(57)【要約】【課題】燃料電池の膜劣化を防止することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】温度センサ１０２により検出された燃料電池１０の温度が、燃料電池１０の内部が凍結する可能性がある温度である場合には、燃料電池１０のアノードおよびカソードを掃気する。その後、外気温度センサ１０３によって検出された外気温度が、最大氷結晶生成帯を下回っている場合には、ウォータポンプ４３および電動ファン４２を駆動し、電動サーモスタット４４をラジエータ４１側に切り替えて冷媒を通流させることで、燃料電池１０を急速冷却して、燃料電池１０の温度が最大氷結晶生成帯を通過する時間を短縮化させるように急速冷却制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度に基づいて燃料電池システムの停止中に前記燃料電池の内部で生成水が凍結するおそれがあるかどうかを判定する凍結判定手段と、
前記凍結判定手段によって凍結するおそれがあると判定された際に、前記燃料電池の温度が最大氷結晶生成帯を通過する時間を短縮化させる急速冷却制御を行う急速冷却手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を有する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度に基づいて燃料電池システムの停止中に前記燃料電池の内部で生成水が凍結するおそれがあるかどうかを判定する凍結判定手段と、
前記凍結判定手段によって凍結するおそれがあると判定された際に、前記燃料電池の温度が最大氷結晶生成帯を通過する際の温度勾配を、前記判定前の温度勾配よりも急峻にする急速冷却制御を行う急速冷却手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記急速冷却手段は、前記凍結判定手段によって凍結するおそれがあると判定された際、前記燃料電池の内部を掃気した後に前記急速冷却制御を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記急速冷却手段は、蓄電手段により駆動し、
前記燃料電池の温度が前記最大氷結晶生成帯の温度域を下回ったときに前記急速冷却制御を終了することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記急速冷却手段は、
前記燃料電池との間で冷媒を循環させる冷媒循環手段と、
外気と熱交換するラジエータと、を含んで構成されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
前記外気温度が前記最大氷結晶生成帯未満でないときには、前記急速冷却制御を行わないことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池を保温する燃料電池保温手段を備え、
前記凍結判定手段によって凍結するおそれがあると判断されるまでは前記燃料電池保温手段による前記燃料電池の保温を継続することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の急速冷却が必要であるか否かを判定する急速冷却要否判定手段と、
前記急速冷却要否判定手段によって前記急速冷却が必要であると判定された際に、前記燃料電池が最大氷結晶生成帯を通過する時間を短縮化させる急速冷却制御を行う急速冷却手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電停止時に燃料電池の温度制御を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、燃料電池に供給された水素と酸素とが化学反応することによって発電が行われ、同時に水が生成される。例えば、燃料電池システムが低温環境下（氷点下）で使用される場合、燃料電池の発電停止時に生成水の凍結を防止するため、燃料電池の内部に掃気ガスを導入して、生成水を排出する掃気処理を行う必要がある。
【０００３】
また、掃気時の水分除去効率を高めるため、保温された冷媒を冷媒貯留部に保持しておき、掃気処理前あるいは掃気処理時に冷媒貯留部から冷媒を供給し、燃料電池が温かい状態で掃気を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−２１８１６４号公報（請求項１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の従来の燃料電池システムでは、掃気処理を行っても、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）内部の水分を完全に除去することは難しく、その水分が氷となり、氷が成長するに伴い膜（ＭＥＡ）を損傷するおそれがあるという問題が見出された。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の膜劣化を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に係る発明は、反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度に基づいて燃料電池システムの停止中に前記燃料電池の内部で生成水が凍結するおそれがあるかどうかを判定する凍結判定手段と、前記凍結判定手段によって凍結するおそれがあると判定された際に、前記燃料電池の温度が最大氷結晶生成帯を通過する時間を短縮化させる急速冷却制御を行う急速冷却手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度に基づいて燃料電池システムの停止中に前記燃料電池の内部で生成水が凍結するおそれがあるかどうかを判定する凍結判定手段と、前記凍結判定手段によって凍結するおそれがあると判定された際に、前記燃料電池の温度が最大氷結晶生成帯を通過する際の温度勾配を、前記判定前の温度勾配よりも急峻にする急速冷却制御を行う急速冷却手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
これによれば、燃料電池内部で生成水が凍結してしまうおそれがある場合には、最大氷結晶生成帯よりも燃料電池の温度が低くなるように冷却して、最大氷結晶生成帯の温度領域を急速に通過する（最大氷結晶生成帯を通過する時間を短縮化する、または最大氷結晶生成帯を通過する際の温度勾配を判定前の温度勾配よりも急峻にする）ように急速冷却制御することで、ＭＥＡ内部での氷結晶の成長を抑制することが可能になる。よって、氷結晶の成長によるＭＥＡの劣化を抑制でき、燃料電池の寿命を延ばすことおよび発電性能を確保することが可能となる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、前記急速冷却手段は、前記凍結判定手段によって凍結するおそれがあると判定された際、前記燃料電池の内部を掃気した後に前記急速冷却制御を行うことを特徴とする。これによれば、掃気後に急速冷却制御を行うため、燃料電池内部の生成水を少ない状態にすることができ、氷結する氷の量が減少して、ＭＥＡの劣化の要因を減少させることが可能になる。しかも、生成水が少なくなっているため、急速冷却した際の熱マスが減少し、急速冷却の速度を上昇させることが可能になる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、前記急速冷却手段は、蓄電手段により駆動し、前記燃料電池の温度が前記最大氷結晶生成帯の温度域を下回ったときに前記急速冷却制御を終了することを特徴とする。これによれば、最大氷結晶生成帯を下回ったら終了するので、無駄に電力を消費しないで済む。
【００１０】
請求項５に係る発明は、前記急速冷却手段は、前記燃料電池との間で冷媒を循環させる冷媒循環手段と、外気と熱交換するラジエータと、を含んで構成されることを特徴とする。これによれば、冷媒を循環させることにより燃料電池の冷却が可能であるため、冷却のための追加補機を必要としない。
【００１１】
請求項６に係る発明は、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記外気温度が前記最大氷結晶生成帯未満でないときには、前記急速冷却制御を行わないことを特徴とする。これによれば、燃料電池システム外部の外気温度が最大氷結晶生成帯以上である場合には、最大氷結晶生成帯を下回るように急速冷却することはできないので、急速冷却制御を行わないようにすることで、無駄なエネルギを使わないで済む。
【００１２】
請求項７に係る発明は、前記燃料電池を保温する燃料電池保温手段を備え、前記凍結判定手段によって凍結するおそれがあると判断されるまでは前記燃料電池保温手段による前記燃料電池の保温を継続することを特徴とする。これによれば、燃料電池を保温することにより、急速冷却制御の実施回数を減らすことが可能になり、無駄なエネルギ消費を減らして、エネルギ効率を向上できる。
【００１３】
請求項８に係る発明は、反応ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の急速冷却が必要であるか否かを判定する急速冷却要否判定手段と、前記急速冷却要否判定手段によって前記急速冷却が必要であると判定された際に、前記燃料電池が最大氷結晶生成帯を通過する時間を短縮化させる急速冷却制御を行う急速冷却手段と、を備えることを特徴とする。これによれば、燃料電池を急速冷却する必要がある場合には、最大氷結晶生成帯の温度域よりも燃料電池の温度を低く、かつ、最大氷結晶生成帯を通過する際の冷却時間を短縮化する（または最大氷結晶生成帯を通過する際の温度勾配を判定前の温度勾配よりも急となる）ように急速冷却して、最大氷結晶生成帯の温度域を急速に（短時間で）通過するように急速冷却制御することで、ＭＥＡ内部での氷結晶の成長が抑制される。よって、氷結晶の成長によるＭＥＡの劣化を抑制でき、燃料電池の寿命を延ばすことおよび発電性能を確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の膜劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２は発電停止時の制御を示すフローチャート、図３は発電停止後の燃料電池の温度変化の一例を示すグラフ、図４は燃料電池の膜内部の状態を模式的に示した図であり、（ａ）は急速冷却したときの状態、（ｂ）はゆっくり冷却したときの状態である。なお、本実施形態では、燃料電池自動車（車両）を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶や航空機、または家庭用や業務用の定置式などに適用できる。
【００１６】
本実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷媒系４０、制御系１００などで構成されている。
【００１７】
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（PolymerElectrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡを一対の導電性のセパレータ（図示しない）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、ＰＥＭ（Proton Exchange Membrane：イオン交換膜、電解質膜）、これを挟持するアノードおよびカソード、さらにその外側にガス拡散層である一対のカーボンペーパ（ＣＰ）などを備えて構成されている。カソードおよびアノードは、白金等の触媒がカーボン系の触媒担体に担持された電極触媒層（電極）である（図４参照）。
【００１８】
また、燃料電池１０は、アノードに対向するセパレータの表面に、水素（燃料ガス、反応ガス）が流通する流路（溝）１０ａが形成され、カソードに対向するセパレータの表面に、空気（酸化剤ガス、反応ガス）が流通する流路（溝）１０ｂが形成されている。また、セパレータには、燃料電池１０を冷却する冷媒（例えば、エチレングリコールを主成分とするもの）が流通する冷媒流路（溝）１０ｃが形成されている。
【００１９】
アノード系２０は、高純度の水素が高圧で圧縮充填された水素タンク２１、電磁作動式の遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、配管ａ１〜ａ５などで構成されている。水素タンク２１は、配管ａ１を介して遮断弁２２と接続され、遮断弁２２は配管ａ２を介してエゼクタ２３と接続され、エゼクタ２３は、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード側の流路１０ａの入口と接続されている。また、エゼクタ２３は、アノード側の流路１０ａの出口に接続された配管ａ４と接続されている。また、パージ弁２４は、配管ａ４から分岐した配管ａ５に設けられている。
【００２０】
エゼクタ２３は、水素タンク２１から供給された水素を図示しないノズルから噴射することによりノズルの周囲に負圧を発生させて、アノード側の流路１０ａの出口から排出された未反応の水素を吸引するように構成されている。パージ弁２４は、例えば定期的に開弁することにより、アノード循環経路（配管ａ３，ａ４、流路１０ａ）に蓄積した不純物を外部（車外）に排出する機能を有する。なお、不純物とは、カソードから電解質膜を介してアノードに透過した空気に含まれる窒素、生成水などである。なお、遮断弁２２とエゼクタ２３との間の配管ａ２には、水素を所定の圧力に減圧する減圧弁（不図示）などが設けられている。
【００２１】
カソード系３０は、エアポンプ３１、加湿器３２、背圧弁３３、配管ｂ１〜ｂ３などで構成されている。エアポンプ３１は、外気を圧縮した空気を燃料電池１０に供給するものであり、配管ｂ１を介して加湿器３２と接続されている。加湿器３２は、例えば、エアポンプ３１から供給された空気を燃料電池１０のカソード側から排出されたカソードオフガスで加湿するものであり、配管ｂ２を介して燃料電池１０のカソード側の流路１０ｂの入口と接続されている。背圧弁３３は、バタフライ弁などの開度調整が可能な弁で構成され、燃料電池１０のカソードに供給されるカソード圧力を調整するものであり、配管ｂ３を介して燃料電池１０のカソード側の流路１０ｂの出口と接続されている。
【００２２】
冷媒系４０は、ラジエータ４１、電動ファン４２、ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４３、電動サーモスタット（ＶＬＶ）４４、配管ｃ１〜ｃ５などで構成されている。配管ｃ１は、燃料電池１０の冷媒流路１０ｃの出口と電動サーモスタット４４の入口ポートとを接続し、配管ｃ２は、電動サーモスタット４４の一方の出口ポートとラジエータ４１の入口とを接続し、配管ｃ３は、ラジエータ４１の出口とウォータポンプ４３とを接続し、配管ｃ４は、ウォータポンプ４３と燃料電池１０の冷媒流路１０ｃの入口とを接続している。また、配管ｃ５は、ラジエータ４１をバイパスする流路であり、電動サーモスタット４４のもう一方の出口ポートと配管ｃ３とを接続している。
【００２３】
ラジエータ４１は、外気との間で熱交換を行うものであり、燃料電池１０を、冷媒を介して放熱する機能を有する。また、ラジエータ４１には、電動ファン４２が設けられ、ＩＧ−ＯＮ後の発電時において冷却不足となったとき、ＩＧ−ＯＦＦ後の発電停止時に急速冷却制御が必要となったときなどに電動ファン４２を強制的に回転駆動して、冷媒を介して燃料電池１０を冷却する。
【００２４】
電動サーモスタット４４は、ワックスを駆動源として弁開度が調節されるものとは異なり、リニアソレノイドを駆動源とするものであり、電気的に配管ｃ２側と配管ｃ５側とに弁開度を連続的に変化させることができる機構を有するもので構成されている。
【００２５】
なお、燃料電池システム１Ａは、掃気手段として、エアポンプ３１、エア導入配管５１、エア導入弁５２、後記する制御部１０１Ａなどを含んで構成されている。エア導入配管５１は、エア（空気、掃気ガス）をアノードに導入する流路を構成し、上流側の端部がエアポンプ３１と加湿器３２との間の配管ｂ１に接続され、下流側の端部がエゼクタ２３とアノード側の流路１０ａの入口との間の配管ａ３に接続されている。エア導入弁５２は、電磁作動式のものであり、エア導入配管５１に設けられ、アノードを掃気する際に開弁するように制御される。
【００２６】
また、燃料電池システム１Ａは、燃料電池１０の電力源とは別の電力源である高圧バッテリ６０を備えている。高圧バッテリ６０は、例えばリチウムイオンやニッケル水素、キャパシタなどの充電可能なもので構成されている。また、高圧バッテリ６０は、図示しないＳＯＣ（State Of Charge：充電量）を検出するセンサに応じて燃料電池１０の発電電力や走行モータ（不図示）の回生電力を充電する。また、高圧バッテリ６０は、エアポンプ３１（電力線省略）、電動ファン４２、ウォータポンプ４３、電動サーモスタット４４などと電力線を介して接続され、燃料電池１０の発電停止時に、エアポンプ３１、電動ファン４２、ウォータポンプ４３、電動サーモスタット４４に電力を供給する。
【００２７】
制御系１００は、制御部１０１Ａ、温度センサ１０２、外気温度センサ１０３などで構成されている。
【００２８】
制御部１０１Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）などで構成され、遮断弁２２、パージ弁２４およびエア導入弁５２を開閉制御し、エアポンプ３１、電動ファン４２およびウォータポンプ４３の各モータ（不図示）の回転速度、背圧弁３３および電動サーモスタット４４の弁開度を制御する。また、制御部１０１Ａは、温度センサ１０２によって燃料電池１０の内部温度（ＦＣ（fuel Cell）温度）を監視して、燃料電池１０の内部が凍結するかどうかを判断する。また、制御部１０１Ａは、外気温度センサ１０３によって燃料電池システム１Ａの外部の外気温度を監視して、急速冷却制御を行うかどうか（急速冷却が可能かどうか）などを判断する。
【００２９】
なお、温度センサ１０２は、燃料電池１０の冷媒流路１０ｃの出口に接続された配管ｃ１に設けるものに限定されず、燃料電池１０の内部温度を検出できる位置であれば特に限定されるものではない。例えば、冷媒流路１０ｃの入口に接続された配管ｃ４に設けてもよく、ラジエータ４１内を通過する流路に設けてもよく、または燃料電池１０の温度を直接に測定するものであってもよく、燃料電池１０のアノード側の流路１０ａの出口に接続された配管ａ４に設けられてもよく、あるいはカソード側の流路１０ｂの出口に接続された配管ｂ３に設けられてもよい。また、複数の温度センサの検出値に基づいてＦＣ温度を検出してもよい。
【００３０】
次に、本実施形態の燃料電池システム１Ａの動作について図２を参照して説明する。まず、燃料電池システム１Ａが運転中（ＩＧ−ＯＮ）の場合、制御部１０１Ａは、エア導入弁５２を閉弁した状態において、遮断弁２２を開いてアノードに水素を供給し、エアポンプ３１を駆動してカソードに加湿器３２で加湿された空気を供給することで、燃料電池１０が発電し、走行モータ（不図示）、エアポンプ３１などに電力を供給している。また、燃料電池システム１Ａの運転中、制御部１０１Ａは、ウォータポンプ４３を駆動して、燃料電池１０と配管ｃ１，ｃ５，ｃ４との間でラジエータ４１をバイパスするようにして冷媒を循環させる。また、制御部１０１Ａは、燃料電池１０の冷却が不足したときには、電動サーモスタット４４をラジエータ４１側に流路を切り替えて、燃料電池１０とラジエータ４１との間で冷媒を循環させる。また、制御部１０１Ａは、必要に応じて電動ファン４２を駆動して、ラジエータ４１に強制的に冷却風を送る。
【００３１】
運転者によってイグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）され、燃料電池システム１Ａが停止されると、ステップＳ１に進み、制御部１０１Ａは、温度センサ１０２によって燃料電池１０の内部温度（ＦＣ温度）を検出する。
【００３２】
そして、ステップＳ２に進み、制御部１０１Ａは、燃料電池１０の内部で生成水が凍結する可能性があるか否かを判断する（凍結判定手段、急速冷却要否判定手段）。凍結する可能性があるか否かは、ステップＳ１で検出した温度に基づいて判断することができ、生成水が凍り始める手前の温度（例えば、５℃）に設定される。
【００３３】
ステップＳ２において、制御部１０１Ａは、燃料電池１０の内部が凍結する可能性はないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１に戻り、燃料電池１０の内部が凍結する可能性があると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３に進む。なお、図示省略しているが、ステップＳ１，Ｓ２における温度監視および凍結判断は、図示しないタイマを用いて、予め設定された所定時間毎に実行される。
【００３４】
ステップＳ３において、制御部１０１Ａは、燃料電池１０に対して掃気を実行する。ここでの掃気とは、燃料電池１０内部などに残留している生成水を燃料電池システム１Ａの外部に吹き飛ばして排出する処理であり、例えば、パージ弁２４およびエア導入弁５２を開いた状態で、背圧弁３３の開度を適宜調節して、エアポンプ３１のモータを予め決められた所定の回転速度で駆動する。これにより、アノードおよびカソードにエアが供給され、アノード側の流路１０ａおよびカソード側の流路１０ｂに残留している生成水が車外（外部）に排出される。なお、ステップＳ３における掃気は、アノードとカソードを同時に行うものに限定されず、アノードとカソードを片側ずつ行うものであってもよい。
【００３５】
そして、ステップＳ４に進み、制御部１０１Ａは、掃気が完了したか否かを判断する。掃気完了の判断は、例えば時間によって判断することができる。すなわち、図示しないタイマによって、事前の実験やシミュレーションなどで決められた掃気時間が経過したか否かによって判断できる。
【００３６】
そして、ステップＳ４がＹｅｓならば、制御部１０１Ａは、ステップＳ５に進み、外気温度センサ１０３によって外気温度を検出する。また、ステップＳ４がＮｏならば、制御部１０１Ａは、ステップＳ４の処理を繰り返す。
【００３７】
そして、ステップＳ６に進み、制御部１０１Ａは、外気温度が所定以上（所定温度以上）であるか否かを判断する（急速冷却要否判定手段）。なお、所定温度は、例えば最大氷結晶生成帯（マイナス１℃〜マイナス５℃）に設定される。制御部１０１Ａは、外気温度が最大氷結晶生成帯以上（例えば、マイナス５℃以上）と判断した場合には（ステップＳ６、Ｙｅｓ）、急速冷却制御を実行することなく、一連の処理を終了する。つまり、外気温度が最大氷結晶生成帯以上の場合には、急速冷却を実施しても最大氷結晶生成帯の温度未満にすることはできないため、換言すると最大氷結晶生成帯を短時間で通過させることはできないため、急速冷却制御を実行することなく処理を終了する。
【００３８】
また、ステップＳ６において、制御部１０１Ａは、外気温度が所定温度以上ではない、つまりマイナス５℃未満（例えば、マイナス１０℃以下）であると判断した場合には（ステップＳ６、Ｎｏ）、急速冷却制御が可能であるのでステップＳ７に進む。
【００３９】
ステップＳ７において、制御部１０１Ａは、急速冷却制御を実行する（急速冷却手段）。急速冷却制御では、高圧バッテリ６０の電力によって、電動ファン４２およびウォータポンプ４３が駆動され、電動サーモスタット４４を全量がラジエータ４１側に流れるように制御することによって、冷媒流路１０ｃから排出された冷媒が配管ｃ１，ｃ２を介してラジエータ４１に導入されて冷却され、冷えた冷媒が配管ｃ３，ｃ４を介して燃料電池１０に供給される。これにより、図３に示すように、冷媒がラジエータ４１を通過するとともに電動ファン４２を駆動して燃料電池１０を積極的に冷却することにより、最大氷結晶生成帯の温度領域を通過する際の時間が、緩慢凍結での最大氷結晶生成帯の温度領域を通過する際の時間よりも短縮化し、または最大氷結晶生成帯における温度勾配（傾きＡ）が緩慢凍結での最大氷結晶生成帯における温度勾配（傾きＢ）よりも急激（急峻）となって、燃料電池１０が急冷される。
【００４０】
このような急速冷却制御によって、図４（ａ）に示すように、最大氷結晶生成帯における冷却速度が速い場合には（本発明）、電極（アノード、カソード）内に氷の核（図中の○印）が存在していても、ＰＥＭ内の不凍水（過冷却水）が氷の核に吸い寄せられることなく、ＰＥＭ内で凍結し、氷結晶の成長が抑制される。一方、図４（ｂ）に示すように、最大氷結晶生成帯における冷却速度がゆっくりである場合には（比較例）、電極内に発生する氷の核にＰＥＭ中の不凍水（過冷却水）が吸い寄せられて、凝固して氷結晶が成長する。このとき、電極とＰＥＭとに跨って氷結晶が成長することにより、氷結晶によってＰＥＭが破損する事象が発生することになる。
【００４１】
そして、ステップＳ８に進み、制御部１０１Ａは、急速冷却制御が完了したか否かを判断する。急速冷却制御を完了する条件としては、燃料電池１０の温度が最大氷結晶生成帯の温度域を下回ったときである。なお、急速冷却制御の完了判断は、温度に限定されるものではなく、時間に基づいて判断してもよい。この時間は、事前の実験やシミュレーションなどにより決めることができる。ステップＳ８において、制御部１０１Ａは、急速冷却制御が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８の処理を繰り返し、急速冷却制御が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、一連の処理を終了する。
【００４２】
本実施形態の燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池１０の内部で生成水が凍結する可能性がある場合には、最大氷結晶生成帯の温度領域よりも燃料電池１０の温度が低くなるように、かつ、最大氷結晶生成帯の温度領域を迅速に通過させるように急速冷却制御を行うため、ＭＥＡ内部での氷結晶の成長が抑制され（図４（ａ）参照）、氷結晶の成長によるＭＥＡの劣化（破損）を抑制（防止）でき、燃料電池１０の長寿命化および発電性能を確実に確保することが可能になる。
【００４３】
また、本実施形態によれば、燃料電池１０の内部を掃気した後に急速冷却制御を行うことで、燃料電池１０内部の生成水量が少ない状態となる。よって、氷結する氷の量が減少するため、劣化の原因となる要因を減少させることが可能になる。また、生成水が少なくなることによって、急速冷却する際の熱マスが減少し、急速冷却の速度を上昇させることが可能になる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、急速冷却制御では、高圧バッテリ６０の電力を用いて電動ファン４２、ウォータポンプ４３および電動サーモスタット４４を駆動しており、燃料電池１０の温度が最大氷結晶生成帯を下回ると終了するようにしているので、高圧バッテリ６０の電力を無駄に消費せずに済ませることが可能になる。
【００４５】
また、本実施形態によれば、燃料電池１０を冷却する際に用いられる、配管ｃ１〜ｃ５およびラジエータ４１などによって冷媒系４０を構成しているので、冷媒を循環させることにより燃料電池１０の冷却が可能になり、急速冷却制御のための追加補機を不要にできる。
【００４６】
また、本実施形態によれば、外気温度が最大氷結晶生成帯以上である場合には、急速冷却手段では燃料電池１０の温度を、最大氷結晶生成帯を下回る温度に冷却することができないので、この場合には急速冷却制御を行わないことにより、無駄にエネルギが消費されるのを防止できる。
【００４７】
図５は本実施形態の燃料電池システムの変形例を示す全体構成図である。この変形例の燃料電池システム１Ｂは、電動サーモスタット４４に替えてワックスを駆動源としたサーモスタット４５とし、制御部１０１Ａに替えて制御部１０１Ｂとし、三方弁４６およびバイパス配管ｃ６を追加した点において燃料電池システム１Ａと異なっている。なお、燃料電池システム１Ａと同様の構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。
【００４８】
サーモスタット４５は、内部のワックスの体積が温度によって変化することにより流路の切換えがなされるものである。三方弁４６は、燃料電池１０の冷媒流路１０ｃの出口から排出された冷媒をサーモスタット４５側とバイパス配管ｃ６側のいずれかに切り替える機能を有する。バイパス配管ｃ６は、サーモスタット４５をバイパスして配管ｃ２と接続され、冷媒がサーモスタット４５をバイパスしてラジエータ４１に供給されるように構成されている。なお、急速冷却制御において、三方弁４６は高圧バッテリ６０の電力により電動ファン４２およびウォータポンプ４３とともに駆動される。
【００４９】
本実施形態の燃料電池システム１Ｂでは、ステップＳ７の急速冷却制御時、ウォータポンプ４３が駆動されるとともに、三方弁４６の流路がバイパス配管ｃ６側に切り替えられ、さらに電動ファン４２が駆動される。これにより、燃料電池１０の冷媒流路１０ｃから配管ｃ１に排出された冷媒は、バイパス配管ｃ６、配管ｃ２を通ってラジエータ４１に送られ、ラジエータ４１で冷やされた冷媒が燃料電池１０に供給され、燃料電池１０が急速冷却される。なお、燃料電池システム１Ｂによって得られる効果は、燃料電池システム１Ａと同様である。
【００５０】
なお、本実施形態は、前記した実施形態に限定されるものではなく、燃料電池１０内部の生成水が凍結するおそれがあると判断されるまで、燃料電池１０を保温することが好ましい。このように燃料電池１０を保温することにより、急速冷却制御の実施回数を減らすことができ、エネルギ効率を向上させることが可能になる。また、燃料電池１０を保温する燃料電池保温手段としては、燃料電池１０の冷媒流路１０ｃの出入口に遮断弁を設けて、燃料電池１０の内部に冷媒を封入しておくようにしてもよく、あるいは遮断弁を設けずにウォータポンプ４３を停止させておくだけでもよい。
【００５１】
また、その他の燃料電池保温手段としては、外気と燃料電池システム１Ａの冷媒が流通している箇所（ダクトなど）とを遮断するようにしてもよい。あるいは、冷媒を溜めるタンクを別に設けて、発電中に温められた冷媒をタンクに貯留して、発電停止中に温かい冷媒を燃料電池１０に供給するようにしてもよい。
【００５２】
また、本実施形態では、掃気シーケンスに急速冷却シーケンスを組み合わせ、掃気後に急速冷却を実行する例を挙げて説明したが、掃気制御と並行して急速冷却制御を実行してもよい。
【００５３】
図６は発電停止時の他の制御を示すフローチャートである。すなわち、ステップＳ１０において、制御部１０１Ａ（１０１Ｂ）は、温度センサ１０２によって燃料電池１０の温度（ＦＣ温度）を検出し、そして、ステップＳ２０に進み、外気温度センサ１０３によって燃料電池システム１Ａ（１Ｂ）外部の外気温度を検出する。
【００５４】
そして、ステップＳ３０に進み、制御部１０１Ａ（１０１Ｂ）は、ＦＣ温度と外気温度との検出結果に基づいて、ＦＣ内部が凍結する可能性があるかどうかを判断する（凍結判定手段、急速冷却要否判定手段）。例えば、ＦＣ温度が所定温度（例えば、１０℃）以下となった後、ＦＣ温度と外気温度との差が所定範囲内となったと判断したときにＦＣ内部が凍結する可能性があると判断することができる。
【００５５】
ステップＳ３０において、制御部１０１Ａ（１０１Ｂ）は、ＦＣ内部が凍結する可能性がない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻り、ＦＣ内部が凍結する可能性があると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４０に進み、掃気を実行する。そして、掃気完了後（Ｓ５０，Ｙｅｓ）、急速冷却制御を実行する（Ｓ６０、急速冷却手段）。なお、図６のステップＳ４０，Ｓ５０，Ｓ６０，Ｓ７０は、図２のステップＳ３，Ｓ４，Ｓ７，Ｓ８と同様である。
【００５６】
このように、図６に示す別の制御では、ＦＣ内部が凍結する可能性がある場合には（Ｓ３０，Ｙｅｓ）、外気温度に拘らず、急速冷却制御が実行される。つまり、図２の制御では、外気温度がマイナス１℃〜マイナス５℃の範囲では、急速冷却制御を行わないようにして電気エネルギが無駄にならないようにしたが、図６の制御では、ＦＣ内部が凍結する可能性がある場合には、外気温度がマイナス１℃〜マイナス５℃の範囲であっても、急速冷却制御を毎回実行する（Ｓ６０）。
【００５７】
なお、急速冷却手段としては、冷媒をラジエータ４１に流通させる手段に限定されず、燃料電池自動車（車両）であれば、空調装置で発生させた冷却風を利用して急速冷却するようにしてもよく、あるいは、これらを組み合わせて急速冷却するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】発電停止時の制御を示すフローチャートである。
【図３】発電停止後の燃料電池の温度変化の一例を示すグラフである。
【図４】燃料電池の膜内部の状態を模式的に示した図であり、（ａ）は急速冷却したときの状態、（ｂ）はゆっくり冷却したときの状態である。
【図５】本実施形態の燃料電池システムの変形例を示す全体構成図である。
【図６】発電停止時の他の制御を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００５９】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
１０    燃料電池
３１    エアポンプ
４１    ラジエータ
４２    電動ファン
４３    ウォータポンプ
４４    電動サーモスタット
５１    エア導入配管
５２    エア導入弁
６０    高圧バッテリ（蓄電手段）
１０１Ａ，１０１Ｂ  制御部（凍結判定手段、急速冷却手段、急速冷却要否判定手段）
１０２  温度センサ（燃料電池温度検出手段）
１０３  外気温度センサ（外気温度検出手段）
ｃ１〜ｃ５  配管（冷媒循環手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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