(57)【要約】【課題】低負荷運転から急に高負荷運転に変化した場合などにおいて、発電性能の安定化を図ることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】前回のドレイン弁の開弁から所定時間Ｔ１が経過したと判断された場合には（Ｓ１０１、Ｎｏ）、燃料電池スタック内部の滞留水量を推定し（Ｓ１０２）、その滞留水量が貯留装置の容量を超えている場合には（Ｓ１０３、Ｙｅｓ）、滞留水排出ドレイン弁開弁要求を発し（Ｓ１０４）、水素供給流路を流れる水素ガス流量が所定値を超えているか否かを判断する（Ｓ１０６）。水素ガス流量が所定値を超えている場合には（Ｓ１０６、Ｙｅｓ）、希釈装置内のエア積算量を算出し（Ｓ１０８）、エア積算量が所定値を超えている場合には、ドレイン弁を開弁制御する（Ｓ１１０）。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素ガス流路と酸化剤ガス流路とを内部に備え、水素ガス流路に水素ガスが供給され、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給経路と、
前記水素供給経路に接続され、前記燃料電池スタックから排出された排出オフガスを再循環させる水素循環経路と、
前記水素循環経路に設けられ、前記燃料電池スタック内に発生した生成水を貯留させる貯留装置と、
前記貯留装置内の生成水および水素を前記水素循環経路外に排出する排出バルブと、
前記排出バルブを開閉制御する開閉制御手段と、
前回の前記排出バルブの開弁開始から所定時間が経過したことを検出する開弁経過時間検出手段と、を備え、
前記開弁経過時間検出手段により検出された所定時間に基づいて、前記所定時間ごとに前記排出バルブを開弁して前記貯留装置内の生成水を排出する燃料電池システムにおいて、
前記水素ガス流路に滞留する滞留水量を推定するスタック内部滞留水量推定手段と、
前記水素ガス流路に滞留する滞留水が前記燃料電池スタックの外部に排出されるタイミングを予測するスタック内部滞留水排出予測手段と、をさらに備え、
前記所定時間が経過していない場合でも、前記スタック内部滞留水量推定手段により推定された滞留水量が所定量以上であり、前記スタック内部滞留水排出予測手段により前記燃料電池スタック内部の滞留水が前記燃料電池スタックの外部に排出されると予測される場合には、前記排出バルブを開弁して前記貯留装置内の生成水を排出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記排出バルブの下流側に設けられ、酸化剤ガスが供給されるとともに前記排出バルブから排出された水素の希釈を行う希釈装置を備え、
前記希釈装置に供給される酸化剤ガスの前回の前記排出バルブの開閉制御終了後の積算量が所定値以下である場合には、前記排出バルブの開弁を禁止することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記スタック内部滞留水排出予測手段は、水素ガスのガス流量の変化に基づいて予測することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記スタック内部滞留水量推定手段は、前記燃料電池スタックの低負荷運転継続時間と積算発電出力とに基づいて前記燃料電池スタック内の滞留水量を推定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックから排出された水素を再循環させる水素循環経路が設けられた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを搭載した車両などでは、例えば燃費を改善するために、燃料電池スタックから排出された水素を再循環させる水素循環経路を備えたものが種々提案されている。また、近年の燃料電池システムでは、非常に薄い電解質膜が用いられているため、カソード側に生成された水が電解質膜を透過してアノード側に透過する場合がある。このため発電（運転）を安定的に継続させるために、燃料電池スタック内部などに溜まった生成水を、発電状況などに応じて系外に排出する必要がある。
【０００３】
そこで、水素循環経路に水素と水とを分離するための気液分離装置を設けて、気液分離装置に設けられたドレイン弁を開くことで、気液分離装置に溜まった水を間欠的に排出する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２００５−２４３５０５号公報（段落００１９、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の従来の燃料電池システムでは、低負荷運転（例えば、アイドリング運転）を連続して行うと、低負荷運転ではアノードの水素のガス流量が小さいため燃料電池スタック内に水を溜め込み易くなるという特性がある。このような低負荷運転の状態から急に高負荷運転（加速運転）が行われるとアノードの水素のガス流量が急激に大きくなり、燃料電池スタック内部に滞留していた水が一気に気液分離装置に移動する。加速直前に、気液分離装置に水が既に溜まっていた場合には大量の水が気液分離装置側に移動してきても、ドレイン弁が開くインターバルが経過していないと、ドレイン弁が開弁しないため、燃料電池スタックから排出された水は、気液分離装置を通り過ぎて水素循環経路を通って、再び燃料電池スタック内に飛び込んでしまい、発電性能が大きく低下するという問題がある。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、低負荷運転から急に高負荷運転に変化した場合などでも、発電性能の安定化を図る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】
【０００６】
請求項１に係る発明は、水素ガス流路と酸化剤ガス流路とを内部に備え、水素ガス流路に水素ガスが供給され、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給経路と、前記水素供給経路に接続され、前記燃料電池スタックから排出された排出オフガスを再循環させる水素循環経路と、前記水素循環経路に設けられ、前記燃料電池スタック内に発生した生成水を貯留させる貯留装置と、前記貯留装置内の生成水および水素を前記水素循環経路外に排出する排出バルブと、前記排出バルブを開閉制御する開閉制御手段と、前回の前記排出バルブの開弁開始から所定時間が経過したことを検出する開弁経過時間検出手段と、を備え、前記開弁経過時間検出手段により検出された所定時間に基づいて、前記所定時間ごとに前記排出バルブを開弁して前記貯留装置内の生成水を排出する燃料電池システムにおいて、前記水素ガス流路に滞留する滞留水量を推定するスタック内部滞留水量推定手段と、前記水素ガス流路に滞留する滞留水が前記燃料電池スタックの外部に排出されるタイミングを予測するスタック内部滞留水排出予測手段と、をさらに備え、前記所定時間が経過していない場合でも、前記スタック内部滞留水量推定手段により推定された滞留水量が所定量以上であり、前記スタック内部滞留水排出予測手段により前記燃料電池スタック内部の滞留水が前記燃料電池スタックの外部に排出されると予測される場合には、前記排出バルブを開弁して前記貯留装置内の生成水を排出することを特徴とする。
【０００７】
これによれば、排出バルブが開く所定時間が経過していない場合でも、燃料電池スタック内に生成水（滞留水）が滞留していると判断され、さらに燃料電池スタック内部の生成水が燃料電池スタックの外部へ排出されると予測される場合には、排出バルブを開弁するように構成されている。このため、燃料電池スタックから排出された生成水を、排出バルブを介して系外へ排出することができるので、生成水が水素循環経路を通り過ぎて再び燃料電池スタックに浸入するのを防ぐことができ、発電性能の安定化を図ることが可能になる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記排出バルブの下流側に設けられ、酸化剤ガスが供給されるとともに前記排出バルブから排出された水素の希釈を行う希釈装置を備え、前記希釈装置に供給される酸化剤ガスの前回の前記排出バルブの開閉制御終了後の積算量が所定値以下である場合には、前記排出バルブの開弁を禁止することを特徴とする。
【０００９】
これによれば、希釈装置に供給される酸化剤ガスの積算流量が所定値以下である場合、つまり水素ガスの希釈が十分に行えない場合には、排出バルブの開弁を禁止するため、生成水とともに水素ガスを確実に希釈した後に系外に排出することが可能になる。
【００１０】
請求項３に係る発明は、前記スタック内部滞留水排出予測手段は、水素ガスのガス流量の変化に基づいて予測することを特徴とする。
【００１１】
これによれば、燃料電池スタックに供給される水素ガスのガス流量が少ない場合は、燃料電池スタック内部から生成水が排出され難く、ガス流量が少ない状態から多い状態になると燃料電池スタック内部に滞留していた生成水がまとめて排出されることになる。よって、ガス流量の変化を監視することにより、生成水の排出状態を把握することができるので、生成水の排出状態を把握するための特別な装置の追加を必要としない。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記スタック内部滞留水量推定手段は、前記燃料電池スタックの低負荷運転継続時間と積算発電出力とに基づいて前記燃料電池スタック内の滞留水量を推定することを特徴とする。
【００１３】
これによれば、水素ガスのガス供給による滞留水の排出力が小さく、膜をリークしてくる燃料電池スタック内部の滞留水が増えるような低負荷運転時には、燃料電池スタック内部の滞留水量は、低負荷運転の継続時間と積算発電出力から、生成されリークしてくる滞留水量を把握できるため、滞留水量把握のための複雑な装置の追加を必要としない。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、低負荷運転から急に高負荷運転に切り替わったときなどでも、発電性能の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は燃料電池スタックの単セルを示す分解斜視図、図３は本実施形態の燃料電池システムの滞留水排出制御を示すフローチャート、図４はタイミングチャートを示し、（ａ）は本実施形態における制御、（ｂ）は従来における制御、図５は燃料電池スタック内部の滞留水量を求めるマップである。なお、以下では、本実施形態の燃料電池システムを車両（自動車）に搭載した場合を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶や航空機、家庭用電源など定置式のものに適用してもよい。
【００１６】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０、アノード系２０、カソード系３０、希釈系４０、制御系５０などを含んで構成されている。
【００１７】
図２に示すように、前記燃料電池スタック１０は、固体高分子からなる電解質膜１１を、触媒を含むアノード１２と、触媒を含むカソード１３とで挟み、さらに一対の導電性のセパレータ１４，１５で挟んで構成した単セルＳＣを有し、この単セルＳＣを厚み方向に複数積層することにより構成されている。なお、図２では、アノード１２、カソード１３およびセパレータ１４，１５を離して図示しているが、実際にはアノード１２、カソード１３およびセパレータ１４，１５は密接して配置され単セルＳＣを構成している。
【００１８】
また、セパレータ１４には、アノード１２側の電極に対応向する面に、水素（水素ガス）が流通するアノード流路１４ａが形成され、セパレータ１５には、カソード１３側の電極に対向する面に、空気（酸化剤ガス）が流通するカソード流路１５ａが形成されている。また、電解質膜１１およびセパレータ１４、１５の周縁部には、供給される側の水素が流通する貫通路１１ｂ１，１４ｂ１，１５ｂ１、排出される側の水素が流通する貫通路１１ｂ２，１４ｂ２，１５ｂ２、供給される側の空気が流通する貫通路１１ｃ１，１４ｃ１，１５ｃ１、排出される側の空気が流通する貫通路１１ｃ２，１４ｃ２，１５ｃ２がそれぞれ形成されている。また、アノード流路１４ａと貫通路１４ｂ１とは連通路１４ｂ３を介して連通され、アノード流路１４ａと貫通路１４ｂ２とは連通路１４ｂ４を介して連通され、カソード流路１５ａと貫通路１５ｃ１とは連通路１５ｃ３を介して連通され、カソード流路１５ａと貫通路１５ｃ２とは連通路１５ｃ４を介して連通されている。
【００１９】
なお、すべての単セルＳＣのアノード流路１４ａ、貫通路１１ｂ１，１４ｂ１，１５ｂ１，１１ｂ２，１４ｂ２，１５ｂ２、および連通路１４ｂ３，１４ｂ４により、本実施形態の水素ガス流路１４Ａが構成され、また、すべての単セルＳＣのカソード流路１５ａ、貫通路１１ｃ１，１４ｃ１，１５ｃ１，１１ｃ２，１４ｃ２，１５ｃ２、および連通路１５ｂ３，１５ｂ４により、本実施形態の酸化剤ガス流路１５Ａが構成されている。
【００２０】
図１に示すように、前記アノード系２０は、水素を燃料電池スタック１０のアノード１２に供給するとともにアノード１２から水素を排出する系であり、水素タンク２１、水素遮断弁２２、レギュレータ２３、エゼクタ２４、貯留装置２５、ドレイン弁２６、パージ弁２７、配管２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆなどを含んで構成されている。
【００２１】
前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。
【００２２】
前記水素遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク２１の出口に設けられている。また、水素遮断弁２２は、配管２８ａを介して水素タンク２１と接続されている。なお、水素遮断弁２２は、水素タンク２１と一体に構成されたインタンク式のものであってもよい。
【００２３】
前記レギュレータ２３は、水素遮断弁２２の下流側に設けられ、水素タンク２１から供給された高圧の水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するのに適した圧力に減圧する機能を有している。また、レギュレータ２３は、配管２８ｂを介して水素遮断弁２２と接続されている。
【００２４】
前記エゼクタ２４は、アノード１２側から排出された未反応の水素を、燃料電池スタック１０のアノード１２に再循環させるための真空ポンプの一種である。また、エゼクタ２４は、配管２８ｃを介してレギュレータ２３と接続されるとともに、配管２８ｄを介して燃料電池スタック１０のアノード１２側の入口と接続されている。
【００２５】
前記貯留装置２５は、燃料電池スタック１０のアノード１２の出口側に設けられ、燃料電池スタック１０からの排出オフガスに含まれる生成水を所定容量貯留する機能を有している。なお、燃料電池スタック１０から排出される生成水とは、水素と空気中の酸素との電気化学反応によりカソード１３側で生成された水が、電解質膜１１を透過してアノード１２に移動（リーク）してきた水である。また、貯留装置２５は、配管２８ｅを介して燃料電池スタック１０のアノード１２側の出口と接続されている。
【００２６】
前記ドレイン弁２６は、例えば貯留装置２５の近傍または一体に設けられ、貯留装置２５に溜まった生成水および水素を排出する機能を有している。また、ドレイン弁２６は、配管２８ｆを介して前記エゼクタ２４と接続されている。
【００２７】
前記パージ弁２７は、例えば配管２８ｆの途中に設けられ、適宜開弁してアノード系２０に蓄積された不純物を排出する機能を有している。なお、不純物とは、生成水や、カソード１３から電解質膜１１を介してアノード１２に透過した空気に含まれる窒素などである。
【００２８】
なお、前記した配管２８ａ〜２８ｄによって、本実施形態の水素供給経路２８Ａが構成され、前記した配管２８ｅおよび配管２８ｆによって、本実施形態の水素循環経路（水素戻し経路）２８Ｂが構成されている。
【００２９】
前記カソード系３０は、空気（酸素）を燃料電池スタック１０のカソード１３に供給するとともに、カソード１３から空気などを排出する系であり、エアコンプレッサ３１、加湿器３２、配管３３ａ，３３ｂ，３３ｃなどを含んで構成されている。
【００３０】
前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外の空気（外気）を取り込んで圧縮して燃料電池ＦＣのカソード１３に供給する機能を有している。
【００３１】
前記加湿器３２は、例えば、複数の水透過性の膜を束ねてケースに収容した中空糸膜モジュールを備え、中空糸膜の内側と外側の一側にエアコンプレッサ３１からの空気を流通させ、他側に燃料電池スタック１０のカソード１３から排出された排出オフガス（湿潤な空気、生成水）を流通させることにより、エアコンプレッサ３１からの空気を加湿する機能を有している。
【００３２】
前記希釈系４０は、燃料電池スタック１０から排出された水素を希釈する機能を有し、希釈装置４１、配管４２ａ，４２ｂ、４２ｃなどを含んで構成されている。
【００３３】
前記希釈装置４１は、配管４２ａを介して加湿器３２と接続され、燃料電池スタック１０のカソード１３から排出された空気を滞留させる滞留室（図示せず）を有している。また、希釈装置４１は、配管４２ｂを介して前記ドレイン弁２６と接続され、配管４２ｃを介して前記パージ弁２７と接続されている。これにより、ドレイン弁２６やパージ弁２７から排出された水素が、希釈装置４１内に滞留した空気によって規定水素濃度に希釈された後に系外（車外）に排出されるようになっている。
【００３４】
前記制御系５０は、ＥＣＵ５１、電流計５２、スロットルセンサ５３、加速度センサ５４などで構成されている。
【００３５】
前記ＥＣＵ（Electronic Control Unit、電子制御装置）５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、プログラムなどで構成され、開閉制御手段、開弁経過時間検出手段、スタック内部滞留水量推定手段、スタック内部滞留水排出予測手段、低負荷運転の継続時間を算出する低負荷運転継続時間検出手段を備えている。また、ＥＣＵ５１は、水素遮断弁２２、ドレイン弁２６、パージ弁２７、エアコンプレッサ３１、電流計５２、スロットルセンサ５３、および加速度センサ５４と電気的に接続されている。なお、開弁経過時間検出手段は、例えばＥＣＵ５１に内蔵されたタイマーによって構成することができる。
【００３６】
前記電流計５２は、燃料電池スタック１０から負荷に取り出される際の電流値を検出する機能を有し、その電流値がＥＣＵ５１によって取得されるようになっている。なお、ＥＣＵ５１は、電流計５２から取得される電流値に基づいて、燃料電池スタック１０の内部に滞留した滞留水が燃料電池スタック１０の外部に排出されるタイミングを予測するようになっている。なお、負荷とは、車両であれば、走行モータ、蓄電装置（例えば、キャパシタやバッテリ）、エアコンプレッサ３１等の補機類などである。
【００３７】
前記スロットルセンサ５３は、車両に設けられたアクセルペダルのアクセル開度を検出する機能を有し、そのアクセル開度値がＥＣＵ５１によって取得されるようになっている。例えば、アクセルペダルが踏み込まれてアクセル開度が急拡大したことが検知された場合には、燃料電池スタック１０の内部に滞留した滞留水が燃料電池スタック１０の外部に排出されるタイミングを予測するようになっている。
【００３８】
前記加速度センサ５４は、車両が加速したことを検出する機能を有し、その加速度がＥＣＵ５１に入力されるようになっている。例えば、加速したことが検知された場合には、燃料電池スタック１０内部の滞留水が燃料電池スタック１０の外部に排出されるタイミングを予測するようになっている。
【００３９】
なお、本実施形態では、電流計５２、スロットルセンサ５３、加速度センサ５４のいずれかに基づいて滞留水の排出タイミングを予測すればよいが、組み合わせによって予測してもよい。
【００４０】
次に、本実施形態の燃料電池システムの動作について図３を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、燃料電池システムの動作(運転)前の状態は、水素遮断弁２２、ドレイン弁２６およびパージ弁２７がすべて閉じられ、エアコンプレッサ３１が停止している。まず、車両のイグニッションがオンにされることにより、ＥＣＵ５１は水素遮断弁２２を開弁し、エアコンプレッサ３１の駆動を開始する。水素遮断弁２２が開弁されることにより、水素タンク２１から放出された高圧の水素がレギュレータ２３により所定圧に減圧されて、燃料電池スタック１０のアノード１２に供給される。また、エアコンプレッサ３１が駆動されることにより、圧縮空気が加湿器３２で加湿されて、燃料電池スタック１０のカソード１３に供給される。これにより、燃料電池スタック１０では、アノード１２の触媒の作用によって水素イオンが電解質膜１１を透過してカソード１３に移動し、カソード１３の触媒の作用によって水素イオンと酸素および負荷を移動してきた電子とによって発電が行われ、同時に水が生成される。このときの生成水は、燃料電池スタック１０のカソード１３側の出口から配管４２ａを通って排出されるとともに、電解質膜１１を透過してアノード１２側の水素ガス流路１４Ａに移動する。
【００４１】
ところで、燃料電池システム１が通常負荷運転の場合には、アノード１２に透過した生成水は、燃料電池スタック１０内の水素ガス経路１４Ａを流れる水素ガスの流れに伴って燃料電池スタック１０から排出され、貯留装置２５に蓄積される。また、ＥＣＵ５１は、タイマー（開弁経過時間検出手段）に基づいて定期的にドレイン弁２６を開弁して、貯留装置２５に蓄積された生成水を排出する。なお、通常負荷運転とは、燃料電池スタック１０内の水素ガス経路１４Ａに流れる水素ガスの流量が比較的多く、水素ガス流路１４Ａに生成水が滞留することがほとんどないような運転状態である。したがって、このような通常負荷運転では、ドレイン弁２６が定期的に開弁されることにより貯留装置２５から生成水が排出されるので、生成水が貯留装置２５から水素循環経路２８Ｂ、水素供給経路２８Ａを通って燃料電池スタック１０のアノード１２に再び飛び込むようなことはない。なお、ドレイン弁２６から排出された生成水および水素は、配管４２ｂを通って希釈装置４１内に送られるが、このとき、希釈装置４１内に蓄積されていた空気によって水素が希釈されて車外（大気中）に排出される。
【００４２】
しかし、燃料電池システム１が低負荷運転、例えばスロットルセンサ５３の開度がゼロで車両が停止している（車速がゼロである）アイドリング状態の場合には、燃料電池スタック１０内の水素ガス経路１４Ａを流れる水素ガスの流量が少ないので、カソード１３からアノード１２に透過した生成水は燃料電池スタック１０の外部に排出されず、水素ガス流路１４Ａに滞留することになる。このような低負荷運転が継続することにより、水素ガス流路１４Ａには滞留水が多量に蓄積することになる。そして、このような低負荷運転から急に高負荷運転（例えば、車両が加速した場合）に切り替えられた場合、水素ガス流路１４Ａに蓄積された多量の滞留水が水素ガスの流れによって一度に燃料電池スタック１０の外部に押し出されるため、貯留装置２５の容量をオーバーし、そのオーバーした分が水素循環経路２８Ｂ、水素供給経路２８Ａを通り、再度燃料電池スタック１０に飛び込むことになる。これにより、多量の滞留水によってアノード１２の電極が覆われることにより、発電可能面積が減少して、発電性能が低下することになる。
【００４３】
そこで、本実施形態の燃料電池システム１では、図３に示す制御に基づいて、まずステップＳ１００において、ＥＣＵ５１は、ドレイン弁２６を開弁開始してから開弁経過時間検出手段（タイマー）を作動させて、前回のドレイン弁２６を開弁開始してからの所定時間（経過時間）Ｔ１を算出する。
【００４４】
そして、ステップＳ１０１に進み、ＥＣＵ５１は、前回のドレイン弁２６を開弁してから所定時間Ｔ１が経過したか否かを判断する。ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５１は、所定時間が経過したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０７に進み、ドレイン弁２６に対して定期ドレイン弁開弁要求を発する。ただし、このステップでは、例えば定期ドレイン弁開弁要求のフラグをたてておくだけで、実際にドレイン弁２６を開弁することはない。
【００４５】
そして、ステップＳ１０８に進み、ＥＣＵ５１は、希釈装置４１内のエア（空気）積算量を算出する。ここでエア積算量を算出するのは、希釈装置４１内に蓄積されたエア積算量が所定値よりも低いときにドレイン弁２６が開弁すると、排出水素がエアで十分に希釈されずに大気中（車外）に排出されるのを防止するためである。ちなみに、このときのエア積算量は、燃料電池システム１の運転状態に応じたドレイン弁２６を閉じてからの経過した時間に基づいて予め設定され、例えば、低負荷運転の場合にはエアの流量が低くなるので設定される時間は長くなり、高負荷運転の場合には流量が多くなるので設定される時間は低負荷運転よりも長くなる。
【００４６】
そして、ステップＳ１０９に進み、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１０８で算出したエア積算量に基づいてドレイン弁２６の開弁を禁止するか否かを判断する。ステップＳ１０９において、ＥＣＵ５１は、算出したエア積算量が所定値Ｖに到達していると判断して、ドレイン弁２６を開弁することを許可した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０に進み、ドレイン弁２６を開弁制御する。また、ステップＳ１０９において、ＥＣＵ５１は、エア積算量が所定値Ｖに到達していないと判断して、ドレイン弁２６の開弁を禁止した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８に戻る。したがって、ドレイン弁２６の開弁を禁止している場合には、ステップＳ１０７におけるドレイン弁２６の定期開弁要求が出ているときでも、ドレイン弁２６を開弁しない。
【００４７】
なお、前回のドレイン弁２６の開弁から所定時間Ｔ１が経過している場合には（Ｓ１０１、Ｙｅｓ）、希釈装置４１内には水素を希釈するのに十分なエアが蓄積しているので、ドレイン弁２６に対する定期ドレイン弁開弁要求（Ｓ１０７）と同時に、ドレイン弁２６を開弁制御する（Ｓ１０９）。つまり、ドレイン弁２６の定期的な開弁制御を実行する。
【００４８】
一方、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５１は、前回のドレイン弁２６の開弁から所定時間Ｔ１が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０２に進み、燃料電池スタック（図３では、ＦＣスタックと略記）１０内部に滞留した滞留水量を推定する。なお、このステップＳ１０２の処理が、本実施形態のスタック内部滞留水量推定手段に相当する。このときの滞留水量は、例えば、図５の低負荷運転継続時間と積算発電出力との関係を示すマップに基づいて予め決められる。このときの低負荷運転継続時間は、燃料電池スタック１０が低負荷運転（例えばアイドリング運転）を継続している時間であり、タイマーなどを用いて継続時間を算出するようになっている。また、積算発電出力は、燃料電池スタック１０から取り出される電力（電流）であり、電流計５２から得られる電流値の積算値に基づいて算出される。図５に示すように、低負荷運転継続時間が長くなるにつれて滞留水量が増加し、また積算発電出力が大きいと比較的短時間で所定量Ｑの滞留水が貯留装置２５に蓄積されるようになる。
【００４９】
そして、ステップＳ１０３に進み、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１０２で推定した滞留水量が貯留装置２５の容量を超えているか否かを判断する。ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５１は、滞留水量が貯留装置２５の容量以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１００に戻る。なお、滞留水量が貯留装置２５の容量以下であるとは、仮に低負運転状態から高負荷運転状態になったとしても、燃料電池スタック１０内から押し出された滞留水（生成水）が貯留装置２５をオーバーして水素循環経路２８Ｂおよび水素供給経路２８Ａを通って燃料電池スタック１０に再度浸入することはないことを意味している。
【００５０】
また、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５１は、滞留水量が貯留装置２５の容量を超えていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０４に進む。なお、滞留水量が貯留装置２５の容量を超えているとは、低負荷運転から急に高負荷運転になったときに、燃料電池スタック１０内から押し出された滞留水（生成水）が貯留装置２５をオーバーして水素循環経路２８Ｂおよび水素供給経路２８Ａを通って燃料電池スタック１０に再度浸入することを意味している。
【００５１】
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５１は、滞留水排出ドレイン弁開弁要求を発する。この滞留水排出ドレイン弁開弁要求は、燃料電池スタック１０内に、低負荷運転から急に高負荷運転に切り替わったときに滞留水が貯留装置２５を越えて燃料電池スタック１０に再び飛び込むおそれが生じるような滞留水が存在していると判断されたときに要求されるものである。なお、このステップでは、例えば滞留水排出ドレイン弁開弁要求のフラグをたてておくだけで、実際にドレイン弁２６を開弁することはない。
【００５２】
そして、ステップＳ１０５に進み、ＥＣＵ５１は、ステップＳ１０１と同様に、前回のドレイン弁２６の開弁開始から所定時間Ｔ１が経過しているか否かを判断する。ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５１は、所定時間Ｔ１が経過していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０７に進み、ドレイン弁２６に対して定期ドレイン弁開弁要求を出し、ドレイン弁２６の定期的な開弁制御を実行する。また、ＥＣＵ５１は、所定時間Ｔ１が経過していないと判断した場合には（Ｓ１０５、Ｎｏ）、ステップＳ１０６に進む。
【００５３】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５１は、水素供給経路２８Ａを流れる水素ガス流量の変化が所定値Ｓよりも大きいか否かを判断する。なお、このステップＳ１０６が、本実施形態のスタック内部滞留水排出予測手段に相当する。ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５１は、水素ガス流量の変化が所定値Ｓ以下であると判断した場合（Ｎｏ）、ステップＳ１０５に戻る。ちなみに、水素ガス流量の変化が所定値Ｓ以下であるとは（Ｓ１０６、Ｎｏ）、低負荷運転から急に高負荷運転に切り替えられていないことを意味している。なお、水素ガス流量の変化は、例えば水素供給経路２８Ａに流量計（図示せず）を設けて、低負荷運転時の水素ガス流量と高負荷運転時の水素ガス流量との差（所定値）に基づいて予測してもよい。あるいは、電流計５２から得られる電流値に基づいて、低負荷運転時の電流値と高負荷運転時の電流値との差（所定値）に基づいて予測してもよい。また、水素ガス流量の変化は、電流に限定されるものではなく、燃料電池スタック１０の電圧や電力に基づいて判断してもよい。
【００５４】
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５１は、水素ガス流量の変化が所定値Ｓを超えていると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８に進む。ちなみに、水素ガス流量の変化が所定値Ｓを超えているとは、低負荷運転から急に高負荷運転に切り替えられたことを意味している。
【００５５】
そして、ステップＳ１０８において、ＥＣＵ５１は、希釈装置４１内のエア積算量を算出し、ステップＳ１０９において、エア積算量に基づいてドレイン弁２６の開弁を禁止するか否かを判断し、ドレイン弁２６の開弁を禁止すると判断した場合には（Ｓ１０９、Ｙｅｓ）、ステップＳ１０８に戻り、ドレイン弁２６の開弁を許可すると判断した場合には（Ｓ１０９、Ｎｏ）、ステップＳ１１０において、ドレイン弁２６を開弁制御する。
【００５６】
次に、本実施形態の燃料電池システム１の制御について、図４を参照（適宜図１および図２を参照）して説明する。
図４（ｂ）に示す従来における制御では、ドレイン弁２６に対して定期ドレイン弁開弁要求が発せられると同時に、ドレイン弁２６が定期的に開弁する（時刻ｔ１〜ｔ２、時刻ｔ５〜ｔ６、時刻ｔ１２〜ｔ１３）。また、ドレイン弁２６の開弁後、ドレイン弁２６の開弁を所定時間禁止する（時刻ｔ２〜ｔ３、ｔ６〜ｔ８、ｔ１３〜ｔ１４）。また、低負荷運転が継続すると、燃料電池スタック１０内の滞留水が継続時間に比例して徐々に増加する（時刻ｔ２〜ｔ７）。また、燃料電池スタック１０内に滞留する滞留水量が所定量Ｑを超えた場合には、滞留水排出ドレイン弁開弁要求を発する（時刻ｔ４）。
【００５７】
このドレイン弁２６の開弁禁止期間（時刻ｔ６〜ｔ８）に、車両が加速して低負荷運転から急に高負荷運転に切り替えられた場合には（時刻ｔ７）、燃料電池スタック１０の水素供給経路２８Ａに流れる水素ガス流量が急激に増加するので、燃料電池スタック１０内の滞留水が一気に燃料電池スタック１０の外部に押し出される。これにより、燃料電池スタック１０内部の滞留水が急激に減少する。その後、ドレイン弁２６が開弁する所定時間が経過していないので、燃料電池スタック１０の外部に排出された滞留水は、貯留装置２５の容量をオーバーして、オーバーした滞留水が、水素循環経路２８Ｂおよび水素供給経路２８Ａを循環して再び燃料電池スタック１０のアノード１２に飛び込み、燃料電池スタック１０内の滞留水が一気に上昇する(時刻ｔ１０)。この時刻ｔ１０の時点において、生成水によってアノード１２の電極面が覆われるので、発電面積が減少し、発電性能が低下することになる。
【００５８】
そこで、図４（ａ）に示す本実施形態における制御では、エア積算量を監視しておき、時刻ｔ１〜ｔ２において、ドレイン弁２６が開弁している間は、アノード系２０の圧力によって希釈装置４１内に蓄積されていた排出オフガス（空気など）が押し出されるので、エア積算量が急激に低下する。そして、時刻ｔ２において、ドレイン弁２６が閉じられると、その後は希釈装置４１内に蓄積されるエア積算量が徐々に増加する。エア積算量が所定値Ｖを超えたときに、ドレイン弁２６の開弁禁止が解除され、ドレイン弁２６の開弁が許可される（時刻ｔ３）。また、低負荷運転が継続して行われると、燃料電池スタック１０内部の滞留水が徐々に増加し、滞留水が所定量Ｑを超えたときに（時刻ｔ４）、滞留水排出ドレイン弁開弁要求を出力する。しかし、時刻ｔ４では、運転状態が低負荷運転のままであるので、貯留装置２５をオーバーして燃料電池スタック１０に飛び込むような滞留水が燃料電池スタック１０内に存在していても、燃料電池スタック１０内の滞留水を外部に一気に押し出すような水素ガス流量が水素供給経路２８Ａに存在しないので、ドレイン弁２６を開弁制御することはない。
【００５９】
そして、ドレイン弁２６の開弁禁止期間（時刻ｔ６〜ｔ８）の途中の時刻ｔ７において、車両の運転状態が低負荷運転から急に高負荷運転に切り替えられた場合には、燃料電池スタック１０内の滞留水が外部に一気に排出されると予測されるので、滞留水が急激に減少する。そして、ドレイン弁２６の開弁禁止期間が経過したと同時に（時刻ｔ８）、ドレイン弁２６を開弁する。なお、このときのドレイン弁２６の開弁時間は、燃料電池スタック１０から負荷に取り出される出力要求量分に基づいて決められる。つまり、出力要求量が高い場合には、開弁時間を長くする。時刻ｔ８〜ｔ９において、ドレイン弁２６が開弁することにより、滞留水がドレイン弁２６を介して希釈装置４１に送られる。希釈装置４１に送られた水素は、希釈装置４１に蓄積した所定値Ｖ以上のエアによって希釈された後に大気中（車外）に排出される。したがって、図４（ａ）において破線で示したように、低負荷運転から急に高負荷運転に切り替えられた後に、燃料電池スタック１０内の滞留水が再び燃料電池スタック１０内に飛び込むのを防止できるようになる。
【００６０】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１では、燃料電池スタック１０内の多量の滞留水（生成水）が水素循環経路２８Ｂおよび水素供給経路２８Ａを通って燃料電池スタック１０内に再び浸入するのを防止できるため、発電性能の安定化を図ることができる。
【００６１】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、希釈装置４１に供給されるエア（空気）の積算量が所定値Ｖ以下である場合、つまり水素ガスの希釈が十分に行えない場合には、ドレイン弁２６の開弁を禁止するため、生成水（滞留水）とともに排出される水素ガスを確実に希釈した後に大気中（車外、システム外）に排出することが可能になる。
【００６２】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、水素ガス流量の変化を監視することにより、滞留水の排出状態を把握することができるので、滞留水の排出状態を把握するための特別な装置を追加する必要がない。
【００６３】
また、本実施形態の燃料電池システム１では、例えば水素供給経路２８Ａを通る水素ガスの供給による滞留水排出力が電解質膜１１をカソード１３からアノード１２に透過（リーク）してくる水分量より小さくなるような低負荷運転時において、燃料電池スタック１０内部の滞留水量は、低負荷運転の継続時間と積算発電出力とから、生成されリークしてくる水分量を把握できるため、水分量把握のための特別な装置を追加する必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】燃料電池スタックの単セルを示す分解斜視図である。
【図３】本実施形態の燃料電池システムの滞留水排出制御を示すフローチャートである。
【図４】低負荷運転から急に高負荷運転に切り替えたときのドレイン弁の開閉動作を示すタイミングチャートを示し、（ａ）は本実施形態における制御、（ｂ）は従来における制御である。
【図５】燃料電池スタック内部の滞留水量を求めるマップである。
【符号の説明】
【００６５】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
１４Ａ  水素ガス流路
１５Ａ  酸化剤ガス流路
２５    貯留装置
２６    ドレイン弁（排出バルブ）
２８Ａ  水素供給経路
２８Ｂ  水素循環経路
４１    希釈装置
５１    ＥＣＵ（開閉制御手段、開弁経過時間検出手段、スタック内部滞留水量推定手段、スタック内部滞留水排出予測手段）
【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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