(57)【要約】【課題】燃料電池システムの停止前に、アノードガス循環通路内に含まれる水蒸気量を確実に低減する。【解決手段】燃料電池システム１００は、アノード循環型システムであって、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、コントローラ１０とを備える。アノードガス給排装置３のアノードガス循環通路３５には、気液分離装置２００が設けられる。気液分離装置２００の液水排出通路は、底面以外の所定の位置、例えば、上面に設けられる。気液分離装置２００から排出される液水は、必要に応じてアノードガス循環系外に吐出されて、気液分離装置２００の外表面を濡らすことができる。燃料電池システム１００の停止シーケンス中には、この液水の潜熱を利用することにより、気液分離装置２００を冷却して、アノードガス循環通路３５内の水蒸気を回収する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記燃料電池の入口に導入する循環通路と、
を備える燃料電池システムにおいて、前記循環通路上に設けられ、前記アノードオフガスから液水を分離する気液分離装置であって、
前記気液分離装置の底面以外の所定の位置に前記分離された液水を排出する排出通路を備える、
気液分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載の気液分離装置であって、
前記排出通路から排出された液水を系外に吐出することにより、前記気液分離装置の外表面を濡らす液水誘導部をさらに備える気液分離装置。
【請求項３】
請求項２に記載の気液分離装置であって、
前記液水誘導部は、前記排出通路に設けられた孔と、該孔から排出される液水の勢いを緩める邪魔板とから構成される、
気液分離装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の気液分離装置であって、
前記排出通路から吐出された液水を貯留する液水貯留部をさらに備える、
気液分離装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の気液分離装置を備える、
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離装置を強制的に冷却する強制冷却部をさらに備える、
燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記強制冷却部は、前記気液分離装置を空冷するファンである、
燃料電池システム。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
外気温を検出する温度センサと、
前記燃料電池システムの停止直前に前記温度センサにより検出した外気温に基づいて、前記循環通路内の温度が該燃料電池システムの次回起動時までに所定温度未満になるか否かを推定する外気温推定部と、
をさらに備え、
前記外気温推定部により前記循環通路内の温度が前記所定温度未満になると推定された場合には、前記燃料電池システムの停止までに前記気液分離装置内の液水を排出する、
燃料電池システム。
【請求項９】
請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記気液分離装置は、鉛直方向における前記循環通路内の最下部に配置される、
燃料電池システム。
【請求項１０】
アノードガス及びカソードガスを供給して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを前記燃料電池の入口に導入する循環通路と、
前記循環通路上に設けられ、前記アノードオフガスから液水を分離する気液分離装置と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムの停止直前に、外気温を検出するステップと、
前記検出した外気温に基づいて、前記燃料電池システムの停止までに前記気液分離装置内の液水を排出するステップと、
前記排出した液水の一部又は全部を前記気液分離装置の外表面に掛けるステップと、
を有する燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムの停止直前に検出した外気温に基づいて、前記循環通路内の温度が該燃料電池システムの次回起動時までに所定温度未満になるか否かを推定するステップをさらに有し、
前記循環通路内の温度が前記所定温度未満になると推定された場合には、前記燃料電池システムの停止までに前記気液分離装置内の液水を排出する、
燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記循環通路内の温度が前記所定温度未満になると推定された場合には、前記燃料電池システムの停止までに前記気液分離装置内の液水を排出した後、前記気液分離装置を強制的に冷却するステップをさらに有する、
燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気液分離装置、それを備えた燃料電池システム、及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、燃料ガスであるアノードガスを循環させず、反応後のアノードオフガスをカソードオフガスとともに排出するアノードガス非循環型燃料電池システムと、アノードガスを循環させ、必要に応じて、高圧タンクからアノードガスを追加供給するアノードガス循環型燃料電池システムとが提案されている。
【０００３】
燃料電池システムでは、カソード電極における電極反応で生成した水や水蒸気（以下、「液水」という）がクロスリークによりアノード電極側に流入する。アノードガス循環型燃料電池システム（以下、「アノードガス循環型システム」ともいう）では、この液水を利用して、燃料電池スタック内の湿潤度を制御することができるため、アノードガス供給通路やアノードガス循環通路に加湿器を設ける必要がない。
【０００４】
一方、アノードガス循環型システムは、閉回路を構成しているため、過剰に生成した液水を分離して排出するための気液分離装置がアノードガス循環通路に設けられる。通常、気液分離装置には、その下方に排出通路が設けられ、気液分離装置から排出される液水は、排出通路及びドレン弁又はパージ弁等を介して系外（例えば、カソードガス排出通路）に排出される。
【０００５】
ところで、アノードガス循環型システムを停止するときには、システム停止直前にドレン弁又はパージ弁を用いたパージ制御を行うことにより、循環型内の液水をある程度排出してからシステムを停止している。
【０００６】
しかしながら、凝縮した水については、気液分離装置（セパレータ）で回収可能であるが、流体中に含まれる水蒸気はそのままでは回収することができない。そして、外気温が零下（氷点下）まで下がるような環境では、システム停止中にシステム内の温度が低下し、流体中の水蒸気が結露して、結露した液水が凍結することも考えられる。このような液水の凍結が発生した場合、アノード循環型システム内のアノードガス給排装置などの流体機械の起動に影響を及ぼす可能性があった。
【０００７】
特許文献１には、アノードオフガス中の水蒸気の結露・凍結を防止するために、気液分離装置内を冷却する熱交換器を備えた燃料電池システムが開示される。特許文献１の燃料電池システムでは、アノードオフガス通路中に設けられた気液分離装置内に熱交換器を設け、車両のエアコンシステムの冷媒を熱交換器に流すことにより、気液分離装置を積極的に冷却し、気液分離装置内での液水の凝縮を促進させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ドイツ特許公開ＤＥ１０２０１２０１６９７６Ａ１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の燃料電池システムは、通常運転時に、気液分離装置内を積極的に冷やすものであるが、このシステムをシステム停止直前に用いれば、アノードガス循環型内の液水を十分に回収し、除去することができる。
【００１０】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、気液分離装置内に熱交換器を設けたり、車両のエアコンシステムの冷媒通路を増設したりする必要があり、システムが複雑になるという問題がある。
【００１１】
また、これらの装置等を増設する必要があるため、システム全体としてコストが高くなってしまうという問題もある。
【００１２】
本発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、エアコンシステムを利用することなく、システム停止直前にアノードガス循環型システム内の水蒸気を回収することができる気液分離装置、それを備えた燃料電池システム、及びその制御方法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】
【００１３】
本発明の一態様によれば、本発明の燃料電池システムの気液分離装置は、アノードガス及びカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを燃料電池の入口に導入する循環通路と、を備える燃料電池システムにおいて、循環通路上に設けられ、アノードオフガスから液水を分離する気液分離装置であって、該気液分離装置の底面以外の所定の位置に分離された液水を排出する排出通路を備えている。
【００１４】
また、本発明の別の態様によれば、本発明の燃料電池システムは、上述のような気液分離装置を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、エアコンシステムを利用することなく、排出通路から排出する液水を用いて、必要に応じて気液分離装置の外表面を濡らすことにより、システム停止直前にアノードガス循環型システム内の水蒸気を回収可能な気液分離装置、それを備えた燃料電池システム、及びその制御方法を提供することができる。これにより、燃料電池システムの停止中にシステム内の温度が零下まで下がったとしても、系内の水蒸気が凝縮して過剰な液水が生成され、その液水が凍結することがない。したがって、そのような状況下においても、アノード循環型システム内のアノードガス給排装置などの流体機械の起動に影響を及ぼすことを効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】図１のコントローラの機能的構成を示すブロック図である。
【図３】第１実施形態における気液分離装置の断面図である。
【図４】図３に示す気液分離装置内に液水が溜まった状態を示す断面図である。
【図５】図４に示す状態から気液分離装置外に液水を排出した状態を示す断面図である。
【図６】システム停止シーケンス開示時からの気液分離装置内の温度変化を示すグラフである。
【図７】図１に示す燃料電池システムのコントローラにより実行される停止前気液分離処理を示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態における気液分離装置の断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態における気液分離装置の断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態における気液分離装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
【００１８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の全体構成を示す図である。本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して外部から発電に必要となるアノードガス（燃料ガス）及びカソードガス（酸化剤ガス）を供給し、図示しないアノード電極及びカソード電極で電極反応を起こさせ、電気的に接続される負荷装置５の動作状態に応じて燃料電池スタック１を発電させる電源システムを構成する。
【００１９】
燃料電池システム１００は、図１に示すように、主として、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、負荷装置５と、コントローラ１０とを備える。
【００２０】
燃料電池スタック１は、図示しない複数の燃料電池が積層された積層電池である。燃料電池スタック１は、負荷装置５に接続され、電極反応により発電した電力を負荷装置５に供給する。燃料電池スタック１は、例えば数百Ｖ（ボルト）の直流電圧を生成する。
【００２１】
図示しないが、燃料電池スタック１は、電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟んで構成される。燃料電池スタック１の運転時には、アノード電極では、水素がイオン化して、水素イオンと電子が生成される。また、カソード電極では、アノード電極で生成した水素イオン及び電子と、酸素とが反応して、水が生成される。
【００２２】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを大気に排出する装置である。なお、カソードオフガスには、カソード電極で反応しなかった酸素や窒素、生成した水蒸気などが含まれる。
【００２３】
カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、コンプレッサ２２と、流量センサ２３と、圧力センサ２４と、カソードガス排出通路２５と、カソード調圧弁２６とを含む。
【００２４】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するための通路である。カソードガス供給通路２１の一端は開口しており、他端は、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００２５】
コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１上に設けられる。コンプレッサ２２は、カソードガス供給通路２１の開口端から酸素を含有する空気を取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。コンプレッサ２２の回転速度は、コントローラ１０によって制御される。
【００２６】
流量センサ２３は、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１上に設けられる。流量センサ２３は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。流量センサ２３により検出したカソードガスの流量データは、コントローラ１０に出力される。
【００２７】
圧力センサ２４は、流量センサ２３と同様に、コンプレッサ２２と燃料電池スタック１との間のカソードガス供給通路２１上に設けられる。圧力センサ２４は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を検出する。圧力センサ２４により検出したカソードガスの圧力データは、コントローラ１０に出力される。
【００２８】
カソードガス排出通路２５は、燃料電池スタック１からカソードオフガスを排出するための通路である。カソードガス排出通路２５の一端は、燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口している。
【００２９】
カソード調圧弁２６は、カソードガス排出通路２５上に設けられる。カソード調圧弁２６としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。カソード調圧弁２６は、コントローラ１０によって開閉制御される。この開閉制御によってカソードガス圧力が所望の圧力に調節される。
【００３０】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１に循環させる装置である。
【００３１】
アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、エゼクタ３４と、アノードガス循環通路３５と、アノード循環ポンプ３６と、圧力センサ３７と、気液分離装置（セパレータ）２００と、冷却ファン３８とを含む。
【００３２】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス（水素ガス）を高圧状態に保って貯蔵する水素タンクである。
【００３３】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１に貯蔵されたアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端は、高圧タンク３１に接続され、他端は、アノード調圧弁３３及びエゼクタ３４を介して、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
【００３４】
アノード調圧弁３３は、高圧タンク３１とエゼクタ３４との間のアノードガス供給通路３２上に設けられる。アノード調圧弁３３としては、例えば弁の開度を段階的に変更可能な電磁弁が用いられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ１０によって開閉制御される。この開閉制御によって、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力が調節される。
【００３５】
エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３と燃料電池スタック１との間のアノードガス供給通路３２上に設けられる。エゼクタ３４は、アノードガス供給通路３２に対してアノードガス循環通路３５が合流する部分に設けられる機械式ポンプである。アノードガス供給通路３２上にエゼクタ３４を設けることにより、簡易な構成で燃料電池スタック１にアノードオフガスを循環させることができる。
【００３６】
エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３から供給されるアノードガスの流速を加速させて負圧を生じさせることにより、燃料電池スタック１からのアノードオフガスを吸引する。エゼクタ３４は、アノード調圧弁３３から供給されるアノードガスとともに、吸引したアノードオフガスを燃料電池スタック１に吐出する。
【００３７】
エゼクタ３４は、例えば、アノード調圧弁３３から燃料電池スタック１に向かって開口を狭くした円錐状のノズルと、燃料電池スタック１からアノードオフガスを吸引する吸引口を備えたディフューザとにより構成される。なお、本実施形態では、アノードガス供給通路３２とアノードガス循環通路３５の合流手段としてエゼクタ３４を用いたが、単にアノードガス供給通路３２にアノードガス循環通路３５を合流させるものであってもよい。
【００３８】
アノードガス循環通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスをアノードガス供給通路３２に循環させる通路である。アノードガス循環通路３５の一端は、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端は、エゼクタ３４の吸引口に接続される。
【００３９】
アノード循環ポンプ３６は、アノードガス循環通路３５上に設けられる。アノード循環ポンプ３６は、エゼクタ３４を介して燃料電池スタック１にアノードオフガスを循環させる。アノード循環ポンプ３６の回転速度は、コントローラ１０によって制御される。これにより、燃料電池スタック１を循環するアノードオフガスの流量が調整される。
【００４０】
圧力センサ３７は、エゼクタ３４と燃料電池スタック１のアノードガス入口孔との間のアノードガス供給通路３２上に設けられる。圧力センサ３７は、循環経路内のエゼクタ３４の吐出側であって、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスとアノードオフガスの混合ガスの圧力を検出する。圧力センサ３７により検出したアノードガスの圧力データは、コントローラ１０に出力される。
【００４１】
気液分離装置２００は、アノード循環ポンプ３６と燃料電池スタック１のアノードガス出口孔との間のアノードガス循環通路３５上に設けられる。本実施形態の気液分離装置２００は、後述するように、サイクロン方式のセパレータから構成され、アノードガス循環通路３５内のアノードオフガスと、電極反応により発生した水蒸気が凝縮することにより生成される水（液水）とを分離するための装置である。気液分離装置２００の構成については、後述する。
【００４２】
なお、図示していないが、気液分離装置２００から排出される液水は、アノードガス排出通路へと誘導される。そして、アノードガス排出通路は、カソード調圧弁２６よりも下流側のカソードガス排出通路２５に合流する。これにより、気液分離装置２００から排出される液水及びアノードオフガスは、カソードガス排出通路２５内でカソードオフガスと混合されるので、混合ガス（排ガス）中の水素濃度を排出許容濃度以下の値に低減することができる。
【００４３】
負荷装置５は、燃料電池スタック１から供給される発電電力（直流電力）を受けることにより駆動する。負荷装置５としては、例えば、車両を駆動する電動モータや、燃料電池スタック１から出力された直流電力を電動モータに供給する交流電力に変換する電動モータ用インバータや、燃料電池スタック１の発電を補助する補機の一部、電動モータを制御する制御ユニットなどによって構成される。燃料電池スタック１の補機としては、例えば、コンプレッサ２２や、アノード循環ポンプ３６などが挙げられる。
【００４４】
負荷装置５は、燃料電池スタック１から出力された直流電力を所定の要求電圧比で昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備えてもよい。このＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池スタック１と電動モータインバータとの間に配置される。また、本実施形態では、図示を省略するが、ＤＣ／ＤＣコンバータに対して燃料電池スタック１と並列に、高圧バッテリが設けられてもよい。なお、負荷装置５を制御する制御ユニット（図示せず）は、燃料電池スタック１に要求する要求電力をコントローラ１０に出力する。例えば、車両に設けられたアクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、負荷装置５の要求電力は大きくなる。
【００４５】
負荷装置５と燃料電池スタック１との間には、図１に示すように、電流センサ５１と電圧センサ５２とが配置される。
【００４６】
電流センサ５１は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと負荷装置５との間の電源線に接続される。電流センサ５１は、燃料電池スタック１から負荷装置５に出力される電流を燃料電池スタック１の出力電力として検出する。電流センサ５１で検出した燃料電池スタック１の出力電流データは、コントローラ１０に出力される。
【００４７】
電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐと正極端子１ｎとの間に接続される。電圧センサ５２は、燃料電池スタック１の正極端子１ｐ及び正極端子１ｎ間の電圧である端子間電圧を検出する。電圧センサ５２により検出した燃料電池スタック１の出力電圧データは、コントローラ１０に出力される。
【００４８】
なお、図示を省略したが、燃料電池スタック１の電解質膜の湿潤状態を検出するためのインピーダンス測定装置をさらに備えている。このインピーダンス測定装置は、電解質膜の湿潤状態と相関のある燃料電池スタック１の内部インピーダンスを測定するための装置である。
【００４９】
一般に、電解質膜の含水量が少なくなるほど、すなわち、電解質膜が乾き気味になるほど、内部インピーダンスの電気抵抗成分は大きくなる。一方、電解質膜の含水量が多くなるほど、すなわち、電解質膜が濡れ気味になるほど、内部インピーダンスの電気抵抗成分は小さくなる。このため、電解質膜の湿潤状態を示すパラメータとして、燃料電池スタック１の内部インピーダンスが用いられる。
【００５０】
インピーダンス測定装置は、燃料電池スタック１の内部抵抗を検出するのに適した周波数を有する交流電流を正極端子１ｐに供給する。そして、インピーダンス測定装置は、この周波数の交流電流によって正極端子１ｐと正極端子１ｎとの間に生じる交流電圧を検出し、検出した交流電圧の振幅を、正極端子１ｐに供給した交流電流の振幅で除算することにより、内部インピーダンスを算出する。
【００５１】
本実施形態では、燃料電池スタック１は、負荷装置５の要求に応じた電力を発電し、燃料電池スタック１の発電状態に応じて、燃料電池スタック１の内部インピーダンス、すなわち、電解質膜の湿潤度が制御される。そして、必要に応じて、気液分離装置２００により分離された液水は、アノードガス循環系外に排出される。
【００５２】
温度センサ４０は、本実施形態の燃料電池システム１００が搭載された車両の外側に晒される位置に設けられる。温度センサ４０は、この車両の外側の温度、すなわち、外気温を検出する。温度センサ４０により検出した外気温データは、コントローラ１０に出力される。
【００５３】
コントローラ１０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）などを備えたマイクロコンピュータにより構成される。
【００５４】
コントローラ１０には、流量センサ２３、圧力センサ２４、圧力センサ３７、電流センサ５１、電圧センサ５２、及び温度センサ４０の各検出データが入力される。これらのデータは、燃料電池システム１００の運転状態に関するパラメータとして用いられる。
【００５５】
コントローラ１０は、燃料電池システム１００の運転状態に応じて、コンプレッサ２２及びカソード調圧弁２６を制御することでカソードガスの流量及び圧力を制御するとともに、アノード調圧弁３３及びアノード循環ポンプ３６を制御することでアノードガスの流量及び圧力を制御する。
【００５６】
このような燃料電池システム１００では、各電解質膜の湿潤度（含水量）が高くなり過ぎたり低くなり過ぎたりすると、発電性能が低下する。燃料電池スタック１を効率的に発電させるには、燃料電池スタック１の電解質膜を適度な湿潤度に維持することが重要である。そのため、コントローラ１０は、負荷装置５の要求電力を確保できる範囲内において、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態が発電に適した状態となるように、カソードガスの流量及び圧力と、気液分離装置２００とを制御して、燃料電池スタック１内の電解質膜の湿潤状態を操作する。
【００５７】
次に、本実施形態におけるコントローラ１０の構成について説明する。図２は、図１のコントローラ１０の機能的構成を示すブロック図である。本実施形態では、コントローラ１０は、後述する停止前気液分離処理（図７参照）を実行するために、外気温推定部１１と、パージ弁制御部１２と、ファン制御部１３とを備える。
【００５８】
外気温推定部１１は、燃料電池システム１００が停止シーケンスを開始しているとき、温度センサ４０から入力される外気温データに基づいて、次回システム始動時の外気温を推定する。外気温推定部１１により推定した外気温データ（以下、「外気温推定値」という）は、パージ弁制御部１２及びファン制御部１３に出力される。
【００５９】
パージ弁制御部１２は、パージ弁２１０に開指令を出力することにより、気液分離装置２００により分離された液水をカソードガス排出通路２５に排出するための後述するパージ弁２１０の開閉を制御する。例えば、インピーダンス測定装置により測定された燃料電池スタック１の内部インピーダンスに基づいて、燃料電池スタック１の電解質膜が濡れ気味であると判定すると、パージ弁制御部１２は、気液分離装置２００のパージ弁２１０を所定時間開弁させ、あるいは、間欠的に開弁させる。
【００６０】
パージ弁制御部１２は、パージ弁２１０を開弁させるとき、パージ弁２１０内の電磁コイルに一定電圧を印加する。この場合、電磁コイルへ流れる電流値を検出する電流センサが設けられてもよい。
【００６１】
パージ弁２１０に付随して電流センサが設けられている場合、パージ弁制御部１２は、定電圧印加時の電流センサの検出電流を監視する。そして、パージ弁２１０の開弁後に、検出電流値が所定値以下になったときに、パージ弁制御部１２は、パージ弁２１０を閉弁する。これは、気液分離装置２００内に液水が残留しているときには、この液水が負荷となって、検出電流値が所定値以上であるのに対し、液水が概ね排出されると、負荷が減少することにより、検出電流値が小さくなるためである。
【００６２】
また、パージ弁制御部１２は、外気温推定部１１から出力される外気温推定値を受けると、パージ弁２１０を間欠的に開閉させる。この場合、パージ弁制御部１２は、パージ弁２１０の開弁時の検出電流値に基づいて、パージ弁２１０の開時間と、インターバルとを決定する。
【００６３】
ファン制御部１３は、後述する冷却ファン３８の運転を制御する。冷却ファン３８は、図１に示すように、気液分離装置２００に対応して設けられる。
【００６４】
ファン制御部１３は、外気温推定部１１から出力される外気温推定値を受けると、その外気温推定値が水の凝固点である０℃未満か否かを判定する。そして、外気温推定値が０℃未満であると判定した場合には、ファン制御部１３は、燃料電池システム１の停止シーケンス開始からシステム停止までの間、冷却ファン３８を運転させる。
【００６５】
なお、気液分離装置２００が設置される場所の雰囲気温度を検出する温度センサをさらに設けてもよい。この場合、雰囲気温度に基づいて、ファン制御部１３は、冷却ファン３８の回転数を決定し、決定した回転数指令値を冷却ファン３８に出力してもよい。その代わりに、ファン制御部１３は、システム停止まで冷却ファン３８を最大回転数で運転させてもよい。
【００６６】
また、外気温推定部１１は、次回システム始動時の外気温を推定するのではなく、現在検出した外気温に基づいて、パージ弁２１０の開閉の頻度や冷却ファン３８の運転の要否を判定するように構成されてもよい。例えば、温度センサ４０により検出した外気温が１０℃以下の場合であれば、外気温推定部１１は、次回システム始動時までに外気温（燃料電池システム１００内の温度）が零下になる可能性が高いと判定して、ファン制御部１３は、システム停止時まで冷却ファン３８を運転させるように構成してもよい。その代わりに、パージ弁制御部１２及びファン制御部１３は、検出した外気温や外気温推定値に加えて又はそれらに代えて、コントローラ１０内の図示しないメモリ等に格納されている現在位置情報やカレンダー情報に基づいて、パージ弁２１０を間欠的に開閉させるデューティ比や冷却ファン３８の運転の要否を判定してもよい。
【００６７】
次に、本実施形態の気液分離装置２００の構成を説明する。図３は、本実施形態における気液分離装置２００の断面図である。本実施形態の気液分離装置２００は、図３の矢印で示すように、導入したアノードオフガスを装置内面に沿って螺旋状に回転させる構成を有するサイクロン型セパレータである。
【００６８】
本実施形態では、気液分離装置２００は、カソード調圧弁２６よりも下流側のカソードガス排出通路２５に合流するパージガス排出通路２６１を底面に有する箱体２６０内に配置される。このように、気液分離装置２００を閉空間に設けることにより、気液分離装置２００から液水とともに排出されるアノードガス（水素ガス）が、燃料電池システム１００のアノードガス及びカソードガスの給排装置系外に排出されるのを防止することができる。
【００６９】
気液分離装置２００は、その外形を構成する筐体に加え、パージ弁２１０と、セパレータ２２０と、アノードオフガス案内部２３０と、液水貯留部２４０と、液水誘導部２５０とを備える。
【００７０】
また、気液分離装置２００は、入口孔２００ａと、入口通路２０１と、出口通路２０２と、アノードオフガス出口孔２００ｂと、液水排出通路２０３と、液水出口孔２００ｃとを備える。燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガスは、アノードガス給排装置３のアノードガス循環通路３５及び入口通路２０１を介して、気液分離装置２００の装置内に誘導される。そして、誘導されたアノードオフガスは、気液分離装置２００の装置内周面を回転しながら下方に移動し、底面からセパレータ２２０の外周に沿って回転しながら上方に移動する。最終的に、アノードオフガスは、セパレータ２２０の上部に設けられた開口２２０ａ及び出口通路２０２を通して、気液分離装置２００から排出される。
【００７１】
気液分離装置２００の装置内でアノードオフガスの流れを発生させる構成によって、アノードオフガスに含まれる液水や水蒸気から凝縮する水は、遠心分離により装置内の底部に溜められる。なお、図３では、気液分離装置２００内にまだ液水が溜まっていない状態を示す。
【００７２】
パージ弁２１０は、上述のように、コントローラ１０のパージ弁制御部１２によりその開閉が制御される。気液分離装置２００の底部にある程度液水が溜まると、パージ弁２１０が開弁される。溜まっていた液水は、気液分離装置２００内のガス圧力によって押し下げられ、セパレータ２２０内部及び液水排出通路２０３を通して気液分離装置２００外に排出される。ここで、本実施形態の気液分離装置２００では、パージ弁２１０が開弁すると、例えば、１秒間に１０〜２０ｍｌ程度の液水が排出される。
【００７３】
セパレータ２２０は、多孔質材料から形成された中空の円筒状の部材であり、その一端が気液分離装置２００内の底面に当接するように、気液分離装置２００内の中央部に直立して設けられる。このセパレータ２２０は、多孔質材料から形成されているので、セパレータ２２０の内外の圧力差により、液水及びアノードオフガスが通り抜けることができる。
【００７４】
セパレータ２２０の上部には、その内部からアノードオフガスが流出される開口２２０ａが設けられる。この開口２２０ａにより、セパレータ２２０内に流入したアノードオフガスを出口通路２０２を介して気液分離装置２００の後段に排出することができる。
【００７５】
アノードオフガス案内部２３０は、気液分離装置２００の上面から突出した円筒形状の部材である。アノードオフガス案内部２３０は、入口通路２０１を通って流入したアノードオフガスがセパレータ２２０の上部から直接排出されるのを防止するための部材である。アノードオフガス案内部２３０は、円筒形状を有するので、気液分離装置２００内に誘導されたアノードオフガスを気液分離装置２００の内周面に沿って螺旋状に回転させることができる。これにより、アノードオフガスが気液分離装置２００をバイパスすることを防止することができる。
【００７６】
液水貯留部２４０は、気液分離装置２００から排出された液水を一時的に貯留させるための溝部である。液水貯留部２４０に貯留した液水は、冷却ファン３８により空冷され、気化、蒸発させられる。本実施形態では、この液水から水蒸気への気化による吸熱、すなわち、潜熱（気化熱）を利用して、気液分離装置２００の外表面を冷却させている。これにより、気液分離装置２００の内表面も冷やされ、気液分離装置２００に誘導され、螺旋状に回転しているアノードオフガスも冷やされる。したがって、本実施形態の気液分離装置２００によれば、エアコンシステムの冷媒等を利用することなく、燃料電池システム１００の停止直前に、アノードガス循環系に含まれる水蒸気を積極的に冷やして凝縮させ、系外に排出することができる。
【００７７】
液水誘導部２５０は、パージ弁２１０の開弁により、気液分離装置２００内から液水出口孔２００ｃを介して排出される液水を液水貯留部２４０や気液分離装置２００の外表面に誘導するための部材である。液水誘導部２５０は、例えば、液水出口孔２００ｃから吹き出る液水の勢いを緩める邪魔板から構成される。この邪魔板は、図３に示すようなアーチ形状を有していてもよく、縦断面がＬ字状のものであってもよい。液水誘導部２５０は、これらの形状に限らず、気液分離装置２００から排出される液水がその気液分離装置２００の外表面を濡らすことができるような形状であればよい。
【００７８】
ここで、液水排出通路２０３は、図２に示すように、気液分離装置２００の上面に液水出口孔２００ｃが設けられるように配置される。すなわち、本実施形態では、液水排出通路２０３は、気液分離装置２００の底面以外の所定の位置に設けられる。この所定の位置は、気液分離装置２００の上面でなくてもよい。
【００７９】
例えば、液水排出通路２０３の液水出口孔２００ｃが気液分離装置２００の側面に設けられている場合には、吹出した液水が上部後方に誘導されるように、液水誘導部２５０が構成される。この場合、液水誘導部２５０は、上部後方に延びるアーチ状の邪魔板から構成されればよい。
【００８０】
気液分離装置２００が箱体２６０内に設置される本実施形態では、冷却ファン３８は、図３に示すように、例えば、気液分離装置２００の上面に臨む位置に配置され、気液分離装置２００の外表面を濡らしている液水を直接空冷するように構成されればよい。
【００８１】
また、冷却ファン３８は、図示を省略するが、パージガス排出通路２６１の入口又はその内部に設けられ、箱体２６０内のガスを吸引するように構成されてもよい。
【００８２】
なお、本実施形態では、閉空間の箱体２６０内に気液分離装置２００を設置する例を示したが、気液分離装置２００の設置方法は、これに限らない。例えば、気液分離装置２００は、カソード調圧弁２６よりも下流側のカソードガス排出通路２５内に設置されてもよい。この場合、冷却ファン３８を設けることなく、システム停止直前まで、カソード調圧弁２６を開弁して、コンプレッサ２２を駆動することにより、気液分離装置２００の外表面を空冷するように構成すればよい。
【００８３】
図４は、図３に示す気液分離装置２００内に液水が溜まった状態を示す断面図である。図５は、図４に示す状態から気液分離装置２００外に液水を排出した状態を示す断面図である。なお、これらの図では、簡略化のため、箱体２６０や冷却ファン３８等の図示を省略している。
【００８４】
気液分離装置２００内に液水が溜まってくると、アノードオフガスの圧力により、液面中央部が窪むようになる。また、ある程度以上液水が溜まると、遠心分離の効果が薄れることとなる。そのため、パージ弁制御部１２は、上述のように、燃料電池システム１００の運転中においても、間欠的にパージ弁２１０の開閉を行うようにしている。
【００８５】
図５に示すように、パージ弁２１０が開状態になると、セパレータ２２０外のアノードオフガスの圧力と、セパレータ２２０内の液水の圧力との差圧により、気液分離装置２００内に溜まっている液水が先に液水排出通路２０３を通って、気液分離装置２００外に排出される。そして、まず、液水貯留部２４０が満たされ、図５の矢印Ｗで示すように、排出された液水は、気液分離装置２００の外表面を伝って流れ、その外表面を濡らすことになる。
【００８６】
本実施形態では、このように構成しているので、気液分離装置２００の濡らした液水の潜熱（気化熱）を利用することにより、気液分離装置２００全体を冷却し、アノードオフガス中の水蒸気の凝縮を促進させることができる。なお、燃料電池システム１００の運転中も、アノードオフガスに含まれる水蒸気の回収効率を高めるために、冷却ファン３８を適宜運転してもよい。例えば、パージ弁２１０が開弁した後、冷却ファン３８を所定時間運転するように構成してもよい。その代わりに、燃料電池システム１００の運転中も、冷却ファン３８を常時運転するように構成してもよい。
【００８７】
図６は、システム停止シーケンス開始時からの気液分離装置２００内の温度変化を示すグラフである。エアコンシステムの冷媒を利用しない従来の気液分離装置であれば、ダッシュ線で示すように、気液分離装置２００内の温度は、燃料電池システム１００の停止シーケンス開始直後から緩やかに下がっていく。車両が停車した場所の外気温が零下まで下がるような環境においては、気液分離装置２００内の温度は、所定時間後に露点まで下がり、アノードガス循環系内に残存する水蒸気が凝縮し始め、アノードガス循環系全体において結露が起こる。そして、図示しないが、気液分離装置２００内の温度が零下まで下がると、凝縮して滞留している液水が凍結を始めてしまう。
【００８８】
一方、本実施形態の気液分離装置２００では、実線で示すように、燃料電池システム１００の停止シーケンス開始直後から気液分離装置２００のパージ弁２１０が開閉して、気液分離装置２００の外表面を液水で濡らしていく。そして、その液水の潜熱により、気液分離装置２００の外表面のみならず、内部も急激に温度が下がっていく。ここで、燃料電池システム１００の完全停止までに気液分離装置２００内の温度が露点を下回るように、停止シーケンスの作動時間を設定すればよい。
【００８９】
気液分離装置２００内の温度が露点を下回ると、気液分離装置２００で急激に液水が回収されることとなる。パージ弁２１０の開動作時の電流値を検出して、検出した電流値の低下を監視することにより、パージ弁制御部１２は、気液分離装置２００内に液水ができる限り残らないように、パージ弁２１０の間欠的に開閉する。これにより、アノードガス循環系内にできる限り水蒸気が残らないように制御することができる。
【００９０】
本実施形態のアノードガス循環系では、気液分離装置２００の外表面を濡らすことにより、系全体において相対的に温度が低い箇所（すなわち、気液分離装置２００内部）が存在するため、アノード循環ポンプ３６を停止した後においても、温度の低い箇所に向けて流体は移動する。そして、その流体に水蒸気が含まれていれば、いずれ露点に到達し、滞留していた水蒸気は結露して液水となる。その結果、水蒸気の結露する箇所が気液分離装置２００内の一箇所に集中するので、アノードガス循環系の水蒸気を効率的に回収することができる。
【００９１】
なお、パージ弁２１０の開動作時の電流値を監視して、気液分離装置２００内の液水の状態を検出しない場合には、例えば、気液分離装置２００内に液面計を設ければよい。液面計を設けた場合には、パージ弁制御部１２は、所定の液面高さになったときに、パージ弁２１０を開動作させればよい。
【００９２】
次に、本実施形態の燃料電池システム１００の動作を説明する。図７は、図１に示す燃料電池システム１００のコントローラ１０により実行される停止前気液分離処理を示すフローチャートである。本実施形態の停止前気液分離処理では、燃料電池システム１００の停止シーケンス開始時の外気温に基づいて、冷却ファン３８を起動するか否かを決定している。
【００９３】
この停止前気液分離処理では、コントローラ１０は、まず、燃料電池システム１００が停止シーケンスを開始するか否かを判定する（ステップＳ１０１）。燃料電池システム１００が停止シーケンスを開始していないと判定した場合には、コントローラ１０は、この停止前気液分離処理を終了する。
【００９４】
一方、燃料電池システム１００が停止シーケンスを開始していると判定した場合には、コントローラ１０は、アノード循環ポンプ３６の運転を開始する（ステップＳ１０２）。そして、コントローラ１０のパージ弁制御部１２は、必要に応じて、気液分離装置２００のパージ弁２１０を開閉動作させる（ステップＳ１０３）。なお、この開閉動作は、停止前気液分離処理を終了するまで、適宜実行されればよい。
【００９５】
そして、コントローラ１０は、温度センサ４０に外気温を検出させ、検出した外気温データを取得する（ステップＳ１０４）。
【００９６】
次いで、コントローラ１０は、温度センサ４０により検出した外気温が所定温度未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。所定温度としては、燃料電池システム１００の次回起動時までに燃料電池システム１００内の温度が零下まで下がる可能性がある温度が用いられればよい。例えば、上述のように、所定温度としては１０℃である。
【００９７】
検出した外気温が所定温度未満であると判定した場合には、コントローラ１０のファン制御部１３は、冷却ファン３８を起動して、気液分離装置２００の外表面を冷却する（ステップＳ１０６）。一方、検出した外気温が所定温度未満ではないと判定した場合には、コントローラ１０は、そのままステップＳ１０７に移行する。
【００９８】
次いで、コントローラ１０は、燃料電池システム１００の停止シーケンスの開始時から所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。所定時間が経過していないと判定した場合には、コントローラ１０は、所定時間を経過するまで待機する。すなわち、所定時間が経過するまで、コントローラ１０は、アノード循環ポンプ３６及び冷却ファン３８（該当する場合）を運転し続け、必要に応じて、パージ弁２１０を開閉動作させる。
【００９９】
一方、所定時間が経過したと判定した場合には、コントローラ１０は、アノード循環ポンプ３６及び冷却ファン３８を停止して、この停止前気液分離処理を終了する。その後、コントローラ１０は、燃料電池システム１００の停止シーケンスを終了する。
【０１００】
なお、本例では、温度センサ４０により検出した外気温に基づいて、冷却ファン３８の起動の可否を判定したが、図２に示すように、外気温推定値に基づいて、冷却ファン３８の起動の可否を決定してもよい。また、温度センサ４０により検出した外気温に関係なく、停止前気液分離処理では、冷却ファン３８を起動するようにしてもよい。
【０１０１】
また、ステップＳ１０７に記載の所定時間は、アノードオフガスがアノードガス循環通路３５内をどの程度循環するかに基づいて、実験等により予め決定される。その代わりに、燃料電池システム１００では、この所定時間は、温度センサ４０により検出した外気温に基づいて決定されるように構成されてもよい。
【０１０２】
以上説明したように、本実施形態の気液分離装置２００は、アノードガス及びカソードガスを供給することにより発電を行う燃料電池スタック１（燃料電池）と、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に導入するアノードガス循環通路３５（循環通路）と、を備える燃料電池システム１００において、アノードガス循環通路３５上に設けられ、アノードオフガスから液水（すなわち、水と水蒸気）を分離する気液分離装置２００であって、気液分離装置２００の底面以外の所定の位置（本実施形態では、上面）に分離された液水を排出する液水排出通路２０３を備えるように構成した。気液分離装置２００をこのように構成することにより、液水排出通路２０３を通して、気液分離装置２００により回収・分離された液水を排出する際に、必要に応じて、気液分離装置２００の外表面に掛かるようにその液水を吐出等することにより、気液分離装置２００の外表面を濡らすことができる。これにより、気液分離装置２００の外表面に付着した液水が気化する際の潜熱（気化熱）を有効に利用して、気液分離装置２００を冷却することができる。したがって、冷却された気液分離装置２００内を流れるアノードオフガスから効果的に水蒸気を回収することができる。
【０１０３】
このような構成にすることにより、特に、燃料電池システム１００を停止させるための停止シーケンスの開始時に、気液分離装置２００の外表面を濡らすようにすれば、燃料電池システム１００のアノードガス循環系に残留する水蒸気を効果的に回収することができる。これにより、燃料電池システム１００の次回起動時までに燃料電池システム１００内の温度が零下まで下がるような環境においても、アノードガス循環系内の水蒸気が系内の至る所で凝縮し、凍結することがない。したがって、そのような状況下においても、アノード循環型の燃料電池システム１００内のカソードガス給排装置２やアノードガス給排装置３などの流体機械の起動に影響を及ぼすことを効果的に防止することができる。
【０１０４】
本実施形態の気液分離装置２００では、液水排出通路２０３から排出された液水をアノードガス循環系外に吐出することにより、気液分離装置２００の外表面を濡らす液水誘導部２５０をさらに備えればよい。本実施形態では、液水誘導部２５０は、液水排出通路２０３から排出される液水の勢いを緩める邪魔板から構成されればよい。これにより、気液分離装置２００から排出される液水を効果的に気液分離装置２００の外表面に案内することができる。
【０１０５】
本実施形態の気液分離装置２００では、液水排出通路２０３から吐出された液水を貯留する液水貯留部２４０をさらに備えてもよい。このように構成したことにより、気液分離装置２００から排出した液水を確実に貯留することができ、気液分離装置２００を冷却するために、この液水貯留部２４０に貯留された液水の潜熱（気化熱）を効果的に活用することができる。
【０１０６】
また、本実施形態の燃料電池システム１００では、上述のような気液分離装置２００をアノードガス循環通路３５上に配置している。このように構成したことにより、上述と同様の効果を奏することができる。
【０１０７】
本実施形態の燃料電池システム１００では、気液分離装置２００を強制的に冷却する強制冷却部をさらに備えればよい。例えば、強制冷却部は、気液分離装置２００を空冷する冷却ファン３８である。これにより、気液分離装置２００の外表面を濡らしている液水や、液水貯留部２４０に貯留されている液水の気化を促進させることができる。したがって、液水の気化による潜熱（気化熱）を有効に利用して、気液分離装置２００を効果的に冷却することができる。
【０１０８】
本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００を搭載した車両の外部の温度である外気温を検出する温度センサ４０と、燃料電池システム１００の停止直前、例えば、燃料電池システム１００の停止シーケンスの開始時に温度センサ４０により検出した外気温に基づいて、アノードガス循環通路３５内の温度（燃料電池システム１００内の温度）が燃料電池システム１００の次回起動時までに所定温度（本実施形態では、液水である水が凍結する０℃）未満になるか否かを推定するコントローラ１０の外気温推定部１１とをさらに備え、外気温推定部１１によりアノードガス循環通路３５内の温度が所定温度未満になると推定された場合には、燃料電池システム１００の停止までに気液分離装置２００内の液水を排出するように構成されればよい。これにより、燃料電池システム１００が停止した後、次回起動時までに、燃料電池システム１００内の温度が零下まで下がる可能性がある環境下において、アノードガス循環通路３５内に残留する水蒸気を積極的に凝縮し、結露させ、結露した液水を気液分離装置２００により効果的に回収することができる。そして、燃料電池システム１００の停止までに回収した液水を排出することにより、液水の凍結に起因して流体機械の次回起動に影響を及ぼすことを防止することができる。
【０１０９】
本実施形態の燃料電池システム１００では、気液分離装置２００は、鉛直方向におけるアノードガス循環通路３５内の最下部に配置されればよい。これにより、重力を利用して、アノードガス循環通路３５内に残留する水蒸気をより効果的に回収し、排出することができる。
【０１１０】
また、本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法は、アノードガス及びカソードガスを供給して発電を行う燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に導入するアノードガス循環通路３５と、アノードガス循環通路３５上に設けられ、アノードオフガスから液水を分離する気液分離装置２００とを備える燃料電池システム１００の制御方法であって、燃料電池システム１００の停止直前、例えば、燃料電池システム１００の停止シーケンスの開始時に、車両外の外気温を検出するステップと、検出した外気温に基づいて、燃料電池システム１００の停止までに気液分離装置２００内の液水を排出するステップと、気液分離装置２００内から排出した液水の一部又は全部を気液分離装置２００の外表面に掛けるステップと、を有している。この制御方法をこのように構成したことにより、気液分離装置２００の外表面を濡らすことができるので、気液分離装置２００の外表面に付着した液水が気化する際の潜熱（気化熱）を有効に利用して、気液分離装置２００を冷却することができる。したがって、冷却された気液分離装置２００内を流れるアノードオフガスから効果的に水蒸気を回収することができる。
【０１１１】
本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法では、燃料電池システム１００の停止直前に検出した外気温に基づいて、アノードガス循環通路３５内の温度が燃料電池システム１００の次回起動時までに所定温度未満になるか否かを推定するステップをさらに有し、アノードガス循環通路３５内の温度が所定温度未満になると推定された場合には、燃料電池システム１００の停止までに気液分離装置２００内の液水を排出するように構成されればよい。これにより、燃料電池システム１００が停止した後、次回起動時までに、燃料電池システム１００内の温度が零下まで下がる可能性がある環境下において、アノードガス循環通路３５内に残留する水蒸気を積極的に凝縮し、結露させ、結露した液水を気液分離装置２００により効果的に回収することができる。そして、燃料電池システム１００の停止までに回収した液水を排出することにより、液水の凍結に起因して流体機械の次回起動に影響を及ぼすことを防止することができる。
【０１１２】
本実施形態の燃料電池システム１００の制御方法では、アノードガス循環通路３５内の温度が所定温度未満になると推定された場合には、燃料電池システム１００の停止までに気液分離装置２００内の液水を排出した後、冷却ファン３８により気液分離装置２００を強制的に冷却するステップをさらに有してもよい。これにより、気液分離装置２００の外表面を濡らしている液水の気化を促進させることができる。したがって、液水の気化による潜熱（気化熱）を有効に利用して、気液分離装置２００を効果的に冷却することができる。
【０１１３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、液水貯留部が所定の深さを有するプール状のものではなく、気液分離装置の上面に概ね広がる浅い液水貯留層に変更した点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【０１１４】
図８は、本発明の第２実施形態における気液分離装置２００'の断面図である。本実施形態の気液分離装置２００’は、第１実施形態の液水貯留部２４０の代わりに、液水貯留部２４０よりも深さの浅い液水貯留層２７０を設けている。なお、図８では、図示の容易性のため、図３に示すような箱体２６０や冷却ファン３８の図示を省略している。
【０１１５】
この液水貯留層２７０は、パージ弁２１０が配置された位置と、液水排出通路２０３の出口である液水出口孔２００ｃの位置とを除いた気液分離装置２００’本体の上面全体にわたって設けられればよい。本実施形態では、気液分離装置２００’をこのように構成しているので、第１実施形態の気液分離装置２００と比べて、気液分離装置２００’を濡らしている液水を容易に気化させることができる。これにより、液水の気化による潜熱（気化熱）を有効に利用して、気液分離装置２００をより効果的に冷却することができる。
【０１１６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、気液分離装置を箱体内に設けることなく、液水排出通路がパージバイパス通路を通してカソードガス排出通路に連結され、このパージバイパス通路の所定の位置に孔が設けられ、さらに、その孔に対応して、液水誘導部が設けられている点で第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、上述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【０１１７】
図９は、本発明の第３実施形態における気液分離装置２００”の断面図である。図９に示すように、本実施形態の気液分離装置２００”は、第１実施形態における箱体２６０が設けられず、パージ弁２１０により排出される液水及びアノードオフガスは、パージバイパス通路２０４を介して、カソード調圧弁２６よりも下流側のカソードガス排出通路２５に流入する。
【０１１８】
パージバイパス通路２０４の所定の位置には、気液分離装置２００”から排出された液水をその気液分離装置２００”の上面に掛けるための孔２８０が設けられる。また、この孔２８０を臨むように、液水誘導部２５１が設けられる。
【０１１９】
本実施形態では、パージバイパス通路２０４をこのように構成することにより、パージ弁２１０を開弁したときには、気液分離装置２００”から排出される液水によって気液分離装置２００”の外表面が濡れることになる。これにより、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１２０】
なお、本実施形態では、アノードガス循環系から系外に液水を排出することになるので、アノードオフガス内に残留する水素が大気に排出されるのを防止する必要がある。そのため、気液分離装置２００”内に液面計を設けて、液水が十分に溜まった後、パージ弁２１０を開弁するようにすればよい。あるいは、パージ弁２１０の開弁時の電流値を監視し、その電流値が低下した場合には、速やかに閉弁するようにすればよい。
【０１２１】
また、本実施形態では、アノードオフガスの不純物（例えば、窒素等）を必要に応じて排出するための別途のパージ弁を設け、アノードガス循環系内のアノードガス（燃料ガス）の濃度を調整可能とすればよい。
【０１２２】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、パージバイパス通路の所定の位置に設けられた孔及び液水誘導部の代わりに、電動式の三方弁を備える点で第３実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、上述した第３実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【０１２３】
図１０は、本発明の第４実施形態における気液分離装置２００'"の断面図である。図１０に示すように、本実施形態の気液分離装置２００'"は、第３実施形態と同様に、パージバイパス通路２０４を備えている。
【０１２４】
パージバイパス通路２０４の所定の位置には、電動式の三方弁２９０が設けられる。この三方弁２９０の入口端は、図１０に示すように、気液分離装置２００'"の液水排出通路２０３に連結される。三方弁２９０の主出口端は、カソード調圧弁２６よりも下流側のカソードガス排出通路２５に連結される。そして、三方弁２９０の副出口端は、気液分離装置２００'"に向けて開放される。
【０１２５】
本実施形態では、コントローラ１０は、パージ弁２１０の開閉に連動して、必要に応じて、三方弁２９０の入口端と副出口端とを連通させて、気液分離装置２００'"から排出される液水を気液分離装置２００'"の上面に掛けるように制御する。これにより、第３実施形態と同様に、気液分離装置２００'"から排出される液水により気液分離装置２００'"の外表面を濡らすことができる。
【０１２６】
本実施形態では、気液分離装置２００'"の外表面を濡らす必要がない場合には、コントローラ１０は、三方弁２９０の入口端と主出口端とを連通させて、気液分離装置２００'"から排出される液水及びアノードオフガスをカソードガス排出通路２５に誘導することができる。このように、アノードオフガスを直接大気に排出することがないので、第３実施形態に比べ、燃料電池システム１００全体を安全に運転することができる。
【０１２７】
また、燃料電池システム１００の停止シーケンスの開始時のみ気液分離装置２００'"の外表面を濡らすような制御をする場合には、気液分離装置２００'"に液面計を設けたり、パージ弁２１０の開弁時の電流値を検出したりする必要はない。そのため、燃料電池システム１００のシステム全体を簡易な構成にすることができる。
【０１２８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【０１２９】
なお、上記実施形態は、矛盾が生じない限りにおいて、適宜組み合わせ可能である。例えば、第３実施形態の気液分離装置２００”や第４実施形態の気液分離装置２００'"に対して、第２実施形態の気液分離装置２００’の液水貯留層２７０を組み合わせてもよい。これにより、各実施形態の効果に加え、第２実施形態の効果を奏することができる。
【０１３０】
上記実施形態では、液水排出通路２０３の液水出口孔２００ｃを気液分離装置２００等の上面に設けたが、本発明はこのような構成に限らない。例えば、気液分離装置２００等の側面に液水出口孔２００ｃを設けてもよい。この場合、上記第１及び第２実施形態では、液水誘導部２５０は、側面に設けた液水出口孔２００ｃから吹き出る液水を気液分離装置２００等の上面に誘導することができるような構造を有すればよい。
【０１３１】
上記実施形態では、気液分離装置２００等の上面に液水貯留部２４０や液水貯留層２７０を設けていたが、本発明は、液水貯留部２４０や液水貯留層２７０を設けない構成としてもよい。また、液水貯留部２４０や液水貯留層２７０の代わりに、気液分離装置２００等の上面を波形状などの凸凹状にしてもよい。このような構成でも、液水を十分に保持することができ、液水の気化時の潜熱（気化熱）を有効に活用することができる。
【０１３２】
上記第４実施形態では、気液分離装置２００’”から排出された液水及びアノードオフガスが三方弁２９０によってその上面に吐出されることとしたが、本発明は、この構成に限らない。三方弁２９０の変わりに、例えば、液水及びアノードオフガスの出口が切り替えられる切換弁等が用いられてもよい。
【符号の説明】
【０１３３】
１              燃料電池スタック
１０            コントローラ
１１            外気温推定部
１２            パージ弁制御部
１３            ファン制御部
３８            冷却ファン
４０            温度センサ
１００          燃料電池システム
２００、２００'、２００”、２００'”気液分離装置
２１０          パージ弁
２２０          セパレータ
２４０          液水貯留部
２５０、２５１  液水誘導部
２７０          液水貯留層
【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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