(57)【要約】【課題】燃料電池スタック１から排出される水素ガスおよび空気の温度を測定する、水素ガス温度センサ５あるいは空気温度センサ６の一方が故障した場合、正常に動作する他方の温度センサにより、燃料電池スタック起動後の故障した温度センサに対応する温度を推定する燃料電池システムおよび方法を提供する。【解決手段】正常に動作する温度センサより求めた温度に対して、予め燃料電池スタック１の起動後の燃料電池スタック１から排出される水素ガスおよび空気の温度変化により、求めたオフセット量を加えることにより、燃料電池スタック１の起動後の故障した温度センサに対応する温度を推定する。【選択図】図１
2007242298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスをアノードに、酸化剤ガスをカソードに供給して発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出された前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスのいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、
前記アノードに水が発生したことを検知するアノード水検知手段と、
前記カソードに水が発生したことを検知するカソード水検知手段と、
前記温度検出手段の検出値から算出された一方の温度を前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの他方の温度に代替する代替手段と、
前記燃料電池が起動した際は、前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの他方の温度を前記一方の温度に所定のオフセット温度を加えた温度とする代替変更手段と、
を有する燃料電池システムにおいて、
前記代替変更手段は、前記カソードに水が発生してから前記アノードに水が発生するまで作動することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池が氷点下の所定温度以下から起動したことを判定する氷点下起動判定手段を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料ガスをアノードに、酸化剤ガスをカソードに供給し発電を行う燃料電池において、
前記カソードに水が発生する以前および前記アノードに水が発生した以後は、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスのいずれか一方の温度を、前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの他方の温度に代替し、
前記カソードに水が発生した後かつアノードに水が発生する前は、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスのいずれか一方の温度に、
前記一方の温度および前記燃料電池の起動時の前記一方の温度に依存するオフセット温度を加えた温度を前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの他方の温度とすること
を特徴とする燃料電池システムにおける燃料ガスあるいは酸化剤ガスの温度の代替推定方法。
【請求項４】
燃料電池起動時の温度が氷点下の所定温度以下の場合と前記所定温度より高い場合で、前記オフセット温度に差を設けたこと、
を特徴とする請求項３記載の燃料電池システムにおける排出ガス温度の代替推定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車等に用いられる温度センサ代替機能を有する固体電解質型燃料電池システム、および、前記燃料電池システムにおける温度センサの代替方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（以下「燃料電池」という）は、アノードに供給される燃料ガスの酸化反応およびカソードに供給される空気中の酸素ガスの還元反応による酸化還元反応にしたがって生ずる起電力を、利用するものである。したがって、その運転制御には、供給・排出されるガス等の温度・圧力・流量等を常時把握することが必要である。そのため、燃料電池は、温度センサ、圧力センサおよび流量センサ等を備えている。これらのセンサが正常に動作することが燃料電池の運転制御には必要である。
【０００３】
しかし、これらのセンサが故障する場合もありうる。そのような場合に、燃料電池の運転制御がただちに不能になるのでは、燃料電池を自動車等に搭載することは困難である。そこで、一部のセンサが故障した場合でも、故障したセンサに対応する温度等のパラメータ値を他のセンサの検出値から推定することにより、一部の故障したセンサの機能を補完する方法がある。特許文献１では燃料電池に供給する空気の流量センサあるいは燃料ガスの圧力センサが故障した際に、故障したセンサに対応するパラメータ値を推定することができる燃料電池システムのセンサ代替推定制御装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−１７９１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池から排出される燃料ガスおよび空気の温度を測定する温度センサの一方が万一故障した場合に、この故障したセンサに対応する温度を推定する手段は従来なかった。一方、これらのセンサは、燃料電池内のアノードおよびカソードの温度を把握するのに必要である。そのため、これらセンサの一方が万一故障した場合、燃料電池の運転制御に支障をきたすおそれがある。特に、燃料電池が氷点下の温度状態で起動されて十分暖機されるまでの間等は、燃料電池のカソードとアノードで温度差が生じることがわかっている。そのような場合に燃料電池から排出される燃料ガスおよび空気の温度を測定する温度センサの一方が万一故障しても、その故障したセンサを補完する手段および方法があることが求められる。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池から排出される燃料ガスおよび空気の温度を測定する温度センサの一方が万一故障した場合においても、正常に動作する他方の温度センサの検出値から、その故障した一方の温度センサに対応する燃料ガスあるいは空気の温度を推定する方法および燃料電池システム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】
前記した課題を解決するため請求項１に記載した発明は、燃料電池システムにおいて燃料ガスをアノードに、酸化剤ガスをカソードに供給し発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスのいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、前記アノードに水が発生したことを検知するアノード水検知手段と、前記カソードに水が発生したことを検知するカソード水検知手段と、前記温度検出手段の検出値から算出された一方の温度を前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの他方の温度に代替する代替手段と、前記燃料電池が起動した際は、前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの他方の温度を前記一方の温度に所定のオフセット温度を加えた温度とする代替変更手段と、を有する燃料電池システムにおいて、前記代替変更手段は、前記カソードに水が発生してから前記アノードに水が発生するまで作動することを特徴とする。
【０００７】
前記した課題を解決するため請求項２に記載した発明は、請求項１にかかる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池が氷点下の所定温度以下から起動したことを判定する氷点下起動判定手段を有することを特徴とする。
【０００８】
前記した課題を解決するため請求項３に記載した発明は、燃料ガスをアノードに、酸化剤ガスをカソードに供給し発電を行う燃料電池において、前記カソードに水が発生する以前および前記アノードに水が発生した以後は、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスのいずれか一方の温度により、前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの他方の温度に代替し、前記カソードに水が発生した後かつアノードに水が発生する前は、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスのいずれか一方の温度に、前記一方の温度および前記燃料電池の起動時の前記一方の温度に依存するオフセット温度を加えた温度を前記燃料ガスもしくは前記酸化剤ガスの他方の温度とすることを特徴とする。
【０００９】
前記した課題を解決するため請求項４に記載した発明は、請求項３に記載する燃料電池システムにおける排出ガス温度の代替推定方法において、燃料電池起動時の温度が氷点下の所定温度以下の場合と前記所定温度より高い場合で、前記オフセット温度に差を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１乃至４にかかる発明によれば、燃料電池システムにおいて燃料電池から排出される燃料ガスおよび空気の温度を測定する温度センサの一方が万一故障した場合においても、正常に動作する他方の温度センサの検出値から、前記故障した一方の温度センサに対応する燃料ガスあるいは空気の温度を推定することが、燃料電池の起動時あるいは定常運転時においても可能になる。その結果、温度センサ故障により燃料電池システムの運転制御に支障をきたすおそれがなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の最良の実施形態について説明する。まず、本実施形態の構成について、図１を参照して説明する。
【００１２】
自動車等に搭載される燃料電池は、出力電圧を高くするために燃料電池の単一セルの複数個を、直列接続になるように積層した燃料電池スタックとして、通常、実機で使用される。図１は、本実施形態の燃料電池スタックのシステム構成を簡略化して示す図である。燃料電池スタック１は、固体電荷質膜とこの固体電解質膜を挟持するアノードとカソードにより構成される燃料電池の単一セルの複数個が、前記したように直列接続となるように積層されたものである。積層された各々の単一セルの、アノードには燃料ガスである水素ガスが、カソードには酸化剤ガスである酸素ガスを含む空気が供給される。
【００１３】
燃料ガスである水素ガスは、水素ガスタンク２に高圧で貯蔵されている。前記水素ガスはレギュレータ２ａにより減圧され、エゼクタ２ｂを介して燃料電池スタック１のアノード１ａに供給される。エゼクタ２ｂは燃料電池スタック１から排出される未反応の水素ガスを吸引し水素ガスタンク２から供給される水素ガスと混合して燃料電池スタック１のアノード１ａに供給する。燃料電池スタック１から排出される水素ガスの温度は、水素ガス温度センサ５により測定される。水素ガス温度センサ５で測定される水素ガスの温度はアノード１ａの温度に対応するものである。
【００１４】
酸化剤ガスである酸素ガスを含む空気は、空気コンプレッサ３により、圧縮されて燃料電池スタック１のカソード１ｂに供給される。燃料電池スタック１から排出される空気の温度は、空気温度センサ６により測定される。空気温度センサ６により測定される空気の温度はカソード１ｂの温度に対応するものである。
【００１５】
燃料電池スタック１は稼動中の発電により発熱するため、冷媒を内部に循環させて冷却をしている。燃料電池スタック１が稼動中、冷媒タンク７に溜められている不凍液よりなる冷媒は、ポンプ９により燃料電池スタック１に送られ、燃料電池スタック１を冷却する。燃料電池スタック１を出た冷媒は、熱交換器１０により冷却され冷媒タンク７に戻ることになる。燃料電池スタック１を通った直後の冷媒の温度は冷媒温度センサ８により測定される。したがって、冷媒の温度により、燃料電池スタック１の内部の温度をモニタすることができる。
【００１６】
コントローラ４は、信号の入出力および演算処理の機能を有するＣＰＵ（Central Processing Unit）より構成されている。コントローラ４は燃料電池スタック１の温度等の状態パラメータに基づき燃料電池スタック１の運転を制御する。水素ガス温度センサ５、空気温度センサ６および冷媒温度センサ８等の信号はコントローラ４に入力される。これらの温度信号に基づき、コントローラ４は燃料電池スタック１の運転を制御する。たとえば、これらの温度信号から、燃料電池スタック１の温度が十分に高くない場合、発電能力が十分でないので出力電流を制限する。また、コントローラ４は、燃料電池スタック１の運転状態にしたがい、空気コンプレッサ３の回転速度および水素ガス供給のレギュレータ２ａを制御する。
【００１７】
次に本実施形態の構成に特有の図１の燃料電池スタック１の起動時において、カソード１ｂで水が発生したことを検知する検知手段およびアノード１ａで水が発生したことを検知する検知手段、について説明する。
【００１８】
まず、燃料電池スタック１の単一セル１１（以下「単位セル１１」という）内で水が発生するときの状態について、図２（ａ）乃至（ｃ）を参照して説明する。図２の（ａ）乃至（ｃ）は、燃料電池スタックにおけるカソードとアノードの水発生の違いを説明する図である。図２（ａ）は、カソードで最初に水が生成されるときの状態を示す図である。図２（ｂ）は、カソードで生成された水が固体電解質膜中をアノードに浸透している状態を示す図である。図２（ｃ）は、カソードで生成した水がアノードまで十分に浸透し、アノードが十分に水に濡れた状態を示す図である。以下、図２の単位セル１１、カソード１２およびアノード１３は、それぞれ図１の燃料電池スタック１の一部、カソード１ｂの一部およびアノード１ａの一部であるとして説明する。
【００１９】
図２の（ａ）乃至（ｃ）の単位セル１１は、セパレータ１４で区切られた内部に形成されている。単位セル１１は、固体電解質膜１５並びにこの固体電解質膜１５の両側に当接して形成されたカソード１２およびアノード１３より構成される。カソード１２およびアノード１３はいずれも、電極を構成するカーボンペーパ１６と固体電解質膜１５と接する部分には白金等の触媒１７ａ、１７ｂの層を有する。単位セル１１内では、水素ガス１９がアノード１３内を、また、酸素ガス１８を含む空気がカソード１２内を流れる。
【００２０】
図１の燃料電池スタック１で発電が開始されると、図２の単位セル１１のアノード１３では、水素ガス１９の酸化反応が触媒１７ｂ上でおき、水素イオンが生成される。一方、カソード１２では空気に含まれる酸素ガス１８が触媒１７ａ上で、還元されるとともに、アノード１３で生成し拡散してきた水素イオンと結合して、水２０が生成される（図２（ａ）参照）。この単位セル１１のカソード１２で水２０が発生したことが、図１の燃料電池スタック１のカソード１ｂで水が発生したことに対応する。
【００２１】
燃料電池スタック１が継続して発電すると、カソード１２では水２０が継続して生成される。そのため、カソード１２は水で十分濡れるようになる。カソード１２で生成された水２０は、排出されるかあるいはカソードを流れる空気により気化する。しかし、一部は固体電解質膜中をアノード１３に向かって浸透する（図２（ｂ）参照）。その結果、アノード１３も次第に水２０で濡れるようになる。単位セル１１内のアノード１３がカソード１２と同程度に水２０で濡れた状態になること（図２（ｃ））が、燃料電池スタック１のアノード１ａで水が発生したことに対応する。
【００２２】
次に、図１の燃料電池スタック１のカソード１ｂで水が発生したことを検知する検知手段について説明する。以下、燃料電池スタック１から排出される空気の温度をＴＣおよび水素ガスの温度をＴＡとする。また、カソード１ｂで水が発生する時のＴＣをＴＣＷとアノード１ａで水が発生する時のＴＡをＴＡＷとする。
【００２３】
起動時のＴＣが氷点下の所定温度Ｔ０より高い状態での燃料電池スタック１の起動（以下「通常起動」という）の場合、カソード１ｂでの水の生成は、燃料電池スタック１の起動と同時におきる。この場合、カソード１ｂで水が発生する時のＴＣであるＴＣＷは、燃料電池スタック１が起動された直後のＴＣとなる。また、起動時においては、カソード１ｂとアノード１ａの温度は等しいので、燃料電池スタック１が起動された直後は、ＴＣとＴＡは等しい
【００２４】
起動時のＴＣがＴ０より低い状態での燃料電池スタック１の起動（以下「氷点下起動」という）の場合には、発電性能が低いため反応により生成される水の量が少ない。そのため、生成された水はカソードに導入される酸素ガス１８を含む空気中に蒸散するとともに燃料電池スタック１外に排出されてしまう。その結果、カソード１２からアノード１３に透過する水は極めて少ない。そして、単位セル１１の内部の温度が、燃料電池スタック１内を流れる冷媒、アノード１３を流れる水素ガス１９およびカソード１２を流れる酸素ガス１８を含む空気により上昇して、温度Ｔ０になると、発電性能が向上してきて、カソード１２での水の生成が増え、徐々に、アノード１３側にカソード１２で生成された水が浸透し始める。燃料電池スタック１の発電開始前は、燃料電池スタック１の内部温度は、燃料電池スタック１から排出される空気の温度ＴＣおよび水素ガスの温度ＴＡのいずれとも同一である。この場合のＴＣＷは燃料電池スタック１の起動時のＴＣ以上であり、Ｔ０に等しい。
【００２５】
また、固体電解質膜１５中の水の透過性は温度に依存する。すなわち、温度が高くなるほど、固体電解質膜１５中を水が透過しやすくなる。そのため、燃料電池スタック１の起動時のＴＣが低い場合には、各単位セル１１内でカソード１２からアノード１３への水の透過率が低い。前記した氷点下起動でのカソード１ｂでの水発生の限界温度Ｔ０は、この固体電解質膜１５中の水の透過性にも依存するものである。
【００２６】
図１のカソード１ｂでの水の発生は、このカソード１ｂから排出される空気の温度ＴＣにより検知することができる。燃料電池スタック１の通常起動の場合には、燃料電池スタック１の起動と同時にカソード１ｂから水が発生している。また、燃料電池スタック１の氷点下起動の場合には、燃料電池スタック１の起動後にＴＣが上昇していき、Ｔ０に等しくなった時にカソード１ｂから水が発生するのである。
【００２７】
したがって、図１の燃料電池スタック１においてカソード１ｂで水が発生したことを検知するには次のようにすればよい。図１における空気温度センサ６を検知手段として用いて、ＴＣを測定することによりカソード１ｂでの水の発生を検知することができる。また、カソード１ｂで水が発生するまでは、前記したようにカソード１ｂから排出される空気の温度ＴＣとアノードから排出された水素ガスの温度ＴＡは同一である。したがって、図１における水素ガス温度センサ５を検知手段として用いても、ＴＡを測定することにより、カソード１ｂでの水の発生を検知することができる。以上から、図１における水素ガス温度センサ５あるいは空気温度センサ６の任意の一つが、カソード１ｂでの水の発生を検知する検知手段になる。
【００２８】
また、図１における水素ガス温度センサ５あるいは空気温度センサ６の任意の一つを検知手段として用いて、燃料電池スタック１の起動直後にＴＡあるいはＴＣを測定し、氷点下起動の限界温度であるＴ０と比較することにより、氷点下起動をしたことを判定することができる。すなわち、ＴＡあるいはＴＣが、Ｔ０以下の場合には、氷点下起動をしたことになる。また、氷点下起動したことを判定するには、図１の冷媒温度センサ８を検知手段として用いることもできる。冷媒温度センサ８より検出される冷媒温度とＴ０と比較することにより、氷点下起動か否かを判定するものである。
【００２９】
次に、図１の燃料電池スタック１においてアノード１ａで水が発生したことを検知する検知手段について説明する。アノード１ａでの水の発生は、図２（ｂ）のように燃料電池スタック１の単位セル１１内のカソード１２で発生した水２０が固体電解質膜１５中を浸透して、図２（ｃ）のようにアノード１３がカソード１２と同様に十分に濡れた状態になることと対応する。図１のアノード１ａでの水が発生したことを検知する検知手段も、水素ガス温度センサ５あるいは空気温度センサ６の任意の一つでよいことになる。以下、その説明をする。
【００３０】
燃料電池スタック１の起動後カソード１ｂで水が発生以後は、継続してカソード１ｂで水が生成される。また、カソード１ｂで生成された水の一部は、各単位セルの固体電解質膜１５中をアノード１ａに向かって浸透する。ただし、燃料電池スタック１が氷点下起動した場合、カソード１ｂで水が発生後しばらくは、図２の各単位セル１１において、起電力を生じさせるアノード１ａおよびカソード１ｂでの酸化還元反応が十分に起きていない。そのため、カソード１ｂで発生する水の量が少ない。また、このカソード１ｂで発生する水の大部分がカソード１ｂを流れる空気により気化されてしまう。したがって、氷点下起動の場合には、通常起動の場合に比べて、カソード１ｂで水が発生した後も、各単位セル１１内で固体電解質膜１５中をアノード１３に向かって浸透する水の量は少ない。
【００３１】
燃料電池スタック１の起動後カソード１ｂでの水の発生時ｔＣＷ後、前記浸透水がアノード１ａまでに到達し、前記したアノード１ａでの水の発生時ｔＡＷまでには、経過時間ΔｔＡＣＷが必要である。この経過時間ΔｔＡＣＷは、氷点下起動において燃料電池スタック１を一定の起動条件で起動する場合には、燃料電池スタック１の起動時のＴＣによらずほぼ一定の値ΔｔＩＡＣＷである。また、この経過時間ΔｔＡＣＷは、通常起動において燃料電池スタック１を一定の起動条件で起動する場合には、起動時のＴＣによらず、ほぼ一定の値ΔｔＮＡＣＷである。ただし、氷点下起動と通常起動の場合では、図２（ｂ）の状態でのカソード１２からアノード１３への水の浸透する量に違いがある。そのため、ΔｔＩＡＣＷ方がΔｔＮＡＣＷよりもはるかに長い。
【００３２】
ここで、各単位セル１１においてカソード１２で発生した水がアノード１３に浸透するまでの間、すなわち、前記したｔＣＷ後ｔＡＷまでの間、燃料電池スタック１は発電により、内部の温度が次第に上昇していく。そのため、ＴＡおよびＴＣはともに高くなっていく。一方、カソード１ｂで継続して発生する水の一部は空気の流れにより気化する。そのため、カソード１ｂの温度上昇は、気化熱の影響でアノード１ａよりも遅れる。その結果、カソード１ｂで水が発生後、アノード１ａで水が発生するまでの間、ＴＡはＴＣよりも高くなる。
【００３３】
図３は、カソード１ｂで水が発生した時から、アノード１ａで水が発生する時までの間のＴＡとＴＣの変化を示す図である。ＴＡとＴＣの差である、ΔＴＡＣは、カソード１ｂで水が発生後、次第に大きくなる。しかし、図２の各単位セル１１内でアノード１３に水が到達以後は、アノード１３でも流通する水素ガスにより水が気化して、温度上昇が抑制される。その結果、ΔＴＡＣは小さくなっていく。カソード１２で発生した水がアノード１３に十分に浸透して、各単位セル１１内でアノード１３がカソード１２と同様に十分濡れた状態（図２（ｃ）参照）、すなわちアノード１ａで水が発生した状態、になった時であるｔＡＷ以後は、カソード１ｂとアノード１ａから気化する水の量が同等になるのでＴＡとＴＣは等しくなり、ΔＴＡＣは０になる。
【００３４】
ここで、アノード１ａで水が発生する時刻ｔＡＷにおけるＴＡである、ＴＡＷとカソード１ｂで水が発生する時刻ｔＣＷにおけるＴＣであるＴＣＷの差であるΔＴＡＣＷは、通常起動において燃料電池スタック１が一定の起動条件で起動された場合、一定値ΔＴＮＡＣＷとなることが測定によりわかっている。ここで、時刻ｔＣＷにおよびｔＡＷのいずれにおいても、ＴＡとＴＣが等しいので、ＴＡおよびＴＣのいずれかの温度が、ＴＣＷ＋ΔＴＮＡＣＷになったことを検知すれば、アノード１ａで水が発生したことを検知できる。ここで、ＴＣＷは、燃料電池スタック１の起動時のＴＡあるいはＴＣの値である。
【００３５】
また、氷点下起動の場合においても燃料電池スタック１が一定の起動条件で起動された場合、ΔＴＡＣＷは一定値ΔＴＩＡＣＷになる。したがって、ＴＡおよびＴＣのいずれかの温度が、ＴＣＷ＋ΔＴＩＡＣＷになったことを検知すれば、アノード１ａで水が発生したことを検知できる。この場合、時刻ｔＣＷにおいて、ＴＡとＴＣはともに氷点下起動の限界温度Ｔ０に等しいので、ＴＣＷ＋ΔＴＩＡＣＷは、一定温度Ｔ０＋ΔＴＩＡＣＷになる。氷点下起動の場合のアノード１３での水が発生する温度は通常１０℃以上であり、燃料電池スタック１の構成により異なる。
【００３６】
ここで、ΔＴＩＡＣＷは、ΔＴＮＡＣＷに比べて大きい。カソード１ｂで水が発生後、アノード１ａで水が発生するまでの時間ΔｔＡＣＷが、氷点下起動の方が通常起動よりも長いからである（ΔｔＩＡＣＷ＞ΔｔＮＡＣＷ）。
【００３７】
以上から、図１の燃料電池スタック１においてアノード１ａで水が発生したことを検知するには次のようにすればよい。水素ガス温度センサ５あるいは空気温度センサ６（図１参照）の任意の一つを検出手段として用いることにより、燃料電池スタック１から排出される水素ガスあるいは空気の温度（ＴＡあるいはＴＣ）を検出することにより、アノード１ａで水が発生したことを検知できる。
【００３８】
次に、図１の燃料電池スタック１から排出される水素ガスもしくは空気の一方の温度を検出する温度検出手段の検出値から算出された一方の温度を、前記した水素ガスもしくは空気の他方の温度に代替する代替手段について説明する。また、図１の燃料電池スタック１が起動した際は、前記水素ガスもしくは前記空気の他方の温度を前記一方の温度に所定のオフセット温度を加えた温度とする代替変更手段についても併せて説明する。
【００３９】
図３のＴＡとＴＣの関係から、燃料電池スタックが一定の条件で起動した場合、図１の燃料電池スタック１から排出される水素ガスと空気の温度差ΔＴＡＣは、経過時間によらず、ＴＡあるいはＴＣのいずれとも１対１で対応する。図４は、氷点下起動の場合および通常起動の場合の燃料電池スタックから排出される水素ガスと空気の温度差ΔＴＡＣと燃料電池スタックから排出される水素ガスの温度の関係を示す図である。
【００４０】
図４の関係に基づき、氷点下起動あるいは通常起動のいずれの場合においても、図１の水素ガス温度センサ５の検出値より算出したＴＡから燃料電池スタックから排出される空気の温度ＴＣを推定できる。たとえば、氷点下起動の場合、ＴＡが、カソード水発生温度ＴＩＣＷ以下あるいは、アノード水発生温度ＴＩＡＷ以上の場合は、ＴＡがそのままＴＣの代替となる推定値である（図３参照）。一方、ＴＡが、カソード水発生温度ＴＩＣＷより高く、かつ、アノード水発生温度ＴＩＡＷより低い場合には、ＴＡがそのままＴＣの代替となる推定値にはならない。しかし、ＴＡからＴＡに対応するΔＴＡＣを減じた値がＴＣの推定値となる。
【００４１】
前記した、ＴＡによるＴＣの代替および代替変更は、図１において、コントローラ４により行われる。コントローラ４は、水素ガス温度センサ５からの検出値の信号を受けとり、ＴＡを算出するとともに、前記した所定の起動条件のときには、ＴＣにＴＡの値を代入する演算を行い、ＴＡによるＴＣの代替を実行する。また、コントローラ４は、前記した所定の起動条件以外の場合には、ＴＡからＴＡに対応するΔＴＡＣを減じた値をＴＣに代入する演算を行い、ＴＡによるＴＣの代替変更を実行する。同様にして、通常起動の場合にも、図１の水素ガス温度センサ５の検出値より算出したＴＡから燃料電池スタックから排出される空気の温度ＴＣを推定できる。
【００４２】
同様にして、ＴＣとΔＴＡＣの関係を用いれば、図１の空気温度センサ６の検出値より算出したＴＣから燃料電池スタックから排出される水素ガスの温度ＴＡを推定できる。
【００４３】
本実施形態の作用および効果について以下説明する。以上説明した、本実施形態の構成を用いれば、図１の燃料電池スタック１において、燃料電池スタック１から排出される水素ガス温度センサ５あるいは空気温度センサ６の一方が故障している場合においても、前記故障した一方の温度センサに対応する水素ガス温度あるいは空気温度を、正常に動作する他方の温度センサを用いて、十分な精度で推定することができる。そのため、燃料電池スタック１から排出される水素ガス温度センサ５あるいは空気温度センサ６の一方が故障している場合においても、燃料電池スタック１の運転制御を継続することができる。以下、その推定方法について説明する。
【００４４】
図５は、燃料電池スタックから排出される水素ガスおよび空気の温度を検出するセンサの一方が故障している場合に、他方の温度センサにより故障したセンサに対応する温度を決定するための手順を示すフローチャートである。図６は、燃料電池スタックから排出される水素ガスおよび空気の温度を検出するセンサの一方が故障している場合に、他方の温度センサにより故障したセンサに対応する温度を決定するためのオフセット量を決定するサブフローチャートである。図５および図６を参照して、図１の燃料電池スタック１において、排出される水素ガスあるいは空気の温度を決定する方法について説明する。
【００４５】
図５および図６のフローチャートにしたがい、コントローラ４は次の制御手順を実行する。図１の燃料電池スタック１の電源を入れた（図５のＩＧ  ＳＷ  ＯＮ）後、まずステップＳ１において、空気温度センサ６が故障しているか否かを調べる。故障していない場合には、ステップＳ２に進み、故障している場合にはステップＳ４に進む。
【００４６】
ステップＳ２においては、水素温度センサ５が故障しているか否かを調べる。水素温度センサ５が故障していない場合には、空気温度センサ６および水素温度センサ５のいずれも正常に動作しているので、本フローチャートの制御をする必要がないので終了する。一方、水素温度センサ５が故障している場合には、ステップＳ３に進む。
【００４７】
以下、空気温度センサ６が故障している場合について説明する。この場合、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、正常に動作する水素温度センサ５により、燃料電池スタック１から排出される水素の温度ＴＡを測定する。前記温度を燃料電池スタック１の起動時の温度ＴＳとする。
【００４８】
ステップＳ４の後ステップＳ６に進み、水素温度センサ５により、燃料電池スタック１から排出される水素の温度ＴＡを測定後、図６のサブフローチャートによりオフセット量を算出する。
【００４９】
図６のサブフローチャートでのオフセット量の決定手順について説明する。このサブフローチャートでは、まず、ステップＳ１１において、氷点下起動か否かが調べられる。氷点下起動か否かは、ステップＳ４で測定したＴＳが氷点下起動の限界温度Ｔ０以下か否かにより調べられる。すなわち、ＴＳがＴ０以下の場合は氷点下起動なので、ステップＳ１３に進み、ＴＳがＴ０より高い場合には、ステップＳ１２に進む。
【００５０】
ステップＳ１２は、通常起動の場合である。この場合、燃料電池スタック１の起動直後にカソード１ｂには水が発生している。ステップＳ１２では、アノード１ａで水が発生しているか否かが調べられる。アノード１ａで水が発生しているか否かは、図５のフローチャートにおけるステップＳ６で測定したＴＡが、前記したように、起動時の温度ＴＳ（この場合ＴＳは図４のＴＮＳとなる）に一定値ΔＴＮＡＣＷ（図３参照）を加えた値ＴＮＳ＋ΔＴＮＡＣＷ（図４のＴＮＡＷ）以上か否かで判定する。すなわち、ＴＡが、ＴＮＳ＋ΔＴＮＡＣＷ以上の場合、アノード１ａで水が発生していると判定し、ステップＳ１６に進む。ＴＡが、ＴＮＳ＋ΔＴＮＡＣＷより低い場合は、アノード１ａで水は発生していないのでステップＳ１７に進む。
【００５１】
ステップＳ１６では、オフセット量が０と決定される。ステップＳ１７では、オフセット量が、図５のステップＳ４で測定したＴＳ（ＴＮＳに等しい）とステップＳ６で測定したＴＡに対応する、図４の通常起動パターンのオフセット量ΔＴＡＣに決定される。
【００５２】
ステップＳ１３は氷点下起動の場合である。ステップＳ１３では、カソード１ｂで水が発生しているか否かを、図５のステップＳ６で測定したＴＡの大小により判定する。ＴＡがＴ０以上の場合は、カソード１ｂで水が発生しているので、ステップＳ１４に進む。ＴＡがＴ０より低い場合には、カソード１ｂで水が発生していないのでステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、オフセット量が０に決定される。
【００５３】
ステップＳ１４では、氷点下起動後カソード１ｂで水が既に発生しているが、アノード１ａでも水が発生しているか否かが判定される。ステップＳ６で測定されたＴＡが、前記した氷点下起動となる限界温度、Ｔ０に一定値ΔＴＩＡＣＷ（図３参照）を加えた、前記した氷点下起動におけるアノード１ａでの水発生の限界温度、Ｔ０＋ΔＴＩＡＣＷ（図４のＴＩＡＷ）以上ならば、アノード１ａで水が発生していると判定し、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、オフセット量が０に決定される。
【００５４】
また、ＴＡが、Ｔ０+ΔＴＩＡＣＷ（図４のＴＩＡＷ）より低い場合は、アノード１ａでは水が発生していないので、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、オフセット量が、ステップＳ６で測定されたＴＡに対応する、図４の氷点下起動パターンのオフセット量ΔＴＡＣに決定される。
【００５５】
以上のようにして、オフセット量は決定され図６のサブフローチャートの手順が終了し、図５のフローチャートのＳ８に進む。ステップＳ８では、ステップＳ６で測定したＴＡに、図６のサブフローチャートで決定されたオフセット量を引いた値が、ＴＣに決定される。ここで、オフセット量が０の場合は、ＴＣに対してステップＳ６で測定したＴＡを代替することになる。
【００５６】
さらにステップＳ１０では、燃料電池スタック１が稼動中か否かを、たとえば、出力電圧で判定する。燃料電池スタック１が稼動中の場合は、前記した、ステップＳ６からステップＳ８を繰り返し、新たにＴＣが決定される。また、燃料電池スタック１が稼動していない場合には、本制御手順を終了する。
【００５７】
以上のようにして、図１の燃料電池スタック１から排出される空気の温度を測定する空気温度センサ６が故障した場合でも、燃料電池スタック１から排出される水素ガスの温度を測定する水素ガス温度センサ５が正常に動作していれば、前記した空気の温度を推定することができる。その結果、燃料電池スタック１の運転制御に支障をきたすことがない。
【００５８】
ここで、空気温度センサ６が正常に動作し、水素ガス温度センサ５が故障している場合は、ステップＳ３、Ｓ５（サブフローチャートのＳ１１からＳ１７を含む）、Ｓ７およびＳ９が実行される（図５および図６参照）。この場合、前記したステップＳ４からＳ１０の手順と同様にして、燃料電池スタック１から排出される空気の温度ＴＣに基づき、水素ガス温度ＴＡが決定される。
【００５９】
本実施形態では、通常起動の場合でもオフセット量を算出しているが、図４からわかるように、実際には通常起動のオフセット量は、氷点下起動の場合に比べて小さい。したがって、精度が許す場合は、通常起動の場合のオフセット量を常に０としてもよい。その場合には図６のサブフローチャートで、ステップＳ１１で氷点下起動でないと判定されたならば、無条件で+ステップＳ１６に進むことになる。
【００６０】
本実施形態では、カソード１ｂでの水発生およびアノード１ａでの水発生を、燃料電池スタック１から排出される水素ガス温度センサ５あるいは空気温度センサ６で検知している。しかし、表面への水の吸着により導電率が変化するタイプのセンサ（例えば湿度センサ）をカソード１ｂおよびアノード１ａに設けて、カソード１ｂでの水発生およびアノード１ａでの水発生を、検知することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本実施形態の燃料電池スタックのシステム構成を簡略化して示す図である。
【図２】燃料電池スタックにおけるカソードとアノードの水発生の違いを説明する図であり、（ａ）はカソードで最初に水が生成されるときの状態を示す図、（ｂ）はカソードで生成された水が固体電解質膜中をアノードに浸透している状態を示す図、（ｃ）はカソードで生成した水がアノードまで十分に浸透しアノードが十分に水に濡れた状態を示す図である。
【図３】カソードで水が発生した時から、アノードで水が発生した時までの間のＴＡとＴＣの変化を示す図である。
【図４】氷点下起動の場合および通常起動の場合の燃料電池スタックから排出される水素ガスと空気の温度差ΔＴＡＣと燃料電池スタックから排出される水素ガスの温度の関係を示す図である。
【図５】燃料電池スタックから排出される水素ガスおよび空気の温度を検出するセンサの一方が故障している場合に、他方の温度センサにより故障したセンサに対応する温度を決定するための手順を示すフローチャートである。
【図６】燃料電池スタックから排出される水素ガスおよび空気の温度を検出するセンサの一方が故障している場合に、他方の温度センサにより故障したセンサに対応する温度を決定するためのオフセット量を決定するサブフローチャートである。
【符号の説明】
【００６２】
１      燃料電池スタック
１ａ，１３      アノード
１ｂ，１２      カソード
２      水素ガスタンク
３      空気コンプレッサ
４      コントローラ（ＣＰＵ）
５      水素ガス温度センサ
６      空気温度センサ
７      冷媒タンク
８      冷媒温度センサ
１１      燃料電池スタックの単一セル（単位セル）
１４      セパレータ
１５      固体電解質膜
１６      カーボンペーパ
１７ａ，１７ｂ      触媒      
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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