JP2008262735A - 燃料電池システム及び排出弁の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内で発生した水を貯水部に貯留して排出弁により外部に排出する燃料電池システムにおいて、排水へのガスの混入を効果的に抑制する。
【解決手段】燃料電池２と、燃料電池２から排出される水を貯留する貯水部４０と、貯水部４０に設けられた排水口４１の下流に配設される排出弁３１と、排出弁３１を制御する制御手段５と、を備える燃料電池システム１において、貯水部４０の加速度Ａｕを検出する加速度検出手段６を備え、制御手段５は、加速度検出手段６により検出された貯水部４０の加速度Ａｕに基づいて貯水部４０内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁３１の開閉を制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システム及び排出弁の制御方法に関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムでは、発電に伴い、燃料電池の内部や燃料オフガスの循環流路に、窒素や一酸化炭素等の不純物や水分が経時的に蓄積する。そこで、燃料電池システムの循環流路に気液分離器を設け、この気液分離器に接続した排出弁を開放することにより、不純物や水分を外部に排出する技術（パージ技術）が提案されている。

近年においては、気液分離器の貯水容器に貯留された水の水位を算出することにより、排出弁からのガス及び水分の排出を制御する技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術においては、貯水容器内（又は排水管内）における水圧と水面上のガス圧との差圧に基づいて貯水容器内の水位を算出し、低水位の時には排出弁を閉じることにより、排水へのガスの混入を抑制している。
特開２００６−１３９９５７号公報

ところで、貯水容器から外部へ排出される排水へのガスの混入をより確実に抑制するためには、排水管と貯水容器との接続部である排水口が水面上に現れているか水面下へ隠れているかを正確に判定する必要がある。

ところが、燃料電池システムが車両等の移動体に搭載されている場合には、移動体の加減速や旋回に起因して、貯水容器内の貯留水に加速度に応じた慣性力が作用し、貯水容器内の貯留水がこの慣性力の方向や大きさに応じて移動し、水面は傾いた状態となる。従って、排水管と貯水容器との接続部が水面下に隠れるかどうかを正確に判定するためには、移動体の加速度による水面の傾きを考慮して貯水容器内の水位を算出する必要がある。

前記した特許文献１には、移動体の加減速や旋回に起因した水面の傾きを考慮した水位の算出方法については記載されていない。このため、前記した特許文献１に記載された従来の技術を採用すると、車両の加減速時や旋回時に排水管と貯水容器との接続部が水面下に隠れるかどうかを正確に判定することは困難であり、排水にガスが混入してしまう可能性があった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池内で発生した水を貯水部に貯留して排出弁により外部に排出する燃料電池システムにおいて、排水へのガスの混入を効果的に抑制することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出される水を貯留する貯水部と、貯水部に設けられた排水口の下流に配設される排出弁と、排出弁を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、貯水部の加速度を検出する加速度検出手段を備え、制御手段は、加速度検出手段により検出された貯水部の加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御するものである。

かかる構成を採用すると、加速度に基づく慣性力の発生によって水が貯水部内で移動している時に、水が排水口から排出可能な位置にあるか否かを判定し、その結果に基づいて排出弁の開閉制御を行うことができるので、排水へのガスの混入を効果的に抑制することができる。従って、燃料電池に循環させるべきガス（発電に寄与する燃料ガス）が無駄に排出されることを抑制することができるとともに、パージ動作における排水制御誤差の低減を図ることができる。

前記燃料電池システムにおいて、貯水部の加速度に基づいて、排出口が水面下に隠れているか否かの判定を行うとともに、排出口が水面下に隠れているときには排出弁の開放を許容し、排出口が水面下に隠れていないときには排出弁の開放を禁止する制御手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、排出口が水面下に隠れていないときには排出弁が開放されないので、排水へのガスの混入を効果的に抑制することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、貯水部の側面に排出口を設けることができる。また、貯水部として、燃料電池から排出される燃料オフガスから水を分離する気液分離器に設けられる貯水容器を採用することができる。また、排出弁として、貯水部内の水及び燃料オフガスの排出を行う排気排水弁を採用することができる。

また、前記燃料電池システムを、移動体に搭載することができる。かかる場合、移動体の直線運動及び／又は旋回運動に伴って発生する貯水部の加速度を検出する加速度検出手段を採用することができる。

かかる構成を採用すると、燃料電池システムを搭載した移動体の排水にガスが混入することを抑制することができる。従って、燃料電池に循環させるべきガス（燃料ガス）が無駄に排出されることを抑制することができるので、移動体の燃料消費率を向上させる（単位移動距離当りの燃料消費量を低減させる）ことが可能となる。

また、前記燃料電池システムにおいて、移動体の直線運動に伴って発生する直線方向の加速度を検出する加速度検出手段を採用することができる。かかる場合、直線方向の加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する制御手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、移動体の旋回運動に伴って発生する遠心力方向の加速度を検出する加速度検出手段を採用することができる。かかる場合、遠心力方向の加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する制御手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、移動体の直線運動及び旋回運動に伴って発生する直線方向及び遠心力方向の加速度を検出する加速度検出手段を採用することができる。かかる場合、直線方向及び遠心力方向の加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する制御手段を採用することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電量に基づいて貯水部に貯留される水量を推定する水量推定手段を備えることができる。かかる場合、加速度検出手段により検出された貯水部の加速度と、水量推定手段により推定された水量と、に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する制御手段を採用することができる。

また、本発明に係る制御方法は、燃料電池と、燃料電池から排出される水を貯留する貯水部と、貯水部に設けられた排水口の下流に配設される排出弁と、を備える燃料電池システムにおける排出弁の制御方法であって、貯水部の加速度を検出する加速度検出工程と、加速度検出工程において検出された加速度に基づいて貯水部内の水が排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行う水位判定工程と、水位判定工程における判定の結果に基づいて排出弁の開閉を制御する弁制御工程と、を備えるものである。

かかる方法を採用すると、加速度に基づく慣性力の発生によって水が貯水部内で移動している時に、水が排水口から排出可能な位置にあるか否かを判定し、その結果に基づいて排出弁の開閉制御を行うことができるので、排水へのガスの混入を効果的に抑制することができる。従って、燃料電池に循環させるべきガス（発電に寄与する燃料ガス）が無駄に排出されることを抑制することができるとともに、パージ動作における排水制御誤差の低減を図ることができる。

前記制御方法を、移動体に搭載される燃料電池システムにおける排出弁の制御方法に適用することができる。かかる場合、加速度検出工程で、移動体の直線運動及び／又は旋回運動に伴って貯水部に発生する加速度を検出することができる。

かかる方法を採用すると、燃料電池システムを搭載した移動体の排水にガスが混入することを抑制することができる。従って、燃料電池に循環させるべきガス（燃料ガス）が無駄に排出されることを抑制することができるので、移動体の燃料消費率を向上させる（単位移動距離当りの燃料消費量を低減させる）ことが可能となる。

本発明によれば、燃料電池内で発生した水を貯水部に貯留して排出弁により外部に排出する燃料電池システムにおいて、排水へのガスの混入を効果的に抑制することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本発明の燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池車両（移動体）Ｓに搭載される車載発電システムである。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図２に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御装置５と、燃料電池車両Ｓの加速度を検出する加速度センサ６と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、図示しない希釈器において水素オフガスと合流して水素オフガスを希釈し、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

水素供給源２１は、所定圧力（例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留可能な高圧ガスタンクで構成されている。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。

水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整する調圧弁２７と、電磁駆動式の開閉弁２８と、が設けられている。開閉弁２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力及び温度を検出する図示されていない圧力センサ及び温度センサが設けられている。また、開閉弁２８と合流部Ａ１との間にも図示されていない圧力センサが設けられている。これらのセンサで検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に係る情報は、水素ガスの供給制御やパージ制御に用いられる。調圧弁２７は、水素ガスのガス圧を予め設定した二次圧に減圧する。開閉弁２８は、制御装置５から伝送される制御信号により駆動制御され、水素供給流路２２側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整する。

水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。水素ポンプ２４は、図示されていないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。

循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものであり、後述する貯水容器４０（図３）を有している。排気排水弁３１は、制御装置５からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものであり、本発明における排出弁の一実施形態である。なお、本実施形態においては、気液分離器３０の貯水容器４０が燃料電池車両Ｓに固定状態で搭載されており、燃料電池車両Ｓに発生した加速度がそのまま貯水容器４０に発生するものとする。

排気排水弁３１の開放により、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して外部に排出される水素オフガスは、排気排水弁３１の下流に設けられた図示しない希釈器において、排気流路１２内の酸化オフガス（空気）と合流して希釈される。

制御装置５は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置５は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現される。

制御装置５には、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出する各センサの検出情報が入力される。制御装置５は、これらの検出情報や燃料電池２内の要求発電量に応じて、燃料電池２へ供給すべき反応ガスの流量を算出するとともに、排気排水弁３１から排出すべき水素オフガスの目標排出量（目標パージ量）を算出する。そして、制御装置５は、システム内の各種機器の動作を制御し、燃料電池２内への反応ガスの供給やパージ制御などの種々の処理や制御を行う。なお、図２においては、排気排水弁３１への制御信号及び加速度センサ６からの検出信号のみを表示し、他の制御信号及び検出信号については表示を省略している。

制御装置５には、加速度センサ６から、燃料電池車両Ｓ（及び気液分離器３０の貯水容器４０）に発生する加速度に係る情報が入力される。燃料電池車両Ｓには、図示しない車速センサが設けられており、加速度センサ６は、燃料電池車両Ｓが直進している時には、この車速センサの検出情報から車速の変化率を求めることにより、車両進行方向（直線方向）の加速度Ａｕ（図４）を検出する。また、加速度センサ６は、燃料電池車両Ｓが旋回している時には、燃料電池車両Ｓの操舵系に発生するトルクや操舵角度の変化率を求めることにより、横加速度（遠心力方向の加速度）Ａｖ（図５）を検出する。また、加速度センサ６は、直進と旋回の複合運動を行っている時には、直線方向の加速度（Ａｕ）及び遠心力方向の加速度（Ａｖ）の双方を検出することができる。加速度センサ６で検出された加速度Ａｕ及び横加速度Ａｖは、後述するように、排気排水弁３１の開閉制御に用いられる。加速度センサ６は、本発明における加速度検出手段の一実施形態である。

制御装置５は、排気排水弁３１を所定のタイミングで開閉することにより、気液分離器３０で回収された循環流路２３内の不要な水分を外部に排出するとともに、目標パージ量の水素オフガスを外部に排出するパージ制御を行う。制御装置５は、このパージ制御において、車両の加速度による慣性力が発生しているときには、気液分離器３０内に貯留された水の状態、すなわち、後述する貯水容器４０内の水の滞留位置に基づいて、排気排水弁３１の開放を許容又は禁止する制御を行う。すなわち、制御装置５は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。以下、その詳細について説明する。

図３（Ａ）、（Ｂ）は、気液分離器３０に設けられた貯水部としての貯水容器４０の断面図である。図３（Ａ）は貯水容器４０の車両前後方向の断面図、図３（Ｂ）は貯水容器４０の車幅方向の断面図である。図３において、貯水容器４０の車両前後方向の寸法をＵ、車幅方向の寸法をＶで示している。なお、この図は貯水容器４０の構成を概略的に示すものであり、貯水容器４０の上部及び細部は省略している。

本実施形態における貯水容器４０は略直方体であり、その底面と水平面とが略一致するように燃料電池車両Ｓに搭載されている。排気排水弁３１は、貯水容器４０の下方でなく、側方に配置されている。貯水容器４０は、車両側方（本実施形態においては車両右側）の側面下端に開口する排水口４１を有しており、この排水口４１に側方から排気排水流路２５が接続するようになっている。排水口４１から排出された水は、排気排水流路２５に設けられた排気排水弁３１へ流入する。排水口４１の中心の位置は、貯水容器４０の底面と同じ高さであり、かつ、車両後方側の側面からの距離がＵａで示される位置である。

貯水容器４０には、その上部に設けられた図示しない導入口から、循環流路２３内の水素オフガスから回収された水が導入される。導入された水は貯水容器４０の底部に溜まる。図３は、燃料電池車両Ｓに加速度が発生していない状態、例えば、燃料電池車両Ｓが停止している時や、一定速度で移動している時の水の状態を示している。この時、貯水容器４０内の水に作用する加速度は重力加速度ｇのみであるため、水面は水平となっている。

以下、燃料電池車両Ｓに加速度が発生した状態における排気排水弁３１の制御について説明する。

まず、車両直進時の制御について説明する。図４に、燃料電池車両Ｓが加速度Ａｕで加速しながら直線的に前進走行している時の貯水容器４０内の状態を示す。この図に示すように、燃料電池車両Ｓが加速度Ａｕで加速すると、貯水容器４０内の水には、重力に加えて、加速度Ａｕに対応する慣性力が加速度Ａｕの向きとは逆向き（車両後方向き）に発生する。この場合、貯水容器４０内の水は慣性力と重力の合力を受けて車両後方側に移動し、水面が傾いた状態となる。水面の傾きθｕは、以下の式（１）に基づいて算出される角度であり、車両後方側から車両前方側に向かって水面が低くなるように傾く。なお、式（１）において、「Ｇｕ」は、燃料電池車両Ｓの加速に伴って車両後方向きに発生した見かけの加速度であり、加速度Ａｕの大きさに等しい。

慣性力が大きく水面の傾きθｕが大きい場合には、貯水容器４０の車両後方側のみに水が滞留し、車両前方側では貯水容器４０の底面が露出した状態となる。貯水容器４０の底面が水面下に隠れていない領域と隠れている領域との境界の位置を、車両後方側の側面から距離ｕの位置とし、貯水容器４０内の水量をＱとすると、Ｑは以下の式（２）により算出される。そして、式（１）及び式（２）に基づいて、距離ｕは以下の式（３）により算出される。

式（３）において、「Ｖ」及び「ｇ」は定数である。従って、制御装置５は、貯水容器４０内に貯留した水量Ｑと、貯水容器４０内の水に作用する見かけの加速度Ｇｕ（＝Ａｕ）と、に基づいてｕを算出することができる。本実施形態における制御装置５は、燃料電池２の発電量に基づいて、貯水容器４０内に貯留される水量Ｑを推定することとしている。すなわち、制御装置５は、本発明における水量推定手段としても機能する。

次いで、制御装置５は、排気排水弁３１の開放を許容するか否かを決定するために、貯水容器４０内に滞留する水が、排水口４１から排出可能な位置にあるか否かの判定を行う。図４に示すように、燃料電池車両Ｓが加速している時には、この判定は、「ｕ＞Ｕａ」の判定式によって行うことができる。制御装置５は、この判定式に基づいて、貯水容器４０内の水が排水口４１から排出可能な位置にあるか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて排気排水弁３１の開閉を制御する。

具体的には、制御装置５は、「ｕ＞Ｕａ」の判定式を満たす時は、排水口４１が水面下にあるものと判定し、排気排水弁３１の開放を許容する。これにより、排水口４１から水のみを排出することができる。一方、制御装置５は、「ｕ＞Ｕａ」の判定式を満たさない時は、排水口４１が水面と同一高さ又は水面上にあるものと判定し、排気排水弁３１の開放を禁止する。「ｕ＞Ｕａ」の判定式を満たさない状態で排気排水弁３１を開放すると、水は一応排出できるものの水素オフガスが混入したり、水素オフガスのみが排出されたりするためである。

次に、車両旋回時の制御について説明する。図５に、燃料電池車両Ｓが右回りに旋回している時の貯水容器４０内の状態を示す。この図に示すように、燃料電池車両Ｓが旋回して貯水容器４０に横加速度Ａｖが発生すると、貯水容器４０内の水には、重力に加えて、横加速度Ａｖに対応する慣性力（遠心力）が横加速度Ａｖの向きとは逆向き（車両左側向き）に発生する。この場合、貯水容器４０内の水は慣性力と重力の合力を受けて車両左側に移動し、水面が傾いた状態となる。水面の傾きθｖは、以下の式（４）に基づいて算出される角度であり、車両左側から車両右側に向かって水面の位置が低くなるように傾く。なお、式（４）において、「Ｇｖ」は燃料電池車両Ｓの右旋回に伴って車両左側向きに発生した見かけの加速度であり、横加速度Ａｖの大きさに等しい。

遠心力が大きく水面の傾きθｖが大きい場合には、貯水容器４０の車両左側のみに水が滞留し、車両右側では貯水容器４０の底面が露出した状態となる。貯水容器４０の底面が水面下に隠れていない領域と隠れている領域との境界の位置を、車両左側の側面から距離ｖの位置とし、貯水容器４０内の水量をＱとすると、Ｑは以下の式（５）により算出される。そして、式（４）及び式（５）に基づいて、距離ｖは以下の式（６）により算出される。

式（６）において、「Ｕ」及び「ｇ」は定数である。従って、制御装置５は、貯水容器４０内に貯留した水量Ｑと、貯水容器４０内の水に作用する見かけの加速度Ｇｖ（＝Ａｖ）と、に基づいてｖを算出することができる。

次いで、制御装置５は、排気排水弁３１の開放を許容するか否かを決定するために、貯水容器４０内に滞留する水が、排水口４１から排出可能な位置にあるか否かの判定を行う。排水口４１は、車両右側の側面下端に設けられているため、燃料電池車両Ｓが右回りに旋回している時における判定は、「ｖ＞Ｖ」の判定式によって行うことができる。制御装置５は、この判定式に基づいて、貯水容器４０内の水が排水口４１から排出可能な位置にあるか否かの判定を行い、その判定結果に基づいて排気排水弁３１の開閉を制御する。

具体的には、制御装置５は、「ｖ＞Ｖ」の判定式を満たす時は、排水口４１が水面下にあるものと判定し、排気排水弁３１の開放を許容する。これにより、排水口４１から水のみを排出することができる。一方、制御装置５は、「ｖ＞Ｖ」の判定式を満たさない時は、排水口４１が水面と同一高さ又は水面上にあるものと判定し、排気排水弁３１の開放を禁止する。「ｖ＞Ｖ」の判定式を満たさない状態で排気排水弁３１を開放すると、水は一応排出できるものの水素オフガスが混入したり、水素オフガスのみが排出されたりするためである。

次に、燃料電池車両Ｓが直進と旋回の複合運動を行う場合の制御について説明する。かかる場合には、制御装置５は、加速度センサ６で検出される直線方向の加速度（加速度Ａｕ）及び遠心力方向の加速度（横加速度Ａｖ）の双方に基づいて、前記した判定式（「ｕ＞Ｕａ」及び「ｖ＞Ｖ」）を満たすか否かの判定を行う。そして、制御装置５は、２つの判定式の双方を満たす場合にのみ排気排水弁３１の開放を許容し、いずれか１つでも満たさない場合には、排気排水弁３１の開放を禁止する。

続いて、図６のフローチャートを用いて、上記各制御が行われる排気排水弁３１の制御方法について説明する。

まず、制御装置５は、加速度センサ６を用いて、燃料電池車両Ｓ（貯水容器４０）に発生する直線方向の加速度（加速度Ａｕ）及び遠心力方向の加速度（横加速度Ａｖ）を検出する（加速度検出工程：Ｓ１）。

次いで、制御装置５は、燃料電池車両Ｓが直線方向に加速している場合に、燃料電池２の発電量に基づいて推定した貯水容器４０内の水量Ｑと、加速度検出工程Ｓ１で検出した加速度Ａｕと、に基づいて、「ｕ＞Ｕａ」の判定式を満たすか否かの判定を行う。また、制御装置５は、右旋回している場合に、推定した水量Ｑと、加速度検出工程Ｓ１で検出した横加速度Ａｖと、に基づいて、「ｖ＞Ｖ」の判定式を満たすか否かの判定を行う（水位判定工程：Ｓ２）。これらの判定は、前記したように、貯水容器４０内の水が排水口４１から排出可能な位置にあるか否か（すなわち排水口４１が水面下に隠れているか否か）の判定を意味する。なお、制御装置５は、加速度Ａｕが零の場合には「ｕ＞Ｕａ」の判定を行わず、横加速度Ａｖが零の場合には「ｖ＞Ｖ」の判定を行わないものとする。

次いで、制御装置５は、水位判定工程Ｓ２において、加速度Ａｕに基づく判定及び横加速度Ａｖに基づく判定の双方を行った場合には、これらの双方の判定式を満たす場合にのみ排気排水弁３１の開放を許容して貯水容器４０から水のみを排出する（弁開放工程：Ｓ３ａ）。一方、制御装置５は、いずれかの判定式を満たさない場合には、排気排水弁３１の開放を禁止する（弁閉鎖工程：Ｓ３ｂ）。なお、制御装置５は、加速度Ａｕが零の場合には、横加速度Ａｖに基づく判定のみを行っているため、この判定式を満たせば排気排水弁３１の開放を許容し（弁開放工程：Ｓ３ａ）、満たさなければ排気排水弁３１の開放を禁止する（弁閉鎖工程：Ｓ３ｂ）。同様に、横加速度Ａｖが零の場合には、加速度Ａｕに基づく判定のみを行っているため、この判定式を満たせば排気排水弁３１の開放を許容し（弁開放工程：Ｓ３ａ）、満たさなければ排気排水弁３１の開放を禁止する（弁閉鎖工程：Ｓ３ｂ）。弁開放工程Ｓ３ａ及び弁閉鎖工程Ｓ３ｂは、本発明における弁制御工程の一実施形態を構成する。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、加速度に基づく慣性力の発生によって水が貯水容器４０内で移動している時に、加速度センサ６によって加速度を検出し、これに基づいて水が排水口４１から排出可能な位置にあるか否かを判定し、その結果に対応して排気排水弁３１の開閉制御を行う。具体的には、排出口４１が水面下に隠れているか否かを判定し、水面下に隠れていないときには排気排水弁３１の開放を禁止する。これにより、排水へのガスの混入を抑制することができ、パージ動作において、意図しないガスの排出を抑制することができる。従って、燃料電池車両Ｓの燃料消費率を向上させることができるとともに、排水制御誤差の低減を図ることができ、目標量の排水を排出することができる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、排水口４１を貯水容器４０の側面に設けているので、貯水容器４０からの水の排出流路である排気排水流路２５及び排気排水弁３１を、貯水容器４０の下方でなく側方に配置することができる。従って、貯水容器４０と排気排水弁３１の搭載スペースの高さを低くすることができ、燃料電池車両Ｓの低床化への対応が容易となる。

また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池車両Ｓに発生する直線方向の加速度と遠心力方向の加速度との双方に基づいて判定を行っているので、直線運動と旋回運動の複合運動を行っている場合にも、簡易な判定式で水が排出可能か否かを判定することができる。

なお、以上の実施形態においては、燃料電池車両Ｓが加速した場合の排気排水弁制御について説明したが、燃料電池車両Ｓが減速した場合においても同様の排気排水弁制御を行うことができる。

また、以上の実施形態においては、排水口４１を車両右側の側面下端に設け、燃料電池車両Ｓを右旋回させた場合の排気排水弁制御について説明したが、排水口４１を車両左側の側面下端に設け、燃料電池車両Ｓを左旋回させた場合においても同様の排気排水弁制御を行うことができる。

また、以上の実施形態においては、貯水容器４０の底面を水平としていたが、貯水容器４０の形状は種々改変可能である。例えば、矩形の底面でなく円形又は楕円形の底面や、多角形の底面であってもよい。また、底面に段差や傾斜が設けられていてもよい。このように貯水容器の形状を種々改変しても、排出口が水面の下に隠れるか否かを判定するための判定式を適切に設定することにより、同様の判定を行うことが可能である。よって、前記実施形態と同様に排水へのガスの混入を抑制することができる。

また、以上の実施形態においては、気液分離器３０の下流に排気と排水を一体で行う排気排水弁３１を設けた構成を採用したが、気液分離器３０で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路２３内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置５で排水弁及び排気弁を別々に制御し、排水弁の制御に上記実施形態の制御を適用することができる。かかる場合においても、前記実施形態と同様に排水へのガスの混入が抑制され、排水制御誤差の低減を図ることができるとともに、意図しないガスの排出を抑制することができる。

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（例えばロボット、船舶、航空機、電車等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（例えば住宅、ビル、工場等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムが搭載された燃料電池車両の概念図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図２に示した燃料電池システムの気液分離器に設けられた貯水容器を示すものであり、（Ａ）は車両前後方向における断面図、（Ｂ）は車幅方向における断面図である。 図１に示した燃料電池車両の直線走行時における貯水容器内の水の状態を示す断面図である。 図１に示した燃料電池車両の旋回時における貯水容器内の水の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る排気排水弁の制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、５…制御装置（制御手段、水量推定手段）、６…加速度センサ（加速度検出手段）、３０…気液分離器、３１…排気排水弁（排出弁）、４０…貯水容器（貯水部）、４１…排水口、Ａｕ…加速度（直線方向の加速度）、Ａｖ…横加速度（遠心力方向の加速度）、Ｓ…燃料電池車両（移動体）。

Claims (12)

1. 燃料電池と、前記燃料電池から排出される水を貯留する貯水部と、前記貯水部に設けられた排水口の下流に配設される排出弁と、前記排出弁を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記貯水部の加速度を検出する加速度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記加速度検出手段により検出された前記貯水部の加速度に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
   燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記貯水部の加速度に基づいて、前記排出口が水面下に隠れているか否かの判定を行うとともに、前記排出口が水面下に隠れているときには前記排出弁の開放を許容し、前記排出口が水面下に隠れていないときには前記排出弁の開放を禁止するものである、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排出口は、前記貯水部の側面に設けられるものである、
   請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記貯水部は、前記燃料電池から排出される燃料オフガスから水を分離する気液分離器に設けられる貯水容器である、
   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。
5. 前記排出弁は、前記貯水部内の水及び燃料オフガスの排出を行う排気排水弁である、
   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。
6. 移動体に搭載される燃料電池システムであって、
   前記加速度検出手段は、前記移動体の直線運動及び／又は旋回運動に伴って発生する前記貯水部の加速度を検出するものである、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記加速度検出手段は、前記移動体の直線運動に伴って発生する直線方向の加速度を検出し、
   前記制御手段は、前記直線方向の加速度に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記加速度検出手段は、前記移動体の旋回運動に伴って発生する遠心力方向の加速度を検出し、
   前記制御手段は、前記遠心力方向の加速度に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記加速度検出手段は、前記移動体の直線運動及び旋回運動に伴って発生する直線方向及び遠心力方向の加速度を検出し、
   前記制御手段は、前記直線方向及び遠心力方向の加速度に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
   請求項６に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池の発電量に基づいて前記貯水部に貯留される水量を推定する水量推定手段を備え、
    前記制御手段は、前記加速度検出手段により検出された前記貯水部の加速度と、前記水量推定手段により推定された水量と、に基づいて前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行うとともに、前記判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御するものである、
    請求項１から９の何れか一項に記載の燃料電池システム。
11. 燃料電池と、前記燃料電池から排出される水を貯留する貯水部と、前記貯水部に設けられた排水口の下流に配設される排出弁と、を備える燃料電池システムにおける排出弁の制御方法であって、
    前記貯水部の加速度を検出する加速度検出工程と、
    前記加速度検出工程において検出された加速度に基づいて、前記貯水部内の水が前記排水口から排出可能な位置にあるか否かの判定を行う水位判定工程と、
    前記水位判定工程における判定の結果に基づいて前記排出弁の開閉を制御する弁制御工程と、を備える、
    排出弁の制御方法。
12. 移動体に搭載される燃料電池システムにおける排出弁の制御方法であって、
    前記加速度検出工程では、前記移動体の直線運動及び／又は旋回運動に伴って発生する前記貯水部の加速度を検出する、
    請求項１０に記載の排出弁の制御方法。

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