CN110137532A - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及燃料电池系统。燃料电池系统(10)具备：气液分离器(60)，其从自燃料电池堆(12)排出的燃料排气分离水分；以及阀装置(72)，其设置于排出流路(70)，用于将由气液分离器(60)分离出的水排出。阀装置(72)具有将气液分离器(60)内的至少包含水的流体向阀主体(90)引导的流体导入部(92)，在流体导入部(92)的内孔(92a)配设有加热装置(116)。

Description

燃料电池系统
技术领域
本公开涉及一种具备通过燃料气体与氧化剂气体之间的电化学反应来进行发电的燃料电池的燃料电池系统。
背景技术
在日本专利第4654569号公报中，公开了在阀装置的轴以及密封部设置有PTC加热器的燃料电池系统，该阀装置设置于从燃料电池排出的包含水分的排气所流通的流路。在这样的燃料电池系统中，利用PTC加热器对轴以及密封部进行加热来使附着于轴以及密封部的水分蒸发，由此防止阀装置的冻结。
发明内容
但是，在上述的现有技术中，需要在阀装置的轴以及密封部设置PTC加热器，因此存在阀装置的结构变得复杂化的情况。另外，从PTC加热器产生的热容易从轴以及密封部经由阀装置的主体向外部排出。因此，不能有效地抑制阀装置的冻结，在阀装置冻结的情况下有可能无法迅速地解冻。
本发明是考虑了这样的问题而完成的，其目的在于提供一种燃料电池系统，该燃料电池系统能够通过简单的结构有效地抑制阀装置的冻结，并且即使在阀装置冻结的情况下也能够迅速地解冻。
为了实现上述目的，本发明所涉及的燃料电池系统具备：燃料电池，其通过燃料气体与氧化剂气体之间的电化学反应来进行发电；燃料气体供给装置，其向所述燃料电池内供给所述燃料气体；氧化剂气体供给装置，其向所述燃料电池内供给所述氧化剂气体；导出流路，其使从所述燃料电池导出的包含水分的排气流通；气液分离器，其设置于所述导出流路，用于从所述排气分离水分；排出流路，其用于将由所述气液分离器分离出的水排出；以及阀装置，其设置于所述排出流路，所述燃料电池系统的特征在于，所述阀装置具有：阀主体，其将所述排出流路打开和关闭；流体导入部，其将所述气液分离器内的至少包含水的流体向所述阀主体引导；以及流体导出部，其使从所述阀主体引导出的所述流体导出，其中，在所述流体导入部的内孔配设有加热装置。
根据这样的结构，在流体导入部的内孔配设有加热装置，因此能够利用加热装置来对从气液分离器向阀主体引导的流体(排气和水)直接地进行加热，并且能够将流体导入部的内孔保持为高于冰点的温度。由此，能够对阀主体有效率地进行加热。由此，通过简单的结构，能够有效地抑制阀装置的冻结，并且即使在阀装置冻结的情况下也能够迅速地解冻。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，在所述流体导入部形成用于使所述流体从所述气液分离器内向所述流体导入部的内孔流入的开口部，所述加热装置具有：发热体；以及罩部，其位于所述开口部的下方，收容所述发热体，在所述罩部形成有：上孔，其朝向所述罩部的上方开口，用于将所述流体向所述罩部的内孔导入；以及导出孔，其用于将所述罩部的内孔的所述流体向所述阀主体引导。
根据这样的结构，从气液分离器经由开口部向流体导入部的内孔流入的流体经由上孔被导入罩部内并被发热体加热。由此，能够将向阀主体引导的流体的流量以在罩部处收拢的状态有效率地进行加热。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，所述流体导入部设置于所述气液分离器的底部。
根据这样的结构，能够使阀装置以及气液分离器的结构简单化。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，在所述罩部形成有连通孔，该连通孔朝向上方之外的方向开口，用于使在所述罩部与所述流体导入部之间存在的水蒸气向所述罩部的内孔导入。
根据这样的结构，能够利用从连通孔向罩部的内孔导入的水蒸气来更有效率地对阀主体进行加热。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，所述连通孔朝向下方开口并且位于比所述上孔靠与所述导出孔相反一侧的位置。
根据这样的结构，能够使在罩部与流体导入部之间存在的水蒸气有效率地从连通孔向罩部的内孔导入。另外，能够抑制从上孔向罩部的内孔导入的水经由连通孔来向罩部的外侧流出。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，所述罩部具有：罩部主体，其覆盖所述发热体并且形成有所述上孔；以及导出部，其设置于所述罩部主体并且形成有所述导出孔，其中，所述导出部的流路截面积大于所述罩部主体的流路截面积。
根据这样的结构，能够抑制因被引导至导出部的流体对阀主体局部地进行加热的情况。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，所述发热体为PTC加热器。
根据这样的结构，能够通过简单的控制来使发热体达到目标温度。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，还具备：加热器控制部，其控制向所述PTC加热器供给的电力；电阻值获取部，其获取所述PTC加热器的电阻值；以及电阻值判定部，其判定由所述电阻值获取部获取到的加热器电阻值是否为目标电阻值以上，其中，在所述燃料电池系统的启动时，在向所述PTC加热器供给了电力的状态下，如果所述电阻值判定部判定为所述加热器电阻值小于所述目标电阻值，所述加热器控制部使向所述PTC加热器的供给电力增加。
根据这样的结构，即使在燃料电池系统的启动时阀装置冻结的情况下，也能够通过简单的控制来利用PTC加热器使阀装置迅速地解冻。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，还具备：燃料电池温度获取部，其获取所述燃料电池的温度；加热器温度计算部，其基于所述加热器电阻值来计算所述PTC加热器的温度；以及温度判定部，其判定从由所述加热器温度计算部计算出的加热器温度减去由所述燃料电池温度获取部获取到的燃料电池温度而得的温度差是否为规定温度以上，其中，在所述温度判定部判定为所述温度差为所述规定温度以上的情况下，所述加热器控制部停止向所述PTC加热器的电力供给。
根据这样的结构，在利用PTC加热器将流体充分加热之后，停止向PTC加热器的电力供给，因此能够将阀主体可靠地解冻并且抑制PTC加热器的电力消耗量。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，还具备：阀控制部，其控制所述阀装置以打开和关闭所述排出流路；加热器控制部，其控制向所述PTC加热器供给的电力；电阻值获取部，其获取所述PTC加热器的电阻值；加热器温度计算部，其基于由所述电阻值获取部获取到的加热器电阻值来计算所述PTC加热器的温度；燃料电池温度获取部，其获取所述燃料电池的温度；以及温度判定部，其判定从由所述加热器温度计算部计算出的加热器温度减去由所述燃料电池温度获取部获取到的燃料电池温度而得的温度差是否为排水判定值以下，其中，在所述燃料电池系统的通常运转时，在向所述PTC加热器供给着电力的状态下，在所述温度判定部判定为所述温度差为所述排水判定值以下的情况下，所述阀控制部对所述阀装置进行开阀控制，以打开所述排出流路。
另外，在燃料电池系统的通常运转时气液分离器内贮存有水的情况下，加热装置与水接触，因此PTC加热器的温度降低。因此，从加热器温度减去燃料电池温度而得的温度差变得比较小。另一方面，在气液分离器内没有贮存水的情况下，加热装置与排气等气体接触，因此PTC加热器的温度升高。因此，所述温度差变得比较大。而且，根据上述结构，在所述温度差为排水判定值以下的情况下对阀装置进行开阀控制。因此，通过简单的控制，能够将气液分离器内贮存的水可靠地排出。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，还具备电阻值判定部，该电阻值判定部判定所述加热器电阻值是否高于规定阈值，在从所述开阀控制起经过规定时间后对所述阀装置进行闭阀控制以关闭所述排出流路之后，在所述电阻值判定部判定为所述加热器电阻值高于所述规定阈值的情况下，所述阀控制部对所述阀装置进行开阀控制，以打开所述排出流路。
例如，在燃料电池系统搭载于车辆等时，有时因车辆运行状态(日文：車両挙動)而气液分离器内的水面相对于水平发生倾斜。在该情况下，当加热装置从水面露出时，即使气液分离器内存留有水，阀装置也会关闭。但是，根据上述结构，在对阀装置进行了闭阀控制之后，在加热器电阻值高于规定阈值的情况下，对阀装置再次进行开阀控制，因此即使在气液分离器内的水面相对于水平发生倾斜的情况下，也能够将气液分离器内的水可靠地排出。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，还具备控制部，该控制部在所述燃料电池系统的运转停止之后以规定时间间隔来启动，所述控制部具有：阀控制部，其控制所述阀装置以打开和关闭所述排出流路；加热器控制部，其控制向所述PTC加热器供给的电力；电阻值获取部，其获取所述PTC加热器的电阻值；加热器温度计算部，其基于由所述电阻值获取部获取到的加热器电阻值来计算所述PTC加热器的温度；以及温度判定部，其判定由所述加热器温度计算部计算出的加热器温度是否为冻结阈值以下，其中，在所述燃料电池系统的运转停止的状态下所述控制部启动时，在所述温度判定部判定为所述加热器温度为所述冻结阈值以下的情况下，所述阀控制部对所述阀装置进行开阀控制，以打开排出流路。
根据这样的结构，能够通过简单的控制，在燃料电池系统的运转停止中在阀装置产生的结露水冻结之前将该结露水可靠地排出。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，所述发热体位于所述开口部的下方。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，相对于所述连通孔，所述发热体位于与所述导出孔相反一侧的位置。
在上述的燃料电池系统中，也可以是，所述导出部的外表面与所述流体导入部的内表面接触。
根据本发明，在流体导入部的内孔配设有加热装置，因此能够通过简单的结构，有效地抑制阀装置的冻结，并且即使在阀装置冻结的情况下也能够迅速地解冻。
根据参照附图所作的对以下的实施方式的说明，容易理解所述目的、特征以及优点。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统的概要结构图。
图2是气液分离器、阀装置以及加热装置的一部分省略的纵剖视图。
图3是示出PTC加热器的温度与电阻值之间的关系的曲线图。
图4是对燃料电池系统的低温启动控制进行说明的流程图。
图5是对燃料电池系统的低温启动控制进行说明的曲线图。
图6是对燃料电池系统的排水控制进行说明的流程图。
图7是对燃料电池系统的排水控制进行说明的曲线图。
图8是对燃料电池系统的低温时运转停止控制进行说明的流程图。
图9是对燃料电池系统的低温时运转停止控制进行说明的曲线图。
具体实施方式
下面，举出适合的实施方式，并参照附图来对本发明所涉及的燃料电池系统进行说明。
如图1所示，本发明的一个实施方式所涉及的燃料电池系统10例如搭载于燃料电池电动汽车等燃料电池车辆(未图示)。
燃料电池系统10具备燃料电池堆12(燃料电池)。在燃料电池堆12中，设置供给作为燃料气体的例如氢气的燃料气体供给装置14、供给作为氧化剂气体的例如空气的氧化剂气体供给装置16、以及供给冷却介质的冷却介质供给装置18。燃料电池系统10还具备作为能量贮藏装置的蓄电池20和控制部22。
关于燃料电池堆12，具备在水平方向层叠的多个发电单电池24。发电单电池24是用第一隔板28和第二隔板30夹持电解质膜-电极结构体26而构成的。第一隔板28以及第二隔板30是由金属隔板或者碳隔板构成的。
电解质膜-电极结构体26具备例如包含水分的全氟磺酸的薄膜即固体高分子电解质膜32、夹持固体高分子电解质膜32的阳极电极34以及阴极电极36。固体高分子电解质膜32除了能使用氟系电解质之外还能使用HC(碳化氢)系电解质。
在第一隔板28与电解质膜-电极结构体26之间，设置有用于将燃料气体向阳极电极34引导的燃料气体流路38。在第二隔板30与电解质膜-电极结构体26之间，设置有用于向阴极电极36供给氧化剂气体的氧化剂气体流路40。在彼此相邻的第一隔板28与第二隔板30之间，设置有用于使冷却介质(制冷剂)流通的冷却介质流路42。
在燃料电池堆12设置燃料气体入口44a、燃料气体出口44b、氧化剂气体入口46a、氧化剂气体出口46b、冷却介质入口48a以及冷却介质出口48b。燃料气体入口44a在层叠方向贯通各发电单电池24，并且与燃料气体流路38的供给侧连通。燃料气体出口44b在层叠方向贯通各发电单电池24，并且与燃料气体流路38的排出侧连通。由燃料气体流路38、燃料气体入口44a以及燃料气体出口44b构成阳极流路。
氧化剂气体入口46a在层叠方向贯通各发电单电池24，并且与氧化剂气体流路40的供给侧连通。氧化剂气体出口46b在层叠方向贯通各发电单电池24，并且与氧化剂气体流路40的排出侧连通。由氧化剂气体流路40、氧化剂气体入口46a以及氧化剂气体出口46b构成阴极流路。
冷却介质入口48a在层叠方向贯通各发电单电池24，并且与冷却介质流路42的供给侧连通。冷却介质出口48b在层叠方向贯通各发电单电池24，并且与冷却介质流路42的排出侧连通。
燃料气体供给装置14具备用于贮存高压的燃料气体(高压氢)的燃料气体罐50，该燃料气体罐50经由燃料气体供给路52来与燃料电池堆12的燃料气体入口44a连通。燃料气体供给路52向燃料电池堆12供给燃料气体。
在燃料气体供给路52设置有喷射器54以及引射器56。喷射器54将从燃料气体罐50引导出的燃料气体向下游侧喷射。引射器56使从喷射器54喷射的燃料气体因文丘利效应产生负压来吸入后述的循环流路62的燃料排气，并与燃料气体混合向下游侧喷出。
燃料电池堆12的燃料气体出口44b与燃料气体排出路58(导出流路)连通。燃料气体排出路58将在阳极电极34至少被使用了一部分的燃料气体即燃料排气(燃料排气体)从燃料电池堆12导出。在燃料气体排出路58设置气液分离器60。气液分离器60从燃料排气分离水分(生成水)，并贮存分离出的水。气液分离器60与燃料电池堆12邻接。因此，由燃料电池堆12产生的热向气液分离器60传递。
燃料气体排出路58的下游侧的端部与循环流路62和吹扫流路64连结。循环流路62将燃料排气向引射器56引导。在循环流路62设置循环泵66。特别是，循环泵66在燃料电池堆12的启动时，使向燃料气体排出路58排出的燃料排气通过循环流路62来在燃料气体供给路52中循环。
在吹扫流路64设置有吹扫阀68。在气液分离器60的底部110设置有用于将由气液分离器60分离出的水排出的排出流路70。在排出流路70设置有用于打开和关闭排出流路70的阀装置72。在后记述关于阀装置72的具体结构的说明。
氧化剂气体供给装置16具备与燃料电池堆12的氧化剂气体入口46a连通的氧化剂气体供给路74以及与燃料电池堆12的氧化剂气体出口46b连通的氧化剂气体排出路76。
在氧化剂气体供给路74设置有将氧化剂气体(来自大气的空气)压缩并供给的氧化剂气体泵78。氧化剂气体供给路74向燃料电池堆12导入氧化剂气体，氧化剂气体排出路76将在阴极电极36至少被使用了一部分的氧化剂气体即氧化剂排气从燃料电池堆12排出。
冷却介质供给装置18具备与燃料电池堆12的冷却介质入口48a连接的冷却介质供给路80。在冷却介质供给路80设置有制冷剂泵82。冷却介质供给路80与散热器84连结，并且散热器84与同冷却介质出口48b连通的冷却介质排出路86连结。
如图2所示，阀装置72设置于气液分离器60的底部110。阀装置72具有阀主体90、流体导入部92以及流体导出部94。
阀主体90包括中空的阀身(日文：弁ボディ)96、固定芯98、可动芯100、弹簧102、阀体104以及螺线管106。在阀身96内，固定芯98和可动芯100以沿箭头符号X方向排列的状态配设。可动芯100是由铁等磁性材料构成的，沿箭头符号X方向动作。
在可动芯100的沿箭头符号X1方向的一个端部形成有凹部108，在该凹部108配置了用于沿箭头符号X2方向对可动芯100施力的弹簧102。阀体104设置于可动芯100的沿箭头符号X2方向的另一个端部，并且位于阀身96的阀室109。从控制部22向设置于阀身96的螺线管106供给电流。
流体导入部92将气液分离器60内的至少包含水的流体向阀主体90引导。流体导入部92沿箭头符号X方向延伸并且设置于气液分离器60的底部110。
流体导入部92位于气液分离器60的底部110的下方(铅垂下方)。在流体导入部92形成有用于将气液分离器60内的流体向流体导入部92的内孔92a引导的开口部112。也就是说，开口部112将在气液分离器60的底部110形成的排出口110a与流体导入部92的内孔92a相互连通。在流体导入部92的一个端部(箭头符号X1方向的端部)设置有用于安放阀体104的阀座114。
流体导出部94使从阀主体90(阀室109)引导出的流体导出。流体导出部94以覆盖流体导入部92的一端侧的方式设置于阀身96。流体导出部94的内孔92a、阀室109、流体导出部94的内孔94a构成排出流路70的一部分。
在这样的阀装置72中，当从控制部22向螺线管106供给电流时，可动芯100因螺线管106励磁的作用而向固定芯98所在的一侧(箭头符号X1方向)发生位移。由此，阀体104从阀座114分离，因此排出流路70打开。
另一方面，当从控制部22向螺线管106的电流的供给切断时，可动芯100因弹簧102的施力而向箭头符号X2方向发生位移。由此，阀体104安放于阀座114，因此排出流路70关闭。
在本实施方式中，在流体导入部92的内孔92a配设有对从气液分离器60引导出的流体进行加热的加热装置116。加热装置116具有作为发热体的PTC(Positive TemperatureCoefficient：正温度系数)加热器118和收容PTC加热器118的罩部120。PTC加热器118沿箭头符号X方向延伸并且位于开口部112的下方。PTC加热器118利用从控制部22供给的电力进行发热。
如图3所示，PTC加热器118当超过规定设定温度Tr时会与温度上升相对地而电阻值急剧地增大，因此具有自控温功能。此外，在图3中，纵轴是PTC加热器118的电阻值(加热器电阻值)的对数。加热器电阻值在常温Tn(25℃)与设定温度Tr之间为最低电阻值Rmin。
在图2中，罩部120包括在沿箭头符号X方向延伸的状态下覆盖PTC加热器118的管状的罩部主体122以及在罩部主体122的沿箭头符号X1方向的端部设置的导出部124。罩部主体122被流体导入部92的另一个端部支承。在流体导入部92的另一个端部安装有与罩部主体122的外表面液密和气密地接触的密封构件126。
罩部主体122位于开口部112的下方。罩部主体122的外径小于流体导入部92的内径。在罩部主体122形成有上孔128和连通孔130。上孔128朝向罩部主体122的上方开口，并使从气液分离器60引导出的流体向罩部120的内孔120a导入。上孔128位于比开口部112以及PTC加热器118靠阀座114所在的一侧(箭头符号X1方向)的位置。
连通孔130朝向罩部主体122的下方开口，并且将流体导入部92的内孔92a中的罩部120的外侧的空间(外侧空间132)与罩部120的内孔120a相互连通。连通孔130与上孔128相比位于同阀座114所在的一侧相反方向(箭头符号X2方向)的位置。换言之，连通孔130的在箭头符号X1方向的一端位于与上孔128的在箭头符号X2方向的一端相比靠箭头符号X2方向的位置。连通孔130位于比PTC加热器118靠箭头符号X1方向的位置。
导出部124构成为环状。在导出部124中的沿箭头符号X1方向的端部形成有用于将罩部120的内孔120a的流体向阀主体90引导的导出孔134。导出孔134朝向箭头符号X1方向开口。相对于连通孔130而言，PTC加热器118位于与导出孔134相反一侧的位置。导出部124的外径与流体导入部92的内径大致相等。即，导出部124的外表面与流体导入部92的内表面接触。导出部124的流路截面积大于罩部主体122的流路截面积。
在图1中，控制部22是包括微型计算机在内的计算机，具有CPU(中央处理装置)、作为存储器的ROM(Read-Only Memory：只读存储器)、RAM(rand om access memory：随机存取存储器)等，CPU通过读出并执行储存于ROM的程序来作为各种功能实现部(功能实现单元)发挥功能。此外，各种功能实现部也能够由硬件的功能实现器构成。
控制部22具备阀控制部136、加热器控制部138、电阻值获取部140、电阻值判定部142、加热器温度计算部144、堆温度获取部146(燃料电池温度获取部)、温度判定部148以及存储部150。
阀控制部136控制阀装置72，以打开和关闭排出流路70。加热器控制部138控制向PTC加热器118的供给电力。电阻值获取部140获取PTC加热器118的电阻值。电阻值判定部142判定由电阻值获取部140获取到的加热器电阻值是否满足规定条件。
加热器温度计算部144基于加热器电阻值来计算PTC加热器118的温度(加热器温度)。堆温度获取部146获取燃料电池堆12的温度(以下称为“堆温度”)。温度判定部148判定加热器温度和堆温度(燃料电池温度)是否满足规定条件。
下面，对这样构成的燃料电池系统10的动作进行说明。
在图1中，在燃料气体供给装置14中，从燃料气体罐50向燃料气体供给路52供给的燃料气体经由喷射器54以及引射器56来向燃料气体入口44a供给。供给到燃料气体入口44a的燃料气体被导入燃料气体流路38，沿着燃料气体流路38移动，由此被供给到电解质膜-电极结构体26的阳极电极34。
在图1中，在氧化剂气体供给装置16中，在氧化剂气体泵78旋转的作用下，向氧化剂气体供给路74输送氧化剂气体。该氧化剂气体向燃料电池堆12的氧化剂气体入口46a供给。氧化剂气体从氧化剂气体入口46a被导入到氧化剂气体流路40，沿着氧化剂气体流路40移动，由此被供给到电解质膜-电极结构体26的阴极电极36。
因而，在各电解质膜-电极结构体26中，向阳极电极34供给的燃料气体与向阴极电极36供给的氧化剂气体中的氧在电极催化剂层内因电化学反应被消耗来进行发电。此时，在阳极电极34生成质子，该质子在固体高分子电解质膜32内传导并向阴极电极36移动。另一方面，在阴极电极36，由质子、电子、氧化剂气体中的氧生成水。所生成的水(生成水)渗透固体高分子电解质膜32并到达阳极电极34。因此，在燃料电池堆12(阳极流路)内产生生成水。
另外，在冷却介质供给装置18中，在制冷剂泵82的作用下，从冷却介质供给路80向燃料电池堆12的冷却介质入口48a供给纯水、乙二醇、油等冷却介质。冷却介质沿冷却介质流路42流动，在将发电单电池24冷却之后，从冷却介质出口48b向冷却介质排出路86排出。
接着，被供给至阳极电极34并且一部分被消耗了的燃料气体作为包含水分(生成水)的燃料排气从燃料气体出口44b经由燃料气体排出路58向气液分离器60导出。在气液分离器60，从燃料排气分离出水分。所分离出的水贮存于气液分离器60内。水分被分离了的燃料排气从气液分离器60经由循环流路62向引射器56导入。导入到引射器56的燃料排气因从喷射器54向引射器56喷出燃料气体而产生的负压的作用被引射器56吸引而与燃料气体混合。
排出到燃料气体排出路58的燃料排气根据需要在吹扫阀68打开的作用下向外部排出(吹扫)。同样地，被供给至阴极电极36并且一部分被消耗了的氧化剂气体从氧化剂气体出口46b向氧化剂气体排出路76排出。
然后，对本实施方式的燃料电池系统10的低温启动控制(冰点下的启动控制)进行说明。
首先，在图4中以及在图5的时间点t1，控制部22启动燃料电池系统10(步骤S1)。另外，与此大致同时地，加热器控制部138开始向PTC加热器118的电力供给(步骤S2)。
这样，燃料电池堆12因发电而产生暖气并且PTC加热器118进行发热。因此，如图5所示，燃料电池堆12的温度(堆温度)和PTC加热器118的温度(加热器温度)上升。这时，PTC加热器118保持在比冻结温度Tf高的规定温度T1。此外，PTC加热器118的电阻值(加热器电阻值)在减小到最低电阻值Rmin之后增大。
另外，在燃料电池堆12的低温启动时，因发电在燃料电池堆12产生比较低温的生成水，包含水分的燃料排气被向气液分离器60引导。利用气液分离器60从燃料排气分离出水。而且，如图2所示，所分离出的水经由气液分离器60的底部110的排出口110a以及开口部112来向流体导入部92的内孔92a流入。
具体来讲，流入到流体导入部92的内孔92a的水与燃料排气一并向罩部主体122的上表面落下，在箭头符号X1方向流动并从上孔128向罩部120的内孔120a导入。导入到罩部120的内孔120a的流体(水以及燃料排气)在箭头符号X1方向流动并经由导出孔134来向阀主体90(阀座114以及阀体104)引导。
此时，向流体导入部92的内孔92a流入的水被PTC加热器118加热。换言之，在图5的时间点t2，向流体导入部92的内孔92a流入的水与加热装置116接触，由此加热器温度以及加热器电阻值减小。加热器温度例如比冻结温度Tf以及堆温度低。
而且，在图4中，电阻值判定部142判定加热器电阻值是否为目标电阻值以上(步骤S3)。由电阻值获取部140获取加热器电阻值。目标电阻值预先存储于存储部150，例如，能够设定为在阀装置72冻结的情况下能够使该冻结解冻那样的加热器温度时的加热器电阻值。
在电阻值判定部142判定为加热器电阻值小于目标电阻值的情况下(步骤S3：否)，加热器控制部138使向PTC加热器118的供给电力增加(步骤S4)。由此，加热器温度迅速地上升，加热器温度变得高于冻结温度Tf以及堆温度。
因此，流体导入部92的内孔92a的流体被PTC加热器118加温至冻结温度Tf以上。另外，外侧空间132被PTC加热器118加热，因此外侧空间132的水蒸气经由连通孔130来向罩部120的内孔120a导入(参照图2)。因而，冻结的阀主体90(阀体104和阀座114)被从罩部120导出的流体有效率地加温。在步骤S4的处理之后，再次进行步骤S3以后的处理。
在电阻值判定部142判定为加热器电阻值为目标电阻值以上的情况下(步骤S3：是)，堆温度获取部146获取堆温度Ts(步骤S5)。另外，加热器温度计算部144基于加热器电阻值来计算加热器温度Th(步骤S6)。
具体来讲，加热器温度计算部144例如参照图3所示的曲线图来基于加热器电阻值计算加热器温度Th。此外，该曲线图预先存储于存储部150。在图3的曲线图中，根据一个加热器电阻值来获取两个温度。因此，加热器温度计算部144将所获取的两个温度中的比堆温度Ts高的温度选择为加热器温度Th。
之后，在图4中，温度判定部148判定从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差是否为规定温度Ta以上(步骤S7)。在温度判定部148判定为从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差小于规定温度Ta的情况下(步骤S7：否)，再次进行步骤S7的处理。
在温度判定部148判定为从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差为规定温度Ta以上的情况下(步骤S7：是)，控制部22开始解冻时间tm的计时(参照步骤S8、图5的时间点t3)。而且，控制部22判定解冻时间tm是否成为了设定时间ta以上(步骤S9)。
在解冻时间tm没有达到设定时间ta的情况下(步骤S9：否)，再次进行步骤S9的处理。在解冻时间tm成为了设定时间ta以上的情况下(步骤S9：是)，加热器控制部138停止向PTC加热器118的电力供给(参照步骤S10、图5的时间点t4)。由此，从气液分离器60向罩部120的内孔120a引导的的流体被PTC加热器118充分加温，因此阀主体90迅速地被解冻。之后，燃料电池系统10的低温启动控制结束。
然后，对本实施方式的燃料电池系统10的排水控制进行说明。
首先，在图6以及图7的时间点t5，加热器控制部138开始向PTC加热器118的电力供给(步骤S20)。
接着，加热器温度计算部144基于加热器电阻值来计算加热器温度Th(步骤S21)。由电阻值获取部140获取加热器电阻值。加热器温度计算部144例如参照图3所示的曲线图来基于加热器电阻值计算加热器温度Th。另外，堆温度获取部146获取堆温度Ts(步骤S22)。
之后，温度判定部148判定从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差是否为排水判定值Tb以下(步骤S23)。排水判定值Tb预先存储于存储部150。
在此，在气液分离器60内贮存有将加热装置116淹没的程度的水的情况下，PTC加热器118的热传到比热大的水，因此加热器温度Th成为比较低的温度(例如，与堆温度大致相同的温度)。因此，从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差比较低。另一方面，在气液分离器60内没有贮存水的情况或者只贮存有加热装置116从水面露出的程度的水位的情况下，PTC加热器118的热传到比热小的气体，因此加热器温度Th成为比较高的温度(与供给电力相应的温度)。因此，从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差比较高。
在温度判定部148判定为从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差大于排水判定值Tb的情况下(步骤S23：否)，控制部22判定为气液分离器60内没有贮存水(步骤S24)。而且，加热器控制部138停止向PTC加热器118的电力供给并持续规定时间(步骤S25)，之后，再次进行步骤S20以后的处理。
在此，当不停止PTC加热器118的电力供给时，在燃料电池堆12的生成水为微量时，从气液分离器60引导至阀装置72的水被PTC加热器118蒸发。因此，停止向PTC加热器118的电力供给并持续规定时间，以使加热装置116被水淹没。
另外，当事先确认在气液分离器60内没有贮存水的状态下从燃料电池堆12受热时的加热器温度与在该状态下开始向PTC加热器118的电力供给时的加热器温度之间的温度差时，对气液分离器60内的贮水量的估计精度会提高。但是，在根据燃料电池系统10的温度以及加热器特性而能够忽略从燃料电池堆12对PTC加热器118的受热的影响的情况下，也可以始终进行PTC加热器118的电力供给。
在温度判定部148判定为从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差为排水判定值Tb以下的情况下(步骤S23：是)，控制部22判定为气液分离器60内贮存有水(步骤S26)。
而且，加热器控制部138停止向PTC加热器118的电力供给(步骤S27)。之后，阀控制部136对阀装置72进行开阀控制以打开排出流路70(参照步骤S28、图7的时间点t6)。由此，气液分离器60内的水排向比排出流路70中的阀装置72靠下游侧的位置。
然后，加热器控制部138开始向PTC加热器118的电力供给(步骤S29)。由此，在因排水而加热装置116从水面露出时，加热器温度以及加热器电阻值根据向PTC加热器118供给的电力量而上升。
接着，电阻值判定部142判定加热器电阻值是否为规定阈值以上(步骤S30)。在电阻值判定部142判定为加热器电阻值小于规定阈值的情况下(步骤S30：否)，再次进行步骤S30的处理。这是因为，气液分离器60内的水没有充分地排出。
在电阻值判定部142判定为加热器电阻值为规定阈值以上的情况下(参照步骤S30：是、图7的时间点t7)，控制部22开始排水时间td的计时(步骤S31)。然后，控制部22判定排水时间td是否成为了设定时间ta以上(步骤S32)。
在排水时间td没有达到设定时间tb的情况下(步骤S32：否)，再次进行步骤S32的处理。在排水时间td成为了设定时间tb以上的情况下(步骤S32：是)，阀控制部136对阀装置72进行闭阀控制，以关闭排出流路70(参照步骤S33、图7的时间点t8)。由此，气液分离器60内的水可靠地排向比阀装置72靠下游侧的位置。
然后，电阻值判定部142判定加热器电阻值是否为规定阈值以上(步骤S34)。在电阻值判定部142判定为加热器电阻值小于规定阈值的情况下(步骤S34：否)，再次进行步骤S28以后的处理。
在因车辆运行状态而气液分离器60内的水面相对于水平发生倾斜时，加热装置116从水面露出，因此有时在气液分离器60内存留有水的状态下阀装置72关闭。但是，在加热器电阻值为规定阈值以上的情况下再次打开阀装置72，因此即使在因车辆运行状态而水面相对于水平发生倾斜的情况下，气液分离器60内的水也可靠地排出。
在电阻值判定部142判定为加热器电阻值为规定阈值以上的情况下(步骤S34：是)，加热器控制部138停止向PTC加热器118的电力供给(参照步骤S35、图7的时间点t9)。之后，燃料电池系统10的排水控制结束。
然后，对燃料电池系统10的低温时运转停止控制进行说明。
首先，在图8以及图9的时间点t10，控制部22停止燃料电池系统10的运转(步骤S40)。此外，在燃料电池系统10的运转中，堆温度和周边辅助设备的系统内的温度向相近的温度推移，因此能够参照燃料电池堆12内的制冷剂、燃料气体以及氧化剂气体的温度来获知加热器温度。
当停止燃料电池系统10的运转时，停止向燃料电池堆12供给燃料气体以及氧化剂气体并且停止向控制部22的电力供给。由此，如图9所示，堆温度和加热器温度下降。
然后，当从步骤S40起经过规定时间时，控制部22启动(步骤S41)。而且，电阻值获取部140获取加热器电阻值(步骤S42)，加热器温度计算部144基于加热器电阻值来计算加热器温度Th(步骤S43)。此时，由于没有向PTC加热器118供给电力，因此如果在周边温度下放置充分的时间，PTC加热器118的内部也会成为与表面大致相同的温度。因此，通过使微电流流向PTC加热器118来获取加热器电阻值，基于该加热器电阻值来计算加热器温度Th，由此能够获知辅助设备系统内的温度。
此外，加热器温度计算部144例如参照图3所示的曲线图来基于加热器电阻值计算加热器温度Th。在该情况下，利用图3的曲线图中的比设定温度Tr高的温度的区域(线形区域)，由此能够在最适合结露水存留的温度和定时执行排水控制。
接下来，温度判定部148判定加热器温度Th是否为冻结阈值Tc以下(步骤S44)。冻结阈值Tc预先存储于存储部150并被设定为比冻结温度Tf高的温度。在温度判定部148判定为加热器温度Th高于冻结阈值Tc的情况下(步骤S44：否)，在停止向控制部22的电力供给并持续规定时间(步骤S45)后，再次进行步骤S41以后的处理。此外，也可以是，计算加热器温度的下降梯度来设定下次的控制部22的启动定时。
在加温度判定部148判定为加热器温度Th为冻结阈值Tc以下的情况下(参照步骤S44：是、图9的时间点t11)，启动燃料电池系统10(步骤S46)。
接着，控制部22进行气液分离器60内的排水控制(步骤S47)。具体来讲，阀控制部136对阀装置72进行开阀控制，以打开排出流路70。由此，气液分离器60内的水被排出。
如图9所示，燃料电池堆12的热容量比较大，因此在燃料电池系统10停止后，辅助设备类有时会比燃料电池堆12先到达冻结温度Tf。为了防止辅助设备系统内的冻结，需要辅助设备在比冻结温度Tf高的温度下对结露水进行排水处理，但是在参照堆温度Ts的情况下，有时辅助设备类已经达到冻结温度Tf以下。
然而，由于在加热器温度Th为冻结阈值Tc以下的情况下进行了排水控制，因此能够在辅助设备类达到冻结温度Tf之前可靠地排出结露水。也就是说，在加热器温度Th达到冻结温度Tf时(参照图9的时间点t12)，阀装置72内没有存留有水，因此阀主体90不会冻结。
之后，控制部22停止燃料电池系统10(参照步骤S48、图9的时间点t13)。由此，燃料电池系统10的低温时运转停止控制结束。
接下来，对本实施方式所涉及的燃料电池系统10的效果进行说明。
阀装置72具有阀主体90、流体导入部92以及流体导出部94。流体导入部92将气液分离器60内的至少包含水的流体向阀主体90引导。流体导出部94使从阀主体90引导出的流体导出。在流体导入部92的内孔92a配设有加热装置116。
由此，能够利用加热装置116来将从气液分离器60向阀主体90引导的流体(燃料排气以及水)直接加热，并且能够将流体导入部92的内孔92a保持在高于冰点的温度。由此，能够对阀主体90有效率地进行加热。由此，能够通过简单的结构，有效地抑制阀装置72的冻结，并且即使在阀装置72冻结了的情况下也能够迅速地解冻。
在流体导入部92形成有用于使流体从气液分离器60内向流体导入部92的内孔92a流入的开口部112。加热装置116具有PTC加热器118、位于开口部112的下方并收容PTC加热器118的罩部120。在罩部120形成有向罩部120的上方开口且用于将流体向罩部120的内孔120a导入的上孔128、以及用于将罩部120的内孔120a的流体向阀主体90引导的导出孔134。
由此，从气液分离器60经由开口部112向流体导入部92的内孔92a流入的流体经由上孔128向罩部120的内孔120a导入并被PTC加热器118加热。由此，能够将向阀主体90引导的流体的流量以在罩部120处收拢的状态来有效率地进行加热。
流体导入部92设置于气液分离器60的底部110。因此，能够使阀装置72和气液分离器60的结构简单化。
在罩部120形成有连通孔130，该连通孔130朝向下方开口，用于使罩部120与流体导入部92之间(外侧空间132)存在的水蒸气导入罩部120的内孔120a。由此，能够利用从连通孔130向罩部120的内孔120a导入的水蒸气来更有效率地对阀主体90进行加热。
连通孔130位于比上孔128靠与导出孔134相反的一侧的位置。由此，能够使在外侧空间132存在的水蒸气从连通孔130向罩部120的内孔120a有效率地导入。另外，能够抑制从上孔128向罩部120的内孔120a导入的水经由连通孔130向罩部120的外部流出。
罩部120具有覆盖PTC加热器118且形成有上孔128的罩部主体122、以及设置于罩部主体122且形成有导出孔134的导出部124。导出部124的流路截面积大于罩部主体122的流路截面积。由此，能够抑制因向导出部124引导的流体而阀主体90被局部地加热。
加热装置116作为发热体而具有PTC加热器118，由此能够通过简单的控制来使PTC加热器118达到目标温度。
在燃料电池系统10的低温启动控制中，在燃料电池系统10启动时，在向PTC加热器118供给了电力的状态下，在电阻值判定部142判定为加热器电阻值小于目标电阻值的情况下，加热器控制部138使向PTC加热器118的供给电力增加。
由此，即使在燃料电池系统10启动时阀装置72冻结的情况下，也能够通过简单的控制来利用PTC加热器118将阀装置72迅速地解冻。
在燃料电池系统10的低温启动控制中，在温度判定部148判定为从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差为规定温度Ta以上的情况下，加热器控制部138停止向PTC加热器118的电力供给。
由此，能够在从气液分离器60向流体导入部92的内孔92a流入的流体充分地被加温的状态下停止向PTC加热器118的电力供给。由此，能够将阀装置72的冻结可靠地解冻并且能够抑制PTC加热器118的电力消耗量。
另外，在燃料电池系统10的排水控制中，在燃料电池系统10的通常运转时气液分离器60内贮存有水的情况下，加热装置116与水接触，因此PTC加热器118的温度变低。因此，从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差变得比较小。另一方面，在气液分离器60内没有贮存水的情况下，加热装置116与燃料排气等气体接触，因此PTC加热器118的温度变高。因此，所述温度差变得比较大。
而且，在燃料电池系统10的排水控制中，在燃料电池系统10的通常运转时，在向PTC加热器118供给着电力的状态下，如果温度判定部148判定为从加热器温度Th减去堆温度Ts而得的温度差为排水判定值Tb以下的情况下，阀控制部136对阀装置72进行开阀控制，以打开排出流路70。
由此，通过简单的控制，能够将气液分离器60内的水可靠地排出。
在燃料电池系统10的排水控制中，例如，在燃料电池系统10搭载于车辆等时，有时因车辆运行状态而气液分离器60内的水面相对于水平发生倾斜。在该情况下，当加热装置116从水面露出时，即使气液分离器60内留有水，阀装置72也会关闭。但是，在对阀装置72进行了闭阀控制之后，在加热器电阻值高于规定阈值的情况下，对阀装置72再次进行开阀控制，因此即使在气液分离器60内的水面相对于水平发生倾斜的情况下，也能够将气液分离器60内的水可靠地排出。
在燃料电池系统10的低温时运转停止控制中，在燃料电池系统10的运转停止的状态下控制部22启动时，在温度判定部148判定为加热器温度Th为冻结阈值Tc以下的情况下，阀控制部136对阀装置72进行开阀控制，以打开排出流路70。由此，通过简单的控制，能够在燃料电池系统10的运转停止中在阀装置72产生的结露水冻结之前将该结露水可靠地排出。
本发明不限定于上述的结构。也可以是，分别设置多个上孔128以及连通孔130。连通孔130也可以朝向罩部主体122的侧方开口。也就是说，只要连通孔130朝向上方之外的方向开口即可。另外，也可以是，在连通孔130配设有阻止水的流通并且允许水蒸气的流通的过滤器。加热装置116的发热体不限定于PTC加热器118。
也可以是，在氧化剂气体排出路76设置从氧化剂排气(排气)分离水分的气液分离器60，在该气液分离器60的底部110设置有配设了加热装置116的阀装置72。
本发明所涉及的燃料电池系统不限于上述的实施方式，只要不脱离本发明的主旨，能够采用各种各样的结构，这是当然的。

Claims (12)

1.一种燃料电池系统，具备：燃料电池，其通过燃料气体与氧化剂气体之间的电化学反应来进行发电；燃料气体供给装置，其向所述燃料电池内供给所述燃料气体；氧化剂气体供给装置，其向所述燃料电池内供给所述氧化剂气体；导出流路，其使从所述燃料电池导出的包含水分的排气流通；气液分离器，其设置于所述导出流路，从所述排气分离水分；排出流路，其用于将由所述气液分离器分离出的水排出；以及阀装置，其设置于所述排出流路，所述燃料电池系统的特征在于，
所述阀装置具有：
阀主体，其用于将所述排出流路打开和关闭；
流体导入部，其将所述气液分离器内的至少包含水的流体向所述阀主体引导；以及
流体导出部，其使从所述阀主体引导出的所述流体导出，
其中，在所述流体导入部的内孔配设有加热装置。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述流体导入部形成用于使所述流体从所述气液分离器内向所述流体导入部的内孔流入的开口部，
所述加热装置具有：
发热体；以及
罩部，其位于所述开口部的下方，收容所述发热体，
在所述罩部形成有：
上孔，其朝向所述罩部的上方开口，用于将所述流体向所述罩部的内孔导入；以及
导出孔，其用于将所述罩部的内孔的所述流体向所述阀主体引导。
3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述流体导入部设置于所述气液分离器的底部。
4.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述罩部形成有连通孔，该连通孔朝向上方之外的方向开口，用于将所述罩部与所述流体导入部之间存在的水蒸气向所述罩部的内孔导入。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述连通孔朝向下方开口并且位于比所述上孔靠与所述导出孔相反一侧的位置。
6.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述罩部具有：
罩部主体，其覆盖所述发热体并且形成有所述上孔；以及
导出部，其设置于所述罩部主体并且形成有所述导出孔，
其中，所述导出部的流路截面积大于所述罩部主体的流路截面积。
7.根据权利要求2至6中的任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述发热体为PTC加热器。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备：
加热器控制部，其控制向所述PTC加热器供给的电力；
电阻值获取部，其获取所述PTC加热器的电阻值；以及
电阻值判定部，其判定由所述电阻值获取部获取到的加热器电阻值是否为目标电阻值以上，
其中，在所述燃料电池系统启动时，在向所述PTC加热器供给了电力的状态下，在所述电阻值判定部判定为所述加热器电阻值小于所述目标电阻值的情况下，所述加热器控制部使向所述PTC加热器的供给电力增加。
9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备：
燃料电池温度获取部，其获取所述燃料电池的温度；
加热器温度计算部，其基于所述加热器电阻值来计算所述PTC加热器的温度；以及
温度判定部，其判定从由所述加热器温度计算部计算出的加热器温度减去由所述燃料电池温度获取部获取到的燃料电池温度而得的温度差是否为规定温度以上，
其中，在所述温度判定部判定为所述温度差为所述规定温度以上的情况下，所述加热器控制部停止向所述PTC加热器的电力供给。
10.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，还具备：
阀控制部，其控制所述阀装置，以打开和关闭所述排出流路；
加热器控制部，其控制向所述PTC加热器供给的电力；
电阻值获取部，其获取所述PTC加热器的电阻值；
加热器温度计算部，其基于由所述电阻值获取部获取到的加热器电阻值来计算所述PTC加热器的温度；
燃料电池温度获取部，其获取所述燃料电池的温度；以及
温度判定部，其判定从由所述加热器温度计算部计算出的加热器温度减去由所述燃料电池温度获取部获取到的燃料电池温度而得的温度差是否为排水判定值以下，
其中，在所述燃料电池系统的通常运转时，在向所述PTC加热器供给着电力的状态下，在所述温度判定部判定为所述温度差为所述排水判定值以下的情况下，所述阀控制部对所述阀装置进行开阀控制，以打开所述排出流路。
11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备电阻值判定部，该电阻值判定部判定所述加热器电阻值是否高于规定阈值，
在从所述开阀控制起经过规定时间后对所述阀装置进行闭阀控制以关闭所述排出流路之后，在所述电阻值判定部判定为所述加热器电阻值高于所述规定阈值的情况下，所述阀控制部对所述阀装置进行开阀控制，以打开所述排出流路。
12.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，
还具备控制部，该控制部在所述燃料电池系统的运转停止之后以规定时间间隔来启动，
所述控制部具有：
阀控制部，其控制所述阀装置，以打开和关闭所述排出流路；
加热器控制部，其控制向所述PTC加热器供给的电力；
电阻值获取部，其获取所述PTC加热器的电阻值；
加热器温度计算部，其基于由所述电阻值获取部获取到的加热器电阻值来计算所述PTC加热器的温度；以及
温度判定部，其判定由所述加热器温度计算部计算出的加热器温度是否为冻结阈值以下，
其中，在所述燃料电池系统的运转停止的状态下所述控制部启动时，在所述温度判定部判定为所述加热器温度为所述冻结阈值以下的情况下，所述阀控制部对所述阀装置进行开阀控制，以打开排出流路。
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