(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、この燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を上流側の入口から流入させて下流側の出口から外部に排出させるカソード排出管と、このカソード排出管の内部に残留した水分を強制的に外部に排出させる排水手段と、大気圧センサと、前記カソード排出管の入口付近の圧力を検出するカソード圧力センサと、を備え、前記カソード排出管の少なくとも一部がＵ字状に湾曲し、この湾曲部の最下位置が前記燃料電池よりも鉛直方向下方に配置されて、前記燃料電池から排出される水分が前記湾曲部に貯留するように構成される燃料電池システムであって、
前記大気圧センサで検出した大気圧と前記カソード圧力センサで検出した圧力とから前記カソード排出管の圧力損失を算出し、算出された前記カソード排出管の圧力損失の周期に基づいて前記燃料電池システムの傾斜状態を検出し、検出した傾斜状態に基づいて前記排水手段を制御する排水制御手段を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、この燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を上流側の入口から流入させて下流側の出口から外部に排出させるカソード排出管と、このカソード排出管の内部に残留した水分を強制的に外部に排出させる排水手段と、前記燃料電池のアノード極から排出されるガスを上流側の入口から流入させて下流側の出口から排出させるアノード排出管と、前記アノード排出管に設けられたパージバルブと、前記アノード排出管の前記パージバルブの上流側におけるガスの圧力を検出するアノード圧力センサと、を備える燃料電池システムであって、
前記カソード排出管の少なくとも一部がＵ字状に湾曲し、この湾曲部の最下位置が前記燃料電池よりも鉛直方向下方に配置されて、前記燃料電池から排出される水分が前記湾曲部に貯留し、前記アノード排出管の前記出口が前記カソード排出管の前記湾曲部に連通接続され、前記燃料電池から排出される水分が前記湾曲部に貯留すると前記カソード排出管の圧力損失が増大するとともに前記アノード排出管の圧力損失も増大するように構成され、
前記アノード排出管の圧力損失が増大して前記アノード圧力センサで検出した圧力が所定の閾値を超える場合に前記パージバルブが開弁状態とされ前記アノード排出管から前記カソード排出管へのガス排出が許容される一方、前記アノード排出管の圧力損失が減少して前記アノード圧力センサで検出した圧力が前記閾値以下になった場合に前記パージバルブが閉弁して前記アノード排出管から前記カソード排出管へのガス排出が阻止され、これにより、前記アノード排出管から前記カソード排出管へのガス排出時間が前記アノード排出管の圧力損失に比例するように構成され、
前記アノード排出管から前記カソード排出管へのガス排出時間に基づいて前記排水手段を制御する排水制御手段を備える、燃料電池システム。
【請求項３】
前記湾曲部は、前記カソード排出管の入口付近に設けられるものである、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池と、この燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を上流側の入口から流入させて下流側の出口から外部に排出させるカソード排出管と、このカソード排出管の内部に残留した水分を強制的に外部に排出させる排水手段と、大気圧センサと、前記カソード排出管の入口付近の圧力を検出するカソード圧力センサと、を備え、前記カソード排出管の少なくとも一部がＵ字状に湾曲し、この湾曲部の最下位置が前記燃料電池よりも鉛直方向下方に配置されて、前記燃料電池から排出される水分が前記湾曲部に貯留するように構成される燃料電池システムの制御方法であって、
前記大気圧センサで検出した大気圧と前記カソード圧力センサで検出した圧力とから前記カソード排出管の圧力損失を算出し、算出された前記カソード排出管の圧力損失の周期に基づいて前記燃料電池システムの傾斜状態を検出し、検出した傾斜状態に基づいて前記排水手段を制御する排水制御工程を含む、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項５】
燃料電池と、この燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を上流側の入口から流入させて下流側の出口から外部に排出させるカソード排出管と、このカソード排出管の内部に残留した水分を強制的に外部に排出させる排水手段と、前記燃料電池のアノード極から排出されるガスを上流側の入口から流入させて下流側の出口から排出させるアノード排出管と、前記アノード排出管に設けられたパージバルブと、前記アノード排出管の前記パージバルブの上流側におけるガスの圧力を検出するアノード圧力センサと、を備え、前記カソード排出管の少なくとも一部がＵ字状に湾曲し、この湾曲部の最下位置が前記燃料電池よりも鉛直方向下方に配置されて、前記燃料電池から排出される水分が前記湾曲部に貯留し、前記アノード排出管の前記出口が前記カソード排出管の前記湾曲部に連通接続され、前記燃料電池から排出される水分が前記湾曲部に貯留すると前記カソード排出管の圧力損失が増大するとともに前記アノード排出管の圧力損失も増大するように構成され、前記アノード排出管の圧力損失が増大して前記アノード圧力センサで検出した圧力が所定の閾値を超える場合に前記パージバルブが開弁状態とされ前記アノード排出管から前記カソード排出管へのガス排出が許容される一方、前記アノード排出管の圧力損失が減少して前記アノード圧力センサで検出した圧力が前記閾値以下になった場合に前記パージバルブが閉弁して前記アノード排出管から前記カソード排出管へのガス排出が阻止され、これにより、前記アノード排出管から前記カソード排出管へのガス排出時間が前記アノード排出管の圧力損失に比例するように構成される燃料電池システムの制御方法であって、
前記アノード排出管から前記カソード排出管へのガス排出時間に基づいて前記排水手段を制御する排水制御工程を含む、燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池のカソード極側には酸化ガスとしての空気が供給され、燃料電池のアノード極側には燃料ガスとしての水素ガスが供給され、これら空気と水素ガスとの電気化学反応により、電力が生成される。
【０００３】
このような燃料電池システムの発電の際には、燃料電池の内部に水分（水蒸気）が生成される。現在においては、このような水分の排出量を推定したり制御したりする技術が種々提案されている。例えば、燃料電池のアノード極側に接続される排出管（アノード排出管）に設けられた排出弁からの排水量を水量センサで検出することにより、アノード排出管内の貯留水量を推定する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、燃料電池からの排水量を車両の傾斜方向に応じて調整する技術が提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５９９３３号公報
【特許文献２】特開２００８−５３０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池の排出管（例えばカソード極側に接続されるカソード排出管）は、発電の際の生成水を重力によって効率良く排出することができるように、上流の入口側（燃料電池との接続部側）から下流の出口側に向けて漸次下方に傾斜するように配置されることが好ましい。しかし、車両搭載用の燃料電池システム等においては、浸水路走行を想定して排出管の出口を比較的高い位置に配置することが多いため、排水の際に重力を利用できない場合がある。かかる場合には、エアコンプレッサ等の排水装置を用いて、排出管の内部に残留した水分を強制的に排出するようにしていた。
【０００６】
ところが、特許文献１や特許文献２に記載されているような従来の燃料電池システムにおいては、前記したような排出管出口の配置を考慮していないため、運転状態によっては排水を的確に行うことができない可能性がある。例えば、排水装置となるエアコンプレッサの掃気量が減少する低負荷運転時においては、排出管の広い範囲に水分が滞留し、この滞留した水分により燃料電池の絶縁抵抗が低下する場合がある。また、燃料電池システムが前傾状態となった場合には、排出管に滞留した水分が燃料電池に逆流するおそれがある。
【０００７】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の運転状態や傾斜状態に関係なく排出管からの排水を的確に行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池から排出されるガス及び水分を上流側の入口から流入させて下流側の出口から外部に排出させる排出管と、この排出管の内部に残留した水分を強制的に外部に排出させる排水手段と、を備える燃料電池システムであって、排出管の少なくとも一部がＵ字状に湾曲し、この湾曲部の最下位置が燃料電池よりも鉛直方向下方に配置されて、燃料電池から排出される水分が湾曲部に貯留するように構成され、排出管の圧力損失に基づいて排水手段を制御する排水制御手段を備えるものである。
【０００９】
また、本発明に係る制御方法は、燃料電池と、この燃料電池から排出されるガス及び水分を上流側の入口から流入させて下流側の出口から外部に排出させる排出管と、この排出管の内部に残留した水分を強制的に外部に排出させる排水手段と、を備え、排出管の少なくとも一部がＵ字状に湾曲し、この湾曲部の最下位置が燃料電池よりも鉛直方向下方に配置されて、燃料電池から排出される水分が湾曲部に貯留するように構成される燃料電池システムの制御方法であって、排出管の圧力損失に基づいて排水手段を制御する排水制御工程を含むものである。
【００１０】
かかる構成及び方法を採用すると、燃料電池から排出された水分を排出管の湾曲部に一時的に貯留させることができる。従って、排水手段の掃気能力が低下した場合においても、排出管の広い範囲に水分が滞留することを抑制することができ、また、システムが前傾状態になった場合においても、排出管に滞留した水分が燃料電池に逆流することを抑制することができる。さらに、燃料電池から排出された水分を排出管の湾曲部に一時的に貯留させることにより、排出管の圧力損失を変化させることができる。そして、この圧力損失に基づいて排水手段を制御する（例えば、排出管の圧力損失が増大した場合には排水手段の駆動力を増大させる一方、排出管の圧力損失が低減した場合には排水手段の駆動力を低減させる）ことができる。従って、燃料電池の運転状態や傾斜状態に関係なく排出管からの排水を的確に行うことができる。
【００１１】
前記燃料電池システムにおいて、湾曲部を排出管の入口（燃料電池との接続部）付近に設けることが好ましい。
【００１２】
かかる構成を採用すると、燃料電池から排出された水分を効率良く貯留させることができる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、排出管の圧力損失の周期に基づいてシステムの傾斜状態を検出し、検出した傾斜状態に基づいて排水手段を制御する排水制御手段を採用することができる。
【００１４】
かかる構成を採用すると、燃料電池システムの傾斜状態を、排出管の圧力損失の周期に基づいて検出することができ、この傾斜状態に適した排水制御を行うことができる。例えば、燃料電池システムが前傾（左傾・右傾）状態になると、排出管の湾曲部内に貯留する水分の容積が通常時（水平状態）の容積よりも少なくなるように構成される場合には、車両の前傾（左傾・右傾）に起因して圧力損失の周期が通常時よりも短くなる。このような場合、排水制御手段は、測定した圧力損失の周期が通常時よりも短い場合に車両が前傾（左傾・右傾）状態にあるものと判定し、排水手段の駆動力を増大させて水貯留部に貯留した水分を迅速に排出させることができる。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記排出管として、燃料電池のカソード極から排出されるガス及び水分を上流側の入口から流入させて下流側の出口から外部に排出させるカソード排出管を採用することができる。かかる場合において、燃料電池のアノード極から排出されるガスを上流側の入口から流入させて下流側の出口から排出させるアノード排出管をさらに備えるとともに、カソード排出管の湾曲部にアノード排出管の出口を連通接続させることができる。そして、アノード排出管の圧力損失に基づいて排水手段を制御する排水制御手段を採用することができる。
【００１６】
かかる構成を採用すると、カソード排出管の湾曲部に接続されたアノード排出管の圧力損失に基づいて、排水手段を制御する（例えば、アノード排出管の圧力損失が増大した場合には排水手段の駆動力を増大させる一方、アノード排出管の圧力損失が低減した場合には排水手段の駆動力を低減させる）ことができる。従って、カソード排出管の圧力損失の変化が検出し難い場合においても、アノード排出管の圧力損失に基づいてカソード排水管からの排水制御を行うことができる。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、アノード排出管からカソード排出管へのガス排出時間がアノード排出管の圧力損失に比例するように構成することもできる。かかる場合において、アノード排出管からカソード排出管へのガス排出時間に基づいて排水手段を制御する排水制御手段を採用することができる。
【００１８】
また、前記燃料電池システムにおいて、排出管の湾曲部を加熱することにより、湾曲部に貯留した水分の熱量を排出管の熱量以上に設定する加熱手段をさらに備えることができる。
【００１９】
かかる構成を採用すると、加熱手段で排出管の湾曲部を加熱することにより、湾曲部に貯留した水分の熱量を排出管の熱量以上に設定することができる。従って、低温環境下においても、湾曲部に貯留した水分を凍結させることなく確実に外部に排出することができる。また、排出管全体を加熱する必要がないため、排水の際のエネルギを節減することが可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、燃料電池の運転状態や傾斜状態に関係なく排出管からの排水を的確に行うことができる燃料電池システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムにおいて燃料電池及び排出管が非傾斜状態（水平状態）にある場合の配置構成を説明するための説明図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムのカソード排出管の圧力損失とエアコンプレッサ駆動力との関係を示すマップである。
【図４】図１に示した燃料電池システムにおいて燃料電池及び排出管が前傾状態にある場合の配置構成を説明するための説明図である。
【図５】（Ａ）は非傾斜状態（水平状態）にある燃料電池システムのカソード排出管の圧力損失の周期を示すタイムチャートであり、（Ｂ）は前傾状態にある燃料電池システムのカソード排出管の圧力損失の周期を示すタイムチャートである。
【図６】図１に示した燃料電池システムの排水制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図７】図１に示した燃料電池システムの前傾状態を考慮した排水制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図８】本発明の第二実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池及び排出管の配置構成を説明するための説明図である。
【図９】図８に示した燃料電池システムのアノード排出管の圧力損失とアノードオフガス排出時間との関係を示すマップである。
【図１０】図８に示した燃料電池システムの排水制御方法を説明するためのフローチャートである。
【図１１】本発明の第三実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池及び排出管の配置構成を説明するための説明図である。
【図１２】図１１に示した燃料電池システムの排水制御方法を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、移動体としての燃料電池車両に搭載された発電システムである。
【００２３】
[第一実施形態]
まず、図１〜図７を用いて、本発明の第一実施形態に係る燃料電池システム１及びその制御方法について説明する。
【００２４】
最初に、図１〜図５を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。
【００２５】
燃料電池２は、例えば車載や定置用に好適な固体高分子電解質型で構成され、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池スタックを構成する単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、さらにカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。セパレータの一方に設けられた酸化ガス流路に酸化ガス（空気）が供給され、他方のセパレータに設けられた燃料ガス流路に燃料ガス（水素）が供給される。酸化ガス及び燃料ガスの供給を受けた単電池において電気化学反応が行われ、これにより燃料電池２は電力を発生する。また、燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池２の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード極で生成される水分（生成水）が含まれる。
【００２６】
なお、燃料電池システム１には図示していない冷媒配管系が設けられており、この冷媒配管系を用いて燃料電池２の内部に冷媒を循環させることにより、燃料電池２の内部の温度が適度に維持される。燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型のものを採用することができる。
【００２７】
酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給流路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、バイパス流路３５、バイパス弁３６、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。
【００２８】
エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給するものである。酸化ガス供給流路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。加湿モジュール３３は、酸化ガス供給流路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガス及び生成水をシステム外に排気するためのガス流路であり、後述するカソード排出管３０（図２）によって形成される。なお、カソードオフガス流路３４のカソード極出口付近には、図示していない背圧弁が配設されており、制御装置６がこの背圧弁の開閉動作を制御することにより、カソードオフガス流路３４を流通するカソードオフガスの圧力が調整される。
【００２９】
エアコンプレッサ３１から供給される空気は、酸化ガス供給流路３２から燃料電池２を経由してカソードオフガス流路３４へと導入され、これにより、カソードオフガス流路３４（カソード排出管３０）の内部に残留した水分が排出される。すなわち、エアコンプレッサ３１は、本発明における排水手段に相当するものである。なお、本実施形態においては、図３に示すように、カソードオフガス流路３４を形成するカソード排出管３０の圧力損失が増大した場合にエアコンプレッサ３１の駆動力が増大するように制御装置６によって制御される。
【００３０】
バイパス流路３５は、酸化ガス供給流路３２を流れる酸化ガスの一部を、燃料電池２をバイパスして、カソードオフガス流路３４へと導くものである。バイパス流路３５には、バイパス弁３６が設けられている。バイパス流路３５を流通する酸化ガスの流量は、バイパス弁３６によって調整される。制御装置６がバイパス弁３６の開閉動作を制御し、エアコンプレッサ３１から供給される空気を酸化ガス供給流路３２からバイパス流路３５を経由させてカソードオフガス流路３４へと導入することにより、カソードオフガス流路３４の内部に残留した水分を排出することもできる。かかる場合、バイパス流路３５及びバイパス弁３６は、エアコンプレッサ３１とともに本発明における排水手段を構成する。
【００３１】
本実施形態においては、図２に示すように、燃料電池２の下方に、カソードオフガス流路３４を形成するカソード排出管３０を取り付けている。カソード排出管３０は、燃料電池２の下部から鉛直方向下方に延在するように形成された垂下部３０ａと、垂下部３０ａの下流側端部に連接されＵ字状に（下方に凸になるように）湾曲した湾曲部３０ｂと、湾曲部３０ｂの下流側端部に連接され水平方向に延在するように形成された第一水平部３０ｃと、第一水平部３０ｃの下流側端部に連接され下流側になるに従って鉛直方向上方に延在するように形成された傾斜部３０ｄと、傾斜部３０ｄの下流側端部に連接され水平方向に延在するように形成された第二水平部３０ｅと、から構成されている。なお、図２においては、加湿モジュール３３や背圧弁の図示を省略している。
【００３２】
カソード排出管３０の湾曲部３０ｂは、図２に示すように、その最下位置が燃料電池２の下部よりも鉛直方向下方に配置されており、このような構成により、燃料電池２から排出される水分Ｗが湾曲部３０ｂに貯留するようになっている。本実施形態においては、燃料電池システム１が前傾状態、左傾状態及び右傾状態になった場合においても湾曲部３０ｂに水分を貯留させた状態を維持することができるように、湾曲部３０ｂの位置及び形状を設定している。一方、燃料電池システム１が後傾状態になった場合には、湾曲部３０ｂに貯留した水分が下流側（カソード排出管３０の出口３０ｇ側）に流れて排出されるようになっている。
【００３３】
また、カソード排出管３０の入口（燃料電池２に接続される上流側の開口）３０ｆ付近には、燃料電池２のカソードオフガス出口付近の圧力を検出するためのカソード圧力センサＰCが設けられており、カソード排出管３０の外部には、大気圧を検出するための図示されていない大気圧センサが設けられている。カソード圧力センサＰC及び大気圧センサで検出された圧力に係る情報は、制御装置６に送られ、後述する排水制御に用いられる。なお、カソード排出管３０の第一水平部３０ｃには、カソード排出管３０と図示されていない燃料電池車両のボディとを接続するブラケット（接続部材）３０ｈが取り付けられている。
【００３４】
燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給流路４２、燃料ガス循環流路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。
【００３５】
燃料ガス供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給流路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
【００３６】
燃料ガス循環流路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給流路４２へ導かれる。燃料ガス供給流路４２から燃料ガス循環流路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。なお、アノードオフガス流路４４内のガスは、図示されていない希釈器によって希釈されるようになっている。
【００３７】
電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。
【００３８】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３９】
バッテリ５２は、充放電可能な二次電池（例えばニッケル水素電池等）である。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。
【００４０】
トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータである。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。
【００４１】
制御装置６は、図示していない車両のアクセル信号等の要求負荷信号、各種操作信号、カソード圧力センサＰC等の各種センサの検出信号等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置６は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
【００４２】
具体的には、制御装置６は、アクセルペダル開度を検出する図示されていないアクセルペダルセンサ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。
【００４３】
また、制御装置６は、カソード排出管３０の圧力損失に基づいて、エアコンプレッサ３１を制御する。すなわち、制御装置６は、本発明における排水制御手段として機能する。具体的には、制御装置６は、カソード圧力センサＰCで検出したカソード排出管３０の入口付近（燃料電池２のカソードオフガス出口付近）の圧力と、大気圧センサで検出した大気圧と、の差であるカソード排出管３０の圧力損失を算出する。そして、制御装置６は、この算出した圧力損失が所定の閾値を超えた場合に、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させて供給する空気の流量を増大させることにより、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留した水分を効率良く排出させる。このように制御装置６がエアコンプレッサ３１を制御することにより、カソード排出管３０の圧力損失は、図５（Ａ）のタイムチャートに示すように周期的に変化する（圧力損失は湾曲部３０ｂ内の水分量に比例して増大し、水分の排出に伴って急減する）こととなる。
【００４４】
また、制御装置６は、カソード排出管３０の圧力損失の周期に基づいて。燃料電池システム１の傾斜状態（燃料電池システム１が搭載された車両の傾斜状態）を検出し、検出した傾斜状態に基づいてエアコンプレッサ３１を制御する。本実施形態においては、図４に示すように燃料電池システム１が前傾した場合にカソード排出管３０の湾曲部３０ｂ内に貯留する水分の容積が、図２に示した通常時（水平状態）に貯留する水分の容積よりも少なくなるように構成されている。このため、燃料電池システム１が前傾状態となった場合には、図５（Ｂ）のタイムチャートに示すように、カソード排出管３０の圧力損失の周期が通常時における圧力損失の周期（図５（Ａ））よりも短くなる。制御装置６は、このように圧力損失の周期が通常時よりも短くなった場合に、燃料電池システム１が前傾状態にあるものと判定し、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させて供給する空気の流量を増大させることにより、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留した水分を効率良く排出させる。このように制御装置６が前傾状態においてエアコンプレッサ３１の駆動力を増大させることにより、カソード排出管３０の圧力損失の周期は長くなる（図５（Ｂ））。
【００４５】
なお、本実施形態においては、燃料電池システム１の前傾状態が検出された場合にエアコンプレッサ３１の駆動力を増大させた例を示したが、燃料電池システム１の左傾（右傾）状態が検出された場合にエアコンプレッサ３１の駆動力を増大させることもできる。かかる場合には、燃料電池システム１が左傾（右傾）した場合にカソード排出管３０の湾曲部３０ｂ内に貯留する水分の容積が、通常時に貯留する水分の容積よりも少なくなるように構成しておき、カソード排出管３０の圧力損失の周期が通常時の圧力損失の周期よりも短くなった場合に、燃料電池システム１が左傾（右傾）状態にあるものと判定するようにする。
【００４６】
次に、図６及び図７のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の排水制御方法について説明する。
【００４７】
燃料電池システム１の通常運転時においては、燃料電池２のカソード極に空気が供給され、燃料電池２のアノード極に水素ガスが供給され、これら空気と水素ガスとの電気化学反応により電力が発生する。また、かかる電気化学反応に伴い、燃料電池２のカソード極において水分が生成し、この水分が燃料電池２から排出されてカソード排出管３０内に流通する。また、燃料電池２から排出された水蒸気がカソード排出管３０の内部で凝結して水分となり、この水分が排出されずにカソード排出管３０の内部に残留する。本実施形態に係る燃料電池システム１においては、このようにカソード排出管３０の内部に残留する水分の排出制御（排水制御）を以下の手順で行う。
【００５１】
図７のフローチャートを用いて、燃料電池システム１の排水制御について説明する。
【００５２】
制御装置６は、カソード圧力センサＰCで検出した燃料電池２のカソードオフガス出口付近の圧力と、大気圧センサで検出した大気圧と、の差であるカソード排出管３０の圧力損失ΔＰを算出し（圧力損失算出工程：Ｓ１１）、算出した圧力損失ΔＰが所定の閾値を超えるか否かを判定する（圧力損失判定工程：Ｓ１２）。圧力損失判定工程Ｓ１２で採用される閾値は、燃料電池システム１の規模・仕様や外気温等に応じて適宜設定される。そして、制御装置６は、圧力損失判定工程Ｓ１２において圧力損失ΔＰが閾値以下であると判定した場合には、通常のエアコンプレッサ３１の掃気能力を維持する。一方、制御装置６は、圧力損失判定工程Ｓ１２において圧力損失ΔＰが閾値を超えるものと判定した場合に、圧力損失ΔＰの周期が所定の閾値（水平状態における圧力損失の周期）よりも短いか否かを判定する（周期判定工程：Ｓ１３）。
【００５３】
次いで、制御装置６は、周期判定工程Ｓ１３において圧力損失ΔＰの周期が所定の閾値以上であると判定した場合に、燃料電池システム１が非傾斜状態にあるものと判定し、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させて供給する空気の流量を増大させることにより、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留した水分を効率良く排出させる（通常時強化排水工程：Ｓ１４）。一方、制御装置６は、周期判定工程Ｓ１３において圧力損失ΔＰの周期が所定の閾値よりも短いと判定した場合に、燃料電池システム１が前傾状態にあるものと判定し、通常時強化排水工程Ｓ１４よりもエアコンプレッサ３１の駆動力をさらに増大させることにより、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留した水分を効率良く排出させる（前傾時強化排水工程：Ｓ１５）。このような前傾時強化排水工程Ｓ１５を実施する結果、図５（Ｂ）に示すようにカソード排出管３０の圧力損失の周期は長くなる。
【００５４】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２のカソード極から排出された水分をカソード排出管３０の湾曲部３０ｂに一時的に貯留させることができる。従って、低負荷運転時等でエアコンプレッサ３１の掃気能力が低下した場合においても、カソード排出管３０の広い範囲に水分が滞留することを抑制することができ、また、燃料電池システム１が前傾状態になった場合においても、カソード排出管３０に滞留した水分が燃料電池２に逆流することを抑制することができる。また、燃料電池２のカソード極から排出された水分をカソード排出管３０の湾曲部３０ｂに一時的に貯留させることができるので、カソード排出管３０の圧力損失を変化させることができる。そして、この圧力損失の変化に基づいてエアコンプレッサ３１を制御することができる。従って、燃料電池２の運転状態や傾斜状態に関係なくカソード排出管３０からの排水を的確に行うことができる。
【００５５】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、湾曲部３０ｂをカソード排出管３０の入口３０ｆ（燃料電池２との接続部）付近に設けているため、燃料電池２のカソード極から排出された水分を効率良く貯留させることができる。
【００５６】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池システム１の傾斜状態を、カソード排出管３０の圧力損失の周期に基づいて検出することができ、この傾斜状態に適した排水制御を行うことができる。すなわち、燃料電池システム１が前傾状態になると圧力損失の周期が通常時（水平状態）よりも短くなるような構成を採用しているため、測定した圧力損失の周期が通常時よりも短い場合に燃料電池システム１が前傾状態にあるものと判定し、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させてカソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留した水分を迅速に排出させることができる。
【００５７】
[第二実施形態]
続いて、図８〜図１０を用いて、本発明の第二実施形態に係る燃料電池システム及びその制御方法について説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、第一実施形態に係る燃料電池システム１のアノードオフガス流路４４を形成するアノード排出管４０をカソード排出管３０の湾曲部３０ｂに連通接続し、アノード排出管４０の圧力損失に基づいてエアコンプレッサ３１を制御するものであり、その他の構成は第一実施形態と実質的に同一である。このため、重複する構成については、第一実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略することとする。
【００５８】
本実施形態においては、図８に示すように、アノードオフガス流路４４を形成するアノード排出管４０が、カソードオフガス流路３４を形成するカソード排出管３０の湾曲部３０ｂに連通接続されている。このため、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスは、アノード排出管４０を経由してカソード排出管３０の湾曲部３０ｂに流入し、カソード排出管３０の出口３０ｇを経由して外部に排出されるようになっている。アノード排出管４０には、パージバルブＨ５が設けられている。また、アノード排出管４０には、パージバルブＨ５の上流側におけるアノードオフガスの圧力を検出するアノード圧力センサＰAが設けられている。
【００５９】
本実施形態においては、燃料電池２のカソード極から排出された水分がカソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留すると、カソード排出管３０の圧力損失が増大するとともに、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに連通接続されたアノード排出管４０の圧力損失も増大する。このような構成を利用して、本実施形態における制御装置は、アノード排出管４０の圧力損失に基づいてエアコンプレッサ３１を制御する。具体的には、制御装置は、アノード排出管４０の圧力損失と相関関係を有するアノードオフガスの排出時間が所定の閾値を超えた場合に、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させて供給する空気の流量を増大させることにより、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留した水分を効率良く排出させる。
【００６０】
本実施形態においては、アノード圧力センサＰAで検出した圧力が所定の閾値以下になった場合に制御装置がパージバルブＨ５を閉弁し、アノードオフガスのカソード排出管３０への排出を阻止するような構成を採用している。換言すれば、アノード排出管４０の圧力損失が増大してアノード圧力センサＰAで検出した圧力が所定の閾値を超える場合にはパージバルブＨ５は開弁状態とされ、アノードオフガスのカソード排出管３０への排出が所定時間許容されることとなる。図９はこのような関係を示したものであり、アノード排出管４０の圧力損失が増大すると、アノードオフガスの排出時間が延びるようになっている。従って、本実施形態においては、アノード排出管４０の圧力損失と比例関係を有するアノードオフガスの排出時間が所定の閾値を超えた場合に、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させるようにしている。
【００６１】
次に、図１０のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システムの排水制御方法について説明する。
【００６２】
制御装置は、アノード排出管４０の圧力損失と比例関係を有するアノードオフガスの排出時間ΔＴを計測する（排出時間計測工程：Ｓ２１）。アノードオフガスの排出時間ΔＴとしては、パージバルブＨ５の開弁時間や圧力変動時間（アノード圧力センサＰAで検出した圧力が所定値だけ減少するのに要した時間）を採用することができる。次いで、制御装置は、排出時間計測工程Ｓ２１で計測したアノードオフガスの排出時間ΔＴが所定の閾値を超えるか否かを判定する（排出時間判定工程：Ｓ２２）。
【００６３】
次いで、制御装置は、排出時間判定工程Ｓ２２においてアノードオフガスの排出時間ΔＴが閾値以下であると判定した場合には、通常のエアコンプレッサ３１の掃気能力を維持する。一方、制御装置は、排出時間判定工程Ｓ２２においてアノードオフガスの排出時間ΔＴが閾値を超えるものと判定した場合に、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させて供給する空気の流量を増大させることにより、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留した水分を効率良く排出させる（強化排水工程：Ｓ２３）。
【００６４】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに接続されたアノード排出管４０の圧力損失と比例関係を有するアノードオフガスの排出時間に基づいて、エアコンプレッサ３１を制御することができる。従って、カソード排出管３０の圧力損失が検出し難い場合においても、アノードオフガスの排出時間に基づいてカソード排水管３０からの排水制御を的確に行うことができる。
【００６５】
[第三実施形態]
続いて、図１１及び図１２を用いて、本発明の第三実施形態に係る燃料電池システム及びその制御方法について説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、第一実施形態に係る燃料電池システム１に、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂを加熱するヒータ３７を設け、湾曲部３０ｂに貯留した水分（貯留水）の熱量を調整するものであり、その他の構成は第一実施形態と実質的に同一である。このため、重複する構成については、第一実施形態と同一の符号を付し、詳細な説明を省略することとする。
【００６６】
本実施形態においては、図１１に示すように、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂの下方にヒータ３７を配置して、湾曲部３０ｂを加熱することができるようになっている。このようなヒータ３７を採用することにより、貯留水の熱量を所定量に設定することができる。すなわち、ヒータ３７は、本発明における加熱手段として機能する。ヒータ３７は、図示されていない電源から供給される電力により加熱され、その温度は制御装置により調整される。なお、ヒータ３７に代えて、加温された流体が流通する流体配管を加熱手段として採用することもできる。
【００６７】
本実施形態における制御装置は、低温環境下においてヒータ３７を駆動してカソード排出管３０の湾曲部３０ｂを加熱することにより、湾曲部３０ｂにおける貯留水を加温して、貯留水がカソード排出管３０の出口３０ｇ付近で凍結しないようにする。具体的には、制御装置は、外気温、燃料電池２の温度、カソード排出管３０の熱容量、エアコンプレッサ３１から供給される空気流量等に基づいて、カソード排出管３０の熱量を算出する。そして、制御装置は、湾曲部３０ｂにおける貯留水の熱量がカソード排出管３０の熱量を超えるまで、ヒータ３７を用いて貯留水を加温した後、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させて貯留水を排出させる。
【００６８】
次に、図１２のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システムの排水制御方法について説明する。
【００６９】
制御装置は、第一実施形態で説明したように、カソード排出管３０の圧力損失ΔＰを算出し（圧力損失算出工程：Ｓ３１）、算出した圧力損失ΔＰが所定の閾値を超えるか否かを判定する（圧力損失判定工程：Ｓ３２）。次いで、制御装置は、圧力損失判定工程Ｓ２において圧力損失ΔＰが閾値以下であると判定した場合には、通常のエアコンプレッサ３１の掃気能力を維持する。一方、制御装置は、圧力損失判定工程Ｓ３２において圧力損失ΔＰが閾値を超えるものと判定した場合に、カソード排出管３０の熱量を算出し（排出管熱量算出工程：Ｓ３３）、貯留水の目標熱量を決定する（目標熱量決定工程：Ｓ３４）。目標熱量決定工程Ｓ３４で決定される貯留水の目標熱量は、排出管熱量算出工程Ｓ３３で算出されたカソード排出管３０の熱量よりも所定量高く設定される。
【００７０】
目標熱量決定工程Ｓ３４を経た後、制御装置は、ヒータ３７を駆動してカソード排出管３０の湾曲部３０ｂを加熱することにより、湾曲部３０ｂにおける貯留水を加温し（貯留水加温工程：Ｓ３５）、加温した貯留水の熱量がカソード排出管３０の熱量を超えるか否かを判定する（熱量判定工程：Ｓ３６）。そして、制御装置は、熱量判定工程Ｓ３６において、貯留水の熱量がカソード排出管３０の熱量を超えるものと判定した場合に、エアコンプレッサ３１の駆動力を増大させて供給する空気の流量を増大させることにより、カソード排出管３０の湾曲部３０ｂに貯留した水分を効率良く排出させる（強化排水工程：Ｓ３７）。
【００７１】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システムにおいては、ヒータ３７でカソード排出管３０の湾曲部３０ｂを加熱することにより、湾曲部３０ｂにおける貯留水の熱量をカソード排出管３０の熱量よりも高くすることができる。従って、低温環境下においても、湾曲部３０ｂにおける貯留水を凍結させることなく確実に外部に排出することができる。また、カソード排出管３０全体を加熱する必要がないため、排水の際のエネルギを節減することが可能となる。
【００７２】
なお、以上の各実施形態においては、カソード排出管３０の圧力損失に基づいて排水制御を行った例を示したが、予備的にカソード排出管３０の湾曲部３０ｂに水位センサや導電率計を設置し、これら水位センサや導電率計を用いて湾曲部３０ｂに貯留した水分の量を検出して排水制御を行うこともできる。
【００７３】
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置（排水制御手段）、３０…カソード排出管、３０ｂ…カソード排出管の湾曲部、３０ｆ…カソード排出管の入口、３１…エアコンプレッサ（排水手段）、３５…バイパス流路（排水手段）、３６…バイパス弁（排水手段）、３７…ヒータ（加熱手段）、４０…アノード排出管。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005424096.tif 000004
【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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【図１１】
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【図１２】
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