特開 2024-156838 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024156838

(43)【公開日】2024-11-06

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241029BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20241029BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20241029BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241029BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241029BHJP

   B60L 50/60 20190101ALN20241029BHJP

   B60L 50/70 20190101ALN20241029BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 Z

H01M8/0438

H01M8/04537

H01M8/04746

H01M8/04 J

H01M8/10 101

B60L50/60

B60L50/70

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024125758

(22)【出願日】2024-08-01

(62)【分割の表示】P 2022047009の分割

【原出願日】2022-03-23

(71)【出願人】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003683

【氏名又は名称】弁理士法人桐朋

(72)【発明者】

【氏名】井上 一秀

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ドレイン弁からの液水の排出を正確に制御することにより、ドレイン弁から排出される燃料オフガスの量を抑制してエネルギ効率化を図る燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料オフガス流路７４に設けられる気液分離器３６に設けられ、気液分離器３６内の液水を排出するドレイン弁１６４と、燃料ガス供給流路７２又は前記燃料オフガス流路７４に設けられ、流路内のガス圧力Ｐｈを検出する圧力センサ７３と、燃料電池スタック１８の発電状態を取得する発電状態取得部１１５と、制御装置１５と、を備える。制御装置１５は、前記発電状態及び前記ガス圧力Ｐｈに基づき、ドレイン弁１６４の開閉を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

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スタックと、
前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給流路と、
前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路と、
前記燃料オフガス流路に設けられる気液分離器と、
該気液分離器に設けられ、該気液分離器内の液水を排出するドレイン弁と、
前記燃料ガス供給流路又は前記燃料オフガス流路に設けられ、流路内のガス圧力を検出する圧力センサと、
前記燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得部と、
制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記発電状態及び前記ガス圧力に基づき、前記ドレイン弁の開閉を制御し、
さらに、前記制御装置は、
前記ドレイン弁が閉弁しているときの前記気液分離器内の水位を前記発電状態に基づき推定し、推定した水位が閾値水位以上になると前記ドレイン弁を開弁して前記液水を排出するとともに、
前記ドレイン弁の開弁中に、前記発電状態における発電電流の変動幅が所定電流変動幅内であるか否かを判定し、
前記発電電流が前記所定電流変動幅の上限発電電流を上回っている場合には、前記ガス圧力の圧力降下速度の判定を実施することなく、且つ前記ドレイン弁の開弁を維持し、
前記発電電流の変動幅が前記所定電流変動幅内である場合には、前記ドレイン弁が開弁中に、前記圧力センサにより検出されている前記ガス圧力の前記圧力降下速度が閾値降下速度以上になったとき、前記ドレイン弁を閉弁する
燃料電池システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料オフガス流路から酸化剤ガス供給流路に接続される接続流路と、
該接続流路の連通状態を開閉する開閉弁と、をさらに備え、
前記制御装置は、
前記開閉弁が閉弁されているときに、前記発電状態及び前記ガス圧力に基づき、前記ドレイン弁の開閉を制御する
燃料電池システム。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックを収容するケースに設けられ、前記燃料電池スタック内の液水を外部に排出するケース側開閉弁をさらに備え、
前記制御装置は、
前記ケース側開閉弁が閉弁されているときに、前記発電状態及び前記ガス圧力に基づき、前記ドレイン弁の開閉を制御する
燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、水位センサを設けることなく、燃料オフガス流路に設けられたドレイン弁からの排水制御を正確に実施し得る燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、より多くの人々が手ごろで信頼でき、持続可能且つ先進的なエネルギへのアクセスを確保できるようにするため、エネルギの効率化に貢献する燃料電池（ＦＣ）に関する研究開発が行われている。

【0003】

例えば、特許文献１には、燃料電池スタックの燃料オフガス流路に気液分離器が設けられている。この気液分離器には、該気液分離器内の水位を検出する水位センサが設けられている。

【0004】

燃料電池システムの制御部は、前記水位センサの検出信号に基づきドレイン弁の開弁と閉弁を切り換える。

【0005】

これにより気液分離器から水と共に燃料ガスが排出されることを抑制しつつ、適宜のタイミングで水を排出することができる、と開示されている。

【0006】

特許文献２には、水位センサを設けることなく、気液分離器内の圧力変動を検出して前記ドレイン弁の開弁を判定する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０２１－４８０６４号公報

【特許文献2】特開２０１９－１１４３５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、燃料電池スタックの発電状態に変動があると、発電による燃料ガスの消費によって、アノード経路内の圧力変動が起こり、気液分離器内の水位の変化を正確に判断することが難しいという課題がある。

【0009】

この発明は、上述した課題を解決することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この発明の一態様に係る燃料電池システムは、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スタックと、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路と、前記燃料オフガス流路に設けられる気液分離器と、該気液分離器に設けられ、該気液分離器内の液水を排出するドレイン弁と、前記燃料ガス供給流路又は前記燃料オフガス流路に設けられ、流路内のガス圧力を検出する圧力センサと、前記燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得部と、制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記発電状態及び前記ガス圧力に基づき、前記ドレイン弁の開閉を制御し、さらに、前記制御装置は、前記ドレイン弁が閉弁しているときの前記気液分離器内の水位を前記発電状態に基づき推定し、推定した水位が閾値水位以上になると前記ドレイン弁を開弁して前記液水を排出するとともに、前記ドレイン弁の開弁中に、前記発電状態における発電電流の変動幅が所定電流変動幅内であるか否かを判定し、前記発電電流が前記所定電流変動幅の上限発電電流を上回っている場合には、前記ガス圧力の圧力降下速度の判定を実施することなく、且つ前記ドレイン弁の開弁を維持し、前記発電電流の変動幅が前記所定電流変動幅内である場合には、前記ドレイン弁が開弁中に、前記圧力センサにより検出されている前記ガス圧力の前記圧力降下速度が閾値降下速度以上になったとき、前記ドレイン弁を閉弁する。

【発明の効果】

【0011】

この発明によれば、燃料電池スタックの発電状態と、燃料ガス流路のガス圧力又は燃料オフガス流路のガス圧力と、を考慮してドレイン弁を開閉制御することで、水位センサを用いることなく気液分離器内の水位状態を考慮した液水の排出を正確に制御することができる。ドレイン弁からの液水の排出を正確に制御することができるので、ドレイン弁から排出される燃料オフガスの量を抑制でき、延いてはエネルギの効率化に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システムが組み込まれた燃料電池自動車の概略構成図である。

【図2】図２は、燃料電池システムの動作説明に供されるフローチャートである。

【図3】図３Ａは、インジェクタのＯＮ・ＯＦＦ期間を示すタイミングチャートである。図３Ｂは、ドレイン弁の開閉状態を示すタイミングチャートである。図３Ｃは、燃料ガス供給流路のガス圧力の変動（時間変化）を示すタイミングチャートである。図３Ｄは、ガス圧力の変動（時間変化）から算出される圧力降下速度の変化を示すタイミングチャートである。

【図4】図４は、水位推定値算出用のマップである。

【図5】図５Ａは、発電電流を示すタイミングチャートである。図５Ｂは、ドレイン弁の開閉と、ドレイン弁が開いているときのドレイン弁を流れる流体を説明するタイミングチャートである。図５Ｃは、圧力降下速度の遷移を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［実施形態］
［構成］
図１は、この発明の実施形態に係る燃料電池システム１０が組み込まれた燃料電池自動車１２の概略構成図である。

【0014】

燃料電池システム１０は、燃料電池自動車１２以外の船舶、航空機、ロボット等の他の移動体にも組み込み可能である。

【0015】

燃料電池自動車１２は、該燃料電池自動車１２全体を制御する制御装置１５と、燃料電池システム１０と、該燃料電池システム１０に電気的に接続される出力部１６とから構成される。

【0016】

制御装置１５は、一つではなく、例えば、燃料電池システム１０用と出力部１６用等、二以上の制御装置に分けてもよい。

【0017】

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（単に、燃料電池ともいう）１８と、水素タンク２０と、酸化剤ガス供給装置２２と、燃料ガス供給装置２４と、冷媒供給装置２６とから構成される。

【0018】

酸化剤ガス供給装置２２には、コンプレッサ（ＣＰ）２８及び加湿器（ＨＵＭ）３０が含まれる。

【0019】

燃料ガス供給装置２４には、インジェクタ（ＩＮＪ）３２、エジェクタ３４及び気液分離器３６が含まれる。インジェクタ３２は、減圧弁に代替してもよい。
冷媒供給装置２６には、冷媒ポンプ（ＷＰ）３８及びラジエータ４０が含まれる。

【0020】

出力部１６には、駆動部４２、高電圧の蓄電装置（バッテリ）４４、及びモータ（電動機）４６が含まれる。

【0021】

駆動部４２の負荷には、車両主機である前記モータ４６の他に、前記コンプレッサ２８、前記冷媒ポンプ３８及びその他エアコンディショナ等の車両補機が含まれる。燃料電池自動車１２は、モータ４６が発生する駆動力により走行する。

【0022】

燃料電池スタック１８は、複数の発電セル５０が積層される。発電セル５０は、電解質膜・電極構造体５２と、該電解質膜・電極構造体５２を挟持するセパレータ５３、５４とを備える。

【0023】

電解質膜・電極構造体５２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜５５と、前記固体高分子電解質膜５５を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５７とを備える。

【0024】

カソード電極５６及びアノード電極５７は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。ガス拡散層の表面に、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が一様に塗布されることにより、電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５５の両面に形成される。

【0025】

一方のセパレータ５３の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には酸化剤ガス入口連通口１０１と酸化剤ガス出口連通口１０２とを連通するカソード流路（酸化剤ガス流路）５８が形成される。

【0026】

他方のセパレータ５４の電解質膜・電極構造体５２に向かう面には、燃料ガス入口連通口１０３と燃料ガス出口連通口１０４とを連通するアノード流路（燃料ガス流路）５９が形成される。

【0027】

アノード電極５７では、燃料ガス（水素）が供給されることにより、触媒による電極反応によって水素分子から水素イオンを生じ、該水素イオンが固体高分子電解質膜５５を透過してカソード電極５６に移動する一方、水素分子から電子が解放される。

【0028】

水素分子から解放された電子は、負極端子１０６から駆動部４２及びモータ４６等の負荷を通じ、正極端子１０８を介してカソード電極５６に移動する。

【0029】

カソード電極５６では、触媒の作用によって前記水素イオン及び前記電子と、供給された酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応して水が生成される。

【0030】

正極端子１０８及び負極端子１０６と駆動部４２を接続する配線の間には、発電電圧Ｖｆｃを検出する電圧センサ１１０が設けられる。さらに、正極端子１０８と駆動部４２を接続する配線には、発電電流Ｉｆｃを検出する電流センサ１１２が設けられる。

【0031】

電圧センサ１１０と電流センサ１１２により、発電状態として発電電力を検出する発電状態取得部１１５が形成される。
発電状態取得部１１５は、電流センサ１１２のみにより形成してもよい。

【0032】

コンプレッサ２８は、蓄電装置４４の蓄電電力が駆動部４２を通じて供給されるコンプレッサ用モータ（不図示）により駆動される機械式の過給器等で構成され、外気取入口１１３から外気（大気、空気）を吸引して加圧し、加湿器３０を通じて燃料電池スタック１８に供給する等の機能を有する。

【0033】

加湿器３０は、流路３１Ａと流路３１Ｂとを有する。流路３１Ａには、コンプレッサ２８により圧縮され高温化されて乾燥した空気（酸化剤ガス）が流通する。流路３１Ｂには、燃料電池スタック１８の酸化剤ガス出口連通口１０２から排出される排出ガスが流通する。

【0034】

ここで、前記排出ガスは、後述するブリード弁７０の閉弁時には、湿潤な酸化剤オフガス（湿潤な酸化剤排ガス）とされ、ブリード弁７０の開弁時には、前記湿潤な酸化剤オフガスと燃料オフガスが混合された湿潤な排出ガスとされる。

【0035】

加湿器３０は、コンプレッサ２８から供給された酸化剤ガスを加湿する機能を有する。すなわち、加湿器３０は、前記排出ガス（オフガス）中に含まれる水分を、流路３１Ｂから内部の多孔質膜を介して流路３１Ａに流通する供給ガス（酸化剤ガス）に移動させて加湿し、加湿した酸化剤ガスを燃料電池スタック１８に供給する。

【0036】

外気取入口１１３から酸化剤ガス入口連通口１０１までの酸化剤ガス供給流路６０（酸化剤ガス供給流路６０Ａ、６０Ｂを含む）には、外気取入口１１３から順にコンプレッサ２８、供給側封止弁１１８及び加湿器３０が設けられている。なお、二重線で描いている酸化剤ガス供給流路６０等の流路は、配管により形成されている（以下、同様）。
供給側封止弁１１８は、酸化剤ガス供給流路６０を開閉する。

【0037】

酸化剤ガス出口連通口１０２に連通する酸化剤オフガス流路６２には、酸化剤ガス出口連通口１０２から順に加湿器３０及び背圧弁としても機能する排出側封止弁１２０が設けられている。

【0038】

供給側封止弁１１８の吸入口と排出側封止弁１２０の吐出口との間には、酸化剤ガス供給流路６０と酸化剤オフガス流路６２を連通するバイパス流路６４が設けられている。バイパス流路６４には、バイパス流路６４を開閉するバイパス弁１２２が設けられている。バイパス弁１２２は、燃料電池スタック１８をバイパスする酸化剤ガスの流量を調整する。
バイパス流路６４と酸化剤オフガス流路６２との合流路は、排出流路６２Ａに連通している。

【0039】

水素タンク２０は、電磁作動式の遮断弁（不図示）を備え、高純度の水素を高い圧力で圧縮して収容する容器である。

【0040】

水素タンク２０から吐出される燃料ガスは、燃料ガス供給流路７２に設けられたインジェクタ３２及びエジェクタ３４を通じ、燃料ガス入口連通口１０３を介して燃料電池スタック１８のアノード流路５９の入口に供給される。

【0041】

この場合、燃料ガス供給流路７２には、該燃料ガス供給流路７２内の燃料ガスのガス圧力Ｐｈを検出（測定）する圧力センサ７３が設けられる。

【0042】

アノード流路５９の出口は、燃料ガス出口連通口１０４及び燃料ガスの燃料オフガス流路７４を通じて気液分離器３６の入口１５１に連通され、該気液分離器３６にアノード流路５９から水素含有ガスである前記燃料オフガスが供給される。

【0043】

また、燃料電池スタック１８を収容するケースの下端部（底部）には、燃料ガス出口連通口１０４に連通するケース側排出流路であるケース下端側排出流路１７２が設けられている。ケース下端側排出流路１７２は、ケース側開閉弁であるケース下端側開閉弁１７４を通じて排出流路９９に連通している。

【0044】

ケース下端側開閉弁１７４が開弁されると、前記ケース内の底部に溜まった液水がケース下端側排出流路１７２に排出される。液水の排出が完了した後にも、ケース下端側開閉弁１７４が開弁状態にされていると、ドレイン弁１６４と同様に、燃料オフガスが排出される。

【0045】

実際上、アノード流路５９には、燃料電池スタック１８の発電により生成された水の一部が、カソード流路５８から電解質膜・電極構造体５２を逆拡散（透過）して移動してくる。

【0046】

この逆拡散水をケース下端側排出流路１７２、燃料オフガス流路７４あるいは循環流路７７から適切に排水できない場合、燃料電池スタック１８のアノード電極５７に水が浸入し、アノード流路（燃料ガス流路）５９を塞いでしまう。この場合、発電セル５０の局所的な水素欠乏（燃料ガス欠乏）による電極劣化、及びガス拡散阻害による燃料電池スタック１８の発電安定性の悪化を引き起こす。

【0047】

これらの不都合を防止するために、水を一時的に貯留する気液分離器３６は、前記燃料オフガスを気体成分と液体成分（液水）とに分離する。

【0048】

燃料オフガスの気体成分（燃料オフガス）は、気液分離器３６の気体排出口１５２から排出され、循環流路７７を通じてエジェクタ３４の吸込口に供給される一方、ブリード弁７０が開弁されたとき、燃料オフガスは、接続流路（連絡流路）７８、ブリード弁７０を介し、酸化剤ガス供給流路６０Ｂにも供給される。

【0049】

逆拡散水からなる、燃料オフガスの液体成分（液水）は、気液分離器３６の液体排出口１６０からドレイン弁１６４が設けられたドレイン流路１６２を通じ、排出流路６２Ａから排出される排出ガスと混合され排出流路９９及び排ガス排気口１６８を通じて外気に排出される。

【0050】

実際上、ドレイン流路１６２には、前記液水と共に、一部の燃料オフガス（水素含有ガス）が排出される。また、ドレイン流路１６２には、前記液水の排出完了後には、燃料オフガス（水素含有ガス）のみが排出される。

【0051】

燃料オフガス中の水素ガスを希釈して外部に排出するために、コンプレッサ２８から吐出した酸化剤ガスの一部がバイパス流路６４を通じて、排出流路６２Ａに供給されている。

【0052】

ドレイン流路１６２から水が抜けた後も、ドレイン弁１６４を開け続けた場合、水素を無駄に捨ててしまうことになるため、気液分離器３６から水が排水された後は、ドレイン弁１６４を適切に閉弁する必要がある。

【0053】

燃料オフガスの循環流路７７と酸化剤ガス供給流路６０Ｂを連通する接続流路７８に設けられたブリード弁７０は、燃料電池自動車１２の走行中に、カソード流路５８に存在する窒素ガスが電解質膜・電極構造体５２を透過してアノード流路５９内の水素濃度を低下させることを原因とするアノード電極５７の劣化を防止するために開弁される。

【0054】

ブリード弁７０が開弁されると、燃料電池スタック１８から燃料オフガス流路７４を通じ、気液分離器３６を介して吐出される燃料オフガスを、接続流路７８、酸化剤ガス供給流路６０Ｂ、及び酸化剤ガス入口連通口１０１を介してカソード流路５８に流通させる。

【0055】

カソード流路５８に流通された燃料オフガス中の燃料ガスは、カソード電極５６での触媒反応により水素イオン化され、該水素イオンは酸化剤ガスと反応して水が生成される。反応しなかった残部の燃料オフガス（窒素ガスと未反応の僅かな水素ガスとからなる）は燃料電池スタック１８から酸化剤オフガスとして排出され、酸化剤オフガス流路６２に流通する。

【0056】

酸化剤オフガス流路６２に流通する酸化剤オフガス（前記反応しなかった残部の燃料オフガスを含む）に酸化剤ガスのバイパス流路６４を通じて供給された酸化剤ガスが混合されて、酸化剤オフガス中の燃料オフガス（燃料ガスを含む）の濃度が希釈された酸化剤オフガスが、排出流路６２Ａに流通する。

【0057】

排出流路６２Ａは、ドレイン流路１６２及びケース下端側排出流路１７２に連通し、合流して排出流路９９に連通する。

【0058】

排出流路９９では、排出流路６２Ａからの酸化剤オフガスにより、ケース下端側排出流路１７２及びドレイン流路１６２から吐出される液水と燃料オフガスの混合流体中の燃料ガスが希釈され、排ガス排気口１６８を通じて燃料電池自動車１２の外部（大気）に排出される。

【0059】

燃料電池システム１０の冷媒供給装置２６は、冷媒を流通させる冷媒流路１３８を有する。冷媒流路１３８は、冷媒供給流路１４０と冷媒排出流路１４２とを有する。冷媒供給流路１４０は燃料電池スタック１８に冷媒を供給し、冷媒排出流路１４２は燃料電池スタック１８から冷媒を排出する。冷媒供給流路１４０及び冷媒排出流路１４２には、ラジエータ４０が接続される。

【0060】

ラジエータ４０は冷媒を冷却する。冷媒供給流路１４０には、冷媒ポンプ３８が設けられる。冷媒ポンプ３８は、冷媒の循環回路内で冷媒を循環させる。冷媒の循環回路には、冷媒供給流路１４０、燃料電池スタック１８の内部冷媒流路、冷媒排出流路１４２及びラジエータ４０が含まれる。冷媒排出流路１４２に温度センサ７６が設けられる。該温度センサ７６により検出される冷却媒体の温度（冷媒出口温度）Ｔｓは、燃料電池スタック１８の（内部）温度であるものとして検出（測定）される。

【0061】

以上の燃料電池システム１０の各構成要素は、制御装置１５によって統括制御される。
なお、供給側封止弁１１８、排出側封止弁１２０、ブリード弁７０、ドレイン弁１６４及びケース下端側開閉弁１７４は、制御装置１５により開度が制御される流量調整弁であるが、電磁制御式の開閉弁を用いデューティ制御してもよい。

【0062】

制御装置１５は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）により構成される。ＥＣＵは、１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、入出力インタフェース及び電子回路を有するコンピュータにより構成される。１以上のプロセッサ（ＣＰＵ）は、メモリに記憶された図示しないプログラムを実行する。

【0063】

制御装置１５のプロセッサ（ＣＰＵ）は、前記プログラムに従って演算を実行することで、燃料電池自動車１２及び燃料電池システム１０の運転制御を行う。

【0064】

制御装置１５には、燃料電池自動車１２の電源スイッチ（電源ＳＷ）７１が接続されている。電源スイッチ７１は、燃料電池システム１０の燃料電池スタック１８の発電運転を開始乃至継続（ＯＮ）させるか終了（ＯＦＦ）させる。制御装置１５には、また、それぞれ図示しないアクセル開度センサ、車速センサ、蓄電装置４４のＳＯＣセンサが接続される。

【0065】

［動作］
この実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成される。以下、図２のフローチャートを参照しながら、燃料電池システム１０の動作について説明する。

【0066】

図２のフローチャートによる処理は、電源スイッチ７１がＯＮ状態であって、燃料電池スタック１８の発電中に、制御装置１５により所定の周期で繰り返し実行される。

【0067】

フローチャートによる処理の理解の便宜のために、動作の一例を図３Ａ～図３Ｄのタイミングチャートに基づいて説明する。

【0068】

図３Ａは、制御装置１５の制御下に、インジェクタ３２が、一定周期（一定インターバル）Ｔｉｎｔ（Ｔｉｎｔ＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）毎に、吐出期間Ｔｏｎの間、燃料ガスを、燃料ガス供給流路７２を介し、燃料ガス入口連通口１０３を通じてアノード流路５９に供給（吐出）している状態を示している。

【0069】

吐出期間Ｔｏｎは、インジェクタ３２の動作ＯＮ期間である。非吐出期間Ｔｏｆｆは、インジェクタ３２の動作ＯＦＦ期間である。

【0070】

図３Ｂは、制御装置１５により開閉動作が制御されるドレイン弁１６４の開閉状態を示している。ドレイン弁１６４は、時点ｔ３～時点ｔ９の間、開弁状態とされ、時点ｔ３までの期間及び時点ｔ９以降の期間は、閉弁状態とされる。

【0071】

図３Ｃは、圧力センサ７３により連続的に検出され制御装置１５が取得している燃料ガス供給流路７２内の燃料ガスの圧力（ガス圧力）Ｐｈ［Ｐａ］の変動（時間変化）を示している。

【0072】

図３Ａ及び図３Ｃから分かるように、インジェクタ３２が、燃料ガスをアノード流路５９に吐出した吐出期間Ｔｏｎに、燃料ガスのガス圧力Ｐｈが上昇し、非吐出期間Ｔｏｆｆでは、燃料電池スタック１８の発電により燃料ガスのガス圧力Ｐｈが時間に比例して減少している。

【0073】

図３Ｄは、制御装置１５により算出される、ドレイン弁１６４が閉弁状態であって、且つ前記ガス圧力Ｐｈが比例的に減少している非吐出期間Ｔｏｆｆ内でのガス圧力Ｐｈの圧力降下速度Ｖｐ（Ｖｐ＝ΔＰ［Ｐａ］／［ｓｅｃ］）の算出値と、圧力降下速度Ｖｐの所定期間（図３Ｄの時点ｔ１～時点ｔ２間）内での平均圧力降下速度Ｖｐｍｅａｎ｛Ｖｐｍｅａｎ＝（ΣＶｐ）÷ｎ（ｎは圧力降下速度Ｖｐの取得回数）｝の算出値を示している。ΔＰは、図３Ｃから算出される微小単位時間内でのガス圧力Ｐｈの降下量（降下勾配）である。

【0074】

図３Ｄの例では、ドレイン弁１６４が、時点ｔ３にて開弁したとき、時点ｔ３前の時点ｔ１～時点ｔ２の間のドレイン弁１６４が閉弁されているときの非吐出期間Ｔｏｆｆ内での所定回数の平均圧力降下速度Ｖｐｍｅａｎ＝（ΔＰ／秒）が、時点ｔ４の直後（非吐出期間Ｔｏｆｆａの開始直後）に算出されている。

【0075】

平均圧力降下速度Ｖｐｍｅａｎの算出時点にて、制御装置１５は、さらに、基準値としての閾値降下速度Ｖｔｈ［Ｐａ/ｓｅｃ］を算出する。閾値降下速度Ｖｔｈは、平均圧力降下速度Ｖｐｍｅａｎに、計測値のばらつき分、ノイズ混入分を考慮した余裕分（余裕降下速度量）ΔＶｐ［Ｐａ/ｓｅｃ］を加算して求める。

【0076】

すなわち、制御装置１５は、閾値降下速度Ｖｔｈを、Ｖｔｈ＝Ｖｐｍｅａｎ＋ΔＶｐとして算出する（図３Ｄ参照）。

【0077】

制御装置１５は、このようにして算出した閾値降下速度Ｖｔｈを用いて、以下に説明するように、ドレイン弁１６４の閉弁タイミングの時点ｔ９を決定する。ドレイン弁１６４の開弁タイミングの時点ｔ３の決定を含む、ドレイン弁１６４の開閉制御である気液分離器３６に貯留された液水の排水制御について以下に説明する。

【0078】

図２のステップＳ１にて、制御装置１５は、電流センサ１１２により発電電流Ｉｆｃ［Ａ］を取得し処理をステップＳ２に進める。

【0079】

ステップＳ２にて、制御装置１５は、発電電流Ｉｆｃの積分値である発電量｛∫（Ｉｆｃ）ｄｔ｝（単位は、Ａｓｅｃ＝アンペア×時間）を求め、気液分離器３６に貯留されている液水の水位の推定値（水位推定値）Ｈｅｓｔを算出して、処理をステップＳ３に進める。
なお、発電量は、発電電圧Ｖｆｃを考慮した電力量［Ｗｈ］としてもよい。

【0080】

図４は、水位推定値Ｈｅｓｔ算出用のマップ（特性）である推定水位算出マップ２５０を示している。発電中に、カソード流路５８から電解質膜・電極構造体５２をアノード流路５９に逆拡散してくる水量は、発電量｛∫（Ｉｆｃ）ｄｔ｝に比例し、一意に算出することができる。気液分離器３６の箱構造（容積構造）は既知であるので、発電量｛∫（Ｉｆｃ）ｄｔ｝を引数として推定水位算出マップ２５０を参照することで、現在の発電量｛∫（Ｉｆｃ）ｄｔ｝に対する水位である水位推定値Ｈｅｓｔを算出することができる。なお、図４で、気液分離器３６の水貯蔵部の水平方向の断面積は一定であるとしている。

【0081】

また、図４には、ドレイン弁１６４の開弁タイミングを判定する閾値水位Ｈｔｈを示している。閾値水位Ｈｔｈは、気液分離器３６において気液分離器３６の入口１５１から液水が逆流し始める水位より僅かに低い水位又は気液分離器３６の気体排出口１５２から循環流路７７に液水が流れ出す水位より僅かに低い水位のうち、いずれか低い方未満の若干余裕をみた水位に予め設定され、推定水位算出マップ２５０上の所定値（図４参照）として記録されている。
開弁タイミングを判定する閾値水位Ｈｔｈに対応する発電量閾値をＡｈｔｈ［Ａ×ｓｅｃ］という。

【0082】

ステップＳ３にて、制御装置１５は、ドレイン弁１６４の閉弁時における圧力センサ７３により検出されるガス圧力Ｐｈを取得し、記憶部に記録すると共に、一定処理時間前のステップＳ３にて記録したガス圧力Ｐｈとの差分を用いて図３Ｄを参照して説明した圧力降下速度Ｖｐ（Ｖｐ＝ΔＰ［Ｐａ］／［ｓｅｃ］）を算出し、記憶部に記録し、処理をステップＳ４に進める。

【0083】

ステップＳ４にて、制御装置１５は、発電量｛∫（Ｉｆｃ）ｄｔ｝から算出した水位推定値Ｈｅｓｔが閾値水位Ｈｔｈ（発電量閾値Ａｈｔｈ）を上回るか否かを判定し、上回っていない（ステップＳ４：ＮＯ）場合には、ステップＳ１以降の処理を繰り返し、上回った（ステップＳ４：ＹＥＳ）場合には、処理をステップＳ５に進める。

【0084】

すなわち、制御装置１５は、燃料電池スタック１８の発電量｛∫（Ｉｆｃ）ｄｔ｝が、発電量閾値Ａｈｔｈまで積算され、水位推定値Ｈｅｓｔが発電量閾値Ａｈｔｈに対応する閾値水位Ｈｔｈに到達したとき、処理をステップＳ５に進める。

【0085】

ステップＳ５にて、制御装置１５は、気液分離器３６から液水が燃料オフガス流路７４側又は循環流路７７側に流出しないように、ドレイン弁１６４を開弁する。これにより、ドレイン弁１６４を通じて液水の排出が開始され（図３Ｂの開弁時点ｔ３参照）、処理をステップＳ６に進める。

【0086】

ステップＳ６（図３Ｄの時点ｔ４後の近く）にて、制御装置１５は、ドレイン弁１６４の開弁時のガス圧力Ｐｈの平均圧力降下速度Ｖｐｍｅａｎを算出し、さらに、余裕分ΔＰを加算して閾値降下速度Ｖｔｈ［Ｐａ/ｓｅｃ］を算出し、処理をステップＳ７に進める。

【0087】

ステップＳ７にて、制御装置１５は、ドレイン弁１６４を除く他の弁、具体的には、開弁が、燃料ガス供給流路７２の圧力センサ７３により取得されているガス圧力Ｐｈに影響を与えるブリード弁７０及びケース下端側開閉弁１７４が、両方とも閉弁しているか否かを確認し、両方とも閉弁する（ステップＳ７：ＹＥＳ）まで待機（ステップＳ７：ＮＯ）して、処理をステップＳ８に進める。

【0088】

ステップＳ８にて、制御装置１５は、発電電流Ｉｆｃの変動幅が所定電流変動幅内であるか否かを判定し、所定電流変動幅内となるまで待機（ステップＳ８：ＮＯ）して、処理をステップＳ９に進める。

【0089】

発電電流Ｉｆｃの変動幅が所定電流変動幅内であるか否かを判定する理由は、以下の図５Ａ～図Ｃを参照して、例を上げて説明するように、ガス圧力Ｐｈの極端な変動が発生していない状況下で圧力降下速度Ｖｐを判定するためである。

【0090】

なお、燃料ガス供給流路７２から燃料電池スタック１８内に燃料ガスが供給されていない期間（図３Ａ中、非吐出期間Ｔｏｆｆ）内での発電電流Ｉｆｃの変動は、アノード電極５７での水素のイオン化反応に直結し、アノード流路５９（燃料ガス供給流路７２）でのガス圧力Ｐｈの変動を発生させる。

【0091】

図５Ａ～図５Ｃは、動作説明に供される一例のタイミングチャートである。

【0092】

ステップＳ９の処理に進むためには、図５Ａの時点ｔ１０～時点ｔ１１の間に示すように、発電電流Ｉｆｃが、ある初期値の発電電流Ｉｆｃｉに対して、上側規定値ΔＩｆｃｕを加算した上限発電電流（Ｉｆｃｉ＋ΔＩｆｃｕ）と、下側既定値Δｉｆｃｄを引算した下限発電電流（Ｉｆｃｉ－ΔＩｆｃｄ）との間の所定電流変動幅内の値であることを前提条件にしている。

【0093】

時点ｔ１１～時点ｔ１４間に示すように、発電電流Ｉｆｃが、例えば、アクセル開度の急変動に応じて、上限発電電流（Ｉｆｃｉ＋ΔＩｆｃｕ）を上回っている（ステップＳ８：ＮＯ）場合には、ステップＳ９及びステップＳ１０に進んでの降下速度判定を実施しない。

【0094】

発電電流Ｉｆｃが所定電流変動幅から外れる値を採る場合には、ガス圧力Ｐｈの圧力降下速度Ｖｐの変化が、ドレイン弁１６４の開弁を原因とするものか否かの検知信頼性が低くなる恐れがある。

【0095】

制御装置１５は、発電電流Ｉｆｃが所定電流変動幅内である（ステップＳ８：ＹＥＳ）とき、処理をステップＳ９に進める。

【0096】

ステップＳ９にて、制御装置１５は、ドレイン弁１６４を開弁（ステップＳ５で開弁、図３Ｂの時点ｔ３以降に対応する。）中であって、非吐出期間Ｔｏｆｆ内での圧力降下速度Ｖｐを算出し、処理をステップＳ１０に進める。

【0097】

ステップＳ１０にて、制御装置１５は、算出した圧力降下速度Ｖｐが閾値降下速度Ｖｔｈ以上となった否かを判定し、否定的な判定の場合には、処理をステップＳ７に戻し、肯定的な判定（時点ｔ７以降）の場合には、処理をステップＳ１１に進める。

【0098】

図３Ａ～図３Ｄを参照して、閉弁タイミングを説明すると、ドレイン弁１６４の開弁時点ｔ３～時点ｔ５の間では、図３Ｂに示すように、ドレイン弁１６４には液水のみが排出されているので、ガス圧力Ｐｈの変動は略なく、圧力降下速度Ｖｐが閾値降下速度Ｖｔｈ以上となることはない。

【0099】

非吐出期間Ｔｏｆｆｂ中の時点ｔ６にて、ドレイン弁１６４を通流させる気液分離器３６内の液水が少なくなり、ドレイン弁１６４に燃料オフガスが排出されるようになると、圧力降下速度Ｖｐは大きくなるが、まだ、ガス圧力Ｐｈの変動は少なく、圧力降下速度Ｖｐが閾値降下速度Ｖｔｈ以上にならない（Ｖｐ＝Ｖｐ２＜Ｖｔｈ）。

【0100】

時点ｔ７～時点ｔ８に示すように、燃料オフガスのみがドレイン弁１６４に流通するようになると、ガス圧力Ｐｈが急激に低下し、圧力降下速度Ｖｐが急上昇し、非吐出期間Ｔｏｆｆｃ中で閾値降下速度Ｖｔｈ以上（Ｖｐ＝Ｖｐ３≧Ｖｔｈ、ステップＳ１０：ＹＥＳ）に至る。

【0101】

ステップＳ１１にて、制御装置１５は、気液分離器３６内からの液水の排出が完了した（時点ｔ９）とみなして（圧力降下速度Ｖｐ４）ドレイン弁１６４を閉弁する（ドレイン弁１６４の閉弁指示）。

【0102】

なお、ステップＳ１０の判定処理は、ドレイン弁１６４を開弁直後の圧力降下速度Ｖｐが、所定降下速度分大きくなったときに、肯定的になる処理としてもよい。

【0103】

このように、上記の実施形態では、圧力降下速度Ｖｐによる排水完了検知（ステップＳ１０の判定）の条件に電流変動監視機能を設けている。すなわち、発電電流Ｉｆｃの変動幅が、所定電流変動幅内（ステップＳ８：ＹＥＳ）の場合にのみ、圧力降下による排水検知を行うことで、検知信頼性を高めている。

【0104】

［実施形態から把握し得る発明］
ここで、上記実施形態から把握し得る発明について、以下に記載する。なお、理解の便宜のために構成要素の一部には、上記実施形態で用いた符号を付けているが、該構成要素は、その符号を付けたものに限定されない。

【0105】

（１）この発明に係る燃料電池システム１０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スタック１８と、前記燃料ガスを前記燃料電池スタックに供給する燃料ガス供給流路７２と、前記燃料電池スタックから排出される燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路７４と、前記燃料オフガス流路に設けられる気液分離器３６と、該気液分離器に設けられ、該気液分離器内の液水を排出するドレイン弁１６４と、前記燃料ガス供給流路又は前記燃料オフガス流路に設けられ、流路内のガス圧力Ｐｈを検出する圧力センサ７３と、前記燃料電池スタックの発電状態を取得する発電状態取得部１１５と、制御装置１５と、を備え、前記制御装置は、前記発電状態及び前記ガス圧力に基づき、前記ドレイン弁の開閉を制御する。

【0106】

この構成により、燃料電池スタックの発電状態と、燃料ガス流路のガス圧力又は燃料オフガス流路のガス圧力と、を考慮してドレイン弁を開閉制御することで、水位センサを用いることなく気液分離器内の水位状態を考慮した液水の排出を正確に制御することができる。ドレイン弁からの液水の排出を正確に制御することができるので、ドレイン弁から排出される燃料オフガスの量を抑制でき、延いてはエネルギの効率化に寄与する。

【0107】

（２）また、燃料電池システムにおいては、前記制御装置は、前記ドレイン弁が閉弁しているときの前記気液分離器内の水位を前記発電状態に基づき推定し、推定した水位（水位推定値Ｈｅｓｔ）が閾値水位Ｈｔｈ以上になると前記ドレイン弁を開弁して前記液水を排出し、前記ドレイン弁の開弁中に、前記発電状態の変動が所定範囲内に収まっている状態において、前記圧力センサにより検出されている前記ガス圧力の圧力降下速度Ｖｐが閾値降下速度Ｖｔｈ以上になったとき、前記ドレイン弁を閉弁する。

【0108】

これによれば、発電状態に基づき水位を推定し、推定した水位が閾値水位以上になったときにドレイン弁を開弁して液水を排出し、排出中に、燃料ガス流路のガス圧力又は燃料オフガス流路のガス圧力の圧力降下速度が閾値降下速度以上になったときに、オフガスの排出が開始されて排水が終了することを検知できる。

【0109】

このように、発電状態を考慮してドレイン弁を開閉できるので、水位センサを用いることなくドレイン弁から液水を的確に排出できる。これにより、ドレイン弁を必要以上の時間、開弁してしまい、燃料オフガスがドレイン弁から排気されることを抑制できる。燃料オフガスに含まれる燃料ガスにより発電を行うことができるので、エネルギの効率化に寄与する。

【0110】

（３）さらに、燃料電池システムにおいては、前記燃料オフガス流路から酸化剤ガス供給流路に接続される接続流路７８と、該接続流路の連通状態を開閉する開閉弁と、をさらに備え、前記制御装置は、前記開閉弁が閉弁されているときに、前記発電状態及び前記ガス圧力に基づき、前記ドレイン弁の開閉を制御するようにしてもよい。

【0111】

これにより、接続流路の開閉弁の開弁により前記ガス圧力が変動しているときには、ドレイン弁の開閉制御を行わないので、誤ってドレイン弁を開弁してしまうことを防止できる。

【0112】

（４）さらにまた、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタックを収容するケースに設けられ、前記燃料電池スタック内の液水を外部に排出するケース側開閉弁をさらに備え、前記制御装置は、前記ケース側開閉弁が閉弁されているときに、前記発電状態及び前記ガス圧力に基づき、前記ドレイン弁の開閉を制御するようにしてもよい。

【0113】

これにより、ケース側開閉弁の開弁により前記ガス圧力が変動しているときには、ドレイン弁の開閉制御を行わないので、誤ってドレイン弁を開弁してしまうことを防止できる。

【0114】

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得る。

【符号の説明】

【0115】

１０…燃料電池システム １２…燃料電池自動車
１５…制御装置 １８…燃料電池スタック
２２…酸化剤ガス供給装置 ２４…燃料ガス供給装置
２６…冷媒供給装置 ３６…気液分離器
７０…ブリード弁 ７２…燃料ガス供給流路
７３…圧力センサ ７４…燃料オフガス流路
１１０…電圧センサ １１２…電流センサ
１１５…発電状態取得部 １６４…ドレイン弁
１７２…ケース下端側排出流路 １７４…ケース下端側開閉弁
Ｈｅｓｔ…水位推定値 Ｈｔｈ…閾値水位
Ｉｆｃ、Ｉｆｃｉ…発電電流 Ｐｈ…ガス圧力
Ｖｆｃ…発電電圧 Ｖｐ…圧力降下速度
Ｖｔｈ…閾値降下速度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】