(57)【要約】【課題】システム停止時に多大なエネルギを消費することなく燃料電池を効率的に加熱して、温度低下に起因する燃料電池の性能劣化を効果的に防止できるようにする。【解決手段】システム停止時に燃料電池１の急激な温度低下が懸念される場合には、コントロールユニット５が燃料電池１の温度低下の速度（降温速度）を算出し、この降温速度が所定速度以下となるように、電気ヒータ６を動作制御しながら燃料電池１を加熱する。これにより、燃料電池１の温度が徐々に低下してゆっくりと環境温度に近付くことになり、燃料電池１の急激な温度低下に起因する性能劣化を効果的に防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料及び酸化剤の供給により発電する燃料電池と、
前記燃料電池を加熱する加熱手段と、
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、
前記燃料電池温度検出手段の検出値を用いて前記燃料電池の温度低下時における降温速度を算出し、この燃料電池の降温速度が所定速度以下となるように、前記加熱手段の動作を制御する加熱制御手段とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池周辺の環境温度を検出する環境温度検出手段をさらに備え、
前記加熱制御手段は、前記燃料電池周辺の環境温度が０度以下で、且つ、前記燃料電池の降温速度が前記所定速度を上回っている場合に、前記加熱手段による前記燃料電池の加熱を開始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】
前記加熱制御手段は、前記加熱手段による加熱を開始させた後、前記燃料電池の降温速度が前記所定値以下とならない場合には、前記加熱手段の加熱能力を上昇させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加熱制御手段は、前記加熱手段による加熱を開始させた後、前記燃料電池の降温速度が前記所定速度よりも小さい第２の所定速度以下となった場合には、前記加熱手段の加熱能力を低下させることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加熱制御手段は、前記燃料電池の温度と前記燃料電池周辺の環境温度との温度差が所定温度差以下となったときに、前記加熱手段による前記燃料電池の加熱を停止させることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加熱制御手段は、前記加熱手段による前記燃料電池の加熱を停止させた後、前記燃料電池周辺の環境温度が更に低下して、前記燃料電池の降温速度が前記所定速度を上回った場合には、前記加熱手段による前記燃料電池の加熱を再度開始させる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】
前記燃料電池の抵抗値を検出する抵抗値検出手段をさらに備え、
前記加熱制御手段は、前記抵抗値検出手段の検出値に基づいて前記燃料電池の内部に残留する水分量を推定し、この残留水分量に応じて前記所定速度の値を変化させることを特徴とする請求項２乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記加熱制御手段は、前記燃料電池の温度と前記燃料電池周辺の環境温度との温度差に基づいて、前記燃料電池の降温速度を推定することを特徴とする請求項２乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記加熱手段が、２次電池を電源とする電気ヒータであることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記加熱手段が、冷媒を加熱して前記燃料電池に供給する冷媒供給手段であることを特徴とする請求項１乃至８の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記冷媒供給手段の冷媒を加熱する熱源として、２次電池を電源とする電気ヒータを用いることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記加熱手段は、前記燃料電池における燃料及び酸化剤の触媒燃焼による熱を利用して当該燃料電池を加熱することを特徴とする請求項１乃至８の何れか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り、特に、氷点下のような極低温で保管したときの燃料電池の性能劣化を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に燃料となる水素及び酸化剤となる空気を供給することで、燃料電池で電気化学反応を生じさせて発電電力を得る発電システムである。このような燃料電池システムでは、システムの作動を停止させた状態での保管時に周囲の環境温度が氷点下のような極低温になり、これに伴って燃料電池の温度が極低温になると、燃料電池の性能劣化を招くことが知られている。そして、このような問題を回避するために、従来より、燃料電池の保管時における温度低下を防止する技術が種々検討されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
特許文献１には、外部電源を用いることなく燃料電池の保管時における温度劣化を防止できるように、システム停止時に温度低下が生じた場合には、燃料電池の発電に用いる燃料を燃焼器に供給して燃焼させ、その熱で燃料電池を保温するという技術が開示されている。
【特許文献１】特開平７−１６９４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記特許文献１に記載の技術では、システム停止時に燃料電池を継続的に保温するためには、本来燃料電池での発電に用いるべき燃料を燃焼器で消費し続けなければならず、このことが効率悪化の要因となるばかりか、場合によってはシステムを起動する際に燃料が不足して起動ができなくなるといった事態も想定され、改良が望まれる。
【０００５】
本発明は、以上のような従来技術の有する課題を解決すべく創案されたものであって、システム停止時に多大なエネルギを消費することなく燃料電池を効率的に加熱して、温度低下に起因する燃料電池の性能劣化を効果的に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している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、燃料電池の温度低下に起因する性能劣化に関して様々な観点から検討を重ねたところ、燃料電池の性能劣化の度合いが燃料電池の温度低下時における降温速度（温度低下の速度）に大きく依存していることを見出すに至った。すなわち、本発明者による検討の結果、燃料電池の温度低下時における降温速度が速いと燃料電池の性能劣化が進み、逆に、燃料電池の降温速度が遅ければ、燃料電池の温度が氷点下以下にまで低下した場合でも性能劣化が比較的少なくなることが分かってきた。
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、以上のような知見に基づいて創案されたものであり、燃料及び酸化剤の供給により発電する燃料電池と、燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、燃料電池を加熱する加熱手段と、燃料電池温度検出手段の検出値を用いて燃料電池の温度低下時における降温速度を算出し、この燃料電池の降温速度が所定速度以下となるように、加熱手段の動作を制御する加熱制御手段とを備えて構成される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の温度低下時における降温速度が所定速度以下となる程度で加熱手段による燃料電池の加熱が行われるので、加熱に多大なエネルギを消費し続けることによる効率悪化等の問題を有効に回避しながら、温度低下に起因する燃料電池の性能劣化を効果的に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】
【０００９】
以下、本発明に係る燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明を適用した燃料電池システムの要部構成を概略的に示したものである。この燃料電池システムは、水素供給装置２から燃料電池１の燃料極に燃料となる水素を供給すると共に、空気供給装置３から燃料電池１の酸化剤極に酸化剤となる空気を供給することで、燃料電池１で電気化学反応を生じさせて発電電力を得る発電システムである。
【００１１】
燃料電池１は、燃料極に供給された水素と酸化剤極に供給された空気を電気化学的に反応させることにより、燃料である水素の持つ化学エネルギを直接電気エネルギに変換するものである。
【００１２】
燃料電池１の燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。
【００１３】
燃料極：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−  ・・・（１）
酸化剤極：４Ｈ＋＋４ｅ−＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
燃料電池１では、水素供給装置２から燃料となる水素が供給されると、燃料極で（１）式に示す反応が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンは、電解質を透過（拡散）して酸化剤極に至る。このとき空気供給装置３から酸化剤である空気が供給されていると、酸化剤極では（２）式の反応が進行する。この（１）式、（２）式に示す電極反応が各極で進行することで、燃料電池１は起電力を生じることになる。
【００１４】
燃料電池１は、電解質の違い等により様々なタイプのものがあるが、本実施形態の燃料電池システムでは、電解質に固体高分子膜を用いる固体高分子型燃料電池を用いている。固体高分子型燃料電池は、低コストで小型化、軽量化が容易であり、しかも高い出力密度を有するといった特徴を持つ。
【００１５】
図２は、固体高分子型燃料電池の一単位である発電セルの構造を模式的に示す断面図である。固体高分子型燃料電池は、この図２に示すような発電セルが多数積層されてなるものである。各発電セルは、固体高分子膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１を挟持するように電解質膜１１の両面に配設される二つの電極（燃料極１２及び酸化剤極１３）と、これら燃料極１２及び酸化剤極１３を覆うように配設されるガス拡散層１４と、隣接セル間の隔壁をなすセパレータ１５とにより構成される。
【００１６】
電解質膜１１は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の固体高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１７】
この電解質膜１１の両面に配設される燃料極１２及び酸化剤極１３は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロス、またはカーボンペーパーからなり、触媒の存在する面が電解質膜１と接触するように形成されている。
【００１８】
これらの電極のうち、燃料極１２では、水素が供給されることで水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜１１を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極１３側にそれぞれ移動する。酸化剤極１３では、供給された空気中の酸素と電解質膜１１を移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成する。
【００１９】
ガス拡散層１４は、ガス拡散効果によって燃料極１２に水素、酸化剤極１３に空気をそれぞれ供給するものである。
【００２０】
セパレータ１５は、隣接する発電セル間の隔壁をなすばかりでなく、集電体としての機能や反応ガス（水素や空気）の流路としての機能も有し、例えばガス不透過である緻密性カーボン材で構成されている。そして、その片面または両面には、水素や空気等の流路を確保するため、多数のリブが形成されている。水素や空気は、セパレータ１５にそれぞれ設けられたガス入口から供給され、前記リブによって形成されるガス流路１６を通ってガス出口から排出される。
【００２１】
以上のような燃料電池１に燃料である水素を供給する水素供給装置２は、詳しい図示を省略するが、例えば、水素タンク等の水素貯蔵手段に貯蔵された水素を減圧して取り出し、所望の圧力及び流量に調整した上で、加湿した状態で燃料電池１の燃料極側に供給する構成となっている。
【００２２】
また、空気供給装置３は、詳しい図示を省略するが、例えば、コンプレッサ等の駆動により所望の流量の外気を取り込み、フィルタによって清浄化した後、所望の圧力に調整した上で、加湿した状態で燃料電池１の酸化剤極側に供給する構成となっている。
【００２３】
また、本実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池１は、電力変換装置を介してモータや補機類等の負荷に接続されており、燃料電池１での発電により得られる電力は、電力変換装置で昇圧された後、モータや補機類等の負荷に供給されるようになっている。また、これら負荷には、燃料電池１と並列に２次電池４が接続されており、燃料電池１で不足する電力の補完に、この２次電池４からの放電電力が用いられるようになっている。
【００２４】
燃料電池システムの全体の動作は、コントロールユニット５により制御される。具体的には、コントロールユニット５は、例えばモータや補機類等の負荷で要求される電力量を算出し、システムの作動状態や燃料電池１の状態に応じて、燃料電池１と２次電池４との出力の配分を決定する。そして、燃料電池１に対して要求する発電電力量を求め、それに応じて水素供給装置２や空気供給装置３の動作を制御する。その他、コントロールユニット５は、燃料電池１を適切な作動温度に維持するための制御や、最適な加湿状態を保つための制御等、燃料電池システムを正常に作動させるための各種制御を行う。
【００２５】
ところで、以上のような燃料電池システムでは、システムの作動を停止させた状態での保管時に周囲の環境温度が氷点下のような極低温になり、これに伴って燃料電池１の温度が急激に低下すると、燃料電池１の性能劣化を招くことになる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の近傍に電気ヒータ６を設け、システム停止時に環境温度が極低温となる場合には、２次電池４を電源としてこの電気ヒータ６で燃料電池１を加熱することによって、急激な温度低下による燃料電池１の性能劣化を抑制するようにしている。そして、特に、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の性能劣化の度合いが燃料電池１の温度低下の速度（降温速度）に大きく依存している点に鑑み、コントロールユニット５が電気ヒータ６の動作を制御しながら燃料電池１を最適な状態で加熱することによって、燃料電池１の温度が所定速度以下の降温速度で徐々に低下して環境温度に近付くようにしている。
【００２６】
以下、このコントロールユニット５により実行される電気ヒータ６の動作制御の具体的な内容について説明する。
【００２７】
本実施形態の燃料電池システムでは、システム内に燃料電池１の温度を検出するための温度センサ７と、燃料電池１周辺の環境温度を検出するための温度センサ８とがそれぞれ設置されており、これら温度センサ７，８の検出値が、コントロールユニット５に入力されるようになっている。コントロールユニット５は、温度センサ７の検出値の時間的な変化から燃料電池１の降温速度を算出すると共に、温度センサ８の検出値から燃料電池１周辺の環境温度を判定する。そして、例えば、燃料電池１周辺の環境温度が０℃以下で、且つ、燃料電池１の降温速度が所定の基準値（第１の所定速度Ｖｓ１）を上回っていると判断すると、電気ヒータ６を作動させて燃料電池１を加熱する。なお、第１の所定速度Ｖｓ１は、燃料電池１の温度低下による性能劣化が生じるかどうかの基準となる閾値であり、予め実験等によって求められる。
【００２８】
その後、コントロールユニット５は、燃料電池１の降温速度を監視しながら、燃料電池１の降温速度が前記基準値である第１の所定速度Ｖｓ１と、この第１の所定速度Ｖｓ１よりも小さい値である第２の所定速度Ｖｓ２との間で維持されるように、電気ヒータ６の加熱能力を調整する。そして、燃料電池１の温度が徐々に低下して、燃料電池１の温度と燃料電池１周辺の環境温度との温度差が予め設定された所定温度差ΔＴｓとなったときに、電気ヒータ６の作動を停止させる。
【００２９】
図３は、以上のようなコントロールユニット５による電気ヒータ６の動作制御と、燃料電池１の降温速度及び温度の変化との関係を示したものである。コントロールユニット５は、図３（ａ）に示すように、燃料電池１の降温速度が第１の所定速度Ｖｓ１を上回っている場合に電気ヒータ６による燃料電池１の加熱を開始させ、電気ヒータ６の加熱能力を調整しながら、燃料電池１の降温速度が第１の所定速度Ｖｓ１と第２の所定速度Ｖｓ２との間に保たれるようにする。そして、図３（ｂ）に示すように、燃料電池１の温度が徐々に低下して燃料電池１周辺の環境温度に近づき、その温度差が所定温度差ΔＴｓとなった段階で、電気ヒータ６による燃料電池１の加熱を停止させる。
【００３０】
図４は、以上のようなコントロールユニット５による電気ヒータ６の動作制御の具体的な一例を示すフローチャートである。
【００３１】
システム停止時には、コントロールユニット５は、先ず、ステップＳ１０１において、温度センサ８の検出値を読み込んで燃料電池１周辺の環境温度を求め、この燃料電池１周辺の環境温度が０℃以下であるかどうかを判定する。ここで、燃料電池１周辺の環境温度が０℃を超えている場合にはそのまま処理を終了するが、燃料電池１周辺の環境温度が０℃以下であれば、次のステップに移行する。
【００３２】
次のステップＳ１０２では、コントロールユニット５は、温度センサ７の検出値を時間的に追って燃料電池１の温度低下の速度（降温速度）Ｖｃ［℃／ｈ］を算出し、算出した燃料電池１の降温速度Ｖｃが、第１の所定速度Ｖｓ１を上回っているかどうかを判定する。ここで、燃料電池１の降温速度Ｖｃが第１の所定速度Ｖｓ１以下であればそのまま処理を終了するが、燃料電池１の降温速度Ｖｃが第１の所定速度Ｖｓ１を上回っている場合には、次のステップに移行する。
【００３３】
次のステップＳ１０３では、コントロールユニット５は、２次電池４に放電要求を行うと共に電気ヒータ６に制御指令を送り、電気ヒータ６を作動させて燃料電池１の加熱を開始させる。その後、コントロールユニット５は、燃料電池１の温度が徐々に低下して環境温度に近付くように、温度センサ７の検出値を常時モニタリングしながら、燃料電池１の降温速度Ｖｃの変化を監視する。そして、燃料電池１の降温速度Ｖｃが第１の所定速度Ｖｓ１とこの第１の所定速度Ｖｓ１よりも小さい値である第２の所定速度Ｖｓ２との間で維持されるように、電気ヒータ６による燃料電池１の加熱状態を制御する。
【００３４】
すなわち、コントロールユニット５は、ステップＳ１０４において、燃料電池１の降温速度Ｖｃが、第１の所定速度Ｖｓ１以下で且つ第２の所定速度Ｖｓ２よりも大きいという条件を満たしているかどうかを判定し、条件を満たしていない場合には、ステップＳ１０５において、電気ヒータ６の加熱不足により燃料電池１の降温速度Ｖｃが第１の所定速度Ｖｓ１を上回ったままの状態であるのかを判定する。
【００３５】
そして、燃料電池１の降温速度Ｖｃが第１の所定速度Ｖｓ１を上回ったままの状態である場合には、ステップＳ１０６において電気ヒータ６の出力を高めて加熱能力を上昇させる制御を行う。一方、燃料電池１の降温速度Ｖｃが第１の所定速度Ｖｓ１を上回ったままの状態ではない場合、すなわち、電気ヒータ６による加熱過剰によって燃料電池１の降温速度Ｖｃが第２の所定速度Ｖｓ２以下となっている場合には、ステップＳ１０７において電気ヒータ６の出力を弱めて加熱能力を低下させる制御を行う。
【００３６】
ステップＳ１０４で、燃料電池１の降温速度Ｖｃが、第１の所定速度Ｖｓ１以下で且つ第２の所定速度Ｖｓ２よりも大きいという条件を満たしていると判定された場合には、コントロールユニット５は、次に、ステップＳ１０８において、温度センサ７，８の検出値から燃料電池１の温度と燃料電池１周辺の環境温度との温度差ΔＴを求め、この温度差ΔＴが予め設定された所定温度差ΔＴｓ以下となったかどうかを判定する。そして、燃料電池１の温度と燃料電池１周辺の環境温度との温度差ΔＴが所定温度差ΔＴｓ以下となった段階で、ステップＳ１０９において電気ヒータ６に停止指令を送り、電気ヒータ６による燃料電池１の加熱を停止させる。
【００３７】
以上、具体的な例を挙げて説明したように、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時にコントロールユニット５が燃料電池１の降温速度を算出し、燃料電池１の降温速度が所定速度（Ｖｓ１）を超えている場合には、電気ヒータ６を作動させて燃料電池１を加熱することで、所定速度以下の降温速度で燃料電池１の温度が徐々に低下して環境温度に近付くようにしているので、燃料電池１の急激な温度低下に起因する性能劣化を効果的に防止することができる。
【００３８】
すなわち、システム停止時に燃料電池１周辺の環境温度が氷点下のような極低温になった場合において、燃料電池１が高い降温速度で急激に冷却されると、図５に示すように、燃料電池１のＩ−Ｖ特性が劣化し、特に高電流密度領域において所望の電圧が得られなくなる場合がある。これに対して、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１の降温速度が低くなるようにして、燃料電池１が徐々に冷却されるようにしているので、以上のような燃料電池１のＩ−Ｖ特性の劣化を効果的に防止することができる。なお、図５は、燃料電池１が極低温まで温度低下した場合の降温速度と、その後の燃料電池１のＩ−Ｖ特性との関係を示した図であり、図中の破線で示すグラフが高い降温速度で急冷された場合の燃料電池のＩ−Ｖ特性を示し、図中の実線で示すグラフが低い降温速度で徐々に冷却された場合の燃料電池のＩ−Ｖ特性を示している。
【００３９】
また、本実施形態の燃料電池システムでは、システム停止時に燃料電池１の温度が低下しないように電気ヒータ６で加熱するのではなく、燃料電池１の温度低下を許容しながらその降温速度が所定速度を超えないように燃料電池１を加熱するので、加熱に必要なエネルギはごく僅かで足りる。したがって、加熱に多大なエネルギを消費し続けることによる効率悪化等の問題を有効に回避しながら、燃料電池１の性能劣化を効果的に防止することができる。
【００４０】
なお、以上説明した例では、コントロールユニット５が温度センサ７の検出値を読み込み、その検出値を時間的に追うことにより燃料電池１の降温速度を算出するようにしているが、燃料電池１の降温速度は、燃料電池１の温度と燃料電池１周辺の環境温度との差、すなわち、温度センサ７の検出値と温度センサ８の検出値との差から推定することも可能である。このような方法で燃料電池１の降温速度を推定し、それに基づいて電気ヒータ６の動作を制御するようにした場合には、温度センサ７の検出値を時間的に追うことなく短時間で燃料電池１の降温速度を判定できるので、電気ヒータ６の動作制御をより迅速に行うことが可能となる。
【００４１】
（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１の温度低下時における性能劣化が燃料電池１内部に残留する水分量にも依存している点を考慮して、燃料電池１の加熱制御、すなわち電気ヒータ６の動作制御の基準となる基準値（第１の所定速度Ｖｓ１及び第２の所定速度Ｖｓ２）を、燃料電池１内部の残留水分量に応じて可変とした点に大きな特徴を有するものである。
【００４２】
図６は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を概略的に示したものである。本実施形態の燃料電池システムでは、上述した第１の実施形態の構成に加えて、燃料電池１の燃料極入口側及び出口側、酸化剤極入口側及び出口側に、それぞれ圧力センサ２１，２２，２３，２４が設けられている。また、燃料電池１には、当該燃料電池１の抵抗値を検出するための抵抗値センサ２５が設置されている。そして、これら各センサ２１，２２，２３，２４，２５の検出値が、コントロールユニット５に入力されるようになっている。
【００４３】
本実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニット５は、システム停止時に燃料極側の圧力センサ２１，２２の検出値を読み込んで、燃料電池１の燃料極入出口間の差圧を検出する。同様に、酸化剤極側の圧力センサ２３，２４の検出値を読み込んで、燃料電池１の酸化剤極入出口間の差圧を検出する。そして、これらの差圧から、燃料電池１内部の燃料極側及び酸化剤極側のガス流路に液水が滞留しているかどうかを判定し、ガス流路に液水が滞留していると判定したときには、水素供給装置２や空気供給装置３を駆動して燃料電池１内部のガス流路にドライガスを導入し、ガス流路に滞留している液水をパージする。すなわち、通常の運転時においては、燃料電池１の固体高分子電解質膜を加湿するために、水素供給装置２からの水素や空気供給装置３からの空気が加湿された状態で燃料電池１に供給されるが、システム停止時に以上のようなパージを行うときは、水素供給装置２からの水素や空気供給装置３からの空気が加湿されることなく、ドライガスとして燃料電池１に供給される。
【００４４】
また、コントロールユニット５は、必要に応じて以上のようなパージを行った後、抵抗値センサ２５の検出値を読み込んで、この抵抗値センサ２５の検出値に基づいて燃料電池１内部に残留している水分量を推定する。なお、ここでの残留水分は、ガス流路に滞留している液水がパージによって殆ど排出されているので、主に固体高分子電解質膜やガス拡散層の内部に含まれる水分である。そして、コントロールユニット５は、推定した燃料電池１内部の残留水分量に応じて、電気ヒータ６の動作制御の基準となる第１の所定速度Ｖｓ１や第２の所定速度Ｖｓ２を変化させる。具体的には、燃料電池１内部の残留水分量が多いほど、前記第１の所定速度Ｖｓ１や第２の所定速度Ｖｓ２を低い値に設定する。その後、上述した第１の実施形態と同様に電気ヒータ６の動作を制御して、燃料電池１の急激な温度低下を抑制し、燃料電池１の性能劣化を防止する。
【００４５】
図７は、本実施形態のコントロールユニット５により実行される電気ヒータ６の動作制御の具体的な一例を示すフローチャートである。
【００４６】
システム停止時に、コントロールユニット５は、先ず、ステップＳ２０１において、温度センサ８の検出値を読み込んで燃料電池１周辺の環境温度を求め、この燃料電池１周辺の環境温度が０℃以下であるかどうかを判定する。ここで、燃料電池１周辺の環境温度が０℃を超えている場合にはそのまま処理を終了するが、燃料電池１周辺の環境温度が０℃以下であれば、次のステップに移行する。
【００４７】
次のステップＳ２０２では、コントロールユニット５は、圧力センサ２１，２２，２３，２４の検出値をそれぞれ読み込んで、燃料電池１の燃料極入出口間及び酸化剤極入出口間の差圧ΔＰを算出する。そして、ステップＳ２０３において、算出した差圧ΔＰが所定の基準値ΔＰｓを上回っているかどうかを判定する。なお、基準となる所定差圧ΔＰｓは、燃料電池１内部のガス流路内で凍結しても燃料電池１が破損することのない水分量に相当する差圧、或いはそれよりやや小さい値であり、予め実験等によって求めておく。
【００４８】
ここで、算出した差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｓを上回っている場合には、コントロールユニット５は、温度低下時における燃料電池１内部での水分凍結によって燃料電池１に破損が生じる可能性があると判断し、ステップＳ２０４において、燃料電池１内部にドライガスを導入してガス流路に滞留している液水をパージする。そして、ドライガスの導入による液水のパージが適切に行われているかどうかを、燃料電池１の燃料極入出口間及び酸化剤極入出口間の差圧ΔＰを監視することで判定し（ステップＳ２０５）、差圧ΔＰが所定差圧ΔＰｓを下回った段階でドライガスの導入を停止させる（ステップＳ２０６）。
【００４９】
次に、コントロールユニット５は、ステップＳ２０７において、抵抗値センサ２５の検出値を読み込んで、その検出値に基づいて燃料電池１内部に残留している水分量を推定する。そして、ステップＳ２０８において、推定した燃料電池１内部の残留水分量に応じて、電気ヒータ６の動作制御の基準となる第１の所定速度Ｖｓ１や第２の所定速度Ｖｓ２を設定する。その後、ステップＳ２０９〜ステップＳ２１６において、上述した第１の実施形態におけるステップＳ１０２〜ステップＳ１０９（図４参照。）と同様の処理を行い、電気ヒータ６により燃料電池１を効率的に加熱して、燃料電池１の急激な温度低下を抑制し、燃料電池１の性能劣化を防止する。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１内部に残留している水分量を推定し、この残留水分量に応じて電気ヒータ６の動作制御の基準となる第１の所定速度Ｖｓ１及び第２の所定速度Ｖｓ２を設定して、電気ヒータ６の動作制御を行うようにしているので、燃料電池１の急激な温度低下に起因する性能劣化を、より確実に防止することができる。
【００５１】
また、システム停止時に燃料電池１内部のガス流路に液水が多く滞留している場合には、ドライガスの導入によってこの液水を燃料電池１外部に排出するようにしているので、燃料電池１の温度低下に伴う液水の凍結によって、燃料電池１に破損が生じるといった問題も有効に回避することができる。
【００５２】
（第３の実施形態）
次に、本発明を適用した第３の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、電気ヒータ６による燃料電池１の加熱を停止させた後に燃料電池１周辺の環境温度が急激に低下した場合にも対応できるように、燃料電池１の加熱停止後に、環境温度の急低下に伴って燃料電池１の温度が急低下する場合には、電気ヒータ６による燃料電池１の加熱を再開させるようにした点に大きな特徴を有するものである。
【００５３】
図８は、本実施形態のコントロールユニット５により実行される電気ヒータ６の動作制御の具体的な一例を示すフローチャートである。
【００５４】
本実施形態のコントロールユニット５は、システム停止時に、ステップＳ３０１〜ステップＳ３０９において上述した第１の実施形態と同様の処理（図４のステップＳ１０１〜ステップＳ１０９）を行って、電気ヒータ６により燃料電池１を効率的に加熱し、燃料電池１の急激な温度低下を抑制して、燃料電池１の性能劣化を防止する。
【００５５】
その後、燃料電池１周辺の環境温度が変化して燃料電池１の温度と環境温度との温度差が大きくなり、燃料電池１に温度低下が生じた場合には、再度燃料電池１の降温速度を算出して、降温速度が所定の基準値を上回っているかを判定し、上回っている場合には電気ヒータ６による燃料電池１の加熱を再開させる。
【００５６】
すなわち、コントロールユニット５は、ステップＳ３０９で電気ヒータ６による燃料電池１の加熱を停止させた後に、ステップＳ３１０において、燃料電池１の温度と燃料電池１周辺の環境温度との温度差ΔＴが予め設定された所定温度差ΔＴｓ以下の状態に維持されているかどうかを監視する。そして、燃料電池１の温度と燃料電池１周辺の環境温度との温度差ΔＴが所定温度差ΔＴｓを超えた場合には、燃料電池１周辺の環境温度に変化が生じたものと判断し、ステップＳ３０１に戻って、以降の処理を繰り返し行う。
【００５７】
一方、燃料電池１の温度と燃料電池１周辺の環境温度との温度差ΔＴが予め設定された所定温度差ΔＴｓ以下の状態に維持されている間にシステムが起動されると（ステップＳ３１１）、以上の一連の処理を終了して、所定のシステム起動処理へと移行する。
【００５８】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池１の加熱停止後に燃料電池１周辺の環境温度が急低下し、これに伴って燃料電池１の温度が急低下する場合には、電気ヒータ６による燃料電池１の加熱を再開させるようにしているので、燃料電池１周辺の環境温度の急激な変化にも適切に対応して、燃料電池１の急激な温度低下に起因する性能劣化を、より確実に防止することができる。
【００５９】
（第４の実施形態）
次に、本発明を適用した第４の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１を加熱する加熱手段として、燃料電池１に温度調整用の冷媒を循環供給する冷媒供給装置を用いた点に大きな特徴を有するものである。その他の構成は、上述した第１の実施形態と同様である。
【００６０】
図９は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を概略的に示したものである。本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１に冷媒供給装置が接続されている。冷媒供給装置は、冷媒タンク３１に貯留された冷媒をポンプ３２の作動により循環させて、燃料電池１に供給するものである。したがって、冷媒を加熱した状態で燃料電池１に供給することで燃料電池１を加熱することができ、本実施形態の燃料電池システムでは、この冷媒供給装置を加熱手段として用いている。また、冷媒を加熱する熱源としては、例えば２次電池４を電源とする電気ヒータ６が適用可能であり、本実施形態の燃料電池システムでは、電気ヒータ６を冷媒タンク３１の近傍に配置して、この電気ヒータ６の熱で冷媒タンク３１に貯留されている冷媒を加熱できるようにしている。
【００６１】
コントロールユニット５の制御内容は、上述した第１の実施形態とほぼ同様であるが、本実施形態では、電気ヒータ６の動作制御に加えて、冷媒供給装置のポンプ３２の動作も制御して燃料電池１を効率良く加熱し、燃料電池１の温度低下時の降温速度が所定の基準値（第１の所定速度Ｖｓ１）を上回らないようにしている。
【００６２】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、上述した第１の実施形態と同様に、システム停止時に燃料電池１周辺の環境温度が低く燃料電池１に温度低下が生じる場合には、燃料電池１の降温速度が所定の基準値を上回らないように燃料電池１を加熱し、燃料電池１の温度が徐々に低下して環境温度に近付くようにしているので、燃料電池１の急激な温度低下に起因する性能劣化を効果的に防止することができる。
【００６３】
また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１内部に加熱した冷媒を供給することで燃料電池１を加熱するようにしているので、電気ヒータ６で燃料電池１の外部から加熱する場合に比べて加熱に必要なエネルギをより少なくすることができ、燃料電池１の性能低下を防止するための加熱をより効率良く行うことができる。
【００６４】
（第５の実施形態）
次に、本発明を適用した第５の実施形態の燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１内部における水素と空気中の酸素との触媒燃焼による熱を利用して、当該燃料電池１を加熱するようにした点に大きな特徴を有するものである。その他の構成は、上述した第１の実施形態と同様である。
【００６５】
図１０は、本実施形態の燃料電池システムの要部構成を概略的に示したものである。本実施形態の燃料電池システムでは、電気ヒータ６のような特別な加熱手段は設けずに、システム停止時に燃料電池１の加熱が必要な場合には、水素供給装置２及び空気供給装置３から必要な流量の水素及び空気を燃料電池１に供給し、これら水素と空気中の酸素との燃料電池１内部における触媒燃焼による熱を利用して、燃料電池１を加熱するようにしている。
【００６６】
コントロールユニット５の制御内容は、上述した第１の実施形態とほぼ同様であるが、本実施形態では、電気ヒータ６の動作制御に代えて、水素供給装置２や空気供給装置３の動作を制御している。すなわち、本実施形態では、システム停止時に燃料電池１の急激な温度低下が懸念される場合には、水素供給装置２や空気供給装置３の動作を制御することで所望流量の水素及び空気が燃料電池１に供給されるようにし、これら水素と空気中の酸素との燃料電池１内部における触媒燃焼による熱を利用して、燃料電池１の温度低下時の降温速度が所定の基準値（第１の所定速度Ｖｓ１）を上回らないように、燃料電池１を加熱するようにしている。
【００６７】
以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、上述した第１の実施形態と同様に、システム停止時に燃料電池１周辺の環境温度が低く燃料電池１に温度低下が生じる場合には、燃料電池１の降温速度が所定の基準値を上回らないように燃料電池１を加熱し、燃料電池１の温度が徐々に低下して環境温度に近付くようにしているので、燃料電池１の急激な温度低下に起因する性能劣化を効果的に防止することができる。
【００６８】
また、特に本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１内部における水素と空気中の酸素との触媒燃焼による熱を利用して燃料電池１を加熱するようにしているので、電気ヒータ６で燃料電池１の外部から加熱する場合に比べて加熱に必要なエネルギをより少なくすることができ、燃料電池１の性能低下を防止するための加熱をより効率良く行うことができる。
【００６９】
更に、本実施形態の燃料電池システムでは、電気ヒータ６のような特別な加熱手段を設けることなく燃料電池１を加熱できるようにしているので、システム全体の小型化を実現できると共に、電気ヒータ６の正常な作動が困難となるような極低温の温度環境下でも燃料電池１の加熱を適切に行って、燃料電池１の急激な温度低下に起因する性能劣化を効果的に防止することができる。
【００７０】
なお、以上の説明では、燃料電池１を加熱する具体的な手法をいくつか例示したが、燃料電池１を加熱する手法は上述した例に限定されるものではなく、様々な手法が採用可能である。例えば、電気ヒータ６による燃料電池１外部からの加熱と触媒燃焼による燃料電池１内部での加熱とを組み合わせ、通常時には、電気ヒータ６を用いて燃料電池１を加熱し、電気ヒータ６では十分な加熱量が得られない場合に、水素供給装置２及び空気供給装置３から必要な流量の水素及び空気を燃料電池１に供給し、これら水素と空気中の酸素との燃料電池１内部における触媒燃焼による熱を利用して、燃料電池１を加熱するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】固体高分子型燃料電池の一単位である発電セルの構造を模式的に示す断面図である。
【図３】コントロールユニットによる電気ヒータの動作制御と、燃料電池の降温速度及び温度の変化との関係を示す図であり、（ａ）は燃料電池の降温速度の変化、（ｂ）は燃料電池の温度の変化を示している。
【図４】第１の実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニットにより実行される電気ヒータの動作制御の具体的な一例を示すフローチャートである。
【図５】燃料電池が極低温まで温度低下した場合の降温速度と、その後の燃料電池のＩ−Ｖ特性との関係を示す図である。
【図６】第２の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図７】第２の実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニットにより実行される電気ヒータの動作制御の具体的な一例を示すフローチャートである。
【図８】第３の実施形態の燃料電池システムにおいて、コントロールユニットにより実行される電気ヒータの動作制御の具体的な一例を示すフローチャートである。
【図９】第４の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図１０】第４の実施形態の燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  燃料電池
２  水素供給装置
３  空気供給装置
４  ２次電池
５  コントロールユニット
６  電気ヒータ
７，８  温度センサ
【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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