(57)【要約】【課題】排水弁の下流側における水素濃度を上昇させることなく系外に液水を排出する。【解決手段】ＥＣＵ１３が、燃料電池スタック２の発電電流指令値Ｉを検出し、発電電流の増加に伴い排水弁６からの１回あたりの排水許容量が低下するマップを参照して、検出された発電電流指令値Ｉに対応する排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを算出し、算出された排水許容量Ａの液水を排出するように排水弁６を制御する。これにより、液水に対する水素の溶解度が高い高発電負荷時には排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａが低減されるので、排水弁６の下流側における水素濃度を上昇させることなく系外に液水を排出することができる。【選択図】図１
2010123427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料極から排出されたオフガスを燃料極に循環させるための循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記オフガスを前記燃料極に循環させる循環ポンプと、
前記循環ポンプより上流側の循環流路に設けられ、前記燃料電池の発電に伴い生成された液水を貯水する液水貯水部と、
前記液水貯水部内の液水を系外に排出する配管を開閉する開閉弁と、
前記排水弁の開閉時間を制御することにより前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの発電負荷が大きくなるのに応じて前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を小さくすること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料極の運転圧が大きくなるのに応じて前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料スタックの運転温度が低くなるのに応じて前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記液水貯水部に流入する単位時間あたりの液水量より前記液水貯水部から排水される単位時間あたりの液水量が少ない燃料電池スタックの運転領域において、前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記循環ポンプの回転数を増加させることにより前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの運転温度を上昇させることにより前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの運転圧を低下させることにより前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を増加させると共に、運転圧の低下によって不足する電力をバッテリの電力により補うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記液水貯水部に流入する単位時間あたりの液水量より前記液水貯水部から排水される単位時間あたりの液水量が少ない燃料電池スタックの運転領域において、前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を制限し、前記液水貯水部に流入する単位時間あたりの液水量より前記液水貯水部から排水される単位時間あたりの液水量が多い燃料電池スタックの運転領域において、前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記循環ポンプの回転数を増加させることにより前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの運転温度を上昇させることにより前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池スタックの運転圧を低下させることにより前記液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を増加させると共に、運転圧の低下によって不足する電力をバッテリの電力により補うことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、未反応の燃料ガスを有効利用するために、燃料極に供給された燃料ガスを再度燃料極に供給する循環流路と循環ポンプを備えた燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、燃料電池の発電に伴い生成される液水が循環流路に滞留することにより、燃料ガスの循環や燃料電池の安定的な発電を妨げることがある。このような背景から、液水を系外に排出するための排水弁を燃料ガスの循環流路に設け、循環ポンプの負荷変化に応じて排水弁を開く制御を行う燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開2005-174809号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１記載の燃料電池システムは、燃料電池の発電負荷が大きくなる程、排水弁の開時間を長くする制御を行う。ところが液水には一般に燃料電池の発電負荷に比例した水素量が溶解していることから、このような制御によれば、液水中に溶解している水素が排水弁の下流側で気化することにより、排水弁の下流側における水素濃度が上昇する可能性がある。
【０００４】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は排水弁の下流側における水素濃度を上昇させることなく系外に液水を排出可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る燃料電池システムは、排水弁の開閉時間を制御することにより液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を制御する制御部を備え、制御部は、燃料電池スタックの発電負荷が大きくなるのに応じて液水貯水部からの１回あたりの排水許容量を小さくする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る燃料電池システムによれば、液水に対する水素の溶解度が高い高発電負荷時には排水弁からの１回あたりの排水許容量が低減されるので、排水弁の下流側における水素濃度を上昇させることなく系外に液水を排出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムについて説明する。
【０００８】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システム１は、駆動源として車両に搭載され、図１に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック２を備える。燃料電池は、固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極側及び酸化剤極側の触媒層とガス拡散電極により挟持された固体電解質膜とから成る膜電極接合体と、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気を供給するためのガス流路を有し膜電極接合体を挟持するセパレータとを備える。燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は以下に示す反応式（１）〜（３）による。
〔燃料極〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔酸化剤極〕  １／２ Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋１／２Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
【０００９】
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システム１は、水素調圧弁３を備え、水素調圧弁３によって図示しない高圧水素タンク内の高圧水素を燃料電池スタック２の運転条件に適した圧力まで圧力低下させた後、水素供給配管Ｌ１を介して燃料電池スタック２の燃料極に水素を供給する。燃料極から排出された水素は水素循環ポンプ５及び水素循環配管Ｌ２を介して燃料極の上流側へ循環される。水素循環ポンプ５及び水素循環配管Ｌ２を設けることにより、燃料極で未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システム１の燃費性能を向上させることができる。なお燃料電池の運転条件と適合すれば、水素循環ポンプ５に代えて流体ポンプであるエゼクタを使用してもよい。水素循環配管Ｌ２には燃料電池スタック２の発電により生じた液水（酸化剤極で生じた水の逆拡散による液水）を貯水する液水貯水部４が設けられている。液水貯水部４には排水弁６を介して液水排出配管Ｌ３が接続されている。これにより、液水貯水部４に蓄積された液水は排水弁６を開くことにより液水排出配管Ｌ３を介して系外に排出することができる。燃料極を含む水素供給配管Ｌ１及び水素循環配管Ｌ２には、酸化剤極からリークした空気中の窒素や水蒸気等の不純物ガスが蓄積することがある。これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にしたり（循環効率が悪化）する。このため水素循環配管Ｌ２にはパージ弁７を介して水素オフガス排出配管Ｌ４が接続されている。不純物ガスが蓄積した際には、パージ弁７を開いて水素オフガス排出配管Ｌ４を介して不純物ガスを水素オフガスとして系外へ排出するパージを行う。これにより、燃料極を含む水素供給配管Ｌ１及び水素循環配管Ｌ２内の水素分圧や循環効率を回復させることができる。
【００１０】
〔空気系の構成〕
上記燃料電池システム１はコンプレッサ８を備え、コンプレッサ８は空気供給配管Ｌ５を介して燃料電池スタック２の酸化剤極に空気を圧縮供給する。酸化剤極の出口側には排出制御弁９を介して空気オフガス排出配管Ｌ６が接続されている。排出制御弁９の開度を制御することにより、燃料電池スタック２の酸化剤極に供給される空気の圧力を調整することができると共に酸化剤極から排出された空気を空気オフガスとして空気オフガス排出配管Ｌ６を介して系外に排出することができる。
【００１１】
〔制御系の構成〕
上記燃料電池システム１は、液水貯水部４内の圧力を検出する圧力センサ１０と、液水貯水部４内に貯水された液水の温度を検出する温度センサ１１と、液水貯水部４内に貯水された液水の水位を検出する水位センサ１２と、燃料電池システム１全体の動作を制御するＥＣＵ１３とを備える。ＥＣＵ１３は、ＣＰＵ，プログラムＲＯＭ，作業用ＲＡＭ，及び入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサにより構成されている。ＥＣＵ１３は、燃料電池スタック２により発電された電力が車両の要求値以上である場合、余剰電力を車両のバッテリ（ＢＡＴＴ）１４に充電し、逆に燃料電池スタック２により発電された電力が車両の要求値未満である場合には、不足電力をバッテリ１４から供給する。なお燃料電池スタック２の燃料極側の入口圧力及び冷却水温度をそれぞれ液水貯水部４内の圧力及び液水温度の代わりとして検出してもよい。
【００１２】
〔排水制御処理〕
〔第１の実施形態〕
上記燃料電池システム１では、ＥＣＵ１３が以下に示す排水制御処理を実行することにより、排水弁６の下流側における排水素濃度を上昇させることなく液水貯水部４に貯水された液水を系外に排出する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この排水制御処理を実行する際のＥＣＵ１３の動作について説明する。図２に示すフローチャートは、ＥＣＵ１３に対し燃料電池システム１の発電要求が入力されたタイミングで開始となり、排水制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００１３】
ステップＳ１の処理では、ＥＣＵ１３が、入力された発電要求に基づいて燃料電池スタック２の発電電流指令値Ｉを検出する。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、排水制御処理はステップＳ２の処理に進む。
【００１４】
ステップＳ２の処理では、ＥＣＵ１３が、予め作成された図３（ｂ）に示すような発電電流と排水弁６からの１回あたりの排水許容量の関係を示すマップを参照して、ステップＳ１の処理により検出された発電電流指令値Ｉに対応する排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを算出する。一般に、燃料電池スタック２の発電電流が増加すると液水貯水部４内の圧力が増加することにより液水に対する水素溶解度は増加するが、水素溶解度は発電電流の増加に伴う液水温度の増加により低下する（図３（ｃ）参照）。従って、排水弁６の下流側での排水素濃度を低減し、且つ、図３（ａ）に示すように発電電流に対し排水素濃度を一定にするために、図３（ｂ）に示すマップでは、排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａは発電電流に対し負の相関を有する、換言すれば、発電電流の増加に伴い排水弁６からの１回あたりの排水許容量が低減されるように設定されている。
【００１５】
なお燃料電池スタック２の発電電流が増加すると液水貯水部４内の圧力及び液水温度は共に増加することから（図４（ｂ）参照）、水素溶解度は図４（ｃ）に示すように発電電流の増加に応じてある値に収束するようになる。従って、排水弁６からの１回あたりの排水許容量が図４（ａ）に示すような減衰曲線となるマップを図３（ｂ）に示すマップの代わりに用いてもよい。また図３（ｂ）及び図４（ａ）に示すマップにおいて、発電電流が０の時の排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａ０は、排出配管Ｌ３の容積に対し、水素溶解度と排水弁６からの１回あたりの排水許容量から算出される排出水素量が設定する排水素濃度となるように設定されている。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、排水制御処理はステップＳ３の処理に進む。
【００１６】
ステップＳ３の処理では、ＥＣＵ１３が、排水弁６に対し開指令信号を出力することにより排水弁６の状態を閉状態から開状態に切り換え、液水貯水部４内に貯水されている液水を液水排出配管Ｌ３を介して系外に排出する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、排水制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００１７】
ステップＳ４の処理では、ＥＣＵ１３が、水位センサ１２の検出信号を参照することにより、ステップＳ３の処理において液水の排出を開始してから現在までの液水の排出量（排水量）がステップＳ２の処理により算出された排水許容量Ａと同じになったか否かを判別する。そしてＥＣＵ１３は、排水量が排水許容量Ａになったタイミングで排水制御処理をステップＳ５の処理に進める。なお排水量が排水許容量Ａになったか否かは、液水貯水部４内部の圧力と排水時間の関係から判断するようにしてもよい。
【００１８】
ステップＳ５の処理では、ＥＣＵ１３が、排水弁６に対し閉指令信号を出力することにより排水弁６の状態を開状態から閉状態に切り換え、液水貯水部４内に貯水されている液水の排出を停止する。これにより、ステップＳ５の処理の完了し、一連の排水制御処理は終了する。
【００１９】
以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる排水制御処理では、ＥＣＵ１３が、燃料電池スタック２の発電電流指令値Ｉを検出し、発電電流の増加に伴い排水弁６からの１回あたりの排水許容量が低減されるマップを参照して、発電電流指令値Ｉに対応する排水許容量Ａを算出し、算出された排水許容量Ａの液水を系外に排出するように排水弁６を制御する。そしてこのような排水制御処理によれば、液水に対する水素の溶解度が高い高発電負荷時には排水弁６からの１回あたりの排水許容量が低減されるので、排水素濃度を上昇させることなく系外に液水を排出することができる。またこの結果、排水素濃度を希釈するための希釈手段を液水排出配管Ｌ３に設ける必要がなくなるので、液水排出配管Ｌ３を小型化することができる。またこのような排水制御処理によれば、運転頻度の高い低発電負荷時ほど、排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａが増加されることになるので、生涯動作回数が低減することにより排水弁６の耐久性が向上し、結果としてより安価、小型の排水弁６を採用することが可能となる。
【００２０】
〔第２の実施形態〕
上記燃料電池システム１では、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６からの１回あたりの排水許容量と排水弁６下流側の排水素が拡散するために必要な時間から推定される単位時間あたりの排水量が少ない運転領域では、ＥＣＵ１３が以下に示す排水制御処理を実行することにより、排水弁６の下流側における排水素濃度を上昇させることなく液水貯水部４に貯水された液水を系外に排出する。以下、図５に示すフローチャートを参照して、この排水制御処理を実行する際のＥＣＵ１３の動作について説明する。図５に示すフローチャートは、ＥＣＵ１３に対し燃料電池システム１の発電要求が入力されたタイミングで開始となり、排水制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００２１】
ステップＳ１１の処理では、ＥＣＵ１３が、入力された発電要求に基づいて燃料電池スタック２の発電電流指令値Ｉを検出する。これにより、ステップＳ１１の処理は完了し、排水制御処理はステップＳ１２の処理に進む。
【００２２】
ステップＳ１２の処理では、ＥＣＵ１３が、ステップＳ１１の処理により検出された発電電流指令値Ｉが所定の排水制限開始電流値Ｉ０以上であるか否かを判別する。そして判別の結果、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０以上である場合、ＥＣＵ１３は、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量の方が少ないと判断し、燃料電池システムとしての排水性を確保するために排水制御処理をステップＳ１３の処理に進める。一方、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０未満である場合には、ＥＣＵ１３は、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量の方が多く、燃料電池システムとしての排水性が確保されていると判断し、排水制御処理を第１の実施形態におけるステップＳ２の処理に進める。
【００２３】
ステップＳ１３の処理では、ＥＣＵ１３が、図６（ｄ）に示すように水素循環ポンプ５（水素循環装置）の回転数を増加させることにより燃料極における水素の循環流量を増加させる。このような処理によれば、燃料電池スタック２の圧力損失が増加することにより、図６（ｃ）に示すように液水貯水部４内の圧力が低下し、結果として図６（ｅ）に示すように液水に対する水素溶解度が低下する。従って、図６（ｂ）に示すように排水弁６からの１回の排水許容量を増加させたとしても、図６（ａ）に示すように排水弁６下流側の排水素濃度の増加を抑えることができる。これにより、ステップＳ１３の処理は完了し、排水制御処理は第１の実施形態におけるステップＳ２の処理に進む。
【００２４】
なお本実施形態では、ＥＣＵ１３は、ステップＳ２の処理において、発電電流が排水制限開始電流値Ｉ０以上の時には排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加させる図６（ｂ）に示すようなマップを参照して、ステップＳ１１の処理により検出された発電電流指令値Ｉに対応する排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを算出する。但し、発電電流が排水制限開始電流値Ｉ０以上の時に排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加させることができない場合、ＥＣＵ１３は排水弁６から排出された水素を希釈する希釈手段を動作させるようにしてもよい。希釈手段としては、排出配管Ｌ３を排出配管Ｌ６に接続する方法や希釈ブロアを動作させる方法を例示できる。
【００２５】
また本実施形態では、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０以上である運転領域において、ＥＣＵ１３は、燃料電池システムとしての排水性を確保するために、水素循環ポンプ５の回転数を増加させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを増加可能にしたが、本発明は本実施形態に限定されることはない。例えばＥＣＵ１３は、上記運転領域においては排水許容量を増加させる操作を行わずに、液水貯水部４の水位上昇時間とシステムの発電安定性から決定される時間（例えば水位上昇によって液水貯水部４が満水状態となり、液水貯水部４に液水が再流入しない時間）だけ排水許容量を少なくし、上記運転領域から発電電流を下げる発電負荷下げ時に、水素循環ポンプ５の回転数を増加させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを増加させてもよい。
【００２６】
以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる排水制御処理では、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量が少ない運転領域では、ＥＣＵ１３が、水素循環ポンプ５の回転数を増加させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量あを増加させるので、上記第１の実施形態となる排水制御処理による効果に加えて、燃料電池システムとしての排水性を確保できるという効果が得られる。
【００２７】
〔第３の実施形態〕
上記燃料電池システム１では、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６からの１回あたりの排水許容量と排水弁６下流側の排水素が拡散するために必要な時間から推定される単位時間あたりの排水量が少ない運転領域では、ＥＣＵ１３が以下に示す排水制御処理を実行することにより、排水弁６の下流側における排水素濃度を上昇させることなく液水貯水部４に貯水された液水を系外に排出する。以下、図７に示すフローチャートを参照して、この排水制御処理を実行する際のＥＣＵ１３の動作について説明する。図７に示すフローチャートは、ＥＣＵ１３に対し燃料電池システム１の発電要求が入力されたタイミングで開始となり、排水制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００２８】
ステップＳ２１の処理では、ＥＣＵ１３が、入力された発電要求に基づいて燃料電池スタック２の発電電流指令値Ｉを検出する。これにより、ステップＳ２１の処理は完了し、排水制御処理はステップＳ２２の処理に進む。
【００２９】
ステップＳ２２の処理では、ＥＣＵ１３が、ステップＳ２１の処理により検出された発電電流指令値Ｉが所定の排水制限開始電流値Ｉ０以上であるか否かを判別する。そして判別の結果、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０以上である場合、ＥＣＵ１３は、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量の方が少ないと判断し、燃料電池システムとしての排水性を確保するために排水制御処理をステップＳ２３の処理に進める。一方、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０未満である場合には、ＥＣＵ１３は、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量の方が多く、燃料電池システムとしての排水性が確保されていると判断し、排水制御処理を第１の実施形態におけるステップＳ２の処理に進める。
【００３０】
ステップＳ２３の処理では、ＥＣＵ１３が、燃料電池スタック２の冷却水温度を上昇させることにより図８（ｄ）に示すように燃料電池スタック２の運転温度を上昇させる。このような処理によれば、液水貯水部４内に貯水されている液水の温度が上昇することにより、図８（ｅ）に示すように液水に対する水素溶解度が低下する。従って、図８（ｂ）に示すように排水弁６からの１回の排水許容量を増加させたとしても、図８（ａ）に示すように排水弁６下流側の排水素濃度の増加を抑えることができる。これにより、ステップＳ２３の処理は完了し、排水制御処理は第１の実施形態におけるステップＳ２の処理に進む。
【００３１】
なお本実施形態では、ＥＣＵ１３は、ステップＳ２の処理において、発電電流が排水制限開始電流値Ｉ０以上の時には排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加させる図８（ｂ）に示すようなマップを参照して、ステップＳ２１の処理により検出された発電電流指令値Ｉに対応する排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを算出する。但し、発電電流が排水制限開始電流値Ｉ０以上の時に排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加させることができない場合、ＥＣＵ１３は排水弁６から排出された水素を希釈する希釈手段を動作させるようにしてもよい。希釈手段としては、排出配管Ｌ３を排出配管Ｌ６に接続する方法や希釈ブロアを動作させる方法を例示できる。
【００３２】
また本実施形態では、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０以上である運転領域において、ＥＣＵ１３は、燃料電池システムとしての排水性を確保するために、燃料電池スタック２の運転温度を上昇させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加可能にしたが、本発明は本実施形態に限定されることはない。例えばＥＣＵ１３は、上記運転領域においては排水許容量を増加させる操作を行わずに、液水貯水部４の水位上昇時間とシステムの発電安定性から決定される時間（例えば水位上昇によって液水貯水部４が満水状態となり、液水貯水部４に液水が再流入しない時間）だけ排水許容量を少なくし、上記運転領域から発電電流を下げる発電負荷下げ時に、燃料電池スタック２の運転温度を上昇させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加させてもよい。
【００３３】
以上の説明から明らかなように、本発明の第３の実施形態となる排水制御処理では、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量が少ない運転領域では、ＥＣＵ１３が、燃料電池スタック２の運転温度を上昇させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを増加させるので、上記第１の実施形態となる排水制御処理による効果に加えて、燃料電池システムとしての排水性を確保できるという効果が得られる。
【００３４】
〔第４の実施形態〕
上記燃料電池システム１では、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６からの１回あたりの排水許容量と排水弁６下流側の排水素が拡散するために必要な時間から推定される単位時間あたりの排水量が少ない運転領域では、ＥＣＵ１３が以下に示す排水制御処理を実行することにより、排水弁６の下流側における排水素濃度を上昇させることなく液水貯水部４に貯水された液水を系外に排出する。以下、図９に示すフローチャートを参照して、この排水制御処理を実行する際のＥＣＵ１３の動作について説明する。図９に示すフローチャートは、ＥＣＵ１３に対し燃料電池システム１の発電要求が入力されたタイミングで開始となり、排水制御処理はステップＳ１の処理に進む。
【００３５】
ステップＳ３１の処理では、ＥＣＵ１３が、入力された発電要求に基づいて燃料電池スタック２の発電電流指令値Ｉを検出する。これにより、ステップＳ３１の処理は完了し、排水制御処理はステップＳ３２の処理に進む。
【００３６】
ステップＳ３２の処理では、ＥＣＵ１３が、ステップＳ３１の処理により検出された発電電流指令値Ｉが所定の排水制限開始電流値Ｉ０以上であるか否かを判別する。そして判別の結果、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０以上である場合、ＥＣＵ１３は、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量の方が少ないと判断し、燃料電池システムとしての排水性を確保するために排水制御処理をステップＳ３３の処理に進める。一方、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０未満である場合には、ＥＣＵ１３は、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量の方が多く、燃料電池システムとしての排水性は確保されていると判断し、排水制御処理を第１の実施形態におけるステップＳ２の処理に進める。
【００３７】
ステップＳ３３の処理では、ＥＣＵ１３が、図１０（ｄ）に示すように燃料電池スタック２の燃料極の入口側圧力を低下させることにより図１０（ｃ）に示すように液水貯水部４内の圧力を低下させる。なおＥＣＵ１３は、液水貯水部４内の圧力を直接低下させてもよいし、燃料極の出口側の圧力を低下させることにより液水貯水部４内の圧力を低下させてもよい。このような処理によれば、図１０（ｅ）に示すように液水に対する水素溶解度が低下する。従って、図１０（ｂ）に示すように排水弁６からの１回の排水許容量を増加させたとしても、図１０（ａ）に示すように排水弁６下流側の排水素濃度の増加を抑えることができる。これにより、ステップＳ３３の処理は完了し、排水制御処理は第１の実施形態におけるステップＳ２の処理に進む。
【００３８】
なお本実施形態では、ＥＣＵ１３は、ステップＳ２の処理において、発電電流が排水制限開始電流値Ｉ０以上の時には排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加させる図１０（ｂ）に示すようなマップを参照して、ステップＳ３１の処理により検出された発電電流指令値Ｉに対応する排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを算出する。但し、発電電流が排水制限開始電流値Ｉ０以上の時に排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加させることができない場合、ＥＣＵ１３は排水弁６から排出された水素を希釈する希釈手段を動作させるようにしてもよい。希釈手段としては、排出配管Ｌ３を排出配管Ｌ６に接続する方法や希釈ブロアを動作させる方法を例示できる。
【００３９】
また本実施形態では、ＥＣＵ１３は、燃料電池スタック２の燃料極の入口側圧力を低下させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを増加させているが、燃料極の入口側圧力を低下させた場合には、燃料電池スタック２の発電電力が低下する。従って、燃料電池スタック２の発電電力が車両の要求値未満になった場合には、ＥＣＵ１３は、バッテリ１４から不足電力を供給することが望ましい。
【００４０】
また本実施形態では、発電電流指令値Ｉが排水制限開始電流値Ｉ０以上である運転領域において、ＥＣＵ１３は、燃料電池システムとしての排水性を確保するために、燃料電池スタック２の燃料極の入口側圧力を低下させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを増加可能にしたが、本発明は本実施形態に限定されることはない。例えばＥＣＵ１３は、上記運転領域においては排水許容量を増加させる操作を行わずに、液水貯水部４の水位上昇時間とシステムの発電安定性から決定される時間（例えば水位上昇によって液水貯水部４が満水状態となり、液水貯水部４に液水が再流入しない時間）だけ排水許容量を少なくし、上記運転領域から発電電流を下げる発電負荷下げ時に、燃料電池スタック２の燃料極の入口側圧力を低下させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量を増加させてもよい。
【００４１】
以上の説明から明らかなように、本発明の第４の実施形態となる排水制御処理では、液水貯水部４に流入する単位時間あたりの液水量よりも排水弁６から排出される単位時間あたりの排水量が少ない運転領域では、ＥＣＵ１３が、燃料電池スタック２の燃料極の入口側を低下させることにより排水弁６からの１回あたりの排水許容量Ａを増加させるので、上記第１の実施形態となる排水制御処理による効果に加えて、燃料電池システムとしての排水性を確保できるという効果が得られる。
【００４２】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態となる排水制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】発電電流の変化に伴う排水素濃度、排水弁から１回あたりの排水許容量、及び水素溶解度の変化を示す図である。
【図４】発電電流の変化に伴う排水弁から１回あたりの排水許容量、液水貯水部の温度と圧力、及び水素溶解度の変化を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態となる排水制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図６】発電電流の変化に伴う排水素濃度、排水弁から１回あたりの排水許容量、液水貯水部内の圧力、水素循環装置の回転数、及び水素溶解度の変化を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態となる排水制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図８】発電電流の変化に伴う排水素濃度、排水弁から１回あたりの排水許容量、液水貯水部内の圧力、燃料電池スタックの運転温度、及び水素溶解度の変化を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施形態となる排水制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図１０】発電電流の変化に伴う排水素濃度、排水弁から１回あたりの排水許容量、液水貯水部内の圧力、燃料電池スタックの燃料極の入口側圧力、及び水素溶解度の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３：水素調圧弁
４：液水貯水部
５：水素循環ポンプ
６：排水弁
７：パージ弁
８：コンプレッサ
９：排出制御弁
１０：圧力センサ
１１：温度センサ
１２：水位センサ
１３：ＥＣＵ
１４：バッテリ
Ｌ１：水素供給配管
Ｌ２：水素循環配管
Ｌ３：液水排出配管
Ｌ４：水素オフガス排出配管
Ｌ５：空気供給配管
Ｌ６：空気オフガス排出配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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