(57)【要約】【課題】無駄な電力を使用せず、反応ガス流路の凍結を未然に防ぐことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１１と、反応ガス流路２３，２４，３５，３８と、反応ガス供給部３０，３３と、燃料電池の上流側の反応ガス流路に配された上流側弁２５，４６と、燃料電池の下流側の反応ガス流路に配された下流側弁４８，５１，５２，４７と、各種制御を行う制御部４５と、を備えた燃料電池システム１０であって、制御部は、システムの凍結を予測する凍結予測部を有し、上流側弁を開弁するとともに下流側弁を閉弁した状態で、反応ガス供給部を作動させて反応ガス流路内に反応ガスが大気圧より大きい第一所定圧力に到達するまで供給した後、上流側弁を閉弁して、反応ガス流路内に反応ガスを封じ込め、凍結予側部により凍結が予測された場合に、下流側弁を開弁して反応ガスを排出する。【選択図】図１
2011044337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが流通する反応ガス流路と、
前記反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、
前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池の上流側の反応ガス流路に配された上流側弁と、
前記燃料電池の下流側の反応ガス流路に配された下流側弁と、
各種制御を行う制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、
システムの凍結を予測する凍結予測部を有し、
前記上流側弁を開弁するとともに前記下流側弁を閉弁した状態で、前記反応ガス供給部を作動させて前記反応ガス流路内に前記反応ガスが大気圧より大きい第一所定圧力に到達するまで供給した後、前記上流側弁を閉弁して、前記反応ガス流路内に前記反応ガスを封じ込め、
前記凍結予側部により凍結が予測された場合に、前記下流側弁を開弁して前記反応ガスを排出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記反応ガス流路は、
前記燃料電池のアノード電極にアノードガスを供給するアノードガス流路と、前記燃料電池のカソード電極にカソードガスを供給するカソードガス流路と、から成り、
前記制御部は、
前記アノードガス流路に前記アノードガスまたは前記カソードガスを封じ込めするとともに、前記カソードガス流路に前記カソードガスを封じ込め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】
反応ガスが流通する反応ガス流路と、
前記反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、
前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池の上流側の反応ガス流路に配された上流側弁と、
前記燃料電池の下流側の反応ガス流路に配された下流側弁と、
各種制御を行う制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、
システムの凍結状態を確認する凍結確認部を有し、
前記凍結確認部により凍結が確認された場合に、前記上流側弁を開弁するとともに前記下流側弁を閉弁した状態で、前記反応ガス供給部を作動させて前記反応ガス流路内に前記反応ガスが大気圧より大きい第二所定圧力に到達するまで供給した後、前記上流側弁を閉弁して、前記反応ガス流路内に前記反応ガスを封じ込め、
前記下流側弁を開弁して前記反応ガスを排出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、
システムの凍結を予測する凍結予測部をさらに有し、
前記上流側弁を開弁するとともに前記下流側弁を閉弁した状態で、前記反応ガス供給部を作動させて前記反応ガス流路内に前記反応ガスが大気圧より大きい第一所定圧力に到達するまで供給した後、前記上流側弁を閉弁して、前記反応ガス流路内に前記反応ガスを封じ込め、
前記凍結予側部により凍結が予測された場合に、前記下流側弁を開弁して前記反応ガスを排出するように構成されており、
前記第二所定圧力は、前記第一所定圧力よりも高く設定されていることを特徴とする請求項３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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば車両に搭載される燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極およびカソード電極で両側から挟んで膜電極構造体を形成し、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積層して燃料電池スタック（以下、燃料電池という。）とするものが知られている。このような燃料電池では、アノード電極とセパレータとの間にアノードガス（燃料ガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とセパレータとの間にカソードガス（酸化剤ガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、この発電に伴って、燃料電池内部で水が生成される。
【０００３】
このような燃料電池を備える燃料電池システムでは、例えば氷点下環境で使用されると、燃料電池システムの停止中に内部に残留している生成水が凍結してしまうため、生成水が凍結しないように運転停止時に生成水を外部に排出する構成を採用したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１の燃料電池システムは、運転停止直後にカソードガス供給部を成すエアコンプレッサの回転数を所定時間に亘って上昇させるとともに、背圧弁および排出弁を閉弁する。燃料電池内を流通する反応ガスの圧力が所定の圧力まで上昇したか否かを判定し、判定結果がＹＥＳの場合には背圧弁および排出弁を全開として、生成水（残留水）をシステム外へ排出するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３０５０１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１の燃料電池システムでは、周辺環境がどのような環境かに関わらず、アノードガス流路の圧力が所定の圧力まで上昇したら背圧弁および排出弁を全開として、生成水（残留水）をシステム外へ排出している。つまり、生成水が凍結するおそれがない場合にも背圧弁および排出弁を駆動させるため、無駄な電力を使用することになり、その後、掃気処理を行う際の電力が確保できなくなるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、無駄な電力を使用せず、反応ガス流路の凍結を未然に防ぐことができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、反応ガスが流通する反応ガス流路（例えば、実施形態におけるアノードガス供給配管２３、カソードガス供給配管２４、アノードオフガス排出配管３５、カソードオフガス排出配管３８）と、前記反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）と、前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給する反応ガス供給部（例えば、実施形態における水素タンク３０、エアコンプレッサ３３）と、前記燃料電池の上流側の反応ガス流路に配された上流側弁（例えば、実施形態における電磁弁２５、カソードガス上流側封止弁４６）と、前記燃料電池の下流側の反応ガス流路に配された下流側弁（例えば、実施形態におけるエア排出弁４８、ドレイン弁５１、パージ弁５２、カソードガス下流側封止弁４７）と、各種制御を行う制御部（例えば、実施形態における制御装置４５）と、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１０）であって、前記制御部は、システムの凍結を予測する凍結予測部（例えば、実施形態における凍結予測部６２）を有し、前記上流側弁を開弁するとともに前記下流側弁を閉弁した状態で、前記反応ガス供給部を作動させて前記反応ガス流路内に前記反応ガスが大気圧より大きい第一所定圧力に到達するまで供給した後、前記上流側弁を閉弁して、前記反応ガス流路内に前記反応ガスを封じ込め、前記凍結予側部により凍結が予測された場合に、前記下流側弁を開弁して前記反応ガスを排出することを特徴としている。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、前記反応ガス流路は、前記燃料電池のアノード電極にアノードガスを供給するアノードガス流路と、前記燃料電池のカソード電極にカソードガスを供給するカソードガス流路と、から成り、前記制御部は、前記アノードガス流路に前記アノードガスまたは前記カソードガスを封じ込めするとともに、前記カソードガス流路に前記カソードガスを封じ込めることを特徴としている。
【００１０】
請求項３に記載した発明は、反応ガスが流通する反応ガス流路と、前記反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、前記反応ガス流路に前記反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記燃料電池の上流側の反応ガス流路に配された上流側弁と、前記燃料電池の下流側の反応ガス流路に配された下流側弁と、各種制御を行う制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御部は、システムの凍結状態を確認する凍結確認部（例えば、実施形態における凍結確認部６５）を有し、前記凍結確認部により凍結が確認された場合に、前記上流側弁を開弁するとともに前記下流側弁を閉弁した状態で、前記反応ガス供給部を作動させて前記反応ガス流路内に前記反応ガスが大気圧より大きい第二所定圧力に到達するまで供給した後、前記上流側弁を閉弁して、前記反応ガス流路内に前記反応ガスを封じ込め、前記下流側弁を開弁して前記反応ガスを排出することを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載した発明は、前記制御部は、システムの凍結を予測する凍結予測部をさらに有し、前記上流側弁を開弁するとともに前記下流側弁を閉弁した状態で、前記反応ガス供給部を作動させて前記反応ガス流路内に前記反応ガスが大気圧より大きい第一所定圧力に到達するまで供給した後、前記上流側弁を閉弁して、前記反応ガス流路内に前記反応ガスを封じ込め、前記凍結予側部により凍結が予測された場合に、前記下流側弁を開弁して前記反応ガスを排出するように構成されており、前記第二所定圧力は、前記第一所定圧力よりも高く設定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載した発明によれば、燃料電池を停止している間に、反応ガス流路内の圧力が大気圧より大きい第一所定圧力になるように反応ガス流路内に反応ガスを封じ込め、凍結予測部により燃料電池システムが凍結するおそれがあると判定されたら、反応ガス流路の下流側弁を開弁して反応ガスを排出するように構成した。つまり、燃料電池システムが凍結するおそれのない場合は、下流側弁の動作を無くすことができ、無駄な電力の消費を防止することができる。また、燃料電池システムが凍結するおそれがある場合は、大気圧より高圧に保持された反応ガス流路に設けられた下流側弁を開弁することにより、反応ガスは下流側弁を通過して高速でシステム外へ排出されることとなる。したがって、反応ガスの流速により凍結しそうになっている生成水をシステム外へ吹き飛ばすことができ、反応ガス流路の凍結を未然に防ぐことができる。
【００１３】
請求項２に記載した発明によれば、アノードガス流路およびカソードガス流路の両方に反応ガスを供給して高圧に保持できるように構成したため、アノードガス流路の圧力低下を防止することができる。つまり、カソードガス流路も高圧に保持することにより、極間差圧が生じるのを防止することができ、アノードガス流路内の圧力を長時間に亘って高圧に保持することができる。また、アノードガス流路内を高圧に保持することにより、アノードガス流路が高温になり、結露の発生を抑制することができることから、反応ガス流路の凍結をさらに防ぐことができる。
【００１４】
請求項３に記載した発明によれば、燃料電池を停止している間に、燃料電池システムに凍結が確認された場合には、反応ガス流路内の圧力が大気圧より大きい第二所定圧力になるように反応ガス流路内に反応ガスを封じ込める。このとき反応ガスの圧力が高圧になると反応ガスの温度が上昇するため、反応ガス流路を昇温させることができる。つまり、反応ガス流路やその直近に形成された凍結箇所を解凍することができる。その後、反応ガス流路の下流側弁を開弁して反応ガスを排出するように構成したため、反応ガス流路の反応ガスは下流側弁を通過して高速度でシステム外へ排出されることとなる。したがって、反応ガスの流速により解凍された生成水をシステム外へ吹き飛ばすことができる。
【００１５】
請求項４に記載した発明によれば、燃料電池を停止している間に、反応ガス流路内の圧力が大気圧より大きい第一所定圧力になるように反応ガス流路内に反応ガスを封じ込め、凍結予測部により燃料電池システムが凍結するおそれがあると判定されたら、反応ガス流路の下流側弁を開弁して反応ガスを排出するように構成した。つまり、燃料電池システムが凍結するおそれのない場合は、下流側弁の動作を無くすことができ、無駄な電力の消費を防止することができる。また、燃料電池システムが凍結するおそれがある場合は、大気圧より高圧に保持された反応ガス流路に設けられた下流側弁を開弁することにより、反応ガスは下流側弁を通過して高速でシステム外へ排出されることとなる。したがって、反応ガスの流速により凍結しそうになっている生成水をシステム外へ吹き飛ばすことができ、反応ガス流路の凍結を未然に防ぐことができる。
また、燃料電池を停止している間に、燃料電池システムに凍結が確認された場合には、反応ガス流路内の圧力が大気圧より大きい第二所定圧力になるように反応ガス流路内に反応ガスを封じ込める。このとき反応ガスの圧力が高圧になると反応ガスの温度が上昇するため、反応ガス流路を昇温させることができる。つまり、反応ガス流路やその直近に形成された凍結箇所を解凍することができる。その後、反応ガス流路の下流側弁を開弁して反応ガスを排出するように構成したため、反応ガス流路の反応ガスは下流側弁を通過して高速度でシステム外へ排出されることとなる。したがって、反応ガスの流速により解凍された生成水をシステム外へ吹き飛ばすことができる。
さらに、第二所定圧力が第一所定圧力よりも高くなるように設定したため、凍結が確認された場合は反応ガス流路およびその直近の温度を、凍結が予測された場合よりも高くすることができる。したがって、反応ガス流路やその直近に形成された凍結箇所を確実に解凍することができ、その後、反応ガス流路の下流側弁を開弁して反応ガスを排出することにより、解凍された生成水をシステム外へ確実に吹き飛ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態における制御装置の概略ブロック図である。
【図３】本発明の第一実施形態における燃料電池システムの凍結防止方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第一実施形態における燃料電池システムの凍結防止対策時の各弁の開閉タイミングを説明するタイムチャートである。
【図５】本発明の第二実施形態における燃料電池システムの凍結防止方法を示すフローチャートである。
【図６】本発明の第二実施形態における配管内の圧力と温度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第一実施形態）
本発明に係る燃料電池システムの第一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。なお、本実施形態では燃料電池システムを車両に搭載した場合の説明をする。
（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、燃料電池システム１０の燃料電池１１は、水素ガスなどのアノードガスと空気などのカソードガスとの電気化学反応により発電を行う固体高分子膜型燃料電池である。燃料電池１１に形成されたアノードガス供給用連通孔１３（アノードガス流路２１の入口側）にはアノードガス供給配管２３が連結され、その上流端部には水素タンク３０が接続されている。また、燃料電池１１に形成されたカソードガス供給用連通孔１５（カソードガス流路２２の入口側）にはカソードガス供給配管２４が連結され、その上流端部にはエアコンプレッサ３３が接続されている。なお、燃料電池１１に形成されたアノードオフガス排出用連通孔１４（アノードガス流路２１の出口側）にはアノードオフガス排出配管３５が連結され、カソードオフガス排出用連通孔１６（カソードガス流路２２の出口側）にはカソードオフガス排出配管３８が連結されている。
【００１８】
また、水素タンク３０からアノードガス供給配管２３に供給された水素ガスは、レギュレータ（不図示）により減圧された後、エゼクタ２６を通り、燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給される。また、水素タンク３０の下流側近傍には、電磁駆動式の電磁弁２５が設けられており、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断することができるように構成されている。
【００１９】
また、アノードオフガス排出配管３５は、エゼクタ２６に接続され、燃料電池１１を通過し排出されたアノードオフガスを再度燃料電池１１のアノードガスとして再利用できるように構成されている。さらに、アノードオフガス排出配管３５には、途中で３本の配管が分岐して設けられており、燃料電池１１で生成された生成水（ドレイン）を排出するためのドレイン排出配管３６と、アノード配管内の水素濃度を適正に保持するために配管内のガスを排出するためのパージガス排出配管３７と、燃料電池１１の停止中に掃気処理を行う際に掃気ガス（空気）を排出するための掃気ガス排出配管３２と、が設けられている。
【００２０】
ドレイン排出配管３６、パージガス排出配管３７および掃気ガス排出配管３２は、それらの下流でともに希釈ボックス３１に接続されている。そして、ドレイン排出配管３６には電磁駆動式のドレイン弁５１が設けられており、パージガス排出配管３７には電磁駆動式のパージ弁５２が設けられており、掃気ガス排出配管３２には電磁駆動式のエア排出弁４８が設けられている。なお、パージガス排出配管３７は、ドレイン排出配管３６よりも配管径の大きいものが取り付けられている。また、掃気ガス排出配管３２は、パージガス排出配管３７よりも配管径の大きいものが取り付けられている。さらに、アノードオフガス排出配管３５とドレイン排出配管３６との分岐地点には気液分離器としてキャッチタンク５３が設けられている。
【００２１】
次に、空気（カソードガス）はエアコンプレッサ３３によって加圧され、カソードガス供給配管２４を通過した後、燃料電池１１のカソードガス流路２２に供給される。この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池１１からカソードオフガスとしてカソードオフガス排出配管３８に排出される。カソードオフガス排出配管３８は希釈ボックス３１に接続され、その後、車外へと排気される。なお、カソードオフガス排出配管３８には背圧弁３４が設けられている。また、カソードガス供給配管２４には電磁駆動式のカソードガス上流側封止弁４６が設けられており、カソードオフガス排出配管３８には電磁駆動式のカソードガス下流側封止弁４７が設けられている。
なお、カソードガス供給配管２４とカソードオフガス排出配管３８との間に加湿器（不図示）を架け渡して設け、カソードガスがカソードオフガスに含まれる水分の移動により加湿されるように構成してもよい。
【００２２】
また、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され掃気ガス導入配管５４の一端が接続されている。掃気ガス導入配管５４は、アノードガス供給配管２３におけるエゼクタ２６と燃料電池１１との間に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を燃料電池１１のアノードガス流路２１に供給できるようになっている。なお、掃気ガス導入配管５４には電磁駆動式の電磁弁５５が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
【００２３】
さらに、エアコンプレッサ３３と燃料電池１１との間を繋ぐカソードガス供給配管２４において、配管が分岐され希釈ガス供給配管５６の一端が接続されている。希釈ガス供給配管５６は、希釈ボックス３１に他端が接続されている。つまり、エアコンプレッサ３３にて加圧された空気を希釈ボックス３１に供給できるようになっている。なお、希釈ガス供給配管５６には電磁駆動式の電磁弁５７が設けられており、エアコンプレッサ３３からの空気の供給を遮断できるように構成されている。
【００２４】
ここで、アノードオフガス排出配管３５におけるアノードオフガス排出用連通孔１４の直後（下流側）に、温度センサ４１が設けられている。また、燃料電池１１にも温度センサ４２が設けられている。例えば、温度センサ４１，４２の検出温度を平均することにより、燃料電池１１の内部の温度と略同一の温度を検知することができるようになっている。温度センサ４１，４２からの検出結果（センサ出力）は、制御装置（ＥＣＵ）４５へ伝達され、その検出結果に基づいて、各種制御（後に詳述する。）を実行するか否かを決定するように構成されている。
【００２５】
さらに、アノードガス供給配管２３には配管内のガス圧を検出する圧力センサ４３が設けられている。圧力センサ４３は、アノードガス供給配管２３と掃気ガス導入配管５４との合流箇所と、燃料電池１１のアノードガス供給用連通孔１３との間に設けられている。カソードガス供給配管２４には同じく配管内のガス圧を検出する圧力センサ４４が設けられている。圧力センサ４４は、カソードガス上流側封止弁４６と燃料電池１１のカソードガス供給用連通孔１５との間に設けられている。
【００２６】
図２は制御装置４５の概略ブロック図である。図２に示すように、制御装置４５は、イグニッションスイッチがオフされた際に燃料電池１１内のガス圧を上昇させる処理を行うガス圧上昇実行部６１と、燃料電池システム１０が凍結するおそれがあるか否かを判定する凍結予測部６２と、燃料電池１１内の圧抜きを実行する圧抜き処理実行部６３と、燃料電池１１の停止中に掃気処理を実行する掃気処理実行部６４と、を有している。
【００２７】
なお、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、電磁弁２５を制御して水素タンク３０から所定量の水素ガスを燃料電池１１に供給することができるようになっている。また、制御装置４５は、燃料電池１１に要求される出力に応じて、エアコンプレッサ３３を駆動して所定量の空気を燃料電池１１に供給するとともに、背圧弁３４を制御してカソードガス流路２２への空気の供給圧力を調整できるように構成されている。
【００２８】
さらに、希釈ボックス３１の水素濃度が上昇するのを抑制するために、希釈ガス供給配管５６の電磁弁５７を制御して所定量の空気を供給することができるように構成されている。
【００２９】
（燃料電池システムの凍結防止方法）
次に、本実施形態における燃料電池システム１０の凍結防止方法について説明する。
図３は燃料電池システム１０の凍結防止方法のフローチャートである。
図３に示すように、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオフにした状態からフローチャートが始まる。
【００３０】
ステップＳ１１では、燃料電池システム１０の配管および燃料電池１１内のガス圧を上昇させる。このとき、燃料電池システム１０のアノード側およびカソード側の両方の系統のガス圧を上昇させる。具体的には、制御装置４５のガス圧上昇実行部６１の指示により、電磁弁２５、エア排出弁４８、ドレイン弁５１およびパージ弁５２を閉弁するとともに、電磁弁５５を開弁する。この状態でエアコンプレッサ３３を駆動することにより、空気をアノード側に供給する。各弁は閉弁されているためアノード側のガス圧が上昇する。一方、カソード側はカソードガス下流側封止弁４７および電磁弁５７を閉弁するとともに、カソードガス上流側封止弁４６を開弁する。この状態で空気をカソード側に供給することにより、カソード側のガス圧が上昇する。
【００３１】
ステップＳ１２では、圧力センサ４３の検出値が所定値以上になったときに電磁弁５５を閉弁して、アノード側にガス（空気）を封じ込める。また、圧力センサ４４の検出値が所定値以上になったときにカソードガス上流側封止弁４６を閉弁して、カソード側にガス（空気）を封じ込める。なお、封じ込めをする際の所定の圧力値は、事前の実験などで求めておいた大気圧より大きい値に設定しておく。
【００３２】
ステップＳ１３では、イグニッションスイッチがオンにされたか否かを判定し、オンにされた場合はステップＳ１４へ進み、オフの状態のままの場合にはステップＳ１５へ進む。
【００３３】
ステップＳ１４では、イグニッションスイッチがオンにされたため、アノード側およびカソード側に封じ込められているガスを排出して圧抜き処理を実施する。具体的には、制御装置４５の圧抜き処理実行部６３の指示により、ドレイン弁５１またはパージ弁５２を開弁してアノード側のガスを排出して圧力を低減させる。略同時に、カソードガス下流側封止弁４７を開弁してカソード側のガスを排出して圧力を低減させる。なお、このとき背圧弁３４は開弁されている。
【００３４】
ステップＳ１５では、制御装置４５の凍結予測部６２により、燃料電池システム１０が凍結するおそれがあるか否かを判定し、凍結するおそれがあると予測された場合はステップＳ１６へ進み、凍結するおそれがないと判定された場合はステップＳ１３へ戻る。具体的には、温度センサ４１，４２の温度を検出し、予め設定された閾値温度以下になった場合には、凍結するおそれがあると判定するように凍結予測部６２が構成されている。
【００３５】
ステップＳ１６では、燃料電池システム１０が凍結するおそれがあると予測されたため、アノード側およびカソード側に封じ込められているガスを排出して圧抜き処理を実施する。具体的には、制御装置４５の圧抜き処理実行部６３の指示により、ドレイン弁５１またはパージ弁５２を開弁してアノード側のガスを排出して圧力を低減させる。略同時に、カソードガス下流側封止弁４７を開弁してカソード側のガスを排出して圧力を低減させる。なお、このとき背圧弁３４は開弁されている。このように圧抜きを実行すると、ガスが排出されると同時に、燃料電池システム１０内に残留している生成水を同時に排出することができる。燃料電池システム１０の凍結が予測された時点で生成水を排出することにより、生成水が燃料電池システム１０内で凍結するのを防止することができる。
【００３６】
ステップＳ１７では、イグニッションスイッチがオンにされたか否かを判定し、オンにされた場合はそのまま処理を終了し、オフの状態のままの場合にはステップＳ１８へ進む。
【００３７】
ステップＳ１８では、燃料電池システム１０の周辺温度が所定の温度以下か否かを判定し、所定温度以下になっている場合にはステップＳ１９へ進み、所定温度より高い場合にはステップＳ１７へ戻る。所定の温度とは、例えば−１０℃など、配管内に残存するガス中の水分が結露し凍結する温度を実際の実験などから予め求めておいたものである。なお、このとき温度センサ４１，４２を用いて判定するようにしてもよいし、燃料電池システム１０の直近に温度センサ（不図示）を設けて、その温度センサの検出値に基づいて判定するようにしてもよい。
【００３８】
ステップＳ１９では、制御装置４５の掃気処理実行部６４の指示により、燃料電池システム１０の掃気処理を実行する。具体的には、電磁弁２５、ドレイン弁５１およびパージ弁５２を閉弁するとともに、エア排出弁４８および電磁弁５５を開弁する。この状態でエアコンプレッサ３３を駆動して、空気をアノード側へ供給する。アノード側に空気を所定時間供給した後、エアコンプレッサ３３の駆動を停止して掃気処理を終了し、燃料電池システム１０の凍結防止処理を終了する。掃気処理を行うことにより、アノード側の配管内を凍結の抑制が可能な低湿度の空気に置換することができる。
【００３９】
図４は上述のフローチャートの流れをタイムチャートにしたものである。図４に示すように、アノード圧およびカソード圧はステップＳ１２で圧力封じ込めを実行した後は大気圧より高い略同一の圧力に保持されており、ステップＳ１６の圧抜き処理でアノード圧およびカソード圧は大気圧まで低下し、このときパージ弁５２（またはドレイン弁５１）が開弁されるため、配管内に残留していた生成水はガス（空気）と一緒にシステム外へ排出されることとなる。また、圧抜きの際は、希釈ボックス３１内の水素濃度が高くなりすぎるのを防止するために、希釈ボックス３１に希釈エアを供給している。具体的には、電磁弁５７を開弁するとともに、エアコンプレッサ３３を駆動させて希釈ガス供給配管５６から希釈ボックス３１へ空気を供給することにより希釈ボックス３１内を希釈している。
【００４０】
本実施形態によれば、燃料電池システム１０を停止している間に、アノード側およびカソード側の流路内の圧力が大気圧より大きい所定圧力になるように、各流路内に空気を封じ込め、凍結予測部６２により燃料電池システム１０が凍結するおそれがあると判定されたら、アノード側のパージ弁５１およびカソード側のカソードガス下流側封止弁４７を開弁して空気を排出するように構成した。つまり、燃料電池システム１０が凍結するおそれのない場合は、アノード側のパージ弁５１およびカソード側のカソードガス下流側封止弁４７の動作を無くすことができ、無駄な電力の消費を防止することができる。また、燃料電池システム１０が凍結するおそれがある場合は、大気圧より高圧に保持された各流路に設けられたアノード側のパージ弁５１およびカソード側のカソードガス下流側封止弁４７を開弁することにより、空気はパージ弁５１およびカソードガス下流側封止弁４７を通過して高速で燃料電池システム１０外へ排出されることとなる。したがって、空気の排出時の流速により凍結しそうになっている生成水（残留水）を燃料電池システム１０外へ吹き飛ばすことができ、各流路の凍結を未然に防ぐことができる。
【００４１】
また、アノードガス流路２１およびカソードガス流路２２の両方に空気を供給して高圧に保持できるように構成したため、アノードガス流路２１の圧力低下を防止することができる。つまり、カソードガス流路２２も高圧に保持することにより、極間差圧が生じるのを防止することができ、アノードガス流路２１内の圧力を長時間に亘って高圧に保持することができる。また、アノードガス流路２１内を高圧に保持することにより、アノードガス流路２１が高温になり、結露の発生を抑制することができることから、反応ガス流路（アノードガス流路２１およびカソードガス流路２２）の凍結をさらに防ぐことができる。
【００４２】
なお、本実施形態ではステップＳ１６において、アノード側の圧抜きを実行する際にパージ弁５２を開弁して、パージガス排出配管３７からガスおよび生成水を排出するように構成したが、ドレイン弁５１を開弁してもよいし、両方の弁５１，５２を開弁してガスおよび生成水を排出するように構成してもよい。
また、本実施形態では、アノード側およびカソード側を両方とも圧力を上昇させてガス封じ込めを行ったが、基本的に生成水はアノード側に残留するため、アノード側のみガス圧上昇させて、凍結が予測された時点で圧抜きを実行するように構成してもよい。
【００４３】
（第二実施形態）
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二実施形態を図５〜図６に基づいて説明する。なお、本実施形態は第一実施形態と燃料電池システムの凍結防止方法が異なるのみであり、燃料電池システムの構成は第一実施形態と略同一であるため、同一箇所には同一符号を付して詳細な説明は省略する。また、本実施形態の制御装置４５には、燃料電池システム１０が凍結しているか否かを判定する凍結確認部６５が設けられている。
【００４４】
（燃料電池システムの凍結防止方法）
本実施形態における燃料電池システム１０の凍結防止方法について説明する。
図５は燃料電池システム１０の凍結防止方法のフローチャートである。
図５に示すように、燃料電池システム１０の起動信号であるイグニッションスイッチ（不図示）をオフにした状態からフローチャートが始まる。
【００４５】
ステップＳ２１では、燃料電池システム１０の配管および燃料電池１１内のガス圧を上昇させる。このとき、燃料電池システム１０のアノード側およびカソード側の両方の系統のガス圧を上昇させる。具体的には、制御装置４５のガス圧上昇実行部６１の指示により、電磁弁２５、エア排出弁４８、ドレイン弁５１およびパージ弁５２を閉弁するとともに、電磁弁５５を開弁する。この状態でエアコンプレッサ３３を駆動することにより、空気をアノード側に供給する。各弁は閉弁されているためアノード側のガス圧が上昇する。一方、カソード側はカソードガス下流側封止弁４７および電磁弁５７を閉弁するとともに、カソードガス上流側封止弁４６を開弁する。この状態で空気をカソード側に供給することにより、カソード側のガス圧が上昇する。
【００４６】
ステップＳ２２では、圧力センサ４３の検出値が第一所定圧力値以上になったときに電磁弁５５を閉弁して、アノード側にガス（空気）を封じ込める。また、圧力センサ４４の検出値が第一所定圧力値以上になったときにカソードガス上流側封止弁４６を閉弁して、カソード側にガス（空気）を封じ込める。なお、封じ込めをする際の第一所定圧力値は、事前の実験などで求めておいた大気圧より大きい値に設定しておく。
【００４７】
ステップＳ２３では、イグニッションスイッチがオンにされたか否かを判定し、オンにされた場合はステップＳ２４へ進み、オフの状態のままの場合にはステップＳ２５へ進む。
【００４８】
ステップＳ２４では、イグニッションスイッチがオンにされたため、アノード側およびカソード側に封じ込められているガスを排出して圧抜き処理を実施する。具体的には、制御装置４５の圧抜き処理実行部６３の指示により、ドレイン弁５１またはパージ弁５２を開弁してアノード側のガスを排出して圧力を低減させる。略同時に、カソードガス下流側封止弁４７を開弁してカソード側のガスを排出して圧力を低減させる。なお、このとき背圧弁３４は開弁されている。
【００４９】
ステップＳ２５では、制御装置４５の凍結予測部６２により、燃料電池システム１０が凍結するおそれがあるか否かを判定し、凍結するおそれがあると予測された場合はステップＳ２６へ進み、凍結するおそれがないと判定された場合はステップＳ２３へ戻る。具体的には、温度センサ４１，４２の温度を検出し、予め設定された第一閾値温度以下になった場合には、凍結するおそれがあると判定するように凍結予測部６２が構成されている。
【００５０】
ステップＳ２６では、燃料電池システム１０が凍結するおそれがあると予測されたため、アノード側およびカソード側に封じ込められているガスを排出して圧抜き処理を実施する。具体的には、制御装置４５の圧抜き処理実行部６３の指示により、ドレイン弁５１またはパージ弁５２を開弁してアノード側のガスを排出して圧力を低減させる。略同時に、カソードガス下流側封止弁４７を開弁してカソード側のガスを排出して圧力を低減させる。なお、このとき背圧弁３４は開弁されている。このように圧抜きを実行すると、ガスが排出されると同時に、燃料電池システム１０内に残留している生成水を同時に排出することができる。燃料電池システム１０の凍結が予測された時点で生成水を排出することにより、生成水が燃料電池システム１０内で凍結するのを防止している。
【００５１】
ステップＳ２７では、イグニッションスイッチがオンにされたか否かを判定し、オンにされた場合はそのまま処理を終了し、オフの状態のままの場合にはステップＳ２８へ進む。
【００５２】
ステップＳ２８では、制御装置４５の凍結確認部６５により、燃料電池システム１０に凍結が確認されたか否かを判定し、凍結が確認された場合はステップＳ２９へ進み、凍結が確認されていない場合はステップＳ２７へ戻る。具体的には、温度センサ４１，４２の温度を検出し、予め設定された第二閾値温度以下になった場合には、凍結が確認されたと判定するように構成されている。ここで、第二閾値温度は第一閾値温度よりも低い温度であって、例えば事前の低温下実験で求められたシステム内機器が凍結する温度に設定されている。
【００５３】
ステップＳ２９では、燃料電池システム１０の配管および燃料電池１１内のガス圧を上昇させる。具体的には、ステップＳ２１と略同一の方法でガス圧を上昇させる。
【００５４】
ステップＳ３０では、圧力センサ４３の検出値が第二所定圧力値以上になったときに電磁弁５５を閉弁して、アノード側にガス（空気）を封じ込める。また、圧力センサ４４の検出値が第二所定圧力値以上になったときにカソードガス上流側封止弁４６を閉弁して、カソード側にガス（空気）を封じ込める。なお、封じ込めをする際の第二所定圧力値は、第一所定圧力値より大きい所定値に設定しておく。
ここで、配管内の圧力値と温度とは図６に示すような関係がある。つまり、配管内の圧力値が高くなるほど、配管内の温度も高くなる。つまり、第二所定圧力値を高くすればするほど、配管内の温度を上昇させることができる。したがって、配管内に残留して凍結してしまった生成水を解凍できる温度になるように第二所定圧力値を設定している。
【００５５】
ステップＳ３１では、アノード側およびカソード側に封じ込められているガスを排出して圧抜き処理を実施する。具体的には、上述したステップＳ２６と略同一の動作を行う。このときステップＳ３０で生成水が解凍されているため、圧抜きを実行すると、ガスが排出されると同時に、燃料電池システム１０内に残留している生成水を同時に排出することができる。
【００５６】
ステップＳ３２では、イグニッションスイッチがオンにされたか否かを判定し、オンにされた場合はそのまま処理を終了し、オフの状態のままの場合にはステップＳ３３へ進む。
【００５７】
ステップＳ３３では、燃料電池システム１０の周辺温度が所定の温度以下か否かを判定し、所定温度以下になっている場合にはステップＳ３４へ進み、所定温度より高い場合にはステップＳ３２へ戻る。所定の温度とは、例えば−１０℃など、配管内に残存するガス中の成分が結露し凍結する温度を実際の実験などから予め求めておいたものである。なお、このとき温度センサ４１，４２を用いて判定するようにしてもよいし、燃料電池システム１０の直近に温度センサ（不図示）を設けて、その温度センサの検出値に基づいて判定するようにしてもよい。
【００５８】
ステップＳ３４では、制御装置４５の掃気処理実行部６４の指示により、燃料電池システム１０の掃気処理を実行する。具体的には、電磁弁２５、ドレイン弁５１およびパージ弁５２を閉弁するとともに、エア排出弁４８および電磁弁５５を開弁する。この状態でエアコンプレッサ３３を駆動して、空気をアノード側へ供給する。アノード側に空気を所定時間供給した後、エアコンプレッサ３３の駆動を停止して掃気処理を終了し、燃料電池システム１０の凍結防止処理を終了する。掃気処理を行うことにより、アノード側の配管内を凍結の抑制が可能な低湿度の空気に置換することができる。
【００５９】
本実施形態によれば、第一実施形態の作用効果に加えて、燃料電池システム１０を停止している間に、燃料電池システム１０に凍結が確認された場合には、アノード側およびカソード側の流路内の圧力が第一所定圧力より大きい第二所定圧力になるように、各流路内に空気を封じ込める。このとき配管内のガス圧力が高圧になるとガスの温度が上昇するため、各流路を昇温させることができる。つまり、各流路やその直近に形成された凍結箇所を解凍することができる。その後、アノード側のパージ弁５１およびカソード側のカソードガス下流側封止弁４７を開弁して空気を排出するように構成したため、各流路に充填された空気はパージ弁５１およびカソードガス下流側封止弁４７を通過して高速で燃料電池システム１０外へ排出されることとなる。したがって、空気の流速により解凍された生成水も燃料電池システム１０外へ吹き飛ばすことができる。
【００６０】
尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、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、実施形態で挙げた具体的な構造や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、本実施形態において、制御装置に凍結予測部を設けた場合の説明をしたが、凍結予測部を設けずに、凍結確認部のみを設ける構成にしてもよい。
また、本実施形態において、ガス圧を上昇させる際に、アノード側に空気を供給する構成にしたが、水素ガスを供給してアノード側のガス圧を上昇させるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１０…燃料電池システム  １１…燃料電池  ２３…アノードガス供給配管（反応ガス流路）  ２４…カソードガス供給配管（反応ガス流路）  ２５…電磁弁（上流側弁）  ３０…水素タンク（反応ガス供給部）  ３３…エアコンプレッサ（反応ガス供給部）  ３５…アノードオフガス排出配管（反応ガス流路）  ３８…カソードオフガス排出配管（反応ガス流路）  ４５…制御装置（制御部）  ４６…カソードガス上流側封止弁（上流側弁）  ４７…カソードガス下流側封止弁（下流側弁）  ４８…エア排出弁（下流側弁）  ５１…ドレイン弁（下流側弁）  ５２…パージ弁（下流側弁）  ６２…凍結予測部  ６５…凍結確認部
【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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