JP5060105B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、発電開始後の氷結を防止することができる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、低温（氷点下）環境下での燃料電池の始動性を向上させるために、燃料電池を暖機する技術が種々提案されている。燃料電池自動車などでは暖機を速やかに行うことが商品性などの点において要求されており、例えば、コンプレッサにより空気圧が高められて高温になった空気を燃料電池に供給することで燃料電池の暖機を速やかに行う技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−１３４１５０号公報（段落００３８、００４３）

しかしながら、燃料電池システムが氷点下に至るような環境下で使用されると、燃料電池の暖機運転が完了し、通常運転に移行した後であっても、燃料電池から排出された生成水や湿潤状態のカソードオフガス中の水分が配管内などで氷結するという問題があった。これは、暖機した後でも環境によって配管等の急激な温度低下が生じるためであり、発電性能を低下させるだけではなく、燃料電池システムの配管等の不具合を引き起こすおそれがあった。つまり、特許文献１のような従来技術では、燃料電池の発電開始後の配管等で発生する氷結については検討されていなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、発電開始後の排出経路の氷結を防止することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記酸化剤ガスの流速を制御する酸化剤ガス流速制御手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路の収束温度を把握する酸化剤ガス排出流路温度把握手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスの流速と、前記収束温度との相関関係を予め求めておき、前記燃料電池の発電開始後に、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度が所定温度以下の場合、前記酸化剤ガス流速制御手段により前記酸化剤ガス排出流路を流通する酸化剤ガスの流速を、前記収束温度の把握時の流速よりも上昇させるとともに前記相関関係を用いて前記収束温度に応じて前記酸化剤ガスの流速を変更することを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、前記酸化剤ガスの流速を制御する酸化剤ガス流速制御手段と、前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、前記酸化剤ガス排出流路の収束温度を把握する酸化剤ガス排出流路温度把握手段と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池の発熱量を制御する燃料電池発熱量制御手段を備え、前記燃料電池の発電開始後に、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度が所定温度以下の場合、前記燃料電池発熱量制御手段により前記燃料電池の発熱量を上昇させつつ、前記酸化剤ガス流速制御手段により前記酸化剤ガス排出流路を流通する酸化剤ガスの流速を、前記収束温度の把握時の流速よりも上昇させることを特徴とする。

請求項１および請求項２に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路の収束温度が所定温度以下のとき、酸化剤ガス排出流路を流れる酸化剤ガス（カソードオフガス）の流速を上昇させるので、燃料電池から排出された酸化剤ガス（カソードオフガス）は、氷結温度まで下がる前に燃料電池システムの外部（系外）に排出される。このため、発電開始後に燃料電池から排出された生成水や湿潤な酸化剤ガスに含まれる水分が酸化剤ガス排出流路で氷結するのを防止でき、氷結が進んで配管等に不具合が起こるのを防止できる。
また、請求項１に係る発明によれば、予め試験等で求めた相関関係（マップ、関数、テーブル）を用いて、収束温度に応じた流速の上昇率を設定できるため、迅速に流速を変更することができる。
また、請求項２に係る発明によれば、燃料電池の発熱量を上昇させながら流速を上昇させる制御を行うため、酸化剤ガス排出流路を通るオフガスの温度が上昇して、酸化剤ガス排出流路の氷結を防止することが可能になる。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池の出力を検出する燃料電池出力検出手段と、外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段は、前記燃料電池出力検出手段により検出された燃料電池の出力および前記外気温度検出手段により検出された外気温度に基づいて前記収束温度を推定することを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池の発電性能や外気温度から酸化剤ガス排出流路の温度を推定するため、酸化剤ガス排出流路の温度を直接に測定する装置を設置することなく温度把握が可能になる。

請求項４に係る発明は、前記酸化剤ガス流速制御手段は、前記収束温度が所定温度より高くなるまで前記酸化剤ガスの流速を上昇させることを特徴とする。なお、この所定温度は、請求項１に記載の所定温度と同じであってもよく、あるいは請求項１に記載の所定温度よりも若干高い異なる温度であってもよい。

請求項４に係る発明によれば、酸化剤ガス排出流路を通る酸化剤ガスの温度が所定温度よりも高くなるように流速を上昇できるため、必要な分だけ流速を上昇させることができ、過剰な流速上昇によるエネルギの消費や騒音を抑えることが可能になる。

請求項５に係る発明は、前記酸化剤ガスの流速を上昇させることを許可する酸化剤ガス流速上昇許可手段と、前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備え、前記燃料電池暖機完了判定手段により暖機完了と判定されるまで、前記酸化剤ガス流速上昇許可手段により酸化剤ガスの流速を上昇させることを許可しないことを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、暖機中は燃料電池の温度が低いため、このようなときに酸化剤ガスの流速を上昇させたとしても暖機が促進されるものではなく、酸化剤ガスが無駄に供給されるだけである。そこで、燃料電池の暖機中には流速を上昇させる制御を行わないようにすることで、酸化剤ガス流速制御手段により電力が無駄に消費されるのを防止できる。

請求項６に係る発明は、アイドリングストップ制御を許可するか否かを判定するアイドリングストップ許可判定手段を備え、前記アイドリングストップ許可判定手段は、前記酸化剤ガスの流速の上昇中、前記アイドリングストップ制御を禁止することを特徴とすることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、前記酸化剤ガス排出流路を流通する酸化剤ガスの流速は、前記酸化剤ガスが氷結する前に車外に排出される速度であることを特徴とする。

本発明の燃料電池システムによれば、発電開始後の排出経路の氷結を防止することができるようになる。

（第１実施形態）
図１は本実施形態の燃料電池システムの全体構成図、図２は第１実施形態の氷結防止制御を示すフローチャート、図３は収束温度を把握する制御を示すサブフローチャート、図４は収束温度と燃料電池の出力との関係を示すマップ、図５は収束温度を補正するためのマップ、図６は流速を上昇させる制御を示すサブフローチャート、図７はカソード側の目標流量と燃料電池の出力との関係を示すマップ、図８は対策前後の収束温度の変化を示すグラフである。なお、以下では、燃料電池システムを搭載した自動車を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、燃料電池システムを搭載した船舶や航空機、家庭用電源としての定置式の燃料電池システムであってもよい。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、排気系５０、高電圧系６０、制御系７０などを含んで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子からなる電解質膜２を、触媒を含むアノード極３と、触媒を含むカソード極４とで挟んでなる膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、さらに一対の導電性のセパレータ５，６で挟んで構成した単セル（Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｅｌｌ）が厚み方向に複数積層された構造を有している。なお、図１では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。

前記アノード系２０は、燃料ガスとしての水素を燃料電池ＦＣのアノード極３に供給し、且つ、アノード極３から水素を排出するものであり、水素タンク２１、エゼクタ２２、パージ弁２３、配管２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄなどで構成されている。

前記水素タンク２１は、高純度の水素ガスが高圧で充填された容器であり、電磁作動式の遮断弁（図示せず）を備えている。

前記エゼクタ２２は、アノード極３側から排出された未反応の水素を、燃料電池ＦＣのアノード極３に戻して循環させるための真空ポンプの一種である。

前記パージ弁２３は、例えば遮断弁で構成され、運転中に適宜開放してアノード系２０に蓄積された不純物を排出する弁である。なお、不純物とは、カソード極４から電解質膜２を介してアノード極３に透過した空気に含まれる窒素などである。

前記配管２４ａは、一端が水素タンク２１に接続され、他端がエゼクタ２２に接続されている。前記配管２４ｂは、一端がエゼクタ２２に接続され、他端が燃料電池ＦＣのアノード極３側の入口に接続されている。前記配管２４ｃは、燃料電池ＦＣのアノード極３側の出口と接続され、他端がパージ弁２３と接続されている。前記配管２４ｄは、一端が配管２４ｃと接続され、他端がエゼクタ２２と接続されている。

なお、図示していないが、アノード系２０には、水素タンク２１からの高圧の水素を減圧するためのレギュレータなどが設けられている。

前記カソード系３０は、酸化剤ガスとしての空気（酸素）を燃料電池ＦＣのカソード極４に供給し、且つ、カソード極４から空気などを排出するものであり、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、背圧弁３３、配管３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄなどを備えている。

前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気（外気）を取り込んで圧縮して燃料電池ＦＣのカソード極４に供給するものである。

前記加湿器３２は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ３１からの空気を流通させ、他側に燃料電池ＦＣのカソード極４から排出されたカソードオフガス（湿潤な空気、生成水）を流通させることにより、エアコンプレッサ３１からの空気を加湿するように構成されている。

前記背圧弁３３は、例えばバタフライ弁などで構成され、燃料電池ＦＣのカソード極４に供給される空気の圧力を適宜調整する機能を有している。

前記希釈系４０は、燃料電池ＦＣから排出された水素を希釈する機能を有し、希釈器４１、配管４２ａ，４２ｂなどを備えている。希釈器４１は、パージ弁２３の下流側の一端に接続された配管４２ａと、背圧弁３３の下流側の一端に接続された配管４２ｂとそれぞれ接続され、希釈器４１内において、燃料電池ＦＣのアノード極３から排出された水素を、燃料電池ＦＣのカソード極４から排出されたオフガス（空気や水など）とを混合させて希釈するように構成されている。燃料電池ＦＣから排出された水素が希釈器４１を通ることにより、規定以下の濃度に希釈された水素が車外（大気中）に排出するようになっている。

前記排気系５０は、サイレンサ５１、テールパイプ５２、配管５３などを備えている。サイレンサ５１は、排気音を低減する機能を有し、円筒形のケースを備え、内部を複数に区画することや、吸音材を設けることなどによって構成されている。テールパイプ５２は、サイレンサ５１の下流側の一端に接続された配管であり、車外（大気中）と連通するように構成されている。配管５３は、サイレンサ５１と希釈器４１とを接続するように構成されている。

なお、燃料電池ＦＣのカソード極４の出口以降の、配管３４ｃ、加湿器３２の加湿する側の流路、配管４２ｂ、希釈器４１、配管５３、サイレンサ５１、テールパイプ５２によって、第１実施形態（他の実施形態についても同様）の酸化剤ガス排出流路Ｒ（図１参照）が構成されている。

前記高電圧系６０は、燃料電池ＦＣで得られた電力（発電電流）を、負荷６１に供給する機能を有している。なお、負荷とは、電動機（走行モータ）、バッテリやキャパシタなどの蓄電装置、各種補機（エアコンプレッサ３１を含む）などである。

前記制御系７０は、制御部７１、燃料電池温度センサＳ１、外気温度センサＳ２、風速センサＳ３、電流センサＳ４、電圧センサＳ５などを備えている。

前記制御部７１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、酸化剤ガス排出流路温度把握手段を備えている。また、制御部７１は、パージ弁２３、エアコンプレッサ３１、背圧弁３３、各温度センサＳ１，Ｓ２、風速センサＳ３、電流センサＳ４、電圧センサＳ５と電気的に接続され、パージ弁２３の開閉、エアコンプレッサ３１の回転速度、背圧弁３３の開度を制御し、燃料電池温度センサＳ１および外気温度センサＳ２により検出された各温度（℃）を取得し、風速センサＳ３により検出された風速（ｍ／ｓ）を取得し、電流センサＳ４により検出された電流値（ＩＦＣ、アンペア）を取得し、電圧センサＳ５により検出された電圧値（ＶＦＣ、ボルト）を取得する。

前記燃料電池温度センサＳ１は、燃料電池ＦＣの温度を検出するセンサであり、燃料電池ＦＣのアノード極３の出口近傍に設けられている。なお、燃料電池ＦＣの温度を検出することができるものであれば、前記アノード極３の出口近傍に限定されるものではない。

前記外気温度センサＳ２は、車外（外気）の温度を検出するセンサであり、外気を直接に測定できる車体などに設けられている。

前記風速センサＳ３は、燃料電池システム１に吹き付ける風速を検出するものであり、例えば、酸化剤ガス排出流路Ｒの近傍に設けられている。ちなみに、風速が高くなるにつれて、酸化剤ガス排出流路Ｒの温度が低下する。なお、風速センサＳ３に替えて、車両の走行速度を検出する車速センサを用いてもよい。

前記電流センサＳ４は、燃料電池ＦＣから負荷６１に向けて取り出される電流値を検出するものであり、前記電圧センサＳ５は、燃料電池ＦＣの電圧値を検出するものであり、電流センサＳ４により検出された電流値と、電圧センサＳ５により検出された電圧値との積により、燃料電池ＦＣから取り出される出力（電力；ｋＷ）が求められる。

次に、第１実施形態の燃料電池システム１における氷結防止制御について図２〜図７を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、第１実施形態（他の実施形態についても同様）に示す燃料電池自動車（図示せず）は、アイドリングストップ機能を備えた車両であり、例えば、信号待ちなどで停車したときにエアコンプレッサ３１の駆動を停止して燃料電池ＦＣへの空気（酸化剤ガス）の供給を停止する機能を備えている。

まず、燃料電池自動車（車両）のイグニッションスイッチ（図示せず）がオフからオンに切り替えられると、制御部７１は、水素タンク２１に設けられた図示しない遮断弁を開弁して、水素タンク２１から燃料電池ＦＣのアノード極３に水素を供給し、エアコンプレッサ３１の駆動を開始して燃料電池ＦＣのカソード極４に加湿器３２で加湿された空気を供給する。アノード極３では、触媒の作用によって水素イオン（プロトン）が生成され、この水素イオンが電解質膜２を透過してカソード極４に移動する。カソード極４では、触媒の作用によって、アノード極３から負荷６１を通ってカソード極４に移動した電子と、水素イオンと、酸素との反応により水が生成される。このようにして、燃料電池ＦＣでは、発電が行われるとともに水が生成される（図２のステップＳ１００）。

そして、図２のステップＳ１１０に進み、制御部７１は、カソード極４の出口以降の酸化剤ガス排出流路Ｒの温度を把握する。なお、ステップＳ１１０が、本実施形態における酸化剤ガス排出流路温度把握手段に相当する。ステップＳ１１０では、図３のサブフローに進み、ステップＳ１１１において、制御部７１は、酸化剤ガス排出流路Ｒの収束温度を図４に示すマップに基づいて推定する。なお、収束温度とは、燃料電池ＦＣのカソード極４の出口からテールパイプ５２の出口までの酸化剤ガス排出流路Ｒにおいて、最も低い温度となる部位の温度を意味する。ちなみに、図４は、収束温度と燃料電池ＦＣの出力（ＦＣ出力）との関係を示すマップであり、実線は外気温度がマイナス１０℃の場合を図示している。また、外気温度がマイナス１０℃よりも高い常温の場合には、図４において実線よりも上側にシフトした破線で示すマップに基づいて収束温度が推定され、外気温度がマイナス１０℃より低いマイナス３０℃の場合には、実線よりも下側にシフトした破線で示すマップに基づいて収束温度が推定される。なお、このときの外気温度は、外気温度センサＳ２により検出される温度（℃）によって求められ、ＦＣ出力は、電流センサＳ４により検出される電流値（Ａ）と電圧センサＳ５により検出される電圧値（Ｖ）の積によって求められる。ただし、ＦＣ出力は、電流と電圧の積（電力）に限定されるものではなく、燃料電池ＦＣから取り出される電流、あるいは燃料電池ＦＣにかかる電圧（例えば、総セル電圧）であってもよい。

そして、図３のステップＳ１１２に進み、制御部７１は、収束温度を図５に示すマップに基づいて補正する。収束温度を補正するための条件としては、風速センサＳ３により検出される風速（ｍ／ｓ）を用いる。ちなみに、図５のマップを用いると、風速が高い場合には、図４で推定した収束温度よりも低くなり、風速が低い場合には、図４で推定した収束温度よりも高くなるように、収束温度が補正される。なお、風速に替えて車速を用いてもよく、この場合には風速のときと同様に、車速が速いとマップが下側にシフトし、車速が遅いとマップが上側にシフトする。

そして、ステップＳ１１２の後、リターンにより図２のフローに戻って、ステップＳ１２０に進み、制御部７１は、ステップＳ１１０で把握された収束温度が所定温度（例えば、０℃以下）であるか否かを判断する。ステップＳ１２０において、制御部７１は、収束温度が０℃以下でないと判断した場合には（Ｎｏ）、酸化剤ガス排出流路Ｒにおいて氷結の恐れは無い（氷結は発生しない）と判断して、ステップＳ１３０に進み、カソード系３０を通るガス（特にカソードオフガス）の流速の作動条件を通常制御に設定する。つまり、エアコンプレッサ３１の回転速度を上昇させずに通常運転に対応した回転速度とし、また背圧弁３３の開度を拡大せずに通常運転に対応した開度とする。

そして、ステップＳ１４０に進み、制御部７１は、アイドリングストップ制御を許可する制御を行う。アイドリングストップ制御とは、例えば、車両が信号待ちなどで停止したときに、エアコンプレッサ３１を停止させ、エネルギの消費や騒音を抑える制御である。アイドリングストップ制御では、エアコンプレッサ３１の回転が停止して、燃料電池ＦＣから高温のカソードオフガスが排出されなくなって酸化剤ガス排出流路Ｒが冷やされるので、酸化剤ガス排出流路Ｒ内の生成水や湿潤なカソードオフガスに含まれる水分が氷結する可能性が高くなる。しかし、本実施形態では、制御部７１が収束温度が０℃以下ではなく氷結のおそれがないと判断した場合には、アイドリングストップ制御を許可して、アイドリングストップ時のエネルギ消費や騒音を抑えるようにしている。

そして、ステップＳ１７０に進み、制御部７１は、燃料電池システム１の運転が継続されているか否かを判断する。なお、運転継続の判断は、例えば、イグニッションスイッチ（図示せず）のオン・オフの状態に基づいて判断できる。ステップＳ１７０において、制御部７１は、イグニッションスイッチがオン状態で運転が継続していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１０に戻り、収束温度を再度推定および補正する（Ｓ１１１，Ｓ１１２）。また、ステップＳ１７０において、制御部７１は、イグニッションスイッチがオフ状態で運転が継続していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１８０に進み、水素タンク２１に設けられた遮断弁（図示せず）を閉弁して燃料電池ＦＣのアノード極３への水素の供給を停止し、エアコンプレッサ３１を停止して燃料電池ＦＣのカソード極４への空気の供給を停止して、発電を終了する。

また、ステップＳ１２０において、制御部７１は、ステップＳ１１０において把握された収束温度が０℃以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、酸化剤ガス排出流路Ｒ内において氷結のおそれがあると判断して、ステップＳ１５０に進み、カソード系３０側の流量の作動条件としてカソードオフガスの流速を上昇させる制御を行う。そして、図６に示すサブフローのステップＳ１５１に進み、酸化剤ガス排出流路Ｒを流れるカソードオフガスの目標流量を、図７に示す目標流量（ｇ／ｓ）とＦＣ出力との関係を示すマップに基づいて算出する。すなわち、収束温度が氷点下となるときのＦＣ出力をＱ（図４参照）としたときに、図７に示すマップにおいて、ＦＣ出力Ｑよりも低い領域の目標流量のみを上昇させるように制御する。

目標流量算出後、ステップＳ１５２に進み、制御部７１は、目標流量を上昇させるためのデバイスを制御する。目標流量を上昇させるためのデバイス制御としては、例えば、エアコンプレッサ３１の回転速度を上昇させること、あるいは背圧弁３３の開度を大きくすることなどである。なお、エアコンプレッサ３１と背圧弁３３の双方を制御するようにしてもよい。このように、エアコンプレッサ３１や背圧弁３３を制御して流量（流速）を、ステップＳ１１０で収束温度を把握したときの流量（流速）よりも上昇させることにより、酸化剤ガス排出流路Ｒを流通するカソードオフガスの流速が上昇して、酸化剤ガス排出流路Ｒを流通する生成水などが氷結する前に、テールパイプ５２から車外（大気中）に排出されるようになる。

そして、ステップＳ１５２の後、リターンにより図２のステップＳ１５０に戻って、ステップＳ１６０に進み、制御部７１は、アイドリングストップ制御を禁止する制御を行う。ここでアイドリングストップ制御を許可すると、アイドリングストップ制御によってエアコンプレッサ３１が停止して収束温度がさらに低下するため、カソードオフガスの流速を上昇させて氷結を防止するように制御したことが無駄になり、酸化剤ガス排出流路Ｒ内の生成水などが氷結する可能性が高まる。このため、第１実施形態では、アイドリングストップ機能を備えた燃料電池自動車に適用する場合において、アイドリングストップ制御を許可するか否かを判定するアイドリングストップ許可判定手段を制御部７１に設けて、酸化剤ガス排出流路において氷結のおそれがある場合には（Ｓ１２０、Ｙｅｓ）、カソードオフガスの流速を上昇させつつ、アイドリングストップ制御を禁止すること（Ｓ１６０）により、氷結のおそれを確実に防止できるようになる。

そして、ステップＳ１７０に進み、制御部７１は、前記したように、イグニッションスイッチがオン状態であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１０に戻り、収束温度を再度把握し（Ｓ１１０）、イグニッションスイッチがオフ状態であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１８０に進み、発電を終了する。

このように、燃料電池自動車が低温（氷点下）環境下で使用されると、発電開始後で燃料電池自動車が走行できる状態であっても、図８のグラフＡに示すように、酸化剤ガス排出流路Ｒの収束温度が燃料電池ＦＣから下流へと遠ざかるにつれて低下し、車外に排出される前に０℃以下となることがある。これにより、燃料電池ＦＣから高温のカソードオフガスが排出されたとしても、酸化剤ガス排出流路Ｒを通ってテールパイプ５２から排出される間にカソードオフガスが０℃以下に冷やされて、燃料電池ＦＣからの生成水や湿潤なカソードオフガスに含まれる水分が氷結することとなる。そこで、第１実施形態の燃料電池システム１では、図８のグラフＢに示すように、ＦＣ出力がＱ（図７参照）より低い出力領域における目標流量（流速）を上昇させて、酸化剤ガス排出流路Ｒ内を流通するカソードオフガスの流速を上昇させることにより、カソードオフガスが氷結する前に車外に排出できるようになる。

（第２実施形態）
図９は第２実施形態の氷結防止制御を示すフローチャート、図１０は収束温度と流速との関係を示すマップである。なお、第２実施形態での燃料電池システムの構成は、第１実施形態における燃料電池システム１と同様である。また、図９に示すフローチャートでは、第１実施形態と同様の制御については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。

図９に示すように、制御部７１は、ステップＳ１２０において、収束温度が０℃以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、酸化剤ガス排出流路Ｒ内において氷結のおそれがあると判断して、ステップＳ１５３に進み、図１０に示すマップに基づいてカソードオフガスの流速を上昇（ＵＰ）させる制御を行う。図１０に示すマップは、収束温度と流速との相関関係をテスト（試験）などで予め求めたものである。このように、図１０に示すマップを用いることにより、例えば、収束温度がＴ１（＜０℃）のときに、流速をＦ１に設定するようにして、エアコンプレッサ３１の回転速度を上げたり、背圧弁３３の開度を大きくするだけでよいので、迅速に流速アップの制御ができるようになる。このように、事前にテスト（試験）で求めたマップ（図１０）を用いて、収束温度が０℃のときの流速を基準として、収束温度に応じた流速の上昇率Δｆを直ちに設定できるので、瞬時に流速を上昇させることができるようになる。

（第３実施形態）
図１１は第３実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。なお、第３実施形態での燃料電池システムの構成は、第１実施形態における燃料電池システム１と同様である。また、図１１に示すフローチャートでは、第１実施形態と同様の制御については、同一のステップ符号を付してその説明を省略する。

図１１に示すように、ステップＳ１５０において、制御部７１は、カソードオフガスの流速を上昇させた後、ステップＳ１５４に進み、収束温度が所定温度より高いか否かを判断する。なお、ここでの収束温度は、ステップＳ１１０と同様にして、推定および補正して求められる温度である。また、所定温度は、ステップＳ１２０における所定温度（０℃）と同じ値であってもよく、あるいはステップＳ１２０の所定温度（０℃）よりも若干高い値（例えば、５℃）であってもよく、適宜変更することができる。ステップＳ１５４において、制御部７１は、収束温度が所定温度よりも高くないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１６０に進み、アイドリングストップ制御を禁止する。また、ステップＳ１５４において、制御部７１は、収束温度が所定温度よりも高いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１３０に進み、カソードオフガスの流速を通常制御の場合の流速に下げ、ステップＳ１４０に進み、アイドリングストップ制御については、許可に設定されていればその許可を維持し、禁止に設定されていれば許可に変更する。

このように、第３実施形態では、流速アップ後の収束温度を監視して、必要な分だけ流速を上昇させることができるので、流速を過剰に上昇させておく必要がなくなり、エネルギの消費や騒音を低減させることが可能になる。

（第４実施形態）
図１２は第４実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。なお、第４実施形態での燃料電池システムの構成は、第１実施形態における燃料電池システム１の制御部７１が、酸化剤ガス流速上昇許可手段と、燃料電池暖機完了判定手段とをさらに含む構成となっている。また、図１２に示すフローチャートでは、第１実施形態と同様の制御については、同一のステップ符号を付してその説明を簡略して説明する。なお、以下では、低温環境下で発電が開始され、発電開始後に燃料電池ＦＣを暖機する制御が行われることを前提として説明する。燃料電池ＦＣの暖機は、例えば、燃料電池ＦＣに通常運転よりも高い流量および圧力で空気を供給して、燃料電池ＦＣを高い出力で発電させることによって行われる。

図１２に示すように、ステップＳ１００において、イグニッションスイッチ（図示せず）がオフ状態からオン状態に切り替えられて発電が開始されると（Ｓ１００）、ステップＳ１０５に進み、制御部７１は、暖機が完了したか否かを判断する。なお、このステップＳ１０５が本実施形態における燃料電池暖機完了判定手段および酸化剤ガス流速上昇許可手段に相当する。制御部７１は、燃料電池温度センサＳ１から得られる燃料電池ＦＣの温度が所定温度（例えば、３０℃）を超えたと判断した場合には（Ｓ１０５，Ｙｅｓ）、暖機が完了したと判断し、ステップＳ１１０に進む。ステップＳ１０５において、制御部７１は、暖機が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０５の処理を繰り返す。なお、暖機完了を判断するための燃料電池ＦＣの温度は、例えば、燃料電池ＦＣから排出される水素の出口温度、燃料電池ＦＣから排出される空気の出口温度、燃料電池ＦＣから排出される冷却液の出口温度のいずれかである。

暖機完了後、ステップＳ１１０に進み、制御部７１は、酸化剤ガス排出流路の温度を把握する。そして、制御部７１は、ステップＳ１２０において、収束温度が０℃以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１５０、Ｓ１６０に進み、カソードオフガスの流速を上昇させ、アイドリングストップ制御を禁止する制御を行う。また、ステップＳ１２０において、制御部７１は、収束温度が０℃以下でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１３０，Ｓ１４０，Ｓ１７０に進む。

ところで、暖機中の燃料電池ＦＣの温度は低いため、カソードオフガスの流速を上昇させたとしても、燃料電池ＦＣの暖機が促進されるものではなく、酸化剤ガス排出流路をカソードオフガスが無駄に（過剰に）流れるだけになる。このよう状態つまり暖機中のときに、カソードオフガスの流速を上昇させるとエアコンプレッサ３１の回転速度を上昇させるのに必要な電力が無駄に消費されることになる。そこで、第４実施形態では、制御部７１が暖機完了と判定するまでカソードオフガスの流速を上昇させることを許可しないようにすることで、電力が無駄に消費されるのを防止できるという効果が得られる。

（第５実施形態）
図１３は第５実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。なお、第５実施形態での燃料電池システムの構成は、第１実施形態における燃料電池システム１の制御部７１が、燃料電池発熱量制御手段をさらに含む構成となっている。また、図１３に示すフローチャートでは、第１実施形態と同様の制御については、同一のステップ符号を付してその説明を説明する。

図１３に示すように、ステップＳ１２０において、制御部７１は、収束温度が０℃以下で氷結のおそれがあると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２２に進み、燃料電池ＦＣの発熱量を上昇させる制御を行う。なお、ステップＳ１２２が、本実施形態の燃料電池発熱量制御手段に相当する。また、燃料電池ＦＣの発熱量を上昇させる制御としては、例えば、燃料電池ＦＣの負荷を上昇させて、燃料電池ＦＣから排出される排気の温度を上昇させることである。具体的には、蓄電装置や補機で消費される電力を増やすことであり、または、ストイキや作動圧を低下させて燃料電池ＦＣを効率の悪い作動条件にすることである。

そして、ステップＳ１５０に進み、制御部７１は、カソード系３０のガスの流速を上昇させた後、ステップＳ１６０に進み、アイドリングストップ制御を禁止する。一方、ステップＳ１２０において、制御部７１は、収束温度が０℃以下ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２３に進み、燃料電池ＦＣの発熱量を上昇させない通常制御を行う。

第５実施形態では、燃料電池ＦＣの発熱量を上昇させる制御とともに（Ｓ１２２）、酸化剤ガス排出流路Ｒを流通するカソードオフガスの流速を上昇させる制御を行っているので、酸化剤ガス排出流路Ｒを流れるカソードオフガスの温度が全部位において高くなるので、酸化剤ガス排出流路Ｒが氷点下に至り氷結するという不具合を防止できるようになる。

なお、前記した各実施形態では、収束温度を、ＦＣ出力と外気温度と風速（車速）とを用いて把握（推定、補正）したが、酸化剤ガス排出流路Ｒにおいて収束温度が最低になると予想される位置に温度センサを設けるようにしてもよい。このように、収束温度を直接的に把握することにより、図２のステップＳ１１０（図３に示すサブフロー）による制御を不要にできる。

また、本発明は、第１実施形態〜第５実施形態を選択的に適宜組み合わせて構成してもよい。

本実施形態の燃料電池システムの全体構成図である。 第１実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。 収束温度を把握する制御を示すサブフローチャートである。 収束温度と燃料電池の出力との関係を示すマップである。 収束温度を補正するためのマップである。 流速を上昇させる制御を示すサブフローチャートである。 カソード側の目標流量と燃料電池の出力との関係を示すマップである。 対策前後の収束温度の変化を示すグラフである。 第２実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。 収束温度と流速との関係を示すマップである。 第３実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。 第４実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。 第５実施形態の氷結防止制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３１ エアコンプレッサ（酸化剤ガス流速制御手段）
３３ 背圧弁（酸化剤ガス流速制御手段）
７１ 制御部（酸化剤ガス排出流路温度把握手段、酸化剤ガス流速上昇許可手段、燃料電池暖機完了判定手段、燃料電池発熱量制御手段）
ＦＣ 燃料電池
Ｒ 酸化剤ガス排出流路
Ｓ２ 外気温度センサ（外気温度検出手段）
Ｓ４ 電流センサ（燃料電池出力検出手段）
Ｓ５ 電圧センサ（燃料電池出力検出手段）

Claims (7)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
   前記酸化剤ガスの流速を制御する酸化剤ガス流速制御手段と、
   前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス排出流路の収束温度を把握する酸化剤ガス排出流路温度把握手段と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から排出された酸化剤ガスの流速と、前記収束温度との相関関係を予め求めておき、
   前記燃料電池の発電開始後に、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度が所定温度以下の場合、前記酸化剤ガス流速制御手段により前記酸化剤ガス排出流路を流通する酸化剤ガスの流速を、前記収束温度の把握時の流速よりも上昇させるとともに前記相関関係を用いて前記収束温度に応じて前記酸化剤ガスの流速を変更することを特徴とする燃料電池システム。
2. 酸化剤ガスと燃料ガスとが供給されて発電する燃料電池と、
   前記酸化剤ガスの流速を制御する酸化剤ガス流速制御手段と、
   前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流通して排出される酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス排出流路の収束温度を把握する酸化剤ガス排出流路温度把握手段と、
   を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の発熱量を制御する燃料電池発熱量制御手段を備え、
   前記燃料電池の発電開始後に、前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段により求められた前記収束温度が所定温度以下の場合、前記燃料電池発熱量制御手段により前記燃料電池の発熱量を上昇させつつ、前記酸化剤ガス流速制御手段により前記酸化剤ガス排出流路を流通する酸化剤ガスの流速を、前記収束温度の把握時の流速よりも上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の出力を検出する燃料電池出力検出手段と、
   外気温度を検出する外気温度検出手段と、を備え、
   前記酸化剤ガス排出流路温度把握手段は、前記燃料電池出力検出手段により検出された燃料電池の出力および前記外気温度検出手段により検出された外気温度に基づいて前記収束温度を推定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記酸化剤ガス流速制御手段は、前記収束温度が所定温度より高くなるまで前記酸化剤ガスの流速を上昇させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤ガスの流速を上昇させることを許可する酸化剤ガス流速上昇許可手段と、
   前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判定する燃料電池暖機完了判定手段と、を備え、
   前記燃料電池暖機完了判定手段により暖機完了と判定されるまで、前記酸化剤ガス流速上昇許可手段により酸化剤ガスの流速を上昇させることを許可しないことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. アイドリングストップ制御を許可するか否かを判定するアイドリングストップ許可判定手段を備え、
   前記アイドリングストップ許可判定手段は、前記酸化剤ガスの流速の上昇中、前記アイドリングストップ制御を禁止することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記酸化剤ガス排出流路を流通する酸化剤ガスの流速は、前記酸化剤ガスが氷結する前に車外に排出される速度とすることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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