燃料電池システム
【課題】アノード、循環路および気液分離器内の液体の量を精度よく検出することができる、燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池のアノード、燃料循環ラインおよび気液分離器が外部から閉止された状態で、燃料電池における発電が行われる。そして、一定時間に燃料電池から発生した電流量が算出され、その電流量に基づいて、一定時間における液体燃料の消費量である燃料消費量、一定時間にアノードで生成される窒素ガスの量である生成窒素量、および一定時間に燃料電池のアノードで生成される水の量である生成水量が算出される。これらに基づいて、一定時間の終了時におけるアノード、燃料循環ラインおよび気液分離器内の空隙体積が算出され、アノード、燃料循環ラインおよび気液分離器内の全容積からその算出された空隙体積が減算されることにより、アノード、燃料循環ラインおよび気液分離器内の液体の量が算出される。
【解決手段】燃料電池のアノード、燃料循環ラインおよび気液分離器が外部から閉止された状態で、燃料電池における発電が行われる。そして、一定時間に燃料電池から発生した電流量が算出され、その電流量に基づいて、一定時間における液体燃料の消費量である燃料消費量、一定時間にアノードで生成される窒素ガスの量である生成窒素量、および一定時間に燃料電池のアノードで生成される水の量である生成水量が算出される。これらに基づいて、一定時間の終了時におけるアノード、燃料循環ラインおよび気液分離器内の空隙体積が算出され、アノード、燃料循環ラインおよび気液分離器内の全容積からその算出された空隙体積が減算されることにより、アノード、燃料循環ラインおよび気液分離器内の液体の量が算出される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、燃料電池にメタノールやヒドラジンなどの液体燃料を改質器を介さずに直接に供給するものが知られている。
【０００３】
燃料電池は、アノード（燃料極）およびカソード（酸素極）が電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードは、燃料循環ラインの途中に介装されている。すなわち、燃料循環ラインの一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環ラインから液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードには、空気が供給される。
【０００４】
アノードでは、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９９７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような燃料電池システムでは、燃料循環ラインを循環する液体の量の管理が必要である。たとえば、液体燃料のクロスオーバ（液体燃料がアノードからカソードに移動する現象）、発電時の副次的反応量の増大および発電能力の低下などを防止するために、燃料循環ラインを循環する液体中の液体燃料の濃度を制御しなければならず、そのためには、燃料循環ラインを循環する液体の量の管理が必要となる。
【０００７】
しかしながら、燃料循環ラインには、液体燃料および水を含む液体の他に、窒素ガスなどの気体が流れる。そのため、レベルゲージでは、燃料循環ラインを循環する液体の量を精度よく検出することが困難である。とくに、燃料電池システムが自動車などの車両に搭載される場合、車両の走行状態や傾きのため、レベルゲージによる液体の量（液面の位置）の高精度な検出が困難である。
【０００８】
本発明の目的は、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量を精度よく検出することができる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、一端および他端が前記アノードに接続され、前記一端から前記アノードに液体燃料が流れ、前記アノードから排出される気体および液体が前記他端から前記一端に向けて流れる循環路と、前記循環路の一端から前記アノードに液体燃料を送り込むための送液手段と、前記循環路の途中部に介装され、前記循環路を流れる気体および液体を互いに分離して、当該液体を前記循環路に流出させる気液分離器と、前記カソードに空気を供給するための空気供給手段と、前記気液分離器内で分離された気体を外部に排出およびその排出を停止するために開閉されるガス放出バルブと、前記気液分離器内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料電池から発生する電流の電流値を検出する電流値検出手段と、前記ガス放出バルブが閉じられた状態で、前記送液手段および前記空気供給手段を所定時間にわたって駆動する駆動制御手段と、前記電流値検出手段の出力に基づいて、前記所定時間に前記燃料電池から発生した電流量を算出する電流量算出手段と、前記電流量算出手段により算出された電流量に基づいて、前記所定時間における前記燃料電池での気体の生成量を算出する気体生成量算出手段と、前記電流量算出手段により算出された電流量に基づいて、前記所定時間における前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の液体の変化量を算出する液体変化量算出手段と、前記所定時間の開始時および終了時に前記圧力検出手段により検出される圧力、前記気体生成量算出手段により算出された気体の生成量、および前記液体変化量算出手段により算出された液体の変化量に基づいて、前記所定時間の終了時における前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の気体の体積を算出する気体体積算出手段と、前記アノード、前記循環路および前記気液分離器の全容積から、前記気体体積算出手段により算出された気体の体積を減算することにより、前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の液体の量を算出する液体量算出手段とを含むことを特徴としている。
【００１０】
この燃料電池システムでは、送液手段により、循環路の一端から燃料電池のアノードに液体燃料が送り込まれる。一方、空気供給手段により、カソードに空気が供給される。アノードに液体燃料が供給され、カソードに空気が供給されると、燃料電池において電気化学反応が生じ、燃料電池から電流が出力される。
【００１１】
電気化学反応の生成物として、アノードで気体および水が生成される。この気体および水は、未反応の液体燃料とともにアノードから循環路に排出される。循環路の途中部には、気液分離器が介装されている。アノードから循環路に排出される気体および液体は、気液分離器内において互いに分離される。そして、液体は、気液分離器内から循環路に戻される。また、ガス放出バルブが開かれていれば、気体は、気液分離器内から外部に排出される。
【００１２】
ガス放出バルブが閉じられた状態で発電が行われた場合、その発電に伴って生成される気体は、アノード、循環路および気液分離器内に閉じ込められる。その結果、アノード、循環路および気液分離器内の圧力が上昇する。発電前後における気液分離器内の圧力、発電による気体の生成量、発電によるアノード、循環路および気液分離器内の液体の変化量が判れば、発電前後における気体の状態方程式から、発電前後におけるアノード、循環路および気液分離器内の気体の体積を求めることができる。
【００１３】
そこで、ガス放出バルブが閉じられた状態で、送液手段および空気供給手段が所定時間にわたって駆動される。所定時間の経過後、所定時間に燃料電池から発生した電流量が算出され、その電流量に基づいて、気体生成量算出手段により、所定時間における気体の生成量が算出される。さらに、電流量に基づいて、液体の変化量が算出される。また、所定時間の開始時および終了時に、気液分離器内の圧力が検出される。そして、算出された気体の生成量および液体の変化量、ならびに所定時間の開始時および終了時における気液分離器内の圧力に基づいて、所定時間の終了時におけるアノード、循環路および気液分離器内の気体の体積が算出され、アノード、循環路および気液分離器内の全容積からその算出された気体の体積が減算されることにより、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量が算出される。
【００１４】
このように、レベルゲージを用いずに、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量が検出されるので、燃料電池システムが車両などに搭載される場合にも、その液体の量を精度よく検出することができる。
【００１５】
前記駆動制御手段は、前記所定時間の経過後、前記送液手段および前記空気供給手段の駆動を停止するとともに、前記ガス放出バルブを開き、前記燃料電池システムは、前記ガス放出バルブが開かれた後に前記圧力検出手段により検出される圧力が前記所定時間の開始前に前記圧力検出手段に検出された圧力まで低下するのに要する時間を計測する計時手段と、前記計時手段により計測された時間に基づいて、前記気体生成量算出手段により算出された気体の生成量を補正する気体生成量補正手段とをさらに含むことが好適である。
【００１６】
この燃料電池システムでは、所定時間の経過後、送液手段および空気供給手段の駆動が停止され、燃料電池での発電が停止する。また、ガス放出バルブが開かれる。これにより、気液分離器内から外部に気体が排出される。所定時間における気体の生成量が多いほど、ガス放出バルブが開かれてから気液分離器内の圧力が所定時間の開始前の圧力に戻るまでに要する時間が長く、気体の生成量が少ないほど、当該時間は短い。すなわち、所定時間における気体の生成量と、ガス放出バルブが開かれてから気液分離器内の圧力が所定時間の開始前の圧力に戻るまでに要する時間との間には、相関関係がある。
【００１７】
よって、当該相関関係およびガス放出バルブが開かれてから気液分離器内の圧力が所定時間の開始前の圧力に戻るまでに要する時間に基づいて、気体生成量算出手段により算出された気体の生成量が補正されることにより、所定時間における気体の生成量をより正確に知得することができる。その結果、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量をより精度よく検出することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ガス放出バルブが閉じられた状態で、所定時間にわたって燃料電池からの発電が行われ、その所定時間に燃料電池から発生した電流量などに基づいて、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量が算出される。アノード、循環路および気液分離器内の液体の量の検出にレベルゲージが用いられないので、燃料電池システムが車両などに搭載される場合にも、その液体の量を精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、燃料電池システムの制御のための電気的構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、図２に示す制御部により実行される循環燃料体積算出処理のフローチャートである。
【図４】図４は、図２に示す制御部により実行される生成窒素量補正処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【００２２】
燃料電池システム１は、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。
【００２３】
燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、アノード（燃料極）３およびカソード（酸素極）４が電解質体５を挟んで対向配置された構造のセルを複数備えている。複数のセルは、各セルの間にセパレータを介在させて積層され、セルスタックを構成している。電解質体５は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する固体高分子膜である。
【００２４】
アノード３には、燃料流路６が形成されている。燃料流路６は、燃料循環ライン７の一端と他端との間に介装されている。具体的には、燃料流路６の一端は、燃料供給口８をなし、この燃料供給口８には、燃料供給ラインとしての燃料循環ライン７の一端９が接続されている。燃料流路６の他端は、燃料排出口１０をなし、この燃料排出口１０には、燃料排出ラインとしての燃料循環ライン７の他端１１が接続されている。
【００２５】
燃料循環ライン７の一端９および他端１１の近傍には、それぞれ燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が介装されている。
【００２６】
燃料循環ライン７の途中部には、燃料タンク１４から延びる燃料補給管１５が接続されている。燃料タンク１４には、液体燃料の一例である水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）が貯留されている。燃料補給管１５の途中部には、燃料補給ポンプ１６が介装されている。燃料補給ポンプ１６が駆動されることにより、燃料タンク１４から燃料補給管１５を通して燃料循環ライン７に液体燃料が供給される。
【００２７】
また、燃料循環ライン７において、燃料補給管１５が接続される部分と燃料供給バルブ１２との間には、燃料循環ポンプ１７が介装されている。燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、液体燃料が燃料循環ライン７を燃料循環ポンプ１７から一端９に向かう方向に流れ、燃料供給口８から燃料流路６に液体燃料が供給される。燃料流路６に供給される液体燃料は、燃料流路６を流れ、燃料排出口１０から燃料循環ライン７に排出される。このように、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開けられた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、燃料流路６および燃料循環ライン７を液体燃料が循環する。
【００２８】
燃料循環ライン７にはさらに、燃料排出バルブ１３と燃料補給管１５が接続される部分との間に、気液分離器１８が介装されている。燃料排出口１０から燃料循環ライン７には、液体燃料を主として含む液体とともに気体が排出される。液体燃料および気体は、燃料循環ライン７から気液分離器１８内に流入する。そして、気液分離器１８内において、液体と気体とが互いに分離される。分離された液体は、燃料循環ライン７に戻される。
【００２９】
気液分離器１８には、ガス放出ライン１９が接続されている。ガス放出ライン１９には、ガス放出バルブ２０が介装されている。ガス放出バルブ２０が開かれると、気液分離器１８内のガスがガス放出ライン１９を通して大気に放出される。
【００３０】
カソード４には、気体流路２１が形成されている。気体流路２１の一端は、気体供給口２２をなし、この気体供給口２２には、エアコンプレッサ２３から延びる空気供給ライン２４が接続されている。気体流路２１の他端は、気体排出口２５をなし、この気体排出口２５には、一端が開放される気体排出ライン２６の他端が接続されている。気体排出ライン２６の途中部には、気体流路２１を流れる空気の圧力を調節するための圧力調節バルブ２７が介装されている。
【００３１】
図２は、燃料電池システムの制御のための電気的構成を示すブロック図である。
【００３２】
燃料電池システム１は、気液分離器１８内の圧力を検出する圧力センサ４１と、気液分離器１８内の気体の温度を検出する温度センサ４２と、燃料電池２が発生する電流の電流値を検出する電流センサ４３とを備えている。
【００３３】
また、燃料電池システム１が搭載される自動車には、燃料電池２で発生した電力（電気エネルギー）を蓄えておくための二次電池５１が搭載されている。電流センサ４３は、たとえば、燃料電池２から二次電池５１への送電経路上に設けられている。
【００３４】
そして、燃料電池システム１は、マイクロコンピュータにより構成される制御部４４を備えている。マイクロコンピュータには、ＣＰＵおよびメモリなどが含まれる。
【００３５】
制御部４４には、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の出力が入力される。
【００３６】
制御部４４は、メモリに格納されたプログラムに従って、各センサ４１，４２，４３からの入力に基づいて、燃料補給ポンプ１６、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動を制御し、燃料供給バルブ１２、燃料排出バルブ１３およびガス放出バルブ２０の開閉を制御する。また、圧力調節バルブ２７の開度を制御する。
【００３７】
燃料電池システム１の運転時には、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれ、燃料循環ポンプ１７が駆動されて、アノード３の燃料流路６に液体燃料が供給される。その一方で、エアコンプレッサ２３が駆動されるとともに、圧力調節バルブ２７の開度が調節されることにより、カソード４の気体流路２１に空気が供給される。
【００３８】
これにより、燃料電池２において、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。
【００３９】
具体的には、アノード３において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード４に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路６から燃料排出口１０を介して燃料循環ライン７に排出される。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質体５を透過して、アノード３に移動する。
【００４０】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ− ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− ・・・（２）
この結果、アノード３とカソード４との間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【００４１】
燃料補給ポンプ１６は、燃料循環ライン７に液体燃料を補給する必要が生じた時に駆動される。
【００４２】
ガス放出バルブ２０は、気液分離器１８内の圧力に応じて開閉され、通常の運転時には開かれている。
【００４３】
図３は、循環燃料体積算出処理のフローチャートである。
【００４４】
燃料電池システム１の運転中に、制御部４４は、燃料循環ライン７を流れる液体の体積（量）を算出するために、図３に示す循環燃料体積算出処理を予め定める周期で実行する。
【００４５】
循環燃料体積算出処理では、まず、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の出力が取得される（ステップＳ１）。その後、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の出力は、一定のサンプリング周期で取得される。
【００４６】
次に、ガス放出バルブ２０が閉じられる（ステップＳ２）。ガス放出バルブ２０が閉じられた後も、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動は続けられ、燃料電池２における発電（電気化学反応）が継続する。ガス放出バルブ２０が閉じられているので、その発電に伴って生成される気体（主として窒素ガス）は、気液分離器１８から排出されず、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内に閉じ込められる。これにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の圧力は、発電が進むにつれて高くなる。
【００４７】
ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間にわたって発電が継続されると（ステップＳ３のＹＥＳ）、その一定時間に燃料電池２から発生した電流量Ｉが算出される。ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間において、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の各出力は、制御部４４のメモリなどに保持されている。電流量Ｉは、たとえば、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間に取得された電流センサ４３の出力（電流値）が積分されることにより算出される。
【００４８】
なお、ガス放出バルブ２０が閉じられてから電流量Ｉが算出されるまでの一定時間には、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の出力が一定のサンプリング周期で繰り返し取得されている（ステップＳ１）。
【００４９】
その後、電流量Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎcに基づいて、演算式（３）に従って、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間における液体燃料の消費量である燃料消費量Ａcが算出される（ステップＳ４）。
【００５０】
Ａc［ｌ］＝Ｉ×（１／４Ｆ）×Ｎc×３０／１０００／Ｄ ・・・（３）
Ｆ：ファラデー定数
Ｄ：液体燃料の密度
また、電流量Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎcに基づいて、演算式（４）に従って、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間に燃料電池２のアノード３で生成される窒素ガスの量である生成窒素量ＧN2が算出される（ステップＳ５）。
【００５１】
ＧN2［mol］＝Ｉ×（１／４Ｆ）×Ｎc ・・・（４）
さらに、電流量Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎcに基づいて、演算式（４）に従って、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間に燃料電池２のアノード３で生成される水の量である生成水量ＧH2Oが算出される（ステップＳ６）。
【００５２】
ＧH2O［ｌ］＝４×Ｉ×（１／４Ｆ）×Ｎc×１８／１０００ ・・・（５）
ガス放出バルブ２０が閉じられた時点（またはガス放出バルブ２０が閉じられる直前もしくは直後）において、圧力センサ４１の出力が表す圧力をＰ1とし、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の空隙となっている部分（液体が存在していない部分、気体が存在している部分）の体積である空隙体積をＶ1とし、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内に存在する気体のモル数をｎ1とし、気液分離器１８内の気体の温度をＴ1とすると、式（６）の状態方程式が成立する。
【００５３】
Ｐ1×Ｖ1＝ｎ1×Ｒ×Ｔ1 ・・・（６）
Ｒ：気体定数
また、ガス放出バルブ２０が閉じられてから一定時間が経過した時点において、圧力センサ４１の出力が表す圧力をＰ2とし、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の空隙となっている部分（液体が存在していない部分、気体が存在している部分）の体積である空隙体積をＶ2とし、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内に存在する気体のモル数をｎ2とし、気液分離器１８内の気体の温度をＴ2とすると、式（７）の状態方程式が成立する。
【００５４】
Ｐ2×Ｖ2＝ｎ2×Ｒ×Ｔ2 ・・・（７）
ここで、体積Ｖ1，Ｖ2には、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間にアノード３に供給された液体（液体燃料）の量をＡs［ｌ］とすると、式（８）の関係が成立する。また、モル数ｎ1，ｎ2には、式（９）の関係が成立する。
【００５５】
Ｖ2＝Ｖ1−（Ａs−Ａc＋ＧH2O） ・・・（８）
ｎ2＝ｎ1＋ＧN2 ・・・（９）
なお、式（８）における「Ａs−Ａc＋ＧH2O」は、一定時間におけるアノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の変化量を表す。
【００５６】
式（８），（９）を利用して、式（６），（７）の連立方程式が解かれる。これにより、空隙体積Ｖ1，Ｖ2が求められる（ステップＳ７）。
【００５７】
その後、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の全容積から空隙体積Ｖ2が減算されることにより、ガス放出バルブ２０が閉じられてから一定時間が経過した時点で燃料循環ライン７を流れる液体の体積（量）が算出される（ステップＳ８）。
【００５８】
以上のように、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態で、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３が一定時間にわたって駆動される。一定時間の経過後、一定時間に燃料電池２から発生した電流量Ｉが算出され、その電流量Ｉに基づいて、一定時間に燃料電池２のアノード３で生成される窒素ガスの量である生成窒素量ＧN2が算出される。さらに、電流量Ｉに基づいて、一定時間におけるアノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の変化量「Ａs−Ａc＋ＧH2O」が算出される。また、一定時間の開始時および終了時に、気液分離器１８内の圧力Ｐ1，Ｐ2が検出される。そして、生成窒素量ＧN2、液体の変化量「Ａs−Ａc＋ＧH2O」および圧力Ｐ1，Ｐ2に基づいて、一定時間の終了時におけるアノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の空隙体積Ｖ2が算出され、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の全容積からその算出された空隙体積Ｖ2が減算されることにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の量が算出される。
【００５９】
このように、レベルゲージを用いずに、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の量が検出されるので、燃料電池システムが車両などに搭載される場合にも、その液体の量を精度よく検出することができる。
【００６０】
なお、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間が経過すると、その一定時間に燃料電池２から発生した電流量Ｉが算出されて、ステップＳ４以降の処理が行われるとしたが、ガス放出バルブ２０が閉じられた後、燃料電池２から一定の電流量Ｉが発生されると、ステップＳ４以降の処理が行われるように変更してもよい。
【００６１】
また、制御部４４により、たとえば、図３に示す循環燃料体積算出処理と並行して、循環燃料体積算出処理のステップＳ５で算出される生成窒素量ＧN2を補正するために、図４に示す生成窒素量補正処理が実行されることが好適である。
【００６２】
図４は、生成窒素量補正処理のフローチャートである。
【００６３】
生成窒素量補正処理では、まず、ガス放出バルブ２０が閉じられる（ステップＳ１１）。このステップＳ１１は、図３に示す循環燃料体積算出処理のＳ２と同一のステップである。
【００６４】
次に、燃料電池２における発電が開始される（ステップＳ１２）。ガス放出バルブ２０が閉じられる前から燃料電池２の発電が行われている場合には、その発電が継続される。すなわち、ガス放出バルブ２０が閉じられた後も、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動が続けられる。ガス放出バルブ２０が閉じられているので、その発電に伴って生成される気体（主として窒素ガス）は、気液分離器１８から排出されず、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内に閉じ込められる。これにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の圧力は、発電が進むにつれて高くなる。
【００６５】
その後、圧力センサ４１の出力に基づいて、ガス放出バルブ２０が閉じられてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力（たとえば、５０kPa）だけ上昇したか否かが調べられる（ステップＳ１３）。気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ上昇するまで、燃料電池２における発電が継続される。
【００６６】
気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ上昇すると（ステップＳ１３のＹＥＳ）、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動が停止されて、燃料電池２における発電が停止される（ステップＳ１４）。
【００６７】
次いで、ガス放出バルブ２０が開かれる（ステップＳ１５）。これにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内からガス放出ライン１９を通して気体が排出される。この気体の排出に伴って、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の圧力が低下する。
【００６８】
また、ガス放出バルブ２０が開かれるのと同時に、ガス放出バルブ２０が開かれてからの経過時間の計測が開始される（ステップＳ１６）。
【００６９】
その後、圧力センサ４１の出力に基づいて、ガス放出バルブ２０が開かれてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下したか否か、つまりアノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の圧力がガス放出バルブ２０が閉じられる前の圧力に戻ったか否かが調べられる（ステップＳ１７）。
【００７０】
気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下すると（ステップＳ１７のＹＥＳ）、ガス放出バルブ２０が開かれてからの経過時間の計測が終了される（ステップＳ１８）．これにより、ガス放出バルブ２０が開かれてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下するまでに要した時間が得られる。
【００７１】
この時間は、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態で燃料電池２のアノード３で生成された気体の量が多いほど長く、アノード３で生成された気体の量が少ないほど短い。すなわち、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態で燃料電池２のアノード３で生成された気体の量と、ガス放出バルブ２０が開かれてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下するまでに要する時間との間には、相関関係がある。
【００７２】
そこで、その相関関係およびガス放出バルブ２０が開かれてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下するまでに要した時間に基づいて、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態で燃料電池２のアノード３で生成された気体の量が求められる。そして、循環燃料体積算出処理のステップＳ５で算出される生成窒素量ＧN2がその求められた気体の量に補正されて（ステップＳ１９）、生成窒素量補正処理が終了される。
【００７３】
この生成窒素量補正処理で求められる気体の量は、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態において燃料電池２のアノード３で発生した気体が外部に排出されるのに要する時間の実測値に基づいて求められる。したがって、その求められる気体の量は、循環燃料体積算出処理のステップＳ５で算出される生成窒素量ＧN2よりも正確である。よって、生成窒素量補正処理が行われることにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の量をより精度よく検出することができる。
【００７４】
なお、図３に示す循環燃料体積算出処理と並行して、図４に示す生成窒素量補正処理が実行される場合、循環燃料体積算出処理における「一定時間」は、ガス放出バルブ２０が閉じられてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ上昇するまでの時間となる。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００７６】
たとえば、燃料電池システム１が自動車に搭載された場合を例にとったが、燃料電池システム１は、自動車に限らず、自動車以外の車両、飛行機、宇宙ロケットなどに搭載されてもよい。
【００７７】
また、液体燃料の一例として、水加ヒドラジンを取り上げたが、液体燃料としては、ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、トリアザン（ＮＨ２ＮＨＮＨ２）、テトラザン（ＮＨ２ＮＨＮＨＮＨ２）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）などが例示される。
【００７８】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ アノード
４ カソード
７ 燃料循環ライン（循環路）
１７ 燃料循環ポンプ（送液手段）
１８ 気液分離器
２０ ガス放出バルブ
２３ エアコンプレッサ（空気供給手段）
４１ 圧力センサ（圧力検出手段）
４３ 電流センサ（電流値検出手段）
４４ 制御部（駆動制御手段、電流量算出手段、気体生成量算出手段、液体変化量算出手段、気体体積算出手段、液体量算出手段、計時手段、気体生成量補正手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムとして、燃料電池にメタノールやヒドラジンなどの液体燃料を改質器を介さずに直接に供給するものが知られている。
【０００３】
燃料電池は、アノード（燃料極）およびカソード（酸素極）が電解質膜を挟んで対向配置された構造を有している。アノードは、燃料循環ラインの途中に介装されている。すなわち、燃料循環ラインの一端がアノードの燃料供給口に接続され、その他端がアノードの燃料排出口に接続されている。アノードには、燃料循環ラインから液体燃料が供給され、アノードを通過した液体燃料は、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードには、空気が供給される。
【０００４】
アノードでは、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソードに移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料循環ラインに排出される。一方、カソードでは、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質膜を透過して、アノードに移動する。その結果、アノードとカソードとの間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１９９７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような燃料電池システムでは、燃料循環ラインを循環する液体の量の管理が必要である。たとえば、液体燃料のクロスオーバ（液体燃料がアノードからカソードに移動する現象）、発電時の副次的反応量の増大および発電能力の低下などを防止するために、燃料循環ラインを循環する液体中の液体燃料の濃度を制御しなければならず、そのためには、燃料循環ラインを循環する液体の量の管理が必要となる。
【０００７】
しかしながら、燃料循環ラインには、液体燃料および水を含む液体の他に、窒素ガスなどの気体が流れる。そのため、レベルゲージでは、燃料循環ラインを循環する液体の量を精度よく検出することが困難である。とくに、燃料電池システムが自動車などの車両に搭載される場合、車両の走行状態や傾きのため、レベルゲージによる液体の量（液面の位置）の高精度な検出が困難である。
【０００８】
本発明の目的は、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量を精度よく検出することができる、燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するため、本発明は、燃料電池システムにおいて、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、一端および他端が前記アノードに接続され、前記一端から前記アノードに液体燃料が流れ、前記アノードから排出される気体および液体が前記他端から前記一端に向けて流れる循環路と、前記循環路の一端から前記アノードに液体燃料を送り込むための送液手段と、前記循環路の途中部に介装され、前記循環路を流れる気体および液体を互いに分離して、当該液体を前記循環路に流出させる気液分離器と、前記カソードに空気を供給するための空気供給手段と、前記気液分離器内で分離された気体を外部に排出およびその排出を停止するために開閉されるガス放出バルブと、前記気液分離器内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記燃料電池から発生する電流の電流値を検出する電流値検出手段と、前記ガス放出バルブが閉じられた状態で、前記送液手段および前記空気供給手段を所定時間にわたって駆動する駆動制御手段と、前記電流値検出手段の出力に基づいて、前記所定時間に前記燃料電池から発生した電流量を算出する電流量算出手段と、前記電流量算出手段により算出された電流量に基づいて、前記所定時間における前記燃料電池での気体の生成量を算出する気体生成量算出手段と、前記電流量算出手段により算出された電流量に基づいて、前記所定時間における前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の液体の変化量を算出する液体変化量算出手段と、前記所定時間の開始時および終了時に前記圧力検出手段により検出される圧力、前記気体生成量算出手段により算出された気体の生成量、および前記液体変化量算出手段により算出された液体の変化量に基づいて、前記所定時間の終了時における前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の気体の体積を算出する気体体積算出手段と、前記アノード、前記循環路および前記気液分離器の全容積から、前記気体体積算出手段により算出された気体の体積を減算することにより、前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の液体の量を算出する液体量算出手段とを含むことを特徴としている。
【００１０】
この燃料電池システムでは、送液手段により、循環路の一端から燃料電池のアノードに液体燃料が送り込まれる。一方、空気供給手段により、カソードに空気が供給される。アノードに液体燃料が供給され、カソードに空気が供給されると、燃料電池において電気化学反応が生じ、燃料電池から電流が出力される。
【００１１】
電気化学反応の生成物として、アノードで気体および水が生成される。この気体および水は、未反応の液体燃料とともにアノードから循環路に排出される。循環路の途中部には、気液分離器が介装されている。アノードから循環路に排出される気体および液体は、気液分離器内において互いに分離される。そして、液体は、気液分離器内から循環路に戻される。また、ガス放出バルブが開かれていれば、気体は、気液分離器内から外部に排出される。
【００１２】
ガス放出バルブが閉じられた状態で発電が行われた場合、その発電に伴って生成される気体は、アノード、循環路および気液分離器内に閉じ込められる。その結果、アノード、循環路および気液分離器内の圧力が上昇する。発電前後における気液分離器内の圧力、発電による気体の生成量、発電によるアノード、循環路および気液分離器内の液体の変化量が判れば、発電前後における気体の状態方程式から、発電前後におけるアノード、循環路および気液分離器内の気体の体積を求めることができる。
【００１３】
そこで、ガス放出バルブが閉じられた状態で、送液手段および空気供給手段が所定時間にわたって駆動される。所定時間の経過後、所定時間に燃料電池から発生した電流量が算出され、その電流量に基づいて、気体生成量算出手段により、所定時間における気体の生成量が算出される。さらに、電流量に基づいて、液体の変化量が算出される。また、所定時間の開始時および終了時に、気液分離器内の圧力が検出される。そして、算出された気体の生成量および液体の変化量、ならびに所定時間の開始時および終了時における気液分離器内の圧力に基づいて、所定時間の終了時におけるアノード、循環路および気液分離器内の気体の体積が算出され、アノード、循環路および気液分離器内の全容積からその算出された気体の体積が減算されることにより、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量が算出される。
【００１４】
このように、レベルゲージを用いずに、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量が検出されるので、燃料電池システムが車両などに搭載される場合にも、その液体の量を精度よく検出することができる。
【００１５】
前記駆動制御手段は、前記所定時間の経過後、前記送液手段および前記空気供給手段の駆動を停止するとともに、前記ガス放出バルブを開き、前記燃料電池システムは、前記ガス放出バルブが開かれた後に前記圧力検出手段により検出される圧力が前記所定時間の開始前に前記圧力検出手段に検出された圧力まで低下するのに要する時間を計測する計時手段と、前記計時手段により計測された時間に基づいて、前記気体生成量算出手段により算出された気体の生成量を補正する気体生成量補正手段とをさらに含むことが好適である。
【００１６】
この燃料電池システムでは、所定時間の経過後、送液手段および空気供給手段の駆動が停止され、燃料電池での発電が停止する。また、ガス放出バルブが開かれる。これにより、気液分離器内から外部に気体が排出される。所定時間における気体の生成量が多いほど、ガス放出バルブが開かれてから気液分離器内の圧力が所定時間の開始前の圧力に戻るまでに要する時間が長く、気体の生成量が少ないほど、当該時間は短い。すなわち、所定時間における気体の生成量と、ガス放出バルブが開かれてから気液分離器内の圧力が所定時間の開始前の圧力に戻るまでに要する時間との間には、相関関係がある。
【００１７】
よって、当該相関関係およびガス放出バルブが開かれてから気液分離器内の圧力が所定時間の開始前の圧力に戻るまでに要する時間に基づいて、気体生成量算出手段により算出された気体の生成量が補正されることにより、所定時間における気体の生成量をより正確に知得することができる。その結果、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量をより精度よく検出することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ガス放出バルブが閉じられた状態で、所定時間にわたって燃料電池からの発電が行われ、その所定時間に燃料電池から発生した電流量などに基づいて、アノード、循環路および気液分離器内の液体の量が算出される。アノード、循環路および気液分離器内の液体の量の検出にレベルゲージが用いられないので、燃料電池システムが車両などに搭載される場合にも、その液体の量を精度よく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】図２は、燃料電池システムの制御のための電気的構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、図２に示す制御部により実行される循環燃料体積算出処理のフローチャートである。
【図４】図４は、図２に示す制御部により実行される生成窒素量補正処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【００２２】
燃料電池システム１は、たとえば、自動車に駆動源として搭載される。
【００２３】
燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、アノード（燃料極）３およびカソード（酸素極）４が電解質体５を挟んで対向配置された構造のセルを複数備えている。複数のセルは、各セルの間にセパレータを介在させて積層され、セルスタックを構成している。電解質体５は、たとえば、アニオン（ＯＨ−）を透過させる性質を有する固体高分子膜である。
【００２４】
アノード３には、燃料流路６が形成されている。燃料流路６は、燃料循環ライン７の一端と他端との間に介装されている。具体的には、燃料流路６の一端は、燃料供給口８をなし、この燃料供給口８には、燃料供給ラインとしての燃料循環ライン７の一端９が接続されている。燃料流路６の他端は、燃料排出口１０をなし、この燃料排出口１０には、燃料排出ラインとしての燃料循環ライン７の他端１１が接続されている。
【００２５】
燃料循環ライン７の一端９および他端１１の近傍には、それぞれ燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が介装されている。
【００２６】
燃料循環ライン７の途中部には、燃料タンク１４から延びる燃料補給管１５が接続されている。燃料タンク１４には、液体燃料の一例である水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）が貯留されている。燃料補給管１５の途中部には、燃料補給ポンプ１６が介装されている。燃料補給ポンプ１６が駆動されることにより、燃料タンク１４から燃料補給管１５を通して燃料循環ライン７に液体燃料が供給される。
【００２７】
また、燃料循環ライン７において、燃料補給管１５が接続される部分と燃料供給バルブ１２との間には、燃料循環ポンプ１７が介装されている。燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、液体燃料が燃料循環ライン７を燃料循環ポンプ１７から一端９に向かう方向に流れ、燃料供給口８から燃料流路６に液体燃料が供給される。燃料流路６に供給される液体燃料は、燃料流路６を流れ、燃料排出口１０から燃料循環ライン７に排出される。このように、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開けられた状態で、燃料循環ポンプ１７が駆動されると、燃料流路６および燃料循環ライン７を液体燃料が循環する。
【００２８】
燃料循環ライン７にはさらに、燃料排出バルブ１３と燃料補給管１５が接続される部分との間に、気液分離器１８が介装されている。燃料排出口１０から燃料循環ライン７には、液体燃料を主として含む液体とともに気体が排出される。液体燃料および気体は、燃料循環ライン７から気液分離器１８内に流入する。そして、気液分離器１８内において、液体と気体とが互いに分離される。分離された液体は、燃料循環ライン７に戻される。
【００２９】
気液分離器１８には、ガス放出ライン１９が接続されている。ガス放出ライン１９には、ガス放出バルブ２０が介装されている。ガス放出バルブ２０が開かれると、気液分離器１８内のガスがガス放出ライン１９を通して大気に放出される。
【００３０】
カソード４には、気体流路２１が形成されている。気体流路２１の一端は、気体供給口２２をなし、この気体供給口２２には、エアコンプレッサ２３から延びる空気供給ライン２４が接続されている。気体流路２１の他端は、気体排出口２５をなし、この気体排出口２５には、一端が開放される気体排出ライン２６の他端が接続されている。気体排出ライン２６の途中部には、気体流路２１を流れる空気の圧力を調節するための圧力調節バルブ２７が介装されている。
【００３１】
図２は、燃料電池システムの制御のための電気的構成を示すブロック図である。
【００３２】
燃料電池システム１は、気液分離器１８内の圧力を検出する圧力センサ４１と、気液分離器１８内の気体の温度を検出する温度センサ４２と、燃料電池２が発生する電流の電流値を検出する電流センサ４３とを備えている。
【００３３】
また、燃料電池システム１が搭載される自動車には、燃料電池２で発生した電力（電気エネルギー）を蓄えておくための二次電池５１が搭載されている。電流センサ４３は、たとえば、燃料電池２から二次電池５１への送電経路上に設けられている。
【００３４】
そして、燃料電池システム１は、マイクロコンピュータにより構成される制御部４４を備えている。マイクロコンピュータには、ＣＰＵおよびメモリなどが含まれる。
【００３５】
制御部４４には、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の出力が入力される。
【００３６】
制御部４４は、メモリに格納されたプログラムに従って、各センサ４１，４２，４３からの入力に基づいて、燃料補給ポンプ１６、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動を制御し、燃料供給バルブ１２、燃料排出バルブ１３およびガス放出バルブ２０の開閉を制御する。また、圧力調節バルブ２７の開度を制御する。
【００３７】
燃料電池システム１の運転時には、燃料供給バルブ１２および燃料排出バルブ１３が開かれ、燃料循環ポンプ１７が駆動されて、アノード３の燃料流路６に液体燃料が供給される。その一方で、エアコンプレッサ２３が駆動されるとともに、圧力調節バルブ２７の開度が調節されることにより、カソード４の気体流路２１に空気が供給される。
【００３８】
これにより、燃料電池２において、電気化学反応が生じ、その電気化学反応による起電力が発生する。
【００３９】
具体的には、アノード３において、反応式（１）で示される反応が生じ、窒素ガス（Ｎ２）、水（Ｈ２Ｏ）および電子（ｅ−）が生成される。電子は、外部回路（図示せず）を介して、カソード４に移動する。窒素ガスおよび水は、未反応の液体燃料とともに、燃料流路６から燃料排出口１０を介して燃料循環ライン７に排出される。一方、カソードでは、反応式（２）で示される反応が生じ、アニオン（ＯＨ−）が生成される。アニオンは、電解質体５を透過して、アノード３に移動する。
【００４０】
ＮＨ２ＮＨ２＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ− ・・・（１）
Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ− ・・・（２）
この結果、アノード３とカソード４との間に、電気化学反応による起電力が発生する。
【００４１】
燃料補給ポンプ１６は、燃料循環ライン７に液体燃料を補給する必要が生じた時に駆動される。
【００４２】
ガス放出バルブ２０は、気液分離器１８内の圧力に応じて開閉され、通常の運転時には開かれている。
【００４３】
図３は、循環燃料体積算出処理のフローチャートである。
【００４４】
燃料電池システム１の運転中に、制御部４４は、燃料循環ライン７を流れる液体の体積（量）を算出するために、図３に示す循環燃料体積算出処理を予め定める周期で実行する。
【００４５】
循環燃料体積算出処理では、まず、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の出力が取得される（ステップＳ１）。その後、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の出力は、一定のサンプリング周期で取得される。
【００４６】
次に、ガス放出バルブ２０が閉じられる（ステップＳ２）。ガス放出バルブ２０が閉じられた後も、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動は続けられ、燃料電池２における発電（電気化学反応）が継続する。ガス放出バルブ２０が閉じられているので、その発電に伴って生成される気体（主として窒素ガス）は、気液分離器１８から排出されず、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内に閉じ込められる。これにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の圧力は、発電が進むにつれて高くなる。
【００４７】
ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間にわたって発電が継続されると（ステップＳ３のＹＥＳ）、その一定時間に燃料電池２から発生した電流量Ｉが算出される。ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間において、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の各出力は、制御部４４のメモリなどに保持されている。電流量Ｉは、たとえば、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間に取得された電流センサ４３の出力（電流値）が積分されることにより算出される。
【００４８】
なお、ガス放出バルブ２０が閉じられてから電流量Ｉが算出されるまでの一定時間には、圧力センサ４１、温度センサ４２および電流センサ４３の出力が一定のサンプリング周期で繰り返し取得されている（ステップＳ１）。
【００４９】
その後、電流量Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎcに基づいて、演算式（３）に従って、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間における液体燃料の消費量である燃料消費量Ａcが算出される（ステップＳ４）。
【００５０】
Ａc［ｌ］＝Ｉ×（１／４Ｆ）×Ｎc×３０／１０００／Ｄ ・・・（３）
Ｆ：ファラデー定数
Ｄ：液体燃料の密度
また、電流量Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎcに基づいて、演算式（４）に従って、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間に燃料電池２のアノード３で生成される窒素ガスの量である生成窒素量ＧN2が算出される（ステップＳ５）。
【００５１】
ＧN2［mol］＝Ｉ×（１／４Ｆ）×Ｎc ・・・（４）
さらに、電流量Ｉおよび燃料電池２に備えられるセルの数Ｎcに基づいて、演算式（４）に従って、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間に燃料電池２のアノード３で生成される水の量である生成水量ＧH2Oが算出される（ステップＳ６）。
【００５２】
ＧH2O［ｌ］＝４×Ｉ×（１／４Ｆ）×Ｎc×１８／１０００ ・・・（５）
ガス放出バルブ２０が閉じられた時点（またはガス放出バルブ２０が閉じられる直前もしくは直後）において、圧力センサ４１の出力が表す圧力をＰ1とし、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の空隙となっている部分（液体が存在していない部分、気体が存在している部分）の体積である空隙体積をＶ1とし、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内に存在する気体のモル数をｎ1とし、気液分離器１８内の気体の温度をＴ1とすると、式（６）の状態方程式が成立する。
【００５３】
Ｐ1×Ｖ1＝ｎ1×Ｒ×Ｔ1 ・・・（６）
Ｒ：気体定数
また、ガス放出バルブ２０が閉じられてから一定時間が経過した時点において、圧力センサ４１の出力が表す圧力をＰ2とし、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の空隙となっている部分（液体が存在していない部分、気体が存在している部分）の体積である空隙体積をＶ2とし、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内に存在する気体のモル数をｎ2とし、気液分離器１８内の気体の温度をＴ2とすると、式（７）の状態方程式が成立する。
【００５４】
Ｐ2×Ｖ2＝ｎ2×Ｒ×Ｔ2 ・・・（７）
ここで、体積Ｖ1，Ｖ2には、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間にアノード３に供給された液体（液体燃料）の量をＡs［ｌ］とすると、式（８）の関係が成立する。また、モル数ｎ1，ｎ2には、式（９）の関係が成立する。
【００５５】
Ｖ2＝Ｖ1−（Ａs−Ａc＋ＧH2O） ・・・（８）
ｎ2＝ｎ1＋ＧN2 ・・・（９）
なお、式（８）における「Ａs−Ａc＋ＧH2O」は、一定時間におけるアノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の変化量を表す。
【００５６】
式（８），（９）を利用して、式（６），（７）の連立方程式が解かれる。これにより、空隙体積Ｖ1，Ｖ2が求められる（ステップＳ７）。
【００５７】
その後、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の全容積から空隙体積Ｖ2が減算されることにより、ガス放出バルブ２０が閉じられてから一定時間が経過した時点で燃料循環ライン７を流れる液体の体積（量）が算出される（ステップＳ８）。
【００５８】
以上のように、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態で、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３が一定時間にわたって駆動される。一定時間の経過後、一定時間に燃料電池２から発生した電流量Ｉが算出され、その電流量Ｉに基づいて、一定時間に燃料電池２のアノード３で生成される窒素ガスの量である生成窒素量ＧN2が算出される。さらに、電流量Ｉに基づいて、一定時間におけるアノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の変化量「Ａs−Ａc＋ＧH2O」が算出される。また、一定時間の開始時および終了時に、気液分離器１８内の圧力Ｐ1，Ｐ2が検出される。そして、生成窒素量ＧN2、液体の変化量「Ａs−Ａc＋ＧH2O」および圧力Ｐ1，Ｐ2に基づいて、一定時間の終了時におけるアノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の空隙体積Ｖ2が算出され、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の全容積からその算出された空隙体積Ｖ2が減算されることにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の量が算出される。
【００５９】
このように、レベルゲージを用いずに、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の量が検出されるので、燃料電池システムが車両などに搭載される場合にも、その液体の量を精度よく検出することができる。
【００６０】
なお、ガス放出バルブ２０が閉じられてからの一定時間が経過すると、その一定時間に燃料電池２から発生した電流量Ｉが算出されて、ステップＳ４以降の処理が行われるとしたが、ガス放出バルブ２０が閉じられた後、燃料電池２から一定の電流量Ｉが発生されると、ステップＳ４以降の処理が行われるように変更してもよい。
【００６１】
また、制御部４４により、たとえば、図３に示す循環燃料体積算出処理と並行して、循環燃料体積算出処理のステップＳ５で算出される生成窒素量ＧN2を補正するために、図４に示す生成窒素量補正処理が実行されることが好適である。
【００６２】
図４は、生成窒素量補正処理のフローチャートである。
【００６３】
生成窒素量補正処理では、まず、ガス放出バルブ２０が閉じられる（ステップＳ１１）。このステップＳ１１は、図３に示す循環燃料体積算出処理のＳ２と同一のステップである。
【００６４】
次に、燃料電池２における発電が開始される（ステップＳ１２）。ガス放出バルブ２０が閉じられる前から燃料電池２の発電が行われている場合には、その発電が継続される。すなわち、ガス放出バルブ２０が閉じられた後も、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動が続けられる。ガス放出バルブ２０が閉じられているので、その発電に伴って生成される気体（主として窒素ガス）は、気液分離器１８から排出されず、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内に閉じ込められる。これにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の圧力は、発電が進むにつれて高くなる。
【００６５】
その後、圧力センサ４１の出力に基づいて、ガス放出バルブ２０が閉じられてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力（たとえば、５０kPa）だけ上昇したか否かが調べられる（ステップＳ１３）。気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ上昇するまで、燃料電池２における発電が継続される。
【００６６】
気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ上昇すると（ステップＳ１３のＹＥＳ）、燃料循環ポンプ１７およびエアコンプレッサ２３の駆動が停止されて、燃料電池２における発電が停止される（ステップＳ１４）。
【００６７】
次いで、ガス放出バルブ２０が開かれる（ステップＳ１５）。これにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内からガス放出ライン１９を通して気体が排出される。この気体の排出に伴って、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の圧力が低下する。
【００６８】
また、ガス放出バルブ２０が開かれるのと同時に、ガス放出バルブ２０が開かれてからの経過時間の計測が開始される（ステップＳ１６）。
【００６９】
その後、圧力センサ４１の出力に基づいて、ガス放出バルブ２０が開かれてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下したか否か、つまりアノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の圧力がガス放出バルブ２０が閉じられる前の圧力に戻ったか否かが調べられる（ステップＳ１７）。
【００７０】
気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下すると（ステップＳ１７のＹＥＳ）、ガス放出バルブ２０が開かれてからの経過時間の計測が終了される（ステップＳ１８）．これにより、ガス放出バルブ２０が開かれてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下するまでに要した時間が得られる。
【００７１】
この時間は、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態で燃料電池２のアノード３で生成された気体の量が多いほど長く、アノード３で生成された気体の量が少ないほど短い。すなわち、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態で燃料電池２のアノード３で生成された気体の量と、ガス放出バルブ２０が開かれてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下するまでに要する時間との間には、相関関係がある。
【００７２】
そこで、その相関関係およびガス放出バルブ２０が開かれてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ低下するまでに要した時間に基づいて、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態で燃料電池２のアノード３で生成された気体の量が求められる。そして、循環燃料体積算出処理のステップＳ５で算出される生成窒素量ＧN2がその求められた気体の量に補正されて（ステップＳ１９）、生成窒素量補正処理が終了される。
【００７３】
この生成窒素量補正処理で求められる気体の量は、ガス放出バルブ２０が閉じられた状態において燃料電池２のアノード３で発生した気体が外部に排出されるのに要する時間の実測値に基づいて求められる。したがって、その求められる気体の量は、循環燃料体積算出処理のステップＳ５で算出される生成窒素量ＧN2よりも正確である。よって、生成窒素量補正処理が行われることにより、アノード３、燃料循環ライン７および気液分離器１８内の液体の量をより精度よく検出することができる。
【００７４】
なお、図３に示す循環燃料体積算出処理と並行して、図４に示す生成窒素量補正処理が実行される場合、循環燃料体積算出処理における「一定時間」は、ガス放出バルブ２０が閉じられてから気液分離器１８内の圧力が一定圧力だけ上昇するまでの時間となる。
【００７５】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。
【００７６】
たとえば、燃料電池システム１が自動車に搭載された場合を例にとったが、燃料電池システム１は、自動車に限らず、自動車以外の車両、飛行機、宇宙ロケットなどに搭載されてもよい。
【００７７】
また、液体燃料の一例として、水加ヒドラジンを取り上げたが、液体燃料としては、ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、トリアザン（ＮＨ２ＮＨＮＨ２）、テトラザン（ＮＨ２ＮＨＮＨＮＨ２）、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）などが例示される。
【００７８】
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００７９】
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ アノード
４ カソード
７ 燃料循環ライン（循環路）
１７ 燃料循環ポンプ（送液手段）
１８ 気液分離器
２０ ガス放出バルブ
２３ エアコンプレッサ（空気供給手段）
４１ 圧力センサ（圧力検出手段）
４３ 電流センサ（電流値検出手段）
４４ 制御部（駆動制御手段、電流量算出手段、気体生成量算出手段、液体変化量算出手段、気体体積算出手段、液体量算出手段、計時手段、気体生成量補正手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
一端および他端が前記アノードに接続され、前記一端から前記アノードに液体燃料が流れ、前記アノードから排出される気体および液体が前記他端から前記一端に向けて流れる循環路と、
前記循環路の一端から前記アノードに液体燃料を送り込むための送液手段と、
前記循環路の途中部に介装され、前記循環路を流れる気体および液体を互いに分離して、当該液体を前記循環路に流出させる気液分離器と、
前記カソードに空気を供給するための空気供給手段と、
前記気液分離器内で分離された気体を外部に排出およびその排出を停止するために開閉されるガス放出バルブと、
前記気液分離器内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池から発生する電流の電流値を検出する電流値検出手段と、
前記ガス放出バルブが閉じられた状態で、前記送液手段および前記空気供給手段を所定時間にわたって駆動する駆動制御手段と、
前記電流値検出手段の出力に基づいて、前記所定時間に前記燃料電池から発生した電流量を算出する電流量算出手段と、
前記電流量算出手段により算出された電流量に基づいて、前記所定時間における前記燃料電池での気体の生成量を算出する気体生成量算出手段と、
前記電流量算出手段により算出された電流量に基づいて、前記所定時間における前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の液体の変化量を算出する液体変化量算出手段と、
前記所定時間の開始時および終了時に前記圧力検出手段により検出される圧力、前記気体生成量算出手段により算出された気体の生成量、および前記液体変化量算出手段により算出された液体の変化量に基づいて、前記所定時間の終了時における前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の気体の体積を算出する気体体積算出手段と、
前記アノード、前記循環路および前記気液分離器の全容積から、前記気体体積算出手段により算出された気体の体積を減算することにより、前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の液体の量を算出する液体量算出手段とを含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記駆動制御手段は、前記所定時間の経過後、前記送液手段および前記空気供給手段の駆動を停止するとともに、前記ガス放出バルブを開き、
前記ガス放出バルブが開かれた後に前記圧力検出手段により検出される圧力が前記所定時間の開始前に前記圧力検出手段に検出された圧力まで低下するのに要する時間を計測する計時手段と、
前記計時手段により計測された時間に基づいて、前記気体生成量算出手段により算出された気体の生成量を補正する気体生成量補正手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
一端および他端が前記アノードに接続され、前記一端から前記アノードに液体燃料が流れ、前記アノードから排出される気体および液体が前記他端から前記一端に向けて流れる循環路と、
前記循環路の一端から前記アノードに液体燃料を送り込むための送液手段と、
前記循環路の途中部に介装され、前記循環路を流れる気体および液体を互いに分離して、当該液体を前記循環路に流出させる気液分離器と、
前記カソードに空気を供給するための空気供給手段と、
前記気液分離器内で分離された気体を外部に排出およびその排出を停止するために開閉されるガス放出バルブと、
前記気液分離器内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記燃料電池から発生する電流の電流値を検出する電流値検出手段と、
前記ガス放出バルブが閉じられた状態で、前記送液手段および前記空気供給手段を所定時間にわたって駆動する駆動制御手段と、
前記電流値検出手段の出力に基づいて、前記所定時間に前記燃料電池から発生した電流量を算出する電流量算出手段と、
前記電流量算出手段により算出された電流量に基づいて、前記所定時間における前記燃料電池での気体の生成量を算出する気体生成量算出手段と、
前記電流量算出手段により算出された電流量に基づいて、前記所定時間における前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の液体の変化量を算出する液体変化量算出手段と、
前記所定時間の開始時および終了時に前記圧力検出手段により検出される圧力、前記気体生成量算出手段により算出された気体の生成量、および前記液体変化量算出手段により算出された液体の変化量に基づいて、前記所定時間の終了時における前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の気体の体積を算出する気体体積算出手段と、
前記アノード、前記循環路および前記気液分離器の全容積から、前記気体体積算出手段により算出された気体の体積を減算することにより、前記アノード、前記循環路および前記気液分離器内の液体の量を算出する液体量算出手段とを含む、燃料電池システム。
【請求項２】
前記駆動制御手段は、前記所定時間の経過後、前記送液手段および前記空気供給手段の駆動を停止するとともに、前記ガス放出バルブを開き、
前記ガス放出バルブが開かれた後に前記圧力検出手段により検出される圧力が前記所定時間の開始前に前記圧力検出手段に検出された圧力まで低下するのに要する時間を計測する計時手段と、
前記計時手段により計測された時間に基づいて、前記気体生成量算出手段により算出された気体の生成量を補正する気体生成量補正手段とをさらに含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２１６３４１（Ｐ２０１１−２１６３４１Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８３５８７（Ｐ２０１０−８３５８７）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【Ｆターム（参考）】
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