(57)【要約】【課題】簡易な構成で水素濃度センサを水から防護する。【解決手段】水素ガスを燃料電池２に供給するための水素供給流路４２と、水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４２に戻すための水素循環流路４３と、水素オフガスを加圧して水素供給流路４２側へ送り出す水素ポンプ４５と、水素ガスの濃度を検出する水素濃度センサＤと、を備える燃料電池システム１において、水素濃度センサＤを、水素循環流路４３のうちの水素ポンプ４５の下流側に設けるとともに、水素供給流路４２の一部と燃料電池２内の流路と水素循環流路４３とで形成されるループ流路４０の内周側に設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
前記反応ガスのうちの燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料供給流路と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料供給流路に戻すための燃料循環流路と、
前記燃料循環流路に設けられ、前記燃料オフガスを加圧して前記燃料供給流路側へ送り出す循環ポンプと、
前記燃料循環流路のうちの前記循環ポンプの下流側に設けられ、前記燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスの濃度を検出する燃料濃度センサと、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料濃度センサは、前記燃料供給流路の一部と前記燃料電池内の流路と前記燃料循環流路とで形成されるループ流路の内周側に設けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料循環流路を形成させる燃料循環配管の内部における前記燃料濃度センサとの接続部分の上流側にある所定領域が、当該接続部分の下流側にある所定領域よりも前記燃料循環配管の径方向において当該燃料循環配管の内側に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記接続部分の上流側にある所定領域には、前記燃料循環配管の径方向において当該燃料循環配管の内側に向けて盛り上がる隆起部が形成されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記接続部分の下流側にある所定領域には、前記燃料循環配管の径方向において当該燃料循環配管の外側に向けて窪む陥没部が形成されていることを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料濃度センサは、前記燃料電池システムが設置されているときに、前記燃料オフガスを内部に取り込むための流入口がセンサ本体よりも下方に位置するように設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料循環流路に設けられ、前記燃料オフガスを外部に排出するための排出弁と、
前記燃料濃度センサによって検出された値が所定の閾値以下に低下した場合に、前記排出弁を一時的に開弁させる弁制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料濃度センサによって検出された値を用いて前記燃料電池に供給する燃料ガス量を制御する燃料供給制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池であって、
積層された複数のセルと、
前記反応ガスのうちの燃料ガスを前記セルの各々に供給するための燃料供給マニホールドと、
前記セルの各々から排出される燃料オフガスを前記燃料電池から排出するための燃料排出マニホールドと、
前記燃料排出マニホールドの上流側に配置されるプレートに取り付けられ、前記燃料排出マニホールド内の前記燃料オフガスに含まれる前記燃料ガスの濃度を検出する燃料濃度センサと、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料濃度センサは、前記燃料電池が設置されているときに、前記燃料オフガスを内部に取り込むための流入口がセンサ本体よりも下方に位置するように設けられることを特徴とする請求項９記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、アノード極に供給される燃料ガスとカソード極に供給される酸化ガスとの電気化学反応により電力を発生する。燃料電池から排出される燃料オフガスには未反応の燃料も含まれる。したがって、排出された燃料オフガスは、燃料循環流路を通って燃料供給流路に戻され、燃料供給源から供給される燃料ガスと混合されてアノード極に再供給される。一方、燃料オフガスには不純物も含まれるため、燃料オフガスをそのまま循環し続けると燃料電池の発電特性が低下してしまう。したがって、燃料オフガスに含まれる燃料の濃度を監視し、燃料の濃度が低下した場合には燃料オフガスを外部に排出させることが要求される。下記特許文献１には、燃料循環流路に燃料濃度センサを設けた燃料電池システムが開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３５１３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料オフガスには水が含まれるため、燃料循環流路に燃料濃度センサを設けると、燃料オフガスに含まれる水によって燃料濃度センサの作動が不能になるおそれがある。上記特許文献１では、燃料濃度センサに被水防止構造を設けることで燃料濃度センサを水から防護している。しかしながら、燃料濃度センサに被水防止構造を設けると、燃料濃度センサの構成が複雑になってしまう。
【０００４】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、簡易な構成で燃料濃度センサを水から防護させることが可能な燃料電池システムおよび燃料電池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】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、反応ガスのうちの燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料供給流路と、燃料電池から排出された燃料オフガスを燃料供給流路に戻すための燃料循環流路と、燃料循環流路に設けられ、燃料オフガスを加圧して燃料供給流路側へ送り出す循環ポンプと、燃料循環流路のうちの循環ポンプの下流側に設けられ、燃料オフガスに含まれる燃料ガスの濃度を検出する燃料濃度センサと、を備えることを特徴とする。
【０００６】
ここで、燃料オフガスは、循環ポンプから送出される際に循環ポンプの熱によって水が蒸発させられるため、循環ポンプの下流側の燃料オフガスに含まれる水の量は、上流側の燃料オフガスに含まれる水の量よりも少なくなる。したがって、この発明によれば、燃料濃度センサを循環ポンプの下流側に設けることができるため、燃料濃度センサに、循環ポンプから送出される比較的水の量が少ない燃料オフガスの燃料ガス濃度を検出させることができる。それゆえに、燃料濃度センサが被水により作動不能となる事態を低減させることができる。
【０００７】
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料濃度センサは、燃料供給流路の一部と燃料電池内の流路と燃料循環流路とで形成されるループ流路の内周側に設けられることとしてもよい。
【０００８】
これにより、ループ流路を循環する燃料オフガスのうち、ループ流路の内周側を流れる比較的水の量が少ない燃料オフガスの燃料ガス濃度を燃料濃度センサに検出させることができる。したがって、燃料濃度センサが被水により作動不能となる事態をさらに低減させることができる。ここで、燃料オフガスをループ流路で循環させると、燃料オフガスに作用する遠心力によって燃料オフガスに含まれる水がループ流路の外周側に移動する。したがって、ループ流路の内周側を流れる燃料オフガスの水の量は、ループ流路の外周側を流れる燃料オフガスの水の量よりも少なくなる。
【０００９】
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料循環流路を形成させる燃料循環配管の内部における燃料濃度センサとの接続部分の上流側にある所定領域を、当該接続部分の下流側にある所定領域よりも燃料循環配管の径方向において当該燃料循環配管の内側に位置するように形成させることとしてもよい。
【００１０】
具体的には、接続部分の上流側にある所定領域に、燃料循環配管の径方向において当該燃料循環配管の内側に向けて盛り上がる隆起部を形成することとしてもよいし、接続部分の下流側にある所定領域に、燃料循環配管の径方向において当該燃料循環配管の外側に向けて窪む陥没部を形成することとしてもよい。
【００１１】
これにより、燃料オフガスに含まれる水が燃料濃度センサ内に流れ込まないように燃料オフガスに含まれる水の流れを誘導させることができるため、燃料濃度センサを被水から護る効果をより向上させることができる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料濃度センサを、燃料電池システムが設置されているときに、燃料オフガスを内部に取り込むための流入口がセンサ本体よりも下方に位置するように設けることとしてもよい。
【００１３】
これにより、センサ本体を燃料オフガスの流入口よりも上方に位置させることができるため、燃料濃度センサを被水から護る効果をより向上させることができる。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料循環流路に設けられ、燃料オフガスを外部に排出するための排出弁と、燃料濃度センサによって検出された値が所定の閾値以下に低下した場合に、排出弁を一時的に開弁させる弁制御手段と、をさらに備えることができる。
【００１５】
これにより、燃料循環流路の燃料ガス濃度が所定の閾値以下に低下した場合に、燃料循環流路の不純物を含む燃料オフガスを外部に排出させることができる。また、燃料オフガスの排出制御を、作動率の高い燃料濃度センサの検出値を用いて行うことができるため、燃料ガス濃度が低下した燃料オフガスを確実に外部に排出させることが可能となり、燃料電池の発電特性を向上させることができる。
【００１６】
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料濃度センサによって検出された値を用いて燃料電池に供給する燃料ガス量を制御する燃料供給制御手段をさらに備えることができる。
【００１７】
これにより、燃料電池に供給する燃料ガス量の制御を、作動率の高い燃料濃度センサの検出値を用いて行うことができるため、燃料循環流路の燃料ガス濃度に応じた最適な燃料供給制御が可能となり、燃料電池の運転効率を向上させることができる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池は、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池であって、積層された複数のセルと、反応ガスのうちの燃料ガスをセルの各々に供給するための燃料供給マニホールドと、セルの各々から排出される燃料オフガスを燃料電池から排出するための燃料排出マニホールドと、燃料排出マニホールドの上流側に配置されるプレートに取り付けられ、燃料排出マニホールド内の燃料オフガスに含まれる燃料ガスの濃度を検出する燃料濃度センサと、を備えることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、燃料濃度センサを、燃料排出マニホールドの上流側に設けることができるため、燃料濃度センサに向けて流れ込む燃料オフガスを極力排除することができる。それゆえに、燃料濃度センサが被水により作動不能となる事態を低減させることができる。
【００２０】
上記燃料電池において、上記燃料濃度センサを、燃料電池が設置されているときに、燃料オフガスを内部に取り込むための流入口がセンサ本体よりも下方に位置するように設けることとしてもよい。
【００２１】
これにより、センサ本体を燃料オフガスの流入口よりも上方に位置させることができるため、燃料濃度センサを被水から護る効果をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡易な構成で燃料濃度センサを水から防護させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。各実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
【００２４】
[第１実施形態]
まず、図１を参照して、第１実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
【００２５】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。
【００２６】
燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、複数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
【００２７】
酸化ガス配管系３は、フィルタを介して大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３０と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３２とを有する。空気排出流路３２には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための背圧調整弁３３が設けられている。
【００２８】
水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４１と、水素タンク４１の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４２に戻すための燃料循環流路としての水素循環流路４３とを有する。
【００２９】
水素供給流路４２の一部と、燃料電池２内の流路と、水素循環流路４３とでループ流路４０が形成される。水素供給流路４２の一部としては、水素循環流路４３との合流点およびこの合流点よりも下流側の水素供給流路４２が該当する。水素供給流路４２には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４が設けられている。
【００３０】
水素循環流路４３には、水素循環流路４３の水素オフガスを加圧して水素供給流路４２側へ送り出す循環ポンプとしての水素ポンプ４５が設けられている。水素循環流路４３のうちの水素ポンプ４５の下流側には水素濃度センサＤが設けられている。
【００３１】
水素濃度センサＤは、水素オフガスを内部に取り込むための水素オフガス流入口と、水素オフガスに含まれる水素ガスの濃度を検出するセンサ本体とを有する。水素濃度センサＤとしては、各種の濃度センサを用いることができ、例えば、熱伝導式センサ、光透過式センサ、ｐｄ薄膜センサ、半導体式センサ等を用いることができる。
【００３２】
ここで、水素オフガスは、水素ポンプ４５から送出される際に水素ポンプ４５の熱により水素オフガスに含まれる水が蒸発するため、水素ポンプ４５を通過すると水の量が減少する。つまり、水素循環流路４３の水素オフガスに含まれる水の量は、水素ポンプ４５の上流側よりも下流側の方が少なくなる。
【００３３】
本実施形態における燃料電池システム１では、水素濃度センサＤを水素ポンプ４５の下流側に設けることで、水素濃度センサＤのセンシング対象を、水素ポンプ４５から送出される比較的水の量が少ない水素オフガスとすることができる。これにより、水素濃度センサＤが被水により作動不能となる事態を低減させることができる。
【００３４】
また、図２に示すように、水素オフガスをループ流路４０で循環させると、水素オフガスに作用する遠心力によって水素オフガスに含まれる水がループ流路４０の外周側４０ｏに移動する。したがって、ループ流路４０の内周側４０ｉを流れる水素オフガスの水の量は、ループ流路４０の外周側４０ｏを流れる水素オフガスの水の量よりも少なくなる。
【００３５】
本実施形態における燃料電池システム１では、水素濃度センサＤをループ流路４０の内周側４０ｉに設けることで、水素濃度センサＤのセンシング対象を、ループ流路４０の内周側４０ｉを流れる比較的水の量が少ない水素オフガスとすることができる。これにより、水素濃度センサＤが被水により作動不能となる事態をさらに低減させることができる。
【００３６】
水素ガス配管系４のうち水素循環流路４３を形成させる配管（燃料循環配管。以下、水素循環配管という。）の内部における水素濃度センサＤとの接続部分の上流側を、この接続部分の下流側よりも水素循環配管４３の径方向において水素循環配管４３の内側に位置するように形成することが望ましい。これは、例えば、水素循環配管４３の内部において、上記接続部分の下流側の所定領域を外側に向けて窪ませることや、上記接続部分の上流側の所定領域を内側に向けて隆起させることで実現できる。これにより、水素オフガスに含まれる水が水素濃度センサＤ内に流れ込まないように水素オフガスに含まれる水の流れを誘導させることができるため、水素濃度センサＤを被水から護る効果をより向上させることができる。
【００３７】
図３〜図６を参照して具体的に説明する。図３および図４は、上記接続部分の下流側の所定領域を窪ませた場合の構成例を説明するために、当該接続部分付近を拡大した要部断面図である。図３は、水素濃度センサＤを水素循環配管４３の下方に位置させてそれらを横から見たときの断面図であり、図４は、水素濃度センサＤを水素循環配管４３の真下に位置させてそれらを水素循環配管４３の上方から見たときの断面図である。
【００３８】
なお、図３または図４では、水素循環配管４３の下方または真下に水素濃度センサＤを位置させているが、これは、所定領域を窪ませた状態を説明するために便宜上この位置関係で表わしたものであって、水素濃度センサＤと水素循環配管４３との位置関係を限定するものではない。実際には、燃料電池システム１が設置されている状態において、水素濃度センサＤをできるだけ水素循環配管４３の上方側に配置させることが好ましい。これにより、水素濃度センサＤを被水から護る効果をより向上させることができる。
【００３９】
水素循環配管４３と水素濃度センサＤとの接続部分の下流側の所定領域Ｒ１には、陥没部４３ｃが形成されている。この陥没部４３ｃは、水素循環配管４３の径方向４３ｄにおいて水素循環配管４３の外側に向けて窪んでいる。陥没部４３ｃの窪みの深さは、下流側に向かうにしたがって浅くなる。
【００４０】
このような陥没部４３ｃを設けることで、水素循環流路４３を流れる水素オフガスに含まれる水の一部が、上記接続部分の下流側にある水素濃度センサＤの内壁Ｄｗに衝突して水素濃度センサＤ内に流れ込む現象を抑制することができる。
【００４１】
図４に示すように、所定領域Ｒ１の幅は、上記接続部分における水素濃度センサＤの直径Ｄｄと同じ長さに形成されている。所定領域Ｒ１の幅を、水素濃度センサＤの直径Ｄｄ以上にすることで、上記水素オフガスに含まれる水の一部が水素濃度センサＤ内に流れ込む現象を抑制する効果を増大させることができる。
【００４２】
図５および図６は、上記接続部分の上流側の所定領域を隆起させた場合の構成例を説明するために、当該接続部分付近を拡大した要部断面図である。図５は、水素濃度センサＤを水素循環配管４３の下方に位置させてそれらを横から見たときの断面図であり、図６は、水素濃度センサＤを水素循環配管４３の真下に位置させてそれらを水素循環配管４３の上方から見たときの断面図である。
【００４３】
なお、図５または図６では、水素循環配管４３の下方または真下に水素濃度センサＤを位置させているが、これは、所定領域を隆起させた状態を説明するために便宜上この位置関係で表わしたものであって、水素濃度センサＤと水素循環配管４３との位置関係を限定するものではない。実際には、燃料電池システム１が設置されている状態において、水素濃度センサＤをできるだけ水素循環配管４３の上方側に配置させることが好ましい。これにより、水素濃度センサＤを被水から護る効果をより向上させることができる。
【００４４】
水素循環配管４３と水素濃度センサＤとの接続部分の上流側の所定領域Ｒ２には、隆起部４３ｒが形成されている。この隆起部４３ｒは、水素循環配管４３の径方向４３ｄにおいて水素循環配管４３の内側に向けて盛り上がっている。隆起部４３ｒの高さは、上流側に向かうにしたがって低くなる。
【００４５】
このような隆起部４３ｒを設けることで、水素循環流路４３を流れる水素オフガスに含まれる水の一部が、上記接続部分の下流側にある水素濃度センサＤの内壁Ｄｗに衝突して水素濃度センサＤ内に流れ込む現象を抑制することができる。
【００４６】
図６に示すように、所定領域Ｒ２の幅は、上記接続部分における水素濃度センサＤの直径Ｄｄと同じ長さに形成されている。所定領域Ｒ２の幅を、水素濃度センサＤの直径Ｄｄ以上にすることで、上記水素オフガスに含まれる水の一部が水素濃度センサＤ内に流れ込む現象をより抑制させることができる。
【００４７】
なお、水素濃度センサＤを水素循環配管４３に取り付ける際に、燃料電池システム１が設置されている状態において、水素濃度センサＤの水素オフガス流入口がセンサ本体よりも下方に位置するように取り付けることが好ましい。これにより、センサ本体を水素オフガス流入口よりも上方に位置させることができるため、水素濃度センサＤを被水から護る効果をより向上させることができる。
【００４８】
水素循環流路４３には、気液分離器４６及び排気排水弁４７（排出弁）を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４７は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４６で回収された水分と水素循環流路４３の不純物を含む水素オフガスとを排出する。排気排水弁４７から排出された水素オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００４９】
制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３０や水素ポンプ４５のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。
【００５０】
制御部５は、水素濃度センサＤによって検出された値を用いて排気排水弁４７の開閉を制御する弁制御手段としての機能を有する。具体的には、例えば、制御部５は、水素濃度センサＤによって検出された値が所定の閾値以下に低下した場合に、通常は閉弁状態で維持される排気排水弁４７を一時的に開弁状態にする。
【００５１】
これにより、水素循環流路４３の水素ガス濃度が所定の閾値以下に低下した場合に、水素循環流路４３の不純物を含む水素オフガスを外部に排出させることができる。また、水素オフガスの排出制御を、作動率の高い水素濃度センサＤの検出値を用いて行うことができるため、水素ガス濃度が低下した水素オフガスを確実に外部に排出させることが可能となり、燃料電池２の発電特性を向上させることができる。
【００５２】
制御部５は、水素ガスのストイキ比（以下、水素ストイキ比という。）が所定の範囲内に収まるように、燃料電池２に供給する水素ガス量を制御する燃料供給制御手段としての機能を有する。ここで、水素ストイキ比とは、燃料電池２での消費水素ガス量に対する燃料電池２への供給水素ガス量の余剰比をいう。
【００５３】
制御部５は、上記燃料供給制御手段として燃料電池２に供給する水素ガス量を制御する際に、水素濃度センサＤによって検出された値を用いて制御する。具体的には、例えば、水素濃度センサＤによって検出された値が目標値よりも小さい場合には燃料電池２に供給する水素ガス量を増大させ、検出値が目標値よりも大きい場合には燃料電池２に供給する水素ガス量を減少させる。燃料電池２に供給する水素ガス量の制御は、例えば、水素供給流路４２に設けられたレギュレータ４４等の調圧弁の開弁量を制御することや、水素循環流路４３に設けられた水素ポンプ４５のモータの駆動量を制御することで行われる。
【００５４】
これにより、燃料電池２に供給する水素ガス量の制御を、作動率の高い水素濃度センサＤの検出値を用いて行うことができるため、水素循環流路４３の水素ガス濃度に応じた最適な水素供給制御が可能となり、燃料電池２の運転効率を向上させることができる。
【００５５】
制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、水素濃度センサＤ、電圧センサ、電流センサ、圧力センサ、温度センサ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３０、背圧調整弁３３、水素ポンプ４５および排気排水弁４７等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００５６】
ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムの各種制御処理等を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。
【００５７】
上述したように、第１実施形態における燃料電池システム１によると、水素濃度センサＤの水素循環配管４３への取り付け位置を、水素ポンプ４５の下流側およびループ流路４０の内周側４０ｉにすることで、水素濃度センサＤのセンシング対象を、比較的水の量が少ない水素オフガスとすることができる。これにより、簡易な構成で水素濃度センサＤを水から防護させることができ、水素濃度センサＤが被水により作動不能となる事態を低減させることができる。
【００５８】
[第２実施形態]
次に、図７を参照して、第２実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図７は、第２実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、水素濃度センサＤの配置が相違する点である。具体的には、第１実施形態における燃料電池システム１では、水素濃度センサＤが水素循環流路４３に設けられているのに対し、第２実施形態における燃料電池システム１では、水素濃度センサＤが燃料電池２に取り付けられている点で相違する。それ以外の構成は、第１実施形態における各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付しその説明を省略する。
【００５９】
図８を参照して、第２実施形態における水素濃度センサＤの取り付け位置について説明する。図８は、燃料電池システム１に含まれる燃料電池２を模式的に示した構成図である。
【００６０】
図８に示すように、燃料電池２は、複数のセル２１を積層してなるセル積層体と、水素供給マニホールド２２（燃料供給マニホールド）と、水素排出マニホールド２３（燃料排出マニホールド）と、セル積層体の外側に配置されるプレート２４ａ、２４ｂと、水素濃度センサＤとを有する。プレート２４ａ、２４ｂとしては、例えば、ターミナルプレート、インシュレータ（絶縁プレート）およびエンドプレートが該当する。
【００６１】
水素供給マニホールド２２は、水素供給流路４２から供給された水素ガスを各セル２１に供給する。水素排出マニホールド２３は、各セル２１から排出される水素オフガスを集合させて燃料電池２から排出する。
【００６２】
水素濃度センサＤは、水素排出マニホールド２３内の水素オフガスの濃度を検出する。この水素濃度センサＤは、水素排出マニホールド２３の上流側に配置されるプレート２４ａに取り付けられ、水素オフガス流入口が水素排出マニホールド２３内に位置するように設けられる。
【００６３】
このように、水素濃度センサＤの水素オフガス流入口を水素排出マニホールド２３内の上流側に配置させることで、水素濃度センサＤに向けて流れ込む水素オフガスを極力排除することができる。それゆえに、水素濃度センサＤが被水により作動不能となる事態を低減させることができる。
【００６４】
なお、水素濃度センサＤの水素オフガス流入口は、水素排出マニホールド２３内のうち、できる限り上方側に位置させることが好ましい。これは、水素オフガスに含まれる水が水素排出マニホールド２３の下方側に集まるためである。これにより、水素濃度センサＤを被水から護る効果を向上させることができる。
【００６５】
また、水素濃度センサＤをプレート２４ａに取り付ける際に、燃料電池２が配置されている状態において、水素濃度センサＤの水素オフガス流入口がセンサ本体よりも下方に位置するように取り付けることが好ましい。これにより、センサ本体を水素オフガス流入口よりも上方に位置させることができるため、水素濃度センサＤを被水から護る効果をより向上させることができる。
【００６６】
上述したように、第２実施形態における燃料電池２によると、水素濃度センサＤを、水素排出マニホールド２３の上流側に配置されるプレート２４ａに取り付けることができるため、水素濃度センサＤのセンシング対象を、比較的水の量が少ない水素オフガスとすることができる。これにより、簡易な構成で水素濃度センサＤを水から防護させることができ、水素濃度センサＤが被水により作動不能となる事態を低減させることができる。
【００６７】
なお、上述した各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】図１に示す水素濃度センサ付近を拡大した構成図である。
【図３】水素循環流路のうち水素濃度センサとの接続部分の下流側を窪ませた場合の構成例を説明するための要部拡大断面図である。
【図４】水素循環流路のうち水素濃度センサとの接続部分の下流側を窪ませた場合の構成例を説明するための要部拡大断面図である。
【図５】水素循環流路のうち水素濃度センサとの接続部分の上流側を隆起させた場合の構成例を説明するための要部拡大断面図である。
【図６】水素循環流路のうち水素濃度センサとの接続部分の上流側を隆起させた場合の構成例を説明するための要部拡大断面図である。
【図７】第２実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図８】図７に示す燃料電池を模式的に示した構成図である。
【符号の説明】
【００６９】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、２１…セル、２２…水素供給マニホールド、２３…水素排出マニホールド、２４ａ,２４ｂ…プレート、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、４０…ループ流路、４１…水素タンク、４２…水素供給流路、４３…水素循環流路、４５…水素ポンプ、４７…排気排水弁、４３ｃ…陥没部、４３ｒ…隆起部、Ｒ１，Ｒ２…所定領域、Ｄ…水素濃度センサ、５…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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