(57)【要約】【課題】起動時における燃料電池内での生成水の凍結を抑制して、発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図ることができる燃料電池システムの停止方法を提供する。【解決手段】外気温の最低温度が所定温度以下になるか否かを推測する最低温度推測工程と、燃料電池の発電停止中におけるスタック温度を検知する温度検知工程と、スタック温度が、燃料電池内で凍結の虞があると予想する凍結予想温度を下回っている場合に燃料電池内の凍結予想を行う凍結予想工程と、凍結予想工程で凍結予想が行われた場合に、燃料電池による凍結予防発電を行う凍結予防発電工程と、を有していることを特徴とする。【選択図】図２
2014035820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに燃料が、カソードに酸化剤がそれぞれ供給されて発電をする燃料電池を備えた燃料電池システムの停止方法であって、
外気温の最低温度が所定温度以下になるか否かを推測する最低温度推測工程と、
前記燃料電池の発電停止中におけるスタック温度、またはスタック温度低下速度を検知する温度検知工程と、
前記スタック温度または前記スタック温度低下速度が、前記燃料電池内で凍結の虞があると予想する凍結予想温度または凍結予想温度低下速度を下回っている場合に前記燃料電池内の凍結予想を行う凍結予想工程と、
前記凍結予想工程で凍結予想が行われた場合に、前記燃料電池による凍結予防発電を行う凍結予防発電工程と、を有していることを特徴とする燃料電池システムの停止方法。
【請求項２】
前記凍結予防発電工程では、前記スタック温度と目標昇温温度とに基づいて、所定時間内で前記目標昇温温度に到達可能な電流値を設定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項３】
前記凍結予防発電工程の前に、前記スタック温度が前記燃料電池内の凍結を判定する凍結温度を下回った回数を把握する凍結回数把握工程を有し、
前記スタック温度が前記凍結温度を所定回数以上下回ったと判定された場合に、凍結予防発電を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項４】
前記凍結予防発電工程の前に、前記スタック温度が前記燃料電池内の凍結を判定する凍結温度を下回った間隔を把握する凍結頻度把握工程を有し、
前記スタック温度が前記凍結温度を下回る間隔が所定の間隔以下であると判定された場合に、凍結予防発電を行うことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項５】
前記燃料電池の面内における凍結面積が所定面積以上であるか否かを推定する凍結面積推定工程を有し、
前記凍結予想面積が前記所定面積以上である場合に、凍結予防発電を行うことを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項６】
前記凍結予防発電工程の後、前記カソードから排出された酸化剤を、酸化剤循環路を介して前記カソードの入口側に戻してカソードガス循環発電を行うカソードガス循環処理工程を有していることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システムの停止方法。
【請求項７】
凍結予防発電を行った後の前記燃料電池の起動時に、蓄電装置の残容量を把握するＳＯＣ把握工程と、
前記残容量が所定値以上の場合、前記燃料電池の発電前に前記蓄電装置の電力を放電することで、前記蓄電装置の残容量を低下させるＳＯＣ低減工程と、を有していることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システムの停止方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの停止方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）をアノードとカソードとで両側から挟んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下、単位セルという）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガス（燃料）として水素が供給され、カソードにカソードガス（酸化剤）として空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電するようになっている。なお、この発電に伴って燃料電池内では水（生成水）が生成される。
【０００３】
図６は、従来における燃料電池システムにおいて、時間に対する燃料電池のスタック温度の変化を示すグラフである。
ところで、図６に示すように、冬季の寒冷地等において、燃料電池システムの停止中にスタック温度Ｔｆｃが氷点下になると（図６中時間ｔ１以降）、燃料電池内に滞留している生成水が凍結する。この場合、単位セルへのアノードガス及びカソードガスの供給が妨げられるため、次回起動時（図６中時間ｔ２）の発電安定性の低下や、燃料電池の劣化等の原因になる。
【０００４】
そこで、例えば特許文献１には、生成水の凍結を予想した場合に、反応ガス流路に掃気ガス（例えば、空気）を供給して反応ガス流路内の生成水等を排出する、いわゆる掃気処理を行う構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５１５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した掃気処理では、燃料電池内の生成水等を完全に排出することが難しい。この場合、掃気処理で排出しきれず、燃料電池内に残存した生成水が、その後、燃料電池内で凍結するため、次回起動時の発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制等を図ることが難しいという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した事情に考慮してなされたもので、起動時における燃料電池内での生成水の凍結を抑制して、発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図ることができる燃料電池システムの停止方法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】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、アノードに燃料が、カソードに酸化剤がそれぞれ供給されて発電をする燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池２）を備えた燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１）の停止方法であって、外気温（例えば、実施形態における外気温Ｔｏｕｔ）の最低温度が所定温度（例えば、実施形態における所定温度ＴＬ）以下になるか否かを推測する最低温度推測工程（例えば、実施形態におけるステップＳ１）と、前記燃料電池の発電停止中におけるスタック温度（例えば、実施形態におけるスタック温度Ｔｆｃ）、またはスタック温度低下速度（例えば、実施形態における温度低下速度Ｔｑ）を検知する温度検知工程（例えば、実施形態におけるステップＳ２）と、前記スタック温度または前記スタック温度低下速度が、前記燃料電池内で凍結の虞があると予想する凍結予想温度（例えば、実施形態における凍結予想温度Ｔｉ）または凍結予想温度低下速度を下回っている場合に前記燃料電池内の凍結予想を行う凍結予想工程（例えば、実施形態におけるステップＳ２）と、前記凍結予想工程で凍結予想が行われた場合に、前記燃料電池による凍結予防発電を行う凍結予防発電工程（例えば、実施形態におけるステップＳ３〜ステップ８）と、を有していることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載した発明では、前記凍結予防発電工程では、前記スタック温度と目標昇温温度（例えば、実施形態における目標温度Ｔｓ）とに基づいて、所定時間内で前記目標昇温温度に到達可能な電流値を設定することを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載した発明では、前記凍結予防発電工程の前に、前記スタック温度が前記燃料電池内の凍結を判定する凍結温度（例えば、実施形態における凍結温度Ｔｃ）を下回った回数を把握する凍結回数把握工程（例えば、実施形態におけるステップＳ１２）を有し、前記スタック温度が前記凍結温度を所定回数以上下回ったと判定された場合に、凍結予防発電を行うことを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載した発明では、前記凍結予防発電工程の前に、前記スタック温度が前記燃料電池内の凍結を判定する凍結温度（例えば、実施形態における凍結温度Ｔｃ）を下回った間隔を把握する凍結頻度把握工程を有し、前記スタック温度が前記凍結温度を下回る間隔が所定の間隔以下であると判定された場合に、凍結予防発電を行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載した発明では、前記燃料電池の面内における凍結面積が所定面積以上であるか否かを推定する凍結面積推定工程を有し、前記凍結予想面積が前記所定面積以上である場合に、凍結予防発電を行うことを特徴とする。
【００１３】
請求項６に記載した発明では、前記凍結予防発電工程の後、前記カソードから排出された酸化剤を、酸化剤循環路（例えば、実施形態におけるカソードガス循環流路６５）を介して前記カソードの入口側に戻してカソードガス循環発電を行うカソードガス循環処理工程を有していることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載した発明では、凍結予防発電を行った後の前記燃料電池の起動時に、蓄電装置の残容量を把握するＳＯＣ把握工程と、前記残容量が所定値以上の場合、前記燃料電池の発電前に前記蓄電装置の電力を放電することで、前記蓄電装置の残容量を低下させるＳＯＣ低減工程と、を有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載した発明によれば、凍結予想した場合に凍結予防発電を行い、燃料電池を暖気することで、燃料電池内が凍結する前に燃料電池内を暖めることが可能になる。これにより、燃料電池内での生成水の凍結を予防して、次回起動時における発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図ることができる。
【００１６】
請求項２に記載した発明によれば、凍結予防発電時において、所定時間内で目標昇温温度まで昇温させるため、燃料電池の停止後の発電によるＮＶ性能や商品性の悪化を抑制できるとともに、燃料電池の劣化を抑制して、燃料電池の長寿命化を図ることができる。
【００１７】
請求項３に記載した発明によれば、燃料電池の凍結回数が所定回数以上の場合に燃料電池の凍結予防発電を行うことで、凍結予防発電の回数を最低限に抑えることができる。そのため、次回起動時の発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図った上で、凍結予防発電による燃費の増大を抑制できる。
【００１８】
請求項４に記載した発明によれば、燃料電池の凍結頻度が所定の間隔以下の場合に燃料電池の凍結予防発電を行うことで、凍結予防発電の回数を最低限に抑えることができる。そのため、次回起動時の発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図った上で、凍結予防発電による燃費の増大を抑制できる。
【００１９】
請求項５に記載した発明によれば、凍結予防発電を最低限に抑えることができるため、次回起動時の発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図った上で、凍結予防発電による燃費の増大を抑制できる。
【００２０】
ところで、従来の燃料電池システムでは、ソーク中におけるカソードからアノードへのカソードガスの透過（クロスオーバー）等に起因して、次回起動時に、アノード側及びカソード側がそれぞれ酸化剤（例えば、空気）で満たされた状態から起動させる場合がある（いわゆる、エア−エア起動）。
ここで、エア−エア起動時について説明する。図７は、燃料電池システムのエアーエア起動時におけるアノード及びカソードの各系内の入口側及び出口側の電位の変化の例を示す図である。
図７に示すように、エア−エア起動時にアノードにアノードガスとして水素が供給されると、アノードのうち、入口側は速やかに燃料（例えば、水素）で満たされるものの、出口側は入口側に比べて燃料に置換されるまでの時間が長い。そのため、アノード側では、単位セル面内の入口側から出口側に向かうに従い水素濃度が低くなる濃度勾配ができる。
【００２１】
この場合、アノードの入口側では、水素のイオン化（Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−）によってアノード電位（入口側）がゼロに低下する。そして、カソードの入口側では、電解質膜を介してアノードからカソードへと移動した水素イオンと、カソードの系内に存在する酸素と、電子と、による電気化学反応（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）の理論起電力（＝１．２３Ｖ）によってカソード電位（入口側）がほぼ１Ｖに維持される。
そのため、アノードの入口側とカソードの入口側との電位差は、ほぼ１Ｖになる。
一方、アノードの出口側に空気が残留している場合（水素による置換が未完了である場合）、アノード側とカソード側とがそれぞれ空気で満たされた状態になるため、アノード電位とカソード電位との電位差が０Ｖになるはずである。
ところが、燃料電池では、導電性部材（例えば、セパレータ等）の影響により単位セル面内で電位差（例えば、１Ｖ）が等しくなるように作用するため、カソード電位（出口側）が入口側に比べて高電位（例えば、２Ｖ）になる。
【００２２】
そして、単位セルの出口側が高電位になると、触媒（例えば、白金担持カーボン等）のカーボンが酸化してＣＯ２に変換されたり、白金が溶出したりする等、電解質膜の劣化に繋がるという問題がある。
【００２３】
そこで、請求項６に記載した発明によれば、凍結予防発電の終了後、カソードガス循環発電を行っているため、カソード系内を窒素リッチな雰囲気にした後に、燃料電池の発電が停止することになる。そのため、次回起動時にエア−エア起動になるのを防ぎ、次回起動時の発電安定性や燃料電池の劣化抑制を確実に図ることができる。
【００２４】
請求項７に記載した発明によれば、次回起動時におけるディスチャージ処理による充電分を確保できるので、燃料電池システムを問題なく起動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１実施形態における燃料電池システムの停止方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】燃料電池システムのソーク中において、時間に対するスタック温度の変化を示すグラフである。
【図４】第２実施形態における燃料電池システムの停止方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】燃料電池システムのソーク中において、時間に対するスタック温度の変化を示すグラフである。
【図６】従来における燃料電池システムのソーク中において、時間に対する燃料電池のスタック温度の変化を示すグラフである。
【図７】燃料電池システムのエアーエア起動時におけるアノード及びカソードの各系内の入口側及び出口側の電位の変化の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
（燃料電池システム）
図１は燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、例えば燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）と、燃料電池２にカソードガス（酸化剤）である空気を供給するためのカソードガス供給手段３と、アノードガス（燃料）である水素を供給するためのアノードガス供給手段４と、これら各構成品を統括的に制御するＩＳＵ５と、を主に備えている。また、燃料電池システム１には、外気温Ｔｏｕｔを検知する外気温センサ２１が設置されている。外気温センサ２１では、検知された外気温Ｔｏｕｔに応じた電気信号をＩＳＵ５に向けて出力する。
【００２７】
燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、固体高分子型の電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体（ＭＥＡ）が形成され、このＭＥＡの両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。
【００２８】
燃料電池２には、燃料電池２内の温度（以下、スタック温度Ｔｆｃという）を検知する温度センサ２２が設置されている。温度センサ２２では、検知されたスタック温度Ｔｆｃに応じた電気信号をＩＳＵ５に向けて出力する。
【００２９】
（カソードガス供給手段）
カソードガス供給手段３は、燃料電池２のカソードに向けてカソードガスが流通するカソードガス供給流路３１を備えている。カソードガス供給流路３１の上流側には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのエアコンプレッサ３２が接続されている。
また、カソードガス供給流路３１の下流側は、カソードガス入口封止弁３４に接続された後、燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソード流路３３に接続されている。
【００３０】
カソード流路３３の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電や凝縮によって燃料電池２で生成された生成水が流通するカソードオフガス排出流路３５が接続されている。
カソードオフガス排出流路３５は、カソードオフガス出口封止弁３６に接続された後、下流側で希釈ＢＯＸ７５等に接続されている。各封止弁３４，３６は電磁駆動式の封止弁であり、各封止弁３４，３６間、すなわちカソード流路３３内にカソードガスを封止できるように構成されている。
【００３１】
そして、エアコンプレッサ３２によって送出されるカソードガスは、カソードガス供給流路３１を通過した後、燃料電池２のカソード流路３３に供給される。そして、カソード流路３３において、カソードガス中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出流路３５に排出される。カソードオフガス排出流路３５に排出されたカソードオフガスは、希釈ＢＯＸ７５を通過した後、車外へと排気される。
【００３２】
また、カソードガス供給流路３１におけるカソードガス入口封止弁３４よりも上流側には、カソードガス供給流路３１から分岐した燃料電池バイパス流路３７が設けられている。この燃料電池バイパス流路３７は、バイパス弁３８を介して、カソードオフガス排出流路３５におけるカソードオフガス出口封止弁３６の下流側に接続されている。
【００３３】
カソードガス供給流路３１のうち、燃料電池バイパス流路３７よりも上流側には、カソードガス供給流路３１から分岐した掃気流路６１が設けられている。この掃気流路６１は、掃気弁６２を介して後述するアノードガス供給流路４２に接続されている。これにより、掃気流路６１を介してアノードガス供給流路４２にカソードガスを導入可能になっている。
掃気流路６１における掃気弁６２よりも上流側には、掃気流路６１から分岐した希釈流路６３が設けられている。希釈流路６３は、図示しない開閉弁を介して希釈ＢＯＸ７５に接続されている。
【００３４】
カソードオフガス排出流路３５におけるカソードオフガス出口封止弁３６の上流側には、カソードオフガス排出流路３５から分岐したカソードガス循環流路（酸化剤循環路）６５が設けられている。カソードガス循環流路６５は、カソードガス循環ポンプ６６を介してカソードガス供給流路３１におけるカソードガス入口封止弁３４の下流側に接続されている。
カソードガス循環ポンプ６６は、通常は停止しており、例えば燃料電池システム１のシステムスイッチ（例えば、イグニッション）がＯＦＦ操作された後のカソードガス循環発電時に駆動する。そして、カソードガス循環ポンプ６６は、燃料電池２のカソード流路３３から排出されたカソードオフガスを循環させ、エアコンプレッサ３２から送出されるカソードガスに混合して、燃料電池２のカソードに再び供給する。
【００３５】
（アノードガス供給手段）
アノードガス供給手段４は、アノードガスが充填された水素タンク４１（Ｈ２タンク）を備えている。水素タンク４１には、燃料電池２にアノードガスを供給するためのアノードガス供給流路４２が接続されている。アノードガス供給流路４２は、上流側から順にガス供給弁４３、遮断弁４４、燃料インジェクタ４５に接続され、燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノード流路４６に接続されている。
【００３６】
燃料インジェクタ４５は、ＩＳＵ５からの出力信号により駆動が制御され、アノードガスがアノード流路４６に向けて所定の周期で間欠的に供給されるようになっている。
【００３７】
アノード流路４６の出口側には、燃料電池２で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードオフガス流路４７が接続されている。アノードオフガス流路４７は、アノードガス供給流路４２における燃料インジェクタ４５の下流側に接続されている。
【００３８】
また、アノードオフガス流路４７には、パージ弁７１を備えたパージ流路７２と、ドレイン弁７３を備えたドレイン流路７４と、が図示しない気液分離器を介して設けられている。気液分離器は、燃料電池２のアノード流路４６から排出されたアノードオフガスに含まれる水分を捕集して、アノードオフガスと水分とに分離するものである。
【００３９】
パージ弁７１は、所定の条件が満たされたときに開くことで、気液分離器で分離されたアノードオフガスや、アノードオフガス中に含まれる不純物が、パージ流路７２を通って希釈ＢＯＸ７５へ排出される。
ドレイン弁７３は、気液分離器に所定量の水が溜まったときに開くことで、気液分離器に溜まった水がドレイン流路７４を通って希釈ＢＯＸ７５に排出される。
【００４０】
希釈ＢＯＸ７５は、パージ流路７２及びドレイン流路７４から導入されたアノードオフガスが滞留する滞留室が内部に設けられるとともに、この滞留室に排出流路７６が接続されている。すなわち、滞留室内において、アノードオフガスはカソードオフガスにより希釈された後、排出流路７６から車外に排出される。なお、希釈ＢＯＸ７５には、パージ流路７２から導入されたアノードオフガスの濃度に基づいて、カソードオフガスが供給されるようになっている。
【００４１】
（ＩＳＵ）
ＩＳＵ５は、カソードガス循環処理手段５１、冬季判定手段５２、凍結予想手段５３、及び凍結予防発電処理手段５４を主に備えている。
カソードガス循環処理手段５１は、燃料電池システム１がＯＦＦ操作されたと判定した場合、及び後述する凍結予防発電が行われた場合に、カソードガス循環発電を実行する。カソードガス循環発電とは、燃料電池２のカソード系内に残存する酸素を消費して酸素濃度を低下させる酸素欠乏発電の一つであり、カソード系内の酸素濃度をゼロに近付け、窒素リッチな環境とする処理である。これにより、次回の燃料電池システム１の起動時にカソード側が高電位状態になるのを防止し、燃料電池２の電解質膜の劣化を防止する。なお、カソードガス循環発電の具体的な方法については、後述する。
【００４２】
冬季判定手段５２は、例えば外気温センサ２１により検出された外気温Ｔｏｕｔの最低温度が、所定温度ＴＬ（例えば、０℃＋α）以下の場合（Ｔｏｕｔ≦ＴＬ）に、冬季であると判定する。なお、冬季判定の方法としては、外気温センサ２１を用いる場合に限らず、ＧＰＳによる位置情報や、日付、時間情報に基いて外気温を予想し、この外気温予想値が所定温度ＴＬよりも低い場合に冬季であると判定しても構わない。
【００４３】
凍結予想手段５３は、燃料電池システム１の停止時に温度センサ２２により検知される燃料電池２のスタック温度Ｔｆｃに基づいて、燃料電池２内の生成水が凍結する虞がある否かの凍結予想を行う。具体的に、凍結予想手段５３には、凍結予想温度Ｔｉが記憶されており、スタック温度Ｔｆｃが凍結予想温度Ｔｉを下回っている場合に、凍結予想を行う。
【００４４】
凍結予防発電処理手段５４は、凍結予想手段５３により凍結予想が行われた場合に、燃料電池２内を発電により暖気する凍結予防発電処理を実行する。
【００４５】
（燃料電池システムの停止方法）
次に、上述した燃料電池システム１の停止方法として、システムスイッチのＯＦＦ操作後におけるＲＴＣ制御（所定時間毎に一時的にＩＳＵ５を起動させて行う制御）について説明する。図２は本実施形態の燃料電池システムの停止方法を説明するためのフローチャートであり、図３はソーク中における時間に対するスタック温度の変化を示すグラフである。
まず、図３に示すように、燃料電池２のスタック温度Ｔｆｃは、燃料電池システム１がＯＦＦ操作（図３中時間ｔ０）され、停止処理としてカソードガス循環発電が行われた後、時間経過とともに低下していく。
【００４６】
そこで、本実施形態では、図２、図３に示すように、ステップＳ１において、冬季であるか否かの判定を行う（最低温度推測工程）。具体的に、冬季判定手段５２は、外気温センサ２１により検出された外気温Ｔｏｕｔが、所定温度ＴＬ以下であるか否かを判定する（Ｔｏｕｔ≦ＴＬ）。
ステップＳ１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔｏｕｔ≦ＴＬの場合）、冬季であると判定してステップＳ２に進む。
一方、ステップＳ１の判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｔｏｕｔ＞ＴＬの場合）、冬季ではない、すなわち外気温Ｔｏｕｔが十分に高く、凍結の虞はないと判定して、本ルーチンを終了する。
【００４７】
次に、ステップＳ２において、燃料電池２内で凍結の虞があるか否かの判定を行う（温度検知工程、及び凍結予想工程）。具体的に、凍結予想手段５３は、燃料電池２のスタック温度Ｔｆｃが凍結予想温度Ｔｉを下回っているか否かを判定する（Ｔｆｃ＜Ｔｉ）。
ステップＳ３の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔｆｃ＜Ｔｉの場合）、燃料電池２内の凍結予想を行い、ステップＳ３に進む（例えば、図３中時間ｔ３）。
一方、ステップＳ３の判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｔｆｃ≧Ｔｉの場合）、スタック温度Ｔｆｃが十分に高く、凍結の虞はないと判定して、本ルーチンを終了する。
【００４８】
ステップＳ３において、凍結予防発電処理手段５４により凍結予防発電を開始する（凍結予防発電工程）。
まず、ステップＳ４において、凍結予防発電処理手段５４は、外気温Ｔｏｕｔに基づいて凍結予防発電処理後の燃料電池２の目標温度Ｔｓを設定する。具体的に、凍結予防発電処理手段５４は、例えば外気温Ｔｏｕｔと目標温度Ｔｓとの関係を示すマップ等を用い、外気温Ｔｏｕｔが高くなるに従い目標温度Ｔｓが低くなるように、目標温度Ｔｓを設定する。なお、目標温度Ｔｓは、昇温後（凍結予防発電後）には燃料電池２が反応しないような温度（例えば、４０℃程度）に設定することが好ましい。これは、凍結予防発電により燃料電池２を高温（例えば、８０℃程度）まで昇温すると、昇温後、スタック温度Ｔｆｃが再び低下するまでの間での燃料電池２の反応量が多く、燃料電池２の劣化に繋がる虞があるためである。
また、目標温度Ｔｓの設定は、ＧＰＳによる位置情報や、日付、時間情報に基いて行うことも可能である。この場合は、位置情報や、日付、時間情報に基いて今後の外気温予想値を推定し、外気温Ｔｏｕｔの上昇が推定される場合には目標温度Ｔｓを低下させるように設定する。
【００４９】
次に、ステップＳ５において、凍結予防発電処理手段５４は、スタック温度Ｔｆｃと目標温度Ｔｓとに基づいて、所定時間（図中時間ｔ３〜ｔ４間）内で目標温度Ｔｓに到達可能な目標発電量（電流値）を設定する。そして、凍結予防発電処理手段５４により設定された目標発電量に基づいて、アノードガス及びカソードガスが所望の目標値（圧力や流量等）で燃料電池２に供給されることで、凍結予防発電が実行される。これにより、図３に示すように、燃料電池２が発電により暖気され、スタック温度Ｔｆｃが上昇する。なお、所定時間は、商品性やＮＶ性能、燃料電池２の劣化抑制等の観点から設定する（例えば、３分程度）。
【００５０】
ここで、本実施形態の凍結予防発電では、アノードやカソードのストイキを調整したり、各反応ガスの圧力を低下させたりすることで、凍結予防発電の前後で蓄電装置（不図示）のＳＯＣ（残容量）が変化しないように、燃料電池２の発電を制御することが好ましい。つまり、燃料電池２の発電量をグロス出力Ｗ１とし、グロス出力Ｗ１を得るために必要不可欠な補機（例えば、燃料電池２のカソードにカソードガスを供給するためのエアコンプレッサ３２等）の消費電力をＷ２とし、燃料電池のグロス出力Ｗ１から補機の消費電力Ｗ２を引いた電力を燃料電池のネット出力Ｗ３としたときに（Ｗ３＝Ｗ１−Ｗ２）、ネット出力Ｗ３がゼロとなるように、燃料電池２の発電を制御する。
【００５１】
次に、図２、図３に示すように、ステップＳ６において、凍結予防発電処理手段５４により凍結予防発電の終了判定を行う。具体的に、凍結予防発電処理手段５４は、スタック温度Ｔｆｃが目標温度Ｔｓに到達したか否かを判定する。
ステップＳ６の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（Ｔｆｃ≧Ｔｓの場合）、燃料電池２が十分に暖気されたと判定して、ステップＳ７に進む。
一方、ステップＳ６の判定結果が「ＮＯ」の場合（Ｔｆｃ＜Ｔｓの場合）、未だ目標温度Ｔｓに到達していないと判定して、ステップＳ８に進む。
【００５２】
ステップＳ８において、凍結予防発電処理手段５４は、現在のスタック温度Ｔｆｃをフィードバックすることで、所定時間のうち残り時間で目標温度Ｔｓに到達するように、目標発電量を持ち替える。その後、所定時間内で燃料電池２が目標温度Ｔｓに到達するまで、ステップＳ６，Ｓ８のルーチンを繰り返す。
一方、ステップＳ７において、凍結予防発電を終了する（例えば、図３中時間ｔ４）。
【００５３】
その後、ステップＳ９において、カソードガス循環処理手段５１により酸素欠乏発電としてカソードガス循環発電を行う。具体的に、カソードガス循環発電は、カソードオフガス出口封止弁３６を閉弁し、カソードガス入口封止弁３４を開弁したまま、燃料電池バイパス流路３７のバイパス弁３８を開弁する。この状態で、エアコンプレッサ３２を継続して駆動させるとともに、カソードガス循環ポンプ６６を駆動する。これにより、燃料電池２のカソード流路３３から排出されたカソードオフガスが循環して、エアコンプレッサ３２から送出されるカソードガスの一部に混合して、燃料電池２のカソードに再び供給される。これにより、カソードオフガス中に残留する酸素は、燃料電池２のカソードから排出されるカソードオフガスをカソード流路３３に循環して発電している間に減少していくので、カソードオフガス中の酸素濃度を低下させることができる。
【００５４】
なお、カソードガス循環発電が完了したか否かの判断は、例えば、燃料電池２から排出されるカソードオフガスの酸素濃度を酸素センサ（不図示）で検出し、酸素濃度が所定値以下に達したときにカソードガス循環発電が完了したと判断してもよいし、カソードガス循環発電の継続時間が予め設定した所定時間に達したときに完了したと判断してもよい。また、カソードガス循環発電開始からの積算電流値に基づいてカソードガス循環発電の完了判断を行っても構わない。すなわち、カソードオフガス出口封止弁３６を閉弁した状態でのカソード系内の酸素量は、カソード系内の配管容積等からある程度把握することができるので、把握した酸素量分を消費できる積算電流値に達したか否かでカソードガス循環発電の完了判断を行うことが可能である。
これにより、カソードガス循環発電の完了時には、燃料電池２のカソード系内は窒素リッチな雰囲気となる。
以上により、本ルーチンを終了する。
【００５５】
なお、上述したルーチンは、燃料電池システム１の次回起動時まで繰り返し行う。図３に示すグラフでは、燃料電池システム１の次回起動時までの間に上述した凍結予防発電を２回行っている（例えば、図３中時間ｔ３〜ｔ４、及びｔ５〜ｔ６）。
【００５６】
このように、本実施形態では、燃料電池２内の凍結の虞があると判定された場合に、ソーク中に凍結予防発電を行い、燃料電池２を暖気することで、燃料電池２内が凍結する前に燃料電池２内を暖めることが可能になる。これにより、燃料電池２内での生成水の凍結を予防して、次回起動時における発電安定性の向上や、燃料電池２の劣化抑制を図ることができる。
また、凍結予防発電時において、所定時間内で目標温度Ｔｓまで昇温させるため、燃料電池２の停止後の発電によるＮＶ性能や商品性の悪化を抑制できるとともに、燃料電池の劣化を抑制して、燃料電池２の長寿命化を図ることができる。
【００５７】
さらに、本実施形態では、燃料電池システム１のＯＦＦ操作後、及び凍結予防発電の終了後、カソードガス循環発電を行っているため、カソード系内を窒素リッチな雰囲気にした後に、燃料電池２の発電が停止することになる。そのため、次回起動時にエア−エア起動になるのを防ぎ、次回起動時の発電安定性や燃料電池２の劣化抑制を確実に図ることができる。
【００５８】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図４は第２実施形態における燃料電池システムの停止方法を説明するためのフローチャートであり、図５は燃料電池システムのソーク中において時間に対するスタック温度の変化を示すグラフである。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の部分については、説明を省略する。
図４、図５に示すように、ステップＳ１１において、上述したステップＳ１と同様に冬季であるか否かの判定を行う。
そして、ステップＳ１１の判定結果が「ＹＥＳ」の場合はステップＳ１２に進み、ステップＳ１１の判定結果が「ＮＯ」の場合は本ルーチンを終了する。
【００５９】
次に、ステップＳ１２において、燃料電池２内の凍結回数が年間で所定回数以上であるか否かを判定する（凍結回数把握工程）。具体的には、燃料電池２のスタック温度Ｔｆｃが凍結温度Ｔｃを下回った場合に、燃料電池２内が凍結していると推定し、燃料電池２の年間での凍結回数をカウントする。そして、カウントされた凍結回数に基づいて、凍結予防発電の要否を判定する。
【００６０】
ステップＳ１２の判定結果が「ＹＥＳ」の場合（凍結回数が所定回数以上の場合）、例えば冬季の後半等、燃料電池２内が既に何度も凍結しており、凍結予防発電の必要があると判定して、ステップＳ１３に進む。
一方、ステップＳ１２の判定結果が「ＮＯ」の場合（凍結回数が所定値未満の場合）、例えば冬季の前半等、燃料電池２内の凍結を未だあまり経験しておらず、凍結予防発電の必要はないと判定して、本ルーチンを終了する。
【００６１】
次に、ステップＳ１３において、凍結予想手段５３は、スタック温度Ｔｆｃの単位時間当たりの温度低下速度Ｔｑが所定速度（凍結予想温度低下速度）以上であるか否かを判定する。すなわち、図５中破線に示すように、冬季以外の場合等、ソーク中の温度低下速度Ｔｑが通常の速度（所定速度未満）の場合には、次回起動時や次回温度上昇時（例えば、朝方や昼間）までに凍結する虞はないと判断することができる。一方、図５中実線に示すように、温度低下速度Ｔｑが所定速度以上の場合（例えば、夜間等）には、次回起動時や次回温度上昇時までに凍結する虞があると判断して、凍結予想を行う。
【００６２】
ステップＳ１３における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（温度低下速度Ｔｑが所定速度以上の場合）、スタック温度Ｔｆｃが急低下しているため、燃料電池２内の凍結予想を行い、ステップＳ１４に進む。
一方、ステップＳ１３における判定結果が「ＮＯ」の場合（温度低下速度Ｔｑが所定速度未満の場合）、凍結の虞はないと判定して、本ルーチンを終了する。
【００６３】
続いて、ステップＳ１４において、外気温Ｔｏｕｔや、位置情報、日付、時間情報等に基いて今後のスタック温度Ｔｆｃの推定低下速度を推定する。例えば、朝方や昼間等のように、外気温Ｔｏｕｔが今後上昇傾向にある場合（図中時間ｔ８以降）は推定低下速度を低く、夜間等のように外気温Ｔｏｕｔが今後減少傾向にある場合（図中時間ｔ７前）は推定低下速度を高く推定する。
【００６４】
次に、ステップＳ１５において、上述したステップＳ１４で推定した推定低下速度に基づいて、凍結予防発電の要否を判定する。
ステップＳ１５における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（例えば、推定低下速度が所定の推定低下速度閾値以上である場合等）、凍結の虞があると判定して、ステップＳ１６に進む。
ステップＳ１５における判定結果が「ＮＯ」の場合（例えば、推定低下速度が所定の推定低下速度閾値未満である場合等）、凍結の虞はないと判定して、本ルーチンを終了する。
【００６５】
続いて、ステップＳ１６において、上述したステップＳ３と同様の方法により、凍結予防発電を開始する（図５中時間ｔ７）。
その後、ステップＳ１７において、凍結予防発電の終了判定を行い、その判定結果が「ＹＥＳ」の場合はステップＳ１８に進み、「ＮＯ」の場合は、ステップＳ１７のルーチンを繰り返す。
【００６６】
そして、ステップＳ１８において、凍結予防発電を終了した後（図５中時間ｔ８）、ステップＳ１９において、酸素欠乏発電としてカソードガス循環発電を行う。
以上により、本ルーチンを終了する。
【００６７】
本実施形態によれば、上述した第１実施形態と同様の作用効果を奏するとともに、燃料電池２の凍結回数が所定回数以上の場合に燃料電池２の凍結予防発電を行うことで、凍結予防発電の回数を最低限に抑えることができる。そのため、次回起動時の発電安定性の向上や、燃料電池２の劣化抑制を図った上で、凍結予防発電による燃費の増大を抑制できる。
【００６８】
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、上述した第１実施形態では、スタック温度Ｔｆｃに基づいて凍結予想を行う構成について説明したが、これに限らず、スタック温度Ｔｆｃの温度低下速度Ｔｑに基づいて凍結予想を行う構成にしても構わない。同様に、第２実施形態において、スタック温度Ｔｆｃに基づいて凍結予想を行う構成にしても構わない。
【００６９】
さらに、上述した実施形態では、酸素欠乏発電としてカソードガス循環発電を行う構成について説明したが、これに限らず、酸素リーン発電、ディスチャージ発電等によっても同様の効果を奏することが可能である。なお、酸素リーン発電とは、カソードオフガス出口封止弁３６を開弁するとともに、カソードガス循環ポンプ６６を駆動させないで、燃料電池２への供給空気量を通常の発電時よりも少なくした状態で発電する方法である。つまり、酸素リーン発電は、カソードストイキを通常の発電よりも低くした発電方法である。また、ディスチャージ発電とは、バッテリやモータ、各種補機等に燃料電池２の電力を放電する方法である。
また、上述した実施形態では、外気温センサ２１により検出された外気温Ｔｏｕｔが、所定温度ＴＬ以下の場合に冬季判定を行う構成について説明したが、これに限られない。
【００７０】
さらに、上述した第２実施形態では、年間の凍結回数が所定回数以上の場合に凍結予防発電を行う構成としたが、これに限らず、燃料電池システム１の積算の凍結回数に基づいて凍結予防発電を行う構成にしても構わない。また、燃料電池２内の凍結頻度（前回凍結した時点から今回凍結した時点までの間隔）が、所定の頻度以下である場合に凍結予防発電を行う構成にしても構わない（凍結頻度把握工程）。
【００７１】
また、燃料電池２が凍結した場合のインピーダンスに基づいて燃料電池２面内での凍結面積（凍結度合い）を推定し、推定した凍結面積が所定値以上の場合に凍結予防発電を行う構成にしても構わない（凍結面積推定工程）。この場合、インピーダンスが高いほど、燃料電池２内での凍結面積が大きいと推定できる。
この構成によれば、凍結予防発電を最低限に抑えることができるため、次回起動時の発電安定性の向上や、燃料電池の劣化抑制を図った上で、凍結予防発電による燃費の増大を抑制できる。
【００７２】
ところで、燃料電池システム１では、起動直後の初期発電時（通常発電の移行前）に燃料電池２で発電した電力を蓄電装置へ充電するディスチャージ処理を行う場合がある。この場合、蓄電装置には、次回起動時に行われるディスチャージ処理で蓄電装置に充電される容量分を空き容量として確保した状態で、燃料電池システム１を停止させる必要がある。
しかしながら、本実施形態では、上述した凍結予防発電やカソードガス循環発電等によって、燃料電池システム１の停止前後でバッテリのＳＯＣが増加する場合があり、次回起動時にディスチャージ処理により充電するための空き容量が蓄電装置に確保されていない虞がある。
【００７３】
そこで、凍結予防発電を行った後に燃料電池システム１を起動させる場合に、蓄電装置のＳＯＣを把握するＳＯＣ把握工程と、把握したＳＯＣが所定値以上の場合にＳＯＣを低減させるＳＯＣ低減工程と、を行うことが好ましい。具体的には、把握したＳＯＣが所定値以上の場合、すなわち蓄電装置の残容量がディスチャージ処理で蓄電装置に充電される容量よりも少ない場合には、補機消費等により蓄電装置の電力を放電する。
この構成によれば、次回起動時におけるディスチャージ処理による充電分を確保できるので、燃料電池システム１を問題なく起動させることができる。
【００７４】
また、上述した実施形態では、燃料電池システム１の停止後、及び凍結予防発電の終了後、カソードガス循環発電を行う構成について説明したが、カソードガス循環発電を行わない構成にしても構わない。
【００７５】
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。
【符号の説明】
【００７６】
１…燃料電池システム  ２…燃料電池スタック（燃料電池）  ６５…カソードガス循環流路（酸化剤循環路）  Ｔｃ…凍結温度  Ｔｆｃ…スタック温度  Ｔｉ…凍結予想温度  ＴＬ…所定温度  Ｔｏｕｔ…外気温  Ｔｑ…低下速度（スタック温度低下速度）  Ｔｓ…目標温度（目標昇温温度）
【図１】
2014035820.tif 000003
【図２】
2014035820.tif 000004
【図３】
2014035820.tif 000005
【図４】
2014035820.tif 000006
【図５】
2014035820.tif 000007
【図６】
2014035820.tif 000008
【図７】
2014035820.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月19日(2012.11.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２】
2014035820.tif 000010
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2014035820.tif 000011