JP2006309948A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス濃度を推定することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムであって、反応に用いる水素のガスを燃料電池に供給する水素供給部と、水素供給部から供給されるガスが流れる水素流路と、水素流路上であって、反応において生成される水蒸気の流れを免れる所定位置に配置し、該水素流路を流れるガスの流量を検出する熱線式流量計と、水素流路を流れるガスの状態量を検出し、検出した状態量から熱線式流量計を流れるガスの流量を推定する流量推定手段と、所定のタイミングで、熱線式流量計による検出値と流量推定手段による推定値との差分を求め、該差分に基づいて、水素流路内のガスにおける水素ガスの濃度を推定する濃度推定手段と、推定された水素ガスの濃度に基づいて、燃料電池の制御を行なう制御手段とを備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池システムに関し、詳しくはシステム内の水素のガス濃度を推定する技術に関する。

水素ガスと酸素ガスとの供給を受けて発電する燃料電池システムでは、起動時にアノードガス流路に水素ガスを導入し、発電に十分な水素分圧をアノードガス流路内に生じさせる必要がある。すなわち、起動時には、アノードガス流路内には不純物を含む混合ガスが存在するため、これを排出して新たに水素ガスを導入し、発電に十分な水素ガスを供給する必要がある（いわゆる水素置換処理）。

かかる水素置換処理の実行に際しては、アノードガス流量内の混合ガスのガス組成を知ることが重要となる。ガス組成が分かれば、不純物の量に応じた適切な排出処理などを実行することができるからである。従来から、こうしたガス組成を推定する技術が種々検討されている。

例えば、特許文献１には、混合ガス中の超音波伝播時間より不純物ガス濃度を演算し、不純物ガス濃度、圧力、温度から不純物ガス存在量を演算する技術が開示されている。かかる技術によれば、不純物ガス濃度を推定し、ガス濃度に応じた水素置換の処理が実行できるとされている。

特開２００３−３１７７５２号公報 特開平４−２９２５４２号公報 特開２００４−２８１１３２号公報 特開２００４−２６５６６７号公報 特許第３１３７５１１号公報

しかしながら、かかるガス濃度の推定手法では超音波を利用するため、超音波発信機を備える必要があった。すなわち、燃料電池システムとして部品点数が増えるという問題を抱えると共に、通常、燃料電池システムでは用いられることがない特殊な装置を設けることから、機器の取扱いが煩わしく、また、コストが高いという問題があった。

本発明は、特別な装置による部品点数の増加といった問題を踏まえて、特別な装置を用いることなく、ガス濃度を推定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している。

本発明の燃料電池システムは、上記課題を鑑み、以下の手法を採った。すなわち、水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記反応に用いる水素のガスを前記燃料電池に供給する水素供給部と、前記水素供給部から供給されるガスが流れる水素流路と、前記水素流路上であって、前記反応において生成される水蒸気の流れを免れる所定位置に配置し、該水素流路を流れるガスの流量を検出する熱線式流量計と、前記水素流路を流れるガスの状態量を検出し、該検出した状態量から前記熱線式流量計を流れるガスの流量を推定する流量推定手段と、所定のタイミングで、前記熱線式流量計による検出値と前記流量推定手段による推定値との差分を求め、該差分に基づいて、前記水素流路内のガスにおける水素ガスの濃度を推定する濃度推定手段と、前記推定された水素ガスの濃度に基づいて、前記燃料電池の制御を行なう制御手段とを備えることを要旨としている。

また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムの制御方法であって、前記反応に用いる水素のガスが流れる流路上であって、該反応において生成される水蒸気の流れを免れる所定位置に配置した熱線式流量計によって、該流路を流れるガスの流量を検出し、前記流路を流れるガスの状態量を検出し、該検出した状態量から前記熱線式流量計を流れるガスの流量を推定し、所定のタイミングで、前記熱線式流量計による検出値と前記推定値との差分を求め、該差分に基づいて、前記流路内のガスにおける水素ガスの濃度を推定し、前記推定された水素ガスの濃度に基づいて、前記燃料電池の制御を行なうことを要旨としている。

本発明の燃料電池システムおよびその制御方法によれば、熱線式流量計による流量の検出値と、ガスの状態量による流量の推定値との差分に基づいて、水素流路内の水素ガスの濃度を推定する。したがって、熱線式流量計という一般的な機器を用いて不純物ガスの増加を判断することができる。また、熱線式流量計は、水蒸気の流れを免れる所定位置に配置されているため、流量検出において水蒸気の影響を受けることはない。したがって、安定した検出を行なうことができ、流量検出（つまり、水素ガス濃度の推定）を適切に行なうことができる。その結果、水素ガス濃度に基づく燃料電池の制御を、適切に行なうことができる。

上記構成の燃料電池システムにおいて、熱線式流量計を配置する所定位置は、前記水素供給部と前記燃料電池との間の前記水素流路上であるものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、水素供給部から燃料電池までの水素流路を流れるガス中の水素ガス濃度を推定することができる。例えば、水素供給部に近い位置での水素ガス濃度の推定により、水素供給部からの水素ガス濃度が所定基準より低いと認識した場合には、水素供給部に異常があると判断することができる。

上記構成の燃料電池システムは、更に、前記水素供給部から前記燃料電池に供給するガスの圧力を調整する調圧弁と、前記調圧弁の下流であって、前記燃料電池から排出されたガスが循環する循環流路と、前記燃料電池よりも上流の前記水素流路とが合流する合流部とを備えており、前記熱線式流量計を配置する所定位置は、前記調圧弁と前記合流部との間の前記水素流路上であるものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、調圧弁と合流部との間の水素流路上に熱線式流量計を配置する。すなわち、熱線式流量計は、排出されたガスを再度燃料電池に供給するための合流部よりも上流に設けられるため、燃料電池内の反応により発生する水蒸気が循環されても、熱線式流量計に流入することはほとんどない。したがって、適切な流量検出を行なうことができる。

上記構成の燃料電池システムは、更に、前記合流部を介して循環するガスの一部を前記水素流路から排出するパージ弁を備え、前記制御手段は、前記推定された水素ガス濃度に基づいて、前記パージ弁の開閉制御を行なうものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、パージ弁の開閉制御に推定した水素ガス濃度を用いる。したがって、燃料電池内、水素流路内の水素ガスの状態に適した制御を行なうことができる。

上記構成の燃料電池システムにおける所定のタイミングは、前記燃料電池への水素ガスの供給開始直後のタイミングであるものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、水素ガスの供給開始直後に水素ガス濃度の推定を行なうため、反応による水蒸気が熱線式流量計を流れることがない。したがって、適切な流量検出を行なうことができる。なお、水素ガスの供給開始直後とは、燃料電池への水素ガスの供給開始（いわゆる起動時）から、発電開始（負荷への接続）までの期間（つまり、水蒸気が生成される前の期間）のみならず、発電を開始してから所定時間(例えば、数秒)の経過までをも含む概念である。

上記構成の燃料電池システムの流量推定手段は、前記ガスの状態量として前記水素流路内を流れるガスの圧力を検出し、該水素流路内の圧力変動に基づいて流量を推定するものとしても良い。

かかる燃料電池システムによれば、ガスの状態量として一般的に検出されている圧力の変動を用いることで、容易に流量を推定することができる。さらに、ガスの状態量の直接的な検出値により流量を推定するため、例えば燃料電池による出力電流から流入した水素量を推定する場合に比べて、適切に流量推定を行なうことができる。

上記構成の燃料電池システムの水素供給部は、燃料電池における反応に用いる水素を貯蔵する水素貯蔵装置であるものとしても良い。水素貯蔵装置としては、高圧水素タンク，液体水素タンク，水素吸蔵合金タンクなど、純水素を貯蔵している装置を用いることができる。こうした装置から供給される水素には水蒸気がほとんど含まれず、熱線式流量計による適切な流量検出を行なうことができる。

本発明の別の態様の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムであって、前記反応に用いる水素のガスを前記燃料電池に供給する水素供給部と、前記水素供給部から供給されたガスが流れる水素流路と、前記燃料電池から排出されたガスを循環する循環装置と、前記循環装置により循環されるガスの一部を前記水素流路から排出するパージ弁と、前記パージ弁の下流に配置し、前記水素流路から排出されたガスの流量を検出する熱線式流量計と、前記パージ弁の上流であって、前記水素流路を流れるガスの状態量を検出し、該検出した状態量から前記熱線式流量計を流れるガスの流量を推定する流量推定手段と、前記燃料電池への水素ガスの供給開始直後のタイミングで、前記熱線式流量計による検出値と前記流量推定手段による推定値との差分を求め、該差分に基づいて、前記水素流路内のガスにおける水素ガスの濃度を推定する濃度推定手段と、前記推定された水素ガスの濃度に基づいて、前記パージ弁の開閉制御を行なう制御手段とを備えることを要旨としている。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池への水素ガスの供給開始直後のタイミングで、パージ弁の開弁の際に、排出されたガス中における水素ガス濃度を推定する。したがって、パージ弁の開閉処理を行なう場合にのみ、水素ガス濃度を推定し適切な処理を実行することができる。また、水素ガスの供給開始直後のタイミングであるため、反応により生成される水蒸気が熱線式流量計に影響を与えることはない。

以下、上述した本発明の作用・効果を一層明らかにするため、本発明の実施の形態を実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
Ａ−２．水素ガス濃度の推定の手法：
Ａ−３．パージ処理：
Ｂ．第２実施例：
Ｂ−１．パージ処理：
Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．膜劣化判断処理：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例としての燃料電池システム１００の全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システム１００は、図示するように、車両９０に搭載されており、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池１０や、水素ガスを貯蔵する水素タンク２０、燃料電池１０に空気を供給するブロワ３０、燃料電池１０によって発電された電気により充電される二次電池４０、燃料電池１０によって発電された電力によって車軸５５を駆動するモータ５０、車両９０や燃料電池システム１００を全般的に制御する制御コンピュータ４００等を備えている。

燃料電池１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素ガスを供給し、カソード側に酸素を含有する空気を供給することで、電気化学反応が進行し、起電力を生じる。燃料電池１０で生じた電力は、燃料電池１０に接続された二次電池４０，モータ５０，各種補機など，所定の負荷に供給される。

ブロワ３０は、燃料電池１０のカソードに空気を供給するための装置である。ブロワ３０は、空気供給流路３４を介して燃料電池１０のカソードに接続されている。ブロワ３０から燃料電池１０に供給された空気は、燃料電池１０のカソード側出口と接続したカソードオフガス流路３６を通じて、外部に排出される。

水素タンク２０には、数十ＭＰａの圧力を有する高圧の水素ガスが貯蔵される。この水素タンク２０は、水素供給流路２４を通じて燃料電池１０のアノードに接続されている。つまり、燃料電池システム１００における水素ガスの流れは、上流の水素タンク２０から下流の燃料電池１０に向かって流れる。水素タンク２０から燃料電池１０に供給された水素ガスは、燃料電池１０のアノード側出口と接続したアノードオフガス流路２６に流れる。なお、こうした高圧ガスを貯蔵する水素タンク２０の他、液体水素タンク，水素吸蔵合金タンクなど、純水素を貯蔵する貯蔵装置を、水素の供給源として使用することができる。

水素供給流路２４の流路上には、上流から順に、開閉弁２００，第１の調圧弁２１０，第２の調圧弁２２０，水素流量計３００，循環装置７０が設けられている。

開閉弁２００は、内部の弁を開閉することで、水素タンク２０内に貯留された高圧の水素ガスの燃料電池１０への供給を調整する機器である。制御コンピュータ４００による指令を受けて開閉弁２００が開弁状態になると、水素タンク２０から水素供給流路２４を通じて燃料電池１０に水素ガスが供給される。

開閉弁２００の開弁により水素供給流路２４へ供給された高圧の水素ガスは、第１の調圧弁２１０によって調圧され、４００Ｋ〜２ＭＰａ程度の中圧状態に減圧される。中圧に減圧された水素ガスは、更に、第２の調圧弁２２０により調圧され、１００Ｋ〜２５０ＫＰａ程度の低圧状態まで減圧される。こうして低圧状態に減圧された水素ガスは、水素流量計３００，循環装置７０を通過して、燃料電池１０のアノードへ供給される。以下の説明では、第１の調圧弁２１０と第２の調圧弁２２０とによって異なる圧力状態となった水素供給流路２４中の区間をそれぞれ、図示するように、高圧部ＨＳ、中圧部ＭＳ、低圧部ＬＳと呼ぶこととする。

水素流量計３００は、発熱部を備えた熱線式の流量計であり、２点間を流れる流体の温度差に基づいて流量を測定する。第１実施例では、調圧弁２２０によって減圧された水素ガスが水素供給流路２４を流れる流量を検出している。この水素流量計３００の近傍には、差圧センサ３５０が設けられている。差圧センサ３５０は、水素流量計３００の上流および下流の（低圧部ＬＳにおける）水素ガスの圧力を差圧として検出する。水素流量計３００および差圧センサ３５０は、制御コンピュータ４００に接続されており、所定のタイミングで各検出値を制御コンピュータ４００に出力している。

水素供給流路２４の高圧部ＨＳと中圧部ＭＳと低圧部ＬＳとには、それぞれ圧力センサ３１０，３２０，３３０が設けられ、各区間を流れる水素ガスの圧力を計測する。各圧力センサ３１０〜３３０は、制御コンピュータ４００に接続されており、各圧力部の圧力Ｐ０，Ｐ１，Ｐ２を検出して制御コンピュータ４００に出力している。

水素供給流路２４の低圧部ＬＳに配置された循環装置７０は、アノードオフガス流路２６上の水素ガスを水素供給流路２４側へ流す水素循環流路２８と接続しており、アノードオフガス流路２６上の水素ガスを燃料電池１０に循環している。換言すると、循環装置７０は、水素供給流路２４と水素循環流路２８との合流箇所に配置されている。燃料電池１０に供給された水素ガスは、燃料電池１０内の電気化学反応に供され、アノードオフガスとして排出されるが、アノードオフガス中には、燃料電池１０による発電に供しきれなかった水素ガスが残存している場合がある。こうした水素ガスを水素循環流路２８を介して、再度、水素供給流路２４に供給することで、効率的に水素ガスを利用することができる。

本実施例では、エジェクタを循環装置７０として採用し、所定量のアノードオフガスを再度、燃料電池１０に供給している。循環装置７０としては、エジェクタに代えて循環ポンプを用いるものとしても良い。

循環装置７０と接続する水素循環流路２８は、アノードオフガス流路２６上に設けられた気液分離器６０と接続し、気液分離器６０を介してアノードオフガス流路２６上の水素ガスを循環装置７０，水素供給流路２４側へ流す。燃料電池１０を通過してきたアノードオフガス中には、電解質膜を介してカソード側から透過してくる水分が含まれる場合がある。気液分離器６０は、かかる水分をアノードオフガス中から分離し、外部に排出する。

気液分離器６０にはパージ弁２４０が接続されており、所定のタイミングでパージ弁２４０を開弁することで、水分等を外部に排出する。パージ弁２４０は、制御コンピュータ４００に接続されており、こうしたパージ弁２４０の開弁は、制御コンピュータ４００による制御によって定期的に実行される。アノードオフガス中には、上記の水分が含まれる他、カソード側から電解質膜を介して透過する空気中の窒素等の不純物が含まれる。パージ弁２４０の開弁は、上記の水分の排出と共に不純物を排出するために実行される。

また、かかる不純物は燃料電池システム１００の停止中にも電解質膜を介してアノード側に漏れ出す場合がある。この場合、燃料電池システム１００の起動時には、アノード側は純粋な水素ガスで満たされず、窒素などの不純物を含んだ混合ガスの状態となる。パージ弁２４０の開弁は、特に、こうした起動時にも制御コンピュータ４００の指令により実行され、混合ガスを排出して水素ガスの置換を実行している。以下、起動時に実行するパージ弁２４０の開弁処理をパージ処理と呼ぶ。

制御コンピュータ４００は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ，タイマ，入出力ポート等を備えている。ＲＯＭには、上述のパージ処理の他、種々の処理を行うためのプログラムや、車両９０や燃料電池システム１００の運転を制御するためのプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、これらのプログラムをＲＡＭに展開して実行する。入出力ポートには、水素流量計３００，差圧センサ３５０，圧力センサ３１０〜３４０の他、アノードオフガス流路２６上に設けられ、燃料電池１０の出口温度を検出する温度センサ３６０や、パージ弁２４０上流の圧力Ｐ３を検出する圧力センサ３４０など、種々のセンサやイグニッションスイッチ等が接続されている。さらに、入出力ポートには、開閉弁２００，循環装置７０，パージ弁２４０、ブロワ３０など、種々のアクチュエータが接続されている。制御コンピュータ４００は、こうした入出力ポートを介して、燃料電池システム１００の状態を検出し、各種アクチュエータに指令することでシステム全体を制御している。

以上の構成を有する本実施例の燃料電池システム１００では、制御コンピュータ４００によるパージ処理が行なわれる。このパージ処理では、水素供給流路２４やアノードオフガス流路２６など、水素ガス流路内のガスの組成（濃度）を推定し、推定した濃度に対応して適正な量の水素ガスの置換を行なう。以下に、かかる処理の基本となるガス濃度の推定について説明する。

Ａ−２．水素ガス濃度の推定の手法：
図２は、水素流量計３００の流量検出の原理を説明する説明図である。本実施例では用いる水素流量計３００は、上述のように熱線式の検出器であり、図示するように、流れの下流にヒータ等の熱源を備えている。その熱源付近の地点Ｂと、地点Ｂよりも上流の地点Ａとには、温度センサを備えており、両地点Ａ，Ｂの温度差ΔＴを検出している。この水素流量計３００は、検出された温度差ΔＴの大小により、水素ガスの流量を検出する。

図２の上段に示すように、水素ガスの流れがない場合には、熱源付近の地点Ｂの温度は上昇し、両地点Ａ，Ｂ間の温度差ΔＴが増加する。これに対して、図２の下段に示すように、水素ガスの流れが生じた場合には、上流からの水素ガスにより熱源付近の地点Ｂは冷やされ、両地点Ａ，Ｂの温度差ΔＴは低減する。こうして温度差ΔＴの変化により流量を検出することができる。

こうした原理で水素ガスの流量を検出する水素流量計３００は、予め検出対象となる水素ガス濃度（純度）に対応したセッティングが行なわれており、設定された純度のものであれば、適切な流量検出を行なうことができるが、検出対象が水素ガス以外のガスを含む混合ガスである場合には、検出流量に誤差を含むこととなる。すなわち、かかる熱線式の流量計は、検出対象となるガスの比熱の影響を受けるからである。

例えば、検出対象が水素ガスよりも比熱の大きいガスであれば、所定流速で地点Ｂを通過しても水素ガスの場合に比べて地点Ｂの温度は低くなり、逆に、検出対象が水素ガスよりも比熱の小さいガスであれば、所定流速で地点Ｂを通過しても水素ガスの場合に比べて地点Ｂの温度は高くなる。したがって、水素ガスよりも比熱の大きいガスが混在する混合ガスの場合には、実際に流れる流量よりも多い流量が検出され、水素ガスよりも比熱の小さいガスが混在する混合ガスの場合には、実際の流量よりも少ない流量が検出される。

図３は、実際に流れる流量（実流量）と熱線式の流量計による出力との関係を示す説明図である。図中の横軸は流路を流れる実流量を、縦軸は熱線式流量計出力を、それぞれ示し、実線で水素ガスが１００％の濃度である場合の流量計の出力特性を示している。図示するように、実線よりも傾きが小さい領域は水素ガスに水素ガスよりも比熱の小さいガスが混在する領域を示し、実線よりも傾きが大きい領域は水素ガスに水素ガスよりも比熱の大きいガスが混在する領域を示している。

例えば、水素ガスに、水素ガスよりも比熱の小さい窒素ガスが混在している場合には、流量計の出力特性は破線で示すように傾きが小さくなる。ここで、所定流路に実流量として流量Ｑｊが流れているときに、熱線式流量計の出力が流量Ｑｊよりも少ない流量Ｑｆ（Ｑｆ＜Ｑｊ）であった場合には、検出対象の水素ガスは１００％濃度ではなく、窒素ガスが混在したものであると推定できる。

すなわち、熱線式流量計の出力流量と実際に流れる（または、実際に流れると推定される）実流量とを比較することで、水素ガスの濃度を推定することができる。本実施例では、こうした原理を用いて水素ガス濃度を推定し、パージ処理や、システムの異常検出などの種々の起動時の処理に利用している。なお、起動時に各種処理を実行するため、混合ガス中には生成水（水蒸気）は含まれず、混合ガスのガス組成は水素ガスと窒素ガスとからなるものと推定することができる。したがって、水素ガス濃度の推定により窒素ガス濃度も推定することができる。以下に、水素ガス濃度（窒素ガス濃度）を推定した処理について説明する。

Ａ−３．パージ処理：
図４は、制御コンピュータ４００がＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行するパージ処理のフローチャートである。この処理は、燃料電池１０内の不純物を排出して水素ガスの置換を行なう処理であり、運転者のイグニッションスイッチのＯＮ操作の後、燃料電池１０の発電前の起動時に実行される処理である。したがって、この処理が実行される前提として、開閉弁２００，パージ弁２４０は閉弁状態にあるものとする。

この処理が実行されると、制御コンピュータ４００は開閉弁２００に開弁指令を出力する（ステップＳ４００）。指令を受けた開閉弁２００が内部の弁を開くことで、水素タンク２０内の水素ガスが水素供給流路２４に放出される。

続いて、制御コンピュータ４００は、水素供給流路２４を流れるガスの流量Ｑｆを水素流量計３００により検出する（ステップＳ４１０）。ここで検出される流量Ｑｆは、窒素ガスを含む混合ガスの流量である。すなわち、前述のように、燃料電池システム１００の停止中に電解質膜から窒素ガスが漏れ出すため、システム起動前における水素供給流路２４やアノードオフガス流路２６などの水素系統は混合ガスが滞留する状態となっている。こうした状態の水素系統に、開閉弁２００の開弁により高圧の水素ガスが供給されて所定の流れを生じることとなる。

水素流量計３００によるガスの流量Ｑｆを検出すると共に、制御コンピュータ４００は、差圧センサ３５０による検出値である差圧ΔＰを入力し、差圧ΔＰに基づいて水素流量計３００を実際に流れていると推定される実流量Ｑｊを算出する（ステップＳ４２０）。具体的には、いわゆる絞りによる流量検出を行なっている。絞りとしてオリフィスを考え、オリフィスを流れる流量が差圧ΔＰの１／２乗に比例することから流量を求めている。

こうして水素流量計３００によるガス流量Ｑｆと、差圧による実流量Ｑｊとを取得した制御コンピュータ４００は、水素系統の混合ガス中における水素ガスの濃度を推定する（ステップＳ４３０）。具体的には、実流量と熱線式の流量計出力との関係（図３参照）に基づいて予め設定した水素ガス濃度のマップから、流量Ｑｆ，実流量Ｑｊに対応する水素ガス濃度を推定している。

現状の水素系統の水素ガス濃度を推定した制御コンピュータ４００は、推定値に基づいて水素の置換に費やす時間（水素置換時間）ｔを決定する（ステップＳ４４０）。水素置換時間ｔとは、パージ弁２４０を開弁する時間である。つまり、パージ弁２４０を開弁して混合ガスを排出し、水素タンク２０からの高純度の水素ガスを水素系統に充填するのに必要な時間、換言すると水素ガスの置換を行なうのに必要な時間を決定する。具体的には、水素ガス濃度に対応したパージ弁２４０の開放時間を予め設定してあり、これに基づき決定している。

水素置換時間ｔを決定した制御コンピュータ４００は、パージ弁２４０に開弁指令を出力する（ステップＳ４５０）。この指令を受けたパージ弁２４０が内部の弁を開くと共に、窒素ガスを含有する混合ガスが排出される。

続いて、パージ弁２４０の開弁時間が、決定した水素置換時間ｔを経過したか否かを判断する（ステップＳ４６０）。具体的には、制御コンピュータ４００は、パージ弁２４０の開弁と同時に内部のタイマを起動して経過時間をカウントし、経過時間と水素置換時間ｔとを比較する判断処理を行なっている。

ステップＳ４６０で、水素置換時間ｔを経過していない（Ｎｏ）と判断した場合には、水素置換時間ｔに至るまで判断を繰り返す。他方、ステップＳ４６０で、水素置換時間ｔを経過している（Ｙｅｓ）と判断した場合には、パージ弁２４０に閉弁指令を出力し（ステップＳ４７０）、推定した水素ガスの濃度に応じた一連のパージ処理を終了する。

以上の第１実施例におけるパージ処理によれば、水素ガスの状態量である圧力値に基づく流量Ｑｊと、熱線式の流量計による流量Ｑｆとを用いて、水素系統の不純物ガスの増加を判断（水素ガス濃度の推定）する。したがって、水素ガス濃度に応じて適切なパージ処理を行なうことができる。例えば、水素ガス濃度の推定手段を備えていないシステムでは、水素ガス濃度が最も低い状態を想定して多量の水素ガスを供給する必要がある。この場合、パージ処理でも多量の水素ガスが排出されるため、多量の空気で水素ガスを希釈する必要がある。これに対し、本実施例では、水素ガス濃度を推定可能であるため、多量の空気を供給して希釈を行なう必要もない。

また、一般的な熱線式の流量計を利用し、特別な水素ガス濃度の検出装置を備える必要がない。したがって、汎用性の高いシステムを構築することができる。特に、水素ガスの流量を検出する目的で水素流量計を備えるシステムでは、新たに部品を追加することなく、既存のシステムを利用して水素ガス濃度を検出することができる。

また、本実施例では、発電前の起動時のタイミングでパージ処理を実行しているため、水素系統に電気化学反応により生成される水蒸気が流れることがない。したがって、熱線式である水素流量計３００内に水蒸気が流れ込むことはなく、適切な流量検出を行なうことができる。さらに、水素流量計３００を調圧弁２２０の下流であって循環装置７０の上流（水素供給流路２４と水素循環流路２８との合流箇所よりも上流）に配置しているため、発電後の所定タイミングであってもパージ処理を行なうことができる。

また、本実施例では、水素ガスの直接的な状態量である差圧に基づいて実流用を推定するため、出力電流を検出して水素ガスの量を推定するような場合に比べて、比較的精度良く実流量を算出することができる。

なお、実流量の算出には、差圧センサ３５０による検出値を用いるものとしたが、システム上に設けた圧力センサによる検出値を用いるものとしても良い。この場合、圧力センサによる検出値から所定流路間の差圧を求め、その流路間に配置される機器の圧損等を補正して、実流量を算出するものとすれば良い。また、差圧センサ３５０による検出値に代えて、水素タンク２０に圧力センサを設け、タンク圧の減少等を検出することで行なうものとしても良い。さらには、調圧弁２２０の開度が制御可能である場合には、開度を固定し、予め開度により決まる流量を実流量とするものとしても良い。

Ｂ．第２実施例：
第１実施例では、パージ処理における水素ガス濃度の推定に、調圧弁２２０の下流であって循環装置７０の上流に配置した水素流量計３００の出力を用いたが、水素流量計３００をさらに下流に配置して水素ガス濃度の推定を実行するものとしても良い。

図５は、第２実施例としての燃料電池システムの一部の構成を示す説明図である。図示するように、第２実施例では、水素流量計３００をアノードオフガス流路２６上のパージ弁２４０の下流に配置している。すなわち、パージ弁２４０の開弁時に、水素系統から排出される水素ガスの濃度を検出する。なお、各機器、および、その他のハード構成は第１実施例と同様であるため、符号を同一として説明を省略する。

Ｂ−１．パージ処理：
図６は、第２実施例のパージ処理のフローチャートである。第１実施例同様、この処理は、運転者のイグニッションスイッチのＯＮ操作の後、燃料電池１０の発電前の起動時に制御コンピュータ４００にて実行される処理である。したがって、この処理が実行される前提として、開閉弁２００，パージ弁２４０は閉弁状態にあるものとする。

処理が実行されると、制御コンピュータ４００は開閉弁２００に開弁指令を出力する（ステップＳ６００）。指令を受けた開閉弁２００が内部の弁を開くことで、水素タンク２０内の水素ガスが水素供給流路２４に放出される。

続いて、制御コンピュータ４００はパージ弁２４０に開弁指令を出力する（ステップＳ６１０）。指令を受けたパージ弁２４０が開弁することで、水素系統の混合ガスが系外へ排出される。ここで排出される混合ガスには、上述のように窒素ガス等の不純物が含まれている。

制御コンピュータ４００は所定時間のパージ弁２４０の開弁後、パージ弁２４０に閉弁指令を出力する（ステップＳ６２０）。こうしたパージ弁の開閉動作において、制御コンピュータ４００は、パージ弁２４０下流に配置された水素流量計３００により排出された混合ガスの流量Ｑｆを検出すると共に、圧力センサ３４０の検出値に基づいて排出された実流量Ｑｊを検出する。

実流量Ｑｊの検出は、圧力センサ３４０の圧力Ｐ３の時間変化を検出することで行なう。図７に示すように、パージ弁２４０上流に設けた圧力センサ３４０の検出圧力Ｐ３は、パージ弁２４０の開弁と共に低下し、閉弁により再度設定した圧力まで回復する。このパージ弁２４０の開閉時間ｔ１における圧力変動は、排出した混合ガスの流量に起因し、図示する斜線部分の面積Ｓは排出した流量にほぼ比例する。かかる関係により、制御コンピュータ４００は変動する圧力Ｐ３の積算値を用いて実流量Ｑｊを検出している。なお、圧力の積算値と実流量との関係は予め設定されている。

制御コンピュータ４００は、水素流量計３００の検出流量Ｑｆと実流量Ｑｊとを比較し、水素ガス濃度を推定する（ステップＳ６５０）。この処理における水素ガス濃度の推定は、第１実施例と同様である。

水素ガス濃度を推定した制御コンピュータ４００は、推定値が所定の基準値αよりも小さいか否かを判断する（ステップＳ６６０）。すなわち、水素系統内の水素ガス濃度が所定の基準値α内に収まり、燃料電池１０に適切な量の水素ガスが行き届いているか否かを判断している。

ステップＳ６６０で、推定値が所定の基準値α以上である（Ｎｏ）と判断した場合には、ステップＳ６１０へ戻り、再度パージ弁２４０の開閉処理を繰り返す。他方、ステップＳ６６０で、推定値が所定の基準値αよりも小さい（Ｙｅｓ）と判断した場合は、一連のパージ処理を終了する。

以上の第２実施例におけるパージ処理によれば、推定した水素ガスの濃度に応じて、パージ弁２４０の開閉回数を変更する。つまり、予めパージ弁２４０の開閉回数を設定しておく必要がない。したがって、燃料電池システム１００の状態に応じた適切なパージ処理を実行することができる。

また、本実施例では、発電前の起動時のタイミングでパージ処理を実行しているため、水素系統に電気化学反応により生成される水蒸気が流れることはない。したがって、反応により生成される水蒸気が水素流量計３００内に流れ込み、流量検出の精度を低下させることがない。

なお、実流量Ｑｊの算出には、パージ弁２４０の上流、下流の圧力差を利用するものとしても良い。この場合、下流側は大気圧であるため、パージ弁２４０の上流側である圧力センサ３４０による検出圧力Ｐ３を取得することで、実流量を算出することができる。

第１、第２実施例では、実流量Ｑｊを圧力変動に基づいて算出するものとしたが、実流量Ｑｊも水素流量計による検出値として求めるものとしても良い。図８は、第２実施例の変形例としての燃料電池システムの一部の構成を示す説明図である。図示するように、水素供給流路２４の中圧部ＭＳに新たな水素流量計３８０を配置して、水素ガスの実流量Ｑｊを検出する。中圧部ＭＳには、通常、水素タンク２０からの純度の高い水素ガスが流れ、不純物を含んだ混合ガスは存在しない。こうした箇所に水素流量計３８０を配置することで、水素流量計３８０による検出流量の誤差は低減し、水素流量計３８０自体の検出流量を実流量Ｑｊとして使用することができる。なお、かかる実流量Ｑｊの検出に用いる水素流量計３８０は、熱線式の水素流量計３００と同一でも良いし、熱線式とは異なる流量計であっても良い。

例えば、出力特性が同一である２つの水素流量計３００のうち、一方を図１および図５に示す水素流量計３００の位置に、他方を図８に示す水素流量計３８０の位置に、それぞれ配置し、両者の検出流量を比較することで、水素系統における水素ガス濃度を推定することができる。これは、燃料電池システムにおける水素系統では、水素タンクからの水素ガスが流れる流路の位置によって、流路内のガスの組成が異なるからである。こうしたシステムに熱線式流量計を適用することで、比較的容易に水素ガス濃度を推定することができる。

Ｃ．第３実施例：
Ｃ−１．膜劣化判断処理：
第１、第２実施例では、推定した水素ガス濃度をパージ処理において利用するものとしたが、推定した水素ガス濃度は、電解質膜の劣化の判断基準としても利用できる。以下に、ガス濃度の推定による膜劣化判断処理について説明する。なお、第３実施例におけるハード構成は、第１実施例と同様であるため説明を省略する。

図９は、第３実施例としての膜劣化判断処理のフローチャートである。この処理は、水素系統内のガス濃度の推定から電解質膜の透過速度を推定し、これに基づいて膜の劣化具合を判断する処理であり、起動時の所定タイミングで制御コンピュータ４００にて実行される処理である。第１、第２実施例と同様、この処理も、開閉弁２００，パージ弁２４０は閉弁状態であることを前提とする。

処理が実行されると、制御コンピュータ４００は開閉弁２００に開弁指令を出力する（ステップＳ９００）。指令を受けた開閉弁２００が内部の弁を開くことで、水素タンク２０内の水素ガスが水素供給流路２４に放出される。

続いて、制御コンピュータ４００は、燃料電池システム１００の放置時間と燃料電池１０の温度Ｔを取得する（ステップＳ９１０）。具体的には、制御コンピュータ４００は、内部のタイマによるカウント値と温度センサ３６０による温度Ｔとを読み取っている。内部のタイマによるカウント値は、燃料電池システム１００の停止中の時間を示している。この処理により、燃料電池システム１００が停止し、放置されていた時間を認識する。

放置時間と温度Ｔとを取得後、制御コンピュータ４００は、水素流量計３００による流量Ｑｆを検出する（ステップＳ９２０）。つまり、第１実施例と同様、低圧部ＬＳに配置された水素流量計３００により、起動時の水素系統の混合ガスの流量Ｑｆを検出する。この検出と共に、制御コンピュータ４００は、差圧センサ３５０による検出値である差圧ΔＰを入力し、差圧ΔＰに基づいて水素流量計３００を実際に流れていると推定される実流量Ｑｊを算出する（ステップＳ９３０）。

水素流量計３００による流量Ｑｆと、実流量Ｑｊとを取得後、制御コンピュータ４００は、窒素ガスの濃度を推定し、併せて窒素ガスの電解質膜の透過速度を推定する（ステップＳ９４０）。起動時の水素系統（アノード側）における混合ガスは、前述のように、水素ガスと窒素ガスとからなる。かかるアノード側の窒素ガスは、カソード側から電解質膜を透過し、漏れ出した（クロスリークした）ことに拠るものである。

制御コンピュータ４００は、第１、第２実施例で説明したように流量Ｑｆと実流量Ｑｊとによって水素ガス濃度を推定すると共に窒素ガスの濃度を推定し、電解質膜を移動してきた窒素ガスの量を算出する。

この移動量と、燃料電池システム１００の停止時間と、温度Ｔとから、単位時間あたりに電解質膜を透過してきた移動量、つまり、窒素ガスの透過速度を推定する。なお、透過速度は温度による影響を受けるため、透過速度の推定に際しては検出した温度Ｔによる補正を行なっている。

こうして窒素ガスの透過速度を推定した後、制御コンピュータ４００は、推定した透過速度に基づいて電解質膜が劣化しているか否かを判断する（ステップＳ９５０）。具体的には、推定した透過速度と所定の基準値とを比較することで、劣化の有無の判断を行なっている。

ステップＳ９５０で、推定した透過速度が所定の基準値よりも小さく、電解質膜は劣化していない（Ｎｏ）と判断した場合には、一連の処理を終了する。他方、ステップＳ９５０で、推定した透過速度が所定の基準値以上であり、電解質膜は劣化している（Ｙｅｓ）と判断した場合には、所定の警告を出力し（ステップＳ９６０）、一連の処理を終了する。なお、所定の警告は、車両９０における図示しない警告等を点灯することで行なっている。

以上の第３実施例における膜劣化判断処理によれば、熱線式の流量計を用いた水素ガス濃度、窒素ガス濃度の推定により、電解質膜の透過速度を推定することができる。熱線式の流量計による出力により容易に膜の透過速度を推定することができ、膜劣化判断の処理を迅速に行なうことができる。

なお、本実施例では、膜の劣化を判断した場合には、単に警告を行なうこととしたが、警告と共に、または、警告に代えて、燃料電池システム１００を停止し、あるいは、燃料電池システム１００の出力を制限した運転モードに切替えるものとしても良い。こうすることで、燃料電池システムを安全に運転することができる。

また、循環装置７０として循環ポンプを使用し、水素流量計３００による検出に先立って、循環装置７０を駆動して、水素ガス（混合ガス）を循環するものとしても良い。こうすることで、水素系統内の窒素ガスが攪拌して均一化され、水素流量計３００を用いた窒素ガス濃度の推定における精度を向上することができる。

Ｄ．変形例：
以上、本実施例の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

例えば、本実施例では、熱線式の水素流量計３００を用いて水素ガス濃度（窒素ガス濃度）を推定し、これをパージ処理や膜劣化の判断処理に利用するものとしたが、水素ガス濃度を推定することで、水素タンク２０からの供給水素ガスの適否の判断（異常検出）にも利用することができる。

図１０は、変形例としての燃料電池システムの一部の構成を示す説明図である。図示するように、水素供給流路２４の中圧部ＭＳに水素流量計３００，差圧センサ３５０を配置し、水素タンク２０から放出され、水素供給流路２４を流れる水素ガスの流量を検出する。この水素流量計３００の位置は、通常、水素タンク２０からの高純度の水素ガスが流れる位置であるため、水素タンク２０内に適切な水素ガスが収納されている場合には、水素流量計３００による検出流量は精度の高いものとなる。こうした箇所に配置した水素流量計３００を利用して、適切な水素ガスが燃料電池システムに供給されているか否かを判断する異常検出処理を実行する。なお、その他のハード構成は第１実施例と同様であるため省略する。

図１１は、制御コンピュータ４００がＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行する異常検出処理のフローチャートである。この処理は、起動時の所定タイミングで制御コンピュータ４００にて実行される処理である。

処理が実行されると、制御コンピュータ４００は開閉弁２００に開弁指令を出力し（ステップＳ８００）、水素流量計３００により流量Ｑｆを検出する（ステップＳ８１０）。水素流量計３００は水素タンク２０に近い位置に配置されており、ここで検出される流量Ｑｆは、水素タンク２０内のガスそのものと等価であるとみなすことができるガスの流量である。

制御コンピュータ４００は、水素流量計３００による流量Ｑｆと共に、差圧センサ３５０による差圧ΔＰを検出し、これに基づいて実流量Ｑｊを算出し（ステップＳ８２０）、水素ガス濃度（純度）を推定する（ステップＳ８３０）。具体的には、流量Ｑｆと実流量Ｑｊとの差分をとり、差分に基づいて水素ガスの純度を推定している。すなわち、差分が小さい場合には水素流量計３００で検出したガスには不純物が混入しておらず、純度が高いガスであると推定でき、他方、差分が大きい場合には水素流量計３００で検出したガスに不純物が混入している可能性があり、純度が低いガスであると推定できる。

制御コンピュータ４００は、推定した水素ガスの純度が所定の基準値βよりも低いか否かを判断する（ステップＳ８４０）。ステップＳ８４０で、推定した純度が所定の基準値β以上であり、純度は低くない（Ｎｏ）と判断した場合には、そのまま一連の処理を終了する。

他方、ステップＳ８４０で、推定した純度が所定の基準値βよりも低く、純度は低い（Ｙｅｓ）と判断した場合には、開閉弁２００に閉弁指令を出力する（ステップＳ１５０）。つまり、本来の水素ガスの純度に満たない不純物を含んだガスが水素タンク２０から放出され、燃料異常であると判断し、燃料電池１０への水素ガスの供給を中止する。その後、制御コンピュータ４００は、燃料異常の警告を出力し（ステップＳ８６０）、一連の処理を終了する。なお、警告は、車両９０における図示しない警告等を点灯することで行なう。

こうした異常検出処理を実行することで、燃料電池システムの安全性を向上することができる。なお、予め水素流量計の出力特性をガスの種類に応じてセッティングすることで、ガスの種類を推定することもできる。

本発明の第１実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 水素流量計の流量検出の原理を説明する説明図である。 実際に流れる流量（実流量）と熱線式の流量計による出力との関係を示す説明図である。 制御コンピュータがＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行するパージ処理のフローチャートである。 第２実施例としての燃料電池システムの一部の構成を示す説明図である。 第２実施例のパージ処理のフローチャートである。 圧力センサによる検出圧力の時間変化を示す説明図である。 第２実施例の変形例としての燃料電池システムの一部の構成を示す説明図である。 第３実施例としての膜劣化判断処理のフローチャートである。 変形例としての燃料電池システムの一部の構成を示す説明図である。 制御コンピュータがＲＯＭに記録されたプログラムに基づき実行する異常検出処理のフローチャートである。

符号の説明

１０...燃料電池
２０...水素タンク
２４...水素供給流路
２６...アノードオフガス流路
２８...水素循環流路
３０...ブロワ
３４...空気供給流路
３６...カソードオフガス流路
４０...二次電池
５０...モータ
５５...車軸
６０...気液分離器
７０...循環装置
９０...車両
１００...燃料電池システム
２００...開閉弁
２１０，２２０...調圧弁
２４０...パージ弁
３００...水素流量計
３１０，３２０，３３０，３４０...圧力センサ
３５０...差圧センサ
３６０...温度センサ
３８０...水素流量計
４００...制御コンピュータ

Claims (9)

1. 水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記反応に用いる水素のガスを前記燃料電池に供給する水素供給部と、
   前記水素供給部から供給されるガスが流れる水素流路と、
   前記水素流路上であって、前記反応において生成される水蒸気の流れを免れる所定位置に配置し、該水素流路を流れるガスの流量を検出する熱線式流量計と、
   前記水素流路を流れるガスの状態量を検出し、該検出した状態量から前記熱線式流量計を流れるガスの流量を推定する流量推定手段と、
   所定のタイミングで、前記熱線式流量計による検出値と前記流量推定手段による推定値との差分を求め、該差分に基づいて、前記水素流路内のガスにおける水素ガスの濃度を推定する濃度推定手段と、
   前記推定された水素ガスの濃度に基づいて、前記燃料電池の制御を行なう制御手段と
   を備え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、
   前記熱線式流量計を配置する所定位置は、前記水素供給部と前記燃料電池との間の前記水素流路上である燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に、
   前記水素供給部から前記燃料電池に供給するガスの圧力を調整する調圧弁と、
   前記調圧弁の下流であって、前記燃料電池から排出されたガスが循環する循環流路と、該燃料電池よりも上流の前記水素流路とが合流する合流部とを備えており、
   前記熱線式流量計を配置する所定位置は、前記調圧弁と前記合流部との間の前記水素流路上であ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、更に、
   前記合流部を介して循環するガスの一部を前記水素流路から排出するパージ弁を備え、
   前記制御手段は、前記推定された水素ガス濃度に基づいて、前記パージ弁の開閉制御を行なう
   を備える燃料電池システム。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記所定のタイミングは、前記燃料電池への水素ガスの供給開始直後のタイミングである燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記流量推定手段は、前記ガスの状態量として前記水素流路内を流れるガスの圧力を検出し、該水素流路内の圧力変動に基づいて流量を推定する燃料電池システム。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記水素供給部は、前記燃料電池における反応に用いる水素を貯蔵する水素貯蔵装置である燃料電池システム。
8. 水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムであって、
   前記反応に用いる水素のガスを前記燃料電池に供給する水素供給部と、
   前記水素供給部から供給されたガスが流れる水素流路と、
   前記燃料電池から排出されたガスを循環する循環装置と、
   前記循環装置により循環されるガスの一部を前記水素流路から排出するパージ弁と、
   前記パージ弁の下流に配置し、前記水素流路から排出されたガスの流量を検出する熱線式流量計と、
   前記パージ弁の上流であって、前記水素流路を流れるガスの状態量を検出し、該検出した状態量から前記熱線式流量計を流れるガスの流量を推定する流量推定手段と、
   前記燃料電池への水素ガスの供給開始直後のタイミングで、前記熱線式流量計による検出値と前記流量推定手段による推定値との差分を求め、該差分に基づいて、前記水素流路内のガスにおける水素ガスの濃度を推定する濃度推定手段と、
   前記推定された水素ガスの濃度に基づいて、前記パージ弁の開閉制御を行なう制御手段と
   を備える燃料電池システム。
9. 水素と酸素との電気化学反応により発電を行なう燃料電池を有する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記反応に用いる水素のガスが流れる流路上であって、該反応において生成される水蒸気の流れを免れる所定位置に配置した熱線式流量計によって、該流路を流れるガスの流量を検出し、
   前記流路を流れるガスの状態量を検出し、該検出した状態量から前記熱線式流量計を流れるガスの流量を推定し、
   所定のタイミングで、前記熱線式流量計による検出値と前記推定値との差分を求め、該差分に基づいて、前記流路内のガスにおける水素ガスの濃度を推定し、
   前記推定された水素ガスの濃度に基づいて、前記燃料電池の制御を行なう
   燃料電池システムの制御方法。

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