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JP6547770B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本開示は、気液分離器からの排水に関する。
特許文献１は、燃料電池システムに含まれる気液分離器に、液体としての水を排出するための排出口に加え、気体のみを排気できる排気口を設けることを開示している。気液分離器は、アノードガスの循環経路に設けられる。排出口および排気口はそれぞれ、バルブによって開閉される。
特開２０１１−０１４４２９号公報
気液分離器に溜まった水は、過冷却水として存在する場合がある。過冷却水が存在する場合に、水を排出するためのバルブを開くと、気液分離器内における水位がそのバルブの位置よりも低くても、過冷却水がバルブに向かって流れ込む。この結果、バルブに過冷却水が付着する。バルブに付着した過冷却水は、氷に変化してバルブに付着する場合がある。バルブに氷が付着すると、バルブの開閉が正常に実行できなくなる場合がある。本開示は、上記を踏まえ、過冷却水がバルブに付着すること防止することを解決課題とする。
本開示の一形態は、燃料電池スタックから流入した水と気体とを分離する気液分離器と；前記気液分離器から流体を大気に放出するために、前記気液分離器に接続された排出流路と；前記気液分離器と前記排出流路との間に設けられたバルブと；前記気液分離器内の気体の圧力を変動させることが可能な気体制御機構と；前記気液分離器内の水の温度を推定するための情報を取得する情報取得部と；前記情報取得部によって取得された情報を用い、前記気体制御機構を制御する制御部と、を備え；前記気液分離器は、前記気液分離器の底面から所定高さにおいて前記バルブに向かって略水平方向に流体が流れる主流路と、前記主流路に対し前記底面側から前記主流路に合流するバイパス流路とを備え；前記制御部は、前記情報取得部によって取得された情報が過冷却状態であることを示す場合に前記バルブを開弁するときは、前記バイパス流路における水面が前記所定高さよりも低くなるように、前記気体制御機構を用いて前記気液分離器内の圧力を制御する燃料電池システムである。この形態の場合、過冷却水の存在が推定される場合には、バイパス流路における水面が主流路よりも低くなるので、過冷却水がバルブに流れ込まない。このため、過冷却水がバルブに付着することを防止できる。
上記形態において、大気圧の値を取得する大気圧取得部を備え；前記制御部は、前記大気圧取得部によって取得された値に応じて、前記気液分離器内の圧力を制御してもよい。この形態によれば、より適切な制御が実現できる。
上記形態において、前記気体制御機構は、水素タンクから前記燃料電池スタックに水素を供給するためのインジェクタであってもよい。この形態によれば、気液分離器内の圧力を制御するための機構を、別途、設けなくてもよくなる。
上記形態において、前記制御部は、前記気液分離器内の圧力の制御を、当該燃料電池システムを起動する場合に実行してもよい。燃料電池システムが継続的に運転されている場合は、気液分離器内に過冷却水が生じる可能性は殆どなく、気液分離器内の圧力制御を実行する必要性に乏しい。この形態によれば、過冷却水が存在する可能性が殆ど無い場合に、圧力制御を実行しなくても済むようになる。つまり、過冷却水が存在しているか否かを示す情報を取得する必要が無くなる。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、上記の排出方法、排出方法を実現するためのプログラム、このプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。
燃料電池システムの概略構成を示す構成図。 気液分離器の断面の概略図。 気液分離器の下部の拡大断面図。 気液分離器の下部の拡大断面図。 起動時圧力制御処理を示すフローチャート。
図１は、燃料電池システム２０の概略構成を示す構成図である。燃料電池システム２０は、自動車１に搭載される。燃料電池システム２０は、固体高分子形燃料電池を採用し、アノードガスとカソードガスとの反応によって発電をする。アノードガスは、水素である。カソードガスは、空気中の酸素である。燃料電池システム２０は、図１に示すように、燃料電池スタック４０、水素供給排出機構５０、空気供給排出機構６０、冷却水循環機構７０及び制御部３０を備える。
燃料電池スタック４０のアノードに水素の供給および排出をする水素供給排出機構５０は、水素タンク５１、レギュレータ５２、水素ポンプ５３、シャットバルブ５４、排出流路５５、流入管５６、気液分離器５７、インジェクタ５８、流出管５９、高圧側圧力計Ｐｈｈ、低圧側圧力計Ｐｈｌ及び温度計Ｔｐを備える。
水素タンク５１は、水素を貯蔵する。レギュレータ５２は、水素タンク５１に貯蔵された水素を、圧力を調整した上で、インジェクタ５８に供給する。インジェクタ５８は、供給された水素を、制御部３０の制御に従いアノードに向けて噴射する。インジェクタ５８が噴射する水素の流量を制御することによって、燃料電池スタック４０への水素の供給量が調整される。
流入管５６は、燃料電池スタック４０のアノードガスの出口と、気液分離器５７とを接続する。流出管５９は、気液分離器５７と、水素ポンプ５３とを接続する。気液分離器５７については後述する。
水素ポンプ５３は、流出管５９から流入する気体を、燃料電池スタック４０に再度供給する。
排出流路５５は、気液分離器５７と、空気供給排出機構６０に備えられる空気排出流路６６（後述）とを繋ぐ流路である。シャットバルブ５４は、排出流路５５と気液分離器５７との間に設けられている。シャットバルブ５４についても後述する。
高圧側圧力計Ｐｈｈは、レギュレータ５２とインジェクタ５８との間の水素の圧力を計測する。低圧側圧力計Ｐｈｌは、燃料電池スタック４０への流入前の水素の圧力（以下、供給圧という）を計測する。温度計Ｔｐは、水素ポンプ５３の温度を計測する。より詳細には、温度計Ｔｐは、水素ポンプ５３に内蔵されたモータコアの温度を計測する。
燃料電池スタック４０のカソードに空気の供給および排出をする空気供給排出機構６０は、空気供給流路６１と、コンプレッサ６２と、分流弁６３と、分流弁用モータ６４と、インタクーラ６５と、空気排出流路６６と、調圧弁６７と、調圧弁用モータ６８と、短絡流路６９と、大気圧計Ｐａｔｍと、外気温計Ｔａｔｍと、流量計Ｑとを備える。
空気供給流路６１及び空気排出流路６６は、燃料電池スタック４０と自身の大気開放口とを接続する流路である。コンプレッサ６２は、空気供給流路６１の途中に設けられ、空気供給流路６１の大気開放口側から空気を吸入して圧縮する。コンプレッサ６２が設けられる位置は、空気供給流路６１と短絡流路６９との接続部位よりも大気開放口に近い位置である。
インタクーラ６５は、コンプレッサ６２によって圧縮された空気を冷却する。分流弁６３は、空気供給流路６１において、インタクーラ６５の下流側、つまりインタクーラ６５と燃料電池スタック４０との間に設けられる。分流弁６３は、インタクーラ６５から流れてくる空気を、空気供給流路６１の下流側と、短絡流路６９とに分流する。このようなバルブは、三方弁ともいう。
分流弁用モータ６４は、分流弁６３に接続され、分流弁６３の開度を調整するためのトルクを発生する。短絡流路６９は、分流弁６３と空気排出流路６６とを接続する流路である。
空気排出流路６６には、調圧弁６７が設けられる。調圧弁６７は、開度に応じて空気排出流路６６の流路断面積を調整する。短絡流路６９の空気排出流路６６との接続部位は、調圧弁６７の位置よりも、空気排出流路６６における下流側に位置する。調圧弁用モータ６８は、調圧弁６７に接続され、調圧弁６７の開度を調整するためのトルクを発生する。
調圧弁６７を通過した空気は、短絡流路６９との接続部位を通過した後、大気開放口から大気に排出される。
流量計Ｑは、コンプレッサ６２によって吸入された空気（以下、吸入空気）の流量を計測する。外気温計Ｔａｔｍは、吸入空気の温度を計測する。大気圧計Ｐａｔｍは、吸入空気の圧力を計測する。
燃料電池スタック４０を冷却する冷却水循環機構７０は、ラジエータ７１と、冷却水ポンプ７２と、水温計Ｔｃを備える。冷却水ポンプ７２は、燃料電池スタック４０の運転温度を制御するために、燃料電池スタック４０とラジエータ７１との間で冷却水を循環させる。冷却水の循環は、燃料電池スタック４０における吸熱とラジエータ７１における放熱とを実現する。水温計Ｔｃは、冷却水の排出温度を計測する。排出温度とは、燃料電池スタック４０から排出され、ラジエータ７１に流入する前の温度である。
制御部３０は、具体的にはＥＣＵ（Electronic Control Unit）である。制御部３０は、燃料電池システム２０の動作を制御するための信号を出力する。例えば、制御部３０は、後述する起動時圧力制御処理を実行する際に、温度計Ｔｐの測定値を取得し、インジェクタ５８に対して制御信号を出力する。制御部３０は、起動時圧力制御処理を実行するためのプログラムを記憶している。
図２は、気液分離器５７の断面の概略を示す。気液分離器５７は、主流路１２０と、水位計１３０と、仕切１４０とを備える。
上記構成要素の説明の前に、気液分離器５７の機能を説明する。気液分離器５７は、流入管５６から流入した気体と水とを分離するための容器である。本実施形態において水と表現する場合、液体の水のことを意味する。
分離される気体は、主に、水素と、窒素と、水蒸気とである。水素は、燃料電池スタック４０によって消費されずに排出されることで、燃料電池スタック４０から気液分離器５７に流入する。窒素は、燃料電池スタック４０内においてカソードからアノードに透過することで、燃料電池スタック４０から気液分離器５７に流入する。水蒸気は、燃料電池スタック４０の発電反応による生成水が気体になることで生成する。
上記の分離を実現するために、流出管５９は、気液分離器５７の上部に接続されている。本実施形態における上下は、鉛直方向の上下のことである。流入管５６は、気液分離器５７の側面に接続される。流入管５６の接続部位の上下方向の位置は、気液分離器５７の上部に近い位置である。
上記のような配置であるため、流入管５６から流入した水の大部分は、重力の作用によって、流出管５９には向かわず、気液分離器５７の底部に向けて落下する。
図２に示すようにシャットバルブ５４が閉弁している場合、底部に向けて落下した水は気液分離器５７内に溜まり、気体は流出管５９から流出する。図２では、気液分離器５７内に溜まった水をハッチングで示す。
続いて、シャットバルブ５４の開弁によって生じる排出流路５５への流体の排出について説明する。シャットバルブ５４は、燃費の向上のため、原則として、閉弁している。
但し、水、水素、窒素のそれぞれについて、各々の基準よりも多くなり過ぎることを防止するために大気放出をする場合、制御部３０はシャットバルブ５４を開弁する。この目的でシャットバルブ５４の開閉が制御されることを、通常開閉制御と呼ぶ。
例えば、気液分離器５７に溜まった水の量が多くなり過ぎると、流出管５９から流出したり、流入管５６を逆流したりする。流出管５９から流出した水は、水素ポンプ５３に流入し、水素ポンプ５３による騒音を引き起こす。流入管５６を逆流した水は、燃料電池スタック４０に流入し、発電を阻害する場合がある。水位計１３０は、気液分離器５７内における水位を計測し、制御部３０に入力する。制御部３０は、計測された水位が所定値に達すると、流入管５６に水が逆流することを防止するために、シャットバルブ５４を開弁する。
また、アノード排ガスにおける水素濃度が高くなり過ぎると、シャットバルブ５４を開弁して大気に水素が放出された場合に、基準値となる濃度を上回ることがある。基準値は、法令等によって定められている。これを防止するために、水素濃度が所定値（＜基準値）に達すると、制御部３０はシャットバルブ５４を開弁することによって、気液分離器５７から大気に水素を放出する。
また、燃料電池スタック４０のアノードに供給される窒素の濃度が高くなり過ぎると、燃料電池スタック４０が劣化する虞がある。そこで、アノードの窒素濃度が高くなった場合には、シャットバルブ５４を開弁することによって、気液分離器５７から大気に窒素を放出する。
図３は、気液分離器５７の下部の拡大図である。水位計１３０の図示は省略されている。図３は、シャットバルブ５４の開弁によって、気体が排出される様子を示す。図３は、主流路１２０内を気体が流れる様子を、気体流れＧＦとして示す。
図４は、気体に加え、水が排出される様子を示す。水位計１３０の図示は省略されている。図４は、水が流れる様子を、水流ＷＦとして示す。以下、図３及び図４を参照して説明する。
主流路１２０内の流れの方向は、略水平方向である。主流路１２０は、上流部１２１と、下流部１２３とに分けられる。上流部１２１は、バイパス流路１１２（後述）との合流部位よりも上流の部位である。つまり、合流部位は、上流部１２１と、シャットバルブ５４との間に位置する。
下流部１２３は、バイパス流路１１２との合流部位よりも下流の部位であり、排出流路５５に接続された部位である。つまり、下流部１２３は、合流部位とシャットバルブ５４との間に位置する。下流部１２３の底面の高さは、所定高さＨである。ここでいう高さとは、気液分離器５７の底面を基準にしている。
仕切１４０の主な機能は、上流部１２１と、バイパス流路１１２との形成である。以下、仕切１４０について詳しく説明する。
仕切１４０は、第１壁１４１と、第２壁１４２と、第３壁１４３と、第４壁１４４とを備える。第３壁１４３は、仕切１４０の上面を形成する。第２壁１４２は、仕切１４０の下面を形成する。第１壁１４１及び第４壁１４４は、仕切１４０の側面を形成する。第１壁１４１は、第４壁１４４よりも上流側に位置する。ここでいう上流とは、上流部１２１の流れにおける上流のことである。
第３壁１４３は、上流部１２１の底面を形成する。第１壁１４１は、開放部１１１の側面を形成する。開放部１１１とは、気液分離器５７内の底部付近において、主流路１２０の流れの方向について、主流路１２０の上流の端よりも更に上流側に位置する部位である。開放部１１１の水面付近は、上部が開放されているため、主流路１２０内とは異なり管内流れは発生しない。よって、シャットバルブ５４の開弁時において、開放部１１１の水面付近の流速は、気体流れＧＦの流速に比べ遅い。
第２壁１４２は、底部流路１１６の内壁の一部を形成する。底部流路１１６とは、仕切１４０と、気液分離器５７の底面との間を流れる流路であり、開放部１１１とバイパス流路１１２とを繋ぐ流路である。底部流路１１６の流れの方向は、おおよそ水平方向である。
第４壁１４４は、バイパス流路１１２の内壁の一部を形成する。バイパス流路１１２は、主流路１２０に対して下方（つまり底面側）から合流する流路である。バイパス流路１１２による流れの方向は、おおよそ鉛直方向である。
次に、図４に示すように、バイパス流路１１２内の水面が、開放部１１１の水面よりも高くなって、主流路１２０内に到達する原理および条件について説明する。
バイパス流路１１２内の水面が開放部１１１の水面よりも高くなるのは、バイパス流路１１２の水面にかかる圧力が、開放部１１１の水面にかかる圧力よりも、小さいからである。このような圧力差が発生するのは、主流路１２０内を流れる気体流れＧＦの流速が、開放部１１１の水面付近における気体の流速よりも速いからである。詳細な関係は以下の通りである。
図３に示すように、開放部１１１の水面にかかる圧力を開放圧力Ｐ１とし、バイパス流路１１２の水面にかかる圧力を流路内圧力Ｐ２とすると、ベルヌーイの定理より次式が成立する。
Ｐ１／ρGｇ＋ｖ1 2／２ｇ＝Ｐ２／ρGｇ＋ｖ2 2／２ｇ・・・（１）
ρGは気体の密度、ｇは重力加速度、ｖ1は開放部１１１の水面における気体の速度、ｖ2はバイパス流路１１２と主流路１２０との合流部分における気体の流速を示す。
実際の条件としてｖ1 2≪ｖ2 2が成立するので、式（１）は式（２）のように変形できる。
Ｐ２＝Ｐ１−ρGｖ2 2／２・・・（２）
式（２）より、Ｐ２＜Ｐ１であるので、図３及び図４に示すように、開放部１１１の水面が、バイパス流路１１２の水面よりも低くなる。
図３に示すように、開放部１１１の水面からバイパス流路１１２の水面までの高さを水位差Δｈとし、開放部１１１の水面から下流部１２３の底面までの高さを高さｈとする。高さｈは、所定高さＨから、水位計１３０の計測値を減算することによって取得できる。
ところで、水の密度をρWと表記し、ρG≪ρWとすると次式が成立する。
Ｐ１−Ｐ２＝ρWｇΔｈ・・・（３）
式（３）を変形すると、次式になる。
Δｈ＝（Ｐ１−Ｐ２）／ρWｇ・・・（４）
Δｈ＜ｈであれば、図３のように、バイパス流路１１２の水面は主流路１２０内に到達しない。逆にΔｈ≧ｈであれば、図４のように、バイパス流路１１２の水面が主流路１２０内に到達する。水の密度ρW及び重力加速度ｇは一定であると見なせるので、水位差Δｈと高さｈとの大小関係は、開放圧力Ｐ１及び流路内圧力Ｐ２を測定すれば把握できる。或いは、バイパス流路１１２の水位を測定すれば、Δｈを取得するまでもなく、バイパス流路１１２の水面が主流路１２０内に到達するか否かを把握できる。
しかし、本実施形態では、開放圧力Ｐ１及び流路内圧力Ｐ２を測定する圧力計や、バイパス流路１１２の水位を測定する水位計は設けられていない。そこで、以下に説明する手法で、水位差Δｈと高さｈとの大小関係を推定する。
式（４）に式（２）を代入すると、次式になる。
Δｈ＝（ρG／２ρWｇ）ｖ2 2・・・（５）
式（５）より、気体の密度ρG及び速度ｖ2が推定できれば水位差Δｈを取得できる。
まず、速度ｖ2の取得について説明する。速度ｖ2は、主流路１２０における流量を推定することによって取得する。
シャットバルブ５４を通過する基準状態における気体の体積流量ＱG（Ｎｍ3／ｈｏｕｒ）は、周知のように、気体の場合におけるＣｖ値を用いて、下記式（６），（７）で表される。上式におけるＰ０は２次圧力としての大気圧、Ｇは空気を標準物質とした場合における比重、ｔは気体の温度（℃）、ΔＰは流路内圧力Ｐ２と圧力Ｐ０との差圧を示す。式（６）はΔＰ＜Ｐ２／２の場合、式（７）はΔＰ≧Ｐ２／２の場合である。
Ｃｖ＝ＱG√［Ｇ（２７３＋ｔ）／｛ΔＰ（Ｐ２＋Ｐ０）｝］／２,９１６・・・（６）
Ｃｖ＝ＱG√｛Ｇ（２７３＋ｔ）｝／２,５１９Ｐ２・・・（７）
基準状態とは、０℃、且つ１０１．３２５ｋＰａ・ａｂｓのことである。気体の場合におけるＣｖ値とは、周知のように、所定条件の場合に、バルブを通過する気体の体積流量をＵＳ ｇａｌ／ｍｉｎで表した値である。所定条件とは、バルブの上流と下流との差圧が１ｌｂｆ／ｉｎ2（≒６．９ｋＰａ）であり、気体の温度が華氏６０度（≒１５．６℃）である。１ＵＳ ｇａｌ／ｍｉｎは、約０．２３ｍ3／ｈｏｕｒである。
Ｃｖ値、大気圧Ｐ０、流路内圧力Ｐ２、気体の温度ｔ、気体の比重Ｇが把握できれば、式（６），（７）より、基準状態における体積流量ＱGが求まる。求めた体積流量ＱGを、流路内圧力Ｐ２と、気体の温度ｔとを用いて実際の体積流量に変換し、さらに主流路１２０の流路面積で除算すると速度ｖ2が求まる。
シャットバルブ５４のＣｖ値は、予め取得されている。大気圧Ｐ０は、大気圧計Ｐａｔｍによって測定される。気体の温度ｔは、水温計Ｔｃの測定値と相関が強いので、水温計Ｔｃの計測値を用いて推定する。
気体の比重Ｇは、気体の組成から算出する。先述したように気液分離器５７内の気体は、主に、窒素と、水素と、水蒸気とである。
水素の割合は、アノード排ガスにおいて、水素量が増大する要素と、水素量が減少する要素とを加味して推定する。水素量が増大する要素は、水素タンク５１からの水素の供給である。供給量は、高圧側圧力計Ｐｈｈ及び低圧側圧力計Ｐｈｌによる測定値、及びインジェクタ５８の流量から推定する。
水素量が減少する要素は、燃料電池スタック４０による発電反応による消費、及び燃料電池スタック４０内におけるアノードからカソードへのリーク、気液分離器５７からの排出である。発電反応による消費量は、発電電流の電圧値および電流値を計測することで、推定できる。水素のリークは、発電反応による消費に比べて少ないので、本実施形態では無視する。
窒素の割合は、燃料電池スタック４０におけるカソードからアノードへのリーク量に基づき推定する。窒素のリーク量は、前回、シャットバルブ５４を開弁した時刻からの経過時間、及びカソードに供給された空気の量に基づき推定する。水蒸気の割合は、相対湿度が１００％であると見なし、気体の温度ｔに基づき推定する。気体の密度ρGは、上記で求めた比重Ｇから算出される。
流路内圧力Ｐ２は、式（２）を用いて、開放圧力Ｐ１から算出する。開放圧力Ｐ１は、供給圧（低圧側圧力計Ｐｈｌによって取得される値）から推定する。開放圧力Ｐ１は、燃料電池スタック４０内における圧損、及び燃料電池スタック４０による水素の消費によって、供給圧よりも低くなる。どの程度低くなるかは、インジェクタ５８によって制御される流量、低圧側圧力計Ｐｈｌの測定値、燃料電池スタック４０による発電量などから推定できる。
このようにして取得した速度ｖ2と、気体の密度ρGとを式（５）に代入すると、水位差Δｈが求まる。
図５は、起動時圧力制御処理を示すフローチャートである。起動時圧力制御処理は、パワースイッチがオンになったことを契機に、制御部３０によって開始される。パワースイッチとは、自動車１に設けられたユーザインタフェースである。ユーザは、運転を開始する場合に、及び自動車１を駐車する場合に、パワースイッチを押す。パワースイッチが運転の開始のために操作されると、燃料電池システム２０全体を起動させるための他の処理も、起動時圧力制御処理と並行して開始される。
起動時圧力制御処理の説明の前に、パワースイッチが駐車のために操作された場合の処理について説明する。パワースイッチが駐車のために操作された場合、駐車状態に移行するための種々の処理が実行される。それらの処理には、気液分離器５７内の水を排出する処理が含まれる。気液分離器５７内の水の排出は、シャットバルブ５４を開弁し、気液分離器５７内の圧力を上げることによって実現される。気液分離器５７内の圧力の上昇は、インジェクタ５８による流量を増大させることによって実現される。つまり、インジェクタ５８を、気液分離器５７内の圧力を制御するための気体制御機構として利用する。
上記のように駐車状態への移行時に水を排出する場合は、先述したようにΔｈ＞ｈの現象を利用して排出を実現してもよいし、気体が底部流路１１６及びバイパス流路１１２に流れ込むくらいに開放圧力Ｐ１を高くすることによって、排出を実現してもよい。気体が底部流路１１６及びバイパス流路１１２に流れ込めば、排出後の水位は、第２壁１４２よりも低くなる。
上記のように気液分離器５７の水を排出しても、駐車の間、気液分離器５７内の水蒸気が徐々に凝縮し、気液分離器５７内に水が溜まる。さらには、駐車の間、カソードに存在する窒素がアノードに透過することによって、徐々にアノードの窒素量が増大していく。起動時圧力制御処理は、上記のように、駐車の間に気液分離器５７内において水と窒素との量が増大することを前提にしている。但し、本実施形態においては、駐車の間に溜まる水の水面が、第３壁１４３の高さよりも高くなることは想定されていない。
起動時圧力制御処理を開始すると、気液分離器５７に過冷却水が存在しているかを推定する（Ｓ２１０）。過冷却水とは、周知のように、氷になるべき温度以下でも、液体として存在している水のことである。
Ｓ２１０では、温度計Ｔｐの温度がゼロ℃未満である場合に、過冷却水が存在していると推定する。これは、本実施形態においては気液分離器５７内の圧力を１気圧と見なし、且つ、或る程度の時間、駐車されていれば、水素ポンプ５３の温度と気液分離器５７の温度とが等しいと見なせることに基づく。このため、温度計Ｔｐは、気液分離器５７内の水が過冷却状態であるか否かを推定するための情報を取得する情報取得部として機能する。
気液分離器５７に過冷却水が存在していないと推定される場合（Ｓ２１０，ＮＯ）、シャットバルブ５４を所定時間、開弁し（Ｓ２６０）、起動時圧力制御処理を終える。起動時にシャットバルブ５４を開弁する目的は、アノードの窒素濃度を下げることである。先述したように、駐車の間にアノードにおける窒素濃度が高くなっている可能性が高い。アノードの窒素濃度が高いと燃料電池スタック４０の劣化を引き起こす場合がある。そこで、起動時には、原則、速やかにシャットバルブ５４を開弁する。
気液分離器５７に過冷却水が存在していないと推定される場合、インジェクタ５８による流量は、燃料電池スタック４０による発電に最適な値に制御される。このため、シャットバルブ５４が開弁した場合、開放圧力Ｐ１及び流路内圧力Ｐ２の値は、成り行きで決まる。このため、水位差Δｈと高さｈとの大小関係も、成り行きで決まる。
起動時圧力制御処理を終えると、シャットバルブ５４は、先述した通常開閉制御によって開閉が決定される。
一方、気液分離器５７に過冷却水が存在していると推定される場合（Ｓ２１０，ＹＥＳ）、気液分離器５７内の気体の組成を推定する（Ｓ２２０）。Ｓ２２０は、先述したように、気体の比重Ｇおよび密度ρGを求めるために実行する。
次に、大気圧の値を取得する（Ｓ２３０）。具体的には、大気圧計Ｐａｔｍの測定値を取得する。大気圧の値は、先述した式（６）に圧力Ｐ０として代入される。
次に、気液分離器５７内の流路内圧力Ｐ２を、水が排出されない値に制御する（Ｓ２４０）。具体的には、Δｈ＜ｈになるように、低圧側圧力計Ｐｈｌの測定値のフィードバック制御を開始する。この制御は、インジェクタ５８によって水素の流量を制御することで実現される。
続いて、シャットバルブ５４を開弁し（Ｓ２５０）、Ｓ２１０に戻る。Ｓ２１０でＹＥＳと判定している間は、Ｓ２１０〜Ｓ２５０を繰り返すことになる。但し、２回目以降のＳ２５０は、シャットバルブ５４の開弁状態を維持するというステップに読み替える。
Ｓ２１０〜Ｓ２５０が繰り返されていると、徐々に気液分離器５７内の水の温度が上昇する。なぜなら、流入管５６から流入する流体の温度は、ゼロ℃よりも高いからである。
そして、気液分離器５７に過冷却水が存在していないと推定される状態になると（Ｓ２１０，ＮＯ）、Ｓ２６０に進む。Ｓ２５０を実行した後に、Ｓ２６０を実行する場合は、Ｓ２６０における所定時間は、Ｓ２５０の開始時から起算する。
１回目のＳ２１０においてＹＥＳと判定した後、２回目以降のＳ２１０における判定手法は、１回目のＳ２１０の判定手法と同じでもよいし、異なっていてもよい。燃料電池システム２０の起動から或る程度の時間が経過すると、温度計Ｔｐによる測定値と、気液分離器５７内の水の温度とは乖離する可能性が高い。このため、燃料電池システム２０の起動から或る程度の時間が経過した後にＳ２１０の判定を実行する場合は、水温計Ｔｃの取得値から推定されるアノード排ガスの温度と、燃料電池システムの起動からの経過時間とを加味してもよい。
以上に説明した実施形態によれば、燃料電池システム２０の起動時に、アノードからの窒素の排出を実現しつつ、気液分離器５７内に存在する過冷却水がシャットバルブ５４に付着することを回避できる。ひいては、シャットバルブ５４に氷が付着し、シャットバルブ５４の開閉動作を阻害することを防止できる。
本開示は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、或いは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。
バイパス流路１１２の水面が、主流路１２０に達するか否かの判定手法は、種々の手法を採用し得る。例えば、上記したように、バイパス流路１１２に水位計を設置してもよいし、開放圧力Ｐ１及び流路内圧力Ｐ２を測定し、式（３）に代入して水位差Δｈを求めてもよい。
速度ｖ2を算出するために、実施形態として説明したような気体の組成、気体の温度ｔ、気体の比重、気体の密度ρG等の推定を実行しなくてもよい。例えば、気液分離器内の気体の温度ｔを測定するための温度計を設けてもよい。或いは、温度ｔや密度ρG等を固定値として取り扱ってもよい。また、大気圧を固定値として取り扱ってもよい。
開放圧力Ｐ１や流路内圧力Ｐ２を制御する手法を変更してもよい。例えば、水素ポンプ５３の回転数を高くすれば、気液分離器５７内の圧力は下がるので、水素ポンプ５３の回転数の制御を、開放圧力Ｐ１の制御に利用してもよい。或いは、流入管５６や流出管５９に可変絞りを設けてもよい。
過冷却水の存在を推定するための情報として、燃料電池システム２０の起動時における低圧側圧力計Ｐｈｌの測定値を用いてもよい。周知の通り、過冷却状態であるか否かは圧力に依存する。燃料電池システム２０の起動時において、低圧側圧力計Ｐｈｌの測定値は、開放圧力Ｐ１とほぼ等しい。
自動車１は、コネクテッドカーでもよい。コネクテッドカーとは、通信機を搭載し、クラウドとの通信によってサービスを受けることができる自動車である。
自動車１がコネクテッドカーである場合、過冷却水の存在を推定するための情報をインターネットによって取得してもよい。例えば、自動車１の駐車開始時刻から起動時までの外気温の推移を、過冷却水の存在を推定するための情報として取得してもよい。
自動車１がコネクテッドカーである場合、大気圧の値をインターネットによって取得してもよい。
過冷却水の存在が推定される場合であっても、気液分離器５７から排水を実施してもよい。例えば、過冷却水の存在が推定される場合に、シャットバルブ５４の開弁直後は排水をせず、その後、過冷却水が残存していると推定される状態であっても、排水を開始してもよい。但し、過冷却水が残存していると推定される状態で排水を実施する場合は、過冷却水が存在しないと推定される状態の場合に比べ、開放圧力Ｐ１を低くすることが好ましい。開放圧力Ｐ１を低くすれば、水位差Δｈが小さくなるので、単位時間当たりの排水量が少なくなる。この結果、過冷却水がシャットバルブ５４に付着しても、シャットバルブ５４が氷結しにくい。
１…自動車
２０…燃料電池システム
３０…制御部
４０…燃料電池スタック
５０…水素供給排出機構
５１…水素タンク
５２…レギュレータ
５３…水素ポンプ
５４…シャットバルブ
５５…排出流路
５６…流入管
５７…気液分離器
５８…インジェクタ
５９…流出管
６０…空気供給排出機構
６１…空気供給流路
６２…コンプレッサ
６３…分流弁
６４…分流弁用モータ
６５…インタクーラ
６６…空気排出流路
６７…調圧弁
６８…調圧弁用モータ
６９…短絡流路
７０…冷却水循環機構
７１…ラジエータ
７２…冷却水ポンプ
１１１…開放部
１１２…バイパス流路
１１６…底部流路
１２０…主流路
１２１…上流部
１２３…下流部
１３０…水位計
１４０…仕切
１４１…第１壁
１４２…第２壁
１４３…第３壁
１４４…第４壁
Ｐａｔｍ…大気圧計
Ｐｈｈ…高圧側圧力計
Ｐｈｌ…低圧側圧力計
Ｑ…流量計
Ｔａｔｍ…外気温計
Ｔｃ…水温計
Ｔｐ…温度計

Claims (4)

  1. 燃料電池スタックから流入した水と気体とを分離する気液分離器と、
    前記気液分離器から流体を大気に放出するために、前記気液分離器に接続された排出流路と、
    前記気液分離器と前記排出流路との間に設けられたバルブと、
    前記気液分離器内の気体の圧力を変動させることが可能な気体制御機構と、
    前記気液分離器内の水の温度を推定するための情報を取得する情報取得部と、
    前記情報取得部によって取得された情報を用い、前記気体制御機構を制御する制御部と、を備え、
    前記気液分離器は、前記気液分離器の底面から所定高さにおいて前記バルブに向かって略水平方向に流体が流れる主流路と、前記主流路に対し前記底面側から前記主流路に合流するバイパス流路とを備え、
    前記制御部は、前記気液分離器内の水が過冷却状態であることを前記情報が示す場合に前記バルブを開弁するときは、前記バイパス流路における水面が前記所定高さよりも低くなるように、前記気体制御機構を用いて前記気液分離器内の圧力を制御する
    燃料電池システム。
  2. 大気圧の値を取得する大気圧取得部を備え、
    前記制御部は、前記大気圧取得部によって取得された値に応じて、前記気液分離器内の圧力を制御する
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記気体制御機構は、水素タンクから前記燃料電池スタックに水素を供給するためのインジェクタである
    請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御部は、前記気液分離器内の圧力の制御を、当該燃料電池システムを起動する場合に実行する
    請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の燃料電池システム。
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