JP6851279B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することにより発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

従来技術として、特許文献１に開示されるような燃料電池システムが存在する。この燃料電池システムは、水素ガスの配管系より供給される水素ガスおよび酸素ガスの配管系より供給される酸素ガスの供給を受けて、電力を発生する燃料電池を備えている。そして、酸素ガスの配管系は、酸素ガス供給流路と、酸素ガス供給流路に設けられるコンプレッサと、酸素オフガス排気流路と、酸素オフガス排気流路を開閉する電磁バルブを備えている。

特開２００５−２８５６８６号公報

しかしながら、上記した燃料電池システムでは、燃料電池で生成された水（生成水）が電磁バルブに付着するおそれがあるため、寒冷地では電磁バルブが凍結するおそれがあり、電磁バルブが凍結して閉固着すると開弁することが困難になるおそれがある。そのため、上記した燃料電池システムでは、寒冷地において燃料電池システムを起動する際に、電磁バルブが凍結により閉固着して電磁バルブを開弁することができず、燃料電池システムを起動できないおそれがある。そこで、電磁バルブの閉固着を解除するために電磁バルブのモータ（駆動手段）に対して高電流を継続して通電させて開弁させようとすると、モータに備わるコイルが発熱して、電磁バルブのモータの耐久性が低下するおそれがある。

そこで、本開示は上記した問題点を解決するためになされたものであり、燃料電池からの酸化剤ガスの排出を制御する下流側弁が閉固着した場合に、下流側弁の駆動部の耐久性を維持しつつ、下流側弁の閉固着を解除できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本開示の一形態は、燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路と、前記酸化剤ガス供給通路に設けられて酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記酸化剤ガス供給通路にて前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられた上流側弁と、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路と、前記酸化剤ガス排出通路に設けられた下流側弁と、前記酸化剤ガス供給通路と前記酸化剤ガス排出通路とに接続されたバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ前記バイパス通路を流れる酸化剤ガスの流量を制御するバイパス弁と、各種制御を行う制御部と、を有する燃料電池システムにおいて、前記下流側弁は、モータの駆動によって開閉する弁装置であり、前記制御部は、システム起動時に、前記上流側弁及び前記バイパス弁を全開状態に開弁させ、前記コンプレッサの回転数を所定回転数に制御した状態で、前記バイパス弁を前記全開状態から全閉状態へ閉弁させることにより、前記下流側弁の閉固着を解除する閉固着解除制御を行うこと、を特徴とする。

この態様によれば、システム起動時に、バイパス弁を開弁させてコプレッサ圧抜き状態としてコンプレッサを起動させ、コンプレッサの回転数を所定回転数まで上昇させる。そして、その後、全開状態のバイパス弁を閉弁させて全閉状態にして、コンプレッサ圧を急上昇させて、コンプレッサに接続する燃料電池内の圧力であるスタック圧を急上昇させることができる。そのため、システム起動時に、スタック圧を急上昇させて、下流側弁の閉固着を解除することができる。また、下流側弁の閉固着を解除するために下流側弁の駆動部に対して高電流を継続して通電させなくてもよいので、駆動部の不具合の発生を防ぐことができる。したがって、下流側弁が閉固着した場合に、下流側弁の駆動部の耐久性を維持しつつ、下流側弁の閉固着を解除できる。

上記の態様においては、前記閉固着解除制御では、前記バイパス弁を閉弁させた後、前記バイパス弁の開閉を繰り返すこと、が好ましい。

この態様によれば、コンプレッサの回転数を所定回転数まで上昇させた状態で、全開状態のバイパス弁を全閉状態にしてスタック圧を急上昇させ、全閉状態のバイパス弁を全開状態にしてスタック圧を急降下させることを繰り返し行うことができる。そのため、システム起動時に、スタック圧を急上昇および急降下させて、より効果的に、下流側弁の閉固着を解除することができる。

上記の態様においては、前記制御部は、前記閉固着解除制御を行う前に、前記下流側弁の閉固着の有無を判定する閉固着判定を行い、前記下流側弁の閉固着が有ると判定された場合に、前記閉固着解除制御を行うこと、が好ましい。

この態様によれば、システム起動時に、下流側弁の閉固着が無い場合には、閉固着解除制御を行わないようにして、コンプレッサの回転数を所定回転数まで上昇させないようにすることができる。そのため、コンプレッサの回転数を高い回転数まで上昇させることによるＮＶ特性（騒音振動特性）やコンプレッサの信頼性（耐久性）の低下を抑制できる。

上記の態様においては、前記制御部は、前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させた後に、前記閉固着判定を行うこと、が好ましい。

この態様によれば、閉固着解除制御を行う前に、下流側弁にて開弁駆動力を発生させることにより下流側弁の閉固着を解除できたときには、閉固着解除制御を行わないようにすることができる。そのため、閉固着解除制御を行うためにコンプレッサの回転数を所定回転数まで上昇させる必要がなくなる。したがって、コンプレッサの回転数を高い回転数まで上昇させることによるＮＶ特性やコンプレッサの信頼性の低下を抑制できる。

上記の態様においては、前記制御部は、前記閉固着解除制御を行うときに、前記バイパス弁を閉弁させるとともに、前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させること、が好ましい。

この態様によれば、閉固着解除制御を行うときに、全開状態のバイパス弁を全閉状態にしてスタック圧を急上昇させるとともに、下流側弁にて開弁駆動力を発生させることにより、下流側弁の閉固着を解除する力を増加させることができる。そのため、システム起動時に、下流側弁の閉固着を解除し易くなる。

上記の態様においては、前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させるタイミングは、前記バイパス弁を閉弁させた後、所定時間が経過したときであること、が好ましい。

この態様によれば、バイパス弁を閉弁させた後に時間が経過してスタック圧が十分に上昇してから、下流側弁にて開弁駆動力を発生させることができる。そのため、下流側弁の閉固着を解除する力をさらに増加させることができる。したがって、システム起動時に、より確実に、下流側弁の閉固着を解除することができる。

上記の態様においては、前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させるタイミングは、前記バイパス弁を閉弁させた後、前記燃料電池内におけるスタック圧が所定圧よりも高くなったときであること、が好ましい。

この態様によれば、バイパス弁を閉弁させた後にスタック圧が十分に高くなってから、下流側弁にて開弁駆動力を発生させることができる。そのため、下流側弁の閉固着を解除する力をさらに増加させることができる。したがって、システム起動時に、より確実に、下流側弁の閉固着を解除することができる。

上記の態様においては、前記制御部は、前記バイパス弁を閉弁させるとともに、前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させた後に、前記下流側弁の閉固着の有無を判定する閉固着判定を行い、前記下流側弁の閉固着が無いと判定した場合には、前記閉固着解除制御を終了すること、が好ましい。

この態様によれば、閉固着解除制御を行うときに、バイパス弁を閉弁させるとともに、下流側弁にて開弁駆動力を発生させることにより、下流側弁の閉固着が解除されたときには、その時点で閉固着解除制御を終了して、システムを起動するための通常の制御を行うことができる。そのため、システムを起動するための通常の制御へ移行した以降は、下流側弁の閉固着を解除するためにコンプレッサの回転数を所定回転数まで上昇させる必要がなくなる。したがって、コンプレッサの回転数を高い回転数まで上昇させることによるＮＶ特性やコンプレッサの信頼性の低下を最小限に抑えることができる。また、システムを起動するための通常の制御へ移行した以降は、下流側弁の閉固着を解除するために下流側弁の駆動部に対して高電圧を印加する必要がなくなる。そのため、下流側弁の信頼性の低下を最小限に抑えることができる。

本開示の燃料電池システムによれば、燃料電池からの酸化剤ガスの排出を制御する下流側弁が閉固着した場合に、下流側弁の駆動部の耐久性を維持しつつ、下流側弁の閉固着を解除できる。

実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 第１実施形態における制御フローチャートを示す図である。 スタック温度とコンプレッサ回転数との関係図である。 スタック温度と昇圧回数との関係図である。 第１実施形態における制御タイムチャートの一例を示す図である。 第２実施形態の実施例１における制御フローチャートを示す図である。 第２実施形態の実施例１における制御タイムチャートの一例を示す図である。 第２実施形態の実施例２における制御フローチャートを示す図である。 第２実施形態の実施例２における制御タイムチャートの一例を示す図である。 第３実施形態における制御フローチャートを示す図である。 第３実施形態における制御タイムチャートの一例を示す図である。 第３実施形態における制御タイムチャートの一例を示す図である。 第３実施形態における制御タイムチャートの一例を示す図である。 第４実施形態における制御フローチャートを示す図である。 第４実施形態における制御タイムチャートの一例を示す図である。

本開示の燃料電池システムの実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
本開示に係る実施形態である燃料電池システムについて、図１を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、燃料電池車に搭載され、その駆動用モータ（図示略）に電力を供給する燃料電池システムに、本開示を適用した場合について説明する。

本実施形態の燃料電池システム１０１は、図１に示すように、燃料電池スタック（燃料電池）１１１と、水素系１１２と、エア系１１３を有する。

燃料電池スタック１１１は、燃料ガスの供給と酸化剤ガスの供給を受けて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスはエアである。すなわち、燃料電池スタック１１１は、水素系１１２からの水素ガスの供給と、エア系１１３からのエアの供給を受けて発電を行う。そして、燃料電池スタック１１１で発電された電力は、インバータ（図示略）を介して駆動用モータ（図示略）に供給される。なお、燃料電池スタック１１１には、燃料電池スタック１１１内の圧力（スタック圧）を検出するスタック圧センサ１１１Ｐが備わっている。

水素系１１２は、燃料電池スタック１１１のアノード側に設けられている。この水素系１１２は、水素供給通路１２１、水素排出通路１２２、充填通路１２３を備えている。水素供給通路１２１は、水素タンク１３１から燃料電池スタック１１１へ水素ガスを供給するための通路である。水素排出通路１２２は、燃料電池スタック１１１から排出される水素ガス（以下、適宜、「水素オフガス」という。）を排出するための通路である。充填通路１２３は、充填口１５１から水素タンク１３１に水素ガスを充填するための通路である。

水素系１１２は、水素供給通路１２１において、水素タンク１３１側から順に、主止弁１３２、高圧レギュレータ１３３、中圧リリーフ弁１３４、圧力センサ１３５、インジェクタ部１３６、低圧リリーフ弁１３７、圧力センサ１３８を備えている。主止弁１３２は、水素タンク１３１から水素供給通路１２１への水素ガスの供給と遮断を切り換える弁である。高圧レギュレータ１３３は、水素ガスを減圧するための圧力調整弁である。中圧リリーフ弁１３４は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３５は、水素供給通路１２１における高圧レギュレータ１３３とインジェクタ部１３６の間の圧力を検出するセンサである。インジェクタ部１３６は、水素ガスの流量を調節する機構である。低圧リリーフ弁１３７は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池スタック１１１の間の圧力が所定圧力以上になると開弁して圧力を所定圧力未満に調整する弁である。圧力センサ１３８は、水素供給通路１２１におけるインジェクタ部１３６と燃料電池スタック１１１の間の圧力を検出するセンサである。

また、水素系１１２は、水素排出通路１２２において、燃料電池スタック１１１側から順に、気液分離器１４１、排気排水弁１４２が配置されている。気液分離器１４１は、水素オフガス内の水分を分離する機器である。排気排水弁１４２は、気液分離器１４１からエア系１１３の希釈器１８２への水素オフガスや水分の排出と遮断を切り換える弁である。

エア系１１３は、燃料電池スタック１１１のカソード側に設けられている。このエア系１１３は、エア供給通路（酸化剤ガス供給通路）１６１、エア排出通路（酸化剤ガス排出通路）１６２、バイパス通路１６３を備えている。エア供給通路１６１は、燃料電池システム１０１の外部から燃料電池スタック１１１へ、エアを供給するための通路である。エア排出通路１６２は、燃料電池スタック１１１から排出されるエア（以下、適宜、「エアオフガス」という。）を排出するための通路である。バイパス通路１６３は、エア供給通路１６１とエア排出通路１６２とに接続され、エア供給通路１６１から燃料電池スタック１１１を介さずにエア排出通路１６２へ、エアを流すための通路である。

エア系１１３は、エア供給通路１６１において、エアクリーナ１７１側から順に、コンプレッサ１７２、インタークーラ１７３、入口封止弁（上流側弁）１７４を備えている。エアクリーナ１７１は、燃料電池システム１０１の外部から取り込んだエアを清浄化する機器である。コンプレッサ１７２は、エアを燃料電池スタック１１１に供給する機器である。インタークーラ１７３は、エアを冷却する機器である。入口封止弁１７４は、燃料電池スタック１１１へのエアの供給と遮断を切り換える弁である。本実施形態では、入口封止弁１７４は、エア供給通路１６１にてコンプレッサ１７２と燃料電池スタック１１１との間に設けられている。

また、エア系１１３は、エア排出通路１６２において、燃料電池スタック１１１側から順に、出口統合弁（下流側弁）１８１、希釈器１８２が配置されている。

出口統合弁１８１は、燃料電池スタック１１１からのエアオフガスの排出と遮断を切り換える弁（封止機能を有する弁）であるとともに、燃料電池スタック１１１の背圧を調整して燃料電池スタック１１１からのエアオフガスの排出量を制御する弁（調圧（流量制御）機能を有する弁）である。

希釈器１８２は、エアオフガス及びバイパス通路１６３を流れるエアにより、水素排出通路１２２から排出される水素オフガスを希釈する機器である。

また、エア系１１３は、バイパス通路１６３において、バイパス弁１９１を備えている。バイパス弁１９１は、バイパス通路１６３におけるエアの流量を制御する弁である。

また、燃料電池システム１０１は、システムの制御を司るコントローラ（制御部）２０１を備えている。コントローラ２０１は、燃料電池システム１０１に備わる各機器を制御するとともに各種判定を行う。なお、燃料電池システム１０１は、その他、燃料電池スタック１１１の冷却を行う冷却系（不図示）も有する。なお、本実施形態では、コントローラ２０１は、例えばＥＣＵである。

以上のような構成の燃料電池システム１０１において、水素供給通路１２１から燃料電池スタック１１１に供給された水素ガスは、燃料電池スタック１１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１１から水素オフガスとして水素排出通路１２２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。また、エア供給通路１６１から燃料電池スタック１１１に供給されたエアは、燃料電池スタック１１１にて発電に使用された後、燃料電池スタック１１１からエアオフガスとしてエア排出通路１６２と希釈器１８２を介して、燃料電池システム１０１の外部に排出される。

ここで、燃料電池スタック１１１で生成された水（生成水）が出口統合弁１８１に付着するため、寒冷地では出口統合弁１８１が凍結するおそれがある。そして、出口統合弁１８１が凍結により閉固着してしまうと、燃料電池システム１０１を起動する際に、出口統合弁１８１を開弁することができず、燃料電池システム１０１を起動できないおそれがある。そのため、燃料電池システム１０１では、システム起動時に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除するための凍結解除制御（閉固着解除制御）を実施している。

そこで、燃料電池システム１０１のシステム起動時における制御について説明する。具体的には、コントローラ２０１が、図２に示す制御フローチャートに基づく制御を実行する。

まず、図２に示すように、システムの起動要求の有無を判断する（ステップＳ１）。そして、システムの起動要求が有る場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）には、燃料電池スタック１１１内の温度であるスタック温度ｔｓｔを取り込む（ステップＳ２）。スタック温度ｔｓｔは、例えば、燃料電池スタック１１１に設けられた温度センサ（不図示）により検出される。

次に、スタック温度ｔｓｔに応じて規定される起動制御コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ２と、スタック温度ｔｓｔに応じて規定される出口弁開度ｔｏｕｔと、を求める（ステップＳ３）。

ここで、起動制御コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ２は、システム起動時のコンプレッサ１７２の目標回転数である。そして、起動制御コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ２を求める際には、例えば、図３に示すスタック温度ｔｓｔと起動制御コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ２との関係図を使用する。なお、図３に示すように、スタック温度ｔｓｔが低いほど起動制御コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ２は高くなり、スタック温度ｔｓｔが高いほど起動制御コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ２は低くなる。

また、出口弁開度ｔｏｕｔは、システム起動時の出口統合弁１８１の目標開度である。そして、出口弁開度ｔｏｕｔを求める際には、スタック温度ｔｓｔと出口弁開度ｔｏｕｔとの関係図（不図示）を使用する。なお、スタック温度ｔｓｔが低いほど出口弁開度ｔｏｕｔは大きくなり、スタック温度ｔｓｔが高いほど出口弁開度ｔｏｕｔは小さくなる。

次に、入口封止弁１７４を開弁する（ステップＳ４）。すなわち、全閉状態の入口封止弁１７４を開弁して全開状態にする。なお、このとき、バイパス弁１９１及び出口統合弁１８１は全閉状態になっている。

次に、コンプレッサ１７２を起動してコンプレッサ１７２の回転数を起動制御コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ２に制御し、かつ、出口統合弁１８１の開度を出口弁開度ｔｏｕｔに制御し（ステップＳ５）、出口弁開度ｔａｏｕｔを取り込む（ステップＳ６）。ここで、出口弁開度ｔａｏｕｔは、出口統合弁１８１の実開度（現在の開度）であり、例えば、出口統合弁１８１に設けられた開度センサ（不図示）により検出される。

次に、（ｔａｏｕｔ≦（ｔｏｕｔ−α））の条件を満たすか否かの判断を行う（ステップＳ７）。すなわち、出口弁開度ｔａｏｕｔが開度（ｔｏｕｔ−α）以下か否かの判断を行う。さらに、言い換えると、実開度である出口弁開度ｔａｏｕｔが目標開度である出口弁開度ｔｏｕｔに達しているか否かの判断を行う。本実施形態では、このようにして、凍結解除制御を行う前に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着の有無を判定する凍結判定（閉固着判定）を行う。なお、微少開度αは、数度（例えば、２°〜３°）である。

そして、（ｔａｏｕｔ≦（ｔｏｕｔ−α））の条件を満たす場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、すなわち、出口統合弁１８１の実開度が目標開度に達していない場合には、凍結解除フラグ（図２で「Ｘ凍結解除」と表記）が「０」であるか否かを判断する（ステップＳ８）。なお、凍結解除フラグは、「０」の場合には凍結解除が未完了であることを示し、「１」の場合には凍結解除が完了していることを示す。

そして、凍結解除フラグが「０」である場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１の凍結による閉固着があると考えられるので、凍結解除制御を起動するため（行うため）、バイパス弁１９１を開弁する（ステップＳ９）。すなわち、バイパス弁１９１のモータへの通電をＯＦＦからＯＮにし、全閉状態のバイパス弁１９１を開弁して全開状態にする。

次に、スタック温度ｔｓｔに応じた凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１（所定回転数、凍結破壊回転数）と、スタック温度ｔｓｔに応じた昇圧回数ｎを求める（ステップＳ１０）。

ここで、凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１は、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除するために設定されるコンプレッサ１７２の回転数である。そして、凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１を求める際には、例えば、図３に示すスタック温度ｔｓｔと凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１との関係図を使用する。なお、図３に示すように、スタック温度ｔｓｔが低いほど凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１は高くなり、スタック温度ｔｓｔが高いほど凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１は低くなる。また、凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１は、前記の起動制御コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ２よりも高い。

また、昇圧回数ｎは、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除するために、スタック圧を急上昇させる回数である。そして、昇圧回数ｎを求める際には、例えば、図４に示すスタック温度ｔｓｔと昇圧回数ｎとの関係図を使用する。なお、図４に示すように、スタック温度ｔｓｔが低いほど昇圧回数ｎは段階的に多くなり、スタック温度ｔｓｔが高いほど昇圧回数ｎは段階的に少なくなる。

次に、コンプレッサ１７２の回転数を、凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１に制御する（ステップＳ１１）。次に、ステップＳ５でコンプレッサ１７２を起動した後、Ａ秒（例えば、１秒〜３秒）経過したら（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、バイパス弁１９１を閉弁させる（ステップＳ１３）。すなわち、バイパス弁１９１のモータへの通電をＯＮからＯＦＦにし、全開状態のバイパス弁１９１を閉弁させて全閉状態にする。このようにして、本実施形態では、バイパス弁１９１を開弁させてコンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１に制御した状態で、バイパス弁１９１を閉弁させる。また、ステップＳ１３において、以下の数式に示すように、バイパス弁１９１の開閉回数Ｎｂｙｐ（ｉ）を１回分増加させる。
［数１］
Ｎｂｙｐ（ｉ）＝Ｎｂｙｐ（ｉ−１）＋１

そして、バイパス弁１９１の閉弁を開始後、Ｂ秒（例えば、１秒）経過したら（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、バイパス弁１９１を開弁させる（ステップＳ１５）。すなわち、全閉状態のバイパス弁１９１を開弁して全開状態にする。

次に、Ｎｂｙｐ（ｉ）≦ｎの条件を満たすか否かを判断する（ステップＳ１６）。すなわち、バイパス弁１９１の開閉回数Ｎｂｙｐ（ｉ）が昇圧回数ｎ以下であるか否かを判断する。このようにして、バイパス弁１９１の開閉回数Ｎｂｙｐ（ｉ）が、出口統合弁１８１の凍結による閉固着の解除を完了させるために必要な所定の回数を超えたか否かを判断する。

そして、Ｎｂｙｐ（ｉ）≦ｎの条件を満たす場合（ステップＳ１６：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１の凍結による閉固着の解除が未完了なので、バイパス弁１９１の開弁を開始後、Ｃ秒（例えば、１秒）経過したら（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、ステップＳ１３の処理に戻る。

一方、Ｎｂｙｐ（ｉ）≦ｎの条件を満たさない場合（ステップＳ１６：ＮＯ）には、出口統合弁１８１の凍結による閉固着の解除が完了したので、凍結解除フラグを「１」にして（ステップＳ１８）、ステップＳ５の処理に戻る。

また、ステップＳ７において、（ｔａｏｕｔ≦（ｔｏｕｔ−α））の条件を満たさない場合（ステップＳ７：ＮＯ）、通常起動制御ルーチンへ移行して、システムを起動するための通常の制御を行う。このようにして、出口統合弁１８１の実開度が目標開度に達した場合には、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が無いと判断して、システムを起動するための通常の制御を行う。

また、ステップＳ８において凍結解除フラグが「１」である場合（ステップＳ８：ＮＯ）には、出口統合弁１８１の凍結による閉固着の解除が完了している。そこで、ステップＳ１９〜Ｓ２１の制御を行った後、起動制御ルーチンへ移行して、システムを起動するための制御を行う。

上記の制御フローチャートに基づく制御が実行されることにより、例えば、図５に示すような制御タイムチャートで表される制御が実行される。図５に示すように、時刻Ｔ１で燃料電池システム１０１の起動要求がなされたので、入口封止弁１７４が全開状態にされる。そして、このとき、出口弁開度ｔａｏｕｔが所定開度（ｔｏｕｔ−α）よりも小さいため、出口統合弁１８１の実開度が目標開度に達しておらず、かつ、凍結解除フラグが「０」であるので、凍結判定として、出口統合弁１８１の凍結による閉固着があると判定される。そこで、バイパス弁１９１が全開状態にされ、コンプレッサ１７２の回転数が凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１に制御される。そして、この状態で、時刻Ｔ１からＡ秒経過後の時刻Ｔ２で、凍結解除制御が開始され、バイパス弁１９１が全閉状態にされる。すると、コンプレッサ圧（コンプレッサ１７２の吐出圧力）が急上昇して、コンプレッサ１７２に接続する燃料電池スタック１１１内の圧力であるスタック圧が凍結破壊急昇圧まで急上昇する。

その後、時刻Ｔ２からＢ秒経過後の時刻Ｔ３で、バイパス弁１９１が全開状態にされる。すると、コンプレッサ圧が急降下して、スタック圧が急降下する。その後、時刻Ｔ３からＣ秒経過後の時刻Ｔ４で、再び、バイパス弁１９１が全閉状態にされ、スタック圧が凍結破壊急昇圧まで急上昇する。その後、時刻Ｔ４からＢ秒経過後の時刻Ｔ５で、凍結解除フラグが「１」になったので、時刻Ｔ５からＡ秒経過後の時刻Ｔ６で凍結解除制御が終了して、時刻Ｔ６以降で通常のシステム起動時における制御である発電起動制御（エア供給制御）が行われる。なお、時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの時間は、コンプレッサ１７２を起動させてコンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１まで上昇させるためのタービン起動時間である。

以上のように本実施形態では、コントローラ２０１は、システム起動時に、入口封止弁１７４及びバイパス弁１９１を開弁させ、コンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１に制御する。そして、コントローラ２０１は、この状態で、バイパス弁１９１を閉弁させることにより、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除する凍結解除制御を行う。

このようにして、本実施形態では、システム起動時に、まず、バイパス弁１９１を開弁させてコプレッサ圧抜き状態としてコンプレッサ１７２を起動させ、コンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１まで上昇させる。そして、その後、全開状態のバイパス弁１９１を閉弁させて全閉状態にして、コンプレッサ圧を急上昇させて、スタック圧を急上昇させることができる。そのため、寒冷地でのシステム起動時に、スタック圧を急上昇させて、出口統合弁１８１における凍結部分を衝撃破壊して、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除することができる。

また、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除するために出口統合弁１８１のモータに対して高電流を継続して通電させなくてもよいので、モータのコイルの発熱による不具合（例えば、発熱断線など）の発生を防ぐことができる。

また、コンプレッサ１７２の回転数を上昇させるだけでは、コンプレッサ圧の急昇圧は期待できない。しかしながら、本実施形態では、まずバイパス弁１９１を開弁させて、バイパス弁１９１を介してコプレッサ圧が抜ける状態としながら、コンプレッサ１７２の回転数を上昇させる。そして、その後、コンプレッサ１７２の回転数が十分に上昇してからバイパス弁１９１を閉弁させて、バイパス弁１９１を介してコプレッサ圧が抜けない状態とすることにより、コンプレッサ圧を急上昇させて、そして、これに伴いスタック圧を急上昇させることができる。

以上のように本実施形態では、出口統合弁１８１が凍結により閉固着した場合に、出口統合弁１８１のモータの耐久性を維持しつつ、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除できる。

また、本実施形態における凍結解除制御では、バイパス弁１９１を閉弁させた後、バイパス弁１９１の開閉を繰り返す。

このようにして、コンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１まで上昇させた状態で、全開状態のバイパス弁１９１を全閉状態にしてスタック圧を急上昇させ、全閉状態のバイパス弁１９１を全開状態にしてスタック圧を急降下させることを繰り返し行うことができる。そのため、寒冷地でのシステム起動時に、スタック圧を急上昇および急降下させて、より効果的に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除することができる。

また、コンプレッサ１７２の回転数を降下させるだけでは、コンプレッサ圧の急降下は期待できない。しかしながら、本実施形態では、バイパス弁１９１を閉弁させてコンプレッサ圧を急上昇させた後、バイパス弁１９１を開弁させて、バイパス弁１９１を介してコプレッサ圧が抜ける状態とする。そして、これにより、コンプレッサ圧を急降下させて、そして、これに伴いスタック圧を急降下させることができる。

コントローラ２０１は、凍結解除制御を行う前に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着の有無を判定する凍結判定（閉固着判定）を行い、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が有ると判定された場合に、凍結解除制御を行う。

これにより、システム起動時に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が無い場合には、凍結解除制御を行わないようにして、コンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１まで上昇させないようにできる。そのため、コンプレッサ１７２の回転数を高い回転数まで上昇させることによるＮＶ特性（騒音振動特性）やコンプレッサ１７２の信頼性（耐久性）の低下を抑制できる。

＜第２実施形態＞
（実施例１）
次に、第２実施形態について説明するが、第１実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。そこで、まず、第２実施形態の実施例１について説明する。

本実施例では、図６に示すように、第１実施形態と同様に、コンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１に制御して（ステップＳ１１１，１１２）、バイパス弁１９１を閉弁させる（ステップＳ１１３）。そして、その後、ｂ秒（例えば、０．２秒）経過したら（ステップＳ１１４：ＹＥＳ）、出口統合弁１８１にて開弁駆動力（開弁させようとする力）を発生させるために出口統合弁１８１への通電を実施する（ステップＳ１１５）。このとき、例えば、出口統合弁１８１のモータ（駆動部）に対して、電圧がデューティ比（Ｄｕｔｙ比）１００％で５００ｍｓ（０．５秒）印加される。

なお、その後、バイパス弁１９１を開弁して（ステップＳ１１７）、スタック圧を急降下させる際に、出口統合弁１８１への通電を停止（出口統合弁１８１のモータへの電圧の印加を解除）するとしてもよい。

上記の制御フローチャートに基づく制御が実行されることにより、例えば、図７に示すような制御タイムチャートで表される制御が実行される。図７に示すように、時刻Ｔ２からｂ秒経過後および時刻Ｔ４からｂ秒経過後に、出口統合弁１８１のモータに対して、電圧がデューティ比１００％で所定時間（例えば、５００ｍｓ）印加され、これにより、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させる。

以上のように本実施例においては、コントローラ２０１は、凍結解除制御を行うときに、バイパス弁１９１を閉弁させるとともに、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させる。

このようにして、凍結解除制御を行うときに、バイパス弁１９１を全閉状態にしてスタック圧を急上昇させるとともに、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させることにより、出口統合弁１８１の凍結を粉砕する力（閉固着を解除する力）を増加させることができる。そのため、寒冷地でのシステム起動時に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除し易くなる。

また、本実施例においては、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させるタイミングは、バイパス弁１９１を閉弁させた後、ｂ秒が経過したときである。

このようにして、バイパス弁１９１を閉弁させた後に時間が経過してスタック圧が十分に上昇してから、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させることができる。そのため、出口統合弁１８１の凍結を粉砕する力をさらに増加させることができる。したがって、寒冷地でのシステム起動時に、より確実に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除することができる。

（実施例２）
次に、実施例２について説明する。本実施例では、コントローラ２０１が、図８に示す制御フローチャートに基づく制御を実行する。すなわち、コンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１に制御した（ステップＳ２１１）後、コンプレッサ圧ｐｍｃｏｍｐを取り込む（ステップＳ２１２）。なお、コンプレッサ圧ｐｍｃｏｍｐは、実際の（現在の）コンプレッサ圧であり、例えば、コンプレッサ１７２に設けられた圧力センサ（不図示）により検出される。

そして、その後、バイパス弁１９１を閉弁させた（ステップＳ２１４）後、コンプレッサ圧ｐｍｃｏｍｐが圧力Ｄよりも高くなったら（ステップＳ２１５：ＹＥＳ）、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させるために出口統合弁１８１への通電を実施する（ステップＳ２１６）。このようにして、バイパス弁１９１を閉弁させた後、コンプレッサ圧ｐｍｃｏｍｐが圧力Ｄよりも高くなり、スタック圧が圧力Ｄよりも高くなったら、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させる。

上記の制御フローチャートに基づく制御が実行されることにより、例えば、図９に示すような制御タイムチャートで表される制御が実行される。図９に示すように、時刻Ｔ２の後および時刻Ｔ４の後に、スタック圧が圧力Ｄよりも高くなったときに、出口統合弁１８１のモータに対して、電圧がデューティ比１００％で所定時間（例えば、５００ｍｓ）印加され、これにより、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させる。

以上のように本実施例では、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させるタイミングは、バイパス弁１９１を閉弁させた後、スタック圧が所定圧Ｄよりも高くなったときである。

このようにして、バイパス弁１９１を閉弁させた後にスタック圧が十分に高くなってから、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させることができる。そのため、出口統合弁１８１の凍結を粉砕する力をさらに増加させることができる。したがって、寒冷地でのシステム起動時に、より確実に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除することができる。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態について説明するが、第１，２実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。

本実施形態では、コントローラ２０１が、図１０に示す制御フローチャートに基づく制御を実行する。具体的には、凍結解除フラグが「０」である場合（ステップＳ３０８：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させるために出口統合弁１８１への通電を実施する（ステップＳ３０９）。次に、出口弁開度ｔａｏｕｔを取り込み（ステップＳ３１０）、（ｔａｏｕｔ≦（ｔｏｕｔ−α））の条件を満たすか否かの判断を行う（ステップＳ３１１）。

そして、（ｔａｏｕｔ≦（ｔｏｕｔ−α））の条件を満たす場合（ステップＳ３１１：ＹＥＳ）には、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が継続しているので、凍結解除制御（ステップＳ３１２以降の処理）を行う。

一方、（ｔａｏｕｔ≦（ｔｏｕｔ−α））の条件を満たさない場合（ステップＳ３１１：ＮＯ）には、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が解除したので、凍結解除制御を行わないで、通常起動制御ルーチンへ移行する。

上記の制御フローチャートに基づく制御が実行されることにより、例えば、図１１に示すような制御タイムチャートで表される制御が実行される。図１１に示すように、時刻Ｔ１で、燃料電池システム１０１の起動要求がなされ、入口封止弁１７４が全開状態となり、コンプレッサ１７２が起動し、出口統合弁１８１の実開度の出口弁開度ｔａｏｕｔが目標開度の出口弁開度ｔｏｕｔに達した。そのため、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が解除したので、時刻Ｔ２以降で、凍結解除制御を行わないで、通常起動制御ルーチンによる処理を行って発電起動制御（エア供給制御）が行われる。

また、例えば、図１２に示すような制御タイムチャートで表される制御が実行される。図１２に示すように、時刻Ｔ１で、燃料電池システム１０１の起動要求がなされ、入口封止弁１７４が全開状態となり、コンプレッサ１７２が起動し、その後、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させるために出口統合弁１８１への通電が実施される。すると、出口統合弁１８１の実開度の出口弁開度ｔａｏｕｔが開度（ｔｏｕｔ−α）よりも大きくなった。そのため、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が解除したので、時刻Ｔ３以降で、凍結解除制御を行わないで、発電起動制御が行われる。

また、例えば、図１３に示すような制御タイムチャートで表される制御が実行される。図１３に示すように、時刻Ｔ１で、燃料電池システム１０１の起動要求がなされ、入口封止弁１７４が全開状態となり、コンプレッサ１７２が起動し、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させるために出口統合弁１８１への通電が実施される。しかしながら、出口統合弁１８１は全閉状態であり、出口統合弁１８１が凍結による閉固着が継続しているので、時刻Ｔ３以降で凍結解除制御が行われ、その後、時刻Ｔ８以降で発電起動制御が行われる。

以上のように本実施形態では、コントローラ２０１は、凍結解除制御を行う前に、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させた後に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着の有無を判定する凍結判定を行う。

このようにして、凍結解除制御を行う前に、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させることにより出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除できたときには、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が無いと判定して、凍結解除制御を行わないようにすることができる。そのため、凍結解除制御を行うためにコンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１まで上昇させる必要がなくなる。したがって、コンプレッサ１７２の回転数を高い回転数まで上昇させることによるＮＶ特性やコンプレッサ１７２の信頼性の低下を抑制できる。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態について説明するが、第１〜３実施形態と同等の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略し、異なった点を中心に述べる。

本実施形態では、コントローラ２０１が、図１４に示す制御フローチャートに基づく制御を実行する。具体的には、バイパス弁１９１が閉弁した（ステップＳ４１４）後、コンプレッサ圧ｐｍｃｏｍｐが圧力Ｄよりも高くなったとき（ステップＳ４１５：ＹＥＳ）に、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させるために出口統合弁１８１への通電を実施する（ステップＳ４１６）。そして、実開度である出口弁開度ｔａｏｕｔを取り込み（ステップＳ４１７）、（ｔａｏｕｔ≦（ｔｏｕｔ−α））の条件を満たすか否かの判断を行う（ステップＳ４１８）。そして、（ｔａｏｕｔ≦（ｔｏｕｔ−α））の条件を満たしていない場合、すなわち、実開度の出口弁開度ｔａｏｕｔが所定開度（ｔｏｕｔ−α）よりも大きい場合（ステップＳ４１８：ＮＯ）には、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が解除されたので、通常起動制御ルーチンの処理へ移行する。

上記の制御フローチャートに基づく制御が実行されることにより、例えば、図１５に示すような制御タイムチャートで表される制御が実行される。図１５に示すように、時刻Ｔ４で、バイパス弁１９１が閉弁して全閉状態になり、スタック圧が圧力Ｄよりも高くなったときに、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させるために出口統合弁１８１への通電が実施される。すると、出口統合弁１８１の実開度の出口弁開度ｔａｏｕｔが開度（ｔｏｕｔ−α）よりも大きくなった。そこで、時刻Ｔ６で凍結解除制御が終了し、時刻Ｔ６以降で発電起動制御が行われる。

以上のように本実施形態では、コントローラ２０１は、凍結解除制御を行うときに、バイパス弁１９１を閉弁させるとともに、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させた後に、出口統合弁１８１の凍結による閉固着の有無を判定する凍結判定（閉固着判定）を行う。そして、コントローラ２０１は、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が無いと判定した場合には、凍結解除制御を終了する。

このようにして、凍結解除制御を行うときに、バイパス弁１９１を閉弁させるとともに、出口統合弁１８１にて開弁駆動力を発生させることにより、出口統合弁１８１の凍結による閉固着が解除されたときには、その時点で凍結解除制御を終了して、システムを起動するための通常の制御を行うことができる。そのため、システムを起動するための通常の制御へ移行した以降は、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除するためにコンプレッサ１７２の回転数を凍結解除コンプレッサ回転数Ｃｏｍｐｒｐｍ１まで上昇させる必要がなくなる。したがって、コンプレッサ１７２の回転数を高い回転数まで上昇させることによるＮＶ特性やコンプレッサ１７２の信頼性の低下を最小限に抑えることができる。また、システムを起動するための通常の制御へ移行した以降は、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除するために出口統合弁１８１のモータに対して高電圧を印加する（電圧がデューティ比（Ｄｕｔｙ比）１００％で５００ｍｓ（０．５秒）印加される）必要がなくなる。そのため、出口統合弁１８１の信頼性の低下を最小限に抑えることができる。

なお、上記した実施の形態は単なる例示にすぎず、本開示を何ら限定するものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることはもちろんである。

上記においては、出口統合弁１８１の凍結による閉固着を解除する例について説明した。しかしながら、例えば、出口統合弁１８１の弁体と弁座のいずれか一方にゴムシール（封止部材）が設けられ、出口統合弁１８１のゴムシールにおける張り付きによる閉固着を解除する場合にも、本開示を適用することもできる。

１０１ 燃料電池システム
１１１ 燃料電池スタック
１１１Ｐ スタック圧センサ
１１２ 水素系
１１３ エア系
１６１ エア供給通路
１６２ エア排出通路
１６３ バイパス通路
１７２ コンプレッサ
１７４ 入口封止弁（上流側弁）
１８１ 出口統合弁（下流側弁）
１８２ 希釈器
１９１ バイパス弁
２０１ コントローラ
ｔｓｔ スタック温度
Ｃｏｍｐｒｐｍ１ 凍結解除コンプレッサ回転数
Ｃｏｍｐｒｐｍ２ 起動制御コンプレッサ回転数
ｔｏｕｔ 出口弁開度（目標開度）
ｔａｏｕｔ 出口弁開度（実開度）
α 微少開度
ｎ 昇圧回数
ｐｍｃｏｍｐ コンプレッサ圧

Claims (8)

1. 燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路と、前記酸化剤ガス供給通路に設けられて酸化剤ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、前記酸化剤ガス供給通路にて前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられた上流側弁と、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出通路と、前記酸化剤ガス排出通路に設けられた下流側弁と、前記酸化剤ガス供給通路と前記酸化剤ガス排出通路とに接続されたバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられ前記バイパス通路を流れる酸化剤ガスの流量を制御するバイパス弁と、各種制御を行う制御部と、を有する燃料電池システムにおいて、
   前記下流側弁は、モータの駆動によって開閉する弁装置であり、
   前記制御部は、
   システム起動時に、前記上流側弁及び前記バイパス弁を全開状態に開弁させ、前記コンプレッサの回転数を所定回転数に制御した状態で、前記バイパス弁を前記全開状態から全閉状態へ閉弁させることにより、前記下流側弁の閉固着を解除する閉固着解除制御を行うこと、
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１の燃料電池システムにおいて、
   前記閉固着解除制御では、前記バイパス弁を閉弁させた後、前記バイパス弁の開閉を繰り返すこと、
   を特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記閉固着解除制御を行う前に、前記下流側弁の閉固着の有無を判定する閉固着判定を行い、前記下流側弁の閉固着が有ると判定された場合に、前記閉固着解除制御を行うこと、
   を特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させた後に、前記閉固着判定を行うこと、
   を特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１つの燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記閉固着解除制御を行うときに、前記バイパス弁を閉弁させるとともに、前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させること、
   を特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５の燃料電池システムにおいて、
   前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させるタイミングは、前記バイパス弁を閉弁させた後、所定時間が経過したときであること、
   を特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項５の燃料電池システムにおいて、
   前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させるタイミングは、前記バイパス弁を閉弁させた後、前記燃料電池内におけるスタック圧が所定圧よりも高くなったときであること、
   を特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項５乃至７のいずれか１つの燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、
   前記バイパス弁を閉弁させるとともに、前記下流側弁にて開弁駆動力を発生させた後に、前記下流側弁の閉固着の有無を判定する閉固着判定を行い、前記下流側弁の閉固着が無いと判定した場合には、前記閉固着解除制御を終了すること、
   を特徴とする燃料電池システム。

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