(57)【要約】【課題】次回起動時における起動性能の低下を抑制できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１の運転停止中に、算出された温度低下レートが、燃料電池１０内部の生成水が過冷却状態となる所定の温度低下レート未満である際には、温度低下レートが所定の温度低下レート以上となるようにヒータ５１を制御する。この制御は、燃料電池１０の温度が氷点下（０℃以下）に設定された氷点より高い第１所定温度である場合に実行する。また、燃料電池１０の温度が、０℃よりも十分に高い第２所定温度以上である場合には、過冷却制御を行わない。【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なう燃料電池と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の温度低下レートを算出する温度低下レート算出手段と、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を制御する温度制御手段と、
前記燃料電池システムの運転停止中に、前記温度低下レート算出手段により算出された前記温度低下レートが、前記燃料電池内部の生成水が過冷却状態となる所定の温度低下レート未満である際には、前記温度低下レートが所定の温度低下レート以上となるように前記温度制御手段を制御する過冷却制御手段と、を有し、
前記過冷却制御手段による制御は、前記燃料電池の温度が、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い第１所定温度となるまで実行することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に掃気ガスを導入して前記燃料電池を掃気する掃気手段を有し、
前記生成水が過冷却状態である場合に前記掃気手段による掃気を実行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】
前記燃料電池に掃気ガスを導入して前記燃料電池を掃気する掃気手段を有し、
前記掃気手段による掃気後に、前記過冷却制御手段による制御を実行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４】
前記温度制御手段は、前記燃料電池を加熱する加熱手段を備え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】
前記温度制御手段は、前記燃料電池の内部に冷媒を循環させる冷媒循環手段を備え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】
前記燃料電池の温度が第２所定温度以下ではない場合、前記過冷却制御手段による制御を行わない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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内部での生成水の凍結を防止する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
氷点下（０℃以下）における環境下で燃料電池システムを使用すると、燃料電池システムの運転停止時に燃料電池内部で生成水が凍結してしまい、発電有効面積が減少して次回起動時における発電性能が低下するおそれがある。また、燃料電池の各セルを構成するＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）が凍結すると、電解質膜の損傷などによって燃料電池の劣化を招くおそれもある。そこで、燃料電池システムの運転停止時に予め燃料電池内部を乾燥したガスで掃気を行い、燃料電池内部に残留する生成水の除去を行うという技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２０８４２２号公報（段落００４４〜００４７、図３）
【発明の概要】
【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、燃料電池内部の生成水が凍結してから掃気を行ったのでは遅いため、掃気を開始するタイミングとして、凍結する温度に至る前に行う必要がある。これにより、実際に氷点下（０℃以下）にならないような場合でも掃気を行ってしまうことがあったため、掃気を無駄に実行してしまうという問題があった。
【０００５】
また、掃気を行ったとしても完全に水分を排出できていない場合（掃気後に結露等により水分が新たに発生する場合を含む）などにおいては、その水分が掃気後に凍結してしまい、起動性能を低下させるおそれもあった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、起動時における起動性能の低下を抑制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】
【０００７】
本発明は、反応ガスが供給されて発電を行なう燃料電池と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の温度低下レートを算出する温度低下レート算出手段と、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を制御する温度制御手段と、前記燃料電池システムの運転停止中に、前記温度低下レート算出手段により算出された前記温度低下レートが、前記燃料電池内部の生成水が過冷却状態となる所定の温度低下レート未満である際には、前記温度低下レートが所定の温度低下レート以上となるように前記温度制御手段を制御する過冷却制御手段と、を有し、前記過冷却制御手段による制御は、前記燃料電池の温度が、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い第１所定温度となるまで実行することを特徴とする。
【０００８】
これによれば、燃料電池内部の生成水が過冷却状態（過冷却水）となるように現在の温度低下レートを制御するため、通常の氷点下（０℃以下）の温度領域においても生成水の凍結を防止でき、次回起動性の低下を抑制することが可能になる。すなわち、燃料電池の温度が所定の温度低下レート以上となるようにゆっくりと低下させることで、生成水が通常の氷点下（０℃以下）でも凍らない過冷却状態を生成することが可能になる。なお、第１所定温度は、０℃以下で過冷却水が凍結する氷点（例えば、マイナス５℃〜マイナス１０℃）よりも高い温度（例えばマイナス４℃）に設定される。
【０００９】
なお、本発明では、算出された温度低下レートが所定の温度低下レート未満であるとは、燃料電池の温度が急激に低下して生成水を過冷却状態にできないレートであることを意味している。一方、算出された温度低下レートが所定の温度低下レート以上であるとは、燃料電池の温度がゆっくりと（徐々に）低下して生成水を過冷却状態にできるレートであることを意味している。
【００１０】
また、前記燃料電池に掃気ガスを導入して前記燃料電池を掃気する掃気手段を有し、前記生成水が過冷却状態である場合に前記掃気手段による掃気を実行することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、生成水が過冷却状態のときに掃気を実行することで、掃気の実行タイミングを従来よりも遅らせることが可能となり、掃気の実行頻度を低減できる。しかも、掃気はバッテリなどの電源を電力として動作させるため、掃気の実行頻度を低減できることにより、エネルギ効率を向上できる。
【００１２】
また、前記燃料電池に掃気ガスを導入して前記燃料電池を掃気する掃気手段を有し、前記掃気手段による掃気後に、前記過冷却制御手段による制御を実行することを特徴とする。
【００１３】
これによれば、掃気で除去できなかった水分や、掃気後に結露によって生じた水分などの凍結を防止できるため、次回起動性の低下や膜（ＭＥＡ）劣化を抑制できる。
【００１４】
また、前記温度制御手段は、前記燃料電池を加熱する加熱手段を備えることを特徴とする。
【００１５】
これによれば、低温環境下において燃料電池の温度が急激に下がる場合であっても、燃料電池を加熱することによって制御するため、温度低下レートを所定の温度低下レートに維持することが容易になる。
【００１６】
また、前記温度制御手段は、前記燃料電池の内部に冷媒を循環させる冷媒循環手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
これによれば、冷媒を循環させることにより、燃料電池の面内および単セルの積層方向の温度の均一化が図れ、局所的に温度低下レートが維持できなくなるのを防止することが可能になる。
【００１８】
また、前記燃料電池の温度が第２所定温度以下ではない場合、前記過冷却制御手段による制御を行わないことを特徴とする。
【００１９】
これによれば、燃料電池の温度が高い領域における温度低下レートは過冷却状態とは関連性が低いため、第２所定温度を超えている場合に過冷却制御を行わないようにしたことにより、エネルギ効率を向上できる。なお、第２所定温度は、燃料電池が凍結するおそれがなく、過冷却状態にする制御が不要と判断される温度（例えば１０℃）に設定される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、起動時における起動性能の低下を抑制できる燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】本実施形態の燃料電池システムの運転停止時における動作を示すフローチャートである。
【図３】燃料電池の温度変化を示す図であり、（ａ）は実施例、（ｂ）は比較例である。
【図４】本実施形態の燃料電池システムの運転停止時における動作を示す別のフローチャートである。
【図５】燃料電池の温度変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システム１を自動車（図示せず）に適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機など、または業務用や家庭用で定置式のものなど電気を必要とするあらゆるものに適用できる。
【００２３】
本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷媒循環系４０、温度制御系５０、制御系６０などで構成されている。
【００２４】
燃料電池１０は、例えば固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）を図示しない導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルを厚み方向に複数積層し、各単セルを電気的に直列に接続した構造を有している。
【００２５】
ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）を、触媒を含むアノードおよびカソード等で挟持した構造を有している。セパレータには、水素（反応ガス、燃料ガス）が通流するアノード流路１１、空気（反応ガス、酸化剤ガス）が通流するカソード流路１２、および冷媒が通流する冷媒流路１３がそれぞれ形成されている。
【００２６】
アノード流路１１は、単セルの積層方向に貫通して各アノードに水素を分配供給する水素導入連通路と、アノードに対向する面に形成された流路と、単セルの積層方向に貫通して各アノードからアノードオフガス（水素など）を集合排出する水素導出連通路とで構成されている。
【００２７】
カソード流路１２は、単セルの積層方向に貫通して各カソードに空気を分配供給する空気導入連通路と、カソードに対向する面に形成された流路と、各単セルの積層方向に貫通して各カソードからカソードオフガス（湿潤な空気など）を集合排出する空気導出連通路とで構成されている。
【００２８】
冷媒流路１３は、単セルの積層方向に貫通して隣接するセパレータ間に冷媒を分配供給する冷媒導入連通路と、隣接するセパレータ間に形成された流路と、各単セルの積層方向に貫通して隣接するセパレータ間から冷媒を集合排出する冷媒導出連通路とで構成されている。
【００２９】
このような燃料電池１０では、アノードに水素が供給され、カソードに酸素を含む空気が供給されることにより、アノードおよびカソードに含まれる触媒上で電極反応が起こり、燃料電池１０が発電可能な状態となる。
【００３０】
また、燃料電池１０は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池１０が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、走行用のモータ、バッテリやキャパシタなどの充放電可能な蓄電装置、後記するエアコンプレッサ３１、ウォータポンプ４３などである。
【００３１】
アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに対して水素を給排する系であり、水素タンク２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、掃気弁２５、配管ａ１〜ａ６などで構成されている。
【００３２】
水素タンク２１は、高純度の水素を高圧で圧縮した容器であり、配管ａ１を介して下流側の遮断弁２２と接続されている。
【００３３】
遮断弁２２は、例えば電磁弁作動式のものであり、配管ａ２を介して下流側のエゼクタ２３と接続されている。
【００３４】
エゼクタ２３は、燃料電池１０から排出された未反応の水素を吸引してアノードに戻して再循環させるポンプの一種であり、配管ａ３を介してアノード流路１１の入口と接続されている。また、エゼクタ２３の戻りポートは、配管ａ４を介してアノード流路１１の出口と接続されている。
【００３５】
パージ弁２４は、例えば電磁作動式のものであり、配管ａ４から分岐して設けられた配管ａ５に接続されている。このパージ弁２４は、例えば燃料電池１０の発電中に定期的に開弁して、水素循環路（配管ａ３，ａ４、アノード流路１１）に蓄積した不純物を排出するとともに、水素タンク２１から新鮮な水素を供給して、発電性能の低下を防止するようになっている。
【００３６】
掃気弁２５は、配管ａ４から分岐して設けられた配管ａ６に接続され、燃料電池１０の発電停止時に燃料電池１０内のアノードを掃気する際に開弁して、燃料電池１０内部に残留する生成水を車外に排出するようになっている。
【００３７】
カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに対して空気（酸素）を給排する系であり、エアコンプレッサ３１、背圧弁３２、掃気ガス導入弁３３、配管ｂ１，ｂ２、掃気ガス導入配管ｂ３，ｂ４などで構成されている。
【００３８】
エアコンプレッサ３１は、例えば、モータ（図示せず）で駆動される機械式の過給器であり、車外から取り込んだ外気（空気）を圧縮して燃料電池１０のカソードに供給する。このエアコンプレッサ３１は、配管ｂ１を介してカソード流路１２の入口と接続されている。
【００３９】
背圧弁３２は、例えばバタフライ弁などの開度調節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空気の圧力を適宜調節する機能を有する。この背圧弁３２は、配管ｂ２を介してカソード流路１２の出口と接続されている。
【００４０】
配管ｂ１には、掃気ガス導入配管ｂ３が分岐して接続され、掃気ガス導入配管ｂ３、掃気ガス導入弁３３および掃気ガス導入配管ｂ４を介してアノード側の配管ａ３と接続されている。
【００４１】
掃気ガス導入弁３３は、掃気ガス導入配管ｂ３，ｂ４の流路を開閉する開閉弁であり、燃料電池システム１の運転停止時においてアノードを掃気する際に後記するＥＣＵ６１によって開弁制御される。
【００４２】
なお、図示していないが、パージ弁２４、掃気弁２５の下流および背圧弁３２の下流は、希釈器に接続されている。そして、希釈器は、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスとカソード流路１２から排出されたカソードオフガスとを混合し、アノードオフガスに含まれる水素を、カソードオフガス（空気等）で希釈するようになっている。希釈後のガスは車外に排出される。
【００４３】
また、図示していないが、カソード系３０の配管ｂ１には、加湿器が設けられている。加湿器は、エアコンプレッサ３１からの空気を加湿して、燃料電池１０のカソードに供給するようになっている。なお、配管ｂ３の上流側の端部は、加湿器の上流側に接続されている。
【００４４】
冷媒循環系４０は、燃料電池１０を冷却する冷媒循環手段を構成し、ラジエータ４１、サーモスタット弁４２、ウォータポンプ４３、配管ｃ１〜ｃ５などで構成されている。
【００４５】
ラジエータ４１は、燃料電池１０の発電時に発生する熱で温められた冷媒を放熱させる機能を有し、配管ｃ１を介して上流側の冷媒流路１３の出口と接続されている。
【００４６】
サーモスタット弁４２の一方の導入口は、ラジエータ４１の冷媒出口と配管ｃ２を介して接続され、他方の導入口は、ラジエータ４１をバイパスする配管ｃ３を介して配管ｃ１と接続されている。このサーモスタット弁４２は、例えば、ワックスが温度によって体積が変化することにより、ラジエータ４１を通る流路とラジエータ４１をバイパスする流路との間で切り替わるようになっている。なお、サーモスタット弁４２は、後記するＥＣＵ６１からの電気信号により電気的に切り替わるものであってもよい。
【００４７】
ウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）４３は、モータ（図示せず）を駆動して冷媒を循環させるものであり、配管ｃ４を介して上流側のサーモスタット弁４２の導出口と接続され、配管ｃ５を介して冷媒流路１３の入口と接続されている。
【００４８】
温度制御系５０は、燃料電池１０の温度を制御する系であり、燃料電池１０を加熱する手段であるヒータ５１（温度制御手段、加熱手段）を備えている。ヒータ５１は、例えば、電気式のものであり、電気を熱に変えて燃料電池１０を外部から加熱するものである。このヒータ５１としては、例えば、発熱体（ニクロム線など）が絶縁粉末を介してさや（シース）に収容されたシースヒータからなり、燃料電池１０の周囲を取り囲むように配設することにより構成される。
【００４９】
なお、ヒータ５１は、燃料電池システム１の運転停止時に、後記するＥＣＵ６１の制御によって、図示しない蓄電装置の電力を用いて作動するようになっている。ヒータ５１が作動することにより、燃料電池１０が温められ、燃料電池１０の温度が低下する際の温度低下レート（低下速度）が低減、つまり燃料電池１０の温度をゆっくり下げて、生成水が過冷却状態となるように制御される。
【００５０】
制御系６０は、ＥＣＵ６１、温度センサ６２、タイマ６３などで構成されている。
【００５１】
ＥＣＵ６１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などで構成され、遮断弁２２、パージ弁２４、掃気弁２５および掃気ガス導入弁３３を開閉し、背圧弁３２の開度を調節し、エアコンプレッサ３１およびウォータポンプ４３の各モータの回転速度を調節する。
【００５２】
また、ＥＣＵ６１は、温度低下レート算出手段と過冷却制御手段を備えている。
【００５３】
温度低下レート算出手段は、燃料電池１０の温度が低下する際の温度低下レートを算出する手段である。温度低下レートとは、例えば単位時間当たりの燃料電池１０の温度の低下量（温度差）を意味している。
【００５４】
過冷却制御手段は、温度低下レート算出手段により算出された温度低下レートが、燃料電池１０の内部の生成水が過冷却状態（過冷却水）となるように制御する手段である。つまり、算出した温度低下レートが、所定の温度低下レート未満である際には、ヒータ５１により燃料電池１０を加熱して、温度低下レートを所定の温度低下レート以上となるように制御する。この過冷却制御手段による制御は、燃料電池１０の温度が、過冷却状態の生成水が凍結する氷点（例えば、マイナス５℃〜マイナス１０℃）より高い温度である第１所定温度になるまで実行する。
【００５５】
温度センサ６２（温度検出手段）は、燃料電池１０の温度を検出するものであり、冷媒流路１３の出口近傍に設けられている。なお、温度センサ６２は、燃料電池１０の温度を検出できるものであれば、その位置は限定されず、アノード流路１１の出入口、カソード流路１２の出入口などであってもよく、あるいは燃料電池１０を直接に測定するものであってもよい。
【００５６】
タイマ６３は、燃料電池１０の温度の定期的な監視、後記する温度低下レートを算出する際の経過時間（単位時間）を測定するのに用いられる。
【００５７】
次に本実施形態の燃料電池システム１の動作について図２および図３を参照して説明する。まず、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がオン（以下、ＩＧ−ＯＮと表記する）されて、燃料電池システム１が運転中である場合、ＥＣＵ６１は、掃気ガス導入弁３３を閉じた状態において、遮断弁２２を開弁して、水素タンク２１から燃料電池１０のアノードに水素を供給し、またエアコンプレッサ３１を駆動して、燃料電池１０のカソードに空気（酸素）を供給することによって発電が行われている。
【００５８】
また、発電時においては、燃料電池１０のカソードで生成された水は、背圧弁３２を通って車外に排出されるとともに、電解質膜を介してアノードに透過する。アノードに残留する水分が過剰になると発電性能が低下するので、ＥＣＵ６１は、パージ弁２４を適宜開弁して、生成水を車外に排出する。
【００５９】
また、発電時において、ＥＣＵ６１は、ウォータポンプ４３を駆動して、冷媒を循環させることにより、燃料電池１０が過剰に高い温度にならないように制御している。なお、冷媒の温度が所定値以下のときには、冷媒がラジエータ４１をバイパスする配管ｃ３を通るようにサーモスタット弁４２が切り替えられ、所定値を超えたときには、冷媒がラジエータ４１側に通流するようにサーモスタット弁４２が切り替えられる。
【００６０】
そして、イグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されて、燃料電池システム１の運転が停止されると、ステップＳ１００において、ＥＣＵ６１は、燃料電池１０（ＦＣ：Fuel Cell）の温度検出を開始する。このＦＣ温度の検出は、タイマ６３を用いて定期的に行われるものであり、ＩＧ−ＯＦＦ後において予め設定された所定時間が経過したときに温度センサ６２からＦＣ温度を取得するようになっている。ＦＣ温度の検出後、ＥＣＵ６１は、タイマ６３をリセットして、再び所定時間が経過したときに温度センサ６２によりＦＣ温度を取得する。
【００６１】
そして、ステップＳ１１０に進み、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度が第２所定温度以下であるか否かを判断する。この第２所定温度とは、過冷却制御手段による制御を実行するか否かを判断する閾値であり、０℃よりも十分に高い温度、例えば１０℃に設定される。
【００６２】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度が第２所定温度以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０に進み、ＦＣ温度が第２所定温度以下ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２００に進む。
【００６３】
ステップＳ２００において、ＥＣＵ６１は、ＩＧ−ＯＮされたか否かを判断し、ＩＧ−ＯＮされていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０に戻り、またＩＧ−ＯＮされたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、図２に示す一連の処理を終了する。ＩＧ−ＯＮされると、燃料電池１０が発電を開始してＦＣ温度が上昇を開始するので、生成水が凍結することがなくなる。
【００６４】
ステップＳ１２０において、ＥＣＵ６１は、温度低下レートを算出する（温度低下レート算出手段）。温度低下レートとは、低温環境下におけるＦＣ温度の低下の速さを示すものであり、単位時間当たりの温度低下量（−ΔＴ／ｔ）によって求められる。つまり、温度低下レートが低すぎる（所定未満である）とＦＣ温度の低下速度が急激であり、０℃以下において生成水が過冷却状態とはならずに０℃において直ちに凍結する。一方、温度低下レートが高い場合（所定以上である場合）、ＦＣ温度の低下速度が緩やかになり、０℃以下でも生成水が凍らない過冷却状態にすることができる。
【００６５】
そして、ステップＳ１３０に進み、ＥＣＵ６１は、算出した温度低下レートが所定未満（所定の温度低下レート未満）であるか否かを判断する。なお、所定の温度低下レートとは、燃料電池１０内の生成水を過冷却状態に維持するのに必要な温度低下レートであり、実験やシミュレーションなどによって予め決められる。
【００６６】
ステップＳ１３０において、ＥＣＵ６１は、算出した温度低下レートが所定未満、つまりＦＣ温度の低下速度が速すぎて生成水を過冷却状態にできないと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４０に進み、図示しない蓄電装置（バッテリなど）の電力を利用してヒータ５１をオン（ＯＮ）にする。
【００６７】
なお、ヒータ５１をオンにする際の燃料電池１０に与える熱量は、検出したＦＣ温度に基づいて適宜設定することができる。すなわち、温度低下レートが非常に低い（温度低下速度が急激である）場合には、燃料電池１０に与える熱量が増し、温度低下レートが比較的高い（温度低下速度がゆっくりである）場合には、燃料電池１０に与える熱量が少なくなるように制御する。
【００６８】
ヒータ５１がオンにされることにより、ヒータ５１によって燃料電池１０が加熱され、冷媒が温められる。これにより、ＦＣ温度の低下速度が遅くなり、温度低下レートが所定の温度低下レート以上となるように（所定の温度低下レートを維持するように）制御される。
【００６９】
また、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ６１は、算出した温度低下レートが所定以上である、つまり生成水を過冷却状態にできると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１５０に進み、ヒータ５１をオフにする。
【００７０】
なお、本実施形態では、ステップＳ１３０ないしＳ１５０が、過冷却制御手段が実行する処理に相当する。
【００７１】
そして、ステップＳ１６０に進み、ＥＣＵ６１は、温度センサ６２によってＦＣ温度を検出して、ＦＣ温度が０℃以下であるか否かを判断する。ステップＳ１６０において、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度が０℃以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１７０に進み、ＦＣ温度が０℃以下ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１８０に進む。
【００７２】
そして、ステップＳ１７０において、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度が第１所定温度であるか否かを判断する。第１所定温度は、生成水の過冷却状態が維持できず、ＦＣ温度が過冷却状態の生成水が凍結する氷点に下がって、この後まもなく凍結すると判断する閾値であり、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い温度に設定される。
【００７３】
なお、第１所定温度は、実験やシミュレーションなどに基づいて予め決められ、例えば氷点がマイナス５℃〜マイナス１０℃である場合には、マイナス４℃に設定される。また、第１所定温度は、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い温度であればよく、マイナス２℃やマイナス３℃などであってもよい。
【００７４】
ステップＳ１７０において、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度が第１所定温度である、つまり過冷却状態の生成水がこの後まもなく（または所定時間で）凍結すると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１９０に進み、生成水が過冷却の状態において掃気が実行される。なお、本実施形態では、エアコンプレッサ３１、掃気ガス導入弁３３、掃気ガス導入配管ｂ３，ｂ４およびＥＣＵ６１によって掃気手段が構成されている。
【００７５】
掃気とは、燃料電池１０の内部に掃気ガスを導入して、燃料電池１０内部に残留する生成水を車外に排出する処理である。すなわち、ＥＣＵ６１は、図示しない蓄電装置の電力を利用してエアコンプレッサ３１を駆動するとともに背圧弁３２を全開にした状態において、燃料電池１０のカソード側に所定量の空気を導入し、カソード流路１２に残留している生成水を吹き飛ばしながら車外に排出する。
【００７６】
そして、ＥＣＵ６１は、背圧弁３２の開度を閉状態にするとともに、掃気弁２５および掃気ガス導入弁３３を開弁した状態において、エアコンプレッサ３１から所定量の空気を導入する。エアコンプレッサ３１から導入された空気は、掃気ガス導入配管ｂ３，ｂ４を通ってアノード流路１１に供給され、アノード流路１１に残留している生成水を吹き飛ばしながら掃気弁２５を通って車外に排出される。
【００７７】
なお、前記した実施形態では、カソードを掃気した後にアノードを掃気するように片側ずつ掃気を実行する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、アノードを掃気した後にカソードを掃気してもよく、あるいはカソードとアノードを同時に掃気してもよい。
【００７８】
掃気実行後、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度の定期的な監視を終了し、図２に示す一連の処理を終了する。
【００７９】
また、ステップＳ１７０において、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度が第１所定温度ではない、つまり生成水がまだしばらく凍結しないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１８０に進み、ＩＧ−ＯＮされたか否かを判断する。
【００８０】
ステップＳ１８０において、ＥＣＵ６１は、ＩＧ−ＯＮされていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２０に戻り、またＩＧ−ＯＮされたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、図２に示す一連の処理を終了する。なお、ＩＧ−ＯＮされることにより、燃料電池１０の発電が開始され、ＦＣ温度が上昇するので、生成水が凍結することがなくなる。
【００８１】
なお、ステップＳ１８０ではＩＧ−ＯＮがされたか否かで判断したが、これに限定されるものではなく、ＦＣ温度が上昇したかどうかで判断してもよい。例えば、朝になって気温が上昇してＦＣ温度が上昇した場合には一連の処理を終了し、ＦＣ温度が上昇していない場合には、ステップＳ１２０に戻る。
【００８２】
また、図３（ａ）に示すように、ＥＣＵ６１によって、ＦＣ温度が第２所定温度（１０℃）以下と判断された場合には（Ｓ１１０、Ｙｅｓ）、温度低下レートを算出する処理を開始する（Ｓ１２０）。このとき算出した温度低下レート（−ΔＴ１／ｔ）が所定未満（所定の温度低下レート未満）であると判断したときには（Ｓ１３０、Ｙｅｓ）、ヒータ５１をオンにする（Ｓ１４０）。これにより、温度低下レートが上昇し、所定の温度低下レート以上となるように制御される。なお、０℃以下において、算出した温度低下レート（−ΔＴ２／ｔ）が所定以上（所定の温度低下レート以上）となるように、ヒータ５１をオンオフ制御する。
【００８３】
このように過冷却状態の生成水が凍結する氷点より高い温度である第１所定温度（例えば、マイナス４℃）になるまで、温度低下レートが所定以上となるように、つまりＦＣ温度が、温度制御されない場合と比べてゆっくり低下するように制御する。これにより、燃料電池１０内部に残留する生成水が、０℃以下でも凍結しない過冷却状態となる。
【００８４】
なお、図３（ａ）では、０℃と、過冷却状態の生成水が凍結する氷点よりも高い温度に設定された第１所定温度との間で生成水が過冷却状態となっている。氷点は、過冷却状態の生成水が凍結する温度であり、例えば、マイナス５℃〜マイナス１０℃である。
【００８５】
例えば、生成水が過冷却状態である時刻ｔ１においてＩＧ−ＯＮされたときには（Ｓ１８０、Ｙｅｓ）、燃料電池１０が発電を開始することによって温度が上昇するので（二点鎖線参照）、それ以上過冷却制御手段による制御が不要になり、図２に示す一連の処理を終了する。
【００８６】
また、生成水が過冷却状態を維持しながらＦＣ温度が低下する場合、ＦＣ温度が第１所定温度（例えば、マイナス４℃）に至る時刻ｔ２において、掃気が実行される（Ｓ１９０）。なお、図３（ｂ）の比較例に示すように、過冷却制御手段による制御を実行しない場合では、ＦＣ温度が急激に低下するので、生成水を過冷却状態にすることができない。また、掃気タイミングについても、０℃より高い温度に対応した時刻ｔ３で実行する必要があるので、図３（ａ）に示す実施例よりも早期に掃気を実行する必要がある。
【００８７】
なお、本実施形態では、ＦＣ温度が第２所定温度以下になった場合に温度低下レートの算出を開始しているが、これに限定されるものではなく、生成水を過冷却状態にできるのであれば、例えば、ＦＣ温度が０℃になる直前に開始してもよい。
【００８８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、燃料電池システム１の運転停止時（燃料電池１０の発電停止時）に燃料電池１０内部に残留する生成水が過冷却状態（過冷却水）となるように温度低下レートを制御するので、氷点下（０℃以下）の領域においても生成水の凍結を防止でき、次回の起動性の低下を抑制できる。
【００８９】
また、本実施形態によれば、生成水が過冷却状態のときに掃気を実行するので、掃気の実行タイミングを従来よりも遅らせることが可能になり、掃気を実行する頻度を減らすことができる。よって、掃気時に必要なエネルギを削減できるので、エネルギ効率を向上させることができる。
【００９０】
また、本実施形態によれば、ヒータ５１（温度制御手段）を用いて燃料電池１０を加熱するので、低温環境下においてＦＣ温度が急激に低下する場合であっても、温度低下レートを所定の温度低下レートに維持することが容易になる。
【００９１】
また、ＦＣ温度が高い領域での温度低下レートは過冷却状態とは関連性が低いため、本実施形態のように、ＦＣ温度が第２所定温度を超える場合には、過冷却制御手段による制御を行わないようにすることで、過冷却制御手段に伴うエネルギが不要になり、エネルギ効率を向上できる。
【００９２】
図４は本実施形態の燃料電池システムにおける動作を示す別のフローチャート、図５は燃料電池の温度変化を示す図である。なお、図２のフローチャートと同一の処理については、同一のステップを付して重複した説明を省略する。図４に示すフローチャートによる制御は、先に掃気を実行し、その後生成水が過冷却状態を維持するように制御するものである。図４に示すステップＳ１１５の処理は、図２に示すステップＳ１９０の処理と同様である。
【００９３】
すなわち、ステップＳ１１５において、ＥＣＵ６１は、掃気を実行することにより、燃料電池１０内部に残留する生成水（液滴）が車外に排出される。
【００９４】
また、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度が０℃以下である場合において（Ｓ１６０、Ｙｅｓ）、ステップＳ１７０に進み、ＦＣ温度が第１所定温度に到達したと判断したときには（Ｙｅｓ）、ステップＳ１７１に進む。
【００９５】
ステップＳ１７１において、ＥＣＵ６１は、図示しない蓄電装置の電力を利用してヒータ５１をＯＮにする。ヒータ５１をＯＮにすることにより、ＦＣ温度が過冷却状態の生成水（過冷却水）が凍結する温度（氷点）に至る前に上昇し（図５参照）、過冷却状態の生成水が凍結するのを防止できる。
【００９６】
そして、ステップＳ１７２に進み、ＥＣＵ６１は、ＦＣ温度が０℃以上であるか否かを判断し、ＦＣ温度が０℃以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１７３に進み、ＦＣ温度が０℃以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１７２の処理を繰り返す。
【００９７】
なお、図４において図示していないが、ＦＣ温度が０℃以上でないと判断された場合において（Ｓ１７２、Ｎｏ）、ＩＧ−ＯＮされた場合には、図４に示す一連の処理を終了する。
【００９８】
ステップＳ１７３において、ＥＣＵ６１は、ヒータ５１をＯＦＦにする。ヒータ５１をＯＦＦにすることにより、ＦＣ温度の上昇が停止し、ＦＣ温度が低下し始める（図５参照）。
【００９９】
そして、ステップＳ１８０に進み、ＩＧ−ＯＮされたか否かを判断し、ＩＧ−ＯＮされたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、過冷却状態を維持する制御を終了し、ＩＧ−ＯＮされていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２０に戻る。そして、温度低下レートの算出を再度開始して（Ｓ１２０）、温度低下レートが所定以上（所定の温度低下レート以上）となるようにＦＣ温度を制御する。
【０１００】
このように、掃気を実行した後に過冷却制御手段による制御を行い、温度低下レートが所定以上となるようにヒータ５１を制御して、生成水を過冷却状態に維持することにより、掃気により除去できなかった水分や、掃気後に結露により生じた水分などの凍結を防止でき、次回起動性の低下やＭＥＡの劣化を抑制できる。
【０１０１】
なお、本実施形態では、温度制御手段としてヒータ５１を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、冷媒循環手段を制御、つまり図示しない蓄電装置の電力によりウォータポンプ４３を駆動して、冷媒を燃料電池１０内に循環させて燃料電池１０の温度を制御するようにしてもよい。冷媒を循環させることにより、温かい状態のままで残っている冷媒を燃料電池１０内部に循環させることが可能になり、燃料電池１０の温度制御が可能になる。
【０１０２】
また、冷媒を循環させることにより、燃料電池１０の面内および単セルの積層方向の温度の均一化が図れ、局所的に温度低下レートが維持できなくなるのを防止することが可能になる。なお、この冷媒を循環させる冷媒循環手段と、ヒータ５１による加熱手段とを併用して温度制御手段を構成してもよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池
３１    エアコンプレッサ
３３    掃気ガス導入弁
４３    ウォータポンプ
５１    ヒータ（温度制御手段、加熱手段）
６１    ＥＣＵ（温度低下レート算出手段、過冷却制御手段）
６２    温度センサ（温度検出手段）
６３    タイマ
ｂ３，ｂ４  掃気ガス導入配管
【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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