(57)【要約】【課題】  本発明では、燃料電池の停止中にドレイン系内の水が凍った場合であっても、次の起動時において適切にドレイン弁の制御を開始させ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。【解決手段】  燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の発電により生成された水を溜めるキャッチタンクと、キャッチタンクの水を排出するドレイン弁２６と、ドレイン弁２６の制御を行うＥＣＵ３とを備えている。ＥＣＵ３は、ドレイン系内の水が凍っているか否かを判断する凍結判断手段３１と、凍結判断手段３１で凍っていると判断したときに、燃料電池の総発熱量に基づいて、ドレイン系内の氷が解凍されたか否かを判断する解凍判断手段３３と、を備えている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の発電により生成された水を溜める水溜部と、
前記水溜部の水を排出するドレイン弁と、を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池の起動時において、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の水が凍っているか否かを判断する凍結判断手段と、
前記凍結判断手段で凍っていると判断したときに、前記水溜部内または前記ドレイン弁内の氷の解凍に関連して変化するパラメータに基づいて、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の氷が解凍されたか否かを判断する解凍判断手段と、をさらに備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の起動から現在までの発熱量を、前記パラメータとして積算する発熱量積算手段を備え、
前記解凍判断手段は、前記発熱量積算手段で積算した発熱量が所定値を超えているときに、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の氷が解凍されたと判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記水溜部内または前記ドレイン弁内の温度を、前記パラメータとして検出する温度検出手段を備え、
前記解凍判断手段は、前記温度検出手段で検出した温度が所定値を超えているときに、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の氷が解凍されたと判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記水溜部が前記反応ガスの通り道となる反応ガス流路に設けられるとともに、
前記燃料電池の起動時に、前記ドレイン弁を開弁させるドレイン弁開弁手段と、
前記ドレイン弁開弁手段で開弁された前記ドレイン弁から排出される前記反応ガスの量を、前記パラメータとして検知する反応ガス検知手段と、を備え、
前記解凍判断手段は、前記反応ガス検知手段によって検知した前記反応ガスの量が所定値を超えているときに、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の氷が解凍されたと判断す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、気水分離器を備えた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、プロトン導電性の高分子電解質膜を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電するものである。そして、このような燃料電池を備える燃料電池システムとしては、燃料電池から排出される未反応の水素ガス（以下、「水素オフガス」ともいう。）を再度燃料電池に戻すための循環流路などを備えたシステムが知られている。
【０００３】
ところで、前記したような燃料電池システムでは、主にカソード極側において水素と酸素との電気化学反応によって水が生成され、この水は高分子電解質膜を介してアノード極内に入り込むという現象が生じている。そのため、燃料電池から排出される水素オフガスに水分が含まれることとなり、このような水分を含んだ水素オフガスが再度燃料電池に供給されることで燃料電池の発電性能が低下するといった問題が発生する。
【０００４】
このような問題に対する技術としては、従来、水素を再度燃料電池に戻すための循環流路に、水素オフガス中の水分を分離するための気水分離器を備えた構造が知られている（特許文献１参照）。具体的に、この気水分離器は、水素オフガス中の水分を液体として凝結させるための熱交換器と、この熱交換器で凝結させた水を溜めておくためのタンクと、タンク内の水を外部に導くドレインラインと、このドレインラインの導通状態を切り替えるドレイン弁とを備えている。そして、この技術においては、タンク内に水が所定量以上溜まったときに適宜ドレイン弁を開閉させることで、タンク内の水を排出するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３２１３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記した技術では、ドレイン系内（タンク内、ドレインライン内、ドレイン弁内）に水が溜まったままの状態で燃料電池の稼動が終了し、その後長い時間が経過すると、冬季や寒冷地ではその水が凍結してしまうおそれがあった。そして、このようにドレイン系内の水が凍った場合は、例えば燃料電池の起動とともにドレイン弁の制御を行うシステムでは、凍って開かなくなっているドレイン弁に無駄に電流を流すこととなるので、その分エネルギの無駄となるおそれがあった。
【０００７】
また、燃料電池の起動から一定の時間が経過した後にドレイン弁の制御を行うシステムでは、既に解凍しているのにドレイン弁の制御が開始されない現象が生じ、これによりアノード系内に発電に伴う凝縮水が滞ることになり、発電電圧を低下させるなど、著しく発電能力を低下させるおそれがあった。さらに、ドレイン系内の水が凍っている間、ドレイン弁以外の他の弁を用いて循環流路内の水を水素オフガスとともに排出させるシステムでは、発電能力の低下は防止できるが、ドレイン系内の水が既に解凍しているのにも関わらず他の弁による水の排出を継続していると、この水とともに排出される水素オフガスが無駄になるといった問題が生じるため、その解凍判断を正確に行い、解凍したと判断した後は速やかにドレイン弁の制御に移行させることが望まれていた。
【０００８】
そこで、本発明では、燃料電池の停止中にドレイン系内の水が凍った場合であっても、次の起動時において適切にドレイン弁の制御を開始させ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】
【０００９】
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、反応ガスを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の発電により生成された水を溜める水溜部と、前記水溜部の水を排出するドレイン弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の起動時において、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の水が凍っているか否かを判断する凍結判断手段と、前記凍結判断手段で凍っていると判断したときに、前記水溜部内または前記ドレイン弁内の氷の解凍に関連して変化するパラメータに基づいて、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の氷が解凍されたか否かを判断する解凍判断手段と、をさらに備えたことを特徴とする。
【００１０】
ここで、「水溜部内またはドレイン弁内の氷の解凍に関連して変化するパラメータ」とは、例えば水溜部内の氷の解凍が進むにつれて徐々に増加していくような水溜部に加わる熱量の合計や、水溜部内の氷が完全に解凍したときから上昇していく水溜部の温度などのパラメータをいう。
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池を起動させると、まず、凍結判断手段によって、水溜部内およびドレイン弁内の水が凍っているか否かが判断される。凍結判断手段によって、水が凍っていないと判断された場合は、例えば通常のドレイン弁の制御に移行され、水が凍っていると判断された場合は、その信号が解凍判断手段に出力される。解凍判断手段では、凍結判断手段から信号を受け取ったときに、例えば水溜部の温度（氷の解凍に関連して変化するパラメータ）に基づいて、水溜部内およびドレイン弁内の氷が解凍されたか否かを判断する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の起動から現在までの発熱量を、前記パラメータとして積算する発熱量積算手段を備え、前記解凍判断手段は、前記発熱量積算手段で積算した発熱量が所定値を超えているときに、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の氷が解凍されたと判断することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、燃料電池を起動させると、前記したように凍結判断手段によって、水溜部内およびドレイン弁内の水が凍っているか否かが判断されるとともに、発熱量積算手段によって、燃料電池から発せられる発熱量の積算が開始される。そして、凍結判断手段によって水が凍っていると判断されると、解凍判断手段は、発熱量積算手段で積算した発熱量が所定値を超えているか否かを判断することで、その発熱によって水溜部内およびドレイン弁内の氷が解凍されたか否かを判断する。そして、この解凍判断手段は、発熱量が所定値を超えていると判断したときに、水溜部内およびドレイン弁内の氷が解凍されたと判断する。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記水溜部内または前記ドレイン弁内の温度を、前記パラメータとして検出する温度検出手段を備え、前記解凍判断手段は、前記温度検出手段で検出した温度が所定値を超えているときに、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の氷が解凍されたと判断することを特徴とする。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池を起動させると、前記したように凍結判断手段によって、水溜部内およびドレイン弁内の水が凍っているか否かが判断されるとともに、温度検出手段によって、例えばドレイン弁内の温度が検出される。そして、凍結判断手段によって水が凍っていると判断されると、解凍判断手段は、温度検出手段で検出した温度が所定値を超えているか否かを判断することで、水溜部内およびドレイン弁内の氷が解凍されたか否かを判断する。そして、この解凍判断手段は、温度が所定値を超えていると判断したときに、水溜部内およびドレイン弁内の氷が解凍されたと判断する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記水溜部が前記反応ガスの通り道となる反応ガス流路に設けられるとともに、前記燃料電池の起動時に、前記ドレイン弁を開弁させるドレイン弁開弁手段と、前記ドレイン弁開弁手段で開弁された前記ドレイン弁から排出される前記反応ガスの量を、前記パラメータとして検知する反応ガス検知手段と、を備え、前記解凍判断手段は、前記反応ガス検知手段によって検知した前記反応ガスの量が所定値を超えているときに、前記水溜部内および前記ドレイン弁内の氷が解凍されたと判断することを特徴とする。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、例えばドレイン弁内に水が溜まらない構造となっている燃料電池システムにおいて、燃料電池を起動させると、前記したように凍結判断手段によって、水溜部内およびドレイン弁内の水が凍っているか否かが判断されるとともに、ドレイン弁開弁手段によってドレイン弁が開弁され、反応ガス検知手段によって反応ガスの検知が開始される。そして、凍結判断手段によって水が凍っていると判断されると、解凍判断手段は、反応ガス検知手段で検知した反応ガスの量が所定値を超えているか否か、すなわちドレイン系内の氷が解けて所定量の反応ガスがドレイン弁から排出されたか否かを判断することで、水溜部内およびドレイン弁内の氷が解凍されたか否かを判断する。そして、この解凍判断手段は、反応ガスの量が所定値を超えていると判断したときに、水溜部内およびドレイン弁内の氷が解凍されたと判断する。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に記載の発明によれば、ドレイン系内の水が凍った場合には、その氷が解凍したか否かを解凍判断手段が判断するので、ドレイン弁からの水の排出が可能となるタイミングを正確に把握することができる。そのため、燃料電池の停止中にドレイン系内の水が凍った場合であっても、次の起動時において適切にドレイン弁の制御を開始させることができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、例えば電流値、電圧値などの通常の燃料電池システムにおいて検出しているパラメータによって求められる燃料電池の発熱量の積算値によって解凍判断をするので、解凍判断のための専用のセンサを設ける必要がなく、部品点数の削減が可能となり、コストの低減や軽量化を図ることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、温度検出手段によってドレイン弁付近の温度を直接検出するので、確実な解凍判断を行うことが可能となる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、ドレイン系内を閉塞させている氷が解凍したということをドレイン弁から反応ガスが排出されたことで判断するので、確実な解凍判断を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
〔第１の実施形態〕
次に、本発明の第１の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図であり、図２は図１のＥＣＵの構成を示すブロック図である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池システムＳは、走行モータＭに電流を供給する燃料電池ＦＣと、この燃料電池ＦＣに空気を供給する空気供給系１と、燃料電池ＦＣに水素を供給する水素供給系２と、各種機器の制御を行うＥＣＵ（制御装置）３と、燃料電池ＦＣで生じた電圧を検出するための電圧計４１と、燃料電池ＦＣから流れてくる電流を検出するための電流計４２と、外気温を検出するための外気温センサ４３とを備えている。
【００２４】
燃料電池ＦＣは、プロトン導電性の高分子電解質膜を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される水素との電気化学反応によって発電している。そのため、この燃料電池ＦＣでは、発電に伴って水が主にカソード極側に生成されており、この水は高分子電解質膜を介して水素供給系２に入り込むようになっている。
【００２５】
空気供給系１は、空気を圧縮して供給するコンプレッサＣと、このコンプレッサＣからの空気を燃料電池ＦＣに導くとともに燃料電池ＦＣから排出される空気を外部に導く空気用流路１１と、この空気用流路１１の出口に設けられてカソード極側の圧力（背圧）を制御する背圧弁１２とを主に備えている。
【００２６】
水素供給系２は、水素タンクＨＴ、水素供給用流路２１、遮断弁２２、エゼクタ２３、循環流路２４、キャッチタンク（水溜部）２５およびドレイン弁２６を主に備えている。水素タンクＨＴ内には、燃料ガス（反応ガス）としての水素が充填されており、この水素は、遮断弁２２と水素タンクＨＴ内に備えられた図示しない電磁弁とが開放されることで、水素供給用流路２１を通って燃料電池ＦＣへ排出されるようになっている。エゼクタ２３は、水素タンクＨＴからの水素と燃料電池ＦＣから戻ってくる水素を混合させ、これを燃料電池ＦＣに再供給して水素を循環させている。循環流路２４は、燃料電池ＦＣから排出される水素をエゼクタ２３を介して再度燃料電池ＦＣに戻す流路であり、その適所にキャッチタンク２５が取り付けられている。
【００２７】
キャッチタンク２５は、燃料電池ＦＣから排出される水分を含んだ水素ガスを、水素ガスと水とに分離する気液分離の機能を有したタンクであり、その底部に分離した水が溜まる構造となっている。また、キャッチタンク２５の底部には、その内部の水を外部に導くためのドレインライン２５ａが接続されるとともに、このドレインライン２５ａにドレイン弁２６が設けられている。なお、キャッチタンク２５は、この燃料電池システムＳにおける水の排出性を考慮した下方の位置、すなわち燃料電池ＦＣや循環流路２４内の残溜水分が溜まりやすい位置に配設されている。
【００２８】
ドレイン弁２６は、キャッチタンク２５内の水を排出するために、その開閉がＥＣＵ３によって適宜制御されるようになっている。なお、以下の説明においては、便宜上、このドレイン弁２６や、前記したキャッチタンク２５およびドレインライン２５ａを総称して、ドレイン系Ｄとも呼ぶこととする。
【００２９】
ＥＣＵ３は、燃料電池システムＳの各機器、主にコンプレッサＣ、空気用パージ弁１２、遮断弁２２、ドレイン弁２６の制御を行っている。特に、このＥＣＵ３は、燃料電池ＦＣの起動時において、ドレイン系Ｄ内の凍結を判断し、凍結している場合には氷が解凍したかを判断する制御を行っている。以下に、その詳細について説明する。
【００３０】
図２に示すように、ＥＣＵ３は、凍結判断手段３１と、発熱量積算手段３２と、解凍判断手段３３と、ドレイン弁制御手段３４とを備えている。
【００３１】
凍結判断手段３１は、燃料電池ＦＣの起動時に、外気温センサ４３から出力されてくる信号（温度）に基づいて、燃料電池ＦＣを停止させてから次に起動させるまでの間において外気温が一度でも氷点下となったか否かを判断することで、ドレイン系Ｄ内の水が凍っているか否かを判断する機能を有している。具体的に、この凍結判断手段３１は、外気温センサ４３で検出した外気温を燃料電池ＦＣの停止中において常時取り込んで記憶しておき、燃料電池ＦＣが次に起動されたときに前回の停止から今回の起動までに記憶した温度の蓄積データに基づいて、外気温が一度でも氷点下となったか否かを判断し、その後再び燃料電池ＦＣが停止されると、蓄積データを削除して、新たな蓄積データを記憶していく。そして、この凍結判断手段３１は、ドレイン系Ｄ内の水が凍っているか否かを判断すると、その結果を示す信号を解凍判断手段３３に出力するように構成されている。
【００３２】
発熱量積算手段３２は、電圧計４１から送られてくる電圧値や、電流計４２から送られてくる電流値や、燃料電池ＦＣの起動からの経過時間などに基づいて、燃料電池ＦＣの起動から現在までの発熱量を積算する機能を有している。そして、この発熱量積算手段３２は、その積算した総発熱量を解凍判断手段３３に出力するように構成されている。なお、第１の実施形態においては、この総発熱量が、特許請求の範囲にいう「水溜部内またはドレイン弁内の氷の解凍に関連して変化するパラメータ」に相当する。
【００３３】
解凍判断手段３３は、凍結判断手段３１から送られてくる信号が「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていることを示す信号」である場合に、発熱量積算手段３２からの信号を参照して、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍されたか否かを判断する機能を有している。具体的には、この解凍判断手段３３は、凍結判断手段３１から「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていることを示す信号」が送られてくると、発熱量積算手段３２から送られてくる燃料電池ＦＣの総発熱量が所定値を超えているか否かを判断し、総発熱量が所定値を超えていると判断したときに、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍されたと判断する機能を有している。
【００３４】
また、この解凍判断手段３３は、凍結判断手段３１から送られてくる信号が「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていないことを示す信号」である場合にも、ドレイン系Ｄ内の氷は解凍されていると判断する機能を有している。そして、この解凍判断手段３３は、ドレイン系Ｄ内の氷は解凍されていないと判断している間はドレイン弁制御手段３４には信号は送らず、解凍されたと判断したときにのみ、そのことを示す信号をドレイン弁制御手段３４に出力するように構成されている。
【００３５】
ドレイン弁制御手段３４は、解凍判断手段３３から「解凍されたことを示す信号」が送られてきたときに、ドレイン弁２６を通常制御で開弁させる機能を有している。ここで、通常制御とは、例えば、キャッチタンク２５に溜まった水の水位が所定値以上になったときにドレイン弁２６を所定時間の間に所定回数だけ開弁させる制御などをいう。
【００３６】
次に、ＥＣＵ３の動作について図１および図３を参照して説明する。参照する図面において、図３は、ドレイン弁を通常制御するまでのＥＣＵの動作を示すフローチャート（ａ）と、図３（ａ）のサブルーチンに基づくＥＣＵの動作を示すフローチャート（ｂ）と、図３（ｂ）の発熱量を積算するステップにおいて参照するマップ（ｃ）である。
【００３７】
図１および図３（ａ）に示すように、運転者によってイグニッションスイッチ（ＩＧＳＷ）がＯＮにされると、ＥＣＵ３は、まず、遮断弁２２の開弁、背圧弁１２の開弁およびコンプレッサＣの駆動を行うことによって、反応ガスである空気と水素ガスを燃料電池ＦＣに供給する（ステップＳ１）。そして、ステップＳ１によって燃料電池ＦＣの発電を開始させた後は、解凍判断工程に進むこととなる（ステップＳ２）。
【００３８】
解凍判断工程では、図３（ｂ）に示すように、まず、燃料電池ＦＣの前回の停止から今回の起動までの間において外気温が一度でも氷点下となったか否か、すなわち燃料電池ＦＣの前回の停止から今回の起動までの間外気温が常に０℃を超えていたか否かが判断される（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、外気温が一度でも氷点下となったと判断された場合には（Ｎｏ）、現在の電圧Ｖと電流Ｉから現在の仕事率Ｗが算出される（ステップＳ１２）。
【００３９】
なお、このステップＳ１２における仕事率Ｗの算出は、図３（ｃ）に示すＩ−Ｖ特性を示すマップを用いて行われる。具体的には、電流Ｉが０Ａ（アンペア）のときの電圧Ｖ０と現在の電圧Ｖとの差に、現在の電流Ｉを乗算することによって、仕事率Ｗが算出される。
【００４０】
そして、ステップＳ１２の後は、ステップＳ１３に進んで、後記するフラグが立っているか否か（「Ｆｌａｇ＝１」となっているか否か）が判断される。ステップＳ１３において、フラグが立っていないと判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１４に進んで、フラグが立てられるとともに、タイマーが起動されて燃料電池ＦＣの起動からの経過時間が計測されることとなる。また、ステップＳ１３において、フラグが立っていると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４において起動されたタイマーを参照して、前回の仕事率Ｗn-1の算出（ステップＳ１２）から今回の仕事率Ｗnの算出までの経過時間が算出される（ステップＳ１５）。
【００４１】
ステップＳ１５の後は、ステップＳ１６に進んで、ステップＳ１２で算出した仕事率と、ステップＳ１５で算出した経過時間と、固定値である仕事量とに基づいて、今回の燃料電池ＦＣの発熱量Ｑnが算出されるとともに、この発熱量Ｑnが以前に算出した発熱量Ｑ1〜Ｑn-1に積算される。ここで、発熱量Ｑnの算出は、次式により行われる。
Ｑn  ＝  Ｗn  ×  Ｔn  ÷  Ｋ
（Ｑn：発熱量、Ｗn：今回の仕事率、Ｔn：今回の経過時間、Ｋ：仕事量〔固定値；４．２Ｊ〕）
また、ステップＳ１４の後も、ステップＳ１６に進むが、このときはステップＳ１５における経過時間の算出が行われていないので、発熱量Ｑ1は０Ｊ（ジュール）となる。
【００４２】
そして、ステップＳ１６の後は、ステップＳ１６で積算された総発熱量Ｑが所定値を超えているか否かが判断され（ステップＳ１７）、所定値を超えていないと判断された場合は（Ｎｏ）、再びステップＳ１１〜Ｓ１７の処理が繰り返されることとなる。ここで、ステップＳ１７で参照する所定値は、ドレイン系Ｄの氷が解凍し得る熱量であり、燃料電池ＦＣからの総発熱量が各デバイスで吸収されることをも考慮して、実験またはシミュレーションなどによって予め算出されている。なお、この所定値は、本実施形態のように予め算出した値に固定しておく必要はなく、例えば、キャッチタンク２５内の水の水位や外気温などを加味したマップを作成し、このマップに基づいて適宜変更するようにしてもよい。
【００４３】
ステップＳ１７において所定値を超えたと判断された場合や（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１において燃料電池ＦＣの停止中に外気温が氷点下となることは一度もなかったと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１８に進んで、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍された（あるいは既に解凍された状態である）と判断される。その後は、ステップＳ１４においてフラグが立てられている場合には、ステップＳ１９において、そのフラグが元に戻されて（「Ｆｌａｇ＝０」にされて）、このサブルーチン（解凍判断工程）の動作が終了する。そして、解凍判断工程の処理が終わった後は、ドレイン系Ｄ内の氷は解凍された状態となっているため、再び図３（ａ）に示すフローに戻って、ドレイン弁２６が通常制御されることとなる（ステップＳ３）。
【００４４】
以上によれば、第１の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
ドレイン系Ｄ内の水が凍った場合には、その氷が解凍したか否かを解凍判断手段３３が判断するので、ドレイン弁２６からの水の排出が可能となるタイミングを正確に把握することができる。そのため、燃料電池ＦＣの停止中にドレイン系Ｄ内の水が凍った場合であっても、次の起動時において適切にドレイン弁２６の制御を開始させることができる。
【００４５】
電流Ｉ、電圧Ｖといった通常の燃料電池システムにおいて検出しているパラメータによって求められる燃料電池ＦＣの総発熱量Ｑによって解凍判断をするので、解凍判断のための専用のセンサを設ける必要がなく、部品点数の削減が可能となり、コストの低減や軽量化を図ることができる。
【００４６】
なお、本発明は、第１の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第１の実施形態では、発熱量の算出を、主に電流や電圧に基づいて算出したが、本発明はこれに限定されず、例えば燃料電池の温度などに基づいて算出するようにしてもよい。ただし、この場合は、燃料電池に別途温度センサを設ける必要があるので、本実施形態のような構造にするのが望ましい。
【００４７】
〔第２の実施形態〕
以下に、本発明の第２の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態の構造を一部変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図４は第２の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図であり、図５は図４のＥＣＵの構成を示すブロック図である。
【００４８】
図４に示すように、第２の実施形態に係る燃料電池システムＳ’は、第１の実施形態の構造において設けていた電圧計４１および電流計４２の代わりに、キャッチタンク２５内の温度を検出するための温度センサ（温度検出手段）４４を備えている。また、この燃料電池システムＳ’には、第１の実施形態とは異なった解凍判断を行うＥＣＵ３’が設けられている。
【００４９】
図５に示すように、ＥＣＵ３’は、第１の実施形態と同様の機能を有する凍結判断手段３１およびドレイン弁制御手段３４と、第１の実施形態とは多少機能が異なる解凍判断手段３３’とで構成されている。以下に、解凍判断手段３３’の第１の実施形態とは異なる機能のみを説明することとする。
【００５０】
解凍判断手段３３’は、凍結判断手段３１から送られてくる信号が「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていることを示す信号」である場合に、温度センサ４４からの信号を参照して、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍されたと判断する機能を有している。具体的には、この解凍判断手段３３’は、凍結判断手段３１から「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていることを示す信号」が送られてくると、温度センサ４４から送られてくるキャッチタンク２５内の温度が所定値を超えているか否かを判断し、温度が所定値を超えていると判断したときに、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍されたと判断する機能を有している。
【００５１】
次に、ＥＣＵ３’の動作（特に、解凍判断手段３３’の動作）について図６を参照して説明する。参照する図面において、図６は、第２の実施形態に係るＥＣＵの解凍判断を示すフローチャートである。なお、本実施形態に係るＥＣＵ３’の動作は、第１の実施形態において説明した図３（ａ）のフローチャートのうちの解凍判断工程（ステップＳ２）のみを変更したものなので、その他の動作（ステップＳ１，Ｓ３）についての説明は省略することとする。
【００５２】
図６に示すように、解凍判断工程では、まず、第１の実施形態と同様に外気温に基づいてドレイン系Ｄ内の水が凍結しているか否かが判断される（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、凍結していると判断された場合には（Ｎｏ）、現在のキャッチタンク２５内の温度Ｔが所定値Ｔ１を超えているか否かが判断されることで、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍されたか否かが判断される（ステップＳ２１）。
【００５３】
ステップＳ２１において、所定値Ｔ１を超えていないと判断された場合は（Ｎｏ）、再びステップＳ１１，Ｓ２１の処理が繰り返されることとなる。そして、ステップＳ２１において所定値を超えたと判断された場合や（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１においてドレイン系Ｄが凍結していないと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１８に進んで、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍された（あるいは既に解凍された状態である）と判断される。
【００５４】
以上によれば、第２の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
温度センサ４４によってドレイン弁２６付近の温度を直接検出するので、確実な解凍判断を行うことが可能となる。
【００５５】
なお、本発明は、第２の実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
第２の実施形態では、キャッチタンク２５内の温度を検出するようにしたが、本発明はこれに限定されず、例えばドレインライン２５ａ内やドレイン弁２６内の温度などを検出するようにしてもよい。
【００５６】
〔第３の実施形態〕
以下に、本発明の第３の実施形態について説明する。この実施形態は第１の実施形態の構造を一部変更したものなので、第１の実施形態と同様の構成要素については同一符号を付し、その説明を省略する。参照する図面において、図７は第３の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図であり、図８は図７のＥＣＵの構成を示すブロック図である。なお、第３の実施形態においては、ドレイン弁２６はその内部に水が溜まらない構造（ドレイン弁２６が凍結によって開かなくなることがない構造）となっているものとする。
【００５７】
図７に示すように、第３の実施形態に係る燃料電池システムＳ”は、第１の実施形態の構造において設けていた電圧計４１および電流計４２の代わりに、ドレイン弁２６の下流側に設けられる水素センサ（反応ガス検知手段）４５を備えている。また、この燃料電池システムＳ’には、第１の実施形態とは異なった解凍判断を行うＥＣＵ３”が設けられている。
【００５８】
図８に示すように、ＥＣＵ３”は、第１の実施形態とは多少機能が異なる凍結判断手段３５、解凍判断手段３６およびドレイン弁制御手段３７によって構成されている。
【００５９】
凍結判断手段３５は、外気温に基づいてドレイン系Ｄ内の水が凍っているか否かを判断し、その結果を解凍判断手段３６に出力するといった第１の実施形態と同様の機能を有している。また、この凍結判断手段３５は、ドレイン系Ｄ内の水が凍っていると判断した場合には、その信号をドレイン弁制御手段３７にも出力するといった第１の実施形態とは異なる機能をも有している。
【００６０】
解凍判断手段３６は、凍結判断手段３５から送られてくる信号が「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていることを示す信号」である場合に、水素センサ４５からの信号を参照して、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍されたか否かを判断するといった第１の実施形態とは異なる機能を有している。具体的には、この解凍判断手段３６は、凍結判断手段３５から「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていることを示す信号」が送られてくると、水素センサ４５から送られてくる水素ガスの量（水素濃度）が所定値を超えているか否かを判断し、水素濃度が所定値を超えていると判断したときに、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍されたと判断する機能を有している。ここで、水素濃度に基づいて解凍判断ができるとする理由は、水素濃度が所定値以下である場合には、ドレイン弁２６から水素ガスが通常通り排出されていないと認識して、キャッチタンク２５やドレインライン２５ａが凍結により閉塞されていると判断でき、また、水素濃度が所定値を超えている場合には、ドレイン弁２６から水素ガスが通常通り排出されていると認識して、キャッチタンク２５やドレインライン２５ａを閉塞していた氷が解凍したと判断できるからである。
【００６１】
また、この解凍判断手段３６は、凍結判断手段３５から送られてくる信号が「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていないことを示す信号」である場合にも、ドレイン系Ｄ内の氷は解凍されていると判断するといった第１の実施形態と同様の機能を有している。そして、この解凍判断手段３６は、ドレイン系Ｄ内の氷は解凍されていないと判断している間はドレイン弁制御手段３７には信号は送らず、解凍されたと判断したときにのみ、そのことを示す信号をドレイン弁制御手段３７に出力するといった第１の実施形態と同様の機能をも有している。
【００６２】
ドレイン弁制御手段３７は、解凍判断手段３６から「解凍されたことを示す信号」が送られてきたときに、ドレイン弁２６を通常制御で開弁させるといった第１の実施形態と同様の機能を有している。また、このドレイン弁制御手段３７は、凍結判断手段３５から「ドレイン系Ｄ内の水が凍っていることを示す信号」が送られてきたときに、ドレイン弁２６を開弁させるといった第１の実施形態とは異なる機能（ドレイン弁開弁手段）をも有している。
【００６３】
次に、ＥＣＵ３”の動作について図９を参照して説明する。参照する図面において、図９は、第３の実施形態に係るＥＣＵの解凍判断を示すフローチャートである。なお、本実施形態に係るＥＣＵ３”の動作は、第１の実施形態において説明した図３（ａ）のフローチャートのうちの解凍判断工程（ステップＳ２）のみを変更したものなので、その他の動作（ステップＳ１，Ｓ３）についての説明は省略することとする。
【００６４】
図９に示すように、解凍判断工程では、まず、第１の実施形態と同様に外気温に基づいてドレイン系Ｄ内の水が凍結しているか否かが判断される（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、凍結していると判断された場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３１に進んで、ドレイン弁２６が開弁される。ステップＳ３１の後は、ステップＳ３２に進んで、水素センサ４５で検出した水素濃度が所定値を超えているか否かが判断されることで、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍されたか否かが判断される（ステップＳ３２）。
【００６５】
ステップＳ３２において、所定値を超えていないと判断された場合は（Ｎｏ）、再びステップＳ１１，Ｓ３１，Ｓ３２の処理が繰り返されることとなる。そして、ステップＳ３２において所定値を超えたと判断された場合や（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１においてドレイン系Ｄが凍結していないと判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１８に進んで、ドレイン系Ｄ内の氷が解凍された（あるいは既に解凍された状態である）と判断される。
【００６６】
以上によれば、第３の実施形態において、次のような効果を得ることができる。
ドレイン系Ｄ内を閉塞させている氷が解凍したということをドレイン弁２６から所定量の水素ガスが排出されたことで判断するので、確実な解凍判断を行うことが可能となる。また、このようにドレイン系Ｄの連通状態を監視することで解凍判断を行うので、例えばドレイン系Ｄ内の氷が完全に溶けなくとも、水素ガスが流れる孔を通じて排水でき、迅速にドレイン弁２６を通常制御することが可能となる。
【００６７】
なお、本発明は、前記各実施形態（第１の実施形態〜第３の実施形態）に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記各実施形態では、外気温センサ４３で検出した信号に基づいて、ドレイン系Ｄ内の水が凍っているか否かを判断したが、本発明はこれに限定されず、例えばドレイン系Ｄ内の温度を検出する温度センサからの信号に基づいて、ドレイン系Ｄ内の水の凍結を判断してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１のＥＣＵの構成を示すブロック図である。
【図３】ドレイン弁を通常制御するまでのＥＣＵの動作を示すフローチャート（ａ）と、図３（ａ）のサブルーチンに基づくＥＣＵの動作を示すフローチャート（ｂ）と、図３（ｂ）の発熱量を積算するステップにおいて参照するマップ（ｃ）である。
【図４】第２の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図５】図４のＥＣＵの構成を示すブロック図である。
【図６】第２の実施形態に係るＥＣＵの解凍判断を示すフローチャートである。
【図７】第３の実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図８】図７のＥＣＵの構成を示すブロック図である。
【図９】第３の実施形態に係るＥＣＵの解凍判断を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６９】
１      空気供給系
２      水素供給系
３      ＥＣＵ
２５    キャッチタンク（水溜部）
２５ａ  ドレインライン
２６    ドレイン弁
３１    凍結判断手段
３２    発熱量積算手段
３３    解凍判断手段
３４    ドレイン弁制御手段
４１    電圧計
４２    電流計
４３    外気温センサ
Ｄ      ドレイン系
ＦＣ    燃料電池
Ｓ      燃料電池システム
【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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