(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス流路（３５ａ）に１種類のガスを供給する供給装置（３２）と、前記供給装置から前記ガス流路に供給される１種類のガスの供給量を調整するガス流量調整部（３３）とを備える制御システムに適用され、
前記ガス流路内の熱流量を検出する第１センサ（３６）と、
前記ガス流路内の圧力を示す圧力情報を検出する第２センサ（３７）と、
前記ガス流量調整部を制御して前記供給装置から前記ガス流路内に前記１種類のガスを周期的に供給することにより、前記１種類のガスと熱伝導率が異なる他の種類のガスと前記１種類のガスとを少なくとも含む混合ガスの圧力を前記ガス流路内で周期的に変化させる圧力制御部（Ｓ１０１）と、
前記混合ガスの圧力が前記ガス流路内で周期的に変化した際の前記圧力の変化量と前記熱流量の変化量とを前記第１センサの検出値と前記第２センサの検出値とに基づいて求め、この求められた前記熱流量の変化量と前記圧力の変化量との相関に基づいて前記１種類のガスの濃度を求める算出部（Ｓ１００）と、を備えるガス成分検出装置。
【請求項２】
前記ガス流路内の温度を検出する温度センサ（３８）を備え、
前記算出部は、前記温度センサの検出温度と前記熱流量の変化量と前記圧力の変化量とに基づいて前記１種類のガスの濃度を求める請求項１に記載のガス成分検出装置。  
【請求項３】
前記第２センサは、前記ガス流路内の圧力を前記圧力情報として検出する圧力センサである請求項１または２に記載のガス成分検出装置。  
【請求項４】
前記第２センサは、前記ガス流路内の混合ガスの流量を前記圧力情報として検出する流量センサである請求項１または２に記載のガス成分検出装置。  
【請求項５】
前記第１センサと前記第２センサとが前記ガス流路内で相違する箇所に配置されている請求項１ないし４のいずれかに記載のガス成分検出装置。  
【請求項６】
前記１種類のガスは、水素ガスであり、
前記第１センサは、
前記熱流量を検出する検出体（３６ａ）と、
前記検出体を前記水素から保護するとともに撥水性を有する保護膜（３６ｄ）と、を備える請求項１ないし５のいずれか１つに記載のガス成分検出装置。
【請求項７】
前記第１センサは、熱伝導率をλとする検出体（３６）を備え、
前記検出体のうち熱の流れ方向の上流側部位の温度をＴ１とし、前記検出体のうち前記熱の流れ方向の下流側部位の温度をＴ２とし、前記熱の流れ方向において前記上流側部位と前記下流側部位との間の距離をｄとしたときに、前記熱流量はλ×（Ｔ１−Ｔ２）／ｄである請求項１ないし６のいずれか１つに記載のガス成分検出装置。
【請求項８】
ガス流路（３５ａ）に１種類のガスを供給する供給装置（３２）と、
前記供給装置から前記ガス流路に供給される１種類のガスの供給量を調整するガス流量調整部（３３）と、
ガス流路内の熱流量を検出する第１センサ（３６）と、前記ガス流路内の圧力を示す圧力情報を検出する第２センサ（３７）と、前記ガス流量調整部を制御して前記供給装置から前記ガス流路内に前記１種類のガスを周期的に供給することにより、前記１種類のガスと熱伝導率が異なる他の種類のガスと前記１種類のガスとを少なくとも含む混合ガスの圧力を前記ガス流路内で周期的に変化させる圧力制御部（Ｓ１０１）と、前記混合ガスの圧力が前記ガス流路内で周期的に変化した際の前記圧力の変化量と前記熱流量の変化量とを前記第１センサの検出値と前記第２センサの検出値とに基づいて求め、この求められた前記熱流量の変化量と前記圧力の変化量との相関に基づいて前記１種類のガスの濃度を求める算出部（Ｓ１００）と、を有するガス成分検出装置（５０）と、
前記算出部に求められた１種類のガスの濃度に基づいて前記ガス流量調整部を制御することにより、前記供給装置から前記ガス流路に供給される前記１種類のガスの供給量を制御して前記２種類のガスの混合比率を制御する混合比率制御部（Ｓ２１１、Ｓ２１２）と、
を備える制御システム。
【請求項９】
水素ガスが流れる水素ガス流路（３５ａ）と空気が流れる空気流路（１１２）とを有し、前記水素ガスと前記空気に含まれる酸素ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池であって、前記空気流路内の空気に含まれる窒素ガスが前記水素ガス流路内に移動する燃料電池（１０）と、
前記水素ガス流路に前記水素ガスを供給する供給装置（３２）と、
前記供給装置から前記ガス流路に供給される水素ガスの供給量を調整するガス流量調整部（３３）と、
前記水素ガス流路内の熱流量を検出する第１センサ（３６）と、前記水素ガス流路内の圧力を示す圧力情報を検出する第２センサ（３７）と、前記ガス流量調整部を制御して前記供給装置から前記水素ガス流路内に前記水素ガスを周期的に供給することにより、前記水素ガスと前記窒素ガスを含む混合ガスの圧力を前記水素ガス流路内で周期的に変化させる圧力制御部（Ｓ１０１）と、前記圧力制御部が実行される際に、前記圧力の変化量と前記熱流量の変化量とを前記第１センサの検出値と前記第２センサの検出値とに基づいて求め、この求められた前記熱流量の変化量と前記圧力の変化量との相関に基づいて、前記水素ガス、或いは前記窒素ガスの濃度を求める算出部（Ｓ１００）と、を有するガス成分検出装置（５０）と、
前記算出部に求められた濃度に基づいて前記ガス流量調整部を制御することにより、前記供給装置から前記水素ガス流路に供給される前記水素ガスの供給量を制御して前記水素ガスと前記窒素ガスとの混合比率を制御する混合比率制御部（Ｓ１１１、Ｓ１１２）と、
を備える制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス成分検出装置、および制御システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、特許文献１では、試料ガスの濃度を検出するガスセンサが提案されている。
【０００３】
このガスセンサは、参照ガスが流れる第１室と、試料ガスが流れる第２室を有する恒温ベースと、第１室に配置されて参照ガスに関連する抵抗値を検出する参照側抵抗体を備える。
【０００４】
さらに、第２室には、試料ガスの濃度に関連する抵抗値を検出する試料側抵抗体が配置されている。恒温ベースでは、参照側抵抗体と試料側抵抗体の温度を所定温度に維持する制御が実施され、参照側抵抗体と試料側抵抗体の抵抗値の差に基づいて試料ガスの濃度が検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−２２６９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１のガスセンサは、試料ガスが流れる第２室以外に参照ガスが流れる第１室が必要で、さらに参照側抵抗体を第１室に配置することが必要になる。これに加えて、参照側抵抗体と試料側抵抗体の温度を所定温度に維持する温度制御機構が必要となり、センサの構造が複雑になる。
【０００７】
本発明は上記点に鑑みて、混合ガスに含まれる１種類のガスの濃度を簡素な構造で求めるガス成分検出装置、およびこのガス成分検出装置を用いた制御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】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ガス流路（３５ａ）に１種類のガスを供給する供給装置（３２）と、供給装置からガス流路に供給される１種類のガスの供給量を調整するガス流量調整部（３３）とを備える制御システムに適用され、
ガス流路内の熱流量を検出する第１センサ（３６）と、
ガス流路内の圧力を示す圧力情報を検出する第２センサ（３７）と、
ガス流量調整部を制御して供給装置からガス流路内に１種類のガスを周期的に供給することにより、１種類のガスと熱伝導率が異なる他の種類のガスと１種類のガスとを少なくとも含む混合ガスの圧力をガス流路内で周期的に変化させる圧力制御部（Ｓ１０１）と、
混合ガスの圧力がガス流路内で周期的に変化した際の圧力の変化量と熱流量の変化量とを第１センサの検出値と第２センサの検出値とに基づいて求め、この求められた熱流量の変化量と圧力の変化量との相関に基づいて１種類のガスの濃度を求める算出部（Ｓ１００）と、を備える。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、ガス成分検出装置は、第１室、参照側抵抗、温度制御機構が必要なく、第１センサ、第２センサ、および算出部によってガス成分検出装置が構成される。このため、ガスの濃度を求めるガス成分検出装置を簡素な構造で実現することができる。
【００１０】
請求項８に記載の発明では、制御システムにおいて、ガス流路に１種類のガスを供給する供給装置（３２）と、
供給装置からガス流路に供給される１種類のガスの供給量を調整するガス流量調整部（３３）と、
ガス流路（３５ａ）内の熱流量を検出する第１センサ（３６）と、ガス流路内の圧力を示す圧力情報を検出する第２センサ（３７）と、ガス流量調整部を制御して供給装置からガス流路内に１種類のガスを周期的に供給することにより、１種類のガスと熱伝導率が異なる他の種類のガスと１種類のガスとを少なくとも含む混合ガスの圧力をガス流路内で周期的に変化させる圧力制御部（Ｓ１０１）と、混合ガスの圧力がガス流路内で周期的に変化した際の圧力の変化量と熱流量の変化量とを第１センサの検出値と第２センサの検出値とに基づいて求め、この求められた熱流量の変化量と圧力の変化量との相関に基づいて１種類のガスの濃度を求める算出部（Ｓ１００）と、を有するガス成分検出装置（５０）と、
算出部に求められた１種類のガスの濃度に基づいてガス流量調整部を制御することにより、供給装置からガス流路に供給される１種類のガスの供給量を制御して２種類のガスの混合比率を制御する混合比率制御部（Ｓ２１１、Ｓ２１２）と、を備える。
【００１１】
請求項８に記載の発明によれば、ガス成分検出装置は、第１室、参照側抵抗、温度制御機構が必要なく、第１センサ、第２センサ、および算出部によってガス成分検出装置が構成される。このため、ガスの濃度を求めるガス成分検出装置を簡素な構造で実現することができる。
【００１２】
さらに、請求項８に記載の発明によれば、混合ガスに含まれる１種類のガスの濃度を求め、この求めたガスの濃度に基づいて混合ガスに含まれる２種類のガスの混合比率を制御する制御システムを提供することができる。
【００１３】
請求項９に記載の発明では、制御システムにおいて、水素ガスが流れる水素ガス流路（３５ａ）と空気が流れる空気流路（１１２）とを有し、水素ガスと空気に含まれる酸素ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池であって、空気流路内の空気に含まれる窒素ガスが水素ガス流路内に移動する燃料電池（１０）と、
水素ガス流路に水素ガスを供給する供給装置（３２）と、
供給装置からガス流路に供給される水素ガスの供給量を調整するガス流量調整部（３３）と、
水素ガス流路内の熱流量を検出する第１センサ（３６）と、水素ガス流路内の圧力を示す圧力情報を検出する第２センサ（３７）と、ガス流量調整部を制御して供給装置から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、水素ガスと窒素ガスを含む混合ガスの圧力を水素ガス流路内で周期的に変化させる圧力制御部（Ｓ１０１）と、圧力制御部が実行される際に、圧力の変化量と熱流量の変化量とを第１センサの検出値と第２センサの検出値とに基づいて求め、この求められた熱流量の変化量と圧力の変化量との相関に基づいて、水素ガス、或いは窒素ガスの濃度を求める算出部（Ｓ１００）と、を有するガス成分検出装置（５０）と、
算出部に求められた濃度に基づいてガス流量調整部を制御することにより、供給装置から水素ガス流路に供給される水素ガスの供給量を制御して水素ガスと窒素ガスとの混合比率を制御する混合比率制御部（Ｓ１１１、Ｓ１１２）と、を備える。
【００１４】
請求項９に記載の発明によれば、ガス成分検出装置は、第１室、参照側抵抗、温度制御機構が必要なく、第１センサ、第２センサ、圧力制御部、および算出部によってガス成分検出装置が構成される。このため、ガスの濃度を求めるガス成分検出装置を簡素な構造で実現することができる。
【００１５】
さらに、請求項８に記載の発明によれば、混合ガスに含まれる１種類のガスの濃度を求め、この求めたガスの濃度に基づいて混合ガスに含まれる２種類のガスの混合比率を制御する制御システムを提供することができる。
【００１６】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池セルの模式的な断面図である。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池セルの内部の構造を示す模式的な断面図である。
【図４】図１の気液分離器の内部構造を示す模式図である。
【図５】図１の熱流量センサの正面図である。
【図６】図１の熱流量センサの側面図である。
【図７】第１実施形態に係る制御回路の制御処理を示すフローチャートである。
【図８】第１実施形態に係る水素調圧弁の作動を示すタイミングチャートである。
【図９】第１実施形態に係る熱流量と圧力の変化を示すタイミングチャートである。
【図１０】第１実施形態に係る実験に用いる器具を示す図である。
【図１１】第１実施形態に係る実験に用いる器具を示す図である。
【図１２】第１実施形態に係る実験で測定された圧力と熱流量とを示す図である。
【図１３】第１実施形態に係る実験で測定された圧力と熱流量とを示す図である。
【図１４】第１実施形態に係る実験で求められた検定線を示す図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る制御回路の制御処理を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第３実施形態における検定線を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。
【００１９】
（第１実施形態）
本実施形態の燃料電池システム１は、電気自動車の一種である燃料電池車両に適用されているものである。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池１０を備える制御システムである。
【００２０】
燃料電池１０は、水素ガスと空気に含まれる酸素ガスの電気化学反応を利用して電気エネルギを出力するものである。本実施形態では、燃料電池１０として固体高分子型燃料電池を採用している。
【００２１】
燃料電池１０は、発電により発生した直流電力をＤＣ−ＤＣコンバータ（図示略）を介して、主に車両走行用電動モータや二次電池といった電気負荷に供給する。
【００２２】
本実施形態の燃料電池１０は、最小単位となる燃料電池セル１０ａが複数積層されたスタック構造であり、複数の燃料電池セル１０ａを電気的に直列接続した直列接続体として構成されている。
【００２３】
複数の燃料電池セル１０ａは、図２の断面図に示すように、電解質膜１０１の両側を一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂで挟んで構成される膜電極接合体１００、膜電極接合体１００の両側に配置された一対の拡散層１０３ａ、１０３ｂ、これらを挟持するセパレータ１１０で構成されている。
【００２４】
電解質膜１０１は、含水性を有する炭化フッ素系や炭化水素系等の高分子材料により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。
【００２５】
一対の触媒層１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ電極をなすもので、アノード電極を構成するアノード側触媒層１０２ａ、およびカソード電極を構成するカソード側触媒層１０２ｂで構成されている。各触媒層１０２ａ、１０２ｂは、図３の模式図に示すように、触媒作用を発揮する物質（例えば、白金粒子）１０２ｃ、当該物質１０２ｃを担持する担持カーボン１０２ｄ、担持カーボン１０２ｄを被覆するアイオノマー（電解質ポリマー）１０２ｅで構成されている。
【００２６】
拡散層１０３ａ、１０３ｂは、反応ガスを各触媒層１０２ａ、１０２ｂへ拡散させるもので、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質部材（例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス）で構成されている。
【００２７】
セパレータ１１０は、例えば、導電性を有するカーボンや金属等の基材で構成されている。各セパレータ１１０には、アノード側触媒層１０２ａに対向する部位に、水素ガスが流れる水素流路１１１が形成され、カソード側触媒層１０２ｂに対向する部位に、空気が流れる空気流路１１２が形成されている。
【００２８】
複数の燃料電池セル１０ａでは、それぞれ、水素流路１１１内に水素ガス供給され、空気流路１１２に空気が供給される。すると、複数の燃料電池セル１０ａは、それぞれ、以下に示すように、水素流路１１１内の水素ガスおよび空気流路１１２内の酸素ガスの電気化学反応により、電気エネルギを出力する。
【００２９】
（アノード側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（カソード側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池１０には、空気入口部および空気出口部が設けられている。空気入口部は、複数の燃料電池セル１０ａの空気流路１１２に空気を供給するガス入口部を構成している。空気出口部は、複数の燃料電池セル１０ａの空気流路１１２から生成水や不純物を空気とともに排出させるガス出口部を構成している。
【００３０】
燃料電池１０には、空気入口部に空気を供給するための空気供給配管２０が接続されると共に、空気出口部から生成水や不純物を空気とともに外部へ排出するための空気排出配管２１が接続されている。
【００３１】
空気供給配管２０は、その最上流部に大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２２が設けられている。空気ポンプ２２は、空気を圧送する圧縮機構と圧縮機構を駆動する電動モータからなる電動ポンプである。
【００３２】
そして、空気供給配管２０における空気ポンプ２２と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁２３が設けられている。空気調圧弁２３は、空気供給配管２０のうち空気が流通する空気流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。
【００３３】
また、空気排出配管２１には、燃料電池１０内部に存する生成水や不純物等を空気とともに外部へ排出するための電磁弁２４が設けられている。電磁弁２４は、空気排出配管２１のうち空気が排出される空気排出路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。
【００３４】
燃料電池１０には、水素入口部１２ａおよび水素出口部１２ｂが設けられている。水素入口部１２ａは、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１に水素ガスを供給するガス入口部を構成している。水素出口部１２ｂは、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１から未反応水素ガス等を排出させるガス出口部を構成している。未反応水素ガスは、燃料電池１０に供給される水素ガスのうち電気化学反応が行われた水素ガス以外の残りの水素ガスである。
【００３５】
燃料電池１０には、水素入口部１２ａに水素を供給するための水素供給流路を有する水素供給配管３０が接続されると共に、水素出口部１２ｂから微量な未反応水素等を外部へ排出するための水素排出流路を備える水素排出配管３１が接続されている。
【００３６】
水素供給配管３０の最上流部には、高圧水素が充填された高圧水素タンク（供給装置）３２が設けられている。高圧水素タンク３２は、燃料電池１０に供給する水素ガスを蓄える。
【００３７】
水素供給配管３０における高圧水素タンク３２と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３３がガス流量調整部として設けられている。水素調圧弁３３は、水素供給配管３０のうち水素供給流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている電磁弁である。
【００３８】
水素排出配管３１には、微量な未反応水素等を外部へ排出するための電磁弁３４が設けられている。電磁弁３４は、水素排出配管３１のうち水素排出流路の開度を調整する弁体と、この弁体を駆動する電動アクチュエータとから構成されている。
【００３９】
水素排出配管３１において電磁弁３４および燃料電池１０の間には、図４に示すように、気液分離器３５が設けられている。図４に本実施形態の気液分離器３５の内部構造を示す。
【００４０】
気液分離器３５は、水素排出配管３１ａ、３１ｂの間で排ガスを流通させる排ガス流路３５ａを構成する。本実施形態の排ガスは、少なくとも水素ガス、窒素ガスを含む混合ガスである。
【００４１】
ここで、水素排出配管３１のうち気液分離器３５に対して排ガスの流れ方向上流側を水素排出配管３１ａとし、水素排出配管３１のうち気液分離器３５に対して排ガスの流れ方向下流側を水素排出配管３１ｂとする。
【００４２】
気液分離器３５のうち水素排出配管３１ａに接続される入口は、気液分離器３５のうち水素排出配管３１ｂに接続される出口に対して天地方向下側に配置されている。気液分離器３５のうち底部３５ｊには、排水を排出する排出口３１ｃが設けられている。
【００４３】
気液分離器３５内には、邪魔板３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅが設けられている。邪魔板３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅは、排ガス流路３５ａを蛇行させるように形成されている。
【００４４】
具体的には、邪魔板３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅは、それぞれ、天地方向にオフセットして配置されている。邪魔板３５ｂ、３５ｄは、それぞれ、右側側壁３５ｆから突起するように形成されている。邪魔板３５ｃ、３５ｅは、それぞれ、左側側壁３５ｇから突起するように形成されている。
【００４５】
このように構成される気液分離器３５には、水素排出配管３１ａから排ガスに排水が混ざった状態で流れ込む。
【００４６】
そこで、邪魔板３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅを気液分離器３５に配置することにより、邪魔板３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅに流路３５ａ内の排水を衝突させて排水を床側に落として排出口３１ｃから排出させる。一方、排ガスは、流路３５ａを通過して水素排出配管３１ｂに流れる。
【００４７】
このことにより、排ガスと排水とを邪魔板３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅによって分離させて、この分離した状態で排ガスを水素排出配管３１ｂに流して、排水を排出口３１ｃから排出させる。
【００４８】
気液分離器３５内には、熱流量センサ３６、圧力センサ３７、および温度センサ３８が設けられている。熱流量センサ３６、圧力センサ３７、および温度センサ３８は、気液分離器３５のうち邪魔板３５ｂと天井３５ｈとの間において、排ガスの流れ方向の最下流側に配置されている。
【００４９】
このことにより、熱流量センサ３６、圧力センサ３７、および温度センサ３８は、排ガスの流れ方向に直交する右側側壁３５ｆに配置されていることになる。
【００５０】
熱流量センサ３６は、流路３５ａ内の熱流量を検出する第１センサである。具体的には、熱流量センサ３６は、図５に示すように、熱流量を検出するための検出体３６ａと、検出体３６ａからの検出値を制御回路４０に伝達するための電気配線３６ｂとを備える。熱流量センサ３６は、検出体３６ａ、電気配線３６ｂ、および接続部３６ｃを備える。
【００５１】
検出体３６ａは、熱流量を検出するためのものであって、薄膜状に形成されている。検出体３６ａは、その厚み方向が排ガスの流れ方向に一致するように配置されている。
【００５２】
本実施形態では、検出体３６ａのうち熱の流れ方向の上流側部位の温度をＴ１とし、検出体３６ａのうち熱の流れ方向の下流側部位の温度をＴ２とし、熱の流れ方向において上流側部位と下流側部位との間の距離をｄとする。この場合、検出体３６ａの熱伝導率をλとすると、熱流量はλ×（Ｔ１−Ｔ２）／ｄで表すことができる。
【００５３】
本実施形態の検出体３６ａは、多層プリント基板としてのＰＡＬＡＰから構成されている。ＰＡＬＡＰは、「Patterned Prepreg Lay Up Process」の略称である。
【００５４】
電気配線３６ｂは、検出体３６ａの検出値を制御回路４０に伝達するための配線である。接続部３６ｃは、電気配線３６ｂと検出体３６ａとを接続する部位である。
【００５５】
検出体３６ａのうちガスの流れ方向上流側には、図６に示すように、保護膜３６ｄが設けられている。保護膜３６ｄは、検出体３６ａに水素が透過することを防止して検出体３６ａを水素から保護するとともに、撥水性を有する薄膜である。
【００５６】
本実施形態の保護膜３６ｄは、DLC(すなわち、DiamondLikeCarbonの略) 薄膜、セラミック薄膜、或いは、高分子樹脂膜などから構成されている。セラミック薄膜は、酸化チタン、窒化チタン、酸化アルミなどセラミックから構成されている。
【００５７】
また、圧力センサ３７は、気液分離器３５の流路３５ａ内の排ガスの圧力を示す圧力情報を検出する第２センサである。温度センサ３８は、気液分離器３５内の温度を検出するセンサである。
【００５８】
本実施形態では、調圧弁２３、３３および電磁弁２４、３４、および空気ポンプ２２は、制御回路４０によって制御される。制御回路４０は、マイクロコンピュータ、メモリ等によって構成されている。制御回路４０は、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１内の水素ガスの濃度Ｈａを算出する算出処理を実行する。本実施形態の制御回路４０は、圧力センサ３７、および熱流量センサ３６とともに、濃度Ｈａを算出するガス成分検出装置５０を構成する。
【００５９】
次に、本実施形態の濃度Ｈａの算出処理について図７を参照して説明する。図７は、濃度Ｈａの算出処理を示すフローチャートである。
【００６０】
制御回路４０は、図７のフローチャートにしたがって算出処理を実行する。
【００６１】
まず、ステップ１００において、水素調圧弁３３を制御して、高圧水素タンク３２から燃料電池１０へ水素ガスの供給を周期的に行う。具体的には、圧力制御部として、高圧水素タンク３２を制御して高圧水素タンク３２の開弁と閉弁とを交互に繰り返す。
【００６２】
高圧水素タンク３２の開弁とは、高圧水素タンク３２から複数の燃料電池セル１０ａに水素ガスが供給される状態である。高圧水素タンク３２の閉弁とは、高圧水素タンク３２と複数の燃料電池セル１０ａとの間を閉じた状態である。
【００６３】
本実施形態では、高圧水素タンク３２を開弁した時間をＴａとし、高圧水素タンク３２を閉弁した時間をＴｂとしたとき、（Ｔａ＋Ｔｂ）を一定時間である周期Ｔとして、Ｔａ＝Ｔｂ＝Ｔ／２とする（図８参照）。
【００６４】
このように水素調圧弁３３を制御すると、高圧水素タンク３２から水素調圧弁３３を介して複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１内に水素ガスが周期的に供給される。このため、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１内では、水素ガスと窒素ガスとを含む混合ガスの圧力が周期的に変化する。このため、水素流路１１１内の混合ガスの熱流量の熱流量が周期的に変化する。これに伴い、水素排出配管３１内の熱流量と圧力とが、図９に示すように周期的に変化する。
【００６５】
本実施形態では、熱流量センサ３６、および圧力センサ３７が隣接して配置されている。このため、熱流量センサ３６の検出値、および圧力センサ３７の検出値が周期的に同期して変化することになる。
【００６６】
そこで、ステップ１０１において、熱流量センサ３６の検出値に基づいて水素排出配管３１内の熱流量の変化量ａを求める。圧力センサ３７の検出値に基づいて水素排出配管３１内の圧力の変化量ｂを求める。
【００６７】
タイミングｔ１のときの熱流量センサ３６の検出値をＲ（ｔ１）とし、タイミングｔ１のときの圧力センサ３７の検出値をＡ（ｔ１）とし、タイミングｔ２（＞ｔ１）のときの熱流量センサ３６の検出値をＲ（ｔ２）とし、タイミングｔ２のときの圧力センサ３７の検出値をＡ（ｔ２）としたとき、変化量ａ、および変化量ｂは、次の数式１、数式２が成立する。
【００６８】
ａ＝｜Ｒ（ｔ２）−Ｒ（ｔ１）｜・・・・数式１
ｂ＝｜Ａ（ｔ２）−Ａ（ｔ１）｜・・・・数式２
ここで、圧力センサ３７、および熱流量センサ３６は、上述の如く、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１のガス流れ方向の下流側に配置されている。このため、熱流量の変化量ａは、水素流路１１１内の熱流量の変化量とほぼ同一である。圧力の変化量ｂは、水素流路１１１内の圧力の変化量とほぼ同一である。
【００６９】
次に、ステップ１０２において、変化量ａを変化量ｂで割り算して「ａ／ｂ」を算出する。「ａ／ｂ」は、変化量ａと変化量ｂとの相関を示す熱流量変化率を示す。
【００７０】
ここで、水素ガスの熱伝導率は、窒素ガスの熱伝導率に比べて高い。このため、「ａ／ｂ」は、図１０に示すように、水素ガスの濃度Ｈａが高くなるほど、大きくなる。図１０は「ａ／ｂ」と濃度Ｈａとの関係を示す検定線Ｋａを示す。
【００７１】
そこで、本実施形態では、「ａ／ｂ」と濃度Ｈａとの関係を示す検定線Ｋａをメモリに予め記憶しておき、検定線Ｋａと上記ステップ１０２で算出された「ａ／ｂ」とに基づいて実際の濃度Ｈａを求める（ステップ１０３）。
【００７２】
以上説明した本実施形態によれば、ガス成分検出装置５０は、気液分離器３５の流路３５ａ内において互いに熱伝導率が異なる水素ガスと窒素ガスを含む混合ガスの熱流量を検出するための熱流量センサ３６と、流路３５ａ内の混合ガスの圧力を検出するための圧力センサ３７と、制御回路４０とを備える。
【００７３】
制御回路４０は、流路３５ａ内の排ガスの圧力が周期的に変化した際に気液分離器３５の流路３５ａ内の熱流量の変化量ａと流路３５ａ内の圧力の変化量ｂとを熱流量センサ３６の検出値と圧力センサ３７の検出値とに基づいて求める。
【００７４】
制御回路４０は、熱流量の変化量ａと圧力の変化量ｂとの相関を示す熱流量変化率「ａ／ｂ」に基づいて水素ガスの濃度Ｈａを求める。
【００７５】
以上により、ガス成分検出装置５０は、第１室、参照側抵抗、温度制御機構が必要なく、熱流量センサ３６、圧力センサ３７および制御回路４０によってガス成分検出装置５０が構成される。このため、簡素な構造で体格の小型化したガス成分検出装置５０を実現することができる。
【００７６】
本実施形態では、熱流量センサ３６の検出体３６ａのうちガスの流れ方向上流側には、保護膜３６ｄが設けられている。保護膜３６ｄは、検出体３６ａに水素が透過することを防止して検出体３６ａを水素から保護する。これに加えて、保護膜３６ｄは、撥水性を有する薄膜である。したがって、検出体３６ａを水素や水から保護することができる。このため、熱流量センサ３６において、水素と水分が共存する環境における耐久性を向上するとともに、混合ガスの濃度の検出精度を向上することができる。
【００７７】
次に、本実施形態において検定線Ｋを求めるための実験について図１１〜図１４を参照して説明する。
【００７８】
本実験では、水素ガスと窒素ガスとを含む混合ガスを流すためのコ字状の配管６０を用意する。配管６０内には、図１１に示すように、熱流量センサ３６、および圧力センサ３７が配置されている。
【００７９】
配管６０の入口に混合ガスを周期的に供給する。混合ガスは、水素ガスと窒素ガスとから構成されるガスである。このため、配管６０内において混合ガスの圧力が周期的に変化する。
【００８０】
ここで、混合ガスとしては、水素ガスの混合比率が０％、２０％、４０％、６０％、８０％、１００％のそれぞれの６種類用意する。水素ガスの混合比率が０％であるときには水素ガスと窒素ガスとの混合比率は、０：１００である。水素ガスの混合比率が２０％であるときには水素ガスと窒素ガスとの混合比率は、２０：８０である。水素ガスの混合比率が４０％であるときには水素ガスと窒素ガスとの混合比率は、４０：６０である。水素ガスの混合比率が６０％であるときには水素ガスと窒素ガスとの混合比率は、６０：４０である。水素ガスの混合比率が８０％であるときには水素ガスと窒素ガスとの混合比率は、８０：２０である。水素ガスの混合比率が１００％であるときには水素ガスと窒素ガスとの混合比率は、１００：０である。
【００８１】
演算回路７０は、６種類の混合ガスのそれぞれについて熱流量センサ３６の検出値、および圧力センサ３７の検出値を測定した。
【００８２】
ここで、水素ガスの濃度Ｈａが変わると、図１２、図１３に示すように、熱流量センサ３６の検出値の変化量ａが変わる。図１２は、水素ガスの濃度Ｈａが０％である混合ガスの熱流量センサ３６の検出値、および圧力センサ３７の検出値である。図１３は、水素ガスの濃度Ｈａが１００％である混合ガスの熱流量センサ３６の検出値、および圧力センサ３７の検出値である。
【００８３】
演算回路７０は、６種類の混合ガスについて測定された熱流量センサ３６の検出値、および圧力センサ３７の検出値に基づいて、混合比率毎に「ａ／ｂ」を求める。
【００８４】
さらに、演算回路７０は、混合比率毎の「ａ／ｂ」に基づいて検定線Ｋを求める。具体的には、図１４に示す座標上において０％、２０％、４０％、６０％、８０％、１００％のそれぞれの場合の「ａ／ｂ」を示す各ドットを結ぶ近似直線を検定線Ｋとする。図１４は、縦軸を「ａ／ｂ」とし、横軸を検定線Ｋとする座標である。
【００８５】
このように求められる検定線Ｋと熱流量センサ３６の検出値、および圧力センサ３７の検出値と基づいて、水素ガスの濃度Ｈａを求めることができる。
【００８６】
（第２実施形態）
本実施形態では、上記第１、２実施形態で算出された濃度Ｈａを用いて複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１内の水素ガスの濃度Ｈａを制御する例について説明する。
【００８７】
以下、制御回路４０の制御処理について図１５を参照して説明する。図１５は制御処理を示すフローチャートである。制御処理は、燃料電池１０が発電を実施中に、実行される。制御処理は、制御回路４０によって繰り返し実行される。
【００８８】
まず、熱流量センサ３６の検出値や圧力センサ３７の検出値に基づいて排ガスのうち水素が占める濃度Ｈａを算出部として算出する（ステップ２００）。
【００８９】
ここで、複数の燃料電池セル１０ａにおいて水素ガスと酸素ガスの電気化学反応によって発電する際に、水素流路１１１内の水素ガスが電気化学反応により消費される。これに加えて、空気流路１１２内の空気に含まれる窒素ガスが拡散層１０３ａ、１０３ｂ、電解質膜１０１、および触媒層１０２ａ、１０２ｂを透過して水素流路１１１に移動する。これにより、水素流路１１１内の水素ガスの濃度Ｈａが低下する。そして、水素ガスが欠乏した状態で発電すると、アノード側触媒層１０２ａを構成するカーボンやカソード側触媒層１０２ｂを構成するカーボンが酸化して不可逆的に性能が劣化する。
【００９０】
そこで、次のステップ２１０において、濃度Ｈａが閾値以下であるか否かを判定する。濃度Ｈａが閾値以下であるときには、ステップ２１０でＹＥＳと判定して、水素調圧弁３３を一定期間の間に亘って開ける（ステップ２１１）。
【００９１】
このため、高圧水素タンク３２と燃料電池１０との間が一定期間に亘って水素調圧弁３３によって接続される。したがって、一定期間に亘って、高圧水素タンク３２から複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１に水素ガスが供給される。これにより、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１内の水素ガスの濃度Ｈａが上昇する。
【００９２】
一方、濃度Ｈａが閾値以上であるときには、ステップ２１０でＮＯと判定して、水素調圧弁３３を閉じる（ステップ２１２）。このため、高圧水素タンク３２と燃料電池１０との間が水素調圧弁３３によって閉じられる。
【００９３】
このようなステップ２００、およびステップ２１１（或いは、ステップ２１２）が繰り返し行われることにより、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１内の水素ガスの濃度Ｈａを目標値に近づけることができる（混合比率制御部）。これにより、アノード側触媒層１０２ａを構成するカーボンが酸化することを未然に防ぐことができる。
【００９４】
以上説明した本実施形態によれば、制御回路４０は、水素流路１１１内の濃度Ｈａが閾値以下であると判定すると、水素調圧弁３３を開ける。このため、高圧水素タンク３２から複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１に水素ガスが供給される。一方、濃度Ｈａが閾値以上であるとき、水素調圧弁３３を閉じる。これにより、水素流路１１１内の水素ガスと窒素ガスの混合比率を目標値に近づけることができる。
【００９５】
また、燃料電池１０は、上述の如く、水素ガスが欠乏した状態で発電すると、燃料電池セル１０ａのアノード側触媒層１０２ａを構成するカーボンやカソード側触媒層１０２ｂを構成するカーボンが酸化して不可逆的に性能が劣化する。
【００９６】
これに対して、本実施形態では、水素流路１１１内の水素ガスと窒素ガスの混合比率を目標値に近づけることができる。このため、燃料電池１０の発電効率を上昇させることができるので、燃料電池１０の燃費を向上することができる。さらに、水素ガスの欠乏を未然に防ぐことができるので、燃料電池セル１０ａのアノード側触媒層１０２ａの劣化を防ぐことができる。
【００９７】
（第３実施形態）
本第３実施形態では、上記第１実施形態において、制御回路４０が気液分離器３５内の混合ガスの温度に応じて検定線Ｋを変更して、この変更した検定線Ｋとを用いて濃度Ｈａを算出する。
【００９８】
ここで、水素ガスの熱伝導率、および窒素ガスの熱伝導率は、温度によって変わる。このため、混合ガスの温度によって変化量ａと変化量ｂとの相関が変わる。したがって、図１６に示すように、混合ガスの温度によって検定線Ｋが変わる。図１６は、混合ガスが２５℃であるときの検定線Ｋ１と混合ガスが６０℃であるときの検定線Ｋ２とを示す。
【００９９】
そこで、本実施形態の制御回路４０は、複数の温度に対応した複数の検定線Ｋａをメモリに予め記憶しておき、複数の検定線Ｋａのうち温度センサ３８の検出温度に対応する検定線Ｋａを選択し、この選択した検定線Ｋａと図７のステップ１０３で算出された「ａ／ｂ」とに基づいて実際の濃度Ｈａを求める（図７のステップ１０４）。
【０１００】
以上に説明した本実施形態によれば、制御回路４０は、複数の検定線Ｋａのうち混合ガスの温度に対応した検定線Ｋａを選択し、この選択した検定線Ｋａと「ａ／ｂ」とに基づいて実際の濃度Ｈａを求めることができる。これに加えて、制御回路４０は、水素流路１１１内の濃度Ｈａに基づいて水素調圧弁３３を制御することにより、高圧水素タンク３２から水素調圧弁３３を介して複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１に供給される水素ガスの供給量を制御することができる。このため、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１内の水素ガスと窒素ガスの混合比率を目標値に近づけることができる。
【０１０１】
（他の実施形態）
（１）上記第１、第２、第３実施形態では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスに含まれる水素ガスの濃度を求めた例について説明したが、これに代えて、混合ガスに含まれる窒素ガスの濃度を求めてもよい。
【０１０２】
（２）上記第１、第２、第３実施形態では、窒素ガスと水素ガスとを含む混合ガスに含まれる水素ガスの濃度を求めた例について説明したが、これに代えて、混合ガスに含まれる湿度を検出する湿度センサを採用し、この湿度センサの検出湿度を加味して水素ガス（或いは、窒素ガス）の濃度を求めてもよい。
すなわち、湿度センサの検出湿度、熱流量センサ３６の検出値、および圧力センサ３７の検出値に基づいて、混合ガスのうち水蒸気を除いた混合ガスにおいて水素ガス（或いは、窒素ガス）の濃度を求めることになる。
【０１０３】
（３）上記第１、第２、第３実施形態では、ガス成分検出装置５０を燃料電池１０に適用した例について説明したが、これに限らず、燃料電池１０以外の各種の装置にガス成分検出装置５０を適用してもよい。
【０１０４】
（４）上記第１、第２、第３実施形態では、混合ガスとして水素ガスと窒素ガスとを含むガスを用いたが、これに限らず、熱伝導率が異なる少なくとも２種類のガスを含む混合ガスであるならば、水素ガスや窒素ガス以外のガスを含む混合ガスを用いてもよい。
【０１０５】
（５）上記第１、第２、第３実施形態では、気液分離器３５の流路３５ａ内の排ガスの圧力を示す圧力情報を検出する第２センサとして、圧力センサ３７を用いた例について説明したが、これに代えて、第２センサとして、気液分離器３５の流路３５ａ内の排ガスの流量を検出する流量センサを用いてもよい。
【０１０６】
（６）上記第１、第２、第３実施形態では、熱流量センサ３６、圧力センサ３７を隣接して配置した例について説明したが、これに代えて、熱流量センサ３６、圧力センサ３７を互いに相違する箇所に配置してもよい。この場合、熱流量センサ３６の検出値と圧力センサ３７の検出値とが非同期に変化することになる。
【０１０７】
（７）上記第１、第２、第３実施形態では、熱流量センサ３６および圧力センサ３７を気液分離器３５内に配置した例について説明したが、これに代えて、熱流量センサ３６および圧力センサ３７を気液分離器３５内に配置しなくてもよい。
【０１０８】
水素流路１１１内の混合ガスの熱流量や圧力を検出することができるのであれば、熱流量センサ３６および圧力センサ３７の配置位置は、どこでもよい。
【０１０９】
例えば、燃料電池１０において、複数の燃料電池セル１０ａの水素流路１１１のガス流れ方向下流側が集合されるマニホールド内に、熱流量センサ３６および圧力センサ３７を配置してもよい。また、当該マニホールド内に、熱流量センサ３６および圧力センサ３７とともに、温度センサ３８を配置してもよい。
【０１１０】
例えば、水素排出配管３１内部に熱流量センサ３６および圧力センサ３７を配置してもよい。また、水素排出配管３１内部に温度センサ３８を配置してもよい。
【０１１１】
（８）上記第１、第２、第３実施形態では、熱流量センサ３６の検出体３６ａを多層プリント基板（ＰＡＬＡＰ）から構成されている例について説明したが、これに限らず、熱流量センサ３６としては、一般的な熱流量センサを用いてもよい。
【０１１２】
例えば、熱流量センサ３６としては、ＣＡＰＴＥＣ製の熱流束センサ（ＨＦシリーズ）を用いてもよい。
【０１１３】
（９）上記第１、第２、第３実施形態では、気液分離器３５を備える燃料電池システム１を本発明の制御システムとした例について説明したが、これに代えて、気液分離器３５を備えない燃料電池システム１を本発明の制御システムとしてもよい。
【０１１４】
（９）なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。
【０１１５】
（まとめ）
上記各実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、ガス成分検出装置は、ガス流路内の熱流量を検出する第１センサと、ガス流路内の圧力を示す圧力情報を検出する第２センサとを備える。ガス成分検出装置は、熱伝導率が異なる少なくとも２種類のガスを含む混合ガスの圧力がガス流路内で周期的に変化した際の圧力の変化量と熱流量の変化量とを第１センサの検出値と第２センサの検出値とに基づいて求め、この求められた熱流量の変化量と圧力の変化量との相関に基づいて混合ガスを構成する１種類のガスの濃度を求める算出部を備える。
【０１１６】
第２の観点によれば、ガス成分検出装置は、ガス流路内の温度を検出する温度センサを備え、算出部は、温度センサの検出温度と熱流量の変化量と圧力の変化量とに基づいて１種類のガスの濃度を求める。
【０１１７】
したがって、ガス流路内の温度に応じて１種類のガスの濃度を精度よく求めることができる。
【０１１８】
第３の観点によれば、第２センサとして、ガス流路内の圧力を圧力情報として検出する圧力センサを用いても、混合ガスを構成する１種類のガスの濃度を求めることができる。      
【０１１９】
また、第４の観点によれば、第２センサとして、ガス流路内の混合ガスの流量を圧力情報として検出する流量センサを用いても、混合ガスを構成する１種類のガスの濃度を求めることができる。
【０１２０】
第５の観点によれば、第１センサと第２センサとがガス流路内で相違する箇所に配置してもよい。
【０１２１】
第６の観点によれば、１種類のガスは、水素ガスであり、熱流量センサは、熱流量を検出する検出体と、検出体を水素から保護するとともに撥水性を有する保護膜と、を備える。したがって、検出体を水素や水から保護することができる。このため、熱流量センサにおいて、水素と水分が共存する環境における耐久性を向上するとともに、混合ガスの濃度の検出精度を向上することができる。
【０１２２】
第７の観点によれば、第１センサは、熱伝導率をλとする検出体（３６）を備え、
検出体のうち熱の流れ方向の上流側部位の温度をＴ１とし、検出体のうち熱の流れ方向の下流側部位の温度をＴ２とし、熱の流れ方向において上流側部位と下流側部位との間の距離をｄとしたときに、熱流量はλ×（Ｔ１−Ｔ２）／ｄである。
【０１２３】
第８の観点によれば、制御システムは、ガス成分検出装置と、１種類のガスをガス流路に供給する供給装置と、供給装置からガス流路に供給される１種類のガスの供給量を調整するガス流量調整部と、算出部に求められた１種類のガスの濃度に基づいてガス流量調整部を制御することにより、供給装置からガス流路に供給される１種類のガスの供給量を制御して２種類のガスの混合比率を制御する混合比率制御部とを備える。
【０１２４】
第９の観点によれば、制御システムは、ガス成分検出装置と、算出部に求められた濃度に基づいてガス流量調整部を制御することにより、供給装置から水素ガス流路に供給される水素ガスの供給量を制御して水素ガスと窒素ガスとの混合比率を制御する混合比率制御部とを備える。
【符号の説明】
【０１２５】
１    燃料電池システム
１０    燃料電池
３２    高圧水素タンク
３３    水素調圧弁
３６    熱流量センサ
３７    圧力センサ
３８    温度センサ
４０    制御回路
５０    ガス成分検出装置
【図１】
0006455400.tif 000002
【図２】
0006455400.tif 000003
【図３】
0006455400.tif 000004
【図４】
0006455400.tif 000005
【図５】
0006455400.tif 000006
【図６】
0006455400.tif 000007
【図７】
0006455400.tif 000008
【図８】
0006455400.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0006455400.tif 000011
【図１１】
0006455400.tif 000012
【図１２】
0006455400.tif 000013
【図１３】
0006455400.tif 000014
【図１４】
0006455400.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
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