(57)【要約】【課題】  本発明は燃料電池システムに関し、気液分離器に接続される排出弁を用い、貯留水とともに所望の量の燃料ガスを確実に排出できるようにする。【解決手段】  気液分離器にはその内部の貯留水とともに燃料ガスを外部に排出しうる排出弁が接続されている。この排出弁の開弁により生じる排出弁上流部の圧力変化を検出或いは推定し、開弁時からの圧力の変化量を時間により積分した積分値或いは積分値に対応するパラメータを求める。前記積分値は、排出弁の開弁により排気された燃料ガスの排気量を代表するので、前記積分値或いは積分値に対応するパラメータに基づいて排出弁の閉弁時期を決定することで、所望の量の燃料ガスを確実に排気することができる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスの通路であるオフガス通路と、
前記燃料オフガス通路に配置され、前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され、前記気液分離器内の貯留水とともに前記燃料ガスを外部に排出しうる排出弁と、
前記排出弁の開閉を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記排出弁の開弁により生じる前記排出弁の上流部の圧力の変化を検出或いは推定し、開弁時からの前記上流部圧力の変化量を時間により積分した積分値或いは前記積分値に対応するパラメータに基づいて前記排出弁の閉弁時期を決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスの通路であるオフガス通路と、
前記燃料オフガス通路に配置され、前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され、前記気液分離器内の貯留水とともに前記燃料ガスを外部に排出しうる排出弁と、
前記排出弁の開閉を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電量から算出される前記燃料電池内での生成水量に基づいて前記気液分離器内の貯留水量を推定し、前記貯留水量の推定値に基づいて前記排出弁の開閉時期を決定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
開弁前の前記排出弁の上流部の圧力を検出する上流部圧力検出手段と、
前記上流部圧力に基づいて前記排出弁の閉弁時期を補正する補正手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
開弁前の前記排出弁の下流部の圧力を検出する下流部圧力検出手段をさらに備え、
前記補正手段は、前記上流部圧力と前記下流部圧力とに基づいて前記排出弁の閉弁時期を補正することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記排出弁は直列に設けられた上流側排出弁と下流側排出弁とからなり、
前記制御手段は、前記上流側排出弁の開弁に遅れて前記下流側排出弁を開弁させたときの前記両排出弁間の通路内圧の変化から前記上流部圧力の変化を推定し、前記下流側排出弁の開弁後、前記通路内圧が所定圧に低下して以降の経過時間を前記積分値に対応するパラメータとして取得す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６】
前記両排出弁を異なるタイミングで閉弁させたときの前記通路内圧の変化状態に基づいて前記両排出弁の一方或いは双方の故障を判定する故障判定手段をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記故障判定手段は、前記上流側排出弁を閉弁させ続いて前記下流側排出弁を閉弁させたときに前記通路内圧が所定値以上上昇した場合には前記上流側排出弁に開弁故障が生じていると判定することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記故障判定手段は、前記下流側排出弁を閉弁させ続いて前記上流側排出弁を閉弁させたときに前記通路内圧が所定値以上低下した場合には前記下流側排出弁に開弁故障が生じていると判定することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記故障判定手段は、前記下流側排出弁の閉弁前に前記上流側排出弁を閉弁させたときの前記通路内圧の低下量が所定値以下の場合には前記下流側排出弁に閉弁故障が生じていると判定することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記故障判定手段は、前記上流側排出弁の閉弁前に前記下流側排出弁を閉弁させたときの前記通路内圧の上昇量が所定値以下の場合には前記上流側排出弁に閉弁故障が生じていると判定することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記排出弁を開弁させた後、前記排出弁の上流部の圧力が低下し始めるまでの時間が長いほど、前記排出弁の次回の閉弁から開弁までの時間を短く設定す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１２】
前記制御手段は、前記排出弁の開弁により前記排出弁の上流部の圧力が低下し始めた後の所定時点における上流部圧力と、前記所定時点における上流部圧力の変化速度とから、前記気液分離器内からの排水の完了時点を逆算することを特徴とする請求項１又は１１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、オフガス通路に配置された気液分離器の排出弁から貯留水も燃料ガスも排出しうるように構成された燃料電池システムに係り、特に、排出弁を介して外部に排出される燃料ガスの排気量の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、固体高分子膜等の電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された構造を有し、アノードに水素を含む燃料ガスが接触しカソードに空気など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起こり、起電力が発生する仕組みになっている。このような燃料電池によって電力を得る燃料電池システムでは、燃料である水素の無駄な消費を無くすことが省エネルギの観点において重要である。このため、従来の燃料電池システムでは、燃料電池で使用された燃料ガスのオフガスを再び燃料電池に循環させることで、オフガスに残存している水素の有効利用が図られている。
【０００３】
燃料電池内では、カソードにおける電気化学反応、すなわち、アノード側から電解質膜を透過してきた水素イオンと酸化ガス中の酸素との反応により水が生成される。反応により生成された水の多くは酸化ガスのオフガスに含まれて大気中に放出されるが、一部の生成水は電解質膜を通過してアノードに移動する。アノード側に移動した生成水は燃料ガスのオフガスに含まれて燃料電池内から排出されるが、オフガスは再び燃料ガスとして燃料電池に循環されるため、燃料ガスの循環系内には水が滞留していくことになる。循環系内での水の滞留はアノードへの水素の供給を阻害することになり、燃料電池の発電性能の低下を招いてしまう。
【０００４】
この点に関し特許文献１に記載の従来技術では、燃料ガスの流路にドレン装置（気液分離器）を配置し、燃料ガスに含まれる水分をドレン装置によって回収するようにしている。ドレン装置の貯留部の下部にはバルブ（排出弁）が設けられており、バルブを開くことで貯留部に溜まった水を外部に排出することができる。この従来技術では、貯留部に溜まった水の水位を水位センサで計測し、その計測値に基づいてバルブを開閉するようになっている。
【特許文献１】特開２００２−３１３４０３号公報
【特許文献２】特開２００２−２１６８１２号公報
【特許文献３】特開２００２−２８９２３７号公報
【特許文献４】特開平２−１７６４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献２や特許文献３に記載されるように、燃料ガスの循環系にパージ弁を設け、循環系内に蓄積された窒素を燃料ガスとともに外部に排出できるようにしたシステムも知られている。窒素はカソードに供給される酸化ガスの主成分を成しており、一部の酸化ガスがカソード側からアノード側に電解質膜を透過することで循環系内に窒素が含まれる。燃料ガス中の窒素濃度の上昇は水素濃度を低下させ、燃料電池の発電性能を低下させてしまうため、特許文献２等のシステムでは、所定の条件が成立したらパージ弁を開くことで燃料ガスとともに窒素を排出するようにしている。
【０００６】
特許文献１のシステムにおいても、燃料ガスの循環系から窒素を排出できるようにすることは燃料電池の発電性能を維持する上で重要である。このため、特許文献１のシステムにもパージ弁を備えることが望ましいが、その際、ドレン装置のバルブにパージ弁の機能を持たせることでシステムの構成を簡略化したいという要望がある。ドレン装置のバルブを用いて貯留水も燃料ガスも排出できるようにするのである。
【０００７】
しかしながら、特許文献１のシステムにはドレン装置のバルブをパージ弁として兼用する上で課題がある。特許文献１のシステムでは水位センサを用いて排水量を計測することはできるものの、燃料ガスも排出する場合にその排気量を計測することはできない。燃料ガスの排気量が分からないと燃料ガスの水素濃度を十分に回復できなかったり、或いは不必要に水素を排出してしまったりする可能性が有る。
【０００８】
また、特許文献１のシステムには貯留水の排水の上でも課題がある。特許文献１のシステムが電気自動車等の車載システムの場合、車両の傾きや振動等によって貯留部の液面位置は変化する。このため水位センサでは水位を正確に計測することができない。水位を正確に計測できなければ貯留水を確実に排水することが困難になる。
【０００９】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、気液分離器に接続される排出弁を用い、貯留水とともに所望の量の燃料ガスを確実に排出できるようにした燃料電池システムを提供することを第１の目的とする。
【００１０】
また、本発明は、気液分離器に接続される排出弁を用い、所望の量の貯留水を確実に排出できるようにした燃料電池システムを提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の発明は、上記の第１の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスの通路であるオフガス通路と、
前記燃料オフガス通路に配置され、前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され、前記気液分離器内の貯留水とともに前記燃料ガスを外部に排出しうる排出弁と、
前記排出弁の開閉を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記排出弁の開弁により生じる前記排出弁の上流部の圧力の変化を検出或いは推定し、開弁時からの前記上流部圧力の変化量の時間により積分した積分値或いは前記積分値に対応するパラメータに基づいて前記排出弁の閉弁時期を決定することを特徴としている。
【００１２】
第２の発明は、上記の第２の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
水素と酸素の供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスの通路であるオフガス通路と、
前記燃料オフガス通路に配置され、前記燃料ガスから水分を分離して貯留する気液分離器と、
前記気液分離器に接続され、前記気液分離器内の貯留水とともに前記燃料ガスを外部に排出しうる排出弁と、
前記排出弁の開閉を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電量から算出される前記燃料電池内での生成水量に基づいて前記気液分離器内の貯留水量を推定し、前記貯留水量の推定値に基づいて前記排出弁の開閉時期を決定することを特徴としている。
【００１３】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、開弁前の前記排出弁の上流部の圧力を検出する上流部圧力検出手段と、
前記上流部圧力に基づいて前記排出弁の閉弁時期を補正する補正手段とをさらに備えることを特徴としている。
【００１４】
第４の発明は、第３の発明において、開弁前の前記排出弁の下流部の圧力を検出する下流部圧力検出手段をさらに備え、
前記補正手段は、前記上流部圧力と前記下流部圧力とに基づいて前記排出弁の閉弁時期を補正することを特徴としている。
【００１５】
第５の発明は、第１の発明において、前記排出弁は直列に設けられた上流側排出弁と下流側排出弁とからなり、
前記制御手段は、前記上流側排出弁の開弁に遅れて前記下流側排出弁を開弁させたときの前記両排出弁間の通路内圧の変化から前記上流部圧力の変化を推定し、前記下流側排出弁の開弁後、前記通路内圧が所定圧に低下して以降の経過時間を前記積分値に対応するパラメータとして取得することを特徴としている。
【００１６】
第６の発明は、第５の発明において、前記両排出弁を異なるタイミングで閉弁させたときの前記通路内圧の変化状態に基づいて前記両排出弁の一方或いは双方の故障を判定する故障判定手段をさらに備えることを特徴としている。
【００１７】
第７の発明は、第６の発明において、前記故障判定手段は、前記上流側排出弁を閉弁させ続いて前記下流側排出弁を閉弁させたときに前記通路内圧が所定値以上上昇した場合には前記上流側排出弁に開弁故障が生じていると判定することを特徴としている。
【００１８】
第８の発明は、第６の発明において、前記故障判定手段は、前記下流側排出弁を閉弁させ続いて前記上流側排出弁を閉弁させたときに前記通路内圧が所定値以上低下した場合には前記下流側排出弁に開弁故障が生じていると判定することを特徴としている。
【００１９】
第９の発明は、第６の発明において、前記故障判定手段は、前記下流側排出弁の閉弁前に前記上流側排出弁を閉弁させたときの前記通路内圧の低下量が所定値以下の場合には前記下流側排出弁に閉弁故障が生じていると判定することを特徴としている。
【００２０】
第１０の発明は、第６の発明において、前記故障判定手段は、前記上流側排出弁の閉弁前に前記下流側排出弁を閉弁させたときの前記通路内圧の上昇量が所定値以下の場合には前記上流側排出弁に閉弁故障が生じていると判定することを特徴としている。
【００２１】
第１１の発明は、第１の発明において、前記制御手段は、前記排出弁を開弁させた後、前記排出弁の上流部の圧力が低下し始めるまでの時間が長いほど、前記排出弁の次回の閉弁から開弁までの時間を短く設定することを特徴としている。
【００２２】
第１２の発明は、第１又は第１１の発明において、前記制御手段は、前記排出弁の開弁により前記排出弁の上流部の圧力が低下し始めた後の所定時点における上流部圧力と、前記所定時点における上流部圧力の変化速度とから、前記気液分離器内からの排水の完了時点を逆算することを特徴としている。
【発明の効果】
【００２３】
第１の発明において、制御手段により排出弁が開弁されると、先ず、気液分離器内の貯留水が外部に排出され、やがてオフガス通路から燃料ガスが排出される。オフガス通路から燃料ガスが排出されるとその排気量に応じて排出弁の上流部の圧力（例えば気液分離器内の圧力）は低下する。このとき、排出弁の開弁時からの排出弁上流部の圧力の変化量を時間で積分した値は、排出弁の開弁により外部へ排出された燃料ガスの排気量を代表する。第１の発明によれば、前記積分値或いは前記積分値に対応するパラメータに基づいて排出弁の閉弁時期を決定することで、燃料ガスを所望の量だけ確実に排出することが可能になる。
【００２４】
なお、燃料ガスの排気流量は排出弁の上流部と下流部の圧力差によって変わる。第３の発明によれば、開弁前の排出弁の上流部圧力に基づいて排出弁の閉弁時期が補正されるので、所望の排気量の実現が確実となる。また、第４の発明によれば、開弁前の排出弁の上流部圧力と下流部圧力の双方に基づいて排出弁の閉弁時期が補正されるので、所望の排気量の実現がより確実となる。
【００２５】
また、排出弁が直列に設けられた上流側排出弁と下流側排出弁とからなる場合に、上流側排出弁の開弁に遅れて下流側排出弁が開弁されると、両排出弁間の通路内圧は下流側排出弁から貯留水が排出されるに従い次第に低下していく。この間の上流側排出弁の上流部の圧力の変化は無視できるほど小さい。やがて、貯留水が抜けて下流側排出弁から燃料ガスが排出され始めると、前記通路内圧は略一定圧になり、上流側排出弁の上流部の圧力は燃料ガスの排気量に応じて低下していく。このように両排出弁間の通路内圧の変化と上流側排出弁の上流部の圧力の変化とは関連しており、両排出弁間の通路内圧の変化から上流側排出弁の上流部の圧力の変化を推定することができる。そして、燃料ガスの排出時には上流側排出弁の上流部の圧力は略一定速度で変化するので、両排出弁間の通路内圧が略一定圧になった以降の経過時間によって前記積分値を正確に推定することができる。第５の発明によれば、下流側排出弁の開弁後、両排出弁間の通路内圧が所定圧に低下して以降の経過時間を前記積分値に対応するパラメータとして取得することで、積分計算を行うことなく排気量を正確に推定することが可能になる。
【００２６】
排出弁が直列に設けられた上流側排出弁と下流側排出弁とからなる構成において、両排出弁の何れかに故障がある場合と無い場合とでは、両排出弁を異なるタイミングで閉弁させたときの前記通路内圧の変化状態は異なったものになる。第６の発明によれば、前記通路内圧の変化状態に基づいて両排出弁の一方或いは双方の故障を判定することで、排出弁の故障を容易に且つ正確に判定することが可能になる。
【００２７】
特に、上流側排出弁を閉弁させ続いて下流側排出弁を閉弁させたときには、両排出弁が共に正常であれば前記通路内圧は略一定圧になるが、上流側排出弁に漏れ等の開弁故障が生じていれば前記通路内圧は次第に上昇していく。したがって、第７の発明のように通路内圧が所定圧以上上昇した場合には上流側排出弁に開弁故障が生じていると判定することで、上流側排出弁の開弁故障を容易に且つ正確に判定することが可能になる。
【００２８】
また、下流側排出弁を閉弁させ続いて上流側排出弁を閉弁させたときには、両排出弁が共に正常であれば前記通路内圧は略一定圧になるが、下流側排出弁に漏れ等の開弁故障が生じていれば前記通路内圧は次第に低下していく。したがって、第８の発明のように通路内圧が所定圧以上低下した場合には下流側排出弁に開弁故障が生じていると判定することで、下流側排出弁の開弁故障を容易に且つ正確に判定することが可能になる。
【００２９】
また、下流側排出弁の閉弁前に上流側排出弁を閉弁させたとき、両排出弁が共に正常であれば前記通路内圧は上流側排出弁の閉弁に伴い低下するが、下流側排出弁に閉弁故障が生じているときには前記通路内圧の低下量は小さくなる。したがって、第９の発明のように通路内圧の低下量が所定値以下の場合には下流側排出弁に閉弁故障が生じていると判定することで、下流側排出弁の閉弁故障を容易に且つ正確に判定することが可能になる。
【００３０】
また、上流側排出弁の閉弁前に下流側排出弁を閉弁させたとき、両排出弁が共に正常であれば前記通路内圧は下流側排出弁の閉弁に伴い上昇するが、上流側排出弁に閉弁故障が生じているときには前記通路内圧の上昇量は小さくなる。したがって、第１０の発明のように通路内圧の上昇量が所定値以下の場合には上流側排出弁に閉弁故障が生じていると判定することで、上流側排出弁の閉弁故障を容易に且つ正確に判定することが可能になる。
【００３１】
また、排出弁を開弁させた後、排出弁の上流部の圧力が低下し始めるまでの時間は、気液分離器内に溜まっている水を排水するのに要した時間である。前記の時間が長ければ、気液分離器内に多くの水が溜まっていることになる。この場合、排出弁の閉弁から開弁までの時間が長すぎると、燃料ガスの通路内に水が滞留して圧力損失が増加したり、通路が閉塞したりしてしまうおそれがある。一方、前記の時間が短ければ、気液分離器内に水が溜まる速度は遅く、気液分離器内の水を排出する頻度は少なくてよい。つまり、排出弁の閉弁から開弁までの時間は長くてよい。逆に、閉弁から開弁までの時間が短すぎると、その分、無駄に燃料ガスを排出することになってしまう。第１１の発明によれば、前記の時間が長いほど、排出弁の次回の閉弁から開弁までの時間が短く設定されるので、気液分離器内に水が溜まる速度に応じた最適なタイミングで排出弁を開弁させることができる。
【００３２】
また、気液分離器内からの排水が完了すると、排出弁の上流部の圧力が低下し始めるが、圧力には変動があり、また、圧力は徐々に低下していくため、圧力が低下し始めた時点を検出することは難しい。第１２の発明によれば、圧力低下後の所定時点における圧力と、その時点における圧力の変化速度とから、気液分離器内からの排水の完了時点を正確に求めることができる。そして、排水の完了時点が分かれば、気液分離器内に溜まっていた水の量を正確に求めることができる。
【００３３】
第２の発明においては、燃料電池システム内の水は燃料電池での電気化学反応により生成される。このため、燃料電池の発電量から生成水量を算出し、この生成水量に基づいて気液分離器内の貯留水量を推定することで、水位センサを用いることなく正確な貯留水量を得ることができる。しかも、水位センサとは異なり傾斜や振動等の外因の影響を受けることがない。第２の発明によれば、このように貯留水量の正確な推定値に基づいて排出弁の開閉時期を決定することで、気液分離器内の貯留水を所望の量だけ確実に排水することが可能になる。
【００３４】
なお、貯留水の排水流量は排出弁の上流部と下流部の圧力差によって変わる。第３の発明によれば、開弁前の排出弁の上流部圧力に基づいて排出弁の閉弁時期が補正されるので、所望の排水量の実現が確実となる。また、第４の発明によれば、開弁前の排出弁の上流部圧力と下流部圧力の双方に基づいて排出弁の閉弁時期が補正されるので、所望の排水量の実現がより確実となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
実施の形態１．
以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
本発明の燃料電池システムは、例えば車両に搭載される車両用燃料電池システムに適用することができる。ただし、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。
【００３６】
［燃料電池システムの構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成図である。この図に示すように、本燃料電池システムは、電力供給手段として燃料電池２を備えている。燃料電池２は、固体高分子電解質膜等の電解質膜が触媒電極であるアノードとカソードで挟まれて構成され（図中では、電解質膜、アノード、カソードの図示は省略している）、アノードへの水素を含む燃料ガスの供給とカソードへの空気などの酸素を含む酸化ガスの供給を受けて発電する。
【００３７】
燃料電池２のアノード入口には燃料ガス通路４が接続されている。燃料ガス通路４の上流側には水素タンクや改質器などの図示しない燃料ガス供給装置が接続されており、燃料電池２は燃料ガス供給装置から燃料ガスの供給を受けるようになっている。燃料ガス通路４には調圧バルブ６が配置されており、燃料ガス供給装置から供給される燃料ガスは調圧バルブ６で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。また、燃料ガス通路４における調圧バルブ６の下流側にはエジェクタ１０が配置されている。
【００３８】
燃料電池２のアノード出口には燃料ガスのオフガスを排出するためのアノードオフガス通路８が接続されている。アノードオフガス通路８の下流端はエジェクタ１０を介して燃料ガス通路４に接続されている。アノードオフガス通路８内の燃料ガスは、エジェクタ１０のノズルから噴出する燃料ガスの巻き込み作用によってエジェクタ１０内に引き込まれ、再び燃料ガス通路４に送り出される。これにより、本燃料電池システムでは、燃料電池２の運転時には燃料ガスは燃料ガス通路４とアノードオフガス通路８を通って循環する。
【００３９】
アノードオフガス通路８の途中には気液分離器１２が配置されている。気液分離器１２は燃料ガスのオフガスから水分を分離する装置であり、分離した水を貯留する貯留槽１２ａを有している。燃料電池システムでは、燃料電池２の発電によって生成された水がカソード側から電解質膜を透過してアノード側に漏れ出してくる。アノード側に移動した水は燃料ガスのオフガスとともにアノードオフガス通路８に排出され、気液分離器１２において回収される。
【００４０】
気液分離器１２の貯留槽１２ａの底部には、システムの外部に繋がる排出通路１４が接続されている。排出通路１４には排出バルブ１６が配置されている。排出バルブ１６は通常は閉じており、後述するＥＣＵ(Electronic Control Unit)２０からの制御信号の入力によって必要に応じて開かれる。排出バルブ１６としては、シャットオフバルブや流量調整バルブなど排出状態を制御することが可能なバルブであればよい。本実施形態では、排出バルブ１６としてシャットオフバルブが備えられているものとする。排出バルブ１６は、気液分離器１２内の貯留水を外部に排出するための排水バルブとして機能する。
【００４１】
なお、燃料電池２のカソード入口には酸化ガスを供給するための酸化ガス通路が接続され、カソード出口には酸化ガスのオフガスを排出するためのカソードオフガス通路が接続されているが、これらについては本燃料電池システムの特徴部分ではないので図１中での表示は省略している。
【００４２】
また、燃料電池２内では、燃料電池２の運転に伴いカソード側の酸化ガスが電解質膜を透過してアノード側に漏れ出してくる。このため、本燃料電池システムのような燃料ガスが循環する形式のシステムでは、酸化ガスに含まれる窒素が循環系内に次第に蓄積されていく。循環系内の窒素濃度の上昇は燃料電池２の発電性能を低下させるため、定期的に或いは所定の条件が成立したら循環系から燃料ガスとともに窒素を外部に排出し、循環系内の窒素濃度を低下させてやる必要がある。本燃料電池システムでは、循環系からの燃料ガスの排出は上記排出バルブ１６を用いて行われる。排出バルブ１６は上記のように排水バルブとして機能すると同時に、燃料ガスを外部に排出するための排気バルブとしても機能する。
【００４３】
排出バルブ１６を排気バルブとして機能させる場合、排出する燃料ガスの量を正確に制御することが求められる。燃料ガスの排気量が所望の排気量に不足すると燃料ガスの水素濃度を十分に回復できず、逆に、所望の排気量を超えて排出してしまった場合には、それだけ燃料ガスを無駄に消費することとなって燃費の悪化を招いてしまう。そこで、本燃料電池システムでは、所望の量の燃料ガスを過不足なく確実に排出するため、排出バルブ１６の開弁により排出されている燃料ガスの量を推定し、推定した排気量に基づいて排出バルブ１６の作動を制御している。以下、本実施形態にかかる排気量の推定方法と排出バルブ１６の制御方法について詳細に説明する。
【００４４】
［排気量の推定方法の説明］
本燃料電池システムは、排出バルブ１６を制御するための制御装置としてＥＣＵ２０を備えている。ＥＣＵ２０の入力側には、気液分離器１２に配置されて気液分離器１２内の圧力を検出する圧力センサ２２が接続されている。ＥＣＵ２０は圧力センサ２２からの検出信号に基づいて以下に説明する方法により燃料ガスの排気量を推定する。
【００４５】
図２は排出バルブ１６の作動と気液分離器１２内の圧力変化との関係を示すタイミングチャートである。図２に示すように、気液分離器１２内の圧力は排出バルブ１６の開弁後すぐには変化せず、排出バルブ１６の開弁から暫くして変化し始める。この排出バルブ１６の開弁時点（ｔ11）から気液分離器内圧力の変化開始時点（ｔ12）までの時間遅れは、気液分離器１２から貯留水が排水されていることを示している。実際には貯留水の排水中も気液分離器内圧力は変化しているが、貯留水量は循環系内のガス量全体に比較して僅かであるので、その圧力変化は燃料ガスの排気に伴う圧力変化に比較して無視できるほど小さい。気液分離器１２内の圧力に顕著な変化があらわれるのは、排出通路１４から水が抜けきって気液分離器１２内が大気に導通して以降となる。
【００４６】
排水が完了して気液分離器１２内が大気に導通すると、排出通路１４を通って燃料ガスが排気されていくことにより気液分離器１２内の圧力は次第に低下していく。このとき循環系内から外部に排出される燃料ガスの排気量は、排出バルブ１６の開弁時からの気液分離器内圧力の低下値の時間による積分値によって代表される。最終的な排気量は排出バルブ１６の開弁時点（ｔ11）から閉弁時点（ｔ13）までを積分期間とする前記積分値（図２に斜線で示す領域の面積）によって代表される。図３は、開弁時からの気液分離器内圧力の低下値の積分値（圧力低下積分値）と燃料ガスの排気量（ガス排気量）との相関関係を実験により求めた結果を示すグラフである。このグラフから、圧力低下積分値とガス排気量とは比例関係にあり、圧力低下積分値を求めることでガス排気量を正確に推定可能なことが分かる。さらに、圧力低下積分値とガス排気量との比例関係は気液分離器１２内の貯留水量に係わらず一定であることも分かる。本燃料電池システムでは、開弁時からの気液分離器内圧力の低下値を求め、その時間による積分値から燃料ガスの排気量を推定するようにしている。
【００４７】
本実施形態にかかる排気量の推定方法によれば、気液分離器１２内の貯留水量の影響を受けることなく排出バルブ１６の開弁以降の排気量を正確に推定することができる。しかも、流量センサ等の高価なセンサを必要とすることなく、排気量の正確な推定を実現することができる。ＥＣＵ２０は以上述べた排気量の推定方法に基づいて排出バルブ１６の作動を制御している。
【００４８】
［排出バルブの制御方法の説明］
図４は本実施形態においてＥＣＵ２０により実行される排出バルブ１６の開閉制御にかかる一連の動作を説明するためのフローチャートである。図４に示すルーチンでは、先ず、現時点において燃料電池システムが運転中か否か判定される（ステップ１００）。貯留水の排水処理、並びに窒素を含む燃料ガスの排気処理はシステムの運転中に実施するからである。現在、燃料電池システムの運転中と判定されたときにはステップ１０２以降の処理が実行される。
【００４９】
ステップ１０２では排出バルブ１６の開タイミングになったか否かの判定が行われる。排出バルブ１６の開弁タイミングの設定には限定はないが、例えば、前回の作動からの経過時間が所定時間に達する等、所定の開弁条件が成立したときに開弁される。ステップ１０２の判定において排出バルブ１６の開タイミングになった場合には、圧力センサ２２により気液分離器１２内の圧力が検出され（ステップ１０４）、続いて排出バルブ１６が開かれる（ステップ１０６）。ステップ１０４で検出された気液分離器内圧力は初期圧力としてＥＣＵ２０のメモリに記憶される。
【００５０】
排出バルブ１６の開弁後は、本ルーチンの実行周期に合わせて圧力センサ２２から気液分離器１２内の圧力が読み込まれる（ステップ１０８）。そして、メモリに記憶されている初期圧力と現時点における気液分離器内圧力との差、すなわち圧力低下値が演算される（ステップ１１０）。続いて、ステップ１１０で算出された圧力低下値を時間で積分した圧力低下積分値が演算される（ステップ１１２）。
【００５１】
ステップ１１２で算出された圧力低下積分値は上述のように現時点において循環系以内から排出された燃料ガスの排気量を代表している。ステップ１１４では、現時点における排気量が所望の排気量に達したか否か判断すべく、ステップ１１２で算出された圧力低下積分値と所定の基準値との比較が行われる。基準値は所望排気量に応じて決められている。所望排気量は予め設定された固定値でもよく、或いは、燃料電池システムの運転状態に応じて設定してもよい。ステップ１１４の判定の結果、圧力低下積分値が未だ基準値に達しない場合にはステップ１０８の処理に戻り、ステップ１１４の条件は成立するまでステップ１０８乃至ステップ１１２の処理が繰り返し実行される。
【００５２】
そして、ステップ１１４の判定において圧力低下積分値が基準値に達したら、排出バルブ１６は閉じられる（ステップ１１６）。これにより、循環系内から外部への燃焼ガスの排出は停止され、燃焼ガスの最終排気量が確定される。
【００５３】
以上のルーチンが実行されることにより、気液分離器１２内の貯留水は確実に排水される。貯留水が確実に排水されたことは、圧力低下積分値の上昇により確認することができる。また、最終排気量は圧力低下積分値が基準値に達したときの排気量であり、基準値は所望排気量に応じて決められているので、ステップ１１４の判定が成立しステップ１１６の処理が実行されることで、燃料ガスも所望の量だけ確実に排気される。
【００５４】
なお、上記ルーチンにおいて、ステップ１１４の判定にかかる基準値をステップ１０４で得られる初期圧力に応じて設定するようにしてもよい。例えば、初期圧力をパラメータとするマップから基準値を読み出すようにする。燃料ガスの排気流量は排出バルブ１６の上流部と下流部の圧力差によって変わるので、基準値を初期圧力に応じて設定することでより正確な排気量の推定が可能になり、所望の排気量の実現がより確実となる。
【００５５】
また、排出バルブ１６の下流部にも圧力センサを有する場合には、排出バルブ１６の開弁前の下流部圧力も参酌してステップ１１４の判定にかかる基準値を設定してもよい。例えば、排出バルブ１６の上流部圧力と下流部圧力とをパラメータとするマップ、或いは、上流部と下流部の差圧をパラメータとするマップから基準値を読み出すようにする。燃料ガスの排気流量は排出バルブ１６の上流部と下流部の圧力差によって変わるので、その圧力差に基づいて基準値を設定することでさらに正確な排気量の推定が可能になり、所望の排気量の実現がさらに確実となる。
【００５６】
実施の形態２．
以下、図５，図６を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００５７】
本実施形態の燃料電池システムは、実施の形態１において、ＥＣＵ２０に、図４のルーチンに代えて図５，図６のルーチンを実行させることにより実現することができる。実施の形態１にかかるシステムが燃料ガスの排気量の推定値に基づいて排出バルブ１６の作動を制御しているのに対し、本燃料電池システムは気液分離器１２内の貯留水量を正確に推定し、推定した貯留水量に基づいて排出バルブ１６の作動を制御することに特徴がある。以下、本実施形態にかかる貯留水量の推定方法と排出バルブ１６の制御方法について詳細に説明する。
【００５８】
［貯留水量の推定方法の説明］
燃料電池システム内の水は、主にカソードでの電気化学反応により生成されたものである。電気化学反応では水と電気が得られ、得られる生成水の量と発電量とは比例している。したがって、燃料電池２の発電量を算出すれば発電量からカソードでの生成水量を算出することができる。また、カソードで生成された水のうち一定割合の水がアノード側に漏れ出しているとすれば、生成水量に基づいて気液分離器１２内の貯留水量を推定することもできる。
【００５９】
図５は本実施形態においてＥＣＵ２０により実行される貯留水量の推定にかかかる一連の動作を説明するためのフローチャートである。図５に示すルーチンでは、先ず、現時点において燃料電池システムが運転中か否か判定される（ステップ２００）。燃料電池システム内の水はシステムの運転に伴い生成されるからである。燃料電池システムが運転中の場合は、さらに排出バルブ１６の閉弁中であるかか否か判定される（ステップ２０２）。気液分離器１２内の水は排出バルブ１６の開弁時には外部に排水されるため、排出バルブ１６が閉じていることが気液分離器１２内に水が溜まる条件だからである。現在、排出バルブ１６の閉弁中と判定されたときにはステップ２０４以降の処理が実行される。
【００６０】
ステップ２０４では、燃料電池２の発電電流に応じて単位時間（本ルーチンの実行周期）内での生成水量が算出される。燃料電池２の発電電流は図示しない電流計により計測され、電流計からＥＣＵ２０に電流値信号が供給されている。次のステップ２０６では、予め設定された関係式やマップを用い、ステップ２０４で得られた生成水量に応じた単位時間当たり貯留水量が算出される。次のステップ２０８では、ステップ２０４で算出された単位時間当たり貯留水量の積算値が求められる。この積算値は排出バルブ１６の閉弁後の総貯留水量に相当している。ステップ２０４乃至ステップ２０８の処理は排出バルブ１６が開弁されるまで繰り返し実行される。これにより、排出バルブ１６が閉じている間、常に最新の貯留水量が算出される。算出された貯留水量はＥＣＵ２０のメモリに記憶され、毎回、最新の値に更新されている。
【００６１】
以上のルーチンが実行されることにより、水位センサを設けることなく気液分離器１２内の貯留水量を推定することが可能になる。しかも、水位センサとは異なりシステムの傾斜や振動等の外因の影響を受けることがなく、貯留水量を常に正確に推定することができる。ＥＣＵ２０は上記ルーチンにより算出される気液分離器１２内の貯留水量に基づいて排出バルブ１６の作動を制御している。
【００６２】
なお、上記ルーチンにおいて、好ましくは生成水量から貯留水量を算出するに際し燃料電池２の温度に応じて生成水量と貯留水量との対応関係を決めるようにする。電解質膜はその温度によって水の透過特性が変化するので、燃料電池２の温度に応じて生成水量と貯留水量との対応関係を決めることで、より正確な貯留水量の推定が可能になる。
【００６３】
［排出バルブの制御方法の説明］
図６は本実施形態においてＥＣＵ２０により実行される排出バルブ１６の開閉制御にかかる一連の動作を説明するためのフローチャートである。ＥＣＵ２０は図６に示すルーチンを図５に示すルーチンと並行して実行している。図６に示すルーチンでは、先ず、現時点において燃料電池システムが運転中か否か判定される（ステップ３００）。貯留水の排水処理、並びに窒素を含む燃料ガスの排気処理はシステムの運転中に実施するからである。現在、燃料電池システムの運転中と判定されたときにはステップ３０２以降の処理が実行される。
【００６４】
ステップ３０２では、前回の作動からの経過時間が所定時間に達する等、所定の開弁条件が成立したか否か判定される。ステップ３０２の判定において排出バルブ１６の開タイミングになった場合には、現時点における気液分離器１２内の貯留水量と所望の排気量とに応じて排出バルブ１６の開弁時間の基準値が設定される（ステップ３０４）。貯留水量は図５のルーチンにより算出されている最新値が読み込まれる。所望排気量は予め設定された固定値でもよく、或いは、燃料電池システムの運転状態に応じて設定してもよい。
【００６５】
排出バルブ１６の開弁時間の基準値は、貯留水量と所望排気量とをパラメータとする関係式やマップを用いて算出される。図２のタイミングチャートにおいて、排出バルブ１６の開弁時間は排水期間と排気期間とに分けられるが、排水期間は貯留水量によって決まり、排気期間は排気量によって決まる。したがって、排水期間と貯留水量との関係、及び、排気期間と排気量との関係を予め実験等によって求めておけば、貯留水量と所望排気量が決まればそれを実現するのに必要な開弁時間を一義的に決定することができる。
【００６６】
開弁時間の基準値の設定後、排出バルブ１６が開かれ、開弁からの経過時間の計測が開始される（ステップ３０６）。そして、ステップ３０８では、現時点における開弁時間がステップ３０４で設定された基準値に達したか否か判定される。ステップ３０８の条件が成立するまでの間、排出バルブ１６は開かれ続け、気液分離器１２内の貯留水量が排水され、さらに循環系内の燃料ガスが排気される。
【００６７】
ステップ３０８の判定において排出バルブ１６の開弁時間が基準値に達した場合には、図５のルーチンで算出される貯留水量積算値のクリア（初期化）が実行され（ステップ３１０）、排出バルブ１６は閉じられる（ステップ３１２）。これにより、循環系内から外部への燃焼ガスの排出は停止され、燃焼ガスの最終排気量が確定される。また、図５のルーチンでは、再びゼロから貯留水量の算出（積算）が開始される。
【００６８】
以上のルーチンが実行されることにより、実施の形態１と同様、気液分離器１２内の貯留水は確実に排水され、燃料ガスも所望の量だけ確実に排気される。
【００６９】
実施の形態３．
以下、図７を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
【００７０】
本実施形態の燃料電池システムは、実施の形態１において、ＥＣＵ２０に、図４のルーチンに代えて図７のルーチンを実行させることにより実現することができる。本燃料電池システムは、実施の形態２にかかるシステムと同様、気液分離器１２内の貯留水量を正確に推定し、推定した貯留水量に基づいて排出バルブ１６の作動を制御することに特徴がある。ただし、実施の形態２にかかるシステムが排出バルブ１６の閉タイミングを貯留水量に基づいて決定しているのに対し、本燃料電池システムは閉タイミングのみならず開タイミングに関しても貯留水量に基づいて決定する。以下、本実施形態にかかる排出バルブ１６の制御方法について詳細に説明する。なお、貯留水量の推定方法に関しては実施の形態２と同様であるので、その詳しい説明は省略する。
【００７１】
［排出バルブの制御方法の説明］
図７は本実施形態においてＥＣＵ２０により実行される排出バルブ１６の開閉制御にかかる一連の動作を説明するためのフローチャートである。図７に示すルーチンでは、先ず、現時点において燃料電池システムが運転中か否か判定される（ステップ４００）。燃料電池システムが運転中の場合は、さらに排出バルブ１６の閉弁中であるか否か判定される（ステップ４０２）。現在、排出バルブ１６の閉弁中と判定されたときにはステップ４０４以降の処理が実行される。
【００７２】
ステップ４０４では、燃料電池２の発電電流に応じて単位時間（本ルーチンの実行周期）内での生成水量が算出される。次のステップ４０６では、予め設定された関係式やマップを用い、ステップ４０４で得られた生成水量に応じた単位時間当たり貯留水量が算出される。このとき、好ましくは燃料電池２の温度に応じて生成水量と貯留水量との対応関係を決めるようにする。電解質膜はその温度によって水の透過特性が変化するからである。次のステップ４０８では、ステップ４０４で算出された単位時間当たり貯留水量の積算値、すなわち、排出バルブ１６の閉弁後の総貯留水量が求められる。
【００７３】
ステップ４０８で算出される貯留水量積算値はステップ４１０において所定の開弁基準値と比較される。実施の形態２にかかるシステムでは定期的に排出バルブ１６が開弁されているのに対し、本燃料電池システムでは貯留水量が開弁基準値に達したら排出バルブ１６を開弁するようにしている。本燃料電池システムでは、排出バルブ１６の開弁タイミングは気液分離器１２内の貯留水量によって決まる。ステップ４０４乃至ステップ４０８の処理は貯留水量が開弁基準値に達するまで繰り返し実行される。
【００７４】
ステップ４１０の判定により貯留水量が開弁基準値に達したら、排出バルブ１６が開かれるとともに開弁からの経過時間の計測が開始される（ステップ４１２）。ステップ４１４では、現時点における開弁時間が基準値に達したか否か判定される。排出バルブ１６の開弁時間の基準値は、ステップ４１０にかかる開弁基準値と所望排気量とをパラメータとする関係式やマップを用いて算出される。開弁基準値から排水期間が決まり、所望排気量から排気期間が決まり、排水期間と排気期間とを足した期間が排出バルブ１６の開弁時間の基準値となる。
【００７５】
ステップ４１４の判定において排出バルブ１６の開弁時間が基準値に達した場合には、
ステップ４０８で算出された貯留水量積算値のクリア（初期化）が実行され（ステップ４１６）、排出バルブ１６は閉じられる（ステップ４１８）。これにより、循環系内から外部への燃焼ガスの排出は停止され、燃焼ガスの最終排気量が確定される。
【００７６】
以上のルーチンが実行されることにより、実施の形態１や実施の形態２と同様、気液分離器１２内の貯留水は確実に排水され、燃料ガスも所望の量だけ確実に排気される。また、本燃料電池システムによれば、気液分離器１２内の貯留水量を所望の上限値（開弁基準値）を超えないように調整することができるという利点もある。
【００７７】
実施の形態４．
以下、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
【００７８】
図８は、本発明の実施の形態４としての燃料電池システムの概略構成図である。図８において、実施の形態１にかかるシステムと同一の要素については同一の符号を付して示している。また、それらについては説明を省略し、実施の形態１にかかるシステムと相違する構成について重点的に説明するものとする。
【００７９】
［燃料電池システムの構成の説明］
本燃料電池システムは、実施の形態１にかかるシステムとは気液分離器１２の排出系の構成に相違がある。本燃料電池システムでは、気液分離器１２に接続される排出通路１４に２つの排出バルブ１８Ａ，１８Ｂが直列に配置されている。循環系内の燃料ガスは両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂがともに開弁したときに外部へ排気される。このように排出バルブ１８Ａ，１８Ｂが二重化されることで、万が一、何れか片方が開故障したとしても水素の流出を防止することができる。
【００８０】
２つの排出バルブ１８Ａ，１８ＢはＥＣＵ２０によってそれぞれ独立して開閉制御される。本実施形態においても所望の量の燃料ガスを過不足なく確実に排出するため、ＥＣＵ２０は両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの開弁により排出されている燃料ガスの量を推定し、推定した排気量に基づいて両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの作動を制御する。以下、本実施形態にかかる排気量の推定方法と排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの制御方法について詳細に説明する。
【００８１】
［排気量の推定方法、及び排出バルブの制御方法の説明］
排出通路１４における排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの間と上流側排出バルブ１８Ａの上流部とにはそれぞれ圧力センサ２４，２６が配置されている。圧力センサ２４，２６はＥＣＵ２０の入力側に接続され、検出した圧力に応じた信号をＥＣＵ２０に入力している。実施の形態１では循環系内から排気される燃料ガスの排気量を気液分離器１２内の圧力から推定しているが、本燃料電池システムでは何れかの圧力センサ２４，２６により検出される排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間の圧力から推定する。
【００８２】
図９は各排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの作動と、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間の圧力（以下、中間圧という）及び上流側排出バルブ１８Ａの上流部の圧力（以下、上流部圧という）の各変化との関係を示すタイミングチャートである。この図に示すように、ＥＣＵ２０は、先ず、上流側排出バルブ１８Ａを開弁させる（ｔ21）。上流側排出バルブ１８Ａの開弁タイミングの設定には限定はないが、例えば、前回の作動からの経過時間が所定時間に達する等、所定の開弁条件が成立したときに上流側排出バルブ１８Ａは開弁される。上流側排出バルブ１８Ａの開弁後、所定時間が経過したら、ＥＣＵ２０は続いて下流側排出バルブ１８Ｂを開弁させる（ｔ22）。上流側排出バルブ１８Ａが開弁してから下流側排出バルブ１８Ｂが開弁するまでの時間差は、中間圧が上流部圧と同圧まで上昇するのに十分な時間が確保されている。
【００８３】
下流側排出バルブ１８Ｂの開弁後、気液分離器１２内の貯留水が下流側排出バルブ１８Ｂを通って排水されるに従い、中間圧は次第に低下していく。実施の形態１でも述べたように、貯留水の排水期間中は上流部圧の変化は無視できるほど小さい。やがて、貯留水が抜けて上流側排出バルブ１８Ａの上流部と外部とが導通状態になると、中間圧は略一定圧（外部と同圧）になり、下流側排出バルブ１８Ｂから燃料ガスが排気され始めることで上流部圧は燃料ガスの排気量に応じて低下していく。このように中間圧の変化と上流部圧の変化とは関連しており、中間圧の変化から上流部圧の変化を推定することができる。
【００８４】
排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの開弁に伴い排気される燃料ガスの排気量は、実施の形態１で述べたように、下流側排出バルブ１８Ｂの開弁時からの気液分離器内圧力の低下値の積分値で代表することができる。気液分離器１２内と排出通路１４における上流側排出バルブ１８Ａの上流部とでは圧力が等しいので、圧力センサ２６により検出される圧力の変化から実施の形態１で説明した方法によって燃料ガスの排気量を推定することができる。圧力センサ２６の検出圧力に基づく推定方法は実施の形態１と同様であるので、ここではその説明は省略する。以下では、圧力センサ２４により検出される中間圧に基づいた排気量の推定方法について説明する。
【００８５】
圧力センサ２６の検出圧力を用いる場合には、実際に圧力低下値を求めて積分値を演算すればよいが、本推定方法では、他の値を積分値の代わりとして用いる。具体的には、下流側排出バルブ１８Ｂの開弁後、中間圧が略一定圧まで低下した時点以降の経過時間を排気量の代表値として用いる。燃料ガスの排気時における上流部圧の変化パターンは略一定であると考えられるので（図９では変化速度一定で近似している）、この変化パターンを予め実験等によって求めておくことで、上流部圧の低下開始時点からの経過時間が分かれば前記積分値は容易に求められる。そして、上流部圧の低下開始時点は中間圧が略一定圧まで低下した時点（ｔ23）に等しい。
【００８６】
したがって、中間圧が略一定圧まで低下した時点（ｔ23）からの経過時間を計測することで、前記積分値を推定することができ、ひいては燃料ガスの排気量を推定することができる。このような推定方法によれば、積分計算を行うことなく、実施の形態１と同様の精度で排気量を推定することができる。また、気液分離器１２内の貯留水が確実に排水されたことも、中間圧が略一定圧まで低下することにより確認することができる。
【００８７】
最終的な排気量は中間圧が略一定圧まで低下した時点（ｔ23）から下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁時点（ｔ24）までの経過時間から推定することができる。ＥＣＵ２０は、中間圧が所定圧まで低下したらその時点（ｔ23）からの経過時間を計測し、経過時間が所定の基準時間に達したら下流側排出バルブ１８Ｂを閉弁させる。基準時間は所望排気量に応じて決められている。最終排気量は下流側排出バルブ１８Ｂが閉弁したときの排気量であり、下流側排出バルブ１８Ｂが閉弁タイミングは所望排気量から決められるので、燃料ガスは所望の量だけ確実に排気される。
【００８８】
なお、上流側排出バルブ１８Ａの閉弁時期は下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁時期以降であればよい。また、ここでは下流側排出バルブ１８Ｂを先に閉じているが、上流側排出バルブ１８Ａを先に閉じても良く、或いは両方同時に閉じてもよい。何れにしても先に閉じられるバルブの閉弁時点によって最終的な排気量が決まる。
【００８９】
［排出バルブの故障判定方法の説明］
本燃料電池システムでは、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂが二重に配置されることで、万が一、片方に開弁故障によるガス漏れが発生した場合でも水素の流出は防止される。しかしながら、故障が生じたままではシステムの運転に支障をきたすことになるので、ガス漏れの発生は速やかに検出できるようにしたい。本燃料電池システムでは、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂからのガス漏れを検出するガス漏れ検出機能をＥＣＵ２０に具備させている。以下、ＥＣＵ２０により実行される排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの漏れ判定の方法について説明する。
【００９０】
ＥＣＵ２０は、２つの排出バルブ１８Ａ，１８Ｂを異なるタイミングで作動させ、そのとき圧力センサ２４で検出される排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間の中間圧に基づいてガス漏れの検出を行う。図１０は排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの作動と、中間圧及び排気流量の各変化との関係を示すタイミングチャートである。この図に示すように、ＥＣＵ２０は、上流側排出バルブ１８Ａを開弁させ（ｔ31）、続いて下流側排出バルブ１８Ｂを開弁させる（ｔ32）。上流側排出バルブ１８Ａが開弁することにより中間圧は一旦上昇するが、下流側排出バルブ１８Ｂが開弁することで貯留水が排出され、続いて燃料ガスの排気が開始されて中間圧は徐々に低下していく。なお、図１０は気液分離器１２には貯留水は溜まっておらず、下流側排出バルブ１８Ｂの開弁後、直ぐに燃料ガスが排気される場合を示している。
【００９１】
ＥＣＵ２０は、下流側排出バルブ１８Ｂの開弁後、所定時間が経過したら下流側排出バルブ１８Ｂを閉じ（ｔ33）、さらに所定時間が経過したら上流側排出バルブ１８Ａを閉じる（ｔ34）。下流側排出バルブ１８Ｂの開弁から閉弁までの所定時間は、気液分離器１２内に水が溜まっている場合にその貯留水を全て排水できる時間を確保できればよい。下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁から上流側排出バルブ１８Ａの閉弁までの所定時間は、中間圧力が上流圧（上流側排出バルブ１８Ａの上流の圧力）或いは上流圧近傍まで上昇するのに十分な時間を確保できればよい。
【００９２】
上流側排出バルブ１８Ａの閉弁後、ＥＣＵ２０は下流側排出バルブ１８Ｂの漏れ判定を実行する。下流側排出バルブ１８Ｂの漏れは、上流側排出バルブ１８Ａの閉弁後の所定時点（ｔ35）の中間圧と、それから所定期間経過後（ｔ36）の中間圧との差に基づいて判定することができる。なお、図１０では上流側排出バルブ１８Ａの閉弁後暫くして判定を開始しているが、閉弁後直ぐに判定を開始してもよい。図１０において、実線は漏れがない正常な場合の中間圧の変化を示し、一点鎖線は漏れが有る場合の中間圧の変化を示している。下流側排出バルブ１８Ｂに漏れが有る場合には、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間から下流側排出バルブ１８Ｂの下流に高圧の燃料ガスが抜けていくために中間圧は次第に低下していく。ＥＣＵ２０は上流側排出バルブ１８Ａの閉弁後の二つの時点（ｔ35，ｔ36）の中間圧を比較し、その差圧（低下値）が所定値以上であれば下流側排出バルブ１８Ｂに漏れが発生していると判定する。
【００９３】
次に、ＥＣＵ２０は、上流側排出バルブ１８Ａは閉じたまま下流側排出バルブ１８Ｂを開弁させ（ｔ41）、所定時間が経過したら再び下流側排出バルブ１８Ｂを閉じる（ｔ42）。下流側排出バルブ１８Ｂの開弁から閉弁までの所定時間は、中間圧力が下流圧（下流側排出バルブ１８Ｂの下流の圧力）或いは下流圧近傍まで低下するのに十分な時間を確保できればよい。
【００９４】
下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁後、ＥＣＵ２０は上流側排出バルブ１８Ａの漏れ判定を実行する。上流側排出バルブ１８Ａの漏れは、下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁後の所定時点（ｔ43）の中間圧と、それから所定期間経過後（ｔ44）の中間圧との差に基づいて判定することができる。なお、図１０では下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁後暫くして判定を開始しているが、閉弁後直ぐに判定を開始してもよい。図１０において、実線は漏れがない正常な場合の中間圧の変化を示し、一点鎖線は漏れが有る場合の中間圧の変化を示している。上流側排出バルブ１８Ａに漏れが有る場合には、上流側排出バルブ１８Ａの上流から排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間に高圧の燃料ガスが浸入してくるために中間圧は次第に上昇していく。ＥＣＵ２０は下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁後の二つの時点（ｔ43，ｔ44）の中間圧を比較し、その差圧（上昇値）が所定値以上であれば上流側排出バルブ１８Ａに漏れが発生していると判定する。
【００９５】
従来、燃料電池システムの循環系に接続されたバルブの漏れを検出する場合、燃料電池２の出入り口にシャットオフバルブを設けて燃料電池２を循環系から切り離す必要があった。ガス漏れの有無は閉区間内での圧力の低下から判定することができるが、燃料電池２の電解質膜にはガスの透過があるため、燃料電池２が循環系に接続されていると閉区間を形成することができず正確な判定ができないからである。しかしながら、本燃料電池システムによれば、２つの排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間に閉区間が形成されており、その内部の圧力の変化から各排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの漏れを判定することができる。このため、燃料電池２の出入り口にシャットオフバルブを設ける必要は無く、さらに、燃料電池２への燃料ガスの供給を停止する必要がないので、燃料電池システムの運転中にも漏れ判定を実行することができる。
【００９６】
実施の形態５．
以下、図１１を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
【００９７】
本実施形態の燃料電池システムは、実施の形態４において、ＥＣＵ２０に、図１０で説明される開弁故障の判定方法に代えて図１１で説明される開弁故障の判定方法を実行させることにより実現することができる。本燃料電池システムは、実施の形態４とは、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの開弁故障の判定方法についてのみ相違している。
【００９８】
［排出バルブの故障判定方法の説明］
図１１は排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの作動と中間圧の変化との関係を示すタイミングチャートである。この図に示すように、ＥＣＵ２０は、上流側排出バルブ１８Ａを開弁させ（ｔ51）、続いて下流側排出バルブ１８Ｂを開弁させる（ｔ52）。上流側排出バルブ１８Ａが開弁することにより中間圧は一旦上昇するが、下流側排出バルブ１８Ｂが開弁することで貯留水が排出され、続いて燃料ガスの排気が開始されて中間圧は徐々に低下していく。なお、図１１は気液分離器１２には貯留水は溜まっておらず、下流側排出バルブ１８Ｂの開弁後、直ぐに燃料ガスが排気される場合を示している。
【００９９】
ＥＣＵ２０は、下流側排出バルブ１８Ｂの開弁後、所定時間が経過したら下流側排出バルブ１８Ｂを閉じ（ｔ53）、さらに所定時間が経過したら上流側排出バルブ１８Ａを閉じる（ｔ54）。下流側排出バルブ１８Ｂの開弁から閉弁までの所定時間は、気液分離器１２内に水が溜まっている場合にその貯留水を全て排水できる時間を確保できればよい。本実施の形態においては、下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁から上流側排出バルブ１８Ａの閉弁までの所定時間の設定に特徴がある。本実施の形態では、中間圧力が上流圧（上流側排出バルブ１８Ａの上流の圧力）と下流圧（下流側排出バルブ１８Ｂの下流の圧力）との中間になる様に上記所定時間が設定されている。
【０１００】
本実施の形態では、上流側排出バルブ１８Ａの閉弁後、下流側排出バルブ１８Ｂの漏れ判定と上流側排出バルブ１８Ａの漏れ判定が同時に実行される。具体的には、ＥＣＵ２０は上流側排出バルブ１８Ａの閉弁時点（ｔ54）の中間圧と、それから所定期間経過後（ｔ55）の中間圧との差に基づいて漏れ判定を行う。下流側排出バルブ１８Ｂに漏れが有る場合には、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間から下流側排出バルブ１８Ｂの下流に燃料ガスが抜けていくために中間圧は次第に低下していく。一方、上流側排出バルブ１８Ａに漏れが有る場合には、上流側排出バルブ１８Ａの上流から排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間に高圧の燃料ガスが侵入してくるために中間圧は次第に上昇していく。
【０１０１】
ＥＣＵ２０は上記二つの時点（ｔ54，ｔ55）の中間圧を比較し、中間圧が低下している場合にはその低下値が所定値以上であれば下流側排出バルブ１８Ｂに漏れが発生していると判定し、中間圧が上昇している場合にはその上昇値が所定値以上であれば上流側排出バルブ１８Ａに漏れが発生していると判定する。本実施の形態にかかる方法によれば、両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの漏れを同時に判定することができるので、実施の形態４にかかる方法に比較して判定処理を効率化することができる。
【０１０２】
実施の形態６．
以下、図１２を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。
【０１０３】
本実施形態の燃料電池システムは、実施の形態４において、ＥＣＵ２０に、図１０で説明される開弁故障の判定方法に代えて図１２で説明される開弁故障の判定方法を実行させることにより実現することができる。本燃料電池システムは、実施の形態４とは、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの開弁故障の判定方法についてのみ相違している。
【０１０４】
［排出バルブの故障判定方法の説明］
実施の形態４，５では両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの漏れ判定を連続して或いは同時に実行しているが、本実施の形態では上流側排出バルブ１８Ａの漏れ判定のみシステムの運転時に常時実行し、下流側排出バルブ１８Ｂの漏れ判定はシステムの起動／停止時のみ実行するようになっている。下流側排出バルブ１８Ｂの漏れ判定方法は実施の形態４と同様であるのでその説明は省略する。
【０１０５】
図１２は排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの作動と中間圧の変化との関係を示すタイミングチャートである。この図に示すように、ＥＣＵ２０は、先ず、下流側排出バルブ１８Ｂを開弁させ（ｔ61）、続いて上流側排出バルブ１８Ａを開弁させる（ｔ62）。中間圧は上流側排出バルブ１８Ａの開弁とともに一時的に上昇し、やがて徐々に低下していく。
【０１０６】
ＥＣＵ２０は、上流側排出バルブ１８Ａの開弁後、所定時間が経過したら上流側排出バルブ１８Ａを閉じ（ｔ63）、さらに所定時間が経過したら下流側排出バルブ１８Ｂを閉じる（ｔ64）。上流側排出バルブ１８Ａの開弁から閉弁までの所定時間は、気液分離器１２内に水が溜まっている場合にその貯留水を全て排水できる時間を確保できればよい。また、上流側排出バルブ１８Ａの閉弁から下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁までの所定時間は、中間圧力が下流圧（下流側排出バルブ１８Ｂの下流の圧力）或いは下流圧近傍まで低下するのに十分な時間を確保できればよい。
【０１０７】
下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁後、ＥＣＵ２０は上流側排出バルブ１８Ａの漏れ判定を実行する。ＥＣＵ２０は下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁時点（ｔ64）の中間圧と、それから所定期間経過後（ｔ65）の中間圧との差に基づいて漏れ判定を行う。上流側排出バルブ１８Ａに漏れが有る場合には、上流側排出バルブ１８Ａの上流から排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間に高圧の燃料ガスが浸入してくるために中間圧は次第に上昇していく。ＥＣＵ２０は上記二つの時点（ｔ64，ｔ65）の中間圧を比較し、その差圧（上昇値）が所定値以上であれば上流側排出バルブ１８Ａに漏れが発生していると判定する。
【０１０８】
実施の形態７．
以下、図１３及び図１４を参照して、本発明の実施の形態７について説明する。
【０１０９】
図１３は、本発明の実施の形態７としての燃料電池システムの要部を示す図である。本実施形態の燃料電池システムは、実施の形態４において、気液分離器１２に接続される排気系の構成を図１３に示すように変形するとともに、ＥＣＵ２０に、図１０で説明される開弁故障の判定方法に代えて図１４で説明される開弁故障の判定方法を実行させることにより実現することができる。
【０１１０】
［燃料電池システムの構成の説明］
本燃料電池システムは、実施の形態４にかかる燃料電池システムにおいて、上流側排出バルブ１８Ａと下流側排出バルブ１８Ｂとの間にバッファタンク３０を設けた構成になっている。圧力センサ２４はこのバッファタンク３０内の圧力を検出するように配置されている。なお、図１３に示す部分以外の構成は実施の形態４と同様であるので、その説明は省略する。
【０１１１】
［排出バルブの故障判定方法の説明］
図１４は排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの作動と中間圧の変化との関係を示すタイミングチャートである。排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間にバッファタンク３０が設けられていることにより、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの作動に伴う中間圧の変化は実施の形態４に比較してゆっくりとしたものになる。このため、下流側排出バルブ１８Ｂを閉じたまま上流側排出バルブ１８Ａを開けることで上流部からの高圧の燃料ガスの流入により中間圧は上昇するが、その上昇値は上流側排出バルブ１８Ａの開弁時間によって調整することができる。ＥＣＵ２０は、下流側排出バルブ１８Ｂを閉じたまま上流側排出バルブ１８Ａを開弁し（ｔ71）、所定時間の経過後（ｔ72）に上流側排出バルブ１８Ａを閉弁させる。上記所定時間は、中間圧が上流圧（上流側排出バルブ１８Ａの上流の圧力）と下流圧（下流側排出バルブ１８Ｂの下流の圧力）との中間になる様に設定されている。このように中間圧が上流圧と下流圧との中間に調整されることで、実施の形態５と同様に、下流側排出バルブ１８Ｂの漏れ判定と上流側排出バルブ１８Ａの漏れ判定を同時に実行することができる。
【０１１２】
両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの漏れ判定期間の終了後（ｔ73）、ＥＣＵ２０は、さらに下流側排出バルブ１８Ｂを閉じたまま上流側排出バルブ１８Ａを開弁し、所定時間の経過後（ｔ74）に上流側排出バルブ１８Ａを閉弁させる。今回の所定時間は、中間圧が上流圧（上流側排出バルブ１８Ａの上流の圧力）或いは上流圧近傍まで上昇するのに十分な時間に設定されている。このように中間圧が上流圧近傍に調整されることで、実施の形態４と同様にして下流側排出バルブ１８Ｂの漏れ判定を実行することができる。
【０１１３】
下流側排出バルブ１８Ｂの漏れ判定期間の終了後（ｔ75）、ＥＣＵ２０は、上流側排出バルブ１８Ａを閉じたまま下流側排出バルブ１８Ｂを開弁し、所定時間の経過後（ｔ76）に下流側排出バルブ１８Ｂを閉弁させる。今回の所定時間は、中間圧が下流圧（下流側排出バルブ１８Ｂの下流の圧力）或いは下流圧近傍まで低下するのに十分な時間に設定されている。このように中間圧が下流圧近傍に調整されることで、実施の形態４と同様にして上流側排出バルブ１８Ａの漏れ判定を実行することができる。
【０１１４】
本燃料電池システムによれば、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間にバッファタンク３０が設けられることで中間圧を任意の圧力に容易に調整することができる。その結果、上記のように様々な圧力レベルで漏れ判定を実行することが可能になる。
【０１１５】
実施の形態８．
以下、図１５を参照して、本発明の実施の形態８について説明する。
【０１１６】
本実施形態の燃料電池システムは、実施の形態４において、下流側排出バルブ１８Ｂを比較的低圧（例えば１０ｋＰａ程度の開弁圧）で開弁するリリーフバルブとして構成するとともに、ＥＣＵ２０に、図１０で説明される開弁故障の判定方法に代えて図１５で説明される開弁故障の判定方法を実行させることにより実現することができる。
【０１１７】
［排出バルブの故障判定方法の説明］
図１５は各排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの作動と中間圧の変化との関係を示すタイミングチャートである。ただし、本実施の形態では作動を直接制御できるのは上流側排出バルブ１８Ａのみとなる。この図に示すように、ＥＣＵ２０が上流側排出バルブ１８Ａを開弁させると（ｔ81）、中間圧は上流側排出バルブ１８Ａの開弁とともに上昇し、やがて中間圧が下流側排出バルブ１８Ｂの開弁圧に達することで下流側排出バルブ１８Ｂが開弁する（ｔ82）。下流側排出バルブ１８Ｂの開弁後も、両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間の流量の差によって中間圧は上昇したままであり、所定時間経過後（ｔ83）、上流側排出バルブ１８Ａが閉じられることで中間圧は次第に低下していく。そして、中間圧が下流側排出バルブ１８Ｂの開弁圧よりも低下した時点（ｔ84）で下流側排出バルブ１８Ｂも閉弁する。
【０１１８】
下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁後、下流側排出バルブ１８Ｂに漏れが有る場合には、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間から下流側排出バルブ１８Ｂの下流に燃料ガスが抜けていくために中間圧は下流側排出バルブ１８Ｂの開弁圧から次第に低下していく。一方、上流側排出バルブ１８Ａに漏れが有る場合には、上流側排出バルブ１８Ａの上流から排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間に高圧の燃料ガスが浸入してくるために中間圧は次第に上昇していく。この場合、下流側排出バルブ１８Ｂは中間圧が所定の開弁圧まで上昇した時点で再び開弁することになる。
【０１１９】
ＥＣＵ２０は下流側排出バルブ１８Ｂの閉弁時点（ｔ84）の中間圧と、それから所定期間経過後（ｔ85）の中間圧とを比較し、中間圧が低下している場合にはその低下値が所定値以上であれば下流側排出バルブ１８Ｂに漏れが発生していると判定する。一方、中間圧が上昇している場合にはその上昇値が所定値以上であれば上流側排出バルブ１８Ａに漏れが発生していると判定する。本実施の形態にかかる方法によれば、実施の形態４と同様に両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの漏れを同時に判定することができ、さらに下流側排出バルブ１８Ｂの制御が不要になるという利点もある。
【０１２０】
実施の形態９．
以下、図１６及び図１７を参照して、本発明の実施の形態９について説明する。
【０１２１】
本実施形態の燃料電池システムは、実施の形態１において、ＥＣＵ２０に、図１６及び図１７で説明される排出バルブ１６の開弁タイミングの決定方法を実行させることにより実現することができる。実施の形態３では、気液分離器１２内の貯留水量を燃料電池２の発電量と温度から推定し、推定した貯留水量が基準値に達したら排出バルブ１６を開弁させるようにしている。これに対し、本燃料電池システムでは、排出バルブ１６を開弁したときの排水時間によって次回の排出バルブ１６の開弁タイミングを決定する。以下、本実施形態にかかる排出バルブ１６の開弁タイミングの決定方法について詳細に説明する。
【０１２２】
［開弁タイミングの決定方法の説明］
図１６及び図１７はともに排出バルブ１６の作動と気液分離器１２内の圧力変化との関係を示すタイミングチャートである。本燃料電池システムでは、各図に示すように、排出バルブ１６を閉弁してから次に開弁するまでの標準閉弁時間（tt02）が定められている。また、排出バルブ１６を開いてから排水が完了するまでの時間の標準排水時間（tt01）も定められている。標準閉弁時間と標準排水時間は、標準的な条件で燃料電池システムを運転したときの水の滞留速度を想定して決定されている。
【０１２３】
本燃料電池システムでは、排出バルブ１６を開いた時点（t91）から排水が完了した時点（t92）までの時間（t92−t91）が計測される。排水の完了時点（t92）は、例えば、気液分離器１２内の圧力の降下を検出することで判断することができる。そして、実際の排水時間（t92−t91）と標準排水時間（tt01）との時間差（tt1）が求められる。図１６に示すように、この時間差（tt1）が正の値の場合、つまり、実際の排水時間（t92−t91）が標準排水時間（tt01）よりも長い場合は、標準排水時間（tt01）で想定しているよりも多くの水が気液分離器１２に溜まっていることになる。言い換えれば、想定しているよりも多くの水が燃料ガスの循環系内で発生していることになる。
【０１２４】
この場合は、排出バルブ１６の閉弁時点（t93）から次回の開弁時点（t94）までの時間（t94−t93）を標準閉弁時間（tt02）よりも短い時間に設定する。実際の閉弁時間（t94−t93）の標準閉弁時間（tt02）に対する時間差（tt2）の絶対値（tt2は負の値）は、排水時間の時間差（tt1）が大きいほど大きい値に設定する。これにより、燃料ガスの循環系内で発生する水の量が多いほど、次回の排出バルブ１６の開弁タイミングは早められ、気液分離器１２内からの貯留水の排出が頻繁に行われることになる。
【０１２５】
一方、図１７に示すように、排水時間の時間差（tt1）が負の値の場合、つまり、実際の排水時間（t92−t91）が標準排水時間（tt01）よりも短い場合は、標準排水時間（tt01）で想定しているよりも気液分離器１２内に溜まる水の量は少ないことになる。言い換えれば、想定しているよりも燃料ガスの循環系内での水の発生量は少ないことになる。
【０１２６】
この場合は、排出バルブ１６の閉弁時点（t93）から次回の開弁時点（t94）までの時間（t94−t93）を標準閉弁時間（tt02）よりも長い時間に設定する。実際の閉弁時間（t94−t93）の標準閉弁時間（tt02）に対する時間差（tt2）は、排水時間の時間差（tt1）の絶対値（tt1は負の値）が大きいほど大きい値に設定する。これにより、燃料ガスの循環系内で発生する水の量が少ないほど、次回の排出バルブ１６の開弁タイミングは遅らされ、排出バルブ１６の開弁頻度が抑えられることになる。
【０１２７】
気液分離器１２内の貯留水量は、発電量や温度以外の想定していない要因で変化する場合がある。例えば、電解質膜が有する水の透過特性が変化した場合や、燃料電池２の流路やマニホールド内に溜まっていた滞留水が一度に排出された場合等である。実際の貯留水量が発電量や温度から推定した貯留水量よりも多い場合、推定した貯留水量に基づいて排出バルブ１６の開弁タイミングを決定すると、燃料ガスの循環系内に水が滞留して循環ガスの圧力損失やガス通路の閉塞を招いてしまうおそれがある。逆に、実際の貯留水量が推定した貯留水量よりも少ない場合には、推定した貯留水量に基づいて排出バルブ１６を開弁すると、排水量に比較して排気量が多くなって、その分、多くの水素を無駄に排出してしまうことになる。しかし、本燃料電池システムによれば、実際の貯留水量に略比例する排水期間に基づいて次回の排出バルブ１６の開弁タイミングを決定しているので、循環系内での水の発生量に応じた最適なタイミングで排出バルブ１６を開弁させることができる。
【０１２８】
実施の形態１０．
以下、図１８乃至図２１を参照して、本発明の実施の形態１０について説明する。
【０１２９】
図１８は、本発明の実施の形態１０としての燃料電池システムの概略構成図である。図１８において、実施の形態１にかかるシステムと同一の要素については同一の符号を付して示している。また、それらについては説明を省略し、実施の形態１にかかるシステムと相違する構成について重点的に説明するものとする。
【０１３０】
［燃料電池システムの構成の説明］
本燃料電池システムでは、排出バルブ１６の下流に、アノードオフガスを希釈するための希釈器４０が接続されている。希釈器４０には、その内部の圧力を検出する圧力センサ４２が取り付けられている。本燃料電池システムでは、気液分離器１２に取り付けられた圧力センサ２２により排出バルブ１６の上流圧力が検出され、希釈器４０に取り付けられた圧力センサ４２により排出バルブ１６の下流圧力が検出される。ＥＣＵ２０は、排出バルブ１６の上流圧力と下流圧力の差圧に基づいて排出バルブ１６の開弁により排出されている燃料ガスの量を推定し、推定した排気量に基づいて排出バルブ１６の作動を制御する。以下、本実施形態にかかる排気量の推定方法について詳細に説明する。
【０１３１】
［排気量の推定方法の説明］
図１９は排出バルブ１６の作動と排出バルブ１６の上流圧及び下流圧の各変化との関係を示すタイミングチャートである。図１９に示すように、排出バルブ１６の上流圧、下流圧ともに排出バルブ１６の開弁後すぐには変化せず、排出バルブ１６の開弁から暫くして変化し始める。この排出バルブ１６の開弁時点（ｔ101）から各圧力の変化開始時点（ｔ102）までの時間遅れは、排出バルブ１６を通って気液分離器１２内の貯留水が排水されていることを示している。貯留水の排水が完了することで、排出バルブ１６の上流圧、下流圧にはともに顕著な変化があらわれる。
【０１３２】
排水が完了することにより排出バルブ１６の上流と下流は導通するが、排出バルブ１６を燃料ガスが通過する際に生じる圧力損失によって、排出バルブ１６の上流圧と下流圧には差圧が生じる。この差圧は、排出バルブ１６を通過する燃料ガスの流量の二乗に略比例している。したがって、排水完了時点以降、上流圧と下流圧の差圧を求めてその平方根の積分値（差圧ルート積分値）を計算することで、排出バルブ１６を通って排出された燃料ガスの排出量を推定することができる。
【０１３３】
上記のような差圧を用いた排気量の推定方法には、次のような利点がある。実施の形態１では、排出バルブ１６が開弁した時点からの上流圧の低下値を用いて排気量を推定している。しかし、燃料電池２の製作固体差、燃料電池２内での生成水の詰まり、マニホールド部で生じる滞留水、内部氷結等が原因で循環系の容積が変化したり、循環系内の圧力損失が変動したりする場合がある。このような場合、排出バルブ１６を通過する燃料ガスの流量と圧力低下値との関係にずれが生じてしまう場合がある。これに対し、本燃料電池シシステムのように差圧から排気量を推定する場合には、循環系の容積変化や循環系内の圧力損失が変動の影響を受けることなく、常に正確に排気量を推定することができる。
【０１３４】
ＥＣＵ２０は、差圧ルート積分値が目標積分値に達した時点（ｔ103）で排出バルブ１６を閉弁する。これにより、循環系内から外部への燃焼ガスの排出は停止され、燃焼ガスの最終排気量が確定される。図２０は、目標積分値を設定するためのマップである。ＥＣＵ２０は、燃料電池システムの運転状態に応じて目標排気量を決定し、図２０のマップに従って目標排気量に応じた目標積分値を設定するようになっている。
【０１３５】
［排水完了時点の推定方法の説明］
排水完了時点を推定する方法としては、例えば、次のような方法が考えられる。
【０１３６】
方法１．所定の微小時間における排出バルブ１６の上流圧の変化量を求め、変化量が所定の基準値を上回った時点を排水完了時点とする。
【０１３７】
方法２．所定の微小時間における排出バルブ１６の下流圧の変化量を求め、変化量が所定の基準値を上回った時点を排水完了時点とする。
【０１３８】
方法３．排出バルブ１６の上流圧の圧力低下値を積分し、その積分値が所定の基準値を上回った時点を排水完了時点とする。
【０１３９】
方法４．排出バルブ１６の下流圧の圧力上昇値を積分し、その積分値が所定の基準値を上回った時点を排水完了時点とする。
【０１４０】
差圧ルート積分値によって排気量を推定する場合、その積分の開始時点である排水完了時点を正確に求める必要がある。積分の開始時点が正確でないと差圧ルート積分値に誤差が生じ、排気量を正確に推定することができない。しかし、上記の方法１や方法２の場合、圧力変動の影響によって誤判定する可能性がある。誤判定を防止するためには基準値を大きく設定すればよいが、基準値を大きく設定するほど、変化量が基準値を上回る時点と実際の排水完了時点との間にずれが生じてしまう。上記の方法３や方法４によれば、圧力変動の影響は軽減されるものの、やはり、積分値が基準値を上回る時点と実際の排水完了時点との間にずれが生じてしまう。
【０１４１】
そこで、本燃料電池システムでは、排水完了時点を正確に求めるべく、その推定方法として次のような方法を用いている。
【０１４２】
方法５．排出バルブ１６の上流圧の降下速度と、所定時点における上流圧とから、上流圧が低下し始めた時点を逆算し、その時点を排水完了時点とする。
【０１４３】
図２１は、本燃料電池システムで用いられる排水完了時点の推定方法（方法５）を説明するための図である。ＥＣＵ２０は、図２１中に示すように、まず、排出バルブ１６の上流圧の低下値が所定値ΔＰ1になった時点（t1）を検出する。次に、上流圧の低下値が所定値ΔＰ2になった時点（t2）を検出する。ΔＰ2はΔＰ1よりも大きい値である。これら２つの時点の時間差（t2−t1）と圧力差（ΔＰ2−ΔＰ1）から、上流圧の降下速度を計算することができる。圧力降下速度がわかれば、上流圧がΔＰ1だけ低下するのに要する時間を算出することができる。そして、上流圧がΔＰ1だけ低下するのに要した時間と、実際に上流圧がΔＰ1だけ低下した時点（t1）とから、上流圧が低下し始めた時点、すなわち、排水の完了時点（t0）を逆算することができる。実験等によって圧力降下速度が前もって分かっているならば、その値を用いて計算を行ってもよい。
【０１４４】
上記の方法５によれば、先に例示した方法１〜４に比較して、排水完了時点をより正確に推定することができる。なお、上記の方法５によれば、排出バルブ１６からの排気が始まった後に、排水完了時点、つまり、差圧ルート積分値の積分開始時点が定まることになる。したがって、この場合は、差圧の計測は排出バルブ１６を開弁した時点から開始し、計測した差圧をメモリに記憶しておく必要がある。そして、上記の方法５によって積分開始時点が定まったら、メモリに記憶している差圧の履歴データを用い、積分開始時点に遡って差圧ルート積分値の積分を開始する。
【０１４５】
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
【０１４６】
実施の形態２及び実施の形態３にかかる貯留水量の推定方法は、気液分離器１２内の貯留水量の制御にも用いることができる。例えば、燃料電池システムの停止時等、気液分離器１２内に所定水量の水を残しておきたい場合には、上記の貯留水量の推定方法によって貯留水量を推定し、推定結果と所定水量との差に基づいて排出バルブ１６の開弁時間を設定すればよい。これによれば、水位センサを必要とすることなく所望の貯留水量に確実に調整することができる。
【０１４７】
また、実施の形態４乃至実施の形態８では、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの開弁故障（漏れ）の判定方法について説明したが、図８に示す構成の燃料電池システムによれば、排出バルブ１８Ａ，１８Ｂ間の中間圧に基づいて各排出バルブ１８Ａ，１８Ｂの閉弁故障（詰まり等）を判定することもできる。下流側バルブ１８Ｂの閉弁前に上流側バルブ１８Ａを閉弁させたとき、両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂが共に正常であれば中間圧は上流側バルブ１８Ａの閉弁に伴い低下する。ところが、下流側バルブ１８Ｂに閉弁故障が生じているときには中間圧の低下量は正常時よりも小さくなる。したがって、中間圧の低下量を所定値と比較することで、下流側バルブ１８Ｂの閉弁故障を判定することができる。
【０１４８】
逆に上流側バルブ１８Ａの閉弁前に下流側バルブ１８Ｂを閉弁させたときには、両排出バルブ１８Ａ，１８Ｂが共に正常であれば中間圧は下流側バルブ１８Ｂの閉弁に伴い上昇する。ところが、上流側バルブ１８Ａに閉弁故障が生じているときには中間圧の上昇量は正常時よりも小さくなる。したがって、中間圧の上昇量を所定値と比較することで、上流側バルブ１８Ａの閉弁故障を判定することができる。
【０１４９】
また、上述の実施形態では、エジェクタを利用して燃料ガスを循環させているが、水素循環ポンプを利用して燃料ガスを循環させるようにしてもよい。
【０１５０】
さらに、本発明は、燃料ガスを循環させながら運転する形式の燃料電池システムのみならず、所謂アノードデッドエンド式の燃料電池システムにも適用可能である。アノードデッドエンド式の燃料電池システムでは、通常、排出バルブは閉じられた状態で燃料電池が作動されており、且つアノード出口付近では燃料ガスの流れは殆どない。このため、カソード側から透過した窒素や電気化学反応により生成された水がアノード出口側に滞留し、最終的に燃料オフガス通路内に滞留することになる。
【０１５１】
したがって、アノードデッドエンド式の燃料電池システムでも、定期的に排出バルブを開いて燃料電池のアノードに蓄積された水や窒素を外部に排出する必要がある。その際、上記各実施形態で述べた方法により排気量或いは貯留水量を推定し、その推定結果に基づいて排出バルブの作動を制御することで、所望の量の燃料ガスや貯留水を確実に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】本発明の実施の形態１としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる排気量の推定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】開弁時からの圧力低下積分値とガス排気量との相関関係を実験により求めた結果を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１において実行される排出バルブの開閉制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２において実行される貯留水量の推定ルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態２において実行される排出バルブの開閉制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態３において実行される排出バルブの開閉制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態４としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態４にかかる排気量の推定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態４にかかる排出バルブの開弁故障の判定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかる排出バルブの開弁故障の判定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態６にかかる排出バルブの開弁故障の判定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態７としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態７にかかる排出バルブの開弁故障の判定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１５】本発明の実施の形態８にかかる排出バルブの開弁故障の判定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１６】本発明の実施の形態９にかかる排出バルブの開弁タイミングの決定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１７】本発明の実施の形態９にかかる排出バルブの開弁タイミングの決定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図１８】本発明の実施の形態１０としての燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態１０にかかる排気量の推定方法を説明するためのタイミングチャートである。
【図２０】本発明の実施の形態１０にかかる差圧ルート積分値の目標値を設定するためのマップである。
【図２１】本発明の実施の形態１０にかかる排水完了時点の推定方法を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１５３】
２  燃料電池
４  燃料ガス通路
６  調圧弁
８  燃料オフガス通路
１０  エジェクタ
１２  気液分離器
１４  排出通路
１６  排出バルブ
１８Ａ  上流側排出バルブ
１８Ｂ  下流側排出バルブ
２０  ＥＣＵ
２２，２４，２６，４２  圧力センサ
３０  バッファタンク
４０  希釈器
【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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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