JP5772682B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池に関し、特に、低温での燃料電池の起動性を向上させる技術に関する。

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）。

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

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。また、温度測定による闇電流については、十分に考慮されていなかった。なお、車両のイグニションキーがオフにされている期間に流れる電流を一般に「闇電流」（「暗電流」とも呼ぶ。）と呼んでいる。

本発明は、運転終了後に、燃料電池の温度測定が頻繁に行われることによる闇電流の増加を抑制しつつ、燃料電池内部に残留する水分量を効率的に排出して凍結を抑制し、低温起動時における燃料電池の起動性を向上させ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。本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池システムの運転停止の指示を受けた後に、前記燃料電池の内部のガス流路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の温度を測定する第１の温度測定部と、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の温度を測定する第２の温度測定部と、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させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池が運転の停止の指示を受けた後に、第１の測定周期で前記第１と第２の温度を測定し、第１の測定タイミングで測定したときの前記第２の温度が判定閾値よりも低い場合には、前記パージガスによる掃気処理を実行させ、前記第２の温度が前記判定閾値以上の場合には、前記第１と第２の温度とを用いて、次の測定タイミングにおける前記第２の温度を予測し、前記制御部が予測した温度が、前記判定閾値よりも低い場合には、前記次の測定タイミングにおける第２の温度が前記判定閾値となるように、前記次の測定タイミングまでの周期を前記第１の測定周期よりも短くする。この形態によれば、次の測定で第２の温度が判定閾値より低くなりそうな場合には、前記次の測定タイミングにおける第２の温度が前記判定閾値となるように、次の測定までの周期を第１の測定周期よりも短くするので、水の氷結を抑制することができる。また、全体として温度測定の回数を抑えられるので、闇電流の増加を抑制できる。

［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池システムの運転停止の指示を受けた後に、前記燃料電池の内部のガス流路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の温度を測定する第１の温度測定部と、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の温度を測定する第２の温度測定部と、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させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池が運転の停止の指示を受けた後に、第１の測定周期で前記第１と第２の温度を測定し、第１の測定タイミングで測定したときの前記第２の温度が判定閾値よりも低い場合には、前記パージガスによる掃気処理を実行させ、前記第２の温度が前記判定閾値以上の場合には、前記第１と第２の温度とを用いて、次の測定タイミングにおける前記第２の温度を予測し、前記制御部が予測した温度が、前記判定閾値よりも低い場合には、次の測定タイミングまでの周期を前記第１の測定周期よりも短くする、燃料電池システム。
この適用例によれば、次の測定で第２の温度が判定閾値より低くなりそうな場合には、次の測定までの周期を第１の測定周期よりも短くするので、水の氷結を抑制することができる。また、第２の温度が判定閾値よりも低い温度で掃気処理出来るので、燃料電池の内部の水分の大部を結露させて、効率的に燃料電池の内部の水分を吹き飛ばすことが出来、燃料電池の起動性を向上させることができる。さらに、全体として温度測定の回数を抑えられるので、闇電流の増加を抑制できる。

［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第２の温度が前記判定閾値となるまでの期間を算出し、前記期間を第２の測定周期とし、前記第１の測定タイミングから前記第２の測定周期後の第２の測定タイミングで、前記第１と第２の温度を測定し、前記第２の測定タイミングで測定した前記第２の温度が前記判定閾値よりも低い場合には、前記パージガスによる掃気処理を実行させる、燃料電池システム。
この適用例によれば、第２の温度が判定閾値となる期間を算出して第１、第２の温度を測定するので、第１と第２の温度の測定タイミングが適正となり、測定回数を減らすことで、燃料電池の闇電流の増加を抑制できる。

［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第１の測定周期より短い第３の測定周期よりも前記第２の測定周期が短い場合には、前記第３の測定周期を前記第２の測定周期として、前記第２の測定タイミングを定める、燃料電池システム。
この適用例によれば、第２の周期が第３の周期よりも短い場合には燃料電池の温度はほとんど低下しないと想定されるため、測定回数が増えて闇電流が増える虞がある。従って、この適用例では、次の測定タイミングを算出された第２の周期があらかじめ定められた第３の周期よりも短い場合には、次の測定周期を第３の周期とし、測定回数増加による闇電流の増加を抑制するものである。

［適用例４］
適用例２または３に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第２の測定タイミングで測定した前記第２の温度が前記判定閾値以上の場合には、前記第２の測定タイミングの次の前記第１と第２の温度の測定を、前記第２の測定タイミングの直前の測定タイミングから前記第１の測定周期の経過後に行う、燃料電池システム。
第２の測定周期における測定の後の次の測定を第２の測定周期後とすると、測定周期が短くなり、測定回数が増えて闇電流が増える虞がある。一方、第２の測定周期における測定タイミングを起点として第１の周期後を測定タイミングとすると、その間に第２の温度が氷点下となる虞がある。そのため、本適用例では、第２の測定周期における測定の後の次の測定を、第２の測定周期の直前にした測定から、第１の測定周期の経過後に行うこととするものである。

［適用例５］
適用例１〜４のいずれか一つの適用例に記載の燃料電池システムにおいて、任意の測定タイミングで測定された前記第１の温度が前記判定閾値以上の場合には、前記制御部は、次の前記第１と第２の温度の測定を、当該測定タイミングから前記第１の測定周期の経過後に行う、燃料電池システム。
第１の温度が判定閾値以上の場合に、第２の温度が判定閾値より低くなることは考えにくい。そのため、本適用例では、測定周期を第１の測定周期とすることで、測定回数を減らし、闇電流の増加を抑制することとした。

［適用例６］
燃料電池システムの制御方法であって、（１）前記燃料電池システムの運転停止の指示を受けた後に、第１の測定周期で、外気温を表す第１の温度を測定し、前記燃料電池の温度を表す第２の温度と、を測定する工程と、（２）第１の測定タイミングで測定したときの前記第２の温度が判定閾値よりも低い場合には、パージガスによる掃気処理を実行させる工程と、（３）前記第２の温度が判定閾値以上の場合には、前記第１と第２の温度とを用いて、次の測定タイミングにおける前記第２の温度を予測する工程と、（４）前記制御部が予測した温度が、前記判定閾値よりも低い場合には、次の測定タイミングまでの周期を前記第１の測定周期よりも短くする工程と、を備える、燃料電池システムの制御方法。
この適用例によれば、次の測定で第２の温度が判定閾値より低くなりそうな場合には、次の測定までの周期を第１の測定周期よりも短くするので、水の氷結を抑制することができる。また、第２の温度が判定閾値よりも低い温度で掃気処理出来るので、燃料電池の内部の水分の大部を結露させて、効率的に燃料電池の内部の水分を吹き飛ばすことが出来、燃料電池の起動性を向上させることができる。さらに、全体として温度測定の回数を抑えられるので、闇電流の増加を抑制できる。

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。

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。 車両停止からパージ処理までの動作フローチャートである。 ステップＳ１２０、１３０を行う理由を説明する説明図である。 適用例の一例を示す説明図である。 第２の周期で測定したときの燃料電池の温度が判定閾値よりも高い場合を示す説明図である。 外気温を−３０℃としたときの燃料電池の０℃近傍の温度変化を示すグラフである。

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、測定結果を制御部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の測定温度を、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、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キーがオフの状態）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。なお、パージ処理や燃料電池１０の温度測定は、燃料電池１０の運転終了後に、二次電池（図示せず）の動力により実行されるため、闇電流（「暗電流」とも呼ぶ。）が流れる。ここで、イグニションキー（図示せず）がオフにされている期間に流れる電流を、一般に「闇電流」と呼んでいる。闇電流を増加させずに、効率的にパージ処理を行うことが好ましい。

図２は、車両停止からパージ処理までの動作フローチャートである。ステップＳ１００では、燃料電池システム１００を搭載した車両（図示せず）のイグニションキー（図示せず）がオフにされ、燃料電池１０（図１）が停止し、車両が停止する。

ステップＳ１１０では、制御部２０は、基本計測周期後の燃料電池１０の温度を推定計算する。具体的には、制御部２０は、燃料電池１０の停止時の外気温（第１の温度）を外気温センサ８０から取得し、燃料電池１０の停止時の燃料電池１０から出てくる冷媒の温度（第２の温度）を冷媒温度計測部７６ａから取得する。ここで、燃料電池１０から出てくる冷媒の温度は、燃料電池１０の温度とほぼ等しいと推定される。したがって、以後、燃料電池１０から出てくる冷媒の温度を基本計測周期後の燃料電池１０の温度等を算出する際の燃料電池１０の温度として用いることとする。

次に、制御部２０は、基本計測周期後の燃料電池１０の温度を、以下の式（１）により算出する。

式（１）で、Ｒは放熱係数（Ｗ／Ｋ）、Ｔは外気温（Ｋ）、Ｔ_Sは燃料電池１０の温度（Ｋ）、ｃは燃料電池の熱容量（Ｊ／Ｋ）、Δｔは基本計測周期の長さ、Ｔ_calは算出した次の基本計測周期後の燃料電池１０の温度（Ｋ）である。なお、外気温Ｔ、燃料電池１０の温度Ｔ_S、次の基本計測周期後の燃料電池１０の温度Ｔ_cal、燃料電池の熱容量ｃは、の温度単位は、絶対温度ではなく、摂氏で表しても良い。

ステップＳ１２０では、制御部２０は、次の基本計測周期後の燃料電池１０の推定温度が判定閾値Ｔ_thよりも小さいか否かを、判断する。判定閾値Ｔ_th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。氷点近傍であれば、判定閾値Ｔ_thにおける飽和水蒸気圧は低いので、水蒸気の大部は結露して液体の水になる。そして、この結露した水をパージ処理により効率よく水を燃料電池１０の外部に吹き飛ばすことができる。

燃料電池１０の推定温度が判定閾値Ｔ_thよりも小さい場合には、制御部２０は、処理をステップＳ１３０に移行し、燃料電池１０の推定温度が判定閾値Ｔ_thよりも小さくない場合には、処理をステップＳ１４０に移行する。ステップＳ１３０では、制御部２０は、燃料電池１０の温度が、判定閾値Ｔ_thとなる時間を演算し、その時間を第２の周期とする。

図３は、ステップＳ１２０、１３０を行う理由を説明する説明図である。図３の横軸は、車両が停止してからの時間である。縦軸は、温度を示している。制御部２０が基本計測周期で燃料電池１０の温度を測定する場合、タイミングｔ１、ｔ２では、燃料電池１０の温度は、判定閾値Ｔ_thより大きいが、タイミングｔ３では、燃料電池１０の温度（第２の温度）は、氷点下になっている。燃料電池１０の温度（第２の温度）が氷点下になると、燃料電池１０の内部の水分は氷結し、燃料電池の起動性を低下させる虞がある。また、氷結した水（氷）は、パージ処理で吹き飛ばすことが難しい。したがって、制御部２０は、水分が氷結する前にパージ処理実行部２１にパージ処理を行わせ、水分を除去させることが好ましい。このような場合、制御部２０が基本計測周期で次のタイミングｔ３まで測定を待っていたのでは、燃料電池１０の内部の水分が氷結する虞がある。したがって、制御部２０は、図３の下図のように、次の測定周期を基本計測周期より早め、タイミングｔ３’で第２の温度を測定する。タイミングｔ３’では、燃料電池１０の温度は、判定閾値Ｔ_thより低いが、氷点よりも高いので、燃料電池１０の内部の水分は氷結しない。また、判定閾値Ｔ_thより低く、氷点より高い温度では、飽和蒸気圧が小さいので、水は水蒸気として存在し難い。すなわち、大部分の水蒸気水は、結露し、液体の水となる。そして、この状態でパージ処理を行えば、効率よく、燃料電池１０内の水を燃料電池１０の外に吹き飛ばすことができる。

制御部２０は、第２の周期を次の式（２）で算出する。

ここでΔＴ_thは、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thとなるまでの推定時間である。なお、他のパラメータの意味は式（１）と同じである。制御部２０は推定時間ΔＴ_thを次回の計測周期（第２の測定周期）とする。第２の測定周期は、計算上、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thとなる時間である。

図２に戻り説明を続ける。ステップＳ１２０において次の基本計測周期後の燃料電池１０の推定温度が判定閾値Ｔ_thよりも小さくない場合には、ステップＳ１４０において、制御部は、測定の周期を変えずに、次の計測周期を基本計測周期もまま維持する。

ステップＳ１５０では、制御部２０は、ステップＳ１３０又は１４０で定められた周期の経過後、外気温及び燃料電池１０の温度を測定する。ステップＳ１６０では、制御部２０は、外気温が判定閾値Ｔ_thより低いか否かを判断する。外気温が判定閾値Ｔ_thより低い場合には、制御部２０は、処理をステップＳ１７０に移行し、外気温が判定閾値Ｔ_thより低くない場合には、処理をステップＳ１１０に移行する。燃料電池１０は、外気温により冷やされた冷媒により冷やされるので、外気温が判定閾値Ｔ_thより低くない場合には、燃料電池１０の温度も外気温より低くなることは考えにくい。

ステップＳ１６０で外気温が判定閾値Ｔ_thより低くない場合には、処理がステップＳ１１０に移行するが、この場合の計測周期は、ステップＳ１１０で規定するように、元の基本計測周期となる。ただし、周期の計測の起点は、ステップＳ１６０の測定を行ったタイミングではなく、ステップＳ１６０の測定の前のタイミングである。測定周期を元の基本計測周期としたのは、以下の理由による。すなわち、第２の測定周期で計測を行うとすると、基本計測周期が短いため計測回数が増えて闇電流が増える虞があるからである。本実施例では、測定周期を基本計測周期に戻すことで、第２の測定周期で外気温や燃料電池１０の温度が頻繁に測定されることを抑制し、闇電流の増加を抑制する。また、周期の計測の起点を、ステップＳ１６０の測定を行ったタイミングではなく、ステップＳ１６０の測定の前のタイミングとしたのは、以下の理由による。すなわち、周期の計測の起点をステップＳ１６０の測定を行ったタイミングにして次の計測を基本計測周期とすると、次の計測までに燃料電池１０内の水分が氷結する虞があるからである。

ステップＳ１７０では、制御部２０は、燃料電池１０の温度を測定し、判定閾値Ｔ_thより低いか否かを判断する。燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thより低い場合には、制御部２０は、処理をステップＳ１８０に移行し、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thより低くない場合には、ステップＳ１６０のときと同様に、処理をステップＳ１１０に移行する。

ステップＳ１８０では、制御部は、パージ処理実行部２１にパージ処理を実行させる。パージ処理実行部２１は、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４は、適用例の一例を示す説明図である。なお、図４は、図３と横軸と縦軸が同じ、燃料電池と外気温と測定タイミングを表すグラフである。図４における測温タイミングはｔ１、ｔ２、・・・ｔ５（ｔ５’）である。タイミングｔ１で、制御部２０（図１）は、外気温と燃料電池１０の温度を測定する。燃料電池１０の温度は、判定閾値Ｔ_thより高いので、このタイミングでは、制御部２０は、パージ処理実行部２１にパージ処理を行わせない。燃料電池は、図２のステップＳ１１０に従って、基本計測周期後（タイミングｔ２）の燃料電池１０の温度を推定する。この推定温度は、判定閾値Ｔ_thより高かったので、制御部２０は、ステップＳ１４０の処理を行い、次の計測周期を基本計測周期、すなわち、タイミングｔ２とする。そして、ステップＳ１５０で、制御部２０は、外気温と燃料電池１０の温度を測定する。外気温は、０℃以下なので、ステップＳ１６０では、Ｙｅｓとなり、タイミングｔ２で燃料電池１０の温度は判定閾値Ｔ_thより高いので、ステップＳ１７０ではＮｏとなり、ステップＳ１１０に戻る。以後、タイミングｔ２、ｔ３、・・・と処理が続いていく。

図４において、タイミングｔ４になると、以下のように処理される。タイミングｔ４でも同様に、測定した外気温と燃料電池１０の温度から次の基本計測周期後のタイミング５における燃料電池の温度を推定する（図２のステップＳ１１０）。しかしながら、この推定温度が判定閾値Ｔ_thより低いので、ステップＳ１２０でＹｅｓの判定となり、処理がステップＳ１３０に移行する。ステップＳ１３０で、制御部２０は、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thとなるまでの推定時間ΔＴ_thを算出し、推定時間ΔＴ_thを次回の計測周期（第２の周期）とし、測定タイミングをタイミングｔ５ではなく、タイミングｔ５’とする。ステップＳ１５０では、タイミングｔ５’で外気温と燃料電池１０の温度を測定する。タイミングｔ５’における外気温は氷点下であり、燃料電池１０の温度は、判定閾値Ｔ_thより低いので、ステップＳ１６０、Ｓ１７０ともＹｅｓとなり、制御部２０は、ステップＳ１８０でパージ処理実行部２１にパージ処理を実行させる。

図５は、第２の周期で測定したときの燃料電池の温度が判定閾値よりも高い場合を示す説明図である。図５においては、タイミングｔｎまで基本計測周期で外気温と燃料電池１０の温度が測定され、タイミングｔｎから次のタイミングｔｎ＋１までの長さは、第２の周期である。タイミングｔｎ＋１で測定された燃料電池１０の温度は、判定閾値Ｔ_thより高いので、ステップＳ１７０ではＮｏとなり、処理がステップＳ１１０に移行する。このとき、ステップＳ１１０では、測定周期を、基本測定周期にしている。かかる場合、タイミングｔｎ＋１から基本測定周期後に外気温と燃料電池１０の温度を測定することとすると、当該測定タイミングでは、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thより低くなり、燃料電池１０の内部の水分が氷結する虞がある。そこで、制御部２０は、測定周期を、基本測定周期とするが、その起点を、タイミングｔｎ＋１ではなく、その前のタイミングｔｎとする。これにより、燃料電池１０の内部の水分の氷結を抑制することができる。

図６は、外気温を−３０℃としたときの、燃料電池１０の０℃近傍の温度変化を示すグラフである。この図から分かるように、燃料電池の温度が１℃変化するに約４分かかっている。１℃は、判定閾値Ｔ_thと、０℃の差よりも大きい温度である。したがって、４分を基本計測周期とすれば、ある測定タイミングで燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thよりも高い場合、次の基本計測周期の測定タイミングで、氷点下（０℃以下）になることは考えにくい。すなわち、ある外気温（例えば−３０℃）において、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thより低くない温度であれば、基本計測周期後の燃料電池１０の温度が氷点下とならないように、基本計測周期をあらかじめ定めておけばよい。

以上、本実施例によれば、制御部２０は、燃料電池１０の運転を停止した後に、基本計測周期で、外気温と燃料電池１０の温度を取得する。そして、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thよりも低い場合には、パージガスによるパージ処理を実行させ、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_th以上の場合には、外気温と燃料電池１０の温度を用いて、次の測定タイミングにおける燃料電池１０の温度を予測する。この制御部２０が予測した温度が、判定閾値よＴ_thよりも低い場合には、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thとなるまでの期間ΔＴ_thを算出し、期間ΔＴ_thを第２の測定周期とし、第２の測定周期後に、外気温と燃料電池１０の温度を測定し、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thよりも低い場合には、パージガスによるパージ処理を実行させる。そのため、外気温と燃料電池１０の温度の測定タイミングを適正化して、測定回数を減らすことで、燃料電池１０の闇電流の増加を抑制できる。また、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thよりも低く、氷点よりも高い温度でパージ処理させられるので、燃料電池１０の内部の水分の氷結を抑制し、効率的に燃料電池１０の内部の水分を吹き飛ばすことが出来ると共に、低温における燃料電池の起動性を向上させることができる。
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。

上記実施例では、第２の周期は、基本計測周期よりも短いが、あらかじめ定められた基本計測周期よりも短い第３の周期よりも長くしてもよく、この場合、図２のステップＳ１３０で算出された期間ΔＴ_thが第３の周期よりも短い場合には、次の計測周期を第３の周期としてもよい。期間ΔＴ_thが短い場合には、ΔＴ_th後の燃料電池の温度はほとんど低下しないと想定されるため、次の測定タイミングをΔＴ_thよりも長く基本計測周期よりも短い第３の周期とするものである。

また、外気温が氷点下でない場合には、燃料電池１０の温度が氷点下になることは考えにくい。したがって、制御部２０は、基本計測周期で外気温のみを測定し、外気温が、判定閾値Ｔ_thよりも低くなった以降に、燃料電池１０の温度を測定するようにしても良い。なお、外気温と燃料電池１０の温度とがほぼ同じ温度で低下する場合、０℃を基準とすると、外気温が０℃より低くなったとき、同時に燃料電池１０の温度も０℃より低くなっている場合が考えられる。そのため、この場合、燃料電池１０の温度を測定するタイミングを、外気温が判定閾値Ｔ_thよりも低くなった以降としてもよい。

基本計測周期の長さは、外気温により変更されても良い。外気温が低い場合には、燃料電池１０の温度は早く低下するので、基本計測周期の長さを短くし、逆に外気温が高い場合には、燃料電池１０の温度はゆっくり低下するので、基本計測周期の長さを長くしてもよい。

上記実施例では、次の測定周期における燃料電池１０の温度が、判定閾値Ｔ_thよりも低くなった場合に、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thとなる時間ΔＴ_thを算出して、次の測定周期としていたが、時間ΔＴ_thを算出せず、次の測定周期を基本測定周期よりも短い周期としてもよい。すなわち、燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thよりも高いと想定される期間は、制御部２０は、比較的長い基本測定周期で外気温や燃料電池１０の温度を測定し、次の測定周期で燃料電池１０の温度が判定閾値Ｔ_thより低くなりそうな場合には次の測定周期を基本測定周期よりも短い周期とすることで、全体的な温度の測定回数を少なくし、パージ処理のタイミングを精度良く決定することができる。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

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…冷媒温度計測部（出口側温度計測部）
７６ｂ…冷媒温度計測部（入口側温度計測部）
８０…外気温センサ
１００…燃料電池システム
Ｔ_th…判定閾値
ΔＴ_th…推定時間（期間）

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池システムの運転停止の指示を受けた後に、前記燃料電池の内部のガス流路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の温度を測定する第１の温度測定部と、
   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の温度を測定する第２の温度測定部と、
   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させる制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池が運転の停止の指示を受けた後に、第１の測定周期で前記第１と第２の温度を測定し、
   第１の測定タイミングで測定したときの前記第２の温度が判定閾値よりも低い場合には、前記パージガスによる掃気処理を実行させ、
   前記第２の温度が前記判定閾値以上の場合には、前記第１と第２の温度とを用いて、次の測定タイミングにおける前記第２の温度を予測し、前記制御部が予測した温度が、前記判定閾値よりも低い場合には、前記次の測定タイミングにおける第２の温度が前記判定閾値となるように、前記次の測定タイミングまでの周期を前記第１の測定周期よりも短くする、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において、
   前記制御部は、
   前記第２の温度が前記判定閾値となるまでの期間を算出し、前記期間を第２の測定周期とし、
   前記次の測定タイミングである第２の測定タイミングを、前記第１の測定タイミングから前記第２の測定周期後のタイミングとし、
   前記第２の測定タイミングで、前記第１と第２の温度を測定し、
   前記第２の測定タイミングで測定した前記第２の温度が前記判定閾値よりも低い場合には、前記パージガスによる掃気処理を実行させる、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記第２の測定タイミングで測定した前記第２の温度が前記判定閾値以上の場合には、前記第２の測定タイミングの次の前記第１と第２の温度の測定を、前記第２の測定タイミングの直前の測定タイミングから前記第１の測定周期の経過後に行う、燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
   任意の測定タイミングで測定された前記第１の温度が前記判定閾値以上の場合には、前記制御部は、次の前記第１と第２の温度の測定を、当該測定タイミングから前記第１の測定周期の経過後に行う、燃料電池システム。
5. 燃料電池システムの制御方法であって、
   （１）前記燃料電池システムの運転停止の指示を受けた後に、第１の測定周期で、外気温を表す第１の温度を測定し、前記燃料電池の温度を表す第２の温度と、を測定する工程と、
   （２）第１の測定タイミングで測定したときの前記第２の温度が判定閾値よりも低い場合には、パージガスによる掃気処理を実行させる工程と、
   （３）前記第２の温度が判定閾値以上の場合には、前記第１と第２の温度とを用いて、次の測定タイミングにおける前記第２の温度を予測する工程と、
   （４）前記制御部が予測した温度が、前記判定閾値よりも低い場合には、前記次の測定タイミングにおける第２の温度が前記判定閾値となるように、前記次の測定タイミングまでの周期を前記第１の測定周期よりも短くする工程と、
   を備える、燃料電池システムの制御方法。

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