(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給するとともに負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるアノードガス及びカソードガスのうちのいずれかの排出ガスを前記燃料電池に循環させる部品と、
前記負荷に基づいて前記燃料電池の発電状態を制御する発電制御部と、
前記燃料電池システムの温度を検出する手段に基づき、前記部品の凍結を予測する凍結予測部と、
前記部品の凍結が予測されたときには、前記燃料電池システムの停止指令を受けた場合に前記燃料電池システムを停止した後に、暖機運転を実行する運転実行部と、
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記凍結予測部は、前記燃料電池の温度が、前記部品の氷が除去される温度まで上昇しているか否かに基づいて、前記部品の凍結を予測し、
前記運転実行部は、前記停止指令を受けたときに、前記燃料電池の温度が前記部品の氷が除去される温度まで上昇していない場合には、前記暖機運転を実行する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記部品は、ジェットポンプを含み、
前記凍結予測部は、前記燃料電池システムの温度に基づいて前記部品に生成される氷の量を算出し、前記氷の量が所定の値以下である場合には、前記暖機運転の実行を制限する、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記運転実行部は、前記停止指令を受けた場合に、前記燃料電池が所定の乾燥状態となるように前記燃料電池を暖機し、その後、前記燃料電池システムの温度に基づいて前記暖機運転を継続する、燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給するとともに負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されるアノードガス及びカソードガスのうちのいずれかの排出ガスを前記燃料電池に循環させる部品と、
前記負荷に基づいて前記燃料電池の発電状態を制御する発電制御部と、
前記燃料電池システムの温度を検出する手段に基づき、前記部品の凍結を予測する凍結予測部と、
前記部品の凍結が予測されたときには、前記燃料電池システムの停止指令を受けた場合に前記燃料電池システムの停止をせずに、又は、前記燃料電池システムを停止した後に、暖機運転を実行する運転実行部と、を含み、
前記部品は、ジェットポンプを含み、
前記凍結予測部は、前記燃料電池システムの温度に基づいて前記部品に生成される氷の量を算出し、前記氷の量が所定の値以下である場合には、前記暖機運転の実行を制限する、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記運転実行部は、前記停止指令を受けたときに、前記部品に生成される氷の量が前記所定の値よりも大きい場合には、前記暖機運転を実行した後に前記燃料電池システムを停止する、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムが停止された後に、前記燃料電池の温度が所定の閾値まで低下したときには、前記燃料電池を所定の乾燥状態に制御する乾燥運転部をさらに含み、
前記運転実行部は、前記乾燥運転部が前記燃料電池を前記乾燥状態に制御するときに、前記燃料電池システムの温度に基づいて前記暖機運転を実行する、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記凍結予測部は、前記部品に供給されるガスの温度が低いほど、前記閾値を高く設定する、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記部品は、ジェットポンプを含み、
前記凍結予測部は、前記部品に生成された氷の量が所定の値よりも小さい場合において、前記氷の量と前記所定の値との差が小さくなるほど、前記閾値を高く設定する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記凍結予測部は、前記燃料電池の温度が氷点よりも低い状態で前記燃料電池システムを停止した回数をカウントし、
前記運転実行部は、前記カウントした回数に基づいて前記暖機運転を実行する、
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記凍結予測部は、前記部品に供給されるガスと、前記部品によって循環される前記排出ガスとが合流した合流ガスの温度が所定の温度よりも低い時間を積算し、
前記運転実行部は、前記積算した時間に基づいて前記暖機運転を実行する、
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムであって、
前記凍結予測部は、前記積算した時間を、前記燃料電池に要求される電流が大きくなるほど短くする、
燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記運転実行部は、前記燃料電池を暖機するときには、前記燃料電池を発電させる、
燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記部品は、前記燃料電池に供給されるガスを吐出することによって前記排出ガスを吸引して前記燃料電池に循環させるジェットポンプを含む、
燃料電池システム。
【請求項１５】
燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給するとともに負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出されるアノードガス及びカソードガスのうちのいずれかの排出ガスを前記燃料電池に循環させる部品を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記負荷に基づいて前記燃料電池の発電状態を制御する発電制御ステップと、
前記燃料電池システムの温度を検出する手段に基づき、前記部品の凍結を予測する凍結予測ステップと、
前記部品の凍結が予測されたときには、前記燃料電池システムの停止指令を受けた場合に前記燃料電池システムを停止した後に、暖機運転を実行する運転実行ステップと、
を含む燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池から排出されるガスを燃料電池に循環させる燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２０１０−３４９３Ａには、燃料電池システムの停止中に燃料電池から排出されるアノードオフガスの温度が所定温度を下回った際に、アノードガスの流路を掃気する燃料電池システムが開示されている。
【発明の概要】
【０００３】
車両に搭載される燃料電池システムは、使用される環境によっては、例えばマイナス３０℃の零下で起動される場合がある。このような場合にアノードオフガスを燃料電池に循環させる燃料電池システムにおいては、高圧タンクから供給されるアノードガスとアノードオフガスとが合流したときにアノードオフガス中の水蒸気が氷結して流路内に氷が生成される。
【０００４】
そのため、上述のように燃料電池システムの停止時にアノードガスの流路を掃気したとしても、流路内に形成された氷は除去されずに残ってしまう。氷が残った状態で燃料電池システムが再起動されると、残留した氷の上にさらに氷が生成され、流路が閉塞して燃料電池にガスを供給できなくなる恐れがある。
【０００５】
本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、零下起動時において燃料電池を循環するガスの流路が凍結するのを防止する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明のある態様によれば、燃料電池にアノードガス及びカソードガスを供給するとともに負荷に応じて燃料電池を発電させる燃料電池システムは、燃料電池から排出されるアノードガス及びカソードガスのうちいずれかの排出ガスを燃料電池に循環させる部品を含む。この燃料電池システムは、負荷に基づいて燃料電池の発電状態を制御する発電制御部と、燃料電池システムの温度に基づき、部品の凍結を予測する凍結予測部と、部品の凍結が予測されたときには、燃料電池システムの停止指令を受けたときに燃料電池システムの停止をせずに、又は、燃料電池システムを停止した後に、暖機運転を実行する運転実行部とを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】図２は、燃料電池システムを制御するコントローラの機能構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、燃料電池システムの停止方法を示すフローチャートである。
【図４】図４は、凍結防止処理を示すフローチャートである。
【図５】図５は、氷量を演算する構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、燃料電池スタックに供給されるカソードガスの圧力を制御する構成を示すブロック図である。
【図７】図７は、コンプレッサから吐出されるカソードガスの流量を制御する構成を示すブロック図である。
【図８】図８は、燃料電池スタックに供給されるカソードガスの圧力を制御する構成を示すブロック図である。
【図９】図９は、乾燥要求圧力マップを示す図である。
【図１０】図１０は、燃料電池スタックの冷却水を温めるヒータの出力を制御する構成を示す図である。
【図１１】図１１は、燃料電池スタックの電力を制御する構成を示すブロック図である。
【図１２】図１２は、燃料電池システムの停止処理中に乾燥・暖機運転を実行したときのタイムチャートである。
【図１３】図１３は、乾燥・暖機運転中のカソードガスの制御状態を示すタイムチャートである。
【図１４】図１４は、本発明の第３実施形態における燃料電池システムの停止後に乾燥・暖機運転を実行したときのタイムチャートである。
【図１５】図１５は、ジェットポンプの暖機完了閾値を補正するマップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
【０００９】
（第１実施形態）
図１は、本発明の実施形態における燃料電池システムの構成例を示す図である。
【００１０】
燃料電池システム１００は、燃料電池に対して外部から発電に必要となる燃料ガスを供給し、電気負荷に応じて燃料電池を発電させる電源システムを構成する。燃料電池システム１００は、コントローラ１０１によって制御される。
【００１１】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、バッテリ２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３と、電気負荷４と、カソードガス給排装置１０と、アノードガス給排装置２０と、スタック冷却装置３０と、スタック抵抗測定装置４５とを含む。カソードガス給排装置１０、アノードガス給排装置２０、及びスタック冷却装置３０の各々は、燃料電池スタック１を発電させるために使用される補機である。
【００１２】
バッテリ２は、燃料電池スタック１を補助する電源である。バッテリ２は、例えば数百Ｖの電圧を出力する。
【００１３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、燃料電池スタック１の電圧とバッテリ２の電圧とを互いに調整する双方向性の電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、燃料電池スタック１とバッテリ２との間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、コントローラ１０１によって制御され、バッテリ２から出力される電力を用いて燃料電池スタック１の電圧を調整する。
【００１４】
例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、電気負荷４から要求される電力が大きくなるほど、燃料電池スタック１から取り出される出力電流が大きくなるように、燃料電池スタック１の電圧を低くする。
【００１５】
電気負荷４は、燃料電池スタック１及びバッテリ２から供給される電力により駆動する。電気負荷４としては、例えば、車両を駆動する電動モータや、燃料電池スタック１の補機の一部などが挙げられる。
【００１６】
本実施形態では、電気負荷４は、燃料電池スタック１とＤＣ／ＤＣコンバータ３との間を接続する電源線に接続されている。なお、燃料電池スタック１とＤＣ／ＤＣコンバータ３と間の電源線に電動モータが接続され、バッテリ２とＤＣ／ＤＣコンバータ３との間の電源線に補機の一部が接続される構成であってもよい。
【００１７】
燃料電池スタック１は、数百枚の電池セルを積層したものであり、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流電圧を発生させる。
【００１８】
燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電極で挟まれる電解質膜とにより構成される。燃料電池では、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とが電解質膜で電気化学反応（発電反応）を起こす。アノード電極及びカソード電極では、以下の電気化学反応が進行する。
【００１９】
アノード電極  ：  ２Ｈ2 →  ４Ｈ+ ＋  ４ｅ-  ・・・（１）
カソード電極  ：  ４Ｈ+  ＋４ｅ-  ＋  Ｏ2 →  ２Ｈ2Ｏ・・・（２）
【００２０】
上記（１）及び（２）に示した電気化学反応によって、起電力が発生すると同時に水が生成される。燃料電池スタック１に積層された燃料電池の各々は直列に接続されているので、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が燃料電池スタック１の出力電圧となる。
【００２１】
燃料電池スタック１には、カソードガス給排装置１０からカソードガスが供給されるとともに、アノードガス給排装置２０からアノードガスが供給される。
【００２２】
カソードガス給排装置１０は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを大気に排出する装置である。カソードオフガスには、燃料電池スタック１で消費されなかった余剰のカソードガスや、発電に伴う生成水などの不純物が含まれている。
【００２３】
カソードガス給排装置１０は、カソードガス供給通路１１と、コンプレッサ１２と、カソードガス排出通路１３と、カソード調圧弁１４と、バイパス通路１５と、バイパス弁１６とを備える。
【００２４】
カソードガス供給通路１１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路１１の一端は、酸素が含まれた空気を外気から取り込むための通路と連通し、他端は、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００２５】
コンプレッサ１２は、カソードガス供給通路１１に設けられる。コンプレッサ１２は、外気からカソードガス供給通路１１に空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。コンプレッサ１２は、コントローラ１０１によって制御される。
【００２６】
カソードガス排出通路１３は、燃料電池スタック１からカソードオフガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路１３の一端は、燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口している。
【００２７】
カソード調圧弁１４は、カソードガス排出通路１３に設けられる。カソード調圧弁１４として本実施形態では、弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。カソード調圧弁１４は、コントローラ１０１によって開閉制御される。この開閉制御によって燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力が所望の圧力に調節される。
【００２８】
バイパス通路１５は、コンプレッサ１２から吐出されるカソードガスの一部を燃料電池スタック１に供給せずに、カソードガス排出通路１３に直接排出するための通路である。
【００２９】
バイパス通路１５の一端は、コンプレッサ１２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路１１に接続され、他端は、カソード調圧弁１４よりも上流のカソードガス排出通路１３に接続される。すなわち、バイパス通路１５は、コンプレッサ１２よりも下流のカソードガス供給通路１１から分岐して、カソード調圧弁１４よりも上流のカソードガス排出通路１３に合流する。
【００３０】
バイパス弁１６は、バイパス通路１５に設けられる。バイパス弁１６として本実施形態では、弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。バイパス弁１６は、コントローラ１０１によって制御される。
【００３１】
例えば、燃料電池スタック１から排出される水素を希釈するのに必要となるカソードガスの流量（以下、「水素希釈要求流量」という。）が、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガスの流量よりも大きくなる場合に、バイパス弁１６が開かれる。
【００３２】
または、コンプレッサ１２で生じるサージを回避するのに必要となるカソードガスの流量（以下、「サージ回避要求流量」という。）が、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガスの流量よりも大きくなる場合に、バイパス弁１６が開かれる。
【００３３】
なお、燃料電池スタック１の発電に必要となるカソードガスの流量が、水素希釈要求流量やサージ回避要求流量などの値よりも大きいときには、バイパス弁１６は閉じられる。
【００３４】
アノードガス給排装置２０は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させつつ、アノードオフガス中の不純物を除去する装置である。不純物とは、カソード極から電解質膜を介してアノード極に透過してきた空気中の窒素や、発電に伴う生成水などのことである。
【００３５】
アノードガス給排装置２０は、高圧タンク２１と、アノードガス供給通路２２と、熱交換器２３と、アノード調圧弁２４と、ジェットポンプ２５と、アノードガス循環通路２６と、気液分離装置２７と、パージ通路２８と、パージ弁２９とを備える。
【００３６】
高圧タンク２１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００３７】
アノードガス供給通路２２は、高圧タンク２１に貯蔵されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路２２の一端は、高圧タンク２１に接続され、他端は、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
【００３８】
熱交換器２３は、アノード調圧弁２４よりも上流のアノードガス供給通路２２に設けられる。熱交換器２３は、燃料電池スタック１で昇温される冷却水と、高圧タンク２１から供給されるアノードガスとの間で熱を交換する。冷却水は、燃料電池スタック１を冷却するための冷媒である。
【００３９】
燃料電池システム１００の低温起動時には、熱交換器２３は、燃料電池スタック１を循環する冷却水によって、アノードガス供給通路２２に供給されるアノードガスを温める機能を有する。
【００４０】
アノード調圧弁２４は、熱交換器２３とジェットポンプ２５との間のアノードガス供給通路２２に設けられる。アノード調圧弁２４として本実施形態では、弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁２４は、コントローラ１０１によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力が調節される。
【００４１】
アノード調圧弁２４とジェットポンプ２５との間のアノードガス供給通路２２には、高圧タンク２１から供給されるアノードガスの温度（以下、「供給ガス温度」という。）を検出する温度センサ４１が設けられている。温度センサ４１は、検出した温度を示す検出信号をコントローラ１０１に出力する。
【００４２】
なお、本実施形態では温度センサ４１は、アノード調圧弁２４とジェットポンプ２５との間のアノードガス供給通路２２に設けられているが、熱交換器２３とアノード調圧弁２４との間のアノードガス供給通路２２に設けられてもよい。
【００４３】
ジェットポンプ２５は、アノード調圧弁２４と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路２２に設けられる。ジェットポンプ２５は、アノードガス供給通路２２にアノードガス循環通路２６を合流させるポンプ又はエゼクタである。ジェットポンプ２５を用いることにより、簡易な構成でアノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させることができる。
【００４４】
ジェットポンプ２５は、アノード調圧弁２４により供給されるアノードガスの流速を速めることにより、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを吸引してそのアノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させる。
【００４５】
ジェットポンプ２５は、例えば、ノズルとディフューザとにより構成される。ノズルは、アノードガスの流速を加速してディフューザに噴射するものである。ノズルは円筒状に形成され、開口はノズルの先端部に近づくにつれて狭くなる。このため、アノードガスの流速が先端部で速くなってディフューザへ噴射される。
【００４６】
ディフューザは、ノズルから噴射されたアノードガスの流速によってアノードオフガスを吸引するものである。ディフューザは、ノズルから噴射されたアノードガスと、吸引したアノードオフガスとを合流させ、その合流後のガスを燃料電池スタック１へ吐出する。ディフューザには、ノズルと同軸上に合流通路が形成されている。合流通路の開口は、吐出口に近づくにつれて広く形成されている。ディフューザには、吸引口からノズルの先端部分まで延びる円筒状の吸引室が形成され、吸引室と合流通路とが連通している。
【００４７】
ジェットポンプ２５と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路２２には圧力センサ４２が設けられている。圧力センサ４２は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力（以下「スタック入口ガス圧力」という。）を検出する。圧力センサ４２は、検出した圧力を示す検出信号をコントローラ１０１に出力する。
【００４８】
アノードガス循環通路２６は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスをアノードガス供給通路２２に循環させる通路である。アノードガス循環通路２６の一端は、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端は、ジェットポンプ２５の吸引口（循環口）に接続される。
【００４９】
気液分離装置２７は、アノードガス循環通路２６に設けられる。気液分離装置２７は、アノードオフガスに含まれる生成水や窒素ガスなどの不純物を余剰のアノードガスから分離する。気液分離装置２７は、アノードオフガスに含まれる水蒸気を凝縮して液水にする。
【００５０】
気液分離装置２７で不純物が除去されたアノードガスは、アノードガス循環通路２６を通り、ジェットポンプ２５を介して再びアノードガス供給通路２２に供給される。また、気液分離装置２７の下部には、不純物をパージ通路２８に排出する排出孔が形成されている。
【００５１】
パージ通路２８は、気液分離装置２７によって分離された不純物を排出するための通路である。パージ通路２８の一端は、気液分離装置２７の排出孔に接続され、他端は、カソード調圧弁１４よりも下流のカソードガス排出通路１３に接続される。
【００５２】
パージ弁２９は、パージ通路２８に設けられる。パージ弁２９は、コントローラ１０１によって開閉制御される。この開閉制御によって、窒素ガスや液水などの不純物がカソードガス排出通路１３へ排出される。
【００５３】
スタック冷却装置３０は、冷媒である冷却水を用いて燃料電池スタック１を発電に適した温度に調整する装置である。スタック冷却装置３０は、冷却水循環通路３１と、冷却水ポンプ３２と、ラジエータ３３と、バイパス通路３４と、ヒータ３５と、サーモスタット３６と、分岐通路３７と、スタック入口水温センサ４３と、スタック出口水温センサ４４とを含む。
【００５４】
冷却水循環通路３１は、燃料電池スタック１に冷却水を循環させる通路である。冷却水循環通路３１の一端は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔に接続され、他端は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔に接続される。
【００５５】
冷却水ポンプ３２は、冷却水循環通路３１に設けられる。冷却水ポンプ３２は、冷却水を燃料電池スタック１と熱交換器２３とに供給する。冷却水ポンプ３２は、コントローラ１０１によって制御される。
【００５６】
ラジエータ３３は、冷却水ポンプ３２の冷却水吸入口側の冷却水循環通路３１に設けられる。ラジエータ３３は、燃料電池スタック１により加熱された冷却水を冷却する。
【００５７】
バイパス通路３４は、ラジエータ３３をバイパスする通路である。バイパス通路３４の一端は、燃料電池スタック１の冷却水出口側の冷却水循環通路３１に接続され、他端は、サーモスタット３６に接続される。
【００５８】
ヒータ３５は、バイパス通路３４に設けられる。ヒータ３５は、燃料電池スタック１を暖機するときに通電されて冷却水を加熱する。本実施形態では、ヒータ３５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３によって燃料電池スタック１から電力が供給されて発熱する。
【００５９】
サーモスタット３６は、バイパス通路３４が冷却水循環通路３１に対して合流する部分に設けられる。サーモスタット３６は三方弁である。サーモスタット３６は、サーモスタット３６の内部を流れる冷却水の温度によって自動的に開閉する。
【００６０】
例えば、サーモスタット３６は、冷却水の温度が所定の開弁温度よりも低いときには閉じた状態となり、バイパス通路３４を経由してきた冷却水のみを燃料電池スタック１に供給する。これにより、燃料電池スタック１には、ラジエータ３３を経由してくる冷却水よりも高温の冷却水が流れる。
【００６１】
一方、サーモスタット３６は、冷却水の温度が開弁温度以上になると、徐々に開き始める。そしてサーモスタット３６は、バイパス通路３４を経由してきた冷却水と、ラジエータ３３を経由してきた冷却水と、を混合して燃料電池スタック１に供給する。これにより、燃料電池スタック１には、バイパス通路３４を経由してくる冷却水よりも低温の冷却水が流れる。
【００６２】
分岐通路３７は、冷却水ポンプ３２と燃料電池スタック１の冷却水入口孔との間の冷却水循環通路３１から分岐し、熱交換器２３を介してバイパス通路３４よりも上流の冷却水循環通路３１に合流する。
【００６３】
スタック入口水温センサ４３は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔の近傍にある冷却水循環通路３１に設けられる。スタック入口水温センサ４３は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。スタック入口水温センサ４３は、検出した温度を示す検出信号をコントローラ１０１に出力する。
【００６４】
スタック出口水温センサ４４は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔の近傍にある冷却水循環通路３１に設けられる。スタック出口水温センサ４４は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。スタック出口水温センサ４４は、検出した温度を示す検出信号をコントローラ１０１に出力する。
【００６５】
スタック抵抗測定装置４５は、燃料電池スタック１に積層された燃料電池を構成する電解質膜の湿潤度を推定するために、燃料電池スタック１の内部抵抗（ＨＦＲ：High Frequency Resistance）を測定する。電解質膜の湿潤度が小さいほど、すなわち電解質膜中の水分が少なく乾き気味であるほど、内部抵抗は大きくなる。一方、電解質膜の湿潤度が大きいほど、すなわち電解質膜中の水分が多く濡れ気味であるほど、内部抵抗は小さくなる。
【００６６】
例えば、スタック抵抗測定装置４５は、燃料電池スタック１の正極端子に交流電流を供給し、交流電流によって正極端子と負極端子との間の交流電圧を検出する。そしてスタック抵抗測定装置４５は、交流電圧の振幅を交流電流の振幅で除算することにより、内部抵抗を算出し、その算出した内部抵抗の値、すなわちＨＦＲをコントローラ１０１に出力する。
【００６７】
コントローラ１０１は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピューターで構成される。
【００６８】
コントローラ１０１には、温度センサ４１、圧力センサ４２、スタック入口水温センサ４３、スタック出口水温センサ４４、及びスタック抵抗測定装置４５から出力される検出値が入力される。
【００６９】
コントローラ１０１は、入力された値、燃料電池スタック１に要求される要求電力、及び、補機に対する指令値に基づいて、コンプレッサ１２、カソード調圧弁１４、バイパス弁１６、アノード調圧弁２４、及びパージ弁２９を制御する。これにより、燃料電池スタック１の発電状態が良好に維持される。
【００７０】
コントローラ１０１は、燃料電池システム１００が起動されたときには、燃料電池スタック１を発電に適した温度まで暖機する制御（以下「暖機運転」という）を実行する。
【００７１】
暖機運転においては、コントローラ１０１は、コンプレッサ１２や、冷却水ポンプ３２、ヒータ３５などの補機に対して電力が燃料電池スタック１から供給されるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する。
【００７２】
これにより、補機の駆動に必要となる駆動電力が燃料電池スタック１で発電されるので、燃料電池スタック１自身がさらに発熱する。これに加えて、ヒータ３５の発熱（出力）によって、燃料電池スタック１の冷却水が加熱されて燃料電池スタック１が温められる。
【００７３】
このとき、燃料電池スタック１の発電量を大きくするほど、燃料電池スタック１の発熱量が大きくなるので、コントローラ１０１は、コンプレッサ１２の回転速度やヒータ３５の出力を可変範囲の上限値に設定する。これにより、燃料電池スタック１の暖機が促進される。
【００７４】
上述のような燃料電池システムにおいて、零下の温度環境で起動されるときには、高圧タンク２１からジェットポンプ２５に供給されるアノードガスの温度はマイナス３０℃になることも想定される。
【００７５】
このような状況では、ジェットポンプ２５に供給されるアノードガスと、ジェットポンプ２５により吸引されるアノードオフガスとが合流する部分では、アノードオフガス中の水蒸気が液水となり、その液水が氷結して氷が生成される。このため、アノードガスとアノードオフガスとの合流ガスの温度が氷点を超えるまでは、ジェットポンプ２５に形成される氷の量は増加する。
【００７６】
例えば、合流ガスが氷点に到達する前に燃料電池システム１００が停止されたときには、ジェットポンプ２５内には氷が形成された状態のままとなる。この状態で、燃料電池システム１００が再起動されると、ジェットポンプ２５内に形成された氷の上にさらに氷が生成されることになる。このため、燃料電池システム１００の運転中にアノードガスとアノードオフガスとの合流部分の流路が閉塞し、燃料電池スタック１にアノードガスを供給できなくなることが懸念される。ここでは、氷によって流路が閉塞することを凍結という。
【００７７】
そこで本実施形態では、コントローラ１０１は、燃料電池スタック１の発電を停止する停止指令を受けたときに、燃料電池スタック１の暖機運転を実行する。
【００７８】
図２は、本発明の第１実施形態におけるコントローラ１０１の基本構成を示す図である。
【００７９】
コントローラ１０１は、燃料電池システム１００を制御するシステム制御部１０２を備える。システム制御部１０２は、発電制御部２００と、停止制御部３００と、指令部４００とを含む。
【００８０】
発電制御部２００は、要求電力に基づいて燃料電池スタック１の発電状態を制御する。要求電力とは、電動モータなどの電気負荷４から燃料電池スタック１に要求される電力のことである。
【００８１】
例えば、発電制御部２００は、燃料電池スタック１の電流電圧（ＩＶ）特性を参照し、要求電力に基づいて、燃料電池スタック１から取り出される電流の目標値（以下「目標電流」という。）を算出する。
【００８２】
発電制御部２００は、その目標電流に基づいて燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの目標圧力及び目標流量を算出するとともに、目標電流に基づいて燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの目標圧力を算出する。さらに、発電制御部２００は、目標電流に基づいて燃料電池スタック１に供給される冷却水の目標流量を算出する。
【００８３】
このように、発電制御部２００は、電気負荷４の要求電力に基づいて、カソードガスの目標圧力及び目標流量、アノードガスの目標圧力、並びに冷却水の目標流量を求め、これらのパラメータを用いて燃料電池スタック１を発電させる。
【００８４】
停止制御部３００は、燃料電池システム１００の停止指令に基づいて、燃料電池システム１００を予め定められた停止状態に制御する。
【００８５】
停止制御部３００は、凍結予測処理部３１０と運転実行部３１１とを含む。
【００８６】
凍結予測処理部３１０は、燃料電池システム１００の温度に基づき、ジェットポンプ２５の凍結を予測する凍結予測部を構成する。
【００８７】
燃料電池システム１００の温度は、ジェットポンプ２５の凍結を予測するパラメータであり、例えば、外気温や、燃料電池スタック１の温度、ジェットポンプ２５に循環（吸引）されるアノードオフガスの温度（循環ガス温度）、供給ガス温度などが用いられる。
【００８８】
凍結予測処理部３１０は、燃料電池システム１００の停止指令を受けたときに、ジェットポンプ２５の凍結を予測し、燃料電池スタック１を予め定められた状態に制御する必要があるか否かを判断する。
【００８９】
凍結予測処理部３１０は、燃料電池スタック１の電解質膜を、予め定められた乾燥状態に制御する必要があるか否かを判断する。本実施形態では、凍結予測処理部３１０は、スタック抵抗測定装置４５から出力される内部抵抗（ＨＦＲ）の値に基づいて、電解質膜を乾燥状態に制御する必要がある否かを判断する。
【００９０】
また、凍結予測処理部３１０は、燃料電池システム１００の温度に基づいて、ジェットポンプ２５内に生成された氷を除去する必要があるか否かを判断する。
【００９１】
本実施形態では、凍結予測処理部３１０は、燃料電池スタック１の温度（以下「スタック温度」という。）に基づいて、氷を除去する必要があるか否かを判断する。例えば凍結予測処理部３１０は、スタック温度がジェットポンプ２５内の氷が除去される温度よりも低い場合には、ジェットポンプ２５が凍結すると予測する。
【００９２】
本実施形態では、凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５内の氷量を推定し、その氷量に基づいてジェットポンプ２５の凍結を予測する。
【００９３】
運転実行部３１１は、凍結予測処理部３１０によってジェットポンプ２５の凍結が予測されたときには、燃料電池システム１００の停止指令を受けた場合に、燃料電池システム１００の停止をせずに暖機運転を実行する。運転実行部３１１は、乾燥運転部３２０と暖機運転部３３０とを含む。
【００９４】
乾燥運転部３２０は、凍結予測処理部３１０によって電解質膜を乾燥状態に制御する必要があると判断された場合には、電解質膜が湿った状態から予め定められた乾燥状態となるように、燃料電池システム１００を制御する乾燥運転を実行する。
【００９５】
例えば、乾燥運転部３２０は、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量を増やすために、カソードガスの目標流量を高くし、カソードガスの目標圧力を低くする。
【００９６】
また、スタック温度が氷点よりも低い場合には、乾燥運転部３２０は、燃料電池スタック１を暖機する。これにより、燃料電池スタック１の温度が上昇し、燃料電池スタック１内の飽和水蒸気量が増加するため、カソードガスによって持ち出される水蒸気の排出量を増やすことができる。
【００９７】
このように乾燥運転を実行することにより、燃料電池システム１００が停止した後に外気によって燃料電池スタック１が冷やされ、電解質膜に保持された水が凍結して電解質膜が劣化するという事態を回避することができる。
【００９８】
一方、乾燥運転部３２０は、凍結予測処理部３１０によって電解質膜を乾燥状態に制御する必要がないと判断された場合には、乾燥運転の実行を停止する。これにより、無用な乾燥運転の実行を防止することができる。
【００９９】
暖機運転部３３０は、ジェットポンプ２５に形成された氷を除去する必要があると判断された場合、すなわちジェットポンプ２５の凍結が予測されたときには、燃料電池スタック１を暖機する暖機運転を実行する。
【０１００】
暖機運転部３３０は、ヒータ３５を通電して燃料電池スタック１の冷却水を加熱する。これに加えて、暖機運転部３３０は、補機の消費電力が大きくなるように例えばコンプレッサ１２の回転速度を大きくして燃料電池スタック１を発電させる。これにより、燃料電池スタック１の温度を速やかに上昇させることができる。
【０１０１】
具体的には、暖機運転部３３０は、燃料電池スタック１を暖機するための補機消費電力に基づいて目標電流を算出し、その目標電流に基づいて、カソードガスの目標圧力及び目標流量、並びにアノードガスの目標圧力を算出する。
【０１０２】
このように暖機運転を実行することにより、スタック温度が上昇するとともに、これに伴ってジェットポンプ２５に吸引されるアノードオフガスの温度が上昇するので、ジェットポンプ２５内の氷を溶かすことができる。
【０１０３】
一方、暖機運転部３３０は、凍結予測処理部３１０によってジェットポンプ２５内の氷を除去する必要がないと判断された場合には、暖機運転の実行を停止する。すなわち、凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５が凍結しないと予測した場合には、暖機運転の実行を制限する。これにより、無用な暖機運転の実行を防止することができる。
【０１０４】
指令部４００は、発電制御部２００又は停止制御部３００から出力されるパラメータに基づいて、燃料電池システム１００の各制御部品に指令信号を出力する。
【０１０５】
例えば、指令部４００は、カソードガスの目標圧力及び目標流量に基づいて、コンプレッサ１２の目標回転速度、及び、カソード調圧弁１４の目標開度を演算する。さらに指令部４００は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量が目標流量となるようにバイパス弁１６の目標開度を演算する。そして指令部４００は、演算結果を示す指令信号をコンプレッサ１２、カソード調圧弁１４、及びバイパス弁１６に出力する。
【０１０６】
さらに、指令部４００は、アノードガスの目標圧力に基づいてアノード調圧弁２４の開度を演算し、その目標開度を指定する指令信号をアノード調圧弁２４に出力する。また、指令部４００は、ヒータ３５の目標出力に基づいてヒータ３５に供給される電力を演算し、その目標電力に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御する。
【０１０７】
本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１００は、アノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させるジェットポンプ２５を有する。そしてコントローラ１０１は、要求電力に基づいて燃料電池スタック１の発電状態を制御する発電制御部２００と、燃料電池システム１００の温度に基づき、ジェットポンプ２５の凍結を予測する凍結予測処理部３１０を含む。
【０１０８】
そして、運転実行部３１１は、凍結予測処理部３１０によって凍結が予測されたときには、燃料電池システム１００の停止時又は停止した後に、燃料電池スタック１を暖機する。凍結を予測するパラメータとしては、例えばアノードオフガスの温度と相関のある燃料電池スタック１の温度や、ジェットポンプ２５内の氷量の推定値、燃料電池スタック１のＨＦＲなどが挙げられる。
【０１０９】
このように停止指令を受けた後、ジェットポンプ２５の凍結予測に基づいて燃料電池スタック１を暖機することにより、アノードガスが循環する流路に形成された氷を確実に除去することができる。
【０１１０】
例えば、燃料電池システム１００がマイナス３０℃の零下で起動されるような環境では、燃料電池スタック１の暖機中にジェットポンプ２５内に氷が形成され、この状態で燃料電池システム１００が停止されるような状況も想定される。このような状況で、燃料電池システム１００が再起動されると、ジェットポンプ２５に残留した氷の上に、暖機中に新たに生成される氷がさらに堆積していき、ジェットポンプ２５が凍結し、燃料電池スタック１にアノードガスを供給できなくなることが懸念される。
【０１１１】
これに対して本実施形態では、停止指令を受けた後に燃料電池スタック１を暖機することにより、ジェットポンプ２５に吸引されるアノードオフガスの温度が上昇するので、アノードガスとアノードオフガスとの合流ガスの温度が氷点まで上昇する。これにより、ジェットポンプ２５内の氷が溶解されるので、燃料電池システム１００が零下で再起動されたときに、残留した氷が原因でアノードガスの循環する流路が閉塞するのを防止することができる。
【０１１２】
なお、アノードガスが循環する流路に設けられる部品としては、ジェットポンプ２５の他に、圧力センサ４２や気液分離装置２７などがある。また、アノードガス循環通路２６に循環ポンプが設けられた燃料電池システムにおいては循環ポンプが該当する。このような部品についても、暖機運転中に凍結する可能性があることから、停止処理中に暖機運転を実行することでこれらの部品の氷を除去することが可能となる。
【０１１３】
また、本実施形態の燃料電池システム１００は、アノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させるものであったが、カソードオフガスを燃料電池スタック１に循環させるものであっても本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【０１１４】
以上のように、アノードオフガス及びカソードオフガスのうち少なくとも一方の排出ガスを燃料電池スタック１に循環させる燃料電池システムにおいて、停止指令時における排出ガスが循環する流路の凍結状態に応じて暖機運転を実行することにより、次回起動時に流路が凍結して閉塞するのを防止できる。
【０１１５】
（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態における燃料電池システムの停止方法を示すフローチャートである。
【０１１６】
本実施形態の燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１００と基本構成は同じである。以下では、燃料電池システム１００と同じ構成については同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【０１１７】
ステップＳ１０１においてコントローラ１０１の発電制御部２００は、電気負荷４の要求電力に基づいて、燃料電池スタック１の発電状態を制御する。
【０１１８】
ステップＳ１０２においてコントローラ１０１の凍結予測処理部３１０は、燃料電池スタック１の発電を停止する停止指令を受けたか否かを判断する。停止指令は、例えば、燃料電池システム１００に設けられた操作スイッチが起動状態から停止状態に設定されたときに停止制御部３００に出力される。
【０１１９】
ステップＳ１０３において凍結予測処理部３１０は、燃料電池システム１００の停止指令を受けた場合には、燃料電池の電解質膜を乾燥させる必要があるか否かを判断する。
【０１２０】
ステップＳ１０４において凍結予測処理部３１０は、電解質膜を乾燥させる必要があると判断した場合には乾燥フラグをＯＮに設定する。この場合には、運転実行部３１１は、乾燥運転を実行する。乾燥運転では、運転実行部３１１は、電解質膜が乾燥状態となるように、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を多くしたり、カソードガスの圧力を低くしたり、燃料電池スタック１の温度が低いときには燃料電池スタック１を暖機したりする。
【０１２１】
ステップＳ１０５において凍結予測処理部３１０は、乾燥フラグをＯＮに設定した場合には、乾燥要求温度Ｔｄを暖機完了閾値Ｔｈ_ｅに設定する。乾燥要求温度Ｔｄは、カソードガス中に含まれる水蒸気が多くなる温度、例えば４０℃に設定される。
【０１２２】
ステップＳ１０６において凍結予測処理部３１０は、電解質膜を乾燥させる必要がないと判断した場合には、乾燥フラグをＯＦＦに設定する。この場合には、停止制御部３００は、乾燥運転を実行しない。
【０１２３】
ステップＳ１０７において凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５の内部に形成された氷の量に基づいて、燃料電池システム１００の再起動時にジェットポンプ２５が凍結して閉塞するか否かを予測する。
【０１２４】
本実施形態では、凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５内の氷量が、凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも大きいか否かを判断する。
【０１２５】
凍結防止閾値Ｔｈ_ｊは、ジェットポンプ２５の凍結を予測するための閾値であり、燃料電池システム１００が再起動されたときにジェットポンプ２５内に新たに生成される氷量を考慮し、ジェットポンプ２５が閉塞しないように定められる。凍結防止閾値Ｔｈ_ｊは、ジェットポンプ２５が閉塞する氷量に対して例えば５０％程度の値に設定される。
【０１２６】
ステップＳ１０８において凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも大きい場合には、暖機フラグをＯＮに設定する。この場合には、運転実行部３１１は、燃料電池スタック１を暖機する暖機運転を実行する。
【０１２７】
ステップＳ１０９において凍結予測処理部３１０は、暖機フラグをＯＮに設定した場合に、解凍要求温度Ｔｗを暖機完了閾値Ｔｈ_ｅに設定する。解凍要求温度Ｔｗは、ジェットポンプ２５の氷が除去される温度に設定され、本実施形態では６０℃に設定される。
【０１２８】
ステップＳ１１０において凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊ以下である場合には暖機フラグをＯＦＦに設定する。この場合には、凍結予測処理部３１０は、次回起動時の暖機運転中にジェットポンプ２５が凍結しないと予測し、暖機運転を実行しない。
【０１２９】
ステップＳ１２０において運転実行部３１１は、乾燥フラグと暖機フラグとの設定状態に応じて燃料電池システム１００の凍結防止処理を実行する。
【０１３０】
ステップＳ１１１において停止制御部３００は、凍結防止処理が完了した後に燃料電池スタック１と電気負荷４との間に接続された遮断器（不図示）を遮断状態に設定し、燃料電池システム１００を停止する。
【０１３１】
図４は、図３のステップＳ１２０で実行される凍結防止処理の処理手順例を示すフローチャートである。
【０１３２】
ステップＳ１２１において運転実行部３１１は、暖機フラグがＯＦＦに設定されたか否かを判断する。
【０１３３】
ステップＳ１２２において運転実行部３１１は、暖機フラグがＯＦＦに設定された場合において、乾燥フラグがＯＦＦに設定されたか否かを判断する。運転実行部３１１は、暖機フラグと乾燥フラグとが共にＯＦＦに設定された場合には、暖機運転及び乾燥運転の双方を実行せずにステップ１２３の処理に進む。
【０１３４】
ステップＳ１２３において運転実行部３１１は、燃料電池システム１００の停止処理を実行する。例えば、運転実行部３１１は、電解質膜の高電位劣化を抑制するために燃料電池スタック１の電圧を所定の値まで下げ、その後に燃料電池スタック１へのアノードガス及びカソードガスの供給を停止する処理を実行する。
【０１３５】
ステップＳ１２４において運転実行部３１１は、ステップＳ１２１で暖機フラグがＯＮに設定されていた場合において、乾燥フラグがＯＦＦに設定されたか否かを判断する。
【０１３６】
ステップＳ１２５において運転実行部３１１は、暖機フラグがＯＮに設定され、かつ、乾燥フラグがＯＦＦに設定されていた場合には、暖機運転を実行する。
【０１３７】
ステップＳ１２６において運転実行部３１１は、暖機運転が完了したか否かを判断する。例えば、運転実行部３１１は、スタック温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅよりも高くなった場合には、暖機運転が完了したと判断し、ステップＳ１２３の処理に進む。なお、暖機完了閾値Ｔｈ_ｅは、ジェットポンプ２５の氷が溶解する温度Ｔｗに設定されている。
【０１３８】
スタック温度としては、燃料電池スタック１を循環する冷却水の温度が用いられる。本実施形態では、冷却水のスタック入口水温とスタック出口水温との平均値がスタック温度として用いられる。なお、スタック入口水温、又は、スタック出口水温をスタック温度として用いてもよい。あるいは、燃料電池スタック１に温度センサを直接設けて温度センサから出力される検出信号を用いてもよい。
【０１３９】
ステップＳ１２７において運転実行部３１１は、ステップＳ１２４で乾燥フラグがＯＮされたと判断された場合、すなわち暖機フラグと乾燥フラグとが共にＯＮに設定された場合には、暖機運転及び乾燥運転の双方を実行する。
【０１４０】
ステップＳ１２８において運転実行部３１１は、暖機運転が完了したか否かを判断する。例えば、運転実行部３１１は、スタック温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅよりも低い場合には、暖機運転が完了していないと判断し、ステップＳ１２９の処理に進む。
【０１４１】
暖機完了閾値Ｔｈ_ｄは、暖機フラグがＯＮに設定された場合には解凍要求温度Ｔｗに設定され、暖機フラグがＯＦＦに設定された場合おいて乾燥フラグがＯＮに設定されたときには、解凍要求温度Ｔｗよりも低い乾燥要求温度Ｔｄに設定される。
【０１４２】
ステップＳ１２９において凍結予測処理部３１０は、乾燥運転が完了したか否かを判断する。本実施形態では、スタック抵抗測定装置４５で測定されたＨＦＲが、予め定められた基準値以上である場合、すなわち電解質膜が所定の乾燥状態よりも乾いている場合には、運転実行部３１１は、乾燥運転が完了したと判断し、ステップＳ１２５で暖機運転のみを実行する。
【０１４３】
一方、運転実行部３１１は、ＨＦＲが基準値よりも低い場合、すなわち電解質膜が所定の乾燥状態よりも湿っている場合には、ステップＳ１２７の処理に戻り、暖機運転及び乾燥運転の双方を実行する。
【０１４４】
ステップＳ１３０において運転実行部３１１は、ステップＳ１２２で乾燥フラグがＯＮに設定されたと判断された場合には、スタック温度が、暖機完了閾値Ｔｈ_ｅに設定された乾燥要求温度Ｔｄよりも低いか否かを判断する。
【０１４５】
そしてスタック温度が乾燥要求温度Ｔｄよりも低い場合には、ステップＳ１２７の処理に進み、スタック温度が乾燥要求温度Ｔｄ以上である場合にはステップＳ１３１の処理に進む。
【０１４６】
ステップＳ１３１において運転実行部３１１は、ステップＳ１２８で暖機運転が完了したと判断された場合、又は、ステップＳ１３０でスタック温度が乾燥要求温度Ｔｄ以上であると判断された場合には、乾燥運転のみを実行する。
【０１４７】
ステップＳ１３２において凍結予測処理部３１０は、乾燥運転が完了したか否かを判断する。例えば、運転実行部３１１は、ＨＦＲが目標値よりも低い場合、すなわち電解質膜が所定の乾燥状態よりも潤っている場合には、乾燥運転が完了していないと判断し、ステップＳ１３１の処理に戻って乾燥運転を継続する。
【０１４８】
運転実行部３１１は、乾燥運転が完了したと判断した場合には、ステップＳ１２３で停止処理を実行し、凍結防止処理を終了して、図３に示した燃料電池システム１００の停止方法に戻る。
【０１４９】
次に、ジェットポンプ２５内に生成される氷の量を推定する手法について説明する。
【０１５０】
図５は、本実施形態における凍結予測処理部３１０の構成の一部を示すブロック図である。凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５内の氷量を演算する氷量演算部３４０を備える。
【０１５１】
氷量演算部３４０は、供給ガス流量演算部３４１と、循環ガス流量演算部３４２と、合流前供給ガスエンタルピ演算部３４３と、循環ガスエンタルピ演算部３４４とを含む。さらに氷量演算部３４０は、循環ガス体積比演算部３４５と、合流後ガス温度演算部３４６と、氷量積算部３４７とを含む。
【０１５２】
供給ガス流量演算部３４１は、燃料電池スタック１の目標電流に基づいて、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの流量（以下、「供給ガス流量」という。）を演算する。
【０１５３】
目標電流は、電動モータや補機などの負荷から要求される電力に基づいて算出される。例えば、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、電動モータから要求される電力が大きくなるため、目標電流は大きくなる。
【０１５４】
循環ガス流量演算部３４２は、燃料電池スタック１の目標電流とパージ流量とに基づいて、燃料電池スタック１からジェットポンプ２５へ循環されるアノードオフガスの流量（以下、「循環ガス流量」という。）を演算する。なお、パージ流量は、燃料電池スタック１の目標電流やパージ弁２９の開度に基づいて算出される。
【０１５５】
合流前供給ガスエンタルピ演算部３４３は、高圧タンク２１からジェットポンプ２５に供給されるアノードガスの流量（以下、「合流前供給ガス流量」という。）と供給ガス温度とに基づいて、合流前供給ガスのエンタルピを演算する。合流前供給ガス流量は、供給ガス流量から循環ガス中の水素ガス流量を減算した値である。供給ガス温度は、ジェットポンプ２５に供給されるアノードガスの温度であり、温度センサ４１から出力される検出信号に基づいて算出される。
【０１５６】
循環ガスエンタルピ演算部３４４は、循環ガス流量とスタック温度とに基づいて、ジェットポンプ２５に循環されるアノードオフガス（循環ガス）のエンタルピを演算する。ここでは、スタック温度は、ジェットポンプ２５に吸引されるアノードオフガスの温度（スタック出口ガス温度）として用いられる。
【０１５７】
循環ガス体積比演算部３４５は、循環ガス中の水素ガス、窒素ガス、及び水蒸気の体積比を演算する。
【０１５８】
具体的には、循環ガス体積比演算部３４５は、燃料電池スタック１の目標電流に基づいて、予め定められマップから循環ガス中の水素ガスの体積比を演算する。また、循環ガス体積比演算部３４５は、スタック入口ガス圧力から燃料電池スタック１での圧力損失を減算してスタック出口ガス圧力を算出し、スタック温度によって求められる飽和水蒸気圧からスタック出口ガス圧力を減算して水蒸気の体積比を演算する。そして循環ガス体積比演算部３４５は、循環ガス中の水素ガス及び水蒸気の体積比から窒素ガスの体積比を算出する。
【０１５９】
合流後ガス温度演算部３４６は、ジェットポンプ２５において合流前供給ガスと循環ガスとが合流した合流後ガスの温度を演算する。
【０１６０】
具体的には、合流後ガス温度演算部３４６は、合流前供給ガス及び循環ガスのエンタルピを加算して合流前ガスについての総エンタルピを算出する。
【０１６１】
次に、合流後ガス温度演算部３４６は、循環ガスの体積比に基づいて、供給ガス流量に水素ガスの比熱を乗算した熱容量と、循環ガス中の窒素ガス流量に窒素ガスの比熱を乗算した熱容量と、循環ガス中の水蒸気流量に水蒸気比熱を乗算した熱容量とを積算する。合流後ガス温度演算部３４６は、その積算した熱容量により合流前の総エンタルピを除算して合流後のガス温度を算出する。
【０１６２】
氷量積算部３４７は、合流前供給ガス流量Ｑ0と、合流前供給ガス中の水蒸気流量Ｑ0_H2Oと、循環ガス流量Ｑ1と、循環ガス中の水蒸気流量Ｑ1_H2Oと、合流後の飽和水蒸気圧力Ｐ2_satと合流後の圧力Ｐ2とを用いて、次式のとおり、ジェットポンプ２５内の氷量Ｖを積算する。
【０１６３】
【数１】
0006533786.tif 000002
【０１６４】
なお、循環ガス中の水蒸気流量Ｑ1_H2Oは、循環ガス流量Ｑ1と、循環ガス体積比演算部３４５で演算される水蒸気体積比とに基づいて算出される。合流後の飽和水蒸気圧力Ｐ2_satは、合流後ガス温度演算部３４６で演算される合流後ガス温度に基づいて算出される。合流後圧力Ｐ２は、圧力センサ４２で検出されるスタック入口圧力のことである。また、本実施形態では、供給ガス中水蒸気流量Ｑ0_H2Oは、無視できるほど小さいのでゼロに設定される。
【０１６５】
このように、氷量演算部３４０は、凍結を予測するパラメータとして、目標電流や、供給ガス温度、スタック温度、スタック入口圧力などのパラメータを用いて、ジェットポンプ２５内の氷量を演算する。
【０１６６】
次に、本実施形態におけるシステム制御部１０２の詳細構成について図６から図１１までの各図面を参照して説明する。システム制御部１０２は、スタック流量制御部５００と、コンプレッサ流量制御部６００と、スタック圧力制御部７００と、ヒータ出力制御部８００と、スタック電力制御部９００とを含む。
【０１６７】
図６は、スタック流量制御部５００の詳細構成の一例を示すブロック図である。
【０１６８】
スタック流量制御部５００は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（以下「スタック流量」という。）を制御する。
【０１６９】
スタック流量制御部５００は、発電要求流量演算部２００Ａと、湿潤調整流量演算部２００Ｂと、切替器３１０Ａと、乾燥要求流量保持部３２０Ａと、スタック目標流量設定部５１０とを含む。
【０１７０】
発電要求流量演算部２００Ａは、燃料電池スタック１の目標電流に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるスタック流量（以下、「発電要求流量」という。）を演算する。なお、発電要求流量演算部２００Ａは、図２に示した発電制御部２００を構成する。
【０１７１】
発電要求流量演算部２００Ａは、燃料電池スタック１の目標電流が大きくなるほど、燃料電池スタック１の発電量が増加するように、発電要求流量を大きくする。
【０１７２】
例えば、発電要求流量演算部２００Ａには、燃料電池スタック１の目標電流とカソードガスの発電要求流量との関係を示す発電要求マップが予め記憶されている。そして発電要求流量演算部２００Ａは、目標電流を取得すると、発電要求マップを参照し、その目標電流に対応付けられた発電要求流量をスタック目標流量設定部５１０に出力する。
【０１７３】
湿潤調整流量演算部２００Ｂは、燃料電池スタック１のＨＦＲ（内部抵抗）と目標電流とに基づいて、電解質膜の湿潤状態が目標とする状態となるように、スタック流量（以下、「湿潤調整流量」という。）を演算する。なお、湿潤調整流量演算部２００Ｂは、図２に示した発電制御部２００を構成する。
【０１７４】
湿潤調整流量演算部２００Ｂは、ＨＦＲと予め定められた基準値との差（偏差）に応じて湿潤調整流量を算出する。例えば、湿潤調整流量演算部２００Ｂは、ＨＦＲが基準値よりも小さい場合、すなわち電解質膜が目標の状態よりも湿った状態である場合には、カソードガスによって持ち出される水蒸気の流量を増やすために、湿潤調整流量を大きくする。
【０１７５】
ＨＦＲの基準値は、電解質膜が劣化しない範囲において電解質膜の保水量が少なくなるように設定される。すなわち、基準値は、電解質膜が発電に適した湿潤状態よりも乾いた状態に設定される。これにより、燃料電池システム１００の停止後に電解質膜に保持された水が氷結して電解質膜が凍結するのを防止することができる。
【０１７６】
また、湿潤調整流量演算部２００Ｂは、燃料電池スタック１の目標電流が大きくなるほど、発電によって生じる水蒸気の発生量が増加して電解質膜が湿った状態になりやすくなるので、湿潤調整流量を大きくする。一方、湿潤調整流量演算部２００Ｂは、目標電流が小さくなるほど、水蒸気の発生量が減少するため湿潤調整流量を小さくする。
【０１７７】
例えば、湿潤調整流量演算部２００Ｂには、予め定められた目標電流ごとに、ＨＦＲと湿潤調整流量との関係を示す湿潤調整マップが予め記憶されている。そして、湿潤調整流量演算部２００Ｂは、目標電流とＨＦＲとを受け付けると、その目標電流により特定された湿潤調整マップを参照し、そのＨＦＲに関連付けられた湿潤調整流量を算出する。湿潤調整流量演算部２００Ｂは、その算出された湿潤調整流量をスタック目標流量設定部５１０に出力する。
【０１７８】
乾燥要求流量保持部３２０Ａは、燃料電池システム１００の停止指令を受けた後に電解質膜を乾かすために定められたスタック流量（以下、「乾燥要求流量」という。）を保持する。すなわち、乾燥要求流量保持部３２０Ａは、乾燥運転を実行するために乾燥要求流量を出力する。なお、乾燥要求流量保持部３２０Ａは、図２に示した乾燥運転部３２０を構成する。
【０１７９】
乾燥要求流量は、カソードガスによって持ち出される水蒸気の排出量が増加するように湿潤調整流量よりも大きな値に設定される。なお、乾燥要求流量は、固定値に限らず、例えば燃料電池スタック１の温度状態に応じて変更されるものであってもよい。
【０１８０】
切替器３１０Ａは、乾燥フラグの設定状態に応じて、スタック目標流量設定部５１０に出力される値を、湿潤調整流量、又は、乾燥要求流量に切り替える。なお、切替器３１０Ａは、図２に示した凍結予測処理部３１０を構成する。
【０１８１】
切替器３１０Ａは、乾燥フラグがＯＮに設定された場合、すなわち、燃料電池システム１００の停止時に乾燥運転を実行する場合には、乾燥要求流量をスタック目標流量設定部５１０に出力する。一方、切替器３１０Ａは、乾燥フラグがＯＦＦに設定された場合、すなわち、乾燥運転を実行しない場合には、湿潤調整流量をスタック目標流量設定部５１０に出力する。
【０１８２】
スタック目標流量設定部５１０は、発電要求流量演算部２００Ａから出力される値と、切替器３１０Ａから出力される値とのうち大きい方の値を、スタック目標流量として指令部４００に出力する。
【０１８３】
このように、燃料電池システム１００の停止時に乾燥フラグがＯＮに設定された場合には、湿潤調整流量から乾燥要求流量に切り替えられてカソードガスの流量が上昇する。これにより、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の流量が増えるので、燃料電池スタック１の電解質膜を速やかに乾燥させることができる。
【０１８４】
図７は、コンプレッサ流量制御部６００の詳細構成の一例を示すブロック図である。
【０１８５】
コンプレッサ流量制御部６００は、コンプレッサ１２から吐出されるカソードガスの流量（以下、「コンプレッサ流量」という。）を制御する。
【０１８６】
コンプレッサ流量制御部６００は、発電要求流量演算部２００Ａと、暖機解除情報保持部３１０Ｂと、切替器３１０Ｃと、暖機要求流量保持部３３０Ａと、スタック要求流量設定部６１０とを含む。また、コンプレッサ流量制御部６００は、過乾燥防止要求流量演算部６２０と、スタック流量制限部６３０と、水素希釈要求流量演算部６４０と、コンプレッサ目標流量設定部６５０とを含む。
【０１８７】
発電要求流量演算部２００Ａは、図６に示した発電要求流量演算部２００Ａと同じ構成であるため、ここでの説明を省略する。
【０１８８】
暖機要求流量保持部３３０Ａは、燃料電池システム１００の停止指令を受けた後に燃料電池スタック１を暖機するために定められたコンプレサ流量（以下、「暖機要求流量」という。）を保持する。すなわち、暖機要求流量保持部３３０Ａは、暖機運転を実行するために暖機要求流量を出力する。なお、暖機要求流量保持部３３０Ａは、図２に示した暖機運転部３３０を構成する。
【０１８９】
暖機要求流量は、コンプレッサ１２で消費される電力が大きくなるように、発電要求流量よりも大きな値に設定される。例えば、暖機要求流量は、コンプレッサ１２の回転速度の上限値、すなわちコンプレッサ１２で吐出できるカソードガス流量の最大値に設定される。なお、暖機要求流量は、固定値に限らず、例えば燃料電池スタック１の温度状態に応じて変更されるものであってもよい。
【０１９０】
暖機解除情報保持部３１０Ｂは、暖機運転を解除する値としてゼロを保持する。
【０１９１】
切替器３１０Ｃは、暖機フラグの設定状態に応じて、スタック要求流量設定部６１０に出力される値を、暖機要求流量又はゼロに切り替える。なお、切替器３１０Ｃは、図２に示した凍結予測処理部３１０を構成する。
【０１９２】
切替器３１０Ｃは、暖機フラグがＯＮに設定された場合、すなわち燃料電池システム１００の停止時に暖機運転を実行する場合には、暖機要求流量をスタック目標流量設定部５１０に出力する。一方、切替器３１０Ｃは、暖機フラグがＯＦＦに設定された場合、すなわち暖機運転を実行しない場合には、暖機運転を解除する値としてゼロをスタック目標流量設定部５１０に出力する。
【０１９３】
スタック要求流量設定部６１０は、発電要求流量演算部２００Ａから出力される値と、切替器３１０Ａから出力される値とのうち大きい方の値を、スタック要求流量として出力する。
【０１９４】
例えば、燃料電池システム１００を停止する際に暖機フラグがＯＮに設定された場合には、スタック目標流量設定部５１０は、発電要求流量よりも大きな値である暖機要求流量をスタック流量制限部６３０に出力する。
【０１９５】
過乾燥防止要求流量演算部６２０は、電解質膜が乾き過ぎることを防止するために、スタック抵抗測定装置４５で測定されたＨＦＲに基づいて、コンプレッサ流量（以下、「過乾燥防止要求流量」という。）を演算する。
【０１９６】
過乾燥防止要求流量演算部６２０は、ＨＦＲが大きくなるほど、燃料電池スタック１からカソードガスによって持ち出される水蒸気の流量が少なくなるように、過乾燥防止要求流量を小さくする。
【０１９７】
過乾燥防止要求流量演算部６２０には、ＨＦＲと過乾燥防止要求流量との関係を示す過乾燥防止マップが予め記憶されている。過乾燥防止マップは、実験データ等に基づいて予め生成される。過乾燥防止要求流量演算部６２０は、演算結果をスタック流量制限部６３０に出力する。
【０１９８】
スタック流量制限部６３０は、スタック要求流量と過乾燥防止要求流量とのうち小さい方の値を、スタック流量として出力する。例えば、過乾燥防止要求流量がスタック要求流量よりも小さい場合には、スタック流量制限部６３０は、過乾燥防止要求流量をコンプレッサ目標流量設定部６５０に出力する。
【０１９９】
水素希釈要求流量演算部６４０は、カソードガスによって希釈されるアノードガス中の水素の濃度が規定値以下となるように、パージ流量に基づいてコンプレッサ流量（以下、「水素希釈要求流量」という。）を演算する。
【０２００】
パージ流量とは、パージ弁２９からパージされるアノードオフガスの排出量のことである。例えば、パージ流量は、パージ弁２９の開度に基づいて算出される。
【０２０１】
水素希釈要求流量演算部６４０は、例えば、パージ流量が多くなるほど、水素濃度が規定値を超えないように、水素希釈要求流量を大きくする。水素希釈要求流量演算部６４０は、その演算結果をコンプレッサ目標流量設定部６５０に出力する。
【０２０２】
コンプレッサ目標流量設定部６５０は、スタック流量と水素希釈要求流量とのうち大きい方の値を、コンプレッサ目標流量として出力する。例えば、水素希釈要求流量がスタック流量よりも大きい場合には、コンプレッサ目標流量設定部６５０は、水素希釈要求流量を指令部４００に出力する。
【０２０３】
このように、暖機フラグがＯＮに設定された場合において、暖機要求流量が、過乾燥防止要求流量よりも小さく、かつ、水素希釈要求流量よりも大きいときは、コンプレッサ目標流量に暖機要求流量が設定される。これにより、燃料電池スタック１の停止時にコンプレッサ１２から燃料電池スタック１にカソードガスが供給され、またアノード調圧弁２４によって燃料電池スタック１にアノードガスが供給されるので、燃料電池スタック１を発電させて暖機することができる。
【０２０４】
図８は、スタック圧力制御部７００の詳細構成の一例を示すブロック図である。
【０２０５】
スタック圧力制御部７００は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下、「スタック圧力」という。）を制御する。
【０２０６】
スタック圧力制御部７００は、発電要求圧力演算部２００Ｃと、湿潤調整圧力演算部２００Ｄと、切替器３１０Ｄと、暖機解除情報保持部３１０Ｂと、切替器３１０Ｅと、乾燥要求圧力演算部３２０Ｂと、暖機要求圧力保持部３３０Ｂとを含む。さらにスタック圧力制御部７００は、スタック目標圧力設定部７１０を含む。
【０２０７】
発電要求圧力演算部２００Ｃは、燃料電池スタック１の目標電流に基づいて、燃料電池スタック１の発電に必要となるスタック圧力（以下、「発電要求圧力」という。）を演算する。なお、発電要求圧力演算部２００Ｃは、図２に示した発電制御部２００を構成する。
【０２０８】
発電要求圧力演算部２００Ｃは、目標電流が大きくなるほど、燃料電池スタック１の発電量が増加するように、発電要求圧力を大きくする。例えば、発電要求圧力演算部２００Ｃには、目標電流と発電要求圧力との関係を示す発電要求圧力マップが予め記憶されている。発電要求圧力マップは、実験データ等に基づいて設定される。
【０２０９】
また、発電要求圧力演算部２００Ｃは、カソードガス中の水蒸気や窒素などの不純物ガスの分圧の変化に応じて発電要求圧力を補正するものであってもよい。例えば、発電要求圧力演算部２００Ｃは、大気圧又はスタック温度が高くなるほど、発電要求圧力を高くする。発電要求圧力演算部２００Ｃは、その演算結果をスタック目標圧力設定部７１０に出力する。
【０２１０】
湿潤調整圧力演算部２００Ｄは、燃料電池スタック１のＨＦＲと目標電流とに基づいて、電解質膜の湿潤状態が目標とする状態となるように、スタック圧力（以下、「湿潤調整圧力」という。）を演算する。なお、湿潤調整圧力演算部２００Ｄは、図２に示した発電制御部２００を構成する。
【０２１１】
湿潤調整圧力演算部２００Ｄは、ＨＦＲと予め定められた基準値との差に応じて湿潤調整圧力を算出する。例えば、湿潤調整圧力演算部２００Ｄは、ＨＦＲが基準値よりも小さい場合、すなわち電解質膜が目標の湿潤状態よりも湿った状態である場合には、カソードガスによって持ち出される水蒸気の排出量が増加するように、湿潤調整圧力を小さくする。
【０２１２】
上述したＨＦＲの基準値は、電解質膜が劣化しない範囲において電解質膜の保水量が少なくなるように設定される。すなわち、基準値は、電解質膜が発電に適した湿潤状態よりも乾いた状態に設定される。これにより、燃料電池システム１００の停止後に電解質膜に保持された水が氷結して電解質膜が凍結するのを防止することができる。
【０２１３】
また、湿潤調整圧力演算部２００Ｄは、目標電流が大きくなるほど、発電によって生じる水蒸気の発生量が増加するため湿潤調整圧力を小さくし、目標電流が小さくなるほど、水蒸気の発生量が減少するため湿潤調整圧力を大きくする。
【０２１４】
湿潤調整圧力演算部２００Ｄには、予め定められた目標電流ごとに、ＨＦＲと湿潤調整圧力との関係を示す湿潤調整圧力マップが予め記憶されている。そして、湿潤調整圧力演算部２００Ｄは、目標電流とＨＦＲとを受け付けると、その目標電流により特定された湿潤調整圧力マップを参照し、そのＨＦＲに関連付けられた湿潤調整圧力を算出する。湿潤調整圧力演算部２００Ｄは、その湿潤調整圧力を、スタック目標圧力設定部７１０に出力する。
【０２１５】
乾燥要求圧力演算部３２０Ｂは、燃料電池スタック１のＨＦＲに基づいて、電解質膜を所定の乾燥状態にするために、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（以下「乾燥要求圧力」という。）を演算する。すなわち、乾燥要求圧力演算部３２０Ｂは、乾燥運転を実行するために乾燥要求圧力を出力する。なお、乾燥要求圧力演算部３２０Ｂは、図２に示した乾燥運転部３２０を構成する。
【０２１６】
乾燥要求圧力演算部３２０Ｂは、ＨＦＲが大きくなるほど、すなわち電解質膜が所定の乾状態に近づくほど、カソードガスによって持ち出される水蒸気の排出量が少なくなるように、乾燥要求圧力を大きくする。
【０２１７】
本実施形態では、乾燥要求圧力演算部３２０Ｂには、ＨＦＲと乾燥要求圧力との関係を示す乾燥要求圧力マップが予め記憶される。乾燥要求圧力マップについては図９を参照して後述する。
【０２１８】
切替器３１０Ｄは、乾燥フラグの設定状態に応じて、スタック目標圧力設定部７１０に出力される値を、湿潤調整圧力又は乾燥要求圧力に切り替える。なお、切替器３１０Ｄは、図２に示した凍結予測処理部３１０を構成する。
【０２１９】
切替器３１０Ｄは、乾燥フラグがＯＮに設定された場合、すなわち燃料電池システム１００の停止時に乾燥運転を実行する場合には、乾燥要求圧力をスタック目標圧力設定部７１０に出力する。一方、切替器３１０Ｄは、乾燥フラグがＯＦＦに設定された場合、すなわち乾燥運転を実行しない場合には、湿潤調整圧力を、スタック目標圧力設定部７１０に出力する。
【０２２０】
暖機要求圧力保持部３３０Ｂは、燃料電池システム１００の停止指令を受けた後にジェットポンプ２５に形成された氷を溶かすために、燃料電池スタック１の暖機に必要とされるカソードガスの圧力（以下、「暖機要求圧力」という。）を保持する。すなわち、暖機要求圧力保持部３３０Ｂは、暖機運転を実行するために暖機要求圧力を出力する。なお、暖機要求圧力保持部３３０Ｂは、図２に示した暖機運転部３３０を構成する。
【０２２１】
暖機要求圧力は、コンプレッサ１２の消費電力が高くなるように設定され、乾燥要求圧力よりも大きな値に設定される。なお、暖機要求圧力は、固定値に限らず、例えば燃料電池スタック１の温度が高くなるほど小さな値に設定されるものでもよい。
【０２２２】
暖機解除情報保持部３１０Ｂは、暖機運転を解除する値としてゼロを保持する。
【０２２３】
切替器３１０Ｅは、暖機フラグの設定状態に応じて、スタック目標圧力設定部７１０に出力される値を、暖機要求圧力又はゼロに切り替える。なお、切替器３１０Ｅは、図２に示した凍結予測処理部３１０を構成する。
【０２２４】
切替器３１０Ｅは、暖機フラグがＯＮに設定された場合、すなわち燃料電池システム１００の停止時に暖機運転を実行する場合には、暖機要求圧力をスタック目標圧力設定部７１０に出力する。一方、切替器３１０Ｅは、暖機フラグがＯＦＦに設定された場合、すなわち暖機運転を実行しない場合には、暖機運転の解除値としてゼロを、スタック目標圧力設定部７１０に出力する。
【０２２５】
スタック目標圧力設定部７１０は、発電要求圧力と、切替器３１０Ｅから出力される湿潤調整圧力又は乾燥要求圧力と、切替器３１０Ｅから出力される暖機要求圧力又はゼロとのうち最も大きな値を、スタック目標圧力として指令部４００に出力する。
【０２２６】
例えば、停止指令を受けたときに乾燥フラグ及び暖機フラグが共にＯＮに設定された場合には、スタック目標圧力設定部７１０は、乾燥要求圧力よりも大きな暖機要求圧力を指令部４００に出力する。すなわち暖機運転が優先して実行される。
【０２２７】
この理由は、燃料電池スタック１の温度が０℃よりも低いときには燃料電池スタック１内の飽和水蒸気量が極めて小さいため、仮にカソードガスの圧力を低下させたとしても、カソードガスによって持ち出される水蒸気の排出量はあまり増加しないからである。
【０２２８】
反対にカソードガスの圧力を高くすることにより、コンプレッサ１２の消費電力が高くなって燃料電池スタック１の発電量が増加するので、燃料電池スタック１の温度上昇を促進することができる。これにより、燃料電池スタック１内の飽和水蒸気量が上昇するので、カソードガスの圧力を低下させる場合に比べて、水蒸気の排出量を増やすことができ、燃料電池を早期に乾燥させることができる。
【０２２９】
図９は、乾燥要求圧力演算部３２０Ｂに設定される乾燥要求圧力マップを示す図である。ここでは、横軸が燃料電池スタック１のＨＦＲを示し、縦軸が乾燥要求圧力を示す。
【０２３０】
乾燥要求圧力マップでは、ＨＦＲが小さくなるほど、すなわち燃料電池の電解質膜が湿っているほど、乾燥要求圧力が低くなるように設定される。これにより、ＨＦＲが小さくなるほど、カソードガスによって燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量が多くなる。また乾燥要求圧力は、暖気要求圧力よりも小さな値に設定される。
【０２３１】
図１０は、ヒータ出力制御部８００の詳細構成の一例を示すブロック図である。
【０２３２】
ヒータ出力制御部８００は、ヒータ３５から出力される発熱量（以下、「ヒータ出力」という。）を制御する。
【０２３３】
ヒータ出力制御部８００は、暖機解除情報保持部３１０Ｂと、切替器３１０Ｆと、暖機要求出力保持部３３０Ｃと、部品保護要求出力演算部８１０と、ヒータ出力制限部８２０とを含む。
【０２３４】
暖機要求出力保持部３３０Ｃは、燃料電池システム１００の停止指令を受けた後に、燃料電池スタック１を暖機するために定められたヒータ出力（以下、「暖機要求出力」という。）を保持する。すなわち、暖機要求出力保持部３３０Ｃは、暖機運転を実行するために暖機要求出力を出力する。なお、暖機要求出力保持部３３０Ｃは、図２に示した暖機運転部３３０を構成する。
【０２３５】
暖機要求出力は、ジェットポンプ２５の氷を除去するために、例えばヒータ出力の可変範囲の最大値に設定される。なお、暖機要求出力は、固定値に限らず、例えば燃料電池スタック１の温度状態に応じて変更されるものであってもよい。
【０２３６】
暖機解除情報保持部３１０Ｂは、暖機運転を解除する値としてゼロを保持する。
【０２３７】
切替器３１０Ｆは、暖機フラグの設定状態に応じて、ヒータ出力制限部８２０に出力される値を、暖機要求出力又はゼロに切り替える。なお、切替器３１０Ｆは、図２に示した凍結予測処理部３１０を構成する。
【０２３８】
切替器３１０Ｆは、暖機フラグがＯＮに設定された場合、すなわち燃料電池システム１００の停止時に暖機運転を実行する場合には、暖機要求出力をヒータ出力制限部８２０に出力する。一方、切替器３１０Ｆは、暖機フラグがＯＦＦに設定された場合、すなわち暖機運転を実行しない場合には、暖機運転の解除値としてゼロをヒータ出力制限部８２０に出力する。
【０２３９】
部品保護要求出力演算部８１０は、冷却水の過熱から冷却水循環通路３１に設けられた部品を保護するためのヒータ出力（以下、「部品保護要求出力」という。）を演算する。例えば、部品保護要求出力演算部８１０は、スタック温度が高くなるほど、ヒータ３５の耐熱温度を超えないように部品保護要求出力を小さくする。部品保護要求出力演算部８１０は、演算結果をヒータ出力制限部８２０に出力する。
【０２４０】
ヒータ出力制限部８２０は、切替器３１０Ｆから出力される暖機要求出力又はゼロと、部品保護要求出力とのうち小さい方の値を、ヒータ目標出力として出力する。
【０２４１】
例えば、暖機フラグがＯＮに設定された場合において暖機要求出力が部品保護要求出力よりも小さいときには、ヒータ出力制限部８２０は、暖機要求出力を指令部４００に出力する。これにより、燃料電池スタック１の停止時に、ヒータ３５に電力が供給されるので、燃料電池スタック１を暖機することができる。
【０２４２】
図１１は、スタック電力制御部９００の詳細構成の一例を示すブロック図である。
【０２４３】
スタック電力制御部９００は、バッテリ２を利用して燃料電池スタック１で発電させる電力（以下、「スタック電力」という。）を制御する。
【０２４４】
スタック電力制御部９００は、放電電力設定部９１１と、切替器９１２及び９１３と、減算器９２１と、目標充電電力演算部９２２と、充電電力設定部９２３と、切替器９２４と、スタック電力演算器９３１と、目標電流演算部９３２とを含む。
【０２４５】
放電電力設定部９１１は、バッテリ最大放電電力と補機消費電力とのうち小さい方の値を放電電力として切替器９１２に出力する。バッテリ最大放電電力は、バッテリ２のＳＯＣ（State Of Charge）に基づいて算出される。
【０２４６】
補機消費電力は、コンプレッサ１２の消費電力と、ヒータ３５の消費電力と、その他の補機の消費電力とに基づいて算出される。コンプレッサ１２の消費電力は、コンプレッサ目標流量及び目標圧力に基づいて算出され、ヒータ３５の消費電力は、ヒータ目標出力から算出される。例えば、暖機運転時は、コンプレッサ１２及びヒータ３５の消費電力が共に最大値に設定され、乾燥運転時は、ヒータ３５の消費電力がゼロに切り替えられる。
【０２４７】
切替器９１２は、切替器９１３から出力される制御信号に応じて、スタック電力演算器９３１に出力される値をバッテリ２からの放電電力又はゼロに切り替える。切替器９１２は、切替器９１３からＨ（Ｈｉｇｈ）レベルの制御信号が出力されると、バッテリ２の放電電力をスタック電力演算器９３１に出力し、Ｌ（Ｌｏｗ）レベルの制御信号が出力されると、ゼロをスタック電力演算器９３１に出力する。
【０２４８】
切替器９１３は、暖機フラグの設定状態に応じて、切替器９１２に出力される制御信号のレベルを切り替える。暖機フラグがＯＮに設定された場合には、切替器９１３は、Ｌレベルの制御信号を出力する。
【０２４９】
暖機フラグがＯＦＦに設定された場合には、切替器９１３は、乾燥フラグの設定状態に応じた制御信号を出力する。切替器９１３は、暖機フラグがＯＦＦに設定された場合において、乾燥フラグがＯＮに設定されたときには、Ｈレベルの制御信号を出力し、乾燥フラグがＯＦＦに設定されたときには、Ｌレベルの制御信号を出力する。
【０２５０】
すなわち、乾燥フラグがＯＮに設定されたときには、バッテリ２から電力が補機に放電され、暖機フラグがＯＮに設定された場合には、乾燥フラグの設定状態にかかわらず、バッテリ２から補機への電力の供給が停止される。
【０２５１】
減算器９２１は、燃料電池スタック１を循環する冷却水の目標値（目標冷却水温度）から、冷却水温度の検出値を減算することにより、冷却水温度の偏差ΔＴを算出する。
【０２５２】
目標充電電力演算部９２２は、ＨＦＲと冷却水温度の偏差ΔＴとに基づいて、燃料電池スタック１からバッテリ２への目標充電電力を演算する。目標充電電力演算部９２２は、ＨＦＲが大きくなるほど、目標充電電力を大きくする。また、目標充電電力演算部９２２は、冷却水温度の偏差ΔＴが大きくなるほど、目標電力を大きくする。
【０２５３】
充電電力設定部９２３は、バッテリ最大充電電力と目標充電電力とのうち小さい方の値を、充電電力として切替器９２４に設定する。バッテリ最大充電電力は、バッテリ２のＳＯＣに基づいて算出される。
【０２５４】
切替器９２４は、暖機フラグの設定状態に応じて、スタック電力演算器９３１に出力される値を、充電電力設定部９２３からの充電電力又はゼロに切り替える。
【０２５５】
暖機フラグがＯＮに設定された場合には、切替器９２４は、充電電力設定部９２３で設定された充電電力をスタック電力演算器９３１に出力し、暖機フラグがＯＦＦに設定された場合には、切替器９２４は、ゼロをスタック電力演算器９３１に出力する。
【０２５６】
スタック電力演算器９３１は、補機消費電力に対して、切替器９１２から出力される放電電力を減算するとともに、切替器９２４から出力される充電電力を加算することにより、燃料電池スタック１の目標電力を算出する。
【０２５７】
例えば、暖機フラグがＯＮに設定された場合には、乾燥フラグの設定状態にかかわらず、スタック電力演算器９３１は、補機消費電力に充電電力を加算した値を燃料電池スタック１の目標電力として算出する。これにより、暖機運転において、補機だけでなくバッテリ２にも燃料電池スタック１から電力が供給されることになるので、燃料電池スタック１の発電電力が増加して暖機を促進することができる。
【０２５８】
また、暖機フラグがＯＦＦに設定された場合において乾燥フラグがＯＮに設定されたときには、スタック電力演算器９３１は、補機消費電力から放電電力を減算した値を燃料電池スタック１の目標電力として算出する。これにより、乾燥運転において、バッテリ２から補機に電力が供給されることになるので、燃料電池スタック１の発電に伴う水蒸気の発生を抑制することができる。
【０２５９】
目標電流演算部９３２は、燃料電池スタック１のＩＶ特性を参照し、燃料電池スタック１の目標電力に基づいて目標電流を演算する。
【０２６０】
以上のように、停止指令を受けた場合において暖機フラグがＯＮに設定されたときには、通常、コンプレッサ目標流量、スタック目標圧力、及びヒータ目標出力は、それぞれ燃料電池スタック１を暖機するために定められた暖機要求値に設定される。また、バッテリ２の容量に余裕がある場合には、燃料電池スタック１から補機に電力を供給するとともにバッテリ２にも電力を充電する。このようにして燃料電池システム１００は、暖機運転を実行する。
【０２６１】
また、停止指令を受けた場合において乾燥フラグがＯＮに設定されたときには、スタック目標流量は、通常、電解質膜を乾燥させるために定められた乾燥要求流量に設定される。これにより、乾燥運転が実行される。
【０２６２】
さらに、停止指令を受けた場合において乾燥フラグ及び暖機フラグが共にＯＮに設定されたときには、スタック目標流量のみ乾燥要求流量に設定され、スタック目標圧力、コンプレッサ目標流量及びヒータ目標出力は、それぞれ暖機要求値に設定される。すなわち、乾燥・暖機運転が実行される。
【０２６３】
次に、本実施形態における燃料電池システム１００の制御手法について図面を参照して説明する。
【０２６４】
図１２は、燃料電池システム１００を停止する際に暖機運転を実行する制御手法の一例を示すタイムチャートである。
【０２６５】
図１２（ａ）は、燃料電池システム１００の運転状態の変化を示す図である。図１２（ｂ）は、ジェットポンプ２５に形成される氷量の変化を示す図である。図１２（ｂ）には、ジェットポンプ２５内に形成される氷量の演算結果が実線により示され、実際の氷量が破線により示されている。
【０２６６】
図１２（ｃ）は、燃料電池スタック１に循環される冷却水の温度を示す図である。冷却水温度は、燃料電池スタック１の温度として用いられ、本実施形態ではスタック入口水温とスタック出口水温とを平均した値である。図１２（ｄ）は、ジェットポンプ２５から吐出されるアノードガスの吐出温度（合流後ガス温度）の変化を示す図である。
【０２６７】
図１２（ｅ）は、スタック抵抗測定装置４５で測定されるＨＦＲの変化を示す図である。ＨＦＲは、電解質膜の湿潤状態と相関のあるパラメータである。図１２（ｆ）は、燃料電池スタック１から負荷に出力される電流（スタック出力電流）の変化を示す図である。図１２（ｆ）には、実線によりスタック出力電流が示され、破線によりバッテリ２の充放電が示されている。
【０２６８】
図１２（ｇ）は、ヒータ３５から出力される発熱量の変化を示す図である。また、図１２（ａ）から図１２（ｇ）までの各図面の横軸は互いに共通の時間軸である。
【０２６９】
時刻ｔ０では、図１２（ｃ）に示すように冷却水温度が０℃よりも低い温度環境で燃料電池システム１００が起動される。これにより、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスが供給されて、図１２（ｆ）に示すように燃料電池スタック１が発電し、燃料電池スタック１から電流が取り出される。
【０２７０】
燃料電池スタック１の温度は０℃よりも低いため、コントローラ１０１は、電動モータから要求される電力を発電しつつ、燃料電池スタック１を暖機する暖機運転を実行する。例えば、コントローラ１０１は、燃料電池スタック１の発電量を増やして自己発熱量を増加させるためにコンプレッサ１２の回転速度を可変範囲の上限値に設定するとともに、ヒータ３５の出力を可変範囲の上限値に設定する。
【０２７１】
また、燃料電池スタック１の発電に伴い水蒸気が生成されるため、図１２（ｆ）に示すようにＨＦＲが小さくなる。また自己発熱及びヒータ３５の放熱によって図１２（ｃ）に示すように冷却水温度が上昇する。これに伴い、ジェットポンプ２５に吸引されるアノードオフガスの温度が上昇するため、図１２（ｄ）に示すようにジェットポンプ２５の吐出温度が上昇する。
【０２７２】
このとき、図１２（ｄ）に示すようにジェットポンプ２５の吐出温度は０℃よりも低い。このため、ジェットポンプ２５に吸引されたアノードオフガス中の水蒸気がジェットポンプ２５の内部で氷結し、図１２（ｂ）に示すようにジェットポンプ２５の氷量が徐々に増加していく。
【０２７３】
時刻ｔ１において、燃料電池スタック１の発電を停止する停止指令が出力され、燃料電池システム１００を停止するための停止処理が実行される。
【０２７４】
このとき、図１２（ｂ）に示すように、ジェットポンプ２５の氷量が、凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも少ないため、暖機フラグがＯＦＦに設定される。
【０２７５】
一方、図１２（ｅ）に示すように、ＨＦＲは基準値よりも小さく電解質膜が湿った状態であるため、乾燥フラグがＯＮに設定される。また、図１２（ｃ）に示すように、冷却水温度が乾燥要求温度Ｔｄを超えているため、乾燥運転のための暖機運転は実行されずに乾燥運転のみが実行される。
【０２７６】
乾燥運転では、図６に示したスタック流量制御部５００が乾燥要求流量をスタック目標流量に設定する。これと共にコントローラ１０１は、パージ弁２９を開いて燃料電池スタック１から水蒸気を排出する。これにより、燃料電池スタック１から水蒸気が持ち出されて電解質膜が乾燥する。
【０２７７】
また、発電に伴う生成水の発生を抑制するために、図１１に示したスタック電力制御部９００は、図１２（ｆ）の破線に示すように、コンプレッサ１２の駆動電力をバッテリ２から放電させる。
【０２７８】
時刻ｔ２において、図１２（ｅ）に示すようにＨＦＲが基準値まで大きくなり、電解質膜が所定の乾燥状態に達したため、コントローラ１０１は、カソード調圧弁１４を閉じるとともにコンプレッサ１２を停止し、アノード調圧弁２４及びパージ弁２９を共に閉じる。これにより燃料電池システム１００は停止状態となる。
【０２７９】
この後、燃料電池スタック１は外気によって冷やされるため、図１２（ｃ）に示すように冷却水温度は、時刻ｔ０のときと同じように氷点よりも低い温度まで低下する。このため、ジェットポンプ２５内の氷量は減ることなく残ったままとなる。
【０２８０】
次に時刻ｔ３において、燃料電池システム１００が再起動され、図１２（ｆ）に示すように、燃料電池スタック１が発電して燃料電池スタック１から電流が取り出される。燃料電池スタック１の発電に伴い、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの期間と同様、図１２（ｃ）に示すように冷却水温度が上昇するとともに、図１２（ｅ）に示すようにＨＦＲが低下する。
【０２８１】
時刻ｔ４では、燃料電池スタック１の停止指令が出力され、燃料電池システム１００を停止するための停止処理が実行される。
【０２８２】
このとき、図１２（ｂ）に示すように、ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも多いため、暖機フラグがＯＮに設定されるとともに、図１２（ｅ）に示すように、ＨＦＲが基準値よりも小さいため、乾燥フラグがＯＮに設定される。これにより、乾燥・暖機運転が実行される。
【０２８３】
乾燥・暖機運転では、図７に示したコンプレッサ流量制御部６００が暖機要求流量をコンプレッサ目標流量に設定し、図８に示したスタック圧力制御部７００が暖機要求圧力をスタック目標圧力に設定する。これと共に図１０に示したヒータ出力制御部８００がヒータ目標出力を暖機要求出力に設定する。
【０２８４】
これにより、図１２（ｆ）に示すように燃料電池スタック１が発電して発熱するとともに、図１２（ｇ）に示すようにヒータ３５の発熱によっても燃料電池スタック１が温められる。このため、図１２（ｃ）に示すように冷却水温度が上昇し、これに伴って図１２（ｄ）に示すようにジェットポンプ２５の吐出温度が上昇する。そして吐出温度が０℃よりも高くなると、図１２（ｂ）の破線で示すように、ジェットポンプ２５に形成された氷が溶けて氷量が減少する。
【０２８５】
また乾燥・暖機運転では、図６に示したスタック流量制御部５００が乾燥要求流量をスタック目標流量に設定するとともにコントローラ１０１は、パージ弁２９を開いて燃料電池スタック１から水蒸気を排出する。
【０２８６】
これにより、燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の排出量が増加するため、燃料電池の電解質膜が乾燥した状態になる。このため、図１２（ｅ）に示すようにＨＦＲが上昇する。
【０２８７】
さらに乾燥・暖機運転では、図１１に示したスタック電力制御部９００が、バッテリ２の充電容量に余裕があるため、図１２（ｆ）の破線に示すように、燃料電池スタック１から補機に電力を供給するだけでなく、バッテリ２にも電力を充電する。これにより、燃料電池スタック１の発熱量が増加するため、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【０２８８】
このように、燃料電池スタック１を暖機しながらカソードガスの流量を増やす乾燥運転を実行することにより、効率的に電解質膜を乾燥状態にすることがきるとともに、早期にジェットポンプ２５内の氷を溶かすことができる。
【０２８９】
時刻ｔ５において、図１２（ｅ）に示すようにＨＦＲが基準値まで大きくなり、乾燥フラグがＯＦＦに切り替えられる。これに伴い、スタック流量制御部５００が、スタック目標流量を乾燥要求流量から湿潤調整流量に切り替えるとともに、スタック圧力制御部７００がスタック目標圧力を乾燥要求圧力から暖機要求圧力に切り替える。このため、乾燥運転が停止され、暖機運転のみが実行される。
【０２９０】
乾燥・暖機運転から暖機運転に切り替えることにより、スタック目標圧力が高くなるため、コンプレッサ１２で消費される電力が高くなり、燃料電池スタック１の発電電力が大きくなる。このため、燃料電池スタック１の発熱量が増えるので、燃料電池スタック１の温度をより迅速に上昇させることができる。
【０２９１】
時刻ｔ６において、図１２（ｃ）に示すように、冷却水温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅに設定された解凍要求温度Ｔｗに到達し、図１２（ｂ）に示すようにジェットポンプ２５の氷量がゼロになるため、暖機運転が停止され、その後に燃料電池システム１００が停止される。
【０２９２】
このように、コントローラ１０１は、燃料電池システム１００の停止指令を受けた場合においてジェットポンプ２５の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも多いときには、再起動時にジェットポンプ２５の流路が閉塞する可能性があると判断する。このとき、燃料電池スタック１の暖機が完了していない場合には、コントローラ１０１は、冷却水温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅに到達するまでは燃料電池スタック１の暖機を継続する。
【０２９３】
これにより、ジェットポンプ２５に形成された氷が除去されるので、次回起動時にジェットポンプ２５が凍結して流路が閉塞することを防止できる。
【０２９４】
また、燃料電池システム１００の停止指令を受けた場合においてジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊを超えていないときには、コントローラ１０１は、燃料電池スタック１の暖機を禁止（停止）する。これにより、燃料電池システム１００を停止する際に行われる暖機運転の実行回数を低減することができる。
【０２９５】
図１３は、図１２に示した制御が実行されたときのカソードガスの状態を示すフローチャートである。
【０２９６】
図１３（ｈ）は、コンプレッサ１２から吐出されるカソードガスの流量（コンプレッサ流量）の変化を示す図である。図１３（ｉ）は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量（スタック流量）の変化を示す図である。図１３（ｊ）は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力（スタック圧力）の変化を示す図である。
【０２９７】
図１３（ｈ）から図１３（ｊ）までの各図面の横軸は、図１２（ａ）から図１２（ｇ）までの各図面の横軸と互いに共通の時間軸である。
【０２９８】
時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間では、乾燥運転のみが実行されるので、図１３（ｉ）に示すように、スタック流量が乾燥要求流量に設定されるとともに、図１３（ｊ）に示すように、スタック圧力が乾燥要求圧力に設定される。
【０２９９】
時刻ｔ４から時刻ｔ５までの期間では、乾燥・暖機運転が実行されるので、図１３（ｈ）に示すようにコンプレッサ流量が、暖機要求流量に設定され、図１３（ｉ）に示すようにスタック流量が、乾燥要求流量に設定され、図１３（ｊ）に示すようにスタック圧力が、暖機要求圧力に設定される。
【０３００】
ここでは、図１３（ｊ）に示すように、スタック圧力が、乾燥要求圧力ではなく暖機要求圧力に設定される。この理由は、コンプレッサ１２の消費電力を高くして燃料電池スタック１を暖機した方が、カソードガス中の水蒸気量が増えるため、カソードガスによって持ち出される水蒸気の排出量を、乾燥要求圧力に設定する場合に比べて増やすことができるからである。
【０３０１】
時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間では、暖機運転のみが実行されるので、図１３（ｉ）に示すように、スタック流量は、乾燥要求流量から湿潤調整流量に切り替えられる。このとき、乾燥要求流量から湿潤調整流量を差し引いた流量がバイパス弁１６からカソードガス排出通路１３に排出される。
【０３０２】
本発明の第２実施形態によれば、運転実行部３１１は、燃料電池システム１００の停止指令を受けた場合には、燃料電池スタック１の温度に基づいて燃料電池スタック１を暖機する暖機運転を実行する。本実施形態では、燃料電池スタック１の温度と相関のある冷却水温度が、ジェットポンプ２５の凍結を予測するパラメータ（燃料電池システム１００の温度）として用いられる。
【０３０３】
また本実施形態では、凍結予測処理部３１０は、停止指令を受けた場合において、冷却水温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅまで上昇していないときには、ジェットポンプ２５が凍結すると予測する。このため、運転実行部３１１は、停止指令を受けた場合において、冷却水温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅまで上昇していないときには、燃料電池スタック１の暖機を継続する暖機運転を実行する。暖機完了閾値Ｔｈ_ｅは、ジェットポンプ２５に生成された氷を除去できる温度であり、例えば６０℃に設定される。
【０３０４】
これにより、ジェットポンプ２５内の氷を確実に除去できるので、次回起動時にジェットポンプ２５に生成される氷によって流路が閉塞し、アノードガスを燃料電池スタック１に供給できなくなってしまうという事態を回避することができる。
【０３０５】
また本実施形態では、凍結予測処理部３１０は、燃料電池システム１００の温度に基づいてジェットポンプ２５に生成される氷の量を算出する。ジェットポンプ２５内の氷量は、例えば図５に示したように、燃料電池スタック１の目標電流や、供給ガス温度、スタック温度、スタック入口圧力などに基づいて算出される。
【０３０６】
そして凍結予測処理部３１０は、算出した氷量が所定の凍結防止閾値Ｔｈ_ｊ以下である場合には、燃料電池スタック１の暖機を制限する。
【０３０７】
これにより、燃料電池システム１００の停止指令後に行われる無用な暖機運転の実行が削減されるので、アノードガスの無駄な消費を抑制することができる。また、ジェットポンプ２５内の氷量を演算した値を用いて暖機運転の要否を判断するので、的確に暖機運転を制限することができる。
【０３０８】
また本実施形態では、運転実行部３１１は、停止指令を受けた場合には燃料電池スタック１が所定の乾燥状態となるように燃料電池スタック１を暖機し、その後に燃料電池スタック１の冷却水温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅに上昇するまで燃料電池スタック１の暖機を継続する。
【０３０９】
このように、暖機運転を実行しながら乾燥運転を実行することにより、カソードオフガス中の水蒸気流量を増加させながら、カソードガスの流量を増やすことになるので、燃料電池スタック１から水蒸気を効果的に排出することができる。
【０３１０】
さらに本実施形態では、運転実行部３１１は、停止指令を受けた場合において、ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも大きく、かつ、冷却水温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅよりも低いときには、燃料電池スタック１を暖機する。暖機が完了した後に、停止制御部３００は、コンプレッサ１２の停止及びカソード調圧弁１４の閉弁、並びに、アノード調圧弁２４及びパージ弁２９の閉弁を行い、燃料電池システム１００を停止状態にする。
【０３１１】
このように、ジェットポンプ２５内の氷量だけでなく、冷却水温度を用いて暖機運転の実行の要否が判断されるので、的確に暖機運転を実行することができる。
【０３１２】
また本実施形態では、暖機運転を実行する際には、暖機運転部３３０は、燃料電池スタック１からバッテリ２に電力を充電させることで目標電流を大きくして燃料電池スタック１を発電させる。これにより、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
【０３１３】
なお、本実施形態ではジェットポンプ２５内の氷量を演算し、その氷量に基づいて暖機運転を実行する例について説明したが、これに限られない。
【０３１４】
例えば、凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５に氷が残った状態で燃料電池システム１００を停止した回数をカウントするものであってもよい。具体的には、凍結予測処理部３１０は、カウンタを備え、循環ガス温度と相関のある冷却水温度が氷点よりも低い状態において燃料電池システム１００が停止されるたびに、カウンタを１つずつ増やす。運転実行部３１１は、そのカウントした回数が、所定の値、例えば５回を超えた場合には、暖機運転を実行する。
【０３１５】
このようにジェットポンプ２５内の氷量を推定することにより、氷量演算部３４０を省略できるので、演算負荷を低減しつつ、無駄な暖機運転を削減することができる。
【０３１６】
あるいは、凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５内で供給ガスと循環ガスとが合流した後の合流後ガスの温度が所定の温度、例えば０℃よりも低いときの時間を積算するものであってもよい。そして運転実行部３１１は、その積算時間が所定の時間、例えば数分を経過した場合には、暖機運転を実行する。
【０３１７】
この場合において、凍結予測処理部３１０は、燃料電池スタック１に要求される要求電力（目標電流）が大きくなるほど、燃料電池スタック１の昇温が速くなるため、積算時間を短くするように補正してもよい。
【０３１８】
具体的には、要求電力が大きくなるほど補正量が大きくなるように生成された補正マップを凍結予測処理部３１０に記憶しておき、凍結予測処理部３１０は、補正マップを参照し、要求電力に対応付けられた補正量を演算し、補正量を積算時間から減算する。これにより、暖機運転の要否を精度よく判定することができる。
【０３１９】
（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。本実施形態では、燃料電池システムの構成は第２実施形態と基本的に同じ構成である。このため、第２実施形態の構成と同じものについては同一符号を付して説明する。
【０３２０】
本実施形態では、コントローラ１０１は、停止指令を受けた直後ではなく燃料電池システム１００を停止した後に、凍結を予測するパラメータである冷却水温度を監視し、乾燥運転を実行するときに併せて燃料電池スタック１を暖機する運転実行部３１１を備える。
【０３２１】
図１４は、燃料電池システム１００の停止した後に暖機運転を実行する手法を示すタイムチャートである。
【０３２２】
図１４（ａ）から図１４（ｇ）までの各図面の縦軸は、それぞれ図１２（ａ）から図１２（ｇ）までの各図面の縦軸と同じである。また、図１４（ａ）から図１４（ｇ）までの各図面の横軸は互いに共通の時間軸である。
【０３２３】
時刻ｔ１０から時刻ｔ１１までは、図１２（ａ）から図１２（ｇ）までに示された時刻ｔ０から時刻ｔ１までの動作と同じであるため、ここでの説明を省略する。
【０３２４】
時刻ｔ１１において、停止指令が出力され、燃料電池スタック１の発電が停止された後に燃料電池システム１００が停止される。このとき、図１４（ｂ）に示すようにジェットポンプ２５の氷量が、凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも大きいため、暖機フラグがＯＮに設定され、図１４（ｅ）に示すようにＨＦＲは基準値よりも小さく電解質膜が湿った状態であるため、乾燥フラグがＯＮに設定される。
【０３２５】
本実施形態では、コントローラ１０１は、停止指令を受けた直後に乾燥運転と暖機運転を実行せずに、燃料電池システム１００を停止した後に冷却水温度が、凍結防止閾値Ｔｈ_ｓまで低下するのを監視する。
【０３２６】
凍結防止閾値Ｔｈ_ｓは、氷点温度に基づいて定められた値である。凍結防止閾値Ｔｈ_ｓは、燃料電池スタック１の内部で水蒸気が氷結することを防止するために、例えば０℃よりも大きな値に設定される。
【０３２７】
時刻ｔ１２では、図１４（ｃ）に示すように冷却水温度が凍結防止閾値Ｔｈ_ｓまで低下する。このとき、暖機フラグがＯＮに設定されているため、コントローラ１０１は、乾燥・暖機運転を実行する。
【０３２８】
時刻ｔ１３において、図１４（ｅ）に示すようにＨＦＲが基準値まで大きくなるので、コントローラ１０１は、乾燥運転を停止して暖機運転のみを実行する。そして図１４（ｄ）に示すようにジェットポンプ２５の吐出温度が０℃よりも高くなり、図１４（ｂ）に示すようにジェットポンプ２５の氷量が減少する。
【０３２９】
時刻ｔ１４において、図１４（ｃ）に示すように冷却水温度が暖機完了閾値Ｔｈ_ｅまで上昇する。これにより、図１４（ｂ）に示すようにジェットポンプ２５内の氷が除去される。そして停止制御部３００は、暖機運転を停止して燃料電池システム１００を停止状態にする。
【０３３０】
本発明の第３実施形態によれば、コントローラ１０１の乾燥運転部３２０は、燃料電池システム１００が停止された後に、燃料電池スタック１の温度と相関のある冷却水温度が凍結防止閾値Ｔｈ_ｓまで低下したときには、乾燥運転を実行する。そして暖機運転部３３０は、乾燥運転が実行されるときに、ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも多い場合には、燃料電池スタック１を暖機する。なお、燃料電池スタック１のための凍結防止閾値Ｔｈ_ｓは、固定値に限らず、凍結を予測するパラメータに応じて変更してもよい。
【０３３１】
このように、燃料電池システム１００の停止後の乾燥運転中において暖機運転を実行することにより、燃料電池の凍結を防止するとともに、ジェットポンプ２５の凍結も防止することができる。
【０３３２】
また、熱交換器２３からジェットポンプ２５に供給されるアノードガス（供給ガス）の温度が氷点温度よりも低いほど、乾燥運転中にジェットポンプ２５に形成される氷量が多くなる。このため、凍結予測処理部３１０は、供給ガスの温度が低いほど、燃料電池のための凍結防止閾値Ｔｈ_ｓを高く設定するものであってもよい。
【０３３３】
燃料電池のための凍結防止閾値Ｔｈ_ｓを高くすることより、ジェットポンプ２５に吸引される循環ガスの温度が高くなるので、乾燥運転中において新たに生成される氷量が少なくなる。したがって、乾燥運転中にジェットポンプ２５が凍結して流路が閉塞するのを回避することができる。
【０３３４】
あるいは、凍結予測処理部３１０は、ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも少ない場合において、氷量と凍結防止閾値Ｔｈ_ｊとの差が小さくなるほど、燃料電池の凍結防止閾値Ｔｈ_ｓを高く設定するようにしてもよい。
【０３３５】
ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも少ない場合には、ジェットポンプ２５内の氷を除去するための暖機運転が実行されずに乾燥運転のみが実行される。このような運転状態であっても、乾燥運転中において燃料電池の電解質膜を乾燥させるために行われる燃料電池スタック１の暖機によってジェットポンプ２５内に新たに氷が生成される。これに伴い、ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも多くなり、ジェットポンプ２５の流路が閉塞する可能性がある。
【０３３６】
この対策として、上述のとおり、ジェットポンプ２５内の氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊよりも少ない場合において、氷量が凍結防止閾値Ｔｈ_ｊに近づくほど、凍結防止閾値Ｔｈ_ｓを高く設定することにより、乾燥運転中に生成される氷量が減少するので、ジェットポンプ２５の閉塞を回避することができる。
【０３３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０３３８】
例えば、本実施形態ではジェットポンプ２５の暖機完了閾値（解凍温度）Ｔｈ_ｊとして、固定値を用いる例について説明したが、次図に示すように閾値補正マップを用いて暖機完了閾値Ｔｈ_ｊを変更するようにしてもよい。
【０３３９】
図１５は、ジェットポンプ２５の暖機完了閾値Ｔｈ_ｊを補正する手法を示す図である。図１５には、ジェットポンプ２５での合流後ガス温度ごとに、氷量積算値と暖機完了閾値との関係を示す閾値補正マップが示されている。
【０３４０】
氷量積算値が大きくなるほど、氷が全て溶けるのに時間を要するため、暖機完了閾値Ｔｈ_ｊが高くなる。また、氷量積算値が大きくなるほど、合流後ガス温度が低くなるほど、氷が溶け難くなるため、暖機完了閾値Ｔｈ_ｊが低くなる。
【０３４１】
このように閾値補正マップを用いることにより、ジェットポンプ２５に形成された全ての氷を確実に溶解することができる。
【０３４２】
また本実施形態ではジェットポンプ２５内の氷量に基づいて暖機運転を実行するか否かを判断したが、ジェットポンプ２５の供給ガス、循環ガス及び合流ガスのエンタルピの収支を積算し、この積算値に基づいて暖機運転を実行するようにしてもよい。
【０３４３】
また本実施形態では冷却水温度に基づいて暖機が完了したか否かを判断したが、冷却水温度の代わりにアノードオフガスの温度を用いてもよい。これにより、より正確に暖機の要否を判断することができる。この場合には、アノードガス循環通路２６に温度センサを設け、温度センサから出力される検出信号を用いてもよいし、演算により求めた推定値を用いてもよい。
【０３４４】
また燃料電池システム１００の温度としては、ジェットポンプ２５から吐出される合流後のガスの温度（吐出ガス温度）が用いられてもよい。この場合には、例えば、吐出ガス温度が０℃を超えたか否かに基づいてジェットポンプ２５の凍結を予測することができる。吐出ガス温度は、循環ガス温度と供給ガス温度とに基づいて算出される。あるいは、ジェットポンプ２５と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路２２に温度センサを設け、この温度センサから出力される検出信号を用いてもよい。
【０３４５】
なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【０３４６】
本願は、２０１４年７月２４日に日本国特許庁に出願された特願２０１４−１５１２７２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
0006533786.tif 000003
【図２】
0006533786.tif 000004
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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