(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜に酸化剤と水素含有ガスを供給することで発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に水を供給する水供給手段と、
前記燃料電池が停止しているときに前記燃料電池に供給される水を加熱することでシステム内部での水の凍結を防止する第１の保護モードと、
前記燃料電池が停止しているときに前記燃料電池から水を排出させることによりシステム内部での水の凍結を防止する第２の保護モードと、
前記燃料電池が再起動される時刻を予測する再起動時刻予測手段と、
気象情報を入手する手段と、
前記入手された気象情報に基づき外気温度の推移を予測する外気温度推移予測手段と、
前記第１の保護モードでシステムを保護した場合に要する第１のエネルギと前記第２の保護モードでシステムを保護した場合に要する第２のエネルギとを前記予測された再起動時刻及び外気温度推移に基づきそれぞれ演算する演算手段と、
前記燃料電池停止時の保護モードとして、前記第１のエネルギが前記第２のエネルギよりも小さいときは前記第１の保護モードを選択し、前記第１のエネルギが前記第２のエネルギよりも大きいときは前記第２の保護モードを選択する保護モード選択手段と、
選択された保護モードに従いシステムの保護を行う制御手段と、
外気温度を検出する手段と、
備え、前記外気温度推移予測手段は、前記予測された外気温度推移から得られる外気温度と前記検出された外気温度との差に基づき前記予測された外気温度の推移を補正することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
日時を検出する手段をさらに備え、
前記気象情報を入手する手段は、前記検出された日時に対応する気象情報を入手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３】
システムの位置を検出する手段をさらに備え、
前記気象情報を入手する手段は、前記検出されたシステムの位置に対応する気象情報を入手することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
システムのおかれている環境の照度を検出する手段をさらに備え、
前記外気温度推移予測手段は、前記予測された外気温度の推移を前記検出された照度に基づき補正することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記再起動時刻予測手段は、実際に前記燃料電池が再起動された時刻と予測された再起動時刻とのずれを次回の再起動時刻の予測に用いることを特徴とする請求項１から４のいずれかひとつに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
再起動時刻を運転者により入力する手段をさらに備え、
前記再起動時刻予測手段は、入力された再起動時刻があるときはその入力された再起動時刻に前記燃料電池が再起動されると予測することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記予測された再起動時刻を過ぎて所定時間経過しても前記燃料電池が再起動されない場合は、予測された再起動時刻を修正し、修正された再起動時刻に基づき再度保護モードの選択を行う保護モード再選択手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかひとつに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記保護モード再選択手段は、過去の再起動予測時刻と実際の再起動時刻とのずれに基づき再起動予測時刻を修正することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料電池に水素含有ガスを供給する燃料タンクの燃料残量を検出する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１の保護モードにより前記システムの保護を行う場合、前記燃料残量が所定値よりも多い時に前記第１の保護モードによる前記システムの保護を行うことを特徴とする請求項１から８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料残量が前記所定値よりも少ない場合は運転者に警告を発する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
システム外の酸素濃度を検出する手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記第１の保護モードにより前記システムの保護を行う場合、システム外の酸素濃度が所定値よりも高い時に前記第１の保護モードによる前記システムの保護を行うことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記第２の保護モードによりシステムの保護を行う場合に再起動予測時刻の所定時間前から前記燃料電池外部で凍結した水の解凍を開始する手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１から１１のいずれかひとつに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記第１あるいは第２の保護モードによりシステムの保護を行っているときに運転者が燃料電池の始動操作を行った場合、前記制御手段が直ちに前記保護モードによるシステムの保護を中止して燃料電池を始動させることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、氷点下環境下におけるシステムの保護に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は電解質膜で起こる電気化学反応により電気エネルギを取り出す装置であり、燃料電池の中には発電を行うために電解質膜の加湿を必要とするものがある。一般に、電解質膜の加湿には、不純物が電解質膜に付着して燃料電池の性能を低下させないよう純水が用いられる。また、燃料電池の冷却に純水が用いられることもある。
【０００３】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、電解質膜の加湿、冷却に純水を用いた場合、燃料電池が停止した状態でシステムを氷点下環境下に放置すると、水がシステム内部で凍結し、凝固時の体積の膨張によってシステムの内部構造が破壊される可能性がある。また、凍結した水により燃料電池に供給されるガス、空気あるいは水の流路が閉塞し、システムを再起動できなくなる可能性もある。
【０００４】
この点に関し、特開平７−１６９４７６号は燃料電池停止中、燃料電池の温度が０℃以下にならないようにヒータで加熱する方法を開示している。しかし、この場合、燃料電池の停止時間が長くなると保護に要するエネルギも増大し続け、車載用燃料電池システムにはそのまま適用することができない。また、特開平８−２７３６８９号は燃料電池停止時に水を燃料電池外に排出し、燃料電池外で水を凍結させることにより燃料電池内での水の凍結を回避する方法を開示している。しかし、この方法では燃料電池の停止時間が短い場合にも保護に比較的多くのエネルギを必要とし、また、燃料電池を再起動させるには凍結した水を解凍しなければならず、再起動応答性に問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであり、燃料電池停止時の水の凍結からシステムを保護するとともに、再起動応答性に優れた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池システムにおいて、電解質膜に酸化剤と水素含有ガスを供給することで発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に水を供給する水供給手段と、前記燃料電池が停止しているときに前記燃料電池に供給される水を加熱することでシステム内部での水の凍結を防止する第１の保護モードと、前記燃料電池が停止しているときに前記燃料電池から水を排出させることによりシステム内部での水の凍結を防止する第２の保護モードと、前記燃料電池が再起動される時刻を予測する再起動時刻予測手段と、気象情報を入手する手段と、前記入手された気象情報に基づき外気温度の推移を予測する外気温度推移予測手段と、前記第１の保護モードでシステムを保護した場合に要する第１のエネルギと前記第２の保護モードでシステムを保護した場合に要する第２のエネルギとを前記予測された再起動時刻及び外気温度推移に基づきそれぞれ演算する演算手段と、前記燃料電池停止時の保護モードとして、前記第１のエネルギが前記第２のエネルギよりも小さいときは前記第１の保護モードを選択し、前記第１のエネルギが前記第２のエネルギよりも大きいときは前記第２の保護モードを選択する保護モード選択手段と、選択された保護モードに従いシステムの保護を行う制御手段と、外気温度を検出する手段と、備え、前記外気温度推移予測手段が、前記予測された外気温度推移から得られる外気温度と前記検出された外気温度との差に基づき前記予測された外気温度の推移を補正することを特徴とするものである。
【０００７】
第２の発明は、第１の発明において、日時を検出する手段をさらに備え、前記気象情報を入手する手段が、前記検出された日時に対応する気象情報を入手するものである。
【０００８】
第３の発明は、第１または第２の発明において、システムの位置を検出する手段をさらに備え、前記気象情報を入手する手段が、前記検出されたシステムの位置に対応する気象情報を入手するものである。
【０００９】
第４の発明は、第１から第３の発明において、システムのおかれている環境の照度を検出する手段をさらに備え、前記外気温度推移予測手段が、前記予測された外気温度の推移を前記検出された照度に基づき補正するものである。
【００１２】
第５の発明は、第１から第４の発明において、前記再起動時刻予測手段が、実際に前記燃料電池が再起動された時刻と予測された再起動時刻とのずれを次回の再起動時刻の予測に用いるものである。
【００１３】
第６の発明は、第１から第５の発明において、再起動時刻を運転者により入力する手段をさらに備え、前記再起動時刻予測手段が、入力された再起動時刻があるときはその入力された再起動時刻に前記燃料電池が再起動されると予測するものである。
【００１４】
第７の発明は、第１から第６の発明において、前記予測された再起動時刻を過ぎて所定時間経過しても前記燃料電池が再起動されない場合は、予測された再起動時刻を修正し、修正された再起動時刻に基づき再度保護モードの選択を行う保護モード再選択手段をさらに備えたものである。
【００１５】
第８の発明は、第７の発明における保護モード再選択手段が、過去の再起動予測時刻と実際の再起動時刻とのずれに基づき再起動予測時刻を修正するものである。
【００１６】
第９の発明は、第１から第８の発明において、前記燃料電池に水素含有ガスを供給する燃料タンクの燃料残量を検出する手段をさらに備え、前記制御手段が、前記第１の保護モードにより前記システムの保護を行う場合、前記燃料残量が所定値よりも多い時に前記第１の保護モードによる前記システムの保護を行うものである。
第１０の発明は、第９の発明において、前記燃料残量が前記所定値よりも少ない場合は運転者に警告を発する手段をさらに備えたものである。
【００１７】
第１１の発明は、第１から第１０の発明において、システム外の酸素濃度を検出する手段をさらに備え、前記制御手段が、前記第１の保護モードにより前記システムの保護を行う場合、システム外の酸素濃度が所定値よりも高い時に前記第１の保護モードによる前記システムの保護を行うものである。
【００１９】
第１２の発明は、第１から第１１の発明において、前記第２の保護モードによりシステムの保護を行う場合に再起動予測時刻の所定時間前から前記燃料電池外部で凍結した水の解凍を開始する手段をさらに備えたものである。
【００２０】
第１３の発明は、第１から第１２の発明において、前記第１あるいは第２の保護モードによりシステムの保護を行っているときに運転者が燃料電池の始動操作を行った場合、前記制御手段が直ちに前記保護モードによるシステムの保護を中止して燃料電池を始動させるものである。
【００２１】
【作用及び効果】
したがって、本発明によれば、燃料電池（燃料電池スタック）が停止している間システムを水の凍結から保護するモードが２つ用意され、予想される再起動時刻及び外気温度の推移に基づき消費エネルギ上有利な保護モードが選択され。システムの保護が行われる。このように２つのモードを適宜使い分けることで、保護に要するエネルギをできる限り低く抑えることができ、システムを水の凍結から保護するとともにシステムの燃費を延ばすことができる。なお、保護モードとしては、燃料電池に供給する水を加熱することで凍結を防止する第１の保護モードと、燃料電池内の水を燃料電池外に全て排出し、燃料電池外で水を凍結させることで燃料電池内での水の凍結を回避する第２の保護モードが用意される。
また、将来の外気温度の推移を、外部から入手した気象情報を利用して予測するので、外気温度の推移の予測精度を向上させることができる。
また、実際に外気温度を検出し、予測された外気温度推移から得られる外気温度と前記検出された外気温度との差に基づき前記予測された外気温度推移を補正するので、外気温度の推移の予測精度をさらに向上させることができる。
【００２２】
ここで外気温度の推移は、日時（季節）、システムの置かれている位置（地域）、システムの日照条件の影響を受けることから、これらの情報に基づき外気温度の推移を予測するようにすれば、外気温度の推移を高い精度で予測することができる（第２から第４の発明）。
【００２４】
また、燃料電池の再起動時刻を予測するに当たっては、過去の予測起動時刻と実際の起動時刻とのずれを考慮して再起動時刻を予測するようにすれば、運転者の運転パターンが略決まっている場合（例えば、決まった曜日の決まった時間にシステムを使う場合）において高い精度で再起動時刻を予測することが可能となる（第５の発明）。なお、運転者が入力装置等を介して再起動時刻を入力できるようにし、この入力された時刻を再起動予測時刻として用いるようにしてもよい（第６の発明）。
【００２５】
また、予想された再起動時刻になっても再起動されない場合は、再起動時刻を修正し、再度保護モードの選択を行うが（第７の発明）、このとき、過去に予測された起動時刻と実際に起動された時刻とのずれを考慮して修正するようにすれば正確な再起動時刻を予測することができる（第８の発明）。
【００２６】
また、第１の保護モードによりシステムの保護を行う場合は、燃料電池に水素含有ガスを供給する燃料タンクの燃料残量が所定値よりも多い時やシステム外酸素濃度が所定値よりも高い時に、第１の保護モードによる保護を行うようにする（第９、１１の発明）。これは、第１の保護モードではヒータ等で水を加熱することで凍結を防止するので燃料及び酸素を消費し、燃料が少なくなると再起動できなくなり、また、酸素濃度が低下すると人体に悪影響を及ぼす可能性があることを考慮したものである。なお、燃料残量が少ない場合はシステムが運転不能に陥る可能性が高まっていることから、運転者に対して警告を発するようにする（第１０の発明）。
【００２７】
また、燃料電池内の水を燃料電池外に排出し凍結させることで、燃料電池内での水の凍結を回避する第２の保護モードが選択されている場合は、予想される再起動時刻より前に水の解凍を開始し、再起動予測時刻に達した時点では水が解凍し終わっているようにする（第１２の発明）。このようにすれば再起動予測時刻に達して再起動が行われる場合に直ちに燃料電池を再起動させることができ、燃料電池の再起動応答性を高めることができる。
【００２８】
また、前記保護モードによりシステムの保護を行っているときであっても運転者が燃料電池の始動操作を行った場合は直ちに燃料電池を再起動するようにすれば、運転者がいつもと違う時刻に燃料電池を始動するような場合で予想された再起動時刻に達していない場合であっても燃料電池を起動しシステムを運転可能な状態にすることができる（第１３の発明）。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００３０】
図１は本発明に係る燃料電池システムの概略構成を示す。本燃料電池システムは車両に適用されたもので、燃料電池スタック１には電解質膜１ｍを挟んでカソードガス通路（陽極側通路）、アノードガス通路（陰極側通路）が設けられている。カソードガス通路には空気供給通路２を介して酸化剤としての空気が供給され、アノードガス通路には燃料供給通路３を介して水素含有ガスが供給される。この結果、電解質膜１ｍの表面では、次の電気化学反応、
陽極反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
陰極反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
が起こり、燃料電池スタック１から電気エネルギを取り出すことができる。
【００３１】
燃料供給通路３には燃料タンク４に貯えられている水素、あるいは燃料タンク４に貯えられている炭化水素燃料（天然ガス、メタノール、ガソリン等）を改質器で改質して得られる水素を含有する改質ガスが供給される。
【００３２】
また、燃料電池スタック１の内部には冷媒用の通路５が通っており、冷媒タンク６に貯えられている冷媒（不凍液、あるいは不凍液と水との混合液）をポンプ７でもって燃料電池スタック１に供給し流通させることで燃料電池スタック１の冷却を行う。燃料電池スタック１から回収された熱は熱交換器８から大気中に放出される。
【００３３】
電解質膜１ｍがその性能を十分に引き出し、燃料電池スタック１の発電効率を向上させるためには、電解質膜１ｍの加湿状態を最適に保つ必要がある。そのため、本実施形態では、燃料電池スタック１の上流側に加湿器９が設けられており、電解質膜１ｍに供給される空気及び水素含有ガスの加湿が行われる。コントローラ２０は、燃料電池スタック１の運転状態に応じてポンプ１１を駆動し、貯水タンク１２から水供給通路１３を介して加湿器９に水を供給する。加湿器９で消費されなかった水は再び貯水タンク１２に戻される。
【００３４】
なお、ここでは加湿器９を用いて電解質膜１ｍの加湿を行う構成（外部加湿型）であるが、水供給通路１３を空気供給通路２（あるいはカソード側通路）、燃料供給通路３（あるいはアノード側通路）と多孔質材料を挟んで接触させ、水供給通路１３から空気供給通路２、燃料供給通路３に向けて水を浸透させることで空気及び水素含有ガスの加湿を行う構成（内部加湿型）としても良い、
また、加湿器９において消費された水は燃料電池スタック１の排気の一部として排出されることから、燃料電池スタック１の排気中に含まれる水分を分離する気液分離器１５が燃料電池スタック１の下流側に接続されており、分離された水分はポンプ１６、シャット弁１７を介して貯水タンク１２に回収される。貯水タンク１２には内部の水を加熱するための電気ヒータ（バーナでもよい）２１が設けられており、また、貯水タンク１２は後述する第２の保護モードが選択されて内部の水が凍結した際の体積の膨張に耐えうる構造を有している。
【００３５】
さらに、上記燃料電池システムの冷媒タンク６、ポンプ７、熱交換器８を除く各構成要素（燃料電池スタック１、加湿器９、貯水タンク１２等の主要構成要素）は、燃料電池スタック１停止時の各構成要素の温度降下を抑えるべく断熱材でできた保護容器１４の中に格納されている。
【００３６】
ここで電解質膜１ｍの加湿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スタック１に供給すると不純物が電解質膜１ｍに付着し、燃料電池スタック１の性能を低下させるからである。しかしながら、純水を加湿に用いた場合、燃料電池が停止した状態でシステムを氷点下環境に放置するとシステム内で水が凍結し、凍結時の体積の膨張によってシステムの内部構造を破損させたり、燃料ガス、空気あるいは水の流路を閉塞しシステムの再起動を難しくする可能性がある。
【００３７】
そこで、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池システムを停止状態で氷点下環境下に放置した場合にシステムを水の凍結から保護するモードを２つ用意し、燃料電池スタック１停止時にはそのいずれかの保護モードを用いてシステムを水の凍結から保護する。具体的には、保護モードとして、
▲１▼ ポンプ１１を駆動して水供給通路１３内の水を循環させるとともに、貯水タンク１２に設けられたヒータ２１で貯水タンク１２内の水を加熱し、システム内での水の凍結を防止するモード（第１の保護モード）
▲２▼ ポンプ１０、１１を駆動して燃料電池スタック１内に存在する水を貯水タンク１２に排出し、燃料電池スタック１内に水が殆ど存在しない状態とすることで燃料電池スタック１内での水の凍結を回避し、システムを再起動させる際にヒータ２１を駆動して貯水タンク１２内で凍結した氷を解凍するモード（第２の保護モード）
の２つのモードを用意しておき、燃料電池スタック１停止時にはコントローラ２０がいずれかの保護モードを選択してシステムを水の凍結から保護する。
【００３８】
コントローラ２０には、燃料タンク４内の燃料残量を検出する燃料残量センサ３１、自車位置に関する情報を衛星から受信するＧＰＳアンテナ３２、車両周囲の気温（外気温度）を検出する外気温度センサ３３、車両がおかれている環境の照度を検出する照度センサ３４、車両周囲の酸素濃度を検出する酸素センサ３５、図示しないバッテリの残量を検出するバッテリ残量センサ３６、運転者が再起動時刻等を入力するための外部入力装置３７、貯水タンク１２内の水の温度を検出する水温センサ３８、燃料電池スタック１内（正確には燃料電池スタック１内の水のバッファ）に存在する水の量を検出する水量センサ３９からの信号のほか、時計等からの日時情報、ラジオ等からの気象情報、イグニッションキー等からのシステムの起動信号及び停止信号が入力される。そして、コントローラ２０は、燃料電池スタック１が停止している間、それぞれの保護モードを選択した場合に保護に必要なエネルギ量を演算し、エネルギ消費量が少ない保護モードを選択し燃料電池システムの保護を行う。
【００３９】
ただし、このような燃料電池システムの保護が行われているときに運転者がイグニッションキーを操作する等により運転者が燃料電池の始動操作を行い、燃料電池を起動させる意思を示したときは、コントローラ２０は上記保護処理を直ちに中止して燃料電池スタック１の起動を行う。
【００４０】
なお、図中４１は検出された燃料残量、バッテリ残量が少なくなった場合等に警告メッセージを表示あるいは警告ランプを点灯させ、運転者に燃料補充を促すインジケータである。また、図中４２は同様に検出された燃料残量、バッテリ残量が少なくなった場合等に運転者を警告音、警告メッセージを発し、運転者に燃料補充を促す警報器である。
【００４１】
以下、燃料電池スタック１停止時における燃料電池の保護処理について詳しく説明する。
【００４２】
図２は、コントローラ２０が行う保護モード選択処理の内容を示したものであり、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００４３】
これについて説明すると、まず、ステップＳ１ではコントローラ２０に入力される起動信号あるいは停止信号に基づき、燃料電池スタック１が停止状態にあるか否かが判断される。例えば、停止信号が入力された後起動信号が入力されていない場合は燃料電池スタック１が停止状態にあると判断できる。ここで燃料電池スタック１が停止状態にあるとは、運転中の過渡的な停止あるいはアイドルストップではなくて、運転者がイグニッションキーを抜いて車から離れ、ある程度の期間（例えば１週間）運転を停止する状態を意味する。燃料電池スタック１が運転中のときは燃料電池スタック１での発熱によりシステム内で水が凍結する心配がないため本ルーチンを終了する。
【００４４】
燃料電池スタック１が停止状態にあると判断されたときはステップＳ２に進み、燃料電池温度ＴＥＭＰｃを読み込む。燃料電池温度ＴＥＭＰｃとしては、燃料電池スタック１自体の温度を検出するようにしても良いが、ここではシステム内での水の凍結が問題となることから、加湿用の水の温度（貯水タンク１２内の水温）を用いる（以下同様）。
【００４５】
ステップＳ３では燃料電池温度ＴＥＭＰｃが所定温度ＴＥＭＰｔｈ０（０℃近傍の温度、例えば、５℃）を下回っていないか判断する。下回っていない場合はシステム内で水が凍結する心配が無く、保護する必要がないため本ルーチンを終了する。燃料電池温度ＴＥＭＰｃが所定温度ＴＥＭＰｔｈ０を下回っている場合はシステム内で水が凍結する可能性があるので、ステップＳ４以降に進んでシステムの保護処理を行う。
【００４６】
ステップＳ４では、燃料電池スタック１の再起動時刻ＲＳＴ１を予測する。燃料電池スタック１の再起動予測時刻ＲＳＴ１は図６に示すフローに従って予測され、これについては後で詳しく説明する。
【００４７】
ステップＳ５では、将来の外気温度の変化を予測し、外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを作成する。外気温度推移データは例えば再起動予測時刻ＲＳＴ１まで作成する。この外気温度推移データＴＰＤＡＴＡは燃料電池スタック１が停止してからの時刻と外気温度の関係を示す情報であり、図３はその一例を示したものである。なお、外気温度推移データＴＰＤＡＴＡは図７に示すフローに従って作成され、これについては後で詳しく説明する。
【００４８】
ステップＳ６、Ｓ７では、ステップＳ５で作成した外気温度推移データＴＰＤＡＴＡとステップＳ４で予測した燃料電池スタック１の再起動時刻ＲＳＴ１とに基づき、再起動予測時刻ＲＳＴ１まで第１の保護モード（水を加熱保温することによる保護）でシステムの保護を行った場合に要するエネルギＥ１と、再起動予測時刻ＲＳＴ１まで第２の保護モード（燃料電池スタック１から貯水タンク１２に水を排出することによる保護）でシステムの保護を行った場合に要するエネルギＥ２とをそれぞれ演算する。
【００４９】
具体的には、まず、外気温度が現在の外気温度のまま一定であるとした場合に保護に要するエネルギを求める。第１の保護モードを選択した場合に要するエネルギＥ１は燃料電池スタック１から外気への放熱分をヒータ２１による加熱で補い、燃料電池スタック１の温度を０℃以上に保つために必要なエネルギとして求めることができる。また、第２の保護モードを選択した場合に要するエネルギＥ２は、貯水タンク１２内で凍結した水をヒータ２１によって加熱し解凍するために要するエネルギと、解凍時に氷の表面から逃げる熱をヒータ２１による加熱で補うのに要するエネルギとの和として求めることができる。なお、ここでは簡略化のためポンプ１０、１１の駆動に要するエネルギを考慮に入れていないが、エネルギＥ１、Ｅ２をより正確に求めるためにこれらのエネルギを考慮に入れてもよい。
【００５０】
図４はこのようにして求めた保護に要するエネルギＥ１、Ｅ２の一例を示したものである。いずれの保護モードを選択した場合であっても、停止時間が長くなるほどシステムの保護に要するエネルギは増大し、停止時間が短い間は第２の保護モードのほうが第１の保護モードよりもエネルギの増加速度が高いため、エネルギＥ１はエネルギＥ２よりも小さくなる。しかしながら、第２の保護モードを選択した場合、ある停止時間（図中ｔ１）を超えると必要エネルギの増加速度が鈍り、ある停止時間（図中ｔ２）を境に第１の保護モードを選択した場合に要するエネルギＥ１と第２の保護モードを選択した場合に要するエネルギの大小関係が入れ替わる。
【００５１】
これは、第１の保護モードでは停止時間と保護に要するエネルギは常に比例関係にあるのに対し、第２の保護モードでは保護に要するエネルギは停止時間に応じて増える貯水タンク１２内の氷の量に応じて決まり、この氷の量は貯水タンク１２内の水が全て凍結した後は停止時間に拘わらず一定になるからである。但し、貯水タンク１２内の水が全て凍結すると水の温度が０℃よりも下がって解凍に要するエネルギが増加するため、水が全て凍結した後も停止時間に応じて保護に要するエネルギは徐々に増大する。
【００５２】
さらに、保護に要するエネルギは外気温度の影響も受ける。外気温度が低くなればシステムの温度降下も著しくなることから保護に要するエネルギが増大（必要エネルギの傾きが増大）する。そこで、ステップＳ６、Ｓ７はこのようにして求めたエネルギＥ１、Ｅ２をさらにステップＳ４で求めた外気温度推移データＴＰＤＡＴＡに基づき補正し、各モードを選択した場合に保護に要するエネルギＥ１、Ｅ２とする。図５は補正後のデータの一例を示したものである。
【００５３】
ステップＳ８では第１の保護モードを選択した場合に要するエネルギＥ１と第２の保護モードを選択した場合に要するエネルギＥ２とを比較し、エネルギＥ１がエネルギＥ２よりも少ない場合はステップＳ９に進んで第１の保護モードを選択し、フラグＦＰＭＯＤＥに第１の保護モードが選択されたことを示す「１」をセットする。これに対し、エネルギＥ１がエネルギＥ２よりも多い場合はステップＳ１０に進んで第２の保護モードを選択し、フラグＦＰＭＯＤＥに第２の保護モードが選択されたことを示す「２」をセットする。
【００５４】
次に、図６を参照しながらコントローラ２０の行う再起動時刻の予測処理の内容について説明する。なお、この予測処理は運転者が一週間に一回、決まった曜日（例えば日曜日）に使用することを前提としたものである。この予測処理は図２のステップＳ４における処理に対応する。
【００５５】
これによると、まず、ステップＳ２１では、再起動予測時刻初期値ＲＳＴ０を読み込む。初期値ＲＳＴ０は工場出荷時ないしユーザに渡されるときに適当な時間（例えば１２：００）に設定されるが、後に説明するステップＳ２５以降の処理（学習処理）により燃料電池スタック１の再起動が行われるたびに新しい値に更新される。
【００５６】
ステップＳ２２では、外部入力装置３７から入力された外部入力時刻ＲＳＴ２（運転者が予測する再起動時刻）が存在するか否かを判断し、外部入力時刻ＲＳＴ２が存在しない場合はステップＳ２３に進んで再起動予測時刻ＲＳＴ１を一週間後の時刻ＲＳＴ０に設定する。これに対し、外部入力時刻ＲＳＴ２が存在する場合はステップＳ２４に進み、再起動予測時刻ＲＳＴ１を一週間後の時刻ＲＳＴ２に設定する。
【００５７】
上記処理により再起動予測時刻ＲＳＴ１が予測されるのであるが、予測精度を高めるべく、このフローでは、さらに、実際に再起動が行われた時刻と予測された再起動時刻のずれに基づき次回予測時に用いる再起動予測時刻初期値を修正する。
【００５８】
具体的には、ステップＳ２３で再起動予測時刻ＲＳＴ１が設定されたとすると、再起動が行われた場合にステップ２５からステップＳ２６に進み、実際の起動時刻をＲＳＴ３に格納する。そして、ステップＳ２７で実際の起動時刻ＲＳＴ３と予測起動予測時刻ＲＳＴ１との差が所定値よりも小さいか判断し、小さい場合は再起動予測時刻初期値を修正せず、小さくない場合はステップＳ２８に進んで再起動予測時刻初期値を、
ＲＳＴ１＋（ＲＳＴ３−ＲＳＴ１）×Ｇ２
Ｇ２：ゲイン
に修正する。
【００５９】
同様に、ステップＳ２４で再起動予測時刻ＲＳＴ１が設定されたとすると、再起動が行われない場合はステップＳ３０に進んで再起動予測時刻初期値をＲＳＴ２に修正し、再起動が行われた場合はステップＳ３１に進んで実際の起動時刻をＲＳＴ３に格納する。
【００６０】
そして、ステップＳ３２でＲＳＴ３と再起動予測時刻ＲＳＴ１（＝ＲＳＴ２）との差が所定値よりも小さいか否かを判断し、所定値よりも小さい場合はステップＳ３３に進んで再起動予測時刻初期値をＲＳＴ２に修正し、そうでない場合はステップＳ３４に進んで再起動予測時刻初期値を、
ＲＳＴ２＋（ＲＳＴ３−ＲＳＴ２）×Ｇ１
Ｇ１：ゲイン
に修正する。
【００６１】
次に、図７を参照しながらコントローラ２０が行う外気温度推移の予測処理の内容について説明する。この処理は図２のステップＳ５における処理に対応するものである。
【００６２】
これによると、まず、ステップＳ４１では、バックアップ電源の容量が所定値よりも大きいか否かを判断する。バックアップ電源の容量が所定値よりも小さい場合は予測処理によりバックアップ電源が使い果たされるのを回避すべく、ステップＳ４２に進んで外気温度推移の予測を中止する。
【００６３】
バックアップ電源容量が所定値よりも大きい場合はステップＳ４３に進み、外気温度推移データＴＰＤＡＴＡが既に存在するか否かを判断する。外気温度推移データＴＰＤＡＴＡが存在しない場合は外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを作成すべくステップＳ４４以降に進み、存在する場合は既にある外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを修正しさらに精度を高めるべくステップＳ５１以降に進む。
【００６４】
ステップＳ４４では、ＧＰＳアンテナ３２から受信した車両位置情報を読み込み、ステップＳ４５ではコントローラ２０のメモリに記憶されている燃料電池スタック１が停止した日時を読み込む。さらに、ステップＳ４６では車両位置、日時に対応する気象情報（将来の天候、温度変化）を外部から例えば、ラジオを通じて取得する。
【００６５】
ステップＳ４７では、入手した気象情報に基づき将来の外気温度推移（例えば、一週間後の再起動予測時刻ＲＳＴ１までの外気温度推移）を予測し、図３に示したような外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを作成する。なお、気象情報を入手せず、車両位置、日時（季節）から温度推移を予測するようにしてもよく、あるいは、何らかの事情で気象情報を入手できないときにのみ車両位置、日時（季節）から温度推移を予測するようにしてもよい。
【００６６】
ステップＳ４８では外気温度センサ３３で検出した現在の外気温度ＴＥＭＰｏを読み込み、ステップＳ４９では照度センサ３４で検出した車両がおかれている環境の照度ＩＬＭを読み込む。ステップＳ５０では外気温度推移データＴＰＤＡＴＡの精度をさらに高めるべく外気温度ＴＥＭＰｏ、照度ＩＬＭに基づきステップＳ４７で作成した外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを補正する。例えば、検出された外気温度ＴＥＭＰｏが外部から取得した気象情報に基づく外気温度よりも高い場合や検出された照度ＩＬＭが所定値よりも高い場合は外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを高温側にシフトさせる。
【００６７】
一方、ステップＳ４３で外気温度推移データＴＰＤＡＴＡが既に存在すると判断した場合はステップＳ５１に進み、外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを参照して得られる値（外気温度の予測値）と外気温度センサ３３で検出された現在の外気温度ＴＥＭＰｏとの差ΔＴを求め、ステップＳ５２でΔＴの絶対値が所定値よりも大きいと判断された場合は外気温度推移データが実際の外気温度推移を良く表していないので外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを補正すべくステップＳ５３に進む。そうでない場合は外気温度推移データＴＰＤＡＴＡは実際の外気温度推移と良く一致しているので外気温度推移データＴＰＤＡＴＡの補正は行わず処理を終了する。
【００６８】
ステップＳ５３では照度センサ３４で照度ＩＬＭを検出し、ステップＳ５４では差ΔＴと照度ＩＬＭに基づき外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを補正する。具体的には、例えば、外気温度推移データＴＰＤＡＴＡをΔＴだけシフトさせる、あるいは、検出された照度ＩＬＭが所定値よりも高い場合は外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを高温側にシフトさせることが行われる。
【００６９】
次に、図８を参照しながら図２のステップＳ９で第１の保護モードが選択された場合にコントローラ２０が行う保護処理の内容について説明する。
【００７０】
これによると、まず、ステップＳ６１ではフラグＦＰＭＯＤＥの値に基づき第１の保護モードが選択されているか否かを判断する。フラグＦＰＭＯＤＥが「１」で第１の保護モードが選択されていると判断されたときはステップＳ６２に進み、そうでない場合は本ルーチンを終了する。
【００７１】
ステップＳ６２ではエネルギ残量（燃料残量、バッテリ残量）を検出し、ステップＳ６３では検出されたエネルギ残量が所定値よりも多いか否かを判断する。所定値は、例えば、燃料電池スタック１を再起動して再起動後しばらく走行するのに最低限必要なエネルギに設定する。エネルギ残量が所定値よりも少ない場合はステップＳ６４に進み、そうでない場合はステップＳ６８に進む。
【００７２】
ステップＳ６４ではインジケータ４１及び警報器４２用電源の容量が所定値よりも多いか否かを判断する。所定値よりも多い場合はステップＳ６５に進んでインジケータ４１及び警報器４２を作動させ、ステップＳ６６に進んでヒータ２１を停止させる。一方、インジケータ４１及び警報器４２用電源の容量が所定値よりも少ない場合はステップＳ６７に進みインジケータ４１及び警報器４２を停止させる。
【００７３】
一方、ステップＳ６３でエネルギ残量が所定値よりも多いと判断されてステップＳ６８に進んだ場合は、インジケータ４１及び警報器４２を停止させ、ステップＳ６９で燃料電池温度ＴＥＭＰｃを読み込む。
【００７４】
ステップＳ７０では燃料電池温度ＴＥＭＰｃが所定温度ＴＥＭＰｔｈ（例えば２℃）よりも低いか否かを判断し、低いと判断した場合はステップＳ７１に進み、そうでない場合はステップＳ６６に進んでヒータ２１を停止させる。
【００７５】
ステップＳ７１では酸素濃度ＣＮｏを検出し、ステップＳ７２で酸素濃度ＣＮｏが所定濃度ＣＮｔｈ以上か否かを判断する。所定濃度ＣＮｔｈは例えば人体に悪影響を及ぼさない限度の酸素濃度ＣＮｍｉｎに対してある程度余裕を持たせた値ＣＮｍｉｎ＋αに設定される。酸素濃度ＣＮｏが所定濃度ＣＮｔｈよりも高い場合はステップＳ７３に進んでヒータ２１を作動させて貯水タンク１２内の水の加熱を行い、所定濃度ＣＮｔｈよりも低い場合はステップＳ６６に進んでヒータ２１を停止させる。酸素濃度ＣＮｏが所定濃度ＣＮｔｈよりも低い場合にヒータ２１を停止させるのは、閉じた空間、例えば、地下駐車場、屋内駐車場等でヒータ２１を継続作動させると車両周囲の酸素濃度が低下し、人体に悪影響を及ぼす可能性があるからである。
【００７６】
ステップＳ７４では現在の時刻がＲＳＴ１＋所定時間よりも前か否かを判断し、ＲＳＴ１＋所定時間より前の場合はそのまま処理を終了する。過ぎている場合はステップＳ７５に進み、再起動予測時刻を修正して保護モードの選択をやり直す再起動予測時刻修正モードに移行する。所定時間はゼロ以上の任意の時間に設定される。再起動予想時刻修正モードについては後述する。
【００７７】
次に、図９を参照しながら図２のステップＳ１０で第２の保護モードが選択された場合のコントローラ２０が行う保護処理の内容について説明する。
【００７８】
これによると、まず、ステップＳ８１ではフラグＦＰＭＯＤＥの値に基づき第２の保護モードが選択されているか否かを判断する。フラグＦＰＭＯＤＥが「２」で第２の保護モードが選択されていると判断した場合は、ステップＳ８２に進み、そうでない場合は本ルーチンを終了する。
【００７９】
ステップＳ８２ではエネルギ残量（燃料残量、バッテリ残量）を検出し、ステップＳ８３ではエネルギ残量が所定値よりも多いか否かを判断する。所定値は燃料電池スタック１を再起動して再起動後しばらく走行するのに最低限必要なエネルギに設定する。所定値よりも少ない場合はステップＳ８４に進んでインジケータ４１及び警報器４２用電源の容量が所定値よりも多いか否かを判断し、そうでない場合はステップＳ８９に進む。
【００８０】
ステップ８４でインジケータ４１及び警報器４２用電源の容量が所定値よりも多いと判断した場合はステップＳ８５に進んでインジケータ４１及び警報器４２を作動させ、そうでない場合はステップＳ８６に進んでインジケータ４１及び警報器４２を停止させる。そして、ステップＳ８７に進んでポンプ１０、１１を停止させるとともに、ステップＳ８８でヒータ２１を停止させ、本ルーチンを終了する。
【００８１】
一方、ステップＳ８３でエネルギ残量が所定値よりも多いと判断されて進んだステップＳ８９ではインジケータ４１及び警報器４２を停止させ、ステップＳ９０で排水状態を検出する。排水状態を判断するために、ここでは水量センサ３９により燃料電池スタック１内の水量を検出する。
【００８２】
ステップＳ９１で検出された燃料電池スタック１内の水量がゼロでなく排水が完了していないと判断した場合はステップＳ９２に進み、ポンプ１０、１１を作動させ、燃料電池スタック１内の水を貯水タンク１２に排出する。このとき、ポンプ１１は燃料電池スタック１内から貯水タンク１２に水を排出、回収するために逆回転させるものとする。これに対し、検出された水量がゼロで排水が完了したと判断した場合はステップＳ９３に進み、ポンプ１０、１１を停止させる。
【００８３】
ステップＳ９４では現在の時刻が再起動予測時刻ＲＳＴ１の所定時間前に到達したか否かを判断し、到達したと判断した場合はステップＳ９５に進んで燃料電池温度ＴＥＭＰｃを読み込む。ここでの所定時間はヒータ加熱によって貯水タンク１２内の氷を解凍するのに要する時間以上に設定される。
【００８４】
ステップＳ９６では燃料電池温度ＴＥＭＰｃが所定温度ＴＥＭＰｔｈよりも低いか否かを判断し、低い場合はステップＳ９７に進んでヒータ２１を作動させて貯水タンク１２内の氷を解凍する。そうでない場合は解凍の必要は無いのでステップＳ９８に進んでヒータ２１を停止させる。再起動予想時刻ＲＳＴ１の所定時間前に解凍を始めるのは、再起動予想時刻ＲＳＴ１までに貯水タンク１２内の氷の解凍を完了させ、燃料電池スタック１を直ちに再起動できる状態とするためである。
【００８５】
ステップＳ９９では現在時刻がＲＳＴ１＋所定時間より前か否かを判断し、ＲＳＴ１＋所定時間より前の場合は本ルーチンを終了し、過ぎている場合はステップＳ１００に進んで再起動時刻を修正し保護モードの選択をやり直す再起動予測時刻修正モードに移行する。所定時間はゼロ以上の任意の時間に設定される。
【００８６】
次に、図１０を参照しながら再起動予測時刻修正モード（以下、修正モード）に移行した場合にコントローラ２０が行う処理について説明する。この修正モードでは、コントローラ２０は燃料電池スタック１の再起動予測時刻を修正し、修正された再起動予想時刻に基づき再度保護モードの選択をやり直す。
【００８７】
これによると、まず、ステップＳ１０１では修正モードか否かが判断する。修正モードでないと判断した場合は本ルーチンを終了し、修正モードであると判断した場合はステップＳ１０２に進んで燃料電池温度ＴＥＭＰｃを読み込む。
【００８８】
ステップＳ１０３では燃料電池温度ＴＥＭＰｃが所定温度ＴＥＭＰｔｈ０（例えば５℃）よりも低いか否かを判断し、所定温度ＴＥＭＰｔｈ０よりも低い場合はステップＳ１０４に進んで再起動予測時刻ＲＳＴ１を修正し、修正再起動時刻ＲＳＴ１’を予測する。修正再起動予測時刻ＲＳＴ１’は図１１に示すフローに従って予測され、これについては後述する。
【００８９】
ステップＳ１０５では修正後の再起動予想時刻ＲＳＴ１’までの外気温度推移を予測し、外気温度推移データＴＰＤＡＴＡを作成し直す。外気温度推移データＴＰＤＡＴＡの作成は既に説明した図７に示したフローに従って行われるので説明を省略する。
【００９０】
ステップＳ１０６、Ｓ１０７では第１の保護モード、第２の保護モードを選択して修正再起動予測時刻ＲＳＴ１’までシステムの保護を行った場合に必要なエネルギＥ１’、Ｅ２’をそれぞれ演算する。エネルギＥ１’、Ｅ２’の演算方法はステップＳ６、Ｓ７におけるエネルギＥ１、Ｅ２の方法と同じであるので説明を省略する。
【００９１】
ステップＳ１０８では第１の保護モードを選択した場合に要するエネルギＥ１’と第２の保護モードを選択した場合に要するエネルギＥ２’とを比較し、エネルギＥ１’がエネルギＥ２’よりも少ない場合はステップＳ１０９に進んで第１の保護モードを選択し、フラグＦＰＭＯＤＥに第１の保護モードが選択されたことを示す「１」をセットする。これに対し、エネルギＥ１’がエネルギＥ２’よりも多い場合はステップＳ１１０に進んで第２の保護モードを選択し、フラグＦＰＭＯＤＥに第２の保護モードが選択されたことを示す「２」をセットする。
【００９２】
次に、図１１を参照しながら修正再起動時刻の演算処理について説明する。この演算処理は図１０のステップＳ１０４における処理に対応する。
【００９３】
これによると、まず、ステップＳ１１１では修正モードか否かを判断する。修正モードで無い場合は本ルーチンを終了し、修正モードである場合はステップＳ１１２に進む。
【００９４】
ステップＳ１１２では修正前の再起動予測時刻ＲＳＴ１を読み込み、ステップＳ１１３では外部入力時刻ＲＳＴ２が存在するか否かを判断する。外部入力時刻ＲＳＴ２が存在しない場合はステップＳ１１４に進み、修正再起動予測時刻ＲＳＴ１’を次式、
ＲＳＴ１’＝ＲＳＴ＋Ａｖｅ．（ＲＳＴ３−ＲＳＴ１）×Ｇ１’
Ｇ１’：ゲイン
により演算する。Ａｖｅ．（ＲＳＴ３−ＲＳＴ１）は図６のステップＳ２７でＲＴ３−ＲＳＴ１を演算するたびに加重平均処理したものを蓄積した値である。一方、外部入力時刻ＲＳＴ２が存在する場合はステップＳ１１５に進み、修正再起動予測時刻ＲＳＴ１’を次式、
ＲＳＴ１’＝ＲＳＴ１＋Ａｖｅ．（ＲＳＴ３−ＲＳＴ２）×Ｇ２’
Ｇ２’：ゲイン
により演算する。Ａｖｅ．（ＲＳＴ３−ＲＳＴ２）は図６のステップＳ３２でＲＴ３−ＲＳＴ２を演算するたびに加重平均処理したものを蓄積した値である。
【００９５】
以上本発明の実施の形態について説明したが、上記実施形態は本発明が適用される構成の一例を示したものに過ぎず、本発明の適用範囲を上記実施形態に限定する趣旨ではない。
【００９６】
また、種々の変更も可能であり、例えば、上記実施形態では、冷媒を不凍液含有の水としたが、冷媒として純水を用いてもよく、その場合は、冷媒タンク６に貯水タンク１２のヒータ２１相当のものを設け、上記実施形態同様の制御を行えばよい。
【図面の簡単な説明】
【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】保護モード選択処理の内容を示したフローチャートである。
【図３】作成された外気温度予測データの一例である。
【図４】停止時間と保護に要するエネルギとの関係を示した図であり、実線は第１の保護モードを選択した場合に要するエネルギ、破線は第２の保護モードを選択した場合に要するエネルギを示す。
【図５】停止時間と保護に要するエネルギとの関係を示した図であり。図４を外気温度推移データに基づき補正したものである。
【図６】再起動時刻の予測処理の内容を示したフローチャートである。
【図７】外気温度予測データの作成処理の内容を示したフローチャートである。
【図８】第１の保護モードが選択された場合の保護処理の内容を示したフローチャートである。
【図９】第２の保護モードが選択された場合の保護処理の内容を示したフローチャートである。
【図１０】再起動予測時刻修正モードにおける保護モード選択処理の内容を示したフローチャートである。
【図１１】修正再起動予測時刻の演算処理の内容を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１  燃料電池
１ｍ  電解質膜
２  空気供給通路
３  燃料供給通路
６  冷媒タンク
９  加湿器
１０、１１  ポンプ
１２  貯水タンク
１３  水供給通路
２０  コントローラ
２１  ヒータ
３１  燃料残量センサ
３２  ＧＰＳアンテナ
３３  外気温度センサ
３４  照度センサ
３５  酸素センサ
３６  バッテリ残量センサ
３７  外部入力装置
３８  水温センサ
３９  水量センサ
４１  インジケータ
４２  警報器
【図１】
0004221942.tif 000002
【図２】
0004221942.tif 000003
【図３】
0004221942.tif 000004
【図４】
0004221942.tif 000005
【図５】
0004221942.tif 000006
【図６】
0004221942.tif 000007
【図７】
0004221942.tif 000008
【図８】
0004221942.tif 000009
【図９】
0004221942.tif 000010
【図１０】
0004221942.tif 000011
【図１１】
0004221942.tif 000012