JP2002124290A

JP2002124290A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002124290A
Application number: JP2000315737A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Higashikura; 伸介東倉
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料ガス流路に発生した水を回収する水回収
タンクを備えた燃料電池システムにおいて、水回収タン
クからの水の排出を適切に行いうるものを提供する。【解決手段】燃料電池１の燃料極２上流、下流に水回
収装置２０Ａ、２０Ｂを備え、燃料ガス流路（循環管路
７）内に発生した水を、水回収装置２０Ａ、２０Ｂの水
回収タンク２７に回収する。水回収タンク２７のタンク
排出口３０には排出バルブ３１を備えるとともに、この
排出バルブ３１を、水位センサ２９が基準高水位を検出
した時点で開放し、この開放から所定の開放時間が経過
した時点で閉止するように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、水素を含む燃料ガスを燃料
極に供給し、酸素を含む酸化剤ガス（空気）を酸化剤極
に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応
させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効
率が得られるとともに、環境保護のためにも優れたもの
である。

【０００３】このような燃料電池の一種である固体高分
子型燃料電池では、電解質である固体高分子膜を燃料極
と空気極とで挟み込んで単位セルが構成され、この単位
セルを複数積層して燃料電池スタックが構成される。燃
料極に供給された水素は、水素イオン化し、固体高分子
膜内に拡散して酸化剤極に達して、酸素と反応する。

【０００４】この場合、固体高分子膜にイオン透過性を
持たせるために、固体高分子膜には適度な湿度を与えて
おく必要があり、燃料ガスと空気は適度に加湿された状
態で燃料電池に供給される。このため、燃料電池からの
残留燃料ガスは、水分を多く含み、かつ反応熱で温めら
れた状態で排出され、この残留燃料ガスが流路の放熱冷
却などで冷却されると、燃料ガス中の水蒸気が飽和し
て、ガス流路内に水が生成されてしまう。また、燃料電
池では水素と酸素の電気化学反応で水が生成される。

【０００５】このようにガス流路内に発生した水が、流
路を伝って燃料電池本体に流れ込み、固体高分子膜に付
着すると、燃料電池の発電効率が著しく悪化する。した
がって、この水を確実に回収することが必要となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、例えば特開２
０００−９０９５４号公報には、燃料電池のガス流路中
の水を回収するタンクを備えたシステムが提案されてい
る。これは、燃料ガス配管内で水を凝結させ、配水管を
通してタンクに水を貯えるもので、これにより、配管内
に発生した水が燃料電池側に流入しないようになってい
る。そして、タンク内に回収された水は、所定の高水位
以上となったところで、所定の低水位になるまで、排出
弁の開放により外部に排出される。このように、水位が
所定の低水位になったところで排出弁を閉じるのは、排
出弁が開放されたままでタンク内の水が完全に排出され
てしまい、排出弁から燃料ガスが放出されてしまうこと
を防止するためである。

【０００７】しかしながら、このように排出弁を高水位
で開放し、低水位で閉止するように制御するのでは、低
水位での排出弁の閉止が適切に行えない恐れがある。す
なわち、タンク内の水が低水位以下に減ってきた場合で
も、水位センサの低水位を検出する検出部には、水が表
面張力によって水滴となって付着していることが多いの
で、水の低水位を正確に検出するのは困難な場合が多
い。そして、低水位が正しく検出されないままで水の排
出が継続されると、排出弁が開放されたままでタンク内
の水が無くなってしまい、燃料ガスが排出弁から外部に
放出される。これでは、供給燃料ガスに対する出力電力
効率が著しく低下してしまう。

【０００８】本発明は、このような問題点に着目してな
されたもので、燃料ガス流路に発生した水を回収する水
回収タンクを備えた燃料電池システムにおいて、水回収
タンクからの水の排出を適切に行いうるものを提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明では、燃料極
と酸化剤極とを備えた燃料電池と、燃料ガス流路内の水
が回収される水回収タンクと、この水回収タンク内の水
の外部への排出口に設けられた排出バルブとを備えた燃
料電池システムにおいて、前記水回収タンクの水位が基
準高水位であることを検出する水位センサと、この水位
センサによる基準高水位検出があった時点で前記排出バ
ルブを開放し、この排出バルブの開放から、前記水回収
タンク内の水が全量排出されるのに要する時間（排出バ
ルブの開放が継続するとして、水回収タンク内の基準高
水位にある水の全量が、外部に排出されるのに要する時
間）よりも短い所定の開放時間が経過した時点で前記排
出バルブを閉止するバルブ制御手段とを備えた。

【００１０】第２の発明では、前記バルブ制御手段は、
前記開放時間を前記燃料ガス流路内の燃料ガス圧力に基
づいて決定する。

【００１１】第３の発明では、前記バルブ制御手段は、
前記燃料ガス圧力が大気圧以下である場合には前記開放
時間を０に設定する一方で、前記燃料ガス圧力が大気圧
より大きい場合には、前記燃料ガス圧力が大きくなるほ
ど前記開放時間を短くする。

【００１２】第４の発明では、前記開放時間を前記燃料
電池の出力電力に基づいて決定する。

【００１３】第５の発明では、前記バルブ制御手段は、
前記燃料電池の出力電力が大きくなるほど前記開放時間
を短くする。

【００１４】第６の発明では、前記燃料ガス流路に圧力
制御バルブを備えるとともに、前記バルブ制御手段は、
前記開放時間を前記圧力制御バルブの弁開度に基づいて
決定する。

【００１５】第７の発明では、前記バルブ制御手段は、
前記圧力制御バルブの弁開度が大きくなるほど前記開放
時間を短くする。

【００１６】第８の発明では、前記燃料極の入口側と出
口側のそれぞれに前記水回収タンクと前記排出バルブと
前記水位センサとを備え、前記バルブ制御手段により前
記入口側と出口側の排出バルブをそれぞれ制御する。

【００１７】第９の発明では、前記燃料極の出口側の排
出バルブの全開開口面積を、前記燃料極の入口側の排出
バルブの全開開口面積よりも大きくした。

【００１８】

【発明の作用および効果】第１の発明では、水回収タン
クに回収された水は、排出バルブから外部に放出される
が、この排出バルブは、水位センサによって基準高水位
の検出があった時点で開放され、この開放から所定の開
放時間が経過した時点で閉止される。このため、排出バ
ルブの閉止タイミングは、誤検出が起こりうる水位セン
サによる低水位の検出に頼らずに決定されるので、水回
収タンク内の水が完全に排出されてしまう前の適切なタ
イミングで、確実に排出バルブを閉止することができ
る。したがって、排出バルブが開放されたままで水回収
タンクの水が無くなることにより、燃料ガスが排出バル
ブから外部に逃げ出して、供給燃料ガスに対する出力電
力効率が低下してしまうことを防止できる。また、水位
センサは、基準高水位を検出できる簡素な構成のもので
よいので、コストを削減できる。

【００１９】第２の発明では、開放時間は燃料ガス圧力
に基づいて決定されるので、燃料ガス圧力によって変わ
ってくる排出バルブからの水の排出速度に応じて、開放
時間を適切に設定することができ、排出バルブの開放制
御を的確に行うことができる。

【００２０】第３の発明では、燃料ガス圧力が大気圧以
下である場合には、排出バルブは開放されないので、大
気が排出バルブから水回収タンク内に逆流してしまうこ
とを防止できる。また、燃料ガス圧力が大気圧より大き
い場合には、燃料ガス圧力が高くなって排出バルブから
の水の排出速度が速くなるほど開放時間が短くされるの
で、燃料ガス圧力に対して適切な開放時間を設定でき、
排出バルブが開放されたままで水回収タンク内の水が完
全に排出されてしまうことを確実に防止できる。

【００２１】第４の発明では、開放時間は燃料電池の出
力電力に基づいて決定されるが、燃料電池の出力電力と
燃料ガス圧力の間には、出力電力が大きくなるほど燃料
ガス圧力が高くなるという関係があるので、結局、開放
時間として燃料ガス圧力に応じた適切な時間を設定でき
る。

【００２２】第５の発明では、燃料電池の出力電圧が大
きくなるほど開放時間が短くされるが、燃料電池の出力
電力と燃料ガス圧力の間には、出力電力が大きくなるほ
ど燃料ガス圧力が高くなるという関係があるので、結
局、燃料ガス圧力が高くなるほど開放時間を短く設定す
ることになり、開放時間を適切に設定することができ
る。

【００２３】第６の発明では、開放時間は圧力制御バル
ブの弁開度に基づいて決定されるが、圧力制御バルブの
弁開度と燃料ガス圧力の間には、弁開度が大きくなるほ
ど燃料ガス圧力が高くなるという関係があるので、結
局、開放時間として燃料ガス圧力に応じた適切な時間を
設定できる。

【００２４】第７の発明では、圧力制御バルブの弁開度
が大きくなるほど開放時間が短くされるが、圧力制御バ
ルブの弁開度と燃料ガス圧力の間には、弁開度が大きく
なるほど燃料ガス圧力が高くなるという関係があるの
で、結局、燃料ガス圧力が高くなるほど開放時間を短く
設定することになり、開放時間を適切に設定することが
できる。

【００２５】第８の発明では、水回収タンクを燃料極の
入口側（上流側）と出口側（下流側）にそれぞれ備える
ので、燃料極の入口側、出口側の燃料ガス流路にそれぞ
れ発生した水を、それぞれ燃料極の入口側、出口側の水
回収タンクに回収でき、燃料電池内に余分な水が侵入す
ることを確実に防止できる。

【００２６】第９の発明では、燃料極の出口側の排出バ
ルブの全開開口面積を、燃料極の入口側の排出バルブの
全開開口面積よりも大きくしたので、入口側と出口側の
両排出バルブをそれぞれ全開となるように制御した場合
に、燃料極出口側の燃料ガスの圧力が低くなったことで
出口側の排出バルブからの単位面積当たりの水の排出速
度が入口側の排出バルブよりも遅くなった分を、全開開
口面積が広くなったことで補うことができ、同じ開放時
間では両排出バルブから略同量の水が排出されることに
なる。したがって、２つの排出バルブを同じ開放時間で
制御することができ、制御を簡略化できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づいて、本発
明の実施の形態について説明する。

【００２８】図１には、燃料電池システムの全体構成を
示す。

【００２９】燃料電池システムの燃料電池スタック１
は、固体高分子膜（図示せず）を燃料極（アノード側電
極）２と酸化剤極（カソード側電極）３で挟んでなる単
位セルを、複数積層して構成される。燃料極２、酸化剤
極３には、それぞれ水素を含む燃料ガス、空気が供給さ
れる。これにより、燃料極２でイオン化した水素が固体
高分子膜内を移動し、酸素と接触して反応し、燃料電池
スタック１は発電する。この場合、固体高分子膜はイオ
ン透過性を持たせるために、燃料ガスと空気は適度に加
湿された状態で、燃料電池スタック１に供給される。な
お、燃料電池スタック１には、冷却水用の配管も組み込
まれているが、図１では、ガス系の配管のみを示し、冷
却水用の配管の図示は省略している。

【００３０】水素貯蔵タンク４は、高圧状態の水素ガス
を貯蔵するタンクである。水素貯蔵タンク４からの水素
ガスは、圧力制御弁５で減圧され、循環装置６、循環管
路７を通って、燃料電池スタック１の燃料極２に燃料ガ
スとして供給される。なお、水素貯蔵タンク４と圧力制
御弁５の間には、圧力制御弁５の前でいったん水素ガス
を減圧するための別の弁を設けてもよい。また、水素ガ
スは、例えばメタノールや天然ガス等の原燃料から燃料
改質装置によって生成されたものを供給するようにして
もよい。

【００３１】循環装置６においては、燃料電池スタック
１の燃料極２の上流と下流の燃料ガス流路が接続して、
循環管路７を形成している。これにより、水素貯蔵タン
ク４から圧力制御弁５を介して供給されてきた水素ガス
が、燃料電池スタック１で使用されずに燃料極２下流の
燃料ガス流路に排出されてきた残留燃料ガスと混合さ
れ、この混合気が、燃料極２上流の燃料ガス流路から燃
料電池スタック１に供給されることになる。なお、燃料
電池スタック１の直ぐ上流には圧力センサ８が設けら
れ、燃料極２に供給される燃料ガスの圧力が計測される
ようになっている。

【００３２】燃料極２下流の燃料ガス流路は、循環装置
６に向かう流路と、パージ弁９に向かう流路とに分岐し
ている。これにより、燃料電池スタック１の電力出力要
求が急に小さくなり、循環管路７中の水素が燃料電池ス
タック１で消費しきれなくなった場合には、このパージ
弁８が開かれ、余剰の水素ガスは、反応器１０に導か
れ、後述する余剰の空気とともに反応させられてから
（燃やされてから）、大気に放出されるようになってい
る。

【００３３】燃料極２上流の燃料ガス流路には水回収装
置２０Ａが、また燃料極２下流の燃料ガス流路には水回
収装置２０Ｂが、それぞれ備えられる。これらの水回収
装置１０Ａ、１０Ｂは、循環管路７を流通する燃料ガス
から水分を分離する装置であるが、その詳しい構成は、
図２とともに後述する。

【００３４】圧縮機１１は、大気から取り込んだ空気を
圧縮して空気流路に送り込む装置である。この圧縮空気
は、水回収装置１２で水分が除去されてから、燃料電池
スタック１の酸化剤極３に送り込まれ、燃料電池スタッ
ク１内での電気化学反応に用いられる。

【００３５】酸化剤極３の下流の空気流路は、水回収装
置１３および圧縮バルブ１４側に向かう流路と、空気導
入弁１５側に向かう流路とに分岐している。空気導入弁
１５が閉じられているときには、燃料電池スタック１か
ら排出された残留空気（燃料電池スタック１で酸素が消
費された空気）は、水回収装置１３および圧縮バルブ１
４側に導かれ、水回収装置１３において水分を除去され
てから、圧力制御バルブ１４を通って大気に放出され
る。この場合、圧力制御バルブ１４の開度の調節によっ
て、空気流路の圧縮空気圧力を調節することができる。
また、上述のように余剰の水素ガス１０を放出する場合
には、空気導入弁１５を開いて、余剰の空気を空気導入
弁１５下流の反応器１０に導いて、燃料極２からの余剰
水素と反応させることになる。

【００３６】図２には、水回収装置２０Ａの構造を示
す。

【００３７】上述したように、燃料極２の上流と下流の
燃料ガス流路には、それぞれ水回収装置２０Ａと２０Ｂ
が備えられるが、本実施の形態においては、これらの水
回収装置２０Ａ、２０Ｂは全く同様の構造のものであ
る。したがって、以下、水回収装置２０Ａで代表して、
その構造を説明する。

【００３８】水回収装置２０Ａは、上流の燃料ガス流路
に接続する導入口２１と、下流のガス流路に接続する排
出口２２とを備える。導入口２１と排出口２２の間に
は、管路２３が備えられ、導入口２１から導入された燃
料ガスは、管路２３を流れて、排出口２２から排出され
る。

【００３９】管路２３には、流れ方向に略直角に配設さ
れた多数の仕切り板２４が備えられる。これらの仕切り
板２４によって、燃料ガス中の水分が除去される。管路
２３内に発生した水は、管路２３の傾斜した底面および
傾斜樋２５を伝って流れ、タンク口２６から水回収タン
ク２７に回収される。水回収タンク２７内に回収された
水２８の水位は、水位センサ２９により検出される。

【００４０】水回収タンク２７の最下部には、タンク排
出口３０が備えられる。このタンク排出口３０には、排
出バルブ３１が設けられている。これにより、排出バル
ブ３１の閉止時には、水２８は水回収タンク２７内に貯
まっていき、排出バルブ３１の開放によって、タンク排
出口３０を通って外部に放出されるようになっている。
排出バルブ３１の開閉は、図示されないコントローラ
（マイクロコンピュータ等）により制御される。

【００４１】図３には、水回収装置２０Ａ、２０Ｂに備
えられた排出バルブ３１の開閉制御の処理手順をフロー
チャートで示す。

【００４２】このバルブ開閉制御は、水回収装置２０Ａ
の排出バルブ３１と、水回収装置２０Ｂの排出バルブ３
１について、それぞれ実行されるもので、上述のコント
ローラにおいて、所定時間毎（例えば１０ｍｓｅｃ毎）
に繰り返される。

【００４３】ステップＳ１では、減算タイマのタイマ値
Ｔｏが０であるか否かを判定し、０でなければステップ
Ｓ２に進み、０であればステップＳ４に進む。ここで、
減算タイマとは、後述のステップから分かるように、排
出バルブ３１が開放されてからの時間を計測するタイマ
である。

【００４４】ステップＳ２では、バルブ開放命令が発せ
られ、排出バルブ３１を所定の開度（例えば全開）で開
状態とする。続くステップＳ３では、減算タイマ値Ｔｏ
を１単位減算して、ルーチンを終了する。

【００４５】一方、ステップＳ４では、バルブ閉止命令
が発せられ、排出バルブ３１を閉止状態とする。ステッ
プＳ５では、水回収タンク２７内の水２８の水位Ｈｗを
計測する。

【００４６】ステップＳ６では、ステップＳ５で計測し
た水位Ｈｗが基準高水位ＬｉｍＨ以上であるか否かを判
定する。この判定により、水位Ｈが基準高水位ＬｉｍＨ
以上であれば、ステップＳ７に進み、減算タイマＴｏ
に、あらかじめ決められている初期値ｉｎｉｔＴを設定
して、ルーチンを終了する。一方、基準高水位ＬｉｍＨ
以上でなければ、ステップＳ８に進み、減算タイマＴｏ
に０を設定して、ルーチンを終了する。

【００４７】つぎに、全体的な作用について説明する。

【００４８】燃料電池システムは、燃料電池スタック１
の燃料極２に水素貯蔵タンク４からの水素ガス（燃料ガ
ス）を供給し、酸化剤極３に圧縮機１１からの圧縮空気
を供給することにより、燃料電池スタック１内で水素と
酸素を反応させ、発電する。この場合、放熱冷却等によ
り燃料ガス流路（循環回路７）内に発生した水は、燃料
電池スタック１の上下流に配置された水回収装置２０
Ａ、２０Ｂで回収される。このように、燃料電池スタッ
ク１の上流と下流に水回収装置２０Ａ、２０Ｂを設ける
ことにより、燃料ガス流路に発生した水は、燃料電池ス
タック１の上流、下流のいずれで発生したとしても、い
ずれかの水回収装置２０Ａ、２０Ｂに確実に回収され
る。したがって、燃料電池スタック１の内部に余分な水
が侵入して、燃料電池スタック１の発電効率が悪化して
しまうことを防止できる。

【００４９】水回収装置２０Ａ、２０Ｂにおいては、管
路２２に設けられた仕切り板２３により燃料ガスから水
分が除去され、この除去された水は、傾斜樋２５、タン
ク口２６を通って、水回収タンク２７内に回収される。
水回収タンク２７内に回収された水２８は、排出バルブ
３１の開閉によりタンク排出口３０から排出される。こ
れにより、水２８の水位がタンク口２６、傾斜樋２５、
さらには管路２２にまで達して、水回収装置２０Ａ、２
０Ｂから燃料ガス流路側に流れ出してしまったり、水回
収装置２０Ａ、２０Ｂの水分除去機能が低下したりしな
いようになっている。

【００５０】排出バルブ３１は、水位センサ２９より検
出される水位Ｈｗが基準高水位ＬｉｍＨに達した時点で
開放され、この開放開始から開放時間ｉｎｉｔＴが経過
した時点で閉止される。ここで、開放時間ｉｎｉｔＴに
は、その時間にわたって排出バルブ３１が開放されてい
たとしても、基準高水位ＬｉｍＨにあった水２８が水回
収タンク２７から総て排出されてしまうことがないよう
な時間が、水回収装置２０Ａ、２０Ｂのそれぞれについ
て、あらかじめ設定されている。これにより、水回収タ
ンク２７内の水２８が完全に無くなってしまう前に、排
出バルブ３１が閉止されることになる。

【００５１】このように、排出バルブ３１の開放制御
は、水位Ｈｗが基準高水位ＬｉｍＨになったことと、バ
ルブ開放から開放時間ｉｎｉｔＴが経過したことに基づ
いて実行され、水位センサ２９による低水位検出とは無
関係に実行される。このため、水２８が排出バルブ３１
を閉止すべき低水位となるタイミングを、誤検出が生じ
る可能性がある水位センサからの信号に頼ることなく、
確実に推定できるので、水回収タンク２７内の水２８が
無くなってしまう前に、適切に排出バルブ３１を閉止で
きる。したがって、管路２２を流通する燃料ガスが排出
バルブ３１から外部に逃げていくことはなく、供給燃料
ガスに対する出力電力効率が低下してしまうことを防止
できる。

【００５２】図４、図５には、本発明の他の実施の形態
を示す。

【００５３】この実施形態は、上記図１〜図３の実施形
態と比較して、排出バルブ３１の開放時間を燃料電池ス
タック１に供給される燃料ガス圧力（燃料ガス管路の圧
力）ＰＨに基づいて決定する点でのみ異なるものであ
り、他の構成や制御においては共通する。したがって、
以下の説明では、この相違点を中心に説明する。

【００５４】図４は、排出バルブ３１の開閉制御の処理
手順を示すフローチャートである。

【００５５】ステップＳ１１〜ステップＳ１５では、そ
れぞれ図３のステップＳ１〜ステップＳ５の処理と同様
の処理が実行される。つまり、減算タイマＴｏが０でな
いときには（ステップＳ１１）、バルブ開放命令を発し
（ステップＳ１２）、減算タイマＴｏを減算して、ルー
チンを終了する。また、減算タイマＴｏが０のときに
は、バルブ閉止命令を発し（ステップＳ１４）、水位Ｈ
ｗを計測して、ステップＳ１６に進む。

【００５６】ステップＳ１６では、圧力センサ８によ
り、燃料電池スタック１の燃料極２に供給される燃料ガ
スの圧力ＰＨを計測する。

【００５７】ステップＳ１７では、ステップＳ１５で計
測した水位Ｈｗが基準高水位ＬｉｍＨ以上であるか否か
を判定し、基準高水位ＬｉｍＨ以上であれば、ステップ
Ｓ１８に進み、基準高水位ＬｉｍＨ以上でなければ、ス
テップＳ１９に進む。

【００５８】ステップＳ１８では、ステップＳ１６で計
測した燃料ガス圧力ＰＨに基づいて開放時間ｆ（ＰＨ）
を決定し、この開放時間ｆ（ＰＨ）を減算タイマＴｏに
設定して、ルーチンを終了する。一方、ステップＳ１９
では、減算タイマＴｏに０を設定して、ルーチンを終了
する。

【００５９】図５には、燃料ガス圧力ＰＨに基づいて開
放時間を定めるための関数ｆ（ＰＨ）の一例を示す。こ
の図５のようなテーブルは、あらかじめコントローラ内
に記憶されており、開放時間の決定（上記ステップＳ１
６の処理）に際して参照される。

【００６０】図示されるように、燃料ガス圧力ＰＨが大
気圧以下の場合には、開放時間（減算タイマの初期値ｉ
ｎｉｔＴｏ）は０に設定され、排出バルブ３１は開放さ
れない。これにより、水回収装置２０Ａ、２０Ｂを流通
する燃料ガス圧力が大気圧以下であるにもかかわらず排
出バルブ３１が開放されて、タンク排出口３０から大気
が逆流してしまうことを防止できる。

【００６１】一方、燃料ガス圧力ＰＨが大気圧以上の場
合には、開放時間として０でない値が設定されるが、こ
の設定値は燃料ガス圧力ＰＨが大きくなるほど短くされ
る。このように開放時間を開放時間を燃料ガス圧力ＰＨ
の増大にしたがって短くするのは、排出バルブ３１の開
度が同じであれば、水回収装置２０Ａ、２０Ｂ内の燃料
ガス圧力が大きいほど、タンク排出口３０からの水２８
の排出速度が早くなり、必要な量の排出を短時間できる
ことに基づくものである。

【００６２】以上のように本実施の形態では、燃料電池
スタック１に供給される燃料ガス圧力ＰＨにしたがって
排出バルブ３１の開放時間が設定されるので、排出バル
ブ３１の開閉を的確に制御できる。例えば、燃料ガス圧
力ＰＨが高く、タンク排出口３０からの水２８の排出速
度が速い場合には、開放時間は短くされるので、排出バ
ルブ３１は、水回収タンク２７内の水２８が完全に排出
されてしまう前に確実に閉止され、燃料ガスがタンク排
出口３０から放出されてしまうことはない。

【００６３】図６、図７には、本発明のさらに他の実施
の形態を示す。

【００６４】この実施の形態は、上記図４、図５の実施
形態と比較して、排出バルブ３１の開放時間を燃料電池
スタック１の出力電力ＰＷに基づいて決定する点で異な
るものであり、他の構成や制御においては共通する。

【００６５】図６は、排出バルブ３１の開閉制御の処理
手順を示すフローチャートである。

【００６６】ステップＳ２１〜ステップＳ２５では、そ
れぞれ図３のステップＳ１〜ステップＳ５の処理と同様
の処理が実行される。

【００６７】ステップＳ２５に続くステップＳ２６で
は、燃料電池スタック１の出力電力ＰＷを計測（演算に
より推定）する。

【００６８】ステップＳ２７では、ステップＳ２５で計
測した水位Ｈｗが基準高水位ＬｉｍＨ以上であるか否か
を判定し、基準高水位ＬｉｍＨ以上であれば、ステップ
Ｓ２８に進み、基準高水位ＬｉｍＨ以上でなければ、ス
テップＳ２９に進む。

【００６９】ステップＳ２８では、ステップＳ２６で計
測した燃料電池スタック１の出力電力ＰＷに基づいて開
放時間ｇ（ＰＷ）を決定し、この開放時間ｇ（ＰＷ）を
減算タイマＴｏに設定して、ルーチンを終了する。一
方、ステップＳ１９では、減算タイマＴｏに０を設定し
て、ルーチンを終了する。

【００７０】図７には、上記ステップＳ２８において、
燃料電池スタック１の出力電力ＰＷに基づいて開放時間
を定めるための関数ｇ（ＰＷ）の一例を示す。

【００７１】図示されるように、開放時間（減算タイマ
の初期値ｉｎｉｔＴｏ）は、燃料電池スタック１の出力
電力ＰＷが増大するにつれて短くなるように設定される
（ただし、上限と下限においては略一定とされる）。こ
れは、燃料電池スタック１の出力電力ＰＷが大きくなる
ほど、燃料ガスの圧力が大きくなる関係があることか
ら、上記図４、図５の実施形態と同様に、燃料ガス圧力
が高くなるにしたがって開放時間が短くなるようにした
ものである。

【００７２】このように、燃料電池スタック１の出力電
力ＰＷに基づいて開放時間を設定することによっても、
燃料ガス圧力に応じた開放時間を設定することができる
ので、排出バルブ３１の開閉を的確に制御できる。

【００７３】図８、図９には、本発明のさらに他の実施
の形態を示す。

【００７４】この実施の形態は、上記図４、図５の実施
形態と比較して、排出バルブ３１の開放時間を圧力制御
バルブ５の弁開度ＨＶＯに基づいて決定する点で異なる
ものであり、他の構成や制御においては共通する。

【００７５】図６は、排出バルブ３１の開閉制御の処理
手順を示すフローチャートである。

【００７６】このバルブ開閉制御では、上記図４のバル
ブ開閉制御と比較して、ステップＳ３６、ステップＳ３
８の処理内容が、それぞれ図４のステップＳ１６、ステ
ップＳ１８の処理内容と異なるだけで、他のステップで
は同様の処理が実行される。すなわち、ステップＳ３１
〜ステップＳ３５では、それぞれ図４のステップＳ１１
〜ステップＳ１５と同様の処理が実行され、また、ステ
ップＳ３７、ステップＳ３９では、それぞれステップＳ
１７、ステップＳ１９と同様の処理が実行される。

【００７７】ステップＳ３５に続くステップＳ３６で
は、圧力制御バルブ５の弁開度ＨＶＯを計測して、ステ
ップＳ３７に進む。

【００７８】ステップＳ３７の判定で水位Ｈｗが基準高
水位ＬｉｍＨ以上であれば、ステップＳ３８に進み、ス
テップＳ３５で計測した弁開度ＨＶＯに基づいて開放時
間ｈ（ＨＶＯ）を決定し、この開放時間ｈ（ＨＶＯ）を
減算タイマＴｏに設定して、ルーチンを終了する。

【００７９】図９には、上記ステップＳ３８において、
圧力制御バルブ５の弁開度ＨＶＯに基づいて開放時間を
定めるための関数ｈ（ＨＶＯ）の一例を示す。

【００８０】図示されるように、開放時間（減算タイマ
の初期値ｉｎｉｔＴｏ）は、燃料電池スタック１の出力
電力ＰＷが増大するにつれて短くなるように設定される
（ただし、上限と下限においては略一定とされる）。こ
れは、圧力制御バルブ５の弁開度ＨＶＯが大きくなるほ
ど、燃料ガスの圧力が高くなることから、上記図４、図
５の実施形態と同様に、燃料ガス圧力が高くなるにした
がって開放時間が短くなるようにしたものである。

【００８１】このように、圧力制御バルブ５の弁開度Ｈ
ＶＯに基づいて開放時間を設定することによっても、燃
料ガス圧力に応じた開放時間を設定することができ、排
出バルブ３１の開閉を的確に制御できる。

【００８２】図１０には、本発明のさらに他の実施の形
態における水回収装置２０Ａ、２０Ｂを示す。

【００８３】この実施の形態は、水回収装置２０Ａ（図
１０（Ａ）に示す）の排出バルブ３１Ａの全開時開口面
積よりも、水回収装置２０Ｂ（図１０（Ｂ）に示す）の
水排出バルブ３１Ｂの全開時開口面積を大きくしたもの
で、この点以外については、水回収装置２０Ａ、２０Ｂ
ともに、上記図２の実施の形態と同様の構造をもってい
る。

【００８４】このように水回収装置２０Ｂの排出バルブ
３１Ｂの全開時開口面積を大きくしたのは、以下の理由
による。燃料電池スタック１下流の燃料ガスは、燃料電
池スタック１内の反応に使用された分、燃料電池スタッ
ク１上流の燃料ガスよりも圧力が低くなっているので、
水回収装置２０Ａ内を流通する燃料ガスよりも、水回収
装置２０Ｂ内を流通する燃料ガスの方が圧力が低くな
る。このため、排出バルブ３１Ａと排出バルブ３１Ｂの
開口面積が同じであれば、排出バルブ３１Ａからの排出
量は、排出バルブ３１Ｂからの排出量よりも多くなって
しまう。そこで、排出バルブ３１Ｂの全開時開口面積を
排出バルブ３１Ａの全開時開口面積よりも広くする。こ
れにより、同じ開放時間での排出バルブ３１Ａからの排
出量と排出バルブ３１Ｂからの排出量を略同じぐらいに
できるので、排出バルブ３１Ａと３１Ｂで開放時間を同
じにして制御することが可能となり、制御を簡略化でき
る。

【００８５】図１１には、本発明のさらに他の実施の形
態における水回収装置２０Ａを示す。

【００８６】この実施の形態は、上記図１〜図３の実施
の形態と比較して、水回収装置２０Ａ、２０Ｂにおける
水位センサ２９を、高水位検出センサ４０に置き換えた
点でのみ異なり、他の点では共通する。

【００８７】高水位検出センサ４０は、両端が開放され
た筒４１と、この筒４１内に収容された浮き４２と、水
回収タンク２７上部に設置されたスイッチ４３とからな
る。このような構成により、水２８の水面が基準高水位
に達すると、水面に浮かぶ浮き４２がスイッチ４３に接
触して、これが検出されるようになっている。

【００８８】このように、本発明の水位センサは、一つ
の基準高水位のみを検出しうるものであればよい。した
がって、高水位検出センサ４０のように、水位センサの
構成を簡略化でき、コスト削減を図り得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システム
を示す構成図である。

【図２】同じく水回収装置の構造を示す図である。

【図３】同じく排出バルブの開閉制御を示すフローチャ
ートである。

【図４】本発明の他の実施の形態における排出バルブの
開閉制御を示すフローチャートである。

【図５】同じく燃料ガス圧力と排出バルブの開放時間と
の関係を示す特性図である。

【図６】本発明のさらに他の実施の形態における排出バ
ルブの開閉制御を示すフローチャートである。

【図７】同じく燃料電池スタックの出力電力と排出バル
ブの開放時間との関係を示す特性図である。

【図８】本発明のさらに他の実施の形態における排出バ
ルブの開閉制御を示すフローチャートである。

【図９】同じく圧力制御バルブの弁開度と排出バルブの
開放時間との関係を示す特性図である。

【図１０】本発明のさらに他の実施の形態における水回
収装置の構造を示す図である。

【図１１】本発明のさらに他の実施の形態における水回
収装置の構造を示す図である。

【符号の説明】

１燃料電池スタック２燃料極３酸化剤極７循環管路２０Ａ、２０Ｂ水回収装置２７水回収タンク２９水位センサ３０タンク排出口３１排出バルブ４０高水位検出センサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極と酸化剤極とを備えた燃料電池と、燃料ガス流路内の水が回収される水回収タンクと、この水回収タンク内の水の外部への排出口に設けられた
排出バルブと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記水回収タンクの水位が基準高水位であることを検出
する水位センサと、この水位センサによる基準高水位検出があった時点で前
記排出バルブを開放し、この排出バルブの開放から、前
記水回収タンク内の水が全量排出されるのに要する時間
よりも短い所定の開放時間が経過した時点で前記排出バ
ルブを閉止するバルブ制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記バルブ制御手段は、前記開放時間を前
記燃料ガス流路内の燃料ガス圧力に基づいて決定するこ
とを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記バルブ制御手段は、前記燃料ガス圧力
が大気圧以下である場合には前記開放時間を０に設定す
る一方で、前記燃料ガス圧力が大気圧より大きい場合に
は、前記燃料ガス圧力が大きくなるほど前記開放時間を
短くすることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池シ
ステム。
【請求項４】前記開放時間を前記燃料電池の出力電力に
基づいて決定することを特徴とする請求項１に記載の燃
料電池システム。
【請求項５】前記バルブ制御手段は、前記燃料電池の出
力電力が大きくなるほど前記開放時間を短くすることを
特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】前記燃料ガス流路に圧力制御バルブを備え
るとともに、前記バルブ制御手段は、前記開放時間を前
記圧力制御バルブの弁開度に基づいて決定することを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】前記バルブ制御手段は、前記圧力制御バル
ブの弁開度が大きくなるほど前記開放時間を短くするこ
とを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】前記燃料極の入口側と出口側のそれぞれに
前記水回収タンクと前記排出バルブと前記水位センサと
を備え、前記バルブ制御手段により前記入口側と出口側
の排出バルブをそれぞれ制御することを特徴とする請求
項１から請求項７のいずれか一つに記載の燃料電池シス
テム。
【請求項９】前記燃料極の出口側の排出バルブの全開開
口面積を、前記燃料極の入口側の排出バルブの全開開口
面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項８に記載
の燃料電池システム。