(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化および低コスト化を図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】燃料タンク２１内の液体燃料が調整タンク２３を介して供給されることにより、液体燃料中の燃料成分を消費して発電し、発電するときの電気化学反応によって生成する生成物と燃料成分とを含む排出液を排出する燃料電池３を備え、燃料電池３と調整タンク２３との間で液体燃料および排出液を循環させる燃料電池システム２において、別途、燃料成分の濃度Ｃ１を測定するセンサを備えることなく、燃料電池３への液体燃料の供給量Ｓａと、燃料電池３における燃料成分の消費量Ｒとから、液体燃料および排出液の総量Ｇ１中の燃料成分の濃度Ｃ１を算出し、算出された燃料成分の濃度Ｃ１に基づいて、液体燃料の供給量Ｓａを調節する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料中の燃料成分を消費して発電し、発電するときの電気化学反応によって生成する生成物と燃料成分とを含む排出液を排出する燃料電池と、
液体燃料を前記燃料電池に供給する供給部と、
前記排出液を前記供給部に還流する還流部と、
前記供給部の動作を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記供給部から前記燃料電池への前記液体燃料の供給量と、前記燃料電池における燃料成分の消費量とから、前記液体燃料および前記排出液の総量中の燃料成分の濃度を算出し、
算出された前記燃料成分の濃度に基づいて、前記供給部における前記液体燃料の供給量を調節することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記生成物を外部へ排出する排出部をさらに備え、
制御部は、前記燃料電池における前記液体燃料のクロスリーク量、および、前記排出部における前記生成物の排出量の少なくともいずれか一方により、前記燃料成分の濃度を補正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】
前記液体燃料は、さらに、電解質を含有することを特徴とする、請求項１または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、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、固体高分子形の燃料電池と、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体の燃料成分を燃料電池に供給する燃料給排部と、空気を燃料電池に供給する空気給排部と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。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２２５４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の特許文献１に記載されるような燃料電池システムでは、燃料電池に供給される燃料成分の濃度を、赤外線センサなどの濃度センサによって測定し、測定された濃度に基づいて、燃料電池に供給される燃料成分の濃度を調節している。
【０００５】
しかし、このような濃度センサを燃料電池システムに設けると、燃料電池システムの小型化および低コスト化を図ることが困難である。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、小型化および低コスト化を図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】
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、液体燃料中の燃料成分を消費して発電し、発電するときの電気化学反応によって生成する生成物と燃料成分とを含む排出液を排出する燃料電池と、液体燃料を前記燃料電池に供給する供給部と、前記排出液を前記供給部に還流する還流部と、前記供給部の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記供給部から前記燃料電池への前記液体燃料の供給量と、前記燃料電池における燃料成分の消費量とから、前記液体燃料および前記排出液の総量中の燃料成分の濃度を算出し、算出された前記燃料成分の濃度に基づいて、前記供給部における前記液体燃料の供給量を調節することを特徴としている。
【０００８】
このような構成によれば、燃料電池への液体燃料の供給量と、燃料電池における燃料成分の消費量とから、液体燃料および排出液の総量中、すなわち、循環系内の燃料成分の濃度を算出する。
【０００９】
そのため、燃料成分の濃度を計測するセンサを別途設けることなく、循環系内の燃料成分の濃度を算出し、その濃度に基づいて供給部の動作を制御することができる。
【００１０】
その結果、燃料電池システムの小型化および低コスト化を図ることができる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記生成物を外部へ排出する排出部をさらに備え、制御部が、前記燃料電池における前記液体燃料のクロスリーク量、および、前記排出部における前記生成物の排出量の少なくともいずれか一方により、前記燃料成分の濃度を補正することが好適である。
【００１２】
このような構成によれば、クロスリークによって流出する燃料成分の量や、生成物の排出量によって燃料成分の濃度を補正し、燃料成分の濃度を精度よく算出することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記液体燃料は、さらに、電解質を含有することが好適である。
【００１４】
ここで、燃料成分の濃度を濃度センサで測定する場合には、液体燃料中に燃料成分以外の成分が含有されていると、燃料成分以外の成分が濃度センサに検知され、液体燃料中の燃料成分の濃度を正確に検知することが困難となる。
【００１５】
対して、本発明の構成によれば、燃料電池への液体燃料の供給量と、燃料電池における燃料成分の消費量とから、循環系内の燃料成分の濃度を算出するので、液体燃料中に燃料成分と電解質とが含有されている場合でも、燃料成分の濃度を正確に算出することができる。
【００１６】
その結果、燃料成分の濃度をより精度よく算出することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、燃料電池システムの小型化および低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した電動車両の概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池システムの循環ラインを説明するための説明図である。
【図３】図３は、図２に示す循環ライン内の燃料成分濃度を計算するための濃度計算プログラムのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、モータ４５を動力源とし、燃料電池３およびバッテリ４７を電源としてモータ４５を駆動させる電動車両である。電動車両１は、燃料電池システム２を搭載している。
【００２０】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、カチオン交換型燃料電池またはアニオン交換型燃料電池として構成されている。燃料電池３は、電動車両１の中央下側に配置されている。
【００２１】
燃料電池３は、セルスタック１１を備えている。
【００２２】
セルスタック１１は、複数の膜電極接合体１２と、複数のセパレータ１３とが交互に積層されることにより構成されている。以下の燃料電池３の説明において、複数の膜電極接合体１２と複数のセパレータ１３との積層方向を、積層方向と記載する。
【００２３】
各膜電極接合体１２は、電解質膜１４と、アノード電極１５と、カソード電極１６とを備えている。
【００２４】
電解質膜１４は、アニオン交換形またはカチオン交換形の高分子電解質膜から形成されている。
【００２５】
アノード電極１５は、電解質膜１４の積層方向一方側の表面に、薄層として積層されている。アノード電極１５は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極１５は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。
【００２６】
カソード電極１６は、電解質膜１４の積層方向他方側の表面に、薄層として積層されている。カソード電極１６は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極１６は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。
【００２７】
各セパレータ１３は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。各セパレータ１３には、燃料流路１７と、空気流路１８とが形成されている。
【００２８】
燃料流路１７は、セパレータ１３の積層方向他方面の中央に配置されている。燃料流路１７は、セパレータ１３の積層方向他方面から積層方向一方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。
【００２９】
空気流路１８は、セパレータ１３の積層方向一方面の中央に配置されている。空気流路１８は、セパレータ１３の積層方向一方面から積層方向他方へ凹む凹溝であり、上下方向に延びる略直線形状に形成されている。
【００３０】
そして、膜電極接合体１２の積層方向一方側に配置されたセパレータ１３において、燃料流路１７は、アノード電極１５に向かい合っている。膜電極接合体１２の積層方向他方側に配置されたセパレータ１３において、空気流路１８は、カソード電極１６に向かい合っている。なお、膜電極接合体１２とセパレータ１３との間には、図示しないガス拡散層が介在されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、電動車両１において燃料電池３の後側に配置されている。燃料給排部４は、燃料タンク２１と、電解液タンク２２と、調整タンク２３と、第１燃料供給ライン２４と、電解液供給ライン２５と、第２燃料供給ライン２６と、還流部の一例としての還流ライン２７と、排気ライン２８とを備えている。なお、燃料タンク２１、調整タンク２３、第１燃料供給ライン２４および第２燃料供給ライン２６は、供給部を構成する。
【００３１】
燃料タンク２１は、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵する。
【００３２】
燃料成分としては、例えば、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、ヒドラジンなどのヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。
【００３３】
液体燃料としては、燃料成分をそのまま用いてもよいが、燃料成分を、例えば、水などで希釈して用いることができる。
【００３４】
燃料タンク２１内における液体燃料の燃料成分濃度は、燃料成分の種類によっても異なるが、燃料成分がヒドラジンである場合には、例えば、１質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、６０質量％以下、好ましくは、４０質量％以下である。
【００３５】
電解液タンク２２は、電解質の水溶液、すなわち電解液を貯蔵する。電解質としては、例えば、水酸化カリウム、水酸化ナトリウムなどの金属水酸化物などが挙げられる。
【００３６】
電解液タンク２２内における電解液の電解質濃度は、例えば、１０質量％以上、好ましくは、２０質量％以上であり、例えば、４０質量％以下、好ましくは、３０質量％以下である。
【００３７】
調整タンク２３は、燃料電池３の近傍に配置されている。調整タンク２３には、燃料タンク２１からの液体燃料が希釈された状態で貯蔵されている。
【００３８】
調整タンク２３内における液体燃料の燃料成分濃度は、電動車両１の走行状態に応じて調整されるが、電動車両１が一定の速度で走行している場合には、例えば、１質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、２０質量％以下、好ましくは、１５質量％以下である。
【００３９】
調整タンク２３内には、排出部の一例としての水分離器３５が設けられている。
【００４０】
水分離器３５は、調整タンク２３内の液体燃料に浸漬されており、例えば、液体燃料中に含まれる燃料成分を遮断しつつ水分を透過させる水分離膜（例えば、多孔性の炭素膜）からなる中空糸の束として形成されている。具体的な配管構成については図示しないが、水分離器３５には、空気供給ライン４１（後述）を介して外気が吸気される。そして、水分離器３５によって液体燃料から分離された水分は、外気に混入して、空気供給ライン４１（後述）を介して空気流路１８に供給され、一部がカソード電極１６における電気化学反応（後述）で消費された後、空気排出ライン４２（後述）を介して排気される。
【００４１】
第１燃料供給ライン２４は、燃料タンク２１から調整タンク２３へ液体燃料を供給するための配管である。第１燃料供給ライン２４の供給方向上流端は、燃料タンク２１の下端部に接続されている。第１燃料供給ライン２４の供給方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。第１燃料供給ライン２４は、ポンプ２９とバルブ３０とを備えている。
【００４２】
ポンプ２９は、第１燃料供給ライン２４の途中に介在されている。ポンプ２９としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。ポンプ２９は、燃料タンク２１内の液体燃料を調整タンク２３に輸送する。ポンプ２９は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ２９の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００４３】
バルブ３０は、第１燃料供給ライン２４の途中において、調整タンク２３とポンプ２９との間に介在されている。バルブ３０としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。バルブ３０は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。バルブ３０の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００４４】
電解液供給ライン２５は、電解液タンク２２から調整タンク２３へ電解液を供給するための配管である。電解液供給ライン２５の供給方向上流端は、電解液タンク２２の下端部に接続されている。電解液供給ライン２５の供給方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。電解液供給ライン２５は、ポンプ３１とバルブ３２とを備えている。
【００４５】
ポンプ３１は、電解液供給ライン２５の途中に介在されている。ポンプ３１としては、第１燃料供給ライン２４のポンプ２９と同様に、公知の送液ポンプが挙げられる。ポンプ３１は、電解液タンク２２内の電解液を調整タンク２３に輸送する。ポンプ３１は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ３１の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００４６】
バルブ３２は、電解液供給ライン２５の途中において、調整タンク２３とポンプ３１との間に介在されている。バルブ３２としては、例えば、電磁弁など、公知の開閉弁が挙げられる。バルブ３２は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。バルブ３２の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００４７】
第２燃料供給ライン２６は、調整タンク２３から燃料電池３へ液体燃料を供給するための配管である。第２燃料供給ライン２６の供給方向上流端は、調整タンク２３に接続されている。第２燃料供給ライン２６の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料流路１７の下端部（供給口）に接続されている。第２燃料供給ライン２６は、ポンプ３３を備えている。
【００４８】
ポンプ３３は、第２燃料供給ライン２６の途中に介在されている。ポンプ３３としては、例えば、第１燃料供給ライン２４のポンプ２９と同様に、公知の送液ポンプが挙げられる。ポンプ２９は、調整タンク２３内の液体燃料を燃料電池３に輸送する。ポンプ３３は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ３３の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００４９】
還流ライン２７は、燃料電池３から排出される排出液を調整タンク２３へ還流するための配管である。還流ライン２７の還流方向上流端は、燃料電池３の燃料流路１７の上端部（排出口）に接続されている。還流ライン２７の還流方向下流端は、調整タンク２３に接続されている。これにより、調整タンク２３から、第２燃料供給ライン２６、燃料流路１７および還流ライン２７を順次介して調整タンク２３に戻る循環ラインＳ（図２参照）が形成される。還流ライン２７は、気液分離器３４を備えている。
【００５０】
気液分離器３４は、還流ライン２７の途中に介在されている。気液分離器３４は、燃料電池３の燃料流路１７の上端部から排出された排出液と、ガス（気体）とを分離する。
【００５１】
排気ライン２８は、気液分離器３４で分離されたガスを電動車両１から外へ排気するための配管である。排気ライン２８の排気方向上流端は、気液分離器３４に接続されている。排気ライン２８の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン２８の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気供給ライン４１と、空気排出ライン４２とを備えている。
【００５２】
空気供給ライン４１は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン４１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン４１の供給方向下流端は、燃料電池３の空気流路１８の上端部（供給口）に接続されている。空気供給ライン４１は、ポンプ４３を備えている。
【００５３】
ポンプ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。ポンプ４３としては、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが挙げられる。ポンプ４３は、ＥＣＵ４４（後述）に電気的に接続されている。ポンプ４３の動作は、ＥＣＵ４４（後述）により制御される。
【００５４】
空気排出ライン４２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン４２の排出方向上流端は、燃料電池３の空気流路１８の下端部（排出口）に接続されている。空気排出ライン４２の排出方向下流端は、大気開放されている。
（４）制御部
制御部６は、ＥＣＵ４４を備えている。
【００５５】
ＥＣＵ４４は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ４５と、インバータ４６と、バッテリ４７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８とを備えている。
【００５６】
モータ４５は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ４５は、燃料電池３またはバッテリ４７から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ４５としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
【００５７】
インバータ４６は、配線により、燃料電池３とモータ４５との間に電気的に接続されている。インバータ４６は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する。インバータ４６としては、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置などが挙げられる。
【００５８】
バッテリ４７は、燃料電池３とモータ４５との間の配線に電気的に接続されている。バッテリ４７としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。バッテリ４７は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ４５に電力を供給可能である。
【００５９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、配線により、燃料電池３とインバータ４６との間に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４８は、燃料電池３の出力電圧を昇圧または降圧し、燃料電池３の電力およびバッテリ４７の入出力電力を調整する。
２．発電動作
次いで、電動車両１における発電について説明する。
【００６０】
電動車両１が起動されると、図１に示すように、ＥＣＵ４４の制御により、バルブ３０が開放され、第１燃料供給ライン２４のポンプ２９、第２燃料供給ライン２６のポンプ３３、および、空気供給ライン４１のポンプ４３が駆動される。
【００６１】
すると、電動車両１の外部から空気供給ライン４１を介して燃料電池３の空気流路１８に供給される。
【００６２】
空気流路１８に供給された空気は、カソード電極１６の積層方向他方面と接触しながら空気流路１８内を上側から下側へ流れて空気排出ライン４２へ排出される。
【００６３】
また、調整タンク２３内の液体燃料は、第２燃料供給ライン２６を介して燃料電池３の燃料流路１７に供給される。なお、燃料タンク２１内の液体燃料は、第１燃料供給ライン２４を介して、逐次、バルブ３０の開閉動作、および、ポンプ２９の駆動および停止により、調整タンク２３に供給される。また、電解液タンク２２内の電解液は、電解液供給ライン２５を介して、逐次、バルブ３２の開閉動作、および、ポンプ３１の駆動および停止により、調整タンク２３に供給される。
【００６４】
燃料流路１７に供給された液体燃料は、アノード電極１５と接触しながら燃料流路１７内を下側から上側へ流れて、還流ライン２７へ排出される。
【００６５】
このとき、燃料電池３では、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード電極１５での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極１６での反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ  （燃料電池３全体での反応）
なお、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式（４）〜（６）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（４）  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−  （アノード電極１５での反応）
（５）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−  （カソード電極１６での反応）
（６）  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ  （燃料電池３全体での反応）
これらの反応により、燃料成分（Ｎ２Ｈ４またはＣＨ３ＯＨ）が消費されるとともに、水（Ｈ２Ｏ）およびガス（Ｎ２またはＣＯ２）が生成され、起電力（ｅ−）が発生される。発生した起電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４８によって変圧され、インバータ４６により三相交流電力に変換された後、モータ４５に供給されて、電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリ４７に蓄電される。
【００６６】
ここで、上記の発電において、アノード電極１５に供給された液体燃料が、アノード電極１５において反応することなく電解質膜１４を透過し、カソード電極１６に漏出する場合がある（クロスリーク）。
【００６７】
また、上記の発電では、アノード電極１５において、上記の電気化学的反応とは別に、上記の電気化学的反応のうちの上記反応式（３）と同一の下記反応式（７）で表される分解反応が生じ、燃料成分（Ｎ２Ｈ４）が、上記反応式（１）、（２）を介さずに直接燃焼する場合がある。
（７）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ  （分解反応）
クロスオーバー現象や分解反応では、起電力（ｅ−）が発生することなく、燃料成分が消費される。
【００６８】
そして、燃料電池３から還流ライン２７に排出された排出液は、気液分離器３４において、ガス成分（上記電気化学反応により生じるガス（Ｎ２またはＣＯ２）や、分解反応で生じるガス（Ｎ２、Ｈ２、ＮＨ３）と分離されて、調整タンク２３に供給される。調整タンク２３に供給される排出液には、上記の電気化学反応において残存した燃料成分と、上記の電気化学反応により生成する水とが含まれている。
３．燃料成分の濃度調整
次いで、電動車両１における燃料成分の濃度調整について説明する。
【００６９】
電動車両１は、少なくとも循環ラインＳにおいて、燃料成分の濃度を測定するための濃度センサを備えていない。
【００７０】
電動車両１は、燃料タンク２１から調整タンク２３を介して燃料電池３へ供給される液体燃料の供給量、燃料電池３における発電により消費される燃料成分の消費量、および、燃料電池３における発電により生成する生成物（水）の量に基づいて、調整タンク２３内における燃料成分の濃度を算出する。
【００７１】
以下、図２および図３を参照しながら、より具体的に説明する。
【００７２】
以下の説明では、燃料成分を、ヒドラジンとする。電動車両１が起動される前において、燃料タンク２１内における液体燃料の燃料成分濃度Ｃａを、３８重量％とする。調整タンク２３内における液体燃料の燃料成分濃度Ｃ０を、１０重量％とする。調整タンク２３内における液体燃料の総量Ｇ０を、２１３００ｇとする。
【００７３】
そして、電動車両１が起動されると、上記反応式（１）〜（３）に示す電気化学反応により発電される。また、電動車両１が起動されると、燃料タンク２１から調整タンク２３を介して燃料電池３へ供給される液体燃料の供給量（燃料供給量Ｓａ）、電解液タンク２２から調整タンク２３を介して燃料電池３へ供給される電解液の供給量（電解液供給量Ｓｂ）、燃料電池３に供給される空気の供給量（空気供給量Ｅ）、燃料電池３における起電力の電流値Ｉ、および、燃料電池３のセル温度Ｔが、逐次、ＥＣＵ４４のＲＡＭに記録される。
【００７４】
なお、燃料供給量Ｓａは、すなわち、ポンプ２９の吐出量である。電解液供給量Ｓｂは、すなわち、ポンプ３１の吐出量である。空気供給量Ｅは、すなわち、ポンプ４３の吐出量である。
【００７５】
以下の説明では、燃料供給量Ｓａを７４ｇ／分とし、電解液供給量Ｓｂを１５ｇ／分とし、空気供給量Ｅを３００Ｌ／分とし、電流値Ｉを７８Ａとし、セル温度Ｔを７０℃とする。
【００７６】
そして、電動車両１が起動されて所定の時間（以下の説明では、１分とする。）が経過すると、ＥＣＵ４４において、ＲＯＭに格納されている濃度計算プログラムがＣＰＵにより実行される。
【００７７】
濃度計算プログラムが実行されると、まず、ＲＡＭに記録されているデータ（燃料供給量Ｓａ、電解液供給量Ｓｂ、空気供給量Ｅ、電流値Ｉ、セル温度Ｔ）がＣＰＵに読み込まれる（Ｓ１）。
【００７８】
次いで、セル温度Ｔに基づいて、分解反応（上記反応式（７）参照。）で消費される燃料成分の量（分解反応量Ｄ）を算出する（Ｓ２）。分解反応量Ｄは、実測により得られる関数（Ｄ＝ｆ（Ｔ））やデータテーブルなどにより、セル温度Ｔに基づいて算出される。以下の説明では、分解反応量Ｄを、５．８ｇ／分とする。
【００７９】
次いで、クロスリークで流出する液体燃料の量（クロスリーク量Ｌ）を算出する（Ｓ３）。クロスリーク量Ｌは、実測により得られる関数（Ｌ＝ｆ（Ｅ，Ｔ））やデータテーブルなどにより、空気供給量Ｅおよびセル温度Ｔに基づいて算出される。以下の説明では、クロスリーク量Ｌを、７１．７ｇ／分とする。
【００８０】
次いで、調整タンク２３から水分離器３５を介して外部に排出される水の量（水分離量Ｖ）を算出する（Ｓ４）。水分離量Ｖは、実測により得られる関数（Ｖ＝ｆ（Ｅ，Ｔ））やデータテーブルなどにより、空気供給量Ｅおよびセル温度Ｔに基づいて算出される。以下の説明では、水分離量Ｖを、２０ｇ／分とする。
【００８１】
次いで、循環ラインＳ内における燃料成分の総量Ｈ１を計算する（Ｓ５）。循環ラインＳ内における燃料成分の総量Ｈ１は、電動車両１が起動される前における調整タンク２３内の燃料成分の総量２１３０ｇ（Ｇ０×Ｃ０＝２１３００（ｇ）×０．１）に対して、燃料タンク２１から供給された燃料成分の量２８．１２ｇ（Ｓａ×Ｃａ＝７４（ｇ／分）×０．３８×１（分））を加えるとともに、分解反応量Ｄ、クロスリークによって流出する燃料成分の量７．１７ｇ（Ｌ×Ｃ０＝７１．７（ｇ／分）×０．１×１（分））、および、発電により消費された燃料成分の量（発電消費量Ｒ）を差し引くことにより、計算される。
【００８２】
発電消費量Ｒは、上記電気化学反応により生じる電子（ｅ−）のモル数（電流値Ｉ×６０（秒）／ファラデー定数Ｆ）×電子（ｅ−）に対する燃料成分の反応当量Ｚａ（１／４、上記反応式（１）参照。）×燃料成分の分子量Ｍａ×燃料電池３のセル数Ｎ（以下の説明において、４３個とする。）により求められ、具体的には、１６．６７ｇ（７８（Ａ）×６０（秒）／９６４８５（Ｃ／ｍｏｌ）×１／４×３２×４３（個））と計算される。
【００８３】
これにより、循環ラインＳ内における燃料成分の総量Ｈ１は、２１２８．４８ｇ（２１３０ｇ＋２８．１２ｇ−１６．６７ｇ−５．８ｇ−７．１７ｇ）と計算される。
【００８４】
次いで、循環ラインＳ内を循環する液体成分（液体燃料および排出液）の総量Ｇ１を計算する（Ｓ６）。循環ラインＳ内を循環する液体成分の総量Ｇ１は、調整タンク２３内における液体燃料の総量Ｇ０に対して、燃料供給量Ｓａ、電解液供給量Ｓｂ、発電により生成された水の量（水生成量Ｗ１）、および、分解反応により生成された水の量（水生成量Ｗ２）を加えるとともに、分解反応量Ｄ、クロスリーク量Ｌ、水分離量Ｖ、および、発電消費量Ｒ（１６．６７ｇ）を差し引くことにより、計算される。
【００８５】
水生成量Ｗ１は、上記電気化学反応により生じる電子（ｅ−）のモル数（電流値Ｉ×６０（秒）／ファラデー定数Ｆ）×電子（ｅ−）に対する水の反応当量Ｚｐ（１／２、上記反応式（２）参照。）×燃料成分の分子量Ｍｐ×燃料電池３のセル数Ｎにより求められ、具体的には、１８．７７ｇ（７８（Ａ）×６０（秒）／９６４８５（Ｃ／ｍｏｌ）×１／２×１８×４３（個））と計算される。
【００８６】
水生成量Ｗ２は、分解反応量Ｄ×分解反応における燃料成分に対する水の反応当量（２、上記反応式（７）参照。）により求められ、具体的には、１１．６ｇ（５．８ｇ／分×２×１（分））と計算される。
【００８７】
これにより、循環ラインＳ内を循環する液体成分の総量Ｇ１は、２１３０５．２ｇ（２１３００ｇ＋７４ｇ＋１５ｇ＋１８．７７＋１１．６ｇ−５．８ｇ−７１．７ｇ−２０−１６．６７ｇ）と計算される。
【００８８】
次いで、循環ラインＳ内を循環する液体成分の総量Ｇ１と、循環ラインＳ内における燃料成分の総量Ｈ１とから、循環ラインＳ内における燃料成分の濃度Ｃ１を計算する（Ｓ７）。これにより、循環ラインＳ内における燃料成分の濃度Ｃ１は、９．９９％（Ｃ１／Ｇ１×１００＝２１２８．４８ｇ／２１３０５．２ｇ×１００）と計算される。
【００８９】
その後、濃度計算プログラムは、一旦、終了される。濃度計算プログラムは、電動車両１が起動されている間、定期的に繰り返し実行される。
【００９０】
濃度計算プログラムが再度実行されるときには、調整タンク２３内における液体燃料の燃料成分濃度Ｃ０の代わりに、前回計算された循環ラインＳ内における燃料成分の濃度Ｃ１を用いる。また、調整タンク２３内における液体燃料の総量Ｇ０の代わりに、前回計算された循環ラインＳ内を循環する液体成分の総量Ｇ１を用いる。
【００９１】
そして、ＥＣＵ４４は、電動車両１の走行状態に応じて必要な電力を得られるように、計算された燃料成分濃度Ｃに基づいて、燃料供給量Ｓａ、電解液供給量Ｓｂおよび空気供給量Ｅを調節する。
４．作用効果
この燃料電池システム２によれば、図２および図３に示すように、燃料供給量Ｓａと、発電消費量Ｒとから、液体燃料および排出液の総量Ｇ１中、すなわち、循環ラインＳ内の燃料成分の濃度Ｃ１を算出する（Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７）。
【００９２】
そのため、燃料成分の濃度Ｃ１を計測するセンサを循環ラインＳ内に別途設けることなく、循環ラインＳ内の燃料成分の濃度Ｃ１を算出し、その濃度Ｃ１に基づいて、燃料供給量Ｓａ、電解液供給量Ｓｂおよび空気供給量Ｅを調節することができる。
【００９３】
その結果、燃料電池システム２の小型化および低コスト化を図ることができる。
【００９４】
また、この燃料電池システム２によれば、図３に示すように、クロスリークによって流出する燃料成分の量や、水分離量Ｖによって燃料成分の濃度Ｃ１を補正（Ｓ５、Ｓ６）し、燃料成分の濃度Ｃ１を精度よく算出することができる。
【００９５】
なお、燃料成分の濃度Ｃ１を濃度センサで測定する場合には、液体燃料中に燃料成分以外の成分が含有されていると、燃料成分以外の成分が濃度センサに検知され、液体燃料中の燃料成分の濃度を正確に検知することが困難となる。
【００９６】
しかし、この燃料電池システム２によれば、図２および図３に示すように、燃料供給量Ｓａと、発電消費量Ｒとから循環ラインＳ内の燃料成分の濃度Ｃ１を算出するので、液体燃料中に燃料成分と電解質とが含有されている場合でも、燃料成分の濃度を正確に算出することができる。
【００９７】
その結果、燃料成分の濃度Ｃ１をより精度よく算出することができる。
５．変形例
上記した実施形態では、クロスリークによって流出する燃料成分の量や、水分離量Ｖによって燃料成分の濃度Ｃ１を補正しているが、クロスリークの発生がごく少量である場合や、水分離器３５を備えない場合には、クロスリークによって流出する燃料成分の量や、水分離量Ｖによって燃料成分の濃度Ｃ１を補正しないで、燃料成分の濃度Ｃ１を算出することもできる。
【符号の説明】
【００９８】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
６      制御部
２１    燃料タンク
２３    調整タンク
２４    第１燃料供給ライン
２６    第２燃料供給ライン
２７    還流ライン
３５    水分離器
【図１】
2016004605.tif 000003
【図２】
2016004605.tif 000004
【図３】
2016004605.tif 000005