(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素及び酸素を反応させて発電する発電部と、該発電部に水素を供給する燃料部と、前記水素の供給のための開閉弁と、前記発電部から排気されるガスを前記発電部へ戻して循環させる水素循環路と、前記水素循環路に設けられ、前記ガスから水を分離する気液分離器と、該気液分離器から水を排出する排水弁と、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池において、
前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の圧力を検出する圧力検出器と、
該圧力検出器から取得した圧力が所定量変化するときの時間を計測する計測部と
を備え、
前記制御部は、
前記計測部が計測した時間に基づいて、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理を行う
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記計測部は、
１回目の排水処理において、前記圧力検出器により検出した第１圧力が第２圧力に低下するまでの時間を計測し、
前記制御部は、
前記第１圧力、前記第２圧力、及び前記時間に基づいて、排水処理を行う回数を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記制御部は、前記第１圧力、前記第２圧力、前記時間、前記水素循環路の内容積、及び１回目の排水処理を行う前の前記気液分離器内の気体の体積に基づいて、１回目からｎ回目まで排水処理を行った場合の排水時間の累積量を算出し、
前記累積量＞（前記気液分離器内の水の体積）／（単位時間の排水量）を満たすｎを算出し、
ｎを排水処理の回数に設定する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記排水弁と前記気液分離器とを接続する排水管を備え、
前記制御部は、
前記排水管の内容積も含めて、前記排水処理の回数を算出する
ことを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
開閉弁を開いて燃料部から発電部へ水素を供給し、該発電部から排気されるガスを水素循環路により前記発電部へ戻して循環させ、前記水素循環路に設けられた気液分離器により前記ガスから水を分離して排水弁により排水処理を行う燃料電池の制御方法において、
１回目の排水処理において、前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の第１圧力が第２圧力に低下するまでの時間を取得し、
前記第１圧力、前記第２圧力、及び前記時間に基づいて、排水処理の回数を算出し、
算出した回数分、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理を行う
ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
【請求項６】
発電部から排気されるガスを戻して循環させる水素循環路、及び前記ガスから水を分離して排水する気液分離器を備える燃料電池を制御するコンピュータに、
１回目の排水処理において、前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の第１圧力が第２圧力に低下するまでの時間を取得し、
前記第１圧力、前記第２圧力、及び前記時間に基づいて、排水処理の回数を算出し、
算出した回数に応じて、水素供給のための開閉弁に対する開閉信号、及び排水弁に対する開閉信号を出力する
処理を実行させることを特徴とするコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部と、発電部から排出される水を外部へ排出する排水弁と、排水弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータに排水処理を実行させるためのコンピュータプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
負極に水素を送って起電力を得る電池として、燃料電池、ニッケル・水素電池等が挙げられる。
燃料電池は発電効率が高く、クリーンな発電装置であり、負荷の大小に影響されず、コジェネレーションシステムを構築できるため、パーソナルコンピュータ，携帯電話機等のデジタル家電製品、電気自動車、鉄道、携帯電話の基地局、発電所等の種々の用途が検討されている。
【０００３】
燃料電池は、スタックと、複数の水素ボンベと、水素循環路と、水素供給路とを有する。
スタックは、固体高分子電解質膜を負極と正極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
【０００４】
水素供給路の一端部はレギュレータ及び開閉弁を介し水素ボンベに接続されている。水素は、水素ボンベから水素供給路を通流されて、水素循環路のスタックの負極寄りの部分を経て、スタック内の負極側部分へ送出され、該部分内の通流路を通流される。該通流路内を通流し、スタックから排出された未反応水素を含む排気ガス（オフガス）は、水素循環路を通流して、スタックに戻される。
スタックに水素が供給され、負極に水素を含む燃料ガスが接触し、正極に空気等の酸素を含む酸化ガスが接触することにより両電極で電気化学反応が生じて、起電力が発生する。反応時に正極側で水が生成され、この水は水蒸気として負極側に電解質膜を介して逆拡散する。水蒸気、又は温度により結露した水はオフガスに含まれる。
【０００５】
上述したようにオフガス中に水分が含まれているので、水素循環路に気液分離器を設けてガスと水とを分離しており、ガスはスタックへ戻し、貯留した水は適時、排出するようにしている。
【０００６】
燃料電池の発電が停止した場合、気液分離器には水が溜まっているが、氷点下の環境においては水が凍結する。このため、次回の発電時に排水することができなくなる。これにより、燃料電池が、水が溢れて水素循環路を塞ぐフラッディング状態となり、機能が低下する。
従って、燃料電池の発電停止時に、気液分離器内に水が残存することを防止して、凍結を防止する必要がある。
【０００７】
特許文献１には、発電により生成された水を、水素循環路の下方に設けた貯留部に導いて貯留し、貯留部の水位を水位センサにより検出し、該水位が予め設定した上限水位を超えたとき、貯留部の生成水を下部から排出するように構成された燃料電池の発明が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−３１３４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に係る燃料電池のように水位センサにより水位を監視して排水する場合、水位が水位センサにより検出される位置にあるときには、排水することができるが、水位が水位センサにより検出されない位置にある場合、気液分離器内に貯留された全部の水を排出することはできない。気液分離器内に水が残留していた場合、上述したように氷点下の環境で凍結することになる。
【００１０】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、発電停止時に気液分離器内の水の残留を抑制して凍結を防止し、次回の発電時に排水を良好に行うことができ、燃料電池の機能低下が防止されている燃料電池、燃料電池の制御方法、及びコンピュータプログラ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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部と、該発電部に水素を供給する燃料部と、前記水素の供給のための開閉弁と、前記発電部から排気されるガスを前記発電部へ戻して循環させる水素循環路と、前記水素循環路に設けられ、前記ガスから水を分離する気液分離器と、該気液分離器から水を排出する排水弁と、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池において、前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器から取得した圧力が所定量変化するときの時間を計測する計測部とを備え、前記制御部は、前記計測部が計測した時間に基づいて、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理を行うことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る燃料電池の制御方法は、開閉弁を開いて燃料部から発電部へ水素を供給し、該発電部から排気されるガスを水素循環路により前記発電部へ戻して循環させ、前記水素循環路に設けられた気液分離器により前記ガスから水を分離して排水弁により排水処理を行う燃料電池の制御方法において、１回目の排水処理において、前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の第１圧力が第２圧力に低下するまでの時間を取得し、前記第１圧力、前記第２圧力、及び前記時間に基づいて、排水処理の回数を算出し、算出した回数分、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理を行うことを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るコンピュータプログラムは、発電部から排気されるガスを戻して循環させる水素循環路、及び前記ガスから水を分離して排水する気液分離器を備える燃料電池を制御するコンピュータに、１回目の排水処理において、前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の第１圧力が第２圧力に低下するまでの時間を取得し、前記第１圧力、前記第２圧力、及び前記時間に基づいて、排水処理の回数を算出し、算出した回数に応じて、水素供給のための開閉弁に対する開閉信号、及び排水弁に対する開閉信号を出力する処理を実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、開閉弁を開き、排水弁を閉じている状態から、開閉弁を閉じ、排水弁を開いて水素循環路を開放したときの圧力差に基づく水素循環路内の気体の増加により、気液分離器内に貯留された水を押し出して排水する場合に、水素循環路内及び気液分離器内の気体の圧力が所定量変化するときの時間を計測することで、次回の排水の時間を推定し、気液分離器内の水の残留を抑制するように排水を良好に行い、凍結を防止することができる。従って、次回の発電時に排水を良好に行うことができ、燃料電池の機能低下が防止される。
そして、前記排水処理では、開閉弁を閉じた状態で排水を行うので、万一、排水弁が故障した場合においても、規定量以上の水素の漏出が防止される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態に係る燃料電池を示すブロック図である。
【図２】ＣＰＵによる排水処理の手順を示すメインルーチンのフローチャートである。
【図３】１回目の排水処理の手順を示すサブルーチンのフローチャートである。
【図４】２回目以降の排水処理の手順を示すサブルーチンのフローチャートである。
【図５】気液分離器の模式的断面図である。
【図６】計算例１の排水処理を視覚化して説明するための模式図である。
【図７】計算例２の排水処理を視覚化して説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、実施の形態に係る燃料電池３００を示すブロック図である。
燃料電池３００は、電池本体１００と水素供給部２００とを備える。電池本体１００は例えば固体高分子形燃料電池（polymer electrolyte fuel cell）等の電池本体である。
電池本体１００は、スタック１、空気流路３、エアポンプ３０、スタック冷却路４、冷却ポンプ４０、第１熱交換器４１、第２熱交換器４２、ラジエータ通流路５、放熱ポンプ５０、ラジエータ５１、ファン５２、ボンベ加熱路６、加熱ポンプ６０、水素通流路７、第１圧力センサ７８、開閉弁７９，８０、水素循環ポンプ８２、気液分離器８３、排水弁８４，８５、排気弁８６，８７、第２圧力センサ８８、及び制御部９を備える。第２熱交換器４２はヒータ（不図示）を備える。
【００１７】
水素供給部２００は、複数のＭＨ（Metal Hydride）ボンベ２０と、開閉弁２１と、レギュレータ２２とを備える。ＭＨボンベ２０は水素吸蔵合金を充填してなる。開閉弁２１には全てのＭＨボンベ２０が接続されており、開閉弁２１はレギュレータ２２に接続されている。レギュレータ２２により水素の供給圧力が調整される。ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金が水素を放出する際の反応は吸熱反応である。
【００１８】
スタック１は、固体高分子電解質膜を負極と正極とで両側から挟んで膜電極接合体を形成し、この膜電極接合体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位セルを構成し、この単位セルを複数積層してパッケージ化したものである。
負極に、水素供給部２００から流入した水素を含む燃料ガスが接触し、正極に空気等の酸素を含む酸化ガスが空気流路３から流入して接触することにより両電極で電気化学反応が生じて起電力が発生し、水が生じる。
【００１９】
水素通流路７は、水素供給路７１、水素導入路７２、水素回路７３、第１排水路７４、及び第１排気路７５からなる。水素導入路７２、水素回路７３、及び第１排気路７５により水素循環路が構成される。水素供給路７１は、一端部がレギュレータ２２に接続され、他端部に開閉弁７９，８０が直列に接続されている。水素導入路７２は、一端部が開閉弁８０に接続され、他端部はスタック１の負極寄りの部分に接続されている。水素導入路７２には、第１圧力センサ７８と、逆止弁８１とが設けられている。
【００２０】
水素回路７３には水素循環ポンプ８２及び気液分離器８３が設けられている。開閉弁２１，７９，８０を開いたとき、水素は水素供給路７１及び水素導入路７２を通流し、水素循環ポンプ８２により、水素回路７３を通流して、スタック１の負極側部分へ送出され、該部分内の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流し、スタック１から排出された、水素、不純物（当初から水素に含有された不純物と反応により生じた不純物とを含む）及び水分は水素回路７３を通流し、気液分離器８３へ送られる。
気液分離器８３において、水素及び不純物を含むガスと水とに分離される。
【００２１】
第１排水路７４は気液分離器８３の下側に接続されており、第１排水路７４には電磁弁である排水弁８４，８５が直列に設けられている。排水弁８５には第２排水路７６が接続されている。
【００２２】
第１排気路７５は、気液分離器８３の上側で水素回路７３から分岐して延びるように設けられており、第１排気路７５には前記ガスを排出するための排気弁８６，８７が直列に設けられている。前記ガスは、所定のタイミングで排気弁８６，８７に通電して開放することにより第２排気路７７を通流し、外部へ排出される。
【００２３】
気液分離器８３において、分離された前記ガスは排気弁８６，８７を閉じているとき、気液分離器８３から水素回路７３を通流して水素循環ポンプ８２へ送られ、スタック１へ戻される。
【００２４】
気液分離器８３で分離された水は貯留され、後述する排水処理により排水弁８４，８５に通電して開放することで第１排水路７４及び第２排水路７６を通流され、外部へ排出される。
気液分離器８３の下方には、前記第２圧力センサ８８が設けられている。
【００２５】
排水弁８４，８５及び排気弁８６，８７、並びに第１排水路７４及び第１排気路７５は断熱材により覆うことにしてもよい。
【００２６】
空気流路３にはエアポンプ３０が設けられている。そして、空気流路３のスタック１への流入側部分には開閉弁３１が、スタック１からの流出側部分には開閉弁３２が設けられている。開閉弁３１、開閉弁３２を開いたとき、エアポンプ３０から送出された空気は空気流路３を通流してスタック１の正極側部分へ導入され、該部分の通流路を通流されるように構成されている。該通流路内を通流した空気は、スタック１から排出され、開閉弁３２を通って外部へ排出される。
【００２７】
スタック冷却路４には、冷却ポンプ４０、イオン交換樹脂４３、及び導電率計４４が設けられている。冷却ポンプ４０から送出され、スタック冷却路４を通流する冷却水はイオン交換樹脂４３内を通流し、導電率計４４により導電率を測定された後、スタック１へ導入され、スタック１内の通流路を通流した後、排出されて、第１熱交換器４１及び第２熱交換器４２を通流し、冷却ポンプ４０へ戻るように構成されている。
【００２８】
ラジエータ通流路５には、放熱ポンプ５０が設けられている。放熱ポンプ５０から送出された、例えば不凍液等の放熱液は、ラジエータ５１を通流し、さらに第１熱交換器４１を通流した後、放熱ポンプ５０へ戻るように構成されている。ラジエータ５１に近接してファン５２が設けられている。
【００２９】
ボンベ加熱路６には、加熱ポンプ６０が設けられている。加熱ポンプ６０から送出された加熱液は、水素供給部２００内の通流路を通流して各ＭＨボンベ２０を加熱した後、水素供給部２００から排出され、第２熱交換器４２を通流して、加熱ポンプ６０へ戻るように構成されている。加熱により、ＭＨボンベ２０内の水素吸蔵合金から水素が放出される。加熱液として不凍液が挙げられる。
【００３０】
スタック冷却路４、ラジエータ通流路５、ボンベ加熱路６、第１熱交換器４１、及び第２熱交換器４２は断熱材により覆われている。該断熱材により覆われた部分は、図１において太線で表している。該断熱材により、外部との熱移動を制限でき、熱量を制御しやすい。
【００３１】
制御部９は、制御部９の各構成部の動作を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）９０を備え、ＣＰＵ９０には、バスを介して、ＲＯＭ９１、ＲＡＭ９２、及びタイマ９３が接続されている。
【００３２】
ＲＯＭ９１は、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ROM）等の不揮発性メモリであり、燃料電池３００の運転プログラム９１ａと、本実施の形態に係る排水制御プログラム９１ｂを記憶している。
また、排水制御プログラム９１ｂは、コンピュータ読み取り可能に記録された可搬式メディアであるＣＤ（Compact Disc）−ＲＯＭ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）−ＲＯＭ、ＢＤ（Blu-ray (登録商標)Disc）、ハードディスクドライブ又はソリッドステートドライブ等の記録媒体に記録されており、ＣＰＵ９１が記録媒体から、排水制御プログラム９１ｂを読み出し、ＲＯＭ９１に記憶させてもよい。
さらに、通信網に接続されている図示しない外部コンピュータから本発明に係る排水制御プログラム９１ｂを取得し、ＲＯＭ９１に記憶させることにしてもよい。
【００３３】
ＲＡＭ９２は、ＤＲＡＭ（Dynamic RAM)、SRAM(Static RAM）等のメモリであり、ＣＰＵ９１の演算処理を実行する際にＲＯＭ９０から読み出された運転プログラム９１ａ、排水制御プログラム９１ｂ、及びＣＰＵ９０の演算処理によって生ずる各種データを一時記憶する。
制御部９は電池本体１００の各構成部、及び水素供給部２００の開閉弁２１に接続されており、制御部９は各構成部及び開閉弁２１の動作を制御する。また、制御部９には、前記第１圧力センサ７８、第２圧力センサ８８が接続されている。なお、図１において、制御部９と各構成部との接続は、本実施の形態の説明において必要な部分のみ示している。
【００３４】
スタック１で生じる反応は発熱反応であり、スタック１はスタック冷却路４内を通流する冷却水により冷却される。スタック１から排出された冷却水の熱は、第１熱交換器４１において放熱液に伝導され、放熱液はラジエータ５１において熱を放出し、熱はファン５２により電池本体１００の外部へ放出される。ラジエータ５１において冷却された放熱液は第１熱交換器４１へ送られる。
【００３５】
スタック冷却路４において、第１熱交換器４１を通流し、第２熱交換器４２へ導入された冷却水の熱は、第２熱交換器４２において加熱液へ伝導され、加熱液は水素供給部２００の各ＭＨボンベ２０を加熱し、水素吸蔵合金から水素を放出させる。
第２熱交換器４２で冷却された冷却水は冷却ポンプ４０へ戻り、スタック１へ送られる。
そして、発電を行っていない場合、スタック冷却路４の冷却水の温度は環境温度となるが、第２熱交換器４２の前記ヒータにより加熱液を加温することにより、ＭＨボンベ２０を所定温度に保持することができる。
なお、ボンベ加熱路６を有さずに、スタック１で生じた熱を有する空気を水素供給部２００へ送風して、ＭＨボンベ２０を加温することにしてもよい。また、ＭＨボンベ２０にヒータを設けておき、ＭＨボンベ２０を直接ヒータで加温することにしてもよい。
【００３６】
本実施の形態においては、制御部９のＣＰＵ９０は発電の終了後、ＲＯＭ９１から排水制御プログラム９１ｂを読み出して、気液分離器８３の排水処理を実行する。
以下、この排水処理について説明する。
【００３７】
図２は、ＣＰＵ９０による排水処理の手順を示すメインルーチンのフローチャートである。
初期条件は電池本体１００において発電を行っている場合であり、開閉弁２１，７９，８０が通電オン（開）であり、排水弁８４，８５が通電オフ（閉）の状態である。
この状態からＣＰＵ９０は発電を停止し、排水処理を開始する。
【００３８】
まず、ＣＰＵ９０は、排水処理の回数ｊを「１」にセットする（Ｓ１）。
ＣＰＵ９０は、１回目の排水処理を行い、排水時間ｔ1 を計測する（Ｓ２）。
【００３９】
以下、ステップＳ２における１回目の排水処理の手順を、図３に示すサブルーチンのフローチャートにより説明する。
ＣＰＵ９０は開閉弁２１，７９，８０に対し、順に閉信号を出力してオフする（Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３）。
ＣＰＵ９０は、第１圧力センサ７８からＰＨを取得し（Ｓ１４）、ＲＡＭ９２に記憶させる。次に、ＣＰＵ９０は、第２圧力センサ８８からＰ０を取得し（Ｓ１５）、ＲＡＭ９２に記憶させる。ここで、ＰＨは水素循環路内及び気液分離器８３内の気体の圧力であり、Ｐ０は外気圧である。
【００４０】
ＣＰＵ９０は、排水弁８４，８５に対し、順に開信号を出力してオンし（Ｓ１６，Ｓ１７）、排水を開始する。次に、ＣＰＵ９０は、タイマ９３により排水時間ｔ1 の計測を開始する（Ｓ１８）。
【００４１】
ＰＨは、排水が進むにつれて徐々に低下する。ＣＰＵ９０は、第１圧力センサ７８から取得するＰＨがＰ０より大きいか否かを判定する（Ｓ１９）。ＣＰＵ９０はＰＨがＰ０より大きいと判定した場合（Ｓ１９：ＹＥＳ）、上述の判定を繰り返す。
ＣＰＵ９０はＰＨがＰ０より大きくないと判定した場合（Ｓ１９：ＮＯ）、即ち、ＰＨがＰ０と同じ圧力になると、排水できなくなるので、排水は終了し、ステップＳ２０に移行する。ＣＰＵ９０は、タイマ９３による排水時間ｔ1の計測を終了して（Ｓ２０）、計測した排水時間ｔ1 をＲＡＭ９２に記憶させる（Ｓ２１）。これにて、１回目の排水処理を終了し、図２に示すメインルーチンに戻る。
【００４２】
ＣＰＵ９０は、ステップＳ２において１回目の排水処理を行った後、ステップＳ１４，Ｓ１５で取得しＲＡＭ９２に記憶させたＰＨ，Ｐ０、及び排水時間ｔ1 に基づいて、排水処理の設定回数ｎを算出し、設定回数ｎをＲＡＭ９２に記憶させる（Ｓ３）。設定回数ｎの算出方法は後述する。
【００４３】
ＣＰＵ９０は、排水の回数ｊが設定回数ｎであるか否かを判定する（Ｓ４）。
ＣＰＵ９０は、排水の回数ｊが設定回数ｎでないと判定した場合（Ｓ４：ＮＯ）、２回目以降の排水処理を行う（Ｓ５）。
【００４４】
以下、ステップＳ５における２回目以降の排水処理の手順を、図４に示すサブルーチンのフローチャートにより説明する。
ＣＰＵ９０は、排水弁８５，８４に対し、順に閉信号を出力してオフする（Ｓ３１，Ｓ３２）。次に、ＣＰＵ９０は、開閉弁８０，７９，２１に対し、順に開信号を出力してオンする（Ｓ３３，Ｓ３４，Ｓ３５）。これにより、水素供給部２００から水素循環路内に水素が供給され、水素循環路内及び気液分離器８３内の気体の圧力が上昇し、ステップＳ１４で取得した圧力値と同じＰＨまで上昇する。ここで、水素循環路内及び気液分離器８３内の気体の圧力がＰ０からＰＨまで上昇するのに要する時間Ｔ0は、水素供給部２００から供給される水素の流量に基づいて予め算出されて設定されているとする。ＣＰＵ９０は、時間Ｔ0 が経過したか否かを判定する（Ｓ３６）。ＣＰＵ９０は、時間Ｔ0 が経過していないと判定した場合（Ｓ３６：ＮＯ）、上述の判定を繰り返す。
また、ＣＰＵ９０は、第１圧力センサ７８により、気体の圧力がステップＳ１４で取得しＲＡＭ９２に記憶させたＰＨの値まで上昇したか否かを確認してもよい。
【００４５】
ＣＰＵ９０は、時間Ｔ0 が経過したと判定した場合（Ｓ３６：ＹＥＳ）、開閉弁２１，７９，８０に対し、順に閉信号を出力してオフする（Ｓ３７，Ｓ３８，Ｓ３９）。
ＣＰＵ９０は排水弁８４，８５に対し、順に開信号を出力してオンし（Ｓ４０，Ｓ４１）、排水処理を開始する。
ＰＨは、排水が進むにつれて徐々に低下する。ＣＰＵ９０は、第１圧力センサ７８から取得するＰＨがＰ０より大きいか否かを判定する（Ｓ４２）。ＣＰＵ９０はＰＨがＰ０より大きいと判定した場合（Ｓ４２：ＹＥＳ）、上述の判定を繰り返す。
ＣＰＵ９０はＰＨがＰ０より大きくないと判定した場合（Ｓ４２：ＮＯ）、即ち、ＰＨがＰ０と同じ圧力になると、排水できなくなるので、排水は終了する。これにて、２回目の排水処理を終了し、図２に示すメインルーチンに戻る。
ここで、ステップＳ４２として、詳しくは後述するが、ｊ回目の排水処理の時間が経過したか否かを判定することにしてもよい。
【００４６】
ＣＰＵ９０は、ステップＳ５において２回目の排水処理を行った後、ステップＳ６において、排水の回数ｊを「１」インクリメントした後、処理をステップＳ４へ戻す。
ＣＰＵ９０は、ステップＳ４において、排水の回数ｊが設定回数ｎでないと判定した場合（Ｓ４：ＮＯ）、再びステップＳ５に移行して、上述したように、ステップＳ３１〜Ｓ４２の排水処理を行う。ＣＰＵ９０は、ステップＳ４において、排水の回数ｊが設定回数ｎであると判定した場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、排水弁８５，８４に対し、順に閉信号を出力してオフし（Ｓ７，Ｓ８）、排水処理のメインルーチンを終了する。このように、ＣＰＵ９０は、排水の回数ｊが設定回数ｎになるまで、ステップＳ３１〜Ｓ４２の排水処理を繰り返し実行する。
【００４７】
以下、設定回数ｎの算出方法について説明する。
図５は、気液分離器８３の模式的断面図である。気液分離器８３の上部の所定の位置に液面センサ８９が設けられている。液面センサ８９は、気液分離器８３内の水の水位を検出する。液面センサ８９は、詳しく図示しないが、制御部９に接続されている。
図５Ａに示すように、気液分離器８３の全体内容積をＶＤ、上面から液面センサ８３までの部分の気液分離器８３の内容積をＶＤ１、液面センサ８９から底面までの気液分離器８３の内容積をＶＤ２とし（即ち、ＶＤ＝ＶＤ１＋ＶＤ２）、水は液面センサ８９まで満たされているとする。
【００４８】
水素循環路の内容積をＶＨとする。水素循環路の内容積ＶＨと気液分離器８３内の内容積ＶＤ１との和が、気体の体積であり、この気体の圧力がＰＨである。ＰＨからＰ０への圧力変化による体積の増加分（即ち、１回目の排水処理による排水量）をＶＡとすると、
ボイルの法則より、
ＰＨ×（ＶＨ＋ＶＤ１）＝Ｐ０×（ＶＨ＋ＶＤ１＋ＶＡ）
上式を変形すると、１回目の排出量ＶＡは以下の式により求められる。
ＶＡ＝｛（ＰＨ−Ｐ０）／Ｐ０｝×（ＶＨ＋ＶＤ１）
ここで、Ｐ０を１気圧、ＰＨをｋ気圧とすると、（ＰＨ−Ｐ０）／Ｐ０＝ｋ−１となり、（ｋ−１）を一定とすることにより、単位時間当たりの排水量ＶＡｔも一定になる。
ＶＨ＋ＶＤ１＝ｖとすると、
ＶＡ＝ｖ×（ｋ−１）
となる。
【００４９】
１回目の排水に要した時間をｔ1 とすると、１、２、３、…ｎ回排水処理後の気液分離器８３内の気体体積増加分、及び排水に要した時間は、下記の表１のようになる。
即ち、ｎ回目の排水処理時の気体体積増加分は、下記式（１）で表される。
ｖ×（ｋ−１）×ｋn-1 …（１）
ｎ回目の排水処理に要した時間は、下記式（２）で表される。
ｔn ＝ｔ1 ×ｋn-1 …（２）
なお、上述のステップＳ４２において、ｊ回目の排水処理の時間が経過したか否かを判定する場合、ｊ回目の排水処理の時間は、下記式（２）′により求められる。
ｔj  ＝ｔ1 ×ｋj-1  …（２）′
【００５０】
【表１】
0006565758.tif 000002
【００５１】
気液分離器８３内の水を全部排水するのに要した１回目からｎ回目までの排水の累積時間は、下記式（３）で表される。
ｔ1 ＋ｔ2 ＋ｔ3 ＋…＋ｔn 
＝ｔ1 ＋（ｔ1 ×ｋ）＋（ｔ1 ×ｋ2 ）＋（ｔ1 ×ｋ3 ）＋…＋（ｔ1 ×ｋn-1 ）
＝ｔ1 （１＋ｋ＋ｋ2 ＋ｋ3 ＋…＋ｋn-1 ）…（３）
気液分離器８３内の水の体積は、ＶＤ２＝ＶＤ−ＶＤ１であるので、これを全部排水するのに要する時間Ｔは、下記式（４）で表される。
Ｔ＝ＶＤ２／ＶＡｔ…（４）
従って、
（ｔ1 ＋ｔ2 ＋ｔ3 ＋…＋ｔn）＞Ｔ…（５）
を満たす場合、気液分離器８３内の水が全部排水されることになる。
ここで、式（３）を用いて式（５）を表すと、
ｔ1 （１＋ｋ＋ｋ2 ＋ｋ3 ＋…＋ｋn-1 ）＞Ｔ…（６）
上記式（６）を満たす最小の整数ｎを排水処理の設定回数にする。
即ち、１回目の排水に要した時間ｔ1 を用いて、排水回数ｎを算出することができる。
【００５２】
上記式（６）について、以下、具体的な数値を用いた計算例について説明する。ここで、説明を簡単にするためにｖ＝ＶＤ１として説明する。なお、以下の計算例における各数値は、設定回数ｎの算出方法を説明するために適宜用いた数値であって、これに限定されるものではない。
［計算例１］
具体的に、以下の数値を代入して設定回数ｎを求める。
１回目の排水時間：ｔ1 ＝１
ＰＨ＝ｋ＝２
気液分離器８３内の全容積：ＶＤ＝１１
気液分離器８３内の初めの気体容積：ＶＤ１＝１
気液分離器８３内の初めの水の体積：ＶＤ２＝１０
単位時間あたりの排水量：ＶＡｔ＝１
【００５３】
気液分離器８３内の水を全部排出するのに要する時間Ｔは、上記式（４）より１０／１＝１０である。
上記数値を代入すると、式（６）は、
（１＋２＋２2 ＋…＋２n-1 ＞１０
これより、
（１＋２＋２2 ＋２3 ）＝１５＞１０
以上より、式（６）を満たす最小の整数ｎは４となる。
この場合、排水処理を４回行えば、気液分離器８３内の水が全部排出されることになる。
【００５４】
図６は、計算例１の排水処理を視覚化して説明するための模式図である。
図６の最も左側の図は気液分離器８３の初期状態を示す模式図であり、気液分離器８３の上面から液面センサ８９（不図示）までの気体の体積ＶＤ１が１であり、気液分離器８３の底面から液面センサ８９までの水の体積ＶＤ２が１０である。
１回目の排水処理において、排出した水量は上記式（１）より、１×（２−１）＝１である。
排水時間は、上述のようにｔ1 ＝１である。
同様に、２回目〜４回目の排水処理時に排出した水量、排水時間を算出すると、図６のようになる。各回の排水処理後の気体の体積と水の体積との割合を模式図に示してある。
図６より、３回目の排水処理終了後の残存の水量が「３」であったところ、４回目で、水が「８」分、排出されるように排水処理を行うので、気液分離器８３内の水が完全に排出されることが分かる。
【００５５】
［計算例２］
次に、上記ｋの値を変更した場合の計算例２について説明する。
ｋ＝１．５とする。
気液分離器内の全容積：ＶＤ＝１１
気液分離器内の初めの気体容積：ＶＤ１＝１は、［計算例１］と同じであるとする。
しかし、ｋ＝１．５により、１回目の排水後の気体容積増加分と、単位時間あたりの排水量Ｖａｔが変わる。
１回目の排水後の気体増加分（＝排水量）は、上記式（１）より、１×（１．５−１）＝０．５である。
単位時間あたりの排水量ＶＡｔは、ｋの比率からＶＡｔ＝１×１．５/２＝０．７５となる。
これより、１回目の排水に要した時間ｔ1 は、ｔ1 ＝０．５／０．７５となる。
【００５６】
従って、式（６）は、
（０．５／０．７５）×（１＋１．５＋１．５2 ＋…＋１．５n-1 ）＞（１０／０．７５）
この式を変形すると、
（１＋１．５＋１．５2 ＋…＋１．５n-1 ）＞２０
（１＋１．５＋１．５2 ＋１．５3 ＋１．５4 ＋１．５5 ）≒２０．８＞２０
以上より、式（６）を満たす最小の整数ｎは６となる。
この場合、排水処理を６回行えば、気液分離器８３内の水が全部排水されることになる。
【００５７】
図７は、計算例２の排水処理を視覚化して説明するための模式図である。
図７の最も左側の図は気液分離器８３の初期状態を示す模式図であり、気液分離器８３の上面から液面センサ８９（不図示）までの気体の体積ＶＤ１が１であり、気液分離器８３の底面から液面センサ８９までの水の体積ＶＤ２が１０である。
１回目の排水処理において、排出した水量は上述したように０．５である。
排水時間ｔ1 は、上述したように０．５／０．７５＝０．６７である。
同様に、２回目〜６回目の排水処理時の排出した水量、排水時間を算出すると、図７のようになる。各回の排水処理後の気体の体積と水の体積との割合を、模式図に示してある。
図７より、５回目の排水処理終了後の残存の水量が「３．４１」であったところ、６回目で、水が「３．８０」分排出されるように排水処理を行うので、気液分離器８３内の水が完全に排出されることが分かる。
【００５８】
以上のように、本実施の形態においては、１回目の排水処理で水素循環路及び気液分離器８３内の気体の圧力がＰＨからＰ０まで変化するときの時間ｔ1 を計測し、気液分離器８３内の水が完全に排出されるまでの時間Ｔに基づいて設定回数ｎを算出するので、気液分離器８３内の水の残留が良好に抑制され、凍結を防止することができる。
従って、次回の発電時に排水を良好に行うことができ、燃料電池の機能低下が防止される。そして、開閉弁を閉じた状態で排水を行うので、万一、排水弁が故障した場合においても、規定量以上の水素の漏出を防止することができる。
【００５９】
以下、燃料電池３００の変形例１及び２について説明する。
（変形例１）
変形例１の燃料電池の気液分離器８３においては、液面センサ８９を有さず、排水処理を行う前の気液分離器８３内の気体の体積をＶＤ１として、上述の式（１）、（２）、（４）、及び（６）を計算する。ＶＤ１は、例えば供給した水素の量、又は発電量等により、気液分離器８３内に貯留した水の体積ＶＤ２を推定して算出することができる。
変形例１においては、液面センサ８９を省略することで、部品コストを削減することができる。
【００６０】
（変形例２）
変形例２の燃料電池においては、第１排水路７４内の水の量も含めて、設定回数ｎを算出する。
第１排水路７４の内容積をＶＣとすると、気液分離器８３内の水と第１排水路７４内の水とを全部排水するのに要する時間Ｔは、下記式（４）′で表される。
Ｔ＝（ＶＤ２＋ＶＣ）／ＶＡｔ…（４）′
上記Ｔを用いて、上記式（６）を満たす最小の整数ｎを排水処理の設定回数にする。
変形例２においては、排水管の内容積も含めて設定回数ｎを算出するので、第１排水路７４内に水が残留して凍結することを防止することができる。
【００６１】
以上のように、本発明に係る燃料電池は、水素及び酸素を反応させて発電する発電部と、該発電部に水素を供給する燃料部と、前記水素の供給のための開閉弁と、前記発電部から排気されるガスを前記発電部へ戻して循環させる水素循環路と、前記水素循環路に設けられ、前記ガスから水を分離する気液分離器と、該気液分離器から水を排出する排水弁と、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御する制御部とを備える燃料電池において、前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の圧力を検出する圧力検出器と、該圧力検出器から取得した圧力が所定量変化するときの時間を計測する計測部とを備え、前記制御部は、前記計測部が計測した時間に基づいて、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理を行うことを特徴とする。
【００６２】
本発明においては、前記開閉弁を開き、排水弁を閉じている状態から、開閉弁を閉じ、排水弁を開いて水素循環路を開放したときの圧力差に基づく水素循環路内の気体の増加により、気液分離器内に貯留された水を押し出して排水する場合に、圧力が所定量変化するときの時間を計測することで、次回の排水の時間を推定し、気液分離器内の水の残留を抑制するように排水を良好に行い、凍結を防止することができる。
従って、次回の発電時に排水を良好に行うことができ、燃料電池の機能低下が防止される。そして、開閉弁を閉じた状態で排水を行うので、万一、排水弁が故障した場合においても、規定量以上の水素の漏出を防止することができる。また、水位センサが不要になり、部品コストを低減することができる。
【００６３】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記計測部は、１回目の排水処理において、前記圧力検出器により検出した第１圧力が第２圧力に低下するまでの時間を計測し、前記制御部は、前記第１圧力、前記第２圧力、及び前記時間に基づいて、排水処理を行う回数を算出することを特徴とする。
【００６４】
水素循環路及び気液分離器内の圧力が、第１圧力から第２圧力に低下するまでの時間が、気液分離器内の水の排水時間である。本発明においては、１回目の排水に要した時間を計測し、この排水時間に基づいて気液分離器内から水を全部排出するための排水処理の回数を算出し、その回数分の排水処理を行うので、気液分離器内の水の残存を良好に抑制することができる。
【００６５】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記制御部は、前記第１圧力、前記第２圧力、前記時間、前記水素循環路の内容積、及び１回目の排水処理を行う前の前記気液分離器内の気体の体積に基づいて、１回目からｎ回目まで排水処理を行った場合の排水時間の累積量を算出し、前記累積量＞（前記気液分離器内の水の体積）／（単位時間の排水量）を満たすｎを算出し、ｎを排水処理の回数に設定することを特徴とする。
【００６６】
本発明においては、第１圧力、第２圧力、水素循環路の内容積、及び１回目の排水処理を行う前の気液分離器内の気体の体積に基づいて、圧力差による気液分離器内の気体の体積の増加分を算出し、１回目の排水時間に基づいて、１回目からｎ回目まで排水処理を行った場合の排水時間の累積量を算出する。そして、前記累積量＞（気液分離器内の水の体積）／（単位時間の排水量）を満たすｎを算出し、これを排水処理の回数に設定するので、気液分離器内の水の残存をより良好に抑制することができる。
【００６７】
本発明に係る燃料電池は、上述の燃料電池において、前記排水弁と前記気液分離器とを接続する排水管を備え、前記制御部は、前記排水管の内容積も含めて、前記排水処理の回数を算出することを特徴とする。
【００６８】
本発明においては、排水管の内容積も含めて、前記排水処理の回数を算出するので、排水管内に水が残留して凍結することを防止することができる。
【００６９】
本発明に係る燃料電池の制御方法は、開閉弁を開いて燃料部から発電部へ水素を供給し、該発電部から排気されるガスを水素循環路により前記発電部へ戻して循環させ、前記水素循環路に設けられた気液分離器により前記ガスから水を分離して排水弁により排水処理を行う燃料電池の制御方法において、１回目の排水処理において、前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の第１圧力が第２圧力に低下するまでの時間を取得し、前記第１圧力、前記第２圧力、及び前記時間に基づいて、排水処理の回数を算出し、算出した回数分、前記開閉弁及び前記排水弁の開閉を制御して排水処理を行うことを特徴とする。
【００７０】
本発明においては、１回目の排水に要した時間を計測し、この排水時間に基づいて気液分離器内から水を全部排出するための回数を算出し、その回数分の排水処理を行うので、気液分離器内の水の残存を良好に抑制することができる。
【００７１】
本発明に係るコンピュータプログラムは、発電部から排気されるガスを戻して循環させる水素循環路、及び前記ガスから水を分離して排水する気液分離器を備える燃料電池を制御するコンピュータに、１回目の排水処理において、前記水素循環路内及び前記気液分離器内の気体の第１圧力が第２圧力に低下するまでの時間を取得し、前記第１圧力、前記第２圧力、及び前記時間に基づいて、排水処理の回数を算出し、算出した回数に応じて、水素供給のための開閉弁に対する開閉信号、及び排水弁に対する開閉信号を出力する処理を実行させることを特徴とする。
【００７２】
本発明においては、１回目の排水に要した時間を計測し、この排水時間に基づいて気液分離器内から水を全部排出するための回数を算出し、その回数分の排水処理を行うので、気液分離器内の水の残存を良好に抑制することができる。
【００７３】
本発明は上述した実施の形態の内容に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。即ち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７４】
例えば気液分離器８３に設ける水位センサは液面センサに限定されるものではなく、フロートセンサ等であってもよい。
また、燃料電池３００を配置する場所の外気圧Ｐ０を１気圧としてよい場合は、第２圧力センサ８８を設けなくてもよい。
そして、Ｐ０が１気圧でない場合は、上述の式
ＶＡ＝｛（ＰＨ−Ｐ０）／Ｐ０｝×（ＶＨ＋ＶＤ１）
にＰ０の数値を代入して、設定回数ｎを求める。
【符号の説明】
【００７５】
１  スタック
３  空気流路
４  スタック冷却路
４１  第１熱交換器
４２  第２熱交換器
５  ラジエータ通流路
６  ボンベ加熱路
７  水素通流路
７１  水素供給路
７２  水素導入路
７３  水素回路
７４  第１排水路
７５  第１排気路
７８  第１圧力センサ
８２  水素循環ポンプ
８４、８５  排水弁
８６、８７  排気弁
８８  第２圧力センサ
８９、９０  液面センサ
９  制御部
９１  ＲＯＭ
９２  ＲＡＭ
９３  タイマ
２０  ＭＨボンベ
３０  エアポンプ
９０  ＣＰＵ
１００  電池本体
２００  水素供給部
３００  燃料電池
【図１】
0006565758.tif 000003
【図２】
0006565758.tif 000004
【図３】
0006565758.tif 000005
【図４】
0006565758.tif 000006
【図５】
0006565758.tif 000007
【図６】
0006565758.tif 000008
【図７】
0006565758.tif 000009