(57)【要約】【課題】結露に起因する燃料ガス濃度検出手段の劣化を抑制する【解決手段】燃料ガス排出流路１０ｃは、循環流路１０ｂと、酸化剤ガス排出流路２０ｂの燃料ガス濃度検出センサ２３よりも上流側との間を接続し、パージ弁１５は、循環流路１０ｂを流れる排出ガスを燃料ガス排出流路１０ｃにパージする。制御部３０は、パージ弁１５からパージされた排出ガスが燃料ガス濃度検出手段２３に到達するタイミングに基づいて、燃料ガス濃度検出センサ２３の電源状態を制御する。【選択図】図１
2007123116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極に燃料ガスを供給するとともに、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することにより、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池の酸化剤極から排出される排出ガスを外部に排出する酸化剤ガス排出流路と、
前記酸化剤ガス排出流路に設けられており、電源がオンされた状態において、当該流路内を流れる前記燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、
前記燃料電池の燃料極から排出される前記燃料ガスを含んだ排出ガスを、前記燃料極における前記燃料ガスの供給側へと循環させる循環流路と、
前記循環流路と、前記酸化剤ガス排出流路の前記燃料ガス濃度検出手段よりも上流側との間を接続する燃料ガス排出流路と、
前記循環流路を流れる排出ガスを前記燃料ガス排出流路にパージするパージ弁と、
前記パージ弁による前記排出ガスのパージ動作に基づいて、前記燃料ガス濃度検出手段の電源状態を制御する電源制御手段と
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガス濃度検出手段は、前記燃料ガスと燃焼反応することにより、前記燃料ガスの濃度を検出する接触燃焼式の検出手段であることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
【請求項３】
前記パージ弁からパージされた排出ガスが前記燃料ガス濃度検出手段に到達するまでの時間をパージガス到達時間として推定する推定手段をさらに有し、
前記電源制御手段は、前記燃料ガス濃度検出手段の電源がオンされてから、前記燃料ガスの濃度を検出可能となるまでの前記燃料ガス濃度検出手段の起動時間と、前記推定手段によって推定された前記パージガス到達時間とに基づいて、前記燃料ガス濃度検出手段の電源状態を制御することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
【請求項４】
前記推定手段は、前記循環流路を流れる排出ガス中の前記燃料ガスの濃度と、前記パージ弁からパージされる排出ガスの流量とに基づいて、前記パージ弁からパージされる排出ガスに含まれる前記燃料ガスのうち、前記燃料ガス濃度検出手段による濃度検出に必要な燃料ガス量が、前記燃料ガス濃度検出手段に到達するまでの時間を、前記パージガス到達時間として推定することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料ガス排出流路の前記パージ弁よりも下流側と、前記酸化剤ガス排出流路の前記燃料ガス濃度検出手段よりも下流側との間を接続するバイパス流路と、
前記バイパス流路を経由させることにより、前記パージ弁からパージされる排出ガスが、前記燃料ガス濃度検出手段に流れる流量を制御する流量制御手段と、
前記循環流路を流れる排出ガス中の前記燃料ガスの濃度と、前記パージ弁からパージされる排出ガスの流量とに基づいて、前記パージ弁からパージされる排出ガスに含まれる前記燃料ガスのうち、前記燃料ガス濃度検出手段による濃度検出に必要な燃料ガス量が、前記燃料ガス濃度検出手段に流れるように、前記流量制御手段を制御する流量制御手段と
をさらに有することを特徴とする請求項３に記載された燃料電池システム。
【請求項６】
前記電源制御手段は、前記燃料ガス濃度検出手段の起動時間と、前記パージガス到達時間とに基づいて、前記燃料ガス濃度検出手段の起動が完了するタイミングと、前記パージ弁からパージされた排出ガスが前記燃料ガス濃度検出手段に到達するタイミングとが同期するように、前記燃料ガス濃度検出手段の電源をオンに制御することを特徴とする請求項４または５に記載された燃料電池システム。
【請求項７】
前記電源制御手段は、前記燃料ガス濃度検出手段によって燃料ガスの濃度の検出が完了したことを条件に、前記燃料ガス濃度検出手段の電源をオフに制御することを特徴とする請求項６に記載された燃料電池システム。
【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係り、特に、燃料電池システムから排出される燃料ガスの濃度を検出する手法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）を供給するとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）を供給することにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、燃料電池内の膜破れ等によって燃料極から酸化剤極へと透過した燃料ガスを検出するために、酸化剤極から排出される排出ガスの流路に燃料ガス濃度検出手段を備えている。ところで、酸化剤極に供給される酸化剤ガスには加湿装置等によって水（加湿水）が混合されており、また、燃料電池では、電気化学反応による反応生成水が生成されるため、酸化剤極からの排出ガスにはこの生成水が含まれることとなる。そのため、高湿潤状態の排出ガスによって、燃料ガス濃度検出手段の検出素子に結露が発生する場合があり、これによって、燃料ガス濃度検出手段の劣化を早めてしまうという問題がある。
【０００３】
この点、特許文献１によれば、燃料電池を冷却するための冷却媒体を流通させる冷却回路に、燃料ガス濃度検出手段を加熱するための流路を接続し、冷却媒体の熱によって検出素子近傍の雰囲気を加温し、結露を抑制する手法が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２９７４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、寒冷地での使用を考慮した場合、燃料電池は冷却媒体の温度が下がると保温性が悪くなるため、極力、他部品への熱移動は行わない方が好ましい。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、結露を解消させることにより、燃料ガス濃度検出手段の劣化を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池システムを提供する。ここで、燃料電池は、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、酸化剤極に酸化剤ガスを供給することにより、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う。酸化剤ガス排出流路は、燃料電池の酸化剤極から排出される排出ガスを外部に排出する。燃料ガス濃度検出手段は、酸化剤ガス排出流路に設けられており、電源がオンされた状態において、この流路内を流れる燃料ガスの濃度を検出する。循環流路は、燃料電池の燃料極から排出される燃料ガスを含んだ排出ガスを、燃料極の燃料ガスの供給側へと循環させる。燃料ガス排出流路は、循環流路と、酸化剤ガス排出流路の燃料ガス濃度検出手段よりも上流側との間を接続する。パージ弁は、循環流路を流れる排出ガスを燃料ガス排出流路にパージする。電源制御手段は、パージ弁による排出ガスのパージ動作に基づいて、燃料ガス濃度検出手段の電源状態を制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、パージ弁による排出ガスのパージ動作に基づいて、燃料ガス濃度検出手段の電源状態を適切にコントロールすることが可能となる。これにより、パージされた排出ガスと、電源がオン状態における燃料ガス濃度検出手段の検出動作とに伴って結露を解消させることができるので、燃料ガス濃度検出センサの劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照し、本発明にかかる実施形態を説明する。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。この燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層した燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給され、酸化剤に酸化剤ガスが供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を燃料極（以下「水素極」という）に導入すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を酸化剤極（以下「空気極」という）に導入するケースについて説明する。この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の水素極に水素を供給するための水素系１０と、燃料電池スタック１の空気極に空気を導入するための空気系２０とを備えている。
【００１０】
水素系１０において、燃料ガスである水素は、例えば、燃料タンク１１である高圧水素ボンベに貯蔵された状態から、水素供給流路１０ａを介して燃料電池スタック１の燃料極に供給される。具体的には、燃料タンク１１下流には水素タンク元弁が設けられており、この水素タンク元弁が開状態となると、燃料タンク１１からの高圧水素は、その下流に設けられた減圧弁によって機械的に所定の圧力まで減圧される。所定圧力まで減圧された水素は、減圧弁よりも下流に設けられた水素調圧弁によって更に減圧された後に、燃料極へ供給される。水素調圧弁は、燃料電池スタック１へ供給される水素流量と水素圧力とが所望の値となるように、後述する制御部３０によってその開度が制御される。
【００１１】
燃料極における水素の排出側は、水素供給流路１０ａへと繋がる水素循環流路１０ｂが接続されており、この水素循環流路１０ｂには、水素循環装置１２が設けられている。水素循環装置１２を駆動することにより、燃料極から排出された排出ガス（未使用な水素等を含むガス）は燃料電池スタック１の燃料極へと循環される。これにより、燃料極における水素のストイキが向上し、安定した発電を維持することができるとともに、反応効率の向上を図ることができる。また、この水素循環流路１０ｂは、さらに積極的な水素供給を可能とするために、水素循環流路１０ｂ内のガスを水素ポンプ１３によって昇圧させた上で、燃料電池スタック１の水素極へと供給している。
【００１２】
水素循環流路１０ｂには、燃料電池スタック１の直下に水分離室１４が設けられている。燃料電池スタック１からの排出ガスには、燃料電池スタック１の反応によって生成される生成水が含まれているため、この水分離室１４によって水分と、水素を含む排出ガスとが分離される。排出ガスと分離された水は水分離室１４に一旦蓄えられ、排水バルブ１４ａが必要に応じて開放されることにより、排水管１４ｂを介して排出される。
【００１３】
燃料電池スタック１では、酸化剤ガスとして空気を用いた場合、空気中の窒素が空気極から水素極に拡散するため、水素系１０内におけるガスの窒素濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。そのため、水素循環流路１０ｂには、水素系１０内のガスを排出する水素排出流路１０ｃが設けられており、この水素排出流路１０ｃに介装されたパージ弁１５を必要に応じて開閉することにより、水素循環流路１０ｂを流れる排出ガス（窒素、未使用な水素等を含むガス）を外部に排出している。このパージ弁１５は、燃料電池スタック１の運転状態に応じて、その開閉状態が制御部３０によって制御される。パージ弁１５は、基本的に、閉状態に制御されているが、必要に応じて、閉状態から開状態へと切り替えられ、これにより、未反応な水素とともに窒素が水素系１０からパージされる。
【００１４】
空気系２０において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２１によって加圧され、空気供給流路２０ａを介して燃料電池スタック１の空気極に供給される。この空気供給流路２０ａには、加湿装置２２が設けられており、空気極に供給される空気は、燃料電池スタック１の発電性能を低下させない程度に加湿される。燃料電池スタック１の空気極から排出される空気（排出ガス）は、発電により生成された水とともに、空気排出流路２０ｂを介して排出される。この空気排出流路２０ｂには、上述した加湿装置２２が介装されており、排出空気中に含まれる水分の除湿が行われる（この除湿した水分は、供給空気の加湿に用いられる）。また、空気排出流路２０ｂには、水素循環流路１０ｂからパージされるガス（以下「パージガス」という）の流路である水素排出流路１０ｃが接続されており、パージガスは、酸化剤からの排出空気とともに外部に排出される。
【００１５】
この空気排出流路２０ｂには、水素排出流路１０ｃとの合流部より下流側に、流路内を流れるガス（排出空気およびパージガス）に含まれる水素濃度を検出する水素濃度検出センサ２３が設けられている。水素濃度検出センサ２３は、主として、パージ弁１５が開状態のまま固着することによる水素漏れ、および、燃料電池スタック１内の膜破れによって空気排出流路２０ｂを流れる水素漏れを検知するために設けられている。
【００１６】
水素濃度検出センサ２３は、接触燃焼式のガスセンサであり、検出素子と参照素子とを主体に構成されている。水素濃度検出センサ２３は、被検出ガスである水素が白金等の触媒に接触した際に燃焼する熱を利用し、水素の燃焼により高温となった検出素子と、雰囲気温度下の参照素子との間に電気抵抗の差が生ずることを利用し、水素ガス濃度を検出する。水素濃度検出センサ２３は、その電源がオンされていることを前提に、水素濃度の検出を行うことが可能であり、その電源状態は制御部３０によって制御される。
【００１７】
制御部３０は、燃料電池システムの運転状態に基づいて、システムの各部を制御することにより、燃料電池スタック１の発電制御を行う。本実施形態との関係において、制御部３０は、主として、パージ弁１５の開閉状態、および、水素濃度検出センサ２３の電源状態を制御する。制御部３０としては、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。
【００１８】
図２は、制御部３０のブロック構成図である。制御部３０は、これを機能的に捉えた場合、パージ制御部３０ａと、パージガス推定部（推定手段）３０ｂと、電源制御部（電源制御手段）３０ｃとを有する。パージ制御部３０ａは、水素系１０内の窒素濃度が所定の基準値以下となるように、パージ弁１５の開閉制御を行う。本実施形態において、パージ制御部３０ａは、所定周期毎に、パージ弁１５を開状態へと所定時間（パージ時間）だけ切り替える。パージガス推定部３０ｂは、パージ弁１５からのパージガスが水素濃度検出センサ２３に到達するまでの時間をパージガス到達時間として推定する。電源制御部３０ｃは、パージ弁１５からのパージガスが水素濃度検出センサ２３に到達するタイミングに基づいて、水素濃度検出センサ２３の電源状態を制御する。
【００１９】
以下、このような構成を有する燃料電池システムにおいて、水素濃度の検出処理について説明する。図３，４は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの水素濃度の検出処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、車両のイグニッションスイッチがオンされることによって呼び出され、制御部３０によって実行される。この際、水素濃度検出センサ２３の電源はオフに制御されている。
【００２０】
まず、ステップ１０において、制御部３０は、現在の燃料電池スタック１の運転条件に基づいて、水素循環流路１０ｂを循環するガス量（以下「循環ガス量」という）を推定する。循環ガス量、すなわち、水素循環装置１２の動作量（例えば、循環ポンプの回転数）は、燃料電池スタック１の運転条件に依存して決定される値であるため、その値は、現在の運転条件から一義的に特定することができる。
【００２１】
ステップ１１において、制御部３０は、燃料電池スタック１の運転条件に基づいて、水素循環流路１０ｂを循環するガス中に含まれる水素濃度を推定する。水素循環流路１０ｂ内を流れるガスの組成（水素、窒素、水蒸気等）は、燃料電池スタック１の運転条件（起動からの経過時間、従前に行われたパージ処理からの経過時間、運転圧力など）によって支配される値であるため、このステップ１０の処理では、現在の運転条件に状態に基づいて、水素濃度を推定する。例えば、実験やシミュレーションを通じて、燃料電池スタック１の運転状態と水素濃度との関係を予め取得しておき、これをマップとして用いることにより、水素濃度を推定するといった如くである。
【００２２】
ステップ１２において、制御部３０は、パージガスに含まれる水素量を推定する。具体的には、循環ガス量と、水素循環流路１０ｂの圧力（燃料電池スタック１の運転圧力）とが知得であれば、パージ弁１５のバルブのオリフィス径と、パージ時間とに基づいて、パージガスの流量が推定される。そして、水素循環流路１０ｂを循環するガス中に含まれる水素濃度と、パージガスの流量とに基づいて、パージガス中の水素量が推定される。
【００２３】
ステップ１３において、制御部３０は、パージ弁１５からのパージガスのうち、水素濃度検出センサ２３の検出において適した水素量を選択する。水素濃度検出センサ２３において、反応する水素量が多い状態は、検出素子の結露除去といった観点において好ましいが、検出素子において反応する水素量が増加するため、検出素子の劣化が顕著となる傾向にある。一方で、水素量が所定の既定値よりも少ない状態は、検出素子での反応が抑制されるため、その濃度を検出することが困難となる場合がある。そのため、水素濃度検出センサ２３は、検出素子の劣化から規定される水素量の上限値と、検出可能な水素量の下限値との間によって設定される検出範囲において、水素濃度を検出することが好ましい。この検出範囲は、水素濃度検出センサ２３の特性や個体差などを考慮して、実験やシミュレーションを通じて予め設定しておく。このステップ１３では、制御部３０は、ステップ１２において推定されたパージガス中の水素量に基づいて、このパージ弁１５が開状態に設定されてから排出される水素量の推移を推定し、水素量が上記検出範囲に収まるまでの時間を、水素量選択時間として演算する。例えば、実験やシミュレーションを通じて、パージガス中の水素量と、パージ弁１５が開状態に設定されてから排出される水素量の推移との関係を予め取得しておき、これをマップとして用いることにより、水素量の推移を推定するといった如くである。
【００２４】
ステップ１４において、制御部３０は、水素排出流路１０ｃの流路径と、パージ弁１５から水素濃度検出センサ２３までの流路の長さ、パージガスの流量とに基づいて、パージ弁１５からパージされたパージガスが水素濃度検出センサ２３に到達するまでの時間（パージガス到達時間）の基準値を演算する。そして、制御部３０は、この算出された基準値と、ステップ１３において算出された水素量選択時間とを加算した値を、パージガス到達時間として算出する。このパージガス到達時間は、パージ弁１５が開放されてから、上記の検出範囲に相当する水素量を含むパージガスが、水素濃度検出センサ２３に到達するまでの時間を示している。
【００２５】
ステップ１５において、制御部３０は、次回に実行されるパージ処理の実行タイミングと、パージガス到達時間とに基づいて、次回のパージ処理においてパージされたパージガスのうち、検出範囲に相当する水素量を含むパージガスが、水素濃度検出センサ２３に到達するタイミングを基準タイミングとして演算する。
【００２６】
ステップ１６において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３の電源がオンされて燃料ガス濃度を検出可能となるまでの時間、すなわち、水素濃度検出センサ２３の起動時間が、パージガス到達時間よりも大きいか否かを判定する。このステップ１６において肯定判定された場合、すなわち、水素濃度検出センサ２３の起動時間がパージガス到達時間よりも大きい場合には、ステップ１７に進む。一方、ステップ１６において否定判定された場合、すなわち、水素濃度検出センサ２３の起動時間がパージガス到達時間以下の場合には、ステップ２３に進む。
【００２７】
ステップ１７において、制御部３０は、基準タイミングと、水素濃度検出センサ２３の起動完了タイミングとが同期することを前提に、水素濃度検出センサ２３の起動時間を考慮して、水素濃度検出センサ２３の電源をオンするか否かを判定する。このステップ１７において肯定判定された場合、すなわち、水素濃度検出センサ２３の起動を行うタイミングである場合には、ステップ１８に進む。一方、ステップ１７において否定判定された場合、すなわち、水素濃度検出センサ２３の起動タイミングに到達しない場合には、所定時間後にステップ１７に戻り、再度同様の判定を行う。ステップ１８において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３の電源状態をオンに制御する。
【００２８】
ステップ１８に続くステップ１９において、制御部３０は、パージ処理の実行タイミングであるか否かを判定する。このステップ１９において肯定判定された場合、すなわち、パージ処理の実行タイミングである場合には、ステップ２０に進む。一方、ステップ１９において否定判定された場合、すなわち、パージ処理の実行タイミングではない場合には、所定時間後にステップ１９に戻り、再度同様の判定を行う。ステップ２０において、制御部３０は、パージ処理を開始する。このパージ処理では、所定時間だけパージ弁を開状態に制御して、パージガスをパージする。
【００２９】
ステップ２０に続くステップ２１において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３において、水素との燃焼反応、すなわち、水素濃度の検出が終了したか否かを判定する。このステップ２１において肯定判定された場合、すなわち、水素濃度の検出が終了した場合には、ステップ２２に進む。一方、ステップ２１において否定判定された場合、すなわち、水素濃度の検出が終了していない場合には、所定時間後にステップ２１に戻り、再度同様の判定を行う。ステップ２２において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３の電源状態をオフに制御した上で、本ルーチンを抜ける。
【００３０】
一方、ステップ１６の否定判定に続くステップ２３において、制御部３０は、パージ処理の実行タイミングであるか否かを判定する。このステップ２３において肯定判定された場合、すなわち、パージ処理の実行タイミングである場合には、ステップ２４に進む。一方、ステップ２３において否定判定された場合、すなわち、パージ処理の実行タイミングではない場合には、所定時間後にステップ２３に戻り、再度同様の判定を行う。ステップ２４において、制御部３０は、パージ処理を開始する。このパージ処理では、所定時間だけパージ弁を開状態に制御して、パージガスをパージする。
【００３１】
ステップ２４に続くステップ２５において、制御部３０は、基準タイミングと、水素濃度検出センサ２３の起動完了タイミングとが同期することを前提に、水素濃度検出センサ２３の起動時間を考慮した上で、水素濃度検出センサ２３の電源をオンするか否かを判定する。このステップ２５において肯定判定された場合、すなわち、水素濃度検出センサ２３の起動を行うタイミングである場合には、ステップ２６に進む。一方、ステップ２５において否定判定された場合、すなわち、水素濃度検出センサ２３の起動タイミングに到達しない場合には、所定時間後にステップ２５に戻り、再度同様の判定を行う。ステップ２６において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３の電源状態をオンに制御する。
【００３２】
ステップ２７において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３において、水素との燃焼反応、すなわち、水素濃度の検出が終了したか否かを判定する。このステップ２７において肯定判定された場合、すなわち、水素濃度の検出が終了した場合には、上述したステップ２２に進む。一方、ステップ２７において否定判定された場合、すなわち、水素濃度の検出が終了していない場合には、所定時間後にステップ２７に戻り、再度同様の判定を行う。
【００３３】
このように本実施形態によれば、制御部３０（電源制御部３０ｃ）は、パージ弁１５による排出ガスのパージ動作に基づいて、水素濃度検出センサ２３の電源状態を制御している。このため、パージガスと、電源がオン状態での水素濃度検出センサ２３の検出動作とに伴って結露を解消させることができるので、水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。ところで、水素濃度検出センサ２３の電源を常にオンに制御しておけば、結露が発生し難くなり、これによって、結露による水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することは可能である。しかしながら、このケースでは、水素濃度検出センサ２３が常時動作し続けるため、センサの寿命を低下させるという不都合がある。しかしながら、本実施形態によれば、水素濃度検出センサ２３の電源状態を制御することにより、電源が常にオンされているといった事態を抑制することができるので、水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。
【００３４】
ここで、水素濃度検出センサ２３は、水素と燃焼反応することにより、その濃度を検出する接触燃焼式の検出手段である。これにより、水素濃度検出センサ２３の電源がオン状態における燃焼反応によって結露を解消させることができるので、水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。また、水素濃度検出センサ２３の電源状態を制御することにより、水素濃度検出センサ２３の不必要な燃焼反応が抑制されるので、水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、制御部３０は、パージ弁１５からのパージガスが水素濃度検出センサ２３に到達するまでの時間をパージガス到達時間として推定するパージガス推定部３０ｂをさらに有している。この場合、制御部３０（電源制御部３０ｃ）は、水素濃度検出センサ２３の電源がオンされてから、燃料ガスの濃度を検出可能となるまでの水素濃度検出センサ２３の起動時間と、パージガス推定部３０ｂによって推定されたパージガス到達時間とに基づいて、水素濃度検出センサ２３の電源状態を制御する。これにより、水素濃度検出センサ２３に水素を含むパージガスが到達するタイミングにおいて、水素濃度検出センサ２３が起動を完了した状態にコントロールすることが可能となる。これにより、水素濃度検出センサ２３の検出動作（燃料反応）に伴って結露を解消させることができるので、水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。
【００３６】
ここで、パージガス推定部３０ｂは、水素循環流路１０ｂを流れる排出ガス中の水素の濃度と、パージ弁１５からのパージガスの流量とに基づいて、パージガスに含まれる水素のうち、水素濃度検出センサ２３による濃度検出に必要な水素量が到達するまでの時間を、パージガス到達時間として推定する。これにより、上述した効果とともに、図５に示すように、水素濃度が最も検出に適したタイミングにおいて、水素濃度検出センサ２３の起動を完了させることができるので、必要量以上の水素との反応による、水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、制御部３０（電源制御部３０ｃ）は、水素濃度検出センサ２３の起動時間と、パージガス到達時間とに基づいて、水素濃度検出センサ２３の起動が完了するタイミングと、パージ弁１５からパージされた排出ガスが水素濃度検出センサ２３に到達するタイミングとが同期するように、水素濃度検出センサ２３の電源をオンに制御している。これにより、水素濃度検出センサ２３に水素を含むパージガスが到達するタイミングにおいて、水素濃度検出センサ２３が起動を完了した状態にコントロールすることが可能となる。これにより、水素濃度検出センサ２３の検出動作（燃料反応）に伴って結露を解消させることができるので、結露に起因する水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。また、水素濃度検出センサ２３の起動が完了した段階において、パージガスが水素濃度検出センサ２３に到達するので、結露を速やかに解消させることができる。
【００３８】
さらに、本実施形態によれば、制御部３０（電源制御部３０ｃ）は、水素濃度検出センサ２３によって水素の濃度の検出が完了したことを条件として、水素濃度検出センサ２３の電源をオフに制御する。そのため、必要以外は電源がオフとなっているため、水素との過度な燃焼反応による劣化を抑制することができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。第２の実施形態の燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、水素濃度検出センサ２３に流れるパージガス中の水素量の調整を積極的に行うことにある。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。
【００４０】
具体的には、水素排出流路１０ｃには、パージ弁１５の下流側において分岐するバイパス流路１０ｄが設けられており、このバイパス流路１０ｄは、その他方の端部が、空気排出流路２０ｂの水素濃度検出センサ２３の下流側に接続されている。バイパス流路１０ｄには、例えば、バルブやファンといった流量制御装置１６が設けられており、空気排出流路２０ｂへと流れるパージガスが任意の流量となるように、パージガスの一部をバイパス流路１０ｄへと流すことができる。この流量制御装置１６によるパージガスの流量制御は、図７に示すように、制御部３０の流量制御部３０ｄによって行われる。なお、水素排出流路１０ｃには、バイパス流路１０ｄが分岐する分岐位置よりも下流側に、逆流防止弁１７が設けられている。この逆流防止弁１７は、流量制御装置１６の作動による差圧が発生した場合に、空気排出流路２０ｂを流れる排出ガスが流量制御装置１６に引かれ、流量がずれることを抑制するために設けられている。
【００４１】
以下、第２の実施形態にかかる水素濃度の検出処理について説明する。図７，８は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの水素濃度の検出処理の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えば、車両のイグニッションスイッチがオンされることによって呼び出され、制御部３０によって実行される。なお、第１の実施形態に示す手順と同じ処理については、同一のステップ番号を付すこととし、その詳細な説明については省略する。
【００４２】
まず、ステップ１０〜１２において、制御部３０は、循環ガス量を推定し、水素系１０内を循環するガス中に含まれる水素濃度を推定するとともに、パージガス中の水素量を推定する。
【００４３】
ステップ１２に続くステップ２９において、制御部３０は、パージガスのうち、バイパス流路１０ｄへと流すパージガスの流量（以下、「バイパス流量」という）を決定する。上述したように、水素濃度検出センサ２３は、検出素子の劣化から規定される水素量の上限値と、検出可能な水素量の下限値との間によって設定される検出範囲において、水素濃度を検出することが好ましい。そこで、制御部３０は、パージガス中に含まれる水素量に基づいて、所定の検出範囲に収まる水素量を含むパージガスが、水素濃度検出センサ２３に流れるように、バイパス流量を決定する。バイパス流量は、全パージガス中に含まれる水素量と、所定の検出範囲に収まる水素量との割合を考慮することにより、パージガスの総体的な流量から一義的に算出される。なお、パージガス中に含まれる水素量が既に所定の検出範囲に収まっている場合には、バイパス流量は算出されず、所定の制御基準値がバイパス流量として選択される。この制御基準値が出力された場合には、流量制御装置１６は、その流量制御を行わず、バイパス流路１０ｄ側にパージガスが流れないようになっている。
【００４４】
ステップ３０において、制御部３０は、水素排出流路１０ｃの流路径と、パージ弁１５から水素濃度検出センサ２３までの流路の長さ、パージガスの流量との基づいて、パージガスがパージ弁１５から水素濃度検出センサ２３に到達するまでの時間をパージガス到達時間（基準値）として演算する。
【００４５】
ステップ３０に続くステップ１５において、制御部３０は、次回に実行されるパージ処理の実行タイミングと、パージガス到達時間とに基づいて、次回のパージ処理においてパージされたパージガスのうち、検出範囲に相当する水素量を含むパージガスが、水素濃度検出センサ２３に到達するタイミングを基準タイミングとして演算する。そして、ステップ１６において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３の起動時間が、パージガス到達時間よりも大きいか否かを判定する。このステップ１６において肯定判定された場合には、ステップ１７に進む。一方、ステップ１６において否定判定された場合には、ステップ２３に進む。
【００４６】
ステップ１７において、制御部３０は、基準タイミングと、水素濃度検出センサ２３の起動完了とがタイミング的に同期することを前提に、水素濃度検出センサ２３の起動時間を考慮した上で、水素濃度検出センサ２３の電源をオンするか否かを判定する。ステップ１７において肯定判定された場合には、ステップ１８に進む。一方、ステップ１７において否定判定された場合には、所定時間後にステップ１７に戻り、再度同様の判定を行う。ステップ１８において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３の電源状態をオンに制御する。
【００４７】
ステップ１９において、制御部３０は、パージ処理の実行タイミングであるか否かを判定する。このステップ１９において肯定判定された場合には、ステップ３１に進む。一方、ステップ１９において否定判定された場合には、所定時間後にステップ１９に戻り、再度同様の判定を行う。
【００４８】
ステップ３１において、制御部３０は、パージ処理として、所定時間だけパージ弁を開状態に制御して、水素系１０内のガスをパージする。また、このステップ３０において、制御部３０は、流量制御装置１６を制御して、流量制御を開始する。具体的には、制御部３０は、ステップ２９において算出されたバイパス流量分のパージガスをバイパス流路１０ｄへとバイパスさせる。
【００４９】
ステップ３１に続くステップ２１において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３において、水素との燃焼反応、すなわち、水素濃度の検出が終了したか否かを判定する。このステップ２１において肯定判定された場合には、ステップ３２に進む。一方、ステップ２１において否定判定された場合には、所定時間後にステップ２１に戻り、再度同様の判定を行う。ステップ３２において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３の電源状態をオフに制御するとともに、流量制御装置１６に流量制御を終了した上で、本ルーチンを抜ける。
【００５０】
一方、ステップ１６の否定判定に続くステップ２３において、制御部３０は、パージ処理の実行タイミングであるか否かを判定する。このステップ２３において肯定判定された場合には、ステップ３３に進む。一方、ステップ２３において否定判定された場合には、所定時間後にステップ２３に戻り、再度同様の判定を行う。
【００５１】
ステップ３３において、制御部３０は、パージ処理を開始する。このパージ処理では、所定時間だけパージ弁を開状態に制御して、水素系１０内のガスをパージする。また、このステップ３３において、制御部３０は、流量制御装置１６を制御して、流量制御を開始する。具体的には、制御部３０は、ステップ２９において算出されたバイパス流量分のパージガスをバイパス流路１０ｄへとバイパスさせる。
【００５２】
ステップ３３に続くステップ２５において、制御部３０は、基準タイミングと、水素濃度検出センサ２３の起動完了とがタイミング的に同期することを前提に、水素濃度検出センサ２３の起動時間に基づいて、水素濃度検出センサ２３の電源をオンするか否かを判定する。このステップ２５において肯定判定された場合には、ステップ２６に進む。一方、ステップ２５において否定判定された場合には、所定時間後にステップ２５に戻り、再度同様の判定を行う。ステップ２６において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３の電源状態をオンに制御する。
【００５３】
ステップ２７において、制御部３０は、水素濃度検出センサ２３において、水素との燃焼反応、すなわち、水素濃度の検出が終了したか否かを判定する。このステップ２７において肯定判定された場合には、上述したステップ３１に進む。一方、ステップ２７において否定判定された場合には、所定時間後にステップ２７に戻り、再度同様の判定を行う。
【００５４】
このように第２の実施形態によれば、流量制御装置１６を用いて、水素濃度検出センサ２３に供給される水素量が制御される。これにより、多量の水素が水素濃度検出センサ２３へと供給されることを防止することができるので、センサの劣化を有効に防止することができる。
【００５５】
このように本実施形態によれば、図１０に示すように、バイパス流路１０ｄを経由させることにより、パージ弁１５からのパージガスのうち、水素濃度検出センサ２３を流れるパージガスの流量を制御する流量制御装置１６を備えている。この流量制御装置１６は、水素循環流路１０ｂを流れる排出ガス中の水素の濃度と、パージ弁１５からのパージガスの流量とに基づいて、パージガスに含まれる水素のうち、水素濃度検出センサ２３による濃度検出に必要な水素が、水素濃度検出センサ２３を流れるように、流量制御装置１６が制御される。かかる構成によれば、第1の実施形態と同様に、水素濃度検出センサ２３に水素を含むパージガスが到達するタイミングにおいて、水素濃度検出センサ２３が起動を完了した状態にコントロールすることが可能となる。これにより、水素濃度検出センサ２３の検出動作（燃料反応）に伴って結露を解消させることができるので、水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。また、水素濃度の検出に適した水素を含むガスを水素濃度検出センサ２３に流すことができるので、必要量以上の水素との反応による、水素濃度検出センサ２３の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１に示す制御部のブロック構成図である。
【図３】本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの水素濃度の検出処理の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの水素濃度の検出処理の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの水素濃度の検出処理の概念説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成図である。
【図７】図６に示す制御部のブロック構成図である。
【図８】本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの水素濃度の検出処理の手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの水素濃度の検出処理の手順を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの水素濃度の検出処理の概念説明図である。
【符号の説明】
【００５７】
１      燃料電池スタック
１０      水素系
１０ａ    水素供給流路
１０ｂ    水素循環流路
１０ｃ    水素排出流路
１０ｄ    バイパス流路
１１      燃料タンク
１２      水素循環装置
１３      水素ポンプ
１４      水分離室
１４ｂ    配水管
１５      パージ弁
１６      流量制御装置
１７      逆流防止弁
２０      空気系
２０ａ    空気供給流路
２０ｂ    空気排出流路
２１      コンプレッサ
２２      加湿装置
２３      水素濃度検出センサ
３０      制御部
３０ａ    パージ制御部
３０ｂ    パージガス推定部
３０ｃ    電源制御部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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