燃料電池システム
【課題】安定した運用が行える燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】制御部が、燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、キャッチタンク２７に設けられた水位センサ２７ａ又は２７ｂによって検出又は推定された水位が所定の基準水位以上であると判定した場合に、ドレイン弁２６を開の状態に切り替えてキャッチタンク２７に貯留された水を排出させることを特徴とする。また、キャッチタンク２７が角度θだけ傾斜した場合には、傾斜角度θに応じて補正後水排出基準水位及び補正後水位を求めて前記判定を行う。
【解決手段】制御部が、燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、キャッチタンク２７に設けられた水位センサ２７ａ又は２７ｂによって検出又は推定された水位が所定の基準水位以上であると判定した場合に、ドレイン弁２６を開の状態に切り替えてキャッチタンク２７に貯留された水を排出させることを特徴とする。また、キャッチタンク２７が角度θだけ傾斜した場合には、傾斜角度θに応じて補正後水排出基準水位及び補正後水位を求めて前記判定を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とを供給することで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば燃料電池車の電力源として期待されている。
【０００３】
水素（燃料ガス）の利用率を高めるため、燃料電池から排出された水素はエゼクタなどにより再循環されるが、燃料電池から水素とともに排出された水分が、水素と一緒に循環されると、燃料電池が水分過多状態になりやすい。このため、アノードオフガスを循環させるための配管にキャッチタンクを設け、燃料電池から排出された水分が再度燃料電池に戻らないようにしている。
【０００４】
特許文献１には、気液分離機（キャッチタンク）に貯留された生成水の水位を検出し、検出された水位に基づいて気液分離機から燃料電池への水分の還流量を推定し、該還流量が所定値以上である場合には気液分離機に貯留された生成水を排出する技術について開示されている。
【０００５】
特許文献２には、イグニッションスイッチオフ後、酸化剤ガス流路内の液滴と燃料ガス流路内の液滴とをそれぞれ時間的に分けて除去することによってエアコンプレッサの駆動を抑制し、騒音を低減させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０５９２２１号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された技術において、気液分離機から燃料電池への水分の還流量を推定し、該還流量が所定値以上である場合には気液分離機に貯留された生成水を排出するという動作は、燃料電池が発電している間においてなされるものである。つまり、特許文献１に記載の技術では、ソーク（システム停止後の放置状態）中である場合において発生する結露水が気液分離機に多量に貯留された場合に、当該結露水を外部に排出することができない。したがって、燃料電池システムが次回起動する際のＯＣＶ（Open Circuit Voltage）パージ時などに、気液分離機に貯留された生成水が気流に同伴してエゼクタ方向にまわることによって燃料電池が水分過多状態になり、燃料電池システムの起動安定性を損なう可能性がある。
【０００８】
また、特許文献２に記載の技術では、イグニッションオフ後、酸化剤ガス流路の液滴と燃料ガス流路内の液滴とをそれぞれ除去した場合でも、燃料ガスを循環させる配管に設けられた水貯留部に液滴が過剰に貯留されている可能性がある。つまり、燃料電池システムが次回起動する際に水貯留部に貯留された生成水がエゼクタ方向にまわることによって発電性能が低下する可能性がある。
【０００９】
そこで本発明は、安定した運用が行える燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として本発明は、制御部が燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、水貯留部に設けられた水位検出手段により検出又は推定された水位が所定の基準水位以上であると判定した場合に、前記水排出手段を動作させて水貯留部に貯留された水を排出させることを特徴とする。
【００１１】
これによって本発明は、燃料電池システムが停止し、次回起動する際に水貯留部に貯留された水が気流に同伴して燃料電池に還流することにより、燃料電池が水分過多状態になるという事態を回避することができる。したがって、燃料電池システムの起動安定性を担保することができる。
【００１２】
また、本発明は傾斜角度取得手段を備え、水貯留部の傾斜角度によって決まる補正後基準水位と、水位検出手段により検出された水位と前記傾斜角度によって決まる補正後水位と、を比較して前記判定を行うことを特徴とする。
【００１３】
燃料電池システムを搭載した移動体が傾斜している場合には、燃料電池システムを構成する水貯留部も傾斜することになり、その分、水貯留部に貯留された水が気流に同伴して燃料電池に還流しやすくなる。本発明では、上記のような場合においても補正後基準水位及び補正後水位を求めることによって、燃料電池が水分過多状態になるという事態を回避することが可能となる。
【００１４】
また、本発明は傾斜角度取得手段を備え、燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、水貯留部に貯留された水の体積が、水貯留部の傾斜角度によって決まる補正後基準水量以上であると判定した場合に、水排出手段を動作させて水貯留部に貯留された水を排出させることを特徴とする。
【００１５】
これによって本発明は、燃料電池システムを搭載した移動体が傾斜している場合でも、水貯留部に貯留された水の量（体積）を算出し、その値を補正後基準水量と比較することによって、燃料電池が水分過多状態になるという事態を回避することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、安定した運用が行える燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池、キャッチタンク、エゼクタ、ドレイン弁、水素ポンプ及びこれらを接続する配管を示す図であり、（ａ）は発電停止直後に燃料ガスが還流する様子を示した図、（ｂ）はソーク時において燃料電池内の結露水がキャッチタンクに貯留する様子を示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水排出制御処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの水排出制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】水位センサを備えるキャッチタンクに水が貯留される様子を示す図であり、（ａ）はキャッチタンクが水平の場合であり、（ｂ）はキャッチタンクが傾斜している場合である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、傾斜に対する水排出判断補正の処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】キャッチタンクの水位センサ値と補正後水位との関係を示すグラフである。
【図９】キャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水位との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、傾斜に対する水排出判断補正の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】キャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水量との関係を示すグラフである。
【図１３】傾斜する路面上を移動体が走行する場合の速度、空気抵抗、転がり抵抗、勾配抵抗、接地加重、車両総重量を示すベクトルを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
≪第１実施形態≫
本発明の第１実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
＜燃料電池システムの構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システム１は、燃料電池車（移動体：図１３参照）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷媒系４０、制御系５０等によって構成されている。
【００２０】
＜１．燃料電池＞
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、図示しない膜/電極接合体 (Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）が複数積層されて構成されている。膜/電極接合体は、図示しない電解質膜（Proton Exchange Membrane：ＰＥＭ）、これを挟持するアノード（図示せず）およびカソード（図示せず）、さらにその外側にガス拡散層である一対のカーボンペーパ（図示せず）等を備えて構成されている。
【００２１】
また、燃料電池１０は、アノード側のカーボンペーパ（図示せず）に対向するセパレータ（図示せず）の表面に、水素（燃料ガス）が流通する流路１０ａが形成され、カソード側のカーボンペーパ（図示せず）に対向するセパレータ(図示せず)の表面に、空気（酸化剤ガス）が流通する流路１０ｂが形成されている。また、セパレータには、燃料電池１０を冷却する冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）が流通する流路１０ｃが形成されているが、これらは周知なものなので、その説明を省略する。なお、カーボンペーパの流路１０ｃに近い部位が結露により水分過多状態になりやすく、その場合にはガス（水素及び空気）の拡散を阻害して燃料電池１０の発電性能を低下させる。
【００２２】
＜２．アノード系＞
アノード系２０は、水素タンク２１、電磁作動式の遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、アノードエア排出弁２５、ドレイン弁２６、キャッチタンク２７、希釈ボックス２８、水素ポンプ２９、配管ａ１〜ａ１１等で構成されている。
水素タンク２１は、配管ａ１を介して遮断弁２２と接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。遮断弁２２は配管ａ２を介してエゼクタ２３と接続され、その開閉により、水素タンク２１から配管ａ１を介した水素の供給を調整する。
エゼクタ２３は、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード側の流路１０ａの入口と接続されている。エゼクタ２３は、水素タンク２１から供給された水素を図示しないノズルから噴射することによりノズルの周囲に負圧を発生させて、アノード側の流路１０ａの出口から排出された未反応の水素を吸引するように構成されている。
【００２３】
キャッチタンク２７は、配管ａ４を介して燃料電池１０のアノードから排出されるオフガスに含まれる水分を分離して貯留する。
パージ弁２４は、配管ａ６から分岐した配管ａ７に接続され、配管ａ８を介して希釈ボックス２８と接続されている。パージ弁２４は、その開閉により、循環経路（配管ａ３、流路１０ａ、配管ａ４、ａ６）に蓄積した不純物を、希釈ボックス２８を介して外部（車外）に排出する機能を有する。なお、不純物とは、カソードから電解質膜を介してアノード側に透過した窒素や水分等である。
【００２４】
アノードエア排出弁２５は配管ａ５と接続され、配管ａ９を介して希釈ボックス２８と接続されている。アノードエア排出弁２５は、アノード掃気を行うためにアノードエア導入弁３３を介して導入された空気を希釈ボックス２８を介して外部（車外）に排出する機能を有する。
ドレイン弁２６は、配管ａ１０を介してキャッチタンク２７の下部と接続され、配管ａ１１を介して希釈ボックス２８と接続されている。ドレイン弁２６は、開弁することによりキャッチタンク２７に貯留された水を希釈ボックス２８を介して外部（車外）に排出する機能を有する。
希釈ボックス２８は、配管ａ８、ａ９を介して流入する不純物を希釈し、その濃度を低下させる機能を有する。
水素ポンプ２９は、燃料電池１０の運転停止後に、水分パージを行う必要があると判定された場合に作動させ、循環経路（配管ａ３、流路１０ａ、配管ａ４、ａ６）に溜まった水をキャッチタンク２７に追い込むために、上記循環経路内のオフガスに所定の圧力をかける。また、水素ポンプ２９は、運転時においてはエゼクタ２３を補助するように作動される。なお、水素ポンプ２９は必須の構成ではないので省略可能である。
【００２５】
＜３．カソード系＞
カソード系３０は、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３２、アノードエア導入弁３３、配管ｂ１〜ｂ４等で構成されている。エアコンプレッサ３１は配管ｂ１と接続されており、外気を圧縮した空気を燃料電池１０に供給する。
背圧制御弁３２は、配管ｂ２を介して燃料電池１０のカソード側の流路１０ｂの出口と接続されており、燃料電池１０のカソードに供給されるカソード圧力を調整するものである。アノードエア導入弁３３は、一方は配管ｂ１から分岐した配管ｂ３に接続され、他方は配管ｂ４を介して配管ａ３に接続される。アノードエア導入弁３３は、その開閉により、外部から導入する空気の量を調整する。
【００２６】
＜４．冷媒系＞
冷媒系４０は、ラジエタ４１、冷却水ポンプ４２、配管ｃ１〜ｃ３等で構成されている。ラジエタ４１は、配管ｃ１を介して流路１０ｃの出口と接続され、配管ｃ２を介して冷却水ポンプ４２に接続されている。ラジエタ４１は、外気との間で熱交換を行うものであり、冷媒を介して燃料電池１０を放熱させる機能を有する。
冷却水ポンプ４２は、配管ｃ２を介してラジエタ４1と接続され、配管ｃ３を介して流路１０ｃの入口と接続されている。冷却水ポンプ４２は、所定の圧力をかけることによって、配管ｃ１、ｃ２、ｃ３中の冷却水を循環させる機能を有する。
【００２７】
＜５．制御系＞
制御系５０は、制御装置５１、傾斜センサ５２、温度センサ（図示せず）等によって構成される。
制御装置５1は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）等で構成され、遮断弁２２、パージ弁２４およびアノードエア排出弁２５、ドレイン弁２６、アノードエア導入弁３３を開閉制御し、エアコンプレッサ３１及び冷却水ポンプ４２の各モータ（図示せず）の回転速度、背圧制御弁３２の弁開度等を制御する。また、制御装置５1は温度センサ（図示せず）によって検出された、配管ａ５を通過するオフガス、配管ｂ２を通過するオフガス、配管ｃ１を通過する冷媒の温度等をそれぞれ監視する。
制御装置５１は、水排出制御部５１１、水排出判断補正部５１２、傾斜角度取得部５１３を備えるが、これらについての説明は後述する。
【００２８】
＜フラッディング（水分過多状態）について＞
図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池、キャッチタンク、エゼクタ、ドレイン弁、水素ポンプ及びこれらを接続する配管を示す図であり、（ａ）は発電停止直後に燃料ガスが還流する様子を示した図、（ｂ）はソーク時において燃料電池内の結露水がキャッチタンクに貯留する様子を示した図である。
【００２９】
図２（ａ）において、燃料電池１０の発電が停止するまでは、燃料ガス（水素）が配管ａ３を介してアノード側の流路に供給され、燃料電池１内で酸化剤ガス（酸素）と反応する。そして、反応後の燃料ガス、未反応の燃料ガス、及び不純物（これらを合わせて以下、単に「オフガス」という。）が配管ａ４を通過する。オフガスが配管ａ４を通過する際に、オフガスに含まれる水分がキャッチタンク２７に貯留する。ここで、燃料電池１０における発電停止直後のキャッチタンク２７に貯留された水の水位はｈ１となっている。
【００３０】
しかし、ソーク中（イグニッションスイッチ（図示せず）がオフ状態となって燃料電池システム１が停止し、放置されている状態）は燃料電池システム１の温度が低下するため、高湿度のアノード系２０や燃料電池１０に積層されたセル（図示せず）に、結露による水滴が大量に発生する。さらに当該結露による水滴はアノード側の流路及び配管ａ４を介してキャッチタンク２７に流れ込む。
そうすると、図２（ｂ）に示すように、キャッチタンク２７に貯留された水の水量が増加し、発電停止直後はｈ１であった水位がソーク状態に入ってから所定時間経過後にはｈ２（ここで、ｈ２＞ｈ１である。）となる。そして、さらに水位が上昇してｈ３（ここで、ｈ３＞ｈ２である。）となった場合には、燃料電池システム１が次回起動する際のＯＣＶパージ時において、次のような事態が発生することが考えられる。すなわち、キャッチタンク２７に貯留された水が、気流に同伴してエゼクタ方向にまわることによってフラッディング（水過多状態）が発生するという事態である。したがって、燃料電池システム１の起動安定性を担保するため、キャッチタンク２７に貯留された水の水位が所定の基準水位に達している場合には、キャッチタンク２７に貯留された水を排出する必要がある。
【００３１】
＜水排出制御処理＞
図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水排出制御処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
まず、図３（ａ）を参照しつつ、ソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合の水排出制御処理の流れを説明する。ステップＳ１０１において、燃料電池システム１の制御装置５１に内蔵された図示しない所定時間間隔でのシステム健全性監視機能（ＲＴＣ（real-time clock）監視）が、ソーク中に稼動する。ステップＳ１０２において制御装置５１は、燃料電池システム１が停止してから所定時間Ｔ１が経過したか否かを判断する。ステップＳ１０２において燃料電池システム１が停止してから所定時間Ｔ１が経過した場合には（ステップＳ１０２→Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０２において燃料電池システム１が停止してから所定時間Ｔ１が経過していない場合には（ステップＳ１０２→Ｎｏ）、ステップＳ１０２にリターンする。
【００３２】
ステップＳ１０３において、制御装置５１は、キャッチタンク２７に貯留された水の水位Ａが、燃料電池システム１のフラッディングを防止するための水排出基準水位（所定の基準水位）Ｂ以上になったか否かを判断する。なお、製造段階の試験等において所定距離Ｌ（図５（ａ）参照）が予め求められているため、水排出基準水位Ｂも既知である。所定距離Ｌの詳細については後記する。
水位Ａが水排出基準水位Ｂ以上である場合には（ステップＳ１０３→Ｙｅｓ）、水排出制御処理を行い（ステップＳ１０４）、終了する。水位Ａが水排出基準水位Ｂ未満である場合には（ステップＳ１０３→Ｎｏ）、水排出制御処理を行わず、そのまま終了する。
【００３３】
次に、図３（ｂ）を参照しつつ、起動時発電前にキャッチタンク２７の水を排出する場合の水排出制御処理の流れを説明する。ステップＳ２０１において、ユーザの操作によりイグニッションスイッチ（図示せず）がオンになる。ステップＳ２０２において制御装置５１は、キャッチタンク２７に貯留された水の水位Ａが水排出基準水位（所定の基準水位）Ｂ以上になったか否かを判断する。水位Ａが水排出基準水位Ｂ以上である場合には（ステップＳ２０２→Ｙｅｓ）、ステップＳ２０３に進んで水排出制御処理を行う。ステップＳ２０３の水排出制御処理が終了した場合、又はステップＳ２０２で水位Ａが水排出基準水位Ｂ未満であった場合（ステップＳ２０２→Ｎｏ）には、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４において、制御装置５１はＯＣＶチェックを行った後、発電を開始する（ステップＳ２０５）。
ただし、図３（ｂ）において、ステップＳ２０３の水排出制御処理とステップＳ２０４のＯＣＶチェックとを並行して行ってもよい。
【００３４】
次に、図３（ａ）のステップＳ１０４の水排出制御処理について説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの水排出制御処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１０４ａにおいて制御装置５１の水排出制御部５１１（図１参照）は、アノード循環経路（配管ａ３、流路１０ａ、配管ａ４、ａ６：図１参照）に溜まった水をキャッチタンク２７に追い込むため、水素ポンプ２９（図２参照）を作動させる。このときに生じる圧力によって循環流路内のガスは、配管ａ６、ａ３、流路１０ａ、配管ａ４の順に流れて、循環流路内の水分をキャッチタンク２７に追い込む。次にステップＳ１０４ｂにおいて水排出制御部５１１は、ドレイン弁２６（図２参照）を閉状態から開状態に切り替え、キャッチタンク２７（図２参照）に貯留された水を排出する。ステップＳ１０４ｃにおいて水排出制御部５１１は、キャッチタンク２７に設置された水位センサ（図示せず）によって検出された水位Ａが所定値Ｃ以下であるか否かを判断する。ステップＳ１０４ｃにおいて水位Ａが所定値Ｃ以下であった場合（ステップＳ１０４ｃ→Ｙｅｓ）、制御装置５１はドレイン弁２６を開状態から閉状態に切り替えて（ステップＳ１０４ｄ）、水排出処理を終了する。ステップＳ１０４ｃにおいて水位Ａが所定値Ｃより大きい場合（ステップＳ１０４ｃ→Ｎｏ）、ステップＳ１０４ａにリターンする。
【００３５】
上記の処理は及び図３（ｂ）のステップＳ２０３の水排出制御処理においても同様である。
なお、上記のステップＳ１０４ａにおいて、エアコンプレッサ３１（図１参照）を駆動させ、アノードエア導入弁３３（図１参照）及びアノードエア排出弁２５（図１参照）を閉状態から開状態に切り替えることにより、アノード掃気を行ってもよい。
また、上記ではステップＳ１０４ａにおいて水素ポンプ２９又はエアコンプレッサ３１を作動させて、気流によりキャッチタンク２７に水を追い込む例を示したが、気流を作らずとも重力によって水分をキャッチタンク２７に落下させるようにしてもよい。
【００３６】
本実施形態では、燃料電池システム１のソーク中又は起動時発電前において、キャッチタンク２７（図２参照）に貯留されている水の水位Ａが水排出基準水位Ｂ以上であるか否か判断する。水位Ａが水排出基準水位Ｂ以上である場合には、ドレイン弁２６（図２参照）を開の状態に切り替えてキャッチタンク２７に貯留されている水を排出する。
したがって、ソーク中に高湿度のアノード系２０内で結露によって発生する水滴がキャッチタンク２７に過剰に溜まり、次回起動時にキャッチタンク２７に貯留された水が気流に同伴して燃料電池１０に達し、フラッディングの状態になってしまうという事態を回避することができる。
よって、本実施形態によれば、燃料電池システム１の発電安定性を確保し、スムーズに起動することが可能となる。
【００３７】
≪第２実施形態≫
次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。図５は、水位センサを備えるキャッチタンクに水が貯留される様子を示す図であり、（ａ）はキャッチタンクが水平の場合であり、（ｂ）はキャッチタンクが傾斜している場合である。
アノード出口から排出されたアノードオフガスは、矢印の方向に配管ａ４を流れている。キャッチタンク２７には、水位センサ２７ａ又は２７ｂが設置されている。実際には水位センサ２７ａ、２７ｂのいずれか一方がキャッチタンク２７に設置されているが、ここでは便宜的に水位センサ２７ａ、２７ｂの両方が描かれている。
【００３８】
車両１００（図１３参照）が水平な路面を走行又は停車している場合、図５（ａ）のようにキャッチタンク２７も水平な状態になる。なお、Ａはキャッチタンク２７に貯留された水の水位であり、Ｂはキャッチタンク２７が水平状態である場合において、燃料電池システム１のフラッディングを防止するための水排出基準水位である（以下、単に水排出基準水位ということがあるものとする）。
車両１００（図１３参照）が水位センサ２７ａの方向に角度θだけ傾斜した場合、キャッチタンク２７は図５（ａ）の水平状態から図５（ｂ）の傾斜状態となる。図５（ｂ）の傾斜状態において、キャッチタンク２７は水位センサ２７ａの方向に角度θだけ傾斜するが、キャッチタンク２７に貯留された水の水面は、ほぼ水平な状態を保っている。ここで、車両１００の傾斜角度とキャッチタンク２７の傾斜角度とは等しいものとする。
【００３９】
なお、キャッチタンク２７の水がエゼクタ副流側に流れる条件は、キャッチタンク２７の角部である点Ｐから水面を含む平面までの鉛直方向の距離による。したがって、図５（ｂ）のようにキャッチタンク２７が傾斜した場合には、水排出基準水位Ｂ´を示す点は、キャッチタンク２７の角部である点Ｐから所定の距離Ｌだけ鉛直下向き方向に下った点Ｑを含む水平面がキャッチタンク２７の傾き方向において交わる点Ｒにより与えられる。なお、上記距離Ｌはキャッチタンク２７の傾斜角度の変化に対して一定であり、所定距離Ｌの値は製造段階の試験等において予め求められている。
なお、図５（ｂ）においてＡ´はキャッチタンク２７に貯留された水の水面が、傾き方向においてキャッチタンク２７と接する部分の水位を示している。また、Ａ１は水位センサ２７ａで検出される水位であり、Ａ２は水位センサ２７ｂで検出される水位である。
【００４０】
キャッチタンク２７が傾斜した場合、水位Ａ´（補正後水位）は水平状態の場合の水位Ａと比較して上昇する。また、上記の所定距離Ｌは変化しないが、水排出基準水位Ｂ´（補正後水排出基準水位）は水平状態の場合と比較して下降する。
つまり、キャッチタンク２７が傾斜する角度θが大きいほど水位Ａ´と水排出基準水位Ｂ´とが近接することとなる。さらに水位Ａ´が水排出基準水位Ｂ´に達すると、燃料電池システム１にフラッディングが生ずる可能性がでてくる。
【００４１】
したがって、キャッチタンク２７が角度θだけ傾斜した場合に、補正後水位Ａ´及び補正後水排出基準水位Ｂ´を推定し、当該補正後水位Ａ´を補正後水排出基準水位Ｂ´と比較する必要がある。
なお、角度θの導出方法又は確認方法については後述する。
【００４２】
図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
図３で説明した第１実施形態の場合と比べて第２実施形態は傾斜に対する水排出判断補正の処理が追加され、その結果に基づいてその後の比較処理がなされる点が異なるが、その他の部分については第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態の場合と重複する点についてはその説明を省略する。
【００４３】
図６（ａ）において制御装置５１（図１参照）は、燃料電池システム１が停止してから所定時間Ｔ１が経過した場合には（ステップＳ３０２→Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３において制御装置５１の水排出判断補正部５１２（図１参照）は、傾斜に対する水排出判断補正を行う。
【００４４】
図７は、傾斜に対する水排出判断補正の処理（ステップＳ３０３）の流れを示すフローチャートである。ステップＳ３０３ａにおいて水排出判断補正部５１２（図１参照）は、補正後水排出基準水位Ｂ´を決定する。水位センサ２７ａ又は２７ｂ（図５（ａ）参照）の取付け位置及び所定距離Ｌ（図５（ｂ）参照）が既知であるため、補正後水排出基準水位Ｂ´の値は、キャッチタンク２７の傾斜角度θ(図５（ｂ）参照)によって決まる。
ステップＳ３０３ｂにおいて水排出判断補正部５１２は、補正後水位Ａ´を算出する。水位センサ２７ａ又は２７ｂの取付け位置が既知であるため補正後水位Ａ´の値は、水位センサ２７ａ又は２７ｂによって得られる水位Ａ１又はＡ２と傾斜角度θの値とから算出することができる。
【００４５】
再び図６に戻って、ステップＳ３０４で制御装置５１は、補正後水位Ａ´が補正後水排出基準水位Ｂ´以上であるか否か判断する。補正後水位Ａ´が補正後水排出基準水位Ｂ´以上である場合には（ステップＳ３０４→Ｙｅｓ）、ステップＳ３０５において水排出制御部５１１（図１参照）が水排出制御処理を行う。水排出制御処理については図４を用いて説明したものと同様なので、その説明を省略する。
つまり、水排出判断補正の処理は、水位Ａ１又はＡ２を補正後水位Ａ´（Ａ´≧Ａ１，Ａ２である。）に補正し、水平時の水排出基準水位Ｂを補正後水排出基準水位Ｂ´（Ｂ´≦Ｂである。）に補正し、両者の大小を比較することによって行われる。
【００４６】
図８は、キャッチタンクの水位センサ値と補正後水位との関係を示すグラフである。例えば水位センサが２７ａ（図５（ｂ）参照）側に設置されている場合について考える。水位センサ２７ａ方向にキャッチタンク２７が角度θだけ傾き、水位センサ２７ａによって検出された水位がＡ１（図５（ｂ）、図８参照）である場合に、補正後水位Ａ´の値はＡ１より大きくなる。この傾向は傾斜角度θが大きければ大きいほど顕著になる。
図９は、キャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水位との関係を示すグラフである。キャッチタンク２７の傾斜角度θが大きくなるにしたがって、補正後水排出基準水位Ｂ´の値は小さくなる。
【００４７】
次に、起動時発電前にキャッチタンク２７の水を排出する場合について説明する。図６（ｂ）は図３（ｂ）と比較して、ステップＳ４０２で傾斜に対する水排出判断補正の処理が追加されている点とステップＳ４０３の比較処理が異なるが、その他の点は図３（ｂ）と同様である。また、ステップＳ４０２の水排出判断補正とステップＳ４０３の比較処理については図６（ａ）で説明したステップＳ３０３及びステップＳ３０４と同様であるので、その説明を省略する。
【００４８】
本実施形態では、水排出基準水位Ｂを補正して補正後水排出基準水位Ｂ´とし、水位センサ２７ａ又は２７ｂによって検出された水位Ａ１又はＡ２を補正して補正後水位Ａ´とする。当該補正によって、キャッチタンク２７が水平状態であった場合にはフラッディングが生じない水量でも、キャッチタンク２７が傾斜状態となった場合にはフラッディングが生じてしまうという事態を回避することができる。
したがって、車両１００（図１３参照）が傾斜した路面上に停車した場合でも、上記の水排出判断補正を行うことによって次回起動時のフラッディングを回避し、燃料電池システム１の発電安定性を確保してスムーズに起動することが可能となる。
【００４９】
≪第３実施形態≫
第２実施形態ではキャッチタンク２７が傾斜している状態において、キャッチタンク水位と水排出基準水位とを比較することで水排出判断補正を行っていた。これに対し、第３実施形態ではキャッチタンク水量と水排出基準水量とを比較することで水排出判断補正を行う。
図１０は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
【００５０】
図１０（ａ）、（ｂ）は第２実施形態で説明した図６（ａ）、（ｂ）と比較して、傾斜に対する水排出判断補正の内容（図１０（ａ）のステップＳ５０３、図１０（ｂ）のステップＳ６０２）と、その後の比較処理（図１０（ａ）のステップＳ５０４、図１０（ｂ）のステップＳ６０３）が異なるが、その他の点は図６（ａ）、（ｂ）と同様である。したがって、図６（ａ）、（ｂ）と重複する部分についてはその説明を省略する。
なお、角度θの導出方法又は確認方法については後述する。
【００５１】
図１０(ａ)のステップＳ５０３の傾斜に対する水排出判断補正について説明する。図１１は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、傾斜に対する水排出判断補正の処理の流れを示すフローチャートである。
図１１のステップＳ５０３ａにおいて水排出判断補正部５１２（図１参照）は、補正後水排出基準水量を決定する。ここで、キャッチタンク２７が水平状態である場合（図５（ａ）参照）の水排出基準水量をＹとし、キャッチタンク２７が傾斜した場合（図５（ｂ）参照）の水排出基準水量（補正後水排出基準水量）をＹ´とする。補正後水排出基準水量Ｙ´は、キャッチタンク２７に貯留されている水の水面が図５（ｂ）における補正後水排出基準水位Ｂ´を与える点にかかっている場合の水量である。
キャッチタンク２７の形状、所定距離Ｌ（図５（ｂ）参照）、及び水位センサ２７ａ、２７ｂの取付け位置は既知であるため、補正後水排出基準水量Ｙ´は傾斜角度θによって決まる。
【００５２】
ステップＳ５０３ｂにおいて水排出判断補正部５１２（図１参照）は、キャッチタンク２７に貯留された水の量（体積）を算出する。なお、外部の配管から水が供給されない限り、キャッチタンク２７の傾斜角度θによってキャッチタンク２７に現在貯留されている水の水量（体積）が変化することはないので、補正するのは水排出基準水量のみでよい。また、キャッチタンク２７に貯留された水の量（体積）は、キャッチタンク２７の形状、及び水位センサの取り付け位置は既知であるため、水位センサ２７ａ又は２７ｂによって検出された水位Ａ１又はＡ２と、傾斜角度θとから求めることができる。
【００５３】
図１０（ａ）のステップＳ５０３において水排出判断補正を行った後、ステップＳ５０４において制御装置５１は、キャッチタンク水量Ｘが補正後水排出基準水量Ｙ´以上であるか否かを判断する。キャッチタンク水量Ｘが補正後の水排出基準水量Ｙ´以上あった場合には（ステップＳ５０４→Ｙｅｓ）、水排出制御部５１１は水排出制御処理を行う（ステップＳ５０５）。
図１２はキャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水量との関係を示すグラフである。
図１２に示すようにキャッチタンク２７の傾斜角度θが大きくなるにつれて、補正後の水排出基準水量Ｙ´の値は小さくなる。
【００５４】
次に、起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合について説明する。図１０（ｂ）のステップＳ６０１でイグニッションスイッチ（図示せず）がオンになった後、制御装置５１の水排出判断補正部５１２（図１参照）は、傾斜に対する水排出判断補正を行う（ステップＳ６０２）。なお、当該水排出判断補正については上記と同様である。ステップＳ６０３において制御装置５１（図１参照）は、キャッチタンク水量Ｘが補正後水排出基準水量Ｙ´以上であるか否か判断する。キャッチタンク水量Ｘが補正後の水排出基準水量Ｙ´以上である場合には（ステップＳ６０３→Ｙｅｓ）、ステップＳ６０４において水排出制御部５１１（図１参照）が水排出制御処理を行う。
【００５５】
以上説明したように本実施形態では、キャッチタンク２７が水平状態であった場合にはフラッディングが生じない水量でも、キャッチタンク２７が傾斜状態となった場合にはフラッディングが生じてしまうという事態を、水排出基準水量を補正することによって回避することができる。
したがって、車両１００（図１３参照）が傾斜した路面上に停車した場合でも、上記の水排出判断補正を行うことによって次回起動時のフラッディングを回避し、燃料電池システムの発電安定性を確保してスムーズに起動することが可能となる。
【００５６】
≪傾斜角度θの導出について≫
傾斜角度θの導出はさまざまな方法を用いて行うことが可能であるが、ここでは主に移動体の走行抵抗等を利用して傾斜角度θを算出する場合について説明する。図１３は、傾斜する路面上を移動体が走行する場合の速度、空気抵抗、転がり抵抗、勾配抵抗、接地加重、車両総重量を示すベクトルを表した図である。
車両（移動体）１００が水平面から角度θだけ傾斜した路面上を速度Ｖで走行している場合を考える。傾斜角度θを導出するために、上記速度Ｖで傾斜路面を走行する車両１００の走行抵抗Ｄを求める。ここで、空気抵抗をＡ、転がり抵抗をＦ、勾配抵抗をＧとすると、走行抵抗Ｄは以下のようになる。
Ｄ＝Ａ＋Ｆ＋Ｇ ・・・（式１）
【００５７】
なお、空気抵抗Ａ、転がり抵抗Ｆ、勾配抵抗Ｇは、以下の式から求められる。ここで、空気抵抗係数をμｃ、車両１００の前面投影面積をＳ、転がり抵抗係数をμＲ、車両総重量をＷ、重力加速度をｇとしている。
Ａ＝μｃＳＶ２ｇ ・・・（式２）
Ｆ＝μＲＷｇ・cosθ ・・・（式３）
Ｇ＝Ｗｇ・sinθ ・・・（式４）
【００５８】
上記式の中で、cosθ及びsinθ以外については既知の値である。
一方、走行抵抗Ｄは、以下の式からも求められる。ここで駆動力をＪ、余裕駆動力をＫとする。
Ｄ＝Ｊ−Ｋ ・・・（式５）
【００５９】
なお、駆動力Ｊ（駆動中の場合をＪ１、回生中の場合をＪ２とする）、余裕駆動力Ｋは、以下の式から求められる。ここで、モータ軸トルクをＭ、ギア比をＮ、トランスミッション効率をα、車両１００のタイヤ半径をＲ、車両１００の加速度をａ、車両総重量をＷ、イナーシャウェイト（回転慣性）をＩとする。
Ｊ１＝ＭＮα／Ｒ ・・・（式６）
Ｊ２＝ＭＮ／（αＲ） ・・・（式７）
Ｋ＝ａ（Ｗ＋Ｉ） ・・・（式８）
【００６０】
上記の値（モータ軸トルクＭ、ギア比Ｌ、トランスミッション効率α、タイヤ半径Ｒ、加速度ａ、車両総重量Ｗ、回転慣性Ｉ）については全て計算等により取得することができるから、駆動力Ｊ（Ｊ１又はＪ２）及び余裕駆動力Ｋも（式６）〜（式８）により算出することができる。
式（１）、式（５）から、走行抵抗Ｄを消去すると、以下のようになる。
Ａ＋Ｆ＋Ｇ＝Ｊ−Ｋ ・・・（式９）
【００６１】
（式９）に（式２）、（式３）、（式４）をそれぞれ代入すると、以下のようになる。
μｃＳＶ２ｇ＋μＲＷｇ・cosθ＋Ｗｇ・sinθ＝Ｊ−Ｋ ・・・（式１０）
【００６２】
さらに、（式１０）を整理すると、以下のようになる。
μＲcosθ＋sinθ＝｛（Ｊ−Ｋ）／ｇ−μｃＳＶ２｝／Ｗ ・・・（式１１）
【００６３】
ここで、sinθに対してμＲcosθの値は十分に小さいため、（式１１）は以下のように近似される。
sinθ＝｛（Ｊ−Ｋ）／ｇ−μｃＳＶ２｝／Ｗ ・・・（式１２）
【００６４】
よって傾斜角度θは以下のようになる。
θ＝sin−１[｛（Ｊ−Ｋ）／ｇ−μｃＳＶ２｝／Ｗ] ・・・（式１３）
【００６５】
上記の傾斜角度の導出は、制御装置５１（図１参照）の傾斜角度取得部５１３（図１参照）によってなされる。なお、傾斜角度θは車両１００が走行している際に、常時又は定期的に算出する。車両が停止した場合において、停止する直前の車両１００の傾斜角度の値θを用いて上記第２実施形態又は第３実施形態の水排出判断補正の処理を行う。
また、傾斜角度θは、例えば傾斜センサ５２（図１参照）やＧＰＳ情報等からも推定することができる。しかし、傾斜センサ５２等を装備した場合、その分だけ車両１００の製造コストが高くなる。上記の方法を用いると、車両総重量Ｗ等の値の他、車両１００の速度及びモータトルク等を得ることができれば傾斜角度θを求めることができるので、車両１００の製造コストをより低く抑えることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１００ 車両（移動体）
２０ アノード系（アノード）
２１ 水素タンク
２２ 遮断弁
２３ エゼクタ
２４ パージ弁
２５ アノードエア排出弁
２６ ドレイン弁（水排出手段）
２７ キャッチタンク（水貯留部）
２７ａ，２７ｂ 水位センサ（水位検出手段）
２８ 希釈ボックス
２９ 水素ポンプ
３０ カソード系（カソード）
３１ エアコンプレッサ
３２ 背圧制御弁
３３ アノードエア導入弁
４０ 冷媒系
４１ ラジエタ
４２ 冷却水ポンプ
５０ 制御系
５１ 制御装置（制御部）
５１１ 水排出制御部（制御部）
５１２ 水排出判断補正部（制御部）
５１３ 傾斜角度取得部（制御部、傾斜角度取得手段）
５２ 傾斜センサ（傾斜角度取得手段）
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６，ａ７，ａ８，ａ９，ａ１０，ａ１１，ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ｃ１，ｃ２，ｃ３ 配管
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 流路
Ａ 水位
Ａ´ 補正後水位
Ｂ 水排出基準水位（基準水位）
Ｂ´ 補正後水排出基準水位（補正後基準水位）
Ｘ 水量（水の体積）
Ｙ´ 補正後水排出基準水量（補正後基準水量）
θ 傾斜角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）と、酸素を含む空気（酸化剤ガス）とを供給することで発電する燃料電池の開発が進められ、例えば燃料電池車の電力源として期待されている。
【０００３】
水素（燃料ガス）の利用率を高めるため、燃料電池から排出された水素はエゼクタなどにより再循環されるが、燃料電池から水素とともに排出された水分が、水素と一緒に循環されると、燃料電池が水分過多状態になりやすい。このため、アノードオフガスを循環させるための配管にキャッチタンクを設け、燃料電池から排出された水分が再度燃料電池に戻らないようにしている。
【０００４】
特許文献１には、気液分離機（キャッチタンク）に貯留された生成水の水位を検出し、検出された水位に基づいて気液分離機から燃料電池への水分の還流量を推定し、該還流量が所定値以上である場合には気液分離機に貯留された生成水を排出する技術について開示されている。
【０００５】
特許文献２には、イグニッションスイッチオフ後、酸化剤ガス流路内の液滴と燃料ガス流路内の液滴とをそれぞれ時間的に分けて除去することによってエアコンプレッサの駆動を抑制し、騒音を低減させる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０５９２２１号公報
【特許文献２】特開２００７−１２３０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示された技術において、気液分離機から燃料電池への水分の還流量を推定し、該還流量が所定値以上である場合には気液分離機に貯留された生成水を排出するという動作は、燃料電池が発電している間においてなされるものである。つまり、特許文献１に記載の技術では、ソーク（システム停止後の放置状態）中である場合において発生する結露水が気液分離機に多量に貯留された場合に、当該結露水を外部に排出することができない。したがって、燃料電池システムが次回起動する際のＯＣＶ（Open Circuit Voltage）パージ時などに、気液分離機に貯留された生成水が気流に同伴してエゼクタ方向にまわることによって燃料電池が水分過多状態になり、燃料電池システムの起動安定性を損なう可能性がある。
【０００８】
また、特許文献２に記載の技術では、イグニッションオフ後、酸化剤ガス流路の液滴と燃料ガス流路内の液滴とをそれぞれ除去した場合でも、燃料ガスを循環させる配管に設けられた水貯留部に液滴が過剰に貯留されている可能性がある。つまり、燃料電池システムが次回起動する際に水貯留部に貯留された生成水がエゼクタ方向にまわることによって発電性能が低下する可能性がある。
【０００９】
そこで本発明は、安定した運用が行える燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として本発明は、制御部が燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、水貯留部に設けられた水位検出手段により検出又は推定された水位が所定の基準水位以上であると判定した場合に、前記水排出手段を動作させて水貯留部に貯留された水を排出させることを特徴とする。
【００１１】
これによって本発明は、燃料電池システムが停止し、次回起動する際に水貯留部に貯留された水が気流に同伴して燃料電池に還流することにより、燃料電池が水分過多状態になるという事態を回避することができる。したがって、燃料電池システムの起動安定性を担保することができる。
【００１２】
また、本発明は傾斜角度取得手段を備え、水貯留部の傾斜角度によって決まる補正後基準水位と、水位検出手段により検出された水位と前記傾斜角度によって決まる補正後水位と、を比較して前記判定を行うことを特徴とする。
【００１３】
燃料電池システムを搭載した移動体が傾斜している場合には、燃料電池システムを構成する水貯留部も傾斜することになり、その分、水貯留部に貯留された水が気流に同伴して燃料電池に還流しやすくなる。本発明では、上記のような場合においても補正後基準水位及び補正後水位を求めることによって、燃料電池が水分過多状態になるという事態を回避することが可能となる。
【００１４】
また、本発明は傾斜角度取得手段を備え、燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、水貯留部に貯留された水の体積が、水貯留部の傾斜角度によって決まる補正後基準水量以上であると判定した場合に、水排出手段を動作させて水貯留部に貯留された水を排出させることを特徴とする。
【００１５】
これによって本発明は、燃料電池システムを搭載した移動体が傾斜している場合でも、水貯留部に貯留された水の量（体積）を算出し、その値を補正後基準水量と比較することによって、燃料電池が水分過多状態になるという事態を回避することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、安定した運用が行える燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池、キャッチタンク、エゼクタ、ドレイン弁、水素ポンプ及びこれらを接続する配管を示す図であり、（ａ）は発電停止直後に燃料ガスが還流する様子を示した図、（ｂ）はソーク時において燃料電池内の結露水がキャッチタンクに貯留する様子を示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水排出制御処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの水排出制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図５】水位センサを備えるキャッチタンクに水が貯留される様子を示す図であり、（ａ）はキャッチタンクが水平の場合であり、（ｂ）はキャッチタンクが傾斜している場合である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、傾斜に対する水排出判断補正の処理の流れを示すフローチャートである。
【図８】キャッチタンクの水位センサ値と補正後水位との関係を示すグラフである。
【図９】キャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水位との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、傾斜に対する水排出判断補正の処理の流れを示すフローチャートである。
【図１２】キャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水量との関係を示すグラフである。
【図１３】傾斜する路面上を移動体が走行する場合の速度、空気抵抗、転がり抵抗、勾配抵抗、接地加重、車両総重量を示すベクトルを表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
≪第１実施形態≫
本発明の第１実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１９】
＜燃料電池システムの構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。燃料電池システム１は、燃料電池車（移動体：図１３参照）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、冷媒系４０、制御系５０等によって構成されている。
【００２０】
＜１．燃料電池＞
燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、図示しない膜/電極接合体 (Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ)を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セル（図示せず）が複数積層されて構成されている。膜/電極接合体は、図示しない電解質膜（Proton Exchange Membrane：ＰＥＭ）、これを挟持するアノード（図示せず）およびカソード（図示せず）、さらにその外側にガス拡散層である一対のカーボンペーパ（図示せず）等を備えて構成されている。
【００２１】
また、燃料電池１０は、アノード側のカーボンペーパ（図示せず）に対向するセパレータ（図示せず）の表面に、水素（燃料ガス）が流通する流路１０ａが形成され、カソード側のカーボンペーパ（図示せず）に対向するセパレータ(図示せず)の表面に、空気（酸化剤ガス）が流通する流路１０ｂが形成されている。また、セパレータには、燃料電池１０を冷却する冷媒（例えば、エチレングリコールを含む水）が流通する流路１０ｃが形成されているが、これらは周知なものなので、その説明を省略する。なお、カーボンペーパの流路１０ｃに近い部位が結露により水分過多状態になりやすく、その場合にはガス（水素及び空気）の拡散を阻害して燃料電池１０の発電性能を低下させる。
【００２２】
＜２．アノード系＞
アノード系２０は、水素タンク２１、電磁作動式の遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、アノードエア排出弁２５、ドレイン弁２６、キャッチタンク２７、希釈ボックス２８、水素ポンプ２９、配管ａ１〜ａ１１等で構成されている。
水素タンク２１は、配管ａ１を介して遮断弁２２と接続され、高純度の水素が高圧で圧縮充填されている。遮断弁２２は配管ａ２を介してエゼクタ２３と接続され、その開閉により、水素タンク２１から配管ａ１を介した水素の供給を調整する。
エゼクタ２３は、配管ａ３を介して燃料電池１０のアノード側の流路１０ａの入口と接続されている。エゼクタ２３は、水素タンク２１から供給された水素を図示しないノズルから噴射することによりノズルの周囲に負圧を発生させて、アノード側の流路１０ａの出口から排出された未反応の水素を吸引するように構成されている。
【００２３】
キャッチタンク２７は、配管ａ４を介して燃料電池１０のアノードから排出されるオフガスに含まれる水分を分離して貯留する。
パージ弁２４は、配管ａ６から分岐した配管ａ７に接続され、配管ａ８を介して希釈ボックス２８と接続されている。パージ弁２４は、その開閉により、循環経路（配管ａ３、流路１０ａ、配管ａ４、ａ６）に蓄積した不純物を、希釈ボックス２８を介して外部（車外）に排出する機能を有する。なお、不純物とは、カソードから電解質膜を介してアノード側に透過した窒素や水分等である。
【００２４】
アノードエア排出弁２５は配管ａ５と接続され、配管ａ９を介して希釈ボックス２８と接続されている。アノードエア排出弁２５は、アノード掃気を行うためにアノードエア導入弁３３を介して導入された空気を希釈ボックス２８を介して外部（車外）に排出する機能を有する。
ドレイン弁２６は、配管ａ１０を介してキャッチタンク２７の下部と接続され、配管ａ１１を介して希釈ボックス２８と接続されている。ドレイン弁２６は、開弁することによりキャッチタンク２７に貯留された水を希釈ボックス２８を介して外部（車外）に排出する機能を有する。
希釈ボックス２８は、配管ａ８、ａ９を介して流入する不純物を希釈し、その濃度を低下させる機能を有する。
水素ポンプ２９は、燃料電池１０の運転停止後に、水分パージを行う必要があると判定された場合に作動させ、循環経路（配管ａ３、流路１０ａ、配管ａ４、ａ６）に溜まった水をキャッチタンク２７に追い込むために、上記循環経路内のオフガスに所定の圧力をかける。また、水素ポンプ２９は、運転時においてはエゼクタ２３を補助するように作動される。なお、水素ポンプ２９は必須の構成ではないので省略可能である。
【００２５】
＜３．カソード系＞
カソード系３０は、エアコンプレッサ３１、背圧制御弁３２、アノードエア導入弁３３、配管ｂ１〜ｂ４等で構成されている。エアコンプレッサ３１は配管ｂ１と接続されており、外気を圧縮した空気を燃料電池１０に供給する。
背圧制御弁３２は、配管ｂ２を介して燃料電池１０のカソード側の流路１０ｂの出口と接続されており、燃料電池１０のカソードに供給されるカソード圧力を調整するものである。アノードエア導入弁３３は、一方は配管ｂ１から分岐した配管ｂ３に接続され、他方は配管ｂ４を介して配管ａ３に接続される。アノードエア導入弁３３は、その開閉により、外部から導入する空気の量を調整する。
【００２６】
＜４．冷媒系＞
冷媒系４０は、ラジエタ４１、冷却水ポンプ４２、配管ｃ１〜ｃ３等で構成されている。ラジエタ４１は、配管ｃ１を介して流路１０ｃの出口と接続され、配管ｃ２を介して冷却水ポンプ４２に接続されている。ラジエタ４１は、外気との間で熱交換を行うものであり、冷媒を介して燃料電池１０を放熱させる機能を有する。
冷却水ポンプ４２は、配管ｃ２を介してラジエタ４1と接続され、配管ｃ３を介して流路１０ｃの入口と接続されている。冷却水ポンプ４２は、所定の圧力をかけることによって、配管ｃ１、ｃ２、ｃ３中の冷却水を循環させる機能を有する。
【００２７】
＜５．制御系＞
制御系５０は、制御装置５１、傾斜センサ５２、温度センサ（図示せず）等によって構成される。
制御装置５1は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）等で構成され、遮断弁２２、パージ弁２４およびアノードエア排出弁２５、ドレイン弁２６、アノードエア導入弁３３を開閉制御し、エアコンプレッサ３１及び冷却水ポンプ４２の各モータ（図示せず）の回転速度、背圧制御弁３２の弁開度等を制御する。また、制御装置５1は温度センサ（図示せず）によって検出された、配管ａ５を通過するオフガス、配管ｂ２を通過するオフガス、配管ｃ１を通過する冷媒の温度等をそれぞれ監視する。
制御装置５１は、水排出制御部５１１、水排出判断補正部５１２、傾斜角度取得部５１３を備えるが、これらについての説明は後述する。
【００２８】
＜フラッディング（水分過多状態）について＞
図２は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池、キャッチタンク、エゼクタ、ドレイン弁、水素ポンプ及びこれらを接続する配管を示す図であり、（ａ）は発電停止直後に燃料ガスが還流する様子を示した図、（ｂ）はソーク時において燃料電池内の結露水がキャッチタンクに貯留する様子を示した図である。
【００２９】
図２（ａ）において、燃料電池１０の発電が停止するまでは、燃料ガス（水素）が配管ａ３を介してアノード側の流路に供給され、燃料電池１内で酸化剤ガス（酸素）と反応する。そして、反応後の燃料ガス、未反応の燃料ガス、及び不純物（これらを合わせて以下、単に「オフガス」という。）が配管ａ４を通過する。オフガスが配管ａ４を通過する際に、オフガスに含まれる水分がキャッチタンク２７に貯留する。ここで、燃料電池１０における発電停止直後のキャッチタンク２７に貯留された水の水位はｈ１となっている。
【００３０】
しかし、ソーク中（イグニッションスイッチ（図示せず）がオフ状態となって燃料電池システム１が停止し、放置されている状態）は燃料電池システム１の温度が低下するため、高湿度のアノード系２０や燃料電池１０に積層されたセル（図示せず）に、結露による水滴が大量に発生する。さらに当該結露による水滴はアノード側の流路及び配管ａ４を介してキャッチタンク２７に流れ込む。
そうすると、図２（ｂ）に示すように、キャッチタンク２７に貯留された水の水量が増加し、発電停止直後はｈ１であった水位がソーク状態に入ってから所定時間経過後にはｈ２（ここで、ｈ２＞ｈ１である。）となる。そして、さらに水位が上昇してｈ３（ここで、ｈ３＞ｈ２である。）となった場合には、燃料電池システム１が次回起動する際のＯＣＶパージ時において、次のような事態が発生することが考えられる。すなわち、キャッチタンク２７に貯留された水が、気流に同伴してエゼクタ方向にまわることによってフラッディング（水過多状態）が発生するという事態である。したがって、燃料電池システム１の起動安定性を担保するため、キャッチタンク２７に貯留された水の水位が所定の基準水位に達している場合には、キャッチタンク２７に貯留された水を排出する必要がある。
【００３１】
＜水排出制御処理＞
図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにおいて、水排出制御処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
まず、図３（ａ）を参照しつつ、ソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合の水排出制御処理の流れを説明する。ステップＳ１０１において、燃料電池システム１の制御装置５１に内蔵された図示しない所定時間間隔でのシステム健全性監視機能（ＲＴＣ（real-time clock）監視）が、ソーク中に稼動する。ステップＳ１０２において制御装置５１は、燃料電池システム１が停止してから所定時間Ｔ１が経過したか否かを判断する。ステップＳ１０２において燃料電池システム１が停止してから所定時間Ｔ１が経過した場合には（ステップＳ１０２→Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進む。ステップＳ１０２において燃料電池システム１が停止してから所定時間Ｔ１が経過していない場合には（ステップＳ１０２→Ｎｏ）、ステップＳ１０２にリターンする。
【００３２】
ステップＳ１０３において、制御装置５１は、キャッチタンク２７に貯留された水の水位Ａが、燃料電池システム１のフラッディングを防止するための水排出基準水位（所定の基準水位）Ｂ以上になったか否かを判断する。なお、製造段階の試験等において所定距離Ｌ（図５（ａ）参照）が予め求められているため、水排出基準水位Ｂも既知である。所定距離Ｌの詳細については後記する。
水位Ａが水排出基準水位Ｂ以上である場合には（ステップＳ１０３→Ｙｅｓ）、水排出制御処理を行い（ステップＳ１０４）、終了する。水位Ａが水排出基準水位Ｂ未満である場合には（ステップＳ１０３→Ｎｏ）、水排出制御処理を行わず、そのまま終了する。
【００３３】
次に、図３（ｂ）を参照しつつ、起動時発電前にキャッチタンク２７の水を排出する場合の水排出制御処理の流れを説明する。ステップＳ２０１において、ユーザの操作によりイグニッションスイッチ（図示せず）がオンになる。ステップＳ２０２において制御装置５１は、キャッチタンク２７に貯留された水の水位Ａが水排出基準水位（所定の基準水位）Ｂ以上になったか否かを判断する。水位Ａが水排出基準水位Ｂ以上である場合には（ステップＳ２０２→Ｙｅｓ）、ステップＳ２０３に進んで水排出制御処理を行う。ステップＳ２０３の水排出制御処理が終了した場合、又はステップＳ２０２で水位Ａが水排出基準水位Ｂ未満であった場合（ステップＳ２０２→Ｎｏ）には、ステップＳ２０４に進む。ステップＳ２０４において、制御装置５１はＯＣＶチェックを行った後、発電を開始する（ステップＳ２０５）。
ただし、図３（ｂ）において、ステップＳ２０３の水排出制御処理とステップＳ２０４のＯＣＶチェックとを並行して行ってもよい。
【００３４】
次に、図３（ａ）のステップＳ１０４の水排出制御処理について説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの水排出制御処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１０４ａにおいて制御装置５１の水排出制御部５１１（図１参照）は、アノード循環経路（配管ａ３、流路１０ａ、配管ａ４、ａ６：図１参照）に溜まった水をキャッチタンク２７に追い込むため、水素ポンプ２９（図２参照）を作動させる。このときに生じる圧力によって循環流路内のガスは、配管ａ６、ａ３、流路１０ａ、配管ａ４の順に流れて、循環流路内の水分をキャッチタンク２７に追い込む。次にステップＳ１０４ｂにおいて水排出制御部５１１は、ドレイン弁２６（図２参照）を閉状態から開状態に切り替え、キャッチタンク２７（図２参照）に貯留された水を排出する。ステップＳ１０４ｃにおいて水排出制御部５１１は、キャッチタンク２７に設置された水位センサ（図示せず）によって検出された水位Ａが所定値Ｃ以下であるか否かを判断する。ステップＳ１０４ｃにおいて水位Ａが所定値Ｃ以下であった場合（ステップＳ１０４ｃ→Ｙｅｓ）、制御装置５１はドレイン弁２６を開状態から閉状態に切り替えて（ステップＳ１０４ｄ）、水排出処理を終了する。ステップＳ１０４ｃにおいて水位Ａが所定値Ｃより大きい場合（ステップＳ１０４ｃ→Ｎｏ）、ステップＳ１０４ａにリターンする。
【００３５】
上記の処理は及び図３（ｂ）のステップＳ２０３の水排出制御処理においても同様である。
なお、上記のステップＳ１０４ａにおいて、エアコンプレッサ３１（図１参照）を駆動させ、アノードエア導入弁３３（図１参照）及びアノードエア排出弁２５（図１参照）を閉状態から開状態に切り替えることにより、アノード掃気を行ってもよい。
また、上記ではステップＳ１０４ａにおいて水素ポンプ２９又はエアコンプレッサ３１を作動させて、気流によりキャッチタンク２７に水を追い込む例を示したが、気流を作らずとも重力によって水分をキャッチタンク２７に落下させるようにしてもよい。
【００３６】
本実施形態では、燃料電池システム１のソーク中又は起動時発電前において、キャッチタンク２７（図２参照）に貯留されている水の水位Ａが水排出基準水位Ｂ以上であるか否か判断する。水位Ａが水排出基準水位Ｂ以上である場合には、ドレイン弁２６（図２参照）を開の状態に切り替えてキャッチタンク２７に貯留されている水を排出する。
したがって、ソーク中に高湿度のアノード系２０内で結露によって発生する水滴がキャッチタンク２７に過剰に溜まり、次回起動時にキャッチタンク２７に貯留された水が気流に同伴して燃料電池１０に達し、フラッディングの状態になってしまうという事態を回避することができる。
よって、本実施形態によれば、燃料電池システム１の発電安定性を確保し、スムーズに起動することが可能となる。
【００３７】
≪第２実施形態≫
次に、本発明に係る第２実施形態について説明する。図５は、水位センサを備えるキャッチタンクに水が貯留される様子を示す図であり、（ａ）はキャッチタンクが水平の場合であり、（ｂ）はキャッチタンクが傾斜している場合である。
アノード出口から排出されたアノードオフガスは、矢印の方向に配管ａ４を流れている。キャッチタンク２７には、水位センサ２７ａ又は２７ｂが設置されている。実際には水位センサ２７ａ、２７ｂのいずれか一方がキャッチタンク２７に設置されているが、ここでは便宜的に水位センサ２７ａ、２７ｂの両方が描かれている。
【００３８】
車両１００（図１３参照）が水平な路面を走行又は停車している場合、図５（ａ）のようにキャッチタンク２７も水平な状態になる。なお、Ａはキャッチタンク２７に貯留された水の水位であり、Ｂはキャッチタンク２７が水平状態である場合において、燃料電池システム１のフラッディングを防止するための水排出基準水位である（以下、単に水排出基準水位ということがあるものとする）。
車両１００（図１３参照）が水位センサ２７ａの方向に角度θだけ傾斜した場合、キャッチタンク２７は図５（ａ）の水平状態から図５（ｂ）の傾斜状態となる。図５（ｂ）の傾斜状態において、キャッチタンク２７は水位センサ２７ａの方向に角度θだけ傾斜するが、キャッチタンク２７に貯留された水の水面は、ほぼ水平な状態を保っている。ここで、車両１００の傾斜角度とキャッチタンク２７の傾斜角度とは等しいものとする。
【００３９】
なお、キャッチタンク２７の水がエゼクタ副流側に流れる条件は、キャッチタンク２７の角部である点Ｐから水面を含む平面までの鉛直方向の距離による。したがって、図５（ｂ）のようにキャッチタンク２７が傾斜した場合には、水排出基準水位Ｂ´を示す点は、キャッチタンク２７の角部である点Ｐから所定の距離Ｌだけ鉛直下向き方向に下った点Ｑを含む水平面がキャッチタンク２７の傾き方向において交わる点Ｒにより与えられる。なお、上記距離Ｌはキャッチタンク２７の傾斜角度の変化に対して一定であり、所定距離Ｌの値は製造段階の試験等において予め求められている。
なお、図５（ｂ）においてＡ´はキャッチタンク２７に貯留された水の水面が、傾き方向においてキャッチタンク２７と接する部分の水位を示している。また、Ａ１は水位センサ２７ａで検出される水位であり、Ａ２は水位センサ２７ｂで検出される水位である。
【００４０】
キャッチタンク２７が傾斜した場合、水位Ａ´（補正後水位）は水平状態の場合の水位Ａと比較して上昇する。また、上記の所定距離Ｌは変化しないが、水排出基準水位Ｂ´（補正後水排出基準水位）は水平状態の場合と比較して下降する。
つまり、キャッチタンク２７が傾斜する角度θが大きいほど水位Ａ´と水排出基準水位Ｂ´とが近接することとなる。さらに水位Ａ´が水排出基準水位Ｂ´に達すると、燃料電池システム１にフラッディングが生ずる可能性がでてくる。
【００４１】
したがって、キャッチタンク２７が角度θだけ傾斜した場合に、補正後水位Ａ´及び補正後水排出基準水位Ｂ´を推定し、当該補正後水位Ａ´を補正後水排出基準水位Ｂ´と比較する必要がある。
なお、角度θの導出方法又は確認方法については後述する。
【００４２】
図６は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
図３で説明した第１実施形態の場合と比べて第２実施形態は傾斜に対する水排出判断補正の処理が追加され、その結果に基づいてその後の比較処理がなされる点が異なるが、その他の部分については第１実施形態と同様である。したがって、当該異なる部分について説明し、第１実施形態の場合と重複する点についてはその説明を省略する。
【００４３】
図６（ａ）において制御装置５１（図１参照）は、燃料電池システム１が停止してから所定時間Ｔ１が経過した場合には（ステップＳ３０２→Ｙｅｓ）、ステップＳ３０３に進む。ステップＳ３０３において制御装置５１の水排出判断補正部５１２（図１参照）は、傾斜に対する水排出判断補正を行う。
【００４４】
図７は、傾斜に対する水排出判断補正の処理（ステップＳ３０３）の流れを示すフローチャートである。ステップＳ３０３ａにおいて水排出判断補正部５１２（図１参照）は、補正後水排出基準水位Ｂ´を決定する。水位センサ２７ａ又は２７ｂ（図５（ａ）参照）の取付け位置及び所定距離Ｌ（図５（ｂ）参照）が既知であるため、補正後水排出基準水位Ｂ´の値は、キャッチタンク２７の傾斜角度θ(図５（ｂ）参照)によって決まる。
ステップＳ３０３ｂにおいて水排出判断補正部５１２は、補正後水位Ａ´を算出する。水位センサ２７ａ又は２７ｂの取付け位置が既知であるため補正後水位Ａ´の値は、水位センサ２７ａ又は２７ｂによって得られる水位Ａ１又はＡ２と傾斜角度θの値とから算出することができる。
【００４５】
再び図６に戻って、ステップＳ３０４で制御装置５１は、補正後水位Ａ´が補正後水排出基準水位Ｂ´以上であるか否か判断する。補正後水位Ａ´が補正後水排出基準水位Ｂ´以上である場合には（ステップＳ３０４→Ｙｅｓ）、ステップＳ３０５において水排出制御部５１１（図１参照）が水排出制御処理を行う。水排出制御処理については図４を用いて説明したものと同様なので、その説明を省略する。
つまり、水排出判断補正の処理は、水位Ａ１又はＡ２を補正後水位Ａ´（Ａ´≧Ａ１，Ａ２である。）に補正し、水平時の水排出基準水位Ｂを補正後水排出基準水位Ｂ´（Ｂ´≦Ｂである。）に補正し、両者の大小を比較することによって行われる。
【００４６】
図８は、キャッチタンクの水位センサ値と補正後水位との関係を示すグラフである。例えば水位センサが２７ａ（図５（ｂ）参照）側に設置されている場合について考える。水位センサ２７ａ方向にキャッチタンク２７が角度θだけ傾き、水位センサ２７ａによって検出された水位がＡ１（図５（ｂ）、図８参照）である場合に、補正後水位Ａ´の値はＡ１より大きくなる。この傾向は傾斜角度θが大きければ大きいほど顕著になる。
図９は、キャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水位との関係を示すグラフである。キャッチタンク２７の傾斜角度θが大きくなるにしたがって、補正後水排出基準水位Ｂ´の値は小さくなる。
【００４７】
次に、起動時発電前にキャッチタンク２７の水を排出する場合について説明する。図６（ｂ）は図３（ｂ）と比較して、ステップＳ４０２で傾斜に対する水排出判断補正の処理が追加されている点とステップＳ４０３の比較処理が異なるが、その他の点は図３（ｂ）と同様である。また、ステップＳ４０２の水排出判断補正とステップＳ４０３の比較処理については図６（ａ）で説明したステップＳ３０３及びステップＳ３０４と同様であるので、その説明を省略する。
【００４８】
本実施形態では、水排出基準水位Ｂを補正して補正後水排出基準水位Ｂ´とし、水位センサ２７ａ又は２７ｂによって検出された水位Ａ１又はＡ２を補正して補正後水位Ａ´とする。当該補正によって、キャッチタンク２７が水平状態であった場合にはフラッディングが生じない水量でも、キャッチタンク２７が傾斜状態となった場合にはフラッディングが生じてしまうという事態を回避することができる。
したがって、車両１００（図１３参照）が傾斜した路面上に停車した場合でも、上記の水排出判断補正を行うことによって次回起動時のフラッディングを回避し、燃料電池システム１の発電安定性を確保してスムーズに起動することが可能となる。
【００４９】
≪第３実施形態≫
第２実施形態ではキャッチタンク２７が傾斜している状態において、キャッチタンク水位と水排出基準水位とを比較することで水排出判断補正を行っていた。これに対し、第３実施形態ではキャッチタンク水量と水排出基準水量とを比較することで水排出判断補正を行う。
図１０は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、キャッチタンクに貯留された水を排出するまでの処理の流れを示すフローチャートであり、（ａ）はソーク中にキャッチタンクの水を排出する場合であり、（ｂ）は起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合である。
【００５０】
図１０（ａ）、（ｂ）は第２実施形態で説明した図６（ａ）、（ｂ）と比較して、傾斜に対する水排出判断補正の内容（図１０（ａ）のステップＳ５０３、図１０（ｂ）のステップＳ６０２）と、その後の比較処理（図１０（ａ）のステップＳ５０４、図１０（ｂ）のステップＳ６０３）が異なるが、その他の点は図６（ａ）、（ｂ）と同様である。したがって、図６（ａ）、（ｂ）と重複する部分についてはその説明を省略する。
なお、角度θの導出方法又は確認方法については後述する。
【００５１】
図１０(ａ)のステップＳ５０３の傾斜に対する水排出判断補正について説明する。図１１は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて、傾斜に対する水排出判断補正の処理の流れを示すフローチャートである。
図１１のステップＳ５０３ａにおいて水排出判断補正部５１２（図１参照）は、補正後水排出基準水量を決定する。ここで、キャッチタンク２７が水平状態である場合（図５（ａ）参照）の水排出基準水量をＹとし、キャッチタンク２７が傾斜した場合（図５（ｂ）参照）の水排出基準水量（補正後水排出基準水量）をＹ´とする。補正後水排出基準水量Ｙ´は、キャッチタンク２７に貯留されている水の水面が図５（ｂ）における補正後水排出基準水位Ｂ´を与える点にかかっている場合の水量である。
キャッチタンク２７の形状、所定距離Ｌ（図５（ｂ）参照）、及び水位センサ２７ａ、２７ｂの取付け位置は既知であるため、補正後水排出基準水量Ｙ´は傾斜角度θによって決まる。
【００５２】
ステップＳ５０３ｂにおいて水排出判断補正部５１２（図１参照）は、キャッチタンク２７に貯留された水の量（体積）を算出する。なお、外部の配管から水が供給されない限り、キャッチタンク２７の傾斜角度θによってキャッチタンク２７に現在貯留されている水の水量（体積）が変化することはないので、補正するのは水排出基準水量のみでよい。また、キャッチタンク２７に貯留された水の量（体積）は、キャッチタンク２７の形状、及び水位センサの取り付け位置は既知であるため、水位センサ２７ａ又は２７ｂによって検出された水位Ａ１又はＡ２と、傾斜角度θとから求めることができる。
【００５３】
図１０（ａ）のステップＳ５０３において水排出判断補正を行った後、ステップＳ５０４において制御装置５１は、キャッチタンク水量Ｘが補正後水排出基準水量Ｙ´以上であるか否かを判断する。キャッチタンク水量Ｘが補正後の水排出基準水量Ｙ´以上あった場合には（ステップＳ５０４→Ｙｅｓ）、水排出制御部５１１は水排出制御処理を行う（ステップＳ５０５）。
図１２はキャッチタンクの傾斜角度と補正後水排出基準水量との関係を示すグラフである。
図１２に示すようにキャッチタンク２７の傾斜角度θが大きくなるにつれて、補正後の水排出基準水量Ｙ´の値は小さくなる。
【００５４】
次に、起動時発電前にキャッチタンクの水を排出する場合について説明する。図１０（ｂ）のステップＳ６０１でイグニッションスイッチ（図示せず）がオンになった後、制御装置５１の水排出判断補正部５１２（図１参照）は、傾斜に対する水排出判断補正を行う（ステップＳ６０２）。なお、当該水排出判断補正については上記と同様である。ステップＳ６０３において制御装置５１（図１参照）は、キャッチタンク水量Ｘが補正後水排出基準水量Ｙ´以上であるか否か判断する。キャッチタンク水量Ｘが補正後の水排出基準水量Ｙ´以上である場合には（ステップＳ６０３→Ｙｅｓ）、ステップＳ６０４において水排出制御部５１１（図１参照）が水排出制御処理を行う。
【００５５】
以上説明したように本実施形態では、キャッチタンク２７が水平状態であった場合にはフラッディングが生じない水量でも、キャッチタンク２７が傾斜状態となった場合にはフラッディングが生じてしまうという事態を、水排出基準水量を補正することによって回避することができる。
したがって、車両１００（図１３参照）が傾斜した路面上に停車した場合でも、上記の水排出判断補正を行うことによって次回起動時のフラッディングを回避し、燃料電池システムの発電安定性を確保してスムーズに起動することが可能となる。
【００５６】
≪傾斜角度θの導出について≫
傾斜角度θの導出はさまざまな方法を用いて行うことが可能であるが、ここでは主に移動体の走行抵抗等を利用して傾斜角度θを算出する場合について説明する。図１３は、傾斜する路面上を移動体が走行する場合の速度、空気抵抗、転がり抵抗、勾配抵抗、接地加重、車両総重量を示すベクトルを表した図である。
車両（移動体）１００が水平面から角度θだけ傾斜した路面上を速度Ｖで走行している場合を考える。傾斜角度θを導出するために、上記速度Ｖで傾斜路面を走行する車両１００の走行抵抗Ｄを求める。ここで、空気抵抗をＡ、転がり抵抗をＦ、勾配抵抗をＧとすると、走行抵抗Ｄは以下のようになる。
Ｄ＝Ａ＋Ｆ＋Ｇ ・・・（式１）
【００５７】
なお、空気抵抗Ａ、転がり抵抗Ｆ、勾配抵抗Ｇは、以下の式から求められる。ここで、空気抵抗係数をμｃ、車両１００の前面投影面積をＳ、転がり抵抗係数をμＲ、車両総重量をＷ、重力加速度をｇとしている。
Ａ＝μｃＳＶ２ｇ ・・・（式２）
Ｆ＝μＲＷｇ・cosθ ・・・（式３）
Ｇ＝Ｗｇ・sinθ ・・・（式４）
【００５８】
上記式の中で、cosθ及びsinθ以外については既知の値である。
一方、走行抵抗Ｄは、以下の式からも求められる。ここで駆動力をＪ、余裕駆動力をＫとする。
Ｄ＝Ｊ−Ｋ ・・・（式５）
【００５９】
なお、駆動力Ｊ（駆動中の場合をＪ１、回生中の場合をＪ２とする）、余裕駆動力Ｋは、以下の式から求められる。ここで、モータ軸トルクをＭ、ギア比をＮ、トランスミッション効率をα、車両１００のタイヤ半径をＲ、車両１００の加速度をａ、車両総重量をＷ、イナーシャウェイト（回転慣性）をＩとする。
Ｊ１＝ＭＮα／Ｒ ・・・（式６）
Ｊ２＝ＭＮ／（αＲ） ・・・（式７）
Ｋ＝ａ（Ｗ＋Ｉ） ・・・（式８）
【００６０】
上記の値（モータ軸トルクＭ、ギア比Ｌ、トランスミッション効率α、タイヤ半径Ｒ、加速度ａ、車両総重量Ｗ、回転慣性Ｉ）については全て計算等により取得することができるから、駆動力Ｊ（Ｊ１又はＪ２）及び余裕駆動力Ｋも（式６）〜（式８）により算出することができる。
式（１）、式（５）から、走行抵抗Ｄを消去すると、以下のようになる。
Ａ＋Ｆ＋Ｇ＝Ｊ−Ｋ ・・・（式９）
【００６１】
（式９）に（式２）、（式３）、（式４）をそれぞれ代入すると、以下のようになる。
μｃＳＶ２ｇ＋μＲＷｇ・cosθ＋Ｗｇ・sinθ＝Ｊ−Ｋ ・・・（式１０）
【００６２】
さらに、（式１０）を整理すると、以下のようになる。
μＲcosθ＋sinθ＝｛（Ｊ−Ｋ）／ｇ−μｃＳＶ２｝／Ｗ ・・・（式１１）
【００６３】
ここで、sinθに対してμＲcosθの値は十分に小さいため、（式１１）は以下のように近似される。
sinθ＝｛（Ｊ−Ｋ）／ｇ−μｃＳＶ２｝／Ｗ ・・・（式１２）
【００６４】
よって傾斜角度θは以下のようになる。
θ＝sin−１[｛（Ｊ−Ｋ）／ｇ−μｃＳＶ２｝／Ｗ] ・・・（式１３）
【００６５】
上記の傾斜角度の導出は、制御装置５１（図１参照）の傾斜角度取得部５１３（図１参照）によってなされる。なお、傾斜角度θは車両１００が走行している際に、常時又は定期的に算出する。車両が停止した場合において、停止する直前の車両１００の傾斜角度の値θを用いて上記第２実施形態又は第３実施形態の水排出判断補正の処理を行う。
また、傾斜角度θは、例えば傾斜センサ５２（図１参照）やＧＰＳ情報等からも推定することができる。しかし、傾斜センサ５２等を装備した場合、その分だけ車両１００の製造コストが高くなる。上記の方法を用いると、車両総重量Ｗ等の値の他、車両１００の速度及びモータトルク等を得ることができれば傾斜角度θを求めることができるので、車両１００の製造コストをより低く抑えることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１００ 車両（移動体）
２０ アノード系（アノード）
２１ 水素タンク
２２ 遮断弁
２３ エゼクタ
２４ パージ弁
２５ アノードエア排出弁
２６ ドレイン弁（水排出手段）
２７ キャッチタンク（水貯留部）
２７ａ，２７ｂ 水位センサ（水位検出手段）
２８ 希釈ボックス
２９ 水素ポンプ
３０ カソード系（カソード）
３１ エアコンプレッサ
３２ 背圧制御弁
３３ アノードエア導入弁
４０ 冷媒系
４１ ラジエタ
４２ 冷却水ポンプ
５０ 制御系
５１ 制御装置（制御部）
５１１ 水排出制御部（制御部）
５１２ 水排出判断補正部（制御部）
５１３ 傾斜角度取得部（制御部、傾斜角度取得手段）
５２ 傾斜センサ（傾斜角度取得手段）
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４，ａ５，ａ６，ａ７，ａ８，ａ９，ａ１０，ａ１１，ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４，ｃ１，ｃ２，ｃ３ 配管
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 流路
Ａ 水位
Ａ´ 補正後水位
Ｂ 水排出基準水位（基準水位）
Ｂ´ 補正後水排出基準水位（補正後基準水位）
Ｘ 水量（水の体積）
Ｙ´ 補正後水排出基準水量（補正後基準水量）
θ 傾斜角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガス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オフガスを再度燃料電池に戻す循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記オフガスから分離した水を貯留する水貯留部と、
前記水貯留部に貯留された水の水位を検出又は推定するための水位検出手段と、
前記水貯留部に貯留された水を排出するための水排出手段と、
制御部とを有し、
前記制御部は、燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、前記水位検出手段により検出又は推定された前記水位が所定の基準水位以上であると判定した場合に、前記水排出手段を動作させて前記貯留された水を排出させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池システムを搭載した移動体の傾斜角度を取得する傾斜角度取得手段を備え、
前記傾斜角度によって決まる補正後基準水位と、
前記傾斜角度と前記水位検出手段により検出又は推定された水位によって決まる補正後水位と、を比較して前記判定を行うこと
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】
アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガス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オフガスを再度燃料電池に戻す循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記オフガスから分離した水を貯留する水貯留部と、
前記水貯留部に貯留された水の水位を検出又は推定するための水位検出手段と、
前記水貯留部に貯留された水を排出するための水排出手段と、
制御部とを有し、
前記制御部は、前記燃料電池システムを搭載した移動体の傾斜角度を取得する傾斜角度取得手段を備え、
前記傾斜角度によって決まる補正後基準水量と、
前記傾斜角度と前記水位検出手段により検出又は推定された水位によって決まる前記水貯留部に貯留された水の体積とを算出し、
燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、前記水貯留部に貯留された水の体積が前記補正後基準水量以上であると判定した場合に、前記水排出手段を動作させて前記貯留された水を排出させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガス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オフガスを再度燃料電池に戻す循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記オフガスから分離した水を貯留する水貯留部と、
前記水貯留部に貯留された水の水位を検出又は推定するための水位検出手段と、
前記水貯留部に貯留された水を排出するための水排出手段と、
制御部とを有し、
前記制御部は、燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、前記水位検出手段により検出又は推定された前記水位が所定の基準水位以上であると判定した場合に、前記水排出手段を動作させて前記貯留された水を排出させること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記燃料電池システムを搭載した移動体の傾斜角度を取得する傾斜角度取得手段を備え、
前記傾斜角度によって決まる補正後基準水位と、
前記傾斜角度と前記水位検出手段により検出又は推定された水位によって決まる補正後水位と、を比較して前記判定を行うこと
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】
アノードに供給される燃料ガスと、カソードに供給される酸化剤ガス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オフガスを再度燃料電池に戻す循環流路と、
前記循環流路に設けられ、前記オフガスから分離した水を貯留する水貯留部と、
前記水貯留部に貯留された水の水位を検出又は推定するための水位検出手段と、
前記水貯留部に貯留された水を排出するための水排出手段と、
制御部とを有し、
前記制御部は、前記燃料電池システムを搭載した移動体の傾斜角度を取得する傾斜角度取得手段を備え、
前記傾斜角度によって決まる補正後基準水量と、
前記傾斜角度と前記水位検出手段により検出又は推定された水位によって決まる前記水貯留部に貯留された水の体積とを算出し、
燃料電池システムの停止後監視時又は起動時に、前記水貯留部に貯留された水の体積が前記補正後基準水量以上であると判定した場合に、前記水排出手段を動作させて前記貯留された水を排出させること
を特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
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【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−９９４４５（Ｐ２０１２−９９４４５Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４８６５８（Ｐ２０１０−２４８６５８）
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月５日（２０１０．１１．５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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