(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機プロトン導電体から成る電解質層と、前記電解質層に接合される水素透過性金属層とを有し電力を出力する燃料電池を制御する燃料電池制御装置であって、
前記燃料電池の温度を実測する温度計測部と、
前記温度計測部の異常を検知する異常検知部と、
前記燃料電池の温度を推定する温度推定装置と、
所定の冷媒を前記燃料電池に供給することによって前記燃料電池を冷却する冷却部と、
水素を含まないパージガスを前記燃料電池に供給するパージガス供給部と、を備え、
前記温度推定装置は、
前記燃料電池へ供給される反応ガスの流量である反応ガス流量を計測するための反応ガス流量計測部と、
前記燃料電池が出力する出力電力を計測するための電力計測部と、
前記反応ガス流量と前記出力電力とに応じて、前記燃料電池の温度を推定する温度推定部と、を備え、
前記燃料電池制御装置は、
前記燃料電池が電力を出力している際において、前記燃料電池の温度が所定の閾値より低下すると、前記燃料電池への前記反応ガスと前記所定の冷媒の供給を停止し、前記パージガス供給部から前記燃料電池にパージガスを供給する、非常停止モードとし、
前記冷却部から供給される前記所定の冷媒の供給量の調整と、前記非常停止モードへの移行とを、前記異常を検知する前には前記実測された温度に基づいて行い、前記異常を検知した後には前記推定された温度に基づいて行う、燃料電池制御装置。
【請求項２】
電力を出力する燃料電池システムであって、
無機プロトン導電体から成る電解質層と、前記電解質層に接合される水素透過性金属層とを有する燃料電池と、
前記燃料電池を制御する燃料電池制御装置と、を備え、
前記燃料電池制御装置は、
前記燃料電池の温度を実測する温度計測部と、
前記温度計測部の異常を検知する異常検知部と、
前記燃料電池の温度を推定する温度推定装置と、
所定の冷媒を前記燃料電池に供給することによって前記燃料電池を冷却する冷却部と、
水素を含まないパージガスを前記燃料電池に供給するパージガス供給部と、を備え、
前記温度推定装置は、
前記燃料電池へ供給される反応ガスの流量である反応ガス流量を計測するための反応ガス流量計測部と、
前記燃料電池が出力する出力電力を計測するための電力計測部と、
前記反応ガス流量と前記出力電力とに応じて、前記燃料電池の温度を推定する温度推定部と、を備え、
前記燃料電池制御装置は、
前記燃料電池が電力を出力している際において、前記燃料電池の温度が所定の閾値より低下すると、前記燃料電池への前記反応ガスと前記所定の冷媒の供給を停止し、前記パージガス供給部から前記燃料電池にパージガスを供給する、非常停止モードとし、
前記冷却部から供給される前記所定の冷媒の供給量の調整と、前記非常停止モードへの移行とを、前記異常を検知する前には前記実測された温度に基づいて行い、前記異常を検知した後には前記推定された温度に基づいて行う、燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池の制御方法であって、
無機プロトン導電体から成る電解質層と、前記電解質層に接合される水素透過性金属層と、を備える燃料電池の温度を、温度計測部により実測する工程と、
前記温度計測部の異常を検知する工程と、
前記燃料電池の温度を推定する工程と、
所定の冷媒を前記燃料電池に供給することによって前記燃料電池を冷却する工程と、を備え、
前記温度を推定する工程は、
前記燃料電池へ供給される反応ガスの流量である反応ガス流量を計測する工程と、
前記燃料電池が出力する出力電力を計測する工程と、
前記反応ガス流量と前記出力電力とに応じて、前記燃料電池の温度を推定する工程と、を備え、
前記制御方法は、
前記燃料電池が電力を出力している際において、前記燃料電池の温度が所定の閾値より低下すると、前記燃料電池への前記反応ガスと前記所定の冷媒の供給を停止し、水素を含まないパージガスを前記燃料電池に供給する、非常停止モードとする工程を含み、
前記冷却部から供給される前記所定の冷媒の供給量の調整と、前記非常停止モードへの移行とを、前記異常を検知する前には前記実測された温度に基づいて行い、前記異常を検知した後には前記推定された温度に基づいて行う方法である、燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素透過膜型燃料電池の温度を管理する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、特許文献１に開示されているように燃料電池の温度制御を行う燃料電池システムが知られている。また、燃料電池システムには、水素透過性金属層を燃料電池セルの電解質層に備えるものがある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４３３９５号公報
【特許文献２】特開２００１−１１８５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、水素透過性金属は低温で水素に接すると水素を吸収して水素脆化を生じる性質を有するので、上記のような構成においては発電中に燃料電池セルの温度が不意に低下しないことが厳しく要求されることになる。さらに、燃料電池セルの劣化と運転効率の低下とを抑制するためには、燃料電池が所定の温度に安定させて運転されることも望まれる。このように、水素透過性金属層を電解質層に備える燃料電池においては、高い信頼性で燃料電池の温度管理を行わなければならないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、高い信頼性で燃料電池の温度を計測する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、電力を出力する燃料電池の温度を推定する温度推定装置であって、
前記燃料電池は、無機プロトン導電体から成る電解質層と、前記電解質層に接合される水素透過性金属層とを備え、
前記温度推定装置は、
前記燃料電池へ供給される反応ガスの流量である反応ガス流量を計測するための反応ガス流量計測部と、
前記燃料電池が出力する出力電力を計測するための電力計測部と、
前記反応ガス流量と前記出力電力とに応じて、前記燃料電池の温度を推定する温度推定部と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明の温度推定装置によれば、反応ガス流量と出力電力とに応じて、燃料電池の温度を推定することができるので、たとえば燃料電池の温度を実測するセンサー故障の際においても燃料電池の温度を推定することができる。これにより、高い信頼性で燃料電池の温度を計測することができることになる。
【０００８】
ここで、「温度推定」は、所定の温度（たとえば燃料電池の適正温度）よりも高いか低いかといった温度に関する状態推定をも含む広い意味を有する。また、温度推定の方法は、反応ガス流量、出力電力、および温度との関係を表すマップを使用するようにしても良いし、オブザーバやカルマンフィルタといった状態推定器を用いるようにしても良い。このような推定を可能とする性質を有する無機プロトン導電体としては、たとえばＢａＣｅＯ3やＳｒＺｒＯ3、バイロクロア、ＣｓＨＳＯ4、ＣｓＨ2ＰＯ4といった導電体がある。
【０００９】
本発明の燃料電池制御装置は、上記の温度推定装置と、
前記推定された温度に応じて前記燃料電池の温度を調整する温度調整部と、
を備えることを特徴とする。こうすれば、たとえば燃料電池の温度を実測するセンサーの故障の際においても燃料電池の温度を調整することができる。
【００１０】
上記燃料電池制御装置において、前記温度調整部は、所定の冷媒を前記燃料電池に供給することによって前記燃料電池をを冷却する冷却部を備え、
前記燃料電池制御装置は、前記推定された温度に応じて、前記冷却部から供給される前記所定の冷媒の供給量を調整するようにしても良い。こうすれば、高い信頼性で燃料電池の温度調整を行うことができる。
【００１１】
上記燃料電池制御装置において、前記燃料電池制御装置は、前記燃料電池が電力を出力している際において、前記推定された温度が所定の閾値より低下すると、前記燃料電池への前記反応ガスと前記所定の冷媒の供給が停止される非常停止モードとするようにしても良い。こうすれば、燃料電池の運転時における異常な温度低下による水素透過性金属層の水素脆化を抑制することができる。
【００１２】
上記燃料電池制御装置において、さらに、
前記燃料電池に水素を含まないパージガスを供給するパージガス供給部を備え、
前記非常停止モードは、さらに、前記パージガス供給部から前記燃料電池にパージガスを供給する工程を含む作動モードであるようにしても良い。こうすれば、燃料電池内の流路から水素ガスを排出することができるので、燃料電池システムの停止後における水素透過性金属層の水素脆化を抑制することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムは、
無機プロトン導電体から成る電解質層と、前記電解質層に接合される水素透過性金属層とを有する燃料電池と、
上記温度推定装置と、
前記推定された温度に応じて前記燃料電池の温度を調整する温度調整部と、
を備えることを特徴とする。
【００１４】
上記燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の温度を実測する温度計測部と、
前記温度計測部の異常を検知する異常検知部と、
を備え、
前記温度調整部は、前記異常を検知する前には前記実測された温度に応じて前記温度調整を行い、前記異常を検知した後には前記推定された温度に応じて前記温度調整を行うようにしても良い。
【００１５】
なお、本発明は、燃料電池の温度推定方法、燃料電池システムの制御方法、この燃料電池システムを搭載した移動体などの装置その他の種々の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
Ｂ．本発明の第１実施例における燃料電池システムの制御：
Ｃ．本発明の第２実施例における燃料電池システムの制御：
Ｄ．本発明の第３実施例における燃料電池システムの制御：
Ｅ．変形例：
【００１７】
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムを備える電気自動車の概略構成図である。電気自動車１００は、電源システム２０と、負荷部３０と、制御部５０とを備えている。電源システム２０は、電気自動車１００の動力源としての電力を供給する。負荷部３０は、供給された電力を電気自動車１００を駆動するための機械的動力に変換する。制御部５０は、電源システム２０と負荷部３０とを制御する。
【００１８】
電源システム２０は、燃料電池システム２００と、２次電池２６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６４と、燃料電池システム２００の出力電圧と出力電流とを計測するための電圧計６９と電流計６７と、２次電池２６の残存量を計測するための残存容量モニタ２８と、を備えている。
【００１９】
負荷部３０は、駆動回路３６と、モータ３１と、ギヤ機構３２と、車輪３４とを備えている。駆動回路３６は、モータ３１を駆動するための回路であり、たとえばトランジスタインバータで構成されている。モータ３１で発生した動力は、ギヤ機構３２を介して車輪３４に伝達される。
【００２０】
制御部５０は、燃料電池システム２００と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６４と、駆動回路３６とに電気的に接続されており、これらの回路の制御を含む各種の制御を実行する。制御部５０の各種の制御動作は、制御部５０に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御部５０が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００２１】
図２は、本発明の一実施例としての燃料電池システム２００の構成を示す説明図である。燃料電池システム２００は、燃料電池スタック２１０と、燃料電池スタック２１０に燃料を供給する改質器２３０と、燃料電池スタック２１０から排出されるアノードオフガスを浄化する浄化器２３４と、燃料電池スタック２１０を冷却するための熱交換機２６０と、を備えている。
【００２２】
燃料電池スタック２１０は、アノード流路２１２と、カソード流路２１４と、冷却水流路２２２と、電力出力端子２１６、２１８とを備えている。アノード流路２１２は、発電時において改質器２３０で生成された燃料ガスが供給される流路である。カソード流路２１４は、発電時において外部から供給される空気が酸化ガスとして供給される流路である。冷却水流路２２２は、熱交換機２６０で空気冷却された冷却水が導入される流路である。
【００２３】
燃料電池システム２００は、さらに、空気供給ポンプ２８４と、パージガス供給ポンプ３００と、燃料電池加熱用バルブ２９２と、燃料ガス供給バルブ２９０と、温度センサ２８６と、燃料ガス流量計２８９ｆと、空気流量計２８９ａとを備えている。空気供給ポンプ２８４は、カソード流路２１４に空気を供給するためのポンプである。パージガス供給ポンプ３００は、アノード流路２１２から水素ガスをパージ（排出）するために空気をアノード流路２１２に供給するためのポンプである。
【００２４】
燃料電池加熱用バルブ２９２は、燃料電池スタック２１０を加熱するために燃料ガスをカソード流路２１４に供給するためのバルブである。燃料電池加熱用バルブ２９２が開かれると、カソード流路２１４に空気供給ポンプ２８４から供給された空気とともに燃料ガスが導入される。導入された燃料ガスと空気は、カソード流路２１４内に備えられた図示しない触媒によって触媒燃焼を引き起こし、燃料電池スタック２１０を加熱する。この加熱は、たとえば電源システム２０の起動時において実行されて、燃料電池スタック２１０を発電可能な温度まで上昇させる。加熱が完了すると、燃料電池加熱用バルブ２９２は、閉じられる。加熱の完了は、燃料電池スタック２１０に装備された温度センサ２８６によって検知される。
【００２５】
燃料ガス供給バルブ２９０は、アノード流路２１２への燃料ガスの供給を調整するための調整バルブである。燃料ガス供給バルブ２９０は、上記の加熱が完了して、燃料電池スタック２１０が発電可能となった時点で開かれる。さらに、空気供給ポンプ２８４によるこれにより、燃料電池スタック２１０において発電が開始される。
【００２６】
発電量は、本実施例では、燃料ガス、空気、および冷却水の各流量を調整することによっての制御される。燃料ガスと空気の流量は、それぞれ燃料ガス流量計２８９ｆと空気流量計２８９ａとによって計測される。発電量の制御方法の詳細については後述する。発電の停止処理は、燃料ガス供給バルブ２９０を閉じることによって開始される。
【００２７】
パージガス供給ポンプ３００は、燃料電池スタック２１０による発電停止後に作動を開始し、アノード流路２１２から水素を含む燃料ガスをパージする。水素を含む燃料ガスをパージするのは、後述する水素透過膜の水素脆化を抑制するためである。
【００２８】
図３は、本発明の一実施例としての燃料電池を構成する燃料電池セル２１０ｃの構造の概略を表わす断面模式図である。燃料電池セル２１０ｃは、水素透過性金属層２２と電解質層２１とから成る電解質部２３と、電解質層２１上に形成される触媒層２４と、触媒層２４上に配設されるカソード電極２５と、これらの構造をさらに外側から挟持する二つのガスセパレータ２７、２９とを備えている。
【００２９】
アノード流路２１２（図２）は、ガスセパレータ２７と水素透過性金属層２２との間にその一部が形成されている。カソード流路２１４は、ガスセパレータ２９とカソード電極２５との間にその一部が形成されている。冷却水流路２２２は、二つのガスセパレータ２７、２９の外側に形成されている。
【００３０】
水素透過性金属層２２は、水素透過性を有する金属によって形成される層である。この層は、たとえば、パラジウム（Ｐｄ）やパラジウム合金により形成することができる。あるいは、バナジウム（Ｖ）その他の５族金属（Ｖの他、ニオブ、タンタル等）や５族金属の合金を基材として、少なくともその一方の面（アノード流路２１２側の面）にＰｄやＰｄ合金層を形成した多層膜とすることができる。
【００３１】
電解質層２１は、無機プロトン伝導体から成る固体電解質である。電解質層２１を構成する固体電解質としては、たとえばＢａＣｅＯ3やＳｒＺｒＯ3、バイロクロア、ＣｓＨＳＯ4、ＣｓＨ2ＰＯ4といった導電体を使用することができる。電解質層２１の形成は、水素透過性金属層２２上に、上記固体酸化物を生成させることによって実現することができる。具体的な形成方法としては、たとえば、物理蒸着（ＰＶＤ）や化学蒸着（ＣＶＤ）といった種々の手法を用いることができる。
【００３２】
このように、水素透過性金属層２２上に電解質層２１を薄膜化しているのは、電解質層２１の膜抵抗をより低減させるためである。これにより、本実施例の構成では、従来の固体電解質型燃料電池の運転温度よりも低い温度である約２００〜６００℃程度で燃料電池を運転することが可能となっている。
【００３３】
触媒層２４は、カソードで進行する電気化学反応を促進するために設けられた層である。この層は、白金（Ｐｔ）その他の貴金属を備える層として形成されている。カソード電極２５は、ＢａＰｒＣｏＯ3やＢａＰｒＭｎＯ3、ＬａＳｒＭｎＯ3といった多孔質の発泡金属その他のガス透過性を有する導電性部材によって形成されるガス拡散電極である。二つのガスセパレータ２７、２９は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガスを透過しない部材である。
【００３４】
Ｂ．本発明の第１実施例における燃料電池システムの制御：
図４は、本発明の第１実施例における電源システム制御系のブロックダイアグラムである。この制御系は、制御部５０が電源システム２０を制御して燃料電池スタック２１０の温度を所定の目標値に安定させることを制御の目的としている。この目的は、冷却水の流量を操作量として調整することによって達成されるように構成されている。制御部５０は、燃料電池温度推定部１５と、冷却水流量司令部１４とを備えている。燃料電池温度推定部１５は、温度センサ２８６の故障時において作動するように電源システム制御系は構成されている。
【００３５】
燃料電池温度推定部１５は、電源システム２０から与えられる計測値に基づいて燃料電池スタック２１０（図２）の内部温度を推定する。冷却水流量司令部１４は、推定された内部温度に応じて冷却水流路２２２における冷却水の流量の指令値を決定する。熱交換機２６０は、決定された指令値に応じて冷却水の供給量を調整する。これにより、燃料電池スタック２１０の内部温度は、温度センサ２８６の故障時においても所定の範囲内に維持されることになる。
【００３６】
燃料電池温度推定部１５は、反応ガス流量と、燃料電池システム２００の出力電力とに基づいて燃料電池スタック２１０の内部温度を推定することができる。このような推定が可能なのは、前述の無機プロトン伝導体から成る固体電解質を備える燃料電池スタック２１０が、出力電圧が一定の場合において反応ガス流量と燃料電池スタック２１０の内部温度とによって出力電力がほぼ一義的に決定される確定系であることが発明者によって見いだされたからである。具体的には、前述の無機プロトン伝導体は、高温になるほどのプロトン導電性が高くなって燃料電池の出力が上昇し、逆に、低温になるほどプロトン導電性が低くなって燃料電池の出力が下降するという性質を有するからである。
【００３７】
燃料電池温度推定部１５は、燃料電池スタック２１０の出力電圧毎に温度推定マップ１５Ｍを備えている。温度推定マップ１５Ｍとは、燃料電池スタック２１０が所定の温度（目標値）で安定して作動しているときの反応ガス流量と出力電力の関係を表す複数のマップを備えている。なお、本実施例では、複数のマップは出力電圧毎に準備されているので、各マップは、実質的には反応ガス流量と出力電流の関係を表していることになる。
【００３８】
図５は、本発明の第１実施例における温度推定マップ１５Ｍに含まれたマップの内容を示す説明図である。特性曲線Ｃｒｖは、ある出力電圧において、燃料電池スタック２１０の内部温度が所定の目標値で安定しているときの反応ガス流量と出力電力の関係を示す説明図である。二つの点Ｐ１、Ｐ２は、燃料ガス流量計２８９ｆ、空気流量計２８９ａ、電圧計６９、および電流計６７の実測値に基づいてプロットした点である。
【００３９】
燃料ガスと空気の流量は、それぞれ燃料ガス流量計２８９ｆ（図２）と空気流量計２８９ａとによって実測することができる。本実施例では、反応ガス流量は、燃料ガスと空気とが一定の比率で供給されていると仮定しているので双方の流量の和としている。一方、出力電力は、電圧計６９の出力値（図１）と電流計６７の出力値とによって算出することができる。
【００４０】
電源システム２０は、本実施例では、駆動回路３６の要求電力の変動に対しては主として２次電池２６の出力電力を変動させることによって対応し、燃料電池システム２００の出力は２次電池２６を適切な充電状態をするために緩やかに変動させるように構成されている。この結果、電源システム２０は、燃料電池システム２００の出力が急激に変動しないように構成されていることになる。
【００４１】
一方、燃料電池システム２００の出力調整は、本実施例では、電源システム２０の出力電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ６４によって操作することによって実現されている。このように、本実施例では、燃料電池システム２００の出力電圧と反応ガスの流量が急激に変動しないように構成されているので、燃料電池システム２００が安定して作動しているときの反応ガス流量と出力電力の関係を表すマップを用いて燃料電池スタック２１０の内部温度を推定することができることが分かる。
【００４２】
図６は、本発明の第１実施例における電源システム制御処理の内容を示すフローチャートである。この制御は、燃料電池スタック２１０の内部温度を所定の目標値に近づけることを目的とする。この制御処理は、たとえば温度センサ２８６の故障時において実測値が点Ｐ１（図５）の位置にある場合には以下のように実行される。
【００４３】
ステップＳ１００では、制御部５０は、温度センサ２８６の故障を検知する。この制御処理は、温度センサ２８６の故障検知によって起動される。故障が検知される前は、制御部５０は、温度センサ２８６によって燃料電池スタック２１０の内部温度を実測するとともに、この実測値に応じて燃料電池スタック２１０の温度制御を実行する。故障検知は、たとえば温度センサ２８６の断線その他の理由による出力値の異常に基づいて検知される。
【００４４】
ステップＳ２００では、燃料電池温度推定部１５は、電圧計６９（図１）の出力値に応じて温度推定マップ１５Ｍの中から１つのマップを選択する。このマップには、燃料電池システム２００の出力が電圧計６９の出力値の状態にあるときの特性曲線Ｃｒｖが表されている。この特性は、前述のように燃料電池スタック２１０の内部温度が所定の目標値であるときの反応ガスの流量と燃料電池システム２００の出力電力の間の関係を表している。
【００４５】
ステップＳ３００では、燃料電池温度推定部１５は、点Ｐ１の出力電力（実測値）と特性曲線Ｃｒｖ上の出力電力との間の差である出力偏差ｄ１を算出する。出力偏差ｄ１は、燃料電池スタック２１０の内部温度の所定の目標値からの温度偏差と正の相関関係を有する。出力偏差差ｄ１は、燃料電池スタック２１０の内部温度が所定の目標値に対して温度偏差を有することに起因して発生するものだからである。出力偏差差ｄ１は、燃料電池温度推定部１５から冷却水流量司令部１４に送られる（図４）。ここで、点Ｐ１の出力電力（実測値）は、電圧計６９（図１）の実測値と電流計６７の実測値に基づいて算出される。
【００４６】
ステップＳ４００では、冷却水流量司令部１４は、出力偏差ｄ１に基づいて冷却水流量を決定する。たとえば実測値が点Ｐ１である場合には、燃料電池スタック２１０の内部温度が所定の目標値よりも高いことが推定されるので冷却水流量が増加させられる。一方、実測値が点Ｐ２である場合には、燃料電池スタック２１０の内部温度が所定の目標値よりも低いことが推定されるので冷却水流量が削減される。このような処理を一定時間毎に実行して冷却水流量を調整すれば、燃料電池スタック２１０の内部温度を所定の目標値に近づけるように制御することができることが分かる。
【００４７】
このように、本実施例では、温度センサ２８６の故障時において、燃料電池スタック２１０の内部温度の所定の目標値からの温度偏差と正の相関関係を有する出力偏差ｄ１に応じて冷却水流量が調整されるので、燃料電池スタック２１０の内部温度を所定の目標値に近づけるように制御することができることが分かる。このようなフェイルセーフシステムの構成によって、燃料電池の温度管理における高い信頼性を簡易に実現することができる。
【００４８】
なお、本実施例では、燃料電池システム２００の出力電力と反応ガスの流量の変動が十分に小さいことを前提としているが、変動が大きな場合においては温度の推定のために所定の時間だけ出力電圧と反応ガスの流量を一定とする作動モードを設けるように構成すれば対応可能である。
【００４９】
Ｃ．本発明の第２実施例における燃料電池システムの制御：
図７は、本発明の第２実施例における電源システム制御処理の内容を示すフローチャートである。この制御処理は、燃料電池スタック２１０の内部温度が過度に低下した場合に、燃料電池システム２００を非常停止するための処理（ステップＳ２１０〜ステップＳ２４０）を含む点で第１実施例の処理と異なる。このような内部温度の過度の低下に応じて燃料電池システム２００を非常停止するのは、水素透過性金属層２２の水素脆化を抑制するためである。
【００５０】
ステップＳ２１０では、冷却水流量司令部１４は、出力偏差が所定の閾値（負の値）よりも小さいか否かを決定する。所定の閾値は、燃料電池スタック２１０の内部温度が水素透過性金属層２２が水素脆化を起こす温度領域の近傍に近づいているか否かを決定できるように設定された値である。
【００５１】
ステップＳ２２０では、冷却水流量司令部１４は、冷却水の流量をゼロに設定する。これにより、燃料電池スタック２１０への冷却水の供給が停止されるので、燃料電池スタック２１０の内部温度のさらなる低下が抑制される。この結果、水素透過性金属層２２が水素脆化を起こす可能性を小さくすることが可能となる。
【００５２】
ステップＳ２３０では、制御部５０は、燃料電池スタック２１０への反応ガスの供給を停止する。これにより、燃料電池スタック２１０の異常作動を停止させることができる。
【００５３】
ステップＳ２４０では、冷却水流量司令部１４は、アノード流路２１２に水素ガスを含まないパージガスとして空気を供給する。空気の供給は、パージガス供給ポンプ３００を起動することによって開始される。これにより、アノード流路２１２から水素ガスを排出することができるので、燃料電池システム２００の停止後における水素透過性金属層２２の水素脆化を抑制することができる。
【００５４】
このように、本実施例では、燃料電池スタック２１０の内部温度が水素透過性金属層２２が水素脆化を起こす温度領域の近傍に近づいているか否かを推定することができるので、たとえば温度センサ２８６の故障時においても異常な温度低下による水素透過性金属層２２の水素脆化を抑制することができる。
【００５５】
なお、本実施例では、燃料電池スタック２１０への反応ガスの供給と燃料電池スタック２１０への冷却水の供給が停止されるとともに、ガスパージが実行される作動モードが、特許請求の範囲における「非常停止モード」に相当する。ただし、ガスパージは、必須の工程ではなく燃料電池システム２００の故障状態に応じて省略することも可能である。
【００５６】
Ｄ．本発明の第３実施例における燃料電池システムの制御：
図８は、本発明の第３実施例における電源システム制御系のブロックダイアグラムである。この制御系は、電源システム２０を制御して燃料電池スタック２１０の温度を所定の目標値に安定させるとともに、燃料電池システム２００の出力電力を変動する目標値に追随させることを制御の目的としている。この目的は、反応ガスの流量、冷却水の流量、および燃料電池システム２００の出力電圧を操作量として調整することによって達成される。
【００５７】
制御部５０ａは、状態推定部１５ａと、操作量司令部１４ａとを備えている。状態推定部１５ａは、燃料電池スタック２１０の内部状態を推定するためのオブザーバとして機能するように構成されている。操作量司令部１４ａは、燃料電池スタック２１０の温度を所定の目標値に安定させるための状態フィードバック量と、燃料電池システム２００の出力電力を変動する目標値に追随させるための出力フィードバック量とに応じて操作指令量を決定する。
【００５８】
状態推定部１５ａは、燃料電池スタックモデル１５１と、出力計算部１５２とを備えている。燃料電池スタックモデル１５１は、燃料電池スタック２１０の挙動を数式で表した数学モデルである。燃料電池スタックモデル１５１の状態推定量は、電流、電圧、温度、および温度変化率である。出力計算部１５２は、燃料電池スタックモデル１５１の状態推定量のうちの電流推定値と電圧推定値とに基づいて出力（電力）の推定値を計算する。
【００５９】
燃料電池スタックモデル１５１は、たとえば以下のように構成することができる。出力は、反応ガスの流量と燃料電池スタック２１０の内部温度とに応じて決定される非線形モデルとして構成可能である。温度モデルについては、燃料電池スタック２１０内部における熱発生量と、燃料電池スタック２１０の熱容量と、冷却水による排熱量とに基づく線形モデルとして構成可能である。
【００６０】
状態推定部１５ａは、燃料電池スタック２１０の内部状態を以下のように推定する。この推定結果は、燃料電池スタック２１０の内部温度を所定の目標値に近づけることを目的とする状態フィードバックを行うために使用される。
（１）操作量司令部１４ａは、燃料電池スタック２１０および燃料電池スタックモデル１５１に同一の操作量を指令する。操作量には、本実施例では、反応ガス流量、冷却水流量、および出力電圧値が含まれる。
（２）制御部５０ａは、電源システム２０の出力を電圧計６９と電流計６７とを用いて実測するとともに、出力計算部１５２の推定結果との出力差を求める。
（３）状態推定部１５ａは、この出力差に修正ゲインＫを乗じて燃料電池スタックモデル１５１の操作量にフィードバックする。修正ゲインＫは、この出力差が発散することなく十分に短い時間で収束するように決定されたゲインである。
【００６１】
このようにして、燃料電池スタック２１０の出力と燃料電池スタックモデル１５１の出力の差が小さくなるとフィードバック量も小さくなるので、結果的に両者の入力値（操作量）も近づくことになる。一方、燃料電池スタックモデル１５１は、燃料電池スタック２１０の数学モデルなので、燃料電池スタックモデル１５１の状態推定量も燃料電池スタック２１０の状態量に近づくことになる。この結果、燃料電池スタック２１０の状態量を直接計測することなく、温度や温度変化率を推定することが可能となることが分かる。
【００６２】
操作量司令部１４ａは、このようにして推定された状態推定量に状態フィードバックゲインＦ１を乗ずることによって、燃料電池スタック２１０の内部温度を所定の目標値に近づけるための操作量を決定することができる。操作量は、冷却水の流量だけでなく、反応ガスの流量や出力電圧も含むので、第１実施例よりも高性能の制御系を実現することが可能となる。
【００６３】
操作量司令部１４ａは、さらに、燃料電池スタック２１０の出力の実測値と、変動する出力目標値との間の偏差に出力フィードバックゲインＦ２を乗ずることによって、燃料電池スタック２１０の出力を、変動する出力目標値に近づけるための操作量を決定することができる。出力目標値は、駆動回路３６の要求電力値と２次電池２６の残存量とに応じて目標値決定部１４０によって決定される値である。
【００６４】
このように、燃料電池スタック２１０の内部温度は、オブザーバを用いて推定するようにしても良い。なお、本実施例では、説明を分かりやすくするために完全次元オブザーバを使用しているが、たとえば最小次元オブザーバやカルマンフィルタを用いて推定するように構成しても良い。
【００６５】
Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。
【００６６】
Ｅ−１．上記実施例では、温度センサ２８６の故障検知に応じて反応ガスの供給量と出力とに応じた温度推定が開始されるが、たとえば温度センサ２８６による実測は加熱の完了その他の燃料電池の発電時以外のときにのみ実行し、発電時においては温度センサ２８６を使用しないように構成しても良い。さらに、温度センサ２８６と上記の温度推定とを併用して温度を推定するようにしても良い。
【００６７】
Ｅ−２．上記実施例では、反応ガス流量が燃料ガスと空気とが一定の比率で供給されていると仮定して双方の流量の和としているが、たとえば一方（たとえば燃料ガス）の流量を一定値に固定して空気流量を調整するように構成されている場合には、他方の流量（この例では空気流量）とするように構成しても良い。本発明における温度推定は、一般に反応ガスの少なくとも一方の流量に応じて燃料電池の温度を推定するように構成されていればよい。
【００６８】
Ｅ−３．上記実施例では、パージガスとして空気を使用しているが、たとえば蓄えられたアルゴンガスを供給するようにしても良い。一般に、パージガスは、水素を含まない機体であれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムを備える電気自動車の概略構成図。
【図２】本発明の一実施例としての燃料電池システム２００の構成を示す説明図。
【図３】本発明の一実施例としての燃料電池を構成する燃料電池セル２１０ｃの構造の概略を表わす断面模式図。
【図４】本発明の第１実施例における電源システム制御系のブロックダイアグラム。
【図５】本発明の第１実施例における温度推定マップ１５Ｍに含まれたマップの内容を示す説明図。
【図６】本発明の第１実施例における電源システム制御処理の内容を示すフローチャート。
【図７】本発明の第２実施例における電源システム制御処理の内容を示すフローチャート。
【図８】本発明の第３実施例における電源システム制御系のブロックダイアグラム。
【符号の説明】
【００７０】
１４…冷却水流量司令部
１４ａ…操作量司令部
１５…燃料電池温度推定部
１５Ｍ…温度推定マップ
１５ａ…状態推定部
２０…電源システム
２１…電解質層
２２…水素透過性金属層
２３…電解質部
２４…触媒層
２５…カソード電極
２６…２次電池
２７…ガスセパレータ
２８…残存容量モニタ
２９…ガスセパレータ
３０…負荷部
３１…モータ
３２…ギヤ機構
３４…車輪
３６…駆動回路
５０、５０ａ…制御部
６４…ＤＣコンバータ
６７…電流計
６９…電圧計
１００…電気自動車
１４０…目標値決定部
１５１…燃料電池スタックモデル
１５２…出力計算部
２００…燃料電池システム
２１０…燃料電池スタック
２１０ｃ…燃料電池セル
２１２…アノード流路
２１４…カソード流路
２１６、２１８…電力出力端子
２２２…冷却水流路
２３０…改質器
２３４…浄化器
２６０…熱交換機
２８４…空気供給ポンプ
２８６…温度センサ
２８９ａ…空気流量計
２８９ｆ…燃料ガス流量計
２９０…燃料ガス供給バルブ
２９２…燃料電池加熱用バルブ
３００…パージガス供給ポンプ
【図１】
0004834963.tif 000002
【図２】
0004834963.tif 000003
【図３】
0004834963.tif 000004
【図４】
0004834963.tif 000005
【図５】
0004834963.tif 000006
【図６】
0004834963.tif 000007
【図７】
0004834963.tif 000008
【図８】
0004834963.tif 000009