特許 7571746 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-15

(45)【発行日】2024-10-23

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20241016BHJP

   H01M 8/0438 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20241016BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20241016BHJP

   B60L 58/30 20190101ALI20241016BHJP

   H01M 8/04291 20160101ALN20241016BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 J

H01M8/0438

H01M8/04746

H01M8/2483

B60L58/30

H01M8/04291

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022022419

(22)【出願日】2022-02-16

(65)【公開番号】P2023119485

(43)【公開日】2023-08-28

【審査請求日】2023-12-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】丸尾 剛

(72)【発明者】

【氏名】田中 誠一

(72)【発明者】

【氏名】森 誠

(72)【発明者】

【氏名】石川 智隆

(72)【発明者】

【氏名】長沼 良明

【審査官】加藤 昌人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００７／０１３４５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－１５２２１７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／０４－ ８／０６６８

Ｂ６０Ｌ ５８／００－５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積層された複数のセルを有する燃料電池と、
前記燃料電池の供給口に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニットと、
前記燃料ガス供給ユニットの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記燃料ガス供給ユニットは、前記燃料電池の排出口から排出された前記燃料ガスを前記供給口に還流させる還流経路と、前記還流経路に設けられた気液分離器とを有し、
前記制御装置は、
前記燃料電池内に溜まった残留水を前記排出口から排出するための排水処理を実行可能であり、
前記排水処理では、
前記燃料電池内の圧力が所定の閾値圧力に達するまで、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する第１の処理と、
前記第１の処理の後に、前記燃料電池内の前記圧力を低下させる第２の処理と、
が繰り返し実行され、
前記第２の処理では、前記燃料電池の発電量を前記第１の処理よりも増加させることによって、前記燃料電池内の前記圧力を低下させる、
燃料電池システム。

【請求項2】

積層された複数のセルを有する燃料電池と、
前記燃料電池の供給口に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニットと、
前記燃料ガス供給ユニットの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記燃料ガス供給ユニットは、前記燃料電池の排出口から排出された前記燃料ガスを前記供給口に還流させる還流経路と、前記還流経路に設けられた気液分離器とを有し、
前記制御装置は、
前記燃料電池内に溜まった残留水を前記排出口から排出するための排水処理を実行可能であり、
前記排水処理では、
前記燃料電池内の圧力が所定の閾値圧力に達するまで、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する第１の処理と、
前記第１の処理の後に、前記燃料電池内の前記圧力を低下させる第２の処理と、
が繰り返し実行され、
前記制御装置は、前記第１の処理において、前記燃料電池の水平方向に対する傾斜に応じて、前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの流量を変更する、
燃料電池システム。

【請求項3】

積層された複数のセルを有する燃料電池と、
前記燃料電池の供給口に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニットと、
前記燃料ガス供給ユニットの動作を制御する制御装置と、を備え、
前記燃料ガス供給ユニットは、前記燃料電池の排出口から排出された前記燃料ガスを前記供給口に還流させる還流経路と、前記還流経路に設けられた気液分離器とを有し、
前記制御装置は、
前記燃料電池内に溜まった残留水を前記排出口から排出するための排水処理を実行可能であり、
前記排水処理では、
前記燃料電池内の圧力が所定の閾値圧力に達するまで、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する第１の処理と、
前記第１の処理の後に、前記燃料電池内の前記圧力を低下させる第２の処理と、
が繰り返し実行され、
前記制御装置は、前記燃料電池の運転実績が所定の閾値実績を超えた場合に、前記排水処理を実行する、
燃料電池システム。

【請求項4】

前記燃料ガス供給ユニットは、前記気液分離器に接続された排出弁を備え、
前記制御装置は、
前記第１の処理では、前記排出弁を閉じたまま保持し、
前記第２の処理では、前記排出弁を開くことによって、前記燃料電池内の前記圧力を低下させる、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記燃料電池は、さらに、
前記排出口と前記複数のセルとを連通させるマニホールドと、
前記マニホールドから前記排出口まで延びるバイパスチューブと、を備える、
請求項１から４のいずれか一項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】

本明細書に開示の技術は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、燃料電池内に残留した残留水を除去する燃料電池システムが開示されている。燃料電池システムでは、燃料電池に空気（すなわち、酸化ガス）を供給するコンプレッサと燃料電池に水素（すなわち、燃料ガス）を供給するガス流路とが、第１接続弁を介して接続されている。燃料電池システムは、ガス流路内の残留水を除去する際、第１接続弁を開き、でコンプレッサによって酸化ガスをガス流路内に供給する。その結果、酸化ガスによってガス流路内が加圧され、ガス流路内の残留水が除去される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－１０３４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の燃料電池システムでは、発電時には燃料ガスが供給されるべきガス流路内の残留水の除去に、酸化ガスが用いられている。このため、残留水を除去している間は、燃料電池の発電が停止される。本明細書では、燃料電池の発電中であっても、残留水の除去を実行し得る技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する燃料電池システムは、積層された複数のセルを有する燃料電池と、前記燃料電池の供給口に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ユニットと、前記燃料ガス供給ユニットの動作を制御する制御装置と、を備える。前記燃料ガス供給ユニットは、前記燃料電池の排出口から排出された前記燃料ガスを前記供給口に還流させる還流経路と、前記還流経路に設けられた気液分離器とを有する。前記制御装置は、前記燃料電池内に溜まった残留水を前記排出口から排出するための排水処理を実行可能であり、前記排水処理では、前記燃料電池内の圧力が所定の閾値圧力に達するまで、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する第１の処理と、前記第１の処理の後に、前記燃料電池内の前記圧力を低下させる第２の処理と、が繰り返し実行される。

【0006】

上述した燃料電池システムでは、排水処理の第１の処理において、燃料ガス供給ユニットが燃料ガスを燃料電池に供給することによって、燃料電池内の圧力が所定の閾値圧力に達するまで燃料電池内が加圧される。これにより、燃料電池内の残留水が、燃料ガスと共に排出口から排出され、気液分離器で燃料ガスと分離される。その結果、分離した燃料ガスが燃料電池の供給口に還流し、分離した残留水が外部に排出される。燃料電池内の圧力が所定の閾値圧力に達すると、燃料ガスが燃料電池内に入りづらくなる。このため、燃料電池システムは、第１の処理の後に実行される第２の処理において、燃料電池内の圧力を低下させる。これにより、燃料ガス供給ユニットは、再び、大量の燃料ガスを燃料電池に供給することができる。このように、本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料ガスを利用して燃料電池内の残留水の除去を実行する。このため、燃料電池システムは、燃料電池の発電中であっても、残留水の除去を実行することができる。

【0007】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態の燃料電池システム１００のブロック図を示す。

【図2】燃料電池２０の側面図を示す。

【図3】第１実施形態の制御装置４０によって排水処理が実行される場合の各値の変化を示す。

【図4】第１実施形態の制御装置４０が実行する処理のフロー図を示す。

【図5】第２実施形態の制御装置４０によって排水処理が実行される場合の各値の変化を示す。

【図6】第２実施形態の制御装置４０が実行する処理のフロー図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本技術の一実施形態では、前記燃料ガス供給ユニットは、前記気液分離器に接続された排出弁を備えてもよい。その場合、前記制御装置は、前記第１の処理では、前記排出弁を閉じたまま保持し、前記第２の処理では、前記排出弁を開くことによって、前記燃料電池内の前記圧力を低下させてもよい。このような構成によると、短時間に排出弁の開閉を繰り返すことによって、大量の燃料ガスを短時間で燃料電池内に供給することができる。その結果、例えば、燃料電池が水平方向に対して傾斜して配置されている場合等、残留水を排出しにくい状況であっても、大量の燃料ガスを利用して、残留水を排出することができる。

【0010】

本技術の一実施形態では、前記制御装置は、前記第２の処理では、前記燃料電池の発電量を前記第１の処理よりも増加させることによって、前記燃料電池内の前記圧力を低下させてもよい。このような構成によると、残留水を排出する燃料ガスが発電に利用されるため、燃料ガスを無駄にすることなく、残留水を排出することができる。

【0011】

本技術の一実施形態では、前記燃料電池は、さらに、前記排出口と前記複数のセルとを連通させるマニホールドと、前記マニホールドから前記排出口まで延びるバイパスチューブと、を備えてもよい。このような構成によると、燃料ガスが排出口から排出されることに起因して、バイパスチューブ内が局所的に負圧となりやすい。このため、バイパスチューブを介して、残留水を排出口から排出することができる。

【0012】

本技術の一実施形態では、前記制御装置は、前記第１の処理において、前記燃料電池の水平方向に対する傾斜に応じて、前記燃料電池に供給する前記燃料ガスの流量を変更してもよい。燃料電池が水平方向に対する傾斜して配置されている場合、燃料電池に燃料ガスを供給しても、残留水が燃料電池内から排出されないことがある。このような構成によると、傾斜に応じて燃料ガスの流量を変更することによって、燃料電池が水平方向に対する傾斜して配置されている場合であっても、残留水を燃料電池内から排出することができる。

【0013】

本技術の一実施形態では、前記制御装置は、前記燃料電池の運転実績が所定の閾値実績を超えた場合に、前記排水処理を実行してもよい。但し、別の実施形態では、例えば、所定の周期ごとに排水処理が実行されてもよい。

【0014】

（実施例）
図面を参照して実施例の燃料電池システムについて説明する。図１は、実施例の燃料電池システム１００のブロック図を示す。燃料電池システム１００は、電気自動車（図示省略）に搭載される。燃料電池システム１００は、燃料電池２０を備える。燃料電池システム１００は、燃料電池２０を利用して発電するためのシステムである。燃料電池システム１００は、発電した電力を、電気自動車の走行用モータ（図示省略）に供給する。あるいは、燃料電池システム１００は、発電した電力によって、電気自動車のバッテリ（図示省略）を充電する。

【0015】

燃料電池２０は、燃料ガス（すなわち、水素ガス）を取り入れるアノード供給口２２ａと、酸化ガス（すなわち、空気）を取り入れるカソード供給口２２ｋと、複数のセル２６（図２参照）と、を備える。燃料電池２０は、アノード供給口２２ａから取り入れた水素ガスと、カソード供給口２２ｋから取り入れた空気内の酸素と、を複数のセル２６で化学反応させることによって発電する。燃料電池２０が発電する際に起こる化学反応については、既知であるため詳しい説明は省略する。

【0016】

燃料電池システム１００は、燃料電池２０に加え、さらに、燃料ガス供給ユニット１０と、酸化ガス供給ユニット３０と、制御装置４０と、を備える。燃料ガス供給ユニット１０は、水素タンク１と、減圧弁２と、供給管３と、中圧側圧力センサ４と、インジェクタ６と、エジェクタ８と、還流管５と、低圧側圧力センサ１２と、排出管７と、気液分離器１４と、排気排水弁１６と、ポンプ１８と、排気排水管９と、を備える。燃料ガス供給ユニット１０は、水素タンク１内に貯留された水素ガスを、燃料電池２０に供給するためのユニットである。水素タンク１は、供給管３を介して、燃料電池２０のアノード供給口２２ａと接続される。これにより、水素タンク１内の水素ガスが、供給管３を介して燃料電池２０に供給される。なお、図１では、理解しやすいように、水素ガスが循環する各管３、５、７にドット（点群）を記載している。

【0017】

供給管３には、中圧側圧力センサ４と、減圧弁２と、インジェクタ６と、エジェクタ８と、低圧側圧力センサ１２と、が接続される。減圧弁２は、水素タンク１内の高圧の水素ガスを、所定の圧力に減圧する。中圧側圧力センサ４は、減圧弁２によって減圧された圧力を検出する。インジェクタ６は、エジェクタ８に供給する水素ガスの量を調整する電磁弁である。インジェクタ６が大きく開くほど、インジェクタ６の出力が大きくなり、エジェクタ８に供給される水素ガスの量が増加する。エジェクタ８は、インジェクタ６から供給される水素ガスの圧力を利用して、還流管５から水素ガスを取り入れる。低圧側圧力センサ１２は、エジェクタ８から燃料電池２０に供給される水素ガスの圧力を検出する。すなわち、低圧側圧力センサ１２は、燃料電池２０内の圧力を検出する。

【0018】

燃料ガス供給ユニット１０の排出管７は、燃料電池２０のアノード排出口２４ａと接続される。アノード排出口２４ａから排出されるオフガスは、排出管７を介して、気液分離器１４に流入する。ここでオフガスは、燃料電池２０における上述の化学反応で余った水素ガスを含む。

【0019】

気液分離器１４は、アノード排出口２４ａから排出されるオフガスを水素ガスと不純物とに分離する。例えば、気液分離器１４は、気液分離器１４内のオフガスを水素ガス、窒素ガス、水などに分離する。窒素ガスは、例えば、カソード供給口２２ｋに供給される空気に含まれている窒素が、複数のセル２６の電解質膜（図示省略）を通過してアノード側に達したものである。ポンプ１８は、気液分離器１４がオフガスから分離した水素ガスを、還流管５を介してエジェクタ８に供給する。これにより、水素ガスが、エジェクタ８を介して再び燃料電池２０のアノード供給口２２ａに供給される。このように、燃料ガス供給ユニット１０は、オフガスに含まれる水素ガス（すなわち、燃料ガス）を還流させる。なお、変形例では、燃料ガス供給ユニット１０は、ポンプ１８を備えなくてもよい。その場合、エジェクタ８に生じる負圧により、還流管５内の水素ガスがエジェクタ８に供給されてもよい。

【0020】

気液分離器１４は、排出管７を介して燃料電池２０と接続されている。排気排水弁１６は、気液分離器１４及び排出管７を介して燃料電池２０と接続されている。排気排水弁１６が開かれると、気液分離器１４がオフガスから分離した窒素ガス等の不純物が、排気排水管９に排出される。

【0021】

酸化ガス供給ユニット３０は、燃料電池２０に空気（酸素）を供給する。酸化ガス供給ユニット３０は、コンプレッサ３２と、供給管３３と、バイパス管３５と、排出管３７と、弁３４、３６、３８と、を備えている。コンプレッサ３２は、外気を圧縮し、供給管３３を介して燃料電池２０のカソード供給口２２ｋに空気を供給する。排出管３７は、カソード排出口２４ｋに接続される。バイパス管３５は、供給管３３と排出管３７とを弁３８を介して接続する。弁３４と弁３６とは、いわゆる調圧弁であり、各弁３４、３６により、燃料電池２０に供給される空気の圧力が調整される。

【0022】

制御装置４０は、ＣＰＵ、メモリを有するコンピュータである。制御装置４０は、燃料電池車両のアクセル開度、速度等の走行情報に基づいて、各ユニット１０、３０を制御する。これにより、燃料電池２０は走行情報に基づいた電力を発電する。

【0023】

図２を参照して、燃料電池２０の構造の詳細について説明する。燃料電池２０は、複数のセル２６に加え、さらにケース２１と、供給側マニホールド２３と、排出側マニホールド２７と、バイパスチューブ２９と、を備える。ケース２１は、矩形形状を有しており、複数のセル２６を収容する。複数のセル２６は、各セルを、ケース２１の長手方向に積層することによって構成される。ケース２１の長手方向の一方の側面には、アノード供給口２２ａとアノード排出口２４ａとが配置されている。以下では、理解を助けるため、燃料電池２０の長手方向の一方側を正面側と称し、他方側を裏面側と称することがある。

【0024】

アノード供給口２２ａは、アノード排出口２４ａの上方に位置している。供給管３は、アノード供給口２２ａを介して、供給側マニホールド２３と接続される。供給側マニホールド２３は、供給管３と複数のセル２６とを連通する空間である。供給側マニホールド２３は、燃料電池２０の正面側ではケース２１の外部に開放されており、燃料電池２０の裏面側ではケース２１によって閉鎖されている。供給管３内の水素ガスは、供給側マニホールド２３を介して複数のセル２６に供給される。

【0025】

同様に、排出管７は、アノード排出口２４ａを介して、排出側マニホールド２７と接続される。排出側マニホールド２７は、排出管７と複数のセル２６とを連通する空間である。排出側マニホールド２７は、燃料電池２０の正面ではケース２１の外部に開放されており、燃料電池２０の裏面側ではケース２１によって閉鎖されている。複数のセル２６を通過したオフガスは、アノード排出口２４ａを介して、排出管７に排出される。

【0026】

バイパスチューブ２９は、円筒形状を有しており、その両端が開放されている。バイパスチューブ２９は、排出側マニホールド２７の底面に配置される。バイパスチューブ２９は、排出側マニホールド２７の底面に沿って、アノード排出口２４ａまで延びている。バイパスチューブ２９の裏面側の端は、排出側マニホールド２７の裏面側の端部に位置する。バイパスチューブ２９の断面積は、排出側マニホールド２７の断面積よりも小さい。このため、バイパスチューブ２９を通過するオフガスの流速は、排出側マニホールド２７を通過するオフガスの流速よりも速い。バイパスチューブ２９内では、マニホールド圧損及び動圧差が生じ、バイパスチューブ２９の入口と出口とに差圧が発生する。このため、バイパスチューブ２９は、比較的短時間で残留水Ｗをアノード排出口２４ａから燃料電池２０の外部に排出することができる。

【0027】

排出側マニホールド２７は、燃料電池２０のケース２１の底面に沿って、燃料電池２０の裏面側から正面側に、長手方向に延びている。このため、排出側マニホールド２７には、化学反応により生成される水が残留しやすい。特に、例えば燃料電池システム１００が搭載される燃料電池車両が傾斜する斜面を走行しており、燃料電池２０が地面ＧＬに対して角度Ａ１で傾斜する場合、図２に示されるように、燃料電池２０の排出側マニホールド２７の裏面側の端部に、残留水Ｗが溜まりやすい。以下では、制御装置４０が、残留水Ｗを燃料電池２０内から排出するために実行する排水処理について説明する。

【0028】

図３及び図４を参照して、第１実施形態の制御装置４０が実行する排水処理について説明する。図３は、燃料電池２０内の圧力値Ｐの変化（図３（Ａ））と、排気排水弁１６の状態の変化（図３（Ｂ））と、燃料電池２０に供給される水素ガスの流量Ｖの変化（図３（Ｃ））と、を経時的に示す。図３（Ａ）では、制御装置４０が燃料ガス供給ユニット１０に対して送信する燃料電池２０内の圧力指令値Ｐｄを実線で示し、低圧側圧力センサ１２（図１参照）の実際の検出値Ｐｒ（すなわち、燃料電池２０内の圧力値Ｐ）を破線で示す。

【0029】

制御装置４０は、第１の期間Ｔ１にわたって第１の処理を実行し、その後、第２の期間Ｔ２にわたって第２の処理を実行する。図３（Ａ）の実線のグラフに示されるように、第１の処理では、制御装置４０は第１の期間Ｔ１にわたって、燃料ガス供給ユニット１０に対して、圧力指令値Ｐｄとして閾値圧力値Ｐ２を送信する。具体的には、第１の処理では、制御装置４０は、燃料電池２０内の圧力値Ｐが閾値圧力値Ｐ２となるまで、燃料ガス供給ユニット１０の減圧弁２、インジェクタ６、ポンプ１８を制御して、燃料電池２０に供給される燃料ガスの流量Ｖを増加させる。ここで、閾値圧力値Ｐ２は、燃料電池２０が燃料ガスを供給可能な状態であることを判定するための圧力値であり、燃料電池２０のサイズ、燃料ガス供給ユニット１０の各管のサイズ等に応じて算出される。その結果、図３（Ｃ）に示されるように、第１の期間Ｔ１では、燃料電池２０内に供給される水素ガスの流量Ｖは、通常時流量Ｖ１から排水時流量Ｖ２に増加する。

【0030】

このため、第１の期間Ｔ１にわたって、燃料電池２０内の各マニホールド２３、２７を水素ガスが通過する。この際、排出側マニホールド２７内に溜まった残留水Ｗ（図２参照）がアノード排出口２４ａを介して、排出管７に排出される。

【0031】

また、図３（Ｂ）に示されるように、制御装置４０は、第１の処理では第１の期間Ｔ１にわたって、排気排水弁１６を閉じたままに保持する。別言すれば、第１の期間Ｔ１では、供給管３、燃料電池２０、排出管７、還流管５等が密閉された状態で、燃料ガスが燃料電池２０に供給される。このため、図３（Ａ）の破線のグラフで示されるように、第１の期間Ｔ１では、燃料電池２０内の実際の圧力値Ｐは、通常時圧力値Ｐ１から閾値圧力値Ｐ２に増加する。

【0032】

制御装置４０は、燃料電池２０内の圧力値Ｐが閾値圧力値Ｐ２に達したときに、第２の処理を開始する。第２の処理では、制御装置４０は、第２の期間Ｔ２にわたって、排気排水弁１６を開く。また、第２の期間Ｔ２では、図３（Ａ）に示されるように、制御装置４０は、燃料ガス供給ユニット１０に対して、圧力指令値Ｐｄとして閾値圧力値Ｐ２よりも低い通常時圧力値Ｐ１を送信する。その結果、第２の期間Ｔ２では、図３（Ｃ）に示されるように、燃料電池２０に供給される燃料ガスの流量Ｖは、排水時流量Ｖ２から通常時流量Ｖ１に低下する。さらに、図３（Ａ）の破線のグラフに示されるように、第２の期間Ｔ２では、燃料電池２０内の圧力値Ｐは、閾値圧力値Ｐ２から通常時圧力値Ｐ１まで低下する。

【0033】

このように、第２の処理では、燃料電池２０内の圧力値Ｐが通常時圧力値Ｐ１まで低下する。この結果、制御装置４０は、再び第１の処理を実行することによって、燃料電池２０内に水素ガスを供給することができる。すなわち、再び、燃料電池２０内の残留水Ｗが排出される。このように、制御装置４０は、第１の処理と第２の処理とを交互に繰り返すことによって、燃料電池２０の排出側マニホールド２７に溜まった残留水Ｗをアノード排出口２４ａから排出することができる。

【0034】

次に、図４を参照して、制御装置４０が実行する排水処理について説明する。制御装置４０は、例えば、電気自動車の走行中に図４の処理を実行する。このため、図４の排水処理を開始する時点では、制御装置４０は、圧力指令値Ｐｄとして通常時圧力値Ｐ１を燃料ガス供給ユニット１０に送信しており、減圧弁２及びインジェクタ６（図１参照）は開かれ、通常時流量Ｖ１の水素ガスが燃料電池２０に供給されている。すなわち、排水処理を開始する時点では、燃料電池２０は発電を実行している。

【0035】

ステップＳ２では、制御装置４０は、燃料電池２０の運転実績が閾値実績以上であるか否かを判定する。具体的には、制御装置４０は、燃料電池２０の発電した電力量が閾値電力量であるか否かを判定する。燃料電池２０内に溜まる残留水Ｗ（図２参照）の量は、燃料電池２０の発電量に比例する。このため、燃料電池２０が発電した電力量が閾値電力量よりも小さい場合、残留水Ｗの量は少ないことが推測される。この場合、制御装置４０は、燃料電池２０の運転実績が閾値実績に達していないと判定して（Ｓ２：ＮＯ）、再度ステップＳ２の処理を実行する。すなわち、制御装置４０は、燃料電池２０が発電した電力量が閾値電力量以上となるまで（すなわち、残留水Ｗの量が所定の量を超えたと推測されるまで）、ステップＳ２の処理を繰り返す

【0036】

制御装置４０は、発電した電力量が閾値電力量以上である場合に、燃料電池２０の運転実績が閾値実績以上であると判定して（Ｓ２：ＹＥＳ）、ステップＳ４の処理に進み、第１の処理を開始する。ステップＳ４では、図３（Ａ）を参照して説明したように、制御装置４０は、圧力指令値Ｐｄとして閾値圧力値Ｐ２を燃料ガス供給ユニット１０に送信する。次いで、これにより、インジェクタ６、ポンプ１８の出力が増加する。その結果、燃料電池２０に供給される水素ガスの流量Ｖが排水時流量Ｖ２に増加する。

【0037】

なお、先に述べたように、制御装置４０は、電気自動車の走行情報を受信している。このため、制御装置４０は、例えば、電気自動車が斜面を走行している場合、モータのトルク、回転数、走行速度等の情報から、当該斜面の水平方向に対する角度Ａ１（図２参照）を推測することができる。ステップＳ２およびステップＳ４の処理において、制御装置４０は、推測した角度Ａ１に応じて、閾値圧力値Ｐ２の大きさを調整する。具体的には、角度Ａ１が大きいほど、閾値圧力値Ｐ２を大きくする。これにより、角度Ａ１が大きいほど、インジェクタ６の出力が大きくなり、大量の水素ガスが燃料電池２０に供給される。このため、傾斜した燃料電池２０内の残留水を排出することができる。

【0038】

ステップＳ６において、制御装置４０は、ステップＳ４の処理において決定したインジェクタ６の出力と、経過時間とから除去水量Ｗ２を算出する。次いで、制御装置４０は、ステップＳ８において、ステップＳ２の運転実績から算出された残留水量Ｗ１と、ステップＳ６で算出した除去水量Ｗ２とを比較する。ここで、残留水量Ｗ１は、運転実績に基づいて算出される燃料電池２０に残存すると推測される残留水Ｗの量である。残留水量Ｗ１の残留水Ｗが全て除去されれば、燃料電池２０内の排水が完了したと推測される。このため、除去水量Ｗ２が残留水量Ｗ１よりも大きい場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、制御装置４０は、残留水Ｗの排出が完了したと判定して、ステップＳ１０に進み、圧力指令値Ｐｄとして通常時圧力値Ｐ１を燃料ガス供給ユニット１０に送信する。この結果、インジェクタ６の出力が小さくなる。これにより、燃料電池２０に供給される水素ガスの流量Ｖが通常時流量Ｖ１まで低下する。その後、制御装置４０は、排水処理を終了する。

【0039】

一方、除去水量Ｗ２が残留水量Ｗ１よりも小さい場合（Ｓ８：ＮＯ）、制御装置４０は、まだ燃料電池２０内に残留水Ｗが溜まっている、すなわち、燃料電池２０内の排水が完了していないと判定して、ステップＳ１２において、燃料電池２０の圧力値Ｐと閾値圧力値Ｐ２とを比較する。圧力値Ｐが閾値圧力値Ｐ２に達していない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、制御装置４０は、再びステップＳ６の処理に戻り、除去水量Ｗ２を推測する。制御装置４０は、再びステップＳ８の処理を実行し、残留水量Ｗ１と除去水量Ｗ２とを比較する。この場合、燃料電池２０内の残留水量Ｗ１は、ステップＳ４の処理によって減少している。制御装置４０は、残留水量Ｗ１が所定の閾値水量を下回るまで、もしくは、圧力値Ｐが閾値圧力値Ｐ２に達するまで、ステップＳ６及びＳ８の処理を繰り返す。ここで、閾値水量は、燃料電池２０内に残留していても問題ないと判断される残留水Ｗの量である。閾値水量は、燃料電池２０のサイズ、発電量等に応じて算出される。

【0040】

圧力値Ｐが閾値圧力値Ｐ２に達した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、制御装置４０は、ステップＳ１４の処理に進み、第２の処理を開始する。ステップＳ１４の処理では、図３（Ａ）を参照して説明したように、制御装置４０は、圧力指令値Ｐｄとして通常時圧力値Ｐ１を燃料ガス供給ユニット１０に送信する。これにより、図３（Ｃ）を参照して説明したように、燃料電池２０に供給される水素ガスの流量Ｖが通常時流量Ｖ１に低下する。さらに、ステップＳ１６では、図３（Ｂ）を参照して説明したように、制御装置４０は、排気排水弁１６を開く。これにより、燃料電池２０内の圧力値Ｐが低下する。

【0041】

次いで、ステップＳ１８では、制御装置４０は、圧力値Ｐが通常時圧力値Ｐ１まで低下したか否かを判定する。圧力値Ｐが通常時圧力値Ｐ１まで低下していない場合（Ｓ１８：ＮＯ）、制御装置４０は、再びステップＳ１８の処理に戻り、圧力値Ｐが通常時圧力値Ｐ１まで低下したか否かを監視する。すなわち、制御装置４０は、圧力値Ｐが通常時圧力値Ｐ１まで低下するまで、ステップＳ１８の処理を繰り返す。

【0042】

圧力値Ｐが通常時圧力値Ｐ１まで低下した場合（Ｓ１８：ＹＥＳ）、制御装置４０は、再びステップＳ４の処理を実行し、圧力指令値Ｐｄとして閾値圧力値Ｐ２を燃料ガス供給ユニット１０に送信する。すなわち、圧力値Ｐが通常時圧力値Ｐ１まで低下した場合、制御装置４０は、再び、第１の処理を実行する。

【0043】

このように、本実施形態の制御装置４０は、第１の処理で圧力値Ｐが閾値圧力値Ｐ２に達した場合に、第２の処理で排気排水弁１６を開くことによって、燃料電池２０内の圧力値Ｐを低下させる。このため、比較的容易に燃料電池２０内の圧力値Ｐを低下させることができる。これにより、比較的短時間内に、大量の溜まった残留水Ｗを排出することができる。

【0044】

（第２実施形態）
図５及び図６を参照して、第２実施形態の燃料電池システム１００について説明する。第２実施形態の燃料電池システム１００は、第１実施形態の燃料電池システム１００と比較すると、第２の処理において異なる処理を実行するが、それ以外の点については同様の構成を有する。

【0045】

図５は、燃料電池２０内の圧力値Ｐの変化（図５（Ａ））と、燃料電池２０の発電電流値Ｉの変化（図５（Ｂ））と、燃料電池２０に供給される水素ガスの流量Ｖの変化（図５（Ｃ））と、を経時的に示す。図５（Ａ）は、図３（Ａ）と同様であり、図５（Ｃ）は、図３（Ｃ）と同様である。第２実施形態の制御装置４０は、第２の処理において、第２の期間Ｔ２にわたって、燃料電池２０の発電電流値Ｉを通常時電流値Ｉ１から排水時電流値Ｉ２まで増加させる。制御装置４０は、第２の期間Ｔ２にわたって、排水時電流値Ｉ２に対応する酸素を供給するように酸化ガス供給ユニット３０を制御する。これにより、燃料電池２０内の燃料ガスが、発電によって消費される。その結果、図５（Ａ）に示されるように、第２の期間Ｔ２では、圧力値Ｐが通常時圧力値Ｐ１に低下する。第１の処理によって燃料電池２０内の圧力値Ｐが上昇した場合であっても、本実施形態の燃料電池システム１００は、再び燃料電池２０に水素ガスを供給することができる。

【0046】

図６を参照して、本実施形態の制御装置４０が実行する処理について説明する。図６は、ステップＳ２６の処理が、図５のステップＳ１６とは異なるが、それ以外の点においては、図５と同様である。圧力値Ｐが閾値圧力値Ｐ２に達した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、制御装置４０は、ステップＳ１４で圧力指令値Ｐｄとして通常時圧力値Ｐ１を燃料ガス供給ユニット１０に送信して第２の処理を開始した後、ステップＳ２６の処理に進む。ステップＳ２６では、制御装置４０は、燃料電池２０の発電電流値Ｉを通常時電流値Ｉ１から排水時電流値Ｉ２まで増加させる。これにより、図５（Ａ）に示されるように、燃料電池２０内の圧力値Ｐが低下する。

【0047】

このように、本実施形態の制御装置４０は、圧力値Ｐが閾値圧力値Ｐ２に達した場合に、燃料電池２０の発電電流値Ｉを通常時電流値Ｉ１から排水時電流値Ｉ２まで増加させることによって、圧力値Ｐを低下させる。増加した発電量は、電気自動車のバッテリ（図示省略）に充電される。このため、水素ガスを無駄にすることなく、残留水Ｗを排出することができる。

【0048】

以上、本明細書が開示する技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。上記の実施形態の変形例を以下に列挙する。

【0049】

（変形例１）上述した第１実施形態の制御装置４０は、燃料電池２０の発電中に排水処理を実行したが、本変形例の制御装置４０は、燃料電池２０が発電を停止している間に排水処理を実行してもよい。その場合、例えば、図４のステップＳ１６の処理において、インジェクタ６を閉じてもよい。

【0050】

（変形例２）制御装置４０は、第１の処理において、インジェクタ６の出力を変更せずに、ポンプ１８のみの出力を変更して、水素ガスを燃料電池２０に供給してもよい。また、さらなる変形例では、制御装置４０は、第１の処理において、ポンプ１８の出力を変更せずに、インジェクタ６の出力のみを変更して、水素ガスを燃料電池２０に供給してもよい。

【0051】

（変形例３）第１実施形態の制御装置４０は、ステップＳ６の処理において、中圧側圧力センサ４の検出値とインジェクタ６を開いた時間とに基づいて、除去水量Ｗ２を算出してもよい。

【0052】

（変形例４）第１実施形態の制御装置４０は、ステップＳ１８の処理において、圧力値Ｐと通常時圧力値Ｐ１との比較をすることに代えて、低圧側圧力センサ１２の低加速度から排気量積算値を推定し、当該排気量積算値が所定の閾値を超えた場合に、再び第１の処理を開始してもよい。

【0053】

（変形例５）第２実施形態の制御装置４０は、ステップＳ１８の処理において、圧力値Ｐと通常時圧力値Ｐ１との比較をすることに代えて、発電電流値が所定の閾値発電電流値を超えた場合に、再び第１の処理を開始してもよい。

【0054】

（変形例６）燃料電池２０は、バイパスチューブ２９を備えなくてもよい。

【0055】

（変形例７）第１実施形態の制御装置４０は、ステップＳ４の処理において、燃料電池２０の傾斜する角度Ａ１に応じて、インジェクタ６の出力を変更しなくてもよい。すなわち、本変形例の制御装置４０は、燃料電池２０の傾斜する角度Ａ１に応じて水素ガスの供給量を変更しなくてもよい。

【0056】

（変形例８）制御装置４０は、ステップＳ２の処理において、燃料電池２０の運転実績に応じて排水処理を開始しなくてもよい。制御装置４０は、所定の期間毎に開始してもよいし、ユーザからの指示に応じて排水処理を実行してもよい。

【0057】

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【符号の説明】

【0058】

１ ：水素タンク
２ ：減圧弁
３、３３ ：供給管
４ ：高圧側圧力センサ
５ ：戻し管
６ ：インジェクタ
７、３７ ：排出管
８ ：エジェクタ
９ ：排気排水管
１０ ：燃料ガス供給ユニット
１２ ：低圧側圧力センサ
１４ ：気液分離器
１６ ：排気排水弁
１８ ：ポンプ
２０ ：燃料電池
２１ ：ケース
２２ａ ：アノード供給口
２２ｋ ：カソード供給口
２３ ：供給側マニホールド
２４ａ ：アノード排出口
２４ｋ ：カソード排出口
２６ ：複数のセル
２７ ：排出側マニホールド
２９ ：バイパスチューブ
３０ ：酸化ガス供給ユニット
３２ ：コンプレッサ
３４、３６、３８ ：弁
３５ ：バイパス管
４０ ：制御装置
１００ ：燃料電池システム
Ａ１ ：角度
Ｗ ：残留水

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】