本発明は、水素の流量を計測する水素流量計測装置および燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池スタックに供給する燃料ガスのガス流量の適否を判断するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1記載の発明は、燃料電池セルのアノード電極側から排出される燃料オフガスが供給される検知用セルの出力電圧から水素濃度を推測し、推測される水素濃度によって燃料電池スタックに供給される水素のガス流量の適否を判断する構成になっている。

特開2003−157886号公報

ところで、従来技術の燃料電池スタックに設けられる検知用セルの出力電圧は、燃料オフガス中の水素濃度だけでなく、検知用セルの内部抵抗(例えば、電解質膜の湿潤状態)の変化によって変動する。このため、従来技術の如く、検知用セルの出力電圧に基づいて水素濃度を算出する手法では、燃料オフガスの正確な水素濃度を算出できない。この結果、燃料電池スタックに供給される水素のガス流量の適否を判断することは困難である。

本発明は上記点に鑑みて、水素のガス流量を正確に計測することが可能な水素流量計測装置および燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明者らは、検知用セルのアノード電極とカソード電極とを接続する外部接続部を流れる電流は、検知用セルを流れる水素のガス流量に相関して変化することに着眼し、本発明を案出した。

すなわち、請求項1に記載の発明は、 燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する検知用セル(23)と、 燃料ガスが流通するガス流路部(12)から分岐する分岐流路部(21)と、 電流を計測する電流計測部(24)と、 ガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する流量算出部(262)を含む制御装置(26)と、を備える。

ガス流路部には、ガス流路部を流れる燃料ガスを所定の分流比で分岐流路部に分流させる分岐部(121)が設けられている。検知用セルは、電解質膜(231)、アノード電極(232)、カソード電極(233)を有する膜電極接合体(230)、アノード電極側に分岐流路部を流れる燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路(234)を含んで構成されている。電流計測部は、検知用セルの外部においてアノード電極とカソード電極とを接続する外部接続部(LO)に設けられ、外部接続部を流れる電流を計測するように構成されている。流量算出部は、電流計測部で計測された電流信号および分流比に基づいて、ガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する。

これによると、水素のガス流量に相関性を有する検知用セルで生ずる電流等に基づいて、ガス流路部を流れる水素のガス流量を算出するので、検知用セルの電圧から水素のガス流量を特定する構成に比べて、水素のガス流量を正確に計測することが可能となる。

また、水素流量計測装置は、検知用セルに対して、ガス流路部に分岐して接続される分岐流路部から燃料ガスが供給される構成になっている。これによると、検知用セルで分岐流路部を流れる水素が消費されることになるので、ガス流路部を流れる燃料ガスの水素濃度の著しい低下を抑制することができる。

また、請求項3に記載の発明は、 燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する発電用セル(32)を積層して構成される燃料電池スタック(31)と、 燃料電池スタックから排出される燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路部(36)と、 燃料オフガス流路部を流れる燃料オフガスに含まれる水素のガス流量を計測する水素流量計測装置(50)と、を備える。

水素流量計測装置は、 燃料オフガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する検知用セル(53)と、 電流を計測する電流計測部(54)と、 燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する流量算出部(72)と、を備え、 検知用セルは、電解質膜(531)、アノード電極(532)、カソード電極(533)を有する膜電極接合体(530)、アノード電極側に燃料オフガス流路部を流れる燃料オフガスを供給するための燃料オフガス供給路(534)を含んで構成されている。

電流計測部は、検知用セルの外部においてアノード電極とカソード電極とを接続する外部接続部(LO)に設けられ、外部接続部を流れる電流を計測するように構成されている。そして、流量算出部は、電流計測部で計測された電流信号に基づいて、燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する。

これによると、水素のガス流量に相関性を有する検知用セルで生ずる電流に基づいて、燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量を算出するので、検知用セルの電圧から水素のガス流量を特定する構成に比べて、水素のガス流量を正確に計測することが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第1実施形態に係る水素流量計測装置を含む燃料供給システムの概略構成図である。

検知用セルの内部構成を示す模式図である。

第1実施形態に係る水素流量計測装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

第2実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

第2実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックと検知用セルとの関係を示す模式図である。

第2実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

第3実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

第4実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

第5実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。

第5実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

第6実施形態に係る燃料電池システムの一部を示す概略構成図である。

第6実施形態の燃料電池システムの制御装置が実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

第7実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池スタックと検知用セルとの関係を示す模式図である。

以下、発明を実施する形態について図面を参照して説明する。なお、以下の実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。以下の実施形態は、特に組み合わせに支障が生じない範囲であれば、特に明示していない場合であっても、各実施形態同士を部分的に組み合わせることができる。

(第1実施形態) 本実施形態について、図1〜図3を参照して説明する。本実施形態では、本発明の水素流量計測装置20を、対象装置TDに水素を含む燃料ガスを供給する燃料供給システム10に適用した例について説明する。対象装置TDとしては、例えば、水素を含む燃料ガスをエンジン駆動用の燃料や発電用の燃料とする装置が挙げられる。

図1に示すように、燃料供給システム10は、燃料ガスが貯蔵された燃料タンク11、燃料タンク11内の燃料ガスを対象装置TDに導くためのガス流路部12、水素流量計測装置20を含んで構成されている。

燃料タンク11は、水素を含む燃料ガスを貯蔵するタンクである。燃料タンク11には、燃料ガスが圧縮された状態で貯蔵されている。燃料タンク11は、水素の透過を防止するためにガスバリア性に優れた構造になっている。

ガス流路部12は、燃料タンク11内の燃料ガスを対象装置TDに導く配管で構成されている。ガス流路部12は、上流側の端部が燃料タンク11に接続され、下流側の端部が対象装置TDに接続されている。ガス流路部12には、燃料タンク11と対象装置TDとの間に、後述する水素流量計測装置20の分岐流路部21に接続される分岐部121が設けられている。

分岐部121は、ガス流路部12を流れる燃料ガスを所定の分流比DRで分岐流路部21に分流させるものである。分岐部121は、三方継手で構成されている。分岐部121は、例えば、ガス流路部12のうち分岐部121上流側を流れる燃料ガスの1〜10%程度が分岐流路部21に分流されるように、その分流比DRが設定されている。なお、分岐部121は、分流比DRを変更可能な可変式三方弁で構成されていてもよい。

次に、水素流量計測装置20について図1、図2を参照して説明する。水素流量計測装置20は、ガス流路部12を流れる水素のガス流量(以下、単に水素流量Grとも呼ぶ。)を計測する装置である。また、本実施形態の水素流量計測装置20は、対象装置TDへの燃料ガスの供給量を調整する装置としても機能する。本実施形態の水素流量計測装置20は、分岐流路部21、空気流路部22、検知用セル23、電流計測部24、供給量調整部25、および制御装置26を含んで構成されている。

分岐流路部21は、ガス流路部12から分岐する配管である。分岐流路部21は、その上流側の端部がガス流路部12に設けられた分岐部121に接続されている。分岐流路部21は、その途中で水素流量を検知するための検知用セル23の内部に連通している。

空気流路部22は、検知用セル23に酸素を含む酸化剤ガスとしての空気を検知用セル23に供給するための配管である。空気流路部22には、その途中で検知用セル23の内部に連通している。図示しないが、空気流路部22には、検知用セル23の内部に空気を圧送するための空気ポンプが設けられている。

検知用セル23は、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスである空気に含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池セルで構成されている。検知用セル23は、固体高分子型の燃料電池セルで構成されている。

具体的には、検知用セル23は、電解質膜231、アノード電極232、およびカソード電極233を有する膜電極接合体230、燃料ガス供給路234、酸化剤ガス供給路235を含んで構成されている。

膜電極接合体230は、イオン透過性を有する電解質膜231の両面をアノード電極232とカソード電極233とで挟み込んだ状態で、電解質膜231、アノード電極232、およびカソード電極233を一体に接合したものである。

燃料ガス供給路234は、分岐流路部21に連通している。燃料ガス供給路234は、検知用セル23の内部においてアノード電極232側に燃料ガスを供給する供給路として機能する。

酸化剤ガス供給路235は、空気流路部22に連通している。酸化剤ガス供給路235は、検知用セル23の内部においてカソード電極233側に酸化剤ガスである空気を供給する供給路として機能する。

検知用セル23では、燃料ガス供給路234に燃料ガスが流れるとともに酸化剤ガス供給路235に空気が流れると、以下に示すように、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する。

(アノード側)H₂→2H⁺+2e⁻ (カソード側)2H⁺+1/2O₂+2e⁻→H₂O 電流計測部24は、検知用セル23のアノード電極232とカソード電極233との間を移動する電子の流れを計測するものである。電流計測部24は、直流電流を計測可能な直流電流センサで構成されている。電流計測部24は、アノード電極232とカソード電極233とを検知用セル23の外部で接続する外部配線LOに設けられている。本実施形態では、外部配線LOがアノード電極232とカソード電極233とを接続する外部接続部を構成する。

続いて、供給量調整部25は、燃料タンク11から対象装置TDへの燃料ガスの供給量を調整するものである。供給量調整部25は、燃料タンク11から対象装置TDへの燃料ガスのガス流量を調整可能な流量調整弁で構成されている。

制御装置26は、水素流量計測装置20の電子制御部を構成する。制御装置26は、プロセッサ、メモリ261等を有する周知のマイクロコンピュータ、およびその周辺回路で構成されている。制御装置26は、入力側に上述の電流計測部24が接続され、出力側に上述の供給量調整部25が接続されている。

このように構成される制御装置26は、電流計測部24から取得した電流信号等を、予めメモリ261に記憶されたプログラムに従って演算処理し、当該演算処理の結果等に基づいて、出力側に接続された供給量調整部25を制御する。

制御装置26は、電流計測部24から取得した電流信号、および分岐部121における分流比DRに基づいて、ガス流路部12を流れる水素流量Grを算出する。以下、水素流量Grの算出手法について説明する。

電気分解に関するファラデーの法則によれば、燃料電池セル内部の電気化学反応に必要な水素流量Gr[L/min]は、以下の数式F1によって求めることができる。

Gr=Vm×I×t/(n×F)…(F1) 但し、数式F1では、Vmがモル体積[L/mol]を示し、Iが電流信号(電流密度)値を示している。また、数式F1では、tが時間(本例ではt=60秒)、nがイオン価数(本例ではn=2)、Fがファラデー定数(F≒96485[C/mol])を示している。なお、水素のモル体積Vmは、22.4[L/mol]程度である。

上述の数式F1によれば、電流Iは、水素流量Grに相関して変化する。このため、例えば、検知用セル23では、アノード電極232とカソード電極233とを接続する外部配線LOを流れる電流が検知用セル23を流れる水素流量Grcに相関して変化する。

このことに着眼し、本発明者らは、制御装置26にて、電流計測部24で計測した電流から検知用セル23を流れる水素流量Grcを算出するとともに、当該水素流量Grcと分流比DRからガス流路部12を流れる水素流量Grを算出する発明を案出した。ガス流路部12を流れる水素流量Grは、例えば、以下の数式F2を用いて算出することが可能である。

Gr=Grc/DR…(F2) 制御装置26は、電流計測部24から取得した電流信号、および分岐部121における分流比DRに基づいて、ガス流路部12を流れる水素流量Grを算出する処理を実行する。本実施形態では、制御装置26におけるガス流路部12を流れる水素流量Grを算出する構成(ソフトウェアおよびハードウェア)が流量算出部262を構成している。

流量算出部262では、上述した数式F1、F2を利用して、電流計測部24から取得した電流信号、および分岐部121における分流比DRからガス流路部12を流れる水素流量Grを算出する。なお、流量算出部262は、例えば、予め電流信号とガス流路部12を流れる水素流量Grとの対応関係を規定した制御マップを参照して、ガス流路部12を流れる水素流量Grを算出する構成になっていてもよい。

また、制御装置26は、燃料タンク11から対象装置TDに供給する水素流量が適正量となるように、ガス流路部12を流れる水素流量Grに基づいて、供給量調整部25を制御する。本実施形態では、制御装置26における供給量調整部25を制御する構成(ソフトウェアおよびハードウェア)が供給量制御部263を構成している。

供給量制御部263は、流量算出部262で算出された水素流量Grが少ない場合に水素の供給量が多くなるように供給量調整部25を制御し、水素流量Grが多い場合に水素の供給量が少なくなるように供給量調整部25を制御する。

次に、本実施形態の制御装置26が実行する制御処理について、図3に示すフローチャートを参照して説明する。制御装置26は、燃料タンク11から対象装置TDに供給する際に、図3に示す制御処理を所定のタイミングで実行する。

図3に示すように、制御装置26は、まず、ステップS100にて、電流計測部24から外部配線LOを流れる電流信号を取得する。そして、制御装置26は、ステップS110にて、上述した数式F1、F2を利用して、電流計測部24から取得した電流信号、および分岐部121における分流比DRからガス流路部12を流れる水素流量Grを算出する。なお、制御装置26のメモリ261には、上述した数式F1、F2および分流比DRが予め記憶されている。

続いて、制御装置26は、ステップS120にて、ステップS110で算出した水素流量Grと所定の流量閾値Grthとを比較する。具体的には、制御装置26は、水素流量Grが流量閾値Grthより多いか否かを判定する。流量閾値Grthは、対象装置TDに応じて設定されるもので、例えば、対象装置TDで必要とされる水素流量(固定値または可変値)に設定されている。

水素流量Grが流量閾値Grthよりも多い場合、対象装置TDへの水素の供給量が多すぎると考えられる。このため、制御装置26は、ステップS130にて、対象装置TDへの水素の供給量が減少するように供給量調整部25を制御する。

一方、水素流量Grが流量閾値Grthよりも少ない場合、対象装置TDへの水素の供給量が少なすぎると考えられる。このため、制御装置26は、ステップS140にて、対象装置TDへの水素の供給量が増加するように供給量調整部25を制御する。

以上説明した水素流量計測装置20は、水素流量に相関性を有する検知用セル23で生ずる電流等に基づいて、ガス流路部12を流れる水素流量Grを算出する構成になっている。これによると、検知用セル23の電圧から水素流量を特定する従来の構成に比べて、水素流量を正確に計測することが可能になる。

ここで、ガス流路部12に検知用セル23を配置することが考えられるが、この場合、検知用セル23でガス流路部12を流れる水素が消費される。このため、ガス流路部12を流れる燃料ガスの水素濃度が著しく低下し、対象装置TDに対して適切に燃料ガスを供給できなくなることが懸念される。

これに対して、水素流量計測装置は、検知用セル23に対して、ガス流路部12に分岐して接続される分岐流路部21から燃料ガスが供給される構成になっている。これによると、検知用セル23で分岐流路部21を流れる水素が消費されることになるので、ガス流路部12を流れる燃料ガスの水素濃度の著しい低下を抑制し、対象装置TDに対して適切に燃料ガスを供給することが可能になる。

(第1実施形態の変形例) 上述の第1実施形態では、水素流量計測装置20が供給量調整部25および供給量制御部263を備える例について説明したが、これに限定されない。水素流量計測装置20は、ガス流路部12を流れる水素流量Grを算出するだけで、対象装置TDへの燃料ガスの供給量の調整を行わない構成になっていてもよい。水素流量計測装置20は、例えば、ガス流路部12を流れる水素流量Grを算出し、算出した水素流量Grを対象装置TD等の外部機器へ出力する構成になっていてもよい。

(第2実施形態) 本実施形態について、図4〜図6を参照して説明する。本実施形態では、本発明の水素流量計測装置50を燃料電池システム30に適用している点が第1実施形態と相違している。

図4に示す燃料電池システム30は、例えば、電気自動車の一種である燃料電池車両に適用される。図4に示すように、燃料電池システム30は、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスである空気に含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する発電用セル32を積層して構成される燃料電池スタック31を備える。

燃料電池スタック31は、発電により生じた直流電力を、DC−DCコンバータ等を介して車両走行用の電動モータや二次電池等の電気負荷に供給する。燃料電池スタック31は、最小単位となる発電用セル32が複数積層されたスタック構造を有し、各発電用セル32が電気的に直列に接続された直列接続体として構成されている。発電用セル32は、電解質膜の両側に一対の電極を挟んで構成される膜電極接合体、膜電極接合体の両側に配置されたセパレータ等を含んで構成されている。

燃料電池スタック31には、各発電用セル32に空気を供給するための空気供給配管33が接続されるとともに、各発電用セル32を通過した空気を生成水や不純物とともに外部に排出する空気排出配管34が接続されている。本実施形態では、空気排出配管34が、酸化剤ガスのオフガスである酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス流路部を構成する。

空気供給配管33には、その最上流部に大気中から吸入した空気を燃料電池スタック31に圧送する空気ポンプ331が設けられている。また、空気供給配管33には、空気ポンプ331と燃料電池スタック31との間に燃料電池スタック31に空気を供給する空気の圧力を調整する空気調圧弁332が設けられている。また、空気排出配管34には、燃料電池スタック31から排出された空気を生成水や不純物とともに外部に排出するための電磁弁341が設けられている。

また、燃料電池スタック31には、各発電用セル32に燃料ガスを供給するための燃料供給配管35が接続されるとともに、各発電用セル32を通過した未反応水素を含む燃料オフガスを外部に排出するオフガス排出配管36が接続されている。本実施形態では、オフガス排出配管36が、燃料ガスのオフガスである燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路部を構成する。

燃料供給配管35には、その最上流部に高圧水素が充填された水素タンク351が設けられている。また、燃料供給配管35には、水素タンク351と燃料電池スタック31との間に水素供給弁352およびエジェクタ353が設けられている。水素供給弁352およびエジェクタ353は、燃料ガスを間欠的に噴射供給する手段である。また、エジェクタ353は、高速で噴射する燃料ガス流の巻き込み作用によって、後述する還流配管37から燃料オフガスを吸引する吸引手段としての役割を有している。本実施形態では、水素供給弁352およびエジェクタ353が燃料電池スタック31への燃料ガスの供給量を調整する供給量調整部を構成している。

オフガス排出配管36には、燃料オフガスに含まれる水を分離する気液分離器38が設けられるとともに、気液分離器38の内部に貯留された水を燃料オフガスとともに外部に排出するための排気弁361が設けられている。

気液分離器38は、その内部空間に燃料オフガスから分離された水が貯留される構成になっている。なお、気液分離器38は、重力分離方式や遠心分離方式の気液分離器で構成されている。

気液分離器38には、水が分離された燃料オフガスを燃料供給配管35に戻すための還流配管37が接続されている。還流配管37は、一端側が気液分離器38に接続され、他端側がエジェクタ353のガス吸引口353aに接続されている。

気液分離器38で水が分離された燃料オフガスは、エジェクタ353の吸引作用によって、再び燃料供給配管35に供給される。これにより、燃料電池システム30では、燃料電池スタック31の運転時に、未反応水素を含む燃料オフガスが還流配管37を通って循環する。

また、オフガス排出配管36には、燃料電池スタック31と気液分離器38との間に、後述する水素流量計測装置50の分岐流路部51に接続される分岐部362が設けられている。

分岐部362は、オフガス排出配管36を流れる燃料オフガスを所定の分流比DRで分岐流路部51に分流させるものである。分岐部362は、三方継手で構成されている。分岐部362は、例えば、オフガス排出配管36のうち分岐部362上流側を流れる燃料オフガスの1〜10%程度が分岐流路部51に分流されるように、その分流比DRが設定されている。なお、分岐部362は、分流比DRを変更可能な可変式三方弁で構成されていてもよい。

ところで、燃料電池システム30では、燃料電池スタック31への燃料ガスの供給量が不足すると必要な出力が得られなくなってしまう。燃料ガスの供給不足を解消するために、燃料電池スタック31へ余分に燃料ガスを供給することが考えられるが、この場合、燃料オフガス中の未反応水素が多くなることで、システムにおける燃料効率の悪化が懸念される。

このような背景もあり、燃料電池システム30には、燃料電池スタック31から排出される燃料オフガスの水素のガス流量(以下、単に水素流量Grとも呼ぶ。)を計測する水素流量計測装置50を備えている。

水素流量計測装置50は、基本構成が第1実施形態で説明したが水素流量計測装置20と同様となっている。水素流量計測装置50は、オフガス排出配管36における水素流量Grを計測する装置である。本実施形態の水素流量計測装置50は、分岐流路部51、空気流路部52、検知用セル53、電流計測部54、制御装置70の流量算出部72を含んで構成されている。制御装置70の流量算出部72については後述する。

分岐流路部51は、オフガス排出配管36から分岐する配管である。分岐流路部51は、その上流側の端部がオフガス排出配管36に設けられた分岐部362に接続されている。分岐流路部51は、その途中で水素流量を検知するための検知用セル53の内部に連通している。本実施形態では、分岐流路部51が燃料側分岐流路部を構成し、分岐部362が燃料側分岐部を構成する。

空気流路部52は、検知用セル53に酸素を含む酸化剤ガスとしての空気を検知用セル23に供給するための配管である。空気流路部52には、その途中で検知用セル53の内部に連通している。図示しないが、空気流路部52には、検知用セル53の内部に空気を圧送するための空気ポンプが設けられている。

検知用セル53は、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスである空気に含まれる酸素との電気化学反応により電気エネルギを出力する燃料電池セルで構成されている。検知用セル53は、発電用セル32と同様に固体高分子型の燃料電池セルで構成されている。

図4および図5に示すように、本実施形態の検知用セル53は、燃料電池スタック31とは別体に構成されている。すなわち、検知用セル53は、燃料電池スタック31に直に接することなく、燃料電池スタック31から離間した状態で配置されている。具体的には、検知用セル53は、電解質膜531、アノード電極532、およびカソード電極533を有する膜電極接合体530、燃料オフガス供給路534、酸化剤オフガス供給路535を含んで構成されている。

燃料オフガス供給路534は、分岐流路部51に連通している。燃料オフガス供給路534は、検知用セル53の内部においてアノード電極532側に燃料ガスを供給する供給路として機能する。

酸化剤オフガス供給路535は、空気流路部52に連通している。酸化剤オフガス供給路535は、検知用セル53の内部においてカソード電極533側に酸化剤ガスである空気を供給する供給路として機能する。

電流計測部54は、検知用セル53のアノード電極532とカソード電極533との間を移動する電子の流れを計測するものである。電流計測部54は、直流電流を計測可能な直流電流センサで構成されている。電流計測部54は、アノード電極532とカソード電極533とを検知用セル53の外部で接続する外部配線LOに設けられている。本実施形態では、外部配線LOがアノード電極532とカソード電極533とを接続する外部接続部を構成する。

次に、燃料電池システム30の電子制御部である制御装置70について説明する。制御装置70は、プロセッサ、メモリ71等を有する周知のマイクロコンピュータ、およびその周辺回路で構成されている。

制御装置70は、その入力側に上述の水素流量計測装置50の電流計測部54が接続されている。また、制御装置70は、その出力側に制御対象機器として、空気ポンプ331、空気調圧弁332、電磁弁341、水素供給弁352、エジェクタ353、排気弁361等が接続されている。

このように構成される制御装置70は、入力側から入力された各種信号等を、予めメモリに記憶されたプログラムに従って演算処理し、当該演算処理の結果等に基づいて、出力側に接続された各種制御対象機器を制御する。

例えば、制御装置70は、電流計測部24から取得した電流信号、およびオフガス排出配管36に設けられた分岐部362における分流比DRに基づいて、オフガス排出配管36を流れる水素流量Grを算出する。本実施形態では、制御装置70におけるオフガス排出配管36を流れる水素流量Grを算出する構成(ソフトウェアおよびハードウェア)が流量算出部72を構成している。なお、水素流量Grの算出手法については、第1実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

また、制御装置70は、水素タンク351から燃料電池スタック31に供給する水素流量が適正量となるように、オフガス排出配管36を流れる水素流量Grに基づいて、水素供給弁352およびエジェクタ353を制御する。本実施形態では、制御装置70における水素供給弁352およびエジェクタ353を制御する構成(ソフトウェアおよびハードウェア)が供給量制御部73を構成している。

この供給量制御部73は、流量算出部72で算出された水素流量Grが少ない場合に水素の供給量が多くなるように水素供給弁352およびエジェクタ353を制御する。また供給量制御部73は、水素流量Grが多い場合に水素の供給量が少なくなるように水素供給弁352およびエジェクタ353を制御する。

次に、本実施形態の制御装置70が実行する制御処理について、図6に示すフローチャートを参照して説明する。制御装置70は、燃料電池スタック31の発電中に、図6に示す制御処理を所定のタイミングで実行する。

図6に示すように、制御装置70は、まず、ステップS200にて、電流計測部54から外部配線LOを流れる電流信号を取得する。そして、制御装置70は、ステップS210にて、電流計測部24から取得した電流信号、および分岐部362における分流比DRからオフガス排出配管36を流れる水素流量Grを算出する。

続いて、制御装置70は、ステップS220にて、ステップS210で算出した水素流量Grと所定の流量閾値Grthとを比較する。具体的には、制御装置70は、水素流量Grが流量閾値Grthより多いか否かを判定する。流量閾値Grthは、燃料電池スタック31の発電用セル32のセル数等に応じて設定されるもので、例えば、燃料電池スタック31で必要とされる水素流量(固定値または可変値)に設定されている。

水素流量Grが流量閾値Grthよりも多い場合、燃料電池スタック31への水素の供給量が多すぎると考えられる。このため、制御装置70は、ステップS230にて、燃料電池スタック31への燃料ガスの供給量が減少するように水素供給弁352およびエジェクタ353を制御する。

一方、水素流量Grが流量閾値Grthよりも少ない場合、燃料電池スタック31への水素の供給量が少なすぎると考えられる。このため、制御装置70は、ステップS240にて、燃料電池スタック31への燃料ガスの供給量が増加するように水素供給弁352およびエジェクタ353を制御する。

以上説明した燃料電池システム30は、水素流量に相関性を有する検知用セル53で生ずる電流等に基づいて、オフガス排出配管36を流れる水素流量Grを算出する構成になっている。これによると、検知用セル53の電圧から水素流量を特定する従来の構成に比べて、水素流量を正確に計測することが可能になる。

また、燃料電池システム30は、検知用セル53に対して、オフガス排出配管36に分岐して接続される分岐流路部51から燃料オフガスが供給される構成になっている。これによると、検知用セル53で分岐流路部51を流れる水素が消費されることになる。

このため、オフガス排出配管36を流れる未反応水素を、還流配管37等を介して燃料電池スタック31に還流させることで再利用することができる。このことは、燃料電池システム30の燃料効率の向上に大きく寄与する。

(第2実施形態の変形例) 上述の第2実施形態では、ステップS220にて、ステップS210で算出した水素流量Grと所定の流量閾値Grthとを比較し、その比較結果に応じて水素供給弁352およびエジェクタ353を制御する例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム30は、例えば、燃料電池スタック31の内部圧力が所定の圧力となるように水素供給弁352およびエジェクタ353を制御する構成になっていてもよい。

上述の第2実施形態では、燃料オフガスを還流配管37およびエジェクタ353等によって燃料電池スタック31に還流させる例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム30は、例えば、還流配管37やエジェクタ353を備えない構成になっていてもよい。

上述の第2実施形態では、検知用セル53に対してオフガス排出配管36に対して分岐して接続される分岐流路部51から燃料オフガスが供給される例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム30は、例えば、検知用セル53に対してオフガス排出配管36を流れる燃料オフガスが直に供給される構成になっていてもよい。これによると、検知用セル53にて燃料オフガス中の水素濃度が低下するので、燃料オフガスを外部への排出が容易になるといった利点がある。

上述の第2実施形態では、燃料電池システム30が燃料電池車両に適用される例について説明したが、これに限定されない。燃料電池システム30は、燃料電池車両以外の用途に広く適用可能である。このことは、以降の実施形態においても同様である。

(第3実施形態) 本実施形態について、図7を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム30は、検知用セル53に対して空気排出配管34を流れる酸化剤ガスのオフガスを供給する構成になっている点が第2実施形態と相違している。

図7に示すように、空気排出配管34には、燃料電池スタック31と電磁弁341との間に、酸化剤側分岐部342が設けられている。この酸化剤側分岐部342は、オフガス排出配管36に設けられた分岐部362と同様に三方継手で構成されている。酸化剤側分岐部342には、酸化剤ガスのオフガスを検知用セル53に導くための酸化剤側分岐流路部55が接続されている。

酸化剤側分岐流路部55は、空気排出配管34から分岐する配管である。酸化剤側分岐流路部55は、その上流側の端部が空気排出配管34に設けられた酸化剤側分岐部342に接続されている。酸化剤側分岐流路部55は、その途中で水素流量を検知するための検知用セル53の内部に連通している。

その他の構成は、第2実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム30は、第2実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第2実施形態と同様に得ることができる。

本実施形態の燃料電池システム30は、空気排出配管34を流れる酸化剤ガスのオフガスの一部を検知用セル53に供給する構成になっている。これによると、酸化剤オフガスを再利用して検知用セル53に酸素を供給する構成となるため、検知用セル53に酸素を供給するための専用の機器(例えば、空気ポンプ)を低減して、システム構成の簡素化を図ることができる。

(第4実施形態) 本実施形態について、図8を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム30は、検知用セル53が大気から直接空気を取り込む構造になっている点が第2実施形態と相違している。

図8に示すように、検知用セル53は、カソード電極533側に大気中に含まれる酸素が供給されるように、カソード電極533側が大気に開放されている。具体的には、検知用セル53は、カソード電極533を外部に露出させるための開口部536が設けられている。

その他の構成は、第2実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム30は、第2実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第2実施形態と同様に得ることができる。

本実施形態の燃料電池システム30は、検知用セル53のカソード電極533側が大気に開放されている。これによると、検知用セル53に酸素を供給するための専用の機器(例えば、空気ポンプや酸化剤側分岐流路部55)が不要となるので、システム構成の簡素化を図ることができる。なお、第1実施形態で説明した検知用セル23についても、本実施形態の検知用セル53と同様に構成することが可能である。

(第5実施形態) 本実施形態について、図9、図10を参照して説明する。本実施形態の燃料電池システム30は、分岐流路部51における検知用セル53の上流および下流に一対の開閉弁56、57が設けられている点が第2実施形態と相違している。

図9に示すように、分岐流路部51には、検知用セル53の上流側に第1開閉弁56が設けられ、検知用セル53の下流側に第2開閉弁57が設けられている。第1開閉弁56は、分岐流路部51における検知用セル53の上流側を閉鎖することで、検知用セル53への燃料オフガスの流入を規制するものである。また、第2開閉弁57は、分岐流路部51における検知用セル53の下流側を閉鎖することで、検知用セル53からの燃料オフガスの流出を規制するものである。

第1開閉弁56および第2開閉弁57は、それぞれ電磁弁で構成されており、制御装置70からの制御信号に応じてその作動状態が制御される。本実施形態では、第1開閉弁56および第2開閉弁57が、検知用セル53における燃料オフガスの流れを許容する状態と許容しない状態とに切り替える状態切替部を構成する。また、制御装置70における各開閉弁56、57を制御する構成が状態制御部74を構成している。

本実施形態の制御装置70は、図6に示した制御処理に代えて、図10に示す制御処理を実行する。なお、図10に示す各ステップのうち、図6で示したステップと同じ符号が付されたステップは、特に言及しない限り同じ処理内容となっている。

図10に示すように、制御装置70は、まず、ステップS250にて、検知用セル53における燃料オフガスの流れが許容されるように、各開閉弁56、57を開状態に制御する。

続いて、制御装置70は、ステップS260にて、各開閉弁56、57を開状態に制御してから予め定められた基準時間が経過したか否かを判定する。この基準時間は、例えば、検知用セル53内に燃料オフガスが行き渡るまでに要する時間に設定される。

基準時間が経過すると、制御装置70は、ステップS270にて、検知用セル53における燃料オフガスの流れが禁止されるように、各開閉弁56、57を閉状態に制御する。この状態で、制御装置70は、ステップS200にて、電流計測部54から外部配線LOを流れる電流信号を取得する。

続いて、制御装置70は、ステップS280にて、各開閉弁56、57を閉状態に制御してから予め定められた必要時間が経過したか否かを判定する。この必要時間は、例えば、制御装置70における電流計測部54からの電流信号の取得に要する時間以上に設定される。

必要時間が経過すると、制御装置70は、ステップS210に移行して、水素流量Grを算出する。ステップS210以降の処理は、図6と同様の処理となるため、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム30は、第2実施形態と共通の構成を備えている。このため、燃料電池システム30は、第2実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第2実施形態と同様に得ることができる。

ここで、水素流量計測装置50にて水素流量Grの計測中に、検知用セル53に対して燃料オフガスが供給されると、検知用セル53内の水素のガス量が意図せずに増加してしまう可能性がある。また、水素流量Grの計測中に、検知用セル53から燃料オフガスが排出されると、検知用セル53内の水素のガス量が意図せずに減少してしまう可能性がある。これらは、水素流量Grの算出に影響することから好ましくない。

これに対して、本実施形態の燃料電池システム30は、分岐流路部51に各開閉弁56、57を設けているので、検知用セル53内の水素のガス量の意図しない増減を回避することができる。このため、水素流量の計測の信頼性を高めることが可能となる。なお、第1実施形態で説明した水素流量計測装置20についても、本実施形態の水素流量計測装置50と同様に構成することが可能である。

(第6実施形態) 本実施形態について、図11および図12を参照して説明する。本実施形態では、複数の検知用セル53A、53Bを用いて水素流量Grを算出する構成になっている点が第2実施形態と相違している。

図11に示すように、水素流量計測装置50は、分岐流路部51において、燃料オフガス流れに対して直列的に並ぶように、第1検知用セル53Aおよび第2検知用セル53Bが設けられている。第1検知用セル53Aおよび第2検知用セル53Bは、それぞれに燃料オフガスが流れるように、互いに燃料オフガス流れに対して直列的に接続されている。第1検知用セル53Aおよび第2検知用セル53Bは、第2実施形態で説明した検知用セル53と同様に構成されている。

また、水素流量計測装置50は、第1検知用セル53Aに第1電流計測部54Aが設けられ、第2検知用セル53Bに第2電流計測部54Bが設けられている。第1電流計測部54Aおよび第2電流計測部54Bは、第2実施形態で説明した電流計測部54と同様に構成されている。

本実施形態の制御装置70は、図6に示した制御処理に代えて、図12に示す制御処理を実行する。なお、図12に示す各ステップのうち、図6で示したステップと同じ符号が付されたステップは、特に言及しない限り同じ処理内容となっている。

図12に示すように、制御装置70は、まず、ステップS200Aにて、第1電流計測部54Aから第1検知用セル53Aの外部配線LOaを流れる電流信号を第1電流信号として取得する。また、制御装置70は、ステップS200Bにて、第2電流計測部54Bから第2検知用セル53Bの外部配線LObを流れる電流信号を第2電流信号として取得する。

そして、制御装置70は、ステップS210Aにて、第1電流計測部54Aから取得した第1電流信号、および分岐部362における分流比DRからオフガス排出配管36を流れる水素流量を第1水素流量Gr1として算出する。また、制御装置70は、ステップS210Bにて、第2電流計測部54Bから取得した第2電流信号、および分岐部362における分流比DRからオフガス排出配管36を流れる水素流量を第2水素流量Gr2として算出する。

さらに、制御装置70は、ステップS210Cにて、ステップS210Aで算出した第1水素流量Gr1とステップS210Aで算出した第2水素流量Gr2とを合算してオフガス排出配管36を流れる水素流量Grを算出する。なお、ステップS220以降の処理は、図6と同様の処理となるため、その説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システム30は、第2実施形態と共通の構成を備えている。このため、燃料電池システム30は、第2実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第2実施形態と同様に得ることができる。

特に、本実施形態の燃料電池システム30は、第1電流計測部54Aで計測された第1電流信号と、第2電流計測部54Bで計測された第2電流信号を用いてオフガス排出配管36を流れる水素流量Grを算出する構成になっている。これによると、燃料オフガス流れ上流側の第1検知用セル53Aから水素を含む燃料オフガスが排出されたとしても、当該燃料オフガス中の水素を燃料オフガス流れ下流側の第2検知用セル53Bで消費させることができる。これによると、仮に第1検知用セル53A内を流れる水素のガス量が意図せずに増減したとしても、その増減分を第2検知用セル53B側で把握することができるので、水素流量の計測の信頼性を高めることが可能となる。なお、第1実施形態で説明した水素流量計測装置20についても、本実施形態の水素流量計測装置50と同様に構成することが可能である。

(第6実施形態の変形例) 上述の第6実施形態では、2つの検知用セル53A、53Bを備える例について説明したが、これに限定されない。水素流量計測装置50は、3つ以上の検知用セル53を備える構成になっていてもよい。

上述の第6実施形態の水素流量計測装置50は、第5実施形態と同様に、第1検知用セル53Aの上流側に第1開閉弁56が設けられ、第2検知用セル53Bの下流側に第2開閉弁57が設けられた構成になっていてもよい。

(第7実施形態) 本実施形態について、図13を参照して説明する。本実施形態では、燃料電池スタック31と検知用セル53とが一体に構成されている点が第2実施形態と相違している。

図13に示すように、検知用セル53は、燃料電池スタック31に対して電気的な絶縁性を有する絶縁体58を介して隣接配置されている。なお、検知用セル53と燃料電池スタック31とは絶縁体58によって電気的に絶縁されている。

そして、燃料電池スタック31および検知用セル53は、単一の積層体として構成されている。具体的には、検知用セル53は、絶縁体58を介して燃料電池スタック31の発電用セル32に積層されている。

その他の構成は第2実施形態と同様である。本実施形態の燃料電池システム30は、第2実施形態と共通の構成から奏される作用効果を第2実施形態と同様に得ることができる。

本実施形態の燃料電池システム30は、燃料電池スタック31と検知用セル53とが単一の積層体として構成されている。これによると、燃料電池システム30のシステム構成の簡素化を図ることができる。

(他の実施形態) 以上、本発明の代表的な実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、例えば、以下のように種々変形可能である。

上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

(まとめ) 上述の実施形態の一部または全部で示された第1の観点によれば、水素流量計測装置は、検知用セル、燃料ガスのガス流路部から分岐する分岐流路部、電流を計測する電流計測部、ガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する流量算出部を含む制御装置を備える。検知用セルは、電解質膜、アノード電極、カソード電極を有する膜電極接合体、アノード電極側に分岐流路部を流れる燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路を含んで構成されている。電流計測部は、検知用セルの外部においてアノード電極とカソード電極とを接続する外部接続部に設けられ、外部接続部を流れる電流を計測するように構成されている。流量算出部は、電流計測部で計測された電流信号および分流比に基づいて、ガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する。

第2の観点によれば、水素流量計測装置は、ガス流路部への燃料ガスの供給量を調整する供給量調整部を備える。制御装置は、供給量調整部を制御する供給量制御部を含んで構成されている。供給量制御部は、ガス流路部を流れる水素のガス流量が所定の流量閾値よりも多い場合に燃料ガスの供給量が減少するように供給量調整部を制御する。供給量制御部は、ガス流路部を流れる水素のガス流量が流量閾値よりも少ない場合に燃料ガスの供給量が増加するように供給量調整部を制御する。これによると、正確な算出した水素のガス流量に基づいて供給量調整部を制御することになるので、ガス流路部に適量の燃料ガスを流すことが可能になる。

第3の観点によれば、燃料電池システムは、発電用セルを積層して構成される燃料電池スタック、燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路部、燃料オフガスに含まれる水素のガス流量を計測する水素流量計測装置を備える。水素流量計測装置は、検知用セル、電流を計測する電流計測部、燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する流量算出を備える。検知用セルは、電解質膜、アノード電極、カソード電極を有する膜電極接合体、アノード電極側に燃料オフガス流路部を流れる燃料オフガスを供給するための燃料オフガス供給路を含んで構成されている。電流計測部は、検知用セルの外部においてアノード電極とカソード電極とを接続する外部接続部に設けられ、外部接続部を流れる電流を計測するように構成されている。流量算出部は、電流計測部で計測された電流信号に基づいて、燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する。

第4の観点によれば、燃料電池システムは、燃料オフガス流路部から分岐する燃料側分岐流路部を備える。燃料オフガス流路部には、燃料オフガス流路部を流れる燃料オフガスを所定の分流比で燃料側分岐流路部に分流させる燃料側分岐部が設けられている。流量算出部は、電流計測部で計測された電流信号および分流比に基づいて、燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する。

このように、検知用セルに対して、燃料オフガス流通部に分岐して接続される分岐流路部から燃料オフガスが供給される構成とすれば、検知用セルで分岐流路部を流れる水素が消費されることになる。このため、燃料オフガス流通部を流れる燃料ガスの水素濃度の低下を抑制することができる。このことは、例えば、燃料オフガス中の未反応水素を燃料電池スタックで再利用する場合に特に有効である。

第5の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス流路部を備える。水素流量計測装置は、酸化剤オフガス流路部から分岐する酸化剤側分岐流路部を有する。酸化剤オフガス流路部には、酸化剤オフガス流路部を流れる酸化剤オフガスを酸化剤側分岐流路部に分流させる酸化剤側分岐部が設けられている。検知用セルは、カソード電極側に酸化剤側分岐流路部を流れる酸化剤オフガスを供給するための酸化剤オフガス供給路を含んで構成されている。これによると、酸化剤オフガスを再利用して検知用セルに酸素を供給する構成となるため、検知用セルに酸素を供給するための専用の機器を低減して、システム構成の簡素化を図ることができる。

第6の観点によれば、燃料電池システムの検知用セルは、カソード電極側に大気中の空気に含まれる酸素が供給されるように、カソード電極側が大気に開放されている。これによれば、検知用セルに酸素を供給するための専用の機器が不要となるので、システム構成の簡素化を充分に図ることができる。

第7の観点によれば、燃料電池システムは、燃料側分岐流路部に、検知用セルにおける燃料オフガスの流れを許容する状態と許容しない状態とに切り替える状態切替部が設けられている。

水素のガス流量の計測中に、検知用セルに対して燃料オフガスが供給されると、検知用セル内の水素のガス量が意図せずに増加してしまう可能性がある。また、水素のガス流量の計測中に、検知用セルから燃料オフガスが排出されると、検知用セル内の水素のガス量が意図せずに減少してしまう可能性がある。これらは、水素のガス流量の算出に影響することから好ましくない。

これに対して、燃料側分岐流路部に状態切替部を設ける構成とすれば、検知用セル内を流れる水素のガス量の意図しない増減を回避可能となる。このため、水素のガス流量の計測の信頼性を高めることが可能となる。

第8の観点によれば、燃料電池システムの水素流量計測装置は、複数の検知用セルを有するとともに、検知用セルそれぞれに燃料オフガスが流れるように、検知用セルが互いに燃料オフガス流れに対して直列的に接続されている。流量算出部は、複数の検知用セルの電流計測部で計測された電流信号を用いて燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する。これによると、仮に上流側の検知用セルから水素を含む燃料オフガスが排出されたとしても、当該燃料オフガス中の水素を下流側の検知用セルで消費させることができる。このため、水素のガス流量の計測の信頼性を高めることが可能となる。

第9の観点によれば、燃料電池システムの検知用セルは、燃料電池スタックに対して電気的な絶縁性を有する絶縁体を介して隣接配置されている。燃料電池スタックおよび検知用セルは、単一の積層体として構成されている。このように、燃料電池スタックと検知用セルとを単一の積層体として構成すれば、システム構成の簡素化を図ることができる。

第10の観点によれば、燃料電池システムは、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を調整する供給量調整部、供給量調整部を制御する供給量制御部を備える。供給量制御部は、燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量が所定の流量閾値よりも多い場合に燃料ガスの供給量が減少するように供給量調整部を制御する。供給量制御部は、燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量が流量閾値よりも少ない場合に燃料ガスの供給量が増加するように供給量調整部を制御する。これによると、正確な算出した水素のガス流量に基づいて供給量調整部を制御することになるので、燃料電池スタックに対して適量の燃料ガスを供給することが可能になる。このことは、燃料電池スタックの発電効率の向上に大きく寄与する。

12 ガス流路部 121 分岐部 20 水素流量計測装置 21 分岐流路部 23 検知用セル 230 膜電極接合体 234 燃料ガス供給路 24 電流計測部 26 制御装置 261 流量算出部