JP2019145380A - 水素流量計測装置、燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】水素流量計測装置２０は、検知用セル２３、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、電流を計測する電流計測部２４、ガス流路部１２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を備える。ガス流路部１２は、燃料ガスを所定の分流比で分岐流路部２１に分流させる分岐部１２１が設けられている。検知用セル２３は、膜電極接合体２３０、アノード電極２３２側に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路２３４を含んでいる。電流計測部２４は、アノード電極２３２とカソード電極２３３とを接続する外部配線ＬＯを流れる電流を計測する。流量算出部２６２は、電流計測部２４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１２を流れる水素のガス流量を算出する。【選択図】図１

Description

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）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（カソード側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
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

Claims (10)

1. 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少なくとも１つの検知用セル（２３）と、
   前記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、
   前記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、
   前記ガス流路部には、前記ガス流路部を流れる前記燃料ガスを所定の分流比で前記分岐流路部に分流させる分岐部（１２１）が設けられており、
   前記検知用セルは、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）、前記アノード電極側に前記分岐流路部を流れる前記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おり、
   前記電流計測部は、前記検知用セルの外部において前記アノード電極と前記カソード電極とを接続する外部接続部（ＬＯ）に設けられ、前記外部接続部を流れる電流を計測するように構成されており、
   前記流量算出部は、前記電流計測部で計測された電流信号および前記分流比に基づいて、前記ガス流路部を流れる水素のガス流量を算出する水素流量計測装置。
2. 前記ガス流路部への前記燃料ガスの供給量を調整する供給量調整部（２５）を備え、
   前記制御装置は、前記供給量調整部を制御する供給量制御部（２６３）を含んで構成されており、
   前記供給量制御部は、
   前記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前記燃料ガスの供給量が減少するように前記供給量調整部を制御し、
   前記ガス流路部を流れる水素のガス流量が前記流量閾値よりも少ない場合に前記燃料ガスの供給量が増加するように前記供給量調整部を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 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、
   前記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、
   前記燃料オフガス流路部を流れる前記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、
   前記水素流量計測装置は、
   前記燃料オフガスに含まれる水素と前記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少なくとも１つの検知用セル（５３）と、
   電流を計測する電流計測部（５４）と、
   前記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、
   前記検知用セルは、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）、前記アノード電極側に前記燃料オフガス流路部を流れる前記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おり、
   前記電流計測部は、前記検知用セルの外部において前記アノード電極と前記カソード電極とを接続する外部接続部（ＬＯ）に設けられ、前記外部接続部を流れる電流を計測するように構成されており、
   前記流量算出部は、前記電流計測部で計測された電流信号に基づいて、前記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燃料電池システム。
4. 前記燃料オフガス流路部から分岐する燃料側分岐流路部（５１）を備え、
   前記燃料オフガス流路部には、前記燃料オフガス流路部を流れる前記燃料オフガスを所定の分流比で前記燃料側分岐流路部に分流させる燃料側分岐部（３６２）が設けられており、
   前記流量算出部は、前記電流計測部で計測された電流信号および前記分流比に基づいて、前記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請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記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（３４）を備え、
   前記水素流量計測装置は、前記酸化剤オフガス流路部（３４）から分岐する酸化剤側分岐流路部（５５）を有し、
   前記酸化剤オフガス流路部には、前記酸化剤オフガス流路部を流れる前記酸化剤オフガスを前記酸化剤側分岐流路部に分流させる酸化剤側分岐部（３４２）が設けられており、
   前記検知用セルは、前記カソード電極側に前記酸化剤側分岐流路部を流れる前記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（５３５）を含んで構成されている請求項３または４に記載の燃料電池システム。
6. 前記検知用セルは、前記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、前記カソード電極側が大気に開放されている請求項３または４に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料側分岐流路部には、前記検知用セルにおける前記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（５６、５７）が設けられている請求項４に記載の燃料電池システム。
8. 前記水素流量計測装置は、複数の前記検知用セル（５３Ａ、５３Ｂ）を有するとともに、前記検知用セルそれぞれに前記燃料オフガスが流れるように、前記検知用セルが互いに前記燃料オフガス流れに対して直列的に接続されており、
   前記流量算出部は、複数の前記検知用セルの前記電流計測部（５４Ａ、５４Ｂ）で計測された電流信号を用いて前記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請求項３ないし７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記検知用セルは、前記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（５８）を介して隣接配置されており、
   前記燃料電池スタックおよび前記検知用セルは、単一の積層体として構成されている請求項３ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給量を調整する供給量調整部（３５２、３５３）と、
    前記供給量調整部を制御する供給量制御部（７３）と、を備え、
    前記供給量制御部は、
    前記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前記燃料ガスの供給量が減少するように前記供給量調整部を制御し、
    前記燃料オフガス流路部を流れる水素のガス流量が前記流量閾値よりも少ない場合に前記燃料ガスの供給量が増加するように前記供給量調整部を制御する請求項３ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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