JP2021077559A - 燃料電池システム、及び燃料電池システムの低温動作方法 - Google Patents

燃料電池システム、及び燃料電池システムの低温動作方法 Download PDF

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Abstract

【課題】気液分離部が凍結している場合に、アノードオフガスを良好に排出できる燃料電池システム及び燃料電池システムの低温動作方法を提供する。
【解決手段】燃料電池車両１１において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、循環回路５７と、気液分離器５６と、パージ路４６と、パージ弁４６ａと、ＥＣＵ７２とを備える。燃料電池システム１０の低温動作方法においてＥＣＵ７２は、燃料電池システム１０の起動後に、気液分離器５６の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理ステップを行い、気液分離器５６の凍結を判定した場合に、パージ弁４６ａを直ちに所定時間開放する凍結確定処理ステップを行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスの水を分離する気液分離部を備えた燃料電池システム、及び燃料電池システムの低温動作方法に関する。
燃料電池システムは、アノードガス（水素等の燃料ガス）及びカソードガス（酸素等の酸化剤ガス）の反応により発電を行う燃料電池スタック、アノードガスを流通させるアノード系装置、及びカソードガスを流通させるカソード系装置を備える。
特許文献１に開示されているように、アノード系装置は、燃料電池スタックの発電で使用したアノードオフガスを、アノードガスを供給するアノード供給路に循環させる循環回路を形成している。循環回路には、アノードオフガスから水（発電により生じた生成水）を分離する気液分離部が設けられ、また気液分離部には分離した液水及びアノードオフガスの一部を排出するドレイン路が連結されている。
特開２０１７−１６８３６９号公報
ところで、アノード系装置は、周辺環境が低温になって気液分離部内の液水が凍結することで、ドレイン路から液水及び窒素を含むアノードオフガスが排出されなくなる。特に、燃料電池システムは、運転の停止時に燃料電池スタックや気液分離部の水を排出する掃気処理を行っても、外乱によって気液分離部に液水が溜まることがあり、この水が凍結する可能性がある。
燃料電池システムは、気液分離部が凍結すると、燃料電池スタックの発電時にアノード系装置の循環回路において、気液分離部のドレイン路から液水及び窒素を含むアノードオフガスが排出されなくなり、窒素を含むアノードオフガスが燃料電池スタックに供給されるため、燃料電池スタック内の窒素濃度が上がり、水素濃度が低下する。これにより燃料電池スタックは、セル電圧が低下し、また場合によっては発電停止に至る。
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、気液分離部の凍結又は非凍結を判定し、気液分離部が凍結している場合に、アノードオフガスを良好に排出できる燃料電池システム、及び燃料電池システムの低温動作方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給し且つ前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを循環させる循環回路と、前記循環回路に設けられ、前記燃料電池スタックに連通し、当該燃料電池スタックから排出される前記アノードオフガスに含まれる液水を分離し、ドレイン路を介して前記液水と共に前記アノードオフガスを排出する気液分離部と、前記循環回路に設けられ前記アノードオフガスを排出するパージ路と、前記パージ路を開閉するパージ弁と、前記パージ弁の動作を制御する制御部とを備える燃料電池システムであって、前記制御部は、当該燃料電池システムの起動後に、前記気液分離部の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理を行い、前記気液分離部の凍結を判定した場合に、前記パージ弁を直ちに所定時間開放する。
また前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給し且つ前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを循環させる循環回路と、前記循環回路に設けられ、前記燃料電池スタックに連通し、当該燃料電池スタックから排出される前記アノードオフガスに含まれる液水を分離し、ドレイン路を介して前記液水と共に前記アノードオフガスを排出する気液分離部と、前記循環回路に設けられ前記アノードオフガスを排出するパージ路と、前記パージ路を開閉するパージ弁とを備える燃料電池システムの低温動作方法であって、当該燃料電池システムの起動後に、前記気液分離部の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理ステップと、前記凍結判定処理ステップにより前記気液分離部の凍結を判定した場合に、前記パージ弁を直ちに所定時間開放する凍結確定処理ステップとを有する。
上記の燃料電池システム、及び燃料電池システムの低温動作方法は、気液分離部の凍結又は非凍結を判定し、気液分離部が凍結している場合に、アノードオフガスを良好に排出できる。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 燃料電池システムのＥＣＵの機能ブロック図である。 燃料電池システムの凍結判定処理、凍結確定処理及び解凍判定処理の一例を示すタイミングチャートである。 燃料電池システムの低温動作方法における凍結判定処理の一例を示すフローチャートである。 燃料電池システムの低温動作方法における凍結確定処理の一例を示すフローチャートである。 燃料電池システムの低温動作方法における解凍判定処理の一例を示すフローチャートである。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２、アノード系装置１４、カソード系装置１６及び冷却装置１８を備える。この燃料電池システム１０は、燃料電池車両１１（燃料電池自動車、以下単に車両１１という）のモータルームに搭載されて、燃料電池スタック１２の発電電力をバッテリＢｔや走行用モータＭｔ等に供給して車両１１を走行させる。
燃料電池スタック１２は、アノードガス（水素等の燃料ガス）とカソードガス（エア等の酸化剤ガス）の電気化学反応により発電を行う発電セル２０を複数備える。複数の発電セル２０は、燃料電池スタック１２を車両１１に搭載した状態で、電極面を立位姿勢にして車幅方向に沿って積層された積層体２１を構成している。なお、複数の発電セル２０は、車両１１の車長方向（前後方向）や重力方向に積層されていてもよい。
各発電セル２０は、電解質膜・電極構造体２２（以下、「ＭＥＡ２２」という）と、ＭＥＡ２２を挟持する一対のセパレータ２４（第１及び第２セパレータ２４ａ、２４ｂ）とで構成される。ＭＥＡ２２は、電解質膜２６（例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜））と、電解質膜２６の一方の面に設けられたアノード電極２８と、電解質膜２６の他方の面に設けられたカソード電極３０とを有する。第１及び第２セパレータ２４ａ、２４ｂは、ＭＥＡ２２と対向し合う面の各々に、アノードガスを流通させるアノードガス流路３２と、カソードガスを流通させるカソードガス流路３４とを形成する。また、複数の発電セル２０の積層により第１及び第２セパレータ２４ａ、２４ｂ同士が対向し合う面には、冷媒を流通させる冷媒流路３６が形成される。
さらに、燃料電池スタック１２は、アノードガス、カソードガス及び冷媒の各々を、積層体２１の積層方向に沿って流通させる図示しない複数の連通孔（アノードガス連通孔、カソードガス連通孔、冷媒連通孔）を備える。アノードガス連通孔はアノードガス流路３２に、カソードガス連通孔はカソードガス流路３４に、冷媒連通孔は冷媒流路３６に、それぞれ連通している。
燃料電池スタック１２には、アノード系装置１４によりアノードガスが供給される。燃料電池スタック１２内においてアノードガスは、アノードガス連通孔（アノードガス入口連通孔）を流通してアノードガス流路３２に流入し、アノード電極２８において発電に使用される。発電に使用されたアノードオフガス（未反応の水素を含む）は、アノードガス流路３２からアノードガス連通孔（アノードガス出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２からアノード系装置１４に排出される。また燃料電池スタック１２内では、カソードガス流路３４に流入した窒素ガスを含むカソードガスが電解質膜２６を透過（クロスリーク）することで、アノードガス流路３２に窒素ガスが侵入する。すなわち、燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスは、未反応の水素ガスと窒素ガスを含んでいる。
また、燃料電池スタック１２には、カソード系装置１６によりカソードガスが供給される。燃料電池スタック１２内においてカソードガスは、カソードガス連通孔（カソードガス入口連通孔）を流通してカソードガス流路３４に流入し、カソード電極３０において発電に使用される。発電に使用されたカソードオフガスは、カソードガス流路３４からカソードガス連通孔（カソードガス出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２からカソード系装置１６に排出される。
さらに、燃料電池スタック１２には、冷却装置１８により冷媒が供給される。燃料電池スタック１２内において冷媒は、冷媒連通孔（冷媒入口連通孔）を流通して冷媒流路３６に流入し、発電セル２０を冷却する。発電セル２０を冷却した冷媒は、冷媒流路３６から冷媒連通孔（冷媒出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２から冷却装置１８に排出される。
また本実施形態に係る燃料電池スタック１２は、スタックケース内に積層体２１を収容している。積層体２１の積層方向両端には、図示しないターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレートが外方に向かって順に配置されている。エンドプレートは、各発電セル２０の積層方向に沿って締付荷重を付与する。
燃料電池システム１０のアノード系装置１４は、燃料電池スタック１２にアノードガスを供給するアノード供給路４０と、燃料電池スタック１２からアノードオフガスを排出するアノード排出路４２とを有する。また、アノード供給路４０とアノード排出路４２の間には、アノード排出路４２のアノードオフガスをアノード供給路４０に戻すためのアノード循環路４４が接続されている。このアノード循環路４４には、アノード系装置１４の循環回路５７からアノードオフガスを排出するパージ路４６が接続されている。
アノード供給路４０の一端（上流端）には、アノードガス（高圧水素ガス）を貯留するタンク４７が接続されている。タンク４７は、インタンク電磁弁（不図示）の開閉に基づきアノードガスをアノード供給路４０に流出する。
またアノード系装置１４のアノード供給路４０には、燃料電池スタック１２に供給するアノードガスの流量を調整するメインインジェクタ４８が設けられている。メインインジェクタ４８は、燃料電池システム１０の運転中に主に使用され、アノード供給路４０よりも上流側（高圧側）のアノードガスが所定の圧力となるように開閉動作して、下流側（低圧側）にアノードガスを噴出する。
アノード供給路４０のメインインジェクタ４８の下流側には、エジェクタ５２が設けられている。エジェクタ５２は、メインインジェクタ４８から噴出されたアノードガスの移動によって発生する負圧により、アノード循環路４４からアノードオフガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック１２にアノードガスを供給する。
またアノード供給路４０には、メインインジェクタ４８及びエジェクタ５２を跨いで供給用バイパス路５４が接続されている。この供給用バイパス路５４には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ５０が設けられている。ＢＰインジェクタ５０は、例えば、燃料電池スタック１２の高負荷発電が要求された際等に、供給用バイパス路５４の上流側（高圧側）のアノードガスが下流側（低圧側）において所定の圧力となるように開閉動作し、高負荷発電の要求値までアノードガスを昇圧させる。これによりアノード系装置１４は、高負荷発電時に、燃料電池スタック１２に高濃度な水素を供給する。
また、アノード排出路４２とアノード循環路４４の間には、アノードオフガスに含まれる液体（発電時の生成水）を、気体（水素ガス、窒素ガス等）から分離する気液分離器５６（気液分離部）が設けられる。すなわちアノード系装置１４は、燃料電池スタック１２、エジェクタ５２、エジェクタ５２の下流側のアノード供給路４０、アノード排出路４２、気液分離器５６及びアノード循環路４４により循環回路５７を形成している。
アノード循環路４４は、気液分離器５６の上部に接続され、液水が分離したアノードオフガスを流出させる。アノード循環路４４には、アノードオフガスをアノード供給路４０に循環させるアノードポンプ５８が設けられる。なお、アノードポンプ５８は設けられなくてもよい。
さらに、気液分離器５６の底部には、分離した液水を排出するドレイン路６０の一端が接続される。ドレイン路６０には、流路を開閉するドレイン弁６０ａが設けられる。またパージ路４６は、ドレイン路６０に接続されると共に、その途上に流路を開閉するパージ弁４６ａが設けられる。
またさらに、燃料電池システム１０は、周辺環境の温度を検出する温度センサ６２を有する。この温度センサ６２としては、アノード排出路４２に設けられアノードオフガスの温度を検出するアノード出口温度センサ６２ａ、車両１１の外気温を検出する外気温センサ６２ｂ等があげられる。
一方、燃料電池システム１０のカソード系装置１６は、燃料電池スタック１２にカソードガスを供給するカソード供給路６４と、燃料電池スタック１２からカソードオフガスを排出するカソード排出路６６とを有する。カソード系装置１６は、図示しないコンプレッサ、加湿器等の補機を備え、コンプレッサにより圧縮され且つ加湿器により加湿されたカソードガスを燃料電池スタック１２に供給する。カソード排出路６６の下流側には、アノード系装置１４のドレイン路６０の一端が接続されている。すなわち、燃料電池システム１０は、カソードオフガスによりアノードオフガスを希釈して車両１１の外部に排出する。
また、燃料電池システム１０の冷却装置１８は、燃料電池スタック１２に冷媒を供給する冷媒供給路６８と、燃料電池スタック１２から冷媒を排出する冷媒排出路７０とを有し、燃料電池スタック１２との間で冷媒を循環させる。
以上の燃料電池システム１０は、当該燃料電池システム１０の各構成の動作を制御して燃料電池スタック１２の発電を行うＥＣＵ７２（Electronic Control Unit：制御部）を有する。ＥＣＵ７２は、プロセッサ、メモリ及び入出力インタフェースを有するコンピュータ（マイクロコントローラを含む）に構成されている。
例えば、ＥＣＵ７２は、車両１１のユーザ（搭乗者）の操作下に動作を開始して、停止状態の燃料電池システム１０を起動させる。この起動後に、ＥＣＵ７２は、燃料電池スタック１２による発電（運転中発電）を行って、バッテリＢｔ及び走行用モータＭｔに発電電力を供給する。運転中発電において、ＥＣＵ７２は走行用モータＭｔを制御するモータＥＣＵの発電要求指令やバッテリＢｔの充電状態（ＳＯＣ）等に基づき、通常発電の他に、発電量を増加させる高負荷発電や発電量を低下させる低負荷発電等を実施する。またＥＣＵ７２は、車両１１の動作を終了する際に燃料電池スタック１２（燃料電池システム１０）の発電を停止する停止処理を実施する。
ここで、燃料電池システム１０は、車両１１の周辺環境が低温（例えば、氷点下以下）の場合に気液分離器５６内に残っている液水が凍結して、気液分離器５６の液水の排出箇所（ドレイン路６０も含む）が閉塞する可能性がある。特に、車両１１の起動時には、燃料電池スタック１２や補機が充分に暖気されていないため、気液分離器５６が凍結している可能性が高い。
このため、本実施形態に係るＥＣＵ７２は、起動時及び運転中発電の初期時に気液分離器５６の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理を行う。そして、凍結判定処理により気液分離器５６の凍結を判定した場合には、パージ弁４６ａを所定時間開放してアノード系装置１４の循環回路５７からアノードオフガスを排出する。なお、気液分離器５６が凍結していない場合（非凍結の場合）には、ドレイン弁６０ａを基本的に開閉し、さらにパージ弁４６ａの開閉を組み合わせた通常の運転中発電の制御を行う。
特に、ＥＣＵ７２は、凍結判定処理について、２段階（第１判定処理、第２判定処理）の判定手法を用いることで、気液分離器５６の凍結又は非凍結の判断精度を高めている。第１判定処理は、燃料電池システム１０の起動時に実施する凍結判定処理であり、第２判定処理は、燃料電池システム１０の運転中発電の初期時に実施する凍結判定処理である。ＥＣＵ７２は、メモリに記憶されているプログラム（不図示）をプロセッサが実行処理することで、凍結判定処理及び凍結時の制御を行う機能ブロックを構築する。
具体的には図２に示すように、ＥＣＵ７２内には、起動制御部７４、ドレイン弁駆動部７６、パージ弁駆動部７８及び運転中発電制御部８０が設けられる。また、ＥＣＵ７２は、凍結に関わる情報を記憶する車両状態記憶部８２をメモリの所定領域に構築する。
起動制御部７４は、車両１１の起動指令（ユーザのイグニッションスイッチやスタータスイッチのオン信号）に基づき、アノード系装置１４、カソード系装置１６及び冷却装置１８の各構成の動作を制御して燃料電池スタック１２を発電可能状態とする。アノード系装置１４は、起動時に、メインインジェクタ４８、各種の弁を開閉して燃料電池スタック１２にアノードガスを供給する。カソード系装置１６は、起動時に、エアポンプ１６ａ（図１参照）を回転すると共に、各種の弁を開閉して燃料電池スタック１２にカソードガスを供給する。このため起動時において図示しないバッテリＢｔの容量が一定以下の場合には、供給されたアノードガス及びカソードガスに基づき、燃料電池スタック１２が待機発電（充電）を実施する。この待機発電により燃料電池スタック１２の温度が上昇すると共に、燃料電池スタック１２の周辺に設けられる補機（気液分離器５６を含む）の温度が上昇して暖気される。
また図３に示すように、起動制御部７４は、車両起動時の初期において、基本的にパージ弁４６ａ、ドレイン弁６０ａを断続的に開弁する。燃料電池システム１０の停止（ソーク）状態及び待機発電時に生じる窒素を排出するためであり、また待機発電中は、気液分離器５６（及びその下方に位置するドレイン弁６０ａ）の凍結が確定していないので、アノードオフガスがドレイン路６０から排出される可能性がある。またパージ弁４６ａ及びドレイン弁６０ａの断続的な開放に合わせて、ＥＣＵ７２は、循環回路５７内の窒素濃度の演算を行う。
図２に戻り、起動制御部７４には、第１判定部７４ａが設けられ、第１判定部７４ａは、燃料電池システム１０の起動時に、気液分離器５６に凍結の可能性があるか否かを判定する第１判定処理を実施する。第１判定部７４ａは、以下の４つの条件（ａ）〜（ｄ）のうちいずれかが成立したことに基づき、気液分離器５６の凍結の可能性を判定する。
（ａ）燃料電池システム１０の周辺環境が所定の温度以下である。
（ｂ）前回の運転時に気液分離器５６が凍結していた又は気液分離器５６に凍結の可能性があった。
（ｃ）前回の運転時に燃料電池スタック１２内の液水を排出する掃気処理を実施した。
（ｄ）バッテリＢｔの取り外しがあった。
条件（ａ）は、燃料電池システム１０の周辺環境が低温の際に、気液分離器５６が凍結することから第１判定処理の条件としたものである。例えばＥＣＵ７２は、車両１１の外気温を検出する外気温センサ６２ｂ（温度センサ６２）の外気温情報Ｔｏを取得し、外気温情報Ｔｏが所定の外気温閾値（不図示）よりも低い場合に低温となることを判定する。或いはＥＣＵ７２は、車両１１の測位システム（不図示）によって取得した現在位置と、現在位置に応じた気温情報を外部から取得して判定を行ってもよい。
条件（ｂ）は、燃料電池システム１０の前回の運転において凍結があった場合に、今回の運転でも凍結の可能性があることから第１判定処理の条件としたものである。この場合、第１判定部７４ａは、車両状態記憶部８２に記憶されている前回運転凍結履歴８４を参照して前回運転の凍結の有無を判定する。例えば、前回運転凍結履歴８４はフラグ情報として記憶され、ＥＣＵ７２は、運転において、気液分離器５６の凍結を判定した、又は気液分離器５６の凍結の可能性を判定した場合にフラグを１とし、それ以外の場合にフラグを０とする。
条件（ｃ）は、燃料電池システム１０の前回の運転において掃気処理を実施した場合に低温環境下での起動が予測されていることから、第１判定処理の条件としたものである。掃気処理は、運転の停止処理時に、燃料電池スタック１２や気液分離器５６内にカソードガス（又はアノードガス）を供給して、気液分離器５６内の液水を強制的に外部に排出して凍結を予防するものである。第１判定部７４ａは、車両状態記憶部８２に記憶されている掃気履歴８６を参照して掃気処理の実施の有無を判定する。例えば、掃気履歴８６はフラグ情報として記憶され、ＥＣＵ７２は、運転の停止処理時に掃気処理を実施した場合にフラグを１とし、掃気処理を非実施の場合にフラグを０とする。
条件（ｄ）は、車両１１のメンテナンス等においてバッテリＢｔを車両１１から取り外すと、前回運転凍結履歴８４や掃気履歴８６が消去されることから、バッテリキャンセル履歴８８がある場合に第１判定処理の条件としたものである。例えば、バッテリキャンセル履歴８８はフラグ情報として記憶され、ＥＣＵ７２は、バッテリＢｔの再装着による電源回復に伴いフラグを１とし、各種の履歴が記憶された場合にフラグを０とするとよい。
第１判定部７４ａは、燃料電池システム１０の起動時に上記の条件（ａ）〜（ｄ）を確認し、いずれか１つでも成立した場合に気液分離器５６の凍結の可能性ありを判定する一方で、全て不成立の場合に気液分離器５６の凍結の可能性なしを判定する。条件（ａ）〜（ｄ）のいずれか１つの成立とは、気液分離器５６の凍結の可能性が僅かでもある場合と言える。この条件（ａ）〜（ｄ）を網羅することで、燃料電池システム１０の起動時に気液分離器５６に凍結が生じているにも関わらず、非凍結を判定してしまう可能性を大幅に下げることができる。なお、第１判定処理の実施タイミングは、後記の第２判定処理の実施前であれば特に限定されず、起動直後でもよく、待機発電の終了直前や運転中発電時の初期でもよい。
一方、ドレイン弁駆動部７６は、起動制御部７４や運転中発電制御部８０の動作指令に基づきドレイン弁６０ａの稼働状態（開閉）を制御する。同様に、パージ弁駆動部７８は、起動制御部７４や運転中発電制御部８０の動作指令に基づきパージ弁４６ａの稼働状態（開閉）を制御する。
運転中発電制御部８０は、燃料電池システム１０の起動（待機発電）の実施後に車両１１に走行許可を与えた際に、燃料電池システム１０の運転中発電を制御する機能部である。また、運転中発電制御部８０は、上記の第１判定処理によって気液分離器５６の凍結の可能性を判定した場合、さらに気液分離器５６の凍結又は非凍結を判定する第２判定処理を行う。このため、運転中発電制御部８０内には、凍結判定中処理部９０、凍結確定処理部９２、解凍判定処理部９４及び非凍結処理部９６が設けられる。
凍結判定中処理部９０は、第１判定部７４ａにより気液分離器５６の可能性ありと判定された場合に、第２判定処理により気液分離器５６の凍結を判定するまでの判定期間中に、燃料電池システム１０の各構成の動作を制御する。図３に示すように、凍結判定中処理部９０は、この判定期間中に、通常の運転中発電と同様に、パージ弁４６ａ及びドレイン弁６０ａを開閉させる。図３中の例では、パージ弁４６ａを一旦閉塞し、ドレイン弁６０ａを稼働（開閉）している。この判定期間中は気液分離器５６が凍結しているとはまだ言えないからである。なお、凍結判定中処理部９０は、判定期間中に通常の運転中発電と異なる制御（例えば、パージ弁４６ａの開閉を繰り返す等）を実施してもよい。
また、ＥＣＵ７２は、パージ弁４６ａ及びドレイン弁６０ａの開閉状態に基づき循環回路５７内の窒素濃度について演算を行う。この際、凍結判定中処理部９０は、パージ弁４６ａやドレイン弁６０ａの窒素濃度を測定し、窒素濃度が濃度閾値Ｎｃ（図３参照）を超えた場合にドレイン弁６０ａを断続的に開弁させる。なお、気液分離器５６が凍結している場合には、ドレイン弁６０ａに稼動指令を出しても開弁しないため、演算値に対して窒素濃度の実値が上昇して乖離していくことになる。
図２に戻り、凍結判定中処理部９０は、第２判定部９０ａにより気液分離器５６内の凍結又は非凍結を判定する第２判定処理を行う。第２判定処理において、第２判定部９０ａは、燃料電池スタック１２（複数の発電セル２０）のセル電圧に基づき気液分離器５６の凍結又は非凍結を判定する。このため、燃料電池システム１０は、発電セル２０の電圧を測定する電圧測定部９８を有する。電圧測定部９８は、積層体２１（複数の発電セル２０全体）の電圧であるセル全体電圧Ｖａを検出すると共に、積層体２１を構成する複数の発電セル２０のうち電圧が最も低い発電セル２０のセル電圧Ｖｓを検出し、各検出値をＥＣＵ７２に送信する。
第２判定部９０ａは、第２判定処理において、気液分離器５６のセル全体電圧Ｖａから積層体２１を構成する発電セル２０の数を除算することで単位発電セル当たりの電圧（セル平均電圧Ｖａｖｅ）を算出する（図３参照）。さらに第２判定部９０ａは、セル平均電圧Ｖａｖｅとセル電圧Ｖｓとを減算することで、セル電圧差ΔＶを算出する。
ここで、燃料電池スタック１２の積層体２１は、発電時に、端部セル側の温度が最も低くなる傾向にある。最も電圧が低い発電セル２０のセル電圧Ｖｓがセル平均電圧Ｖａｖｅに対して大きな開きがある状態とは、積層体２１の発電セル２０のいずれかが凍結しているために、その発電セル２０の発電電圧が低下したと言える。従って、時間経過に伴ってセル電圧差ΔＶが大きくなる場合とは、発電セル２０のいずれかが凍結していると見なすことができ、燃料電池スタック１２の外側近傍に配置されている気液分離器５６も当然に凍結していると見なせる。このことから第２判定部９０ａは、所定の凍結判定基準値ＳＶを保有しており、算出したセル電圧差ΔＶが凍結判定基準値ＳＶ以上となった場合に気液分離器５６の凍結を判定する。
さらに、第２判定部９０ａは、図２及び図３に示すように、アノード出口温度センサ６２ａのアノードオフガス温度情報Ｔａ及び判定期間に基づき気液分離器５６の凍結又は非凍結を判定する。具体的には、第２判定部９０ａは、凍結判定温度閾値Ｆｔ及び凍結判定時間閾値Ｆｓを有している。そして第２判定部９０ａは、凍結判定時間閾値Ｆｓ内においてアノードオフガス温度情報Ｔａが凍結判定温度閾値Ｆｔを下回っている場合に、凍結判定基準値ＳＶとセル電圧差ΔＶの比較を継続する。
その一方で、第２判定部９０ａは、アノードオフガス温度情報Ｔａが凍結判定温度閾値Ｆｔ以上となる、又は第２判定処理のカウント時間が凍結判定時間閾値Ｆｓ以上となる場合に、気液分離器５６の非凍結（凍結していたが解凍した場合も含む）を判定する。アノードオフガス温度情報Ｔａが凍結判定温度閾値Ｆｔ以上となった場合やカウント時間が凍結判定時間閾値Ｆｓ以上となった場合には、気液分離器５６の暖気が充分になされたと見なすことができる。
また、運転中発電制御部８０の凍結確定処理部９２は、第２判定部９０ａにおいて気液分離器５６の凍結を判定（確定）した場合に、循環回路５７の窒素濃度を低下させる処理を行う機能部である。凍結確定処理部９２は、パージ弁４６ａを所定時間強制的に開放させることで、循環回路５７から窒素ガスを含むアノードオフガスを排出する。このため、凍結確定処理部９２は、パージ弁４６ａの開放時間を規定したパージ時間閾値Ｐｔを有し、凍結確定後にパージ弁４６ａの強制開放時間をカウントする。そしてカウント時間がパージ時間閾値Ｐｔを超えた場合に強制開放を終了する。
パージ時間閾値Ｐｔは、循環回路５７の窒素ガスがアノードガスに置換される置換率について（０〜１００％の範囲で）所望の値となるように適宜設定されればよい。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、パージ時間閾値Ｐｔについて略１００％置換可能な時間に設定することで、循環回路５７の窒素ガスを水素ガスに完全に置換するまでアノードオフガスを排出させる。なお、循環回路５７の窒素濃度の置換状態（パージ時間閾値Ｐｔ）は、窒素濃度の演算、もしくは循環回路５７の圧力とパージ弁４６ａの排出最小径に基づく時間によって設定してもよい。また循環回路５７の窒素濃度の置換状態は、低下したセル電圧Ｖｓの回復量に基づき判断してもよい。パージ弁４６ａを連続的に開弁する所定時間（パージ時間閾値Ｐｔ）は、パージ弁４６ａの開弁により、窒素濃度が濃度閾値Ｎｃと略一致する時間、又はセル電圧Ｖｓをセル平均電圧Ｖａｖｅに略一致させるために要する時間によって設定してもよい。
また、凍結確定処理部９２は、カウント時間がパージ時間閾値Ｐｔを超えてパージ弁４６ａの強制開放が終了した後も、気液分離器５６の解凍を判定するまでは、パージ弁４６ａの開閉を実施する。これにより循環回路５７は窒素濃度の安定化が図られる。この際、凍結確定処理部９２は、凍結判定中処理部９０による制御と同様に、窒素濃度の演算値が濃度閾値Ｎｃを超えた場合に、パージ弁４６ａを所定時間開放させる処理を繰り返すとよい。
なお、凍結確定処理部９２は、凍結確定の処理中に、カソード系装置１６のカソードガスの供給量（カソードガス又はカソードオフガスの排出量）を増加させる制御を行うとよい。パージ路４６及びドレイン路６０は、カソード系装置１６のカソード排出路６６に連結されており、増加したカソードガスによりパージ路４６から排出するアノードオフガスの希釈を促進させることができる。例えば、凍結確定処理部９２は、凍結確定後、直ちにパージ弁４６ａを所定時間だけ開弁し、所定時間の開弁後、パージ弁４６ａを断続的に開弁させる。その際、パージ弁４６ａの開弁に対応してカソード系装置１６のエアポンプ１６ａの回転数を増加させる。
運転中発電制御部８０の解凍判定処理部９４は、気液分離器５６の凍結の判定後に、気液分離器５６の解凍を判定する機能部である。解凍判定処理部９４は、気液分離器５６の解凍について、アノード出口温度センサ６２ａのアノードオフガス温度情報Ｔａ及び経過時間に基づき判断する。解凍判定処理部９４は、アノードオフガス温度情報Ｔａと比較するための解凍判定温度閾値Ｄｔ、及び経過時間と比較するための解凍判定時間閾値Ｄｓを有している。
なお、解凍判定処理部９４による気液分離器５６の解凍判定は、燃料電池スタック１２から補機（気液分離器５６）への受熱量を演算し、演算した受熱量（解凍エネルギ）から判定してもよい。また、気液分離器５６の解凍を判定する手段は、アノードオフガス温度情報Ｔａに限らず、他の温度センサ６２の温度情報を用いてもよい。
一方、運転中発電制御部８０の非凍結処理部９６は、第２判定部９０ａにおいて気液分離器５６の非凍結を判定した場合に処理を行う機能部である。非凍結処理部９６は、運転中発電制御部８０の通常発電と同じ制御を実施するとよく、例えば、ドレイン弁６０ａの開閉を繰り返すことで循環回路５７のアノードオフガス（窒素ガス）を排出する。
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その動作（低温動作方法）について説明する。
燃料電池システム１０のＥＣＵ７２は、車両１１のユーザの開始操作に基づき燃料電池システム１０を起動し、起動後に運転中発電を行う。起動時に、ＥＣＵ７２（起動制御部７４）は、アノード系装置１４及びカソード系装置１６及び冷却装置１８を制御して燃料電池スタック１２の待機発電を実施する。待機発電後に車両１１を走行許可状態にすると、ＥＣＵ７２（運転中発電制御部８０）は、モータＥＣＵ等の発電要求指令に基づき運転中発電を実施する。
また、ＥＣＵ７２は、起動後に、気液分離器５６の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理（凍結判定処理ステップ）を実施する。そして、気液分離器５６の凍結を判定した場合には、パージ弁４６ａ及びドレイン弁６０ａを開閉する通常制御から凍結に対応した制御に持ち替えた処理を行う。具体的には図４に示すように、凍結判定処理では、燃料電池システム１０を起動して待機発電を実施している間に、第１判定部７４ａにより第１判定処理における気液分離器５６の凍結可能性の条件（ａ）〜（ｄ）が成立したか否かを判定する（ステップＳ１）。そして、第１判定処理において上記の条件（ａ）〜（ｄ）のうちいずれも成立していない場合（ステップＳ１：ＮＯ）には、ステップＳ２に進む。
第１判定処理で非凍結が判定された場合は、気液分離器５６の凍結可能性がない、つまり多様な条件で複合的に判定しても気液分離器５６が凍結していないと判断（確定）することができる。このためステップＳ２において、第１判定部７４ａは、気液分離器５６の非凍結の（例えば、前回運転凍結履歴８４を０とした）情報を車両状態記憶部８２に記憶する。そして、ＥＣＵ７２は、起動制御部７４により待機発電をそのまま継続して待機発電が終了すると、運転中発電制御部８０（非凍結処理部９６）により運転中発電における通常制御を実施する。
一方、第１判定処理において上記の条件（ａ）〜（ｄ）のうち１つでも成立している場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）は、ステップＳ３に進む。この場合気液分離器５６が凍結している可能性があることになる。ただし第１判定処理において凍結の可能性があるとの判定は、気液分離器５６が凍結していることを確定するものではく、気液分離器５６が凍結していない可能性又は待機発電を実施すれば解凍する程度の凍結である可能性がある。このため起動制御部７４は、待機発電を継続し、ステップＳ３において待機発電が終了したか否かを判定する。待機発電が終了していない場合（ステップＳ３：ＮＯ）の場合はステップＳ３を繰り返し、待機発電が終了した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）にはステップＳ４に進む。
待機発電の終了後（車両１１の走行許可後）、ＥＣＵ７２は、凍結の可能性がある判定のまま運転中発電制御部８０による運転中発電に移行し、また運転中発電の開始から時間をカウントする。一方、第２判定部９０ａは、ステップＳ４において、気液分離器５６の凍結又は非凍結を判定するために、第２判定処理における判定期間及び気液分離器５６の温度を監視する。具体的には、第２判定部９０ａは、アノードオフガス温度情報Ｔａが凍結判定温度閾値Ｆｔより低く、且つカウント時間が凍結判定時間閾値Ｆｓに達していないか否かを判定する。そして、ステップＳ４がＹＥＳの場合にはステップＳ５に進み、ステップＳ４がＮＯの場合にはステップＳ８に進む。
ステップＳ５において、凍結判定中処理部９０は、運転中発電が継続しているか否かを判定する。すなわち、燃料電池システム１０は、運転中発電の判定期間中に、車両１１の動作が止められる等の理由により発電が停止する可能性がある。凍結判定中処理部９０は、このような事態を想定して運転中発電の実施状態も監視する。そして、ステップＳ５がＹＥＳの場合はステップＳ６に進む一方で、ステップＳ５がＮＯの場合はステップＳ９に進む。
ステップＳ６において、第２判定部９０ａは、セル全体電圧Ｖａ及びセル電圧Ｖｓに基づき算出するセル電圧差ΔＶと、凍結判定基準値ＳＶとを比較し、セル電圧差ΔＶが凍結判定基準値ＳＶ以上となったか否かを判定する。上記したように、セル電圧差ΔＶが凍結判定基準値ＳＶ以上となった場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、気液分離器５６が凍結していると見なすことができる。このためステップＳ７に進み、第２判定部９０ａは、気液分離器５６の凍結を判定（確定）し、凍結に関わる情報（例えば、前回運転凍結履歴８４）を車両状態記憶部８２に記憶する。そして運転中発電制御部８０は、気液分離器５６の凍結を判定（確定）した際の凍結確定処理に移行する。
一方、セル電圧差ΔＶが凍結判定基準値ＳＶより低い場合（ステップＳ６：ＮＯ）には、ステップＳ４に戻って以降のステップを繰り返す。この処理フローにおいて、アノードオフガス温度情報Ｔａが凍結判定時間閾値Ｆｓ以上となる、又はカウント時間が凍結判定時間閾値Ｆｓに達した場合には、気液分離器５６の非凍結（凍結可能性なし）を判定する。このためステップＳ８において、第２判定部９０ａは、気液分離器５６の非凍結（例えば、前回運転凍結履歴８４を０とした）情報を車両状態記憶部８２に記憶する。そして、ＥＣＵ７２は、非凍結処理部９６による運転中発電（通常制御）に移行する。
また、ステップＳ５において運転中発電の非実施（停止）を判定した場合（ステップＳ５：ＮＯ）、運転中発電制御部８０は、気液分離器５６の凍結の可能性あり（例えば、前回運転凍結履歴８４を１とした）情報を車両状態記憶部８２に保存する（ステップＳ９）。これにより、燃料電池システム１０を再び起動した際に、凍結の可能性ありの情報（前回運転凍結履歴８４）が残ることになり、気液分離器５６の凍結を再び判定することが可能となる。
次に、凍結確定時における窒素濃度を低下させる処理について図５を参照して説明する。運転中発電制御部８０の凍結確定処理部９２は、上記の第２判定部９０ａの凍結の判定に基づき凍結確定処理を実施する。凍結確定処理部９２は、凍結確定に伴いパージ弁４６ａを直ちに強制開放し（ステップＳ１１）、またパージ弁４６ａの開放時間をカウントする。このパージ弁４６ａの強制開放によって、アノード系装置１４の循環回路５７は、パージ路４６を介して窒素ガスを含むアノードオフガスを排出する。
そして、凍結確定処理部９２は、開放時のカウント時間がパージ時間閾値Ｐｔ以上か否かを判定する（ステップＳ１２）。カウント時間がパージ時間閾値Ｐｔに達していない場合（ステップＳ１２：ＮＯ）には、ステップＳ１１に戻りパージ弁４６ａの開放を継続する。一方、カウント時間がパージ時間閾値Ｐｔに達した場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）には、ステップＳ１３に進む。
カウント時間がパージ時間閾値Ｐｔに達した場合には、循環回路５７の窒素ガスが水素ガスに概ね置換された状態となる。このためステップＳ１３において、凍結確定処理部９２はパージ弁４６ａを閉塞して、パージ弁４６ａの強制開放を終了する。
その後、凍結確定処理部９２は、ドレイン弁６０ａの稼働を停止したまま、パージ弁４６ａを開閉（稼働）することで、循環回路５７からのアノードオフガスの排出制御を実施する（ステップＳ１４）。これにより、強制開放後も、循環回路５７の窒素濃度が高くなることが回避される。
また、凍結確定処理中において、気液分離器５６の解凍を判定する解凍判定処理について図６を参照して説明する。すなわち、運転中発電制御部８０の解凍判定処理部９４は、上記の第２判定部９０ａの凍結の判定後に動作して、気液分離器５６の状態に関わるパラメータを監視して、気液分離器５６の解凍タイミングを判断する。
詳細には、解凍判定処理部９４は、アノード出口温度センサ６２ａのアノードオフガス温度情報Ｔａが解凍判定温度閾値Ｄｔ以上となったか否かを判定する（ステップＳ２１）。そしてアノードオフガス温度情報Ｔａが解凍判定温度閾値Ｄｔより低い場合（ステップＳ２１：ＮＯ）には、ステップＳ２１の処理を繰り返す。一方、アノードオフガス温度情報Ｔａが解凍判定温度閾値Ｄｔ以上となった場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）には、ステップＳ２２に進む。
解凍判定処理部９４は、アノードオフガス温度情報Ｔａが解凍判定温度閾値Ｄｔ以上となった後も、気液分離器５６の解凍を直ちに判定せず、ステップＳ２２において時間カウントを実施する。車両１１の周辺環境や燃料電池スタック１２の発電状態によっては温度が再び低下して、気液分離器５６が充分に解凍しない可能性もあるからである。
そして、解凍判定処理部９４は、カウント時間が解凍判定時間閾値Ｄｓ以上となったか否かを判定する（ステップＳ２３）。カウント時間が解凍判定時間閾値Ｄｓより短い場合（ステップＳ２３：ＮＯ）には、ステップＳ２１に戻って同様の処理を繰り返す。またカウント時間が解凍判定時間閾値Ｄｓに達した場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）には、ステップＳ２４に進む。
カウント時間が解凍判定時間閾値Ｄｓに達した場合には、気液分離器５６内の液水が確実に解凍し気液分離器５６から排出可能になったと言える。例えば、セル電圧差ΔＶが高い値のままでも、カウント時間がパージ時間閾値Ｐｔを超えれば気液分離器５６が充分に解凍したと見なすことができる。そのため、ステップＳ２４において、解凍判定処理部９４は、気液分離器５６の解凍を判定し、その情報を車両状態記憶部８２に記憶する。
また運転中発電制御部８０は凍結確定処理を停止して、非凍結処理部９６による運転中発電の通常制御に移行する（ステップＳ２５）。この際、パージ弁４６ａの開閉によりアノードオフガスの排出を行う代替制御を実施していた場合には、ドレイン弁６０ａの稼働をメインにした排出制御に切り替える。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、燃料電池システム１０は、第１判定処理及び第２判定処理のうち一方を実施して、気液分離器５６の凍結を判定しパージ弁４６ａを強制的に開放する制御を実施してもよい。
また、ＥＣＵ７２は、第１判定処理において４つの条件（ａ）〜（ｄ）のうち少なくとも１つを判定すればよい。また第１判定処理は、車両１１の周辺環境の温度を判定するだけでなく、他の温度に基づき気液分離器５６の凍結可能性を判定してもよい。例えば、燃料電池システム１０は、気液分離器５６内の温度を検出する内部温度センサ（不図示）を設けることにより、液水の温度を直接検出する構成でもよい。
さらに、燃料電池システム１０は、凍結判定処理や解凍判定処理において、アノードオフガス温度情報Ｔａ及びカウント時間の両方を監視するだけでなく、いずれか一方を監視して気液分離器５６の凍結（又は非凍結）、解凍を判定してもよい。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。
本発明の第１の態様は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２にアノードガスを供給し且つ燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスを循環させる循環回路５７と、循環回路５７に設けられ、燃料電池スタック１２に連通し、当該燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスに含まれる水を分離し、ドレイン路６０を介して水及びアノードオフガスを排出する気液分離部（気液分離器５６）と、循環回路５７に設けられアノードオフガスを排出するパージ路４６と、パージ路４６を開閉するパージ弁４６ａと、パージ弁４６ａの動作を制御する制御部（ＥＣＵ７２）とを備える燃料電池システム１０であって、制御部は、当該燃料電池システム１０の起動後に、気液分離部の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理を行い、気液分離部の凍結を判定した場合に、パージ弁４６ａを直ちに所定時間開放する。
燃料電池システム１０は、起動後に凍結判定処理を行って、気液分離部（気液分離器５６）の凍結を判定した場合にパージ弁４６ａを直ちに所定時間開放することで、アノードオフガスに含まれる窒素を良好に排出することができる。これにより燃料電池システム１０は、循環回路５７の窒素濃度が下がって燃料電池スタック１２へのアノードガスの供給不足を回避することができ、発電効率の低下や発電停止を抑止することが可能となる。また燃料電池システム１０は、凍結判定処理において気液分離部の非凍結を判定すれば、パージ弁４６ａによるアノードオフガスの排出を抑えるので、燃費の大幅悪化を抑制できる。
また、凍結判定処理は、気液分離部（気液分離器５６）が凍結する可能性があるか否かを判定する第１判定処理と、第１判定処理により気液分離部の凍結の可能性を判定した場合に、燃料電池スタック１２の発電を継続しつつ気液分離部の凍結又は非凍結を判定する第２判定処理とを含む。このように２段階の判定（第１判定処理、第２判定処理）を行うことで、制御部（ＥＣＵ７２）は、気液分離部の凍結又は非凍結をより精度よく判断することができる。
また、第１判定処理では、以下の条件（ａ）〜（ｄ）のうちいずれか１つが成立している場合に、気液分離部（気液分離器５６）の凍結の可能性を判定し、条件（ａ）〜（ｄ）の全てが不成立の場合に、気液分離部の非凍結を判定する。
（ａ）燃料電池システム１０の周辺環境が所定の温度以下である。
（ｂ）前回の運転時に気液分離部が凍結していた又は気液分離部に凍結の可能性があった。
（ｃ）前回の運転時に燃料電池スタック１２内の液水を排出する掃気処理を実施した。
（ｄ）バッテリＢｔの取り外しがあった。
これにより、制御部（ＥＣＵ７２）は、第１判定処理において気液分離部（気液分離器５６）の凍結の可能性を多様な条件によって複合的に判定することができる。例えば、燃料電池システム１０の停止状態における外乱（車両１１への人の乗降やドアの開閉、地震やレッカー／トラック移動等）により気液分離部内の水の状態が分からなくなった場合でも、第１判定処理により気液分離部の凍結の可能性を判定することが可能となる。また逆に、多様な条件が不成立の場合には、気液分離部の非凍結の状態を一層確実に確定できる。
また、制御部（ＥＣＵ７２）は、気液分離部（気液分離器５６）の凍結の可能性を判定した場合に、燃料電池スタック１２の待機発電を継続し、待機発電の終了後に第２判定処理を開始する。これにより、制御部は、待機発電により気液分離部の暖気を行うことができ、気液分離部が多少凍結している状態では待機発電中に解凍して、気液分離部の凍結状態が解消される。
また、制御部（ＥＣＵ７２）は、燃料電池スタック１２を構成する複数の発電セル２０のセル平均電圧Ｖａｖｅと、複数の発電セル２０のうち電圧が最も低い発電セル２０のセル電圧Ｖｓとのセル電圧差ΔＶが予め設定した基準値（凍結判定基準値ＳＶ）以上となった場合に気液分離部（気液分離器５６）の凍結を判定し、セル電圧差ΔＶが前記基準値より低い場合に凍結判定処理を継続する。このようにセル電圧差ΔＶの変化を監視することで、制御部は、気液分離部の凍結を精度よく判定することができる。
また、制御部（ＥＣＵ７２）は、セル電圧差ΔＶが基準値（凍結判定基準値ＳＶ）より低い場合、且つアノードオフガスの温度が予め設定した凍結判定温度以上となる、又は凍結判定処理中のカウント時間が凍結判定時間に達する場合に、気液分離部（気液分離器５６）の非凍結を判定する。これにより、制御部は、気液分離部の非凍結の状態も精度よく判定することができる。
また、気液分離部（気液分離器５６）の凍結を判定してパージ弁４６ａを所定時間開放した後、気液分離部の解凍を判定するまではパージ弁４６ａの断続的な開弁により循環回路５７からアノードオフガスを排出する。これにより、燃料電池システム１０は、パージ弁４６ａの開放により窒素濃度を低下させた後も、気液分離部が解凍できるまで、パージ弁４６ａを用いたアノードオフガスの排出をドレイン弁６０ａの代わりに実施させることができる。
また、燃料電池スタック１２にカソードガスを供給するエアポンプ１６ａと、燃料電池スタック１２からカソードオフガスを排出するカソード排出路６６とを含むカソード系装置１６を備え、パージ路４６は、カソード排出路６６に連結され、制御部（ＥＣＵ７２）は、気液分離部（気液分離器５６）の凍結を判定した際のパージ弁４６ａの開弁に基づきエアポンプ１６ａの回転数を増加させる。これにより、パージ弁４６ａの開弁によりアノードオフガスを排出する際に、エアポンプ１６ａの回転数の増加に伴うカソードガスの流量増加によりアノードオフガスを良好に希釈することができる。
また、制御部（ＥＣＵ７２）は、気液分離部（気液分離器５６）の凍結を判定した場合に、アノードオフガスの温度が予め設定した解凍判定温度以上となったか否かを判定し、アノードオフガスの温度が解凍判定温度以上となった後、さらに解凍判定時間に達するまでカウントを行い、カウント時間が解凍判定時間に達すると気液分離部の解凍を判定する。これにより、燃料電池システム１０は、気液分離部の凍結を判定した後に、当該気液分離部が解凍状態となったことを良好に判定することができる。
また本発明の第２の態様は、燃料電池スタック１２と、燃料電池スタック１２にアノードガスを供給し且つ燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスを循環させる循環回路５７と、循環回路５７に設けられ、燃料電池スタック１２に連通し、当該燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスに含まれる水を分離し、ドレイン路６０を介して水及びアノードオフガスを排出する気液分離部（気液分離器５６）と、循環回路５７に設けられアノードオフガスを排出するパージ路４６と、パージ路４６を開閉するパージ弁４６ａとを備える燃料電池システム１０の低温動作方法であって、当該燃料電池システム１０の起動後に、気液分離部の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理ステップと、凍結判定処理ステップにより気液分離部の凍結を判定した場合に、パージ弁４６ａを直ちに所定時間開放する凍結確定処理ステップとを有する。これにより、燃料電池システム１０の低温動作方法では、気液分離部が凍結した状態でもアノードオフガスを良好に排出できる。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…アノード系装置 ２０…発電セル
２１…積層体 ４６…パージ路
４６ａ…パージ弁 ５６…気液分離器
５７…循環回路 ６０…ドレイン路
６０ａ…ドレイン弁 ６２…温度センサ
６２ａ…アノード出口温度センサ ６２ｂ…外気温センサ
７２…ＥＣＵ Ｄｓ…解凍判定時間閾値
Ｄｔ…解凍判定温度閾値 Ｆｓ…凍結判定時間閾値
Ｆｔ…凍結判定温度閾値 Ｐｔ…パージ時間閾値
Ｓｖ…セル電圧差基準値 ΔＶ…セル電圧差

Claims (10)

  1. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにアノードガスを供給し且つ前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを循環させる循環回路と、
    前記循環回路に設けられ、前記燃料電池スタックに連通し、当該燃料電池スタックから排出される前記アノードオフガスに含まれる液水を分離し、ドレイン路を介して前記液水と共に前記アノードオフガスを排出する気液分離部と、
    前記循環回路に設けられ前記アノードオフガスを排出するパージ路と、
    前記パージ路を開閉するパージ弁と、
    前記パージ弁の動作を制御する制御部とを備える燃料電池システムであって、
    前記制御部は、当該燃料電池システムの起動後に、前記気液分離部の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理を行い、前記気液分離部の凍結を判定した場合に、前記パージ弁を直ちに所定時間開放する
    燃料電池システム。
  2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
    前記凍結判定処理は、前記気液分離部が凍結する可能性があるか否かを判定する第１判定処理と、前記第１判定処理により前記気液分離部の凍結の可能性を判定した場合に、前記燃料電池スタックの発電を継続しつつ前記気液分離部の凍結又は非凍結を判定する第２判定処理とを含む
    燃料電池システム。
  3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
    前記第１判定処理では、以下の条件（ａ）〜（ｄ）のうちいずれか１つが成立している場合に、前記気液分離部の凍結の可能性を判定し、前記条件（ａ）〜（ｄ）の全てが不成立の場合に、前記気液分離部の非凍結を判定する
    燃料電池システム。
    （ａ）前記燃料電池システムの周辺環境が所定の温度以下である。
    （ｂ）前回の運転時に前記気液分離部が凍結していた又は前記気液分離部に凍結の可能性があった。
    （ｃ）前回の運転時に前記燃料電池スタック内の液水を排出する掃気処理を実施した。
    （ｄ）バッテリの取り外しがあった。
  4. 請求項２又は３記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、前記気液分離部の凍結の可能性を判定した場合に、前記燃料電池スタックの待機発電を継続し、前記待機発電の終了後に前記第２判定処理を開始する
    燃料電池システム。
  5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、前記燃料電池スタックを構成する複数の発電セルのセル平均電圧と、前記複数の発電セルのうち電圧が最も低い発電セルのセル電圧とのセル電圧差が予め設定した基準値以上となった場合に前記気液分離部の凍結を判定し、前記セル電圧差が前記基準値より低い場合に前記凍結判定処理を継続する
    燃料電池システム。
  6. 請求項５記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、前記セル電圧差が前記基準値より低い場合、且つ前記アノードオフガスの温度が予め設定した凍結判定温度以上となる、又は前記凍結判定処理中のカウント時間が凍結判定時間に達する場合に、前記気液分離部の非凍結を判定する
    燃料電池システム。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記気液分離部の凍結を判定して前記パージ弁を所定時間開放した後、前記気液分離部の解凍を判定するまでは前記パージ弁の断続的な開弁により前記循環回路から前記アノードオフガスを排出する
    燃料電池システム。
  8. 請求項７記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するエアポンプと、前記燃料電池スタックからカソードオフガスを排出するカソード排出路とを含むカソード系装置を備え、
    前記パージ路は、前記カソード排出路に連結され、
    前記制御部は、前記気液分離部の凍結を判定した際の前記パージ弁の開弁に基づき前記エアポンプの回転数を増加させる
    燃料電池システム。
  9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御部は、前記気液分離部の凍結を判定した場合に、前記アノードオフガスの温度が予め設定した解凍判定温度以上となったか否かを判定し、前記アノードオフガスの温度が前記解凍判定温度以上となった後、さらに解凍判定時間に達するまでカウントを行い、カウント時間が前記解凍判定時間に達すると前記気液分離部の解凍を判定する
    燃料電池システム。
  10. 燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックにアノードガスを供給し且つ前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスを循環させる循環回路と、
    前記循環回路に設けられ、前記燃料電池スタックに連通し、当該燃料電池スタックから排出される前記アノードオフガスに含まれる液水を分離し、ドレイン路を介して前記液水と共に前記アノードオフガスを排出する気液分離部と、
    前記循環回路に設けられ前記アノードオフガスを排出するパージ路と、
    前記パージ路を開閉するパージ弁とを備える燃料電池システムの低温動作方法であって、
    当該燃料電池システムの起動後に、前記気液分離部の凍結又は非凍結を判定する凍結判定処理ステップと、
    前記凍結判定処理ステップにより前記気液分離部の凍結を判定した場合に、前記パージ弁を直ちに所定時間開放する凍結確定処理ステップとを有する
    燃料電池システムの低温動作方法。
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