(57)【要約】【課題】  排出した水素量を正確に推定することによってシステム全体で消費した水素量を正確に推定し、水素残量を正確に推定する。【解決手段】  発電量検出部４１及び消費水素質量算出部４２によって燃料電池１の発電で消費した水素質量を推定する。一方、酸化・燃焼流体全体温度算出部４３により、排出水素温度センサ３２の検出値から燃焼装置で燃焼される排出ガス全体の温度を求めると共に、酸化・燃焼流体全体質量算出部４６により、空気供給用コンプレッサ２２及び循環水素排出弁１４から得られる情報から燃焼装置で燃焼された排出ガス全体の質量を求める。これにより、総熱量算出部４７で燃焼装置での総熱量を求めて酸化・燃焼水素質量算出部４８で排出ガスに含まれる水素質量を求め、燃料電池１の発電で消費した水素質量と排出された水素質量とを加算してシステム全体の消費水素質量を求めて、水素貯蔵装置の残水素質量を求める。【選択図】      図２
2005322572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料を蓄積する燃料蓄積装置を有し、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池の発電に使用されずに排出された燃料ガスと酸化剤ガスとを混合させて、燃料ガスを酸化及び燃焼させる燃焼装置と、
前記燃焼装置の酸化及び燃焼による熱量に応じた酸化及び燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段と、
前記燃焼状態検出手段で検出された酸化及び燃焼状態に基づいて、排出される燃料ガス質量を推定し、当該推定した燃料ガス質量及び前記燃料電池の発電によって消費された燃料ガス質量から、前記燃料蓄積装置内の残燃料ガス質量を推定する推定手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃焼状態検出手段は、前記酸化及び燃焼状態として前記燃焼装置内の燃焼ガス温度を検出し、
前記推定手段は、前記燃焼ガス温度に基づいて、排出される燃料ガス質量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃焼状態検出手段は、前記酸化及び燃焼状態として前記燃焼装置自体の温度を検出し、
前記推定手段は、前記燃焼装置自体の温度に基づいて、排出される燃料ガス質量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼装置によって酸化及び燃焼した結果得られる燃焼ガスから生成水を回収する生成水回収装置を更に備え、
前記燃焼状態検出手段は、前記酸化及び燃焼状態として前記生成水回収装置により回収した生成水の質量を検出し、
前記推定手段は、前記生成水の質量に基づいて、排出される燃料ガス質量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃焼状態検出手段は、前記生成水回収装置から排出される生成水流量を検出し、
前記推定手段は、前記生成水流量に基づいて、排出される燃料ガス質量を推定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段を更に備え、
前記推定手段は、前記運転状態検出手段によって検出された前記燃料電池の運転状態に基づいて、前記燃料装置に導入されるガスに含まれる燃料ガス質量を推定し、当該推定した燃料ガス質量で前記酸化及び燃焼状態から推定した燃料ガス質量を補正することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
車両の移動距離を検出する移動距離検出手段を備え、前記燃料電池で発電した電力を負荷に供給して車両を走行させる燃料電池システムであって、
前記推定手段は、前記移動距離検出手段で検出した移動距離と、前記燃焼装置で燃焼させた燃料ガス質量及び前記燃料電池の発電によって消費された燃料ガス質量とから、単位燃料ガス質量当たりの移動距離を推定し、当該推定した単位燃料ガス質量当たりの移動距離と前記燃料蓄積装置内の残燃料ガス質量とから、前記車両の移動可能距離を推定することを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか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、水素等の燃料ガス及び空気等の酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給して発電させると共に、必要に応じて燃料電池スタックから燃料ガスを含むガスを排出して、燃料電池スタックの発電効率の向上を図る燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池スタックのアノード極に水素ガスを供給すると共に燃料電池スタックのカソード極に酸素を含む空気を供給して、継続して発電を行わせると、カソード極側からの窒素等の浸透によってアノード極側に水素以外の気体や水分が留まることが知られている。このようにアノード極の水素濃度が低下すると、発電効率の低下を引き起こす。
【０００３】
このような燃料電池スタックの発電を制御する燃料電池システムでは、燃料電池スタックの発電効率が著しく低下したことを検出すると、アノード極の水素以外の不要成分を排出して発電効率を高めるために、短時間にアノード極のガスを一斉に排出してアノード極の水素濃度を高めるパージ動作を行う。
【０００４】
しかし、このパージ動作を行うと、アノード極から一斉に排出される排出ガスには、発電に利用されずに循環されていた水素が含まれており、当該パージ動作によって排出された水素質量を推定するという試みがなされている。
【０００５】
この水素質量の推定は、水素成分検出装置により排出ガスの水素成分を検出すると共に流量検出装置により排出ガス流量を検出して水素質量を推定しようとすると、排出ガスに含まれる水分の結露によって水素成分検出装置が水素成分を検知できず、その結果として排出ガスの水素通過量を正確に推定することが出来なかった。
【０００６】
したがって、従来では、燃料電池スタックの発電に利用されずにアノード極から排出された水素質量を求めても、正確性がなく、燃料電池システム全体での水素消費質量を正確に把握することができなかった。
【０００７】
また、従来では、燃料電池スタックの発電に使用されなかった水素ガスを触媒によって燃焼させて、燃焼ガスを外部に排出させる技術が、例えば下記の特許文献１等によって知られている。この特許文献１には、燃料電池スタックの発電に使用されずにアノード極からの排出ガスに含まれる水素成分を、触媒により燃焼させることが示されている。
【０００８】
また、この特許文献１では、正確な燃焼状態を検出するために、燃焼装置の熱容量分布や触媒塗布量分布等の様々な特性のばらつきを考慮して温度検出の精度を向上させるようにしている。そして、特許文献１では、温度検出を精度よく行うことで、排出水素の処理の効率化を図っている。
【特許文献１】特特開２００３−１４２１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術では、排出した水素質量の推定を行っていないので、燃料電池スタックの発電で利用されずに排出された水素質量を定量的に把握することができなかった。
【００１０】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、排出した水素量を正確に推定することによってシステム全体で消費した水素量を正確に推定し、水素残量を正確に推定することが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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池に供給する燃料を蓄積する燃料蓄積装置を有し燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池の発電に使用されずに排出された燃料ガスと酸化剤ガスとを混合させて、燃料ガスを酸化及び燃焼させる燃焼装置と、燃焼装置の酸化及び燃焼による熱量に応じた酸化及び燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段とを備え、燃料電池の発電によって燃料ガスを消費すると共に、燃料電池から排出される燃料ガスを燃焼装置によって酸化及び燃焼することによって燃料ガスを消費する。
【００１２】
このような燃料電池システムは、酸化及び燃焼状態を燃焼状態検出手段で検出すると、推定手段により、排出される燃料ガス質量を推定し、当該推定した燃料ガス質量及び燃料電池の発電によって消費された燃料ガス質量から、燃料蓄積装置内の残燃焼ガス質量を推定することにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料装置による酸化及び燃焼状態から燃焼装置で燃焼させた燃料ガス質量を推定し、当該推定した燃料ガス質量及び燃料電池の発電によって消費された燃料ガス質量から、燃料蓄積装置内の残燃焼ガス質量を推定するので、排出される燃料ガスを精度良く推定することができ、排出と発電の双方によって減る燃料蓄積装置内の残燃焼ガス質量を精度良く推定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
［第１実施形態］
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００１６】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード極とカソード極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟み込み、複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスをアノード極に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をカソード極に供給する燃料電池システムについて説明する。
【００１７】
また、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１に水素ガスを供給する水素供給系、燃料電池スタック１に空気を供給する空気供給系を備える。この燃料電池システムの各部位は、その動作が後述するシステム制御ユニット２により制御される。
【００１８】
水素供給系は、水素供給配管Ｌ１に水素貯蔵装置１１、水素圧力調整弁１２、水素循環装置１３が設けられて構成されている。また、この水素供給系は、燃料電池スタック１から排出された水素ガスを再度燃料電池スタック１に導入するために、燃料電池スタック１のガス排出口と水素循環装置１３とを接続する水素循環配管Ｌ２を備える。更に、この水素供給系は、アノード極内の水素ガス以外のガスを外部に放出するために水素循環配管Ｌ２から分岐した循環水素排出配管Ｌ３が設けられ、当該水素排出流路Ｌ３に循環水素排出弁１４が設けられて構成されている。
【００１９】
この水素供給系において、水素貯蔵装置１１に貯蔵された水素ガスは、システム制御ユニット２によって水素圧力調整弁１２の開度が調整されるようにアクチュエータが制御されると、水素圧力調整弁１２を通過してアノード極に導入される。このとき、システム制御ユニット２は、燃料電池スタック１に要求される発電量に応じてアノード極内の水素ガス流量及び水素ガス圧力を調整するように水素圧力調整弁１２の開度を調整する。そして、アノード極に導入された水素ガスは、その一部が燃料電池スタック１の発電反応に使用され、残りの一部が水素循環配管Ｌ２に排出される。
【００２０】
水素循環配管Ｌ２に導入された水素ガスは、循環水素排出弁１４が閉状態である場合において、イジェクタポンプや電動ポンプ等からなる水素循環装置１３に導入され、水素貯蔵装置１１からの水素ガスと混合されて再度アノード極に循環される。
【００２１】
また、空気供給系は、カソード極の空気入口と接続された空気供給配管Ｌ４に空気供給用フィルタ２１及び空気供給用コンプレッサ２２が設けられ、カソード極の空気出口に空気排出配管Ｌ５が接続されて構成されている。この空気供給系は、システム制御ユニット２の制御によって空気供給用コンプレッサ２２が駆動されると、当該空気供給用コンプレッサ２２の吸引力によって外気が空気供給用フィルタ２１に取り込まれる。そして、粉塵が除去された外気は、空気供給用コンプレッサ２２に取り込まれ、圧縮されてカソード極に導入される。
【００２２】
このような燃料電池システムにおいて、カソード極には、酸素のみならず窒素等も導入され、当該窒素が固体高分子電解質膜を通過してアノード極内に拡散する。これに対し、燃料電池システムでは、システム制御ユニット２により循環水素排出弁１４を開状態にするようにアクチュエータを制御することにより、アノード極及び水素循環配管Ｌ２に蓄積した窒素等の水素ガス以外の不純物を水素排出配管Ｌ３を介して放出するパージ動作を行う。
【００２３】
更に、この燃料電池システムは、循環水素排出配管Ｌ３及び空気排出配管Ｌ５の下流側に排出水素燃焼装置３１が設けられている。この排出水素燃焼装置３１は、水素ガスと空気とが混合された混合ガスが供給され、水素ガスを酸素で酸化することで生成水を発生すると共に、水素ガスを燃焼させる触媒を有している。そして、この排出水素燃焼装置３１は、燃焼によって発生した燃焼ガスを外部に放出する。
【００２４】
また、この排出水素燃焼装置３１の内部の流体通過流路付近には、燃焼状態を検出する測定装置として、排出水素温度センサ３２が設けられている。この排出水素温度センサ３２は、排出水素燃焼装置３１の流体温度、すなわち排出された水素ガスと空気との混合ガスの温度を検出する。
【００２５】
このように構成された燃料電池システムにおいて、システム制御ユニット２と、水素圧力調整弁１２、燃料電池スタック１、空気供給用コンプレッサ２２及び排出水素温度センサ３２とは、制御用ハーネス３３で接続されている。これにより、システム制御ユニット２は、例えば燃料電池システムが燃料電池車両に搭載されている場合に、当該燃料電池車両のアクセル操作及びブレーキ操作等を入力することに応じて、駆動モータで必要な走行トルクを求め、当該走行トルクを発生させるために必要な目標発電電力を求める。次に、システム制御ユニット２は、現在の燃料電池スタック１の発電電力を電流計等の検出値から求め、現在の発電電力を目標発電電力とするように燃料電池スタック１に供給する目標水素ガス質量及び圧力、目標空気質量及び圧力を求めて、当該目標水素ガス質量及び圧力とするように水素圧力調整弁１２の開度を調整し、目標空気質量及び圧力とするように空気供給用コンプレッサ２２の駆動量を調整する。
【００２６】
また、このシステム制御ユニット２は、燃料電池スタック１の発電反応に使用した水素質量と、排出水素燃焼装置３１で酸化及び燃焼した水素質量とを推定し、双方の水素質量を加算して燃料電池システム全体で消費した水素質量を推定し、現在の水素貯蔵装置１１に貯蔵されている残水素質量を推定する処理を行う。このシステム制御ユニット２は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）等に記憶された水素質量推定プログラムに従った処理をＣＰＵ（Central Processing Unit）等で実行することにより、図２に示すような機能部を有する。
【００２７】
このシステム制御ユニット２は、その機能的な構成を図２に示すように、燃料電池スタック１の発電反応によって消費された水素質量を推定するための構成として、発電量検出部４１及び消費水素質量算出部４２を備え、循環水素排出弁１４が開状態となされた場合に循環水素排出弁１４を介して排出される水素質量を求める構成として、各部４３〜４８を備える。なお、このシステム制御ユニット２は、循環水素排出弁１４を開状態としない時間帯では、例えば所定期間毎に、発電量検出部４１及び消費水素質量算出部４２のみを動作させて燃料電池システム全体で消費した水素質量を算出する。これに対し、循環水素排出弁１４が開状態となされた場合には、発電反応によって消費した水素質量に加えて、各部４３〜４８を動作させて排出した水素質量を求めることによって燃料電池システム全体で消費した水素質量を算出する。
【００２８】
このシステム制御ユニット２は、上述したように燃料電池スタック１を発電させている時に、燃料電池スタック１の発電電力を検出すると、単位時間当たりの発電量を発電量検出部４１によって求める。そして、システム制御ユニット２は、消費水素質量算出部４２により、単位時間当たりの発電量が高いほど、発電反応に使用した消費水素質量が多くなるマップデータを参照して、燃料電池スタック１の発電反応で消費された水素質量を求める。
【００２９】
なお、この単位時間当たりの発電量に対する、発電反応で消費された水素質量の変化は、燃料電池スタック１の構造や規模、使用している材質等によって異なり、実験等による実測値や、セル数や、アノード極及びカソード極の容積、水素質量−電力変換効率等による推定値によって求められる。
【００３０】
また、システム制御ユニット２は、循環水素排出弁１４が開状態になされた場合に排出されて消費される水素質量を推定するための構成として、排出水素温度センサ３２と接続された酸化・燃焼流体全体温度算出部４３、空気供給用コンプレッサ２２と接続された空気供給質量算出部４４、循環水素排出弁１４と接続された排出流体質量算出部４５、酸化・燃焼流体全体質量算出部４６を備える。
【００３１】
このようなシステム制御ユニット２は、排出水素温度センサ３２からの電圧値を検出すると、当該電圧値を酸化・燃焼流体全体温度算出部４３により、排出水素温度センサ３２で燃焼させた時の混合ガスの温度に変換する。
【００３２】
また、空気供給質量算出部４４は、空気供給用コンプレッサ２２の回転数及び負荷抵抗を入力すると、当該回転数及び負荷抵抗から空気供給用コンプレッサ２２によって取り込んで燃料電池スタック１に供給している空気供給質量を推定する。このとき、空気供給質量算出部４４は、予め設定された空気供給用コンプレッサ２２の動作能力に対する現在の回転数及び負荷抵抗から、空気供給質量を求める。更に、排出流体質量算出部４５は、循環水素排出弁１４が開状態となっている開時間を入力すると、当該開時間及び循環水素排出弁１４の開口面積等から循環水素排出弁１４を通過した水素を含む排出ガスの質量（排出流体全体質量）を求める。
【００３３】
酸化・燃焼流体全体質量算出部４６は、空気供給質量算出部４４で求めた空気供給質量と、排出流体質量算出部４５で求めた排出流体全体質量とを加算して、燃料電池スタック１を通過して排出水素燃焼装置３１に導入された流体の全体質量を算出する。そして、システム制御ユニット２は、酸化・燃焼流体全体温度算出部４３によって求めた流体温度と酸化・燃焼流体全体質量算出部４６によって求めた流体全体質量とを総熱量算出部４７に送る。
【００３４】
総熱量算出部４７は、排出水素燃焼装置３１内での燃焼状態の変化を流体温度の変化から検出し、当該流体温度の変化及び流体全体質量から排出水素燃焼装置３１で発生した熱量を算出する。そして、酸化・燃焼水素質量算出部４８では、図３に示すような流体全体質量［ｋｇ］と、一定時間経過後における流体全体の温度上昇度合い（熱量）とのマップデータを参照して、排出された流体全体に含まれる水素質量を算出する。
【００３５】
これにより、システム制御ユニット２は、消費水素質量算出部４２で求めた発電反応によって消費された水素質量と、排出水素燃焼装置３１に導入された水素質量とを加算して、最終的にシステム消費水素質量算出部４９によって、燃料電池システム全体で消費した水素質量を推定する。
【００３６】
［第１実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムによれば、排出水素燃焼装置３１の酸化及び燃焼の状態を検出することによって排出水素燃焼装置３１で発生した熱量を求め、当該熱量から循環水素排出弁１４を通過して排出された水素質量を求めることができ、当該水素質量を水素貯蔵装置１１の水素質量から減算することによって、正確な残水素質量を推定することができる。
【００３７】
［第２実施形態］
つぎに、第２実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の第１実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００３８】
この第２実施形態に係る燃料電池システムは、図４に示すように、排出水素燃焼装置３１の装置全体での温度変化を燃焼状態として検出する燃焼装置温度センサ５１を備える。この燃焼装置温度センサ５１は、制御用ハーネス３３を介してシステム制御ユニット２と接続され、検出値がシステム制御ユニット２に読み取られる。
【００３９】
この燃焼装置温度センサ５１は、排出水素燃焼装置３１の燃焼状態を検出するために、排出水素燃焼装置３１の装置温度を検出する。そして、排出水素燃焼装置３１の装置温度は、システム制御ユニット２によって読み込まれる。
【００４０】
このような燃料電池システムにおけるシステム制御ユニット２は、図５に示すように、上述の図２に示した構成に加えて、燃焼装置温度センサ５１と接続された装置上昇温度算出部６１を備える。この装置上昇温度算出部６１は、燃焼装置温度センサ５１から装置温度を示すセンサ信号を入力すると、当該センサ信号の値から排出水素燃焼装置３１の温度を推定する。このとき、装置上昇温度算出部６１は、燃焼装置温度センサ５１のセンサ信号が排出水素燃焼装置３１に対する燃焼装置温度センサ５１の取付位置等によって異なるが、予め設定されたセンサ信号に対する排出水素燃焼装置３１自体の温度の推定値を求めるテーブルや演算式によって排出水素燃焼装置３１自体の温度を推定する。
【００４１】
そして、酸化・燃焼流体全体温度算出部４３は、排出水素燃焼装置３１の装置温度を入力すると、当該装置温度から熱量を推定し、当該熱量から排出水素燃焼装置３１で酸化・燃焼された流体全体の温度を総熱量算出部４７に送る。これにより、システム制御ユニット２は、上述した算出処理と同様の処理を行うことによって、燃料電池システム全体で消費した水素質量を求めることができる。
【００４２】
このように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、排出水素燃焼装置３１自体の温度上昇を検出することにより、装置温度の上昇割合から、排出された水素質量を推定するので、正確な排出水素質量を推定することができ、正確な水素貯蔵装置１１の残水素質量を推定することができる。
【００４３】
［第３実施形態］
つぎに、第３実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００４４】
この第３実施形態に係る燃料電池システムは、排出水素燃焼装置３１から排出される燃焼ガスに含まれる水分の回収質量から、排出水素燃焼装置３１の燃焼による熱量に応じた燃焼状態を検出することを特徴とする。このような燃料電池システムは、図６に示すように、排出水素燃焼装置３１と燃焼ガス用配管を介して接続された冷却装置７１、当該冷却装置７１と生成水用配管を介して接続された生成水貯蔵装置７２、及び生成水質量センサ７３を備える。
【００４５】
この燃料電池システムでは、排出水素燃焼装置３１に水素と空気の混合ガスが供給されて、酸化及び燃焼を行って燃焼ガスを生成すると、当該燃焼ガスを冷却装置７１に供給する。この燃焼ガスは、循環水素排出弁１４を通過して排出された水素が水蒸気として含まれている。
【００４６】
この冷却装置７１は、例えば図示しない熱交換器等の冷却機構を備え、当該冷却機構によって燃焼ガスを冷却して、燃焼ガスに含まれる水分を結露させることによって生成水を回収して、生成水貯蔵装置７２に送る。
【００４７】
生成水貯蔵装置７２は、冷却装置７１からの生成水を貯蔵し、当該貯蔵量が生成水質量センサ７３によって検出される。この生成水質量センサ７３の検出値は、センサ信号としてシステム制御ユニット２に読み込まれる。
【００４８】
システム制御ユニット２は、図７に示すように、発電反応によって消費した水素質量を算出する発電量検出部４１及び消費水素質量算出部４２、上述のシステム消費水素質量算出部４９に加えて、生成水質量センサ７３に接続されて、排出された水素質量を算出するための生成水質量算出部８１及び酸化・燃焼水素質量算出部８２を備える。
【００４９】
生成水質量算出部８１は、生成水質量センサ７３からセンサ信号を検出すると、生成水の質量を認識し、酸化・燃焼水素質量算出部８２は、生成水質量から、循環水素排出弁１４を通過して排出された水素質量を演算する。このとき、酸化・燃焼水素質量算出部８２は、予め設定した生成水質量に対する水素質量を示すテーブルデータや、所定の演算式を使用する。
【００５０】
これにより、システム制御ユニット２は、消費水素質量算出部４２によって求めた水素質量と、酸化・燃焼水素質量算出部８２によって求めた水素質量とを加算して、システム消費水素質量算出部４９により燃料電池システム全体で消費した水素質量を求めることができる。
【００５１】
このように、第３実施形態に係る燃料電池システムによれば、排出水素燃焼装置３１の燃焼ガスから生成水を回収し、生成水質量から水素質量を推定することができるので、正確な排出水素質量を推定することができ、正確な水素貯蔵装置１１の残水素質量を推定することができる。
【００５２】
［第４実施形態］
つぎに、第４実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００５３】
この第４実施形態に係る燃料電池システムは、図８に示すように、冷却装置７１に生成水分離装置９１を接続し、当該生成水分離装置９１に生成水質量流量センサ９２を生成水配管９３を介して接続して構成されている。
【００５４】
冷却装置７１は、燃焼ガスを冷却して、燃焼ガスに含まれる水分を結露させることによって生成水を回収して、生成水分離装置９１に送る。生成水分離装置９１は、冷却装置７１からの生成水と燃焼ガスとを分離して、燃焼ガスを外部に排出すると共に、生成水を生成水配管９３に送る。
【００５５】
生成水質量流量センサ９２は、生成水分離装置９１で分離された生成水が生成水配管９３を通過した時に、生成水流量を検出する。この生成水質量流量センサ９２は、生成水流量を検出することによって、間接的に生成水質量を検出する。この生成水質量流量センサ９２の検出値は、センサ信号としてシステム制御ユニット２に読み込まれる。
【００５６】
システム制御ユニット２は、図９に示すように、発電反応によって消費した水素質量を算出する発電量検出部４１及び消費水素質量算出部４２、上述のシステム消費水素質量算出部４９に加えて、生成水質量流量センサ９２接続されて、排出された水素質量を算出するための生成水流量算出部１０１、生成水質量算出部１０２及び酸化・燃焼水素質量算出部１０３を備える。
【００５７】
生成水流量算出部１０１は、生成水質量流量センサ９２からセンサ信号を検出すると、生成水流量を認識し、生成水質量算出部１０２は、生成水流量を生成水質量に換算する。生成水質量算出部１０２は、随時送られる生成水流量によって、生成水分離装置９１で分離された生成水質量の蓄積値を算出することができる。酸化・燃焼水素質量算出部１０３は、生成水質量から、循環水素排出弁１４を通過して排出された水素質量を演算する。このとき、酸化・燃焼水素質量算出部１０３は、予め設定した生成水質量に対する水素質量を示すテーブルデータや、所定の演算式を使用する。
【００５８】
これにより、システム制御ユニット２は、消費水素質量算出部４２によって求めた水素質量と、酸化・燃焼水素質量算出部１０３によって求めた水素質量とを加算して、システム消費水素質量算出部４９により燃料電池システム全体で消費した水素質量を求めることができる。
【００５９】
このように、第４実施形態に係る燃料電池システムによれば、排出水素燃焼装置３１の燃焼ガスから生成水を回収し、生成水流量から水素質量を推定することができるので、正確な排出水素質量を推定することができ、正確な水素貯蔵装置１１の残水素質量を推定することができる。
【００６０】
［第５実施形態］
つぎに、第５実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。また、この第５実施形態に係る燃料電池システムは、その構成が第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６１】
この第５実施形態に係る燃料電池システムは、図１０に示すように、システム制御ユニット２に、循環水素排出弁１４から排出された水素質量を推定するための構成として酸化・燃焼流体全体質量算出部１１１及び水素質量算出部１１２を更に備える。
【００６２】
このシステム制御ユニット２は、酸化・燃焼流体全体質量算出部１１１により、循環水素排出弁１４を開状態としていた時間、循環水素排出弁１４を閉状態としていた時間、及び循環水素排出弁１４を閉状態としていた時間での電力取出量を入力する。そして、酸化・燃焼流体全体質量算出部１１１では、入力した各値から、循環水素排出弁１４を通過して排出された水素質量を推定する。
【００６３】
ここで、酸化・燃焼流体全体質量算出部１１１は、循環水素排出弁１４を閉状態としていた時間及び当該閉状態である時間において燃料電池スタック１から取り出した電力、すなわち燃料電池スタック１の運転状態から、燃料電池スタック１内に循環させているガスの水素分圧を推定する。これは、循環水素排出弁１４が閉状態である期間の電力量から消費水素質量を求め、当該水素貯蔵装置１１から燃料電池スタック１への供給水素質量を水素圧力調整弁１２の開度等から求めて、供給水素質量から消費水素質量を減算して循環させているガス圧に対する水素貯蔵装置１１から燃料電池スタック１に供給した水素分圧を求めることができる。また、酸化・燃焼流体全体質量算出部１１１は、循環水素排出弁１４を開状態としている時間から、水素を含有する流体が循環水素排出弁１４を通過した質量を推定する。
【００６４】
そして、酸化・燃焼流体全体質量算出部１１１は、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて推定した循環水素排出弁１４の閉状態時の水素分圧及び循環水素排出弁１４の開状態時の排出された流体質量を用い、当該排出された流体質量に対する水素分圧から排出された水素質量を推定する。
【００６５】
これに対し、水素質量算出部１１２は、酸化・燃焼水素質量算出部４８からの水素質量と、酸化・燃焼流体全体質量算出部１１１からの水素質量を入力する。そして、水素質量算出部１１２は、排出水素燃焼装置３１での燃焼状態（熱量）に基づいて推定した水素質量と、燃料電池スタック１の運転状態に基づいて推定した水素質量とを用いて、相加平均による関数を演算することにより、補正した水素質量を求める。これにより、システム消費水素質量算出部４９は、発電反応で消費された水素質量と、排出された水素質量とを加算して、燃料電池システム全体で消費した水素質量を求めることができる。
【００６６】
このように、第５実施形態に係る燃料電池システムによれば、排出水素燃焼装置３１の燃焼状態に基づく水素質量を燃料電池スタック１の運転状態に基づく水素質量によって補正して、循環水素排出弁１４から排出された水素質量を求めるので、更に正確な排出水素質量を推定することができ、正確な水素貯蔵装置１１の残水素質量を推定することができる。
【００６７】
なお、本例では、水素質量算出部１１２で相加平均を行うことによって水素質量を補正する一例について説明したが、これに限らず任意の関数を使用して排出水素質量の補正を行なっても良い。
【００６８】
［第６実施形態］
つぎに、第６実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、上述の実施形態と同様の部分については同一符号を付することによりその詳細な説明を省略する。
【００６９】
この第６実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載され、図示しない駆動モータに燃料電池スタック１の発電電力を供給することによって走行トルクを発生させる。この燃料電池システムは、水素貯蔵装置１１の積載水素質量及び車両移動継続可能距離を表示する点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なり、第１実施形態と同一の部分についての説明を省略する。
【００７０】
この燃料電池システムは、図１１に示すように、燃料電池車両が停車した状態での水素貯蔵装置１１への水素補給時に、水素供給ステーション１２１と水素貯蔵装置１１とが水素供給管１２２を介して接続される。
【００７１】
また、この燃料電池システムは、燃料電池車両の走行時に、燃料電池車両の車輪１２３の角速度を車輪角速度センサ１２４により検出し、当該車輪角速度センサ１２４の検出値をシステム制御ユニット２で認識するようにしている。
【００７２】
このような燃料電池システムにおいて、システム制御ユニット２は、その機能的な構成を図１２に示すように、図２における各部４１〜４８に加えて、積載水素質量算出部１３１、残積載水素質量算出部１３２、車両移動距離算出部１３３、移動距離算出部１３４及び車両移動継続可能距離算出部１３５を備える。また、このシステム制御ユニット２は、算出結果である残水素質量を表示する残積載水素質量表示部１４１及び車両移動継続可能距離表示部１４２と接続されている。なお、残積載水素質量表示部１４１及び車両移動継続可能距離表示部１４２は、速度表示機構等を備えたメータ機器と一体化されたインジケータであっても良く、ナビゲーション装置の液晶表示装置であっても良い。
【００７３】
このようなシステム制御ユニット２は、燃料電池システムと水素供給ステーション１２１との接続時に、水素供給ステーション１２１から水素補給質量を積載水素質量算出部１３１によって入力する。これに応じ、積載水素質量算出部１３１は、水素供給ステーション１２１によって水素貯蔵装置１１に補給された水素質量と、補給前に残存していた水素質量とを加算した現在の水素貯蔵装置１１の水素質量を残積載水素質量算出部１３２に送る。
【００７４】
なお、積載水素質量算出部１３１は、水素貯蔵装置１１に補給した水素質量そのものを示す信号を水素供給ステーション１２１から取得しても良く、水素供給ステーション１２１から水素貯蔵装置１１への水素流量、水素供給ステーション１２１内の水素タンクや水素貯蔵装置１１のタンク温度やタンク圧力を入力して、水素貯蔵装置１１で貯蔵している水素質量を推定しても良い。
【００７５】
そして、燃料電池スタック１を発電させながら燃料電池車両を走行させると、各部４１〜４９によって燃料電池システム全体での消費水素質量が求められ、当該消費水素質量を残積載水素質量算出部１３２に送る。これにより、残積載水素質量算出部１３２は、水素供給ステーション１２１から水素貯蔵装置１１への水素補給が完了した時点での水素質量と、燃料電池車両の走行によって消費した水素質量とを取得し、減算演算を行って水素貯蔵装置１１の残水素質量を求める。
【００７６】
このような燃料電池システムは、残水素質量を残積載水素質量算出部１３２から残積載水素質量表示部１４１に出力すると、残積載水素質量表示部１４１によって水素貯蔵装置１１の残水素質量を提示し、例えば所定期間ごとに消費水素質量を求めて現在の残水素質量を更新する。
【００７７】
また、燃料電池車両の走行時において、燃料電池システムは、車輪角速度センサ１２４によって検出している車輪１２３の角速度を車両移動距離算出部１３３で入力する。これに応じ、車両移動距離算出部１３３は、角速度から回転数を測定し、水素補給後からの燃料電池車両の移動距離を算出して、移動距離算出部１３４に送る。
【００７８】
移動距離算出部１３４は、燃料電池車両の移動距離及びシステム消費水素質量算出部４９で求めた消費水素質量を入力すると、水素補給後からの全移動距離を、水素補給後からの全消費水素質量で除算することによって、単位消費水素質量当たりの燃料電池車両の移動距離を算出する。そして、単位消費水素質量当たりの燃料電池車両の移動距離及び残積載水素質量算出部１３２で算出した残水素質量を車両移動継続可能距離算出部１３５で得ると、車両移動継続可能距離算出部１３５は、燃料電池車両の移動継続可能距離を求めて、車両移動継続可能距離表示部１４２で表示させることができる。
【００７９】
このように、第６実施形態に係る燃料電池システムによれば、水素貯蔵装置１１への水素補給後の水素質量から、排出水素燃焼装置３１の燃焼状態に基づく水素質量を減算して精度の高い残水素質量を表示することができると共に、残水素質量に対する精度の高い移動継続可能距離を表示することができる。
【００８０】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した第１実施形態に係る燃料電池システムにおけるシステム制御ユニットの機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】排出水素燃焼装置に供給される水素質量と、水素の酸化及び燃焼による温度上昇との関係を示す図である。
【図４】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図５】本発明を適用した第２実施形態に係る燃料電池システムにおけるシステム制御ユニットの機能的な構成を示すブロック図である。
【図６】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図７】本発明を適用した第３実施形態に係る燃料電池システムにおけるシステム制御ユニットの機能的な構成を示すブロック図である。
【図８】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図９】本発明を適用した第４実施形態に係る燃料電池システムにおけるシステム制御ユニットの機能的な構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明を適用した第５実施形態に係る燃料電池システムにおけるシステム制御ユニットの機能的な構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明を適用した第６実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明を適用した第６実施形態に係る燃料電池システムにおけるシステム制御ユニットの機能的な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００８２】
１  燃料電池スタック
２  システム制御ユニット
１１  水素貯蔵装置
１２  水素圧力調整弁
１３  水素循環装置
１４  循環水素排出弁
２１  空気供給用フィルタ
２２  空気供給用コンプレッサ
３１  排出水素燃焼装置
３２  排出水素温度センサ
３３  制御用ハーネス
４１  発電量検出部
４２  消費水素質量算出部
４３  酸化・燃焼流体全体温度算出部
４４  空気供給質量算出部
４５  排出流体質量算出部
４６、１１１  酸化・燃焼流体全体質量算出部
４７  総熱量算出部
４８，１０３  酸化・燃焼水素質量算出部
４９  システム消費水素質量算出部
５１  燃焼装置温度センサ
６１  装置上昇温度算出部
７１  冷却装置
７２  生成水貯蔵装置
７３  生成水質量センサ
８１，１０２  生成水質量算出部
８２  酸化・燃焼水素質量算出部
９１  生成水分離装置
９２  生成水質量流量センサ
９３  生成水配管
１０１  生成水流量算出部
１１２  水素質量算出部
１２１  水素供給ステーション
１２２  水素供給管
１２３  車輪
１２４  車輪角速度センサ
１３１  積載水素質量算出部
１３２  残積載水素質量算出部
１３３  車両移動距離算出部
１３４  移動距離算出部
１３５  車両移動継続可能距離算出部
１４１  残積載水素質量表示部
１４２  車両移動継続可能距離表示部
【図１】
2005322572.tif 000003
【図２】
2005322572.tif 000004
【図３】
2005322572.tif 000005
【図４】
2005322572.tif 000006
【図５】
2005322572.tif 000007
【図６】
2005322572.tif 000008
【図７】
2005322572.tif 000009
【図８】
2005322572.tif 000010
【図９】
2005322572.tif 000011
【図１０】
2005322572.tif 000012
【図１１】
2005322572.tif 000013
【図１２】
2005322572.tif 000014