JP2007213835A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムの緊急停止といった状況でも、燃料電池の発電により生じた生成水が燃料ガスの循環手段へ流入することを抑制する。
【解決手段】ドレインタンク３０は、燃料電池スタック１に設けられ、発電により生じた生成水を溜めるタンクであり、このドレインタンク３０には、タンク３０内の生成水を外部に排出するための排水流路３０ａが接続されている。シャットバルブ３１は、排水流路３０ａに設けられ、開閉状態が切り替え可能となっている。緊急バルブ１４は、水素循環手段１３よりも上流側の水素循環流路１０ｂに設けられており、開閉状態が切り替え可能となっている。制御部４０は、システムの運転状態に応じて、シャットバルブ３１および緊急バルブ１４の開閉状態を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システムに係り、特に、発電時に生成される生成水の排水処理に関する。

従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給し、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池が知られている。この燃料電池は、酸化剤ガスを供給するコンプレッサ、燃料ガスを循環させる循環手段といったように、燃料電池を動作させる種々の補機を備えることで、燃料電池システムとして構成されている。燃料電池システムは、車両を駆動するモータの電源といったように、外部システムに適用されて発電を行っており、通常、外部システムからの要求に応じた目標電力を発電するように制御されている。

燃料電池は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した単位セルを主体に構成されている。この類の燃料電池では、反応ガス（水素および空気）の反応により水が生成され、この生成水量が多い場合には、フラッディングと呼ばれる現象が生じる。このフラッディングが生じると、反応ガスが電極に十分に供給されず、燃料電池の電圧が低下するという不都合がある。フラッディングは、とくに酸化極側で生じやすいが、生成水が電解質膜を通して燃料極側に移行し、燃料極側でも湿潤過多の状態となる。そのため、発電により生じた生成水を溜めるタンクを燃料電池に設け、このタンクに溜まった生成水を外部に排出することにより、フラッディングや湿潤過多の状態を抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１３９８１７号公報

ところで、燃料電池システムのシステムを緊急停止するようなケースでは、反応ガスの供給が強制的に停止させられるため、燃料電池内の圧力が低下し、これにより、生成水の排出が困難となる。そのため、生成水が燃料ガスの循環流路に流入し、この生成水によって循環手段の動作不具合を生じさせてしまう可能性がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、システムの緊急停止といった状況でも、燃料電池の発電により生じた生成水が燃料ガスの循環手段へ流入することを抑制することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、第１のタンクと、第１の排水流路と、第１のバルブと、循環流路と、ガス循環手段と、第２のバルブと、制御手段とを有する燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電する。第１のタンクは、燃料電池に設けられ、発電により生じた生成水を溜める。第１の排水流路は、第１のタンクに接続されており、この第１のタンク内の生成水を外部に排出するための流路である。第１のバルブは、第１の排水流路に設けられ、開閉状態を切り替え可能となっている。循環流路は、燃料極の燃料ガスの排出側と、燃料極の燃料ガスの供給側との間を接続する。ガス循環手段は、循環流路に設けられており、燃料極から排出される燃料ガスを燃料極の燃料ガスの供給側へと循環させる。第２のバルブは、ガス循環手段よりも上流側の循環流路に設けられており、開閉状態が切り替え可能となっている。制御手段は、システムの運転状態に応じて、第１のバルブおよび第２のバルブの開閉状態を制御する。

本発明によれば、システムの運転状態に基づいて、第１および第２のバルブの開閉状態を制御することにより、生成水の排出を行いつつも、生成水がガス循環手段に流入することを抑制することができる。これにより、生成水の流入に伴うガス循環手段の不具合発生を抑制することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図である。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動モータの電源として適用されている。

燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持し、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、個々の燃料電池セルにおいて、燃料ガスが燃料極に供給され、酸化剤ガスが酸化剤極に供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を燃料極に導入すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を酸化剤極に導入するケースについて説明する。

この燃料電池スタック１を備える燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０とが備えられている。

水素系１０において、燃料ガスである水素は、例えば、燃料タンク１１である高圧水素ボンベに貯蔵された状態から、水素供給流路１０ａを介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１１の下流には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１１からの高圧水素は、その下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁１２によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧弁１２は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、後述する制御部４０によってその開度が制御される。

燃料電池スタック１の燃料極側からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路（循環流路）１０ｂへと排出される。この水素循環流路１０ｂは、他方の端部が水素調圧弁１２よりも下流側の水素供給流路１０ａに接続されており、この水素循環流路１０ｂには、水素循環ポンプといった水素循環手段（ガス循環手段）１３が設けられている。水素循環手段１３を駆動することにより、燃料電池スタック１からの排出ガスは燃料電池スタック１の水素の供給側へと循環される。これにより、燃料電池スタック１における反応効率の向上を図ることができる。水素循環手段１３の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック１へ供給される水素流量が所望の値となるように、制御部４０によって制御される。また、水素循環流路１０ｂにおいて、水素循環手段１３よりも上流側には、開閉状態が切り替え可能な緊急バルブ（第２のバルブ）１４が設けられている。緊急バルブ１４の開閉状態は、制御部４０によって制御される。

ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、水素系１０内におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路１０ｂには、水素系１０内のガスを排出する水素排出流路１０ｃが設けられている。この水素排出流路１０ｃには、パージ弁（図示せず）が設けられており、このパージ弁を開閉することにより、水素循環流路１０ｂを流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）を外部に排出している。パージ弁は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部４０によって制御される。パージ弁は、基本的に、閉状態に制御されており、例えば、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態へと切り替えられる。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系１０からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。

空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２１によって加圧され、空気供給流路２０ａを介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路２０ａには、加湿装置（図示せず）が設けられており、燃料電池スタック１に供給される空気は、燃料電池スタック１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１からの排出ガスは、空気排水流路２０ｂを介して外部（大気）へと排出される。この空気排水流路２０ｂには、空気調圧弁２２が設けられている。空気調圧弁２２は、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力が所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともに制御部４０によって制御される。

また、燃料電池スタック１にはドレインタンク（第１のタンク）３０が設けられている。燃料電池スタック１では、個々の燃料電池セルにおける水素と空気（酸素）との反応によって水が生成され、この生成水はドレインタンク３０に蓄えられる。ドレインタンク３０には、一方の端部が外部（大気）に開放された排水流路（第１の排出流路）３０ａが接続されており、ドレインタンク３０に溜まった生成水は排水流路３０ａを介して排出される。排水流路３０ａには、開閉状態が切り替え可能なシャットバルブ（第１のバルブ）３１が設けられており、シャットバルブ３１の開閉状態は制御部４０によって制御される。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には出力取出装置（図示せず）が接続されている。出力取出装置は、制御部４０によって制御され、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電流）を取り出して、この取り出した出力を、車両を駆動するモータ（図示せず）や、燃料電池システムを動作させる種々の補機（例えば、水素循環手段１３、コンプレッサ２１など）へと供給する。また、この燃料電池システムには、システムの起動時や過渡応答時などに、燃料電池スタック１からモータへ供給される電力の不足を補うために二次電池が備えられており、この二次電池には、燃料電池スタック１から出力された電力が必要に応じて充電される。

制御部（制御手段）４０は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の動作状態を制御する。制御部４０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。制御部４０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、水素調圧弁１２の開度演算、空気調圧弁２２の開度演算、水素循環手段１３の回転数演算、およびコンプレッサ２１の回転数演算を行う。そして、制御部４０は、この演算によって算出された制御量（制御信号）を各種アクチュエータに対して出力し、水素調圧弁１２の開度、空気調圧弁２２の開度、水素循環ポンプの回転数、およびコンプレッサ２１の回転数を制御する。また、本実施形態との関係において、制御部４０は、燃料電池システムの運転状態に応じて、シャットバルブ３１および緊急バルブ１４の開閉状態を制御する。

この制御部４０には、燃料電池スタック１を含むシステムの運転状態を検出すべく、センサ４１〜４３を含む各種検出手段の検出信号等が入力されている。水素圧力センサ４１は、燃料電池スタック１に供給される水素の圧力を検出するセンサであり、空気圧力センサ４２は、燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出するセンサである。また、レベルセンサ（第１の水位検出手段）４３は、ドレインタンク３０内の生成水の水位（生成水レベル）を検出するセンサである。

以下、このような構成を有する燃料電池システムの具体的な動作について説明する。図２は、本実施形態にかかる燃料電池システムの排水処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定の周期で呼び出され、制御部４０によって実行される。まず、ステップ１において、各種のセンサ値が読み込まれる。ステップ１において読み込まれるセンサ値としては、水素圧力センサ４１の検出値（水素圧力）、空気圧力センサ４２の検出値（空気圧力）、レベルセンサ４３の検出値（生成水レベル）などが挙げられる。

ステップ２において、制御部４０は、システムを緊急に停止する必要があるか否か、すなわち、システムの緊急停止であるか否かを判定する。この判定は、例えば、以下のような条件を用いて判定可能である。まず、第１に、レベルセンサ４３によって検出された生成水レベルを参照し、この生成水レベルがある閾値以上となる場合に燃料電池スタック１内に生成水が飽和していることを推定し、これにより、システムの緊急停止を判定する。第２に、水素圧力センサ４１によって検知された水素圧力と、空気圧力センサ４２によって検知された空気圧力とを比較して、その差（絶対値）がある閾値以上の場合に、システムの緊急停止を判定する。第３に、水素循環手段１３がある所定回転数もしくは所定トルクで回転しているにも拘わらず、水素圧力センサ４１によって検出される水素圧力が著しく低下している場合に、システムの緊急停止を判定する。

制御部４０は、これらの条件のうちのいずれか一つの条件を具備する場合、或いは、これらの条件のうちの任意の組み合わせからなる複数の条件を具備する場合には、システム（車両）の緊急停止を判定する。緊急停止ではない場合には、このステップ２において否定判定されるので、ステップ３に進む。一方、ひとたび緊急停止が判定されると、ステップ２において肯定判定され続けるため、それ以降の処理では、ステップ４以降の処理に進む。

ステップ３において、制御部４０は、燃料電池スタック１に対してガス供給が行われているシステムの通常運転時の処理として、通常のバルブ制御を行った後に、本ルーチンを抜ける。この通常のバルブ制御において、制御部４０は、緊急バルブ１４を開状態に制御する。また、制御部４０は、ドレインタンク３０の生成水レベルに応じてシャットバルブ３１の開閉状態を制御する。具体的には、生成水レベルが、生成水の排水開始を規定するドレインタンク３０の上限水位閾値に到達した場合には、シャットバルブ３１が開状態に制御される。一方、生成水レベルが、生成水の排出終了を規定するドレインタンク３０の下限水位閾値（上限水位閾値＞下限水位閾値）よりも低くなった場合には、シャットバルブ３１が閉状態に制御される。

ステップ４において、制御部４０は、制御フラグが「１」にセットされているか否かを判定する。この制御フラグは、緊急バルブ１４が閉状態に設定されていることを示すフラグであり、初期的には「０」にセットされている。そのため、制御フラグが「１」にセットされるまではステップ４において否定判定されるため、ステップ５以降の処理に進む。一方、制御フラグが一旦「１」にセットされると、ステップ４において肯定判定されるため、ステップ５〜７の処理をスキップして、後述するステップ８の処理に進む。

ステップ５において、緊急停止処理が実行される。この緊急停止処理では、燃料電池スタック１の安全性の観点から、緊急停止時の処理として、各種のアクチュエータを制御して、燃料電池スタック１へと供給される反応ガス（水素および空気）の供給を強制的に停止したり、回路上のリレーをオフすることにより、二次電池を含む強電系の電力をカットしたりする。

ステップ６において、制御部４０は、水素循環流路１０ｂ上の緊急バルブ１４を閉状態に制御するとともに、制御フラグを「１」にセットする。そしてステップ７において、制御部４０は、シャットバルブ３１を開状態に制御する。

ステップ７に続くステップ８において、制御部４０は、スタック圧力が圧力閾値以下であるか否かを判定する。スタック圧力は、燃料電池スタック１内のガス圧力であり、水素圧力センサ４１または空気圧力センサ４２の検出値を参照することにより、或いは、圧力センサを燃料電池スタック１の内部に別途設け、このセンサの検出値を参照することにより、特定することができる。システムの通常運転時、すなわち、燃料電池スタック１に反応ガスが供給されている状態では、燃料電池スタック１内の圧力は大気圧よりも高い状態となっている。排水流路３０ａの一方の端部は大気開放されているため、ドレインタンク３０内の生成水は、シャットバルブ３１が開状態となっている限り、その圧力差によって排水流路３０ａを介してドレインタンク３０から排出される。しかしながら、システムの緊急停止時の処理に伴い反応ガスの供給が停止されると、燃料電池スタック１内の圧力は、通常運転時の圧力から低下して大気圧へと推移する。

図３は、ドレインタンク３０からの生成水の排出量と、スタック圧力との関係を示す説明図である。同図に示すように、ドレインタンク３０内の生成水は、スタック圧力が大気圧へと近づくと、大気圧（排水流路３０ａの開放端の圧力）とスタック圧力との圧力差が減少するため、ドレインタンク３０内の生成水が排出され難くなる傾向となる。そのため、このステップ８では、スタック圧力をモニタリングすることにより、ドレインタンク３０から生成水が排出できないような状態であるか否かを判定している。このステップ８で用いられる圧力閾値は、図３に示すような生成水の排出量とスタック圧力との関係を前提に、ドレインタンク３０から生成水が排出できないと認められるようなスタック圧力が、予め設定されている。例えば、圧力閾値としては、大気圧を用いるといった如くである。なお、生成水の排出量とスタック圧力との関係は、排水流路３０ａの流路径や流路長さなどのシステムの特性を考慮することにより、実験やシミュレーションを通じて予め取得することができる。

このステップ８において否定判定された場合、すなわち、スタック圧力が圧力閾値よりも大きい場合には、ステップ９に進む。一方、ステップ８において肯定判定された場合、すなわち、スタック圧力が圧力閾値以下の場合には、ステップ９，１０の処理をスキップして、後述するステップ１２に進む。

ステップ９において、生成水レベルが水位閾値以上であるか否かが判定される。この水位閾値は、ステップ１０に示す判定時間とともに作用して、ドレインタンク３０から生成水が排出できないような状態であるか否かを判定するための閾値であり、ドレインタンク３０内の任意の水位を用いることができるが、一例としては、通常のバルブ制御で用いられる上限水位閾値を用いる。このステップ９において肯定判定された場合、すなわち、生成レベルが水位閾値以上の場合には、ステップ１０に進む。一方、ステップ９において否定判定された場合、すなわち、生成水レベルが水位閾値よりも低い場合には、ステップ１０以降の処理をスキップして本ルーチンを抜ける。

ステップ１０では、ステップ９の処理において一旦肯定判定されてからの経過時間、すなわち、生成水レベルが水位閾値以上となってからの経過時間が、判定時間に到達したか否かが判定される。スタック圧力が圧力閾値以下となっていない状態であっても、スタック圧力の低下に伴い、生成水は排出され難くなる。そのため、ドレインタンク３０から排出される生成水量よりも、ドレインタンク３０に流入する生成水量が大きくなり、所定の時間を経過しても生成水レベルが低下しない状態となる。そこで、ステップ９に示す水位閾値ともに、この経過時間を考慮することにより、ドレインタンク３０から生成水が排出できないような状態であるか否かを判定することができる。この比較処理で用いられる判定時間は、ドレインタンク３０から生成水が排出できないような状態を判定するための経過時間として、実験やシミュレーションを通じて予め取得されている。

ステップ１０において肯定判定された場合、すなわち、経過時間が判定時間に到達した場合には、ステップ１１に進む。一方、ステップ１０において否定判定された場合、すなわち、経過時間が判定時間に到達していない場合には、ステップ１１の処理をスキップして、本ルーチンを抜ける。

ステップ１１において、制御部４０は、シャットバルブ３１を閉状態に制御する。そして、ステップ１２において、終了処理が行われる。具体的には、制御部４０は、制御フラグを「０」にセットしたり、システムの緊急停止に伴う一連の排水処理が行われたことを示す緊急停止フラグを、制御部４０のバックアップＲＡＭの所定アドレスに記録したりする。

図４は、本実施形態にかかる起動処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、システムの緊急停止後の起動、すなわち、緊急停止フラグがセットされていることを前提に、燃料電池システムの起動時に実行される。

まず、ステップ２０において、制御部４０は、レベルセンサ４３の検出値を参照し、生成水レベルが水位閾値以上であるか否かを判定する。システムの緊急停止に伴う排水処理を行った場合には、ドレインタンク３０の許容量以上の生成水が存在し、回収できなかった生成水が燃料電池スタック１内に残留している可能性がある。そこで、このステップ２０において、生成水レベルと水位閾値とを比較することにより、回収できなかった生成水が燃料電池スタック１内に残留している可能性があるか否かを判定する。このステップ２０において肯定判定された場合、すなわち、生成水レベルが水位閾値以上である場合には、ステップ２１に進む。一方、ステップ２０において否定判定された場合、すなわち、水位レベルが水位閾値よりも低い場合には、ステップ２１をスキップして、ステップ２２に進む。

ステップ２１において、制御部４０は、水飛ばし運転処理を行う。具体的には、緊急バルブ１４を閉状態、シャットバルブ３１を開状態、パージ弁を開状態に制御した上で、水素調圧弁１２を開状態に制御し、水素の供給を行い、燃料電池スタック１内に存在する生成水を外部に排出する。水素の供給を行っている時間は、燃料電池スタック１から余剰な生成水が排出できる程度の時間を予め設定しておき、これをベースに生成水の排出を行ってもよいし、ドレインタンク３０内の生成水レベルが水位閾値よりも低くなる状態まで行ってもよい。

ステップ２２において、制御部４０は、起動処理を行う。起動処理は、燃料電池スタック１から出力を安定的に取り出せる状態にまで、燃料電池スタック１の状態を制御する処理である。具体的には、燃料電池スタック１へ水素および空気を所定の圧力で供給した状態で、燃料電池スタック１の総電圧が起動の完了を判定する所定値以上となること、或いは、個々の燃料電池セルにおける電圧の最小値が、起動の完了を判定する所定値以上となることなどを条件として、起動処理が行われる。そして、ステップ２３において、制御部４０は、起動処理を終了した上で、通常運転へと移行する。

このように本実施形態によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、ドレインタンク３０と、排水流路３０ａと、シャットバルブ３１と、水素循環流路１０ｂと、水素循環手段１３と、緊急バルブ１４と、制御部４０とを主体に構成されている。ここで、燃料電池スタック１は、燃料極に水素が供給されるとともに、酸化剤極に空気が供給されることにより、反応ガス（水素および空気）を電気化学的に反応させて電力を発電する。ドレインタンク３０は、燃料電池スタック１に設けられ、発電により生じた生成水を溜めるタンクであり、このドレインタンク３０には、タンク３０内の生成水を外部に排出するための排水流路３０ａが接続されている。シャットバルブ３１は、排水流路３０ａに設けられ、開閉状態が切り替え可能となっている。水素循環流路１０ｂは、燃料極の水素の排出側と、燃料極の燃料ガスの供給側との間を接続しており、この水素循環流路１０ｂには、燃料極側から排出される水素を、燃料極における水素の供給側へと循環させる水素循環手段が設けられている。緊急バルブ１４は、水素循環手段１３よりも上流側の水素循環流路１０ｂに設けられており、開閉状態が切り替え可能となっている。制御部４０は、システムの運転状態に応じて、シャットバルブ３１および緊急バルブ１４の開閉状態を制御する。

かかる構成によれば、シャットバルブ３１および緊急バルブ１４の開閉状態を制御することにより、生成水の排出を行いつつも、生成水が水素循環手段１３に流入することを抑制することができるので、水素循環流路１０ｂへの生成水の流入に伴う水素循環手段１３の不具合発生を抑制することができる。

また、本実施形態において、制御部４０は、燃料電池スタック１に対してガス供給（水素および空気の供給）が行われているシステムの通常運転時には、緊急バルブ１４を開状態に制御するとともに、燃料電池スタック１に対するガス供給が停止させられるシステムの緊急停止時には、緊急バルブ１４を閉状態に制御する。システムの緊急停止といったケースでは、ガス供給が停止させられるため、スタック圧力と大気圧との圧力差が減少し、これにより、ドレインタンク３０から生成水が排出され難い状況が生じ、結果として、水素循環流路１０ｂに生成水が流入してしまう可能性がある。この点、本実施形態によれば、システムの緊急停止時には、緊急バルブ１４が閉状態に制御されるので、水素循環流路１０ｂの経路を遮断することができ、生成水が水素循環手段１３に流入してしまうといった事態を抑制することができる。

本実施形態において、制御部４０は、システムの緊急停止時には、シャットバルブ３１を開状態に制御する。これにより、スタック圧力が高い状況では、積極的にドレインタンク３０側に生成水を回収することができるので、水素循環流路１０ｂに生成水が流入することを抑制することができる。

本実施形態において、制御部４０は、シャットバルブ３１を開状態に制御した後に、排水流路３０ａを介してドレインタンク３０から生成水を排出することができないと判断した場合には、開状態のシャットバルブ３１を閉状態に制御する。これにより、緊急停止に伴い開状態に設定されていたシャットバルブ３１を適切に閉状態へと切り替えることができるとともに、このバルブ３１を閉じることで、燃料電池スタック１内の水素が排水流路３０ａを介して外部に排出されることを抑制することができる。また、シャットバルブ３１を閉じることにより、ドレインタンク３０内に生成水が溜まる状況となるので、この生成水によって水素を希釈することができるので、水素を外部に排出しない上で効果的である。

本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１内の圧力を検出する圧力検出手段（水素圧力センサ４１或いは空気圧力センサ４２）をさらに有している。ここで、制御部４０は、圧力検出手段によって検出された圧力（スタック圧力）に基づいて、排水流路３０ａを介してドレインタンク３０から生成水を排出することができるか否かを判断する。ドレインタンク３０からの生成水の排出状態は、燃料電池スタック１内の圧力状態に依存するため、これを参照することにより、排水流路３０ａを介してドレインタンク３０から生成水を排出することができるか否かを有効に判断することができる。

さらに、本実施形態において、燃料電池システムは、ドレインタンク３０内の生成水の水位を検出するレベルセンサ４３をさらに有している。ここで、制御部４０は、レベルセンサ４３によって検出された生成水レベルに基づいて、排水流路３０ａを介してドレインタンク３０から生成水を排出することができるか否かを判断する。ドレインタンク３０からの生成水の排出状態は、ドレインタンク３０内の水位変化から特定することができるので、生成水レベルを参照することにより、排水流路３０ａを介してドレインタンク３０から生成水を排出することができるか否かを有効に判断することができる。

ところで、排水流路３０ａより生成水が排出されなくなった状態では、その後に、シャットバルブ３１によって排水流路３０ａが遮断されるため、ドレインタンク３０の許容量以上に生成水が存在する状態も考えられる。しかしながら、本実施形態によれば、起動時には、燃料電池スタック１内の生成水を外部に排出する水飛ばし運転を行っている。これにより、燃料電池スタック１内に存在する余剰な生成水を排出することができるので、フラッディングや湿潤過多といった燃料電池スタック１の性能低下を抑制することができる。

なお、上述した実施形態では、スタック圧力が圧力閾値以下となる場合、或いは、生成水レベルが水位閾値以上となっている時間が判定時間に到達する場合に、シャットバルブ３１が閉状態に制御されている。しかしながら、これ以外にも、例えば、イグニッションスイッチのオフ信号の入力に応じて、シャットバルブ３１を閉状態に制御してもよい。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図である。この第２の実施形態にかかる燃料電池システムが第１の実施形態のそれと相違する点は、主として、水素循環流路１０ｂに生成水を溜める第２のタンク（以下「メインタンク」という）３２と、上述した緊急バルブ（以下「第１緊急バルブ」という）１４に加え、第２緊急バルブ（第４のバルブ）１５とが追加されている点にある。なお、第１の実施形態と同一の構成については、同じ符号を引用することとし、その詳細な説明は省略する。

メインタンク３２は、第１緊急バルブ１４よりも下流側の水素循環流路１０ｂに設けられており、燃料電池スタック１の燃料極より排出されて、水素循環流路１０ｂへと流入した生成水を溜めるタンクである。このメインタンク３２には、一方の端部が外部（大気）に開放された第２排水流路（第２の排水流路）３０ｂが接続されており、メインタンク３２に溜まった生成水は第２排水流路３０ｂから排出される。第２排水流路３０ｂには、開閉状態が切り替え可能な第２シャットバルブ（第３のバルブ）３３が設けられており、第２シャットバルブ３３の開閉状態は制御部４０によって制御される。

第２緊急バルブ１５は、メインタンク３２よりも下流側、かつ、水素循環ポンプよりも上流側の水素循環流路１０ｂに設けられており、その開閉状態が切り替え可能となっている。この第２緊急バルブの開閉状態は、制御部４０によって制御される。また、メインタンク３２には、タンク内に溜まる生成水の水位（生成水レベル）を検出する第２レベルセンサ（第２の水位検出手段）４４が設けられており、この第２レベルセンサ４４の検出値は制御部４０に出力される。なお、本実施形態では、説明の便宜上、ドレインタンク３０に設けられた排水流路３０ａを第１排水流路３０ａといい、この第１排水流路３０ａに設けられたシャットバルブ３１を第１シャットバルブ３１といい、ドレインタンク３０に設けられたレベルセンサ４３を第１レベルセンサ４３という。

図６は、本実施形態にかかる燃料電池システムの排水処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、所定周期で呼び出され、制御部４０によって実行される。

まず、ステップ３０において、各種のセンサ値が読み込まれる。ステップ３０において読み込まれるセンサ値としては、水素圧力センサ４１の検出値（水素圧力）、空気圧力センサ４２の検出値（空気圧力）、第１レベルセンサ４３および第２レベルセンサ４４の検出値（生成水レベル）などが挙げられる。

ステップ３１において、制御部４０は、第１の実施形態におけるステップ２の処理と同様に、システムの緊急停止であるか否かを判定する。システムの緊急停止ではない場合には、このステップ３１において否定判定されるので、ステップ３２に進む。一方、ひとたびシステムの緊急停止が判定されると、ステップ３１において肯定判定されるため、それ以降の処理では、ステップ３３以降の処理に進む。

ステップ３２において、制御部４０は、燃料電池スタック１に対してガス供給が行われているシステムの通常運転時の処理として、通常のバルブ制御を行った後に、本ルーチンを抜ける。この通常のバルブ制御において、制御部４０は、第１緊急バルブ１４および第２緊急バルブ１５を開状態に制御する。また、制御部４０は、ドレインタンク３０の生成水レベルに応じて第１シャットバルブ３１の開閉状態を制御し、また、メインタンク３２の生成水レベルに応じて第２シャットバルブ３３の開閉状態を制御する。具体的には、生成水レベルが、生成水の排水開始を規定するタンク３０，３２の上限水位閾値以上となった場合には、対応するシャットバルブ３１，３３が開状態に制御される。一方、生成水レベルが、生成水の排出終了を規定するタンク３０，３２の下限水位閾値（上限水位閾値＞下限水位閾値）よりも低くなった場合には、対応するシャットバルブ３１，３３が閉状態に制御される。

ステップ３３において、制御部４０は、第１制御フラグが「１」にセットされているか否かを判定する。この第１制御フラグは、第２緊急バルブ１５が閉状態に設定されていることを示すフラグであり、初期的には「０」にセットされている。そのため、第１制御フラグが「１」にセットされるまではステップ３３において否定判定されるため、ステップ３４以降の処理に進む。一方、第１制御フラグが一旦「１」にセットされると、ステップ３３において肯定判定されるため、ステップ３４〜３６の処理をスキップして、後述するステップ３７の処理に進む。

ステップ３４において、第１の実施形態におけるステップ５と同様に、緊急停止処理が実行される。そして、ステップ３５において、制御部４０は、水素循環流路１０ｂ上の第１緊急バルブ１４および第２緊急バルブ１５を閉状態に制御するとともに、第１制御フラグを「１」にセットする。そしてステップ３６において、制御部４０は、第１シャットバルブ３１を開状態に制御する。

ステップ３７において、制御部４０は、判定条件が成立したか否かを判定する。この判定条件は、ドレインタンク３０から生成水が排出できないような状態を判定するための条件であり、第１の実施形態と同様の条件によって判定することができる。この判定条件としては、スタック圧力が圧力閾値以下となること、或いは、ドレインタンク３０の水位レベルが水位閾値以上となってからの経過時間が判定時間に到達することが挙げられる。このステップ３７において否定判定された場合、すなわち、判定条件を具備しない場合には、本ルーチンを抜ける。一方、ステップ３７において肯定判定された場合、すなわち、判定条件を具備する場合には、ステップ３８に進む。

ステップ３８において、制御部４０は、第２制御フラグが「１」にセットされているか否かを判定する。この第２制御フラグは、第１緊急バルブ１４が閉状態から開状態に切り替えられたことを示すフラグであり、初期的には「０」にセットされている。そのため、第２制御フラグが「１」にセットされるまではステップ３８において否定判定されるため、ステップ３９以降の処理に進む。一方、第１制御フラグが一旦「１」にセットされると、ステップ３８において肯定判定されるため、ステップ３９，４０の処理をスキップして、後述するステップ４１の処理に進む。

ステップ３９において、制御部４０は、水素循環流路１０ｂ上の第１緊急バルブ１４を開状態に制御するとともに、第２制御フラグを「１」にセットする。そしてステップ４０において、制御部４０は、第２シャットバルブ３３を開状態に制御する。

ステップ４１において、制御部４０は、判定条件が成立したか否かを判定する。この判定条件は、メインタンク３２から生成水が排出できないような状態を判定するための条件であり、ステップ３７の処理と同様の条件によって判定することができる。具体的には、判定条件としては、スタック圧力が圧力閾値以下となること、或いは、メインタンク３２の水位レベルが水位閾値以上となってからの経過時間が判定時間に到達することが挙げられる。このステップ４１において否定判定された場合、すなわち、判定条件を具備しない場合には、本ルーチンを抜ける。一方、ステップ４１において肯定判定された場合、すなわち、判定条件を具備する場合には、ステップ４２に進む。

ステップ４２において、制御部４０は、第１シャットバルブ３１および第２シャットバルブ３３を閉状態に制御する。そして、ステップ４３において、終了処理が行われる。具体的には、制御部４０は、第１制御フラグおよび第２制御フラグを「０」にセットしたり、システムの緊急停止に伴う一連の排水処理が行われたことを示す緊急停止フラグを、制御部４０のバックアップＲＡＭの所定アドレスに記録したりする。

このように本実施形態によれば、燃料電池システムは、第１の実施形態に示す構成に加え、メインタンク３２と、第２排水流路３０ｂと、第２シャットバルブ３３と、第２緊急バルブ１５とをさらに備える構成となっている。ここで、メインタンク３２は、第１緊急バルブ１４と水素循環手段１３との間の水素循環流路１０ｂに設けられており、この水素循環流路１０ｂ内を流れる生成水を溜めるタンクであり、このメインタンク３２には、タンク内の生成水を外部に排出する第２排水流路３０ｂが接続されている。第２シャットバルブ３３は、第２の排水流路に設けられ、開閉状態が切り替え可能となっている。第２緊急バルブ１５は、メインタンク３２と水素循環手段との間の水素循環流路１０ｂに設けられており、開閉状態が切り替え可能となっている。この場合、制御部４０は、システムの状態に応じて、第２シャットバルブ３３および第２緊急バルブ１５の開閉状態をさらに制御する。

かかる構成によれば、第１緊急バルブ１４の開閉状態とともに第２緊急バルブ１５の開閉状態を制御することにより、水素循環手段１３よりも上流側において水素循環流路１０ｂを遮断することが可能となる。そのため、生成水が水素循環手段１３に流入することを抑制することができるので、水素循環手段１３への生成水の流入に伴う水素循環手段１３の不具合の発生を抑制することができる。

また、本実施形態において、制御部４０は、燃料電池スタック１に対してガス供給が行われているシステムの通常運転時には、第１緊急バルブ１４および第２緊急バルブ１５を開状態に制御するとともに、燃料電池スタック１に対するガス供給が停止させられるシステムの緊急停止時には、第１緊急バルブ１４および第２緊急バルブ１５を閉状態に制御する。システムの緊急停止といったケースでは、ガス供給が停止させられるため、スタック圧力と大気圧との圧力差が減少し、これにより、ドレインタンク３０から生成水が排出され難い状況が生じ、結果として、水素循環流路１０ｂに生成水が流出する可能性がある。この点、本実施形態によれば、システムの緊急停止時に、第１緊急バルブ１４および第２緊急バルブ１５が閉状態に制御されるので、生成水が水素循環手段１３に流入することを抑制することができる。

本実施形態において、制御部４０は、システムの緊急停止時には、第１シャットバルブ３１を開状態に制御する。これにより、スタック圧力が高い状況では、積極的にドレインタンク３０側に生成水を回収することができるので、水素循環流路１０ｂに生成水が流入することを抑制することができる。

本実施形態において、制御部４０は、第１シャットバルブ３１を開状態に制御した後に、ドレインタンク３０から生成水を排出することができないと判断した場合には、閉状態の第１緊急バルブ１４を開状態に制御するとともに、第２シャットバルブ３３を開状態に制御する。これにより、ドレインタンク３０によって回収しきれなかった生成水をメインタンク３２側で回収することができる。これにより、水素循環流路１０ｂのメインタンク３２よりも後段に生成水が流入することを抑制することができる。

本実施形態において、制御部４０は、第１緊急バルブ１４を閉状態から開状態に制御した後に、メインタンク３２から生成水を排出することができないと判断した場合には、開状態の第１シャットバルブ３１と開状態の第２シャットバルブ３３とをそれぞれ閉状態に制御する。これにより、緊急停止に伴い開状態に設定されていた第１シャットバルブ３１と第２シャットバルブ３３とを適切に閉状態へと切換えることができるとともに、このシャットバルブ３１，３３を閉じることで、燃料電池スタック１内の水素が排水流路３０ａ，３０ｂを介して外部に排出されることを抑制することができる。また、第１シャットバルブ３１と第２シャットバルブ３３とを閉じることにより、ドレインタンク３０およびメインタンク３２内に生成水が溜まる状況となるので、この生成水によって水素を希釈することができるので、水素を外部に排出しない上で効果的である。

本実施形態において、燃料電池システムは、燃料電池スタック１内の圧力を検出する圧力検出手段（水素圧力センサ４１或いは空気圧力センサ４２）をさらに有している。ここで、制御部４０は、圧力検出手段によって検出された圧力（スタック圧力）に基づいて、排水流路３０ａを介してメインタンク３２から生成水を排出することができるか否かを判断する。メインタンク３２からの生成水の排出状態は、燃料電池スタック１内の圧力状態に依存するため、これを参照することにより、メインタンク３２から生成水を排出することができるか否かを有効に判断することができる。

さらに、本実施形態において、燃料電池システムは、メインタンク３２内の生成水の水位を検出する第２レベルセンサ４４をさらに有している。ここで、制御部４０は、第２レベルセンサ４４によって検出された生成水レベルに基づいて、メインタンク３２から生成水を排出することができるか否かを判断する。メインタンク３２からの生成水の排出状態は、メインタンク３２内の水位変化から特定することができるので、生成水レベルを参照することにより、メインタンク３２から生成水を排出することができるか否かを有効に判断することができる。

なお、排水流路３０ａより生成水が排出されなくなった状態では、その後に、シャットバルブ３１によって排水流路３０ａが遮断されるため、ドレインタンク３０およびメインタンク３２の許容量以上に生成水が存在する状態も考えられる。そのため、システムの緊急停止後の起動時には、第１の実施形態と同様に、水飛ばし運転を行ってもよい。これにより、燃料電池スタック１内に存在する余剰な生成水を排出することができるので、フラッディングや湿潤過多といった燃料電池スタック１の性能低下を抑制することができる。水飛ばし運転の実行の可否は、ドレインタンク３０およびメインタンク３２の水位レベル、或いは、メインタンク３２のみの水位レベルを参照して判断することができる。

本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを示す構成図 第１の実施形態にかかる燃料電池システムの排水処理の手順を示すフローチャート ドレインタンクからの生成水の排出量とスタック圧力との関係を示す説明図 第１の実施形態にかかる起動処理の手順を示すフローチャート 本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの排水処理の手順を示すフローチャート

符号の説明

１ 燃料電池スタック
１０ 水素系
１０ａ 水素供給流路
１０ｂ 水素循環流路
１０ｃ 水素排出流路
１１ 燃料タンク
１２ 水素調圧弁
１３ 水素循環手段
１４ 緊急バルブ（第１緊急バルブ）
１５ 第２緊急バルブ
２０ 空気系
２０ａ 空気供給流路
２０ｂ 空気排水流路
２１ コンプレッサ
２２ 空気調圧弁
３０ ドレインタンク
３０ａ 排水流路（第１排水流路）
３０ｂ 第２排水流路
３１ シャットバルブ（第１シャットバルブ）
３２ メインタンク
３３ 第２シャットバルブ
４０ 制御部
４１ 水素圧力センサ
４２ 空気圧力センサ
４３ レベルセンサ（第１レベルセンサ）
４４ 第２レベルセンサ

Claims (14)

1. 燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に設けられ、発電により生じた生成水を溜める第１のタンクと、
   前記第１のタンクに接続されており、当該第１のタンク内の生成水を外部に排出するための第１の排水流路と、
   前記第１の排水流路に設けられ、開閉状態を切り替え可能な第１のバルブと、
   前記燃料極の燃料ガスの排出側と、前記燃料極の前記燃料ガスの供給側との間を接続する循環流路と、
   前記循環流路に設けられており、前記燃料極から排出される燃料ガスを前記燃料極の燃料ガスの供給側へと循環させるガス循環手段と、
   前記ガス循環手段よりも上流側の前記循環流路に設けられており、開閉状態が切り替え可能な第２のバルブと、
   システムの運転状態に応じて、前記第１のバルブおよび前記第２のバルブの開閉状態を制御する制御手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池に対してガス供給が行われているシステムの通常運転時には、前記第２のバルブを開状態に制御するとともに、前記燃料電池に対するガス供給が停止させられるシステムの緊急停止時には、前記第２のバルブを閉状態に制御することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
3. 前記制御手段は、前記システムの緊急停止時には、前記第１のバルブを開状態に制御することを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記第１のバルブを開状態に制御した後に、前記第１のタンクから前記生成水を排出することができないと判断した場合には、開状態の前記第１のバルブを閉状態に制御することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
5. 前記第２のバルブと前記ガス循環手段との間の前記循環流路に設けられており、当該循環流路内を流れる生成水を溜める第２のタンクと、
   前記第２のタンクに接続されており、当該第２のタンク内の生成水を外部に排出するための第２の排水流路と、
   前記第２の排水流路に設けられ、開閉状態が切り替え可能な第３のバルブと、
   前記第２のタンクと前記ガス循環手段との間の前記循環流路に設けられており、開閉状態が切り替え可能な第４のバルブとをさらに有し、
   前記制御手段は、システムの運転状態に応じて、前記第３のバルブおよび前記第４のバルブの開閉状態をさらに制御することを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記燃料電池に対してガス供給が行われているシステムの通常運転時には、前記第２のバルブおよび前記第４のバルブを開状態に制御するとともに、前記燃料電池に対するガス供給が停止させられるシステムの緊急停止時には、前記第２のバルブおよび前記第４のバルブを閉状態に制御することを特徴とする請求項５に記載された燃料電池システム。
7. 前記制御手段は、前記システムの緊急停止時には、前記第１のバルブを開状態に制御することを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記第１のバルブを開状態に制御した後に、前記第１のタンクから前記生成水を排出することができないと判断した場合には、閉状態の前記第２のバルブを開状態に制御するとともに、前記第３のバルブを開状態に制御することを特徴とする請求項７に記載された燃料電池システム。
9. 前記燃料電池内の圧力を検出する圧力検出手段をさらに有し、
   前記制御手段は、前記圧力検出手段によって検出された圧力に基づいて、前記第１のタンクから前記生成水を排出することができるか否かを判断することを特徴とする請求項４または請求項８に記載された燃料電池システム。
10. 前記第１のタンク内の生成水の水位を検出する第１の水位検出手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記第１の水位検出手段によって検出された生成水の水位に基づいて、前記第１のタンクから前記生成水を排出することができるか否かを判断することを特徴とする請求項４、請求項８および請求項９のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
11. 前記制御手段は、前記第２のバルブを閉状態から開状態に制御した後に、前記第２のタンクから前記生成水を排出することができないと判断した場合には、開状態の前記第１のバルブと開状態の前記第３のバルブとをそれぞれ閉状態に制御することを特徴とする請求項８に記載された燃料電池システム。
12. 前記燃料電池内の圧力状態を検出する圧力検出手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記圧力検出手段によって検出された圧力状態に基づいて、前記第２のタンクから前記生成水を排出することができるか否かを判断することを特徴とする請求項１１に記載された燃料電池システム。
13. 前記第２のタンク内の生成水の水位を検出する第２の水位検出手段をさらに有し、
    前記制御手段は、前記第２の水位検出手段によって検出された生成水の水位に基づいて、前記第２のタンクから前記生成水を排出することができるか否かを判断することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載された燃料電池システム。
14. 前記制御部は、前記システムの緊急停止後に行われる起動時には、前記燃料電池内部の生成水を排出する水飛ばし処理を実行することを特徴とする請求項２から請求項１３のいずれか一項に記載された燃料電池システム。

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