(57)【要約】【課題】システム構成を簡易にしつつ、背圧弁等の排出用デバイスの凍結を防止する燃料電池システムを提供する。【解決手段】アノード流路１２及びカソード流路１３を有する燃料電池スタック１０と、アノード流路１２の出口に接続され、アノードオフガスが通流するアノードオフガス流路と、カソード流路１３の出口に接続され、カソードオフガスが通流するカソードオフガス流路と、カソードオフガス流路に設けられた背圧弁３２と、背圧弁３２に滞留する水分を除去するコンプレッサ３１と、コンプレッサ３１を制御するＥＣＵ７０と、を備え、ＥＣＵ７０は、空気流量積算値、電流積算値、電力積算値の少なくとも１つに基づいて推定された背圧弁３２の温度が、所定温度未満である場合、コンプレッサ３１による背圧弁３２の水分を除去する滞留水分除去処理を実行する。【選択図】図１
2010244781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス流路と、
前記酸化剤ガス流路の出口に接続され、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス流路と、
前記燃料オフガス流路又は前記酸化剤オフガス流路に設けられた排出用デバイスと、
前記排出用デバイスに滞留する水分を除去する滞留水分除去手段と、
前記滞留水分除去手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスの流量の積算値、前記燃料電池の発電電流の積算値、前記燃料電池の発電電力の積算値の少なくとも１つに基づいて推定された前記排出用デバイスの温度が、判定閾値未満である場合、前記滞留水分除去手段による前記排出用デバイスの水分を除去する滞留水分除去処理を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
外気温度を検出する外気温度センサを備え、
前記制御手段は、前記外気温度センサが検出する外気温度が低くなると、前記排出用デバイスの温度が低くなるように補正する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記排出用デバイスは弁装置を含み、
前記制御手段は、
前記燃料電池に供給された酸化剤ガスの流量の積算値、前記燃料電池の発電電流の積算値、前記燃料電池の発電電力の積算値、の少なくとも１つに基づいて前記弁装置の温度を推定し、
推定された前記弁装置の温度が、前記判定閾値である所定温度未満である場合、前記滞留水分除去手段による滞留水分除去処理を実行する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス流路と、
前記酸化剤ガス流路の出口に接続され、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス流路と、
前記燃料オフガス流路又は前記酸化剤オフガス流路に設けられた排出用デバイスと、
前記排出用デバイスに滞留する水分を除去する滞留水分除去手段と、
前記滞留水分除去手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスの流量の積算値、前記燃料電池の発電電流の積算値、前記燃料電池の発電電力の積算値、の少なくとも１つである滞留水分除去パラメータが、判定閾値未満である場合、前記滞留水分除去手段による前記排出用デバイスの水分を除去する滞留水分除去処理を実行する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
外気温度を検出する外気温度センサを備え、
前記制御手段は、前記外気温度センサが検出する外気温度が低くなると、前記判定閾値が大きくなるように補正する
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電停止後に前記判定を実行する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記燃料電池の発電停止後において所定時間経過毎に実行されるシステム状態の監視の際、前記判定を実行する
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】
前記滞留水分除去手段は、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段であって、
前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスによって、前記排出用デバイスに滞留する水分を除去する
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とが供給されることで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば、燃料電池車（移動体）の電力源として期待されている。このような燃料電池は、水素が通流するアノード流路（燃料ガス流路）と、空気が通流するカソード流路（酸化剤ガス流路）とを有している。
【０００３】
そして、アノード流路の出口には、アノードオフガス（燃料オフガス）が通流するアノードオフガス流路（燃料オフガス流路）が接続されており、アノードオフガス流路には、気液分離器、パージ弁、掃気ガス排出弁、ドレン弁等（いずれも排出用デバイス）が設けられる（特許文献１、２参照）。
また、カソード流路の出口には、カソードオフガス（酸化剤オフガス）が通流するカソードオフガス流路（酸化剤オフガス流路）が接続されており、カソードオフガス流路には、加湿器、背圧弁、希釈器等（いずれも排出用デバイス）が設けられる（特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６７９６１号公報
【特許文献２】特開２００８−２８２７９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、燃料電池が発電すると、そのカソードで水蒸気（生成水）が生成し、この生成水の一部は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を透過し、アノード流路にクロスリークする。したがって、アノードオフガスやカソードオフガスは多湿となり、水分（水蒸気、結露水）を含んだ状態となる。
よって、前記した背圧弁等の排出用デバイスには、水分が付着し、滞留する。ゆえに、燃料電池の発電停止後、システムが低温環境下（例えば０℃以下）に曝されると、背圧弁等の排出用デバイスが凍結してしまう虞がある。
【０００６】
そこで、各排出用デバイスに温度センサを取り付け、各温度センサが検出する温度に基づいて、滞留する水分を除去し、凍結を防止する方法が考えられる。ところが、複数の温度センサを取り付けると、システム構成に要するコストが上昇すると共に、システム重量が増加してしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、システム構成を簡易にしつつ、背圧弁等の排出用デバイスの凍結を防止する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス流路と、前記酸化剤ガス流路の出口に接続され、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス流路と、前記燃料オフガス流路又は前記酸化剤オフガス流路に設けられた排出用デバイスと、前記排出用デバイスに滞留する水分を除去する滞留水分除去手段と、前記滞留水分除去手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスの流量の積算値、前記燃料電池の発電電流の積算値、前記燃料電池の発電電力の積算値の少なくとも１つに基づいて推定された前記排出用デバイスの温度が、判定閾値未満である場合、前記滞留水分除去手段による前記排出用デバイスの水分を除去する滞留水分除去処理を実行することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００９】
このような燃料電池システムによれば、酸化剤ガスの流量の積算値、発電電流の積算値、発電電力の積算値の少なくとも１つに基づいて推定された排出用デバイスの温度が、判定閾値未満である場合、制御手段が、滞留水分除去手段による滞留水分除去処理を実行し、排出用デバイスの水分を除去する。これにより、その後、排出用デバイスが凍結することはない。
また、排出用デバイスの温度を検出する温度センサを備えないので、システム構成が簡易となる。
【００１０】
また、前記燃料電池システムにおいて、外気温度を検出する外気温度センサを備え、前記制御手段は、前記外気温度センサが検出する外気温度が低くなると、前記排出用デバイスの温度が低くなるように補正することを特徴とする。
【００１１】
このような燃料電池システムによれば、外気温度が低くなると、排出用デバイスの温度が低くなるように補正するので、排出用デバイスの温度は適切に推定される。
【００１２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記排出用デバイスは弁装置を含み、前記制御手段は、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスの流量の積算値、前記燃料電池の発電電流の積算値、前記燃料電池の発電電力の積算値、の少なくとも１つに基づいて前記弁装置の温度を推定し、推定された前記弁装置の温度が、前記判定閾値である所定温度未満である場合、前記滞留水分除去手段による滞留水分除去処理を実行することを特徴とする。
【００１３】
このような燃料電池システムによれば、推定された弁装置の温度が、所定温度未満である場合、制御手段が、滞留水分除去手段による滞留水分除去処理を実行する。これにより、弁装置の凍結を防止できる。
【００１４】
また、本発明は、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有し、前記燃料ガス流路に燃料ガスが、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスがそれぞれ供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガス流路の出口に接続され、前記燃料ガス流路から排出された燃料オフガスが通流する燃料オフガス流路と、前記酸化剤ガス流路の出口に接続され、前記酸化剤ガス流路から排出された酸化剤オフガスが通流する酸化剤オフガス流路と、前記燃料オフガス流路又は前記酸化剤オフガス流路に設けられた排出用デバイスと、前記排出用デバイスに滞留する水分を除去する滞留水分除去手段と、前記滞留水分除去手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記燃料電池に供給された酸化剤ガスの流量の積算値、前記燃料電池の発電電流の積算値、前記燃料電池の発電電力の積算値、の少なくとも１つである滞留水分除去パラメータが、判定閾値未満である場合、前記滞留水分除去手段による前記排出用デバイスの水分を除去する滞留水分除去処理を実行することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１５】
このような燃料電池システムによれば、滞留水分除去パラメータが、判定閾値未満である場合、制御手段が、滞留水分除去手段による滞留水分除去処理を実行し、排出用デバイスの水分を除去する。これにより、その後、排出用デバイスが凍結することはない。
また、排出用デバイスの温度を検出する温度センサを備えないので、システム構成が簡易となる。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、外気温度を検出する外気温度センサを備え、前記制御手段は、前記外気温度センサが検出する外気温度が低くなると、前記判定閾値が大きくなるように補正することを特徴とする。
【００１７】
このような燃料電池システムによれば、外気温度が低くなると、判定閾値が大きくなるように補正するので、滞留水分除去手段による滞留水分除去処理を実行するか否かを適切に判定できる。
【００１８】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の発電停止後に前記判定を実行することを特徴とする。
【００１９】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池の発電停止後、酸化剤ガスの流量の積算値、燃料電池の発電電流の積算値、燃料電池の発電電力の積算値が変動しない状態（安定した状態）で、滞留水分除去処理を実行するか否かについての判定を実行するので、適切に判定できる。
【００２０】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、前記燃料電池の発電停止後において所定時間経過毎に実行されるシステム状態の監視の際、前記判定を実行することを特徴とする。
【００２１】
このような燃料電池システムによれば、所定時間経過毎に実行されるシステム状態の監視の際、前記判定が実行、つまり、繰り返されるので、例えば、発電停止後に外気温度が変化したとしても、変化する外気温度に対応して、排出用デバイスの温度、又は、判定閾値を補正することにより、適切に判定できる。
【００２２】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記滞留水分除去手段は、前記燃料電池の前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段であって、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスによって、前記排出用デバイスに滞留する水分を除去することを特徴とする。
【００２３】
このような燃料電池システムによれば、滞留水分除去手段が酸化剤ガス供給手段であるので、システム構成が簡易となる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、システム構成を簡易にしつつ、背圧弁等の排出用デバイスの凍結を防止する燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の概要（燃料電池スタック及び背圧弁の温度変化）を説明するタイムチャートである。
【図３】空気流量積算値、電流積算値、電力積算値と、背圧弁の現在の温度との関係を示すマップである。
【図４】第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
なお、第１実施形態では、排出用デバイスである背圧弁３２の現在の温度を推定し、燃料電池スタック１０の発電停止後、背圧弁３２が凍結する虞があると判断される場合、背圧弁３２内に滞留する水分（結露水、水蒸気）を除去する構成を例示する。
【００２７】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す第１実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の掃気時に掃気ガスをカソード系からアノード系に導く掃気ガス導入系と、燃料電池スタック１０の電力を消費する電力消費系と、これらを電子制御するＥＣＵ７０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００２８】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１は直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００２９】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全ての単セル１１に水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１２（燃料ガス流路）、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。
【００３０】
そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セル１１で電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と後記するモータ５１等の外部負荷とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３１】
このようにカソードで水分（水蒸気）を生成するため、カソードから排出されるカソードオフガスは、多湿となり、水分（水蒸気、結露水等）を含む。また、生成した水分の一部はＭＥＡを透過し、アノード流路１２にクロスリークするので、アノードから排出されるアノードオフガスも多湿となり、水分を含む。
【００３２】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、常閉型の遮断弁２２と、エゼクタ２３と、気液分離器２４（排出用デバイス）と、常閉型のパージ弁２５（排出用デバイス）と、常閉型の掃気ガス排出弁２６（排出用デバイス）と、常閉型のドレン弁２７（排出用デバイス）とを備えている。
【００３３】
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、配管２３ａを介して、アノード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ７０からの指令によって遮断弁２２が開かれると、水素が、水素タンク２１から遮断弁２２等を通って、アノード流路１２に供給されるようになっている。
【００３４】
アノード流路１２の出口は、配管２４ａ、気液分離器２４、配管２４ｂを介して、エゼクタ２３の吸気口に接続されている。そして、アノード流路１２から排出された未消費の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管２４ａ等を通って、エゼクタ２３に戻された後、アノード流路１２に再供給されるようになっている。
【００３５】
＜気液分離器＞
気液分離器２４は、アノードオフガスに含まれる水分（結露水、水蒸気）を分離すると共に、分離した水分を一時的に、例えば底部（タンク部）に貯溜するものである。
気液分離器２４における気液分離方式としては、例えば、（１）アノードオフガスの流路断面積を増大させることで、その流速を低下させると共に、水分をその自重によって留まらせることで分離する方式や、（２）低温冷媒が通流する冷媒管によってアノードオフオフガスの水蒸気を結露させて分離する方式や、（３）アノードオフガスを蛇行又は旋回させ、水分に遠心力を作用させて分離する方式、等を採用できる。
【００３６】
＜パージ弁＞
配管２４ｂは、配管２５ａ、パージ弁２５、配管２５ｂを介して、後記する希釈器３３に接続されている。
パージ弁２５は、例えば、燃料電池スタック１０の発電時において、アノード流路１２から排出され、配管２４ａ及び配管２４ｂを循環するアノードオフガスに含まれる不純物（水蒸気、窒素等）を排出（パージ）する場合、ＥＣＵ７０によって開かれる。
なお、ＥＣＵ７０は、例えば、燃料電池スタック１０を構成する単セルの電圧（セル電圧）が所定セル電圧以下となった場合、不純物を排出する必要があると判定し、パージ弁２５を開く設定となっている。セル電圧は、例えば、単セルの電圧を検出する電圧センサ（セル電圧モニタ）を介して検出される。
【００３７】
＜掃気ガス排出弁＞
また、配管２５ａの接続位置よりも上流の配管２４ｂは、配管２６ａ、掃気ガス排出弁２６、配管２６ｂを介して、後記する希釈器３３に接続されている。
掃気ガス排出弁２６は、アノード流路１２の掃気時において、アノード流路１２から排出された掃気ガス及び押し出された水分を、希釈器３３（外部）に排出するため、パージ弁２５及びドレン弁２７と共に開かれる。
【００３８】
＜ドレン弁＞
気液分離器２４の底部は、配管２７ａ、ドレン弁２７、配管２７ｂを介して、後記する希釈器３３に接続されている。
ドレン弁２７は、気液分離器２４の底部に貯溜された水分を、希釈器３３に排出する場合、ＥＣＵ７０によって開かれる。なお、気液分離器２４における貯溜水量は、水位センサや、燃料電池スタック１０の積算電流値に基づいて検出（算出）される。
【００３９】
したがって、第１実施形態において、アノード流路１２（燃料ガス流路）から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）が通流するアノードオフガス流路（燃料オフガス流路）は、配管２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂを備えて構成されている。
そして、このように構成されるアノードオフガス流路に、排出用デバイスとして、気液分離器２４、パージ弁２５（弁装置）、掃気ガス排出弁２６（弁装置）、ドレン弁２７（弁装置）が設けられている。
【００４０】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段、滞留水分除去手段）と、常開型の背圧弁３２と、希釈器３３と、質量流量センサ３４を備えている。
【００４１】
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３１は、ＥＣＵ７０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管３１ａを介して、カソード流路１３に供給するようになっている。
また、コンプレッサ３１は、燃料電池スタック１０の掃気時には、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。
さらに、コンプレッサ３１は、背圧弁３２内に滞留する水分を除去する際には、水分を吹き飛ばして除去するための掃気ガスを供給する滞留水分除去手段として機能する。
【００４２】
なお、配管３１ａと配管３２ａとを跨ぐように加湿器（図示しない）が設けられている。この加湿器は、水分透過性を有する中空糸膜を複数本内蔵し、この中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、カソード流路１３から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路１３に向かう空気を加湿するものである。
【００４３】
カソード流路１３の出口は、配管３２ａ、背圧弁３２、配管３２ｂを介して、希釈器３３に接続されている。そして、カソード流路１３（カソード）から排出されたカソードオフガスは、配管３２ａ等を通って希釈器３３に導かれるようになっている。
背圧弁３２は、例えばバタフライ弁から構成され、アクセル開度に基づいて、その開度がＥＣＵ７０によって制御されることで、カソード流路１３における空気の圧力を制御するものである。
【００４４】
希釈器３３は、パージ弁２５からのアノードオフガスと、配管３２ｂからのカソードオフガス（希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する容器であり、その内部に希釈空間を備えている。そして、希釈後のガスは、配管３３ａを通って車外に排出されるようになっている。
【００４５】
したがって、第１実施形態において、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）が通流するカソードオフガス流路（酸化剤オフガス流路）は、配管３２ａ、３２ｂ、３３ａを備えて構成されている。
そして、このように構成されるカソードオフガス流路に、排出用デバイスとして、加湿器（図示しない）、背圧弁３２（弁装置）、希釈器３３が設けられている。
【００４６】
質量流量センサ３４は、コンプレッサ３１の吸気側に取り付けられており、コンプレッサ３１に吸気される空気の質量流量（ｇ／ｓ）を検出し、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。なお、燃料電池スタック１０の発電中において、コンプレッサ３１から吐出される空気は、カソード流路１３に供給されるから、質量流量センサ３４が検出する質量流量は、カソード流路１３に供給される空気の質量流量と略等しい。
なお、質量流量センサ３４に代えて、体積流量（Ｌ／ｓ）を検出する体積流量センサでもよい。また、質量流量センサ３４は、カソード流路１３を通流する空気の流量を検出可能であればよく、例えば、配管３１ａに取り付けられた構成でもよい。
【００４７】
＜掃気ガス導入系＞
掃気ガス導入系は、常閉型の掃気ガス導入弁４１を備えている。掃気ガス導入弁４１の上流は配管４１ａを介して配管３１ａに接続されており、掃気ガス導入弁４１の下流は配管４１ｂを介して配管２３ａに接続されている。
そして、燃料電池スタック１０（アノード流路１２）の掃気時に、コンプレッサ３１が作動した状態で、ＥＣＵ７０によって掃気ガス導入弁４１が開かれると、コンプレッサ３１からの掃気ガスが、アノード流路１２に導入されるようになっている。
【００４８】
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行用のモータ５１と、電力制御器５２と、出力検出器５３とを備えている。モータ５１は、電力制御器５２、出力検出器５３を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。
【００４９】
モータ５１は、電力によって燃料電池車の駆動力を発生する外部負荷である。
電力制御器５２は、ＥＣＵ７０から入力される指令電流値に従って、燃料電池スタック１０の発電電力（出力電流、出力電圧）を制御する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電子回路を備えている。
【００５０】
出力検出器５３は、燃料電池スタック１０の現在の出力電流及び出力電圧を検出する機器であり、電流センサ及び電圧センサを備えている。そして、出力検出器５３は、検出した出力電流及び出力電圧を、ＥＣＵ７０に出力するようになっている。
【００５１】
＜その他機器＞
ＩＧ６１は、燃料電池システム１（燃料電池車）の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ６１はＥＣＵ７０と接続されており、ＥＣＵ７０はＩＧ６１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００５２】
外気温度センサ６２は、外気温度を検出するセンサであり、燃料電池車の適所に取り付けられている。そして、外気温度センサ６２は、検出した外気温度をＥＣＵ７０に出力するようになっている。
【００５３】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ７０（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
【００５４】
＜本発明の概要＞
ここで、本発明の概要について、図２を参照して説明する。
【００５５】
＜燃料電池スタックの温度＞
図２に示すように、発電停止中（システム停止中）における燃料電池スタック１０の温度と、背圧弁３２の温度とは、外気温度と略等しいと考えられる。
そして、発電が開始すると、発電に伴う自己発熱により、燃料電池スタック１０の温度は上昇した後、外気温度に関わらず、定常温度（ＦＣ定常温度、例えば８０〜９０℃）で維持される。すなわち、燃料電池スタック１０の現在の温度は、発電開始時の温度と、発電開始から現在までにおける燃料電池スタック１０の発熱量とに基づいて推定される。
【００５６】
ここで、燃料電池スタック１０の発熱量は、燃料電池スタック１０に供給された空気の流量の積算値（空気流量積算値）、燃料電池スタック１０の電流の積算値（電流積算値）、燃料電池スタック１０の電力の積算値（電力積算値）の少なくとも１つに基づいて算出される。つまり、空気流量積算値、電流積算値、電力積算値が大きくなると、発電開始から現在までにおける燃料電池スタック１０の発熱量が大きくなる。
したがって、燃料電池スタック１０の現在の温度は、発電開始時の温度（外気温度）と、空気流量積算値、電流積算値、電力積算値の少なくとも１つに基づいて推定される。
【００５７】
＜背圧弁の温度＞
一方、背圧弁３２は燃料電池スタック１０から離れて配置されているため、発電開始後、背圧弁３２の温度は、燃料電池スタック１０の温度よりも緩やかに上昇した後、定常温度（背圧弁定常温度）で維持される。
【００５８】
また、背圧弁３２の温度と燃料電池スタック１０の温度との温度差ΔＴは、背圧弁３２と燃料電池スタック１０の距離が長くなるほど大きくなり、外気温度が低くなるほど大きくなる。ここで、背圧弁３２と燃料電池スタック１０の距離は、システム構成に従う固定値であるから、温度差ΔＴは外気温度に基づいて変化することになる。
したがって、背圧弁３２の現在の温度は、燃料電池スタック１０の現在の温度と、外気温度（温度差ΔＴ１）とに基づいて推定されることになる。
【００５９】
そうすると、前記したように、燃料電池スタック１０の現在の温度は、発電開始時の温度（外気温度）と、空気流量積算値、電流積算値、電力積算値の少なくとも１つに基づいて推定されるから、背圧弁３２の現在の温度は、発電開始時の温度（外気温度）と、空気流量積算値、電流積算値、電力積算値の少なくとも１つと、現在の外気温度と、に基づいて推定されることになる。
ここで、空気流量積算値、電流積算値及び電力積算値は、背圧弁３２に滞留する水分を除去する滞留水分除去処理を実行するか否かに関するパラメータであるから、滞留水分除去パラメータと総称する。
なお、燃料電池車が長時間にて走行しない場合、つまり、燃料電池システム１の作動時間が長時間でない場合、発電開始時の外気温度と、現在の外気温度とは略等しいとできる。
【００６０】
＜ＥＣＵ−背圧弁温度推定機能＞
そこで、ＥＣＵ７０（背圧弁温度推定手段）は、前記した燃料電池スタック１０及び背圧弁３２の温度変化特性を考慮して、背圧弁３２の現在の温度を推定する機能を備えている。
すなわち、ＥＣＵ７０は、発電開始時の外気温度と現在の外気温度とは略等しいとしたうえで、発電開始時の外気温度と、空気流量積算値、電流積算値及び電力積算値の少なくとも１つと、図３のマップと、に基づいて、背圧弁３２の現在の温度を推定する。つまり、外気温度が低くなると、背圧弁３２の温度が低くなるように補正される。
なお、図３のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ７０に予め記憶されている。
【００６１】
＜ＥＣＵ−滞留水分除去判定機能＞
ＥＣＵ７０（滞留水分除去判定手段）は、背圧弁３２の現在の温度と、所定温度（判定閾値）とに基づいて、現在の温度が所定温度よりも低い場合、背圧弁３２の凍結を防止するべく、背圧弁３２内に滞留する水分を除去する必要があると判定する機能を備えている。
所定温度は、水分を除去する必要があると判断される温度であって、水分が凍結する温度（０℃）よりもやや高く、例えば、３〜５℃に設定される。
【００６２】
＜ＥＣＵ−滞留水分除去処理実行機能＞
ＥＣＵ７０は、背圧弁３２内に滞留する水分を除去する必要があると判定した場合、コンプレッサ３１を作動させ、掃気ガスを背圧弁３２に送り込み、背圧弁３２内に滞留する水分を除去する滞留水分除去処理を実行する機能を備えている。
【００６３】
＜ＥＣＵ−掃気判定・実行機能＞
ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電停止後、燃料電池スタック１０を掃気する必要があるか否か判定し、掃気する必要があると判定した場合、掃気処理を実行する機能を備えている。
【００６４】
具体的には、ＥＣＵ７０は、外気温度が、予め設定された掃気を開始するべき所定温度（例えば５℃）未満である場合、このままでは燃料電池スタック１０が凍結する虞があるので、掃気する必要があると判定するように設定されている。
そして、このように判定した場合、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動させた後、コンプレッサ３１からの掃気ガスをアノード流路１２、カソード流路１３に供給し、アノード流路１２、カソード流路１３に滞留する水分を押し出し、燃料電池スタック１０を掃気するように設定されている。
【００６５】
なお、アノード流路１２、カソード流路１３を同時に掃気してもよいし、例えば、カソード流路１３、アノード流路１２の順で掃気してもよい。
このようにカソード流路１３を掃気すると、カソード流路１３から押し出された水分が、背圧弁３２で滞留する虞があるので、後記する動作説明では言及しないが、前記した滞留水分除去処理は、カソード流路１３の掃気後に実行することが望ましい。
【００６６】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作について、図４を参照して説明する。
なお、ＩＧ６２がＯＮされると、図４の処理がスタートする。また、ＩＧ６２のＯＮ時（発電開始時）における外気温度（背圧弁３２の温度）は、ＩＧ６２のＯＮに連動して、ＥＣＵ７０に一時的に記憶される。
【００６７】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。
具体的には、ＥＣＵ７０は、運転者から起動要求があったと判断し、遮断弁２２を開き、アノード流路１２に水素を供給し、コンプレッサ３１を作動させ、カソード流路１３に空気を供給する。そして、ＥＣＵ７０は、電力制御器５２による燃料電池スタック１０からの電流の取り出しを開始し、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。
【００６８】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ７０は、背圧弁３２の現在の温度を推定する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、発電開始時の外気温度（背圧弁３２の温度）と、発電開始から現在までにおける空気流量積算値、電流積算値及び電力積算値の少なくとも１つと、図３のマップとに基づいて、背圧弁３２の現在の温度を推定する。
なお、空気流量積算値、電流積算値及び電力積算値の複数に基づいて、背圧弁３２の現在の温度をそれぞれ推定した場合、例えば、推定された各温度を平均して採用してもよい。
【００６９】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ７０は、ＩＧ６１がＯＦＦされたか否か判定する。
ＩＧ６１はＯＦＦされたと判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、ＩＧ６１はＯＦＦされていないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０２に戻る。
【００７０】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。
具体的には、ＥＣＵ７０は、運転者から停止要求があったと判断し、電力制御器５２による燃料電池スタック１０からの電流の取り出しを停止し、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。そして、ＥＣＵ７０は、遮断弁２２を閉じ、コンプレッサ３１を停止させる。
【００７１】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０２で推定した背圧弁３２の温度が所定温度（判定閾値）未満であるか否か判定する。
背圧弁３２の温度が所定温度未満であると判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、背圧弁３２の温度が所定温度未満でないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０７に進む。
【００７２】
なお、ステップＳ１０５の判定処理は、燃料電池スタック１０の発電停止直後の他、発電停止後に所定時間（３０分〜１時間）経過毎に実行されるシステム状態の監視の際に実行される構成でもよい。
このようなシステム状態監視の際にステップＳ１０５の判定処理を実行する場合、背圧弁３２の温度は、発電停止時の温度から徐々に低下するので（図２参照）、発電停止時の温度と、発電停止からの経過時間と、外気温度とに基づいて、背圧弁３２の温度を補正することが好ましい。
【００７３】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は、背圧弁３２内に滞留する水分を除去する滞留水分除去処理を実行する。
具体的には、ＥＣＵ７０は、コンプレッサ３１を作動させて、コンプレッサ３１からの掃気ガスを背圧弁３２に供給する。そうすると、掃気ガスによって、背圧弁３２に滞留する水分は下流に押し出され、背圧弁３２から除去される。これにより、その後に低温環境下に曝されたとしても、背圧弁３２が凍結することはない。
【００７４】
また、滞留水分除去処理を実行する場合、背圧弁３２の水分が速やか且つ確実に除去されるように、カソード流路１３を掃気する場合に対して、コンプレッサ３１の回転速度を高め、コンプレッサ３１から吐出される掃気ガスの流量を増加することが好ましい。
さらに、配管３１ａと配管３２ａとを接続するバイパス配管を設け、掃気ガスが、カソード流路１３、配管３１ａ及び配管３２ａを跨ぐように配置されている加湿器（図示しない）を、バイパスして、背圧弁３２に供給される構成としてもよい。
さらにまた、滞留水分除去処理の実行中、背圧弁３２（バタフライ弁等）に内蔵される弁体を作動（回動）させ、弁体に付着した水滴が速やかに吹き飛ばされるようにしてもよい。
【００７５】
そして、例えば、事前試験等によって求められた所定時間にて、滞留水分除去処理を実行した後、ＥＣＵ７０の処理はエンドに進む。
【００７６】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ７０は、ステップＳ１０５の判定処理後、所定時間（例えば３０分〜１時間）経過したか否か判定する。
所定時間経過したと判定した場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０５の判定処理を実行する。
この場合において、背圧弁３２の温度は徐々に低下しているから（図２参照）、発電停止時の温度と、発電停止からの経過時間と、外気温度とに基づいて、背圧弁３２の温度を補正することが好ましい。
【００７７】
一方、所定時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０はステップＳ１０７の判定処理を繰り返す。
【００７８】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
背圧弁３２及びその直近に温度センサを備えずに、背圧弁３２の温度を推定できるので、システム構成が簡易となる。なお、背圧弁３２の温度は、外気温度に基づいて補正するので、適切に推定される。
そして、推定された背圧弁３２の温度と所定温度とに基づいて、滞留水分除去処理を実行するので、背圧弁３２の凍結を適切に防止できる。
【００７９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更できる。また、後記する第２実施形態の構成と適宜組み合わせてもよい。
【００８０】
前記した実施形態では、コンプレッサ３１が、カソード流路１３に空気を供給する酸化剤ガス供給手段であって、背圧弁３２に滞留する水分を除去する掃気ガスを供給する滞留水分除去手段である構成を例示したが、その他に例えば、滞留水分除去手段として窒素タンクを備え、窒素タンクからの窒素によって、背圧弁３２の水分を除去する構成でもよい。
【００８１】
前記した実施形態では、背圧弁３２の水分を除去し、凍結を防止する場合を例示したが、水分除去対象はこれに限定されず、配管３１ａ及び配管３２ａを跨ぐように設けられた加湿器（図示しない）、希釈器３３、気液分離器２４、パージ弁２５、掃気ガス排出弁２６、ドレン弁２７でもよい。
【００８２】
前記した実施形態の構成に加えて、燃料電池スタック１０の温度を検出する温度センサを備える構成であれば、この温度センサが検出する温度を外気温度としてもよいし、温度センサが検出する温度に基づいて背圧弁３２の温度を推定してもよい。
【００８３】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池車に搭載された場合を例示したが、その他の移動体、例えば自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、定置型の燃料電池システムに本発明を適用してもよい。
【００８４】
≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図５を参照して説明する。
なお、第２実施形態では、ＥＣＵ７０に設定されたプログラムの内容が一部異なり、背圧弁３２の温度は推定せず、発電停止時における滞留水分除去パラメータ（空気流量積算値、電流積算値及び電力積算値の少なくとも１つ）と、所定値（判定閾値）とに基づいて、滞留水分除去処理を実行するか否か判断することを特徴とする（図２参照）。
また、判定基準となる前記所定値は、判定時における外気温度が低くなると、大きくなるように補正されることを特徴とする（図２参照）。
以下、第１実施形態と異なる部分を説明する。
【００８５】
第２実施形態において、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０１の後、ステップＳ２０１に進む。
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ７０は、滞留水分除去パラメータ（空気流量積算値、電流積算値、電力積算値の少なくとも１つ）を算出する。
その後、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０３に進み、ステップＳ１０３の判定結果がＮｏの場合、ステップＳ２０１に戻る。
【００８６】
また、第２実施形態において、ＥＣＵ７０の処理は、ステップＳ１０４の後、ステップＳ２０２に進む。
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ７０は、燃料電池スタック１０の発電停止時における滞留水分除去パラメータが、所定値未満であるか否か判定する。
判定基準となる所定値は、滞留水分除去パラメータとして採用する空気流量積算値、電流積算値、電力積算値毎にそれぞれ設定され、滞留水分除去パラメータが所定値未満であると、背圧弁３２の凍結を防止するべく、滞留する水分を除去すべきと判断される値に設定される。
【００８７】
また、ＥＣＵ７０は、外気温度が低くなると背圧弁３２が凍結しやすくなるので、外気温度が低くなると所定値が大きくなるように補正する。
さらに、滞留水分除去パラメータとして、空気流量積算値、電流積算値、電力積算値から複数採用すれば、より誤判定しにくくなる。
【００８８】
なお、ステップＳ２０２の判定処理は、燃料電池スタック１０の発電停止直後の他、発電停止後に所定時間（３０分〜１時間）経過毎に実行されるシステム状態の監視の際に実行される構成でもよい。
【００８９】
滞留水分除去パラメータが所定値未満であると判定した場合（Ｓ２０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ７０の処理はステップＳ１０６に進み、ステップＳ１０６において、ＥＣＵ７０は滞留水分除去処理を実行する。これにより、背圧弁３２に滞留する水分は除去され、背圧弁３２がその後に凍結することはない。
一方、滞留水分除去パラメータが所定値未満でないと判定した場合（Ｓ２０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ７０の処理はエンドに進む。
【００９０】
このように第２実施形態によれば、背圧弁３２の温度を推定せずに、滞留水分除去処理を実行するか否か判定するので、第１実施形態に対して、制御フローを簡易にできる。
【符号の説明】
【００９１】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
１１    単セル（燃料電池）
１２    アノード流路（燃料ガス流路）
１３    カソード流路（酸化剤ガス流路）
２４    気液分離器（排出用デバイス）
２５    パージ弁（排出用デバイス、弁装置）
２６    掃気ガス排出弁（排出用デバイス、弁装置）
２７    ドレン弁（排出用デバイス、弁装置）
２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ  配管（燃料オフガス流路）
３１    コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、滞留水分除去手段）
３２    背圧弁（排出用デバイス、弁装置）
３３    希釈器（排出用デバイス）
３２ａ、３２ｂ、３３ａ  配管（酸化剤オフガス流路）
３４    質量流量センサ
５３    出力検出器
６２    外気温度センサ
７０    ＥＣＵ（制御手段）
【図１】
2010244781.tif 000003
【図２】
2010244781.tif 000004
【図３】
2010244781.tif 000005
【図４】
2010244781.tif 000006
【図５】
2010244781.tif 000007