JP5141038B2 - 燃料電池システム、および、燃料電池の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の動作状態に応じて、燃料電池を制御する燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムは、冷却媒体を循環させ、燃料電池を冷却させる冷却媒体循環流路を備えている。このような燃料電池システムでは、燃料電池の動作状態を検出し、それに応じて燃料電池に対して種々の制御を行っている。燃料電池の動作状態を検出する方法としては、例えば、燃料電池の内部温度（以下では、燃料電池温度とも呼ぶ）を検出する。この場合、燃料電池システムにおいて、例えば、冷却媒体循環流路を流れる冷却媒体の温度を上記燃料電池温度として検出する（下記特許文献１参照）。

特開２００５−３０２５１５号公報

ところで、上述のような燃料電池システムにおいて、例えば、下記の（１）〜（３）などのような状況下では、燃料電池温度を上昇させるため、冷却媒体循環流路において冷却媒体の循環を停止させる場合がある。このように、冷却媒体の循環を停止させると、冷却媒体循環流路において、冷却媒体に温度ムラが生じるおそれがあった。
（１） 燃料電池の低温起動時
（２） 燃料電池の内部で、フラッディングの挙動が検知された時
（３） 燃料電池の掃気処理時

そうすると、上述のように冷却媒体の温度を燃料電池温度として検出する方法において、上述のように冷却媒体に温度ムラが生じると、燃料電池温度を正確に検出できないおそれがあった。それに伴い、燃料電池の制御に不具合が生じ、その結果、燃料電池の発電効率が低下するおそれがあった。

なお、燃料電池システムにおいて、上記（１）〜（３）以外の場合であって、冷却媒体循環流路において、冷却媒体の循環を停止させる場合においても、上記問題は当然生じうる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、燃料電池システムにおいて、燃料電池の動作状態を正確に検出し、それに応じて適切な制御を行うことが可能な技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池を備える燃料電池システムであって、前記燃料電池内部を通り、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路において、前記冷却媒体の流れを停止させる冷媒流止部と、前記冷却媒体流路において、前記冷却媒体の流れを停止させた状態で、前記燃料電池内部、若しくは、前記燃料電池と前記冷媒流止部との間の密閉空間における前記冷却媒体の圧力を検出する圧力検出部と、前記圧力検出部が検出した前記圧力に応じて、前記燃料電池の運転制御を行う運転制御部と、を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の動作状態を正確に検出し、それに応じて適切な制御を行うことができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を暖機する暖機部を備え、前記圧力検出部は、前記冷媒流止部により前記冷却媒体の流れが停止された状態であって、前記暖機部に暖機されることによって上昇した前記冷却媒体の圧力を検出する第１検出部を備えることが好ましい。

このようにすれば、暖機の影響による燃料電池の状態を正確に知ることができる。その結果、運転制御部は、この冷却媒体圧力の検出結果に応じて、適切なタイミングで燃料電池の運転制御を行うことができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記運転制御部は、前記第１検出部によって検出された前記冷却媒体の圧力が、第２閾値より大きい場合に、前記冷却媒体流路において、前記燃料電池に向けて冷却媒体を流し始めるようにしてもよい。

このようにすれば、第１検出部によって検出された冷却媒体の圧力によって、適切なタイミングで燃料電池に向けて冷却媒体を流すことができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの起動時において、前記冷却媒体の圧力を検出し、該圧力が、第１閾値以下の場合に、前記燃料電池の温度上昇が必要と判断する第１温度上昇判断部を備え、前記暖機部は、前記第１温度上昇判断部が、前記燃料電池の温度上昇が必要と判断した場合において、前記燃料電池を暖機するようにしてもよい。

このようにすれば、燃料電池システムの起動時において、適切に燃料電池を暖機することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池内部にフラッディングが生じている場合に、前記燃料電池の温度上昇が必要と判断する第２温度上昇判断部を備え、前記第２温度上昇判断部が、前記燃料電池の温度上昇が必要と判断した場合において、前記燃料電池を暖機するようにしてもよい。このようにすれば、フラッディング時において、適切に燃料電池を暖機することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの停止時において、前記暖機部が燃料電池を発電させている際に、掃気処理を行う掃気処理部を備えることが好ましい。

このようにすれば、燃料電池において、暖機させつつ掃気処理を行う場合においても、燃料電池の動作状態を正確に検出することができる。その結果、それに応じて適切な制御を行うことができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記運転制御部は、前記第１検出部によって検出された前記冷却媒体の圧力が、第３閾値より大きい場合に、前記燃料電池システムを停止させることが好ましい。このようにすれば、燃料電池システムを適切に停止することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの停止時において、前記掃気処理を行うか否かを判断する掃気判断部を備え、前記掃気処理部は、前記掃気判断部が、前記掃気処理を行うと判断した場合に、前記燃料電池に発電させつつ、前記掃気処理を行うことが好ましい。このようにすれば、適切に掃気処理を行うことを抑制することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の掃気処理を行うか否かを判断する掃気判断部と、前記掃気判断部が、前記燃料電池の掃気処理が必要と判断した場合において、前記燃料電池の発電を停止させる停止制御部と、を備え、前記圧力検出部は、前記停止制御部が前記燃料電池の発電を停止させた後であって、前記冷媒流止部により前記冷却媒体の流れが停止された状態で、前記冷却媒体の圧力を検出する第２検出部を備え、前記運転制御部は、前記第２検出部によって検出された前記冷却媒体の圧力が第４閾値より小さい場合に、発電を伴わない掃気処理を実行することが好ましい。

このようにすれば、放熱の影響による燃料電池の状態を正確に知ることができる。その結果、運転制御部は、この冷却媒体圧力の検出結果に応じて、適切なタイミングで燃料電池の運転制御を行うことができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記暖機部は、前記燃料電池に発電を行わせることによって、前記燃料電池を暖機することが好ましい。このようにすれば、燃料電池を適切に暖機することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記掃気判断部は、日付データ、または、前記燃料電池システムの起動時の外部気温を表す気温データの少なくとも一方のデータに基づいて、前記燃料電池の掃気処理を行う否かを判断することが好ましい。このようにすれば、掃気処理判断部は、燃料電池の掃気処理を行う否かの判断を適切にすることができる。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムの制御方法では、
燃料電池の内部を通り、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記冷却媒体流路において、前記冷却媒体の流れを停止させる工程と、前記冷却媒体流路において、前記冷却媒体の流れを停止させた状態で、前記燃料電池内部、若しくは、前記燃料電池と前記冷媒流止部との間の密閉空間における前記冷却媒体の圧力を検出する工程と、検出した前記圧力に応じて、前記燃料電池の運転制御を行う工程と、を備えることを要旨とする。

上記構成の燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池の動作状態を正確に検出し、それに応じて適切な制御を行うことができる。

なお、本発明は、上記した燃料電池システムの他、燃料電池の制御装置など、他の装置発明の態様として実現することも可能である。また、上記した燃料電池システムの制御方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。さらには、それら方法や装置を構築するためのコンピュータプログラムとしての態様や、そのようなコンピュータプログラムを記録した記録媒体としての態様や、上記コンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など、種々の態様で実現することも可能である。

また、本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、上記装置の動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ａ１．燃料電池システム１００の構成：
図１は、本発明の実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１００は、主に、燃料電池１０と、水素タンク２０と、コンプレッサ３０と、パージ弁４０と、水素循環ポンプ５０と、冷媒循環ポンプ５５と、冷媒流止弁７１，７２と、ラジエータ７０と、負荷８０と、圧力センサ９０と、電圧センサ９５と、水素遮断弁２００と、制御回路４００と、を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子型の燃料電池であり、複数の単セル（以下単にセルと呼ぶ。）を複数積層したスタック構造を有している。各セルは、電解質膜（図示せず）を挟んでアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した構成となっている。燃料電池１０は、各々のセルのアノード側に水素を含有する燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０は、生じた電力を燃料電池１０に接続される負荷８０に供給する（図１参照）。なお、燃料電池１０としては、上記した固体高分子型燃料電池の他、水素分離膜型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。以下では、燃料電池１０内において、燃料ガスが流れる流路をアノード流路２５と呼び、酸化ガスが流れる流路をカソード流路３５と呼ぶ。

水素タンク２０は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、燃料ガス供給流路２４を介して燃料電池１０のアノード流路２５に接続されている。燃料ガス供給流路２４上において、水素タンク２０から近い順番に、水素遮断弁２００と、調圧弁（図示せず）とが設けられている。水素遮断弁２００を開弁することにより、燃料電池１０に水素ガスを燃料ガスとして供給する。なお、水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノード側へ供給するものとしてもよい。

燃料電池１０のアノード流路２５は、燃料ガス排出流路２６と接続され、この燃料ガス排出流路２６上には、パージ弁４０が設けられている。燃料電池システム１００の運転中において、パージ弁４０を定期的に開弁することで、アノードで電気化学反応に供された後の燃料ガスは、定期的に、燃料ガス排出流路２６、パージ弁４０を介し外部へ排出される。

燃料ガス排出流路２６において、パージ弁４０よりも燃料ガスを排出する流れ方向に対して上流側の位置から、燃料ガス供給流路２４へ接続されるガス循環流路２７が設けられている。このガス循環流路２７上には、水素循環ポンプ５０が設けられる。このガス循環流路２７は、水素循環ポンプ５０によって勢いをつけて送りだされた燃料ガスを、燃料ガス供給流路２４に導く。このようにガス循環流路２７は、燃料ガスを循環する役割を担っている。このようにして、燃料ガスに含まれる水素ガスは、循環して、燃料ガスとして再び発電に使用される。

コンプレッサ３０は、酸化ガス供給流路３４を介して燃料電池１０のカソード流路３５に接続され、空気を圧縮し酸化ガスとして、カソードに供給する。また、カソード流路３５は、酸化ガス排出流路３６と接続され、カソードで電気化学反応に供された後の酸化ガスは、この酸化ガス排出流路３６を介して、燃料電池システム１００の外部に排出される。

また、燃料電池システム１００は、燃料電池１０を冷却するための冷却媒体（以下では、冷媒とも呼ぶ）を循環させるための冷媒循環流路７５を備えている。この冷媒循環流路７５は、一部が燃料電池１０の内部を通っており、そこで、冷媒と燃料電池１０との間で熱交換が行われる。冷媒循環流路７５において、燃料電池１０内部を通る流路を特に燃料電池冷却流路１７とも呼ぶ。また、この冷媒循環流路７５上には、ラジエータ７０、冷媒循環ポンプ５５、冷媒流止弁７１，７２が設けられる。なお、冷媒としては、水や、水とエチレングリコールとの混合液（不凍液）などを用いることができる。

冷媒循環ポンプ５５は、冷媒循環流路７５において、冷媒を循環させるためのポンプである。図１において、冷媒の循環方向（以下では、単に循環方向とも呼ぶ）は、時計回りとなっている。

ラジエータ７０は、冷媒循環流路７５において、冷媒循環ポンプ５５より循環方向の上流に設けられ、燃料電池で暖められた冷媒を外気と熱交換することによって冷却する。

冷媒流止弁７１は、遮断弁であり、冷媒循環流路７５において、ラジエータ７０と燃料電池１０との間であって、ラジエータ７０より循環方向の下流の位置に設けられる。冷媒流止弁７２も、遮断弁であり、冷媒循環流路７５において、ラジエータ７０と燃料電池１０との間であって、ラジエータ７０より循環方向の上流の位置に設けられる。ここで、冷媒循環流路７５において、特に、冷媒流止弁７１および冷媒流止弁７２との間の流路であって、燃料電池冷却流路１７を含む流路を圧力検出流路７５Ａとも呼ぶ。

圧力センサ９０は、圧力検出流路７５Ａにおいて、燃料電池１０と冷媒流止弁７２との間に設けられ、圧力検出流路７５Ａにおける冷媒の圧力を検出するためのセンサである。なお、冷媒流止弁７１および冷媒流止弁７２が閉弁した状態では、圧力検出流路７５Ａは、密閉空間となり、すなわち、冷媒の流れは停止した状態となり、燃料電池１０から熱エネルギが伝わると、それに応じて圧力も上昇する。後述する圧力検出部４１０は、圧力検出流路７５Ａにおける冷媒の圧力を圧力センサ９０を介して検出する。電圧センサ９５は、燃料電池１０において、各セルの起電圧を検出するためのセンサである。

負荷８０は、燃料電池１０の発電の際に接続される。その際、後述する制御回路４００は、負荷８０からの電力要求により発電量を決定し、それに基づき、酸化ガス供給量や燃料ガス供給量等を調整して、燃料電池１０から負荷８０に要求発電量を供給させる。負荷８０としては、例えば、モータや二次電池などがある。

制御回路４００は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）と、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）と、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）と、各種信号を入出力する入出力ポート（図示せず）等を備える。そして、この制御回路４００は、コンプレッサ３０、パージ弁４０、水素循環ポンプ５０、冷媒循環ポンプ５５、冷媒流止弁７１，７２、水素遮断弁２００などを制御し、すなわち、燃料電池システム１００全体の制御を行う。

また、制御回路４００は、圧力検出部４１０と、温度上昇判断部４２０と、冷媒流止制御部４３０と、運転制御部４４０と、発電部４５０、停止制御部４６０と、掃気判断部４７０としても機能し、後述する燃料電池システム起動処理、フラッディング抑制処理、燃料電池システム停止処理などを実行する。さらに、制御回路４００は、その日の日付を表す日付データを記憶する日付データ記憶部４８０を備えている。この日付データは、制御回路４００により毎日更新される。

本実施例の燃料電池システム１００は、以下の（１）〜（３）の３つの処理を実行する。
（１） 燃料電池システム１００の起動時に行う燃料電池システム起動処理
（２） 通常発電中において行うフラッディング抑制処理
（３） 燃料電池システム１００の起動終了時において行う燃料電池システム停止処理
これらの処理をこの順番で以下に説明する。

Ａ２．燃料電池システム起動処理：
図２は、本実施例の燃料電池システム１００が行う燃料電池システム起動処理のフローチャートである。まず、この処理の前提条件について説明する。燃料電池システム起動処理開始前おいて、冷媒流止弁７１、冷媒流止弁７２、水素遮断弁２００、および、パージ弁４０は、閉弁されている。また、冷媒循環ポンプ５５、水素循環ポンプ５０および、コンプレッサ３０は駆動していない。従って、圧力検出流路７５Ａは、冷媒からなる密閉空間である。この燃料電池システム起動処理では、起動時において、制御回路４００が所定の判断を行い、必要があれば燃料電池１０の暖機を行う。

燃料電池システム起動処理が開始されると、まず、温度上昇判断部４２０は、圧力センサ９０から、圧力検出流路７５Ａにおける冷却媒体圧力Ｐ１を検出する（図２、ステップＳ１０）。そして、温度上昇判断部４２０は、冷却媒体圧力Ｐ１が所定の閾値αｔｈより大きいか否かを判断する（図２、ステップＳ２０）。温度上昇判断部４２０が、冷却媒体圧力Ｐ１が閾値αｔｈより大きいと判断した場合には（図２、ステップＳ２０：ＹＥＳ）、運転制御部４４０は、燃料電池１０の暖機は不要であると判断し、冷媒流止弁７１、冷媒流止弁７２を開弁し、冷媒循環ポンプ５５を駆動し、冷媒循環流路７５において、冷媒の循環を開始させる（図２、ステップＳ６０）。制御回路４００は、その後、通常発電を開始する。

一方、温度上昇判断部４２０が、冷却媒体圧力Ｐ１が閾値αｔｈ以下と判断した場合には（図２、ステップＳ２０：ＮＯ）、発電部４５０は、燃料電池１０に発電させる（図２、ステップＳ３０）。具体的には、発電部４５０は、燃料電池１０と負荷８０とを接続する。そして、発電部４５０は、コンプレッサ３０を駆動して、燃料電池１０のカソード側に酸化ガスを供給し、水素循環ポンプ５０を駆動すると共に、水素遮断弁２００を開弁して、アノード側に燃料ガスを供給する。これにより、燃料電池１０の発電開始され、燃料電池１０は暖機される（すなわち、燃料電池１０に熱エネルギが与えられる）。

続いて、圧力検出部４１０は、圧力センサ９０から、圧力検出流路７５Ａにおける冷却媒体圧力Ｐ２を検出する（図２、ステップＳ４０）。そして、運転制御部４４０は、冷却媒体圧力Ｐ２が所定の閾値αｔｈより大きいか否かを判断する（図２、ステップＳ５０）。運転制御部４４０が、冷却媒体圧力Ｐ２が閾値αｔｈ以下だと判断すると（図２、ステップＳ５０：ＮＯ）、制御回路４００は、燃料電池１０の暖機が不十分だと判断し、ステップＳ３０の処理にリターンする。閾値αｔｈは、燃料電池システム１００の具体的な設計に基づいて決定される。

運転制御部４４０は、冷却媒体圧力Ｐ２が閾値αｔｈより大きい場合には（図２、ステップＳ５０：ＹＥＳ）、燃料電池１０の暖機が十分だと判断し、冷媒循環流路７５において、冷媒の循環を開始させる（図２、ステップＳ６０）。制御回路４００は、その後、通常発電を開始する。

ところで、例えば、内部に冷媒が封入された空間（密閉空間）に、外部から冷媒に熱エネルギ（以下、伝達エネルギと呼ぶ）が伝達された場合、この冷媒において、伝達エネルギによって温度、圧力ともに上昇する。しかしながら、この場合、冷媒において、一定時間温度ムラが生じ、伝達エネルギの伝達部分から遠い部分では、伝達エネルギの影響をすぐには受けない。そうすると、伝達部分から遠い部分の温度を測定し、それを冷媒の代表的な温度とすると、冷媒の正確な状態を知ることはできないおそれがあった。一方、この冷媒において、圧力は伝達エネルギの影響を瞬時に受けやすく、すなわち、冷媒全体で速やかに平衡状態になりやすい。従って、冷媒において、圧力を測定すれば、冷媒の正確な状態を知ることができる。

そこで、以上のように、本実施例の燃料電池システム１００は、上述した燃料電池システム起動処理（図２）で、圧力検出流路７５Ａにおいて、冷媒の流れが停止した状態（密閉状態）で、冷却媒体圧力Ｐ２を検出するようにしている。このようにすれば、暖機（発電）の影響による燃料電池の状態を正確に知ることができる。そして、この冷却媒体圧力Ｐ２の検出結果に応じて、冷媒循環流路７５において、冷媒の循環を開始し、通常発電を開始するようにしている。このようにすれば、冷媒循環流路７５における冷媒の循環開始、若しくは、通常発電の開始を適切なタイミングで実行することができる。言い換えれば、燃料電池の動作状態を冷却媒体圧力Ｐ２により正確に検出し、それに応じて適切な制御を行うことが可能となる。

Ａ３．フラッディング抑制処理：
図３は、本実施例の燃料電池システム１００が行うフラッディング抑制処理のフローチャートである。まず、この処理の前提条件について説明する。このフラッディング抑制処理開始前において、冷媒流止弁７１、冷媒流止弁７２、および、水素遮断弁２００は、開弁され、パージ弁４０は閉弁されており、冷媒循環ポンプ５５、水素循環ポンプ５０および、コンプレッサ３０は駆動している。従って、圧力検出流路７５Ａは、冷媒が流れた状態である。このフラッディング抑制処理は、通常発電中に随時行われ、燃料電池１０がフラッディング状態であると、燃料電池１０を暖機させ、各セル内部の水の蒸発を促進させてフラッディングの抑制を行う。

フラッディング抑制処理において、温度上昇判断部４２０は、燃料電池１０がフラッディング状態か否かを判断する（図３、ステップＳ１１０）。具体的には、温度上昇判断部４２０は、電圧センサ９５から、燃料電池１０の各セルの起電圧Ｖａをそれぞれ検出し、各セルの起電圧Ｖａから平均起電圧Ｖａｖを算出する。そして、温度上昇判断部４２０は、算出した平均起電圧Ｖａｖから、一定レベル低い電圧である基準電圧Ｖｋを設定し、各セルの起電圧Ｖａと基準電圧Ｖｋをそれぞれ比較して、起電圧Ｖａが基準電圧Ｖｋよりも低いセルをフラッディング状態であると判断する。以下では、このように、フラッディング状態のセルをフラッディングセルと呼ぶ。そして、温度上昇判断部４２０は、フラッディングセルの合計数Ｓｒを求め、フラッディングセル合計数Ｓｒが、所定数Ｓｔｈより多い場合に燃料電池１０がフラッディング状態と判断する。この所定数Ｓｔｈは、燃料電池１０の具体的な設計内容（セル数など）によって、適宜定められる。

温度上昇判断部４２０は、燃料電池１０がフラッディング状態でないと判断した場合には（図３、ステップＳ１１０：ＮＯ）、ステップＳ１１０の処理を繰り返す。

温度上昇判断部４２０が、燃料電池１０がフラッディング状態と判断すると（図３、ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、冷媒流止制御部４３０は、冷媒循環ポンプ５５の駆動を停止させると共に、冷媒流止弁７２および冷媒流止弁７１を閉弁し、冷媒循環流路７５において、冷媒の循環を停止させる（図３、ステップＳ１２０）。

この場合、発電部４５０は、燃料電池１０に発電を継続させて、燃料電池１０を暖機する（図３、ステップＳ１３０）。

続いて、圧力検出部４１０は、圧力センサ９０から圧力検出流路７５Ａにおける冷却媒体圧力Ｐ３を検出する（図３、ステップＳ１４０）。そして、運転制御部４４０は、冷却媒体圧力Ｐ３が所定の閾値βｔｈより大きいか否かを判断する（図３、ステップＳ１５０）。運転制御部４４０が、冷却媒体圧力Ｐ３が閾値βｔｈ以下だと判断すると（図３、ステップＳ１５０：ＮＯ）、制御回路４００は、燃料電池１０の暖機が不十分だと判断し、ステップＳ１３０の処理にリターンする。閾値βｔｈは、燃料電池システム１００の具体的な設計に基づいて決定される。

運転制御部４４０は、冷却媒体圧力Ｐ３が閾値βｔｈより大きい場合には（図３、ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、燃料電池１０の暖機が十分で燃料電池１０のフラッディングが解消されたと判断し、冷媒流止弁７１、冷媒流止弁７２を開弁すると共に、冷媒循環ポンプ５５を駆動し、冷媒循環流路７５において、冷媒の循環を開始させる（図３、ステップＳ１６０）。その後、制御回路４００は、ステップＳ１１０の処理にリターンする。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００は、上述したフラッディング抑制処理（図３）で、圧力検出流路７５Ａにおいて、冷媒の流れが停止した状態（密閉状態）で、冷却媒体圧力Ｐ３を検出するようにしている。このようにすれば、暖機（発電）の影響による燃料電池の状態を正確に知ることができる。そして、この冷却媒体圧力Ｐ３の検出結果に応じて、冷媒循環流路７５において、冷媒の循環を開始し、通常発電を開始するようにしている。このようにすれば、冷媒循環流路７５における冷媒の循環開始、若しくは、通常発電の開始を適切なタイミングで実行することができる。言い換えれば、燃料電池の動作状態を冷却媒体圧力Ｐ３により正確に検出し、それに応じて適切な制御を行うことが可能となる。

Ａ４．燃料電池システム停止処理：
図４は、本実施例の燃料電池システム１００が行う燃料電池システム停止処理のフローチャートである。まず、この処理の前提条件について説明する。この燃料電池システム停止処理開始前において、通常発電状態であり、冷媒流止弁７１、冷媒流止弁７２、および、水素遮断弁２００は、開弁され、パージ弁４０は閉弁されており、冷媒循環ポンプ５５、水素循環ポンプ５０および、コンプレッサ３０は駆動している。従って、圧力検出流路７５Ａは、冷媒が流れている状態である。この燃料電池システム停止処理では、制御回路４００が燃料電池システム１００の凍結防止のために掃気処理を行うか否かを決定し、掃気処理を行う場合には、残留水排出を促進させるため、発電（暖機）しつつ実行する。

燃料電池システム停止処理において、掃気判断部４７０は、掃気処理を実行するか否かを判断する（図４、ステップＳ２１０）。具体的には、掃気判断部４７０は、日付データ記憶部４８０から日付データを読み込んで、その日付データが表す日付が、寒い季節（例えば、１１月〜３月）に該当するか否かを判断し、該当する場合には、掃気処理を実行すると判断し、該当しない場合には、掃気処理を実行しないと判断する。

掃気判断部４７０が、掃気処理を実行しないと判断した場合には（図４、ステップＳ２１０：ＮＯ）、運転制御部４４０は、コンプレッサ３０、冷媒循環ポンプ５５、および、水素循環ポンプ５０の駆動を停止させると共に、燃料電池１０と負荷８０との接続を遮断し、水素遮断弁２００を閉弁することで、燃料電池システム１００を停止させる（図４、ステップＳ２７０）。

一方、掃気判断部４７０が、掃気処理を実行すると判断した場合には（図４、ステップＳ２１０：ＹＥＳ）、冷媒流止制御部４３０は、冷媒循環ポンプ５５の駆動を停止させると共に、冷媒流止弁７２および冷媒流止弁７１を閉弁し、冷媒循環流路７５において、冷媒の循環を停止させる（図４、ステップＳ２２０）。

次に、発電部４５０は、燃料電池１０に発電させて燃料電池１０を暖機しつつ、掃気処理を行う（図４、ステップＳ２３０）。具体的には、発電部４５０は、燃料電池１０と負荷８０との接続、コンプレッサ３０および水素循環ポンプ５０の駆動を維持しつつ、燃料電池１０のカソード側に大過剰量の酸化ガスを供給し、適宜パージ弁４０を開弁して、カソード側およびアノード側の掃気を行う。

続いて、圧力検出部４１０は、圧力センサ９０から圧力検出流路７５Ａにおける冷却媒体圧力Ｐ４を検出する（図４、ステップＳ２４０）。そして、運転制御部４４０は、冷却媒体圧力Ｐ４が所定の閾値γｔｈより大きいか否かを判断する（図４、ステップＳ２５０）。運転制御部４４０が、冷却媒体圧力Ｐ４が閾値γｔｈ以下だと判断すると（図４、ステップＳ２５０：ＮＯ）、制御回路４００は、燃料電池１０の暖機が不十分だと判断し、ステップＳ２３０の処理にリターンする。閾値γｔｈは、燃料電池システム１００の具体的な設計に基づいて決定される。

運転制御部４４０は、冷却媒体圧力Ｐ４が閾値γｔｈより大きい場合には（図４、ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、燃料電池１０の暖機が十分だと判断し、所定時間掃気処理（ステップＳ２３０参照）を続けた後（図４、ステップＳ２６０：ＹＥＳ）、燃料電池システム１００を停止させる（図４、ステップＳ２７０）。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１００は、上述した燃料電池システム停止処理（図４）で、圧力検出流路７５Ａにおいて、冷媒の流れが停止した状態（密閉状態）で、冷却媒体圧力Ｐ４を検出するようにしている。このようにすれば、暖機（発電）の影響による燃料電池１０の状態を正確に知ることができる。そして、この冷却媒体圧力Ｐ４の検出結果に応じて、掃気処理を終了し、燃料電池システムを停止させるようにしている。このようにすれば、掃気処理終了、すなわち、燃料電池システム停止を適切なタイミングで実行することができる。言い換えれば、燃料電池の動作状態を冷却媒体圧力Ｐ４により正確に検出し、それに応じて適切な制御を行うことが可能となる。

なお、上記実施例において、冷媒循環流路７５は、請求項における冷媒循環流路に該当し、冷媒流止弁７１，７２および冷媒循環ポンプ５５は、請求項における冷媒流止部に該当し、圧力検出部４１０は、請求項における圧力検出部に該当し、運転制御部４４０は、請求項における運転制御部に該当し、温度上昇判断部４２０は、請求項における第１温度上昇判断部または第２温度上昇判断部に該当し、発電部４５０は、請求項における暖機部または掃気処理部に該当し、掃気判断部４７０は、請求項における掃気判断部に該当し、停止制御部４６０は、請求項における停止制御部に該当する。

Ｂ．変形例：
なお、本発明では、上記した実施の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て実施することが可能である。

Ｂ１．変形例１：
図５は、変形例１の燃料電池システム１００Ａが行う燃料電池システム停止処理のフローチャートである。この本変形例における燃料電池システム停止処理は、上記実施例の燃料電池システム停止処理（図４）とは、異なる処理を行う。以下に図５を用いて具体的に説明する。なお、前提条件は、上記実施例の燃料電池システム１００が行う燃料電池システム停止処理と同様である。また、本変形例１の燃料電池システム停止処理では、掃気処理を実行する場合には、燃料電池１０の放熱を行った後、掃気処理（発電なし）を実行する。燃料電池システム１００Ａの機能ブロックは、上記実施例の燃料電池システム１００と同様であるので説明を省略する。

まず、この燃料電池システム停止処理において、掃気判断部４７０は、掃気処理を実行するか否かを判断する（図５、ステップＳ３１０）。この判断は、上記実施例の燃料電池システム停止処理（図４）のステップＳ２１０の処理と同様であるので、説明を省略する。

掃気判断部４７０が、掃気処理を実行しないと判断した場合には（図５、ステップＳ３１０：ＮＯ）、運転制御部４４０は、コンプレッサ３０、冷媒循環ポンプ５５、および、水素循環ポンプ５０の駆動を停止させると共に、燃料電池１０と負荷８０との接続を遮断し、水素遮断弁２００を閉弁することで、燃料電池システム１００を停止させる（図５、ステップＳ３６０）。

一方、掃気判断部４７０が、掃気処理を実行すると判断した場合には（図５、ステップＳ３１０：ＹＥＳ）、停止制御部４６０は、コンプレッサ３０、および、水素循環ポンプ５０の駆動を停止させると共に、燃料電池１０と負荷８０との接続を遮断し、水素遮断弁２００を閉弁することで、燃料電池１０の発電を停止させる（図５、ステップＳ３２０）。この場合、冷媒循環流路７５において、冷媒は冷媒循環ポンプ５５によって、循環している。

次に、冷媒流止制御部４３０は、所定時間経過後（この間、特に燃料電池１０は放熱される）、冷媒循環ポンプ５５の駆動を停止させると共に、冷媒流止弁７２および冷媒流止弁７１を閉弁し、冷媒循環流路７５において、冷媒の循環を停止させる（図５、ステップＳ３３０）。

続いて、圧力検出部４１０は、圧力センサ９０から圧力検出流路７５Ａにおける冷却媒体圧力Ｐ５を検出する（図５、ステップＳ３４０）。そして、運転制御部４４０は、冷却媒体圧力Ｐ５が所定の閾値δｔｈより小さいか否かを判断する（図５、ステップＳ３４０）。運転制御部４４０が、冷却媒体圧力Ｐ５が閾値δｔｈ以上だと判断すると（図５、ステップＳ３４０：ＮＯ）、制御回路４００は、燃料電池１０における放熱が十分でないと判断し、ステップＳ３４０の処理にリターンする。なお、閾値δｔｈは、燃料電池システム１００の具体的な設計に基づいて決定される。

そして、運転制御部４４０は、冷却媒体圧力Ｐ５が閾値δｔｈより小さい場合には（図５、ステップＳ３４０：ＹＥＳ）、燃料電池１０における放熱が十分であると判断し、発電を伴わずに掃気処理を実行する（図５、ステップＳ３５０）。具体的には、運転制御部４４０は、燃料電池１０と負荷８０との接続を遮断し、水素遮断弁２００を閉弁した状態で、コンプレッサ３０および水素循環ポンプ５０の駆動を維持しつつ、パージ弁４０を開弁し、燃料電池１０のカソード側に大過剰量の酸化ガスを供給し、カソード側およびアノード側の掃気を行う。

その後、運転制御部４４０は、掃気処理を所定時間行った後、燃料電池システム１００Ａを停止させる（図５、ステップＳ３６０）。

以上のように、本変形例の燃料電池システム１００Ａは、上述した燃料電池システム停止処理（図５）で、圧力検出流路７５Ａにおいて、冷媒の流れが停止した状態（密閉状態）で、冷却媒体圧力Ｐ５を検出するようにしている。このようにすれば、放熱による燃料電池１０の状態を正確に知ることができる。そして、この冷却媒体圧力Ｐ５の検出結果に応じて、掃気処理を行うようにしている。このようにすれば、燃料電池１０の内部温度が十分に下がった状態で、掃気処理を適切なタイミングで実行することができる。言い換えれば、燃料電池の動作状態を冷却媒体圧力Ｐ５により正確に検出し、それに応じて適切な制御を行うことが可能となる。

また、本変形例の燃料電池システム１００Ａは、上述した燃料電池システム停止処理（図５）において、燃料電池１０の内部温度を十分に下げてから、掃気処理を行うようにしている。このようにすれば、掃気処理において、燃料電池１０の各セルにおける電解質膜の乾燥を抑制することができる。

Ｂ２：変形例２：
上記実施例の燃料電池システム１００は、各処理（図２，図３、図４参照）で、冷却媒体圧力を検出する際に、冷媒循環流路７５において、冷媒流止弁７１および冷媒流止弁７２を閉弁した状態で、検出するようにしているが、これに限られず、冷媒流止弁７１および冷媒流止弁７２が開弁した状態であってもよい。この場合、冷媒循環ポンプ５５の駆動を停止させ、冷媒循環流路７５において、冷媒の流れが停止した状態で、冷却媒体圧力を検出すればよい。

Ｂ３：変形例３：
上記実施例の燃料電池システム１００は、各処理（図２，図３、図４参照）において、発電部４５０が発電を実行することで、燃料電池１０を暖機するようにしているが、本発明はこれに限られることはない。例えば、ヒータで燃料電池１０を暖機するようにしてもよいし、コンプレッサ３０や水素循環ポンプ５０などから生じる熱で燃料電池１０を暖機するようにしてもよい。

Ｂ４：変形例４：
上記実施例の燃料電池システム１００または上記変形例１の燃料電池システム１００Ａでは、燃料電池システム停止処理（図４または図５）において、掃気判断部４７０は、日付データが表す日付に基づいて、掃気処理を行うか否かの判断を行うようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。燃料電池システムは、ＧＰＳ装置（図示せず）と、寒冷地域情報が示される寒冷地データ（図示せず）とを備え、掃気判断部４７０は、ＧＰＳ装置から取得した位置データを取得し、位置データが表す位置と、寒冷地データが表す寒冷地情報とを勘案して、掃気処理を行うか否かの判断を行うようにしてもよい。この場合、日付データが表す日付も考慮するようにしてもよい。また、燃料電池システムは、燃料電池システムの外部温度を検出するための温度センサ（図示せず）を備えており、燃料電池システムの起動時に、温度センサから外部温度を検出して気温データとして記憶しておく。そして、掃気判断部４７０は、気温データを取得し、その気温データが表す温度が所定の閾値より低いか否かを検討し、その温度がその閾値より低い場合に、掃気処理を行うと判断するようにしてもよい。

Ｂ５．変形例５：
上記実施例の燃料電池システム１００では、圧力センサ９０は、圧力検出流路７５Ａにおいて、燃料電池１０と冷媒流止弁７２との間に設けられているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、圧力センサ９０は、冷媒循環流路７５Ａにおいて、燃料電池冷却流路１７や、燃料電池１０と冷媒流止弁７１との間に設けられていてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｂ６．変形例６：
上記実施例の燃料電池システム１００では、各処理（図２、図３、図４）で、運転制御部４４０は、冷媒循環流路７５において検出した冷却媒体圧力に基づいて、種々の制御を行っているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１００は、冷媒循環流路７５における冷却媒体圧力を温度に置き換える相関データ（相関式、相関表等）を備えており、運転制御部４４０は、検出した冷却媒体圧力から求まる温度に基づいて、上記種々の制御を行うようにしてもよい。このようにしても上記実施例と同様の効果を奏することができる。

Ｂ７．変形例７：
上記実施例において、制御回路４００の各部は、ソフトウェア的に構成されているものを、ハードウェア的に構成するようにしてもよいし、ハードウェア的に構成されているものを、ソフトウェア的に構成するようにしてもよい。

本発明の実施例としての燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。 上記実施例の燃料電池システム１００が行う燃料電池システム起動処理のフローチャートである。 上記実施例の燃料電池システム１００が行うフラッディング抑制処理のフローチャートである。 上記実施例の燃料電池システム１００が行う燃料電池システム停止処理のフローチャートである。 上記変形例１の燃料電池システム１００Ａが行う燃料電池システム停止処理のフローチャートである。

符号の説明

１０...燃料電池
２０...水素タンク
３０...コンプレッサ
３５...カソード流路
４０...パージ弁
５０...水素循環ポンプ
５５...冷媒循環ポンプ
７０...ラジエータ
７１...冷媒流止弁
７２...冷媒流止弁
７５...冷媒循環流路
７５Ａ...圧力検出流路
８０...負荷
９０...圧力センサ
９５...電圧センサ
１００...燃料電池システム
１００Ａ...燃料電池システム
２００...水素遮断弁
４００...制御回路
４１０...圧力検出部
４２０...温度上昇判断部
４３０...冷媒流止制御部
４４０...運転制御部
４５０...暖機部
４６０...停止制御部
４７０...掃気判断部
４８０...日付データ記憶部

Claims (12)

1. 燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池内部を通り、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路と、
   前記冷却媒体流路において、前記冷却媒体の流れを停止させる冷媒流止部と、
   前記冷却媒体流路において、前記冷却媒体の流れを停止させた状態で、前記燃料電池内部、若しくは、前記燃料電池と前記冷媒流止部との間の密閉空間における前記冷却媒体の圧力を検出する圧力検出部と、
   前記圧力検出部が検出した前記圧力に応じて、前記燃料電池の運転制御を行う運転制御部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池を暖機する暖機部を備え、
   前記圧力検出部は、
   前記冷媒流止部により前記冷却媒体の流れが停止された状態であって、前記暖機部に暖機されることによって上昇した前記冷却媒体の圧力を検出する第１検出部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記運転制御部は、
   前記第１検出部によって検出された前記冷却媒体の圧力が、第２閾値より大きい場合に、前記冷却媒体流路において、前記燃料電池に向けて冷却媒体を流し始めることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムの起動時において、前記冷却媒体の圧力を検出し、該圧力が、第１閾値以下の場合に、前記燃料電池の温度上昇が必要と判断する第１温度上昇判断部を備え、
   前記暖機部は、
   前記第１温度上昇判断部が、前記燃料電池の温度上昇が必要と判断した場合において、前記燃料電池を暖機することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池内部にフラッディングが生じている場合に、前記燃料電池の温度上昇が必要と判断する第２温度上昇判断部を備え、
   前記第２温度上昇判断部が、前記燃料電池の温度上昇が必要と判断した場合において、前記燃料電池を暖機することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムの停止時において、前記暖機部が燃料電池を暖機させている際に、掃気処理を行う掃気処理部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記運転制御部は、
   前記第１検出部によって検出された前記冷却媒体の圧力が、第３閾値より大きい場合に、前記燃料電池システムを停止させることを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項６または請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムの停止時において、前記掃気処理を行うか否かを判断する掃気判断部を備え、
   前記掃気処理部は、
   前記掃気判断部が、前記掃気処理を行うと判断した場合に、前記燃料電池に発電させつつ、前記掃気処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の掃気処理を行うか否かを判断する掃気判断部と、
   前記掃気判断部が、前記燃料電池の掃気処理が必要と判断した場合において、前記燃料電池の発電を停止させる停止制御部と、を備え、
   前記圧力検出部は、
   前記停止制御部が前記燃料電池の発電を停止させた後であって、前記冷媒流止部により前記冷却媒体の流れが停止された状態で、前記冷却媒体の圧力を検出する第２検出部を備え、
   前記運転制御部は、
   前記第２検出部によって検出された前記冷却媒体の圧力が第４閾値より小さい場合に、発電を伴わない掃気処理を実行することを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項２ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
    前記暖機部は、
    前記燃料電池に発電を行わせることによって、前記燃料電池を暖機することを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項８または請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、
    前記掃気判断部は、
    日付データ、または、前記燃料電池システムの起動時の外部気温を表す気温データの少なくとも一方のデータに基づいて、前記燃料電池の掃気処理を行う否かを判断することを特徴とする燃料電池システム。
12. 燃料電池の内部を通り、前記燃料電池を冷却するための冷却媒体を流す冷却媒体流路を備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記冷却媒体流路において、前記冷却媒体の流れを停止させる工程と、
    前記冷却媒体流路において、前記冷却媒体の流れを停止させた状態で、前記燃料電池内部、若しくは、前記燃料電池と前記冷媒流止部との間の密閉空間における前記冷却媒体の圧力を検出する工程と、
    検出した前記圧力に応じて、前記燃料電池の運転制御を行う工程と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

Images