JP7460718B1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】水電解装置で製造された水素と酸素を使用して発電する際に、水電解用の凝縮水が沸騰して水蒸気が低圧水タンクから燃料電池スタックに流入して発電効率が低下することを抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、水電解装置１２と、第１気液分離器１４と、酸素タンク１６と、燃料電池２２と、第２気液分離器２４と、制御装置２８とを有する。制御装置２８は、第１気液分離器１４の水位が所定の閾値未満になると、第１気液分離器１４の内圧よりも高い酸素ガスを第２気液分離器２４に供給し、第１開閉弁６８を開放する。【選択図】図１

Description

本発明は、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ーへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギーの効率化に貢献する燃料電池に関する研究開発が行われている。また、環境に与える負荷を軽減するため、内燃機関を有する自動車等の移動体の排気ガス規制が一段と進んでいる。したがって、移動体において、内燃機関に代替して燃料電池を搭載することが試みられている。燃料電池が搭載された移動体では、ＣＯ２、ＳＯｘおよびＮＯＸ等が排出されないため、環境に与える負荷が軽減される。
燃料電池を備える燃料電池システムとして、例えば特許文献１が開示されている。特許文献１の燃料電池システムでは、水電解装置の運転により高圧水タンクの水位が下限に達すると、高圧水タンクの水位が上昇するように調整される。この場合、水素タンクと酸素タンクの遮断弁を開けて燃料電池ユニットに水素および酸素を供給する。燃料電池ユニットに供給された水素と酸素との電気化学反応により生成される水は、低圧水タンクに貯留された後、給水ポンプを用いて高圧水タンクに移される。
特開２０１６－０１５２８２号公報
しかし、低圧水タンクが閉空間にある場合、低圧水タンクから高圧水タンクへの水の移送により低圧水タンクの水の体積が減少すると、低圧水タンクの内圧が低くなる。この場合、低圧水タンクでは、残留する水が沸騰し易くなる。低圧水タンクの水が沸騰すると、水蒸気が低圧水タンクから燃料電池スタックに流入する等の事象が起こり、発電効率が低下することが懸念される。
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の態様は、水電解する水電解装置と、前記水電解装置から排出される排出流体を、水素ガスと前記水電解装置に再供給される水とに分離する第１気液分離器と、前記水電解により昇圧された酸素ガスを貯留する酸素タンクと、前記水電解により昇圧された前記酸素ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される未反応の前記酸素ガスを含む混合ガス中の水が貯留される第２気液分離器と、を有する燃料電池システムであって、前記第１気液分離器に貯留される前記水の水位を検出する水位センサと、弁の開閉を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記水の水位が所定の閾値未満になると、前記燃料電池の状態に関わらず、前記第１気液分離器の内圧よりも高い前記酸素ガスを前記第２気液分離器に供給し、前記第１気液分離器と前記第２気液分離器とを連通する給水路に設けられる第１開閉弁を開放する。
上記の態様によれば、第２気液分離器に高圧ガスを供給しながら、第２気液分離器の貯留水を第１気液分離器に移送することができる。したがって、第１気液分離器への水の移送により第２気液分離器の内圧の低下を抑制することができる。その結果、第２気液分離器に残留する水の蒸発による燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
図１は、実施形態による燃料電池システムを示す概略図である。 図２は、制御装置による制御処理の手順を示すフローチャートである。 図３は、変形例による燃料電池システムを示す概略図である。
図１は、燃料電池システム１０を示す概略図である。燃料電池システム１０は、閉鎖空間で用いられる。燃料電池システム１０は、水電解装置１２と、第１気液分離器１４と、酸素タンク１６と、水素昇圧装置１８と、水素タンク２０と、燃料電池２２と、第２気液分離器２４と、第３気液分離器２６と、制御装置２８とを備える。
水電解装置１２は、水素ガスと、水素ガスの圧力よりも高圧の酸素ガスとを水電解により生成する差圧式水電解装置である。水電解するための水は、第１気液分離器１４から水供給路３０を介して水電解装置１２に供給される。水供給路３０は、第１気液分離器１４と水電解装置１２とを連通する。水供給路３０には、ポンプ３１が設けられる。ポンプ３１は、第１気液分離器１４に貯留される水に流動力を付与し、第１気液分離器１４から水電解装置１２に水を供給する。
水電解装置１２は、１以上の単位セルを有する。単位セルは、電解質膜がアノード電極とカソード電極とで挟持される膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。水電解装置１２は、第１気液分離器１４から供給される水を単位セルのカソード電極に供給する。単位セルは、アノード電極とカソード電極とに印加される電圧に基づいて水電解する。この場合、アノード電極では昇圧された高圧の酸素ガスが生成され、カソード電極では未昇圧の水素ガスが生成される。
水電解装置１２の単位セルで生成される高圧の酸素ガスは、酸素排出路３２を介して酸素タンク１６に貯留される。酸素排出路３２は、水電解装置１２から酸素タンク１６に酸素ガスを排出するための管路であり、水電解装置１２と酸素タンク１６とを連通する。
水電解装置１２の単位セルで生成される水素ガスと未反応水とを含む排出流体は、水排出路３４を介して第１気液分離器１４に供給される。水排出路３４は、水電解装置１２から第１気液分離器１４に排出流体を排出するための管路であり、水電解装置１２と第１気液分離器１４とを連通する。
第１気液分離器１４は、水電解装置１２から排出される排出流体を気体成分（水素ガス）と、液体成分（液水）とに分離する。第１気液分離器１４によって分離された気体成分は、水素供給路３６を介して水素昇圧装置１８に供給される。水素供給路３６は、第１気液分離器１４と水素昇圧装置１８とを連通する。水素供給路３６には、ポンプ３８が設けられる。ポンプ３８は、第１気液分離器１４に貯留される水素ガスに流動力を付与し、第１気液分離器１４から水素昇圧装置１８に水素ガスを供給する。
第１気液分離器１４によって分離された液体成分（液水）は、第１気液分離器１４に一時的に貯留され、水供給路３０を介して水電解装置１２に供給される。第１気液分離器１４に貯留される水は、給水路４０を介して供給される水を含む。給水路４０は、第２気液分離器２４および第３気液分離器２６から第１気液分離器１４に水を供給するための管路である。給水路４０は、第１給水路４０＿１と第２給水路４０＿２とを含む。第１給水路４０＿１は、第２気液分離器２４と第１気液分離器１４とを連通する。第２給水路４０＿２は、第３気液分離器２６と第１気液分離器１４とを連通する。本実施形態では、第１給水路４０＿１の下流端部と第２給水路４０＿２の下流端部とは１つの合流路４０＿３として形成される。合流路４０＿３には、ポンプ４１が設けられる。ポンプ４１は、第２気液分離器２４または第３気液分離器２６に貯留される水に流動力を付与し、第２気液分離器２４または第３気液分離器２６から第１気液分離器１４に水を供給する。
酸素タンク１６は、水電解装置１２の水電解により生成される高圧の酸素ガスを貯留する。酸素タンク１６に貯留された高圧の酸素ガスは、酸素タンク１６の出口１６Ｘから酸素ガス供給路４２を介して燃料電池２２に供給される。酸素ガス供給路４２は、酸素タンク１６に貯留された高圧の酸素ガスを燃料電池２２に供給するための管路であり、酸素タンク１６と燃料電池２２とを連通する。酸素ガス供給路４２には、減圧弁４４と遮断弁４６とが設けられる。減圧弁４４は、酸素タンク１６から供給される高圧の酸素ガスを減圧する。減圧弁４４によって減圧された酸素ガスの圧力は、基準圧よりも大きい。本実施形態では、基準圧は、水電解装置１２の水電解により生成される水素ガスの圧力である。遮断弁４６は、異常が検知されると、自律的に酸素ガス供給路４２を遮断する。
水素昇圧装置１８は、電気化学的に水素ガスを圧縮する電気化学式水素圧縮機（ＥＨＣ：Electrochemical Hydrogen Compressor）である。水素昇圧装置１８は、第１気液分離器１４から供給される水素ガスを昇圧し、高圧の水素ガスを生成する。第１気液分離器１４から供給される水素ガスは、水電解装置１２によって生成される水素ガスである。
水素昇圧装置１８は、１以上の単位セルを有する。単位セルは、電解質膜がアノード電極とカソード電極とで挟持される膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。水素昇圧装置１８は、第１気液分離器１４から供給される水素ガスを単位セルのアノード電極に供給する。単位セルは、アノード電極とカソード電極とに印加される電圧に基づいて水素ガスをイオン化する。水素ガスのイオン化により得られるプロトンは、電解質膜を介してカソード電極に到達することで昇圧された水素ガスが生成される。
水素昇圧装置１８の単位セルで生成される高圧の水素ガスは、水素排出路４８を介して水素タンク２０に貯留される。水素排出路４８は、水素昇圧装置１８から水素タンク２０に水素ガスを排出するための管路であり、水素昇圧装置１８と水素タンク２０とを連通する。
水素タンク２０は、水素昇圧装置１８により昇圧される高圧の水素ガスを貯留する。水素タンク２０に貯留された高圧の水素ガスは、水素タンク２０の出口２０Ｘから水素ガス供給路５２を介して燃料電池２２に供給される。水素ガス供給路５２は、水素タンク２０に貯留された高圧の水素ガスを燃料電池２２に供給するための管路であり、水素タンク２０と燃料電池２２とを連通する。水素ガス供給路５２には、減圧弁５４と遮断弁５６とが設けられる。減圧弁５４は、水素タンク２０に貯留された高圧の水素ガスを減圧する。減圧弁５４によって減圧された水素ガスの圧力は、基準圧よりも大きい。遮断弁５６は、異常が検知されると、自律的に水素ガス供給路５２を遮断する。
燃料電池２２は、複数の単位セルを有する。各単位セルは、電解質膜がアノード電極とカソード電極とで挟持される膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。燃料電池２２は、酸素タンク１６から減圧弁４４を介して供給される基準圧よりも高圧の酸素ガスを、各単位セルのカソード電極に供給する。燃料電池２２は、水素タンク２０から減圧弁５４を介して供給される基準圧よりも高圧の水素ガスを、各単位セルのアノード電極に供給する。各単位セルは、酸素ガスと水素ガスとの電気化学反応により発電する。
燃料電池２２の各単位セルで未反応の酸素ガスを含む酸素含有ガスは、酸素含有排出路５８を介して酸素ガス供給路４２に供給される。酸素含有排出路５８は、燃料電池２２から排出される酸素含有ガスを酸素ガス供給路４２に戻すための管路である。酸素含有排出路５８は、上流部５８＿１と下流部５８＿２とを含む。上流部５８＿１は、燃料電池２２と第２気液分離器２４とを連通する。下流部５８＿２は、第２気液分離器２４と酸素ガス供給路４２を連通する。本実施形態では、下流部５８＿２の一端は、燃料電池２２と遮断弁４６との間の酸素ガス供給路４２に接続される。
燃料電池２２の各単位セルで未反応の水素ガスを含む水素含有ガスは、水素含有排出路６０を介して水素ガス供給路５２に供給される。水素含有排出路６０は、燃料電池２２から排出される水素含有ガスを水素ガス供給路５２に戻すための管路である。水素含有排出路６０は、上流部６０＿１と下流部６０＿２とを含む。上流部６０＿１は、燃料電池２２と第３気液分離器２６とを連通する。下流部６０＿２は、第３気液分離器２６と水素ガス供給路５２を連通する。本実施形態では、下流部６０＿２の一端は、燃料電池２２と遮断弁５６との間の水素ガス供給路５２に接続される。
第２気液分離器２４は、燃料電池２２から排出される酸素含有ガスを気体成分（酸素ガス）と、液体成分（液水）とに分離する。第２気液分離器２４によって分離される気体成分は、酸素含有排出路５８の下流部５８＿２を介して酸素ガス供給路４２に供給される。第２気液分離器２４によって分離される液体成分（液水）は、燃料電池２２の各単位セルにおける酸素と水素との酸化還元反応により生成される。この液体成分（液水）は、第２気液分離器２４に一時的に貯留され、第１気液分離器１４に供給される。
第３気液分離器２６は、燃料電池２２から排出される水素含有ガスを気体成分（水素ガス）と、液体成分（液水）とに分離する。第３気液分離器２６によって分離される気体成分は、水素含有排出路６０の下流部６０＿２を介して水素ガス供給路５２に供給される。第３気液分離器２６によって分離される液体成分（液水）は、燃料電池２２の各単位セルにおける酸素と水素との酸化還元反応により生成される。この液体成分（液水）は、第３気液分離器２６に一時的に貯留され、第１気液分離器１４に供給される。
制御装置２８は、燃料電池システム１０を制御するコンピュータである。制御装置２８は、１以上のプロセッサと、記憶媒体とを含む。記憶媒体は、揮発性メモリと不揮発性メモリとによって構成され得る。プロセッサとしては、ＣＰＵ、ＭＣＵ等が挙げられる。揮発性メモリとしては、例えばＲＡＭ等が挙げられる。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。
制御装置２８は、水電解装置１２の電源を駆動して単位セルのアノード電極およびカソード電極に電圧を印加する。これに加えて、制御装置２８は、ポンプ３１を駆動して第１気液分離器１４から水電解装置１２に水を供給する。この場合、水電解装置１２は運転状態であり、水の電気分解（水電解）が行われる。制御装置２８が単位セルへの電圧の印加および水電解装置１２への水の供給を停止すると、水電解装置１２は停止する。
制御装置２８は、水素昇圧装置１８の電源を駆動して単位セルのアノード電極およびカソード電極に電圧を印加する。これに加えて、制御装置２８は、ポンプ３８を駆動して第１気液分離器１４から水素昇圧装置１８に水素ガスを供給する。この場合、水素昇圧装置１８は運転状態であり、水素ガスの昇圧が行われる。制御装置２８が単位セルへの電圧の印加および水素昇圧装置１８への水素ガスの供給を停止すると、水素昇圧装置１８は停止する。
水電解装置１２の運転と水素昇圧装置１８の運転とはセットで実施される。すなわち、制御装置２８は、水電解装置１２を運転状態にすると、水素昇圧装置１８も運転状態にする。一方、制御装置２８は、水電解装置１２を停止すると、水素昇圧装置１８も停止する。
水電解装置１２および水素昇圧装置１８の運転中、水電解装置１２の水電解により生成される高圧の酸素ガスは酸素タンク１６に充填され、水素昇圧装置１８により昇圧される高圧の水素ガスは水素タンク２０に充填される。水電解装置１２および水素昇圧装置１８の運転中、制御装置２８は、酸素タンク１６の出口１６Ｘに設けられる酸素開放弁６２と、水素タンク２０の出口２０Ｘに設けられる水素開放弁６４とを閉塞する。この場合、燃料電池２２には、酸素タンク１６に貯留される高圧の酸素ガスと、水素タンク２０に貯留される高圧の水素ガスとは供給されない。そのため、燃料電池２２は停止しており、発電が行われない。
一方、水電解装置１２および水素昇圧装置１８の停止中、制御装置２８は、酸素開放弁６２と水素開放弁６４とを開放して、燃料電池２２を運転状態にする。この場合、酸素タンク１６に貯留された高圧の酸素ガスは、減圧弁４４により減圧された後に燃料電池２２に供給される。また、水素タンク２０に貯留された高圧の水素ガスは、減圧弁５４により減圧された後に燃料電池２２に供給される。燃料電池２２では発電が行われる。
水電解装置１２および水素昇圧装置１８の運転と、燃料電池２２の運転とは交互に実施されてもよい。
制御装置２８は、水電解装置１２および水素昇圧装置１８の運転状態にしているか否かに関わらず、第１気液分離器１４に貯留される水の水位を監視する。この場合、制御装置２８は、第１気液分離器１４に設けられる水位センサ６６によって検出される水位を所定の閾値と比較する。
第１気液分離器１４に貯留される水の水位が閾値未満になると、制御装置２８は、給水路４０に設けられる第１開閉弁６８および第２開閉弁７０の少なくとも１つを開放する。この場合、第２気液分離器２４および第３気液分離器２６の少なくとも１つが第１気液分離器１４と連通し、第１気液分離器１４に水が補充される。
水電解装置１２および水素昇圧装置１８が運転状態である場合、上述のように、酸素開放弁６２は閉塞している。この場合に第１開閉弁６８が開放すると、第２気液分離器２４から第１気液分離器１４への水の移送により第２気液分離器２４の内圧が低くなる。その結果、第２気液分離器２４に残留する水が沸騰し易くなる。同様に、水電解装置１２および水素昇圧装置１８が運転状態である場合、水素開放弁６４は閉塞している。この場合に第２開閉弁７０が開放すると、第３気液分離器２６から第１気液分離器１４への水の移送により第３気液分離器２６の内圧が低くなる。その結果、第３気液分離器２６に残留する水が沸騰し易くなる。
そこで、水電解装置１２および水素昇圧装置１８の運転中に、第１気液分離器１４に貯留される水の水位が閾値未満になると、制御装置２８は、第１開閉弁６８を開放する前に、酸素開放弁６２を開放して、高圧の酸素ガスを、燃料電池２２を介して第２気液分離器２４に供給する。同様に、制御装置２８は、第２開閉弁７０を開放する前に、水素開放弁６４を開放して、高圧の水素ガスを、燃料電池２２を介して第３気液分離器２６に供給する。
なお、水電解装置１２および水素昇圧装置１８が非運転状態である場合、上述のように、酸素開放弁６２および水素開放弁６４は開放している。すなわち、第１開閉弁６８または第２開閉弁７０を開放する前に、酸素開放弁６２および水素開放弁６４が既に開放した状態にある。したがって、水電解装置１２および水素昇圧装置１８の非運転中に、第１気液分離器１４に貯留される水の水位が閾値未満になると、制御装置２８は、第１開閉弁６８および第２開閉弁７０の少なくとも１つを開放する。
このように、制御装置２８は、第１気液分離器１４の水の水位が所定の閾値になると、燃料電池２２の状態に関わらず、第１開閉弁６８および第２開閉弁７０の少なくとも１つを開放する。この開放は、第１気液分離器１４の内圧よりも高い高圧ガスが第２気液分離器２４および第３気液分離器２６に供給されている状態において実施される。
これにより、第２気液分離器２４または第３気液分離器２６に高圧ガスを供給しながら、第２気液分離器２４または第３気液分離器２６の貯留水を第１気液分離器１４に移送することができる。したがって、第１気液分離器１４への水の移送により第２気液分離器２４または第３気液分離器２６の内圧の低下を抑制することができる。その結果、第２気液分離器２４または第３気液分離器２６に残留する水の蒸発による燃料電池２２の発電効率の低下を抑制することができる。また、第２気液分離器２４または第３気液分離器２６に高圧ガスが供給されているため、ポンプ４１を取り外すことが可能である。
なお、燃料電池２２の状態とは、燃料電池２２が運転している状態と、燃料電池２２が停止している状態と、を指す。通常、燃料電池２２が停止している状態では、酸素ガスおよび水素ガスは燃料電池２２、第２気液分離器２４および第３気液分離器２６には供給されない。第１気液分離器１４の水の水位が所定の閾値未満になると、燃料電池２２が停止している状態であっても第１気液分離器１４の内圧よりも高くなるように酸素ガス（または水素ガス）が第２気液分離器２４（または第３気液分離器２６）に供給される。
次に、第１開閉弁６８または第２開閉弁７０のいずれか１つを開放する場合の制御装置２８による制御処理について説明する。図２は、制御装置２８による制御処理の手順を示すフローチャートである。図２では、水電解装置１２および水素昇圧装置１８が運転状態であり、酸素開放弁６２および水素開放弁６４が閉塞している場合の制御処理の手順が示されている。
制御処理は、第１気液分離器１４の水位が閾値未満になると開始され、ステップＳ１に移行する。
ステップＳ１において、制御装置２８は、第２気液分離器２４に貯留される水の水位（第２気液分離器２４の水位）と、第３気液分離器２６に貯留される水の水位（第３気液分離器２６の水位）とを比較する。第２気液分離器２４の水位は、第２気液分離器２４に設けられる水位センサ７２によって検出される。第３気液分離器２６の水位は、第３気液分離器２６に設けられる水位センサ７４によって検出される。第２気液分離器２４の水位に比べて第３気液分離器２６の水位が高い場合、制御処理はステップＳ２に移行する。一方、第３気液分離器２６の水位に比べて第２気液分離器２４の水位が高い場合、制御処理はステップＳ５に移行する。
ステップＳ２において、制御装置２８は、第３気液分離器２６の水位を所定の下限と比較する。この下限は、第３気液分離器２６の貯留部分の体積等に応じて予め設定される値である。第３気液分離器２６の水位が下限よりも大きい場合、制御処理はステップＳ３に移行する。一方、第３気液分離器２６の水位が下限以下である場合、制御処理はステップＳ１０に移行する。
ステップＳ３において、制御装置２８は、水素開放弁６４を開放して、基準圧よりも高圧の水素ガスを、燃料電池２２を介して、第３気液分離器２６に供給する。水素開放弁６４が開放されると、制御処理はステップＳ４に移行する。
ステップＳ４において、制御装置２８は、第２開閉弁７０を開放して、第１気液分離器１４に対し第３気液分離器２６を連通させ、第１気液分離器１４に水を補充する。第２開閉弁７０が開放されると、制御処理はステップＳ８に移行する。
ステップＳ５において、制御装置２８は、第２気液分離器２４の水位を所定の下限と比較する。この下限は、第２気液分離器２４の貯留部分の体積等に応じて予め設定される値である。第２気液分離器２４の水位と比較される下限と、第３気液分離器２６の水位と比較される下限とは同じであってもよいし、異なっていてもよい。第２気液分離器２４の水位が下限よりも大きい場合、制御処理はステップＳ６に移行する。一方、第２気液分離器２４の水位が下限以下である場合、制御処理はステップＳ１０に移行する。
ステップＳ６において、制御装置２８は、酸素開放弁６２を開放して、基準圧よりも高圧の酸素ガスを、燃料電池２２を介して、第２気液分離器２４に供給する。酸素開放弁６２が開放されると、制御処理はステップＳ７に移行する。
ステップＳ７において、制御装置２８は、第１開閉弁６８を開放して、第１気液分離器１４に対し第２気液分離器２４を連通させ、第１気液分離器１４に水を補充する。第１開閉弁６８が開放されると、制御処理はステップＳ８に移行する。
ステップＳ８において、制御装置２８は、第１気液分離器１４に貯留される水の水位（第１気液分離器１４の水位）を所定の上限と比較する。この上限は、第１気液分離器１４の貯留部分の体積等に応じて予め設定される値である。第１気液分離器１４の水位は、第１気液分離器１４に設けられる水位センサ６６によって検出される。第１気液分離器１４の水位が上限以下である場合、制御処理はステップＳ８に留まる。一方、第１気液分離器１４の水位が上限より大きくなると、制御処理はステップＳ９に移行する。
ステップＳ９において、制御装置２８は、水素開放弁６４および第２開閉弁７０を閉塞するか、酸素開放弁６２および第１開閉弁６８を閉塞する。第２気液分離器２４の水位に比べて第３気液分離器２６の水位が高く、第３気液分離器２６の水位が下限より大きい場合（ステップＳ１、Ｓ２：ＹＥＳ）、水素開放弁６４および第２開閉弁７０が開放されている。この場合、制御装置２８は、水素開放弁６４および第２開閉弁７０を閉塞する。一方、第３気液分離器２６の水位に比べて第２気液分離器２４の水位が高く、第２気液分離器２４の水位が下限より大きい場合（ステップＳ１：ＮＯ、ステップＳ５：ＹＥＳ）、酸素開放弁６２および第１開閉弁６８が開放されている。この場合、制御装置２８は、酸素開放弁６２および第１開閉弁６８を閉塞する。水素開放弁６４および第２開閉弁７０が閉塞されるか、酸素開放弁６２および第１開閉弁６８が閉塞されると、制御処理は終了する。
ステップＳ１０において、制御装置２８は、水電解装置１２および水素昇圧装置１８を非運転状態にする。その後、制御装置２８は、酸素開放弁６２および水素開放弁６４を開放して、燃料電池２２を運転状態にし、第２気液分離器２４および第３気液分離器２６に水を補充する。
このように制御装置２８は、高い水位の第２気液分離器２４または第３気液分離器２６が第１気液分離器１４と連通するように、第１開閉弁６８または第２開閉弁７０を開放する。これにより、第１気液分離器１４への水の移送することによる、第２気液分離器２４または第３気液分離器２６の水の枯渇を低減することができる。
上記の実施形態は、下記のように変形されてもよい。
（変形例１）
図３は、変形例による燃料電池システム１０を示す概略図である。変形例による燃料電池システム１０では、第１バイパス路７６と、第１バイパス弁７８と、第２バイパス路８０と、第２バイパス弁８２とが新たに備えられる。
第１バイパス路７６は、酸素タンク１６をバイパスして、水電解装置１２で昇圧された酸素ガスを第２気液分離器２４に供給するための管路である。第１バイパス路７６は、酸素排出路３２から分岐し、酸素タンク１６をバイパスして第２気液分離器２４に接続される。
第１バイパス弁７８は、第１バイパス路７６に設けられる。第１バイパス弁７８は、制御装置２８により制御される。制御装置２８は、水電解装置１２および水素昇圧装置１８の運転中に第１気液分離器１４の水の水位が所定の閾値未満になった場合のみ、第１バイパス弁７８を開放する。この場合、制御装置２８は、第１開閉弁６８および第２開閉弁７０を開放する前に、酸素開放弁６２を閉塞したまま第１バイパス弁７８を開放する。これにより、実施形態と同様に、第２気液分離器２４に高圧ガスを供給しながら、第１気液分離器１４に貯留水を移送することができる。これに加えて、燃料電池２２を発電させずに、第２気液分離器２４に高圧ガスを供給することができる。
第２バイパス路８０は、水素タンク２０をバイパスして、水素昇圧装置１８で昇圧された水素ガスを第３気液分離器２６に供給するための管路である。第２バイパス路８０は、水素排出路４８から分岐し、水素タンク２０をバイパスして第３気液分離器２６に接続される。
第２バイパス弁８２は、第２バイパス路８０に設けられる。第２バイパス弁８２は、制御装置２８により制御される。制御装置２８は、水電解装置１２および水素昇圧装置１８の運転中に第１気液分離器１４の水の水位が所定の閾値未満になった場合のみ、第２バイパス弁８２を開放する。この場合、制御装置２８は、第１開閉弁６８および第２開閉弁７０を開放する前に、水素開放弁６４を閉塞したまま第２バイパス弁８２を開放する。これにより、実施形態と同様に、第３気液分離器２６に高圧ガスを供給しながら、第１気液分離器１４に貯留水を移送することができる。これに加えて、燃料電池２２を発電させずに、第３気液分離器２６に高圧ガスを供給することができる。
（変形例２）
水電解装置１２は、差圧式水電解装置から非差圧式水電解装置に置換されてもよい。非差圧式水電解装置は、水電解によって基準圧よりも高圧の酸素ガスと、基準圧よりも高圧の水素ガスとを生成する。水電解装置１２が差圧式水電解装置から非差圧式水電解装置に置換された場合、水素昇圧装置１８が取り外される。この場合、非差圧式水電解装置の水電解によって生成された高圧の水素ガスは、第１気液分離器１４を介して、水素タンク２０に貯留される。
以上の記載から把握し得る発明および効果について以下に記載する。
（１）本発明は、水電解する水電解装置（１２）と、前記水電解装置（１２）から排出される排出流体を、水素ガスと前記水電解装置（１２）に再供給される水とに分離する第１気液分離器（１４）と、前記水電解により昇圧された酸素ガスを貯留する酸素タンク（１６）と、前記水電解により昇圧された酸素ガスを用いて発電する燃料電池（２２）と、前記燃料電池（２２）から排出される未反応の前記酸素ガスを含む混合ガス中の水が貯留される第２気液分離器（２４）と、を有する燃料電池システム（１０）であって、前記第１気液分離器（１４）に貯留される前記水の水位を検出する水位センサ（６６）と、弁の開閉を制御する制御装置（２８）と、を備え、前記制御装置（２８）は、前記水の水位が所定の閾値未満になると、前記燃料電池（２２）の状態に関わらず、前記第１気液分離器（１４）の内圧よりも高い前記酸素ガスを前記第２気液分離器（２４）に供給し、前記第１気液分離器（１４）と前記第２気液分離器（２４）とを連通する給水路（４０）に設けられる第１開閉弁（６８）を開放する。
これにより、第２気液分離器に高圧ガスを供給しながら、第２気液分離器の貯留水を第１気液分離器に移送することができる。したがって、第１気液分離器への水の移送により第２気液分離器の内圧の低下を抑制することができる。その結果、第２気液分離器に残留する水の蒸発による燃料電池の発電効率の低下を抑制することができる。
（２）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記制御装置（２８）は、前記水電解装置（１２）の運転中、前記酸素タンク（１６）に設けられる酸素開放弁（６２）を閉塞して、前記酸素タンク（１６）に前記酸素ガスを充填し、前記水電解装置（１２）の停止中、前記酸素開放弁（６２）を開放して前記第２気液分離器（２４）に前記燃料電池（２２）を介して前記酸素ガスを供給し、前記水電解装置（１２）の運転中に前記水の水位が前記閾値未満になると、前記第１開閉弁（６８）を開放する前に、酸素供給用の弁を開放して、前記第２気液分離器（２４）に前記酸素ガスを供給してもよい。これにより、水電解装置の運転中であるか否かにかかわらず、第２気液分離器に高圧ガスを供給しながら、第２気液分離器の貯留水を第１気液分離器に移送することができる。
（３）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記酸素供給用の弁は、前記酸素開放弁（６２）であり、前記第２気液分離器（２４）に供給される前記酸素ガスの供給源は、前記酸素タンク（１６）であってもよい。これにより、管路を増設することなく、第２気液分離器に高圧ガスを供給することができる。
（４）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記酸素供給用の弁は、前記水電解装置（１２）と前記酸素タンク（１６）とを連通する酸素排出路（３２）から分岐し、前記酸素タンク（１６）をバイパスして前記第２気液分離器（２４）に接続される第１バイパス路（７６）に設けられる第１バイパス弁（７８）であり、前記第２気液分離器（２４）に供給される前記酸素ガスの供給源は、前記水電解装置（１２）であってもよい。これにより、燃料電池を発電させずに、第２気液分離器に高圧ガスを供給することができる。
（５）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記水電解装置（１２）は、水電解により前記水素ガスと前記水素ガスの圧力よりも高圧の前記酸素ガスとを生成する差圧式水電解装置であってもよい。これにより、水電解装置が高圧の酸素ガスおよび水素ガスを生成する非差圧式水電解装置である場合に比べて、第１気液分離器から水電解装置に水を供給するためのポンプの大型化を抑制することができる。
（６）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記水電解装置（１２）により生成される前記水素ガスを昇圧する水素昇圧装置（１８）と、昇圧された前記水素ガスが貯留される水素タンク（２０）と、前記燃料電池（２２）から排出される前記水素ガスを含む混合ガス中の水が貯留される第３気液分離器（２６）と、をさらに備え、前記制御装置（２８）は、前記水の水位が所定の閾値未満になると、前記燃料電池（２２）の状態に関わらず、前記第１気液分離器（１４）の内圧よりも高い前記水素ガスを前記第３気液分離器（２６）に供給し、前記第１気液分離器（１４）と前記第３気液分離器（２６）とを連通する給水路（４０）に設けられる第２開閉弁（７０）を開放してもよい。これにより、第２気液分離器に貯留される水が少なくても、第１気液分離器に水を補充することができる。
（７）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記制御装置（２８）は、前記水素昇圧装置（１８）の運転中、前記水素タンク（２０）に設けられる水素開放弁（６４）を閉塞して前記水素タンク（２０）に前記水素ガスを充填し、前記水素昇圧装置（１８）の停止中、前記水素開放弁（６４）を開放して前記第３気液分離器（２６）に前記燃料電池（２２）を介して前記水素ガスを供給し、前記水素昇圧装置（１８）の運転中に前記水の水位が前記閾値未満になった場合、前記第２開閉弁（７０）を開放する前に、水素供給用の弁を開放して、前記第３気液分離器（２６）に前記水素ガスを供給してもよい。これにより、水素昇圧装置の運転中であるか否かにかかわらず、第３気液分離器に高圧ガスを供給しながら、第３気液分離器の貯留水を第１気液分離器に移送することができる。
（８）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記水素供給用の弁は、前記水素開放弁（６４）であり、前記第３気液分離器（２６）に供給される前記水素ガスの供給源は、前記水素タンク（２０）であってもよい。これにより、管路を増設することなく、第３気液分離器に高圧ガスを供給することができる。
（９）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記水素供給用の弁は、前記水素昇圧装置（１８）と前記水素タンク（２０）とを連通する水素排出路（４８）から分岐し、前記水素タンク（２０）をバイパスして前記第３気液分離器（２６）に接続される第２バイパス路（８０）に設けられる第２バイパス弁（８２）であり、前記第３気液分離器（２６）に供給される前記水素ガスの供給源は、前記水素昇圧装置（１８）であってもよい。これにより、燃料電池を発電させずに、第３気液分離器に高圧ガスを供給することができる。
（１０）本発明は、燃料電池システム（１０）であって、前記給水路（４０）は、前記第２気液分離器（２４）と前記第１気液分離器（１４）とを連通する第１給水路（４０＿１）と、前記第３気液分離器（２６）と前記第１気液分離器（１４）とを連通する第２給水路（４０＿２）とを含み、前記水の水位が所定の閾値未満になると、前記第２気液分離器（２４）と前記第３気液分離器（２６）とのうち、より水位が高い気液分離器が、前記第１気液分離器（１４）と連通されてもよい。これにより、第１気液分離器への水の移送による、第２気液分離器または第３気液分離器の水の枯渇を低減することができる。
本発明は、上述した実施形態および変形例に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
１０…燃料電池システム １２…水電解装置
１４…第１気液分離器 １６…酸素タンク
１８…水素昇圧装置 ２０…水素タンク
２２…燃料電池 ２４…第２気液分離器
２６…第３気液分離器 ２８…制御装置
４０…給水路 ４２…酸素ガス供給路
４４、５４…減圧弁 ５２…水素ガス供給路
６２…酸素開放弁 ６４…水素開放弁
６６、７２、７４…水位センサ ６８…第１開閉弁
７０…第２開閉弁 ７６…第１バイパス路
７８…第１バイパス弁 ８０…第２バイパス路
８２…第２バイパス弁

Claims (10)

  1. 水電解する水電解装置と、前記水電解装置から排出される排出流体を、水素ガスと前記水電解装置に再供給される水とに分離する第１気液分離器と、
    前記水電解により昇圧された酸素ガスを貯留する酸素タンクと、
    前記水電解により昇圧された前記酸素ガスを用いて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池から排出される未反応の前記酸素ガスを含む混合ガス中の水が貯留される第２気液分離器と、を有する燃料電池システムであって、
    前記第１気液分離器に貯留される前記水の水位を検出する水位センサと、
    弁の開閉を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記制御装置は、前記水位センサによって検出された前記水の水位が所定の閾値未満になると、前記燃料電池の状態に関わらず、前記第１気液分離器の内圧よりも高い前記酸素ガスを前記第２気液分離器に供給し、前記第１気液分離器と前記第２気液分離器とを連通する給水路に設けられる第１開閉弁を開放する、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、
    前記制御装置は、
    前記水電解装置の運転中、前記酸素タンクに設けられる酸素開放弁を閉塞して前記酸素タンクに前記酸素ガスを充填し、
    前記水電解装置の停止中、前記酸素開放弁を開放して前記第２気液分離器に前記燃料電池を介して前記酸素ガスを供給し、
    前記水電解装置の運転中に前記水の水位が前記閾値未満になると、前記第１開閉弁を開放する前に、酸素供給用の弁を開放して、前記第２気液分離器に前記酸素ガスを供給する、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、
    前記酸素供給用の弁は、前記酸素開放弁であり、
    前記第２気液分離器に供給される前記酸素ガスの供給源は、前記酸素タンクである、燃料電池システム。
  4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸素供給用の弁は、前記水電解装置と前記酸素タンクとを連通する酸素排出路から分岐し、前記酸素タンクをバイパスして前記第２気液分離器に接続される第１バイパス路に設けられる第１バイパス弁であり、
    前記第２気液分離器に供給される前記酸素ガスの供給源は、前記水電解装置である、燃料電池システム。
  5. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記水電解装置は、水電解により前記水素ガスと前記水素ガスの圧力よりも高圧の前記酸素ガスとを生成する差圧式水電解装置である、燃料電池システム。
  6. 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
    前記水電解装置により生成される前記水素ガスを昇圧する水素昇圧装置と、
    昇圧された前記水素ガスが貯留される水素タンクと、
    前記燃料電池から排出される前記水素ガスを含む混合ガス中の水が貯留される第３気液分離器と、をさらに備え、
    前記制御装置は、前記水位センサによって検出された前記水の水位が前記閾値未満になると、前記燃料電池の状態に関わらず、前記第１気液分離器の内圧よりも高い前記水素ガスを前記第３気液分離器に供給し、前記第１気液分離器と前記第３気液分離器とを連通する給水路に設けられる第２開閉弁を開放する、燃料電池システム。
  7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、
    前記水素昇圧装置の運転中、前記水素タンクに設けられる水素開放弁を閉塞して前記水素タンクに前記水素ガスを充填し、
    前記水素昇圧装置の停止中、前記水素開放弁を開放して前記第３気液分離器に前記燃料電池を介して前記水素ガスを供給し、
    前記水素昇圧装置の運転中に前記水の水位が前記閾値未満になった場合、前記第２開閉弁を開放する前に、水素供給用の弁を開放して、前記第３気液分離器に前記水素ガスを供給する、燃料電池システム。
  8. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記水素供給用の弁は、前記水素開放弁であり、
    前記第３気液分離器に供給される前記水素ガスの供給源は、前記水素タンクである、燃料電池システム。
  9. 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
    前記水素供給用の弁は、前記水素昇圧装置と前記水素タンクとを連通する水素排出路から分岐し、前記水素タンクをバイパスして前記第３気液分離器に接続される第２バイパス路に設けられる第２バイパス弁であり、
    前記第３気液分離器に供給される前記水素ガスの供給源は、前記水素昇圧装置である、燃料電池システム。
  10. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
    前記給水路は、前記第２気液分離器と前記第１気液分離器とを連通する第１給水路と、前記第３気液分離器と前記第１気液分離器とを連通する第２給水路とを含み、
    前記水位センサによって検出された前記水の水位が前記閾値未満になると、前記第２気液分離器と前記第３気液分離器とのうち、より水位が高い気液分離器が、前記第１気液分離器と連通される、燃料電池システム。
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