(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、排水流路の開放端部側の外部圧力を目標値として、貯水手段の内部圧力を圧力調整手段によって減圧させた上で、開閉手段を開状態に制御する凍結抑制処理を行う。この際、開閉手段は、凍結抑制処理を行った状態において、排水流路内の生成水の液面よりも上方に配置されている。【選択図】図４
2008177129.tif 000002
【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、
流路の一部が上方へと延在する上向き形状を有しており、前記貯水手段内部の生成水を、当該生成水の液面よりも上方へと導いた後に、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、前記排水流路の開放端部側の外部圧力を目標値として、前記貯水手段の内部圧力を前記圧力調整手段によって減圧させた上で、前記開閉手段を開状態に制御する凍結抑制処理を行い、
前記開閉手段は、前記凍結抑制処理を行った状態において、前記排水流路内の生成水の液面よりも上方に配置されていることを特徴とする排水装置。
【請求項２】
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、
流路の一部が上方へと延在するとともに屈曲部を介して下方へと延在する屈曲形状を有しており、前記貯水手段内部の生成水を、当該生成水の液面よりも上方へと導いた後に、外部に開放された端部より排出する排水流路と、
前記排水流路の前記屈曲部よりも開放端部側に設けられて、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、前記排水流路の開放端部側の外部圧力を目標値として、前記貯水手段の内部圧力を前記圧力調整手段によって減圧させた上で、前記開閉手段を開状態に制御する凍結抑制処理を行い、
前記屈曲部は、前記凍結抑制処理を行った状態において、前記排水流路内の生成水の液面よりも上方に位置していることを特徴とする排水装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記開閉手段を開状態に制御することによって、前記排水流路内の生成水の液面と前記貯水手段内の生成水の液面とが互いに平衡状態となるように、前記貯水手段の内部圧力を減圧させ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第１の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、前記第１の水位検出手段の検出結果に基づいて、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５】
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４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、前記第１の水位検出手段の検出結果に基づいて、前記貯水手段内の生成水が予め設定された基準水位に到達することを条件として、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】
前記制御手段は、前記凍結抑制処理として前記開閉手段を開状態に制御した後に、当該開閉手段を開状態から閉状態に制御することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載された排水装置。
【請求項８】
前記排水流路において前記開閉手段よりも前記貯水手段側に設けられた第２の水位検出手段を有し、
前記制御手段は、前記第２の水位検出手段によって検出される基準水位へと前記排水流路内の液面が低下したことを条件として、前記開閉手段を開状態から閉状態へと制御す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】
前記排水流路において前記開閉手段に接する位置に設けられて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から８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積極的に流す必要がある。そのため、この手法によれば、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、流路の一部が上方へと延在する上向き形状を有しており、貯水手段内部の生成水を、この生成水の液面よりも上方へと導いた後に、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、排水流路の開放端部側の外部圧力を目標値として、貯水手段の内部圧力を圧力調整手段によって減圧させた上で、開閉手段を開状態に制御する凍結抑制処理を行う。また、開閉手段は、凍結抑制処理を行った状態において、排水流路内の生成水の液面よりも上方に配置されている。
【発明の効果】
【０００６】
凍結抑制処理として、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へと減圧させた後に、開閉手段を開状態に制御することにより、排水流路内の液面が低下するので、システムの停止している期間中に開閉手段が生成水に浸されているといった状態を抑制することができる。また、開閉手段の水を除去するために、燃料ガスを積極的に流して生成水を外部に排出する必要がないので、余分なガスの排出を抑制しつつ、開閉手段の凍結を防止することができる。
【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、燃料供給手段（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、本体の内部空間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、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。この上流排水流路Ｌ13は、開閉バルブ１７を介して下流排水流路Ｌ14に接続しており、貯水部１６ｃ内部の生成水は、開閉バルブ１７が開状態であることを条件に、水素の循環系、すなわち、セパレータタンク１６の内部圧力によって、上流排水流路Ｌ13、下流排水流路Ｌ14を介して外部に排出される。上流排水流路Ｌ13は、本実施形態において、鉛直下方へと延出した後に屈曲して水平方向へと延在し、その後、屈曲して鉛直上方へ延在している。また、この上流排水流路Ｌ13は、セパレータタンク１６内の生成水の液面よりも上方、本実施形態では、気液分離部１６ｂに相当する位置まで延在すると、その後屈曲して水平方向へと延在し、その開放端部に設けられた開閉バルブ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。本実施形態において、開閉バルブ１７は、気液分離部１６ｂに相当する高さ位置に配置されており、その開閉状態は、制御部３０によって制御されている。さらに、この開閉バルブ１７および排水流路Ｌ13，Ｌ14には、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、発電効率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。燃料電池システムの通常運転時、制御部３０は、開閉バルブ１７の開閉状態を適宜制御して、生成水の排水を行う。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。
【００２０】
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、本発明の第１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。
【００２１】
まず、ステップ１０（Ｓ１０）において、大気圧制御が行われる。燃料電池システムが運転中は、燃料電池スタック１には水素が供給されているため、セパレータタンク１６の内部空間を含む水素循環流路Ｌ11は正圧状態となっている。この大気圧制御では、セパレータタンク１６内の圧力状態を、排水流路Ｌ13，Ｌ14の開放端部側の外部圧力（本実施形態では、大気圧）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。本実施形態では、燃料タンク１１からの水素の供給を停止した状態でパージバルブ１４を開状態に制御して、水素循環流路Ｌ11を大気圧に減圧することにより、セパレータタンク１６の内部圧力を大気圧へと減圧させる。
【００２２】
ステップ１１（Ｓ１１）において、開閉バルブ１７を開状態へと制御した後に、本ルーチンを終了する。
【００２３】
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、前記燃料電池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がこれに該当する。排水流路は、流路の一部が上方へと延在する上向き形状を有しており、セパレータタンク１６内部の生成水を、この生成水の液面よりも上方へと導いた後に、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がこれに該当する。開閉手段は、排水流路Ｌ13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、セパレータタンク１６の内部圧力を調整する機能を担っており、本実施形態ではパージバルブ１４がこれに該当する。制御手段は、開閉バルブ１７とパージバルブ１４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。
【００２４】
この場合、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、排水流路Ｌ13の開放端部側の外部圧力を目標値として、セパレータタンク１６の内部圧力をパージバルブ１４によって減圧させた上で、開閉バルブ１７を開状態に制御する凍結抑制処理を行う。ここで、開閉バルブ１７は、凍結抑制処理を行った状態において、排水流路内の生成水の液面よりも上方に配置されている。
【００２５】
図４は、凍結抑制処理による生成水の移動状態を示す説明図である。燃料電池システムが運転中は、燃料電池スタック１には水素が供給されているため、システムの停止にともなう凍結抑制処理の開始時には、セパレータタンク１６の内部空間を含む水素循環流路Ｌ11は正圧状態となっている。また、開閉バルブ１７は閉状態となっているため、生成水は、上流排水流路Ｌ13の全域を満たした状態で、セパレータタンク１６内において所定の水位Ａとなっている。
【００２６】
凍結抑制処理を行った場合、上流排水流路Ｌ13は下流排水流路Ｌ14を介して大気に開放され、この結果、セパレータタンク１６内の液面と上流排水流路Ｌ13内の液面とに作用する圧力が互いに対応する。ここで、開閉バルブ１７はセパレータタンク１６内の液面Ａよりも上方に配置されている。そのため、上流排水流路Ｌ13内の生成水は自重によってセパレータタンク１６側へと移動する。これにより、上流排水流路Ｌ13では、開閉バルブ１７よりも下方に液面が下がり、また、セパレータタンク１６では、生成水の移動分だけ液面Ａから増加する。そして、セパレータタンク１６における液面（液面Ｂ）と上流排水流路Ｌ13における液面（液面Ｃ）とが同一の水平面となった段間で、互いに平衡した状態となる。
【００２７】
このように本実施形態によれば、凍結抑制処理として、セパレータタンク１６の内圧を大気圧へと減圧させた後に、開閉バルブ１７を開状態に制御することにより、上流排水流路Ｌ13内の液面が低下するので、システムの停止している期間中に開閉バルブ１７が生成水に浸されているといった状態を抑制することができる。また、開閉バルブ１７の水を除去するために、セパレータタンク１６内に水素を積極的に流して生成水を外部に排出する必要がないので、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。
【００２８】
なお、上述した実施形態では、パージバルブ１４を開状態に制御することにより、セパレータタンク１６の内圧を大気圧へと減圧しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、パージバルブ１４を開放せずに、水素循環系内の水素を消費させることによって、セパレータタンク１６内を大気圧へと減圧させてもよい。この場合、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、出力を取り出している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、このケースでは、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。なお、セパレータタンク１６の内圧の目標値である大気圧は、センサによってこれを直接的に取得して参照してもよいし、使用環境を考慮した上でその代表値を用意しておき、これを参照してもよい。
【００２９】
さらに、本実施形態では、セパレータタンク１６内を大気圧へと減圧させている。そのため、上流排水流路Ｌ13の液面が低下して、セパレータタンク１６内の液面Ｂと、上流排水流路Ｌ13内の液面Ｃとが同一水平面において平衡状態となる。そして、上流排水流路Ｌ13内の液面Ｃを基準として、開閉バルブ１７のレイアウトを規定している。しかしながら、本発明は厳密に大気圧（排水流路Ｌ13，Ｌ14の開放端側の外部圧力）へと減圧させることを要求するものではない。すなわち、セパレータタンク１６の内圧を完全に大気圧まで減圧させずとも、大気圧に近づくように減圧制御を行えば、図５に示すように、上流排水流路Ｌ13の液面が低下して、セパレータタンク１６内の液面Ｂと、上流排水流路Ｌ13内の液面Ｃとが同一の水平面で対応しないものの、両者の液面は平衡状態となる。このようなケースであっても、開閉バルブ１７を、凍結抑制処理として開閉バルブ１７を開状態に制御した後の排水流路Ｌ13，Ｌ14内の生成水の液面よりも上方に配置することで、システムが停止している最中に開閉バルブ１７が生成水に浸された状態を抑制することができる。これにより、開閉バルブ１７の凍結を抑制することができる。
【００３０】
（第２の実施形態）
図６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、重複する説明は省略する。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。
【００３１】
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。本実施形態において、上流排水流路Ｌ15の一部は、セパレータタンク１６の内部に設けられており、貯水部１６ｃの下部から鉛直上方へと延在し、セパレータタンク１６内の生成水の液面よりも上方、具体的には、気液分離部１６ｂにおいて水平方向へと屈曲する。その後、上流排水流路Ｌ15は、セパレータタンク１６の外部へと延出し、開閉バルブ１７を介して、下流排水流路Ｌ14に接続する。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、その端部が大気に開放されている。開閉バルブ１７の開閉状態は、第１の実施形態と同様に、制御部３０によって制御されている。
【００３２】
このように本実施形態にかかる排水装置１５Ａによれば、凍結抑制処理として開閉バルブ１７を開状態に制御することにより、上流排水流路Ｌ13内の液面が低下するので、第１の実施形態と同様の効果を奏する。また、上流排水流路Ｌ13の一部をセパレータタンク１６の内部に配置させているので、装置の小型化を図ることができ、車両への搭載性の向上を図ることができる。
【００３３】
（第３の実施形態）
図７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または２の実施形態のそれと相違する点は、セパレータタンク１６（具体的には、貯水部１６ｃ）内の水位に上限値（上限水位）を下限値（下限水位）とを規定して制御を行う点にある。なお、第１または第２の実施形態と同様の構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。
【００３４】
第３の実施形態において、制御部３０は、燃料電池システムの通常運転時、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。これにより、セパレータタンク１６内の生成水は、上限水位と下限水位との範囲内に収まるようになっている。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。
【００３５】
また、セパレータタンク１６の貯水部１６ｃには、水位検出センサ３１，３２が設けられている。上限水位検出センサ３１は、貯水部１６ｃ内において上限水位を検出するセンサであり、下限水位検出センサ３２は、貯水部１６ｃ内において下限水位を検出するセンサである。個々の水位検出センサ３１，３２からの検出結果は、制御部３０に対して出力されている。
【００３６】
さらに、本実施形態において、図８に示すように、上流排水流路Ｌ13の体積Ｖａは、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（体積Ｖｂ）よりも小さく設定されている。
【００３７】
図９は、第３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。
【００３８】
まず、ステップ２０（Ｓ２０）において、開閉バルブ１７が開状態に制御される。上述したように、システムの停止にともなう凍結抑制処理の開始時には、セパレータタンク１６の内部空間を含む水素循環流路Ｌ11は正圧状態となっている。そのため、ステップ２０において開閉バルブ１７が開状態に制御されることにより、セパレータタンク１６内の生成水は、内部圧力によって押し出され、排水流路Ｌ13，Ｌ14を介して外部へ排出される。
【００３９】
ステップ２１（Ｓ２１）において、セパレータタンク１６内の生成水が基準水位に到達したか否かが判定される。本実施形態において、基準水位は、セパレータタンク１６内の生成水の排水制御を行うための下限水位が設定されている。そのため、制御部３０は、下限水位検出センサ３２の検出結果を参照し、生成水の水位が下限水位に到達したか否かを判断する。
【００４０】
このステップ２１において肯定判定された場合、すなわち、生成水の水位が下限水位に到達した場合には、ステップ２２（Ｓ２２）に進む。一方、ステップ２１において否定判定された場合、すなわち、生成水の水位が下限水位に到達していない場合には、所定時間後に再度ステップ２１の処理を行う。
【００４１】
ステップ２２（Ｓ２２）において、開閉バルブ１７が閉状態に制御される。そして、ステップ２３（Ｓ２３）において、第１の実施形態に示すステップＳ１０の処理と同様に大気圧制御が行われ、ステップ２４（Ｓ２４）において、第１の実施形態に示すステップＳ１１の処理と同様に開閉バルブ１７が開状態に制御される。
【００４２】
このように本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、大気圧制御に先立ち、セパレータタンク１６内の生成水の液面を基準水位（本実施形態では、下限水位）まで低下させておくことにより、排水流路Ｌ13からセパレータタンク１６側に移動する生成水の量が多くなる。そのため、排水流路Ｌ13における液面の低下幅が大きくなるので、開閉バルブ１７が生成水に浸されているといった事態を抑制することがでる。これにより、開閉バルブ１７の凍結をより効果的に抑制することができる。
【００４３】
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４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。以下、第４の実施形態にかかる凍結抑制処理の手順を説明数する。なお、本実施形態にかかる排水装置は、第１の実施形態と同様であるため、対応する構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。
【００４４】
まず、ステップ３０（Ｓ３０）において、第１の実施形態に示すステップ１０の処理と同様に大気圧制御が行われ、ステップ３１（Ｓ３１）において、第１の実施形態に示すステップ１１の処理と同様に開閉バルブ１７が開状態に制御される。
【００４５】
ステップ３２（Ｓ３２）において、開閉バルブ１７における生成水の除去が完了したか否かが判断される。本実施形態において、生成水が除去されたか否かの判断は、開閉バルブ１７を開状態に制御してからの経過時間によって判断する。そこで、実験やシミュレーションを通じて、大気圧制御および開閉バルブ１７の開制御を前提として、開閉バルブ１７から生成水が除去されるのに要する時間を基準時間として取得しておき、この基準時間と経過時間との比較によって判断を行うこととする。
【００４６】
このステップ３２において肯定判定された場合、すなわち、開閉バルブ１７を開状態にしてからの時間が基準時間に到達している場合には、ステップ３３（Ｓ３３）に進む。一方、ステップ３２において否定判定された場合、すなわち、開閉バルブ１７を閉状態にしてからの時間が基準時間に到達していない場合には、所定時間後にステップ３２の処理を再度行う。
【００４７】
そして、ステップ３３において、開閉バルブ１７を閉状態に制御して、本ルーチンを終了する。
【００４８】
このように本実施形態によれば、開閉バルブ１７を開状態に制御した後に、最終的に開閉バルブ１７を閉状態へと制御している。そのため、排水流路Ｌ13，Ｌ14を介してセパレータタンク１６内に異物等が混入してしまうといった不都合を抑制することができる。
【００４９】
（第５の実施形態）
図１１は、本発明の第５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５の実施形態にかかる排水装置１５Ｃが、上述した各実施形態のそれと相違する点は、上流排水流路Ｌ13に水位検出センサを設けた点にある。なお、上述した各実施形態と同様の構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。
【００５０】
具体的には、上流排水流路Ｌ13において、開閉バルブ１７よりも下流側には、水位検出センサ３３が設けられている。水位検出センサ３３からの検出結果は、制御部３０に対して出力されている。なお、この水位検出センサ３３は、凍結抑制処理として開閉バルブ１７を開状態に制御した後の排水流路Ｌ13内の生成水の液面よりも上方に配置している。
【００５１】
また、本実施形態において、上流排水流路Ｌ13には、開閉バルブ１７に接する位置に、流路径を縮小するオリフィス１８が設けられている。
【００５２】
このような構成の排水装置１５Ｃにおいて、制御部３０は、大気圧制御を行い、その後に、開閉バルブ１７を開状態へと制御する。そして、制御部３０は、水位検出センサ３３の検出結果を参照、上流排水流路Ｌ13の液面が低下して、そのセンサ位置へと液面が到達したことを条件に、開閉バルブ１７を閉状態へと制御する。
【００５３】
このように本実施形態によれば、最終的に開閉バルブ１７を閉状態へと制御しているため、異物等の混入を抑制することができる。また、開閉バルブ１７の下流に設けられた水位検出センサ３３位置へと液面が低下した段階で、すなわち、セパレータタンク１６と上流排水流路Ｌ13との液面が平衡状態となる前に開閉バルブ１７を閉じることができるので、処理時間の短縮を図ることができる。
【００５４】
また、開閉バルブ１７に接してオリフィス１８を設けているため、開閉バルブ１７を開状態と制御した場合には、このオリフィス１８は生成水によって水没しない状態となる。したがって、生成水がセパレータタンク１６へと移動する時間が早くなるので、処理時間の一層の短縮を図ることができる。
【００５５】
（第６の実施形態）
図１２は、本発明の第６の実施形態にかかる排水装置１５Ｄを模式的に示す構成図である。第６の実施形態にかかる排水装置１５Ｄが、上述した各実施形態のそれと相違する点は排水流路の形状である。なお、上記と同様の構成については符号を引用し、重複する説明は省略する。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。
【００５６】
第６の実施形態にかかる排水装置１５Ｄ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には、上流排水流路Ｌ13が接続されている。この上流排水流路Ｌ13は、開閉バルブ１７を介して下流排水流路Ｌ14に接続しており、貯水部１６ｃ内部の生成水は、開閉バルブ１７が開状態であることを条件に、水素の循環系、すなわち、セパレータタンク１６の内部圧力によって、上流排水流路Ｌ13、下流排水流路Ｌ14を介して外部に排出される。上流排水流路Ｌ13は、本実施形態において、鉛直下方へと延出した後に屈曲して水平方向へと延在し、その後、屈曲して鉛直上方へ延在している。また、この上流排水流路Ｌ13は、セパレータタンク１６内の生成水の液面よりも上方、本実施形態では、気液分離部１６ｂに相当する位置まで延在すると、その後屈曲して水平方向へと延在する。そして、その後鉛直下方へと屈曲して、その開放端部に設けられた開閉バルブ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、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。
【００５７】
このように本実施形態において、上流排水流路Ｌ13は、流路の一部が上方へと延在するとともに屈曲部を介して下方へと延在する屈曲形状を有しており、セパレータタンク１６内部の生成水を、この生成水の液面よりも上方へと導いた後に、外部に開放された端部より排出する。かかる構成によれば、第１の実施形態に示す作用・効果を奏するとともに、下流排水流路Ｌ14が下向き形状となり、開閉バルブ１７の近傍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、開閉バルブ１７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。
【００５８】
なお、上述した各実施形態では、水素系１０に排水装置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に排水装置を適用することもできる。また、個々の実施形態に記載した排水装置は、その発明の範囲において、上述した実施形態に記載した組合せのみならず、その特徴点を種々組み合わせて適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【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】第１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】凍結抑制処理による生成水の移動状態を示す説明図
【図５】凍結抑制処理による生成水の移動状態を示す説明図
【図６】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７】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８】上流排水流路Ｌ13の体積Ｖａの説明図
【図９】第３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１０】第４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１１】第５の実施形態にかかる排水装置１５Ｃを模式的に示す構成図
【図１２】第６の実施形態にかかる排水装置１５Ｄを模式的に示す構成図
【符号の説明】
【００６０】
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
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      上限水位検出センサ
３２      下限水位検出センサ
３３      水位検出センサ
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
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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008177129.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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