(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード流路に酸化剤ガスが、アノード流路に燃料ガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、
前記カソード流路の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記カソード流路の圧力指令値と、前記圧力検出手段により検出された圧力値とに基づいて前記酸化剤ガス排出流路が凍結による閉塞状態にあるか否かを判断する排出流路状態判断手段と、
前記酸化剤ガス排出流路の凍結による閉塞状態を解消させる解氷制御を行う排出流路解氷手段と、
前記解氷制御が実施中であるか否かを判断する解氷制御実施状態判断手段と、を備え、
前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了していると判定された後、
前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中でないと判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記圧力値から前記圧力指令値を減算した値が第１所定値以上であるか否かを判断し、前記第１所定値以上であって前記閉塞状態であると判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施し、
前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中であると判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記圧力値から前記圧力指令値を減算した値が前記第１所定値よりも低い第２所定値以下であるか否かを判断し、前記第２所定値以下であって前記閉塞状態でないと判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施しないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
カソード流路に酸化剤ガスが、アノード流路に燃料ガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、
前記カソード流路の流量を検出する流量検出手段と、
前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記カソード流路の流量指令値と、前記流量検出手段により検出された流量値とに基づいて前記酸化剤ガス排出流路が凍結による閉塞状態にあるか否かを判断する排出流路状態判断手段と、
前記酸化剤ガス排出流路の凍結による閉塞状態を解消させる解氷制御を行う解氷排出流路解氷手段と、
前記解氷制御を実施中であるか否かを判断する解氷制御実施状態判断手段と、を備え、
前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了していると判定された後、
前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中でないと判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記流量指令値から前記流量値を減算した値が第３所定値以上であるか否かを判断し、前記第３所定値以上であって前記閉塞状態であると判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施し、
前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中であると判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記流量指令値から前記流量値を減算した値が前記第３所定値よりも低い第４所定値以下であるか否かを判断し、前記第４所定値以下であって前記閉塞状態でないと判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施しないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
カソード流路に酸化剤ガスが、アノード流路に燃料ガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、
前記カソード流路に供給される酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁と、
前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、
前記背圧弁の開度指令値に対するフィードバック値に基づいて前記酸化剤ガス排出流路が凍結による閉塞状態にあるか否かを判断する排出流路状態判断手段と、
前記酸化剤ガス排出流路の凍結による閉塞状態を解消させる解氷制御を行う解氷排出流路解氷手段と、
前記解氷制御を実施中であるか否かを判断する解氷制御実施状態判断手段と、を備え、
前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了していると判定された後、
前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中でないと判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記背圧弁の開度指令値に対するフィードバック値が第５所定値以上であるか否かを判断し、前記第５所定値以上であって前記閉塞状態であると判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施し、
前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中であると判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記背圧弁の開度指令値に対するフィードバック値が前記第５所定値よりも低い第６所定値以下であるか否かを判断し、前記第６所定値以下であって前記閉塞状態でないと判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施しないことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池との間のガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換器を備え、
前記排出流路解氷手段は、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスを、前記熱交換器を迂回させて前記燃料電池に供給することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排出流路解氷手段は、前記燃料電池の発電量を増量させる発電量増量手段であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記排出流路解氷手段は、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス量を増量させる酸化剤ガス量増量手段であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記熱交換器の迂回が可能かを判断する熱交換器迂回可能判断手段と、
前記燃料電池の発電量を増量させる発電量増量手段と、を備え、
前記熱交換器の迂回ができない場合には前記燃料電池の発電量を増量させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記熱交換器の迂回が可能かを判断する熱交換器迂回可能判断手段と、
前記燃料電池に供給する酸化剤ガス量を増量させる酸化剤ガス量増量手段と、を備え、
前記熱交換器の迂回ができない場合には前記燃料電池に供給される酸化剤ガス量を増量させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池の発熱状態が所定以上の場合には、前記排出流路解氷手段による制御を行なわない排出流路解氷制御停止手段を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
自動車に搭載される燃料電池システムであって、
前記酸化剤ガス供給手段を停止して前記燃料電池の発電を一時的に停止するアイドリングストップ処理に移行するアイドリングストップ移行手段と、
前記排出流路解氷手段による制御を行なっている場合には、前記アイドリングストップ移行手段によるアイドリングストップ処理への移行を禁止するアイドリングストップ禁止手段と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、
前記外気温度が所定以上の場合には、前記排出流路解氷手段による制御を行なわないことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項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、通常運転時の氷結を防止することができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムでは、低温（氷点下）環境下での燃料電池の始動性を向上させるために、燃料電池を暖機する技術が種々提案されている。燃料電池自動車などでは暖機を速やかに行うことが商品性などの点において要求されており、例えば、コンプレッサにより空気圧が高められて高温になった空気を燃料電池に供給することで燃料電池の暖機を速やかに行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１３４１５０号公報（段落００３８、００４３）
【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、燃料電池システムが氷点下に至るような環境下で使用されると、燃料電池の暖機運転が完了し、通常運転に移行した後であっても、燃料電池から排出された生成水や湿潤状態のカソードオフガス中の水分が配管内などで氷結するという問題があった。これは、暖機した後でも環境によって配管等の急激な温度低下が生じるためであり、発電性能を低下させるだけではなく、燃料電池システムの配管等の不具合を引き起こすおそれがあった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、通常運転開始後のカソード排出経路の氷結を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する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に係る発明は、カソード流路に酸化剤ガスが、アノード流路に燃料ガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、前記カソード流路の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記カソード流路の圧力指令値と、前記圧力検出手段により検出された圧力値とに基づいて前記酸化剤ガス排出流路が凍結による閉塞状態にあるか否かを判断する排出流路状態判断手段と、前記酸化剤ガス排出流路の凍結による閉塞状態を解消させる解氷制御を行う排出流路解氷手段と、前記解氷制御が実施中であるか否かを判断する解氷制御実施状態判断手段と、を備え、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了していると判定された後、前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中でないと判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記圧力値から前記圧力指令値を減算した値が第１所定値以上であるか否かを判断し、前記第１所定値以上であって前記閉塞状態であると判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施し、前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中であると判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記圧力値から前記圧力指令値を減算した値が前記第１所定値よりも低い第２所定値以下であるか否かを判断し、前記第２所定値以下であって前記閉塞状態でないと判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施しないことを特徴とする。
なお、第１所定値、第２所定値は、後記する本実施形態での所定値１、所定値２に対応します。
【０００６】
請求項１に係る発明によれば、低温（氷点下）環境下で暖機完了後に酸化剤ガス排出流路内が生成水の凍結により閉塞状態になっている場合でも、酸化剤ガス排出流路の閉塞状態に基づいて酸化剤ガス排出流路内の解氷制御を行なうため、酸化剤ガス排出流路内の解氷を行なうことが可能になり、閉塞状態を解消して酸化剤ガス排出流路内部の凍結による発電性能の低下、および配管などへの不具合を防止することが可能になる。
また、圧力指令値と、検出した圧力値とに基づいて酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を検出するため、酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を検出する特別な装置を用いることなく、圧力センサによって圧力を検出することにより酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を推定することが可能となる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、カソード流路に酸化剤ガスが、アノード流路に燃料ガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、前記カソード流路の流量を検出する流量検出手段と、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記カソード流路の流量指令値と、前記流量検出手段により検出された流量値とに基づいて前記酸化剤ガス排出流路が凍結による閉塞状態にあるか否かを判断する排出流路状態判断手段と、前記酸化剤ガス排出流路の凍結による閉塞状態を解消させる解氷制御を行う解氷排出流路解氷手段と、前記解氷制御を実施中であるか否かを判断する解氷制御実施状態判断手段と、を備え、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了していると判定された後、前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中でないと判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記流量指令値から前記流量値を減算した値が第３所定値以上であるか否かを判断し、前記第３所定値以上であって前記閉塞状態であると判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施し、前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中であると判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記流量指令値から前記流量値を減算した値が前記第３所定値よりも低い第４所定値以下であるか否かを判断し、前記第４所定値以下であって前記閉塞状態でないと判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施しないことを特徴とする。
なお、第３所定値、第４所定値は、後記する本実施形態での所定値３、所定値４に対応します。
【００１０】
請求項２に係る発明によれば、低温（氷点下）環境下で暖機完了後に酸化剤ガス排出流路内が生成水の凍結により閉塞状態になっている場合でも、酸化剤ガス排出流路の閉塞状態に基づいて酸化剤ガス排出流路内の解氷制御を行なうため、酸化剤ガス排出流路内の解氷を行なうことが可能になり、閉塞状態を解消して酸化剤ガス排出流路内部の凍結による発電性能の低下、および配管などへの不具合を防止することが可能になる。
また、流量指令値と、検出した流量値とに基づいて酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を検出するため、酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を検出する特別な装置を用いることなく、流量センサによって流量を検出することにより酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を推定することが可能となる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、カソード流路に酸化剤ガスが、アノード流路に燃料ガスがそれぞれ供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、前記カソード流路に供給される酸化剤ガスの圧力を調整する背圧弁と、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記背圧弁の開度指令値に対するフィードバック値に基づいて前記酸化剤ガス排出流路が凍結による閉塞状態にあるか否かを判断する排出流路状態判断手段と、前記酸化剤ガス排出流路の凍結による閉塞状態を解消させる解氷制御を行う解氷排出流路解氷手段と、前記解氷制御を実施中であるか否かを判断する解氷制御実施状態判断手段と、を備え、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了していると判定された後、前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中でないと判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記背圧弁の開度指令値に対するフィードバック値が第５所定値以上であるか否かを判断し、前記第５所定値以上であって前記閉塞状態であると判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施し、前記解氷制御実施状態判断手段が前記解氷制御を実施中であると判断した場合、前記排出流路状態判断手段により前記背圧弁の開度指令値に対するフィードバック値が前記第５所定値よりも低い第６所定値以下であるか否かを判断し、前記第６所定値以下であって前記閉塞状態でないと判断したときに、前記排出流路解氷手段による前記解氷制御を実施しないことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明によれば、低温（氷点下）環境下で暖機完了後に酸化剤ガス排出流路内が生成水の凍結により閉塞状態になっている場合でも、酸化剤ガス排出流路の閉塞状態に基づいて酸化剤ガス排出流路内の解氷制御を行なうため、酸化剤ガス排出流路内の解氷を行なうことが可能になり、閉塞状態を解消して酸化剤ガス排出流路内部の凍結による発電性能の低下、および配管などへの不具合を防止することが可能になる。
また、酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を検出する特別な装置を用いることなく、背圧弁のフィードバックにより酸化剤ガス排出流路の閉塞状態を推定することが可能となる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、前記酸化剤ガス供給手段と前記燃料電池との間のガス流路に設けられ、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを冷却する熱交換器を備え、前記排出流路解氷手段は、前記酸化剤ガス供給手段からの酸化剤ガスを、前記熱交換器を迂回させて前記燃料電池に供給することを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、熱交換器をバイパスさせるので、燃料電池から排出された酸化剤ガス（カソードオフガス）は、氷結温度まで下がる前に燃料電池システムの外部（系外）に排出される。このため、発電開始後に燃料電池から排出された生成水や湿潤な酸化剤ガスに含まれる水分が酸化剤ガス排出流路で氷結するのを防止でき、または氷結したとしても解氷できる。その結果、氷結が進んで酸化剤ガス排出流路（配管等）が破損するのを防止できる。
【００１７】
請求項５に係る発明は、前記排出流路解氷手段は、前記燃料電池の発電量を増量させる発電量増量手段であることを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の発電量を増量させることにより、燃料電池の自己発熱量が増加し、燃料電池から排出される酸化剤ガス（オフガス）の温度が上昇する。よって、酸化剤ガス排出流路内で凍結による閉塞現象が起きていたとしても、解氷を促進することが可能になる。
【００１９】
請求項６に係る発明は、前記排出流路解氷手段は、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス量を増量させる酸化剤ガス量増量手段であることを特徴とする。
【００２０】
請求項６に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路内で凍結による閉塞現象が起きたとしても、燃料電池から排出される酸化剤ガス量（オフガス量）を増量させることにより、その氷を外部へと押し出す力が増大する。また、増量により酸化剤ガス供給手段（エアコンプレッサ）から排出される酸化剤ガス（エア）は圧縮されるため、酸化剤ガス温度（エア温度）も上昇する。よって解氷を促進することも可能になる。
【００２１】
請求項７に係る発明は、前記熱交換器の迂回が可能かを判断する熱交換器迂回可能判断手段と、前記燃料電池の発電量を増量させる発電量増量手段と、を備え、前記熱交換器の迂回ができない場合には前記燃料電池の発電量を増量させることを特徴とする。
【００２２】
請求項７に係る発明によれば、燃料電池の発電量増加により凍結による酸化剤ガス排出流路内の閉塞状態を解消できるため、熱交換器を迂回させる機構が故障していたとしても、酸化剤ガス排出流路の閉塞によって燃料電池の発電継続が不能になるのを防止することが可能になる。
【００２３】
請求項８に係る発明は、前記熱交換器の迂回が可能かを判断する熱交換器迂回可能判断手段と、前記燃料電池に供給する酸化剤ガス量を増量させる酸化剤ガス量増量手段と、を備え、前記熱交換器の迂回ができない場合には前記燃料電池に供給される酸化剤ガス量を増量させることを特徴とする。
【００２４】
請求項８に係る発明によれば、燃料電池の酸化剤ガス量増加により凍結による酸化剤ガス排出流路内の閉塞を解消できるため、熱交換器を迂回させる機構が故障していたとしても、酸化剤ガス排出流路の閉塞によって燃料電池の発電継続が不能になるのを防止することが可能になる。
【００２５】
請求項９に係る発明は、前記燃料電池の発熱状態が所定以上の場合には、前記排出流路解氷手段による制御を行なわない排出流路解氷制御停止手段を備えることを特徴とする。
【００２６】
請求項９に係る発明によれば、燃料電池の許容温度を超えないように温度を上昇させることができるため、燃料電池の過加熱による膜（例えば、膜電極接合体）の劣化を防止することが可能になる。また、燃料電池に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿器などの補機への熱害を防止することも可能になる。
【００２７】
請求項１０に係る発明は、自動車に搭載される燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス供給手段を停止して前記燃料電池の発電を一時的に停止するアイドリングストップ処理に移行するアイドリングストップ移行手段と、前記排出流路解氷手段による制御を行なっている場合には、前記アイドリングストップ移行手段によるアイドリングストップ処理への移行を禁止するアイドリングストップ禁止手段と、を備えることを特徴とする。
【００２８】
請求項１０に係る発明によれば、アイドリングストップを禁止するため、アイドリングストップ時に酸化剤ガス排出流路の温度が低下し、凍結が進んでしまうことを防止することが可能になる。
【００２９】
請求項１１に係る発明は、外気温度を検出する外気温度検出手段を備え、前記外気温度が所定以上の場合には、前記排出流路解氷手段による制御を行なわないことを特徴とする。
【００３０】
ところで、外気温度が所定以上の場合には、酸化剤ガス排出流路内で凍結が起きている可能性は低く、圧力センサや背圧弁などの補機の故障である可能性が高い。よって、請求項１１に係る発明によれば、外気温度が所定以上の場合には排出流路解氷手段による制御を行なわないため、燃料電池の過加熱による膜の劣化を防ぐことが可能になる。すなわち、外気温度が所定以上の場合は、排出流路解氷手段による制御ではなく、弁故障判断やセンサ故障判断を実行する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、通常運転開始後の排出経路の氷結を防止することが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】
【００３２】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２は第１実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャート、図３は背圧弁の開度と圧力指令値との関係を示すマップ、図４は対策前後の各部収束温度の変化を示すグラフである。なお、以下では、燃料電池システムを搭載した自動車を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、定置式の家庭用電源などに適用してもよい。
【００３３】
図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池ＦＣ、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、排気系５０、制御系７０などを含んで構成されている。
【００３４】
前記燃料電池ＦＣは、プロトン伝導性を有する固体高分子からなる電解質膜２を、触媒を含むアノード（水素極）３と、触媒を含むカソード（空気極）４とで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有し、さらに膜電極構造体を一対の導電性のセパレータ５，６で挟んで構成した単セル（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｃｅｌｌ）が厚み方向に複数積層された構造を有している。また、電解質膜２は、適度に加湿されることにより性能を発揮できる特性を有する膜である。また、燃料電池ＦＣには、セパレータ５に水素が流通するアノード流路５ａ、セパレータ６に空気が流通するカソード流路６ａがそれぞれ形成され、さらに冷却媒体が流通する流路（図示せず）が形成されている。なお、図１では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。
【００３５】
前記アノード系２０は、燃料ガスとしての水素を燃料電池ＦＣのアノード３に供給し、且つ、アノード３から水素を排出するものであり、水素タンク２１、エゼクタ２２、パージ弁２３、配管２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄなどで構成されている。
【００３６】
前記水素タンク２１は、高純度の水素ガスが高圧で充填された容器であり、電磁作動式の遮断弁（図示せず）を備えている。
【００３７】
前記エゼクタ２２は、燃料電池ＦＣのアノード３側から排出された未反応の水素を、燃料電池ＦＣのアノード３に戻して循環させるための真空ポンプの一種である。また、エゼクタ２２は、配管２４ａを介して水素タンク２１と接続され、配管２４ｂを介して燃料電池ＦＣのアノード３側の入口と接続されている。また、エゼクタ２２は、燃料電池ＦＣのアノード３側の出口と接続された配管２４ｃから分岐した配管２４ｄと接続されている。これら配管２４ｂ〜２４ｄにより、水素が循環するようになっている。
【００３８】
前記パージ弁２３は、例えば電磁作動式の遮断弁（ＯＮ／ＯＦＦ弁）で構成され、運転中などに適宜開放してアノード系２０に蓄積された不純物を系外に排出する機能を有している。なお、不純物とは、カソード４から電解質膜２を介してアノード３に透過した空気に含まれる窒素などである。
【００３９】
なお、図示していないが、アノード系２０には、水素タンク２１からの高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。
【００４０】
前記カソード系３０は、酸化剤ガスとしての空気（酸素）を燃料電池ＦＣのカソード４に供給し、且つ、カソード４から空気などを排出するものであり、エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）３１、冷却器（熱交換器）３２、切替弁３３、バイパス配管３４、加湿器３５、背圧弁３６、カソード供給配管３７ａ〜３７ｄ、カソード排出配管３８ａ，３８ｂなどで構成されている。
【００４１】
前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気（外気）を取り込んで圧縮して燃料電池ＦＣのカソード４に供給するものである。
【００４２】
前記冷却器３２は、いわゆるインタークーラ（Ｉ／Ｃ）と称されるものであり、エアコンプレッサ３１により圧縮されて高温になった空気を冷却する機能を有している。また、冷却器３２は、エアコンプレッサ３１とカソード供給配管３７ａを介して接続されている。なお、冷却器３２は、空冷式であっても、水冷式であってもよい。
【００４３】
前記切替弁３３は、冷却器３２の下流に設けられ、後記する制御部７１Ａによって開閉制御され、冷却器３２とカソード供給配管３７ｂを介して接続されている。
【００４４】
前記バイパス配管３４は、カソード供給配管３７ａに対して分岐して形成され、冷却器３２および切替弁３３を迂回して、切替弁３３の下流に接続されたカソード供給配管３７ｃと合流するようにして接続されている。なお、バイパス配管３４には、オリフィス（図示せず）が設けられており、切替弁３３を開弁したときには、バイパス配管３４側には空気がほとんど流れず、冷却器３２側に空気が流れるようになっている。
【００４５】
なお、本実施形態では、切替弁３３、バイパス配管３４、および後記する制御部７１Ａによって排出流路解氷手段が構成されている。
【００４６】
前記加湿器３５は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ３１からの空気を流通させ、他側に燃料電池ＦＣのカソード４から排出されたカソードオフガス（湿潤な空気、生成水）を流通させることにより、エアコンプレッサ３１から燃料電池ＦＣに供給される空気を加湿するようになっている。すなわち、加湿器３５において、加湿される前の空気が導入される入口が前記カソード供給配管３７ｃと接続され、加湿された後の空気が排出される出口が燃料電池ＦＣのカソード４の入口とカソード供給配管３７ｄを介して接続され、また、カソードオフガスが導入される入口が燃料電池ＦＣのカソード４の出口とカソード排出配管３８ａを介して接続され、カソードオフガスが排出される出口が後記する背圧弁３６とカソード排出配管３８ｂを介して接続されている。
【００４７】
前記背圧弁３６は、例えばバタフライ弁などで構成され、燃料電池ＦＣのカソード４に供給される空気の圧力を適宜調整する機能を有している。また、背圧弁３６は、後記する制御部７１Ａによって決定された圧力指令値に基づいて、その開度が決定されるようになっている（図３参照）。
【００４８】
前記希釈系４０は、燃料電池ＦＣのアノード３から排出された水素を希釈する機能を有し、希釈器４１、配管４２ａ，４２ｂなどで構成されている。
【００４９】
前記希釈器４１は、パージ弁２３に接続された配管４２ａと、背圧弁３６に接続された配管４２ｂとそれぞれ接続され、希釈器４１内において、燃料電池ＦＣのアノード３から排出された水素と、燃料電池ＦＣのカソード４から排出されたカソードオフガス（空気や水など）とを混合させて希釈して排出するように構成されている。燃料電池ＦＣから排出された水素が希釈器４１を通ることにより、規定以下の水素濃度に希釈された水素が車外（大気中）に排出されるようになっている。
【００５０】
前記排気系５０は、サイレンサ５１、テールパイプ５２、配管５３などで構成されている。
【００５１】
前記サイレンサ５１は、排気音を低減する機能を有し、例えば、内部を複数に区画し、また吸音材を設けた円筒形のケースを備えている。テールパイプ５２は、サイレンサ５１の下流側の一端に接続された配管であり、下流側の一端が車外（大気中）と連通するように構成されている。前記配管５３は、サイレンサ５１と希釈器４１とを接続するように構成されている。
【００５２】
なお、燃料電池ＦＣのカソード４の出口以降の、カソード排出配管３８ａ、加湿器３５の加湿する側の流路３５ａ、カソード排出配管３８ｂ、配管４２ｂ、希釈器４１、配管５３、サイレンサ５１、およびテールパイプ５２によって、本実施形態における酸化剤ガス排出流路Ｒ（図１参照）が構成されている。また、カソード供給配管３７ａ〜３７ｄによって、本実施形態におけるガス流路が構成されている。
【００５３】
前記制御系７０は、制御部７１Ａ、圧力センサ７２、スロットル開度センサ７３、電流センサ７４、外気温度センサ７５などで構成されている。
【００５４】
前記制御部７１Ａは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、燃料電池暖機完了判定手段、排出流路状態判断手段および排出流路解氷手段を備えている。また、制御部７１Ａは、パージ弁２３、エアコンプレッサ３１、切替弁３３、背圧弁３６、圧力センサ７２、スロットル開度センサ７３、電流センサ７４、外気温度センサ７５と電気的に接続され、パージ弁２３および切替弁３３の開閉、エアコンプレッサ３１の回転速度、背圧弁３６の開度を適宜制御し、後記する圧力センサ７２、スロットル開度センサ７３、電流センサ７４、外気温度センサ７５から各検出値を取得する。
【００５５】
前記圧力センサ７２は、燃料電池ＦＣのカソード系３０の圧力を検出する機能を有し、例えば、燃料電池ＦＣのカソード４の出口近傍の配管３８ａに設けられている。なお、燃料電池ＦＣのカソード３の圧力を検出することができるものであれば、カソード４の出口近傍に限定されるものではない。
【００５６】
前記スロットル開度センサ７３は、アクセルペダルの踏み込み量を検出するセンサである。例えば、加速時にアクセルペダル（図示せず）を踏み込むことにより、その踏み込み量に応じて背圧弁３６の開度が絞られ、または、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度が高められて、カソード系３０の圧力が高められる。すなわち、アクセルペダルの踏み込み量に応じて、圧力指令値が適宜設定され、そのときの圧力指令値に基づいて背圧弁３６の開度が適宜調節され、またエアコンプレッサ３１の回転速度が適宜調節される。
【００５７】
前記電流センサ７４は、燃料電池ＦＣから負荷８０（図１参照）に取り出される電流値を検出するセンサである。負荷８０とは、例えば、走行モータ、バッテリなどの蓄電装置、エアコンプレッサ３１、パージ弁２３、切替弁３３、背圧弁３６などの補機である。なお、燃料電池ＦＣから負荷８０への電流の取り出しは、図示しない電圧制御装置によって制御される。
【００５８】
前記外気温度センサ７５（外気温度検出手段）は、燃料電池システム１Ａ（車両）の外部の温度を検出するセンサである。
【００５９】
次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａにおける排出流路解氷制御について図２ないし図４を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、図２のフローでは、燃料電池ＦＣの暖機が実行されるような低温環境下で燃料電池ＦＣが起動されることを前提として説明する。
【００６０】
まず、燃料電池自動車（車両）のイグニッションスイッチ（図示せず）がオフからオンに切り替えられることにより、制御部７１Ａは、水素タンク２１に設けられた図示しない遮断弁を開弁して、水素タンク２１から燃料電池ＦＣのアノード３に水素を供給し、エアコンプレッサ３１の駆動を開始して燃料電池ＦＣのカソード４に、冷却器３２で冷却され、加湿器３５で加湿された空気を供給するように制御する。これにより、発電時には、アノード３において、触媒の作用によって水素から電子が分離され、電子が負荷８０を通ってカソード４に移動し、水素イオンが電解質膜２を透過してカソード４に移動する。また、カソード４において、触媒の作用によって、アノード３から負荷８０を通ってカソード４に移動した電子と、電解質膜２を透過した水素イオンと、空気中の酸素との反応により水が生成される。
【００６１】
図２に示すように、ステップＳ１００において、制御部７１Ａは、暖機が完了したか否かを判断する。なお、暖機とは、燃料電池システム１Ａが低温環境下（氷点下）で使用される場合に実行される処理であり、例えば、燃料電池ＦＣに通常運転よりも高い流量および圧力で空気を供給して、燃料電池ＦＣを高い出力で発電させることによって行う処理である。また、暖機完了の判断条件としては、燃料電池ＦＣの温度が所定温度（例えば、３０℃）を超えたときに暖機完了と判断できる。また、このステップＳ１００が、本実施形態における燃料電池暖機完了判定手段が実施する処理に相当する。ステップＳ１００において、制御部７１Ａは、暖機が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１００を繰り返し、暖機が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、通常発電（定常発電）に移行し、ステップＳ１１０に進む。なお、燃料電池ＦＣを暖機する手段としては、前記したものに限定されず、触媒燃焼式や電気式などのヒータを用いて、燃料電池ＦＣを循環する冷媒を加熱して暖機するようにしてもよい。
【００６２】
なお、通常運転時には、例えば、制御部７１Ａは、スロットル開度センサ７３から得られる検出値に基づいて、背圧弁３６の開度を適宜調節する。具体的には、アクセルペダルの踏み込み量の増加によってスロットル開度が増加した場合には、カソード系３０のカソード圧力が高くなるように、背圧弁３６の開度を閉じる方向に制御する。この場合、制御部７１Ａは、スロットル開度に基づいて圧力指令値を決定し、その決定された圧力指令値に基づく背圧弁３６の開度を図３に示すマップなどに基づいて設定する。
【００６３】
そして、ステップＳ１１０において、制御部７１Ａは、凍結防止制御が実施中であるか否かを判断する。ステップＳ１１０において、制御部７１Ａは、凍結防止制御は実施中ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２０Ａに進み、スロットル開度によって決定された圧力指令値と、圧力センサ７２によって検出した圧力値とを比較して、すなわち（検出圧力値−圧力指令値）が所定値１以上であるか否かを判断する。つまり、酸化剤ガス排出流路Ｒ内が凍結により閉塞状態にある場合には、燃料電池ＦＣのカソード４の圧力が上昇するためフィードバック制御によって背圧弁３６を開ける方向へ制御される。このように、決定された圧力指令値よりも圧力センサ７２によって検出された圧力値のほうが高くなることによって判断できる。なお、所定値１以上とは、例えば、圧力指令値に対して検出圧力値が過度に高くなって、燃料電池ＦＣの発電性能を損なうおそれがある場合や酸化剤ガス排出流路Ｒ（配管等）に不具合が生じる場合を考慮して設定されるものである。また、ステップＳ１２０Ａおよび後記するステップＳ１９０Ａが、本実施形態における排出流路状態判断手段が実施する処理に相当する。
【００６４】
ステップＳ１２０Ａにおいて、制御部７１Ａは、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値１以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３０に進み、外気温度センサ７５によって検出された外気温度が所定温度以上であるか否かを判断する。なお、所定温度とは、圧力センサ７２の故障などと、凍結とを切り分けるために設定されるものであり、例えば１０℃に設定することができる。このような温度に設定することにより、凍結を生じない温度であるにもかかわらず、所定値１以上である場合には、圧力センサ７２の故障や酸化剤ガス排出流路Ｒ内のごみ詰まりなどであると判断できる。したがって、ステップＳ１３０において、制御部７１Ａは、外気温度が所定温度以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４０に進み、圧力センサ７２などの補機故障であると判断する。
【００６５】
そして、ステップＳ１５０に進み、制御部７１Ａは、例えば燃料電池自動車の車室内に設けられた警告ランプ（不図示）を点灯させる。なお、警告ランプに限定されるものではなく、警告音などであってもよい。
【００６６】
一方、ステップＳ１３０において、制御部７１Ａは、外気温度が所定温度以上ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、補機故障ではないと判断して、ステップＳ１６０に進み、電流センサ７４から得られる検出値（ＦＣ電流）が所定電流以上であるか否かを判断する（排出流路解氷制御停止手段）。つまり、ステップＳ１６０は、燃料電池ＦＣの発熱状態を検出する処理であり、燃料電池ＦＣから負荷８０に取り出される電流値が所定電流以上である場合には、燃料電池ＦＣの発熱状態が高く、燃料電池ＦＣが高温状態であると判断される。なお、所定電流は、エアコンプレッサ３１からの空気を冷却器３２をバイパスさせて燃料電池ＦＣに供給したときに、燃料電池ＦＣの過加熱による膜電極接合体の劣化を生じさせない値に設定される。
【００６７】
なお、燃料電池ＦＣの発熱状態を判断する手段としてＦＣ電流を用いて判断しているが、これに限定されるものではなく、燃料電池ＦＣに供給される空気の流量（エア流量）または空気の圧力（エア圧力）に基づいて判断してもよく、エア流量（エア圧力）が所定流量（所定圧力）以上である場合には、燃料電池ＦＣが高温状態であると判断できる。
【００６８】
ステップＳ１６０において、制御部７１Ａは、ＦＣ電流が所定電流以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１７０に進み、Ｉ／Ｃバイパスを実施しないように制御する。なお、Ｉ／Ｃバイパスとは、切替弁３３を閉じて、エアコンプレッサ３１からの空気を、冷却器３２を迂回するバイパス配管３４に流して燃料電池ＦＣに供給することである。つまり、燃料電池ＦＣが高温状態の場合に、Ｉ／Ｃバイパスを実施するとエアコンプレッサ３１から高温の空気が供給されることになり、燃料電池ＦＣがさらに高温状態になって膜が劣化する。これを防止するために、Ｉ／Ｃバイパスを実施せず、切替弁３３を開弁した状態において、エアコンプレッサ３１からの空気が冷却器３２に流れるように制御する。
【００６９】
また、ステップＳ１７０では、制御部７１Ａは、燃料電池自動車のアイドリングストップを禁止する。なお、アイドリングストップとは、水素（燃料ガス）を有効に活用するために行なわれる制御であり、エアコンプレッサ３１の停止により発電を停止して、蓄電装置の電力を用いて運転を継続する制御である。アイドリングストップの条件が整ったときに、アイドリングストップを実行する。アイドリングストップの条件とは、例えば、燃料電池自動車のブレーキペダル（ＢＫＳＷ−ＯＮ、不図示）が踏まれて、燃料電池自動車が停止し（車速ＶＳ＝０）、アクセルペダルがＯＦＦ（スロットル開度＝０）になったときである。
【００７０】
ステップＳ１７０において、アイドリングストップを実施する（エアコンプレッサ３１を停止する）と、燃料電池ＦＣから温かいカソードオフガスが流れなくなるので、アイドリングストップを禁止することにより、酸化剤ガス排出流路Ｒの凍結が進行するのを防止することが可能になる。
【００７１】
なお、アイドリングストップの条件は、前記した場合に限定されるものではなく、高速道路などをクルーズモードで走行しているときであってもよい。この場合、エアコンプレッサ３１を停止し、燃料電池ＦＣでの発電を停止して、蓄電装置（不図示）のみからの電力で走行させることができる。
【００７２】
また、ステップＳ１６０において、制御部７１Ａは、ＦＣ電流が所定電流以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１８０に進み、Ｉ／Ｃバイパスを実施するように制御する。このステップＳ１８０が、本実施形態における排出流路解氷手段が実施する処理に相当する。この場合、燃料電池ＦＣが高温状態にはなっていないので、切替弁３３を閉弁した状態において、エアコンプレッサ３１からの空気がバイパス配管３４に流れるように制御する。これにより、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスの温度が高くなり、酸化剤ガス排出流路Ｒ内の解氷制御が促進される。
【００７３】
また、ステップＳ１８０において、制御部７１Ａは、Ｉ／Ｃバイパスを実施する（排出流路解氷手段による制御を行なっている）場合には、アイドリングストップを禁止するように制御する。この場合も前記したように、アイドリングストップを実施する（エアコンプレッサ３１を停止する）と、燃料電池ＦＣから温かいカソードオフガスが流れなくなるので、アイドリングストップを禁止することにより、酸化剤ガス排出流路Ｒの凍結が進行するのを防止することが可能になる。
【００７４】
一方、ステップＳ１２０Ａにおいて、制御部７１Ａは、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値１以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２００に進み、Ｉ／Ｃバイパスを実施しないように制御する。すなわち、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値１以上でない場合には、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態にはないので、Ｉ／Ｃバイパスが実施されることはない。また、ステップＳ２００において、制御部７１Ａは、Ｉ／Ｃバイパスを実施しないとともに、アイドリングストップを許可する判断を行なう。これは、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態にないので、アイドリングストップを実行したとしても（エアコンプレッサ３１を停止したとしても）、燃料電池システム１Ａの配管等の不具合を引き起こすこともないからである。
【００７５】
また、ステップＳ１１０において、制御部７１Ａは、解氷制御（Ｉ／Ｃバイパス）を実施中であると判断した場合には、ステップＳ１９０Ａに進み、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値２以下であるか否かを判断する。所定値２は、前記した所定値１よりも低い値に設定され、圧力指令値と検出圧力値との差が、発電性能を低下させることなく、また燃料電池システム１Ａの配管等の不具合を引き起こすことのない値に設定される。このように、所定値１と所定値２との間に幅を持たせて制御することにより、いわゆるハンチング現象を防止することができる。なお、本実施形態におけるハンチング現象とは、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態である判断と、閉塞状態でない判断とが頻繁に入れ替わることを意味している。
【００７６】
ステップＳ１９０Ａにおいて、制御部７１Ａは、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値２以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態にないと判断して、ステップＳ２００に進み、Ｉ／Ｃバイパス制御を実施せず、アイドリングストップを許可するように制御する。また、ステップＳ１９０Ａにおいて、制御部７１Ａは、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値２以下ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１３０に進む。
【００７７】
なお、図２のフローには図示省略しているが、イグニッションスイッチがオフされた場合には、図示しない遮断弁が閉弁されて水素タンク２１から燃料電池ＦＣへの水素の供給が停止され、エアコンプレッサ３１が停止されて燃料電池ＦＣへの空気の供給が停止される。これにより、燃料電池ＦＣの発電が停止されて、燃料電池システム１Ａの運転が終了する。また、凍結防止制御（Ｉ／Ｃバイパス、アイドリングストップ禁止）が実施されているときに、イグニッションスイッチがオフされた場合には、エアコンプレッサ３１を継続して駆動して、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態が解消等された後にエアコンプレッサ３１を停止するようにしてもよい。
【００７８】
さらに解氷制御について説明すると、暖機完了直後（Ｓ１００、Ｙｅｓ）で、ステップＳ１１０の処理が初回の場合には、Ｉ／Ｃバイパス（凍結防止制御）は実施されていないので（Ｓ１１０、Ｎｏ）、ステップＳ１２０Ａにおいて、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値１以上であるかどうかを判断する。その時点で、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態に至っておらず、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値１以上でなければ（Ｓ１２０Ａ、Ｎｏ）、Ｉ／Ｃバイパスをせず、アイドリングストップを許可する（Ｓ２００）。このように酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態と判断されない場合には、ステップＳ１００、Ｓ１１０、Ｓ１２０Ａ、Ｓ２００の処理が繰り返される。
【００７９】
そして、燃料電池システム１Ａが氷点下に至るような低温環境下において、アイドリングストップの繰り返しなどによって酸化剤ガス排出流路Ｒが冷やされると、図４の実線Ａ（対策前）に示すように、酸化剤ガス排出流路Ｒ（例えば、テールパイプ５２）が０℃以下となって、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態になる。これにより、圧力指令値に対して検出圧力値が過度に高く（所定値１以上に）なる（Ｓ１２０Ａ、Ｙｅｓ）。このとき、外気温度によって補機（圧力センサ７２）故障ではなく（Ｓ１３０、Ｎｏ）、燃料電池ＦＣから取り出される電流値（ＦＣ電流）によって燃料電池ＦＣが高温状態になっていない場合には（Ｓ１６０、Ｎｏ）、Ｉ／Ｃバイパスは実施するが、アイドリングストップは禁止する（Ｓ１８０）。なお、Ｉ／Ｃバイパスを実施することにより、燃料電池ＦＣに対してより高温の空気が供給されるようになるので、図４の破線Ｂ（対策後）に示すように、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスがより高い温度で排出されるようになる。ただし、ここでアイドリングストップを実施すると、燃料電池ＦＣに対して空気が供給されなくなるので、アイドリングストップを禁止する。
【００８０】
一方、燃料電池ＦＣが高温状態である場合には（Ｓ１６０、Ｙｅｓ）、Ｉ／Ｃバイパス制御を停止する。また、この場合、ステップＳ１７０と同様にアイドリングストップを禁止する。このように酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態が続いている場合には（Ｓ１９０Ａ、Ｎｏ）、図２のフローのステップＳ１００、Ｓ１１０、Ｓ１９０Ａ、Ｓ１３０、Ｓ１６０、Ｓ１８０（またはＳ１７０）の処理が繰り返される。なお、ステップＳ１７０（Ｓ１８０）において、Ｉ／Ｃバイパス制御とアイドリングストップ禁止制御のいずれかが実施されていれば、ステップＳ１１０で凍結防止制御が実施中である（Ｓ１１０、Ｙｅｓ）と判断される。
【００８１】
そして、Ｉ／Ｃバイパス制御やアイドリングストップ禁止制御により、酸化剤ガス排出流路Ｒ内の氷が解けて、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態が解消されると、（検出圧力値−圧力指令値）が所定値２以下になり、（Ｓ１９０Ａ、Ｙｅｓ）、Ｉ／Ｃバイパス制御が実施されていればそれが停止されるとともに、アイドリングストップが許可される（Ｓ２００）。
【００８２】
このように第１実施形態によれば、低温環境下において、暖機完了後に酸化剤ガス排出流路Ｒが生成水の凍結により閉塞状態になった場合でも、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態に基づいて解氷制御が可能になるため、酸化剤ガス排出流路Ｒ内部の凍結による発電性能の低下や配管等への不具合を防止することが可能になる。
【００８３】
また、第１実施形態によれば、圧力指令値と検出圧力値とを比較して酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態の有無を判断することができるため、閉塞状態を検出するための特別な装置を使用しなくても、圧力センサ７２を設けるだけで、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態を推定することが可能になる。
【００８４】
また、第１実施形態によれば、冷却器３２（熱交換器）をバイパスさせた空気を燃料電池ＦＣに供給するので、燃料電池ＦＣに対してより高温の空気を供給できる。このため、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスの温度をより高めることができるので、燃料電池ＦＣから排出された生成水が氷結温度（例えば、０℃）まで下がる前に燃料電池システム１Ａの外部（車外）に排出することが可能になる（図４の破線Ｂ参照）。
【００８５】
また、第１実施形態によれば、燃料電池ＦＣが許容温度を超えないようにしているので（Ｓ１６０）、燃料電池ＦＣの過加熱による膜（膜電極接合体）の劣化を防止することが可能になる。また、燃料電池ＦＣの許容温度により加湿器３５の許容温度を超えないように推定することで、加湿器３５への熱害を防止することも可能になる。
【００８６】
（第２実施形態）
図５は第２実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図６は第２実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャート、図７はエアコンプレッサの出力と流量指令値との関係を示すマップである。なお、第２実施形態と第１実施形態とは、制御部７１Ａおよび圧力センサ７２に替えて、制御部７１Ｂおよび流量センサ７６とした点が異なる。以下では、異なるステップのみについて説明する。
【００８７】
図６に示すように、ステップＳ１２０Ｂにおいて、制御部７１Ｂは、（流量指令値−検出流量値）が所定値３以上であるか否かを判断する。なお、圧力センサ７２に替えて流量センサ７６を用いて判断する場合には、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態になると流量が減少するので、流量指令値に対して検出流量値が低くなる。また、所定値３以上とは、例えば、流量指令値に対して検出流量値が過度に低くなって、燃料電池ＦＣの発電性能を損なうおそれがある場合や酸化剤ガス排出流路Ｒ（配管等）に不具合が生じる場合を考慮して設定されるものである。また、制御部７１Ｂは、スロットル開度に基づいて流量指令値を決定し、その決定された流量指令値に基づくエアコンプレッサ３１のモータの回転速度を図７に示すマップなどに基づいて設定する。なお、ステップＳ１２０Ｂおよび後記するＳ１９０Ｂが、本実施形態における排出流路状態判断手段が実施する処理に相当する。
【００８８】
ステップＳ１２０Ｂにおいて、制御部７１Ｂは、（流量指令値−検出流量値）が所定値３以上である場合には（Ｙｅｓ）、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態であると判断してステップＳ１３０に進み、（流量指令値−検出流量値）が所定値３以上でない場合には（Ｎｏ）、酸化剤ガス排出流路Ｒは閉塞状態ではないと判断してステップＳ２００に進む。
【００８９】
また、ステップＳ１９０Ｂにおいて、制御部７１Ｂは、（流量指令値−検出流量値）が所定値４以下であるか否かを判断する。なお、所定値４は、所定値３よりも小さい値に設定される。このように、所定値３と所定値４との間に幅を持たせて制御することによりハンチングを防止することができる。ステップＳ１９０Ｂにおいて、制御部７１Ｂは、（流量指令値−検出流量値）が所定値４以下である場合には（Ｙｅｓ）、酸化剤ガス排出流路Ｒは閉塞状態ではないと判断してステップＳ２００に進み、（流量指令値−検出流量値）が所定値４以下でない場合には（Ｎｏ）、酸化剤ガス排出流路Ｒは閉塞状態であると判断してステップＳ１３０に進む。
【００９０】
このように第２実施形態によれば、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。すなわち、酸化剤ガス排出流路Ｒ内部の凍結による発電性能の低下や配管等への不具合を防止することが可能になる。また、閉塞状態を検出するための特別な装置を使用しなくても、流量センサ７６を設けるだけで、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態を推定することが可能になる。また、冷却器３２（熱交換器）をバイパスさせた空気を燃料電池ＦＣに供給するので、燃料電池ＦＣに対してより高温の空気を供給でき、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスの温度をより高めることができ、燃料電池ＦＣから排出された生成水が氷結温度（例えば、０℃）まで下がる前に燃料電池システム１Ａの外部（車外）に排出することが可能になる（図４の破線Ｂ参照）。また、燃料電池ＦＣが許容温度を超えないようにしているので（Ｓ１６０）、燃料電池ＦＣの過加熱による膜電極接合体の劣化を防止することが可能になる。また、燃料電池ＦＣの許容温度により加湿器３５の許容温度を超えないように推定することで、加湿器３５への熱害を防止することも可能になる。
【００９１】
なお、本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、第１実施形態では圧力指令値に基づいて背圧弁３６を制御する構成に替えて、圧力指令値に基づいてエアコンプレッサ３１のモータの回転速度を制御してもよい。この場合、酸化剤ガス排出流路Ｒ内が氷結して閉塞状態になると、燃料電池ＦＣのカソード４の圧力が通常よりも増加するため、フィードバック制御によってエアコンプレッサ３１の回転速度を下げるように制御される。つまり、検出圧力値が圧力指令値よりも過度に高くなること（所定値以上になること）によって閉塞状態を判断してもよい。
【００９２】
また、排出流路状態判断手段として、ステップＳ１２０Ａ（Ｓ１２０Ｂ）において、背圧弁３６のフィードバックに基づいて酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態を判断してもよい。すなわち、背圧弁３６の開度指令値に対するフィードバック値（開き方向へ向かう開度）が所定以上になった場合、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態であると判断できる。つまり、背圧弁３６のフィードバックとは、酸化剤ガス排出流路Ｒが凍結して閉塞してくると、燃料電池ＦＣ内の圧力が所定値よりも上昇するため、フィードバックにて背圧弁３６の開度をさらに開くことで圧力を調節する制御である。なお、ステップＳ１９０Ａ（Ｓ１９０Ｂ）では、背圧弁３６の開度指令値に対するフィードバック値が所定（ハンチング防止のため前記所定値とは幅を持たせる）未満になったか否かを判断する。
【００９３】
また、排出流路状態判断手段（Ｓ１２０Ａ、Ｓ１２０Ｂ）として、エアコンプレッサ３１のフィードバックに基づいて酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態を判断してもよい。すなわち、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度指令値（回転数指令値）に対するフィードバックが所定閾値以上になった場合、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態であると判断できる。つまり、エアコンプレッサ３１のフィードバックとは、酸化剤ガス排出流路Ｒが凍結して閉塞してくると、エア流量が低下するため、フィードバックにてエアコンプレッサ３１の回転速度を上げることでエア流量を調節する制御である。
【００９４】
なお、前記した排出流路状態判断手段では、エア流量に重点を置いた制御であるが、燃料電池ＦＣ内の圧力に重点を置いた制御にしてもよい。すなわち、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度指令値（回転数指令値）に対するフィードバックが所定閾値以下になった場合、酸化剤ガス排出流路Ｒが閉塞状態であると判断できる。つまり、この場合のエアコンプレッサ３１のフィードバックとは、酸化剤ガス排出流路Ｒが凍結して閉塞してくると、燃料電池ＦＣ内の圧力が所定値より上昇するため、フィードバックにてエアコンプレッサ３１の回転速度を下げることで圧力を調節する制御である。
【００９５】
また、排出流路解氷手段として、冷却器３２をバイパスするバイパス配管３４および切替弁３３を設ける構成に替えて、燃料電池ＦＣの発熱量を上昇させる制御を行なってもよい。すなわち、エアコンプレッサ３１からの空気の供給量を増量して空気中の酸素と水素とを多く消費させることによって、燃料電池ＦＣから取り出す電力を増量する処理である。なお、燃料電池ＦＣから取り出した電力は図示しない蓄電装置に充電される。このように燃料電池ＦＣの出力を増加させることにより、燃料電池ＦＣの発熱量が高まり、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスの排気温度が高まるようになる。あるいは、エアコンプレッサ３１からの空気の供給量を増加させて流速を高めるようにしてもよい。
【００９６】
（第３実施形態）
図８は第３実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図９は第３実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャートである。なお、第３実施形態は、第１実施形態に、Ｉ／Ｃバイパス制御が故障した場合の代替制御を追加した構成である。図８に示す燃料電池システム１Ｃの全体構成図では、制御部７１Ａに替えて制御部７１Ｃとし、圧力センサ７７およびＶＣＵ（Voltage  Control  Unit）８１を追加した点が第１実施形態と異なっている。また、図８に示す切替弁３３は、開度調節可能なバタフライ弁などで構成されている。また、バイパス配管３４には、第１実施形態および第２実施形態と同様なオリフィス（図示せず）が設けられている（後記する第４実施形態も同様）。図９に示すフローでは、図２のフローに、ステップＳ１６５，Ｓ２１０を追加した点が第１実施形態と異なっている。以下では、異なる構成およびステップのみについて説明する。
【００９７】
図８に示すように、前記圧力センサ７７は、燃料電池ＦＣのカソード４側の入口に設けられ、その検出値（圧力値）が制御部７１Ｃによって取得される。前記ＶＣＵ８１は、制御部７１Ｃからの発電指令に基づいて燃料電池ＦＣから取り出す発電電流（電力）を制御する。なお、第３実施形態における制御部７１Ｃは、熱交換器迂回可能判断手段、発電量増量手段をさらに含んで構成されている。
【００９８】
図９に示すように、ステップＳ１６０において、制御部７１Ｃは、電流センサ７４から得られる検出値（ＦＣ電流）が所定電流以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６５に進み、Ｉ／Ｃバイパス機構が正常であるか否かを判断する。なお、Ｉ／Ｃバイパス機構が正常であるか否かの判断は、切替弁３３（バタフライ弁）の開度変更に基づいて燃料電池ＦＣのカソード４の入口側の圧力を圧力センサ７７によって検出し、検出した圧力値が所定以下の場合にＩ／Ｃバイパス機構が故障していると判断する。また、このステップＳ１６５が、本実施形態における熱交換器迂回可能判断手段が実施する処理に相当する。
【００９９】
ステップＳ１６５において、制御部７１Ｃは、Ｉ／Ｃバイパス機構が故障していると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２１０に進み、Ｉ／Ｃバイパス制御の代替制御を実施する。すなわち、制御部７１ＣからＶＣＵ８１への発電指令に基づいて燃料電池ＦＣから取り出す発電電流（発電量）を増量することにより、燃料電池ＦＣ自身の自己発熱量を増加させ、燃料電池ＦＣから排出されるカソードオフガスの温度を上昇させる。なお、燃料電池ＦＣから取り出した発電電流は、例えばバッテリなどの蓄電装置（図示せず）に充電される。これにより、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞を解消できるため、Ｉ／Ｃバイパス機構が故障していたとしても、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞によって燃料電池ＦＣの発電継続が不能になるのを防止することができる。なお、ステップＳ２１０が、本実施形態における発電量増量手段が実施する処理に相当する。
【０１００】
また、ステップＳ２１０では、制御部７１Ｃは、アイドリングストップを禁止する制御を実施する。また、ステップＳ１６５において、制御部７１Ｃは、Ｉ／Ｃバイパス機構が正常であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１８０の処理を実施する。
【０１０１】
なお、第３実施形態において、ステップＳ２１０の発電量増量手段における発電量増量は、酸化剤ガス排出流路Ｒの配管閉塞量（凍っている氷の量）が多いほど上昇させる。ただし、燃料電池ＦＣやその他の補機の耐久温度以下となる値までとする。
【０１０２】
（第４実施形態）
図１０は第４実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。なお、第４実施形態は、第３実施形態と同様に、第１実施形態にＩ／Ｃバイパス制御が故障した場合の代替制御を追加した構成である。図８に示す燃料電池システム１Ｄの全体構成図では、制御部７１Ａに替えて制御部７１Ｄとし、圧力センサ７７、流量センサ７８および温度センサ７９を追加した点が第１実施形態と異なっている。また、第４実施形態の燃料電池システム１Ｄにおける解氷制御を示すフローチャートは、ステップＳ２１０の代替制御としてエア量を増量させる点を除いて第３実施形態（図９のフロー）と同様である。以下では、異なる構成およびステップＳ２１０のみについて説明する。
【０１０３】
図１０に示すように、前記流量センサ７８は、エアコンプレッサ３１の上流側に設けられ、燃料電池システム１Ｃの外部から導入されるエア（酸化剤ガス）の流量値が制御部７１Ｄによって取得される。また、前記温度センサ７９は、エアコンプレッサ３１の上流側に設けられ、燃料電池システム１Ｃの外部から導入されるエア（酸化剤ガス）の温度が制御部７１Ｄによって取得される。なお、第４実施形態における制御部７１Ｄは、熱交換器迂回可能判断手段、酸化剤ガス量増量手段をさらに含んで構成されている。
【０１０４】
図９に示すように、ステップＳ１６５において、制御部７１Ｄは、Ｉ／Ｃバイパス機構が故障していると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２１０に進み、Ｉ／Ｃバイパス制御の代替制御を実施する。すなわち、制御部７１Ｄによってエアコンプレッサ３１から燃料電池ＦＣに供給されるエア量（酸化剤ガス量）を増量することにより、酸化剤ガス排出流路Ｒを閉塞させている氷を燃料電池システム１Ｄの外部へ押し出す力を増大させる。また、エア量を増量することにより、エアコンプレッサ３１から排出されるエアがさらに圧縮されるため、エア温度も上昇する。これにより、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞を解消できるため、Ｉ／Ｃバイパス機構が故障していたとしても、酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞によって燃料電池ＦＣの発電継続が不能になるのを防止することができる。なお、ステップＳ２１０が、本実施形態における酸化剤ガス量増量手段が実施する処理に相当する。
【０１０５】
なお、第４実施形態において、ステップＳ２１０の酸化剤ガス量増量手段におけるエア量増量は、酸化剤ガス排出流路Ｒの配管閉塞量（凍っている氷の量）が多いほど上昇させる。ただし、燃料電池ＦＣやその他の補機の耐久温度以下となる値までとする。
【０１０６】
なお、第３実施形態および第４実施形態では、前記（第１実施形態、第２実施形態）と同様に、背圧弁３６のフィードバックに基づいて酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態を判断してもよく、あるいはエアコンプレッサ３１のフィードバックに基づいて酸化剤ガス排出流路Ｒの閉塞状態を判断してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャートである。
【図３】背圧弁の開度と圧力指令値との関係を示すマップである。
【図４】対策前後の各部収束温度の変化を示すグラフである。
【図５】第２実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図６】第２実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャートである。
【図７】エアコンプレッサ回転速度と流量指令値との関係を示すマップである。
【図８】第３実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【図９】第３実施形態の燃料電池システムにおける解氷制御を示すフローチャートである。
【図１０】第４実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１Ａ〜１Ｄ  燃料電池システム
５ａ    アノード流路
６ａ    カソード流路
３１    エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３２    冷却器（熱交換器）
３３    切替弁
３４    バイパス配管
３５    加湿器
３６    背圧弁
３７ａ〜３７ｄ  カソード供給配管
３８，３８ｂ  カソード排出配管
４１    希釈器
５１    サイレンサ
５２    テールパイプ
７１Ａ〜７１Ｄ  制御部
７２    圧力センサ
７５    外気温度センサ
７６    流量センサ
Ｒ      酸化剤ガス排出流路
ＦＣ    燃料電池
【図１】
0005227005.tif 000002
【図２】
0005227005.tif 000003
【図３】
0005227005.tif 000004
【図４】
0005227005.tif 000005
【図５】
0005227005.tif 000006
【図６】
0005227005.tif 000007
【図７】
0005227005.tif 000008
【図８】
0005227005.tif 000009
【図９】
0005227005.tif 000010
【図１０】
0005227005.tif 000011