(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の運転に伴って、水蒸気を含有するガスの少なくとも流量、圧力、方向のうちの一つを制御するバルブを備えた燃料電池システムであって、
前記バルブの内部に設けられ、前記バルブの少なくとも一つの部位を加熱する加熱手段と、
前記燃料電池の運転を停止する際、前記加熱手段を用いて前記バルブを所定の期間、水の沸点以上の温度で加熱する加熱制御手段と
を備え、
前記加熱する所定の期間は、前記バルブに付着した水分を蒸発し、該バルブを乾燥する時間であ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、
前記加熱制御手段は、前記燃料電池へのガスの供給を停止した状態で、前記加熱手段を用いて前記バルブを加熱する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記加熱手段は、ＰＴＣ素子を用いたヒータである燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか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は、該燃料電池の発電した電力の少なくとも一部を蓄電する蓄電手段を備え、
前記加熱手段は、前記燃料電池の運転を停止した後、所定のタイミングまで、前記蓄電手段に蓄えた電力を用いて加熱する燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記加熱する所定の期間は、前記燃料電池システムの運転が継続された時間に応じて調整される、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記所定のタイミングは、前記蓄電手段の充電量に応じて設定される、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
酸素を含有する空気と燃料ガス（例えば水素ガス）との電気化学反応を利用して発電する燃料電池システムでは、その電気化学反応により、水が生成される。従来から、燃料電池システムでは、生成された水の凍結によるシステム機器への弊害を回避するため、システム始動時には機器の解凍のための暖機が行なわれている。外気温が氷点下である極低温時にシステムを一定時間停止すると、システムの運転中に発生してシステム内部に残留した水が、逆止弁や排出弁などの機器で凍結し、システム始動時の作動不良を発生させるからである。かかる弊害を回避する方法として、機器を暖機ボックス内に収納し、始動時に断熱圧縮された高温の空気を供給することで解凍し、作動を良好なものとする技術が知られている（例えば、下記の特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開２００２−３１３３８９号広報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、凍結した機器を解凍して作動可能とするまでの暖機に長時間を要するという問題があった。システムの機器の暖機には、気体である高温空気を利用するため、熱容量が大きな機器部分の温度を急速に上昇させるのは困難だからである。
【０００４】
本発明は、こうした問題を解決し、システム始動時の機器の解凍のための暖機に時間を要しない燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の燃料電池システムは、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の手法をとった。すなわち、燃料電池の運転に伴って、水蒸気を含有するガスが通過するガス給排部を備えた燃料電池システムであって、前記ガス給排部の少なくとも一つの部位を加熱する加熱手段と、前記燃料電池の運転を停止する際、前記加熱手段を用いて前記ガス給排部を所定の期間加熱する加熱制御手段とを備えたことを要旨としている。
【０００６】
かかる燃料電池システムによれば、システム内を流れるガスに含まれる水蒸気の冷却により、ガスの給排に係る部分に付着する水分は、燃料電池の運転を停止する際に加熱することで蒸発する。したがって、燃料電池システムの停止時に外気による冷却を受けても、加熱したガスの給排に係る部分の凍結による作動不良を回避することができる。さらに、燃料電池システムの始動時に凍結部分を解凍する処理を行なう必要がないため、始動に要する時間を短縮することができる。
【０００７】
上記の構成を有する燃料電池システムにおいて、ガスの給排に係る部分は、フィルタ，配管路，ポンプ，モータ，バルブ等の種々の機器が考えられるが、加熱されるガス給排部としては、可動部品を備えた機器を想定することができる。かかる構成によれば、可動部品を備えた機器を加熱することで、可動部品に付着した水分を除去し凍結を防止する。したがって、可動部品に付着した水分が凍結することによる機器およびシステムの作動不良を回避することができる。
【０００８】
上記の構成を有する燃料電池システムにおいて、加熱されるガス給排部は、前記水蒸気を含有するガスの少なくとも流量、圧力、方向のうちの一つを制御するバルブであり、前記バルブの内部に前記加熱手段を設けるものとしても良い。
【０００９】
かかる構成によれば、ガスの流れを制御するバルブの内部に設けた加熱手段により、バルブ内部を直接加熱することができるため、付着した水分を除去するのに要する時間を短くすることができる。また、前記加熱制御手段は、前記燃料電池へのガスの供給を停止した状態で、前記加熱手段を用いて前記バルブを加熱するものとしても良い。
【００１０】
上記の構成を有する燃料電池システムにおいて、部品を所定の期間加熱可能であれば手段を問わないが、加熱手段は、ＰＴＣ素子を用いたヒータとすることができる。かかる構成によれば、ＰＴＣ素子の自己温度制御機能により、温度センサ等による温度管理をすることなく、加熱温度を定温に制御する。したがって、少ない部品点数で加熱の制御を容易に行なうことができる。もとより、温度センサ等を設けて温度制御するものとしても良い。
【００１１】
上記の構成を有する燃料電池システムにおいて、加熱する所定の期間は、前記ガス給排部に付着した水分を蒸発し、該ガス給排部を乾燥する時間であるとしても良い。かかる構成によれば、ガス給排部の加熱の処理は、ガス給排部から水分を除去して乾燥するまでの時間を管理することで行なわれる。したがって、加熱時間を制御すれば良いため、制御が容易となる。また、前記加熱する所定の期間は、前記燃料電池システムの運転が継続された時間に応じて調整されるものとしても良い。
【００１２】
上記の構成を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池システムは、該燃料電池の発電した電力の少なくとも一部を蓄電する蓄電手段を備え、前記加熱手段は、前記燃料電池の運転を停止した後、所定のタイミングまで、前記蓄電手段の電力を用いて加熱するものとしても良い。
【００１３】
かかる構成によれば、加熱手段を稼動する電力には蓄電手段の電力を使用し、加熱中は燃料電池の発電は停止している。したがって、加熱中には、燃料電池の運転により発生する生成水が加熱される部品を通過することもなく、加熱される部品の乾燥を効率よく行なうことができる。さらに、燃料電池の運転により、始動時よりも温度の上昇した状態の蓄電手段（例えば、バッテリやコンデンサ等）を使用することで、より多くの電力を取り出すことが可能となる。なお、かかる構成において、前記所定のタイミングは、前記蓄電手段の充電量に応じて設定されるものとしても良い。
【００１４】
本発明の第２の燃料電池システムは、燃料電池の運転に伴って、水蒸気を含有するガスが通過するガス給排部を備えた燃料電池システムであって、前記ガス給排部の少なくとも一つの部位を加熱する給排部加熱手段と、前記燃料電池の運転を停止する前の所定のタイミングから該燃料電池の運転を停止するまで、該燃料電池からの発電電力を用いて前記給排部加熱手段を運転し、前記ガス給排部を加熱する給排部加熱制御手段とを備えたことを要旨としている。
【００１５】
また、第２の燃料電池システムに対応した燃料電池システムの制御方法は、燃料電池の運転に伴って、水蒸気を含有するガスが通過するガス給排部を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の運転を停止する前の所定のタイミングから該燃料電池の運転を停止するまで、該燃料電池からの発電電力を用いて、前記ガス給排部の少なくとも一つの部位を加熱することを要旨としている。
【００１６】
本発明の第２の燃料電池システムおよびその制御方法によれば、燃料電池の運転を停止する前の所定のタイミングから燃料電池の運転を停止するまでの期間、ガス給排部の少なくとも一つの部位の加熱を行なう。加熱された部位は高温となるため、水分は蒸発する。また、燃料電池の運転により発生する水分は、加熱された部位には付着し難い。したがって、燃料電池システムの停止後に外気による冷却を受けても、加熱した部位は凍結し難いものとなり、凍結による作動不良を低減することができる。さらに、運転停止時の加熱用にバッテリ等の蓄電手段を設ける必要がない。また、バッテリ等の蓄電手段を備えた燃料電池システムで、蓄電手段から電力を持ち出すことなく凍結防止の加熱を行なうことができる。
【００１７】
上記の構成を有する燃料電池システムにおいて、加熱されるガス給排部は、前記水蒸気を含有するガスの少なくとも流量、圧力、方向のうちの一つを制御するバルブであり、前記バルブを配置する本流路の該バルブの上流から下流へ、前記水蒸気を含有するガスが該バルブを迂回して流れる迂回路と、前記燃料電池の運転を停止する前の所定のタイミングから該燃料電池の運転を停止するまでの間、前記本流路から前記迂回路へ流路を切り換える流路切換手段とを備えるものとしても良い。
【００１８】
かかる構成によれば、バルブの加熱をする際、バルブ上流の流路切換手段より、水蒸気を含有するガスを迂回路へ導く。バルブの加熱中に、燃料電池システムの運転により発生する生成水は、バルブを通過することなく下流へ流れる。したがって、燃料電池の電力を用いてバルブの加熱を行なうことで、生成水が発生しても、効率よくバルブの乾燥を行なうことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池システムの一実施例について説明する。図１は、本発明の燃料電池システムを搭載した車両のシステム概略構成図である。このシステムは、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池システムであり、燃料電池による発電力を車両の動力としている。図１に示すように、この燃料電池システムは、主に、燃料電池スタック１０、燃料供給ライン２０、エア供給ライン３０、ラジエータ４０、ＤＣ/ＤＣコンバータ５０、二次電池６０、水素循環ライン７０、排気ライン８０から構成されている。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを備えた単一セルを複数重ね合わせて形成される積層体である。図２には、燃料電池スタック１０の概略構成図を示した。図示するように、この単一セル１１は、セパレータ１２、アノード１３、電解質膜１４、カソード１５、セパレータ１６を順に重ね合わせた構造であり、セパレータ１２，１６に設けた溝を介して供給される水素ガスおよび空気に含まれる酸素の電気化学反応により発電する。本実施例では、電解質膜１４に固体高分子膜であるナフィオン（登録商標）を使用した固体高分子型燃料電池を使用しているが、例えば、リン酸型、アルカリ型、固体電解質型など種々の燃料電池を用いても良い。
【００２１】
燃料電池スタック１０への燃料供給ライン２０は、図１に示すように、水素タンク１００、シャットバルブ１１０，１１５、圧力制御バルブ１２０，１２５とこうした機器を接続する配管等とからなり、水素タンク１００から燃料である水素ガスを燃料電池スタック１０のアノードに供給している。水素タンク１００に貯蔵される高圧の水素ガスは、シャットバルブ１１０の開弁によりタンク下流に供給され、圧力制御バルブ１２０，１２５で低圧に減圧されて、燃料電池スタック１０へと流入する。
【００２２】
水素タンク１００に貯蔵される水素ガスは、２つの圧力制御バルブ１２０，１２５を使用して２段階で減圧される。こうすることで、高圧の水素ガスを使用可能な低圧としている。なお、水素タンク１００からの水素ガスの供給に代えて、例えば、メタン、メタノール等を改質して水素を生成し、これを供給するものとしても良い。
【００２３】
エア供給ライン３０は、フィルタ１３０、コンプレッサ１４０、加湿器１５０とこうした機器を接続する配管等とからなり、酸素を含有した圧縮空気を燃料電池スタック１０のカソードに供給している。外部から取り込んだ空気は、フィルタ１３０で浄化され、コンプレッサ１４０で圧縮後、加湿器１５０により水分の供給を受けて燃料電池スタック１０へと流入する。
【００２４】
こうして燃料電池スタック１０に供給された、水素ガスと空気とは電気化学反応を経て発電する。この電力は、インバータ１６０を介して車両の走行モータ１７０の駆動に使用され、例えば、定常走行時や減速時などに発生する余剰分はＤＣ/ＤＣコンバータ５０を介して二次電池６０に蓄電される。この二次電池６０は、車両の発進時、急加速時など燃料電池スタック１０からのエネルギが不足する場合にその不足分を補い、制動時には走行モータ１７０を利用してエネルギの回生を行ない蓄電する。なお、この二次電池６０は、後述する機器の凍結防止用のヒータや各種モータなどの駆動にも使用される。
【００２５】
燃料電池スタック１０には、水素ガス、空気に加えて、冷却水も供給される。
水素と酸素との電気化学反応は発熱反応であり、燃料電池スタック１０内部の温度は上昇する。この温度上昇を抑えるために燃料電池スタック１０に流入する冷却水は、ラジエータ４０にて冷却され、ポンプ４５により循環される。
【００２６】
燃料電池スタック１０に供給された水素ガスの一部は、発電で消費されずに燃料電池スタック１０を通過する。この水素ガスを再度、燃料供給ライン２０の配管へ戻す水素循環ライン７０は、シャットバルブ１８０、気液分離器１９０、水素循環ポンプ２００、燃料供給ライン２０の配管と接続するチェックバルブ２１０、排気ライン８０の配管に接続する排出バルブ２２０とこうした機器の接続配管等とからなる。燃料電池スタック１０から排出された排気ガス(以下、アノードオフガスと呼ぶ)は、シャットバルブ１８０を経て気液分離器１９０へ流入する。アノードオフガスには、前述の未消費の水素ガスに加えて、カソードから電解質膜１４を通過してきた窒素や反応で生成された水が含まれる。水分を含むアノードオフガスは、気液分離器１９０で液滴の水が捕捉されて、水素循環ポンプ２００に流入する。
【００２７】
このアノードオフガスは、水素循環ポンプ２００により加圧され、チェックバルブ２１０を開弁して燃料供給ライン２０の配管に戻される。アノードオフガス中の水素ガスは、再度、電気化学反応に使用される。この水素循環ライン７０の管路には、水素循環ポンプ２００とチェックバルブ２１０との間に、排気ライン８０へと接続する別の配管が設けてある。この排気ライン８０へ接続する排出管８２には排出バルブ２２０が設けられ、排出バルブ２２０の開弁により、アノードオフガスが排出される。燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスに含まれる窒素は、再度、燃料電池スタック１０に供給しても電気化学反応では消費されない。この窒素は、循環するにしたがって、徐々に高濃度となる。燃料電池システムの運転中の所定のタイミングで排出バルブ２２０を開弁することにより、高濃度の窒素を排出する。なお、排出バルブ２２０の開弁により、水素ガスも排出されるため、水素ガスを希釈機２３０により空気で希釈している。
【００２８】
排気ライン８０は、調圧バルブ２４０、マフラ２６０とこうした機器を接続する配管等とからなり、燃料電池スタック１０のカソードからの排気ガス（以下、カソードオフガスと呼ぶ）を外部へ排出している。調圧バルブ２４０は、バルブの絞りを調整することで、背圧を立て燃料電池スタック１０に供給する空気の圧力を調整している。
【００２９】
こうした機器から構成される燃料電池システムは、各種バルブやモータ、ポンプなどのアクチュエータを制御する制御ユニットを備えている。図３は、この制御ユニットを中心とした入出力信号を示す模式図である。制御ユニット３２０は、図示するように、各種センサからの信号を受け、車両の運転状態を判断し、上記アクチュエータを制御する信号を出力する。具体的には、圧力センサ８５，温度センサ３５や、運転を管理する運転制御ユニット３２５を介したアクセルポジションセンサ３０５，車速センサ（図示せず）等の各種センサからの圧力Ｐ、温度Ｔ、アクセル開度θ、車速Ｖ等を入力し、要求される出力を算出し、調圧バルブ２４０、シャットバルブ１１０，１１５，１８０、コンプレッサ１４０、排出バルブ２２０、ポンプ４５、後述するヒータ２４８等を制御して燃料電池システムを運転する。
【００３０】
排気ライン８０に設けられた圧力センサ８５は、カソードオフガスの圧力を検出し、その信号を制御ユニット３２０に出力する。制御ユニット３２０では、この信号に基づいて調圧バルブ２４０を調整し、適切な圧力に制御することで燃料電池スタック１０を保護している。
【００３１】
制御ユニット３２０は、燃料電池システムの始動を判断すると、水素タンク１００の噴出口に設けたシャットバルブ１１０、燃料供給ライン２０のシャットバルブ１１５、水素循環ライン７０のシャットバルブ１８０を開弁し、エア供給ライン３０のコンプレッサ１４０を駆動することで、燃料電池スタック１０に水素ガスおよび空気を供給する。他方、燃料電池システムの停止を判断すると、制御ユニット３２０は、シャットバルブ１１０，１１５，１８０、コンプレッサ１４０への電流を停止して、燃料の供給を断つ。なお、制御ユニット３２０は、燃料電池システム運転中の所定のタイミングで排出バルブ２２０を開弁し、循環中の不純物の排出を行なう。
【００３２】
電気化学反応により発生する生成水は、前述のように、主にカソード側で発生し、燃料電池スタック１０の下流に位置する機器、例えば、調圧バルブ２４０に付着する。また、この生成水は、電解質膜１４を透過してアノード側のガス中の水蒸気濃度も高め、ガス中の水蒸気が排気管の途中で冷却されることで凝縮水となり、例えば、アノード側のシャットバルブ１８０や排出バルブ２２０に付着する。バルブ内部に付着した生成水は、車両の運転停止後、特に外気温が氷点下である場合には凍結することとなる。生成水の凍結が、例えば、車両の停止時には閉弁状態である排出バルブ２２０で発生すると、車両の始動時に開弁不能となる。
【００３３】
こうした機器の凍結による弊害を回避するため、本実施例の燃料電池システムでは、バルブ内部に水分を除去するためのヒータを設けている。図４は、水分除去用のヒータを内蔵したバルブ断面の模式図の一例である。図示するように、このバルブは、通電することで磁界を発生するソレノイド２４１、ソレノイド２４１の内部に軸方向に進退可能に設けられたシャフト２４２、シャフト２４２の端面を付勢してバルブの流路を開口するスプリング２４３、シャフト２４２の端面に設けられたシール部材２４４、流体の流路およびシール部２４５ａを有するハウジング２４５、通電することで発熱するＰＴＣヒータ２４８等から構成されている。このバルブは、ハウジング２４５のシール部２４５ａとシャフト２４２と共に進退するシール部材２４４との間の流路を、シャフト２４２を進退させることで調整する。具体的には、初期状態では、流路を全開としているシャフト２４２の位置を、ソレノイド２４１への通電電流量で調整し、シャフト２４２の移動量で開口面積を調整している。
【００３４】
図４に示すように、バルブのシャフト２４２およびシール部２４５ａの近傍には、ＰＴＣヒータ２４８を設けている。このＰＴＣヒータ２４８は、発熱体にＰＴＣ素子を使用するヒータであり、自己温度制御機能を備えている。ＰＴＣ素子は、電流が流れると発熱し、設定温度を越えると、電流抵抗が急激に増加して発熱温度を下げる性質の素子である。ＰＴＣ素子を使用することで、加熱温度は電流と抵抗とのバランスする温度に制御される。ＰＴＣ素子を用いたヒータでは、温度を管理して通電量を制御する必要がない。
【００３５】
こうしたバルブに流入する水蒸気を含んだ流体は、シール部材２４４とシール部２４５ａとの間である開口部分を通過して、バルブから流出して行くため、開口部分（シール部分）には多くの水分が付着する。このシール部分の水分を除去するように、ＰＴＣヒータ２４８は配置されている。ＰＴＣヒータ２４８に通電して、シャフト２４２およびシール部２４５ａを加熱することで、シール部分や可動部であるシャフト２４２の水分を蒸発させることにより除去し、凍結を防止する。図示するバルブには、シャフト２４２およびシール部２４５ａの近傍にＰＴＣヒータ２４８を配置しているが、いずれか一方にＰＴＣヒータ２４８を配置するものとしても良いし、ＰＴＣヒータ２４８以外のヒータを配置するものとしても良い。なお、図示するバルブへの通電を停止した初期状態は、スプリング２４３の付勢力により流路全開状態である。したがって、シール部分に付着した水分の除去が容易な構成となっている。
【００３６】
こうしたヒータ内蔵のバルブは、燃料電池システムの給排系のいたる所に用いることが可能であるが、本実施例では、特に水蒸気を多量に含んだ流体が流れる排気ライン８０の調圧バルブ２４０に、ＰＴＣヒータ２４８を内蔵している。制御ユニット３２０は、燃料電池を停止するタイミングでＰＴＣヒータ２４８に電流を流すことで調圧バルブ２４０の凍結の防止を図っている。なお、本実施例ではＰＴＣヒータ２４８の設定温度は、１２０℃程度に設定してある。水の沸点以上の温度に設定することで、調圧バルブ２４０に付着した水分を容易に蒸発させることができる。
【００３７】
以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、ＰＴＣヒータ２４８への通電を行なうバルブ凍結防止の処理について説明する。図５は、車両の運転停止時に実行するバルブ凍結防止のフローチャートである。この処理は、制御ユニット３２０で実行される。
【００３８】
制御ユニット３２０は、車両を停止する指令の有無を判断する。具体的には、イグニッションスイッチが「ＯＦＦ」、すなわち、車両運転の停止指令があるか否かを判断している（ステップＳ４００）。イグニッションスイッチが「ＯＦＦ」でない場合には、「ＯＦＦ」になる（車両の停止指令がある）まで待ち状態となる。
【００３９】
他方、イグニッショスイッチが「ＯＦＦ」である場合には、燃料電池スタック１０の停止処理を行なう（ステップＳ４１０）。この処理は、燃料電池スタック１０への水素ガス、空気の供給を、シャットバルブ１１０，１１５，１８０、コンプレッサ１４０を制御して停止する処理である。燃料の供給を絶たれた燃料電池スタック１０は発電を停止する。なお、シャットバルブ１１０，１１５，１８０は、バルブへの通電が停止されることで、内部のスプリングにより閉弁状態となり、燃料の供給を遮断する。
【００４０】
続いて、調圧バルブ２４０の凍結防止のための加熱処理を行なう（ステップＳ４２０）。調圧バルブの加熱は、前述のＰＴＣヒータ２４８に通電することで行なわれる。このＰＴＣヒータ２４８への電力は、二次電池６０から供給する。電力の供給を受けたＰＴＣヒータ２４８の発熱により、調圧バルブ２４０内部は高温となり、内部の水分は蒸発する。この調圧バルブ２４０は、初期状態が開弁状態であるため、蒸発した水分はバルブ外部へ比較的容易に排出される。なお、初期状態が閉弁状態であるバルブを用いる場合には、加熱時にバルブを開弁状態として、加熱処理を行なうものとすれば良い。もとより、閉弁状態のまま加熱処理を行なうこととしても良い。
【００４１】
この加熱処理では、ＰＴＣヒータ２４８への通電からの時間ｔをカウントしている。制御ユニット３２０は、この通電時間ｔが所定時間Ｔｅを経過したか否かを判断する（ステップＳ４３０）。ステップＳ４３０にて、通電時間ｔが所定時間Ｔｅを経過していない場合には、所定時間Ｔｅを経過するまでＰＴＣヒータ２４８に通電し続ける。なお、本実施例の所定時間Ｔｅは、バルブ内部の水分を蒸発させるのに要する加熱時間を予め予測して設定してあるが、燃料電池システムの稼動状態から設定するものとしても良い。例えば、図６（ａ），（ｂ）に示すように、燃料電池システムの運転時間ｈや発電の履歴などを加味した二次電池６０の充電量ＳＯＣから、ＰＴＣヒータ２４８への通電に使用可能な時間を設定するものとしても良い。また、図６（ｃ）に示すように、エア供給ライン３０に設けた温度センサ３５からの信号を基に、外気温Ｔamが非常に高い場合には、通電時間を短くする補正をかけることとしても良い。
【００４２】
ステップＳ４３０にて、通電時間ｔが所定時間Ｔｅを経過すると、システムを完全に停止する処理を行ない（ステップＳ４４０）、このフローを終了する。このシステム停止処理は、ＰＴＣヒータ２４８への通電を停止し、燃料電池システムの全ての機器、その他の補機への電力供給を停止する処理である。なお、本実施例では、このシステム停止処理を実行する前の段階で、排出バルブ２２０への通電により、排出バルブ２２０を開弁状態として圧抜きを行なう。燃料電池スタック１０のアノード側は、通常２気圧程度に設定されて運転しているため、燃料電池スタック１０の運転を停止する際、アノードオフガスを排出して圧力を抜くのである。つまり、排出バルブ２２０に通電することで、この圧力の開放を行ない、その後、排出バルブ２２０への通電を停止して、全ての処理を終了する。
【００４３】
以上、本実施例のバルブ凍結防止処理では、燃料電池スタック１０の運転を停止直後、調圧バルブ２４０を加熱して、予め凍結の原因となるバルブ内部の水分を除去する。この処理により、バルブの可動部などに付着している水分は蒸発し、燃料電池システムの停止中に調圧バルブ２４０に残存する水分が凍結する可能性は低くなる。したがって、再び燃料電池システムを始動する際に、バルブを解凍するための暖機時間を費やす必要がなく、燃料電池システムの始動性能を向上することができる。また、調圧バルブ２４０の加熱の電力には二次電池６０を使用し、燃料電池スタック１０の運転を停止しておくことが可能であるため、燃料電池スタック１０より発生する生成水が加熱中のバルブへ付着する心配もない。さらに、運転直後に高温となった二次電池６０を使用するため、始動直後で低温である二次電池に比べ多くの電力を取り出すことができる。
【００４４】
なお、本実施例では、バルブの加熱に使用するＰＴＣヒータ２４８の電力は、二次電池６０から取り出したが、必要な電力を燃料電池スタック１０から取り出すものとしても良い。図７には、バルブの加熱に用いる電力を燃料電池スタック１０から取り出す場合の燃料電池システムの概略構成の一部を示した。
【００４５】
図示するように、燃料電池スタック１０からのカソードオフガスの流路である排気ライン８０に、新たにバイパスラインを設ける。燃料電池スタック１０からの排気ライン８０（以下、本流路と呼ぶ）に、分岐配管５１０、方向切換バルブ５００を設け、方向切換バルブ５００と本流路とを接続するバイパス配管５２０を設ける。本流路からの分岐配管５１０は、方向切換バルブ５００の入口ポートと接続し、バイパス配管５２０は、この入口ポートに相対する出口ポートと接続している。方向切換バルブ５００は調圧バルブ２４０の上流に位置し、方向切換バルブ５００の流路切換により調圧バルブ２４０を経由しない流路が形成される。方向切換バルブ５００は、ソレノイド５０５へ通電することで、スプールを切り換える電磁バルブである。このバルブの初期状態は、本流路と接続し、カソードオフガスが調圧バルブ２４０へ流入するように設定されている。方向切換バルブ５００へ通電すると、カソードオフガスは、本流路から分岐配管５１０、方向切換バルブ５００、バイパス配管５２０を経て、再び本流路に戻り、下流のマフラ２６０へと流れる。
【００４６】
以上の構成を有する燃料電池システムにおけるバルブの凍結防止処理について、図８を用いて説明する。なお、この処理は、図３に示した車両の運転を管理する運転制御ユニット３２５から、燃料電池での発電を停止する指令を受けた際に、制御ユニット３２０で実行される。
【００４７】
燃料電池スタック１０を停止する指示を受けた制御ユニット３２０は、燃料電池スタック１０を停止する前に、方向切換バルブ５００に通電する（ステップＳ６００）。方向切換バルブ５００は、ガスの流路をバイパス流路に切り換え、ウェットなカソードオフガスが調圧バルブ２４０を経由しないで排気される。
【００４８】
続いて、運転している燃料電池スタック１０からの発電電力を用いて、バルブの加熱処理を行なう（ステップＳ６２０）。この処理は、調圧バルブ２４０のＰＴＣヒータ２４８に通電して、調圧バルブ２４０内部を加熱する処理である。通電時間ｔが所定時間Ｔｅを経過するまで、この加熱処理を行なう（ステップＳ６４０）。なお、ステップＳ６２０，Ｓ６４０の処理は、図５に示す二次電池６０の電力を用いた凍結防止処理と同様であり、加熱時間は予め設定すれば良い。もちろん、加熱処理に用いる電力の一部に、二次電池６０を使用しても良いし、二次電池６０の残量等からどちらの電力を使用するか選択するものとしても良い。また、ＰＴＣヒータ以外のヒータを使用するものとしても良い。
【００４９】
こうして調圧バルブ２４０内部の水分を除去した後、燃料電池スタック１０の運転を停止する処理を行なう（ステップＳ６６０）。この処理は、燃料電池スタック１０への燃料の遮断および方向切換バルブ５００の通電の停止を行なう処理である。シャットバルブ１１０，１１５，１８０の閉弁、コンプレッサ１４０の停止により燃料を絶たれた燃料電池スタック１０は発電を停止し、非通電となった方向切換バルブ５００は流路を、初期状態であるバイパス流路から本流路へ切り換えて停止する。
【００５０】
以上の燃料電池システムからの電力を用いるバルブの凍結防止処理では、調圧バルブ２４０を加熱して、燃料電池システムの運転により調圧バルブ２４０内部に付着した水分を蒸発させる。さらに、調圧バルブ２４０の加熱中の運転により発生する生成水は、バイパス流路を流れるため、調圧バルブ２４０には付着しない。したがって、システム停止中の調圧バルブ２４０の凍結による作動不良を回避することができる。また、燃料電池システムからの電力で所定時間の加熱を行なった後、システムの停止と共に、方向切換バルブ５００への通電を停止すると、方向切換バルブ５００の流路は本流路（調圧バルブ２４０）との接続位置に戻る。したがって、仮に、方向切換バルブ５００の凍結が生じても、燃料電池システムの始動には支障はなく、燃料電池システムの温度が運転により上昇することで、方向切換バルブ５００の凍結問題は解消する。
【００５１】
こうした構成とすることで、例えば、二次電池６０の充電量がバルブの加熱に電力を使用できるほど十分でない場合にも、二次電池６０から電力を持ち出すことなく、バルブの凍結防止処理を行なうことができる。
【００５２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、バルブの加熱にはＰＴＣヒータに限らず、ヒータスイッチをＯＮ−ＯＦＦ制御して、設定温度に制御するものとしても良い。また、本実施例では、燃料電池システム給排系の中で最も水蒸気を多量に含んだ流体が流れ、凍結の恐れがある調圧バルブ２４０についての加熱処理を示したが、凍結の恐れのある他のバルブ、例えば、燃料供給ライン２０のシャットバルブ１１５，水素循環ライン７０のシャットバルブ１８０，排出バルブ２２０，チェックバルブ２１０や、ポンプ、モータ、配管路やフィルタについても、ヒータで加熱する構成とすることで、凍結による作動不良や管路等の目づまりなどの防止に一層効果がある。特に、初期状態が閉弁状態である排出バルブ２２０にＰＴＣヒータを設け、加熱処理を行ない、排出バルブ２００を開弁してアノードオフガスを排出する停止処理を行なう場合には、アノードオフガスの排出と共にバルブ内部の水蒸気も排出することができる。さらに、水素循環ポンプ２００を利用して回路圧力を減圧し、減圧沸騰を利用することで、加熱温度を下げることとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載された本発明の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池システムの燃料電池スタックの概略構成図である。
【図３】制御ユニットを中心とした入出力信号を示す模式図である。
【図４】ＰＴＣヒータを内蔵したバルブの概略構成図である。
【図５】バルブ凍結防止処理のフローチャートである。
【図６】運転条件とＰＴＣヒータへの通電時間との関係図である。
【図７】燃料電池からの電力でバルブ凍結防止処理を行なう場合の燃料電池システムの概略構成図である。
【図８】燃料電池からの電力でのバルブ凍結防止処理のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック
１１…単一セル
１２，１６…セパレータ
１３…アノード
１４…電解質膜
１５…カソード
２０…燃料供給ライン
３０…エア供給ライン
３５…温度センサ
４０…ラジエータ
４５…ポンプ
６０…二次電池
７０…水素循環ライン
８０…排気ライン
８２…排出管
８５…圧力センサ
１００…水素タンク
１１０，１１５，１８０…シャットバルブ
１２０，１２５…圧力制御バルブ
１３０…フィルタ
１４０…コンプレッサ
１５０…加湿器
１６０…インバータ
１７０…走行モータ
１９０…気液分離器
２００…水素循環ポンプ
２１０…チェックバルブ
２２０…排出バルブ
２３０…希釈機
２４０…調圧バルブ
２４１，５０５…ソレノイド
２４２…シャフト
２４３…スプリング
２４４…シール部材
２４５ａ…シール部
２４５…ハウジング
２４８…ＰＴＣヒータ
２６０…マフラ
３０５…アクセルポジションセンサ
３２０…制御ユニット
３２５…運転制御ユニット
５００…方向切換バルブ
５１０…分岐配管
５２０…バイパス配管
【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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