JP2024036115A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを収容する筐体の内部に生成水が溜まることを抑制する。【解決手段】燃料電池システム２０は、アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する燃料電池スタック２２と、燃料電池スタック２２を収容する筐体２１と、カソードガスと燃料電池スタック２２での発電によって生成された生成水Ｗとが筐体２１の内部から排出される排出流路３７と、排出流路３７に設けられる調圧弁４１と、を備える。筐体２１には、筐体２１の内部と排出流路３７とを連通させる排出口２５が形成されている。燃料電池システム２０は、排出口２５よりも重力方向Ｚの下方に位置し、上流流路３８を流れる生成水Ｗを内部に貯留可能な貯留部８３を備える。貯留部８３に貯留された生成水Ｗは、排水機構８４によって貯留部８３及び排出流路３７の外部に排出可能である。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとしては、燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収容する筐体と、排出流路と、排出流路に設けられる調圧弁と、を備えるものが知られている。燃料電池スタックは、アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する。排出流路には、カソードガスと燃料電池スタックでの発電によって生成された生成水とが筐体の内部から排出される。

燃料電池スタックの内圧を高めるために、調圧弁の開度が小さくされる。このとき、調圧弁の開度によっては排出流路の調圧弁よりも下流に生成水が流れにくくなることにより、生成水が筐体の内部に溜まるおそれがある。筐体の内部に生成水が溜まると、筐体に収容された燃料電池スタックが生成水に浸ることにより、燃料電池スタックの出力に影響が及ぶおそれがある。

特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料電池スタックの上流にガス吸引部を備えている。さらに、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの電圧に基づいて、筐体の内部に生成水が溜まっていると推定されるときに、燃料電池スタックに対するカソードガスの供給量を調整するとともに、ガスを吸引する。これにより、筐体の内部が減圧するため、筐体の内部に溜まった水が蒸発しやすくなる。

特開２００６－２９４４０２号公報

特許文献１に記載の燃料電池システムによるカソードガスの供給量を調整する処理は、燃料電池スタックの電圧に変化が生じたことを条件に行うものである。そのため、上記処理は、筐体の内部に生成水が溜まったことで燃料電池スタックの出力に影響が生じた後に行われることになる。燃料電池スタックの出力に影響が及ぶのを抑制するためには、筐体の内部に生成水が溜まることを抑制することが好ましい。

上記課題を解決する燃料電池システムは、アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックを収容する筐体と、前記カソードガスと前記燃料電池スタックでの発電によって生成された生成水とが前記筐体の内部から排出される排出流路と、前記排出流路に設けられる調圧弁と、を備える燃料電池システムであって、前記筐体には、前記筐体の内部と前記排出流路とを連通させる排出口が形成され、前記排出流路のうち、前記調圧弁よりも上流側の部分を上流流路というと、前記燃料電池システムは、前記排出口よりも重力方向の下方に位置し、前記上流流路を流れる前記生成水を内部に貯留可能な貯留部を備え、前記貯留部に貯留された前記生成水は、排水機構によって前記貯留部及び前記排出流路の外部に排出可能であることを特徴とする。

上記構成によれば、排出流路のうちで上流流路から調圧弁よりも下流側の部分へと生成水が流れにくくなる開度に調圧弁の開度が設定されると、筐体の内部から排出口を介して上流流路に排出された生成水は貯留部に貯留される。したがって、燃料電池スタックを収容する筐体の内部に生成水が溜まることを抑制できる。

燃料電池システムにおいて、前記排出流路のうち、前記調圧弁よりも下流側の部分を下流流路というと、前記排水機構は、前記調圧弁及び前記下流流路であり、前記貯留部には、前記貯留部の内部と前記下流流路とを連通させる連通口が形成され、前記調圧弁は、前記連通口の開閉が可能であってもよい。

上記構成によれば、貯留部に貯留された生成水を貯留部及び排出流路の外部に排出させるための機構を燃料電池システムに別途搭載させる必要がないため、燃料電池システムにおける部品点数の増大を抑制できる。

燃料電池システムにおいて、前記下流流路は、前記貯留部から前記重力方向の下方に延びていてもよい。
上記構成によれば、貯留部に貯留された生成水は、生成水の自重によって貯留部から下流流路に流れやすい。貯留部に貯留された生成水を早期に貯留部の外部に排出できるため、貯留部の容量を小さくできる。したがって、貯留部の容量の増大に伴う燃料電池システムの大型化を抑制できる。

燃料電池システムにおいて、前記排水機構は、前記排出流路とは異なる流路であってかつ前記貯留部に連通する排水流路と、前記排水流路に設けられる排水弁と、を有し、前記排水弁が開弁されることによって、前記貯留部に貯留された前記生成水が前記排水流路を介して前記貯留部及び前記排出流路の外部に排出されてもよい。

上記構成によれば、貯留部に生成水が貯留されているタイミングに合わせて排水弁を開弁させることによって、貯留部に貯留された生成水を貯留部から排出できる。
燃料電池システムにおいて、前記排水弁の開度を調整する制御部を備え、前記制御部は、前記上流流路の内圧が前記燃料電池スタックを加圧させる所定内圧以上であるときに前記排水弁を開弁させ、前記排水弁が開弁された状態で前記上流流路の内圧が前記所定内圧未満であるときに前記排水弁を閉弁させてもよい。

上記構成によれば、排水弁の開弁に伴って上流流路の内圧が低下することを抑制しつつ、排水流路を介して貯留部に貯留された生成水を貯留部の外部に排出させることができる。したがって、燃料電池スタックの加圧を好適に行いつつ、貯留部に貯留された生成水を貯留部の外部に排出できる。

この発明によれば、燃料電池スタックを収容する筐体の内部に生成水が溜まることを抑制できる。

燃料電池システムを示す概略図である。 第１実施形態における燃料電池システムの一部を示す断面図である。 第２実施形態における燃料電池システムの一部を示す断面図である。 排水制御の処理手順を示すフローチャートである。

［第１実施形態］
以下、燃料電池システムを具体化した第１実施形態について図面にしたがって説明する。

図１に示すように、産業車両１０は、負荷１１と、電力変換部１２と、キースイッチ１３と、燃料電池システム２０と、を備える。産業車両１０は、例えば、フォークリフト又はトーイングトラクタである。

負荷１１は、電力によって駆動する装置である。負荷１１は、例えば、電力によって駆動する電動機である。この電動機の駆動によって産業車両１０は走行する。
電力変換部１２は、燃料電池システム２０から電力変換部１２に入力された電力を変換して出力する。電力変換部１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ、及びインバータを含む。電力変換部１２から出力された電力は負荷１１に供給される。これにより負荷１１は駆動する。

キースイッチ１３は、産業車両１０のユーザによって操作される。ユーザによる操作によって、キースイッチ１３はオンとオフとで切り替えられる。以下の説明において、キースイッチ１３がオフされることをキーオフと称し、キースイッチ１３がオンされることをキーオンと称する場合がある。

＜燃料電池システム＞
燃料電池システム２０は、例えば、カソード系３０と、アノード系６０と、希釈器６９と、を有する。燃料電池システム２０は、燃料電池スタック２２と、筐体２１と、制御部８０と、を備える。

筐体２１は燃料電池スタック２２を収容する。燃料電池スタック２２は、複数の燃料電池セル２２ａをスタック化したものである。燃料電池セル２２ａは、例えば、固体分子型燃料電池である。燃料電池スタック２２は、アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する。燃料電池セル２２ａは、アノードガスが供給されるアノード極と、カソードガスが供給されるカソード極と、アノード極とカソード極との間に配置されている電解質膜と、を備える。燃料電池セル２２ａは、セパレータによって挟まれている。

カソード系３０は、カソード流路３０ａを備える。カソード流路３０ａは、筐体２１の内部に位置するカソード内部流路２３を備える。カソード内部流路２３にはカソードガスが流れる。カソード内部流路２３は、例えば、燃料電池スタック２２におけるカソード極に向かい合うセパレータに設けられている。

筐体２１には、供給口２４が形成されている。カソードガスは、供給口２４からカソード内部流路２３に供給される。筐体２１には、排出口２５が形成されている。カソードガスは、排出口２５からカソード内部流路２３外に排出される。

アノード系６０は、アノード流路６０ａを備える。アノード流路６０ａは、筐体２１の内部に位置するアノード内部流路２６を備える。アノード内部流路２６にはアノードガスが流れる。アノード内部流路２６は、例えば、燃料電池スタック２２におけるアノード極に向かい合うセパレータに設けられている。

筐体２１には、アノード供給口２７が形成されている。アノードガスは、アノード供給口２７からアノード内部流路２６に供給される。筐体２１には、アノード排出口２８が形成されている。アノードガスは、アノード排出口２８からアノード内部流路２６外に排出される。

アノード内部流路２６を流れるアノードガスと、カソード内部流路２３を流れるカソードガスと、が反応することにより、燃料電池スタック２２は発電を行う。言い換えると、燃料電池スタック２２は、アノード流路６０ａに供給されたアノードガスとカソード流路３０ａに供給されたカソードガスとの反応によって発電を行う。なお、カソードガスは、酸化剤ガスである。酸化剤ガスとしては、例えば、空気中の酸素を挙げることができる。アノードガスは、燃料ガスである。燃料ガスとしては、例えば、水素ガスを挙げることができる。

アノード系６０は、タンク６１と、アノードガス供給部６２と、気液分離器６５と、循環ポンプ６６と、アノード排水弁６７と、を備える。アノード流路６０ａは、供給路６３と、循環路６４と、を備える。

タンク６１は、アノードガスを貯留している。アノードガス供給部６２には、タンク６１からアノードガスが供給される。アノードガス供給部６２は、燃料電池スタック２２に供給されるアノードガスの量を調整するための部材である。燃料電池スタック２２に供給されるアノードガスの量は、アノードガス供給部６２を制御することで調整可能である。アノードガス供給部６２としては、例えば、インジェクタなどの電磁弁を用いることができる。

供給路６３は、アノードガス供給部６２とアノード供給口２７とを接続している。アノードガス供給部６２から噴射されたアノードガスは、供給路６３を通じて燃料電池スタック２２に供給される。

循環路６４は、アノード排出口２８と供給路６３とを接続している。循環路６４には、アノード排ガスが流れる。アノード排ガスは、未反応のアノードガスと、燃料電池スタック２２での発電によって生成された生成水Ｗと、を含む。生成水Ｗとは、燃料電池スタック２２での発電によって生成される水である。循環路６４は、アノード排ガスに含まれる未反応のアノードガスを供給路６３に戻すための通路である。

気液分離器６５は、循環路６４に設けられている。気液分離器６５は、アノード排ガスをアノードガスと生成水Ｗとに分離する。アノード排ガスから分離された生成水Ｗは、気液分離器６５に貯留される。

循環ポンプ６６は、循環路６４に設けられている。循環ポンプ６６は、気液分離器６５によってアノード排ガスから分離されたアノードガスを供給路６３に供給する。これにより、アノードガスが循環する。

アノード排水弁６７は、気液分離器６５に接続されている。アノード排水弁６７は、開状態と閉状態に切り替えられる。アノード排水弁６７が開状態になると、気液分離器６５から生成水Ｗが排出される。アノード排水弁６７は、気液分離器６５に貯留される生成水Ｗの量が閾値を上回った場合に閉状態から開状態に切り替えられてもよい。アノード排水弁６７は、所定の時間間隔毎に閉状態から開状態に切り替えられてもよい。

気液分離器６５は、希釈器６９に接続されている。アノード排水弁６７が開状態になると、気液分離器６５に貯留された生成水Ｗ及びアノード排ガスが希釈器６９に供給される。

カソード系３０は、カソードガス吸入口３１と、電動圧縮機３２と、インタークーラ３３と、封止弁４０と、調圧弁４１と、を備える。言い換えると、燃料電池システム２０は、調圧弁４１を備える。カソード流路３０ａは、供給流路３４と、排出流路３７と、を備える。言い換えると、燃料電池システム２０は、排出流路３７を備える。

カソードガス吸入口３１は、燃料電池システム２０にカソードガスを吸入するための吸入口である。カソードガスとして空気中の酸素を用いる場合、カソードガス吸入口３１は大気に開放されていてもよい。カソードガス吸入口３１は、カソードガスを貯蔵するガスボンベに接続されていてもよい。

電動圧縮機３２は、電動モータによって駆動する。電動圧縮機３２は、燃料電池スタック２２にカソードガスを供給する。詳細には、電動圧縮機３２は、カソードガス吸入口３１から供給されるカソードガスを圧縮して燃料電池スタック２２に供給する。カソードガスは、カソードガス吸入口３１から不図示のエアクリーナを通って電動圧縮機３２に供給されてもよい。電動圧縮機３２から燃料電池スタック２２に供給されたカソードガスは、カソード内部流路２３を流れる。

インタークーラ３３には、電動圧縮機３２から吐出されたカソードガスが供給される。インタークーラ３３は、電動圧縮機３２から供給されたカソードガスを冷却する。燃料電池スタック２２に供給されるカソードガスは、インタークーラ３３によって冷却された後のカソードガスである。

供給流路３４は、カソード流路３０ａのうち、カソード内部流路２３よりも上流側に位置する部分である。供給流路３４は、電動圧縮機３２と筐体２１の供給口２４とを接続している。供給流路３４は、第１供給流路３５と、第２供給流路３６と、を含む。第１供給流路３５は、電動圧縮機３２とインタークーラ３３とを接続している。第２供給流路３６は、インタークーラ３３と筐体２１の供給口２４とを接続している。

封止弁４０は、供給流路３４に設けられている。本実施形態の封止弁４０は、第２供給流路３６に設けられている。封止弁４０は、第１供給流路３５に設けられていてもよい。封止弁４０は、例えば供給流路３４を封止するバタフライ弁である。封止弁４０は、開状態と閉状態とに切り替えられる。封止弁４０が開状態になると、供給流路３４を介してカソード内部流路２３にカソードガスが供給される。封止弁４０が閉状態になると、供給流路３４が封止される。

燃料電池システム２０は、開度センサ５８と、内圧センサ５９と、を備える。開度センサ５８は、調圧弁４１の開度を検出する。開度センサ５８としては、例えば、ホール素子を用いることができる。開度センサ５８としては、エンコーダを用いてもよい。

＜排出流路＞
排出流路３７は、カソード流路３０ａのうち、カソード内部流路２３よりも下流側に位置する部分である。排出流路３７は、筐体２１の排出口２５を介して筐体２１の内部と連通している。言い換えると、排出口２５は、筐体２１の内部と排出流路３７とを連通させている。排出流路３７は、排出口２５と希釈器６９とを接続している。

排出流路３７は、カソード排ガスが流れる流路である。カソード排ガスは、燃料電池スタック２２から排出されるカソードガスであって、生成水Ｗを含んだカソードガスである。言い換えると、排出流路３７は、カソードガスと燃料電池スタック２２での発電によって生成された生成水Ｗとが筐体２１の内部から排出される。カソード排ガスは、排出流路３７から希釈器６９に排出される。希釈器６９は、気液分離器６５から供給されたアノード排ガスをカソード排ガスによって希釈して大気中に排出する。

調圧弁４１は、排出流路３７に設けられている。排出流路３７のうち、調圧弁４１よりも上流側の部分を上流流路３８という。排出流路３７のうち、調圧弁４１よりも下流側の部分を下流流路３９という。上流流路３８は、筐体２１の排出口２５と調圧弁４１とを接続している。下流流路３９は、調圧弁４１と希釈器６９とを接続している。内圧センサ５９は、上流流路３８の内圧である流路内圧Ｐを検出するセンサである。

＜調圧弁＞
調圧弁４１は、例えばバタフライ弁である。調圧弁４１の開度が調整されることにより、燃料電池スタック２２の内圧が調整される。調圧弁４１の開度が小さいほど、燃料電池スタック２２の内圧が高まる。調圧弁４１が全閉にされると、排出流路３７が封止される。

図２に示すように、調圧弁４１は、例えば、シール部材４４と、弁体４８と、回転軸５１と、を有する。
シール部材４４は、排出流路３７に設けられている。シール部材４４は、例えば、ゴム製である。シール部材４４は、例えば円環状である。シール部材４４は、座面４４ａを有する。座面４４ａは、シール部材４４の内周面である。弁体４８は、排出流路３７に設けられている。弁体４８は、本体４９と、連結部５０と、を備える。本体４９は、例えば板状である。

回転軸５１は、連結部５０に設けられている。回転軸５１の回転に伴い弁体４８が回転することによって、調圧弁４１の開度が調整される。調圧弁４１が全閉の場合、弁体４８がシール部材４４と密着する。これによって排出流路３７が封止される。シール部材４４は、弁体４８をシールする。不図示の駆動装置によって回転軸５１が回転することにより、弁体４８が回転する。駆動装置を制御することによって、調圧弁４１の開度は調整可能である。

図２に二点鎖線で示す弁体４８のように、弁体４８が座面４４ａから離れることにより、調圧弁４１の開度は大きくなる。調圧弁４１において、座面４４ａに対して弁体４８が近づくことで開度が小さくなる。調圧弁４１は、弁体４８が回転することで座面４４ａに対して弁体４８が近づく。

排出流路３７の流路断面積のうち、弁体４８と座面４４ａの間でガスが流れる部分の断面積のことを、以下では調圧弁４１の有効断面積とも称する。有効断面積は、座面４４ａに対して弁体４８が近づくほど小さくなる。すなわち、調圧弁４１の開度が小さくなるほど、調圧弁４１の有効断面積は小さくなる。

調圧弁４１には、調圧弁４１の開度が座面４４ａに弁体４８が接する開度であって調圧弁４１が全閉ではない領域が存在する。この領域を、以下では低開度領域とも称する。弁体４８が座面４４ａから離れた位置から座面４４ａに対して近づくように移動した後、弁体４８が座面４４ａに接することで、調圧弁４１の開度は低開度領域の開度となる。

弁体４８が座面４４ａから離れた位置から座面４４ａに接したタイミングにおいては、弁体４８の周縁部のうちで、弁体４８の周方向の一部が座面４４ａに接する。そのため、低開度領域においては、弁体４８の周縁部のうちで座面４４ａに接していない部分と座面４４ａとの間にてガスの通過が可能であるため、調圧弁４１の有効断面積は０（ゼロ）ではない。

低開度領域において、調圧弁４１の開度が小さく変更されると、弁体４８は座面４４ａを押圧しながら移動する。このとき、シール部材４４は、弁体４８からの押圧を受けて変形する。これにより、低開度領域において調圧弁４１の開度が小さくなるほど、弁体４８の周縁部のうちで座面４４ａに接する部分の割合が増えるため、調圧弁４１の有効断面積が小さくなる。調圧弁４１の開度が全閉となると、図２に実線で示す弁体４８のように、弁体４８の周縁部の全体が座面４４ａに接することにより、調圧弁４１の有効断面積は０（ゼロ）となる。

＜制御部＞
図１に示すように、制御部８０は、プロセッサ８１と、記憶部８２と、を備える。記憶部８２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。記憶部８２は、処理をプロセッサ８１に実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部８２、すなわち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御部８０は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御部８０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ８１、ＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

制御部８０は、例えば、燃料電池スタック２２の出力電力［ｋＷ］を制御する。燃料電池スタック２２の出力電力は、燃料電池スタック２２に供給されるカソードガスの量と、燃料電池スタック２２に供給されるアノードガスの量と、によって変化する。燃料電池スタック２２の出力電力は、燃料電池スタック２２の発電電力である。制御部８０は、アノードガス供給部６２を制御することで、燃料電池スタック２２へのアノードガスの供給量を制御する。制御部８０は、電動圧縮機３２を制御することで、燃料電池スタック２２へのカソードガスの供給量を制御する。

制御部８０は、燃料電池スタック２２の発電についての制御を行う。制御部８０は、燃料電池スタック２２の発電状態と発電停止状態とを切り替える。発電状態は、低発電状態、中発電状態、及び高発電状態を含む。制御部８０は、燃料電池スタック２２の発電状態を遷移させることで、燃料電池スタック２２の発電電力を段階的に変化させることができる。

制御部８０は、燃料電池スタック２２の発電電力の目標値である目標電力Ｅを変更することにより、燃料電池スタック２２の発電状態を切り替えている。燃料電池スタック２２は、第１目標電力Ｅ１と、第２目標電力Ｅ２と、を含む複数の目標電力Ｅに切り替えられながら発電している。詳細には、燃料電池スタック２２を高発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅを第１目標電力Ｅ１として制御を行う。燃料電池スタック２２を中発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅを第２目標電力Ｅ２として制御を行う。燃料電池スタック２２を低発電状態に制御するとき、制御部８０は目標電力Ｅを第３目標電力Ｅ３として制御を行う。第３目標電力Ｅ３は、第２目標電力Ｅ２よりも小さい。第３目標電力Ｅ３は、例えば、３［ｋＷ］である。第２目標電力Ｅ２は、例えば、５［ｋＷ］である。第２目標電力Ｅ２は第１目標電力Ｅ１よりも小さい。第１目標電力Ｅ１は、例えば、８［ｋＷ］である。制御部８０は、目標電力Ｅに応じて、燃料電池スタック２２に供給されるカソードガスの量と、燃料電池スタック２２に供給されるアノードガスの量と、を変更する。

制御部８０は、例えば、封止弁４０の開度を制御する。制御部８０は、キースイッチ１３のオンとオフとを判定可能である。例えば、キースイッチ１３がオンになった場合、キースイッチ１３がオンになったことが産業車両１０に搭載された不図示の車両制御装置から制御部８０に通知される。同様に、キースイッチ１３がオフになった場合、キースイッチ１３がオフになったことが車両制御装置から制御部８０に通知される。これにより、制御部８０は、キースイッチ１３のオンとオフとを判定することができる。

図２に示すように、制御部８０は、弁体４８を移動させて調圧弁４１の開度を制御する。制御部８０は、駆動装置を駆動することにより、調圧弁４１の開度を調整することができる。

図１に示すように、制御部８０は、産業車両１０がキーオフされると、アノードガスの供給、及びカソードガスの供給を停止することによって燃料電池スタック２２の発電を停止する。制御部８０は、アノード内部流路２６を封止することによって、アノードガスの供給を停止する。アノード内部流路２６の封止は、アノード排水弁６７を閉状態に維持することで行われる。

制御部８０は、カソード内部流路２３を封止することによって、カソードガスの供給を停止する。カソード内部流路２３の封止は、封止弁４０及び調圧弁４１を閉状態に維持することで行われる。

制御部８０は、産業車両１０がキーオンされると、アノードガスの供給、及びカソードガスの供給を行うことによって燃料電池スタック２２の発電を行う。カソードガスの供給が行われる際、制御部８０は、封止弁４０を開状態に維持するとともに、調圧弁４１の開度を調整する。

制御部８０は、燃料電池スタック２２の目標電力Ｅに基づいて、調圧弁４１の開度を調整する。制御部８０は、例えば、燃料電池スタック２２の目標電力Ｅが第１目標電力Ｅ１である場合に、調圧弁４１の開度を所定開度Ａｐ以下に制御する。例えば、燃料電池スタック２２の目標電力Ｅが第２目標電力Ｅ２及び第３目標電力Ｅ３のいずれかである状態から第１目標電力Ｅ１に切り替わった場合、制御部８０は、調圧弁４１の開度を低開度領域内の開度に変更する。燃料電池スタック２２の目標電力Ｅが第１目標電力Ｅ１である間は、低開度領域内で調圧弁４１の開度を調整する。これにより、制御部８０は、調圧弁４１の開度を所定開度Ａｐ以下に制御する。

図２に示すように、所定開度Ａｐは、座面４４ａに弁体４８が接する開度であって弁体４８と座面４４ａの間でカソードガスが流れる開度である。所定開度Ａｐは、低開度領域に含まれる調圧弁４１の開度の中で、最も大きい開度である。調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐ以下であるときは、調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐより大きいときよりも、燃料電池スタック２２の内圧が高まる。

＜排出流路の延びる方向＞
図面では、水平方向のうちの一方向をＸ軸で示している。以下では、水平方向を水平方向Ｘともいい、重力方向を重力方向Ｚともいう。水平方向Ｘと重力方向Ｚとは互いに直交する。

排出口２５は、水平方向Ｘに向けて開口するように筐体２１に形成されている。排出流路３７のうち、上流流路３８は排出口２５から水平方向Ｘに延びている。排出流路３７のうち、下流流路３９は重力方向Ｚに延びている。そのため、排出流路３７において、排出流路３７が、上流流路３８と下流流路３９の接続する部分で屈曲するように、上流流路３８と下流流路３９とで延びる方向が互いに異なっている。

＜貯留部＞
燃料電池システム２０は貯留部８３を備える。貯留部８３は、上流流路３８に連通する内部空間を有する。貯留部８３の内部空間に生成水Ｗが貯留可能である。貯留部８３は、排出口２５よりも重力方向Ｚの下方に位置する。貯留部８３は、例えば、上流流路３８よりも重力方向Ｚの下方に位置する。これにより、上流流路３８を流れる生成水Ｗは、上流流路３８から貯留部８３に流入する。貯留部８３は、上流流路３８を流れる生成水Ｗを内部に貯留可能である。

貯留部８３は、例えば底部８３ａを有する。底部８３ａは、貯留部８３を構成する壁部のうち、重力方向Ｚの下部に位置する壁部である。貯留部８３には、連通口８３ｈが形成されている。連通口８３ｈは、底部８３ａを貫通する貫通孔である。連通口８３ｈは、貯留部８３の内部と下流流路３９とを連通させる。下流流路３９は、貯留部８３から重力方向Ｚの下方に延びている。

調圧弁４１は、連通口８３ｈの開閉が可能である。詳細には、調圧弁４１が閉弁されるとき、弁体４８が連通口８３ｈを塞ぐことができる位置に弁体４８が位置する。シール部材４４は、連通口８３ｈの周囲に設けられている。

＜生成水の流れ＞
調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐ以下であるとき、弁体４８が座面４４ａに接することにより、連通口８３ｈを生成水Ｗが通過しにくくなる。そのため、筐体２１の内部から排出口２５を介して上流流路３８に排出された生成水Ｗは、貯留部８３に貯留される。なお、貯留部８３の容量は、調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐ以下である間に生成される生成水Ｗの量を予め実験によって求め、生成される生成水Ｗの量を貯留可能な容量に設定されている。これにより、調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐ以下である間は、筐体２１の内部から排出流路３７に排出された生成水Ｗが貯留部８３に貯留されるため、生成水Ｗが筐体２１の内部で溜まりにくくなる。

調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐより大きい開度であるとき、弁体４８が座面４４ａから離れることにより、連通口８３ｈを生成水Ｗが通過しやすくなる。そのため、調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐより大きい開度であるとき、生成水Ｗが筐体２１の内部から上流流路３８に排出されると、生成水Ｗは上流流路３８から連通口８３ｈを介して下流流路３９に排出される。生成水Ｗは、下流流路３９を介して、貯留部８３及び排出流路３７の外部に排出される。こうして、調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐより大きい開度である間、燃料電池スタック２２にて生成された生成水Ｗは、排出流路３７を流れて排出流路３７の外部に順次排出される。

本実施形態の排水機構８４は、調圧弁４１及び下流流路３９である。貯留部８３に貯留された生成水Ｗは、排水機構８４としての調圧弁４１及び下流流路３９によって貯留部８３及び排出流路３７の外部に排出可能である。

図１に示すように、上流流路３８から下流流路３９に流れた生成水Ｗは、下流流路３９から希釈器６９に排出される。これにより、生成水Ｗは、貯留部８３及び排出流路３７の外部に排出されることになる。

＜第１実施形態の作用＞
本実施形態の作用について説明する。
図２に示すように、調圧弁４１の開度によっては、調圧弁４１によって上流流路３８から下流流路３９へと生成水Ｗが流れにくくなる。こうして生成水Ｗが流れにくくなる開度である所定開度Ａｐ以下に調圧弁４１の開度が設定されると、筐体２１の内部から排出口２５を介して上流流路３８に排出された生成水Ｗは貯留部８３に貯留される。調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐ以下である間は、筐体２１の内部から排出流路３７に排出された生成水Ｗが貯留部８３に貯留されるため、生成水Ｗが筐体２１の内部で溜まりにくくなる。調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐより大きい開度になると、生成水Ｗは上流流路３８から下流流路３９に排出される。

＜第１実施形態の効果＞
本実施形態の効果について説明する。
（１－１）燃料電池システム２０は、排出口２５よりも重力方向Ｚの下方に位置し、上流流路３８を流れる生成水Ｗを内部に貯留可能な貯留部８３を備える。そのため、上流流路３８から下流流路３９へと生成水Ｗが流れにくくなる開度である所定開度Ａｐ以下に調圧弁４１の開度が設定されると、筐体２１の内部から排出口２５を介して上流流路３８に排出された生成水Ｗは貯留部８３に貯留される。したがって、燃料電池スタック２２を収容する筐体２１の内部に生成水Ｗが溜まることを抑制できる。

（１－２）排水機構８４は、調圧弁４１及び下流流路３９である。貯留部８３には、貯留部８３の内部と下流流路３９とを連通させる連通口８３ｈが形成されている。調圧弁４１は、連通口８３ｈの開閉が可能である。そのため、貯留部８３に貯留された生成水Ｗを貯留部８３及び排出流路３７の外部に排出させるための機構を燃料電池システム２０に別途搭載させる必要がないため、燃料電池システム２０における部品点数の増大を抑制できる。

（１－３）下流流路３９は、貯留部８３から重力方向Ｚの下方に延びている。そのため、貯留部８３に貯留された生成水Ｗは、生成水Ｗの自重によって貯留部８３から下流流路３９に流れやすい。貯留部８３に貯留された生成水Ｗを早期に貯留部８３の外部に排出できるため、貯留部８３の容量を小さくできる。したがって、貯留部８３の容量の増大に伴う燃料電池システム２０の大型化を抑制できる。

［第２実施形態］
以下、燃料電池システムを具体化した第２実施形態について図面にしたがって説明する。

第２実施形態における燃料電池システム２０では、貯留部８３及び排水機構８４が第１実施形態とは異なっている。以下では、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については適宜説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態の上流流路３８は、第１実施形態と同様に、排出口２５から水平方向Ｘに延びている。本実施形態の下流流路３９は、下流流路３９の下流の部分ほど重力方向Ｚの下方に位置するように、水平方向Ｘに対して傾くように延びている。

本実施形態における貯留部８３は、第１実施形態における貯留部８３と同様に、排出口２５よりも重力方向Ｚの下方に位置する。貯留部８３は上流流路３８よりも重力方向Ｚの下方に位置することにより、上流流路３８を流れる生成水Ｗが上流流路３８から貯留部８３に流入する。貯留部８３は、上流流路３８を流れる生成水Ｗを内部に貯留可能である。

貯留部８３の底部８３ａには、排水口８３ｇが形成されている。排水口８３ｇは、貯留部８３の壁部を貫通する貫通孔である。本実施形態の排水機構８４は、排水流路８６と、排水弁８５と、を有している。排水流路８６は、排出流路３７とは異なる流路である。排水流路８６は、貯留部８３に連通する。詳細には、排水流路８６は、排水口８３ｇから重力方向Ｚに延びている。排水弁８５は、排水流路８６に設けられる。

排水弁８５に応じて、貯留部８３から排水流路８６へと排出される生成水Ｗの量が調整される。例えば、排水弁８５が閉弁されると、貯留部８３から排水流路８６への生成水Ｗの流れが排水弁８５によって塞き止められる。これにより、貯留部８３に生成水Ｗが貯留される。例えば、排水弁８５が開弁されると、貯留部８３から排水流路８６へと生成水Ｗが流れるようになる。したがって、排水弁８５が開弁されることによって、貯留部８３に貯留された生成水Ｗが排水流路８６を介して貯留部８３及び排出流路３７の外部に排出される。排水流路８６を流れた生成水Ｗは、例えば、排水流路８６から図１に示す希釈器６９に排出される。

排水弁８５の開度は制御部８０によって調整される。言い換えると、本実施形態の燃料電池システム２０は、排水弁８５の開度を調整する制御部８０を備える。制御部８０は、内圧センサ５９によって検出された上流流路３８の流路内圧Ｐに基づいて、排水弁８５の開閉を調整する。制御部８０は、上流流路３８の内圧である流路内圧Ｐが燃料電池スタック２２を加圧させる所定内圧Ｐａ以上であるときに排水弁８５を開弁させる。制御部８０は、排水弁８５が開弁された状態で上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ未満であるときに排水弁８５を閉弁させる。

調圧弁４１が所定開度Ａｐ以下の状況下で貯留部８３に生成水Ｗが貯留されていると、生成水Ｗによって排水口８３ｇが塞がれることにより、上流流路３８の流路内圧Ｐが高くなる。調圧弁４１が所定開度Ａｐ以下であり、かつ貯留部８３に生成水Ｗが貯留されているときに、上流流路３８の流路内圧Ｐは所定内圧Ｐａ以上となる。

調圧弁４１が所定開度Ａｐ以下の状況下で排水弁８５が開弁されると、貯留部８３に貯留された生成水Ｗが排水流路８６を介して貯留部８３から排出される。このとき、貯留部８３に貯留された生成水Ｗが減ることによって、生成水Ｗによって塞がれていた排水口８３ｇが開放されるため、上流流路３８の流路内圧Ｐが低下する。そのため、排水弁８５が開弁している状況下で貯留部８３に生成水Ｗが貯留されていないときには、上流流路３８の流路内圧Ｐは所定内圧Ｐａ未満になる。

制御部８０は、上流流路３８の流路内圧Ｐに基づいて排水弁８５の開閉を調整する。制御部８０は、調圧弁４１が所定開度Ａｐ以下である状況下で、上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ以上であるときに排水弁８５を開弁させることにより、貯留部８３に貯留された生成水Ｗを貯留部８３から排出させる。制御部８０は、排水弁８５が開弁された状態で上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ未満であるときに排水弁８５を閉弁させることにより、貯留部８３に生成水Ｗが貯留されていないときの貯留部８３からの生成水Ｗの排出を停止させる。

なお、貯留部８３に生成水Ｗが貯留されている状況下で調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐ以下から所定開度Ａｐより大きくされると、上流流路３８の流路内圧Ｐが低下することにより、流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ未満となる。このとき、排水弁８５が開弁された状態で上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ未満であることを条件に、制御部８０は排水弁８５を閉弁させる。これにより、排水流路８６を介した貯留部８３の外部への生成水Ｗの排出はされなくなるが、生成水Ｗは上流流路３８から下流流路３９へと通過可能となる。

＜排水制御＞
制御部８０は、例えば、上流流路３８の流路内圧Ｐに基づいて排水弁８５の開閉を調整する排水制御を行う。以下に制御部８０によって行われる排水制御の処理手順の一例について、図４を用いて説明する。図４に示す排水制御の処理は、例えば、キーオンされたことを条件に、所定時間毎に繰り返し行われる。

図４に示すように、排水制御が開始されると、制御部８０は、上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ未満であると判断すると（ステップＳ１１０：ＮＯ）、制御部８０は本制御を終了する。上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ以上であると判断すると（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）、制御部８０は排水弁８５を開弁させる（ステップＳ１２０）。

ステップＳ１２０の処理を行った後、制御部８０は、上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ未満であるか否かを判断する（ステップＳ１３０）。上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ以上であると判断すると（ステップＳ１３０：ＮＯ）、制御部８０はステップＳ１３０の処理を再び行う。制御部８０は、上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ以上であると判断する間は（ステップＳ１３０：ＮＯ）、ステップＳ１３０の処理を繰り返し実行する。

上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ未満であると判断すると（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、制御部８０は、排水弁８５を閉弁させる（ステップＳ１４０）。ステップＳ１４０の処理を行った後、制御部８０は本制御を終了する。

第２実施形態によれば第１実施形態と同様の作用を奏することができる。
［第２実施形態の効果］
本実施形態の効果について説明する。本実施形態によれば、第１実施形態の効果（１－１）に加えて以下の効果を得ることができる。

（２－１）排水機構８４は、排出流路３７とは異なる流路であってかつ貯留部８３に連通する排水流路８６と、排水流路８６に設けられる排水弁８５と、を有する。排水弁８５が開弁されることによって、貯留部８３に貯留された生成水Ｗが排水流路８６を介して貯留部８３及び排出流路３７の外部に排出される。したがって、貯留部８３に生成水Ｗが貯留されているタイミングに合わせて排水弁８５を開弁させることによって、貯留部８３に貯留された生成水Ｗを貯留部８３から排出できる。

（２－２）制御部８０は、上流流路３８の内圧である流路内圧Ｐが燃料電池スタック２２を加圧させる所定内圧Ｐａ以上であるときに排水弁８５を開弁させる。制御部８０は、排水弁８５が開弁された状態で上流流路３８の流路内圧Ｐが所定内圧Ｐａ未満であるときに排水弁８５を閉弁させる。そのため、排水弁８５の開弁に伴って上流流路３８の流路内圧Ｐが低下することを抑制しつつ、排水流路８６を介して貯留部８３に貯留された生成水Ｗを貯留部８３の外部に排出させることができる。したがって、燃料電池スタック２２の加圧を好適に行いつつ、貯留部８３に貯留された生成水Ｗを貯留部８３の外部に排出できる。

［変更例］
実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ 燃料電池スタック２２の目標電力Ｅには、第１目標電力Ｅ１、第２目標電力Ｅ２、及び第３目標電力Ｅ３に加えて、１以上の目標電力Ｅが含まれてもよい。燃料電池スタック２２の目標電力Ｅに第３目標電力Ｅ３が含まれていなくてもよい。要するに、燃料電池スタック２２は、第１目標電力Ｅ１と、第１目標電力Ｅ１よりも小さい第２目標電力Ｅ２と、を含む複数の目標電力Ｅに切り替えられながら発電するものであればよい。

○ 燃料電池スタック２２の目標電力Ｅは、第１目標電力Ｅ１及び第２目標電力Ｅ２といった異なる値に切り替えられず、一定の電力であってもよい。
○ 調圧弁４１としては、グローブ弁やボール弁といったバタフライ弁以外の弁を採用可能である。

○ 第２実施形態において、貯留部８３における排水口８３ｇの形成箇所は、貯留部８３の底部８３ａに限らない。
○ 第２実施形態において、排水流路８６は、排水流路８６の下流の部分ほど水平方向Ｘにずれるように、重力方向Ｚに対して傾くように排水口８３ｇから延びていてもよい。

○ 内圧センサ５９は、供給流路３４のうちでインタークーラ３３と封止弁４０の間に配置してもよい。
○ 第２実施形態において、制御部８０は、内圧センサ５９の検出値以外の手段を用いて上流流路３８の流路内圧Ｐを推定するとともに、推定された流路内圧Ｐに基づいて排水弁８５の開閉を調整してもよい。例えば、制御部８０は、検出された燃料電池スタック２２の電圧に基づいて、上流流路３８の流路内圧Ｐを推定してもよい。

○ 第１実施形態及び第２実施形態において、燃料電池システム２０から内圧センサ５９を省略してもよい。
○ 第２実施形態において、制御部８０による排水制御は、キーオンされたことを条件に行われるものに限らない。例えば、燃料電池システム２０に設けられたレバー、スイッチ、押しボタン、及びタッチパネル等、操作部材がユーザによって操作されることを条件に、制御部８０は排水制御を行ってもよい。

○ 第２実施形態において、制御部８０による排水制御以外の方法で、排水弁８５及び排水流路８６を用いて貯留部８３に貯留された生成水Ｗの排出を行ってもよい。例えば、調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐより大きくなったことを条件に、制御部８０は、排水弁８５を開弁させることによって貯留部８３に貯留された生成水Ｗを排出させてもよい。調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐより大きい状態が継続されている間、制御部８０は排水弁８５を開弁させた状態で維持させてもよい。調圧弁４１の開度が所定開度Ａｐ以下になったことを条件に、制御部８０は、排水弁８５を閉弁させることによって貯留部８３に貯留された生成水Ｗの排出を停止させてもよい。制御部８０は、開度センサ５８から検出された調圧弁４１の開度に基づいて、排水弁８５の開閉を切り替えてもよい。

○ 第１実施形態及び第２実施形態において、上流流路３８は、排出口２５から水平方向Ｘに延びるものに限らない。例えば、上流流路３８は、上流流路３８の下流の部分ほど重力方向Ｚの下方に位置するように、水平方向Ｘに対して傾くように延びていてもよい。

○ 第２実施形態において、下流流路３９は、下流流路３９の下流の部分ほど重力方向Ｚの下方に位置するように延びるものに限らない。例えば、下流流路３９は、水平方向Ｘに延びていてもよい。

○ 第１実施形態において、貯留部８３における連通口８３ｈの形成箇所は、貯留部８３の底部８３ａに限らない。
○ 第１実施形態において、下流流路３９は、貯留部８３から重力方向Ｚの下方に延びるものに限らない。例えば、下流流路３９は、下流流路３９の下流の部分ほど水平方向Ｘにずれるように、重力方向Ｚに対して傾くように貯留部８３から延びていてもよい。

○ 燃料電池システム２０は、乗用車、船舶、鉄道などに搭載されていてもよい。
○ 燃料電池システム２０は、定置式の発電装置として用いられてもよい。

Ｐ…流路内圧、Ｐａ…所定内圧、Ｗ…生成水、Ｚ…重力方向、２０…燃料電池システム、２１…筐体、２２…燃料電池スタック、２５…排出口、３７…排出流路、３８…上流流路、３９…下流流路、４１…調圧弁、８０…制御部、８３…貯留部、８３ｈ…連通口、８４…排水機構、８５…排水弁、８６…排水流路。

Claims (5)

1. アノードガス及びカソードガスが供給されることによって発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックを収容する筐体と、
   前記カソードガスと前記燃料電池スタックでの発電によって生成された生成水とが前記筐体の内部から排出される排出流路と、
   前記排出流路に設けられる調圧弁と、を備える燃料電池システムであって、
   前記筐体には、前記筐体の内部と前記排出流路とを連通させる排出口が形成され、
   前記排出流路のうち、前記調圧弁よりも上流側の部分を上流流路というと、
   前記燃料電池システムは、前記排出口よりも重力方向の下方に位置し、前記上流流路を流れる前記生成水を内部に貯留可能な貯留部を備え、
   前記貯留部に貯留された前記生成水は、排水機構によって前記貯留部及び前記排出流路の外部に排出可能であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排出流路のうち、前記調圧弁よりも下流側の部分を下流流路というと、
   前記排水機構は、前記調圧弁及び前記下流流路であり、
   前記貯留部には、前記貯留部の内部と前記下流流路とを連通させる連通口が形成され、
   前記調圧弁は、前記連通口の開閉が可能である請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記下流流路は、前記貯留部から前記重力方向の下方に延びている請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記排水機構は、前記排出流路とは異なる流路であってかつ前記貯留部に連通する排水流路と、前記排水流路に設けられる排水弁と、を有し、
   前記排水弁が開弁されることによって、前記貯留部に貯留された前記生成水が前記排水流路を介して前記貯留部及び前記排出流路の外部に排出される請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記排水弁の開度を調整する制御部を備え、
   前記制御部は、前記上流流路の内圧が前記燃料電池スタックを加圧させる所定内圧以上であるときに前記排水弁を開弁させ、前記排水弁が開弁された状態で前記上流流路の内圧が前記所定内圧未満であるときに前記排水弁を閉弁させる請求項４に記載の燃料電池システム。

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