JP2018205180A - 液位検知装置、燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】貯留部における貯液容積の減少を抑えると共に、流体の流通抵抗を抑えることが可能な液位検知装置、および燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、表面５２１に熱流束の変化を検出する検出部５３が設けられた薄板状のセンサ基板５２を貯留部４１の内壁面４２１に設置することで貯留部４１の液位を検知可能となっている水位検知装置５０を備える。また、燃料電池システム１の制御装置１００は、水位検知装置５０の検知結果に基づく排出弁３７の開閉制御によって、貯留部４１に貯留された水を排出する構成となっている。【選択図】図１

Description

本発明は、液位検知装置および燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池システムに適用される気液分離器として、水を貯留するタンク内の水位を水位センサで検出し、水位が所定の高さを超えた際に、ドレン機構によって水をタンクから排出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１には、水位センサが静電容量式水位計で構成されること、水位センサがタンク内部の略中央部に配置された棒状のセンサ部を有していること等が開示されている。

特開２００６−２２１９４７号公報

ところで、特許文献１の如く、棒状のセンサ部をタンク内部の略中央部に配置する構成とすると、センサ部によってタンクにおける貯液容積が大幅に減少してしまうと共に、センサ部が流体の流通抵抗となってしてしまう。これらは、貯留部における液体の貯留機能に悪影響となることから好ましくない。

本発明は上記点に鑑みて、貯留部における貯液容積の減少を抑えると共に、流体の流通抵抗を抑えることが可能な液位検知装置、および燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者らは、流体の流通に影響が少ない貯留部の壁部近傍において液体の液面位置（すなわち、液位）を検知可能な構成について鋭意検討した。この結果、熱（冷熱を含む）を有する流体と貯留部の壁部との間に生ずる熱流量が、液体の有無によって変化するとの知見を得た。

本発明は、上記知見に基づいて案出されたものであり、貯留部の壁部と流体との間の熱流変化に基づいて液位を検知する構成となっている。

すなわち、請求項１に記載の発明は、
熱を有する流体が流れる流通路（３３、３６）に設けられて流体に含まれる液体を貯留する貯留部（４１）を有する機器（４０）に適用される液位検知装置であって、
貯留部の内壁面（４２１、４３１、４４１）に設置され、表面（５２１）上に流体が流れることにより厚み方向に熱流束が発生し、熱流束により生ずる表面と裏面（５２２）との間の温度差に起因してゼーベック効果による起電力が発生するようになっている薄板状のセンサ基板（５２）と、
センサ基板の表面に設けられ、起電力を熱流束の検出信号として検出する検出部（５３）と、
検出部で検出された検出信号の変化量に基づいて、貯留部における液位状態を検知する液位状態検知部（１００ａ）と、を備えている。

これによると、表面に熱流束の変化を検出する検出部が設けられた薄板状のセンサ基板を貯留部の内壁面に設置することで貯留部の液位を検知可能となるので、貯留部における貯液容積の減少を抑えつつ、流体の流通抵抗を抑えることができる。

また、請求項３に記載の発明は、燃料電池システムを対象としている。

燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって電気エネルギを出力する燃料電池（１０）と、
燃料電池から燃料ガスのオフガスである燃料オフガスを排出する燃料側排出通路部（３３、３６）と、
燃料側排出通路部に設けられ、燃料オフガスに混在する水を分離して水を貯留する貯留部（４１）を有する気液分離器（４０）と、
燃料側排出通路部における気液分離器の下流側に設けられ、貯留部に溜まった水を外部に排出する排出弁（４２）と、
貯留部における水位状態を検知する水位検知装置（５０）と、
排出弁を制御する制御装置（１００）と、を備えている。

そして、水位検知装置は、
貯留部の内壁面（４２１、４３１、４４１）に設置され、表面（５２１）上に燃料オフガスが流れることにより厚さ方向に熱流束が発生し、熱流束により生ずる表面と裏面（５２２）との間の温度差に起因してゼーベック効果による起電力が発生するようになっている１つ以上のセンサ基板（５２）と、
センサ基板に設けられ、起電力を熱流束の検出信号として検出する検出部（５３）と、
検出部で検出された検出信号の変化量に基づいて、貯留部における水位状態を検知する水位状態検知部（１００ａ）と、を含んで構成されている。そして、制御装置は、水位検知装置の検知結果に基づいて排出弁を開閉制御する構成となっている。

これによると、表面に熱流束の変化を検出する検出部が設けられた薄板状のセンサ基板を貯留部の内壁面に設置することで貯留部の水位を検知可能となるので、貯留部における貯液容積の減少を抑えつつ、燃料オフガスの流通抵抗を抑えることができる。

そして、本発明の燃料電池システムでは、水位検知精度に影響する貯留部における貯液容積の減少および燃料オフガスの流通抵抗を抑制可能となるので、水位検知装置の検知結果に基づく排出弁の開閉制御によって、貯留部に貯留された水を適切に排出可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態の燃料電池システムの模式的な全体構成図である。 第１実施形態の気液分離器の模式的な断面図である。 第１実施形態の熱流センサの模式的な平面図である。 水位検知装置の熱流センサの模式的な断面図である。 水位が熱流センサの検出部まで達していない状態を示す模式図である。 水位が熱流センサの検出部まで達していない状態でのセンサ出力を説明するための説明図である。 水位が熱流センサの検出部まで達している状態を示す模式図である。 水位が熱流センサの検出部まで達している状態でのセンサ出力を説明するための説明図である。 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する排出弁の開閉制御処理の流れを示すフローチャートである。 第１実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する水位検知処理の流れを示すフローチャートである。 水位が低い状態でのセンサ出力を説明するための説明図である。 水位が高い状態でのセンサ出力を説明するための説明図である。 第２実施形態の気液分離器の模式的な断面図である。 第２実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する水位検知処理の流れを示すフローチャートである。 水位が変化した際のセンサ出力の差分の変化を説明するための説明図である。 第３実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する排出弁の開閉制御処理の流れを示すフローチャートである。 第４実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する排出弁の開閉制御処理の流れを示すフローチャートである。 第５実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する排出弁の開閉制御処理の流れを示すフローチャートである。 排出弁を開閉した際のセンサ出力の変化を説明するための説明図である。 排出弁を開閉した際のセンサ出力の変化の詳細を説明するための説明図である。 第６実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する排出弁の閉弁故障検知処理の流れを示すフローチャートである。 第６実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する排出弁の開弁故障検知処理の流れを示すフローチャートである。 第６実施形態の変形例となる排出弁の開弁故障検知処理の流れを示すフローチャートである。 第７実施形態の気液分離器の模式的な断面図である。 第７実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する燃料電池の停止処理の流れを示すフローチャートである。 第８実施形態の気液分離器の模式的な断面図である。 図２６のＸＸＶＩＩ−ＸＸＶＩＩ断面図である。 第８実施形態の変形例となる気液分離器の模式的な断面図である。 第９実施形態の気液分離器の模式的な断面図である。 熱流センサのセンサ出力とガス圧力センサのセンサ出力との関係を説明するための説明図である。 センサ出力比と水素濃度との関係を説明するための説明図である。 第９実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する水素濃度の検出処理の流れを示すフローチャートである。

以下、発明を実施する形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。

（第１実施形態）
本実施形態について、図１〜図１２を参照して説明する。本実施形態では、本発明の液位検知装置を図１に示す燃料電池システム１の気液分離器４０に適用した例について説明する。

燃料電池システム１は、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用され、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータ等を介して車両走行用の電動モータ等の電気負荷に電力を供給するシステムである。燃料電池システム１は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素との化学反応によって電気エネルギを出力する燃料電池１０を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池で構成されている。燃料電池１０は、空気および水素が供給されることで発電する複数の単セル１０ａを積層したスタック構造により構成されている。図示しないが、単セル１０ａは、電解質膜の両側を一対の触媒層で挟んで構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）、膜電極接合体の両側に配置された一対の拡散層、これらを挟持するセパレータで構成されている。セパレータには、拡散層および触媒層に対向する部位に反応ガス（水素または空気）のガス流通路が形成されている。

単セル１０ａは、ガス流通路に反応ガスが供給されると、以下の式Ｆ１、Ｆ２に示す電気化学反応により電気エネルギを出力する。

（燃料極） Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（酸素極） ２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
燃料電池１０には、単セル１０ａの積層方向の端部に、空気を導入する空気導入部１０ｂ、空気を導出する空気導出部１０ｃ、水素を導入する水素導入部１０ｄ、および水素を導出する水素導出部１０ｅが設けられている。

空気導入部１０ｂには、燃料電池１０に対して空気を供給するための空気供給配管２０が接続されている。空気供給配管２０には、大気中から空気を吸入し、吸入した空気を燃料電池１０に圧送する空気ポンプ２１が設けられている。この空気ポンプ２１は、電動モータを含む電動ポンプで構成されている。

空気供給配管２０には、空気ポンプ２１と空気導入部１０ｂとの間に、燃料電池１０に供給する空気の圧力を調整する空気調圧弁２２が設けられている。この空気調圧弁２２は、空気供給配管２０内部の空気通路の通路開度を調整する弁体、弁体を駆動する電動アクチュエータを含んで構成されている。

空気導出部１０ｃには、燃料電池１０から排出された空気を外部に排出するための空気排出配管２３が接続されている。空気排出配管２３には、燃料電池１０内部に存する生成水や不純物等を空気と共に外部に排出するための電磁弁２４が設けられている。電磁弁２４は、空気排出配管２３内部の空気通路を開閉する弁体、弁体を駆動する電動アクチュエータを含んで構成されている。

水素導入部１０ｄには、燃料電池１０に対して水素を供給するための水素供給配管３０が接続されている。水素供給配管３０には、高圧水素が充填された水素タンク３１が設けられている。

水素供給配管３０には、水素タンク３１と水素導入部１０ｄとの間に、燃料電池１０に対して水素を間欠的に噴射供給する水素インジェクタ３２が設けられている。水素インジェクタ３２は、燃料電池１０内部の圧力が所定圧力以下となった際に燃料電池１０に対して水素を噴射供給するように、後述の制御装置１００によって制御される。水素インジェクタ３２は、水素を噴射するノズル、ノズル内部の水素通路の通路開度を調整する弁体、弁体を駆動する電動アクチュエータを含んで構成されている。

水素導出部１０ｅには、燃料電池１０から未反応水素を含む燃料オフガスを外部に排出するための水素排出配管３３が接続されている。水素排出配管３３には、気液分離器４０が設けられている。

気液分離器４０は、燃料オフガスに混在する水を分離する機器である。本実施形態の気液分離器４０は、重力分離方式の気液分離器が採用されている。なお、気液分離器４０は、遠心分離方式の気液分離器等で構成されていてもよい。

気液分離器４０は、燃料オフガスから分離した水を貯留する貯留部４１を有している。図１、図２に示すように、貯留部４１には、その側面部４２における上面部４３側の部位に、水が分離された燃料オフガスを水素供給配管３０に戻す還流配管３４が接続されている。還流配管３４は、一端側が気液分離器４０に接続され、他端側が水素供給配管３０における水素インジェクタ３２と水素導入部１０ｄとの間に接続されている。この還流配管３４には、気液分離器４０で水が分離された後の燃料オフガスを水素供給配管３０に圧送する還流ポンプ３５が設けられている。還流ポンプ３５は、電動モータを含む電動ポンプで構成されている。

気液分離器４０で水が分離された燃料オフガスは、還流ポンプ３５によって、再び水素供給配管３０に圧送される。これにより、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池１０の運転時に、水素（未反応水素を含む）が水素供給配管３０と還流配管３４を通って循環する。

図１、図２に示すように、貯留部４１の底面部４４には、貯留部４１内部に貯留された水等を外部に排出する外部排出配管３６が接続されている。本実施形態では、水素排出配管３３および外部排出配管３６が、燃料側排出通路部を構成している。また、本実施形態では、水素排出配管３３および外部排出配管３６が、熱を有する流体が流れる流通路を構成する。

外部排出配管３６には、気液分離器４０の貯留部４１に溜まった水を外部に排出する排出弁３７が設けられている。排出弁３７は、外部排出配管３６内部の通路を開閉する弁体、弁体を駆動する電動アクチュエータを含んで構成されている。

燃料電池１０では、燃料電池１０の運転中に、酸素極側の空気中に含まれる窒素が電解質膜を介して水素極側に透過する。このため、燃料電池システム１では、窒素が水素の循環系（水素供給配管３０および還流配管３４）内に蓄積される。水素の循環系内における窒素濃度が上昇すると、燃料電池１０の発電性能が低下するので、水素の循環系内から窒素を排出する必要がある。

本実施形態の燃料電池システム１では、排出弁３７を開放すると、水素の循環系から窒素が排出される。このため、本実施形態の排出弁３７は、貯留部４１に溜まった水を排出する排水手段として機能すると共に、循環系から窒素を排出する排気手段としても機能する。

ここで、貯留部４１に溜まった水の排出等を行うために、排出弁３７を定期的に開閉することが考えられるが、この場合、必要以上に水素が外部に排気されて、燃費が悪化してしまうことが懸念される。

そこで、本実施形態の燃料電池システム１は、気液分離器４０の貯留部４１における水面の位置（水位）に応じて、排出弁３７を開閉する構成となっている。以下、貯留部４１における水位を検出する構成について説明する。

本実施形態の燃料電池システム１では、気液分離器４０の貯留部４１における水位を検知する水位検知装置５０を備えている。水位検知装置５０は、熱流センサ５１、および後述する制御装置１００の一部（水位状態検知部１００ａ）によって構成されている。

図２、図３、図４に示すように、熱流センサ５１は、両板面の一方を表面５２１、他方を裏面５２２とする薄板状のセンサ基板５２を有する。センサ基板５２は、その裏面５２２が貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１に固定されることで、貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１に設置されている。センサ基板５２は、貯留部４１にて許容される許容貯液水位付近に設置されている。そして、熱流センサ５１は、センサ基板５２の表面５２１上を、熱（冷熱を含む）を有する燃料オフガスが流れるようになっている。

図３に示すように、センサ基板５２においては、表面５２１上に燃料オフガスが流れることで、基板厚さ方向に熱流束が発生し、この熱流束により生ずる表面５２１と裏面５２２との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力が発生する。

センサ基板５２は、絶縁性材料よりなる基板であり、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の熱可塑性樹脂や、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等で構成される。

本実施形態のセンサ基板５２は、中央部とその周辺部とで基板厚さが異なっており、その中央部が厚く、それに比して周辺部が薄いものとされている。そして、センサ基板５２の中央部が、ゼーベック効果による起電力を熱流束の検出信号として検出する検出部５３を構成している。

図示しないが、検出部５３においては、センサ基板５２に設けた貫通孔に、異なる２種の金属や半導体が埋め込まれて、これらが直列的に接続されることで、熱電対が構成されている。なお、２種の金属としては、固相焼結されたＰ型を構成するＢｉ−Ｓｂ−Ｔｅ合金と、Ｎ型を構成するＢｉ−Ｔｅとの組み合わせや、Ｃｕとコンスタンタンとの組み合わせ等が挙げれられる。

また、図示しないが、検出部５３は、上記熱電対に接続されたＣｕからなる端子部を有しており、この端子部によって上記起電力を熱流束の検出信号として取り出すようになっている。

ここで、図示しないが、熱流センサ５１には、水素に晒される部位が保護膜で被覆されている。保護膜は、水素の透過を防止して、熱流センサ５１を水素から保護するものであり、ＤＬＣ（Diamond Like Carbonの略）薄膜、セラミック薄膜、高分子樹脂膜等で構成される。なお、保護膜は、撥水性を有する膜で構成されていることが望ましい。

このように構成される熱流センサ５１は、制御装置１００の入力側に接続されている。制御装置１００は、熱流センサ５１の検出部５３で検出された検出信号に基づいて、貯留部４１における水位状態を検知する。

次に、燃料電池システム１の電子制御部である制御装置１００について説明する。制御装置１００は、プロセッサ、メモリ等を有する周知のマイクロコンピュータ、およびその周辺回路で構成されている。

制御装置１００の入力側には、上述の熱流センサ５１、および水素供給配管３０における水素の圧力を検出する水素圧力センサ５４等の各種センサが接続されている。水素圧力センサ５４は、水素供給配管３０における水素インジェクタ３２と還流配管３４の接続部３０１との間に設けられている。

また、制御装置１００の出力側には、制御対象機器として、空気ポンプ２１、空気調圧弁２２、電磁弁２４、水素インジェクタ３２、還流ポンプ３５、排出弁３７等が接続されている。

このように構成される制御装置１００は、入力側から入力された各種信号等を、予めメモリに記憶されたプログラムに従って演算処理し、当該演算処理の結果等に基づいて、出力側に接続された各種制御対象機器を制御する。

燃料電池１０の運転中は、燃料電池１０にて水素が消費されることで、燃料電池１０内部の圧力が徐々に低下する。このため、制御装置１００は、燃料電池１０の運転中において、水素圧力センサ５４で検出された圧力が所定の基準圧力よりも低下した際に燃料電池１０に水素が供給されるように、水素インジェクタ３２を制御する。これにより、燃料電池１０には、間欠的に水素が噴射供給される。

また、制御装置１００は、熱流センサ５１の検出部５３で検出された検出信号に基づいて、貯留部４１における水位状態を検知する。本実施形態では、制御装置１００における貯留部４１における水位状態を検知する構成が、水位状態検知部（液位状態検知部）１００ａを構成している。

ここで、貯留部４１に貯留された水は、貯留部４１に存する気体に比べて、燃料オフガスの流通による圧力変動や流量変動の影響を受け難い。そして、貯留部４１の各内壁面４２１〜４４１と燃料オフガスとの間に生ずる熱流束は、圧力変動や流量変動に応じて変化する。このため、貯留部４１の各内壁面４２１〜４４１と燃料オフガスとの間に生ずる熱流束の変化は、各内壁面４２１〜４４１に水が有る場合に比べて水が無い場合の方が大きくなる。

例えば、図５に示すように、貯留部４１における水位が、熱流センサ５１の検出部５３に達してない場合、熱流センサ５１は、燃料オフガスに晒される。この場合、図６に示すように、水素インジェクタ３２による燃料電池１０への水素の供給によって貯留部４１内部のガス圧力が変動すると、熱流センサ５１のセンサ出力が、貯留部４１内部のガス圧力の変動と同期するように変動する。

一方、例えば、図７に示すように、貯留部４１における水位が、熱流センサ５１の検出部５３に達している場合（検出部５３が水没している場合）、熱流センサ５１には、ガスの圧力変動や流量変動の影響を殆ど受けない。この場合、図８に示すように、水素インジェクタ３２による燃料電池１０への水素の供給によって貯留部４１内部のガス圧力が変動しても、熱流センサ５１のセンサ出力が殆ど変動しない。

本実施形態の制御装置１００では、上記の事象を利用して、貯留部４１における水位状態を検知する。具体的には、制御装置１００は、燃料電池１０の運転中における熱流センサ５１の検出信号の変化量が大きい場合、貯留部４１における水位が、熱流センサ５１の検出部５３に達していない低水位状態とする。

また、制御装置１００は、燃料電池１０の運転中における熱流センサ５１の検出信号の変化量が小さい状態が所定期間継続した場合、貯留部４１における水位が、熱流センサ５１の検出部５３に達している高水位状態とする。

ここで、車両の走行時の振動等によって気液分離器４０が一時的に傾くことがあるが、この際、貯留部４１における水位が検出部５３付近まで到達していると、熱流センサ５１が被水して一時的にセンサ出力が殆ど変動しなくなることがある。

このことを鑑み、制御装置１００は、燃料電池１０の運転中における熱流センサ５１の検出信号の変化量が小さい状態が一時的に生ずる場合、貯留部４１における水位が、低水位状態における水位と高水位状態における水位との中間となる中間水位状態とする。

さらに、本実施形態の制御装置１００は、貯留部４１における水位状態の検知結果に基づいて、排出弁３７を開閉制御する。以下、本実施形態の制御装置１００が実行する排出弁３７の開閉制御処理について、図９に示すフローチャートを参照して説明する。制御装置１００は、燃料電池１０の運転中において、図９に示す制御処理を所定のタイミングで実行する。

図９に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ１０にて、気液分離器４０の貯留部４１にける水位を検知する水位検知処理を実行する。この水位検知処理については、図１０に示すフローチャートを参照して説明する。

図１０に示すように、制御装置１００は、ステップＳ２００にて、熱流センサ５１のセンサ出力の変化量ΔＶが予め定めた水位判定基準値ΔＶｔｈ以下であるか否かを判定する。なお、水位判定基準値ΔＶｔｈとしては、例えば、熱流センサ５１が被水していない場合におけるセンサ出力の変化量の最小値や平均値等を採用することができる。

また、センサ出力の変化量ΔＶとしては、例えば、水素インジェクタ３２による水素の供給タイミングにおけるセンサ出力と、水素インジェクタ３２による水素の供給停止タイミングにおけるセンサ出力との差分を採用することができる。なお、センサ出力の変化量ΔＶとしては、例えば、センサ出力の瞬時値と直近数回分のセンサ出力の平均値との差分を採用することもできる。

ステップＳ２００の判定処理の結果、熱流センサ５１のセンサ出力の変化量ΔＶが水位判定基準値ΔＶｔｈを超える場合、制御装置１００は、ステップＳ２１０にて、貯留部４１における水位が熱流センサ５１に到達していない低水位状態とする。なお、図１１に示すように、低水位状態では、水素インジェクタ３２による水素の供給に対応して熱流センサ５１のセンサ出力が大きく変動する。

一方、ステップＳ２００の判定処理の結果、熱流センサ５１のセンサ出力の変化量ΔＶが水位判定基準値ΔＶｔｈ以下である場合、制御装置１００は、ステップＳ２２０に移行する。

続いて、制御装置１００は、ステップＳ２２０にて、熱流センサ５１のセンサ出力の変化量ΔＶが水位判定基準値ΔＶｔｈ以下となる状態が所定期間継続されているか否かを判定する。

この結果、熱流センサ５１のセンサ出力の変化量ΔＶが水位判定基準値ΔＶｔｈ以下となる状態が所定期間継続されている場合、制御装置１００は、ステップＳ２３０にて、貯留部４１における水位が熱流センサ５１に到達している高水位状態とする。なお、図１２に示すように、高水位状態では、水素インジェクタ３２による水素の供給の有無によらず、熱流センサ５１のセンサ出力が殆ど変動しない。

一方、熱流センサ５１のセンサ出力の変化量ΔＶが水位判定基準値ΔＶｔｈ以下となる状態が所定期間継続されていない場合、制御装置１００は、ステップＳ２４０にて、中間水位状態とする。なお、中間水位状態は、貯留部４１における水位が低水位状態における水位と高水位状態における水位の中間となる状態である。

ここで、熱流センサ５１に一時的に水滴が付着している場合、水素インジェクタ３２による水素の噴射が繰り返されると、圧力変動によって水滴が熱流センサ５１から脱落し易くなる。このため、所定期間としては、例えば、水素インジェクタ３２によって水素の噴射を連続して複数回実施するのに要する時間を採用することができる。

上述の如く、本実施形態の制御装置１００は、熱流センサ５１のセンサ出力の変化量ΔＶに基づいて、貯留部４１における水位状態を特定する。なお、制御装置１００は、上述のステップＳ２１０、ステップＳ２３０、Ｓ２４０で特定された貯留部４１における水位状態について、フラグ等によってメモリに記憶する。

図９に戻り、制御装置１００は、ステップＳ２０にて、貯留部４１における水位が高水位状態であるか否かを判定する。この結果、高水位状態でない場合、排出弁３７を開閉することなく処理を抜ける。

一方、ステップＳ２０の判定処理の結果、高水位状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ３０にて、排出弁３７を開放する。これにより、貯留部４１に溜まった水が、外部排出配管３６を介して外部に排出される。

続いて、制御装置１００は、ステップＳ４０にて、再び水位検知処理を実行する。ステップＳ４０における水位検知処理の内容は、ステップＳ１０と同様であるため、その説明を省略する。

続いて、制御装置１００は、ステップＳ５０にて、貯留部４１における水位が低水位状態であるか否かを判定する。この結果、低水位状態でない場合、貯留部４１における水位が依然として高い状態であると考えられるので、制御装置１００は、排出弁３７の開放を継続する。

一方、ステップＳ５０の判定処理の結果、低水位状態である場合、制御装置１００は、ステップＳ６０にて排出弁３７を閉鎖する。これにより、貯留部４１に溜まった水の排出が停止される。

以上説明した本実施形態の燃料電池システム１は、貯留部４１における水位を検知する水位検知装置５０を備えている。この水位検知装置５０では、表面に熱流束の変化を検出する検出部５３が設けられた薄板状のセンサ基板５２を貯留部４１の内壁面４２１に設置することで貯留部４１の水位を検知可能となっている。

このように、薄板状のセンサ基板５２で水位を検知する構成では、貯留部４１におけるセンサが占める領域を抑えられるので、貯留部４１における貯液容積の減少を抑えることができる。

加えて、薄板状のセンサ基板５２を燃料オフガスの流れ等に影響が少ない貯留部４１の壁部近傍に設置しているので、センサ自体が燃料オフガスの流通抵抗となってしまうことも抑制することができる。

したがって、本実施形態の水位検知装置５０によれば、貯液機能や水位検知精度に影響する貯留部４１における貯液容積の減少、および燃料オフガスの流通抵抗の両方を抑えることができる。そして、本実施形態の燃料電池システム１では、水位検知装置５０の検知結果に基づく排出弁３７の開閉制御によって、貯留部４１に貯留された水を適切に排出することができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１では、水位検知装置５０の検知結果が、高水位状態となる場合に排出弁３７を開放し、その後、低水位状態となった際に排出弁３７を閉鎖する構成となっている。これによると、貯留部４１の貯留された水を適切なタイミングで排出することができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図１３〜図１５を参照して説明する。本実施形態では、気液分離器４０の貯留部４１に２つの熱流センサ５１、５５が設置されている点等が第１実施形態と相違している。

図１３に示すように、気液分離器４０の貯留部４１には、主熱流センサ５１および補助熱流センサ５５が設置されている。主熱流センサ５１および補助熱流センサ５５は、それぞれ第１実施形態で説明した熱流センサ５１と同様に構成される。

主熱流センサ５１は、第１実施形態で説明した熱流センサ５１と同様に、貯留部４１における水位を検知するために設けられている。主熱流センサ５１は、第１実施形態で説明した熱流センサ５１と同様の位置に設置されている。すなわち、主熱流センサ５１は、貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１のうち、許容貯液水位付近に設置されている。

一方、補助熱流センサ５５は、貯留部４１の内部において実質的に被水することがない位置に設置されている。これにより、補助熱流センサ５５のセンサ出力は、燃料オフガスの圧力変動や流量変動に応じて変動することになる。

具体的には、補助熱流センサ５５は、上面部４３の内壁面４３１に設置されている。なお、補助熱流センサ５５は、貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１のうち、主熱流センサ５１よりも上方に位置する部位に設置されていてもよい。

主熱流センサ５１および補助熱流センサ５５は、それぞれ制御装置１００の入力側に接続されている。本実施形態の制御装置１００は、主熱流センサ５１および補助熱流センサ５５それぞれの検出信号（センサ出力）に基づいて、貯留部４１における水位状態を検知する。

以下、本実施形態の制御装置１００が実行する水位検知処理について図１４に示すフローチャートを参照して説明する。図１４に示すように、制御装置１００は、ステップＳ３００にて、主熱流センサ５１の検出信号Ｖ１と補助熱流センサ５５の検出信号Ｖ２との差分（センサ出力の差分）Ｖｄを算出する。

主熱流センサ５１の検出信号は、高水位状態となる際に殆ど変動せず、低水位状態となる際に大きく変動する。一方、補助熱流千ンさ５４の検出信号は、高水位状態および低水位状態の双方において大きく変動する。このため、センサ出力の差分Ｖｄは、図１５に示すように、低水位状態となる際に殆ど変動せず、高水位状態となる際に大きく変動する。なお、センサ出力の差分Ｖｄには、水滴等によるノイズが含まれてしまうことがある。このため、センサ出力の差分Ｖｄは、ローパスフィルタによる演算処理値や、移動平均値とすることが望ましい。

図１４に戻り、制御装置１００は、ステップＳ３１０にて、各熱流センサ５１、５４のセンサ出力の差分Ｖｄが予め定めた判定基準値ΔＶｄｔｈ以下であるか否かを判定する。なお、判定基準値ΔＶｄｔｈとしては、例えば、主熱流センサ５１が被水していない場合のセンサ出力と主熱流センサ５１が被水している場合のセンサ出力との差分の最小値や平均値等を採用することができる。

ステップＳ３１０の判定処理の結果、センサ出力の差分ΔＶｄが判定基準値ΔＶｄｔｈ以下となる場合、制御装置１００は、ステップＳ３２０にて、貯留部４１における水位が熱流センサ５１に到達していない低水位状態とする。

一方、ステップＳ３１０の判定処理の結果、センサ出力の差分ΔＶｄが判定基準値ΔＶｄｔｈを超える場合、制御装置１００は、ステップＳ３３０にて、貯留部４１における水位が熱流センサ５１に到達している高水位状態とする。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の水位検知装置５０は、貯留部４１における水位を検知することができる。したがって、本実施形態の水位検知装置５０および燃料電池システム１によっても、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本実施形態では、水位検知処理において、低水位状態および高水位状態という２つの水位状態を検知する例について説明したが、これに限定されない。水位検知処理は、例えば、第１実施形態と同様に、低水位状態、高水位状態、中間水位状態という３つの水位状態を検知する処理となっていてもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について、図１６を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、制御装置１００が実行する開閉制御処理における排出弁３７の閉鎖条件が第１実施形態と相違している。

本実施形態の制御装置１００は、図９に示した処理に代えて、図１６に示す処理を実行する。図１６は、本実施形態の制御装置１００が実行する排出弁３７の開閉制御処理の流れを示すフローチャートである。図１６に示すステップＳ１０Ａ〜Ｓ４０Ａ、Ｓ６０Ａは、図９に示すステップＳ１０〜Ｓ４０、Ｓ６０の内容と同様であるため、その説明を省略する。

本実施形態の制御装置１００は、ステップＳ４０Ａにて水位検知処理を実行した後、ステップＳ５０Ａにて、貯留部４１における水位が高水位状態であるか否かを判定する。この結果、高水位状態である場合、貯留部４１における水位が依然として高い状態であると考えられるので、制御装置１００は、排出弁３７の開放を継続する。

一方、ステップＳ５０Ａの判定処理の結果、高水位状態でない場合、制御装置１００は、ステップＳ６０Ａにて、排出弁３７を閉鎖する。これにより、貯留部４１に溜まった水の排出が停止される。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、高水位状態となって排出弁３７を開放した後、高水位状態でなくなった際に排出弁３７を閉鎖する構成となっているので、第１実施形態と同様に、貯留部４１の貯留された水を適切なタイミングで排出することができる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について、図１７を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、制御装置１００が実行する開閉制御処理における排出弁３７の閉鎖条件が第１実施形態と相違している。

本実施形態の制御装置１００は、図９に示した処理に代えて、図１７に示す処理を実行する。図１７は、本実施形態の制御装置１００が実行する排出弁３７の開閉制御処理の流れを示すフローチャートである。図１７に示すステップＳ１０Ｂ〜Ｓ３０Ｂ、Ｓ６０Ｂは、図９に示すステップＳ１０〜Ｓ３０、Ｓ６０の内容と同様であるため、その説明を省略する。

ここで、排出弁３７が開放されてる状態において、貯留部４１に水が存在している場合、水によって貯留部４１内部と外部との連通が遮断される。一方、排出弁３７が開放されてる状態において、貯留部４１に水が存在していない場合、貯留部４１内部と外部とが連通することで、貯留部４１の内部を含む循環系（水素供給配管３０および還流配管３４）の圧力が低下する。

この事象を鑑みて、本実施形態の制御装置１００は、ステップＳ３０Ｂにて排出弁３７を開放した後、ステップＳ４０Ｂにて、水素圧力センサ５４により循環系（水素供給配管３０および還流配管３４）内の圧力を検出する。

続いて、制御装置１００は、ステップＳ５０Ｂにて、水素圧力センサ５４の検出圧力が予め定めた基準圧力以下となっているか否かを判定する。なお、基準圧力としては、例えば、排出弁３７が開放されている状態において、貯留部４１に水が存在していない場合の水素圧力センサ５４の検出値の平均値等を採用することができる。

この結果、水素圧力センサ５４の検出圧力が基準圧力を超えている場合、貯留部４１における水位が依然として存在している状態であると考えられるので、制御装置１００は、排出弁３７の開放を継続する。

一方、ステップＳ５０Ｂの判定処理の結果、水素圧力センサ５４の検出圧力が基準圧力以下である場合、制御装置１００は、ステップＳ６０Ｂにて、排出弁３７を閉鎖する。これにより、貯留部４１に溜まった水の排出が停止される。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、高水位状態となって排出弁３７を開放した後、貯留部４１における圧力が基準圧力以下となった際に排出弁３７を閉鎖する構成となっているので、第１実施形態と同様に、貯留部４１の貯留された水を適切なタイミングで排出することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態について、図１８を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム１は、制御装置１００が実行する開閉制御処理における排出弁３７の閉鎖条件が第１実施形態と相違している。

本実施形態の制御装置１００は、図９に示した処理に代えて、図１８に示す処理を実行する。図１８は、本実施形態の制御装置１００が実行する排出弁３７の開閉制御処理の流れを示すフローチャートである。図１８に示すステップＳ１０Ｃ〜Ｓ３０Ｃ、Ｓ６０Ｃは、図９に示すステップＳ１０〜Ｓ３０、Ｓ６０の内容と同様であるため、その説明を省略する。

本実施形態の制御装置１００は、ステップＳ３０Ｃにて排出弁３７を開放した後、ステップＳ５０Ｃにて、排出弁３７を開放してから所定時間が経過したか否かを判定する。なお、所定時間としては、貯留部４１に許容貯液水位付近まで水を貯留させた後、当該水を全て排出するのに要する時間等を採用することができる。

この結果、排出弁３７を開放してから所定時間経過してない場合、貯留部４１に依然として水が存在すると考えられるので、制御装置１００は、排出弁３７の開放を継続する。

一方、ステップＳ５０Ｃの判定処理の結果、排出弁３７を開放してから所定時間経過している場合、制御装置１００は、ステップＳ６０Ｃにて、排出弁３７を閉鎖する。これにより、貯留部４１に溜まった水の排出が停止される。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、高水位状態となって排出弁３７を開放した後、所定時間経過後に排出弁３７を閉鎖する構成となっているので、第１実施形態と同様に、貯留部４１の貯留された水を適切なタイミングで排出することができる。

（第６実施形態）
次に、第６実施形態について、図１９〜図２２を参照して説明する。本実施形態では、熱流センサ５１のセンサ出力を利用して、排出弁３７の故障を検知する例について説明する。

燃料電池システム１では、排出弁３７を開閉すると、図１９に示すように、貯留部４１内部のガス圧力が変化する。この際、熱流センサ５１のセンサ出力は、貯留部４１内部のガス圧力の変化によって大きく変化する。

詳しくいうと、排出弁３７が正常に機能する場合、排出弁３７を開放状態から閉鎖状態に制御すると、例えば、図１９に示すように、貯留部４１における圧力およびセンサ出力が燃料電池１０への燃料の供給パターンに応じて変動する。

これに対して、排出弁３７を開放状態から閉鎖状態に制御しても、センサ出力が燃料電池１０への燃料の供給パターンに応じて変動しない場合、排出弁３７が開放状態に維持されていると考えられる。すなわち、この場合、排出弁３７が開放状態に維持される閉弁故障（閉じることができない故障）が生じていると考えられる。

また、排出弁３７が正常に機能する場合、排出弁３７を閉鎖状態から開放状態に制御すると、貯留部４１から水や燃料オフガスが排気されることで、貯留部４１における圧力が低下する。

これに対して、排出弁３７を閉鎖状態から開放状態に制御しても、センサ出力が変動しない場合、排出弁３７が閉鎖状態に維持されていると考えられる。すなわち、この場合、排出弁３７が閉鎖状態に維持される開弁故障（開くことができない故障）が生じていると考えられる。

これらの事象を考慮して、本実施形態の制御装置１００は、故障検知処理として、図２１に示す閉弁故障検知処理および図２２に示す開弁故障検知処理を実行する。制御装置１００は、燃料電池１０の運転中に各故障検知処理を実行する。

まず、閉弁故障検知処理について説明すると、図２１に示すように、制御装置１００は、ステップＳ４００にて、排出弁３７の閉鎖を指示する閉鎖信号を検知したか否かを判定する。この結果、排出弁３７の閉鎖信号を検知した場合、制御装置１００は、ステップＳ４１０にて、熱流センサ５１のセンサ出力が、燃料供給パターンに対応して変動しているか否かを判定する。

具体的には、制御装置１００は、センサ出力の変化量ΔＶが、水素インジェクタ３２によって水素が噴射された際に、所定値よりも大きくなっているか否かを判定する。なお、燃料供給パターンは、水素インジェクタ３２に対する水素の噴射を指示する制御信号によって把握することができる。

この結果、熱流センサ５１のセンサ出力が、燃料供給パターンに対応して変動している場合、排出弁３７が閉鎖状態となっていると考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ４２０にて閉弁故障なしとする。

一方、熱流センサ５１のセンサ出力が、燃料供給パターンに対応して変動していない場合、排出弁３７が開放状態となっていると考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ４３０にて閉弁故障ありとする。なお、閉弁故障ありの場合、常に燃料オフガスが外部に排出されてしまう。このため、閉弁故障ありの場合、制御装置１００によって、燃料電池１０の運転を停止することが望ましい。

続いて、開弁故障検知処理について説明すると、図２２に示すように、制御装置１００は、ステップＳ５００にて、排出弁３７の開放を指示する開放信号を検知したか否かを判定する。この結果、排出弁３７の開放信号を検知した場合、制御装置１００は、ステップＳ５１０にて、熱流センサ５１のセンサ出力が、貯留部４１における圧力変動に対応して変動しているか否かを判定する。

具体的には、制御装置１００は、センサ出力の変化量ΔＶが、貯留部４１における圧力低下に応じて変化しているか否かを判定する。なお、貯留部４１における圧力は、水素圧力センサ５４によって検出可能である。

この結果、熱流センサ５１のセンサ出力が、貯留部４１における圧力変動に対応して変動している場合、排出弁３７が開放状態となっていると考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ５２０にて開弁故障なしとする。

一方、熱流センサ５１のセンサ出力が、貯留部４１における圧力変動に対応して変動していない場合、排出弁３７が閉鎖状態となっていると考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ５３０にて開弁故障ありとする。なお、開弁故障ありの場合、貯留部４１の水を外部に排出できなくなる。このため、開弁故障ありの場合、制御装置１００によって燃料電池１０の運転を停止することが望ましい。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１では、第１実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１は、排出弁３７を開閉制御した際の熱流センサ５１の検出信号の変動状態に基づいて、排出弁３７の故障の有無を判定する構成となっている。これによると、部品点数を増加させることなく、排出弁３７の故障の有無を判定することができる。

（第６実施形態の変形例）
上述の第６実施形態では、開弁故障検知処理において、熱流センサ５１のセンサ出力が貯留部４１における圧力変動に対応して変動しているか否かを判定する例について説明したが、これに限定されない。

排出弁３７が正常に機能する場合、排出弁３７を開放状態にすると、貯留部４１に貯留された水が排出される。そして、排出弁３７の開放状態が所定時間継続されると、例えば、図１９に示すように、貯留部４１における圧力が殆ど変化しなくなる。このことは、燃料電池１０に対して燃料が供給されていても同様である。

この事象を考慮して、本変形例の制御装置１００では、図２２に示した処理に代えて、図２３に示す処理を実行する。図２３は、本変形例の制御装置１００が実行する排出弁３７の開弁故障検知処理の流れを示すフローチャートである。

図２３に示すように、本変形例の制御装置１００は、ステップＳ６００にて、排出弁３７の開放を指示する開放信号を検知したか否かを判定する。この結果、排出弁３７の開放信号を検知した場合、排出弁３７の開放信号を検知してから所定の基準時間経過したか否かを判定する。基準時間としては、例えば、排出弁３７を開放してから貯留部４１におけるガス圧力が一定の範囲に収束するまでに要する時間を採用することができる。

ステップＳ６１０の判定処理の結果、排出弁３７の開放信号を検知してから基準時間経過した場合、制御装置１００は、ステップＳ６２０にて、熱流センサ５１のセンサ出力が、燃料供給パターンに対応して変動しているか否かを判定する。

具体的には、制御装置１００は、センサ出力の変化量ΔＶが、水素インジェクタ３２によって水素が噴射された際に、所定値よりも大きくなっているか否かを判定する。なお、燃料供給パターンは、水素インジェクタ３２に対する水素の噴射を指示する制御信号によって把握することができる。

この結果、熱流センサ５１のセンサ出力が、燃料供給パターンに対応して変動していない場合、排出弁３７が開放状態となっていると考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ６３０にて開弁故障なしとする。

一方、熱流センサ５１のセンサ出力が、燃料供給パターンに対応して変動している場合、排出弁３７が閉鎖状態となっていると考えられる。このため、制御装置１００は、ステップＳ６４０にて開弁故障ありとする。なお、開弁故障ありの場合、貯留部４１の水を外部に排出できなくなる。このため、開弁故障ありの場合、制御装置１００によって燃料電池１０の運転を停止することが望ましい。

本変形例の燃料電池システム１は、排出弁３７を開閉制御した際の熱流センサ５１の検出信号の変動状態に基づいて、排出弁３７の故障の有無を判定する構成となっている。これによっても、部品点数を増加させることなく、排出弁３７の故障の有無を判定することができる。

（第７実施形態）
次に、第７実施形態について、図２４、図２５を参照して説明する。本実施形態では、燃料電池１０の停止時に実行される掃気処理について説明する。

図２４に示すように、気液分離器４０の貯留部４１には、高水位用熱流センサ５１、および低水位用熱流センサ５６が設置されている。高水位用熱流センサ５１および低水位用熱流センサ５６は、それぞれ第１実施形態で説明した熱流センサ５１と同様に構成される。

高水位用熱流センサ５１は、第１実施形態で説明した熱流センサ５１と同様に、貯留部４１における水位を検知するために設けられている。高水位用熱流センサ５１は、第１実施形態で説明した熱流センサ５１と同様の位置に設置されている。すなわち、高水位用熱流センサ５１は、貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１のうち、許容貯液水位付近に設置されている。

一方、低水位用熱流センサ５６は、貯留部４１の内部において高水位用熱流センサ５１よりも低い位置に設置されている。具体的には、低水位用熱流センサ５６は、貯留部４１の底面部４４の内壁面４４１に設置されている。このため、低水位用熱流センサ５６にて、燃料オフガスの圧力変動が検出される場合、貯留部４１内部に殆ど水が存在してない状態になっていると考えられる。

高水位用熱流センサ５１および低水位用熱流センサ５６は、それぞれ制御装置１００の入力側に接続されている。本実施形態の制御装置１００は、高水位用熱流センサ５１および低水位用熱流センサ５６それぞれの検出信号（センサ出力）に基づいて、貯留部４１における水位状態を検知する。

ここで、燃料電池１０の停止後に燃料電池１０内部等に水が残留している場合、当該残留水が氷点下のような低温環境下において凍結することがある。このことは、燃料電池１０の始動性が悪化する要因となることから好ましくない。

これに対して、本実施形態の制御装置１００は、燃料電池１０の停止時に、燃料電池１０内部等に残留する水を排出する掃気処理を実行する。以下、本実施形態の制御装置１００が燃料電池１０の停止時に実行する処理について、図２５を参照して説明する。

図２５に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ７００にて、燃料電池１０内部等に残留する水を排出する掃気処理を実行する。例えば、制御装置１００は、電磁弁２４を開放状態に制御した状態で空気ポンプ２１を駆動させ、燃料電池１０内部に残留する水を空気排出配管２３から外部に排出する。また、制御装置１００は、水素インジェクタ３２を停止した状態で、還流ポンプ３５を駆動させ、燃料電池１０内部に残存するガスをパージガスとして循環させる。これにより、循環系を流れるガスに含まれる水は、気液分離器４０にて分離され、貯留部４１に貯留される。そして、制御装置１００は、所定のタイミングで排出弁３７を開放することで、貯留部４１に貯留された水を外部に排出する。

続いて、制御装置１００は、ステップＳ７１０にて、掃気処理の終了タイミングであるか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、掃気処理を開始してから所定時間経過したか否かを判定する。

この結果、掃気処理の終了タイミングでない場合、制御装置１００は、掃気処理を継続する。一方、掃気処理の終了タイミングである場合、制御装置１００は、ステップＳ７２０に移行する。

制御装置１００は、Ｓ７２０にて、水位検知処理を実行する。このステップＳ７２０の処理では、低水位用熱流センサ５６のセンサ出力に基づいて、貯留部４１における水位を検知する。なお、具体的な処理内容は、図９のステップＳ１０の処理と同様であるため、その説明を省略する。

続いて、制御装置１００は、ステップＳ７３０にて、貯留部４１内部に水分が検知されたか否かを判定する。具体的には、制御装置１００は、低水位用熱流センサ５６のセンサ出力に基づいて検知した水位状態が、高水位状態または中間水位状態であるか否かを判定する。

この結果、貯留部４１内部に水分が検知された場合、制御装置１００は、ステップＳ７４０にて、掃気処理を継続する。一方、貯留部４１内部に水分が検知されていない場合、制御装置１００は、ステップＳ７５０にて、掃気処理の終了処理を実行する。この終了処理では、例えば、空気ポンプ２１および還流ポンプ３５等を停止させる。

その他の構成および作動は第１実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム１では、第１実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０の停止時に、低水位用熱流センサ５６のセンサ出力に基づいて検知した水位が、高水位状態となる場合、低水位状態となる場合に比べて掃気処理の実行時間が長くなっている。このため、燃料電池１０内部における水の残留を充分に抑制することができる。

（第８実施形態）
次に、第８実施形態について、図２６、図２７を参照して説明する。本実施形態では、貯留部４１に対して第１〜第４熱流センサ５１Ａ〜５１Ｄが設置されている点が第１実施形態と相違している。

図２６、図２７に示すように、本実施形態の気液分離器４０には、貯留部４１内部に第１〜第４熱流センサ５１Ａ〜５１Ｄが設置されている。各熱流センサ５１Ａ〜５１Ｄは、それぞれ第１実施形態で説明した熱流センサ５１と同様に構成される。

各熱流センサ５１Ａ〜５１Ｄは、第１実施形態で説明した熱流センサ５１と同様に、貯留部４１における水位を検知するために設けられている。各熱流センサ５１Ａ〜５１Ｄは、貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１のうち、許容貯液水位付近に対して所定の間隔をあけて設置されている。

具体的には、第１熱流センサ５１Ａおよび第３熱流センサ５１Ｃは、貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１のうち、互いに対向する部位に設置されている。また、第２熱流センサ５１Ｂおよび第４熱流センサ５１Ｄは、貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１のうち、互いに対向する部位に設置されている。

その他の構成は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、各熱流センサ５１Ａ〜５１Ｄが、貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１のうち、許容貯液水位付近に対して所定の間隔をあけて設置されている。このため、気液分離器４０の貯留部４１が何らかの要因によって傾いたとしても、各熱流センサ５１Ａ〜５１Ｄのいずれかのセンサ出力に基づいて、貯留部４１内部の水位を検知することができる。なお、本実施形態では、第１実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

（第８実施形態の変形例）
上述の第８実施形態では、第１〜第４熱流センサ５１Ａ〜５１Ｄが貯留部４１の側面部４２の内壁面４２１のうち、許容貯液水位付近に設置される例について説明したが、これに限定されない。

図２８に示すように、貯留部４１は、例えば、第２熱流センサ５１Ｂおよび第４熱流センサ５１Ｄが、第１熱流センサ５１Ａおよび第３熱流センサ５１Ｃよりも下方側に設置される構成となっていてもよい。また、貯留部４１は、第５熱流センサ５１Ｅが、底面部４４の内壁面４４１に設置される構成となっていてもよい。

これによれば、各熱流センサ５１Ａ〜５１Ｅのセンサ出力に基づいて、貯留部４１における水位状態を精度よく検知することができる。なお、熱流センサ５１の設置箇所、および設置数等は、図２８の図示したものに限定されない。熱流センサ５１の設置箇所、および設置数等については、貯留部４１の大きさや、水位の検知精度に応じて適宜設定すればよい。

（第９実施形態）
次に、第９実施形態について、図２９〜図３２を参照して説明する。本実施形態では、熱流センサ５１のセンサ出力を利用して、燃料オフガスの水素濃度を検出する例について説明する。

図２９に示すように、本実施形態の気液分離器４０には、貯留部４１内部のガス圧力を検出するガス圧力センサ５７が設けられている。ガス圧力センサ５７は、被水しないように、熱流センサ５１よりも上方側に配置されている。

ここで、水素インジェクタ３２によって間欠的に水素が燃料電池１０に噴射供給されている場合、燃料オフガスが間欠的に貯留部４１に流入する。この際、貯留部４１内部のガス圧力は、燃料オフガスの体積流量に比例して増減する。そして、熱流センサ５１のセンサ出力および貯留部４１内部のガス圧力は、図３０に示すように、燃料電池１０への燃料の供給パターンに応じて変動する。

また、貯留部４１に流入する燃料オフガスには、未反応水素だけでなく、酸素極側から透過した窒素も含まれる。水素は窒素に比べて熱伝導率が高い。このため、燃料オフガスの水素濃度が高い場合には、水素濃度が低い場合に比べて、熱流センサ５１のセンサ出力の変動量ΔＶが大きくなる傾向がある。熱流センサ５１のセンサ出力の変動量ΔＶをガス圧力センサ５７のセンサ出力の変動量ΔＰで除算した値をセンサ出力比（＝ΔＶ／ΔＰ）としたとき、当該センサ出力比は、例えば、図３１に示すように、燃料オフガスの水素濃度が高いほど大きくなる傾向がある。

上記の事項を鑑みて、本実施形態の制御装置１００は、熱流センサ５１のセンサ出力およびガス圧力センサ５７のセンサ出力に基づいて、燃料オフガスの水素濃度を検出するガス濃度検知処理を実行する。以下、本実施形態の制御装置１００が実行するガス濃度検知処理について、図３２を参照して説明する。制御装置１００は、燃料電池１０の運転中における所定のタイミングで図３２に示す処理を実行する。

図３２に示すように、制御装置１００は、まず、ステップＳ８００にて、熱流センサ５１のセンサ出力およびガス圧力センサ５７のセンサ出力を読み込む。そして、制御装置１００は、ステップＳ８１０にて熱流センサ５１のセンサ出力の変動量ΔＶをガス圧力センサ５７のセンサ出力の変動量ΔＰで除算してセンサ出力比を算出する。

続いて、制御装置１００は、ステップＳ８２０にて、ステップＳ８１０で算出したセンサ出力比に基づいて、水素濃度を算出する。具体的には、制御装置１００は、予めメモリに記憶されたセンサ出力比と水素濃度との対応関係を規定する制御マップを参照して、ステップＳ８１０で算出したセンサ出力比に対応する水素濃度を算出する。

ここで、本実施形態の制御装置１００は、貯留部４１における水位が高い場合だけでなく、例えば、水素濃度が低い場合（すなわち、窒素の濃度が高い場合）に排出弁３７を開放状態に制御する。これによると、水素の循環系（水素供給配管３０および還流配管３４）に蓄積された窒素を適切に排出することができるので、燃料電池１０の発電性能を適切に発揮させることができる。

その他の構成および作動は、第１実施形態と同様である。本実施形態では、第１実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第１実施形態と同様に得ることができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１では、貯留部４１の水位を検知するために設けた熱流センサ５１のセンサ出力を利用して、燃料オフガスの水素濃度を検出することができる。これによると、燃料オフガスの水素濃度を検出する専用のセンサが不要となるので、燃料電池システム１の簡素化を図ることができる。

ここで、本実施形態では、貯留部４１内部のガス圧力をガス圧力センサ５７で検出する例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム１は、例えば、貯留部４１内部のガス圧力を水素圧力センサ５４で検出する構成となっていてもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

上述の各実施形態では、本発明の液位検知装置を燃料電池システム１の気液分離器４０に適用した例について説明したが、これに限定されない。液位検知装置は、液体（水に限らない）を貯留する貯留部を有する様々な機器（例えば、液体を一時的に貯留する貯留タンク）に適用可能である。

上述の各実施形態では、制御装置１００の一部が水位状態検知部１００ａとして機能する例について説明したが、これに限定されない。水位状態検知部（液位状態検知部）は、制御装置１００とは別体で構成されていてもよい。

上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

（まとめ）
上述の実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、液位検知装置は、表面に熱流束の変化を検出する検出部が設けられた薄板状のセンサ基板を貯留部の内壁面に設置することで貯留部の液位を検知可能となっている。

また、第２の観点によれば、液位検知装置の液位状態検知部は、検出信号の変化量が所定の基準値を上回った際に、貯留部における液体の液位が検出部に到達していない低液位状態とする。また、液位状態検知部は、検出信号の変化量が基準値以下となる状態が所定期間継続された際に、貯留部における液体の液位が検出部に到達している高液位状態とする。

貯留部に貯留された液体は、貯留部に存する気体に比べて、流体の流通による圧力変動や流量変動の影響を受け難い。そして、貯留部の壁部と流体との間に生ずる熱流束は、圧力変動や流量変動に応じて変化する。このため、貯留部の壁部と流体との間に生ずる熱流束の変化は、液体が有る場合に比べて液体が無い場合の方が大きくなる。

したがって、上記の液位検知装置によれば、検出部における熱流束の検出信号の変化量が大きい場合に液位が低液位状態であることを検知すると共に、検出部における熱流束の検出信号の変化量が小さい場合に液位が高液位状態であることを検知することができる。

上述の実施形態の一部または全部で示された第３の観点によれば、燃料電池システムは、表面に熱流束の変化を検出する検出部が設けられた薄板状のセンサ基板を貯留部の内壁面に設置することで貯留部の液位を検知可能となっている水位検知装置を備える。そして、燃料電池システムは、水位検知装置の検知結果に基づく排出弁の開閉制御によって、貯留部に貯留された水を適切に排出可能となっている。

また、第４の観点によれば、燃料電池システムの水位状態検知部は、検出信号の変化量が所定の水位判定基準値を上回った際に、貯留部における水位が検出部に到達していない低水位状態とする。また、水位状態検知部は、検出信号の変化量が水位判定基準値以下となる状態が所定期間継続された際に、貯留部における水位が検出部に到達している高水位状態とする。そして、制御装置は、水位検知装置の検知結果が高水位状態となる場合に、排出弁を開放状態に制御し、排出弁を開放状態に制御した後、所定の閉鎖条件が成立した際に排出弁を閉鎖状態に制御する構成となっている。

貯留部に貯留された水は、貯留部に存する気体に比べて、貯留部内部の流体の流通による圧力変動や流量変動の影響を受け難い。そして、貯留部の壁部と貯留部内部の流体との間に生ずる熱流量は、圧力変動や流量変動に応じて変化する。このため、貯留部の壁部と貯留部内部の流体との間に生ずる熱流量の変化は、貯留部に水が有る場合に比べて水が無い場合の方が大きくなる。

したがって、上記の水位検知装置によれば、検出部における熱流束の検出信号の変化量が大きい場合に水位が低水位状態であることを検知すると共に、検出部における熱流束の検出信号の変化量が小さい場合に水位が高水位状態であることを検知することができる。

ここで、排出弁を周期的に開放することが考えられるが、この場合、燃料オフガスに含まれる水分量が過剰となると、貯留部から水が溢れてしまう可能性がある。また、燃料オフガスには未反応水素が含まれており、排出弁を周期的に開放すると、水と共に未反応水素が過剰に排出されてしまうことが懸念される。

これに対して、本開示の燃料電池システムは、水位検知装置の検知結果が、高水位状態となる場合に排出弁を開放した後、所定の閉鎖条件が成立した際に排出弁を閉鎖するので、貯留部の貯留された水を適切なタイミングで排出することができる。

また、第５の観点によれば、燃料電池システムにおける上記の所定の閉鎖条件は、水位検知装置の検知結果が低水位状態となる際に成立する条件となっている。これによると、高水位状態となって排出弁を開放した後、低水位状態となった際に排出弁を閉鎖する構成となるので、貯留部の貯留された水を適切なタイミングで排出することができる。

また、第６の観点によれば、燃料電池システムにおける上記の所定の閉鎖条件は、貯留部における圧力が所定の基準圧力以下となった際に成立する条件となっている。

排出弁が開放されている状態において貯留部に水が存在している場合、水によって貯留部内部と外部との連通が遮断される。一方、排出弁が開放されている状態において貯留部に水が存在していない場合、貯留部内部と外部とが連通することで圧力が低下する。

したがって、排出弁を開放した後、貯留部における圧力が所定の基準圧力以下となった際に排出弁を閉鎖することで、貯留部の貯留された水を適切なタイミングで排出することができる。

また、第７の観点によれば、燃料電池システムにおける上記の所定の閉鎖条件は、排出弁を開放状態に制御してから所定の基準時間経過した際に成立する条件となっている。これによると、高水位状態となって場合に排出弁を開放した後、所定の基準時間経過した際に排出弁を閉鎖する構成となるので、貯留部の貯留された水を適切なタイミングで排出することができる。

また、第８の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、燃料電池の停止時に、水位検知装置の検知結果が高水位状態となる場合、低水位状態となる場合に比べて、燃料電池の内部に滞留する水を外部に排出する掃気処理の実行時間を長くする。

燃料電池システムでは、燃料電池内部の水の凍結を抑制するため、燃料電池の停止時等に、排出弁を開放して燃料電池の内部に滞留する水を外部に排出する掃気処理を実行する。そして、掃気処理の実行時間が適切でない場合、燃料電池の内部に水が残留してしまう。

これに対して、上記の燃料電池システムでは、貯留部における水位が高い場合に、貯留部における水位が低い場合に比べて、掃気処理の実行時間を長くしているので、燃料電池の内部における水の残留を充分に抑制することができる。

また、第９の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、排出弁を開閉制御した際の検出部で検出された検出信号の変動状態に基づいて、排出弁の故障の有無を判定する。

排出弁を開閉すると、貯留部内部の圧力が変化するため、排出弁の開閉時における排出弁の前後における圧力変動を圧力センサ等で検出することで、排出弁の故障の有無を判定することが可能となる。

しかしながら、排出弁の故障判定のために、排出弁の前後に圧力センサを配置すると、燃料電池システムの部品点数が増加してしまう。

これに対して、上記の燃料電池システムでは、貯留部における流体の圧力の変化を、貯留部の壁部と貯留部内部の流体との間に生ずる熱流量の変化として検知可能な水位検知装置を採用している。そして、上記の燃料電池システムでは、水位検知装置の検出部で検出された検出信号の変動状態に基づいて、排出弁の故障の有無を判定する構成となっているので、部品点数が増加しない。このように、上記の燃料電池システムによれば、部品点数を増加させることなく、排出弁の故障の有無を判定することができる。

また、第１０の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、排出弁を開放状態から閉鎖状態に制御した際に、燃料電池への燃料の供給パターンに対応して検出信号が変動しない場合、排出弁が開弁状態に維持される閉弁故障と判定する。

排出弁が正常に機能する場合、排出弁を開放状態から閉鎖状態に制御すると、貯留部における流体の圧力および検出部の検出信号が燃料電池への燃料の供給パターンに応じて変動する。

これに対して、排出弁を開放状態から閉鎖状態に制御しても、検出部の検出信号が燃料電池への燃料の供給パターンに応じて変動しない場合、排出弁が開弁状態に維持されていると考えられる。

このため、上記の燃料電池システムのように、排出弁を開放状態から閉鎖状態に制御した際に、燃料電池への燃料の供給パターンに応じて検出部の検出信号が変動しない場合、排出弁が開弁状態に維持される閉弁故障と判定することができる。

また、第１１の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御した際に、貯留部における圧力変動に対応して検出信号が変動しない場合、排出弁が閉弁状態に維持される開弁故障と判定する。

排出弁が正常に機能する場合、排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御すると、貯留部から水や燃料オフガスが排気されることで、貯留部における圧力が低下する。これに伴って、検出部の検出信号が低下する。

これに対して、排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御しても、貯留部における流体の圧力が変動しない場合、すなわち、検出部の検出信号が変動しない場合、排出弁が閉弁状態に維持されていると考えられる。

このため、上記の燃料電池システムのように、排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御した際に、貯留部における圧力変動に対応して検出部の検出信号が変動しない場合、排出弁が閉弁状態に維持される開弁故障と判定することができる。

また、第１２の観点によれば、燃料電池システムの制御装置は、排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御してから所定の基準時間経過した後に、燃料電池への燃料の供給パターンに対応して検出信号が変動する場合、排出弁が閉弁状態に維持される開弁故障と判定する。

排出弁が正常に機能する場合、排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御すると、貯留部に貯留された水が排出される。そして、排出弁の開放状態が所定時間継続されると、燃料電池に対して燃料を供給しても貯留部における圧力が殆ど変化しなくなる。

これに対して、排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御してから所定時間経過した後、燃燃料電池への燃料を供給した際に貯留部における圧力が変化する場合、排出弁が閉弁状態に維持されていると考えられる。

このため、上記の燃料電池システムのように、排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御してから所定時間経過した後に、燃料電池への燃料の供給パターンに対応して検出部の検出信号が変動する場合、排出弁が閉弁状態に維持される開弁故障と判定することができる。

３３ 水素排出配管（流通路、燃料側排出通路部）
３６ 外部排出配管（流通路、燃料側排出通路部）
４０ 気液分離器
４１ 貯留部
５０ 水位検知装置（液位検知装置）
５２ センサ基板
５２１ 表面
５２２ 裏面
５３ 検出部
１００ａ 水位状態検知部（液位状態検知部）

Claims (12)

1. 熱を有する流体が流れる流通路（３３、３６）に設けられて前記流体に含まれる液体を貯留する貯留部（４１）を有する機器（４０）に適用される液位検知装置であって、
   前記貯留部の内壁面（４２１、４３１、４４１）に設置され、表面（５２１）上に前記流体が流れることにより厚み方向に熱流束が発生し、前記熱流束により生ずる前記表面と裏面（５２２）との間の温度差に起因してゼーベック効果による起電力が発生するようになっている薄板状のセンサ基板（５２）と、
   前記センサ基板の前記表面に設けられ、前記起電力を前記熱流束の検出信号として検出する検出部（５３）と、
   前記検出部で検出された前記検出信号の変化量に基づいて、前記貯留部における液位状態を検知する液位状態検知部（１００ａ）と、
   を備える液位検知装置。
2. 前記液位状態検知部は、前記検出信号の変化量が所定の基準値を上回った際に、前記貯留部における前記液体の液位が前記検出部に到達していない低液位状態とし、
   前記検出信号の変化量が前記基準値以下となる状態が所定期間継続された際に、前記貯留部における前記液体の液位が前記検出部に到達している高液位状態とする請求項１に記載の液位検知装置。
3. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって電気エネルギを出力する燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池から燃料ガスのオフガスである燃料オフガスを排出する燃料側排出通路部（３３、３６）と、
   前記燃料側排出通路部に設けられ、前記燃料オフガスに混在する水を分離して前記水を貯留する貯留部（４１）を有する気液分離器（４０）と、
   前記燃料側排出通路部における前記気液分離器の下流側に設けられ、前記貯留部に溜まった水を外部に排出する排出弁（４２）と、
   前記貯留部における水位状態を検知する水位検知装置（５０）と、
   前記排出弁を制御する制御装置（１００）と、を備え、
   前記水位検知装置は、
   前記貯留部の内壁面（４２１、４３１、４４１）に設置され、表面（５２１）上に前記燃料オフガスが流れることにより厚さ方向に熱流束が発生し、前記熱流束により生ずる前記表面と裏面（５２２）との間の温度差に起因してゼーベック効果による起電力が発生するようになっている１つ以上のセンサ基板（５２）と、
   前記センサ基板に設けられ、前記起電力を前記熱流束の検出信号として検出する検出部（５３）と、
   前記検出部で検出された前記検出信号の変化量に基づいて、前記貯留部における水位状態を検知する水位状態検知部（１００ａ）と、を含んで構成されており、
   前記制御装置は、前記水位検知装置の検知結果に基づいて前記排出弁を開閉制御する燃料電池システム。
4. 前記水位状態検知部は、
   前記検出信号の変化量が所定の水位判定基準値を上回った際に、前記貯留部における水位が前記検出部に到達していない低水位状態とし、
   前記検出信号の変化量が前記水位判定基準値以下となる状態が所定期間継続された際に、前記貯留部における水位が前記検出部に到達している高水位状態とし、
   前記制御装置は、前記水位検知装置の検知結果が前記高水位状態となる場合に、前記排出弁を開放状態に制御し、前記排出弁を開放状態に制御した後、所定の閉鎖条件が成立した際に前記排出弁を閉鎖状態に制御する請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記所定の閉鎖条件は、前記水位検知装置の検知結果が前記低水位状態となる際に成立する条件となっている請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記所定の閉鎖条件は、前記貯留部における圧力が所定の基準圧力以下となった際に成立する条件となっている請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記所定の閉鎖条件は、前記排出弁を開放状態に制御してから所定の基準時間経過した際に成立する条件となっている請求項４に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御装置は、前記燃料電池の停止時に、前記水位検知装置の検知結果が前記高水位状態となる場合、前記水位検知装置の検知結果が前記低水位状態となる場合に比べて、前記燃料電池の内部に滞留する水を外部に排出する掃気処理の実行時間を長くする請求項４ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記制御装置は、前記排出弁を開閉制御した際の前記検出部で検出された前記検出信号の変動状態に基づいて、前記排出弁の故障の有無を判定する請求項３ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. 前記制御装置は、前記排出弁を開放状態から閉鎖状態に制御した際に、前記燃料電池への前記燃料の供給パターンに対応して前記検出信号が変動しない場合、前記排出弁が開弁状態に維持される閉弁故障と判定する請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記制御装置は、前記排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御した際に、前記貯留部における圧力変動に対応して前記検出信号が変動しない場合、前記排出弁が閉弁状態に維持される開弁故障と判定する請求項９または１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記制御装置は、前記排出弁を閉鎖状態から開放状態に制御してから所定の基準時間経過した後に、前記燃料電池への前記燃料の供給パターンに対応して前記検出信号が変動する場合、前記排出弁が閉弁状態に維持される開弁故障と判定する請求項９または１０に記載の燃料電池システム。

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