(57)【要約】【課題】水素濃度センサを使用することなく水素ポンプの発生を検出する。【解決手段】燃料電池の温度を検出する温度センサと、燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサと、燃料電池の発熱量を算出するための情報を記憶した記憶手段と、燃料電池の運転中に、燃料電池の単位時間あたりの温度変化を求め、記憶手段に記憶された情報と温度変化とに基づいて燃料電池の第１の発熱量推定値を求め、電流センサ及び電圧センサ出力に基づいて燃料電池で水素ポンプが発生していないと仮定した場合の第２の発熱量推定値を求め、第１及び第２の発熱量推定値を、燃料電池で水素ポンプが発生していると仮定した場合の第３の発熱量推定値と比較し、第１の発熱量推定値が第２の発熱量推定値よりも第３の発熱量推定値に近い場合に水素ポンプが発生していると判断する制御手段とを含む燃料電池の状態検出装置である。【選択図】図２
2009043622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に係わる複数の物理量データに基づき、複数の燃料電池の発熱量推定値を求める発熱量推定手段と、
前記複数の発熱量推定値を比較することによって前記燃料電池で水素ポンプが発生しているか否かを判断する判断手段と
を含む燃料電池の状態検出装置。
【請求項２】
前記発熱量推定手段は、第１の物理量データに基づく第１の発熱量推定値と、前記燃料電池で水素ポンプが発生していないと仮定した場合における第２の物理量データに基づく第２の発熱量推定値と、前記燃料電池で水素ポンプが発生していると仮定した場合における前記第２の物理量データに基づく第３の発熱量推定値とを求め、
前記判断手段は、前記第１の発熱量推定値が前記第２の発熱量推定値よりも前記第３の発熱量推定値に近い場合に、前記水素ポンプが発生していると判断する
請求項１に記載の燃料電池の状態検出装置。
【請求項３】
前記第１の物理量データは、前記燃料電池の温度データであり、
前記第２の物理量データは、前記燃料電池の出力電圧データ及び出力電流データである請求項２に記載の燃料電池の状態検出装置。
【請求項４】
燃料電池の温度データを取得する温度取得手段と、
前記燃料電池の出力電圧データ及び出力電流データを取得する出力取得手段と、
前記燃料電池の発熱量を求めるための情報を記憶した記憶手段と、
前記燃料電池の運転中に、
(ａ)前記温度データに基づき前記燃料電池の単位時間あたりの温度変化を求め、
(ｂ)前記記憶手段に記憶された前記情報と前記温度変化とに基づいて前記燃料電池の第１の発熱量推定値を求め、
(ｃ)前記出力電圧データ及び前記出力電流データに基づいて、前記燃料電池で水素ポンプが発生していないと仮定した場合における第２の発熱量推定値を求め、
(ｄ)前記第１の発熱量推定値及び前記第２の発熱量推定値を、前記燃料電池で水素ポンプが発生していると仮定した場合における第３の発熱量推定値と比較し、前記第１の発熱量推定値が前記第２の発熱量推定値よりも前記第３の発熱量推定値に近い場合に、前記水素ポンプが発生していると判断する制御手段と
を含む燃料電池の状態検出装置。
【請求項５】
燃料電池の温度データを取得する温度取得手段と、
前記燃料電池の出力電圧データ及び出力電流データを取得する出力取得手段と、
前記燃料電池の発熱量を求めるための情報を記憶した記憶手段と、
前記燃料電池の運転中に、
(ａ)前記温度データに基づいて前記燃料電池の単位時間あたりの温度変化を求め、
(ｂ)前記記憶手段に記憶された前記情報と前記温度変化とに基づいて前記燃料電池の発熱量推定値を求め、
(ｃ)前記発熱量推定値と、前記出力電圧データ及び出力電流データとに基づいて、前記燃料電池における水素ポンプ量を算出する制御手段と
を含む燃料電池の状態検出装置。
【請求項６】
前記情報は、燃料電池の熱容量を含む
請求項４又は５に記載の燃料電池の状態検出装置。
【請求項７】
前記情報は、前記温度取得手段で得られた燃料電池の温度に応じた発熱量を含む
請求項４又は５に記載の燃料電池の状態検出装置。
【請求項８】
前記第３の発熱量推定値が零と定義される
請求項４に記載の燃料電池の状態検出装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記第３の発熱量推定値を、以下の算出式で求める請求項４に記載の燃料電池の状態検出装置。
第３の発熱量推定値＝(０−電圧)×電流
【請求項１０】
前記制御手段は、水素ポンプ量を以下の式で求める請求項５に記載の燃料電池の状態検出装置。
水素ポンプ量＝１／２Ｆ×｛−発熱量推定値／ＨＨＶ×セル数−電圧  ＋  (電流)｝
但し、Ｆはファラデー定数であり、ＨＨＶは水素燃焼の高位発熱量である。
【請求項１１】
前記制御手段は、水素ポンプ量を以下の式で求める請求項５に記載の燃料電池の状態検出装置。
水素ポンプ量＝１／２Ｆ×｛−発熱量推定値＋電圧×電流／ＨＨＶ×セル数  ＋  (電
流)｝
但し、Ｆはファラデー定数であり、ＨＨＶは水素燃焼の高位発熱量である。
【請求項１２】
燃料電池内の水素ポンプの発生判断処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記燃料電池の運転中に、
(ａ)前記燃料電池の単位時間あたりの温度変化を求めるステップと、
(ｂ)記憶手段に記憶された前記燃料電池の発熱量を求めるための情報と前記温度変化とに基づいて前記燃料電池の第１の発熱量推定値を求めるステップと、
(ｃ)前記燃料電池の出力電流データ及び出力電圧データに基づいて、前記燃料電池で水素ポンプが発生していないと仮定した場合における第２の発熱量推定値を求めるステップと、
(ｄ)前記第１の発熱量推定値及び前記第２の発熱量推定値を、前記燃料電池で水素ポンプが発生していると仮定した場合における第３の発熱量推定値と比較し、前記第１の発熱量推定値が前記第２の発熱量推定値よりも前記第３の発熱量推定値に近い場合に、前記水素ポンプが発生していると判断するステップと
をコンピュータに実行させるプログラム。
【請求項１３】
燃料電池内の水素ポンプ量推定処理をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記燃料電池の運転中に、
(ａ)前記燃料電池の単位時間あたりの温度変化を求めるステップと、
(ｂ)記憶手段に記憶された前記燃料電池の発熱量を求めるための情報と前記温度変化とに基づいて前記燃料電池の発熱量推定値を求めるステップと、
(ｃ)前記発熱量推定値と、前記燃料電池の出力電流データ及び出力電圧データとに基づいて、前記燃料電池における水素ポンプ量を算出するステップと
をコンピュータに実行させるプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の状態検出装置に関し、特に燃料電池内での水素ポンプの発生検出や水素ポンプ量の推定に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質の両側に燃料極(アノード)と酸化剤極(カソード)とが配置された構成を有している。燃料電池の運転中(発電中)には、燃料極に燃料(例えば水素ガス)が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス(例えば空気)が供給される。アノードでは、水素がプロトン(水素イオン)と電子に分離され、プロトンは電解質を通過してカソードに到達する。一方、電子は外部回路を通ってカソードに到達する。カソードでは、プロトンと、電子と、カソードに供給された酸化剤ガス(酸素)とによる電気化学反応が起こり、水が生成されるともに熱が発生する。このような電気化学反応の際に外部回路を通過する電子が燃料電池の負荷に対する電力として使用される。カソードに供給された酸化剤ガスは、カソードオフガスとして例えば大気中に放出される。
【０００３】
燃料電池の運転中における燃料ガス圧力と酸化剤ガス圧力との差圧のような様々な要因により、アノードからカソードへ移動したプロトン(水素イオン)が電子及び酸素との電気化学反応を起こすことなく電子と反応して水素が生成されることがある(“水素ポンプ”
と呼ばれる)。水素ポンプは、カソードオフガス中の水素濃度の上昇を招来する。
【０００４】
従来、カソードの下流側の空気排気流路に水素濃度を検出する水素濃度センサを設置し、水素濃度が所定値以上のとき、運転差圧を制御する燃料電池システムがある(例えば、
特許文献１参照)。
【特許文献１】特開２００６−２６９３３７号公報
【特許文献２】特開２００４−１６５０５８号公報
【特許文献３】特開２００６−３４４４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の従来技術では、カソードオフガス中の水素濃度を検出するために水素濃度センサの具備が要求される。水素濃度センサは高価であり、また故障しやすい。
【０００６】
本発明の目的は、水素濃度センサを使用することなく水素ポンプの発生を検出したり、水素ポンプ量を推定したり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】
【０００７】
本発明は、上述した課題を解決するために以下の手段を採用する。すなわち、本発明の第１の態様は、燃料電池に係わる複数の物理量データに基づき、複数の燃料電池の発熱量推定値を求める発熱量推定手段と、
前記複数の発熱量推定値を比較することによって前記燃料電池で水素ポンプが発生しているか否かを判断する判断手段と
を含む燃料電池の状態検出装置である。
【０００８】
第１の態様において、前記発熱量推定手段は、第１の物理量データに基づく第１の発熱量推定値と、前記燃料電池で水素ポンプが発生していないと仮定した場合における第２の物理量データに基づく第２の発熱量推定値と、前記燃料電池で水素ポンプが発生している
と仮定した場合における第３の発熱量推定値とを求め、
前記判断手段は、前記第１の発熱量推定値が前記第２の発熱量推定値よりも前記第３の発熱量推定値に近い場合に、前記水素ポンプが発生していると判断する、ように構成することができる。
【０００９】
前記第１の物理量データは、例えば前記燃料電池の温度データであり、前記第２の物理量データは、例えば前記燃料電池の出力電圧データ及び出力電流データである。
【００１０】
本発明の第２の態様は、燃料電池の温度データを取得する温度取得手段と、
前記燃料電池の出力電圧データ及び出力電流データを取得する出力取得手段と、
前記燃料電池の発熱量を求めるための情報を記憶した記憶手段と、
前記燃料電池の運転中に、
(ａ)前記温度データに基づき前記燃料電池の単位時間あたりの温度変化を求め、
(ｂ)前記記憶手段に記憶された前記情報と前記温度変化とに基づいて前記燃料電池の第１の発熱量推定値を求め、
(ｃ)前記出力電圧データ及び前記出力電流データに基づいて、前記燃料電池で水素ポンプが発生していないと仮定した場合における第２の発熱量推定値を求め、
(ｄ)前記第１の発熱量推定値及び前記第２の発熱量推定値を、前記燃料電池で水素ポンプが発生していると仮定した場合における第３の発熱量推定値と比較し、前記第１の発熱量推定値が前記第２の発熱量推定値よりも前記第３の発熱量推定値に近い場合に、前記水素ポンプが発生していると判断する制御手段と
を含む燃料電池の状態検出装置である。
【００１１】
第３の発熱量推定値は、零とすることができる。或いは、第３の発熱量推定値[Ｊ／ｓ
ｅｃ]＝(０−電圧[Ｖ])×電流[Ａ]の算出式を用いて算出することができる。
【００１２】
また、本発明の第３の態様は、燃料電池の温度データを取得する温度取得手段と、
前記燃料電池の出力電圧データ及び出力電流データを取得する出力取得手段と、
前記燃料電池の発熱量を求めるための情報を記憶した記憶手段と、
前記燃料電池の運転中に、
(ａ)前記温度データに基づいて前記燃料電池の単位時間あたりの温度変化を求め、
(ｂ)前記記憶手段に記憶された前記情報と前記温度変化とに基づいて前記燃料電池の発熱量推定値を求め、
(ｃ)前記発熱量推定値と、前記出力電圧データ及び出力電流データとに基づいて、前記燃料電池における水素ポンプ量を算出する制御手段と
を含む燃料電池の状態検出装置である。
【００１３】
第２及び第３の態様において、温度取得手段は、例えば燃料電池の温度を検出するための温度センサを含むことができる。また、出力取得手段は、例えば燃料電池の出力電流を検出する電流センサと燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサとの少なくとも一方を含むことができる。
【００１４】
また、第２及び第３の態様において、発熱量の算出に用いる情報は、燃料電池の熱容量を含むことができる。或いは、温度センサ出力に応じた発熱量演算値を含むことができる。
【００１５】
また、第３の態様において、水素ポンプ量は、“１／２Ｆ×｛−発熱量推定値／ＨＨＶ×セル数−電圧  ＋  (電流)｝”との算出式から求めることができる。或いは、水素ポンプ量は、“１／２Ｆ×｛−発熱量推定値＋電圧×電流／ＨＨＶ×セル数  ＋  (電流)｝”との算出式から求めることができる。但し、上記の各式における“Ｆ”はファラデー定数
であり、“ＨＨＶ”は水素燃焼の高位発熱量である。
【００１６】
また、本発明は、第１及び２の態様における水素ポンプ発生判断処理や、第３の態様における水素ポンプ量推定処理をコンピュータに実行させるプログラムとして特定することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、水素濃度センサを使用することなく水素ポンプの発生を検出したり、水素ポンプ量を推定したりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成に限定されない。
【００１９】
〈燃料電池システムの構成〉
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態の構成例を示す図である。図１において、燃料電池１は、例えば高分子電解質膜型燃料電池(ＰＥＦＣ)であり、複数のセルが積層されてなるセルスタック構造を有する。各セルは、電解質膜の両側に燃料極(アノー
ド)及び酸化剤極(カソード)を配置してなる電解質膜・電極接合体(ＭＥＡ)の両側を燃料
極側セパレータと酸化剤極側セパレータとで挟んでなる。
【００２０】
燃料極は、拡散層と触媒層とを有し、水素ガスや水素リッチガスなどの水素を含む燃料が図示せぬ燃料供給系により燃料極に供給される。燃料極に供給された燃料は、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化反応により水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは電解質膜を通って空気極に移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。
【００２１】
一方、空気極は、拡散層と触媒層とを有し、空気等の酸化剤ガスが酸化剤供給系を構成するエアコンプレッサ(ポンプ)２により酸化剤極に供給される。酸化剤極に供給された酸化剤ガスは、拡散層で拡散され触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤ガスと、電解質を通って空気極に到達した水素イオンと、外部回路を通って空気極に到達した電子とによる還元反応により、水が生成される。このような燃料極における酸化反応と酸化剤極における還元反応(電気化学反応)の際に、外部回路を通る電子が燃料電池１のセルスタックの両端子間に接続される負荷２に対する電力として使用される。
【００２２】
燃料電池１を通過して燃料電池１外部に排出される酸化剤ガス(カソードオフガス)は、配管３を通って希釈器４内で希釈化された後、大気中に排出される。
【００２３】
図１に示す燃料電池システムは、更に、燃料電池１の冷却系を有している。燃料電池１内部には、冷却水(冷媒)流路５が設けられており、この冷却水流路５には、配管６，三方弁７，配管８，ラジエータ９，配管１０，冷媒ポンプ１１，及び配管１２からなる冷却水の循環路が接続されている。三方弁７は、配管６と接続された冷却水入口と、二つの冷却水出口を有し、冷却水出口の一方は、配管８を介してラジエータ９に接続され、冷却水出口の他方は、バイパス管１３を介して配管１０の中間部に接続されている。
【００２４】
冷媒ポンプ１２の駆動により、冷却水は、燃料電池１とラジエータ９との間の循環路を循環し、燃料電池１の熱をラジエータ９まで運搬して放熱する。但し、燃料電池１の低温起動時において、燃料電池１が起動してから所定時間(暖機中)は、燃料電池１の温度急上昇による熱歪み発生を抑えるべく、三方弁７のラジエータ９側の冷却水出口が閉じられ、冷却水がバイパス管１３と燃料電池１との間を循環するように制御される。このような暖
機運転の制御を行うため、配管６には、燃料電池１から排出された直後の冷却水温度を検出する温度センサ１９が取り付けられている。
【００２５】
また、燃料電池１を構成するセルスタックの両端には、燃料電池１の各セルで発電された電流を集電するための集電板１５,１５が設けられている。集電板１５,１５は、外部回路１６を介して負荷１７に接続されている。外部回路１６には、燃料電池１の出力電流を検出する電流センサと、燃料電池１の出力電圧を検出する電圧センサとを含む電流・電圧センサ１９が接続されている。
【００２６】
さらに、燃料電池システムは、燃料電池１の発電を制御するとともに、燃料電池１での電気化学的水素ポンプ(アノードから電解質膜を通ってカソードに移動したプロトン(水素イオン)が酸素及び電子と反応せず電子と反応して水素が生成される現象：以下「水素ポ
ンプ」と表記)の発生を検出したり、水素ポンプ量を推定したりするためのコンピュータ(制御手段)として機能するＥＣＵ(Electric Control Unit)２０を備えている。
【００２７】
ＥＣＵ２０は、ＣＰＵのようなプロセッサ，ＲＡＭやＲＯＭのようなメモリ(記憶装置
：記憶手段)２１，入出力インタフェース(Ｉ／Ｏ)等からなり、プロセッサがメモリ２１
に格納されたプログラムを実行することによって、燃料電池システムの構成機器(例えば
、燃料供給系(例えば水素ポンプ(図示せず))、酸化剤供給系(例えばエアコンプレッサ２)、冷却系(三方弁７や冷媒ポンプ１２))の動作を制御する。また、ＥＣＵ２０は、プログ
ラムの実行によって、水素ポンプ発生検出や水素ポンプ量推定を行う。ＥＣＵ２０は、発熱量推定手段、判断手段、温度取得手段、出力取得手段、及び制御手段として機能する。
【００２８】
プログラムの実行に際しては、予めメモリ上に格納されたデータや、燃料電池システムが有する各センサ出力(情報)を元に作成されたデータが用いられる。ここに、ＥＣＵ２０は、温度センサ１８の出力信号(温度情報)を受け取るように構成されている。また、ＥＣＵ２０は、電流・電圧センサ１９から、電流センサの出力信号及び電圧センサの出力信号(電流・電圧情報)を受け取るように構成されている。
【００２９】
さらに、燃料電池システムは、ＥＣＵ２０からの制御信号に応じて音声や画像情報のような警報となる情報を出力する警報器２３と、ＥＣＵ２０からの制御信号に応じて燃料電池１の運転を緊急停止させる緊急停止装置２４と、ＥＣＵ２０からの制御信号に応じて希釈器４にカソードオフガス希釈用の空気を送り込む空気ポンプ２５とを備えている。警報器２３，緊急停止装置２４，空気ポンプ２５に対するＥＣＵ２０からの制御信号(動作指
示)は、ＥＣＵ２０による水素ポンプ発生の判断処理、或いは、ＥＣＵ２０による水素ポ
ンプ量の推定処理の結果に応じて出力される。
【００３０】
〈水素ポンプ発生判断処理〉
図２は、ＥＣＵ２０による水素ポンプ発生判断処理の例を示すフローチャートである。図２に示す処理は、燃料電池１の発電が開始されてから所定のタイミングで開始するように構成することができる。
【００３１】
図２に示す処理の前提として、ＥＣＵ２０は、温度センサ１８からの出力信号(出力値
：温度データ：第１の物理量データ)の時間履歴データをメモリ２１上に作成する。また
、ＥＣＵ２０は、電流・電圧センサ１９から受け取る電流センサ出力及び電圧センサ出力から、電流値の時間履歴及び電圧値の時間履歴データ(第２の物理量データ：出力電流デ
ータ、出力電圧データ)をメモリ２１上に作成する。また、メモリ２１上には、“燃料電
池１の熱容量[Ｊ／Ｋ]”を示すデータが予め格納されている。
【００３２】
ＥＣＵ２０は、図２に示す処理を開始すると、最初に、メモリ２１上に格納した温度セ
ンサの出力値の時間履歴データから、“温度の時間微分[Ｋ／ｓｅｃ]”(単位時間あたり
の温度変化量)を演算する(ステップＳ０１)。
【００３３】
次に、ＥＣＵ２０は、メモリ２１から“燃料電池の熱容量[Ｊ／Ｋ]”を読み出す(ステ
ップＳ０２)。
【００３４】
次に、ＥＣＵ２０は、温度の時間微分値と燃料電池の熱容量とを乗じることにより、温度センサ１８による燃料電池１の発熱量推定値(第１の発熱量推定値)を算出する(ステッ
プＳ０３)。
【００３５】
次に、ＥＣＵ２０は、電流・電圧センサ１９のセンサ出力(燃料電池の出力電流値、出
力電圧値：出力電流データ、出力電圧データ)に基づいて、水素ポンプ非発生を仮定した
ときの発熱量推定値(第２の発熱量推定値)を演算する(ステップＳ０４)。
【００３６】
第２の発熱量推定値は、以下の式(１)によって演算することができる。
第２の発熱量推定値[Ｊ／ｓｅｃ]＝(ＨＨＶ×セル数−電圧[Ｖ])×電流[Ａ]  ・・・(
１)
但し、ＨＨＶは、水素燃焼の高位発熱量の電力換算値であり、例えば１．５[Ｖ]として演算することができる。
【００３７】
次に、ＥＣＵ２０は、水素ポンプ発生を仮定した電流・電圧センサによる発熱量の推定値(第３の発熱量推定値)を決定する(ステップＳ０４)。ここでは、ＥＣＵ２０は、第３の発熱量推定値[Ｊ／ｓｅｃ]を０(零)として決定することができる。
【００３８】
次に、ＥＣＵ２０は、第１の発熱量推定値と、第２の発熱量推定値と、第３の発熱量推定値とを比較し(ステップＳ０６)、第１の発熱量推定値が第２の発熱量推定値よりも第３の発熱量推定値に近いか否かを判定する(ステップＳ０７)。
【００３９】
このとき、第１の発熱量推定値が第２の発熱量推定値に近い場合には(Ｓ０７：ＮＯ)、ＥＣＵ２０は、水素ポンプが発生していないと判定する(ステップＳ０９)。この場合、ＥＣＵ２０は、当該結果に対して特別な処理を行わない。
【００４０】
これに対し、第１の発熱量推定値が第３の発熱量推定値に近い場合には(Ｓ０７；ＹＥ
Ｓ)、ＥＣＵ２０は水素ポンプが発生していると判定し、所定処理(水素ポンプ発生に応じた特別な処理)を行う(ステップＳ０８)。
【００４１】
所定処理として、例えば、ＥＣＵ２０は、警報器２３に制御信号(信号)を与えて、警報器２３から警報(音声、画像情報)を出力させることができる。これによって、カソードオフガス中の水素濃度が高いことを報知することができる。或いは、ＥＣＵ２０は、緊急停止装置２４に制御信号(信号)を与えて、燃料電池１を緊急停止することができる。或いは、ＥＣＵ２０は、空気ポンプ２５に制御信号を与えて、カソードオフガスの希釈化を図ることもできる。上記した所定処理は、少なくとも１つを選択的に実行することができる。
【００４２】
水素ポンプ発生判断処理は、定期的又は周期的に実行することができる。以上説明したような水素ポンプ発生判断処理によれば、水素濃度センサを使用することなく水素ポンプの発生を検出することができる。これによって、水素濃度ポンプの使用によるコスト増や、水素濃度ポンプの故障のような、水素濃度センサの使用に係わる問題を回避することができる。
【００４３】
また、上述した処理によれば、燃料電池１を低電圧で作動させても感度がある。特に、電圧が低くなるにつれて第２の発熱量推定値と第３の発熱量推定値との差は増大し、感度が良好となる。さらに、上述した処理によれば、燃料電池１のセルスタック全体の電圧値で水素ポンプを検出することができる。すなわち、セル毎に電圧センサを設ける必要がない。
【００４４】
なお、図２に示した水素ポンプ発生判断処理において、次のような変形が可能である。例えば、図２のステップＳ０４で使用される電流及び電圧値は、電流センサ及び電圧センサによる実測値を用いている。これに対し、ＥＣＵ２０により燃料電池１の出力電流及び／又は出力電圧が指定電流／電圧値になるように燃料電池１の運転制御が行われる場合には、そのときの電流及び／又は電圧の指定値を実測値の代わりに使用することができる。
【００４５】
また、図１に示した構成に代えて、燃料電池１の出力電流と出力電圧との相関を示すグラフ(マップ)を予め記憶装置に記憶しておき、電流・電圧センサが電流及び電圧の一方を検出するように構成し(電流又は電圧センサの一方のみを使用し)、センサで検出された出力電圧及び出力電圧の一方に対応する電流又は電圧をグラフに基づき求めるようにしても良い。
【００４６】
また、上述した図２のステップＳ０５の説明では、水素ポンプによりアノードからカソードへプロトンが移動するときの抵抗損失による発熱を０(零)と近似している。これは、電解質膜の抵抗が低い、或いは電流が小さい場合には好適な近似である。もっとも、燃料電池１の低温時には電解質膜の抵抗は増大する傾向にあり、燃料電池１の低温起動時には発熱量を増大させる手段として電流を大きくする手法がしばしば用いられる。このような燃料電池１の低温時(低温起動時)には、第３の発熱量推定値は、次のようにして決定することができる。
【００４７】
例えば、水素ポンプ発生の仮定時における電流・電圧センサ１９のセンサ出力に基づく発熱量推定値(第３の発熱量推定値)を、以下の式(２)を用いて算出することができる。
第３の発熱量推定値[Ｊ／ｓｅｃ]＝(０−電圧[Ｖ])×電流[Ａ]  ・・・(２)
このような変形例によれば、水素ポンプ発生検出の精度を高めることができる。
〈水素ポンプ量推定処理〉
上述した水素ポンプ発生判断処理では、水素ポンプの発生を検出することができる。しかしながら、水素ポンプ量を考慮した所定処理を実行することができない。言い換えれば、水素ポンプ量に応じたカソードオフガス中の水素濃度に応じて、警報出力、燃料電池１の緊急停止、空気ポンプの稼動による希釈処理を使い分けることができない。特に、カソードオフガスを空気ポンプ２５を用いて希釈化する場合に、水素濃度が不明であるので、空気ポンプの送気量を最大に設定しなければならず、非効率である。ＥＣＵ２０は、次のような水素ポンプ量の推定処理を実行することによって、上記した問題を解決することができる。
【００４８】
図３は、ＥＣＵ２０による水素ポンプ量推定処理の例を示すフローチャートである。図３において、ステップＳ０１〜Ｓ０３の処理は、図２に示した水素ポンプ発生判断処理と同様であるので説明を省略する。但し、図３の処理では、第２及び第３の発熱量推定値は算出されず、ステップＳ０３でのみ発熱量推定値が温度センサ１８の出力に基づき算出指される。
【００４９】
ステップＳ０３に続くステップＳ１４では、ＥＣＵ２０は、水素ポンプ量を演算する。
水素ポンプ量は、以下の式(３)の演算結果を以て推定することができる。
水素ポンプ量[ｍｏｌ／ｓｅｃ]＝
１／２Ｆ×｛−発熱量推定値／ＨＨＶ×セル数−電圧[Ｖ]  ＋  (電流[Ａ])｝  ・・・(３)
但し、式(３)の発熱量推定値は、ステップＳ０３で得られた発熱量推定値であり、Ｆはファラデー定数(９６４８５[Ｃ／ｍｏｌ])であり、ＨＨＶは水素燃焼の高位発熱量の電圧換算値(例えば１．５[Ｖ])である。
【００５０】
上記式(３)は、以下のようにして導かれる。すなわち、電気化学的に予想される発熱量が温度センサ出力値から求められた発熱量と一致すると考える。この場合、ステップＳ０３で算出される発熱量推定値は、“発熱量推定値＝(ＨＨＶ×セル数−電圧)×電流−水素ポンプ電流  ・・・(ａ)”となる。一方、ファラデーの電気分解の第２法則より、水素ポンプ量[ｍｏｌ／ｓｅｃ]は、“水素ポンプ電流／２Ｆ  ・・・(ｂ)”となる。これらの(
ａ)及び(ｂ)を変形すると、上記式(３)が得られる。
【００５１】
次に、ＥＣＵ２０は、水素ポンプ量に応じた処理を実行する(ステップＳ１５)。例えば、ＥＣＵ２０は、水素ポンプ量と、エアコンプレッサ２による空気供給量とから、カソードオフガス中の水素濃度を算出し、水素濃度に基づいて以下のような所定処理を行うことができる。例えば、水素濃度が第１の閾値(例えば２％)以上になる場合には、ＥＣＵ２０が警報器２３に制御信号を与えて警報を出力させる。これに対し、水素濃度が第２の閾値(例えば４％)以上になる場合には、ＥＣＵ２０が緊急停止装置２４に制御信号を与えて燃料電池１を緊急停止させる。或いは、ＥＣＵ２０は、水素濃度が所定閾値(例えば０．５
％)以下になるように、水素濃度に応じた制御量で空気ポンプ２５の送気量(空気流量)を
制御することができる。上述したような警報器２３，緊急停止装置２４，及び空気ポンプ２５に対する制御は、水素ポンプ量から直接決定することも可能である。
【００５２】
水素ポンプ量推定処理は、定期的又は周期的に実行することができる。このような水素ポンプ量推定処理を通じて水素ポンプ量が定量的に推定されることで、水素ポンプ量に応じた複数の閾値を設定し、閾値に応じた所定処理を実行したり、空気ポンプ２５の空気流量を制御して最適な(効率の良い)希釈を実現したりすることができる。
【００５３】
水素ポンプ量推定処理は、燃料電池１の低温時、又は低温起動時において、以下のような水素ポンプ量の演算(ステップＳ１４)を行うことができる。すなわち、上述した式(３)の代わりに、以下の式(４)を用いて水素ポンプ量を演算する。
水素ポンプ量[ｍｏｌ／ｓｅｃ]＝
１／２Ｆ×｛−発熱量推定値＋電圧[Ｖ]×電流[Ａ]／ＨＨＶ×セル数  ＋  (電流)｝
・・・(４)
但し、式(４)中の発熱量推定値はステップＳ０３の演算結果であり、Ｆはファラデー定数であり、ＨＨＶは水素燃焼の高位発熱量(例えば１．５[Ｖ])である。
【００５４】
式(４)は、以下のようにして導出される。すなわち、電気化学的に予想される発熱量が温度センサ出力値から求められた発熱量と一致すると考える。この場合、ステップＳ０３で得られる発熱量推定値は、“発熱量推定値＝(ＨＨＶ×セル数−電圧)×(電流−水素ポ
ンプ電流)＋(０×セル数−電圧)×水素ポンプ電流  ・・・(ｃ)”となる。一方、ファラ
デーの電気分解の第２法則より、水素ポンプ量は、“水素ポンプ電流／２Ｆ  ・・・(ｄ)”となる。これらの式(ｃ)及び(ｄ)を変形すると、上記した式(４)が得られる。
【００５５】
式(４)を適用することで、燃料電池１の低温時や低温起動時において、精度の高い水素ポンプ量の推定値を算出することができる。
【００５６】
〈発熱量演算値を用いた水素ポンプ発生判断、及び水素ポンプ量推定処理〉
上述した水素ポンプ発生判断処理、水素ポンプ量推定処理では、温度センサ１８の出力(温度の時間微分)と燃料電池１の熱容量との積を(第１の)発熱量推定値と定義している。このような発熱量推定値は、セルスタック内の熱伝導率が無限大で放熱量が０である場合が想定されている。水素ポンプ発生判断や水素ポンプ量推定の精度を向上させるべく、以下のような手法を適用することができる。
【００５７】
すなわち、温度センサ１８の出力に基づく単位時間あたりの温度変化(冷却水の温度変
化)を元に、このような温度変化をもたらした燃料電池１内部の発熱量を、フーリエの熱
伝導方程式や、これに加えて流体方程式(ナビエ・ストークスの式)を演算することによって求める。このとき、温度センサ１８の実測による温度変化の値(実測値)と、演算により算出される温度変化の値(式の解)とが一致するような発熱量を求める。
【００５８】
このような発熱量は、例えば、Fluent（登録商標）やSTAR-CDのような市販の熱流体解
析ソルバーを用いて求めることができる。発熱量の演算にあたり、燃料電池１のセルスタックの形状や物性そのものを適用するのではなく、セルスタックの形状や物性に応じて簡略化された式を用いても良い(例えば、熱伝導率がきわめて低い部材は完全断熱であると
近似する、セルスタックが繰り返しの多い構造であることを考慮して周期境界条件を適用する、３次元流体方程式を１次元の管路流モデルで代替する等)。
【００５９】
上記のような発熱量の演算は、その演算の要求毎にＥＣＵ２０が行うようにしても良い。但し、例えば、実験等を通じて、温度センサ１８の出力の実測値と、この実測値と温度センサ出力の演算値が一致するときの発熱量(計算値)とを関連付けて格納したテーブル(
グラフ)をメモリ２１上に予め格納しておき、ＥＣＵ２０が温度センサ１８の実測値(温度の時間微分)を元に対応する発熱量(演算値)をテーブルから一意に読み出し、読み出した
発熱量(演算値)を発熱量推定値として適用するように構成しても良い。
【００６０】
図４は、発熱量演算により求まる第１の発熱量推定値を用いた水素ポンプ発生処理の例を示すフローチャートである。図４におけるステップＳ０１、Ｓ０４〜Ｓ０９の処理は、図２に示した処理と同様である。但し、ステップＳ２１において、ＥＣＵ２０は、ステップＳ０１で得られた温度の時間微分に対応する発熱量をメモリ２１上のテーブル(図示せ
ず)から読み出し、第１の発熱量推定値とする。これによって、水素ポンプ発生判断の精
度を向上することができる。なお、図４のステップＳ０５で求める第３の発熱量推定値として、近似値零と、上述した式(２)の演算結果とを選択的に使用することができる。
【００６１】
図５は、発熱量演算により求まる発熱量推定値を用いた水素ポンプ量推定処理の例を示すフローチャートである。図５におけるステップＳ０１、Ｓ１４及びＳ１５の処理は、図３に示した処理と同様である。但し、ステップＳ２２において、ＥＣＵ２０は、ステップＳ０１で得られた温度の時間微分に対応する発熱量をメモリ２１上のテーブル(図示せず)から読み出し、水素ポンプ量演算に用いる発熱量推定値とする。これによって、水素ポンプ量推定の精度を向上することができる。なお、図５のステップＳ１４で求める水素ポンプ量として、上述した式(３)の演算結果と式(４)の演算結果とを選択的に使用することができる。
【００６２】
なお、ＥＣＵ２０は、図２〜図５に示した処理の少なくとも１つを実行するように構成されていても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
【図２】図２は、図１に示したＥＣＵによる水素ポンプ発生判断処理の例を示すフローチャートである。
【図３】図３は、図１に示したＥＣＵによる水素ポンプ量推定処理の例を示すフローチャートである。
【図４】図４は、図１に示したＥＣＵによる水素ポンプ発生判断処理の例(熱流体解析モデルを用いた発熱量推定値計算を適用)を示すフローチャートである。
【図５】図５は、図１に示したＥＣＵによる水素ポンプ量推定処理の例(熱流体解析モデルを用いた発熱量推定値計算を適用)を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１・・・燃料電池
２・・・エアコンプレッサ(ポンプ)
３、６、８、１０、１２・・・配管
４・・・希釈器
５・・・冷却水流路
７・・・三方弁
９・・・ラジエータ
１１・・・冷媒ポンプ
１３・・・バイパス管
１５・・・集電板
１６・・・外部回路
１７・・・負荷
１８・・・温度センサ
１９・・・電流・電圧センサ
２０・・・ＥＣＵ
２１・・・メモリ
２３・・・警報器
２４・・・緊急停止装置
２５・・・空気ポンプ
【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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