JP7041538B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、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を備えた燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池から排出される水分を含んだオフガスが流通する流路に設けられた弁装置のシャフト及びシール部にＰＴＣヒータを設けた燃料電池システムが開示されている。このような燃料電池システムでは、ＰＴＣヒータによってシャフト及びシール部を加熱してシャフト及びシール部に付着した水分を蒸発させることにより、弁装置の凍結を防止している。

特許第４６５４５６９号公報

しかしながら、上述した従来技術では、弁装置のシャフト及びシール部にＰＴＣヒータを設ける必要があるため、弁装置の構成が複雑化することがある。また、ＰＴＣヒータから発生した熱は、シャフト及びシール部から弁装置のボディを介して外部に放熱され易い。そのため、弁装置の凍結を効果的に抑制することができず、弁装置が凍結した場合には速やかに解凍することができないおそれがある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、簡易な構成により、弁装置の凍結を効果的に抑えることができ、且つ弁装置が凍結した場合であっても速やかに解凍することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明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と、前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料電池から導出された水分を含むオフガスが流通する導出流路と、前記導出流路に設けられて前記オフガスから水分を分離する気液分離器と、前記気液分離器で分離された水を排出するための排出流路と、前記排出流路に設けられた弁装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記弁装置は、前記排出流路を開放及び閉塞する弁本体と、前記気液分離器内の少なくとも水を含む流体を前記弁本体に導く流体導入部と、前記弁本体から導かれた前記流体を導出させる流体導出部と、を有し、前記流体導入部の内孔には、加熱装置が配設されていることを特徴とする。

このような構成によれば、流体導入部の内孔に加熱装置を配設しているため、気液分離器から弁本体に導かれる流体（オフガス及び水）を加熱装置によって直接的に加熱することができるとともに流体導入部の内孔を氷点下よりも高い温度に保持することができる。これにより、弁本体を効率的に加熱することができる。よって、簡易な構成により、弁装置の凍結を効果的に抑えることができ、且つ弁装置が凍結した場合であっても速やかに解凍することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記流体導入部には、前記流体を前記気液分離器内から前記流体導入部の内孔に流入させるための開口部が形成され、前記加熱装置は、発熱体と、前記開口部の下方に位置して前記発熱体を収容するカバー部と、を有し、前記カバー部には、前記カバー部の上方に向けて開口して前記流体を前記カバー部の内孔に導入するための上孔と、前記カバー部の内孔の前記流体を前記弁本体に導くための導出孔と、が形成されていてもよい。

このような構成によれば、気液分離器から開口部を介して流体導入部の内孔に流入した流体は、上孔を介してカバー部内に導入されて発熱体によって加熱される。これにより、弁本体に導かれる流体の流量をカバー部で絞った状態で効率的に加熱することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記流体導入部は、前記気液分離器の底部に設けられていてもよい。

このような構成によれば、弁装置及び気液分離器の構成を簡素化することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記カバー部には、上方以外の方向に向けて開口し、前記カバー部と前記流体導入部との間に存在する水蒸気を前記カバー部の内孔に導入させるための連通孔が形成されていてもよい。

このような構成によれば、連通孔からカバー部の内孔に導入した水蒸気によって弁本体を一層効率的に加熱することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記連通孔は、下方に向けて開口するとともに前記上孔よりも前記導出孔とは反対側に位置していてもよい。

このような構成によれば、カバー部と流体導入部との間に存在する水蒸気を連通孔からカバー部の内孔に効率的に導入させることができる。また、上孔からカバー部の内孔に導入された水が連通孔を介してカバー部の外側に流出することを抑制することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記カバー部は、前記発熱体を覆うとともに前記上孔が形成されたカバー部本体と、前記カバー部本体に設けられて前記導出孔が形成された導出部と、を有し、前記導出部の流路断面積は、前記カバー部本体の流路断面積よりも大きくてもよい。

このような構成によれば、導出部に導かれた流体によって弁本体が局所的に加熱されることを抑えることができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記発熱体は、ＰＴＣヒータであってもよい。

このような構成によれば、簡易な制御によって発熱体を目標温度にすることができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記ＰＴＣヒータに供給する電力を制御するヒータ制御部と、前記ＰＴＣヒータの抵抗値を取得する抵抗値取得部と、前記抵抗値取得部によって取得されたヒータ抵抗値が目標抵抗値以上であるか否かを判定する抵抗値判定部と、を備え、前記ヒータ制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記ＰＴＣヒータに電力を供給した状態で、前記ヒータ抵抗値が前記目標抵抗値未満であると前記抵抗値判定部が判定した場合に、前記ＰＴＣヒータへの供給電力を上昇させてもよい。

このような構成によれば、燃料電池システムの起動時に弁装置が凍結していた場合であっても、簡易な制御によってＰＴＣヒータによって弁装置を速やかに解凍することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、前記ヒータ抵抗値に基づいて前記ＰＴＣヒータの温度を算出するヒータ温度算出部と、前記ヒータ温度算出部によって算出されたヒータ温度から前記燃料電池温度取得部によって取得された燃料電池温度を減算した温度差が所定温度以上であるか否かを判定する温度判定部と、備え、前記ヒータ制御部は、前記温度差が前記所定温度以上であると前記温度判定部が判定した場合に、前記ＰＴＣヒータへの電力供給を停止してもよい。

このような構成によれば、ＰＴＣヒータによって流体を充分に温めた後で、ＰＴＣヒータへの電力供給が停止されるため、弁本体を確実に解凍しつつＰＴＣヒータの電力消費量を抑えることができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記排出流路が開放及び閉塞されるように前記弁装置を制御する弁制御部と、前記ＰＴＣヒータに供給する電力を制御するヒータ制御部と、前記ＰＴＣヒータの抵抗値を取得する抵抗値取得部と、前記抵抗値取得部によって取得されたヒータ抵抗値に基づいて前記ＰＴＣヒータの温度を算出するヒータ温度算出部と、前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、前記ヒータ温度算出部によって算出されたヒータ温度から前記燃料電池温度取得部によって取得された燃料電池温度を減算した温度差が排水判定値以下であるか否かを判定する温度判定部と、を備え、前記弁制御部は、前記燃料電池システムの通常運転時に、前記ＰＴＣヒータに電力が供給されている状態で前記温度差が前記排水判定値以下であると前記温度判定部が判定した場合に、前記排出流路が開放されるように前記弁装置を開弁制御してもよい。

ところで、燃料電池システムの通常運転時に気液分離器内に水が貯留している場合、加熱装置が水に接触しているため、ＰＴＣヒータの温度は低くなる。そのため、ヒータ温度から燃料電池温度を減算した温度差が比較的小さくなる。一方、気液分離器内に水が貯留していない場合、加熱装置がオフガス等の気体に接触するため、ＰＴＣヒータの温度は高くなる。そのため、前記温度差は比較的大きくなる。そして、上記構成によれば、前記温度差が排水判定値以下である場合に弁装置を開弁制御している。そのため、簡易な制御によって、気液分離器内に貯留している水を確実に排水することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記ヒータ抵抗値が所定閾値よりも高いか否かを判定する抵抗値判定部を備え、前記弁制御部は、前記開弁制御してから所定時間経過後に前記排出流路が閉塞されるように前記弁装置を閉弁制御した後で、前記ヒータ抵抗値が前記所定閾値よりも高いと前記抵抗値判定部が判定した場合に、前記排出流路が開放されるように前記弁装置を開弁制御してもよい。

例えば、燃料電池システムが車両等に搭載された際に車両挙動によって気液分離器内の水面が水平に対して傾斜することがある。この場合、加熱装置が水面から露出すると、気液分離器内に水が残っていても弁装置が閉弁されてしまう。しかしながら、上記構成によれば、弁装置を閉弁制御した後で、ヒータ抵抗値が所定閾値よりも高い場合に弁装置を再度開弁制御しているため、気液分離器内の水面が水平に対して傾斜していた場合であっても、気液分離器内の水を確実に排水することができる。

上記の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの運転が停止された後で所定の時間間隔で起動する制御部を備え、前記制御部は、前記排出流路が開放及び閉塞されるように前記弁装置を制御する弁制御部と、前記ＰＴＣヒータに供給する電力を制御するヒータ制御部と、前記ＰＴＣヒータの抵抗値を取得する抵抗値取得部と、前記抵抗値取得部によって取得されたヒータ抵抗値に基づいて前記ＰＴＣヒータの温度を算出するヒータ温度算出部と、前記ヒータ温度算出部によって算出されたヒータ温度が凍結閾値以下であるか否かを判定する温度判定部と、を有し、前記弁制御部は、前記燃料電池システムの運転が停止された状態で前記制御部が起動した際に、前記ヒータ温度が前記凍結閾値以下であると前記温度判定部が判定した場合に、前記排出流路が開放されるように前記弁装置を開弁制御してもよい。

このような構成によれば、簡易な制御によって、燃料電池システムの運転停止中に弁装置に発生した結露水が凍結する前にその結露水を確実に排水することができる。

本発明によれば、流体導入部の内孔に加熱装置を配設しているため、簡易な構成により、弁装置の凍結を効果的に抑えることができ、且つ弁装置が凍結した場合であっても速やかに解凍することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 気液分離器、弁装置及び加熱装置の一部省略縦断面図である。 ＰＴＣヒータの温度と抵抗値との関係を示したグラフである。 燃料電池システムの低温起動制御を説明するフローチャートである。 燃料電池システムの低温起動制御を説明するグラフである。 燃料電池システムの排水制御を説明するフローチャートである。 燃料電池システムの排水制御を説明するグラフである。 燃料電池システムの低温時運転停止制御を説明するフローチャートである。 燃料電池システムの低温時運転停止制御を説明するグラフである。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とが設けられる。燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と制御部２２を備える。

燃料電池スタック１２は、水平方向に積層される複数の発電セル２４を備える。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持して構成される。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれた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３２と、固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２８と電解質膜・電極構造体２６との間には、アノード電極３４に燃料ガスを導くための燃料ガス流路３８が設けられている。第２セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２６との間には、カソード電極３６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路４０が設けられている。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体（冷媒）を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられている。

燃料電池スタック１２には、燃料ガス入口４４ａ、燃料ガス出口４４ｂ、酸化剤ガス入口４６ａ、酸化剤ガス出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。燃料ガス入口４４ａは、各発電セル２４を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３８の供給側に連通する。燃料ガス出口４４ｂは、各発電セル２４を積層方向に貫通するとともに、燃料ガス流路３８の排出側に連通する。燃料ガス流路３８、燃料ガス入口４４ａ及び燃料ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。

酸化剤ガス入口４６ａは、各発電セル２４を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路４０の供給側に連通する。酸化剤ガス出口４６ｂは、各発電セル２４を積層方向に貫通するとともに、酸化剤ガス流路４０の排出側に連通する。酸化剤ガス流路４０、酸化剤ガス入口４６ａ及び酸化剤ガス出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。

冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４を積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４を積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、高圧の燃料ガス（高圧水素）を貯留する燃料ガスタンク５０を備え、この燃料ガスタンク５０は、燃料ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口４４ａに連通する。燃料ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する。

燃料ガス供給路５２には、インジェクタ５４及びエジェクタ５６が設けられている。インジェクタ５４は、燃料ガスタンク５０から導かれた燃料ガスを下流側に噴射する。エジェクタ５６は、インジェクタ５４から噴射された燃料ガスにベンチュリ効果により負圧を発生させて後述する循環流路６２の燃料オフガスを吸い込み、燃料ガスに混合して下流側に吐出する。

燃料電池スタック１２の燃料ガス出口４４ｂには、燃料ガス排出路５８（導出流路）が連通する。燃料ガス排出路５８は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された燃料ガスである燃料オフガス（燃料排ガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。燃料ガス排出路５８には、気液分離器６０が設けられる。気液分離器６０は、燃料オフガスから水分（生成水）を分離し、分離した水を貯留する。気液分離器６０は、燃料電池スタック１２に隣接している。そのため、燃料電池スタック１２で発生した熱は、気液分離器６０に伝達される。

燃料ガス排出路５８の下流側の端部には、循環流路６２とパージ流路６４とが連結されている。循環流路６２は、燃料オフガスをエジェクタ５６に導く。循環流路６２には、循環ポンプ６６が設けられる。循環ポンプ６６は、特に、燃料電池スタック１２の始動時に、燃料ガス排出路５８に排出された燃料オフガスを、循環流路６２を通って燃料ガス供給路５２に循環させる。

パージ流路６４には、パージ弁６８が設けられている。気液分離器６０の底部１１０には、気液分離器６０で分離された水を排出するための排出流路７０が設けられている。排出流路７０には、排出流路７０を開放及び閉塞する弁装置７２が設けられている。弁装置７２の具体的な構成の説明については後述する。

酸化剤ガス供給装置１６は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４６ａに連通する酸化剤ガス供給路７４と、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス出口４６ｂに連通する酸化剤ガス排出路７６とを備える。

酸化剤ガス供給路７４には、酸化剤ガス（大気からの空気）を圧縮して供給する酸化剤ガスポンプ７８が設けられている。酸化剤ガス供給路７４は、燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを導入し、酸化剤ガス排出路７６は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された酸化剤ガスである酸化剤オフガスを、燃料電池スタック１２から排出する。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路８０を備える。冷却媒体供給路８０には、冷媒ポンプ８２が設けられている。冷却媒体供給路８０は、ラジエータ８４に連結されるとともに、ラジエータ８４には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路８６が連結される。

図２に示すように、弁装置７２は、気液分離器６０の底部１１０に設けられている。弁装置７２は、弁本体９０、流体導入部９２及び流体導出部９４を有する。

弁本体９０は、中空の弁ボディ９６、固定コア９８、可動コア１００、スプリング１０２、弁体１０４及びソレノイド１０６を含む。弁ボディ９６内には、固定コア９８及び可動コア１００が矢印Ｘ方向に並んだ状態で配設されている。可動コア１００は、鉄等の磁性材料によって構成されており、矢印Ｘ方向に作動する。

可動コア１００の矢印Ｘ１方向の一端部には、可動コア１００を矢印Ｘ２方向に付勢するためのスプリング１０２が配置された凹部１０８が形成されている。弁体１０４は、可動コア１００の矢印Ｘ２方向の他端部に設けられるとともに弁ボディ９６の弁室１０９に位置している。弁ボディ９６に設けられたソレノイド１０６には、制御部２２から電流が供給される。

流体導入部９２は、気液分離器６０内の少なくとも水を含む流体を弁本体９０に導く。流体導入部９２は、矢印Ｘ方向に延在するとともに気液分離器６０の底部１１０に設けられている。

流体導入部９２は、気液分離器６０の底部１１０の下方（鉛直下方）に位置している。流体導入部９２には、気液分離器６０内の流体を流体導入部９２の内孔９２ａに導くための開口部１１２が形成されている。つまり、開口部１１２は、気液分離器６０の底部１１０に形成された排出口１１０ａと流体導入部９２の内孔９２ａとを互いに連通する。流体導入部９２の一端部（矢印Ｘ１方向の端部）には、弁体１０４が着座する弁座１１４が設けられている。

流体導出部９４は、弁本体９０（弁室１０９）から導かれた流体を導出させる。流体導出部９４は、流体導入部９２の一端側を覆うように弁ボディ９６に設けられている。流体導入部９２の内孔９２ａ、弁室１０９、流体導出部９４の内孔９４ａは、排出流路７０の一部を構成する。

このような弁装置７２では、制御部２２からソレノイド１０６に電流が供給されると、可動コア１００がソレノイド１０６の励磁作用によって固定コア９８が位置する側（矢印Ｘ１方向）に変位する。これにより、弁体１０４が弁座１１４から離間するため、排出流路７０が開放される。

一方、制御部２２からソレノイド１０６への電流の供給が遮断されると、可動コア１００がスプリング１０２の付勢力によって矢印Ｘ２方向に変位する。これにより、弁体１０４が弁座１１４に着座するため、排出流路７０が閉塞される。

本実施形態では、流体導入部９２の内孔９２ａには、気液分離器６０から導かれた流体を加熱する加熱装置１１６が配設されている。加熱装置１１６は、発熱体としてのＰＴＣヒータ１１８（PTC：Positive Temperature Coefficient）と、ＰＴＣヒータ１１８を収容するカバー部１２０とを有する。ＰＴＣヒータ１１８は、矢印Ｘ方向に延在するとともに開口部１１２の下方に位置している。ＰＴＣヒータ１１８は、制御部２２から供給される電力によって発熱する。

ＰＴＣヒータ１１８は、図３に示すように、所定の設定温度Ｔｒを超えると温度上昇に対して急激に電気抵抗値が増大するものであって、自己温度制御機能を有する。なお、図３において、縦軸は、ＰＴＣヒータ１１８の電気抵抗値（ヒータ抵抗値）の対数である。ヒータ抵抗値は、常温Ｔｎ（２５℃）と設定温度Ｔｒとの間で最低抵抗値Ｒｍｉｎになる。

図２において、カバー部１２０は、矢印Ｘ方向に延在した状態でＰＴＣヒータ１１８を覆う管状のカバー部本体１２２と、カバー部本体１２２の矢印Ｘ１方向の端部に設けられた導出部１２４とを含む。カバー部本体１２２は、流体導入部９２の他端部に支持されている。流体導入部９２の他端部には、カバー部本体１２２の外面に液密及び気密に接触するシール部材１２６が装着されている。

カバー部本体１２２は、開口部１１２の下方に位置している。カバー部本体１２２の外径は、流体導入部９２の内径よりも小さい。カバー部本体１２２には、上孔１２８と連通孔１３０とが形成されている。上孔１２８は、カバー部本体１２２の上方に向けて開口しており、気液分離器６０から導かれた流体をカバー部１２０の内孔１２０ａに導入させる。上孔１２８は、開口部１１２及びＰＴＣヒータ１１８よりも弁座１１４が位置する側（矢印Ｘ１方向）に位置している。

連通孔１３０は、カバー部本体１２２の下方に向けて開口しており、流体導入部９２の内孔９２ａのうちカバー部１２０の外側の空間（外側空間１３２）とカバー部１２０の内孔１２０ａとを互いに連通する。連通孔１３０は、上孔１２８よりも弁座１１４が位置する側とは反対方向（矢印Ｘ２方向）に位置している。換言すれば、連通孔１３０の矢印Ｘ１方向の端は、上孔１２８の矢印Ｘ２方向の端よりも矢印Ｘ２方向に位置している。連通孔１３０は、ＰＴＣヒータ１１８よりも矢印Ｘ１方向に位置している。

導出部１２４は、環状に構成されている。導出部１２４のうち矢印Ｘ１方向の端部には、カバー部１２０の内孔１２０ａの流体を弁本体９０に導くための導出孔１３４が形成されている。導出孔１３４は、矢印Ｘ１方向に向かって開口している。導出部１２４の外径は、流体導入部９２の内径と略等しい。すなわち、導出部１２４の外面は、流体導入部９２の内面に接触している。導出部１２４の流路断面積は、カバー部本体１２２の流路断面積よりも大きい。

図１において、制御部２２は、マイクロコンピュータを含む計算機であり、ＣＰＵ（中央処理装置）、メモリであるＲＯＭ、ＲＡＭ、等を有しており、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出し実行することで各種機能実現部（機能実現手段）として機能する。なお、各種機能実現部は、ハードウエアとしての機能実現器により構成することもできる。

制御部２２は、弁制御部１３６、ヒータ制御部１３８、抵抗値取得部１４０、抵抗値判定部１４２、ヒータ温度算出部１４４、スタック温度取得部１４６（燃料電池温度取得部）、温度判定部１４８及び記憶部１５０を備える。

弁制御部１３６は、排出流路７０が開放及び閉塞されるように弁装置７２を制御する。ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への供給電力を制御する。抵抗値取得部１４０は、ＰＴＣヒータ１１８の抵抗値を取得する。抵抗値判定部１４２は、抵抗値取得部１４０によって取得されたヒータ抵抗値が所定条件を満たしたか否かを判定する。

ヒータ温度算出部１４４は、ヒータ抵抗値に基づいてＰＴＣヒータ１１８の温度（ヒータ温度）を算出する。スタック温度取得部１４６は、燃料電池スタック１２の温度（以下、「スタック温度」という）を取得する。温度判定部１４８は、ヒータ温度とスタック温度（燃料電池温度）とが所定条件を満たしたか否かを判定する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図１において、燃料ガス供給装置１４では、燃料ガスタンク５０から燃料ガス供給路５２に供給される燃料ガスは、インジェクタ５４及びエジェクタ５６を介して燃料ガス入口４４ａに供給される。燃料ガス入口４４ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路３８に導入され、燃料ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

図１において、酸化剤ガス供給装置１６では、酸化剤ガスポンプ７８の回転作用下に、酸化剤ガス供給路７４に酸化剤ガスが送られる。この酸化剤ガスは、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口４６ａに供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口４６ａから酸化剤ガス流路４０に導入され、酸化剤ガス流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される燃料ガスと、カソード電極３６に供給される酸化剤ガス中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。この際、アノード電極３４ではプロトンが生成し、このプロトンが固体高分子電解質膜３２内を伝導してカソード電極３６に移動する。一方、カソード電極３６では、プロトン、電子、酸化剤ガス中の酸素によって水が生成する。生成した水（生成水）は、固体高分子電解質膜３２を浸透してアノード電極３４に到達する。そのため、燃料電池スタック１２（アノード流路）内には、生成水が発生する。

また、冷却媒体供給装置１８では、冷媒ポンプ８２の作用下に、冷却媒体供給路８０から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路８６に排出される。

次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された燃料ガスは、水分（生成水）を含む燃料オフガスとして燃料ガス出口４４ｂから燃料ガス排出路５８を介して気液分離器６０に導出される。気液分離器６０では、燃料オフガスから水分が分離される。分離された水は、気液分離器６０内に貯留される。水分が分離された燃料オフガスは、気液分離器６０から循環流路６２を介してエジェクタ５６に導入される。エジェクタ５６に導入された燃料オフガスは、燃料ガスがインジェクタ５４からエジェクタ５６に吐出されることによって発生した負圧の作用によってエジェクタ５６に吸引されて燃料ガスに混合される。

燃料ガス排出路５８に排出された燃料オフガスは、必要に応じて、パージ弁６８の開放作用下に外部に排出（パージ）される。同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口４６ｂから酸化剤ガス排出路７６に排出される。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０の低温起動制御（氷点下での起動制御）について説明する。

まず、図４及び図５の時点ｔ１において、制御部２２は、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ１）。また、これと略同時に、ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を開始する（ステップＳ２）。

そうすると、燃料電池スタック１２が発電により暖気されるとともにＰＴＣヒータ１１８が発熱する。そのため、図５に示すように、燃料電池スタック１２の温度（スタック温度）とＰＴＣヒータ１１８の温度（ヒータ温度）とが上昇する。この際、ＰＴＣヒータ１１８は、凍結温度Ｔｆよりも高い所定温度Ｔ１に保持される。なお、ＰＴＣヒータ１１８の抵抗値（ヒータ抵抗値）は、最低抵抗値Ｒｍｉｎまで下がった後で上昇する。

また、燃料電池スタック１２の低温起動時では発電によって燃料電池スタック１２に比較的低温の生成水が発生し、水分を含んだ燃料オフガスが気液分離器６０に導かれる。気液分離器６０では、燃料オフガスから水が分離される。そして、図２に示すように、分離された水は、気液分離器６０の底部１１０の排出口１１０ａ及び開口部１１２を介して流体導入部９２の内孔９２ａに流入する。

具体的には、流体導入部９２の内孔９２ａに流入した水は、燃料オフガスとともに、カバー部本体１２２の上面に落下して矢印Ｘ１方向に流れて上孔１２８からカバー部１２０の内孔１２０ａに導入される。カバー部１２０の内孔１２０ａに導入された流体（水及び燃料オフガス）は、矢印Ｘ１方向に流れて導出孔１３４を介して弁本体９０（弁座１１４及び弁体１０４）に導かれる。

この際、流体導入部９２の内孔９２ａに流入した水は、ＰＴＣヒータ１１８によって加熱される。換言すれば、図５の時点ｔ２において流体導入部９２の内孔９２ａに流入した水が加熱装置１１６に接触することにより、ヒータ温度及びヒータ抵抗値が低下する。ヒータ温度は、例えば、凍結温度Ｔｆ及びスタック温度よりも低くなる。

そして、図４において、抵抗値判定部１４２は、ヒータ抵抗値が目標抵抗値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３）。ヒータ抵抗値は、抵抗値取得部１４０によって取得される。目標抵抗値は、予め記憶部１５０に記憶されており、例えば、弁装置７２が凍結していた場合にその凍結を解凍させることができるようなヒータ温度の時のヒータ抵抗値に設定することができる。

ヒータ抵抗値が目標抵抗値未満であると抵抗値判定部１４２が判定した場合（ステップＳ３：ＮＯ）、ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への供給電力を上昇させる（ステップＳ４）。これにより、ヒータ温度が速やかに上昇し、ヒータ温度が凍結温度Ｔｆ及びスタック温度よりも高くなる。

そのため、流体導入部９２の内孔９２ａの流体は、ＰＴＣヒータ１１８によって凍結温度Ｔｆ以上に温められる。また、外側空間１３２がＰＴＣヒータ１１８によって加熱されるため、外側空間１３２の水蒸気が連通孔１３０を介してカバー部１２０の内孔１２０ａに導入される（図２参照）。従って、凍結している弁本体９０（弁体１０４と弁座１１４）がカバー部１２０から導出された流体によって効率的に温められる。ステップＳ４の処理の後、ステップＳ３以降の処理が再び行われる。

ヒータ抵抗値が目標抵抗値以上であると抵抗値判定部１４２が判定した場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、スタック温度取得部１４６は、スタック温度Ｔｓを取得する（ステップＳ５）。また、ヒータ温度算出部１４４は、ヒータ抵抗値に基づいてヒータ温度Ｔｈを算出する（ステップＳ６）。

具体的には、ヒータ温度算出部１４４は、例えば、図３に示すグラフを参照してヒータ抵抗値に基づいてヒータ温度Ｔｈを算出する。なお、このグラフは、予め記憶部１５０に記憶されている。図３のグラフでは、１つのヒータ抵抗値から２つの温度が取得される。そのため、ヒータ温度算出部１４４は、取得される２つの温度のうちスタック温度Ｔｓよりも高いものをヒータ温度Ｔｈとして選択する。

その後、図４において、温度判定部１４８は、ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が所定温度Ｔａ以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が所定温度Ｔａよりも小さいと温度判定部１４８が判定した場合（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ７の処理を再び行う。

ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が所定温度Ｔａ以上であると温度判定部１４８が判定した場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御部２２は、解凍時間ｔｍのカウントを開始する（ステップＳ８、図５の時点ｔ３参照）。そして、制御部２２は、解凍時間ｔｍが設定時間ｔａ以上になったか否かを判定する（ステップＳ９）。

解凍時間ｔｍが設定時間ｔａに達していない場合（ステップＳ９：ＮＯ）、ステップＳ９の処理を再び行う。解凍時間ｔｍが設定時間ｔａ以上になった場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を停止する（ステップＳ１０、図５の時点ｔ４参照）。これにより、気液分離器６０からカバー部１２０の内孔１２０ａに導かれた流体がＰＴＣヒータ１１８によって充分に温められるため、弁本体９０が速やかに解凍される。その後、燃料電池システム１０の低温起動制御が終了する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１０の排水制御について説明する。

まず、図６及び図７の時点ｔ５において、ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を開始する（ステップＳ２０）。

続いて、ヒータ温度算出部１４４は、ヒータ抵抗値に基づいてヒータ温度Ｔｈを算出する（ステップＳ２１）。ヒータ抵抗値は、抵抗値取得部１４０によって取得される。ヒータ温度算出部１４４は、例えば、図３に示すグラフを参照してヒータ抵抗値に基づいてヒータ温度Ｔｈを算出する。また、スタック温度取得部１４６は、スタック温度Ｔｓを取得する（ステップＳ２２）。

その後、温度判定部１４８は、ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が排水判定値Ｔｂ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。排水判定値Ｔｂは、予め記憶部１５０に記憶されている。

ここで、気液分離器６０内に加熱装置１１６が水没するほどの水が貯留している場合には、ＰＴＣヒータ１１８の熱は比熱の大きい水に伝わるため、ヒータ温度Ｔｈは比較的低い温度（例えば、スタック温度と略同じ温度）になる。そのため、ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差は、比較的低くなる。一方、気液分離器６０内に水が貯留していない場合又は加熱装置１１６が水面から露出する程度の水位しか貯留していない場合には、ＰＴＣヒータ１１８の熱は比熱の小さい気体に伝わるため、ヒータ温度Ｔｈは比較的高い温度（供給電力に応じた温度）になる。そのため、ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差は、比較的高くなる。

ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が排水判定値Ｔｂよりも大きいと温度判定部１４８が判定した場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、制御部２２は、気液分離器６０内に水が貯留されていないと判定する（ステップＳ２４）。そして、ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を所定時間停止し（ステップＳ２５）、その後、ステップＳ２０以降の処理を再び行う。

ここで、ＰＴＣヒータ１１８の電力供給を停止しないと、燃料電池スタック１２の生成水が微量である際に、気液分離器６０から弁装置７２に導かれた水がＰＴＣヒータ１１８によって蒸発してしまう。そのため、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を所定時間停止して、加熱装置１１６が水没するようにしている。

また、気液分離器６０内に水が貯留されていない状態で燃料電池スタック１２から受熱された時のヒータ温度とこの状態でＰＴＣヒータ１１８への電力供給を開始した時のヒータ温度との温度差を確認しておくと、気液分離器６０内の貯水量の推定精度が上昇する。しかしながら、燃料電池システム１０の温度及びヒータ特性により、燃料電池スタック１２からＰＴＣヒータ１１８への受熱の影響が無視できる場合には、ＰＴＣヒータ１１８の電力供給を常時行ってもよい。

ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が排水判定値Ｔｂ以下であると温度判定部１４８が判定した場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、制御部２２は、気液分離器６０内に水が貯留されていると判定する（ステップＳ２６）。

そして、ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を停止する（ステップＳ２７）。その後、弁制御部１３６は、排出流路７０が開放されるように弁装置７２を開弁制御する（ステップＳ２８、図７の時点ｔ６参照）。これにより、気液分離器６０内の水が排出流路７０における弁装置７２よりも下流側に排水される。

続いて、ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を開始する（ステップＳ２９）。これにより、排水によって加熱装置１１６が水面から露出した時に、ヒータ温度及びヒータ抵抗値がＰＴＣヒータ１１８に供給される電力量に応じて上昇する。

次いで、抵抗値判定部１４２は、ヒータ抵抗値が所定閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３０）。ヒータ抵抗値が所定閾値よりも小さいと抵抗値判定部１４２が判定した場合（ステップＳ３０：ＮＯ）、ステップＳ３０の処理を再び行う。気液分離器６０内の水が充分に排水されていないからである。

ヒータ抵抗値が所定閾値以上であると抵抗値判定部１４２が判定した場合（ステップＳ３０：ＹＥＳ、図７の時点ｔ７参照）、制御部２２は、排水時間ｔｄのカウントを開始する（ステップＳ３１）。そして、制御部２２は、排水時間ｔｄが設定時間ｔａ以上になったか否かを判定する（ステップＳ３２）。

排水時間ｔｄが設定時間ｔｂに達していない場合（ステップＳ３２：ＮＯ）、ステップＳ３２の処理を再び行う。排水時間ｔｄが設定時間ｔｂ以上になった場合（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、弁制御部１３６は、排出流路７０が閉塞されるように弁装置７２を閉弁制御する（ステップＳ３３、図７の時点ｔ８参照）。これにより、気液分離器６０内の水が弁装置７２よりも下流側に確実に排出される。

そして、抵抗値判定部１４２は、ヒータ抵抗値が所定閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ３４）。ヒータ抵抗値が所定閾値よりも小さいと抵抗値判定部１４２が判定した場合（ステップＳ３４：ＮＯ）、ステップＳ２８以降の処理を再び行う。

車両挙動によって気液分離器６０内の水面が水平に対して傾斜していた際には、加熱装置１１６が水面から露出するため、気液分離器６０内に水が残っている状態で弁装置７２が閉弁することがある。しかしながら、ヒータ抵抗値が所定閾値以上である場合に弁装置７２を再度開弁するため、車両挙動によって水面が水平に対して傾斜していた場合であっても、気液分離器６０内の水が確実に排水される。

ヒータ抵抗値が所定閾値以上であると抵抗値判定部１４２が判定した場合（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、ヒータ制御部１３８は、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を停止する（ステップＳ３５、図７の時点ｔ９参照）。その後、燃料電池システム１０の排水制御が終了する。

次に、燃料電池システム１０の低温時運転停止制御について説明する。

まず、図８及び図９の時点ｔ１０において、制御部２２は、燃料電池システム１０の運転を停止する（ステップＳ４０）。なお、燃料電池システム１０の運転中は、スタック温度と周辺補機の系内の温度は、近い温度に推移するため、燃料電池スタック１２内の冷媒、燃料ガス及び酸化剤ガスの温度を参照してヒータ温度を知ることができる。

燃料電池システム１０の運転を停止すると、燃料電池スタック１２への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されるとともに制御部２２への電力供給が停止される。これにより、図９に示すように、スタック温度及びヒータ温度が低下する。

そして、ステップＳ４０から所定時間が経過すると、制御部２２が起動する（ステップＳ４１）。そして、抵抗値取得部１４０がヒータ抵抗値を取得し（ステップＳ４２）、ヒータ温度算出部１４４がヒータ抵抗値に基づいてヒータ温度Ｔｈを算出する（ステップＳ４３）。この際、ＰＴＣヒータ１１８に電力は供給されていないため、充分に周辺温度下に置かれていれば、ＰＴＣヒータ１１８の内部も表面と略同じ温度となる。そのため、ＰＴＣヒータ１１８に微電流を流すことによりヒータ抵抗値を取得し、そのヒータ抵抗値に基づいてヒータ温度Ｔｈを算出することにより、補機系内の温度を知ることができる。

なお、ヒータ温度算出部１４４は、例えば、図３に示すグラフを参照してヒータ抵抗値に基づいてヒータ温度Ｔｈを算出する。この場合、図３のグラフにおける設定温度Ｔｒよりも高い温度の領域（線形領域）を利用することにより、結露水の溜まる最適な温度及びタイミングで排水制御が実行可能となる。

次いで、温度判定部１４８は、ヒータ温度Ｔｈが凍結閾値Ｔｃ以下であるか否かを判定する（ステップＳ４４）。凍結閾値Ｔｃは、予め記憶部１５０に記憶されており、凍結温度Ｔｆよりも高い温度に設定されている。ヒータ温度Ｔｈが凍結閾値Ｔｃよりも高いと温度判定部１４８が判定した場合（ステップＳ４４：ＮＯ）、制御部２２への電力供給を所定時間停止した（ステップＳ４５）後で、ステップＳ４１以降の処理を再び行う。なお、ヒータ温度の降下勾配を算出し、次回の制御部２２の起動タイミングを設定してもよい。

ヒータ温度Ｔｈが凍結閾値Ｔｃ以下であると温度判定部１４８が判定した場合（ステップＳ４４：ＹＥＳ、図９の時点ｔ１１参照）、燃料電池システム１０を起動する（ステップＳ４６）。

続いて、制御部２２は、気液分離器６０内の排水制御を行う（ステップＳ４７）。具体的には、弁制御部１３６は、排出流路７０が開放されるように弁装置７２を開弁制御する。これにより、気液分離器６０内の水が排水される。

図９に示すように、燃料電池スタック１２の熱容量は比較的大きいため、燃料電池システム１０の停止後、補機類は、燃料電池スタック１２よりも先に凍結温度Ｔｆに達することがある。補機系内の凍結防止のため、補機が凍結温度Ｔｆよりも高い温度で結露水の排水処理を行う必要があるが、スタック温度Ｔｓを参照した場合には、補機類は既に凍結温度Ｔｆ以下に達することがある。

しかしながら、ヒータ温度Ｔｈが凍結閾値Ｔｃ以下である場合に排水制御を行っているため、補機類が凍結温度Ｔｆに達する前に結露水を確実に排水することができる。つまり、ヒータ温度Ｔｈが凍結温度Ｔｆに達した時（図９の時点ｔ１２参照）に弁装置７２内に水は残っていないため、弁本体９０が凍結することはない。

その後、制御部２２は、燃料電池システム１０を停止する（ステップＳ４８、図９の時点ｔ１３参照）。これにより、燃料電池システム１０の低温時運転停止制御が終了する。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１０の効果について説明する。

弁装置７２は、弁本体９０、流体導入部９２及び流体導出部９４を有する。流体導入部９２は、気液分離器６０内の少なくとも水を含む流体を弁本体９０に導く。流体導出部９４は、弁本体９０から導かれた流体を導出させる。流体導入部９２の内孔９２ａには、加熱装置１１６が配設されている。

これにより、気液分離器６０から弁本体９０に導かれる流体（燃料オフガス及び水）を加熱装置１１６によって直接的に加熱することができるとともに流体導入部９２の内孔９２ａを氷点下よりも高い温度に保持することができる。これにより、弁本体９０を効率的に加熱することができる。よって、簡易な構成により、弁装置７２の凍結を効果的に抑えることができ、且つ弁装置７２が凍結した場合であっても速やかに解凍することができる。

流体導入部９２には、流体を気液分離器６０内から流体導入部９２の内孔９２ａに流入させるための開口部１１２が形成されている。加熱装置１１６は、ＰＴＣヒータ１１８と、開口部１１２の下方に位置してＰＴＣヒータ１１８を収容するカバー部１２０とを有する。カバー部１２０には、カバー部１２０の上方に向けて開口して流体をカバー部１２０の内孔１２０ａに導入するための上孔１２８と、カバー部１２０の内孔１２０ａの流体を弁本体９０に導くための導出孔１３４とが形成されている。

これにより、気液分離器６０から開口部１１２を介して流体導入部９２の内孔９２ａに流入した流体は、上孔１２８を介してカバー部１２０の内孔１２０ａに導入されてＰＴＣヒータ１１８によって加熱される。よって、弁本体９０に導かれる流体の流量をカバー部１２０で絞った状態で効率的に加熱することができる。

流体導入部９２は、気液分離器６０の底部１１０に設けられている。そのため、弁装置７２及び気液分離器６０の構成を簡素化することができる。

カバー部１２０には、下方に向けて開口し、カバー部１２０と流体導入部９２との間（外側空間１３２）に存在する水蒸気をカバー部１２０の内孔１２０ａに導入させるための連通孔１３０が形成されている。これにより、連通孔１３０からカバー部１２０の内孔１２０ａに導入した水蒸気によって弁本体９０を一層効率的に加熱することができる。

連通孔１３０は、上孔１２８よりも導出孔１３４とは反対側に位置している。これにより、外側空間１３２に存在する水蒸気を連通孔１３０からカバー部１２０の内孔１２０ａに効率的に導入させることができる。また、上孔１２８からカバー部１２０の内孔１２０ａに導入された水が連通孔１３０を介してカバー部１２０の外部に流出することを抑制することができる。

カバー部１２０は、ＰＴＣヒータ１１８を覆うとともに上孔１２８が形成されたカバー部本体１２２と、カバー部本体１２２に設けられて導出孔１３４が形成された導出部１２４とを有する。導出部１２４の流路断面積は、カバー部本体１２２の流路断面積よりも大きい。これにより、導出部１２４に導かれた流体によって弁本体９０が局所的に加熱されることを抑えることができる。

加熱装置１１６は、発熱体としてＰＴＣヒータ１１８を有しているため、簡易な制御によってＰＴＣヒータ１１８を目標温度にすることができる。

燃料電池システム１０の低温起動制御において、ヒータ制御部１３８は、燃料電池システム１０の起動時に、ＰＴＣヒータ１１８に電力を供給した状態で、ヒータ抵抗値が目標抵抗値未満であると抵抗値判定部１４２が判定した場合に、ＰＴＣヒータ１１８への供給電力を上昇させている。

これにより、燃料電池システム１０の起動時に弁装置７２が凍結していた場合であっても、簡易な制御によってＰＴＣヒータ１１８によって弁装置７２を速やかに解凍することができる。

燃料電池システム１０の低温起動制御において、ヒータ制御部１３８は、ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が所定温度Ｔａ以上であると温度判定部１４８が判定した場合に、ＰＴＣヒータ１１８への電力供給を停止している。

これにより、気液分離器６０から流体導入部９２の内孔９２ａに流入した流体が充分に温められた状態でＰＴＣヒータ１１８への電力供給を停止することができる。よって、弁装置７２の凍結を確実に解凍しつつＰＴＣヒータ１１８の電力消費量を抑えることができる。

ところで、燃料電池システム１０の排水制御において、燃料電池システム１０の通常運転時に気液分離器６０内に水が貯留している場合、加熱装置１１６が水に接触しているため、ＰＴＣヒータ１１８の温度は低くなる。そのため、ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が比較的小さくなる。一方、気液分離器６０内に水が貯留されていない場合、加熱装置１１６が燃料オフガス等の気体に接触するため、ＰＴＣヒータ１１８の温度は高くなる。そのため、前記温度差は、比較的大きくなる。

そして、燃料電池システム１０の排水制御において、弁制御部１３６は、燃料電池システム１０の通常運転時に、ＰＴＣヒータ１１８に電力が供給されている状態で、ヒータ温度Ｔｈからスタック温度Ｔｓを減算した温度差が排水判定値Ｔｂ以下であると温度判定部１４８が判定した場合に、排出流路７０が開放されるように弁装置７２を開弁制御している。

これにより、簡易な制御によって、気液分離器６０内の水を確実に排水することができる。

燃料電池システム１０の排水制御において、例えば、燃料電池システム１０が車両等に搭載された際に車両挙動によって気液分離器６０内の水面が水平に対して傾斜することがある。この場合、加熱装置１１６が水面から露出すると、気液分離器６０内に水が残っていても弁装置７２が閉弁されてしまう。しかしながら、弁装置７２を閉弁制御した後で、ヒータ抵抗値が所定閾値よりも高い場合に弁装置７２を再度開弁制御しているため、気液分離器６０内の水面が水平に対して傾斜していた場合であっても、気液分離器６０内の水を確実に排水することができる。

燃料電池システム１０の低温時運転停止制御において、弁制御部１３６は、燃料電池システム１０の運転が停止された状態で制御部２２が起動した際に、ヒータ温度Ｔｈが凍結閾値Ｔｃ以下であると温度判定部１４８が判定した場合に排出流路７０が開放されるように弁装置７２を開弁制御している。これにより、簡易な制御によって、燃料電池システム１０の運転停止中に弁装置７２に発生した結露水が凍結する前にその結露水を確実に排水することができる。

本発明は、上述した構成に限定されない。上孔１２８及び連通孔１３０のそれぞれは、複数設けられていてもよい。連通孔１３０は、カバー部本体１２２の側方に向かって開口していてもよい。つまり、連通孔１３０は、上方以外の方向に向かって開口していればよい。また、連通孔１３０には、水の流通を阻止する一方で水蒸気の流通を許可するフィルターを配設してもよい。加熱装置１１６の発熱体は、ＰＴＣヒータ１１８に限定されない。

酸化剤ガス排出路７６には、酸化剤オフガス（オフガス）から水分を分離する気液分離器６０が設けられ、この気液分離器６０の底部１１０には、加熱装置１１６が配設された弁装置７２が設けられていてもよい。

本発明に係る燃料電池システムは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック（燃料電池）
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
５８…燃料ガス排出路（導出流路） ６０…気液分離器
７０…排出流路 ７２…弁装置
９０…弁本体 ９２…流体導入部
１１６…加熱装置 １１８…ＰＴＣヒータ（発熱体）
１２０…カバー部 １２２…カバー部本体
１２８…上孔 １３０…連通孔
１３４…導出孔

Claims (12)

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と、
   前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池から導出された水分を含むオフガスが流通する導出流路と、
   前記導出流路に設けられて前記オフガスから水分を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器で分離された水を排出するための排出流路と、
   前記排出流路に設けられた弁装置と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記弁装置は、
   前記排出流路を開放及び閉塞する弁本体と、
   前記気液分離器内の少なくとも水を含む流体を前記弁本体に導く流体導入部と、
   前記弁本体から導かれた前記流体を導出させる流体導出部と、を有し、
   前記流体導入部の内孔には、加熱装置が配設されており、
   前記加熱装置は、
   発熱体と、
   前記発熱体を収容するカバー部と、を有し、
   前記カバー部の内孔は、前記流体導入部の内孔よりも前記排出流路における下流側且つ前記弁本体よりも上流側の流路を構成している、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
   
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体導入部には、前記流体を前記気液分離器内から前記流体導入部の内孔に流入させるための開口部が形成され、
   前記カバー部は、前記開口部の下方に位置しており、
   前記カバー部には、
   前記カバー部の上方に向けて開口して前記流体を前記カバー部の内孔に導入するための上孔と、
   前記カバー部の内孔の前記流体を前記弁本体に導くための導出孔と、が形成されている、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
   
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記流体導入部は、前記気液分離器の底部に設けられている、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２又は３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記カバー部には、上方以外の方向に向けて開口し、前記カバー部と前記流体導入部との間に存在する水蒸気を前記カバー部の内孔に導入させるための連通孔が形成されている、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、
   前記連通孔は、下方に向けて開口するとともに前記上孔よりも前記導出孔とは反対側に位置している、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２～５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記カバー部は、
   前記発熱体を覆うとともに前記上孔が形成されたカバー部本体と、
   前記カバー部本体に設けられて前記導出孔が形成された導出部と、を有し、
   前記導出部の流路断面積は、前記カバー部本体の流路断面積よりも大きい、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項２～６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記発熱体は、ＰＴＣヒータである、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項７記載の燃料電池システムにおいて、
   前記ＰＴＣヒータに供給する電力を制御するヒータ制御部と、
   前記ＰＴＣヒータの抵抗値を取得する抵抗値取得部と、
   前記抵抗値取得部によって取得されたヒータ抵抗値が目標抵抗値以上であるか否かを判定する抵抗値判定部と、を備え、
   前記ヒータ制御部は、前記燃料電池システムの起動時に、前記ＰＴＣヒータに電力を供給した状態で、前記ヒータ抵抗値が前記目標抵抗値未満であると前記抵抗値判定部が判定した場合に、前記ＰＴＣヒータへの供給電力を上昇させる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項８記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、
   前記ヒータ抵抗値に基づいて前記ＰＴＣヒータの温度を算出するヒータ温度算出部と、
   前記ヒータ温度算出部によって算出されたヒータ温度から前記燃料電池温度取得部によって取得された燃料電池温度を減算した温度差が所定温度以上であるか否かを判定する温度判定部と、備え、
   前記ヒータ制御部は、前記温度差が前記所定温度以上であると前記温度判定部が判定した場合に、前記ＰＴＣヒータへの電力供給を停止する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項７記載の燃料電池システムにおいて、
    前記排出流路が開放及び閉塞されるように前記弁装置を制御する弁制御部と、
    前記ＰＴＣヒータに供給する電力を制御するヒータ制御部と、
    前記ＰＴＣヒータの抵抗値を取得する抵抗値取得部と、
    前記抵抗値取得部によって取得されたヒータ抵抗値に基づいて前記ＰＴＣヒータの温度を算出するヒータ温度算出部と、
    前記燃料電池の温度を取得する燃料電池温度取得部と、
    前記ヒータ温度算出部によって算出されたヒータ温度から前記燃料電池温度取得部によって取得された燃料電池温度を減算した温度差が排水判定値以下であるか否かを判定する温度判定部と、を備え、
    前記弁制御部は、前記燃料電池システムの通常運転時に、前記ＰＴＣヒータに電力が供給されている状態で前記温度差が前記排水判定値以下であると前記温度判定部が判定した場合に、前記排出流路が開放されるように前記弁装置を開弁制御する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１０記載の燃料電池システムにおいて、
    前記ヒータ抵抗値が所定閾値よりも高いか否かを判定する抵抗値判定部を備え、
    前記弁制御部は、前記開弁制御してから所定時間経過後に前記排出流路が閉塞されるように前記弁装置を閉弁制御した後で、前記ヒータ抵抗値が前記所定閾値よりも高いと前記抵抗値判定部が判定した場合に、前記排出流路が開放されるように前記弁装置を開弁制御する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。
    
12. 請求項７記載の燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池システムの運転が停止された後で所定の時間間隔で起動する制御部を備え、
    前記制御部は、
    前記排出流路が開放及び閉塞されるように前記弁装置を制御する弁制御部と、
    前記ＰＴＣヒータに供給する電力を制御するヒータ制御部と、
    前記ＰＴＣヒータの抵抗値を取得する抵抗値取得部と、
    前記抵抗値取得部によって取得されたヒータ抵抗値に基づいて前記ＰＴＣヒータの温度を算出するヒータ温度算出部と、
    前記ヒータ温度算出部によって算出されたヒータ温度が凍結閾値以下であるか否かを判定する温度判定部と、を有し、
    前記弁制御部は、前記燃料電池システムの運転が停止された状態で前記制御部が起動した際に、前記ヒータ温度が前記凍結閾値以下であると前記温度判定部が判定した場合に、排出流路が開放されるように前記弁装置を開弁制御する、
    ことを特徴とする燃料電池システム。

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