JP2005050554A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、気液分離装置から排水を行う際の電気的絶縁抵抗の低下を防止する。
【解決手段】気液分離装置６０は、気液分離部６１と、２つの貯留タンク６３Ａ、６３Ｂとを備えている。貯留タンク６３Ａと気液分離部６１、および、貯留タンク６３Ｂと気液分離部６１とは、配管接続されている。各配管には、気液分離部６１と各貯留タンク６３Ａ、６３Ｂとの連通状態を切り換えるためのバルブＶＡｉ、ＶＢｉが設けられている。また、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂには、それぞれ貯留した水を排出するための配管６４Ａ、６４Ｂが設けられており、この配管６４Ａ、６４Ｂには、それぞれバルブＶＡｏ、ＶＢｏが設けられている。そして、気液分離部６１と外部とが水によって導通しないように、各バルブの動作を制御し、水の貯留および排水を並行して行う。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気液分離装置を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極（アノード）と酸素極（カソード）とを備え、水素と酸素との電気化学反応によって起電力を発生する燃料電池が提案されている。燃料電池では、水素と酸素との電気化学反応により、水（生成水）が生成される。この生成水は、燃料電池のオフガスとともに排出される。生成水は、燃料電池システムにおけるガスの流れを阻害する場合がある。このため、燃料電池システムには、通常、燃料電池のオフガスに含まれる水を分離して排出するための気液分離器が備えられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１９５２１５号公報
【特許文献２】
特開２００２−３１３４０４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池から排出される生成水には、イオンが含まれている。例えば、電解質膜としてナフィオン（登録商標）を用いた固体高分子型燃料電池の場合、生成水には、電解質膜から分離したイオンが含まれている（例えば、特許文献２参照）。これによって、生成水は、導電性を有している。生成水が導電性を有する場合、生成水を外部に排出する際に、燃料電池が生成水によって接地されてしまい、電気的絶縁抵抗が低下する場合がある。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、気液分離装置から排水を行う際の電気的絶縁抵抗の低下を防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
アノードおよびカソードを備える燃料電池と、
前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方から排出されたオフガスから、水を分離して排出する気液分離装置と、を備え、
前記気液分離装置は、
前記オフガスから前記水を分離する気液分離部と、
該分離された水を貯留するための複数の貯留タンクと、
前記気液分離部と前記各貯留タンクとを接続する配管と、
前記配管に設けられ、前記気液分離部と前記各貯留タンクとの連通状態を切り換えるための切換バルブと、
前記各貯留タンクから前記水を排出するための排水バルブと、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
本発明では、切換バルブおよび排水バルブを操作することによって、気液分離部で分離された水を、複数の貯留タンクのうちのいずれかに一時的に貯留したり、貯留タンクに貯留した水を排出したりすることができる。さらに、１つの貯留タンクが排水中であっても、この排水と並行して、他の貯留タンクで貯留を行うことが可能である。したがって、燃料電池システムの継続的な運転を確保しながら、燃料電池と外部とが水によって導通することを防止し、気液分離装置から排水を行う際の電気的絶縁抵抗の低下を防止することができる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、切換えバルブおよび排水バルブの操作を、例えば、手動で行ってもよいが、
さらに、前記切換バルブおよび前記排水バルブの動作を制御する制御部を備えるようにすることができる。
【０００９】
こうすることによって、切換バルブおよび排水バルブの操作を自動で行うことができる。制御部は、例えば、各貯留タンク内に存在する水の量や、燃料電池が生成した生成水の量に基づいて、各バルブの動作を制御するようにすることができる。貯留タンク内に存在する水の量は、貯留タンクに水位センサや重量センサを設けることによって検出可能である。また、燃料電池が生成した生成水の量は、燃料電池の負荷電流の積算値によって算出可能である。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記複数の貯留タンクのうちの少なくとも１つについて、該貯留タンクと前記気液分離部とが連通するように前記切換バルブを動作させるとともに、該貯留タンクの排水バルブを閉じるようにすることができる。
【００１１】
こうすることによって、気液分離部と貯留タンクとを連通して、貯留タンクに水を貯留しているとき、すなわち、気液分離部内の水と貯留タンク内の水とが繋がり得るときに、この貯留タンクと外部とを、電気的に遮断することができる。したがって、燃料電池と外部とが水によって導通することを防止することができる。この結果、電気的絶縁抵抗の低下を防止することができる。
【００１２】
また、前記制御部は、前記複数の貯留タンクのうちの少なくとも１つについて、該貯留タンクと前記気液分離部とが連通しないように前記切換バルブを動作させるとともに、該貯留タンクの排水バルブを開けるようにすることができる。
【００１３】
こうすることによって、貯留タンクから水を排出しているときに、この貯留タンクと気液分離器とを遮断することができる。したがって、燃料電池と外部とが水によって導通することを防止することができる。この結果、電気的絶縁抵抗の低下を防止することができる。
【００１４】
また、前記制御部は、前記複数の貯留タンクの中から、第１の貯留タンクと第２の貯留タンクとを選択し、
前記第１の貯留タンクと前記気液分離部とが連通するように前記切換バルブを動作させるとともに、該第１の貯留タンクの排水バルブを閉じ、
前記第２の貯留タンクと前記気液分離部とが連通しないように前記切換バルブを動作させるとともに、該第２の貯留タンクの排水バルブを開けるようにすることができる。
【００１５】
こうすることによって、気液分離部で分離された水を第１の貯留タンクに貯留しつつ、第２の貯留タンクからは貯留した水を排出することができる。すなわち、異なる貯留タンクを用いて、第１の貯留タンクと第２の貯留タンクとを切り換えながら、貯留と排水とを並行して同時に行うことができる。
【００１６】
上述した制御部を備える燃料電池システムにおいて、さらに、
前記切換バルブおよび前記排水バルブのうちの少なくとも一部に、故障が生じているか否かを判断する故障判断部を備え、
前記制御部は、前記故障判断部によって、前記故障が生じていると判断されたときに、前記切換バルブと前記排水バルブとのいずれにも前記故障が生じていない前記貯留タンクのみを用いて前記貯留および前記排水を行うように、前記制御を行うようにすることができる。
【００１７】
こうすることによって、切換バルブと、貯留タンクと、排水バルブとによって構成される１つの排水系が正常に動作しなくなったときに、正常に動作する他の排水系を用いて貯留および排出を継続することができる。
【００１８】
上記燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記故障判断部によって、前記複数の貯留タンクのうちの１つについて、前記切換バルブおよび前記排水バルブのいずれかに前記故障が生じていると判断されたときに、該故障が生じていない前記切換バルブまたは前記排水バルブの動作を制御することによって、該貯留タンクからの排水を停止するようにすることができる。
【００１９】
本発明では、１つの排水系において、切換バルブまたは排水バルブが開いたまま閉じなくなる開故障が生じたときに、故障していない切換バルブまたは排水バルブを閉じることによって、気液分離部から外部への水の流路を遮断する。こうすることによって、燃料電池と外部とが水によって導通することを防止することができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムにおいて、
前記配管の少なくとも一部は、絶縁性材料によって形成されていることが好ましい。
【００２１】
こうすることによって、燃料電池と外部との絶縁を確保することができる。
【００２２】
なお、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システム：
Ｂ．気液分離装置：
Ｃ．気液分離装置の制御：
Ｃ１．貯留タンクの使い分け：
Ｃ２．バルブ駆動制御処理：
Ｃ３．開故障判断処理：
Ｃ４．故障時処理：
Ｄ．変形例：
【００２４】
Ａ．燃料電池システム：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者が車両に備えられたアクセルを操作すると、アクセル開度センサ１０１によって検出された操作量に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることが可能である。
【００２５】
燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている（図示省略）。本実施例では、ナフィオン（登録商標）を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。
【００２６】
燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管３６およびマフラ４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧力は、配管３６に設けられた圧力センサ５３で検出され、調圧バルブ２７の開度によって制御される。
【００２７】
配管３６には、カソードオフガスとともに、水素と酸素との電気化学反応によりカソードで生成された生成水も排出される。この生成水は、配管３６に設置された気液分離装置７０によって回収され、車両の外部に排出される。気液分離装置７０によって回収された水は、加湿器４２などで再利用するようにしてもよい。
【００２８】
燃料電池スタック１０のアノードには、配管３１、３２を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から水素が供給される。水素タンク２０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。
【００２９】
水素タンク２０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク２０の出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２、高圧バルブ２３、低圧バルブ２４によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管３３に流出する。配管３３には、圧力センサ５１およびバルブ２５が設けられており、これらは、アノードへの水素の供給圧力および量の制御に利用される。
【００３０】
配管３３は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出ための排出管３４に接続され、他方は逆止弁２８を介して配管３２に接続される。燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管３３にはアノードオフガスを加圧するためのポンプ４５が設けられている。
【００３１】
なお、配管３３には、気液分離装置６０が設置されている。気液分離装置６０は、アノードオフガスを冷却することによって、アノードオフガス中に含まれる水を回収する。気液分離装置６０によって回収された水は、車両の外部に排出される。気液分離装置６０によって回収された水は、燃料電池スタック１０に供給される水素または酸素の加湿等に再利用するようにしてもよい。
【００３２】
排出管３４に設けられた排出バルブ２６が閉じられている間は、アノードオフガスは配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。
【００３３】
アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管３４を通り、希釈器４４で空気によって希釈された後、外部に排出され、不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ２６の開き量は、極力抑えることが燃費向上の観点から好ましい。
【００３４】
燃料電池スタック１０には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ３８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。
【００３５】
燃料電池システムの運転は、制御ユニット１００によって制御される。制御ユニット１００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット１００に入出力される信号の一例を破線で示した。入力としては、例えば、圧力センサ５３や、アクセル開度センサ１０１の検出信号などが挙げられる。出力としては、例えば、低圧バルブ２４や、排出バルブ２６や、調圧バルブ２７や、コンプレッサ４１などが挙げられる。また、制御ユニット１００は、後述するように、気液分離装置６０、７０に備えられた水位センサの出力などに基づいて、気液分離装置６０、７０に備えられた各バルブの駆動を制御したり、各バルブの故障判断を行ったりする。
【００３６】
Ｂ．気液分離装置：
本実施例では、気液分離装置６０、７０によって分離された水には、燃料電池スタック１０の電解質膜に用いられているナフィオン（登録商標）から分離したイオンが含まれているため、分離された水は、導電性を有している。本実施例の燃料電池システムでは、この水を外部に排出する際に、燃料電池スタック１０が導電性を有する水によって外部に接地されてしまい、電気的絶縁抵抗が低下することを防止するために、気液分離装置６０、７０を以下の構成とした。
【００３７】
図２は、配管３３に設けられた気液分離装置６０の概略構成を示す説明図である。なお、配管３６に設けられた気液分離装置７０の構成は、気液分離装置６０と同じである。
【００３８】
気液分離装置６０は、気液分離部６１と、２つの貯留タンク６３Ａ、６３Ｂとを備えている。気液分離部６１は、配管３３を流れてきたアノードオフガス中に含まれる水、および、生成水を分離する。貯留タンク６３Ａと気液分離部６１とは、配管６２、および、配管６２から分岐した配管６２Ａを介して接続されている。貯留タンク６３Ｂと気液分離部６１とは、配管６２、および、配管６２から分岐した配管６２Ｂを介して接続されている。
【００３９】
配管６２Ａには、気液分離部６１と貯留タンク６３Ａとの連通状態を切り換えるためのバルブＶＡｉが設けられている。また、配管６２Ｂには、気液分離部６１と貯留タンク６３Ｂとの連通状態を切り換えるためのバルブＶＢｉが設けられている。バルブＶＡｉ、ＶＢｉは、本発明における切換バルブに相当する。これらのバルブを切り換えることによって、気液分離部６１で分離された水を、いずれの貯留タンクに貯留するのかを切り換えることができる。なお、本実施例では、配管６２Ａ、６２ＢにバルブＶＡｉ、ＶＢｉをそれぞれ設けるものとしたが、配管６２から配管６２Ａ、６２Ｂへの分岐箇所に、３方バルブを１つ設けるようにしてもよい。
【００４０】
貯留タンク６３Ａ、６３Ｂには、それぞれ貯留した水を排出するための配管６４Ａ、６４Ｂが設けられている。そして、配管６４Ａ、６４Ｂには、それぞれバルブＶＡｏ、ＶＢｏが設けられている。このバルブＶＡｏ、ＶＢｏは、本発明における排水バルブに相当する。
【００４１】
図２において、気液分離装置６０内の水をハッチングで示した。図示した状態は、バルブＶＢｉを開け、バルブＶＢｏを閉じて、貯留タンク６３Ｂに水を貯留し、また、バルブＶＡｉを閉じ、バルブＶＡｏを開けて、貯留タンク６３Ａから排水している様子を示している。このように、２つの貯留タンク６３Ａ、６３Ｂを用いて、貯留と排水とを並行して行うことによって、燃料電池スタック１０と外部とが水によって導通することを防止することができる。
【００４２】
なお、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂ、配管６２、６２Ａ、６２Ｂ、６４Ａ、６４Ｂは、絶縁性部材で形成されている。本実施例では、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂには、絶縁性の樹脂を用い、配管６２、６２Ａ、６２Ｂ、６４Ａ、６４Ｂには絶縁性のゴムホースを用いるものとした。こうすることによって、気液分離部６１で分離された水の排出時に、燃料電池スタック１０と外部との絶縁を確保し、燃料電池システムから外部への漏電を防止することができる。
【００４３】
貯留タンク６３Ａには、２つの水位センサＳａ１、Ｓａ２が設けられている。貯留タンク６３Ａの上部に設けられた水位センサＳａ１は、貯留タンク６３Ａからの排水を開始するタイミングを検出するために用いられる。一方、貯留タンク６３Ａの下部に設けられた水位センサＳａ２は、貯留タンク６３Ａからの排水を終了するタイミングを検出するために用いられる。
【００４４】
貯留タンク６３Ｂにも、２つの水位センサＳｂ１、Ｓｂ２が設けられている。水位センサＳｂ１、Ｓｂ２は、貯留タンク６３Ａに設けられた水位センサＳａ１、Ｓｂ２と同様に用いられる。すなわち、貯留タンク６３Ｂの上部に設けられた水位センサＳｂ１は、貯留タンク６３Ｂからの排水を開始するタイミングを検出するために用いられる。一方、貯留タンク６３Ｂの下部に設けられた水位センサＳｂ２は、貯留タンク６３Ｂからの排水を終了するタイミングを検出するために用いられる。
【００４５】
なお、水位センサＳａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２は、後述するように、バルブＶＡｉ、ＶＡｏ、ＶＢｉ、ＶＢｏの故障判断にも用いられる。
【００４６】
Ｃ．気液分離装置の制御：
Ｃ１．貯留タンクの使い分け：
本実施例の気液分離装置６０は、各バルブＶＡｉ、ＶＡｏ、ＶＢｉ、ＶＢｏの動作状況、すなわち、各バルブが正常に動作するか否かに応じて、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂの使用態様を切り換えることが可能である。
【００４７】
図３は、気液分離装置６０の貯留タンク６３Ａ、６３Ｂの使い分けについて示す説明図である。すべてのバルブが正常に動作するとき（ケース１）、および、いずれか１つのバルブが故障していることが検出されたとき（ケース２〜９）の処理と、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂの使い分けとについて示した。図中の「Ｎ」は、バルブが正常に動作することを示している。「Ｆｏ」は、バルブが開いたままの状態になる開故障であることを示している。「Ｆｃ」は、バルブが閉じたままの状態になる閉故障であることを示している。バルブの故障の検出については、後述する。
【００４８】
例えば、ケース１のすべてのバルブが正常に動作するときには、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂの双方を使用して、貯留と排水とを交互に行う。
【００４９】
ケース２のバルブＶＡｉが開故障であることが検出されたときには、バルブＶＡｏを閉じて、貯留タンク６３Ｂのみを使用して、貯留および排水を行う。バルブＶＡｉが開故障であるときに、バルブＶＡｏを開けて貯留タンク６３Ａから排水を行うと、燃料電池スタック１０と外部とが水によって導通するおそれがあるからである。
【００５０】
ケース３のバルブＶＡｉが閉故障であることが検出されたときにも、バルブＶＡｏを閉じて、貯留タンク６３Ｂのみを使用して、貯留および排水を行う。なお、バルブＶＡｉが閉故障であるときには、バルブＶＡｏが開いていても、貯留タンク６３Ａ側から燃料電池スタック１０と外部とが導通することはないので、バルブＶＡｏを閉じる処理を行わなくてもよい。他のケースについても、上述したのと同様の観点によって、各バルブの動作を切り換え、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂの使い分けを行う。
【００５１】
Ｃ２．バルブ駆動制御処理：
図４は、気液分離装置６０が備えるバルブＶＡｉ、ＶＡｏ、ＶＢｉ、ＶＢｏのバルブ駆動制御処理の流れを示すフローチャートである。制御ユニット１００のＣＰＵが行う処理である。
【００５２】
本実施例では、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂのいずれかから排水中であるか否かを表すフラグＡｏｕｔとフラグＢｏｕｔとが用意されている。各フラグは、０または１の値をとる。そして、フラグＡｏｕｔが１であれば、貯留タンク６３Ａから排水中であり、フラグＢｏｕｔが１であれば、貯留タンク６３Ｂから排水中であるものとした。また、本実施例では、常に、貯留タンク６３Ａまたは貯留タンク６３Ｂによって、貯留を行うように、フラグＡｏｕｔとフラグＢｏｕｔとがともに１となることはないものとした。
【００５３】
まず、フラグＡｏｕｔ＝１であるか否か、すなわち、貯留タンク６３Ａから排水中である否かを判断する（ステップＳ１００）。フラグＡｏｕｔ＝１であれば、水位センサＳａ２の出力がオフであるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。水位センサＳａ２の出力がオフであれば、バルブＶＡｏを閉じて、貯留タンク６３Ａからの排水を終了し、フラグＡｏｕｔを０とする（ステップＳ１２０）。
【００５４】
ステップＳ１１０において、水位センサＳａ２の出力がオフでなければ、すなわち、水位センサＳａ２の出力がオンであれば、バルブＶＡｏを開いて貯留タンク６３Ａからの排水を開始してから所定時間Ｔ３以上経過したか否かを判断する（ステップＳ１３０）。所定時間Ｔ３は、バルブの動作状況が正常なときに、通常、水位センサＳａ２の出力がオフになっている程度の十分な時間が設定されている。所定時間Ｔ３以上が経過していなければ、バルブＶＡｏの動作状況は正常であると判断して、そのまま貯留タンク６３Ａからの排水を継続する。バルブＶＡｏを開いてから所定時間Ｔ３以上が経過しているにも関わらず、水位センサＳａ２の出力がオフになっていなければ、バルブＶＡｏが閉故障であると判断して（ステップＳ１４０）、後述する「故障時処理１」を実行する（ステップＳ３００）。
【００５５】
ステップＳ１００において、フラグＡｏｕｔ＝１でなければ、すなわち、貯留タンク６３Ａから排水中でなければ、フラグＢｏｕｔ＝１であるか否か、すなわち、貯留タンク６３Ｂから排水中であるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。フラグＢｏｕｔ＝１であれば、水位センサＳｂ２の出力がオフであるか否かを判断する（ステップＳ１６０）。水位センサＳｂ２の出力がオフであれば、バルブＶＢｏを閉じて、貯留タンク６３Ｂからの排水を終了し、フラグＢｏｕｔを０とする（ステップＳ１７０）。
【００５６】
ステップＳ１６０において、水位センサＳｂ２の出力がオフでなければ、すなわち、水位センサＳｂ２の出力がオンであれば、バルブＶＢｏを開いて貯留タンク６３Ｂからの排水を開始してから所定時間Ｔ３以上経過したか否かを判断する（ステップＳ１８０）。所定時間Ｔ３以上が経過していなければ、バルブＶＢｏの動作状況は正常であると判断して、そのまま貯留タンク６３Ｂからの排水を継続する。バルブＶＢｏを開いてから所定時間Ｔ３以上が経過しているにも関わらず、水位センサＳｂ２の出力がオフになっていなければ、バルブＶＢｏが閉故障であると判断して（ステップＳ１９０）、後述する「故障時処理２」を実行する（ステップＳ４００）。
【００５７】
ステップＳ１５０において、フラグＢｏｕｔ＝１でなければ、次に説明する開故障判断処理を実行する（ステップＳ２００）。
【００５８】
Ｃ３．開故障判断処理：
図５および図６は、図４のステップＳ２００における開故障判断処理の流れを示すフローチャートである。
【００５９】
まず、水位センサＳａ１の出力がオンであるか否かを判断する（ステップＳ２１０）。水位センサＳｂ１の出力がオンであれば、前回水位センサＳｂ１の出力がオンとなってから所定時間Ｔ２以内に水位センサＳａ１の出力がオンになったか否かを判断する（ステップＳ２２０）。所定時間Ｔ２は、バルブの動作状況が正常なときには、通常、水位センサＳａ１の出力がオンにはならない程度の時間が設定されている。所定時間Ｔ２以内に水位センサＳａ１の出力がオンになった場合には、バルブＶＡｉが開故障であると判断して（ステップＳ２２２）、バルブＶＡｏを閉じ、バルブＶＢｉを開いて（ステップＳ２２４）、後述する「故障時処理１」を実行する（ステップＳ３００）。
【００６０】
ステップＳ２２０において、所定時間Ｔ２以内に水位センサＳａ１の出力がオンになっていない場合には、バルブＶＡｉ、ＶＡｏの動作状況は正常であると判断して、バルブＶＡｉを閉じ、バルブＶＢｉを開いて（ステップＳ２２６）、貯留タンク６３Ｂへの貯留を開始する。そして、バルブＶＡｏを開いて貯留タンク６３Ａからの排水を開始し、フラグＡｏｕｔを１とし（ステップＳ２２８）、図４のステップＳ１１０に進む。
【００６１】
ステップＳ２１０において、水位センサＳａ１の出力がオンでなければ、前回水位センサＳａ１の出力がオンとなってから所定時間Ｔ１以上が経過したか否かを判断する（ステップＳ２３０）。所定時間Ｔ１は、バルブの動作状況が正常なときには、通常、水位センサＳａ１の出力がオンになっている程度の十分な時間が設定されている。所定時間Ｔ１以上が経過しているにも関わらず、水位センサＳａ１の出力がオフである場合には、バルブＶＡｏが開故障であると判断して（ステップＳ２３２）、バルブＶＡｉを閉じ、バルブＶＢｉを開いて（ステップＳ２３４）、後述する「故障時処理１」を実行する（ステップＳ３００）。
【００６２】
ステップＳ２３０において、所定時間Ｔ１以上が経過していない場合には、水位センサＳｂ１がオンであるか否かを判断する（図６のステップＳ２４０）。水位センサＳｂ１の出力がオンであれば、前回水位センサＳａ１の出力がオンとなってから所定時間Ｔ２以内に水位センサＳｂ１の出力がオンになったか否かを判断する（ステップＳ２５０）。所定時間Ｔ２は、バルブの動作状況が正常なときには、通常、水位センサＳｂ１の出力がオンにはならない程度の時間が設定されている。所定時間Ｔ２以内に水位センサＳｂ１の出力がオンになった場合には、バルブＶＢｉが開故障であると判断して（ステップＳ２５２）、バルブＶＢｏを閉じ、バルブＶＡｉを開いて（ステップＳ２５４）、後述する「故障時処理２」を実行する（ステップＳ４００）。
【００６３】
ステップＳ２５０において、所定時間Ｔ２以内に水位センサＳｂ１の出力がオンになっていない場合には、バルブＶＢｉ、ＶＢｏの動作状況は正常であると判断して、バルブＶＢｉを閉じ、バルブＶＡｉを開いて（ステップＳ２５６）、貯留タンク６３Ａへの貯留を開始する。そして、バルブＶＢｏを開いて貯留タンク６３Ｂからの排水を開始し、フラグＢｏｕｔを１とし（ステップＳ２５８）、図４のステップＳ１６０に進む。
【００６４】
ステップＳ２４０において、水位センサＳｂ１の出力がオンでなければ、前回水位センサＳｂ１の出力がオンとなってから所定時間Ｔ１以上が経過したか否かを判断する（ステップＳ２６０）。所定時間Ｔ１は、バルブの動作状況が正常なときには、通常、水位センサＳｂ１の出力がオンになっている程度の十分な時間が設定されている。所定時間Ｔ１以上が経過しているにも関わらず、水位センサＳｂ１の出力がオフである場合には、バルブＶＢｏが開故障であると判断して（ステップＳ２６２）、バルブＶＢｉを閉じ、バルブＶＡｉを開いて（ステップＳ２６４）、後述する「故障時処理２」を実行する（ステップＳ４００）。
【００６５】
ステップＳ２６０において、所定時間Ｔ１以上が経過していない場合には、リターンする。
【００６６】
Ｃ４．故障時処理：
図７は、故障時処理の流れを示すフローチャートである。故障時処理は、バルブが故障していない方の貯留タンクのみを用いて、貯留および排水を行う処理である。ここでは、上述したステップＳ３００の「故障時処理１」について説明する。
【００６７】
まず、水位センサＳｂ１がオンであるか否かを判断する（ステップＳ３１０）。水位センサＳｂ１がオンであれば、貯留タンク６３Ｂに所定量の水が貯留されているので、バルブＶＢｉを閉じ（ステップＳ３２０）、バルブＶＢｏを開いて貯留タンク６３Ｂからの排水を開始し、フラグＢｏｕｔを１とする（ステップＳ３３０）。
【００６８】
次に、水位センサＳｂ２がオフであるか否かを判断する（ステップＳ３４０）。水位センサＳｂ２がオフであれば、貯留タンク６３Ｂ内の水は、所定値未満に排水されているので、バルブＶＢｏを閉じて貯留タンク６３Ｂからの排水を終了し、フラグＢｏｕｔを０とする（ステップＳ３５０）。そして、バルブＶＢｉを開いて、貯留タンク６３Ｂへの貯留を開始する（ステップＳ３６０）。
【００６９】
なお、ステップＳ３１０において、水位センサＳｂ１の出力がオフである場合、および、ステップＳ３４０において、水位センサＳｂ２の出力がオンである場合には、リターンする。
【００７０】
上述したステップＳ４００の「故障時処理２」は、対象となる水位センサ、バルブ、フラグが「故障時処理１」と異なる。「故障時処理２」では、水位センサＳｂ１、Ｓｂ２の代わりに、水位センサＳａ１、Ｓａ２を対象とする。また、バルブＶＢｉ、ＶＢｏの代わりに、バルブＶＡｉ、ＶＡｏを対象とする。また、フラグＢｏｕｔの代わりに、フラグＡｏｕｔを対象とする。これ以外は、「故障時処理１」と同様である。したがって、「故障時処理２」の説明は、省略する。
【００７１】
以上説明した本実施例の燃料電池システムによれば、気液分離装置６０の各バルブの動作を制御することによって、燃料電池スタック１０と燃料電池システムの外部とが、気液分離部６１で分離された水によって導通することを防止することができる。したがって、気液分離装置６０から排水を行う際の電気的絶縁抵抗の低下を防止することができる。
【００７２】
また、気液分離装置６０は、気液分離部６１に並列に接続された２つの貯留タンク６３Ａ、６３Ｂを備えているので、１つの貯留タンクが排水中であっても、この排水と並行して、他の貯留タンクで貯留を行うことが可能である。したがって、燃料電池システムの継続的な運転を確保することができる。また、一方の貯留タンクについて、貯留および排出に支障が生じても、他方の貯留タンクを用いて運転を継続することができる。
【００７３】
Ｄ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００７４】
Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、気液分離装置６０は、２つの貯留タンク６３Ａ、６３Ｂを備えるものとしたが、３つ以上備えるようにしてもよい。
【００７５】
図８は、変形例としての気液分離装置６０Ａの概略構成、および、貯留タンクの使い分けについて示す説明図である。図の上段に示したように、気液分離装置６０Ａは、気液分離部６１で分離された水の貯留および排水を行うための３つの排水系を並列に備えている。貯留タンク６３Ａ、バルブＶＡｉ、ＶＡｏを有するＡ系と、貯留タンク６３Ｂ、バルブＶＢｉ、ＶＢｏを有するＢ系と、貯留タンク６３Ｃ、バルブＶＣｉ、ＶＣｏを有するＣ系である。なお、図示は省略したが、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃには、上記実施例と同様に、それぞれ水位センサが設けられている。そして、上記実施例と同様にして、各バルブの故障判断や、バルブの切り換え制御を行い、貯留タンクの使い分けを行う。
【００７６】
図の下段に示したように、各排水系のすべてのバルブが正常に動作する場合、貯留タンク６３Ａで貯留を行っているときには、貯留タンク６３Ｂ、６３Ｃから排水を行い、貯留タンク６３Ｂで貯留を行っているときには、貯留タンク６３Ａ、６３Ｃから排水を行い、貯留タンク６３Ｃで貯留を行っているときには、貯留タンク６３Ａ、６３Ｂから排水を行う。
【００７７】
また、Ａ系のバルブＶＡｉ、ＶＡｏのいずれかが故障した場合には、貯留タンク６３Ａの使用を中止し、貯留タンク６３Ｂと貯留タンク６３Ｃとを用いて、上記実施例と同様にして、貯留および排水を行う。他の排水系のバルブが故障した場合も同様である。
【００７８】
Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、気液分離装置６０のバルブの故障を、水位センサの出力と時間とに基づいて判断するものとしたが、これに限られない。燃料電池スタック１０からの生成水の量は、燃料電池スタック１０の負荷電流の積算値によって算出可能であるから、例えば、燃料電池スタック１０の負荷電流の積算値と時間とに基づいて、バルブの故障を判断するようにしてもよい。また、水位センサによって水の量を検出する代わりに、重量センサによって水の重量を検出するようにしてもよい。また、気液分離装置５０内の配管に流量計を備えるようにし、流量計によって水が流れているか否かを検出して、バルブの故障を判断するようにしてもよい。
【００７９】
Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、電解質膜にナフィオン（登録商標）を用いた固体高分子型の燃料電池スタックを備える燃料電池システムに本発明を適用した場合について説明したが、他の種類の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。
【図２】気液分離装置の概略構成を示す説明図である。
【図３】気液分離装置の２つの貯留タンクの使い分けについて示す説明図である。
【図４】バルブ駆動制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】開故障判断処理の流れを示すフローチャートである。
【図６】開故障判断処理の流れを示すフローチャートである。
【図７】故障時処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】変形例としての気液分離装置の概略構成、および、貯留タンクの使い分けについて示す説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック
２０…水素タンク
２１…シャットバルブ
２２…レギュレータ
２３…高圧バルブ
２４…低圧バルブ
２５…バルブ
２６…排出バルブ
２７…調圧バルブ
２８…逆止弁
３１、３２、３３…配管
３４…排出管
３５、３６、３７…配管
３８…ラジエータ
４０…フィルタ
４１…コンプレッサ
４２…加湿器
４３…マフラ
４４…希釈器
４５、４６…ポンプ
５１、５３…圧力センサ
６０、６０Ａ、７０…気液分離装置
６１…気液分離部
６２、６２Ａ、６２Ｂ…配管
６３Ａ、６３Ｂ、６３Ｃ…貯留タンク
６４Ａ、６４Ｂ…配管
１００…制御ユニット
１０１…アクセル開度センサ
Ｓａ１、Ｓａ２、Ｓｂ１、Ｓｂ２…水位センサ
ＶＡｉ、ＶＡｏ、ＶＢｉ、ＶＢｏ、ＶＣｉ、ＶＣｏ…バルブ

Claims (8)

1. 燃料電池システムであって、
   アノードおよびカソードを備える燃料電池と、
   前記アノードおよび前記カソードの少なくとも一方から排出されたオフガスから、水を分離して排出する気液分離装置と、を備え、
   前記気液分離装置は、
   前記オフガスから前記水を分離する気液分離部と、
   前記分離された水を貯留するための複数の貯留タンクと、
   前記気液分離部と前記各貯留タンクとを接続する配管と、
   前記配管に設けられ、前記気液分離部と前記各貯留タンクとの連通状態を切り換えるための切換バルブと、
   前記各貯留タンクから前記水を排出するための排水バルブと、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記切換バルブおよび前記排水バルブの動作を制御する制御部を備える、
   燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記複数の貯留タンクのうちの少なくとも１つについて、該貯留タンクと前記気液分離部とが連通するように前記切換バルブを動作させるとともに、該貯留タンクの排水バルブを閉じる、
   燃料電池システム。
4. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記複数の貯留タンクのうちの少なくとも１つについて、該貯留タンクと前記気液分離部とが連通しないように前記切換バルブを動作させるとともに、該貯留タンクの排水バルブを開ける、
   燃料電池システム。
5. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記複数の貯留タンクの中から、第１の貯留タンクと第２の貯留タンクとを選択し、
   前記第１の貯留タンクと前記気液分離部とが連通するように前記切換バルブを動作させるとともに、該第１の貯留タンクの排水バルブを閉じ、
   前記第２の貯留タンクと前記気液分離部とが連通しないように前記切換バルブを動作させるとともに、該第２の貯留タンクの排水バルブを開ける、
   燃料電池システム。
6. 請求項３ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記切換バルブおよび前記排水バルブのうちの少なくとも一部に、故障が生じているか否かを判断する故障判断部を備え、
   前記制御部は、前記故障判断部によって、前記故障が生じていると判断されたときに、前記切換バルブと前記排水バルブとのいずれにも前記故障が生じていない前記貯留タンクのみを用いて前記貯留および前記排水を行うように、前記制御を行う、
   燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記故障判断部によって、前記複数の貯留タンクのうちの１つについて、前記切換バルブおよび前記排水バルブのいずれかに前記故障が生じていると判断されたときに、該故障が生じていない前記切換バルブまたは前記排水バルブの動作を制御することによって、該貯留タンクからの排水を停止する、
   燃料電池システム。
8. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記配管の少なくとも一部は、絶縁性材料によって形成されている、
   燃料電池システム。

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