JP5168719B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムで発電を行うと、電気化学反応により燃料電池の内部で水分が生成される。かかる生成水は、例えば燃料オフガスとともに燃料電池の外部に排出され、燃料ガスの循環流路に設けられた気液分離器及び排水弁を介して、外部に排出される。燃料電池システム内部の部品（例えば排水弁）にはこのように水分が存在するため、氷点下等の低温環境下で燃料電池システムの停止状態が長く続いた場合には、その部品が凍結して、燃料電池システムの正常な始動が妨げられる恐れがある。

このようなシステム内の水分の凍結を回避して燃料電池システムの始動時に不具合が発生するのを防止するために、燃料電池システム内の水分が存在する部品の温度を推定し、この推定した温度に基づいてシステムの停止可否を決定することにより、水分の凍結を回避する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２６７９６１号公報

ところで、前記した特許文献１に記載の技術は、外気温、車速、燃料電池の出力の３つのパラメータから部品の温度を推定し、推定した温度に基づいて凍結のリスクを判定するものであるが、かかる文献に記載の推定式を採用すると、燃料電池の出力がゼロの場合に、部品の温度が外気温と同一になるように推定される。

ところが、燃料電池停止後の部品温度は、直ちには外気温と同一にはならず、外気温やシステムの構成等に基づいて所定のパターンに従って推移する。前記した特許文献１に記載の技術においては、このような推移パターンを考慮した部品温度の推定を行っていないため、燃料電池の運転停止後には部品の温度を精度良く推定することができないという問題があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システム内の水分の排出を許容又は遮断する排水弁の温度を精度良く推定し、燃料電池システムの始動時における不具合の発生を抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池内の水分を外部に排出する排水流路と、この排水流路内の水分の排出を許容又は遮断する排水弁と、この排水弁の温度を推定する温度推定手段と、燃料電池内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、温度推定手段は、燃料電池内の温度と排水弁の温度との相関関係を規定する制御データを有し、燃料電池温度検出手段で検出した燃料電池内の温度と、制御データと、に基づいて排水弁の温度を推定するものである。

前記制御データとしては、燃料電池の運転停止後における燃料電池内の温度から排水弁の温度を減じて得た値（温度差）の時間履歴を示す温度差履歴マップを採用することができる。そして、温度推定手段は、燃料電池温度検出手段で検出した次回始動時における燃料電池内の温度から、温度差履歴マップにおける温度差の最大値を減じて得た値を排水弁の温度と推定することができる。

かかる構成を採用すると、予め準備した制御データ（燃料電池内の温度と排水弁の温度との相関関係を規定するデータ）と、燃料電池内の温度と、に基づいて、排水弁の温度を精度良く推定することができる。特に、燃料電池の運転停止後における燃料電池内の温度から排水弁の温度を減じて得た値（温度差）の時間履歴を示す温度差履歴マップを制御データとして採用し、この温度差履歴マップにおける温度差の最大値を用いて推定を行うことにより、最も安全側に排水弁の温度を推定することができる。従って、安全側の凍結判定を行うことができ、燃料電池システムの始動時における不具合の発生を効果的に抑制することができる。

前記燃料電池システムにおいて、外気温を検出する外気温検出手段を備えることができる。かかる場合において、外気温検出手段で検出した外気温と、燃料電池温度検出手段で検出した燃料電池内の温度と、制御データと、に基づいて排水弁の温度を推定する温度推定手段を採用することができる。

前記制御データとしては、燃料電池の運転停止後における燃料電池内の温度から排水弁の温度を減じて得た値（温度差）の時間履歴を示す温度差履歴マップを外気温毎に設定した温度差履歴マップ群を採用することができる。そして、温度推定手段は、外気温検出手段で検出した次回始動時における外気温に対応する一の温度差履歴マップを温度差履歴マップ群から選定し、燃料電池温度検出手段で検出した次回始動時における燃料電池内の温度から、一の温度差履歴マップにおける温度差の最大値を減じて得た値を排水弁の温度と推定することができる。

かかる構成を採用すると、外気温を考慮して排水弁の温度を推定することができるので、実環境を反映させて精度良く温度推定を行うことができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転が停止した場合にその運転停止時間を計測する計時手段を備えることができる。かかる場合において、計時手段で計測した運転停止時間と、燃料電池温度検出手段で検出した燃料電池内の温度と、制御データと、に基づいて排水弁の温度を推定する温度推定手段を採用することができる。

前記制御データとしては、燃料電池の運転停止後における燃料電池内の温度から排水弁の温度を減じて得た値（温度差）の時間履歴を示す温度差履歴マップを採用することができる。そして、温度推定手段は、計時手段で計測した運転停止時間に対応する温度差を温度差履歴マップに基づいて決定し、燃料電池温度検出手段で検出した次回始動時における燃料電池内の温度から、決定した前記温度差を減じた値を排水弁の温度と推定することができる。

かかる構成を採用すると、推定時点における温度差を温度差履歴マップに基づいて決定した上で排水弁の温度を推定することができるので、必要以上に排水弁の温度を低く推定することがなく、時間経過を反映させて精度良く温度推定を行うことができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、外気温を検出する外気温検出手段と、燃料電池の運転が停止した場合にその運転停止時間を計測する計時手段と、の双方を備えてもよい。かかる場合において、外気温検出手段で検出した外気温と、計時手段で計測した運転停止時間と、燃料電池温度検出手段で検出した燃料電池内の温度と、制御データと、に基づいて排水弁の温度を推定する温度推定手段を採用することができる。

前記制御データとしては、燃料電池の運転停止後における燃料電池内の温度から排水弁の温度を減じて得た値（温度差）の時間履歴を示す温度差履歴マップを外気温毎に設定した温度差履歴マップ群を採用することができる。そして、温度推定手段は、外気温検出手段で検出した次回始動時における外気温に対応する一の温度差履歴マップを温度差履歴マップ群から選定し、計時手段で計測した運転停止時間に対応する温度差を一の温度差履歴マップに基づいて決定し、燃料電池温度検出手段で検出した次回始動時における燃料電池内の温度から、決定した前記温度差を減じて得た値を排水弁の温度と推定することができる。

かかる構成を採用すると、外気温及び燃料電池の運転停止時間の双方を考慮して排水弁の温度を推定することができるので、より精度良く温度推定を行うことができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前回停止時における排水弁の温度を含む制御データを採用することができる。かかる場合において、燃料電池温度検出手段で検出した燃料電池内の温度と、制御データに含まれる前回停止時における排水弁の温度と、のうち何れか低い方の値を、燃料電池の始動時における排水弁の初期推定温度とする温度推定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、燃料電池内の温度と、前回停止時における排水弁の温度と、のうち何れか低い方の値を、燃料電池の始動時における排水弁の初期推定温度とすることができる。従って、長時間にわたる燃料電池の運転停止に起因して燃料電池温度が前回停止時における排水弁の温度よりも低くなるような場合においても、排水弁の温度を安全側で推定することができる。従って、安全側の凍結判定を行うことができ、燃料電池システムの始動時における不具合の発生を効果的に抑制することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の冷媒出口から排出された冷媒を燃料電池の冷媒入口へと循環させるための冷媒循環流路と、冷媒循環流路の燃料電池の冷媒入口付近から排水弁へと冷媒を流通させるための弁用冷媒流路と、を備えることができる。かかる場合において、冷媒が冷媒循環流路から弁用冷媒流路を経由して排水弁に到達するまでの所定時間内において初期推定温度の更新を停止する温度推定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、燃料電池始動後の所定時間（冷媒が冷媒循環流路から弁用冷媒流路を経由して排水弁に到達するまでの時間）内において、始動時における初期推定温度の更新を停止することができる。すなわち、温度推定を行う際に、排水弁に冷媒が到達するまでの遅れ時間を考慮することができるので、より精度良く温度推定を行うことができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、冷媒循環流路内の燃料電池の冷媒入口付近における冷媒の温度を燃料電池内の温度として検出する燃料電池温度検出手段を採用することができる。かかる場合において、前記所定時間経過後に、現時点における排水弁の推定温度と、現時点より前記所定時間前の時点において燃料電池温度検出手段で検出した冷媒の温度と、に基づいて、現時点より後の排水弁の温度を推定する温度推定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、冷媒が冷媒循環流路から弁用冷媒流路を経由して排水弁に到達するまでの所定時間経過後に、現時点における排水弁の推定温度と、現時点より所定時間前の時点において検出した冷媒の温度と、に基づいて、現時点より後の排水弁の温度を推定することができる。従って、排水弁に冷媒が到達するまでの遅れ時間を考慮して、より精度良く温度推定を行うことができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、外気温を検出する外気温検出手段を備えることができる。かかる場合において、前記所定時間経過後に、現時点における排水弁の推定温度と、現時点において外気温検出手段で検出した外気温と、に基づいて、現時点より後の排水弁の温度を推定する温度推定手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、冷媒が冷媒循環流路から弁用冷媒流路を経由して排水弁に到達するまでの所定時間経過後に、現時点における排水弁の推定温度と、現時点において検出した外気温と、に基づいて、現時点より後の排水弁の温度を推定することができる。従って、最新の外気温情報を勘案して、精度良く温度推定を行うことができる。

本発明によれば、燃料電池システム内の水分の排出を許容又は遮断する排水弁の温度を精度良く推定することができ、燃料電池システムの始動時における不具合の発生を抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、移動体としての燃料電池車両に搭載された発電システムである。

＜第１実施形態＞
まず、図１〜図３を用いて、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２を備えるとともに、燃料電池２に酸化ガスとしての空気（酸素）を供給する酸化ガス配管系３、燃料電池２に燃料ガスとしての水素ガスを供給する燃料ガス配管系４、システム全体を統合制御する制御装置５等を備えている。また、燃料電池システム１は外気温センサ６を備えており、外気温センサ６の検出信号は制御装置５に入力される。外気温センサ６は、本発明における外気温検出手段の一実施形態である。

燃料電池２は、例えば車載や定置用に好適な固体高分子電解質型で構成され、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池スタックを構成する単電池は、イ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、さらに空気極及び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。セパレータの一方に設けられた酸化ガス流路に酸化ガス（空気）が供給され、他方のセパレータに設けられた燃料ガス流路に燃料ガス（水素）が供給される。酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けた単電池において電気化学反応が行われ、これにより燃料電池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るため、燃料電池２の運転中はその出力に応じて燃料電池システム１内に熱が供給される。従って、低温環境下であっても、燃料電池２の運転中は各配管系へ燃料電池２内で昇温されたオフガス等が供給されることによりシステム内の部品が昇温する。よって、燃料電池２の運転中は、通常は凍結が回避される。なお、燃料電池システム１には図示しない冷媒配管系が設けられている。そして、この冷媒配管系を用いて燃料電池２の内部に冷媒を循環させることにより、燃料電池２の内部の温度が適度に維持される。燃料電池２内の温度は温度センサ２１により検出され、その検出値は制御装置５に入力されて各種制御に用いられる。温度センサ２１は、例えば燃料電池２内に設けることができるが、燃料電池２内から流出する流体配管に設けた温度センサの検出値から燃料電池内の温度を求めてもよい。温度センサ２１は、本発明における燃料電池温度検出手段の一実施形態である。

酸化ガス配管系３は、加湿器３０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池２に供給する空気供給流路３１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを加湿器３０に導く空気排水流路３２と、加湿器３０から外部に酸化オフガスを導くための排気流路３３と、を備えている。空気供給流路３１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器３０に圧送するコンプレッサ３４が設けられている。コンプレッサ３４の動作は、制御装置５により制御される。コンプレッサ３４の動作により、大気中の酸化ガスがフィルタを介して取り込まれ、燃料電池２に圧送される。また、空気排水流路３２を流れる酸化オフガスは、加湿器で水分交換された後、最終的に排ガスとして大気中に排出される。

燃料ガス配管系４は、高圧の燃料ガス（水素ガス）を貯留した水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２と、を備えている。水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁４３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ４４と、が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ４４を採用している。遮断弁４３及びレギュレータ４４の動作は制御装置５により制御される。

循環流路４２には、気液分離器４５及び排気排水弁４６を介して、排水流路４７が接続されている。気液分離器４５は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁４６は、制御装置５からの指令によって作動することにより、気液分離器４５で回収した水分と、循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４８が設けられている。なお、排水流路４７内のガスは、図示されていない希釈器によって希釈されて、排気流路３３内のガスと排出管４９において合流するようになっている。

制御装置５は、図示していない車両のアクセル信号等の要求負荷信号、各種操作信号、外気温センサ６や温度センサ２１等の各種センサの検出信号、等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。また、制御装置５は、バッテリからの電源供給を受けて動作可能なＲＴＣ（Real Time Clock）５ａを有している。ＲＴＣ５ａは、燃料電池２の運転が停止した場合にその運転停止時間を計測するものであり、本発明における計時手段の一実施形態である。

制御装置５は、例えば、要求出力に応じて酸化ガス配管系３、燃料ガス配管系４、冷媒配管系、等の各種部品を制御して燃料電池２に反応ガス及び冷媒を供給し、発電を行う。また、制御装置５は、燃料電池２の運転停止時（発電停止時）において、一時的にコンプレッサ３４、遮断弁４３及びレギュレータ４４を駆動制御して燃料電池２内にガス（酸化ガス及び水素ガス）を供給することにより、燃料電池２内の水分を外部に排出する掃気を実施する。掃気が実施されると、燃料電池２内に残存した水分は循環流路４２に排出される。そして、排気排水弁４６が開放されることにより、水分は排水流路４７及び排出管４９を経由して燃料電池車両の外部に排出される。

また、制御装置５は、燃料電池２の運転停止時（発電停止時）には、燃料電池システム１を構成する各部品の温度を推定して、発電停止中における各部品の凍結の可能性を判定する。凍結の可能性が考えられるのは運転停止時に水分が存在する部位の部品であるが、一例として、排気排水弁４６が挙げられる。本実施形態では、以下に説明するように、燃料電池２内の温度と排気排水弁４６の温度との相関関係を規定する制御データに基づき、温度センサ２１で検出した次回始動時における燃料電池２内の温度から排気排水弁４６の温度を推定している。

制御装置５には、排気排水弁４６の温度推定に用いる制御データとして、図２に示すようなマップデータが格納されている。図２は、燃料電池２の発電停止中における燃料電池２内の温度から排気排水弁４６の温度を減じて得た値（温度差）の時間履歴を予めマップ化した温度差曲線Ｃ（温度差履歴マップ）であり、横軸が燃料電池２の発電停止からの経過時間、縦軸が温度差である。

燃料電池２の運転中は、燃料電池２内で昇温されたオフガス等が各配管系へ供給されることにより、低温環境下であっても、システム内の部品の温度は外気温よりも高い温度に保たれている。運転中の排気排水弁４６の温度は、水素オフガス及び生成水の温度が排気排水弁４６に到達する過程で放熱されて低下するために、燃料電池２内の温度よりも低くなっている。すなわち、燃料電池２の運転中は、燃料電池２内の温度と排気排水弁４６の温度には、外気温に応じた所定の温度差が発生している。

燃料電池２の運転が停止すると、図２に示すように、燃料電池２内の温度と排気排水弁４６の温度との差は、燃料電池２の発電停止直後からしばらく増大し、所定時間ｔ０が経過した時点で最大値Ａとなる。その後は、温度差は徐々に減少する。そして、十分に長い時間が経過すると、燃料電池２内の温度と排気排水弁４６の温度はいずれも外気温とほぼ一定になり、温度差は０に近づく。

温度差曲線Ｃの形状は、燃料電池２の発電停止時における外気温に応じて変化する。図３に、例として、４つの温度差曲線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を示す。温度差曲線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４は、各々、外気温がＴ₁、Ｔ₂、Ｔ₃、Ｔ₄（Ｔ₁＞Ｔ₂＞Ｔ₃＞Ｔ₄）の場合のものである。このように、外気温が低いほど燃料電池２内の温度と排気排水弁４６の温度との差が大きくなっているが、いずれの外気温においても、温度差は、発電停止後、所定時間経過した時点で最大値に到達する。但し、最大値に到達するまでの経過時間は外気温によって若干異なっている。温度差曲線における温度差の最大値は、外気温が低い方が大きい。

制御装置５は、図２、図３に示すような制御データ（温度差曲線）と、温度センサ２１等により検出された次回始動時における燃料電池２内の温度に基づき、排気排水弁４６の温度を推定する。すなわち、制御装置５は、本発明における温度推定手段の一実施形態として機能するものである。

最も簡易な第１の推定方法では、制御データとして、想定される最も低温の外気温（例えばＴ₄）での温度差曲線（図３のＣ４）を用いる。制御装置５は、温度センサ２１等により検出された次回始動時における燃料電池２内の温度から、温度差曲線における温度差の最大値を減算し、その結果算出された値を排気排水弁４６の温度と推定する。例えば、温度センサ２１の検出値がＳ１、温度差曲線Ｃ４の最大値がＡ４であれば、排気排水弁４６の推定温度Ｔ_Eは、「Ｔ_E＝Ｓ１−Ａ４」なる式により算出される。このようにすれば、想定される条件の中でとりうる最も低温の推定値を採用することになる。

また、燃料電池システム１は、外気温センサ６を備えているので、外気温センサ６の検出値に基づき、別の推定方法を用いることができる。この第２の推定方法では、制御データとして、図３に示すような複数の温度差曲線（温度差履歴マップ群）を用いる。制御装置５は、まず、外気温センサ６で検出された次回始動時における外気温に基づき、複数の温度差曲線の中から最も適切なものを選定する。例えば、外気温がＴ₂であれば、温度差曲線Ｃ２を選定する。すなわち、複数の温度差曲線の中から、外気温に対応した一の温度差曲線を選定する。そして、第１の推定方法と同様に、温度センサ２１等により検出された次回始動時における燃料電池２内の温度から、選定した温度差曲線Ｃ２における温度差の最大値を減算し、その結果算出された値を排気排水弁４６の温度と推定する。例えば、温度センサ２１の検出値がＳ２、温度差曲線Ｃ２のピーク値がＡ２であれば、排気排水弁４６の推定温度Ｔ_Eは、「Ｔ_E＝Ｓ２−Ａ２」なる式により算出される。

このようにすれば、次回始動時における外気温の下でとりうる最も低温の推定値を採用することになる。よって、凍結防止の観点からみた場合に安全側となるような推定値を得ることができるとともに、外気温に基づいて、より精度良く温度推定を行うことができる。なお、図３では外気温がＴ₁、Ｔ₂、Ｔ₃、Ｔ₄の場合の４つの温度差曲線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を制御データとして用いているが、温度差曲線の数やどの外気温について温度差曲線を作成するかは、想定される燃料電池システム１の使用温度環境に応じて適宜設定することができる。

また、燃料電池システム１は、ＲＴＣ５ａを備えているので、さらに別の推定方法を用いることができる。この第３の推定方法では、第１及び第２の推定方法とは異なり、燃料電池２の運転停止時から次回始動時までの経過時間（運転停止時間）をＲＴＣ５ａにより計測し、制御装置５は、この運転停止時間に対応する温度差を温度差曲線から求め、第１及び第２の推定方法で用いていた最大値に代えて用いる。どの温度差曲線を用いるかは、第１の推定方法のように最も低い外気温における温度差曲線を用いても良く、第２の推定方法のように外気温に応じた温度差曲線を選定してもよい。また、他の方法により温度差曲線を選定することもできる。そして、第１及び第２の推定方法と同様に、温度センサ２１等により検出された次回始動時における燃料電池２内の温度から、運転停止時間及び温度差曲線から決定した温度差を減算し、その結果算出された値を排気排水弁４６の温度と推定する。例えば、温度センサ２１の検出値がＳ３、外気温により選定された温度差曲線がＣ３、運転停止時間がｔ１であり、温度差曲線Ｃ３上の運転停止時間ｔ１に対応する温度差がＡ３であれば、排気排水弁４６の推定温度Ｔ_Eは、「Ｔ_E＝Ｓ３−Ａ３」なる式により算出されることとなる。

このようにすれば、外気温等により温度差曲線を決定した後は、その温度差曲線と運転停止時間とに基づき、精度良く温度推定を行うことができる。よって、凍結判定を精度良く行うことができる。また、低温環境における温度差曲線を選択しておけば、凍結防止の観点からみた場合に安全側となるような推定値を得ることができ、凍結判定を安全側で行うことができる。

制御装置５は、上記各方法によって推定された排気排水弁４６の温度に基づき、排気排水弁４６の凍結判定を行う。例えば、０℃（又は余裕をみて０℃より若干高い温度）のような凍結判定のための判定値を設定し、推定温度が判定値を下回った場合に排気排水弁４６が凍結するものと判定する。排気排水弁４６が凍結状態にある場合には、燃料電池システム１を始動しても、直ちには凍結した排気排水弁４６は動かないため、排気排水弁４６を適切に稼動することができず、パージ動作を行うことができない。すなわち、排気排水弁４６が凍結状態にある場合には、そのままでは燃料電池システム１の正常な始動が妨げられる。そこで、制御装置５は、このような燃料電池システム１の始動時の不具合を抑制するために、種々の凍結防止処理を行うことができる。例えば、凍結温度に至る前に水分の排出を完了するようにしたり、排気排水弁４６に熱を供給して凍結温度まで温度が低下しないようにしたりする等の方法が考えられる。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、制御装置５が燃料電池２内の温度と排気排水弁４６の温度との相関関係を規定する制御データを予め有し、この制御データと、次回始動時における燃料電池２内の温度と、に基づいて排気排水弁４６の温度を精度良く推定することができる。特に、次回始動時における燃料電池２内の温度から温度差曲線上の最大値を減じた値を排気排水弁４６の温度と推定することにより、最も安全側に排水弁の温度を推定することができる。従って、安全側の凍結判定を行うことができ、燃料電池システムの始動時における不具合の発生を効果的に抑制することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、外気温センサ６により検出された次回始動時における外気温に対応する温度差曲線を選定し、この選定した温度差曲線に基づいて排気排水弁４６の温度を推定することもできる。これにより、外気温を考慮して排気排水弁４６の温度を推定することができ、実環境を反映させてより精度良く温度推定を行うことができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、ＲＴＣ５ａにより計測された運転停止時間に対応する温度差を温度差曲線から求めて、排気排水弁４６の温度を推定することもできる。これにより、燃料電池２の運転停止時間を考慮して排気排水弁４６の温度を推定することができ、より精度良く温度推定を行うことができる。

なお、本実施形態においては、制御データとしての温度差曲線（温度差履歴マップ）を制御装置５に記憶させた例を示したが、例えば第１及び第２の推定方法のように各温度差曲線における最大値のみを用いる場合には、この最大値のみを制御データとして制御装置５に記憶させておくこともできる。

＜第２実施形態＞
続いて、図４及び図５を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１０について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１０は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の制御装置の構成を変更するとともに、冷媒配管系から排気排水弁４６へと冷媒を流通させるための流路を設けたものであり、その他の構成については実質的に同一である。このため、異なる構成を中心に説明することとし、重複する構成については第１実施形態と同一の符号を付して詳細な説明を省略することとする。

最初に、図４を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。燃料電池システム１０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、制御装置５０と、外気温センサ６（外気温検出手段）と、を備えるとともに、燃料電池２内に冷媒を循環させる冷媒配管系７と、冷媒配管系７から排気排水弁４６へと冷媒を流通させる弁用冷媒流路８と、を備えている。燃料電池２、酸化ガス配管系３、燃料ガス配管系４及び外気温センサ６の構成は、第１実施形態における構成と実質的に同一であるため、詳細な説明を省略する。

冷媒配管系７は、燃料電池２内の運転温度を適切な温度範囲に維持するためのものであり、図４に示すように、燃料電池２の冷媒出口から排出された冷媒（冷却水等）を燃料電池２の冷媒入口へと循環させるための冷媒循環流路７０と、冷媒を循環させるための冷媒ポンプ７１と、燃料電池２から排出された高温の冷媒を冷却するラジエータ７２及び冷却ファン７３と、冷媒循環流路７０の燃料電池２の冷媒入口付近における冷媒の温度を検出する温度センサ７４と、を有している。制御装置５０によって冷媒ポンプ７１や冷却ファン７３の動作が制御されることにより、冷媒循環流路７０内の冷媒の温度や流量が調整される。

本実施形態においては、冷媒循環流路７０の燃料電池２の冷媒入口付近における冷媒の温度が燃料電池２内の温度とほぼ一致しているものと仮定し、温度センサ７４で検出した冷媒の温度を燃料電池２内の温度とする。すなわち、温度センサ７４は、本発明における燃料電池温度検出手段の一実施形態として機能する。温度センサ７４による検出値は、制御装置５０に入力されて、各種制御に用いられる。

冷媒循環流路７０の燃料電池２の冷媒入口付近（温度センサ７４の下流側）には、図４に示すように、冷媒循環流路７０から排気排水弁４６へと冷媒を流通させる弁用冷媒流路８が接続されている。冷媒循環流路７０内を循環する冷媒の一部は、冷媒循環流路７０の燃料電池２の冷媒入口付近に接続された冷媒流入口８１を経由して弁用冷媒流路８内に流入する。その後、冷媒は、弁用冷媒流路８内を流通して排気排水弁４６を通過し、冷媒流入口８１より下流側の冷媒流出口８２を経由して冷媒循環流路７０に戻されることとなる。制御装置５０によって冷媒ポンプ７１や冷却ファン７３の動作が制御されることにより、弁用冷媒流路８内の冷媒の温度や流量が調整される。

制御装置５０は、第１実施形態と同様にコンピュータシステムによって構成されており、車両のアクセル信号等の要求負荷信号、各種操作信号、外気温センサ６や温度センサ７４等の各種センサの検出信号、等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。

本実施形態における制御装置５０は、特定の制御データと、始動時において温度センサ７４で検出した温度（冷媒循環流路７０の燃料電池２の冷媒入口付近における冷媒の温度＝燃料電池２内の温度）と、外気温センサ６で検出した外気温と、に基づいて、始動時における排気排水弁４６の温度を推定する。すなわち、制御装置５０は、本発明における温度推定手段の一実施形態として機能する。制御装置５０は、前回停止時における排気排水弁４６の温度（推定温度）に係る情報を制御データとして記憶しておき、この情報を始動時における排気排水弁４６の温度推定に利用する。

次に、図５のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１０の制御装置５０による排気排水弁４６の温度推定方法について説明する。

まず、制御装置５０は、図示されていないイグニションスイッチがＯＮになったか否かを判定し（始動判定工程：Ｓ１）、ＯＮになったものと判定した場合に、排気排水弁４６の始動時における温度（初期温度）を推定する（初期温度推定工程：Ｓ２）。初期温度推定工程Ｓ２において、制御装置５０は、温度センサ７４で検出した温度（燃料電池２内の温度）と、制御データに含まれる前回停止時における排気排水弁４６の温度と、のうち何れか低い方の値を、排気排水弁４６の初期推定温度とする。

次いで、制御装置５０は、冷媒配管系７の冷媒ポンプ７１の作動開始時点から、冷媒が冷媒循環流路７０から弁用冷媒流路８を経由して排気排水弁４６に到達する時点まで、の所定時間（以下、「遅れ時間」という）が経過したか否かを判定する（経時判定工程：Ｓ３）。そして、制御装置５０は、経時判定工程Ｓ３において遅れ時間が経過していないと判定した場合に、排気排水弁４６の温度推定を停止（初期温度推定工程Ｓ２における初期推定温度を維持）する（初期温度維持工程：Ｓ４）。

一方、制御装置５０は、経時判定工程Ｓ３において遅れ時間が経過したものと判定した場合に、現時点における排気排水弁４６の推定温度と、現時点より遅れ時間前の時点において温度センサ７４で検出した温度と、現時点において外気温センサ６で検出した外気温と、に基づいて、現時点より後の排気排水弁４６の温度を推定する（温度推定工程：Ｓ５）。

温度推定工程Ｓ５において、制御装置５０は、以下の微分方程式（Ａ）を用いて排気排水弁４６の推定温度を算出する。式（Ａ）において、Δｔは遅れ時間を、Ｔ_E（ｔ）は現時点における排気排水弁４６の推定温度を、Ｔ_FC(ｔ−Δｔ)は現時点より遅れ時間前の時点において温度センサ７４で検出した温度（冷媒循環流路７０の燃料電池２の冷媒入口付近における冷媒の温度＝燃料電池２内の温度）を、Ｔ_C（ｔ）は現時点における外気温センサ６で検出した外気温を、ａ及びｂは定数（＞０）を、各々意味する。なお、式（Ａ）において、右辺第１項は排気排水弁４６の加温に関係する項を意味し、右辺第２項は排気排水弁４６の冷却に関係する項を意味する。

続いて、制御装置５０は、温度推定工程Ｓ５で算出した排気排水弁４６の推定温度Ｔ_Eが所定温度Ｔ₀（例えば摂氏零度）以上であるか否かを判定する（凍結判定工程：Ｓ６）。そして、制御装置５０は、凍結判定工程Ｓ６において、推定温度Ｔ_Eが所定温度Ｔ₀を下回っていると判定した場合には、排気排水弁４６が凍結状態にあるとして、温度推定工程Ｓ５に戻って排気排水弁４６の温度推定を続行する。排気排水弁４６が凍結状態にあっても、冷媒循環流路７０から弁用冷媒流路８を経由して排気排水弁４６に供給される冷媒により、排気排水弁４６は次第に加温される。一方、制御装置５０は、凍結判定工程Ｓ６において、推定温度Ｔ_Eが所定温度Ｔ₀以上であると判定した場合には、以上の一連の排気排水弁４６の温度推定に関する工程を終了する。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、温度センサ７４で検出した温度と、前回停止時における排気排水弁４６の温度と、のうち何れか低い方の値を、始動時における排気排水弁４６の初期推定温度とすることができる。従って、長時間にわたる燃料電池２の運転停止に起因して燃料電池２の温度が前回停止時における排気排水弁４６の温度よりも低くなるような場合においても、排気排水弁４６の温度を安全側で推定することができる。従って、安全側の凍結判定を行うことができ、燃料電池システム１０の始動時における不具合の発生を効果的に抑制することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１０においては、冷媒ポンプ７１の始動後の所定時間（冷媒が冷媒循環流路７０から弁用冷媒流路８を経由して排気排水弁４６に到達するまでの遅れ時間）内において、初期推定温度の更新を停止することができる。また、この遅れ時間経過後に、現時点における排気排水弁４６の推定温度と、現時点より遅れ時間前の時点において温度センサ７４で検出した温度と、現時点において検出した外気温と、に基づいて、現時点より後の排気排水弁４６の温度を推定することができる。従って、排気排水弁４６に冷媒が到達するまでの遅れ時間と、最新の外気温情報と、を考慮して、より精度良く温度推定を行うことができる。

なお、以上の各実施形態においては、排気排水弁４６の温度を推定して凍結の判定を行っていたが、循環流路４２や排水流路４７に配設される他の部品の温度を上記のような方法により推定して凍結判定を行ってもよい。また、これら以外にも水分が存在する他の部品の温度を上記のような方法により推定して凍結判定を行うこともできる。

また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムにおける発電停止後の燃料電池内の温度と排気排水弁の温度との相関関係を規定する温度差履歴マップである。 異なる外気温における発電停止後の燃料電池内の温度と排気排水弁の温度との相関関係を規定する温度差履歴マップ群である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示した燃料電池システムの制御装置による排気排水弁の温度推定方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１・１０…燃料電池システム、２…燃料電池、５・５０…制御装置（温度推定手段）、５ａ…ＲＴＣ（計時手段）、６…外気温センサ（外気温検出手段）、８…弁用冷媒流路、２１・７４…温度センサ（燃料電池温度検出手段）、４６…排気排水弁（排水弁）、４７…排水流路、７０…冷媒循環流路、Ａ・Ａ２・Ａ４…温度差の最大値、Ａ３…運転停止時間に対応した温度差、Ｃ・Ｃ１・Ｃ２・Ｃ３・Ｃ４…温度差曲線（制御データ、温度差履歴マップ）、ｔ１…運転停止時間。

Claims (8)

1. 燃料電池と、この燃料電池内の水分を外部に排出する排水流路と、この排水流路内の水分の排出を許容又は遮断する排水弁と、この排水弁の温度を推定する温度推定手段と、前記燃料電池内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記温度推定手段は、前記燃料電池内の温度と前記排水弁の温度との相関関係を規定するものであって、前記燃料電池の運転停止後における前記燃料電池内の温度から前記排水弁の温度を減じて得た温度差の時間履歴を示す温度差履歴マップである制御データを有し、前記燃料電池温度検出手段で検出した次回始動時における前記燃料電池内の温度から、前記温度差履歴マップにおける温度差の最大値を減じて得た値を前記排水弁の温度と推定するものである、
   燃料電池システム。
2. 燃料電池と、この燃料電池内の水分を外部に排出する排水流路と、この排水流路内の水分の排出を許容又は遮断する排水弁と、この排水弁の温度を推定する温度推定手段と、前記燃料電池内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、外気温を検出する外気温検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記温度推定手段は、前記燃料電池内の温度と前記排水弁の温度との相関関係を規定するものであって、前記燃料電池の運転停止後における前記燃料電池内の温度から前記排水弁の温度を減じて得た温度差の時間履歴を示す温度差履歴マップを外気温毎に設定した温度差履歴マップ群である制御データを有し、前記外気温検出手段で検出した次回始動時における外気温に対応する一の温度差履歴マップを前記温度差履歴マップ群から選定し、前記燃料電池温度検出手段で検出した次回始動時における前記燃料電池内の温度から、前記一の温度差履歴マップにおける温度差の最大値を減じて得た値を前記排水弁の温度と推定するものである、
   燃料電池システム。
3. 燃料電池と、この燃料電池内の水分を外部に排出する排水流路と、この排水流路内の水分の排出を許容又は遮断する排水弁と、この排水弁の温度を推定する温度推定手段と、前記燃料電池内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記燃料電池の運転が停止した場合にその運転停止時間を計測する計時手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記温度推定手段は、前記燃料電池内の温度と前記排水弁の温度との相関関係を規定するものであって、前記燃料電池の運転停止後における前記燃料電池内の温度から前記排水弁の温度を減じて得た温度差の時間履歴を示す温度差履歴マップである制御データを有し、前記計時手段で計測した運転停止時間に対応する温度差を前記温度差履歴マップに基づいて決定し、前記燃料電池温度検出手段で検出した次回始動時における前記燃料電池内の温度から、決定した前記温度差を減じた値を前記排水弁の温度と推定するものである、
   燃料電池システム。
4. 燃料電池と、この燃料電池内の水分を外部に排出する排水流路と、この排水流路内の水分の排出を許容又は遮断する排水弁と、この排水弁の温度を推定する温度推定手段と、前記燃料電池内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、外気温を検出する外気温検出手段と、前記燃料電池の運転が停止した場合にその運転停止時間を計測する計時手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記温度推定手段は、前記燃料電池内の温度と前記排水弁の温度との相関関係を規定するものであって、前記燃料電池の運転停止後における前記燃料電池内の温度から前記排水弁の温度を減じて得た温度差の時間履歴を示す温度差履歴マップを外気温毎に設定した温度差履歴マップ群である制御データを有し、前記外気温検出手段で検出した次回始動時における外気温に対応する一の温度差履歴マップを前記温度差履歴マップ群から選定し、前記計時手段で計測した運転停止時間に対応する温度差を前記一の温度差履歴マップに基づいて決定し、前記燃料電池温度検出手段で検出した次回始動時における前記燃料電池内の温度から、決定した前記温度差を減じて得た値を前記排水弁の温度と推定するものである、
   燃料電池システム。
5. 燃料電池と、この燃料電池内の水分を外部に排出する排水流路と、この排水流路内の水分の排出を許容又は遮断する排水弁と、この排水弁の温度を推定する温度推定手段と、前記燃料電池内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記温度推定手段は、前記燃料電池内の温度と前記排水弁の温度との相関関係を規定すると共に前回停止時における前記排水弁の温度を含む制御データを有し、前記燃料電池温度検出手段で検出した前記燃料電池内の温度と、前記制御データに含まれる前回停止時における前記排水弁の温度と、のうち何れか低い方の値を、前記燃料電池の始動時における前記排水弁の初期推定温度とするものである、
   燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の冷媒出口から排出された冷媒を前記燃料電池の冷媒入口へと循環させるための冷媒循環流路と、
   前記冷媒循環流路の前記燃料電池の冷媒入口付近から前記排水弁へと冷媒を流通させるための弁用冷媒流路と、を備え、
   前記温度推定手段は、冷媒が前記冷媒循環流路から前記弁用冷媒流路を経由して前記排水弁に到達するまでの所定時間内において、前記初期推定温度の更新を停止するものである、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池温度検出手段は、前記冷媒循環流路内の前記燃料電池の冷媒入口付近における冷媒の温度を前記燃料電池内の温度として検出するものであり、
   前記温度推定手段は、前記所定時間経過後に、現時点における前記排水弁の推定温度と、現時点より前記所定時間前の時点において前記燃料電池温度検出手段で検出した冷媒の温度と、に基づいて、現時点より後の前記排水弁の温度を推定するものである、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 外気温を検出する外気温検出手段を備え、
   前記温度推定手段は、前記所定時間経過後に、現時点における前記排水弁の推定温度と、現時点において前記外気温検出手段で検出した外気温と、に基づいて、現時点より後の前記排水弁の温度を推定するものである、
   請求項６又は７に記載の燃料電池システム。

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