(57)【要約】【課題】掃気処理で第１所定温度以下の冷却媒体が燃料電池に送り込まれるのを防止し、燃料電池の内部で生成水が凍結するのを防止できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】エアコンプレッサ７（酸化剤ガス供給装置）を制御して掃気処理を行うコントローラ６０（制御装置）を備え、冷却水ポンプ４２（冷却媒体供給装置）とエアコンプレッサ７とが同軸上に配置されるとともに、相互が連動して回動する燃料電池システム１において、コントローラ６０は、冷却水の温度が燃料電池１０の内部の生成水が凍結する第１所定温度になるまでに掃気処理を終了することを特徴とする。【選択図】図１
2012003889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池を冷却するために冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、
前記冷却媒体の温度を検出する冷却媒体温度検出装置と、
前記酸化剤ガス供給装置を制御して掃気処理を行う制御装置と、
を備え、
前記冷却媒体供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とが同軸上に配置されるとともに、相互が連動して回動する燃料電池システムにおいて、
前記制御装置は、前記掃気処理の終了時の前記冷却媒体の温度が、前記燃料電池の内部の生成水が凍結する第１所定温度になるまでに前記掃気処理を終了す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であって、
前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方のガス温度を検出するガス温度検出手段を備えており、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電停止中における前記ガス温度が、前記生成水が凍結すると予測される第２所定温度を下回ったときに前記掃気処理を開始す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または２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の前記冷却媒体の入口と前記冷却媒体供給装置との間に、前記燃料電池に流入する前記冷却媒体の流量を調整する流量制御弁を備えており、
前記制御装置は、前記燃料電池の発電停止中における前記冷却媒体温度が、前記生成水が凍結すると予測される第３所定温度を下回るときに前記流量制御弁を制御して前記冷却媒体の前記燃料電池への流入を規制す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から３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記冷却媒体温度検出装置は、前記冷却媒体が流れる冷却配管のうち、高さ方向で最も低い位置に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アノード電極とカソード電極とで例えば固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）を両側から挟み込んだセルを備え、このセルを複数積層して構成された燃料電池が知られている。この燃料電池は、アノード電極にアノードガス（燃料）として水素が供給され、カソード電極にカソードガス（酸化剤）として空気が供給されることで発電する。具体的には、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが、電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。ここで、この発電に伴って、燃料電池の内部に水（以下「生成水」という。）が生成される。
【０００３】
ところで、アノードガスおよびカソードガスの流路（以下「反応ガス流路」という。）に残った生成水は、セルに対するアノードガスおよびカソードガスの供給の妨げになり、発電性能を低下させる。また、電解質膜上で生成水が凍結すると燃料電池の劣化の原因となる。そこで、反応ガス流路内に所定のガスを供給して生成水を排出除去する掃気技術が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池の内部に掃気ガスを供給する掃気手段と、アノード経路内およびカソード経路内の少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、を有している。そして、燃料電池システムの停止後に温度検出手段により検出された温度が、燃料電池の内部の生成水が凍結すると予測される所定温度を下回った際に、予め設定された掃気時間が経過するまで掃気を行っている。なお、特許文献１の実施形態において、「燃料電池スタックの内部に掃気ガスを供給する掃気手段」は、エアコンプレッサに相当する。また、特許文献１の燃料電池システムは、発電時に発熱した燃料電池を冷却するため、冷却媒体（冷却水）を循環させる冷却水ポンプが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−３４９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、軽量化やコストダウン等の観点から、エアコンプレッサと冷却水ポンプとを同軸で回せるように、エアコンプレッサおよび冷却水ポンプを挿通する共通のシャフト等を設け、１つのモータでエアコンプレッサおよび冷却水ポンプを駆動する場合がある。この場合、掃気に伴ってエアコンプレッサが駆動されると冷却水ポンプも駆動され、燃料電池の内部に冷却媒体が供給される。
ところで、一般に、熱伝導率は気体よりも液体のほうが高いため、アノードガスよりも冷却媒体のほうが先に温度が低下する傾向にある。したがって、特許文献１のようにアノード経路内およびカソード経路内の温度に基づいて掃気を行うと、燃料電池の内部の生成水が凍結する温度（以下「第１所定温度」という。）以下の温度の冷却媒体が、燃料電池の内部の冷却媒体通路に流入するおそれがある。具体的には、氷点下で車両のイグニッションをＯＦＦして燃料電池の発電を停止するとソーク状態（燃料電池が停止してから次に起動するまでの間の待機状態）となる。その後、アノード側のオフガス温度に基づき掃気処理が開始され、エアコンプレッサが駆動される。このとき、エアコンプレッサと同軸に備えられた冷却水ポンプも一緒に駆動されるため、外気により冷却されて第１所定温度以下となった冷却媒体が燃料電池の内部に送り込まれるおそれがある。これにより、燃料電池内部に送り込まれた冷却媒体により、電解質膜が破損するおそれがある。また、燃料電池の内部の生成水が掃気処理で排出除去される前に、燃料電池の内部が冷却媒体により第１所定温度以下に冷却されて生成水が凍結するおそれがある。
【０００７】
そこで本発明は、掃気処理で第１所定温度以下の冷却媒体が燃料電池に送り込まれるのを防止し、電解質膜の破損及び燃料電池内部での生成水の凍結を防止できる燃料電池システムの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム１）は、燃料ガス（例えば、実施形態におけるアノードガス）および酸化剤ガス（例えば、実施形態におけるカソードガス）が供給されることにより発電する燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１０）と、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（例えば、実施形態におけるエアコンプレッサ７）と、前記燃料電池を冷却するために冷却媒体（例えば、実施形態における冷却水）を供給する冷却媒体供給装置（例えば、実施形態における冷却水ポンプ４２）と、前記冷却媒体の温度（例えば、実施形態における冷却水温度ＴＷ）を検出する冷却媒体温度検出装置（例えば、実施形態における冷却水温度センサＴ３）と、前記酸化剤ガス供給装置を制御して掃気処理を行う制御装置（例えば、実施形態におけるコントローラ６０）と、を備え、前記冷却媒体供給装置と前記酸化剤ガス供給装置とが同軸上に配置されるとともに、相互が連動して回動する燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記冷却媒体の温度が、前記燃料電池の内部の生成水が凍結する第１所定温度になるまでに前記掃気処理を終了することを特徴とする。
本発明によれば、冷却媒体の温度が第１所定温度になるまでに燃料電池内の掃気処理を終了するので、酸化剤ガス供給装置は、冷却媒体の温度が第１所定温度以下のときに駆動しない。したがって、酸化剤ガス供給装置と連動する冷却媒体供給装置も、冷却媒体の温度が第１所定温度以下のときには駆動しない。これにより、掃気処理で第１所定温度以下の冷却媒体が燃料電池内に送り込まれるのを防止することができるので、電解質膜の破損及び燃料電池内部での生成水の凍結を防止できる。
【０００９】
また、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスのうち少なくとも一方のガス温度（例えば、実施形態におけるガス温度ＴＡ）を検出するガス温度検出手段（例えば、実施形態におけるアノードガス温度センサＴ１、カソードガス温度センサＴ２）を備えており、前記制御装置は、前記燃料電池の発電停止中における前記ガス温度が、前記生成水が凍結すると予測される第２所定温度を下回ったときに前記掃気処理を開始することが望ましい。
本発明によれば、ガス温度が第２所定温度を下回ったときに掃気処理を開始するので、燃料電池の内部の生成水が凍結すると予測されるときにのみ掃気処理を行うことができる。これにより、無駄に電力が消費されるのを抑制しつつ、電解質膜の破損及び燃料電池内部での生成水の凍結を防止できる。
【００１０】
また、前記燃料電池の前記冷却媒体の入口と前記冷却媒体供給装置との間に、前記燃料電池に流入する前記冷却媒体の流量を調整する流量制御弁（例えば、実施形態における流量制御弁４８）を備えており、前記制御装置は、前記燃料電池の発電停止中における前記冷却媒体温度が、前記生成水が凍結すると予測される第３所定温度を下回るときに前記流量制御弁を制御して前記冷却媒体の前記燃料電池への流入を規制することが望ましい。
本発明によれば、冷却媒体の流量を調整する流量制御弁を備えているので、第３所定温度以下の冷却媒体が燃料電池に流入するのを規制できる。したがって、電解質膜の破損及び燃料電池内部での生成水の凍結を確実に防止できる。
【００１１】
また、前記冷却媒体温度検出装置は、前記冷却媒体が流れる冷却配管（例えば、実施形態における冷却媒体循環路４１）のうち、高さ方向で最も低い位置に配置されることが望ましい。
本発明によれば、冷却媒体温度検出装置は、冷却媒体の温度が最も低くなる位置に配置されているので、冷却媒体の最低温度を検出することができる。これにより、掃気処理で第１所定温度以下の冷却媒体が燃料電池の内部に送り込まれるのを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷却媒体の温度が第１所定温度になるまでに燃料電池内の掃気処理を終了するので、酸化剤ガス供給装置は、冷却媒体の温度が第１所定温度以下のときに駆動しない。したがって、酸化剤ガス供給装置と連動する冷却媒体供給装置も、冷却媒体の温度が第１所定温度以下のときには駆動しない。これにより、掃気処理で第１所定温度以下の冷却媒体が燃料電池の内部に送り込まれるのを防止することができるので、電解質膜の破損及び燃料電池内部での生成水の凍結を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
【図２】第１実施形態の燃料電池システムの掃気方法のフローチャートである。
【図３】外気温が低温のときのガス温度および冷却水温度の経時変化を示すグラフである。
【図４】第２実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
【図５】第２実施形態の燃料電池システムの掃気方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施形態、燃料電池システム）
以下に、本発明の第１実施形態の燃料電池システムにつき図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、車両に搭載される燃料電池システムを用いて説明する。
図１は、第１実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
本実施形態の燃料電池システム１は、アノードガス（燃料ガス）およびカソードガス（酸化剤ガス）が供給されることにより発電を行う燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を多数積層して電気的に直列接続したものである。単位セルは、膜電極構造体の両側にセパレータを配置したサンドイッチ構造をしている。膜電極構造体は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）の両側にアノード電極とカソード電極を配置して形成されている。その膜電極構造体のアノード電極に面してアノード側セパレータが配置され、アノード電極とアノード側セパレータとの間にアノードガス流路１１が形成されている。また膜電極構造体のカソード電極に面してカソード側セパレータが配置され、カソード電極とカソード側セパレータとの間にカソードガス流路１２が形成されている。
【００１５】
アノードガス流路１１には、アノードガスとして水素ガス等の燃料ガスが供給される。また、カソードガス流路１２には、カソードガスとして酸素を含む空気等の酸化剤ガスが供給される。そして、アノードガス流路１１およびカソードガス流路１２を通じて燃料電池１０にカソードガスおよびアノードガスを供給することにより、燃料電池１０が発電を行う。具体的には、アノード電極での触媒反応により固体高分子電解質膜で発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード電極まで移動する。この水素イオンと、カソードガス中の酸素とがカソード電極で電気化学反応を起こすことにより、燃料電池１０は発電する。このとき、燃料電池１０の発電に伴って、カソード電極側で水（以下「生成水」という。）が生成される。
【００１６】
（アノードガス系統）
燃料電池１０のアノードガス流路１１の入口側には、アノードガス供給路１７が接続されている。アノードガス供給路１７には、水素タンク１５と、アノードガスの流通を遮断する電磁遮断弁２５と、カソードガスの圧力に応じてアノードガスを減圧する減圧弁（不図示）と、アノードガス供給路１７中の不純物を除去するフィルタ（不図示）と、アノードガスの温度を調整する熱交換器（不図示）と、アノードオフガス（燃料電池１０から排出されたアノードガス）をアノードガス供給路１７に合流させるエゼクタ１９と、が設けられている。また、燃料電池１０のアノードガス流路１１の出口側からエゼクタ１９にかけて、アノード循環路１８が設けられている。さらに、アノード循環路１８にはキャッチタンク２８が設けられている。
【００１７】
水素タンク１５から供給されたアノードガスは、アノードガス供給路１７を通って燃料電池１０のアノードガス流路１１に供給される。燃料電池１０から排出されるアノードオフガスは、アノード循環路１８を通ってエゼクタ１９に吸引される。その後、水素タンク１５から供給されるアノードガスと合流し、再び燃料電池１０に供給されて循環するようになっている。
【００１８】
キャッチタンク２８は、アノードオフガスに含まれる水を分離するものである。水が分離されたアノードオフガスは、アノード循環路１８およびエゼクタ１９を介して、燃料電池１０の内部に戻される。また、アノードオフガスから分離された水は、ドレイン弁２１ｂおよびドレイン配管２２ｂを介して希釈器３０内に放出される。
【００１９】
アノード循環路１８から、電磁駆動式のパージ弁２１を備えたアノードオフガス排出配管２２が分岐されている。燃料電池１０を循環するアノードオフガス中の不純物（水分や空気、窒素等）の濃度が高くなった場合など、燃料電池１０の運転状態に応じて、定期的にパージ弁２１が開放され、アノードオフガス排出配管２２からアノードオフガスが排出されるようになっている。またアノード循環路１８から、電磁駆動式の掃気ガス排出弁２１ａを備えた掃気ガス排出配管２２ａが分岐されている。
アノードオフガスおよび掃気ガスは、未反応の水素ガスを含んでいる。そのため、アノードオフガス排出配管２２および掃気ガス排出配管２２ａは希釈器３０に接続されている。希釈器３０は、アノードオフガスおよび掃気ガスをカソードオフガス（燃料電池１０から排出されたカソードガス）で希釈して、外部に排出している。
【００２０】
（カソードガス系統）
燃料電池１０のカソードガス流路１２の入口側には、カソードガス供給路８が連結されている。カソードガス供給路８には、カソードガスを供給するエアコンプレッサ７と、カソードオフガスを用いてカソードガスを加湿する加湿器（不図示）とが設けられている。なお、エアコンプレッサ７は本願の請求項でいう酸化剤ガス供給装置に相当する。
また、カソードガス流路１２の出口側にはカソードオフガス排出配管９が接続されている。カソードオフガス排出配管９は、加湿器を通り、背圧制御弁２９を介して希釈器３０に接続されている。エアコンプレッサ７により加圧された空気は、カソードガス供給路８を通って燃料電池１０のカソードガス流路１２に供給される。この空気中の酸素がカソードガスとして発電に供された後、燃料電池１０からカソードオフガスとして排出される。
【００２１】
（冷却系統）
燃料電池１０の内部には、冷却水が流通する冷却媒体流路４０が設けられている。また燃料電池１０の外部には冷却媒体循環路４１が設けられ、冷却水は冷却媒体流路４０および冷却媒体循環路４１を循環するようになっている。冷却媒体循環路４１には、冷却媒体流路４０に冷却水を供給する冷却水ポンプ４２が設けられている。また冷却媒体循環路４１には、冷却媒体流路４０から排出された冷却水の熱交換を行うＦＣ系ラジエタ４４が設けられている。なお、冷却水ポンプ４２は本願の請求項でいう冷却媒体供給装置に相当し、冷却媒体循環路４１は本願の請求項でいう冷却配管に相当する。
【００２２】
燃料電池１０は、発電にともなって発熱するが、冷却媒体流路４０を流通する冷却水によって冷却される。燃料電池１０から排出された冷却水は、ＦＣ系ラジエタ４４で熱交換を行った後に、冷却水ポンプ４２により再び燃料電池１０に供給されて循環するようになっている。
【００２３】
ここで、エアコンプレッサ７および冷却水ポンプ４２は、同軸上に配置されるとともに、相互が連動して回動するように構成されている。具体的には、エアコンプレッサ７および冷却水ポンプ４２を挿通する共通のシャフト４５が設けられており、１つのモータ（不図示）でエアコンプレッサ７および冷却水ポンプ４２を駆動している。これにより、エアコンプレッサ７および冷却水ポンプ４２に各々駆動用のモータを設ける場合と比較して、燃料電池システム１の軽量化およびコストダウンを行うことができる。なお、後述するように、掃気処理でエアコンプレッサ７が駆動されると、冷却水ポンプ４２も連動して同時に駆動される。
【００２４】
（各温度センサ）
アノードガス流路１１の出口付近のアノード循環路１８には、アノードオフガスの温度を検出するアノードガス温度センサＴ１が設けられている。またカソードガス流路１２の出口付近のカソードオフガス排出配管９には、カソードオフガスの温度を検出するカソードガス温度センサＴ２が設けられている。また冷却媒体流路４０の出口付近の冷却媒体循環路４１には、冷却水の温度を検出する冷却水温度センサＴ３が設けられている。なお、アノードガス温度センサＴ１およびカソードガス温度センサＴ２は本願の請求項でいうガス温度検出装置に相当する。また、冷却水温度センサＴ３は本願の請求項でいう冷却媒体温度検出装置に相当する。
【００２５】
冷却水温度センサＴ３は、冷却媒体循環路４１のうち、高さ方向で最も低い位置に配置されている。一般に、冷却水の熱の対流により、温度の高い冷却水は上方に移動し、温度の低い冷却水は下方に移動する。このため、高さ方向で最も低い位置で、冷却水の温度は最も低くなっている。したがって、冷却媒体循環路４１のうち高さ方向で最も低い位置に冷却水温度センサＴ３を配置することで、冷却水の最低温度を検出することができる。
【００２６】
（掃気ガス供給手段）
燃料電池システム１は、反応ガス流路に掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段２０を備えている。具体的には、アノードガス流路１１およびカソードガス流路１２に対して、エアコンプレッサ７から空気を供給する。アノードガス流路１１に空気を供給するため、カソードガス供給路８から分岐して、掃気ガス導入路２４が設けられている。この掃気ガス導入路２４は、掃気ガス導入弁２３を介してアノードガス供給路１７に接続されている。
【００２７】
（コントローラ）
また燃料電池システム１は、各部の動作を制御するコントローラ６０を備えている。なお、コントローラ６０は本願の請求項でいう制御装置に相当する。コントローラ６０は、アノードガス温度センサＴ１およびカソードガス温度センサＴ２の検出値を用いて、掃気処理を開始するかどうかを判断する機能を有する。また、コントローラ６０は、冷却水温度センサＴ３の検出値を用いて、掃気処理を終了するかどうかを判断する機能を有する。
【００２８】
（掃気方法）
次に、燃料電池システム１の掃気方法について説明する。
図２は、本実施形態の燃料電池システム１の掃気方法のフローチャートである。
掃気処理は、燃料電池１０のソーク時（燃料電池１０が停止してから次に起動するまでの間）に行う。そのため、まず始めに車両のイグニッションスイッチをオフするＩＧ−ＯＦＦ（Ｓ１０）を行う。
【００２９】
（ガス温度の第２所定温度の判定  Ｓ１５）
次に、Ｓ１５では、ガス温度が第２所定温度を下回ったかどうかを判定する。ここで、第２所定温度とは、車両をそのまま放置すると、近い将来に燃料電池１０の内部の生成水が凍結すると予測される温度、あるいは、燃料電池１０の内部のガスが液化する温度のことをいう。例えば、第２所定温度は５℃から１０℃の間で設定される。
具体的なＳ１５の処理は、アノードガス温度センサＴ１によりアノードオフガスの温度を検出し、カソードガス温度センサＴ２によりカソードオフガスの温度を検出する。ここで、前述のとおり、アノードガス温度センサＴ１およびカソードガス温度センサＴ２は、それぞれ燃料電池１０からの出口付近に設けられている。したがって、アノードガス温度センサＴ１およびカソードガス温度センサＴ２により検出された各温度は、燃料電池１０の内部の温度と略同一である。そして、アノードガス温度センサＴ１およびカソードガス温度センサＴ２のいずれか一方の検出値が、第２所定温度を下回ったかどうかを判定する。判定がＹｅｓの場合、そのまま放置すると近い将来に燃料電池１０の内部の生成水が凍結すると予測されるため、次ステップのＳ２０で掃気を開始する。なお、判定がＮｏの場合には掃気は行われない。
なお、次ステップで掃気を開始する前に、掃気を継続する時間（以下「掃気時間」という。）の設定を行う。ここで、掃気時間は、燃料電池１０の発電量から算出される生成水の量と、エアコンプレッサ７の出力から算出される掃気時に送り込まれる空気量とから決定される、掃気が完了するまでに要する時間である。例えば、掃気時間は予め求めたデータマップに基づいて決定される。また、外気温が低く、燃料電池１０の内部温度が短時間で低下すると予測される場合には、エアコンプレッサ７の出力を増加させる制御を行うように設定される。
【００３０】
（掃気開始  Ｓ２０）
Ｓ２０では掃気が開始される。
Ｓ２０では、以下の手順でアノードガス流路１１およびカソードガス流路１２の掃気が行われる。
図１に示すアノードガス流路１１の具体的な掃気方法としては、まず、コントローラ６０が、背圧制御弁２９を閉鎖するとともに、掃気ガス導入弁２３を開放する。同時に、コントローラ６０が、パージ弁２１、掃気ガス排出弁２１ａおよびドレイン弁２１ｂを開放する。
次にコントローラ６０は、エアコンプレッサ７を作動させ、掃気ガスとして空気を供給する。エアコンプレッサ７から供給された空気は、背圧制御弁２９が閉鎖されているためカソードガス流路１２には流入せず、掃気ガス導入弁２３が開放された掃気ガス導入路２４に流入する。さらに、パージ弁２１、掃気ガス排出弁２１ａおよびドレイン弁２１ｂが開放されているため、エアコンプレッサ７から供給された空気はアノードガス流路１１に流入する。この掃気ガスは、アノードガス流路１１に残留する生成水およびアノード電極に付着した生成水を伴って、アノードオフガス排出配管２２、掃気ガス排出配管２２ａおよびドレイン配管２２ｂから排出される。
【００３１】
また、カソードガス流路１２の具体的な掃気方法としては、まず、コントローラ６０が、掃気ガス導入弁２３を閉鎖するとともに、背圧制御弁２９を開放する。次にコントローラ６０は、エアコンプレッサ７を作動させ、掃気ガスとして空気を供給する。エアコンプレッサ７から供給された空気は、掃気ガス導入弁２３が閉鎖されているため掃気ガス導入路２４には流入せず、背圧制御弁２９が開放されているためカソードガス流路１２に流入する。この掃気ガスは、カソードガス流路１２に残留する生成水およびカソード電極に付着した生成水を伴って、カソードオフガス排出配管９から排出される。
【００３２】
（冷却水の第１所定温度の判定  Ｓ２５）
次に、Ｓ２５では、冷却水の温度が第１所定温度になったかどうかを判定する。ここで、第１所定温度とは、燃料電池１０の内部の生成水が凍結する温度のことをいう。例えば、第１所定温度は、第２所定温度より低い０℃以下で設定される。Ｓ２５で冷却媒体の温度が第１所定温度になったかどうかの判定が必要な理由は以下のとおりである。
図３は、外気温が低温のときのガス温度ＴＡおよび冷却水温度ＴＷの経時変化のグラフである。
本実施形態では、前述のとおりエアコンプレッサ７および冷却水ポンプ４２を共通のシャフト４５（図１参照）が挿通して、エアコンプレッサ７および冷却水ポンプ４２が同軸上に配置されている。したがって、Ｓ２０で掃気を開始してエアコンプレッサ７を駆動すると、冷却水ポンプ４２も同時に駆動するため、冷却水が燃料電池１０の内部の冷却媒体流路４０に流入する。
【００３３】
ところで、一般に熱伝導率は気体よりも液体のほうが高い。したがって、図３に示すように、ガス温度ＴＡよりも冷却水温度ＴＷのほうが先に、外気温の影響を受けて温度が低下する。
このため、図３に示すように掃気開始時間ｔ１で掃気を開始すると、所定の掃気時間ｔ２を経過する前に冷却水温度ＴＷが第１所定温度を下回る可能性がある。さらに、掃気開始時間ｔ１において、すでに冷却水温度ＴＷが第１所定温度を下回っている可能性もある。したがって、エアコンプレッサ７とともに駆動する冷却水ポンプ４２により、第１所定温度以下となった冷却水が燃料電池１０の内部に送り込まれるおそれがある。これにより、燃料電池１０の内部の生成水が掃気で排出除去される前に、燃料電池１０の内部が冷却水により第１所定温度以下に冷却されて、生成水が凍結するおそれがある。この事象を防ぐために、Ｓ２５で冷却水の温度が第１所定温度になったかどうかを判定して、掃気を継続または終了している。
【００３４】
具体的なＳ２５の処理は、冷却水温度センサＴ３（図１参照）により冷却水の温度を検出し、冷却水の温度が第１所定温度になったかどうかを判定する。判定がＹｅｓの場合、そのまま掃気を継続すると、燃料電池１０の内部に第１所定温度以下の冷却水が送り込まれるおそれがあるため、掃気を強制的に終了する（Ｓ４０）。判定がＮｏの場合には、そのまま掃気を継続する。なお、燃料電池１０の内部が第１所定温度以下になったときに掃気を強制に終了するのではなく、エアコンプレッサ７の出力を上げて、設定時間よりも早くに終了させるようにしても良い。
また、冷却水温度センサＴ３は、前述のとおり、冷却水の温度が最も低くなる位置に配置されているので、冷却水の最低温度を検出することができる。これにより、掃気処理で第１所定温度以下の冷却水が燃料電池１０の内部に送り込まれるのを確実に防止することができる。
【００３５】
（掃気時間の判定  Ｓ３０および掃気終了  Ｓ４０）
最後に、Ｓ３０では掃気時間が経過したかどうかの判定を行う。Ｓ３０の判定がＹｅｓの場合（掃気時間が満了した場合）、掃気が終了する（Ｓ４０）。これにより全ての掃気処理が終了する。なお、判定がＮｏの場合には、再度Ｓ２５に戻り掃気を継続する。
【００３６】
本実施形態によれば、冷却水の温度が第１所定温度になるまでに燃料電池１０の内部の掃気処理を終了するので、エアコンプレッサ７は、冷却水の温度が第１所定温度以下のときに駆動しない。したがって、エアコンプレッサ７と連動する冷却水ポンプ４２も、冷却水の温度が第１所定温度以下のときには駆動しない。これにより、掃気処理で第１所定温度以下の冷却水が燃料電池１０の内部に送り込まれるのを防止することができるので、電解質膜の破損及び燃料電池１０の内部での生成水の凍結を防止できる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、アノードオフガスの温度およびカソードオフガスの温度のうち少なくとも一方が第２所定温度を下回ったときに掃気処理を開始する。したがって、燃料電池１０の内部の生成水が凍結すると予測されるときにのみ掃気処理を行うことができる。これにより、無駄に電力が消費されるのを抑制しつつ、燃料電池１０の内部で生成水が凍結するのを防止できる。
【００３８】
（第２実施形態、流量制御弁を備えた燃料電池システム）
図４は、第２実施形態の燃料電池システムのブロック図である。
図５は、第２実施形態の燃料電池システムの掃気方法のフローチャートである。
図４に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、冷却媒体循環路４１に流量制御弁４８を備えている点で第１実施形態とは異なっている。また、図５に示すように、本実施形態の掃気方法では、流量制御弁４８で冷却水の流量を規制する処理を有する点で第１実施形態と異なっている。なお、第１実施形態と同様の構成の部分については、詳細な説明を省略する。
【００３９】
（流量制御弁）
流量制御弁４８は、例えば電磁駆動式の弁を有している。流量制御弁４８は、冷却水ポンプ４２と燃料電池１０との間の冷却媒体循環路４１に配置される。これにより、流量制御弁４８を開放することで、燃料電池１０の内部の冷却媒体流路４０に冷却水を送り込むことができる。また、流量制御弁４８を閉鎖することで、燃料電池１０の内部の冷却媒体流路４０に冷却水が流れ込むのを抑制できる。
【００４０】
（掃気方法のフロー、冷却水の第３所定温度の判定および処理  Ｓ２２、Ｓ２４）
本実施形態では、Ｓ２０で掃気を開始した後、Ｓ２２で冷却水の温度が第３所定温度になったかどうかを判定する。ここで、第３所定温度とは、車両をそのまま放置すると、近い将来に燃料電池１０の内部の生成水が凍結すると予測される温度のことをいう。第３所定温度は、第１所定温度よりも高い温度であり、５℃から１０℃の間で設定される。なお、燃料電池１０の内部で生成水が凍結するのを確実に防止するため、第３所定温度を下回った冷却水が燃料電池１０の内部に送り込まれるのを防止する。
【００４１】
具体的なＳ２２の処理は、冷却水温度センサＴ３（図１参照）により冷却水の温度を検出し、冷却水の温度が第３所定温度を下回ったかどうかを判定する。判定がＹｅｓの場合、そのまま掃気を継続すると、燃料電池１０の内部に第３所定温度以下の冷却水が送り込まれるおそれがある。したがって、燃料電池１０の内部に冷却水が送り込まれるのを防止するために、Ｓ２４で流量制御弁４８を閉鎖し、冷却水の流量を強制的に規制する。判定がＮｏの場合には、そのまま掃気を継続する。
【００４２】
本実施形態によれば、図４に示すように冷却水の流量を調整する流量制御弁４８を備えているので、第３所定温度以下の冷却水が燃料電池１０に流入するのを規制できる。したがって、電解質膜の破損及び燃料電池１０の内部での生成水の凍結を確実に防止できる。
【００４３】
なお、この発明は上述した実施の形態に限られるものではない。
第１実施形態および第２実施形態では、本発明の燃料電池システムを燃料電池自動車に搭載した場合を例にして説明したが、この燃料電池システムは航空機や船舶等にも搭載できる。
【００４４】
第１実施形態および第２実施形態では、燃料電池の発電量から算出される生成水の量と、エアコンプレッサの出力から算出される掃気の空気量とから決定された掃気時間が経過したときに掃気処理を終了している。しかし、例えば、エアコンプレッサの最大出力で掃気を行い、冷却水が第１所定温度になったときに掃気処理を終了してもよい。ただし、予め求めたデータマップ等からエアコンプレッサの出力および掃気時間を決定することができ、エアコンプレッサの消費電力を抑制できる点で、第１実施形態および第２実施形態に優位性がある。また、低出力運転でエアコンプレッサを駆動することによりＮＶが抑制され、商品性が向上する点で、第１実施形態および第２実施形態に優位性がある。
【符号の説明】
【００４５】
１・・・燃料電池システム  ７・・・エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給装置）  １０・・・燃料電池  ４１・・・冷却媒体循環路（冷却配管）  ４２・・・冷却水ポンプ（冷却媒体供給装置）  ４８・・・流量制御弁  ６０・・・コントローラ（制御装置）  Ｔ１・・・アノードガス温度センサ（ガス温度検出手段）  Ｔ２・・・カソードガス温度センサ（ガス温度検出手段）  Ｔ３・・・冷却水温度センサ  ＴＡ・・・ガス温度  ＴＷ・・・冷却水温度（冷却媒体の温度）
【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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