(57)【要約】【課題】暖機完了後の排出経路の氷結を防止することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】暖機完了後（Ｓ２０、Ｙｅｓ）、酸化剤ガス排出流路の収束温度Ｔ２を検出し（Ｓ３０）、収束温度Ｔ２が５℃（第１所定温度）以下である場合、エアコンプレッサからの空気を、冷却器を通さずに燃料電池に供給するＩ／Ｃバイパス制御を実行する（Ｓ５０）。そして、収束温度Ｔ２を検出し（Ｓ６０）、収束温度Ｔ２が１０℃以上である場合（Ｓ７０、Ｙｅｓ）、Ｉ／Ｃバイパス制御を終了する（Ｓ１００）。また、収束温度Ｔ２が１０℃以上でない場合（Ｓ７０、Ｎｏ）、燃料電池の温度（ＦＣ温度Ｔ１）を検出し、ＦＣ温度Ｔ１が燃料電池の許容温度である９５℃以上である場合（Ｓ９０、Ｙｅｓ）、Ｉ／Ｃバイパス制御を終了する（Ｓ１００）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池との間のガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換器と、
前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスを、前記熱交換器を迂回させて前記燃料電池に供給する熱交換器迂回流路と、
前記熱交換器を有する前記ガス流路と前記熱交換器迂回流路とを切り替える切替手段と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路の収束温度を把握する酸化剤ガス排出流路温度把握手段と、
前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機の完了が検出された後、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度が第１所定温度以下の場合、前記切替手段により前記熱交換器を迂回させて前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により把握された前記収束温度が前記第１所定温度より高く設定された第２所定温度以上である場合には、前記制御による前記熱交換器の迂回を停止させ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】
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
前記燃料電池が許容温度の範囲を超えているか否かを判断する燃料電池許容温度判定手段と、を備え、
前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が、前記燃料電池許容温度判定手段により前記許容温度を超えたと判断された場合、前記制御による前記熱交換器の迂回を停止させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池の出力を検出する燃料電池出力検出手段と、
外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、
前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段は、前記燃料電池出力検出手段により検出された前記燃料電池の出力および前記外気温度検出手段により検出された外気温度に基づいて前記収束温度を推定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池の発電による発熱量を制御する燃料電池発熱量制御手段を備え、
前記切替手段により前記熱交換器を迂回させてから、前記燃料電池発熱量制御手段により前記燃料電池の発熱量を上昇させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記切替手段により前記熱交換器を迂回させたときに検出される前記収束温度が第３所定温度以上である場合には、前記燃料電池発熱量制御手段による前記燃料電池の発熱量の上昇制御を行わないことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記切替手段により前記熱交換器を迂回させたときに検出される前記収束温度の単位時間当たりの温度変化量が所定値以上である場合には、前記燃料電池発熱量制御手段による前記燃料電池の発熱量の上昇制御を行わないことを特徴とする請求項５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、発電開始後の氷結を防止することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、低温（氷点下）環境下での燃料電池の始動性を向上させるために、燃料電池を暖機する技術が種々提案されている。燃料電池自動車などでは暖機を速やかに行うことが商品性などの点において要求されており、例えば、コンプレッサにより空気圧が高められて高温になった空気を燃料電池に供給することで燃料電池の暖機を速やかに行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１３４１５０号公報（段落００３８、００４３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、燃料電池システムが氷点下に至るような環境下で使用されると、燃料電池の暖機運転が完了し、通常運転に移行した後であっても、燃料電池から排出された生成水や湿潤状態のカソードオフガス中の水分が配管内などで氷結するという問題があった。これは、暖機した後でも環境によって配管等の急激な温度低下が生じるためであり、発電性能を低下させるだけではなく、燃料電池システムの配管等の不具合を引き起こすおそれがあった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、暖機完了後の排出経路の氷結を防止す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】
【０００５】
請求項１に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池との間のガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換器と、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスを、前記熱交換器を迂回させて前記燃料電池に供給する熱交換器迂回流路と、前記熱交換器を有する流路と前記迂回流路とを切り替える切替手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路の収束温度を把握する酸化剤ガス排出流路温度把握手段と、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機の完了が検出された後、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度が第１所定温度以下の場合、前記切替手段により前記熱交換器を迂回させて前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する制御を行うことを特徴とする。
【０００６】
請求項１に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路の収束温度が第１所定温度以下（例えば、５℃）のときに、熱交換器を迂回させるので燃料電池から排出された酸化剤ガスが氷結温度まで下がる前に燃料電池システムの外部（系外）に排出される。このため、発電開始後に燃料電池から排出された生成水や湿潤な酸化剤ガスに含まれる水分が酸化剤ガス排出流路で氷結するのを防止でき、氷結が進んで配管等が閉塞して破損するのを防止できる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により把握された前記収束温度が前記第１所定温度より高く設定された第２所定温度以上である場合には、前記制御による前記熱交換器の迂回を停止させることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に係る発明によれば、第２所定温度を第１所定温度よりも高い値に設定しているため、制御終了直後に再び酸化剤ガス排出流路が氷点下になることを防止でき、酸化剤ガス排出流路で氷結するのを防ぐことが可能になる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記燃料電池が許容温度の範囲を超えているか否かを判断する燃料電池許容温度判定手段と、を備え、前記燃料電池温度検出手段により検出された前記燃料電池の温度が、前記燃料電池許容温度判定手段により前記許容温度を超えたと判断された場合、前記制御による前記熱交換器の迂回を停止させることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池が許容温度を超えないように発熱量を上昇させるため、燃料電池の過加熱による膜の劣化を防ぐことが可能になる。
【００１１】
請求項４に係る発明は、前記燃料電池の出力を検出する燃料電池出力検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段は、前記燃料電池出力検出手段により検出された前記燃料電池の出力および前記外気温度検出手段により検出された外気温度に基づいて前記収束温度を推定することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明によれば、燃料電池の発電性能（出力）や外気温度から酸化剤ガス排出流路の温度を推定するため、酸化剤ガス排出流路の温度を直接に測定する装置（センサ）を設置することなく温度把握が可能になる。
【００１３】
請求項５に係る発明は、前記燃料電池の発電による発熱量を制御する燃料電池発熱量制御手段を備え、前記切替手段により前記熱交換器を迂回させてから、前記燃料電池発熱量制御手段により前記燃料電池の発熱量を上昇させることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の発熱量を上昇させながら熱交換器のバイパス制御を行うため、酸化剤ガス排出流路を通るオフガスの温度が上昇して、酸化剤ガス排出流路の氷結を確実に防止することが可能になる。また、熱交換器をバイパスさせることが、発熱量を上げることをよりも温度に対する応答性が高いため、熱交換器のバイパス制御を先行して行うことにより、高温の酸化剤ガスを早急に供給することが可能になる。
【００１５】
請求項６に係る発明は、前記切替手段により前記熱交換器を迂回させたときに検出される前記収束温度が第３所定温度以上である場合には、前記燃料電池発熱量制御手段による前記燃料電池の発熱量の上昇制御を行わないことを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明によれば、熱交換器のバイパス制御のみで発熱量上昇制御を行わなくても収束温度が第３所定温度を超える場合には発熱量上昇制御を行わないため、発熱量上昇のための発電によって消費される燃料消費を抑制することが可能になり、燃料効率の向上を図りつつ配管内での氷結を防止することが可能になる。
【００１７】
請求項７に係る発明は、前記切替手段により前記熱交換器を迂回させたときに検出される前記収束温度の単位時間当たりの温度変化量が所定変化量以上である場合には、前記燃料電池発熱量制御手段による前記燃料電池の発熱量の上昇制御を行わないことを特徴とする。
【００１８】
請求項７に係る発明によれば、熱交換器のバイパス制御のみで発熱量上昇制御を行わなくても収束温度が第３所定温度を超える場合には発熱量上昇制御を行わないため、発熱量上昇のための発電によって消費される燃料消費を抑制することが可能になり、燃料効率の向上を図りつつ配管内での氷結を防止することが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システムによれば、暖機完了後の排出経路の氷結を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２は第１実施形態の氷結防止制御を示すフローチャート、図３は対策前後の収束温度の変化を示すグラフである。なお、以下では、燃料電池システムを搭載した自動車を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、定置式の家庭用電源などに適用してもよい。
【００２１】
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池ＦＣ、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、排気系５０、制御系７０などを含んで構成されている。
【００２２】
前記燃料電池ＦＣは、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜２を、触媒を含むアノード（水素極）３と、触媒を含むカソード（空気極）４とで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有し、さらに膜電極構造体を一対の導電性のセパレータ５，６で挟んで構成した単セル（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｅｌｌ）が厚み方向に複数積層された構造を有している。また、電解質膜２は、適度に加湿されることにより性能を発揮できる特性を有する膜である。また、燃料電池ＦＣには、セパレータ５に水素が流通する流路、セパレータ６に空気が流通する流路がそれぞれ形成され、さらに冷却媒体が流通する流路が形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。
【００２３】
前記アノード系２０は、燃料ガスとしての水素を燃料電池ＦＣのアノード３に供給し、且つ、アノード３から水素を排出するものであり、水素タンク２１、エゼクタ２２、パージ弁２３、配管２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄなどで構成されている。
【００２４】
前記水素タンク２１は、高純度の水素ガスが高圧で充填された容器であり、電磁作動式の遮断弁（図示せず）を備えている。
【００２５】
前記エゼクタ２２は、燃料電池ＦＣのアノード３側から排出された未反応の水素を、燃料電池ＦＣのアノード３に戻して循環させるための真空ポンプの一種である。
【００２６】
前記パージ弁２３は、例えば遮断弁で構成され、運転中などに適宜開放してアノード系２０に蓄積された不純物を系外に排出する弁である。なお、不純物とは、カソード４から電解質膜２を介してアノード３に透過した空気に含まれる窒素などである。
【００２７】
前記配管２４ａは、一端が水素タンク２１に接続され、他端がエゼクタ２２に接続されている。前記配管２４ｂは、一端がエゼクタ２２に接続され、他端が燃料電池ＦＣのアノード３側の入口に接続されている。前記配管２４ｃは、一端が燃料電池ＦＣのアノード３側の出口と接続され、他端がパージ弁２３と接続されている。前記配管２４ｄは、一端が配管２４ｃと接続され、他端がエゼクタ２２と接続されている。
【００２８】
なお、図示していないが、アノード系２０には、水素タンク２１からの高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。
【００２９】
前記カソード系３０は、酸化剤ガスとしての空気（酸素）を燃料電池ＦＣのカソード４に供給し、且つ、カソード４から空気などを排出するものであり、エアコンプレッサ３１、冷却器３２、切替弁３３、バイパス配管３４、加湿器３５、背圧弁３６などを備えている。
【００３０】
前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気（外気）を取り込んで圧縮して燃料電池ＦＣのカソード４に供給するものである。
【００３１】
前記冷却器３２は、いわゆるインタークーラ（Ｉ／Ｃ）と称されるものであり、エアコンプレッサ３１により圧縮されて高温になった空気を冷却する機能を有している。また、冷却器３２は、エアコンプレッサ３１とカソード供給配管３７ａを介して接続されている。なお、冷却器３２は、空冷式であっても、水冷式であってもよい。
【００３２】
前記切替弁３３は、冷却器３２の下流に設けられ、後記する制御部７１によって開閉制御され、冷却器３２とカソード供給配管３７ｂを介して接続されている。
【００３３】
前記バイパス配管３４は、カソード供給配管３７ａに対して分岐して形成され、冷却器３２および切替弁３３を迂回して、切替弁３３の下流に接続されたカソード供給配管３７ｃと合流するようにして接続されている。
【００３４】
前記加湿器３５は、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ３１からの空気を流通させ、他側に燃料電池ＦＣのカソード４から排出されたカソードオフガス（湿潤な空気、生成水）を流通させることにより、エアコンプレッサ３１からの空気を加湿するようになっている。すなわち、加湿される前の空気が導入される入口が前記カソード供給配管３７ｃと接続され、加湿された後の空気が排出される出口が燃料電池ＦＣのカソード４の入口とカソード供給配管３７ｄを介して接続され、カソードオフガスが導入される入口が燃料電池ＦＣのカソード４の出口とカソード排出配管３８ａを介して接続され、カソードオフガスが排出される出口が後記する背圧弁３６とカソード排出配管３８ｂを介して接続されている。
【００３５】
前記背圧弁３６は、例えばバタフライ弁などで構成され、燃料電池ＦＣのカソード４に供給される空気の圧力を適宜調整する機能を有している。
【００３６】
前記希釈系４０は、燃料電池ＦＣから排出された水素を希釈する機能を有し、希釈器４１、配管４２ａ，４２ｂなどを備えている。
【００３７】
前記希釈器４１は、パージ弁２３の下流側の一端に接続された配管４２ａと、背圧弁３６の下流側の一端に接続された配管４２ｂとがそれぞれ接続され、希釈器４１内において、燃料電池ＦＣのアノード３から排出された水素と、燃料電池ＦＣのカソード４から排出されたカソードオフガス（空気や水など）とを混合させて希釈して排出するように構成されている。燃料電池ＦＣから排出された水素が希釈器４１を通ることにより、規定以下の水素濃度に希釈された水素が車外（大気中）に排出されるようになっている。
【００３８】
前記排気系５０は、サイレンサ５１、テールパイプ５２、配管５３などを備えている。
【００３９】
前記サイレンサ５１は、排気音を低減する機能を有し、例えば、内部を複数に区画し、また吸音材を設けた円筒形のケースを備えている。テールパイプ５２は、サイレンサ５１の下流側の一端に接続された配管であり、下流側の一端が車外（大気中）と連通するように構成されている。前記配管５３は、サイレンサ５１と希釈器４１とを接続するように構成されている。
【００４０】
なお、燃料電池ＦＣのカソード４の出口以降の、カソード排出配管３８ａ、加湿器３５の加湿する側の流路、カソード排出配管３８ｂ、配管４２ｂ、希釈器４１、配管５３、サイレンサ５１、およびテールパイプ５２によって、本実施形態の酸化剤ガス排出流路Ｒ（図１参照）が構成されている。また、カソード供給配管３７ａ〜３７ｃが、本実施形態におけるガス流路に相当する。
【００４１】
前記制御系７０は、制御部７１、燃料電池温度センサ７２、排出流路温度センサ７３などを備えている。
【００４２】
前記制御部７１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、燃料電池暖機完了判定手段および燃料電池許容温度判定手段を備えている。また、制御部７１は、パージ弁２３、エアコンプレッサ３１、切替弁３３、背圧弁３６、燃料電池温度センサ７２、排出流路温度センサ７３と電気的に接続され、パージ弁２３の開閉、エアコンプレッサ３１の回転速度、背圧弁３６の開度を制御し、後記する燃料電池温度センサ７２および排出流路温度センサ７３により検出された各温度（℃）を取得する。
【００４３】
前記燃料電池温度センサ７２は、燃料電池ＦＣの温度を検出するセンサであり、例えば、燃料電池ＦＣのアノード３の出口近傍に設けられている。なお、燃料電池ＦＣの温度を検出することができるものであれば、前記アノード３の出口近傍に限定されるものではなく、カソード４の出口近傍に設けられていてもよく、または冷媒の流路出口近傍などに設けられていてもよい。
【００４４】
前記排出流路温度センサ７３は、本実施形態の収束温度を把握（検出）する機能を有し、例えば、酸化剤ガス排出流路Ｒの位置で温度が最も低くなると予測されるテールパイプ５２に設けられている。
【００４５】
次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａにおける氷結防止制御について図２を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、図２のフローでは、燃料電池ＦＣの暖機が実行されるような低温環境下で燃料電池ＦＣが起動されることを前提として説明する。
【００４６】
まず、燃料電池自動車（車両）のイグニッションスイッチ（図示せず）がオフからオンに切り替えられると、制御部７１は、ステップＳ１０において、燃料電池温度センサ７２から燃料電池温度（図２ではＦＣ温度と表記）Ｔ１を検出する。また、制御部７１は、水素タンク２１に設けられた図示しない遮断弁を開弁して、水素タンク２１から燃料電池ＦＣのアノード３に水素が供給され、エアコンプレッサ３１の駆動を開始して燃料電池ＦＣのカソード４に、冷却器３２で冷却され、加湿器３５で加湿された空気が供給されるように構成されている。アノード３では、触媒の作用によって水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが電解質膜２を透過してカソード４に移動する。カソード４では、触媒の作用によって、アノード３から負荷を通ってカソード４に移動した電子と、電解質膜２を透過した水素イオンと、空気中の酸素との反応により水が生成される。このようにして、燃料電池ＦＣでは、発電が行われるとともに水が生成される。
【００４７】
そして、ステップＳ２０に進み、制御部７１は、暖機が完了したか否かを判断する。なお、暖機とは、燃料電池システム１Ａが低温環境下（氷点下）で使用される場合に実行される処理であり、例えば、燃料電池ＦＣに通常運転よりも高い流量および圧力で空気を供給して、燃料電池ＦＣを高い出力で発電させることによって行う処理である。また、暖機完了の判断条件としては、燃料電池ＦＣの温度が所定温度（例えば、３０℃）を超えたときに暖機完了と判断できる。また、このステップＳ２０が、本実施形態における燃料電池暖機完了判定手段が実施する処理に相当する。ステップＳ２０において、制御部７１は、暖機が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻り、暖機が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ３０に進む。
【００４８】
そして、ステップＳ３０において、制御部７１は、排出流路温度センサ７３からカソード４の出口以降の酸化剤ガス排出流路Ｒの収束温度Ｔ２を把握する。なお、ステップＳ３０が、本実施形態における酸化剤ガス排出流路温度把握手段が実施する処理に相当する。
【００４９】
そして、ステップＳ４０に進み、制御部７１は、収束温度Ｔ２が５℃（第１所定温度）以下であるか否かを判断する。なお、第１所定温度は、氷結するより前の温度に設定される。ステップ４０において、制御部７１は、収束温度Ｔ２が５℃以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５０に進み、収束温度Ｔ２が５℃以下でないと判断した場合には（Ｎｏ）、リターンする。
【００５０】
ステップＳ５０において、制御部７１は、冷却器（Ｉ／Ｃ）３２をバイパスする制御を開始する。つまり、切替弁３３を閉じることで、エアコンプレッサ３１からの圧縮された高温の空気がバイパス配管３４を通ることになり、冷却器３２を通らない高温の空気が燃料電池ＦＣに供給される。
【００５１】
そして、ステップＳ６０に進み、制御部７１は、排出流路温度センサ７３から酸化剤ガス排出流路Ｒの収束温度Ｔ２を把握する。なお、ステップＳ６０は、本実施形態の酸化剤ガス排出流路温度把握手段が実施する処理に相当する。
【００５２】
そして、ステップＳ７０に進み、制御部７１は、収束温度Ｔ２が１０℃（第２所定温度）以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８０に進み、燃料電池温度センサ７２からＦＣ温度Ｔ１を検出する。なお、第２所定温度は、第１所定温度よりも高い温度に設定される。
【００５３】
なお、ステップＳ７０において、制御部７１は、収束温度Ｔ２が１０℃以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１００に進む。ステップＳ１００において、制御部７１は、冷却器（Ｉ／Ｃ）３２をバイパスする制御を終了する。つまり、切替弁３３を開くことで、エアコンプレッサ３１からの圧縮された高温の空気がバイパス配管３４を通らずに燃料電池ＦＣに供給される。これにより、燃料電池ＦＣには、冷却器３２で冷却され、加湿器３５で加湿された空気が供給される。
【００５４】
そして、ステップＳ９０に進み、制御部７１は、ＦＣ温度Ｔ１が９５℃以上であるか否かを判断する。なお、ここで設定される９５℃が、燃料電池ＦＣの許容温度である。ただし、許容温度は、燃料電池ＦＣの種類などに応じて種々変更可能である。また、このステップＳ９０が、本実施形態の燃料電池許容温度判定手段が実施する処理に相当する。ステップＳ９０において、制御部７１は、ＦＣ温度Ｔ１が９５℃以上ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、燃料電池ＦＣの許容温度の範囲内であると判断してステップＳ６０に戻ってＩ／Ｃバイパス制御を継続し、ＦＣ温度Ｔ１が９５℃以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、燃料電池ＦＣの許容温度を超えていると判断してステップＳ１００に進み、Ｉ／Ｃバイパス制御を終了する。
【００５５】
ところで、燃料電池自動車が低温（氷点下）環境下で使用されると、発電開始後で燃料電池自動車が走行できる状態であっても、図３のグラフＡに示すように、酸化剤ガス排出流路Ｒの収束温度が燃料電池ＦＣから下流へと遠ざかるにつれて低下し、車外に排出される前に０℃以下となることがある。これにより、燃料電池ＦＣから高温のカソードオフガスが排出されたとしても、酸化剤ガス排出流路Ｒを通ってテールパイプ５２から排出される間にカソードオフガスが０℃以下に冷やされて、燃料電池ＦＣからの生成水や湿潤なカソードオフガスに含まれる水分が氷結することとなる。そこで、第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、排出流路温度センサ７３によって収束温度が５℃（不図示）以下であると検出され、酸化剤ガス排出流路Ｒにおいて氷結が発生する恐れがある場合には、エアコンプレッサ３１からの高温の空気を、冷却器３２を迂回させて燃料電池ＦＣに供給することで、図３のグラフＢに示すように、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスの排気温度が上昇して、カソードオフガスが氷結する前に車外に排出されるようになる。その結果、氷結が進んで配管等が閉塞して破損するのを防止できる。
【００５６】
また、第１実施形態では、第１所定温度より高い第２所定温度を設定して、第２所定温度以上であるときにＩ／Ｃバイパス制御を停止するので、制御終了直後に再び酸化剤ガス排出流路Ｒが第１所定温度以下になるのを防止でき、酸化剤ガス排出流路Ｒで氷結するのを防ぐことが可能になる。
【００５７】
また、第１実施形態では、燃料電池ＦＣが許容温度以上であるときには冷却器３２をバイパスさせる制御を停止するので、燃料電池ＦＣが過度に加熱されることによる、膜電極構造体の劣化を防ぐことが可能になる。
【００５８】
（第２実施形態）
図４は第２実施形態の氷結防止制御を示すフローチャート、図５は第２実施形態の氷結防止制御における温度変化の一例を示すグラフである。なお、第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの制御部７１が燃料電池発熱量制御手段をさらに備えた構成である。また、図４のフローについては、図２の第１実施形態のフローと同一の処理については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。
【００５９】
図４に示すように、ステップＳ７０において、制御部７１は、ステップＳ６０で検出した収束温度Ｔ２が１０℃（第２所定温度）以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７１Ａに進み、ステップＳ６０で検出した収束温度Ｔ２が３℃（第３所定温度）以上であるか否かを判断する。なお、本実施形態における第３所定温度は、例えば、第１所定温度（５℃）よりも低く、かつ、氷結する手前の温度に設定される。
【００６０】
ステップＳ７１Ａにおいて、制御部７１は、収束温度Ｔ２が３℃以上でない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７２に進み、燃料電池ＦＣによる発熱量を上昇させる制御を開始する。なお、発熱量上昇制御とは、例えば、エアコンプレッサ３１からの空気の供給量を増量して空気中の酸素と水素とを多く消費させることによって、燃料電池ＦＣから取り出す電力を増量する処理である。なお、燃料電池ＦＣから取り出した電力は図示しない蓄電装置に充電される。このように燃料電池ＦＣの出力を増加させることにより、燃料電池ＦＣの発熱量が高まり、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスの排気温度が高まるようになる。
【００６１】
また、ステップＳ７１Ａにおいて、制御部７１は、収束温度Ｔ２が３℃以上である場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ７３に進み、燃料電池ＦＣによる発熱量を上昇させる制御を行わない。収束温度Ｔ２が３℃以上であるということは、酸化剤ガス排出流路Ｒ内において氷結するおそれがなく、燃料電池ＦＣの発熱量を上昇させなくてもＩ／Ｃバイパス制御のみで賄えることを意味している。
【００６２】
なお、ステップＳ１００では、Ｉ／Ｃバイパス制御と発熱量上昇制御とが実行されている場合には、両制御を終了し、Ｉ／Ｃバイパス制御のみが実行されている場合には、Ｉ／Ｃバイパス制御を終了する。
【００６３】
図５に示すように、暖機完了後の時刻ｔ１において、収束温度Ｔ２が５℃（第１所定温度）以下となったときに冷却器３２を迂回させるＩ／Ｃバイパス制御（図５ではバイパス制御と略記）が開始される。そして、Ｉ／Ｃバイパス制御を実行しても収束温度Ｔ２が下がり、時刻ｔ２において、収束温度Ｔ２が３℃（第３所定温度）以下となったときにＩ／Ｃバイパス制御を実行しつつ発熱量上昇制御を開始する。Ｉ／Ｃバイパス制御と発熱量上昇制御とにより、収束温度Ｔ２の低下が止まり、収束温度Ｔ２が上昇に転じる。そして、時刻ｔ３において、収束温度Ｔ２が３℃（第３所定温度）を超えたときに、発熱量上昇制御を停止してＩ／Ｃバイパス制御のみにする。そして、時刻ｔ４において、収束温度Ｔ２が５℃（第１所定温度）よりも高く設定された１０℃（第２所定温度）以上となったときにＩ／Ｃバイパス制御を終了する。このように、Ｉ／Ｃバイパス制御と発熱量上昇制御とを切り替えて制御することにより、酸化剤ガス排出流路Ｒにおける氷結を防止できる。
【００６４】
また、第２実施形態では、燃料電池ＦＣの発熱量上昇制御を行いつつＩ／Ｃバイパス制御を行うので、酸化剤ガス排出流路Ｒの氷結を確実に防止することが可能になる。また、第２実施形態では、発熱量上昇制御に対してＩ／Ｃバイパス制御を先行して行うので、高温の空気を早急に供給することが可能になる。これは、冷却器３２を迂回させることのほうが、発熱量を上げることよりも温度に対する応答性が高いからである。
【００６５】
また、第２実施形態では、収束温度Ｔ２が第３所定温度を超える場合に発熱量上昇制御を行わないようにしたので、発熱量上昇のための発電により消費される水素消費（燃料消費）を抑制することが可能になり、燃料効率の向上を図りつつ酸化剤ガス排出流路Ｒ内における氷結を防止することが可能になる。
【００６６】
（第３実施形態）
図６は第３実施形態の氷結防止制御を示すフローチャート、図７は第３実施形態の氷結防止制御における温度変化の一例を示すグラフである。なお、第３実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの制御部７１が燃料電池発熱量制御手段をさらに備えた構成である。また、図６のフローについては、第２実施形態のフローのステップ７１Ａに替えてステップＳ７１Ｂとした点以外は第２実施形態と同様である。
【００６７】
図６に示すように、ステップＳ７０において、制御部７１は、ステップＳ６０で検出した収束温度Ｔ２が１０℃以上でない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７１Ｂに進み、収束温度Ｔ２の単位時間当たりの温度上昇変化量（温度変化量）が所定値以上であるか否かを判断する。なお、所定値は、例えば正の値に設定される。ステップＳ７１Ｂにおいて、制御部７１は、収束温度Ｔ２の単位時間当たりの温度上昇変化量が所定値以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ７３に進み、発熱量上昇制御を行わず、また収束温度Ｔ２の単位時間当たりの温度上昇変化量が所定値以上でない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７２に進み、発熱量上昇制御を開始する。
【００６８】
図７に示すように、暖機完了後の時刻ｔ１において、収束温度Ｔ２が５℃（第１所定温度）以下となったときに冷却器３２を迂回させるＩ／Ｃバイパス制御（図４ではバイパス制御と略記）が開始される。そして、Ｉ／Ｃバイパス制御を実行しても収束温度Ｔ２が下がり、時刻ｔ２において、収束温度Ｔ２の単位時間当たりの温度上昇変化量（ΔＴａ／Δｔ）が負であるので、Ｉ／Ｃバイパス制御を実行しつつ発熱量上昇制御を開始する。Ｉ／Ｃバイパス制御と発熱量上昇制御とにより、収束温度Ｔ２の低下が止まり、収束温度Ｔ２が上昇に転じる。そして、時刻ｔ３において、収束温度Ｔ２の単位時間当たりの温度上昇変化量（ΔＴｂ／Δｔ）が所定値以上であるのでＩ／Ｃバイパス制御のみにする。そして、時刻ｔ４において、収束温度Ｔ２が５℃（第１所定温度）よりも高く設定された１０℃（第２所定温度）以上となったときにＩ／Ｃバイパス制御を終了する。
【００６９】
このように、第３実施形態では、第２実施形態と同様に、燃料電池ＦＣの発熱量上昇制御を行いつつＩ／Ｃバイパス制御を行うので、酸化剤ガス排出流路Ｒの氷結を確実に防止することが可能になる。また、第３実施形態では、発熱量上昇制御に対してＩ／Ｃバイパス制御を先行して行うので、高温の空気を早急に供給することが可能になる。これは、冷却器３２を迂回させることのほうが、発熱量を上げることよりも温度に対する応答性が高いからである。
【００７０】
（第４実施形態）
図８は第４実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図９は第４実施形態の氷結防止制御を示すフローチャート、図１０は収束温度と燃料電池の出力との関係を示すマップ、図１１は収束温度を風速に基づいて補正するためのマップである。なお、第４実施形態の燃料電池システム１Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの排出流路温度センサ７３に替えて、燃料電池出力検出手段としての電流センサ７４および電圧センサ７５、外気温度検出手段としての外気温度センサ７６を備えた点以外は第１実施形態と同様な構成である。すなわち、第４実施形態では、酸化剤ガス排出流路温度把握手段として、燃料電池出力検出手段からの出力と外気温度検出手段からの外気温度とに基づいて収束温度Ｔ２を推定する構成になっている。
【００７１】
前記電流センサ７４は、燃料電池ＦＣから負荷（図８参照）に向けて取り出される電流値を検出するものである。前記電圧センサ７５は、燃料電池ＦＣの電圧値を検出するものである。なお、負荷とは、電動機（走行モータ）、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置、各種補機（エアコンプレッサ３１を含む）などである。
【００７２】
前記外気温度センサ７６は、車外（外気）の温度を検出するセンサであり、外気を直接に測定できる車体などに設けられている。
【００７３】
なお、燃料電池ＦＣの出力は、電力に限定されるものではなく、電流または電圧であってもよい。
【００７４】
図９に示すように、暖機完了後（Ｓ２０、Ｙｅｓ）、ステップＳ３１に進み、制御部７１は、燃料電池ＦＣの出力を検出する。このときの出力（電力）は、電流センサ７４により検出される電流値と、電圧センサ７５により検出される電圧値との積により求められる。そして、ステップＳ３２に進み、制御部７１は、外気温度センサ７６により外気温度を検出する。
【００７５】
そして、ステップＳ３３に進み、制御部７１は、図１０に示すマップに基づいて収束温度Ｔ２を推定する。図１０において、実線は外気温度がマイナス１０℃の場合を図示している。また、外気温度がマイナス１０℃よりも高い常温の場合には、図１０において実線よりも上側にシフトした破線で示すマップに基づいて収束温度が推定され、外気温度がマイナス１０℃より低いマイナス３０℃の場合には、実線よりも下側にシフトした破線で示すマップに基づいて収束温度が推定される。
【００７６】
また、図１０のマップに基づいて推定した収束温度について、図１１に示すマップに基づいて補正してもよい。すなわち、補正後の収束温度は、風速が高い場合には、図１０で推定した収束温度よりも低くなり、風速が低い場合には、図１１で推定した収束温度よりも高くなる。なお、風速は、風速センサを設けることにより検出できるが、風速に替えて車速センサから得られる車速を用いてもよい。
【００７７】
このように、第４実施形態では、燃料電池ＦＣの発電性能（出力；電力）および外気温度などに基づいて酸化剤ガス排出流路Ｒ内の収束温度を推定するため、酸化剤ガス排出流路Ｒ内の温度を直接に測定する装置（温度センサ）を設置することなく温度の把握が可能になる。
【００７８】
なお、図９のステップＳ６０Ａは、ステップＳ３１〜Ｓ３３と同様にして、収束温度Ｔ２を推定するものとする。また、第４実施形態では、第１実施形態に適用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、第２実施形態あるいは第３実施形態に適用してもよい。
【００７９】
また、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を増加させて、酸化剤ガス排出流路Ｒを流れるカソードオフガスの流速をアップさせるようにしてもよい。流速をアップさせることにより、氷結が発生する前にカソードオフガスを酸化剤ガス排出流路Ｒから排出できるようになる。
【００８０】
また、前記した各実施形態で設定した第１所定温度、第２所定温度、第３所定温度は、一例であり、適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】第１実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。
【図３】対策前後の収束温度の変化を示すグラフである。
【図４】第２実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。
【図５】第２実施形態の氷結防止制御における温度変化の一例を示すグラフ。
【図６】第３実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。
【図７】第３実施形態の氷結防止制御における温度変化の一例を示すグラフ。
【図８】第４実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図９】第４実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。
【図１０】収束温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。
【図１１】収束温度を風速に基づいて補正するためのマップである。
【符号の説明】
【００８２】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
３１    エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３２    冷却器（熱交換器）
３３    切替弁（切替手段）
３４    バイパス配管（熱交換器迂回流路）
３７ａ〜３７ｃ  カソード供給配管（ガス流路）
７１    制御部
７２    燃料電池温度センサ（燃料電池温度検出手段）
７３    排出流路温度センサ（酸化剤ガス排出流路温度把握手段）
７４    電流センサ（燃料電池出力検出手段）
７５    電圧センサ（燃料電池出力検出手段）
７６    外気温度センサ（外気温度検出手段）
ＦＣ    燃料電池
Ｒ      酸化剤ガス排出流路
【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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【図１０】
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【図１１】
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