JP6822293B2 - 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する。
特許文献１，２には、燃料電池に水素ガスを供給する水素ポンプとして、２枚のロータが互いに逆向きに回転するルーツ式ポンプを用いた燃料電池システムが開示されている。特許文献２の燃料電池システムでは、システム停止時に水素ポンプを逆回転させて、水素ガスを気液分離器へ向かう方向に送出させ、水素ポンプ及びこれに接続される配管を含む流路内の水を気液分離器及び排気排水弁を介して排出させることで、外部への水の排出を促進する。また、特許文献１の燃料電池システムでは、システム停止時にロータを往復動させて、ロータに付着する水分を除去し、水素ポンプの凍結を防止する。
特開２００７−５９３３３号公報 特開２００７−５２８９号公報
ここで、特許文献２のように、気液分離器を備える燃料電池システムでは、以下の問題がある。すなわち、気液分離器に排気排水弁が接続される部分は、排水を効率良く行なうために、気液分離器の内部空間の底部（以下、「排気排水部」とも呼ぶ）とされることが一般的である。このため、排水によって液水が完全に除去できなかった場合や、温度の低下により内部空間で結露が発生した場合等において、排気排水部に液水が残る。この残水が凍結すると燃料電池システムが動作不可となってしまう可能性がある。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、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；前記燃料電池のアノードの供給口に燃料ガスを供給する供給流路と；前記アノードの排出口から排出される排出ガスを前記燃料ガスとして前記供給口に再供給する循環流路と；前記循環流路に設けられ、前記排出ガスに含まれる気体と液体とを分離する気液分離部と；前記循環流路に設けられ、前記気液分離部で分離された気体を前記供給流路に供給する循環ポンプと；前記気液分離部に接続され、分離された前記液体を前記気液分離部から排出するための排出弁と；前記循環ポンプの動作を制御する制御部と；を備える。前記循環ポンプは、２枚のロータが互いに逆向きに回転する２葉式のルーツポンプである。前記気液分離部の内部空間の底部には、分離された前記液体を集めて前記排出弁から排出する排気排水部が設けられている。前記気液分離部には、前記循環ポンプに接続される開口部が前記排気排水部の方向を向くように配置されている。前記制御部は、システム停止時において、予め定めた条件を満たした場合に、前記循環ポンプの前記ロータを、システム動作時における回転とは反対向きで回転させる。
この形態の燃料電池システムによれば、システム停止時に、排気排水部の残水を吹き飛ばすことができる。これにより、排気排水部の残水を低減することができる。そして、残水の凍結によりシステム動作が不可となってしまう可能性を低減することができる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記開口部は、前記排気排水部の鉛直方向の上方において鉛直方向の下方を向くように配置されているようにしてもよい。
この形態によれば、効率良く残水を吹き飛ばすことができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記気液分離部は、前記排気排水部よりも前記内部空間の上方に設けられ、水平面、あるいは、外周側ほど下方に傾斜した傾斜面を含む面で構成される液受面を有するようにしてもよい。
この形態によれば、吹き飛ばされた液水が液受面で受け止められて保持されるので、吹き飛ばされた液水が排気排水部に流れ落ちてしまうことを抑制することができる。
（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記ロータを反対向きで回転させる際に、前記排出弁を開かせるようにしてもよい。
この形態によれば、排気排水部の残水を吹き飛ばすとともに、排気排水弁を介して排出することで、より効率良く残水の低減が可能である。
（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記システム停止時において、測定された温度が凍結判定閾値を下回った場合に、前記ロータを反対向きで回転させるようにしてもよい。
この形態によれば、残水が凍結する可能性がある場合に、排気排水部の残水を吹き飛ばして、排気排水部の残水を低減することにより、残水の凍結によりシステム動作が不可となってしまう可能性を低減することができるので、効果的である。
本発明は、上述した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排気排水機構、燃料電池システムの排気排水制御方法等の形態で実現することができる。
本発明の第１実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図。 水素ポンプと気液分離部と排水シャットバルブの配置関係を示す概略構成図。 システム停止時に実行される残水除去処理の手順を示すフローチャート。 水素ポンプの逆回転時における気液分離部の様子を示す説明図。 変形例の液受面を示す概略構成図。 変形例の液受面を示す概略構成図。 第２実施形態においてシステム停止時に実行される残水除去処理の手順を示すフローチャート。 第３実施形態においてシステム停止時に実行される残水除去処理の手順を示すフローチャート。 第４実施形態における水素ポンプと気液分離部と排水シャットバルブの配置関係を示す概略構成図。
Ａ．第１実施形態：
図１は本発明の第１実施形態としての燃料電池システム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、複数のセルを備える燃料電池２０と、水素供給排出機構５０と、空気供給排出機構３０と、冷却水循環機構８０と、制御部９０と、を備える。燃料電池システム１０は、不図示のパワースイッチのＯＮ操作によって始動し、ＯＦＦ操作によって停止する。パワースイッチは、エンジン自動車におけるイグニッションスイッチに相当し、燃料電池システム１０の停止状態と動作状態とを切り替えるための入力インタフェースである。
水素供給排出機構５０は、制御部９０の制御に従って、燃料電池２０のアノードに水素（燃料ガス）の供給及び排出を行なう。水素供給排出機構５０は、水素タンク４０と、シャットバルブ４１と、水素供給流路６０と、レギュレータ５１と、インジェクタ５４と、水素循環流路６１と、水素ポンプ５５と、気液分離部５６と、排水シャットバルブ５７と、排出流路５８と、とを備える。
水素タンク４０は、水素を貯蔵する。水素タンク４０には、数十ＭＰａを有する高圧の水素ガスが貯蔵されている。水素供給流路６０は、水素タンク４０と燃料電池２０のアノードの供給口２８とを接続する配管である。シャットバルブ４１は、水素タンク４０から水素供給流路６０への水素の供給を遮断する弁であり、主止弁とも呼ばれる。シャットバルブ４１は、制御部９０によってその開閉が制御される。制御部９０の制御によってシャットバルブ４１が開かれると、水素タンク４０から水素供給流路６０を通じて燃料電池２０のアノードの供給口２８に水素ガスが供給され、シャットバルブ４１が閉じられると、水素ガスの供給が遮断される。
レギュレータ５１は、制御部９０の制御により、水素タンク４０に貯蔵された水素の圧力を調整する。インジェクタ５４は、レギュレータ５１によって圧力が調整された水素を、制御部９０の制御に従いアノードに向けて噴射する。
水素循環流路６１は、インジェクタ５４よりも燃料電池２０側で水素供給流路６０に接続する配管である。水素循環流路６１及び水素供給流路６０によって、燃料電池２０のアノードの排出口２９とアノードの供給口２８とが接続される。水素循環流路６１には、気液分離部５６及び水素ポンプ５５が設けられている。気液分離部５６は、アノードの排出口２９からの排出ガスに含まれる気体と液体とを分離する。水素ポンプ５５は、気液分離部５６によって分離された気体を、燃料電池２０に再度供給する。気液分離部５６によって分離された気体は、主に、消費されずにアノードから排出された水素と、燃料電池が備える膜電極接合体を介してカソード側から透過してアノードから排出された窒素と、気液分離部５６で分離されなかった水分である。排出流路５８は、気液分離部５６と、空気供給排出機構３０に備えられる空気排出流路３９（後述）とを接続する配管である。排水シャットバルブ５７は、排出流路５８上に設けられている。排水シャットバルブ５７は、気液分離部５６によって分離された液体と窒素等とを排出するために開かれる。インジェクタ５４と排水シャットバルブ５７の制御によって、燃料電池２０への水素の供給量が調整される。なお、水素ポンプ５５が「循環ポンプ」に相当し、排水シャットバルブ５７が「排出弁」に相当する。シャットバルブ４１、レギュレータ５１、インジェクタ５４、水素ポンプ５５、及び排水シャットバルブ５７は、制御部９０により制御される。
空気供給排出機構３０は、制御部９０の制御に従って、燃料電池２０のカソードに空気の供給及び排出をする。空気供給排出機構３０は、コンプレッサ３１と、空気供給流路３２と、分流弁３３と、調圧弁３６と、バイパス流路３８と、空気排出流路３９とを備える。
空気供給流路３２は、燃料電池２０のカソードの供給口に接続される配管である。空気排出流路３９は、燃料電池２０のカソードの排出口に接続される配管である。バイパス流路３８は、空気供給流路３２の燃料電池２０よりも上流側から分岐して、空気排出流路３９に接続される配管である。コンプレッサ３１は、空気供給流路３２の途中に設けられ、空気供給流路３２の大気開放口側から空気を吸入して圧縮する。コンプレッサ３１が設けられる位置は、空気供給流路３２とバイパス流路３８との接続部位よりも大気開放口に近い位置である。
分流弁３３は、空気供給流路３２において、コンプレッサ３１の下流側、つまりコンプレッサ３１と燃料電池２０との間であって、空気供給流路３２とバイパス流路３８との接続部位に設けられる。分流弁３３は、コンプレッサ３１から流れてくる空気の流れる方向を燃料電池２０側とバイパス流路３８側とのいずれかに切り替える。このような分流弁３３は、三方弁とも呼ばれる。バイパス流路３８は、分流弁３３と空気排出流路３９とを接続する配管である。調圧弁３６は、空気排出流路３９において、空気排出流路３９とバイパス流路３８との接続部位よりも燃料電池２０側に設けられる。調圧弁３６は、開度に応じて空気排出流路３９の流路断面積を調整する。調圧弁３６を通過した空気は、バイパス流路３８との接続部位を通過した後、大気開放口から大気に排出される。コンプレッサ３１、分流弁３３、及び調圧弁３６は、制御部９０により制御される。
冷却水循環機構８０は、制御部９０の制御に従って燃料電池２０を冷却する。冷却水循環機構８０は、ラジエータ８１と、冷却水ポンプ８２と、冷却水排出流路８３と、冷却水供給流路８４と、を備える。
冷却水供給流路８４は、ラジエータ８１と燃料電池２０との間を接続する流路であり、燃料電池２０に冷却水を供給するための配管である。冷却水排出流路８３は、燃料電池２０とラジエータ８１とを接続する流路であり、燃料電池２０から冷却水を排出するための配管である。冷却水ポンプ８２は、ラジエータ８１と燃料電池２０との間の冷却水供給流路８４に設けられており、冷却水ポンプ８２によって冷却水が循環される。ラジエータ８１及び冷却水ポンプ８２の動作は、冷却水排出流路８３及び冷却水供給流路８４に設けられた温度計８５，８６で計測される温度に応じて、制御部９０によって制御される。
制御部９０は、ＣＰＵとＲＡＭとＲＯＭとを備えるコンピュータとして構成されており、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部９０は、燃料電池システム１０の動作を制御するための信号を出力する。制御部９０は、発電要求を受けて、燃料電池システム１０の各部を制御して燃料電池２０を発電させる。また、制御部９０は、システム停止時に、後述する排気排水処理を実行する。
なお、図示や詳細な説明は省略するが、車両に搭載された燃料電池システム１０は、さらに、二次電池と、燃料電池２０の出力電圧や二次電池の充放電を制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。二次電池は、燃料電池２０が出力する電力や回生電力を蓄電し、燃料電池２０とともに電力源として機能する。
図２は、水素ポンプ５５と気液分離部５６と排水シャットバルブ５７の配置関係を示す概略構成図である。図２は、水素ポンプ５５及び気液分離部５６の内部が分かるように、透過した状態とし、それぞれのケーシング５５１，５６１にハッチングを付した状態で示している。また、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。
気液分離部５６は、燃料電池２０からの排出ガスが流入する内部空間５６２を有している。内部空間５６２は、略ロート形状を有しており、中央の底部に排気排水部５６３が設けられ、排気排水部５６３の外周部において排気排水部５６３よりも上方に液受面５６６が設けられている。排気排水部５６３には、側壁に設けられた連通路５６４を介して排水シャットバルブ５７が接続されている。内部空間５６２には、アノードの排出口２９から送られてきた排出ガスから分離された液体である液水が貯められる。排気排水部５６３は、内部空間５６２に貯められた液水を集めて、連通路５６４及び排水シャットバルブ５７を介して排出する。液受面５６６は、液受面５６６は、後述するように、吹き飛ばされた液水を受け止めて保持する。
水素ポンプ５５は、気液分離部５６のケーシング５６１の上面に設置されている。水素ポンプ５５が設置された気液分離部５６のケーシング５６１の部分には、気液分離部５６の排気排水部５６３に対して鉛直方向Ｄｖの上方で対向する位置に開口部５６５が設けられている。開口部５６５は、水素ポンプ５５の吸入口５５４に接続されている。開口部５６５は、「循環ポンプに接続される開口部」に相当する。
水素ポンプ５５としては、ケーシング５５１の内部に２枚のロータ５５２ａ，５５２ｂを備える２葉式のルーツポンプが用いられる。ルーツポンプは、２枚のロータ５５２ａ，５５２ｂを、不図示のモーターの回転に同期して互いに逆向きに回転させることにより、回転の向きに応じた気流を発生させるポンプである。２枚のロータ５５２ａ，５５２ｂの回転軸は、水平方向Ｄｈに垂直な水平方向に沿って配置されており、回転によって発生する気流は概ね鉛直方向Ｄｖに沿った方向となる。
発電動作を実行するシステム動作時には、水素ポンプ５５は、吸入口５５４から吸い込んだ気体を、吸入口５５４に対して鉛直方向Ｄｖの上方側に設けられた排出口５５６から排出する排気する。すなわち、水素ポンプ５５は、システム動作時には、気液分離部５６から水素ポンプ５５に向けて気流が発生するように、２枚のロータ５５２ａ，５５２ｂを回転させる。なお、回転方向を一点鎖線矢印で示す。この場合の水素ポンプ５５における一対のロータ５５２ａ，５５２ｂの回転を「ＨＰ正回転」とも呼び、この際に発生する気流を「正方向の気流」とも呼ぶ。これにより、燃料電池２０のアノードの排出口２９からの排出ガスが気液分離部５６の内部空間５６２に流れ込み、排出ガスが気体と液体（液水）とに分離される。分離された気体は、開口部５６５及び吸入口５５４を介して水素ポンプ５５に吸気され、排出口５５６から排気されて、燃料電池２０へ再供給される。なお、図５に示した実線の矢印は、気液分離部５６及び水素ポンプ５５における気流の概要を示している。
なお、水素ポンプ５５は、不図示のモーターを逆回転させることにより、２枚のロータ５５２ａ，５５２ｂをシステム動作時とは反対向きで回転させて、水素ポンプ５５から気液分離部５６に向けて下方向きの気流を発生させることができる。この場合の水素ポンプ５５における一対のロータ５５２ａ，５５２ｂの回転を「ＨＰ逆回転」とも呼び、この際に発生する気流を「逆方向の気流」とも呼ぶ。この水素ポンプ５５を逆回転させて逆方向の気流とする動作は、後述するように、システム停止時における残水除去処理において実行される。
システム動作を終了してシステムを停止させる際には、ＨＰ正回転の状態を継続して燃料電池２０や流路内に滞留する水分を除去するための掃気運転を実行した後、排水シャットバルブ５７を開いて、内部空間５６２内に溜まった液水を排出する。そして、水素ポンプ５５の回転を停止した後、排水シャットバルブ５７を閉じて、システムの動作を停止する。このシステム停止時には、さらに、以下で説明する残水除去処理を実行する。
図３は、システム停止時に実行される残水除去処理の手順を示すフローチャートである。このシステム停止時に実行される残水除去処理は、制御部９０によって実行される。この残水除去処理においては、まず、停止していた水素ポンプ５５に、予め定めた回転数（回転速度）で逆回転を開始させる（ステップＳ１１０）。予め定めた時間経過後、水素ポンプ５５の逆回転を停止し（ステップＳ１２０）、処理を終了する。
図４は、水素ポンプ５５の逆回転時における気液分離部５６の様子を示す説明図である。水素ポンプ５５を図中二点鎖線矢印で示す方向に逆回転させた場合（ＨＰ逆回転）、図中破線矢印で示すように、開口部５６５から鉛直方向Ｄｖの下方の排気排水部５６３に向けた逆方向の気流が発生する。この逆方向の気流及び重力によって、水素ポンプ５５内に滞留する液水を水素ポンプ５５から気液分離部５６へ排出することができる。また、水素ポンプ５５から排出された液水及び排気排水部５６３に溜まっていた残水に、開口部５６５からの気体を吹き付けて、実線矢印で示すように、ロート状の斜面に沿って排気排水部５６３から残水を吹き飛ばすことが可能である。
排気排水部５６３の外周側の排気排水部５６３よりも上方には、上述したように、吹き飛ばされた液水を受け止めて保持するための液受面５６６が設けられている。液受面５６６は、吹き飛ばされた液水（液滴）が液受面５６６に付着しても、水平方向Ｄｈに沿った水平な平面（水平面）を有しているため、排気排水部５６３へ流れ落ちにくい。このため、吹き飛ばされた液水を、液受面５６６で受け止めて保持することが可能である。
なお、ＨＰ逆回転時の回転数及び時間は、例えば、以下のようにして設定することができる。回転数は、少なくとも、開口部５６５から排気排水部５６３の残水へ向けて気体を吹き付けて、吹き飛ばすことができる気流を発生させることが可能な回転数以上に設定される。また、排気排水部５６３に仮に残水が有って凍結したとしても排水シャットバルブ５７が動作不可とならない許容残水量が設定される。これは、例えば、連通路５６４に液水が入らない水位の残水量を、連通路５６４よりも下側の排気排水部５６３の容積から求めることができる。そして、想定される残水量を許容残水量以下にするための回転数および時間の関係をあらかじめ計測し、求めた回転数および時間の関係に基づいて、設定する回転数及び時間が設定される。
以上のように、水素ポンプ５５を逆回転させて逆方向の気流を発生させることにより、排気排水部５６３の残水を吹き飛ばし、液受面５６６で受け止めて保持することができるので、排気排水部５６３における液水の残留を抑制することが可能となる。これにより、排気排水部５６３の残水が凍結して排水シャットバルブ５７が動作不可となり、結果として燃料電池システムが動作不可となってしまうことを抑制することが可能である。
なお、上述の説明では、図３に示した残水除去処理を、システム停止時に実行するとし、その開始のタイミングを特に限定せずに説明した。この開始タイミングは、例えば、以下に示す予め定めた条件を満たした場合とすることができる。
・条件１
システムの動作を停止した後、連続して実行するタイミングとする。
・条件２
システムの動作を停止した後、間隔を空けて実行する。例えば、システムの動作を停止した後、システムの温度がシステム動作時の高温状態から自然冷却された後、結露により水蒸気が液水となるのを待機した後実行するタイミングとする。
待機後実行するタイミングとしては、予め定めた一定時間経過後や、システムの温度が予め定めた温度未満となるのを待った後、等種々の態様が考えられる。
なお、システムの温度は、温度計８５及び温度計８６によって計測される冷却水排出流路８３及び冷却水供給流路８４の冷却水の温度や、燃料電池２０の温度、水素ポンプ５５の温度、気液分離部５６の温度、燃料電池システム１０の雰囲気温度等の種々の環境温度を利用することができる。
なお、予め定めた条件としては、上記の例に限定されるものではなく、システム停止時に、排気排水部５６３の残水を除去するために、上述した残水除去処理を実施する開始タイミングを決定することができるものであれば良い。
また、上述の液受面５６６は、水平方向Ｄｈに沿って平面を有する構造であったが、これに限定されるものではない。図５及び図６は変形例の液受面５６６ａ，５６６ｂを示す概略構成図である。
図５の液受面５６６ａは、外周側ほど鉛直方向Ｄｖの下方となるように外周側ほど下方に傾いた傾斜面を含む面で構成されており、外周側に液水が溜まり、排気排水部５６３側へ液水が移動し難い構造となっている。なお、この傾斜面は平面である必要はなく、外側に傾いた曲面を有する構造であってもよい。
図６の液受面５６６ｂは、中央に鉛直方向Ｄｖの下方に傾斜した凹面を有する構造であり、凹面に液水が溜まる構造を有している。凹面の傾斜は水平に対して０°〜９０°の範囲内で設定が可能である。また、凹面の位置は中央に限定されるものではなく、液受面のいずれの位置に設けられていてもよい。全体的に凹んだ構造であってもよい。要するに、液受面は、吹き飛ばされた液水を受け止めて保持することができる構造であれば、その構造に特に限定はない。
Ｂ．第２実施形態：
図７は、第２実施形態においてシステム停止時に実行される残水除去処理の手順を示すフローチャートである。第２実施形態における残水除去処理が実行される燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０（図１）と同じである。
制御部９０がこの残水除去処理を開始すると、第１実施形態の残水除去処理（図３）と同様に水素ポンプ５５の逆回転を開始し（ステップＳ１１０）、排水シャットバルブ５７を開いて排気排水を開始し（ステップＳ１１５）、予め定めた時間経過後、排水シャットバルブ５７を閉じて排気排水を停止する（ステップＳ１１６）。これにより、水素ポンプ５５から排出された液水及び排気排水部５６３に溜まっていた残水を、まず、外部へ排出させることができる。なお、ステップＳ１１０及びステップＳ１１５の処理は、同時に開始しても良いし、逆の順番で開始しても良い。そして、第１実施形態の残水除去処理と、予め定めた時間経過後、水素ポンプ５５の逆回転を停止し（ステップＳ１２０）、処理を終了する。これにより、外部への排気排水（ステップＳ１１６）の後、排気排水部５６３にまだ残った液水を排気排水部５６３から吹き飛ばすことができる。
以上のように、第２実施形態においては、ＨＰ逆回転時において、排水シャットバルブ５７を開くことで、水素ポンプ５５から排出される液水及び排気排水部５６３の残水を外部へ排出した上で、さらに排気排水部５６３に残った液水を吹き飛ばすことができる。これにより、第１実施形態に比べてより効果的に排気排水部５６３における液水の残留を抑制することが可能となる。これにより、排気排水部５６３の残水が凍結して排水シャットバルブ５７が動作不可となり、結果として燃料電池システムが動作不可となってしまうことをより効果的に抑制することが可能である。
なお、第２実施形態においても、第１実施形態で説明した残水除去処理における開始タイミングの条件について同様に適用することができる。
Ｃ．第３実施形態：
図８は、第３実施形態においてシステム停止時に実行される残水除去処理の手順を示すフローチャートである。第３実施形態における残水除去処理が実行される燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０（図１）と同じである。
第３実施形態における残水除去処理は、第１実施形態における残水除去処理（図３）のＨＰ逆回転開始（ステップＳ１１０）の前に、凍結可能性を判定するために測定された温度Ｔｍ（測定温度Ｔｍ）が凍結判定閾値Ｔｈを下回るまで待機する処理（ステップＳ１０５）が追加されている。この追加処理は、残水除去処理を開始するタイミングを検出するために、予め定めた条件を満たしたか否か判断する処理に相当する。
第３実施形態における残水除去処理では、ステップＳ１０５の処理が追加されていることにより、排気排水部５６３の残水の凍結が想定される場合に、水素ポンプ５５内に滞留する液水の水素ポンプ５５からの排出を行ない、また、排気排水部５６３の残水の吹き飛ばしを行う。これは、残水が凍結しなければ、排水シャットバルブ５７が動作不可となって燃料電池システム１０が動作不可となることはないので、必ずしも残水除去処理を行なう必要はないが、残水の凍結が想定される場合には、残水の除去を行なって排水シャットバルブ５７が動作不可とならないようにすることが望ましいためである。
なお、凍結可能性を判定するために測定される温度Ｔｍとしては、温度計８５及び温度計８６（図１）によって計測される冷却水排出流路８３及び冷却水供給流路８４の冷却水の温度や、燃料電池２０の温度、水素ポンプ５５の温度、気液分離部５６の温度、燃料電池システム１０の雰囲気温度等の種々の燃料電池システム内の環境温度を利用することができる。凍結判定閾値Ｔｈとしては、この温度を下回った場合に凍結する可能性があると想定される温度が設定される。例えば、０℃〜１０℃の温度が設定される。
以上のように、第３実施形態においては、排気排水部５６３の残水の凍結の可能性が想定される場合に、排気排水部５６３に残った液水を吹き飛ばすことができるので、効果的に排気排水部５６３に液水が残留することを抑制することが可能となる。これにより、排気排水部５６３の残水が凍結して排水シャットバルブ５７が動作不可となり、結果として燃料電池システムが動作不可となってしまうことをより効果的に抑制することが可能である。また、凍結の可能性が想定されない場合には、必ずしも必要でない残水除去処理の実行を回避することができる。
なお、上述した第３実施形態における残水除去処理（図８）は、第１実施形態における残水除去処理（図３）に、凍結が想定されるまで待機する処理（ステップＳ１０５）が追加された場合を例に説明したが、第２実施形態における残水除去処理(図７）においても同様に適用可能である。
また、上述した第３実施形態における残水除去処理は、第１実施形態における残水除去処理あるいは第２実施形態における残水除去処理に代えて実施されるものとして説明したが、これらと併用して実施されるものとしてもよい。
Ｄ．第４実施形態：
図９は、第４実施形態における水素ポンプ５５と気液分離部５６Ｂと排水シャットバルブ５７の配置関係を示す概略構成図である。図９は、第１実施形態における水素ポンプ５５と気液分離部５６と排水シャットバルブ５７の配置関係を示す概略構成図（図２）に対応する図である。第４実施形態の燃料電池システムは、図９に示した水素ポンプ５５と気液分離部５６Ｂと排水シャットバルブ５７の配置関係を除いて、第１実施形態の燃料電池システム１０（図１）と同じである。
第４実施形態における水素ポンプ５５と気液分離部５６Ｂと排水シャットバルブ５７の配置関係は、以下の相違点１，２を除き、第１実施形態における水素ポンプ５５と気液分離部５６と排水シャットバルブ５７の配置関係と同じである。
・相違点１
第４実施形態では、第１実施形態（図２）の気液分離部５６において排気排水部５６３の鉛直方向Ｄｖの上方に開口部５６５が配置されているのに対して、気液分離部５６Ｂの開口部５６５Ｂが排気排水部５６３の鉛直方向Ｄｖの上方から水平方向Ｄｈに沿ってずれた位置に配置されている。
・相違点２
第４実施形態では、ＨＰ逆回転時において水素ポンプ５５の吸入口５５４に接続される気液分離部５６Ｂの開口部５６５Ｂから排気排水部５６３に向けた気流が発生するように、開口部５６５Ｂが排気排水部５６３の方向を向くように配置されている。
上記構成においても、水素ポンプ５５を図中二点鎖線矢印で示す方向に逆回転させた場合（ＨＰ逆回転）、図中破線矢印で示すように、開口部５６５Ｂから排気排水部５６３に向けた逆方向の気流が発生する。この逆方向の気流及び重力によって、水素ポンプ５５内に滞留する液水を水素ポンプ５５から気液分離部５６Ｂへ排出することができる。また、水素ポンプ５５から排出された液水及び排気排水部５６３に溜まっていた残水に、開口部５６５Ｂからの気体を吹き付けて、実線矢印で示すように、排気排水部５６３から残水を吹き飛ばすことが可能である。これにより、排気排水部５６３の残水が凍結して排水シャットバルブ５７が動作不可となり、結果として燃料電池システムが動作不可となってしまうことを抑制することが可能である。
なお、第４実施形態では、第１実施形態で説明した液受面５６６の構造の変形例の適用が可能である。また、第４実施形態では、第１実施形態から第３実施形態で説明した各残水除去処理及びその変形例の処理の適用が可能である。
Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記実施形態や変形例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態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。
Ｅ１．変形例１：
第１実施形態及び第４実施形態では、気液分離部の内部空間に吹き飛ばされた液水を受け止めて保持する液受面を有する場合を例に説明したが、液受面を有さない構造であってもよい。この場合においても、吹き飛ばされた液水の塊が小さい場合には、内部空間の壁面に付着して保持されることにより、排気排水部から残水を除去する効果を得ることができる。
Ｅ２．変形例２：
第１から第３の各実施形態における残水除去処理は、それぞれ独立して実施されるものとして説明したが、例えば、第１実施形態の残水除去処理と第３実施形態の残水除去処理が併用されて実施されてもよく、第２実施形態の残水除去処理と第３実施形態の残水除去処理が併用されて実施されても良い。また、第１、第２、第３の全ての実施形態の処理が併用されて実施されてもよい。例えば、システム停止後、まず、第１の条件が満たされた際に第１実施形態の処理が実施され、第２の条件が満たされた際に第２実施形態の処理が実施され、その後、第３実施形態において、液水の凍結の可能性が想定される場合に残水除去処理が実施されるようにしてもよい。
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、或いは、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
２０…燃料電池
２８…アノードの供給口
２９…アノードの排出口
３０…空気供給排出機構
３１…コンプレッサ
３２…空気供給流路
３３…分流弁
３６…調圧弁
３８…バイパス流路
３９…空気排出流路
４０…水素タンク
４１…シャットバルブ
５０…水素供給排出機構
５１…レギュレータ
５４…インジェクタ
５５…水素ポンプ
５６，５６Ｂ…気液分離部
５７…排水シャットバルブ
５８…排出流路
６０…水素供給流路
６１…水素循環流路
８０…冷却水循環機構
８１…ラジエータ
８２…冷却水ポンプ
８３…冷却水排出流路
８４…冷却水供給流路
８５，８６…温度計
９０…制御部
５５１…ケーシング
５５２ａ，５５２ｂ…ロータ
５５４…吸入口
５５６…排出口
５６１…ケーシング
５６２…内部空間
５６３…排気排水部
５６４…連通路
５６５，５６５Ｂ…開口部
５６６…液受面
５６６ａ，５６６ｂ…液受面
Ｄｈ…水平方向
Ｄｖ…鉛直方向

Claims (6)

  1. 燃料電池システムであって、
    燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードの供給口に燃料ガスを供給する供給流路と、
    前記アノードの排出口から排出される排出ガスを前記燃料ガスとして前記供給口に再供給する循環流路と、
    前記循環流路に設けられ、前記排出ガスに含まれる気体と液体とを分離する気液分離部と、
    前記循環流路に設けられ、前記気液分離部で分離された気体を前記供給流路に供給する循環ポンプと、
    前記気液分離部に接続され、分離された前記液体を前記気液分離部から排出するための排出弁と、
    前記循環ポンプの動作を制御する制御部と、
    を備え、
    前記循環ポンプは、２枚のロータが互いに逆向きに回転する２葉式のルーツポンプであり、
    前記気液分離部の内部空間の底部には、分離された前記液体を集めて前記排出弁から排出する排気排水部が設けられており、
    前記気液分離部には、前記循環ポンプに接続される開口部が前記排気排水部の方向を向くように配置されており、
    前記制御部は、システム停止時において、予め定めた条件を満たした場合に、前記循環ポンプの前記ロータを、システム動作時における回転とは反対向きで回転させ、前記排気排水部に気体を吹き付ける、燃料電池システム。
  2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記開口部は、前記排気排水部の鉛直方向の上方において鉛直方向の下方を向くように配置されている、燃料電池システム。
  3. 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、
    前記気液分離部は、前記排気排水部よりも前記内部空間の上方に設けられ、水平面、あるいは、外周側ほど下方に傾斜した傾斜面を含む面で構成される液受面を有する、燃料電池システム。
  4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
    前記液受面は、前記排気排水部の外周にある、燃料電池システム。
  5. 請求項１から請求項４まで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、前記ロータを反対向きで回転させる際に、前記排出弁を開かせる、燃料電池システム。
  6. 請求項１から請求項５まで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、前記システム停止時において、測定された温度が凍結判定閾値を下回った場合に、前記ロータを反対向きで回転させる、燃料電池システム。
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