を通り、燃料電池１０内のカソードに残留している水が押し出されて外部に排出される。

続いて、ＥＣＵ６１によって、エア導入弁５６および排出弁２５が開弁された状態で、エアコンプレッサ３１が駆動される。これにより、エアコンプレッサ３１からの空気（掃気ガス）は、配管ｃ１、エア導入配管５５、配管ａ２、燃料電池１０のアノード、配管ａ３，ａ７を通り、燃料電池１０内のアノードに残留している水が押し出されて外部に排出される。

なお、掃気手順としては、先にカソードを掃気して、その後にアノードを掃気するものに限定されるものではなく、カソードとアノードとを同時に掃気してもよく、アノードを先に掃気して、その後にカソードを掃気してもよい。また、排出弁２５を開弁してアノードを掃気する手法に限定されず、例えば、排出弁２５とともにパージ弁２３およびドレイン弁２４を開弁して掃気してもよい。

一方、ステップＳ１４０において、ＳＯＣが所定以上ではなく、掃気手段による掃気に必要な電力以下になると予測される場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１８０に進む。つまり、いずれかの温度Ｔ１〜Ｔ３が掃気実施閾値（Ｔ０）以下とならない場合でも掃気を実施する。なお、掃気終了後、タイマの作動を停止する。

さらに、図３のタイムチャートを参照して説明する。すなわち、イグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）された場合には（時刻ｔ０）、タイマをスタートさせて（Ｓ１００）、所定時間ｓ１経過ごとに（Ｓ１１０，Ｙｅｓ）、燃料電池１０の温度Ｔ１〜Ｔ３のいずれかが掃気実施閾値Ｔ０以下であるか判断する（Ｓ１２０）。この場合、例えば温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下になると（Ｓ１２０，Ｙｅｓ、時刻ｔ１）、ウォータポンプ４２を所定時間ｓ２駆動して冷媒を攪拌する（Ｓ１５０）。ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４２を所定時間ｓ２駆動後、温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０を超えているので（Ｓ１６０，Ｎｏ）、タイマをリセットして（Ｓ１７０）、再度タイマをスタートさせる（Ｓ１００、時刻ｔ２）。ちなみに、時刻ｔ１〜ｔ２では、燃料電池１０の温度を計測する箇所の温度が低く、その他の箇所が高くなっているので、ウォータポンプ４２を駆動して冷媒を攪拌することにより、冷媒の温度が上昇する。

また、所定時間ｓ１経過ごとに（Ｓ１１０，Ｙｅｓ）、燃料電池１０の温度Ｔ１〜Ｔ３のいずれかが掃気実施閾値Ｔ０以下であるか判断する（Ｓ１２０）。この場合、温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下になったので（Ｓ１２０，Ｙｅｓ、時刻ｔ３）、ウォータポンプ４２を所定時間ｓ２駆動して冷媒を攪拌する（Ｓ１５０）。ウォータポンプ４２を所定時間駆動後、再度温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下ではないので（Ｓ１６０，Ｎｏ）、タイマをリセットして（Ｓ１７０）、再度タイマをスタートさせる（Ｓ１００、時刻ｔ４）。

そして、再び、温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下になると（Ｓ１２０，Ｙｅｓ、時刻ｔ５）、ウォータポンプ４２を所定時間ｓ２駆動して冷媒を攪拌する（Ｓ１５０）。この場合には、所定時間ｓ２駆動後の温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下であるので（Ｓ１６０，Ｙｅｓ）、冷媒の温度が均一化したと判断されて、掃気が実施される（Ｓ１８０）。

以上、説明したように、本実施形態によれば、温度にバラツキのある燃料電池１０（または燃料電池システム１）であっても、いずれかの温度Ｔ１〜Ｔ３が掃気実施閾値（所定温度）以下になっときに、ウォータポンプ４２を駆動（再駆動）するため、冷媒が攪拌されることにより、燃料電池１０（または燃料電池システム１）の温度を均一化することが可能になる。つまり、掃気を実施する際には、燃料電池１０の温度が均一になり、所定閾値（掃気実施閾値）以下まで下がっている。このため、ＭＥＡの温度が低く、ＭＥＡ内の生成水の含有率が少なくなっているので（図４（ａ）参照）、ＭＥＡ内の水分が掃気時に十分な液滴となって排出されるようになる。

また、所定閾値（掃気実施閾値）以下という低い温度で掃気されるので（図４（ｂ）参照）、発電停止中における結露の度合いを低くすることができる。つまり、従来のように燃料電池１０の温度検出位置が比較的温度の低い部分に位置していて、燃料電池１０の一部の温度が所定閾値以下となったとしても、他の温度の高い部分の存在によってその後の発電停止中に再度温度が上昇して結露が発生する度合いが高まる。しかし、本実施形態では、燃料電池１０の温度が全体的に低くなった状態で掃気が実施されるので、掃気後の発電停止中に温度が再度上昇することがないので、発電停止中における結露の度合いを軽くすることが可能になる。

このように、燃料電池１０の温度が全体的に低くなってから掃気が実施されるので、掃気回数を低減して、消費エネルギを削減できるようになる。

また、本実施形態によれば、複数の温度センサ６２〜６４によって温度Ｔ１〜Ｔ３を検出して、ウォータポンプ４２の駆動後もいずれかの温度が所定閾値（掃気実施閾値）以下になった場合に掃気を実行しているため、本実施形態のような掃気を遅らせるような制御を行ったとしても、ＭＥＡなどで水分が凍結してしまうのを防止できる。つまり、すべての温度センサ６２〜６４の温度が所定温度（掃気実施閾値）以下になった場合に掃気を実行すると、燃料電池１０が凍結温度まで達してしまい、ＭＥＡなどが凍結するおそれがあるが、前記のようにいずれかの温度Ｔ１〜Ｔ３が所定温度（掃気実施閾値）以下となったときに掃気を実施するので、ＭＥＡなどが凍結するのを防止できるようになる。

また、本実施形態によれば、蓄電装置５１のＳＯＣ（残容量）を検出することにより、ＳＯＣが掃気を実行できないほどに低下してしまうのを防止でき、確実に掃気を行うことが可能になる。よって、次回起動する際の低温起動性を確実に確保できるようになる。

図５は本実施形態における別の掃気制御を示すフローチャート、図６は別の掃気制御における温度変化に応じたウォータポンプの制御と掃気判断を示すタイムチャートである。なお、図５および図６に示す実施形態は、前記した実施形態とは掃気制御の一部が異なるのみで、システム図は図１と同様である。また、図２と同じ処理については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、ＥＣＵ６１は、ステップＳ１２０において、燃料電池１０の温度Ｔ１〜Ｔ３のいずれかが掃気実施閾値Ｔ０以下であると判断し（Ｙｅｓ）、かつ、ステップＳ１４０において、蓄電装置５１のＳＯＣが所定以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ウォータポンプ４２を所定時間ｓ２駆動して冷媒を攪拌する（Ｓ１５０）。

所定時間ｓ２駆動後、ステップＳ１５５において、ＥＣＵ６１は、所定時間ｓ２に時間αを加算して、ウォータポンプ４２を駆動する所定時間として、新たな所定時間ｓ２を設定する。なお、時間αは正数であり、ウォータポンプ４２の駆動が繰り返されるごとに、ステップＳ１５０における所定時間が長くなるように設定される。

図６に示すように、いずれかの温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下になった場合には（Ｓ１２０，Ｙｅｓ、時刻ｔ１）、ウォータポンプ４２を所定時間ｓ２駆動して冷媒を攪拌する（Ｓ１５０）。ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４２を所定時間ｓ２駆動後、再度温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０を超えたので（Ｓ１６０，Ｎｏ）、タイマをリセットして（Ｓ１７０）、再度タイマをスタートさせる（Ｓ１００、時刻ｔ２）。

また、再度温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下になると（Ｓ１２０，Ｙｅｓ、時刻ｔ３）、ウォータポンプ４２を所定時間（ｓ２＋α）駆動して冷媒を攪拌する（Ｓ１５０）。そして、ウォータポンプ４２を所定時間（ｓ２＋α）駆動後、再度温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０を超えると（Ｓ１６０，Ｎｏ）、タイマをリセットして（Ｓ１７０）、再度タイマをスタートさせる（Ｓ１００、時刻ｔ４）。

そして、再び、温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下になると（Ｓ１２０，Ｙｅｓ、時刻ｔ５）、ウォータポンプ４２を所定時間（ｓ２＋２α）駆動して冷媒を攪拌する（Ｓ１５０）。そして、所定時間（ｓ２＋２α）駆動後の温度Ｔ１が掃気実施閾値Ｔ０以下であるので（Ｓ１６０，Ｙｅｓ）、冷媒の温度が均一化したと判断されて、掃気が実施される（Ｓ１８０）。

このように、図５に示す実施形態によれば、前記した実施形態の効果に加えて、温度センサ６２の部分の冷媒と、その他の部分の冷媒との温度差が小さい状況であっても、ウォータポンプ４２の駆動時間を長くするので、冷媒の温度を均一化することが可能になり、燃料電池１０自体がより低温となるまで掃気を遅らせることが可能になる。

なお、本実施形態では、燃料電池１０の温度として、冷媒の温度Ｔ１、アノードの出口側の温度Ｔ２、カソードの出口側の温度Ｔ３を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、他の位置のガス温度（アノード側、カソード側）であってもよく、補機の温度で代替して検出してもよい。

また、本実施形態では、ウォータポンプ４２の駆動開始温度（Ｓ１２０）と、掃気実施温度（Ｓ１６０）とを、同じ温度（５℃）を例に挙げて説明したが、例えば、ウォータポンプ４２の駆動開始温度と１０℃とし、掃気実施温度を５℃として、異なる温度に設定してもよい。

また、本実施形態では、３つの温度センサ６２〜６４を適用した場合を例に挙げて説明したが、単一の温度センサ（例えば、冷媒の温度Ｔ１）を適用して、掃気実施時期を判断してもよい。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける掃気制御を示すフローチャートである。 温度変化に応じたウォータポンプの制御と掃気判断を示すタイムチャートである。 （ａ）は燃料電池内の温度とＭＥＡの生成水含有率との関係を示すグラフ、（ｂ）は掃気時の燃料電池の温度と発電停止後の燃料電池内の結露水発生量との関係を示すグラフである。 本実施形態における別の掃気制御を示すフローチャートである。 別の掃気制御における温度変化に応じたウォータポンプの制御と掃気判断を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
３１ エアコンプレッサ（掃気手段）
４２ ウォータポンプ（冷媒循環手段）
５１ 蓄電装置
５２ 残容量センサ（残容量検出手段）
５５ エア導入配管（掃気手段）
５６ エア導入弁（掃気手段）
６１ ＥＣＵ（掃気実行判定手段）
６２〜６４ 温度センサ（燃料電池温度検出手段）

Claims (8)

1. 反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の内部を流通する冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
   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、
   前記燃料電池の内部に掃気ガスを導入して掃気制御を行う掃気手段と、
   前記燃料電池の温度が所定閾値以下となったときに掃気実行判定を行う掃気実行判定手段と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に前記冷媒循環手段を所定時間駆動させ、駆動完了状態においても前記燃料電池の温度が前記所定閾値以下である場合には掃気を実行することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池温度検出手段を複数有し、いずれかの燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に前記冷媒循環手段を所定時間駆動させ、駆動完了状態においても、いずれかの前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下である場合には掃気を実行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. 前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に駆動される前記冷媒循環手段の駆動時間を、駆動を繰り返す毎に長くすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記掃気手段および前記冷媒循環手段に電力を供給する蓄電装置と、
   前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段と、を備え、
   前記蓄電装置の残容量が前記掃気手段による掃気に必要な電力以下になると予測される場合には、前記駆動完了状態において前記燃料電池の温度が所定閾値以下とならない場合でも掃気を実行することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池の内部を流通する冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
   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、
   前記燃料電池の内部に掃気ガスを導入して掃気制御を行う掃気手段と、を備え、
   前記燃料電池の温度が所定閾値以下になったときに掃気実行判定を行う燃料電池システムの運転方法において、
   前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に前記冷媒循環手段を所定時間駆動させるステップと、
   駆動完了状態においても前記燃料電池の温度が前記所定閾値以下である場合には掃気を実行するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
6. 前記燃料電池温度検出手段を複数有し、
   いずれかの燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に前記冷媒循環手段を所定時間駆動させるステップと、
   駆動完了状態においても、いずれかの前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下である場合には掃気を実行するステップと、を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。
7. 前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が所定閾値以下になった際に駆動される前記冷媒循環手段の駆動時間を、駆動を繰り返す毎に長くするステップを含むことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
8. 前記掃気手段および前記冷媒循環手段に電力を供給する蓄電装置と、
   前記蓄電装置の残容量を検出する残容量検出手段と、を備え、
   前記残容量が前記掃気手段による掃気に必要な電力以下になると予測される場合には、前記駆動完了状態において前記燃料電池の温度が所定閾値以下とならない場合でも掃気を実行するステップを含むことを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システムの運転方法。

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