(57)【要約】【課題】低電力または低圧でより好適に燃料電池システムの凍結防止を提供できる燃料電池システムの提供。【解決手段】ＥＣＵ４０は、発電停止部にて発電停止（Ｓ１）を検知した後、温度検出部から送られてくる温度データを読み込み、凍結温度の温度設定値以下か否かを温度判定部で判定する（Ｓ２）。この時、温度設定値以下となった場合は、凍結モード移行部により、凍結防止モードへと移行する（Ｓ３）。ＥＣＵ４０は、凍結防止モードに移行すると、直ちに通常発電時のエアコンプレッサ３８よりも低電力エア搬送装置であるブロアモータ３９を駆動する（Ｓ４）。次に、この外気のカソード側１４への供給圧と同じ圧力をカソード側のガス圧をレギュレータ５０により低圧側に操作することで燃料電池１２に供給する（Ｓ５）。次に燃料電池１０を低圧のエアと水素ガスを低電力に供給することで微弱電流発電させる。【選択図】図２
2005327501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側にアノードガスを、カソード側にカソードガスを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池に通常の発電時にガスを供給する発電時ガス供給装置と、
前記発電時ガス供給装置よりも低電力消費量でガスを供給する低電力ガス供給装置と、
前記燃料電池システム内部とその周囲の温度とのうち少なくとも一方を検出する温度検出部と、
前記燃料電池システムを制御するシステム制御部とを有し、
前記システム制御部は、
燃料電池システム内部に存在する内部液が凍結する温度を記憶する凍結温度記憶手段と、
検出された温度が前記凍結温度に基づく所定のしきい値以下か否かを判定する凍結温度判定手段と、
前記燃料電池が通常の発電を停止しているか否かを判定する発電停止時判定手段と、
前記凍結温度に基づく所定のしきい値以下になり、かつ、前記発電を停止していることが判定された後、凍結防止モードに移行する凍結防止モード移行手段とを有し、
前記凍結防止モードは、
前記低電力ガス供給装置により、アノードガスとカソードガスのうち少なくとも一方を燃料電池内に供給することで凍結を防止する燃料電池システム。
【請求項２】
アノード側にアノードガスを、カソード側にカソードガスを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムであって、
前記燃料電池にガスを供給するガス供給装置と、
前記燃料電池システム内部とその周囲の温度とのうち少なくとも一方を検出する温度検出部と、
前記燃料電池システムを制御するシステム制御部とを有し、
前記システム制御部は、
燃料電池システム内部に存在する内部液が凍結する温度を記憶する凍結温度記憶手段と、
検出された温度が前記凍結温度に基づく所定のしきい値以下か否かを判定する凍結温度判定手段と、
前記燃料電池が通常の発電を停止しているか否かを判定する発電停止時判定手段と、
前記凍結温度に基づく所定のしきい値以下になり、かつ、前記発電を停止していることが判定された後、凍結防止モードに移行する凍結防止モード移行手段とを有し、
前記凍結防止モードは、
前記ガス供給装置により、通常発電時よりも低圧のアノードガスとカソードガスのうち少なくとも一方を燃料電池内に供給することで凍結を防止する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記低電力ガス供給装置は前記発電時ガス供給装置よりも低圧でガスを供給する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記凍結防止モードでは、
アノードガスとカソードガスの両方を通常の発電時のガス供給装置よりも低圧にして燃料電池内に供給し、かつ、供給される前記燃料電池内のアノードガスとカソードガスのガス差圧を小さくする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
前記凍結防止モードでは、
通常の発電時よりも低電流で前記燃料電池を発電させ、この発電により生じた発電熱で前記燃料電池を保温し、凍結を防止する燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１または３に記載の燃料電池システムであって、
前記低電力ガス供給装置はブロアモータにより、前記燃料電池内にアノードガスとカソードガスのうち少なくとも一方を前記燃料電池内に供給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、
前記凍結防止モードでは、
通常の発電時よりも低電流で前記燃料電池を発電させ、この発電により生じた発電熱で前記燃料電池を保温し、凍結を防止し、
前記低電力ガス供給装置は、前記低電流による燃料電池の発電により生じる低電流以下の電力量でガス供給する燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池が固体高分子膜型燃料電池であり、
アノードガスが水素を含む水素ガスであり、
カソードガスが酸素を含む酸素ガスであり、
前記内部液が水とエンジン冷却液の少なくとも一方である燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８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車両に備えられ、
前記燃料電池システムの周囲は、車両外の外気温度を測定する場所であり、
前記酸素ガスは、前記車両外の外気である燃料電池システム。
【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、特に燃料電池内にアノード側からアノードガスを供給し、カソード側からカソードガスを供給して燃料電池による発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子膜等の電解質層とこれを挟持するカーボンクロスやカーボンペーパ等の拡散層からなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）、膜−電極接合体を挟持するセパレータとからなる燃料電池セルを複数個組み合わせた燃料電池スタックとして構成されているのが一般的である。
【０００３】
この燃料電池スタックにアノードガスとしての水素ガスを供給すると共に、カソードガスとしての空気もしくは酸素ガスを供給し、各燃料電池セルで水素ガスと酸素ガスとを反応させることで発電させる。燃料電池スタックへのガス供給はコンプレッサ、圧力ポンプ等の圧力ガス搬送装置により行われる。このようなガス供給装置を備えた燃料電池システムが背景技術として知られている。
【０００４】
燃料電池システムは、例えば燃料電池車に備えられる。燃料電池車の運転終了後、燃料電池システムは、ガス供給を止められ、停止させられる。次回、運転時に再びガス供給を再開させ、燃料電池システムの起動を再開させる。
【０００５】
この停止時において、燃料電池システムが低温状況下におかれると燃料電池システム内部の水が凍結し、燃料電池システム内部の様々な部位が凍結することにより、燃料電池システムの起動に障害をきたしてしまう場合がある。すなわち、燃料電池システムは、その内部に水分が存在し、この水分が凍結することにより起動障害を引き起こす。
【０００６】
この水分には、外部からＭＥＡを加湿し、ＭＥＡの湿潤状態を適正化する為の加湿用水分や、燃料電池セルの発電により生じた生成水、冷却循環水などが挙げられる。このような起動障害は、例えば、生成水が付着する燃料電池内部（特にＭＥＡ表面）、クリアランスの狭いコンプレッサの内部等で特に起こりやすい。
【０００７】
このような起動障害を防止し、燃料電池システムの凍結を防止するには、車両停止時にも通常の発電時と同様にガス供給し、凍結を防止することが考えられる。
【０００８】
なお、燃料電池システムの凍結を防止するシステムとしては以下の文献が知られている。下記特許文献１には、低温時に通常よりも豊富な水素と酸素を反応させ、この反応熱を利用して燃料電池内を加熱して、燃料電池システムを保温することが開示されている。下記特許文献２には、燃料電池システムのシステム停止・保管時における冷却循環水の自動保温システムが開示されている。下記特許文献３には、保温により燃料電池の冷却循環水の凍結を防止する燃料電池システムが開示されている。下記特許文献４には、システム停止時に外気が所定温度以下となった場合に、暖機運転を行う燃料電池システムが開示され、この燃料電池システムは、燃料電池システム自体の運転に必要な電力だけを発電し、燃料消費を最小限とすることが報告されている。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−１８９１６４号公報
【特許文献２】特開２００１−１４３７３６号公報
【特許文献３】特開平１１−２１４０２５号公報
【特許文献４】特開２００１−２３１１０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、通常発電時にガス供給するガス供給装置は、コンプレッサ等の電力消費量が多いガス搬送装置である。このような電力消費量が多いガス搬送装置によるガス供給を車両停止時にまで行うのは多くの電力量を要し、好ましいとは言えない場合がある。
【００１１】
また、上記特許文献１に記載の燃料電池システムは、通常よりも豊富な水素ガス（燃料ガス）と酸素ガスを反応させるという構成である。車両が停止し、燃料電池が通常の発電を行わない場合まで、このような豊富な水素ガスと酸素ガスを燃料電池に供給して発電による発熱によって保温するのは燃料消費量を多く費やすことになってしまう場合がある。
【００１２】
また、上記特許文献４には、ガス供給装置に係る動力が暖気運転時と通常発電時と変化させる記載はなく、暖気運転時においてガス供給装置に係る消費動力が大きくなってしまう場合がある。
【００１３】
本発明は、上記課題のうち少なくとも１つを解決することに鑑みてなされてなされたものであり、低電力でより好適に燃料電池システムの凍結防止を提供できる燃料電池システムを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、アノード側からアノードガスを、カソード側からカソードガスを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムであって、前記燃料電池に通常の発電時にガスを供給する発電時ガス供給装置と、前記発電時ガス供給装置よりも低電力消費量でガスを供給する低電力ガス供給装置と、前記燃料電池システム内部とその周囲の温度とのうち少なくとも一方を検出する温度検出部と、前記燃料電池システムを制御するシステム制御部とを有し、前記システム制御部は、燃料電池システム内部に存在する内部液が凍結する温度を記憶する凍結温度記憶手段と、検出された温度が前記凍結温度に基づく所定のしきい値以下か否かを判定する凍結温度判定手段と、前記燃料電池が通常の発電を停止しているか否かを判定する発電停止時判定手段と、前記凍結温度以下になり、かつ、前記発電を停止していることが判定された後、凍結防止モードに移行する凍結防止モード移行手段とを有し、前記凍結防止モードは、前記低電力ガス供給装置により、アノードガスとカソードガスのうち少なくとも一方を燃料電池内に供給することで凍結を防止することを特徴とする。
【００１５】
本発明は、アノード側にアノードガスを、カソード側にカソードガスを燃料電池に供給して発電を行う燃料電池システムであって、前記燃料電池にガスを供給するガス供給装置と、前記燃料電池システム内部とその周囲の温度とのうち少なくとも一方を検出する温度検出部と、前記燃料電池システムを制御するシステム制御部とを有し、前記システム制御部は、燃料電池システム内部に存在する内部液が凍結する温度を記憶する凍結温度記憶手段と、検出された温度が前記凍結温度に基づく所定のしきい値以下か否かを判定する凍結温度判定手段と、前記燃料電池が通常の発電を停止しているか否かを判定する発電停止時判定手段と、前記凍結温度以下になり、かつ、前記発電を停止していることが判定された後、凍結防止モードに移行する凍結防止モード移行手段とを有し、前記凍結防止モードは、前記ガス供給装置により、通常発電時よりも低圧のアノードガスとカソードガスのうち少なくとも一方を燃料電池内に供給することで凍結を防止することを特徴とする。
【００１６】
上記燃料電池システムは、低電力ガス供給装置が前記発電時ガス供給装置よりも低圧でガスを供給すると好適である。
【００１７】
上記燃料電池システムであって、前記凍結防止モードでは、アノードガスとカソードガスの両方を通常の発電時のガス供給装置よりも低圧にして燃料電池内に供給し、かつ、供給される前記燃料電池内のアノードガスとカソードガスのガス差圧を小さくすると好適である。
【００１８】
上記燃料電池システムであって、凍結防止モードでは、通常の発電時よりも低電流で前記燃料電池を発電させ、この発電により生じた発電熱で前記燃料電池を保温し、凍結を防止すると好適である。
【００１９】
上記燃料電池システムであって、前記低電力ガス供給装置はブロアモータにより、前記燃料電池内にアノードガスとカソードガスのうち少なくとも一方を前記燃料電池内に供給すると好適である。
【００２０】
上記燃料電池システムであって、前記燃料電池が固体高分子膜型燃料電池であり、アノードガスが水素を含む水素ガスであり、カソードガスが酸素を含む酸素ガスであり、前記内部液が水とエンジン冷却液のうち少なくとも一方であると好適である。
【００２１】
上記燃料電池システムであって、前記低電力ガス供給装置は、前記低電流による燃料電池の発電により生じる低電流以下の電力量でガス供給すると好適である。
【００２２】
上記燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは車両に備えられ、前記燃料電池システムの周囲は、車両外の外気温度を測定する場所であり、前記酸素ガスは、前記車両外の外気であると好適である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、低電力でより好適に燃料電池システムの凍結防止を提供できる燃料電池システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。本実施形態では、燃料電池とバッテリによるハイブリッド電気自動車に搭載される形態を例示して説明する。
【００２５】
図１には、本実施形態に係る燃料電池システム１００が開示されている。この燃料電池システム１００は、バッテリ（図示せず）とともに電気自動車に搭載される。燃料電池システム１００は、ハイブリッド自動車にその発電により電力を供給する燃料電池１０、この燃料電池１０のアノード側１２に水素を供給する水素供給機構２０、この燃料電池２０のカソード側１４に空気（酸素ガス）を供給する空気供給機構３０、および燃料電池システム１００の制御を行う制御コンピュータＥＣＵ４０、燃料電池システム１００の温度を計測する複数の温度検出部（図示せず）から構成されている。複数の温度検出部（例えば温度計）は、燃料電池１０の内部（例えばＭＥＡ１６周辺）や冷却水温度、水素供給機構２０、空気供給機構３０、ハイブリッド車外の外気温を計測する位置等に備えられている。
【００２６】
「燃料電池」
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、ＭＥＡ１６を境界面として水素ガスが供給される側をアノード側１２、同様にＭＥＡ１６を境界面として酸素ガスが供給される側をカソード側１４としている。
【００２７】
燃料電池１０は、水素ガスが供給されるアノード側セパレータと空気が供給されるカソード側セパレータとがＭＥＡ１６を挟持してなる燃料電池セルから構成される。実際は、燃料電池セルがセルモジュール化され、セルモジュールが積層されてセルスタック化されてなされているが、図１については説明の便宜上、１つの燃料電池セルで説明している。
【００２８】
燃料電池１０は、アノード側から水素ガス、カソード側から酸素ガスが供給され、水素ガスと酸素ガスがＭＥＡ１６を介して反応することで発電する。この発電により、水素と酸素が反応して生成水が生じる。
【００２９】
燃料電池１０は、燃料電池１０自体を冷却する冷却水系統（図示せず）を備えている。この冷却水系統はその内部に冷却水の温度を計測する温度検出部を有している。燃料電池１０において、温度検出部は、冷却水系統以外にも燃料電池１０内のＭＥＡの周辺などに備えられ、燃料電池１０は複数の温度検出部によってその温度が計測されている。
【００３０】
「水素供給機構」
水素供給機構２０は、以下の構造を有している。燃料電池１０のアノード側１２に接続される水素供給管２２が接続されている。この水素供給管２２は、一端を燃料電池１０のアノード側１２に、他端が高圧水素ガスを供給する水素源となる水素タンク２３に接続されている。
【００３１】
水素供給管２２はその途中に、水素タンク２３から燃料電池１０のアノード側１２へ供給される水素ガス中の不純物を取り除くフィルタ２５、燃料電池システム停止時に水素ガス供給管２２のガス流路を遮断する複数の遮断バルブ２６、アノード側１２へ供給される水素ガスを加湿する水素加湿モジュール４５、アノード側１２へ供給される水素ガス圧力を変化させるレギュレータ５０を有している。また、水素供給管２２は、アノード残留ガス排出管２４と他端が接続される水素循環管２７が接続されている。
【００３２】
水素タンク２３には、水素タンク２３へ水素を供給する水素タンク供給管２１が接続されている。水素タンク供給管２１は、ハイブリッド自動車内の水素ステーション（図示せず）と接続されている。なお、改質器を搭載したハイブリッド自動車では、水素供給管２１は水素ステーションの代わりに改質器に接続されていてもよい。
【００３３】
水素タンク供給管２１には、水素ステーションから水素タンク２３へ供給される水素ガスのガス流路を遮断する遮断バルブ２６と、水素ガス中の不純物を取り除くフィルタ２５が設けられている。
【００３４】
レギュレータ５０は、アノード側１２へ供給される水素ガスの供給圧力を調整する。レギュレータ５０は、圧力を調整し、その圧力調整の結果としてガス流量を調量することができる。レギュレータ５０は燃料電池１０のアノード側１２に供給される水素ガスを可変圧力制御できるものであればよい。
【００３５】
アノード残留ガス排出管２４は、燃料電池１０のアノード側１２に一端が接続される。アノード残留ガス排出管２４は、もう一端が排出ガス処理装置２８に接続される。アノード残留ガス排出管２８には、アノード側１２から水素排出処理装置２８へ至る際に排出ガス中の不純物を除去するフィルタ２５と、アノード残留ガス排出管２４のガス流路を遮断する遮断バルブ２６とが設けられている。なお、アノード側１２からアノード残留ガス排出管２４へ排出されるガスは、燃料電池１０内で消費しきれなかった水素ガス、カソード側１４からアノード側１２へクロスオーバーした空気、加湿によって水素ガスに付加された水蒸気ガスなどが含まれる。
【００３６】
アノード残留ガス排出管２４にはその一端が水素供給管２２と接続された水素循環管２７が接続されている。水素循環管２７は、水素供給管２２およびアノード残留ガス排出管２４と両端が接続されることでアノード残留ガス排出管２４によって排出される水素ガスを水素供給管２２に戻し、再びアノード側１２へ供給する。このようにして燃料電池システム１００は、排出水素ガスを循環させて再利用できるようになっている。なお、本実施形態では図示していないが、水素循環管２７と水素供給管２２との間には、水素タンク２３から供給される水素ガスが水素循環管２７側に、逆流しないように逆止弁が設けられている。
【００３７】
上記循環再利用等のため、水素循環管２７には、水素供給機構内を水素循環管２７を利用して、循環させる循環ポンプ２９が設けられている。水素循環管２７へと至った排出水素ガスは、循環ポンプ２９によってその圧力を高められ、水素供給管２２へと押し出される。このようにして、循環ポンプ２９は、アノード残留ガス排出管２４に排出され、水素循環管２７を通じている排出水素ガスを再び水素供給管２２へと戻し、水素供給管２２を通じて燃料電池１０のアノード側１２へと供給して循環させる。
【００３８】
排出ガス処理装置２８は、排出される水素ガスを反応させて無害化し、ハイブリッド自動車の排気口からメインマフラ４３を経て外気へと排出する。排出ガス処理装置２８は、処理後のガスを後述の排気管３７のサブマフラ４２とメインマフラ４３との間に排出する。排出管３７へと排出された処理後のガスは、メインマフラ４３へと至り、更に排ガス処理がなされる。
【００３９】
アノード残留ガス排出管２４のガス流路を遮断する遮断バルブ２６は、その流路の遮断、開放によりアノード側１２からアノード残留ガス排出管２４へと排出される排出ガスを排出ガス処理装置２８へ排出するか、水素循環管２７へと循環させるかのガス流路選択をする。なお、このガス流路選択は、燃料電池１０で消費されない前記排出ガス中に含まれる窒素ガス、水蒸気ガスの濃度に応じて行われる。アノード側１２から排出される排出水素ガスを長期間に亘って水素循環管２７、水素供給管２２を通じて循環させると前記消費されない窒素ガスや水蒸気ガスの排出ガス中の濃度が高くなり、相対的に排出ガス中の水素ガス濃度が低下する。このような水素ガス濃度の低下が生じた場合には、燃料電池１０の発電効率が低下するため、アノード残留ガス排出管２４のガス流路を遮断する遮断バルブ２６を開放し、排出水素ガスのガス流路を排出ガス処理装置２８方向へと誘導し、前記消費されない窒素ガスや水蒸気ガスなどの排出ガスを排出する。
【００４０】
「空気供給機構」
空気供給機構３０は、以下の構造を有している。燃料電池のカソード側１４に接続される空気供給管３２が接続されている。この酸素供給管３２は、一端をカソード側１４に、他端を供給される空気を適切な湿度に加湿する空気加湿モジュール３３に接続されている。
【００４１】
空気加湿モジュール３３は、さらに一端がカソード側１４に接続されたカソード残留ガス排出管３４、外部空気をエアコンプレッサ３８で供給するコンプレッサ供給管３５と、外部空気をブロアモータ３９で供給するブロア供給管３９、外気へと排ガスを排気する排気管３７と接続されている。
【００４２】
カソード残留ガス排出管３４は、空気加湿モジュール３３と接続された一端以外の一端が燃料電池１０のカソード側１４に接続される。カソード残留ガス排出管３４は、燃料電池１０のカソード側１４からカソード側１４に残留したガスを空気加湿モジュール３３へと排出する。
【００４３】
コンプレッサ供給管３５は、一端を空気加湿モジュール３３に他端を外気と接続されている。外気と空気加湿モジュール３３の間にはエアコンプレッサ３８、インタクーラ４４を有している。エアコンプレッサ３８で圧縮された外気エアは、インタクーラで冷却され、エア密度を向上させ、コンプレッサ供給管３５を通じて空気加湿モジュールへと供給される。
【００４４】
ブロア供給管３９は、一端を空気加湿モジュール３３に他端を外気と接続されている。外気と空気加湿モジュール３３の間にはブロアモータ３９を有している。外気はブロアモータ３９により、空気加湿モジュール３３へと供給される。
【００４５】
このブロアモータ３９は、通常の一般的に用いられるブロアモータを用いればよく、例えば風車を回転させることによりエアを送気するようなものであればよい。このブロアモータ３９はエアコンプレッサ３８よりも低電力で駆動する。また、このブロアモータ３９は、低電力駆動のためエアコンプレッサ３８よりも送気する搬送圧力が小さい（例えばエアコンプレッサの搬送圧力２００ｋＰａＧに対して搬送圧力が１０ｋＰａＧである）。
【００４６】
ブロアモータ３９は、燃料電池１０で発電される電力を使い、駆動できるように接続されている。通常発電時は、ブロアモータ３９を駆動させない為にブロアモータ３９と燃料電池１０は電気的に遮断されている。
【００４７】
排気管３７は、外気へと排気する前に、排ガス中の液体成分と気体成分を分ける気液分離装置４１、サブマフラー４２、メインマフラ４３の順に有している。排気管３７を通じる排ガスはこの順番に排気処理され外気へと排出される。
【００４８】
水素供給機構２０および酸素供給機構３０は、その内部に複数の温度検出部を有している。この複数の温度検出部は、例えばエアコンプレッサ３８、ブロアモータ３９、供給管、排出管等の周囲に備えられている。
【００４９】
「ＥＣＵ」
ＥＣＵ４０は、燃料電池システム１００とバッテリとを制御してハイブリッド自動車の負荷への電力供給を制御している。ＥＣＵ４０は燃料電池システム１００において、燃料電池１０、水素供給機構２０、空気供給機構３０を制御している。例えば、水素供給機構２０の遮断バルブ２６を制御できる機能を有している。
【００５０】
ＥＣＵ４０は、水の凍結温度で０℃を記憶する記憶部、複数の部位に備えられた複数の温度検出部から温度を読み込む温度読み込み部、複数の部位（例えば燃料電池１０内、車外の外気の温度）の温度に基づいて、その温度が記憶された０℃以下かどうかを判定する温度判定部、燃料電池１０が通常の発電を停止したかどうかを判定する発電停止判定部を有している。さらに、通常の発電が停止し、かつ、温度が０℃以下であるかどうかを判定し、このような判定がなされたならば凍結防止モード部へと制御を移行させる凍結モード移行部を有している。
【００５１】
凍結防止モード部は、ブロアモータ３９を駆動させカソード側１４へ送気するブロアモータ制御部、水素供給管２２に備えられたレギュレータ５０を制御するレギュレータ制御部を有している。さらに、凍結防止モード部は、ブロアモータ制御部でブロアモータ３９がカソード側１４へと送気すると搬送圧力（例えば１０ｋＰａＧ）に応じて水素ガスを同圧力程度（例えばエア搬送圧力が１０ｋＰａｇであれば、同程度である１０ｋＰａＧ程度）の低圧でアノード側１２に搬送する為にレギュレータ５０を制御してアノード側１２に水素ガスを供給するガス差圧制御部を有している。また、このアノードガスとカソードガスの供給により燃料電池１０により微電流発電を行う微電流発電制御部を有している。
【００５２】
なお、本願において、「通常の発電」とは、燃料電池１０が車両走行時の発電状態等によりモータ等の負荷を駆動させる為に必要なほど電力を供給する発電のことをいう。例えば、図１において、エアコンプレッサ３８により、空気がカソード側１４へ車両走行等に必要な発電量を得るためのガス圧（２００ｋＰａ）が送気され、このガス圧に基づいて燃料電池１０の発電が行われている発電状態のことである。また、「通常の発電を停止」とは、通常の発電後、燃料電池１０が発電を完全に停止したことをいう。また、「微電流発電」は、通常の発電を停止した後、凍結防止モードにより燃料電池１０で発電する発電状態のことをいい、「通常の発電」と「微電流発電」とは区別される。
【００５３】
「燃料電池システム凍結防止方法」
次に上記燃料電池システム１００を用いた燃料電池システム凍結防止方法について図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００５４】
まず、燃料電池システム１００が搭載されたハイブリッド自動車は、車両走行時について説明する。車両走行時おいて、駆動モータへ供給される十分な電力量を燃料電池１０により発電している。この時、ＥＣＵ４０は、エアコンプレッサ３８の制御部に指示を出し、燃料電池１０がカソード側１４に十分な電力量を発電できる十分なエア圧を搬送するように制御している。またその、一方で、ＥＣＵ４０は、水素供給管２２の遮断バルブ２６の制御部に指示を出し、燃料電池１０が十分な電力量を発電できるよう十分な水素ガス圧を搬送するように制御している。、このように十分なエア圧と水素ガス圧で十分なエア量と水素ガス量を燃料電池１０に供給し、燃料電池１０を発電させることでモータ駆動に十分な電力量を得ている。
【００５５】
通常の発電時（車両走行時）のカソードガスのガス流路は次の通りである。エアコンプレッサ３８で外気が高圧圧縮され、インタクーラで冷却によりエア密度がさらに向上する。圧縮され、エア密度が向上したエアはコンプレッサ供給管３５を経て、空気加湿モジュール３３に至る。空気加湿モジュール３３に至った圧縮エアは空気加湿モジュール３３により適切な湿度に加湿される。加湿されたエアはエア供給管３２を経て、燃料電池１０のカソード側１４へと至る。カソード側１４に至ったエアは、アノード側にＭＥＡ１６を膜移動してきたプロトンイオンと反応し、生成水を生じさせる。このプロトンイオンと反応しなかったエアは、エア排出管３４を通じて空気加湿モジュール３３へと至る。空気加湿モジュール３３へと至ったエアは再びエア供給管３２を通じて再利用されるか、あるいは排気管３７を通じて車外に排気される。排気は気液分離装置４１にて水分が除去され、サブマフラー４２、メインマフラ４３の順に排気処理されて外気へと排出される。なお、このカソードガス流路を適切にするのに流路の途中に遮断バルブ等を設けて流量を調量してもよい。なお、この通常の発電時には、ブロアモータ３９は作動させず、ブロアモータ３９は外気をブロア供給管３６を通じて供給してはいない。
【００５６】
通常の発電時（本実施形態では車両走行時）のアノードガスのガス流路は次の通りである。水素ガスタンク２３に蓄えられた水素ガスは、水素ガス供給管２２を通じてフィルタ２５、遮断バルブ２６、レギュレータ５０を経て燃料電池１０のアノード側１２に供給される。アノード側１２に供給された水素ガスはＭＥＡ１６表面で白金触媒によりプロトン解離する。プロトン解離できなかった水素ガス、アノード側１２に含まれる窒素ガス、水蒸気などのアノード残留ガスは、アノード残留ガス排出管２４により排出され、水素循環管２７を通じて再びアノード側１２に供給されるか、または、そのままアノード残留ガス排出管２４を経て、排出ガス処理装置２８によって処理され、メインマフラ４３を通じて、排気管３７から外気へと排出される。なお、水素ガスは水素ステーションから常時、水素ガスタンク２３へと供給されている。
【００５７】
次に図２のフローチャートに基づいて凍結防止方法について説明する。ハイブリッド自動車が通常の走行を終えて停止する。ハイブリッド自動車が停止すると、モータ駆動等に電力を供給する必要がなくなる。そうすると、燃料電池１０は通常の発電を停止し、ひいては完全に発電を停止する（Ｓ１）。
【００５８】
ＥＣＵ４０は、発電停止部にてこの発電停止を検知した後、温度検出部から送られてくる温度データを読み込む。この温度データを読み込んだＥＣＵ４０は、常時読み込んだ温度データが凍結温度記憶部に記憶された凍結温度の温度設定値（０℃）と比較して、この凍結温度の温度設定値以下か否かを温度判定部で判定する（Ｓ２）。この時、少なくとも１箇所の温度検出部の温度データが温度設定値以下となった場合は、凍結モード移行部により、凍結防止モード部の制御へと移行する（Ｓ３）。
【００５９】
ＥＣＵ４０は、凍結防止モード部に移行すると、直ちにブロアモータ３９を駆動する（Ｓ４）。この駆動により、外気がブロア供給管３６、空気加湿モジュール３３、エア供給管３２を経て低圧で燃料電池１０のカソード側１４に供給される。この最初の起動に関しては、バッテリの電力を利用してもよい。次に、この外気のカソード側１４への供給圧と同じ圧力をカソード側のガス圧をレギュレータ５０により低圧側に操作することで燃料電池１２に供給する（Ｓ５）。次に燃料電池１０を低圧のエアと水素ガスを供給することで微弱電流発電させる（約０．０１Ａ）。この微弱電流発電をさせた後、この微弱電流発電により生じる熱量を利用して燃料電池１０内を加熱する（Ｓ６）。この微弱電流はブロアモータ３９に供給され、この微弱電流でブロアモータが駆動され、送気が継続される。この微弱電流発電による加熱は、温度検出部から送られる温度データの温度設定値よりも高い値になるまで継続される（Ｓ７）。温度データが温度設定値よりも高い値になった場合には凍結防止モードを停止する（Ｓ８）。ＥＣＵ４０は凍結防止モード停止後も、再び燃料電池１０で通常の発電が行われるまで温度判定部による温度管理を継続し、必要であれば凍結防止モードを再開する（Ｓ２）。
【００６０】
微電流発電時（凍結防止モード時）のカソードガスのガス流路は次の通りである。外気はブロアモータ３９により、ブロア供給管３５を経て、空気加湿モジュール３３に至る。空気加湿モジュール３３に至ったエアは空気加湿モジュール３３により適切な湿度に加湿される。加湿されたエアはエア供給管３２を経て、燃料電池１０のカソード側１４へと至る。カソード側１４に至ったエアは、アノード側にＭＥＡ１６を膜移動してきたプロトンイオンと反応し、発電する。このプロトンイオンと反応しなかったエアは、エア排出管３４を通じて空気加湿モジュール３３へと至る。空気加湿モジュール３３へと至ったエアは再びエア供給管３２を通じて再利用されるか、あるいは排気管３７を通じて車外に排気される。排気は気液分離装置４１にて水分が除去され、サブマフラー４２、メインマフラ４３の順に排気処理されて外気へと排出される。なお、この時、大電力量を要するコンプレッサ３８は作動させず、ブロアモータ３９で低圧のエアが循環させられている。
【００６１】
微電流発電時（凍結防止モード時）のアノードガスのガス流路は次の通りである。水素ガスタンク２３に蓄えられた高圧水素ガスは、水素ガス供給管２２を通じてフィルタ２５、遮断バルブ２６、レギュレータ５０を経て燃料電池１０のアノード側１２に供給される。ここで供給される水素量はレギュレータ５０によって通常の発電時と比較して低圧に決められる。アノード側１２に供給された水素ガスはＭＥＡ１６表面で白金触媒によりプロトン解離する。プロトン解離できなかった水素ガス等のアノード残留ガスは、アノード残留ガス排出管２４により排出され、水素循環管２７を通じて再びアノード側１２に供給されるか、または、そのままアノード残留ガス排出管を経て、排出ガス処理装置２８によって処理され、メインマフラ４３を通じて、排気管３７から外気へと排出される。
【００６２】
本実施形態に係る燃料電池システム１００は以下の効果を実現できる。（１）通常発電時のエアコンプレッサよりも低電力で駆動できるブロアモータのような低電力エア供給装置でエアを供給することで、エア供給によりガス流が生じることで燃料電池システムの凍結を防止でき、かつ、エアコンプレッサのような大電力を消費する装置より、低電力を消費するだけで凍結を防止できる。（２）また、通常発電時の高圧搬送のエアコンプレッサよりも低圧搬送のブロアモータでエアを燃料電池に供給することで、エアの消費量、排気量を少なくできる。（３）このような低圧エアのエア圧に応じて、水素ガスの供給も低圧にして燃料電池内に供給することで、燃料電池内のエアと水素ガスのガス差圧を小さくし、ガス差圧により燃料電池セルに不具合が生じることを防止できる。（４）さらに燃料電池を微弱電流で発電させ、この発電により生じる発電熱で燃料電池内を加熱することで温度を上昇させるという観点から凍結を防止できる。（５）また、ブロワモータは、この低電流による燃料電池の発電により生じる低電流以下の電力量でエア供給できるので、燃料電池の微弱発電電流を用いればよく、他の電力源を必要としなく、エネルギー的にも優位である。（６）燃料電池はリン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等も適用できるが固体高分子型であると好適である。また、アノードガスおよびカソードガスは燃料電池の種類に応じて選定されればよいが、固体高分子型燃料電池であって、水素ガスと酸素ガスを選定すると好適である。（７）また、外気の温度も温度データとして加味しているので外気に即して温度管理できる。さらに、エアは外気を用いているので外気をそのまま利用でき、専用のタンク等が必要とならない。
【００６３】
また、本実施形態に係る燃料電池システム１００は以下のように、その実施態様を変更できる。
【００６４】
凍結防止モードでは、水素ガス圧を変更させることなく低電力供給のブロアモータによりエアを供給するだけでも上述の（１）の効果が得られる。また、低電力供給されるのはエアだけでなく水素ガスであってもよい。すなわち、アノードガスとカソードガスの少なくとも一方であればよい。また、この場合、微弱電流発電させなくとも効果がある場合がある。
【００６５】
また、本実施形態において必ずしも低電力ガス供給装置は必要とならない。通常発電時のガス供給装置のみ（本実施形態では、エアコンプレッサ３８のみ、ブロワモータ３９を有しない構成）であっても、凍結防止モード時に供給ガス圧力を低圧とすることで凍結防止モード時の供給ガス圧力を低圧とすることで消費動力（消費電力）を低減できる。
【００６６】
内部液の凍結温度は、その内部液の種類によって選定されるべきである。本実施形態においては、生成水の凍結温度（０℃）を凍結温度として設定しているが、これは燃料電池システム内部に存在する内部液の凍結温度または外気温度に応じて設定変更される。内部液としてエンジン冷却液を用いる場合にはＬＬＣ（ロングライフクーラント）が好適である。ＬＬＣの主成分は、エチレングリコール。各種金属（鉄・アルミ・銅系）に対する防錆添加剤が混入されているのが一般的である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池システムの作用を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１０  燃料電池、２０  水素供給機構、３０  空気供給機構、４０  ＥＣＵ、１００  燃料電池システム。
【図１】
2005327501.tif 000003
【図２】
2005327501.tif 000004