CN112201819A - 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法，燃料电池系统具备：气液分离器，将燃料电池的废气分离为液体成分与气体成分并存积上述液体成分的液态水；循环配管；排水管，排出上述液态水；以及排水阀，对上述排水管进行开闭。在燃料电池系统的运转结束时执行的结束时扫气处理中，当满足被设定为上述排水阀开阀时的上述气液分离器的储水量比在上述燃料电池系统的通常运转的执行中上述排水阀开阀时的储水量多的上述排水阀的开阀条件时，控制部将上述排水阀开阀。

Description

燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法
技术领域
本公开涉及燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法。
背景技术
例如，在下述的日本特开2009-104966中公开了一种通过气液分离器将从燃料电池排出的废气分离为气体成分与液体成分并使气体成分循环至燃料电池、将液体成分作为液态水存积于气液分离器内之后将其排出的燃料电池系统。
在使用上述那样的气液分离器使废气循环至燃料电池而再次利用的燃料电池系统中，在其运转结束后，存在水滴附着于气液分离器的内壁面而残留的情况。若保持这样的水滴残留在气液分离器内的状态而结束燃料电池系统的运转，则在冰点下等低温环境下，存在该水滴在气液分离器内结冰、移动至设置于从气液分离器起的排水路径的排水阀并结冰的情况。在气液分离器内结冰的水滴成为难以掌握气液分离器中的储水量的原因。另外，排水阀的结冰成为阻碍从气液分离器排水的原因。迄今为止，即便在燃料电池系统的运转结束时执行扫气处理，也无法使在这样的在气液分离器内附着于内壁面而残留的水滴充分减少。
发明内容
本公开的技术能够作为以下的方式实现。
第一方式被作为燃料电池系统提供。该方式的燃料电池系统具备：燃料电池，构成为接受反应气体的供给来进行发电；气液分离器，构成为与上述燃料电池连接，将上述燃料电池的废气分离为液体成分与气体成分并存积上述液体成分的液态水；循环配管，与上述气液分离器连接并构成循环路径，该循环路径构成为将上述气液分离器的上述气体成分向上述燃料电池循环；排水管，构成为与上述气液分离器连接并将上述液态水从上述气液分离器排出；排水阀，构成为对上述排水管进行开闭；以及控制部，构成为控制对于上述燃料电池的上述反应气体的供给，在上述燃料电池系统的运转结束时，执行使上述废气的上述气体成分作为扫气气体而循环来进行扫气的结束时扫气处理。上述控制部构成为在满足了与上述气液分离器的储水量建立对应而预先决定的开阀条件时，将上述排水阀开阀来执行使上述液态水从上述气液分离器排出的排水阀控制，并构成在上述结束时扫气处理中，使用被设定为上述排水阀开阀时的上述气液分离器的储水量比在上述燃料电池系统的通常运转的执行中将上述排水阀开阀时的储水量多的上述开阀条件来执行上述排水阀控制。根据该方式的燃料电池系统，由于在结束时扫气处理时，排水阀开阀时的气液分离器中的液态水的水位变高，所以能够减少附着于气液分离器内的壁面的水滴保持附着的状态不变的区域。因此，在燃料电池系统的运转结束时，能够使在气液分离器内附着于内壁面而残留的水滴减少，在低温环境下的燃料电池系统的再次启动时，能够抑制因残留在气液分离器内的水分的结冰而产生不良状况。
在上述方式的燃料电池系统中，上述控制部可以构成为取得上述气液分离器的储水量，并构成为在上述燃料电池系统的上述通常运转的执行中的上述排水阀控制中，当上述气液分离器的储水量大于预先决定的第一阈值时判定为满足上述开阀条件而将上述排水阀开阀，并构成为在上述结束时扫气处理的执行时的上述排水阀控制中，当上述气液分离器的储水量大于被设定为比上述第一阈值大的值的第二阈值时判定为满足上述开阀条件而将上述排水阀开阀。根据该方式的燃料电池系统，通过气液分离器中的储水量的判定，能够在与气液分离器中的储水量对应的适当时机开始从气液分离器的排水。
在上述方式的燃料电池系统中，上述控制部可以构成为在上述结束时扫气处理中，在开始扫气之前决定上述扫气气体的流量并设定与所决定的上述扫气气体的流量对应的上述开阀条件。根据该方式的燃料电池系统，通过开阀条件的设定，能够在结束时扫气处理的执行中根据扫气气体的流量来变更排水阀开阀时的气液分离器内的液态水的水位。因此，即便是扫气气体的流量变更了的情况，也能够使液态水不因泵的吸引而被从气液分离器卷起。
在上述方式的燃料电池系统中，可以在上述气液分离器的内部具备构成为供上述液态水透过的过滤器，上述过滤器被配置为将上述气液分离器的内部空间分隔成比上述过滤器靠上侧的第一区域和比上述过滤器靠下侧的第二区域，上述控制部构成为在上述燃料电池系统的上述通常运转的执行中，使用被决定为当上述气液分离器内的上述液态水的水位位于上述第二区域时上述排水阀开阀的第一开阀条件作为上述开阀条件来执行上述排水阀控制，并构成为在上述结束时扫气处理中，使用被决定为当上述气液分离器内的上述液态水的上述水位位于上述第一区域时上述排水阀开阀的第二开阀条件作为上述开阀条件来执行上述排水阀控制。根据该方式的燃料电池系统，通过过滤器能够抑制混入至液态水的异物到达排水阀，能够抑制因异物引起的排水阀的故障。另外，当在结束时扫气处理中从气液分离器的排水完成之后，能够抑制水分保持附着于过滤器的状态，在低温环境下的燃料电池系统的再次启动时，能够抑制因残留水分结冰引起的过滤器的堵塞的产生。
其他方式被作为燃料电池系统的控制方法提供，该燃料电池系统具备：燃料电池，构成为接受反应气体的供给来进行发电；气液分离器，构成为将上述燃料电池的废气分离为液体成分与气体成分并存积上述液体成分的液态水；循环配管，构成循环路径，该循环路径构成为将上述气液分离器内的上述气体成分向上述燃料电池循环；排水管，构成为从上述气液分离器排出上述液态水；以及排水阀，构成为对上述排水管进行开闭。该方式的燃料电池系统的控制方法具备如下步骤：在结束上述燃料电池系统的运转时，执行使上述废气的上述气体成分作为扫气气体而循环来进行扫气的结束时扫气处理；和在满足了与上述气液分离器的储水量建立对应而预先决定的开阀条件时，将上述排水阀开阀来执行从上述气液分离器排出上述液态水的排水阀控制。在上述结束时扫气处理中，使用被设定为上述排水阀开阀时的上述气液分离器中的储水量比在上述燃料电池的通常运转的执行中上述排水阀开阀时的储水量多的上述开阀条件来执行上述排水阀控制。
本公开的技术还能够以燃料电池系统以外的各种方式实现。例如，能够以搭载燃料电池系统的车辆、燃料电池车辆的控制方法、燃料电池系统、燃料电池车辆中的排水方法或扫气方法、实现这些方法的控制装置、计算机程序、记录有该计算机程序的非暂时性记录介质等方式实现。
附图说明
以下，参照附图对本发明的示例性实施例的特征、优点、技术及工业重要性进行说明，在附图中相同的附图标记表示相同的构成要素，其中：
图1是表示燃料电池系统的结构的简图。
图2是表示气液分离器的结构的简要剖视图。
图3是表示第一实施方式中的结束时扫气处理的流程的说明图。
图4是表示第二实施方式的气液分离器的结构的简图。
图5是表示第三实施方式中的结束时扫气处理的流程的说明图。
图6是表示第三实施方式中的处理条件决定处理的流程的说明图。
图7是表示第三实施方式中的开阀条件的决定所使用的映射的一个例子的说明图。
图8是表示第四实施方式中的开阀条件的决定所使用的映射的一个例子的说明图。
具体实施方式
1.第一实施方式：
图1是表示第一实施方式中的燃料电池系统100的结构的简图。燃料电池系统100例如被搭载于车辆而向产生驱动力的驱动马达、由车辆使用的辅机供给电力。此外，在其他实施方式中，燃料电池系统100可以被搭载于车辆以外的船舶等移动体，也可以被安放为建筑物等的发电设备。
燃料电池系统100具备接受作为反应气体的燃料气体和氧化剂气体的供给来进行发电的燃料电池10。燃料电池10例如由固体高分子型燃料电池构成，通过作为燃料气体的氢与作为氧化剂气体的氧的电气化学反应来进行发电。燃料电池10具有层叠了多个单电池11的电池组结构。各单电池11分别是单体也能够发电的发电构件，具有在电解质膜的两面配置了电极的发电体亦即膜电极接合体和夹着膜电极接合体的2张隔板。电解质膜由在内部包含水分的湿润状态时表现出良好的质子传导性的固体高分子薄膜构成。
燃料电池系统100还具备气体供给部20、气体循环部30以及气体给排部40作为用于对于燃料电池10进行反应气体的供给以及废气的排出的构成部。气体供给部20以及气体循环部30负责向燃料电池10的阳极供给的燃料气体的控制，气体给排部40负责向燃料电池10的阴极供给的氧化剂气体的控制。
气体供给部20向燃料电池10的阳极供给燃料气体。气体供给部20具备储藏高压的燃料气体的罐21、将罐21与燃料电池10的阳极入口连接的燃料气体配管22、主止阀23、调节器24以及供给装置25。主止阀23、调节器24以及供给装置25从罐21侧亦即上游侧起依次设置于燃料气体配管22。主止阀23由电磁阀构成，在控制部50的控制下使燃料气体配管22进行开闭来控制燃料气体从罐21的流出。调节器24是减压阀，对供给装置25的上游侧的燃料气体配管22内的压力进行调整。供给装置25通过周期性地进行开闭驱动来向燃料电池10送出燃料气体。供给装置25例如由按照设定好的驱动周期进行开闭的电磁驱动式的开闭阀亦即喷射器构成。供给装置25的驱动周期由控制部50控制。
气体循环部30具有使从燃料电池10的阳极排出的废气所包括的燃料气体循环至燃料电池10的功能和使废气所包括的非活性气体、排水排出至燃料电池系统100的外部的功能。气体循环部30具备废气配管31、气液分离器32、循环配管33、泵34、排水管35以及排水阀36。
废气配管31与燃料电池10的阳极出口和气液分离器32连接。废气配管31将包括在阳极未被用于发电的燃料气体、非活性气体等气体成分和水蒸气、液态水等液体成分的阳极侧的废气向气液分离器32引导。其中，在本说明书中，废气的“液体成分”并不局限于处于液态水的状态的成分，作为还包括根据状态变化而变为液态水的状态的水蒸气等气体状态的成分的概念的用语而使用。这是因为废气中的水蒸气存在在气液分离器32内冷凝而成为液态水的成分。在其他实施方式中，也可以采用气液分离器32与燃料电池10的阳极出口直接的连接而省略废气配管31的结构。
气液分离器32将通过废气配管31流入的废气所包括的液体成分与气体成分分离，以液态水的状态存积液体成分。其中，废气的液体成分包括处于气体的状态的水分和处于液态水的状态的水分两方。另外，存积于气液分离器32的液态水包括处于气体的状态的水分在气液分离器32内冷凝后的液态水和以液态水的状态流入至气液分离器32的液态水。气液分离器32的结构以及废气在气液分离器32内的气液分离的机理将后述。
循环配管33与气液分离器32连接，构成使由气液分离器32分离出的气体成分向燃料电池10的阳极循环的循环路径。在本实施方式中，循环配管33将气液分离器32与燃料气体配管22的比供给装置25靠下游侧的部位连接。在循环配管33设置有泵34。泵34在控制部50的控制下产生将气液分离器32内的气体成分向燃料电池10送出的压力。
排水管35与气液分离器32连接，使存积于气液分离器32的液态水、废气所包括的非活性气体向气液分离器32的外部引导排出。在排水管35设置有在控制部50的控制下使排水管35开闭的排水阀36。在燃料电池系统100中，在排水阀36闭阀的期间，液态水存积于气液分离器32内，在排水阀36开阀时，该液态水作为排水而通过排水管35向燃料电池系统100的外部排出。排水管35的下游端也可以与气体给排部40的排出配管46连接。
气体给排部40具有将氧化剂气体向燃料电池10的阴极供给的功能、和使从燃料电池10的阴极排出的废气向燃料电池系统100的外部排出的功能。在第一实施方式中，外部空气所包含的氧作为氧化剂气体被供给至燃料电池10。气体给排部40具备供给配管41、压缩机42、开闭阀43、排出配管46以及调压阀48。
供给配管41的一端与外部空气连通，另一端与燃料电池10的阴极入口连接。压缩机42对从供给配管41的一端获取的外部空气进行压缩，并向设置于供给配管41的另一端侧的开闭阀43送出。开闭阀43通常为关闭的状态，借助从压缩机42送出的压缩气体的压力而开阀，允许压缩气体向燃料电池10的阴极的流入。
排出配管46与燃料电池10的阴极出口连接，将从燃料电池10的阴极排出的废气向燃料电池系统100的外部引导。调压阀48被设置于排出配管46，对燃料电池10的阴极侧的背压进行调整。
燃料电池系统100还具备控制燃料电池系统100的运转的控制部50。控制部50由具备至少一个处理器和主存储装置的ECU(Electronic Control Unit)构成。控制部50通过处理器执行被读入至主存储装置上的程序、命令来发挥用于控制燃料电池系统100的运转的各种功能。控制部50的功能的至少一部分可以由硬件电路构成。
控制部50控制燃料电池10的发电。另外，控制部50控制上述的气体供给部20、气体循环部30以及气体给排部40来控制反应气体对于燃料电池10的供给、废气从燃料电池系统100的排出。控制部50控制供给装置25的驱动周期、泵34的转速来控制燃料气体对于燃料电池10的供给量和供给压力。另外，控制部50控制压缩机42的转速来控制氧化剂气体对于燃料电池10的供给量，控制调压阀48的开度来调整燃料电池10的阴极侧的压力。
控制部50在燃料电池系统100的驱动中控制气体循环部30中的排水阀36的开闭来执行排水阀控制。排水阀控制通常是在保持排水阀36闭阀的状态下当满足了预先决定的开阀条件时将排水阀36打开来使液态水从气液分离器32排出的控制。开阀条件是与气液分离器32的储水量相关联决定的条件。第一实施方式中的满足排水阀36的开阀条件是气液分离器32中的储水量大于预先决定的阈值时。在第一实施方式中，控制部50计算气液分离器32中的储水量的推断值，使用该推断值来进行是否满足上述的开阀条件的判定。气液分离器32中的储水量能够通过使用燃料电池10的发电量、含水量、水温、反应气体的水蒸气分压等参数并使用已知的函数式、映射来推断。
控制部50在燃料电池系统100的通常运转的执行中、后述的结束时扫气处理的执行中等执行该排水阀控制。“燃料电池系统100的通常运转”是指使反应气体从气体供给部20、气体循环部30以及气体给排部40供给至燃料电池10来使燃料电池10进行目标发电量的发电的运转。燃料电池系统100的通常运转的执行中的期间例如还包括暖机运转的期间、后述的扫气处理的执行期间等不使燃料电池系统100停止却为了执行规定的暂时处理而将燃料电池10的目标发电量的发电中止的期间。其中，在燃料电池系统100的通常运转的执行中，控制部50在通过排水阀控制将排水阀36开阀之后预测液态水从气液分离器32的排出、预先决定的量的非活性气体的排出完成的时机将排水阀36关闭。该时机例如可以基于将排水阀36开阀时的气液分离器32的储水量来决定。
在燃料电池系统100的通常运转中，当满足预先决定的执行条件时，控制部50执行对燃料电池系统100内进行扫气的扫气处理。例如，在燃料电池10的含水量的推断值超过预先决定的阈值时、检测到生成水引起的气体流路的堵塞时、检测到通过指示扫气的开关操作进行的来自用户的指令时等，控制部50执行扫气处理。
在扫气处理中，控制部50在供给装置25的驱动停止的状态下使泵34驱动，来使由气液分离器32分离出的废气的气体成分作为扫气气体在气体循环部30与燃料电池10之间循环。通过该废气的气体成分的循环，来对包括燃料电池10内的流路的燃料气体的流路进行扫气。在扫气处理中，除了对于燃料电池10的阳极侧的气体流路的扫气之外，控制部50还可以通过使压缩机42驱动来使用外部空气对包括燃料电池10内的流路的氧化剂气体的流路进行扫气。
控制部50在扫气处理的执行时也执行上述的排水阀控制。由此，在满足开阀条件时，将通过扫气气体而引导至气液分离器32并存积的液态水从气液分离器32排出。控制部50在扫气处理时的排水阀控制中也使用通过与上述同样的方法计算的气液分离器32的储水量的推断值来进行是否对排水阀36进行开阀的判定。其中，在扫气处理的执行中的气液分离器32的储水量的推断值的计算中可使用燃料电池10基于扫气气体所包含的反应气体成分的发电量。
在燃料电池系统100中，除了在上述的燃料电池系统100的通常运转中执行的扫气处理之外，控制部50还在燃料电池系统100的运转结束时执行结束时扫气处理。“燃料电池系统100的运转结束时”是指根据用户、控制部50的指令而开始燃料电池系统100的运转的结束准备时，是指燃料电池系统100完全结束运转之前的阶段。“燃料电池系统100的运转结束时”例如还包括在燃料电池系统100的运转结束后的停歇期间控制部50根据程序自动地使燃料电池系统100启动之后再次结束燃料电池系统100的运转时。
在结束时扫气处理中，与上述的燃料电池10的通常运转时的扫气处理同样，基于通过泵34的驱动来使废气的气体成分作为扫气气体循环而执行燃料气体的流路的扫气。在结束时扫气处理中，也可以基于使压缩机42驱动来执行氧化剂气体的流路的扫气。另外，在结束时扫气处理中也执行上述的排水阀控制。但是，在结束时扫气处理的排水阀控制中，为了抑制气液分离器32内的水分残留而使用与燃料电池系统100的通常运转的执行中时不同的开阀条件。关于结束时扫气处理的详细内容将后述。
图2是表示气液分离器32的结构的一个例子的简要剖视图。气液分离器32的主体部由具有能够将废气导入至内部的内部空间61的容器60构成。气液分离器32具有与废气配管31连接的废气入口62、与循环配管33连接的循环气体出口63、以及与排水管35连接的排水出口64。
气液分离器32通常在燃料电池系统100中被配置为废气入口62与循环气体出口63位于内部空间61的重力方向上侧的区域、排水出口64位于内部空间61的重力方向下侧的区域。在以下的与气液分离器32相关的说明中，当言及“上”、“下”、“水平方向”、“高度方向”时，是指上述的气液分离器32的配置姿势下的以重力方向为基准的方向。
气液分离器32的内部空间61具有水平方向上的宽度最大且空间体积最大的主区域61M、从主区域61M向重力方向上侧局部突出的上方区域61U、以及从主区域61M局部向下方突出的下方区域61L。废气入口62在上方区域61U开口，循环气体出口63在主区域61M的上端开口，排水出口64在下方区域61L中开口。废气入口62与循环气体出口63在水平方向上被设置于内部空间61的大致相反侧。此外，在气液分离器32内可以设置有用于促进气液分离的叶片等构造物。
气液分离器32具有在内部空间61与废气入口62对置的对置内壁面65。对置内壁面65构成对内部空间61的上方区域61U进行划分的内壁面的一部分。如虚线箭头所示那样，引导至废气配管31并通过废气入口62而流入至气液分离器32的废气向对置内壁面65流动，与对置内壁面65碰撞。废气的气体成分因向对置内壁面65的碰撞而扩散，从上方区域61U向流路阻力小的主区域61M流动并通过循环气体出口63向循环配管33流动。废气所包含的很多液体成分与对置内壁面65碰撞而以液态水的状态作为水滴WD进行附着。另外，废气所包含的液体成分的水滴WD还附着于对置内壁面65以外的内壁面。这样的水滴WD由在与对置内壁面65碰撞时产生的液态水的飞沫、与气液分离器32的内壁面接触时冷凝的液态水产生。若附着于对置内壁面65、对置内壁面65以外的内部空间61的内壁面的水滴WD聚集，则因重力而被向包括下方区域61L的内部空间61的下方区域引导并存积。但是，水滴WD中也存在很多保持附着于内壁面的状态而残留的部分。
其中，为了抑制存积于内部空间61的液态水LS在打开了排水阀36之后残留，气液分离器32构成为液态水LS容易向内部空间61的下端的下方区域61L聚集。下方区域61L的水平方向上的宽度比主区域61M小。由此，能够抑制气液分离器32倾斜、振动时的储水于下方区域61L的液态水LS的水面的晃动，能够抑制储水于下方区域61L的液态水LS飞溅而通过循环气体出口63进入至循环配管33。
图3是表示第一实施方式中的结束时扫气处理的流程的说明图。在检测到用户发出的燃料电池系统100的运转结束的指令时，控制部50开始结束时扫气处理的执行。另外，在到达使燃料电池系统100的运转结束的预先决定的时机时，控制部50开始结束时扫气处理的执行。
在步骤S10中，控制部50对是否满足扫气的执行开始条件进行判定。在第一实施方式中，满足扫气的执行开始条件是由未图示的温度传感器等温度取得机构测量出的外部空气温度比预先决定的阈值温度低时。阈值温度例如可以为10℃以下的值。在外部空气温度比阈值温度低的情况下，控制部50执行用于执行扫气的步骤S20以后的处理。这是为了在外部空气温度比阈值温度低的低温环境下抑制因水分残留在燃料电池系统100内的气体流路并结冰而导致下次的燃料电池系统100的启动困难。另一方面，在外部空气温度比阈值温度高的情况下，控制部50不执行扫气地将结束时扫气处理结束。由此，由于当残留在燃料电池系统100内的气体流路的水分结冰的可能性低的情况下不执行扫气，所以能够以更短的期间使燃料电池系统100的运转结束。
此外，步骤S10中的扫气的执行开始条件并不限定于上述那样的基于外部空气温度的条件。在步骤S10中满足扫气的执行开始条件例如也可以是燃料电池10的含水量超过规定的阈值量时。另外，在步骤S10中满足扫气的执行开始条件也可以是用户预先设定了扫气的执行的情况。或者，满足扫气的执行开始条件也可以是基于日历信息判定为现在属于冬季的情况。
在步骤S20中，控制部50将排水阀控制中的开阀条件从在燃料电池系统100的通常运转时所使用的开阀条件进行变更。如上所述，在结束时扫气处理中执行排水阀控制。后述的步骤S40、S70相当于排水阀控制的工序。如上所述，在第一实施方式的排水阀控制中，当气液分离器32中的储水量大于预先决定的阈值时，控制部50将排水阀36开阀。在步骤S20中，以结束时扫气处理的排水阀控制中的排水阀36被开阀时的气液分离器32中的储水量多于在燃料电池系统100的通常运转的执行中进行的排水阀控制中的排水阀36被开阀时的储水量的方式变更开阀条件。更具体而言，在步骤S20中，开阀条件的阈值从第一阈值Tha被变更为比第一阈值Tha大的第二阈值Thb。第一阈值Tha以及第二阈值Thb是表示气液分离器32中的液态水LS的储水量的值。第一阈值Tha是作为燃料电池系统100的通常运转的执行中的排水阀控制中的开阀条件而被预先设定的阈值。
参照图2。图2中图示了存积有与第一阈值Tha相当的储水量的液态水LS时的水位的一个例子作为第一水位等级LV1，并图示了存积有与第二阈值Thb相当的储水量的液态水LS时的水位的一个例子作为第二水位等级LV2。
在燃料电池系统100的通常运转的执行中的排水阀控制中，当气液分离器32中的储水量大于第一阈值Tha时，控制部50将排水阀36开阀。第一阈值Tha例如被设定为与在气液分离器32以不倾斜的状态配置的预先决定的基准姿势下液态水LS的水面位于下方区域61L的上端或靠近下方区域61L的上端的位置的程度的储水量相当的值。“靠近下方区域61L的上端的位置”是指在高度方向上比下方区域61L的下端接近上端的位置。第一阈值Tha可以被设定为与相当于气液分离器32的容积的5～20％的体积的储水量相当的值。图2中例示了存积有相当于第一阈值Tha的储水量的液态水LS时的水位作为第一水位等级LV1。通过第一阈值Tha被设定为这样小的值，由此在燃料电池系统100的通常运转时，能够在气液分离器32中的液态水LS的水位过高之前使排水阀36开阀，来使液态水LS从气液分离器32排出。因此，在燃料电池系统100的通常运转的执行中，即便是气液分离器32的配置角度变动那样的情况，也能够抑制所存积的液态水LS通过循环气体出口63进入至循环配管33。
在结束时扫气处理中，代替上述的第一阈值Tha而使用第二阈值Thb。第二阈值Thb例如被设定为与在气液分离器32以不倾斜的状态配置的基准姿势下液态水LS的水面位于主区域61M的高度方向上的中央或靠近中央的位置的储水量相当的值。“靠近主区域61M的高度方向上的中央的位置”是指比主区域61M的高度方向上的上端以及下端接近中央的位置。第二阈值Thb可以被设定为与相当于气液分离器32的容积的30～70％的体积的储水量相当的值。优选第二阈值Thb被设定为气液分离器32的储水量收敛于液态水LS不因泵34的吸引力而向循环气体出口63进入的程度的量。
关于在步骤S20中将开阀条件从第一阈值Tha变更为第二阈值Thb的理由将后述。此外，在第一实施方式的排水阀控制中，如上述那样，通过使用了如第一阈值Tha、第二阈值Thb那样表示气液分离器32中的储水量的阈值的开阀条件来决定气液分离器32的开阀时机。由此，能够在气液分离器32的储水量到达应该进行排水的量的适当时机执行从气液分离器32的排水。
参照图3。在步骤S30中，控制部50开始扫气。控制部50在供给装置25停止的状态下使泵34以规定的转速驱动。在步骤S40中，控制部50对是否满足排水阀36的开阀条件进行判定。在气液分离器32中储水量小于第二阈值Thb的情况下，控制部50认为不满足开阀条件，在步骤S50中对是否满足扫气的完成条件进行判定。在第一实施方式中，满足扫气的完成条件是扫气持续了预先决定的阈值时间时。在不满足扫气的完成条件的情况下，控制部50继续进行扫气，反复进行步骤S40、S50的判定。由此，阳极侧的气体流路的扫气持续至满足排水阀36的开阀条件或满足扫气的完成条件为止。
在步骤S40中，当满足排水阀36的开阀条件时、即当气液分离器32存积了超过与第二阈值Thb相当的量的液态水LS时，控制部50在步骤S60中完成扫气。这是因为此时可预料为从燃料电池系统100的阳极侧的气体流路排出了足够的量的液态水。
另外，在步骤S50中，当满足了扫气的完成条件时、即当扫气持续了预先决定的阈值时间时，控制部50在步骤S60中完成扫气。这是因为此时可预料为从燃料气体的气体流路充分扫除了水分。此外，步骤S50中的扫气的完成条件并不限定于基于扫气的继续时间的条件。在其他实施方式中，例如在步骤S50中，当燃料电池10的含水量、从燃料电池10排出的扫气气体的湿润度比预先决定的阈值降低时，控制部50认为满足了扫气的完成条件，可以在步骤S60中完成扫气。
在步骤S70中，控制部50将排水阀36开阀，开始液态水从气液分离器32的排出。在步骤S70中，控制部50可以为了促进从气液分离器32的排水而使供给装置25驱动来提高气液分离器32内的压力。在步骤S80中，控制部50对从气液分离器32的排水是否完成进行判定。控制部50例如使用气液分离器32内的压力来求出从气液分离器32的排水速度并在使用该排水速度计算出的排水量的推断值成为将排水阀36开阀之前的储水量以上时判定为从气液分离器32的排水完成。或者，控制部50也可以在排水阀36的开阀后经过了预先决定的时间时判定为从气液分离器32的排水完成。控制部50在步骤S80中维持使排水阀36开阀的状态，直至判定为从气液分离器32的排水完成为止。
当在步骤S80中判定为从气液分离器32的排水完成的情况下，控制部50在步骤S90中执行将附着于排水阀36的水分通过排水管35排出的排水阀排水处理。在排水阀排水处理中，控制部50使排水阀36的开闭动作反复进行规定次数。若反复排水阀36的开闭动作，则将气液分离器32内的压力与外部空气压力的压差作为驱动力来排出附着于排水阀36的水分。由于通过排水阀排水处理，可抑制水分保持附着于排水阀36的状态，所以能够抑制低温环境下的结冰引起的排水阀36的粘着。
通过以上的处理，结束时扫气处理结束。然后，控制部50执行用于使燃料电池系统100的运转结束的各种准备处理，使燃料电池系统100的运转结束。此外，在燃料电池系统100的运转结束时或再次启动时，控制部50进行将排水阀控制中的开阀条件从结束时扫气处理时的开阀条件复原的处理。
根据第一实施方式的燃料电池系统100，在结束时扫气处理的排水阀控制中，控制部50使用被决定成排水阀36开阀时的气液分离器32中的储水量比在燃料电池系统100的通常运转的执行中进行的排水阀控制多的开阀条件。由此，如图2所示，在结束时扫气处理的执行时，能够使存积于气液分离器32的液态水LS的水位比燃料电池系统100的通常运转的执行时高。当从气液分离器32排出了液态水LS时，在所存积的液态水LS接触的内壁面难以留有水分。这是因为与气液分离器32的内壁面接触的水分因水的粘性力而跟随所存积的液态水LS被排出时的液态水LS整体的流动。因此，在结束时扫气处理的执行时，能够减少气液分离器32中的保持附着有因气液分离水滴产生的气液分离器32的内壁面的水滴WD的状态不变的区域，在燃料电池系统100的运转结束后，能够减少残留在气液分离器32内的水滴。因此，能够抑制因这样的水滴在低温环境下结冰而导致能够在气液分离器32存积液态水LS的空间减少。由此，能够抑制因气液分离器32中的液态水LS的存积空间的减少而引起的气液分离器32中的储水量的推断精度的降低，能够抑制难以掌握气液分离器32中的储水量。另外，当再次启动燃料电池系统100时，能够抑制残留在气液分离器32内的水滴结冰而导致废气的气体成分的循环路径被闭塞、这样的水滴移动至排水阀36并结冰而导致排水阀36粘着。
2.第二实施方式：
图4是表示第二实施方式的燃料电池系统所使用的气液分离器32A的内部结构的简图。第二实施方式的燃料电池系统的结构除了具备第二实施方式的气液分离器32A来代替第一实施方式中说明的气液分离器32这一点以外，与第一实施方式的燃料电池系统100的结构大致相同。
第二实施方式的气液分离器32A具备过滤器68，该过滤器68具有供液态水LS透过的细孔。过滤器68捕捉混入至液态水LS并与液态水LS一同朝向排水出口64移动的异物。通过过滤器68可抑制异物到达排水阀36，例如能够抑制排水阀36因该异物而开启粘着那样的故障。
过滤器68被配置为将气液分离器32A的内部空间61分隔成比过滤器68靠上游侧的第一区域AF和比过滤器68靠下游的第二区域AS。这里的“上游”以及“下游”以在内部空间61中朝向排水出口64的液态水LS的流动方向为基准。在第二实施方式中，过滤器68被配置为在主区域61M与下方区域61L的边界将下方区域61L的上端开口闭塞，将上方区域61U以及主区域61M分隔为第一区域AF、并将下方区域61L分隔为第二区域AS。此外，过滤器68的配置位置并不限定于此。在其他实施方式中，过滤器68也可以配置于主区域61M。
在第二实施方式的燃料电池系统中，与在第一实施方式中说明的同样，控制部50根据图3的流程来执行结束时扫气处理。但是，在第二实施方式中，控制部50如以下那样设定在燃料电池系统100的通常运转、结束时扫气处理中执行的排水阀控制中的排水阀36的开阀条件。此外，在第二实施方式中，与第一实施方式同样，控制部50使用表示气液分离器32A中的储水量的第一阈值Tha以及第二阈值Thb作为开阀条件。
控制部50使用被决定为当气液分离器32A中的液态水LS的水位处于第二区域AS时排水阀36被开阀的第一开阀条件作为在燃料电池系统100的通常运转中使用的开阀条件。控制部50将作为第一开阀条件的第一阈值Tha设定为与在气液分离器32A以不倾斜的状态配置的基准姿势下液态水LS的水面位于第二区域AS的程度的储水量相当的值、即与第二区域AS的容积相当的量以下的值。由此，在燃料电池系统100的通常运转的执行中，能够抑制存积于气液分离器32A的液态水LS的水位超过过滤器68的配置位置。
控制部50使用被决定为当气液分离器32A中的液态水LS的水位位于第一区域AF时排水阀36被开阀的第二开阀条件作为在结束时扫气处理中使用的开阀条件。控制部50将作为第二开阀条件使用的第二阈值Thb设定为与在气液分离器32A以不倾斜的状态配置的基准姿势下液态水LS的水面位于第一区域AF的程度的储水量相当的值、即大于与第二区域AS的容积相当的量的值。由此，在结束时扫气处理中，当存积于气液分离器32A的液态水LS的水位位于比过滤器68的配置位置靠上方的位置时，排水阀36被开阀。
如以上那样，根据第二实施方式的燃料电池系统，在结束时扫气处理中，当存积于气液分离器32A的液态水LS的水位位于比过滤器68靠上方的位置时，将排水阀36开阀来排水。因此，能够抑制水分保持附着于过滤器68的状态而残留，能够抑制保持附着于过滤器68的状态的水分在燃料电池系统100的运转停止的期间结冰而导致过滤器68堵塞。另外，在燃料电池系统100的通常运转的执行中，当存积于气液分离器32A的液态水LS的水位位于比过滤器68靠下方时，将排水阀36开阀来排水。因此，在燃料电池系统100的通常运转的执行中，由于即便气液分离器32A的姿势变动而导致液态水LS的水面晃动，液态水LS也被过滤器68压住，所以能够抑制液态水LS通过循环气体出口63向循环配管33进入。除此之外，根据第二实施方式的燃料电池系统，能够起到与在第一实施方式中说明的作用效果同样的各种作用效果。
3.第三实施方式：
图5是表示在第三实施方式的燃料电池系统中执行的结束时扫气处理的流程的说明图。第三实施方式的燃料电池系统的结构与图1所示的第一实施方式的燃料电池系统100大致相同。第三实施方式的结束时扫气处理除了设置有步骤S25来代替步骤S20这一点以外与第一实施方式中说明的结束时扫气处理大致相同。在结束时扫气处理的步骤S25中，控制部50执行以下说明的处理条件决定处理。
图6是表示处理条件决定处理的流程的说明图。在处理条件决定处理中，决定扫气的执行条件与排水阀控制中的开阀条件。
在步骤S100中，控制部50决定执行扫气时的扫气气体的流量作为扫气的执行条件。在第三实施方式中，控制部50基于气液分离器32的倾斜角度来决定扫气气体的流量。气液分离器32从预先决定的基准姿势向废气入口62侧向上方移动、循环气体出口63侧向下方移动的旋转方向倾斜时的倾斜角度越大，则控制部50越减小扫气气体的流量。这是因为若气液分离器32向这样的方向倾斜，则存积于气液分离器32的液态水LS的水面的位置接近循环气体出口63，容易通过泵34的吸引力使液态水LS向循环气体出口63进入。
控制部50例如通过未图示的加速度传感器等取得气液分离器32的倾斜角度。另外，控制部50使用预先准备的规定了气液分离器32的倾斜角度与扫气气体的流量的关系的映射、方程式来求出相对于气液分离器32的倾斜角度的扫气气体的流量。其中，扫气气体的流量越小，则控制部50可以越延长作为扫气的完成条件的扫气的执行持续时间。
在步骤S110中，控制部50使用在步骤S100中决定的扫气气体的流量来决定排水阀控制中的排水阀36的开阀条件。控制部50使用预先准备的映射来求出相对于扫气气体的流量的开阀条件。在第三实施方式中，与在第一实施方式中说明的同样，控制部50使用表示气液分离器32中的储水量的第一阈值Tha以及第二阈值Thb作为开阀条件。
图7是表示在步骤S110中开阀条件的决定所使用的映射MP的一个例子的说明图。在映射MP中规定了扫气气体的流量越小则获得越小的值的储水量的关系。控制部50使用映射MP来求出相对于在步骤S110中决定的扫气气体的流量Q的储水量V。控制部50将获得的储水量V设定为第二阈值Thb。其中，映射MP被设定为相对于扫气气体的流量Q而获得的储水量V大于在燃料电池系统100的通常运转的执行中使用的第一阈值Tha。
参照图5。在步骤S30中，控制部50将在处理条件决定处理中决定的扫气气体的流量作为目标流量来开始扫气。控制部50使泵34以与目标流量对应的转速驱动。在步骤S40中，当气液分离器32的储水量大于在处理条件决定处理中决定的第二阈值Thb时，控制部50判定为满足开阀条件，当在步骤S60中完成了扫气之后，在步骤S70中将排水阀36开阀来开始排水。
这里，如上所述，在第三实施方式中，扫气气体的流量越小，则第二阈值Thb被设定为越小的值，减少排水阀36开阀时的气液分离器32的储水量。将扫气气体的流量设定得小是气液分离器32倾斜而存积的液态水LS的水面接近循环气体出口63的情况。因此，通过扫气气体的流量越小，则越减少气液分离器32的储水量，能够进一步抑制液态水LS向循环气体出口63的进入。
如以上那样，根据第三实施方式的燃料电池系统，在结束时扫气处理中，当气液分离器32倾斜为液态水LS的水面接近循环气体出口63时，将扫气气体的流量设定得小。因此，能够抑制液态水LS在扫气的执行中被泵34的吸引力卷起。另外，扫气气体的流量越小，则将作为排水阀36的开阀条件的第二阈值Thb设定为越小的值，减少存积于气液分离器32的液态水LS的量。因此，能够进一步抑制存积于气液分离器32的液态水LS被泵34的吸引力卷起。除此之外，根据第三实施方式的燃料电池系统，能够获得与在第一实施方式中说明的作用效果同样的各种作用效果。
4.第四实施方式：
图8是表示在第四实施方式的燃料电池系统中使用的映射MPf一个例子的说明图。第四实施方式的燃料电池系统的结构与第三实施方式的燃料电池系统大致相同。另外，在第四实施方式的燃料电池系统中，与在第三实施方式中说明的同样，控制部50按照图5以及图6所示的流程执行结束时扫气处理以及处理条件决定处理。但是，在第四实施方式的处理条件决定处理中，扫气气体的流量的决定方法以及开阀条件的决定方法与第三实施方式不同。图8的映射MPf在处理条件决定处理中决定开阀条件时被使用。
在第四实施方式的处理条件决定处理中，控制部50在步骤S100中将扫气气体的流量决定为废气的温度越低则越大的值。由于在废气的温度低的情况下，扫气气体的饱和水蒸气量变小，所以扫气气体对水分的带走量降低。因此，若废气的温度越低则越增大扫气气体的流量，则能够抑制该水分带走量的降低，能够抑制扫气的效率的降低。
在步骤S110中，控制部50使用映射MPf来求出相对于在步骤S100中决定的扫气气体的流量Q的储水量V。在映射MPf中规定了扫气气体的流量越大则获得越小的值的储水量的关系。控制部50将从映射MPf获得的储水量V设定为第二阈值Thb。其中，映射MPf被设定为相对于扫气气体的流量Q而获得的储水量V大于在燃料电池系统100的通常运转的执行中使用的第一阈值Tha。
控制部50在结束时扫气处理的步骤S30中使泵34以与在处理条件决定处理中决定的扫气气体的流量对应的转速驱动来开始扫气。另外，在步骤S40中，当气液分离器32的储水量大于在处理条件决定处理中决定的第二阈值Thb时，控制部50判定为满足开阀条件，在步骤S60中完成扫气，在步骤S70中将排水阀36开阀。
根据第四实施方式的燃料电池系统的结束时扫气处理，在为了抑制扫气的效率的降低而增大了扫气气体的流量的情况下，将作为排水阀36的开阀条件的第二阈值Thb设定为小的值。由此，在结束时扫气处理的执行中存积于气液分离器32的液态水LS的量减少。因此，即便通过增大扫气气体的流量而使得泵34的吸引力增大，也能够抑制气液分离器32的液态水LS被向循环配管33卷起。除此之外，根据第四实施方式的燃料电池系统，能够获得与在第一实施方式、第三实施方式中说明的作用效果同样的各种作用效果。
5.其他实施方式：
上述的各实施方式中说明的各种结构例如能够如以下那样改变。以下说明的其他实施方式均与上述的各实施方式同样，被定位成用于实施本公开的技术的方式的一个例子。
·其他实施方式1：
也可以使用其他条件代替使用了表示气液分离器32中的储水量的第一阈值Tha、第二阈值Thb的条件，来作为上述的各实施方式的排水阀控制中的开阀条件。例如，可以使用扫气的执行时间作为排水阀控制中的开阀条件。此时，当在开始扫气之后执行扫气的时间超过预先决定的阈值时间时，控制部50认为满足开阀条件，可以将排水阀36开阀。其中，此时在结束时扫气处理中使用的阈值时间被设定为比燃料电池系统的通常运转中的排水阀控制所使用的阈值时间大的值。即便是使用了这样的条件的情况，在结束时扫气处理的执行时，排水阀36被开阀时的气液分离器32中的储水量也比燃料电池系统的通常运转的执行中多。作为排水阀控制中的开阀条件，也可以使用其他各种条件。另外，在上述的各实施方式中，排水阀控制的开阀条件在结束时扫气处理中变更。与此相对，也可以构成为将结束时扫气处理中的开阀条件作为默认的条件，在开始燃料电池系统100的通常运转时，从结束时扫气处理中的开阀条件变更为燃料电池系统100的通常运转用的开阀条件。
·其他实施方式2：
气液分离器32、32A并不限定于上述的各实施方式中说明的结构。气液分离器32、32A例如可以是省略了下方区域61L的结构，底面也可以由下降倾斜的锥状的内壁面构成。在上述的各实施方式中，可以省略结束时扫气处理的步骤S10中的扫气的可否执行的判定处理、步骤S90中的排水阀排水处理。另外，在上述的各实施方式的结束时扫气处理中，可以在步骤S40中满足了开阀条件并在步骤S70～S80中执行了从气液分离器32的排水之后再次反复进行扫气与开阀控制。在上述的各实施方式中，控制部50也可以使用设置于气液分离器32、32A的水位传感器等来取得气液分离器32、32A中的储水量来代替将其计算为推断值。
·其他实施方式3：
上述的第二实施方式的具有过滤器68的气液分离器32A也可以应用于第三实施方式、第四实施方式的燃料电池系统。另外，此时可以控制为在燃料电池系统的通常运转的执行中，当是液态水LS的水面位于第二区域AS的储水量时将排水阀36开阀，在结束时扫气处理中，当是液态水LS的水面位于第一区域AF的储水量时将排水阀36开阀。
·其他实施方式4：
在上述的第三实施方式、第四实施方式中，扫气气体的流量可以根据气液分离器32的倾斜角度、废气的温度以外的条件而变更。扫气气体的流量例如可以根据废气的气体密度、泵34的当前的驱动效率、燃料电池10的当前的含水量来决定。
·其他实施方式5：
在上述的各实施方式中，应用于燃料气体的供给系统的使燃料气体循环至燃料电池10的结构也可以被应用于燃料电池10的氧化剂气体的供给系统。此时，在燃料电池10的氧化剂气体的供给系统中，可以执行上述的排水阀控制、结束时扫气处理。
6.其他：
在上述实施方式中，由软件实现的功能以及处理的一部分或者全部可以由硬件实现。另外，由硬件实现的功能以及处理的一部分或者全部可以由软件实现。作为硬件，例如能够使用集成电路、分立电路或者将这些电路组合而成的电路模块等各种电路。
本公开的技术并不局限于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种结构实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或全部或者为了实现上述的效果的一部分或全部，与发明内容一栏所记载的各方式中的技术特征对应的实施方式中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，并不局限于该技术特征在本说明书中被说明成不是必须的情况，如果该技术特征在本说明书中未被说明成是必须的则能够适当地删除。

Claims (5)

1.一种燃料电池系统，其特征在于，包括：
燃料电池，构成为接受反应气体的供给来进行发电；
气液分离器，构成为与所述燃料电池连接，将所述燃料电池的废气分离为液体成分与气体成分并存积所述液体成分的液态水；
循环配管，与所述气液分离器连接并构成循环路径，该循环路径构成为将所述气液分离器内的所述气体成分向所述燃料电池循环；
排水管，构成为与所述气液分离器连接并将所述液态水从所述气液分离器排出；
排水阀，构成为对所述排水管进行开闭；以及
控制部，构成为控制对于所述燃料电池的所述反应气体的供给，在所述燃料电池系统的运转结束时，执行使所述废气的所述气体成分作为扫气气体而循环来进行扫气的结束时扫气处理，
其中，所述控制部构成为在满足与所述气液分离器的储水量建立对应而预先决定的开阀条件时，将所述排水阀开阀来执行从所述气液分离器排出所述液态水的排水阀控制，
其中，所述控制部构成为在所述结束时扫气处理中，使用被设定为所述排水阀开阀时的所述气液分离器的储水量比在所述燃料电池系统的通常运转的执行中所述排水阀开阀时的储水量多的所述开阀条件来执行所述排水阀控制。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部构成为取得所述气液分离器的储水量，
并构成为在所述燃料电池系统的所述通常运转的执行中的所述排水阀控制中，当所述气液分离器的储水量大于预先决定的第一阈值时判定为满足所述开阀条件而将所述排水阀开阀，
并构成为在所述结束时扫气处理的执行时的所述排水阀控制中，当所述气液分离器的储水量大于被设定为比所述第一阈值大的值的第二阈值时判定为满足所述开阀条件而将所述排水阀开阀。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池系统，其特征在于，
所述控制部构成为在所述结束时扫气处理中，在开始扫气之前决定所述扫气气体的流量并设定与所决定的所述扫气气体的流量对应的所述开阀条件。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池系统，其特征在于，
在所述气液分离器的内部具备构成为供所述液态水透过的过滤器，
所述过滤器被配置为将所述气液分离器的内部空间分隔成比所述过滤器靠上侧的第一区域和比所述过滤器靠下侧的第二区域，
其中，所述控制部构成为在所述燃料电池系统的所述通常运转的执行中，使用被决定为当所述气液分离器内的所述液态水的水位位于所述第二区域时所述排水阀开阀的第一开阀条件作为所述开阀条件来执行所述排水阀控制，
并构成为在所述结束时扫气处理中，使用被决定为当所述气液分离器内的所述液态水的所述水位位于所述第一区域时所述排水阀开阀的第二开阀条件作为所述开阀条件来执行所述排水阀控制。
5.一种燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统具备：燃料电池，构成为接受反应气体的供给来进行发电；气液分离器，构成为将所述燃料电池的废气分离为液体成分与气体成分并存积所述液体成分的液态水；循环配管，构成循环路径，该循环路径构成为将所述气液分离器内的所述气体成分向所述燃料电池循环；排水管，构成为从所述气液分离器排出所述液态水；以及排水阀，构成为对所述排水管进行开闭，
所述燃料电池系统的控制方法的特征在于，包括如下步骤：
在结束所述燃料电池系统的运转时，执行使所述废气的所述气体成分作为扫气气体而循环来进行扫气的结束时扫气处理；和
在满足与所述气液分离器的储水量建立对应而预先决定的开阀条件时，将所述排水阀开阀来执行从所述气液分离器排出所述液态水的排水阀控制，
其中，在所述结束时扫气处理中，使用被设定为所述排水阀开阀时的所述气液分离器中的储水量比在所述燃料电池的通常运转的执行中所述排水阀开阀时的储水量多的所述开阀条件来执行所述排水阀控制。
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