JP2010055810A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】気液分離器の水分を適切に排出する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１０と、水素循環ラインと、気液分離器２５と、気液分離器２５に貯溜された水分を排出するドレン弁２６を含み、貯溜された水分を排出するドレン手段と、ドレン手段を制御するドレン制御手段と、ドレン弁２６の開弁要求があるか否か判定する開弁要求判定手段と、ドレン手段が凍結しているか否か推定する凍結推定手段と、前記ドレン手段が解氷したか否か判定するか解氷判定手段と、を備え、凍結推定手段が凍結していると推定した後において、解氷判定手段が解氷したと判定した場合、ドレン制御手段は、ドレン手段が凍結していないと推定される通常時に対して、水分の排出量を増加させる。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池スタック１０と、水素循環ラインと、気液分離器２５と、気液分離器２５に貯溜された水分を排出するドレン弁２６を含み、貯溜された水分を排出するドレン手段と、ドレン手段を制御するドレン制御手段と、ドレン弁２６の開弁要求があるか否か判定する開弁要求判定手段と、ドレン手段が凍結しているか否か推定する凍結推定手段と、前記ドレン手段が解氷したか否か判定するか解氷判定手段と、を備え、凍結推定手段が凍結していると推定した後において、解氷判定手段が解氷したと判定した場合、ドレン制御手段は、ドレン手段が凍結していないと推定される通常時に対して、水分の排出量を増加させる。
【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池を備える燃料電池システムが着目され、例えば、燃料電池車両に搭載される。
このような燃料電池が発電すると、そのカソードで水分（水蒸気）を生成し、その一部はアノードに透過するため、燃料電池のアノードから排出されるアノードオフガスは、多湿となる。また、このアノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が含まれる。
そこで、水素の利用効率を高めるべく、気液分離器によってアノードオフガスから水蒸気を分離した後、燃料電池の上流に戻して再供給し、水素を循環させる技術が提案されている（特許文献１参照）。
ところが、燃料電池及び気液分離器を備える燃料電池システムが、その停止中に低温環境下（例えば０℃未満）に曝されると、気液分離器や、これに貯溜された分離後の水分を排出するドレン弁、及び、これらを接続する配管等（ドレン手段）が凍結してしまい、次回起動時において、ドレン弁等が解氷するまで、気液分離器内の水分を排出することができず、気液分離器内の水分量は増加する。
そして、このように気液分離器内の水分量が増加している場合において、ドレン弁等が解氷した後、ドレン弁を通常に開弁したのみでは、気液分離器内の増加した水分を好適に排出できず、この水分が循環する水素と共に、燃料電池に供給される虞があり、発電性能が低下する虞がある。
そこで、本発明は、気液分離器の水分を適切に排出する燃料電池システムを提供することを課題とする。
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスを、前記燃料電池の上流に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環ラインと、前記燃料ガス循環ラインに設けられ、前記燃料オフガスに含まれる水分を分離し、分離した水分を貯溜する気液分離器と、前記気液分離器に貯溜された水分を排出するドレン弁を含み、当該貯溜された水分を排出するドレン手段と、前記ドレン手段を制御するドレン制御手段と、前記ドレン弁の開弁要求があるか否か判定する開弁要求判定手段と、前記開弁要求判定手段が前記ドレン弁の開弁要求があると判定した場合、前記ドレン手段が凍結しているか否か推定する凍結推定手段と、前記凍結推定手段が凍結していると推定した場合、前記ドレン手段が解氷したか否か判定する解氷判定手段と、を備え、前記凍結推定手段が凍結していると推定した後において、前記解氷判定手段が解氷したと判定した場合、前記ドレン制御手段は、前記ドレン手段が凍結していないと推定される通常時に対して、水分の排出量が増加するように前記ドレン手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、凍結推定手段が凍結していると判定した後において、解氷判定手段が解氷したと判定した場合、ドレン制御手段は、ドレン手段が凍結していないと推定される通常時に対して、水分の排出量が増加するようにドレン手段を制御する。具体的には、（１）ドレン弁の１回当たりの開弁における水分の排出量を増加させる方法と、（２）ドレン弁を開弁するインターバル（ドレン弁の閉弁時間）を短くする方法との少なくとも１つを採用できる。
これにより、今回のシステム起動からドレン手段の解氷前までにおける燃料電池スタックの発電により、気液分離器に貯溜する水分が増加していたとしても、ドレン手段による水分の排出量を増加させるので、気液分離器から水分を適切に排出できる。したがって、気液分離器の水分が、循環する燃料ガスと共に、燃料電池に供給されにくくなり、水分によって燃料電池の発電性能が低下することを防止できる。
また、前記気液分離器を通流するガスの圧力を制御するガス圧力制御手段を備え、前記凍結推定手段が凍結していると推定した後において、前記解氷判定手段が解氷したと判定した場合、前記ガス圧力制御手段は、通常時に対して、前記気液分離器を通流するガスの圧力を高めることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、凍結推定手段が凍結していると推定した後において、解氷判定手段が解氷したと判定した場合、ガス圧力制御手段が、通常時に対して、気液分離器を通流するガスの圧力を高めるので、この圧力増加に基づいて、気液分離器から排出される水分の流量を増加できる。これにより、気液分離器内の水分を速やかに排出できる。
また、前記気液分離器に貯溜された水分の量が多いほど、前記ガス圧力制御手段は、ガスの圧力を高めることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、気液分離器に貯溜された水分の量が多いほど、ガス圧力制御手段がガスの圧力を高めるので、貯溜された水分をさらに適切に排出できる。
また、前記凍結推定手段が凍結していると推定した後において、前記解氷判定手段が解氷したと判定した場合、前記ドレン制御手段は、通常時に対して、前記ドレン弁の開弁時間を長くすることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、解氷判定手段が解氷したと判定した場合、ドレン制御手段が、通常時に対して、ドレン弁の開弁時間を長くするので、気液分離器からの水分の排出量を増加できる。
また、前記気液分離器に貯溜された水分の量が多いほど、前記ドレン制御手段は、前記ドレン弁の開弁時間を長くすることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、気液分離器に貯溜された水分の量が多いほど、ドレン制御手段が、前記ドレン弁の開弁時間を長くするので、貯溜された水分をさらに適切に排出できる。
また、前記凍結推定手段が凍結していると推定した場合において、前記解氷判定手段が解氷していないと判定したとき、前記ドレン制御手段は前記ドレン弁を開弁しないことを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、凍結推定手段が凍結している推定した場合において、解氷判定手段が解氷していないと判定したとき、ドレン制御手段はドレン弁を開弁しないので、ドレン弁を含むドレン手段が凍結している状態で、ドレン弁が開弁制御されることはない。すなわち、凍結状態のドレン弁が開弁制御されることはなく、ドレン弁が故障することもない。
また、前記凍結推定手段が凍結していると推定し、前記解氷判定手段が解氷したと判定した後、前記ドレン手段により前記気液分離手段から所定量の水分が排出された場合、前記ドレン制御手段は、前記ドレン手段を通常に制御することを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、ドレン手段により気液分離手段から所定量の水分が排出された場合、ドレン制御手段が、ドレン弁を含むドレン手段を通常に制御する。
これにより、ドレン手段の作動エネルギ（後記する実施形態ではドレン弁の消費電力）を削減すると共に、過剰なドレン弁の開弁による水素の排出を防止できる。
これにより、ドレン手段の作動エネルギ（後記する実施形態ではドレン弁の消費電力）を削減すると共に、過剰なドレン弁の開弁による水素の排出を防止できる。
本発明によれば、気液分離器の水分を適切に排出する燃料電池システムを提供する。
本発明の一実施形態について、図１から図４を参照して説明する。
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、掃気時に掃気ガスをアノード系に導入する掃気ガス導入系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、ＩＧ６１と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、掃気時に掃気ガスをアノード系に導入する掃気ガス導入系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費する電力消費系と、ＩＧ６１と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１２（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セル１１の積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セル１１の面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ５１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
＜アノード系＞
アノード系は、水素が高圧で封入された水素タンク２１（燃料ガス源）と、常閉型の遮断弁２２と、減圧弁２３（レギュレータ）と、エゼクタ２４と、気液分離器２５と、ドレン弁２６と、パージ弁２７と、掃気ガス排出弁２８と、圧力センサ２９Ａと、温度センサ２９Ｂとを備えている。
アノード系は、水素が高圧で封入された水素タンク２１（燃料ガス源）と、常閉型の遮断弁２２と、減圧弁２３（レギュレータ）と、エゼクタ２４と、気液分離器２５と、ドレン弁２６と、パージ弁２７と、掃気ガス排出弁２８と、圧力センサ２９Ａと、温度センサ２９Ｂとを備えている。
水素タンク２１は、水素が高圧で封入されたタンクであり、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、減圧弁２３、配管２３ａ、エゼクタ２４、配管２４ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ７０によって、遮断弁２２が開かれると、水素タンク２１の水素が配管２１ａ等を介してアノード流路１２に供給されるようになっている。
また、減圧弁２３には、コンプレッサ３１からカソード流路１３に向かう空気の圧力が、オリフィス２３ｃが設けられた配管２３ｂを介し、信号圧（パイロット圧力）として入力されるようになっている。そして、減圧弁２３は、入力された空気の圧力に基づいて、水素の圧力を制御する構成となっている。
さらに、配管２３ｂは、配管２３ｄを介して、インジェクタ２３ｅに接続されている。そして、インジェクタ２３ｅが、ＥＣＵ７０からの開指令（パルス信号（ＰＷＭ信号））に従って開くと、空気が外部に噴射され、配管２３ｄ及び配管２３ｂの圧力、つまり、減圧弁２３に入力されるパイロット圧力が下がるようになっている。
すなわち、ＥＣＵ７０が、インジェクタ２３ｅを制御（ＰＷＭ制御）することで、減圧弁２３に入力されるパイロット圧力が変化し、これにより、減圧弁２３の二次側圧力、つまり、気液分離器２５を通流するアノードオフガス（アノード流路１２における水素の圧力）が制御されるようになっている。
したがって、本実施形態において、気液分離器２５を通流するガスの圧力を制御するガス圧力制御手段は、減圧弁２３と、インジェクタ２３ｅと、ＥＣＵ７０とを備えて構成されている。ただし、ガス圧力制御手段の構成はこれに限定されず、例えば、その開度を自在に制御可能なバタフライ弁を使用して構成してもよい。
すなわち、ＥＣＵ７０が、インジェクタ２３ｅを制御（ＰＷＭ制御）することで、減圧弁２３に入力されるパイロット圧力が変化し、これにより、減圧弁２３の二次側圧力、つまり、気液分離器２５を通流するアノードオフガス（アノード流路１２における水素の圧力）が制御されるようになっている。
したがって、本実施形態において、気液分離器２５を通流するガスの圧力を制御するガス圧力制御手段は、減圧弁２３と、インジェクタ２３ｅと、ＥＣＵ７０とを備えて構成されている。ただし、ガス圧力制御手段の構成はこれに限定されず、例えば、その開度を自在に制御可能なバタフライ弁を使用して構成してもよい。
圧力センサ２９Ａは、アノード流路１２（気液分離器２５）におけるガスの圧力を検出可能なように、本実施形態では、アノード流路１２の上流の配管２４ａに取り付けられている。そして、圧力センサ２９Ａは、検出した圧力を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
ただし、圧力センサ２９Ａの位置はこれに限定されず、例えば、アノード流路１２の下流の配管２５ａに取り付けられた構成でもよい。
ただし、圧力センサ２９Ａの位置はこれに限定されず、例えば、アノード流路１２の下流の配管２５ａに取り付けられた構成でもよい。
アノード流路１２の出口は、配管２５ａ、気液分離器２５、配管２５ｂを介して、エゼクタ２４の吸込口に接続されている。そして、アノード流路１２（アノード）から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管２５ａ等を通って、燃料電池スタック１０の上流のエゼクタ２４に戻され、水素が循環するように構成されている。
すなわち、配管２５ａと配管２５ｂとで、水素循環ライン（燃料ガス循環ライン）が構成されており、この水素循環ラインに気液分離器２５が設けられている。
すなわち、配管２５ａと配管２５ｂとで、水素循環ライン（燃料ガス循環ライン）が構成されており、この水素循環ラインに気液分離器２５が設けられている。
気液分離器２５は、これに導入されるアノードオフガスから、アノードオフガスに含まれる水分（水蒸気、結露水）を分離し、分離した水分を一時的にその内部に貯溜するものである。気液分離器２５における気液分離方式は、例えば、気液分離器２５内において、アノードオフガスの流路断面積を急に増大させ、その流速を低下させることにより、水素に対して比重の大きい水分を分離する方式を採用できる。その他、低温冷媒が通流する冷却管を備え、この冷却管によりアノードオフガスを冷却し、水蒸気を分離する方式でもよい。
そして、水蒸気が分離されたアノードオフガスは、配管２５ｂを介して、エゼクタ２４に戻され、一方、分離（回収）された水分は、気液分離器２５の底部（タンク部）に一時的に貯溜されるようになっている。
気液分離器２５の底部は、配管２６ａ、常閉型のドレン弁２６、配管２６ｂを介して、後記する希釈器３４に接続されている。ドレン弁２６は、気液分離器２５に貯溜された水分を排出するための弁であり、ＥＣＵ７０（ドレン制御手段）によって開かれると、気液分離器２５の水分（貯溜水）が、配管２６ａ、ドレン弁２６、配管２６ｂを介して、希釈器３４に排出されるようになっている。
したがって、本実施形態において、気液分離器２５に貯溜された水分を排出するドレン機能部品（ドレン手段）は、気液分離器２５の底部（タンク部）と、配管２６ａと、ドレン弁２６と、配管２６ｂとを備えて構成されている。
したがって、本実施形態において、気液分離器２５に貯溜された水分を排出するドレン機能部品（ドレン手段）は、気液分離器２５の底部（タンク部）と、配管２６ａと、ドレン弁２６と、配管２６ｂとを備えて構成されている。
配管２５ｂの途中は、配管２７ａ、常閉型のパージ弁２７、配管２７ｂを介して、希釈器３４に接続されている。パージ弁２７は、燃料電池スタック１０の発電時において、配管２５ａ及び配管２５ｂを循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ７０によって開かれる弁である。
なお、ＥＣＵ７０は、タイマにより定期的にパージ弁２７を開くほか、例えば、単セル１１の電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セル１１の電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出される。
なお、ＥＣＵ７０は、タイマにより定期的にパージ弁２７を開くほか、例えば、単セル１１の電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２７を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セル１１の電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出される。
また、配管２７ａの接続位置よりも上流側の配管２５ｂは、配管２８ａ、常閉型の掃気ガス排出弁２８、配管２８ｂを介して、希釈器３４に接続されている。掃気ガス排出弁２８は、燃料電池スタック１０の掃気時、詳細には、アノード流路１２の掃気時に、コンプレッサ３１が作動した状態で、ＥＣＵ７０によって、後記する掃気ガス導入弁４１と共に開かれる設定となっている。
燃料電池スタック１０の掃気時とは、例えばシステム停止中において、温度センサ２９Ｂによって検出されるシステム温度Ｔ１１が所定温度未満であり、この後、燃料電池スタック１０内が凍結する虞のある時である。
そして、燃料電池スタック１０内が凍結する虞がある判定された場合、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動すると共に、掃気ガス導入弁４１及び掃気ガス排出弁２８を開き、コンプレッサ３１からの掃気ガスを、アノード流路１２及びカソード流路１３に押し込み、アノード流路１２等の水分（水蒸気、結露水等）を押し出し、燃料電池スタック１０を掃気するように設定されている。
そして、燃料電池スタック１０内が凍結する虞がある判定された場合、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動すると共に、掃気ガス導入弁４１及び掃気ガス排出弁２８を開き、コンプレッサ３１からの掃気ガスを、アノード流路１２及びカソード流路１３に押し込み、アノード流路１２等の水分（水蒸気、結露水等）を押し出し、燃料電池スタック１０を掃気するように設定されている。
温度センサ２９Ｂは、配管２５ａに取り付けられており、配管２５ａ内の温度を、システム温度Ｔ１１として検出するようになっている。そして、温度センサ２９Ｂは、検出したシステム温度Ｔ１１を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
ただし、温度センサ２９Ｂの位置はこれに限定されず、例えば、配管３３ａや、燃料電池スタック１０から排出された冷媒が通流する配管（図示しない）に設けられた構成でもよい。
ただし、温度センサ２９Ｂの位置はこれに限定されず、例えば、配管３３ａや、燃料電池スタック１０から排出された冷媒が通流する配管（図示しない）に設けられた構成でもよい。
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１と、背圧弁３３と、希釈器３４とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介してカソード流路１３の入口に接続されており、ＥＣＵ７０からの指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０を掃気する場合も作動し、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０や、燃料電池スタック１０の発電電力を充電するバッテリ５４を電源として作動する。その他、アノード系の遮断弁２２、ドレン弁２６、パージ弁２７及び掃気ガス排出弁２８、カソード系の背圧弁３３、後記する掃気ガス導入弁４１も、燃料電池スタック１０の発電停止中、バッテリ５４を電源として作動する。
カソード系は、コンプレッサ３１と、背圧弁３３と、希釈器３４とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介してカソード流路１３の入口に接続されており、ＥＣＵ７０からの指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、これをカソード流路１３に供給するようになっている。また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０を掃気する場合も作動し、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能するようになっている。
なお、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０や、燃料電池スタック１０の発電電力を充電するバッテリ５４を電源として作動する。その他、アノード系の遮断弁２２、ドレン弁２６、パージ弁２７及び掃気ガス排出弁２８、カソード系の背圧弁３３、後記する掃気ガス導入弁４１も、燃料電池スタック１０の発電停止中、バッテリ５４を電源として作動する。
配管３１ａには、カソード流路１３に向かう空気を加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分交換可能な中空糸膜を備えており、この中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、多湿のカソードオフガスとの間で水分交換するようになっている。なお、この加湿器をバイパスするようにバイパス配管（図示しない）が設けられており、燃料電池スタック１０の掃気時には、コンプレッサ３１からの掃気ガスが前記加湿器をバイパスするようになっている。
カソード流路１３の出口は、配管３３ａ、背圧弁３３、配管３３ｂを介して、希釈器３４に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出された多湿のカソードオフガスは、配管３３ａ等を介して希釈器３４に排出されるようになっている。
背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ７０によって制御される。
希釈器３４は、カソードオフガスによって、配管２７ｂからのアノードオフガス中の水素を希釈するものであり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管３４ａを介して、車外に排出されるようになっている。
背圧弁３３は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ７０によって制御される。
希釈器３４は、カソードオフガスによって、配管２７ｂからのアノードオフガス中の水素を希釈するものであり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管３４ａを介して、車外に排出されるようになっている。
＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系は、アノード流路１２の掃気時に、コンプレッサ３１からの掃気ガスをアノード系に導く系であり、掃気時にＥＣＵ７０により開かれる常閉型の掃気ガス導入弁４１を備えている。そして、掃気ガス導入弁４１の上流側は、配管４１ａを介して、配管３１ａに接続されており、掃気ガス導入弁４１の下流側は、配管４１ｂを介して配管２２ａに接続されている。
掃気ガス導入系は、アノード流路１２の掃気時に、コンプレッサ３１からの掃気ガスをアノード系に導く系であり、掃気時にＥＣＵ７０により開かれる常閉型の掃気ガス導入弁４１を備えている。そして、掃気ガス導入弁４１の上流側は、配管４１ａを介して、配管３１ａに接続されており、掃気ガス導入弁４１の下流側は、配管４１ｂを介して配管２２ａに接続されている。
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ５１と、ＶＣＵ５２（Voltage Control Unit）と、出力検出器５３と、バッテリ５４とを備えている。そして、走行モータ５１は、ＶＣＵ５２、出力検出器５３を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されており、バッテリ５４はＶＣＵ５２に接続されている。
電力消費系は、走行モータ５１と、ＶＣＵ５２（Voltage Control Unit）と、出力検出器５３と、バッテリ５４とを備えている。そして、走行モータ５１は、ＶＣＵ５２、出力検出器５３を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されており、バッテリ５４はＶＣＵ５２に接続されている。
走行モータ５１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ５２は、ＥＣＵ７０から送られる指令電流に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御（制限）すると共に、バッテリ５４の充放電を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。つまり、ＶＣＵ５２が適宜に制御され、燃料電池スタック１０から電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
ＶＣＵ５２は、ＥＣＵ７０から送られる指令電流に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御（制限）すると共に、バッテリ５４の充放電を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。つまり、ＶＣＵ５２が適宜に制御され、燃料電池スタック１０から電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
出力検出器５３は、燃料電池スタック１０の現在の出力電流及び出力電圧を検出する機器であり、電流センサ及び電圧センサを備えており、電流センサ及び電圧センサは、適所に配置されている。そして、出力検出器５３は、現在の出力電流及び出力電圧を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
バッテリ５４は、例えば、リチウムイオン型の二次電池を複数備えており、燃料電池スタック１０の過剰電力や、走行モータ５１からの回生電力を充電したり、燃料電池スタック１０の不足電力をアシスト（補助）するものである。また、バッテリ５４は、燃料電池スタック１０の発電停止中において、コンプレッサ３１等の電源として機能している。なお、バッテリ５４とコンプレッサ３１等とを接続する電源ラインは省略している。
＜ＩＧ＞
ＩＧ６１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。そして、ＩＧ６１は、そのＯＮ信号（システムの起動信号）、ＯＦＦ信号（システムの停止信号）を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
ＩＧ６１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。そして、ＩＧ６１は、そのＯＮ信号（システムの起動信号）、ＯＦＦ信号（システムの停止信号）を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ７０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を適宜に制御するようになっている。
ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されている。そして、ＥＣＵ７０は、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を適宜に制御するようになっている。
＜ＥＣＵ−開弁要求判定機能＞
ＥＣＵ７０（開弁要求判定手段）は、ドレン弁２６の開弁要求があるか否か判定する機能を備えている。
ここで、ドレン弁２６の開弁要求は、例えば、ドレン機能部品が凍結していないと推定される通常時、ドレン機能部品が凍結していると推定される凍結時、凍結の推定後に解氷した解氷時のいずれにおいても、気液分離器２５の大きさ（貯溜可能な水分容積）、発電時に燃料電池スタック１０から排出される水分量等に基づいて設定された基準インターバル毎に発せられるように設定されている。
そして、ＥＣＵ７０は、この基準インターバル毎に、ドレン弁２６の開弁要求があると判定するように設定されている。
その他、気液分離器２５内に貯溜水の水位を検出する水位センサを設け、現在の水位がドレン弁２６を開弁するべき開弁水位以上である場合、ドレン弁２６の開弁要求があると判定する構成でもよい。
ＥＣＵ７０（開弁要求判定手段）は、ドレン弁２６の開弁要求があるか否か判定する機能を備えている。
ここで、ドレン弁２６の開弁要求は、例えば、ドレン機能部品が凍結していないと推定される通常時、ドレン機能部品が凍結していると推定される凍結時、凍結の推定後に解氷した解氷時のいずれにおいても、気液分離器２５の大きさ（貯溜可能な水分容積）、発電時に燃料電池スタック１０から排出される水分量等に基づいて設定された基準インターバル毎に発せられるように設定されている。
そして、ＥＣＵ７０は、この基準インターバル毎に、ドレン弁２６の開弁要求があると判定するように設定されている。
その他、気液分離器２５内に貯溜水の水位を検出する水位センサを設け、現在の水位がドレン弁２６を開弁するべき開弁水位以上である場合、ドレン弁２６の開弁要求があると判定する構成でもよい。
＜ＥＣＵ−凍結推定機能＞
ＥＣＵ７０（凍結推定手段）は、システム起動時において、ドレン機能部品が凍結しているか否か推定する機能を備えている。なお、ここでは、前回のシステム停止から今回のシステム起動までに、ドレン機能部品が凍結を経験している場合、システム起動時において、ドレン機能部品が凍結していると推定する。
具体的に例えば、（１）システム停止中におけるシステム温度Ｔ１１が、ドレン機能部品が凍結したと推定される凍結温度Ｔ２（例えば０℃）未満となった場合、（２）システム停止中に燃料電池スタック１０の掃気が実行された場合、（３）今回のシステム起動時において発電開始前のシステム温度Ｔ１１が凍結温度Ｔ３（例えば０℃）未満である場合、（４）今回システムが後記する低温起動した場合、ドレン機能部品は凍結を経験しており、現在に凍結していると推定するように設定されている。
ＥＣＵ７０（凍結推定手段）は、システム起動時において、ドレン機能部品が凍結しているか否か推定する機能を備えている。なお、ここでは、前回のシステム停止から今回のシステム起動までに、ドレン機能部品が凍結を経験している場合、システム起動時において、ドレン機能部品が凍結していると推定する。
具体的に例えば、（１）システム停止中におけるシステム温度Ｔ１１が、ドレン機能部品が凍結したと推定される凍結温度Ｔ２（例えば０℃）未満となった場合、（２）システム停止中に燃料電池スタック１０の掃気が実行された場合、（３）今回のシステム起動時において発電開始前のシステム温度Ｔ１１が凍結温度Ｔ３（例えば０℃）未満である場合、（４）今回システムが後記する低温起動した場合、ドレン機能部品は凍結を経験しており、現在に凍結していると推定するように設定されている。
＜ＥＣＵ−解氷判定機能＞
ＥＣＵ７０（解氷判定手段）は、ドレン機能部品が凍結していると推定した場合において、発電する燃料電池スタック１０の自己発熱や、外気等により、解氷したか否か判定する機能を備えている。
ＥＣＵ７０（解氷判定手段）は、ドレン機能部品が凍結していると推定した場合において、発電する燃料電池スタック１０の自己発熱や、外気等により、解氷したか否か判定する機能を備えている。
具体的に例えば、（１）温度センサ２９Ｂで検出されるシステム温度Ｔ１１（アノードオフガスの温度）が解氷したと推定される解氷温度Ｔ４（例えば２０℃）以上である場合、（２）今回起動における燃料電池スタック１０の通算発電時間が、燃料電池スタック１０の自己発熱により、解氷したと推定される解氷時間（例えば３分）経過した場合、（３）燃料電池スタック１０の積算発熱量が、解氷したと推定される解氷積算発熱量以上となった場合、（４）出力電圧及び出力電流に基づいて算出される燃料電池スタック１０の積算発電量が、解氷したと推定される解氷積算発電量以上となった場合、ドレン機能部品は解氷したと判定するように設定されている。
＜ＥＣＵ−ドレン制御機能＞
ＥＣＵ７０（ドレン制御手段）は、ドレン機能部品を構成する常閉型のドレン弁２６を適宜に開弁することで、気液分離器２５の水分の排出を制御するドレン制御機能を備えている。ただし、ドレン弁２６は、これを介して循環すべき水素が排出されないように、気液分離器２５内の水分が全て排出されないように制御される。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ドレン機能部品が凍結していないと推定される通常時は、通常ドレンを実行するように設定されている。通常ドレンを実行するとは、前記したドレン弁２６の開弁要求に対応して、ドレン弁２６を通常開弁時間にて開弁することを意味する。
ＥＣＵ７０（ドレン制御手段）は、ドレン機能部品を構成する常閉型のドレン弁２６を適宜に開弁することで、気液分離器２５の水分の排出を制御するドレン制御機能を備えている。ただし、ドレン弁２６は、これを介して循環すべき水素が排出されないように、気液分離器２５内の水分が全て排出されないように制御される。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ドレン機能部品が凍結していないと推定される通常時は、通常ドレンを実行するように設定されている。通常ドレンを実行するとは、前記したドレン弁２６の開弁要求に対応して、ドレン弁２６を通常開弁時間にて開弁することを意味する。
一方、ドレン機能部品が凍結していると推定され、未だ解氷していないと判定される場合、ＥＣＵ７０は、ドレン弁２６を開弁しないように設定されている。
そして、凍結の推定後、解氷したと判定される場合、ＥＣＵ７０は、解氷後ドレンを実行するように設定されている。解氷後ドレンを実行するとは、ドレン機能部品が凍結していない通常時に対して、気液分離器２５からの水分の排出量が増加するように制御することを意味する。
具体的には、（１）ドレン弁２６の１回当たりの開弁における水分の排出量を増加させる方法と、（２）ドレン弁２６を開弁するインターバル（ドレン弁２６の閉弁時間）を短くする方法との少なくとも１つを採用できる。
前記（１）の方法を実行するには、例えば、（ａ）通常時に対して、インジェクタ２３ｅの開弁時間を短く、又は、閉じたままとし、減圧弁２３に入力されるパイロット圧力、及び、減圧弁２３の二次側圧力（気液分離器２５を通流するガスの圧力）を高める方法、（ｂ）通常時に対して、ドレン弁２６の開弁時間を長くする方法、の少なくとも１つを採用できる。
この場合において、気液分離器２５に貯溜される水分の量が多いほど、気液分離器２５を通流するガスの圧力を増圧し、ドレン弁２６の開弁時間を長くする構成とすることが好ましい。そして、このような構成とすれば、気液分離器２５の水分を速やかに排出可能となる。
なお、圧力の増圧の程度、開弁時間の延長の程度は、事前試験等により求められた固定値としてもよいが、図２のマップを参照して、ＩＧ６１のＯＮ時（システム起動時）のシステム温度Ｔ１１に基づいて、システム温度Ｔ１１が低いほど、ドレン弁２６開弁時間を長くし、気液分離器２５を通流するガスの圧力（アノード圧力）を高める構成としてもよい。
これは、システム温度Ｔ１１が低いほど、システム停止中における結露水の量が多く、ドレン機能部品内で凍結していると推定される水分量が多く、解氷後において速やかに排出すべき水分量も多いと推定されるからである。
また、システム起動から解氷したと判定されるまでの時間が長く、燃料電池スタック１０の積算電流値が大きいほど、気液分離器２５に貯溜される水分の量は多くなるので、これに基づいて、増圧程度、開弁時間の延長程度を制御してもよい。その他、気液分離器２５内に水位センサを設け、貯溜された水分の水位に基づいて制御してもよい。
これは、システム温度Ｔ１１が低いほど、システム停止中における結露水の量が多く、ドレン機能部品内で凍結していると推定される水分量が多く、解氷後において速やかに排出すべき水分量も多いと推定されるからである。
また、システム起動から解氷したと判定されるまでの時間が長く、燃料電池スタック１０の積算電流値が大きいほど、気液分離器２５に貯溜される水分の量は多くなるので、これに基づいて、増圧程度、開弁時間の延長程度を制御してもよい。その他、気液分離器２５内に水位センサを設け、貯溜された水分の水位に基づいて制御してもよい。
次に、前記した（２）の方法を実行するには、通常時に設定されているドレン弁２６の開弁インターバル（開弁要求の基準インターバル）に代えて、開弁間隔（開弁要求）が短縮された解氷後開弁インターバルを使用する構成とすればよい。
この場合においても、例えば、図２と同様に、起動時のシステム温度Ｔ１１が低いほど、気液分離器２５に貯溜される水分の量が多くなるので、解氷後開弁インターバルを短くする構成としてもよい。
この場合においても、例えば、図２と同様に、起動時のシステム温度Ｔ１１が低いほど、気液分離器２５に貯溜される水分の量が多くなるので、解氷後開弁インターバルを短くする構成としてもよい。
＜ＥＣＵ−排出判定機能＞
ＥＣＵ７０（排出判定手段）は、ドレン機能部品が解氷し、解氷後ドレンを実行している場合において、気液分離器２５から、通常ドレンを実行可能な程度に、所定量の水分が排出されたか否か判定する機能を備えている。そして、所定量の水分が排出されたと判定した場合、ＥＣＵ７０（ドレン制御手段）は、通常ドレン制御に移行するように設定されている。
ＥＣＵ７０（排出判定手段）は、ドレン機能部品が解氷し、解氷後ドレンを実行している場合において、気液分離器２５から、通常ドレンを実行可能な程度に、所定量の水分が排出されたか否か判定する機能を備えている。そして、所定量の水分が排出されたと判定した場合、ＥＣＵ７０（ドレン制御手段）は、通常ドレン制御に移行するように設定されている。
なお、この場合において、気液分離器２５から排出された水分量は、例えば、ドレン弁２６の積算開弁時間と、圧力センサ２９Ａから入力される気液分離器２５内の圧力との積に基づいて算出される。この他、気液分離器２５内に水位センサを設けて、水位が所定水位となった場合、所定量の水分が排出されたと判定する構成としてもよい。
また、判定基準となる所定量は、事前試験等により求められた固定値としてもよいが、例えば、図２と同様に、起動時のシステム温度Ｔ１１が低く、解氷後に排出するべき水分量が多いと推定されるほど、多くなるに補正する構成としてもよい。
また、判定基準となる所定量は、事前試験等により求められた固定値としてもよいが、例えば、図２と同様に、起動時のシステム温度Ｔ１１が低く、解氷後に排出するべき水分量が多いと推定されるほど、多くなるに補正する構成としてもよい。
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作を説明する。
次に、燃料電池システム１の動作を説明する。
＜システム停止時＞
まず、図３を参照して、燃料電池システム１の停止時を説明する。
なお、ＩＧ６１がＯＦＦされると、このＯＦＦ信号を受信したＥＣＵ７０が、図３の処理を開始する。また、初期状態において、後記するフラグＡは０である。
まず、図３を参照して、燃料電池システム１の停止時を説明する。
なお、ＩＧ６１がＯＦＦされると、このＯＦＦ信号を受信したＥＣＵ７０が、図３の処理を開始する。また、初期状態において、後記するフラグＡは０である。
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。
具体的には、燃料電池スタック１０と出力検出器５３との間に設けられたコンタクタ（図示しない）をＯＦＦし、燃料電池スタック１０と走行モータ５１を含む外部回路とを電気的に遮断する。これと共に、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を閉じ、水素タンク２１からの水素供給を停止する。
具体的には、燃料電池スタック１０と出力検出器５３との間に設けられたコンタクタ（図示しない）をＯＦＦし、燃料電池スタック１０と走行モータ５１を含む外部回路とを電気的に遮断する。これと共に、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を閉じ、水素タンク２１からの水素供給を停止する。
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０を掃気する必要があるか否か判定する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、温度センサ２９Ｂから入力される現在のシステム温度Ｔ１１（燃料電池スタック１０の温度）が、所定温度Ｔ１未満であるか否かを判定する。所定温度Ｔ１は、燃料電池スタック１０内が、このままではこの後凍結する虞があると判断される温度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
具体的には、ＥＣＵ７０は、温度センサ２９Ｂから入力される現在のシステム温度Ｔ１１（燃料電池スタック１０の温度）が、所定温度Ｔ１未満であるか否かを判定する。所定温度Ｔ１は、燃料電池スタック１０内が、このままではこの後凍結する虞があると判断される温度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
システム温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１未満であり、燃料電池スタック１０を掃気する必要があると判定した場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０４に進む。一方、システム温度Ｔ１１が所定温度Ｔ１未満でなく、燃料電池スタック１０を掃気する必要がないと判定した場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０２の判定後、所定時間Δｔ１（例えば３０分〜１時間）経過したか否かを判定する。
所定時間Δｔ１経過したと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０２に進む。これにより、発電停止直後は、低温でなかったとしても（Ｓ１０２・Ｎｏ）、その後、所定時間Δｔ１経過毎（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２の判定処理が実行されるので、燃料電池スタック１０の凍結が防止される。
一方、所定時間Δｔ１経過していないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０３の判定を繰り返す。
所定時間Δｔ１経過したと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０２に進む。これにより、発電停止直後は、低温でなかったとしても（Ｓ１０２・Ｎｏ）、その後、所定時間Δｔ１経過毎（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２の判定処理が実行されるので、燃料電池スタック１０の凍結が防止される。
一方、所定時間Δｔ１経過していないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０３の判定を繰り返す。
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０を掃気する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動させると共に、掃気ガス導入弁４１、掃気ガス排出弁２８、及び、背圧弁３３を開き、コンプレッサ３１からの掃気ガスを、アノード流路１２及びカソード流路１３に導入し、アノード流路１２及びカソード流路１３に残留するガス（水素、空気等）や、水分（水蒸気、結露水等）を押し出し、燃料電池スタック１０を掃気する。このような燃料電池スタック１０の掃気は、例えば、事前試験等により求められた所定時間にて実行される。
ただし、アノード流路１２及びカソード流路１３を並行して掃気する方式に限定されず、例えば、カソード流路１３、アノード流路１２の順で掃気する方式でもよい。
具体的には、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動させると共に、掃気ガス導入弁４１、掃気ガス排出弁２８、及び、背圧弁３３を開き、コンプレッサ３１からの掃気ガスを、アノード流路１２及びカソード流路１３に導入し、アノード流路１２及びカソード流路１３に残留するガス（水素、空気等）や、水分（水蒸気、結露水等）を押し出し、燃料電池スタック１０を掃気する。このような燃料電池スタック１０の掃気は、例えば、事前試験等により求められた所定時間にて実行される。
ただし、アノード流路１２及びカソード流路１３を並行して掃気する方式に限定されず、例えば、カソード流路１３、アノード流路１２の順で掃気する方式でもよい。
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の掃気の実行の有無に対応したフラグＡに１を代入し、燃料電池スタック１０を掃気したことを記憶する。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドに進み、システム停止時の処理を終了する。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、エンドに進み、システム停止時の処理を終了する。
＜システム起動時＞
次に、図４を参照して、燃料電池システム１の起動時を説明する。
なお、ＩＧ６１がＯＮされると、このＯＮ信号を受信したＥＣＵ７０が図４の処理を開始する。また、ここでは、凍結していると推定されたドレン機能部品が解氷した場合において、ドレン弁２６の１回の開弁当たりにおける水分の排出量を増加させる構成を例示する。さらに、初期状態において、後記するフラグＢは０である。
次に、図４を参照して、燃料電池システム１の起動時を説明する。
なお、ＩＧ６１がＯＮされると、このＯＮ信号を受信したＥＣＵ７０が図４の処理を開始する。また、ここでは、凍結していると推定されたドレン機能部品が解氷した場合において、ドレン弁２６の１回の開弁当たりにおける水分の排出量を増加させる構成を例示する。さらに、初期状態において、後記するフラグＢは０である。
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、アノード流路１２を水素に、カソード流路１３を空気に、それぞれ置換する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を開くと共に、パージ弁２７を定期的に開き、アノード流路１２に水素を押し込む。これに並行して、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動させ、カソード流路１３に空気を押し込む。このような水素、空気への置換は、例えば、単セル１１のＯＣＶが所定ＯＣＶ以上となり、燃料電池スタック１０が発電可能となるまで継続される。
具体的には、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を開くと共に、パージ弁２７を定期的に開き、アノード流路１２に水素を押し込む。これに並行して、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動させ、カソード流路１３に空気を押し込む。このような水素、空気への置換は、例えば、単セル１１のＯＣＶが所定ＯＣＶ以上となり、燃料電池スタック１０が発電可能となるまで継続される。
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を低温起動するか否か判定する。ここで、低温起動とは、燃料電池スタック１０を早期に暖機するための起動方法である。具体的に例えば、ＩＧ６１のＯＮ時のシステム温度Ｔ１１が、低温起動するべき所定温度（例えば０℃）未満である場合や、フラグＡが１であり、システム停止時に燃料電池スタック１０が掃気されている場合、燃料電池スタック１０を早期に暖機するべく、低温起動する必要があると判断される。
低温起動する必要があると判定した場合（Ｓ２０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０３に進む。一方、低温起動する必要がないと判定した場合（Ｓ２０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０４に進む。
ステップＳ２０３において、ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を低温起動させつつ、燃料電池スタック１０の発電を開始する。
具体的に例えば、発電に伴う自己発熱量を増加させて、燃料電池スタック１０を早期に暖気するべく、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０４における通常起動よりも、大流量・高圧で、水素及び空気を供給すると共に、ＶＣＵ５２を制御して、燃料電池スタック１０から取り出す電流を大きくする。なお、燃料電池スタック１０の過剰電流は、例えば、バッテリ５４に充電される。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。
具体的に例えば、発電に伴う自己発熱量を増加させて、燃料電池スタック１０を早期に暖気するべく、ＥＣＵ７０は、ステップＳ２０４における通常起動よりも、大流量・高圧で、水素及び空気を供給すると共に、ＶＣＵ５２を制御して、燃料電池スタック１０から取り出す電流を大きくする。なお、燃料電池スタック１０の過剰電流は、例えば、バッテリ５４に充電される。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２０４において、ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を通常起動させつつ、燃料電池スタック１０の発電を開始する。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２０５において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の暖機が完了したか否か判定する。例えば、システム温度Ｔ１１が、事前試験等により求められた暖機完了温度以上である場合や、発電開始後に所定時間経過した場合、暖機は完了したと判定される。
燃料電池スタック１０の暖機は完了したと判定した場合（Ｓ２０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０６に進む。一方、燃料電池スタック１０の暖機は完了していないと判定した場合（Ｓ２０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０７に進む。
ステップＳ２０６において、ＥＣＵ７０は、燃料電池システム１を通常に制御する。通常に制御するとは、アクセル（図示しない）等からの発電要求量に応じて、水素、空気を供給し、燃料電池スタック１０を発電させることを意味する。
なお、ステップＳ２０５の判定結果が初めてＹｅｓとなった場合、ステップＳ２０６において、低温起動制御または通常起動制御から、通常制御に移行することになる。
その後、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０７に進む。
なお、ステップＳ２０５の判定結果が初めてＹｅｓとなった場合、ステップＳ２０６において、低温起動制御または通常起動制御から、通常制御に移行することになる。
その後、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０７に進む。
ステップＳ２０７において、ＥＣＵ７０は、ドレン弁２６の開弁要求があるか否か判定する。なお、ドレン弁２６の開弁要求は、前記したように、予め設定された基準インターバル毎に発せられている。
ドレン弁２６の開弁要求があると判定した場合（Ｓ２０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０８に進む。一方、ドレン弁２６の開弁要求がないと判定した場合（Ｓ２０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２０８において、ドレン機能部品（ドレン弁２６、配管２６ａ、２６ｂ等）が凍結しているか否か判定する。具体的には、前回のシステム停止から今回のシステム起動までに、ドレン機能部品が凍結を経験している場合、ドレン機能部品が現在凍結していると推定する。ドレン機能部品が凍結を経験しているか否かは、前記したように、例えば、フラグＡを参照して、システム停止中に燃料電池スタック１０の掃気が実行されている場合、凍結を経験していると判断される。
ドレン機能部品は凍結していると推定した場合（Ｓ２０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０９に進む。一方、ドレン機能部品は凍結していないと推定した場合（Ｓ２０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２１０に進む。
ステップＳ２１０において、ＥＣＵ７０は、通常ドレンを実行する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ドレン弁２６を通常の開弁時間にて開く。これにより、気液分離器２５に貯溜された水分は、配管２６ａ、ドレン弁２６、配管２６ｂを介して、希釈器３４に排出される。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。
具体的には、ＥＣＵ７０は、ドレン弁２６を通常の開弁時間にて開く。これにより、気液分離器２５に貯溜された水分は、配管２６ａ、ドレン弁２６、配管２６ｂを介して、希釈器３４に排出される。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２０９において、ＥＣＵ７０は、ドレン機能部品が解氷済みであるか否か判定する。ドレン機能部品が解氷済みであるか否かは、例えば、現在のシステム温度Ｔ１１が解氷温度Ｔ４以上である場合、解氷済みであると判定される。
ドレン機能部品は解氷済みであると判定した場合（Ｓ２０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２１１に進む。一方、ドレン機能部品は解氷済みでないと判定した場合（Ｓ２０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２１１において、ＥＣＵ７０は、ドレン機能部品の解氷後における水分排出の完了に対応するフラグＢが、１であるか否か判定する。
フラグＢが１であり、水分の排出が完了していると判定した場合（Ｓ２１１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２１０に進む。一方、フラグＢが１でなく（フラグＢが０である）、水分の排出が完了していないと判定した場合（Ｓ２１１・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２１２に進む。
ステップＳ２１２において、ＥＣＵ７０は、ドレン機能部品の解氷後のドレンを実行する。具体的に例えば、ＥＣＵ７０は、解氷後、気液分離器２５内に多量に溜まっていると推定される水分を速やかに排出するべく、ドレン弁２６の開弁時間を通常ドレン（Ｓ２１０）よりも長くしたり、インジェクタ２３ｅを制御して気液分離器２５を通流するガスの圧力を高めてドレン弁２６を開弁する。
ステップＳ２１３において、ＥＣＵ７０は、通常ドレンを実行可能であるか否か、つまり、解氷後ドレン（Ｓ２１２）の実行により、気液分離器２５の水分が排出され、通常ドレン（Ｓ２１０）に移行可能であるか否か判定する。
通常ドレンを実行可能であると判定した場合（Ｓ２１３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２１４に進む。一方、通常ドレンを実行可能でないと判定した場合（Ｓ２１３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０５に進む。
通常ドレンを実行可能であると判定した場合（Ｓ２１３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２１４に進む。一方、通常ドレンを実行可能でないと判定した場合（Ｓ２１３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ２０５に進む。
ステップＳ２１４において、ＥＣＵ７０は、フラグＢに１を代入し、通常ドレンを実行可能であることを記憶する。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進み、次回のステップＳ２１１における判定結果はＹｅｓとなり、通常ドレン（Ｓ２１０）に移行することになる。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ２０５に進み、次回のステップＳ２１１における判定結果はＹｅｓとなり、通常ドレン（Ｓ２１０）に移行することになる。
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
ドレン機能部品が凍結していると推定した場合において（Ｓ２０８・Ｙｅｓ）、ドレン機能部部品が未だ解氷していないとき（Ｓ２０９・Ｎｏ）、解氷後ドレン（Ｓ２１２）又は通常ドレン（Ｓ２１０）を実行しない、つまり、ドレン弁２６を開弁制御しないので、凍結状態のドレン弁２６が開弁されることはなく、これによる故障を防止できる。
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
ドレン機能部品が凍結していると推定した場合において（Ｓ２０８・Ｙｅｓ）、ドレン機能部部品が未だ解氷していないとき（Ｓ２０９・Ｎｏ）、解氷後ドレン（Ｓ２１２）又は通常ドレン（Ｓ２１０）を実行しない、つまり、ドレン弁２６を開弁制御しないので、凍結状態のドレン弁２６が開弁されることはなく、これによる故障を防止できる。
凍結していると推定された（Ｓ２０８・Ｙｅｓ）ドレン機能部品が解氷した場合（Ｓ２０９・Ｙｅｓ）、ドレン弁２６の開弁時間を長くしたり、ガス圧力を増圧し、水分の排出量を増加する解氷後ドレンを実行するので（Ｓ２１２）、気液分離器２５内に溜まっている水分を速やかに排出できる。これにより、気液分離器２５内の水分が、配管２５ｂ等を介して、アノード流路１２に供給されにくくなり、過剰な水分によって燃料電池スタック１０の発電性能が低下することを防止できる。
また、解氷後、所定量の水分が排出され、通常ドレンを実行可能になると（Ｓ２１３・Ｙｅｓ）、速やかに通常ドレン制御に移行するので（Ｓ２１１・Ｙｅｓ、Ｓ２１０）、ドレン弁２６が無駄に開弁されることはない。これにより、電磁式であるドレン弁２６の消費電力を削減し、バッテリ５４の残量を確保等しつつ、ドレン弁２６等を介して、循環させるべき水素が車外に排出されることを防止できる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
前記した実施形態では、凍結していると推定された（Ｓ２０８・Ｙｅｓ）ドレン機能部品が解氷した場合（Ｓ２０９・Ｙｅｓ）、ドレン弁２６の一回当たりの開弁における水分の排出量を増加させるべく、アノード圧力を増加したり、開弁時間を長くする解氷後ドレン（Ｓ２１２）を実行する構成を例示したが、次の構成でもよい。
ドレン機能部品が解氷した場合、気液分離器２５の水分の排出量を増加させるべく、ドレン弁２６が開弁するインターバル（ドレン弁２６の閉弁時間）を短く、つまり、開弁間隔（開弁要求）が短縮された解氷後開弁インターバルを使用し、ステップＳ２０７の判定結果がＹｅｓとなる回数を増加する構成でもよい。
ドレン機能部品が解氷した場合、気液分離器２５の水分の排出量を増加させるべく、ドレン弁２６が開弁するインターバル（ドレン弁２６の閉弁時間）を短く、つまり、開弁間隔（開弁要求）が短縮された解氷後開弁インターバルを使用し、ステップＳ２０７の判定結果がＹｅｓとなる回数を増加する構成でもよい。
前記した実施形態では、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１に、本発明を適用した場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システム、家庭用や業務用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに適用してもよい。
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１２ アノード流路（燃料ガス流路）
１３ カソード流路（酸化剤ガス流路）
２３ 減圧弁（ガス圧力制御手段）
２３ｅ インジェクタ（ガス圧力制御手段）
２５ 気液分離器（ドレン手段）
２５ａ、２５ｂ 配管（燃料ガス循環ライン）
２６ ドレン弁（ドレン手段）
２６ａ、２６ｂ 配管（ドレン手段）
７０ ＥＣＵ（ドレン制御手段、開弁要求判定手段、凍結推定手段、解氷判定手段、ガス圧力制御手段）
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
１２ アノード流路（燃料ガス流路）
１３ カソード流路（酸化剤ガス流路）
２３ 減圧弁（ガス圧力制御手段）
２３ｅ インジェクタ（ガス圧力制御手段）
２５ 気液分離器（ドレン手段）
２５ａ、２５ｂ 配管（燃料ガス循環ライン）
２６ ドレン弁（ドレン手段）
２６ａ、２６ｂ 配管（ドレン手段）
７０ ＥＣＵ（ドレン制御手段、開弁要求判定手段、凍結推定手段、解氷判定手段、ガス圧力制御手段）
Claims (7)
- 燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが、それぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスを、前記燃料電池の上流に戻し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環ラインと、
前記燃料ガス循環ラインに設けられ、前記燃料オフガスに含まれる水分を分離し、分離した水分を貯溜する気液分離器と、
前記気液分離器に貯溜された水分を排出するドレン弁を含み、当該貯溜された水分を排出するドレン手段と、
前記ドレン手段を制御するドレン制御手段と、
前記ドレン弁の開弁要求があるか否か判定する開弁要求判定手段と、
前記開弁要求判定手段が前記ドレン弁の開弁要求があると判定した場合、前記ドレン手段が凍結しているか否か推定する凍結推定手段と、
前記凍結推定手段が凍結していると推定した場合、前記ドレン手段が解氷したか否か判定する解氷判定手段と、
を備え、
前記凍結推定手段が凍結していると推定した後において、前記解氷判定手段が解氷したと判定した場合、前記ドレン制御手段は、前記ドレン手段が凍結していないと推定される通常時に対して、水分の排出量が増加するように前記ドレン手段を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記気液分離器を通流するガスの圧力を制御するガス圧力制御手段を備え、
前記凍結推定手段が凍結していると推定した後において、前記解氷判定手段が解氷したと判定した場合、前記ガス圧力制御手段は、通常時に対して、前記気液分離器を通流するガスの圧力を高める
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記気液分離器に貯溜された水分の量が多いほど、前記ガス圧力制御手段は、ガスの圧力を高める
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記凍結推定手段が凍結していると推定した後において、前記解氷判定手段が解氷したと判定した場合、前記ドレン制御手段は、通常時に対して、前記ドレン弁の開弁時間を長くする
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。 - 前記気液分離器に貯溜された水分の量が多いほど、前記ドレン制御手段は、前記ドレン弁の開弁時間を長くする
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。 - 前記凍結推定手段が凍結していると推定した場合において、前記解氷判定手段が解氷していないと判定したとき、前記ドレン制御手段は前記ドレン弁を開弁しない
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 前記凍結推定手段が凍結していると推定し、前記解氷判定手段が解氷したと判定した後、前記ドレン手段により前記気液分離手段から所定量の水分が排出された場合、前記ドレン制御手段は、前記ドレン手段を通常に制御する
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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