(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたガスが流れる排出ガス流路に配置され、流量を制御する流量制御弁と、
前記燃料電池の起動を指示する起動指示手段と、
前記流量制御弁の弁体の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する氷判定手段と、
前記起動指示手段が起動を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる起動時往復作動手段と、
前記往復作動後の前記流量制御弁の全開側及び全閉側の少なくとも一方側の往復作動後位置を検出する位置検出手段と、
前記位置検出手段が検出した前記往復作動後位置と、前記流量制御弁の弁体の作動範囲に異物が存在しない状態における前記少なくとも一方側の基準位置との差が所定差よりも大きい場合、当該往復作動後位置を記憶する第１記憶手段と、
前記第１記憶手段が前記往復作動後位置を記憶した後、前記氷判定手段が氷は存在していると判定する間、前記第１記憶手段に記憶された前記往復作動後位置を制限値として前記流量制御弁を制御する弁制御手段と、
前記燃料電池の発電の停止を指示する停止指示手段と、
前記停止指示手段が停止を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる停止時往復作動手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記位置検出手段が検出した前記往復作動後位置と、前記基準位置との差が所定差以下である場合、当該往復作動後位置を更新済位置として記憶する第２記憶手段と、をさらに備え、
前記起動時往復手段は、過去の起動時において前記第２記憶手段に記憶された前記更新済位置を制限値として前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復運動するように制御され、
前記第１記憶手段が前記往復作動後位置を記憶した後、前記氷判定手段が氷は存在していないと判定した場合、前記弁制御手段は、過去の起動時において前記第２記憶手段に記憶された前記更新済位置を制限値として前記流量制御弁を制御する
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】
前記位置検出手段は、前記弁体を駆動するモータに印加電圧を付して前記往復作動後位置を検出する際、前記弁体の作動範囲に存在する氷を切除又は除去しない程度の印加電圧を前記モータに付与する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記位置検出手段は、前記弁体を駆動するモータに印加電圧を付して前記往復作動後位置を検出する際、前記弁体が回動制御されているにもかかわらず、前記位置検出手段を介して検出される前記弁体の位置が変化しない場合、前記弁体を前記回動制御の方向とは逆方向に回動するように制御するとともに、前記モータに付与する印加電圧を増圧する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいず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、燃料電池の下流にバタフライ弁等の流量制御弁を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池が注目されている。このような燃料電池を良好に発電させるには、水素、空気を適切な流量、圧力で供給する必要があり、例えば、カソードの下流に背圧を制御する背圧弁としてバタフライ弁（空気流量制御手段）が設けられる。
【０００３】
一方、例えば、燃料電池が燃料電池自動車等に搭載された場合、燃料電池を含む燃料電池システムが、低温環境（０℃未満等）に曝されてしまう場合がある。そして、このような低温環境下で燃料電池システムが停止すると、前記バタフライ弁内において、発電により生成した水分等が凍結する虞がある。そうすると、次回起動時において、内部が凍結したバタフライ弁では、カソードに供給される空気の流量、圧力を適切に制御できない虞がある。
【０００４】
そこで、燃料電池システムを停止する場合において、停止後において、バタフライ弁内が凍結する虞があるとき、内部を流通する空気の流速が高まるようにバタフライ弁を制御し、流速が高まった空気によって、バタフライ弁内の水滴等を吹き飛ばし、バタフライ弁内の凍結を防止する技術が提案されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特許第３８２０９９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１には、バタフライ弁の凍結防止に係る技術は記載されているが、実際にバタフライ弁が凍結した場合における対策技術は記載されていない。
そこで、本発明は、バタフライ弁等の流量制御弁の凍結を適切に解消可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたガスが流れる排出ガス流路に配置され、流量を制御する流量制御弁と、前記燃料電池の起動を指示する起動指示手段と、前記流量制御弁の弁体の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する氷判定手段と、前記起動指示手段が起動を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる起動時往復作動手段と、前記往復作動後の前記流量制御弁の全開側及び全閉側の少なくとも一方側の往復作動後位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段が検出した前記往復作動後位置と、前記流量制御弁の弁体の作動範囲に異物が存在しない状態における前記少なくとも一方側の基準位置との差が所定差よりも大きい場合、当該往復作動後位置を記憶する第１記憶手段と、前記第１記憶手段が前記往復作動後位置を記憶した後、前記氷判定手段が氷は存在していると判定する間、前記第１記憶手段に記憶された前記往復作動後位置を制限値として前記流量制御弁を制御する弁制御手段と、前記燃料電池の発電の停止を指示する停止指示手段と、前記停止指示手段が停止を指示した場合において、前記氷判定手段が前記作動範囲に氷が存在すると判定したとき、前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる停止時往復作動手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
このような燃料電池システムによれば、起動指示手段が燃料電池の起動を指示した場合において、氷判定手段が流量制御弁の弁体の作動範囲に氷が存在すると判定したとき、起動時往復作動手段がこの弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる。
このように弁体が開方向及び閉方向に複数回にて往復作動するので、弁体の正規の作動範囲に存在する氷が除去される。その結果、流量制御弁の凍結を解消することができる。
また、このような燃料電池システムによれば、停止指示手段が燃料電池の発電の停止を指示した場合において、氷判定手段が弁体の正規の作動範囲に氷が存在すると判定したとき、停止時往復作動手段が、弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させる。
このように弁体が開方向及び閉方向に複数回にて往復作動するので、弁体の正規の作動範囲に存在する氷が除去される。その結果、流量制御弁の凍結を解消することができる。すなわち、起動指示手段による燃料電池の起動を指示後、流量制御弁の凍結の解消前に、停止指示手段が停止を指示したしても、停止時往復作動手段が弁体を往復作動させるので、氷を除去し、停止後における氷の成長（氷結の拡大）を防止することができる。
【０００９】
また、前記位置検出手段が検出した前記往復作動後位置と、前記基準位置との差が所定差以下である場合、当該往復作動後位置を更新済位置として記憶する第２記憶手段と、をさらに備え、前記起動時往復手段は、過去の起動時において前記第２記憶手段に記憶された前記更新済位置を制限値として前記弁体を開方向及び閉方向に複数回にて往復運動するように制御され、前記第１記憶手段が前記往復作動後位置を記憶した後、前記氷判定手段が氷は存在していないと判定した場合、前記弁制御手段は、過去の起動時において前記第２記憶手段に記憶された前記更新済位置を制限値として前記流量制御弁を制御することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１１】
また、前記位置検出手段は、前記弁体を駆動するモータに印加電圧を付して前記往復作動後位置を検出する際、前記弁体の作動範囲に存在する氷を切除又は除去しない程度の印加電圧を前記モータに付与することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
また、前記位置検出手段は、前記弁体を駆動するモータに印加電圧を付して前記往復作動後位置を検出する際、前記弁体が回動制御されているにもかかわらず、前記位置検出手段を介して検出される前記弁体の位置が変化しない場合、前記弁体を前記回動制御の方向とは逆方向に回動するように制御するとともに、前記モータに付与する印加電圧を増圧することを特徴とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、バタフライ弁等の流量制御弁の凍結を適切に解消可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図７を参照して説明する。
【００１５】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０及び後記するバタフライ弁３２（流量制御弁）を経由するように冷媒（ラジエータ液）を循環させる冷媒循環系と、ＩＧ５１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００１６】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡと、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。
【００１７】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００１８】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルでＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。
次いで、このようにＯＣＶが発生した状態で、燃料電池スタック１０が走行モータ等を含む外部回路（図示しない）に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００１９】
また、各セパレータには、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒が通流する冷媒流路１３を構成する溝、貫通孔が形成されている。
【００２０】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、遮断弁２２とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０からの指令によって遮断弁２２が開かれると、水素が、水素タンク２１から、遮断弁２２等を経由して、アノード流路１１に供給されるようになっている。
アノード流路１１の出口は、配管２２ｂに接続されており、アノード流路１１から排出されたアノードオフガスは、配管２２ｂを介して、外部に排出されるようになっている。
【００２１】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１と、バタフライ弁３２（背圧弁）とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０の指令に従ってコンプレッサ３１が作動すると、酸素を含む空気が取り込まれ、カソード流路１２に供給されるになっている。また、配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード流路１２に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。
【００２２】
カソード流路１２の出口は、配管３２ａ、バタフライ弁３２、配管３２ｂが、順に接続されている。そして、カソード流路１２から排出されたカソードオフガスは、配管３２ａ、バタフライ弁３２、配管３２ｂを介して、外部に排出されるようになっている。
すなわち、バタフライ弁３２は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスが流れる排出ガス流路に配置されている。
【００２３】
バタフライ弁３２は、その開度を調整することで、カソード流路１２を流通する空気の流量及び圧力（背圧）を制御するものである。バタフライ弁３２は、弁箱３３（バルブボディ）と、弁箱３３内において、回動軸部材３４ａ（図３等参照）周りに回動自在で配置された弁体３４と、弁体３４を作動させるモータ３５（ＤＣモータ等）と、バタフライ弁３２の開度、つまり、弁体３４の現在の角度（位置）をする角度センサ３６（位置検出手段）と、を備えている。
【００２４】
モータ３５は、制御回路（図示しない）を介して、燃料電池スタック１０及びバッテリ等の蓄電装置に接続されており、燃料電池スタック１０及び／又は蓄電装置を電源として作動するようになっている。そして、ＥＣＵ６０から前記制御回路に、例えばＰＷＭ信号が送られ、燃料電池スタック１０及び／又は蓄電装置からモータ３５への印加電圧が制御されるようになっている。また、前記ＰＷＭ信号のデューティー比が適宜に制限されることで、モータ３５への印加電圧が適宜に制限されるようになっている。
【００２５】
また、冷媒流路１３から排出された冷媒が、弁箱３３を経由するようになっている。これにより、発電に伴う燃料電池スタック１０の熱が、循環する冷媒を介して、バタフライ弁３２に移動し、バタフライ弁３２が凍結していた場合、この移動した熱により解氷が進むようになっている。
【００２６】
なお、本実施形態では、図４、図５、図７に示すように、弁箱３３内において、カソードオフガスの流れ方向に対して９０°の方向（弁箱３３の輪切り断面方向）を基準（０°）とする。
そして、図４、図７に示すように、基準（０°）と弁体３４とのなす角度（これを基準全開角度θ２とする）が９０°である場合、つまり、カソードオフガスの流れ方向と弁体３４とが平行である場合、弁体３４は基準全開位置に配置されているとする。
また、図５、図７に示すように、基準（０°）と弁体３４とのなす角度が基準全閉角度θ１である場合、弁体３４は基準全閉位置に配置されるとする。基準全閉角度θ１は、０°以上９０°未満に設定され（０°≦θ１＜９０°）、例えば、１０°に設定される。
【００２７】
＜冷媒循環系＞
冷媒循環系は、冷媒流路１３及び弁箱３３を経由するように、冷媒を循環させる系であり、冷媒ポンプ４１と、ラジエータ４２（放熱器）と、温度センサ４３（温度検出手段）とを備えている。
【００２８】
冷媒ポンプ４１の冷媒吐出口は、配管４１ａを介して冷媒流路１３の入口に接続されている。冷媒流路１３の出口は、配管４２ａ、バタフライ弁３２、配管４２ｂ、ラジエータ４２、配管４２ｃを介して、冷媒ポンプ４１の冷媒吸引口に接続されている。そして、ＥＣＵ６０の指令に従って、冷媒ポンプ４１が作動すると、冷媒が冷媒流路１３、バタフライ弁３２を順に経由して循環するようになっている。
【００２９】
温度センサ４３は、バタフライ弁３２の下流の配管４２ｂに配置されており、配管４２ｂを流通する冷媒の温度を、バタフライ弁３２の温度Ｔ１１として検出するようになっている。そして、温度センサ４３は、この温度Ｔ１１をＥＣＵ６０に出力するようになっている。
【００３０】
＜ＩＧ＞
ＩＧ５１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ５１はＥＣＵ６０と接続されており、ＥＣＵ６０はＩＧ５１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００３１】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種処理を実行するようになっている。
【００３２】
＜ＥＣＵ−起動指示機能、停止指示機能＞
ＥＣＵ６０（起動指示手段）は、ＩＧ５１のＯＮ信号を検知した場合、燃料電池スタック１０が起動（発電開始）するように、遮断弁２２、コンプレッサ３１及び冷媒ポンプ４１に、起動指示を送る機能を備えている。
また、ＥＣＵ６０（停止指示手段）は、ＩＧ５１のＯＦＦ信号を検知した場合、燃料電池スタック１０の発電が停止するように、遮断弁２２、コンプレッサ３１及び冷媒ポンプ４１に、停止指示を送る機能を備えている。
【００３３】
＜ＥＣＵ−バタフライ弁制御機能＞
さらに、ＥＣＵ６０（バタフライ弁制御手段）は、アクセルペダルの踏み込み量等に基づいて、バタフライ弁３２の開度を適宜に制御し、カソード流路１２を流通する空気の流量及び圧力を制御する機能を備えている。
【００３４】
さらにまた、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２等に、燃料電池スタック１０が起動するように起動指示を送った場合において、バタフライ弁３２が凍結していると判定されるとき、モータ３５を介して、弁体３４を開方向及び閉方向に、所定回数（２回以上）にて、往復作動させる機能を備えている。すなわち、第１実施形態において、起動時往復作動手段は、モータ３５と、ＥＣＵ６０とを備えて構成されている。
【００３５】
また、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２等に、燃料電池スタック１０が発電停止するように停止指示を送った場合において、バタフライ弁３２が凍結していると判定されるとき、モータ３５を介して、弁体３４を閉方向及び開方向に、所定回数（２回以上）にて、往復作動させる機能を備えている。すなわち、第１実施形態において、停止時往復作動手段は、モータ３５と、ＥＣＵ６０とを備えて構成されている。
【００３６】
＜ＥＣＵ−起動時位置検出機能、判定機能＞
さらに、ＥＣＵ６０（起動時位置検出手段）は、遮断弁２２等に起動指示を送った場合、角度センサ３６を介して、この今回起動時におけるバタフライ弁３２の全閉角度θ１１（全閉位置）を検出する機能を備えている。そして、ＥＣＵ６０は、全閉角度θ１１と基準全閉角度θ１（基準全閉位置）と差の絶対値と、所定角度差Δθ１（所定差）とを比較する機能を備えている。なお、所定角度差Δθ１は、バタフライ弁３２の仕様等に関係し、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００３７】
＜ＥＣＵ−氷判定機能＞
ＥＣＵ６０は、ＩＧ５１のＯＮ時（起動時）及びＯＦＦ時（停止時）において、温度センサ４３を介して検出されるバタフライ弁３２の現在の温度Ｔ１１に基づいて、バタフライ弁３２が凍結しているか否か、つまり、弁体３４の正規の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する機能を備えている。
すなわち、第１実施形態において、氷判定手段は、温度センサ４３とＥＣＵ６０とを備えて構成されている。
【００３８】
＜ＥＣＵ−凍結解消判定機能＞
また、ＥＣＵ６０は、バタフライ弁３２の現在の温度Ｔ１１と、基準温度Ｔ１（例えば０℃）とに基づいて、バタフライ弁３２の凍結が解消したか否かを判定する機能を備えている。基準温度Ｔ１は、バタフライ弁３２の凍結の有無を判定するための基準温度であり、事前試験等に求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。
【００３９】
＜ＥＣＵ−第１記憶機能＞
さらに、ＥＣＵ６０（第１記憶手段）は、例えば、バタフライ弁３２が凍結しており、弁箱３３と弁体３４との間に氷が存在する等によって（図６参照）、全閉角度θ１１と基準全閉角度θ１と差の絶対値が、所定角度差Δθ１（所定差）よりも大きい場合、この今回起動時の全閉角度θ１１を記憶する第１記憶機能を備えている。
そして、このように今回起動時の全閉角度θ１１が記憶された場合、ＥＣＵ６０（バタフライ弁制御手段）は、この全閉角度θ１１を制限値として、つまり、弁体３４がこの全閉角度θ１１よりも小さくならないように、バタフライ弁３２を制御する機能を備えている。
【００４０】
＜ＥＣＵ−第２記憶機能＞
さらにまた、ＥＣＵ６０（第２記憶手段）は、全閉角度θ１１と基準全閉角度θ１と差の絶対値が、所定角度差Δθ１（所定差）以下である場合、この今回起動時の全閉角度θ１１を更新して記憶する第２記憶機能を備えている。
一方、前記絶対値が所定角度差Δθよりも大きい場合、ＥＣＵ６０（バタフライ弁制御手段）は、過去に、絶対値が所定角度差Δθ１（所定差）以下である場合において、その内部に記憶された全閉角度θ１１と、今回起動時における全閉角度θ１１とに基づいて、バタフライ弁３２を制御する機能を備えている。
【００４１】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の起動時及び停止時の動作を、ＥＣＵ６０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。
【００４２】
≪システム起動時の動作≫
燃料電池システム１の起動時の動作について、図２を参照して説明する。
ＩＧ５１がＯＮされると、図２のフローチャートに示す処理がスタートする。具体的には、ＩＧ５１のＯＮ信号を検知したＥＣＵ６０は、遮断弁２２を開くと共に、コンプレッサ３１を作動させ、燃料電池スタック１０に水素及び空気を供給し、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。また、ＥＣＵ６０は、冷媒ポンプ４１を作動させ、冷媒を循環させる。なお、初期状態において、弁体３４は全開位置（図４参照）に配置されている。
【００４３】
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、温度センサ４３を介して検出されるバタフライ弁３２の現在の温度Ｔ１１と、基準温度Ｔ１とに基づいて、バタフライ弁３２が凍結しているか否か、具体的には、弁体３４の正規の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する。
そして、現在の温度Ｔ１１が基準温度Ｔ１以下である場合、バタフライ弁３２は凍結していると判定し（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、現在の温度Ｔ１１が基準温度Ｔ１以下でない場合、バタフライ弁３２は凍結していないと判定し（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進む。
【００４４】
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、更新済みの全閉角度θ１１に基づいて、弁体３４を、開方向及び閉方向に所定回数にて往復作動させる。詳細には、閉方向については、更新済みの全閉角度θ１１が制限値となるように、ＥＣＵ６０は、モータ３５への印加電圧を制御する。なお、所定回数は、事前試験等により求められ、例えば２〜５回程度に設定され、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。また、更新済みの全閉角度θ１１とは、過去の起動時において、後記するステップＳ１０４の判定結果がＮｏとなり、この過去の起動時におけるステップＳ１０９で記憶された全閉角度θ１１である。
このように往復作動する弁体３４によって、弁体３４の正規の作動範囲に存在する氷が除去される可能性がある。
【００４５】
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、バタフライ弁３２の全閉角度θ１１（これを今回起動時の全閉角度θ１１とする）を検出する。具体的には、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０１の判定がＮｏとなり、ステップＳ１０２において氷の除去を試みたが、氷は除去されず、弁体３４の正規の作動範囲に氷が残存していたとしても、この氷を切削等しない程度の印加電圧をモータ３５に付与し、弁体３４を閉方向に回動する。そして、角度センサ３６を介して検出された最大閉角度を、今回起動時における全閉角度θ１１とする。
【００４６】
なお、温度センサ４３を介して検出されるバタフライ弁３２の温度Ｔ１１が低く（例えば０℃未満）、バタフライ弁３２が凍結していると予想される場合、全閉角度θ１１の検出ステップ（Ｓ１０３）において、正確に全閉角度θ１１を検出できるように、閉方向に回動する弁体３４の回動速度が遅くなるようにモータ３５を制御してもよい。
また、例えば、閉方向に弁体３４を回動制御しているにも関わらず、角度センサ３６を介して検出される弁体３４の角度θ１１が変化しない場合、弁体３４が氷を噛み込んだと判定して、弁体３４を開方向（逆方向）に回動するように制御すると共に、この開方向に回動させる場合において、モータ３５への印加電圧を増圧し、弁体３４の氷への固着を防止するようにしてもよい。
【００４７】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０３で検出された今回起動時の全閉角度θ１１と、基準全閉角度θ１との差の絶対値が、所定角度差Δθ１よりも大きいか否かを判定する。
そして、前記絶対値が所定角度差Δθ１よりも大きいと判定された場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０５に進む。この場合は、弁体３４の正規の作動範囲に氷等の異物が存在し、バタフライ弁３２が凍結していると判断される場合である。
一方、前記絶対値が所定角度差Δθ１よりも大きくない（Ｓ１０４・Ｎｏ）、つまり、前記絶対値が所定角度差Δθ１以下である場合、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０９に進む。
【００４８】
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０３で検出した今回起動時の全閉角度θ１１を記憶する。
【００４９】
ステップＳ１０６において、過去の起動時において、ステップＳ１０９を経由したことにより、ＥＣＵ６０に記憶されている更新済みの全閉角度θ１１を基準、ステップＳ１０３で検出された今回起動時の全閉角度θ１１を制限値（閉側の制限角度）として、バタフライ弁３２を制御する。これにより、弁体３４による氷Ａの噛み込みは防止される。
【００５０】
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ６０は、温度センサ４３を介して、バタフライ弁３２の現在の温度Ｔ１１を検出する。
【００５１】
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０７で検出した温度Ｔ１１が、基準温度Ｔ１以下であるか否かを判定する。
温度Ｔ１１が基準温度Ｔ１以下であると判定された場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０７に進む。この場合は、バタフライ弁３２内の氷は解氷しておらず、未だ氷が存在していると判定される場合であり、ステップＳ１０６に従ったバタフライ弁３２の制御が継続される。
一方、温度Ｔ１１が基準温度以下でないと判定された場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１１０に進む。
【００５２】
次に、ステップＳ１０４の判定結果がＮｏの場合、つまり、今回の起動時の全閉角度θ１１と、基準全閉角度θ１との差の絶対値が、所定角度差Δθ１よりも大きくない場合（所定角度差Δθ１以下である場合）に進むステップＳ１０９について説明する。
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ６０は、全閉角度θ１１を更新、つまり、今回起動時の全閉角度θ１１を、ＥＥＰＲＯＭやバックアップＲＡＭに記憶する。
【００５３】
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ６０は、バタフライ弁３２を通常に制御する。
具体的には、ステップＳ１０９からステップＳ１１０に進んだ場合、ＥＣＵ６０は、今回の起動時の全閉角度θ１１を制限値とし、基準全開角度θ２との間で、バタフライ弁３２を制御する。一方、ステップＳ１０８の判定結果がＮｏとなって、ステップＳ１１０に進んだ場合、ＥＣＵ６０は、過去の起動時おいてステップＳ１０９で記憶された全閉角度θ１１を制限値とし、基準全開角度θ２との間で、バタフライ弁３２を制御する。
そして、ＥＣＵ６０の処理はエンドに進む。
【００５４】
≪システム起動時の効果≫
このような燃料電池システム１によれば、ＩＧ５１のＯＮ信号を検知し、ＥＣＵ６０が燃料電池スタック１０の起動（発電開始）を指示した場合において、バタフライ弁３２が凍結していると判定されるとき（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、弁体３４を所定回数にて往復作動させるので（Ｓ１０２）、バタフライ弁３２内の氷を除去し、凍結を適切に解消することができる。
【００５５】
一方、このような氷の除去を試みたものの、除去されなかった場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、今回起動時の全閉角度θ１１を制限値として弁体３４を制御するので（Ｓ１０６）、モータ３５に過剰な負荷がかかることを防止できる。そして、このように弁体３４を制御している場合において、バタフライ弁３２の凍結が解消したとき（Ｓ１０８・Ｎｏ）、通常制御に移行し、バタフライ弁３２を適切に制御できる。
【００５６】
≪システム停止時の動作≫
次に、燃料電池システム１の停止時の動作について、図３を参照して説明する。
ＩＧ５１がＯＦＦされると、図３のフローチャートに示す処理がスタートする。具体的には、ＩＧ５１のＯＦＦ信号を検知したＥＣＵ６０は、遮断弁２２を閉じると共に、コンプレッサ３１を停止し、燃料電池スタック１０の発電を停止する。また、ＥＣＵ６０は、冷媒ポンプ４１を停止する。
【００５７】
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０１と同様に、バタフライ弁３２の現在の温度Ｔ１１と、基準温度Ｔ１とに基づいて、バタフライ弁３２が凍結しているか否か、つまり、バタフライ弁３２の正規の作動範囲に氷が存在するか否かを判定する。
そして、現在の温度Ｔ１１が基準温度Ｔ１以下である場合、バタフライ弁３２は凍結していると判定し（Ｓ２０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ２０２に進む。一方、現在の温度Ｔ１１が基準温度Ｔ１以下でない場合、バタフライ弁３２は凍結していないと判定し（Ｓ２０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はエンドに進み、停止時の制御を終了する。
【００５８】
ステップＳ２０２において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０２と同様に、更新済みの全閉角度θ１１に基づいて、弁体３４を、開方向及び閉方向に所定回数にて往復作動させる。詳細には、閉方向については、更新済みの全閉角度θ１１が制限値となるように、ＥＣＵ６０は、モータ３５への印加電圧を制御する。なお、所定回数は、事前試験等により求められ、例えば２〜５回程度に設定され、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。このように往復作動する弁体３４によって、弁体３４の正規の作動範囲に存在する氷が除去される可能性がある。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、エンドに進み、停止時の制御を終了する。
【００５９】
≪システム停止時の効果≫
このような燃料電池システム１によれば、ＥＣＵ６０が燃料電池スタック１０の（発電）停止を指示した場合において、バタフライ弁３２が凍結していると判定されるとき（Ｓ２０１・Ｙｅｓ）、弁体３４を所定回数にて往復作動させるので（Ｓ２０２）、バタフライ弁３２内の氷を除去することができる。これにより、システム停止中における氷の成長を抑制することができる。
また、システム起動時において、ステップＳ１０８の判定がＮｏとなる前、バタフライ弁３２内の氷の解氷前にＩＧ５１がＯＦＦされたとしても、凍結していると判定された場合（Ｓ２０１・Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２で氷を除去することができる。
【００６０】
≪第１参考形態≫
次に本発明の第１参考形態について、図８を参照して説明する。第１参考形態では、ＥＣＵ６０に記憶されている制御プログラムが一部異なり、燃料電池システムの起動時において、バタフライ弁３２の温度Ｔ１１に基づいて、バタフライ弁３２の凍結判定をせずに、弁体３４の全閉角度θ１１を検出する。そして、氷を噛んだ場合、バタフライ弁３２が凍結していると判定し、次いで、弁体３４を開方向及び閉方向に複数回にて往復作動させ、凍結の解消を図ることを特徴する。以下、第１実施形態と異なる部分を主に説明する。
【００６１】
ＩＧ５１がＯＮされると、図８のフローチャートに示す処理がスタートする。具体的には、ＥＣＵ６０は、遮断弁２２を開くと共に、コンプレッサ３１を作動させ、燃料電池スタック１０の発電を開始させると共に、冷媒ポンプ４１を作動させる。
そして、第１参考形態では、ＥＣＵ６０の処理は、凍結判定処理（Ｓ１０１、図２参照）と、凍結していると判定された場合におけるステップＳ１０２の弁体３４の作動処理（Ｓ１０２、図２参照）を行わずに、ステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、バタフライ弁３２の全閉角度θ１１を検出する。
【００６２】
そして、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で検出された今回起動時の全閉角度θ１１と、基準全閉角度θ１との差の絶対値が、所定角度差Δθ１よりも大きいか否かを判定する。
前記絶対値が所定角度差Δθ１よりも大きいと判定された場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０１に進む。この場合は、弁体３４の正規の作動範囲に氷等の異物が存在し、バタフライ弁３２が凍結していると判定される場合である。
一方、前記絶対値が所定角度差Δθ１よりも大きくない（Ｓ１０４・Ｎｏ）、つまり、前記絶対値が所定角度差Δθ１以下である場合、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０９に進み、第１実施形態と同様に制御する。なお、後記するステップ３０２の判定がＮｏとなり、ステップＳ１０３において、複数回、全閉角度θ１１が検出されている場合、最後に検出した全閉角度θ１１を、ステップＳ１０９で記憶する。
【００６３】
ステップＳ３０１において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０４の判定がＹｅｓとなった回数を数えるため、カウンタを１回加算する。
【００６４】
ステップＳ３０２において、ＥＣＵ６０は、カウンタ（Ｓ１０４の判定がＹｅｓとなった累積回数）が、所定値（２回以上）であるか否かを判定する。
そして、カウンタが所定値以上である場合（Ｓ３０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ３０３に進む。
一方、カウンタが所定値以上でない場合（Ｓ３０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０３に進む。ここで、ステップＳ３０２の判定がＮｏとなった場合に進むステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、再度、弁体３４の全閉角度θ１１を検出する。さらに、このようにステップＳ１０３において、再度、全閉角度θ１１を検出する場合、ＥＣＵ６０は、弁体３４を開方向及び閉方向に、所定回数（２回以上）にて、往復作動させる。
【００６５】
ステップＳ３０３において、ＥＣＵ６０は、カウンタをリセットする。
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０３で検出された今回起動時の全閉角度θ１１を記憶する。なお、ステップＳ３０２の判定がＮｏとなり、複数回、ステップＳ１０３を経由している場合は、最後に検出された全閉角度θ１１を、今回起動時の全閉角度θ１１として記憶する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、ステップＳ１０６、Ｓ１０７…に順に進み、第１実施形態と同様に処理を進める。
【００６６】
このような第１参考形態に係る燃料電池システムによれば、ステップＳ１０３で検出された全閉角度θ１１と基準全閉角度θ１との差の絶対値が所定角度差Δθ１よりも大きく（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、バタフライ弁３２が凍結していると判定され、かつ、カウンタが所定値（≧２回）以上でない場合（Ｓ３０２・Ｎｏ）、ステップＳ１０３に戻って、弁体３４を、開方向及び閉方向に、所定回数（２回以上）にて往復作動させる。これにより、弁体３４の正規の作動範囲に存在する氷を除去し、凍結の解消を図ることができる。また、このような構成とすることにより、温度センサ４３を省略することもできる。
【００６７】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。
【００６８】
前記した第１参考形態では、燃料電池スタック１０の起動時（ＩＧ５１のＯＮ時）における弁体３４の全閉角度θ１１を検出しつつ、氷等の除去を図り、この全閉角度θ１１と基準全閉角度θ１とを比較・判定し、この判定結果に基づいて、起動時における全閉角度θ１１を制限値として、弁体３４を制御する構成を例示したが、この技術を弁体３４の全開角度について適用してもよい。
【００６９】
すなわち、起動時において、弁体３４の全開角度（全開位置）を検出しつつ、氷の除去を図り、この全開角度と基準全開角度θ２との差が、所定角度差よりも大きいか否かを判定し、大きい場合には、過去の起動時における更新済みの全開角度を基準、今回起動時の全開角度を制限値として、弁体３４を制御するようにしてもよい。
また、全閉角度と全開角度との両方に本発明を適用してもよい。
【００７０】
前記した実施形態では、ステップＳ１０４の判定がＮｏとなった後、バタフライ弁３２の温度Ｔ１１が上昇し、ステップＳ１０８の判定がＮｏとなるまで、今回起動時の全閉角度θ１１を制限値として弁体３４を制御する構成を例示したが（Ｓ１０４）、例えば、バタフライ弁３２の温度Ｔ１１が基準温度Ｔ１以下であっても（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、温度Ｔ１１の上昇に伴って、解氷が進んだと予測し、弁体３４の作動範囲が広がるように、制限値としている弁体３４の全閉角度を補正する構成としてもよい。
【００７１】
前記した実施形態では、バタフライ弁３２がカソード流路１２の下流に配置された構成を例示したが、バタフライ弁３２がアノード流路１１の下流に配置された構成でもよい。
【００７２】
前記した実施形態では、冷媒がバタフライ弁３２を経由し、バタフライ弁３２から排出された冷媒の温度を検出する温度センサ４３によって、バタフライ弁３２の温度Ｔ１１が検出される構成を例示したが、バタフライ弁３２の温度Ｔ１１を検出方法はこれに限定されず、例えば、外気温センサが検出する外気温度に基づいて、間接的に推定する構成でもよい。
【００７３】
前記した実施形態では、流量制御弁がバタフライ弁３２である場合を例示したが、流量制御弁は、これに限定されず、その他に例えば、ニードル弁であってもよい。
【００７４】
前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムに組み込んでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムの停止時の動作を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態に係るバタフライ弁の断面図であり、弁体が基準全開位置に配置された状態を示す。
【図５】第１実施形態に係るバタフライ弁の断面図であり、弁体が基準全閉位置に配置された状態を示す。
【図６】第１実施形態に係るバタフライ弁の断面図であり、バタフライ弁が凍結しており、弁体の正規の作動範囲に氷が存在する状態を示す。
【図７】弁体の基準全開位置、基準全閉位置の関係を示す図である。
【図８】第１参考形態に係る燃料電池システムの起動時の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７６】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
２１    水素タンク
３２    バタフライ弁（流量制御弁）
３４    弁体
３５    モータ
３６    角度センサ
４３    温度センサ（温度検出手段）
６０    ＥＣＵ
Ｔ１１  バタフライ弁の温度
【図１】
0005065794.tif 000002
【図２】
0005065794.tif 000003
【図３】
0005065794.tif 000004
【図４】
0005065794.tif 000005
【図５】
0005065794.tif 000006
【図６】
0005065794.tif 000007
【図７】
0005065794.tif 000008
【図８】
0005065794.tif 000009