JP2019192468A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器の底部又は排出弁の底部に溜まった少量な生成水を確実に検出し、外部に完全に排出できる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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電をする燃料電池１０と、燃料電池１０より排出された燃料オフガスから生成水を分離して貯留する気液分離器２７と、気液分離器２７に接続される排出弁２９と、気液分離器２７の内部または排出弁２９の内部に設けられるとともに、一方の面を気液分離器２７の底面または排出弁２９の底面に接触させ、他方の面を気液分離器２７の貯水側または排出弁２９の貯水側に向けるように配置される熱流センサ４０と、熱流センサ４０により検出された結果に基づいて排出弁２９の開閉を制御する制御装置３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、このような分野の技術として、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応で発電する燃料電池と、燃料電池より排出された燃料オフガスから生成水を分離して貯留する気液分離器と、気液分離器に接続される排出弁と、気液分離器内の水位を検出する静電容量式の水位センサとを備えている。このような構造を有する燃料電池システムでは、気液分離器内の水位が最低水位と最高水位との間に維持されるように、水位センサにより検出された結果に基づいて排出弁の開閉制御が行われている。

特開２００７−２０７５５６号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水位検出に用いられた静電容量式の水位センサが、電極と気液分離器との間の静電容量値を電圧に変換するので、気液分離器の底部に溜まった少量の生成水を検出できないおそれがある。例えば２ｃｃのような少量の生成水が気液分離器の底部に溜まった場合、静電容量式の水位センサはそれを検出することができない。気液分離器の底部に生成水が少しでも残ると、生成水が気液分離器と接続された排出弁に流れ、周囲の温度が氷点下になった場合、排出弁で生成水が凍結してしまい、排出弁の開閉ができなくなる問題があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、気液分離器の底部又は排出弁の底部に溜まった少量な生成水を確実に検出し、外部に完全に排出できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電をする燃料電池と、前記燃料電池より排出された燃料オフガスから生成水を分離して貯留する気液分離器と、前記気液分離器に接続される排出弁と、前記気液分離器の内部または前記排出弁の内部に設けられるとともに、一方の面を前記気液分離器の底面または前記排出弁の底面に接触させ、他方の面を前記気液分離器の貯水側または前記排出弁の貯水側に向けるように配置される熱流センサと、前記熱流センサにより検出された結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムでは、気液分離器の内部または排出弁の内部に設けられる熱流センサは、一方の面を気液分離器の底面または排出弁の底面に接触させ、他方の面を気液分離器の貯水側または排出弁の貯水側に向けるように配置されており、該熱流センサの一方の面及び他方の面で生じた温度差で生成水の有無を検出することができる。このため、気液分離器の底部或いは排出弁の底部に少量の生成水が溜まったとしても、熱流センサでそれを確実に検出することができる。そして、制御部は熱流センサにより検出された結果に基づいて排出弁の開閉制御を行うことで、生成水を外部に完全に排出することができる。その結果、氷点下時に生成水の残留に起因する排出弁の凍結を防止することができる。

本発明によれば、気液分離器の底部又は排出弁の底部に溜まった少量な生成水を確実に検出し、外部に完全に排出することができる。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 熱流センサの構造を示す模式断面図である。 熱流センサの水位検出原理を説明するための図である。 第１実施形態における熱流センサの水位検出と排出弁の開閉処理を示すフローチャートである。 （ａ）は排出弁の内部に熱流センサが配置される例を示す模式図であり、（ｂ）は排出経路の内部に熱流センサが配置される例を示す模式図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第２実施形態における各熱流センサの水位検出と排出弁の開閉処理を示すフローチャートである。 （ａ）は完全排水制御の場合における各熱流センサの水没状況と排出弁の開閉を説明するための図であり、（ｂ）は完全排水直前で制御する場合における各熱流センサの水没状況と排出弁の開閉を説明するための図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。 第３実施形態における各熱流センサの水位検出と排出弁の開閉処理を示すフローチャートである。 （ａ）は第３実施形態の各熱流センサの出力電圧と時間との関係を示すグラフであり、（ｂ）は気液分離器の貯水量と時間との関係を示すグラフである。 熱流センサの変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態を説明する。本発明に係る燃料電池システムは、車両、船舶、航空機、電車等の駆動源、或いは建物の発電設備として使用することができる。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１は、主に、燃料電池１０と、燃料電池１０に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系２０と、燃料電池１０に空気等の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系（図示せず）と、燃料電池１０に冷媒を供給する冷媒供給系（図示せず）と、燃料電池システム１の全体制御を行う制御装置３０とを備えている。

燃料電池１０は、複数の燃料電池セルを積層してなるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成する。図示しないが、燃料電池セルは、例えばイオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（アノード電極）及びカソード側触媒層（カソード電極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有する。更に、燃料電池セルは、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータ（すなわち、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ）を有する。

また、ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が更に形成される場合がある。このとき、ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称される。ＭＥＧＡは、更に上述のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータによって挟持されている。

燃料ガス供給系２０は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する燃料ガスタンク２１と、燃料ガスタンク２１からの燃料ガスを燃料電池１０のアノード電極へ供給する燃料ガス供給経路２２と、燃料電池１０から排出された燃料オフガス（すなわち、未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給経路２２に還流させる循環経路２３と、後述する気液分離器２７を介して循環経路２３に分岐接続される排出経路２４とを有する。燃料ガス供給経路２２、循環経路２３及び排出経路２４は、例えばホース、配管、パイプ及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。

燃料ガス供給経路２２には、燃料ガス供給弁２５と、燃料ガス圧力センサ２６とが配置されている。燃料ガス供給弁２５は、制御装置３０によって制御されている。例えば、燃料ガス供給弁２５は、制御装置３０の開弁指令に従って開弁し、燃料ガスタンク２１内の燃料ガスを燃料ガス供給経路２２を介して燃料電池スタックのアノード電極に供給する。燃料ガス圧力センサ２６は、燃料ガスの圧力を電気量に変換する圧力検出素子からなり、検出した燃料ガスの圧力を電気信号として制御装置３０に出力する。

循環経路２３には、上流側（すなわち、燃料電池１０側）から、気液分離器２７、水素循環ポンプ２８が順に配置されている。気液分離器２７は、循環経路２３を流れる燃料オフガスに含まれる生成水を気液分離し、分離した生成水を貯留するとともに、分離した燃料オフガスを水素循環ポンプ２８側に送る。水素循環ポンプ２８は、気液分離器２７で気液分離した燃料オフガスを加圧して燃料ガス供給経路２２へ循環させる。この水素循環ポンプ２８は、制御装置３０の駆動指令によって駆動されている。

排出経路２４は、気液分離器２７の下流側に配置されている。図１に示すように、排出経路２４は、気液分離器２７の底部２７ａと接続されるとともに、該底部２７ａと同じ高さに位置する。また、排出経路２４には、排出弁２９が配置されている。すなわち、排出弁２９は、排出経路２４を介して気液分離器２７と接続されている。図示しないが、排出弁２９は、例えば排出経路２４を開閉する弁体と、弁体を駆動する電動アクチュエータとを有する電磁弁により構成されており、その開閉が制御装置３０に制御されている。

制御装置３０は、マイクロコンピュータを内蔵しており、記憶されたプログラムの実行によって燃料ガス供給弁２５及び排出弁２９の開閉、水素循環ポンプ２８の駆動等を制御する。例えば、この制御装置３０は、後述する熱流センサ４０により検出された結果に基づき、排出弁２９の開閉制御を行う。

酸化剤ガス供給系及び冷媒供給系には、既に周知された技術を用いることができる。これらの供給系は燃料電池システム１の特徴部分ではないので、詳細説明を省略する。

以上のように構成された燃料電池システム１において、燃料電池１０は、燃料ガス供給系２０から燃料電池セルのアノード電極に供給された燃料ガスと、酸化剤ガス供給系から燃料電池セルのカソード電極に供給された酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電を行う。そして、電気化学反応に伴ってカソード電極側で水が生成される（すなわち、生成水）。生成された生成水の多くはカソード電極側から排出されるが、一部の生成水は電解質膜を透過してアノード電極側に移動し、燃料オフガスに混入する。燃料オフガスに混入される生成水（言い換えれば、燃料オフガスに含まれる生成水）は、上述の気液分離器２７で分離される。

また、燃料電池１０では、カソード電極とアノード電極の圧力差によって、カソード電極側の酸化剤ガスの一部は、電解質膜を透過してアノード電極側に移動する。このため、酸化剤ガスに含まれる窒素ガスが燃料オフガスに混入し、燃料オフガスとともに循環経路２３を介して燃料ガス供給経路２２に還流され、燃料電池１０に供給される。そして、燃料電池１０を流れる窒素の濃度が上昇すると、燃料電池１０の発電性能を低下させるため、窒素を燃料オフガスとともに定期的に外部に排出する必要がある。従って、燃料電池システム１では、排出弁２９を介して定期的に燃料オフガス及び窒素を外部に排出する。このため、排出弁２９は、上述のように生成水を排出する排水弁として機能すると同時に、燃料オフガス及び窒素を排出する排気弁としても機能する。

また、気液分離器２７の内部には、気液分離器２７内に貯留される生成水の水位を検出するための熱流センサ４０が１つ設けられている。以下、図２及び図３を参照して熱流センサ４０の構造及び検出原理を説明する。

図２に示すように、熱流センサ４０は、略平板状を呈しており、センサ基板４１と、第１の検出部４２と、第２の検出部４３とを有する。この熱流センサ４０は、一方の面である裏面４０ｂを気液分離器２７の底面を接触させ、他方の面である表面４０ａを上方（言い換えれば、気液分離器２７の貯水側）に向けた状態で、気液分離器２７の底部２７ａに取り付けられている。なお、表面４０ａを生成水の浸漬から保護するために、熱流センサ４０は、ポリイミドなどの撥水性を有する保護膜で覆われるようにされることが好ましい。

このような構造を有する熱流センサ４０では、熱（冷熱を含む）を有するガスなどの流体が流れると、その厚さ方向の熱流束Ｑによって生じる表面４０ａと裏面４０ｂとの間の温度差に比例した電圧が発生する、いわゆるゼーベック効果による起電力が発生する。熱流センサ４０は、発生した起電力を熱流束Ｑの信号として検出し、検出した結果を制御装置３０に出力する。熱流束Ｑは、センサ基板４１の厚み方向の熱抵抗と負の比例関係にあり、すなわち、熱抵抗が大きくなると、熱流束Ｑは小さくなる関係である。

第１の検出部４２及び第２の検出部４３は、センサ基板４１の厚さが異なっている。検出される熱流束Ｑも異なるが、熱流センサ４０は、第１の検出部４２と第２の検出部４３とで検出される熱流束Ｑを演算処理することで、より高い精度の検出信号を出力するようになっている。

本実施形態では、気液分離器２７内に燃料オフガスや窒素ガス等のガスが流れると、熱流センサ４０の周りにガス流動が生じ、熱流センサ４０のセンサ基板４１の厚さ方向に熱流束が発生するので、表面４０ａと裏面４０ｂとの間の温度差に起因して起電力が発生する。そして、図３の紙面左側に示すように、熱流センサ４０は、水没していない状態において、気液分離器２７内に生じるガス圧力変化の影響を受けて、出力される電圧もガス圧力変化に応じて変化する（図３紙面左側中段グラフ参照）。なお、図３の上段及び下段に示すグラフは、気液分離器２７内のガス圧力変化を表すものであり、ＩＮＪのグラフはガス圧力変化をパルスで表し、圧力のグラフはガス圧力変化を連続した波形で表している。

これに対して、図３の紙面右側に示すように、水没している状態では、熱流センサ４０は、気液分離器２７内のガス圧力変化の影響を受けない（すなわち、熱流センサ４０の周囲にガス圧力変化がない）ので、圧力変化に伴う熱流の変化を捉えられなくなる。このため、出力される電圧の変化はなくなる（図３紙面右側中段グラフ参照）。

従って、本実施形態では、上述したように熱流センサ４０が水没するか否かによる熱流センサ４０の出力変化を活用し、気液分離器２７内に貯留する生成水の水位を検出する。

以下、図４を参照して燃料電池システム１における熱流センサの水位検出と排出弁の開閉処理を説明する。

燃料電池システム１では、制御装置３０が燃料ガス供給弁２５に開弁指令を送信すると、燃料ガス供給弁２５は開弁する。これによって、燃料ガスタンク２１内の燃料ガスは、燃料ガス供給経路２２を介して燃料電池セルのアノード電極側に供給される。同時に、酸化剤ガスが燃料電池セルのカソード電極に供給される。これによって、燃料ガスと酸化剤ガスとが電気化学反応を起こし電気が発生するとともに、生成水が生成される。そして、生成水は、燃料オフガスとともに気液分離器２７に流入し、燃料オフガスと分離して気液分離器２７内に溜まっていく。

このとき、図４に示すように、排出弁２９は閉弁状態となっており（ステップＳ１１）、気液分離器２７の底部２７ａに配置された熱流センサ４０は、気液分離器２７内の水位を検出し、検出した結果を制御装置３０に出力する（ステップＳ１２）。

続いて、制御装置３０は、熱流センサ４０が水没しているか否かを判定する（ステップＳ１３）。ここでは、上述したように熱流センサ４０が水没するか否かによる熱流センサ４０の出力変化を基に、制御装置３０は、水没か否かの判定を行う。

具体的には、例えば所定時間内において熱流センサ４０から出力される電圧変化があった場合に、制御装置３０は、熱流センサ４０が水没していないと判定する。これによって、制御処理はステップＳ１１に戻る。一方、所定時間内において熱流センサ４０から出力される電圧変化がない場合に、制御装置３０は、熱流センサ４０が水没していると判定し、排出弁２９に開弁指令を送信する。排出弁２９は、制御装置３０からの指令に従って開弁する（ステップＳ１４）。これにより、気液分離器２７内の生成水は排出弁２９を介して外部に排出される。

続いて、熱流センサ４０は、気液分離器２７内の水位を検出し、その結果を制御装置３０に出力する（ステップＳ１５）。制御装置３０は、ステップＳ１３と同様に、熱流センサ４０の検出結果に基づき、熱流センサ４０が水没しているか否かを判定する（ステップＳ１６）。

ステップＳ１６において熱流センサ４０が水没していると判定された場合、制御処理はＳ１５に戻る。一方、熱流センサ４０が水没していないと判定された場合、制御装置３０は、排出弁２９に閉弁指令を送信する。排出弁２９は、制御装置３０からの指令に従って閉弁する（ステップＳ１７）。これによって、一連の制御処理は終了する。

以上のように構成された燃料電池システム１では、気液分離器２７の内部に設けられる熱流センサ４０は、裏面４０ｂを気液分離器２７の底面に接触させ、表面４０ａを気液分離器２７の上側に向けるように配置されており、該熱流センサ４０の裏面４０ｂ及び表面４０ａで生じた温度差で生成水の有無を正確に検出することができる。このため、気液分離器２７の底部２７ａに少量の生成水が溜まったとしても、それを確実に検出することができる。そして、制御装置３０は熱流センサ４０により検出された結果に基づいて排出弁２９の開閉制御を行うことで、生成水を外部に完全に排出することができる。その結果、氷点下時に生成水の残留に起因する排出弁２９の凍結を防止することができる。

なお、気液分離器２７内の生成水を外部に完全に排出するために、図５（ａ）に示すように、熱流センサ４０を排出弁２９の内部に配置しても良い。より具体的には、熱流センサ４０は、その裏面４０ｂを排出弁２９の底面に接触させ、表面４０ａを排出弁２９の貯水側に向けるように、該排出弁２９の内部に取り付けられている。ここで、排出弁２９の貯水側とは、排出弁２９の弁軸中心側を意味する。

また、気液分離器２７内の生成水を外部に完全に排出するために、図５（ｂ）に示すように、熱流センサ４０を気液分離器２７と排出弁２９との間の排出経路２４の内部に配置しても良い。より具体的には、熱流センサ４０は、その裏面４０ｂを排出経路２４の底面に接触させ、表面４０ａを排出経路２４の中心軸側に向けるように、該排出経路２４の内部に取り付けられている。

＜第２実施形態＞
図６は第２実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１Ａは、気液分離器２７の内部に２つの熱流センサを設ける点において第１実施形態と異なっている。その他の構造は第１実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

具体的には、気液分離器２７の内部には、底部２７ａに設けられた熱流センサ４０に加えて、更に熱流センサ４５が設けられている。熱流センサ４５は、熱流センサ４０の近傍であって熱流センサ４０よりも少し高い位置に配置されている。２つの熱流センサを区別するために、ここでは、熱流センサ４０を第１位置の熱流センサ４０、熱流センサ４５を第２位置の熱流センサ４５と呼ぶ。

第１位置の熱流センサ４０は、第１実施形態で述べたように気液分離器２７の底部２７ａに配置され、気液分離器２７内の生成水を完全に排出する完全排水位置に対応している。一方、第２位置の熱流センサ４５は、燃料オフガスが排気されない程度の完全排水直前位置に対応している。すなわち、第２位置の熱流センサ４５は、第１位置の熱流センサ４０よりも少し生成水を溜める位置になっている。このようにすれば、燃料オフガスの外部への排出をできるだけ抑制し、不要な燃料オフガスの排出による燃費の悪化を防止することができる。

なお、第２位置の熱流センサ４５は、第１位置の熱流センサ４０と同様な構造を有し、裏面を気液分離器２７の内壁面に接触させ、表面を気液分離器２７の貯水側に向けるように配置されている。

また、図６に示すように、燃料電池１０と気液分離器２７との間の循環経路２３には、流れる燃料オフガスや生成水の温度を検出するための温度センサ３１が配置されている。温度センサ３１は、その検出した結果を制御装置３０に出力するようになっている。

以下、図７を参照して燃料電池システム１Ａにおける各熱流センサの水位検出と排出弁の開閉処理を説明する。

初めに、排出弁２９は開弁状態となっている（ステップＳ２１）。温度センサ３１は、排出経路２４を流れる燃料オフガスや生成水の温度を検出し、検出した結果を制御装置３０に出力する（ステップＳ２２）。そして、制御装置３０は、温度センサ３１から出力された結果に基づいて、検出した結果を予め定めた温度と比較して予め定めた温度以下か否かを判定する（ステップＳ２３）。

温度センサ３１で検出した結果が予め定めた温度以下と判定された場合、制御処理はステップＳ２４に進み、第１位置の熱流センサ４０の水位検出が行われる。このとき、気液分離器２７の底部２７ａに配置された第１位置の熱流センサ４０は、気液分離器２７内の水位を検出し、検出結果を制御装置３０に出力する。制御装置３０は、第１位置の熱流センサ４０から出力された検出結果に基づいて、該第１位置の熱流センサ４０からの出力が見られ始めたか否かを判定する（ステップＳ２５）。

そして、第１位置の熱流センサ４０からの出力が見られ始めていないと判定された場合、すなわち第１位置の熱流センサ４０が水没している状態となっている場合、排出弁２９の開弁状態が維持されており、制御処理はステップＳ２４に戻る。一方、第１位置の熱流センサ４０からの出力が見られ始めたと判定された場合、すなわち第１位置の熱流センサ４０が水没していない状態となっている場合、制御装置３０は、排出弁２９に閉弁指令を送信する。排出弁２９は、制御装置３０からの指令に従って閉弁する（ステップＳ２６）。

上述のステップＳ２３において、温度センサ３１で検出した結果が予め定めた温度以下でないと判定された場合、制御処理はステップＳ２７に進み、第２位置の熱流センサ４５の水位検出が行われる。このとき、第２位置の熱流センサ４５は、気液分離器２７内の水位を検出し、検出結果を制御装置３０に出力する。制御装置３０は、第２位置の熱流センサ４５から出力された検出結果に基づいて、該第２位置の熱流センサ４５からの出力が見られ始めたか否かを判定する（ステップＳ２８）。

そして、第２位置の熱流センサ４５からの出力が見られ始めていないと判定された場合、すなわち第２位置の熱流センサ４５が水没している状態となっている場合、排出弁２９の開弁状態が維持されており、制御処理はステップＳ２７に戻る。一方、第２位置の熱流センサ４５からの出力が見られ始めたと判定された場合、すなわち第２位置の熱流センサ４５が水没していない状態となっている場合、制御処理は上述のステップＳ２６に進み、排出弁２９は閉弁する。これによって、一連の制御処理は終了する。

本実施形態の燃料電池システム１Ａによれば、第１実施形態と同様に、気液分離器２７の底部２７ａに少量の生成水が溜まったとしても、気液分離器２７の底部２７ａに配置された第１位置の熱流センサ４０を介して確実に検出することができるので、気液分離器２７内の生成水を外部に完全に排出することができ、氷点下時に生成水の残留に起因する排出弁２９の凍結を防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１Ａでは、気液分離器２７の内部に第２位置の熱流センサ４５が更に配置されるため、燃料オフガスを外部への排出を抑制し、不要な燃料オフガスの排出による燃費の悪化を防止する効果も奏する。

より具体的には、例えば図８（ａ）に示すように、第２位置の熱流センサ４５が水没していると判定されてから第１位置の熱流センサ４０が水没していないと判定されるまでの間、排出弁２９は開弁し続けるように制御されている。これによって、気液分離器２７内の生成水は完全に排出されるので、氷点下時に生成水の残留に起因する排出弁２９の凍結を確実に防止することができる。

また、図８（ｂ）に示すように、第２位置の熱流センサ４５が水没していると判定されてから該第２位置の熱流センサ４５が水没していないと判定されるまでの間、排出弁２９は開弁し続けるように制御されている。一方、第１位置の熱流センサ４０が水没していると判定されたとしても、排出弁２９は閉弁するように制御されている。上述したように、第２位置の熱流センサ４５は第１位置の熱流センサ４０よりも少し生成水を溜める位置に対応するので、気液分離器２７内の生成水が完全に排出される直前で排出弁２９を閉弁することができる。これによって、無駄な燃料オフガスの排出を防止でき、燃費向上を図ることができる。

＜第３実施形態＞
図９は第３実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本実施形態の燃料電池システム１Ｂは、気液分離器２７の内部に３つの熱流センサを設ける点において第２実施形態と異なっている。その他の構造は第２実施形態と同様であるので、重複説明を省略する。

具体的には、気液分離器２７の内部には、第１位置の熱流センサ４０及び第２位置の熱流センサ４５に加えて、更に第３位置の熱流センサ４６が設けられている。図９に示すように、第３位置の熱流センサ４６は、第２位置の熱流センサ４５よりも更に高い位置に配置されている。この第３位置の熱流センサ４６の配置位置は、例えば気液分離器２７内に貯留する生成水の上限位置である。このようにすれば、気液分離器２７内に貯留する生成水の上限を管理することができるので、生成水のオーバーに起因する水素循環ポンプ２８への巻き上げを抑制し、燃料電池１０への生成水の侵入を防止することができる。

なお、第３位置の熱流センサ４６は、第１位置の熱流センサ４０と同様な構造を有し、裏面を気液分離器２７の側壁面に接触させ、表面を気液分離器２７の貯水側（すなわち、気液分離器２７の内側）に向けるように配置されている。

以下、図１０を参照して燃料電池システム１Ｂにおける各熱流センサの水位検出と排出弁の開閉処理を説明する。なお、図１０に示す制御処理は、排出弁２９が閉弁した状態で開始される。

初めに、第３位置の熱流センサ４６の水位検出が行われる（ステップＳ３１）。このとき、第３位置の熱流センサ４６は、気液分離器２７内の水位の上限位置を検出し、検出結果を制御装置３０に出力する。制御装置３０は、第３位置の熱流センサ４６から出力された検出結果に基づいて、該第３位置の熱流センサ４６が水没しているか否かを判定する（ステップＳ３２）。

第３位置の熱流センサ４６が水没していないと判定された場合、制御処理はステップＳ３１に戻る。一方、第３位置の熱流センサ４６が水没していると判定された場合、制御装置３０は排出弁２９に開弁指令を送信する。排出弁２９は、制御装置３０からの指令に従って開弁する（ステップＳ３３）。これによって、気液分離器２７内の生成水は排出弁２９を介して外部に排出される。

次に、温度検出が行われる（ステップＳ３４）。温度センサ３１は、排出経路２４を流れる燃料オフガスや生成水の温度を検出し、検出した結果を制御装置３０に出力する。そして、制御装置３０は、温度センサ３１から出力された結果に基づいて、検出した結果を予め定めた温度と比較して予め定めた温度以下か否かを判定する（ステップＳ３５）。

温度センサ３１で検出した結果が予め定めた温度以下と判定された場合、制御処理はステップＳ３６に進み、第１位置の熱流センサ４０の水位検出が行われる。このとき、気液分離器２７の底部２７ａに配置された第１位置の熱流センサ４０は、気液分離器２７内の水位を検出し、検出結果を制御装置３０に出力する。制御装置３０は、第１位置の熱流センサ４０から出力された検出結果に基づいて、該第１位置の熱流センサ４０が水没しているか否かを判定する（ステップＳ３７）。

そして、第１位置の熱流センサ４０が水没していると判定された場合、排出弁２９の開弁状態が維持されており、制御処理はステップＳ３４に戻る。一方、第１位置の熱流センサ４０が水没していないと判定された場合、制御装置３０は、排出弁２９に閉弁指令を送信する。排出弁２９は、制御装置３０からの指令に従って閉弁する（ステップＳ３８）。

上述したステップＳ３５において、温度センサ３１で検出した結果が予め定めた温度以下でないと判定された場合、制御処理はステップＳ３９に進み、燃料ガス濃度の検出が行われる。このとき、例えば燃料ガス供給経路２２に配置された濃度測定センサ（図示せず）は、燃料ガス供給経路２２を流れる燃料ガスの濃度を測定し、その測定結果を制御装置３０に出力する。制御装置３０は、濃度測定センサから出力された結果に基づいて、測定した燃料ガスの濃度が予め定めた濃度以下か否かを判定する（ステップＳ４０）。

測定した燃料ガスの濃度が予め定めた濃度以下であると判定された場合、制御処理は上述のステップＳ３６に進む。一方、測定した燃料ガスの濃度が予め定めた濃度以下でないと判定された場合、制御処理はステップＳ４１に進み、第２位置の熱流センサ４５の水位検出が行われる。このとき、第２位置の熱流センサ４５は、気液分離器２７内の水位を検出し、検出結果を制御装置３０に出力する。制御装置３０は、第２位置の熱流センサ４５から出力された検出結果に基づいて、該第２位置の熱流センサ４５が水没しているか否かを判定する（ステップＳ４２）。

第２位置の熱流センサ４５が水没していると判定された場合、排出弁２９の開弁状態が維持されており、制御処理はステップＳ３４に戻る。一方、第２位置の熱流センサ４５が水没していないと判定された場合、制御処理は上述のステップＳ３８に進み、排出弁２９は閉弁する。これによって、一連の制御処理は終了する。

本実施形態の燃料電池システム１Ｂによれば、第２実施形態と同様な作用効果を得られるほか、更に以下の作用効果を得ることができる。すなわち、燃料ガスの濃度が予め定めた濃度以下となった場合、第１位置の熱流センサ４０の検出結果に基づき排出弁２９を閉弁することで、燃料電池１０の劣化を防止することができる。

図１１（ａ）は第３実施形態の各熱流センサの出力電圧と時間との関係を示すグラフであり、図１１（ｂ）は気液分離器の貯水量と時間との関係を示すグラフである。図１１（ａ）に示すように、気液分離器２７の底部２７ａ（すなわち、完全排水位置）に配置された第１位置の熱流センサ４０から出力された電圧は、ＩＮＪ噴射（圧力変化）に伴った変動がみられない。この結果から、該第１位置の熱流センサ４０は水没していることが分かる。

これに対し、完全排水直前位置に配置された第２位置の熱流センサ４５から出力された電圧は、ＩＮＪ噴射（圧力変化）に伴った変動がみられ、第１位置の熱流センサ４０と比べて出力された電圧が変化していることが明らかである。これによって、該第２位置の熱流センサ４５は水没していないことが分かる。また、水位上限位置に配置された第３位置の熱流センサ４６から出力された電圧も同様で、第１位置の熱流センサ４０と比べて出力された電圧が変化していることが明らかである。これによって、該第３位置の熱流センサ４６も水没していないことが分かる。

なお、本実施形態における３つの熱流センサについては様々な変形例が考えられる。例えば図１２に示すように、第１位置の熱流センサ４０と第２位置の熱流センサ４５とを一つの熱流センサ４７として構成しても良い。すなわち、熱流センサ４７は、完全排水位置及び完全排水直前位置に対応するように形成されている。熱流センサ４７の出力は、面積に比例するため、出力の大きさと気液分離器２７内の生成水の水位を紐づけることが可能となる。このようにすれば、気液分離器２７の内部に配置する熱流センサの数を少なくすることができるので、熱流センサの配置作業の短縮及びコスト削減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、気液分離器２７の内部に第１位置の熱流センサ４０と第３位置の熱流センサ４６とを設けて、気液分離器２７内の水位が完全排水位置と上限位置との間に維持されるようにしても良い。

１，１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２０ 燃料ガス供給系
２１ 燃料ガスタンク
２２ 燃料ガス供給経路
２３ 循環経路
２４ 排出経路
２５ 燃料ガス供給弁
２６ 燃料ガス圧力センサ
２７ 気液分離器
２７ａ 底部
２８ 水素循環ポンプ
２９ 排出弁
３０ 制御装置
３１ 温度センサ
４０ 熱流センサ（第１位置の熱流センサ）
４０ａ 表面
４０ｂ 裏面
４１ センサ基板
４２ 第１の検出部
４３ 第２の検出部
４５ 第２位置の熱流センサ
４６ 第３位置の熱流センサ
４７ 熱流センサ

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電をする燃料電池と、
   前記燃料電池より排出された燃料オフガスから生成水を分離して貯留する気液分離器と、
   前記気液分離器に接続される排出弁と、
   前記気液分離器の内部または前記排出弁の内部に設けられるとともに、一方の面を前記気液分離器の底面または前記排出弁の底面に接触させ、他方の面を前記気液分離器の貯水側または前記排出弁の貯水側に向けるように配置される熱流センサと、
   前記熱流センサにより検出された結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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