(57)【要約】【課題】流体中の検出対象要素の濃度を高精度に検出可能な流体濃度検出装置を提供する。【解決手段】流体濃度検出装置５１は、燃料電池システム１における流体中の水素濃度ＣH2を検出するものであって、インジェクタ３５と、圧力センサ５５１、５６１を備える。インジェクタ３５は、供給流路３２、３６に設けられ、燃料電池１０に供給される流体の流量を調整可能である。圧力センサ５５１、５６１は、燃料電池１０と連通する流体経路において、インジェクタ３５の駆動に応じて変化する流体の物性値である流体圧力Ｐ１、Ｐ２を検出する。制御部６０は、圧力センサ５５１、５６１の検出値に基づき、流体中の水素の濃度を演算する濃度演算部６１を有する。これにより、流体経路中の水素濃度ＣH2を高精度に検出することができる。【選択図】  図１
2020095905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体充填系（１０）と、
前記流体充填系に流体を供給する供給流路（３２、３６）と、
前記流体充填系から流体が排出される排出流路（４１）と、
を備える流体システム（１〜３）における流体中の検出対象要素の濃度を検出するものであって、
前記供給流路に設けられ、前記流体充填系に供給される流体の流量を調整可能である流量調整部（３５）と、
前記流体充填系と連通する流体経路において、前記流量調整部の駆動に応じて変化する流体の物性値を検出する物性検出部（５５１、５５２、５５６、５５７、５６１〜５６７、５７１〜５７３）と、
前記物性検出部の検出値に基づき、流体中の前記検出対象要素の濃度を演算する濃度演算部（６１）を有する制御部（６０）と、
を備える流体濃度検出装置。
【請求項２】
前記物性検出部（５５１、５５２、５５６、５５７、５６１〜５６７）は、前記流体経路において、離間して複数設けられ、
前記濃度演算部は、第１の前記物性検出部（５５１、５５２、５５６、５５７）にて検出される前記物性値の変化タイミングと、第２の前記物性検出部（５６１〜５６７）にて検出される前記物性値の変化タイミングとの時間差、および、前記物性検出部間の距離に基づき、前記検出対象要素の濃度を演算する請求項１に記載の流体濃度検出装置。
【請求項３】
前記濃度演算部は、前記流量調整部の駆動タイミングと前記物性検出部（５７１〜５７３）にて検出された物性値の変化タイミングとの時間差に基づき、前記検出対象要素の濃度を演算する請求項１に記載の流体濃度検出装置。
【請求項４】
前記流量調整部は、前記供給流路に設けられるインジェクタ（３５）である請求項１〜３のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
【請求項５】
前記流体充填系は、燃料電池であり、
前記検出対象要素は、水素である請求項１〜４のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
【請求項６】
前記物性検出部は、前記供給流路に設けられる請求項１〜５のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
【請求項７】
前記物性検出部は、前記排出流路に設けられる請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
【請求項８】
前記物性検出部は、流体の圧力を検出する圧力センサである請求項１〜７のいずれか一項に記載の流体濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池システムの循環系を流れる流体に含まれる各成分の濃度を検出する流体密度検出装置が知られている。例えば特許文献１では、パージラインに設けられたパージ弁の開閉により生じる流体の圧力変動に基づいて流体の密度を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８０７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、パージ弁の作動により生じる圧力変動の振幅は比較的小さい。特に、パージ弁の上流側の平均的な圧力が低い場合、十分な検出精度を得られない虞がある。本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、流体中の検出対象要素の濃度を高精度に検出可能な流体濃度検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の流体濃度検出装置は、流体システム（１〜３）における流体中の検出対象要素の濃度を検出するものである。流体システムは、流体充填系（１０）と、供給流路（３２、３６）と、排出流路（４１）と、を備える。供給流路は、流体充填系に流体を供給する。排出流路は、流体充填系から流体が排出される。
【０００６】
流体濃度検出装置は、流量調整部（３５）と、物性検出部（５５１、５５２、５５６、５５７、５６１〜５６７、５７１〜５７３）と、制御部（６０）と、を備える。流量調整部は、供給流路に設けられ、流体充填系に供給される流体の流量を調整可能である。物性検出部は流体充填系と連通する流体経路において、流量調整部の駆動に応じて変化する流体の物性値を検出する。
【０００７】
制御部は、物性検出部の検出値に基づき、流体中の検出対象要素の濃度を演算する。供給流路に設けられる流量調整部の駆動に応じて変化する物性値に基づいて検出対象濃度を演算することで、流体中の検出対象要素の濃度を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態によるインジェクタの駆動に応じた第１流体圧力および第２流体圧力の変化を説明するタイムチャートである。
【図３】（ａ）は水素濃度０％のときの流体圧力を示すタイムチャートであり、（ｂ）は水素濃度１００％のときの流体圧力を示すタイムチャートである。
【図４】（ａ）は水素濃度０％のときの圧力微分値を示すタイムチャートであり、（ｂ）は水素濃度１００％のときの圧力微分値を示すタイムチャートである。
【図５】第１実施形態による濃度演算処理を説明するフローチャートである。
【図６】第１実施形態による時間差演算処理を説明するフローチャートである。
【図７】第２実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図８】第３実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図９】第４実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図１０】第５実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図１１】第６実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図１２】第７実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図１３】第８実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図１４】（ａ）は水素濃度０％のときの流体圧力を示すタイムチャートであり、（ｂ）は水素濃度１００％のときの流体圧力を示すタイムチャートである。
【図１５】第８実施形態による濃度演算処理を説明するフローチャートである。
【図１６】第９実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図１７】第１０実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図１８】第１１実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図１９】第１２実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図２０】第１３実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図２１】第１４実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図２２】第１５実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図２３】第１６実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図２４】第１７実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【図２５】第１８実施形態による燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、本発明による流体濃度検出装置を図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００１０】
第１実施形態による流体濃度検出装置を図１〜図６に示す。図１に示すように、本実施形態の流体濃度検出装置５１は、図示しない車両に搭載される燃料電池システム１に適用される。燃料電池システム１は、燃料電池１０、空気供給部２０、燃料供給部３０、および、流体濃度検出装置５１等を備える。
【００１１】
燃料電池１０は、例えば固体高分子電解質型のものであって、基本単位となる複数のセルが積層されたスタック構造を有する。各セルは、電解質膜１１、電解質膜１１の一方の面に配置されるカソード１２、および、電解質膜１１の他方の面に配置されるアノード１３を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）を含む。燃料電池１０は、燃料ガスである水素と、酸化剤ガスである空気中の酸素の化学反応により、電気エネルギを発生させる。本実施形態では、燃料電池１０にて発生した電気エネルギは、車両の走行用モータの駆動等に用いられる。燃料電池１０には、空気供給部２０を経由して空気が供給され、燃料供給部３０を経由して水素が供給される。水素および酸素は、反応ガスと称される。また、化学反応を終えたオフガスは、燃料電池１０から排出される。
【００１２】
空気供給部２０は、空気供給流路２１および酸素オフガス排出流路２７を有する。空気供給流路２１は、一端が外部に開放されており、他端が燃料電池１０のカソード流路１４に接続される。空気供給流路２１には、コンプレッサ２２、供給バルブ２３、エアフロメータ２４、および、空気供給流路側圧力センサ２５が設けられる。コンプレッサ２２は、図示しないエアフィルタを介して取り込まれた空気を圧縮して燃料電池１０のカソード１２に供給する。供給バルブ２３は、コンプレッサ２２から所定値以上の圧力の高圧空気が供給されたときに開くように構成されている。エアフロメータ２４は、コンプレッサ２２が取り込む空気の量を検出する。空気供給流路側圧力センサ２５は、コンプレッサ２２と供給バルブ２３との間に設けられ、空気供給流路２１からカソード１２に供給される空気の圧力を検出する。
【００１３】
酸素オフガス排出流路２７は、一端が外部に開放されており、他端が燃料電池１０のカソード流路１４に接続される。酸素オフガス排出流路２７は、化学反応を終えた空気である酸素オフガスを外部に排出する。酸素オフガス排出流路２７には、排出バルブ２８が設けられ、排出バルブ２８の開度を調整することで、カソード１２の背圧である酸素オフガス排出流路２７の圧力が調整される。
【００１４】
燃料供給部３０は、燃料タンク３１、第１供給流路３２、インジェクタ３５、第２供給流路３６、循環部４０、および、パージ流路４７を有する。燃料タンク３１には、高圧の燃料ガスである水素ガスが貯留される。第１供給流路３２は、一端が燃料タンク３１に接続され、他端がインジェクタ３５に接続され、燃料タンク３１中の燃料ガスをインジェクタ３５に供給する。第１供給流路３２には、シャットバルブ３３およびレギュレータ３４が設けられる。シャットバルブ３３が開弁すると、燃料タンク３１中の燃料ガスが第１供給流路３２に供給される。レギュレータ３４は、第１供給流路３２の燃料ガスを調圧する。
【００１５】
インジェクタ３５は、第１供給流路３２を経由して供給された燃料ガスを第２供給流路３６に噴射する。以下適宜、インジェクタ３５から燃料ガスが噴射されている状態を「インジェクタオン」、噴射されていない状態を「インジェクタオフ」とする。すなわち、インジェクタ３５は「オンオフ弁」と捉えることができる。図中等適宜、インジェクタ「ＩＮＪ」と記載する。第２供給流路３６は、一端がインジェクタ３５に接続され、他端が燃料電池１０のアノード流路１５に接続される。
【００１６】
循環部４０は、排出流路４１、気液分離部４２、および、循環流路４３を有する。排出流路４１は、一端が燃料電池１０のアノード流路１５に接続され、他端が気液分離部４２に接続され、燃料電池１０から排出される未反応の水素を含む燃料オフガスを気液分離部４２に導く。気液分離部４２は、燃料オフガスを液体と気体に分離する。分離された液体は、主に燃料電池１０での化学反応により生じた水であり、パージ弁４８を開とすることで、パージ流路４７を経由して外部に排出される。気液分離部４２にて分離された気体は、循環流路４３に供給される。循環流路４３は、一端が気液分離部４２に接続され、他端が第２供給流路３６に接続される。循環流路４３と第２供給流路３６とは、合流部４４にて合流する。循環流路４３には循環ポンプ４５が設けられ、循環ポンプ４５の駆動力により、気液分離部４２にて分離された気体が、第２供給流路３６に供給される。
【００１７】
流体濃度検出装置５１は、第１圧力センサ５５１、第２圧力センサ５６１、および、制御部６０等を備える。第１圧力センサ５５１は、アノード流路１５の燃料入口１５１に設けられ、燃料ガスの第１流体圧力Ｐ１を検出する。第２圧力センサ５６１は、アノード流路１５の燃料出口１５２に設けられ、燃料ガスの第２流体圧力Ｐ２を検出する。アノード流路１５内において、流体中の水素濃度には濃度分布があり、燃料出口１５２側ほど薄くなる。本実施形態では、第１圧力センサ５５１は、燃料入口１５１の圧力を検出すべく、燃料入口１５１にできるだけ近い位置に設けることが望ましいが、検出圧力が燃料入口１５１の圧力であると見なせる程度、燃料入口１５１から離間していてもよい。同様に、第２圧力センサ５６１は、燃料出口１５２の圧力を検出すべく、燃料出口１５２にできるだけ近い位置に設けることが望ましいが、検出圧力が燃料出口１５２の圧力であると見なせる程度、燃料出口１５２から離間していてもよい。本実施形態では、第１圧力センサ５５１と第２圧力センサ５６１との間の距離をセンサ間距離Ｌとする。
【００１８】
制御部６０は、マイコン等を主体として構成され、内部にはいずれも図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。制御部６０における各処理は、ＲＯＭ等の実体的なメモリ装置（すなわち、読み出し可能非一時的有形記録媒体）に予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。
【００１９】
制御部６０は、濃度演算部６１、および、インジェクタ制御部６５等を有する。濃度演算部６１は、第１圧力センサ５５１により検出された第１流体圧力Ｐ１、および、第２圧力センサ５６１により検出された第２流体圧力Ｐ２を取得し、第１流体圧力Ｐ１および第２流体圧力Ｐ２に基づいて、燃料電池１０内の水素濃度ＣH2を演算する。インジェクタ制御部６５は、インジェクタ３５の駆動を制御する。インジェクタ制御部６５を別の制御部に設け、インジェクタ３５の駆動信号等の各種情報を取得するように構成してもよい。
【００２０】
図２は、インジェクタ３５による燃料噴射を行ったときの流体圧力Ｐ１、Ｐ２を示しており、共通時間軸を横軸とし、上段にインジェクタ駆動、下段に圧力を示す。また、第１流体圧力Ｐ１を実線、第２流体圧力Ｐ２を一点鎖線で示す。図３および図４も同様とする。
【００２１】
図２に示すように、時刻ｔ１にて、インジェクタ３５から燃料が噴射されると、噴射脈動により、流体圧力Ｐ１、Ｐ２が変化する。具体的には、時刻ｔ２にて第１流体圧力Ｐ１が上昇開始し、時刻ｔ３にて第２流体圧力Ｐ２が上昇開始する。濃度演算部６１は、第１流体圧力Ｐ１の変化開始と第２流体圧力Ｐ２の変化開始との時間差Δｔ、および、センサ間距離Ｌを用い、式（１）にて、圧力伝播速度ｖを演算する。また、圧力伝播速度ｖは、状態方程式より、式（２）のように表すことができる。式中のＲは気体定数、Ｔは温度、γは比熱比、Ｍは１モルあたりの質量である。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
式（１）、（２）より、水素濃度ＣH2を推定することができる（式（３）参照）。式中のＣH2Oは、流体中の水蒸気濃度である。水蒸気濃度ＣH2Oは、図示しない温度センサの検出値を用い、燃料電池１０のスタック温度を露点として推定する。また、露点計の検出値を用いてもよいし、水蒸気濃度ＣH2Oとして所定値を用いてもよい。式（３）は、流体が水蒸気、窒素、水素の３成分系とみなして水素濃度ＣH2を演算している。水蒸気濃度ＣH2Oを露点から推定するとともに、水素Ｈ2と窒素Ｎ2の分子量差が十分に大きいため、精度よく水素濃度ＣH2を推定可能である。式中のＲ、γ、Ｍが上述の通りであって、γN2が窒素の比熱比、γH2Oが水の比熱比、γH2が水素の比熱比、ＭN2が窒素１モルあたりの質量、ＭH2Oが水１モルあたりの質量、ＭH2が水素１モルあたりの質量を意味する。
【００２４】
【数２】
2020095905.tif 000004
【００２５】
図３では、（ａ）が水素濃度ＣH2＝０％のときの圧力を示し、（ｂ）が水素濃度ＣH2＝１００％のときの圧力を示す。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、水素濃度ＣH2が高いほど、時間差Δｔが小さくなる。
【００２６】
ここで、第１流体圧力Ｐ１の微分値を第１圧力微分値ｄＰ１、第２流体圧力Ｐ２の微分値を第２圧力微分値ｄＰ２とする。図４では、（ａ）が水素濃度ＣH2＝０％のときの圧力微分値ｄＰ１、ｄＰ２を示し、（ｂ）が水素濃度ＣH2＝１００％のときの圧力微分値ｄＰ１、ｄＰ２を示す。時間差Δｔは、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、圧力微分値ｄＰ１、ｄＰ２を用いて演算してもよい。以下、時間差Δｔを圧力微分値ｄＰ１、ｄＰ２から求めるものとして説明する。
【００２７】
本実施形態の濃度演算処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。この処理は制御部６０にてインジェクタ３５がオンされたとき等に実施される。以下、ステップＳ１０１の「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」と記す。他のステップも同様である。
【００２８】
Ｓ１０１では、濃度演算部６１は、水蒸気分圧ＰH2Oを演算する。水蒸気分圧ＰH2Oは、燃料電池１０のスタック温度、または、露点計の検出値に基づいて演算される。なお、水素濃度演算に用いる水蒸気濃度ＣH2Oを所定値とする場合、当該ステップは省略してもよい。
【００２９】
Ｓ１０２では、濃度演算部６１は、流体圧力Ｐ１、Ｐ２を、圧力センサ５５１、５６１からサンプリングする。本実施形態では、圧力センサ５５１、５６１の検出値は、ＡＤ変換後、ローパスフィルタ等にてフィルタ処理がなされる。濃度演算部６１は、フィルタ処理された検出値を用い、圧力微分値ｄＰ１、ｄＰ２を演算する。
【００３０】
Ｓ１０３では、濃度演算部６１は、圧力上昇の時間差Δｔを演算する。時間差演算処理を図６のサブフローに基づいて説明する。Ｓ１３１では、制御部６０は、第１圧力微分値ｄＰ１の最大値を保持するＭＡＸホールド処理を行う。以下、第１圧力微分値ｄＰ１の最大値を、第１圧力微分最大値ｄＰ１＿ＭＡＸとする。
【００３１】
Ｓ１３２では、濃度演算部６１は、第１圧力微分最大値ｄＰ１＿ＭＡＸの更新が継続されているか否かを判断する。第１圧力微分最大値ｄＰ１＿ＭＡＸの更新が継続されていると判断された場合（Ｓ１３２：ＹＥＳ）、Ｓ１３８へ移行し、計時カウンタのカウント値Ｎをリセットして本ルーチンを終了し、図５中のＳ１０４へ移行する。第１圧力微分最大値ｄＰ１＿ＭＡＸの更新が継続されていないと判断された場合（Ｓ１３２：ＮＯ）、Ｓ１３３へ移行し、計時カウンタのカウント値Ｎをカウントアップする。
【００３２】
Ｓ１３４では、濃度演算部６１は、第２圧力微分値ｄＰ２の最大値を保持するＭＡＸホールド処理を行う。以下、第２圧力微分値ｄＰ２の最大値を、第２圧力微分最大値ｄＰ２＿ＭＡＸとする。
【００３３】
Ｓ１３５では、濃度演算部６１は、第２圧力微分最大値ｄＰ２＿ＭＡＸの更新が継続されているか否かを判断する。第２圧力微分最大値ｄＰ２＿ＭＡＸの更新が継続されていると判断された場合（Ｓ１３５：ＹＥＳ）、本ルーチンを終了し、図５中のＳ１０４へ移行する。第２圧力微分最大値ｄＰ２＿ＭＡＸの更新が継続されていないと判断された場合（Ｓ１３５：ＮＯ）、Ｓ１３６へ移行し、計時カウンタのカウントを停止する。
【００３４】
Ｓ１３７では、濃度演算部６１は、インジェクタオンから判定時間ｔ＿ｔｈが経過したか否かを判断する。判定時間ｔ＿ｔｈは、ノイズ等による誤検出を防ぐべく、インジェクタ３５からの燃料噴射により生じる脈動が圧力センサ５５１、５６１に到達するのに要する時間に応じて設定される。インジェクタオンから判定時間ｔ＿ｔｈが経過していないと判断された場合（Ｓ１３７：ＮＯ）、Ｓ１３８へ移行し、計時カウンタのカウント値Ｎをリセットして本ルーチンを終了し、図５中のＳ１０４へ移行する。。インジェクタオンから判定時間ｔ＿ｔｈが経過したと判断された場合（Ｓ１３８：ＹＥＳ）、Ｓ１３９へ移行し、時間差Δｔを演算する。時間差Δｔは、計時カウンタのカウント値Ｎに１カウントの時間を乗じることで、演算される。
【００３５】
図５に戻り、Ｓ１０４では、時間差Δｔの演算が完了したか否かを判断する。時間差Δｔが演算されていないと判断された場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、Ｓ１０２に戻る。時間差Δｔの演算が完了したと判断された場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、Ｓ１０５へ移行する。Ｓ１０５では、濃度演算部６１は、伝播速度ｖを演算する（式（１）参照）。Ｓ１０６では、濃度演算部６１は、圧力伝播速度ｖと水蒸気分圧ＰH2Oより、水素濃度ＣH2を演算する（式（３）参照）。
【００３６】
参考例として、パージ流路４７の圧力センサにて水素濃度を演算する場合、燃料電池１０から排出された流体中の水素濃度は推定可能であるが、燃料電池１０中の水素濃度ＣH2を推定することはできない。また、パージ弁４８を開閉しないと、水素濃度ＣH2を演算することができない。また、水素循環系の圧力が低い場合、圧力変動が小さく、精度よく水素濃度ＣH2を推定することができない。
【００３７】
本実施形態では、インジェクタ３５の圧力脈動を利用し、アノード流路１５の上流側に設けられる第１圧力センサ５５１、および、アノード流路１５の下流側に設けられる第２圧力センサ５６１の検出値に基づき、水素濃度ＣH2を演算する。アノード流路１５の上流側の値である第１流体圧力Ｐ１および下流側の値である第２流体圧力Ｐ２を用いて圧力伝播速度ｖを演算するので、燃料電池１０内の水素濃度ＣH2を適切に推定することができる。
【００３８】
また、インジェクタ３５の上流側である第１供給流路３２の圧力は、第２供給流路３６の圧力より十分に大きいため、燃料噴射により生じる圧力変動が大きい。これにより、水素濃度ＣH2を高精度の推定することができる。
【００３９】
インジェクタ３５の駆動周波数は、パージ弁４８の駆動周波数よりも大きいため、単位時間あたりの計測回数を多くすることができる。また、インジェクタ３５は、デューティを固定すれば、駆動周波数を変えても必要水素量を吐出可能であるため、駆動周波数を高くすることで、容易に計測回数を多くすることができる。参考例として、水素濃度検出のためにパージ弁４８の開弁回数を多くすると、循環により利用可能な水素までを排出してしまい、燃費が悪くなる虞がある。本実施形態では、水素濃度検出に際し、パージ弁の開閉が不要であるので、燃費悪化を防ぐことができる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態の流体濃度検出装置５１は、燃料電池システム１における流体中の水素濃度を検出するものである。燃料電池システム１は、流体中の水素濃度が変化しうる系である燃料電池１０と、燃料電池１０に流体を供給する供給流路３２、３６と、燃料電池１０から流体が排出される排出流路４１と、を備える。
【００４１】
流体濃度検出装置５１は、流量調整部と、物性検出部と、制御部６０と、を備える。本実施形態では、インジェクタ３５が「流量調整部」であり、圧力センサ５５１、５６１が「物性検出部」である。インジェクタ３５は、供給流路３２、３６に設けられ、燃料電池１０に供給される流体の流量を調整可能である。圧力センサ５５１、５６１は、燃料電池１０と連通する流体経路において、インジェクタ３５の駆動に応じて変化する流体の物性値である流体圧力Ｐ１、Ｐ２を検出する。
【００４２】
制御部６０は、圧力センサ５５１、５６１の検出値に基づき、流体中の水素の濃度を演算する濃度演算部６１を有する。本実施形態では、排出側よりも相対的に高圧である供給側のインジェクタ３５の駆動による流体の脈動に応じて変化する物性値である流体圧力Ｐ１、Ｐ２に基づき、流体経路における水素濃度ＣH2を演算する。これにより、流体経路中の水素濃度ＣH2を高精度に検出することができる。
【００４３】
圧力センサ５５１、５６１は、流体経路において、離間して２つ設けられる。濃度演算部６１は、第１圧力センサ５５１にて検出される第１流体圧力Ｐ１の変化タイミングと、第２圧力センサ５６１にて検出される第２流体圧力Ｐ２の変化タイミングとの時間差Δｔ、および、圧力センサ５５１、５６１間の距離Ｌに基づき、水素濃度ＣH2を演算する。ここで、圧力センサ５５１、５６１は、インジェクタ３５からの燃料噴射による流体圧力Ｐ１、Ｐ２の変化タイミングが異なる程度以上に離間して設けられることが望ましい。これにより、センサ間の流体経路における水素濃度ＣH2を適切に演算することができる。本実施形態では、燃料電池１０内の水素濃度ＣH2を適切に演算することができる。また、流体圧力Ｐ１、Ｐ２の変化タイミングの時間差を用いるので、インジェクタ３５の駆動タイミングが未知であっても、水素濃度ＣH2を適切に演算することができる。
【００４４】
（第２実施形態）
第２実施形態を図７に示す。第２実施形態〜第４実施形態では、圧力センサの位置が上記実施形態と異なる。水素濃度ＣH2の演算等は上記実施形態と同様であるので、説明を省略する。後述の実施形態についても同様である。
【００４５】
流体濃度検出装置５２において、第１圧力センサ５５２は、第２供給流路３６に設けられる。詳細には、第１圧力センサ５５２は、合流部４４と燃料入口１５１との間に設けられる。第１圧力センサ５５２は、検出精度の面から、燃料入口１５１に可及的近い箇所に設けられることが望ましい。
【００４６】
第２圧力センサ５６２は、排出流路４１に設けられる。換言すると、第２圧力センサ５６２は、燃料出口１５２と気液分離部４２との間に設けられる。第２圧力センサ５６２は、検出精度の面から、燃料出口１５２に可及的近い箇所に設けられることが望ましい。
【００４７】
本実施形態の圧力センサ５５２、５６２は、燃料電池１０に対して外付けされているので、燃料電池１０側の構成の変更が不要であり、容易に設置することができ、圧力センサ５５２、５６２の設置の自由度が高い。
【００４８】
燃料電池システム１は、循環部４０を備える。循環部４０は、排出流路４１、排出流路４１と接続される気液分離部４２、および、気液分離部４２と第２供給流路３６とを接続する循環流路４３を有する。第１圧力センサ５５２は、燃料電池１０の外部であって、第２供給流路３６と循環流路４３とが合流する合流部４４と、燃料電池１０との間に設けられる。
【００４９】
また、第２圧力センサ５６２は、燃料電池１０の外部であって、燃料電池１０と気液分離部４２との間に設けられる。圧力センサ５５２、５６２を、燃料電池１０の外部に設けることで、燃料電池１０側の構成の変更が不要であって、設置の自由度が高まる。また、燃料入口１５１または燃料出口１５２と略同濃度の箇所の圧力を検出することで、精度よく燃料電池１０内の水素濃度ＣH2を検出することができる。また上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００５０】
（第３実施形態）
第３実施形態を図８に示す。流体濃度検出装置５３では、第１圧力センサ５５２は、第２実施形態と同様、合流部４４と燃料電池１０の燃料入口１５１との間に設けられる。なお、第１圧力センサ５５２は、第１実施形態のように、燃料電池１０の内部に設けてもよい。後述の実施形態についても同様である。
【００５１】
第２圧力センサ５６３は、循環流路４３に設けられる。詳細には、第２圧力センサ５６３は、気液分離部４２と循環ポンプ４５との間に設けられる。本実施形態では、パージ弁４８が閉じているときの第２流体圧力Ｐ２を用いて水素濃度ＣH2を演算可能である。
【００５２】
第２圧力センサ５６３は、気液分離部４２と第２供給流路３６とを接続する循環流路４３に設けられる。これにより、第２圧力センサ５６３の設置自由度が高まる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００５３】
（第４実施形態）
第４実施形態を図９に示す。流体濃度検出装置５４では、第１圧力センサ５５２は、第２実施形態と同様、合流部４４と燃料電池１０の燃料入口１５１との間に設けられる。第２圧力センサ５６４は、パージ流路４７の気液分離部４２とパージ弁４８との間に設けられる。
【００５４】
燃料電池システム１は、排出流路４１と接続される気液分離部４２と、気液分離部４２にて分離された液体を排出するパージ流路４７と、を備える。第２圧力センサ５６４は、パージ流路４７に設けられるパージ弁４８と、気液分離部４２との間に設けられる。これにより、第２圧力センサ５６４の設置自由度が高まる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００５５】
（第５実施形態）
第５実施形態を図１０に示す。流体濃度検出装置５５では、第１圧力センサ５５２は、第２実施形態と同様、合流部４４と燃料電池１０の燃料入口１５１との間に設けられる。第２圧力センサ５６５は、パージ流路４７のパージ弁４８の下流側に設けられる。本実施形態では、第４実施形態と同様、パージ弁４８が開弁しており、かつ、排水が完了しているときの第２流体圧力Ｐ２を用いて水素濃度ＣH2を演算可能である。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００５６】
（第６実施形態）
第６実施形態を図１１に示す。流体濃度検出装置５６では、第１圧力センサ５５６および第２圧力センサ５６６は、いずれも第２供給流路３６であって、合流部４４と燃料入口１５１との間に設けられる。第１圧力センサ５５６と第２圧力センサ５６６とは、距離を持った位置に離間して配置される。本実施形態では、第１圧力センサ５５６が合流部４４側、第２圧力センサ５６６が燃料入口１５１側に設けられる。なお、第２圧力センサ５６６は、第１実施形態の圧力センサ５５１のように、燃料電池１０の内部であってもよい。
【００５７】
本実施形態では、燃料電池１０から排出された燃料オフガスを第２供給流路３６に循環させる構成となっているため、合流部４４よりも燃料入口１５１側における水素濃度は、燃料タンク３１に貯留されている水素濃度よりも低下し、かつ、循環流量等によりばらつく。本実施形態では、第２供給流路３６に２つの圧力センサ５５６、５６６を設けることで、略単一濃度となる２箇所の圧力を水素濃度推定に用いているので、燃料電池１０に供給される流体の水素濃度ＣH2を高精度に検出することができる。また、水素濃度ＣH2の演算に、流体圧力Ｐ１、Ｐ２の変化タイミングの時間差Δｔを用いることで、インジェクタ３５の駆動タイミングが未知であっても、水素濃度ＣH2を適切に演算することができる。
【００５８】
本実施形態では、圧力センサ５５６、５６６は、第２供給流路３６に設けられる。詳細には、圧力センサ５５６、５６６は、第２供給流路３６であって、合流部４４と燃料電池１０との間に設けられる。これにより、燃料電池１０に供給される流体中の水素濃度ＣH2を、高精度に検出することができる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００５９】
（第７実施形態）
第７実施形態を図１２に示す。流体濃度検出装置５７では、第１圧力センサ５５７および第２圧力センサ５６７は、いずれも排出流路４１に設けられる。換言すると、圧力センサ５５７、５６７は、燃料出口１５２と気液分離部４２との間に設けられる。圧力センサ５５７、５６７は、距離を持った位置に離間して配置されており、センサ間距離をＬとする。これにより、燃料電池１０から排出された流体中の水素濃度ＣH2を高精度に検出することができる。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００６０】
（第８実施形態）
第８実施形態を図１３〜図１５に示す。上記実施形態の流体濃度検出装置では、圧力センサが２つ設けられており、２つの圧力センサの検出値の変化タイミングの差から水素濃度ＣH2を演算する。本実施形態の流体濃度検出装置７１は、１つの圧力センサ５７１の検出値に基づいて水素濃度ＣH2を演算する。圧力センサ５７１は、第２供給流路３６の合流部４４と燃料入口１５１との間に設けられ、燃料ガスの流体圧力ＰＡを検出する。また、第１実施形態の第１圧力センサ５５１のように、燃料電池１０の内部に設けてもよい。本実施形態では、インジェクタ３５のノズル位置から合流部４４までの距離をＬ１、合流部４４から圧力センサ５７１までの距離をＬ２とする。
【００６１】
図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、時刻ｔ１１にて、インジェクタ３５から燃料が噴射されると、噴射脈動により、流体圧力ＰＡが変化する。図１４（ａ）は、水素濃度が０％のときであって、時刻ｔ１２にて流体圧力ＰＡが上昇開始する。図１４（ｂ）は、水素濃度が１００％のときであって、時刻ｔ１３にて流体圧力ＰＡが上昇開始する。燃料噴射開始から圧力上昇開始までの時間差Δｔａは、水素濃度ＣH2が高いほど、小さくなる。
【００６２】
本実施形態の濃度演算処理を図１５のフローチャートに基づいて説明する。Ｓ２０１では、濃度演算部６１は、図５中のＳ１０１と同様、水蒸気分圧ＰH2Oを演算する。Ｓ２０２では、濃度演算部６１は、圧力センサ５７１から流体圧力ＰＡをサンプリングする。
【００６３】
Ｓ２０３では、濃度演算部６１は、流体圧力ＰＡの上昇開始タイミングと、インジェクタ３５の噴射開始タイミングとの差である時間差Δｔａを演算する。
【００６４】
Ｓ２０４では、濃度演算部６１は、インジェクタ３５から合流部４４までの圧力伝播に要する時間である時間遅れΔｔ１を、時間差Δｔａから減算し、時間差Δｔ２を演算する（式（４）参照）。時間遅れΔｔ１は、式（５）にて演算される。式中のｖH2は、水素濃度１００％での圧力伝播速度である。
【００６５】
Δｔ２＝Δｔａ−Δｔ１    ・・・（４）
【００６６】
【数３】
2020095905.tif 000005
【００６７】
Ｓ２０５では、濃度演算部６１は、伝播速度ｖを演算する。本実施形態では、式（１）において、分母のΔｔに替えて、式（４）にて演算したΔｔ２を用いる。また、分子のＬに替えて、合流部４４から圧力センサ５７１までの距離Ｌ２を用いる。Ｓ２０６では、濃度演算部６１は、Ｓ１０５と同様、濃度演算部６１は、圧力伝播速度ｖと水蒸気分圧ＰH2Oより、水素濃度ＣH2を演算する（式（３）参照）。
【００６８】
本実施形態では、インジェクタ３５の噴射脈動による圧力伝播を検出することで、１つの圧力センサ５７１の検出値に基づいて、燃料電池１０に供給される流体中の水素濃度ＣH2を適切に演算することができる。上記実施形態でも説明した通り、インジェクタ３５の上流側の圧力は、第２供給流路３６の圧力より十分に大きいため、燃料噴射により生じる圧力変動が大きい。したがって、圧力センサ５７１が１つであっても、水素濃度ＣH2を高精度に推定することができる。
【００６９】
本実施形態では、インジェクタ３５の駆動タイミングと、１つの圧力センサ５７１にて検出された流体圧力ＰＡの変化タイミングとの時間差に基づき、水素濃度ＣH2を演算する。これにより、１つの圧力センサ５７１の検出値に基づき、高精度に水素濃度ＣH2を演算することができ、部品点数を低減可能である。また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００７０】
（第９実施形態）
第９実施形態を図１６に示す。本実施形態の流体濃度検出装置７２において、圧力センサ５７２は、第２供給流路３６のインジェクタ３５と合流部４４との間に設けられる。本実施形態では、図１５中のＳ２０４の処理を省略し、Ｓ２０５にて、式（１）における分母のΔｔに替えて、Δｔａを用いる。その他の処理は、図１５と同様である。これにより、例えば燃料タンク３１内の水素濃度が未知である場合であっても、インジェクタ３５により噴射された流体中の水素濃度ＣH2を適切に演算することができる。水素濃度ＣH2の演算は、第８実施形態と同様である。このように構成しても上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００７１】
（第１０実施形態）
第１０実施形態を図１７に示す。本実施形態の流体濃度検出装置７３において、圧力センサ５７３は、排出流路４１に設けられる。これにより、第２供給流路３６から排出流路４１に至る経路の平均水素濃度を演算することができる。第８実施形態と同様に演算すれば、合流部４４からの平均濃度を演算可能であり、第９実施形態と同様に演算すれば、インジェクタ３５からの平均濃度を演算可能である。このように構成しても上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００７２】
（第１１実施形態〜第１４実施形態）
第１１実施形態を図１８、第１２実施形態を図１９、第１３実施形態を図２０、第１４実施形態を図２１に示す。図１８〜図２１に示すように、第１１実施形態〜１４実施形態の燃料電池システム２は、燃料電池１０、空気供給部２０、燃料供給部３００、および、流体濃度検出装置７１等を備える。本実施形態の燃料供給部３００では、循環部４０に替えて、排出部４００が設けられている。排出部４００は、排出流路４１、気液分離部４２、パージ流路４７およびパージ弁４８を有する。すなわち本実施形態では、循環流路４３および循環ポンプ４５が省略されており、燃料電池１０のアノード流路１５から流出した流体を第２供給流路３６側に戻さないデッドエンド構成となっている。第１１実施形態〜１４実施形態のようなデッドエンド構成であっても、上記実施形態と同様にして水素濃度ＣH2を演算可能である。
【００７３】
図１８に示すように、第１１実施形態の燃料電池システム２は、第８実施形態と同様の流体濃度検出装置７１を備えており、１つの圧力センサ５７１が第２供給流路３６に設けられる。なお、本実施形態はデッドエンド構成であって、合流部４４がないため、圧力センサ５７１は、第２供給流路３６の任意の箇所に設けてよい。第１２実施形態も同様である。これにより、燃料タンク３１内の水素濃度が未知である場合であっても、インジェクタ３５から噴射された流体中の水素濃度ＣH2を適切に演算することができる。
【００７４】
図１９に示すように、第１２実施形態の燃料電池システム２は、第６実施形態と同様の流体濃度検出装置５６を備えており、２つの圧力センサ５５６、５６６は、いずれも第２供給流路３６に設けられる。２つの圧力センサ５５６、５６６の検出値を用いることで、インジェクタ３５の駆動タイミングが未知であっても、燃料電池１０に供給される流体の水素濃度ＣH2を高精度に検出することができる。
【００７５】
図２０に示すように、第１３実施形態の燃料電池システム２は、第１０実施形態と同様の流体濃度検出装置７３を備えており、１つの圧力センサ５７３が排出流路４１に設けられる。これにより、第２供給流路３６から排出流路４１に至る経路の平均水素濃度を演算することができる。
【００７６】
図２１に示すように、第１４実施形態の燃料電池システム２は、第７実施形態と同様の流体濃度検出装置５７を備えており、２つの圧力センサ５５７、５６７は、いずれも排出流路４１に設けられる。２つの圧力センサ５５７、５６７の検出値を用いることで、インジェクタ３５の駆動タイミングが未知であっても、燃料電池１０に供給される流体の水素濃度ＣH2を高精度に検出することができる。また、燃料電池システム２に、第１実施形態、第２実施形態、第４実施形態または第５実施形態の流体濃度検出装置５１、５２、５４、５５を適用してもよい。このように構成しても上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００７７】
（第１５実施形態〜第１８実施形態）
第１５実施形態を図２２、第１６実施形態を図２３、第１７実施形態を図２４、第１８実施形態を図２５に示す。図２２〜図２５に示すように、第１５実施形態〜１８実施形態の燃料電池システム３は、燃料電池１０、空気供給部２０、燃料供給部３０１、および、流体濃度検出装置５３等を備える。燃料供給部３０１は、循環部４０に替えて、循環部４０１が設けられている。循環部４０１では、循環部４０の循環ポンプ４５に替えて、エジェクタ４６が設けられる。エジェクタ４６は、インジェクタ３５からの燃料噴射により生じる負圧により循環流路４３内の流体を吸引する。インジェクタ３５から噴射された燃料と、循環流路４３からの循環流体とは、エジェクタ４６内部で混合され、混合された流体は、燃料電池１０の燃料入口１５１側に供給される。
【００７８】
図２２に示すように、第１５実施形態の燃料電池システム３は、第８実施形態と同様の流体濃度検出装置７１を備えており、１つの圧力センサ５７１が第２供給流路３６に設けられる。水素濃度ＣH2の演算は、第８実施形態と同様である。これにより、１つの圧力センサ５７１の検出値に基づいて、燃料電池１０に供給される流体中の水素濃度ＣH2を適切に演算することができる。
【００７９】
図２３に示すように、第１６実施形態の燃料電池システム３は、第６実施形態と同様の流体濃度検出装置５６を備えており、２つの圧力センサ５５６、５６６は、いずれも第２供給流路３６に設けられる。２つの圧力センサ５５６、５６６の検出値を用いることで、インジェクタ３５の駆動タイミングが未知であっても、燃料電池１０に供給される流体の水素濃度ＣH2を高精度に検出することができる。
【００８０】
図２４に示すように、第１７実施形態の燃料電池システム３は、第１０実施形態と同様の流体濃度検出装置７３を備えており、１つの圧力センサ５７３が排出流路４１に設けられる。これにより、第２供給流路３６から排出流路４１に至る経路の平均水素濃度を演算することができる。
【００８１】
図２５に示すように、第１８実施形態の燃料電池システム３は、第７実施形態と同様の流体濃度検出装置５７を備えており、２つの圧力センサ５５７、５６７は、いずれも排出流路４１に設けられる。２つの圧力センサ５５７、５６７の検出値を用いることで、インジェクタ３５の駆動タイミングが未知であっても、燃料電池１０に供給される流体の水素濃度ＣH2を高精度に検出することができる。また、燃料電池システム３に、第１実施形態〜第５実施形態の流体濃度検出装置５１〜５５を適用してもよい。このように構成しても上記実施形態と同様の効果を奏する。
【００８２】
第１実施形態〜第１８実施形態において、燃料電池システム１〜３が「流体システム」、燃料電池１０が「流体充填系」、第１供給流路３２および第２供給流路３６が「供給流路」、圧力センサ５５１、５５２、５５６、５５７、５６１〜５６７、５７１〜５７３が「物性検出部」、インジェクタ３５が「流量調整部」に対応する。また、第１圧力センサ５５１、５５２、５５６が「第１の物性検出部」、第２圧力センサ５７１〜５７７が「第２の物性検出部」に対応する。また、第１供給流路３２、第２供給流路３６、アノード流路１５、排出流路４１、循環流路４３、および、パージ流路４７が「流体経路」を構成する。水素が「検出対象要素」、流体圧力Ｐ１、Ｐ２、ＰＡが「物性値」に対応する。
【００８３】
（他の実施形態）
上記実施形態では、インジェクタをオンにしたときの圧力上昇タイミングに基づいて水素濃度を演算する。他の実施形態では、インジェクタをオフにしたときの圧力低下タイミングに基づいて水素濃度を演算してもよい。また、上記実施形態の流量調整部はインジェクタである。他の実施形態では、流量調整部は、インジェクタ以外のオンオフ弁や、ダイヤフラム弁等であってもよい。
【００８４】
上記実施形態では、物性検出部は、圧力センサである。他の実施形態では、入口物性検出部は、流速計や温度センサ等、検出対象要素の濃度に応じて変化する物性値を検出するものであれば、どのようなものであってもよい。特に、インジェクタの噴射脈動による圧力伝播時間と相間するパラメータを検出可能なものが好ましい。すなわち、物性値は、圧力以外の物理量であってもよい。
【００８５】
上記実施形態では、流体充填系は燃料電池であり、流体システムは燃料電池システムである。燃料電池システムのシステム構成は、上記実施形態とは異なっていてもよい。他の実施形態では、流体充填系は、流体充填系を流体が流通することで流体中の検出対象要素の濃度が変化しうる燃料電池以外の装置であってよく、流体システムは、燃料電池システム以外のものであってもよい。また、上記実施形態の検出対象要素は、水素である。他の実施形態では、検出対象要素は、水素以外のものであってもよい。
【００８６】
本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１、２、３・・・燃料電池システム（流体システム）
１０・・・燃料電池（流体充填系）
３２、３６・・・供給流路    ３５・・・インジェクタ（流量調整部）
４０、４０１・・・循環部
４１・・・排出流路          ４２・・・気液分離部
４３・・・循環流路          ４４・・・合流部
４７・・・パージ流路        ４８・・・パージ弁
５５１、５５２・・・第１圧力センサ（入口側物性検出部）
５６１〜５６５・・・第２圧力センサ（出口側物性検出部）
６０・・・制御部            ６１・・・濃度演算部
【図１】
2020095905.tif 000006
【図２】
2020095905.tif 000007
【図３】
2020095905.tif 000008
【図４】
2020095905.tif 000009
【図５】
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【図６】
2020095905.tif 000011
【図７】
2020095905.tif 000012
【図８】
2020095905.tif 000013
【図９】
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【図１０】
2020095905.tif 000015
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2020095905.tif 000020
【図１６】
2020095905.tif 000021
【図１７】
2020095905.tif 000022
【図１８】
2020095905.tif 000023
【図１９】
2020095905.tif 000024
【図２０】
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【図２１】
2020095905.tif 000026
【図２２】
2020095905.tif 000027
【図２３】
2020095905.tif 000028
【図２４】
2020095905.tif 000029
【図２５】
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