(57)【要約】【課題】適切な水抜きを行うことができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１に循環させる純水を貯蔵し、少なくとも一部が大気に開放された純水タンク２と、燃料電池１と純水タンク２との間を連通する純水配管６と、を備える。また純水タンク２から純水を取り出し、燃料電池２に循環させる純水ポンプ３と、純水配管６の少なくとも一部に接続し、空気を導入する空気導入ライン３１と、空気導入ライン３１を選択的に遮断する電磁バルブ１２と、を備える。燃料電池１の停止時に、純水配管６に空気を導入することにより燃料電池１、純水配管６、純水ポンプ３内の純水を純水タンク２に回収する。さらに、純水配管６から純水タンク２内に空気の噴出が開始してからパージ継続時間ｔ0の間、空気の導入を継続した後に、空気の導入を停止する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に循環させる純水あるいは水（以下、純水と称する）を貯蔵し、少なくとも一部が大気に開放された貯蔵手段と、
前記燃料電池と前記貯蔵手段内との間を連通する純水経路と、
前記貯蔵手段から純水を取り出し、前記純水経路を介して前記燃料電池に循環させる循環手段と、
前記純水経路の少なくとも一部に接続し、パージガスを導入するパージガス導入経路と、
前記パージガス導入経路を選択的に遮断する遮断手段と、
前記燃料電池の停止時に、前記純水経路にパージガスを導入することにより前記燃料電池、前記純水経路、前記循環手段内の純水を前記貯蔵手段に回収し、さらに、前記純水経路から前記貯蔵手段内にパージガスの噴出が開始してから所定時間、パージガスの導入を継続した後に、パージガスの導入を停止するパージ制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記パージガスの導入を継続する所定時間を、システム再起動時に凍結が生じた場合に要すると推測される解凍時間より予め設定される第一設定時間とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記貯蔵手段内の水位を検出する水位検出手段と、
前記貯蔵手段内へのパージガス噴出開始時の水位から、前記第一設定時間、パージガスの導入を継続した場合に前記貯蔵手段から排出される排水量を推定し、前記第一設定時間のパージガス導入が可能か否かを判断する第一設定時間判断手段と、を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水位検出手段の出力から、パージガス導入が可能な第二設定時間を算出する算出手段を備え、
前記第一設定時間判断手段において、前記第一設定時間のパージガス導入が可能ではないと判断された場合、前記パージガスの導入を継続する所定時間を前記第二設定時間とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記純水経路、あるいは、前記純水経路に設置された部品の解凍を行う解凍手段と、
前記純水経路、あるいは、前記純水経路に設置された部品の凍結を判断する凍結判断手段と、
システム再起動時に、凍結が生じていると判断された場合には、前記所定時間に応じて解凍時間を設定する解凍時間設定手段と、を備える請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記貯蔵手段内の水位を検出する水位検出手段と、
前記貯蔵手段内へのパージガスの噴出が開始したか否かを前記水位検出手段の出力に応じて判断する第一噴出開始判断手段と、を備える請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記水位検出手段を、前記貯蔵手段から前記循環手段により純水が取り出される取出し部近傍に設ける請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記純水経路内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記貯蔵手段内へのパージガスの噴出が開始したか否を前記圧力検出手段の出力に応じて判断する第二噴出開始判断手段と、を備える請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記圧力検出手段を、前記循環手段から純水が吐出される吐出口近傍に配置した請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記貯蔵手段の大気開放部を流通するガス流量を検出する流量計と、
前記貯蔵手段内へのパージガスの噴出が開始したか否かを前記流量計の出力に応じて判断する第三噴出開始判断手段と、を備える請求項１から５のいずれか一つ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。特に、停止時に凍結可能性のある移動体搭載等の燃料電池システムにおける制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、水素ガスと酸素ガスとを反応させて発電する燃料電池と、燃料電池を通る冷却水通路を含み内部を冷却水が循環して燃料電池を冷却する冷却水循環路とを備えたものが知られている。これには、さらに、冷却水循環路の一点に気体を圧送する抜取用気体圧送手段を接続しており、燃料電池の作動停止時に、抜取用気体圧送手段により上記冷却水循環路に気体を圧送して冷却水循環路内の冷却水を抜き取り、別設の断熱冷却水貯留容器に収容している。抜取用気体圧送手段では、燃料電池に酸素ガスを供給する酸素供給源から開閉弁を介して冷却水循環路に酸素もしくは空気を供給している。さらに、冷却水抜取通路に気液分別センサを設け、気液分別センサからの出力により冷却水の抜き取り完了を検出している（例えば、特許文献１、参照。）。
【特許文献１】特開平６−２２３８５５号公報
【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、上記背景技術に示した燃料電池システムにおいては、通常循環する冷却水径路に設置したタンクからさらに断熱されたタンクに圧送する径路に配置した気液分別センサにより、冷却水の抜き取り完了判断を行っている。そのため、ポンプ等の水が抜き取られ難い部品を用いている場合には、その部品に水が残留し、停止時に凍結が生じる可能性があるという問題が生じる。
【０００４】
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、適切な水抜きを行う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】
本発明は、燃料電池に循環させる純水あるいは水（以下、純水と称する）を貯蔵し、少なくとも一部が大気に開放された貯蔵手段と、前記燃料電池と前記貯蔵手段内との間を連通する純水経路と、前記貯蔵手段から純水を取り出し、前記純水経路を介して前記燃料電池に循環させる循環手段と、前記純水経路の少なくとも一部に接続し、パージガスを導入するパージガス導入経路と、前記パージガス導入経路を選択的に遮断する遮断手段と、を備える。さらに、前記燃料電池の停止時に、前記純水経路にパージガスを導入することにより前記燃料電池、前記純水経路、前記循環手段内の純水を前記貯蔵手段に回収し、さらに、前記純水経路から前記貯蔵手段内にパージガスの噴出が開始してから所定時間、パージガスの導入を継続した後に、パージガスの導入を停止するパージ制御手段を備える。
【発明の効果】
【０００６】
このように、純水経路にパージガスを導入して燃料電池、純水経路、循環手段内の純水を貯蔵手段に回収し、さらに、純水経路から貯蔵手段内にパージガスの噴出が開始してから所定時間、パージガスの導入を継続した後に、パージガスの導入を停止することで、適切な水パージを行うことができる。その結果、純水が凍結していると判断される環境下において、システムの起動を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
第１の実施形態について説明する。ここでは、例えば、車両等の移動体に搭載する燃料電池システムについて説明する。燃料電池システムに用いる冷却系構成を図１に示す。
【０００８】
水素、あるいは水素含有ガスと、空気等の酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池１を備える。燃料電池１では、発電に伴って熱が生じるので、燃料電池１を適切な温度に維持するために、冷却水を循環させる冷却系１０を備える。ここでは、冷却水として、純水を用いる。
【０００９】
冷却系１０には、純水を貯蔵する純水タンク２を備える。純水タンク２の概略構成を図２に示す。純水タンク２には、ヒータ等の図示しない解凍手段、純水タンク２内の水位を検出する水位センサ２０を備える。また、純水タンク２に純水吸入配管３０を連通させ、純水タンク２内に貯蔵される純水を取り出し可能に構成する。ここでは純水吸入配管３０の近傍に水位センサ２０を備える。さらに、純水タンク２の上部を大気開放する大気開放ライン３２を備える。大気開放ライン３２により、純水タンク２の内圧が所定値以下に維持される。
【００１０】
また、冷却系１０には、純水タンク２から純水吸入配管３０を介して純水を取り出す純水ポンプ３と、純水ポンプ３により取り出された純水中の異物を除去する異物フィルタ４と、導電率を維持するためのイオンフィルタ５を備える。また、各部品間に設けられ、純水の流通路となる純水配管６を備える。
【００１１】
さらに、純水配管６の一部を選択的に遮断する電磁バルブ１１を備える。ここでは、電磁バルブ１１を、燃料電池１下流側、かつ、純水タンク２上流側を遮断するように配置する。また、冷却系１０に水パージ用の空気を導入する空気導入ライン３１と、空気導入ライン３１を遮断する電磁バルブ１２を備える。ここでは、燃料電池１と電磁バルブ１１との間に空気が導入されるように空気導入ライン３１を接続する。通常運転時には、電磁バルブ１２に空気圧がかかっており、停止制御の水パージ実行時に電磁バルブ１２を開くことで冷却系１０に空気が導入され、純水タンク２に純水が回収される。さらに、純水タンク２の下流側を選択的に大気開放する電磁バルブ１３を備える。電磁バルブ１３を、純水ポンプ３の吐出側と異物フィルタ４との間に配置する。ここでは、電磁バルブ１３の開閉制御については詳細しないが、例えば、冷却系１０内の水を外部に排出する場合などに使用される。
【００１２】
なお、純水ポンプ３と各電磁バルブ１１〜１３には、ヒータ３ａ、１１ａ〜１３ａを備える。起動時に冷却系の凍結が生じている場合には、ヒータ３ａ、１１ａ〜１３ａをＯＮとして解凍を行ってから、純水の循環を開始する。
【００１３】
また、外気、または外気に相当する温度を計測する温度センサ２１と、このような燃料電池システムの制御を行うコントロールユニット７を備える。コントロールユニット７は、水パージの制御を行う。ここでは、停止時の純水ポンプ３の運転と電磁バルブ１１〜１３の開閉制御、冷却系１０のパージ時間の設定、停止時のパージ時間の記録を行う。これに加えて、通常運転時の純水ポンプ３の流量制御、再起動時の解凍時間の設定、起動時の純水ポンプ３の運転制御も行う。ただし、この限りではなく複数の制御システムを用いても良い。
【００１４】
さらに、ここには図示しないが、純水を循環する純水配管６を加熱するヒータ等の解凍手段を備えてもよい。
【００１５】
次に、このような燃料電池システムにおける制御方法について説明する。
【００１６】
コントロールユニット７において、燃料電池１の通常運転時には、例えば燃料電池１の負荷に応じて純水ポンプ３により循環させる純水流量を設定する。このとき、電磁バルブ１２、１３は閉、電磁バルブ１１は開となっている。純水タンク２内に貯蔵された純水が、純水ポンプ３により純水吸入配管３０を介して純水配管６に取り出され、異物フィルタ４に導入される。燃料電池１内の純水経路は流路断面が微小なため、異物フィルタ４において純水中の異物を除去する。また、純水は、システムで長時間利用する、あるいは、放置する等の理由により、導電率が悪化することがあるので、イオンフィルタ５に導入することにより純水の導電率を回復する。このように調整した純水を燃料電池１に導入して発電反応に伴って生じる熱を吸収する。純水は、比較的高温状態となって燃料電池１から排出され、図示しない熱交換器やラジエータ等により純水温度を調整した後、純水タンク２に回収する。
【００１７】
次に、燃料電池システムの停止制御について説明する。
【００１８】
停止時には、凍結対応等のために、燃料電池１内の純水と、純水配管６、および構成部品内の純水を、純水タンク２内に回収する。凍結が生じる可能性がある場合に、電磁バルブ１２を開として空気導入ライン３１から冷却系に空気を導入することにより、純水を純水タンク２内に回収する水パージを行う。以下、水パージについて説明する。
【００１９】
燃料電池システム停止の信号を受けたら、純水ポンプ３の運転を停止する。その後、電磁バルブ１１を閉とすることにより、純水配管６を遮断する。また、電磁バルブ１２を開とする。電磁バルブ１２には、通常運転時から空気圧がかかっており、電磁バルブ１２を開とすることにより、冷却系１０内に空気が導入される。この空気圧により、空気導入ライン３１と純水配管６との接続位置Ｃから、電磁バルブ１１と反対方向へ純水が押し出され始める。純水は、燃料電池１→イオンフィルタ５→異物フィルタ４→純水ポンプ３の方向に移動し、純水吸入配管３０から純水タンク２内に回収される。
【００２０】
このような停止制御時の純水タンク２内の水位変化を図３に示す。
【００２１】
通常運転時には、ほぼ一定に制御される。このときの水位をＨ0とする。燃料電池システム停止の信号を検知して純水ポンプ３を停止し、水パージ用の空気を冷却系１０内に導入する（図３中時間ｔ1）と、純水タンク２内の水位はＨ0から増加しはじめる（図３中時間ｔ1〜ｔ2）。冷却系１０内の主な純水が純水タンク２内に回収されると、純水タンク２内に空気が噴出され始める（図中３時間ｔ2）。この空気噴射開始時の水位をＨ1とする。冷却系１０内の主な純水が回収された後も水パージを継続することにより、冷却系１０内の純水を取り除き、再起動時の凍結を抑制することができる。
【００２２】
空気噴出が開始されてからのパージ継続時には、図３に示すように空気圧により純水タンク２内の水位が変動する。ここで、燃料電池システムを車両等に搭載する場合、純水タンク２は必要最小限の容積とするのが望ましい。そのため、停止制御時に水パージを行って純水を回収した場合の水位は、大気開放ライン３２近傍となり、さらには、大気開放ライン３２から純水タンク２の外部に排水される。
【００２３】
そこで、純水ポンプ３への空気噴出が開始されてからのパージ継続時間ｔ0を制限する。水パージ継続時間ｔ0の間、純水タンク２内への空気噴出を継続し、その後、電磁バルブ１１を開とする。次に、電磁バルブ１１を開としてから数秒後に電磁バルブ１２を閉として水パージを終了する。
【００２４】
なお、純水タンク２内への空気噴出の開始は、水位センサ２０の出力に応じて判断する。ここでは、噴出開始以前の単位時間当たりの水位変化量に対して、同水位変化量が増大したことをもって行う。または、水位の所定時間内の平均値がほぼ一定になることから判断する。
【００２５】
次に、空気噴出が開始してからのパージ継続時間ｔ0の設定方法について説明する。
【００２６】
水パージ継続時間ｔ0は、再起動に必要な純水量を確保した上で、冷却系１０内の凍結を可能範囲内で抑制できるように設定する。
【００２７】
図４に停止時のパージ継続時間ｔ0と、開始時の解凍に要する時間ｔHの関係を示す。
【００２８】
解凍に要する時間ｔHは、水パージ継続時間ｔ0が所定時間ｔpc以上ではほぼ一定（ｔHc）となる。水パージ継続時間ｔ0がｔpc内の場合には、水パージ継続時間ｔ0が長いほど、解凍に要する時間ｔHが短くなる。つまり、起動時の解凍時間ｔHを小さく設定するためには、パージ継続時間ｔ0をｔpcに設定することが好ましい。
【００２９】
これに対して、水パージにより空気が噴出され始めた時点での純水タンク２内の純水量内訳を図５に示す。
【００３０】
通常運転を行うのに必要な純水と燃料電池１や冷却系の部品や配管内に充填するのに必要な純水といったように、再起動の際に必要となる純水量を必要保水量Ｗminとする。また、この必要保水量Ｗminにより達する水位Ｈを必要水位Ｈminとする。パージ終了時に、純水タンク２内にこの必要水位Ｈminまで純水が確保されているようにパージを行う必要がある。必要水位Ｈminに対して空気噴出開始時の純水タンク２内の水位Ｈ1が大きいとき、その差（＝Ｈ1−Ｈmin）は外部に排出可能な純水の量（以下、排水可能量Ｗop）となる。そのため、パージ継続時間ｔ0を、パージ中に排水される純水の総量が排水可能量Ｗop以内となるように設定する必要がある。
【００３１】
ここで、パージ中に純水タンク２から排水される純水の総量は、図６に示すように水位Ｈと比例関係にある。つまり、純水タンク２内の水位が高いほど大気開放ライン３２から排水される純水量は多くなる。なお、図６に示すような関係は、純水タンク２の容積、形状や、大気開放ライン３２の設置位置により決定される。
【００３２】
そのため、空気噴出開始時の水位Ｈ1によっては、パージ継続時間ｔ0を所定時間ｔpcとした場合に、パージ終了までの排水量Ｗoが排水可能量Ｗopを超えてしまう場合もある。そこで、このような場合にはパージ継続時間ｔ0を制限することにより、必要保水量Ｗminを維持できるように制御する。
【００３３】
まず、検出された空気噴出開始時の水位Ｈ１より、パージ継続時間ｔ0を所定時間ｔpcに設定した場合の排水量Ｗocを次式より算出する。
【００３４】
【数１】
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【００３５】
なお、単位時間の排水量を示す関数ｗｏ（Ｈ）は、予め実験等により求めておく。また、水位Ｈは、空気噴出開始時の水位Ｈ1と空気噴出開始からの経過時間ｔによって決まる変数値Ｈ（Ｈ１、ｔ）となる。
【００３６】
次に、排水可能量Ｗopが、パージをｔpcの間継続した場合に排出される排水量Ｗocより大きいか否かを判断する。次式（２）においてパージ継続時間ｔ0を所定時間ｔpcに設定した場合に、パージ終了時に純水タンク２内に残留する純水量Ｗpcを算出する。
【００３７】
【数２】
2005302497.tif 000004
【００３８】
残留する純水量Ｗpcと、起動に必要な必要保水量Ｗminを比較する。残留する純水量Ｗpcが必要保水量Ｗmin以上の場合には、パージ継続時間ｔ0を所定時間ｔpcに設定する。この場合には、次回の起動時の解凍時間ｔHをｔHcに設定する。
【００３９】
一方、残留する純水量Ｗpcが必要保水量Ｗminより小さい場合には、パージ継続時間ｔ0を制限する。次式（３）において、パージ時の排水可能量Ｗopを算出する。
【００４０】
【数３】
2005302497.tif 000005
【００４１】
さらに、空気噴出開始時の水位がＨ1である場合に、排水可能量Ｗopが排出されるまでの時間ｔpを算出する。
【００４２】
【数４】
2005302497.tif 000006
【００４３】
【数５】
2005302497.tif 000007
【００４４】
パージ継続時間ｔ0を時間ｔpに設定し、起動に必要な必要保水量Ｗminを確保した上で、可能な範囲でパージを継続する。その結果、比較的パージにより水が排水された状態で燃料電池システムが停止されるので、凍結を抑制し、起動時の解凍時間を短縮することができる。なお、次回の起動時の解凍時間ｔHは、図４を用いてパージ継続時間ｔ0（＝ｔp）に応じて設定する。
【００４５】
次に、上述した停止制御の手順を、図７のフローチャートを用いて説明する。
【００４６】
本制御は、運転停止の信号を検知したら開始する。なお、停止期間中に外気温度が変動することを考慮して、水パージが実行されるまで所定時間毎に本制御を繰り返すように設定してもよい。
【００４７】
ステップＳ１において、純水ポンプ３の運転を停止する。ステップＳ２において、温度センサ２１を用いて外気温度を検出し、所定温度より小さいか否かを判断する。ここで、例えば所定温度を１〜２℃とし、外気温度が所定温度以上の場合には凍結が生じないと判断して本フローを終了する。つまり、ここでは、水パージは凍結が生じる可能性がある場合のみ行う。
【００４８】
一方、外気温度が所定温度より低い場合には凍結が生じる可能性があると判断して水パージを開始する。ステップＳ３において、冷却系１０への空気の導入を開始する。ここでは電磁バルブ１１を閉とし、電磁バルブ１２を開とすることにより、冷却系１０の部品または純水配管６に存在する純水を純水タンク２内に回収する。
【００４９】
次にステップＳ４において、水位センサ２０の出力変動が生じているか否かを判断する。つまり、純水タンク２内への空気の噴出が開始したか否かを判断する。出力変動が所定値より大きくなったら空気の噴出が開始したと判断して、ステップＳ５に進み、図示しないタイマーのカウントを開始して空気噴出開始からの経過時間を計測する。ステップＳ６において、空気噴出開始時の水位Ｈ1を計測する。
【００５０】
次に、ステップＳ７において、上式（１）、（２）より所定時間ｔpc間のパージが可能であるか否かを判断する。所定時間ｔpcのパージが可能である場合には、ステップＳ８においてパージ継続時間ｔ0をｔpcに設定する。また、パージ継続時間ｔ0＝ｔpcを記憶する。
【００５１】
一方、ステップＳ７において所定時間ｔpc間のパージが不可能である場合には、ステップＳ９に進み、式（３）より排水可能量Ｗopを算出する。次に、ステップＳ１０において、式（４）、（５）より排水可能量Ｗopが排出される時間ｔpを求める。ステップＳ１１において、パージ継続時間ｔ0をｔpに設定する。また、パージ継続時間ｔ0＝ｔpを記憶しておく。
【００５２】
このように、ステップＳ８またはＳ１１で水パージ継続時間ｔ0を設定したら、ステップＳ１２に進み、図示しないタイマーにより空気噴出が開始した後の経過時間ｔを計測する。ステップＳ１３において、経過時間ｔがパージ継続時間ｔ0に達したか否かを判断する。経過時間ｔがパージ継続時間ｔ0に達するまで水パージを継続する。パージ継続時間ｔ0が経過したら、ステップＳ１４に進み、電磁バルブ１１を開とする。ステップＳ１５で、電磁バルブ１２を閉とすることにより、空気の導入を終了し、停止時の水パージ制御を終了する。なお、ステップＳ１４、Ｓ１５の間は数秒間、間隔をおくように制御する。
【００５３】
次に起動時の制御方法について、図８のフローチャートを用いて説明する。
【００５４】
まず、ステップＳ２１において、温度センサ２１を用いて外気温度を検出し、これが所定温度より低いか否かを判断することにより、冷却系１０に凍結が生じているか否かを判断する。凍結が生じていない場合には、ステップＳ２９に進み、純水ポンプ３の運転を開始する。一方、凍結が生じている場合には、解凍を行う。ステップＳ２２において、冷却系１０に備えたヒータ３ａ、１１ａ〜１３ａをＯＮとする。なお、純水配管６の解凍手段を有する場合には、これもＯＮとする。ステップＳ２３において、図示しないタイマーのカウントを開始する。
【００５５】
次にステップＳ２４において、解凍時間ｔHを設定する。ここでは、停止時に記憶していたパージ継続時間ｔ0より、図４を用いて解凍時間ｔHを設定する。停止時に十分なパージが行われた場合、つまりパージ継続時間ｔ0を所定時間ｔpcに設定した場合には解凍時間ｔHは最も短いｔHcに設定される。パージ継続時間ｔ0が所定時間ｔpcより短い時間ｔpに設定された場合には、それに応じてより長い解凍時間ｔHを設定する。解凍時間ｔHを設定したら、ステップＳ２５に進み、解凍継続時間ｔを検出する。ステップＳ２６において、解凍継続時間ｔと設定された解凍時間ｔHとを比較して、解凍時間ｔHが経過したら、ステップＳ２７に進み、ヒータ３ａ、１１ａ〜１３ａをＯＦＦとし、ステップＳ２８においてタイマーカウントを停止する。さらに、ステップＳ２９において、純水ポンプ３をＯＮとして純水の循環を開始して通常運転に移行する。
【００５６】
なお、ここでは、純水タンク２内の凍結に対する解凍を省略しているが、必要に応じて純水タンク２内の解凍も行う。
【００５７】
次に、本実施形態の効果について説明する。
【００５８】
燃料電池１に循環させる純水あるいは水（以下、純水と称する）を貯蔵し、少なくとも一部が大気に開放された純水タンク２と、燃料電池１と純水タンク２との間を連通する純水配管６と、を備える。また純水タンク２から純水を取り出し、純水配管６を介して燃料電池２に循環させる純水ポンプ３と、純水配管６の少なくとも一部に接続し、空気を導入する空気導入ライン３１と、空気導入ライン３１を選択的に遮断する電磁バルブ１２と、を備える。燃料電池１の停止時に、純水配管６に空気を導入することにより燃料電池１、純水配管６、純水ポンプ３内の純水を純水タンク２に回収する。さらに、純水配管６から純水タンク２内に空気の噴出が開始してからパージ継続時間ｔ0の間、空気の導入を継続した後に、空気の導入を停止する。これにより、冷却系１０内の純水を適切に回収することができるので、純水が凍結していると判断される環境下において、システムの起動を短縮することができる。
【００５９】
一般的に、水パージ終了判断は、純水配管６にパージ用の空気を導入したときからの時間で規定する。水パージには、空気を純水配管６に導入してからの純水を連続的にタンクに押し出す状態と、部分的に純水配管６に残っている純水を空気流で吹き飛ばす状態（純水タンク２に空気が噴出する状態）がある。純水配管６の残水を減少させるために重要なのは、後者の純水を吹き飛ばす状態の時間である。この時間を所定時間に規定することにより、純水が凍結していると判断される環境下において、システムの起動をより確実に行うことができる。
【００６０】
また、空気の導入を継続するパージ継続時間ｔ0を、システム再起動時に凍結が生じた場合に要すると推測される解凍時間より予め設定される時間ｔpcとする。これにより、解凍時間を十分に短く設定することができるとともに、パージ継続継続時間ｔ0を過剰に設定する必要が無いので、システムの停止・起動制御を速やかに行うことができる。
【００６１】
純水タンク２内の水位を検出する水位センサ２０と、純水タンク２内への空気噴出開始時の水位Ｈ1から、時間ｔpcの間、空気の導入を継続した場合に純水タンク２から排出される排水量を推定し（式（１））、時間ｔpcの間の空気導入が可能か否かを判断する第一設定時間判断手段（Ｓ７）と、を備える。
【００６２】
システム停止時に、冷却系１０に存在する純水量にはバラツキがある。空気噴出開始時の純水タンク２内の水位Ｈ1から排水可能な純水量Ｗopを推定することで、再起動に必要な純水量Ｗminを確保することができる。パージ継続時間ｔ0の間は、冷却系１０内の純水が吹き飛ばされるために長く設定されるのが好ましいが、純水タンク２の容量がパワープラントシステムの運転に必要な量に近い場合、パージ用の空気により純水が純水タンク２外に排出され、再起動の際に必要な純水が確保できない状態になってしまう。そこで、空気噴出時の水位Ｈ1から排水可能な純水量Ｗopを推定し、これが排水されるまでの時間内で水パージすることで、再起動時に必要な純水を確保しつつ、再起動可能な状態でシステムを停止することができる。
【００６３】
また、水位センサ２０の出力から、空気導入が可能な時間ｔpを算出する算出手段を備え、第一設定時間判断手段（Ｓ７）において、時間ｔpcの空気導入が可能ではないと判断された場合、空気導入を継続する所定時間を時間ｔpとする。つまり、再起動時の必要純水量Ｗminを確保するために、空気噴出を継続するパージ継続時間ｔ0を制限する。その結果、時間ｔpcの水パージができない場合においても、再起動時のシステムの解凍時間ｔHを最小にできる。
【００６４】
純水配管６、あるいは、純水配管６に設置された部品（純水ポンプ３、電磁バルブ１１〜１３）の解凍を行う解凍手段（ヒータ３ａ、１１ａ〜１３ａ）と、純水配管６、あるいは、純水配管６に設置された部品の凍結を判断する凍結判断手段（Ｓ２１）を備える。また、システム再起動時に、凍結が生じていると判断された場合には、パージ継続時間ｔ0に応じて解凍時間ｔHを設定する解凍時間設定手段（Ｓ２４）と、を備える。必要純水量Ｗminを確保するためにパージ継続時間ｔ0を制限すると、純水が凍結していると判断される環境下においての起動時に必要な解凍時間ｔHが変化する。パージ継続時間ｔ0から求めた解凍時間ｔHの間、純水配管６、或いは純水配管６に設置した部品の解凍を行うことで、冷却系１０の起動を確実に行うことができるとともに、最小の時間で起動できる。
【００６５】
また、純水タンク２内の水位を検出する水位センサ２０と、純水タンク２内への空気の噴出が開始したか否かを水位センサ２０の出力に応じて判断する第一噴出開始判断手段（Ｓ４）と、を備える。特に、水位センサ２０を、純水タンク２から純水ポンプ３により純水が取り出される純水吸入配管３０近傍に設ける。これにより、純水タンク２内への空気噴出開始を判断することができる。
【００６６】
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図９に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６７】
水パージ時の、純水タンク２内への空気噴出が開始したか否かを判断する手段として、圧力センサ２２を備える。ここでは、純水ポンプ３の吐出口に圧力センサ２２を備え、純水タンク２へのパージ用空気の噴出開始時期を圧力センサ２２の出力変動が所定値より大きくなったか否かにより判断する。
【００６８】
つまり、図１０に示すように、ステップＳ４−２において、圧力センサ２２の出力変動値が所定値より大きくなったら、空気噴出が開始したと判断して、純水タンク２の水位Ｈ1を計測し、パージ継続時間ｔ0を設定する。以下、第１の実施形態と同様とする。
【００６９】
次に、本実施形態の効果について説明する。ここでは、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
【００７０】
純水配管６内の圧力を検出する圧力センサ２２と、純水タンク２内への空気噴出が開始したか否を圧力センサ２２の出力に応じて判断する第二噴出開始判断手段（Ｓ４−２）と、を備える。特に、圧力センサ２２を、純水ポンプ３から純水が吐出される吐出口近傍に配置する。これにより、純水タンク２内への空気噴出開始を判断することができる。
【００７１】
次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１１に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００７２】
水パージ時の、純水タンク２内への空気噴出が開始したか否かを判断する手段として、空気の流量を検出する流量計２３を用いる。純水タンク２の大気開放ライン３２との接続位置に流量計２３を配置する。大気開放ライン３２へと排出される水量が所定値より大きくなったら、純水タンク２へのパージ用空気の噴出が開始したと判断する。
【００７３】
つまり、図１２に示すように、ステップＳ４−３において、流量計２３の出力が所定値より大きいと判断されたら、純水タンク２の水位Ｈ1を計測してパージ継続時間ｔ0を設定する。以下、第１の実施形態と同様とする。
【００７４】
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。
【００７５】
純水タンク２の大気開放ライン３２を流通するガス流量を検出する流量計２３と、純水タンク２内へのパージガスの噴出が開始したか否かを流量計２３の出力に応じて判断する第三噴出開始判断手段（Ｓ４−３）と、を備える。これにより、純水タンク２内への空気噴出開始を判断することができる。
【００７６】
なお、純水の循環を燃料電池１の冷却を行う冷却系としたがこの限りではなく、純水の循環を反応ガスを加湿する加湿系に用いた場合にも同様の構成とすることができる。また、燃料電池１に循環する液体として純水を用いたが、この限りではなく、凍結可能性のある液水を循環させる場合には同様の構成とすることができる。また、水パージに圧縮空気を用いたがこの限りではなく、燃焼ガスや窒素ガスをパージガスとして用いても良い。
【００７７】
このように、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、燃料電池システムに関する。特に、停止時に凍結する可能性のある車両等の移動体に搭載した燃料電池システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いる純水タンクの概略構成図である。
【図３】純水タンクの水位の変化状態を示す図である。
【図４】パージ継続時間と解凍時間の関係を示す図である。
【図５】純水タンク内に貯蔵された純水の内訳を示す図である。
【図６】純水タンクの水位と排水量の関係を示す図である。
【図７】第１の実施形態における停止制御のフローチャートである。
【図８】第１の実施形態における起動制御のフローチャートである。
【図９】第２の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図１０】第２の実施形態における停止制御のフローチャートである。
【図１１】第３の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。
【図１２】第３の実施形態における停止制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１    燃料電池
２    純水タンク（貯蔵手段）
３    純水ポンプ（循環手段）
３ａ  純水ポンプのヒータ（解凍手段）
６    純水配管（純水経路）
７    コントロールユニット（パージ制御手段）
１１〜１３  電磁バルブ（純水経路に設置された部品）
１２  電磁バルブ（遮断手段）
１１ａ〜１３ａ  電磁バルブのヒータ（解凍手段）
２０  水位センサ（水位検出手段）
２１  温度センサ
２２  圧力センサ（圧力検出手段）
２３  流量計
３０  純水吸入配管（純水が取り出される取出し部）
３１  空気導入ライン（パージガス導入経路）
３２  大気開放ライン（大気開放部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【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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