JP7119705B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池の内部には、運転中に生じた生成水や反応ガスの加湿のための水などが存在する。燃料電池の運転終了後に燃料電池の温度が低下して氷点下になった場合、燃料電池の内部、例えば、単セル内の触媒層やガス拡散層の細孔に残留する水が凍結して、次回始動時における反応ガスやオフガスの流通が阻害される。そこで、燃料電池の運転終了後に掃気処理を実行する燃料電池システムが提案されている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池を急速に昇温させる急速暖機運転を実行した後に、急速暖機運転よりも燃料電池の昇温速度が遅い通常暖機運転を実行し、その上で、燃料電池の掃気処理が実行される。

特開２０１７－１０９０８号公報

しかしながら、従来、燃料電池の掃気処理に関して十分な工夫がなされていないのが実情である。例えば、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の温度が高く、ガス流通補機の温度が低い場合、急速暖機運転から通常暖機運転に切り替えられた上で掃気処理が実行される。したがって、例えば、低温環境下に放置されていた燃料電池システムが起動後、短時間運転されて運転終了された場合、ガス流通補機の温度が低いまま、燃料電池の温度が低下することがある。このとき、特許文献１の実施形態のように、ガス流通補機の温度を１０℃～２０℃に暖めておけば、こうした課題は生じないが、ガス流通補機の昇温のために無駄なエネルギーを使ってしまう。他方、ガス流通補機を昇温させなければ、ガス流通補機の内部は、燃料電池から排出された暖かく湿ったオフガスで封止されてしまい、かかるオフガスに含まれる水分が凍結するおそれがある。そこで、燃料電池の掃気処理を適切に実行可能な技術が求められている。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、前記燃料電池から排出されるオフガスの循環流路に設けられた部品と、前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する電池温度取得部と、前記部品の温度である部品温度を取得する部品温度取得部と、二次電池と、前記二次電池の蓄電量を取得する蓄電量取得部と、前記燃料電池システムの発電の停止の際、前記燃料電池の掃気を実行する制御部と、を備える。ここで、前記制御部は、取得された前記燃料電池温度と、取得された前記部品温度と、の差である温度差が予め定められた温度以上である場合に、前記二次電池の前記蓄電量が予め定められた蓄電量となるまでの間、前記燃料電池の暖機処理を実行して該暖機処理により生じた電力を前記二次電池に蓄電し、該暖機処理の実行後、予め定められた掃気能力で前記掃気を実行する。
この形態の燃料電池システムによれば、取得された燃料電池温度と、取得された部品温度と、の差である温度差が予め定められた温度以上である場合に、二次電池の蓄電量が予め定められた蓄電量となるまでの間、燃料電池の暖機処理を実行して該暖機処理により生じた電力を二次電池に蓄電し、該暖機処理の実行後、予め定められた掃気能力で掃気を実行するので、暖機処理によって部品が昇温された状態で燃料電池の掃気を実行できる。この結果、部品内に流入したオフガスや水の残量を低減でき、外気温が低下して部品の温度が低下していても、かかる部品内においてオフガスや水が凍結することを抑制できる。したがって、燃料電池を次に起動した際に、循環流路の一部または全部が閉塞して発電が行えなくなることを抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記暖機処理において前記二次電池の前記蓄電量が前記予め定められた蓄電量に達したときに、前記温度差が前記予め定められた温度以上である場合、前記暖機処理の実行後、前記予め定められた掃気能力に比べて高い掃気能力で前記掃気を実行してもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、暖機処理において二次電池の蓄電量が予め定められた蓄電量に達したときに、温度差が予め定められた温度以上である場合、暖機処理の実行後、予め定められた掃気能力に比べて高い掃気能力で掃気を実行するので、部品における燃料電池から排出されたオフガスや水の排出力を高めることができる。この結果、暖機処理後に温度差が予め定められた温度以上であっても、かかる部品においてオフガスに含まれる水分や水が凍結することを抑制できる。

本開示は、種々の実施形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムにおける掃気制御方法等の形態で実現できる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 掃気処理の処理手順を示すフローチャート。 第２実施形態における掃気処理の処理手順を示すフローチャート。 第３実施形態における掃気処理の処理手順を示すフローチャート。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本開示の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば、車両に搭載され、運転者からの要求に応じて車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、酸化剤ガス供給排出部３０と、燃料ガス供給排出部５０と、冷却媒体循環部７０と、制御装置２０とを備える。燃料電池システム１００は、さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、二次電池９２とを備える。

燃料電池１０は、反応ガスとして水素ガスおよび空気の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料電池１０は、複数のセル１１が積層されたスタック構造を有する。図示は省略するが、各セル１１は、電解質膜の両面に電極を配置した膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のガス拡散層および一対のセパレータとを有する。燃料電池１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０を介して二次電池９２または負荷９３に供給される。

二次電池９２は、燃料電池１０により発電された電力を蓄電し、燃料電池１０とともに燃料電池システム１００における電力の供給源として機能する。二次電池９２の電力は、図示しないトラクションモータ等の負荷９３や、後述のエアコンプレッサ３３、水素ポンプ６５、各種弁に、供給される。本実施形態において、二次電池９２は、充放電可能なリチウムイオン電池によって構成されている。なお、二次電池９２は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池等の他の任意の種類の電池により構成されてもよい。

ＳＯＣ検出部９６は、二次電池９２の蓄電量（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出し、制御装置２０に送信する。本実施形態において、蓄電量とは、二次電池９２の充電容量に対する充電残量の比率を意味する。ＳＯＣ検出部９６は、二次電池９２の温度や、出力電圧、出力電流を検出し、これらの検出値に基づき、蓄電量を検出する。

酸化剤ガス供給排出部３０は、酸化剤ガスとしての空気を外気から取り入れて燃料電池１０に供給すると共に、カソード側オフガスを燃料電池１０から外部へと排出する。酸化剤ガス供給排出部３０は、酸化剤ガス配管３１と、エアフローメータ３２と、エアコンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、第１圧力計３５と、分流弁３６と、酸化オフガス配管４１と、第１調圧弁４２とを備える。

酸化剤ガス配管３１は、燃料電池１０の内部に形成されたカソード側の供給マニホールドと連通し、外部から取り込んだ空気を燃料電池１０に供給する。エアフローメータ３２は、酸化剤ガス配管３１に設けられ、取り込んだ空気の流量を測定する。エアコンプレッサ３３は、エアフローメータ３２と酸化オフガス配管４１との接続部位との間に設けられ、制御装置２０からの制御信号に応じて、外気から取り入れた空気を圧縮して酸素を燃料電池１０に供給する。第１開閉弁３４は、エアコンプレッサ３３と燃料電池１０との間に設けられ、エアコンプレッサ３３から燃料電池１０への空気の供給の実行および停止を行う。第１圧力計３５は、燃料電池１０の酸化剤ガス入口の圧力を測定し、制御装置２０に送信する。分流弁３６は、エアコンプレッサ３３と酸化オフガス配管４１との間に設けられ、燃料電池１０と酸化オフガス配管４１への空気の流量を調節する。

酸化オフガス配管４１は、燃料電池１０の内部に形成されたカソード側の排出マニホールドと連通する。酸化オフガス配管４１は、各セル１１から排出されるカソード側オフガスを燃料電池システム１００の外部（大気）へと排出する。第１調圧弁４２は、制御装置２０からの制御信号に応じて、燃料電池１０のカソードガス出口の圧力を調整する。

燃料ガス供給排出部５０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０に供給すると共に、アノードオフガスを燃料電池１０から外部へと排出する。燃料ガス供給排出部５０は、燃料ガス配管５１と、水素ガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２調圧弁５４と、インジェクタ５５と、第２圧力計５６と、燃料オフガス配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、水素ポンプ６５とを備える。

燃料ガス配管５１は、水素ガスタンク５２と燃料電池１０とを接続し、水素ガスタンク５２内の水素ガスおよび水素ポンプ６５から送られる余剰水素ガスを燃料電池１０に供給する。第２開閉弁５３、第２調圧弁５４、インジェクタ５５、および第２圧力計５６は、この順序で水素ガスタンク５２から燃料電池１０に向かって燃料ガス配管５１に配置されている。

第２開閉弁５３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、水素ガスタンク５２からインジェクタ５５への水素ガスの流入を制御する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２調圧弁５４は、制御装置２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５に供給する水素ガスの圧力を所定の圧力に調整する。インジェクタ５５は、制御装置２０からの制御信号に応じて、制御装置２０が設定した駆動周期および開閉時間に応じて弁を開閉することにより、水素ガスを燃料電池１０に供給すると共にその供給量を調整する。第２圧力計５６は、燃料電池１０の水素ガス入口の圧力を測定し、制御装置２０に送信する。

燃料オフガス配管６１は、燃料電池１０の内部に形成されたアノード側の排出マニホールドと気液分離器６２とを接続する。燃料オフガス配管６１は、燃料電池１０からアノード側オフガスを排出するための流路であり、発電反応に用いられなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノード側オフガスを気液分離器６２へと誘導する。

気液分離器６２は、燃料オフガス配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、燃料オフガス配管６１内のアノード側オフガスに含まれる水素ガスと水とを分離し、水素ガスを含むガスを循環配管６４へ流入させ、水を貯水する。

排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられた開閉弁である。排気排水弁６３は、制御装置２０からの制御信号に応じて開閉し、気液分離器６２により分離された水およびアノード側オフガスに含まれている窒素ガス等の不純物ガスを酸化オフガス配管４１へ排出する。

循環配管６４は、インジェクタ５５よりも下流側において燃料ガス配管５１と接続している。循環配管６４には、制御装置２０からの制御信号に応じて駆動される水素ポンプ６５が配置されている。水素ポンプ６５は、気液分離器６２において分離されたガス（水素ガスを含むガス）を燃料ガス配管５１に送り出す。燃料電池システム１００では、アノード側オフガスに含まれる水素ガスを含むガスを循環させて、再び燃料電池１０に供給することにより、水素ガスの利用効率を向上させている。

水素ポンプ６５には、水素ポンプ温度取得部６６が設けられている。水素ポンプ温度取得部６６は、水素ポンプ６５の温度を測定し、制御装置２０に送信する。本実施形態において、水素ポンプ温度取得部６６により測定された水素ポンプ６５の温度は、部品温度として用いられる。

冷却媒体循環部７０は、燃料電池１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池１０の温度（以下、「燃料電池温度」と呼ぶ）を調整する。本実施形態では、冷却媒体としてエチレングリコール等の不凍水が用いられる。なお、不凍水に限らず、空気を冷却媒体として用いてもよい。冷却媒体循環部７０は、冷却媒体供給管７１と、冷却媒体排出管７２と、ラジエータ７３と、循環ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス管７６と、電池温度取得部７７とを備える。

冷却媒体供給管７１は、燃料電池１０の内部に形成された冷却媒体供給マニホールドに接続されている。冷却媒体排出管７２は、燃料電池１０の内部に形成された冷却媒体排出マニホールドに接続されている。ラジエータ７３は、冷却媒体排出管７２と冷却媒体供給管７１とに接続されており、冷却媒体排出管７２から流入する冷却媒体を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却してから冷却媒体供給管７１へと排出する。したがって、冷却媒体排出管７２、ラジエータ７３、冷却媒体供給管７１、および燃料電池１０内のマニホールドにより、冷却媒体の循環路が形成されている。

循環ポンプ７４は、冷却媒体供給管７１に配置され、循環ポンプ７４の駆動力によって冷却媒体を燃料電池１０に圧送する。三方弁７５は、ラジエータ７３とバイパス管７６への冷却媒体の流量を調節する。電池温度取得部７７は、冷却媒体排出管７２における燃料電池１０の近傍に配置されており、冷却媒体排出管７２内の冷却媒体の温度を測定し、制御装置２０に送信する。本実施形態において、冷却媒体の温度は、燃料電池温度として用いられる。

以上説明した燃料電池１０は、上述の構成によって供給される水素ガスおよび空気を用いて発電する。発電した電力は、図示しないインバータを介して、図示しない車両走行用の駆動用モータに供給される。燃料電池１０から駆動用モータに電力を供給する電源ラインには、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０の高圧側が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御装置２０の制御に応じて、燃料電池１０の出力電圧を昇圧する。燃料電池１０とＤＣ／ＤＣコンバータ９０との間には、燃料電池１０の電流を測定する電流センサ９５が設けられている。電流センサ９５は、燃料電池１０の出力電流値を測定する。

制御装置２０は、燃料電池システム１００を全体制御する。制御装置２０は、ＣＰＵ２１と、メモリ２５とを備えている。ＣＰＵ２１は、メモリ２５に予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、制御部２２として機能する。

制御部２２は、エアコンプレッサ３３や水素ポンプ６５等の制御装置２０と電気的に接続されている各構成要素の駆動および停止を制御することにより、燃料電池１０および制御装置２０の運転を制御する。本実施形態において、制御部２２は、燃料電池１０の発電を停止して運転を終了させる前、より正確には、運転終了の処理が開始された場合に、後述の終了掃気処理を実行する。また、制御部２２は、燃料電池１０の運転終了後に、後述のソーク中掃気処理を実行する。なお、終了掃気処理とソーク中掃気処理とを合わせて、単に「掃気処理」と呼ぶ。燃料電池システム１００では、掃気処理が実行されることにより、燃料電池１０から排出されるオフガスに含まれる水分および水が水素ポンプ６５において凍結することを抑制しつつ、燃料電池１０内に残留する水の量を低減できる。

掃気処理は、カソード側掃気処理と、アノード側掃気処理とからなる。カソード側掃気処理において、制御部２２は、エアコンプレッサ３３を駆動させて燃料電池１０に酸化剤ガスを供給することにより、燃料電池１０内に残留するカソード側オフガスおよび水を排出する。アノード側掃気処理において、制御部２２は、第２開閉弁５３を閉じるとともに、排気排水弁６３を開放する。そして、制御部２２は、水素ポンプ６５を駆動させて気液分離器６２から排出された水素ガスを燃料電池１０に供給することにより、燃料電池１０内に残留するアノード側オフガスおよび水を排出する。

上述の酸化剤ガス供給排出部３０および燃料ガス供給排出部５０は、発明の概要における反応ガス供給部の下位概念に相当する。また、燃料オフガス配管６１および循環配管６４は、発明の概要における循環流路の下位概念に、水素ポンプ６５は発明の概要における部品に、水素ポンプ温度取得部は発明の概要における部品温度取得部に、ＳＯＣ検出部９６は発明の概要における蓄電量取得部に、それぞれ相当する。

Ａ２．掃気処理：
図２は、燃料電池システム１００で実行される掃気処理の処理手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００では、車両全体の制御をする上位のＥＣＵ（Electronic Control Unit）からイグニッションスイッチがオンからオフに切り替わったことを示す信号が送信され、かかる信号が制御装置２０において受信されると、図２に示す掃気処理が実行される。

制御部２２は、電池温度取得部７７から燃料電池温度を取得する（ステップＳ１０５）。制御部２２は、水素ポンプ温度取得部６６から水素ポンプ温度を取得する（ステップＳ１１０）。なお、ステップＳ１０５およびステップＳ１１０は、任意の順序で実行されてもよいし、同時に実行されてもよい。制御部２２は、燃料電池温度と水素ポンプ温度との温度差ΔＴを算出する（ステップＳ１１５）。制御部２２は、温度差ΔＴとして、燃料電池温度から水素ポンプ温度を減じて得られる値を算出する。制御部２２は、温度差ΔＴが予め定められた閾値温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。本実施形態において、予め定められた閾値温度とは、５℃である。なお、予め定められた閾値温度は、５℃に代えて、５℃から１０℃までの任意の温度を設定してもよい。

温度差ΔＴが閾値温度（５℃）未満であると判定された場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、制御部２２は、終了掃気処理を実行する（ステップＳ１５０）。具体的には、制御部２２は、上述のカソード側掃気処理およびアノード側掃気処理を、予め定められた掃気能力で実行する。より具体的には、アノード側掃気処理において、制御部２２は、水素ポンプ６５の回転数を、最大回転数の約４０％の回転数に設定し、所定期間の間、設定された回転数で水素ポンプ６５を駆動させ続ける。本実施形態において、所定期間とは、６０秒である。なお、所定期間は、６０秒に代えて、６０秒から８０秒までの他の任意の期間を設定してもよい。

終了掃気処理の完了後、制御部２２は、燃料電池１０の運転を終了する（ステップＳ１５５）。制御部２２は、燃料電池１０への水素ガスおよび空気の供給を停止させて、燃料電池１０による発電を停止させる。次に、制御部２２は、ソーク中掃気処理を実行する（ステップＳ１６０）。ここで、本実施形態において、ソークとは、車両のイグニッションスイッチがオフされた状態を意味する。したがって、ソーク中は、制御装置２０の電源もオフにされている。このため、本実施形態では、車両全体の制御をする上位のＥＣＵが制御装置２０への給電を制御することにより、制御装置２０の電源をオフからオンへ切り替え、ソーク中掃気処理の実行を実現する。なお、ソーク中掃気処理の処理手順は、上述のステップＳ１５０における終了掃気処理の処理手順と同じであるので、詳細な説明は省略する。

上述のステップＳ１２０において、温度差ΔＴが閾値温度（５℃）以上であると判定された場合（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、制御部２２は、ＳＯＣ検出部９６から二次電池９２の蓄電量ＳＯＣを取得する（ステップＳ１２５）。次に、制御部２２は、蓄電量ＳＯＣが予め定められた閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。本実施形態において、予め定められた閾値とは、例えば、７０％を意味する。なお、予め定められた閾値は、７０％に代えて、二次電池９２の蓄電量ＳＯＣの上限値を超えない任意の値を設定してもよい。蓄電量ＳＯＣが閾値（７０％）以上でないと判定された場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、制御部２２は、暖機処理を実行する（ステップＳ１３５）。具体的には、制御部２２は、燃料電池１０の発電を継続させる。燃料電池１０によって発電された電力は、二次電池９２に蓄電される。燃料電池１０の発電を継続させることにより、燃料オフガス配管６１および循環配管６４内の水素ガスおよび水は、昇温する。この結果、循環配管６４に設けられた水素ポンプ６５が暖められることになる。

暖機処理の実行後、上述のステップＳ１２０に戻る。そして、温度差ΔＴが閾値温度（５℃）以上であり、燃料電池１０の発電により二次電池９２が蓄電されて、蓄電量ＳＯＣが閾値（７０％）以上であると判定されるまで、上述のステップＳ１２０～ステップＳ１３５が繰り返し実行される。

上述のステップＳ１３０において、蓄電量ＳＯＣが閾値（７０％）以上であると判定された場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御部２２は、燃料電池１０の運転を終了する（ステップＳ１４０）。なお、ステップＳ１４０は、上述のステップＳ１５５と同じであるので、詳細な説明は省略する。次に、制御部２２は、強化ソーク中掃気処理を実行する（ステップＳ１４５）。本実施形態において、強化ソーク中掃気処理は、燃料電池温度が４℃になった際に実行される。これは、以下の理由による。一般に、水の密度は、４．３５℃で最も高く、４．３５℃よりも温度が高くなるにつれて次第に低くなる。したがって、燃料電池１０における排水性をより高めるためには、水の密度がより高い状態で掃気処理を実行することが好ましい。すなわち、燃料電池温度が４．３５℃に近い温度である場合に、掃気処理を実行することが好ましい。このため、制御部２２は、電池温度取得部７７から定期的に燃料電池温度を取得し、燃料電池温度が４℃になったことを検出したときに、強化ソーク中掃気処理を実行する。なお、強化ソーク中掃気処理は、燃料電池温度が４℃になった際に限らず、ステップＳ１４０実行後の他の任意のタイミングで実行してもよい。

強化ソーク中掃気処理において、制御部２２は、上述の予め定められた掃気能力、すなわち、終了掃気処理（ステップＳ１５０）およびソーク中掃気処理（ステップＳ１６０）の掃気能力に比べて高い掃気能力で掃気を実行する。本実施形態において、掃気能力が高いとは、水素ポンプ６５の回転数と、水素ポンプ６５の駆動時間と、水素ガスの圧力とのうちの少なくとも一つを制御することにより、水素ガスの循環時間をより長く、あるいは、循環量をより多くして、燃料電池１０からのオフガスおよび水の排出力を高めることを意味する。

より具体的には、制御部２２は、水素ポンプ６５の回転数を最大回転数に設定し、所定期間の間、設定された回転数で水素ポンプ６５を駆動させ続ける。このとき、燃料オフガス配管６１および循環配管６４内の水素ガスの圧力が低下して、大気圧に対して負圧になる。このため、制御部２２は、水素ガスの圧力を１００ＫＰａ（キロパスカル）加圧する。そして、加圧が完了すると、制御部２２は、排気排水弁６３を開放する。排気排水弁６３を開放することにより、水素ガスの圧力は再び低下する。このため、制御部２２は、水素ポンプ６５を駆動させている間、水素ガスの圧力の加圧と、排気排水弁６３の開放と、を繰り返し実行させる。これにより、上述のソーク中掃気処理に比べて、燃料オフガス配管６１および循環配管６４内の水素ガスおよび水の排出性を高めることができる。なお、ステップＳ１４５における所定期間とは、９０秒を意味する。かかる所定期間は、９０秒に限らず、９０秒以上の期間に設定してもよいし、ソーク中掃気処理における所定期間よりも長い期間であれば、他の任意の期間を設定してもよい。また、ステップＳ１４５におけるカソード側掃気処理は、上述のステップＳ１５０およびステップＳ１６０におけるカソード側掃気処理と同じである。

このように、本実施形態では、燃料電池温度と水素ポンプ温度との温度差ΔＴが所定の閾値温度（５℃）以上であり、蓄電量ＳＯＣが閾値（７０％）未満である場合には、暖機処理を実行した後に、強化ソーク中掃気処理を実行する。この場合、暖機処理によって燃料オフガス配管６１および循環配管６４内の水素ガスおよび水が昇温しているとともに、燃料オフガス配管６１に設けられた水素ポンプ６５が暖められている。したがって、外気温が低下して水素ポンプ６５の温度が低下していても、水素ポンプ６５を昇温させた状態で掃気を実行できる。この結果、燃料オフガス配管６１および循環配管６４内の水の凍結を抑制できる。なお、図２に示す掃気処理が開始した際に二次電池９２の蓄電量ＳＯＣが７０％以上の場合には、暖機処理を実行することなく、強化ソーク中掃気処理が実行される。この場合、暖機処理を実行後に強化ソーク中掃気処理が実行する場合に比べて、更に掃気能力を高めて掃気を実行してもよい。

上述のステップＳ１２０～ステップＳ１３５を繰り返し実行している間にステップＳ１２０において、温度差ΔＴが閾値温度（５℃）未満であると判定された場合（ステップＳ１２０：ＮＯ）、上述のステップＳ１５０が実行される。

上述のステップＳ１４５の実行後、または、上述のステップＳ１６０の実行後、掃気処理は終了する。

以上の構成を有する第１実施形態の燃料電池システム１００によれば、取得された燃料電池温度と、取得された水素ポンプ温度と、の差である温度差ΔＴが予め定められた温度（５℃）以上である場合に、二次電池９２の蓄電量ＳＯＣが予め定められた蓄電量（７０％）となるまでの間、燃料電池１０の暖機処理を実行して該暖機処理により生じた電力を二次電池９２に蓄電し、該暖機処理の実行後、掃気を実行するので、暖機処理によって水素ポンプ６５が昇温された状態で燃料電池１０の掃気を実行できる。この結果、水素ポンプ６５内に流入したオフガスや水の残量を低減でき、外気温が低下して水素ポンプ６５の温度が低下していても、水素ポンプ６５内においてオフガスや水が凍結することを抑制できる。したがって、燃料電池１０を次に起動した際に、循環配管６４の一部または全部が閉塞して発電が行えなくなることを抑制できる。

また、暖機処理において二次電池９２の蓄電量ＳＯＣが予め定められた蓄電量（７０％）に達したときに、温度差ΔＴが予め定められた温度（５℃）以上である場合、暖機処理の実行後、予め定められた掃気能力に比べて高い掃気能力で掃気を実行するので、水素ポンプ６５における燃料電池１０から排出されたオフガスや水の排出力を高めることができる。この結果、暖機処理後に温度差ΔＴが予め定められた温度以上であっても、水素ポンプ６５においてオフガスや水が凍結することを抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態における燃料電池システム１００は、図１に示す第１実施形態における燃料電池システム１００と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

図３は、第２実施形態における掃気処理の処理手順を示すフローチャートである。第２実施形態における掃気処理は、ステップＳ１３５実行後の処理手順と、ステップＳ１３７を追加して実行する点とにおいて、図２に示す第１実施形態の掃気処理と異なる。第２実施形態の掃気処理のその他の手順は、第１実施形態の掃気処理と同じであるので、同一の手順には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図３に示すように、暖機処理が実行されると（ステップＳ１３５）、上述のステップＳ１２５に戻る。そして、燃料電池１０の発電により二次電池９２が蓄電されて、二次電池９２の蓄電量ＳＯＣが閾値（７０％）以上であると判定されるまで、上述のステップＳ１２５～ステップＳ１３５が繰り返し実行される。

上述のステップＳ１３０において、蓄電量ＳＯＣが閾値（７０％）以上であると判定された場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御部２２は、温度差ΔＴが閾値温度（５℃）以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３７）。ステップＳ１３７は、上述のステップＳ１２０と同様であるので、詳細な説明は省略する。温度差ΔＴが閾値温度（５℃）以上であると判定された場合（ステップＳ１３７：ＹＥＳ）、制御部２２は、上述のステップＳ１４０およびステップＳ１４５を実行する。他方、温度差ΔＴが閾値温度（５℃）未満であると判定された場合（ステップＳ１３７：ＮＯ）、制御部２２は、上述のステップＳ１５５およびステップＳ１６０を実行する。

以上の構成を有する第２実施形態の燃料電池システム１００によれば、第１実施形態と同様の効果を奏する。加えて、蓄電量ＳＯＣが閾値（７０％）以上となった後に温度差ΔＴが閾値温度（５℃）以上であるか否かを判定するので、ソーク中掃気処理と、強化ソーク中掃気処理とのうちのいずれの掃気を実行するかを精度よく切り分けることができる。

Ｃ．第３実施形態：
第３実施形態における燃料電池システム１００は、図１に示す第１実施形態における燃料電池システム１００と同様であるので、その詳細な説明は省略する。

図４は、第３実施形態における掃気処理の処理手順を示すフローチャートである。第３実施形態における掃気処理は、ステップＳ１４０およびステップＳ１４５を省略する点において、図２に示す第１実施形態の掃気処理と異なる。第３実施形態の掃気処理のその他の手順は、第１実施形態の掃気処理と同じであるので、同一の手順には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図４に示すように、上述のステップＳ１３０において、蓄電量ＳＯＣが閾値（７０％）以上であると判定された場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、上述のステップＳ１５５およびステップＳ１６０が実行される。

以上の構成を有する第３実施形態の燃料電池システム１００によれば、取得された燃料電池温度と、取得された水素ポンプ温度と、の差である温度差ΔＴが予め定められた温度（５℃）以上である場合に、二次電池９２の蓄電量ＳＯＣが予め定められた蓄電量（７０％）となるまでの間、燃料電池１０の暖機処理を実行して該暖機処理により生じた電力を二次電池９２に蓄電し、該暖機処理の実行後、掃気を実行するので、暖機処理によって水素ポンプ６５が昇温された状態で燃料電池１０の掃気を実行できる。この結果、水素ポンプ６５内に流入したオフガスや水の残量を低減でき、外気温が低下して水素ポンプ６５の温度が低下していても、水素ポンプ６５内においてオフガスや水が凍結することを抑制できる。したがって、燃料電池１０を次に起動した際に、循環配管６４の一部または全部が閉塞して発電が行えなくなることを抑制できる。加えて、ソーク中の掃気として単一の掃気処理（ソーク中掃気処理）を実行するので、掃気制御を簡素化できる。

Ｄ．他の実施形態：
Ｄ１．他の実施形態１：
上記各実施形態において、部品温度として水素ポンプ６５の温度を用いていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、気液分離器６２の温度を部品温度として用いてもよい。また、例えば、第１調圧弁４２の温度を部品温度として用いてもよい。すなわち、一般には、燃料電池１０から排出されるオフガスの循環流路に設けられた部品の温度を部品温度として用いる構成において、上記各実施形態と同様の効果を奏する。

Ｄ２．他の実施形態２：
上記各実施形態において、燃料電池温度として電池温度取得部７７により測定された冷却媒体の温度を用いていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、他の部品の温度であって燃料電池温度と相関性がある温度を燃料電池温度としてもよい。また、例えば、過去に取得した燃料電池温度から現在の燃料電池温度を推定してもよい。また、例えば、予め実験等により燃料電池温度を算出して、関数あるいはマップ化しておいてもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様の効果を奏する。

Ｄ３．他の実施形態３：
上記各実施形態において、強化ソーク中掃気処理（ステップＳ１４５）は、温度差ΔＴが閾値温度（５℃）以上であり、二次電池９２の蓄電量ＳＯＣが予め定められた蓄電量（７０％）以上である場合に実行されていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、二次電池９２の端子が外される等のイレギュラーな操作が実行されたことを制御部２２が検出した場合に、強化ソーク中掃気処理が実行されてもよい。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。

Ｄ４．他の実施形態４：
上記各実施形態において、強化ソーク中掃気処理（ステップＳ１４５）では、アノード側の掃気が強化されていたが、これに代えて、または、これに加えて、カソード側の掃気が強化されてもよい。例えば、エアコンプレッサ３３の駆動時間を、ソーク中掃気処理におけるエアコンプレッサ３３の駆動時間に比べて長く設定し、第１調圧弁４２を全開状態とすることにより、カソード側の掃気を強化してもよい。これにより、酸化オフガス配管４１および第１調圧弁４２内のオフガスおよび水の排出力を高めることができる。このような構成においても、上記各実施形態と同様な効果を奏する。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池、１１…セル、２０…制御装置、２１…ＣＰＵ、２２…制御部、２５…メモリ、３０…酸化剤ガス供給排出部、３１…酸化剤ガス配管、３２…エアフローメータ、３３…エアコンプレッサ、３４…第１開閉弁、３５…第１圧力計、３６…分流弁、４１…酸化オフガス配管、４２…第１調圧弁、５０…燃料ガス供給排出部、５１…燃料ガス配管、５２…水素ガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２調圧弁、５５…インジェクタ、５６…第２圧力計、６１…燃料オフガス配管、６２…気液分離器、６３…排気排水弁、６４…循環配管、６５…水素ポンプ、６６…水素ポンプ温度取得部、７０…冷却媒体循環部、７１…冷却媒体供給管、７２…冷却媒体排出管、７３…ラジエータ、７４…循環ポンプ、７５…三方弁、７６…バイパス管、７７…電池温度取得部、９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、９２…二次電池、９３…負荷、９５…電流センサ、９６…ＳＯＣ検出部、１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
   前記燃料電池から排出されるオフガスの循環流路に設けられた部品と、
   前記燃料電池の温度である燃料電池温度を取得する電池温度取得部と、
   前記部品の温度である部品温度を取得する部品温度取得部と、
   二次電池と、
   前記二次電池の蓄電量を取得する蓄電量取得部と、
   前記燃料電池システムの発電の停止の際、前記燃料電池の掃気を実行する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、取得された前記燃料電池温度と、取得された前記部品温度と、の差である温度差が予め定められた温度以上である場合に、
   前記二次電池の前記蓄電量が予め定められた蓄電量となるまでの間、前記燃料電池の暖機処理を実行して該暖機処理により生じた電力を前記二次電池に蓄電し、該暖機処理の実行後、予め定められた掃気能力で前記掃気を実行し、
   前記暖機処理において前記二次電池の前記蓄電量が前記予め定められた蓄電量に達したときに、前記温度差が前記予め定められた温度以上である場合、前記暖機処理の実行後、前記予め定められた掃気能力に比べて高い掃気能力で前記掃気を実行する、
   燃料電池システム。

Images