(57)【要約】【課題】水素濃度センサを使用することなく、水素循環路を流れる排出水素の水素濃度を推定し、この推定された水素濃度を用いて燃料電池システムの発電を制御する。【解決手段】水素供給源３の供給水素を燃料電池１のアノード２へ供給する水素供給路５に、アノード２を流通した後の排出水素を水素循環路９に設けられた水素循環ポンプ１１で昇圧してから再循環させる燃料電池システムであって、燃料電池１の運転状態に応じて変動する水素が有する粘度差に起因して水素循環ポンプ１１駆動により惹起される物理的データを検出するデータ検知手段１２，１３、及びデータ検知手段１２，１３で検出された物理的データに基づいて水素濃度に換算して水素濃度を推定する水素濃度推定演算手段を備える。また、データ検知手段は、水素循環ポンプ１１駆動による排出水素の昇圧量を物理的データとして検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に設けられて前記燃料オフガスを昇圧して前記燃料ガス供給路に還流させる燃料ガス循環ポンプと含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転状態に応じて変動する前記燃料オフガスに係る物理的データを検出するデータ検知手段と、
当該データ検知手段で検出された前記物理的データに基づいて燃料極側の燃料ガス濃度を推定する燃料ガス濃度推定演算手段と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記データ検知手段は、前記燃料ガス循環ポンプの駆動による前記燃料オフガスの昇圧量を前記物理的データとして検出する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記データ検知手段は、前記物理的データとして前記燃料ガス循環ポンプの上流と下流とに配置した圧力センサで形成され、当該両圧力センサによって燃料ガス循環ポンプによる燃料オフガスの昇圧量が前記物理的データとして検出される、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料ガス循環ポンプと前記燃料ガス供給路との間の前記燃料ガス循環路に逆止弁を設ける一方で、前記データ検知手段を、前記燃料ガス循環ポンプの上流、または下流に配置した圧力センサで形成した、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記データ検知手段は、前記物理的データとして前記燃料ガス循環ポンプ駆動により消費される消費電力を検出する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料ガス濃度推定演算手段により前記燃料ガス濃度の推定演算値が算出されたとき、それに基づいて前記燃料ガス循環路に設けられた燃料ガス排気弁の開閉制御、前記燃料ガス循環ポンプの回転数制御、または、前記燃料ガス供給路に設けられた減圧機能を有する圧力調節弁の開閉制御のうち少なくともいずれか一の制御を行う制御手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料オフガスに係る物理的データは、燃料オフガスの粘度に起因するデータである、請求項１乃至５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料ガス濃度推定演算手段は、前記燃料電池の運転状態が一定のときに前記燃料オフガスの濃度を推定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス濃度推定演算手段は、前記燃料オフガスの前記ガス温度を考慮して濃度を推定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記データ検知手段は、前記燃料ガス循環路又は前記燃料ガス供給路に絞りを設けて前記燃料オフガス又は前記燃料ガスの圧力を検出する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記データ検出手段は、前記燃料ガス循環ポンプの上下流差圧の一定時におけるポンプ回転数値から燃料ガス濃度を推定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガスセンサを用いることなく、燃料ガス濃度を推定して把握することにより燃料電池の発電能力を制御する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池では、アノード電極（燃料極）とカソード電極（空気極）の間に電解質膜を挟み、アノード電極側へは水素（燃料ガス）を、カソード電極側には空気（酸化ガス）を供給することで電気化学反応により発電を行うが、時間経過と共にカソード側から窒素ガスや水分が電解質膜を通してアノード側へリークする傾向がある。このため、発電モードを長い時間停止したり、排気水素の通路が凍結して排気弁作動が不良といった場合には、カソード側からアノード側にリークした窒素や水分等の量がますます増大して水素濃度が大きく低下する。そこで、排気水素を再利用する燃料電池システムの発電制御においては、発電効率向上の観点からアノード通過後の排出水素の水素濃度を把握することが必要になる。
【０００３】
水素濃度の検出には水素濃度センサ（ガス濃度計）が用いられる。水素濃度センサは、通常、水素以外の成分にも反応するため、水素以外の成分が存在するとその測定精度が低下する傾向がある。白金など高価な材料を用いるため高価格である。また、水素濃度センサはある程度の大きさ（体格）を有するため、燃料電池システム内の設置場所に制約がある。従って、コストや大きさ等に制約の大きい量販品の燃料電池システムの水素濃度の測定は容易でない。
【０００４】
そこで、例えば、特開２００３−１９７２３２号公報記載の燃料電池システムでは、燃料電池の端子間電圧と、最適水素利用率における端子間電圧とに基づいて燃料電池を運転することにより、水素濃度センサを不要としている。すなわち、燃料電池に供給された水素量に対する燃料電池で消費された水素量の割合を水素利用率としたとき、燃料電池の端子間電圧が急降下するポイントにおける水素利用率、つまり最適水素利用率に基づいて燃料電池を運転させる構成のものである。
【特許文献１】特開２００３−１９７２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特開２００３−１９７２３２号のものにあっては、燃料電池の端子間電圧を測定して水素利用率を割り出して発電制御するもので、カソード側からの窒素ガスリーク等の運転状態によって変動しうる水素濃度を把握することは困難である。このため、水素濃度センサを用いないで発電制御しているが、アノードを通過後の排出水素が再循環される水素循環路を備えた燃料電池システムの発電制御には、適用できない問題がある。
【０００６】
よって、本発明は水素濃度センサを使用することなく、水素循環路における水素濃度を推定することのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明は、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、上記燃料電池から排出される燃料オフガスを上記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、上記燃料ガス循環路に設けられて上記燃料オフガスを昇圧して上記燃料ガス供給路に還流させる燃料ガス循環ポンプと含む燃料電池システムにおいて、上記燃料電池の運転状態に応じて変動する上記燃料オフガスに係る物理的データを検出するデータ検知手段と、当該データ検知手段で検出された前記物理的データに基づいて燃料極側の燃料ガス濃度又は不純物濃度を推定する燃料ガス濃度推定演算手段と、を備える。
【０００８】
本発明では、燃料電池から排出される燃料オフガス中の燃料ガスあるいは不純物ガスの濃度検出に、各ガスの物理的特性（圧力、密度、粘度）の相違に着目している。例えば、燃料ガスに相当する水素ガスと不純物ガスに相当する窒素ガスとは粘性係数（粘度）が異なる。燃料ガスと不純物とが混合した流体（例えば、燃料オフガス）は燃料ガスと不純物ガスの量的比率（濃度）に応じた物理的特性（粘度等）を示す。
【０００９】
上記発明の構成によれば、燃料オフガスの粘度に応じて燃料ガス循環ポンプ駆動により燃料ガス循環路等に惹起される物理的データを検出する。燃料電池の運転状態に応じて変化する物理的データの変動をデータ検知手段で検出し、その検出結果を燃料ガス濃度推定演算手段に入力して演算処理し、その演算処理結果を燃料ガス濃度に換算して燃料ガス濃度を推定する。
【００１０】
こうして、燃料ガス濃度センサあるいは燃料ガスセンサ等のセンサ類を用いることなく、粘度などの物理的データに基づいて、すなわち燃料電池の運転状態に応じて燃料ガス濃度を把握することができ、ひいては燃料電池の発電制御を効率的に行えるようになる。
【００１１】
ここで、粘度（粘性）μは流速の異なる流体（ガス）間の内部摩擦(internal friction)であり、単位面積当たりの摩擦力(shearing stress) をτとし、流体の速度勾配をｄｕ／ｄｙとすると、μ＝τ／（ｄｕ／ｄｙ）［Ｐａ・ｓ］として表される。例えば、燃料ガスとしての水素ガスよりも、不純物ガスである窒素ガスや水分の粘性（粘性抵抗）は高い。
【００１２】
好ましくは、上記データ検知手段は、上記燃料ガス循環ポンプ駆動による上記燃料オフガスの昇圧量を上記物理的データとして検出する。
【００１３】
燃料ガス循環ポンプ上流側（ポンプ入口側）の燃料オフガスの圧力とポンプ下流側（ポンプ出口側）の燃料オフガスの圧力との間に昇圧（圧力差）が生じるが、昇圧量が燃料オフガスの粘度に関連するため、その昇圧量をデータ検知手段により物理的データとして検出し、その検出結果を燃料ガス濃度推定演算手段で演算処理して燃料ガス濃度を推定するようにしているので、燃料ガス循環ポンプによる昇圧量を測定するだけで燃料ガス濃度を推定して把握することができる。
【００１４】
好ましくは、上記データ検知手段は、上記物理的データとして上記燃料ガス循環ポンプの上流と下流とにそれぞれ配置した圧力センサで形成され、当該両圧力センサによって燃料ガス循環ポンプによる燃料オフガスの昇圧量が上記物理的データとして検出される。
【００１５】
燃料ガス循環ポンプの上流と下流とに圧力センサを配置しているため、燃料ガス循環ポンプによる燃料オフガスの昇圧量を測定することができる。同一ガス流量でも、燃料オフガスの粘度が高い場合には、上流と下流の両圧力センサの出力差は大きくなり、粘度が低い場合には、両圧力センサの出力差は小さくなる。出力差から燃料ガス濃度推定演算手段によって燃料オフガスの粘度が推定され、当該粘度から燃料オフガスの燃料ガス（あるいは不純物ガス）の濃度が推定される。
【００１６】
好ましくは、上記燃料ガス循環ポンプと上記燃料ガス供給路との間の上記燃料ガス循環路に逆止弁を設ける一方で、上記データ検知手段を、上記燃料ガス循環ポンプの上流、または下流に配置した圧力センサで形成する。
【００１７】
燃料電池から外部に排出された燃料オフガスを燃料ガス供給路に還流させる燃料ガス循環路において、燃料ガス循環ポンプの上流または下流に圧力センサを配置している。
【００１８】
燃料ガス循環ポンプの上流、すなわち、燃料ガス循環ポンプと燃料電池のアノード側出口との間の燃料ガス循環路に圧力センサを配置した態様では、調圧弁によって入口側に一定圧の燃料ガスを受けている燃料電池スタックの出口側でガス圧力の測定を行う。燃料電池のスタックは圧損（圧力損失）が大きく、出口側の燃料オフガスでは上記一定圧力よりも小さな圧力が検知される。この際に、還流された燃料オフガスやカソード側から浸透した不純物ガスの粘度が圧損に影響を及ぼす。粘性の高い不純物ガス（例えば、窒素ガスや水蒸気）が燃料オフガスに占める割合が大きくなればなるほど流体抵抗係数による圧損が増える。出口側のガス圧力は燃料オフガス中の不純物ガス濃度が増加する（あるいは燃料ガス濃度が減少する）と同一流量では相対的に低い圧力値として検知されるため、燃料ガス濃度の推定が可能となる。なお、水蒸気は気液分離器によって除去可能である。
【００１９】
また、燃料ガス循環ポンプの下流、すなわち、燃料ガス循環ポンプと逆止弁との間の燃料循環路に圧力センサを配置した態様では、逆止弁を燃料オフガスが通過するときの流体抵抗係数による圧力損失が生じ、やはりこの態様によっても圧力センサにより圧力（当該圧力は、燃料ガス供給路の圧力よりも高い）が物理的データとして検知される。こうして検知される燃料オフガスの圧力は、上記と同様に、粘性の低い燃料ガス（水素ガス）が混入するほど小さくなるので、燃料ガス濃度を推定することが可能となる。
【００２０】
好ましくは、上記データ検知手段は、上記物理的データとして上記燃料ガス循環ポンプ駆動により消費される消費電力を検出する。
【００２１】
燃料ガス循環ポンプの消費電力を測定するようにしているので、或る燃料オフガスの循環量（ポンプ回転数）を制御目標値とした場合に、燃料ガス（例えば、水素）と異なる粘度を有する不純物ガス（例えば、窒素等のガス成分）の燃料オフガス中における割合が増加すると、燃料ガス循環ポンプにおける消費電力が予測値と異なるようになる。また、粘性の高いガスになるほどより多くの電力を消費するため、燃料ガス濃度（あるいは不純物ガス濃度）を推定することが可能となる。
【００２２】
好ましくは、上記燃料ガス濃度推定演算手段により上記燃料ガス濃度の推定演算値が算出されたとき、それに基づいて上記燃料ガス循環路に設けられた燃料ガス排気弁の開閉制御、上記燃料ガス循環ポンプの回転数制御、または、上記燃料ガス供給路に設けられた減圧機能を有する圧力調節弁の開閉制御のうち少なくともいずれか一の制御を行う制御手段を備える。
【００２３】
燃料ガス濃度推定演算手段により燃料ガス濃度の推定演算値が算出されたときには、それに基づいて燃料ガス排気弁の開閉制御、燃料ガス循環ポンプの回転数制御、あるいは圧力調節弁の開閉制御を円滑に行え、燃料電池の発電制御を効率的に実行できるようになる。
【００２４】
好ましくは、上記燃料オフガスに係る物理的データは、燃料オフガスの粘度に起因するデータである。燃料オフガスの粘度は、燃料オフガスが通路のある部分を通過するときの流体抵抗係数による圧力損失として検出され得る。
【００２５】
好ましくは、上記燃料ガス濃度推定演算手段は、上記燃料電池の運転状態が一定のときに上記燃料オフガス中の燃料ガス濃度（あるいは不純物ガス濃度）を推定する。同じ運転条件下あるいは安定した運転状態でデータ検出を行うことによって燃料オフガス中の燃料ガス濃度をより正確に測定することが可能となる。
【００２６】
好ましくは、上記燃料ガス濃度推定演算手段は、上記燃料オフガスの上記ガス温度を考慮して濃度を推定する。燃料電池スタックは一定温度で運転されるように冷却機構が設けられているが、粘性に関係する燃料オフガスの温度を考慮することによってより正確な燃料ガス濃度の推定や燃料電池の起動時におけるより正確な燃料ガス濃度の推定を行うことが可能となる。
【００２７】
好ましくは、上記データ検知手段は、上記燃料ガス循環路又は上記燃料ガス供給路に絞りを設けて上記燃料オフガス又は上記燃料ガスの圧力を検出する。それにより、より簡便にあるいはより適宜な部位（場所）で圧力検出を行うことが可能となって具合がよい。
【００２８】
好ましくは、上記データ検出手段は、回転式ポンプ（燃料ガス循環ポンプ）の上下流差圧の一定値におけるポンプ回転数値から燃料ガス濃度を推定する。一定の差圧を得る回転数の違いからも燃料ガス濃度（あるいは不純物ガス濃度）を推定することが可能である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、水素センサ類を用いることなく燃料電池の運転状態に応じた燃料ガス濃度を把握することができる。また、推定された燃料ガス濃度に基づいて燃料電池の発電制御を効率的に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
図１は、燃料電池システムのブロック図である。同図に示されるように、燃料電池システムは、概略、固体高分子型燃料電池１（場合によっては、「燃料電池スタック」ともいう）と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する高圧タンク３、高圧水素タンク３からの水素を調圧する圧力調節弁（減圧弁）４、燃料電池１のアノード２の入口に調圧された水素を供給する燃料ガス供給路としての水素供給路５と、図示しないエアポンプから供給される酸化ガスとしての空気に水分を加える加湿モジュール７と、加湿空気を燃料電池１のカソード６の入口に供給する空気供給路８ａと、燃料電池１のカソード６を通過した空気を燃料電池１の外部に排出する帰還路８ｂと、燃料電池１のアノード２を通過し、その出口から外部に排出される燃料オフガスとしての排出水素を水素供給路５に再び環流させる燃料ガス循環路としての水素循環路９と、システム全体を制御する電子制御ユニット１０と、を含む。空気供給路８ａと帰還路８ｂとは空気流通路８を構成する。加湿モジュール７において、排出空気と供給空気との熱交換が行われる。
【００３２】
水素循環路９には、排出水素を昇圧する燃料ガス循環ポンプとしての定積型の水素循環ポンプ１１と、その上流（ポンプ入口側）の排出水素の圧力（物理的データ）を検出するデータ検知手段としての第１圧力センサ（圧力計）１２と、下流（ポンプ出口側）の吐出圧力を検出する第２圧力センサ（圧力計）１３と、排出水素を外部へ放出する水素排気弁１４と、水素供給路５から水素循環路９への水素の逆流を防止する逆止弁１５と、が配置されている。
【００３３】
上述した水素供給路５は、濃度１００％の高圧水素を圧力調節弁４で、例えば、略１００KPa(１気圧）の圧力に減圧した後、その一定圧力でアノード２へ水素を供給する。圧力調節弁４及び水素排気弁１４は、後述する電子制御ユニット１０からの指令信号に基づいて開閉制御される、例えば常開型電磁弁である。圧力調節弁４は機械構造的な調圧弁や、機械的な調圧構造と電磁開閉弁とを組み合わせたものであっても良い。
【００３４】
次に、電子制御ユニット１０を説明する。この電子制御ユニット１０は、予め設定された制御プログラムにより所定の演算処理を実行するＣＰＵ１０ａ、同ＣＰＵ１０ａにおいて各種演算処理を実行するために必要な制御プログラムや制御データ等を記憶させたＲＯＭ１０ｂ、ＣＰＵ１０ａで各種演算処理を実行するために必要なデータを一時的に読み書きするＲＡＭ１０ｃ、第１圧力センサ１２や第２圧力センサ１３等の燃料電池システムの各部からの信号を受信したり、上記圧力調節弁４，水素循環ポンプ１１，水素排気弁１４等各部へ信号を送信するための入出力ポート１０ｄ等を備える。なお、タイマ１０ｅは、例えば、水素排気弁１４の開時間を計測するものである。また、電子制御ユニット１０は燃料電池スタックや排出水素の温度を検出する温度検出器（図示せず）を備えている。
【００３５】
上記ＣＰＵ１０ａには、水素濃度を推定するための水素（燃料ガス）濃度演算推定手段としての演算制御プログラムが格納されている。水素濃度演算推定手段は、例えば、第１及び第２の圧力センサ１２及び１３で検出された圧力から水素循環ポンプ１１による排出水素の昇圧量を算出し、その昇圧量に基づいて水素濃度の推定演算値が算出し、水素濃度（あるいは窒素濃度）を推定するようになっている。水素濃度演算推定手段は、後述するその他の態様によっても水素濃度を推定する。
【００３６】
電子制御ユニット１０には、更に、ＣＰＵ１０ａが水素循環路９の排出水素中の水素濃度が、或る推定演算値に到達したと判断した場合に、圧力調節弁４や水素排気弁１４の開閉制御、あるいは水素循環ポンプ１１の回転数の増減制御を実行する制御手段（制御プログラム）が設けられる。それにより、水素循環路９外への排気水素量を多くしたり、新規水素の導入量を増やす等して、循環水素量を多くして水素濃度を高めるような制御が行われる。
【００３７】
（実施例１）
次に、このように構成される燃料電池システムにおいて、水素濃度が推定される手順の第１の実施例を図２及び図３に示す発電制御フロー図に基づいて説明する。
【００３８】
燃料電池システムには、図示しないバッテリ電源から待機電流が流れているが、燃料電池システムを作動させる主スイッチ（図示せず）が投入されると（ステップＳ１；ＹＥＳ）、電子制御ユニット１０は運転モードか否かを判断する（ステップＳ２）。ステップＳ２において運転モードでない場合（ステップＳ２；ＮＯ）には、ステップＳ１へ戻る。
【００３９】
なお、ステップＳ１において、主スイッチがＯＦＦである場合（ＮＯ）には、燃料電池は運転されないと判断し、圧力調節弁４は閉じ、水素循環ポンプ１１は停止状態になり（ステップＳ１０，ステップＳ１１）、燃料電池は発電をしない。
【００４０】
電子制御ユニット１０が燃料電池１の運転モードであると判断した場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）には、それまで閉弁されていた圧力調節弁４を開弁する（ステップＳ３）。高圧水素タンク３から水素が減圧されて水素供給路５を経てアノード２へ供給される。
【００４１】
また、電子制御ユニット１０は、図示しないエアポンプを動作させてカソード６にも加湿モジュール７を経て所定量の空気を供給し、燃料電池１に発電を行わせる。
【００４２】
運転モード状態では、ステップＳ４において、電子制御ユニット１０は指令信号を与えて水素循環ポンプ１１の作動を開始させ、水素循環ポンプ１１が所定回転数Ｎ１で動作するように制御する。
【００４３】
例えば、ポンプ類の動作の安定等の、一定の運転条件が成立すると、第１圧力センサ１２および第２圧力センサ１３により水素循環路９における排出水素（燃料オフガス）の圧力Ｐ１，Ｐ２（物理的データ）がそれぞれ測定され（ステップＳ５，ステップＳ６）、これ等の測定データが電子制御ユニット１０に入力される。
【００４４】
電子制御ユニット１０では、水素濃度を推定する演算制御プログラムを格納されたＣＰＵ１０ａにおいて、水素循環ポンプ１１の駆動で生じた昇圧量（圧力差ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１）が計算され（ステップＳ７）、この昇圧量ΔＰｘに対応する水素濃度が推定される（ステップＳ８）。
【００４５】
図４は、水素濃度推定のために、電子制御ユニット１０が予め備えているマップ（グラフ）の例を示している。複数のマップの中から燃料電池スタックの現在の温度ｔに対応した温度パラメータＴａの特性マップが選択されている。同図に示すように、水素循環ポンプ１１の回転数（排出水素量）の増加に伴って圧力差ΔＰも増加し、更に、排出水素中の水素濃度の低下（窒素濃度が増加）に伴って圧力差ΔＰが増加する傾向がある。ＣＰＵ１０ａ（水素濃度演算推定手段）は、このマップより、水素循環ポンプ１１の回転数Ｎ１及び昇圧量ΔＰｘに対応するｘ点を通過するグラフの水素濃度Ｈｘ％（あるいは窒素濃度Ｎｘ％）を求める。
【００４６】
ステップＳ９において、ステップＳ８で求められた水素濃度の推定演算値Ｈｘ％、すなわち推定水素濃度が目標水素濃度値（目標値）Ｈｓ％以下であるか否かが比較判断される。
水素濃度が低下していない場合（ステップＳ９；ＮＯ）には、ステップＳ１からステップＳ９を繰り返し、アノード２を通過して水素循環路９に流入する排出水素は再びそのまま水素循環ポンプ１１で昇圧されて水素供給路５へ再循環され、通常運転が行われる。
【００４７】
ステップＳ９において水素濃度が目標水素濃度値Ｈｓ以下に低下したと判断された場合（ステップＳ９；ＹＥＳ）には、図３に示すように、水素排気弁１４の開閉制御、水素循環ポンプ１１の回転数増減制御、および圧力調節弁４の開閉制御が電子制御ユニット１０の制御手段により選択的に実行される。
【００４８】
すなわち、ＣＰＵ１０ａは、ステップＳ１２において、図示しない燃料電池システムにおける各種の条件フラグを参照して水素排気弁１４を制御するかを判断する。制御すると判断した場合には（ステップＳ１２；ＹＥＳ）、水素排気弁１４に所定時間だけ駆動信号を与えて開状態に制御する（ステップＳ１３）。それにより、アノード２から水素循環路９への排出水素量が増大する。排出水素は窒素（不純物）と共に水素排気弁１４を介して図示しない燃焼器や希釈器に送られて処理される。同時に圧力調節弁４から新規水素がアノード２に供給される。燃料電池１内の水素濃度が高められて発電量が増大（あるいは回復）する。その後ステップＳ１４に進む。
【００４９】
ステップＳ１２でＮＯと判断された場合には、ＣＰＵ１０ａは、図示しない燃料電池システムにおける各種の条件フラグを参照して水素循環ポンプ１１を制御するか否かを判断する（ステップＳ１５）。ＹＥＳの場合には、水素循環ポンプ１１の回転数を上昇させて（ステップＳ１６）、循環水素量を多くする制御が開始されてステップＳ１４へ進む。循環水素量を多くすることによってアノード内の生成水の排水を促すことができる。
【００５０】
ステップＳ１５でＮＯと判断された場合には、ＣＰＵ１０ａは、図示しない燃料電池システムにおける各種の条件フラグを参照して圧力調節弁４を制御するか否かを判断する（ステップＳ１７）。ＹＥＳの場合には、圧力調節弁４が大きく開かれ（ステップＳ１８）、循環水素量を多くする制御を行ってステップＳ１４に進む。ステップＳ１７でＮＯと判断された場合にはステップＳ１４へ進む。
【００５１】
ステップＳ１４〜Ｓ２２では、ＣＰＵ１０ａが既述ステップＳ５〜Ｓ８と同様の手順で水素濃度を再度推定する。
【００５２】
すなわち、循環ポンプ１１下流の圧力Ｐ１を第１圧力センサ１２で検出し（ステップＳ１４）、次いで、第２圧力センサ１３で同ポンプ上流の圧力Ｐ２を検出する（ステップＳ１９）。昇圧量ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）を計算し（ステップＳ２０）、昇圧量ΔＰと循環ポンプ１１の回転数に基づいて水素濃度を推定する（ステップＳ２１）。このステップＳ２１で求められた推定演算値、つまり推定水素濃度Ｈｘ％が目標水素濃度（目標値）Ｈｓ％に到達したか否かがステップＳ２２で判断される。
【００５３】
ステップＳ２２において、ＣＰＵ１０ａが排出水素の水素濃度が目標値に到達した場合（ステップＳ２２；ＹＥＳ）、つまり水素循環路９の排出水素の濃度が高くなったと判断すると（ステップＳ２２；ＹＥＳ）、ステップＳ２３で各制御手段の制御（ステップＳ１２〜Ｓ１７）に対応して、水素排気弁１４を閉じ、あるいは水素循環ポンプ１１の回転数を元の回転数に下げ、あるいは圧力調節弁４の場合にはその開度が小さくなるように復帰制御を行う。
【００５４】
ステップＳ２３を経由した後は、再びステップＳ１に戻り、以降の各ステップに従って連続運転モードで発電制御が実行される。
【００５５】
他方、ステップＳ２２において、推定水素濃度が目標値に到達していないと判断された場合（ステップＳ２２；ＮＯ）には、ステップＳ１に戻り、ステップＳ２２で目標値に到達するまでルーチンを繰り返す。
【００５６】
なお、上述したように実施例では、図４に示すマップを排出水素の各温度毎に持つようにしている。燃料電池スタックや水素循環路９に温度検出器を設けて、排出水素の温度を検出し、当該温度のマップを選択することによってより現在の運転状態に適合した水素濃度推定を行うことが可能となる。例えば、燃料電池システムは図示しない冷却装置を備えており、一定の温度状態で運転を行うが、燃料電池システムの起動時には装置の温度が下がっている場合がある。このような場合には、現在の温度Ｔａに対応したマップを選択することで水素濃度推定の精度を向上することが可能となる。勿論、一つの標準的なマップを使用し、これを現在の温度で補正して使用するようにしてもよい。より簡便には、一つの標準マップをそのまま使用することとしても良い。
【００５７】
また、水素循環路９（排気水素ライン）が凍結等によって弁動作不良を来したような場合には、上記したような制御手段による水素濃度を高める制御は行わず、電子制御ユニット１０からの指令によりブザーや警報ランプ等の異常報知手段を作動させて、燃料電池の運転を中止する。
【００５８】
上記実施の形態によれば、水素循環ポンプ１１による排出水素の昇圧量ΔＰに基づいて水素濃度に換算して水素濃度を推定するため、従来のように水素センサを用いることなく、燃料電池１の運転状態に応じた水素濃度を把握でき、しかも水素循環ポンプ１１の上下両流に配置した圧力センサ１２及び１３により圧力を検出するため、正確に水素濃度を推定することができる。また、水素排気弁１４の制御による水素排気量や、水素循環ポンプ１１または圧力調節弁４の制御による水素循環量の増減制御を的確に行え、水素排気弁１４の開閉制御を最適に制御するため、排出水素の無駄を抑制でき、ひいてはコスト安価な燃料電池システムを得ることが可能となる利点がある。
【００５９】
（実施例２）
上述した第１の実施例では、水素循環ポンプ１１の上下両流に第１圧力センサ１２と第２圧力センサ１３を配置して圧力を計測したが、この代わりに、第２圧力センサ１３を廃して、第１圧力センサ１２だけを用いる構成にしてもよい。
【００６０】
このような第２の実施例の場合、水素供給路５は一定圧力（例えば、１００ＫＰａ）であるのに対して、アノード２と水素循環ポンプ１１との間の水素循環路９では、燃料電池スタック１を通過した水素（再循環される排出水素も混合している）の粘度の影響を受けて上記一定圧力よりも小さな圧力Ｐ１が検知される。こうして検知される圧力Ｐ１は、粘性の高い窒素（不純物ガス）が供給水素に混入する程度が大きくなればなるほど小さな圧力値が検知されるため、燃料電池スタックによる圧力損失ΔＰ、例えば、ΔＰ＝１００ＫＰａ−Ｐ１を検出する。そして、図４に示すようなΔＰ、水素循環ポンプ１１の回転数（排出水素流量）、濃度曲線のマップを参照することにより水素濃度の推定が可能となる。
【００６１】
（実施例３）
上述した第１の実施例では、水素循環ポンプ１１の上下両流に第１圧力センサ１２と第２圧力センサ１３を配置して圧力を計測したが、この代わりに、第１圧力センサ１２を廃して、第２圧力センサ１３だけを用いる構成にしてもよい。
【００６２】
第３実施例の場合には、逆止弁１５を排出水素が通過するときに流体抵抗係数によって圧力損失が生じるので、この第３実施例においても第２圧力センサ１３により圧力Ｐ２（当該圧力は、水素供給路の圧力よりも高い）が物理的データとして検知される。こうして検知される圧力Ｐ２は、粘性の高い窒素ガスが混入するほど大きくなるので、圧力損失ΔＰ（＝Ｐ２−１００ＫＰａ）を検出することで、第２の実施例と同様にマップ（図４参照）を用いて水素濃度を推定することが可能となる。
【００６３】
（実施例４）
図５は第４の実施例を示している。同図は、図１に示される全体構成のうち水素循環路９の部分のみを示しており、他の構成は図１と同様である。同図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００６４】
この実施例では、水素循環路９内にオリフィス（絞り）９ａを挿入している。このオリフィス９ａの上流側で流体圧力を圧力センサ１３によって検出している。オリフィス９ａを通過する排出水素の水素濃度による粘性によって流体圧力が変化するので図４に示すような各温度におけるマップを参照して水素循環ポンプ１１の回転数（排出水素流量）と検出圧力とから該当水素濃度の曲線Ｇｘを選択することによって水素濃度ｘ％を推定することができる。
【００６５】
（実施例５）
図６は、第５の実施例を示している。同図も図１に示される全体構成のうち水素循環路９の部分のみを示しており、他の構成は図１と同様である。同図において、図１と対応する部分には同一符号を付し、かかる部分の説明は省略する。
【００６６】
この実施例では、水素循環路９に並行して設けられたバイパス内にオリフィス（絞り）９ａを挿入している。このバイパスのオリフィス９ａの上流で流体圧力を圧力センサ１３によって検出している。更に、水素循環路９には電子制御ユニット１０によって開閉が制御されるバイパス制御弁９ｂが設けらる。
かかる構成においては、圧力センサ１３によって排出水素の流体圧力を検出するときのみ、バイパス制御弁９ｂが閉じられ、それ以外のときはバイパス制御弁９ｂは開放される。それにより、オリフィス９ａを設けたことによる水素循環路９におけるロス増加を回避している。
【００６７】
この実施例の構成によっても、オリフィス９ａを通過する排出水素の水素濃度によって流体圧力が変化するので図４に示すような各温度におけるマップを参照して水素循環ポンプ１１の回転数（排出水素流量）と検出圧力とから該当水素濃度の曲線Ｇｘを選択することによって水素濃度ｘ％を推定することができる。
なお、オリフィスは、燃料ガス循環路９のみならず、燃料ガス供給路５に設けることも可能である。それにより、燃料オフガス、燃料ガスの圧力を検出することができる。
【００６８】
（実施例６）
上述した各実施例は、いずれの場合も水素循環ポンプ１１に起因する水素循環路９における排出水素の圧力を物理的データとして検出し、これらに基づき水素濃度を推定したが、これらの代わりに、水素循環ポンプ１１が消費する消費電力を物理的データとして計測するようにすることも可能である。
この実施例では、電子制御ユニット１０は水素循環ポンプ１１の消費電力を検出する機能を備えているが、圧力センサ１２及び１３を必要としない。
【００６９】
図７は、水素循環ポンプ（定積型）の回転数と当該ポンプ消費電力との関係を示すグラフである。このグラフは各温度毎に用意され、マップとして電子制御ユニット１０に記憶される。
図示のように、１００％濃度の水素のグラフはＧ１で示される。窒素が混入したりして水素濃度が低下した水素のグラフはＧ２のように指数関数的曲線で示される。ここで、燃料電池システムにおける水素の循環ガス量（ガス流量）すなわちポンプ回転数を、例えば水素循環ポンプ１１の回転数１０００rpmで設定して運転したとすると、水素濃度の低下した粘性の高いガスにおける水素循環ポンプ１１の消費電力Ｗ２は、１００％水素濃度の消費電力Ｗ１よりも大きいので、その消費電力差（Ｗ２−Ｗ１）を演算し、その結果により水素濃度に換算して水素濃度を推定することが可能となる。
【００７０】
また、図９に示すような、予め各温度毎に計測された水素濃度をパラメータとする水素循環ポンプの回転数対消費電力特性曲線群のマップを参照して、現在の流体温度における水素循環ポンプ１１の回転数（ガス流量）と当該回転数におけるポンプの消費電力とから、水素濃度を推定することができる。
【００７１】
図１０及び図１１は、本実施例における水素濃度推定の手順を示しており、実施例１における図２及び図３に示したフローチャートと共通する部分には同一符号を付している。
【００７２】
すなわち、図１０は図２のフロー図に対応し、図１１は図３のフロー図に対応している。図１０が図２と相違する点は、図２のステップＳ５〜ステップＳ７がステップＳ３１に、また、図１１が図３と異なる点は、図３のステップＳ１４〜ステップＳ２０がステップＳ３２に置き換えられている。ステップＳ３１及び３２は水素循環ポンプの消費電力（Ｗ２−Ｗ１）を演算するステップである。その他の各ステップは共通するので、手順の詳細な説明は省略する。
【００７３】
ステップＳ３１では、ＣＰＵ１０ａは現在の排出水素の温度に対応した図７に示すマップを参照する。ＣＰＵ１０ａは水素循環ポンプ１１の現在の回転数（例えば１０００ｒｐｍ）と水素循環ポンプ１１の現在の消費電力Ｗ２を検出する。マップに予め記憶されている水素１００パーセントの特性曲線Ｇ１から現在の回転数（例えば１０００ｒｐｍ）における電力Ｗ１を読出す。消費電力差ΔＷ（＝Ｗ２−Ｗ１）を計算する。
【００７４】
更に、図８に示す、所定回転数（例えば１０００ｒｐｍ）における水素濃度対消費電力差ΔＷのマップから水素濃度を読出す。ステップＳ３２も同様である。
【００７５】
また、他の手法として、ＣＰＵ１０ａは現在の排出水素の温度に対応した図９に示すマップを参照することができる。この場合、ＣＰＵ１０ａは水素循環ポンプ１１の現在の回転数（水素流量に対応）と水素循環ポンプ１１の現在の消費電力Ｗ２を検出する。ポンプの回転数と消費電力Ｗ２とが交差する位置ｘの特性曲線の水素濃度パラメータから水素濃度を読出す。ステップＳ３２も同様である。
【００７６】
したがって、本実施例によっても、上述した各実施例と同様に水素センサを用いることなく、水素濃度を推定して燃料電池システムの運転を行える。
【００７７】
上記実施の形態、第１〜第３の各変形例においては、水素供給路５には１００％濃度の水素を利用したが、改質水素を供給する態様でも応用できるものである。
【００７８】
（実施例７）
図１２及び図１３は、本発明の第７の実施例を示している。図１２は制御手順を示すフローチャートであり、図１３は動作を説明するグラフである。
この実施例では、排出水素の水素濃度が低くなると水素循環路９における所定の圧損ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）を発生させる水素循環ポンプ１１の回転数が小さくなることを利用している。
【００７９】
図１２に示されるように、この制御態様が開始されると（ステップＳ５０）、ＣＰＵ１０ａは、水素循環ポンプ１１に駆動信号を与えて所定の回転数で動作させる（ステップＳ５２）。水素循環ポンプ１１の回転数が所定の回転数になると（ステップＳ５４）、圧力センサ１２及び１３の検出値Ｐ１及びＰ２を読取り、現在の差圧ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）を計算する（ステップＳ５６）。
【００８０】
ＣＰＵ１０ａは、この差圧ΔＰが予め検出基準に設定した差圧ΔＰｓに等しいか（許容範囲内か）を判断する（ステップＳ５８）。規定値以上にずれが大きい場合（ステップＳ５８；ＮＯ）には、水素循環ポンプ１１の回転数を増減して、現在の差圧ΔＰが差圧ΔＰｓとなるように調整する（ステップＳ５２〜Ｓ５８）。
【００８１】
差圧ΔＰが基準差圧ΔＰｓに等しくなると（ステップＳ５８；ＹＥＳ）、ＣＰＵ１０ａはこのときの水素循環ポンプ１１の回転数Ｎｘを読取る（ステップＳ６０）。ＣＰＵ１０ａは、図１３に示されるマップを参照して、回転数Ｎｘと差圧ΔＰｓに対応する曲線を選択する。この曲線のパラメータから排出水素の水素濃度を読取る（ステップＳ６２）。
【００８２】
この水素濃度が基準値を下回る場合には水素排気弁１４を開放するアノードパージ等の処理（ステップＳ１２〜Ｓ１８参照）を行う（ステップＳ６４）。
こように、回転式ポンプの上下流差圧の一定時におけるポンプ回転数値から燃料ガス濃度を推定することができる。
【００８３】
このように、本発明の実施例の燃料電池システムは、水素供給源の供給水素を燃料電池のアノードへ供給する水素供給路と、上記燃料電池のアノードから排出される水素オフガスを上記水素供給路に戻す水素循環路と、上記水素循環路に設けられて上記水素オフガスを昇圧して上記水素供給路に還流させる水素循環ポンプと含む燃料電池システムであって、上記燃料電池の運転状態に応じて変動する上記水素オフガスに係る物理的データを検出するデータ検知手段、及び当該データ検知手段で検出された上記物理的データに基づいて上記水素オフガスの水素濃度を推定する水素濃度推定演算手段と、を備える。
【００８４】
上記データ検知手段は、上記水素循環ポンプの駆動による上記水素オフガスの昇圧量を上記物理的データとして検出する。
また、上記データ検知手段は、上記物理的データとして上記水素循環ポンプの上流と下流とに配置した圧力センサで形成され、当該両圧力センサによって水素循環ポンプによる水素オフガスの昇圧量が上記物理的データとして検出される。
【００８５】
また、上記データ検知手段は、上記物理的データとして上記水素循環ポンプ駆動により消費される消費電力を検出する。
また、上記水素オフガスに係る物理的データは、水素オフガスの粘度に起因するデータである。
【００８６】
また、上記水素循環ポンプと上記水素供給路との間の上記水素循環路に逆止弁を設ける一方で、上記データ検知手段を、上記水素循環ポンプの上流、または下流に配置した圧力センサで形成している。
【００８７】
上記水素濃度推定演算手段により上記水素濃度の推定演算値が算出されたとき、それに基づいて上記水素循環路に設けられた水素排気弁の開閉制御、上記水素循環ポンプの回転数制御、または、上記水素供給路に設けられた減圧機能を有する圧力調節弁の開閉制御のうち少なくともいずれか一の制御を行う制御手段を備える。
【００８８】
以上説明したように本発明の実施例によれば、データ検知手段で検出した物理的データを、水素濃度推定演算手段で演算処理することで水素濃度を推定するため、水素センサ類を用いることなく燃料電池の運転状態に応じた水素濃度を把握することができ、燃料電池の発電制御を効率的に行える効果を奏する。
【００８９】
また、水素循環ポンプによる排出水素の昇圧量に基づいて水素濃度を推定するため、水素センサ類を使用することなく、運転状態に応じた水素濃度を把握することができ、運転制御を円滑に行え、かつコスト安価な燃料電池システムを実現できる効果を奏する。
【００９０】
また、水素循環ポンプの上流と下流とに圧力センサを配置しているため、正確に水素濃度を推定できる効果を奏する。
【００９１】
また、水素循環ポンプの上流または下流に圧力センサを配置することによっても水素濃度の推定把握を行って水素濃度の低下を検出することが可能となる効果を奏する。
【００９２】
また、水素循環ポンプの消費電力を測定することによっても、水素濃度の推定ができ、これにより水素濃度の低下を検出することができ有利である。
【００９３】
また、水素濃度推定演算手段により水素濃度の推定演算値が算出されたときには、それに基づいて水素排気弁の開閉制御、水素循環ポンプの回転数制御、あるいは圧力調節弁の開閉制御を円滑に行え、燃料電池の発電制御を効率的に実行できる利点がある。
【００９４】
また、複数種類の水素濃度推定手法を組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムのブロック図である。
【図２】実施例１における燃料電池システムの発電制御手順を示すフローチャートである。
【図３】実施例１における燃料電池システムの発電制御手順を示すフローチャートである。
【図４】水素濃度をパラメータとする回転数対差圧特性を説明するグラフである。
【図５】水素循環路にオリフィスを設けた例を説明する説明図である。
【図６】水素循環路のバイパスにオリフィスを設けた例を説明する説明図である
【図７】水素濃度パラメータとする水素循環ポンプの回転数対消費電力特性を説明するグラフである。
【図８】排出水素の水素濃度対水素循環ポンプの消費電力特性を説明するグラフである。
【図９】水素濃度をパラメータとする水素循環ポンプの回転数対消費電力特性を説明するグラフである。
【図１０】燃料電池システムの発電制御手順を示すフロー図である。
【図１１】同様に、第３変形例における燃料電池システムの発電制御手順を示すフロー図である。
【図１２】実施例７の制御手順を説明するフローチャートである。
【図１３】水素濃度をパラメータとする水素循環ポンプの回転数対差圧特性を説明するグラフである。
【符号の説明】
【００９６】
１  燃料電池（燃料電池スタック）、２  アノード、３  高圧水素タンク、４  圧力調節弁、５  水素供給路、６  カソード、７  加湿モジュール、８  空気流通路、９  水素循環路、１０  電子制御ユニット、１１  水素循環ポンプ、１２  第１圧力センサ、１３  第２圧力センサ、１４  水素排気弁、１５  逆止弁
【図１】
2006086117.tif 000003
【図２】
2006086117.tif 000004
【図３】
2006086117.tif 000005
【図４】
2006086117.tif 000006
【図５】
2006086117.tif 000007
【図６】
2006086117.tif 000008
【図７】
2006086117.tif 000009
【図８】
2006086117.tif 000010
【図９】
2006086117.tif 000011
【図１０】
2006086117.tif 000012
【図１１】
2006086117.tif 000013
【図１２】
2006086117.tif 000014
【図１３】
2006086117.tif 000015