(57)【要約】【課題】運転停止時に気液分離器に残す液水の凍結を防止し、起動時の加熱量を低減し、短時間で起動可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】気液分離器１４は、アノードオフガスから液水を分離して水素を含む気体成分のみの燃料循環を可能とする。気液分離器１４の貯水部２１の底部には、狭隙材２８を設ける。狭隙材２８としては、例えば、ステンレスパウダー焼結体を用いる。狭隙材２８の狭い隙間に保持された液水は、隙間が小さいほど低温まで凝固しない。起動時には、狭隙材２８に保持された液水を０℃より高い温度まで加熱する際の融解熱を節約することができる。従って液水が凝固した場合よりも加熱する熱量を低減することができ、燃料電池システムの起動時間を短縮することができる。【選択図】図２
2009193781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体と、
前記アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記アノードから排出された未反応燃料ガスを含むアノードオフガスを再度アノードへ循環させるアノード循環路と、
該アノード循環路に配置されアノードオフガスから気体と液水とを分離する気液分離器と、
該気液分離器で分離された液水を排出する排水弁と、
を備えた燃料電池システムであって、
前記気液分離器の内側下部に狭隙材を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システム起動時に、前記気液分離器と前記排水弁との少なくとも一方が凍結していると推定される場合は、前記気液分離器及び前記排水弁を解凍してから起動することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記狭隙材が前記気液分離器内面に密着していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システム停止前に、前記狭隙材の上端より高い所定水位から所定量を排水した後に前記排水弁を閉じ、前記気液分離器内を負圧または大気圧に減圧した後に、所定時間の間前記排水弁を開き、再度前記排水弁を閉じる制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記気液分離器から排水する排水経路および排水弁を２系統備え、
第１排水弁の取水口である第１取水口は、前記狭隙材の上端よりも下に位置し、第２排水弁の取水口である第２取水口は、前記狭隙材の上端よりも上に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池システム停止前に、前記第２取水口よりも高い水位から第２排水弁により排水した後に第２排水弁を閉じ、前記気液分離器内を負圧または大気圧に減圧した後に、所定時間の間第２排水弁を開き、再度第２排水弁を閉じ、
その後第１排水弁により所定量を排水した後に第１排水弁を閉じ、前記気液分離器内を負圧または大気圧に減圧した後に、所定時間の間第１排水弁を開き、再度第１排水弁を閉じる制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、零下の環境でも凍結しない気液分離器と、この気液分離器を使用した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、それぞれアノードとカソードを有するセル（単電池）を多数積層して電気的に直列接続した燃料電池スタックとして構成される。この燃料電池スタックには、通常、燃料ガスとして水素ガスがアノードに、酸化剤ガスとして空気がカソードにそれぞれ供給される。燃料電池スタックの各セルの隅々まで水素ガス及び空気を供給するためには、発電量から必要とされる水素ガス流量及び空気流量より多い流量を供給する必要がある。このため発電反応に利用されなかった未反応水素ガスを含むアノードオフガスがアノード出口から排出される。アノードオフガスを系外へ放出すると、燃料電池の燃費性能の低下を招くので、アノードオフガスと新規供給する水素ガスとを混合してアノードへ再循環させる。このため燃料電池システムは、アノード出口からアノード入口へアノードオフガスを循環させる燃料循環流路と燃料循環装置を備えている。この燃料循環機能は、アノードへ供給するガスをアノードオフガス中の水分により加湿することにより固体高分子電解質の水分保持機能も担っている。
【０００３】
この燃料循環流路を備えた燃料電池システムでは、運転条件によって燃料電池スタックの内部でカソードからアノードへ拡散した水分等により、アノード内部や燃料循環流路に液水が発生する。液水が発生した場合には、燃料電池スタック内部のフラッディング（水溢れ）や燃料循環量不足などが原因で、安定した発電が困難になる。このため燃料循環流路上に気液分離器を配置し、アノードオフガスから液水を分離し、気体成分のみを循環させる構成としている。
【０００４】
アノードオフガスから分離した液水は、気液分離器の下部に設けられた貯水タンクに溜まるので、ある程度溜まれば排水する必要がある。この排水時に、最低水位以上に水位を保持することにより、気液分離器内部の燃料ガスが排水弁を通じて外気へ放出されるのを防止する技術が知られている（例えば、特許文献１）。この技術は水シールと呼ばれる。
【特許文献１】特開２００７−０３５３６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来の水シールを行う燃料電池システムでは、気液分離器内に少量でも液水が残っているので、氷点下環境に放置されると液水が凍結し、次回起動時に、解凍のためのエネルギーを消費すること、および解凍が完了するまでに時間がかかるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために、本発明は、アノードに供給された燃料ガスとカソードに供給された酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体と、前記アノードへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記アノードから排出された未反応燃料ガスを含むアノードオフガスを再度アノードへ循環させるアノード循環路と、該アノード循環路に配置されアノードオフガスから気体と液水とを分離する気液分離器と、該気液分離器で分離された液水を排出する排水弁と、を備えた燃料電池システムであって、前記気液分離器の内側下部に狭隙材を備えたことを要旨とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、気液分離器の下部に狭隙材を配置し、この狭隙材の内部に水が吸収されることにより、水の凝固点降下が起こり、狭隙材内の水が凍結しないことから、起動時の昇温の際に、凍結潜熱がないために気液分離器を少ない加熱量及び短時間で昇温できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る気液分離器が適用される燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。特に限定されないが本燃料電池システムは、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【０００９】
図１において、燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池本体である燃料電池スタック２と、酸化剤ガスとして空気を加圧して供給するエアコンプレッサ３と、加圧された空気を加湿して空気供給路５を介して燃料電池スタック２のカソード２ｂへ供給する加湿器４と、一部の酸素が反応に消費された空気をカソード２ｂから排出する空気排出路６と、カソード２ｂの背圧を調整することにより燃料電池スタック２における空気圧力を制御する空気圧力調整弁７と、水素ガスを燃料ガスとして貯蔵する燃料タンク８と、燃料タンク８から供給される水素ガスの圧力を調整する水素圧力制御弁９と、圧力制御された水素ガスを燃料電池スタック２のアノード２ａへ供給する燃料供給路１０と、アノード２ａの出口から排出された未反応の燃料ガスを含むアノードオフガスを再循環させる循環流路１１と、燃料循環系内部の不純物を排出するパージ弁１２と、アノードオフガスを加圧して循環させる水素循環装置１３と、循環流路１１上に配置されアノードオフガスから液水を分離する気液分離器１４と、気液分離器１４と排水弁１６とを連通する連通管１５と、気液分離器１４から液水を排出する排水弁１６と、排水弁１６から水を排出する排水管１７と、燃料電池システム１の全体を制御する制御器１８と、を備えている。
【００１０】
尚、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２の温度を適温に維持するための温度制御系と、燃料電池スタック２から電力を取り出す電力制御系を備えているが、これらは本発明と直接関係がなく、また一般的な構成のために、図示を省略する。
【００１１】
燃料電池スタック２は、固体高分子電解質をアノード２ａとカソード２ｂとで挟持した固体高分子型である。アノード２ａに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソード２ｂに酸化剤ガスである空気が供給されて、以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
【００１２】
［アノード（燃料極）］  ：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-                   （化１）
［カソード（酸化剤極）］：２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ＋ (1/2)Ｏ2 → Ｈ2Ｏ     （化２）
また、燃料電池スタック２のアノード２ａに水素を供給する水素供給系では、燃料タンク８に高圧の水素ガスが貯蔵されている。燃料タンク８から供給された高圧の水素ガスは水素圧力制御弁５によって圧力が制御されて、燃料供給路１０を介してアノード２ａに供給される。
【００１３】
アノード２ａから排出された未反応の水素は、循環流路１１及び水素循環装置１３により水素圧力制御弁５下流の燃料供給路１０へ循環される。この循環された水素は、水素圧力制御弁５によって圧力調整された水素と混合され、混合された水素がアノード２ａへ供給される。
【００１４】
また、アノード２ａから排出された水素は、通常、パージ弁１２を閉じておくことにより循環流路１１へ流れるようになっている。ただし、燃料電池スタック２内に水溢れ（フラッディング）等が発生した場合や、循環流路内に窒素等の不純物ガスが蓄積した場合、もしくは、燃料電池スタック２の運転圧を急低下させる場合などには、パージ弁１２は開放されて、循環流路１１及び燃料電池スタック２内に存在する水素は外部へ排出される。尚、パージ弁１２の下流には、パージ弁から排出されたガス中の水素濃度を燃焼限界未満まで希釈、或いは水素を触媒燃焼させて水素濃度を低下させる図示しない排出ガス処理装置が設けられている。
【００１５】
一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、エアコンプレッサ３が外気から空気を吸入し、吸入した空気を加圧して送出している。送出された空気は加湿器４で加湿されて、空気供給路５を介してカソード２ｂへ供給される。カソード２ｂで一部の酸素が消費された空気は、カソード２ｂの出口から空気排出路６及び空気圧力調整弁７を介して排出される。
【００１６】
制御器１８は、上位装置からの燃料電池に対する出力要求、図示しないアノード圧力センサ及びカソード圧力センサの検出値に基づいて、エアコンプレッサ３、空気圧力調整弁７、水素圧力調整弁９、パージ弁１２、水素循環装置１３，及び排水弁１６を制御する制御装置である。
【００１７】
気液分離器１４は、アノードオフガスから液水を分離し、水素ガスを含む気体成分のみを水素循環装置１３に循環させるために、循環流路１１上に設けられている。気液分離器１４の配置は、水素循環装置１３へ液水が流入することを防止するために、図１に示したように、循環流路１１上でも水素循環装置１３の上流部の方が水素循環装置１３の下流部より好ましい。
【実施例１】
【００１８】
図２は、本発明に係る気液分離器の実施例１の構造の詳細を示す断面図である。最初に気液分離器の構成を説明する。図２において、気液分離器１４は、上部の気液分離部２０と、下部の貯水部２１とを備えている。気液分離器１４の外形は、特に限定されないが円筒形の円筒部２２と、この円筒部２２の下端に接続し、下方に行くにつれて径が小さくなる逆円錐台形のテーパー部２３からなる。
【００１９】
円筒部２２の上部側面には、アノードオフガスが導入される気液入口２４が設けられ、円筒部２２の上面中央部には、アノードオフガスから分離された気体成分が排出される気体出口２５が設けられている。円筒部２２の内側には、気液分離部２０と貯水部２１とを仕切る分離板２６が水平に設けられ、分離板２６の中央部には孔２７が設けられている。
【００２０】
テーパー部２３の下部は、燃料電池システムの運転停止時の排水後に、気液分離器１４内の可燃性のガスを気液分離器１４の外部に漏れ出さないように水シールするために、液水が残される部分である。そして、この液水が残される部分に、本発明に特徴的な狭隙材２８を配置している。狭隙材２８は、気液分離器１４の内壁に密着させて取り付ける。またテーパー部２３の下部の外側には、ヒータ２９が設けられている。このヒータ２９は、例えば電気ヒータであり、その通電のオン・オフによる加熱開始／加熱停止の制御は、制御器１８によって行われる。
【００２１】
気液分離器１４の気液入口２４からは、水素及び液水を含むアノードオフガスが気液分離部２０へ導入される。気液分離部２０では、アノードオフガス中の液水が滴下し、分離板２６の孔２７からその下方の貯水部２１へ落下する。アノードオフガスから液水が分離された水素を主体とする燃料ガスは、気体出口２５から排出され、循環流路１１及び水素循環装置１３によりアノード２ａの入口へ戻される。
【００２２】
図２の気液分離器１４の円筒部２２の図中左側には、排水弁１６が設けられている。排水弁１６と貯水部２１（テーパー部２３）の内側との間を連通する連通管１５が設けられている。尚、以下の説明では、連通管１５の貯水部２１側の先端を取水口と呼ぶ。さらに、排水弁１６の下方には、排水管１７が設けられている。気液分離器１４の貯水部２１に溜まった液水は、連通管１５、排水弁１６、排水管１７を順次介して排出される。
【００２３】
排水弁１６は、例えば電磁制御の開閉弁であり、弁座部３１に対して上下に当接／離隔する磁性体を有する弁体３２が設けられている。弁体３２は、圧縮されたコイルバネ３４によって下方へ付勢されている。また弁体３２の上部の外側を取り囲むように、電磁コイル３３が設けられている。そして電磁コイル３３に通電すると、弁体３２を電磁コイル３３内へ引き込むように電磁力が発生し、この電磁力がコイルバネ３４の伸張力に打ち勝って、弁体３２を引き上げることにより開弁する。電磁コイル３３の通電を停止すると、電磁力がなくなり、コイルバネ３４の伸張力によって弁体３２が下方へ移動し、弁体３２の先端部が弁座部３２に当接して閉弁する。この排水弁１６の開閉制御は、制御器１８によって行われる。
【００２４】
また排水弁１６の弁座部３１の外側には、ヒータ３５が設けられている。このヒータ３５は、例えば電気ヒータであり、その通電制御は、制御器１８によって行われる。
【００２５】
次に、狭隙材２８を詳細に説明する。狭隙材２８としては、焼結金属多孔体、多孔質高分子、中空糸膜、細管、狭間板など、水が入り込む空隙サイズが、必要な温度まで凝固点降下を起こさせるのに十分な小ささであればよい。本実施例では、狭隙材２８として、ステンレスパウダー焼結体を用いている。
【００２６】
図３は、狭隙材の隙間の大きさと、この隙間に保持された液水の凝固点降下との関係例を示す図である。図３は、２枚のガラス板間の水の凝固点降下の特性を示している。そして、ガラス板間の距離が短いほど、水の凝固点降下幅が大きくなっている。そして、例えば、ガラス板間の距離が０．１〔ｍｍ〕では、水の凝固点が−２０〔℃〕程度に低下し、ガラス板間の距離が０．０１〔ｍｍ〕では、水の凝固点が−５０〔℃〕程度にまで低下している。
【００２７】
本発明は、気液分離器の液水が残る箇所に狭隙材を設置して、狭隙材内部の水に凝固点降下を起こさせ凍結を防止する。これにより、狭隙材中の液水の凝固潜熱分の解凍エネルギーが不要となり、その解凍時間が短縮されるという効果がある。
【００２８】
また、狭隙材が液水を保持することから、外部からの振動入力で気液分離器内の液面が大きく暴れて、燃料ガスが排水弁から排出されるのを防止できるという効果がある。
【００２９】
狭隙材２８の圧損は、空隙サイズが小さくなるにつれて大きくなり、これは、排水時に流れる水の抵抗となり、空隙材を設けない場合よりも排水時間が長引くことになる。
【００３０】
図４は、狭隙材としてのステンレスパウダー焼結体の空隙の大きさと通水抵抗を表している。図４によれば、空隙が小さくなるほど、同一流量における圧損が大きくなっている。言い換えれば、狭隙材による水の凝固点温度の降下幅と排水所要時間とのトレードオフの関係があることになる。従って、使用する狭隙材の種類の選択は、この関係を考慮して、燃料電池が使用される環境から必要とする凝固点降下温度と、許容圧損とが両立する空隙サイズ、空隙材の材質、形状および表面処理を選択することになる。
【００３１】
尚、狭隙材２８の通水圧損が問題になる場合は、連通管１５の気液分離器１４側の開口部である取水口付近に、狭隙材を配置しない小さな空間を設け、狭隙材の面積を確保してもよい。この場合、空間に残る水は凍結することになるので、低温起動時には加熱して解凍しなければならないので、容積ができるだけ小さくなるように設計するのがよい。また、気液分離器１４から排水弁１６までの連通管１５の内部にも狭隙材を設置してもよい。狭隙材を連通管１５内に設けると、圧損が大きくなる場合は、狭隙材を設けることなく、連通管１５をできるだけ細くして、連通管１５内の液水の凍結は許容し、低温起動時には加熱して解凍することになる。
【００３２】
また、気液分離器１４には、図示しない水位センサを設け、この水位センサの検出信号を制御器１８へ入力し、制御器１８による排水弁１６の開閉制御に用いる。
【００３３】
水位センサには、連続的に水位を検知できる静電容量式、設置位置に水があるかないかを検知する光学式などがある。光学式の水位センサを使う場合は、図４の水位Ｂと水位Ｃをそれぞれ検知できるように設置する。燃料電池システムの通常運転時には、水位が水位Ｃを超えたら排水弁１６を開けて排水を開始し、水位が水位Ｂまで下がったら排水弁１６を閉じて排水を止める操作を繰り返している。
【００３４】
狭隙材２８と光学式水位センサの設置位置の関係は、水位Ｂに水位センサを取り付けたら、狭隙材２８は水位Ｂより下の位置に設置することになる。これは、狭隙材の内部には毛細現象により水が吸われて残っているので、水位センサを設置しても正確な水位が検知できないためである。
【００３５】
また、排水弁１６の下流の排水管１７は、水の表面張力により排水管内に水が留まる水密にならないように配管径を選択して、配管表面に付着した水が重力により自然流下して排水できるようにレイアウトしなければならない。逆に、貯水部２１から排水弁１６までの連通管１５は、排水弁を閉じて片側閉塞となった時に水密を維持できる（重力により排水されない）範囲で圧損が許容できる小径なものを選ぶ必要がある。
【００３６】
図５は、システム停止時の制御器による制御内容を説明するフローチャートである。燃料電池システムの電力を利用する上位装置や燃料電池システムの操作盤からシステム停止の指令を受けると、本フローチャートの実行が始まる。最初に、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、制御器１８は、燃料電池システムの次回起動時までに、気液分離器１４の温度が０℃以下になるか否かの温度予測を行う。
【００３７】
この温度予測は、制御器１８に通信機、ナビゲーション装置、外気温度計等を接続し、燃料電池システムの運転停止時の日時・場所・外気温・天気予報・使用頻度等のデータから自動判断しても良いし、燃料電池システムの利用者（燃料電池車両ならドライバー）が選択して、スイッチ等で入力してもよい。次いで、Ｓ１２では、Ｓ１０で０℃以下になると予測したか否かの判定を行う。Ｓ１２の判定で、０℃以下になる予測でない場合には、低温対応停止処理を行うことなく、Ｓ１４へ進み、通常の停止処理を行う。
【００３８】
Ｓ１２の判定で、０℃以下になる予測である場合には、Ｓ１６へ進む。Ｓ１６からＳ２６では、低温対応停止処理を行う。まずＳ１６では、排水弁１６を開いて、気液分離器１４の貯水部２１から排水を開始し、水位を監視する。次いで、Ｓ１８では、水位センサの検出値を一定周期で制御器１８に取り込み、水位を監視する。排水を開始すると気液分離器１４内の水位が次第に下がる。制御器１８は、水位センサが検出した水位が図２の水位Ｂ（通常運転時の最低水位）を下回ってから所定時間ｔ１で排水弁１６を閉じる。この所定時間ｔ１は、アノード圧力と排水圧損の関係から、排水弁１６を閉じたときの貯水部２１の水位が水シールを保持できる水位Ａになるように実験的に求めた値を設定する。このように排水時の水位を制御することにより、狭隙材２８の隙間以外に残留する液水量を最小限にすることができ、凍結後の起動時に加熱に必要な熱量及び加熱時間を減少させることができるという効果がある。
【００３９】
次いでＳ２０で、気液分離器１４の内部圧力を減圧して負圧化する。この減圧の方法は、図１の水素圧力調整弁９を閉止して新規水素ガスの供給を停止し、水素循環装置１３は稼動させながら、燃料電池スタック２の発電（電力取り出し）を行えばよい。図１では図示しないアノード圧力センサの検出値が所定の圧力（大気圧または負圧）まで減圧したら、Ｓ２２へ進み、排水弁１６を開く。排水弁１６の位置が水位Ｂより上に配置され、重力により連通管１５内の液水が気液分離器１４へ戻る場合は、負圧にしなくても大気圧でよい。
【００４０】
次いでＳ２４で、連通管１５内に残っていた水が気液分離器１４に戻るとともに、排水弁１６の弁座部３１から排水弁１６内へ空気が吸い込まれるので、排水弁１６に付着していた液水が除去される。この液水除去は、排水弁１６の凍結固着を防止するために行う。
【００４１】
次いで、Ｓ２２の排水弁１６開から所定時間ｔ２が経過したら、Ｓ２６へ進み、排水弁１６を閉じる。この所定時間ｔ２は、連通管１５の途中に液面がくるように、Ｓ２０で設定した負圧の大きさによって決める。こうすることで、空気のアノード循環路内への進入を防ぐと同時に、水素を含む燃料ガスが外部へ漏れるのを防ぐことができる。また、連通管１５の内部の水が気液分離器１４に戻って、気液分離器１４内の液面が上昇するが、これをすべて狭隙材２８内に吸収できる量に、排水弁開から排水弁閉までの所定時間ｔ２を設定することで、気液分離器１４内に残る液水のほとんどを狭隙材２８内に保持することができ、狭隙材２８の凝固点降下作用によって保持した液水の凍結を防止することができる。このＳ２６で低温対応停止処理を終わり、Ｓ２８へ進んで通常停止処理を行う。Ｓ２８の通常停止処理は、Ｓ１４の通常停止処理と同じである。
【００４２】
図６は、システム起動時の制御器による制御内容を説明するフローチャートである。まずＳ６０において、燃料電池システムの電力を利用する上位装置や燃料電池システムの操作盤からシステム起動指令を受けると、本フローチャートの実行が始まる。次いで、Ｓ６２で気液分離器１４が凍結しているか否かを判定する。この判定は、気液分離器１４の温度が０℃以下か否かの判定でもよい。この温度の判定には、気液分離器１４に直接温度センサを取り付けて、その測定値を制御器に読み込んでもよいし、他の場所の温度センサ、例えば外気温度センサの測定値から推測してもよい。さらに、Ｓ６２において、排水弁１６が凍結しているか否かを判定を加味してもよい。この場合、気液分離器１４の凍結または排水弁１６の何れか一方の凍結が推定されれば、凍結があると判定する。Ｓ６２で気液分離器１４の凍結がない（温度が０℃より高い）と判定すれば、Ｓ６４へ進み、通常の起動処理を行う。
【００４３】
Ｓ６２で気液分離器１４の凍結がある（温度が０℃以下）と判定すれば、Ｓ６６からＳ７０の低温対応起動処理を行う。まずＳ６６で、ヒータ２９による貯水部２１の加熱、及びヒータ３５による排水弁１６の加熱を行う。次いでＳ６８で、気液分離器１４の温度を判定し、温度が０℃より高い所定温度、例えば１℃以上となったか否かを判定する。この所定温度は、気液分離器１４の温度を測定する温度センサの測定誤差や、気液分離器１４に設けた温度センサ以外の温度センサの検出値に基づいて気液分離器１４の温度推定する場合の推定誤差等に基づいて、適宜設定されるものとする。Ｓ６８の判定で気液分離器の温度が１℃未満であれば、Ｓ６６へ戻り、ヒータ加熱を続ける。
【００４４】
Ｓ６８の判定で、気液分離器の温度が１℃以上であれば、Ｓ７０へ進み、ヒータ２９及びヒータ３５の通電を停止し、加熱を停止する。以上が低温対応起動処理である。
【００４５】
次いでＳ７２で、排水弁１６を開き、気液分離器１４から排水を開始する。言い換えれば、気液分離器１４の温度が所定温度以上となるまでは、排水弁１６を閉じたままにする。こうすることで、狭隙材２８内部に残っている過冷却状態の水が押し出されて、連通管１５、排水弁１６、及び排水管１７が凍結するのを防ぐことができるという効果がある。以後、Ｓ７４で通常起動処理を行う。
【００４６】
ここで、燃料電池システムの起動時に、ヒータ２９からの熱伝導効率を高くする維持するために、狭隙材２８を熱伝導性のよい金属材料で作り、気液分離器１４の壁面に密着させると、ヒータ２９からの熱が効率良く内部に伝わり、昇温に必要な熱量および時間を減らすことができる。
【００４７】
図７は、気液分離器と排水弁の構成の変形例を示す断面図である。図７における符号の定義は、図２に示した実施例１の気液分離器及び排水弁と同じである。
【００４８】
図７（ａ）に示すように、排水弁１６が気液分離器１４の貯水部２１よりも低い位置にある場合は、アノードへの水素ガス供給を停止した後に、発電を続けてアノード循環系の水素を消費させることにより、循環流路１１を負圧にする負圧制御を行い、排水弁１６の水を気液分離器１４へ吸い上げて排水弁１６の凍結を防止する。この時、狭隙材２８の設置位置と水位制御方法は前述した実施例１の内容と同じである。
【００４９】
図７（ｂ）に示すように、排水弁１６が気液分離器１４の貯水部２１より高い位置にある場合は、大気圧より高い燃料ガス圧力により、相対的に低い貯水部２１から相対的に高い排水弁１６を経て排水することができる。そして排水後に排水弁１６に付着した水を除去する際は、負圧にする必要はなく、連通管１５内の水が重力により貯水部２１内の狭隙材２８へ戻る際に吸入する空気により水が除去され、その後の凍結が防止される。
【００５０】
また、図７（ａ）、（ｂ）の構成では、貯水部２１の底面に取水口を配置し、この取水口と排水弁１６とを気液分離器１４の外部で連通管１５で接続してる。この構成によれば、貯水部２１の内側に連通管１５が位置しないために、貯水部２１に静電容量式水位センサを設置しやすい。ただし、水位センサに狭隙材が接触していると、狭隙材内部に保持されている水の影響で水位を誤検知するため、水位センサ周辺に空間を設けるか、狭隙材より上にセンサを設置しなければならない。
【実施例２】
【００５１】
図８は、気液分離器から排水する排水経路および排水弁を２系統備えた実施例２を説明する断面図である。本実施例は、図２に示した実施例１の気液分離器１４、連通管１５、排水弁（以下、第１排水弁と呼ぶ）１６、排水管１７及びヒータ３５からなる第１系統の排水系に対して、第２排水弁４１、連通管４２、排水管４３及びヒータ４４からなる第２系統の排水系が追加されている。その他の構成、及び実施例２が適用される燃料電池システムの全体構成は、実施例１と同様である。
【００５２】
本実施例の配置上の特徴は、第１排水弁１６の取水口である第１取水口は、狭隙材２８の上端よりも下に位置し、第２排水弁４１の取水口である第２取水口は、狭隙材２８の上端よりも上に位置することである。
【００５３】
図１の燃料電池スタック２のアノード２ａからの液水発生量が多い場合や、排水のための圧力差が小さい場合には、狭隙材２８の圧損によって排水が困難になることや、必要な水量を排水するための所要時間が長引くことが考えられる。この問題を解決するために、本実施例では、排水系統を２系統設置している。第１系統は、実施例１の構成とまったく同じで、第２系統は、第２排水弁４１の取水口である連通管４２の貯水部２１側の先端が狭隙材２８の上端の位置より上に位置するように配置する。従って第２排水弁４１から排水するときには、狭隙材２８を通さないので速やかに所望水量の排水を行うことができるという効果がある。
【００５４】
通常の燃料電池システムの運転時には、第２排水弁４１のみによる排水を行う。例えば、貯水部２１の水位が水位Ｄ以上となったときに、排水弁４１を開いて排水を開始し、貯水部２１の水位が水位Ｃまで低下したら排水弁４１を閉じて排水を停止する。貯水部２１から排水弁４１に至る連通管４２は、水の表面張力によって管内に水が滞留することなく、水の自重によって配管表面を水が流下し管内に水が残らない程度に太い配管にする。
【００５５】
図９は、実施例２におけるシステム停止時の制御内容を説明するフローチャートである。本実施例２の制御を要約すると、燃料電池システム停止時には、第２排水弁４１により、貯水部２１の水位が水位Ｃになるまで排水し、実施例１と同様な気液分離器１４内の負圧化により第２排水弁４１の水を除去し、次に第１排水弁１６により実施例１と同様な排水制御を行うという制御である。
【００５６】
図９において、燃料電池システムの電力を利用する上位装置や燃料電池システムの操作盤からシステム停止の指令を受けると、本フローチャートの実行が始まる。最初に、Ｓ１０において、制御器１８は、燃料電池システムの次回起動時までに、気液分離器１４の温度が０℃以下になるか否かの温度予測を行う。この温度予測は、制御器１８に通信機、ナビゲーション装置、外気温度計等を接続し、燃料電池システムの運転停止時の日時・場所・外気温・天気予報・使用頻度等のデータから自動判断しても良いし、燃料電池システムの利用者（燃料電池車両ならドライバー）が選択して、スイッチ等で入力してもよい。次いで、Ｓ１２では、Ｓ１０で０℃以下になると予測したか否かの判定を行う。Ｓ１２の判定で、０℃以下になる予測でない場合には、低温対応停止処理を行うことなく、Ｓ１４へ進み、通常の停止処理を行う。
【００５７】
Ｓ１２の判定で、０℃以下になる予測である場合には、Ｓ３０へ進む。Ｓ３０からＳ５４では、低温対応停止処理を行う。まずＳ３０では、第２排水弁４１を開いて、気液分離器１４の貯水部２１から排水を開始し、水位を監視する。次いで、Ｓ３２では、水位センサの検出値を一定周期で制御器１８に取り込み、水位を監視する。排水を開始すると気液分離器１４内の水位が次第に下がる。制御器１８は、水位センサが検出した水位が図８の水位Ｃ（通常運転時の最低水位）で第２排水弁４１を閉じる。次いでＳ３４で、気液分離器１４の内部圧力を減圧して負圧化する。この減圧の方法は、図１の水素圧力調整弁９を閉止して新規水素ガスの供給を停止し、水素循環装置１３は稼動させながら、燃料電池スタック２の発電（電力取り出し）を行えばよい。図１では図示しないアノード圧力センサの検出値が所定の圧力（大気圧または負圧）まで減圧したら、Ｓ３６へ進み、第２排水弁４１を開く。貯水部２１から第２排水弁４１に至る連通管１５内の液水が重力により気液分離器１４へ戻る場合は、負圧にしなくても大気圧でよい。
【００５８】
次いでＳ３８で、連通管内に残っていた水が気液分離器１４に戻るとともに、第２排水弁４１の弁座部から第２排水弁４１内へ空気が吸い込まれるので、第２排水弁４１に付着していた液水が除去される。この液水除去は、第２排水弁４１の凍結固着を防止するために行う。
【００５９】
次いで、Ｓ３８の第２排水弁４１開から所定時間ｔａが経過したら、Ｓ４０へ進み、第２排水弁４１を閉じる。この所定時間ｔａは、連通管４２の途中に液面がくるように、Ｓ３４で設定した負圧の大きさによって決める。こうすることで、空気のアノード循環路内への進入を防ぐと同時に、水素を含む燃料ガスが外部へ漏れるのを防ぐことができる。
【００６０】
次いで、Ｓ４２で気液分離器１４内の圧力を上昇させる。この圧力上昇には、図１の水素圧力調整弁９を少しだけ開いて新規水素ガスを少量供給し、水素循環装置１３を低速で駆動させる。次いで、Ｓ４４で、第１排水弁１６を開いて、気液分離器１４の貯水部２１から排水を開始し、水位を監視する。次いで、Ｓ４６では、水位センサの検出値を一定周期で制御器１８に取り込み、水位を監視する。排水を開始すると気液分離器１４内の水位が次第に下がる。制御器１８は、水位センサが検出した水位が図８の水位Ｂ（水位Ｃより低い水位）を下回ってから所定時間ｔ１で第１排水弁１６を閉じる。この所定時間ｔ１は、アノード圧力と排水圧損の関係から、第１排水弁１６を閉じたときの貯水部２１の水位が水位Ａになるように実験的に求めた値を設定する。
【００６１】
次いでＳ４８で、気液分離器１４の内部圧力を減圧して負圧化する。この減圧の方法は、図１の水素圧力調整弁９を閉止して新規水素ガスの供給を停止し、水素循環装置１３は稼動させながら、燃料電池スタック２の発電（電力取り出し）を行えばよい。図１では図示しないアノード圧力センサの検出値が所定の圧力（大気圧または負圧）まで減圧したら、Ｓ５０へ進み、第１排水弁１６を開く。第１排水弁１６の位置が水位Ｂより上に配置され、重力により連通管１５内の液水が気液分離器１４へ戻る場合は、負圧にしなくても大気圧でよい。
【００６２】
次いでＳ５２で、連通管１５内に残っていた水が気液分離器１４に戻るとともに、第１排水弁１６の弁座部３１から第１排水弁１６内へ空気が吸い込まれるので、第１排水弁１６に付着していた液水が除去される。この液水除去は、第１排水弁１６の凍結固着を防止するために行う。
【００６３】
次いで、Ｓ５０の第１排水弁１６開から所定時間ｔ２が経過したら、Ｓ５４へ進み、第１排水弁１６を閉じる。この所定時間ｔ２は、連通管１５の途中に液面がくるように、Ｓ４８で設定した負圧の大きさによって決める。こうすることで、空気のアノード循環路内への進入を防ぐと同時に、水素を含む燃料ガスが外部へ漏れるのを防ぐことができる。また、連通管１５の内部の水が気液分離器１４に戻って、気液分離器１４内の液面が上昇するが、これをすべて狭隙材２８内に吸収できる量に、排水弁開から排水弁閉までの所定時間ｔ２を設定する。これにより、気液分離器１４内に残る液水のほとんどを狭隙材２８内に保持することができ、狭隙材２８の凝固点降下作用によって保持した液水の凍結を防止することができる。このＳ５４で低温対応停止処理を終わり、Ｓ５６へ進んで通常停止処理を行う。Ｓ５６の通常停止処理は、Ｓ１４の通常停止処理と同じである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１の気液分離器と排水弁の構成を説明する断面図である。
【図３】狭隙材による水の凝固点降下を説明する図である。
【図４】狭隙材の空隙の大きさによる圧損例を説明する図である。
【図５】実施例１におけるシステム停止時の制御内容を説明するフローチャートである。
【図６】実施例１におけるシステム起動時の制御内容を説明するフローチャートである。
【図７】気液分離器と排水弁の構成の変形例を説明する断面図である。
【図８】二つの排水弁を備えた実施例２の気液分離器と排水弁の構成例を示す断面図である。
【図９】実施例２におけるシステム停止時の制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
【００６５】
１…燃料電池システム、２…燃料電池スタック、３…エアコンプレッサ、４…加湿器、５…空気供給路、６…空気排出路、７…空気圧力調整弁、８…燃料タンク、９…水素圧力調整弁、１０…水素供給路、１１…循環流路、１２…パージ弁、１３…水素循環装置、１４…気液分離器、１５…連通管、１６…排水弁、１７…排水管、１８…制御器、２８…狭隙材。
【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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