JP2007035563A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の温度を直接的に検出する温度センサを設けずに、発電停止中においても燃料電池の温度を推定できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池１に供給される燃料ガスの供給量と、当該燃料ガスの供給による燃料ガスの圧力変化量を検出し、検出された燃料ガスの供給量と圧力変化量に基づいて、燃料電池１の温度を推定する燃料電池システム１０である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、水素等の燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させて、電気エネルギを得るものである。前記燃料電池システムは、発電可能な動作温度が定まっており、従来の燃料電池システムとして、燃料電池の温度を検出する温度センサを備え、燃料電池の温度に基づいて、各種制御を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、他の燃料電池システムとして、前記燃料電池の温度の検出を燃料電池の電圧又は電流によって推定する燃料電池システムがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１４３７３６号公報 特開２００３−１７３８０６号公報 特開平１１−２１４０２５号公報 特開２００２−２１６８１２号公報 特開２００１−２３１１０８号公報 特開２００４−３５３９１５号公報

燃料電池システムにおいて燃料電池の温度を検出する温度センサは、燃料電池の温度検出以外の用途がなく、燃料電池システムの省スペース化、低コスト化を図るために、不要とすることが望まれている。これに対して、電圧及び電流によって燃料電池の温度を検出する燃料電池システムは、燃料電池の温度センサが不要であり、省スペース化、低コスト化を図ることができる。しかし、電圧及び電流による燃料電池の温度の推定は、燃料電池の発電中しか行うことができず、起動前等、燃料電池の発電停止中は行うことができない。

本発明は、前記種々の問題に鑑みて為されたものであり、燃料電池の温度を直接的に検出する温度センサを設けずに、発電停止中においても燃料電池の温度を推定できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、前記燃料電池に供給された燃料ガスの供給量を検出するガス供給量検出手段と、前記燃料電池に供給された燃料ガスの圧力変化量を検出するガス圧力検出手段と、前記供給量と前記圧力変化量とに基づいて燃料電池の温度を推定する温度推定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

本発明に係る燃料電池システムは、前記ガス供給量検出手段によって燃料電池に供給された燃料ガスの供給量を検出し、前記ガス圧力検出手段によって燃料電池に供給された燃料ガスの圧力変化量を検出する。温度推定手段は、この圧力変化量と当該圧力変化を生じさせた燃料ガスの供給量に基づいて、気体における圧力と体積と温度の関係から燃料ガスの温度を算出する。燃料ガスは供給された燃料電池と熱交換をしており、燃料ガスの温度は燃料電池の温度が反映されている。よって、燃料ガスの温度に基づいて燃料電池の温度
を推定することができる。

前記燃料ガスの圧力変化量と燃料ガスの供給量に基づく燃料電池の温度の推定について詳細に説明する。燃料電池に供給された燃料ガスは、ガス供給手段から燃料電池を繋ぐ供給ガス通路、燃料電池内、及び燃料電池の電気化学反応において反応せず燃料電池から排出された燃料ガスが通る排出ガス通路からなる燃料ガス系路を通る。

前記燃料ガス系路は、一定容積であり、燃料ガスの供給量が増えると、当該系路内の燃料ガスの圧力が増加する。燃料ガスの圧力増加量は、燃料電池の発電停止中では、供給された燃料ガスは電気化学反応によって消費されないため、燃料ガスの供給量に伴って、燃料ガスの系内における燃料ガスの圧力は増加する。この燃料ガスの供給量と燃料ガスの供給による圧力変化量は一定の関係となる。

また、燃料電池の発電中は、供給された燃料ガスは電気化学反応によって消費されるため、供給された燃料ガスの全てが圧力の増加に反映されない。従って、発電停止中は、燃料ガスの供給量に消費量を加味したガス量と圧力変化量とが一定の関係となる。

燃料ガスの供給による燃料ガスの圧力の増加量は、燃料ガスの温度と燃料電池に供給された燃料ガスの供給量（発電中であれば消費量を加味した値、以下同じ）とを乗じた値に比例する。燃料ガス系路の容積をＶ、燃料ガスの供給量をＱ、供給量Ｑの燃料ガスの供給による燃料ガス系路内での燃料ガスの圧力変化量をΔＰ、燃料ガスの温度をＴとすると、これらの関係は、式１に示す理論式で表すことができる。
Ｔ＝ΔＰ・Ｖ・Ｃ１／Ｑ・・・（式１）
（Ｃ１は係数）

式１より、燃料ガスの温度Ｔは、圧力変化量ΔＰを供給量Ｑで割った値に比例することがわかる。例えば、燃料ガスの温度Ｔ１における燃料ガスの供給量Ｑ１に対する燃料ガスの圧力変化量をΔＰ１とする。燃料ガスの温度Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）において、燃料ガスの供給量Ｑ１（Ｑ１は同値）に対する燃料ガスの圧力変化量ΔＰ２は、ΔＰ１より増加する。供給量Ｑ１が同じでも圧力変化量ΔＰ２はΔＰ１より増加するのは、燃料ガスの温度Ｔ２がＴ１より高いためである。このように燃料ガスの供給量とその供給量の燃料ガスの供給による圧力変化量ΔＰは一定の関係であり、当該関係から燃料ガスの温度を算出することができる。

さらに、燃料電池に供給された燃料ガスは、燃料電池と熱交換され、燃料ガスの温度は燃料電池の温度によって変化する。燃料電池の温度が高ければ、燃料ガスの温度も高くなる。従って、燃料ガスの温度に基づいて燃料電池の温度を推定することができる。燃料電池の温度は、燃料ガスの温度を燃料電池の温度とみなしてもよいし、燃料ガスの温度に所定の補正値を増減した値を燃料電池の温度としてもよく、適宜に設定することができる。

尚、本発明における温度推定は、燃料ガスの供給によって燃料電池の温度が変化しない又は変化が著しく微小であることが条件となるが、一般的に燃料ガスの熱容量は、燃料電池の熱容量に比して、著しく微小であるため、当該条件は満たしているといえる。

以上のように本発明に係る燃料電池システムによれば、発電中のみならず発電停止中においても、燃料電池の温度を推定することができる。また、従来のように燃料電池の温度検出のための温度センサが不要であり、部品点数を少なくして、省スペース化及び低コスト化を図ることが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出
手段を更に備え、前記温度推定手段は、発電量検出手段によって検出された発電量が所定発電量以下の際に、温度を推定することを特徴とすることが望ましい。

本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料ガスの供給量と当該供給量に対する燃料ガスの圧力変化量に基づいて、燃料電池の温度を推定するため、燃料電池に供給された燃料ガスは、全て圧力変化に反映されることが望ましい。しかし、燃料電池の発電中は、供給された燃料ガスは、電気化学反応によって消費され、供給された燃料ガス全てが圧力変化に反映されない。

これに対して、供給された燃料ガスが消費されない状態、すなわち、発電を行っていない（発電停止中）の際は、供給された燃料ガスのほぼ全て圧力変化に反映される。従って、燃料電池の発電停止中に燃料電池の温度推定を行うことにより、温度推定精度を高めることができる。

前記所定発電量とは、燃料ガスがあまり消費されない状態での発電量である。従って、発電量が所定発電量以下では、燃料電池の発電が停止されており燃料ガスが消費されていない、又は発電中であるが燃料ガスの消費が極めて少なく、供給された燃料ガスはほとんど全て圧力変化に反映される状態となる。燃料電池の発電量が所定発電量以下の際に、前記供給量と圧力変化量を算出し、燃料電池の温度推定を行うことにより、温度推定精度を向上させることができる。

尚、燃料電池の発電中における温度推定は、燃料ガスの供給量に燃料電池の発電による燃料ガスの消費量は圧力変化に反映されない。従って、燃料電池の発電中は、発電量等に基づいて燃料ガスの消費量を算出して、当該消費量を加味して温度推定を行うことにより、温度推定精度を向上できる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記ガス供給手段による燃料ガスの供給流量を制御するガス流量制御手段を更に備え、前記ガス流量制御手段は、前記発電量検出手段によって検出された発電量が所定発電量以下の際に、前記燃料ガスの供給流量を所定供給流量以下に制御することを特徴とすることが望ましい。

前記燃料電池の発電中は、燃料電池に供給された燃料ガスは電気化学反応によって消費されるが、発電停止中は、供給された燃料ガスが消費されない。従って、発電停止中は、燃料電池内に燃料ガスが留まり、燃料電池と燃料ガスが熱交換をして、燃料電池と燃料ガスの温度はほぼ同等になる。本発明は、この燃料電池と熱交換した燃料ガスの温度を基に燃料電池の温度を推定する。

また、高圧又は液体でタンク等に貯蔵された燃料ガスは、タンク等から放出される際の吸熱作用により、その温度は低下する。従って、燃料電池に供給される燃料ガスは、燃料電池内、及び燃料電池より下流の燃料ガスより温度が低いことが考えられる。

低温の燃料ガスを多量に燃料電池に供給すると、既に燃料電池内にある燃料ガスの温度が下がり、燃料電池の推定温度に誤差が生じするおそれがある。従って、燃料電池の温度推定を行う燃料電池の発電量が所定発電量以下の際には、前記ガス流量調整手段によって燃料ガスの供給流量を所定流量以下に制御することが望ましい。

前記所定流量とは、燃料ガス系路の容積等によって適宜に定められ、当該流量以下で燃料ガスを供給しても燃料ガスの温度が急激に変化しない流量であり、少なくとも発電中の流量以下であることが望ましい。燃料電池の温度推定を行う際に、燃料ガスの供給流量を所定流量以下に制御することにより、供給された燃料ガスによる既存の燃料ガスの急激な
温度変化を抑制でき、温度推定精度を高めることができる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、前記燃料電池に供給される燃料ガスが通る供給ガス通路と、前記供給ガス通路と連通し、前記燃料電池の電気化学反応において未反応で燃料電池から排出される燃料ガスが通る排出ガス通路と、前記供給ガス通路と前記排出ガス通路のうち少なくともいずれか一方に設けられ、前記温度推定手段により前記燃料電池の温度推定が行われるとき該排出ガス通路の燃料ガスを該供給ガス通路に導くガス循環手段と、を更に備えることが望ましい。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスの温度に基づいて、燃料電池の温度を推定するシステムであり、燃料ガスの温度が燃料電池の温度に反映されていることが条件となる。すなわち、温度を算出する燃料ガスは、燃料電池の温度が反映されていればよく、燃料電池内の燃料ガスはもちろんのこと、燃料電池から排出された燃料ガスでもよい。

また、燃料電池の電気化学反応において未反応の燃料ガスは、一旦燃料電池から排出され、再度燃料電池に供給されて電気化学反応に供される。この排出された燃料ガスは、燃料電池の温度が反映されているが、ガス供給手段から放出され燃料電池に入る前の燃料ガスは燃料電池の温度が反映されておらず、同一の燃料電池システム内において、燃料ガスの温度は異なる。このように燃料ガスの温度が異なることにより、燃料電池の推定温度にバラつきが生じるおそれがある。

従って、互いに連通する燃料電池から排出される燃料ガスが通る排出ガス通路と燃料電池に供給される燃料ガスが通る供給ガス通路とのうち少なくともいずれか一方に、排出ガス通路の燃料ガスを供給ガス通路に導くガス循環手段を設け、燃料電池の温度推定を行うときに、このガス循環手段によって燃料ガス系内の燃料ガスの温度を均一にすることが望ましい。このように燃料ガスの温度を均一化することにより、燃料ガスの温度のバラつきを抑え、温度の推定精度を向上させることができる。

尚、前記ガス循環手段は、排出ガス通路の燃料ガスを供給ガス通路に導き、排出ガス通路と供給ガス通路の燃料ガスの温度を均一化できるものであり、例えば、排出ガス通路に設けられ、排出ガス通路内の燃料ガスを高圧力で吐出するポンプや、供給ガス通路に設けられ、供給ガス通路内の燃料ガスの圧力を低圧力で吸入するポンプが例示できる。

また、本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、前記燃料電池に供給される燃料ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段と、前記ガス供給手段によって供給される燃料ガスの供給流量を検出する流量検出手段と、前記発電量検出手段によって検出された発電量が所定発電量以下であり、かつガス流量検出手段によって検出された流量が所定流量以下の際に、前記燃料電池に供給された燃料ガスの所定時間における圧力を検出するガス圧力検出手段と、前記圧力と燃料ガスの温度に基づいて燃料電池の温度を推定する温度推定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

前記燃料電池システムは、前記燃料電池の発電と燃料ガスの供給が停止された際に、前記燃料電池に供給される燃料ガスの温度と、前記燃料電池に供給された燃料ガスの圧力とを検出し、前記燃料ガスの温度と圧力とに基づいて燃料電池の温度を推定する。

燃料電池の発電が停止され、燃料電池への燃料ガスの供給が停止されると、燃料電池に供給された燃料ガスはクロスリーク（クロスオーバー）現象により、アノード側からカソード側に透過して、燃料ガスの圧力は低下する。この燃料ガスの供給が停止された後の経
過時間とクロスリーク現象による圧力低下量は、燃料ガスの温度によって一定の関係となる。本発明における所定時間とは、燃料ガスの供給が停止された後の一定の経過時間であり、この所定時間における圧力を検出して圧力低下量を算出する。

また、燃料電池の温度が供給される燃料ガスの温度よりも高いと、供給された燃料ガスは燃料電池との熱交換によって温度が上昇して膨張する。供給された燃料ガスは、一定の容積である燃料ガス系路内にあり、膨張によって圧力が高くなる。従って、燃料電池の温度が高い際には、温度上昇による膨張に基づく圧力増加により、燃料ガスの圧力低下量は、クロスリーク現象による一定の圧力低下により、その低下量（低下する幅）が小さくなる。すなわち、燃料電池の温度によって圧力低下量が変化する。

以上のことから、基準値となる圧力低下量と実際の圧力低下量との圧力差ΔＰｄに基づいて、燃料電池の温度を推定することができる。燃料電池の温度Ｔｆ、ガス供給手段の温度Ｔｓ、基準値の圧力変化と実際の圧力変化の圧力差をΔＰｄとすると、これらの関係は、式２に示す理論式で表すことができる。
ΔＰｄ＝Ｃ２（Ｔｆ−Ｔｓ）・・・（式２）
ここで、Ｃ２は、係数であり、燃料電池と燃料ガスの温度差に対する圧力変化量の基準値から予め求められる値である。

本発明は、燃料電池の発電量と、燃料ガスの供給流量を検出し、検出した発電量と供給流量に基づいて、燃料電池が発電停止中であるか否かを判定するとともに、燃料ガスの供給が停止されたか否かを判定する。前記燃料電池の発電が停止され、燃料ガスの供給が停止されたと判定された際に、所定時間における基準値と実測値との圧力差と、その際の燃料ガスの温度と、を検出する。検出した圧力低下量は、燃料ガスの温度変化が反映されており、圧力差と燃料ガスの温度に基づいて、燃料電池の温度を推定することができる。

以上のように本発明に係る燃料電池システムによれば、発電停止中に燃料電池の温度を推定することができる。また、従来のような燃料電池の温度検出のためにのみ用いる燃料電池の温度センサを設けずに、燃料電池の温度を推定することができる。

尚、燃料ガスの温度は、燃料ガスを供給するガス供給手段の温度、又は外気温に反映されており、ガス供給手段の温度又は外気温を燃料ガスの温度とみなすことができる。特に、外気温を検出する温度センサは、燃料電池の他の制御にも利用される温度センサであり、従来より付属であることが多い。すなわち、既存の温度センサを利用してシステムを構成することで、該システムの省スペース化及び低コスト化を図ることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の温度を直接的に検出する温度センサを設けずに発電停止中においても燃料電池の温度を推定することが可能となる。前記燃料電池の温度センサを不要にすることにより、部品点数を少なくし、省スペース化及び低コスト化を図ることが可能となる。

発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１０のシステム構成図である。この燃料電池システム１０は、燃料電池１と、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵しており、燃料電池１に水素ガスを供給するガス供給手段としての高圧水素タンク２と、前記高圧水素タンク２から供給される水素ガスの流量を検出するガス流量検出手段としての流量計３と、燃料電
池１に空気を供給する空気供給装置４と、燃料電池１内の水素ガスの圧力を検出する圧力検出手段としての圧力計７と、燃料電池１から排出される水素ガスを再び燃料電池１に導くためのガス循環手段としてのポンプ５と、電子制御装置（ＥＣＵ）６と、を備えている。

前記燃料電池１は、水素と酸素とを電解質を介して電気化学的に反応させて電気エネルギを得るものである。本実施例１に係る燃料電池１は、燃料電池を電源として走行する電気自動車において多用されている固体高分子電解質型燃料電池である。

前記高圧水素タンク２は、高圧水素が貯蔵されており、水素ガスを燃料電池１に供給する。当該高圧水素タンク２の水素ガスの供給は、前記ＥＣＵ６によって制御されている。また、高圧水素タンク２から放出された水素ガスが通る供給ガス通路２１には、高圧水素タンク２から供給される水素ガスの流量を検出する流量計３が設けられている。流量計３によって検出された流量はＥＣＵ６に入力されるように構成されている。

前記圧力計７は、燃料電池１内の水素ガスの圧力を検出する。前記ＥＣＵ６は、圧力計７によって検出された圧力に基づいて、所定時間の圧力変化量を算出する。高圧水素タンク２から水素ガスが供給されると、燃料電池１内の水素ガスの圧力は増加する。圧力計７は、高圧水素タンク２の水素ガスの供給による燃料電池内の圧力変化を検出する。

前記高圧水素タンク２から供給された水素ガスは、供給ガス通路２１を通って燃料電池１に供給される。燃料電池１に供給された水素ガスは、燃料電池１の電気化学反応にて消費され、消費されなかった水素ガスは、燃料電池１から排出され、排出ガス通路２２を通る。排出ガス通路２２は供給ガス通路２１と連通しており、排出された水素ガスは再び供給ガス通路２１を通って燃料電池１に供給される。

また排出ガス通路２２には、排出ガス通路２２内の水素ガスを供給ガス通路２１に導くためのポンプ５が設けられている。このポンプ５によって、供給ガス通路２１と排出ガス通路２２内を通る水素ガスを混合しつつ循環させることができ、通過する水素ガスの温度を均一化することができる。

前記電子制御装置（ＥＣＵ）６は、流量計３によって検出された水素ガスの供給流量Ｆｈと、前記圧力計７によって検出された水素ガスの圧力値に基づく圧力変化量ΔＰと、燃料電池１の発電量と、が入力されるように構成されている。ＥＣＵ６は、前記供給流量Ｆｈと当該流量での供給時間ｔから水素ガスの積算供給量Ｑｍを算出することができ、本発明におけるガス供給量検出手段の機能を備えている。

またＥＣＵ６は、積算供給量Ｑｍと圧力変化量ΔＰに基づいて、予め設定されたプログラムに従って、前記燃料電池１の温度を推定し、この推定した温度、及び入力された発電量等に基づいて高圧水素タンク２、空気供給装置４等を制御しており、本発明に係るガス流量制御手段と、温度推定手段の機能を備えている。

以下、上記のように構成された燃料電池システム１０における燃料電池１の温度推定について詳細に説明する。図２のフローチャートによる燃料電池１の温度推定は、燃料電池１の起動前において、燃料電池１を暖機運転するか否かを判定するための燃料電池１の温度推定であり、前記ＥＣＵ６によって実行される。尚、燃料電池１の温度推定は、一定間隔で繰り返されるルーチンである。

まず、燃料電池１が発電しているか否かを判定するため燃料電池１の発電量を検出し（Ｓ１０１）、当該発電量が所定発電量以下であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。この所定発電量は、燃料電池１において発電が行われているか否かを判定する基準となる値であり、それ以下であれば発電停止中と判定する。当該温度推定は、前記暖機運転を行うか否かを判定するための温度推定であり、発電中であれば温度推定は行わず処理を終える。

また、Ｓ１０１は発電量に基づいて燃料電池が発電中であるか否かを判定したが、本発明は、燃料電池１が発電中であるか否かを判定できればよく、この構成に限られず、例えば、発電量によらずに燃料ガス及び酸化ガスの消費量から発電中であるか否かを判定してもよい。

そして、Ｓ１０２で燃料電池１が発電中であると判定した場合には、検出した発電量に基づいて、水素ガスの供給流量Ｆｈを調整する（Ｓ１０３）。この供給流量Ｆｈの調整は、発電中における供給流量未満であって、燃料電池１内の水素ガスの温度が急激に変化しない流量とする。多量の水素ガスを供給することによる燃料電池内の水素ガスの急激な温度変化を抑制し、燃料電池の温度推定精度を向上させるためである。

次いで、水素ガスの温度を算出するため、水素ガスの積算供給量Ｑｍと当該積算供給量Ｑｍの水素ガスの供給による水素ガス系路内の水素ガスの圧力変化量ΔＰを検出する。まず、高圧水素タンク２から予め調整した供給流量Ｆｈで水素ガスの供給を開始する（Ｓ１０４）。また、水素ガスの供給と同時に、水素ガス系路内での水素ガスの圧力値を検出する（Ｓ１０５）。本実施例１では、流量計３より下流の供給ガス通路２１と、燃料電池内と、排出ガス通路２２における燃料ガスの通路を燃料ガス系路として、その容積をＶとした。

Ｓ１０４の水素ガスの供給開始から所定時間ｔ経過後、水素ガスの供給を停止するとともに（Ｓ１０６）、水素ガス系路内での水素ガスの圧力値を再び検出する（Ｓ１０７）。このステップ１０７で検出される圧力値は、水素ガスの供給後の圧力値であり、供給開始時の圧力値と比較することで、水素供給による圧力変化量ΔＰを算出できる。

前記ＥＣＵ６は、水素ガスの供給流量Ｆｈと水素ガスの供給時間（所定時間）ｔから水素ガスの積算供給量Ｑｍを算出し、前記圧力計７によって検出された水素ガスの供給前と供給後の圧力値から圧力変化量ΔＰを算出する（Ｓ１０８）。このように算出された積算供給量Ｑｍと圧力変化量ΔＰ、及び水素ガス系路の容積Ｖから式３に基づいて、水素ガスの温度Ｔｈを算出する（Ｓ１０９）。
Ｔｈ＝ΔＰ・Ｖ・Ｃ１／Ｑｍ・・・（式３）
ここで、Ｃ１は係数であり、燃料電池の種類等に応じて適宜に設定することが好ましい。

式３で算出される水素ガスの温度は、燃料電池１と熱交換され、燃料電池の温度をとほぼ同等と推定することができる。本実施例１では、算出された水素ガスの温度を燃料電池１の温度とした。よって、燃料電池の温度推定処理を終了して、燃料電池１の温度に基づいて、燃料電池１を暖機運転するか否かを判定して、発電処理を開始する。

以上のように実施例１に係る燃料電池の温度推定は、水素ガスの供給量と水素ガスの圧力変化量とに基づいて、燃料電池の温度を推定することができる。従って、既存の燃料電池の温度を直接的に検出する温度センサが不要となる。よって、部品点数を減らし、システムの省スペース化、低コスト化を図ることができる。

尚、実施例１では、燃料電池の起動に際する暖機運転の制御において燃料電池の温度推定を行ったため、発電停止中のみ温度推定を行ったが、他の制御に利用する場合には、発電中の温度推定にも適用できることは勿論である。実施例１は、発電停止中において水素
ガスを供給したため、供給された水素ガスは電気化学反応によって消費されない。従って、供給された水素ガスの全てが圧力変化に反映されることとした。しかし、燃料電池の発電中際は、供給した水素ガスは電気化学反応によって消費されるため、供給された水素ガスの全てが圧力変化に反映されない。従って、燃料電池の発電中は、水素ガスの消費量も考慮して積算供給量と圧力変化量から燃料ガスの温度を導くことにより、温度推定精度を向上させることができる。

実施例２に係る燃料電池システム２０は、実施例１に係る燃料電池システム１０が起動前に燃料電池の温度推定を行っていたのに対して、燃料電池１の発電停止後に燃料電池１の温度推定を行うものである。図３は、実施例２に係る燃料電池システム２０のシステム構成図である。実施例１に係る燃料電池システム１０と同様の構成については、同符号を用いて説明を省略する。

実施例２に係る燃料電池システム２０は、実施例１に係る燃料電池システム１０と同様に、燃料電池１、高圧水素タンク２、流量計３、空気供給装置４、ポンプ５、ＥＣＵ６、圧力計７を備えている。また、前記燃料電池システム１０と異なり、外気温度を検出する温度センサ８を更に備えている。

前記温度センサ８は、外気の温度を検出するセンサであり、検出された温度はＥＣＵ６に入力されるように構成されている。燃料電池システム２０は、温度センサ８によって検出される外気温度を供給する燃料ガスの温度とみなし、当該外気温度と発電停止後における基準値と実測値の圧力差ΔＰｄとから燃料電池１の温度を推定する。

燃料電池１の発電中は、燃料電池１に水素ガスが供給されるが、供給される水素ガスは消費され、水素ガスの圧力は変化する。また、燃料電池１の発電停止中は、水素ガスが消費されず、水素ガスの供給が停止されると、水素ガスの圧力は安定する。しかし、燃料電池の発電及び水素ガスの供給の停止中はクロスリーク現象により、水素ガスの圧力が時間の経過に伴い僅かに低下する。この水素ガスの供給停止からの経過時間ｔと水素ガスの圧力Ｐとの関係を図４に示す。図示する点線は基準値であり、経過時間ｔ１における圧力値をＰ１とする。

また、水素ガスの温度が燃料電池１の温度に比べて低い場合には、燃料電池１に供給された水素ガスは燃料電池１との熱交換により、温度が上昇して膨張する。水素ガス系路内の容積Ｖは一定であるため、水素ガスが膨張することにより、水素ガスの圧力は高くなる。従って、燃料電池の温度が水素ガスの温度より高い際の圧力値Ｐ２は、時間の経過に伴って圧力が低下しても、温度上昇により圧力が高められるため、基準値における圧力値Ｐ１より圧力値Ｐ２は高くなる。この水素ガスの温度が燃料電池１の温度に比べて低い場合における水素供給停止からの経過時間ｔと水素ガスの圧力Ｐとの関係は、図４の実線である。

圧力値Ｐ１と圧力値Ｐ２の圧力差をΔＰｄとして、その際の燃料電池の温度Ｔｆ、水素ガスの温度Ｔｈとの関係は、式４のように表すことができる。
ΔＰｄ＝Ｃ２（Ｔｆ−Ｔｈ）・・・（式４）
ここでＣ２は、燃料電池１の温度Ｔｆと水素ガスの温度Ｔｈの温度差と、当該温度差における圧力差ΔＰｄとを関係付ける値であり、燃料電池の種類より予め求められる。

また、実施例２では、水素ガスの温度Ｔｈは、高圧水素タンク２の温度及び外気温度と同視できるため、温度センサ８によって検出される外気温度を水素ガスの温度Ｔｈをとみなして、燃料電池１の温度を算出する。

次いで、燃料電池システム２０における燃料電池１の温度推定を図４に示すフローチャートに基づいて説明する。図５のフローチャートによる燃料電池１の温度推定は、燃料電池の発電停止後における燃料電池１の温度推定であり、前記ＥＣＵ６によって実行される。尚、燃料電池１の温度推定は、一定間隔で繰り返されるルーチンである。

まず、燃料電池１が発電しているか否かを判定するため燃料電池の発電量を検出し（Ｓ２０１）、当該発電量が所定発電量以下であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。この所定発電量は、燃料電池１において発電が行われているか否かを判定する基準となる値であり、それ以下であれば発電停止中と判定する。当該実施例２は、燃料電池の発電停止後の温度推定であり、発電中であれば温度推定は行わず、処理を終了する。

Ｓ２０２で燃料電池１が発電停止中と判定された場合には、前記流量計３によって水素ガスの供給流量Ｆｈを検出し（Ｓ２０３）、当該供給流量Ｆｈが所定流量以下であるか判定する（Ｓ２０４）。この所定流量は、燃料電池１に水素ガスが供給されているか否かを判定する基準となる値であり、それ以下であれば水素ガスの供給が停止されたと判定する。供給流量Ｆｈが所定流量より大きい場合には、供給流量が所定流量以下で水素ガスの供給が停止されたと判定されるのを待つ。

水素ガスの供給が停止されたと判定したら、供給停止から所定時間ｔ１経過後、圧力計７によって燃料電池１に供給された水素ガスの圧力Ｐ２を検出して、基準値Ｐ１と比較して、圧力差ΔＰｄを算出する（Ｓ２０５）。さらに、外気温センサ８によって外気温度Ｔｏを検出する（Ｓ２０６）。本実施例２では、この外気温度Ｔｏを水素ガスの温度Ｔｈとみなす。次いで、式４に基づいて、圧力差ΔＰｄと外気温度Ｔｏから燃料電池１の温度を算出する（Ｓ２０７）。

以上のように、実施例２に係る燃料電池システム２０によれば、燃料電池１の発電停止後における基準値との圧力差ΔＰｄと外気温度Ｔｏに基づいて、燃料電池１の温度を推定できる。

尚、実施例２に係る燃料電池１の温度推定は、燃料電池１の温度が供給する水素ガスの温度より高い場合に好適に用いることができる。実施例２の温度推定は、発電停止後の水素ガスの圧力差ΔＰｄによって燃料電池１の温度を推定している。燃料電池１の温度が水素ガスより低い場合には、圧力差ΔＰｄが基準値より大きくなり、水素ガス漏れと区別がし難いためである。

実施例１に係る燃料電池システム１０の構成図である。 実施例１に係る燃料電池システム１０における処理を示すフローチャートである。 実施例２に係る燃料電池システム２０の構成図である。 実施例２における水素ガス供給停止後の経過時間ｔと水素ガスの圧力Ｐとの関係を示す図である。 実施例２に係る燃料電池システム２０における処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
２ 高圧水素タンク
３ 流量計
４ 空気供給装置
５ ポンプ
６ 電子制御装置（ＥＣＵ）
７ 圧力計
８ 温度センサ
１０、２０ 燃料電池システム
２１ 供給ガス通路
２２ 排出ガス通路

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   前記燃料電池に供給された燃料ガスの供給量を検出するガス供給量検出手段と、
   前記燃料電池に供給された燃料ガスの圧力変化量を検出するガス圧力検出手段と、
   前記供給量と前記圧力変化量とに基づいて燃料電池の温度を推定する温度推定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段を更に備え、
   前記温度推定手段は、前記発電量検出手段によって検出された発電量が所定発電量以下の際に燃料電池の温度を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス供給手段の燃料ガスの供給流量を制御するガス流量制御手段を更に備え、
   前記ガス流量制御手段は、前記発電量検出手段によって検出された発電量が前記所定発電量以下の際に、前記燃料ガスの供給流量を所定流量以下に制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池に供給される燃料ガスが通る供給ガス通路と、
   前記供給ガス通路に連通し、前記燃料電池の電気化学反応において未反応で燃料電池から排出される燃料ガスが通る排出ガス通路と、
   前記供給ガス通路と前記排出ガス通路のうち少なくともいずれか一方に設けられ、前記温度推定手段により前記燃料電池の温度推定が行われるとき該排出ガス通路の燃料ガスを該供給ガス通路に導くガス循環手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給するガス供給手段と、
   前記燃料電池に供給される燃料ガスの温度を検出する温度検出手段と、
   前記燃料電池の発電量を検出する発電量検出手段と、
   前記ガス供給手段による燃料ガスの供給流量を検出するガス流量検出手段と、
   前記発電量検出手段によって検出された発電量が所定発電量以下であり、かつガス流量検出手段によって検出された流量が所定流量以下の際に、前記燃料電池に供給された燃料ガスの所定時間における圧力を検出するガス圧力検出手段と、
   前記圧力と燃料ガスの温度に基づいて燃料電池の温度を推定する温度推定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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