(57)【要約】【課題】燃料電池スタック内の水量を正確に知ることができ、これにより高い発電効率を得ることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】酸化ガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、超音波発信機１０と、超音波受信機１１と、超音波発信機１０により発信された発信波形及び超音波受信機１１により受信された受信波形に基づいて燃料電池スタック２０内のガス成分状態を検出する検出機１２とを備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
ガス流路上に、前記燃料電池の内部に音波を発信する音波発信手段と、該音波発信手段から発信され前記燃料電池内の少なくとも一部を伝播した音波を受信する音波受信手段と、が配置されていると共に、
前記音波発信手段により発信された発信波形と、前記音波受信手段により受信された受信波形と、に基づいて燃料電池内のガス成分状態を検出する検出手段を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記検出手段は、前記発信波形と前記受信波形の振幅及び周期の少なくともいずれか一方の比較結果に基づいて、前記燃料電池内のガス成分状態を検出する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池に接続されたガス配管に、前記音波発信手段及び前記音波受信手段の少なくとも一方が設けられている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池内のガス流路に屈曲部と直線部とを有し、
前記音波発信手段及び前記音波受信手段は、前記直線部に所定の間隔をおいて対向配置されている請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
ガス供給を受けて発電する燃料電池内のガス成分状態を検出する検出方法であって、
ガス流路を介して前記燃料電池の内部に音波を発信するとともに、該燃料電池内の少なくとも一部を伝播した前記音波を受信し、これら発信波形と受信波形とに基づいて前記燃料電池内のガス成分状態を検出する燃料電池内のガス成分状態検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池内のガス成分状態検出方法に関し、特に簡素な構造にて燃料電池内のガス成分状態を測定可能とする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子電解質型燃料電池は膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ）の両面を燃料ガス（水素等）流路及び酸化ガス（酸素等）流路を備えたセパレータで狭持した最小発電単位である単セルを有し、その単セルを多数積層して燃料電池スタック（以下、スタック）として構成されている。
【０００３】
発電に伴う生成水がスタック内に過量に存在すると（いわゆるフラッディング）、スタック内でのガス流通が阻害されて発電性能が低下する。これとは逆に、スタック内の電解質膜が所定の湿潤状態よりも乾燥すると（いわゆるドライアップ）、プロトン伝導性が低下して発電性能が低下したり、電解質膜の耐久性低下を招く。そこで、スタック内の水収支を制御すべく、電解質膜の内部に電極を配置し、インピーダンスを測定することでスタック内の水分量を測定する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００４？１４６２６７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、特許文献１のように電解質膜の内部に電極を配置すると、スタック内のガス成分状態を直接測定することができるという点で有利である反面、電解質膜の構造ひいてはスタックの構造が複雑となる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、簡素な構造にて燃料電池内のガス成分状態を検出可能にすることを目的とする。
【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、ガス供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、ガス流路上に、前記燃料電池の内部に音波を発信する音波発信手段と、該音波発信手段から発信され前記燃料電池内の少なくとも一部を伝播した音波を受信する音波受信手段と、が配置されていると共に、前記音波発信手段により発信された発信波形と、前記音波受信手段により受信された受信波形と、に基づいて燃料電池内のガス成分状態を検出する検出手段を備えたものである。
【０００７】
この構成によれば、ガス流路上に配置された音波発信手段と音波受信手段とによる簡素な構造にて、例えば音波の発信から受信までの時間差を測定する等により、燃料電池内のガス成分状態、例えば燃料電池内に存在する水蒸気量を測定することができる。
【０００８】
ただし、音波の伝播時間は温度やガス流速により変化するため、好ましくは、それらの測定を別途行い、その結果と合わせて検出結果を算出する。また、音波の発信時と受信時の波形（振幅、位相等）を比較することで、水滴の量も測定することが可能となる。
【０００９】
前記検出手段は、前記発信波形と前記受信波形の振幅及び周期の少なくともいずれか一方の比較結果に基づいて、前記燃料電池内のガス成分状態を検出するものでもよい。
【００１０】
燃料電池内に水滴が存在すると、音波に反射や干渉等による振幅や周期の変化、波形の乱れ等が発生する。そこで、本発明の燃料電池システムにおいては、発信波形と受信波形の差に基づき、ガス成分状態として水滴量をすることが可能となる。この測定は、振幅又は周期の一方の比較結果に基づいて行ってもよいし、両方の比較結果に基づいて行ってもよい。
【００１１】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池に接続されたガス配管に、前記音波発信手段及び前記音波受信手段の少なくとも一方が設けられていてもよい。
【００１２】
この構成によれば、ガス配管を通じて、燃料電池の外部から内部あるいは内部から外部に音波の発信及び受信が行われる。例えば、燃料電池の酸化ガス入口側または燃料ガス入口側に、音波発信手段を設置する一方で、酸化ガス出口側または燃料ガス出口側に、音波受信手段を設置することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池内のガス流路に屈曲部と直線部とを有し（例えば、サーぺンタイン流路）、前記音波発信手段及び前記音波受信手段は、前記直線部に所定の間隔をおいて対向配置されていてもよい。
【００１４】
この構成によれば、ガス流路の屈曲部に音波発信手段や音波発信手段を配置して測定する場合のように、音波の伝播ルートに障害物（屈曲部の壁面）となるものが存在しないので、該障害物が存在するときに必要な補正等の処理が不要になり、より高精度の測定が可能となる。
【００１５】
本発明に係る燃料電池内のガス成分状態検出方法は、ガス供給を受けて発電する燃料電池内のガス成分状態を検出する検出方法であって、ガス流路を介して前記燃料電池の内部に音波を発信するとともに、該燃料電池内の少なくとも一部を伝播した前記音波を受信し、これら発信波形と受信波形とに基づいて前記燃料電池内のガス成分状態を検出するものである。
【００１６】
この構成によれば、ガス流路を介して燃料電池内に音波を発信し、例えば該音波の発信から受信までの時間差を測定する等により、燃料電池内のガス成分状態、例えば燃料電池内に存在する水蒸気量を検出することができる。
【００１７】
ただし、音波の伝播時間は温度、ガス流速により変化するため、好ましくは、それらの測定を別途行い、その結果と合わせて検出結果を算出する。また、音波の発信時と受信時の波形（振幅、位相等）を比較することで水滴の量も検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ガス流路上に配置された音波発信手段と音波受信手段とにより、簡素な構造にて、燃料電池内のガス成分状態を検出することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
＜第１実施形態＞
次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。
【００２０】
以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。
【００２１】
図１に示すように、酸化ガスとしての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池スタック２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ３、供給空気圧を検出する圧力センサＰ４、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。なお、エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。
【００２２】
燃料電池スタック２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２には、排気圧を検出する圧力センサＰ１、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ２１の熱交換器が設けられている。圧力センサＰ１は、燃料電池スタック２０の空気排気口近傍に設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池スタック２０への供給空気圧を設定する調圧(減圧)器として機能する。
【００２３】
圧力センサＰ４，Ｐ１の図示しない検出信号は、制御部５０に送られる。制御部５０は、コンプレッサＡ３のモータ回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池スタック２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００２４】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路７４を介して燃料電池スタック２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００２５】
燃料供給路７４には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１００、水素供給源３０からの水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ６、燃料電池スタック２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ９、水素調圧弁Ｈ９の下流の水素ガス圧力を検出する圧力センサＰ９、燃料電池スタック２０の水素供給口と燃料供給路７４間を開閉する遮断弁Ｈ２１、及び水素ガスの燃料電池スタック２０の入口圧力を検出する圧力センサＰ５が設けられている。
【００２６】
水素調圧弁Ｈ９としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。圧力センサＰ５，Ｐ６，Ｐ９の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。
【００２７】
燃料電池スタック２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路７５に排出され、燃料供給路７４の水素調圧弁Ｈ９の下流側に戻される。水素循環路７５には、水素オフガスの温度を検出する温度センサＴ３１、燃料電池スタック２０と水素循環路７５を連通／遮断する遮断弁Ｈ２２、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、回収した生成水を水素循環路７５外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ４１、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。
【００２８】
遮断弁Ｈ２１，Ｈ２２は、燃料電池スタック２０のアノード側を閉鎖する。温度センサＴ３１の図示しない検出信号は、制御部５０に供給される。水素ポンプＨ５０は、制御部５０によって動作が制御される。
【００２９】
水素オフガスは、燃料供給路７４で水素ガスと合流し、燃料電池スタック２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが水素循環路７５側に逆流することを防止する。遮断弁Ｈ１００，Ｈ２１，Ｈ２２は、制御部５０からの信号で駆動される。
【００３０】
水素循環路７５は、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気路７２に接続されている。排出制御弁Ｈ５１は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００３１】
燃料電池スタック２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、燃料電池スタック２０から排水される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池スタック２０に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ２が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ１３が設けられている。
【００３２】
制御部５０は、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１００の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００３３】
なお、制御部５０は、図示しない制御コンピュータシステムによって構成されている。この制御コンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成り、市販されている制御用コンピュータシステムによって構成されている。
【００３４】
燃料電池スタック２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セル２０ａを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池スタック２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータに電力を供給するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータなどが備えられている。
【００３５】
本実施形態では、燃料電池スタック２０の空気入口側（空気供給路７１）または水素入口側（燃料供給路７４）に、超音波発信機（音波発信手段）１０を設置する。また、空気出口側（排気路７２）または水素出口側（水素循環路７５）に、超音波受信機（音波受信手段）１１を設置する。
【００３６】
さらに、超音波発信機１０により発信された発信波形と、超音波受信機１１により受信された受信波形と、に基づいて燃料電池スタック２０内のガス成分状態を検出する検出機（検出手段）１２を備える。検出機１２は、超音波発信機１０から発信された発信波形と、超音波受信機１１にて受信された受信波形を、これら超音波発信機１０及び超音波受信機１１からそれぞれ受信して燃料電池スタック２０内の状態を検出すると共に、検出結果を制御部５０に与える。
【００３７】
このように構成された本実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池スタック２０の運転中において、制御部５０からの駆動信号を受けた検出機１２が超音波発信機１０を作動させると、該超音波発信機１０は超音波を燃料電池スタック２０内に発信する。超音波発信機１０により発信された超音波は、燃料電池スタック２０内を伝播し、超音波受信機１１により受信される。
【００３８】
検出機１２は、超音波の発信から受信までの時間差を測定することにより、燃料電池スタック２０内に存在する水蒸気量を検出する。ただし、超音波の伝播時間は温度やガス流速により変化するため、それらの測定を別途行い、その結果と合わせて検出結果を算出する。
【００３９】
例えば、空気中の音波の速度は１００℃の水蒸気では４７１．５ｍ／ｓｅｃ、乾燥空気では２０℃のとき３４３．５ｍ／ｓｅｃ、０℃の時３３１．４５ｍ／ｓｅｃである。また、音波の伝播速度は温度が高い方が速く、音波の伝播速度が速い方が、発信から受信までの時間（音波到達時間）は短くなる。このため、音波到達時間と水蒸気量と温度との関係は、例えば図３に示したような傾向になる。
【００４０】
検出機１２は、これら三者の関係と上記の各測定結果とに基づいて、水蒸気量を算出する。具体的には、ガス温度はガス配管内または燃料電池スタック２０内に設置した温度センサにより測定する。ガス流速は、ガス配管内または燃料電池スタック２０内に設置した圧力センサで測定した圧力値と、ガス流路断面積とから算出する、もしくは、ガス配管内または燃料電池スタック２０内に流量計を設置して測定する。
【００４１】
なお、ガス流路とは、燃料電池スタック２０に接続されたガス配管内のガス流路と、燃料電池スタック２０内のガス流路の両方を含むものである。
【００４２】
本実施形態においては、超音波の発信時と受信時の波形（振幅、位相等）を比較することで、水滴の量も検出することが可能となる。つまり、例えば図４に示したように、受信波形には、水滴による反射や干渉等を原因として振幅や周期の変化、波形の乱れ等が発生することがわかっているため、検出機１２は、発信波形と受信波形との差異、特に振幅と周期の一方又は両方の相違を比較することで、水滴量を検出することが可能となる。
【００４３】
以上のように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、ガス流路上に配置された超音波発信機１０と超音波受信機１１とにより、電解質膜の内部に電極等のガス成分状態検出手段を配設する構成に比して、簡素な構造にて、燃料電池スタック２０内の湿度（水蒸気量）及び水滴量を同時に検出することができる。
【００４４】
したがって、燃料電池スタック２０内の水収支制御を高精度に行えるようになり、フラッディング及びドライアップの発生を抑制し得て、高い発電効率を維持することができ、さらには、単セル２０ａ内部の水分量を適正に制御することで、電解質膜の耐久性を向上させることができる。
【００４５】
なお、本実施形態においては、超音波を発生する超音波送受信機を用いたが、音波であれば超音波でなくてもよい。また、発信機と受信機は、酸化ガス又は燃料ガスの入口側または出口側のどちら側に設けてもよい。また、酸化ガス給排系と燃料ガス給排系の両方に超音波発信機１０及び超音波受信機１１を設けてもよいし、一方にのみ設けてもよい。また、検出機１２の機能の一部又は全部を制御部５０にて行うようにしてもよい。
【００４６】
＜第２実施形態＞
本発明に係る燃料電池システムは、図２に示すように構成してもよい。
【００４７】
燃料電池スタック２０を構成する各単セル２０ａ、２０ａ、…、２０ａは、電解質膜−電極接合体の両面を、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を備えたセパレータで狭持した構成を有し、前記ガス流路には直線部２１が形成されている。このガス流路の直線部２１の両端に、それぞれ超音波発信機１０及び超音波受信機１１を対向させて取り付ける。これにより、単セル２０ａ毎に内部の水分量、湿度を検出することが可能となる。
【００４８】
本実施形態においては、まず、上記実施形態と同様にして、ガス流路の直線部２１の水分量測定を行う。次いで、その測定結果に基づき、検出機１２または制御部５０が測定部分の単位面積当たりの水分量から全体の水分量と湿度を推定する。ただし、水滴は下部に溜まるため、車載状態での上下方向（重力方向）で補正を行う。
【００４９】
これにより、燃料電池スタック２０内の水収支制御を高精度に行えるようになり、フラッディング及びドライアップの発生を抑制し得て、高い発電効率を維持することができ、さらには、単セル２０ａ内部の水分量を適正に制御することで、電解質膜の耐久性を向上させることができる。
【００５０】
また、本実施形態では、単セル２０ａ内のガス流路の直線部２１に超音波発信機１０及び超音波受信機２０を配置して測定しているので、例えばサーペンタイン流路における屈曲部に超音波発信機１０や超音波受信機１１を配置して測定する場合のように、図２の破線で示す音波の伝播ルートに障害物（屈曲部の壁面）となるものが存在せず、したがって、該障害物が存在するときに必要な補正等の処理が不要になり、より高精度の測定が可能となる。
【００５１】
このようなことから、単セル２０ａ内のガス流路が直線部と屈曲部とが連なるサーペンタイン流路である場合には、該サーペンタイン流路の直線部に超音波発信機１０及び超音波受信機２０を所定の間隔をおいて対向配置させるのが好ましい。
【００５２】
＜第３実施形態＞
上記実施形態の応用として、燃料電池スタック２０内が所定の湿潤度以下に乾燥したことを検知した場合には、水滴の溜まりやすい位置に超音波発信機１０を設置し、所定の周波数及び振幅以上の超音波を水滴に当てることで、超音波加湿を行うことが可能となる。
【００５３】
また、低温起動対策として実施される、システム停止時における燃料電池スタック２０内の排水処理（乾燥処理）においても、超音波により水滴（水分）を霧化させ、これをガスパージすることで、燃料電池スタック２０内の水分を効果的に外部に持ち去ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の一実施形態として示した燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池スタックに対して超音波発信機及び超音波受信機を取り付けた状態について示した概略図である。
【図３】音波到達時間と水蒸気量と温度との関係を示した図である。
【図４】超音波発信機の発信波形について示した図である。
【図５】超音波受信機による水滴の有無による受信波形の変化について示した図であり、（ａ）は水滴が無い場合を示しており、（ｂ）は水滴が有る場合を示している。
【符号の説明】
【００５５】
１０…超音波発信機（音波発信手段）、１１…超音波受信機（音波受信手段）、１２…検出機（検出手段）、２０…燃料電池スタック、２０ａ…単セル、５０…制御部、７１…空気供給路（ガス流路）、７２…排気路（ガス流路）、７４…燃料供給路（ガス流路）、７５…水素循環路（ガス流路）、１００…燃料電池システム
【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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