JP7441876B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、移動体等に搭載される燃料電池システムに関する。
近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能かつ先進的なエネルギへのアクセスを確保するために、エネルギの効率化に貢献する燃料電池（燃料電池スタック）に関する研究開発が行われている。
燃料電池スタックは、積層された複数の発電セルを有する。発電セルは、酸化剤ガスと燃料ガスとの反応によって発電するとともに水を生成する。近年の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの内部は高湿度にされる。このため、燃料電池スタックの内部には水が溜まりやすい。発電セルは長時間の浸水によって劣化する。燃料電池スタックに多量の水が溜まる場合には、燃料電池スタックから水を排出することが好ましい。
特許文献１には、燃料電池スタックから水を排出する技術が開示される。燃料電池スタックにはコンプレッサから酸化剤ガスが供給される。この技術は、燃料電池スタックから水を排出する場合に、コンプレッサの回転数を上昇させる。この技術によれば、燃料電池スタックの内部の圧力と排出先（大気）の圧力（大気圧）との差圧が大きくなるため、燃料電池スタックの内部から外部に水を押し出すことができる。
一方、燃料電池スタックの内部に必要以上に酸化剤ガスが供給されると、発電セルの電解質膜が乾燥する。電解質膜は乾燥によって劣化する。このため、燃料電池スタックに余分な酸化剤ガスを供給することは好ましくない。多くの燃料電池システムは、酸化剤ガスの供給流路と酸化剤オフガスの排出流路との間に燃料電池スタックを迂回するバイパス流路を有する。供給流路を流れる余分な酸化剤ガスは、燃料電池スタックを経ずにバイパス流路及び排出流路を介して外部に直接排出され得る。
特開２０１６－０８１６９４号公報
酸化剤ガスがバイパス流路を介して排出流路に直接排出される場合、電解質膜の乾燥が抑制される一方で、燃料電池スタックの内部の圧力上昇も抑制される。すると、燃料電池スタックの内部の圧力と大気圧との差圧が発生しにくくなる。すると、燃料電池スタックの内部から水を排出することが困難になる。結果として、燃料電池スタックの内部に水が溜まりやすくなる。
本発明は上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の態様に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスとにより発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスが流れる供給流路と、前記燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスが流れる排出流路と、前記供給流路に設けられ、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記供給流路と前記排出流路とを接続するバイパス流路と、前記バイパス流路の連通状態を調整するバイパス弁と、前記排出流路のうち前記バイパス流路の接続部よりも下流の部分に設けられ、前記部分の下流よりも上流の圧力を高くすることが可能な調圧部と、前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池スタックの内部の水を排水可能なドレイン流路と、前記ドレイン流路の排水状態を調整するドレイン弁と、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を制御するとともに、前記ドレイン弁及び前記バイパス弁を制御する制御部と、前記燃料電池スタックの内部の貯水状態を取得する貯水状態取得部と、を備え、前記制御部は、前記貯水状態取得部により取得された前記貯水状態に基づき、前記ドレイン流路の前記排水状態を前記ドレイン弁により制御するとともに、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を制御する。
本発明によれば、ドレイン弁及び酸化剤ガス供給部を適切に制御することによって、燃料電池スタックの内部の水を外部に円滑に排出することができる。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池自動車の概略構成図である。 図２は、排水処理の手順を示すフローチャートである。 図３は、調圧処理の手順を示すフローチャートである。
［１ 燃料電池システム１２の構成］
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１２が組み込まれた燃料電池自動車１０の概略構成図である。燃料電池システム１２は、燃料電池自動車１０以外の船舶、航空機、ロボット等の他の移動体にも組み込み可能である。燃料電池システム１２は、エネルギの効率化に寄与する。
燃料電池自動車１０は、燃料電池システム１２と、ＥＣＵ１５と、出力部１６とから構成される。ＥＣＵ１５は、燃料電池自動車１０全体を制御する。ＥＣＵ１５は、一つではなく二つ以上に分けられていてもよい。出力部１６は、燃料電池システム１２に電気的に接続される。
燃料電池システム１２は、燃料電池スタック１８と、水素タンク２０と、酸化剤ガス供給装置２２と、燃料ガス供給装置２４と、冷媒供給装置（温度調整装置）２６とを有する。
酸化剤ガス供給装置２２には、コンプレッサ（ＣＰ：酸化剤ガス供給部）２８及び加湿器（ＨＵＭ）３０が含まれる。
燃料ガス供給装置２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３２、エジェクタ３４及び気液分離器３６が含まれる。インジェクタ３２は、減圧弁に代替してもよい。
冷媒供給装置２６には、冷媒ポンプ（ＷＰ）３８及びラジエータ４０が含まれる。
出力部１６には、駆動部４２、高電圧の蓄電装置４４、及びモータ４６が含まれる。駆動部４２の負荷には、主機であるモータ４６の他に補機であるコンプレッサ２８、その他エアコンディショナ等の車両補機が含まれる。燃料電池自動車１０は、モータ４６が発生する駆動力により走行する。
燃料電池スタック１８には、複数の発電セル５０が積層される。発電セル５０は、電解質膜・電極構造体５２と、電解質膜・電極構造体５２を挟持するセパレータ５３、５４とを備える。
電解質膜・電極構造体５２は、固体高分子電解質膜５５（単に、電解質膜５５ともいう）と、カソード電極５６及びアノード電極５７を有する。電解質膜５５は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である。カソード電極５６及びアノード電極５７は、電解質膜５５を挟持する。カソード電極５６及びアノード電極５７は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層を有する。ガス拡散層の表面に多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層が形成される。多孔質カーボン粒子の表面には、白金合金が担持される。電極触媒層は、電解質膜５５の両面に形成される。
一方のセパレータ５３の電解質膜・電極構造体５２に向かう面にはカソード流路５８が形成される。カソード流路５８は、酸化剤ガス入口連通口１０１と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通する。
他方のセパレータ５４の電解質膜・電極構造体５２に向かう面にはアノード流路５９が形成される。アノード流路５９は、燃料ガス入口連通口１０３と燃料ガス出口連通口１０４とを連通する。
アノード電極５７では、燃料ガス（水素）が供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じ、水素イオンが固体高分子電解質膜５５を透過してカソード電極５６に移動する一方、水素分子から電子が解放される。
水素分子から解放された電子は、負極端子１０６から駆動部４２及びモータ４６等の負荷を通じ、正極端子１０８を介してカソード電極５６に移動する。
カソード電極５６では、触媒の作用によって水素イオン及び電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。
正極端子１０８と駆動部４２を接続する配線と、負極端子１０６と駆動部４２を接続する配線との間には電圧センサ１１０が設けられる。電圧センサ１１０は、燃料電池スタック１８の発電電圧を検出する。さらに、正極端子１０８と駆動部４２を接続する配線には、燃料電池スタック１８の発電電流を検出する電流センサ（発電状態取得部）１１２が設けられる。
コンプレッサ２８は、モータ（不図示）により駆動される機械式の過給器等で構成される。コンプレッサ２８のモータには、蓄電装置４４の電力が駆動部４２を通じて供給される。コンプレッサ２８は、外気取入口１１３から空気を吸引して加圧し、加湿器３０を通じて燃料電池スタック１８に空気を供給する等の機能を有する。
加湿器３０は、流路３１Ａと流路３１Ｂとを有する。流路３１Ａには、コンプレッサ２８から吐出される高温で乾燥した空気（酸化剤ガス）が流通する。流路３１Ｂには、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口連通口１０２から排出される排出ガスが流通する。
ここで、排出ガスは、後述するブリード弁７０の閉弁時には、湿潤な酸化剤オフガスとされる。また、排出ガスは、ブリード弁７０の開弁時には、湿潤な酸化剤オフガスと燃料オフガスが混合された湿潤な排出ガス（オフガス）が流通する。
加湿器３０は、コンプレッサ２８から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有する。すなわち、加湿器３０は、排出ガス（オフガス）中に含まれる水分を、流路３１Ｂから内部の多孔質膜を介して流路３１Ａに流通する酸化剤ガスに移動させて加湿し、加湿した酸化剤ガスを燃料電池スタック１８に供給する。
外気取入口１１３と酸化剤ガス入口連通口１０１との間には、酸化剤ガス供給流路（供給流路）６０が設けられる。酸化剤ガス供給流路６０は、後述するバイパス流路６４との接続部分を境にして、上流に酸化剤ガス供給流路６０Ａを有し、下流に酸化剤ガス供給流路６０Ｂを有する。酸化剤ガス供給流路６０Ａには、上流から下流に向かって順に、外気取入口１１３、遮断弁１１４、エアフローセンサ（ＡＦＳ：供給量取得部）１１６及びコンプレッサ２８が設けられる。酸化剤ガス供給流路６０Ｂには、上流から下流に向かって順に、供給側封止弁１１８及び加湿器３０が設けられる。なお、二重線で描いている酸化剤ガス供給流路６０等の流路は、配管により形成されている（以下、同様）。
遮断弁１１４は、酸化剤ガス供給流路６０への空気の取り入れを解放又は遮断するために開閉される。
エアフローセンサ１１６は、コンプレッサ２８を通じて燃料電池スタック１８に供給される酸化剤ガスの流量を計測する。
供給側封止弁１１８は、酸化剤ガス供給流路６０Ａを開閉する。
酸化剤ガス出口連通口１０２と合流流路９９との間には、酸化剤ガス排出流路（排出流路）６２が設けられる。酸化剤ガス排出流路６２は、後述するバイパス流路６４との接続部分を境にして、上流に酸化剤ガス排出流路６２Ａを有し、下流に酸化剤ガス排出流路６２Ｂを有する。酸化剤ガス排出流路６２Ａには、上流から下流に向かって順に、加湿器３０及び排出側封止弁１２０が設けられる。排出側封止弁１２０は、背圧弁としても機能する。酸化剤ガス排出流路６２Ｂには、調圧装置（調圧部）１２２が設けられる。
調圧装置１２２は、下流よりも上流の圧力が高くなるように調圧する装置である。調圧装置１２２は、酸化剤ガス排出流路６２Ｂの開口に比べて小さい開口が形成されるオリフィス板であってもよい。また、調圧装置１２２は、酸化剤ガス排出流路６２Ｂの開口に比べて小さい開口に開度を調整可能な流量調整弁であってもよい。調圧装置１２２は、排出側封止弁１２０の下流に設けられる。これにより、燃料電池スタック１８の発電中に排出側封止弁１２０が開弁されていても、燃料電池スタック１８の内部の圧力を上昇させることができる。さらに、調圧装置１２２によれば、調圧装置１２２が設けられていない場合に比べて酸化剤ガスに含まれる水分量を多くすることができる。従って、調圧装置１２２によれば、電解質膜５５の乾燥を抑制することができる。
供給側封止弁１１８の吸入口と排出側封止弁１２０の吐出口との間にはバイパス流路６４が設けられる。バイパス流路６４は、酸化剤ガス供給流路６０と酸化剤ガス排出流路６２を連通する。バイパス流路６４には、バイパス流路６４を開閉するバイパス弁１２４が設けられる。バイパス弁１２４は、燃料電池スタック１８をバイパスする酸化剤ガスの流量を調整する。
水素タンク２０は、電磁作動式の遮断弁を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。
水素タンク２０から吐出される燃料ガスは、燃料ガス供給流路７２に設けられたインジェクタ３２及びエジェクタ３４を通じ、燃料ガス入口連通口１０３を介して燃料電池スタック１８のアノード流路５９の入口に供給される。
アノード流路５９の出口は、燃料ガス出口連通口１０４及び燃料ガスの燃料オフガス流路７４を通じて気液分離器３６の入口１５１に連通される。水素含有ガスである燃料オフガスは、アノード流路５９から気液分離器３６に供給される。
気液分離器３６は、燃料オフガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。燃料オフガスの気体成分（燃料排ガス）は、気液分離器３６の気体排出口１５２から排出され、循環流路７７を通じてエジェクタ３４の吸込口に供給される。一方、ブリード弁７０が開弁されたとき、燃料オフガスは、接続流路７８、ブリード弁７０を介し、酸化剤ガス供給流路６０Ｂにも供給される。
燃料排ガスの液体成分は、気液分離器３６の液体排出口１６０から第２開閉弁としての第１ドレイン弁１６４が設けられた第１ドレイン流路１６２を通じ、酸化剤ガス排出流路６２Ｂから排出される排出ガスと混合され合流流路９９及び排出口１６８を通じて外気に排出される。
第１ドレイン流路１６２には、液体成分とともに、一部の燃料オフガス（水素含有ガス）が排出される。この燃料オフガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、コンプレッサ２８から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス流路６４を通じて、酸化剤ガス排出流路６２Ｂに供給される。
循環流路７７と酸化剤ガス供給流路６０Ｂとは接続流路７８によって接続される。接続流路７８にはブリード弁７０が設けられる。ブリード弁７０が開弁されると、燃料電池スタック１８から排出される燃料オフガスは、燃料オフガス流路７４、気液分離器３６、循環流路７７、接続流路７８、酸化剤ガス供給流路６０Ｂ、及び酸化剤ガス入口連通口１０１を介してカソード流路５８に流通する。
カソード流路５８に流通された燃料オフガス中の燃料ガスは、カソード電極５６での触媒反応により水素イオン化され、水素イオンは酸化剤ガスと反応して水が生成される。反応しなかった残部の燃料オフガス（窒素ガスと未反応の僅かな水素ガスとからなる）は、燃料電池スタック１８から酸化剤オフガスとして排出され、酸化剤ガス排出流路６２に流通する。
酸化剤ガス排出流路６２に流通する酸化剤オフガス（反応しなかった残部の燃料オフガスを含む）には、バイパス流路６４を通じて供給された酸化剤ガスが混合される。このようにして、酸化剤オフガス中の燃料オフガス（燃料ガスを含む）の濃度が希釈された酸化剤オフガスが、酸化剤ガス排出流路６２Ｂに流通する。
酸化剤ガス排出流路６２Ｂは、第１ドレイン流路１６２に合流する。酸化剤ガス排出流路６２Ｂと第１ドレイン流路１６２とは合流流路９９に連通する。
燃料電池スタック１８には、排水口１７０が設けられる。排水口１７０は、カソード流路５８及び酸化剤ガス出口連通口１０２に接続される。排水口１７０は、燃料電池スタック１８の内部に溜まる水を、燃料電池スタック１８から直接排水するために設けられる。排水口１７０は、燃料電池スタック１８の下部にあり、少なくとも酸化剤ガス出口連通口１０２の下方に位置する。第２ドレイン流路（ドレイン流路）１７２は、排水口１７０と第１ドレイン流路１６２とを連通する。この構造により、燃料電池スタック１８の内部で生成された水は、排水口１７０から第２ドレイン流路１７２、第１ドレイン流路１６２、合流流路９９及びび排出口１６８を介して外部に排水され得る。
第２ドレイン流路１７２には、第２ドレイン弁（ドレイン弁）１７４が設けられる。第２ドレイン弁１７４は、第２ドレイン流路１７２の排水状態を調整する。第２ドレイン弁１７４が開状態である場合に、燃料電池スタック１８の内部から外部への排水が可能となる。第２ドレイン弁１７４が閉状態である場合に、燃料電池スタック１８の内部から外部への排水が不可となる。
合流流路９９では、酸化剤ガス排出流路６２Ｂからの酸化剤オフガスにより、第１ドレイン流路１６２から吐出される液水と燃料オフガスの混合流体中の燃料ガスとが希釈される。希釈されたガスは、排出口１６８を通じて燃料電池自動車１０の外部に排出される。
冷媒供給装置２６は、冷媒を流通させる冷媒流路１３８を有する。冷媒流路１３８は、冷媒供給流路１４０と冷媒排出流路１４２と冷媒バイパス流路１４４とを有する。冷媒供給流路１４０は、燃料電池スタック１８に冷媒を供給する。冷媒排出流路１４２は、燃料電池スタック１８から冷媒を排出する。冷媒供給流路１４０及び冷媒排出流路１４２には、ラジエータ４０が接続される。ラジエータ４０は冷媒を冷却する。冷媒供給流路１４０には、冷媒ポンプ３８が設けられる。冷媒供給流路１４０及び冷媒排出流路１４２には、冷媒バイパス流路１４４が接続される。冷媒バイパス流路１４４は、冷媒供給流路１４０のうち、冷媒ポンプ３８とラジエータ４０との間に接続される。冷媒バイパス流路１４４には、冷媒バイパス流路１４４を開閉する冷媒バイパス弁１４６が設けられる。
冷媒排出流路１４２には、温度センサ（温度取得装置）７６が設けられる。冷媒排出流路１４２を流れる冷媒の温度と、燃料電池スタック１８の内部の温度とは相関する。本実施形態において、温度センサ７６により検出される冷却媒体の温度（冷媒出口温度）は、燃料電池スタック１８の内部の温度として検出（取得）される。
ＥＣＵ１５は、制御装置１８０と記憶装置１８２とを有する。制御装置１８０は、処理回路を有する。処理回路は、ＣＰＵ等のプロセッサであってもよい。処理回路は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の集積回路であってもよい。プロセッサは、記憶装置１８２に記憶されるプログラムを実行することによって各種の処理を実行可能である。複数の処理のうちの少なくとも一部が、ディスクリートデバイスを含む電子回路によって実行されてもよい。
制御装置１８０は、燃料電池システム１２の動作制御を行う。例えば、制御装置１８０は、各種センサから送信される信号を受信する。制御装置１８０は、受信した各々の信号に基づいて、各弁、コンプレッサ２８、インジェクタ３２、冷媒ポンプ３８等のそれぞれを制御するための制御信号を出力する。各弁、コンプレッサ２８、インジェクタ３２、冷媒ポンプ３８等の各々は、制御信号に応じて動作する。
制御装置１８０、例えばプロセッサは、プログラムを実行することによって制御部１８４と貯水状態取得部１８６として機能する。制御部１８４は、燃料電池スタック１８の内部の水を外部に排出する制御（排水制御）を実行する。貯水状態取得部１８６は、燃料電池スタック１８の内部の貯水状態を演算（取得）する。貯水状態とは、例えば、貯水レート、貯水量等である。なお、本実施形態において、貯水状態は、貯水状態取得部１８６による演算によって取得される。これに代わり、貯水状態は、燃料電池スタック１８に設けられるセンサによって検出されてもよい。
記憶装置１８２は、揮発性メモリと不揮発性メモリとを有する。揮発性メモリとしては、例えばＲＡＭ等が挙げられる。揮発性メモリは、プロセッサのワーキングメモリとして使用される。揮発性メモリは、処理又は演算に必要なデータ等を一時的に記憶する。不揮発性メモリとしては、例えばＲＯＭ、フラッシュメモリ等が挙げられる。不揮発性メモリは、保存用のメモリとして使用される。不揮発性メモリは、プログラム、テーブル、マップ等を記憶する。記憶装置１８２の少なくとも一部が、上述したようなプロセッサ、集積回路等に備えられてもよい。
［２ 排水処理］
図２は、排水処理の手順を示すフローチャートである。制御装置１８０は、燃料電池システム１２の動作中に、図２で示される排水処理を、所定周期で実行する。
ステップＳ１において、貯水状態取得部１８６は、増水レートを取得する。燃料電池スタック１８の内部で生成される水の量は、燃料電池スタック１８の発電量、例えば、発電電流値と相関する。ここで、貯水状態取得部１８６は、電流センサ１１２の検出値を取得する。貯水状態取得部１８６は、発電電流値と増水レートとの関係を示すテーブル（又はマップ）を用いて、電流センサ１１２の検出値に対応する増水レートを取得する。このテーブル（又はマップ）は、記憶装置１８２に記憶される。ステップＳ１の実行後、処理はステップＳ２に移行する。
ステップＳ２において、貯水状態取得部１８６は、第２ドレイン流路１７２から排水される水の排水レートを取得する。ここで、貯水状態取得部１８６は、エアフローセンサ１１６の計測値を取得する。第２ドレイン弁１７４が開いている場合に、貯水状態取得部１８６は、電流値と酸化剤ガスの供給量と排水レートとの関係を示すテーブル（又はマップ）を用いて、電流センサ１１２の検出値とエアフローセンサ１１６の計測値とに対応する排水レートを取得する。このテーブル（又はマップ）は、記憶装置１８２に記憶される。なお、後述するパージ要求がオフの場合、すなわち第２ドレイン弁１７４が閉じている場合は、排水レートはゼロである。ステップＳ２の実行後、処理はステップＳ３に移行する。
ステップＳ３において、貯水状態取得部１８６は、最新の貯水量増減レートを算出する。最新の貯水量増減レートとは、前回の積算貯水量の算出時から現時点までの水の増加レート又は減少レートに相当する。ここで、貯水状態取得部１８６は、ステップＳ１で取得された増水レートから、ステップＳ２で取得された排水レートを減算することにより、最新の貯水量増減レートを算出する。ステップＳ３の実行後、処理はステップＳ４に移行する。
ステップＳ４において、貯水状態取得部１８６は、現時点での積算貯水量を算出する。積算貯水量は、燃料電池スタック１８の内部に溜まる水の量の推定値である。ここで、貯水状態取得部１８６は、ステップＳ３で取得された貯水量増減レートに所定周期（排水処理の周期）を乗算する。貯水状態取得部１８６は、この乗算値を前回の積算貯水量に加算する。このようにして、貯水状態取得部１８６は、最新の積算貯水量、すなわち現時点での燃料電池スタック１８の内部に溜まる水の量を推定する。ステップＳ４の実行後、処理はステップＳ５に移行する。
ステップＳ５において、制御部１８４は、ステップＳ４で算出された積算貯水量と、第２閾値とを比較する。第２閾値は、排水が行われている場合に、排水を停止するか否かを判断するための閾値である。例えば、第２閾値としては予めゼロが設定される。積算貯水量が第２閾値を上回る場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、処理はステップＳ６に移行する。積算貯水量が第２閾値以下である場合（ステップＳ５：ＮＯ）、処理はステップＳ１１に移行する。
ステップＳ５からステップＳ６に移行すると、制御部１８４は、ステップＳ４で算出された積算貯水量と、第１閾値とを比較する。第１閾値は、排水が行われていない場合に、排水を開始するか否かを判断するための閾値である。第１閾値は、燃料電池スタック１８の内部の水の許容量でもある。第１閾値は、第２閾値よりも大きい値である。積算貯水量が第１閾値を上回る場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、処理はステップＳ７に移行する。積算貯水量が第１閾値以下である場合（ステップＳ６：ＮＯ）、処理はステップＳ８に移行する。
ステップＳ６からステップＳ７に移行すると、排水を開始する必要がある。ステップＳ７において、制御部１８４は、パージ要求をオンにする。パージ要求とは、排水制御を実行すべき状態であるか否かを示すフラグに相当する。パージ要求がオンの場合、排水制御を実行すべき状態である。ステップＳ７の実行後、処理はステップＳ９に移行する。
ステップＳ６からステップＳ８に移行すると、制御部１８４は、パージ要求がオンであるか否かを判定する。ここでは、制御部１８４は、パージ要求の状態を判定することによって、排水制御の実行中であるか否かを判定する。パージ要求がオンである場合、すなわち制御部１８４が排水制御を実行中であり、かつ、貯水量が減少中である場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、処理はステップＳ９に移行する。一方、パージ要求がオフである場合、すなわち制御部１８４が排水制御を実行中でない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、この周期での処理は終了する。
ステップＳ７又はステップＳ８からステップＳ９に移行すると、制御部１８４は、図３で示される調圧処理を行う。燃料電池スタック１８の内部から水を排水するためには、燃料電池スタック１８の内部の圧力を大気圧よりも高圧にする必要がある。例えば、コンプレッサ２８からの酸化剤ガスの供給量を増加することによって、燃料電池スタック１８の内部の圧力を高圧にすることができる。しかし、酸化剤ガスの供給量が過多であると、電解質膜５５が乾燥する。このため、必要量を超える酸化剤ガスは、バイパス流路６４から外部に排出することが好ましい。制御部１８４は、調圧処理を行うことによって、燃料電池スタック１８の内部の圧力を一定圧以上に維持しつつ、余分な酸化剤ガスをバイパス流路６４から外部に排出する。調圧処理については後述する。ステップＳ９の実行後、処理はステップＳ１０に移行する。
ステップＳ１０において、制御部１８４は、第２ドレイン弁１７４を開状態にする。第２ドレイン弁１７４が閉じている場合、制御部１８４は、第２ドレイン弁１７４に開信号を送信する。第２ドレイン弁１７４は、開信号を受信することにより、第２ドレイン流路１７２を開ける。一方、第２ドレイン弁１７４が既に開いている場合、制御部１８４は、第２ドレイン弁１７４の開状態を維持する。ステップＳ９が実行されると、この周期での処理は終了する。
貯水状態取得部１８６は、ステップＳ１～ステップＳ４の処理を、各周期で行う。一方、制御部１８４は、排水制御が開始された後は、燃料電池スタック１８の内部の水の量が第２閾値以下になるまで、ステップＳ５、ステップＳ６、ステップＳ８～ステップＳ１０の処理を、各周期で行う。燃料電池スタック１８の内部の水の量が第２閾値以下になると（ステップＳ５：ＮＯ）、処理はステップＳ１１に移行する。
ステップＳ５からステップＳ１１に移行すると、制御部１８４は、パージ要求をオフにする。パージ要求がオフの場合、制御部１８４は、排水制御を実行しなくてもよい状態である。ステップＳ１１の実行後、処理はステップＳ１２に移行する。
ステップＳ１２において、制御部１８４は、第２ドレイン弁１７４を閉状態にする。制御部１８４は、第２ドレイン弁１７４に閉信号を送信する。第２ドレイン弁１７４は、閉信号を受信することにより、第２ドレイン流路１７２を閉じる。このようにして、制御部１８４は、排水制御を終了する。ステップＳ１１が実行されると、この周期での処理は終了する。
ステップＳ５の処理により、排水制御を適切なタイミングで終了させることができる。例えば、ステップＳ６において、積算貯水量が第１閾値以下になった場合に排水制御を終了させると、排水が十分に行われなくなる。さらに、排水制御の開始と終了とが短時間で繰り返し実行される。ステップＳ５の処理により、このような不具合は発生しない。
［３ 調圧処理］
図３は、調圧処理の手順を示すフローチャートである。制御装置１８０は、図２で示される排水処理のステップＳ９において、図３で示される調圧処理を実行する。
ステップＳ２１において、制御部１８４は、電解質膜５５が乾燥しない水分量を酸化剤ガスに含ませるために、カソード流路５８で必要な圧力を、目標圧力として演算する。目標圧力は、燃料電池スタック１８の内部から外部への排水を可能とする圧力でもある。この場合、制御部１８４は、大気圧センサ（不図示）によって検出される現在の大気圧と、温度センサ７６によって検出される燃料電池スタック１８の現在の温度と、燃料電池スタック１８の目標発電量とに基づいて、目標圧力を演算し得る。
目標発電量は、上位制御装置等から供給されてもよいし、制御部１８４により演算されてもよい。目標発電量は、例えば、燃料電池スタック１８の発電により得られる電力に基づいて駆動する装置で要求される電力量等に基づいて演算され得る。ステップＳ２１の実行後、処理はステップＳ２２に移行する。
ステップＳ２２において、制御部１８４は、排出側封止弁１２０を制御して、ステップＳ２１で演算された目標圧力に対応する開度に、排出側封止弁１２０の開度を設定する。この場合、制御部１８４は、開度と圧力との関係を示すテーブル又は関係式を用いて、目標圧力に対応する開度を取得する。このテーブル又は関係式は、記憶装置１８２に記憶される。制御部１８４は、目標圧力が大きいほど開度を小さくする。
なお、燃料電池スタック１８の発電中は排出側封止弁１２０を閉弁できない。従って、排出側封止弁１２０に対して所定の下限開度が予め設定される。ステップＳ２１で演算された目標圧力に対応する開度が、排出側封止弁１２０の下限開度を下回る場合、制御部１８４は、下限開度に、排出側封止弁１２０の開度を設定する。ステップＳ２２の実行後、処理はステップＳ２３に移行する。
ステップＳ２３において、制御部１８４は、ステップＳ２１で演算された目標圧力及び燃料電池スタック１８の目標発電量に対応する酸化剤ガスの供給量を取得する。この場合、制御部１８４は、圧力及び発電量と、酸化剤ガスの供給量との関係を示すマップを用いて、酸化剤ガスの供給量を取得する。
マップは、発電に必要な酸化剤ガス量と、カソード流路５８に圧力を付与するために必要な酸化剤ガス量とを考慮して作成され、記憶装置１８２に記憶される。ステップＳ２３の実行後、処理はステップＳ２４に移行する。
ステップＳ２４において、制御部１８４は、ステップＳ２３で取得された酸化剤ガスの供給量と、目標発電量に必要な酸化剤ガス量（必要供給量）とのいずれか大きい方を、燃料電池スタック１８への酸化剤ガスの目標供給量として設定する。
ステップＳ２２で設定される排出側封止弁１２０の開度では、排出側封止弁１２０によって昇圧される酸化剤ガス流路内圧が目標圧力に達しない場合がある。この場合、ステップＳ２３で取得された酸化剤ガスの供給量が、目標発電量に必要な酸化剤ガス量（必要供給量）よりも大きくなる。逆に、酸化剤ガス流路内圧が目標圧力に達する場合、目標発電量に必要な酸化剤ガス量が、ステップＳ２３で取得された酸化剤ガスの供給量よりも大きくなる。なお、酸化剤ガス流路内圧は、カソード流路５８の圧力である。ステップＳ２４が実行された後に、処理はステップＳ２５に移行する。
ステップＳ２５において、制御部１８４は、コンプレッサ２８を制御して、酸化剤ガスの流量を、現在の流量から目標供給量に変更する。すなわち、制御部１８４は、コンプレッサ２８を制御することによって、ステップＳ２４で設定された目標供給量の酸化剤ガスの供給を開始する。ステップＳ２５の実行後、処理はステップＳ２６に移行する。
ステップＳ２６において、制御部１８４は、バイパス流路６４に流す酸化剤ガスの流量（バイパス供給ガス量）を演算する。ステップＳ２３で取得された酸化剤ガスの供給量が、目標発電量に必要な酸化剤ガス量（必要供給量）よりも大きい場合、発電に不要な余剰の酸化剤ガスが存在する。この余剰の酸化剤ガスをバイパス流路６４に流すために、制御部１８４は、ステップＳ２３で取得された酸化剤ガスの供給量と、目標発電量に必要な酸化剤ガス量必要供給量との差分を演算する。具体的には、制御部１８４は、目標供給量から酸化剤ガス量を減算する。
なお、目標発電量に必要な酸化剤ガス量が、ステップＳ２３で取得された酸化剤ガスの供給量よりも大きい場合、制御部１８４は、バイパス供給ガス量をゼロとして演算する。ステップＳ２６の実行後、処理はステップＳ２７に移行する。
ステップＳ２７において、制御部１８４は、バイパス弁１２４を制御して、バイパス供給ガス量に対応する開度に、バイパス弁１２４の開度を設定する。この場合、制御部１８４は、ガス量と開度との関係を示すテーブル又は関係式を用いて、目標圧力に対応する開度を取得する。このテーブル又は関係式は、記憶装置１８２に記憶される。制御部１８４は、バイパス供給ガス量が大きいほどバイパス弁１２４の開度を大きくする。
なお、バイパス供給ガス量がゼロである場合、制御部１８４は、バイパス弁１２４の開度をゼロに設定する。つまり、制御部１８４は、バイパス弁１２４を閉弁する。バイパス弁１２４の開度が設定されると、調圧処理は終了する。
このように、酸化剤ガス流路内圧が目標圧力に達しない場合、制御部１８４は、目標発電量に必要な酸化剤ガス量よりも大きい目標供給量の酸化剤ガスを、意図的にコンプレッサ２８から供給させる。この場合、制御部１８４は、発電に不要な余剰の酸化剤ガスを、バイパス流路６４を介して、調圧装置１２２に供給する。これにより、調圧装置１２２によって酸化剤ガス流路内圧を上昇させながら、目標発電量の発電を燃料電池スタック１８に実行させることができる。つまり、燃料電池スタック１８の内圧を大気圧よりも大きくすることができる。従って、第２ドレイン弁１７４が開いている状態で、燃料電池スタック１８の内部から外部に水を排出することができる。さらに、発電効率を低下させることなく、電解質膜５５の乾燥を抑制することができる。
［４ 実施形態から得られる発明］
上記実施形態から把握しうる発明について、以下に記載する。
本発明の態様に係る燃料電池システム（１２）は、酸化剤ガスと燃料ガスとにより発電する燃料電池スタック（１８）と、前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスが流れる供給流路（６０）と、前記燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスが流れる排出流路（６２）と、前記供給流路に設けられ、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部（２８）と、前記供給流路と前記排出流路とを接続するバイパス流路（６４）と、前記バイパス流路の連通状態を調整するバイパス弁（１２４）と、前記排出流路のうち前記バイパス流路の接続部よりも下流の部分に設けられ、前記部分の下流よりも上流の圧力を高くすることが可能な調圧部（１２２）と、前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池スタックの内部の水を排水可能なドレイン流路（１７２）と、前記ドレイン流路の排水状態を調整するドレイン弁（１７４）と、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を制御するとともに、前記ドレイン弁及び前記バイパス弁を制御する制御部（１８４）と、前記燃料電池スタックの内部の貯水状態を取得する貯水状態取得部（１８６）と、を備え、前記制御部は、前記貯水状態取得部により取得された前記貯水状態に基づき、前記ドレイン流路の前記排水状態を前記ドレイン弁により制御するとともに、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を制御する。
上記構成において、調圧部は、上流の圧力を下流の圧力よりも高くし得る。これにより、バイパス弁の開閉にかかわらず、燃料電池スタックの内部の圧力を燃料電池スタックの外部の圧力（大気圧）よりも高くすることができる。従って、上記構成によれば、ドレイン弁及び酸化剤ガス供給部を適切に制御することによって、燃料電池スタックの内部の水を外部に円滑に排出することができる。
本発明の態様に係る燃料電池システムは、前記燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得部（１１２）と、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を取得する供給量取得部（１１６）と、を備えてもよい。前記貯水状態取得部は、前記発電状態取得部により取得された前記発電状態から前記燃料電池スタックの内部の増水状態を取得し、前記発電状態と前記供給量取得部により取得された前記酸化剤ガスの供給量と前記ドレイン弁の開閉状態とから、前記ドレイン流路の前記排水状態を取得し、前記増水状態と前記排水状態とから前記貯水状態を取得し、前記制御部は、前記貯水状態が所定条件を満たす場合に、前記ドレイン弁の開放を指示するとともに、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量の目標値である目標供給量を設定してもよい。
上記構成によれば、発電状態と酸化剤ガスの供給状態とから燃料電池スタックの内部の貯水状態を把握するため、適切なタイミングで排水制御を行うことができる。
本発明の態様において、前記制御部は、前記発電状態に基づき、前記燃料電池スタックの発電に必要な前記酸化剤ガスの供給量である必要供給量を取得し、前記目標供給量から前記必要供給量の減算値に基づき、前記バイパス弁の目標開度を設定してもよい。
上記構成によれば、バイパス弁の開度を制御することによって、発電に不要な余剰の酸化剤ガスを、バイパス流路を介して外部に排出するため、電解質膜の乾燥を抑制しつつ、燃料電池スタックの内部の圧力を外部の圧力よりも高くすることができる。
本発明の態様において、前記貯水状態取得部は、前記貯水状態として貯水量を取得し、前記制御部は、前記貯水状態取得部により取得された前記貯水量が第１閾値以上となる場合に、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの前記目標供給量を設定し、前記燃料電池スタックの内部の水を排水する排水制御を実行し、前記排水制御の実行後に、前記貯水状態取得部により取得された前記貯水量が前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下となる場合に、前記排水制御を終了してもよい。
上記構成によれば、排水制御を適切なタイミングで終了させることができる。
１２…燃料電池システム
１８…燃料電池スタック
２８…コンプレッサ（酸化剤ガス供給部）
６０…酸化剤ガス供給流路（供給流路）
６２…酸化剤ガス排出流路（排出流路）
６４…バイパス流路
１１２…電流センサ（発電状態取得部）
１１６…エアフローセンサ（供給量取得部）
１２２…調圧装置（調圧部）
１２４…バイパス弁
１７２…第２ドレイン流路（ドレイン流路）
１７４…第２ドレイン弁（ドレイン弁）
１８４…制御部
１８６…貯水状態取得部

Claims (4)

  1. 酸化剤ガスと燃料ガスとにより発電する燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに供給される前記酸化剤ガスが流れる供給流路と、
    前記燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスが流れる排出流路と、
    前記供給流路に設けられ、前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、
    前記供給流路と前記排出流路とを接続するバイパス流路と、
    前記バイパス流路の連通状態を調整するバイパス弁と、
    前記排出流路のうち前記バイパス流路の接続部よりも下流の部分に設けられ、前記部分の下流よりも上流の圧力を高くすることが可能な調圧部と、
    前記燃料電池スタックに接続され、前記燃料電池スタックの内部の水を排水可能なドレイン流路と、
    前記ドレイン流路の排水状態を調整するドレイン弁と、
    前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を制御するとともに、前記ドレイン弁及び前記バイパス弁を制御する制御部と、
    前記燃料電池スタックの内部の貯水状態を取得する貯水状態取得部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記貯水状態取得部により取得された前記貯水状態に基づき、前記ドレイン流路の前記排水状態を前記ドレイン弁により制御するとともに、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を制御する、
    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、
    前記燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得部と、
    前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量を取得する供給量取得部と、
    を備え、
    前記貯水状態取得部は、
    前記発電状態取得部により取得された前記発電状態から前記燃料電池スタックの内部の増水状態を取得し、
    前記発電状態と前記供給量取得部により取得された前記酸化剤ガスの供給量と前記ドレイン弁の開閉状態とから、前記ドレイン流路の前記排水状態を取得し、
    前記増水状態と前記排水状態とから前記貯水状態を取得し、
    前記制御部は、
    前記貯水状態が所定条件を満たす場合に、前記ドレイン弁の開放を指示するとともに、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの供給量の目標値である目標供給量を設定する、
    燃料電池システム。
  3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、
    前記発電状態に基づき、前記燃料電池スタックの発電に必要な前記酸化剤ガスの供給量である必要供給量を取得し、
    前記目標供給量から前記必要供給量の減算値に基づき、前記バイパス弁の目標開度を設定する、
    燃料電池システム。
  4. 請求項２又は３に記載の燃料電池システムであって、
    前記貯水状態取得部は、
    前記貯水状態として貯水量を取得し、
    前記制御部は、
    前記貯水状態取得部により取得された前記貯水量が第１閾値以上となる場合に、前記酸化剤ガス供給部による前記酸化剤ガスの前記目標供給量を設定し、前記燃料電池スタックの内部の水を排水する排水制御を実行し、
    前記排水制御の実行後に、前記貯水状態取得部により取得された前記貯水量が前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下となる場合に、前記排水制御を終了する、
    燃料電池システム。
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