(57)【要約】【課題】  燃料電池内の凍結を防止すること。また、加湿器が凍結した場合にも、必要量の反応ガスを燃料電池に供給可能にすること。【解決手段】  空気と水素の供給を受けて発電する燃料電池２０と、燃料電池２０に供給される圧縮されて昇温した空気を冷却するインタークーラー（熱交換部）３とを備えた燃料電池システムにおいて、制御部５０は、燃料電池２０内の水分を減らすべきか否かを判定し、その判定結果が肯定的な場合には、空気の熱交換量を低減する。この熱交換量の低減は、インタークーラー３をバイパスするバイパス流路１０に空気の少なくとも一部を流すことにより行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮された反応ガスが熱交換部で熱交換されてから燃料電池に供給される燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池内の水分を減らすべきか否かを判定し、その判定結果が肯定的な場合に前記反応ガスの熱交換量を低減させる制御部を備えた、燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱交換部をバイパスする熱交換部バイパス流路を更に備え、
前記熱交換量の低減は、前記反応ガスの少なくとも一部を前記熱交換部バイパス流路に流すことにより行われる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の駆動停止指令を検知した場合に、前記燃料電池内の水分を減らすべきと判定する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
次回始動時に前記燃料電池が凍結すると予測した場合に、前記燃料電池内の水分を減らすべきと判定する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記反応ガスを加湿する加湿部を更に備え、
前記判定結果が肯定的な場合に、前記熱交換量の低減とともに前記加湿部による加湿量も低減する、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿部をバイパスする加湿部バイパス流路を更に備え、
前記加湿量の低減は、前記反応ガスの少なくとも一部を前記加湿部バイパス流路に流すことにより行われる、請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記判定は、外気温に基づいて行われる、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記判定は、前記燃料電池に供給される反応ガスの温度及び湿度に基づいて行われる、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記判定は、前記燃料電池から排出された反応ガスのオフガスの温度及び湿度に基づいて行われる、請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
反応ガスが加湿部で加湿されてから燃料電池に供給される燃料電池システムにおいて、
前記加湿部をバイパスする加湿部バイパス流路と、
前記加湿部の凍結が検知された場合に、前記反応ガスの少なくとも一部を前記加湿部バイパス流路に流す制御部と、を備えた燃料電池システム。
【請求項１１】
前記凍結の検知は、前記加湿部に流入する反応ガスの圧力に基づいて行われる、請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記凍結の検知は、外気温に基づいて行われる、請求項１０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、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特に、燃料電池内の凍結防止と加湿部の凍結防止に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、酸化ガスと燃料ガスを用いた電気化学反応により発電が行われる。燃料電池に供給される酸化ガスは、適度に加湿され、かつ冷却されて酸化ガス密度が高いことが発電効率を向上させる上で望ましい。しかしながら、燃料電池内あるいはガス供給系の水分が高まると、この水分が運転停止後に凍結して再始動が困難になる虞がある。
【０００３】
特許文献１には、ガス供給系に加湿器を有する燃料電池システムにおいて、駆動停止時にガスの加湿をやめる技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−３３２２８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この特許文献１に開示の技術では、（１）燃料電池から生成水を外部に排出する手段を持たないため、駆動停止後に燃料電池が凍結する虞を十分に払拭することはできない。（２）また、駆動停止後に加湿器が凍結してしまう場合があり、かかる場合には、反応ガスの流路が閉塞されるために十分な反応ガスを燃料電池に供給することができなくなる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、燃料電池内の凍結防止に有効な燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、加湿部が凍結した場合にも、必要量の反応ガスを燃料電池に供給可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、圧縮された反応ガスが熱交換部で熱交換されてから燃料電池に供給される燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内の水分を減らすべきか否かを判定し、その判定結果が肯定的な場合に前記反応ガスの熱交換量を低減させる制御部を備える。
【０００７】
この構成によれば、熱交換量が低減することで、燃料電池に供給される反応ガスの温度が上昇する。この温度上昇により、燃料電池内の水分が蒸気として外部に排出されやすくなり、駆動停止後の凍結を防止することができる。また、燃料電池内の過剰な水分により発生するフラッディングを防止することもできる。
【０００８】
さらに、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給系（配管、該配管に配設された弁類や補機類等）の凍結を防止することができる。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記熱交換部をバイパスする熱交換部バイパス流路を更に備え、前記熱交換量の低減は、前記反応ガスの少なくとも一部を前記熱交換部バイパス流路に流すことにより行ってもよい。
【００１０】
この構成によれば、反応ガスが熱交換部をバイパスすることで、熱交換量が低減される。反応ガスを熱交換部と熱交換部バイパス流路とのいずれか一方に切り替えてもよいし、熱交換部バイパス流路に流す反応ガスの流量を制御してもよい。前者の場合は、全反応ガスが熱交換部を経ずに燃料電池に供給され、後者の場合は、反応ガスの一部が熱交換部を経ずに燃料電池に供給される。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池の駆動停止指令を検知した場合に、前記燃料電池内の水分を減らすべきと判定してもよい。
【００１２】
この構成によれば、駆動停止後に燃料電池内に残留した水分によって発生する虞のある凍結を防止することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいては、次回始動時に前記燃料電池が凍結すると予測した場合に、前記燃料電池内の水分を減らすべきと判定してもよい。
【００１４】
この構成によれば、次回始動時に燃料電池内に残留した水分によって発生する虞のある凍結を防止することができる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記反応ガスを加湿する加湿部を更に備え、前記判定結果が肯定的な場合に、前記熱交換量の低減とともに前記加湿部による加湿量も低減してもよい。
【００１６】
この構成によれば、反応ガスの加湿量を低減することで、燃料電池に乾燥した反応ガスが供給され、燃料電池への水分持込量が減る。これにより、加湿部を備えた燃料電池システムにおいても、燃料電池の駆動停止後の凍結を効果的に防止することができる。加湿量の低減は、例えば上記熱交換部と同様に加湿部をバイパスさせてもよいし、反応ガスのオフガスを燃料電池に循環させることによって加湿量を制御することが可能な構成においては、オフガス循環量を調整してもよい。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記加湿部をバイパスする加湿部バイパス流路を更に備え、前記加湿量の低減は、前記反応ガスの少なくとも一部を前記加湿部バイパス流路に流すことにより行ってもよい。
【００１８】
この構成によれば、反応ガスが加湿部をバイパスすることで、加湿部を備えた燃料電池システムにおける反応ガスの加湿量は低減される。反応ガスを加湿部と加湿部バイパス流路とのいずれか一方に切り替えてもよいし、加湿部バイパス流路に流す反応ガスの流量を制御してもよい。前者の場合は、全反応ガスが加湿部を経ずに燃料電池に供給され、後者の場合は、反応ガスの一部が加湿部を経ずに燃料電池に供給される。
【００１９】
なお、この加湿部バイパス流路と上記熱交換部バイパス流路は、加湿部と上記熱交換部の双方をバイパスする一本のバイパス流路で構成されていてもよい。
【００２０】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記判定を外気温に基づき行ってもよい。
【００２１】
この構成においては、外気温と、予め定めた凍結危険温度とを比較し、外気温が凍結危険温度以下に低下している場合は熱交換量を減らす。
【００２２】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記判定を前記燃料電池に供給される反応ガスの温度及び湿度に基づき行ってもよい。
【００２３】
この構成によれば、燃料電池に供給される反応ガスの温度及び湿度から燃料電池内の水分を減らすべきか否かを判定することにより、より適切なタイミングで熱交換量を低減させることができる。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記判定を前記燃料電池から排出された反応ガスのオフガスの温度及び湿度に基づき行ってもよい。
【００２５】
この構成によれば、燃料電池を通過した反応ガスの温度及び湿度から燃料電池内の水分を減らすべきか否かを判定することにより、より適切なタイミングで熱交換量を低減させることができる。
【００２６】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスが加湿部で加湿されてから燃料電池に供給される燃料電池システムにおいて、前記加湿部をバイパスする加湿部バイパス流路と、前記加湿部の凍結が検知された場合に、前記反応ガスの少なくとも一部を前記加湿部バイパス流路に流す制御部と、を備える。
【００２７】
この構成によれば、加湿部が凍結した場合にも、反応ガスが加湿部をバイパスして燃料電池に供給される。反応ガスの流路は、加湿部と加湿部バイパス流路とのいずれか一方に切り替えてもよいし、加湿部バイパス流路に流す反応ガスの流量を制御してもよい。前者の場合は、全反応ガスが加湿部を経ずに燃料電池に供給され、後者の場合は、反応ガスの一部が加湿部を経ずに燃料電池に供給される。
【００２８】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記凍結の検知を前記加湿部に流入する反応ガスの圧力または外気温に基づいて行ってもよい。
【００２９】
この構成においては、加湿部が凍結して流路が閉塞されたことが圧損あるいは外気温に基づき判定される。加湿部バイパス流路に流す反応ガス流量を制御することで、燃料電池の発電と、反応ガスによる加湿部の解氷が可能となる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の燃料電池システムによれば、反応ガスの熱交換量を低減して燃料電池に供給される反応ガスの温度を上昇させることにより、燃料電池を昇温させて燃料電池内の水分を蒸気として外部に排出されやすくしているので、燃料電池の駆動停止後の凍結を防止することができる。さらに、フラッディング対策としても有効である。
【００３１】
また、本発明の燃料電池システムによれば、反応ガスが加湿部をバイパスすることが可能であるから、加湿部が凍結した場合にも、燃料電池に必要量の反応ガスを供給して発電を行わせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を説明する。以下、燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。
【００３３】
＜第１実施形態＞
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池セル（単位セル）を所要数積層してスタックとして構成された燃料電池２０を備えている。燃料電池２０は、酸化ガス（反応ガス）としての空気と燃料ガスとしての水素を用い、電気化学反応によって発電する装置である。
【００３４】
燃料電池２０によって発電された電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００３５】
燃料電池２０には、以下のようにして空気及び水素ガスが供給される。空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を圧縮するコンプレッサＡ３、バイパス弁２、圧縮されて昇温した空気を外気あるいは冷却水等の冷媒（熱交換媒体）と熱交換して冷却するインタークーラー（熱交換部）３、圧力計４、空気に所要の水分を加える加湿器（加湿部）Ａ２１、および三方弁５が設けられている。
【００３６】
バイパス弁２は、後述の制御部５０によって弁開度が制御され、空気を空気供給路７１とバイパス流路１０とに分配する弁である。バイパス弁２の開度を上げると、バイパス流路１０に流れる空気の流量が増大する。バイパス流路１０の終端は、三方弁５に接続されていることにより、バイパス流路１０を流れる空気はインタークーラー３と加湿器Ａ２１とをバイパスすることとなる。
【００３７】
なお、バイパス流路１０は、本発明の熱交換部バイパス流路と加湿部バイパス流路の双方を一本の流路で兼用したものである。また、本実施形態のバイパス弁２は、全開及び全閉の２状態、つまり、バイパスの有無のみを択一的に選択制御する電磁弁等の弁装置や、全開−全閉間で弁開度を例えばリニアに可変制御してバイパス量を調整することができる電磁弁等の弁装置のいずれを採用してもよい。
【００３８】
コンプレッサＡ３は、補機モータによって駆動される電動コンプレッサである。圧力計４は、加湿器Ａ２１の上流側に設けられ、加湿器Ａ２１に流入する空気の圧力を測定する。符号８は、外気温を測定する外気温センサ８であり、例えば車両に搭載される通常の外気温センサが用いられる。
【００３９】
燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、圧力調整弁Ａ４、および加湿器Ａ２１が設けられている。圧力調整弁（減圧弁）Ａ４は、燃料電池２０への供給空気の圧力（空気圧）を設定する調圧器として機能する。コンプレッサＡ３及び圧力調整弁Ａ４が調整されることによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量が設定される。
【００４０】
水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００４１】
燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁（水素供給バルブ）Ｈ１００、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、及び燃料電池２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁（ＦＣ入口弁）Ｈ２１が設けられている。
【００４２】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、燃料電池２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁（ＦＣ出口弁）Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁（逆止弁）Ｈ５２が設けられている。
【００４３】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池２０のアノード側を閉鎖する。水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。
【００４４】
水素循環路７５は、排出制御弁（パージ弁）Ｈ５１を介してパージ流路７６によって排気路７２に接続される。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素オフガスの循環が繰り返されて燃料極側の水素ガスの不純物濃度が増し、セル電圧が低下することを防止することができる。
【００４５】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース、及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成される。
【００４６】
以上のように構成された燃料電池システム１において、制御部５０は、図示しない主制御プログラムで凍結防止動作を指令する命令の発令あるいはフラグが設定された（イベント発生）ことを判別すると、図２に示される外気温による凍結防止用シーケンスに沿った制御を行う。このとき、バイパス弁２は、全閉状態に設定されていて、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気の全量が加湿器Ａ２１を通過するものとする。
【００４７】
この凍結防止用シーケンスでは、まず、ステップＳＴ１にて外気温センサ８の出力を得る。続くステップＳＴ２にて、予め決められた凍結危険温度（例えば、０℃）と、前記外気温センサ８の出力である外気温とを比較する。
【００４８】
外気温が凍結危険温度以下であれば（ステップＳＴ２：ＹＥＳ）、燃料電池２０内の水分を減らすべきと判断し、バイパス弁２を開く（ステップＳＴ３）。これにより、空気は、バイパス弁２からバイパス流路１０に流入し、三方弁５から空気供給路７１に流入する。このとき、空気はインタークーラー３と加湿器Ａ２１をバイパスして燃料電池２０に供給される。
【００４９】
一方、外気温が凍結危険温度よりも高ければ（ステップＳＴ２：ＮＯ）、ステップＳＴ３の処理をスキップする。これにより、バイパス弁２の閉状態は維持される。このとき、空気はインタークーラー３にて熱交換（冷却）された後、加湿器Ａ２１で加湿され、燃料電池２０に供給される。
【００５０】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システム１では、制御部５０が、燃料電池２０内の水分を減らすべきか否かを外気温に基づいて判定し、その判定結果が肯定的である場合、つまり、水分を減らすべきと判定した場合には、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気の全量をバイパス流路１０に流してインタークーラー３をバイパスさせるので、燃料電池２０には、コンプレッサＡ３での圧縮に伴い昇温した空気が流入する。
【００５１】
これにより、燃料電池２０内の水分が蒸気として外部に排出されやすくなり、燃料電池２０の駆動を停止した後の凍結と、燃料電池２０内でのフラッディングの発生を防止することができる。さらに、本実施形態では、インタークーラー３だけでなく加湿器Ａ２１もバイパスさせているので、燃料電池２０への水分持込量が減り、燃料電池２０の凍結をより一層効果的に防止することができる。
【００５２】
＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム１５の概略構成図である。以下、上記の実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００５３】
空気供給路７１には、上記第１実施形態と同様に、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、開度（バイパス量）可変のバイパス弁２、圧縮されて昇温した空気を外気や冷却水等の冷媒と熱交換して冷却するインタークーラー（熱交換部）３、圧力計４、空気に所要の水分を加える加湿器（加湿部）Ａ２１、および三方弁５が設けられている。
【００５４】
一方、排気路７２には、温度計１１、湿度計１２、圧力調整弁Ａ４、および加湿器Ａ２１が設けられている。これら温度計１１及び湿度計１２は、燃料電池２０出口の空気オフガス温度及び湿度をそれぞれ測定するセンサである。
【００５５】
つまり、本実施形態に係る燃料電池システム１５の上記第１実施形態に対する主な相違点は、これら温度計１１及び湿度計１２が排気路７２に設けられている点と、空気供給路７１に設けられているバイパス弁２が開度可変式の弁装置に限定される点にある。
【００５６】
以上のように構成された燃料電池システム１５において、制御部５０は、図示しない主制御プログラムで凍結防止動作を指令する命令の発令あるいはフラグが設定された（イベント発生）ことを判別すると、図６に示される燃料電池システムの凍結防止用シーケンスに沿った制御を行う。このとき、バイパス弁２は、上記第１実施形態と同様に、全閉状態に設定されているものとする。
【００５７】
この凍結防止用シーケンスでは、まず、ステップＳＴ１およびステップＳＴ２にて温度計１１及び湿度計１２の出力を得る。続くステップＳＴ３にて、計測された温度及び湿度を元にバイパス弁開度を演算する。バイパス弁２の弁開度は、予め決められたマップを参照したり、所定の算出式を用いて演算することができる。
【００５８】
すなわち、制御部５０は、ステップＳＴ１，ＳＴ２で計測された温度および湿度に基づいて、燃料電池２０内の水分を減らすべきか否か判定し、その判定結果が肯定的な場合、つまり、駆動停止後に凍結の虞がある場合には、バイパス弁２の弁開度を上げ、逆に凍結の虞がないか十分に低い場合には、バイパス弁２の弁開度を下げる（ステップＳＴ４）。
【００５９】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システム１５では、制御部５０が、燃料電池２０内の水分を減らすべきか否かを、燃料電池２０の出口側の空気オフガスの温度及び湿度に基づいて判定し、その判定結果が肯定的である場合、つまり、水分を減らすべきと判定した場合には、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気の一部をバイパス流路１０に流してインタークーラー３及び加湿器Ａ２１をバイパスさせるので、燃料電池２０には、コンプレッサＡ３での圧縮に伴い昇温した空気が流入する。
【００６０】
これにより、燃料電池２０内の水分が蒸気として外部に排出されやすくなり、燃料電池２０の駆動を停止した後の凍結と、燃料電池２０内でのフラッディングの発生を防止することができる。また、インタークーラー３だけでなく、加湿器Ａ２１もバイパスさせているので、燃料電池２０への水分持込量が減り、燃料電池２０の凍結をより一層効果的に防止することができる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気のうち、バイパス流路１０に流れない残部は、インタークーラー３で冷却された後、加湿器Ａ２１で加湿されて燃料電池２０に供給されるので、凍結防止用の運転を実施しつつも、同時に安定かつ高効率な発電を行うことができる。
【００６２】
＜第３実施形態＞
図５は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システム１６の概略構成図である。以下、上記の実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００６３】
空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、開度（バイパス量）可変のバイパス弁２、圧縮されて昇温した空気を外気や冷却水等の冷媒と熱交換して冷却するインタークーラー（熱交換部）３、圧力計４、空気に所要の水分を加える加湿器（加湿部）Ａ２１、三方弁５、温度計６、および湿度計７が設けられている。
【００６４】
温度計６及び湿度計７は、燃料電池２０に流入する空気の温度及び湿度を測定するセンサである。圧力計４は、加湿器Ａ２１の手前に設けられ、加湿器Ａ２１に流入する空気の圧力を測定する。一方、排気路７２には、上記第１実施形態と同様に、圧力調整弁Ａ４、および加湿器Ａ２１が設けられている。
【００６５】
つまり、本実施形態に係る燃料電池システム１６の上記第１実施形態に対する主な相違点は、空気供給路７１に温度計６及び湿度計７が設けられている点と、空気供給路７１に設けられているバイパス弁２が開度可変式の弁装置に限定される点にある。
【００６６】
以上のように構成された燃料電池システム１６において、制御部５０は、図示しない主制御プログラムで凍結防止動作を指令する命令の発令あるいはフラグが設定された（イベント発生）ことを判別すると、図６に示される燃料電池システムの凍結防止用シーケンスに沿った制御を行う。このとき、バイパス弁２は、上記第１実施形態と同様に、全閉状態に設定されているものとする。
【００６７】
この凍結防止用シーケンスでは、まず、ステップＳＴ１およびＳＴ２にて温度計６及び湿度計７の出力を得る。続くステップＳＴ３にて、計測された温度及び湿度を元にバイパス弁開度を演算する。バイパス弁２の弁開度は、予め決められたマップを参照したり、所定の算出式を用いて演算することができる。
【００６８】
すなわち、制御部５０は、ステップＳＴ１，ＳＴ２で計測された温度および湿度に基づいて、燃料電池２０内の水分を減らすべきか否か判定し、その判定結果が肯定的な場合、つまり、駆動停止後に凍結の虞がある場合には、バイパス弁２の弁開度を上げ、逆に凍結の虞がないか十分に低い場合には、バイパス弁２の弁開度を下げる（ステップＳＴ４）。
【００６９】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システム１６では、制御部５０が、燃料電池２０内の水分を減らすべきか否かを、燃料電池２０の入口側の空気の温度及び湿度に基づいて判定し、その判定結果が肯定的である場合、つまり、水分を減らすべきと判定した場合には、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気の一部をバイパス流路１０に流してインタークーラー３及び加湿器Ａ２１をバイパスさせるので、燃料電池２０には、コンプレッサＡ３での圧縮に伴い昇温した空気が流入する。
【００７０】
これにより、燃料電池２０内の水分が蒸気として外部に排出されやすくなり、燃料電池２０の駆動を停止した後の凍結と、燃料電池２０内でのフラッディングの発生を防止することができる。また、インタークーラー３だけでなく、加湿器Ａ２１もバイパスさせているので、燃料電池２０への水分持込量が減り、燃料電池２０の凍結をより一層効果的に防止することができる。
【００７１】
さらに、本実施形態では、上記第２実施形態と同様に、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気のうち、バイパス流路１０に流れない残部は、インタークーラー３で冷却された後、加湿器Ａ２１で加湿されて燃料電池２０に供給されるので、凍結防止用の運転を実施しつつも、同時に安定かつ高効率な発電を行うことができる。
【００７２】
＜第４実施形態＞
図７は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。以下、上記の実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明を省略する。
【００７３】
この燃料電池システムの上記各実施形態に対する主な相違点は、上記各実施形態では、空気供給路７１と排気路７２の双方に跨って加湿器Ａ２１が配設されているのに対し、本実施形態では、このような加湿器Ａ２１を配設する代わりに、図７の破線に囲まれた部分に加湿部１７が構成されている点にある。
【００７４】
この加湿部１７は、排気路７２から分岐して空気供給路７１のバイパス弁２の手前側に合流する空気循環路１８と、空気オフガスを排気路７２から空気循環路１８を経て空気供給路７１に循環させるバイパス弁１９とを備え、バイパス弁１９の開度を制御して排気路７２から空気供給路７１に空気オフガスを供給（戻す）することで、空気供給路７１の空気に対して湿度を与えるものである。
【００７５】
なお、バイパス弁１９は、上記バイパス弁２と同様に、全開及び全閉の２状態、つまり、空気供給路７１への循環の有無のみを択一的に選択制御する電磁弁等の弁装置や、全開−全閉間で弁開度を例えばリニアに可変制御して空気供給路７１への循環量を調整することができる電磁弁等の弁装置のいずれを採用してもよい。
【００７６】
このバイパス弁１９においては、燃料電池２０からの空気オフガスを空気供給路７１に循環させないことが、上記各実施形態において加湿器Ａ２１をバイパスさせることに相当する。換言すると、上記実施形態においてバイパス弁２の開度を上げて空気をバイパス流路１０に流す場合、本実施形態ではバイパス弁１９の開度を下げて空気供給路７１に対する空気オフガスの流入量を低下させる。これにより、上記各実施形態の場合と同じ効果を得ることができる。
【００７７】
＜第５実施形態＞
本実施形態の燃料電池システムは、反応ガスが加湿部で加湿されてから燃料電池に供給される燃料電池システムにおいて、加湿部をバイパスする加湿部バイパス流路と、加湿部の凍結が検知された場合に、反応ガスの少なくとも一部を加湿部バイパス流路に流す制御部と、を備えるものであり、例えば、図１，図３，図５，及び図７と同様のシステム構成にて実現することが可能である。
【００７８】
すなわち、加湿部は図１等の加湿器２１Ａ，加湿部１７に対応し、加湿部バイパス流路は図１等のバイパス流路１０に対応し、制御部は図１等の制御部５０に対応する。以下、本実施形態の燃料電池システムについて、便宜的に図１を参照しながら説明する。ただし、上記実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、その説明は省略する。
【００７９】
本実施形態の制御部５０は、加湿器Ａ２１が凍結したか否かを加湿器Ａ２１の入口側の圧力に基づいて判定し、凍結したと判定された場合に、空気をバイパス流路１０に流し、加湿器Ａ２１をバイパスさせて燃料電池２０に供給する。これにより、加湿器Ａ２１が凍結した場合であっても、安定した発電を行うことができる。
【００８０】
具体的には、制御部５０が図示しない主制御プログラムにおいて加湿器の凍結判断動作を指令する命令の発令あるいはフラグが設定された（イベント発生）ことを判別すると、図８に示される加湿器凍結時の空気供給シーケンスに沿った制御を行う。このとき、バイパス弁２は、全閉状態に設定されているものとする。
【００８１】
この空気供給シーケンスでは、まず、ステップＳＴ１にて圧力計４の出力を得る。続くステップＳＴ２にて、予め決められた凍結圧力と、前記圧力計４の出力である計測圧力とを比較する。予め決められた凍結圧力は、加湿器Ａ２１が凍結して空気供給路７１又は／及び排気路７２が閉塞した場合、加湿器Ａ２１の入口側に作用する圧力、言い換えれば、凍結によって生じる空気供給路７１又は／及び排気路７２の圧損に基づいて定める。
【００８２】
計測圧力が凍結圧力以上であれば（ステップＳＴ２：ＹＥＳ）、つまり、加湿器２１Ａの凍結を検知した場合には、バイパス弁２を開く（ステップＳＴ３）。このとき、空気はバイパス弁２からバイパス流路１０に流入し、三方弁５から空気供給路７１に流入する。つまり、空気はインタークーラー３と加湿器Ａ２１をバイパスして燃料電池２０に供給される。
【００８３】
一方、計測圧力が凍結圧力よりも小さければ（ステップＳＴ２：ＮＯ）、ステップＳＴ３の処理をスキップする。これにより、バイパス弁２の閉状態は維持される。このとき、空気はインタークーラー３にて熱交換（冷却）された後、加湿器Ａ２１で加湿され、燃料電池２０に供給される。
【００８４】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムによれば、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気が加湿器２１Ａをバイパスすることが可能であるから、たとえ加湿器２１Ａが凍結した場合にも、燃料電池２０に必要量の反応ガスを供給して発電を行わせることができる。
【００８５】
＜第６実施形態＞
制御部５０が実行する加湿器凍結時の空気供給シーケンスは、上記図８に示される制御の代わりに、図９に示される制御を採用してもよい。この空気供給シーケンスでは、まず、ステップＳＴ１にて圧力計４の出力を得る。続くステップＳＴ２にて、圧力計４の出力である計測圧力を元にバイパス弁２の弁開度を演算する。この弁開度は、予め決められたマップを参照したり、所定の算出式を用いて演算することができる。
【００８６】
本実施形態の燃料電池システムでは、制御部５０が加湿器Ａ２１の凍結を検知したときに、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気の一部をバイパス流路１０に流してインタークーラー３及び加湿器Ａ２１をバイパスさせているので、当該空気の一部が燃料電池２０に供給されて発電に資する一方、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気の残部が加湿器Ａ２１に供給されるので、加湿器Ａ２１の解氷も可能となる。したがって、加湿器Ａ２１が凍結した場合であっても、安定した発電と加湿器Ａ２１の解氷とを並行実施することができる。
【００８７】
なお、本実施形態では、加湿器Ａ２１に供給される空気がインタークーラー３で冷却される構成であるが、コンプレッサＡ３で圧縮されて昇温した空気がインタークーラー３をバイパスして加湿器Ａ２１に供給されるように構成すれば、コンプレッサＡ３での圧縮に伴い昇温した空気の熱エネルギーを有効に利用して加湿器Ａ２１の解氷を速めることが可能となる。
【００８８】
＜他の実施形態＞
上記の各実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、制御部５０は、イグニッションＯＦＦ等の駆動停止信号を受けた場合に、燃料電池２０内の水分を減らすべきと判定してもよい。これにより、駆動停止後に燃料電池２０内の残留水分によって発生する虞のある凍結を防止することができる。
【００８９】
また、制御部５０は、次回始動時に燃料電池２０が凍結すると予測した場合に、燃料電池２０内の水分を減らすべきと判定してもよい。これにより、燃料電池２０の発電を停止する前に、バイパス弁２を開いてバイパス流路１０に空気を流し、次回始動時に燃料電池２０内の残留水分によって発生する虞のある凍結を防止することができる。
【００９０】
また、以上において示した各実施形態を互いに組み合わせて適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の第１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】同燃料電池システムにおける燃料電池の凍結防止用シーケンスを示したフロー図である。
【図３】第２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４】同燃料電池システムにおける燃料電池の凍結防止用シーケンスを示したフロー図である。
【図５】第３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６】同燃料電池システムにおける燃料電池の凍結防止用シーケンスを示したフロー図である。
【図７】第４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８】第５実施形態に係る燃料電池システムの加湿器凍結時の空気供給シーケンスを示したフロー図である。
【図９】第６実施形態に係る燃料電池システムの加湿器凍結時の空気供給シーケンスを示したフロー図である。
【符号の説明】
【００９２】
１，１５，１６…燃料電池システム、２，１９…バイパス弁、３…インタークーラー（熱交換部）、４…圧力計、５…三方弁、６，１１…温度計、７，１２…湿度計、、８…外気温センサ、１０…バイパス流路（熱交換部バイパス流路、加湿部バイパス流路）、１７…加湿部、１８…空気循環路、Ａ２１…加湿器（加湿部）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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