JP2019204575A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器における分離済み液水の排出を図りつつ、燃料電池内のカソードガスの湿潤度が推定可能な気液分離手法を提供する。【解決手段】アノードオフガスをアノードガス供給流路に還流させるアノードガス循環流路に気液分離器を備え、この気液分離器に、分離液水の液位が開閉バルブの側の第１液位以上であることを検出する第１液位センサと、分離液水の液位が第１液位より高い第２液位以上であることを検出する第２液位センサとを有する。分離液水の排出を図る制御部は、気液分離器内の水位が第２液位以上であると、開閉バルブを開弁制御し、気液分離器内の水位が第１液位未満であると、開閉バルブを閉弁制御する。そして、閉弁制御の後に、気液分離器内の水位が第２液位に達するのに要する時間に応じて燃料電池内のカソードガスの湿潤度を推定する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池にアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて、ガス中の水素と酸素の電気化学反応により発電する。燃料電池からのアノードオフガスには、未反応の水素が含まれる。よって、アノードオフガスをアノードガスの供給経路に戻す循環経路を設けた上で、この循環経路に組み込んだ気液分離器で気液分離したアノードガスを再利用している（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−１１５６０３号公報

燃料電池の電気化学反応を効率よく進行させるためには、アノードガスやカソードガスの湿潤度を適切なレベルに保つことが好ましい。しかしながら、特許文献１では、フロートの上下動により管路を開閉する排水弁を用いて水位に応じた液水排出を行うに過ぎないので、燃料電池内のカソードガスの湿潤度を推定する技術について、工夫の余地があった。

本発明は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給流路と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記アノードガス供給流路に還流させるアノードガス循環流路と、前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスから液水を分離する気液分離器と、該気液分離器が分離した液水を前記気液分離器から排水する排水流路を開閉する開閉バルブと、前記気液分離器内の水位が前記開閉バルブの側の第１液位以上であることを検出する第１液位センサと、前記気液分離器内の水位が前記第１液位より高い第２液位以上であることを検出する第２液位センサと、前記気液分離器内の水位が前記第２液位以上であると、前記開閉バルブを開弁制御し、前記気液分離器内の水位が前記第１液位未満であると、前記開閉バルブを閉弁制御する制御部とを備え、該制御部は、前記閉弁制御の後に、前記気液分離器内の水位が前記第２液位に達するのに要する時間に応じて前記燃料電池内の前記カソードガスの湿潤度を推定する。燃料電池内において、カソードガスの湿潤度が高ければ、カソードからアノードに水分が透過して、アノードの湿潤度も上昇するので、アノードオフガスに含まれる水分量が増加し、気液分離器で分離される液水の量が増加する。従って、上記形態の燃料電池システムによれば、気液分離器内の水位の上昇時間に応じて、カソードガスの湿潤度を推定することが可能となる。
本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムの制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 気液分離器の内部構造を概略断面視して示す説明図である。 気液分離器に設けた第１液位センサによる第１液位の水位検出の様子を概略的に示す説明図である。 気液分離器に設けた第１液位センサによる第１液位の水位検出の様子をインジェクタの噴射周期と圧力センサの出力と関連付けて示す説明図である。 第１実施形態における気液分離器での分離液水管理の手順を示すフローチャートである。 第１実施形態における空気供給系でのカソードガスの加湿管理の手順を示すフローチャートである。 第１実施形態におけるガス加湿槽での加湿液水管理の手順を示すフローチャートである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両（燃料電池車両）に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池（Fuel Cell／ＦＣ）１００と、空気供給系２００と、水素ガス供給系３００と、図示しない冷却系と、制御装置６００と、を備える。

燃料電池１００は、発電体としての燃料電池セル１１０を複数積層したスタック構造を有している。燃料電池セル１１０は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）と、膜電極接合体のアノードおよびカソードの両側から挟持する２枚のセパレータとによって構成されている。燃料電池１００は、後述の水素ガス供給系３００からアノードに供給された燃料ガス（アノードガス）としての水素ガスにおける水素と、空気供給系２００からカソードに供給された酸素含有の酸化ガス（カソードガス）としての空気に含まれる酸素と、の電気化学反応によって発電し、その発電電力にて駆動用モータ等の負荷を駆動する。

空気供給系２００は、燃料電池１００のカソードに、酸素を含む空気を供給する。空気供給系２００は、カソードガス供給流路２１０と、放出流路２２０と、コンプレッサー２３０と、調圧バルブ２４０と、ガス加湿槽２６０と、を備える。カソードガス供給流路２１０は、コンプレッサー２３０の下流に三方弁２５０を備え、この三方弁２５０から、燃料電池１００に直に接続された第１カソードガス供給流路２１１と、三方弁２５０から、ガス加湿槽２６０を経て燃料電池１００に接続された第２カソード供給流路２１２とを備える。第２カソード供給流路２１２は、ガス加湿槽２６０に貯留済みの加湿水Ｗｃに埋没するまで三方弁２５０から至る経路で配設された上流側供給流路２１２ｕと、ガス加湿槽２６０に貯留済みの加湿水Ｗｃの液面より上方域の槽内エアー域２６０ａから延びて第１カソードガス供給流路２１１に合流する経路で配設された下流側供給流路２１２ｄとを備える。

コンプレッサー２３０は、後述の制御装置６００の制御下で駆動し、カソードガス供給流路２１０を介して外気（空気）を吸引し、流量調整した空気を下流に圧送する。コンプレッサー２３０の下流に配設された三方弁２５０は、後述の制御装置６００の制御下で駆動し、第１カソードガス供給流路２１１と第２カソード供給流路２１２とに、コンプレッサー２３０からの圧送空気を分流して流し込む。この際の分流比、即ち三方弁２５０の開度は、制御装置６００にて制御される。第１カソードガス供給流路２１１は、外気と同じ湿潤状態で、燃料電池１００に空気を未加湿で供給する。これに対し、第２カソード供給流路２１２は、上流側供給流路２１２ｕからガス加湿槽２６０の加湿水Ｗｃの液中に空気を吹き出した上で、加湿水Ｗｃの液面より上方域の槽内エアー域２６０ａに浮き上がった加湿済みの空気を、下流側供給流路２１２ｄを経て燃料電池１００に供給する。下流側供給流路２１２ｄは、ガス加湿槽２６０の天井壁で槽内エアー域２６０ａと接続されており、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位は後述するように管理されている。よって、下流側供給流路２１２ｄがガス加湿槽２６０の加湿水Ｗｃで閉塞されるようなことはない。なお、三方弁２５０およびガス加湿槽２６０を介した加湿済み空気の供給については、後述する。

空気供給系２００は、ガス加湿槽２６０に関連して、加湿水水位センサ２６１と、加湿水導入流路２７０と、液水ポンプ２７２と、加湿水放出流路２８０と、加湿水排出バルブ２８２と、を備える。加湿水水位センサ２６１は、ガス加湿槽２６０の内壁に装着され、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位が、上流側供給流路２１２ｕが加湿水Ｗｃに確実に埋没している所定水位、例えば、ガス加湿槽２６０の高さ方向のほぼ中央域に位置する水位（以下、この水位を保水水位ＷｃＬと称する）以上であることを検出する。本実施形態では、この加湿水水位センサ２６１を熱流束センサを用いて構成し、加湿水Ｗｃの水位を検出する。加湿水水位センサ２６１による水位検出については、後述する。

加湿水導入流路２７０は、後述の水素ガス供給系３００に含まれる排出水貯留槽４３０からガス加湿槽２６０に至るまで配設されている。液水ポンプ２７２は、この加湿水導入流路２７０に組み込まれ、排出水貯留槽４３０が貯留した排出水Ｗｏを、加湿水導入流路２７０を経てガス加湿槽２６０に送り込む。加湿水放出流路２８０は、ガス加湿槽２６０と槽下端側で接続され、放出流路２２０に合流する。この加湿水放出流路２８０は、流路途中に配設された加湿水排出バルブ２８２による流路開放により、ガス加湿槽２６０の加湿水Ｗｃを放出流路２２０を経由して大気放出する。排出水Ｗｏのガス加湿槽２６０への送り込み、および加湿水Ｗｃの大気放出については、後述する。

放出流路２２０は、燃料電池１００のカソードの出口に接続されている。この放出流路２２０は、カソードの出口から排出される未消費の酸素を含む空気（カソードオフガス）を大気放出する。空気供給系２００における空気供給、供給される空気（カソードガス）のガス加湿槽２６０を介した加湿化、並びに、カソードオフガスの排出は、後述する制御装置６００によって制御される。

水素ガス供給系３００は、燃料電池１００の発電に利用される水素ガスを燃料電池１００のアノードに供給する。水素ガス供給系３００は、水素ガスタンク３１０と、水素ガス供給路３２０と、アノードガス循環流路３３０と、開閉バルブ３４０と、調圧バルブ３５０と、インジェクタ３６０と、圧力センサ３２２と、水素ガスポンプ３７０と、気液分離器３８０と、排水流路３９０と、排出バルブ３９５と、排出水貯留槽４３０と、備える。

水素ガスタンク３１０は、高圧の水素 ガスを貯蔵している。水素ガスタンク３１０は、アノードガス供給流路としての水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００のアノードの入口と接続されている。水素ガス供給路３２０には、水素ガスタンク３１０側から、開閉バルブ３４０と、調圧バルブ３５０と、インジェクタ３６０、圧力センサ３２２とがこの順に設けられている。開閉バルブ３４０は、水素ガスタンク３１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧バルブ３５０は、インジェクタ３６０へ供給する水素ガスの圧力を調整する。インジェクタ３６０は、調圧バルブ３５０から供給された水素ガスを、水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００のアノードに向けて、要求される負荷に応じた噴射量で噴射し、燃料電池１００への水素ガスの供給量を調整する。圧力センサ３２２は、水素ガス供給路３２０の圧力を検出する。水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００に供給された水素ガスは、複数の燃料電池セル１１０の積層によって構成された供給側の水素ガス流通路１０２ａを流通して、各燃料電池セル１１０に供給される。各燃料電池セルで使用されなかった未使用の水素ガスを含むアノードオフガスは、複数の燃料電池セル１１０の積層によって構成された排出側の水素ガス流通路１０２ｂを流通して、アノードガス循環流路３３０へ排出される。このアノードオフガスには、各燃料電池セル１１０の発電により生成された生成水がアノードに透過した透過水に加え、カソード側からアノード側へ透過した窒素ガス等の不純物ガスが含まれる。

アノードガス循環流路３３０は、燃料電池１００のアノードの出口と、圧力センサ３２２よりも燃料電池１００側の水素ガス供給路３２０の部分と、に接続され、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスを水素ガス供給路３２０に還流させる。アノードガス循環流路３３０には、気液分離器３８０と、水素ガスポンプ３７０とが設けられている。気液分離器３８０は、燃料電池１００から排出された液水混じりのアノードオフガスから液水を分離し、分離液水Ｗａを貯留する。気液分離器３８０で液水が分離されたアノードオフガスは、水素ガスポンプ３７０によって、アノードガス循環流路３３０を介して水素ガス供給路３２０に還流され、アノードオフガスに含まれる水素ガスは燃料電池１００に循環供給される。従って、燃料電池１００に供給されるアノードガス(燃料ガス）は、実際には、水素ガスおよび不純物ガスを含む混合ガスである。

燃料電池１００による発電を効率的に行うためには、不純物ガスの濃度が高く水素ガスの濃度が低くなるのは好ましくない。そこで、アノードオフガスに含まれる不純物ガスの濃度が高く、水素ガスの濃度が低くなった場合には、排水流路３９０を開閉する排出バルブ３９５を開いて、気液分離器３８０から排水流路３９０にアノードオフガスを排出するガス排出制御が行われる。また、この際、インジェクタ３６０から水素ガスを噴射することで、不純物ガスの濃度を低くし水素ガスの濃度を高くする制御が行なわれる。なお、ガス排出制御については、後述の排出水貯留槽４３０と関連付けて、後述する。

排水流路３９０は、気液分離器３８０に機器下端側において接続され、気液分離器３８０の側から排出バルブ３９５と排出水貯留槽４３０とをこの順に流路途中に配設した上で、空気供給系２００の放出流路２２０に接続されている。排出水貯留槽４３０は、気液分離器３８０の分離した分離液水を貯留する槽であり、槽内壁に排出水水位センサ４３１を備える。この排出水水位センサ４３１は、排出水貯留槽４３０において槽内エアー域４３０ａが槽内容積の２０〜３０％ほど確保される排出水Ｗｏの水位（以下、この水位を排出水水位ＷｏＬと称する）以上であることを検出する。本実施形態では、この排出水水位センサ４３１を熱流束センサを用いて構成し、排出水Ｗｏの水位を検出する。排出水水位センサ４３１による水位検出については、後述する。

排水流路３９０は、排出水貯留槽４３０の上記した槽内エアー域４３０ａと連通するように排出水貯留槽４３０と接続されている。よって、アノードオフガスに含まれる不純物ガスを気液分離器３８０から排水流路３９０にアノードオフガスと共に排出するガス排出制御がなされると、不純物ガス含有のアノードオフガスは、排出水貯留槽４３０の槽内エアー域４３０ａを通過し、排出水貯留槽４３０下流側の排水流路３９０と当該流路が接続された放出流路２２０を経て大気放出される。このガス排出制御を始めとする水素ガス供給系３００の種々の制御は、開閉バルブ３４０、調圧バルブ３５０、インジェクタ３６０、水素ガスポンプ３７０、および、排出バルブ３９５が、後述する制御装置６００によって制御されることで実行される。

制御装置６００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、圧力センサ３２２や第１液位センサ４１０、第２液位センサ４２０などの各種センサ等のセンサ入力を受けて、コンプレッサー２３０や調圧バルブ２４０、インジェクタ３６０、調圧バルブ３５０、開閉バルブ３４０、排出バルブ３９５等の各種のバルブの開閉制御等を含む燃料電池１００の種々の制御を行なう。例えば、制御装置６００は、空気供給系２００や水素ガス供給系３００等を制御して燃料電池１００の動作を制御するＦＣ制御部６１０や、気液分離器３８０からの分離液水の排出や不純物ガス含有のアノードオフガスの排出を図る排出バルブ３９５の開閉を制御する排出バルブ制御部６２０、カソードガスの加湿化を図るガス加湿部６３０を有している。

次に、気液分離器３８０について詳述する。図２は、気液分離器３８０の内部構造を概略断面視して示す説明図である。なお、図２において、方向Ｄｖは鉛直方向を示し、方向Ｄｈは水平方向を示している。

図示するように、気液分離器３８０は、燃料電池１００からのアノードオフガスが流入する内部空間３８２を、ケーシング３８１により取り囲んで形成している。内部空間３８２は、略ロート形状を有しており、中央の底部に排気排水部３８３を有している。排気排水部３８３には、側壁に設けられた連通路３８４を介して排出バルブ３９５が接続されている。内部空間３８２には、アノードオフガスから気液分離された分離液水Ｗａが貯められる。排気排水部３８３は、内部空間３８２に貯められた分離液水Ｗａを集めて、連通路３８４および排出バルブ３９５を介して排水流路３９０へ排水する。気液分離器３８０から排水された分離液水Ｗａは、図１に示す排出水貯留槽４３０に入り込んで当該貯留槽で貯留され排出水Ｗｏとなる。また、既述したガス排出制御では、内部空間３８２に流入した不純物ガス含有のアノードオフガスが連通路３８４および排出バルブ３９５を介して排水流路３９０へ排出される。

気液分離器３８０は、ケーシング３８１の上部の開口部３８５を、水素ガスポンプ（ＨＰ）３７０の吸入口３７１に接続している。内部空間３８２に流入し、液水が分離されたアノードオフガスは、開口部３８５および吸入口３７１を介して水素ガスポンプ３７０に吸気され、排出口３７２から排気され、水素ガス供給路３２０（図１参照）を経て燃料電池１００へ環流供給される。内部空間３８２は、図１に示すアノードガス循環流路３３０の一部を構成し、アノードオフガスが流通する流路として機能する。なお、図２に示した実線の矢印は、気液分離器３８０の内部空間３８２におけるアノードオフガスのガス気流Ｆｈｇの概要を示している。

気液分離器３８０は、ケーシング３８１の内周側面３８６に、第１液位センサ４１０と第２液位センサ４２０とを備える。この両センサは、ガス加湿槽２６０における加湿水水位センサ２６１や排出水貯留槽４３０における排出水水位センサ４３１と同様、熱流束センサを用いて構成され、第１液位センサ４１０は、分離液水Ｗａの液位が排出バルブ３９５の側、詳しくはケーシング３８１の立設壁の最下端側の第１液位ＷａＬ１以上であることを検出する。第２液位センサ４２０は、分離液水Ｗａの液位が第１液位ＷａＬ１より高水位の第２液位ＷａＬ２であることを検出する。つまり、第１液位ＷａＬ１は、第１液位センサ４１０が分離液水Ｗａに水没する際の液位であり、第２液位ＷａＬ２は、第２液位センサ４２０が分離液水Ｗａに水没する際の液位である。そして、第２液位ＷａＬ２は、内部空間３８２における分離液水Ｗａの水面より上方側の槽内エアー域３８０ａが内部空間３８２の容積の３０〜４０％ほど確保される水位とされている。第１液位センサ４１０と第２液位センサ４２０による水位検出について、以下に説明する。

図３は、気液分離器３８０に設けた第１液位センサ４１０による第１液位ＷａＬ１の水位検出の様子を概略的に示す説明図である。熱流束センサを用いて構成された第１液位センサ４１０は、分離液水Ｗａに水没しないで内部空間３８２に露出していると、内部空間３８２を流れるアノードオフガスのガス気流Ｆｈｇに晒されてセンサ基板４０１の厚さ方向に発生する熱流束ｑにより生じる、内部空間３８２側の表面４０２の温度と、内周側面３８６に接する裏面４０３の温度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を発生し、この起電力を熱流束ｑの検出信号として検出する。この場合の熱流束ｑは、第１液位センサ４１０がアノードオフガスのガス気流Ｆｈｇに晒されていることに起因して発生する単位面積当たりの熱流量であり、第１液位センサ４１０は、熱流束ｑの検出信号をセンサ出力として発する。なお、第１液位センサ４１０は、表面４０２に熱電対によって構成される検出部４０４，４０５を有しており、検出部４０４，４０５が温度差によって発生する起電力を、熱流束ｑの検出信号として検出する。その一方、分離液水Ｗａの水位が上昇して第１液位ＷａＬ１に達すると、第１液位センサ４１０は、分離液水Ｗａに水没して分離液水Ｗａに晒され、分離液水Ｗａに晒されていることに起因して発生する熱流束ｑの検出信号をセンサ出力として発する。

図４は、気液分離器３８０に設けた第１液位センサ４１０による第１液位ＷａＬ１の水位検出の様子をインジェクタ３６０の噴射周期と圧力センサ３２２の出力と関連付けて示す説明図である。インジェクタ３６０は、制御装置６００の制御下で、噴射周期ＴｉのＯＮ期間（噴射期間）Ｔｏｎで水素ガスを噴射し、ＯＦＦ期間（非噴射期間）Ｔｏｆｆでは水素ガスを噴射しない。この噴射周期Ｔｉは、要求負荷に応じてＦＣ制御部６１０にて設定され、ＦＣ制御部６１０は、設定した噴射周期Ｔｉでインジェクタ３６０から水素ガスを噴射する。燃料電池１００から気液分離器３８０の内部空間３８２に排出されるアノードオフガスは、内部空間３８２において、水素ガスの噴射／非噴射に応じた圧力変動が反映したガス気流Ｆｈｇで流れる。よって、分離液水Ｗａに水没していない第１液位センサ４１０は、水素ガスの噴射／非噴射に応じた圧力変動が反映したガス気流Ｆｈｇに晒されるので、検出する熱流束が圧力変動に対応して変動し、図４の左方に示すように、第１液位センサ４１０の出力電圧（センサ出力）が変動する。こうして得られた第１液位センサ４１０の出力の変動量Ｖｈｆは、圧力センサ３２２の検出圧力の変動量Ｖｐに対応する。

これに対し、分離液水Ｗａの水位が第１液位ＷａＬ１に達して第１液位センサ４１０が分離液水Ｗａに水没すると、第１液位センサ４１０は、分離液水Ｗａに晒されるに過ぎず、分離液水Ｗａに晒されていることに起因して発生するほぼ一定の熱流束ｑに対応した検出信号をセンサ出力として継続的に発する。よって、分離液水Ｗａが第１液位ＷａＬ１以上となると、第１液位センサ４１０は、分離液水Ｗａへの水没により、図４の右方に示すように、ほぼ一定の出力電圧（センサ出力）を出力し、その変動量Ｖｈｆは、圧力センサ３２２の検出圧力の変動量Ｖｐに対応することなく、ほぼ値ゼロとなる。こうしたセンサ出力推移により、第１液位センサ４１０は、分離液水Ｗａの水位が第１液位ＷａＬ１以上であることを的確に検知する。第２液位センサ４２０も同様であり、この第２液位センサ４２０は、分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２以上であることを的確に検知する。ガス加湿槽２６０における加湿水水位センサ２６１は、ガス加湿槽２６０に貯留される加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬ以上であることを的確に検知する。排出水貯留槽４３０における排出水水位センサ４３１は、気液分離器３８０から流れ込んで排出水貯留槽４３０に貯留される排出水Ｗｏの水位が排出水水位ＷｏＬ以上であることを的確に検知する。

図５は、第１実施形態における気液分離器３８０での分離液水管理の手順を示すフローチャートである。この分離液水管理は、制御装置６００の排出バルブ制御部６２０によって繰り返し実行され、排出バルブ制御部６２０は、まず、気液分離器３８０における第１液位センサ４１０と第２液位センサ４２０のセンサ出力を読み込む（ステップＳ１００）。なお、上記の両水位センサのセンサ出力は、図４で説明したように、変動量Ｖｈｆの大きな出力、或いは変動量Ｖｈｆがほぼ値０の出力のいずれかである。

次いで、排出バルブ制御部６２０は、読み込んだセンサ出力から、気液分離器３８０（図２参照）における現時点の分離液水Ｗａの水位が第２液位センサ４２０を水没させる第２液位ＷａＬ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２より低いと否定判定すると、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１００で読み込んだセンサ出力から、現時点の分離液水Ｗａの水位が第１液位センサ４１０を水没させる第１液位ＷａＬ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。このステップＳ１２０で分離液水Ｗａの水位が第１液位ＷａＬ１未満であると否定判定すると、排出バルブ制御部６２０は、排出バルブ３９５を閉弁制御した上で、閉弁制御の制御実行時刻Ｔｓを記憶し（ステップＳ１３０）、一旦、分離液水管理を終了する。こうして排出バルブ３９５が閉弁されると、気液分離器３８０では、それ以降において内部空間３８２に分離液水Ｗａが継続して貯留され、水位が上昇する。ステップＳ１２０において分離液水Ｗａの水位が第１液位ＷａＬ１以上であると肯定判定した場合は、前回以前の分離液水管理における排出バルブ３９５の閉弁制御（ステップＳ１３０）を経て水位上昇中であることから、特段の制御を行うことなく、一旦、分離液水管理を終了する。

一方、ステップＳ１１０で、分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２以上であると肯定判定すると、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１４０において、次の水位判定を行う。この水位判定において、排出バルブ制御部６２０は、前回以前の分離液水管理における排出バルブ３９５の閉弁制御の制御実行時刻Ｔｓから、予め規定した規定時間内で分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２以上となったかを判定する。このステップＳ１４０において、排出バルブ３９５の閉弁制御の後において規定時間内で分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２以上となったと肯定判定すると、排出バルブ制御部６２０は、カソードガスの加湿化を図る旨を示す加湿化フラグＦｃのリセットと（ステップＳ１５０）、排出バルブ３９５の開弁制御（ステップＳ１６０）とを順次実行して、一旦、分離液水管理を終了する。

排出バルブ３９５の閉弁制御の後において規定時間内で分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２以上となれば、気液分離器３８０に流れ込んたアノードオフガスから気液分離されて内部空間３８２に貯留される分離液水Ｗａの液量が適正であるので、アノードオフガスは、過不足なく湿潤されていると想定される。アノードオフガスの湿潤は、アノードへの生成水の浸透やカソードガス中の水分の浸透により起きることから、燃料電池１００におけるカソードガスの湿潤の程度も高いと推定できる。よって、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１４０での肯定判定に続くステップＳ１５０にて、カソードガスの加湿化は現時点では無用であるとして、加湿化フラグＦｃをリセットし、これに続くステップＳ１６０での排出バルブ３９５の開弁制御を経て、分離液水Ｗａを気液分離器３８０から排出水貯留槽４３０（図１参照）に排出する。この分離液水Ｗａの排出により、気液分離器３８０では、分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２から低下する。排出バルブ３９５の開弁制御を経て分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２から低下すると、次回以降に実行される分離液水管理において、ステップＳ１１０での否定判定と、これに続くステップＳ１２０での否定判定を経て、排出バルブ３９５の閉弁制御がなされる（ステップＳ１３０）。

本実施形態では、既述した規定時間を、燃料電池１００の運転状態、具体的には、要求負荷に対応した発電電力や燃料電池１００の温度等に対応付けてマップ状に予め規定して記憶している。よって、排出バルブ制御部６２０は、現状の要求負荷や燃料電池１００の温度等に対応した規定時間をマップを参照して算出し、その算出した規定時間を用いて、ステップＳ１４０での水位到達を判定する。

ステップＳ１４０において、排出バルブ３９５の閉弁制御の後において規定時間内に分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２以上とならなかったと否定判定すると、排出バルブ制御部６２０は、加湿化フラグＦｃへの値１のセットと（ステップＳ１７０）、カソードガスの加湿制御目標の算出（ステップＳ１８０）とを順次実行した上で、ステップＳ１６０の排出バルブ３９５の開弁制御に移行して、一旦、分離液水管理を終了する。なお、ステップＳ１４０において否定判定した場合であっても、ステップＳ１６０での排出バルブ３９５の開弁制御がなされることから、分離液水Ｗａの排出による分離液水Ｗａの水位低下は起き、次回以降に実行される分離液水管理において、ステップＳ１１０での否定判定と、これに続くステップＳ１２０での否定判定を経て、排出バルブ３９５の閉弁制御がなされる（ステップＳ１３０）。

排出バルブ３９５の閉弁制御の後において規定時間内で分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２以上とならなければ、気液分離器３８０に流れ込んたアノードオフガスから気液分離されて内部空間３８２に貯留される分離液水Ｗａの液量は少ないことになる。よって、アノードオフガスの湿潤は不足していると想定され、燃料電池１００におけるカソードガスの湿潤の程度も低いと推定できる。こうしたことから、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１４０での否定判定に続くステップＳ１７０にて、カソードガスの加湿化を図るべきであるとして、加湿化フラグＦｃをセットし、これに続くステップＳ１８０でカソードガスの加湿制御目標を算出する。排出バルブ制御部６２０は、カソードガスの加湿制御目標を、燃料電池１００の運転状態、具体的には、要求負荷に対応した発電電力や燃料電池１００の温度等に対応付けてマップ状に予め規定して記憶している。よって、排出バルブ制御部６２０は、現状の要求負荷や燃料電池１００の温度等に対応したカソードガスの加湿制御目標をマップを参照して算出し、その算出結果を記憶する。

なお、規定時間内に分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２に達しないことは、水位が第２液位ＷａＬ２に達するのに要する時間が規定時間を越えることを意味する。よって、この場合は、燃料電池１００内のカソードガスの湿潤度が過度に低いものと想定することができるので、加湿化フラグＦｃをセットしてカソードガスの加湿化を実行する。

図６は、第１実施形態における空気供給系２００でのカソードガスの加湿管理の手順を示すフローチャートである。この加湿管理は、既述した分離液水管理において加湿化フラグＦｃがセットされたことを受けて、制御装置６００のガス加湿部６３０に実行される。ガス加湿部６３０は、まず、既述した分離液水管理において排出バルブ制御部６２０が算出・記憶したカソードガスの加湿制御目標を読み込む（ステップＳ２００）。次いで、ガス加湿部６３０は、読み込んだカソードガスの加湿制御目標をカソードガス供給流路２１０における三方弁２５０の分流開度に展開し（ステップＳ２１０）、三方弁２５０をこの分流開度に変更制御する（ステップＳ２２０）。三方弁２５０の分流開度は、初期値において、図１に示す第１カソードガス供給流路２１１の開度が１００％で第２カソード供給流路２１２の開度が０％とされている。よって、カソードガスの加湿管理が実行されない状況、即ち加湿化フラグＦｃが既述した分離液水管理においてセットされていない状況では、三方弁２５０は、コンプレッサー２３０の圧送する空気を全て第１カソードガス供給流路２１１に送り込む。その一方、カソードガスの加湿管理のステップＳ２２０において分流開度が変更制御されると、三方弁２５０は、カソードガスの加湿制御目標に対応した分流開度、例えば第１カソードガス供給流路２１１の開度が７０％で第２カソード供給流路２１２の開度が３０％となるに、コンプレッサー２３０の圧送する空気を第１カソードガス供給流路２１１と第２カソード供給流路２１２とに分流して送り込む。これにより、燃料電池１００のカソードは、第２カソード供給流路２１２から流れ込んだカソードガスに含まれる液分により加湿される。

こうしてカソードガスの加湿化を図った後、ガス加湿部６３０は、カソードガスの加湿が完了したか否かを判定し（ステップＳ２３０）、加湿完了まで、既述した分流開度に基づいたカソードガスの加湿を継続し、その後、加湿管理を終了する。カソードガスの加湿が進めば、電解質膜の好適な湿潤を通して電気化学反応が活性化して、アノードへの生成水の浸透も進み、アノードオフガスの過不足のない湿潤が起きると想定される。そうすると、既述した分離液水管理においては、加湿化フラグＦｃをセットした後の処理において、ステップＳ１４０で、排出バルブ３９５の閉弁制御の後において規定時間内で分離液水Ｗａの水位が第２液位ＷａＬ２以上となったと肯定判定され、これに続くステップＳ１５０で加湿化フラグＦｃがリセットされる。こうしたことから、ガス加湿部６３０は、ステップＳ２３０において、カソードガスの加湿完了を、加湿化フラグＦｃが値ゼロに推移したか否かで判定する。

図７は、第１実施形態におけるガス加湿槽２６０での加湿液水管理の手順を示すフローチャートである。この加湿液水管理は、制御装置６００の排出バルブ制御部６２０に実行される。排出バルブ制御部６２０は、まず、ガス加湿槽２６０における加湿水水位センサ２６１と排出水貯留槽４３０における排出水水位センサ４３１のセンサ出力を読み込む（ステップＳ３００）。なお、両水位センサのセンサ出力は、図４で説明したように、変動量Ｖｈｆの大きな出力、或いは変動量Ｖｈｆがほぼ値０の出力のいずれかである。

次いで、排出バルブ制御部６２０は、読み込んだ加湿水水位センサ２６１のセンサ出力から、ガス加湿槽２６０における現時点の加湿水Ｗｃの水位が加湿水水位センサ２６１を水没させる保水水位ＷｃＬ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３１０）。ここで、加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬより低いと否定判定すると、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ３００で読み込んだセンサ出力から、排出水貯留槽４３０における現時点の排出水Ｗｏの水位が排出水水位センサ４３１を水没させる排出水水位ＷｏＬ以上であるか否かを判定する（ステップＳ３２０）。このステップＳ３２０で排出水Ｗｏの水位が排出水水位ＷｏＬ以上であると肯定判定すると、排出バルブ制御部６２０は、液水ポンプ２７２を駆動（吸水駆動）する（ステップＳ３３０）。その後、排出バルブ制御部６２０は、改めて、ガス加湿槽２６０における現時点の加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬ以上であるか否かを判定し（ステップＳ３４０）、ポンプ駆動を、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬに達するまで継続して、加湿水管理を終了する。その一方、ステップＳ３２０で排出水Ｗｏの水位が排出水水位ＷｏＬ未満であると否定判定すると、排出水Ｗｏの貯留量が少ないためにガス加湿槽２６０への加湿水補給を控えるべく、何の処理を行うことなく、加湿水管理を終了する。

ステップＳ３１０において、加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬ以上であると肯定判定すると、排出バルブ制御部６２０は、加湿水放出流路２８０における加湿水排出バルブ２８２を開弁制御する（ステップＳ３５０）。その後、排出バルブ制御部６２０は、改めて、ガス加湿槽２６０における現時点の加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬ以上であるか否かを判定し（ステップＳ３４０）、加湿水排出バルブ２８２の開弁を、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬに達するまで継続して、加湿水管理を終了する。ステップＳ３１０での肯定判定に続くステップＳ３５０での加湿水排出バルブ２８２の開弁制御は、次の理由でなされる。

排出バルブ制御部６２０は、排出水貯留槽４３０における槽内エアー域４３０ａを所定の容積で確実に確保するため、排出水貯留槽４３０において排出水Ｗｏの水位が排出水水位ＷｏＬに達すると、液水ポンプ２７２を駆動して、排出水貯留槽４３０の排出水Ｗｏをガス加湿槽２６０に送り込む。そうすると、ガス加湿槽２６０では、加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬより高くなる状況が継続し、ガス加湿槽２６０における槽内エアー域２６０ａの容積確保ができない状況が起き得る。こうした状況を招かないため、ステップＳ３１０での肯定判定に続くステップＳ３５０での加湿水排出バルブ２８２の開弁制御がなされる。

第１実施形態の燃料電池システム１０は、上記のように、気液分離器３８０における分離液水Ｗａの液位が高水位の第２液位ＷａＬ２以上であると（ステップＳ１１０：肯定判定）、排出バルブ３９５を開弁制御して（ステップＳ１６０）、気液分離器３８０における分離液水Ｗａの排出を図る。また、第１実施形態の燃料電池システム１０は、気液分離器３８０における分離液水Ｗａの水位が気液分離器３８０の底壁の側、即ち排出バルブ３９５の側で低水位の第１液位ＷａＬ１未満であると（ステップＳ１２０：否定判定）、排出バルブ３９５を閉弁制御して（ステップＳ１３０）、気液分離器３８０の連通路３８４からのアノードオフガスの排出を阻止する。その上で、第１実施形態の燃料電池システム１０は、排出バルブ３９５の閉弁制御（ステップＳ１３０）の後において気液分離器３８０における分離液水Ｗａの液位が予め規定した規定時間内に第２液位ＷａＬ２以上となると（ステップＳ１４０：肯定判定）、排出バルブ３９５を開弁制御し（ステップＳ１６０）、規定時間内に分離液水Ｗａの液位が第２液位ＷａＬ２以上とならない場合には（ステップＳ１４０：否定判定）、燃料電池１００におけるカソードガスの湿潤の程度が低いと推定して、カソードガスの加湿化を図る（ステップＳ２００〜２３０）。この結果、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池１００におけるカソードガスの湿潤の程度が低いとの推定に基づいたカソードガスの加湿化（高湿度化）を通して、アノードへの水分の浸透によりアノードオフガスに含まれる水分量の適正化を図ることができる。

第１実施形態の燃料電池システム１０は、アノードオフガスから分離した分離液水Ｗａをガス加湿槽２６０に加湿水Ｗｃとして貯留した上で、この加湿水Ｗｃによりカソードガスの加湿化を達成する。よって、分離液水Ｗａの再利用を図ることができる。

第１実施形態の燃料電池システム１０は、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬ未満であれば（ステップＳ３１０：否定判定）、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬとなるまで液水ポンプ２７２を駆動して（ステップＳ３３０）、加湿水Ｗｃを補給する。また、加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬ以上であれば（ステップＳ３１０：肯定判定）、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位が保水水位ＷｃＬとなるまで加湿水排出バルブ２８２を開弁して（ステップＳ３５０）、加湿水Ｗｃを排出する。よって、第１実施形態の燃料電池システム１０によれば、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位維持を図った上で、この加湿水Ｗｃによるカソードガス加湿の均等化をもたらす。

第１実施形態の燃料電池システム１０は、気液分離器３８０における第１液位センサ４１０を、図２に示すように、内周側面３８６の最下端とし、排出バルブ３９５に至る連通路３８４との間に隔たりを確保している。その上で、第１液位センサ４１０が排出水Ｗｏの水位が第１液位ＷａＬ１未満となると排出バルブ３９５を閉弁している（ステップＳ１３０）。よって、排出バルブ３９５の開弁に伴い、分離液水Ｗａと一緒にアノードオフガスを気液分離器３８０から排出してしまうような事態を抑制できる。なお、アノードオフガスにおける不純物ガス含有量が大きくなった際に、気液分離器３８０から意図的にアノードオフガスを排出するガス排出制御の際には、この不純物ガス含有のアノードオフガスは、排出水貯留槽４３０の槽内エアー域４３０ａを経て放出流路２２０に排出される。よって、不純物ガス含有のアノードオフガスを不用意にガス加湿槽２６０に導いてしまうような事態を回避できる。

第１実施形態の燃料電池システム１０は、気液分離器３８０における加湿水Ｗｃの水位に応じた加湿水排出バルブ２８２の開閉制御（ステップＳ１１０〜Ｓ１６０）により、加湿水Ｗｃの水位を、常に第１液位ＷａＬ１と第２液位ＷａＬ２の間に保つ。この点からも、排出バルブ３９５の開弁に伴い、分離液水Ｗａと一緒にアノードオフガスを気液分離器３８０から排出してしまう事態の抑制に有益である。

Ｂ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような形態での実施も可能である。

（１）第１実施形態では、ガス加湿槽２６０に気液分離器３８０で気液分離した分離液水Ｗａを導き、この分離液水Ｗａを加湿水Ｗｃとしたが、これに限らない。例えば、燃料電池１００の図示しない冷却系に用いる冷却水をガス加湿槽２６０に導くようにしてもよい。また、放出流路２２０における調圧バルブ２４０を用いて、燃料電池１００のカソードガス流路の背圧の上昇を図り、これにより、カソードオフガスに含まれる水分量を減少させて、第１カソードガス供給流路２１１から燃料電池セル１１０のカソードに供給されるカソードガスの湿潤化を図るようにしてもよい。この場合には、ガス加湿槽２６０と第２カソード供給流路２１２を省略できる。

（２）第１実施形態では、ガス加湿槽２６０における加湿水Ｗｃの水位検出を図る第１液位センサ４１０と第２液位センサ４２０とを、熱流束センサを用いて構成したが、加湿水Ｗｃの水位が第１液位ＷａＬ１と第２液位ＷａＬ２の液位以上であることを検出できれば、他のセンサ構成としてもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム、１００…燃料電池、１０２ａ…水素ガス流通路、１０２ｂ…水素ガス流通路、１１０…燃料電池セル、２００…空気供給系、２１０…カソードガス供給流路、２１１…第１カソードガス供給流路、２１２…第２カソード供給流路、２１２ｄ…下流側供給流路、２１２ｕ…上流側供給流路、２２０…放出流路、２３０…コンプレッサー、２４０…調圧バルブ、２５０…三方弁、２６０…ガス加湿槽、２６０ａ…槽内エアー域、２６１…加湿水水位センサ、２７０…加湿水導入流路、２７２…液水ポンプ、２８０…加湿水放出流路、２８２…加湿水排出バルブ、３００…水素ガス供給系、３１０…水素ガスタンク、３２０…水素ガス供給路、３２２…圧力センサ、３３０…アノードガス循環流路、３４０…開閉バルブ、３５０…調圧バルブ、３６０…インジェクタ、３７０…水素ガスポンプ、３７１…吸入口、３７２…排出口、３８０…気液分離器、３８０ａ…槽内エアー域、３８１…ケーシング、３８２…内部空間、３８３…排気排水部、３８４…連通路、３８５…開口部、３８６…内周側面、３９０…排水流路、３９５…排出バルブ、４０１…センサ基板、４０２…表面、４０３…裏面、４１０…第１液位センサ、４２０…第２液位センサ、４３０…排出水貯留槽、４３０ａ…槽内エアー域、４３１…排出水水位センサ、６００…制御装置、６１０…ＦＣ制御部、６２０…排出バルブ制御部、６３０…ガス加湿部、Ｄｈ…水平方向、Ｄｖ…鉛直方向、Ｆｈｇ…ガス気流、Ｗａ…分離液水、ＷａＬ１…第１液位、ＷａＬ２…第２液位、Ｗｃ…加湿水、ＷｃＬ…保水水位、Ｗｏ…排出水、ＷｏＬ…排出水水位、Ｔｉ…噴射周期、Ｖｈｆ…変動量、Ｖｐ…変動量

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   該燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給流路と、
   前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記アノードガス供給流路に還流させるアノードガス循環流路と、
   前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスから液水を分離する気液分離器と、
   該気液分離器が分離した液水を前記気液分離器から排水する排水流路を開閉する開閉バルブと、
   前記気液分離器内の水位が前記開閉バルブの側の第１液位以上であることを検出する第１液位センサと、
   前記気液分離器内の水位が前記第１液位より高い第２液位以上であることを検出する第２液位センサと、
   前記気液分離器内の水位が前記第２液位以上であると、前記開閉バルブを開弁制御し、前記気液分離器内の水位が前記第１液位未満であると、前記開閉バルブを閉弁制御する制御部とを備え、
   該制御部は、
   前記閉弁制御の後に、前記気液分離器内の水位が前記第２液位に達するのに要する時間に応じて前記燃料電池内の前記カソードガスの湿潤度を推定する、
   燃料電池システム。

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