(57)【要約】【課題】燃料電池システムの始動の不具合を抑制することができる技術を提供することを目的とする。【解決手段】不具合条件が成立した場合に、減圧部にカソードガス流路を減圧させるために、カソードガス流路の上流側の供給バルブと、カソードガス流路の下流側の排出バルブとを閉じて、カソードガス流路と減圧部との間の制御バルブを開ける。【選択図】図１
2009266581.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
カソードガスが流れるカソードガス流路を有する燃料電池と、
前記カソードガス流路において前記燃料電池の上流側を開閉する供給バルブと、
前記カソードガス流路において前記燃料電池の下流側を開閉する排出バルブと、
前記カソードガス流路の前記供給バルブと前記排出バルブとの間と連通する減圧部と、
前記カソードガス流路と前記減圧部との間の連通を開閉する制御バルブと、
前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池による発電に不具合があることを示す所定の不具合条件が成立するか否かを判断する判断部と、
前記各バルブを制御するバルブ制御部と、
を備え、
前記バルブ制御部は、
前記燃料電池に発電を実行させるために、前記供給バルブと前記排出バルブとを開けて前記制御バルブを閉じ、
前記不具合条件が成立した場合に、前記減圧部に前記カソードガス流路を減圧させるために、前記供給バルブと前記排出バルブとを閉じて前記制御バルブを開ける、
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、さらに、
前記不具合条件が成立した場合に前記燃料電池を加熱する加熱部を備える、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記減圧部は、
前記カソードガス流路と連通する減圧タンクと、
前記減圧タンクからガスを吸引する吸引部と、
を含む、
燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、
カソードガスが流れるカソードガス流路を有する燃料電池と、
前記カソードガス流路において前記燃料電池の上流側を開閉する供給バルブと、
前記カソードガス流路において前記燃料電池の下流側を開閉する排出バルブと、
前記カソードガス流路の前記供給バルブと前記排出バルブとの間と連通する減圧部と、
前記カソードガス流路と前記減圧部との間の連通を開閉する制御バルブと、
を備え、
前記制御方法は、
前記燃料電池に発電を実行させるために、前記供給バルブと前記排出バルブとを開けて前記制御バルブを閉じる工程と、
前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池による発電に不具合があることを示す所定の不具合条件が成立するか否かを判断する工程と、
前記不具合条件が成立した場合に、前記減圧部に前記カソードガス流路を減圧させるために、前記供給バルブと前記排出バルブとを閉じて前記制御バルブを開ける工程と、
を備える、制御方法。
【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、燃料電池システムの制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸化ガスとを利用して発電する燃料電池が利用されている。燃料電池では、電気化学反応によって水が生成される。このような燃料電池システムが、外気温が氷点下以下というような低温下におかれ、一定時間運転が停止されると、燃料電池内で水が凍結してしまい、その後の運転に支障が生じる可能性がある。ここで、加熱手段によって燃料電池スタックを加熱する技術が知られている。また、燃料電池の運転を停止したときに、燃料電池内部をパージするために、反応ガスをパージガスとして燃料電池に送り込む技術が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３５５１６号公報
【特許文献２】特開２００４−２６５６８４号公報
【特許文献３】特開２００７−３５４６４号公報
【特許文献４】特開２００６−４８９３３号公報
【特許文献５】特開２００７−２７３３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、燃料電池の内部から水や氷を除去することは難しく、また、燃料電池の内部での水の凍結を防ぐことも容易では無かった。その結果、燃料電池システムの始動の不具合を解消することが困難な場合があった。
【０００５】
本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの始動の不具合を抑制することができる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］燃料電池システムであって、カソードガスが流れるカソードガス流路を有する燃料電池と、前記カソードガス流路において前記燃料電池の上流側を開閉する供給バルブと、前記カソードガス流路において前記燃料電池の下流側を開閉する排出バルブと、前記カソードガス流路の前記供給バルブと前記排出バルブとの間と連通する減圧部と、前記カソードガス流路と前記減圧部との間の連通を開閉する制御バルブと、前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池による発電に不具合があることを示す所定の不具合条件が成立するか否かを判断する判断部と、前記各バルブを制御するバルブ制御部と、を備え、前記バルブ制御部は、前記燃料電池に発電を実行させるために、前記供給バルブと前記排出バルブとを開けて前記制御バルブを閉じ、前記不具合条件が成立した場合に、前記減圧部に前記カソードガス流路を減圧させるために、前記供給バルブと前記排出バルブとを閉じて前記制御バルブを開ける、燃料電池システム。
【０００８】
この構成によれば、供給バルブと排出バルブとを閉じて制御バルブを開けることによって、減圧部がカソードガス流路を減圧するので、カソードガス流路内の氷の蒸発が促進される。その結果、燃料電池システムの始動の不具合を抑制することができる。
【０００９】
［適用例２］適用例１に記載の燃料電池システムであって、さらに、前記不具合条件が成立した場合に前記燃料電池を加熱する加熱部を備える、燃料電池システム。
【００１０】
この構成によれば、より効果的に、燃料電池システムの始動の不具合を抑制することができる。
【００１１】
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃料電池システムであって、前記減圧部は、前記カソードガス流路と連通する減圧タンクと、前記減圧タンクからガスを吸引する吸引部と、を含む、燃料電池システム。
【００１２】
この構成によれば、減圧タンクを利用して適切にカソードガス流路を減圧することができるので、燃料電池システムの始動の不具合を抑制することができる。
【００１３】
［適用例４］燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、カソードガスが流れるカソードガス流路を有する燃料電池と、前記カソードガス流路において前記燃料電池の上流側を開閉する供給バルブと、前記カソードガス流路において前記燃料電池の下流側を開閉する排出バルブと、前記カソードガス流路の前記供給バルブと前記排出バルブとの間と連通する減圧部と、前記カソードガス流路と前記減圧部との間の連通を開閉する制御バルブと、を備え、前記制御方法は、前記燃料電池に発電を実行させるために、前記供給バルブと前記排出バルブとを開けて前記制御バルブを閉じる工程と、前記燃料電池システムの始動時に、前記燃料電池による発電に不具合があることを示す所定の不具合条件が成立するか否かを判断する工程と、前記不具合条件が成立した場合に、前記減圧部に前記カソードガス流路を減圧させるために、前記供給バルブと前記排出バルブとを閉じて前記制御バルブを開ける工程と、を備える、制御方法。
【００１４】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法または装置、その燃料電池システムを備えた車両、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、等の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、この発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．変形例：
【００１６】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム９００を示す説明図である。燃料電池システム９００は、燃料電池スタック１００と、エアコンプレッサ２００と、カソード供給バルブ４１０（以下、「供給バルブ４１０」とも呼ぶ）と、カソード排出バルブ４３０（以下、「排出バルブ４３０」とも呼ぶ）と、減圧タンク３００と、制御バルブ４２０と、吸引バルブ４４０と、水素供給装置５００と、アノードポンプ６００と、制御部８００と、を有している。
【００１７】
燃料電池スタック１００（以下「スタック１００」とも呼ぶ）は、複数の発電ユニット（「セル」とも呼ばれる）を積層したスタック構造を有している。各セルは、カソードＣＤと、アノードＡＤと、これらの電極に挟まれた電解質層ＥＬと、カソードＣＤにカソードガスを導くカソードガス流路１１０と、アノードＡＤにアノードガスを導くアノードガス流路１２０と、を有している。図１には、複数のセルを代表して、１つのセルのカソードＣＤ、電解質層ＥＬ、アノードＡＤが示されている。
【００１８】
アノードガス流路１２０は、アノードＡＤに、水素を含む燃料ガス（以下、「アノードガス」とも呼ぶ）を導く。カソードガス流路１１０は、カソードＣＤに、酸素を含む酸化ガス（以下、「カソードガス」とも呼ぶ）を導く。セルは、水素と酸素とを用いた電気化学反応によって発電する。電解質層ＥＬとしては、例えば、固体高分子電解質を利用して形成された膜を採用可能である。また、各電極ＡＤ、ＣＤとしては、例えば、触媒担持担体と電解質との混合物を利用して形成された膜を採用可能である。触媒担持担体としては、例えば、白金を担持するカーボンを採用可能である。
【００１９】
スタック１００を形成するためには、これらの層ＣＤ、ＥＬ、ＡＤの接合体ＭＥＡと、図示しないセパレータとが交互に重ねられる。セパレータは導電性の材料で形成されている。すなわち、複数の接合体ＭＥＡは、セパレータを介して電気的に直列に接続される。なお、カソードガス流路１１０とアノードガス流路１２０とは、セパレータに形成されてよい。また、セパレータと電極との間に、流路１１０、１２０を形成する流路形成層が、それぞれ挿入されてもよい。また、これらのガス流路１１０、１２０の内部には、ガスの拡散性を高めるために、ガス拡散部材を設けてもよい。このような拡散部材としては、例えば、カーボンクロスや、カーボンペーパ等を採用可能である。
【００２０】
次に、スタック１００のカソード側について説明する。複数のセルのカソードガス流路１１０は、カソード供給マニホールド１１２と、カソード排出マニホールド１１４との間で、並列に接続されている。カソード供給マニホールド１１２には、カソード供給路２１０を介してエアコンプレッサ２００が接続されている。カソード供給路２１０の途中には、供給バルブ４１０が設けられている。エアコンプレッサ２００は、カソードガス（本実施例では空気）を供給する供給部に相当する。カソードガスの供給部としては、カソードガスを供給可能な種々の装置を採用可能である。供給されたカソードガスは、カソード供給マニホールド１１２を介して各セルのカソードガス流路１１０に流入し、カソードＣＤでの電気化学反応に利用される。カソードＣＤからの排ガス（「カソードオフガス」とも呼ぶ）は、カソードガス流路１１０を通じてカソード排出マニホールド１１４に排出される。カソード排出マニホールド１１４には、カソード排出路２２０の一端が接続されている。カソード排出路２２０の他端は、大気と連通している。カソードオフガスは、カソード排出路２２０を通じて大気中に排出される。
【００２１】
カソード排出マニホールド１１４には、さらに、接続流路３１０を介して減圧タンク３００が接続されている。接続流路３１０の途中には、制御バルブ４２０が設けられている。また、減圧タンク３００には、吸引流路３２０を介してエアコンプレッサ２００が接続されている。吸引流路３２０の途中には、吸引バルブ４４０が設けられている。エアコンプレッサ２００は、減圧タンク３００からガスを吸引することによって、減圧タンク３００の内部を減圧する。なお、スタック１００にカソードガス（空気）を供給する場合には、エアコンプレッサ２００は、大気と連通する図示しない吸い込み口から空気を吸い込んで、カソード供給マニホールド１１２に空気を供給する。
【００２２】
次に、スタック１００のアノード側について説明する。複数のセルのアノードガス流路１２０は、アノード供給マニホールド１２２と、アノード排出マニホールド１２４との間で、並列に接続されている。アノード供給マニホールド１２２には、アノード供給路５１０を介して水素供給装置５００が接続されている。水素供給装置５００は、アノードガス（本実施例では、水素ガス）を、アノード供給マニホールド１２２に供給する供給部に相当する。水素供給装置５００としては、アノードガスを供給可能な種々の装置（例えば、水素タンクとバルブとを含む装置）を採用可能である。
【００２３】
アノードガスは、アノード供給マニホールド１２２を介して各セルのアノードガス流路１２０に流入し、アノードＡＤでの電気化学反応に利用される。アノードＡＤからの排ガス（「アノードオフガス」とも呼ぶ）は、アノードガス流路１２０を通じてアノード排出マニホールド１２４に排出される。アノード排出マニホールド１２４には、循環路５２０の一端が接続されている。循環路５２０の他端は、アノード供給路５１０の途中に接続されている。また、循環路５２０の途中には、アノードポンプ６００が接続されている。アノードポンプ６００は、アノードオフガスを、アノード供給路５１０を介して、再びアノード供給マニホールド１２２に供給する。これにより、アノードオフガスに含まれる未反応の水素を、発電に利用することができる。
【００２４】
制御部８００は、ＣＰＵとメモリとを有するコンピュータであり、燃料電池システム９００の各要素を制御する。なお、制御部８００のメモリは、バルブ制御モジュール８１０と、コンプレッサ制御モジュール８２０と、アノードガス制御モジュール８３０と、加熱制御モジュール８４０と、判断モジュール８５０と、を格納している。これらのモジュールは、ＣＰＵによって実行されるプログラムである。以下、モジュールに従ってＣＰＵが処理を実行することを、単に、「モジュールが処理を実行する」とも表現する。バルブ制御モジュール８１０は、各バルブ４１０、４２０、４３０、４４０を制御する。コンプレッサ制御モジュール８２０は、エアコンプレッサ２００を制御する。アノードガス制御モジュール８３０は、水素供給装置５００とアノードポンプ６００とを制御する。加熱制御モジュール８４０は、後述する加熱処理を実行する。判断モジュール８５０は、発電に不具合があるか否かを判断する。これらのモジュールの機能の詳細については、後述する。
【００２５】
図２は、燃料電池システム９００の停止処理と始動処理との手順を示すフローチャートである。ステップＳ１００、Ｓ１１０は、停止処理を示し、ステップＳ２００、Ｓ３００、Ｓ３１０は、停止処理の後に実行される始動処理を示している。
【００２６】
図３は、発電状態を示す説明図である。図中には、燃料電池システム９００のカソード側の状態が示されている。バルブ制御モジュール８１０（図１）は、供給バルブ４１０と排出バルブ４３０とを開け、吸引バルブ４４０と制御バルブ４２０とを閉じる。コンプレッサ制御モジュール８２０は、エアコンプレッサ２００を駆動させることによって、カソードガスをスタック１００に供給する。図示は省略するが、アノードガス制御モジュール８３０は、水素供給装置５００（図１）に水素ガスを供給させる（例えば、図示しないアノードガス供給バルブを開ける）。そして、アノードガス制御モジュール８３０は、アノードポンプ６００を駆動する。これらの結果、アノードＡＤにはアノードガスが供給され、カソードＣＤにはカソードガスが供給される。そして、スタック１００は、発電を行う。なお、バルブ制御モジュール８１０は、発電のために、図３に示すバルブ状態を維持する。
【００２７】
ユーザからの停止指示に応答して、制御部８００（図１）は、停止処理を開始する。図２のステップＳ１００では、制御部８００は、減圧タンク３００を減圧する。図４は、減圧タンク３００の減圧を示す説明図である。図中には、図３と同様に、燃料電池システム９００の一部の状態が示されている。この状態では、バルブ制御モジュール８１０は、供給バルブ４１０と排出バルブ４３０と吸引バルブ４４０とを開け、制御バルブ４２０を閉じる。そして、コンプレッサ制御モジュール８２０は、エアコンプレッサ２００を駆動する。その結果、エアコンプレッサ２００は減圧タンク３００からガスを吸引し、減圧タンク３００の内部が減圧される。減圧後、バルブ制御モジュール８１０は、吸引バルブ４４０を閉じる。これにより、減圧タンク３００の内部が減圧された状態が維持される。
【００２８】
なお、ステップＳ１００では、バルブ制御モジュール８１０（図１）は、エアコンプレッサ２００の図示しない吸い込み口を閉じてもよい。こうすれば、エアコンプレッサ２００は、減圧タンク３００のみからガスを吸引するので、減圧タンク３００の内部の圧力をより低くすることができる。また、このステップＳ１００では、エアコンプレッサ２００は、スタック１００の発電によって生じた電力を利用してもよく、図示しないバッテリに蓄えられた電力を利用してもよい（コンプレッサ制御モジュール８２０が、エアコンプレッサ２００に供給される電力を決定すればよい）。
【００２９】
次のステップＳ１１０では、制御部８００（図１）は、燃料電池システム９００を停止させる。図示は省略するが、コンプレッサ制御モジュール８２０は、エアコンプレッサ２００を停止させる。また、アノードガス制御モジュール８３０は、水素供給装置５００にアノードガスの供給を停止させる（例えば、図示しないアノードガス供給バルブを閉じる）。そして、アノードガス制御モジュール８３０は、アノードポンプ６００を停止させる。これらの結果、燃料電池システム９００は発電を停止する。なお、ステップＳ１１０の後にステップＳ１００が実行されてもよい。
【００３０】
次に、ユーザからの始動指示に応答して、制御部８００（図１）は、始動処理を開始する。図２のステップＳ２００では、制御部８００は、始動プログラムに従って、燃料電池システム９００を始動させる。このステップＳ２００は、後述する２つのステップＳ２１０、Ｓ２２０を含んでいる。
【００３１】
ステップＳ２１０では、制御部８００は、カソードガスとアノードガスとをスタック１００に供給することによって、スタック１００に発電を開始させる。このステップＳ２１０での燃料電池システム９００の状態は、図３に示す状態と同じである。
【００３２】
次のステップＳ２２０では、判断モジュール８５０（図１）は、不具合条件が成立したか否かを判断する。不具合条件は、スタック１００による発電に不具合があることを示している。本実施例では、不具合条件は、スタック１００の発電によって得られる電流が所定の閾値より小さいことである。不具合条件が成立しないことは、燃料電池システム９００の始動が成功したことを意味している。この場合には、制御部８００は、図２の始動処理を終了し、定常的な発電運転を継続する。なお、電流の閾値は、予め実験的に設定すればよい。
【００３３】
低温（例えば、氷点下）の環境の下で燃料電池システム９００（図１）を始動した場合には、スタック１００のガス流路の内部で水が凍結している場合がある。特に、カソードＣＤでは電気化学反応によって水が生じるので、カソードガス流路１１０内で水が凍結する場合がある。カソードガス流路１１０内にガス拡散部材等の細かい穴を有する部材が存在する場合には、水がカソードガス流路１１０の内部に残りやすい。従って、カソードガス流路１１０内で水が凍結しやすい。カソードガス流路１１０の内部で水が凍結している場合には、カソードガス流路１１０内のガスの流れが氷によって阻害されるので、発電能力が低下し得る。発電能力の低下は、発電によって得られる電流を小さくする。このように、発電能力が低下している場合に、不具合条件が成立する。不具合条件が成立した場合には、制御部８００は、ステップＳ３００に移行する。
【００３４】
ステップＳ３００では、制御部８００（図１）は、スタック１００に、アノードガスとカソードガスとを強制的に供給して、スタック１００に発電を実行させる。具体的には、加熱制御モジュール８４０は、モジュール８１０、８２０、８３０に、発電実行の指示を供給する。その結果、モジュール８１０、８２０、８３０は、図３に示すように制御を行い、燃料電池システム９００は、発電を行う。この結果、発電によって生じた熱によって、スタック１００（各セル）の温度が上昇する。
【００３５】
次のステップＳ３１０では、バルブ制御モジュール８１０（図１）は、カソードガス流路１１０を減圧するように、バルブを制御する。図５は、カソードガス流路１１０の減圧を示す説明図である。図中には、図３と同様に、燃料電池システム９００の一部の状態が示されている。この状態では、バルブ制御モジュール８１０は、供給バルブ４１０と排出バルブ４３０と吸引バルブ４４０とを閉じ、制御バルブ４２０を開ける。その結果、カソードガス流路１１０内のガスが減圧タンク３００に吸引され、カソードガス流路１１０内の圧力が低減する。その結果、カソードガス流路１１０内の氷が蒸発し易くなる。特に、低温下での減圧は、氷が直接に水蒸気となる現象（「昇華」とも呼ばれる）を引き起こす。その結果、カソードガス流路１１０内の氷を容易に除去することができる。また、ステップＳ３００でスタック１００が加熱されているので、氷の蒸発を促進することができる。
【００３６】
なお、ステップＳ３００での加熱の度合いは、カソードガス流路１１０内の氷の蒸発を促進することができる程度であればよく、氷を溶かすほどの強い度合いでなくてよい。
【００３７】
また、ステップＳ３１０では、コンプレッサ制御モジュール８２０は、エアコンプレッサ２００を停止してもよい。また、アノードガス制御モジュール８３０は、アノードポンプ６００の駆動と、水素供給装置５００によるアノードガスの供給とを、停止してもよい。
【００３８】
ステップＳ３１０が終了したのち、再び、制御部８００（図１）は、ステップＳ２００に移行する。そして、始動が成功するまで、制御部８００は、ステップＳ２００、Ｓ３００、Ｓ３１０を繰り返す。
【００３９】
なお、ステップＳ２００における、発電を開始してから不具合条件が成立するか否かを判断するまでの経過時間としては、予め実験的に決定された時間を採用可能である。また、ステップＳ３００とステップＳ３１０とのそれぞれの継続時間としても、予め実験的に決定された時間を採用可能である。これらの時間としては、例えば、所定の時間を採用してもよい。また、環境条件と、適切な時間との間の対応関係を予め実験的に決定し、制御部８００（図１）は、環境条件と対応関係とに従って各時間を決定してもよい。環境条件としては、例えば、スタック１００の温度や燃料電池システム９００の環境の温度を利用可能である。
【００４０】
図６は、燃料電池システム９００の状態の変化の一例を示す説明図である。この変化は、氷点下の環境下で燃料電池システム９００を始動する場合を示している。ここで、カソードガス流路１１０の内部で水が凍結していることと仮定する。
【００４１】
制御部８００（図１）は、図２のステップＳ２００に従って、燃料電池システム９００を始動させる。まず、ステップＳ２１０で、制御部８００は、燃料電池システム９００に発電を開始させる（状態ＳＴ５００）。ただし、図６の動作例では、スタック１００は、スタック１００の温度が、氷の融点よりも高くなるのに十分な熱を生成していない。そして、カソードガス流路１１０の内部に氷が残存している。その結果、次のステップＳ２２０（図２）では、判断モジュール８５０は、不具合条件が成立すると判定する（状態ＳＴ５１０）。従って、制御部８００は、ステップＳ３００に移行し、スタック１００の各セルを加熱する。次のステップＳ３１０では、バルブ制御モジュール８１０は、カソードガス流路１１０の入口（すなわち、供給バルブ４１０）と出口（すなわち、排出バルブ４３０）とを閉じる（状態ＳＴ５２０）。そして、バルブ制御モジュール８１０は、制御バルブ４２０を開けて、カソードガス流路１１０と減圧タンク３００とを連通させる（状態ＳＴ５３０）。その結果、カソードガス流路１１０の内部の氷が蒸発し、氷が除去される。次のステップＳ２００では、再度、制御部８００は、燃料電池システム９００に発電を開始させる。バルブ制御モジュール８１０は、供給バルブ４１０と制御バルブ４２０と開ける（状態ＳＴ５４０）。そして、コンプレッサ制御モジュール８２０は、カソードガスをスタック１００に供給し、アノードガス制御モジュール８３０は、アノードガスをスタック１００に供給する。そして、燃料電池システム９００は、発電を開始する（状態ＳＴ５５０）。この段階では、不具合条件が成立しないので、制御部８００は、始動処理を終了し、定常的な発電運転を実行する。
【００４２】
以上のように、本実施例では、供給バルブ４１０（図１）と排出バルブ４３０とを閉じて制御バルブ４２０を開けることによって、減圧タンク３００がカソードガス流路１１０を減圧するので、カソードガス流路１１０内の氷の蒸発が促進される。その結果、燃料電池システム９００の始動の不具合を抑制することができる。特に、低温下においても燃料電池システム９００を始動することができる。また、減圧済みの減圧タンク３００がカソードガス流路１１０を減圧するので、始動時にポンプ等を駆動させずに、カソードガス流路１１０の減圧が可能である。その結果、低温下における始動時に、低温下で性能が低下するバッテリを利用せずに済む。また、加熱制御モジュール８４０は、不具合条件が成立する場合に、スタック１００を加熱する処理を実行するので、より効果的に、カソードガス流路１１０内の氷の蒸発が促進される。その結果、より効果的に、燃料電池システム９００の始動の不具合を抑制することができる。なお、本実施例では、エアコンプレッサ２００と水素供給装置５００とモジュール８１０〜８４０との全体が、特許請求の範囲における「加熱部」に相当する。
【００４３】
Ｂ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４４】
変形例１：
上述の各実施例において、減圧タンク３００からガスを吸引して減圧タンク３００の内部を減圧する吸引部が、エアコンプレッサ２００とは別の装置であってもよい。この場合、吸引流路３２０を省略してもよい。ただし、図１の実施例のようにアノードガス供給部として機能するコンプレッサを吸引部として利用すれば、燃料電池システム９００の構成を簡素化することができる。
【００４５】
また、吸引部としては、エアコンプレッサに限らず種々の装置を採用可能である。例えば、真空ポンプを吸引部として利用してもよい。また、上述の各実施例において、減圧タンク３００を省略してもよい。この場合、吸引部（例えば、エアコンプレッサ２００）が、カソードガス流路１１０からガスを吸引してカソードガス流路１１０を減圧すればよい。いずれの場合も、摂氏ゼロ度よりも低い環境の下で燃料電池システム９００を始動できるように、減圧に関する構成（例えば、減圧タンク３００の容積と、吸引部の能力と、減圧タンク３００の減圧の継続時間と、減圧後の減圧タンク３００内の圧力と、カソードガス流路１１０の減圧の継続時間）を決定すればよい。ここで、減圧後のカソードガス流路１１０内の圧力を約６１１Ｐａ以下まで下げることができるように、減圧に関する構成を決定することが好ましい（６１１Ｐａは、水の三重点の圧力）。こうすれば、効果的に、カソードガス流路１１０の内部の氷を除去することができる。また、減圧タンク３００の１回の減圧によって、カソードガス流路１１０を複数回に亘って減圧できるように、減圧に関する構成を決定することが好ましい。
【００４６】
また、減圧部をカソード排出マニホールド１１４の代わりにカソード供給マニホールド１１２と連通させてもよい。一般には、減圧部は、任意の位置でカソードガス流路１１０と連通してよい。
【００４７】
変形例２：
上述の各実施例において、減圧タンク３００の減圧のタイミングとしては、任意のタイミングを採用可能である。例えば、吸引部（例えば、エアコンプレッサ２００）は、燃料電池システム９００の始動時に減圧タンク３００を減圧してもよい。この場合、吸引部は、減圧タンク３００を減圧するために、始動時の発電によって得られる電力を利用してもよい。また、カソードガス流路１１０を減圧する毎に、吸引部が、減圧タンク３００を減圧してもよい。この場合も、吸引部は、発電によって得られる電力を利用してよい。ただし、上述の実施例のように、吸引部は、スタック１００による定常的な発電中、あるいは、発電停止の直後に、減圧タンク３００を減圧することが好ましい。例えば、吸引部は、発電の停止指示に応答して、減圧タンク３００を減圧すればよい。こうすれば、電力の生成が安定していない始動時に吸引部を駆動させずに済むので、燃料電池システムの始動の不具合を抑制することができる。何れの場合も、吸引部が減圧タンク３００を減圧する処理を、制御部８００が制御してよい。
【００４８】
変形例３：
上述の各実施例において、不具合条件としては、燃料電池による発電に不具合があることを示す種々の条件を採用可能である。例えば、スタック１００の発電によって得られる電圧が所定の閾値より小さいことを、不具合条件として採用してもよい。ここで、不具合条件が、燃料電池（例えば、スタック１００）の温度が所定の閾値よりも低いことを含む条件であることが好ましい。温度の閾値としては、例えば、摂氏ゼロ度（水が凍結する温度）を採用してもよい。そして、不具合条件として、例えば、燃料電池の温度が所定の閾値よりも低く、かつ、発電によって得られる電流が所定の閾値より小さいことを含む条件を採用してもよい。
【００４９】
変形例４：
上述の各実施例において、加熱部の構成としては、不具合条件が成立した場合に燃料電池を加熱可能な任意の構成を採用可能である。例えば、燃料電池を加熱する電気ヒータや、燃料電池の内部を流れる冷却液を加熱する水素燃焼器を採用可能である。
【００５０】
また、上述の各実施例において、カソードガス流路１１０の減圧開始前から減圧開始後までの間、スタック１００の加熱を継続してもよい。また、カソードガス流路１１０の減圧開始後に、スタック１００の加熱を開始してもよい。一般には、スタック１００の加熱は、カソードガス流路１１０の減圧を終了する前に行われることが好ましい。また、スタック１００を加熱する処理を省略してもよい（加熱部を省略してもよい）。
【００５１】
変形例５：
上述の各実施例において、発電のために供給バルブ４１０と排出バルブ４３０とを開けて制御バルブ４２０を閉じる場合に、各バルブの制御タイミングとしては任意のタイミングを採用可能である。例えば、排出バルブ４３０を開けた後に供給バルブ４１０を開けてもよく、供給バルブ４１０を開けた後に排出バルブ４３０を開けても良い。そして、両方のバルブ４１０、４３０を開けた後に制御バルブ４２０を閉じてもよく、バルブ４１０、４３０の少なくとも一方を開けた後に制御バルブ４２０を閉じてもよい。ただし、制御バルブ４２０を閉じた後に各バルブ４１０、４３０を開けることが好ましい。こうすれば、カソードガス流路１１０の減圧とは無関係に減圧タンク３００の内部の圧力が上昇することを防止できる。
【００５２】
同様に、カソードガス流路１１０の減圧のために、供給バルブ４１０と排出バルブ４３０とを閉じて制御バルブ４２０を開ける場合に、各バルブの制御タイミングとしては任意のタイミングを採用可能である。ただし、各バルブ４１０、４３０を閉じた後に制御バルブ４２０を開けることが好ましい。こうすれば、カソードガス流路１１０を減圧せずに減圧タンク３００の内部の圧力が上昇することを防止できる。
【００５３】
変形例６：
上述の各実施例において、燃料電池システム９００の構成としては、図１に示す構成に限らず、種々の構成を採用可能である。例えば、循環路５２０に、不純物を外部に排出するバルブを設けても良い。また、循環路５２０とアノードポンプ６００とを省略してもよい。この場合、アノード排出マニホールド１２４の出口にバルブを設け、このバルブを閉じた状態で発電を行って良い。このように、アノード側でガスを循環させなくてもよい。
【００５４】
変形例７：
上述の各実施例において、電解質層ＥＬの材料としては、固体高分子電解質に限らず、種々の電解質を採用可能である。例えば、固体酸化物電解質や、リン酸電解質や、アルカリ水溶液電解質や、溶融炭酸塩電解質を採用してもよい。また、アノードＡＤとカソードＣＤとの材料としては、電解質の材料に適した種々の材料を採用可能である。そして、セパレータの材料としては、接合体ＭＥＡの動作に適した種々の材料を採用可能である。
【００５５】
変形例８：
上記各実施例において、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよく、逆に、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部あるいは全部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。例えば、図１のバルブ制御モジュール８１０の機能を、論理回路を有するハードウェア回路によって実現してもよい。
【００５６】
また、本発明の機能の一部または全部がソフトウェアで実現される場合には、そのソフトウェア（コンピュータプログラム）は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納された形で提供することができる。この発明において、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭのような携帯型の記録媒体に限らず、各種のＲＡＭやＲＯＭ等のコンピュータ内の内部記憶装置や、ハードディスク等のコンピュータに固定されている外部記憶装置も含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システム９００を示す説明図である。
【図２】燃料電池システム９００の停止処理と始動処理との手順を示すフローチャートである。
【図３】発電状態を示す説明図である。
【図４】減圧タンク３００の減圧を示す説明図である。
【図５】カソードガス流路１１０の減圧を示す説明図である。
【図６】燃料電池システム９００の状態の変化の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１００…燃料電池スタック
１１０…カソードガス流路
１１２…カソード供給マニホールド
１１４…カソード排出マニホールド
１２０…アノードガス流路
１２２…アノード供給マニホールド
１２４…アノード排出マニホールド
２００…エアコンプレッサ
２１０…カソード供給路
２２０…カソード排出路
３００…減圧タンク
３１０…接続流路
３２０…吸引流路
４１０…カソード供給バルブ
４２０…制御バルブ
４３０…カソード排出バルブ
４４０…吸引バルブ
５００…水素供給装置
５１０…アノード供給路
５２０…循環路
６００…アノードポンプ
８００…制御部
８１０…バルブ制御モジュール
８２０…コンプレッサ制御モジュール
８３０…アノードガス制御モジュール
８４０…加熱制御モジュール
８５０…判断モジュール
９００…燃料電池システム
ＣＤ…カソード
ＡＤ…アノード
ＥＬ…電解質層
ＭＥＡ…接合体
【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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【図６】
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