JP6729348B2 - 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。

固体高分子型燃料電池は、電解質膜の両側に触媒電極層が配置された膜電極接合体を備える。膜電極接合体では電気化学反応が進行し、水が生成されることから、燃料電池スタック内部には水が存在する。このため、燃料電池が寒冷地などで使用される場合では、運転停止後に、燃料電池スタック内の水が凍結することがある。燃料電池スタック内の水が凍結するとガス流路が閉塞した状態になり、起動時における出力が低下することがある。そこで、燃料ガス及び酸化剤ガスの排ガスを排出する反応ガス排出配管に、燃料電池スタックから排出された水を捕集し保持する貯水部を設けることで、凍結起動時に高圧運転による起動を可能とする技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２５０９４７号公報

しかしながら、特許文献１では、貯水部が燃料電池スタックの外部にあるため、貯水部の凍結状態と燃料電池スタック内部の凍結状態とが異なる場合がある。つまり、特許文献１の技術では、燃料電池スタック内部の凍結状態を精度良く把握することが難しい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池スタック内部の凍結状態を精度良く判断することを目的とする。

本発明は、複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの内部に設けられ、前記複数の単セルから排出される酸化剤排ガスが流通する内部流路と、前記燃料電池スタックの内部に前記内部流路に接続されて設けられ、前記複数の単セルから排出される生成水を貯水する貯水部と、前記燃料電池スタックの外部に前記内部流路に接続されて設けられ、前記酸化剤排ガスを排出する外部流路と、前記外部流路に設けられた調圧バルブと、前記貯水部と、前記調圧バルブよりも下流側における前記外部流路と、の間に接続されたバイパス流路と、前記バイパス流路に設けられ、前記複数の単セルが発電している間は閉じているバイパスバルブと、前記調圧バルブよりも上流側における前記外部流路に設けられた圧力センサと、燃料電池の起動時に、前記調圧バルブが閉じ且つ前記バイパスバルブが開いた状態で前記圧力センサから取得した圧力値を用いて、前記燃料電池スタックの内部の凍結状態を判断する凍結判断部と、を備える、燃料電池システムである。

本発明によれば、燃料電池スタック内部の凍結状態を精度良く判断することができる。

図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図２（ａ）は、燃料電池スタックの斜視図、図２（ｂ）は、単セルの断面図である。 図３は、燃料電池スタックのうちのエンドプレートにおける酸化剤ガス排出マニホールド近傍の図である。 図４は、実施例１において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。 図５は、バイパスバルブを開いた後に圧力センサで検出される圧力値の変動を示す図である。 図６は、実施例２において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。 図７は、入口バルブ及びバイパスバルブを開いた後に圧力センサで検出される圧力の変動を示す図である。 図８は、実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図９は、実施例３において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。 図１０は、入口バルブ及びバイパスバルブを開いた後の圧力損失の変動を示す図である。 図１１（ａ）は、貯水部の他の例を示す図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）をＡ方向から見た場合の図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、例えば燃料電池自動車や電気自動車などに搭載される。図１のように、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０、酸化剤ガス配管系６０、及び制御装置８０を含む。なお、燃料電池システム１００は、燃料ガス配管系及び冷媒配管系も含むが、図１では図示を省略している。

酸化剤ガス配管系６０は、燃料電池スタック１０に酸化剤ガス（例えば空気）を供給する。燃料ガス配管系（不図示）は、燃料電池スタック１０に燃料ガス（例えば水素）を供給する。冷媒配管系（不図示）は、燃料電池スタック１０に冷媒を供給する。燃料電池スタック１０は、固体高分子電解質型であり、複数の単セルを積層したスタック構造をしている。単セルは、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する。

図２（ａ）は、燃料電池スタックの斜視図、図２（ｂ）は、単セルの断面図である。図２（ａ）のように、燃料電池スタック１０は、反応ガスの電気化学反応により発電する単セル１２と、単セル１２が複数積層されて形成されるセル積層体１４と、セル積層体１４の積層方向両端を挟持する不図示の一対のターミナル、一対のインシュレータ１６、及び一対のエンドプレート１８と、両端のエンドプレート１８同士を繋ぐテンションプレート２０と、一端側のエンドプレート１８とインシュレータ１６との間に配置され、弾性体を単セル１２の積層方向から挟持する一対のプレッシャプレート２２と、を備える。

他端側のエンドプレート１８には、燃料ガス用の燃料ガス供給マニホールド２４及び燃料ガス排出マニホールド２６と、酸化剤ガス用の酸化剤ガス供給マニホールド２８及び酸化剤ガス排出マニホールド３０と、冷媒用の冷媒供給マニホールド３２及び冷媒排出マニホールド３４と、が設けられている。

図２（ｂ）のように、単セル１２は、電解質膜４２の一方の面にアノード触媒層４４ａが設けられ、他方の面にカソード触媒層４４ｃが設けられた膜電極接合体４０を備える。膜電極接合体４０の両側には、一対のガス拡散層（アノードガス拡散層４６ａ及びカソードガス拡散層４６ｃ）と、一対のセパレータ（アノード側セパレータ４８ａ及びカソード側セパレータ４８ｃ）と、が配置されている。アノード側セパレータ４８ａ及びカソード側セパレータ４８ｃは、表面にガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ４８ａは、アノードガス拡散層４６ａとの間に、燃料ガスが流通するアノードガス流路５０ａを形成する。カソード側セパレータ４８ｃは、カソードガス拡散層４６ｃとの間に、酸化剤ガスが流通するカソードガス流路５０ｃを形成する。

図１のように、酸化剤ガス配管系６０は、酸化剤ガス供給路６２と酸化剤ガス排出路６４を備える。酸化剤ガス供給路６２は、不図示のコンプレッサを介して、酸化剤ガスを燃料電池スタック１０に供給する。燃料電池スタック１０に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド２８及びカソードガス流路５０ｃを介して複数の単セル１２のカソード極に導かれる。酸化剤ガス供給路６２には、酸化剤ガスを燃料電池スタック１０に供給する又は供給を遮断する入口バルブ６６が設けられている。入口バルブ６６は、例えば電磁弁である。

酸化剤ガス排出路６４は、複数の単セル１２のカソード極からカソードガス流路５０ｃ及び酸化剤ガス排出マニホールド３０を介して排出された酸化剤排ガスをシステム外に排出する。酸化剤ガス排出路６４には、調圧バルブ６８が設けられている。燃料電池スタック１０から排出される酸化剤排ガスの圧力は、調圧バルブ６８によって調圧される。酸化剤ガス排出路６４における燃料電池スタック１０と調圧バルブ６８との間に、圧力センサ７０が設けられている。すなわち、圧力センサ７０は、調圧バルブ６８よりも上流側における酸化剤ガス排出路６４に設けられている。

図３は、燃料電池スタックのうちのエンドプレートにおける酸化剤ガス排出マニホールド近傍の図である。なお、図３では、インシュレータ１６を省略している。図３のように、燃料電池スタック１０の内部に酸化剤ガス排出マニホールド３０に接続した貯水部７２が設けられている。貯水部７２は、例えばエンドプレート１８内に設けられている。貯水部７２は、酸化剤ガス排出マニホールド３０よりも重力方向で下側に設けられていて、複数の単セル１２で反応ガスの電気化学反応によって生成され、酸化剤ガス排出マニホールド３０に排出された水９４を貯水する。

酸化剤ガス排出マニホールド３０は、例えばエンドプレート１８内で重力方向に階段状に曲がっている。貯水部７２は、階段の下側において、酸化剤ガス排出マニホールド３０に接続されている。このように、酸化剤ガス排出マニホールド３０を階段形状とし、階段の下側で貯水部７２を接続させることで、貯水部７２に溜まった水９４が単セル１２側に逆流することを抑制でき、貯水部７２が満水になると、酸化剤ガス排出マニホールド３０に接続された酸化剤ガス排出路６４に排水できる。

貯水部７２の容量は、適宜設定することができるが、例えば１００ｍＬ以下の場合が好ましい。また、貯水部７２の上面は、単セル１２の下端よりも上側に位置することが好ましい。

図１及び図３のように、貯水部７２と、調圧バルブ６８よりも下流側における酸化剤ガス排出路６４と、の間を接続するバイパス流路７４が設けられている。バイパス流路７４には、バイパスバルブ７６が設けられている。バイパスバルブ７６は、例えば電磁弁である。バイパスバルブ７６は、単セル１２が発電している間は閉じている。このため、貯水部７２には電気化学反応によって生成された水９４が貯水される。

制御装置８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えるマイクロコンピュータを含んで構成されている。制御装置８０は、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。ＲＯＭには、上記プログラムの他に、システムの制御に用いられるマップや閾値なども記憶されている。制御装置８０は、後述する凍結判断処理を含むシステムの運転を制御する。制御装置８０は、凍結判断処理において、バルブ制御部８２、圧力取得部８４、及び凍結判断部８６として機能する。バルブ制御部８２は、入口バルブ６６、調圧バルブ６８、及びバイパスバルブ７６の開閉を制御する。圧力取得部８４は、圧力センサ７０から圧力値を取得する。凍結判断部８６は、圧力取得部８４で取得した圧力値を用いて、燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断する。

図４は、実施例１において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。図４のように、制御装置８０は、イグニッションオフ信号を検出した後、調圧バルブ６８及び入口バルブ６６を閉じて、燃料電池の運転を停止する（ステップＳ１０）。バイパスバルブ７６は発電中において閉じていることから、調圧バルブ６８及び入口バルブ６６を閉じることで、燃料電池スタック１０内の酸化剤ガスが流れる流路は封止される。調圧バルブ６８及び入口バルブ６６を閉じた後も、燃料電池スタック１０内に残留する燃料ガスと酸化剤ガスとによって電気化学反応が進行する。これにより、燃料電池スタック１０内の圧力が低下する。また、燃料電池スタック１０の温度低下によって燃料電池スタック１０内に残留するガスの体積が変化することによっても燃料電池スタック１０内の圧力が低下する。これらのために、燃料電池スタック１０内は負圧になる。

次いで、制御装置８０は、燃料電池を始動させるイグニッションオン信号を検出するまで待機する（ステップＳ１２）。制御装置８０は、イグニッションオン信号を検出した後（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、圧力センサ７０で検出された圧力値を圧力センサ７０から取得する（ステップＳ１４）。

次いで、制御装置８０は、バイパスバルブ７６を開く（ステップＳ１６）。燃料電池スタック１０内は負圧になっているため、バイパスバルブ７６が開かれることで、外気がバイパス流路７４を介して燃料電池スタック１０内に流れ込もうとするが、貯水部７２に溜まった水９４の状態によって外気の流れ込み方が変化する。すなわち、貯水部７２に溜まった水９４の状態によって、圧力センサ７０で検出される圧力値が変化する。

図５は、バイパスバルブを開いた後に圧力センサで検出される圧力値の変動を示す図である。図５の横軸は時間、縦軸は圧力である。図５のように、貯水部７２に溜まった水９４が全て凍結して氷となって存在している場合、外気が燃料電池スタック１０内に流れ込むことができないため、圧力センサ７０で検出される圧力値はほとんど変化しない。貯水部７２に溜まった水９４が全て液水の状態で存在している場合、外気は液水中を気泡となって通過して燃料電池スタック１０内に流れ込むため、圧力センサ７０で検出される圧力値は大気圧より低い圧力値まで短い時間で上昇する。貯水部７２に溜まった水９４が氷と液水の両方で存在している場合、外気は液水の部分のみを気泡となって通過して燃料電池スタック１０内に流れ込むため、圧力センサ７０で検出される圧力値はゆっくりと上昇する。

したがって、バイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後に圧力センサ７０から取得した圧力値を用いることで、貯水部７２に溜まった水９４が凍結しているか否かを判断できる。ここで、貯水部７２は燃料電池スタック１０の内部に設けられているため、貯水部７２の温度と燃料電池スタック１０内部の温度とはほぼ同じである。すなわち、貯水部７２の凍結状態と燃料電池スタック１０内部の凍結状態とはほぼ同じである。したがって、貯水部７２に溜まった水９４が凍結しているか否かを判断することで、燃料電池スタック１０内部の凍結状態を精度良く判断できる。

そこで、図４のように、制御装置８０は、バイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後に、圧力センサ７０で検出された圧力値を圧力センサ７０から取得する（ステップＳ１８）。そして、制御装置８０は、ステップＳ１４及びステップＳ１８で取得した圧力値を用いて貯水部７２に溜まった水９４が凍結しているか否かを判断することで、燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断する（ステップＳ２０）。例えば、バイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力値（ステップＳ１８で取得した圧力値）とバイパスバルブ７６を開く前の圧力値（ステップＳ１４で取得した圧力値）との差が所定値以下の場合には、貯水部７２に溜まった水９４の少なくとも一部は凍結していると判断し、燃料電池スタック１０内部は凍結状態にあると判断する。

燃料電池スタック１０内部が凍結していると出力が低下することから、凍結状態にあると判断した場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、制御装置８０は、氷点下始動モードで燃料電池の運転を開始する（ステップＳ２２）。氷点下始動モードは、例えば酸化剤ガスの供給量を通常モードよりも少なくして、各単セル１２のセル電圧が通常モードよりも低くなるように運転するモードである。これにより、発電損失分が多くなり、多くの熱が発生するため、燃料電池スタック１０の温度上昇を促進させることができる。

次いで、制御装置８０は、燃料電池スタック１０に供給される冷媒の温度が所定値以上になったか否かを判断する（ステップＳ２４）。冷媒の温度が所定値よりも低い場合（ステップＳ２４：Ｎｏ）、制御装置８０は、氷点下始動モードを継続する（ステップＳ２２）。冷媒の温度が所定値以上になった場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、制御装置８０は、氷点下始動モードを止めて、通常モードで燃料電池の運転を開始する（ステップＳ２６）。

ステップＳ２０において、燃料電池スタック１０内部が凍結状態になっていないと判断した場合（ステップＳ２０：Ｎｏ）、制御装置８０は、通常モードで燃料電池の運転を開始する（ステップＳ２６）。

実施例１によれば、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０の内部に設けられた貯水部７２と、貯水部７２と調圧バルブ６８よりも下流側における酸化剤ガス排出路６４との間に接続されたバイパス流路７４と、バイパス流路７４に設けられたバイパスバルブ７６と、を備える。制御装置８０は、燃料電池の起動時に、調圧バルブ６８が閉じ且つバイパスバルブ７６が開いた状態で調圧バルブ６８よりも上流側における酸化剤ガス排出路６４に配置された圧力センサ７０から圧力値を取得し（ステップＳ１８）、取得した圧力値を用いて燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断する（ステップＳ２０）。これにより、燃料電池スタック１０の内部に設けられた貯水部７２に溜まった水９４によって燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断できるため、凍結状態の判断を精度良く行える。

また、実施例１によれば、貯水部７２はエンドプレート１８内に設けられている。燃料電池スタック１０は端に位置する単セル１２から凍結が進んでいく。したがって、スタックの端に位置する単セル１２に近いエンドプレート１８内に貯水部７２を設けることで、燃料電池スタック１０内部の凍結状態を精度良く判断できる。また、エンドプレート１８は厚みがあるため、貯水部７２を形成するのに適している。なお、貯水部７２は、エンドプレート１８以外の燃料電池スタック１０内、例えばインシュレータ１６に設けられていてもよい。

また、実施例１によれば、温度センサやセル電圧を測定するセルモニタを用いることなく燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断できるため、部品点数の削減及びコストの低減が図れる。

なお、実施例１では、バイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力値とバイパスバルブ７６を開く前の圧力値との差を用いて凍結状態を判断する場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではない。例えば、バイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力値そのものによって凍結状態を判断してもよいし、バイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力値がバイパスバルブ７６を開く前の圧力値からどの程度上昇したかの上昇率や上昇の速度によって凍結状態を判断してもよい。

なお、実施例１では、貯水部７２に溜まった水９４の少なくとも一部が凍結している場合に燃料電池スタック１０内部は凍結状態にあると判断しているが、この場合に限られない。貯水部７２に溜まった水９４の一部のみが凍結している場合では燃料電池スタック１０内部は凍結状態にないと判断し、貯水部７２に溜まった水９４の全てが凍結している場合にのみ燃料電池スタック１０内部は凍結状態にあると判断する場合でもよい。

実施例２に係る燃料電池システムの構成は実施例１の図１と同じであり、エンドプレート１８内に貯水部７２が設けられていることも実施例１の図３と同じであるため図示及び説明を省略する。図６は、実施例２において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。図６のように、制御装置８０は、まずステップＳ４０〜ステップＳ４４において、実施例１の図４で説明したステップＳ１０〜ステップＳ１４と同じ処理を行う。

次いで、制御装置８０は、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開くと供に、コンプレッサを稼働させて、燃料電池スタック１０内に酸化剤ガスを供給する（ステップＳ４６）。この際、貯水部７２に溜まった水９４の状態によって、酸化剤ガスのバイパス流路７４への流れ込み方が変化し、圧力センサ７０で検出される圧力値が変化する。

図７は、入口バルブ及びバイパスバルブを開いた後に圧力センサで検出される圧力値の変動を示す図である。図７の横軸は時間、縦軸は圧力である。図７のように、貯水部７２に溜まった水９４が全て凍結して氷となって存在している場合、酸化剤ガスはバイパス流路７４に流れ込むことができないため、圧力センサ７０で検出される圧力値は上昇していく。貯水部７２に溜まった水９４が全て液水で存在している場合、酸化剤ガスによって液水をバイパス流路７４側に押し出した後に、酸化剤ガスがバイパス流路７４に流れ込むようになる。このため、液水の排水中は圧力センサ７０で検出される圧力値は上昇するが、排水後は低下していく。貯水部７２に溜まった水９４が氷と液水の両方で存在している場合、貯水部７２に溜まった水９４が全て液水で存在している場合と同様に、酸化剤ガスによって液水をバイパス流路７４側に押し出した後に、酸化剤ガスがバイパス流路７４に流れ込むようになる。このため、液水の排水中は圧力センサ７０で検出される圧力値は上昇し、排水後は低下していくが、氷によって酸化剤ガスの流路が狭められているため、圧力の低下は全て液水で存在している場合（破線の場合）に比べて小さくなる。

したがって、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後に圧力センサ７０から取得した圧力値を用いることで、貯水部７２に溜まった水９４が凍結しているか否かを判断でき、その結果、燃料電池スタック１０内部が凍結状態か否かを判断できる。

そこで、図６のように、制御装置８０は、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後に、圧力センサ７０で検出された圧力値を圧力センサ７０から取得する（ステップＳ４８）。そして、制御装置８０は、ステップＳ４４及びステップＳ４８で取得した圧力値を用いて貯水部７２に溜まった水９４が凍結しているか否かを判断することで、燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断する（ステップＳ５０）。例えば、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力値（ステップＳ４８で取得した圧力値）と入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開く前の圧力値（ステップＳ４４で取得した圧力値）の差が所定値以上である場合に、貯水部７２に溜まった水９４の少なくとも一部は凍結していると判断し、燃料電池スタック１０内部は凍結状態にあると判断する。

凍結状態にあると判断した場合（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）、実施例１の図４で説明したステップＳ２２〜ステップＳ２６と同じ処理であるステップＳ５２〜ステップＳ５６を行う。凍結状態にないと判断した場合（ステップＳ５０：Ｎｏ）、ステップＳ５６を行う。

実施例１では、イグニッションオン信号を検出した後にバイパスバルブ７６のみを開き、圧力センサ７０から取得した圧力値を用いて燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断したが、実施例２のように、イグニッションオン信号を検出した後に入口バルブ６６とバイパスバルブ７６を開き、圧力センサ７０から取得した圧力値を用いて燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断してもよい。

なお、実施例２では、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力値と、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開く前の圧力値と、の差を用いて凍結状態を判断する場合を例に示したが、この場合に限られない。例えば、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力値そのものによって凍結状態を判断してもよいし、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力値が、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開く前の圧力値からどの程度上昇したかの上昇率によって凍結状態を判断してもよい。

図８は、実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図８のように、実施例３の燃料電池システム３００は、バイパスバルブ７６よりも下流側におけるバイパス流路７４に圧力センサ７８が設けられている。制御装置８０は、凍結判断処理において、バルブ制御部８２、圧力取得部８４、凍結判断部８６に加えて、圧力損失算出部８８としても機能する。圧力損失算出部８８は、圧力取得部８４が圧力センサ７０及び圧力センサ７８から取得した圧力値を用いて圧力損失を計算する。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

図９は、実施例３において、制御装置による凍結判断処理の一例を示すフローチャートである。図９のように、制御装置８０は、まずステップＳ７０、Ｓ７２において、実施例１の図４で説明したステップＳ１０、Ｓ１２と同じ処理を行う。

次いで、制御装置８０は、イグニッションオン信号を検出した後（ステップＳ７２：Ｙｅｓ）、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開くと供に、コンプレッサを稼働させて、燃料電池スタック１０内に酸化剤ガスを供給する（ステップＳ７４）。次いで、制御装置８０は、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後に、圧力センサ７０及び圧力センサ７８から圧力値を取得する（ステップＳ７６）。次いで、制御装置８０は、取得した圧力値を用いて圧力損失を算出する（ステップＳ７８）。圧力損失は、例えば圧力センサ７０から取得した圧力値（第１圧力値）と圧力センサ７８から取得した圧力値（第２圧力値）との差（第１圧力値−第２圧力値）を計算することで算出する。

図１０は、入口バルブ及びバイパスバルブを開いた後の圧力損失の変動を示す図である。図１０の横軸は時間、縦軸は圧力損失である。実施例２の図７で説明したように、貯水部７２に溜まった水９４の状態によって酸化剤ガスのバイパス流路７４への流れ込み方が変化する。このため、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いた後の圧力損失の変動は図１０のようになる。すなわち、貯水部７２に溜まった水９４が全て凍結して氷となって存在している場合は、圧力損失は上昇していく。貯水部７２に溜まった水９４が全て液水で存在している場合は、液水の排水中は圧力損失が上昇するが、排水後は低下していく。貯水部７２に溜まった水９４が氷と液水の両方で存在している場合は、液水の排水中は圧力損失が上昇し、排水後は低下していくが、氷によって酸化剤ガスの流路が狭められているため、圧力損失の低下は全て液水で存在している場合に比べて小さくなる。

このように、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後の圧力損失を用いて、貯水部７２に溜まった水９４が凍結しているか否かを判断でき、その結果、燃料電池スタック１０内部が凍結状態か否かを判断できる。

そこで、図９のように、制御装置８０は、ステップＳ７８で算出した圧力損失を用いて、貯水部７２に溜まった水９４が凍結しているか否かを判断することで、燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断する（ステップＳ８０）。例えば、圧力損失が所定値以上である場合に、貯水部７２に溜まった水９４の少なくとも一部は凍結していると判断し、燃料電池スタック１０内部は凍結状態にあると判断する。

凍結状態にあると判断した場合（ステップＳ８０：Ｙｅｓ）、実施例１の図４で説明したステップＳ２２〜ステップＳ２６と同じ処理であるステップＳ８２〜ステップＳ８６を行う。凍結状態にないと判断した場合（ステップＳ８０：Ｎｏ）、ステップＳ８６を行う。

実施例３によれば、制御装置８０は、入口バルブ６６及びバイパスバルブ７６を開いてから所定時間経過した後に圧力センサ７０及び圧力センサ７８から取得した圧力値から圧力損失を算出し、圧力損失によって燃料電池スタック１０内部の凍結状態を判断している。これにより、実施例２の場合に比べて、燃料電池スタック１０内部の凍結状態をより正確に判断することができる。

実施例１から実施例３において、貯水部７２は直方体の形状をしている場合を例に示したが、円柱や三角柱などその他の形状をしていてもよい。図１１（ａ）は、貯水部の他の例を示す図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）をＡ方向から見た場合の図である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）のように、貯水部７２ａは、酸化剤ガス排出マニホールド３０に接続する部分の断面積が反対側よりも大きく、断面積が大きい太径部９０と断面積が小さい細径部９２とが下向きの傾斜面で接続されていてもよい。太径部９０及び細径部９２の断面は、例えば円形形状をしているが、楕円形形状や矩形形状など、その他の形状をしていてもよい。

細径部９２の直径は３ｍｍ以下の場合が好ましく、１ｍｍ以下の場合がより好ましい。例えば、細径部９２の断面積を、カソードガス流路５０ｃを構成する複数の溝のうちの１本の断面積と同等にしてもよい。細径部９２の断面積をカソードガス流路５０ｃの断面積と同等にすることで、貯水部７２ａに溜まった水９４の凍結状態をカソードガス流路５０ｃに残存した水の凍結状態に近づけることができる。

酸化剤ガス排出マニホールド３０に接続する部分を太径部９０として断面積を大きくすることで、酸化剤ガス排出マニホールド３０から貯水部７２ａに水を流れ込みやすくできる。また、太径部９０と細径部９２との間を下向きの傾斜面とすることで、細径部９２に水が溜まり易いようにできる。

細径部９２は、１本だけ設けられていてもよいが、複数本設けられていてもよい。複数の細径部９２を設けることで、例えば１本の細径部９２が凍結以外の何らかの理由によって閉塞した場合でも凍結状態を判断することが可能となる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 燃料電池スタック
１２ 単セル
１６ インシュレータ
１８ エンドプレート
２８ 酸化剤ガス供給マニホールド
３０ 酸化剤ガス排出マニホールド
６０ 酸化剤ガス配管系
６２ 酸化剤ガス供給路
６４ 酸化剤ガス排出路
６６ 入口バルブ
６８ 調圧バルブ
７０ 圧力センサ
７２、７２ａ 貯水部
７４ バイパス流路
７６ バイパスバルブ
７８ 圧力センサ
８０ 制御装置
８２ バルブ制御部
８４ 圧力取得部
８６ 凍結判断部
８８ 圧力損失算出部
９０ 太径部
９２ 細径部
９４ 水
１００、３００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 複数の単セルが積層された燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの内部に設けられ、前記複数の単セルから排出される酸化剤排ガスが流通する内部流路と、
   前記燃料電池スタックの内部に前記内部流路に接続されて設けられ、前記複数の単セルから排出される生成水を貯水する貯水部と、
   前記燃料電池スタックの外部に前記内部流路に接続されて設けられ、前記酸化剤排ガスを排出する外部流路と、
   前記外部流路に設けられた調圧バルブと、
   前記貯水部と、前記調圧バルブよりも下流側における前記外部流路と、の間に接続されたバイパス流路と、
   前記バイパス流路に設けられ、前記複数の単セルが発電している間は閉じているバイパスバルブと、
   前記調圧バルブよりも上流側における前記外部流路に設けられた圧力センサと、
   燃料電池の起動時に、前記調圧バルブが閉じ且つ前記バイパスバルブが開いた状態で前記圧力センサから取得した圧力値を用いて、前記燃料電池スタックの内部の凍結状態を判断する凍結判断部と、を備える、燃料電池システム。

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