JP2008243565A - 燃料電池用ガス測定方法、燃料電池用ガス測定装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】気体熱伝導式センサを利用して、他のセンサを併用することなく燃料電池システムにおける燃料ガスや排ガス等のような水素を含むガスの状態を正確に検知し、燃料電池システムの的確な動作制御等に寄与することができる燃料電池用ガス測定方法を提供する。
【解決手段】燃料電池７に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路１における前記ガスの流量を測定するガス測定方法に関する。前記ガス経路１をバイパスするガスの分岐流を発生させる。この分岐流内に気体熱伝導式センサ２を配置してその出力値を検出する。次いで前記ガスを滞留させてこのガス内に前記気体熱伝導式センサ２を配置することでその出力値を検出する。これらの出力値と、ガス経路１でのガス流量に対する分岐流でのガス流量の流量比とに基づいて、前記ガス経路１におけるガスの流量を導出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の制御等の目的のために、燃料電池へ供給される水素を含む燃料ガスや燃料電池から排出される水素を含む排ガスといった、水素を含むガスの流量、水素濃度、圧力等を測定する燃料電池用ガス測定方法、この測定を行うための燃料電池用ガス測定装置、並びにこの燃料電池用ガス測定装置を具備する燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムにおいては、水素ボンベや燃料改質装置等からなる供給源から燃料電池に向けて、水素を含む燃料ガスを供給して、前記燃料ガスを用いて燃料電池にて発電を行い、水素を消費した後の排ガスを燃料電池から排出している。また、前記排ガス中には発電燃料として用いられなかった水素が残留するため、この排ガスを燃料ガスとして燃料電池に返送することも行われている（特許文献１参照）。

このような燃料電池システムでは、ガスの循環を繰り返すことにより燃料電池から排出される排ガスの水素濃度があまりにも低くなると、燃料ガスとして燃料電池に返送した場合には燃料電池の出力が低下する原因になるため、排ガスの水素濃度が一定値を下回った場合には燃料電池に返送せずにパージすることが行われている。このためには排ガス中の水素濃度を測定する必要がある。また、燃料電池の安定駆動のためには燃料ガス中の水素濃度が一定範囲である必要があり、そのため燃料ガスの水素濃度を測定する必要もある。

このような燃料電池におけるガス中の水素濃度を測定するためのセンサとして、気体熱伝導式センサがある（特許文献２参照）。この気体熱伝導式センサは、雰囲気ガスの熱伝導度の変化に伴って発熱体（白金線コイル）の温度変化が生じた場合、この温度変化に起因する電気抵抗値の変化を出力値として出力するものである。

このような気体熱伝導式センサの出力値は、雰囲気中の水素濃度だけでなく、雰囲気の圧力にも依存し、また雰囲気ガスが流動している場合にはそのガスの流速にも依存して変化してしまい、このような圧力やガス流量が変化する環境では水素濃度を正確に測定することはできないものであった。このため、圧力センサや流量センサ等を併用してその測定結果に基づいて圧力や流速の影響を補正することによりはじめて水素の濃度の検出ができるものであった。

しかし、一般に使用されている圧力センサや流量センサは、測定原理上測定雰囲気中の水素濃度が変化すると正確な圧力、流量が測定できないため、燃料電池システムにおける気体熱伝導式センサの補正には使用しにくい特性をもっている。
特開２００３−３１７７５２号公報 特開２００７−４６９１６号公報

そこで、本発明者らは鋭意研究の結果、燃料電池システムにおいて、気体熱伝導式センサを用いた水素濃度測定にあたり、圧力及び流速の影響を排して水素濃度を測定することにより、燃料電池システムの的確な制御を可能にすることを試みた。

更に、本発明者らは、燃料電池システムにおける燃料ガスや排ガスの圧力及び流速は、燃料電池システムが正常に作動しているか否かを判断する指標になり得るため、圧力や流速にも依存するという気体熱伝導式センサの特性を利用して、一つの気体熱伝導式センサから圧力や流速の情報を抽出することができれば、燃料ガス等の状態を監視することによる燃料電池システムの的確な動作制御に寄与することができることに思い至った。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、気体熱伝導式センサを利用して、他のセンサを併用することなく燃料電池システムにおける燃料ガスや排ガス等のような水素を含むガスの状態を正確に検知し、燃料電池システムの的確な動作制御等に寄与することができる燃料電池用ガス測定方法、当該方法により燃料電池システムにおける燃料ガスや排ガス等のような水素を含むガスの状態を正確に検知することができる燃料電池用ガス測定装置、並びに当該装置を具備する燃料電池システムを提供することを目的とする。

請求項１に係る燃料電池用ガス測定方法は、燃料電池７に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路１における前記ガスの流量を測定するガス測定方法であって、前記ガス経路１をバイパスするガスの分岐流を発生させると共に、この分岐流内に気体熱伝導式センサ２を配置してその出力値を検出し、次いで前記ガスを滞留させてこのガス内に前記気体熱伝導式センサ２を配置することでその出力値を検出し、これらの出力値と、ガス経路１でのガス流量に対する分岐流でのガス流量の流量比とに基づいて、前記ガス経路１におけるガスの流量を導出することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１において、ガスが滞留している状態での気体熱伝導式センサ２の出力値を検出するにあたり、上記分岐流の上流側と下流側のうち少なくとも一方におけるガス経路１とのガスの流通を遮断することで前記分岐流中のガスを滞留させ、この滞留しているガス内に前記気体熱伝導式センサ２を配置することで出力値を検出することを特徴とする。

請求項３に係る燃料電池用ガス測定方法は、燃料電池７に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路１における前記ガスの水素濃度を測定するガス測定方法であって、前記ガス経路１をバイパスするガスの分岐流を発生させ、この分岐流の上流側と下流側の双方におけるガス経路１とのガスの流通を遮断することで前記分岐流中のガスを滞留させ、この滞留したガスの圧力を大気圧とした状態で、このガス内に前記気体熱伝導式センサ２を配置することで出力値を検出し、この出力値に基づいて水素濃度を導出することを特徴とする。

請求項４に係る燃料電池用ガス測定方法は、燃料電池７に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路１における前記ガスの圧力を測定するガス測定方法であって、前記ガス経路１をバイパスするガスの分岐流を発生させた後、この分岐流の上流側と下流側の双方におけるガス経路１とのガスの流通を遮断することで前記分岐流中のガスを滞留させ、この状態で前記ガス内に気体熱伝導式センサ２を配置することで出力値を検出し、次いで前記滞留したガスを大気と連通してこのガスの圧力が大気圧となるようにした後、このガス内に前記気体熱伝導式センサ２を配置することで出力値を検出し、これらの出力値に基づいてガス経路１内のガスの圧力を導出することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか一項において、測定開始前、又は定期的に、或いは異常な測定結果が導出された後に、気体熱伝導式センサ２を高加熱することを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１乃至４のいずれか一項において、測定開始前に、気体熱伝導式センサ２を大気に曝露することを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項１乃至６のいずれか一項において、上記気体熱伝導式センサ２が、白金系コイルにて形成されたものであることを特徴とする。

請求項８に係る燃料電池用ガス測定装置は、燃料電池７に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路１における前記ガスの流量を測定するガス測定装置であって、前記ガス経路１をバイパスする分岐経路３と、前記分岐経路３内に配置された気体熱伝導式センサ２と、前記分岐経路３の気体熱伝導式センサ２を挟んだ上流側と下流側のうちの少なくとも一方においてこの分岐経路３とガス経路１とのガスの流通を開閉する分岐流開閉弁４と、前記分岐流開閉弁４の動作を制御すると共に前記気体熱伝導式センサ２の出力値が入力され、この出力値に基づいてガス経路１におけるガスの流量を導出する制御部とを具備し、前記制御部が、前記分岐流開閉弁４が開状態の場合で検出された前記気体熱伝導式センサ２の出力値を記憶し、次いで前記分岐流開閉弁４を閉状態とした後に検出された前記気体熱伝導式センサ２の出力値を記憶し、これらの出力値と、予め記憶されているガス経路１でのガス流量に対する分岐流でのガス流量の流量比とに基づいて、前記ガス経路１におけるガスの流量を導出するものであることを特徴とする。

請求項９に係る燃料電池用ガス測定装置は、燃料電池７に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路１における前記ガスの水素濃度を測定するガス測定装置であって、前記ガス経路１をバイパスする分岐経路３と、前記分岐経路３内に配置された気体熱伝導式センサ２と、前記分岐経路３の気体熱伝導式センサ２を挟んだ上流側と下流側のそれぞれにおいてこの分岐経路３とガス経路１とのガスの流通を開閉する分岐流開閉弁４と、前記分岐流開閉弁４同士の間において分岐経路３と大気との間のガスの流通を開閉する外部開閉弁５と、前記分岐流開閉弁４及び外部開閉弁５の動作を制御すると共に前記気体熱伝導式センサ２の出力値が入力され、この出力値に基づいてガス経路１におけるガスの流量を導出する制御部とを具備し、前記制御部が、前記分岐流開閉弁４が開状態、外部開閉弁５が閉状態となっている状態から、分岐流開閉弁４を閉状態とし、次いで前記外部開閉弁５を開状態とした後に検出された前記気体熱伝導式センサ２の出力値を記憶し、この出力値に基づいて、前記ガス経路１におけるガス中の水素濃度を導出するものであることを特徴とする。

請求項１０に係る燃料電池用ガス測定装置は、燃料電池７に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路１における前記ガスの圧力を測定するガス測定装置であって、前記ガス経路１をバイパスする分岐経路３と、前記分岐経路３内に配置された気体熱伝導式センサ２と、前記分岐経路３の気体熱伝導式センサ２を挟んだ上流側と下流側のそれぞれにおいてこの分岐経路３とガス経路１とのガスの流通を開閉する分岐流開閉弁４と、前記分岐流開閉弁４同士の間において分岐経路３と大気との間のガスの流通を開閉する外部開閉弁５と、前記分岐流開閉弁４及び外部開閉弁５の動作を制御すると共に前記気体熱伝導式センサ２の出力値が入力され、この出力値に基づいてガス経路１におけるガスの流量を導出する制御部とを具備し、前記制御部が、前記分岐流開閉弁４が開状態、外部開閉弁５が閉状態となっている状態から、分岐流開閉弁４を閉状態とし、この状態で検出された前記気体熱伝導式センサ２の出力値を記憶し、次いで前記外部開閉弁５を開状態とした後に検出された前記気体熱伝導式センサ２の出力値を記憶し、これらの出力値に基づいて、前記ガス経路１内のガスの圧力を導出するものであることを特徴とする。

請求項１１に係る発明は、請求項８乃至１０のいずれか一項において、上記制御部が、測定開始前、又は定期的に、或いは異常な測定結果が導出された後に、気体熱伝導式センサ２を高加熱する制御を行うものであることを特徴とする。

請求項１２に係る発明は、請求項８乃至１１のいずれか一項において、分岐流開閉弁４同士の間において分岐経路３と大気との間のガスの流通を開閉する外部開閉弁５を具備し、上記制御部が、測定開始前に、前記外部開閉弁５を開状態とする制御を行うことを特徴とする。

請求項１３に係る発明は、請求項８乃至１２のいずれか一項において、上記気体熱伝導式センサ２が、白金系コイルにて形成されたものであることを特徴とする。

請求項１４に係る燃料電池システムは、燃料電池７と、水素を含む燃料ガスの供給源と、前記供給源から燃料電池７へ燃料ガスを供給する供給ガス経路１ａとを具備し、前記供給ガス経路１ａに、請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定装置が設けられ、前記燃料電池用ガス測定装置の制御部が、燃料電池用ガス測定装置の測定結果に基づいて前記供給源を制御する機能を有することを特徴とする。

請求項１５に係る燃料電池システムは、燃料電池７と、燃料電池７に水素を含む燃料ガスを供給する供給ガス経路１ａと、燃料電池７から水素を含む排ガスを排出する排ガス経路１ｂと、前記排ガス経路１ｂの終端から分岐するパージガス経路１ｃと、前記排ガス経路１ｂの終端から分岐して供給ガス経路１ａと合流する還流ガス経路１ｄと、前記排ガス経路１ｂとパージガス経路１ｃとの間のガスの流通を開閉するパージ開閉弁８とを具備し、前記排ガス経路１ｂに、請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定装置が設けられ、前記燃料電池用ガス測定装置の制御部が、燃料電池用ガス測定装置の測定結果に基づいて前記パージ開閉弁８を制御する機能を有することを特徴とする。

請求項１６に係る発明は、請求項１４又は１５において、燃料電池用ガス測定装置の制御部が、燃料電池用ガス測定装置の測定結果に基づいて動作異常の発生を検知する機能を有することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、分岐流内における気体熱伝導式センサ２の出力値に対して、ガスを滞留させた状態での出力値は、流速が０となっていることからガスの流速による影響が排除されており、この二つの出力値に基づいて、気体熱伝導式センサ２の出力値に及ぼされているガスの流速の影響を評価することができる。当該評価に基づき、分岐流内におけるガスの流速を導出することができ、この分岐流内におけるガスの流速と、ガス経路１でのガス流量に対する分岐流でのガス流量の流量比とに基づいて、水素濃度及び圧力の影響を排除しつつ、燃料電池７におけるガス経路１でのガスの流量を測定するすることが可能となるものである。この測定結果を燃料電池７の制御等に利用することができる。

請求項２に係る発明によれば、分岐流内での気体熱伝導式センサ２による測定と、滞留したガスについての気体熱伝導式センサ２による測定とを、同一の位置で行うことができ、測定動作が容易なものとなる。

請求項３に係る発明によれば、ガス経路１を流通するガスから分岐流を分岐した後、この分岐流のガスを滞留させると共に大気と連通すると、このガスの圧力は１気圧、流速は０となり、この状態で測定される気体熱伝導式センサ２に出力値からは流速と圧力の影響が排除された状態となって、この出力値に基づいて、水素濃度を測定することができる。この測定結果を燃料電池７の制御等に利用することができる。

請求項４に係る発明によれば、分岐流内におけるガスを滞留させた状態での出力値に対して、このガスを大気に連通した状態での出力値は、気圧が１となっていることから、ガスの圧力による影響が排除されており、この二つの出力値に基づいて、気体熱伝導式センサ２の出力値に及ぼされているガスの圧力の影響を評価することができる。当該評価に基づき、分岐流内におけるガスの圧力、すなわちガス経路１におけるガスの圧力を測定することができる。この測定結果を燃料電池７の制御等に利用することができる。

請求項５に係る発明によれば、気体熱伝導式センサ２に水滴やオイルミスト等が付着しても、この気体熱伝導式センサ２を高温加熱することで水滴等を揮散させて除去することができ、長期に亘って正確な測定を行うことが可能となる。

請求項６に係る発明によれば、気体熱伝導式センサ２に水滴やオイルミスト等が付着しても、この気体熱伝導式センサ２を大気に曝露することで水滴等を揮散させて除去すると共に、この間は気体熱伝導式センサ２がガス経路１を流通するガスに曝露されないため水滴等が付着することはなく、長期に亘って正確な測定を行うことが可能となる。

請求項７に係る発明によれば、気体熱伝導式センサ２に水滴やオイルミスト等が付着しにくくなり、且つこの気体熱伝導式センサ２からの水滴等の除去も容易に為すことができ、長期に亘って正確な測定を行うことが可能となる。

請求項８に係る発明によれば、ガス経路１を流通するガスを分岐経路３に分岐した後、この分岐流のガスを滞留させることで、圧力及び水素濃度が維持されたまま流速を０とすることができ、このときの分岐経路３での分岐流内における気体熱伝導式センサ２の出力値に対して、ガスを滞留させた状態での出力値は、ガスの流速による影響が排除される。このため、前記二つの出力値に基づいて、気体熱伝導式センサ２の出力値に及ぼされているガスの流速の影響を評価することができる。当該評価に基づき、分岐流内におけるガスの流速を導出することができ、この分岐流内におけるガスの流速と、ガス経路１でのガス流量に対する分岐流でのガス流量の流量比とに基づいて、水素濃度及び圧力の影響を排除しつつ、燃料電池７におけるガス経路１でのガスの流量を測定するすることが可能となるものである。この測定結果を燃料電池７の制御等に利用することができる。

請求項９に係る発明によれば、ガス経路１を流通するガスから分岐流を分岐経路３へ分岐した後、この分岐流のガスを滞留させると共に大気に連通すると、このガスは水素濃度が維持された状態で圧力は１気圧、流速は０となり、この状態で測定される気体熱伝導式センサ２に出力値からは流速と圧力の影響が排除された状態となって、この出力値に基づいて、水素濃度を測定することができる。この測定結果を燃料電池７の制御等に利用することができる。

請求項１０に係る発明によれば、ガス経路１を流通するガスを分岐経路３に分岐した後、この分岐流のガスを滞留させることで、圧力及び水素濃度が維持されたまま流速を０とすることができ、次いでこのガスを大気に連通することでこのガスの圧力を１気圧とすることができる。この分岐流内におけるガスを滞留させた状態での出力値に対して、このガスを大気に連通した状態での出力値は、ガスの圧力による影響が排除されており、この二つの出力値に基づいて、気体熱伝導式センサ２の出力値に及ぼされているガスの圧力の影響を評価することができる。当該評価に基づき、分岐流内におけるガスの圧力、すなわちガス経路１におけるガスの圧力を測定することができる。この測定結果を燃料電池７の制御等に利用することができる。

請求項１１に係る発明によれば、気体熱伝導式センサ２に水滴やオイルミスト等が付着しても、この気体熱伝導式センサ２を高温加熱することで水滴等を揮散させて除去することができ、長期に亘って正確な測定を行うことが可能となる。

請求項１２に係る発明によれば、気体熱伝導式センサ２に水滴やオイルミスト等が付着しても、この気体熱伝導式センサ２を大気に曝露することで水滴等を揮散させて除去すると共に、この間は気体熱伝導式センサ２がガス経路１を流通するガスに曝露されないため水滴等が付着することはなく、長期に亘って正確な測定を行うことが可能となる。

請求項１３に係る発明によれば、気体熱伝導式センサ２に水滴やオイルミスト等が付着しにくくなり、且つこの気体熱伝導式センサ２からの水滴等の除去も容易に為すことができ、長期に亘って正確な測定を行うことが可能となる。

請求項１４に係る発明によれば、燃料電池７に供給される燃料ガスの状態を監視しながら、この燃料ガスの状態に応じて供給源を制御することにより、燃料電池システムを安定して作動させることができる。

請求項１５に係る発明によれば、燃料電池７から排出される排ガスの状態を監視しながら、この排ガスの状態に応じてこの排ガスを発電燃料として燃料電池７に返送するか、外部に排出するかを切り替えることができ、燃料電池システムを安定して作動させることができる。

請求項１６に係る発明によれば、燃料電池システムにおいて流通している水素を含むガスの状態を監視しながら、このガスの状態に異常が発生したときに異常を検知して、燃料電池システムの安定駆動に寄与することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図２に、燃料電池システムの一例を示す。

供給源は燃料電池７の発電燃料である水素を含む燃料ガスを燃料電池７に供給する。この供給源は、図示の例では、水素ガスボンベや、メタン等の燃料ガスを改質して水素リッチな改質ガスを生成するガス改質装置等で構成される供給部１１と、後述する供給量調整弁９にて構成される。燃料電池７は前記供給源１１からの燃料ガスの供給を受けて発電を行う。

この燃料電池システムには、水素を含むガスが流通するガス経路１として、供給ガス経路１ａ、排ガス経路１ｂ、還流ガス経路１ｄ及びパージガス経路１ｃが設けられている。供給ガス経路１ａは供給源の供給部１１と燃料電池７とを接続して供給部１１から燃料電池７に燃料ガスを供給する。排ガス経路１ｂは発電燃料として水素が消費された後の燃料ガス（排ガス）を燃料電池７から導出する。還流ガス経路１ｄとパージガス経路１ｃとは、共には排ガス経路１ｂの終端から分岐して導出されている。このうち還流ガス経路１ｄは前記供給ガス経路１ａの途中に設けられたエジェクタ１０に接続されて、この供給ガス経路１ａに合流し、排ガスを燃料電池７に返送してこの排ガス中に残存する水素を再度発電燃料として利用できるようにしている。パージガス経路１ｃは燃料電池システム外に導出されており、排ガス中の水素含有量が低い場合にこの排ガスを発電燃料とせずに外部に排出されるようにしている。

このガス経路１には、供給ガス経路１ａの供給部１１とエジェクタ１０との間に、この供給部１１と共に燃料ガスの供給源を構成する調整弁（供給量調整弁９）が設けられ、この供給量調整弁９により供給部１１からの燃料ガスの供給量が調整されるようになっている。また、パージガス経路１ｃには開閉弁（パージ開閉弁８）が設けられており、このパージ開閉弁９を開くことにより排ガスがパージガス経路１ｃから排出されるようになっている。パージ開閉弁９としては、後述するように三方弁を設けても良い。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池用ガス測定装置がガス経路１に設けられる。

図１に、燃料電池用ガス測定装置の一例を示す。この燃料電池用ガス測定装置は、上記のような水素を含む燃料ガスや排ガスが流通するガス経路１をバイパスする分岐経路３内に、気体熱伝導式センサ２を配設して構成されている。この分岐経路３には、気体熱伝導式センサ２を挟んだ上流側と下流側に、それぞれ開閉弁（分岐流開閉弁４）が設けられている。また、この分岐経路３の途中からは、前記二つの分岐流開閉弁４の間において外部経路６が外部に向けて導出されており、この外部経路６には開閉弁（外部開閉弁５）が設けられている。

また、この燃料電池用ガス測定装置の各開閉弁の制御を行うと共に気体熱伝導式センサ２からの出力値に基づいてガス経路１を流通するガスの水素濃度、流量及び圧力の値を導出する制御部（図示省略）が設けられている。この制御部は前記導出された水素濃度等の測定結果に基づいて燃料電池システムの制御も行う。この制御部は、例えばマイクロコンピュータ等にて構成される。

上記気体熱伝導式センサ２は、水素を含む雰囲気中に曝露された場合に、雰囲気中の水素分子数に比例した出力を示す質量センサであり、水素濃度、流量（流速）、圧力のすべての要素を検出する。この気体熱伝導式センサ２としては、従来公知の適宜のものを用いることができるが、特に白金系コイルにて形成されるものを用いることができる。

このような気体熱伝導式センサ２におけるセンサ出力と、水素濃度、流速、圧力との関係は、例えば次式（１）のように表すことができる。

センサ出力＝ｋ×Ａ×Ｂ×Ｃ （１）
ｋ＝センサ固有の定数
Ａ＝水素濃度に依存する変数
Ｂ＝流速に依存する変数（流速０の場合は１）
Ｃ＝圧力に依存する変数（１気圧の場合は１）
このようにセンサ出力が式（１）で表されると仮定した上で、実測に基づき、前記定数ｋの値、並びに各変数Ａ〜Ｃの値と各変数に対応する水素濃度、流速、圧力とをそれぞれ関連付ける関係式又は対応表を得ることができる。

制御部には、前記定数ｋの値、並びに各変数Ａ〜Ｃの値と、各変数に対応する水素濃度、流速、圧力とをそれぞれ関連付ける関係式又は対応表を、予め記憶させておく。

この燃料電池用ガス測定装置の、流量測定のための動作について説明する。

まず、外部開閉弁５を閉状態となった状態で、二つの分岐流開閉弁４を開状態とする。これにより分岐経路３内にはガス経路１を流通するガス流から分岐した分岐流が流通する。このときガス経路１を流通するガスの流量に対する分岐流の流量の比（流量比）は、ガス経路１と分岐経路３の形状によって定まる。この流量比は予め制御部に記憶させておく。

この状態で制御部は気体熱伝導式センサ２のセンサ出力Ｒ₁を取り込んで記憶する。ここで、式（１）に基づく制御を行う場合は、センサ出力Ｒ₁は、
Ｒ₁＝ｋ×Ａ×Ｂ×Ｃ
の式で表すことができるが、センサ出力に影響する水素濃度、流速、圧力に依存する変数Ａ〜Ｃの値は、この時点では不明である。

次に、制御部が二つの分岐流開閉弁４のうち、いずれか一方又は双方を閉状態となるように制御する。このとき二つの分岐流開閉弁４を共に閉状態とすると、分岐流のガスが分岐経路３内に閉じこめられて滞留することとなる。また上流側の分岐流開閉弁４のみを閉状態とする場合はガス経路１からの分岐経路３へのガスの流入が遮断され、下流側の分岐流開閉弁４のみを閉状態とする場合には分岐経路３からのガス経路１へのガスの流入が遮断されることとなって、やはり分岐流のガスが分岐経路３内で滞留することとなる。

この状態で、制御部は気体熱伝導式センサ２のセンサ出力Ｒ₂を取り込んで記憶する。ここで、このとき分岐経路３内のガスの流速は０となるから、式（１）に基づく制御を行う場合、センサ出力Ｒ₂は、
Ｒ₂＝ｋ×Ａ×１×Ｃ
で表すことができる。すなわちこの場合、Ｒ₁／Ｒ₂＝Ｂの関係式が成り立つ。

次に制御部は、上記センサ出力Ｒ₁、Ｒ₂に基づいて、上記関係式に基づき、流速に依存する変数Ｂを導出し、当該変数Ｂの値に基づいて分岐流の流速を算出する。更に、この導出された流速に基づき、分岐流の流量を導出する。このとき当該流量と流速とを関連づける関係式や対照表等の予め制御部に記憶させておき、前記流量と流速との関係に基づいて、流速から流量を導出することができる。

次に、制御部は、上記導出された分岐経路３の流量と、予め記憶されている上記ガス経路１と分岐流との流量比に基づき、ガス経路１の流量を導出する。このようにして、ガス経路１の流量を測定することができる。

また、この動作を繰り返し行うことにより、ガス経路１を流通するガスの流量を継続して監視することができる。

ここで、燃料電池用ガス測定装置を流量の測定のみに用いる場合には、外部経路６及び外部開閉弁５は設けていなくても良く、更に上記動作において１つの分岐流開閉弁４のみを閉状態とする場合には、分岐経路３には分岐流開閉弁４として前記閉状態とするもののみを設けるようにしても良い。

この燃料電池用ガス測定装置の、水素濃度測定のための動作について説明する。

まず、外部開閉弁５を閉状態となった状態で、二つの分岐流開閉弁４を開状態とする。これにより分岐経路３内にはガス経路１を流通するガス流から分岐した分岐流が流通する。

次に、制御部が二つの分岐流開閉弁４を双方共に閉状態となるように制御する。このとき分岐流のガスが分岐経路３内に閉じこめられて滞留することとなる。また上流側の分岐流開閉弁４のみを閉状態とする場合はガス経路１からの分岐経路３へのガスの流入が遮断され、下流側の分岐流開閉弁４のみを閉状態とする場合には分岐経路３からのガス経路１へのガスの流入が遮断されることとなって、やはり分岐流のガスが分岐経路３内で滞留することとなる。

次に、制御部は外部開閉弁５を開状態となるように制御する。このとき分岐経路３内は大気に連通し、分岐経路３内の圧力が１気圧となる。

この状態で制御部は気体熱伝導式センサ２のセンサ出力Ｒ₃を取り込んで記憶する。ここで、このとき分岐経路３内のガスの流速は０となっており、気圧は１気圧となっているから、式（１）に基づく制御を行う場合、センサ出力Ｒ₃は、
Ｒ₃＝ｋ×Ａ×１×１
で表すことができる。

この場合、次に、制御部は上記センサ出力Ｒ₃の値と、予め記憶されている定数ｋの値に基づいて、水素濃度に依存する変数Ａを導出し、当該変数Ａの値に基づいて水素濃度を導出する。このようにして、ガス経路１の流量を測定することができる。

また、この動作を繰り返し行うことにより、ガス経路１を流通するガスの水素濃度を継続して監視することができる。

この燃料電池用ガス測定装置の、圧力測定のための動作について説明する。

まず、外部開閉弁５を閉状態となった状態で、二つの分岐流開閉弁４を開状態とする。これにより分岐経路３内にはガス経路１を流通するガス流から分岐した分岐流が流通する。

次に、制御部が二つの分岐流開閉弁４を双方共に閉状態となるように制御する。このとき岐流のガスが分岐経路３内に閉じこめられて滞留することとなる。このときの分岐経路３内の圧力は、ガス経路１の圧力と同一になっている。

この状態で、制御部は気体熱伝導式センサ２のセンサ出力Ｒ₂を取り込んで記憶する。ここで、このとき分岐経路３内のガスの流速は０となるから、式（１）に基づく制御を行う場合、センサ出力Ｒ₂は、
Ｒ₂＝ｋ×Ａ×１×Ｃ
で表すことができる。

次に、制御部は外部開閉弁５を開状態となるように制御する。このとき分岐経路３内は大気に連通し、分岐経路３内の圧力が１気圧となる。

この状態で制御部は気体熱伝導式センサ２のセンサ出力Ｒ₃を取り込んで記憶する。ここで、このとき分岐経路３内のガスの流速は０となっており、気圧は１気圧となっているから、式（１）に基づく制御を行う場合、センサ出力Ｒ₃は、
Ｒ₃＝ｋ×Ａ×１×１
で表すことができる。すなわち、この場合はＲ₂／Ｒ₃＝Ｃの関係式が成り立つ。

次に制御部は、上記センサ出力Ｒ₂、Ｒ₃に基づいて、上記関係式に基づき、圧力に依存する変数Ｃを導出し、当該変数Ｂの値に基づいて分岐流の圧力（すなわちガス経路１内のガスの圧力）を算出する。このようにしてガス経路１の圧力を測定することができる。

また、この動作を繰り返し行うことにより、ガス経路１を流通するガスの圧力を継続して監視することができる。

また、１つの燃料電池用ガス測定装置を用いて、ガス経路１を流通するガスの流量、水素濃度及び圧力を測定することもできる。

この場合、制御部はまず、外部開閉弁５が閉状態、二つの分岐流開閉弁４を開状態となっている状態で、センサ出力Ｒ₁を取り込んで記憶する。

次に、制御部は、二つの分岐流開閉弁４を双方共に閉状態となるように制御し、この状態でセンサ出力Ｒ₂を取り込んで記憶する。

続いて制御部は外部開閉弁５を開状態となるように制御し、この状態でセンサ出力Ｒ₃を取り込んで記憶する。

そして、この制御部はセンサ出力Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃に基づき、上記のようにしてガス経路１を流通するガスの流量、水素濃度及び圧力を測定することができる。また、ガスの流量、水素濃度及び圧力のうちいずれか二つのみを測定するようにしても良い。

このような燃料電池用ガス測定装置を用いて、燃料電池システムの制御を行うことができる。

まず、燃料電池用ガス測定装置を排ガス経路１ｂに設ける場合（図２中の符号イの位置に設ける場合）の、燃料電池システムの制御について説明する。

排ガス経路１ｂには既述にように燃料電池７から排出される排ガスが流通する。この排ガス中に残留する水素を再び発電燃料として用いるため、排ガスは還流ガス経路１ｄを通じて供給ガス経路１ａに流入し、燃料電池７に返送される。このとき、パージガス経路１ｃのパージ開閉弁８を閉状態とすることで、排ガスが外部に排出されることなく燃料電池７に返送されるようになっている。このときパージ開閉弁８として排ガス経路１ｂとパージガス経路１ｃ及び還流ガス経路１ｄとの間の分岐位置に三方弁を設け、排ガス経路１ｂとパージガス経路１ｃとの間のガスの流通を開くと共に還流ガス経路１ｄへのガスの流通を閉じるようにしても良い。

このような排ガス経路１ｂに燃料電池用ガス測定装置を設けることで、排ガス経路１ｂを流通する排ガスの流量、水素濃度及び圧力を測定することができる。

このとき、排ガスの水素濃度の測定結果に基づいて、排ガスの燃料電池７への返送と外部への排出とを切り替える制御を行うことができる。この場合、例えば制御部には予め当該制御用の水素濃度の閾値を記憶させておく。そして、制御部は、水素濃度の測定結果が前記閾値以上である場合にはパージガス経路１ｃの開閉弁を閉状態として排ガスを燃料電池７に返送し、水素濃度の測定結果が前記閾値未満である場合にはパージガス経路１ｃのパージ開閉弁８を開状態として排ガスをパージガス経路１ｃから外部に排出するように、制御を行う。このときパージ開閉弁８として前記のような三方弁を設けている場合には、、排ガス経路１ｂと還流ガス経路１ｄとの間のガスの流通を開くと共にパージガス経路１ｃへのガスの流通を閉じるようにする。

このようにすれば、排ガスが発電燃料として十分に利用可能な範囲である場合の水素濃度の下限値を上記閾値とすることで、排ガスの水素濃度が前記閾値以上であって発電燃料として十分に利用可能な範囲である場合にこの排ガスを燃料電池７に返送し、排ガス中の水素濃度が閾値未満となって発電燃料として利用すると発電効率の低下を引き起こす場合にこの排ガスをパージガス経路１ｃから外部に排出することができるようになる。

また、排ガスの流量、水素濃度、圧力の測定結果に基づいて、制御部にて燃料電池７が正常に作動しているか否かを検知することもできる。この場合、燃料電池７が正常に作動している場合の排ガスの流量、水素濃度、圧力のそれぞれの許容範囲を予め制御部に記憶させておく。そして、排ガスの流量、水素濃度、圧力のいずれかが前記許容範囲を逸脱した場合に、制御部により燃料電池７の動作異常を検知する。また、燃料電池７が正常に作動している場合の排ガスの流量、水素濃度、圧力のうちいずれか二以上の要素の組み合わせからなる条件の許容範囲を予め制御部に記憶させておき、この許容範囲を逸脱した場合に、制御部により燃料電池７の動作異常を検知するようにして、燃料電池７の動作を二以上の要素に基づいて総合判断することもできる。

また、このように動作異常を検知した場合、制御部により、燃料電池７の運転を停止したり、供給量調整弁９を閉じて燃料電池７への燃料ガスの供給を停止したりするなど適宜の制御を行うようにしても良い。また、動作異常の発生を可視表示する表示装置や、音声により警報を発するブザー等の音声発生装置を設け、制御部による動作異常の検知時に前記表示装置等を作動させて作業者に異常の発生を知らせるようにしても良い。

次に、燃料電池用ガス測定装置を供給ガス経路１ａに設ける場合の、燃料電池システムの制御について説明する。この場合、燃料電池用ガス測定装置は、供給ガス経路１ａにおける、還流ガス経路１ｄとの合流位置（エジェクタ１０の位置）よりも下流側の位置（図２中の符号ロの位置）に設けられる。

供給ガス経路１ａには既述にように水素供給源１１から供給される燃料ガスが流通し、また還流ガス経路１ｄから排ガスが返送される場合には燃料ガス中にはこの排ガスも混入して流通する。

このような供給ガス経路１ａに燃料電池用ガス測定装置を設けることで、供給ガス経路１ａを流通して燃料電池７に送られる燃料ガスの流量、水素濃度及び圧力を測定することができる。

このとき、燃料ガスの流量、水素濃度、圧力の測定結果に基づいて、燃料ガスが、燃料電池７を正常に動作するような条件で供給されているか否かを検知することができる。この場合、燃料電池７が正常に作動するための供給ガスの流量、水素濃度、圧力のそれぞれの許容範囲を予め制御部に記憶させておく。そして、供給ガスの流量、水素濃度、圧力のいずれかが前記許容範囲を逸脱した場合に、制御部により燃料電池７への燃料ガスの供給異常を検知する。また、燃料電池７が正常に作動するための燃料ガスの流量、水素濃度、圧力のうちいずれか二以上の要素の組み合わせからなる条件の許容範囲を予め制御部に記憶させておき、この許容範囲を逸脱した場合に、制御部により燃料ガスの供給以上を検知するようにして、燃料ガスの供給条件を二以上の要素に基づいて総合判断することもできる。

また、このように燃料ガスの供給異常を検知した場合、制御部により、供給源の供給量調整弁９を制御するなどして、燃料ガスの供給条件が許容範囲に収まるように制御するようにしても良い。また、このような供給異常が検知された場合、或いは供給異常が検知されると共に供給量調整弁９の制御等によってもこの供給異常が解消されない場合には、燃料電池７の運転を停止したり、供給量調整弁９を閉じて燃料電池７への燃料ガスの供給を停止したりするなど適宜の制御を行うようにしても良い。また、供給異常の発生を可視表示する表示装置や、音声により警報を発するブザー等の音声発生装置を設け、制御部による供給異常の検知時、或いは供給異常が検知されると共にこの異常を解消することができない時に、前記表示装置等を作動させて作業者に異常の発生を知らせるようにしても良い。

また、燃料電池７内は高湿で結露が発生しやすい状態であり、またオイルミストも発生しやすい環境にあるため、燃料電池システムおける供給ガス経路１ａや排ガス経路１ｂ等を流通している水素を含むガスに対して、気体熱伝導式センサ２を曝露させると、気体熱伝導式センサ２に水滴やオイルミストが付着し、これを放置しておくとセンサ出力の異常が発生したり気体熱伝導式センサ２の耐久性の低下の原因となったりするおそれがある。そこで、このような気体熱伝導式センサ２から水滴等を除去するクリーニングを施すことが好ましい。

このような気体熱伝導式センサ２のクリーニングにあたっては、例えば制御部による制御によって、気体熱伝導式センサ２には高電圧を印加して加熱することでこのような水滴やオイルミスト等を揮散させるヒートクリーニングを行うことができる。ヒートクリーニング時の気体熱伝導式センサ２の加熱温度は、例えば３００〜４００℃の範囲とすることができる。

また、気体熱伝導式センサ２のクリーニングを別の手法により行うこともできる。すなわちこの気体熱伝導式センサ２のクリーニング時には、制御部は、分岐経路３における両側の分岐流開閉弁４を共に閉状態とし、且つ外部開閉弁５を開状態となるようして、この状態を一定時間以上維持する。この場合、分岐経路３内は外部経路６を通じて大気に曝露されることとなり、この間は気体熱伝導式センサ２に水滴等が付着しないようにすることができ、またこの気体熱伝導式センサ２に付着した水滴等を揮散させることができる。

制御部による制御にて上記のような気体熱伝導式センサ２のクリーニングを行う場合には、例えばこの制御部にて、燃料電池用ガス測定装置を用いた測定開始前、又は定期的に、或いは異常な測定結果が導出された後に、上記のようなクリーニングを行うように制御することができる。この場合、気体熱伝導式センサ２に水滴が付着して残存することを確実に防止することができる。

また、特に気体熱伝導式センサ２が白金系コイルにて形成されていると、このようなコイル状の気体熱伝導式センサ２には水滴等が付着しにくくなり、また付着してもこのような水滴等をクリーニングにより容易に除去することができるようになる。このため、上記クリーニングにより水滴等を確実に除去したり、上記クリーニングの頻度を低減したり、或いはクリーニングを不要にしたりすることができるようになる。

本発明の実施の形態の要部を示す概略図である。 燃料電池システムの構成の一例を示す概略図である。

符号の説明

１ ガス経路
１ａ 供給ガス経路
１ｂ 排ガス経路
１ｃ パージ経路
１ｄ 還流ガス経路
２ 気体熱伝導式センサ
３ 分岐経路
４ 分岐開閉弁
５ 外部開閉弁
７ 燃料電池
８ パージ開閉弁

Claims (16)

1. 燃料電池に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路における前記ガスの流量を測定するガス測定方法であって、前記ガス経路をバイパスするガスの分岐流を発生させると共に、この分岐流内に気体熱伝導式センサを配置してその出力値を検出し、次いで前記ガスを滞留させてこのガス内に前記気体熱伝導式センサを配置することでその出力値を検出し、これらの出力値と、ガス経路でのガス流量に対する分岐流でのガス流量の流量比とに基づいて、前記ガス経路におけるガスの流量を導出することを特徴とする燃料電池用ガス測定方法。
2. ガスが滞留している状態での気体熱伝導式センサの出力値を検出するにあたり、上記分岐流の上流側と下流側のうち少なくとも一方におけるガス経路とのガスの流通を遮断することで前記分岐流中のガスを滞留させ、この滞留しているガス内に前記気体熱伝導式センサを配置することで出力値を検出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス測定方法。
3. 燃料電池に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路における前記ガスの水素濃度を測定するガス測定方法であって、前記ガス経路をバイパスするガスの分岐流を発生させ、この分岐流の上流側と下流側の双方におけるガス経路とのガスの流通を遮断することで前記分岐流中のガスを滞留させ、この滞留したガスの圧力を大気圧とした状態で、このガス内に前記気体熱伝導式センサを配置することで出力値を検出し、この出力値に基づいて水素濃度を導出することを特徴とする燃料電池用ガス測定方法。
4. 燃料電池に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路における前記ガスの圧力を測定するガス測定方法であって、前記ガス経路をバイパスするガスの分岐流を発生させた後、この分岐流の上流側と下流側の双方におけるガス経路とのガスの流通を遮断することで前記分岐流中のガスを滞留させ、この状態で前記ガス内に気体熱伝導式センサを配置することで出力値を検出し、次いで前記滞留したガスを大気と連通してこのガスの圧力が大気圧となるようにした後、このガス内に前記気体熱伝導式センサを配置することで出力値を検出し、これらの出力値に基づいてガス経路内のガスの圧力を導出することを特徴とする燃料電池用ガス測定方法。
5. 測定開始前、又は定期的に、或いは異常な測定結果が導出された後に、気体熱伝導式センサを高加熱することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定方法。
6. 測定開始前に、気体熱伝導式センサを大気に曝露することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定方法。
7. 上記気体熱伝導式センサが、白金系コイルにて形成されたものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定方法。
8. 燃料電池に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路における前記ガスの流量を測定するガス測定装置であって、前記ガス経路をバイパスする分岐経路と、前記分岐経路内に配置された気体熱伝導式センサと、前記分岐経路の気体熱伝導式センサを挟んだ上流側と下流側のうちの少なくとも一方においてこの分岐経路とガス経路とのガスの流通を開閉する分岐流開閉弁と、前記分岐流開閉弁の動作を制御すると共に前記気体熱伝導式センサの出力値が入力され、この出力値に基づいてガス経路におけるガスの流量を導出する制御部とを具備し、前記制御部が、前記分岐流開閉弁が開状態の場合で検出された前記気体熱伝導式センサの出力値を記憶し、次いで前記分岐流開閉弁を閉状態とした後に検出された前記気体熱伝導式センサの出力値を記憶し、これらの出力値と、予め記憶されているガス経路でのガス流量に対する分岐流でのガス流量の流量比とに基づいて、前記ガス経路におけるガスの流量を導出するものであることを特徴とする燃料電池用ガス測定装置。
9. 燃料電池に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路における前記ガスの水素濃度を測定するガス測定装置であって、前記ガス経路をバイパスする分岐経路と、前記分岐経路内に配置された気体熱伝導式センサと、前記分岐経路の気体熱伝導式センサを挟んだ上流側と下流側のそれぞれにおいてこの分岐経路とガス経路とのガスの流通を開閉する分岐流開閉弁と、前記分岐流開閉弁同士の間において分岐経路と大気との間のガスの流通を開閉する外部開閉弁と、前記分岐流開閉弁及び外部開閉弁の動作を制御すると共に前記気体熱伝導式センサの出力値が入力され、この出力値に基づいてガス経路におけるガスの流量を導出する制御部とを具備し、前記制御部が、前記分岐流開閉弁が開状態、外部開閉弁が閉状態となっている状態から、分岐流開閉弁を閉状態とし、次いで前記外部開閉弁を開状態とした後に検出された前記気体熱伝導式センサの出力値を記憶し、この出力値に基づいて、前記ガス経路におけるガス中の水素濃度を導出するものであることを特徴とする燃料電池用ガス測定装置。
10. 燃料電池に設けられた、水素を含むガスが流通するガス経路における前記ガスの圧力を測定するガス測定装置であって、前記ガス経路をバイパスする分岐経路と、前記分岐経路内に配置された気体熱伝導式センサと、前記分岐経路の気体熱伝導式センサを挟んだ上流側と下流側のそれぞれにおいてこの分岐経路とガス経路とのガスの流通を開閉する分岐流開閉弁と、前記分岐流開閉弁同士の間において分岐経路と大気との間のガスの流通を開閉する外部開閉弁と、前記分岐流開閉弁及び外部開閉弁の動作を制御すると共に前記気体熱伝導式センサの出力値が入力され、この出力値に基づいてガス経路におけるガスの流量を導出する制御部とを具備し、前記制御部が、前記分岐流開閉弁が開状態、外部開閉弁が閉状態となっている状態から、分岐流開閉弁を閉状態とし、この状態で検出された前記気体熱伝導式センサの出力値を記憶し、次いで前記外部開閉弁を開状態とした後に検出された前記気体熱伝導式センサの出力値を記憶し、これらの出力値に基づいて、前記ガス経路内のガスの圧力を導出するものであることを特徴とする燃料電池用ガス測定装置。
11. 上記制御部が、測定開始前、又は定期的に、或いは異常な測定結果が導出された後に、気体熱伝導式センサ２を高加熱する制御を行うものであることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定装置。
12. 分岐流開閉弁同士の間において分岐経路と大気との間のガスの流通を開閉する外部開閉弁を具備し、上記制御部が、測定開始前に、前記外部開閉弁を開状態とする制御を行うことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定装置。
13. 上記気体熱伝導式センサが、白金系コイルにて形成されたものであることを特徴とする請求項８乃至１２のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定装置。
14. 燃料電池と、水素を含む燃料ガスの供給源と、前記供給源から燃料電池へ燃料ガスを供給する供給ガス経路とを具備し、前記供給ガス経路に、請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定装置が設けられ、前記燃料電池用ガス測定装置の制御部が、燃料電池用ガス測定装置の測定結果に基づいて前記供給源を制御する機能を有することを特徴とする燃料電池システム。
15. 燃料電池と、燃料電池に水素を含む燃料ガスを供給する供給ガス経路と、燃料電池から水素を含む排ガスを排出する排ガス経路と、前記排ガス経路の終端から分岐するパージガス経路と、前記排ガス経路の終端から分岐して供給ガス経路と合流する還流ガス経路と、前記排ガス経路とパージガス経路との間のガスの流通を開閉するパージ開閉弁とを具備し、前記排ガス経路に、請求項８乃至１３のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス測定装置が設けられ、前記燃料電池用ガス測定装置の制御部が、燃料電池用ガス測定装置の測定結果に基づいて前記パージ開閉弁を制御する機能を有することを特徴とする燃料電池システム。
16. 燃料電池用ガス測定装置の制御部が、燃料電池用ガス測定装置の測定結果に基づいて動作異常の発生を検知する機能を有することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の燃料電池システム。

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