(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載され、燃料ガスおよび酸化ガスを燃料として発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、
燃料ガスもしくは酸化ガスが通る配管内の流路抵抗を増加させることで、燃料ガスもしくは酸化ガスの温度を上昇させて凍結防止処理を行う凍結防止処理手段と、
前記車両の速度がゼロより大きい所定の閾速度以上で、かつ前記燃料電池の発電状態に関する物理量に基づき定まる所定の条件を満たした場合、前記燃料電池が発電を行っていたとしても前記凍結防止処理を行う必要があると判定して、前記凍結防止処理を実行させるように前記凍結防止処理手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記燃料電池の発電状態に関する物理量は、前記燃料電池の出力、前記燃料電池を冷却する冷却水の温度、前記酸化ガスの流路制御を行うポンプの出口付近の配管内の圧力もしくは温度、前記ポンプを駆動する駆動モータの出力もしくは温度、前記燃料電池から排気される燃料オフガスが通る配管内の圧力もしくは温度、前記凍結によって前記燃料ガスもしくは前記酸化ガスが漏れることで増加する前記燃料電池の発電の際に消費される燃料ガス量もしくは酸化ガス量、および前記燃料ガスが通る配管内の窒素ガスについて前記燃料ガスとの密度および粘度の違いによって前記凍結の際に増加する前記窒素ガスの濃度の少なくともひとつであり、
前記凍結防止処理手段は、
前記配管内に設けられ燃料ガスもしくは酸化ガスの流路制御を行うポンプの回転数を増加させることで、前記配管内の流路抵抗を増加させることを特徴とす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において、
前記所定の条件は、外気温および前記燃料電池の出力とに基づき定まる条件であることを特徴と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において、
前記所定の条件は、外気温および前記ポンプを駆動する駆動モータもしくは前記ポンプの出口付近の配管内の温度とに基づき定まる条件であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の条件は、外気温および前記燃料電池を冷却する冷却水の温度とに基づき定まる条件であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の条件は、前記燃料電池の出力および前記燃料電池の発電の際に消費される燃料ガス量もしくは酸化ガス量に基づき定まる条件であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記所定の条件は、燃料ガスが通る配管内の窒素濃度に基づき定まる条件であることを特徴と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において、
前記凍結防止処理手段は、
燃料ガスもしくは酸化ガスの流路制御を行うポンプの出口付近の配管に設けられるバルブの開閉量を調整することで、前記ポンプから送り出される燃料ガスもしくは酸化ガスの量を制限し、前記配管内の流路抵抗を増加させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凍結防止処理手段は、
前記燃料電池に供給する燃料ガスもしくは酸化ガスの量を制限することで、凍結防止処理を行う、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記凍結防止処理手段は、
前記燃料電池の発電電力を増加させることで、凍結防止処理を行う、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中であるときは、前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中であることを示す情報を出力することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中にシステム停止要求を受けた場合、所定の警告を出力することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の燃料電池システムと、当該燃料電池システムから供給される電力によって駆動する駆動源とを搭載する車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関し、特に燃料電池の起動時の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、例えば寒冷地の屋外等の低温環境下で停止状態が長く続くと、システム内の水分が凍結してしまうおそれがある。そこで、従来より燃料電池システムの凍結を防止する種々の方法が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、電気自動車が必要とする電力や二次電池の充電状態等に応じて発電状態と停止状態とを切り換えて動作する、いわゆる間欠運転を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池が凍結するおそれがある場合には間欠運転を禁止し、燃料電池の出力を増加して燃料電池の凍結を防止する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、燃料電池システムとエンジンとを備えるハイブリッド車両において、外気温が所定の基準温度以下のときには、燃料電池による発電を禁止して、エンジンを用いて所望の電力を得る技術が開示されている。
【０００５】
特許文献３には、燃料電池システムにおいて、システムの停止時に燃料電池の凍結するおそれがある場合に、燃料電池内の水分を除去する掃気処理を行う技術が開示されている。
【０００６】
ところで、低温環境下において、燃料電池システムを搭載した車両が燃料電池システムによる電力を利用して走行する場合、その走行に伴って走行風が発生し、その走行風によって燃料電池システムを構成する部品が凍結するおそれがある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−２６７９６１号公報
【特許文献２】特開２００４−１５３９４７号公報
【特許文献３】特開２００５−２５１５７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、従来より燃料電池システムの凍結を防止する種々の方法が提案されている。
【０００９】
しかし、従来、燃料電池システムを搭載した車両が燃料電池システムから供給される電力を利用して走行する際に走行風によって燃料電池システムを構成する部品が凍結する可能性については考慮していない。
【００１０】
本発明は、燃料電池システムを搭載した車両が燃料電池システムから供給される電力を利用して走行する際に、燃料電池システムを構成する燃料電池等の所定部位が走行風により凍結することを抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、車両に搭載され、燃料ガスおよび酸化ガスを燃料として発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料ガスもしくは酸化ガスが通る配管内の流路抵抗を増加させることで、燃料ガスもしくは酸化ガスの温度を上昇させて凍結防止処理を行う凍結防止処理手段と、前記車両の速度がゼロより大きい所定の閾速度以上で、かつ前記燃料電池の発電状態に関する物理量に基づき定まる所定の条件を満たした場合、前記燃料電池が発電を行っていたとしても前記凍結防止処理を行う必要があると判定して、前記凍結防止処理を実行させるように前記凍結防止処理手段を制御する制御手段と、を備え、前記燃料電池の発電状態に関する物理量は、前記燃料電池の出力、前記燃料電池を冷却する冷却水の温度、前記酸化ガスの流路制御を行うポンプの出口付近の配管内の圧力もしくは温度、前記ポンプを駆動する駆動モータの出力もしくは温度、前記燃料電池から排気される燃料オフガスが通る配管内の圧力もしくは温度、前記凍結によって前記燃料ガスもしくは前記酸化ガスが漏れることで増加する前記燃料電池の発電の際に消費される燃料ガス量もしくは酸化ガス量、および前記燃料ガスが通る配管内の窒素ガスについて前記燃料ガスとの密度および粘度の違いによって前記凍結の際に増加する前記窒素ガスの濃度の少なくともひとつであり、前記凍結防止処理手段は、前記配管内に設けられ燃料ガスもしくは酸化ガスの流路制御を行うポンプの回転数を増加させることで、前記配管内の流路抵抗を増加させることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、所定の条件は、例えば、外気温および前記燃料電池の出力とに基づき定まる条件である。
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、所定の条件は、外気温および前記ポンプを駆動する駆動モータもしくは前記ポンプの出口付近の配管内の温度とに基づき定まる条件である。
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、所定の条件は、外気温および前記燃料電池を冷却する冷却水の温度とに基づき定まる条件である。
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、所定の条件は、前記燃料電池の出力および前記燃料電池の発電の際に消費される燃料ガス量もしくは酸化ガス量に基づき定まる条件である。
【００１６】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、所定の条件は、燃料ガスが通る配管内の窒素濃度に基づき定まる条件である。
【００１９】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、凍結防止処理手段は、燃料ガスもしくは酸化ガスの流路制御を行うポンプの出口付近の配管に設けられるバルブの開閉量を調整することで、前記ポンプから送り出される燃料ガスもしくは酸化ガスの量を制限し、前記配管内の流路抵抗を増加させることを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、凍結防止処理手段は、前記燃料電池に供給する燃料ガスもしくは酸化ガスの量を制限することで、凍結防止処理を行うことを特徴とする。
【００２１】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、凍結防止処理手段は、前記燃料電池の発電電力を増加させることで、凍結防止処理を行うことを特徴とする。
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、制御手段は、前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中であるときは、前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中であることを示す情報を出力することを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、制御手段は、前記凍結防止処理手段が凍結防止処理を実行中にシステム停止要求を受けた場合、所定の警告を出力することを特徴とする。
【００２４】
本発明に係る燃料電池システムの１つの態様では、当該燃料電池システムは、車両に搭載され、駆動源に電力を提供する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、燃料電池システムを搭載した車両が燃料電池システムから供給される電力を利用して走行する際に走行風によって燃料電池システムを構成する燃料電池等の所定部位が凍結することを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態と称する）について、以下図面を用いて説明する。
【００２７】
図１は、本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。本実施形態における燃料電池システムは、モータ（電動機）で駆動する車両に電源として搭載される。燃料電池システムは、ユーザがイグニションスイッチをオンすると起動し、ユーザによるアクセルの操作量に応じた発電を行う。車両は、燃料電池システムから供給される電力によって走行することができる。
【００２８】
図１において、燃料電池システム１０は、主に、燃料ガス供給装置４２、酸化ガス供給装置７３、燃料電池２０、及び制御部８０を備える。燃料ガスは例えば水素ガスであり、酸化ガスは例えば空気である。制御部８０はイグニションスイッチ８２を介してユーザからのシステム起動信号やシステム停止信号を受信し、これらの信号に応じてシステムの起動および停止を制御する。また、制御部８０はアクセルセンサ８４によって検出されたアクセス開度から燃料電池２０の要求発電量を求め、所望の発電量が得られるように燃料ガス供給装置４２と酸化ガス供給装置７３を制御し、燃料電池２０に供給される燃料ガス流量と酸化ガス流量を調整する。さらに、制御部８０は図３に示すフローチャートの処理を実行する際に外気温センサ８６によって検出された外気温情報を利用するが、詳細は後述する。
【００２９】
図２は、燃料電池システム１０の配管系統を中心とするシステム構成を示す図である。図２に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系統と、酸化ガスを供給するための酸化ガス供給系統と、冷却水により燃料電池２０を冷却もしくは暖機するための冷却水供給系統とを備える。
【００３０】
燃料電池２０は、燃料ガスである水素と、酸化ガスである酸素との電気化学反応によって発電するセルを積層することで構成される。各セルは電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと称する）と酸素極（以下、カソードと称する）とを配置して構成される。本実施形態では、例えばナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを例に説明するが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００３１】
燃料電池システム１０の冷却水供給系統には、冷却水を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ３２、冷却水の熱を外部に放熱するラジエタ３３、ラジエタ３３へ流入する冷却水量を調整するバルブ３４、冷却水を加圧して循環させるポンプ３５などが設けられる。バルブ３４は、燃料電池２０を冷却する場合には、制御部８０の制御に基づいてラジエタ３３へ流入する冷却水量を増加させ、ラジエタ３３によって冷却された冷却水を燃料電池２０に供給する。一方、バルブ３４は、燃料電池２０を暖機する場合には、制御部８０の制御に基づいて、ラジエタ３３へ流入する冷却水量を減少させ、ラジエタ３３による冷却が抑制された冷却水を燃料電池２０に供給する。
【００３２】
燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統には、アノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス流路４１と、アノードから排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４１に循環させるための循環流路５１が配管される。
【００３３】
燃料ガス流路４１には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスの供給／停止を制御する遮断弁４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、燃料ガスの圧力調整を行うレギュレータ４５、燃料電池２０の燃料ガス供給口を開閉する遮断弁４６などが設置される。燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などにより構成される。
【００３４】
循環流路５１には、燃料オフガスを排出する遮断弁５２、モータによって駆動される循環ポンプ５５、燃料ガス流路４１の燃料ガスが循環流路５１側に逆流することを防止する逆流阻止弁５６などが設置される。循環ポンプ５５は、制御部８０の制御に基づいてアノードを通過する際に圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させ、燃料ガス流路４１に還流させる。燃料オフガスは、燃料ガス流路４１で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００３５】
循環流路５１には、燃料ガス循環系統から排気された燃料オフガスを希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐配管される。排気流路６１には排気弁６３が設置されており、排気弁６３が開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して不純物濃度が増した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入して燃料電池の電圧の低下を防止する。また、排気弁６３を開閉し、循環流路５１の内圧に脈動を起こすことで、ガス流路に蓄積した水分を除去することができる。つまり、排気弁６３を開閉することで、燃料ガス供給系統における掃気処理を行うことができる。
【００３６】
一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統には、カソードに酸化ガスを供給するための酸化ガス流路７１と、カソードから排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管される。酸化ガス流路７１には、大気から取り込んだ空気に含まれる粉塵等を除去するエアフィルタ７４、モータによって駆動されるエアコンプレッサ７５などから構成され、圧縮空気を酸化ガスとして酸化ガス流路７１に供給する酸化ガス供給装置７３が設置される。また、酸化ガス供給装置７３の下流に配置された加湿器７６では、燃料電池２０の電池反応で生じた生成水によって高湿潤状態となったカソードオフガスと、大気より取り込んだ低湿潤状態の酸化ガスとの間で水分交換が行われる。カソードの背圧はカソードオフガス流路７２に設置された圧力調整弁７７によってほぼ一定圧に調圧される。カソードオフガス流路７２を流れるカソードオフガスは、例えば気液分離器やマフラなどを経由して車外に排気され、またその一部は希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスを混合希釈して車外に排気される。
【００３７】
また、酸化ガス流路７１には、加湿器７６をバイパスするバイパス流路７８が配管される。バイパス流路７８を介して乾燥した空気を燃料電池２０に供給することで、燃料電池２０の内部の流路などに残っている水分を除去することができる。つまり、バイパス流路７８を介して乾燥した空気を燃料電池２０に供給することで、酸化ガス供給系統における掃気処理を行うことができる。
【００３８】
制御部８０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池システム１０の各部動作の制御を実行する。制御部８０は、各流路に配置された温度センサＴ、圧力センサＰからのセンサ信号を受け取り、電池運転の状態（例えば、電力負荷）に応じて各モータを駆動して循環ポンプ５５とエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、更に、各種の弁の開閉制御又は弁開度の調整などを行う。
【００３９】
本実施形態では、上記のように構成された燃料電池システム１０を搭載した車両が、燃料電池システム１０から供給される電力を利用して走行する際に走行風によって燃料電池２０等の所定部位が凍結することを抑制する。
【００４０】
図３は、本実施形態における制御部８０が走行風に伴う燃料電池２０等の所定部位の凍結を防止するために行う処理手順を示すフローチャートである。制御部８０は、燃料電池２０が発電中で、かつ車両が所定の閾速度Ｖｔ（例えば、Ｖｔ＞０）以上で走行中の場合に、所定の間隔で図３に示す処理手順を実行する。
【００４１】
図３において、制御部８０は、外気温が低温か否かを判定する（Ｓ１００）。より具体的には、制御部８０は、外気温を検知する外気温センサ８６から外気温情報を取得して、その外気温情報に基づいて外気温が所定の閾温度（例えば２℃）以下か否かを判定し、外気温が所定の閾温度以下の場合に、低温と判定する。制御部８０は、外気温が低温の場合（ステップＳ１００での判定結果が、肯定「Ｙ」）、燃料電池システム１０を構成する所定部位の凍結防止処理が必要か否かを判定する（Ｓ１０２）。ここでの判定方法の詳細については後述する。ステップＳ１０４における判定の結果、凍結防止処理が必要であると判定された場合（ステップＳ１０４での判定結果が、肯定「Ｙ」）、制御部８０は、燃料電池システム１０を構成する所定部位の凍結を防止するための凍結防止処理を実行する（Ｓ１０６）。凍結防止処理の具体例についても後述する。一方、外気温が所定の閾温より大きい場合（ステップＳ１００での判定結果が、否定「Ｎ」）、および凍結防止処理が不要と判定された場合（ステップＳ１０４での判定結果が、否定「Ｎ」）、制御部８０は、凍結防止処理を実行せずに処理を終了する。なお、制御部８０が凍結防止処理を実行する場合には、車両を運転するユーザに凍結防止処理中であることを通知するために、例えばダッシュボード上に凍結防止処理中を示すメッセージを表示し、あるいはナビゲーションシステムにおいて利用される画面上に表示してもよい。
【００４２】
また、凍結防止処理を実行中にユーザがイグニションスイッチをオフすることで燃料電池システム１０を停止してしまうと、所定部位に対する凍結防止処理が不十分のためシステム停止後に当該所定部位が凍結するおそれがある。そのため、凍結防止処理を実行中にユーザからのシステム停止要求信号をイグニションスイッチを介して受信した場合、システムを停止すると燃料電池システム１０が凍結するおそれがあることを警告してもよい。さらに、下記に示す凍結防止処理を実行しても依然として所定部位の凍結を抑制することができない場合には、例えば車両の走行を続けると燃料電池システム１０が凍結し、不具合が生じるおそれがあることをユーザに警告してもよい。
【００４３】
以上のように、制御部８０は、燃料電池２０が発電中でかつ車両が所定の閾速度以上で走行中に、必要に応じて凍結防止処理を行うことで、走行風に伴う燃料電池２０等の所定部位の凍結を抑制することができる。発電に伴い熱を発生させる燃料電池２０などの熱源から比較的離れた部位は、低温環境下における走行風によって凍結しやすい。しかし、本実施形態によれば、熱源から離れた所定部位の走行風に伴う凍結を抑制することができる。
【００４４】
ここで、凍結防止処理の必要性の有無の判定方法について説明する。
【００４５】
制御部８０は、燃料電池の発電状態に関する所定の条件を満たす場合に、燃料電池システム１０を構成する所定部位が凍結しているもしくは凍結するおそれがあるため、凍結防止処理が必要であると判定する。以下、燃料電池の発電状態に関する所定の条件の具体例について説明する。
【００４６】
例えば燃料電池２０の電池出力が外気温との関係で予想される基準出力よりも低い場合、燃料電池２０の内部の電解質膜などが凍結し燃料電池システム１０の発電が正常に行われていない可能性がある。よって、制御部８０は、例えば図４に示す参照マップを参照して、電池出力と外気温とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置が凍結領域か非凍結領域かを判定して、当該位置が凍結領域に含まれる場合には、凍結防止処理が必要であると判定することができる。なお、電池出力は、燃料電池システム１０に燃料電池２０から出力される電圧を測定する電圧センサと、電流を測定する電流センサと、を設けておき、各センサにより測定された電圧および電流などを用いて測定される。
【００４７】
また、燃料電池２０から排出される冷却水の温度が外気温との関係で予想される基準温度よりも低い場合、燃料電池２０などが凍結している可能性がある。よって、制御部８０は、例えば図５に示す参照マップを参照して、上記と同様に凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
【００４８】
加えて、車両の走行速度が速いほど走行風の風量が増し、凍結する可能性が高くなる。さらに外気温が低いほど走行風による凍結の可能性が高くなる。また、凍結している場合、燃料電池２０の電池出力は、凍結していない場合に比べて低下する。そのため、燃料電池２０の電池出力が、車速および外気温との関係で予想される基準電池出力よりも低い場合、燃料電池２０などが凍結している可能性がある。そこで、制御部８０は、図６に示すような参照マップを参照して、車速、外気温、電池出力をパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
【００４９】
また、上記の通り、冷却水の温度が外気温との関係で予想される基準温度よりも低い場合、燃料電池２０などが凍結している可能性があり、その凍結の可能性は、車両の走行速度が速いほど高くなる。そこで、制御部８０は、図７に示すような参照マップを参照して、車速、外気温、冷却水の温度をパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
【００５０】
また、エアコンプレッサ７５の出口付近のエア配管内圧力が、予想される基準圧力よりも高い場合、エアコンプレッサ７５より下流側の酸化ガス供給系統上に配置されるバルブ等が凍結している可能性がある。そこで、制御部８０は、エア配管内圧力が基準圧力より高い場合、凍結防止処理が必要であると判定してもよい。
【００５１】
さらに、エアコンプレッサ７５により圧縮されて温度上昇した空気が、バルブ等の凍結による配管内の流路抵抗の増加によりエアコンプレッサ７５から送り出されにくくなり、再度圧縮されることでさらなる温度上昇を引き起こす場合がある。よって、エアコンプレッサ７５の出口付近におけるエア配管内の温度（以下、エア出口温度と称す）が、エアコンプレッサ７５の回転数および外気温との関係で予想される基準温度よりも高い場合、上記と同様にバルブ等が凍結している可能性がある。そこで、制御部８０は、図８に示すような参照マップを参照して、エアコンプレッサ７５のエア出口温度とエアコンプレッサ７５の回転数と外気温とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
【００５２】
また、バルブ等の凍結によりエアコンプレッサ７５から空気が送り出されにくくなると配管内の流路抵抗が増加するため、エアコンプレッサ７５を駆動する駆動モータの出力が通常よりも増加する。よって、当該駆動モータの出力がエアコンプレッサ７５の回転数との関係で予想される基準出力よりも高い場合、バルブ等が凍結している可能性がある。そこで、制御部８０は、図９に示すような参照マップを参照して、エアコンプレッサ７５を駆動する駆動モータとエアコンプレッサ７５の回転数と外気温とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
【００５３】
同様に、バルブ等が凍結するとエアコンプレッサ７５を駆動する駆動モータの出力増加に伴い駆動モータの温度が通常よりも上昇する。そこで、制御部８０は、図１０に示すような参照マップを参照して、エアコンプレッサ７５を駆動する駆動モータの温度とエアコンプレッサ７５の回転数と外気温とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
【００５４】
加えて、図１１に示すように、燃料電池システム１０を構成する各流路に配置される各種バルブが凍結すると、バルブの開閉が正常に行えず、バルブの出口付近における配管内圧力が予想される基準圧力まで上昇しない場合がある。そこで、制御部８０は、バルブの開閉に伴って上昇したバルブ出口付近の配管内圧力が予想される基準圧力に達しているか否かを判定して、基準圧力に達していない場合に凍結防止処理が必要であると判定してもよい。
【００５５】
また、燃料ガス供給系統における循環流路５１に配置されたバルブが凍結すると、循環流路５１の配管内圧力（例えば、圧力センサＰ５７）が低下する場合がある。そこで、制御部８０は、循環流路５１の配管内圧力が所定の基準圧力より低い場合に、凍結防止処理が必要であると判定してもよい。
【００５６】
さらに、燃料ガス供給系統における循環流路５１に配置されたバルブが凍結すると、配管内の窒素濃度が高くなる場合がある。そこで、制御部８０は、配管内の窒素濃度が所定の基準濃度より高い場合に、凍結防止処理が必要であると判定してもよい。なお、配管内の窒素濃度は、例えば水素と窒素の圧力損失の違いを利用して推定することができる。水素と窒素では密度、粘度の違いによって圧力損失が４倍程度異なるため、燃料電池２０内における燃料ガス中の窒素濃度が上昇すると、燃料電池２０に燃料ガスを供給するための入口付近の圧力と、出口付近の圧力との圧力差は増加することになる。そこで、制御部８０は、当該入り口付近に設けた圧力センサにより測定された圧力と、当該出口付近に設けた圧力センサにより測定された圧力との圧力差を検出することで窒素濃度を推定することができる。
【００５７】
加えて、燃料ガス供給系統の例えば循環流路５１に配置されたバルブが凍結すると、凍結したバルブからの水素漏れなどにより、水素の消費量が増加する場合がある。そこで、制御部８０は、図１２に示すような参照マップを参照して、燃料電池２０の電池出力と水素の消費量とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。なお、酸素ガス供給系統に配置されたバルブが凍結した場合には、酸素の消費量が増加する場合がある。そこで、制御部８０は、電池出力との関係で予想される酸素の基準消費量よりも酸素の消費量が多い場合に、凍結防止処理が必要であると判定してもよい。
【００５８】
また、燃料ガス供給系統における循環流路５１に配置されたバルブが凍結すると、循環流路５１の配管内の温度が燃料電池２０から排出される冷却水の温度との関係で予想される基準温度より低くなる場合がある。そこで、制御部８０は、図１３に示すような参照マップを参照して、燃料電池２０から排出される冷却水の温度と循環流路５１の配管内の温度とをパラメータとして求まる参照マップ上の位置に基づいて凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
【００５９】
以上説明した判定方法を少なくとも一つ利用することで、制御部８０は、凍結防止処理の必要性の有無を判定することができる。
【００６０】
続いて、凍結防止処理について説明する。
【００６１】
制御部８０は、例えば、燃料電池２０を低効率運転することで燃料電池２０の発熱を促進し、その発熱により燃料電池２０等の凍結を抑制する。なお、燃料電池２０の低効率運転は、例えば、燃料電池２０の要求発電量に対して通常運転時に必要な酸素量より燃料電池２０へ供給する酸素量を少なくすることで実現することができる。
【００６２】
また、冷却水を循環させる冷却路３１にヒーターを設けておき、燃料電池２０が発電した電力によりそのヒーターを動作させ、冷却水を加熱し、加熱された冷却水により燃料電池２０を加温し、凍結を抑制する。これにより、燃料電池２０の出力増加に伴う発熱および冷却水の加熱により、燃料電池２０等の凍結を抑制することができる。
【００６３】
また、上記の通り、エアコンプレッサ７５により圧縮されて温度上昇した空気がエアコンプレッサ７５から送り出されにくくなると、その空気がエアコンプレッサ７５により再度圧縮されることでさらなる温度上昇を引き起こす。そこで、エアコンプレッサ７５のエア出口近傍に例えばモータによって駆動するバタフライ式バルブを配置しておく。このバルブを絞ることで、配管内の流路抵抗が増し、エアコンプレッサ７５により圧縮されて温度上昇した空気をエアコンプレッサ７５から送り出しにくくし、エアコンプレッサ７５から出力される空気の温度をさらに上昇させることができる。この空気の温度上昇により酸素ガス供給系統に配置されたバルブ等の凍結を抑制することができる。よって、制御部８０は、エアコンプレッサ７５のエア出口近傍に設けられたバタフライ式バルブを絞ることで凍結防止処理を行うことができる。なお、循環ポンプ５５の水素出口近傍に上記のようなバタフライ式バルブを設けて、そのバルブの絞りを調整することで、燃料ガス供給系統に配置されたバルブ等の凍結を抑制することができる。また、冷却水用のポンプ３５の場合も同様である。
【００６４】
さらに、エアコンプレッサ７５や循環ポンプ５５や冷却水用のポンプ３５などの各ポンプのポンプ回転数を通常よりも増加させることでも、バタフライ式バルブを絞った場合と同様に、配管内の流路抵抗を増加させることができる。よって、制御部８０は、各ポンプのポンプ回転数を増加させることで、各系統に配置されたバルブ等の凍結を抑制することができる。
【００６５】
以上、本実施形態によれば、制御部８０は、燃料電池２０が発電中でかつ車両が所定の閾速度以上で走行中に、上記のような燃料電池の発電状態に関する所定の条件を満たす場合に凍結防止処理が必要であると判定して、同じく上記に示すような凍結防止処理を行う。これにより走行風に伴う燃料電池２０等の所定部位の凍結を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態における燃料電池システムの配管系統を中心とするシステム構成を示す図である。
【図３】本実施形態における制御部が走行風に伴う燃料電池等の所定部位の凍結を防止するために行う処理手順を示すフローチャートである。
【図４】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、電池出力および外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【図５】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、冷却水温度および外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【図６】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、電池出力、車速、外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【図７】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、冷却水温度、車速、外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【図８】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、エアコンプレッサのエア出口付近の温度、エアコンプレッサの回転数、外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【図９】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、エアコンプレッサを駆動するモータの出力、エアコンプレッサの回転数、外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【図１０】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、エアコンプレッサを駆動するモータの温度、エアコンプレッサの回転数、外気温をパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【図１１】バルブの凍結によってバルブの出口付近における配管内圧力が低下することについて説明するための図である。
【図１２】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、水素消費量と電池出力とをパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【図１３】制御部が凍結防止処理の必要性の有無を判定する際に参照する、循環流路の配管内の温度および冷却水温度とをパラメータとした参照マップの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１０  燃料電池システム、２０  燃料電池、３１  冷却路、３３  ラジエタ、３４  バルブ、３５  ポンプ、４１  燃料ガス流路、４２  燃料ガス供給装置、４３  遮断弁、４４  圧力センサ、４５  レギュレータ、４６  遮断弁、５１  循環流路、５２  遮断弁、５５  循環ポンプ、５６  逆流阻止弁、６１  排気流路、６２  希釈器、６３  排気弁、７１  酸化ガス流路、７２  カソードオフガス流路、７３  酸化ガス供給装置、７４  エアフィルタ、７５  エアコンプレッサ、７６  加湿器、７７  圧力調整弁、７８  バイパス流路、８０  制御部、８２  イグニションスイッチ、８４  アクセルセンサ、８６  外気温センサ、Ｐ  圧力センサ、Ｔ  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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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