(57)【要約】【課題】流路出口以外において燃料ガス濃度を検出した場合であっても流路出口における燃料ガス濃度の推定精度を向上させることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】演算部８０は、水素濃度センサ７１、流路内水蒸気濃度センサ７２、及び流路出口水蒸気濃度センサ７３の検出値から、酸化剤ガス排出流路６１の流路出口６１ａを流れるオフガスについて水素濃度を求める。ここで、酸化剤ガス排出流路６１の流路出口６１ａを流れるオフガスについての水素濃度は、流路途中のオフガスの燃料ガス濃度と、その流路途中でのオフガスの水蒸気濃度と、流路出口６１ａでのオフガスの水蒸気濃度と一定の相関関係を有している。このため、これらの検出値から流路出口６１ａでの水素濃度を求めることで、流路出口６１ａ以外において水素濃度を検出した場合であっても流路出口６１ａにおける水素濃度の推定精度を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスの供給を受ける燃料極と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるオフガスを外部に導く排出流路と、
前記排出流路の途中を流れるオフガスの燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、
前記燃料ガス濃度検出手段が燃料ガス濃度の検出対象とするオフガスについて水蒸気濃度を検出する第１水蒸気濃度検出手段と、
前記排出流路出口を流れるオフガスについて水蒸気濃度を検出する第２水蒸気濃度検出手段と、
前記燃料ガス濃度検出手段、前記第１水蒸気濃度検出手段、及び前記第２水蒸気濃度検出手段の検出値から、前記排出流路出口を流れるオフガスについて燃料ガス濃度を求める演算手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料ガス濃度検出手段が燃料ガス濃度の検出対象とするオフガスについて温度を検出する第１温度検出手段を備え、
前記第１水蒸気濃度検出手段は、前記第１温度検出手段の検出値に基づいて前記検出対象とするオフガスの水蒸気濃度を検出する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記排出流路出口を流れるオフガスについて温度を検出する第２温度検出手段を備え、
前記第２水蒸気濃度検出手段は、前記第２温度検出手段の検出値に基づいて前記排出流路出口を流れるオフガスの水蒸気濃度を検出する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の酸化剤極に供給する酸化剤ガスとして外部から取り込まれる大気を用いる場合、外部から取り込まれる大気の温度を検出する第３温度検出手段を備え、
前記第２水蒸気濃度検出手段は、前記第３温度検出手段の検出値に基づいて前記排出流路出口を流れるオフガスの水蒸気濃度を検出する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記演算手段により求められた燃料ガス濃度が基準値よりも高い場合に電気信号を受けて、前記燃料ガス濃度検出手段が燃料ガス濃度の検出対象とするオフガスの上流側に大気を導入する第１大気導入機構をさらに備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池システムであって、
外部から取り込んだ大気を前記酸化剤ガスとして前記燃料電池の酸化剤極に送り込む酸化剤ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池の酸化剤極側入口まで接続され、前記酸化剤ガス供給手段により送り込まれる大気の流路となる酸化剤ガス供給流路と、をさらに備え、
前記第１大気導入機構は、前記酸化剤ガス供給流路から分岐し、前記燃料電池をバイパスして前記検出対象とするオフガスの上流側に大気を導くバイパス流路と、前記酸化剤ガス供給手段からの大気を前記バイパス流路側に導き入れる制御弁と、を有する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池システムであって、
前記第１大気導入機構は、前記演算手段により求められた燃料ガス濃度が高くなるに従って、前記酸化剤ガス供給手段に送り込まれる大気を前記検出対象とするオフガスの上流側に多く流す
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれ１項に記載の燃料電池システムであって、
電気信号を受けずに、前記燃料ガス濃度検出手段が燃料ガス濃度の検出対象とするオフガスの上流側に大気を導入する第２大気導入機構をさらに備える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
移動体に搭載される請求項８に記載の燃料電池システムであって、
前記第２大気導入機構は、前記移動体の速度が所定速度より高くなると開状態となって大気を導入するワンウェイバルブである
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
移動体に搭載される請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記演算手段により求められた燃料ガス濃度が基準値よりも高い場合に電気信号を受けて、前記燃料ガス濃度検出手段が燃料ガス濃度の検出対象とするオフガスの上流側に大気を導入する第１大気導入機構と、
電気信号を受けずに、前記燃料ガス濃度検出手段が燃料ガス濃度の検出対象とするオフガスの上流側に大気を導入する第２大気導入機構と、
前記第２大気導入機構は、前記移動体の速度が所定速度より高くなると開状態となって大気を導入するワンウェイバルブであり、
前記第１大気導入機構は、前記移動体の速度が所定速度以下のときに大気を導入する
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】
従来、燃料電池の酸化剤極側からのオフガスが流れる酸化剤排出流路に水素ガス検知器を備える燃料電池システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−２２３８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般に固体高分子膜型燃料電池では、固体高分子電解質膜のイオン伝導性を保つために、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化剤ガスが加湿されている。また、燃料電池から排出されるオフガスは、燃料電池での電気化学反応に伴って生成される水により高温高湿潤となり、水蒸気によって希釈された状態となっている。しかも、オフガスには水蒸気が飽和状態まで溶け込んでいる。ここで、オフガスが流れる排出流路は流路出口に向かって外気によって冷やされやすくなる。このため、オフガスは流路出口に向かうほど温度低下により水蒸気濃度が減少していくこととなる。
【０００４】
しかし、従来の燃料電池システムでは排出流路の出口でなく流路途中に水素ガス検知器を備えるため、水蒸気濃度の関係上、検出された水素濃度は流路出口の水素濃度よりも低くなってしまう。ここで、オフガスが大気に放出されるときの水素濃度は所定濃度以下であることが望ましく、流路出口での水素濃度を正確に知ることが肝要となる。よって、従来の燃料電池システムのように、検出された水素濃度は流路出口の水素濃度よりも低くなってしまうと、流路出口での水素濃度を正確に知ることができず、不都合である。なお、この問題は燃料ガスが水素であり、酸化剤ガスが酸素である場合に限らず、発電によって水が生じる燃料電池システムについて同様に生じる問題である。
【０００５】
本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、流路出口以外において燃料ガス濃度を検出した場合であっても流路出口における燃料ガス濃度の推定精度を向上させることが可能な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】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、排出流路と、燃料ガス濃度検出手段と、第１水蒸気濃度検出手段と、第２水蒸気濃度検出手段と、演算手段とを備えている。燃料電池は、燃料ガスの供給を受ける燃料極と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。排出流路は、燃料電池から排出されるオフガスを外部に導くものである。燃料ガス濃度検出手段は、排出流路を流れるオフガスの燃料ガス濃度を検出するものである。第１水蒸気濃度検出手段は、燃料ガス濃度検出手段が燃料ガス濃度の検出対象とするオフガスについて水蒸気濃度を検出するものである。第２水蒸気濃度検出手段は、排出流路出口を流れるオフガスについて水蒸気濃度を検出するものである。演算手段は、燃料ガス濃度検出手段、第１水蒸気濃度検出手段、及び第２水蒸気濃度検出手段の検出値から、排出流路出口を流れるオフガスについて燃料ガス濃度を求めるものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料ガス濃度検出手段は排出流路を流れるオフガスの燃料ガス濃度を検出し、第１水蒸気濃度検出手段は燃料ガス濃度検出手段が燃料ガス濃度の検出対象とするオフガスについて水蒸気濃度を検出し、第２水蒸気濃度検出手段は排出流路出口を流れるオフガスについて水蒸気濃度を検出する。そして、演算手段は、燃料ガス濃度検出手段、第１水蒸気濃度検出手段、及び第２水蒸気濃度検出手段の検出値から、排出流路出口を流れるオフガスについて燃料ガス濃度を求める。ここで、排出流路出口を流れるオフガスについての燃料ガス濃度は、流路途中のオフガスの燃料ガス濃度と、その流路途中でのオフガスの水蒸気濃度と、流路出口でのオフガスの水蒸気濃度と一定の相関関係を有している。このため、これらの検出値から排出流路出口での燃料ガス濃度を求めることで、流路出口以外において燃料ガス濃度を検出した場合であっても流路出口における燃料ガス濃度の推定精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料ガス供給系２０と、燃料ガス排出系３０と、ガス循環系４０と、酸化剤ガス供給系５０と、酸化剤ガス排出系６０とを備えている。
【００１０】
燃料電池１０は、燃料ガス（水素ガス）の供給を受ける燃料極と、酸化剤ガス（酸素）の供給を受ける酸化剤極とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。また、燃料極と酸化剤極とは電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池１０は、これら発電セルが複数層積層されたスタック構造となっている。
【００１１】
燃料ガス供給系２０は、水素タンク２１と、水素ガス供給流路２２とを備えている。水素タンク２１は、燃料電池１０の燃料極に供給する水素ガスを蓄えておくものである。水素ガス供給流路２２は水素タンク２１と燃料電池１０の燃料極側入口とを接続し、水素タンク２１からの水素ガスを燃料電池１０の燃料極まで導くものである。また、燃料ガス供給系２０は、不図示の水素調圧弁を有し、水素調圧弁により燃料電池１０の燃料極側に供給する水素ガス量を制御するようになっている。また、水素調圧弁は、水素ガスの供給量を制御することにより燃料電池１０の燃料極側の圧力を調整可能となっている。
【００１２】
燃料ガス排出系３０は、燃料ガス排出流路３１と、パージ弁３２とを備えている。燃料ガス排出流路３１は、燃料電池１０の燃料極側出口と外部とを接続し、燃料極側から排出されるオフガスを外部まで導くものである。パージ弁３２は、開閉自在に制御されるものであり、開閉動作することにより流路を遮断したり開放したりしてガスの排出を制御するものである。
【００１３】
ガス循環系４０は、発電に寄与することなく排出された燃料ガスを再利用するためのものであって、循環流路４１と循環ポンプ４２とポンプモータ４３とを備えている。循環流路４１は、一端が燃料ガス排出流路３１のうちパージ弁３２の上流側に接続され、他端が水素ガス供給流路２２に接続されている。循環ポンプ４２は、循環流路４１上に設けられ、燃料電池１０の燃料極側から排出されたガスを循環させて再度燃料電池１０の燃料極側に送り込む動力源となるものである。ポンプモータ４３は、循環ポンプ４２を駆動させるものである。
【００１４】
酸化剤ガス供給系５０は、コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）５１と、酸化剤ガス供給流路５２とからなっている。コンプレッサ５１は、外部から取り込んだ大気を圧縮し酸化剤ガスとして燃料電池１０の酸化剤極に送り込むものである。酸化剤ガス供給流路５２は、コンプレッサ５１から燃料電池１０の酸化剤極側入口まで接続され、コンプレッサ５１により送り込まれる大気の流路となるものである。
【００１５】
酸化剤ガス排出系６０は、酸化剤ガス排出流路（排出流路）６１を備えている。酸化剤ガス排出流路６１は、燃料電池１０の酸化剤極側と外部とを接続し、燃料電池１０の酸化剤極側から排出されたオフガスを外部に導くものである。また、酸化剤ガス排出系６０は、酸化剤ガス排出流路６１上に不図示の空気調圧弁を備え、空気調圧弁により外部に排出するガス量を制御する構成となっている。
【００１６】
さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１は、各種センサ７１〜７３、演算部（演算手段）８０、及び警報装置９０あるいは表示装置９０を備えている。
【００１７】
各種センサ７１〜７３のうち、水素濃度センサ（燃料ガス濃度検出手段）７１は、酸化剤ガス排出流路６１の途中に設けられ、酸化剤ガス排出流路６１を流れるオフガスの水素濃度を検出するものである。ここで、酸化剤ガス排出流路６１の途中とは、酸化剤ガス排出流路６１のうち出口６１ａ以外の場所をいう。流路内水蒸気濃度センサ７２は、水素濃度センサ７１に近接して設けられ、又は水素濃度センサ７１に隣接若しくは一体的に設けられ、水素濃度センサ７１が水素濃度の検出対象とするオフガスについて水蒸気濃度を検出するものである。流路出口水蒸気濃度センサ７３は、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａの近傍に設置され、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａを流れるオフガスについて水蒸気濃度を検出するものである。
【００１８】
演算部８０は、水素濃度センサ７１、流路内水蒸気濃度センサ７２及び流路出口水蒸気濃度センサ７３の検出値から、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａを流れるオフガスについて水素濃度を求めるものである。具体的に演算部８０は、水素濃度センサ７１により検出された水素濃度をＣ１（％）とし、流路内水蒸気濃度センサ７２により検出された流路内の水蒸気濃度をＨ１（％）とし、流路出口水蒸気濃度センサ７３により検出された流路出口６１ａにおける水蒸気濃度をＨ２（％）とした場合、流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２（％）を、Ｃ２＝１００×Ｃ１／（１００−Ｈ１＋Ｈ２）なる関係式から求める。なお、便宜的に流路内の水蒸気濃度をＨ１に係数を掛けたり補正したりすることがあるが、基本的には上式により流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２（％）を求めることができる。
【００１９】
警報装置９０は、流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２が基準値よりも高い場合に、警報を発するものである。ここで、水素は可燃下限濃度４％である。このため、基準値は、例えば４％から若干の余裕を持たせて３．５％とされる。また、表示装置９０は、流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２が基準値よりも高い場合に、その旨を表示するものである。
【００２０】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の演算部８０の動作を説明する。図２は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の演算部８０の動作を示すフローチャートである。
【００２１】
図２に示すように、まず、演算部８０は、水素濃度センサ７１の検出値を読み込む（ＳＴ１）。次に、演算部８０は、流路内水蒸気濃度センサ７２の検出値を読み込み（ＳＴ２）、次いで流路出口水蒸気濃度センサ７３の検出値を読み込む（ＳＴ３）。そして、演算部８０は、上記関係式から、流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２を求める（ＳＴ４）。その後、演算部８０は、求めた流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２の情報を警報装置９０あるいは表示装置９０に出力する（ＳＴ５）。次いで、演算部８０は、イグニッションスイッチがオフされた否かを判断する（ＳＴ６）。イグニッションスイッチがオフされていないと判断した場合（ＳＴ６：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１に移行する。一方、イグニッションスイッチがオフされたと判断した場合（ＳＴ６：ＹＥＳ）、図２に示す処理は終了する。
【００２２】
このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、水素濃度センサ７１は酸化剤ガス排出流路６１を流れるオフガスの水素濃度を検出し、流路内水蒸気濃度センサ７２は水素濃度センサ７１が水素濃度の検出対象とするオフガスについて水蒸気濃度を検出し、流路出口水蒸気濃度センサ７３は酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａを流れるオフガスについて水蒸気濃度を検出する。そして、演算部８０は、水素濃度センサ７１、流路内水蒸気濃度センサ７２、及び流路出口水蒸気濃度センサ７３の検出値から、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａを流れるオフガスについて水素濃度を求める。ここで、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａを流れるオフガスについての水素濃度は、流路途中のオフガスの水素濃度と、その流路途中でのオフガスの水蒸気濃度と、流路出口６１ａでのオフガスの水蒸気濃度と一定の相関関係を有している。このため、これらの検出値から酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａでの水素濃度を求めることで、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａ以外において水素濃度を検出した場合であっても流路出口６１ａにおける水素濃度の推定精度を向上させることができる。
【００２３】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。
【００２４】
図３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、流路内水蒸気濃度センサ７２に代えて流路内温度センサ（第１温度検出手段）７４を有し、流路出口水蒸気濃度センサ７３に代えて流路出口温度センサ（第２温度検出手段）７５を有している。
【００２５】
流路内温度センサ７４は、水素濃度センサ７１が水素濃度の検出対象とするオフガスについて温度を検出するものである。また、流路内温度センサ７４は、検出した温度情報を演算部８０に送信する。演算部８０は、入力した温度情報に基づいて酸化剤ガス排出流路６１の途中のオフガスについて水蒸気濃度を求める。
【００２６】
流路出口温度センサ７５は、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａを流れるオフガスについて温度を検出するものである。また、流路出口温度センサ７５は検出した温度情報を演算部８０に送信し、演算部８０は入力した温度情報に基づいて酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａを流れるオフガスについて水蒸気濃度を求める。
【００２７】
ここで、酸化剤ガス排出流路６１を流れるオフガスは、発電によって生成される水を含んで高温高湿状態となり、ほぼ飽和状態となる。また、飽和水蒸気圧は温度によって一義的に決まる値である。温度と飽和水蒸気圧の数値対応表は、例えば「湿度測定の指針（A Guide to the Measurement of Humidity）」（英国計測制御学会１９９６年、邦訳版１９９８年）のＰ．５５の表６に掲載されている。演算部８０は、例えば、この数値対応表又は数値対応表を関数近似した関係式を記憶しており、温度情報を入力すると、飽和水蒸気圧を求めるようになっている。また、飽和水蒸気圧を求めると、演算部８０は、飽和水蒸気圧をｐとし、オフガスの気体圧力をＰとした場合、比ｐ／Ｐを計算することにより水蒸気濃度（％）を求める。
【００２８】
なお、酸化剤ガス排出流路６１の流路内圧力（オフガスの気体圧力Ｐ）は大気圧よりわずかに高めの略一定値であることから、特別の圧力値を検出しないで水蒸気濃度を求めることができる。また、第２実施形態においては、演算部８０が流路内温度センサ７４及び流路出口温度センサ７５の出力情報に基づいて、第１水蒸気濃度検出手段および第２水蒸気濃度検出手段として機能することとなる。
【００２９】
さらに、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１大気導入機構１００を備えている。第１大気導入機構１００は、バイパス流路１０１と、バイパス弁（制御弁）１０２とを備えている。バイパス流路１０１は、酸化剤ガス供給流路５２から分岐し、燃料電池１０をバイバスして水素濃度センサ７１の上流側の酸化剤ガス排出流路６１に接続されるものであり、水素濃度センサ７１が検出対象とするオフガスの上流側に大気を導くものである。バイパス弁１０２は、開閉動作することにより、コンプレッサ５１から送り込まれる大気をバイパス流路１０１の側に導き入れたり遮断したりするものである。
【００３０】
このような第１大気導入機構１００は、演算部８０により求められた水素濃度が基準値よりも高い場合に電気信号を受けてバイパス弁１０２を開け、コンプレッサ５１からの大気を、バイパス流路１０１を通じて、水素濃度センサ７１が検出対象とするオフガスの上流側に導入することとなる。
【００３１】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の演算部８０の動作を説明する。図４は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の演算部８０の動作を示すフローチャートである。
【００３２】
図４に示すように、まず、演算部８０は水素濃度センサ７１の検出値を読み込む（ＳＴ１１）。次に、演算部８０は流路内温度センサ７４の検出値を読み込んで、水素濃度センサ７１の検出対象となるオフガスについて水蒸気濃度を検出する（ＳＴ１２）。次いで、演算部８０は流路出口温度センサ７５の検出値を読み込んで、流路出口６１ａを流れるオフガスについて水蒸気濃度を検出する（ＳＴ１３）。
【００３３】
そして、演算部８０は上記関係式から流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２を求める（ＳＴ１４）。その後、演算部８０は、流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２の情報を警報装置９０あるいは表示装置９０に出力する（ＳＴ１５）。次いで、演算部８０は、流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２が基準値Ｃ０より大きいか否かを判断する（ＳＴ１６）。
【００３４】
流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２が基準値Ｃ０より大きいと判断した場合（ＳＴ１６：ＹＥＳ）、演算部８０はバイパス弁１０２に開信号を出力する（ＳＴ１７）。これにより、大気が水素濃度センサ７１の上流側に流入してオフガスの水素濃度が低減されることとなる。その後、演算部８０は開信号を出力してからの継続時間である開時間Ｔが所定時間Ｔ０を超えたか否かを判断する（ＳＴ１８）。
【００３５】
開時間Ｔが所定時間Ｔ０を超えていないと判断した場合（ＳＴ１８：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１７に移行することとなる。開時間Ｔが所定時間Ｔ０を超えたと判断した場合（ＳＴ１８：ＹＥＳ）、演算部８０は、イグニッションスイッチがオフされた否かを判断する（ＳＴ１９）。イグニッションスイッチがオフされていないと判断した場合（ＳＴ１９：ＮＯ）、処理はステップＳＴ１１に移行する。一方、イグニッションスイッチがオフされたと判断した場合（ＳＴ１９：ＹＥＳ）、図４に示す処理は終了する。
【００３６】
ところで、流路出口６１ａにおけるオフガスの水素濃度Ｃ２が基準値Ｃ０より大きくないと判断した場合（ＳＴ１６：ＮＯ）、大気を水素濃度センサ７１の上流側に導入する必要がない。このため、演算部８０はバイパス弁１０２に閉信号を出力する（ＳＴ２０）。その後、処理はステップＳＴ１に移行する。
【００３７】
なお、上記ステップＳＴ１８の処理に示すように、本実施形態ではバイパス弁１０２に開信号を出力してから所定時間Ｔ０だけバイパス弁１０２を開状態のまま保持することしているが、これに限らず、ステップＳＴ１８の処理は省略されてもよい。
【００３８】
このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２によれば、第１実施形態と同様に、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａ以外において水素濃度を検出した場合であっても流路出口６１ａにおける水素濃度の推定精度を向上させることができる。
【００３９】
さらに、第２実施形態によれば、流路内温度センサ７４の検出値に基づいて検出対象とするオフガスの水蒸気濃度を検出する。ここで、酸化剤ガス排出流路６１のオフガスは飽和状態にあると考えられる。また、飽和水蒸気圧は温度によって一義的に決まる値である。このため、オフガスの気体圧力と飽和水蒸気圧との関係から水蒸気濃度を求めることができる。また、一般に、温度検出は水蒸気濃度検出よりも安価で信頼性高く実現可能である。従って、水蒸気濃度の検出について低コスト化および信頼性の向上を図ることができる。
【００４０】
また、上記と同様に流路出口温度センサ７５の検出値に基づいて流路出口６１ａを流れるオフガスの水蒸気濃度を検出するため、流路出口６１ａにおける水蒸気濃度の検出についても低コスト化および信頼性の向上を図ることができる。
【００４１】
また、演算部８０により求められた水素濃度Ｃ２が基準値Ｃ０よりも高い場合に電気信号を受けて、水素濃度センサ７１が水素濃度の検出対象とするオフガスの上流側に大気を導入する第１大気導入機構１００を備える。このため、オフガスの水素濃度Ｃ２が基準値Ｃ０よりも高い場合に希釈することができ、オフガスの排出にあたり基準値Ｃ０を超えないようにすることができる。
【００４２】
また、第１大気導入機構１００は、コンプレッサ５１により送り込まれる大気の流路となる酸化剤ガス供給流路５２から分岐し、燃料電池１０をバイパスして検出対象とするオフガスの上流側に大気を導くバイパス流路１０１と、コンプレッサ５１からの大気をバイパス流路１０１の側に導き入れるバイパス弁１０２とを有している。このため、大気を導入するにあたり専用の特別な大気の供給装置を設けることなくバイパス流路１０１およびバイパス弁１０２を設けるだけで、コンプレッサ５１を利用して大気を水素濃度センサ７１の上流側に導入することができる。従って、コストアップを抑制することができる。
【００４３】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第２実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第２実施形態との相違点を説明する。
【００４４】
図５は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第３実施形態に係る燃料電池システム３は、流路出口温度センサ７５に代えて吸気温度センサ（第３温度検出手段）７６を備えている。
【００４５】
吸気温度センサ７６は、外部からコンプレッサ５１に取り込まれる大気の温度を検出するものである。また、吸気温度センサ７６は検出した温度情報を演算部８０に送信し、演算部８０は入力した温度情報に基づいて酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａを流れるオフガスについて水蒸気濃度を求める。
【００４６】
ここで、大気は燃料電池１０を通過することによって暖められて排出される。このため、演算部８０は、酸化剤ガス排出流路６１の流路出口６１ａを流れるオフガスの温度を吸気温度＋αと仮定し、吸気温度＋αに応じた水蒸気濃度を求める。また、これに限らず、流路出口６１ａを流れるオフガスの温度と吸気温度との相関関係を求め、この相関関係から流路出口６１ａのオフガスの温度を求めるようにしてもよい。さらには、吸気温度から流路出口６１ａのオフガスの温度を求める例に限らず、他の箇所の温度から流路出口６１ａのオフガスの温度を求めるようにしてもよい。
【００４７】
また、第３実施形態に係る燃料電池システム３において、第１大気導入機構１００は、第２バイパス流路（バイパス流路）１０３と、第２バイパス弁（制御弁）１０４とを備えている。第２バイパス流路１０３は、バイパス流路１０１と並列に設けられ、水素濃度センサ７１が検出対象とするオフガスの上流側に大気を導くものである。第２バイパス弁１０４は、開閉動作することにより、コンプレッサ５１から送り込まれる大気を第２バイパス流路１０３の側に導き入れたり遮断したりするものである。
【００４８】
また、第３実施形態において第１大気導入機構１００は、演算部８０により求められた水素濃度が高くなるに従って、コンプレッサ５１に送り込まれる大気を水素濃度センサ７１の上流側に多く流す。すなわち、演算部８０は、流路出口６１ａの水素濃度に応じて２つのバイパス弁１０２，１０４の双方を開くか、いずれか一方を開くか、双方とも開かないかを判断し、各弁１０２，１０４を制御する。これにより、水素濃度センサ７１の上流側に流す大気の量を多段階に制御することが可能となり、水素濃度に応じた適切な希釈を行うこととしている。
【００４９】
さらに、第３実施形態に係る燃料電池システム３は、排水素ガス導入流路１１０を備えている。この排水素ガス導入流路１１０は、一端が燃料ガス排出流路３１の終端（燃料電池１０に接続される側と反対側の端部）に接続され、他端が酸化剤ガス排出流路６１のうちバイパス流路１０１との接続部６１ｂの上端側につながっている。これにより、第３実施形態に係る燃料電池システム３は、燃料極側のオフガスを酸化剤ガス排出流路６１に導入して、１カ所で排出するオフガスの水素濃度を管理する。
【００５０】
このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、第２実施形態と同様に、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａ以外において水素濃度を検出した場合であっても流路出口６１ａにおける水素濃度の推定精度を向上させることができる。また、水蒸気濃度の検出について低コスト化および信頼性の向上を図ることができ、オフガスの排出にあたり基準値Ｃ０を超えないようにすることができる。また、コストアップを抑制することができる。
【００５１】
さらに、第３実施形態によれば、吸気温度センサ７６の検出値に基づいて流路出口６１ａを流れるオフガスの水蒸気濃度を検出する。ここで、燃料電池システムには一般に取り込んだ大気温度を検出する手段を備えることが多く、このような燃料電池システムである場合には既存の温度検出手段を用いて流路出口６１ａにおける水蒸気濃度を検出することができる。従って、省スペースでコストアップすることなく流路出口６１ａにおける水蒸気濃度を検出することができる。
【００５２】
また、第１大気導入機構１００は、演算部８０により求められた水素濃度が高くなるに従って、コンプレッサ５１に送り込まれる大気を水素濃度センサ７１の上流側に多く流す。これにより、水素濃度に応じた適切な希釈を行うことができる。なお、第３実施形態において第１大気導入機構１００は、第２バイパス流路１０３および第２バイパス弁１０４を備えているが、これに限らず、単にバイパス流路１０１およびバイパス弁１０２のみを備え、バイパス弁１０２が水素濃度に応じて開度調整可能な構成であっても同様の効果が得られる。
【００５３】
また、一端が燃料ガス排出流路３１の終端に接続され、他端が酸化剤ガス排出流路６１のうちバイパス流路１０１との接続部６１ｂの上端側につながる排水素ガス導入流路１１０を備えている。これにより、燃料電池システム３は、燃料極側のオフガスを酸化剤ガス排出流路６１に導入して、１カ所で排出するオフガスの水素濃度を管理することができる（第３実施形態の効果）。
【００５４】
次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システムは、第３実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第３実施形態との相違点を説明する。
【００５５】
図６は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第４実施形態に係る燃料電池システム４は、新たに第２大気導入機構１２０を備えている。この第２大気導入機構１２０は、電気信号を受けずに、水素濃度センサ７１が水素濃度の検出対象とするオフガスの上流側に大気を導入するものであり、具体的にはワンウェイバルブによって構成されている。ワンウェイバルブは、燃料電池システム４が搭載される移動体（車両など）の走行風圧（ラム圧）を有効に利用するもので、車速が高いと風圧により開状態となるものである。また、ワンウェイバルブは、酸化剤ガス排出流路６１を流れるオフガスの流速が高いほど吸引力が増大して開状態になる構成となっている。
【００５６】
このようなワンウェイバルブを備えるため、第４実施形態では、移動体の速度が所定速度より高い場合にはワンウェイバルブを通じて水素濃度センサ７１の上流側に大気を導入してオフガスを希釈し、移動体の速度が所定速度以下の場合には第１大気導入機構１００により大気を導入してオフガスを希釈することとなる。これにより、車速が高いときにはワンウェイバルブにより消費電力を抑えた希釈を行い、車速が低いときには第１大気導入機構１００によって確実なオフガスの希釈を行うこととしている。
【００５７】
また、第４実施形態において第１大気導入機構１００は、第２バイパス流路１０３および第２バイパス弁１０４を備えていないが、この構成は第２実施形態に係る第１大気導入機構１００と同じであるため、説明を省略する。
【００５８】
このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システム４によれば、第３実施形態と同様に、酸化剤ガス排出流路６１の出口６１ａ以外において水素濃度を検出した場合であっても流路出口６１ａにおける水素濃度の推定精度を向上させることができる。また、水蒸気濃度の検出について低コスト化および信頼性の向上を図ることができ、オフガスの排出にあたり基準値Ｃ０を超えないようにすることができる。また、コストアップを抑制することができ、省スペースでコストアップすることなく流路出口６１ａにおける水蒸気濃度を検出することができる。
【００５９】
さらに、第４実施形態によれば、電気信号を受けずに、水素濃度センサ７１が検出対象とするオフガスの上流側に大気を導入する第２大気導入機構１２０を備える。このため、大気導入にあたり制御等が不要となり消費電力を抑えることができる。従って、オフガスを希釈し且つ消費電力を抑えることができる。
【００６０】
また、第２大気導入機構１２０は、移動体の速度が所定速度より高くなると開状態となって大気を導入するワンウェイバルブである。これにより、低コストに希釈効果を実現することができる。
【００６１】
また、第２大気導入機構１２０は、移動体の速度が高くなるに従って大気の導入量が大きくなるワンウェイバルブであり、第１大気導入機構は、移動体の速度が所定速度以下のときに大気を導入する。このため、車速が高いときは第２大気導入機構によってオフガスが希釈され、車速が低いときは第１大気導入機構によってオフガスが希釈されることとなる。これにより、車速が高いときにはワンウェイバルブによって大気を導入するため、車速が高いときには消費電力を抑えた希釈を行うことができ、車速が低いときには第１大気導入機構によって確実なオフガスの希釈を行うことができる。
【００６２】
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせるようにしてもよい。
【００６３】
例えば、本実施形態では、酸化剤ガス排出流路６１での水素濃度検出について説明したが、これに限らず、他の燃料ガス濃度検出ついて適用してもよいし、燃料ガス排出流路３１での濃度検出に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムの演算部の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの演算部の動作を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００６５】
１〜４…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…燃料ガス供給系
２１…水素タンク
２２…水素ガス供給流路
３０…燃料ガス排出系
３１…燃料ガス排出流路
３２…パージ弁
４０…ガス循環系
４１…循環流路
４２…循環ポンプ
４３…ポンプモータ
５０…酸化剤ガス供給系
５１…コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
５２…酸化剤ガス供給流路
６０…酸化剤ガス排出系
６１…酸化剤ガス排出流路（排出流路）
６１ａ…流路出口
６１ｂ…接続部
７１…水素濃度センサ（燃料ガス濃度検出手段）
７２…流路内水蒸気濃度センサ（第１水蒸気濃度検出手段）
７３…流路出口水蒸気濃度センサ（第２水蒸気濃度検出手段）
７４…流路内温度センサ（第１温度検出手段）
７５…流路出口温度センサ（第２温度検出手段）
７６…吸気温度センサ（第３温度検出手段）
８０…演算部（演算手段）
９０…警報装置または表示装置
１００…第１大気導入機構
１０１…バイパス流路
１０２…バイパス弁（制御弁）
１０３…第２バイパス流路（バイパス流路）
１０４…第２バイパス弁（制御弁）
１１０…排水素ガス導入流路
１２０…第２大気導入機構
【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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