JP6172120B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、燃料ガス（水素）を燃料電池（燃料電池スタック）のアノードに供給する燃料ガス供給系に対して、燃料電池のアノードで消費されなかった燃料ガスを燃料ガス循環系の循環ポンプを介して循環させる燃料電池システムが開発されている。そして、この燃料ガス循環系を有する燃料電池システムの例として、特許文献１には、燃料ガス循環系の配管内壁に凝縮した液水を、循環ポンプの回転数を上昇させて排水させることにより、循環ポンプに対して過剰な液水が流入する可能性を低減することが開示されている。また、特許文献２には、循環ポンプ（水素ポンプ）の駆動に伴う音を、コンプレッサまたは燃料電池の負荷となるモータの駆動に伴う音によってマスクすることが開示されている。

特開２００７−１１５４６０号公報 特開２００８−１７１７７０号公報

しかし、例えば、低負荷での発電が長く継続する等、低負荷での燃料電池システムの運転が長く継続する場合、低回転での循環ポンプの動作が長く継続することになると、燃料電池の内部や燃料ガス循環系に水が滞留する場合がある。特に、燃料ガス循環系の気液分離器の出口から循環ポンプの吸入口までの部位に液水が滞留する場合がある。例えば、燃料電池と循環ポンプとの温度差による結露や、気液分離器内から循環ポンプが吸い上げること等によって、液水が滞留する場合がある。この滞留水の量が所定量を超えると、循環ポンプを高回転させる際に滞留水の循環ポンプへの噛み込みが発生し、循環ポンプの駆動に伴う音として異音の発生や大音量化等（以下、「異音等」とも呼ぶ）を招き、使用者に対して不快感や違和感、故障の心配等を与える、という課題がある。

また、燃料電池のアノードに滞留水が多くなると、高負荷発電時において燃料ガス不足な状態が発生し、燃料電池のセル電圧の低下や酸化（カーボン酸化）による電極劣化が発生する、という課題もある。

また、燃料ガス循環系の循環ポンプの回転数を上昇させて燃料電池のアノード側の燃料ガスの流路の排水を実行するだけでなく、燃料電池のカソードに酸化ガス（空気中の酸素）を供給する酸化ガス供給系のエアコンプレッサの回転数を上昇させ、酸化ガス排出系を介して燃料電池のカソード側の酸化ガスの流路の排水を実行する場合がある。この場合、アノード側の排水において発生する作動音とカソード側の排水において発生する作動音の発生の仕方によっては、使用者に対して不快感や違和感、故障の心配等を与える、という課題がある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態の燃料電池システムは、燃料電池と；前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と；前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードガス排出流路と；前記アノードガス供給流路と前記アノードガス排出流路とを接続するアノードガス循環流路と；前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記アノードガス供給流路に供給するアノードポンプと；前記アノードポンプの循環流量を制御して、アノード側に滞留するアノード側液水を排出するアノード側排水制御部と；前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給流路と；前記カソードガス供給流路に設けられ、前記カソードガスを前記燃料電池に供給するカソードポンプと；前記カソードポンプの供給流量を制御して、カソード側に滞留するカソード側液水を排出するカソード側排水制御部と；を備える。前記アノード側排水制御部及び前記カソード側排水制御部は、前記アノードポンプ及び前記カソードポンプのうち、予め選択された一方のポンプを駆動させて排水を行なった後、他方のポンプを駆動させて排水を行なう。前記アノードポンプは、回転により前記アノードガスの循環流量を変化させるポンプである。前記アノード側排水制御部は、前記アノードポンプの回転を通常発電時における上昇レートよりも低レートで上昇させて排水を行なう。
この形態の燃料電池システムによれば、例えば、作動音が大きくなる側の排水に対応するポンプを先に駆動して排水を実行するものとして予め選択しておくことにより、作動音の大きい側の排水を実行後、作動音の小さい側の排水を実行することができ、排水による作動音が大から小へ変化するので、使用者に与える不快感や違和感、故障の心配等を低減することが可能である。また、アノード排水制御部は、アノードポンプの回転を通常発電時における上昇レートよりも低レートで上昇させて排水を行なうので、通常発電時における上昇レートで上昇させて排水を行なった場合に比べて異音の発生を抑制することができる。
その他、本発明は、以下の形態としても実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と；前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と；前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードガス排出流路と；前記アノードガス供給流路と前記アノードガス排出流路とを接続するアノードガス循環流路と；前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記アノードガス供給流路に供給するアノードポンプと；前記アノードポンプの循環流量を制御して、アノード側に滞留するアノード側液水を排出するアノード側排水制御部と；前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給流路と；前記カソードガス供給流路に設けられ、前記カソードガスを前記燃料電池に供給するカソードポンプと；前記カソードポンプの供給流量を制御して、カソード側に滞留するカソード側液水を排出するカソード側排水制御部と、を備える。前記アノード側排水制御部及び前記カソード側排水制御部は、前記アノードポンプ及び前記カソードポンプのうち、予め選択された一方のポンプを駆動させて排水を行なった後、他方のポンプを駆動させて排水を行なう。
この形態の燃料電池システムによれば、例えば、作動音が大きくなる側の排水に対応するポンプを先に駆動して排水を実行するものとして予め選択しておくことにより、作動音の大きい側の排水を実行後、作動音の小さい側の排水を実行することができ、排水による作動音が大から小へ変化するので、使用者に与える不快感や違和感、故障の心配等を低減することが可能である。

（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記カソード側排水制御部は、カソード側排水要求が発生した場合に、（ａ）前記アノード側排水制御部が前記アノード側液水の排出を開始している場合には、前記アノード側液水の排出が終了した際に、前記カソード側液水の排出を実行し、（ｂ）前記アノード側排水制御部が前記アノード側液水の排出を開始していない場合には、前記アノード側液水の排出が開始され、前記アノード側液水の排出が終了した際に、前記カソード側液水の排出を実行する。
この形態の燃料電池システムによれば、作動音の大きいアノード側の排水を実行後に、作動音の小さいカソード側の排水を実行するので、使用者に与える不快感や違和感、故障の心配等を低減することが可能である。

（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記アノード側排水制御部は、前記アノードポンプの循環流量に基づいて前記アノードポンプ内に滞留する滞留水の量を推定し、前記滞留水の量が所定値以上となった場合に、前記アノード側液水の排出を実行するとしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、アノードポンプ内に滞留する滞留水の量が所定値となった際にアノード側液水の排出を実行することができるので、アノードポンプ内の滞留水が多くなって、アノードポンプの作動音として異音等が発生することを抑制することができる。また、燃料電池のアノード内の滞留水が多くなって、アノードに供給されるアノードガスの不足を招き、燃料電池の電圧の低下や酸化による電極劣化が発生することを抑制することが可能である。

（４）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記アノード側排水制御部は、予め用意された、前記アノードポンプの循環流量と、前記アノードポンプの循環流量における前記アノードポンプ内に滞留する滞留水の量との関係から前記アノードポンプの循環流量に対応する前記アノードポンプ内に滞留する滞留水の量を推定するとしてもよい。
この形態の燃料電池システムによれば、アノードガス循環流路内に滞留する滞留水の量を容易に推定することができ、滞留水の量が所定値以上となるか否か容易に判断することが可能である。

（５）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記アノードポンプは回転により前記アノードガスの循環流量を変化させるポンプであり、前記カソードポンプは回転により前記カソードガスの供給流量を変化させるコンプレッサであるとしてもよい。

本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法等の種々の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。 アノードガス循環系の水素循環用ポンプ及び気液分離部を拡大して示す説明図である。 間欠運転において実行されるアノード側強制排水処理について示すフローチャートである。 排水完了時間マップの例を示す説明図である。 ＨＰ残水判定処理について示すフローチャートである。 満水時間マップの例を示す説明図である。 アノード側強制排水処理の具体例について示すタイムチャートである。 間欠運転において実行されるカソード側強制排水処理について示すフローチャートである。 Ｃａ排水要求判定処理について示すフローチャートである。 Ａｎ側強制排水判定処理について示すフローチャートである。 カソード側強制排水処理の具体例についてタイムチャートである。

Ａ．実施形態：
Ａ１.燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。本実施形態において、燃料電池システム１００は車両（「燃料電池車両」とも呼ぶ）に搭載されている。燃料電池システム１００は、車両の運転者からのアクセル（不図示）による要求（以下、「アクセル位置」とも呼ぶ）に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。

燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、制御部２０と、カソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス循環系６０と、冷媒循環系７０と、電力充放電系８０とを備える。

燃料電池１０は、燃料ガス（「アノードガス」とも呼ぶ）としての水素と酸化ガス（「カソードガス」とも呼ぶ）としての空気（厳密には酸素）の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。以下、アノードガスとカソードガスとをまとめて「反応ガス」とも呼ぶ。燃料電池１０は、複数の単セル１１が積層されたスタック構造を有する。本実施形態において、燃料電池１０は、いわゆるカウンターフロー型の燃料電池であり、アノードガスとカソードガスが対抗して逆向きに流れる。通常、燃料電池１０は、各単セル１１の面に沿って、アノードガスが上側から下側を向いて流れ、カソードガスが下側から上側を向いて流れるように配置される。なお、燃料電池１０には、反応ガスや冷媒のためのマニホールドが積層方向に沿った貫通孔として形成されるが、図示は省略する。

単セル１１は、図示は省略するが、基本的に、発電体としての膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を、セパレータで挟持した構成を有している。ＭＥＡは、イオン交換膜からなる固体高分子型電解質膜（単に「電解質膜」とも呼ぶ）と、電解質膜のアノード側の面上に形成された触媒層及びガス拡散層からなるアノードと、電解質膜のカソード側の面上に形成された触媒層及びガス拡散層からなるカソードと、で構成される。また、セパレータとガス拡散層に接する面には、アノードガスやカソードガスを流す溝状のガス流路が形成されている。ただし、セパレータとガス拡散層との間に、ガス流路部が別途設けられる場合もある。

制御部２０は、以下に説明するカソードガス供給系３０と、カソードガス排出系４０と、アノードガス供給系５０と、アノードガス循環系６０と、冷媒循環系７０とを制御して、システムに対する外部からの出力要求に応じた電力を燃料電池１０に発電させる制御装置である。制御部２０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータを用いて、各種制御に対応するソフトウェアを実行し、全体制御部や、カソードガス供給系３０及びカソードガス排出系４０を制御するカソードガス制御部、アノードガス供給系５０及びアノードガス循環系６０を制御するアノードガス制御部、冷媒循環系７０を制御する冷媒制御部等の種々の制御部を、ソフトウェア的な構成で実現することができる。なお、図１には、アノード側排水部２１とアノード側排水検知部２２とカソード側排水部２３とが示されている。

カソードガス供給系３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、エアフロメータ３３と、開閉弁３４と、圧力計測部３５とを備える。カソードガス配管３１は、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドに接続された配管である。

エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池１０と接続されている。エアコンプレッサ３２は、外気を取り込んで圧縮した空気を、カソードガスとして燃料電池１０に供給する。エアフロメータ３３は、エアコンプレッサ３２の上流側において、エアコンプレッサ３２が取り込む外気の量を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、この計測値に基づいて、エアコンプレッサ３２を駆動することにより、燃料電池１０に対する空気の供給量を制御する。なお、カソードガス配管３１が本発明の「カソードガス供給流路」に相当する。また、エアコンプレッサ３２が本発明の「カソードポンプ」に相当する。

開閉弁３４は、エアコンプレッサ３２と燃料電池１０との間に設けられている。開閉弁３４は、通常、閉じた状態であり、エアコンプレッサ３２から所定の圧力を有する空気がカソードガス配管３１に供給されたときに開く。圧力計測部３５は、エアコンプレッサ３２から供給される空気の圧力を、燃料電池１０のカソード側の供給用マニホールドの入口近傍において計測し、制御部２０に出力する。

カソードガス排出系４０は、カソード排ガス配管４１と、調圧弁４３と、圧力計測部４４とを備える。カソード排ガス配管４１は、燃料電池１０のカソード側の排出用マニホールドに接続された配管である。カソード排ガス（「カソードオフガス」とも呼ぶ）は、カソード排ガス配管４１を介して、燃料電池システム１００の外部へと排出される。

調圧弁４３は、制御部２０によって、その開度が制御されており、カソード排ガス配管４１におけるカソード排ガスの圧力（燃料電池１０のカソード側の背圧）を調整する。圧力計測部４４は、調圧弁４３の上流側に設けられており、カソード排ガスの圧力を計測し、その計測結果を制御部２０に出力する。制御部２０は、圧力計測部４４の計測値に基づいて、調圧弁４３の開度を調整することにより、燃料電池１０に供給する空気の圧力を制御する。

アノードガス供給系５０は、アノードガス配管５１と、水素タンク５２と、開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とを備える。水素タンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池１０のアノード側の供給用マニホールド（図示は省略）の入口と接続されており、タンク内に充填された水素を燃料電池１０に供給する。なお、アノードガス配管５１が本発明の「アノードガス供給流路」に相当する。

開閉弁５３と、レギュレータ５４と、水素供給装置５５と、圧力計測部５６とは、アノードガス配管５１に、この順序で、上流側（水素タンク５２側）から設けられている。開閉弁５３は、制御部２０からの指令により開閉し、水素タンク５２から水素供給装置５５の上流側への水素の流入を制御する。レギュレータ５４は、水素供給装置５５の上流側における水素の圧力を調整するための減圧弁であり、その開度が制御部２０によって制御される。

水素供給装置５５は、例えば、電磁駆動式の開閉弁であるインジェクタによって構成することができる。圧力計測部５６は、水素供給装置５５の下流側の水素の圧力を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、圧力計測部５６の計測値に基づき、水素供給装置５５を制御することによって、燃料電池１０に供給される水素の流量を制御する。

アノードガス循環系６０は、アノード排ガス配管６１と、気液分離部６２と、アノードガス循環配管６３と、水素循環用ポンプ６４と、アノード排水配管６５と、排水弁６６と、圧力計測部６７と、温度計測部６８とを備える。アノードガス循環系６０は、発電反応に用いられることなく燃料電池１０のアノードから排出される未反応ガス（水素や窒素など）や排水を含むアノード排ガス（「アノードオフガス」とも呼ぶ）の循環および排出を行う。

アノード排ガス配管６１は、気液分離部６２と燃料電池１０のアノード側排出用マニホールド（図示は省略）の出口とを接続する配管である。気液分離部６２は、アノードガス循環配管６３とアノード排水配管６５とに接続されている。気液分離部６２は、アノード排ガスに含まれる気体成分と水分とを分離し、気体成分については、アノードガス循環配管６３へと誘導し、水分についてはアノード排水配管６５へと誘導する。なお、アノード排ガス配管６１が本発明の「アノードガス排出流路」に相当する。

アノードガス循環配管６３は、アノードガス配管５１の水素供給装置５５より下流に接続されている。アノードガス循環配管６３には、水素循環用ポンプ６４が設けられている。気液分離部６２において分離された気体成分に含まれる水素は、水素循環用ポンプ６４によってアノードガス配管５１へと送り出され、アノードガスとして再利用される。なお、アノードガス循環配管６３が本発明の「アノードガス循環流路」に相当する。また、水素循環用ポンプ６４が本発明の「アノードポンプ」に相当する。

アノード排水配管６５は、気液分離部６２において分離された水分を燃料電池システム１００の外部へと排出するための配管である。アノード排水配管６５には、排水弁６６が設けられている。制御部２０は、通常は、排水弁６６を閉じておき、予め設定された所定の排水タイミングや、アノード排ガス中の不活性ガスの排出タイミングで排水弁６６を開く。なお、気液分離部６２が本発明の「排水機構」に相当する。

アノードガス循環系６０の圧力計測部６７は、アノード排ガス配管６１に設けられている。圧力計測部６７は、燃料電池１０の水素マニホールドの出口近傍において、アノード排ガスの圧力（燃料電池１０のアノード側の背圧）を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、アノードガス循環系６０の圧力計測部６７の計測値や、前述したアノードガス供給系５０の圧力計測部５６の計測値に基づいて燃料電池１０に対する水素の供給を制御する。

また、アノードガス循環系６０の温度計測部６８は、外気の温度として、アノードガス循環系６０の周辺温度、特に、水素循環用ポンプ６４の周辺温度（外気温）を計測し、制御部２０に送信する。制御部２０は、温度計測部６８の計測値に基づいて、後述するように、水素循環用ポンプ６４の回転数を制御する。

冷媒循環系７０は、上流側配管７１ａと、下流側配管７１ｂと、ラジエータ７２と、冷媒循環用ポンプ７５と、上流側温度センサ７６ａと、下流側温度センサ７６ｂとを備える。上流側配管７１ａと下流側配管７１ｂとはそれぞれ、燃料電池１０を冷却するための冷媒を循環させる冷媒用配管である。上流側配管７１ａは、ラジエータ７２の入口と燃料電池１０の冷媒用排出用マニホールド（図示は省略）の出口とを接続する。下流側配管７１ｂは、ラジエータ７２の出口と燃料電池１０の冷媒用供給用マニホールド（図示は省略）の入口とを接続する。

ラジエータ７２は、冷媒用配管７１を流れる冷媒と外気との間で熱交換させることにより冷媒を冷却する。冷媒循環用ポンプ７５は、下流側配管７１ｂの途中に設けられ、ラジエータ７２において冷却された冷媒を燃料電池１０に送り出す。上流側温度センサ７６ａは上流側配管７１ａに設けられており、下流側温度センサ７６ｂは下流側配管７１ｂに設けられている。上流側温度センサ７６ａと下流側温度センサ７６ｂはそれぞれ、計測した冷媒の温度を制御部２０へ送信する。制御部２０は、上流側温度センサ７６ａと下流側温度センサ７６ｂの計測値（冷媒の温度）に基づいて、ラジエータ７２の動作を制御する。

電力充放電系８０は、負荷装置としての駆動モータ８２と、インバータ（ＩＮＶ）８４と、二次電池８６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８８とを備える。燃料電池１０は直流配線ＤＣＬを介してインバータ８４に電気的に接続されており、二次電池８６はＤＣ／ＤＣコンバータ８８を介して直流配線ＤＣＬに電気的に接続されている。

二次電池８６は、燃料電池１０の出力電力や、駆動モータ８２の回生電力によって充電され、燃料電池１０とともに電力源として機能する。二次電池８６は、例えばリチウムイオン電池で構成することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８８は、制御部２０の指令に基づいて、燃料電池１０の電流・電圧を制御するとともに、二次電池８６の充・放電を制御し、直流配線ＤＣＬの電圧レベルを可変に調整する。インバータ８４は、燃料電池１０と二次電池８６とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、駆動モータ８２に供給する。駆動モータ８２はアクセル位置に対応してインバータ８４から供給された電力に応じて、ギア等を介して接続された車輪ＷＬを駆動する。また、駆動モータ８２によって回生電力が発生する場合には、インバータ８４は、その回生電力を直流電力に変換し、ＤＣ／ＤＣコンバータ８８を介して二次電池８６に充電する。

以上説明した燃料電池システム１００は、制御部２０によって、カソードガス供給系３０及びカソードガス排出系４０や、アノードガス供給系５０及びアノードガス循環系６０、電力充放電系８０が制御されて、アクセル位置に応じて、車両の動力源となる電力を燃料電池１０から出力することができる。以下では、この燃料電池システム１００の作動中において実行されるアノードガス循環流路の排水処理およびカソードガス給排流路の排水処理について説明を加える。

図２は、アノードガス循環系６０の水素循環用ポンプ６４及び気液分離部６２を拡大して示す説明図である。燃料電池１０の下部のアノード側の排出マニホールドの出口（不図示）に接続されたアノード排ガス配管６１は、気液分離部６２の下部に接続されている。気液分離部６２の鉛直方向上部に接続された第１のアノードガス循環配管６３ａは、水素循環用ポンプ６４の鉛直方向下部の吸入口６４１に接続されている。水素循環用ポンプ６４の上部の送出口６４４に接続された第２のアノードガス循環配管６３ｂは、アノードガス配管５１（不図示）に連結され、燃料電池１０の上部のアノード側の供給用マニホールドの入口（不図示）に接続されている。すなわち、水素循環用ポンプ６４は、下部の吸入口６４１から吸入された水素を上部の送出口６４４から送出する構造となるように配置されている。

上記水素循環用ポンプ６４の配置構造の場合、低回転の状態が継続した場合に、気液分離部６２から水素循環用ポンプ６４までの部位、すなわち、第１のアノードガス循環配管６３ａおよび水素循環用ポンプ６３の吸入口６４１に水が溜まり、水素循環用ポンプ６４内部にまで溢れる場合がある。この滞留水は、主に以下のようにして発生する。燃料電池１０の温度に対して水素循環用ポンプ６４の温度が低い場合に、その温度差によって結露水が生じる。そして、水素循環用ポンプ６４の回転数が低い場合、アノードガス循環配管６３を流れる水素の循環流量は、その回転数に応じて少なくなり、発生した結露水を持ち上げて送出口６４４から排出することができなくなる。このため、水素循環用ポンプ６４の下部、すなわち、第１のアノードガス循環配管６３ａおよび水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１に水が滞留していくことになる。なお、この他、気液分離部６２内に滞留した水を水素循環用ポンプ６４が吸い上げてしまうことや、燃料電池１０から排出された水が気液分離部６２で分離されて貯まることなく、直接、水素循環用ポンプ６４が吸い上げてしまうこと、水素循環用ポンプ６４の送出口６４４側からの液垂れ等によっても発生し得る。

上記滞留水が多くなると、水素循環用ポンプ６４の羽根車６４２，６４３に水の噛み込み（「水噛み」とも呼ぶ）が発生し、水素循環用ポンプ６４の作動音が変化し、異音等の発生を招くことになる。

水素循環用ポンプ６４の低回転の状態の継続は、燃料電池を微小な発電とする状態が継続する場合において発生しやすい。この微小発電の状態は、一例として、間欠運転の状態ではあるが、発電を停止するのではなく、微小な発電状態を維持する場合（以下、「微小発電間欠運転」とも呼ぶ）が一例として挙げられる。

また、微小発電の状態が継続されている場合、発電によって生成された液水が、燃料電池１０の各単セル１１のカソードから水蒸気となってアノード側に移動してアノードガスの流路内で結露し、アノードガスの流路内に滞留する可能性がある。この滞留水（「アノード側滞留水」あるいは「アノード側液水」とも呼ぶ）が多くなると、従来技術で説明したように、高負荷発電を実行する際に必要なアノードガス（燃料ガス）の供給が行われず、燃料ガス不足（いわゆる燃料ガスのガス欠）の状態が発生し、燃料電池のセル電圧の低下や酸化による電極劣化を招くことになる。同様に、発電によって生成された液水が燃料電池１０の各単セル１１のカソードガスの流路内に滞留する可能性がある。この滞留水（「カソード側滞留水」あるいは「カソード側液水」とも呼ぶ）が多くなると、アノード側に移動する水蒸気量が増加するため、水素循環用ポンプ６４の異音等の発生や燃料電池のセル電圧の低下を招きやすくなる。

そこで、本実施形態の燃料電池システム１００では、以下で説明するアノードガス循環流路の排水処理（「アノード側（強制）排水処理」とも呼ぶ）およびカソードガス給排流路の排水処理（「カソード側（強制）排水処理」とも呼ぶ）を実行し、異音等の発生の抑制や燃料電池のセル電圧低下の抑制等を行う。

Ａ２．アノードガス循環流路の排水処理：
図３は、間欠運転において実行されるアノード側強制排水処理について示すフローチャートである。このアノード（「Ａｎ」とも呼ぶ））側強制排水処理は、アノード側排水部２１によって実行される。なお、以下の説明における間欠運転は、上述した微小発電間欠運転が実行される状態を意味している。

ステップＳ１０１ではＡｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされたか否かが判断され、ステップＳ１０２では間欠フラグｆｌｇｉｎｔがセットされた状態（ｆｌｇｉｎｔ：１）であり、間欠運転中であるか否か判断される。なお、Ａｎ強制排水フラグのセットは後述するＨＰ（水素循環用ポンプ）残水判定処理によって実行される。また、間欠フラグは、図示および説明は省略するが、制御部２０の運転状態を制御する機能部において設定される。

Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされ、間欠フラグｆｌｇｉｎｔがセットされた状態の場合には、ステップＳ１０３において、Ａｎ側強制排水が開始される。Ａｎ側強制排水が開始された場合、エアコンプレッサ３２の回転数（「ＡＣＰ回転数」とも呼ぶ）は間欠運転における設定のまま、水素循環用ポンプ６４の回転数（「ＨＰ回転数」とも呼ぶ）Ｒｈｐは、間欠運転中に設定される排水不可な低回転の回転数（「Ａｎ間欠運転回転数」とも呼ぶ）ｒｄａｎから、排水可能な回転数（「Ａｎ排水回転数」とも呼ぶ）ｒｄａｐへ上昇される。Ａｎ排水回転数ｒｄａｐは、例えば、排水が可能となる回転数の閾値（「回転数閾値」とも呼ぶ）ｒｐａ(本例では、１８００ｒｐｍ)とされる。また、Ａｎ間欠運転回転数ｒｄａｎは、回転数閾値ｒｐａ未満の回転数である。なお、Ａｎ間欠運転回転数ｒｄａｎは、運転の状況に応じて変化するが、例えば、６００ｒｐｍ程度の回転数に設定される。なお、回転数の上昇レート（上昇率）は、通常の運転において設定される通常レートＫｒａｔｔ（例えば、６０００ｒｐｍ／１ｓｅｃ）よりも低い低レートＫｒａｔｄ(例えば、１８００ｒｐｍ／４ｓｅｃ)とされる。上昇レートを低レートにする効果については、後述する。なお、Ａｎ側強制排水を実行する際のＡｎ排水回転数ｒｄａｐは必ずしも回転数閾値ｒｐａに限定されるものではなく、それ以上の回転数としても良い。但し、ＨＰ回転数Ｒｈｐが高いほど作動音（「駆動音」とも呼ぶ）は大きくなるので、可能な限り低回転である方が好ましい。ＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ排水回転数ｒｄａｐとされると、水素循環用ポンプ６４内の滞留水が水素循環用ポンプ６４から排出されだけでなく、アノードガス循環配管６３や、アノードガス配管５１、燃料電池１０の各セルのアノードで構成されるアノード循環流路中に含まれるアノード側滞留水（アノード側液水）が気液分離部６２を介して排出される。

ステップＳ１０４ではＡｎ排水完了時間ｔｄａｅが設定される。Ａｎ排水完了時間ｔｄａｅは、ＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ排水回転数ｒｄａｐ（回転数閾値ｒｐａ）となってから、水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１の容量Ｖｐを満水状態とした滞留水（図２参照）が排出されるまでに要する時間である。このＡｎ排水完了時間ｔｄａｅは、予め用意されている排水完了時間マップから、温度計測部６８で計測された水素循環用ポンプ６４の周辺温度Ｔｒに対応するＡｎ排水完了時間ｔｄａｅを取得することにより設定される。

図４は、排水完了時間マップの例を示す説明図である。この排水完了時間マップは、水素循環用ポンプ６４の周辺温度（「ＨＰ温度」とも呼ぶ）ＴｒとＡｎ排水完了時間ｔｄａｅとの関係を示している。本例では、温度に関係なく一定の値（１０ｓｅｃ）に設定されている。水素循環用ポンプ６４から滞留水を排出する時間はＨＰ温度が高いほど早くなり、ＨＰ温度が低いほど遅くなる。少なくとも、遅い時間に合わせておけば排水は可能であるので、本例では、一定の値に設定されている。但し、これに限定されるものではなく、ＨＰ温度に応じて変化させるようにしてもよい。なお、図４の満水マップは、予め実験により求めることができる。また、Ａｎ排水完了時間ｔｄａｅは、実際には、水素循環用ポンプ６４から滞留水を完全に除去するまでの時間ではなく、排水により発生する騒音の継続する時間として許容できる時間と、排水の時間によって低減できる滞留水の量と、の間のトレードオフを考慮して、ある閾値まで滞留水の量を低減することができる時間に設定されるようにしてもよい。

ステップＳ１０５では、ＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ排水回転数ｒｄａｐとなってから継続するＡｎ排水時間ｔｄａが単位時間ｔｕでカウントされる。単位時間ｔｕは作動サイクルを示す基本時間であり、例えば、作動の基本となるクロックの周期を示す時間が用いられる。Ａｎ排水時間ｔｄａのカウントは、Ａｎ排水時間ｔｄａがＡｎ排水完了時間ｔｄａｅ以上、すなわち、排水が完了したと判断される（ステップＳ１０６）まで繰り返される。

排水が完了したと判断された場合、スステップＳ１０７において、Ａｎ強制排水フラグがリセットされ、ステップＳ１０８において、ＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ間欠運転回転数ｒｄａｎへ戻されてＡｎ側強制排水が終了され、ステップＳ１０１へ戻って、次にＡｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされるまで待機となる。

図５は、ＨＰ残水判定処理について示すフローチャートである。このＨＰ残水判定処理は、アノード側排水部２１によって実行される。

ステップＳ１１１では滞留時間ｔｒがリセットされる。ステップＳ１１２では、ＨＰ回転数Ｒｈｐに対応する水素循環用ポンプ６４の満水時間ｔｆが設定される。満水時間ｔｆは、ＨＰ回転数Ｒｈｐにおいて、水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１に滞留水が溜まり満水Ｖｐ（図２参照）となると推定される時間である。この満水時間ｔｆは、予め用意されている水素循環用ポンプ６４の周辺温度Ｔｒごとのマップ（「満水時間マップ」のうち、温度計測部６８で計測された水素循環用ポンプ６４の周辺温度Ｔｒに応じた初期値マップから、ＨＰ回転数Ｒｈｐに対応する満水時間ｔｆを取得することにより設定される。

図６は、満水時間マップの例を示す説明図である。この満水時間マップは、ＨＰ回転数Ｒｈｐと満水時間ｔｆとの関係を示しており、複数の水素循環用ポンプ６４の周辺温度Ｔｒについて用意される。図５には、Ｔｒ＝Ｔａ（＝０℃）、Ｔｒ＝Ｔｂ（＝１０℃）、及びＴｒ＝Ｔｃ（＝−１０℃）の例が示されている。

水素循環用ポンプ６４の滞留水は、回転数閾値ｒｐａ（本例では１８００ｒｐｍ）以上では排水可能であり、回転数閾値ｒｐａ未満では排水不可となり、液水が滞留していく。そこで、満水時間ｔｆは回転数閾値ｒｐａ未満では正の値に設定されており、回転数閾値ｒｐａ以上では排水時間を満水時間に換算して負の値に設定されている。また、液水が溜まる時間及び排出される時間は、水素循環用ポンプ６４の温度に応じて異なり、温度が高いほど溜まる時間は遅くなるとともに、排出される時間は早くなり、温度が低いほど溜まる時間は早くなり、排出される時間は遅くなる。このため、満水時間ｔｆは、温度が低いほど、回転数閾値ｒｐａ未満における正の値は小さくなるとともに、回転数閾値ｒｐａ以上における負の値は大きくなる。また、温度が高いほど、回転数閾値ｒｐａ未満における正の値は大きくなり、回転数閾値ｒｐａ以上における負の値は小さくなる。

図６には、水素循環用ポンプ６４の周辺温度ＴｒがＴｂ（＝１０℃）において、回転数閾値ｒｐａ以未満の満水時間ｔｒは３００ｓｅｃ（５ｍｉｎ）に設定され、回転数閾値ｒｐａ以上の満水時間ｔｒは−１０ｓｅｃに設定されている例が示されている。また、水素循環用ポンプ６４の周辺温度ＴｒがＴｂ（＝０℃）において、回転数閾値ｒｐａ以未満の満水時間ｔｒは１８０ｓｅｃ（３ｍｉｎ）に設定され、回転数閾値ｒｐａ以上の満水時間ｔｒは−２０ｓｅｃに設定されている例が示されている。また、水素循環用ポンプ６４の周辺温度ＴｒがＴｃ（＝−１０℃）において、回転数閾値ｒｐａ以未満の満水時間ｔｒは１２０ｓｅｃ（２ｍｉｎ）に設定され、回転数閾値ｒｐａ以上の満水時間ｔｒは−２０ｓｅｃに設定されている例が示されている。なお、マップが用意されていない周辺温度Ｔｒの場合には、予め定めたルールに従って、上側あるいは下側の用意されている周辺温度Ｔｒのマップを利用すればよい。例えば、周辺温度が氷点以上である場合には、下側の温度のマップを利用し、氷点下の場合は上側の温度のマップを利用すればよい。

なお、図６の満水時間マップは、予め実験により求めることができる。回転数閾値ｒｐａ未満のＨＰ回転数Ｒｈｐにおいては、排水を実行する時間間隔と水噛み音発生との関係、及び、排水を実行する時間間隔とセル電圧低下との関係、を測定することにより、満水時間と推定される排水時間を求めることができる。回転数閾値ｒｐａ以上のＨＰ回転数Ｒｈｐにおいては、それぞれの回転数における排水時間を測定すればよい。

図５のステップＳ１１３では、単位時間ｔｕを設定した満水時間ｔｆで除した値を積算した滞留時間ｔｒ（＝Σ（ｔｕ／ｔｆ）が求められる。この滞留時間ｔｒが水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１（図２参照）に溜まる液水（滞留水）の量に相当する。

ステップＳ１１２の満水時間ｔｆの設定及びステップＳ１１３の滞留時間ｔｒの算出は、滞留時間ｔｒが１以上、すなわち、水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１が満水と判断される（ステップＳ１１４）まで繰り返される。

水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１が満水と判断された場合には、ステップＳ１１５でＡｎ強制排水フラグがセット（ｆｌｇａｎ：１）される。そして、ステップＳ１１６において、Ａｎ側強制排水が完了したと判断されるまで、ステップＳ１１３〜ステップＳ１１５が繰り返され、Ａｎ側強制排水が完了したと判断された場合には、ステップＳ１１１からの処理が繰り返される。なお、Ａｎ側強制排水の完了は、図３のステップＳ１０６において、ＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ排水回転数ｒｄａｐ（回転数閾値ｒｐａ）から元のＡｎ間欠運転回転数ｒｄａｎへ変化することにより検出される。

アノード側排水部２１において、以上の処理が実行されることによって間欠運転において、水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１が満水と判断される度に、Ａｎ側強制排水が繰り返し実行される。

図７は、アノード側強制排水処理の具体例について示すタイムチャートである。図７（ａ）は間欠フラグｆｌｇｉｎｔを示し、図７（ｂ）はＨＰ回転数Ｒｈｐを示し、図７（ｃ）は滞留時間ｔｒを示し、図７（ｄ）はＨＰ内残水を示し、図７（ｅ）はＡｎ強制排水フラグを示し、図７（ｆ）はＡｎ排水時間ｔｄａを示している。また、時刻ｔ０を開始タイミングとして、ＨＰ回転数ＲｈｐはＡｎ排水回転数ｒｄａｐ（回転数閾値ｒｐａ、１８００ｒｐｍ）からＡｎ間欠運転回転数ｒｄａｎ（排水不可回転数、６００ｒｐｍ）に変化し、滞留時間ｔｒは０でＨＰ内残水は０であり、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎは０で、Ａｎ排水時間ｔｄａは０であるとして説明する。また、時刻ｔ３以前は、間欠フラグが０、すなわち、間欠運転が行われていない非間欠運転の状態であり、時刻ｔ３以降は、間欠フラグが１、すなわち、間欠運転中（微小発電間欠運転中）であるとして説明する。また、間欠運転中の実際のＨＰ回転数ＲｈｐのＡｎ排水回転数ｒｄａｐは回転数閾値ｒｐａ（１８００ｒｐｍ）であり、Ａｎ間欠運転回転数ｒｄａｎは運転状況に応じて変化する。本例では、説明を容易にするため、Ａｎ間欠運転回転数ｒｄａｎは一定の排水不可回転数（６００ｒｐｍ）とする。また、非間欠運転中の実際のＨＰ回転数Ｒｈｐはアクセル位置に応じて変化するが、説明を容易にするため、Ａｎ間欠運転回転数ｒｄａｎ（排水不可回転数；６００ｒｐｍ）からＡｎ排水回転数ｒｄａｐ（回転数閾値ｒｐａ；１８００ｒｐｍ）の間で変化するものとする。

図７（ｂ）に示すように、ＨＰ回転数Ｒｈｐは、時刻ｔ１までの間で、排水可能なＡｎ排水回転数ｒｄａｐよりも低い回転数で変化しているので、図７（ｃ）に示すように、滞留時間ｔｒは設定された正の満水時間ｔｆ（図６参照）に応じて上昇する。この上昇率は、ＨＰ温度Ｔｒが高いほど小さく、低いほど大きい。実線はＨＰ温度Ｔｒが２０℃の例を示し、破線はＨＰ温度Ｔｒがー１０℃の例を示している。ここで、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの間隔は、満水時間ｔｆ未満となっている。このため、時刻ｔ１における滞留時間ｔｒは１未満であり、図７（ｄ）に示すように、ＨＰ内残水は満水量Ｖｐまで到達していないと推定される。

そして、図７（ｂ）に示すように、ＨＰ回転数Ｒｈｐは時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間においてＡｎ排水回転数ｒｄａｐとなっている。この間においては、滞留時間ｔｒは、図７（ｃ）に示すように、設定された負の満水時間ｔｆ（図６参照）に応じて下降する。この下降率は、図示は省略するが、ＨＰ温度Ｔｒが高いほど小さく、低いほど大きい。ここでは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間隔が短く、時刻ｔ１における全ての残水を排出することはできず、図７（ｄ）に示すようにＨＰ内残水は０まで減少していないと推定される。

このように、滞留時間ｔｒは、満水量Ｖｐに対する残水量の比率に相当するものとして差し支えなく、滞留時間ｔｒによってＨＰ内残水の量が推定可能である。例えば、ＨＰ残水量は、滞留時間ｔｒと満水量Ｖｐの積（ｔｒ・Ｖｐ）で表される量であると推定できる。

次に、図７（ｂ）に示すように、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの間において、ＨＰ回転数Ｒｈｐは、Ａｎ排水回転数ｒｄａｐからＡｎ間欠運転回転数ｒｄａｎまで段階的に低下している。この間においては、滞留時間ｔｒは、図７（ｃ）に示すように、時刻ｔ０から時刻ｔ１までと同様に、設定された正の満水時間ｔｆに応じて上昇する。そして、時刻ｔ４において、ｔｒ≧１となると、図７（ｄ）に示すように、ＨＰ内残水が満水となっていると推定される。なお、時刻ｔ２と時刻ｔ４との間隔は、設定された満水時間ｔｆ未満である。しかしながら、時刻ｔ２における残水の量の分だけ早期に満水に到達する。これにより、図７（ｅ）に示すように、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされる。このとき、時刻ｔ３で間欠フラグが１にセットされた状態となって間欠運転状態となっているので、Ａｎ側強制排水が開始され、図７（ｂ）に示すように、ＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ間欠運転回転数ｒｄａｎからＡｎ排水回転数ｒｄａｐへ上昇される。但し、上述したように、低レートＫｒａｔｄ（１８００ｒｐｍ／４ｓｅｃ）の上昇レートで時刻ｔ４から時刻ｔ５の間にゆっくりと上昇される。このようにＨＰ回転数をゆっくりと上昇させることにより、ＨＰ内での水噛みの発生を抑制しつつ、ＨＰ回転数Ｒｈｐを上昇させて、滞留水の排水を開始することが可能となる。また、ＨＰ回転数を低レートＫｒａｔｄで制限した状態でゆっくり上昇させるので、仮に、水噛みが発生したとしても、異音等の発生を抑制することが可能である。

そして、図７（ｂ）に示すように、時刻ｔ５においてＨＰ回転数がＡｎ排水回転数ｒｄａｐとなって排水が開始されると、図７（ｃ）に示すように、滞留時間ｔｒは、時刻ｔ１から時刻ｔ２までと同様に、設定された負の満水時間ｔｆ（図６参照）に応じて下降する。また、図７（ｆ）に示すように、Ａｎ排水時間ｔｄａがカウントされる。時刻ｔ６において、Ａｎ排水時間ｔｄａが、設定されたＡｎ排水完了時間ｔｄａｅに到達すると、排水が完了したと推定され、図７（ｅ）に示すように、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがリセットされ、図７（ｂ）に示すように、ＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ排水回転数ｒｄａｐからＡｎ間欠運転回転数ｒｄａｎに戻される。

以降、間欠運転中においては、時刻ｔ２からｔ６と同様の処理が繰り返し実行され、滞留時間ｔｒが１以上、すなわち、Ａｎ間欠運転回転数ｒｄａｎの期間が設定された正の満水時間ｔｆ以上となる度に、ＨＰ内残水が満水と推定され、アノード側強制排水処理が繰り返される。なお、図７では、満水時間ｔｆは、ＨＰ温度Ｔｒが２０℃の場合の５ｍｉｎ（図６参照）の場合を例に示している。

以上説明したように、本実施形態では、間欠運転中（微小発電間欠運転中）において、ＨＰ内残水を推定し、ＨＰ内残水が所定値、本例では、水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１が満水に達したと判断された場合には、アノード側強制排水処理を実行して、アノードガス循環流路中に含まれるアノード側液水を排出する。これにより、水素循環用ポンプ６４内に滞留水が多くなって異音等が発生することを抑制するとともに、燃料電池１０の単セル１１のアノードの滞留水が多くなった状態で間欠運転が解除されて高負荷運転を実行する場合に、ガス欠が発生して燃料電池の電圧が低下してしまうことを抑制することが可能である。

Ａ３．カソードガス給排流路の排水処理：
図８は、間欠運転において実行されるカソード側強制排水処理について示すフローチャートである。このカソード（「Ｃａ」とも呼ぶ）強制排水処理は、カソード側排水部２３によって実行される。

ステップＳ１２１ではＣａ排水要求が有ったか否かが判断され、ステップＳ１２２ではＡｎ側強制排水が発生して終了したか否かが判断される。なお、Ｃａ排水要求は、後述するＣａ排水要求判定処理によって発生する。また、Ａｎ側強制排水の発生及び終了は、後述するＡｎ側強制排水判定処理によって検知される。

Ｃａ排水要求が有り、Ａｎ側強制排水が発生して終了した場合には、ステップＳ１２３においてＣａ強制排水フラグｆｌｇｃａがセットされ、間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔがリセットされ、ステップＳ１２４において、Ｃａ側強制排水が開始される。Ｃａ側強制排水が開始された場合、エアコンプレッサ３２の回転数（「ＡＣＰ回転数」とも呼ぶ）Ｒａｃｐは、間欠運転中の回転数（「Ｃａ間欠運転回転数」とも呼ぶ）ｒｄｃｎから、排水可能な回転数（（「Ｃａ排水回転数」とも呼ぶ）ｒｄｃｐ「ＡＣＰ回転数」とも呼ぶ）へ上昇される。Ｃａ間欠運転回転数ｒｄｃｎは、運転の状況に応じて変化するが、例えば、６００ｒｐｍ程度の回転数に設定される。また、Ｃａ排水回転数も、運転の状況に応じて変化するが、少なくとも、Ａｎ側強制排水におけるＨＰ回転数ＲｈｐのＡｎ排水回転数ｒｄａｐ（回転数閾値ｒｐａ、本例では１８００ｒｐｍ）よりも低い回転数に設定され、例えば、１４００ｒｐｍ程度の回転数に設定される。なお、この際、燃料電池１０ではＡＣＰ回転数に応じて供給されるカソードガスによって発電が実行されることになり、ＨＰ回転数Ｒｈｐはその発電量に応じたアノードガスを供給可能な回転数とするために、Ａｎ排水回転数ｒｄａｐからＣａ排水回転数ｒｄｃｐと同等の回転数に下降される。ＡＣＰ回転数ＲａｃｐがＣａ排水回転数ｒｄｃｐとされると、カソードガス配管３１やカソード排ガス配管４１、燃料電池１０の各セルのカソードで構成されるカソード給排流路中に含まれるカソード側滞留水がカソード排ガス配管４１を介して外部に排出される。

ステップＳ１２５ではＣａ排水完了時間ｔｄｃｅが設定される。Ｃａ排水完了時間ｔｄｃｅは、ＡＣＰ回転数ＲａｃｐがＣａ排水回転数ｒｄｃｐとなってから、カソード給排流路中、特に、燃料電池１０の各単セル１１中の滞留水が、後述する発電状態における許容含水量の上側の閾値に到達した状態から、予め定めた発電状態における基準の量まで排出されるのに要する時間である。このＣａ排水完了時間ｔｄｃｅは、予め定めた一定の値（本例では２０ｓｅｃ）に設定される。なお、この値は、予め実験により求めることができる。

ステップＳ１２６では、ＡＣＰ回転数ＲａｃｐがＣａ排水回転数ｒｄｃｐとなってから継続するＣａ排水時間ｔｄｃを単位時間ｔｕでカウントする。Ｃａ排水時間ｔｄｃのカウントは、Ｃａ排水時間ｔｄｃがＣａ排水完了時間ｔｄｃｅ以上、すなわち、排水が完了したと推定される（ステップＳ１２７）まで繰り返される。

排水が完了したと判断された場合、ステップＳ１２８において、Ｃａ強制排水フラグｆｌｇがリセットされ、間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔがセットされて、ステップＳ１２９において、ＡＣＰ回転数ＲａｃｐがＣａ間欠運転回転数ｒｄｃｎへ戻され、Ｃａ側強制排水が終了される。そして、ステップＳ１２１へ戻って、次にＣａ排水要求が発生するまで待機となる。

図９は、Ｃａ排水要求判定処理について示すフローチャートである。このＣａ排水要求判定処理は、カソード側排水部２３によって実行される。ステップＳ１３１では、間欠フラグｆｌｇｉｎｔのセットに応じてセットされる間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔがセットされるまで待機となる。なお、間欠運転フラグは、図示および説明は省略するが、制御部２０の運転状態を制御する機能部において設定される。

ステップＳ１３２では、Ｃａ排水判定時間ｔｘｒが設定される。Ｃａ排水判定時間ｔｘｒは、間欠運転中において、カソード給排流路、特に、燃料電池１０の各単セル１１に滞留水が溜まり、予め定められた発電状態における許容含水量の上側の閾値まで到達すると推定される時間である。このＣａ排水判定時間ｔｘｒは、予め定めた一定の値に設定される。例えば、Ｃａ側強制排水に要求される間隔ｔｘｒ０が３０ｍｉｎであった場合、Ａｎ側強制排水の間隔（満水時間ｔｆ）の最大値が５ｍｉｎ（図６参照）であることを考慮して、Ｃａ排水判定時間ｔｘｒは２５ｍｉｎに設定される。

ステップＳ１３３では、間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔがセットされてから継続される間欠運転継続時間ｔｘを単位時間ｔｕでカウントする。間欠運転継続時間ｔｘのカウントは、間欠運転継続時間ｔｘがＣａ排水判定時間ｔｘｒ以上、すなわち、カソード給排流路に滞留水が溜まって排水要であると判断される（ステップＳ１３４）まで繰り返される。

Ｃａ排水要であると判断された場合、ステップＳ１３５において、Ｃａ排水要求がなされ、図８で示したように、Ｃａ側強制排水が実行される。そして、ステップＳ１３６では、間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔがリセットされるまで待機となる。なお、間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔのリセットは、図８のステップＳ１２１でＣａ排水要求有りと判断され、ステップＳ１２２でＡｎ側強制排水が発生し終了したと判断された際に、上述した運転状態を制御する機能部（不図示）において実行され、これに同期して、ステップＳ１２３におけるＣａ側強制排水が開始される。

なお、Ｃａ排水要求が本発明の「カソード側排水要求」に相当し、間欠運転継続時間ｔｘがＣａ排水判定時間ｔｘｒ以上となってＣａ排水要と判断されるタイミングが、本発明の「予め定めたタイミング」に相当する。

図１０は、Ａｎ側強制排水判定処理について示すフローチャートである。このＡｎ側強制排水判処理は、アノード側排水検知部２２によって実行される。

ステップＳ１４１では、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされるまで待機となる。ステップＳ１４２では、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされた後、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがリセットされるまで待機となる。ステップＳ１４３では、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがリセットされた場合に、Ａｎ側強制排水発生後の終了を検知し、ステップＳ１４１へ戻って、次にＡｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされるまで待機となる。

図１１は、カソード側強制排水処理の具体例についてタイムチャートである。図１１（ａ）は間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔを示し、図１１（ｂ）はＣａ排水要求を示し、図１１（ｃ）はＡｎ強制排水フラグｆｌｇａｎを示し、図１１（ｄ）はＣａ強制排水フラグｆｌｇｃａを示し、図１１（ｅ）はＨＰ回転数Ｒｈｐを示し、図１１（ｆ）はＡＣＰ回転数Ｒａｃｐを示し、図１１（ｇ）はＣａ排水時間ｔｄｃを示している。また、時刻ｔ０を開始タイミングとして、間欠フラグｆｌｇｉｎｔ（不図示）に応じて発生する間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔがセットされるものとする。

図１１（ｂ）に示すように、間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔがセットされてから、間欠運転継続時間ｔｘがＣａ排水判定時間ｔｘｒ以上となった時刻ｔ１１で、Ｃａ排水要求が発生する（図９参照）。このＣａ排水要求が発生後、図１１（ｃ）に示すように、時刻ｔ１２においてＡｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセット（ｆｌｇａｎ：１）されると、図１１（ｅ）に示すようにＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ排水回転数ｒｄａｐとなってＡｎ側強制排水が実行される。その後、図１１（ｃ）に示すように、時刻ｔ１３においてＡｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがリセット（ｆｌｇａｎ：０）されると、図１１（ｅ）に示すようにＨＰ回転数ＲｈｐがＡｎ間欠運転回転数ｒｄａｎに戻されるとともに、図１１（ｄ）に示すようにＣａ強制排水フラグｆｌｇｃａがセット（ｆｌｇｃａ：１）される。なお、図の例では、Ｃａ排水要求が発生後に、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされてＡｎ強制排水が開始され、その後、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがリセットされてＡｎ強制排水が終了された際に、Ａｎ側強制排水発生後終了が検知されて（図１０参照）、Ｃａ強制排水フラグｆｌｇｃａがセットされる場合を示している。しかしながら、Ｃａ排水要求が発生した際に、既にＡｎ強制排水が開始されている場合もある。この場合には、既にＡｎ強制排水フラグｆｌｇａｎがセットされた状態となっているので、Ａｎ強制排水フラグｆｌｇａｎのリセットされた際に、Ａｎ側強制排水発生後終了が検知されて（図１０参照）、Ｃａ強制排水フラグｆｌｇｃａがセットされる。

Ｃａ強制排水フラグｆｌｇｃａがセットされると、これに応じて、図１１（ａ）に示すように間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔが一旦リセット（ｆｌｇｍｉｎｔ：０）され、図１１（ｆ）に示すようにＡＣＰ回転数ＲａｃｐがＣａ排水回転数ｒｄｃｐに上昇されて、Ｃａ側強制排水が開始される。また、図１１（ｇ）に示すようにＣａ排水時間ｔｄｃがカウントされる。時刻ｔ１４において、Ｃａ排水時間ｔｄｃがＣａ排水完了時間ｔｄｃｅに到達すると、排水が完了したと判断され、図１１（ｄ）に示すようにＣａ強制排水フラグｆｌｇｃａがリセット（ｆｌｇｃａ：０）される。Ｃａ強制排水フラグｆｌｇｃａがリセットされると、これに応じて、図１１（ｆ）に示すようにＡＣＰ回転数ＲａｃｐがＣａ間欠運転回転数ｒｄｃｎに戻され、図１１（ａ）に示すように間欠運転フラグｆｌｇｍｉｎｔがセットされて、間欠運転が再開される。

以上説明したように、本実施形態では、間欠運転中において、Ｃａ排水判定時間ｔｘｒの間、カソード給排流路、特に、燃料電池１０からカソード側滞留水の排出が行われない状態が継続して、Ｃａ排水要求が発生した場合には、アノード側強制排水処理が開始され、それが終了された後に、カソード側強制排水処理が実行され。これにより、カソード給排流路に含まれるカソード側液水の排出が実行される。

ここで、アノード側強制排水において駆動される水素循環用ポンプ（ＨＰ）６４のＨＰ回転数ＲｈｐはＡｎ排水回転数ｒｄａｐであり、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）３２のＡＣＰ回転数Ｒａｃｐは、Ｃａ間欠運転回転数ｒｄｃｎである。一方、カソード側強制排水においては、ＡＣＰ回転数ＲａｃｐはＣａ排水回転数ｒｄｃｐ（＜ｒｄａｐ，＞ｒｄｃｎ）であり、ＨＰ回転数ＲｈｐはＡｎ排水回転数ｒｄａｐよりも低い回転数であり、本例では、Ｃａ排水回転数ｒｄｃｐと同じ回転数とされている。これにより、アノード側強制排水における作動音（駆動音）はカソード側強制排水における作動音に比べて大きくなる。

仮に、カソード側強制排水を実行後、アノード側強制排水を実行した場合、エアコンプレッサ３２の作動音は大から小となるが、水素循環用ポンプ６４の作動音は小から大となって水素循環用ポンプ６４の作動音だけが継続して残り、また、音が増大していく印象を使用者に与え、使用者に不快感や違和感、故障の心配等を与える可能性がある。

本実施形態では、音量が大きいアノード側強制排水処理の後に音量の小さいカソード側強制排水処理が実行されるので、使用者に対して発生した作動音が収束していく印象を与える。このため、逆の順で排水処理が実行されて音が増大していく印象与える場合に比べて、使用者に与える不快感や違和感、故障の心配等を低減することが可能である。

Ｂ．変形例：
（１）変形例１
上記実施形態において、燃料電池１０は、いわゆるカウンターフロー型を採用している。しかし、本発明は、これに限られず、いわゆるコフロー型や、いわゆるクロスフロー型を採用してもよい。

（２）変形例２
上記実施形態において、制御部２０は、マイクロコンピュータを用いて、各種制御に対応するソフトウェアを実行し、全体制御部や、カソードガス供給系３０及びカソードガス排出系４０を制御するカソードガス制御部、アノードガス供給系５０及びアノードガス循環系６０を制御するアノードガス制御部、冷媒循環系７０を制御する冷媒制御部、アノード側排水部２１、アノード側排水検知部２２、カソード側排水処理部２３等を、ソフトウェア的な構成で実現する構成として説明した。しかしながら、制御部２０は、各制御部を、それぞれ、専用の処理回路により、ハードウェア的な構成で実現するようにしてもよい。

（３）変形例３
上記実施形態において水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１の満水量に対する滞留水量の比率に対応する滞留時間ｔｒが１以上となった場合に満水となったと判断し、アノード側強制排水処理を実行している。しかしながら、これに限定されるものではなく、排水不可な回転数（Ａｎ間欠運転回転数）における循環流量の履歴（時間変化）に応じて滞留水量を算出することにより満水を判断し、アノード側強制排水処理を実行するようにしてもよい。

（４）変形例４
上記実施形態では、水素循環用ポンプ６４の吸入口６４１が満水となったと判断された場合に、アノード側強制排水処理を実行しているが、これに限定されるものではなく、吸入口６４１に予め定めた量の液水が滞留したと判断された場合にアノード側強制排水処理を実行するようにしてもよい。

（５）変形例５
上記実施形態では、水素循環用ポンプ６４の回転数の上昇レートを低レートに制限するものとしたが、複数段の制限した回転数で段階的に回転数を上昇させていくようにしてもよい。すなわち、水素循環用ポンプ６４の回転数の上昇レート（上昇率）を制限するようにすればよい。

（６）変形例６
上記実施形態では、温度計測部６８により計測した水素循環用ポンプ６４の周辺温度Ｔｒに基づいて満水時間マップを選択するものとして説明したが、外気温を計測し、計測した外気温を水素循環用ポンプ６４の周辺温度Ｔｒに代えてもよい。水素循環用ポンプ６４の温度として扱うことが可能な温度であればよい。

（７）変形例７
上記実施形態では、水素循環用ポンプ６４の回転数を変化させてアノード側の排水を行ない、エアコンプレッサ３２の回転数を変化させてカソード側の排水を行う場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されるものではなく、水素循環用ポンプ６４に代えて、アノードガス循環系６０の循環流量（流速）を調整可能なアノードポンプを用いてもよい。同様に、エアコンプレッサ３２に代えて、カソードガス供給系３０及びカソードガス排出系４０の給排流量（流速）を調整可能なカソードポンプを用いてもよい。

（８）変形例８
上記実施形態では、アノード側強制排水における水素循環用ポンプ６４の作動音が、カソード側強制排水における水素循環用ポンプ６４の作動音およびエアコンプレッサ３２の作動音よりも大きいため、アノード側の強制排水の作動音がカソード側強制排水の作動音よりも大きい場合を前提としている。そして、予め、水素循環用ポンプ６４によるアノード側強制排水を先に実行する排水として選択しておき、作動音が大きくなるアノード側強制排水を実行後、作動音が小さくなるカソード側強制排水を実行する場合を例に説明している。

しかしながら、カソード側強制排水におけるエアコンプレッサ３２の作動音が、アノード側強制排水におけるエアコンプレッサ３２の作動音および水素循環用ポンプ６４の作動音よりも大きいため、カソード側強制排水の作動音がアノード側強制排水よりも大きい場合も考えられる。また、カソード側強制排水における水素循環用ポンプ６４の作動音が、アノード側強制排水における水素循環用ポンプ６４の作動音よりも大きいため、カソード側強制排水の作動音がアノード側強制排水よりも大きい場合も考えられる。これらの場合には、予め、エアコンプレッサ３２によるカソード側強制排水を先に実行する排水として選択しておき、作動音が大きくなるカソード側強制排水を実行後、作動音が小さくなるアノード側強制排水を実行するようにしてもよい。

カソード側強制排水を先に実行する場合、アノード側排水制御部は、アノード側排水要求が発生した場合に、カソード側液水の排出が開始されている場合には、カソード側液水の排出が終了した際に、アノード側液水の排出を実行し、カソード側液水の排出が開始されていない場合には、カソード側液水の排出が開始され、カソード側液水の排出が終了した際に、アノード側液水の排出を実行すればよい。

本発明は、上述の実施形態や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することができる。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、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上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、組み合わせを行うことが可能である。また、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、削除することが可能である。

１０…燃料電池
１１…単セル
２０…制御部
２１…アノード側排水部
２２…アノード側排水検知部
２３…カソード側排水部
３０…カソードガス供給系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…エアフロメータ
３４…開閉弁
３５…圧力計測部
４０…カソードガス排出系
４１…カソード排ガス配管
４３…調圧弁
４４…圧力計測部
５０…アノードガス供給系
５１…アノードガス配管
５２…水素タンク
５３…開閉弁
５４…レギュレータ
５５…水素供給装置
５６…圧力計測部
６０…アノードガス循環系
６１…アノード排ガス配管
６２…気液分離部
６３，６３ａ，６３ｂ…アノードガス循環配管
６４…水素循環用ポンプ
６５…アノード排水配管
６６…排水弁
６７…圧力計測部
６８…温度計測部
７０…冷媒循環系
７１…冷媒用配管
７１ａ…上流側配管
７１ｂ…下流側配管
７２…ラジエータ
７５…冷媒循環用ポンプ
７６ａ…上流側温度センサ
７６ｂ…下流側温度センサ
８０…電力充放電系
８２…駆動モータ
８４…インバータ
８６…二次電池
８８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１００…燃料電池システム
ＷＬ…車輪
ＤＣＬ…直流配線

Claims (5)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給流路と、
   前記燃料電池からアノードオフガスを排出するアノードガス排出流路と、
   前記アノードガス供給流路と前記アノードガス排出流路とを接続するアノードガス循環流路と、
   前記アノードガス循環流路に設けられ、前記アノードオフガスを前記アノードガス供給流路に供給するアノードポンプと、
   前記アノードポンプの循環流量を制御して、アノード側に滞留するアノード側液水を排出するアノード側排水制御部と、
   前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給流路と、
   前記カソードガス供給流路に設けられ、前記カソードガスを前記燃料電池に供給するカソードポンプと、
   前記カソードポンプの供給流量を制御して、カソード側に滞留するカソード側液水を排出するカソード側排水制御部と、
   を備え、
   前記アノード側排水制御部及び前記カソード側排水制御部は、前記アノードポンプ及び前記カソードポンプのうち、予め選択された一方のポンプを駆動させて排水を行なった後、他方のポンプを駆動させて排水を行ない、
   前記アノードポンプは、回転により前記アノードガスの循環流量を変化させるポンプであり、
   前記アノード側排水制御部は、前記アノードポンプの回転を通常発電時における上昇レートよりも低レートで上昇させて排水を行なう
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記カソード側排水制御部は、カソード側排水要求が発生した場合に、
   （ａ）前記アノード側排水制御部が前記アノード側液水の排出を開始している場合には、前記アノード側液水の排出が終了した際に、前記カソード側液水の排出を実行し、
   （ｂ）前記アノード側排水制御部が前記アノード側液水の排出を開始していない場合には、前記アノード側液水の排出が開始され、前記アノード側液水の排出が終了した際に、前記カソード側液水の排出を実行する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記アノード側排水制御部は、前記アノードポンプの循環流量に基づいて前記アノードポンプ内に滞留する滞留水の量を推定し、前記滞留水の量が所定値以上となった場合に、前記アノード側液水の排出を実行する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記アノード側排水制御部は、予め用意された、前記アノードポンプの循環流量と、前記アノードポンプの循環流量における前記アノードポンプ内に滞留する滞留水の量との関係から前記アノードポンプの循環流量に対応する前記アノードポンプ内に滞留する滞留水の量を推定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
   前記カソードポンプは回転により前記カソードガスの供給流量を変化させるコンプレッサである
   ことを特徴とする燃料電池システム。

Images