(57)【要約】【課題】余分なガスの排出を抑制しつつ、バルブ等の開閉手段の凍結を抑制する。【解決手段】燃料電池システムにおけるシステムの停止時に、圧力調整手段によってセパレータタンク１６の内部圧力を、排水流路Ｌ13，Ｌ14の開放端側の圧力よりも小さく制御した状態において、開閉バルブ１７を開状態へと制御するとともに、開状態へと制御した後に閉状態へと制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システム内の水を排水する排水装置において、
前記燃料電池の発電にともなう生成水を内部に貯める貯水手段と、
前記貯水手段内部の生成水を、当該貯水手段の外部に開放された端部より排出する排水流路と、
前記排水流路に設けられて、当該流路を開閉する開閉手段と、
前記貯水手段の内部圧力を調整する圧力調整手段と、
前記開閉手段と前記圧力調整手段とを制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記燃料電池システムにおけるシステムの停止時に、前記圧力調整手段によって前記貯水手段の内部圧力を、前記排水流路の開放端部側の外部圧力よりも減圧させた状態において、前記開閉手段を開状態へと制御するとともに、開状態へと制御した後に閉状態へと制御する凍結抑制処理を行うことを特徴とする排水装置。
【請求項２】
前記開閉手段は、システムの停止時における前記貯水手段内部の生成水の液面よりも鉛直上方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された排水装置。
【請求項３】
前記開閉手段よりも上流側の前記排水流路に設けられており、流路径を縮小するオリフィスをさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載された排水装置。
【請求項４】
前記貯水手段の内部に貯まる生成水の水位を検出する水位検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記凍結抑制処理において、前記開閉手段を開状態へと制御した後に、前記貯水手段内部の生成水の水位が、前記開閉手段よりも上流側の前記排水流路の体積相当増加した場合に、前記開閉手段を閉状態に制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された排水装置。
【請求項５】
前記開閉手段よりも上流側の前記排水流路に設けられており、当該設置部位における生成水を検知する水検知手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記凍結抑制処理において、前記開閉手段を開状態へと制御した後に、前記水検知手段によって生成水が検知されなくなった場合に、前記開閉手段を閉状態に制御することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載された排水装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記凍結抑制処理において、前記開閉手段を開状態へと制御した後に、前記減圧された貯水手段の内部圧力と前記排水流路の開放端部側の圧力との差圧に応じて予め設定された経過時間が経過した場合に、前記開閉手段を閉状態に制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載された排水装置。
【請求項７】
前記貯水手段の内部に貯まる生成水の水位を検出する水位検出手段をさらに有し、
前記制御手段は、システムの通常運転時、前記貯水手段の満水時の水位よりも低い値に設定された上限水位に生成水の水位が到達した場合に、前記開閉手段を開状態に制御して生成水の排水を開始するとともに、前記上限水位よりも低い値に設定された下限水位に生成水の水位が到達した場合に、前記開閉手段を閉状態に制御して生成水の排水を終了することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された排水装置。
【請求項８】
前記排水流路は、前記開閉手段よりも上流側の流路の体積が、満水時における前記貯水手段内部の生成水の体積から前記上限水位時における前記貯水手段内部の生成水の体積を減算した値よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項７に記載された排水装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記凍結抑制処理を行う前提として、前記開閉手段を開状態に制御するとともに、前記貯水手段内の生成水が基準水位以下である場合に、前記開閉手段を開状態から閉状態に制御しており、
前記基準水位は、前記下限水位と、前記上限水位時の前記貯水手段内部の生成水から前記開閉手段よりも上流側の前記排水流路に相当する体積分の生成水を減じた際の前記貯水手段内部の水位との範囲において設定されることを特徴とする請求項７または８に記載された排水装置。
【請求項１０】
前記排水流路は、前記開閉手段よりも下流側が下向きに延在した形状を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載された排水装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排水装置に係り、特に、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システムにおいて発電にともなう生成水を系外に排水する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、燃料ガスの排出流路に貯水機能を有する排水装置を設け、この排水装置によって燃料電池の発電に伴う生成水を外部に排出する燃料電池システムが開示されている。この特許文献１における排水装置は、貯留水の最高水位より高い位置にガス流入口およびガス排出バルブを有する気体用排出管に、貯留水の最高水位以下に吸入口を有する液水用排水管をエゼクタ構造として接続している。そのため、排出バルブを開くことにより、気体用排出管を流れる排出ガスの勢いによってジェットポンプ効果が発生し、貯留水が液水用排水管に吸引されることで、貯留水を外部に排出することができる。また、この排水装置では、排出ガスが排出バルブを通過するため、排出ガスによって排出バルブに残留する水を吹き飛ばし、これにより、システムの停止時、外気温の低下にともない排出バルブが凍結するといった事態を抑制している。
【特許文献１】特開２００６−３２１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に開示された手法によれば、排出バルブの水を吹き飛ばす場合には、ジェットポンプ効果を得るために、燃料電池から排出される燃料ガスを流す必要がある。そのため、この手法によれば、発電に使用されなかった燃料ガスが多量に外部に排出されてしまうという不都合が生じる。
【０００４】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、余分なガスの排出を抑制しつつ、バルブ等の開閉手段の凍結を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システム内の水を排水する排水装置を提供する。この排水装置は、貯水手段と、排水流路と、開閉手段と、圧力調整手段と、制御手段とを有する。ここで、貯水手段は、燃料電池の発電にともなう生成水を内部に貯める。排水流路は、貯水手段内部の生成水を、この貯水手段の外部に開放された端部より排出する。開閉手段は、排水流路に設けられて、この流路を開閉する。圧力調整手段は、貯水手段の内部圧力を調整する。制御手段は、開閉手段と圧力調整手段とを制御する。この場合、制御手段は、燃料電池システムにおけるシステムの停止時に、圧力調整手段によって貯水手段の内部圧力を、排水流路の開放端部側の外部圧力よりも減圧させた状態において、開閉手段を開状態へと制御するとともに、開状態へと制御した後に閉状態へと制御する凍結抑制処理を行う。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、貯水手段の内部圧力と、排水流路の開放端側の外部圧力との圧力差によって、生成水を排水流路を介して貯水手段側へと引き込むことにより、開閉手段近傍の生成水を除去することができる。また、貯水手段の内部圧力を減圧した状態で開閉手段を閉状態へと制御するので、開閉手段が水没したままとなるといった状態を抑制することができる。さらに、排水流路内の生成水は貯水手段側へと引き込まれているため、システム内のガスが排水流路を介して外部に排出されるといった事態を抑制することができる。これにより、余分なガスの排出を抑制しつつ、開閉手段の凍結を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システムは、例えば、車両を駆動する電動機（図示せず）の電源として、車両に搭載されている。
【０００８】
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、スタック内部に形成された燃料ガス流路（図示せず）を介して、個々の燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、スタック内部に形成された酸化剤ガス流路（図示せず）を介して、個々の酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いる。
【０００９】
この燃料電池スタック１を備える燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系２０とが備えられている。
【００１０】
水素系１０において、燃料ガスである水素は、この水素を貯蔵する燃料貯蔵手段（例えば、高圧水素ボンベである燃料タンク１１）から、水素供給流路Ｌ10を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１１の下流には燃料タンク元弁（図示せず）が設けられており、この燃料タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１１内の水素は水素供給流路Ｌ10に流出する。燃料タンク１１からの高圧水素は、燃料タンク元弁よりも下流に設けられた減圧弁（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧バルブ１２によって更に減圧された後に、燃料電池スタック１に供給される。水素調圧バルブ１２は、燃料電池スタック１へ供給される水素圧力が所望の値となるように、後述する制御部３０によってその開度が制御される。
【００１１】
燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路Ｌ11に排出される。この水素循環流路Ｌ11は、他方の端部が水素調圧バルブ１２よりも下流側の水素供給流路Ｌ10に接続されており、水素循環流路Ｌ11には、例えば、循環ポンプ１３といった水素循環手段が設けられている。この水素循環手段により、燃料電池スタック１からの排出ガスは、燃料電池スタック１における水素の供給側に循環される。このような循環系により、水素燃費の向上を図ることができる。循環ポンプ１３の駆動量、すなわち、その回転数は、燃料電池スタック１へ供給される水素流量が所望の値となるように、制御部３０によって制御される。
【００１２】
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が酸化剤極から燃料極に透過するため、循環系内におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路Ｌ11には、水素系内のガスを排出する水素排出流路Ｌ12が接続されている。この水素排出流路Ｌ12には、パージバルブ１４が設けられており、このパージバルブ１４の開閉状態を切り替えることにより、水素循環流路Ｌ11を流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）が外部に排出される。パージバルブ１４は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部３０によって制御される。例えば、パージバルブ１４は、基本的に閉状態に制御されており、燃料極における窒素濃度を推定して、或いは、所定の周期毎に、必要に応じて閉状態から開状態に切り替えられるといった如くである。これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系１０からパージされ、水素分圧の減少を抑制することができる。この水素排出流路Ｌ12は、後述する空気排出流路Ｌ21に接続されており、パージバルブ１４からの排出ガスは、燃料電池スタック１から排出される空気によって希釈された上で外部に放出される。
【００１３】
また、水素循環流路Ｌ11には、循環ポンプ１３よりも上流側に、燃料電池スタック１の発電にともなう生成水を排出する排水装置１５が設けられている。図２は、第１の実施形態にかかる排水装置１５を模式的に示す構成図である。この排水装置１５は、セパレータタンク１６と、開閉バルブ１７とを主体に構成されている。
【００１４】
セパレータタンク１６は、内部に空間を備える略円筒形状のタンクを本体としており、この本体中間部には、中央部に開口が形成された仕切り板１６ａが内接されている。この仕切り板１６ａは、本体内を上下に分割しており、上方の空間は気液分離部１６ｂ、下方の空間は貯水部１６ｃとして機能している。水素を主体とする循環ガスと、生成水とが混合した混合流体は、セパレータタンク１６の上方の空間である気液分離部１６ｂに導入される。導入された混合流体は、気液分離部１６ｂの内部を壁面に沿って旋回し、これにより、気体成分（循環ガス）と液体成分（生成水）とに分離される。分離された循環ガスは、本体上部に形成された開口を介して、水素循環流路Ｌ11の下流側へと流出する。一方、分離された生成水は、自重により本体の下方へと移動して、貯水部１６ｃに貯えられる。
【００１５】
本体下部には、貯水部１６ｃに貯えられた生成水を排出するための開口である排出口１６ｄが形成されており、この排出口１６ｄには、上流排水流路Ｌ13が接続されている。上流排水流路Ｌ13は、鉛直下方へと延出した後に水平方向へと屈曲して、水平方向へと延在しており、開閉バルブ１７を介して、下流排水流路Ｌ14に接続している。下流排水流路Ｌ14は、本実施形態において、水平方向へと延在して、その端部が外部に開放されている。開閉バルブ１７の開閉状態は、制御部３０によって制御されている。さらに、上流排水流路Ｌ13には、流路径を部分的に縮小させるオリフィス１８が設けられている。また、この開閉バルブ１７および開閉バルブ１７の近傍の流路は、撥水処理が施されている。なお、本明細書では、セパレータタンク１６から系外へと排出される生成水の流れを基準として上流・下流という用語を用いる。
【００１６】
再び図１を参照するに、空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、大気がコンプレッサ２１によって取り込まれると、これが加圧されて、空気供給流路Ｌ20を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路Ｌ20には、コンプレッサ２１の後段に加湿装置２２が設けられており、燃料電池スタック１に供給される空気は、その発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ21を介して外部（大気）に排出される。この空気排出流路Ｌ21には、空気調圧バルブ２３が設けられている。空気調圧バルブ２３は、燃料電池スタック１へ供給される空気圧力と空気流量とが所望の値となるように、その開度が、コンプレッサ２１の駆動量（回転数）とともに制御部３０によって制御される。
【００１７】
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池スタック１には出力取出装置（図示せず）が接続されている。出力取出装置は、制御部３０によって制御され、燃料電池スタック１から必要な出力（例えば、電力）を取り出す。出力取出装置によって取り出された電力は、車両の駆動モータ（図示せず）を制御するモータ制御部（図示せず）を介して、駆動モータに供給される。また、この出力取出装置には、モータ制御部と並列に充放電可能な二次電池（図示せず）が接続されている。出力取出装置によって取り出された電力、ならびに、駆動モータからの回生電力は、二次電池に充電される。また、二次電池に蓄電された電力は、モータ制御部を介して駆動モータに供給される。
【００１８】
制御部（制御手段）３０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されるマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部３０は、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の運転状態を制御する。制御部３０は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従い、例えば、水素調圧バルブ１２の開度演算、空気調圧バルブ２３の開度演算、循環ポンプ１３の回転数演算、およびコンプレッサ２１の回転数演算を行う。そして、制御部３０は、この演算によって算出された制御量（制御信号）を各種アクチュエータに対して出力し、水素調圧バルブ１２の開度、空気調圧バルブ２３の開度、循環ポンプ１３の回転数、およびコンプレッサ２１の回転数を制御する。
【００１９】
また、本実施形態との関係において、制御部３０は、排水装置１５を制御する機能も担っており、排水装置１５の開閉バルブ１７を制御することにより、セパレータタンク１６内部に貯まる生成水の処理を行う。通常、制御部３０は、セパレータタンク１６の貯水部１６ｃにおける生成水の水位に基づいて、開閉バルブ１７の状態を制御する。具体的には、制御部３０は、貯水部１６ｃにおける生成水の水位が増加して、貯水部１６ｃの満水時の水位よりも低い値に予め設定された上限水位に到達すると、開閉バルブ１７を開状態に制御して生成水の排水を開始する。そして、制御部３０は、生成水の水位が下限水位（上限水位＞下限水位）に到達すると、開閉バルブ１７を閉状態に制御して生成水の排水を終了する。上限水位および下限水位は、車両の走行等に起因する傾きや揺れによる水位変動（例えば、車両搭載時によるもの）を考慮して、例えば、生成水が気液分離部１６ｂに流入しない程度の水位が上限水位として設定され、分離された循環ガスが排出口１６ｄから排出されない程度に生成水が貯水部１６ｃの底部に残留する水位が下限水位として設定されている。また、制御部３０は、燃料電池システムのシステム停止時に、システム停止期間中に開閉バルブ１７が凍結することを抑制するための凍結抑制処理を実行する。なお、凍結抑制処理の詳細については後述する。
【００２０】
制御部３０には、センサ３１〜３２を含む各種センサからの信号が入力されている。水位検出センサ３１は、貯水部１６ｃ内に貯まる生成水の水位を検出するセンサである。水検知センサ３２は、上流排水流路Ｌ13に設けられおり、センサの設置部位における生成水の有無を検知する。
【００２１】
以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて、制御部３０によって実行される凍結抑制処理について説明する。図３は、本発明の実施形態にかかる凍結抑制処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、燃料電池システムのシステム停止時に呼び出され、制御部３０によって実行される。ここで、制御部３０によるシステム停止の判断は、ユーザによってイグニッションスイッチがオフされた場合や、車両への無負荷の状態が所定時間継続した場合などに行われる。
【００２２】
まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、開閉バルブ１７が開状態に制御される。
【００２３】
ステップ１１（Ｓ１１）において、水位検出センサ３１の検出値を参照した上で、貯水部１６ｃ内の生成水の水位が、基準水位以下であるか否かが判定される。この基準水位は、後述する負圧制御にともないセパレータタンク１６内に移動する上流排水流路Ｌ13内の生成水によって、貯水部１６ｃ内の生成水が上限水位を超えることがないようにとの観点から、上限水位よりも低い水位に予め設定されている。具体的には、基準水位は、下限水位と、上限水位時の貯水部１６ｃの生成水から上流排水流路Ｌ13に相当する体積分の生成水を減じた際の貯水部１６ｃ内の水位との範囲において設定されている。
【００２４】
このステップ１１において肯定判定された場合、すなわち、現在の生成水の水位が基準水位以下である場合には、ステップ１２（Ｓ１２）に進み、開閉バルブ１７が閉状態に制御される。一方、ステップ１１において否定判定された場合、すなわち、現在の生成水の水位が基準水位以下でない場合には、所定時間後に再度ステップ１１に示す処理を実行する。
【００２５】
ステップ１２に続くステップ１３（Ｓ１３）において、負圧制御が開始される。この負圧制御は、セパレータタンク１６内の圧力状態を、下流排水流路Ｌ14の開放端部側の外部圧力（本実施形態では、大気圧）よりも小さな圧力に、すなわち、負圧に減圧させる制御である。上述したように、セパレータタンク１６の内部空間は水素循環流路Ｌ11の一部を構成しており、水素循環流路Ｌ11を含む水素系１０は閉じた系となっている。そのため、燃料タンク１１からの水素の供給を停止した状態で、水素循環流路Ｌ11に設けられた循環ポンプ１３を駆動させたり、或いは、出力取出装置によって出力を取り出して燃料電池スタック１の燃料極における水素を消費させたりすることによって、セパレータタンク１６内の圧力を減圧することができる。
【００２６】
ステップ１４（Ｓ１４）において、セパレータタンク１６の内圧が負圧であるか否かが判断される。この判断は、例えば、セパレータタンク１６の内部に圧力センサを設けておき、内圧を直接的にモニタリングすることで判断することができる。なお、比較基準となる大気圧（下流排水流路Ｌ14の開放端部側の外部圧力）は、圧力センサを外部に設けておき、これから得られる検出値を参照してもよいし、基準となる大気圧の代表値を予め用意しておき、これを参照してもよい。
【００２７】
また、循環ポンプ１３を駆動させて負圧制御を行っている場合には、システムを停止する直前の水素の供給圧力、循環ポンプ１３の回転数や、負圧制御を開始してからの経過時間などを参照することで、セパレータタンク１６の内圧を間接的にモニタリングしてもよい。あるいは、出力取出装置を用いて水素を消費させて負圧制御を行っている場合には、システムを停止する直前の水素の供給圧力、出力取出装置による出力の取出量や、負圧制御を開始してからの経過時間などを参照することで、セパレータタンク１６の内圧を間接的にモニタリングしてもよい。なお、間接的なモニタリング手法を用いる場合には、実験やシミュレーションを通じて、セパレータタンク１６の内圧の推定値と、個々のパラメータとの関係をマップやテーブルとして予め取得しておき、これに基づいて、セパレータタンク１６の内部空間の圧力を推定することが望ましい。
【００２８】
ステップ１４において肯定判定された場合、すなわち、セパレータタンク１６の内圧が負圧である場合には、ステップ１５（Ｓ１５）に進み、負圧制御を終了する。一方、ステップ１４において否定判定された場合、すなわち、セパレータタンク１６の内圧が負圧でない場合には、所定時間後に再度ステップ１４に示す処理を実行する。
【００２９】
ステップ１６（Ｓ１６）において、開閉バルブ１７が開状態に制御される。
【００３０】
ステップ１７（Ｓ１７）において、排水流路Ｌ13，Ｌ14における開閉バルブ１７近傍の生成水が除去されたか否かが判断される。ステップ１３〜１５までの一連の負圧制御により、セパレータタンク１６の内圧は負圧状態となる。そのため、ステップ１６において開閉バルブ１７が開状態となると、セパレータタンク１６の内圧と下流排水流路Ｌ14の開放端部側の外部圧力（大気圧）との圧力差に応じて、上流排水流路Ｌ13内に存在する生成水は、セパレータタンク１６側へと移動することとなる。そのため、開閉バルブ１７の上流側に設けられた水検知センサ３２によって生成水の有無を判断することにより、上流排出流路Ｌ13内の生成水がセパレータタンク１６側へと移動したか、すなわち、開閉バルブ１７近傍の生成水が除去されたか否かを判断することができる。
【００３１】
このステップ１７において肯定判定された場合、すなわち、水検知センサ３２によって生成水が検知されていない場合には、ステップ１８（Ｓ１８）に進み、開閉バルブ１７が閉状態に制御される。一方、ステップ１７において否定判定された場合、すなわち、水検知センサ３２によって生成水が検知されている場合には、所定時間後に再度ステップ１４に示す処理を実行する。
【００３２】
なお、ステップ１７では、開閉バルブ１７近傍の生成水が除去されたか否かの判断を、水検知センサ３２による生成水の有無によって判断しているが本発明はこれに限定されない。例えば、ステップ１２において開閉バルブ１７を閉状態に制御したタイミングにおいて、水位検出センサ３１によって検出される貯水部１６ｃの水位を記憶する。また、実験やシミュレーションを通じて、上流排水流路Ｌ13の体積に相当する生成水がセパレータタンク１６側に流入した際の水位の増加量を取得しておく。その上で、水位検出センサ３１からの検出値をモニタリングし、先に記憶した水位から、上流排水流路Ｌ13に相当する生成水分水位が増加した場合に、上記の判断を行ってもよい。
【００３３】
また、別の判断手法としては、図４に示すように、セパレータタンク１６の内圧と下流排水流路Ｌ14の開放端圧（大気圧）との差圧と、開閉バルブ１７を開状態に制御してから、生成水が開閉バルブ１７よりもセパレータタンク１６へと移動するのに要する時間との対応関係を、実験やシミュレーションを通じて予め取得しておく。そして、この対応関係を参照し、負圧制御に伴うセパレータタンク１６の内圧と大気圧との差圧に基づいて、上流排水流路Ｌ13内の生成水がセパレータタンク１６側へと移動するのに要する時間が経過した場合に、開閉バルブ１７近傍の生成水が除去されたとの判断を行ってもよい。なお、図４に示す差圧と時間との対応関係は線形的な関係となっているが、二次関数的、或いは、ステップ的な関係として両者の関係を近似してもよい。
【００３４】
なお、上述した各判断手法は、これらを単独で行うのみならず、複合的に用いて判断を行ってもよい。
【００３５】
このように本実施形態において、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて電力を発電する燃料電池を備える燃料電池システム内の水を排水する排水装置は、貯水手段と、排水流路と、開閉手段と、圧力調整手段と、制御手段とを有している。ここで、貯水手段は、燃料電池スタック１の発電にともなう生成水を内部に貯める機能を担っており、本実施形態では、セパレータタンク１６の貯水部１６ｃがこれに該当する。排水流路は、セパレータタンク１６内部の生成水を、このセパレータタンク１６の外部に開放された端部より排出する機能を担っており、本実施形態では、排水流路Ｌ13，Ｌ14がこれに該当する。開閉手段は、排水流路Ｌ13，Ｌ14に設けられて、この流路を開閉する機能を担っており、本実施形態では、開閉バルブ１７がこれに該当する。圧力調整手段は、貯水手段の内部圧力を調整する機能を担っており、本実施形態では、水素系１０の循環ポンプ１３、或いは、出力取出装置等がこれに該当する。制御手段は、開閉バルブ１７と圧力調整手段とを制御する機能を担っており、本実施形態では、制御部３０がこれに該当する。ここで、制御部３０は、燃料電池システムにおけるシステムの停止時に、圧力調整手段によってセパレータタンク１６の内部圧力を、下流排水流路Ｌ14の開放端部側の外部圧力よりも減圧させた状態において、開閉バルブ１７を開状態へと制御するとともに、開状態へと制御した後に閉状態へと制御する凍結抑制処理を行う。
【００３６】
かかる構成によれば、セパレータタンク１６ｃの内部圧力と、下流排水流路Ｌ14の開放端部側の外部圧力との圧力差により、排水流路Ｌ13，Ｌ14内の生成水がセパレータタンク１６ｃ側へと移動するので、開閉バルブ１７近傍の生成水を除去することができる。また、セパレータタンク１６ｃの内部圧力が負圧の状態で開閉バルブ１７を閉じるので、開閉バルブ１７が水没したままの状態を回避することができる。また、上流排水流路Ｌ13内の生成水はセパレータタンク１６ｃ側へと移動するのみであるため、システム内のガスが排水流路Ｌ13，Ｌ14を介して外部に排出されるといった事態を抑制することができる。これにより、余分なガスの排出を抑制しつつ、開閉バルブ１７の凍結を防止することができる。
【００３７】
また、本実施形態にかかる排水装置は、セパレータタンク１６の内部に貯まる生成水の水位を検出する水位検出手段（本実施形態では、水位検出センサ３１）をさらに有している。ここで、制御部３０は、凍結抑制処理において、開閉バルブ１７を開状態へと制御した後に、水位検出センサ３１の検出結果に基づいて、セパレータタンク１６内部の生成水の水位が、開閉バルブ１７よりも上流側の排水流路Ｌ13の体積分増加した場合に、開閉バルブ１７を閉状態に制御する。かかる構成によれば、セパレータタンク１６における水位の変化を正確に捉えることができるので、圧力差によってセパレータタンク１６側へと移動する生成水の量から、開閉バルブ１７近傍の生成水が除去されたか否かを正確に判断することができる。
【００３８】
また、本実施形態にかかる排水装置は、開閉バルブ１７よりも上流側の排水流路Ｌ13に設けられており、この流路部位における生成水を検知する水検知手段（本実施形態では、水検知センサ３２）をさらに有している。ここで、制御部３０は、凍結抑制処理において、開閉バルブ１７を開状態へと制御した後に、水検知センサ３２によって生成水が検知されなくなった場合に、開閉バルブ１７を閉状態に制御する。かかる構成によれば、開閉バルブ１７よりも上流側の排水流路Ｌ13における生成水の有無を検出することができるので、流路内の生成水が完全にセパレータタンク１６へと移動する前に、開閉バルブ１７近傍の生成水が除去されたか否かを判断することができる。そのため、処理に要する時間を短縮することができるとともに、外部からの異物等がセパレータタンク１６や循環系に混入してしまうといった事態を抑制することができる。
【００３９】
また、本実施形態にかかる排水装置において、制御部３０は、凍結抑制処理において、開閉バルブ１７を開状態へと制御した後に、セパレータタンク１６の内部圧力と排水流路Ｌ14の開放端側の圧力との差圧に応じて予め設定された経過時間が経過した場合に、開閉バルブ１７を閉状態に制御する。かかる手法によれば、センサ等を用いずとも、開閉バルブ１７近傍の生成水が除去されたか否かを判断することができる。また、この時間を予め適切に設定することにより、外部からの異物等が貯水手段やシステム内部に混入してしまうといった事態を抑制することができる。
【００４０】
また、本実施形態にかかる排水装置において、制御部３０は、システムの通常運転時、セパレータタンク１６の満水時の水位よりも低い値に設定された上限水位に生成水の水位が到達した場合に、開閉バルブ１７を開状態に制御して生成水の排水を開始するとともに、上限水位よりも低い値に設定された下限水位に生成水の水位が到達した場合に、開閉バルブ１７を閉状態に制御して生成水の排水を終了する。かかる構成によれば、車両の走行等に起因する傾きや揺れによる水位変動によって、セパレータタンク１６の貯水部１６ｃに貯まった生成水が気液分離部１６ｂに流入したり、貯水部１６ｃの排出口１６ｄからガスが外部へと流出したりするといった事態を抑制することができる。
【００４１】
また、本実施形態にかかる排水装置において、排水流路Ｌ13，14は、開閉バルブ１７よりも上流側の流路Ｌ13の体積が、満水時におけるセパレータタンク１６（貯水部１６ｃ）内の生成水の体積から上限水位時におけるセパレータタンク１６（貯水部１６ｃ）内の生成水の体積を減算した値よりも小さく設定されている。かかる構成によれば、凍結抑制処理によって、排水流路Ｌ13内の生成水がセパレータタンク１６に流入した際に、貯水部１６ｃから生成水が溢れ出してしまうといった事態を抑制することができる。
【００４２】
また、本実施形態にかかる排水装置において、制御部３０は、凍結抑制処理を行う前提として、開閉バルブ１７を開状態に制御した後に、水位検出センサ３１の検出結果に基づいて、セパレータタンク１６内の生成水が基準水位以下である場合に、開閉バルブ１７を閉状態に制御している。ここで、基準水位は、下限水位と、上限水位時のセパレータタンク１６内の生成水から開閉バルブ１７よりも上流側の排水流路Ｌ13に相当する体積分の生成水を減じた際のセパレータタンク１６内の水位との範囲において設定されている。かかる構成によれば、セパレータタンク１６内の水位を同じ条件にした上で凍結抑制処理を行うことができるので、制御の安定化を図ることができる。また、基準水位を基準として処理を行うことにより、生成水が排水流路Ｌ13からセパレータタンク１６側へと移動する際に増加する水位を事前に把握することができるので、開閉バルブ１７近傍の生成水が除去されたか否かを正確に判断することができる。また、外部からの異物等が貯水手段やシステム内部に混入してしまうといった事態を抑制することができる。
【００４３】
さらに、本実施形態にかかる排水装置は、開閉バルブ１７よりも上流側の排水流路Ｌ13に設けられており、流路径を縮小するオリフィスをさらに有する。かかる構成によれば、セパレータタンク１６へと流入する生成水の流速が遅くなるので、開閉バルブ１７の制御性能の向上を図ることができる。
【００４４】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態にかかる排水装置１５Ａを模式的に示す構成図である。第２の実施形態にかかる排水装置１５Ａが、第１の実施形態にかかる排水装置１５と相違する点は排水流路の形状である。なお、第１の実施形態と同様の構成については符号を引用し、重複する構成については説明を省略する。また、凍結抑制処理の詳細については、第１の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００４５】
第２の実施形態にかかる排水装置１５Ａは、セパレータタンク１６と、開閉バルブ１７とを主体に構成されている。セパレータタンク１６の本体下部には、貯水部１６ｃに貯えられた生成水を排出するための開口である排出口１６ｄが形成されており、この排出口１６ｄは、上流排水流路Ｌ15が接続されている。上流排水流路Ｌ15は、鉛直下方へと延出した後に、水平方向へと屈曲した後に再度屈曲し、鉛直下方へと向かって延出している。この上流排出流路Ｌ15は、開閉バルブ１７を介して、下流排水流路Ｌ14に接続している。上流排水流路Ｌ15には、流路径を部分的に縮小させるオリフィス（図示せず）が設けられている。また、下流排水流路Ｌ14は、本実施形態において、下向きに延在した形状を有しており、その端部が大気に開放されている。開閉バルブ１７の開閉状態は、制御部３０によって制御されている。また、この開閉バルブ１７および開閉バルブ１７の近傍の流路は、撥水処理が施されている。
【００４６】
このように本実施形態において、排水流路Ｌ13，Ｌ14は、開閉バルブ１７よりも下流側が下向きに延在した形状を有している。第１の実施形態で説明したように、凍結抑制処理では、セパレータタンク１６内を負圧に設定しているため、これにともない、下流排水流路Ｌ14から空気が吸い込まれる。下流排水流路Ｌ14に生成水が残留しているケースでは、この吸い込まれた空気とともに流路内の生成水が吸い込まれ、これが開閉バルブ１７近傍に留まる虞がある。そのため、凍結抑制処理では、下流排水流路Ｌ14内に生成水が存在していないことが好ましい。そこで、本実施形態では、下流排水流路Ｌ14を下向きに延在した形状とすることにより、その内部に存在する生成水が自重によって系外に排出されるような格好となっている。これにより、下流排水流路Ｌ14での生成水の滞留を抑制することができるので、開閉バルブ１７の凍結抑制を効果的に行うことができる。
【００４７】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる排水装置１５Ｂを模式的に示す構成図である。第３の実施形態にかかる排水装置１５Ｂが、第１の実施形態にかかる排水装置１５と相違する点は排水流路の形状である。なお、第１の実施形態と同様の構成については符号を引用し、重複する構成については説明を省略する。また、凍結抑制処理の詳細については、第１の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００４８】
第３の実施形態にかかる排水装置１５Ｂは、セパレータタンク１６と、開閉バルブ１７とを主体に構成されている。セパレータタンク１６の内部には、上流排水流路Ｌ16が設けられており、この上流排水流路Ｌ16は、貯水部１６ｃの下部から鉛直上方へと延在し、気液分離部１６ｂにおいて水平方向へと屈曲した後に、セパレータタンク１６の外部へと延在し、開閉バルブ１７を介して、下流排水流路Ｌ14に接続している。上流排水流路Ｌ16には、流路径を部分的に縮小させるオリフィス１８が設けられている。また、下流排水流路Ｌ14は、本実施形態において、水平方向へと延在して、その端部が大気に開放されている。開閉バルブ１７の開閉状態は、制御部３０によって制御されている。また、この開閉バルブ１７および開閉バルブ１７の近傍の流路は、撥水処理が施されている。
【００４９】
このように本実施形態において、排水装置１５の開閉バルブ１７は、システムの停止時におけるセパレータタンク１６内部の生成水の液面よりも鉛直上方に配置されている。これにより、燃料電池システムのシステム停止の最中に、セパレータタンク１６の内圧が上昇して大気圧へと近づいたとしても、上流排水流路Ｌ13内の生成水が開閉バルブ１７に到達するといった事態を抑制することができる。これにより、開閉バルブ１７が水没するといった事態を抑制することができる。また、かかる構成によれば、水素系１０の水素循環流路Ｌ11において凝縮した水は、セパレータタンク１６に溜まり、排水流路Ｌ13への流れこみを抑制することができる。これにより、開閉バルブ１７の凍結を一層有効に抑制することができる。
【００５０】
（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態にかかる排水装置１５Ｃを模式的に示す構成図である。第４の実施形態にかかる排水装置１５Ｃが、第１の実施形態にかかる排水装置１５と相違する点は排水流路の形状である。なお、第１の実施形態と同様の構成については符号を引用し、重複する構成については説明を省略する。また、凍結抑制処理の詳細については、第１の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。
【００５１】
第４の実施形態にかかる排水装置１５Ｃは、セパレータタンク１６と、開閉バルブ１７とを主体に構成されている。セパレータタンク１６の内部には、上流排水流路Ｌ16が設けられており、この上流排水流路Ｌ16は、貯水部１６ｃの下部から鉛直上方へと延在した後に屈曲して、セパレータタンク１６の外部へと延在し、開閉バルブ１７を介して、下流排水流路Ｌ14に接続している。上流排水流路Ｌ16には、流路径を部分的に縮小させるオリフィス（図示せず）が設けられている。また、下流排水流路Ｌ14は、本実施形態において、下向きに延在する形状を有しており、その端部が大気に開放されている。開閉バルブ１７の開閉状態は、制御部３０によって制御されている。また、この開閉バルブ１７および開閉バルブ１７の近傍の流路は、撥水処理が施されている。
【００５２】
このように本実施形態において、排水装置の開閉バルブ１７は、システムの停止時におけるセパレータタンク１６内部の生成水の液面よりも鉛直上方に配置され、かつ、排出流路Ｌ13，14は、開閉バルブ１７よりも下流側が下向きの形状に設定されている。かかる構成によれば、第２の実施形態および第３の実施形態に示す作用・効果をそれぞれ奏する。これにより、開閉バルブ１７の凍結を一層有効に抑制することができる。
【００５３】
なお、上述した各実施形態では、水素系１０に排水装置１５を適用した形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、空気系２０に排水装置１５を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】第１の実施形態にかかる排水装置１５を模式的に示す構成図
【図３】本発明の実施形態にかかる凍結抑制処理の手順を示すフローチャート
【図４】セパレータタンク１６の内圧と下流排水流路Ｌ14の開放端圧（大気圧）との差圧と、生成水が開閉バルブ１７よりもセパレータタンク１６へと移動するのに要する時間との対応関係を示す説明図
【図５】第２の実施形態にかかる排水装置１５Ａを模式的に示す構成図
【図６】第３の実施形態にかかる排水装置１５Ｂを模式的に示す構成図
【図７】第４の実施形態にかかる排水装置１５Ｃを模式的に示す構成図
【符号の説明】
【００５５】
１      燃料電池スタック
１０    水素系
１１    燃料タンク
１２    水素調圧バルブ
１３    循環ポンプ
１４    パージバルブ
１５    排水装置
１５Ａ  排水装置
１５Ｂ  排水装置
１５Ｃ  排水装置
１６    セパレータタンク
１６ａ  仕切り板
１６ｂ  気液分離部
１６ｃ  貯水部
１６ｄ  排出口
１７    開閉バルブ
１８    オリフィス
２０    空気系
２１    コンプレッサ
２２    加湿装置
２３    空気調圧バルブ
３０    制御部
３１    水位検出センサ
３２    水検知センサ
Ｌ10    水素供給流路
Ｌ11    水素循環流路
Ｌ12    水素排出流路
Ｌ13    上流排水流路
Ｌ14    下流排水流路
Ｌ15    上流排水流路
Ｌ16    上流排水流路
Ｌ20    空気供給流路
Ｌ21    空気排出流路
【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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