JP2021180161A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、燃料電池システムから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度を高精度で推定することのできる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムのコントローラは、気液分離器内の水素濃度（分離器内水素濃度）を特定し、排気排水弁の出口から排出される不純物ガスの流量を特定し、カソードガス出口から排出される排出空気の流量を特定し、燃料電池スタックが前回に停止した時刻から現在までの経過時間が所定の経過時間閾値よりも短い場合は、燃料電池スタックが前回停止して以降に前記カソードガス出口から排出される前記排出空気の量が前記燃料電池スタックのカソード側のガス収容容積に達するまでの間、前記経過時間に応じて前記排出空気に含まれる水素の濃度（空気内水素濃度）を特定し、不純物ガスの流量、分離器内水素濃度、排出空気の流量、空気内水素濃度から、排出水素濃度を推定する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池システムから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度を精度良く推定することのできる燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにはいくつかの濃度センサが備えられる（特許文献１−３）。多数の濃度センサを備えるとコストが嵩む。いくつかの箇所の濃度は、他の箇所の濃度センサの計測値、あるいは圧力センサなどの別のタイプのセンサの計測値から推定することで、濃度センサの数を減らすことができる（特許文献１、２）。

燃料電池システムから外気へ排出される排出ガスには水素が含まれる。外気に放出される水素の濃度には規制値がある。例えば特許文献３の燃料電池システムは、排出ガスに含まれる水素の濃度を検出する濃度センサを備えており、濃度センサが計測する水素濃度が閾値濃度を超えた場合は排出ガスに多くの空気を混合し、排出ガスに含まれる水素の濃度を下げる。

特開２００５−３１０６５３号公報 特開２００７−２２７１５９号公報 特開２０１３−１９６８５９号公報

本明細書は、燃料電池システムから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度を精度良く推定することのできる燃料電池システムを提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料供給管、気液分離器、排気排水弁、排気管、コントローラを備える。燃料供給管は、燃料電池スタックのアノード側に燃料ガスを供給する。燃料ガスの主体は水素ガスである。気液分離器は、燃料電池スタックのアノード側のガス出口から排出されるオフガスを残燃料ガスと不純物に分離する。不純物には液体と気体がある。液体の不純物の例は水であり、気体の不純物の例は窒素ガスである。不純物の中にも水素ガスが含まれる。排気排水弁は、気液分離器の不純物排出口に接続されている。排気管は、燃料スタックのカソード側のガス出口（カソードガス出口）から排出される排出空気と、排気排水弁の出口から排出される不純物ガスとを混合して外気に放出する。コントローラは、排気排水弁を開いている間に排気管から外気に排出される排出ガスの水素濃度（排出水素濃度）を推定する。

コントローラは、次の処理により、排出水素濃度を推定する。コントローラは、気液分離器内の水素濃度（分離器内水素濃度）を特定し、排気排水弁の出口から排出される不純物ガスの流量を特定し、カソードガス出口から排出される排出空気の流量を特定する。コントローラは、燃料電池スタックが前回に停止した時刻から現在までの経過時間が所定の経過時間閾値よりも短い場合は、燃料電池スタックが前回停止して以降にカソードガス出口から排出される排出空気の量が燃料電池スタックのカソード側のガス収容容積に達するまでの間、経過時間に応じて排出空気に含まれる水素の濃度（空気内水素濃度）を特定する。コントローラは、不純物ガスの流量、分離器内水素濃度、排出空気の流量、空気内水素濃度から、排出水素濃度を推定する。

アノード側に供給される燃料ガスに含まれる水素は、イオンとなって電解質膜を通り、カソード側へ移動する。カソード側では水素イオンは酸素と反応して水になるが、燃料電池スタックが停止したとき、相応の水素が酸素と反応せずにカソード側に残る。本明細書が開示する燃料電池システムは、カソード側に残った水素も考慮に入れて排出ガスの水素濃度を推定する。それゆえ、水素濃度を精度良く推定することができる。

コントローラは、燃料電池スタックから出力される電流に応じて、及び／または、燃料電池スタックの起動からの経過時間に応じて分離器内水素濃度を補正してもよい。燃料電池スタックから出力される電流や経過時間も考慮することで、排出ガスの水素濃度をより精度良く推定することができる。

コントローラは、排出ガスに含まれる単位時間当たりの水蒸気量を特定し、排出ガスの流量から単位時間当たりの水蒸気量を差し引いた値に基づいて排出水素濃度を推定してもよい。排出ガスの水素濃度をさらに精度良く推定することができる。

コントローラは、排出水素濃度が規定値を超えてしまうことを回避すべく、排出水素濃度が所定の閾値濃度を超えた場合に排気排水弁を閉じるようにしてもよい。閾値濃度は、規定値よりも低い値に設定される。

あるいは、コントローラは、排出水素濃度が所定の閾値濃度を超えた場合に燃料電池スタックを通過していない空気を排気管に送り込むようにしてもよい。排気管に送り込まれるフレッシュな空気によって排出水素濃度が下がる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の燃料電池システムを含む電気自動車のブロック図である。 排水水素濃度を推定する処理のフローチャートである。 排水水素濃度を推定する処理のフローチャートである（図２の続き）。

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。燃料電池システム２は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、燃料電池システム２を含む電気自動車１００のブロック図を示す。電気自動車１００は、燃料電池システム２から電力を得て、電気モータ１０３で走行する。燃料電池システム２の出力電力は、昇圧コンバータ１０１で昇圧された後にインバータ１０２で交流電力に変換され、走行用の電気モータ１０３に供給される。昇圧コンバータ１０１の出力端には、インバータ１０２と並列にバッテリ１０４が接続されている。燃料電池システム２で生成された電力のうち、電気モータ１０３で消費されなかった残りの電力はバッテリ１０４にチャージされる。燃料電池システム２は、出力電力の変化の時定数が長いため、電気モータ１０３へ供給する電力の変化の応答性を高めるのにバッテリ１０４の電力が用いられる。

燃料電池システム２は燃料電池スタック１０と燃料タンク２０を備えている。以下では、説明を簡略化するため、燃料電池スタック１０をＦＣスタック１０と表記する場合がある。

ＦＣスタック１０は、電解質膜１３を挟んでアノード側の触媒層（アノード触媒層１２）とカソード側の触媒層（カソード触媒層１４）が対向している。アノード触媒層１２の外側（電解質膜１３とは反対側）にはアノード側の拡散層（アノード拡散層１１）が位置している。カソード触媒層１４の外側（電解質膜１３とは反対側）にはカソード側の拡散層（カソード拡散層１５）が位置している。

アノード拡散層１１には、アノードガス入口１６ａを通じて燃料ガスが供給される。カソード拡散層１５には、カソードガス入口１７ａを通じて空気が供給される。燃料ガスに含まれる水素がイオン化し、アノード触媒層１２、電解質膜１３を通じてカソード触媒層１４に達する。カソード触媒層１４にて水素イオンは空気中の酸素と結合して水となる。アノード側では水素がイオン化し、カソード側で水素イオンが酸素と結合することで電子の流れ、すなわち電流が生成される。ＦＣスタック１０における化学反応は良く知られているので詳しい説明は省略する。

化学反応で余った燃料ガスと、化学反応で生成された不純物はアノードガス出口１６ｂから排出される。アノードガス出口１６ｂから排出されるガスはオフガスと称されることがある。

生成された水、および、余った空気（酸素）はカソードガス出口１７ｂから排出される。カソードガス出口１７ｂから排出されるガス（排出空気）にも水素が含まれ得る。

燃料電池システム２における燃料ガス側の設備について説明する。燃料電池システム２は、燃料電池スタック１０のアノード側へ燃料ガスを送るための設備として、燃料供給管２１、インジェクタ２２、オフガス排出管２３、気液分離器２４、戻し管２５、ポンプ２６、排気排水弁２７を備えている。

燃料供給管２１は、燃料タンク２０とＦＣスタック１０を接続する。燃料供給管２１には２個の弁４１ａ、４１ｂ、インジェクタ２２、圧力センサ４２ａが接続されている。弁４１ａは主止弁であり、燃料電池システム２が停止している間、燃料タンク２０からの燃料ガスの放出を止める。弁４１ｂは調圧弁であり、インジェクタ２２に供給される燃料ガスの圧力を調整する。インジェクタ２２は、燃料ガスの圧力を高めてＦＣスタック１０に供給する。圧力センサ４２ａはインジェクタ２２の下流側に備えられており、ＦＣスタック１０に供給される燃料ガスの圧力を計測する。

燃料供給管２１の一端はＦＣスタック１０のアノードガス入口１６ａに接続されており、燃料ガスをＦＣスタック１０のアノード拡散層１１に供給する。アノードガス出口１６ｂにはオフガス排出管２３の一端が接続されており、オフガス排出管２３の他端は気液分離器２４のガス入口２４ａに接続されている。

気液分離器２４は、アノードガス出口１６ｂから排出されるオフガスを水素ガス（残燃料ガス）と不純物に分離する。気液分離器２４で分離される不純物の典型は、窒素ガスや水などである。窒素ガスは、カソード側に供給される空気に含まれている窒素が、電解質膜１３を通過してアノード側に達したものである。残燃料ガスはガス出口２４ｂから放出され、不純物は不純物排出口２４ｃから排出される。

戻し管２５の一端が気液分離器２４のガス出口２４ｂに接続しており、戻し管２５の他端は燃料供給管２１に接続している。戻し管２５にはポンプ２６が取り付けられている。ポンプ２６は、気液分離器２４で分離された残燃料ガスを、燃料供給管２１へ押し込む。気液分離器２４の不純物排出口２４ｃには、排気排水弁２７が接続されている。排気排水弁２７の出口には排気管３２が接続されている。排気排水弁２７が開くと、気液分離器２４でオフガスから分離された不純物が排気管３２に排出される。

ＦＣスタック１０が発電を続けると、気液分離器２４に不純物が溜まっていく。コントローラ４０は、ＦＣスタック１０の発電中は排気排水弁２７を開き、排気管３２を通じて不純物を外気に放出する。不純物の大半は水と窒素ガスであるが、水素ガスも含まれる。外気に放出される水素ガスの濃度には規制がある。燃料電池システム２は、外気に放出される水素の濃度（排出水素濃度）が所定の閾値濃度を超えたら排気排水弁２７を閉じる。閾値濃度は規制値よりも低い値に設定されているので、排出水素濃度は規制値以下に抑えられる。排出水素濃度を求める技術については後述する。

燃料電池システム２の空気供給側の設備について説明する。燃料電池システム２は、燃料電池スタック１０のカソード側へ空気（酸素）を送るための設備として、空気供給管３１、空気コンプレッサ３４、弁４１ｃ、４１ｄを備えている。

空気供給管３１の一端がＦＣスタック１０のカソードガス入口１７ａに接続しており、他端は外気に開放されている。空気供給管３１の途中に空気コンプレッサ３４、弁４１ｃ、圧力センサ４２ｂが取り付けられている。空気コンプレッサ３４が外気を圧縮し、空気供給管３１を通じて空気をＦＣスタック１０（カソード拡散層１５）へ供給する。ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂには排気管３２が接続されている。排気管３２の途中に弁４１ｄが取り付けられている。弁４１ｃと弁４１ｄは調圧弁であり、それらの調圧弁により、ＦＣスタック１０（カソード拡散層１５）に供給される空気の圧力が調整される。弁４１ｃの下流側に圧力センサ４２ｂが接続されており、ＦＣスタック１０へ供給される空気の圧力を計測する。

排気管３２は、排気排水弁２７の出口と、カソードガス出口１７ｂに接続されている。排気管３２は、ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂから排出される排出空気と、排気排水弁２７の出口から排出される不純物ガスとを混合して外気に放出する。排気管３２の下流側にはマフラ３５が接続されている。排出ガス（排出空気と不純物ガスの混合ガス）は、マフラ３５を通して外気に放出される。

空気供給管３１の弁４１ｃよりも上流側と、排気管３２の弁４１ｄの下流側にはバイパス管３３が接続されており、バイパス管３３の途中には弁４１ｅが取り付けられている。弁４１ｅを開くとフレッシュな空気がＦＣスタック１０を迂回して排気管３２に流れる。詳しくは後述するが、排気管３２を通じて外気に放出される排出ガスに含まれる水素の濃度（排出水素濃度）が高い場合にコントローラ４０が弁４１ｅを開くことがある。コントローラ４０は、弁４１ｅを開き、ＦＣスタック１０を迂回したフレッシュな空気を排気管３２に導き、排出ガスに含まれる水素ガスを希釈する。すなわち、排出水素濃度が下がる。

図示は省略したが、燃料電池システム２は、各所に圧力センサや濃度センサ、あるいは流量センサを備えている場合がある。ただし、燃料電池システム２は、排出水素濃度を計測する濃度センサは備えていない。燃料電池システム２は、他の箇所のガスの圧力やガスの濃度などの情報から排出水素濃度を推定する。

ＦＣスタック１０の電極には、昇圧コンバータ１０１が接続されている。先に述べたように、ＦＣスタック１０（燃料電池システム２）が生成した電力は、昇圧コンバータ１０１で昇圧され、インバータ１０２あるいはバッテリ１０４に供給される。

インジェクタ２２、ポンプ２６、弁４１ａ−４１ｅ、排気排水弁２７、空気コンプレッサ３４、昇圧コンバータ１０１、インバータ１０２は、コントローラ４０が制御する。圧力センサ４２ａ、４２ｂの計測値はコントローラ４０に送られる。

コントローラ４０は、アクセルペダルの開度と車速からモータ１０３の目標出力を決定する。コントローラ４０は、モータ１０３の目標出力から燃料電池システム２の目標出力電流を決定し、目標出力電流が実現するように、インジェクタ２２、ポンプ２６、弁４１ａ−４１ｄ、空気コンプレッサ３４、昇圧コンバータ１０１を制御する。

気液分離器２４から排出される不純物にも水素が含まれる。排気管３２を通じて外気に放出される排出ガスに含まれる水素濃度（排出水素濃度）には規制があり、排出水素濃度は規制値以下に抑える必要がある。燃料電池システム２は、排出水素濃度を推定し、推定された排出水素濃度が所定の閾値濃度を超えた場合、排気排水弁２７を閉じる、あるいは、弁４１ｅを開き、排出ガス中の水素ガスを希釈する。燃料電池システム２は、排出水素濃度を高い精度で推定することができる。以下、図２、図３を参照して、排出水素濃度を推定するプロセスを説明する。

図２、図３は、コントローラ４０が排出水素濃度を推定し、推定された排出水素濃度が閾値濃度よりも高い場合には排気排水弁２７を閉じ、排出水素濃度を下げる処理のフローチャートである。コントローラ４０は、排気排水弁２７を開いている間、所定の周期で図２、図３の処理を繰り返し実行する。

まず、コントローラ４０は、排気排水弁２７の出口から排出される不純物ガスの流量Ｆ１を特定する（ステップＳ１２）。流量Ｆ１は、ＦＣスタック１０に供給される燃料ガスの圧力、ポンプ２６の特性と出力、および、気液分離器２４の特性などに基づいて推定される。なお、ＦＣスタック１０に供給される燃料ガスの圧力は圧力センサ４２ａにより計測される。燃料ガスの圧力などから流量Ｆ１を推定する関係式は、実験やシミュレーションなどにより予め求められており、コントローラ４０に記憶されている。排気排水弁２７の出口に流量センサを備えている場合には、その流量センサにより流量Ｆ１が得られる。

続いてコントローラ４０は、気液分離器２４の内部における水素の濃度（分離器内水素濃度Ｃ１）を特定する（ステップＳ１３）。コントローラ４０は、ＦＣスタック１０に供給される燃料ガスの圧力などから分離器内水素濃度Ｃ１を推定する。なお、気液分離器２４の中には水素以外のガス（窒素ガスなど）も存在する。コントローラ４０は、水素ガスと、水素以外のガスのそれぞれの分圧を特定し、分圧も考慮して分離器内水素濃度Ｃ１を特定する。水素ガスの分圧は、燃料ガスの圧力やＦＣスタック１０の出力電流と相関があり、その相関を示す関係式も予め求められており、コントローラ４０に記憶されている。コントローラ４０は、記憶している関係式に基づいて分離器内水素濃度Ｃ１を特定する。

特に、分離器内水素濃度Ｃ１はＦＣスタック１０の出力電流と強い相関を有する。出力電流が大きければ、ＦＣスタック１０にて多くの水素が消費されるので分離器内水素濃度Ｃ１は下がる。コントローラ４０は、ＦＣスタック１０の出力電流に応じてステップＳ１３で得られた分離器内水素濃度Ｃ１を補正する（ステップＳ１４）。出力電流に対応する補正係数も予めコントローラ４０に記憶されている。

コントローラ４０は、燃料電池システム２の起動から現在までの経過時間Ｔ１を計測しており、経過時間Ｔ１が所定の第１閾値時間Ｔ１ｔｈよりも小さい場合は、さらに経過時間Ｔ１に応じて分離器内水素濃度Ｃ１を補正する（ステップＳ１５：ＹＥＳ、Ｓ１６）。気液分離器２４の中の水素分圧の初期値は予めコントローラ４０に記憶されている。水素分圧の初期値は、ＦＣスタック１０が安定した状態、すなわち、アノード側とカソード側に水素が一様に分布している状態を前提として定められている。一方、車両の放置時間が短いと、ＦＣスタック１０は安定した状態に到達していない場合があり、その場合には、アノード側の水素分圧は安定した状態と比較して高くなりがちである。すなわち、車両の放置時間が短い場合には、アノード側の実際の水素分圧がコントローラ４０に記憶されている初期値よりも高くなりがちである。別言すれば、コントローラ４０に記憶されている水素分圧の初期値は低めに設定されている。アノード側の実際の水素分圧が初期値よりも高いと、実際の分離器内水素濃度はステップＳ１３で得られた分離器内水素濃度Ｃ１よりも低くなる。

先に述べたように、コントローラ４０に記憶されている水素分圧の初期値は低めに設定されている。記憶されている初期値と実際の水素分圧の差を縮めるため、起動からの経過時間Ｔ１が第１閾値時間Ｔ１ｔｈよりも短い場合には、ステップＳ１４で得られた分離器内水素濃度Ｃ１が高い方へシフトするように、ステップＳ１６にてさらに補正する。経過時間Ｔ１に依存する補正係数もシミュレーションや実験等により予め定められており、コントローラ４０に記憶されている。第１閾値時間Ｔ１ｔｈも予め定められており、コントローラ４０に記憶されている。ステップＳ１６までが実行されると、分離器内水素濃度Ｃ１（補正後の水素濃度Ｃ１）が精度良く求まる。

なお、ステップＳ１６の補正を行うと、推定される水素濃度は高い側にシフトする傾向となる。コントローラ４０は、推定された水素濃度が所定の閾値濃度よりも高い場合、排出される水素の濃度が低くなるように排気排水弁２７を閉じる（後述するステップＳ２６、Ｓ２７）。水素濃度の推定値が高い側にシフトするほど、排気排水弁２７が閉じられる可能性が高くなる。推定される水素濃度は高い側にシフトする傾向は、排出される水素の実際の濃度が低くなる傾向をもたらすため、許容される。

続いてコントローラ４０は、ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂから排出される排出空気の流量Ｆ２を特定する（ステップＳ１７）。流量Ｆ２は、ＦＣスタック１０に供給される空気の圧力、ＦＣスタック１０の出力電流などと相関があり、その相関もコントローラ４０に記憶されている。なお、ＦＣスタック１０に供給される空気の圧力は、圧力センサ４２ｂにより計測される。コントローラ４０は、記憶されている相関関係、圧力センサ４２ｂの計測値などに基づいて、流量Ｆ２を特定する。ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂに流量センサを備えている場合は、その流量センサにより流量Ｆ２が得られる。

ＦＣスタック１０では、発電中は水素（水素イオン）がアノード拡散層１１から電解質膜１３を通過してカソード触媒層１４へ移動する。水素（水素イオン）はカソード触媒層１４で空気中の酸素と結合して水となる。発電中は酸素と結合していない水素もカソード触媒層１４、カソード拡散層１５に貯留している。燃料電池システム２の前回の停止からの経過時間が短いと、カソード拡散層１５、カソード触媒層１４に比較的に多量の水素が残留している。その状態で再び燃料電池システム２を起動すると、カソードガス出口１７ｂから放出される排出空気に比較的多くの水素が混入する。

そこでコントローラ４０は、燃料電池システム２が前回に停止したときから現在時刻までの経過時間Ｔ２も計測しており、経過時間Ｔ２が所定の第２閾値時間Ｔ２ｔｈよりも短い場合は、排出空気に含まれる水素の濃度（空気内水素濃度Ｃ２）を特定する（ステップＳ２２：ＹＥＳ、Ｓ２３）。ステップＳ２３では、コントローラ４０は、ＦＣスタック１０が前回停止して以降、カソードガス出口１７ｂから排出される排出空気の量がＦＣスタック１０のカソード側のガス収容容積に達するまでの間、経過時間Ｔ２に応じて（あるいはカソードガス出口１７ｂから排出される排出空気の量に応じて）排出空気に含まれる水素濃度（空気内水素濃度Ｃ２）を特定する。カソード側のガス収容容積は、予め求められており、コントローラ４０に記憶されている。空気内水素濃度Ｃ２は、カソード側のガス収容容積、経過時間Ｔ２、ＦＣスタック１０の出力電流などと相関があり、その相関を示す関係式もコントローラ４０に予め記憶されている。コントローラ４０は、その関係式を用いて空気内水素濃度Ｃ２を特定する。なお、カソードガス出口１７ｂから排出される排出空気の量は、ステップＳ１７で求めた流量Ｆ２に経過時間Ｔ２を乗じることで得られる。すなわち、ステップＳ２３における「経過時間Ｔ２に応じて」という表現は、「カソードガス出口１７ｂから排出される排出空気の量に応じて」ということと実質的に等価である。

ステップＳ２３における水素濃度Ｃ２は、経過時間Ｔ２が大きくなるにつれて小さくなる。別言すれば、ステップＳ２３における水素濃度Ｃ２は、カソードガス出口１７ｂから排出される排出空気の量が多くなるにつれて小さくなる。カソードガス出口１７ｂから排出される空気の量がガス収容容積に達すると、ＦＣスタック１０の前回の動作でカソード側に溜まった水素ガスが全て排出される。

続いてコントローラ４０は、排出ガスに含まれる単位時間当たりの水蒸気量Ｖを特定する（ステップＳ２４）。排気管３２には不図示の湿度センサが取り付けてあり、コントローラ４０は、湿度センサの計測値と、流量Ｆ１、Ｆ２から、単位時間当たりの水蒸気量Ｖを特定する。

コントローラ４０は、流量Ｆ１、Ｆ２、水蒸気量Ｖ、水素濃度Ｃ１、Ｃ２から、排出ガスに含まれる水素の濃度（排出水素濃度Ｃ３）を推定する（ステップＳ２５）。排気管３２から外気に放出される排出ガスの流量は（Ｆ１＋Ｆ２−Ｖ）の式で得られる。排出ガスに含まれる水素の量は、（Ｆ１×Ｃ１＋Ｆ２×Ｃ２）の式で得られる。従って排出水素濃度Ｃ３は、Ｃ３＝（Ｆ１×Ｃ１＋Ｆ２×Ｃ２）／（Ｆ１＋Ｆ２−Ｖ）の式で得られる。

コントローラ４０は、推定された排出水素濃度Ｃ３が所定の閾値濃度Ｃｔｈを超えている場合（ステップＳ２６：ＹＥＳ）、排気排水弁２７を閉じる（ステップＳ２７）。排気排水弁２７を閉じると、気液分離器２４から排気管３２へ水素が放出されなくなり、排出水素濃度Ｃ３が下がる。

なお、コントローラ４０は、ステップＳ２７の処理に替えて、弁４１ｅを開いてもよい。弁４１ｅを開くと水素を含まないフレッシュな空気がＦＣスタック１０を迂回して排気管３２に流れ込むため、排出水素濃度Ｃ３が下がる。

以上説明したように、実施例の燃料電池システム２は、様々な要因を考慮して排出水素濃度Ｃ３を推定する。燃料電池システム２は、排出水素濃度Ｃ３を精度良く推定することができる。燃料電池システム２は、特に、ＦＣスタック１０の前回の停止時にカソード側に溜まった水素を考慮することで、精度良く排出水素濃度Ｃ３を推定することができる。

また、燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０から出力される電流、及び／または、ＦＣスタック１０の起動からの経過時間Ｔ１に応じて分離器内水素濃度Ｃ１を補正する。この補正も、排出水素濃度Ｃ３の精度を高めることに貢献する。さらに、排出ガスに含まれる水蒸気量を考慮することも排出水素濃度Ｃ３の精度を高めることに貢献する。

実施例の燃料電池システム２は、排出水素濃度Ｃ３を精度良く推定することができる。それゆえ、排気管３２に水素濃度センサを備えずとも、排出水素濃度Ｃ３を規制値以下に抑えることができる。排気管３２に水素濃度センサを備える必要がないのでコストを抑えることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、流量Ｆ１、Ｆ２、水蒸気量Ｖ、水素濃度Ｃ１、Ｃ２に基づいて排出水素濃度Ｃ３を推定する。水蒸気量Ｖが得られることが望ましいが、水蒸気量Ｖが得られずとも、従来の技術よりは精度良く排出水素濃度Ｃ３が得られる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：燃料電池システム
１０：燃料電池スタック（ＦＣスタック）
１６ａ：アノードガス入口
１６ｂ：アノードガス出口
１７ａ：カソードガス入口
１７ｂ：カソードガス出口
２０：燃料タンク
２１：燃料供給管
２３：オフガス排出管
２４：気液分離器
２４ａ：ガス入口
２４ｂ：ガス出口
２４ｃ：不純物排出口
２５：戻し管
２６：ポンプ
２７：排気排水弁
３０：燃料タンク
３１：空気供給管
３２：排気管
３３：バイパス管
３４：空気コンプレッサ
３５：マフラ
４０：コントローラ
４１ａ−４１ｅ：弁
４２ａ、４２ｂ：圧力センサ
１００：電気自動車
１０１：昇圧コンバータ
１０２：インバータ
１０３：電気モータ
１０４：バッテリ

Claims (5)

1. 燃料電池スタックのアノード側に燃料ガスを供給する燃料供給管と、
   前記燃料電池スタックの前記アノード側のガス出口から排出されるオフガスを残燃料ガスと不純物に分離する気液分離器と、
   前記気液分離器の不純物排出口に接続されている排気排水弁と、
   前記燃料スタックのカソード側のガス出口（カソードガス出口）から排出される排出空気と、前記排気排水弁の出口から排出される不純物ガスとを混合して外気に放出する排気管と、
   前記排気排水弁を開いている間に前記排気管から外気に排出される排出ガスの水素濃度（排出水素濃度）を推定するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記気液分離器内の水素濃度（分離器内水素濃度）を特定し、
   前記排気排水弁の出口から排出される前記不純物ガスの流量を特定し、
   前記カソードガス出口から排出される前記排出空気の流量を特定し、
   前記燃料電池スタックが前回に停止した時刻から現在までの経過時間が所定の経過時間閾値よりも短い場合は、前記燃料電池スタックが前回停止して以降に前記カソードガス出口から排出される前記排出空気の量が前記燃料電池スタックのカソード側のガス収容容積に達するまでの間、前記経過時間に応じて前記排出空気に含まれる水素の濃度（空気内水素濃度）を特定し、
   前記不純物ガスの流量、前記分離器内水素濃度、前記排出空気の流量、前記空気内水素濃度から、前記排出水素濃度を推定する、燃料電池システム。
2. 前記コントローラは、前記燃料電池スタックから出力される電流に応じて、及び／または、前記燃料電池スタックの起動からの経過時間に応じて、前記分離器内水素濃度を補正する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記コントローラは、前記排出ガスに含まれる単位時間当たりの水蒸気量を特定し、
   前記排出ガスの流量から前記単位時間当たりの前記水蒸気量を差し引いた値に基づいて前記排出水素濃度を推定する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記コントローラは、前記排出水素濃度が所定の閾値濃度を超えた場合に前記排気排水弁を閉じる、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記コントローラは、前記排出水素濃度が所定の閾値濃度を超えた場合に前記燃料電池スタックを通過していない空気を前記排気管に送り込む、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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