JP2011204447A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムを複雑化・大型化させることなく、システム内に滞留している流体を確実に排出することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】反応ガス流路と、反応ガスにより発電を行う燃料電池と、発電によって生成された流体を排出する流体排出流路と、燃料電池および反応ガス流路に滞留している流体を排出する掃気手段の実行可否を判断する掃気判断部６１を有する制御装置４５と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、燃料電池の発電が停止された際または停止後に、流体排出流路の温度を推定可能な流体排出流路温度推定部６２と、推定された温度に基づいて、燃料電池の発電停止後、流体排出流路が凍結するまでの時間を推定可能な流体排出流路凍結時間推定部６３と、をさらに有し、燃料電池の発電を停止してからの経過時間が、流体排出流路凍結時間推定部において推定された凍結時間を超えた際に、掃気判断部は掃気を実行する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来から、例えば車両に搭載される燃料電池として、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタック（以下、燃料電池という。）としたものが知られている。燃料電池自動車では、この燃料電池にアノードガスおよびカソードガスからなる反応ガスを供給することにより発電させ、この電力により車輪の駆動軸を回転させるためのモータを駆動することができるように構成されている。

具体的には、上述した燃料電池におけるアノード電極とセパレータとの間にアノードガス（燃料ガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間にカソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。

このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、例えば氷点下環境で使用される場合にいくつかの問題を抱えている。例えば、燃料電池システムの停止中に低温環境に曝されると、燃料電池を構成するＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の表面や内部において、残留した水分が凍結し、ＭＥＡの有効反応面積が狭くなるというおそれがある。このようにＭＥＡの有効反応面積が狭くなっている状態で、燃料電池のＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ：開回路電圧）が所定のＯＣＶ以上となったことにより、燃料電池の発電を許可し、発電を開始させてしまうと、ＭＥＡにおいてガス欠状態となり、燃料電池の発電性能および安定性が低下するという問題がある。

そこで、水分が凍結して反応ガスの流路を塞いでしまうのを防止するために、特許文献１では、メタノール添加路を備えた燃料電池装置が提案されている。具体的には、メタノール添加路は、燃料電池に供する燃料ガスを生成するための原燃料であるメタノールを貯留するメタノールタンクと、燃料電池から排出された酸化排ガスが導入される酸化排ガス路とを接続する流路である。このメタノール添加路を介して酸化排ガス路内にメタノールを供給することによって、酸化排ガス路内で凝縮する生成水にメタノールを混合することができるように構成されたものである。

また、特許文献２では、燃料電池スタックに、酸化剤ガスとして空気を供給する空気側供給流路に、燃料電池スタック内の酸化剤ガス流路との間を開閉する入口バルブが設けられるとともに、空気排出流路に設けた分岐路には、真空ポンプと真空容器が設けられた燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムでは、予め真空容器内を真空ポンプで減圧しておき、停止時に切り替えバルブを分岐路側に切り替えて、真空容器と燃料電池スタックを連通させて、酸化剤ガス流路内を減圧掃気し、酸化剤ガス流路内の残留水を水蒸気として排出するように構成されたものである。

特開平１０−２２３２４９号公報 特開２００８−９７９９３号公報

ところで、特許文献１では、メタノールが混合された凝縮水は融点が低下し、凍結開始温度を低下させることができるが、凝縮水は装置内に相変わらず残っているため、依然として凍結してしまうおそれがある。また、装置が複雑化するとともに大型化するという問題がある。
また、特許文献２では、酸化剤ガス流路内の残留水を排出することができるが、残留水を真空引きするための真空ポンプや真空容器が必要になり、こちらも装置が複雑化・大型化してしまうという問題がある。

そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、システムを複雑化・大型化させることなく、システム内に滞留している流体を確実に排出することができる燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスが流通する反応ガス流路（例えば、実施形態における反応ガス流路２０）と、前記反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）と、該燃料電池の発電によって生成された流体を排出する流体排出流路（例えば、実施形態における流体排出流路４０）と、前記燃料電池および前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給することで、前記燃料電池および前記反応ガス流路に滞留している前記流体を排出する掃気手段の実行可否を判断する掃気判断部（例えば、実施形態における掃気判断部６１）を有する制御装置（例えば、実施形態における制御装置４５）と、を備えた燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１０）であって、前記制御装置は、前記燃料電池の発電が停止された際または停止後に、前記流体排出流路の温度（例えば、実施形態における温度Ｃ１）を推定可能な流体排出流路温度推定部（例えば、実施形態における流体排出流路温度推定部６２）と、推定された前記温度に基づいて、前記燃料電池の発電停止後、前記流体排出流路が凍結するまでの時間（例えば、実施形態における凍結時間Ｔ１）を推定可能な流体排出流路凍結時間推定部（例えば、実施形態における流体排出流路凍結時間推定部６３）と、をさらに有し、前記燃料電池の発電を停止してからの経過時間が、前記流体排出流路凍結時間推定部において推定された前記凍結時間を超えた際に、前記掃気判断部は掃気を実行することを特徴としている。

請求項２に記載した発明は、前記制御装置は、前記流体排出流路が暖機されているか否かを判断する流体排出流路暖機判断部（例えば、実施形態における流体排出流路暖機判断部６４）をさらに備え、前記燃料電池の発電が停止された際または停止後に、前記流体排出流路暖機判断部において前記流体排出流路が暖機されていないと判断した場合に、前記燃料電池の発電を停止してからの経過時間が、前記流体排出流路凍結時間推定部において推定された前記凍結時間を超えた際に、前記掃気判断部は掃気を実行することを特徴としている。

請求項３に記載した発明は、前記流体排出流路暖機判断部は、前記燃料電池の電流積算値および起動時温度（例えば、実施形態における起動時温度Ｃ１１）に基づいて前記流体排出流路の暖機判断を行うことを特徴としている。

請求項４に記載した発明は、前記流体排出流路温度推定部は、前記燃料電池の電流積算値および起動時温度に基づいて前記流体排出流路の温度を推定することを特徴としている。

請求項５に記載した発明は、前記流体排出流路凍結時間推定部は、前記流体排出流路温度推定部において推定された前記流体排出流路の温度および外気条件に基づいて前記流体排出流路の凍結時間を推定することを特徴としている。

請求項６に記載した発明は、反応ガスが流通する反応ガス流路と、前記反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、該燃料電池の発電によって生成された流体を排出する流体排出流路と、前記燃料電池および前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給することで、前記燃料電池および前記反応ガス流路に滞留している前記流体を排出する掃気手段の実行可否を判断する掃気判断部を有する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記燃料電池の発電が停止された際または停止後に、前記流体排出流路の凍結時における前記燃料電池の温度（例えば、実施形態における温度Ｔ２）を推定可能な燃料電池温度推定部（例えば、実施形態における燃料電池温度推定部６５）をさらに有し、前記燃料電池の温度が、前記燃料電池温度推定部において推定された温度以下になった際に、前記掃気判断部は掃気を実行することを特徴としている。

請求項７に記載した発明は、前記制御装置は、前記流体排出流路が暖機されているか否かを判断する流体排出流路暖機判断部をさらに備え、前記燃料電池の発電が停止された際または停止後に、前記流体排出流路暖機判断部において前記流体排出流路が暖機されていないと判断した場合に、前記燃料電池の温度が、前記燃料電池温度推定部において推定された温度以下になった際に、前記掃気判断部は掃気を実行することを特徴としている。

請求項１に記載した発明によれば、流体排出流路の凍結が始まるまでの時間を推定し、燃料電池の発電を停止してからの経過時間が上記推定時間を超えると、燃料電池および反応ガス流路に反応ガスを供給し、燃料電池および反応ガス流路に滞留している流体を排出することができる。したがって、システムを複雑化・大型化させることなく、システム内に滞留している流体を確実に排出することができる。

請求項２に記載した発明によれば、流体排出流路が暖機されていない場合にのみ、流体排出流路の凍結が始まるまでの時間を推定し、燃料電池の発電を停止してからの経過時間が上記推定時間を超えると、掃気を行うように構成した。したがって、無駄な処理を減らすことにより、電力の消費を抑制することができる。

請求項３に記載した発明によれば、流体排出流路の暖機判断を精度良く行うことができる。したがって、燃料電池システム内に滞留した水が凍結するのを防止することができる。

請求項４に記載した発明によれば、流体排出流路の温度を精度良く推定することができる。したがって、燃料電池システム内に滞留した水を凍結する前に確実に排出することができる。

請求項５に記載した発明によれば、流体排出流路の凍結時間を精度良く推定することができる。したがって、燃料電池システム内に滞留した水を凍結する前に確実に排出することができる。

請求項６に記載した発明によれば、流体排出流路の凍結が始まる時の燃料電池の温度を推定し、燃料電池の温度が前記推定温度以下になったら、燃料電池および反応ガス流路に反応ガスを供給し、燃料電池および反応ガス流路に滞留している流体を排出することができる。したがって、システムを複雑化・大型化させることなく、システム内に滞留している流体を確実に排出することができる。

請求項７に記載した発明によれば、流体排出流路が暖機されていない場合にのみ、流体排出流路の凍結が始まる時の燃料電池の温度を推定し、燃料電池の温度が前記推定温度以下になったら、掃気を行うように構成した。したがって、無駄な処理を減らすことにより、電力の消費を抑制することができる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態における制御装置の概略ブロック図である。 本発明の第一実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すフローチャートである。 本発明の第一実施形態におけるパージガス排出配管の暖機状態を確認するために用いるグラフである。 本発明の第一実施形態における電流積算値とパージガス排出配管の推定温度との関係を示すグラフである。 本発明の第一実施形態におけるパージガス排出配管の推定温度と凍結時間との関係を示すグラフである。 本発明の第二実施形態における燃料電池システムの掃気方法を示すフローチャートである。 本発明の第二実施形態におけるパージガス排出配管の推定温度と燃料電池の温度との関係を示すグラフである。 本発明の第二実施形態における電流積算値と燃料電池のスタック温度およびパージガス排出配管の温度との関係を示すグラフである。

（第一実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合の説明をする。
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。ここで、本実施形態では、アノードガス供給配管２３、アノードオフガス排出配管３５、カソードガス供給配管２４およびカソードオフガス排出配管３８が反応ガス流路２０を構成している。

また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ２６を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。

また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で２本の配管が分岐して設けられており、一方はドレイン排出配管３６であり、他方はパージガス排出配管３７である。ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられている。また、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。ここで、本実施形態では、ドレイン排出配管３６およびパージガス排出配管３７が流体排出流路４０を構成している。

次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間には加湿器３９が架け渡して設けられている。加湿器３９によりカソードガスはカソードオフガスに含まれる水分の移動が行われ加湿されるようになっている。

また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、アノードガス供給配管２３におけるエゼクタ２６と燃料電池１１との間に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。

さらに、燃料電池１１にはスタック温度を検出可能な温度センサ４１が設けられている。また、燃料電池１１には、該燃料電池１１から出力される電流を検出可能な電流センサ４２が設けられている。この温度センサ４１および電流センサ４２からの検出結果（センサ出力）は、制御装置（ＥＣＵ）４５へ伝達され、その検出結果に基づいて、掃気実行などの各種制御（後に詳述する。）を行うことができるように構成されている。

図２は制御装置４５の概略ブロック図である。図２に示すように、制御装置４５は、燃料電池１１および反応ガス流路２０に例えば空気を供給することで、燃料電池１１および反応ガス流路２０に滞留している水を排出する掃気手段の実行可否を判断する掃気判断部６１と、燃料電池１１の発電が停止された際または停止後に、流体排出流路４０の温度Ｃ１を推定可能な流体排出流路温度推定部６２と、推定された温度Ｃ１に基づいて、燃料電池１１の発電停止後、流体排出流路４０が凍結し始めるまでの時間である凍結時間Ｔ１を推定可能な流体排出流路凍結時間推定部６３と、流体排出流路４０が暖機されているか否かを判断する流体排出流路暖機判断部６４と、燃料電池１１の発電が停止された際または停止後に、流体排出流路４０の凍結時における燃料電池１１の温度Ｔ２を推定可能な燃料電池温度推定部６５と、例えば燃料電池１１の発電が停止されてからの経過時間を計測可能な計時部６６と、燃料電池１１の起動後において電流センサ４２で検出された電流値を積算可能な電流積算部６７と、燃料電池１１の起動時の温度センサ４１で検出された温度などを記憶可能な温度記憶部６８と、外気温度や風速などの外気条件を検出可能な外気条件検出部６９と、燃料電池システム１０のシステム停止中の現在時刻カウント機能であるＲＴＣ（Ｒｅａｌ Ｔｉｍｅ Ｃｌｏｃｋ）を用いた制御を可能にするＲＴＣ制御部７０と、を有している。

なお、本実施形態に記載される「掃気」とは、一般的に低温時に実施する低温掃気であってもよく、パージガス排出配管３７に残留する液滴を排出させるパージ配管液滴除去掃気であってもよい。

また、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、電磁弁２５を制御して水素タンク３０から所定量の水素ガスを燃料電池１１に供給することができるようになっている。また、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ３３を駆動して所定量の空気を燃料電池１１に供給するとともに、背圧弁３４を制御してカソードガス流路２２への空気の供給圧力を調整できるように構成されている。

さらに、制御装置４５は、アノードガス供給配管２３およびアノードオフガス排出配管３５などを掃気する際に、掃気ガス導入配管５４の電磁弁５５を開閉制御して所定量の空気をアノード側へ供給することができるように構成されている。

（燃料電池システムの掃気方法）
次に、本実施形態における燃料電池システム１０の掃気方法について説明する。
図３は燃料電池システム１０の掃気方法を示すフローチャートである。
図３に示すように、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオンにした状態からフローチャートが始まる。

ステップＳ１１では、燃料電池システム１０を起動した時点での燃料電池１１の温度Ｃ１１を温度センサ４１にて検出し、その温度Ｃ１１を温度記憶部６８に記憶する。温度Ｃ１１を記憶したらステップＳ１２へ進む。

ステップＳ１２では、燃料電池１１にアノードガスおよびカソードガスを供給して発電を行い、ステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３では、燃料電池１１の発電中に生じる電流値を電流センサ４２で検出し、検出した電流値を電流積算部６７に記憶させるとともに、燃料電池システム１０起動時からの電流値を積算し、ステップＳ１４へ進む。

ステップＳ１４では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定し、イグニッションスイッチがオフにされた場合はステップＳ１５へ進み、オフにされていない場合はステップＳ１２へ戻り、電流値の積算を継続する。

ステップＳ１５では、イグニッションスイッチがオフにされたら、パージガス排出配管３７が暖機されているか否かを流体排出流路暖機判断部６４において判断する。パージガス排出配管３７の暖機判断が完了したらステップＳ１６へ進む。

ここで、パージガス排出配管３７の暖機が完了したか否かは、流体排出流路暖機判断部６４に記憶された図４に示すグラフに基づいて判断する。図４に示すように、パージガス排出配管３７の暖機が完了したか否かは燃料電池システム１０の起動時温度Ｃ１１と、燃料電池１１から発電された電流積算値と、から判定している。具体的には、領域Ａの範囲内のときはパージガス排出配管３７の暖機は完了していないと判定し、領域Ｂの範囲内のときはパージガス排出配管３７の暖機は完了したと判定する。起動時温度がｔ１２（例えば、０℃）を超えたときは電流積算値に関係なく暖機は完了したと判定する。起動温度がｔ１２以下のときは電流積算値に応じて暖機が完了したか否かを判定する。なお、起動温度がｔ１２以下で電流積算値が少ない場合は、生成水がほとんど発生していないため、暖機は完了したと判定するように構成されている。

ステップＳ１６では、ステップＳ１５でパージガス排出配管３７の暖機判断をしたが、その結果を判定し、パージガス排出配管３７の暖機が完了していない場合はステップＳ１７へ進み、暖気が完了している場合はステップＳ２３へ進む。

ステップＳ１７では、流体排出流路温度推定部６２において、パージガス排出配管３７の温度Ｃ１を推定し、ステップＳ１８へ進む。

ここで、パージガス排出配管３７の温度Ｃ１は、流体排出流路温度推定部６２に記憶された図５に示すグラフに基づいて推定する。図５に示すように、パージガス排出配管３７の推定温度Ｃ１は、燃料電池システム１０の起動時温度Ｃ１１と、燃料電池１１から発電された電流積算値と、から推定される。具体的には、電流積算値と推定温度Ｃ１とは略比例関係になっており、その関係は燃料電池システム１０の起動時温度Ｃ１１によって、関係を表す線分が変動する。例えば、電流積算値が同じ場合であっても、起動時温度Ｃ１１が低いと、起動時温度が高い場合に比べて、パージガス排出配管３７の温度Ｃ１は低いと推定されるように構成されている。

ステップＳ１８では、流体排出流路凍結時間推定部６３において、燃料電池１１の発電停止後、パージガス排出配管３７に残留した水分が凍結し始めるまでの時間である凍結時間Ｔ１を推定し、ステップＳ１９へ進む。

ここで、パージガス排出配管３７の凍結時間Ｔ１は、流体排出流路凍結時間推定部６３に記憶された図６に示すグラフに基づいて推定する。図６に示すように、パージガス排出配管３７の凍結時間Ｔ１は、ステップＳ１７で推定されたパージガス排出配管３７の推定温度Ｃ１と、外気条件と、から推定される。なお、外気条件は、外気条件検出部６９において、外気温度や風速などが検出可能に構成されている。具体的には、推定温度Ｃ１と凍結時間Ｔ１とは略比例関係になっており、その関係は外気条件によって、関係を表す線分が変動する。例えば、パージガス排出配管３７の推定温度Ｃ１が同じ場合であっても、例えば、外気温度が低く、風速が速い場合は、外気温度が高く、風速が遅い場合に比べて、パージガス排出配管３７の凍結時間Ｔ１は短い（速い）と推定されるように構成されている。

ステップＳ１９では、パージガス排出配管３７の凍結時間Ｔ１が推定されたら、燃料電池シムテム１０を停止させて、ステップＳ２０へ進む。

ステップＳ２０では、燃料電池システム１０が停止して、システム停止後放置状態になる。このとき、ＲＴＣ制御部７０が起動しており、燃料電池システム１０が停止してからの経過時間（システム停止後放置時間）を計時部６６において計時している。

ステップＳ２１では、システム停止後放置時間が、凍結時間Ｔ１を越えたか否かを判定し、システム停止後放置時間が凍結時間Ｔ１を越えた場合はステップＳ２２へ進み、まだ凍結時間Ｔ１を越えていない場合はステップＳ２０へ戻る。

ステップＳ２２では、掃気判断部６１において、パージガス排出配管３７に残留した水分が凍結し始めると推定された凍結時間Ｔ１を越えたため掃気が必要と判断し、掃気を実行する。掃気は一般的に低温時に実行するＲＴＣ掃気（例えば、反応ガス流路２０を順次掃気していき、ドレイン排出配管３６のドレイン弁５１およびパージガス排出配管３７のパージ弁５２を用いる掃気）を行ってもよいし、パージガス排出配管３７に残留した水分（液滴）の排出だけを目的としたパージガス排出配管液滴除去掃気を行ってもよい。掃気を実行したら、この処理を終了する。

一方、ステップＳ２３では、パージガス排出配管３７の暖機が完了していると判定されたため、燃料電池システム１０を停止して、ステップＳ２４へ進む。

ステップＳ２４では、燃料電池システム１０が停止して、システム停止後放置状態になる。このとき、ＲＴＣ制御部７０が起動しており、燃料電池システム１０が停止した後、予め設定された時間ごとに燃料電池１１のスタック温度を温度センサ４１によって検出している。

ステップＳ２５では、温度センサ４１で検出された燃料電池１１のスタック温度が、予め設定された所定温度（例えば、水の凍結温度０℃に対しマージンを持たせた温度として設定した５℃）よりも低くなったか否かを判定し、所定温度よりも低くなった場合はステップＳ２６へ進み、所定温度以上の場合はステップＳ２４へ戻る。

ステップＳ２６では、掃気判断部６１において、燃料電池１１のスタック温度が所定温度よりも低くなったため掃気が必要と判断し、掃気を実行する。掃気は一般的に低温時に実行するＲＴＣ掃気を行い、処理を終了する。

本実施形態によれば、パージガス排出配管３７の凍結が始まるまでの時間Ｔ１を推定し、燃料電池１１の発電を停止してからの経過時間が上記推定時間Ｔ１を超えると、燃料電池１１および反応ガス流路２０に反応ガス（例えば、空気）を供給し、燃料電池１１および反応ガス流路２０に滞留している流体（水分）を排出することができる。したがって、燃料電池システム１０を複雑化・大型化させることなく、燃料電池システム１０内に滞留している水分を確実に排出することができる。

また、パージガス排出配管３７（流体排出流路４０）が暖機されていない場合にのみ、パージガス排出配管３７の凍結が始まるまでの時間Ｔ１を推定し、燃料電池１１の発電を停止してからの経過時間が上記推定時間Ｔ１を超えると、掃気を行うように構成した。したがって、無駄な処理を減らすことにより、電力の消費を抑制することができる。

また、燃料電池１１の電流積算値および起動時温度Ｃ１１に基づいてパージガス排出配管３７の暖機判断を行うように構成したため、パージガス排出配管３７の暖機判断を精度良く行うことができる。したがって、燃料電池システム１０内に滞留した水が凍結するのを防止することができる。

また、燃料電池１１の電流積算値および起動時温度Ｃ１１に基づいてパージガス排出配管３７の温度Ｃ１を推定するように構成したため、パージガス排出配管３７の温度Ｃ１を精度良く推定することができる。したがって、燃料電池システム１０内に滞留した水を凍結する前に確実に排出することができる。

さらに、パージガス排出配管３７の推定温度Ｃ１および外気条件に基づいてパージガス排出配管３７の凍結時間Ｔ１を推定するように構成したため、パージガス排出配管３７の凍結時間Ｔ１を精度良く推定することができる。したがって、燃料電池システム１０内に滞留した水を凍結する前に確実に排出することができる。

（第二実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態を図７〜図９に基づいて説明する。なお、本実施形態は、第一実施形態と燃料電池システムの掃気方法のフローチャートが異なるのみであり、燃料電池システムの構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

（燃料電池システムの掃気方法）
図７は燃料電池システム１０の掃気方法を示すフローチャートである。
図７に示すように、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオンにした状態からフローチャートが始まる。

ステップＳ３１では、燃料電池システム１０を起動した時点での燃料電池１１の温度Ｃ１１を温度センサ４１にて検出し、その温度Ｃ１１を温度記憶部６８に記憶する。温度Ｃ１１を記憶したらステップＳ３２へ進む。

ステップＳ３２では、燃料電池１１にアノードガスおよびカソードガスを供給して発電を行い、ステップＳ３３へ進む。

ステップＳ３３では、上記第一実施形態のステップＳ１７と略同様に、流体排出流路温度推定部６２において、パージガス排出配管３７の温度Ｃ１を推定し、ステップＳ３４へ進む。なお、パージガス排出配管３７の温度Ｃ１は、流体排出流路温度推定部６２に記憶された図５に示すグラフに基づいて推定する。つまり、電流積算値は、燃料電池１１の発電に伴って大きくなっていくため、温度Ｃ１は発電に伴って高くなる。

ステップＳ３４では、イグニッションスイッチがオフにされたか否かを判定し、イグニッションスイッチがオフにされた場合はステップＳ３５へ進み、オフにされていない場合はステップＳ３２へ戻り、燃料電池１１の発電を継続する。

ステップＳ３５では、イグニッションスイッチがオフにされたら、パージガス排出配管３７が暖機されているか否かを流体排出流路暖機判断部６４において判断する。パージガス排出配管３７の暖機判断が完了したらステップＳ３６へ進む。なお、パージガス排出配管３７の暖機判断方法は、上記第一実施形態のステップＳ１５と略同一であり、流体排出流路暖機判断部６４に記憶された図４に示すグラフに基づいて判断する。

ステップＳ３６では、パージガス排出配管３７の暖機判断が完了したら、燃料電池シムテム１０を停止させて、ステップＳ３７へ進む。

ステップＳ３７では、ステップＳ３５でパージガス排出配管３７の暖機判断をしたが、その結果を判定し、パージガス排出配管３７の暖機が完了していない場合はステップＳ３８へ進み、暖気が完了している場合はステップＳ４２へ進む。

ステップＳ３８では、燃料電池温度推定部６５において、パージガス排出配管３７に残留した水分が凍結し始めると推定される時点における燃料電池１１の温度Ｔ２を推定し、ステップＳ３９へ進む。

ここで、燃料電池１１の温度Ｔ２は、燃料電池温度推定部６５に記憶された図８に示すグラフに基づいて推定する。図８に示すように、燃料電池１１の温度Ｔ２は、燃料電池システム１０の起動時温度Ｃ１１と、パージガス排出配管の推定温度Ｃ１と、から推定する。具体的には、燃料電池の温度Ｔ２と推定温度Ｃ１とは、推定温度Ｃ１が高くなるにつれて温度Ｔ２が低くなる関係を有している。また、この関係は、燃料電池システム１０の起動時温度Ｃ１１によって、関係を表す線分が変動する。例えば、パージガス排出配管の推定温度Ｃ１が同じ場合であっても、起動時温度Ｃ１１が低いと、起動時温度が高い場合に比べて、燃料電池１１の温度Ｔ２は高いと推定されるように構成されている。

なお、電流積算値と燃料電池１１のスタック温度およびパージガス排出配管３７の温度とは、それぞれ図９に示すような関係がある。図９に示すように、電流積算値が大きくなるにつれて、燃料電池１１のスタック温度は、初めは略比例するように温度が上昇し、徐々に上昇度合いが鈍くなっていくのに対して、パージガス排出配管３７の温度は、初めは上昇度合いが鈍く、途中からスタック温度と同様に温度が上昇し、また徐々に上昇度合いが鈍くなっていく。つまり、パージガス排出配管３７の温度は、燃料電池１１のスタック温度と比較して、昇温速度が遅いことが分かる。また、起動時温度Ｃ１１によっても関係曲線形状が異なる。具体的には、起動時温度Ｃ１１が低いほど、燃料電池システム１０を停止したときのパージガス排出配管３７の温度と燃料電池１１のスタック温度との温度差が大きくなることが分かる。このような関係に基づいて図８のグラフが作成される。

ステップＳ３９では、燃料電池システム１０が停止して、システム停止後放置状態になる。このとき、ＲＴＣ制御部７０が起動しており、燃料電池システム１０が停止した後、予め設定された時間ごとに燃料電池１１のスタック温度を温度センサ４１によって検出している。

ステップＳ４０では、温度センサ４１で検出された燃料電池１１のスタック温度が、ステップＳ３８で推定された温度Ｔ２よりも低くなったか否かを判定し、温度Ｔ２よりも低くなった場合はステップＳ４１へ進み、温度Ｔ２以上の場合はステップＳ３９へ戻る。

ステップＳ４１では、掃気判断部６１において、燃料電池１１の温度が、パージガス排出配管３７に残留した水分が凍結し始める時点における燃料電池１１の温度Ｔ２を下回ったため掃気が必要と判断し、掃気を実行する。掃気は一般的に低温時に実行するＲＴＣ掃気を行ってもよいし、パージガス排出配管３７に残留した水分（液滴）の排出だけを目的としたパージガス排出配管液滴除去掃気を行ってもよい。掃気を実行したら、この処理を終了する。

一方、ステップＳ４２では、パージガス排出配管３７の暖機が完了していると判定されたため、そのままシステム停止後放置状態が開始される。このとき、ＲＴＣ制御部７０が起動しており、燃料電池システム１０が停止した後、予め設定された時間ごとに燃料電池１１のスタック温度を温度センサ４１によって検出している。

ステップＳ４３では、温度センサ４１で検出された燃料電池１１のスタック温度が、予め設定された所定温度よりも低くなったか否かを判定し、所定温度よりも低くなった場合はステップＳ４４へ進み、所定温度以上の場合はステップＳ４２へ戻る。

ステップＳ４４では、掃気判断部６１において、燃料電池１１のスタック温度が所定温度よりも低くなったため掃気が必要と判断し、掃気を実行する。掃気は一般的に低温時に実行するＲＴＣ掃気を行い、処理を終了する。

本実施形態によれば、パージガス排出配管３７の凍結が始まる時の燃料電池１１の温度Ｔ２を推定し、燃料電池１１の温度が推定温度Ｔ２より低くなったら、燃料電池１１および反応ガス流路２０に反応ガス（例えば、空気）を供給し、燃料電池１１および反応ガス流路２０に滞留している流体（水分）を排出することができる。したがって、燃料電池システム１０を複雑化・大型化させることなく、燃料電池システム１０内に滞留している水分を確実に排出することができる。

また、パージガス排出配管３７（流体排出流路４０）が暖機されていない場合にのみ、パージガス排出配管３７の凍結が始まる時の燃料電池１１の温度Ｔ２を推定し、燃料電池１１の温度が推定温度Ｔ２より低くなったら、掃気を行うように構成した。したがって、無駄な処理を減らすことにより、電力の消費を抑制することができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態において、燃料電池１１の温度を検出する温度センサ４１を燃料電池１１に直接取り付けた場合の説明をしたが、温度センサ４１は例えばアノードオフガス排出配管３５に取り付けてもよい。また、温度センサは１箇所だけでなく、複数箇所に取り付けてもよく、その場合には、いずれかの温度を検出するようにしたり、各温度センサの平均値を求めるようにしたりしてもよい。

また、本実施形態では、パージガス排出配管の推定温度や凍結時間に基づいて掃気判断をする場合について説明したが、ドレイン排出配管の推定温度や凍結時間に基づいて掃気判断するようにしてもよい。

また、本実施形態では、掃気を実行する際に、カソードガス（空気）を供給する場合の説明をしたが、水分除去を目的とするのであればアノードガス（水素）を供給するように構成してもよい。

１０…燃料電池システム １１…燃料電池 ２０…反応ガス流路 ２３…アノードガス供給配管（反応ガス流路） ２４…カソードガス供給配管（反応ガス流路） ３５…アノードオフガス排出配管（反応ガス流路） ３６…ドレイン排出配管（流体排出流路） ３７…パージガス排出配管（流体排出流路） ３８…カソードオフガス排出配管（反応ガス流路） ４０…流体排出流路 ４５…制御装置 ６１…掃気判断部 ６２…流体排出流路温度推定部 ６３…流体排出流路凍結時間推定部 ６４…流体排出流路暖機判断部 ６５…燃料電池温度推定部 Ｃ１…流体排出流路の温度 Ｃ１１…起動時温度 Ｔ１…流体排出流路の凍結時間 Ｔ２…燃料電池の温度

Claims (7)

1. 反応ガスが流通する反応ガス流路と、
   前記反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、
   該燃料電池の発電によって生成された流体を排出する流体排出流路と、
   前記燃料電池および前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給することで、前記燃料電池および前記反応ガス流路に滞留している前記流体を排出する掃気手段の実行可否を判断する掃気判断部を有する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電が停止された際または停止後に、前記流体排出流路の温度を推定可能な流体排出流路温度推定部と、
   推定された前記温度に基づいて、前記燃料電池の発電停止後前記流体排出流路が凍結するまでの時間を推定可能な流体排出流路凍結時間推定部と、をさらに有し、
   前記燃料電池の発電を停止してからの経過時間が、前記流体排出流路凍結時間推定部において推定された前記凍結時間を超えた際に、前記掃気判断部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. 前記制御装置は、前記流体排出流路が暖機されているか否かを判断する流体排出流路暖機判断部をさらに備え、
   前記燃料電池の発電が停止された際または停止後に、前記流体排出流路暖機判断部において前記流体排出流路が暖機されていないと判断した場合に、
   前記燃料電池の発電を停止してからの経過時間が、前記流体排出流路凍結時間推定部において推定された前記凍結時間を超えた際に、前記掃気判断部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. 前記流体排出流路暖機判断部は、前記燃料電池の電流積算値および起動時温度に基づいて前記流体排出流路の暖機判断を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記流体排出流路温度推定部は、前記燃料電池の電流積算値および起動時温度に基づいて前記流体排出流路の温度を推定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記流体排出流路凍結時間推定部は、前記流体排出流路温度推定部において推定された前記流体排出流路の温度および外気条件に基づいて前記流体排出流路の凍結時間を推定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 反応ガスが流通する反応ガス流路と、
   前記反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、
   該燃料電池の発電によって生成された流体を排出する流体排出流路と、
   前記燃料電池および前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給することで、前記燃料電池および前記反応ガス流路に滞留している前記流体を排出する掃気手段の実行可否を判断する掃気判断部を有する制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の発電が停止された際または停止後に、前記流体排出流路の凍結時における前記燃料電池の温度を推定可能な燃料電池温度推定部をさらに有し、
   前記燃料電池の温度が、前記燃料電池温度推定部において推定された温度以下になった際に、前記掃気判断部は掃気を実行することを特徴とする燃料電池システム。
7. 前記制御装置は、前記流体排出流路が暖機されているか否かを判断する流体排出流路暖機判断部をさらに備え、
   前記燃料電池の発電が停止された際または停止後に、前記流体排出流路暖機判断部において前記流体排出流路が暖機されていないと判断した場合に、
   前記燃料電池の温度が、前記燃料電池温度推定部において推定された温度以下になった際に、前記掃気判断部は掃気を実行することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

Images