JP4630043B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より詳しくは燃料電池システムにおける気液分離器の制御システムに関する。
燃料電池は、電解質膜を挟んでアノード極とカソード極とを備えている。水素を含むアノードガス（燃料ガス）がアノード極に供給されると、アノード極の触媒層において反応が生じ、アノードガス内の水素がプロトン（Ｈ+）と電子とに分かれ、プロトンは電解質膜中を通ってカソード極に移動し、電子は外部回路を通ってカソード極に移動する。そして、酸素を含むカソードガス（酸化剤ガス）がカソード極に供給されると、カソード極の触媒層において反応が生じ、カソードガス中の酸素とアノード極から移動してきたプロトンと電子とが反応して水が生成される。このとき、アノード極とカソード極との水蒸気差圧によって、カソード極で生成された水が電解質膜を透過してアノード極側に移動することがある。アノードガスに余分な液滴が含まれると発電効率が悪化するため、この余分な液滴を取り除くべく、アノードガスの流路には気液分離器が設置されている。
従来の気液分離器としては、例えば特許文献１に記載されているように、水回収タンクと、当該タンク内の水位を検出するための水位センサとを備えるものがある。そして、水回収タンクの水位が所定の水位に達したことを水位センサが検知すると、制御装置が水回収タンクのドレイン弁を開放して水を排出するようになっている。
なお、液滴を除去されたアノードガス（アノードオフガス）は、アノードガスの供給路に循環されて再利用される。
特開２００２−１２４２９０号公報（段落００３６〜００４０、図２）
しかしながら、前記特許文献１に記載された従来の燃料電池システムでは、例えば自動車などの移動物体に搭載された場合に、水位センサが例えば傾斜地等の影響を受けてしまい、水回収タンク内の水量を誤検知してしまうおそれがある。すなわち、水位センサが、実際よりも水量を多く検知した場合には、アノードガスが余分に排出されてしまい、燃費の悪化を招くという問題がある。
一方、燃料電池システムを稼動し続けると、アノードガス内の不純物（たとえば液滴）が多くなってしまい、相対的に水素量が減少し、やはり発電効率が悪化することがある。かかる場合には、アノードガスをパージしてリフレッシュすることが必要となる。このとき、水回収タンクのドレイン弁を利用してアノードガスをパージすることが考えられるが、従来の制御システムでは、アノードガスのパージ量を考慮した制御を行うことができず、例えばアノードガスが余分に排出されることがあり、やはり燃費の悪化を招くという問題がある。
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、適切なタイミングおよび時間でドレイン弁の開閉を制御する燃料電池システムを提供することを課題とする。
本発明の請求項１に係る燃料電池システムは、電解質を挟んでアノード極とカソード極とを有する燃料電池と、前記アノード極から排出されるアノードガスの流路上に設置され、当該アノードガス内に含まれる水を分離する気液分離器と、前記気液分離器で回収された水を排出する排出口を開閉するドレイン弁と、アノードガス温度を計測する温度センサと、前記燃料電池における発電電流値を計測する電流センサと、前記ドレイン弁の開閉を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記アノードガス温度と前記発電電流値とから算出される凝縮水量に基づいて、前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、当該ドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁を開閉することを特徴とする。
かかる構成によれば、燃料電池システムは、前記アノードガス温度と、前記発電電流値とに基づいて、前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、当該ドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁を開閉する制御手段を備えることから、計算によって水排出量を把握してドレイン弁の開閉時間を定めることができる。そのため、燃料電池システムの傾斜などによる水排出量の誤検知を防止することができる。
本発明の請求項２に係る燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段は、発電電流値とアノードガス温度と結露水量との予め記憶された相関関係と、前記アノードガス温度と、前記発電電流値と、に基づいて単位時間当りの結露水量を算出する結露水量算出手段と、前記単位時間当りの結露水量に基づいて前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量を算出する水排出量算出手段と、水排出量と前記水排出量に対応するドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記水排出量とに基づいて、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出する第１ドレイン開弁時間算出手段と、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁の開閉を制御するドレイン弁開閉制御手段と、を含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、燃料電池システムは、アノードガス温度と、発電電流値と、予め記憶された幾つかの相関関係データに基づいて水排出量およびドレイン開弁時間を算出し、これに基づいてドレイン弁の開閉を制御することができる。
本発明の請求項３に係る燃料電池システムは、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段は、さらに、前記アノードガス温度と、要求Ｈ2排出量とに基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間と前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁を開閉することを特徴とする。
かかる構成によれば、制御手段は、さらに、前記アノードガス温度と、要求Ｈ2排出量とに基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間と前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁を開閉することから、気液分離器で回収された水を排出する際にアノードガスもパージする場合において、排出されるアノードガスに含まれるＨ2の量を管理してドレイン弁を開閉することができる。このため、Ｈ2の無駄な放出を防止することができる。
ここで、要求Ｈ2排出量とは、一回に排出されるアノードガスに含まれるべきＨ2の量である。アノードガスの温度が低くなると、アノードガスの飽和水蒸気量が小さくなり、相対的にアノードガスに含まれるＨ2の量が大きくなる。逆に、アノードガスの温度が高くなると、アノードガスの飽和水蒸気量が大きくなり、相対的にアノードガスに含まれるＨ2の量が小さくなる。
本発明の請求項４に係る燃料電池システムは、請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段は、アノードガス温度と要求Ｈ2排出量とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記アノードガス温度と、要求Ｈ2排出量と、に基づいてアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出する第２ドレイン開弁時間算出手段をさらに含み、前記ドレイン弁開閉制御手段は、前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間と前記水排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁の開閉を制御することを特徴とする。
かかる構成によれば、第２ドレイン開弁時間算出手段によって、アノードガス温度と要求Ｈ2排出量とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、アノードガス温度と、要求Ｈ2排出量とに基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出することができることから、気液分離器で回収された水を排出する際にアノードガスもパージする場合において、排出されるアノードガスに含まれるＨ2の量を管理してドレイン弁を開閉することができる。これにより、Ｈ2の無駄な放出を防止することができる。
本発明の請求項５に係る燃料電池システムは、電解質を挟んでアノード極とカソード極とを有する燃料電池と、前記アノード極から排出されるアノードガスの流路上に設置され、当該アノードガス内に含まれる水を分離する気液分離器と、前記気液分離器で回収された水を排出する排出口を開閉するドレイン弁と、アノードガス温度を計測する第１温度センサと、カソードガス温度を計測する第２温度センサと、前記ドレイン弁の開閉を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記アノードガス温度と前記カソードガス温度とから算出される凝縮水量に基づいて、前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、当該水排出量に対応するドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁を開閉することを特徴とする。
かかる構成によれば、燃料電池システムは、前記制御手段は、前記アノードガス温度と、前記カソードガス温度とに基づいて、前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、当該水排出量に対応するドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁を開閉する制御手段を備えることから、計算によって水排出量を把握してドレイン弁の開閉時間を定めることができる。そのため、燃料電池システムの傾斜などによる水排出量の誤検知を防止することができる。
本発明の請求項６に係る燃料電池システムは、請求項５に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記アノードガス温度と、前記カソードガス温度とに基づいて、カソードガスとアノードガスの水蒸気分圧差を算出する水蒸気分圧差算出手段と、水蒸気分圧差とアノード極における単位時間当たりの結露水量との予め記憶された相関関係と、前記水蒸気分圧差とに基づいて、アノード極における単位時間当たりの結露水量を算出する結露水量算出手段と、前記単位時間当たりの結露水量に基づいて前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量を算出する水排出量算出手段と、水排出量とドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記水排出量とに基づいて、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出する第１ドレイン開弁時間算出手段と、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁の開閉を制御するドレイン弁開閉制御手段と、を含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、アノードガス温度と、カソードガス温度またはカソードガス湿度と、予め記憶された幾つかの相関関係データとに基づいて、水排出量およびドレイン開弁時間を算出し、これに基づいてドレイン弁の開閉を制御することができる。そのため、燃料電池システムの傾斜などによる水排出量の誤検知を防止することができる。
本発明の請求項７に係る燃料電池システムは、請求項６に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、アノードガス圧力を計測する圧力センサをさらに含み、前記制御手段は、前記アノードガス温度と、前記アノードガス圧力と、要求Ｈ2排出量とに基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間と前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁を開閉することを特徴とする。
かかる構成によれば、制御手段は、前記アノードガス温度と、前記アノードガス圧力と、要求Ｈ2排出量とに基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間と前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁を開閉することから、気液分離器で回収された水を排出する際にアノードガスもパージする場合において、排出されるアノードガスに含まれるＨ2の量を管理してドレイン弁を開閉することができる。このため、Ｈ2の無駄な放出を防止することができる。
本発明の請求項８に係る燃料電池システムは、請求項７に記載の燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記アノードガス温度と、前記アノードガス圧力と、要求Ｈ2排出量とに基づいてアノードガス排出量を設定するアノードガス排出量設定手段と、アノードガス排出量とドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記アノードガス排出量とに基づいて、前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出する第２ドレイン開弁時間算出手段と、をさらに含み、前記ドレイン弁開閉制御手段は、前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間と前記水排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁の開閉を制御することを特徴とする。
かかる構成によれば、アノードガス排出量設定手段によって、前記アノードガス温度と、前記アノードガス圧力と、要求Ｈ2排出量とに基づいてアノードガス排出量が設定され、第２ドレイン開弁時間算出手段によって、アノードガス排出量とドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記アノードガス排出量とに基づいて、前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間が算出され、前記ドレイン弁開閉制御手段によって、前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間と前記水排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁の開閉が制御されることから、気液分離器で回収された水を排出する際にアノードガスもパージする場合において、排出されるアノードガスに含まれるＨ2の量を管理してドレイン弁を開閉することができる。このため、Ｈ2の無駄な放出を防止することができる。
本発明の請求項９にかかる燃料電池システムは、請求項８に記載の燃料電池システムであって、前記アノードガス排出量設定手段は、前記アノードガス温度に基づいてアノードガス中の水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、前記アノードガス圧力と、前記水蒸気分圧とに基づいてアノードガスの全圧と水素の分圧との圧力比を算出する圧力比算出手段と、前記アノードガスの全圧と水素の分圧との圧力比と、所定温度・所定圧力下における前記要求Ｈ2排出量と、前記アノードガス圧力と、前記アノードガス温度とに基づいて、アノードガス排出時におけるアノードガスの圧力と温度に対応したアノードガス排出量を算出するアノードガス排出量算出手段と、を含むことを特徴とする。
かかる構成によれば、水蒸気分圧算出手段によって、前記アノードガス温度に基づいてアノードガス中の水蒸気の分圧が算出され、圧力比算出手段によって、前記アノードガス圧力と、前記水蒸気分圧とに基づいてアノードガスの全圧と水素の分圧との圧力比が算出され、アノードガス排出量算出手段によって、前記アノードガスの全圧と水素の分圧との圧力比と、所定温度・所定圧力下における前記要求Ｈ2排出量と、前記アノードガス圧力と、前記アノードガス温度とに基づいて、アノードガス排出時におけるアノードガスの圧力と温度に対応したアノードガス排出量が算出される。かかるアノードガス排出量に相当するアノードガスには、要求Ｈ2排出量に相当するＨ2が含まれていることから、このアノードガス排出量に基づいてドレイン弁を開閉制御すれば、Ｈ2の無駄な放出を防止することができる。
請求項１０に記載の燃料電池システムは、請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、アノードガス湿度を計測する第１湿度センサおよび／またはカソードガス湿度を計測する第２湿度センサをさらに備え、前記水蒸気分圧差算出手段は、前記アノードガス温度と、前記カソードガス温度と、前記アノードガス湿度および／または前記カソードガス湿度と、に基づいて、カソード極とアノード極の水蒸気分圧の差を算出することを特徴とする。
かかる構成によれば、水蒸気分圧差算出手段によって、アノードガス温度と、カソードガス温度と、アノードガス湿度および／またはカソードガス湿度とに基づいて、カソード極とアノード極の水蒸気分圧の差を算出することができるので、燃料電池システムの傾斜などによる水排出量の誤検知を防止することができる。また、第１湿度センサおよび／または第２湿度センサによって正確なアノードガス湿度および／またはカソードガス湿度を計測することができるので、飽和水蒸気圧に基づいて算出する場合に比してアノード極および／またはカソード極の水蒸気分圧をより正確に把握することができ、水排出量の計算精度を一層向上させることができる。
本発明の請求項１および請求項２に係る燃料電池システムによれば、アノードガス温度と、発電電流値と、に基づいて気液分離器からの水排出量を把握することができるため、燃料電池システムの姿勢の変化に影響されることがない。したがって、燃料電池システムの姿勢が変化する場合でも、水排出量を誤検知することなく、適切なタイミングおよび時間でドレイン弁の開閉を制御することができる。
また、本発明の請求項３および請求項４に係る燃料電池システムによれば、アノードガス温度と、要求Ｈ2排出量と、に基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出できることから、気液分離器で回収された水を排出する際にアノードガスもパージする場合において、排出されるアノードガスに含まれるＨ2の量を管理してドレイン弁を開閉することができる。そのため、Ｈ2を無駄に排出してしまうことがなく、燃費向上を図ることができる。
さらに、本発明の請求項５、請求項６および請求項１０に係る燃料電池システムによれば、アノードガス温度またはアノードガス湿度と、カソードガス温度またはカソードガス湿度に基づいて気液分離器からの水排出量を把握することができるため、燃料電池システムの姿勢の変化に影響されることがない。したがって、燃料電池システムの姿勢が変化する場合でも、水排出量を誤検知することなく、適切なタイミングおよび時間でドレイン弁の開閉を制御することができる。
また、本発明の請求項７乃至請求項９に係る燃料電池システムによれば、アノードガス温度と、アノードガス圧力と、要求Ｈ2排出量と、に基づいて、要求Ｈ2排出量に対応するアノードガス排出量を算出できることから、気液分離器で回収された水を排出する際にアノードガスもパージする場合において、排出されるアノードガスに含まれるＨ2の量を管理してドレイン弁を開閉することができる。そのため、Ｈ2を無駄に排出してしまうことがなく、燃費向上を図ることができる。
本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。説明において、同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。
＜第１実施形態＞
第１実施形態として、燃料電池で発電される発電電流値とアノードガスの温度とに基づいてドレイン弁の開閉時間を制御する燃料電池システムに本発明を適用した場合について説明する。
（燃料電池システム１の構成）
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示した概略構成図である。
燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２と、アノードガスから水分を分離する気液分離器３と、分離された水の排出口を開閉するドレイン弁４と、アノードガスの温度を計測する温度センサ５と、燃料電池で発電された電流値を計測する電流センサ６と、ドレイン弁４の開閉を制御するＥＣＵ７と、水素を貯蔵する水素タンク１１と、エジェクタ１２と、コンプレッサ１３と、これらを結ぶアノードガス流路およびカソードガス流路と、燃料電池２から供給される電流で駆動する駆動装置１４と、から構成されている。燃料電池システム１は、気液分離器３で分離・収集した水をドレイン弁４から排出するとともに、ドレイン弁４からアノードガスを排出するようになっている。
以下、当該燃料電池システム1の各構成要素について説明する。
（燃料電池２）
燃料電池２は、図１に示すように、電解質膜２１を挟んでアノード極２２とカソード極２３とを備えている。アノード極２２は、配管１１ａ、１２ａを介して水素タンク１１に接続され、水素を含むアノードガス（燃料ガス）が供給されるようになっている。また、アノード極２２は、配管５ａを介して気液分離器３に接続されている。カソード極２３は、配管１３ａを介してコンプレッサ１３に接続されており、酸素を含むカソードガス（酸化剤ガス、例えば空気）が供給されるようになっている。また、カソード極２３は、配管１３ｂを介してカソードガスおよび生成水を放出可能となっている。
アノードガスがアノード極２２に供給されると、アノード極２２の触媒層において反応が生じ、アノードガス内の水素がプロトン（Ｈ+）と電子とに分かれ、プロトンは電解質膜２１中を通ってカソード極２３に移動し、電子は外部回路６ａ、６ｂを通ってカソード極２３に移動する。そして、カソードガスがカソード極２３に供給されると、カソード極の触媒層において反応が生じ、カソードガス中の酸素とアノード極から移動してきたプロトンと電子とが反応して水が生成される。外部回路６ａ、６ｂは駆動装置１４に接続されており、駆動装置１４は燃料電池２から電流の供給を受けて駆動するようになっている。
（気液分離器３）
気液分離器３は、燃料電池２から排出されるアノードガスから水分を分離する装置であり、図１に示すように、配管５ａを介して燃料電池２のアノード極２２に接続されている。気液分離器３は、アノードガスから分離した水を貯留するタンクを備えている。また、気液分離器３は、配管３ａを介してエジェクタ１２に接続されており、気液分離器３で水分を分離されたアノードガスは、エジェクタ１２によって吸い上げられて再び燃料電池２に供給される。さらに、気液分離器３は、排水口となる配管３ｂを備えており、回収した水を排出可能になっている。
（ドレイン弁４）
ドレイン弁４は、図１に示すように、気液分離器３の排水口である配管３ｂの途中に設けられており、配管３ｂを開閉可能になっている。また、ドレイン弁４は、後記するＥＣＵ７に電気的に接続されており、ＥＣＵ７からの信号を受けて開閉するようになっている。ドレイン弁４としては、例えばボール式、バタフライ式の電動弁などを用いることができる。
（温度センサ５）
温度センサ５は、アノード極２２から排出されたアノードガスの温度を計測するセンサであり、図１に示すように、アノードガスの流路である配管５ａに設置されている。また、温度センサ５は、後記するＥＣＵ７に接続されており、計測したアノードガスの温度データをＥＣＵ７に送信可能になっている。
（電流センサ６）
電流センサ６は、燃料電池２で発電された電流値（発電電流値）を計測するセンサであり、図１に示すように、燃料電池２と駆動装置１４とを接続する外部回路６ａ上に設けられている。また、電流センサ６は、後記するＥＣＵ７に接続されており、計測した発電電流値をＥＣＵ７に送信可能になっている。
（ＥＣＵ７）
図２は、ＥＣＵの構成を示したブロック図である。
ＥＣＵ７は、いわゆる電子制御装置（Electrical Control Unit）であり、図１および図２に示すように、制御手段８と、データ記憶手段９とを備えている。ＥＣＵ７は、温度センサ５と、電流センサ６に接続されており、各センサから送られてきたアノードガス温度と発電電流値に基づいてドレイン弁４の開弁時間（ドレイン開弁時間）を算出するようになっている。また、ＥＣＵ７は、ドレイン弁４に接続されており、ドレイン開弁時間に対応した制御信号をドレイン弁４に送信するようになっている。
以下、制御手段８およびデータ記憶手段９の構成について図２を参照して詳しく説明する。
（制御手段８）
制御手段８は、例えば中央演算処理装置や記憶装置などによって構成され、図２に示すように、結露水量算出手段８１と、水排出量算出手段８２と、第１ドレイン開弁時間算出手段８３と、要求Ｈ２排出量算出手段８４と、第２ドレイン開弁時間算出手段８５と、ドレイン弁開閉制御手段８６と、を含んでいる。
（結露水量算出手段８１）
結露水量算出手段８１は、燃料電池２のアノード極２２に結露する結露水量を算出する役割を果たすものである。具体的には、結露水量算出手段８１は、温度センサ５および電流センサ６から受信したアノードガス温度データおよび発電電流値データに基づいて、後記する相関データ記憶手段に予め記憶されている発電電流値とアノードガス温度と結露水量との相関関係（図４（ａ）参照）に対応する相関データＡを参照して、単位時間当りの結露水量ｘnを算出するようになっている。そして、結露水量算出手段８１は、算出した単位時間当りの結露水量ｘnを計測時間ｔnと関連付けながら後記する結露水量記憶手段９１に記憶するようになっている（図４（ｂ）参照）。
なお、発電電流値とアノードガス温度と結露水量との相関関係については、後に詳しく説明する。
（水排出量算出手段８２）
水排出量算出手段８２は、気液分離器３に蓄えられた水の量から定まる水排水量Σｘを
算出する役割を果たすものである。具体的には、水排出量算出手段８２は、例えば前回の水排出時刻から所定時間が経過した場合に、結露水量記憶手段９１に記憶された単位時間当りの結露水量を読み出してこれらを合計することにより水排水量Σｘを算出するように
なっている。また、水排出量算出手段８２は、算出した水排水量Σｘについてのデータを
第１ドレイン開弁時間算出手段８３に送信するようになっている。
（第１ドレイン開弁時間算出手段８３）
第１ドレイン開弁時間算出手段８３は、水排水量Σｘに基づいて、水排水量Σｘに対応
するドレイン開弁時間Ｔ1（以下、単に「ドレイン開弁時間Ｔ1」という場合がある。）を算出する役割を果たすものである。具体的には、第１ドレイン開弁時間算出手段８３は、水排出量算出手段８２から受信した水排出量Σｘに基づいて、後記する相関データ記憶
手段９２に予め記憶された水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係（図４（ｃ）参照）に対応する相関データＢを参照して、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1を算出するようになっている。また、第１ドレイン開弁時間算出手段８３は、算出した水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1を、ドレイン弁開閉制御手段８６に送信するようになっている。
（要求Ｈ2排出量算出手段８４）
要求Ｈ2排出量算出手段８４は、発電電流値に基づいて要求Ｈ2排出量を算出する役割を果たすものである。具体的には、要求Ｈ2排出量算出手段８４は、例えば前回の排出終了時から所定時間が経過すると、そのときの発電電流値を電流センサから読み取り、後記する相関データ記憶手段９２に予め記憶された発電電流値と要求Ｈ2排出量との相関関係（図５（ａ）参照）に対応する相関データＣを参照して、要求Ｈ2排出量を算出するようになっている。また、要求Ｈ2排出量算出手段８４は、算出した要求Ｈ2排出量についてのデータを第２ドレイン開弁時間算出手段８５に送信するようになっている。
なお、第１実施形態においては、発電電流値と要求Ｈ2排出量との相関関係から要求Ｈ2排出量を求めることとしたが、要求Ｈ2排出量は固定値であってもよい。
（第２ドレイン開弁時間算出手段８５）
第２ドレイン開弁時間算出手段８５は、要求Ｈ2排出量とアノードガス温度とに基づいてアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2（以下、単に「ドレイン開弁時間Ｔ2」という場合がある。）を算出する役割を果たすものである。具体的には、第２ドレイン開弁時間算出手段８５は、要求Ｈ2排出量算出手段８４から受信した要求Ｈ2排出量と、温度センサ５から受信したアノードガス温度とに基づいて、後記する相関データ記憶手段９２に予め記憶された要求Ｈ2排出量とアノードガス温度とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係（図５（ｂ）参照）に対応する相関データＤを参照して、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2を算出するようになっている。また、第２ドレイン開弁時間算出手段８５は、算出したドレイン開弁時間Ｔ2を、ドレイン弁開閉制御手段８６に送信するようになっている。
（ドレイン弁開閉制御手段８６）
ドレイン弁開閉制御手段８６は、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2とに基づいて、ドレイン弁４を開閉制御する役割を果たすものである。具体的には、ドレイン弁開閉制御手段８６は、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2とを受信すると、これらの時間を合計し、合計時間に対応する制御信号を生成してドレイン弁４に送信するようになっている。
（データ記憶手段９）
データ記憶手段９は、例えばメモリ装置から構成され、図１、図２に示すように、結露水量記憶手段９１と、相関データ記憶手段９２とを含んでいる。データ記憶手段９は、制御手段８と接続されており、データの読み出し、書き込みができるようになっている。
（結露水量記憶手段９１）
結露水量記憶手段９１は、結露水量算出手段８１で算出されたアノード極２２における単位時間辺りの結露水量ｘnを記憶する役割を果たすものである。例えば、単位時間辺りの結露水量ｘnは、図４（ｂ）に示すように、発電電流値の計測時間ｔnと関連付けられてデータベース化されて記憶される。
（相関データ記憶手段９２）
相関データ記憶手段９２は、アノードガス温度および発電電流値に基づいてドレイン開弁時間を算出するために必要な種々の相関関係をデータとして記憶する役割を果たすものである。相関データ記憶手段９２には、（Ａ）発電電流値とアノードガス温度と結露水量との相関関係と、（Ｂ）水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係と、（Ｃ）発電電流値と要求Ｈ2排出量との相関関係と、（Ｄ）要求Ｈ2排出量とアノードガス温度とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係と、に対応する４つの相関データＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが記憶されている。以下、これらの相関関係について図４および図５を参照して説明する。
（Ａ）発電電流値とアノードガス温度と結露水量との相関関係
図４（ａ）は、発電電流値とアノードガス温度と結露水量との相関関係を模式的に示した図である。発電電流値とアノードガス温度と結露水量とは、図４（ａ）に示すように、発電電流値が大きくなるほど結露水量が大きくなるとともに、アノードガス温度が高くなるほど結露水量が大きくなる関係にある。かかる関係は、次のような原理に基づいて導き出される。
すなわち、発電電流値が大きいということは燃料電池２において電気化学反応が活発であるということであり、カソード極２３における水の生成量が多くなる。また、アノードガス温度が高くなるということは、カソードガス温度も同様に高くなるということであり、例えば、アノードガス温度Ｔaおよびカソードガス温度Ｔcがある割合で高くなると、アノードガスの水蒸気分圧Ｐwaおよびカソードガスの水蒸気分圧Ｐwcもある割合で高くなり、その結果、両者の差圧（Ｐwc−Ｐwa）もある割合で大きくなる。その結果、電解質膜２１を透過して結露する生成水の量が多くなる。
なお、発電電流値とアノードガス温度と結露水量との相関関係は、例えば実験によって求めることができる。
（Ｂ）水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係
図４（ｃ）は、水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係を模式的に示した図である。水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間とは、水排出量が多いほどドレイン開弁時間が長くなるという、いわゆる比例関係にある。当該関係は、例えば実験によって求めることができるほか、排出口となる配管３ｂやドレイン弁４の開口径に基づいて設定することができる。
（Ｃ）発電電流値と要求Ｈ2排出量との相関関係
図５（ａ）は、発電電流値と要求Ｈ2排出量との相関関係を模式的に示した図である。発明者らは、研究の結果、図５に示す関係に基づいて要求Ｈ2排出量を設定するのが好適であることを見出した。すなわち、発電電流値が所定値よりも小さい範囲では、発電電流値に対して比例の関係となるように要求Ｈ2排出量を設定し、発電電流値が所定値よりも大きい範囲では、安全性の観点から要求Ｈ2排出量を頭打ちにするのが好適であることを見出し、図５に示すような関係を規定した。
なお、要求Ｈ2排出量は固定値であっても良い。かかる場合には、当該発電電流値と要求Ｈ2排出量との相関関係に替えて、固定値とした要求Ｈ2排出量をデータ記憶手段９に記憶させるとともに、要求Ｈ2排出量算出手段８４を省略して第２ドレイン開弁時間算出手段８５によって固定値とした要求Ｈ2排出量を読み出し、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2を計算するようにしてもよい。
（Ｄ）要求Ｈ2排出量とアノードガス温度とドレイン開弁時間Ｔ2との相関関係
図５（ｂ）は、要求Ｈ2排出量とアノードガス温度とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係を模式的に示した図である。要求Ｈ2排出量とアノードガス温度とドレイン開弁時間Ｔ2との関係は、図５（ｂ）に示すように、要求Ｈ2排出量が大きくなるほどドレイン開弁時間Ｔ2が大きく（長く）なるとともに、アノードガス温度が高くなるほどドレイン開弁時間Ｔ2が大きく（長く）なる関係にある。かかる関係は、次のような原理に基づいて導き出される。
すなわち、アノードガス流路内におけるアノードガスの循環能力が一定であれば、要求Ｈ2排出量が大きくなるほどこれを排出するのに必要な時間（すなわちドレイン開弁時間Ｔ2）は当然に長くなる。また、アノードガスの温度が高くなるほどアノードガスに含まれる水蒸気の量が多くなり、相対的に、アノードガスに含まれるＨ2の量が少なくなる。その結果、アノードガスの温度が高いほど、要求Ｈ2排出量を含むアノードガスを排出するのに必要な時間は長くなる。
以上のことから、図５（ｂ）に示すような相関関係を導き出すことができる。
（燃料電池システム１の動作）
つづいて、燃料電池システム１の動作について図３を参照（適宜図１、図２を参照）して説明する。図３は、燃料電池システムの動作の流れを示したフロー図である。
（ステップＳ１）
前回の水およびアノードガスの排出が完了すると、結露水量算出手段８１は、温度センサ５および電流センサ６からアノードガス温度データおよび発電電流値データを受信し、相関データ記憶手段９２に予め記憶されている発電電流値とアノードガス温度と結露水量との相関関係に対応する相関データＡを参照して、単位時間当りの結露水量ｘnを算出する。
そして、結露水量算出手段８１は、算出した単位時間当りの結露水量ｘnを、アノードガス温度の計測時間ｔnと関連付けながら結露水量記憶手段９１に記憶する。なお、結露水量記憶手段９１は、例えば前回の排出が完了した時点でリセットされている。
（ステップＳ２）
水排出量算出手段８２は、前回の排出から所定時間が経過したか否かを判定する。前回の排出から所定時間が経過していない場合（ステップＳ２、Ｎｏ）には、ステップＳ１に戻って再び単位時間当りの結露水量ｘnを算出し、結露水量記憶手段９１に記憶する。
（ステップＳ３）
前回の排出から所定時間が経過している場合（ステップＳ２、Ｙｅｓ）には、水排出量算出手段８２は、結露水量記憶手段９１に記憶されている単位時間当りの結露水量ｘnを合計して水排出量Σｘを算出する。水排出量算出手段８２は、算出した水排出量Σｘを第
１ドレイン開弁時間算出手段８３に送信する。
（ステップＳ４）
第１ドレイン開弁時間算出手段８３は、水排出量算出手段８２から水排出量Σｘについ
てのデータを受信すると、相関データ記憶手段９２に予め記憶された水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係（図４（ｃ）参照）に対応する相関データＢを参照して、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1を算出する。第１ドレイン開弁時間算出手段８３は、算出したドレイン開弁時間Ｔ1をドレイン弁開閉制御手段８６に送信する。
（ステップＳ５）
つぎに、要求Ｈ２排出量算出手段８４は、発電電流値を電流センサから読み取り、相関データ記憶手段９２に予め記憶された発電電流値と要求Ｈ2排出量との相関関係（図５（ａ）参照）に対応する相関データＣを参照して、要求Ｈ2排出量を算出する。そして、要求Ｈ2排出量算出手段８４は、算出した要求Ｈ2排出量についてのデータを第２ドレイン開弁時間算出手段８５に送信する。
（ステップＳ６）
第２ドレイン開弁時間算出手段８５は、要求Ｈ2排出量を受信すると、温度センサ５からアノードガス温度を読み取るとともに、相関データ記憶手段９２に予め記憶された要求Ｈ2排出量とアノードガス温度とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係（図５（ｂ）参照）に対応する相関データＤを参照して、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2を算出する。第２ドレイン開弁時間算出手段８５は、算出したドレイン開弁時間Ｔ2をドレイン弁開閉制御手段８６に送信する。
（ステップＳ７）
ドレイン弁開閉制御手段８６は、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2とを受信すると、これらの時間を合計し、合計時間に対応する制御信号を生成してドレイン弁４に送信する。これにより、ドレイン弁４は、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2との合計時間だけ開放されることとなり、気液分離器３に溜まった水と要求Ｈ2排出量に相当するＨ2を含むアノードガスとが排出される。
以上、第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成と動作について説明したが、本発明は当該第１実施形態に限定されるものではない。
例えば、第１実施形態に係る燃料電池システム１は、気液分離器３で分離した水と、配管内のアノードガスとをドレイン弁４から排出することとしたが、アノードガスの排出については他の公知の制御方法で行うようにしてもよい。また、アノードガスについては、図示しないアノードガス用のパージ弁から排出することとし、ドレイン弁４からは気液分離器３で分離した水のみを排出してもよい。かかる場合には、要求Ｈ２排出量算出手段８４と第２ドレイン開弁時間算出手段８５とを省略するとともに、これらの手段８４、８５で用いる相関関係についても省略することができる。
＜第２実施形態＞
第２実施形態として、アノードガスの温度と、アノードガスの圧力と、カソードガスの温度と、に基づいてドレイン弁の開閉時間を制御する燃料電池システム１００に本発明を適用した場合について説明する。なお、第１実施形態と同一の要素には同一の番号を付し、重複する説明は省略する。
第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、第１実施形態に係る燃料電池システム１と比較して、圧力センサ１０２を備える点と、第２温度センサ１０３を備える点と、前記電流センサ６が省略されている点と、制御手段１０８およびデータ記憶手段１０９に含まれる構成と、が相違している。以下、燃料電池システム１００について、これらの相違点を中心に、図６乃至図９を参照して説明する。
（燃料電池システム１００の構成）
図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを示した概略構成図である。
燃料電池システム１００は、図６に示すように、アノード極２２から排出されるアノードガスの流路である配管５ａに、アノードガスの温度を計測する第１温度センサ１０１と、アノードガスの圧力を計測する圧力センサ１０２と、を備えている。また、カソード極２３から排出されるカソードガスの流路である配管１３ｂに、カソードガスの温度を計測する第２温度センサ１０３を備えている。
（第１温度センサ１０１）
第１温度センサ１０１は、燃料電池２のアノード極２２から排出されるアノードガスの温度を所定時間間隔で計測するものである。計測したデータは、後記する制御手段１０８に送信されるようになっている。
（圧力センサ１０２）
圧力センサ１０２は、燃料電池２のアノード極２２から排出されるアノードガスの圧力を所定時間間隔で計測するものである。計測したデータは、後記する制御手段１０８に送信されるようになっている。
（第２温度センサ１０３）
第２温度センサ１０３は、燃料電池２のカソード極２３から排出されるカソードガスの温度を所定時間間隔で計測するものである。計測したデータは、後記する制御手段１０８に送信されるようになっている。
（ＥＣＵ１０７）
図７は、ＥＣＵの構成を示したブロック図である。
ＥＣＵ１０７は、いわゆる電子制御装置（Electrical Control Unit）であり、図６および図７に示すように、制御手段１０８と、データ記憶手段１０９とを備えている。ＥＣＵ１０７は、第１温度センサ１０１と、圧力センサ１０２と、第２温度センサ１０３とに接続されており、各センサから送られてきたアノードガス温度とアノードガス圧力とカソードガス温度とに基づいてドレイン弁４の開弁時間（ドレイン開弁時間）を算出するようになっている。また、ＥＣＵ１０７は、ドレイン弁４に接続されており、ドレイン開弁時間に対応した制御信号をドレイン弁４に送信するようになっている。
以下、制御手段１０８およびデータ記憶手段１０９の構成について図７を参照して詳しく説明する。
（制御手段１０８）
制御手段１０８は、例えば中央演算処理装置などによって構成され、図７に示すように、アノード水蒸気分圧算出手段１８１Ａと、カソード水蒸気分圧算出手段１８１Ｂと、水蒸気分圧差算出手段１８２と、結露水量算出手段１８３と、水排出量算出手段１８４と、第１ドレイン開弁時間算出手段１８５と、圧力比算出手段１８６と、アノードガス排出量算出手段１８７と、第２ドレイン開弁時間算出手段１８８と、ドレイン弁開閉制御手段１８９と、を含んでいる。
（アノード水蒸気分圧算出手段１８１Ａ）
アノード水蒸気分圧算出手段１８１Ａは、アノード極２２から排出されたアノードガスの水蒸気分圧Ｐwaを計測する役割を果たすものである。具体的には、アノード水蒸気分圧算出手段１８１Ａは、第１温度センサ１０１から送信されてくるアノードガス温度に関するデータに基づいて、当該アノードガス温度に対応する飽和水蒸気圧を算出するようになっている。アノード極２２には結露水が豊富に存在することから、アノード極２２の出口付近では、アノードガスは飽和していると考えられるので、「飽和水蒸気圧＝アノードガスの水蒸気分圧Ｐwa」とすることができる。また、アノード水蒸気分圧算出手段１８１Ａは、算出したアノードガスの水蒸気分圧Ｐwaを水蒸気分圧差算出手段１８２に送信するようになっている。
温度Ｔ（℃）における飽和水蒸気圧Ｅ（hPa）は、例えば次式（１）に示すTetensの式を用いて計算することができる。
Figure 0004630043
 また、飽和水蒸気圧は、たとえば図１０の温度Ｔ（℃）と飽和水蒸気圧Ｅ（ｈＰａ）との相関関係を示すマップ値を参照して求めてもよい。なお、温度Ｔ（℃）と飽和水蒸気圧Ｅ（ｈＰａ）との相関関係を示すマップ値は、例えば実験により求めることができる。当該マップ値は、例えば後記する相関データ記憶手段１９２に記憶される。
（カソード水蒸気分圧算出手段１８１Ｂ）
カソード水蒸気分圧算出手段１８１Ｂは、カソード極２３から排出されたカソードガスの水蒸気分圧Ｐwcを計測する役割を果たすものである。具体的には、カソード水蒸気分圧算出手段１８１Ｂは、第２温度センサ１０３から送信されてくるカソード温度に関するデータに基づいて、当該カソード温度に対応する飽和水蒸気圧を算出するようになっている。カソード極２３には生成水が豊富に存在することから、カソード極の出口付近ではカソードガスは飽和していると考えられるので、「飽和水蒸気圧＝カソードガスの水蒸気分圧Ｐwc」とすることができる。また、カソード水蒸気分圧算出手段１８１Ｂは、算出したカソードガスの水蒸気分圧Ｐwcを水蒸気分圧差算出手段１８２に送信するようになっている。なお、飽和水蒸気圧の計算は、アノードガスの場合と同様に行うことができる。
（水蒸気分圧差算出手段１８２）
水蒸気分圧差算出手段１８２は、アノードガスの水蒸気分圧Ｐwaとカソードガスの水蒸気分圧Ｐwcとの分差圧（水蒸気分圧差△Ｐw）を算出するものである。水蒸気分圧差算出手段１８２は、算出した水蒸気分圧差△Ｐwを結露水量算出手段１８３に送信するようになっている。なお、水蒸気分圧差△Ｐwは、次式（２）によって計算される。
△Ｐw＝Ｐwc−Ｐwa ・・・ 式（２）
（結露水量算出手段１８３）
結露水量算出手段１８３は、燃料電池２のアノード極２２に結露する結露水量を算出する役割を果たすものである。具体的には、結露水量算出手段１８３は、水蒸気分圧差算出手段１８２から送信される水蒸気分圧差△Ｐwに基づいて、後記する相関データ記憶手段１９２に予め記憶されている水蒸気分圧差△Ｐwと結露水量との相関関係（図９参照）に対応する相関データＥを参照して、単位時間当りの結露水量ｘnを算出するようになっている。そして、結露水量算出手段１８３は、算出した単位時間当りの結露水量ｘnをアノードガス温度（またはカソードガス温度）の計測時間ｔnと関連付けながら後記する結露水量記憶手段１９１に記憶するようになっている。
（水排出量算出手段１８４）
水排出量算出手段１８４は、気液分離器３に蓄えられた水の量から定まる水排水量Σｘ
を算出する役割を果たすものである。具体的には、水排出量算出手段１８４は、例えば前回の水排出時刻から所定時間が経過した場合に、結露水量記憶手段１９１に記憶された単位時間当りの結露水量を読み出してこれらを合計することにより水排水量Σｘを算出する
ようになっている。また、水排出量算出手段１８４は、算出した水排水量Σｘについての
データを第１ドレイン開弁時間算出手段１８４に送信するようになっている。
（第１ドレイン開弁時間算出手段１８５）
第１ドレイン開弁時間算出手段１８５は、水排水量Σｘに基づいてドレイン弁４を開放
する時間Ｔ1（水排水量Σｘに対応するドレイン開弁時間Ｔ1）を算出する役割を果たす
ものである。具体的には、第１ドレイン開弁時間算出手段１８５は、水排出量算出手段１８４から送信される水排出量Σｘに基づいて、後記する相関データ記憶手段１９２に予め
記憶された水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係（図４（ｃ）参照）に対応する相関データＦを参照して、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1を算出するようになっている。また、第１ドレイン開弁時間算出手段１８５は、算出したドレイン開弁時間Ｔ1を、ドレイン弁開閉制御手段１８９に送信するようになっている。
（圧力比算出手段１８６）
圧力比算出手段１８６は、アノードガスの全圧Ｐとアノードガス中のＨ2の分圧ＰH2との圧力比Ｐ／ＰH2を算出する役割を果たすものである。具体的には、圧力比算出手段１８６は、アノード水蒸気分圧算出手段から送信されるアノードガスの水蒸気分圧Ｐwaと、圧力センサ１０２で計測されるアノードガスの全圧Ｐと、に基づいて、次式（３）により、アノードガスの全圧Ｐとアノードガス中のＨ2の分圧ＰH2との圧力比を算出するようになっている。
Ｐ／ＰH2＝Ｐ／（Ｐ−Ｐwa） ・・・ 式（３）
また、圧力比算出手段１８６は、算出した圧力比Ｐ／ＰH2をアノードガス排出量算出手段１８７に送信するようになっている。
（アノードガス排出量算出手段１８７）
アノードガス排出量算出手段１８７は、ドレイン弁４から排出すべきアノードガスの排出量を算出する役割を果たすものである。具体的には、アノードガス排出量算出手段１８７は、まず、圧力比算出手段１８６から送信される圧力比Ｐ／ＰH2と、後記する要求Ｈ2排出量記憶手段１９３に予め記憶された０℃、１気圧における要求Ｈ2排出量ＶH2と、に基づいて、０℃、１気圧における要求Ｈ2排出量に対応するアノードガス排出量Ｖa0を次式（４）により算出するようになっている。
Ｖa0＝ＶH2×Ｐ／ＰH2 ・・・ 式（４）
そして、アノードガス排出量算出手段１８７は、アノードガス圧力とアノードガス温度とに基づいて、０℃、１気圧における要求Ｈ2排出量に対応するアノードガス排出量Ｖa0を、アノードガス排出時のアノードガス温度および圧力下における要求Ｈ2排出量に対応するアノードガス排出量Ｖa（以下、単に「アノードガス排出量Ｖa」という場合がある。）に換算するようになっている。
なお、ここでは、０℃、１気圧における要求Ｈ2排出量ＶH2を予め記憶しておくこととしたが、これに限られるものではなく、所定の温度、気圧の下における要求Ｈ2排出量ＶH2を予め記憶しておき、これによって求めたアノードガス排出量を排出時のアノードガスの温度と圧力で換算するようにしてもよい。
（第２ドレイン開弁時間算出手段１８８）
第２ドレイン開弁時間算出手段１８８は、アノードガス排出量算出手段１８７で算出したアノードガス排出量Ｖaに基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2（以下、単に「ドレイン開弁時間Ｔ2」という場合がある。）を算出する役割を果たすものである。具体的には、第２ドレイン開弁時間算出手段１８８は、アノードガス排出量算出手段１８７で算出したアノードガス排出量Ｖaに基づいて、後記する相関データ記憶手段１９２に予め記憶されたアノードガス排出量Ｖaとドレイン開弁時間Ｔ2との相関関係（図５（ｂ）参照）に対応する相関データＧを参照して、ドレイン開弁時間Ｔ2を算出するようになっている。また、第２ドレイン開弁時間算出手段１８８は、算出したドレイン開弁時間Ｔ2を、ドレイン弁開閉制御手段１８９に送信するようになっている。
（ドレイン弁開閉制御手段１８９）
ドレイン弁開閉制御手段１８９は、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2とに基づいて、ドレイン弁４を開閉制御する役割を果たすものである。具体的には、ドレイン弁開閉制御手段１８９は、第１ドレイン開弁時間算出手段１８５から送信される水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1と、第２ドレイン開弁時間算出手段１８８から送信されるアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2とを合計し、合計時間に対応する制御信号を生成してドレイン弁４に送信するようになっている。
（データ記憶手段１０９）
データ記憶手段１０９は、例えばメモリ装置などから構成され、図７に示すように、結露水量記憶手段１９１と、相関データ記憶手段１９２と、要求Ｈ2排出量記憶手段１９３と、を含んでいる。データ記憶手段１０９は、制御手段１０８と接続されており、データの読み出し、書き込みができるようになっている。結露水量記憶手段１９１については、第１実施形態における結露水量記憶手段９１と共通することからその説明は省略することとし、ここでは、相関データ記憶手段１９２と要求Ｈ2排出量記憶手段１９３とについて説明する。
（相関データ記憶手段１９２）
相関データ記憶手段１９２は、アノードガス温度、アノードガス圧力およびカソードガス温度に基づいてドレイン開弁時間を算出するために必要な種々の相関関係をデータとして記憶する役割を果たすものである。相関データ記憶手段１９２には、（Ａ）水蒸気分圧差と結露水量との相関関係と、（Ｂ）水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係と、（Ｃ）アノードガス排出量とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係と、の３つの相関関係に対応するデータが記憶されている。（Ｂ）水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係については、第１実施形態と共通することから、ここでは前記（Ａ）および（Ｃ）の相関関係について図９を参照して説明する。
（Ａ）水蒸気分圧差と結露水量との相関関係
図９（ａ）は、水蒸気分圧差と結露水量との相関関係を模式的に示した図である。水蒸気分圧差と結露水量とは、水蒸気分圧差△Ｐwが大きいほどアノード極２２に逆透過してくる生成水の量が多くなるという、いわゆる比例関係にある。当該関係は、例えば実験によって求めることができる。
（Ｃ）アノードガス排出量とドレイン開弁時間Ｔ2との相関関係
図９（ｂ）は、アノードガス排出量とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係を模式的に示した図である。アノードガス排出量とドレイン開弁時間Ｔ2とは、いわゆる比例関係にある。当該関係は、例えば実験によって求めることができるほか、排出口となる配管３ｂやドレイン弁４の開口径に基づいて設定することができる。
（要求Ｈ2排出量記憶手段１９３）
要求Ｈ2排出量記憶手段１９３は、排出するアノードガスに含まれるべきＨ2の量を示す要求Ｈ2排出量を記憶する役割を果たすものである。当該要求Ｈ2排出量は、例えば、０℃、１気圧におけるＨ2の体積（ＮＬ、ノルマルリットル）で規定される。
（燃料電池システム１００の動作）
つづいて、第２実施形態に係る燃料電池システム１００の動作について図８を参照（適宜図６乃至図９を参照）して説明する。図８は、燃料電池システムの動作の流れを示したフロー図である。
（ステップＳ１０１）
前回の水およびアノードガスの排出が完了すると、アノード水蒸気分圧算出手段１８１Ａは、第１温度センサ１０１からアノードガス温度を取得し、アノードガスの水蒸気分圧Ｐwaを算出する。また、カソード水蒸気分圧算出手段１８１Ｂは、第２温度センサ１０３からカソードガス温度を取得し、カソードガスの水蒸気分圧Ｐwcを算出する。アノード水蒸気分圧算出手段１８１Ａおよびカソード水蒸気分圧算出手段１８１Ｂは、算出した水蒸気分圧Ｐwa、Ｐwcを水蒸気分圧差算出手段１８２に送信する。
（ステップＳ１０２）
水蒸気分圧差算出手段１８２は、アノードガスの水蒸気分圧Ｐwaと、カソードガスの水蒸気分圧Ｐwcとを受信すると、前記式（２）を用いて水蒸気分圧差△Ｐwを算出する。水蒸気分圧差算出手段１８２は、算出した水蒸気分圧差△Ｐwを結露水量算出手段１８３に送信する。
（ステップＳ１０３）
結露水量算出手段１８３は、水蒸気分圧差△Ｐwを受信すると、相関データ記憶手段１９２に記憶されている水蒸気分圧差と結露水量との相関関係（図９（ａ）参照）を参照して、アノード極２２における単位時間辺りの結露水量ｘnを算出する。そして、結露水量算出手段１８３は、算出した単位時間辺りの結露水量ｘnを、アノードガス温度およびカソードガス温度の計測時間ｔnと関連付けながら結露水量記憶手段１９１に記憶する。なお、結露水量記憶手段１９１は、例えば前回の水とアノードガスの排出が完了した時点でリセットされている。
（ステップＳ１０４）
水排出量算出手段１８４は、前回の排出から所定時間が経過したか否かを判定する。前回の排出から所定時間が経過していない場合（ステップＳ１０４、Ｎｏ）には、ステップＳ１０１に戻って再び単位時間当りの結露水量ｘnを算出する。
（ステップＳ１０５）
前回の排出から所定時間が経過している場合（ステップＳ１０４、Ｙｅｓ）には、水排出量算出手段１８４は、結露水量記憶手段１９１に記憶されている単位時間当りの結露水量ｘnを合計して水排出量Σｘを算出する。水排出量算出手段１８４は、算出した水排出
量Σｘを第１ドレイン開弁時間算出手段１８５に送信する。
（ステップＳ１０６）
第１ドレイン開弁時間算出手段１８５は、水排出量算出手段１８４から水排出量Σｘに
ついてのデータを受信すると、相関データ記憶手段１９２に予め記憶された水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係（図４（ｃ）参照）に対応する相関データＥを参照して、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1を算出する。第１ドレイン開弁時間算出手段１８５は、算出したドレイン開弁時間Ｔ1をドレイン弁開閉制御手段１８９に送信する。
（ステップＳ１０７）
つぎに、圧力比算出手段１８６は、アノードガスの水蒸気分圧Ｐwaをアノード水蒸気分圧算出手段から取得するとともに、アノードガスの全圧Ｐを圧力センサ１０２から取得し、前記式（３）によって、アノードガスの全圧Ｐとアノードガス中のＨ2の分圧ＰH2との圧力比Ｐ／ＰH2を算出する。圧力比算出手段１８６は、算出した圧力比Ｐ／ＰH2をアノードガス排出量算出手段１８７に送信する。
（ステップＳ１０８）
アノードガス排出量算出手段１８７は、圧力比Ｐ／ＰH2を受信すると、まず、要求Ｈ2排出量記憶手段１９３から０℃、１気圧における要求Ｈ2排出量（ＮＬ）を取得し、前記式（４）によって、０℃、１気圧における要求Ｈ2排出量に対応するアノードガス排出量Ｖa0を算出する。
そして、アノードガス排出量算出手段１８７は、第１温度センサ１０１で計測したアノードガス温度と、圧力センサ１０２で計測したアノードガス圧力を参照して、０℃、１気圧における要求Ｈ2排出量に対応するアノードガス排出量Ｖa0を、排出時のアノードガス温度および圧力下における要求Ｈ2排出量に対応するアノードガス排出量Ｖaに換算する。アノードガス排出量算出手段１８７は、換算したアノードガス排出量Ｖaを第２ドレイン開弁時間算出手段１８８に送信する。
（ステップＳ１０９）
第２ドレイン開弁時間算出手段１８８は、アノードガス排出量Ｖaを受信すると、相関データ記憶手段１９２に記憶されたアノードガス排出量Ｖaとドレイン開弁時間Ｔ2との相関関係（相関データＧ）を参照して、ドレイン開弁時間Ｔ2を算出する。第２ドレイン開弁時間算出手段１８８は、算出したドレイン開弁時間Ｔ2をドレイン弁開閉制御手段１８９に送信する。
（ステップＳ１１０）
ドレイン弁開閉制御手段１８９は、ドレイン開弁時間Ｔ1およびドレイン開弁時間Ｔ2を受信すると、これらの合計時間に対応する制御信号を生成してドレイン弁４に送信する。これにより、ドレイン弁４は、水排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ1とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間Ｔ2との合計時間だけ開放されることとなり、気液分離器３に溜まった水と要求Ｈ2排出量に相当するＨ2を含むアノードガスとが排出される。
以上、第２実施形態に係る燃料電池システム１００の構成と動作について説明したが、本発明は当該第２実施形態に限定されるものではない。
例えば、第２実施形態に係る燃料電池システム１００は、気液分離器３で分離した水と、配管内のアノードガスとをドレイン弁４から排出することとしたが、アノードガスの排出については他の公知の制御方法で行うようにしてもよい。また、アノードガスについては、図示しないアノードガス用のパージ弁から排出することとし、ドレイン弁４からは気液分離器３で分離した水のみを排出してもよい。かかる場合には、圧力センサ１０２と、圧力比算出手段１８６と、アノードガス排出量算出手段１８７と、第２ドレイン開弁時間算出手段１８８とを省略することができる。また、要求Ｈ2排出量記憶手段１９３およびアノードガス排出量とドレイン開弁時間との相関関係（相関データＧ）についても省略することができる。
また、第２実施形態においては、カソードガス温度に基づいてカソード水蒸気分圧を算出することとしたが、第２温度センサ１０３の他に、カソードガスの湿度を計測する湿度センサを設け、当該湿度センサで計測したカソードガス湿度に基づいて、カソード水蒸気分圧を算出することとしてもよい。
また、第２実施形態においては、アノードガス温度に基づいてアノード水蒸気分圧を算出することとしたが、第１温度センサ１０１の他に、アノードガス湿度を計測する湿度センサを設け、当該湿度センサで計測したアノードガス湿度に基づいてアノード水蒸気分圧を計測するようにしてもよい。
また、第１実施形態および第２実施形態に係る燃料電池システムの動作、あるいは前記制御手段の各構成に着目することにより、本発明を、燃料電池システムの制御方法、さらには、燃料電池システムを制御するためにコンピュータを前記各手段として機能させるための制御プログラム、としてとらえることもできる。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示した概略構成図である。 本発明の第１実施形態に用いるＥＣＵの構成を示したブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの動作の流れを示したフロー図である。 （ａ）は発電電流値とアノードガス温度と結露水量との相関関係を模式的に示した図であり、（ｂ）は単位時間あたりの結露水量とアノードガス温度の計測時間との関連を説明するための図であり、（ｃ）は水排出量と水排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係を模式的に示した図である。 （ａ）は発電電流値と要求Ｈ2排出量との相関関係を模式的に示した図であり、（ｂ）は要求Ｈ2排出量とアノードガス温度とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係を模式的に示した図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを示した概略構成図である。 本発明の第２実施形態に用いるＥＣＵの構成を示したブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの動作の流れを示したフロー図である。 （ａ）は水蒸気分圧差と結露水量との相関関係を模式的に示した図であり、（ｂ）はアノードガス排出量とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との相関関係を模式的に示した図である。 アノード極およびカソード極における温度Ｔ（℃）と飽和水蒸気圧Ｅ（ｈＰａ）との相関関係を示すグラフである。
符号の説明
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 気液分離器
４ ドレイン弁
５ 温度センサ
６ 電流センサ
６ａ 外部回路
７ ＥＣＵ
８ 制御手段
９ データ記憶手段
１１ 水素タンク
１２ エジェクタ
１３ コンプレッサ
１４ 駆動装置
２１ 電解質膜
２２ アノード極
２３ カソード極

Claims (10)

  1. 電解質を挟んでアノード極とカソード極とを有する燃料電池と、
    前記アノード極から排出されるアノードガスの流路上に設置され、当該アノードガス内に含まれる水を分離する気液分離器と、
    前記気液分離器で回収された水を排出する排出口を開閉するドレイン弁と、
    アノードガス温度を計測する温度センサと、
    前記燃料電池における発電電流値を計測する電流センサと、
    前記ドレイン弁の開閉を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
    前記制御手段は、
    前記アノードガス温度と前記発電電流値とから算出される凝縮水量に基づいて、前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、当該ドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁を開閉することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、
    発電電流値とアノードガス温度と結露水量との予め記憶された相関関係と、前記アノードガス温度と、前記発電電流値と、に基づいて単位時間当りの結露水量を算出する結露水量算出手段と、
    前記単位時間当りの結露水量に基づいて前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量を算出する水排出量算出手段と、
    水排出量と前記水排出量に対応するドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記水排出量とに基づいて、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出する第１ドレイン開弁時間算出手段と、
    前記水排出量に対応するドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁の開閉を制御するドレイン弁開閉制御手段と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御手段は、さらに、
    前記アノードガス温度と、要求Ｈ2排出量とに基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間と前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁を開閉することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御手段は、
    アノードガス温度と要求Ｈ2排出量とアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記アノードガス温度と、要求Ｈ2排出量と、に基づいてアノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出する第２ドレイン開弁時間算出手段をさらに含み、
    前記ドレイン弁開閉制御手段は、
    前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間と前記水排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁の開閉を制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 電解質を挟んでアノード極とカソード極とを有する燃料電池と、
    前記アノード極から排出されるアノードガスの流路上に設置され、当該アノードガス内に含まれる水を分離する気液分離器と、
    前記気液分離器で回収された水を排出する排出口を開閉するドレイン弁と、
    アノードガス温度を計測する第１温度センサと、
    カソードガス温度を計測する第２温度センサと、
    前記ドレイン弁の開閉を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
    前記制御手段は、
    前記アノードガス温度と前記カソードガス温度とから算出される凝縮水量に基づいて、前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、当該水排出量に対応するドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁を開閉することを特徴とする燃料電池システム。
  6. 前記制御手段は、
    前記アノードガス温度と、前記カソードガス温度とに基づいて、カソードガスとアノードガスの水蒸気分圧差を算出する水蒸気分圧差算出手段と、
    水蒸気分圧差とアノード極における単位時間当たりの結露水量との予め記憶された相関関係と、前記水蒸気分圧差とに基づいて、アノード極における単位時間当たりの結露水量を算出する結露水量算出手段と、
    前記単位時間当たりの結露水量に基づいて前記気液分離器で回収される水の量から定まる水排出量を算出する水排出量算出手段と、
    水排出量とドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記水排出量とに基づいて、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間を算出する第１ドレイン開弁時間算出手段と、
    前記水排出量に対応するドレイン開弁時間に基づいて前記ドレイン弁の開閉を制御するドレイン弁開閉制御手段と、を含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池システムは、
    アノードガス圧力を計測する圧力センサをさらに含み、
    前記制御手段は、
    前記アノードガス温度と、前記アノードガス圧力と、要求Ｈ2排出量とに基づいて、アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出し、前記水排出量に対応するドレイン開弁時間と前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁を開閉することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 前記制御手段は、
    前記アノードガス温度と、前記アノードガス圧力と、要求Ｈ2排出量とに基づいてアノードガス排出量を設定するアノードガス排出量設定手段と、
    アノードガス排出量とドレイン開弁時間との予め記憶された相関関係と、前記アノードガス排出量とに基づいて、前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間を算出する第２ドレイン開弁時間算出手段と、をさらに含み、
    前記ドレイン弁開閉制御手段は、
    前記アノードガス排出量に対応するドレイン開弁時間と前記水排出量に対応するドレイン開弁時間とに基づいて前記ドレイン弁の開閉を制御することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
  9. 前記アノードガス排出量設定手段は、
    前記アノードガス温度に基づいてアノードガス中の水蒸気分圧を算出するアノード水蒸気分圧算出手段と、
    前記アノードガス圧力と、前記水蒸気分圧とに基づいてアノードガスの全圧と水素の分圧との圧力比を算出する圧力比算出手段と、
    前記圧力比算出手段で算出したアノードガスの全圧と水素の分圧との圧力比と、所定温度・所定圧力下における前記要求Ｈ2排出量と、前記アノードガス圧力と、前記アノードガス温度とに基づいて、アノードガス排出時におけるアノードガスの圧力と温度に対応したアノードガス排出量を算出するアノードガス排出量算出手段と、を含むことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. アノードガス湿度を計測する第１湿度センサおよび／またはカソードガス湿度を計測する第２湿度センサをさらに備え、
    前記水蒸気分圧差算出手段は、前記アノードガス温度と、前記カソードガス温度と、前記アノードガス湿度および／または前記カソードガス湿度とに基づいて、カソードガスとアノードガスの水蒸気分圧の圧力差を算出することを特徴とする請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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