JP6380258B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載される燃料電池システムに関する。

従来、車両に搭載される燃料電池システムでは、氷点下環境で使用される場合に、燃料電池の内部や接続配管に残留した水分が凍結してしまい、起動性が低下してしまうことがあった。これに対して、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池システムの停止時に、外気温を含む外気条件に基づいて凍結時間を推定し、凍結時間を超えた場合に燃料電池内部を掃気（「パージ」とも呼ぶ）することにより、燃料電池内部の水分量を低減させ、凍結を防止する燃料電池システムが提案されている。

特開２０１１−２０４４４７号公報 特開２００６−０７９８６４号公報 特開２００８−０１０４２４号公報

燃料電池自動車では、駐車場所によっては外乱の影響を受け、外気温を実際よりも高く検出することがある。このため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池システムの停止時に、実際の温度よりも高い外気温に基づいて凍結時間を推定してしまい、凍結が発生する以前の適切なタイミングでパージを実施することができない虞があった。また、掃気の能力的にも凍結を防止するに好ましいパージを行うことができず、掃気効果が低いという問題もあった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の第１の形態は、車両に搭載される燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料電池の内部にパージガスを供給可能なガス供給部と、前記車両の停止時に、前記ガス供給部を制御して前記パージガスによる掃気処理を実行する掃気制御部と、を備える。前記掃気制御部は、前記車両の走行時の外気温を複数回、取得し、前記取得された走行時の外気温のうちの最後に取得された外気温が所定の閾値以下である場合に、前記最後に取得された外気温が前記閾値を上回る場合と比べて掃気能力を高めて、前記掃気処理を実行する。第１の形態の燃料電池システムによれば、車両の走行時の外気温を用いて掃気処理を実行できる。本発明の発明者は、車両の停止時の外気温に比べ、車両の走行時の外気温の方が外乱の影響を受けにくいという知見を得た。このため、第１の形態の燃料電池システムによれば、外乱の影響が低い外気温に基づいて掃気能力を高めて掃気できることから、掃気効果を高めることができる。

（２）第１の形態の燃料電池システムにおいて、前記掃気能力を高めることは、掃気の時間を長くすることとしてもよい。この燃料電池システムによれば、ポンプの吐出量を高めて掃気効果を高める場合と比較して、ポンプに要求される能力が低くても掃気効果を高めることができる。

（３）第１の形態の燃料電池システムにおいて、前記掃気能力を高めることは、単位時間当たりの掃気の強さを増大することとしてもよい。この燃料電池システムによれば、掃気を短時間で行うことができる。

（４）本発明の第２の形態は、車両に搭載される燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料電池の内部にパージガスを供給可能なガス供給部と、前記車両の停止後の所定の時機に、前記ガス供給部を制御して前記パージガスによる掃気処理を実行する掃気制御部と、を備える。前記掃気制御部は、前記車両の走行時の外気温を複数回、取得し、前記取得された走行時の外気温のうちの最後に取得された外気温が所定の閾値以下である場合に、前記最後に取得された外気温が前記閾値を上回る場合と比べて前記掃気処理の実施可能性を高める。第２の形態の燃料電池システムによれば、車両の走行時の外気温を用いて掃気処理の実施可能性を高めることができる。前述したように、車両の停止時の外気温に比べ、車両の走行時の外気温の方が外乱の影響を受けにくい。このため、第２の形態の燃料電池システムによれば、外乱の影響が低い外気温に基づいて掃気処理の実施可能性を高めることができることから、適切なタイミングで掃気を実施することができる。

（５）第２の形態の燃料電池システムにおいて、前記車両の非走行時の外気温を取得する非走行時外気温取得部を備え、前記掃気制御部は、前記取得された走行時の外気温と前記取得された非走行時の外気温とのうちの低い方の温度に基づき前記所定の時機を決定するようにしてもよい。車両の停止時の外気温に比べ、車両の走行時の外気温の方が外乱の影響を受けにくい反面、走行時間帯によっては停止時の外気温よりも高い外気温を拾ってしまう可能性がある。この燃料電池システムによれば、走行時の外気温と非走行時の外気温とのうちの低い方の温度に基づき、車両の停止後の掃気処理の実行時期を決めていることから、より適切なタイミングで掃気を実施することができる。

（６）第１または第２の形態の燃料電池システムにおいて、前記外気温を検出するセンサが異常であるときに、走行時の外気温が前記閾値以下である場合と同一の条件で前記掃気処理を実行するようにしてもよい。この燃料電池システムによれば、外気温を検出するセンサが異常であるときに、安全サイドに立ち、外乱の影響を受けにくい走行時の外気温を用いたときと同じ掃気処理が実施されることになる。このため、掃気効果をより高めることができる。

（７）第１または第２の形態の燃料電池システムにおいて、前記取得された走行時の外気温が所定の閾値以下である場合に、前記取得された走行時の外気温が前記閾値を上回る場合と比べて前記燃料電池の含水量を低減させる含水量制御部を備えるようにしてもよい。この燃料電池システムによれば、予め燃料電池の含水量を低減させておくことで、掃気後に燃料電池システム内部に残る水分量をより少なくすることができる。

（８）第１または第２の形態の燃料電池システムにおいて、前記含水量の低減は、前記燃料電池の水温を高くすること、または、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの供給量を増大することによって行うようにしてもよい。この燃料電池システムによれば、燃料電池の水分の持ち去り量を多くすることで、燃料電池の含水量を容易に低減できる。

本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法、その制御方法の各工程に対応した機能を実現するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した記録媒体等の形態で実現できる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。 制御部によって実行される冬判定処理ルーチンを示すフローチャートである。 制御部によって実行される停止時パージ処理ルーチンを示すフローチャートである。 制御部によって実行されるウェークアップ時間設定ルーチンを示すフローチャートである。 制御部によって実行されるパーキングパージ処理ルーチンを示すフローチャートである。

次に、本発明の実施形態を説明する。
Ａ．全体構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。この燃料電池システム１００は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、駆動力として用いられる電力を出力する。燃料電池車両は、例えば、四輪自動車である。燃料電池システム１００は、制御部１０と、燃料電池スタック２０と、空気供給排出部３０と、水素ガス供給排出部５０と、冷媒循環部７０と、を備える。

制御部１０は、中央処理装置（ＣＰＵ）と記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、記憶装置上にプログラムを読み込んで実行することにより、種々の機能を発揮する。制御部１０は、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池スタック２０に出力要求に応じた電力を発電させる燃料電池スタック２０の運転制御を実行する機能を有する。

燃料電池スタック２０は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、複数の単セル２１を積層して形成される。各単セル２１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極（カソード、アノード）を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体の両外側に配置されるセパレータと、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。燃料電池スタック２０は、数々の型を適用可能であるが、本実施形態では、固体高分子型を用いるものとした。

空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０に空気（酸化剤ガス）を供給する機能と、燃料電池スタック２０のカソード側から排出される排水とカソード排ガスとを燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、を有する。空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０の上流側に、空気供給用配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、を備える。空気供給用配管３１は、燃料電池スタック２０のカソード側の入口に接続されている配管である。エアコンプレッサ３２は、空気供給用配管３１を介して燃料電池スタック２０に接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、酸化ガスとして燃料電池スタック２０のカソード側に供給する。

エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、この計測値に基づいてエアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池スタック２０に対する空気の供給量を制御する。開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池スタック２０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気が空気供給用配管３１に供給されたときに開く。

空気供給排出部３０は、燃料電池スタック２０の下流側に、カソード排ガス用配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４と、を備える。カソード排ガス用配管４１は、燃料電池スタック２０のカソード側の出口に接続されている配管であり、排水及びカソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出可能である。調圧弁４３は、カソード排ガス用配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池スタック２０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測値を制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて調圧弁４３の開度を調整する。

水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０に水素ガスを供給する機能と、燃料電池スタック２０から排出されるアノード排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出する機能と、燃料電池システム１００内において循環させる機能と、を有する。水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０の上流側に、水素ガス供給配管５１と、水素タンク５２と、を備える。水素タンク５２には、燃料電池スタック２０に供給するための高圧水素が充填されている。水素タンク５２は、水素ガス供給配管５１を介して燃料電池スタック２０のアノード側の入口に接続されている。

水素ガス供給配管５１には、さらに、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とが、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。制御部１０は、開閉弁５３の開閉を制御することによって、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部１０によって制御されている。水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成される。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部１０に送信する。制御部１０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５の開閉タイミングを表す駆動周期を制御することによって、燃料電池スタック２０に供給される水素量を制御する。

水素ガス供給排出部５０は、燃料電池スタック２０の下流側に、アノード排ガス用配管６１と、気液分離部６２と、水素ガス循環配管６３と、水素ポンプ６４と、アノード排水用配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７と、を備える。アノード排ガス用配管６１は、燃料電池スタック２０のアノード側の出口と気液分離部６２とを接続する配管である。アノード排ガス用配管６１には、圧力計測部６７が設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池スタック２０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池スタック２０のアノード側の背圧）を計測し、制御部１０に送信する。

気液分離部６２は、水素ガス循環配管６３と、アノード排水用配管６５とに接続されている。アノード排ガス用配管６１を介して気液分離部６２に流入したアノード排ガスは、気液分離部６２によって気体成分と水分とに分離される。気液分離部６２内において、アノード排ガスの気体成分は水素ガス循環配管６３へと誘導され、水分はアノード排水用配管６５へと誘導される。

水素ガス循環配管６３は、水素ガス供給配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。水素ガス循環配管６３には、水素ポンプ６４が設けられている。水素ポンプ６４は、気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素を水素ガス供給配管５１へと送り出す循環ポンプとして機能する。

アノード排水用配管６５には排水弁６６が設けられている。排水弁６６は、制御部１０からの指令に応じて開閉する。制御部１０は、通常、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。アノード排水用配管６５の下流端は、アノード側の排水とアノード排ガスとを、カソード側の排水とカソード排ガスとに混合して排出可能なように、カソード排ガス用配管４１に合流されている（図示は省略）。

冷媒循環部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、循環ポンプ７５と、２つの温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷媒を循環させるための配管であり、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、で構成される。上流側配管７１ａは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の出口とラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池スタック２０内の冷媒流路の入口とラジエータ７２の出口とを接続する。

ラジエータ７２は、外気を取り込むファンを有し、冷媒用配管７１の冷媒と外気との間で熱交換させることにより、冷媒を冷却する。循環ポンプ７５は、下流側配管７１ｂに設けられており、制御部１０の指令に基づき駆動する。冷媒は、循環ポンプ７５の駆動力によって冷媒用配管７１内を流れる。

第１温度計測部７６ａは上流側配管７１ａに設けられ、第２温度計測部７６ｂは下流側配管７１ｂに設けられている。制御部１０は、２つの温度計測部７６ａ，７６ｂによって各配管７１ａ，７１ｂにおける冷媒温度を検出し、各配管７１ａ，７１ｂの冷媒温度の差から燃料電池スタック２０の運転温度を検出する。制御部１０は、燃料電池スタック２０の運転温度に基づいて循環ポンプ７５の回転数を制御することによって、燃料電池スタック２０の運転温度を制御する。

その他に、燃料電池システム１００は、二次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える（図示は省略）。二次電池は、燃料電池スタック２０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池スタック２０とともに電力源として機能する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、二次電池の充放電や燃料電池スタック２０の出力電圧を制御することができる。なお、上述した燃料電池システム１００の各構成部は、二次電池の電力を用いることにより、燃料電池スタック２０の運転停止後においても駆動することが可能である。

燃料電池システム１００は、さらに、車両外部の気温（外気温）を計測可能な外気温センサ８０を備える。外気温センサ８０は、例えば、フロントバンパーの裏側に取り付けられている。外気温センサ８０は、測定結果である外気温ＴＨＡを制御部１０に送信する。なお、外気温センサ８０の取り付け位置は、上記に限る必要はなく、燃料電池車両の外側の温度を検出することができれば、いずれの位置とすることもできる。

車両は、さらに、イグニッションスイッチ９０を備える。イグニッションスイッチ９０は、運転者によって操作される車両の起動スイッチであり、イグニッションスイッチ９０がオンにされると、車両に搭載される燃料電池システム１００が起動し、イグニッションスイッチ９０がオフにされると、燃料電池システム１００は停止する。なお、イグニッションスイッチ９０がオフになっても、制御部１０に備えられる記憶装置の記憶内容が消えないように、記憶装置は、不揮発性メモリを備える。

ところで、前記したとおり、燃料電池スタック２０の各単セル２１は湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜を備えている。そのため、燃料電池スタック２０の運転中には、燃料電池スタック２０の内部は湿潤状態に保持されることが望ましい。しかし、車両の駐車中に、燃料電池スタック２０の内部や、その接続配管の内部に多量の水分が残留していると、その水分は、氷点下などの低温環境下において凍結してしまう。そうした残留水分の凍結は、燃料電池スタック２０の内部やその接続配管における反応ガスの流路の閉塞などの不具合を引き起こし、燃料電池スタック２０の起動性を低下させる原因となる。なお、燃料電池スタックの内部や接続配管の内部が凍結することを、本明細書では、燃料電池システムが凍結すると述べる。

そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、車両の停止時および停止後に、燃料電池スタック２０の内部やその接続配管における反応ガスの流路を掃気する掃気処理が行われる。制御部１０に含まれる掃気制御部１０ａが、掃気処理を実行する機能を発揮する。掃気制御部１０ａは、図２〜図５に示す各種の処理ルーチンが制御部１０によって実行されることによって実現される。各処理ルーチンについて、以下に詳述する。

Ｂ．掃気制御部の構成：
図２は、制御部１０によって実行される冬判定処理ルーチンを示すフローチャートである。冬判定処理ルーチンは、制御部１０のＣＰＵによって、イグニッションスイッチ９０がオンされてからオフされるまでの期間に繰り返し実行される。処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、冬判定フラグＦが値１であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。冬判定フラグＦは、車両が予め規定された低温環境下にあるか否かを表すフラグである。本実施形態では、予め規定された低温環境下を便宜的に「冬」として、そのフラグを冬判定フラグＦと呼ぶ。冬判定フラグＦは、出荷時は値０である。冬判定フラグＦは、不揮発性メモリに記憶されており、イグニッションスイッチ９０がオフされたときにもクリアされることはない。

ステップＳ１１０で、冬判定フラグＦが値１でないと判定されると、ＣＰＵは、外気温センサ８０が異常（故障）であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。外気温センサ８０が異常であるか否かの判定は、例えば、所定の診断条件が成立した際における外気温センサ８０の検出結果に基づいて行う。ここで、異常でない、すなわち正常であると判定されると、ＣＰＵは、外気温センサ８０から外気温ＴＨＡを取得し（ステップＳ１３０）、取得された外気温ＴＨＡが第１の閾値Ｔａ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１４０）。第１の閾値Ｔａは、例えば、−１０℃である。外気温ＴＨＡが第１の閾値Ｔａ以下であると判定されたとき、ＣＰＵは、冬判定フラグＦに値１をセットする（ステップＳ１５０）。なお、第１の閾値Ｔａは、−１０℃に限る必要はなく、０℃以下であれば、いずれの値とすることもできる。

一方、ステップＳ１４０で、外気温ＴＨＡが第１の閾値Ｔａ以下でない、すなわち第１の閾値Ｔａを上回ると判定された場合には、ＣＰＵは、不揮発性メモリからソーク履歴データを読み出して、ソーク履歴データから以前にパーキングパージが実施されたか否かを判定する（ステップＳ１６０）。

本実施形態では、掃気として、イグニッションスイッチ９０がオフされた時に実施される停止時パージと、イグニッションスイッチ９０がオフされた時から所定のウェークアップ時間が経過した時に実施されるパーキングパージとを行う。ソーク履歴データには、パーキングパージが実施されたときに、実施された旨が記録される。ソーク履歴データは、燃料電池スタック２０の出力電圧が立ち上がったとき（所定の閾値以上となったとき）毎に、クリアされる。したがって、ソーク履歴データには、前回に燃料電池スタック２０の出力電圧が立ち上がってから、今回に燃料電池スタック２０の出力電圧が立ち上がるまでの一期間において、パーキングパージの実施が有ったか否かが記録されることになる。このため、ステップＳ１６０では、上記一期間において、パーキングパージが実施されたか否かが判定されることになる。なお、イグニッションスイッチ９０がオンされてから燃料電池スタック２０の出力電圧が立ち上がるまでの間において、ステップＳ１６０の判定を行う時間的な余裕はある。

ステップＳ１６０で、パーキングパージの実施が有りと判定された場合には、ＣＰＵは、ステップＳ１５０に処理を進めて、冬判定フラグＦに値１をセットする。すなわち、上記一期間において、パーキングパージが実施されたと判定されたときには、冬として冬判定フラグＦに値１がセットされる。一方、ステップＳ１６０でパーキングパージの実施が無しと判定された場合には、「リターン」に抜けて、この冬判定処理ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１２０で、外気温センサ８０が異常であると判定された場合にも、ＣＰＵは、ステップＳ１５０に処理を進めて、冬判定フラグＦに値１をセットし、その後、「リターン」に抜けて、この冬判定処理ルーチンを一旦終了する。

ステップＳ１１０で、冬判定フラグＦが値１であると判定された場合には、所定の走行条件が成立しているか否かを判定する（ステップＳ１７０）。本実施形態では、所定の走行条件は、図示しない車速センサによって検出された車速が所定の閾値（例えば３０［ｋｍ／ｈ］）以上であることが所定時間（例えば、１２０［ｓ］）以上継続されていることとした。なお、この走行条件は、一例であり、車両がある程度、走行している状態であることを検出できれば、車速の閾値や所定時間は他の値に換えることができる。

ステップＳ１７０で、走行条件が成立した判定された場合には、外気温センサ８０から外気温ＴＨＡを取得し（ステップＳ１８０）、取得された外気温ＴＨＡが第２の閾値Ｔｂ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１９０）。第２の閾値Ｔｂは、例えば、５℃である。外気温ＴＨＡが第２の閾値Ｔｂ以上であると判定されたとき、ＣＰＵは、冬判定フラグＦを値０にクリアする（ステップＳ１９５）。すなわち、ステップＳ１７０からＳ１９５までの処理によれば、所定の走行条件が成立するような走行中に、外気温ＴＨＡが５℃以上となったときに、冬判定フラグＦがクリアされる。なお、第２の閾値Ｔｂは、０℃以上の他の値に換えることもできる。

ステップＳ１７０で走行条件が成立しなかったとき、または外気温ＴＨＡが第２の閾値Ｔｂを下回っていると判定されたときには、ＣＰＵは、冬判定フラグＦをクリアすることなく、「リターン」に抜けて、この冬判定処理ルーチンを一旦終了する。

図３は、制御部１０によって実行される停止時パージ処理ルーチンを示すフローチャートである。停止時パージ処理ルーチンは、制御部１０のＣＰＵによって、イグニッションスイッチ９０がオフされた時に実行される。処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、冬判定処理ルーチンによって得られた冬判定フラグＦが値１であるか否かを判定する（ステップＳ２１０）。ここで、冬判定フラグＦが値１であると判定されると、ＣＰＵは、ステップＳ２２０によって、掃気（パージ）として以下のような処理を実施する。

ＣＰＵは、水素ガス供給排出部５０（図１）の水素ポンプ６４を駆動させ、燃料電池スタック２０に残留している水素を含むガスをパージガスとして循環させる。そして、所定のタイミングで排水弁６６を開き、気液分離部６２において分離された液水を排水する。このように、燃料電池スタック２０のアノード側のガスを循環させるパージを行うことにより、燃料電池スタック２０やその接続配管等に残留していた水分量と、燃料電池スタック２０や水素用の配管５１，６１，６３に残留していた水素量とを低減させることができる。

上記のパージにおける水素ポンプ６４の駆動時間は、例えば５〜２０［ｓ］であり、パージ時間は比較的長いものとなっている。このため、ステップＳ２２０において実施されるパージは、掃気能力の高いものとなっている。

一方、ステップＳ２１０で、冬判定フラグＦが値１でないと判定されると、ＣＰＵは、掃気（パージ）として、ステップＳ２２０と同様の処理を行う（ステップＳ２３０）。ただし、ステップＳ２３０における水素ポンプ６４の駆動時間は、例えば１〜２［ｓ］であり、ステップＳ２２０における駆動時間よりも短くなっている。このため、ステップＳ２３０において実施されるパージよりも、ステップＳ２２０において実施されるパージは、掃気能力の低いものとなっている。ここで言う「掃気能力」とは、１回の掃気におけるパージガスの積算量に対応する。

なお、本実施形態では、ステップＳ２２０の処理は、ステップＳ２３０の処理に対して、パージ時間を長くすることによって掃気能力を高くしていたが、これに換えて、パージ時間は同じとして水素ポンプ６４の吐出量を大きくすることによって単位時間当たりの掃気の強さを増大し、結果として掃気能力を高くするようにしてもよい。パージ時間を長くした場合、ポンプの吐出量を高めて掃気効果を高める場合と比較して、ポンプに要求される能力が低くて済む。一方、単位時間当たりの掃気の強さを増大した場合、掃気を短時間で行うことができる。

また、ステップＳ２３０の処理を、ステップＳ２２０の処理と同様の処理にするのではなく、例えば、水素ガス供給排出部５０（図１）に備えられた排水弁６６を１回、開閉するだけの処理とすることもできる。この場合、水素ポンプ６４は駆動されないが、排水弁６６が開閉されることで、アノード排ガス用配管６１からアノード排ガスを追い出し、パージガスの移動が少ないながらも実施されることから、冬判定フラグＦが値１でないときに実施されるパージは、冬判定フラグＦが値１であるときに実施されるパージより相対的に掃気能力が低いものとなる。

ステップＳ２２０またはステップＳ２３０の実行後、ＣＰＵは、この停止時パージ処理ルーチンを終了する。

図４は、制御部１０によって実行されるウェークアップ時間設定ルーチンを示すフローチャートである。先に説明したように、本実施形態では、掃気として、停止時パージに加えて、イグニッションスイッチ９０がオフされた時から所定のウェークアップ時間が経過した時に実施されるパーキングパージを実施する。ウェークアップ時間設定ルーチンは、このウェークアップ時間を設定するためのもので、制御部１０のＣＰＵによって、停止時パージ処理ルーチンと同様に、イグニッションスイッチ９０がオフされた時に実行される。

処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、第１温度計測部７６ａから水温ＴＨＷを取得する（ステップＳ３１０）。次いで、ＣＰＵは、最低外気温ＴＨＡｍｉｎを取得する（ステップＳ３２０）。最低外気温ＴＨＡｍｉｎは、外気温センサ８０の検出値に基づいて別ルーチンにて求められたもので、前回に燃料電池システム１００を運転した時の外気温の最低値である。すなわち、ステップＳ３１０によれば、前回、イグニッションスイッチ９０をオンした時からオフした時までの走行時および非走行時における外気温センサ８０で検出した外気温ＴＨＡの最低値が、最低外気温ＴＨＡｍｉｎとして取得される。換言すれば、ステップＳ３１０によれば、走行時に外気温センサ８０で検出した外気温ＴＨＡと、非走行時に外気温センサ８０で検出した外気温ＴＨＡとのうちの低い方の温度が、最低外気温ＴＨＡｍｉｎとして取得される。

続いて、ＣＰＵは、取得された水温ＴＨＷと最低外気温ＴＨＡｍｉｎとに基づいて、ウェークアップ時間を算出する（ステップＳ３３０）。ウェークアップ時間は、今回、イグニッションスイッチ９０をオフした時を起点として、燃料電池システム１００が凍結しそうになるまでの時間に相当するものである。ステップＳ３３０によれば、ステップＳ３１０で取得されたイグニッションスイッチ９０のオフ時の水温ＴＨＷと、前回、イグニッションスイッチ９０をオンしたからオフしたときまでの走行時および非走行時における外気温センサ８０で検出した外気温ＴＨＡの最低値とに基づいて、燃料電池システム１００が凍結しそうな時間が算出され、その凍結しそうな時間がウェークアップ時間と定められる。ステップＳ３３０の実行後、ＣＰＵは、ウェークアップ時間設定ルーチンを終了する。

図５は、制御部１０によって実行されるパーキングパージ処理ルーチンを示すフローチャートである。パーキングパージ処理ルーチンは、制御部１０のＣＰＵによって、イグニッションスイッチ９０がオフされた時点からウェークアップ時間が経過した時に実行される。ウェークアップ時間は、ウェークアップ時間設定ルーチンによって求められたものである。

処理が開始されると、ＣＰＵは、まず、外気温センサ８０から外気温ＴＨＡを取得し、第１温度計測部７６ａから水温ＴＨＷを取得する（ステップＳ４１０）。次いで、ＣＰＵは、冬判定処理ルーチンによって得られた冬判定フラグＦが値１であるか否かを判定する（ステップＳ４２０）。ここで、冬判定フラグＦが値１であると判定されると、ＣＰＵは、直ちにステップＳ４４０に処理を進める。一方、冬判定フラグＦが値１でないと判定されると、ステップＳ４１０で取得された外気温ＴＨＡが０℃以下か否かを判定し（ステップＳ４３０）、０℃以下である場合に限って、ＣＰＵはステップＳ４４０に処理を進める。

すなわち、ステップＳ４２０およびＳ４３０の処理によれば、冬判定フラグＦが値１でない場合には、外気温ＴＨＡが０℃以下とならないと、ステップＳ４４０に処理は移行しない。一方、冬判定フラグＦが値１である場合には、外気温ＴＨＡが何度であってもステップＳ４４０に処理は移行する。すなわち、冬判定フラグＦが値１である場合には、冬判定フラグＦが値１でない場合と比べて、外気温ＴＨＡの判定を行うステップＳ４３０の処理が必要ないことから、ステップＳ４４０に移行する可能性は高いものとなっている。

ステップＳ４４０では、ＣＰＵは、ステップＳ４１０で取得された水温ＴＨＷが所定値Ｔｃ以下か否かを判定する。所定値Ｔｃは、０℃を上回る値であり、本実施形態では、例えば５℃である。０℃を上回る値としたのは、凍結するまでに対処したいためである。所定値は、０℃を上回り、１０℃以下であれば、いずれの値にも換えることができる。ステップＳ４４０で、水温ＴＨＷが所定値Ｔｃ以下であると判定された場合には、ＣＰＵは、掃気（パージ）を実施する（ステップＳ４５０）。ここでのパージは、停止時パージ処理ルーチン（図３）のステップＳ２２０で実施したパージと同一である。すなわち、掃気能力が高いパージが実施される。なお、ステップＳ４５０におけるパージの掃気能力は、ステップＳ２２０で実施したパージの掃気能力と必ずしも同一である必要はなく、異なる掃気能力とすることができる。

一方、ＣＰＵは、ステップＳ４４０で水温ＴＨＷが所定値Ｔｃを上回ると判定された場合、またはステップＳ４３０で外気温ＴＨＡが０℃を上回ると判定された場合（ステップＳ４３０）には、ＣＰＵは、パージ実施を行うことなく、ウェークアップ時間を再設定する処理を行う（ステップＳ４６０）。この処理は、図４のウェークアップ時間設定ルーチンと同様に、水温ＴＨＷと最低外気温ＴＨＡｍｉｎとに基づいてウェークアップ時間を算出するものである。水温ＴＨＷは、ステップＳ４１０で取得されたものを用い、最低外気温ＴＨＡｍｉｎは、ウェークアップ時間設定ルーチンと同様に、前回に燃料電池システム１００を運転した時の外気温の最低値である。

ステップＳ４５０でパージを実施後、またはステップＳ４６０でウェークアップ時間を再設定後、ＣＰＵは、パーキングパージ処理ルーチンを終了する。ウェークアップ時間が再設定された場合には、パーキングパージ処理ルーチンの終了時点から、再設定されたウェークアップ時間の経過後にパーキングパージ処理ルーチンが再度、実行される。

Ｃ．実施形態の効果：
以上、詳述したように、本実施形態の燃料電池システム１００は、停止時パージを行うに際し、車両の走行時の外気温ＴＨＡを取得し、前記取得された走行時の外気温ＴＨＡが第１の閾値Ｔａ（例えば、−１０℃）以下である場合に（図２のＳ１４０「ＹＥＳ」）、冬判定フラグＦを値１にセットし（図２のＳ１５０）、前記取得された走行時の外気温が第１の閾値Ｔを上回る場合（冬判定フラグＦ＝０の場合）と比べて掃気能力を高めて、掃気処理を実施する（図３）。このために、燃料電池システム１００によれば、車両の走行時の外気温ＴＨＡを用いて掃気処理を実行できる。前述したように、車両の停止時の外気温に比べ、車両の走行時の外気温の方が外乱の影響を受けにくい。このため、燃料電池システム１００によれば、外乱の影響が低い外気温に基づいて掃気能力を高めて掃気できることから、掃気効果を高めることができる。

また、燃料電池システム１００は、パーキングパージを行うに際し、車両の走行時の外気温ＴＨＡが第１の閾値Ｔａ（例えば、−１０℃）以下である場合（冬判定フラグＦ＝１の場合）に、走行時の外気温ＴＨＡが第１の閾値Ｔａを上回る場合（冬判定フラグＦ＝０の場合）と比べて、掃気処理の実施可能性を高める（図５）。このため、燃料電池システム１００によれば、外乱の影響が低い外気温ＴＨＡに基づいて掃気処理の実施可能性を高めることができることから、適切なタイミングで掃気を実施することができる。

さらに、燃料電池システム１００は、走行時に外気温センサ８０で検出した外気温ＴＨＡと、非走行時に外気温センサ８０で検出した外気温ＴＨＡとのうちの低い方の温度を、最低外気温ＴＨＡｍｉｎとし、その最低外気温ＴＨＡｍｉｎを用いてウェークアップ時間を算出する（図４）。車両の停止時の外気温に比べ、車両の走行時の外気温の方が外乱の影響を受けにくい反面、走行時間帯によっては停止時の外気温よりも高い外気温を拾ってしまう可能性があるが、上記最低外気温ＴＨＡｍｉｎを用いことで、より適切なタイミングでパーキングパージを実施することができる。

燃料電池システム１００は、外気温センサ８０が異常であるときにも、冬判定フラグＦに値１をセットする（図３のＳ１２０「ＹＥＳ」、Ｓ１５０）。このために、外気温センサ８０が異常であるときに、安全サイドに立ち掃気処理が実施されることになる。このため、掃気効果をより高めることができる。

Ｄ．変形例：
・変形例１：
前記実施形態の燃料電池システム１００では、水素ガス供給排出部５０の水素ポンプ６４を駆動することにより、燃料電池システム１００の内部に残留していたアノード側の残留ガスをパージガスとして循環させていた。しかし、パージ処理としては、他のパージガスを燃料電池スタック２０や、その接続配管に流入させるものとしてもよい。例えば、空気供給排出部３０のエアコンプレッサ３２を駆動させることにより、パージガスとしての外気を燃料電池スタック２０に流入させるものとしてもよい。また、燃料電池システム１００は、パージガスとしての不活性ガスを燃料電池スタック２０に供給可能な供給源を備えるものとしてもよい。

・変形例２：
前記実施形態の燃料電池システム１００では、停止時パージとパーキングパージとの双方を行う構成としたが、これに換えて、停止時パージとパーキングパージとのいずれか一方を行う構成としてもよい。

・変形例３：
前記実施形態の燃料電池システム１００において、燃料電池スタック２０の運転の途中で、図２の冬判定処理ルーチンで冬判定フラグＦが値１となった場合に、冬判定フラグＦが値０である場合（以下、通常時と呼ぶ）に比べて、燃料電池の含水量が少なくなるような運転をしてもよい。これは、停止時パージまたはパーキングパージの際に掃気能力を高めたパージが必要とされることが予想できることから、予め燃料電池の含水量が少なくなるような運転を行う。したがって、この変形例によれば、掃気後に燃料電池システム内部に残る水分量をより少なくすることができる。

燃料電池の含水量が少なくなるような運転の一つとして、燃料電池の水温を通常時よりも高くするというものがあげられる。これにより、ガスの温度が高くなり、水分の持ち去り量を多くすることができ、結果、燃料電池の含水量を少なくすることができる。また、カソードガス（酸化剤ガス）の供給量を通常時よりも多くするというものもあげられる。これによっても水分の持ち去り量を多くすることができる。

本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、前述した実施形態および各変形例における構成要素の中の、独立請求項で記載された要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。

１０…制御部
１０ａ…掃気制御部
２０…燃料電池スタック
２１…単セル
３０…空気供給排出部
３１…空気供給用配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
４０…燃料電池スタック
４１…カソード排ガス用配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…水素ガス供給排出部
５１…水素ガス供給配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６１…アノード排ガス用配管
６２…気液分離部
６３…水素ガス循環配管
６４…水素ポンプ
６５…アノード排水用配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
７０…冷媒循環部
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７２…ラジエータ
７５…循環ポンプ
７６ａ…第１温度計測部
７６ｂ…第２温度計測部
８０…外気温センサ
９０…イグニッションスイッチ
１００…燃料電池システム
ＴＨＡ…外気温
ＴＨＷ…水温
Ｆ…冬判定フラグ

Claims (8)

1. 車両に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池の内部にパージガスを供給可能なガス供給部と、
   前記車両の停止時に、前記ガス供給部を制御して前記パージガスによる掃気処理を実行する掃気制御部と、
   を備え、
   前記掃気制御部は、
   前記車両の走行時の外気温を複数回、取得し、
   前記取得された走行時の外気温のうちの最後に取得された外気温が所定の閾値以下である場合に、前記最後に取得された外気温が前記閾値を上回る場合と比べて掃気能力を高めて、前記掃気処理を実行する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記掃気能力を高めることは、掃気の時間を長くすることである、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記掃気能力を高めることは、単位時間当たりの掃気の強さを増大することである、燃料電池システム。
4. 車両に搭載される燃料電池システムであって、
   燃料電池の内部にパージガスを供給可能なガス供給部と、
   前記車両の停止後の所定の時機に、前記ガス供給部を制御して前記パージガスによる掃気処理を実行する掃気制御部と、
   を備え、
   前記掃気制御部は、
   前記車両の走行時の外気温を複数回、取得し、
   前記取得された走行時の外気温のうちの最後に取得された外気温が所定の閾値以下である場合に、前記最後に取得された外気温が前記閾値を上回る場合と比べて前記掃気処理の実施可能性を高める、
   燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記車両の非走行時の外気温を取得する非走行時外気温取得部を備え、
   前記掃気制御部は、
   前記取得された走行時の外気温と前記取得された非走行時の外気温とのうちの低い方の温度に基づき前記所定の時機を決定する、燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記外気温を検出するセンサが異常であるときに、走行時の外気温が前記閾値以下である場合と同一の条件で前記掃気処理を実行する、燃料電池システム。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記取得された走行時の外気温が所定の閾値以下である場合に、前記取得された走行時の外気温が前記閾値を上回る場合と比べて前記燃料電池の含水量を低減させる含水量制御部
   を備える燃料電池システム。
8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
   前記含水量の低減は、前記燃料電池の水温を高くすること、または、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの供給量を増大することによって行う、燃料電池システム。

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