JP2021044072A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】気液分離器から排出される排水量の推定値の精度を高める技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムの制御部は、（ｉ）気液分離器の貯留部における貯水量の推定値が閾値貯水量より大きいときには、前記貯留部より上流側の圧力と排水弁より下流側の圧力との差圧に対して前記気液分離器から排出される排水の排水速度が一意に定まる第１の関係において前記差圧に対して定まる前記排水速度を用いて、前記排水弁の開弁後の排水量の推定値を算出する第１算出処理を実行し、（ｉｉ）前記貯水量の推定値が前記閾値貯水量以下のときには、前記貯水量の推定値が小さくなるのに従って前記排水速度が小さくなる予め準備された第２の関係において現在の前記貯水量に対して定まる現在の前記排水速度を用いて、前記排水量の推定値を算出する第２算出処理を実行する。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

従来から、燃料電池のアノードから排出される排ガスに含まれる発電に用いられなかった燃料ガスを、気液分離器を用いて排ガス中の水分から分離し、燃料電池に循環させる燃料電池システムが知られている。そうした燃料電池システムでは、一般的に、気液分離器に接続されている排水管に設けられた排水弁を閉弁している間に、気液分離器内に排ガス中の水分が液水状態の排水として貯留され、排水弁を開弁したときに気液分離器から貯留された当該排水が排出される。

燃料電池システムでは、気液分離器における貯水量の推定値や気液分離器からの排水量の推定値が算出される場合がある。例えば、下記の特許文献１の技術では、排水弁の開閉を制御するためにそれらの推定値が算出されている。特許文献１の技術では、排水量の推定値を、気液分離器に接続されている循環流路内の圧力と排水弁の下流側の圧力との差圧に基づいて決定される排水速度を時間積分することによって算出している。

特開２０１６−１０３４６６号公報

上記の特許文献１の技術は、貯水量の推定値と排水量の推定値とを用いた判定によって気液分離器からの排水が完了したと判定された後に、気液分離器から排水とともに排出されるガス量の推定精度を高めることを課題としている。そのため、上記の特許文献１の技術では、気液分離器から排水のみが排出されるときの排水量の推定値を求めており、気液分離器から排水とともにガスが排出されるときの排水量の推定値については考慮されてない。

しかしながら、本願発明の発明者は、鋭意研究した結果、気液分離器内における貯水量が低下し、気液分離器から排水とともにガスが排出されるときの排水量を考慮しないと、排水量の推定精度の誤差が無視できないほど大きくなる可能性があることを見出した。そうした誤差を考慮しないままの排水量の推定値に基づいて排水弁の開閉を制御すると、推定値に反映されていない量の排水が気液分離器内に残留したままになってしまう可能性があり、貯水量の推定値に誤差が生じる原因となり得る。また、そうした気液分離器内に残留している排水が多量に存在すると、当該排水が、循環流路に設けられたポンプに吸い上げられて、循環流路を通じて燃料電池に循環される燃料ガスの流通を妨げる可能性もある。

このように、気液分離器から排出される排水量の推定精度を高めることについては、依然として改良の余地がある。こうした課題は、気液分離器からの排水量の推定値を排水弁の開閉制御に用いている燃料電池システムに限らず、当該排水量の推定値をその他の制御に用いている燃料電池システムにも共通する。

本開示の技術は、以下の形態として実現することが可能である。

（１）第１の形態は、燃料電池システムとして提供される。この形態の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池のアノードに接続され、前記燃料電池の排ガスが流入する排ガス配管と、前記排ガス配管に接続され、前記排ガスを、液水である排水と前記燃料ガスを含む気体成分とに分離する気液分離器であって、前記排水を貯留する貯留部を有する気液分離器と、前記気液分離器に接続され、前記気体成分を前記燃料電池のアノードに循環させる循環配管と、前記貯留部に接続された排水管であって、前記排水管を開閉する排水弁を有し、前記排水弁が開弁しているときに前記気液分離器から前記排水を排出させる排水管と、前記貯留部より上流側の圧力と前記排水弁より下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、前記燃料電池の発電の制御と、前記気液分離器に貯留される前記排水の貯水量の推定値の算出と、前記排水弁を開弁している間に前記気液分離器から排出される排水量の推定値の算出と、を実行する制御部と、を備える。前記制御部は、（ｉ）前記貯水量の推定値が、予め定められた閾値貯水量より大きいときには、前記差圧に対して前記気液分離器から排出される前記排水の排水速度が一意に定まる予め準備された第１の関係において前記差圧に対して定まる前記排水速度を用いて、前記排水弁の開弁後の前記排水量の推定値を算出する第１算出処理を実行し、（ｉｉ）前記貯水量の推定値が前記閾値貯水量以下のときには、前記貯水量が小さくなるのに従って前記排水速度が小さくなる予め準備された第２の関係において現在の前記貯水量に対して定まる現在の前記排水速度を用いて前記排水量の推定値を算出する第２算出処理を実行する。
この形態の燃料電池システムによれば、気液分離器における貯水量が低下して、気液分離器から排水とともに気体成分が排出される期間には、第２の関係を用いることによって、貯水量に応じた排水速度の変化を反映させて排水量の推定値を算出することができる。また、気液分離器における貯水量が多く、気液分離器から排水のみが排出される期間には、現在の貯水量にかかわらず排水速度がほぼ一定であることを利用した第１の関係を用いることによって排水量を精度よく推定できる。よって、排水弁を開弁した後に気液分離器から排出される排水量の推定精度を高めることができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記第２算出処理において、予め定められた周期で、一周期ごとに前記貯水量の推定値に対する前記排水速度を求めて時間積分することによって、一周期ごとの前記排水量の推定値を算出し、前記一周期ごとの前記排水量の推定値を積算することによって、前記第２算出処理の実行期間における前記推定値を算出してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、予め定められた周期での逐次的な計算をおこなう第２算出処理によって、貯水量に応じた排水速度の変化が適切に反映されるため、排水量の推定精度を高めることができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記第２の関係は、前記貯水量の推定値に対する前記排水速度の変化の割合が異なる複数の領域を含んでよい。
この形態の燃料電池システムによれば、例えば、気液分離器の構造などによって変化する貯水量と排水速度との関係を、第２の関係に適切に反映させることができる。よって、排水量の推定精度をより一層、高めることができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記排水弁を開弁した後、前記排水量の推定値を用いて算出される前記貯水量の推定値が予め定めた閉弁閾値以下になった後に、前記排水弁を閉弁してよい。
この形態の燃料電池システムによれば、排水量の推定値に基づいて、適切なタイミングで排水弁を閉じることができる。
本開示の技術は、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、燃料電池システムを搭載する車両や、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムが備える気液分離器からの排水速度を取得する方法、燃料電池システムにおける排水弁制御や排水方法、排水量の推定方法、排水弁の開閉を制御する方法、それらの方法を実現する制御装置や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等の形態で実現することができる。

燃料電池システムの構成を示す概略図。 排水量の推定値を算出する方法の原理を説明するための参照図。 第２の関係を表すマップの一例を示す説明図。 第１実施形態の排水弁制御のフローを示す説明図。 排水弁制御を実行したときの実験結果を示す説明図。 比較例の実験結果を示す説明図。 第２実施形態の排水弁制御のフローを示す説明図。

１．第１実施形態：
図１は、第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、例えば、車両に搭載され、駆動力を発生させる駆動モータや、車両で用いられる補機に電力を供給する。

燃料電池システム１００は、反応ガスである燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池１０を備える。燃料電池１０は、例えば、固体高分子形燃料電池によって構成され、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。各単セル１１は、それぞれが単体でも発電可能な発電要素であり、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟む２枚のセパレータと、を有する。電解質膜は、内部に水分を包含した湿潤状態のときに良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜によって構成される。

燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池１０に対する反応ガスの供給を行うための構成部として、ガス供給部２０と、ガス循環部３０と、ガス給排部４０とを備える。ガス供給部２０は、燃料電池１０のアノードに燃料ガスを供給する。ガス供給部２０は、高圧の燃料ガスを貯蔵するタンク２１と、タンク２１と燃料電池１０のアノード入口とを接続する燃料ガス配管２２と、主止弁２３と、レギュレータ２４と、供給装置２５と、を備える。主止弁２３とレギュレータ２４と供給装置２５は、燃料ガス配管２２に、タンク２１側である上流側からこの順で設けられている。主止弁２３は、電磁弁によって構成され、燃料ガス配管２２を開閉して、タンク２１からの燃料ガスの流出を制御する。レギュレータ２４は、減圧弁であり、供給装置２５の上流側における燃料ガス配管２２内の圧力を調整する。供給装置２５は、周期的に開閉駆動することによって燃料電池１０に燃料ガスを送り出す。供給装置２５は、例えば、設定された駆動周期で開閉する電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成される。

ガス循環部３０は、燃料電池１０のアノードから排出される排ガスに含まれる燃料ガスを燃料電池１０に循環させる機能と、排ガスに含まれる排水を燃料電池システム１００の外部に排出させる機能と、を有する。ガス循環部３０は、排ガス配管３１と、気液分離器３２と、循環配管３３と、循環ポンプ３４と、排水管３５と、排水弁３６と、を備える。排ガス配管３１は、燃料電池１０のアノード出口と気液分離器３２とに接続されており、アノードで発電に用いられることのなかった燃料ガスや、不活性ガス、水蒸気や液水の状態にある水分、を含むアノード側の排ガスを気液分離器３２へと導く。

気液分離器３２は、排ガス配管３１を通じて流入した排ガスに含まれる液体成分と気体成分とを分離し、液体成分を排水として液水の状態で貯留する。ここで、「液体成分」は、液体状態にある水分を意味する。気液分離器３２に貯留される排水は液体状態の液水である。

気液分離器３２の本体部は、排ガスを内部に導入可能な中空容体によって構成されている。気液分離器３２は、排ガス配管３１に接続されている排ガス入口３２ｅと、循環配管３３に接続されている排ガス出口３２ｏと、を有する。排ガス入口３２ｅから気液分離器３２内に流入した排ガス中の気体成分は、気液分離器３２内の内壁面に沿って流れて、排ガス出口３２ｏへと導かれる。一方、排ガス中の水分は、気液分離器３２内の内壁面に衝突して、当該内壁面に液水の状態で付着し、気液分離器３２内の下方の領域へと導かれる。気液分離器３２の内部空間のうち、排ガス入口３２ｅおよび排ガス出口３２ｏより下方に位置する部位が、そうした排水が集められて貯留される貯留部３２ｓとして機能する。貯留部３２ｓの下端部には、貯留部３２ｓに貯留された排水を流出させる排水口３２ｄが設けられている。なお、気液分離器３２内には、気液分離を促進するための羽根が設けられていてもよい。

循環配管３３は、気液分離器３２の排ガス出口３２ｏと燃料ガス配管２２の供給装置２５より下流側の部位とを接続する。気液分離器３２において排ガスから分離された気体成分は、循環配管３３を通じて燃料ガス配管２２へと導かれ、燃料ガス配管２２を通じて燃料電池１０のアノードに循環される。循環配管３３には、循環ポンプ３４が設けられており、当該気体成分の燃料電池１０のアノードへの循環を促進する。

気液分離器３２の排水口３２ｄには、排水管３５が接続されている。また、排水管３５には、排水管３５を開閉する排水弁３６が設けられている。燃料電池システム１００では、排水弁３６が閉弁されている間に、気液分離器３２の貯留部３２ｓに排水が貯留される。また、貯留部３２ｓに貯留された排水は、排水弁３６が開弁されたときに、排水管３５を通じて燃料電池システム１００の外部に排出される。排水管３５の下流端は、ガス給排部４０の排出配管４６に接続されていてもよい。

ガス循環部３０は、さらに、２つの圧力計測部３８ａ，３８ｂを備えている。２つの圧力計測部３８ａ，３８ｂとしては、例えば、圧力センサを用いることができる。第１圧力計測部３８ａは、排ガス配管３１に取り付けられており、排ガス配管３１内の圧力を、気液分離器３２の貯留部３２ｓより上流側の圧力として計測する。第２圧力計測部３８ｂは、排水管３５の排水弁３６より下流側に取り付けられており、排水管３５内の圧力を、排水弁３６より下流側の圧力として計測する。圧力計測部３８ａ，３８ｂの計測結果は、後述する差圧検出部５２に送信される。

ガス給排部４０は、酸化剤ガスを燃料電池１０のカソードに供給する機能と、燃料電池１０のカソードから排出される排ガスを燃料電池システム１００の外部に排出させる機能と、を有する。本実施形態では、外気に含まれる酸素が、酸化剤ガスとして燃料電池１０に供給される。ガス給排部４０は、供給配管４１と、コンプレッサ４２と、開閉弁４３と、排出配管４６と、調圧弁４８と、を備える。供給配管４１は、一端が外気に連通しており、他端が燃料電池１０のカソード入口に接続されている。コンプレッサ４２は、供給配管４１の一端から取り込まれた外気を圧縮して、供給配管４１の他端側に設けられた開閉弁４３の方へと送り出す。開閉弁４３は、通常は閉じた状態であり、コンプレッサ４２から送り出された圧縮ガスの圧力によって開弁し、燃料電池１０のカソードへの圧縮ガスの流入を許容する。排出配管４６は、カソード出口に接続されており、燃料電池１０のカソードから排出された排ガスを燃料電池システム１００の外部へと導く。調圧弁４８は、排出配管４６に設けられており、燃料電池１０のカソード側の背圧を調整する。

燃料電池システム１００は、さらに、燃料電池システム１００の運転を制御する制御部５０を備える。制御部５０は、少なくとも１つのプロセッサと主記憶装置とを備えるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）によって構成される。制御部５０は、プロセッサが主記憶装置上に読み込んだプログラムや命令を実行することによって燃料電池システム１００を制御するための種々の機能を発揮する。制御部５０の機能の少なくとも一部は、ハードウェア回路によって構成されてもよい。

制御部５０は、上述したガス供給部２０、ガス循環部３０、及び、ガス給排部４０を制御して、燃料電池１０の発電を制御する。具体的には、制御部５０は、供給装置２５の駆動周期と、循環ポンプ３４の回転数と、を制御して、燃料電池１０に対する燃料ガスの供給量と供給圧力とを制御する。また、制御部５０は、コンプレッサ４２の回転数を制御して、燃料電池１０に対する酸化剤ガスの供給量を制御し、調圧弁４８の開度を制御して、燃料電池１０のカソード側の圧力を調整する。

制御部５０は、燃料電池１０の発電中に、ガス循環部３０における排水弁３６の開閉を制御して、気液分離器３２における排水の貯留と排出とを制御する排水弁制御を実行する。詳細は後述するが、第１実施形態の排水弁制御では、制御部５０は、燃料電池１０の発電中に気液分離器３２に貯留される貯水量の推定値と、気液分離器３２から排出される排水量の推定値と、に基づいて開弁後の排水弁３６の閉弁タイミングを決定する。

制御部５０は、気液分離器３２に貯留される貯水量の推定値を算出する貯水量推定部５１としての機能を有する。貯水量の推定方法については後述する。また、制御部５０は、さらに、その排水量の推定値を算出する際に用いられる差圧ΔＰを検出する差圧検出部５２としての機能と、気液分離器３２から排出される排水量の推定値を算出する排水量推定部５５としての機能と、を有する。差圧検出部５２は、第１圧力計測部３８ａによって計測される気液分離器３２の貯留部３２ｓより上流側の圧力Ｐａから、第２圧力計測部３８ｂによって計測される排水弁３６より下流側の圧力Ｐｂを減じて差圧ΔＰを算出する。排水量推定部５５は、制御部５０が備える記憶部５８に記憶されている第１の関係ＲＰと第２の関係ＲＳとを用いて排水量の推定値を算出する。

図２を参照して、排水量推定部５５が実行する排水量の推定値を算出する方法の原理を説明する。図２には、気液分離器３２における貯水量Ｓと、気液分離器３２の排水口３２ｄから排出される排水の排水速度Ｑと、の関係を示すグラフが図示されている。排水速度Ｑは、排水口３２ｄから排出される排水の流量に相当する。このグラフは、本発明の発明者の実験によって得られたものである。図２には、異なる差圧ΔＰごとに得られたグラフＧ１〜Ｇ４が図示されている。各グラフＧ１〜Ｇ４が得られたときの差圧ΔＰはそれぞれ、ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４である。ここで、ｐ１，ｐ２，ｐ３，ｐ４は、ｐ１＜ｐ２＜ｐ３＜ｐ４の関係を満たす。

本願発明者は、実験により、以下の知見を得た。排水速度Ｑは、気液分離器３２における貯水量Ｓがある値Ｔｓに減少するまでは、ほぼ一定の値として得られ、差圧ΔＰが大きいときほど大きくなる。排水速度Ｑが一定の値として得られるのは、排水口３２ｄを通じた気体成分の流出がなく、排水のみが排出され、差圧ΔＰがほぼ一定に維持されるためである。また、差圧ΔＰが大きいほど、その排水速度Ｑが大きくなるのは、差圧ΔＰが排水口３２ｄから排水を排出させる駆動力となるためである。この場合の排水速度Ｑと差圧ΔＰとの関係は、下記の数式（１）として表される。

ρ：排水の温度に応じて定まる液水密度
Ｑｒ：基準となる排水の流量を表す予め定められた定数
ΔＰｒ：差圧ΔＰの基準値を表す予め定められた定数
ρｒ：液水密度の基準値を表す予め定められた定数

一方、気液分離器３２における貯水量ＳがＴｓ以下になった場合には、貯水量Ｓが小さいほど、排水速度Ｑが小さくなる。このように、貯水量Ｓと排水速度Ｑとの関係がＴｓを境にして変化する理由は、貯水量ＳがＴｓ以下になると、気液分離器３２の排水口３２ｄから排水とともに排ガスの気体成分が排出され始めるためである。以下では、気液分離器３２の排水口３２ｄから排水のみが流出する状態と、排水口３２ｄから排水とともに気体成分が流出する状態の境となる貯水量Ｔｓを「閾値貯水量Ｔｓ」とも呼ぶ。貯水量Ｓが閾値貯水量Ｔｓ以下であるときの貯水量Ｓと排水速度Ｑとの関係は、気液分離器３２の構造によって定まる。

上記の知見に基づき、排水量推定部５５は、貯水量Ｓが閾値貯水量Ｔｓより大きい第１期間には、差圧ΔＰに対して排水速度Ｑが一意に定まる予め準備された第１の関係ＲＰを用いて排水速度Ｑを取得し、その排水速度Ｑを用いて排水量の推定値を算出する。以下では、この算出処理を「第１算出処理」とも呼ぶ。制御部５０の記憶部５８には、第１の関係ＲＰとして上記の数式（１）が不揮発的に記憶されている。本実施形態の第１算出処理では、差圧検出部５２は、第１の関係ＲＰを表す上記の数式（１）を用いて、差圧ΔＰに対する排水速度Ｑを取得する。第１実施形態では、上記数式（１）における液水密度ρは、予め実験によって得られた排水の平均的な温度に対して求められる値を既定値として用いる。他の実施形態では、排水温度の実測値に対して求められる液水密度ρを用いてもよい。

また、排水量推定部５５は、貯水量Ｓが閾値貯水量Ｔｓ以下である第２期間には、貯水量Ｓの低下に応じて排水速度Ｑが低下する予め準備された第２の関係ＲＳにおいて、貯水量Ｓに対して定まる排水速度Ｑを取得し、その排水速度Ｑを用いて排水量の推定値を算出する。この算出処理を「第２算出処理」とも呼ぶ。本実施形態の第２算出処理では、排水量推定部５５は、第２の関係ＲＳを表す以下に説明するマップＭＰを用いて貯水量Ｓに対する排水速度Ｑを取得する。排水量推定部５５は、当該マップＭＰを第２の関係ＲＳとして記憶部５８に不揮発的に記憶しており、第２算出処理の実行時に、記憶部５８から読み込んで使用する。

図３は、排水量推定部５５が用いる第２の関係ＲＳを表すマップＭＰの一例を示す説明図である。マップＭＰには、図２のグラフＧ１〜Ｇ４に基づいて、貯水量Ｓが小さいほど得られる排水速度Ｑが小さくなる関係が規定されている。図２のグラフＧ１〜Ｇ４に表れている差圧ΔＰごとのばらつきは誤差範囲であるとしてマップＭＰでは無視されている。マップＭＰは、貯水量Ｓに対する排水速度Ｑの変化の割合が異なる複数の領域Ｒを含んでいる。マップＭＰでは、貯水量Ｓが小さい領域Ｒほど、貯水量Ｓに対する排水速度Ｑの変化率が小さくなっている。

なお、上述したように、第２期間における貯水量Ｓと排水速度Ｑとの関係は、気液分離器３２の構造によって定まってくる。そのため、マップＭＰは図３に例示されたものに限定されることはない。マップＭＰは、例えば、貯水量Ｓに対して排水速度Ｑが曲線グラフを描くように変化するように設定されていてもよい。また、マップＭＰは、差圧ΔＰごとに異なるものが予め準備されていてもよい。

図４は、制御部５０が実行する排水弁制御のフローを示す説明図である。この排水弁制御は、燃料電池１０の発電中に実行される。排水弁制御では、排水弁３６の開弁タイミングが到達したときに、排水弁３６を開弁して、排水弁３６が閉弁している間に気液分離器３２に貯留された排水が、排水管３５を通じて燃料電池システム１００の外部へと排出される。また、上述したように、排水後の排水弁３６の閉弁タイミングが、排水量推定部５５によって取得される排水量の推定値を用いて決定される。

ステップＳ１０では、制御部５０の貯水量推定部５１は、排水弁３６が前回閉弁されたときから開弁される前までに気液分離器３２に貯留される排水の貯水量を表す推定値である開弁前貯水量Ｓｉを算出する。貯水量推定部５１は、排水弁３６が閉弁されている間の燃料電池１０の発電量からその期間に燃料電池１０で生成される生成水量を算出し、その生成水量と反応ガスの流量とに基づいて、開弁前貯水量Ｓｉを算出する。

ステップＳ２０では、制御部５０は、予め定められた開弁条件が満たされたときに、排水弁３６を開弁する。本実施形態では、制御部５０は、開弁前貯水量Ｓｉが予め定められた貯水量の上限値以上になったときに、排水弁３６を開弁する。他の実施形態では、制御部５０は、前回の排水弁３６の閉弁タイミングから予め決められた時間が経過したときに排水弁３６を開弁してもよい。また、制御部５０は、車両の運転者が、排水スイッチなどの図示していない操作部に対する操作によって排水を指令したときに排水弁３６を開弁してもよい。

ステップＳ３０では、差圧検出部５２が以下のように差圧ΔＰを検出する。差圧検出部５２は、第１圧力計測部３８ａから貯留部３２ｓより上流側の圧力を表す第１の圧力Ｐａを取得し、第２圧力計測部３８ｂから排水弁３６より下流側の圧力を表す第２の圧力Ｐｂを取得する。差圧検出部５２は、第１の圧力Ｐａから第２の圧力Ｐｂを減算して差圧ΔＰを算出する。

ステップＳ４０，Ｓ５０は、貯水量Ｓが閾値貯水量Ｔｓより大きい第１期間における排水量の推定値を算出する第１算出処理である。ステップＳ４０では、排水量推定部５５は、記憶部５８に記憶されている第１の関係ＲＰである上記の数式（１）を用いて、ステップＳ３０で検出された差圧ΔＰに対する排水速度Ｑを取得する。ステップＳ５０では、排水速度Ｑを、排水弁３６を開弁したときからの経過時間で時間積分して排水量の推定値Ｄａを算出する。

ステップＳ６０では、貯水量推定部５１は、ステップＳ１０で取得した開弁前貯水量Ｓｉから、ステップＳ５０で算出された排水量の推定値Ｄａを減算して、気液分離器３２における現在の貯水量を表す推定値である貯水量Ｓｃを算出する。ステップＳ７０では、制御部５０は、ステップＳ６０で算出された現在の貯水量Ｓｃが閾値貯水量Ｔｓ以下であるか否かを判定する。制御部５０は、現在の貯水量Ｓｃが閾値貯水量Ｔｓより大きい場合には、ステップＳ５０〜Ｓ７０の処理を繰り返す。なお、第１算出処理の実行期間には、排水口３２ｄが排水で塞がれたままの状態が維持されるため、差圧ΔＰが変化せず、排水速度Ｑも変化しないことが見込まれるため、ステップＳ４０は実行せず、ステップＳ５０〜Ｓ７０の処理が繰り返される。

制御部５０は、現在の貯水量が閾値貯水量Ｔｓ以下であることが検出された場合には、ステップＳ８０以降の排水量推定部５５による第２算出処理の実行を開始する。なお、以下では、第２算出処理の実行が開始される際の現在の貯水量Ｓｃを、「第２期間における貯水量初期値Ｓｓ」とも呼ぶ。第２算出処理では、排水量推定部５５は、予め定められた周期で、一周期ごとの排水量の推定値Ｄｔを算出し、一周期ごとの排水量の推定値Ｄｔを積算することによって、貯水量Ｓが閾値貯水量Ｔｓ以下である第２期間における排水量の推定値Ｄｂを算出する。

ステップＳ８０では、排水量推定部５５は、図３で説明したマップＭＰを記憶部５８から読み込み、当該マップＭＰを第２の関係ＲＳとして用いて、現在の貯水量Ｓｃに対する現在の排水速度Ｑｃを取得する。ステップＳ９０では、排水量推定部５５は、ステップＳ８０で取得した排水速度Ｑｃを、一周期の時間で時間積分して、今周期における排水量の推定値Ｄｔを算出する。排水量推定部５５は、前回周期までの推定値Ｄｔの合計に今周期における排水量の推定値Ｄｔを加算して、今周期までの第２期間における排水量の推定値Ｄｂを算出する。「第２期間における排水量の推定値Ｄｂ」は、「第２算出処理の実行期間における排水量の推定値Ｄｂ」と言い換えることができる。

ステップＳ１００では、貯水量推定部５１は、現在の貯水量Ｓｃを算出する。貯水量推定部５１は、第２期間における貯水量初期値Ｓｓから、ステップＳ９０で算出される排水量の推定値Ｄｂを減算することによって、現在の貯水量Ｓｃを算出する。ステップＳ１１０では、制御部５０は、現在の貯水量Ｓｃが予め定められた閉弁閾値Ｓｔｈ以下であるか否かを判定する。本実施形態では、閉弁閾値Ｓｔｈは、例えば、０〜１０ｃｃである。現在の貯水量Ｓｃが閉弁閾値Ｓｔｈより大きい場合には、制御部５０は、ステップＳ８０〜Ｓ１１０の処理を繰り返す。現在の貯水量Ｓｃが閉弁閾値Ｓｔｈ以下である場合には、制御部５０は、ステップＳ１２０において排水弁３６を閉弁し、次周期の排水弁制御を開始する。なお、制御部５０は、次周期の排水弁制御において、今周期における貯水量Ｓｃの最終的な値を、開弁前貯水量Ｓｉの初期値として用いる。

図５および図６を参照して、本実施形態の排水弁制御による効果を説明する。図５は、本発明者による実験結果を示す説明図である。図５には、本実施形態における排水弁制御を実行したときの気液分離器３２における貯水量の推定値の時間変化を示す実線グラフＧｅが上段に図示され、排水弁３６の開閉タイミングを示すグラフＧｖが下段に図示されている。貯水量の推定値は、ステップＳ１０，Ｓ６０，Ｓ１００で算出される貯水量の値に相当する。

図６は、比較例としての実験結果を示す説明図である。図６の上段には、気液分離器３２における貯水量の推定値の時間変化を示す実線グラフＧｅｃと貯水量の実測値の時間変化を示す一点鎖線のグラフＧｍｃとが図示されている。また、図６の下段には、排水弁３６の開閉タイミングを示すグラフＧｖｃが図示されている。この比較例では、排水弁３６の開弁後、第１算出処理のみで排水量の推定値を算出し、その排水量の推定値を用いて算出された気液分離器３２の貯水量の推定値が閉弁閾値Ｓｔｈ以下になったときに排水弁３６を閉弁する制御を実行した。

図５を参照する。本実施形態の排水弁制御によれば、排水弁３６の開弁後、貯水量Ｓが閾値貯水量Ｔｓ以下になり、気液分離器３２から排水と気体成分とが排出される期間には、図３のマップＭＰを用いる第２算出処理によって排水量の推定値が算出される。そのため、グラフＧｅが示すように、貯水量Ｓが閾値貯水量Ｔｓ以下になった後の貯水量の低下率は、貯水量Ｓが小さくなるに従って低下するように変化している。このように、本実施形態の排水弁制御によれば、第２算出処理において、気液分離器３２の排水口３２ｄから排水と気体成分とが同時に排出されるときの排水速度の実際の変化を反映させて排水量を推定しているため、排水量の推定精度が高められ、貯水量の推定精度が高められている。

これに対して、第１算出処理のみによって排水量の推定値を算出する場合、図５の上段における破線グラフＧｅＡが示すように、貯水量の推定値は一定の比率で低下する。そのため、第２算出処理への切り替えを行った場合よりも早いタイミングで閉弁閾値Ｓｔｈに到達し、下段の破線グラフＧｖＡが示すように、排水弁３６の閉弁タイミングが早まってしまう。この場合、図６の比較例のグラフＧｅｃ，Ｇｍｃが示すように、排水弁３６の閉弁後の実際の貯水量が、閉弁閾値Ｓｔｈよりも大きくなり、気液分離器３２内に排水が残留した状態で、気液分離器３２への排水の貯留が再開される。この場合には、その後、貯水量の推定値が、実際の貯水量よりも低い値を示したまま、その貯水量の推定値に従って排水弁３６の開閉が繰り返されてしまうことになる。こうした状態で、気液分離器３２における排水の貯留と排出とが繰り返されると、貯水量の推定値と実測値との差が累積されて増大し、気液分離器３２の貯留部３２ｓに残留したままの排水の量が次第に増大して行ってしまう場合もあり得る。このように、貯留部３２ｓに排水が多量に残留したままの状態が続くと、貯留部３２ｓの排水が循環配管３３へと浸入してしまう可能性が高まる。循環配管３３に循環ポンプ３４が設けられている場合には、循環ポンプ３４の吸引力によって、貯留部３２ｓに残留している排水が巻き上げられて、貯留部３２ｓの排水が循環配管３３へと浸入する可能性がより一層高くなる。

本実施形態の排水弁制御によれば、上記のように、排水量の推定精度が高められており、貯水量の推定値が実際の貯水量から乖離することが抑制されている。よって、排水後に気液分離器３２に排水が残留することが抑制され、気液分離器３２に排水が残留したままになることに起因する上述したような不具合の発生を抑制することが可能である。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、第１算出処理によって、気液分離器３２の排水口３２ｄから排水のみが排出される第１期間における排水量の推定値を、差圧ΔＰに基づいて簡易かつ精度よく算出することができる。また、第２算出処理によって、気液分離器３２の排水口３２ｄから排水とともに気体成分が排出される第２期間における排水量の推定値を高い精度で算出することができる。よって、気液分離器３２における排水の貯水量を精度よく検出することができ、気液分離器３２における排水の残留が抑制されるように、排水弁３６の開閉を適切に制御することができる。

２．第２実施形態：
図７は、第２実施形態における排水弁制御のフローを示す説明図である。第２実施形態の排水弁制御は、ステップＳ３０〜Ｓ６０の処理が省略され、ステップＳ７０における判定方法が異なっている点以外は、第１実施形態の排水弁制御とほぼ同じである。第２実施形態の排水弁制御は、第１実施形態で説明した燃料電池システム１００において実行される。なお、第２実施形態では、制御部５０の差圧検出部５２は省略されてもよい。

ステップＳ１０，Ｓ２０では、第１実施形態で説明したのと同様に、開弁前貯水量Ｓｉが取得され、開弁条件が満たされたときに排水弁３６が開弁される。ステップＳ７０では、制御部５０は、第１圧力計測部３８ａが計測する圧力Ｐａの変化に基づいて気液分離器３２における貯水量が閾値貯水量Ｔｓ以下であるか否かを判定する。第１実施形態で説明したように、気液分離器３２における貯水量が閾値貯水量Ｔｓ以下になると、排水口３２ｄから排水とともに排ガスの気体成分が流出するため、第１圧力計測部３８ａの計測する圧力Ｐａは低下する。制御部５０は、この圧力Ｐａの低下を検出したときに、気液分離器３２における貯水量が閾値貯水量Ｔｓ以下になったと判定する。

制御部５０は、ステップＳ７０において圧力Ｐａに基づいて貯水量が閾値貯水量Ｔｓ以下になったことが検出されるまで待機する。制御部５０は、貯水量が閾値貯水量Ｔｓ以下になったことが検出されると、閾値貯水量Ｔｓを現在の貯水量Ｓｃとして、ステップＳ８０以降の処理を開始する。

ステップＳ８０〜Ｓ１２０の処理内容は、第１実施形態で説明したのとほぼ同じである。第２実施形態においても、ステップＳ８０において、第１実施形態で説明した第２の関係ＲＳに相当する予め準備された関係を用いて、現在の貯水量Ｓｃに対する現在の排水速度Ｑｃが取得され、ステップＳ９０において、その排水速度Ｑｃを用いて排水量の推定値が算出される。

第２実施形態の排水弁制御によれば、第１実施形態で説明した第１算出処理を省略することができるため、排水弁３６の閉弁タイミングをより簡易に決定できる。その他に、第２実施形態の燃料電池システム１００およびその制御方法によれば、第１実施形態で説明したのと同様な種々の作用効果を奏することができる。

３．他の実施形態：
上記の各実施形態で説明した種々の構成は、例えば、以下のように改変することが可能である。以下に説明する他の実施形態はいずれも、上記の各実施形態と同様に、本開示の
技術を実施するための形態の一例として位置づけられる。

・他の実施形態１：
第１算出処理において排水速度Ｑの取得に用いられる第１の関係ＲＰは、上記の数式（１）によって表されたものでなくてもよく、第２算出処理で用いられる第２の関係ＲＳのように、マップによって表されていてもよい。また、第２算出処理において排水速度Ｑｃの取得に用いられる第２の関係ＲＳは、図３で示したマップＭＰによって表されていなくてもよく、関数や演算式によって表されていてもよい。第２の関係ＲＳは、貯水量に対する排水速度の変化の割合が異なる複数の領域Ｒを含んでいなくてもよく、第２の関係ＲＳは、貯水量に対して排水速度が一定の割合で変化する関係であってもよい。

・他の実施形態２：
第１算出処理や第２算出処理で算出される排水量の推定値は、排水弁制御以外の制御に用いられてもよい。排水量の推定値は、例えば、発電中の燃料電池１０における水分収支を把握するために用いられてもよい。また、排水弁制御は、燃料電池１０の発電中以外に実行されてもよい。排水弁制御は、例えば、燃料電池の発電停止後に実行される燃料電池１０に対する掃気処理において実行されてもよい。

・他の実施形態３：
第２算出処理では、予め定められた周期で排水量の推定値が逐次的に繰り返し算出されなくてもよい。第２算出処理では、例えば、乱数によって定まる不定期な周期で排水量の推定値が算出されてもよい。

・他の実施形態４：
第２圧力計測部３８ｂは省略されてもよい。この場合には、差圧検出部５２は、圧力計測部３８ａの計測結果と外気圧とを用いて差圧ΔＰを検出してもよい。このときの外気圧は実測値でなくてもよく、平均的な既知の値が用いられてもよい。

４．その他：
上記実施形態において、ソフトウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ハードウェアによって実現されてもよい。また、ハードウェアによって実現された機能及び処理の一部又は全部は、ソフトウェアによって実現されてもよい。ハードウェアとしては、例えば、集積回路、ディスクリート回路、または、それらの回路を組み合わせた回路モジュールなど、各種回路を用いることができる。

本開示の技術は、上述の実施形態や実施例、変形例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、実施例、変形例中の技術的特徴は、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ではないと説明されているものに限らず、その技術的特徴が本明細書中に必須であると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、１１…単セル、２０…ガス供給部、２１…タンク、２２…燃料ガス配管、２３…主止弁、２４…レギュレータ、２５…供給装置、３０…ガス循環部、３１…排ガス配管、３２…気液分離器、３２ｄ…排水口、３２ｅ…排ガス入口、３２ｏ…排ガス出口、３２ｓ…貯留部、３３…循環配管、３４…循環ポンプ、３５…排水管、３６…排水弁、３８ａ…第１圧力計測部、３８ｂ…第２圧力計測部、４０…ガス給排部、４１…供給配管、４２…コンプレッサ、４３…開閉弁、４６…排出配管、４８…調圧弁、５０…制御部、５１…貯水量推定部、５２…差圧検出部、５５…排水量推定部、５８…記憶部、１００…燃料電池システム、ＭＰ…マップ、ＲＰ…第１の関係、ＲＳ…第２の関係、Ｒ…複数の領域

Claims (4)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池のアノードに接続され、前記燃料電池の排ガスが流入する排ガス配管と、
   前記排ガス配管に接続され、前記排ガスを、液水である排水と前記燃料ガスを含む気体成分とに分離する気液分離器であって、前記排水を貯留する貯留部を有する気液分離器と、
   前記気液分離器に接続され、前記気体成分を前記燃料電池のアノードに循環させる循環配管と、
   前記貯留部に接続された排水管であって、前記排水管を開閉する排水弁を有し、前記排水弁が開弁しているときに前記気液分離器から前記排水を排出させる排水管と、
   前記貯留部より上流側の圧力と前記排水弁より下流側の圧力との差圧を検出する差圧検出部と、
   前記燃料電池の発電の制御と、前記気液分離器に貯留される前記排水の貯水量の推定値の算出と、前記排水弁を開弁している間に前記気液分離器から排出される排水量の推定値の算出と、を実行する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、（ｉ）前記貯水量の推定値が、予め定められた閾値貯水量より大きいときには、前記差圧に対して前記気液分離器から排出される前記排水の排水速度が一意に定まる予め準備された第１の関係において前記差圧に対して定まる前記排水速度を用いて、前記排水弁の開弁後の前記排水量の推定値を算出する第１算出処理を実行し、（ｉｉ）前記貯水量の推定値が前記閾値貯水量以下のときには、前記貯水量の推定値が小さくなるのに従って前記排水速度が小さくなる予め準備された第２の関係において現在の前記貯水量の推定値に対して得られる現在の前記排水速度を用いて前記排水量の推定値を算出する第２算出処理を実行する、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、
   前記制御部は、前記第２算出処理において、予め定められた周期で、一周期ごとに前記貯水量の推定値に対する前記排水速度を求めて時間積分することによって、一周期ごとの前記排水量の推定値を算出し、前記一周期ごとの前記排水量の推定値を積算することによって、前記第２算出処理の実行期間における前記排水量の推定値を算出する、燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記第２の関係は、前記貯水量の推定値に対する前記排水速度の変化の割合が異なる複数の領域を含む、燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記排水弁を開弁した後、前記排水量の推定値を用いて算出される前記貯水量の推定値が予め定めた閉弁閾値以下になった後に、前記排水弁を閉弁する、燃料電池システム。

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