(57)【要約】【課題】想定外の温度低下があったときにも適切なタイミングで低温掃気を実施する。【解決手段】燃料電池１のアノード極およびカソード極に連なるガス流路に掃気ガスを流すことで流路および燃料電池１内の水を排出する掃気手段と、アノード出口温度を検出するアノード出口温度センサ６２を備え、制御装置５０は、燃料電池１の停止中、燃料電池１が停止してから確認インターバルが経過する毎に、アノード出口温度と掃気実施温度閾値とを比較しアノード出口温度が掃気実施温度閾値よりも小さいときに掃気手段による掃気が必要と判定する掃気要否判定を行い、該判定時のアノード出口温度を用いて算出した単位時間当たりの温度低下割合が所定値よりも大きい場合には、今回判定から次回判定までの確認インターバルを、今回判定時のアノード出口温度に応じて時間がより短く設定された短縮確認インターバルに変更する。【選択図】図１
2012060784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極に燃料を供給されカソード極に酸化剤を供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノード極に連なる燃料系ガス流路と前記カソード極に連なる酸化剤系ガス流路の少なくとも一方の流路に掃気ガスを流すことで該流路および前記燃料電池内の水を排出する掃気手段と、
前記掃気手段を制御する制御部と、
を備え、車両に搭載された燃料電池システムであって、
燃料電池システム内の温度を検出する温度センサを備え、
前記制御部は、前記燃料電池の停止中、前記燃料電池が停止してから確認インターバルが経過する毎に、前記温度センサで検出された温度と掃気実施温度閾値とを比較し前記温度が前記掃気実施温度閾値よりも小さいときに前記掃気手段による掃気が必要と判定する掃気要否判定を行い、該判定時に前記温度センサで検出された温度を用いて算出した単位時間当たりの温度低下割合が所定値よりも大きい場合には、今回判定から次回判定までの確認インターバルを、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値に応じて時間がより短く設定された短縮確認インターバルに変更することを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値が低いほど、前記温度低下割合が前記所定値以下の場合に設定されている通常閾値よりも高く設定された急冷用掃気実施温度閾値を有し、
前記温度低下割合が前記所定値よりも大きい場合には、今回判定時の掃気実施温度閾値を前記急冷用掃気実施温度閾値に変更することを特徴とする請求項１に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項３】
前記所定値は、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値に応じて設定される変数であり、前記温度値が大きいほど大きい値に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項４】
アノード極に燃料を供給されカソード極に酸化剤を供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の前記アノード極に連なる燃料系ガス流路と前記カソード極に連なる酸化剤系ガス流路の少なくとも一方の流路に掃気ガスを流すことで該流路および前記燃料電池内の水を排出する掃気手段と、
前記掃気手段を制御する制御部と、
を備え、車両に搭載された燃料電池システムであって、
燃料電池システム内の温度を検出する温度センサと、
通信衛星により自車位置を検知する自車位置検知手段と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の停止中、前記燃料電池が停止してから確認インターバルが経過する毎に、前記温度センサで検出された温度と掃気実施温度閾値とを比較し前記温度が前記掃気実施温度閾値よりも小さいときに前記掃気手段による掃気が必要と判定する掃気要否判定を行い、該判定時に今回判定時および前回判定時に前記自車位置検知手段で検知した自車位置と確認インターバルとから車両移動速度を求め、この車両移動速度が所定の移動速度閾値よりも大きい場合には、今回判定から次回判定までの確認インターバルを、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値に応じて時間がより短く設定された短縮確認インターバルに変更することを特徴とする車両用燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値が低いほど、前記車両移動速度が前記所定の移動速度閾値以下の場合に設定されている通常閾値よりも高く設定された急冷用掃気実施温度閾値を有し、
前記車両移動速度が前記所定の移動速度閾値よりも大きい場合には、今回判定時の掃気実施温度閾値を前記急冷用掃気実施温度閾値に変更することを特徴とする請求項４に記載の車両用燃料電池システム。
【請求項６】
前記所定の移動速度閾値は、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値に応じて設定される変数であり、前記温度値が大きいほど大きい値に設定されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の車両用燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用の燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
冬季の寒冷地などにおいて燃料電池の停止中に外気温が氷点下になると、燃料電池内に滞留している水分が凍結し、次回の燃料電池を起動させる際に起動性が悪化する虞がある。
そこで、車両用の燃料電池システムでは、氷点下になる前に燃料電池のアノード極側およびカソード極側に掃気ガス（例えば、空気）を流して水分を排出する、いわゆる低温掃気を行っている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃料電池の停止中に燃料電池の冷却水出口温度を監視し、その温度が所定値以下になったときに掃気を行っている。
【０００４】
特許文献２に開示された燃料電池システムでは、燃料電池が起動停止した後、所定時間経過後に掃気ガス供給手段によりアノード電極内に滞留している滞留ガスを掃気ガスと置換する劣化対策掃気と、燃料電池が起動停止した後、燃料電池が所定温度以下になった際に前記劣化対策掃気よりも大流量でアノード電極およびカソード電極内部の生成水を排出する氷点下対策掃気を行っている。
【０００５】
特許文献３に開示された燃料電池システムでは、燃料電池が発電を停止した後、設定インターバルをおいて燃料電池の状態を監視し、その際に燃料電池が掃気を必要とする所定状態と判断されたときに、掃気ガスによって反応ガスの流路内を掃気し、発電停止直後の最初の監視インターバルは、発電停止時における燃料電池内の温度と、燃料電池がおかれている外気の温度に応じて決定し、２回目以降の監視インターバルは、前回の監視インターバルの後の外気の温度に応じて更新する。さらに、風速に応じて監視インターバルを補正する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７２７０９０４号明細書
【特許文献２】特開２００９−２５２５９３号公報
【特許文献３】特開２００７−１３４２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料電池システムの停止中に適切なタイミングで低温掃気を行うには、停止中の温度を監視する必要があるが、常時監視すると電力消費が大きくなり、燃費が悪化してしまう。そこで、消費電力を抑えるため、燃料電池システムの停止中は基本的に制御装置を停止しておき、設定されたインターバルがきたら制御装置を起動させて温度を検出し、該温度が閾値温度以下であるときには掃気処理を実施し、閾値温度よりも高い場合には制御装置を再び停止して次のインターバルを待つという監視制御を行っている。以下、このように所定のインターバルで制御装置を起動して監視することをＲＴＣ（Real Time Clock）監視と称す。
【０００８】
この場合、仕向地における環境条件を設定し（例えば、外気温−３０゜Ｃ、風速２０ｍ／ｓ）、この環境条件下において凍結前に適切に低温掃気が実施されるように、前記インターバルと前記閾値温度を設定している。
しかしながら、車両が想定外の環境下に晒された場合には、温度の低下速度が速すぎるため、温度監視が間に合わず、低温掃気の実施タイミングを逸してしまい、燃料電池を凍結させる虞がある。
車両が想定外の環境下に晒される場合とは、例えば次のような場合である。
（１）燃料電池車両を運搬するために該車両を搭載した車両運搬ローダが冬季に走行する場合。
（２）燃料電池車両が冷凍室に保管された場合。
（３）燃料電池車両を船便輸送する際の航路がカナダ・アラスカ等の寒冷地航路だった場合
（４）燃料電池車両を航空輸送する際に航空機の貨物室に保管された場合（高度が上がると外気温度が急激に低下することによる）
【０００９】
なお、前記特許文献３に開示された燃料電池システムでは、監視インターバルを外気温度や風速に応じて変更しているが、その場合、外気温センサや風速センサが必要になる。しかしながら、車両に外気温センサを設ける場合、車両はラジエタ等の熱源を有するため、これら熱源から熱的影響を受けないように設置するのが困難で、特に車両停止時に正確な外気温度を検出することが難しい。また、車両に風速センサを設ける場合も、車体の直近に設置すると正確な風速を検出するのが難しい。
【００１０】
そこで、この発明は、想定外の温度低下があったときにも適切なタイミングで低温掃気を実施することができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、アノード極に燃料を供給されカソード極に酸化剤を供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池の前記アノード極に連なる燃料系ガス流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１６ａ、アノードオフガス流路２１、アノード掃気流路２３、掃気排出流路３０）と前記カソード極に連なる酸化剤系ガス流路（例えば、後述する実施例における空気供給流路８、空気排出流路９）の少なくとも一方の流路に掃気ガスを流すことで該流路および前記燃料電池内の水を排出する掃気手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ７、圧力制御弁１０、掃気導入弁２２、掃気排出弁２９）と、前記掃気手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置５０）と、を備え、車両に搭載された燃料電池システムであって、燃料電池システム内の温度を検出する温度センサ（例えば、後述する実施例におけるカソード出口温度センサ６１、アノード出口温度センサ６２、冷却水出口温度センサ６３）を備え、前記制御部は、前記燃料電池の停止中、前記燃料電池が停止してから確認インターバルが経過する毎に、前記温度センサで検出された温度と掃気実施温度閾値とを比較し前記温度が前記掃気実施温度閾値よりも小さいときに前記掃気手段による掃気が必要と判定する掃気要否判定を行い、該判定時に前記温度センサで検出された温度を用いて算出した単位時間当たりの温度低下割合が所定値よりも大きい場合には、今回判定から次回判定までの確認インターバルを、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値に応じて時間がより短く設定された短縮確認インターバルに変更することを特徴とする車両用燃料電池システムである。
【００１２】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御部は、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値が低いほど、前記温度低下割合が前記所定値以下の場合に設定されている通常閾値よりも高く設定された急冷用掃気実施温度閾値を有し、前記温度低下割合が前記所定値よりも大きい場合には、今回判定時の掃気実施温度閾値を前記急冷用掃気実施温度閾値に変更することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記所定値は、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値に応じて設定される変数であり、前記温度値が大きいほど大きい値に設定されることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に係る発明は、アノード極に燃料を供給されカソード極に酸化剤を供給されて発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池の前記アノード極に連なる燃料系ガス流路（例えば、後述する実施例における燃料供給流路１６ａ、アノードオフガス流路２１、アノード掃気流路２３、掃気排出流路３０）と前記カソード極に連なる酸化剤系ガス流路（例えば、後述する実施例における空気供給流路８、空気排出流路９）の少なくとも一方の流路に掃気ガスを流すことで該流路および前記燃料電池内の水を排出する掃気手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ７、圧力制御弁１０、掃気導入弁２２、掃気排出弁２９）と、前記掃気手段を制御する制御部（例えば、後述する実施例における制御装置５０）と、を備え、車両に搭載された燃料電池システムであって、燃料電池システム内の温度を検出する温度センサ（例えば、後述する実施例におけるカソード出口温度センサ６１、アノード出口温度センサ６２、冷却水出口温度センサ６３）と、通信衛星により自車位置を検知する自車位置検知手段（例えば、後述する実施例におけるＧＰＳ受信器５３）と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の停止中、前記燃料電池が停止してから確認インターバルが経過する毎に、前記温度センサで検出された温度と掃気実施温度閾値とを比較し前記温度が前記掃気実施温度閾値よりも小さいときに前記掃気手段による掃気が必要と判定する掃気要否判定を行い、該判定時に今回判定時および前回判定時に前記自車位置検知手段で検知した自車位置と確認インターバルとから車両移動速度を求め、この車両移動速度が所定の移動速度閾値よりも大きい場合には、今回判定から次回判定までの確認インターバルを、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値に応じて時間がより短く設定された短縮確認インターバルに変更することを特徴とする車両用燃料電池システムである。
【００１５】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記制御部は、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値が低いほど、前記車両移動速度が前記所定の移動速度閾値以下の場合に設定されている通常閾値よりも高く設定された急冷用掃気実施温度閾値を有し、前記車両移動速度が前記所定の移動速度閾値よりも大きい場合には、今回判定時の掃気実施温度閾値を前記急冷用掃気実施温度閾値に変更することを特徴とする。
【００１６】
請求項６に係る発明は、請求項５または請求項６に記載の発明において、前記所定の移動速度閾値は、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値に応じて設定される変数であり、前記温度値が大きいほど大きい値に設定されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池システムの温度の低下割合が所定値よりも大きい場合、すなわち燃料電池システムが急冷されている場合には、今回判定から次回判定までの確認インターバルを、時間がより短く設定された短縮確認インターバルに変更するので、急冷されているときにも適確なタイミングで低温掃気実施の要否を判断することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、燃料電池システムの温度の低下割合が所定値よりも大きい場合、すなわち燃料電池システムが急冷されている場合には、今回判定時の掃気実施温度閾値を、通常閾値よりも高く設定された急冷用掃気実施温度閾値に変更するので、燃料電池システム内が凍結する前に適確なタイミングで低温掃気を実施することができる。したがって、燃料電池システムの氷結破損を防止することができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値が掃気実施温度閾値に近いほど、所定値が小さく設定されることとなるので、確認インターバルを短縮確認インターバルに変更すべきか否かの判定を早めに行うことができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、車両移動速度が所定の移動速度閾値よりも大きい場合には、車両が急速に空冷されていると推定して、今回判定から次回判定までの確認インターバルを、時間がより短く設定された短縮確認インターバルに変更するので、急冷されているときにも適確なタイミングで低温掃気実施の要否を判断することができる。
【００２１】
請求項５に係る発明によれば、車両移動速度が所定の移動速度閾値よりも大きい場合、すなわち燃料電池システムが急冷されている場合には、今回判定時の掃気実施温度閾値を、通常閾値よりも高く設定された急冷用掃気実施温度閾値に変更するので、燃料電池システム内が凍結する前に適確なタイミングで低温掃気を実施することができる。したがって、燃料電池システムの氷結破損を防止することができる。
【００２２】
請求項６に係る発明によれば、今回判定時に前記温度センサで検出された温度値が掃気実施温度閾値に近いほど、所定値が小さく設定されることとなるので、確認インターバルを短縮確認インターバルに変更すべきか否かの判定を早めに行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明に係る車両用燃料電池システムの実施例における概略構成図である。
【図２】前記実施例の車両用燃料電池システムにおけるシステム停止制御を示すフローチャートである。
【図３】前記実施例におけるＲＴＣ監視制御を示すフローチャートである。
【図４】前記実施例における次回監視インターバルマップである。
【図５】前記実施例における急冷用掃気実施温度マップである。
【図６】前記実施例におけるシステム急冷判断処理を示すフローチャートである。
【図７】前記実施例における急冷温度低下率閾値マップである。
【図８】前記実施例におけるシステム停止のタイムチャートである。
【図９】前記実施例における低温掃気制御のタイムチャートである。
【図１０】別の実施例におけるシステム急冷判断処理を示すフローチャートである。
【図１１】前記別の実施例におけるシステム急冷閾値マップである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、この発明に係る車両用燃料電池システムの実施例を図１から図１１の図面を参照して説明する。
図１は、実施例における燃料電池システムの概略構成図であり、この燃料電池システムは燃料電池車両に搭載されている。
燃料電池１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード極とカソード極とで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノード極に燃料ガス（燃料）として水素を供給し、カソード極に酸化剤ガス（酸化剤）として酸素を含む空気を供給すると、アノード極で触媒反応により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極まで移動して、カソード極で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。カソード極側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード極側に逆拡散するため、アノード極側にも生成水が存在する。
【００２５】
空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、空気供給流路８を通って燃料電池１内の酸化剤流通路６に導入され、各セルのカソード極に供給される。燃料電池１に供給された空気は発電に供された後、燃料電池１からカソード極側の生成水と共に空気排出流路９に排出され、圧力制御弁１０を介して希釈ボックス１１へ排出される。
圧力制御弁１０よりも上流の空気排出流路９には、燃料電池１から排出される空気の温度を検出するカソード出口温度センサ６１が設けられている。カソード出口温度センサ６１は検出した温度値に応じた電気信号を制御装置（ＥＣＵ）５０に出力する。
【００２６】
一方、水素タンク１５から供給される水素は燃料供給流路１６を介して燃料電池１内の燃料流通路５に導入され、各セルのアノード極に供給される。燃料供給流路１６には、上流側から順に、ガス供給弁１７、遮断弁１８、レギュレータ１９、エゼクタ２０が設けられており、水素タンク１５から供給された水素はレギュレータ１９によって所定圧力に減圧されて燃料電池１の燃料流通路５に供給される。そして、消費されなかった未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２１を通ってエゼクタ２０に吸引され、水素タンク１５から供給される新鮮な水素と合流し再び燃料電池１の燃料流通路５に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路２１、およびエゼクタ２０よりも下流の燃料供給流路１６ａを通って、燃料電池１を循環する。
エゼクタ２０よりも下流の燃料供給流路１６ａと空気供給流路８は、掃気導入弁２２を備えたアノード掃気流路２３によって接続されており、アノード掃気流路２３を介して燃料供給流路１６に空気を導入可能となっている。
【００２７】
アノードオフガス流路２１には、アノードオフガスに含まれる凝縮水を捕集するキャッチタンク２４が設けられており、エゼクタ２０には凝縮水を除去された水素が供給されるようになっている。キャッチタンク２４は、排水弁２５を備えた排水流路２６を介して希釈ボックス１１に接続されており、キャッチタンク２４に所定量の水が溜まると排水弁２５が開き、溜まった水をアノードオフガスで押し出し、希釈ボックス１１にアノードオフガスとともに排出する。
【００２８】
また、キャッチタンク２４よりも下流のアノードオフガス流路２１からは、パージ弁２７を備えたパージ流路２８と、掃気排出弁２９を備えた掃気排出流路３０とが分岐し、パージ流路２８と掃気排出流路３０は希釈ボックス１１に接続されている。
パージ弁２７は、燃料電池１の発電時において、通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いて、アノードオフガス中に含まれる不純物をアノードオフガスとともに希釈ボックス１１へ排出する。
掃気排出弁２９は通常は閉じており、燃料電池システムの停止中にアノード極側を掃気するときに開いて掃気ガスを希釈ボックス１１に排出する。掃気については後で詳述する。
【００２９】
また、希釈ボックス１１には空気供給流路８から分岐した希釈ガス流路３１が接続されている。希釈ガス流路３１に設けられた開閉弁３２は、燃料電池１を通さずに希釈ガス（空気）を希釈ボックス１１に供給する場合に開かれる。
そして、排水流路２６、パージ流路２８、掃気排出流路３０を介して希釈ボックス１１に排出されたアノードオフガスは、空気排出流路９または希釈ガス流路３１を介して希釈ボックス１１に流入する空気によって希釈され、希釈されたガスが希釈ボックス１１から排気管３３を介して大気に排出される。
キャッチタンク２４よりも下流のアノードオフガス流路２１には、燃料電池１から排出されるアノードオフガスの温度を検出するアノード出口温度センサ６２が設けられている。アノード出口温度センサ６２は検出した温度値に応じた電気信号を制御装置５０に出力する。
【００３０】
さらに、燃料電池１は内部に冷却通路７１を備えており、この冷却通路７１に冷却水を流通させることによって燃料電池１から熱を奪い、発電に伴う発熱で燃料電池１が所定の上限温度を越えないよう冷却している。冷却通路７１は、冷却水ポンプ７２とラジエタ７３とを備えた冷却水循環流路７４に接続されており、冷却通路７１と冷却水循環流路７４により形成される閉回路を冷却水が循環するようになっている。
詳述すると、冷却水は、冷却水ポンプ７２によって昇圧されて燃料電池１の冷却通路７１に供給され、燃料電池１との熱交換によって暖められた冷却水は燃料電池１から排出されてラジエタ７３に送られる。ラジエータ７３において外部に放熱することにより冷却された冷却水は、冷却水ポンプ７２に供給され、再び冷却水ポンプ７２で昇圧されて燃料電池１に供給される。なお、燃料電池１を冷却する必要がないときには、冷却水ポンプ７２を停止して冷却水の循環を停止する。
燃料電池１とラジエタ７３との間の冷却水循環流路７４には、燃料電池１から排出される冷却水の温度を検出する冷却水出口温度センサ６３が設けられている。冷却水出口温度センサ６３は検出した温度値に応じた電気信号を制御装置５０に出力する。
【００３１】
この燃料電池システムでは、燃料電池１の停止中に燃料電池１およびガス流路内の水が凍結しないように、所定のタイミングで、燃料電池１およびガス流路内に空気（掃気ガス）を流して水を排出する掃気を行う。燃料電池１のカソード極およびカソード極に連なる酸化剤系ガス流路の掃気（以下、カソード掃気という）は、コンプレッサ７を駆動し、圧力制御弁１０を開いて、空気を空気供給流路８、燃料電池１内の酸化剤流通路６、空気排出流路９に流通させることによって行い、燃料電池１のアノード極およびアノード極に連なる燃料系ガス流路の掃気（以下、アノード掃気という）は、コンプレッサ７を駆動し、遮断弁１８を閉じ、掃気導入弁２２および掃気排出弁２９を開いて、空気を空気供給流路８、アノード掃気流路２３、エゼクタ２０よりも下流の燃料供給流路１６ａ、燃料電池１内の燃料流通路５、アノードオフガス流路２１、掃気排出流路３０に流通させることによって行う。
この実施例において、コンプレッサ７、圧力制御弁１０、掃気導入弁２２、掃気排出弁２９は、掃気手段を構成し、空気供給流路８と空気排出流路９は酸化剤系ガス流路を構成し、アノード掃気流路２３、エゼクタ２０よりも下流の燃料供給流路１６ａ、アノードオフガス流路２１、掃気排出流路３０は、燃料系ガス流路を構成する。
【００３２】
制御装置５０は、イグニッションスイッチ５１から入力したオン・オフ信号に基づいて燃料電池システムの起動・停止を制御し、燃料電池１の出力制御等、制御内容に応じて、コンプレッサ７、圧力制御弁１０、ガス供給弁１７、遮断弁１８、掃気導入弁２２、排水弁２５、パージ弁２７、掃気排出弁２９、開閉弁３２、冷却水ポンプ７２等を制御する。なお、図１ではこれらの制御信号線を省略している。
また、制御装置５０には、ＲＴＣ監視制御を実行するためのタイマ５２が接続されており、燃料電池システムの停止中にタイマ５２にセットされた時間が経過すると制御装置５０が起動せしめられる。タイマ５２にセットされる時間は、制御装置５０によって変更可能となっている。
さらに、車両は、人工衛星との衛星通信により自車の現在位置を測定するためのＧＰＳ（Global Positioning System）信号を受信するＧＰＳ受信器（自車位置検知手段）５３を備えており、ＧＰＳ受信器５３は受信した位置情報を制御装置５０に出力する。
【００３３】
この燃料電池システムでは、システムの停止中に想定外の温度低下があったときにも、適切なタイミングで掃気を実施して、燃料電池１内およびガス流路の凍結を確実に防止することができるようにしている。
以下、燃料電池システムの停止中の掃気制御を図２から図１１の図面を参照して説明する。
図１は、燃料電池システムの停止制御を示すフローチャートであり、停止制御はイグニッションスイッチ５１のオフ信号をトリガーとして制御装置５０によって実行される。
【００３４】
まず、ステップＳ０１において、燃料電池１への反応ガス供給を停止し（以下、燃料電池１の停止という）、制御装置５０を停止する。燃料電池１への反応ガス供給停止は、コンプレッサ７を停止するとともに、ガス供給弁１７、遮断弁１８、排水弁２５、パージ弁２７、掃気排出弁２９を閉じることにより行われる。
次に、ステップＳ０２に進み、燃料電池１の停止後、タイマ５２にセットされている時間（すなわち監視インターバル）が経過したときに制御装置５０を起動する。
次に、ステップＳ０３に進み、低温掃気実施の要否を判断するＲＴＣ監視制御を実行する。ＲＴＣ監視制御については後で詳述する。
次に、ステップＳ０４に進み、低温掃気実施要求があるか否かを判定する。
ステップＳ０４における判定結果が「ＮＯ」（要求なし）である場合には、ステップＳ５に進み制御装置５０を停止して、ステップＳ０２に戻る。
ステップＳ０４における判定結果が「ＹＥＳ」（要求あり）である場合には、ステップＳ０６に進み、燃料電池１およびガス流路内の水を排出するために低温掃気制御を実行する。低温掃気制御については後で詳述する。
次に、ステップＳ０７に進み、掃気が完了したか否かを判定する。
ステップＳ０７における判定結果が「ＮＯ」（未了）である場合には、ステップＳ０６に戻る。
ステップＳ０７における判定結果が「ＹＥＳ」（完了）である場合には、ステップＳ０８に進んでＲＴＣ監視制御を終了し、さらにステップＳ０９に進み制御装置５０を停止して、本ルーチンの実行を終了する。
【００３５】
次に、ステップＳ０３において実行するＲＴＣ監視制御を、図３のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップＳ１０１において、燃料電池システムが急冷されているか否かを判定するシステム急冷判断処理を実行する。
ここで、システム急冷判断処理を図６のフローチャートに従って説明する。システム急冷判断処理は、燃料電池システム内の温度（以下、システム温度と略す）の監視インターバルでの温度低下率に基づいて、燃料電池システムが急冷されているか否かを判断する。システム温度としては、カソード出口温度センサ６１あるいはアノード出口温度センサ６２あるいは冷却水出口温度センサ６３により検出される温度を用いることができる。この実施例では、システム温度としてアノード出口温度センサ６２により検出される温度を用いるものとする。
【００３６】
まず、ステップＳ２０１において、前回のＲＴＣ監視制御時にアノード出口温度センサ６２により検知された温度（以下、前回システム温度と略す）Ｔ０を読み込む。
次に、ステップＳ２０２に進み、今回のＲＴＣ監視制御時にアノード出口温度センサ６２により検知された温度（以下、今回システム温度と略す）Ｔ１を読み込む。
次に、ステップＳ２０３に進み、前回のＲＴＣ監視制御から今回のＲＴＣ監視制御までの監視インターバルＭを読み込む。
次に、ステップＳ２０４に進み、前回システム温度Ｔ０と今回システム温度Ｔ１との差を監視インターバルＭで除して、監視インターバルＭにおける温度低下率ＴＤ（単位時間当たりの温度低下割合）を算出する（ＴＤ＝（Ｔ０−Ｔ１）／Ｍ）。
【００３７】
次に、ステップＳ２０５に進み、図７に示すＴＤＣマップを参照して、今回システム温度Ｔ１に応じた急冷温度低下率閾値ＴＤＣ（所定値）を求める。この実施例のＴＤＣマップでは、システム温度が高くなるほど急冷温度低下率閾値ＴＤＣが大きくなるように設定されている。これは、システム温度が低いほど後述する掃気実施温度に近づくので、その場合には急冷温度低下率閾値ＴＤＣを小さくすることによって、急冷か否かを早目に判断することができるようにするためである。
【００３８】
次に、ステップＳ２０６に進み、ステップＳ２０４で算出した温度低下率ＴＤが、ステップＳ２０５で求めた急冷温度低下率閾値ＴＤＣよりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ２０６における判定結果が「ＹＥＳ」（ＴＤ＞ＴＤＣ）である場合には、ステップＳ２０７に進み、燃料電池システムは急冷されている（システム急冷あり）と判断する。
一方、ステップＳ２０６における判定結果が「ＮＯ」（ＴＤ≦ＴＤＣ）である場合には、ステップＳ２０８に進み、燃料電池システムは急冷されていない（システム急冷なし）と判断する。
ステップＳ２０７，Ｓ２０８からステップＳ２０９に進み、次回のシステム急冷判断処理に備えるため、今回システム温度Ｔ１を前回システム温度Ｔ０に置き換えて、本ルーチンの実行を終了する。
【００３９】
再び、図３のフローチャートに戻ってＲＴＣ監視制御の続きを説明する。
ステップＳ１０１のシステム急冷判断処理を実行した後、ステップＳ１０２に進み、システム急冷ありと判断されたか否かを判定する。
ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（システム急冷なし）である場合には、ステップＳ１０３に進み、図４において破線で示す通常用次回監視インターバルマップを参照して、今回システム温度Ｔ１に応じた通常用次回監視インターバル（確認インターバル）を求め、これを次回のＲＴＣ監視制御までの監視インターバルとしてタイマ５２にセットする。
さらに、ステップＳ１０４に進んで、今回のＲＴＣ監視制御における掃気実施温度として通常用掃気実施温度（通常閾値）をセットする。通常用掃気実施温度は一定値であり、例えば５゜Ｃとする。
【００４０】
一方、ステップＳ１０２における判定結果が「ＹＥＳ」（システム急冷あり）である場合には、ステップＳ１０５に進み、図４において実線で示す急冷用次回監視インターバルマップを参照して、今回システム温度Ｔ１に応じた急冷用次回監視インターバル（短縮確認インターバル）を求め、これを次回のＲＴＣ監視制御までの監視インターバルとしてタイマ５２にセットする。
さらに、ステップＳ１０６に進み、図５において実線で示す急冷用掃気実施温度マップを参照して、今回システム温度Ｔ１に応じた急冷用掃気実施温度を求め、この急冷用掃気実施温度（急冷用掃気実施温度閾値）を今回のＲＴＣ監視制御における掃気実施温度としてセットする。
【００４１】
そして、ステップＳ１０４，Ｓ１０６からステップＳ１０７に進み、今回システム温度Ｔ１が、ステップＳ１０４あるいはステップＳ１０６でセットした掃気実施温度よりも小さいか否かを判定する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｔ１＜掃気実施温度）である場合には、ステップＳ１０８に進み、低温掃気実施要求ありと判断し、本ルーチンの実行を終了する。
ステップＳ１０７における判定結果が「ＮＯ」（Ｔ１≧掃気実施温度）である場合には、ステップＳ１０９に進み、低温掃気実施要求なしと判断し、本ルーチンの実行を終了する。
【００４２】
ここで、図４に示す次回監視インターバルマップと図５に示す急冷用掃気実施温度マップについて説明する。
図５に示す急冷用掃気実施温度マップにおいて、横軸はシステム温度、縦軸は掃気実施温度であり、システム温度が高いほど、急冷用掃気実施温度は低くなるように設定されている。また、いずれのシステム温度においても、急冷用掃気実施温度は通常用掃気実施温度（図中、破線で示す一定温度）よりも高い温度に設定されている。
つまり、燃料電池システムが急冷されているときには、急冷されていないときよりも掃気実施温度を高い温度に設定することによって、低温掃気の実施タイミングを早くする。また、燃料電池システムが急冷されているときには、システム温度が低いほど掃気実施温度を高い温度に設定することによって、低温掃気の実施タイミングをより早くする。これにより、燃料電池システム内での水の凍結前に確実に掃気を実施することができるようにする。
【００４３】
図４に示す次回監視インターバルマップにおいて、横軸はシステム温度、縦軸は次回監視インターバルである。図中、破線で示された通常用次回監視インターバルマップでは、システム温度が通常用掃気実施温度よりも高くなると、システム温度が高くなるほど次回監視インターバルが長くなるように設定されている。一方、図中、実線で示された急冷用次回監視インターバルマップでは、通常用掃気実施温度よりも所定値だけ高い温度（急冷用掃気実施温度の最小値）を越えると、システム温度が高くなるほど次回監視インターバルが長くなるように設定されており、いずれのシステム温度においても、急冷用次回監視インターバルが通常用次回監視インターバルよりも短い時間に設定されている。
つまり、燃料電池システムが急冷されているときには、急冷されていないときよりも次回監視インターバルを短い時間に設定することによって、短いインターバルで掃気の要否判定を行うことができるようにし、掃気実施のタイミングを逸しないようにしている。また、燃料電池システムが急冷されているときには、システム温度が低いほど急冷用次回監視インターバルが短くなることによって、より短いインターバルで掃気の要否判定を行うことができるようにし、掃気実施のタイミングを逸しないようにしている。
【００４４】
図８は、燃料電池システム停止後のシステム温度の推移の一例を示し、システムが急冷されている場合と、急冷されていない場合（通常の場合）とを比較して示したものである。燃料電池システムが急冷されているときには、監視インターバルが通常よりも短くなり、頻繁に監視していることがわかる。また、燃料電池システムが急冷されているときには、掃気実施温度が通常よりも低く設定されるため、通常よりも早く掃気が実施されることがわかる。
【００４５】
次に、ステップＳ０６において実行する低温掃気制御について図９のタイムチャートを参照して説明する。
この実施例における低温掃気は、初めにカソード掃気を行い、次にアノード掃気を行う。
カソード掃気において、制御装置５０は、掃気導入弁２２と圧力制御弁１０を開き、掃気排出弁２９を閉じて、コンプレッサ７を駆動する。コンプレッサ７により昇圧された空気（掃気ガス）は、空気供給流路８、燃料電池１内の酸化剤流通路６、空気排出流路９を流通し、この流路内に残留する水および燃料電池１のカソード極に付着している水を吹き飛ばし、圧力制御弁１０から水とともに排出される。このカソード掃気においては、掃気導入弁２２が開いているので、燃料電池１のアノード極側にもカソード極側と同等の空気圧力が加わり、固体高分子電解質膜の両側の圧力バランスが確保される。ただし、掃気排出弁２９が閉じられているので、空気が燃料電池１の燃料流通路５を流通することはない。
【００４６】
制御装置５０は、カソード掃気を所定時間行った後、アノード掃気に切り換える。
アノード掃気において、制御装置５０は、掃気導入弁２２を開状態に維持し、圧力制御弁１０をほぼ全閉（例えば、開度５％）とし、掃気排出弁２９を開き、空気供給流量がカソード掃気のときよりも若干増大するようにコンプレッサ７を制御する。コンプレッサ７により昇圧された空気（掃気ガス）は、空気供給流路８、アノード掃気流路２３、エゼクタ２０よりも下流の燃料供給流路１６ａ、燃料電池１内の燃料流通路５、アノードオフガス流路２１、掃気排出流路３０を流通し、この流路内に残留する水および燃料電池１のアノード極に付着している水を吹き飛ばし、掃気排出弁２９から水とともに排出される。アノード掃気においては、圧力制御弁１０がほぼ全閉となっているので、燃料電池１のカソード極側には空気が殆ど流れない。アノード掃気を所定時間行った後、制御装置５０は低温掃気を終了する。
なお、この実施例では、カソード掃気とアノード掃気を行っているが、いずれか一方の掃気であってもよい。
【００４７】
このように、この燃料電池システムでは、燃料電池システムが急冷されているときには、監視インターバルを通常よりも短くして頻繁に監視し、掃気実施温度を通常よりも低く設定して、通常よりも早い段階で掃気を実施するようにしているので、車両が想定外の環境下に晒された場合にも、適確なタイミングで低温掃気実施の要否を判断することができ、燃料電池システム内が凍結する前に適確なタイミングで低温掃気を実施することができる。したがって、燃料電池１の固体高分子電解質膜やエゼクタ２０や弁類等の配管部品を含む燃料電池システムの氷結破損を防止することができる。
また、燃料電池システム内の温度に基づいて掃気実施の要否判断をしているので、外気温センサや風速センサを必要としない。
【００４８】
なお、燃料電池システムが急冷されているか否かは、車両の位置情報に基づいて算出した車両移動速度から推定することも可能である。
図１０に示すフローチャートに従って車両移動速度によるシステム急冷判断処理を説明する。
まず、ステップＳ３０１において、前回のＲＴＣ監視制御時にＧＰＳ受信器５３により取得した自車位置（以下、前回のＧＰＳ位置と称す）Ｇ０を読み込む。
次に、ステップＳ３０２に進み、今回のＲＴＣ監視制御時にＧＰＳ受信器５３により取得した自車位置（以下、今回のＧＰＳ位置と称す）Ｇ１を読み込む。
次に、ステップＳ３０３に進み、前回のＲＴＣ監視制御から今回のＲＴＣ監視制御までの監視インターバルＭを読み込む。
次に、ステップＳ３０４に進み、前回のＧＰＳ位置Ｇ０と今回のＧＰＳ位置Ｇ１との差を監視インターバルＭで除して、監視インターバルＭにおける車両移動速度Ｖを算出する（Ｖ＝（Ｇ０−Ｇ１）／Ｍ）。
この車両移動速度Ｖは、車両が前回のＧＰＳ位置Ｇ０から今回のＧＰＳ位置Ｇ１に直線移動したときに車両が受ける平均風速と考えることができる。
【００４９】
次に、ステップＳ３０５に進み、図１１に示すシステム急冷閾値マップを参照して、今回システム温度Ｔ１に応じたシステム急冷閾値Ｖｃ（所定の移動速度閾値）を求める。この実施例のシステム急冷閾値マップでは、システム温度が高くなるほどシステム急冷閾値Ｖｃが大きくなるように設定されている。これは、システム温度が低いほど掃気実施温度に近づくので、その場合にはシステム急冷閾値Ｖｃを小さくすることによって、急冷か否かを早目に判断することができるようにするためである。
【００５０】
次に、ステップＳ３０６に進み、ステップＳ３０４で算出した車両移動速度Ｖが、ステップＳ３０５で求めたシステム急冷閾値Ｖｃよりも大きいか否かを判定する。
ステップＳ３０６における判定結果が「ＹＥＳ」（Ｖ＞Ｖｃ）である場合には、ステップＳ３０７に進み、燃料電池システムは急冷されている（システム急冷あり）と判断する。前述したように、車両移動速度Ｖは車両が受ける平均風速と考えることができるので、車両移動速度Ｖがシステム急冷閾値Ｖｃよりも大きい場合には、車両が急速に空冷されていると推定することができるからである。
また、ここでＳ１０６と同様に、図５に示したマップを用いて急冷用掃気実施温度閾値を設定してもよい。すなわち、燃料電池システムが車両移動速度の大きいことで急冷されているときには、急冷されていないときよりも掃気実施温度を高い温度に設定することによって、低温掃気の実施タイミングを早くできる。また、燃料電池システムが急冷されているときには、システム温度が低いほど掃気実施温度を高い温度に設定することによって、低温掃気の実施タイミングをより早くする。
一方、ステップＳ３０６における判定結果が「ＮＯ」（Ｖ≦Ｖｃ）である場合には、ステップＳ３０８に進み、燃料電池システムは急冷されていない（システム急冷なし）と判断する。
ステップＳ３０７，Ｓ３０８からステップＳ３０９に進み、次回のシステム急冷判断処理に備えるため、今回のＧＰＳ位置Ｇ１を前回のＧＰＳ位置Ｇ０に置き換えて、本ルーチンの実行を終了する。
【００５１】
このシステム急冷判断処理を採用した場合にも、燃料電池システムが急冷されていると推定されるときには、監視インターバルを通常よりも短くして頻繁に監視する等で対処することができる。したがって、車両が想定外の環境下に晒された場合にも、適確なタイミングで低温掃気実施の要否を判断することができ、燃料電池システム内が凍結する前に適確なタイミングで低温掃気を実施することができる。したがって、燃料電池システムの氷結破損を防止することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１  燃料電池
７  コンプレッサ（掃気手段）
８  空気供給流路（酸化剤系ガス流路）
９  空気排出流路（酸化剤系ガス流路）
１０  圧力制御弁（掃気手段）
１６ａ  燃料供給流路（燃料系ガス流路）
２１  アノードオフガス流路（燃料系ガス流路）
２２  掃気導入弁（掃気手段）
２３  アノード掃気流路（燃料系ガス流路）
２９  掃気排出弁（掃気手段）
３０  掃気排出流路（燃料系ガス流路）
５０  制御装置（制御部）
５３  ＧＰＳ受信器（自車位置検知手段）
６１  カソード出口温度センサ（温度センサ）
６２  アノード出口温度センサ（温度センサ）
６３  冷却水出口温度センサ（温度センサ）
【図１】
2012060784.tif 000003
【図２】
2012060784.tif 000004
【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】
2012060784.tif 000009
【図８】
2012060784.tif 000010
【図９】
2012060784.tif 000011
【図１０】
2012060784.tif 000012
【図１１】
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