(57)【要約】【課題】水素ガスの噴射周期の変化の影響を抑制して、精度良く水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求める。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池内の水素ガス流通路を含み、燃料電池の発電に利用される水素ガスが流通する水素ガス流路と、水素ガスを噴射することで水素ガス流路に水素ガスを供給する水素ガス供給部であって、噴射周期を変化させて水素ガスの供給量を調整できる水素ガス供給部と、水素ガス流路内の熱流量を検出する熱流量センサと、水素ガス流路内の圧力を検出する圧力センサと、水素ガス流路内の水素ガスの濃度を検出する水素濃度検出部と、を備える。水素濃度検出部は、噴射周期、および、噴射周期における、熱流量センサで検出された熱流量の変動量と、圧力センサで検出された圧力の変動量と、の相関値、を用いて水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求める。【選択図】図７
2019129014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池内の水素ガス流通路を含み、前記燃料電池の発電に利用される水素ガスが流通する水素ガス流路と、
前記水素ガスを噴射することで前記水素ガス流路に前記水素ガスを供給する水素ガス供給部であって、噴射周期を変化させて前記水素ガスの供給量を調整できる水素ガス供給部と、
前記水素ガス流路内の熱流量を検出する熱流量センサと、
前記水素ガス流路内の圧力を検出する圧力センサと、
前記水素ガス流路内の水素ガスの濃度を検出する水素濃度検出部と、
を備え、
前記水素濃度検出部は、
前記噴射周期、および、前記噴射周期における、前記熱流量センサで検出された前記熱流量の変動量と、前記圧力センサで検出された前記圧力の変動量と、の相関値、に対応する水素ガスの濃度を求める、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池システムにおいて、水素ガス流路内に水素ガスを周期的に供給することにより発生する水素ガス流路内のガスの圧力の変化と、ガス流路内の熱流量の変化量との相関に基づいて、水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−０９０３１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の水素ガスの濃度の検出手法では、燃料電池システムの負荷に変動が生じた場合に、水素ガスの濃度を精度良く検出することができない場合があった。従って、燃料電池システムの負荷に変動が生じた場合にも、水素ガスの濃度を精度良く検出することが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題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。
【０００６】
（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；前記燃料電池内の水素ガス流通路を含み、前記燃料電池の発電に利用される水素ガスが流通する水素ガス流路と；前記水素ガスを噴射することで前記水素ガス流路に前記水素ガスを供給する水素ガス供給部であって、噴射周期を変化させて前記水素ガスの供給量を調整できる水素ガス供給部と；前記水素ガス流路内の熱流量を検出する熱流量センサと；前記水素ガス流路内の圧力を検出する圧力センサと；前記水素ガス流路内の水素ガスの濃度を検出する水素濃度検出部と；を備える。前記水素濃度検出部は、前記噴射周期、および、前記噴射周期における、前記熱流量センサで検出された前記熱流量の変動量と、前記圧力センサで検出された前記圧力の変動量と、の相関値、を用いて前記水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求める。
燃料電池システムの負荷の変動に応じて水素ガス供給部は噴射周期を変化させて水素ガスの供給量を調整する。この際、熱流量センサで検出される熱流量の変動量は、水素ガスの噴射周期の非噴射期間の変化に応じて変化する。例えば、噴射周期が短くなって非噴射期間が短くなるほど、熱流量の変動量が小さくなる。
上記形態の燃料電池システムでは、噴射周期、および、噴射周期における熱流量の変動量と圧力の変動量との相関値、に対応する水素ガスの濃度を求めるので、噴射周期の変化の影響を抑制して、精度良く水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求めることができる。
【０００７】
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記水素濃度検出部は、前記噴射周期、および、前記噴射周期における前記相関値を求めるとともに、予め用意された、複数の水素濃度のそれぞれについての、噴射周期と、熱流量の変動量と圧力の変動量との相関値と、の関係から、前記噴射周期および前記噴射周期における前記相関値に対応する水素ガスの濃度を求める、としてもよい。
この形態の燃料電池システムでは、予め用意された、複数の水素濃度のそれぞれについての、噴射周期と、熱流量の変動量と圧力の変動量との相関値と、の関係から、噴射周期および噴射周期における相関値に対応する水素ガスの濃度を求めることにより、噴射周期の変化の影響を抑制して、精度良く水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求めることができる。
【０００８】
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、前記水素濃度検出部は、前記噴射周期、および、前記噴射周期における前記相関値を求めるとともに、求めた相関値を、予め用意された噴射周期と相関値との関係に従って補正し、補正した相関値に対応する水素ガスの濃度を、予め用意された、熱流量の変動量と圧力の変動量との相関値と、水素ガスの濃度と、の関係に従って求める、としてもよい。
この形態の燃料電池システムでは、予め用意された噴射周期と相関値との関係に従って、噴射周期における相関値を補正することで、噴射周期の変化の影響を抑制して、精度良く水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求めることができる。
【０００９】
なお、本明細書に開示される技術は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムにおける水素ガス流路の水素ガス濃度の検出方法、水素ガス流路の水素ガス濃度検出装置、水素ガス流路の水素ガス濃度検出方法等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】熱流量センサが設けられた気液分離器を拡大して示す説明図である。
【図３】気液分離器の内部空間側の側面に設けられた熱流量センサを拡大して示す模式図である。
【図４】インジェクタの噴射周期と熱流量センサの出力と圧力センサの出力との基本的な関係を示す説明図である。
【図５】相関値と水素濃度との関係の一例を示すグラフである。
【図６】燃料電池システムの負荷が変動する場合の問題点について示す説明図である。
【図７】第１実施形態における水素濃度検出の手順を示すフローチャートである。
【図８】水素濃度毎の噴射周期と相関値との関係の一例を示すグラフである。
【図９】第２実施形態における水素濃度検出の手順を示すフローチャートである。
【図１０】噴射周期と減少率との関係の一例を示すグラフである。
【図１１】第３実施形態における排出バルブ制御の手順を示すフローチャートである。
【図１２】第４実施形態における排出バルブ制御の手順を示すフローチャートである。
【図１３】第５実施形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、例えば、車両（燃料電池車両）に搭載され、運転者からの要求に応じて、車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム１０は、燃料電池（Fuel Cell／ＦＣ）１００と、空気供給系２００と、水素ガス供給系３００と、図示しない冷却系と、制御装置６００と、を備える。
【００１２】
燃料電池１００は、発電体としての単セル１１０を複数積層したスタック構造を有している。単セル１１０は、電解質膜の両側にアノードとカソードの両電極を接合させた膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly／ＭＥＡ）と、膜電極接合体のアノード及びカソードの両側から挟持する２枚のセパレータとによって構成されている。燃料電池１００は、後述の水素ガス供給系３００からアノードに供給された燃料ガスとしての水素と、空気供給系２００からカソードに供給された空気中に含まれる酸化ガスとしての酸素と、の電気化学反応によって発電し、その発電電力にて駆動用モータ等の負荷を駆動する。
【００１３】
空気供給系２００は、燃料電池１００のカソードに、酸化ガスである酸素を含む空気を供給する。空気供給系２００は、酸素供給流路２１０と、放出流路２２０と、コンプレッサー２３０と、排出流量調整バルブ２４０と、を備える。酸素供給流路２１０の一方端は燃料電池１００のカソードの入口に接続されており、他方端は開口端となっている。コンプレッサー２３０は酸素供給流路２１０に設けられている。放出流路２２０の一方端は燃料電池のカソードの出口に接続されている。排出流量調整バルブ２４０は放出流路２２０に設けられている。空気供給系２００は、酸素供給流路２１０の開口端から取り込んだ空気を、コンプレッサー２３０にて流量調整した上で燃料電池１００のカソードに供給する。また、空気供給系２００は、放出流路２２０の排出流量調整バルブ２４０で調整された流量で、カソードの出口から排出される未消費の酸素を含む空気（カソードオフガス）を大気放出する。空気供給系２００の動作は、コンプレッサー２３０および排出流量調整バルブ２４０が、後述する制御装置６００によって制御されることで実行される。
【００１４】
水素ガス供給系３００は、燃料電池１００の発電に利用される燃料ガスである水素を燃料電池１００のアノードに供給する。水素ガス供給系３００は、水素ガスタンク３１０と、水素ガス供給路３２０と、還流路３３０と、開閉バルブ３４０と、調圧バルブ３５０と、インジェクタ３６０と、圧力センサ３２２と、水素ガスポンプ３７０と、気液分離器３８０と、排出バルブ３９５と、放出流路３９０と、を備える。
【００１５】
水素ガスタンク３１０は、高圧の水素ガスを貯蔵している。水素ガスタンク３１０は、水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００のアノードの入口と接続されている。水素ガス供給路３２０には、水素ガスタンク３１０側から、開閉バルブ３４０と、調圧バルブ３５０と、インジェクタ３６０、圧力センサ３２２とがこの順に設けられている。開閉バルブ３４０は、水素ガスタンク３１０からのアノードガスの供給をオン、オフする。調圧バルブ３５０は、インジェクタ３６０へ供給する水素ガスの圧力を調整する。インジェクタ３６０は、調圧バルブ３５０から供給された水素ガスを、水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００のアノードに向けて、要求される負荷に応じた周期で噴射し、燃料電池１００への水素ガスの供給量を調整する。圧力センサ３２２は、水素ガス供給路３２０の圧力を検出する。水素ガス供給路３２０を介して燃料電池１００に供給された水素ガスは、複数の単セル１１０の積層によって構成された供給側の水素ガス流通路１０２ａを流通して、各単セル１１０に供給される。各単セルで使用されなかった未使用の水素ガスを含むアノードオフガスは、複数の単セル１１０の積層によって構成された排出側の水素ガス流通路１０２ｂを流通して、還流路３３０へ排出される。このアノードオフガスには、各単セル１１０の発電により生成された液水や、カソード側からアノード側へ透過した窒素ガス等の不純物ガスが含まれる。すなわち、アノードオフガスは、水素ガスと、窒素ガス等の不純物ガスを含む混合ガスである。
【００１６】
還流路３３０は、燃料電池１００のアノードの出口と、圧力センサ３２２よりも燃料電池１００側の水素ガス供給路３２０の部分と、に接続され、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスを水素ガス供給路３２０に還流させる。還流路３３０には、気液分離器３８０と、水素ガスポンプ３７０とが設けられている。気液分離器３８０は、燃料電池１００から排出された液水混じりのアノードオフガスから液水を分離する。気液分離器３８０で液水が分離されたアノードオフガスは、水素ガスポンプ３７０によって、還流路３３０を介して水素ガス供給路３２０に還流され、アノードオフガスに含まれる水素ガスは燃料電池１００に循環供給される。従って、燃料電池１００に供給されるアノードガス(燃料ガス）は、実際には、水素ガスおよび不純物ガスを含む混合ガスである。
【００１７】
燃料電池１００による発電を効率的に行うためには、不純物ガスの濃度が高く水素ガスの濃度が低くなるのは好ましくない。そこで、アノードオフガスに含まれる不従物ガスの濃度が高く、水素ガスの濃度が低くなった場合には、排出バルブ３９５を開いて、気液分離器３８０から放出流路３９０にアノードオフガスを排出する制御が行われる。また、この際、インジェクタ３６０から水素ガスを噴射することで、不純物ガスの濃度を低くし水素ガスの濃度を高くする制御が行なわれる。
【００１８】
水素ガス供給系３００の種々の動作は、開閉バルブ３４０、調圧バルブ３５０、インジェクタ３６０、水素ガスポンプ３７０、および、排出バルブ３９５が、後述する制御装置６００によって制御されることで実行される。
【００１９】
気液分離器３８０には、後述するアノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度（水素濃度）を検出する際に用いられる熱流量センサ４００が設けられている。なお、この気液分離器３８０に設けられた熱流量センサ４００、および、熱流量センサ４００を用いた水素濃度の検出については、後述する。
【００２０】
制御装置６００は、論理演算を実行するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたいわゆるマイクロコンピュータで構成され、圧力センサ３２２や熱流量センサ４００、不図示の各種センサ等のセンサ入力を受けて、コンプレッサー２３０や排出流量調整バルブ２４０、インジェクタ３６０、調圧バルブ３５０、開閉バルブ３４０、排出バルブ３９５等の各種のバルブの開閉制御等を含む燃料電池１００の種々の制御を行なう。例えば、制御装置６００は、空気供給系２００や水素ガス供給系３００等を制御して燃料電池１００の動作を制御するＦＣ制御部６１０や、アノードオフガスの水素濃度を調整するために排出バルブ３９５の開閉を制御する排出バルブ制御部６２０、アノードオフガスの水素濃度を検出する水素濃度検出部６３０を有している。
【００２１】
なお、水素ガス供給路３２０、水素ガス流通路１０２ａ，１０２ｂ、および、還流路３３０が、「水素ガス流路」に相当する。また、インジェクタ３６０およびＦＣ制御部６１０が「水素ガス供給部」に相当する。
【００２２】
図２は、熱流量センサ４００が設けられた気液分離器３８０を拡大して示す説明図である。図２は、気液分離器３８０の内部が分かるように、透過した状態とし、ケーシング３８１にハッチングを付した状態で示している。また、方向Ｄｖは鉛直方向を示し、方向Ｄｈは水平方向を示している。
【００２３】
気液分離器３８０は、燃料電池１００からのアノードオフガスが流入する内部空間３８２を有している。内部空間３８２は、略ロート形状を有しており、中央の底部に排気排水部３８３を有している。排気排水部３８３には、側壁に設けられた連通路３８４を介して排出バルブ３９５が接続されている。内部空間３８２には、アノードオフガスから分離された液体である液水が貯められる。排気排水部３８３は、内部空間３８２に貯められた液水を集めて、連通路３８４及び排出バルブ３９５を介して放出流路３９０へ排出する。また、内部空間３８２に流入したアノードオフガスを連通路３８４及び排出バルブ３９５を介して放出流路３９０へ排出する。
【００２４】
気液分離器３８０のケーシング３８１の上部の開口部３８５に水素ガスポンプ（ＨＰ）３７０の吸入口３７１が接続されている。内部空間３８２に流入し、液水が分離されたアノードオフガスは、開口部３８５および吸入口３７１を介して水素ガスポンプ３７０に吸気され、排出口３７２から排気されて、燃料電池１００へ再供給される。内部空間３８２は、還流路３３０の一部を構成し、アノードオフガスが流通する流路として機能する。なお、図２に示した実線の矢印は、気液分離器３８０の内部空間３８２における気流の概要を示している。
【００２５】
熱流量センサ４００は、ケーシング３８１の内部空間３８２側の側面３８６に設けられている。熱流量センサ４００は、アノードオフガスが流通する流路としての内部空間３８２における熱流量を検出する。また、熱流量センサ４００は、水没して熱流量の検出が不可となることで、内部空間３８２内に貯まった液水の水位を検出する水位センサとしても機能する。
【００２６】
図３は、気液分離器３８０の内部空間３８２側の側面３８６に設けられた熱流量センサ４００を拡大して示す模式図である。熱流量センサ４００は、内部空間３８２を流れるガスＦｈｇによってセンサ基板４０１の厚さ方向に発生する熱流束ｑにより生じる、内部空間３８２側の表面４０２の温度と、側面３８６に接する裏面４０３の温度との間の温度差に起因して、ゼーベック効果による起電力を発生し、この起電力を熱流束ｑの検出信号として検出する。熱流束ｑは単位面積当たりの熱流量である。従って、熱流量センサ４００は熱流量Ｑを検出する。なお、熱流量センサ４００は、表面４０２に熱電対によって構成される検出部４０４，４０５を有しており、検出部４０５，４０６が温度差によって発生する起電力を、熱流束ｑの検出信号として検出することができ、内部空間３８２内の熱流量Ｑを検出することができる。
【００２７】
基本的には、以下で説明するように、熱流量センサ４００で検出される熱流量から、気液分離器３８０の内部空間３８２を流れるアノードオフガスに含まれる水素ガスの濃度（水素濃度）を検出することができる。
【００２８】
図４は、インジェクタ３６０の噴射周期と熱流量センサ４００の出力と圧力センサ３２２の出力との基本的な関係を示す説明図である。インジェクタ３６０は、噴射周期ＴｉのＯＮ期間（噴射期間）Ｔｏｎで水素ガスを噴射し、ＯＦＦ期間（非噴射期間）Ｔｏｆｆでは水素ガスを噴射しない。水素ガス流路内には、水素ガスの噴射／非噴射に応じたガス流動が発生し、これに応じて、図４に示すように、熱流量センサ４００が検出する熱流束（熱流量）が変動し、熱流量センサ４００の出力電圧が変動する。熱流量の変動量は、気液分離器３８０の内部空間３８２を流れるアノードオフガスの水素濃度によって変化する。具体的には、水素濃度が高いほどガスの熱伝達率が大きくなるため熱流量が大きくなり、熱流量の変動量、すなわち、出力電圧の変動量Ｖｈｆ（以下、単に「熱流量の変動量Ｖｈｆ］とも呼ぶ）も大きくなる。従って、基本的には、予め、熱流量の変動量Ｖｈｆと水素濃度との関係を求めておけば、熱流量の変動量Ｖｈｆに対応する水素濃度を求めることができる。
【００２９】
しかしながら、インジェクタ３６０の噴射／非噴射に応じて、水素ガス流路の圧力も変動する。具体的には、図４に示すように、噴射期間Ｔｏｎで圧力は上昇し、非噴射期間Ｔｏｆｆで圧力は降下する。この圧力の変化は水素ガス流路内の温度変化をもたらす。具体的には、圧力の上昇が大きいほどガスの温度が高くなる。従って、熱流量の変動量は、圧力変動による温度変動の影響を受けるため、単純に熱流量の変動量(出力電圧の変動量）から、精度良く水素濃度を求めることはできない。
【００３０】
そこで、熱流量センサ４００の出力電圧の変動量（熱流量の変動量）Ｖｈｆに代えて、熱流量の変動量Ｖｈｆを圧力センサ３２２の圧力の変動量Ｖｐで割った熱流量変動率Ｖｈｆ／Ｖｐを用いれば、圧力変動による温度変動の影響を除外することが可能である。なお、この熱流量変動率Ｖｈｆ／Ｖｐが「熱流量の変動量と圧力の変動量との相関を示す相関値」に相当する。以下では、熱流量変動率Ｖｈｆ／Ｖｐを「相関値Ｖｈｆ／Ｖｐ」とも呼ぶ。
【００３１】
図５は、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐと水素濃度Ｈｃとの関係の一例を示すグラフである。熱流量の変動量（熱流量センサ４００の出力電圧の変動量）と同様に、水素濃度Ｈｃが高いほど、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐは大きくなる。従って、予め、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐと水素濃度Ｈｃとの関係を求めておけば、その関係を参照することにより、求めた相関値Ｖｈｆ／Ｖｐに対応する水素濃度Ｈｃを求めることができる。
【００３２】
以上説明したように、基本的には、熱流量センサ４００で検出される出力電圧の変動量（熱流量の変動量）と、圧力センサ３２２で検出される圧力の変動量と、の熱流量変動率（相関値）から、気液分離器３８０の内部空間３８２を流れるアノードオフガスの水素濃度を検出することができる。
【００３３】
しかしながら、上記の基本的な水素濃度検出では、以下で説明するように、燃料電池システム１０の負荷が変動する場合に対して十分ではない。図６は、燃料電池システム１０の負荷が変動する場合の問題点について示す説明図である。
【００３４】
燃料電池システム１０では、上述したように、要求される負荷に応じた噴射周期でインジェクタ３６０が水素ガスを噴射する。負荷が大きいほど周期を短くして噴射回数を多くすることにより、水素ガスの噴射量を増大させる。図６に示したように、負荷が小さく噴射周期が比較的長い第１の噴射周期Ｔｉ１においては、熱流量センサ４００の出力電圧は、噴射期間Ｔｏｎ１では熱流量の上昇に応じて高くなり、その後の非噴射期間Ｔｏｆｆ１では熱流量の低下に応じて低くなり、本来の熱流量の変動量に対応する変動量Ｖｈｆ１で変動する。これに対して、負荷が大きく噴射周期が比較的短い第２の噴射周期Ｔｉ２（＜Ｔｉ１）においては、熱流量センサ４００の出力電圧は、噴射期間Ｔｏｎ２（＝Ｔｉｏ１）では第１の噴射周期Ｔｉ１と同様に熱流量の上昇に応じて高くなるが、その後の非噴射期間Ｔｏｆｆ２（＜Ｔｏｆｆ１）では本来の値まで低下る前に次の噴射周期の噴射期間となる。このため、第２の噴射周期Ｔｉ２における熱流量の変動量に対応する熱流量センサ４００の出力電圧の変動量Ｖｈｆ２は、本来の変動量Ｖｈｆ１よりも小さくなる。この変動量の減少は、噴射周期が短くなるほど大きくなる。このため、上記の基本的な水素濃度の検出では、負荷の変動による噴射周期の変動によって検出される水素濃度が変動し、精度良く水素濃度を検出することができない。
【００３５】
そこで、第１実施形態の水素濃度の検出では、以下で説明するように、噴射周期の変動の影響を抑制して、精度良く水素濃度を検出する。
【００３６】
図７は、第１実施形態における水素濃度検出の手順を示すフローチャートである。この水素濃度検出は、制御装置６００の水素濃度検出部６３０によって実行される。ステップＳ１０では、水素濃度検出部６３０は、現在の噴射周期Ｔｉを求める。これは、負荷に応じて設定される噴射周期ＴｉをＦＣ制御部６１０から取得することで行なうことができる。そして、ステップＳ２０では、水素濃度検出部６３０は、現在の噴射周期Ｔｉにおいて発生する熱流量の変動量として、熱流量センサ４００の出力電圧の変動量（熱流量の変動量）Ｖｈｆを求めるとともに、圧力センサ３２２によって、噴射周期Ｔｉにおいて発生する水素ガス流路の圧力の変動量Ｖｐを求める。また、ステップＳ３０では、水素濃度検出部６３０は、求めた熱流量の変動量Ｖｈｆと圧力の変動量Ｖｐとの相関値Ｖｈｆ／Ｖｐを求める。そして、ステップＳ４０では、水素濃度検出部６３０は、求めた相関値Ｖｈｆ／Ｖｐおよび噴射周期Ｔｉに対応する水素濃度Ｈｃを求める。これは、例えば、以下で説明するようにして行なうことができる。
【００３７】
図８は、水素濃度ｘ［％］毎の噴射周期Ｔｉと相関値Ｖｈｆ／Ｖｐとの関係の一例を示すグラフである。予め、噴射周期Ｔｉと相関値Ｖｈｆ／Ｖｐとの関係特性Ｌｘを水素濃度ｘ［％］毎に求めておき、これを参照することにより、ステップＳ４０で求めた相関値Ｖｈｆ／Ｖｐと噴射周期Ｔｉに対応する水素濃度Ｈｃを求めることができる。例えば、図８に示すように、Ｖｈｆ／Ｖｐ＝Ｖ１、Ｔｉ＝Ｔ１であった場合、これらの交点ＣＰ１を含む関係特性Ｌｘを探し、その水素濃度ｘを、求めた相関値Ｖｈｆ／Ｖｐ＝Ｖ１および噴射周期Ｔｉ＝Ｔ１に対応する水素濃度Ｈｃとする。本例では、交点ＣＰ１は関係特性Ｌｘ＝Ｌ４０上の点であるので、水素濃度Ｈｃを４０％と求めることができる。
【００３８】
また、図８に示すように、Ｖｈｆ／Ｖｐ＝Ｖ２、Ｔｉ＝Ｔ２の交点ＣＰ２であった場合、これらの交点ＣＰ２を含む関係特性Ｌｘは無く、交点ＣＰ２は上下２つの関係特性Ｌ５０，Ｌ６０で挟まれている。このような場合には、例えば、下側の関係特性Ｌ５０のＴｉ＝Ｔ２における値Ｌ５０（Ｔ２）と、上側の関係特性Ｌ６０のＴｉ＝Ｔ２における値Ｌ６０（Ｔ２）と、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐ＝Ｖ２との相対関係による線形補間を用いて、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐ＝Ｖ２に対応する水素濃度Ｈｃを求めることができる。なお、補間方法は線形補間に限定されるものではなく、種々の一般的な補間法を用いてもよい。
【００３９】
第１実施形態では、上記のように、水素濃度検出部６３０は、負荷の変化に応じて変化する噴射周期Ｔｉ、および、その噴射周期Ｔｉにおける熱流量の変動量Ｖｈｆと圧力の変動量Ｖｐとの相関値Ｖｈｆ／Ｖｐ、を求める。そして、予め用意された、複数の水素濃度のそれぞれについての、噴射周期Ｔｉと、熱流量の変動量Ｖｈｆと圧力の変動量Ｖｐとの相関値Ｖｈｆ／Ｖｐと、の関係（図８）から、求めた噴射周期Ｔｉおよび相関値Ｖｈｆ／Ｖｐに対応する水素ガスの濃度Ｈｃを求める。これにより、噴射周期の変化の影響を抑制して、精度良く水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求めることができる。
【００４０】
Ｂ．第２実施形態：
図９は、第２実施形態における水素濃度検出の手順を示すフローチャートである。第２実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０（図１参照）と同じである。第２実施形態の燃料電池システムが異なっているのは、制御装置６００の水素濃度検出部６３０によって実行される水素濃度検出が、図９に示した水素濃度検出に変更されている点である。
【００４１】
第１実施形態の水素濃度検出と同様に、水素濃度検出部６３０は、ステップＳ１０で現在の噴射周期Ｔｉを求め、ステップＳ２０で現在の噴射周期Ｔｉにおける熱流量の変動量Ｖｈｆおよび圧力の変動量Ｖｐを求め、ステップＳ３０で相関値Ｖｈｆ／Ｖｐを求める。
【００４２】
そして、ステップＳ３５で、水素濃度検出部６３０は、求めた相関値Ｖｈｆ／Ｖｐを噴射周期Ｔｉに応じて補正し、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）を求める。これは、例えば、以下で説明するようにして行なうことができる。
【００４３】
図１０は、噴射周期Ｔｉと減少率ｋｒとの関係の一例を示すグラフである。減少率ｋｒは、噴射周期Ｔｉが長くなって相関値Ｖｈｆ／Ｖｐが減少しない一定の大きさとなった場合の相関値Ｖｈｆ／Ｖｐを基準値として、基準値に対する各噴射周期Ｔｉにおける相関値Ｖｈｆ／Ｖｐの比を示している。予め、噴射周期Ｔｉと減少率ｋｒとの関係を求めておき、これを参照することにより、ステップＳ１０で求めた噴射周期Ｔｉに対応する減少率ｋｒを求める。そして、ステップＳ３０で求めた相関値Ｖｈｆ／Ｖｐを、求めた減少率ｋｒで除算することで、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）＝［（Ｖｈｆ／Ｖｐ）／ｋｒ］を求めることができる。
【００４４】
そして、ステップＳ４０Ｂでは、水素濃度検出部６３０は、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）に対応する水素濃度Ｈｃを求める。例えば、予め、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐと水素濃度Ｈｃとの関係（図５参照）を求めておき、この関係を参照することにより、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）に対応する水素濃度Ｈｃを求めることができる。
【００４５】
第２実施形態では、上記のように、水素濃度検出部６３０は、負荷の変化に応じて変化する噴射周期Ｔｉに応じて、その噴射周期Ｔｉにおける熱流量の変動量Ｖｈｆと圧力の変動量Ｖｐとの相関値Ｖｈｆ／Ｖｐを、予め用意された噴射周期Ｔｉと減少率ｋｒとの関係（図１０参照）に従って補正し、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）を得る。そして、予め用意された、噴射周期Ｔｉと水素濃度Ｈｃとの関係（図５参照）に従って、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）に対応する水素濃度Ｈｃを求めている。これにより、第１実施形態と同様に、噴射周期の変化の影響を抑制して、精度良く水素ガス流路内の水素ガスの濃度を求めることができる。
【００４６】
なお、上記補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）は、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐを減少率ｋｒで除算することで、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）＝［（Ｖｈｆ／Ｖｐ）／ｋｒ］を求めているが、減少率の逆数を補正率ｋｃとして、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐに補正率ｋｃを乗算することで、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）＝［（Ｖｈｆ／Ｖｐ）・ｋｃ］を求めるようにしてもよい。
【００４７】
Ｃ．第３実施形態：
図１１は、第３実施形態における排出バルブ制御の手順を示すフローチャートである。第３実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０（図１参照）と同じである。第３実施形態の燃料電池システムが異なっているのは、制御装置６００の排出バルブ制御部６２０によって実行される排出バルブ制御が、図１１に示した排出バルブ制御となっている点である。なお、この排出バルブ制御は、ＦＣ制御部６１０による燃料電池１００の動作の制御が実行されている間、排出バルブ制御部６２０によって繰り返し実行される。
【００４８】
ステップＳ１１０では、排出バルブ制御部６２０は、水素濃度検出部６３０に気液分離器３８０を流れるアノードオフガスの水素濃度の検出を実行させる。この水素濃度検出は、第１実施形態の水素濃度検出（図７参照）あるいは第２実施形態の水素濃度検出（図９）によって実行される。ステップＳ１２０では、排出バルブ制御部６２０は、水素濃度が予め定められた濃度下限値に到達したか否か判断する。なお、濃度下限値は、例えば、負荷に応じた発電を燃料電池１００に実行させるために必要な水素ガス量を考慮して決定すればよい。そして、水素濃度が濃度下限値に到達するまで、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１１０の水素濃度検出を繰り返し実行させる（ステップＳ１２０：ＮＯ）。これに対して、水素濃度が低下して濃度下限値に到達した場合には（ステップＳ１２０：ＹＥＳ）、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１３０で排出バルブ３９５を開放させる。排出バルブ３９５が開放されることにより、濃度下限値に到達するまで水素濃度が低下したアノードオフガスが気液分離器３８０から排出される。また、この際、インジェクタ３６０から水素ガス流路内に、負荷に応じた噴射周期で水素ガスが噴射されるため、これに応じて水素ガス流路内の水素濃度は増加していく。
【００４９】
次に、ステップＳ１４０では、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１１０と同様に、水素濃度検出部６３０に水素濃度検出を実行させる。そして、ステップＳ１５０では、排出バルブ制御部６２０は、水素濃度が予め定められた濃度上限値に到達したか否か判断する。なお、濃度上限値は、負荷に応じた燃料電池１００の発電に十分な水素ガス量や、インジェクタ３６０による水素ガスの噴射量、燃料電池１００の消費水素ガス量、排出バルブ３９５からの排出水素ガス量、等を考慮して、燃料電池１００で必要な水素ガス量を確保しつつ、無駄な排出水素ガス量の低減が可能な値に決定されればよい。そして、水素濃度が濃度上限値に到達するまで、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１４０の水素濃度検出を繰り返し実行させる(ステップＳ１５０：ＮＯ）。これに対して、水素濃度が上昇して濃度上限値に到達した場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１６０で排出バルブ３９５を閉鎖させる。
【００５０】
上記排出バルブ制御の処理が繰り返し実行されることにより、気液分離器３８０を流れるアノードオフガスの水素濃度が濃度下限値〜濃度上限値の範囲となるように、排出バルブ３９５の開閉が制御される。これにより、水素ガス流路内を流れるガスに含まれる水素濃度が、燃料電池１００の運転に必要な状態内となるように制御することができる。また、あらかじめ定めた濃度上限値に到達した場合に排出バルブ３９５を閉鎖することにより、排出バルブ３９５が開放されることで不純物とともに排出されてしまう無駄な水素ガス量を低減することが可能である。
【００５１】
Ｄ．第４実施形態：
図１２は、第４実施形態における排出バルブ制御の手順を示すフローチャートである。第４実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システム１０（図１参照）と同じである。第４実施形態の燃料電池システムが異なっているのは、制御装置６００の排出バルブ制御部６２０によって実行される排出バルブ制御が、図１２に示した排出バルブ制御となっている点である。なお、この排出バルブ制御は、ＦＣ制御部６１０による燃料電池１００の動作の制御が実行されている間、排出バルブ制御部６２０によって繰り返し実行される。
【００５２】
第３実施形態の排出バルブ制御（図１１）と同様に、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１２０で水素濃度が濃度下限値に到達したと判断するまで、ステップＳ１１０の水素濃度検出を繰り返し実行させる。そして、水素濃度が低下して濃度下限値に到達した場合に、ステップＳ１３０で排出バルブ３９５を開放させる。
【００５３】
次に、排出バルブ制御部６２０は、ステップＳ１４５で予め定めた時間が経過するまで待機し、ステップＳ１６０で排出バルブ３９５を閉鎖させる。ここで、排出バルブ３９５が開放されている間における、インジェクタ３６０による水素ガスの噴射量と、燃料電池１００で消費される水素ガス量と、排出バルブ３９５からの排出水素ガス量と、の関係で、水素濃度の上昇量が変化する。このため、あらかじめ定めた時間は、これらを考慮して設定されることが好ましい。例えば、あらかじめ定めた時間を、第３実施形態で説明した濃度上限値まで到達することが推定される時間とすれば、第３実施形態と同様に、水素濃度が濃度下限値〜濃度上限値と推定される濃度の範囲となるように、制御される。
【００５４】
上記排出バルブ制御の処理が繰り返し実行されることにより、排出バルブ３９５の開閉が制御され、気液分離器３８０を流れるアノードオフガスの水素濃度が濃度下限値以上となるように制御される。これにより、水素ガス流路内を流れるガスに含まれる水素ガスの濃度が、燃料電池１００の運転に必要な状態となるように制御される。また、あらかじめ定めた時間で排出バルブ３９５を閉鎖することにより、排出バルブ３９５が開放されることで不純物とともに排出されてしまう無駄な水素ガス量を低減することが可能である。また、第３実施形態の排出バルブ制御では、水素濃度を濃度下限値と濃度上限値で監視していたが、第４実施形態の排出バルブ制御では、濃度下限値のみで水素濃度を監視すればよく、排出バルブ制御を簡易化することができる。
【００５５】
Ｅ．第５実施形態：
図１３は、第５実施形態における燃料電池システム１０Ｅの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０Ｅは、第１実施形態の燃料電池システム１０において気液分離器３８０の内部に設けられた熱流量センサ４００を、燃料電池１００の排出側の水素ガス流通路１０２ｂの出口側端部に設けられている例を示している。この位置に熱流量センサ４００を設けても、気液分離器３８０の内部に設けた場合と同様に、水素ガス流通路１０２ｂの熱流量センサ４００が設けられた位置を流れるアノードオフガスの熱流量の変動を検出することができる。そして、水素濃度検出部６３０が第１実施形態あるいは第２実施形態で説明した水素濃度検出を行なえば、そのガスに含まれる水素ガスの濃度を検出することができる。また、排出バルブ制御部６２０が第３実施形態あるいは第４実施形態で説明した排出バルブ制御を行なえば、排出バルブ３９５の開閉制御を行なうことが可能である。
【００５６】
なお、燃料電池１００の排出側の水素ガス流通路１０２ｂ内において、熱流量センサ４００が設けられる位置は、図１３に示した位置に限らず、排出側の水素ガス流通路１０２ｂ内のいずれの位置としてもよい。
【００５７】
Ｆ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態において実施することが可能であり、例えば次のような形態での実施も可能である。
【００５８】
（１）第１実施形態では、噴射周期Ｔｉに応じて熱流量の変動量が変化する（図６参照）ことから、噴射周期Ｔｉと相関値Ｖｈｆ／Ｖｐとの関係（図８参照）を用いて水素濃度Ｈｃを求めることとした。また、第２実施形態では、噴射周期Ｔｉと減少率ｋｒの関係（図１０）を用いて相関値Ｖｈｆ／Ｖｐを補正し、補正相関値Ｃ（Ｖｈｆ／Ｖｐ）に対応する水素濃度Ｈｃを、相関値Ｖｈｆ／Ｖｐと水素濃度Ｈｃの関係（図５参照）を用いて求めることとした。しかしながら、熱流量の変動量の変化は、図６で説明したように、噴射周期Ｔｉの変化に応じた非噴射期間（ＯＦＦ期間）Ｔｏｆｆに応じて変化していると言える。従って、噴射周期Ｔｉの変化は非噴射期間Ｔｏｆｆの変化として扱うことが可能であり、噴射周期Ｔｉを非噴射期間Ｔｏｆｆとして扱うことが可能である。
【００５９】
（２）第５実施形態では、排出側の水素ガス流通路１０２ｂ内に熱流量センサ４００を設けた構成を例に示したが、供給側の水素ガス流通路１０２ａ内に熱流量センサ４００を設けた構成としてもよい。すなわち、熱流量センサ４００を設ける位置は、インジェクタ３６０の水素ガスの噴射周期に応じて変動するガス流動があり、かつ、液水に水没して熱流量の検出が不可とならない位置であれば、水素ガス流路内のいずれの位置としてもよい。これによれば、水素ガス流路内の熱流量センサ４００が設けられた位置を流れるガスの熱流量の変動を検出することができる。そして、第１，第２実施形態で説明した水素濃度検出を適用すれば、そのガスに含まれる水素ガスの濃度を検出することができる。また、第３，第４実施形態で説明した排出バルブ制御を適用すれば、排出バルブ３９５の開閉制御を行なうことが可能である。
【００６０】
（３）上記実施形態では、車両に搭載された燃料電池システムを例に説明したが、これに限定されるものではなく、電力を動力発生装置（駆動モータ）の動力源とする種々の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。また、移動体に搭載される燃料電池システムだけでなく、定置型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００６１】
本発明は、上述の実施形態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、或いは、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。
【符号の説明】
【００６２】
１０…燃料電池システム
１０Ｅ…燃料電池システム
１００…燃料電池
１０２ａ…供給側の水素ガス流通路
１０２ｂ…排出側の水素ガス流通路
１１０…単セル
２００…空気供給系
２１０…酸素供給流路
２２０…放出流路
２３０…コンプレッサー
２４０…排出流量調整バルブ
３００…水素ガス供給系
３１０…水素ガスタンク
３２０…水素ガス供給路
３２２…圧力センサ
３３０…還流路
３４０…開閉バルブ
３５０…調圧バルブ
３６０…インジェクタ
３７０…水素ガスポンプ
３７１…吸入口
３７２…排出口
３８０…気液分離器
３８１…ケーシング
３８２…内部空間
３８３…排気排水部
３８４…連通路
３８５…開口部
３８６…側面
３９０…放出流路
３９５…排出バルブ
４００…熱流量センサ
４０１…センサ基板
４０２…表面
４０３…裏面
４０４…検出部
４０５…検出部
６００…制御装置
６１０…ＦＣ制御部
６２０…排出バルブ制御部
６３０…水素濃度検出部
Ｄｈ…水平方向
Ｄｖ…鉛直方向
ｑ…熱流束
Ｑ…熱流量
Ｔｉ…噴射周期
Ｔｏｎ…噴射期間（ＯＮ期間）
Ｔｏｆｆ…非噴射期間（ＯＦＦ期間）
Ｖｈｆ…出力電圧の変動量（熱流量の変動量）
Ｖｐ…圧力の変動量
Ｖｈｆ／Ｖｐ…相関値（熱流量変動率）
Ｈｃ…水素濃度
Ｔｉ１，Ｔｉ２…噴射周期
Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２…噴射期間
Ｔｏｆｆ１，Ｔｏｆｆ２…非噴射期間
Ｖｈｆ１，Ｖｈｆ２…出力電圧の変動量
Ｖｐ１，Ｖｐ２…圧力の変動量
Ｖ１，Ｖ２…相関値
Ｔ１，Ｔ２…噴射周期
ＣＰ１，ＣＰ２…交点
ｘ…水素濃度
Ｌｘ…関係特性
Ｌ４０，Ｌ５０，Ｌ６０…関係特性
ｋｒ…減少率
ｋｃ…補正率
【図１】
2019129014.tif 000003
【図２】
2019129014.tif 000004
【図３】
2019129014.tif 000005
【図４】
2019129014.tif 000006
【図５】
2019129014.tif 000007
【図６】
2019129014.tif 000008
【図７】
2019129014.tif 000009
【図８】
2019129014.tif 000010
【図９】
2019129014.tif 000011
【図１０】
2019129014.tif 000012
【図１１】
2019129014.tif 000013
【図１２】
2019129014.tif 000014
【図１３】
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