(57)【要約】燃料電池システムは、水の流路と発電に必要なガスの流路を有する燃料電池（１）と、燃料電池（１）を保温することで前記燃料電池内での水の凍結を防止する第１の保護装置（５、１０）と、前記燃料電池内の水を排出することで前記燃料電池内での水の凍結を防止する第２の保護装置（１１、１２）を含む。コントローラ（５０）は、燃料電池（１）が停止しているときに使用される保護装置として第１の保護装置（５、１０）、第２の保護装置（１１、１２）のいずれかを選択し、選択された保護装置を動作させて燃料電池（１）を水の凍結から保護する。
2006500733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムにおいて、
水の流路（３５）と発電に必要なガスの流路（３３、３４）を有する燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）を保温することで前記燃料電池（１）内での水の凍結を防止する第１の保護装置（５、１０）と、
前記燃料電池（１）内の水を排出することで前記燃料電池（１）内での水の凍結を防止する第２の保護装置（１１、１２）と
次のように機能するコントローラ（５０）、
前記燃料電池（１）が停止しているときの保護装置として前記第１の保護装置（５、１０）、第２の保護装置（１１、１２）のいずれかを選択し、
前記燃料電池（１）が停止しているとき選択された保護装置を動作させて前記燃料電池（１）を保護する、
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】
前記第１の保護装置（５、１０）が、前記燃料電池（１）を昇温させるヒータ（５）を備え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】
前記第１の保護装置（５、１０）が、前記燃料電池（１）の温度降下を抑える断熱材（１０）を備え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】
前記第１の保護装置（５、１０）が、水の温度が０℃よりも高くなるようにヒータ（５）を制御す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５】
前記第２の保護装置（１１、１２）は前記燃料電池（１）から排出された水を蓄える容器（１２）を備え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６】
前記容器（１２）内で凍結した水を解凍する解凍装置を備え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（１）に水素を含む改質ガスを供給する改質器（１４）をさらに備え、
前記解凍装置が、前記改質器（１４）で発生した熱を用いて凍結した水を解凍する、
ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記水の流路（３５）と前記ガスの流路（３３、３４）が多孔質材料（３２）を挟んで設けられ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９】
前記燃料電池（１）に供給されるガスを加湿する加湿器（１６）と、
前記燃料電池（１）から排出されるガスから水を回収する水回収装置（１７）と、
をさらに備えた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１０】
前記燃料電池（１）の温度を計測するセンサ（４３）をさらに備え、
前記コントローラ（５０）が、
前記燃料電池（１）の温度が所定温度よりも低いときに、前記第１の保護装置（５、１０）あるいは第２の保護装置（１１、１２）による前記燃料電池（１）の保護を行う、
ようにさらに機能す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１１】
前記燃料電池（１）の温度を計測するセンサ（４３）が、前記燃料電池（１）内を流れる水の温度を計測するセンサであ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】
前記コントローラ（５０）が、前記燃料電池（１）の停止期間が所定期間よりも短いときは前記第１の保護装置（５、１０）を選択し、所定期間よりも長いときは前記第２の保護装置（１１、１２）を選択するようにさらに機能す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１３】
外気温度を計測するセンサ（４５）をさらに備え、
前記コントローラ（５０）が、外気温度が低くなるほど前記所定期間を短く設定するようにさらに機能することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池（１）の停止期間とは前記燃料電池（１）が発電を停止してから次に起動するまでの時間であることを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記コントローラ（５０）が、
過去の燃料電池（１）の起動時刻に関する情報に基づき前記燃料電池（１）の再起動時刻を予測し、
前記燃料電池（１）の停止時刻と予測された再起動時刻とに基づき前記燃料電池（１）の停止期間を演算する、
ようにさらに機能することを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料電池（１）の停止期間を入力する入力装置（５２）をさらに備えたことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記第１の保護装置（５、１０）、第２の保護装置（１１、１２）のいずれかを選択する手動選択装置（５１）をさらに備え、
前記コントローラ（５０）が、前記選択装置（５１）によって選択された保護装置を選択するようにさらに機能す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１８】
前記コントローラ（５０）が、
前記第１の保護装置（５、１０）を用いて前記燃料電池（１）の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、
前記第２の保護装置（１１、１２）を用いて前記燃料電池（１）の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、
前記第１の保護装置（５、１０）、第２の保護装置（１１、１２）のうち、必要とされるエネルギが少ない方を選択する、
ようにさらに機能す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１９】
前記コントローラ（５０）が、
前記燃料電池（１）の停止期間中の外気温度の変化を予測し、
予測される停止期間中の外気温度の変化に基づき前記第１の保護装置（５、１０）を用いて前記燃料電池（１）の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算する、
ようにさらに機能することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記コントローラ（５０）が、過去の外気温度の変化に関する情報に基づき停止期間中の外気温度の変化を予測するようにさらに機能することを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
システムの外部から将来の外気温度に関連する信号を受信する受信装置（４６）をさらに備え、
前記コントローラ（５０）が、前記受信装置（４６）が受信した信号に基づき停止期間中の外気温度の変化を予測するようにさらに機能することを特徴とする請求項１９に記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記コントローラ（５０）が、
再起動時刻における外気温度を予測し、
予測される再起動時刻における外気温度に基づき前記第２の保護装置（１１、１２）を用いて前記燃料電池（１）の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算する、
ようにさらに機能することを特徴とする請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２３】
前記コントローラ（５０）が、時刻と外気温度の相関関係から再起動時刻の外気温度を予測するようにさらに機能することを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２４】
システムの外部から将来の外気温度に関する信号を受信する受信装置（４６）をさらに備え、
前記コントローラ（５０）が、前記受信装置（４６）が受信した信号に基づき再起動時刻における外気温度を予測するようにさらに機能することを特徴とする請求項２２に記載の燃料電池システム。
【請求項２５】
前記ヒータ（５）に燃料を供給する燃料を貯蔵する貯蔵装置（２２）と、
前記貯蔵装置（２）の燃料残量を検出するセンサ（４７）と、
をさらに備え、
前記コントローラ（５０）が、前記第１の保護装置（５、１０）による保護を実行中であっても、検出された燃料残量が所定量よりも低くなった場合は第１の保護装置（５、１０）による保護を中止し、前記第２の保護装置（１１、１２）による保護を開始するようにさらに機能す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２６】
前記ヒータ（５）に電気を供給するバッテリ（２３）と、
前記バッテリ（２３）の充電状態を検出するセンサ（４８）と、
をさらに備え、
前記コントローラ（５０）が、前記第１の保護装置（５、１０）による保護を実行中であっても、検出された充電状態が所定値よりも低くなった場合は第１の保護装置（５、１０）による保護を中止し、前記第２の保護装置（１１、１２）による保護を開始するようにさらに機能す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２７】
外気の酸素濃度を検出するセンサ（４９）をさらに備え、
前記コントローラ（５０）が、前記第１の保護装置（５、１０）による保護を実行中であっても、検出された酸素濃度が所定濃度よりも低くなった場合は第１の保護装置（５、１０）による保護を中止し、前記第２の保護装置（１１、１２）による保護を開始するようにさらに機能す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２８】
燃料電池システムにおいて、
水の流路（３５）と発電に必要なガスの流路（３３、３４）を有する燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）を保温することで前記燃料電池（１）内での水の凍結を防止する第１の保護装置（５、１０）と、
前記燃料電池（１）内の水を排出することで前記燃料電池（１）内での水の凍結を防止する第２の保護装置（１１、１２）と
前記燃料電池（１）が停止しているときの保護装置として前記第１の保護装置（５、１０）、第２の保護装置（１１、１２）のいずれかを選択する手動選択装置（５３）と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２９】
水の流路（３５）と発電に必要なガスの流路（３３、３４）を有する燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）を保温することで前記燃料電池（１）内での水の凍結を防止する第１の保護手段（５、１０）と、
前記燃料電池（１）内の水を排出することで前記燃料電池（１）内での水の凍結を防止する第２の保護手段（１１、１２）と
前記燃料電池（１）が停止しているときの保護手段として前記第１の保護手段（５、１０）、第２の保護手段（１１、１２）のいずれかを選択する手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３０】
水の凍結からの燃料電池の保護方法において、
第１の保護方法、第２の保護方法いずれかを選択し、
前記第１の保護方法を選択した場合は前記燃料電池（１）を保温することで前記燃料電池（１）内での水の凍結を防止し、
前記第２の保護方法を選択した場合は前記燃料電池（１）内の水を排出することで前記燃料電池（１）内での水の凍結を防止する、
ことを特徴とする保護方法。
【請求項３１】
前記第１の保護方法を選択した場合、前記燃料電池（１）を加熱し０℃以上に昇温させることを特徴とする請求項３０に記載の保護方法。
【請求項３２】
前記第１の保護方法を選択した場合、前記燃料電池（１）を外気から断熱して前記燃料電池（１）の温度降下を抑えることを特徴とする請求項３１に記載の燃料電池システム。
【請求項３３】
前記第１の保護方法を選択した場合、前記水が０℃よりも高くなるように加熱することを特徴とする請求項３１に記載の保護方法。
【請求項３４】
前記第２の保護方法を選択した場合、前記燃料電池（１）から排出された水を容器（１２）に蓄えることを特徴とする請求項３０に記載の保護方法。
【請求項３５】
前記燃料電池（１）を再起動する際、前記容器（１２）内で凍結した水を加熱し解凍することを特徴とする請求項３４に記載の保護方法。
【請求項３６】
前記燃料電池（１）に水素を含む改質ガスを供給する改質器（１４）が発生する熱を用いて凍結した水を解凍することを特徴とする請求項３４に記載の保護方法。
【請求項３７】
前記燃料電池（１）の温度を計測し、
前記燃料電池（１）の温度が所定温度よりも低いときに、前記第１あるいは第２の保護方法による前記燃料電池（１）の保護を行う、
ことを特徴とする請求項３０に記載の保護方法。
【請求項３８】
前記燃料電池（１）内を流れる水の温度を前記燃料電池（１）の温度として計測することを特徴とする請求項３７に記載の保護方法。
【請求項３９】
前記燃料電池（１）の停止期間が所定期間よりも短いときに前記前記第１の保護方法を選択し、所定期間よりも長いときに第２の保護方法を選択することを特徴とする請求項３０に記載の保護方法。
【請求項４０】
外気温度を計測し、
外気温度が低くなるほど前記所定期間を短く設定することを特徴とする請求項３９に記載の保護方法。
【請求項４１】
前記燃料電池（１）の停止期間とは前記燃料電池（１）が発電を停止してから再起動するまでの時間であることを特徴とする請求項３９に記載の保護方法。
【請求項４２】
過去の燃料電池（１）の起動時刻に関する情報に基づき前記燃料電池（１）の再起動時刻を予測し、
前期燃料電池（１）の停止時刻と予測された再起動時刻とに基づき前記燃料電池（１）の停止期間を演算する、
ことを特徴とする請求項３９に記載の保護方法。
【請求項４３】
前記燃料電池（１）の停止期間を入力装置から入力することを特徴とする請求項３９に記載の保護方法。
【請求項４４】
前記第１の保護方法により前記燃料電池（１）の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、
前記第２の保護方法により前記燃料電池（１）の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算し、
前記第１の保護方法、第２の保護方法のうち、必要とされるエネルギが少ない方を選択する、
ことを特徴とする請求項３０に記載の保護方法。
【請求項４５】
前記燃料電池（１）の停止期間中の外気温度の変化を予測し、
予測される停止期間中の外気温度の変化に基づき前記第１の保護方法により前記燃料電池（１）の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算する、
ことを特徴とする請求項４４に記載の保護方法。
【請求項４６】
過去の外気温度の変化に関する情報に基づき停止期間中の外気温度の変化を予測することを特徴とする請求項４５に記載の保護方法。
【請求項４７】
受信装置（４６）により将来の外気温度に関連する信号をシステムの外部から受信し、
前記受信装置（４６）により受信した信号に基づき停止期間中の外気温度の変化を予測する、
ことを特徴とする請求項４５に記載の保護方法。
【請求項４８】
再起動時の外気温度を予測し、
予測される再起動時の外気温度に基づき前記第２の保護方法により前記燃料電池の保護を行った場合に必要とされるエネルギを演算する、
ことを特徴とする請求項４４に記載の保護方法。
【請求項４９】
時刻と外気温度の相関関係から再起動時の外気温度を予測することを特徴とする請求項４８に記載の保護方法。
【請求項５０】
受信装置（４６）により将来の外気温度に関連する信号をシステムの外部から受信し、
受信装置（４６）により受信した信号に基づき再起動時における外気温度を予測する、
ことを特徴とする請求項４８に記載の保護方法。
【請求項５１】
前記燃料電池（１）の加熱に用いる燃料の残量を検出し、
前記第１の保護方法よる保護を実行中であっても、検出された燃料残量が所定量よりも少なくなった場合は保護方法を前記第１の保護方法から前記第２の保護方法に切り換える、
ことを特徴とする請求項３１に記載の保護方法。
【請求項５２】
前記燃料電池（１）の加熱に用いる電力の残量を検出し、
前記第１の保護方法よる保護を実行中であっても、検出された電力残量が所定量よりも少なくなった場合は保護方法を前記第１の保護方法から前記第２の保護方法に切り換え、
ことを特徴とする請求項３１に記載の保護方法。
【請求項５３】
外気の酸素濃度を検出し、
前記第１の保護方法による保護を実行中であっても、検出された酸素濃度が所定濃度よりも低くなった場合は保護方法を前記第１の保護方法から前記第２の保護方法に切り換える、
ことを特徴とする請求項３１に記載の保護方法。
【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し、特に、燃料電池が停止しているときの水の凍結からの燃料電池の保護に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料エネルギを直接電気に変換する装置である。燃料電池においては、電解質膜を挟んでアノードガス通路、カソードガス通路が設けられている。アノードガス通路に水素を供給し、カソードガス通路に酸素を供給すれば、電解質膜の表面で生じる下記の電気化学反応により電気エネルギを取り出すことができる。
【０００３】
アノード反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
電解質膜の性能を引き出し、燃料電池の発電効率を向上させるには、電解質膜の加湿状態を最適に保つ必要があるため、燃料電池に供給するガスは加湿される。加湿用の水には純水が用いられる。これは不純物が混入した水を燃料電池に供給すると、電解質膜に不純物が付着し、燃料電池の性能が低下するからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
加湿用の水に純水を使用した場合、燃料電池が氷点（＝０℃）よりも低い温度の環境に置かれたときに電池内の純水が凍結する。水は凍結すると液相の水に対して体積が膨張するので、電池内での水の凍結は燃料電池を破壊する可能性がある。
【０００５】
日本国特許庁が1995年に発行した特開平７−１６９４７６号は、燃料電池を保温することで燃料電池を水の凍結から保護する方法を開示している。この方法は、燃料電池の温度が０℃以下にならないようヒータで燃料電池を暖めることにより燃料電池内での水の凍結を防止する。しかし、この方法では、燃料電池が長時間停止する場合にヒータが長時間作動することになり、燃料電池の保護に必要なエネルギが膨大になる。
【０００６】
本発明の目的は、したがって、水の凍結から燃料電池を保護しつつ、保護に必要なエネルギ量を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料電池システムであって、水の流路と発電に必要なガスの流路を有する燃料電池と、前記燃料電池を保温することで前記燃料電池内での水の凍結を防止する第１の保護装置と、前記燃料電池内の水を排出することで前記燃料電池内での水の凍結を防止する第２の保護装置と、前記燃料電池が停止しているときの保護装置として前記第１の保護装置、第２の保護装置のいずれかを選択し、前記燃料電池が停止しているとき選択された保護装置を動作させて前記燃料電池を保護するコントローラを備えたものを提供する。
【０００８】
また、本発明の別の態様では、水の凍結からの燃料電池の保護方法であって、第１の保護方法、第２の保護方法いずれを使用するか選択し、前記第１の保護方法を選択した場合は前記燃料電池を保温することで前記燃料電池内での水の凍結を防止し、前記第２の保護方法を選択した場合は前記燃料電池内の水を排出することで前記燃料電池内での水の凍結を防止する保護方法を提供する。
【０００９】
本発明の詳細、他の特徴、利点については、明細書の残りの部分及び添付図面に示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図面の図１を参照すると、本発明に係る車両用燃料電池システムは、燃料電池スタック１、循環ポンプ２、熱交換器３、内部ウォータタンク４、内部ヒータ５を備え、これらは断熱材でできた断熱ケース１０内に収められている。内部ウォータタンク４は燃料電池スタック１からの水の回収のし易さを考慮して燃料電池スタック１よりも下に設けられる。内部ヒータ５は断熱ケース１０内の昇温効果を考慮して断熱ケース１０内の下部に設けられる。断熱ケース１０には、断熱ケース１０の内と外とで空気を循環させるための連絡口７が設けられている。
【００１１】
断熱ケース１０の外側には、ポンプ１１、外部ウォータタンク１２、外部ヒータ１３が設けられている。外部ウォータタンク１２は内部ウォータタンク４からの排水のし易さを考慮して断熱ケース１０よりも下に設けられる。外部ヒータ１３は外部ウォータタンク１２の加熱に用いられ、外部ウォータタンク１２に接するように、あるいはその近傍に設けられる。
【００１２】
燃料電池スタック１には負荷２１が電気的に接続されている。燃料電池スタック１が発電した電力は負荷２１あるいは図示しないバッテリに供給される。負荷２１は主として車両を駆動するための電気モータである。燃料電池スタック１の電圧Vcはセンサ４１、電流Icはセンサ４２によってそれぞれ検出される。
【００１３】
燃料電池システムを制御するコントローラ５０は、１または２以上のマイクロプロセッサ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを含む。コントローラ５０は、燃料電池スタック１の停止時、負荷２１と燃料電池スタック１との接続を切り離すとともに、燃料電池スタック１を水の凍結から保護するための保護装置（保護方法）を選択し、この選択した保護装置を動作させて燃料電池スタック１の保護を行う。
【００１４】
燃料電池スタック１は、運転時にはアノードに燃料ガスが供給される。燃料ガスは、水素貯蔵装置から供給される水素、あるいはガソリン、メタノール等の炭化水素燃料を改質して得られる水素を含んだ改質ガスである。カソードには酸素を含有するガスとして空気が供給される。燃料電池スタック１では水素と酸素を用いて電気エネルギが取り出される。これらのガスの供給が停止される間、燃料電池スタック１は発電を行わない。
【００１５】
図２は燃料電池スタック１の内部構造を示す。燃料電池スタック１は積層された複数のセルで構成される。１つのセルはバイポーラプレート３０、３１と、プレート３０、３１の間に挟まれた膜／電極接合体３２（以下、ＭＥＡ）とで構成される。プレート３０とＭＥＡ３２との間にはアノードガスを流す通路３３が複数形成され、プレート３１とＭＥＡ３２との間にはカソードガスを流す通路３４が複数形成される。また、セルとセルの間には冷却及び加湿用の純水を流す通路３５が複数形成される。
【００１６】
プレート３０、３１には液体を通す多孔質のプレートが用いられる。これにより、通路３５に純水を流した場合には純水がプレート３０、３１内に浸透して通路３３、３４まで達し、これによって通路３３、３４を流れるガスが加湿される。また、反応で生成された水がガス通路３３、３４内で過剰となった場合には、純水がプレート３０、３１内に浸透し、通路３５に回収される。
【００１７】
この結果、燃料電池スタック１内を流れるガスは適度に加湿され、ＭＥＡ３２が乾燥するのが防止される。また、燃料電池スタック１内で加湿及び水回収が行われるので、加湿器、水回収装置は不要である。
【００１８】
燃料電池スタック１の冷却装置は、ポンプ２、熱交換器３、内部ウォータタンク４、冷却水通路６で構成される。冷媒は純水である。発電時に燃料電池スタック１が発生する熱は熱交換器３を介して純水から熱交換器３内を流れる不凍液に伝えられ、図示しないラジエータから外気に放出される。燃料電池スタック１の冷却に純水を用いているので、外気温度が氷点下まで低下したときに燃料電池スタック１内に純水が存在すると、純水が凍結し、燃料電池スタック１の故障の原因となりうる。そこで、この実施形態では、純水の凍結から燃料電池スタック１を保護する装置を２つ有している。
【００１９】
第１の保護装置は、燃料電池スタック１を加熱、保温することで燃料電池スタック１の温度を０℃以上に保つ装置である。第１の保護装置は、燃料電池スタック１から外気への放熱を抑え、燃料電池スタック１の温度降下を抑える断熱ケース１０と、断熱ケース内を加熱する内部ヒータ５とで構成される。内部ヒータ５は燃料電池スタック１の燃料を利用する燃焼器あるいは触媒燃焼器である。内部ヒータ５はバッテリの電気あるいは外部電源より供給される電気を用いる電気ヒータであってもよい。
【００２０】
第２の保護装置は、内部ウォータタンク４内の純水を排出するポンプ１１と、排出された純水を保管する外部ウォータタンク１２と、外部ウォータタンク１２内で凍結した水を解凍するための外部ヒータ１３とで構成される。外部ウォータタンク１２は凍結時の純水の膨張に耐える構造を有する。外部ヒータ１３は燃料電池スタック１の燃料を利用する燃焼器あるいは触媒燃焼器である。外部ヒータ１３はバッテリの電力あるいは外部電源より供給される電気を用いる電気ヒータであってもよい。
【００２１】
第２の保護装置は、燃料電池停止時に内部ウォータタンク４内の純水を外部ウォータタンク１２に排出することで燃料電池スタック１内に純水が残らないようにし、燃料電池スタック１内での純水の凍結を防止する。燃料電池スタック１が停止している間に外部ウォータタンク１２内の純水は凍結するので、燃料電池スタック１を再起動させるときには、外部ヒータ１３により凍結した水を解凍し、ポンプ１１で解凍した水を内部ウォータタンク４に戻す必要がある。
【００２２】
この実施形態では、燃料電池スタック１停止中にいずれの保護装置を動作させて燃料電池スタック１の保護をするかは、運転者が保護装置セレクタ５１を操作することで決定する。
【００２３】
図３は燃料電池スタック１の停止期間と燃料電池スタック１を水の凍結から保護するのに必要なエネルギの関係を示す。
【００２４】
第１の保護装置を用いる場合に必要なエネルギE1は、燃料電池スタック１から外気への放熱量を内部ヒータ５による加熱によって補い、燃料電池スタック１を０℃以上に保つために必要なエネルギである。図３では燃料電池スタック１の温度が０℃付近になってからの経過時間を燃料電池スタック１の停止期間としている。第１の保護装置を用いた場合、ヒータを一定負荷で稼動すると、燃料電池スタック１の停止期間tsが長くなるほど燃料電池スタック１の放熱量が多くなるので、必要エネルギは図中実線で示すように、燃料電池スタック１の停止期間tsに比例して増大する。
【００２５】
一方、第２の保護装置を用いる場合に必要なエネルギE2は、内部ウォータタンク４から外部ウォータタンク１２に純水を排水するのに必要なエネルギ（ポンプ１１の消費エネルギ）と、外部ウォータタンク１２内で凍結した純水を再起動時に解凍するのに必要なエネルギ（外部ヒータ１３の消費エネルギ）と、純水を外部ウォータタンク１２から内部ウォータタンク４に戻すのに必要なエネルギ（ポンプ１１の消費エネルギ）の和となる。したがって、第２の保護装置を用いて保護を行う場合に必要なエネルギE2は、再起動時の外気温度を考慮しなければ図中破線で示すように、燃料電池スタック１の停止期間tsによらず一定となる。
【００２６】
したがって、ある停止期間txで両装置の必要エネルギが等しくなり、燃料電池スタック１の停止期間tsがtxよりも短ければ第１の保護装置、txよりも長ければ第２保護装置により燃料電池スタック１の保護を行うようにすれば燃料電池スタック１の保護に必要なエネルギを低くできる。
【００２７】
この実施形態では運転者が保護装置セレクタ５１によりいずれの保護装置を使用するか決定する。運転者は次回に車を使用する予定から停車時間、すなわち燃料電池スタック１の停止期間tsを予測することができるので、これに基づき運転者が適切な保護装置を選択する。消費エネルギを低く抑えるためには、運転者は、停止期間が短い場合に第１の保護装置を選択し、停止期間が長い場合に第２の保護装置を選択すればよい。
【００２８】
図４は保護装置選択処理を示したフローチャートであり、コントローラ５０において所定時間毎に繰り返し実行される。
【００２９】
これによると、まず、ステップＳ１０で燃料電池スタック１の電圧Vc、電流Ic等の運転状態が読み込まれ、ステップＳ１１では運転状態に基づき燃料電池スタック１が停止したか判断される。本発明は燃料電池の温度が低下した場合に凍結を防止することを目的としている。燃料電池の温度が低下するまでにある程度の時間がかかることを考えると、長時間発電が行われない場合の保護を想定している。よって、燃料電池スタック１の停止とは、運転中の過渡的な停止あるいはアイドル時のストップではなくて、運転者が車から離れ、ある程度の期間、運転が停止するときのことを意味する。また、燃料電池スタック１が発電を停止した時から燃料電池スタック１の温度が低下し始めることから、燃料電池スタック１が発電を停止したとき、具体的には燃料電池スタック１の電圧Vcあるいは電流Icがゼロになったときに燃料電池スタック１が停止したと判断するのがよい。
【００３０】
燃料電池スタック１が停止したと判断されるとステップＳ１２に進み、保護装置セレクタ５１の出力が読み込まれる。
【００３１】
ステップＳ１３では、保護装置セレクタ５１の出力に基づき、いずれの保護装置が選択されているか判断される。第１の保護装置が選択されている場合にはステップＳ１４に進み、第１の保護装置による保護、すなわち断熱ケース１０による燃料電池スタック１の保温と内部ヒータ５による燃料電池スタック１の加熱が行われる。
【００３２】
一方、第２の保護装置が選択されている場合にはステップＳ１５に進み、第２の保護装置による保護、すなわち、ポンプ１１で内部ウォータタンク４内の純水が外部ウォータタンク１２に排出され、燃料電池スタック１内での純水の凍結が防止される。この場合、外部ウォータタンク１２で水の凍結が起こるので、再起動時には外部ヒータ１３で凍結した水を解凍し、ポンプ１１で水を内部ウォータタンク４に戻す必要がある。
【００３３】
この実施形態では、外部ウォータタンク１２内で凍結した純水は外部ヒータ１３によって解凍されるが、図５に示すように、燃料電池スタック１が改質器１４を備える場合は、バルブ１５を開いて改質器１４を冷却する冷媒を外部ウォータタンク１２まで導き、再起動時に改質器１４で発生する熱を利用して冷媒を暖め、暖められた冷媒で凍結した水を解凍するようにしてもよい。
【００３４】
また、図６に示すように、コントローラ５０をなくし、オペレータが手動操作セレクタ５３を操作することにより、第１の保護装置、第２の保護装置いずれを燃料電池スタック１が停止しているときの保護装置として使用するかを直接選択するようにしてもよい。セレクタ５３は第１の保護装置を作動させる状態、第２の保護装置を作動させる状態、いずれの保護装置も作動させない状態の３つの状態を選択することができる。セレクタ５３は、内部ヒータ５の作動／非作動を切替えるスイッチと、ポンプ１１の作動／非作動を切替えるスイッチとで構成しても良い。
【００３５】
この場合、燃料電池スタック１の停止期間が短いときは、オペレータはセレクタ５３を操作して内部ヒータ５を作動させ、内部ヒータ５により燃料電池スタック１を加熱し、燃料電池スタック１内での水の凍結を防止する。一方、停止期間が長いときは、オペレータはセレクタ５３を操作してポンプ１１を作動させ、内部ウォータタンク４内の純水が外部ウォータタンク１２に排出することで燃料電池スタック１内での水の凍結を防止する。
【００３６】
次に、第２の実施形態について説明する。
【００３７】
第１の実施形態では多孔質のバイポーラプレート３０、３１を用いることでガスの加湿及びガスからの水回収を燃料電池スタック１内で行っていたが、第２の実施形態では、図７に示すように燃料電池スタック１のバイポーラプレートに液体を通さないプレート３６、３７を使用し、燃料電池スタック１に供給するガスを加湿する加湿器１６、燃料電池スタック１から排出されるガスから水を回収する水回収装置１７を別途設けている点が異なる。
【００３８】
図８は第２の実施形態を示す。燃料電池スタック１の上流に加湿器１６、下流に水回収装置１７を設けている。冷媒としての純水は加湿器１６、水回収装置１７の中も流れる。
【００３９】
不凍液を循環させる燃料電池スタック１の冷却水通路１８と、加湿用の純水を循環させる純水通路１９とは分離している。冷却水通路１８は燃料電池スタック１の温度制御に用いられ、純水通路１９は加湿器１６への純水供給と燃料電池スタック１及び水回収装置１７からの水回収に用いられる。加湿器１６、水回収装置１７は断熱ケース１０の内側に設置される。
【００４０】
この実施形態における保護装置の選択処理は図４に示した第１実施形態のものと同じであり、燃料電池スタック１が停止しているときは保護装置セレクタ５１によって選択された保護装置を用いて燃料電池スタック１の保護が行われる。
【００４１】
次に、第３の実施形態について説明する
第３の実施形態の構成は第１の実施形態の構成と略同じである。第３の実施形態では保護装置の選択が燃料電池スタック１の温度が所定温度以下になったときに実行する。すなわち、燃料電池スタック１の温度が所定温度以下になるまで保護装置による保護処理は行わない。さらに、保護装置の選択は燃料電池スタック１の停止期間に基づいて行う。
【００４２】
図９は第３の実施形態の構成図を示す。図１に示した第１の実施形態に対して、冷却水通路６内を流れる純水の温度を検出するセンサ４３、内部ウォータタンク４の水量を検出するセンサ４４、入力装置５２が追加されている。
【００４３】
図１０の破線は燃料電池スタック１が停止してからの純水の温度変化を示す。燃料電池スタック１が停止した直後は燃料電池スタック１の温度が運転温度、例えば、約８０℃となっているので、燃料電池スタック１の温度が０℃以下になるまでには時間を要する。燃料電池スタック１の温度が０℃以下にならなければ保護装置による保護が必要ないことから、この実施形態では燃料電池スタック１の温度が０℃に近づいてからいずれの保護装置を用いるか判断する。
【００４４】
燃料電池スタック１の温度TEMPcとしては冷却水通路６内を流れる純水の温度を用いる。これは燃料電池スタック１内で純水が凍結すると燃料電池スタック１を破壊することを考慮したものである。
【００４５】
図１０において、破線は保護装置を稼動させなかった場合の温度変化を示し、実線は第１の保護装置で燃料電池スタック１の保護を行った場合の燃料電池スタック１の温度変化を示す。燃料電池スタック１の温度が０℃近くまで低下したら内部ヒータ５を作動させることによって、純水の温度を凍結温度（０℃）以上に保つことができる。純水の凍結温度が０℃であるので理論上は燃料電池スタック１の温度（純水の温度）が０℃となったときに内部ヒータ５を作動させれば純水の凍結を防止することができるが、検出位置による純水の温度ばらつき、センサ４３の検出誤差等を考慮して、例えば２℃に設定する。
【００４６】
この実施形態では内部ヒータ５は断熱ケース１０内の空気を暖めることで純水の温度を上昇させるが、この実施形態あるいは他の実施形態においても内部ヒータ５が純水の通路を加熱することで純水を直接的に加熱するようにしてもよい。あるいは純水の通路に接する冷媒通路を設け、冷媒通路内を流れる冷媒を暖めることによって純水の温度を上昇させるようにしても良い。
【００４７】
次に、燃料電池スタック１の停止期間の予測方法について説明する。図１１には曜日、時刻と燃料電池スタック１の起動頻度との関係を示す。図１１は主に通勤に使用した場合の頻度分布であり、朝夕の起動頻度が高くなっている。このように、起動頻度分布を学習しコントローラ５０内のメモリに記憶しておけば、停止時刻から次回の起動時刻を予測することができ、燃料電池スタック１の停止期間を予測することができる。
【００４８】
例えば、停止時刻以降で起動頻度が初めて所定の判断値よりも大きくなる時刻を次回の起動時刻と推定するとすると、図１１の水曜日の時刻ｔ１で停止した場合には時刻ｔ１以降ではじめて起動頻度が判断値を超える水曜日の時刻ｔ２に燃料電池スタック１が再起動されると判断する。また、金曜日の時刻ｔ３で停止した場合には同様にして月曜日の時刻ｔ４を次回の起動と判断する。次回の起動時刻が予測できれば停止時刻から燃料電池スタック１の停止期間を予測することができる。
【００４９】
図１２は第３の実施形態における保護装置選択処理のフローチャートを示し、コントローラ５０において所定時間毎に繰り返し実行される。
【００５０】
これによると、ステップＳ２１では燃料電池スタック１の電圧Vc、電流Ic等の運転状態が読み込まれ、ステップＳ２２では運転状態に基づき燃料電池スタック１が停止したかが判断される。
【００５１】
燃料電池スタック１が停止したと判断された場合はステップＳ２３に進み、燃料電池スタック１の温度TEMPcが読み込まれる。ステップＳ２４では燃料電池スタック１の温度TEMPcが所定温度TEMPth、例えば２℃よりも低いか判断され、所定温度TEMPthよりも低い場合にはステップＳ２５に進む。
【００５２】
ステップＳ２５では上述の方法により次回の起動時刻が予測される。ステップＳ２６では燃料電池スタック１の停止時刻と予想起動時刻から燃料電池スタック１の停止期間tsが予測される。なお、燃料電池スタック１の停止期間を入力装置５２から運転者が入力し、この入力された停止期間を上記予測された停止期間に代えて用いてもよい。
【００５３】
ステップＳ２７では停止期間tsに基づき保護装置が選択される。停止期間が判断しきい値tsthより短い、例えば、２４時間以下と判断された場合にはステップＳ２８で第１の保護装置による保護が行われる。それ以外の場合にはステップＳ２９に進んで第２の保護装置による保護が行われる。
【００５４】
図１３は第１の保護装置が選択された場合の処理を示し、コントローラ５０において所定時間毎に繰り返し実行される。
【００５５】
ステップＳ３１では燃料電池スタック１の温度TEMPcが読み込まれる。
【００５６】
ステップＳ３２では燃料電池スタック１の温度TEMPcが所定温度TEMPth、例えば２℃よりも高いか判断される。所定温度TEMPthよりも高い場合はステップＳ３３に進んで内部ヒータ５を停止させる。所定温度TEMPthよりも低い場合はステップＳ３４に進んで内部ヒータ５を作動させる。
【００５７】
図１４は第２の保護装置が選択された場合の処理を示し、コントローラ５０において所定時間毎に繰り返し実行される。
【００５８】
ステップＳ４１では内部ウォータタンク４内の純水の量Vwが読み込まれる。
【００５９】
ステップＳ４２では排水が完了したか判断される。具体的には、内部ウォータタンク４内の純水の量Vwが所定量Vwthよりも少なくなったときに排水が完了したと判断される。所定量Vwthは、残った純水が凍結しても内部ウォータタンク４が破損することがなく、かつ凍結した氷が再起動の支障とならない量以下に設定され、例えば、０．５Ｌに設定される。
【００６０】
排水が完了したと判断された場合はステップＳ４３に進んでポンプ１１を停止させる。排水が完了していない場合はステップＳ４４に進んでポンプ１１を作動させる。
【００６１】
第２の保護装置により燃料電池スタック１を保護する場合、外部ウォータタンク内１２で純水が凍結するので、燃料電池スタック１を再起動させるには外部ヒータ１３で外部ウォータタンク１２内の凍結した純水を解凍し、ポンプ１１で内部ウォータタンク４に純水を戻す必要がある。
【００６２】
なお、第３の実施形態は第１の実施形態と略同じ構成として説明したが、第３の実施形態は第２の実施形態と略同じ構成にも適用することができる。以下の実施形態においても同じことがいえ、第３の実施形態以降で開示される発明は、第１の実施形態の構成、第２の実施形態の構成いずれにも適用することができる。
【００６３】
次に、第４の実施形態について説明する。第４の実施形態の構成は第３の実施形態の構成とほぼ同じである。第４の実施形態では外気温度TEMPoを検出し、保護装置を選択する際に外気温度TEMPoが燃料電池スタック１の保護に必要なエネルギに与える影響を考慮する。保護装置を選択する際に外気温度TEMPoの影響を考慮することにより、適切な保護装置を選択することができる。
【００６４】
図１５は第４の実施形態の構成図である。第３の実施形態に対し、外気温度TEMPoを検出するセンサ４５が追加されている。
【００６５】
図１６は、燃料電池の温度を一定とした場合の外気温度TEMPoと燃料電池スタック１からの放熱量との関係を示す。外気温度TEMPoが低くなるほど燃料電池スタック１からの放熱量が多くなり、第１の保護装置を使用する場合の必要エネルギE1が増大する。したがって、燃料電池スタック１の停止期間tsに応じていずれの保護装置を使用するかを判断する場合、燃料電池スタック１の保護に必要なエネルギが少ない保護装置が選択されるようにするには図１７に示すように外気温度TEMPoが低いほどしきい値tsthを短くする必要がある。
【００６６】
図１８は、第４の実施形態における保護装置選択処理を示し、コントローラ５０において所定時間毎に繰り返し実行される。
【００６７】
これによると、ステップＳ５１では燃料電池スタック１の電圧Vc、電流Ic等の運転状態が読み込まれ、ステップＳ５２では運転状態に基づき燃料電池スタック１が停止したかが判断される。
【００６８】
燃料電池スタック１が停止したと判断された場合はステップＳ５３に進み、燃料電池スタック１の温度TEMPcが読み込まれる。ステップＳ５４では燃料電池スタック１の温度TEMPcが所定温度TEMPth、例えば２℃よりも低いか判断される。燃料電池スタック１の温度TEMPcが所定温度TEMPthよりも低いと判断された場合はステップＳ５５に進み、外気温度TEMPoが読み込まれる。ステップＳ５６では燃料電池スタック１の停止期間tsが予測される。停止期間tsの予測方法は第３の実施形態と同じで、停止期間tsは運転者が入力するようにしても良い。
【００６９】
ステップＳ５７では燃料電池スタック１の停止期間tsが外気温度TEMPoに応じて設定されるしきい値tsthよりも短いか判断される。しきい値tsthよりも短い場合はステップＳ５８に進んで第１の保護装置による保護が実行される。そうでない場合はステップＳ５９に進んで第２の保護装置による保護が実行される。しきい値tsthは図１７に示したテーブルを参照して、外気温度TEMPoが低くなるほど短く設定される。
【００７０】
次に、第５の実施形態について説明する。第５の実施形態の構成は第４の実施形態の構成と同じである。第５の実施形態は、再起動時の外気温度TEMPosと停止時から再起動時までの外気温度TEMPoの変化を予測し、第１の保護装置を用いた場合に必要とされるエネルギE1と第２の保護装置を用いた場合に必要とされるエネルギE2とをそれぞれ算出し、必要エネルギが小さい方を選択する。
【００７１】
既述の通り、各曜日の各時刻における燃料電池スタック１の起動頻度から燃料電池スタック１の起動時刻を予測することができる。外気温度TEMPoは時刻との相関が強いので、各時刻における外気温度TEMPoを予め学習しておけば、予測される起動時刻から起動時の外気温度TEMPosを予測することができる。図１９は外気温度の学習結果を示す。予測される起動時刻とこの学習結果から起動時の外気温度TEMPosを予測することができる。
【００７２】
なお、図２０に示すようにラジオ等の受信装置４６を追加し、受信装置４６によって外部から将来の天候、特に外気温度に関する信号を受信し、その信号に基づき起動時の外気温度TEMPosを予測するようにしても良い。
【００７３】
起動時の外気温度TEMPosが予測できれば第２の保護装置を選択した場合の必要エネルギE2を算出することができる。図２１は、第２の保護装置を選択した場合の、起動時の外気温度TEMPosと燃料電池スタック１の保護に必要なエネルギE2との関係を示す。起動時の外気温度TEMPosすなわち燃料電池スタック１の温度が０℃以上の場合には必要なエネルギE2はポンプ１１を駆動するのに要するエネルギのみである。外気温度が０℃以下になると凍結した純水を解凍するのに必要なエネルギが外部ヒータ１３から供給されるので、必要エネルギE2が急激に増加する。図２１に示すテーブルを用意しておけば、テーブル参照により必要エネルギE2を求めることができる。
【００７４】
図２２は再起動時の外気温度TEMPosの予測処理を示したフローチャートであり、コントローラ５０において実行される。
【００７５】
これによると、ステップＳ６１で燃料電池スタック１の予想起動時刻が読み込まれ、ステップＳ６２では図１９に示す学習結果を参照して起動時の外気温度TEMPosが予測される。
【００７６】
一方、第１の保護装置を選択した場合に燃料電池スタック１の保護に必要なエネルギE1は、停止期間tsと停止時刻から起動時刻までの外気温度の変化に依存する。図２３は停止期間tsと燃料電池スタック１の保護に必要なエネルギE1との関係を示す。停止期間tsが短い場合には燃料電池スタック１の温度が０℃付近まで下がらないので必要エネルギE1はゼロである。停止期間tsが長くなると必要エネルギE1は増加する。また、内部ヒータ５は間欠的に作動するので必要エネルギE1は階段状に増加する。燃料電池スタック１の保護に必要なエネルギE1は外気に放出される熱量に等しい。外気に放出されるエネルギは以下の式で計算できる。
【００７７】
Ｑ＝Ｈｘ×Ｓ×（TEMPc−TEMPo）×Δｔ
Ｑ＝放熱量、Ｈｘ＝熱伝導率、Ｓ＝断熱ケース１０の放熱面積
TEMPc＝燃料電池温度、TEMPo＝外気温度、Δｔ＝時間間隔
熱伝導率Ｈｘと放熱面積Ｓは断熱ケース１０の形状、材質等の特性から算出できる。再起動時までの総放熱量は、例えば、時間間隔Δｔを１分として、予測された外気温度TEMPoに基づき時間間隔Δｔにおける放熱量を演算し、それを積算していくことにより計算できる。停止時から起動時までの外気温度TEMPoの変化は、図１９に示した各時刻に対する外気温度の学習結果を用いて予測することができる。あるいは、外気温度TEMPoの変化は受信装置４６によって外部から将来の天候、特に外気温度に関する信号を受信し、その信号に基づき予測するようにしても良い。停止時間tsが同じ長さであっても、外気温度TEMPoが低いほど保温に必要なエネルギは大きくなる。一方、停止期間中、外気温度が０℃以下に下がる時間がその一部であれば、外気温度が０℃以上の間保温は不要となり、停止時間全体では保温に必要なエネルギは小さくなる。
【００７８】
以上のようにして求めた第１の保護装置を使用した場合に必要なエネルギE1と、第２の保護装置を使用した場合に必要なエネルギE2とを比較し、必要エネルギの少ない装置を選択する。これにより、燃料電池スタック１の保護に必要なエネルギを少なくすることができる。
【００７９】
図２４は第５実施形態における保護装置選択処理を示し、コントローラ５０において所定時間毎に繰り返し実行される。
【００８０】
これによると、ステップＳ７１では燃料電池スタック１の電圧Vc、電流Ic等の運転状態が読み込まれ、ステップＳ７２では運転状態に基づき燃料電池スタック１が停止したかが判断される。燃料電池スタック１が停止したと判断された場合はステップＳ７３に進み燃料電池スタック１の温度TEMPcが読み込まれる。ステップＳ７４では燃料電池スタック１の温度TEMPcが所定値TEMPth、例えば２℃よりも低いか判断される。
【００８１】
燃料電池スタック１の温度が所定温度TEMPthよりも低いと判断されたときはステップＳ７５に進んで燃料電池スタック１の停止期間tsが予測される。停止期間tsの予測方法は第３の実施形態と同じで、停止期間tsは運転者が入力するようにしても良い。ステップＳ７６では上述の方法により再起動時の外気温度TEMPos、停止時から起動時までの外気温度TEMPoの変化が予測される。
【００８２】
ステップＳ７７では上述した演算方法により、第１の保護装置を用いた場合に必要なエネルギE1と、第２の保護装置を用いた場合に必要なエネルギE2とがそれぞれ演算される。
【００８３】
ステップＳ７８では、第１の保護装置を用いた場合に必要なエネルギE1と、第２の保護装置を用いた場合に必要なエネルギE2とが比較され、必要エネルギE1が必要エネルギE2よりも小さい場合はステップＳ７９に進んで第１の保護装置による保護が実行され、そうでない場合はステップＳ８０に進んで第２の保護装置による保護が実行される。
【００８４】
次に、第６の実施形態について説明する。この実施形態では、燃料電池スタック１の停止期間が短いと判断して第１の保護装置を使用しているときであっても、停止期間が予測した停止期間よりも長くなって燃料残量が少なくなった場合には、第２の保護装置による保護に切替える。
【００８５】
図２５は第６の実施形態の構成を示す。第５の実施形態に対し燃料電池スタック１、内部ヒータ５、外部ヒータ１３に燃料を供給する燃料タンク２２の残量を検出するセンサ４７が追加されている。
【００８６】
第１の保護装置、第２の保護装置の選択は、第５の実施形態と同じく必要エネルギの少ない方を選択することで行われる。しかし、燃料電池スタック１の停止期間tsが予測した期間よりも長くなった場合には燃料消費量が増加し、第１の保護装置を使用しつづけると燃料タンク２２の燃料がなくなる可能性がある。
【００８７】
そこで、この実施形態では、燃料タンク２２の燃料の残量Afが判断値Afthよりも少なくなった場合には、第１の保護装置を使用している場合であっても第２の保護装置による保護に切替える。
【００８８】
図２６は第６実施形態における保護装置選択処理を示し、コントローラ５０において所定時間毎に繰り返し実行される。
【００８９】
これによると、ステップＳ８１では燃料電池スタック１の電圧Vc、電流Ic等の運転状態が読み込まれ、ステップＳ８２では運転状態に基づき燃料電池スタック１が停止したかが判断される。燃料電池スタック１が停止したと判断された場合はステップＳ８３に進んで燃料電池スタック１の温度TEMPcが読み込まれる。ステップＳ８４では燃料電池スタック１の温度が所定温度TEMPth、例えば２℃よりも低いか判断される。燃料電池スタック１の温度が所定温度TEMPthよりも低いと判断されたときはステップＳ８５に進んで燃料電池スタック１の停止期間tsが予想される。ステップＳ８６では、再起動時の外気温度TEMPos、再起動時までの外気温度TEMPoの変化が予想される。停止期間tsの予測方法、再起動時の外気温度TEMPosの予測方法、再起動時までの外気温度TEMPoの変化の予測方法は先の実施形態と同じである。
【００９０】
ステップＳ８７では第１の保護装置を用いた場合に必要なエネルギE1と、第２の保護装置を用いた場合に必要なエネルギE2とがそれぞれ演算される。それぞれの演算方法は既述の通りである。
【００９１】
ステップＳ８８では、第１の保護装置を用いた場合に必要なエネルギE1と、第２の保護装置を用いた場合に必要なエネルギE2とが比較され、必要エネルギE1が必要エネルギE2よりも小さい場合はステップＳ８９に進んで燃料電池スタック１は第１の保護装置により保護され、そうでない場合はステップＳ９２に進んで燃料電池スタック１は第２の保護装置により保護される。
【００９２】
ステップＳ９０では燃料タンク２２の燃料残量Afが読み込まれ、ステップＳ９１では燃料残量Afが所定量Afthよりも多いか判断される。所定量Afthは、再起動時に外部ヒータ１３で外部ウォータタンク１２内の凍結している純水を解凍し、燃料補給のために近くのガスステーションまで走行するために燃料電池スタック１を動作させるのに必要な量、例えば５Ｌに設定される。
【００９３】
所定量Afthよりも多い場合は第１の保護装置による保護を継続するが、所定量Afthよりも少ない場合はステップＳ９２に進んで第１の保護装置による保護を中止し、第２の保護装置による保護を開始する。
【００９４】
この実施形態は外部ヒータ１３が燃料を利用する場合であるが、外部ヒータ１３がバッテリ２３の電力で駆動する電気ヒータである場合も同様な制御となる。この場合、センサ４８によって検出されるバッテリ２３の充電状態SOCが所定値SOCthよりも少なくなった場合に第１の保護装置から第２の保護装置への切換えが行われる。
【００９５】
次に、第７の実施形態について説明する。第７の実施形態の構成は第６の実施形態と略同じである。この実施形態では、車両を屋内駐車場等の閉塞した空間に駐車して第１の保護装置による保護を実行中に、内部ヒータ５によって酸素が使用され、空間中の酸素濃度が低下することを防止する。
【００９６】
図２７は第７の実施形態の構成図を示す。第５の実施形態に対し、外気の酸素濃度DNSoを検出するセンサ４９が追加されている。
【００９７】
第１の保護装置の動作中は、燃料電池スタック１の温度を０℃以上に保つために内部ヒータ５が作動する。内部ヒータ５として燃焼器あるいは触媒燃焼器を用いた場合、空間中の酸素が消費される。このため、密閉された空間で第１の保護装置による保護が長期間実行されると外気中の酸素濃度DNSoが低下する。そこで、この実施形態では空間中の酸素濃度DNSoを検出し、酸素濃度DNSoが所定濃度DNSothよりも低くなった場合には第１の保護装置による保護から第２の保護装置による保護に切替える。
【００９８】
図２８は第５の実施形態における保護装置選択処理を示したフローチャートであり、コントローラ５０において繰り返し実行される。
【００９９】
第６の実施形態の保護装置選択処理（図２６）に対してステップＳ１０１、Ｓ１０２が追加されている。
【０１００】
ステップＳ１０１では酸素濃度DNSoが読み込まれる。ステップＳ１０２では酸素濃度DNSoが所定濃度DNSothよりも高いかどうか判断される。所定濃度DNSothは人体、動物等に害がないレベルに設定され、例えば１９％に設定される。酸素濃度DNSoが所定濃度DNSothよりも高い場合は第１の保護装置による保護が継続される。これに対し、酸素濃度DNSoが所定濃度DNSothよりも低くなった場合はステップＳ９２に進み、第１の保護装置による保護を中止し、第２の保護装置による保護に切替えられる。
【０１０１】
次に、第８の実施形態について説明する。上記実施形態は第１の保護装置、第２の保護装置それぞれがウォータタンクを備えているが、この実施形態ではウォータタンク４、１２を一つにまとめる。
【０１０２】
図２９に示すように、第８の実施形態では、第１の実施形態の内部ウォータタンク４、外部ウォータタンク１２が一つにまとめられ、唯一のウォータタンク２０が断熱ケース１０内に設けられる。また、内部ヒータ５はウォータタンク２０を加熱できるようにウォータタンク２０の近傍に設けられる。
【０１０３】
図３０は第８の実施形態における保護装置選択処理を示し、コントローラ５０において所定時間毎に繰り返し実行される。
【０１０４】
これによると、ステップＳ１１０では燃料電池スタック１の電圧Vc、電流Ic等の運転状態が読み込まれ、ステップＳ１１１では運転状態に基づき燃料電池スタック１が停止しているか判断される。
【０１０５】
燃料電池スタック１が停止したと判断された場合はステップＳ１１２に進み、いずれの保護装置を用いるか判断される。いずれの保護装置を用いるかの判断は上述したいずれの判断方法を用いても良い。
【０１０６】
第１の保護装置による保護、すなわち、燃料電池スタック１を保温することによって保護を行う場合は、ステップＳ１１３に進んで内部ヒータ５へ燃料を供給し、ステップＳ１１４でポンプ２を作動させて純水を循環させる。
【０１０７】
これに対し、第２の保護装置による保護、燃料電池スタック１から純水を排出することで燃料電池スタック１の保護を行う場合は、ステップＳ１１５に進んで内部ヒータ５への燃料供給を停止し、ステップＳ１１６でポンプ２を作動させて燃料電池スタック１内の純水をウォータタンク２０に回収する。
【０１０８】
そして、ステップＳ１１７で純水の回収が完了したと判断された場合は、ステップＳ１１８に進んでポンプ２を停止させる。純水の回収が完了したかどうかの判断は、例えば、純水の総量が大体分かっているので、ウォータタンク１５の水位が所定レベル以上にまで上昇したときに回収が完了したと判断する。
【０１０９】
以上、本発明のある実施形態を参照しながら本発明について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。当業者であれば上記開示に基づき上記実施形態の改変が可能である。本発明の範囲は特許請求の範囲に基づき決定される。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
本発明は燃料電池システムに適用でき、車両用以外の燃料電池システムにも勿論適用することができる。本発明は燃料電池を水の凍結から保護するとともに、保護に必要なエネルギを減らすのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池スタックの内部構造を示した図である。
【図３】燃料電池スタックの停止期間と燃料電池スタックの保護に必要なエネルギの量の関係を示した図である。
【図４】保護装置選択処理を示したフローチャートである。
【図５】第１実施形態の変形例を示した図である。
【図６】第１実施形態の変形例を示した図である。
【図７】燃料電池スタックの内部構造の別の例を示す。
【図８】本発明の第２実施形態を示す。
【図９】本発明の第３実施形態を示す。
【図１０】燃料電池スタックが停止してからの水の温度変化を示すタイムチャートである。
【図１１】燃料電池スタックの起動時刻の頻度分布図である。
【図１２】第３の実施形態における保護装置選択処理のフローチャートである。
【図１３】第１の保護装置が選択された場合の保護処理のフローチャートである。
【図１４】第２の保護装置が選択された場合の保護処理のフローチャートである。
【図１５】本発明の第４、第５の実施形態を示す。
【図１６】外気温度と燃料電池スタックからの放熱量との関係を示す。
【図１７】外気温度と保護装置選択に用いるしきい値との関係を示す。
【図１８】第４の実施形態における保護装置選択処理のフローチャートである。
【図１９】時刻と外気温度との関係を示す。
【図２０】第５の実施形態の変形例を示した図である。
【図２１】第１の保護装置を選択した場合の、起動時の外気温度と燃料電池スタックの保護に必要なエネルギとの関係を示す。
【図２２】再起動時の外気温度の予測処理のフローチャートである。
【図２３】第１の保護装置を選択した場合の、停止期間と燃料電池スタックの保護に必要なエネルギとの関係を示す。
【図２４】第５の実施形態における保護装置選択処理のフローチャートである。
【図２５】本発明の第６の実施形態を示す。
【図２６】第６の実施形態における保護装置選択処理のフローチャートである。
【図２７】本発明の第７の実施形態を示す。
【図２８】第７の実施形態における保護装置選択処理のフローチャートである。
【図２９】本発明の第８の実施形態を示す。
【図３０】第８の実施形態における保護装置選択処理のフローチャートである。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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