JP5757230B2

JP5757230B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法

Info

Publication number: JP5757230B2
Application number: JP2011282991A
Authority: JP
Inventors: 朋宏小川; 荒木　康; 康荒木; 濱田　仁; 仁濱田; 竹内　弘明; 弘明竹内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-12-26
Also published as: JP2013134832A

Description

この発明は、燃料電池に関する。

固体高分子形燃料電池（以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す電解質膜におけるプロトンの移動を利用して発電を行う。そのため、燃料電池の運転中には、電解質膜が適切な湿潤状態となるように、燃料電池内部が湿潤状態に保持されることが好ましい。しかし、燃料電池の運転停止後に、燃料電池の内部に多量の水分が残留していると、氷点下などの低温環境下で燃料電池を起動する際に、その水分が凍結してしまい、燃料電池の起動性が低下してしまう場合があった。こうした問題に対して、これまで、燃料電池の運転終了時に、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る技術などが提案されてきた（下記特許文献１等）。しかし、これまでの掃気処理では燃料電池内部の水分を十分に排出させることができていなかった。

特開２０１０−１１３８２７号公報特開２０１１−２０４４４７号公報特開２０１０−１５３０６７号公報特開２００４−２２１９８号公報

本発明は、運転終了後に燃料電池内部に残留する水分量を低減させ、低温起動時における燃料電池の起動性を向上させる技術を提供することを目的とする。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。本発明の第一の形態は燃料電池システムであって、燃料電池と、運転停止後の前記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、外気温を表す第１の温度を検出する第１の温度検出部と、前記燃料電池の温度、または、前記パージガスが流れる部位の温度を表す第２の温度を検出する第２の温度検出部と、前記燃料電池が運転を停止した後に、前記第１と第２の温度を取得し、前記第１と第２の温度に基づいて閾値を設定し、前記第２の温度が前記閾値以下のときに、前記ガス供給部を制御して、パージガスによる掃気処理を実行する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１と第２の温度の差分を求め、前記差分が大きいほど、前記閾値を高く設定する、燃料電池システムとして提供される。本発明の第二の形態は、燃料電池システムを制御する方法であって、（ａ）燃料電池の運転停止後に、外気温を表す第１の温度と、前記燃料電池の温度、または、パージガスが流れる部位の温度を表す第２の温度と、を検出する工程と、（ｂ）前記第１と第２の温度に基づいて閾値を設定し、前記第２の温度が前記閾値以下のときに、前記パージガスによる前記燃料電池内部の掃気処理を実行する工程と、を備え、前記工程（ｂ）は、前記第１と第２の温度の差分を求め、前記差分が大きいほど、前記閾値を高く設定する工程を含む、方法として提供される。

［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、運転停止後の前記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、外気温を表す第１の温度を検出する第１の温度検出部と、前記燃料電池の温度、または、前記パージガスが流れる部位の温度を表す第２の温度を検出する第２の温度検出部と、前記燃料電池が運転を停止した後に、前記第１と第２の温度を取得し、前記第１と第２の温度に基づいて閾値を設定し、前記第２の温度が前記閾値以下のときに、前記ガス供給部を制御して、パージガスによる掃気処理を実行する制御部と、を備える、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、掃気処理の対象となる部位の温度が、掃気処理の実行に適切な温度となったときに掃気処理を実行することができる。そして、外気温と掃気処理の対象となる部位の温度との関係において、その掃気処理の実行に適切な温度が変化した場合であっても、予め、その変化後の適切な温度に合うように、掃気処理の実行の可否を決定する閾値が設定されるため、適切なタイミングでの掃気処理の実行が確保される。従って、運転終了後の燃料電池システムにおける残留水分を確実に低減させることができ、低温起動時における燃料電池の起動性が向上する。

［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記第１と第２の温度の差分を求め、前記差分に基づいて、前記閾値を設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、掃気処理の対象となる部位の温度と、外気温との温度差に応じて、掃気処理の実行条件が設定され、掃気処理の対象となる部位の温度と、外気温との温度差に応じた適切なタイミングで、掃気処理を実行することができる。

［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記差分が大きいほど、前記閾値を高く設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、掃気処理の対象となる部位の温度と、外気温との温度差が大きいときほど、掃気処理の実行タイミングが早まるように、掃気処理の実行条件が設定される。従って、外気温が著しく低く、掃気対象となる部位の中でも特に低温になりやすい部位が凍結し始めるタイミングが早くなっている場合であっても、当該部位の凍結が始まる前に、掃気処理を実行させることが可能となる。

［適用例４］
適用例１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記第１の温度が所定の閾値以下であるとともに、前記第２の温度が前記閾値以下のときに、前記掃気処理を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、外気温の温度が低く、残留水分の凍結の可能性があり、掃気処理の対象となる部位の温度が、掃気処理の実行に適した温度になったときに、掃気処理を実行することができる。従って、より適切なタイミングでの掃気処理の実行を確保することが可能である。

［適用例５］
燃料電池システムを制御する方法であって、
（ａ）燃料電池の運転停止後に、外気温を表す第１の温度と、前記燃料電池の温度、または、パージガスが流れる部位の温度を表す第２の温度と、を検出する工程と、
（ｂ）前記第１と第２の温度に基づいて閾値を設定し、前記第２の温度が前記閾値以下のときに、前記パージガスによる前記燃料電池内部の掃気処理を実行する工程と、
を備える、方法。
この方法であれば、掃気処理の対象となる部位の温度が、掃気処理の実行に適切な温度となったときに掃気処理が実行される。そして、外気温と掃気処理の対象となる部位の温度との関係において、その適切な温度が変化した場合であっても、予め、その変化後の適切な温度に合うように、掃気処理の実行の可否を決定する閾値が設定されるため、適切なタイミングでの掃気処理の実行を確保できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムおよびその燃料電池システムを搭載した車両、それらのシステムや車両の制御方法、制御装置、それらのシステムや車両、制御方法、制御装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。パージ処理実行部が実行するパージ処理の実行手順を示す説明図。パージ処理の実行タイミングを説明するための説明図。比較例の燃料電池システムにおけるパージ処理の実行タイミングを説明するための説明図。比較例の燃料電池システムにおけるパージ処理の実行タイミングを説明するための説明図。外気温と燃料電池の温度の検出値に基づいて、第１と第２の判定処理の閾値を設定する理由を説明するための説明図。第２実施例のパージ処理実行部が用いる閾値マップの一例を示す説明図。参考例の燃料電池システムにおけるパージ処理の実行手順を示す説明図。

本発明の実施の形態を以下の順序で説明する。
A．実施例：
B．変形例：
C．参考例：

A．実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システム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。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、カソードガス排出部４０と、アノードガス供給部５０と、アノードガス循環排出部６０と、冷媒供給部７０とを備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素（アノードガス）と空気（カソードガス）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池１０は、発電体である複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。各単セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を狭持する２枚のセパレータ（図示せず）とを有する。

燃料電池１０の電解質膜は、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することができる。また、電極は、発電反応を促進させるための触媒が担持された導電性粒子によって構成することができる。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）を採用することができ、導電性粒子としては、例えば、カーボン（Ｃ）粒子を採用することができる。

制御部２０は、中央処理装置と主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することができる。制御部２０は、以下に説明する各構成部を制御して、燃料電池１０に出力要求に応じた電力を発電させる発電制御部としての機能を備える。また、制御部２０は、パージ処理実行部２１としての機能を備える。

パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の運転停止後に、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池１０に残留する水分や、燃料電池システム１００の配管・バルブ等に付着している水分を低減させるための掃気処理（パージ処理）を実行する。パージ処理実行部２１によるパージ処理の実行手順については後述する。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管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。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管である。エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されており、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０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２０に送信する。制御部２０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１０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１０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カソードガス配管３１に供給されたときに開く。

カソードガス排出部４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側に接続された配管であり、カソード排ガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。調圧弁４３は、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０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２０に送信する。制御部２０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。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、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とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノードと接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。

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とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、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２０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することができる。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２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素量を制御する。

アノードガス循環排出部６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７とを備える。アノード排ガス配管６１は、燃料電池１０のアノードの出口と気液分離部６２とを接続する配管であり、発電反応に用いられることのなかった未反応ガス（水素や窒素など）を含むアノード排ガスを気液分離部６２へと誘導する。

気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３と、アノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられており、この水素循環用ポンプ６４によって、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は、アノードガス配管５１へと送り出される。

このように、この燃料電池システム１００では、燃料電池１０の運転中には、アノード排ガスに含まれる水素を循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。なお、本実施例の燃料電池システム１００では、パージ処理の際に、水素循環用ポンプ６４を、燃料電池１０にパージガスを供給するための駆動力源として用いるが、その詳細は後述する。

アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。排水弁６６は、アノード排水配管６５に設けられており、制御部２０からの指令に応じて開閉する。制御部２０は、燃料電池システム１００の運転中には、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。

アノードガス循環排出部６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０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１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０が送信する。

冷媒供給部７０は、冷媒用配管７１と、ラジエータ７２と、三方弁７３と、冷媒循環用ポンプ７５と、２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂとを備える。冷媒用配管７１は、燃料電池１０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、バイパス配管７１ｃとで構成される。

上流側配管７１ａは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の出口マニホールドとラジエータ７２の入口とを接続する。下流側配管７１ｂは、燃料電池１０に設けられた冷媒用の入口マニホールドとラジエータ７２の出口とを接続する。バイパス配管７１ｃは、一端が、三方弁７３を介して上流側配管７１ａと接続され、他端が、下流側配管７１ｂに接続されている。制御部２０は、三方弁７３の開閉を制御することにより、バイパス配管７１ｃへの冷媒の流入量を調整して、ラジエータ７２への冷媒の流入量を制御する。

ラジエータ７２は、冷媒用配管７１に設けられており、冷媒用配管７１を流れる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。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂにおいて、バイパス配管７１ｃの接続箇所より下流側（燃料電池１０の冷媒入口側）に設けられており、制御部２０の指令に基づき駆動する。

２つの冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂはそれぞれ、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂとに設けられており、それぞれの計測値を制御部２０へと送信する。以下では、上流側配管７１ａの冷媒温度計測部７６ａを「出口側温度計測部７６ａ」とも呼び、下流側配管７１ｂの冷媒温度計測部７６ｂを「入口側温度計測部７６ｂ」とも呼ぶ。

制御部２０は、各冷媒温度計測部７６ａ，７６ｂのそれぞれの計測値の差から燃料電池１０の運転温度を検出し、その運転温度に基づき、冷媒循環用ポンプ７５の回転数を制御して、燃料電池１０の運転温度を調整する。また、パージ処理実行部２１は、出口側温度計測部７６ａの計測値を、パージ処理の実行可否の判定に用いる。

燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池車両外部の気温（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、検出結果を制御部２０に送信する。なお、パージ処理実行部２１は、外気温センサ８０の検出温度を、パージ処理の実行可否の判定に用いる。

また、燃料電池システム１００は、図示や詳細な説明は省略するが、二次電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータとを備える。二次電池は、燃料電池１０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池１０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１０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１０の運転停止後においても駆動することが可能である。

ところで、前記したとおり、燃料電池１０の各単セル１１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１０の運転中には、燃料電池１０の内部は湿潤状態に保持されることが望ましい。しかし、燃料電池１０の運転終了後に、燃料電池１０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１０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１０の起動性を低下させる原因となる。

そこで、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池１０の運転終了後に、パージ処理実行部２１が、以下に説明する、燃料電池１０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パージ処理を実行する。なお、本明細書において、「燃料電池１０の運転終了後」とは、運転者が、車両の運転を停止させた後の状態（いわゆるイグニションオフの状態）を意味しており、燃料電池１０が運転者からの要求に応じた電力の出力を停止している状態を意味する。

図２は、パージ処理実行部２１が、燃料電池１０の運転終了後に実行するパージ処理の実行手順を示すフローチャートである。パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の運転終了後に、所定の周期で、外気温と燃料電池１０の温度とを検出し、それら２つの温度用いた判定処理を実行して、２つの温度がいずれも判定基準を満たすときにパージ処理を実行する。具体的には、以下の通りである。

ステップＳ１０では、パージ処理実行部２１は、所定の周期（例えば、数分程度の間隔）で、外気温センサ８０と出口側温度計測部７６ａとを稼働させて、外気温と燃料電池１０の温度とを取得する温度計測処理を実行する。なお、パージ処理実行部２１や、外気温センサ８０および出口側温度計測部７６ａは、二次電池の充電電力の節約のために、温度を計測する周期が到来するまで、その稼働を停止していることが好ましい。

ステップＳ１５では、パージ処理実行部２１は、ステップＳ１０で取得した燃料電池１０の温度と外気温とに基づいて、パージ処理の実行可否を判定する判定処理において用いる、燃料電池１０の温度についての閾値（以下、「電池用閾値」と呼ぶ）を設定する。この電池用閾値を、燃料電池１０の温度と外気温とに基づいて設定する理由や、その設定方法については後述する。

ステップＳ２０では、パージ処理実行部２１は、第１の判定処理として、外気温センサ８０によって検出された外気温について、パージ処理を実行すべき温度に到達したか否かを判定する。具体的には、パージ処理実行部２１は、外気温センサ８０の検出値が、予め設定された所定の閾値（以下、「外気温用閾値」と呼ぶ）以下となっていた場合には、外気温がパージ処理を実行すべき温度に到達したものと判定する。

なお、外気温用閾値は、例えば、氷点より２〜５℃程度高い、氷点近傍の温度に設定されていることが好ましい。この理由は、外気温が氷点に近い温度であることが検出された場合には、その後、燃料電池システム１００が氷点下に曝され、システム内に水分が残留していると凍結してしまう可能性が高いためである。

パージ処理実行部２１は、ステップＳ２０の第１の判定処理において、外気温が外気温用閾値以下であった場合には、ステップＳ３０の第２の判定処理を実行する。一方、外気温が外気温用閾値より大きかった場合には、次回のステップＳ１０の実行周期まで稼働を停止して待機する。

ステップＳ３０では、パージ処理実行部２１は、第２の判定処理として、出口側温度計測部７６ａによって検出された燃料電池１０の温度について、パージ処理を実行すべき温度に到達したか否かを判定する。具体的には、パージ処理実行部２１は、出口側温度計測部７６ａの検出値が、ステップＳ１５で設定された電池用閾値以下となっていた場合に、燃料電池１０の温度はパージ処理を実行すべき温度に到達したものと判定する。

パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の温度はパージ処理を実行すべき温度に到達していた場合には、ステップＳ４０のパージ処理を実行する。一方、燃料電池１０の温度が電池用閾値より大きく、パージ処理を実行すべき温度に到達していなかった場合には、パージ処理実行部２１は、次回のステップＳ１０の実行周期まで稼働を停止して待機する。

パージ処理実行部２１は、ステップＳ４０のパージ処理として、具体的には、以下のような処理を実行する。パージ処理実行部２１は、アノードガス循環排出部６０（図１）の水素循環用ポンプ６４を駆動させ、燃料電池１０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１０のアノード側のガスを循環させるパージ処理を実行することにより、燃料電池１０やその接続配管等に残留していた水分量と、燃料電池１０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。

図３は、本実施例の燃料電池システム１００におけるパージ処理の実行タイミングを説明するための説明図である。図３の上段には、燃料電池１０の運転終了後における外気温Ｔｏと燃料電池１０の温度Ｔｃの時間変化の一例を示すグラフを、縦軸を温度軸とし、横軸を時間軸として図示してある。図３の下段には、パージ処理実行部２１による、温度計測処理の実行タイミングと、パージ処理の実行タイミングとを示すタイミングチャートを、図３の上段に示したグラフと時間軸を対応させて図示してある。

図３の上段のグラフは、外気温Ｔｏが氷点近傍において次第に低下し、時刻ｔｒ₁において外気温用閾値ｔｈｏに到達した後、氷点下まで低下したことを示している。また、図３の上段のグラフは、燃料電池１０の温度Ｔｃが、外気温Ｔｏの低下に従って低下し、時刻ｔｒ₂において、電池用閾値ｔｈｃに到達したことを示している。

図３の下段のタイミングチャートは、燃料電池１０の温度Ｔｃが電池用閾値ｔｈｃに到達したことが検出された時刻ｔｅまで、所定の周期Ｔで温度計測処理が繰り返し実行され、時刻ｔｅにおいて、ステップＳ４０のパージ処理が実行されたことを示している。このように、本実施例の燃料電池システム１００では、所定の周期Ｔで、外気温Ｔｏと、燃料電池１０の温度Ｔｃについての第１と第２の判定処理を実行し、いずれの判定処理においても条件が満たされているときにパージ処理が実行される。

図４，図５は、比較例としての燃料電池システムにおけるパージ処理の実行タイミングを説明するための説明図である。図４，図５にはそれぞれ、外気温Ｔｏと燃料電池１０の温度Ｔｃの時間変化の一例を示すグラフと、パージ処理実行部２１による温度計測処理の実行タイミングおよびパージ処理の実行タイミングを示すタイミングチャートとを、図３と同様に図示してある。この比較例では、パージ処理実行部２１は、外気温のみを検出し、外気温と外気温用閾値との比較による判定結果のみに基づいて、ステップＳ４０のパージ処理を実行する。

図４には、外気温Ｔｏが外気温用閾値ｔｈｏ以下のときに燃料電池１０の運転を終了させた場合の一例を示してある。この場合には、燃料電池１０が運転を終了させたときに、外気温Ｔｏが既に外気温用閾値ｔｈｏより低いため、パージ処理実行部２１が、周期的に外気温Ｔｏを計測し続けても、パージ処理が実行されることはない。即ち、この例の場合には、パージ処理の実行タイミングを適正化するために、周期的に外気温Ｔｏを計測する意味がなくなってしまっている。

図５には、運転終了後の燃料電池１０の温度Ｔｃが氷点より著しく高い状態が長期間継続されている間に、時刻ｔｒにおいて、外気温Ｔｏが外気温用閾値ｔｈｏ以下となった場合の一例を示してある。この例では、外気温Ｔｏが外気温用閾値ｔｈｏ以下となったことが検出された時刻ｔｅにおいて、パージ処理が実行されている。しかし、時刻ｔｅの時点では、燃料電池１０の温度Ｔｃが十分に低下していないため、燃料電池１０の内部は飽和水蒸気圧が高い状態であり、水蒸気として存在する水分が多く、パージ処理によって十分に燃料電池１０内部の水分量を低下させることができない。

上記比較例のような構成に対して、本実施例の燃料電池システム１００であれば、パージ処理実行部２１が、外気温と、燃料電池１０の温度の両方が閾値以下であるときにパージ処理を実行する。これによって、外気温が低く、燃料電池システム１００の残留水分が凍結する可能性が高い状態であって、燃料電池１０の温度が低下し、燃料電池１０内部の水分が凝縮して液水化した状態のときにパージ処理を実行することができる。そのため、燃料電池１０の内部に残留する水分を、確実に低減させることが可能である。

また、特に、本実施例の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００内の残留ガスをパージガスとして再循環させている。そのため、第１と第２の判定処理の判定結果に基づいてパージ処理を実行すれば、温度が低下して含有水分量が低下したパージガスによってパージ処理を実行することができ、より高いパージ効果を得ることが可能となる。

図６は、ステップＳ１５において、燃料電池１０の温度と外気温の検出値に基づいて、第２の判定処理で用いる電池用閾値を設定する理由を説明するための説明図である。図６は、外気温が０℃以下のときに燃料電池１０の運転を停止させ、燃料電池１０の温度と外気温の時間変化を計測したときの計測結果を示すグラフである。具体的には、グラフＴｃａ（実線）と、グラフＴｃｂ（一点鎖線）とはそれぞれ、出口側温度計測部７６ａと、入口側温度計測部７６ｂとによる燃料電池１０の温度の計測結果に基づくグラフである。グラフＴｏ（二点鎖線）は、外気温センサ８０の計測結果に基づくグラフである。

ここで、出口側温度計測部７６ａによって検出される温度は、燃料電池１０の内部を通過した後の冷媒の温度である。そのため、出口側温度計測部７６ａによって検出される温度には、燃料電池１０の内部の温度が反映されている。一方、入口側温度計測部７６ｂによって検出される温度は、燃料電池１０に流入する前の冷媒の温度である。入口側温度計測部７６ｂによって検出される温度には、その計測箇所に近い燃料電池１０の積層方向端部に配置された単セル１１の温度が反映されている。

燃料電池１０の温度は、出口側温度計測部７６ａの計測値の方が、入口側温度計測部７６ｂの計測値より、常に低かった。そして、いずれのグラフＴｃａ，Ｔｃｂにおいても、外気温のグラフＴｏとの差が大きいほど、温度の低下の度合いが大きくなった。この計測結果から、本発明の発明者は、以下の知見を得た。
（１）燃料電池１０には、出口側温度計測部７６ａによって計測される温度より低い温度を示す低温部位が存在する。
（２）燃料電池１０の温度と外気温との差が大きいほど、その低温部位が氷点に到達してしまう時刻が早くなる。

このことは、出口側温度計測部７６ａの計測値に基づいてパージ処理の実行を開始したときに、燃料電池１０の低温部位が、既に氷点下に到達して凍結してしまっている場合があることを示している。また、外気温と、燃料電池１０の温度との差が著しく大きいほど、パージ処理実行時における低温部位が氷点下に到達している可能性が高くなることを示している。

そこで、本実施例のパージ処理実行部２１は、ステップＳ１５において、予め準備された所定のマップ（以下、「閾値マップ」とも呼ぶ）を用いて、外気温と燃料電池１０の温度の差に基づいて、第２の判定処理における判定基準である電池用閾値を設定する。これにより、外気温に対して燃料電池１０の温度が高いときほど、パージ処理の実行開始のタイミングを早めることができ、燃料電池１０の低温部位の凍結前にパージ処理を実行することが可能となる。

図７は、ステップＳ１５においてパージ処理実行部２１が用いる閾値マップの一例を説明するための説明図である。図７には、閾値マップに設定された関係を、横軸を燃料電池１０の温度と外気温との差とし、縦軸を電池用閾値とするグラフによって図示してある。

本発明の発明者は、燃料電池１０の運転終了時における出口側温度計測部７６ａの計測値と外気温センサ８０の計測値の差ごとに、燃料電池１０の最も温度の高い部位と低い部位との温度差（以下、「電池内温度差」と呼ぶ）を計測した。そして、燃料電池１０の温度と外気温との差に対して、その電池内温度差が反映された電池用閾値を設定した。より具体的には、電池内温度差が高いほど、電池用閾値が高くなるように設定した。

この閾値マップには、燃料電池１０の温度と外気温との差ΔＴがＴ₀（Ｔ₀＞０）以下であるときには、電池用閾値ｔｈｃとして一定の値ｔｈｉが取得できるように設定されている。また、燃料電池１０の温度と外気温との差ΔＴがＴ₀より大きいときには、燃料電池１０の温度と外気温との差が大きいほど電池用閾値ｔｈｃの値が大きくなるように設定されている。この閾値マップを用いることにより、外気温と燃料電池１０の温度の差が所定値Ｔ₀より大きい場合に、その差が大きいほどパージ処理の実行開始タイミングが早くなるように、第２の判定処理（ステップＳ３０）の判定基準が変更される。

ところで、外気温と燃料電池１０の温度の差が小さい所定値Ｔ₀以下の場合には、燃料電池１０の運転温度が十分に上昇しないままその運転が終了するなど、燃料電池１０の温度が高くなく、電池内温度差もほとんどない状態である。そのため、この閾値マップでは、外気温と燃料電池１０の温度の差が所定値Ｔ₀以下の場合には、電池用閾値は所定の一定値ｔｈｉとして取得される。なお、閾値マップでは、電池用閾値は、燃料電池１０内部の残留ガスの飽和水蒸気圧が低くなり、液水の凝縮が促進される温度域の値で設定されていることが好ましい。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００であれば、外気温と、燃料電池１０の温度の両方が閾値以下となったことが検出されたときにパージ処理が実行される。そのため、燃料電池システム１００の残留水分が凍結する可能性が高い状態であって、燃料電池１０内部の水分が凝縮して液水化した状態のときにパージ処理を実行することができ、より高いパージ効果を得ることができる。また、燃料電池１０の温度と外気温との差に応じて、パージ処理の実行可否を判定する判定条件が設定されるため、燃料電池１０の温度と外気温との状態に応じて、パージ処理の実行タイミングを適切に調整することができる。

B．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

B1．変形例１：
上記実施例では、パージ処理実行部２１は、外気温についての第１の判定処理と、燃料電池１０の温度についての第２の判定処理とを実行して、第１と第２の判定処理における判定結果に基づき、パージ処理が実行されていた。しかし、パージ処理実行部２１は、外気温についての第１の判定処理を省略し、燃料電池１０の温度についての第２の判定処理の判定結果のみに基づいて、パージ処理を実行するものとしても良い。また、第１と第２の判定処理に加えて、さらに、パージ処理の実行の可否を決定するための他の判定処理が実行されるものとしても良い。

B2．変形例２：
上記実施例では、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の温度と外気温との差に基づいて、第２の判定処理に用いる電池用閾値を設定していた。しかし、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の温度と外気温との差を求めることなく、電池用閾値を設定するものとしても良い。パージ処理実行部２１は、例えば、予め準備された、燃料電池１０の温度と、外気温と、電池用閾値との関係に基づいて、燃料電池１０の温度と外気温とに基づき、電池用閾値を設定するものとしても良い。

B3．変形例３：
上記実施例では、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の温度と外気温とに基づいて電池用閾値を取得するために、閾値マップを用いていた。しかし、パージ処理実行部２１は、そうしたマップ以外の方法によって、燃料電池１０の温度と外気温とに基づき電池用閾値を取得するものとしても良い。例えば、パージ処理実行部２１は、予め準備された関数や、数式を用いて、燃料電池１０の温度と外気温とに基づき電池用閾値を取得するものとしても良い。

B4．変形例４：
上記実施例のパージ処理では、アノードガス循環排出部６０の水素循環用ポンプ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１０や、その接続配管に流入させるものとしても良い。例えば、パージ処理実行部２１は、カソードガス供給部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１０に流入させるものとしても良い。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１０に供給可能な供給源を備えるものとしても良い。

B5．変形例５：
上記実施例では、第２の判定処理に用いる電池用閾値を、燃料電池１０の温度と、外気温との差に基づいて設定していた。しかし、第２の判定処理に用いる電池用閾値だけでなく、第１の判定処理に用いる外気温用閾値についても、燃料電池１０の温度と、外気温との差に基づいて設定するものとしても良い。なお、この場合には、第１と第２の判定処理の閾値として、同じ閾値が設定されるものとしても良いし、それぞれ異なる閾値が設定されるものとしても良い。

B6．変形例６：
上記実施例では、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の温度を検出して、第２の判定処理において、燃料電池１０の温度についての判定処理の結果に基づいてパージ処理を実行していた。しかし、パージ処理実行部２１は、燃料電池１０の温度に換えて、他のパージガスが流れる、パージの対象となる部位（例えば、配管やバルブ）の温度を検出して、その温度についての判定処理の結果に基づいてパージ処理を実行するものとしても良い。なお、この場合には、ステップＳ１５において、外気温と当該部位の温度とに基づいて、第２の判定処理に用いられる当該部位の温度についての閾値が設定される。

B7．変形例７：
上記実施例では、燃料電池１０の温度として、出口側温度計測部７６ａの計測値を用いていた。しかし、燃料電池１０の温度としては、出口側温度計測部７６ａの計測値以外の計測値が用いられるものとしても良い。例えば、入口側温度計測部７６ｂの計測値が用いられるものとしても良い。また、燃料電池システム１００は、燃料電池１０の本体温度を直接的に計測できる温度計測部を備えているものとしても良い。

B8．変形例８：
上記実施例のパージ処理実行部２１は、燃料電池１０の温度と外気温との差が大きいほど、電池用閾値が大きい値に設定されていた。しかし、電池用閾値は、燃料電池１０の温度と外気温との差が大きいほど大きい値に設定されなくとも良い。電池用閾値は、燃料電池１０の温度と外気温との組み合わせに応じて異なる値が設定さるものとしても良い。

B9．変形例９：
上記実施例では、燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載されていた。しかし、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の移動体に搭載されるものとしても良い。また、燃料電池システムは、施設や建造物などに設置されるものとしても良い。

C．参考例：
図８は、本発明の参考例としての燃料電池システムにおいて、パージ処理実行部２１が実行するパージ処理の実行手順を示すフローチャートである。図８は、ステップＳ１５が省略されている点以外は、図２とほぼ同じである。なお、参考例の燃料電池システムの構成は、上記実施例の燃料電池システム１００とほぼ同様である（図１）。

この参考例の燃料電池システムでは、パージ処理実行部２１は、ステップＳ３０の判定処理において用いる電池用閾値として予め設定された所定の値を用いる。このような構成であっても、外気温と燃料電池１０の温度のそれぞれについての判定処理が実行された上で、その判定結果に基づいてパージ処理が実行されるため、燃料電池１０の運転終了後におけるパージ処理の実行タイミングの適正化が可能である。ただし、上記実施例の燃料電池システム１００であれば、外気温と、燃料電池１０の温度とに基づいてパージ処理の実行条件が設定されるため、外気温に応じて低温化しやすい部位の凍結前にパージを確実に実行することが可能となり、より好ましい。

１０…燃料電池
１１…単セル
２０…制御部
２１…パージ処理実行部
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
４０…カソードガス排出部
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
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
６０…アノードガス循環排出部
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
７０…冷媒供給部
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７１ｃ…バイパス配管
７２…ラジエータ
７３…三方弁
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ…出口側温度計測部
７６ｂ…入口側温度計測部
８０…外気温センサ
１００…燃料電池システム

Claims

燃料電池システムであって、
燃料電池と、
運転停止後の前記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、
外気温を表す第１の温度を検出する第１の温度検出部と、
前記燃料電池の温度、または、前記パージガスが流れる部位の温度を表す第２の温度を検出する第２の温度検出部と、
前記燃料電池が運転を停止した後に、前記第１と第２の温度を取得し、前記第１と第２の温度に基づいて閾値を設定し、前記第２の温度が前記閾値以下のときに、前記ガス供給部を制御して、パージガスによる掃気処理を実行する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１と第２の温度の差分を求め、前記差分が大きいほど、前記閾値を高く設定する、燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記第１の温度が所定の閾値以下であるとともに、前記第２の温度が前記閾値以下のときに、前記掃気処理を実行する、燃料電池システム。
燃料電池システムを制御する方法であって、
（ａ）燃料電池の運転停止後に、外気温を表す第１の温度と、前記燃料電池の温度、または、パージガスが流れる部位の温度を表す第２の温度と、を検出する工程と、
（ｂ）前記第１と第２の温度に基づいて閾値を設定し、前記第２の温度が前記閾値以下のときに、前記パージガスによる前記燃料電池内部の掃気処理を実行する工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、前記第１と第２の温度の差分を求め、前記差分が大きいほど、前記閾値を高く設定する工程を含む、方法。