(57)【要約】【課題】燃料電池の無負荷運転中における高電位回避と適切な生成水処理を行うことができる燃料電池システムの提供にある。【解決手段】燃料電池と、発電により燃料電池から排出されるオフガスを生成水とガスに分離する気液分離器３４と、気液分離器３４と接続され、分離後のガスを流通する排気通路と、排気管４３に接続され、生成水を霧化する霧化器４２と、生成水を気液分離器３４から霧化器４２へ導く導水路５０と、を備えた燃料電池システムであって、霧化器４２に設けられ、霧化された生成水のうち、外部へ排出されなかった生成水を回収して貯留する貯水部５２と、貯水部５２に設置され、燃料電池からの通電により貯留する生成水を蒸発させる電気式ヒータ５５と、燃料電池の無負荷運転時に燃料電池の高電位回避制御を行うとともに、高電位回避制御により生じた電力で電気式ヒータ５５を作動させる制御装置を備えた。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
発電により前記燃料電池から排出されるオフガスを生成水とガスに分離する気液分離器と、
前記気液分離器と接続され、分離後の前記ガスを流通する排気通路と、
前記排気通路に接続され、前記生成水を霧化する霧化器と、
前記生成水を前記気液分離器から前記霧化器へ導く導水路と、を備えた燃料電池システムであって、
前記霧化器に設けられ、霧化された生成水のうち、外部へ排出されなかった生成水を回収して貯留する貯水部と、
前記貯水部に設置され、前記燃料電池からの通電により貯留する生成水を蒸発させる水蒸発手段と、
前記燃料電池の無負荷運転時に前記燃料電池の高電位回避制御を行うとともに、前記高電位回避制御により生じた電力で前記水蒸発手段を作動させる制御装置を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水蒸発手段は電気式ヒータであり、前記電気式ヒータの過熱を防止するサーモスタットを備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電気式ヒータが停止状態の高電位回避制御の経過時間を計測するタイマーが設けられ、
前記制御装置は、前記タイマーにより計測された前記電気式ヒータが停止状態の高電位回避制御の経過時間が予め設定した閾値より大きいとき、前記電気式ヒータを作動させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水蒸発手段は、超音波振動により水を蒸発させる超音波振動器であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池で生成された生成水を霧状にする霧化器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、排気ガスによる地球温暖化の抑制のための駆動源として燃料電池が注目されており、一部の燃料電池は実用化されている。
燃料電池は、一対の電極に水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学反応により電気エネルギーを生成するほか、水（生成水）を生成する。
このため、燃料電池システムを搭載する車両では、排気に多量の水が含まれる。
従来では、燃料電池からの排気を通す排気管を備え、排気管においてオリフィス孔を設けた構成とする燃料電池システムが存在する。
この燃料電池システムでは、排気管において貯留した生成水を戻し配管を通じてオリフィス孔へ導入して霧化する（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
一方、別の従来の燃料電池システムとして、例えば、特許文献２に開示された燃料電池システムが知られている。
特許文献２に開示された燃料電池システムでは、燃料電池の耐久性を悪化させないように予め出力電圧の閾値（高電位回避基準電圧）を設け、この基準値を超えないように制御を行っている。
通常、燃料電池システムがアイドル運転されるとき、燃料電池の出力電圧は上昇するが、このとき、燃料電池システムにおける要求電力は減少するため、燃料電池システムの要求電力の減少に伴って燃料電池の出力電圧は低下する。
発電効率の観点からは、アイドル運転中のシステム要求電力の減少に応じて、可能な限り燃料電池の出力電圧を上げた方が望ましいが、出力電圧を上げすぎると（開回路電圧ＯＣＶに近い電圧など）、燃料電池の耐久性が悪化してしまうという問題が生じる。
従って、アイドル運転中は、高電位回避のために燃料電池の出力電圧を強制的に下げるため、燃料電池から余剰電力が生じるが、この余剰電力を利用してヒータを作動させ、端部セルの加熱を行うため、余剰電力の有効活用が可能となるとしている。
因みに、アイドル運転中においても燃料電池から水（生成水）が生成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２４９０３０号公報
【特許文献２】特開２００９−２８３２１０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、燃料電池システムが備える排気管において霧化器により生成水を霧化させる場合、周囲を濡らさない排気に好適な霧粒子径を得るためには、一定以上の排気流速が必要である。
しかし、好適な霧粒子径が得られる排気流速は、燃料電池の発電負荷が高い状態であり、一方、殆ど無負荷状態のアイドル運転の状態では排気流速は著しく低く、霧化器により好適な霧粒子径を得ることができない。
アイドル運転の排気流速により得られる霧粒子径では、排気により周囲を濡らしてしまう可能性が高い。
【０００６】
一方、コンプレッサを駆動させて強制的に一定以上の排気流速を得るようにすることも考えられる。
しかし、コンプレッサ駆動により騒音が発生するおそれがあるほか、コンプレッサ駆動に伴う燃料電池の一時的な高負荷発電による電力の行き先としての蓄電装置が必要となるという問題が生じる。
アイドル運転において生成水の霧化を行わない場合、アイドル運転が長時間となるほど、排気管に貯留される量が増大する。
【０００７】
他方、生成水をヒータのみにより蒸発させることも考えられるが、この場合、極めて大きなヒータ能力が要求されるほか、エネルギーロスも多くなるため、生成水をヒータのみにより蒸発させることは実質的に実現することは困難である。
燃料電池システムとしては、アイドル運転中の高電位回避とアイドル運転に生成された生成水の適切な処理が望まれている。
【０００８】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、燃料電池の無負荷運転運転中における燃料電池の高電位回避および生成水の適切な処理を行うことができる燃料電池システムの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するために、本発明は、燃料電池と、発電により前記燃料電池から排出されるオフガスを生成水とガスに分離する気液分離器と、前記気液分離器と接続され、分離後の前記ガスを流通する排気通路と、前記排気通路に接続され、前記生成水を霧化する霧化器と、前記生成水を前記気液分離器から前記霧化器へ導く導水路と、を備えた燃料電池システムであって、前記霧化器に設けられ、霧化された生成水のうち、外部へ排出されなかった生成水を回収して貯留する貯水部と、前記貯水部に設置され、前記燃料電池からの通電により貯留する生成水を蒸発させる水蒸発手段と、前記燃料電池の無負荷運転時に前記燃料電池の高電位回避制御を行うとともに、前記高電位回避制御により生じた電力で前記水蒸発手段を作動させる制御装置を備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明では、燃料電池が高負荷運転される状態では、霧化器において一定以上のガス流速が得られ、霧化器により生成水が排気に好適な霧粒子径に霧化され、外部へ排気される。
燃料電池が無負荷運転される状態では、燃料電池の出力電圧を強制的に低下させる高電位回避制御を行い、高電位回避制御によって生じる燃料電池からの余剰電力により水蒸発手段を作動させる。
その結果、生成水が水蒸発手段により蒸発され、霧化器におけるガス流速が小さくても蒸発した生成水を外部に排出することができる。
また、燃料電池の高電位回避制御によって生じる燃料電池からの余剰電力が水蒸発手段により消費されるため、余剰電力を生成水の蒸発のために用いることができる。
さらに、高電位回避制御時に水蒸発手段が作動している場合、余剰電力を蓄電装置に蓄える必要がないことから、その分、蓄電装置を小型化することができるほか、水蒸発手段は余剰電力により作動するから小型で済む。
因みに、燃料電池の無負荷運転とは、燃料電池システムにおいて電力消費のない運転のほか、通常時負荷の運転や高負荷運転と比べて僅かな電力を消費する運転を含む。
【００１１】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記水蒸発手段は電気式ヒータであり、前記電気式ヒータの過熱を防止するサーモスタットを備えている構成としてもよい。
この場合、電気式ヒータより無負荷運転中に生じた生成水が全て蒸発されると、電気式ヒータの温度が上昇するが、温度上昇に伴うサーモスタットの作動により電気式ヒータが停止され、電気式ヒータの過熱を防止することができる。
【００１２】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記電気式ヒータが停止状態の高電位回避制御の経過時間を計測するタイマーが設けられ、前記制御装置は、前記タイマーにより計測された前記電気式ヒータが停止状態の高電位回避制御の経過時間が予め設定した閾値より大きいとき、前記電気式ヒータを作動させる構成としてもよい。
この場合、電気式ヒータが停止状態の高電位回避制御では無負荷運転による生成水が貯水部に貯留し始める。
電気式ヒータが停止状態の高電位回避制御の時間が予め設定した閾値より大きいとき、無負荷運転による生成水が貯水部に貯留されており、電気式ヒータを作動させることで貯水部の生成水を蒸発させることができる。
【００１３】
また、上記の燃料電池システムにおいて、前記水蒸発手段は、超音波振動により水を蒸発させる超音波振動器である構成としてもよい。
この場合、超音波振動器より無負荷運転中に貯水部に貯留される生成水を蒸発することができる。
超音波振動器は過熱することがないため、貯水部に貯留される生成水の有無に関わらず高電位回避制御における作動を継続することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池の無負荷運転中における燃料電池の高電位回避および生成水の適切な処理を行うことができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池型フォークリフトの側面図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料電池システムの概要構成図である。
【図３】第１の実施形態に係る燃料電池システムの要部構成図である。
【図４】ガス流速と霧粒子径の関係のグラフを示す図である。
【図５】高電位回避制御における電気式ヒータの制御のフローチャートである。
【図６】第２の実施形態に係る燃料電池システムの要部構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る燃料電池型産業車両について図面を参照して説明する。
本実施形態は、燃料電池型産業車両としての燃料電池型フォークリフトに適用した例である。
図１に示すように、燃料電池型フォークリフト（以下、単に「フォークリフト」と表記する）１０は、車体１１の前部に荷役装置１２を備えている。
【００１７】
荷役装置１２は、車体１１の前部に立設されたマスト１３と、マスト１３に昇降可能に取り付けられたリフトブラケット１４と、リフトブラケット１４に取り付けられたフォーク１５を有している。
マスト１３には、リフトシリンダ１６およびティルトシリンダ１７が設けられている。
車体１１にはリフトシリンダ１６およびティルトシリンダ１７を作動させる作動油を圧送する油圧ポンプ１８が設けられている。
油圧ポンプ１８は、図２に示す荷役モータ１９と接続されており、荷役モータ１９の駆動により作動される。
フォーク１５とリフトブラケット１４は、リフトシリンダ１６の作動に伴うマスト１３の昇降により昇降される。
マスト１３はティルトシリンダ１７の作動により前後に傾動される。
【００１８】
図１に示すように、車体１１の中央付近には運転席２０が設けられている。
車体１１の前部には前輪としての駆動輪２１が設けられ、車体１１の後部には後輪としての操舵輪２２が設けられている。
車体１１の内部には走行モータ２３が設けられており、走行モータ２３は駆動輪２１へ動力伝達する。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態のフォークリフト１０は燃料電池システム２４を備えている。
図２に示すように、燃料電池システム２４は、燃料電池２５および水素タンク２６等を備え、車体１１に搭載される燃料電池ユニット２７を有する。
燃料電池ユニット２７は、燃料電池２５と、水素を貯蔵する水素タンク２６と、燃料電池２５に対して空気を供給するコンプレッサ２８を備えている。
【００２０】
燃料電池２５は、例えば、固体高分子型の燃料電池であり、水素タンク２６から供給される水素と、コンプレッサ２８から供給される空気中の酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。
燃料電池２５のアノード側に供給された水素分子は、水素イオンとなって電解質膜に含まれる水分を伴ってカソード側へ移動する。
カソード側に供給された空気中の酸素分子は、酸素イオンとなって水素イオンと結合して生成水となる。
燃料電池２５で発電された電力により走行モータ２３が駆動され、フォークリフト１０の走行動作が行われるほか、荷役モータ１９が駆動されて荷役装置１２による荷役動作が行われる。
【００２１】
燃料電池ユニット２７は、燃料電池２５のアノード側の水素供給ポート（図示せず）と水素タンク２６を接続する管路２９を備えている。
水素タンク２６の水素は管路２９を通じて燃料電池のアノード側の水素供給ポートへ供給される。
燃料電池ユニット２７は、コンプレッサ２８と加湿器３０とを接続する管路３１と、加湿器３０と燃料電池２５のカソード側の酸素供給ポート（図示せず）と接続する管路３２と、を有する。
コンプレッサ２８は空気を圧縮し、コンプレッサ２８により圧縮された空気は、管路３１を通じて加湿器３０へ導入される。
加湿器３０はコンプレッサ２８から管路３１を通じて導入された空気を加湿する。
加湿器３０において加湿された空気は管路３２を通じて燃料電池２５のカソード側の酸素供給ポートへ供給される。
【００２２】
燃料電池ユニット２７は、燃料電池２５のカソード側のオフガス排出ポート（図示せず）と加湿器３０を接続する管路３３を備えている。
管路３３は、燃料電池２５のカソード側供給ポートに供給された空気の排気（カソードオフガス）と共に生成水を加湿器３０へ供給する管路である。
燃料電池２５のカソード極（図示せず）から排出されたカソードオフガスは、燃料電池２５において生成された生成水と共に管路３３を通じて加湿器３０へ排出される。
加湿器３０へ排出された生成水の一部は加湿器３０にて抽出されて再利用される。
【００２３】
加湿器３０は管路３５を介して気液分離器３４と接続されている。
また、燃料電池２５のアノード側の水素排出ポート（図示せず）は管路３６を介して気液分離器３４と接続され、管路３６には開閉弁（アノードパージバルブ）３７が設けられている。
燃料電池２５のカソード側の生成水や窒素ガスの一部が、逆拡散してアノード側へ移動すると、アノード側において生成水や窒素ガスの濃度が高くなると発電効率が低下する。
管路３６は、アノード側における生成水や窒素ガスの高濃度化を抑制するために設けられた管路である。
管路３６に設けられた開閉弁３７は燃料電池２５が所定時間稼動を継続した時点で開放されるように制御される。
気液分離器３４は、燃料電池のカソード側のオフガス排出ポートから管路３５を介して排出されたカソードオフガスによりアノードパージにより燃料電池２５から管路３６を通じて導入されたアノードオフガス（パージガス）を希釈する。
また、気液分離器３４はアノードオフガス（パージガス）に含まれる水分の一部を分離する。
【００２４】
図２に示すように、燃料電池２５は電力配線を介してパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）３９と接続されている。
パワーコントロールユニット３９は燃料電池２５により発電された電力の電圧調整を行う。
パワーコントロールユニット３９は電力配線を介してキャパシタ４０と接続されており、キャパシタ４０は蓄電装置に相当し、電圧調整後の電力を蓄える機能を有する。
燃料電池２５で発電された電力は、パワーコントロールユニット３９で電圧調整された後、キャパシタ４０に蓄電される。
パワーコントロールユニット３９は電気配線を介して荷役モータ１９および走行モータ２３と接続されている。
さらに、燃料電池システム２４には、燃料電池システム２４のシステム全体を制御する制御装置４１が設けられている。
制御装置４１はタイマー機能を備えるほか、各種のプログラムの実行やデータ処理を行う演算処理部（図示せず）や各種プログラムやデータを記憶する記憶部（図示せず）を有し、燃料電池ユニット２７、パワーコントロールユニット３９等と接続されている。
【００２５】
図３に示すように、本実施形態の気液分離器３４は排気通路としての排気管４３と接続されている。
排気管４３は気液分離器３４において分離された分離後のガスを霧化器４２に案内する。
霧化器４２の内部には、分離後のガスを通す流通路が形成されている。
流通路の排気管４３側には導入通路４４が形成されており、導入通路４４の下流側にはベンチュリ孔４５が形成されている。
【００２６】
ベンチュリ孔４５の流路断面積は導入通路４４の流路断面積よりも小さく設定されている。
ベンチュリ孔４５の下流側には、下流へ向かうほど流路断面積が大きくなるベンチュリ通路４６が形成されている。
ベンチュリ孔４５およびベンチュリ通路４６は排気管４３から導入されたガスの流速を増大させる機能を有している。
ベンチュリ通路４６の下流側は、排気口４９と連通する下流側通路４７が形成されている。
下流側通路４７は、ベンチュリ通路４６において最も大きな流路断面積と同じ流路断面積が設定されている。
ベンチュリ通路４６および下流側通路４７は、霧化器４２における膨張室４８を形成する。
排気口４９は膨張室４８の流路断面積よりも小さく設定されている。
【００２７】
霧化器４２は、気液分離器３４とベンチュリ孔４５を接続する導水路５０を備えている。
導水路５０の気液分離器３４側の端部は、気液分離器３４に貯留される生成水を導水路５０に導入しやすいように、気液分離器３４の底側に接続されている。
導水路５０のベンチュリ孔４５側の端部には、導水路ノズル５１が設けられている。
導水路ノズル５１は、気液分離器３４に貯留された生成水をベンチュリ孔４５において噴射してベンチュリ通路４６において霧化させるための要素である。
【００２８】
本実施形態の霧化器４２では、排気口４９から外部に排出されずに膨張室４８内に残存した生成水が貯留される貯水部５２が備えられている。
貯水部５２は、下流側通路４７の底側の一部を窪ませることにより形成されている。
貯水部５２は一定量の生成水を貯留することができる空間を有する。
【００２９】
本実施形態の霧化器４２では、貯水部５２とベンチュリ孔４５を接続する回収路５３を備えている。
回収路５３の貯水部５２側の端部は、貯水部５２に貯留される生成水を回収路５３に導入しやすいように、貯水部５２の底側に接続されている。
回収路５３のベンチュリ孔４５側の端部には、回収路ノズル５４が設けられている。
回収路ノズル５４は、貯水部５２に貯留された生成水をベンチュリ孔４５において噴射してベンチュリ通路４６において霧化させるための要素である。
【００３０】
本実施形態では、貯水部５２に水蒸発手段としての電気式ヒータ５５が設置されている。
電気式ヒータ５５は、燃料電池２５が無負荷運転されるときに燃料電池２５からの通電により作動される。
電気式ヒータ５５が作動されることにより、貯水部５２に貯留されている生成水は加熱されて蒸発する。
本実施形態の電気式ヒータ５５はサーモスタットを備えており、例えば、貯水部５２の生成水が全て蒸発され、電気式ヒータ５５が一定温度以上となるとサーモスタットが作動して電気式ヒータ５５の過熱を防止する。
【００３１】
ところで、気液分離器３４や貯水部５２に貯留された生成水を霧化器４２により霧化するためには、一定以上のガス流速が必要である。
図４は、ガス流速と生成される霧（ミスト）の粒子径（以下「霧粒子径」と表記する。）との関係を示すグラフであり、本出願人が行った実験結果を示し、ガス流速はノズル付近の流速を表している。
図４によれば、霧化器４２において霧化により生成される霧粒子径は、排気管４３を通じて霧化器４２へ流入するガス流速が大きくなるほど小径となり、ガス流速が小さくなるほど大径となる。
【００３２】
ガス流速は、燃料電池２５の発電負荷に関係し、燃料電池２５の発電負荷が高くなるほどガス流速は大きくなる。
フォークリフト１０では、走行モータ２３や荷役モータ１９が駆動され、フォークリフト１０の走行や荷役動作が行われている状態では燃料電池２５は発電負荷が高く、高負荷運転の状態である。
また、フォークリフト１０が走行のみ行う状態や、荷役動作のみ行う状態であっても、走行負荷や荷役負荷が高い状態では、燃料電池２５は発電負荷が高く、高負荷運転の状態である。
【００３３】
一方、フォークリフト１０が停止してアイドル運転の状態にある場合、燃料電池２５は発電負荷が低く、無負荷運転の状態にある。
なお、本実施形態において、燃料電池２５の無負荷運転とは、フォークリフト１０の走行や荷役動作が行われず、補機類が僅かに電力を消費するものの、燃料電池２５の負荷としては殆ど無負荷である状態をいう。
フォークリフト１０がアイドル運転の状態にあるとき、燃料電池２５は無負荷運転であり、霧化器４２へ流入するガス流速は極めて小さくなり、生成水の霧化に適したガス流速ではない。
【００３４】
本実施形態では、燃料電池２５が無負荷運転を行うとき、燃料電池２５の耐久性を悪化させないように予め出力電圧の閾値（高電位回避基準電圧）を設け、出力電圧が高電位回避基準電圧を超えないように制御を行っている。
燃料電池システム２４が無負荷運転を行うとき、燃料電池２５の出力電圧は上昇するが、燃料電池システム２４における要求電力は減少する。
発電効率の観点からは、アイドル運転中のシステム要求電力の減少に応じて、可能な限り燃料電池２５の出力電圧を上げた方が望ましいが、出力電圧を上げすぎると燃料電池２５が劣化するおそれがある。
このため、燃料電池２５が無負荷運転の状態では、高電位回避のために燃料電池２５の出力電圧を強制的に下げるため、燃料電池２５から余剰電力が生じる。
本実施形態では、燃料電池２５の無負荷運転中は、高電位回避のために燃料電池２５の出力電圧を強制的に下げるため、燃料電池２５から生じた余剰電力により電気式ヒータ５５を作動させ、無負荷運転時に貯水部５２に貯留される生成水を蒸発させる。
【００３５】
本実施形態では、図５に示すフローチャートに示すように、燃料電池２５の無負荷運転時における電気式ヒータ５５による霧化の処理が制御される。
まず、フォークリフト１０がアイドル運転を行うと、燃料電池２５の出力電圧が上昇し、高電位回避基準電圧を越えようとする。
このとき、制御装置４１は、燃料電池２５に対して高電位回避の指令（高電位回避信号）を出して、高電位回避基準電圧を超えないように燃料電池２５を制御する。
燃料電池２５は高電位回避制御により余剰電力が生じる。
【００３６】
制御装置４１が高電位回避の指令（高電位回避信号）を出したとき電気式ヒータ５５が作動（ＯＮ状態）される（ステップＳ１を参照）。
このとき、電気式ヒータ５５には燃料電池２５の余剰電力が通電され、電気式ヒータ５５は貯水部５２に貯留される生成水を加熱して蒸発させる。
本実施形態では、電気式ヒータ５５がＯＮ状態での高電位回避制御は水蒸発高電位回避制御としている。
次に、電気式ヒータ５５が備えるサーモスタットが作動の有無を判断する（図５のステップＳ２を参照）。
サーモスタットが作動されない場合、電気式ヒータ５５はＯＮ状態を維持する（図５のステップＳ５を参照）が、このとき、貯水部５２に生成水が貯留されている状態と推定することができ、水蒸発高電位回避制御が継続される。
サーモスタットが作動する場合、電気式ヒータ５５は作動停止（ＯＦＦ状態）となるが、このとき、貯水部５２に生成水が存在しないことから電気式ヒータ５５の温度が上昇したと推定できる。
【００３７】
サーモスタットの作動により電気式ヒータ５５がＯＦＦ状態でも、燃料電池２５は高電位回避制御を行うことから余剰電力が生じている。
本実施形態では、サーモスタットの作動により電気式ヒータ５５がＯＦＦ状態での、燃料電池２５の高電位回避制御を通常高電位回避制御としている（図５のステップＳ３を参照）。
通常高電位回避制御における余剰電力はキャパシタ４０へ蓄電されたり、あるいは、補機類への通電により消費されたりする。
制御装置４１は、タイマーによって計測される通常高電位回避制御の経過時間が予め設定されている経過時間の閾値を越えているか否かを判断する（図５のステップＳ４を参照）。
通常高電位回避制御の経過時間が予め設定されている経過時間の閾値を越えているときは、電気式ヒータ５５がＯＮ状態となり水蒸発高電位回避制御となる。
通常高電位回避制御の経過時間が予め設定されている経過時間の閾値を越えているときは、貯水部５２に一定量の生成水が貯留されていると推定できる。
通常高電位回避制御の経過時間が予め設定されている経過時間の閾値を越えていないとき、電気式ヒータ５５のＯＦＦ状態が維持され、通常高電位回避制御が継続される（図５のステップＳ６を参照）。
図５に示す一連の制御の手順は、フォークリフト１０がアイドル運転から高負荷運転に切り換わったときに直ちに終了する。
【００３８】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム２４の作用について説明する。
フォークリフト１０が運転されるとき、燃料電池２５では、水素タンク２６から供給される水素とコンプレッサ２８から供給される空気中の酸素との反応により直流の電気エネルギー（直流電力）が発生する。
フォークリフト１０は、燃料電池２５で発電された電力による走行モータ２３の駆動により走行するほか、荷役モータ１９の駆動により荷役装置１２による荷役動作を行う。
燃料電池２５で発電された電力の一部はパワーコントロールユニット３９を通じてキャパシタ４０に蓄電される。
【００３９】
燃料電池２５での発電に伴い、燃料電池２５のアノード側に供給された水素分子は、水素イオンとなって電解質膜に含まれる水分を伴ってカソード側へ移動する。
燃料電池２５のカソード側に供給された空気中の酸素分子は、酸素イオンとなって水素イオンと結合して生成水となる。
燃料電池２５のカソードにて発生した生成水は水蒸気の状態で未反応の空気とともにカソードオフガスとして加湿器３０に排出され、加湿器３０から管路３５を介して気液分離器３４に導入される。
【００４０】
燃料電池２５のカソード側の生成水や窒素ガスの一部が、逆拡散してアノード側へ移動し、アノード側において生成水や窒素ガスの濃度が高くなると発電効率が低下する。
アノード側における生成水や窒素ガスの高濃度化を抑制するため、燃料電池２５が所定時間稼動を継続した時に開閉弁３７が開かれて、アノードに溜まった生成水および窒素が水素ガスとともに管路３６へ排出されるアノードパージが行われる。
管路３６へ排出されるアノードに溜まった生成水、窒素および水素ガスはアノードオフガスである。
【００４１】
気液分離器３４には燃料電池２５で発生したカソードオフガスが管路３５を介して導入され、また、開閉弁３７が開かれているときアノードオフガスが管路３６を介して導入される。
なお、オフガスは、管路３５をカソードオフガスと、管路３６を通るアノードオフガスの両者を併せたものである。
オフガスは気液分離器３４内において、気体（ガス）と液体（生成水）に分離される。
生成水は落下して気液分離器３４内に貯留される。
気液分離器３４内において分離されたガス（水素や空気など）は、排気管４３に接続された霧化器４２に導入される。
【００４２】
霧化器４２における導入通路４４に導入された分離されたガスはベンチュリ孔４５を通過する。
ベンチュリ孔４５の圧力は上流側の導入通路４４の圧力より低いことから、ベンチュリ効果によりベンチュリ孔４５を通過するガスの流速が急激に増大する。
燃料電池２５の発電負荷が高い高負荷運転の状態では、一定以上のガス流速となる。
また、ベンチュリ孔４５の圧力は気液分離器３４内の圧力よりも低いため、気液分離器３４に貯留されている生成水は、ベンチュリ効果によって導水路５０を通り、導水路ノズル５１からベンチュリ孔４５内へ噴射される。
ベンチュリ孔４５内に噴射された生成水は、ガス流速が増大したガスによって霧化され、ベンチュリ通路４６を通過して下流側通路４７へ流入し、霧化された生成水の大部分とガスは膨張室４８と連通する排気口４９から外部に排出される。
特に、ベンチュリ孔４５を通過するガスの流速が一定以上のガス流速に増大されている場合、導水路ノズル５１からベンチュリ孔４５内へ噴射される生成水は、外部への排出に好ましい小さな霧粒子径を以って霧化される。
【００４３】
霧化器４２に導入されたガスのうち、気液分離器３４において分離されなかった水分が生成水として膨張室４８にて回収され、回収された生成水は貯水部５２に貯留される。
ベンチュリ孔４５の圧力は下流側の膨張室４８の圧力よりも低いため、貯水部５２に貯留される生成水は、ベンチュリ効果によって回収路５３を通り、回収路ノズル５４からベンチュリ孔４５内へ噴射される。
ベンチュリ孔４５内に噴射された生成水は、ガス流速が増大したガスによって霧化され、ベンチュリ通路４６を通過して下流側通路４７へ流入し、霧化された生成水の大部分とガスは膨張室４８と連通する排気口４９から外部に排出される。
特に、ベンチュリ孔４５を通過するガスの流速が一定以上のガス流速に増大されている場合、回収路ノズル５４からベンチュリ孔４５内に噴射された生成水は、外部への排出に好ましい小さな霧粒子径を以って霧化される。
【００４４】
ところで、フォークリフト１０がアイドル運転されると、燃料電池２５は無負荷運転となり、高電位回避制御が行われる。
燃料電池２５が無負荷運転の状態では、気液分離器３４内において分離されたガス（水素や空気など）は、排気管４３に接続された霧化器４２に導入されるものの、ベンチュリ孔４５におけるガス流速は著しく小さくなる。
このため、ベンチュリ孔４５を分離されたガスが通過しても微風程度であり、ベンチュリ効果による気液分離器３４に貯留された生成水の霧化は殆ど行われない。
一方、ベンチュリ孔４５におけるガス流速は著しく小さいものの、分離されたガスは膨張室４８に導入されるため、気液分離器３４において分離されなかった水分が生成水として膨張室４８にて回収され、回収された生成水は貯水部５２に貯留される。
ベンチュリ孔４５におけるガス流速は著しく小さいため、ベンチュリ効果による貯水部５２に貯留された生成水の霧化は殆ど行われない。
【００４５】
燃料電池２５の高電位回避制御が開始されると、燃料電池２５は高電位回避基準電圧を超えないように制御される。
高電位回避制御に伴う燃料電池２５からの余剰電力が電気式ヒータ５５に通電される。
つまり、高電位回避制御と電気式ヒータ５５のＯＮ状態による水蒸発高電位回避制御が行われる。
電気式ヒータ５５のＯＮ状態により貯水部５２に貯留された生成水が加熱されて蒸発を始める。
電気式ヒータ５５はサーモスタットが作動するまでＯＮ状態を維持して生成水の蒸発を行う。
蒸発した生成水の大部分は微風程度のガスとともに排気口４９から外部へ排出される。
【００４６】
貯水部５２の生成水が全て蒸発すると電気式ヒータ５５の温度が上昇し、一定の温度を越えたときにサーモスタットが作動して、電気式ヒータ５５はＯＦＦ状態となる。
このとき、フォークリフト１０がアイドル運転を行っていると、高電位回避制御は継続される。
つまり、電気式ヒータ５５のＯＦＦ状態での高電位回避制御である通常高電位回避制御が行われる。
電気式ヒータ５５がＯＦＦ状態では、燃料電池２５の余剰電力はキャパシタ４０へ蓄電されるほか、補機類への通電により消費される。
電気式ヒータ５５がＯＦＦ状態の間は、膨張室４８のガスが排気口４９から排出されるとともに、ガスから気液分離器３４にて分離されなかった水分が生成水として膨張室４８において回収され、回収された生成水は貯水部５２に貯留される。
通常高電位回避制御の経過時間が予め設定した経過時間の閾値を越えると、電気式ヒータ５５が再びＯＮ状態となり、水蒸発高電位回避制御へ復帰する。
なお、フォークリフト１０がアイドル運転から高負荷運転に切り換わると、燃料電池２５に対する高電位回避制御が解除される。
高電位回避制御の解除により、ＯＮ状態の電気式ヒータはＯＦＦ状態となる。
【００４７】
本実施形態に係る燃料電池システム２４は以下の作用効果を奏する。
（１）燃料電池２５が高負荷運転される状態では、霧化器４２において一定以上のガス流速が得られ、霧化器４２により生成水が排気に好適な霧粒子径に霧化され、外部へ排出される。燃料電池２５が無負荷運転される状態では、燃料電池２５の出力電圧を強制的に低下させる高電位回避制御を行い、燃料電池２５の高電位回避制御によって生じる燃料電池２５からの余剰電力により電気式ヒータ５５を作動させる。その結果、貯水部５２の生成水が電気式ヒータ５５により蒸発され、ガス流速が小さくても蒸発した生成水を外部に排出することができる。また、燃料電池２５の高電位回避制御によって生じる燃料電池２５からの余剰電力が電気式ヒータ５５により消費されるため、余剰電力を生成水の処理のために用いることができる。さらに、高電位回避制御時のうち電気式ヒータ５５がＯＮのときには余剰電力をキャパシタ４０に蓄えたり、補機類にて消費させたりする必要がないことから、その分、キャパシタ４０を小型化することができる。また、電気式ヒータ５５は余剰電力により作動するから小型で済む。
【００４８】
（２）燃料電池２５の無負荷運転中に貯水部５２の生成水が電気式ヒータ５５より全て蒸発されると、電気式ヒータ５５の温度が上昇する。電気式ヒータ５５の温度上昇に伴うサーモスタットの作動により電気式ヒータ５５が停止され、電気式ヒータ５５の過熱を防止することができる。また、サーモスタットを用いるため外部動力を必要することがない。
（３）電気式ヒータ５５が停止状態の通常高電位回避制御では、燃料電池２５の無負荷運転による生成水が貯水部５２に貯留し始める。通常高電位回避制御の経過時間が予め設定した経過時間の閾値より大きいとき、燃料電池２５の無負荷運転による生成水が貯水部５２に十分に貯留されていると推定できる。このとき、電気式ヒータ５５を作動させることで貯水部５２の生成水を蒸発させることができる。従って、貯水部５２に貯留される生成水が霧化器４２から外部へ溢れ出すことはない。
（４）燃料電池２５の高電位回避制御のうち、水蒸発高電位回避制御では、排気口４９から蒸発した生成水が排出されるが、霧化器のガス流速は著しく小さく微風程度のガスの流れであり、排気口４９か排出される蒸発した生成水が周囲を濡らすことはない。また、水蒸発高電位回避制御における生成水の蒸発および外部の排出は騒音を生じることなく静粛に行うことができる。
（５）導水路５０および回収路５３を用いた生成水の霧化ができない状態でも、生成水の霧化、蒸発を行うことができるため、燃料電池システム２４における生成水の処理能力を従来よりも向上することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
本実施形態も燃料電池型産業車両としての燃料電池型フォークリフトに適用した例である。
本実施形態では、水蒸発手段として超音波振動器を用いた点で、第１の実施形態と異なる。
第１の実施形態と同じ構成については、第１の実施形態の説明を援用するほか共通の符号を用いる。
【００５０】
図６に示すように、霧化器４２の貯水部５２には、水蒸発手段として超音波振動器５６が設置されている。
超音波振動器５６は、圧電セラミックスからなる超音波振動子（図示せず）を備えており、超音波振動子による超音波振動の発生により、貯水部５２の生成水を霧化して蒸発させる機能を有している。
超音波振動器５６は、制御装置４１の制御を受けて高電位回避制御に伴う燃料電池２５からの余剰電力の通電により作動される。
超音波振動器５６は、先の実施形態の電気式ヒータ５５と異なり、生成水が全て蒸発されても過熱されることはないため、燃料電池２５が高電位回避制御されるときは常に作動される。
そして、超音波振動器５６は、フォークリフト１０が高負荷運転のときには燃料電池２５からの余剰電力の通電を受けず停止する。
【００５１】
本実施形態では、燃料電池２５の高電位回避制御が開始されると、燃料電池２５は高電位回避基準電圧を超えないように制御される。
高電位回避制御に伴う燃料電池２５からの余剰電力が超音波振動器５６に通電される。
超音波振動器５６の作動により貯水部５２に貯留された生成水が超音波振動により霧化されて蒸発を始める。
超音波振動器５６は貯水部５２の生成水の蒸発を行うが、燃料電池２５の無負荷運転中は貯水部５２の生成水の有無に関わらず作動し続ける。
蒸発した生成水の大部分は微風程度のガスとともに膨張室４８と連通する排気口４９から外部へ排出される。
なお、フォークリフト１０がアイドル運転から高負荷運転に切り換わると、燃料電池２５は無負荷運転から高負荷運転となり、燃料電池２５に対する高電位回避制御が解除され、超音波振動器５６は制御装置４１の制御を受けて作動停止する。
【００５２】
本実施形態は、第１の実施形態の作用効果（１）、（４）、（５）と同等の作用効果を奏する。
さらに言うと、超音波振動器５６より燃料電池２５の無負荷運転中に生じた生成水を蒸発することができるほか、超音波振動器５６は過熱することがないため、生成水の有無に関わらず高電位回避制御における作動を継続することができる。
その結果、超音波振動器５６の制御は、電気式ヒータ５５と比較して簡単な制御で済む。
【００５３】
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、例えば、次のように変更してもよい。
【００５４】
○  上記の実施形態では、産業車両の一つであるフォークリフトを例示して説明したが、本発明はフォークリフト等の産業車両に限らず、建設車両や自動車等の一般車両に適用してもよい。
○  上記の実施形態では、水蒸発手段として電気式ヒータ又は超音波振動器を用いたが、水蒸発手段は電気式ヒータや超音波振動器に限定されない。水蒸発手段は、高電位回避制御時の燃料電池の余剰電力により作動され、霧化器の貯水部に貯留される生成水を蒸発させることができる機構を備えた機器であれば、特に限定されない。
○  上記の実施形態では、貯水部とベンチュリ孔を接続する回収路と、回収路ノズルを設けるようにしたが、回収路および回収路ノズルは必ずしも設ける必要はない。また、回収路や気液分離器とベンチュリ孔とを接続する導水路に開閉弁を設け、回収路および導水路を通じた生成水の霧化を開閉弁の開閉により制御してもよい。
○  上記の実施形態では、蓄電装置としてキャパシタを用いたが、蓄電装置はキャパシタ以外の二次電池を用いてもよく、二次電池としては、例えば、リチウムイオンバッテリを用いてもよい。
○  第１の実施形態では、電気式ヒータの過熱防止のためにサーモスタットを用いたが、サーモスタットに代えて貯水部の水位を計測する水位センサを設置してもよい。この場合、水位センサの計測に基づき電気式ヒータのオン状態・オフ状態とすることができ、タイマーによる計測も不要となる。また、第２の実施形態においても水位センサを設置し、水位センサの計測に基づき超音波振動器の作動・停止を行うようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５５】
１０  フォークリフト
１２  荷役装置
１９  荷役モータ
２３  走行モータ
２４  燃料電池システム
２５  燃料電池
２６  水素タンク
２７  燃料電池ユニット
２９、３１、３２、３３、３５、３６  管路
３４  気液分離器
４０  キャパシタ
４１  制御装置
４２  霧化器
４３  排気管
４４  導入通路
４５  ベンチュリ孔
４６  ベンチュリ通路
４７  下流側通路
４８  膨張室
４９  排気口
５０  導水路
５１  導水路ノズル
５２  貯水部
５３  回収路
５４  回収路ノズル
５５  電気式ヒータ
５６  超音波振動器
【図１】
2014107247.tif 000003
【図２】
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【図３】
2014107247.tif 000005
【図４】
2014107247.tif 000006
【図５】
2014107247.tif 000007
【図６】
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