(57)【要約】【課題】閉じたまま氷結した電動弁を、ステッピングモータによって開弁しやすくすること。【解決手段】カソード側に設けられた調圧弁、分流弁それぞれに接続された２つのステッピングモータについて、開度指令値をゼロにすることと、有効断面積がゼロよりも大きくなる開度ａ１，ｂ１にすることとを繰り返す。開度が増大する向きのトルクが発生する時間が、開度が減少する向きにトルクが発生する時間よりも長くなるように、上記２つのステッピングモータに対して駆動パルスを入力する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池にカソードガスを供給するための供給流路に設けられたコンプレッサと、
前記供給流路において、前記燃料電池と前記コンプレッサとの間に設けられた第１の電動弁と、
前記第１の電動弁に備えられた第１のステッピングモータと、
前記燃料電池からカソードガスを排出するための排出流路に設けられた第２の電動弁と、
前記第２の電動弁に備えられた第２のステッピングモータと、
前記燃料電池による発電を制御し、前記第１及び第２のステッピングモータに駆動パルスを入力することによって、前記第１及び第２の電動弁を、前記燃料電池の始動時に開弁させ、前記燃料電池の停止時に閉弁させる制御部とを備え、
前記第１のステッピングモータは、前記駆動パルスの入力によって駆動し、前記第１のステッピングモータのトルクによって前記第１の電動弁は開閉し、
前記第１のステッピングモータは、前記駆動パルスの入力によって駆動し、前記第２のステッピングモータのトルクによって前記第２の電動弁は開閉し、
前記制御部は、
前記燃料電池の始動時に、前記第１及び第２の電動弁の少なくとも一方が氷結している氷結状態であるか否かを判定し、
前記第１及び第２の電動弁の何れも前記氷結状態でないと判定すると、前記燃料電池による発電を開始し、
前記第１及び第２の電動弁の少なくとも一方が前記氷結状態であると判定すると、前記第１及び第２のステッピングモータのうち少なくとも前記氷結状態の電動弁に備えられたステッピングモータに対して、開度を増大させる向きのトルクを発生させる第１の駆動パルスと、前記第１の駆動パルスよりも速いパルス速度を有し、開度を減少させる向きのトルクを発生させる第２の駆動パルスとを交互に入力することを複数回、繰り返す処理を実行する
燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１及び第２の電動弁の少なくとも一方が前記氷結状態であると判定すると、前記第１及び第２のステッピングモータの両方に対して前記処理を実行する
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１の駆動パルスは、前記第１の電動弁および前記第２の電動弁の弁座と弁体との間の有効断面積がゼロとなる開度よりも大きい開度となるパルスである
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２の駆動パルスは、前記第１の電動弁および前記第２の電動弁の有効断面積がゼロとなる開度よりも小さい開度となるパルスである
請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、前記コンプレッサを駆動させて、前記排出流路から排出されるガスの水素濃度を所定値以下にする
請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第１の電動弁は、分流弁としての機構を備え、
前記第１の電動弁と前記排出流路とを接続するバイパスを備え、
前記排出流路は、前記第２の電動弁よりも下流側において前記バイパスと接続され、
当該燃料電池システムは、前記第１の電動弁が前記供給流路と前記バイパスとを連通した状態で停止する
請求項１から請求項５までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池によって発電された電力を蓄電し、前記蓄電した電力を前記処理の実行のために前記制御部に供給する二次電池を備え、
前記制御部は、前記二次電池の残容量が基準を下回った場合、前記処理を中止する
請求項１から請求項６までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御部は、前記第１及び第２の電動弁の少なくとも一方が前記氷結状態であるか否かを、前記燃料電池の発電が正常に開始されたか否かに基づき判定するために、前記コンプレッサの駆動と、前記第１の電動弁を開弁するための駆動パルスを前記第１のステッピングモータに入力することと、前記第２の電動弁を開弁するための駆動パルスを前記第２のステッピングモータに入力することとを、前記燃料電池の始動時に実行する
請求項１から請求項７までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記第１のステッピングモータに入力される前記第１の駆動パルス、及び前記第２のステッピングモータに入力される前記第１の駆動パルスは、互いにパルス速度が異なり、
前記第１のステッピングモータに入力される前記第２の駆動パルス、及び前記第２のステッピングモータに入力される前記第２の駆動パルスは、互いにパルス速度が異なる
請求項１から請求項８までの何れか一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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムには種々のバルブが用いられる。これらバルブは、燃料電池システムの停止中に、閉じたまま氷結する場合がある。氷結したバルブは開弁し難いので、燃料電池システムの起動に支障を来す。特許文献１は、バルブの氷結を解消する技術として、電磁バルブの開閉動作を繰り返すという手法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２８５６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記先行技術文献の場合、電磁弁を対象にしており、開閉時に発生する力が比較的大きいので、開閉動作による氷結の解消がある程度、期待できる。これに対し、ステッピングモータによって電動弁の開閉を制御する場合、単に開閉動作をするだけでは、氷結が解消しにくい。ステッピングモータはトルクが比較的小さいからである。本願発明は、上記先行技術を踏まえ、閉じたまま氷結した電動弁を、ステッピングモータによって開弁しやすくすることを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池にカソードガスを供給するための供給流路に設けられたコンプレッサと；前記供給流路において、前記燃料電池と前記コンプレッサとの間に設けられた第１の電動弁と；前記第１の電動弁に備えられた第１のステッピングモータと；前記燃料電池からカソードガスを排出するための排出流路に設けられた第２の電動弁と；前記第２の電動弁に備えられた第２のステッピングモータと；前記燃料電池による発電を制御し、前記第１及び第２のステッピングモータに駆動パルスを入力することによって、前記第１及び第２の電動弁を、前記燃料電池の始動時に開弁させ、前記燃料電池の停止時に閉弁させる制御部とを備え；前記第１のステッピングモータは、前記駆動パルスの入力によって駆動し、前記第１のステッピングモータのトルクによって前記第１の電動弁は開閉し；前記第１のステッピングモータは、前記駆動パルスの入力によって駆動し、前記第２のステッピングモータのトルクによって前記第２の電動弁は開閉する燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムにおいて；前記制御部は；前記燃料電池の始動時に、前記第１及び第２の電動弁の少なくとも一方が氷結している氷結状態であるか否かを判定し；前記第１及び第２の電動弁の何れも前記氷結状態でないと判定すると、前記燃料電池による発電を開始し；前記第１及び第２の電動弁の少なくとも一方が前記氷結状態であると判定すると、前記第１及び第２のステッピングモータのうち少なくとも前記氷結状態の電動弁に備えられたステッピングモータに対して、開度を増大させる向きのトルクを発生させる第１の駆動パルスと、前記第１の駆動パルスよりも速いパルス速度を有し、開度を減少させる向きのトルクを発生させる第２の駆動パルスとを交互に入力することを複数回、繰り返す処理を実行する。
【０００７】
この形態によれば、氷結状態の電動弁に対し、開弁する向きのトルクと、閉弁する向きのトルクとが交互に作用する。第１の駆動パルスは、第２の駆動パルスに比べてパルス速度が遅いので、ステッピングモータの特性上、開度が増大する向きのトルクは、開度が減少する向きのトルクに比べて大きくなる。このため、開度が増大する向きのトルクによって氷結状態が解消されやすくなる。さらに、氷結状態の電動弁に含まれるステッピングモータに第２の駆動パルスが入力されると、開度が減少する向きのトルクが発生する。ステッピングモータが発生するトルクは、駆動パルスのパルス速度に依存した振動数で変動する。この振動が氷結状態の電動弁に付与されることによって、氷結状態が解消されやすくなる。しかも、第２の駆動パルスは、第１の駆動パルスよりもパルス速度が速い。このため、第２の駆動パルスによるトルク変動の振動数が大きくなるので、氷結状態が解消されやすくなる。
【０００８】
上記形態において、前記制御部は、前記第１及び第２の電動弁の少なくとも一方が前記氷結状態であると判定すると、前記第１及び第２のステッピングモータの両方に対して前記処理を実行してもよい。この形態によれば、何れの電動弁が氷結状態であるのかを区別しなくてもよくなる。
【０００９】
上記形態において、前記第１の駆動パルスは、前記第１の電動弁および前記第２の電動弁の弁座と弁体との間の有効断面積がゼロとなる開度よりも大きい開度となるパルスでもよい。この形態によれば、上記の第１の駆動パルスが、氷結状態の電動弁に対応するステッピングモータに入力されることによって、氷結状態が解消された際に、有効断面積がゼロよりも大きくなる可能性が高くなる。
【００１０】
上記形態において、前記第２の駆動パルスは、前記第１の電動弁および前記第２の電動弁の有効断面積がゼロとなる開度よりも小さい開度となるパルスでもよい。この形態によれば、上記の第２の駆動パルスが、氷結状態の電動弁に対応するステッピングモータに入力されることによって、弁体が弁座に突き当たりやすくなるので、氷結状態が解消されやすくなる。氷結状態の電動弁において弁体が弁座に突き当たるのは、氷結によって弁体の動きが制限されているものの、僅かに弁体が動く場合に起こり得る。
【００１１】
上記形態において、前記制御部は、前記コンプレッサを駆動させて、前記排出流路から排出されるガスの水素濃度を所定値以下にしてもよい。この形態によれば、氷結状態が解消され次第、燃料電池にカソードガスを供給し、燃料電池のカソードに存在するアノードガスを希釈できる。
【００１２】
上記形態において、前記第１の電動弁は、分流弁としての機構を備え；前記第１の電動弁と前記排出流路とを接続するバイパスを備え；前記排出流路は、前記第２の電動弁よりも下流側において前記バイパスと接続され；当該燃料電池システムは、前記第１の電動弁が前記供給流路と前記バイパスとを連通した状態で停止してもよい。この形態によれば、第１の電動弁が氷結状態の場合にコンプレッサが駆動しても、圧縮された空気は大気に排出されるので、供給流路の圧力が高くなる過ぎることが回避される。
【００１３】
上記形態において、前記燃料電池によって発電された電力を蓄電し、前記蓄電した電力を前記処理の実行のために前記第１及び第２の電動弁ならびに前記制御部に供給する二次電池を備え；前記制御部は、前記二次電池の残容量が基準を下回った場合、前記処理を中止してもよい。この形態によれば、二次電池の残容量が小さくなり過ぎるのを防止できる。
【００１４】
上記形態において、前記制御部は、前記第１及び第２の電動弁の少なくとも一方が前記氷結状態であるか否かを、前記燃料電池の発電が正常に開始されたか否かに基づき判定するために、前記コンプレッサの駆動と、前記第１の電動弁を開弁するための駆動パルスを前記第１のステッピングモータに入力することと、前記第２の電動弁を開弁するための駆動パルスを前記第２のステッピングモータに入力することとを、前記燃料電池の始動時に実行してもよい。この形態によれば、氷結状態であるか否かの判定を、発電のための構成によって実現できる。
【００１５】
上記形態において、前記第１のステッピングモータに入力される前記第１の駆動パルス、及び前記第２のステッピングモータに入力される前記第１の駆動パルスは、互いにパルス速度が異なり；前記第１のステッピングモータに入力される前記第２の駆動パルス、及び前記第２のステッピングモータに入力される前記第２の駆動パルスは、互いにパルス速度が異なってもよい。この形態によれば、第１及び第２の電動弁それぞれに適切な駆動パルスを実現できる。
【００１６】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、氷結状態解消方法や、この方法を実現するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】燃料電池自動車の概略構成を示すブロック構成図。
【図２】燃料電池システムの電気的構成を示す概略図。
【図３】燃料電池システムの起動処理を示すフローチャート。
【図４】基本処理を示すフローチャート。
【図５】基本処理におけるパラメータの時間変化を示すタイミングチャート。
【図６】調圧弁の有効断面積と開度との関係を概略的に示すグラフ。
【図７】氷結状態解消処理の実行時におけるタイミングチャート。
【図８】開度指令値、推定開度、パルス電圧、トルクの関係を示すタイミングチャート。
【図９】第１の駆動パルスと、トルクとの関係を示すタイミングチャート。
【図１０】第２の駆動パルスと、トルクとの関係を示すタイミングチャート。
【図１１】停止処理を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、燃料電池自動車２０の概略構成を示すブロック構成図である。燃料電池自動車２０は、四輪自動車であり、図１に示すように、燃料電池システム３０を備える。
【００１９】
燃料電池システム３０は、固体高分子形燃料電池を採用し、水素と酸素との反応によって発電をする。燃料電池システム３０は、図１に示すように、燃料電池スタック４０、水素供給排出機構５０、カソードガス供給排出機構６０、冷却水循環機構７０及び制御部１００を備える。
【００２０】
燃料電池スタック４０は、複数の単セル４１を積層して形成される。単セル４１は、アノード、カソード、電解質、セパレータ等から構成される。以下、複数の単セル４１のアノードをまとめて単に「アノード」ともいい、複数の単セル４１のカソードをまとめて単に「カソード」ともいう。
【００２１】
燃料電池スタック４０に水素の供給および排出をする水素供給排出機構５０は、水素タンク５１、レギュレータ５２、水素循環ポンプ５３、パージバルブ５４、排出経路５５、気液分離部５７を備える。
【００２２】
水素タンク５１は、水素を貯蔵する。レギュレータ５２は、水素タンク５１に貯蔵された水素を、圧力と供給量とを調整した上で、アノードに供給する。気液分離部５７は、アノードから排出された気体と液体とを分離する。水素循環ポンプ５３は、気液分離部５７によって分離された気体を単セル４１に再度供給する。気液分離部５７によって分離された気体は、主に、消費されずに排出された水素である。
【００２３】
排出経路５５は、気液分離部５７と、カソードガス供給排出機構６０に備えられるカソードガス排出流路６６（後述）とをつなぐ経路である。パージバルブ５４は、排出経路５５上に設けられている。パージバルブ５４は、気液分離部５７によって分離された液体を排出するために開かれる。
【００２４】
燃料電池スタック４０にカソードガスの供給および排出をするカソードガス供給排出機構６０は、カソードガス供給流路６１、第１の電動弁１１、第２の電動弁１２、エアコンプレッサ６２、流量計６５、カソードガス排出流路６６、バイパス６９を備える。第１の電動弁１１は、分流弁６３と分流弁用モータ６４とを備える。第２の電動弁１２は、調圧弁６７と調圧弁用モータ６８とを備える。
【００２５】
カソードガス供給流路６１及びカソードガス排出流路６６は、燃料電池スタック４０と自身の大気開放口とを接続する流路である。カソードガス供給流路６１の大気開放口には、エアクリーナが設けられている。
【００２６】
エアコンプレッサ６２は、カソードガス供給流路６１の途中に設けられ、カソードガス供給流路６１の大気開放口側から空気を吸入して圧縮する。エアコンプレッサ６２が設けられる位置は、カソードガス供給流路６１とバイパス６９との接続部位よりも大気開放口に近い位置である。流量計６５は、エアコンプレッサ６２によって吸入されたカソードガス（空気）の流量を計測する。
【００２７】
分流弁６３は、カソードガス供給流路６１において、エアコンプレッサ６２の下流側、つまりエアコンプレッサ６２と燃料電池スタック４０との間に設けられる。分流弁６３は、エアコンプレッサ６２から流れてくるカソードガスを、カソードガス供給流路６１の下流側と、バイパス６９とに分流する。このようなバルブは、三方弁ともいう。
【００２８】
分流弁用モータ６４は、分流弁６３に接続され、分流弁６３の開度を調整するためのトルクを発生する。分流弁用モータ６４は、ステッピングモータである。
【００２９】
バイパス６９は、分流弁６３とカソードガス排出流路６６とを接続する流路である。本実施形態でいう「分流弁６３を閉じる」とは、カソードガス供給流路６１の上流と下流との流路を遮断すると共に、バイパス６９とカソードガス供給流路６１の上流との流路を開放することである。分流弁６３を閉じるための駆動パルスが入力された場合、分流弁６３の弁体と弁座とが、単に接するよりも強い力で押しつけられ、分流弁６３の弁体と弁座とがシールされる。
【００３０】
調圧弁６７は、カソードガス排出流路６６に設けられる。調圧弁６７は、開度に応じてカソードガス排出流路６６の流路断面積を調整する。調圧弁６７が閉じるための駆動パルスが入力された場合、調圧弁６７の弁体と弁座とが、単に接するよりも強い力で押しつけられ、分流弁６３の弁体と弁座とがシールされる。調圧弁６７は、パイロット弁（図示しない）を備える。パイロット弁は、カソードガス排出流路６６の開度がゼロの状態において、カソードガス排出流路６６の上流と下流との圧力差を小さくするための機構である。
【００３１】
調圧弁用モータ６８は、調圧弁６７に接続され、調圧弁６７の開度を調整するためのトルクを発生する。調圧弁用モータ６８は、ステッピングモータである。
【００３２】
調圧弁６７を通過したカソードガスは、バイパス６９との接続部位を通過した後、大気開放口から大気に排出される。
【００３３】
燃料電池スタック４０を冷却する冷却水循環機構７０は、ラジエータ７１及び冷却水循環ポンプ７２を備える。冷却水循環機構７０は、単セル４１の運転温度を制御するために、単セル４１とラジエータ７１との間において冷却水を循環させる。冷却水は、このように循環することによって、単セル４１における吸熱とラジエータ７１における放熱とを実行する。
【００３４】
制御部１００は、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部１００は、発電の要求に応じて、燃料電池システム３０による発電を制御するための信号を出力する。例えば、エアコンプレッサ６２、分流弁用モータ６４、調圧弁用モータ６８に対して信号を出力する。
【００３５】
図２は、燃料電池システム３０の電気的構成を示す概略図である。燃料電池システム３０は、二次電池８１と、ＦＤＣ８２と、ＤＣ／ＡＣインバータ８３と、ＢＤＣ８５と、セル電圧計測部９１と、電流計測部９２とを備える。
【００３６】
セル電圧計測部９１は、燃料電池スタック４０の各単セル４１と接続されており、各単セル４１の電圧（セル電圧）を計測する。セル電圧計測部９１は、その計測結果を制御部１００に送信する。電流計測部９２は、燃料電池スタック４０による出力電流の値を計測し、制御部１００に送信する。
【００３７】
ＦＤＣ８２及びＢＤＣ８５は、ＤＣ／ＤＣコンバータとして構成された回路である。ＦＤＣ８２は、制御部１００から送信される電流指令値に基づき、燃料電池スタック４０による出力電流を制御する。電流指令値とは、燃料電池スタック４０による出力電流の目標値となる値であり、制御部１００によって決定される。さらにＦＤＣ８２は、出力電圧を変圧してＤＣ／ＡＣインバータ８３に供給し、出力電圧の値を測定して制御部１００に送信する。
【００３８】
ＢＤＣ８５は、制御部１００の制御に基づき二次電池８１の充放電を制御する。ＢＤＣ８５は、二次電池８１のＳＯＣ（State Of Charge：残容量）を測定し、制御部１００に送信する。二次電池８１は、リチウムイオン電池で構成され、補助電源として機能する。
【００３９】
ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池スタック４０と負荷１１０とに接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ８３は、燃料電池スタック４０と二次電池８１とから出力される直流電力を交流電力へと変換し、負荷１１０に供給する。
【００４０】
負荷１１０において発生した回生電力は、ＤＣ／ＡＣインバータ８３によって直流電流に変換され、ＢＤＣ８５によって二次電池８１に充電される。制御部１００は、負荷１１０に加え、二次電池８１のＳＯＣも加味して、出力指令値を算出する。
【００４１】
図３は、燃料電池システム３０の起動処理を示すフローチャートである。この起動処理は、制御部１００によって実行される。制御部１００は、燃料電池システム３０を起動する場合に、この起動処理を開始する。燃料電池システム３０を起動する場合とは、例えば、燃料電池自動車２０が駐車されている状態において、ブレーキペダル（図示しない）が踏まれながら、燃料電池自動車２０に設けられたパワースイッチ（図示しない）が押された場合である。
【００４２】
まず、基本処理を実行する（Ｓ２００）。図４は、基本処理を示すフローチャートである。図５は、基本処理におけるパラメータの時間変化を示すタイミングチャートである。以下、図４及び図５を参照して基本処理を説明する。
【００４３】
まず、エアコンプレッサ６２を起動する（Ｓ２１０）。これによって、図５に示すように、時刻ｔ０において、流量計６５によって測定されるカソードガスの流量が増大し始め、所定値以上の流量が確保される。この際、分流弁６３及び調圧弁６７は閉じているので、カソードガスは、バイパス６９を介してカソードガス排出流路６６から大気に排出される。
【００４４】
次に、調圧弁６７のパイロット弁を作動させる（Ｓ２２０）。分流弁６３と調圧弁６７とによって大気から遮断された流路内には、駐車中に負圧が発生している場合がある。このように負圧が発生していると、調圧弁６７を開くのに、大きなトルクが必要になる。このため、調圧弁用モータ６８によるトルクで開弁できるように、パイロット弁を作動させることによって、調圧弁６７の上下流の圧力差を小さくする。
【００４５】
次に、調圧弁６７を開く（Ｓ２３０）。より正確に述べると、調圧弁６７が開く向きのトルクが発生するように、調圧弁用モータ６８に対して駆動パルスを入力する。調圧弁６７は、調圧弁用モータ６８からトルクを受けた場合、氷結していなければ開弁し、氷結していれば開弁しない。調圧弁用モータ６８は、調圧弁６７にトルクを入力しても開弁しない場合、脱調する。以下、特に説明しなければ、調圧弁６７は、氷結しておらず、駆動パルスの入力に応じて開閉するものとする。分流弁６３についても同様である。
【００４６】
図５には、時刻ｔ１から、推定開度が開度ａ１に達するまで、開度指令値が開度ａ１で維持され、推定開度が開度ａ１に近づいていくことが示されている。開度指令値とは、開度の目標値となる値である。推定開度とは、入力された駆動パルスに基づき推定される開度のことである。ステッピングモータとしての調圧弁用モータ６８は、位置を検出する機構を有しないので、開度は推定値として把握される。推定開度は、調圧弁６７が氷結していなければ、実際の開度に近い値になる。ここで説明した開度指令値および推定開度の内容は、分流弁６３及び調圧弁用モータ６８についても同様である。
【００４７】
図６は、調圧弁６７の弁体および弁座の有効断面積、並びに開度の関係を概略的に示すグラフである。弁体と弁座とによるシールの構造上、図６に示すように開度がゼロから僅かに大きくなっても、有効断面積はゼロに維持される。上記シールが解除され、有効断面積が増大し始める際の開度を開度ａ０とする。そして、開度ａ０よりも大きく、開度の最大値である開度ａｍａｘよりも小さい開度として、上記の開度ａ１が定められている。開度ａ１の際の有効断面積を、図６に示すように面積Ｓａとする。また、開度ゼロは、開度ａ０よりも小さい。制御部１００は、Ｓ２３０において、開度ａ１を実現するための駆動パルスを調圧弁６７に入力する。
【００４８】
また、分流弁６３については、有効断面積が増大し始める際の開度を開度ｂ０、開度の最大値を開度ｂｍａｘ、開度ｂ０よりも大きく、開度ｂｍａｘよりも小さい開度として定められた開度を開度ｂ１（後述）、開度ｂ１の際の有効断面積を面積Ｓｂとする。但し、ここで説明している内容は、分流弁６３及び調圧弁６７それぞれについての有効断面積と開度との概略的な関係である。例えば、開度ａ０及び開度ｂ０、開度ａ１及び開度ｂ１、面積Ｓａ及び面積Ｓｂは、それぞれ、本実施形態においては異なる値である。
【００４９】
調圧弁６７が開くと、カソードの圧力は、カソードガス排出流路６６内の圧力に近くなる。この結果、分流弁６３の上下流の圧力差が小さくなり、分流弁６３を開くのに大きなトルクが必要ではなくなる。
【００５０】
次に、調圧弁６７を閉じる（Ｓ２４０）。より正確に述べると、調圧弁６７が閉じる向きのトルクが発生するように、調圧弁用モータ６８に対して駆動パルスを入力する。図５には、推定開度が開度ａ１に達した後、開度指令値がゼロになり、推定開度がゼロに収束する様子が示されている。
【００５１】
次に、分流弁６３を開く（Ｓ２５０）。図５には、時刻ｔ３以降の開度指令値が開度ｂ１であり、推定開度がｂ１に達する様子が示されている。この結果、カソードガスがカソードに流れ込む。カソードガスがカソードに流れ込むと、カソードに存在する水素が希釈される。
【００５２】
次に、調圧弁６７を徐々に開く（Ｓ２６０）。図５には、時刻ｔ４において開度指令値が開度ａ１よりも小さい値に設定され、時刻ｔ５以降、開度指令値が徐々に増大する様子が示されている。また、図５には、推定開度が、開度指令値に応じて増大する様子が示されている。
【００５３】
時刻ｔ４以降、カソードに存在する水素が希釈された状態で、カソードガス排出流路６６から徐々に排出される。この結果、カソードガス排出流路６６から排出されるガスにおける水素濃度は、所定値（例えば８％）以下になる。そして、発電に必要なカソードガスが、燃料電池スタック４０に対して供給される状態になる。
【００５４】
調圧弁６７を徐々に開き始めた時刻ｔ４の後、図３に示すように、カソード側バルブが氷結しているかを判定する（Ｓ３００）。「カソード側バルブが氷結している」とは、分流弁６３と調圧弁６７との少なくとも一方が氷結している状態を意味する。氷結した分流弁６３は、基本処理において発生する分流弁用モータ６４のトルクによっては開弁できない。同様に、氷結した調圧弁６７は、基本処理において発生する調圧弁用モータ６８のトルクによっては開弁できない。
【００５５】
本実施形態においては、Ｓ３００における氷結についての判定を、出力電流および出力電圧の値に基づき実行する。具体的には、出力電流および出力電圧のそれぞれについて、燃料電池システム３０による発電が正常に開始された場合の値であるか否かを判定する。さらに具体的には、カソードの残酸素による発電時に得られる電流値である下限電流値Ｉｍｉｎよりも、出力電流が大きいことと、予め定められている下限電圧値Ｖｍｉｎよりも、出力電圧が大きいこととの少なくとも一方が満たされない場合、カソード側バルブが氷結していると判定する。このように判定するのは、カソード側バルブが氷結していると、基本処理（Ｓ２００）に失敗し、発電が正常に開始されていない可能性が高いからである。
【００５６】
カソード側バルブの氷結として、例えば分流弁６３が氷結している場合に、基本処理に失敗する理由は、Ｓ２５０において分流弁６３を開弁できないことである。
【００５７】
一方、調圧弁６７が氷結している場合に、基本処理に失敗する理由は、Ｓ２３０において調圧弁６７が開弁できず、ひいては、分流弁６３が氷結していなくてもＳ２５０において分流弁６３が開弁できないことである。調圧弁６７が氷結していると、分流弁６３が氷結していなくても分流弁６３が開弁できないのは、調圧弁６７が氷結するほど雰囲気が低温の場合、分流弁６３と調圧弁６７とによって大気から遮断された流路内に負圧が発生している可能性が高いからである。先述したように調圧弁６７を利用して負圧を解消しないと、分流弁用モータ６４のトルクでは分流弁６３を開くことは難しい。
【００５８】
上記をまとめると次のようになる。分流弁６３が氷結している一方、調圧弁６７は氷結していない場合、分流弁６３は開弁できず、調圧弁６７は開弁できる。分流弁６３が氷結していない一方、調圧弁６７は氷結している場合、分流弁６３及び調圧弁６７は何れも開弁できない。分流弁６３及び調圧弁６７は氷結している場合、分流弁６３及び調圧弁６７は何れも開弁できない。
【００５９】
カソード側バルブが氷結していない場合（Ｓ３００，ＮＯ）、通常運転を開始し（Ｓ３１０）、起動処理を終える。ここでいう通常運転とは、要求電力に応じて発電することを意味する。つまり、カソード側バルブが氷結していないと判定すると、燃料電池システム３０による発電を開始する。
【００６０】
図５には、カソード側バルブが氷結していない場合として、時刻ｔ４以降、出力電圧が下限電圧値Ｖｍｉｎを超え、出力電流が下限電流値Ｉｍｉｎを超える様子が示される。なお、通常運転を開始する場合、分流弁６３の開度は全開に設定される。
【００６１】
一方、カソード側バルブが氷結している場合（Ｓ３００，ＹＥＳ）、二次電池８１のＳＯＣを取得する（Ｓ３２０）。取得したＳＯＣは、後述するＳ３５０で用いる。続いて、氷結状態解消処理を実行する（Ｓ３２０）。
【００６２】
図７は、氷結状態解消処理の実行時におけるタイミングチャートを示す。氷結状態解消処理は、分流弁６３の推定開度が開度ａ１に達する時刻ｔ６から開始する。
【００６３】
氷結状態解消処理を開始すると、図７に示すように流量を低下させつつも、エアコンプレッサ６２によるカソードガスの圧縮を続行する。
【００６４】
一方、分流弁６３の開度指令値は、推定開度が減少と増大とを繰り返すように設定される。推定開度の最大値は開度ａ１であり、推定開度の最低値はゼロである。推定開度の増減の１周期分において、開度指令値が減少する時間は、時間Ｔａｃであり、この時間中において開度指令値はゼロに維持される。１周期分において、開度指令値が増大する時間は、時間Ｔａｏであり、この時間中において開度指令値は開度ａ１に維持される。よって、推定開度の増減の１周期は、時間（Ｔａｃ＋Ｔａｏ）である。時間Ｔａｏは、時間Ｔａｃよりも長い。このため、推定開度の変化率の絶対値は、推定開度が増大する場合よりも、推定開度が減少する場合の方が大きい。
【００６５】
調圧弁６７についても同様に、氷結状態解消処理中における開度指令値は、推定開度が減少と増大とを繰り返すように設定される。推定開度の最大値は開度ｂ１であり、推定開度の最低値はゼロである。１周期分において、開度指令値が減少する時間は、時間Ｔｂｃであり、この時間中において開度指令値はゼロに維持される。１周期分において、開度指令値が増大する時間は、時間Ｔｂｏであり、この時間中において開度指令値は開度ｂ１に維持される。よって、推定開度の増減の１周期は、時間（Ｔｂｃ＋Ｔｂｏ）である。時間Ｔｂｏは、時間Ｔｂｃよりも長い。このため、推定開度の変化率の絶対値は、推定開度が増大する場合よりも、推定開度が減少する場合の方が大きい。
【００６６】
図８は、調圧弁６７について、開度指令値および推定開度、パルス電圧（駆動パルスの電圧）、並びに調圧弁用モータ６８が発生するトルクの関係を示すタイミングチャートである。以下に説明する内容は、分流弁６３についても同様である。但し、分流弁用モータ６４に入力される第１の駆動パルスのパルス速度と、調圧弁用モータ６８に入力される第１の駆動パルスのパルス速度とが一致しているとは限らず、本実施形態では異なる値である。同様に、分流弁用モータ６４に入力される第２の駆動パルスのパルス速度と、調圧弁用モータ６８に入力される第２の駆動パルスのパルス速度とが一致しているとは限らず、本実施形態では異なる値である。
【００６７】
本実施形態では、開度を増大させるための駆動パルスを正値、開度を減少させるための駆動パルス（以下、第２の駆動パルスという）を負値で示す。以下、氷結状態解消処理において開度を増大させるための駆動パルスを第１の駆動パルスといい、氷結状態解消処理において開度を減少させるための駆動パルスを第２の駆動パルスという。
【００６８】
本実施形態では、開度を増大させる向きのトルクを正値、開度を減少させる向きのトルクを負値で示す。図８は、推定開度が増減する１周期分のみについて示す。
【００６９】
第１の駆動パルスのパルス速度は、パルス速度Ｐ１（pulse per second）である。よって、第１の駆動パルスの周期は、図８に示すように、（１／Ｐ１）秒である。第２の駆動パルスのパルス速度は、パルス速度Ｐ２である。よって、第２の駆動パルスの周期は、図８に示すように、（１／Ｐ２）秒である。図８に示すように、（１／Ｐ１）秒は、（１／Ｐ２）秒よりも長い。つまり、パルス速度Ｐ２は、パルス速度Ｐ１よりも速い。パルス速度Ｐ２は、バウンスバックが発生するパルス速度よりも小さい値として設定されている。
【００７０】
図８に示されたトルクは、ステッピングモータの特性にパルス速度を当てはめることによって求められる値であり、細かな時間変化は無視した値である。一般にステッピングモータは、パルス速度が速いほど、トルクが小さくなる。よって、開度を増大させる向きのトルクである開弁トルクＴｒ１の絶対値は、開度を減少させる向きのトルクである閉弁トルクＴｒ２の絶対値よりも大きい。
【００７１】
図９は、第１の駆動パルスのパルス電圧と、調圧弁用モータ６８が発生するトルクとの関係を示すタイミングチャートである。図９は、図８とは異なり、パルス電圧の変化に伴うトルク変動を示す。以下に説明する内容は、分流弁６３についても同様である。
【００７２】
図９に示すように、トルクの絶対値は、パルス電圧が入力され始めると増大し始め、やがて開弁最大トルクＴｒ１ｍａｘに収束する。そして、トルクの絶対値は、図９に示すように、パルスの入力が終了すると減少し始め、やがてゼロになる。開弁トルクＴｒ１は、上記のトルク変動をおおよそ平均した値であり、開弁最大トルクＴｒ１ｍａｘよりも絶対値が小さい値である。
【００７３】
図１０は、第２の駆動パルスのパルス電圧と、調圧弁用モータ６８が発生するトルクとの関係を示すタイミングチャートである。図１０に示すように、トルクの絶対値は、パルスが入力され始めると増大し始める。但し、トルクの絶対値は、収束する前に減少に転じる。なぜなら、トルクの絶対値が増大中に、パルスの入力が終了するからである。トルクの絶対値は、パルスの入力が終了した後、やがてゼロになる。
【００７４】
第２の駆動パルスの入力によって発生するトルクの絶対値が最大になる時のトルク値を、閉弁最大トルクＴｒ２ｍａｘと呼ぶ。閉弁トルクＴｒ２は、上記のトルク変動をおおよそ平均した値であり、閉弁最大トルクＴｒ２ｍａｘよりも絶対値が小さい値である。最大開弁トルクＴｒ１ｍａｘの絶対値は、最大閉弁トルクＴｒ２ｍａｘの絶対値よりも大きい。
【００７５】
図９，図１０と共に説明したトルクが発生すると、調圧弁６７が氷結状態でない場合は、入力されたパルス数に応じて開度が変化することで、実際の開度と推定開度とが近い値になる。調圧弁６７が氷結状態である場合は、実際の開度と推定開度とが乖離するので、調圧弁用モータ６８に脱調が発生する。このように脱調の発生と共に、トルク変動に伴う振動が氷結部位に付与される。
【００７６】
本実施形態における氷結状態解消処理は、図７に示すように、調圧弁６７については、４回、開度指令値を４回、開度ａ１にした後、開度指令値をゼロに設定して終了する。その後、図７に示すように時刻ｔ７において推定開度がゼロになる。分流弁６３については、４回、開度指令値を開度ｂ１にすると終了する。４回目の開度ｂ１が終了するのは、図７に示すように、時刻ｔ７よりも遅い時刻ｔ８である。その後、開度指令値は開度ｂ１に維持される。
【００７７】
氷結状態解消処理によって氷結が解消した場合、時刻ｔ７から時刻ｔ８において、調圧弁６７が閉じられたまま、分流弁６３が開閉されることになる。このため、カソードガスがカソードに流入し、カソードに存在する水素を希釈する。
【００７８】
１サイクル分の氷結状態解消処理を終えると、カソード側バルブが氷結しているかを判定する（Ｓ３４０）。Ｓ３４０の手法は、Ｓ３００と同様である。つまり、図７の時刻ｔ８以降に示されるように、カソードガスの流量を増大させ、その後、調圧弁６７を開弁し、電流値および電圧値に基づく判定を実施する。カソード側バルブが氷結していない場合（Ｓ３４０，ＮＯ）、先述したＳ３１０に進む。
【００７９】
一方、カソード側バルブが氷結している場合（Ｓ３４０，ＹＥＳ）、二次電池８１の残容量の低下幅が基準値（例えば５％）に達したかを判定する（Ｓ３５０）。二次電池８１の残容量の低下幅が基準値に達していない場合（Ｓ３５０，ＮＯ）、Ｓ３３０を再度、実行する。
【００８０】
一方、二次電池８１の残容量の低下幅が基準値に達した場合（Ｓ３５０，ＹＥＳ）、燃料電池システム３０の起動を中止し（Ｓ３６０）、起動処理を終える。
【００８１】
図１１は、燃料電池システム３０の停止処理を示すフローチャートである。この停止処理は、制御部１００によって実行される。制御部１００は、燃料電池システム３０を停止する場合に、この停止処理を開始する。燃料電池システム３０を停止する場合とは、例えば、燃料電池自動車２０が走行を終えて駐車される際にパワースイッチが押された場合である。
【００８２】
まず、分流弁６３及び調圧弁６７を閉じる（Ｓ４１０）。Ｓ４１０は、分流弁用モータ６４及び調圧弁用モータ６８それぞれに対し、開度指令値がゼロとなる駆動パルスが入力されることによって実現される。続いて、エアコンプレッサ６２を停止させ（Ｓ４２０）、停止処理を終える。この結果、燃料電池システム３０は、第１の電動弁１１がカソードガス供給流路６１とバイパス６９とを連通した状態で停止する。
【００８３】
本実施形態によれば、少なくとも次の効果を得ることができる。
分流弁６３と調圧弁６７との少なくとも一方が氷結している場合、この氷結を、ステッピングモータである分流弁用モータ６４及び調圧弁用モータ６８の開閉動作によって解消を試みることができる。しかも、この開閉動作は、第１及び第２の駆動パルスによって特徴付けられており、開度が増大する向きのトルクと、開度が減少する向きのトルクとのそれぞれによって、氷結が解消されやすくなっている。
【００８４】
分流弁６３と調圧弁６７との両方が氷結している場合はもちろん、一方のみが氷結している場合でも、分流弁６３と調圧弁６７との両方に対して氷結状態解消処理における開閉動作を実行させることによって、何れが氷結しているかを判定する必要が無くなる。このため、電圧値および電流値に基づく判定を採用することができる。
【００８５】
第２の駆動パルスは、氷結していない弁に入力される場合でも、バウンスバックを発生させないパルス速度に設定されており、ステッピングモータが位置検出機構を有しないことによる問題が発生しない。
【００８６】
第１の駆動パルスが、有効断面積として面積Ｓａ，Ｓｂ（＞ゼロ）に対応する開度指令値を実現するためのものなので、開度が増大する向きのトルクによって、流路が確保される程度に氷結が解消することが期待できる。
【００８７】
第２の駆動パルスが、高い振動数によるトルク変動をもたらすので、氷結した部位に高い振動数による振動が付与される。これによって、氷結状態が解消することが期待できる。
【００８８】
第２の駆動パルスが、開度ゼロに対応する開度指令値を実現するためのものなので、弁体が弁座に突き当てることによる氷結の解消が期待できる。
【００８９】
第１の駆動パルスが有効断面積として面積Ｓａ，Ｓｂに対応する開度指令値を実現するためのものであり、且つ、氷結状態解消処理の実行中、エアコンプレッサ６２による空気の圧縮を継続するので、氷結が解消した時点で、カソードにカソードガスが供給される。このため、氷結が解消した時点で、発電が可能となり、且つ、カソードに存在する水素を希釈できる。
【００９０】
二次電池８１のＳＯＣが減少し過ぎる前に氷結状態解消処理を中止し、さらには燃料電池システム３０の起動を中止するので、次回の起動時のための電力を確保できる。
【００９１】
本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。
【００９２】
カソード側バルブの氷結が解消されたかの判定手法は、例えば、燃料電池の温度に基づき判定してもよい。つまり、燃料電池の温度が所定幅以上、上昇したら、氷結の解消によって発電が開始されたと判定してもよい。
【００９３】
分流弁と調圧弁とのそれぞれについて氷結しているかを判定してもよい。この場合、氷結している弁のみに対して、第１及び第２の駆動パルスを入力してもよい。
分流弁と調圧弁とのそれぞれについて氷結しているかを判定する場合、例えば、ステッピングモータの脱調が発生している場合に氷結が発生していると判定してもよいし、分流弁と調圧弁とのそれぞれの温度を測定し、所定温度（例えばゼロ℃）以下であれば氷結していると判定してもよい。
上記脱調の検出は、例えば、分流弁用モータや調圧弁用モータに位置検出機構を設けることで実現してもよい。
【００９４】
分流弁に対して入力される第１の駆動パルスと、調圧弁用モータに対して入力される第１の駆動パルスとが、同じパルス速度を有してもよい。
分流弁に対して入力される第２の駆動パルスと、調圧弁用モータに対して入力される第２の駆動パルスとが、同じパルス速度を有してもよい。
第１の駆動パルスは、全開の開度指令値に対応するものでもよい。
第２の駆動パルスは、ゼロよりも大きい開度指令値に対応するものでもよい。
【００９５】
氷結処理中にコンプレッサを駆動しなくてもよい。
分流弁の代わりに調圧弁（以下、代替調圧弁）を用いてもよい。
代替調圧弁を用いる場合、バイパスを、代替調圧弁の上流に接続してもよいし、バイパスを廃止してもよい。
バイパスを廃止する場合、代替調圧弁が氷結した場合に備え、高圧時に作動する安全弁を、エアコンプレッサ又はカソードガス供給流路に設けてもよい。
二次電池の実使用領域の下限値になるまで、氷結状態解消処理を実行してもよい。
二次電池として、ニッケル水素電池を用いてもよい。
【００９６】
燃料電池システムは、自動車用でなくてもよく、他の輸送用機器（二輪車、電車など）に搭載されるものや、据え置きのものでもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１１…第１の電動弁
１２…第２の電動弁
２０…燃料電池自動車
３０…燃料電池システム
４０…燃料電池スタック
４１…単セル
５０…水素供給排出機構
５１…水素タンク
５２…レギュレータ
５３…水素循環ポンプ
５４…パージバルブ
５５…排出経路
５７…気液分離部
６０…カソードガス供給排出機構
６１…カソードガス供給流路
６２…エアコンプレッサ
６３…分流弁
６４…分流弁用モータ
６５…流量計
６６…カソードガス排出流路
６７…調圧弁
６８…調圧弁用モータ
６９…バイパス
７０…冷却水循環機構
７１…ラジエータ
７２…冷却水循環ポンプ
８１…二次電池
８３…ＤＣ／ＡＣインバータ
９１…セル電圧計測部
９２…電流計測部
１００…制御部
１１０…負荷
【図１】
2017016741.tif 000003
【図２】
2017016741.tif 000004
【図３】
2017016741.tif 000005
【図４】
2017016741.tif 000006
【図５】
2017016741.tif 000007
【図６】
2017016741.tif 000008
【図７】
2017016741.tif 000009
【図８】
2017016741.tif 000010
【図９】
2017016741.tif 000011
【図１０】
2017016741.tif 000012
【図１１】
2017016741.tif 000013