(57)【要約】【課題】状態量に適した掃気時間で掃気することにより、燃料電池システム内の残水を適切な量に制御する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池にガスを供給する供給通路と、燃料電池からガスを排出する排出通路と、排出通路を供給通路に接続させる循環通路と、循環通路を通じて排出通路のガスを供給通路に循環させる駆動手段と、循環させるガスから水分を分離する分離器と、運転状態及び環境状態を基に燃料電池システム内の残水量を算出する手段と、燃料電池の発電時間、発電量及び冷媒温度の変化量を含む状態量のうち少なくとも一の値が閾値以下であるかを判定する手段と、運転状態及び環境状態に従い残水量を減少させるために駆動手段を作動させる作動時間を算出する手段と、駆動手段を作動時間の終了まで作動させる制御手段とを備え、状態量のうち一の値が所定の閾値以下であるか否かに応じて異なる作動時間を算出する。【選択図】図１
2007207716.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池本体と、
前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、
前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、
前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、
前記ガス循環通路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、
前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、
前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、前記ガス供給通路、前記ガス排出通路、および前記ガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する残水量算出手段と、
前記燃料電池本体の発電時間、発電量および冷媒温度の変化量を含む状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下であるかを判定する手段と、
前記運転状態および前記環境の状態にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する作動時間算出手段と、
前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させる制御手段と、を備え、
前記作動時間算出手段は、前記状態量のうち一の値が所定の閾値以下であるか否かに応じて異なる前記作動時間を算出する燃料電池システム。
【請求項２】
前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下であると判定した回数を記録する手段を更に備え、
前記回数が所定の閾値以上である場合、前記作動時間算出手段は前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下である場合、前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下である場合、前記ガス駆動手段を脈動にさせる請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ガス駆動手段は、ポンプであり、
前記制御手段は、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下である場合、前記ポンプの回転数を所定値増加させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ガス駆動手段は、ポンプであり、
前記制御手段は、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下である場合、前記ポンプの回転数を所定値増加させるとともに前記ポンプの駆動を脈動にさせる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システムの位置、月日および外気温度を含む情報を取得する手段と、
前記情報に基づいて燃料電池システム内の残水の凍結可能性を推定する手段とを更に備え、
前記凍結可能性がある場合、前記制御手段は、前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池システムの位置、月日および外気温度を含む情報を取得する手段と、
前記情報に基づいて燃料電池システム内の残水の凍結可能性を推定する手段とを更に備え、
前記凍結可能性がある場合、前記制御手段は、前記ガス駆動手段を脈動にさせる請求項１または２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、発電時において水を発生させる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池ともいう）システムの停止時に燃料電池内や経路内に必要以上の水分が存在している場合、長時間氷点下にさらされると水分が凍結する問題がある。そのため、燃料電池システムを氷点下でも安定的に運転する為には、燃料電池システムの経路内の水分を燃料電池システムの停止時に排出する必要がある。このため、循環系のガス経路を含む燃料電池では、気液分離器を含む経路でガスを循環させ（これを掃気という）、残水量を減少させている。しかし、燃料電池システムの経路内の掃気時間が長くなると、燃料電池システムの停止に必要な時間が長くなる等、使い勝手が悪くなる。すなわち、掃気や希釈空気の供給をポンプに頼る為、長時間の掃気には多量の電力が消費され、また、ポンプの駆動時の騒音が問題となる。さらに、イグニッションスイッチがＯＦＦにされた後、燃料電池システムの停止処理に時間がかかると商品性を損なうという問題がある。
【０００３】
また、燃料電池における電解質膜内のプロトン（水素イオン）は、水分子により移動する。燃料電池の運転には、プロトン移動性を確保するため、燃料電池の電解質膜内やその近傍も湿潤させることが必要である。そのため、氷点下においても、燃料電池システムを円滑に始動させ、安定した運転状態を達成するためには、燃料電池内部にある程度の水分が必要である。
【特許文献１】特開２００３−２９７３９９号公報
【特許文献２】特開２００４−３９５２７号公報
【特許文献３】特開２００５−１４１９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上記従来の技術は、燃料電池の発電が開始されてから発電停止となるまでの期間が比較的短い運転、いわゆるショートトリップが起きた場合に対応していない。ショートトリップの場合、燃料電池の発電を開始した後、短時間で発電停止となるため、燃料電池システム内の温度が低い。その結果、燃料電池システム内の水は蒸発量が少なく、凝縮水が多くなる。凝縮水は、水蒸気と比べて掃気されにくい。そのため、残水は燃料電池システムの経路内に留まりやすく、経路外に排出されない可能性が高い。また、発電時間に合わせて掃気時間を決定すると、ショートトリップの場合、掃気時間が短くなり残水が経路外に排出されない可能性が高い。本発明の目的は、ショートトリップが生じた場合にも適切な掃気量及び掃気時間により燃料電池システム内の残水を適切な量に制御する技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用する。すなわち、本発明は、燃料電池本体と、前記燃料電池本体にガスを供給するガス供給通路と、前記燃料電池本体からガスを排出するガス排出通路と、前記ガス排出通路を前記ガス供給通路に接続させるガス循環通路と、前記ガス循環通路を通じて前記ガス排出通路のガスを前記ガス供給通路に循環させるガス駆動手段と、前記循環させるガスから水分を分離する気液分離器と、前記燃料電池本体の運転状態および前記燃料電池本体が運転される環境の状態を基に前記燃料電池本体、前記ガス供給通路、前記ガス排出通路、および前記ガス循環通路を含む燃料電池システム内の残水量を算出する残水量算出手段と、前記燃料電池本体の発電時間
、発電量および冷媒温度の変化量を含む状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下であるかを判定する手段と、前記運転状態および前記環境の状態にしたがって前記残水量を所定値まで減少させるために前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出する作動時間算出手段と、前記ガス駆動手段を前記作動時間の終了まで作動させる制御手段と、を備え、前記作動時間算出手段が、前記状態量のうち一の値が所定の閾値以下であるか否かに応じて異なる前記作動時間を算出する燃料電池システムである。本発明では、燃料電池本体の発電時間、発電量および冷媒温度の変化量を含む状態量から燃料電池システム内の残水が凍結するかを判断する。そして、その状態量に適した掃気時間を求める。したがって、その状態量に適した掃気時間で掃気することにより、燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。
【０００６】
また、上記燃料電池システムは、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下であると判定した回数を記録する手段を更に備え、前記回数が所定の閾値以上である場合、前記作動時間算出手段が前記ガス駆動手段を作動させる作動時間を算出してもよい。本発明では、所定の状態量となる回数を測定し、回数にしたがってその状態量に適した掃気時間を求めることができる。
【０００７】
また、上記燃料電池システムは、前記制御手段が、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下である場合、前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させてもよい。本発明では、ガス駆動手段の作動時間を短縮することができる。その結果、掃気時間を短縮することができる。
【０００８】
また、上記燃料電池システムは、前記制御手段が、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下である場合、前記ガス駆動手段を脈動にさせるようにしてもよい。本発明では、ガス駆動手段の作動時間を短縮することができる。その結果、掃気時間を短縮することができる。
【０００９】
また、上記燃料電池システムは、前記ガス駆動手段が、ポンプであり、前記制御手段が、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下である場合、前記ポンプの回転数を所定値増加させてもよい。本発明では、ポンプの作動時間を短縮することができる。その結果、掃気時間を短縮することができる。
【００１０】
また、上記燃料電池システムは、前記ガス駆動手段が、ポンプであり、前記制御手段が、前記状態量のうち少なくとも一の値が所定の閾値以下である場合、前記ポンプの回転数を所定値増加させるとともに前記ポンプの駆動を脈動にさせてもよい。本発明では、ポンプの作動時間を短縮することができる。その結果、掃気時間を短縮することができる。
【００１１】
また、上記燃料電池システムは、燃料電池システムの位置、月日および外気温度を含む情報を取得する手段と、前記情報に基づいて燃料電池システム内の残水の凍結可能性を推定する手段とを更に備え、前記凍結可能性がある場合、前記制御手段が、前記ガス駆動手段のガス駆動量を所定値増加させてもよい。本発明では、燃料電池システムの残水が凍結する可能性がある状況でも、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる確率を高めることができる。
【００１２】
また、上記燃料電池システムは、燃料電池システムの位置、月日および外気温度を含む情報を取得する手段と、前記情報に基づいて燃料電池システム内の残水の凍結可能性を推定する手段とを更に備え、前記凍結可能性がある場合、前記制御手段が、前記ガス駆動手段を脈動にさせてもよい。本発明では、燃料電池システムの残水が凍結する可能性がある状況でも、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる確率を高めることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、状態量に適した掃気時間で掃気することにより、燃料電池システム内の残水を適切な量に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施をするための最良の形態（以下、実施形態という）に係る設計装置について説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１５】
〈第１実施形態〉
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを図１および図２の図面に基いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。図１において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、アノードオフガス循環通路４、カソードガス通路５、カソードオフガス通路６、水素タンク７、水素ポンプ８、ポンプ９、調圧弁１０、１１、フィルタ１２、加湿器１３、気液分離器１４、ドレンタンク１５、排水弁１６、制御部１７、残水量算出部１８、パージ弁１９、状態量測定部２０、カウンタ２１及びナビゲーション２２を有する。
【００１６】
燃料電池スタック１は、複数のセルが積層されて構成されている。各セルは電解質膜、アノード（燃料極）、カソード（空気極）、及びセパレータとから構成される。アノードとカソードとの間には、水素及び空気の流路が形成されている。アノードガス通路２は、燃料電池スタック１のアノードに水素を含んだアノードガスを供給する通路である。カソードガス通路５は、燃料電池スタック１のカソードに空気を含んだカソードガスを供給する経路である。
【００１７】
水素タンク７は、アノードガス通路２にアノードガスを供給する。水素タンク７から供給されるアノードガスは、調圧弁１０により所定圧力に調整される。また、アノードガスはアノードガス通路２から燃料電池スタック１のアノードに供給されている。ポンプ９（エアーコンプレッサともいう）が駆動することにより、燃料電池システム外から供給されるカソードガスが燃料電池スタック１のカソードに供給される。
【００１８】
燃料電池スタック１のアノードでは、アノードガスが供給されると、アノードガスに含まれる水素から水素イオンが生成される。また、燃料電池スタック１のカソードには、空気に含まれる酸素が供給される。そして、燃料電池スタック１では、水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。また、燃料電池スタック１のカソードでは、水素から生成した水素イオンと酸素とが結合することにより水が生成される。
【００１９】
加湿器１３は、燃料電池スタック１に供給される空気を加湿する。燃料電池スタック１内で電気化学反応が適切に行われるためには、燃料電池スタック１内の電解質膜は、水分を含んだ湿潤状態である必要があるため、空気を加湿している。また、電解質膜の水分は細かいクラスタに分離し、電解質膜内のスルホン酸基と結びついて電解膜質内の水分は氷結しにくい。
【００２０】
アノードに供給されたアノードガスのうち未反応の水素及びカソードから透過する窒素等を含むガス（以下、アノードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からアノードオフガス通路３に送出される。また、カソードに供給されたカソードガスのうち未反応のガス（以下、カソードオフガスと表記する）は、燃料電池スタック１からカソードオフガス通路６に排出される。カソードから排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス通路６を通り、燃料電池システム外に排出される。
【００２１】
燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスは、アノードオフガス通路３及びアノードオフガス循環通路４を通り、水素タンク７からのアノードガスとともに再び燃料電池スタック１のアノードへ供給される。そのため、アノードオフガス通路３は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスを気液分離器１４に供給する。
【００２２】
気液分離器１４は、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水分と水素を分離する。気液分離器１４で水分を分離された水素は水素ポンプ８によりアノードガスとしてアノードオフガス循環通路４を通り、アノードガス通路２に供給される。アノードオフガス循環通路４は、水素ポンプ８から送出されるアノードガスをアノードガス通路２に供給するための通路である。アノードオフガス循環通路４により、アノード側の循環経路が構成されている。
【００２３】
ドレンタンク１５は、気液分離器１４が分離した水分を貯留する。排水弁１６の開閉を行うことにより、ドレンタンク１５に貯留されている水は循環経路外に排出される。また、排水弁１６は、ドレンタンク１５に貯留される水が溢れないように適度に開閉される。
【００２４】
また、制御部１７は、水素ポンプ８及び排水弁１６と電気的に接続されており、水素ポンプ８及び排水弁１６の駆動を制御する。残水量算出部１８は、燃料電池システム内の残水量を推定する。燃料電池システム内の残水量は、燃料電池スタック１、アノードガス通路２、アノードオフガス通路３、アノードオフガス循環通路４、水素ポンプ８、気液分離器１４及びドレンタンク１５内に存在する水などの燃料電池システム内の残水の凍結及びドライアップに影響する水分の量をいう。
【００２５】
パージ弁１９は、アノードから排出されるアノードオフガス中に窒素などの不純物が増加したときに、不図示の希釈器を介してアノードオフガス（および水素ポンプ８で循環されるアノードガス）を循環経路外に排出する。状態量測定部２０は、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等を測定する。
【００２６】
カウンタ２１は、ショートトリップの発生の回数を記録する。ナビゲーション２２は、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からＧＰＳ信号を受信することにより、燃料電池システムの現在の地域情報（位置情報）及び現在の年月日を取得する。
【００２７】
図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池システムに対して発電停止の処理が行われた場合に図２の処理を実行する。例えば、イグニッションスイッチがＯＦＦにされた場合、燃料電池システムの停止の指令があったと判断し、図２の処理が行われる。
【００２８】
まず、燃料電池スタック１の発電停止の処理が行われる（Ｓ０１）。具体的には、水素タンク７に備え付けられている図示しないシャット弁が閉じられ、水素タンク７からのアノードガスの供給が遮断されることにより発電を停止させる。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池システム内の残水を掃気するために、燃料電池システム内をアノードガス及びアノードオフガスが循環している。そして、燃料電池スタック１の発電停止の処理が行われた後も燃料電池システム内の残水は水素ポンプ８の駆動により掃気される。
【００２９】
具体的には、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を制御し、アノードガス経路２及び燃料電池スタック１内にアノードガスを循環させる。そして、燃料電池スタック１のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水と水素が気液分離器１４により分離される。そして、制御部１７は、排水弁１６の駆動を制御し、分離した水を循環経路外に排出する。本実施形態においては、燃料電池スタック１の発電停止後の燃料電池システム内の残水を気液分離器１４から排出させるための処理を掃気・循環処理という。
【００３０】
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムでは、ショートトリップが生じた場合にも適切な掃気時間により燃料電池システム内の残水を掃気する。そのため、ショートトリップが発生していない場合の掃気・循環処理とショートトリップが発生した場合の掃気・循環処理とでは、異なる掃気時間で掃気・循環処理を行う。
【００３１】
ここで、ショートトリップが発生していない場合の掃気・循環処理を「通常の掃気・循環処理」という。また、ショートトリップが発生した場合の掃気・循環処理を「ショートトリップの掃気・循環処理」という。さらに、単に「掃気・循環処理」という場合は、通常の掃気・循環処理とショートトリップの掃気・循環処理を含むものとする。
【００３２】
次に、残水量算出部１８は、発電停止の処理が行われた直前の状態量から発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する（Ｓ０２）。例えば、残水量算出部１８は、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定する処理として、Ｑｉｎｉを算出する。Ｑｉｎｉは、発電停止の処理が行われた直前の状態量から求まる発電停止時の燃料電池システム内の残水量の推定値である。この場合、残水量算出部１８は、状態量測定部２０から状態量を取得して、燃料電池システム内の残水量を推定する。
【００３３】
状態量には、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等がある。燃料電池スタック１の電極間のインピーダンスを測定することにより、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態を知ることができる。インピーダンスは、燃料電池スタック１の電極間に高圧電気系からある周波数の交流を加えて、その応答から測定することができる。インピーダンスは、発電停止の処理を行った直前の値を使用する。発電停止の処理を行う直前までインピーダンスを常時測定しておくことにより、発電停止の処理を行った直前のインピーダンスの値を使用することができる。
【００３４】
負荷積算値（電流積算値）は、総発電量であり、負荷積算値を測定することにより燃料電池内での総生成水量を知ることができる。また、負荷積算値（電流積算値）は、ｋＪで求めてもよい。
【００３５】
運転時間は、燃料電池システムの発電時間である。燃料電池システムの発電が短時間の場合と、燃料電池システムの発電が長時間の場合とでは、発電量が同程度でも燃料電池システムの発電が短時間の方が経路内の温度が低い。このため、短時間の発電の場合、長時間の発電の場合に比較して液体となっている水の量が多い。また、運転時間は分又は秒で求めてもよい。
【００３６】
冷媒温度は、燃料電池システム内の図示しない冷媒（冷却水）の温度である。冷媒温度又は冷媒温度の変化量は、絶対値よりもどれだけ温まったのかという相対的な変化量が重要となる。燃料電池スタック１内の温度が高い場合は、燃料電池スタック１内の水分は蒸気となり燃料量電池システム外に出ていきやすい。一方、燃料電池スタック１内の温度が低い場合は、燃料電池スタック１内の水分は蒸気とならず燃料電池システム内に留まりやすい。また、冷媒温度又は冷媒温度の変化量は、℃で求めてもよい。
【００３７】
燃料電池スタック１からの放熱は外気温度によって変化するので、外気温度は冷媒温度又は冷媒温度の変化量に影響する。また、外気の湿度は、経路内の湿度に影響し、したがって、残水量に影響する。
【００３８】
上記状態量は、発電停止直後の所定時間内の状態量を使用することもできる。また、上記状態量の複数を組み合わせて、発電停止時の燃料電池システム内の残水量を推定することもできる。
【００３９】
図３及び図４は、状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。図３において、負荷積算値が小さい場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、負荷積算値が大きい場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。また、図４において、冷媒温度が高い場合、燃料電池システム内の残水量は少ない値を示し、冷媒温度が低い場合、燃料電池システム内の残水量は多い値を示している。
【００４０】
このような、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係は、実験式として求めることができる。
【００４１】
また、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量、外気温度、湿度等と燃料電池システム内の残水量との関係をマップ化しておき、そのマップ（テーブル）を参照することにより求めてもよい。残水量算出部１８は、この実験式又はマップにしたがって、Ｑｉｎｉを算出する。例えば、状態量のうち、燃料電池スタック１の電極間のインピーダンス（膜抵抗）、負荷積算値（電流積算値）、運転時間、冷媒温度又は冷媒温度の変化量等は運転履歴又は運転状態とも呼ばれる。また、状態量のうち、外気温度、湿度等は使用環境又は運転環境とも呼ばれる。
【００４２】
そして、制御部１７は、ショートトリップが発生したか否かを判定する。具体的には、制御部１７は、発電開始から発電停止までの経過時間Ｔａ（運転時間）が所定の閾値Ａ以下であるかを判定する（Ｓ０３）。
【００４３】
この場合、制御部１７は、状態量測定部２０から発電開始から発電停止までの経過時間Ｔａ（運転時間）を取得する。所定の閾値Ａは、ショートトリップであるかを判定する基準となる値である。発電開始から発電停止までの経過時間Ｔａは、燃料電池システムの発電時間である。短時間の発電の場合、長時間の発電の場合に比較して液体となっている水の量が多い。その場合、通常の掃気・循環処理では、燃料電池システム内の残水が十分に掃気されない。そのため、発電開始から発電停止までの経過時間Ｔａが所定の閾値Ａ以下である場合は、ショートトリップが発生したと判定する。
【００４４】
発電開始から発電停止までの経過時間Ｔａが所定の閾値Ａ以下である場合、制御部１７は、カウンタ２１の値を一つ増加（カウントアップ）させる（Ｓ０４）。
【００４５】
一方、発電開始から発電停止までの経過時間Ｔａが所定の閾値Ａ以下でない場合、制御部１７は、発電開始から発電停止までの負荷積算値（電流積算値）Ｗａが所定の閾値Ｂ以下であるかを判定する（Ｓ０５）。
【００４６】
所定の閾値Ｂは、ショートトリップであるかを判定する基準となる値である。発電開始から発電停止までの負荷積算値（電流積算値）Ｗａが所定の閾値Ｂに達していない場合には、燃料電池システム内が暖気となっていない可能性がある。その場合、通常の掃気・循環処理では、燃料電池システム内の残水が十分に掃気されない。そのため、発電開始から
発電停止までの負荷積算値（電流積算値）Ｗａが所定の閾値Ｂ以下である場合は、ショートトリップが発生したとして、制御部１７は、Ｓ０４の処理を行う。
【００４７】
また、Ｓ０５の判定において、発電開始から発電停止までの負荷積算値（電流積算値）Ｗａが所定の閾値Ｂ以下でない場合、制御部１７は、発電開始から発電停止までの冷媒温度の変化量（冷却水変化温度）Ｗｔａが所定の閾値Ｃ以下であるかを判定する（Ｓ０６）。
【００４８】
所定の閾値Ｃは、ショートトリップであるかを判定する基準となる値である。発電開始から発電停止までの冷媒温度の変化量（冷却水変化温度）Ｗｔａが所定の閾値Ｃに達していない場合には、燃料電池システムの放出熱が低く、燃料電池システム内の温度が高くない可能性がある。そのため、発電開始から発電停止までの冷媒温度の変化量（冷却水変化温度）Ｗｔａが所定の閾値Ｃ以下である場合は、ショートトリップが発生したとして、制御部１７は、Ｓ０４の処理を行う。この場合、冷媒温度の変化量（冷却水変化温度）Ｗｔａに代えて、冷媒温度（冷却水温度）を用いてもよい。
【００４９】
そして、カウンタ２１の値を一つ増加（カウントアップ）させた場合（Ｓ０３、Ｓ０５及びＳ０６のいずれかにおいて肯定と判定した場合）、制御部１７は、カウンタ２１の値が所定の閾値Ｄ以上であるかを判定する（Ｓ０７）。所定の閾値Ｄは、１からＮの任意の値を用いることができる。
【００５０】
ショートトリップが発生しても、燃料電池システム内の残水量及び状態量によっては、ショートトリップの掃気・循環処理を行わなくてもよい場合がある。この場合、ショートトリップが所定の回数発生したときにショートトリップの掃気・循環処理を行うようにすればよい。本実施形態では、カウンタ２１を設けることにより、ショートトリップが所定の回数発生したときにショートトリップの掃気・循環処理を行うことを実現している。
【００５１】
また、本実施形態では、ショートトリップの掃気・循環処理においてカウンタ２１を設けた場合の例を示した。しかし、本発明の実施はこのような構成に限定されず、例えば、ショートトリップの掃気・循環処理においてカウンタ２１を設けずに図２に示す処理を行うようにしてもよい。
【００５２】
その場合、Ｓ０３、Ｓ０５及びＳ０６のいずれかにおいてショートトリップの発生を肯定と判定した後、ショートトリップの発生回数の判定（Ｓ０４及びＳ０７の処理）を行わずにＳ０８の処理を行うようにすればよい。
【００５３】
次に、カウンタ２１の値が所定の閾値Ｄ以上である場合、制御部１７は、Ｑ‐ｉｎｉを用いて必要掃気時間Ｔ‐ｆを算出する（Ｓ０８）。具体的には、予め、Ｑ‐ｉｎｉと燃料電池システム内の残水を適正量（Ｑｒｅｑ）まで掃気するのに必要なショートトリップの掃気・循環処理の時間との関係をマップ化しておく。そして、Ｑ‐ｉｎｉの値に対応する必要掃気時間Ｔ‐ｆをマップより求める。
【００５４】
適正量（Ｑｒｅｑ）は、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる残水量である。したがって、適正量（Ｑｒｅｑ）は、燃料電池システム内の残水の凍結を回避するために適切な値が求められる。また、適正量（Ｑｒｅｑ）は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）や構成部品に依存する。さらに、適正量（Ｑｒｅｑ）の値は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作環境が寒冷地や温暖地などの仕向先によって変化する値である。
【００５５】
必要掃気時間Ｔ‐ｆは、燃料電池スタック１内の残水を掃気するのに必要なショートト
リップの掃気・循環処理の時間である。必要掃気時間Ｔ‐ｆとしては燃料電池システム内の残水の凍結を回避するために適切な値が求められる。また、必要掃気時間Ｔ‐ｆは、ショートトリップが発生した場合、適切な掃気量で燃料電池システム内の掃気・循環処理を行うときの時間が求められる。例えば、ショートトリップの場合は、通常の運転履歴（ショートトリップでない場合の運転履歴）と比べて、燃料電池システム内の温度が低い可能性がある。そのため、ショートトリップが発生した場合に通常の掃気・循環処理を行っても、燃料電池システム内の残水の凍結が回避できない場合がある。そこで、ショートトリップの掃気・循環処理では、通常の掃気・循環処理とは異なった必要掃気時間Ｔ‐ｆを求めている。
【００５６】
具体的には、Ｑ‐ｉｎｉと必要掃気時間Ｔ‐ｆとの関係についてのマップ化を、状態量に基づいて行う。ショートトリップの基準となる状態量（例えば、運転時間）は、小さい値となる。そのため、ショートトリップの掃気・循環処理のマップ化を行う場合、状態量は小さい値を用いて行う。したがって、小さい値の状態量を用いてマップ化を行う部分については、より詳細に作成しておく。小さい値の状態量を用いた部分について、より詳細にマップ化しておくことにより、必要掃気時間Ｔ‐ｆをより正確に算出することができる。また、必要掃気時間Ｔ‐ｆは秒で求めてもよい。
【００５７】
次に、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動制御を行う（Ｓ０９）。具体的には、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御する。
【００５８】
また、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御することに代えて、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御してもよい。さらに、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御するとともに、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御してもよい。
【００５９】
この場合に要求される水素ポンプ８の回転数（したがって、回転数の増分）は、実験（又はシミュレーション）で求めておけばよい。また、水素ポンプ８の駆動を脈動に切り替えた後の水素ポンプ８の送出速度（排出速度）は、実験（又はシミュレーション）で求めておけばよい。
【００６０】
このような、（１）水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御すること、（２）水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御すること、及び、（３）水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御するとともに、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えることを強制排水モードＯＮという。
【００６１】
図５は、掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した図である。図５の曲線Ｘは、通常の掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した例である。図５の曲線Ｙは、ショートトリップの掃気・循環処理において強制排水モードＯＮにした場合の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した例である。図５の曲線Ｙは、曲線Ｘよりも掃気（循環）時間に対する燃料電池スタック１内の残水量が減少している。
【００６２】
このように、ショートトリップの掃気・循環処理において強制排水モードＯＮにした場合、掃気（循環）時間に対する燃料電池スタック１内の残水量が通常の掃気・循環処理を行った場合よりも速く減少する。したがって、同一の残水量の場合には、適正量（Ｑｒｅｑ）に達するための必要掃気時間が通常の掃気・循環処理を行った場合よりも短くなる。その結果、燃料電池システムの終了までにかかる時間が短縮される。
【００６３】
また、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御した場合、制御
部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げた後の必要掃気時間Ｔ‐ｆを再度算出してもよい。さらに、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御した場合、制御部１７は、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えた後の必要掃気時間Ｔ‐ｆを再度算出してもよい。
【００６４】
また、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御するとともに、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御した場合、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げた後及び水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えた後の必要掃気時間Ｔ‐ｆを再度算出してもよい。これらの場合、再度算出した必要掃気時間Ｔ‐ｆを用いて以降の処理（図２のＳ１０及びＳ１１の処理）を行ってもよい。
【００６５】
なお、上述のように本実施形態では、ショートトリップの掃気・循環処理において強制排水モードＯＮにした場合の例を示した。しかし、本発明の実施はこのような構成に限定されず、例えば、ショートトリップの掃気・循環処理において強制排水モードＯＮとせずに図２に示す処理を行うようにしてもよい。すなわち、通常の排水モードにて掃気時間を変更することで、ショートトリップに対応した掃気を行ってもよい。その場合、Ｓ０８の処理を行った後、Ｓ０９の処理を行わずにＳ１０の処理を行うようにすればよい。
【００６６】
次に、制御部１７は、ショートトリップの掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔ‐ｆに達しているかを判定する（Ｓ１０）。具体的には、制御部１７は、ショートトリップの掃気・循環処理の時間をカウントするタイマー（図示せず）からショートトリップの掃気・循環処理の経過時間ｔ‐ｆを取得し、必要掃気時間Ｔ−ｆと比較する。そして、制御部１７は、取得したショートトリップの掃気・循環処理の経過時間ｔ‐ｆが必要掃気時間Ｔ‐ｆと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判定する。
【００６７】
ショートトリップの掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔ‐ｆに達していない場合、制御部１７は、ショートトリップの掃気・循環処理を続行する。一方、ショートトリップの掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔ‐ｆに達している場合、制御部１７は、水素ポンプ８の駆動を停止するよう制御する（Ｓ１１）。
【００６８】
そして、制御部１７が、水素ポンプ８の駆動を停止するよう制御した場合、燃料電池システムの動作を停止する。
【００６９】
また、Ｓ０６の判定において、発電開始から発電停止までの冷媒温度の変化量（冷却水変化温度）が所定の閾値Ｃ以下でない場合、制御部１７は、Ｑ‐ｉｎｉを用いて必要掃気時間Ｔ‐ｕを算出する（Ｓ１２）。具体的な算出方法は、Ｓ０８において、Ｑ‐ｉｎｉを用いて必要掃気時間Ｔ‐ｆを算出した方法と同様である。そのため、ここでは、具体的な算出方法の説明は省略する。
【００７０】
必要掃気時間Ｔ‐ｕは、燃料電池スタック１内の残水を掃気するのに必要な通常の掃気・循環処理の時間である。必要掃気時間Ｔ‐ｕとしては燃料電池システム内の残水の凍結を回避するために適切な値が求められる。また、必要掃気時間Ｔ‐ｕは秒で求めてもよい。また、Ｓ０７の判定において、カウンタ２１の値が所定の閾値Ｄ以上でない場合、Ｓ１２の処理を行う。
【００７１】
そして、制御部１７は、通常の掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔ‐ｕに達しているかを判定する（Ｓ１３）。具体的には、制御部１７は、通常の掃気・循環処理の時間をカウントするタイマー（図示せず）から通常の掃気・循環処理の経過時間ｔ‐ｕを取得し、必要掃気時間Ｔ−ｕと比較する。そして、制御部１７は、取得した通常の掃気・循環処理の経過時間ｔ‐ｕが必要掃気時間Ｔ‐ｕと同じ値、あるいはそれ以上の値であるかを判
定する。
【００７２】
通常の掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔ‐ｕに達していない場合、制御部１７は、通常の掃気・循環処理を続行する。一方、通常の掃気・循環処理の時間が必要掃気時間Ｔ‐ｕに達している場合、Ｓ１１の処理を行う。
【００７３】
本実施形態によれば、ショートトリップが発生した場合、適切な掃気時間を求める。そのため、ショートトリップが発生した場合でも、燃料電池システム内の残水を凍結の回避できる適切な量に制御できる。また、本実施形態によれば、ショートトリップが発生した場合、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御し、水素ポンプ８の回転の脈動を脈動に切り替えるように制御する。そのため、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる確率を高くできる。また、ショートトリップが発生した場合、適切な掃気時間を算出することができるので、掃気が不足することによる水の残留を抑制することができる。
【００７４】
〈第２実施形態〉
図６を参照して本発明の第２実施形態を説明する。本実施形態では、掃気・循環処理において、ナビゲーションによる地域、月日の情報と外気温度等から凍結の可能性有無を判断し、強制排水モードＯＮを実行する動作について説明する。他の構成及び作用は第１実施形態と同様である。そこで、同一の構成要素については、第１実施形態と同一の符号を付してその説明を省略する。また、必要に応じて図１から図５の図面を参照する。
【００７５】
図６に、掃気・循環処理において、ナビゲーションによる地域、月日の情報と外気温度等から凍結の可能性有無を判断し、強制排水モードＯＮを実行する処理を示す。
【００７６】
まず、制御部１７は、ナビゲーションデータ及び外気温度を取得する（Ｓ１０１）。具体的には、制御部１７は、ナビゲーション２２からナビゲーションデータを取得する。ナビゲーションデータには、燃料電池システムの現在の地域情報（位置情報）、現在の年月日等がある。ナビゲーション２２は、ＧＰＳ衛星から燃料電池システムの現在の地域情報（位置情報）及び現在の年月日等を取得している。また、制御部１７は、状態量測定部２０から現在の外気温度を取得する。
【００７７】
本実施形態では、ナビゲーション２２は、ＧＰＳ衛星から燃料電池システムの現在の年月日を取得する例を示した。しかし、本発明の実施はこのような構成に限定されず、例えば、ナビゲーション２２は、燃料電池システムが備える時計（図示せず）から現在の年月日を取得するようにしてもよい。
【００７８】
次に、制御部１７は、掃気・循環処理後の燃料電池システム内の残水が凍結する可能性があるかを判定する（Ｓ１０２）。燃料電池システム内の残水が凍結する可能性は、掃気・循環処理を行った場合において、燃料電池システムの動作を停止した後の燃料電池システム内の残水が凍結する確率を推定するものである。具体的には、燃料電池システム内の残水が凍結する可能性は、燃料電池システムの現在の地域情報（位置情報）、現在の年月日、現在の外気温度、適正量（Ｑｒｅｑ）及び状態量に基づいて実測（又はシミュレーション）によって求める。
【００７９】
そして、掃気・循環処理後の燃料電池システム内の残水が凍結する可能性がある場合、制御部１７は、強制排水モードＯＮを実行する（Ｓ１０３）。そして、強制排水モードＯＮを実行した状態で掃気・循環処理を続行する。この場合、水素ポンプ８の回転数をあげた後の回転数（したがって、回転数の増分）は、燃料電池システムの現在の地域情報（位置情報）、現在の年月日、現在の外気温度、適正量（Ｑｒｅｑ）及び状態量に基づいて実
験（又はシミュレーション）で求めておけばよい。
【００８０】
また、水素ポンプ８の駆動を脈動に切り替えた後の水素ポンプ８の駆動量は、燃料電池システムの現在の地域情報（位置情報）、現在の年月日、現在の外気温度、適正量（Ｑｒｅｑ）及び状態量に基づいて実験（又はシミュレーション）で求めておけばよい。
【００８１】
また、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御した場合、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げた後の必要掃気時間Ｔ‐ｆ又は必要掃気時間Ｔ‐ｕを再度算出してもよい。さらに、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御した場合、制御部１７は、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えた後の必要掃気時間Ｔ‐ｆ又は必要掃気時間Ｔ‐ｕを再度算出してもよい。
【００８２】
また、水素ポンプ８の回転数を上げるように水素ポンプ８の駆動を制御するとともに、水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えるように制御した場合、制御部１７は、水素ポンプ８の回転数を上げた後及び水素ポンプ８の回転の駆動を脈動に切り替えた後の必要掃気時間Ｔ‐ｆ又は必要掃気時間Ｔ‐ｕを再度算出してもよい。これらの場合、再度算出した必要掃気時間Ｔ‐ｆ又は再度算出した必要掃気時間Ｔ‐ｕを用いて掃気・循環処理を行ってもよい。
【００８３】
一方、掃気・循環処理後の燃料電池システム内の残水が凍結する可能性がない場合、制御部１７は、強制排水モードＯＮを実行しない（Ｓ１０４）。そして、強制排水モードＯＮを実行しない状態で掃気・循環処理を続行する。
【００８４】
本実施形態によれば、地域、月日の情報と外気温度等に基づいて燃料電池システム内の残水が凍結する可能性を判定する。そのため、燃料電池システムの残水が凍結する可能性が高い環境下においても、燃料電池システム内の残水の凍結を回避できる確率を高めることができる。また、強制排水モードＯＮを実行した後に適切な掃気時間を算出することができるので、掃気が不足することによる水の残留を抑制することができる。
【００８５】
〈変形例〉
第１実施形態及び第２実施形態では、燃料電池システムは、水素ポンプ８及び気液分離器１４を有している。例えば、カソード側のポンプ９を水素ポンプ８のように、燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用してもよい。また、アノードオフガス通路３の気液分離器１４をカソードオフガス通路６に設けるようにしてもよい。さらに、その場合の気液分離器１４にドレンタンク１５及び排水弁１６を設けるようにしてもよい。
【００８６】
また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路６に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとともに再び燃料電池スタック１のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環通路により、カソード側の循環経路が構成される。ポンプ９及び気液分離器１４の駆動を制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。
【００８７】
また、例えば、アノードガス通路２に水素ポンプ８及び気液分離器１４を備えた状態で、ポンプ９を燃料電池システム内の残水の掃気を行うために使用し、カソードオフガス通路６にカソード気液分離器を設けるようにしてもよい。さらに、その場合のカソード気液分離器にドレンタンク１５及び排水弁１６を設けるようにしてもよい。
【００８８】
また、カソードオフガス循環通路を設け、カソードオフガス通路６に排出される空気がカソードオフガス循環通路を通り、燃料電池システム外から供給されるカソードガスとと
もに再び燃料電池スタック１のカソードへ供給されるようにしてもよい。このカソードオフガス循環通路により、カソード側の循環経路が構成される。水素ポンプ８、ポンプ９、気液分離器１４及びカソード気液分離器のいずれか又はすべてを制御することにより、燃料電池システム内の残水を循環経路外に排出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を説明するフローチャートである。
【図３】状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。
【図４】状態量と燃料電池システム内の残水量の関係の例を示した図である。
【図５】掃気・循環処理の掃気（循環）時間と残水量の対応関係を示した図である。
【図６】掃気・循環処理において、ナビゲーションによる地域、月日の情報と外気温度等から凍結の可能性有無を判断し、強制排水モードＯＮを実行する処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９０】
１    燃料電池スタック
２    アノードガス通路
３    アノードオフガス通路
４    アノードオフガス循環通路
５    カソードガス通路
６    カソードオフガス通路
７    水素タンク
８    水素ポンプ
９    ポンプ
１０、１１  調圧弁
１２  フィルタ
１３  加湿器
１４  気液分離器
１５  ドレンタンク
１６  排水弁
１７  制御部
１８  残水量算出部
１９  パージ弁
２０  状態量測定部
２１  カウンタ
２２  ナビゲーション
【図１】
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【図２】
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【図３】
2007207716.tif 000005
【図４】
2007207716.tif 000006
【図５】
2007207716.tif 000007
【図６】
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