(57)【要約】【課題】水素循環経路を備え、燃料電池で未反応の水素の再使用を行う燃料電池システムにおいて、水素ガスセンサを新たに設けずに水素オフガスの適切なパージ時期を判断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】燃料電池システム10は燃料電池11で使用されなかった水素を水素タンク22から供給される水素と合流させて燃料電池11に供給可能な水素循環経路17を備え、水素循環経路17に水素循環用ポンプ18が設けられている。水素循環用ポンプ18はガスを圧縮して送り出す構成である。水素循環用ポンプ18はモータＭで駆動され、インバータ24にはモータＭに流れる電流（モータ電流）を検出する電流センサＳＡが設けられている。制御装置25はポンプの負荷に対応するモータ電流値に基づいて水素循環経路17中の水素濃度を推定して水素循環経路17中のガスのパージ時期を判断して、パージ弁21の開閉を制御する。【選択図】      図１
2005302648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素濃度の推定を行うべき対象ガスをポンプで送り出すとともに、前記ポンプとしてガスを圧縮して送り出す構成のものを使用し、前記ポンプに加わる負荷に基づいて対象ガス中の水素濃度を推定する水素濃度推定方法。
【請求項２】
燃料電池で使用されなかった水素を水素源から供給される水素と合流させて燃料電池に供給可能な水素循環経路を備え、前記水素循環経路にポンプが設けられている燃料電池システムであって、
前記ポンプとしてガスを圧縮して送り出す構成のものが設けられ、前記ポンプの負荷を検出するポンプ負荷検出手段と、前記ポンプ負荷検出手段により検出されるポンプ負荷の変化に基づいて前記水素循環経路中の水素濃度を推定して前記水素循環経路中のガスのパージ時期を判断する判断手段とを備え、前記判断手段の判断に基づいて前記ガスのパージを行う燃料電池システム。
【請求項３】
前記ポンプはモータを有し、前記ポンプ負荷検出手段は前記ポンプを駆動するモータのモータ電流に基づいて前記ポンプの負荷を検出する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ポンプはモータにより駆動され、該モータはインバータを介して制御され、前記ポンプ負荷検出手段は前記インバータへの供給電力に基づいて前記ポンプの負荷を検出する請求項２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、水素濃度推定方法及び燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車の動力源等として、クリーンでエネルギー効率の優れた燃料電池が注目されている。燃料電池は、周知のように、酸素と水素とを化学反応させることで生じる起電力を利用するものである。そして、カソード側に酸素を供給するとともに、アノード側に水素を供給し、水素と酸素とを反応させることによって、化学エネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので、優れた変換効率が得られる。
【０００３】
一般に、燃料電池システムでは、燃料電池において未反応で排出された水素ガス（水素オフガス）を水素供給源からの水素ガスに混合して燃料電池に供給する水素循環経路が設けられ、水素循環経路には水素循環用のポンプが設けられている。
【０００４】
燃料電池内の酸素電極側では水素と酸素との反応によって水が生成され、その水の一部は水蒸気として酸素電極側から電解質膜を透過して水素電極側に入ってくる。従って、燃料電池から排出される水素オフガスにはかなり多くの水分が含まれている。
【０００５】
また、一般に燃料電池には純粋な酸素を供給する代わりに空気を供給して空気中の酸素を水素と反応させる。そのため、燃料電池内では酸素電極に供給された空気に含まれる窒素等の不純物が酸素電極側から電解質膜を透過して水素電極側に進入する。従って、燃料電池から排出される水素オフガス中には窒素等の不純物が次第に増加する。
【０００６】
循環使用される水素オフガス中の水分や窒素等の不純物が多くなると燃料電池の発電効率が悪くなる。従って、水素オフガス中の水素濃度の調整や湿度の調整を行うために水素オフガスをパージする必要がある。
【０００７】
水素オフガス中の水素濃度を検出するためには、水素濃度センサを設置しなければならない。また、水素濃度センサとしては、「熱線型半導体式」、「接触燃焼式」、「気体熱伝導式」があるが、使用環境の厳しい車載用としては信頼性が乏しく、また、検出試料ガス中に水蒸気が存在すると検出誤差が大きくなる。また、センサの信号処理回路基板や配線等の配慮もしなければならない。
【０００８】
水素濃度センサを使用せずに水素オフガスのパージを行う方法として、燃料電池内の各燃料電池セルの電圧をモニタリングする電圧モニタを設け、燃料電池セルの電圧低下を検出し、セル電圧が基準値以下になるとパージを行うようにする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−３０７７５７号公報（明細書の段落［００４０］，［００４１］、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、特許文献１の方法では水蒸気が存在する状態でも水素オフガスのパージ時期を判断できるが、燃料電池セル毎に電圧モニタを設ける必要があり、各電圧モニタとその検出信号を処理する処理回路との配線が複雑になる。また、パージ時期の判断を燃料電池セルの電圧低下に基づいて行うため、パージ時期が適正なパージ時期より遅れるという問題がある。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、水素濃度センサを使用することなく、しかも水蒸気が存在する場合でも対象ガス中の水素濃度を推定することができる水素濃度推定方法を提供することにある。また、第２の目的は、水素循環経路を備え、燃料電池で未反応の水素の再使用を行う燃料電池システムにおいて、水素ガスセンサを新たに設けずに水素オフガスの適切なパージ時期を判断することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明の水素濃度推定方法は、水素濃度の推定を行うべき対象ガスをポンプで送り出すとともに、前記ポンプとしてガスを圧縮して送り出す構成のものを使用し、前記ポンプに加わる負荷に基づいて対象ガス中の水素濃度を推定する。
【００１２】
ガスを圧縮して送り出す構成のポンプでは、圧縮されるガスの体積流量が大きいほどモータの駆動に必要な電流（モータ電流）が大きくなる。また、ガスの粘性係数が大きいほどガスの圧縮室内の漏れ量が減り、モータ電流が大きくなる。そして、ポンプが送り出す対象ガス中の水素濃度に対応してガスの粘性係数が変化し、ポンプの負荷も変化する。従って、ポンプの負荷に基づいて対象ガス中の水素濃度を推定することができる。
【００１３】
第２の目的を達成するため、請求項２に記載の発明は、燃料電池で使用されなかった水素を水素源から供給される水素と合流させて燃料電池に供給可能な水素循環経路を備え、前記水素循環経路にポンプが設けられている燃料電池システムである。そして、前記ポンプとしてガスを圧縮して送り出す構成のものが設けられている。また、前記ポンプの負荷を検出するポンプ負荷検出手段と、前記ポンプ負荷検出手段により検出されるポンプ負荷の変化に基づいて前記水素循環経路中の水素濃度を推定して前記水素循環経路中のガスのパージ時期を判断する判断手段とを備え、前記判断手段の判断に基づいて前記ガスのパージを行う。
【００１４】
この発明の燃料電池システムでは、燃料電池で使用されなかった水素を再使用するため、燃料電池の水素電極から排出される排出ガス（水素オフガス）が水素循環経路により水素電極に供給される。燃料電池の発電効率を設定基準以上に保つため、水素オフガスのパージと、水素源からの水素の供給とにより水素オフガス中の水素濃度が調整される。そして、ポンプ負荷検出手段によりポンプ負荷が検出され、ポンプ負荷に基づいて、判断手段により水素循環経路中のガス即ち水素オフガスのパージ時期が判断される。水素オフガス中の水素濃度はポンプ負荷と対応しているため、予め適正なパージ時期に対応する水素濃度を試験等で求め、その水素濃度に対応するポンプ負荷になったときをパージ時期とすることにより、水素ガスセンサを新たに設けずに水素オフガスの適切なパージ時期を判断することができる。  
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ポンプはモータを有する。前記ポンプ負荷検出手段は前記ポンプを駆動するモータのモータ電流に基づいて前記ポンプの負荷を検出する。一般に燃料電池システムの水素循環経路で使用されるポンプを駆動するモータにはモータに過電流が流れて損傷するのを防止するため電流センサが装備されている。従って、この発明では、この電流センサの検出信号をモニタすることにより、新たに負荷検出用のセンサを設けることなくポンプの負荷を検出することができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記ポンプはモータにより駆動され、該モータはインバータを介して制御され、前記ポンプ負荷検出手段は前記インバータへの供給電力に基づいて前記ポンプの負荷を検出する。一般に燃料電池システムの水素循環経路で使用されるポンプを駆動するモータには変速可能なモータが使用され、モータはインバータを介して駆動制御される。インバータへの供給電力はポンプの負荷即ちモータの負荷に対応するため、インバータへの供給電力を検出することでポンプの負荷を検出できる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、水素濃度センサを使用することなく、しかも水蒸気が存在する場合でも対象ガス中の水素濃度を推定することができる。また、請求項２〜請求項４に記載の発明によれば、水素循環経路を備え、燃料電池で未反応の水素の再使用を行う燃料電池システムにおいて、水素ガスセンサを新たに設けずに水素オフガスの適切なパージ時期を判断することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
以下、本発明を燃料電池システムに具体化した第１の実施形態を図１〜図４に従って説明する。図１は燃料電池システムの構成図である。また、図２は水素ガス濃度と粘性係数との関係を示すグラフであり、図３は水素ガス濃度とモータ電流比との関係を示すグラフである。図４は水素オフガスのパージ手順を示すフローチャートである。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１１、酸素供給手段１２、水素供給手段１３を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、酸素供給手段１２から供給される酸素と、水素供給手段１３から供給される水素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。
【００２０】
酸素供給手段１２は、圧縮空気を供給するためのエアーコンプレッサ１４を備え、エアーコンプレッサ１４は燃料電池１１のカソード側（酸素電極側）の酸素供給ポート（図示せず）に管路１５を介して連結され、管路１５の途中に加湿器（図示せず）が設けられている。燃料電池１１の酸素電極側には、発電のための化学反応で発生した水蒸気の状態の水と、未反応の空気とを排出する排出管１６が連結され、排出管１６にはバルブＶ１が設けられている。
【００２１】
水素供給手段１３は、燃料電池１１で使用されなかった水素（水素ガス）を水素源（水素ガス供給源）から供給される水素と合流させて燃料電池１１に供給可能な水素循環経路１７を備えている。水素循環経路１７にはポンプとしての水素循環用ポンプ１８が設けられている。水素循環用ポンプ１８としてガスを圧縮して送り出す構成のものが使用され、例えばスクロール型圧縮機が使用されている。
【００２２】
水素循環用ポンプ１８は、吐出口が燃料電池１１の水素電極側の水素供給ポート（図示せず）に管路１９を介して連結され、吸入口が燃料電池１１の水素排出ポート（図示せず）に管路２０を介して連結されている。管路２０の途中には水素オフガスをパージするパージ弁２１が設けられている。パージ弁２１は電磁弁で構成され後記する制御装置により制御される。
【００２３】
また、水素供給手段１３は、水素源としての水素タンク２２を備えている。水素タンク２２は途中にレギュレータ（図示せず）を備えた管路２３を介して管路１９の途中で連結されている。レギュレータは、水素タンク２２に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。管路２３にはバルブＶ２が設けられている。
【００２４】
水素循環用ポンプ１８はモータＭで駆動される構成であり、モータＭにはインバータ２４を介して駆動制御される可変速モータが使用されている。インバータ２４にはモータＭに流れる電流（モータ電流）を検出するため電流センサＳＡが装備されている。
【００２５】
モータＭ、パージ弁２１及びバルブＶ２を制御する制御装置２５はマイクロコンピュータを備えている。制御装置２５はメモリ（図示せず）を備え、メモリにモータ電流値と水素濃度との関係を示すデータ（例えばマップ）が記憶されている。制御装置２５はインバータ２４を介してモータＭを制御する。モータＭには図示しない回転検出センサが装備され、制御装置２５は回転速度センサの検出信号に基づいてモータＭをフィードバック制御する。
【００２６】
制御装置２５は電流センサＳＡに接続されている。制御装置２５は電流センサＳＡの検出信号を入力し、その値に基づいて水素循環経路１７中の水素濃度を推定し、水素循環経路１７中のガス（水素オフガス）のパージ時期を判断する。この実施形態では電流センサＳＡが、水素循環用ポンプ１８の負荷（ポンプ負荷）を検出するポンプ負荷検出手段を構成している。また、制御装置２５が、ポンプ負荷の変化に基づいて水素循環経路１７中の水素濃度を推定して水素循環経路１７中のガスのパージ時期を判断する判断手段を構成する。制御装置２５は水素オフガスのパージが行われた後、バルブＶ２を開放して水素循環経路１７中に水素タンク２２から新たに水素を供給し、水素循環経路１７中の水素濃度の調整を行う。
【００２７】
次に前記のように構成された燃料電池システム１０の作用を説明する。
燃料電池システム１０は、環境温度が燃料電池１１の発電が可能な予め設定された温度以上の場合は通常運転が行われ、環境温度が前記予め設定された温度未満の場合は、暖機が行われた後、通常運転が行われる。
【００２８】
通常運転時には、水素タンク２２から水素が供給されるとともに、水素循環用ポンプ１８は燃料電池１１における未反応の水素を再使用するため、所定の加圧状態に圧縮するように運転される。そして、水素が燃料電池１１の水素電極側に供給される。また、エアーコンプレッサ１４が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１１の酸素電極側に供給される。水素の供給量及び空気の供給量は、水素及び空気（酸素）が水素電極側又は酸素電極側と対応する通路を通過する間に燃料電池１１での化学反応によって消費される量より多い。そして、発電のための化学反応で発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気とともに排出管１６から外部に排出される。また、未反応の水素は管路２０を経て水素循環用ポンプ１８へ導かれ、水素循環用ポンプ１８により加圧されて循環再使用される。
【００２９】
燃料電池１１内では、酸素電極側に酸素と共に供給された窒素が、酸素電極側から電解質膜を透過して水素電極側に進入する。また、燃料電池１１内の酸素電極側では、水が生成されてその水の一部が、水蒸気として酸素電極側から電解質膜を通して水素電極側に入ってくる。そして、水素オフガスが循環使用されるため、水素オフガス中の不純物（窒素、水蒸気）濃度が次第に増加し、水素濃度が低下する。水素電極に供給されるガス中の水素濃度が低下すると燃料電池１１の発電効率が低下する。また、ガス中の湿度が高くなると、その分水素濃度が低下するだけでなく、結露して発電効率がより低下する。
【００３０】
燃料電池１１の発電効率が大きく低下するのを防止するため、水素オフガス中の湿度と、水素濃度とを調整するため、制御装置２５はパージ弁２１の開閉制御と、水素タンク２２からの水素供給を制御するバルブＶ２の開閉制御を行う。
【００３１】
水素濃度を調整するには水素濃度を直接あるいは間接的に検出あるいは推定する必要がある。この実施形態では水素濃度を水素循環用ポンプ１８のポンプ負荷に基づいて推定し、パージ時期を判断している。
【００３２】
水素オフガス中の水素濃度をポンプ負荷、即ちモータＭに掛かる負荷によって推定できるのは、次の理由による。
水素循環用ポンプ１８はガスを圧縮して送り出す構成であり、モータが一定速度で駆動されている場合、実際に圧縮されるガスの体積流量Ｑｈが大きいほどモータ電流値が大きくなる。
【００３３】
圧縮する際に漏れがない理想的な体積流量をＱｙ、圧縮する際の漏れ量をＱｘとすると、Ｑｙ＝Ｑｈ＋Ｑｘとなる。
濃度が異なるガス１（粘性係数η１）とガス２（粘性係数η２）とが同一の隙間を通過するときの漏れ量Ｑｘ１と漏れ量Ｑｘ２との間には次の関係があるため、ガスの粘性係数が大きいほどガスの漏れ量が減り、モータ電流が大きくなる。
【００３４】
Ｑｘ１・η１＝Ｑｘ２・η２
水素オフガス中に含まれる水素ガスの粘性係数は窒素ガスの粘性係数の約１／２であるため、水素濃度が低くなるほど水素オフガスの粘性係数は大きくなり、モータＭのモータ電流が大きくなる。水素オフガス中の水素濃度と粘性係数との関係は図２に示すようになる。
【００３５】
ちなみに純水素、純窒素及び混合ガス等の粘度係数は次のとおりである。
純水素粘性係数：０．８８×１０−５［Ｐａ・ｓ］
純窒素粘性係数：１．７４×１０−５［Ｐａ・ｓ］
水素９０％窒素１０％混合ガス粘性係数：１．２２９×１０−５［Ｐａ・ｓ］
水素８０％窒素２０％混合ガス粘性係数：１．４２７×１０−５［Ｐａ・ｓ］
水素９２％窒素５％水蒸気３％混合ガス粘性係数：１．１１９×１０−５［Ｐａ・ｓ］
また、水素濃度とモータ電流比との関係は図３に示すようになる。なお、モータ電流比とは、各水素濃度におけるモータ電流値を水素１００％の時のモータ電流値で割った値である。図３から明らかなように、モータ電流比は水素濃度に対応して変化する。従って、電流センサＳＡにより検出されたモータ電流値に基づいて水素オフガス中の水素濃度を推定できる。
【００３６】
制御装置２５は図４に示すフローチャートに従って水素オフガスのパージ及び水素濃度の調整を行う。先ず、制御装置２５はステップＳ１で電流センサＳＡからモータ電流値Ｍａを読み込み、ステップＳ２でそのモータ電流値Ｍａから水素濃度Ｃｈを推定する。このとき制御装置２５は、メモリに記憶されている水素濃度とモータ電流値との関係を示すマップを利用して水素濃度Ｃｈを推定する。
【００３７】
次にステップＳ３で制御装置２５は水素濃度Ｃｈが基準濃度Ｃｈ０未満か否かを判断する。基準濃度Ｃｈ０は、その濃度より低くなった状態で燃料電池１１が発電を行った場合は、発電効率が目的とする設定基準より小さくなる濃度に設定されている。そして、水素濃度Ｃｈが基準濃度Ｃｈ０未満であればステップＳ４に進み、ステップＳ４において制御装置２５はパージ弁２１にパージ信号を出力してパージが行われる。パージ信号は、パージが予め設定された所定時間行われるように出力される。前記所定時間の設定は、次のステップＳ５で新たに水素を供給する際に、バルブＶ２の開放時間があまり長くならないように設定されている。
【００３８】
次に制御装置２５はステップＳ５に進み、バルブＶ２を予め設定された所定時間開放させる開放指示信号を出力して処理を終了する。これによりバルブＶ２が所定時間開放され、水素タンク２２から水素循環経路１７に新たに水素が供給される。前記所定時間は前記パージにより排出された水素を補うのに必要な時間となるように設定される。以上の処理により、水素オフガス中の水素濃度が、燃料電池１１の発電効率を設定基準以上に保つための基準濃度以上に調整される。
【００３９】
ステップＳ３で水素濃度Ｃｈが基準濃度Ｃｈ０以上であれば、制御装置２５は処理を終了する。制御装置２５による以上の処理が定期的に繰り返される。
この実施の形態では以下の効果を有する。
【００４０】
（１）  水素濃度の推定を行うべき対象ガスをポンプ（水素循環用ポンプ１８）で送り出すとともに、前記ポンプとしてガスを圧縮して送り出す構成のものを使用し、前記ポンプに加わる負荷に基づいて対象ガス中の水素濃度を推定する。従って、ポンプの負荷に基づいて対象ガス中の水素濃度を推定することができる。その結果、使用環境の厳しい車載用として信頼性の乏しい水素濃度センサを使用せずに、水素濃度を推定できる。また、水蒸気が混合した状態でも精度良く水素濃度を推定することができる。
【００４１】
（２）  水素循環経路１７を備えた燃料電池システム１０において、水素循環経路１７に設けられた水素循環用ポンプ１８の負荷に基づいて水素循環経路１７中のガスの水素濃度を推定して、水素循環経路１７中のガスのパージ時期が判断されて前記ガスのパージが行われる。従って、水素ガスセンサを新たに設けずに水素オフガスの適切なパージ時期を判断することができる。また、水素循環経路１７中のガスの水素濃度に基づいてパージ時期を判断するため、従来技術のように燃料電池１１内の燃料電池セルの発電力の低下に基づいてパージ時期を判断する場合と異なり、発電力が実際に低下する前にパージ及び水素濃度調整を行うことが可能となり、発電を効率よく行うことができる。
【００４２】
（３）  水素循環用ポンプ１８の負荷を検出するポンプ負荷検出手段は、水素循環用ポンプ１８を駆動するモータＭのモータ電流に基づいて水素循環用ポンプ１８の負荷を検出し、電流センサＳＡとしてモータＭに過電流が流れて損傷するのを防止するために装備されている電流センサが使用される。従って、新たに負荷検出用のセンサ（電流センサ）を設けることなく水素循環用ポンプ１８の負荷を検出することができる。即ち、燃料電池システム１０に本来装備されている機器を利用して、制御プログラムを変更することで対応することが可能である。
【００４３】
（４）  水素循環経路１７中のガスのパージを行う際、パージ弁２１が予め設定された所定時間開放される。従って、パージと水素タンク２２からの新たな水素の供給とを並行して行ったり、パージと新たな水素供給とを短時間で繰り返し行ってモータ電流値Ｍａが基準濃度Ｃｈ０に対応する値以下になるまでパージを行う場合に比較して、パージ終了時期の遅れが発生し難くなり、パージし過ぎることが抑制される。
【００４４】
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図５及び図６に従って説明する。この実施形態では、ポンプ負荷検出手段の構成が前記第１の実施形態と異なっており、その他の構成は同じである。第１の実施形態と同様な部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。なお、図５は燃料電池システムの構成図であり、図６は水素ガス濃度とインバータ電力比との関係を示すグラフである。インバータ電力比とは、各水素濃度におけるインバータ電力値を水素１００％の時のインバータ電力値で割った値である。
【００４５】
この実施形態では、ポンプ負荷検出手段は制御装置２５のインバータ２４への供給電力に基づいて水素循環用ポンプ１８の負荷を検出する。制御装置２５は、インバータ２４を介してモータＭを制御する。モータＭは設定された運転状態に対応した一定速度で駆動されるように制御される。従って、モータＭに掛かる負荷が大きくなると制御装置２５からインバータ２４に供給される電力が大きくなるため、制御装置２５のインバータ２４への供給電力からモータＭの負荷を検出することが可能になる。
【００４６】
図６から明らかなように、水素濃度はインバータ電力比に対応して変化する。インバータ電力比とは、各水素濃度におけるインバータ電力値を水素１００％の時のインバータ電力値で割った値である。従って、水素濃度はインバータ電力値に対応して変化するため、インバータ２４の電力値に基づいて水素オフガス中の水素濃度を推定できる。
【００４７】
制御装置２５にはインバータ２４の電力を監視する機構（図示せず）が設けられている。制御装置２５のメモリには、水素オフガス中の水素濃度Ｃｈとインバータ２４の供給電力値との関係を示すマップが記憶されている。この実施形態では前記電力を監視する機構が、水素循環用ポンプ１８の負荷を検出するポンプ負荷検出手段を構成する。
【００４８】
制御装置２５は、定期的に制御装置２５の電力監視信号からインバータ２４への供給電力値を演算し、前記マップを利用して水素濃度Ｃｈを推定する。そして、水素濃度Ｃｈが基準濃度Ｃｈ０未満であれば、第１の実施形態と同様にパージ弁２１にパージ信号が出力されて所定時間パージが行われた後、バルブＶ２が所定時間開放されて水素タンク２２から新たに水素が供給される。
【００４９】
この実施形態では前記第１の実施形態の（１）及び（２）と同様な効果を有する他に次の効果を有する。
（５）  インバータ２４でモータＭを変速制御する場合、一般にインバータへの供給電力を監視する機構が装備されているため、ハードの部分は変更せず、制御プログラムなどのソフト上の変更で対応することができる。モータＭの過電流防止用に電流センサＳＡを装備する装置に比較して、インバータへの供給電力を監視する機構が装備されている装置の方が一般的である。
【００５０】
（６）  水素循環経路１７中のガスのパージを行う際、パージ弁２１が予め設定された所定時間開放される。従って、パージと水素タンク２２からの新たな水素の供給とを並行して行ったり、パージと新たな水素供給とを短時間で繰り返し行ってインバータ２４への供給電力値が基準濃度Ｃｈ０に対応する値以下になるまでパージを行う場合に比較して、パージ終了時期の遅れが発生し難くなり、パージし過ぎることが抑制される。
【００５１】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  水素オフガスをパージする際、パージ弁２１を所定時間開放する方法に限らず、１回のパージで排出されるガス量が予め設定された量となるようにパージ弁２１の開閉を制御してもよい。例えば、パージ弁２１より排出側に流量計を設けてパージガスの流量を測定して設定された量だけパージ（排出）されるようにパージ弁２１を制御する。
【００５２】
○  水素タンク２２からの水素ガスの供給を、燃料電池１１の運転に先立って水素循環経路１７ａ中及び水素電極に供給する時を除いて、水素オフガスのパージ後に、水素濃度を調整するために行う構成に代えて、燃料電池１１の運転中、常に水素ガスを供給するようにしてもよい。例えば、バルブＶ２に流量制御弁を使用し、常には燃料電池１１の水素電極で消費される量以下の水素を供給し、水素オフガスのパージ後、所定時間だけ流量が多くなるようにバルブＶ２の開度を調整する。
【００５３】
〇  水素源は高圧に圧縮された水素ガスが単に充填された水素タンク２２に限らず、例えば、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンクや水素化物から化学反応により水素を発生させて取り出すもの等であってもよい。
【００５４】
○  水素源としてメタノール、天然ガスやガソリン等の燃料を改質器で改質した改質ガスを使用する燃料電池システムに使用してもよい。改質ガスには最初から水素以外に水蒸気や他のガスが含まれているが、この場合でも改質ガスを燃料電池の水素電極に送り込むポンプとしてガスを圧縮して送り出す構成のもの使用して、前記と同様にポンプ負荷から水素濃度を推定してもよい。
【００５５】
〇  水素循環用ポンプ１８は、ガスを圧縮して送り出す構成のものであればよく、スクロール型圧縮機に限らず、他の圧縮機やポンプを使用してもよい。
○  燃料電池システム１０は水素を循環使用しない構成であってもよい。例えば、水素改質器で発生した水素を水素電極で使用する燃料電池システムにおいて、発電に使用されなかった水素ガスを燃焼器で燃焼してその熱エネルギーを改質器や他の熱エネルギーを必要とする装置に供給する構成としてもよい。
【００５６】
〇  燃料電池システム１０は、燃料電池１１の酸素供給ポートにエアーコンプレッサ１４で圧縮空気を供給する構成に代えて、酸素タンクから所定圧力に調整された酸素を供給するようにしてもよい。
【００５７】
○  燃料電池システム１０は燃料電池搭載電気自動車に限らず、例えば、家庭用電源の燃料電池システムとして使用してもよい。
○  前記実施形態で使用された水素濃度の推定方法は燃料電池システム１０における水素オフガス中の水素濃度の推定に限らず、水素ガスを主成分とするガス中の水素濃度の推定に適用できる。例えば、水素濃度推定装置として、ガスを圧縮して送り出す構成のポンプと、ポンプの吸入口と吐出口とを接続するガス循環経路を設け、ポンプを駆動してガスをガス循環経路内で循環させる。そして、ポンプ駆動用のモータを一定速度で回転させるのに必要な負荷を検出することにより、前記ガス中の水素濃度を推定することができる。負荷の検出は、例えば、前記実施形態のようにモータ電流やインバータへの供給電力を検出することで検出できる。
【００５８】
○  電流センサＳＡはモータ内やモータ配線中にあっても良い。
○  電流センサはインバータ内やインバータ配線中にあっても良い。
○  ガス粘度はガス温度によっても変化するため、ガス温度を測って補正をかける事でより精度を上げることができる。
【００５９】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）  ガスを圧縮して送り出す構成のポンプと、前記ポンプの入口と出口との間に設けられたガス循環経路と、前記ポンプに加わる負荷を検出するポンプ負荷検出手段と、前記ポンプ負荷検出手段の検出信号に基づいて前記ガス循環経路中の水素濃度を推定する水素濃度推定手段とを備えた水素濃度推定装置。
【００６０】
（２）  前記技術的思想（１）に記載の発明において、前記ポンプ負荷検出手段は前記ポンプを駆動するモータのモータ電流に基づいて前記ポンプの負荷を検出する。
（３）  前記技術的思想（１）に記載の発明において、前記ポンプはモータにより駆動され、該モータはインバータを介して制御され、前記ポンプ負荷検出手段は前記インバータへの供給電力に基づいて前記ポンプの負荷を検出する。
【００６１】
（４）  燃料電池の水素電極側に水素源の水素を、ポンプを利用して供給する水素供給手段を備えた燃料電池システムであって、前記ポンプとしてガスを圧縮して送り出す構成のものが設けられ、前記ポンプの負荷を検出するポンプ負荷検出手段と、前記ポンプ負荷検出手段荷より検出されるポンプ負荷の変化に基づいて前記水素源から供給されるガス中の水素濃度を推定する水素濃度推定手段とを備えた燃料電池システム。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの構成図。
【図２】水素ガス濃度と粘性係数との関係を示すグラフ。
【図３】水素ガス濃度とモータ電流比との関係を示すグラフ。
【図４】水素オフガスのパージ手順を示すフローチャート。
【図５】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図。
【図６】水素ガス濃度とインバータ電力比との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６３】
Ｍ…モータ、ＳＡ…ポンプ負荷検出手段としての電流センサ、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１７…水素循環経路、１８…ポンプとしての水素循環用ポンプ、２４…インバータ、２５…判断手段としての制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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