JP2019050167A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電運用地域に対応した生成水の凍結防止の低コスト化を図る。【解決手段】燃料ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する燃料電池の生成水の凍結防止を図るに当たり、燃料電池の発電運転に伴い生成される生成水の凍結が起き得る凍結誘起期間を示す期間データを、発電運転がなされる燃料電池の発電運用地域に対応付けて記憶する。その上で、発電運用地域における日時を発電運転の停止タイミングで検知し、この検知日時を記憶した凍結誘起期間と対比して、現時点が凍結誘起期間に含まれるか否かを判定する。現時点が凍結誘起期間に含まれると判定されると、発電運転が停止してからの経過時間が生成水が凍結するまでの凍結誘起時間より短時間の凍結猶予時間に達すると、凍結防止処理を実行する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素と酸素の電気化学反応を利用して発電を起こす都合上、発電運転に伴い生成水を生成する。この生成水は、発電運転の間のガス供給により外部に排出されるが、発電運転の停止に伴い、燃料電池内のガス流路に留まる。ガス流路に留まった生成水が外気温の低下により凍結すると、ガス流路の閉塞をもたらし、次回の発電運転の際の始動性に悪影響をもたらしかねない。よって、燃料電池の生成水凍結の防止のため、生成水凍結が予想される期間において運転停止が続くと、その運転停止中に生成水の凍結防止を図る手法が提案されている（例えば特許文献１）。

特開平１０−２２３２４９号公報

凍結予想期間は、発電運転がなされる燃料電池の発電運用地域によって異なる。従って、発電運用地域における燃料電池の温度に対応して凍結防止を図ることが効果的である。しかしながら、燃料電池の温度検出のための温度センサを設けたのでは、センサ設置に伴うコストが掛かることから、コスト低下を図る余地があることが指摘されるに到った。

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、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、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、燃料ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電運転に伴い生成される生成水の凍結が起き得る凍結誘起期間を示す期間データを、前記発電運転がなされる前記燃料電池の発電運用地域に対応付けて記憶するデータ記憶部と、前記発電運用地域における日時を、前記発電運転の停止タイミングで検知する日時検知部と、前記データ記憶部の記憶した前記期間データと前記日時検知部が検知した日時とを対比して、現時点が前記凍結誘起期間に含まれるか否かを判定する凍結誘起判定部と、前記発電運転が停止されてからの経過時間を計時する停止時間計時部と、前記燃料電池のガス流路における前記生成水の凍結を防止する凍結防止処理を実行する凍結防止処理部とを備える。そして、該凍結防止処理部は、前記凍結誘起判定部により現時点が前記凍結誘起期間に含まれると判定されると、前記停止時間計時部が計時する前記経過時間が前記生成水が凍結するまでの凍結誘起時間より短時間の凍結猶予時間として予め定めた時間になると、前記凍結防止処理を実行する。

この形態の燃料電池システムにおける凍結防止処理は、燃料電池の発電運用地域に対応した凍結誘起期間において、発電運転の停止からの経過時間が凍結誘起時間に達する前の凍結猶予時間内に実行され、凍結防止処理を実行するに当たって、現時点での燃料電池温度の検出用のセンサを必要としない。よって、この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の発電運用地域に対応した凍結防止処理を低コストで実行できる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池の運転方法や凍結防止方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池システムにおいて行われる凍結防止処理の手順を示すフローチャートである。 燃料電池の発電運用地域がカナダのケベック市である場合の凍結誘起期間データの取得の様子を説明する説明図である。 発電運用地域がアメリカのニューヨーク市である場合の凍結誘起期間データの取得の様子を説明する説明図である。 発電運用地域が欧州のオスロ市である場合の凍結誘起期間データの取得の様子を説明する説明図である。 発電運用地域が日本の札幌市である場合の凍結誘起期間データの取得の様子を説明する説明図である。 燃料電池スタックの温度が６０℃で燃料電池の発電運転を停止した場合のスタック温度の推移を環境温度ごとに示した説明図である。 燃料電池の発電運用地域に対応付けてメモリに記憶される凍結誘起期間データと凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを示す説明図である。 燃料電池の発電運用地域に対応付けた他の実施形態におけるメモリに記憶される凍結誘起期間データと凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを示す説明図である。 他の実施形態における凍結防止処理の手順を示すフローチャートである。

図１は本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の概略構成を示す説明図である。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、複数の燃料電池２１を備える燃料電池スタック２０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス排出系６０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、電力系７０と、冷却水循環系８０と、制御部９０とを備える。

燃料電池システム１００は、パワースイッチ７のＯＮ操作によって始動し、ＯＦＦ操作によって停止する。パワースイッチ７は、燃料電池システム１００、詳しくは燃料電池スタック２０のそれぞれの燃料電池２１の停止状態と始動状態とを切り替えるための入力インタフェースであり、燃料電池２１の発電運転の停止タイミングを規定する。

燃料電池２１は、膜電極接合体と２枚のセパレータ（図示せず）を有する。セパレータは、膜電極接合体を挟持してアノードガス、カソードガスおよび冷媒の流路を形成するとともに、集電板としても機能する板状基材である。膜電極接合体は、電解質膜と、電解質膜の各々の面に形成された電極とを有している。電解質膜は、湿潤状態の時に良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。燃料電池のアノードガスが供給される電極をアノードと呼び、カソードガスが供給される電極をカソードと呼ぶ。本実施形態では、アノードガスは燃料ガスたる水素ガスであり、カソードガスは酸素含有ガスたる空気である。燃料電池２１は、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。

アノードガス供給系５０は、水素タンク５７と、開閉弁５８と、アノードガス供給流路５１と、レギュレータ５２と、リリーフ弁５３と、インジェクタ５４と、圧力センサ５９とを備える。アノードガス供給系５０は、さらに、水素ポンプ５５と、循環流路５６とを備える。アノードガス排出系６０は、アノードガス排出流路６１と、気液分離部６２と、排出弁６３と、排出流路６４と、を備える。

水素タンク５７は、アノードガスとしての水素ガスを貯蔵する。アノードガス供給流路５１は、燃料電池スタック２０に接続され、燃料電池スタック２０に供給されるアノードガスが流れる流路である。アノードガス供給流路５１は、水素タンク５７と燃料電池スタック２０とを接続する配管である。開閉弁５８は、水素タンク５７からアノードガス供給流路５１へのアノードガスの供給を練通および遮断する弁であり、主止弁とも呼ばれる。開閉弁５８は、制御部９０によってその開閉が制御される。なお、図１においては水素タンク５７は１つしか図示されていないが、複数の水素タンク５７を含むようにしてもよい。

リリーフ弁５３は、アノードガス供給流路５１に設けられており、制御部９０の制御により開弁して水素を大気に放出する。

インジェクタ５４は、アノードガス供給流路５１に設けられている。インジェクタ５４は、開弁されることによりアノードガスを噴射し、燃料電池スタック２０へアノードガスを供給する。インジェクタ５４は、アノードガス噴射装置とも呼ばれる。インジェクタ５４は、制御部９０によって設定された駆動周期や、駆動周期における噴射期間（開弁期間）の割合や、圧力脈動の振幅に応じて、開閉弁が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。駆動周期とは、インジェクタ５４によるアノードガスの噴射開始から、次回のインジェクタ５４によるアノードガスの噴射開始までの期間である。圧力脈動とは、インジェクタ５４の噴射と停止により、インジェクタ５４下流側の圧力が上昇と降下を繰り返すことである。圧力脈動の振幅とは、インジェクタ５４の下流側の圧力値の振幅である。圧力値の振幅とは、インジェクタ５４の駆動周期における、インジェクタ５４の下流側の圧力値の振動の中心値と最大値との差である。インジェクタ５４は、インジェクタ５４と燃料電池スタック２０との間におけるアノードガス供給流路５１の圧力が予め定められた目標圧力を下回らないように、制御部９０により制御される。

レギュレータ５２は、アノードガス供給流路５１のインジェクタ５４よりも上流側に設けられている。レギュレータ５２は、制御部９０の制御を受ける調圧弁であり、インジェクタ５４の１次圧を調整する。インジェクタ５４の１次圧は、レギュレータ５２とインジェクタ５４との間のアノードガス供給流路５１の圧力である。

アノードガス排出流路６１は、燃料電池スタック２０に接続され、燃料電池スタック２０から排出されるアノードオフガスが流れる流路である。アノードガス排出流路６１は、燃料電池スタック２０のアノードの出口と気液分離部６２とを接続する配管である。

気液分離部６２は、アノードガス排出流路６１に設けられている。気液分離部６２は、アノードガス排出流路６１から流入した気体と水とを分離するための容器である。気液分離部６２は、アノードガス排出流路６１の鉛直方向下方に設けられており、アノードから排出された気体と液体とを重力によって分離する。気液分離部６２によって分離された気体は、主に、消費されずに排出されたアノードガスと燃料電池２１が備える膜電極接合体を介してカソード側から透過した窒素と、気液分離部６２で分離されなかった水分（水蒸気）である。気液分離部６２には、気液分離部６２内の水位を計測する水位センサ（図視略）が設けられている。水位センサは、その計測結果を制御部９０に送信する。

循環流路５６は、アノードガス供給流路５１とアノードガス排出流路６１とを連通する配管である。循環流路５６は、インジェクタ５４よりも下流側でアノードガス供給流路５１に接続されている。循環流路５６には、水素ポンプ５５が設けられている。水素ポンプ５５は、気液分離部６２によって分離された気体を、燃料電池スタック２０に再度供給する。気液分離部６２によって分離された気体は、主に、消費されずに排出されたアノードガスと燃料電池２１が備える膜電極接合体を介してカソード側から透過した窒素と、気液分離部６２で分離されなかった水分である。循環流路５６を流れるアノードガスは、アノードガス供給流路５１を介して燃料電池スタック２０へ供給されるため、循環流路５６をアノードガス供給流路５１の一部と捉えてもよい。

排出流路６４は、気液分離部６２と、カソードガス排出系４０に備えられるカソードガス排出流路４１（後述）とを接続する配管である。排出弁６３は、排出流路６４上に設けられている。排出弁６３は、燃費の向上のため、原則として閉弁している。排出弁６３は、予め設定された排出タイミングで制御部９０の制御により開弁する。

圧力センサ５９は、アノードガス供給流路５１のインジェクタ５４よりも下流側に設けられている。本実施形態では、圧力センサ５９は、インジェクタ５４と燃料電池スタック２０との間のアノードガス供給流路５１に設けられている。圧力センサ５９は、圧力値を計測し、その計測結果を制御部９０に送信する。圧力センサ５９は、アノードガス排出流路６１、循環流路５６に設けられていてもよい。

カソードガス供給系３０は、カソードガス供給流路３１と、エアフローメータ３２と、コンプレッサ３３と、インタークーラ３４と、入口弁３５と、バイパス流路３６と、バイパス弁３７と、を備える。カソードガス排出系４０は、カソードガス排出流路４１と、調圧弁４２と、マフラ４３と、を備える。

カソードガス供給流路３１は、燃料電池スタック２０とカソードガス供給流路３１の大気開放口を接続する配管である。カソードガス排出流路４１は、燃料電池スタック２０とカソードガス排出流路４１の大気開放口とを接続する配管である。バイパス流路３６は、カソードガス供給流路３１の燃料電池スタック２０よりも上流側から分岐して、カソードガス排出流路４１に接続される配管である。

エアフローメータ３２は、カソードガス供給流路３１を流れるカソードガスの量を計測する。コンプレッサ３３は、カソードガス供給流路３１に設けられている。コンプレッサ３３が設けられる位置は、カソードガス供給流路３１とバイパス流路３６との接続部位よりも大気開放口に近い位置である。コンプレッサ３３は、カソードガス供給流路３１の大気開放口側からカソードガスを吸入して圧縮する。インタークーラ３４は、コンプレッサ３３により圧縮されたカソードガスの温度を下げるための装置である。

入口弁３５は、カソードガス供給流路３１において、カソードガス供給流路３１とバイパス流路３６との接続部位よりも燃料電池スタック２０に近い位置に設けられている。入口弁３５は、制御部９０の制御により開度に応じてカソードガス供給流路３１の流路断面積を調整する。

バイパス流路３６は、カソードガス供給流路３１とカソードガス排出流路４１とを接続する配管である。バイパス流路３６には、バイパス弁３７が設けられている。バイパス弁３７は制御部９０の制御により開度に応じてバイパス流路３６の流路断面積を調整する。調圧弁４２は、カソードガス排出流路４１において、カソードガス排出流路４１とバイパス流路３６との接続部位よりも燃料電池スタック２０側に設けられている。調圧弁４２は、制御部９０の制御により開度に応じてカソードガス排出流路４１の流路断面積を調整する。マフラ４３は、排ガスの排出音を低減する消音装置である。調圧弁４２を通過したアノードオフガスは、マフラ４３を経由して大気開放口から大気に排出される。

冷却水循環系８０は、燃料電池スタック２０を冷却する。冷却水循環系８０は、冷却水排出流路８１と、ラジエータ８２と、冷却水ポンプ８３と、冷却水供給流路８４と、を備える。

冷却水排出流路８１は、燃料電池スタック２０とラジエータ８２とを接続する流路であり、燃料電池スタック２０から冷却水を排出するための配管である。

ラジエータ８２には、ラジエータファン８５が設けられている。ラジエータ８２からの放熱は、ラジエータファン８５から送られる風によって促進される。冷却水供給流路８４は、ラジエータ８２と燃料電池スタック２０との間を接続する流路であり、燃料電池スタック２０に冷却水を供給するための配管である。冷却水ポンプ８３は、冷却水供給流路８４に設けられており、冷却水ポンプ８３によって冷却水が循環される。

電力系７０は、インバータ７２と、ＤＣ−ＤＣコンバータ７３と、バッテリー７４と、電流センサ７５とを備える。

インバータ７２は、燃料電池スタック２０およびバッテリー７４と並列に接続され、燃料電池スタック２０又はバッテリー７４から供給される直流電流を、交流電流に変換して負荷装置７１に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ７３は、バッテリー７４の出力電圧を昇圧してインバータ７２に供給し、また、燃料電池スタック２０の余剰発電力を蓄電するために、出力電圧を降圧してバッテリー７４に供給する。ＤＣ−ＤＣコンバータ７３は、制御部９０から送信される電流要求値に基づき、燃料電池スタック２０による発電電流と発電電圧とを制御する。電流要求値とは、燃料電池スタック２０による発電電流の目標値となる値であり、制御部９０によって決定される。電流センサ７５は、発電時における燃料電池スタック２０の出力電流値を測定して、その計測結果を制御部９０へ送信する。

制御部９０は、ＣＰＵとＲＯＭ、ＲＡＭを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部９０は、インジェクタ５４を始めとする各種機器を制御して、燃料電池スタック２０における燃料電池２１の発電運転を統括制御する。また、制御部９０は、発電運転の他、燃料電池システム１００に含まれるガス流路における生成水の凍結を防止する凍結防止処理をも行い、当該凍結防止処理やその他の処理のため、メモリ９２とタイマ９４を備える。制御部９０は、２次電池であるバッテリー８から常時、通電を受け、パワースイッチ７のオフ操作後において、後述の凍結防止処理を実行する。メモリ９２は、ハードディスク等の記録媒体であり、燃料電池２１の発電運転に伴い生成される生成水の凍結が起き得る凍結誘起期間を示す期間データ（以下、凍結誘起期間データと称する）や、凍結誘起期間において生成水が凍結するまでの凍結誘起時間を示す時間データ（以下、凍結誘起時間データと称する）などを記憶している。よって、メモリ９２は、本発明におけるデータ記憶部に該当する。なお、期間・時間のデータについては後述する。タイマ９４は、カレンダー機能を発揮するカウンタータイマであり、現在の時刻を計時しつつ、発電運転がなされる燃料電池２１の発電運用地域における日時を、発電運転の停止タイミングで検知したり、発電運転が停止されてからの経過時間を計時する。よって、タイマ９４は、本発明における日時検知部と停止時間計時部に相当する。

図２は燃料電池システム１００において行われる凍結防止処理の手順を示すフローチャートである。この凍結防止処理は、パワースイッチ７がオフされて燃料電池スタック２０が発電運転を停止している期間に制御部９０にて実行され、制御部９０は、まず、現時点の日時をタイマ９４から読み込む（ステップＳ１０）。この日時読込は、燃料電池システム１００の燃料電池スタック２０、詳しくは燃料電池２１の発電運転がなされている発電運用地域において、発電運転の停止タイミング、即ちパワースイッチ７のオフタイミングで検知される日時である。燃料電池システム１００は、車両に搭載されていることから、燃料電池２１の発電運転がなされている発電運用地域は、車両の販売地域であったり、車両が定常的に走行している走行地域として取り扱うことができる。本実施形態では、車両の販売地域、或いは走行地域を、例えば、カナダのケベック市、アメリカのニューヨーク市、欧州のオスロ市、日本の札幌市等のように各国の各都市、各地域ごとに捉え、燃料電池システム１００を搭載している車両が販売・走行する地域を発電運用地域とした。

現時点の日時の読込に続き、制御部９０は、その読み込んだ現時点の日時をメモリ９２に記憶済みの凍結誘起期間データと対比する（ステップＳ２０）。ここで、凍結誘起期間データについて説明する。既述したように、本実施形態では、燃料電池２１の発電運用地域を、各国の各都市、各地域と言った車両の販売・走行地域として捉えている。図３は、燃料電池２１の発電運用地域がカナダのケベック市である場合の凍結誘起期間データの取得の様子を説明する説明図である。図４は、発電運用地域がアメリカのニューヨーク市である場合の凍結誘起期間データの取得の様子を説明する説明図である。図５は、発電運用地域が欧州のオスロ市である場合の凍結誘起期間データの取得の様子を説明する説明図である。図６は、発電運用地域が日本の札幌市である場合の凍結誘起期間データの取得の様子を説明する説明図である。

これら各図は、それぞれの発電運用地域の都市における通年を通した最低気温の分布状態を示している。カナダのケベック市では、図３に示すように、最低気温が生成水の凍結が起き得る摂氏零度となる現象が１０月から始まり、４月まで発現する。よって、発電運用地域がカナダのケベック市の場合には、凍結誘起期間データが１０月１日から４月３０日の期間データとなる。アメリカのニューヨーク市では、図４に示すように、最低気温が生成水の凍結が起き得る摂氏零度となる現象が１２月から始まり、３月まで発現する。よって、発電運用地域がアメリカのニューヨーク市の場合には、凍結誘起期間データが１２月１日から３月３１日の期間データとなる。欧州のオスロ市では、図５に示すように、最低気温が生成水の凍結が起き得る摂氏零度となる現象が１１月から始まり、４月まで発現する。よって、発電運用地域が欧州のオスロ市の場合には、凍結誘起期間データが１１月１日から４月３０日の期間データとなる。日本の札幌市では、図６に示すように、最低気温が生成水の凍結が起き得る摂氏零度となる現象が１０月から始まり、３月まで発現する。よって、発電運用地域が日本の札幌市の場合には、凍結誘起期間データが１０月１日から３月３１日の期間データとなる。

図７は、燃料電池スタック２０の温度が６０℃で燃料電池２１の発電運転を停止した場合のスタック温度の推移を環境温度ごとに示した説明図である。図示するように、−３０℃の環境下では、燃料電池２１の発電運転停止後、５時間で燃料電池スタック２０の温度が生成水の凍結が起き得る摂氏零度となる。−２０℃の環境下では、燃料電池２１の発電運転停止後、７時間で燃料電池スタック２０の温度が生成水の凍結が起き得る摂氏零度となる。−１０℃の環境下では、燃料電池２１の発電運転停止後、１１時間で燃料電池スタック２０の温度が生成水の凍結が起き得る摂氏零度となる。

上記した図３〜図７のデータから、制御部９０のメモリ９２は、凍結誘起期間データと凍結誘起期間において生成水が凍結するまでの凍結誘起時間データとを、燃料電池２１の発電運用地域に対応付けて記憶している。図８は、燃料電池２１の発電運用地域に対応付けてメモリ９２に記憶される凍結誘起期間データと凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを示す説明図である。カナダのケベック市は、図３の最低気温分布の様子から、凍結誘起期間において、−２０℃以下の最低気温となることが比較的多く有り得る。よって、カナダのケベック市については、凍結誘起時間として５時間、凍結猶予時間として４時間４０分を対応付けている。他の都市についても同様である。

燃料電池システム１００を搭載した車両は、図８に示す燃料電池２１の発電運用地域および図示しない他の発電運用地域のいずれか１つの地域にて走行している。よって、制御部９０のメモリ９２は、車両の走行地域や販売地域に合致した１つの発電運用地域、例えば、カナダのケベック市についての凍結誘起期間データと凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを記憶していることになる。なお、図８に示す燃料電池２１の発電運用地域および図示しない他の発電運用地域の総てについて凍結誘起期間データと凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを記憶して起き、実際に用いる凍結誘起期間データと凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを、車両の走行地域や販売地域に合致した１つの発電運用地域、例えば、カナダのケベック市のデータとするようにしてもよい。或いは、燃料電池システム１００を搭載した車両の販売地域の販売店やメンテナンスセクションにおいて、車両の走行地域や販売地域に合致した１つの発電運用地域についての凍結誘起期間データと凍結誘起時間データと凍結猶予時間データをメモリ９２に記憶するようにしてもよい。凍結猶予時間データは、凍結誘起時間より所定の時間、本実施形態では２０分だけ凍結誘起時間より短時間として予め定めた時間データであり、この凍結猶予時間は、この時間内であれば生成水の凍結が起きないであろうと想定される時間である。

図２のステップＳ２０における読込済み日時とメモリ９２に記憶済みの凍結誘起期間データとの対比では、発電運用地域がカナダのケベック市であれば、カナダのケベック市についての図８の凍結誘起期間データが用いられる。他の発電運用地域では、その発電運用地域に対応して記憶された凍結誘起期間データが用いられる。そして、この対比を経て、制御部９０は、現時点が凍結誘起期間に含まれるか否かを判定する（ステップＳ３０）。よって、このステップＳ３０での処理が、本発明における凍結誘起判定部として機能することになる。このステップＳ３０において凍結誘起期間に含まれないと判定すれば、制御部９０は、何の処理を行うことなく本ルーチンを終了する。その一方、現時点が凍結誘起期間に含まれると判定すると、制御部９０は、タイマ９４が計時している経過時間、即ち、燃料電池２１の発電運転がパワースイッチ７のオフ操作に伴い停止されてからの経過時間（以下、運転停止経過時間と称する）をタイマ９４から読み込む（ステップＳ４０）。次いで、制御部９０は、運転停止経過時間が発電運用地域、例えばカナダのケベック市についての図８の凍結誘起時間より短時間の凍結猶予時間に到達したか否かを判定し（ステップＳ５０）、運転停止経過時間が凍結猶予時間に到達するまで待機する。発電運用地域が、例えばカナダのケベック市であれば、運転停止経過時間が凍結誘起時間である５時間より２０分だけ短時間の凍結猶予時間（４時間４０分）となると、制御部９０は、生成水の凍結防止のためのガスパージをカソードガス供給系３０において実行し（ステップＳ６０）、本ルーチンを終了する。このステップＳ６０により、運転停止経過時間が凍結誘起時間より短時間の凍結猶予時間に達すると凍結防止処理が実行されるので、ステップＳ６０での処理が、本発明における凍結防止処理部として機能することになる。カナダのケベック市以外の発電運用地域についても同様である。なお、凍結猶予時間は、凍結誘起時間の２０分手前の時間に限るわけではなく、凍結誘起時間の３０分手前や１時間手前の時間などにしてもよい。また、ステップＳ６０におけるカソードガス供給系３０でのカソードガスによるガスパージは、バイパス弁３７（図１参照）が閉弁状態でなされ、燃料電池２１におけるカソード側のガス流路に残留した生成水をカソードガス排出流路４１を経てシステム外に排出できるよう、パージ時間等が予め規定されている。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池２１の発電運転過程で生成した生成水をシステム外に排出して生成水の凍結を防止するためのガスパージ（凍結防止処理）を、燃料電池２１の発電運用地域に対応した凍結誘起期間において、運転停止経過時間が凍結誘起時間に達する以前に実行する（ステップＳ６０）。そして、ガスパージ（凍結防止処理）を実行するに当たって、現時点での燃料電池２１の温度検出用のセンサを必要としない。よって、この本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池２１の発電運用地域に対応した凍結防止処理を低コストで実行できる。

図９は、燃料電池の発電運用地域に対応付けた他の実施形態におけるメモリ９２に記憶される凍結誘起期間データと凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを示す説明図である。図９では、カナダのケベック市についてのデータを示しているが、他の都市についても同様である。つまり、メモリ９２は、他の都市についても、−１０℃、−２０℃、−３０℃ごとに凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを記憶している。このことは、凍結誘起時間データと凍結猶予時間データをカナダのケベック市等の発電運用地域に対応付けて記憶してはいないことと同義である。

図１０は、他の実施形態における凍結防止処理の手順を示すフローチャートである。この実施形態では、凍結誘起時間データと凍結猶予時間データを外気温に対応付けて記憶して用いる点に特徴がある。燃料電池システム１００を搭載した車両では、車室内の空調制御に、通常、外気温検出センサを用いている。この実施形態では、この空調制御における外気温検出センサの検出外気温を、次のようにして凍結防止処理（図１０）に活用している。

図１０の凍結防止処理では、既述したように、現時点の日時の読込（ステップＳ１０）、メモリ９２に記憶済みの凍結誘起期間データとの対比（ステップＳ２０）、現時点が凍結誘起期間に含まれるか否かの判定（ステップＳ３０）を順次、行う。続くステップＳ４０では、タイマ９４からの運転停止経過時間の読み込みに加え、空調制御における外気温検出センサから検出外気温も読み込む。次いで、ステップＳ５０では、例えばカナダのケベック市についての検出外気温に対応した図９の凍結誘起時間より短時間の凍結猶予時間に到達したか否かを判定し（ステップＳ５０）、運転停止経過時間が凍結猶予時間に到達するまで待機する。そして、運転停止経過時間が検出外気温に対応した凍結誘起時間より短時間の凍結猶予時間となると、制御部９０は、生成水の凍結防止のためのガスパージをカソードガス供給系３０において実行する（ステップＳ６０）。

この実施形態であっても、燃料電池２１の発電運用地域に対応した凍結防止処理を、現時点での燃料電池２１の温度検出用のセンサを用いることなく、低コストで実行できる。これに加え、この実施形態では、燃料電池システム１００と関係しない制御系で常用される外気温検出センサの検出外気温に対応した凍結猶予時間を用いるので、燃料電池２１の温度検出用のセンサを用いることなく、生成水の凍結防止のためのガスパージをきめ細かく実施して、生成水の凍結防止の実効性を高めることができる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部また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。

既述した実施形態では、凍結防止処理としてカソードガス供給系３０においてカソードガスによるガスパージを行ったが、水素ガス等の不活性ガスをカソードガス供給系３０においてガスパージしてもよい。また、不活性ガスのガスパージをアノードガス供給系５０におけるガス循環系において行うようにしてもよい。

既述した実施形態では、凍結防止処理としてガスパージを行ったが、ガスパージ以外の凍結防止処理を運転停止経過時間が凍結誘起時間に達する以前に実行するようにしてもよい。

７…パワースイッチ
８…バッテリー
２０…燃料電池スタック
２１…燃料電池
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス供給流路
３２…エアフローメータ
３３…コンプレッサ
３４…インタークーラ
３５…入口弁
３６…バイパス流路
３７…バイパス弁
４０…カソードガス排出系
４１…カソードガス排出流路
４２…調圧弁
４３…マフラ
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス供給流路
５２…レギュレータ
５３…リリーフ弁
５４…インジェクタ
５５…水素ポンプ
５６…循環流路
５７…水素タンク
５８…開閉弁
５９…圧力センサ
６０…アノードガス排出系
６１…アノードガス排出流路
６２…気液分離部
６３…排出弁
６４…排出流路
７０…電力系
７１…負荷装置
７２…インバータ
７３…ＤＣ−ＤＣコンバータ
７４…バッテリー
７５…電流センサ
８０…冷却水循環系
８１…冷却水排出流路
８２…ラジエータ
８３…冷却水ポンプ
８４…冷却水供給流路
８５…ラジエータファン
９０…制御部
９２…メモリ
９４…タイマ
１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料ガスと酸素含有ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池の発電運転に伴い生成される生成水の凍結が起き得る凍結誘起期間を示す期間データを、前記発電運転がなされる前記燃料電池の発電運用地域に対応付けて記憶するデータ記憶部と、
   前記発電運用地域における日時を、前記発電運転の停止タイミングで検知する日時検知部と、
   前記データ記憶部の記憶した前記期間データと前記日時検知部が検知した日時とを対比して、現時点が前記凍結誘起期間に含まれるか否かを判定する凍結誘起判定部と、
   前記発電運転が停止されてからの経過時間を計時する停止時間計時部と、
   前記燃料電池のガス流路における前記生成水の凍結を防止する凍結防止処理を実行する凍結防止処理部とを備え、
   該凍結防止処理部は、
   前記凍結誘起判定部により現時点が前記凍結誘起期間に含まれると判定されると、前記停止時間計時部が計時する前記経過時間が前記生成水が凍結するまでの凍結誘起時間より短時間の凍結猶予時間として予め定めた時間になると、前記凍結防止処理を実行する、
   燃料電池システム。

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