WO2013051398A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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英高 西村
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • JP2007-242265A as a conventional fuel cell system, an anode gas supplied at the time of starting the fuel cell system is supplied so that the inert gas filled in the anode gas flow path of the fuel cell is pumped to the buffer unit. What sets the pressure is described.
  • the pressure of the anode gas supplied at the time of starting the fuel cell system is set without considering the temperature of the buffer section. Therefore, when there is a temperature difference between the fuel cell and the buffer unit, the anode gas pressure is set higher than necessary, resulting in a problem that fuel consumption deteriorates.
  • the present invention has been made paying attention to such a problem, and an object thereof is to optimize the pressure of the anode gas supplied at the time of starting the fuel cell system to suppress deterioration of fuel consumption.
  • a control valve for controlling the pressure of the anode gas supplied to the fuel cell and the fuel cell are discharged
  • An anode gas pressure control means, and a start-up anode gas pressure control means controls the anode gas pressure according to the temperature difference between the fuel cell temperature and the buffer portion temperature.
  • FIG. 1A is a diagram illustrating a configuration of a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the anode gas non-circulating fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation in which the operation state of the fuel cell system is constant.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining start-up control according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a table for calculating the permeation coefficient of the inert gas based on the stack temperature.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a method for estimating the temperature difference between the second temperature difference and the outside air temperature.
  • FIG. 7 is a map for setting the starting anode pressure based on the third differential temperature and the total inert gas permeation amount.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining start-up control according to the second embodiment of the present invention.
  • an electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (oxidant electrode), an anode gas containing hydrogen in the anode electrode (fuel gas), and a cathode gas containing oxygen in the cathode electrode (oxidant) Electricity is generated by supplying gas.
  • the electrode reaction that proceeds in both the anode electrode and the cathode electrode is as follows.
  • Anode electrode 2H 2 ⁇ 4H + + 4e ⁇ (1)
  • Cathode electrode 4H + + 4e ⁇ + O 2 ⁇ 2H 2 O (2)
  • the fuel cell generates an electromotive force of about 1 volt by the electrode reactions (1) and (2).
  • FIG. 1A and 1B are diagrams illustrating the configuration of the fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1A is a schematic perspective view of the fuel cell 10.
  • FIG. 1B is a 1B-1B cross-sectional view of the fuel cell 10 of FIG. 1A.
  • the fuel cell 10 includes an anode separator 12 and a cathode separator 13 arranged on both front and back surfaces of a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as “MEA”) 11.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the MEA 11 includes an electrolyte membrane 111, an anode electrode 112, and a cathode electrode 113.
  • the MEA 11 has an anode electrode 112 on one surface of the electrolyte membrane 111 and a cathode electrode 113 on the other surface.
  • the electrolyte membrane 111 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin.
  • the electrolyte membrane 111 exhibits good electrical conductivity in a wet state.
  • the anode electrode 112 includes a catalyst layer 112a and a gas diffusion layer 112b.
  • the catalyst layer 112a is in contact with the electrolyte membrane 111.
  • the catalyst layer 112a is formed of carbon black particles carrying platinum or platinum.
  • the gas diffusion layer 112b is provided outside the catalyst layer 112a (on the opposite side of the electrolyte membrane 111) and is in contact with the anode separator 12.
  • the gas diffusion layer 112b is formed of a member having sufficient gas diffusibility and conductivity, and is formed of, for example, a carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers.
  • the cathode electrode 113 includes a catalyst layer 113a and a gas diffusion layer 113b.
  • the anode separator 12 is in contact with the gas diffusion layer 112b.
  • the anode separator 12 has a plurality of groove-shaped anode gas passages 121 for supplying anode gas to the anode electrode 112 on the side in contact with the gas diffusion layer 112b.
  • the cathode separator 13 is in contact with the gas diffusion layer 113b.
  • the cathode separator 13 has a plurality of groove-like cathode gas flow paths 131 for supplying cathode gas to the cathode electrode 113 on the side in contact with the gas diffusion layer 113b.
  • the anode gas flowing through the anode gas channel 121 and the cathode gas flowing through the cathode gas channel 131 flow in the same direction in parallel with each other. You may make it flow in the opposite direction in parallel with each other.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the anode gas non-circulating fuel cell system 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2, an anode gas supply device 3, and a controller 4.
  • the fuel cell stack 2 is formed by stacking a plurality of fuel cells 10, generates electric power by receiving supply of anode gas and cathode gas, and generates electric power necessary for driving a vehicle (for example, electric power necessary for driving a motor). ).
  • the cathode gas supply / discharge device for supplying and discharging the cathode gas to / from the fuel cell stack 2 and the cooling device for cooling the fuel cell stack 2 are not the main part of the present invention, and are not shown for the sake of easy understanding. did. In this embodiment, air is used as the cathode gas.
  • the anode gas supply device 3 includes a high-pressure tank 31, an anode gas supply passage 32, a pressure regulating valve 33, a pressure sensor 34, an anode gas discharge passage 35, a buffer tank 36, a purge passage 37, and a purge valve 38. .
  • the high pressure tank 31 stores the anode gas supplied to the fuel cell stack 2 in a high pressure state.
  • the anode gas supply passage 32 is a passage for supplying the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2, and has one end connected to the high-pressure tank 31 and the other end of the fuel cell stack 2. Connected to the anode gas inlet hole 21.
  • the pressure regulating valve 33 is provided in the anode gas supply passage 32.
  • the pressure regulating valve 33 adjusts the anode gas discharged from the high-pressure tank 31 to a desired pressure and supplies it to the fuel cell stack 2.
  • the pressure regulating valve 33 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 4.
  • the pressure sensor 34 is provided in the anode gas supply passage 32 downstream of the pressure regulating valve 33.
  • the pressure sensor 34 detects the pressure in the anode gas supply passage 32 downstream from the pressure regulating valve 33.
  • the pressure detected by the pressure sensor 34 is used as a pressure of the entire anode system including the anode gas flow paths 121 and the buffer tanks 36 inside the fuel cell stack (hereinafter referred to as “anode pressure”). .
  • the anode gas discharge passage 35 has one end connected to the anode gas outlet hole 22 of the fuel cell stack 2 and the other end connected to the upper portion of the buffer tank 36.
  • a mixed gas of excess anode gas that has not been used for the electrode reaction and an inert gas such as nitrogen or water vapor that has cross-leaked from the cathode side to the anode gas channel 121 (hereinafter referred to as a mixed gas). "Anode off gas”) is discharged.
  • the buffer tank 36 temporarily stores the anode off gas flowing through the anode gas discharge passage 35. A part of the water vapor in the anode off gas is condensed in the buffer tank 36 to become liquid water and separated from the anode off gas.
  • One end of the purge passage 37 is connected to the lower part of the buffer tank 36.
  • the other end of the purge passage 37 is an open end.
  • the anode off gas and liquid water stored in the buffer tank 36 are discharged from the opening end to the outside air through the purge passage 37.
  • the purge valve 38 is provided in the purge passage 37.
  • the purge valve 38 is an electromagnetic valve whose opening degree can be adjusted continuously or stepwise, and the opening degree is controlled by the controller 4.
  • the opening of the purge valve 38 By adjusting the opening of the purge valve 38, the amount of anode off gas discharged from the buffer tank 36 to the outside air via the purge passage 37 is adjusted, and the anode gas concentration in the anode system is adjusted to a predetermined concentration. .
  • the set value of the predetermined concentration is too low, the anode gas used for the electrode reaction is insufficient, and the power generation efficiency is lowered.
  • the predetermined concentration is set to an appropriate value in consideration of power generation efficiency and fuel consumption. If the operating state of the fuel cell system 1 is the same, the concentration of the inert gas in the buffer tank 36 decreases and the anode gas concentration increases as the opening of the purge valve 38 is increased.
  • the controller 4 includes a microcomputer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), and an input / output interface (I / O interface).
  • CPU central processing unit
  • ROM read only memory
  • RAM random access memory
  • I / O interface input / output interface
  • the controller 4 includes a current sensor 41 that detects the output current of the fuel cell stack 2 and the temperature of cooling water that cools the fuel cell stack 2 (hereinafter referred to as “stack temperature”).
  • a water temperature sensor 42 to detect an accelerator stroke sensor 43 to detect an accelerator pedal depression amount (hereinafter referred to as “accelerator operation amount”), a vehicle speed sensor 44 to detect a vehicle speed, an outside air temperature sensor 45 to detect an outside air temperature, and a battery charge rate Signals from various sensors such as the SOC sensor 46 are detected.
  • Controller 4 performs idle stop control based on input signals of various sensors.
  • the idle stop control for example, when the vehicle is stopped by waiting for a signal, if the predetermined idle stop condition is satisfied, the power generation of the fuel cell stack 2 is stopped, and then the predetermined idle stop release condition is satisfied. In other words, the control is to start power generation of the fuel cell stack 2.
  • the controller 4 periodically opens and closes the pressure regulating valve 33 based on input signals of various sensors, performs pulsation operation to periodically increase and decrease the anode pressure, and adjusts the opening degree of the purge valve 38 to buffer.
  • the flow rate of the anode off gas discharged from the tank 36 is adjusted to keep the anode gas concentration in the anode system at a predetermined concentration.
  • the fuel cell stack 22 In the case of the anode gas non-circulation type fuel cell system 1, if the anode gas is continuously supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 22 while the pressure regulating valve 33 is kept open, the fuel cell stack 22 is not discharged. Since the anode off gas including the used anode gas is continuously discharged from the buffer tank 36 through the purge passage 37 to the outside air, it is wasted.
  • the pulsation operation is performed in which the pressure regulating valve 33 is periodically opened and closed to increase and decrease the anode pressure periodically.
  • the anode off gas accumulated in the buffer tank 36 can be caused to flow back to the fuel cell stack 22 when the anode pressure is reduced.
  • the anode gas in the anode off-gas can be reused, so that the amount of the anode gas discharged to the outside air can be reduced and waste can be eliminated.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining pulsation operation during steady operation in which the operation state of the fuel cell system 1 is constant.
  • the controller 4 calculates the reference pressure and pulsation width of the anode pressure based on the load (hereinafter referred to as “stack load”) (output current) applied to the fuel cell stack 2.
  • stack load the load
  • the upper limit value and the lower limit value of the anode pressure are set. Then, the anode pressure is periodically increased or decreased in the range of the pulsation width around the reference pressure, and the anode pressure is periodically increased or decreased between the upper limit value and the lower limit value of the set anode pressure.
  • the pressure regulating valve 33 is opened to an opening at which the anode pressure can be increased to at least the upper limit value.
  • the anode gas is supplied from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 and discharged to the buffer tank 36.
  • the pressure regulating valve 33 When the anode pressure reaches the upper limit at time t2, the pressure regulating valve 33 is fully closed as shown in FIG. 3B, and the supply of anode gas from the high-pressure tank 31 to the fuel cell stack 2 is stopped. Then, since the anode gas left in the anode gas flow path 121 inside the fuel cell stack 2 is consumed over time due to the electrode reaction of (1) described above, the anode pressure is reduced by the amount of consumption of the anode gas. .
  • the pressure in the buffer tank 36 temporarily becomes higher than the pressure in the anode gas flow path 121, so that the anode gas flow path 121 extends from the buffer tank 36.
  • the anode off-gas flows back into.
  • the anode gas left in the anode gas channel 121 and the anode gas in the anode off-gas that has flowed back to the anode gas channel 121 are consumed over time, and the anode pressure further decreases.
  • the pressure regulating valve 33 When the anode pressure reaches the lower limit at time t3, the pressure regulating valve 33 is opened in the same manner as at time t1. When the anode pressure reaches the upper limit again at time t4, the pressure regulating valve 33 is closed.
  • the reference pressure of the anode pressure and the anode pressure according to the operation state of the fuel cell system 1 are set so that the anode gas concentration of the entire anode system becomes a predetermined concentration as described above. While the pulsation width is set, the opening degree of the purge valve 38 is controlled.
  • startup anode pressure the upper limit value of the anode pressure
  • the pressure in the buffer tank 36 after the same amount of inert gas is pumped to the buffer tank 36 is compared with the case where the stack temperature and the internal temperature of the buffer tank 36 (hereinafter referred to as “buffer temperature”) are the same. It is lower when the buffer temperature is lower than the stack temperature. Therefore, when the buffer temperature is lower than the stack temperature, the inert gas filled in the anode gas flow path 121 is supplied to the buffer tank 36 unless the start-up anode pressure is made lower than when the stack temperature and the buffer temperature are the same. The amount of anode gas required for pumping will be supplied, resulting in a deterioration in fuel consumption.
  • the stack temperature and the buffer temperature are the same, that is, after the fuel cell system 1 is stopped, a long time has elapsed, and the stack temperature and the buffer temperature are started after the stack temperature and the buffer temperature are equivalent to the outside temperature. Assuming this, the anode pressure at startup was set. Therefore, it was not necessary to adjust the starting anode pressure according to the buffer temperature.
  • the fuel cell system 1 that performs the idle stop control as in this embodiment, the fuel cell system 1 is restarted in a short time after the fuel cell system 1 is stopped.
  • the buffer tank 36 having a lower heat capacity than the fuel cell stack 2 has a faster temperature decrease rate, and therefore the buffer temperature may be lower than the stack temperature.
  • the anode pressure at start-up is controlled according to the temperature difference between the stack temperature and the buffer temperature.
  • the startup control according to this embodiment will be described.
  • FIG. 4 is a flowchart for explaining start-up control according to the present embodiment.
  • the controller 4 executes this routine at a predetermined calculation cycle (for example, 10 [ms]) during operation of the fuel cell system 1.
  • a predetermined calculation cycle for example, 10 [ms]
  • step S1 the controller 4 reads detection signals from various sensors.
  • step S2 the controller 4 determines whether or not the idle stop flag f is set to 1.
  • the idle stop flag f is a flag that is set to 1 when the idle stop condition is satisfied, and the initial value is set to 0.
  • the controller 4 performs the process of step S3 if the idle stop flag f is set to 0, and performs the process of step S7 if the idle stop flag f is set to 1.
  • step S3 the controller 4 determines whether or not a plurality of idle stop conditions are all satisfied.
  • the idle stop condition includes that the vehicle speed is lower than a predetermined vehicle speed, that the battery charge rate is higher than the predetermined charge rate, and that the warm-up control is finished. If all the idle stop conditions are satisfied, the controller 4 performs the process of step S4, and if not satisfied, ends the current process.
  • step S4 the controller 4 performs idle stop. Specifically, the pressure regulating valve 33 is fully closed and the supply of the cathode gas is stopped to stop the power generation of the fuel cell stack 2.
  • step S5 the controller 4 stores the stack temperature when the idle stop condition is satisfied (hereinafter referred to as “idle stop start stack temperature”).
  • step S6 the controller 4 sets the idle stop flag f to 1.
  • step S7 the controller 4 determines whether or not an idle stop cancellation condition is satisfied.
  • the controller 4 determines that the idle stop cancellation condition is satisfied when at least one of the plurality of idle stop conditions is not satisfied.
  • the controller 4 performs the process of step S8 if the idle stop release condition is not satisfied, and performs the process of step S11 if the condition is satisfied.
  • step S8 the controller 4 calculates an elapsed time (hereinafter referred to as “idle stop time”) Tiddle after the idle stop condition is satisfied. Specifically, the idle stop time Tidle is calculated by adding the calculation cycle ⁇ T to the previous value of the idle stop time Tidle. The initial value of the idle stop time Tidle is set to zero.
  • step S ⁇ b> 9 the controller 4 calculates an inert gas permeation amount (hereinafter referred to as “unit permeation amount”) ⁇ Q per operation period permeating from the cathode side to the anode gas flow path 121. Specifically, first, the initial partial pressure value of the inert gas on the anode side is set to 0 [kPa], and the partial pressure difference from the partial pressure of the inert gas in the cathode gas on the cathode side (for example, 76 [kPa]) is calculated. To do. Next, a permeation coefficient of the inert gas is calculated based on the stack temperature with reference to a table shown in FIG.
  • the unit permeation amount ⁇ Q of the inert gas is calculated by multiplying the calculated partial pressure difference by the permeation coefficient.
  • the initial partial pressure of the inert gas on the anode side is set to 0 [kPa].
  • the anode calculated based on the total inert gas permeation amount Qidle described later is used.
  • the partial pressure of the inert gas on the side is set as the partial pressure initial value.
  • step S10 the controller 4 calculates the total permeation amount Qidle of the inert gas that has permeated the anode gas flow path 121 during the idle stop time. Specifically, the total inert gas permeation amount Qidle is calculated by adding the unit permeation amount ⁇ Q to the previous value of the total inert gas permeation amount Qidle.
  • step S11 the controller 4 calculates a temperature difference between the stack temperature at the start of idle stop and the current outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 45 (hereinafter referred to as “first temperature difference”). Since the buffer temperature when the idle stop condition is satisfied can be considered to be basically the same as the stack temperature, in other words, the first differential temperature is the difference between the buffer temperature at the start of the idle stop and the outside air temperature. It is a differential temperature.
  • step S12 the controller 4 determines, based on the first differential temperature and the idle stop time, a temperature difference between the buffer temperature when the idle stop time has elapsed and the current outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 45 ( Hereinafter, it is referred to as “second temperature difference”). A method for estimating the second temperature difference will be described later with reference to FIG.
  • step S13 the controller 4 adds the second temperature difference to the current outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 45, and estimates the current buffer temperature.
  • the estimated current buffer temperature is referred to as “estimated buffer temperature”.
  • step S14 the controller 4 calculates a temperature difference (hereinafter referred to as “third temperature difference”) between the current stack temperature detected by the water temperature sensor 42 and the estimated buffer temperature.
  • step S15 the controller 4 refers to a map of FIG. 7 to be described later, and sets the startup anode pressure based on the third differential temperature and the total inert gas permeation amount Qidle.
  • step S16 the controller 4 sets the idle stop flag f to 0.
  • FIG. 5 is a table for calculating the permeation coefficient of the inert gas based on the stack temperature. This permeability coefficient is a physical property value determined by the material and thickness of the electrolyte membrane.
  • the permeability coefficient of the inert gas increases as the stack temperature increases.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a method for estimating the second temperature difference (temperature difference between the buffer temperature and the outside air temperature after the idle stop time has elapsed).
  • the buffer temperature during idle stop gradually decreases according to the heat dissipation characteristics of the buffer tank 36.
  • the heat dissipation characteristics of the buffer tank 36 can be examined in advance by experiments or the like. Therefore, as shown in FIG. 6, if the first differential temperature is known, it can be estimated from the heat dissipation characteristics of the buffer tank 36 how the buffer temperature decreases with the passage of time.
  • the temperature difference that is, the temperature difference between the buffer temperature and the outside air temperature when the idle stop time has elapsed can be estimated.
  • FIG. 7 is a map for setting the starting anode pressure based on the third differential temperature (the temperature difference between the stack temperature and the buffer temperature after the idle stop time has elapsed) and the total inert gas permeation amount Qidle.
  • the starting anode pressure after the idle stop decreases as the temperature difference between the third differential temperature, that is, the temperature of the fuel cell stack 2 and the buffer tank 36 after the idle stop time elapses increases. Further, even when the third temperature difference is the same, the startup anode pressure after idle stop is set higher as the inert gas permeation total amount Qidle increases.
  • the start is performed.
  • the anode pressure at start-up was set according to the temperature difference (third temperature difference) between the stack temperature and the buffer temperature at that time. Specifically, the anode pressure at start-up is lowered as the temperature difference (third temperature difference) between the stack temperature and the buffer temperature increases, that is, as the buffer temperature becomes lower than the stack temperature.
  • the pressure in the buffer tank 36 after the same amount of the inert gas existing in the anode gas flow path 121 is pumped to the buffer tank 36 is larger than that in the case where the stack temperature and the buffer temperature are the same. It is lower when the temperature is lower than the stack temperature.
  • the starting anode pressure is set according to the amount of inert gas in the anode gas passage 121 before starting, ignoring the buffer temperature.
  • an amount of anode gas more than the amount necessary for pumping the inert gas in the anode gas flow path 121 to the buffer tank 36 is supplied, resulting in a deterioration in fuel consumption.
  • the anode pressure at the time of startup is reduced as the buffer temperature becomes lower than the stack temperature, so that the inert gas in the anode gas flow path 121 is pumped to the buffer tank 36. It is possible to suppress the supply of an anode gas more than the amount necessary for the operation. Therefore, deterioration of fuel consumption can be suppressed. Furthermore, since the pressure input to the electrolyte membrane is also reduced, the durability of the electrolyte membrane, and hence the fuel cell system, can be improved.
  • the anode pressure at start-up is set in consideration of the total amount of inert gas permeating into the anode gas flow path 121 during the stop of the fuel cell system 1 (inert gas permeation total amount Qidle). It was. Specifically, the anode pressure at start-up is increased as the total inert gas permeation amount Qidle is increased.
  • the inert gas in the anode gas passage 121 can be reliably pumped to the buffer tank 36.
  • the buffer temperature depends on the stack temperature before the fuel cell system 1 is stopped, the stop time (idle stop time) from when the fuel cell system 1 is stopped to when it is started, and the outside air temperature. It was decided to estimate.
  • FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an anode gas non-circulating fuel cell system 11 according to a second embodiment of the present invention.
  • the anode gas supply device 3 of the fuel cell system 1 includes a temperature sensor 39 that detects the temperature of the buffer tank 36.
  • the temperature sensor 39 is attached to the buffer tank 36 and detects the temperature of a part of the space in the buffer tank 36 or the temperature of a part of the outer wall of the buffer tank 36.
  • the temperature of the buffer tank 36 detected by the temperature sensor 39 is referred to as “detection buffer temperature”.
  • FIG. 9 is a flowchart for explaining start-up control according to the present embodiment.
  • the controller 4 executes this routine at a predetermined calculation cycle (for example, 10 [ms]) during operation of the fuel cell system 1.
  • a predetermined calculation cycle for example, 10 [ms]
  • step S15 and step S16 Since the processing from step S1 to step S10, step S15 and step S16 is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted here.
  • step S21 the controller 4 calculates the average value of the detected buffer temperature and the outside air temperature detected by the outside air temperature sensor 45, and sets this average value as the estimated buffer temperature.
  • the buffer tank 36 has a large volume and radiates heat to the outside air through the outer wall. Therefore, there is a possibility that the temperature may be uneven inside the buffer tank 36, and the detection buffer temperature is not necessarily within the buffer tank 36. May not indicate the exact temperature. Therefore, in this embodiment, the average value of the detection buffer temperature and the outside air temperature is used as the estimated buffer temperature. Thereby, the buffer temperature can be estimated with high accuracy.
  • the buffer tank 36 as a space for storing the anode off gas is provided in the anode gas discharge passage 35.
  • the internal manifold of the fuel cell stack 2 may be used as a space instead of the buffer tank 36.
  • the internal manifold referred to here is a space inside the fuel cell stack where the anode off-gas that has finished flowing through the anode gas flow path 121 of each separator is collected. Discharged.
  • the startup anode pressure is set according to the temperature difference between the stack temperature and the buffer temperature when the fuel cell system 1 is started after the idle stop.
  • an anode pressure at start-up may be set when there is a possibility of a temperature difference between the stack temperature and the buffer temperature at the start-up of the fuel cell system 1.
  • the present invention is not limited to when the battery system 1 is activated.

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Abstract

　燃料電池システムは、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、燃料電池システムの起動時に、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御して、燃料電池のアノードガス流路内の不活性ガスをバッファ部に圧送する起動時アノードガス圧力制御手段と、を備え、起動時アノードガス圧力制御手段は、燃料電池の温度とバッファ部の温度との温度差に応じてアノードガスの圧力を制御する。

Description

燃料電池システム
　本発明は燃料電池システムに関する。
　ＪＰ２００７－２４２２６５Ａには、従来の燃料電池システムとして、燃料電池のアノードガス流路内に充満している不活性ガスがバッファ部に圧送されるように、燃料電池システムの起動時に供給するアノードガスの圧力を設定するものが記載されている。
　しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、バッファ部の温度を考慮せずに燃料電池システムの起動時に供給するアノードガスの圧力を設定していた。そのため、燃料電池とバッファ部との間に温度差が生じているときは、アノードガスの圧力が必要以上に高く設定されて燃費が悪化するという問題点があった。
　本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムの起動時に供給するアノードガスの圧力を最適化して燃費の悪化を抑制することを目的とする。
　本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムとして、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、燃料電池システムの起動時に前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御して、前記燃料電池のアノードガス流路内の不活性ガスを前記バッファ部に圧送する起動時アノードガス圧力制御手段と、を備え、起動時アノードガス圧力制御手段が、燃料電池の温度とバッファ部の温度との温度差に応じてアノードガスの圧力を制御する燃料電池システムが提供される。
　本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図１Ａは、本発明の第１実施形態による燃料電池の構成について説明する図である。 図１Ｂは、本発明の第１実施形態による燃料電池の構成について説明する図である。 図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。 図３は、燃料電池システムの運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。 図４は、本発明の第１実施形態による起動時制御について説明するフローチャートである。 図５は、スタック温度に基づいて、不活性ガスの透過係数を算出するテーブルである。 図６は、第２差温と外気温との温度差の推定方法について説明する図である。 図７は、第３差温と不活性ガス透過総量とに基づいて起動時アノード圧を設定するマップである。 図８は、本発明の第２実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システムの概略構成図である。 図９は、本発明の第２実施形態による起動時制御について説明するフローチャートである。
　（第１実施形態）
　燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とで挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
　　　アノード電極　：　　２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-         　　…(１)
　　　カソード電極　：　　４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ 　　…(２)
　この（１）及び（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
　図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の第１実施形態による燃料電池１０の構成について説明する図である。図１Ａは、燃料電池１０の概略斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの燃料電池１０の１Ｂ－１Ｂ断面図である。
　燃料電池１０は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；以下「ＭＥＡ」という）１１の表裏両面に、アノードセパレータ１２とカソードセパレータ１３とが配置されて構成される。
　ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１と、アノード電極１１２と、カソード電極１１３と、を備える。ＭＥＡ１１は、電解質膜１１１の一方の面にアノード電極１１２を有し、他方の面にカソード電極１１３を有する。
　電解質膜１１１は、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。電解質膜１１１は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。
　アノード電極１１２は、触媒層１１２ａとガス拡散層１１２ｂとを備える。触媒層１１２ａは、電解質膜１１１と接する。触媒層１１２ａは、白金又は白金等が担持されたカーボンブラック粒子から形成される。ガス拡散層１１２ｂは、触媒層１１２ａの外側（電解質膜１１１の反対側）に設けられ、アノードセパレータ１２と接する。ガス拡散層１１２ｂは、充分なガス拡散性および導電性を有する部材によって形成され、例えば、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスで形成される。
　カソード電極１１３もアノード電極１１２と同様に、触媒層１１３ａとガス拡散層１１３ｂとを備える。
　アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する。アノードセパレータ１２は、ガス拡散層１１２ｂと接する側にアノード電極１１２にアノードガスを供給するための複数の溝状のアノードガス流路１２１を有する。
　カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する。カソードセパレータ１３は、ガス拡散層１１３ｂと接する側にカソード電極１１３にカソードガスを供給するための複数の溝状のカソードガス流路１３１を有する。
　アノードガス流路１２１を流れるアノードガスと、カソードガス流路１３１を流れるカソードガスとは、互いに平行に同一方向に流れる。互いに平行に逆方向に流れるようにしても良い。
　このような燃料電池１０を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池１０を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
　図２は、本発明の第１実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１の概略構成図である。
　燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、アノードガス供給装置３と、コントローラ４と、を備える。
　燃料電池スタック２は、複数枚の燃料電池１０を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電し、車両の駆動に必要な電力（例えばモータを駆動するために必要な電力）を発電する。
　燃料電池スタック２にカソードガスを供給・排出するカソードガス給排装置、及び燃料電池スタック２を冷却する冷却装置については、本発明の主要部ではないので、理解を容易にするために図示を省略した。本実施形態ではカソードガスとして空気を使用している。
　アノードガス供給装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、調圧弁３３と、圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、バッファタンク３６と、パージ通路３７と、パージ弁３８と、を備える。
　高圧タンク３１は、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
　アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを燃料電池スタック２に供給するための通路であって、一端部が高圧タンク３１に接続され、他端部が燃料電池スタック２のアノードガス入口孔２１に接続される。
　調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、高圧タンク３１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２に供給する。調圧弁３３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。
　圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。圧力センサ３４は、調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２の圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出した圧力を、燃料電池スタック内部の各アノードガス流路１２１とバッファタンク３６とを含むアノード系全体の圧力（以下「アノード圧」という。）として代用する。
　アノードガス排出通路３５は、一端部が燃料電池スタック２のアノードガス出口孔２２に接続され、他端部がバッファタンク３６の上部に接続される。アノードガス排出通路３５には、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、カソード側からアノードガス流路１２１へとクロスリークしてきた窒素や水蒸気などの不活性ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。
　バッファタンク３６は、アノードガス排出通路３５を通って流れてきたアノードオフガスを一旦蓄える。アノードオフガス中の水蒸気の一部は、バッファタンク３６内で凝縮して液水となり、アノードオフガスから分離される。
　パージ通路３７は、一端部がバッファタンク３６の下部に接続される。パージ通路３７の他端部は、開口端となっている。バッファタンク３６に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３７を通って開口端から外気へ排出される。
　パージ弁３８は、パージ通路３７に設けられる。パージ弁３８は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁であり、その開度はコントローラ４によって制御される。パージ弁３８の開度を調節することで、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出するアノードオフガスの量を調節し、アノード系内のアノードガス濃度が所定濃度となるように調節する。所定濃度の設定値が低すぎると、電極反応に使用されるアノードガスが不足するので、発電効率が低下する。一方で、所定濃度の設定値が高すぎると、パージ通路３７を介してアノードオフガス中の不活性ガスとともに外気へ排出されるアノードガスの量が多くなるので、燃費が悪化する。したがって、所定濃度は、発電効率及び燃費を考慮して適切な値に設定される。燃料電池システム１の運転状態が同じであれば、パージ弁３８の開度を大きくするほどバッファタンク３６内の不活性ガスの濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。
　コントローラ４は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
　コントローラ４には、前述した圧力センサ３４の他にも、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ４１や燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度（以下「スタック温度」という。）を検出する水温センサ４２、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ４３、車速を検出する車速センサ４４、外気温を検出する外気温センサ４５、バッテリ充電率を検出するＳＯＣセンサ４６などの各種センサからの信号が入力される。
　コントローラ４は、各種センサの入力信号に基づいて、アイドルストップ制御を実施する。アイドルストップ制御とは、例えば信号待ちによって車両が停止したときなどに、所定のアイドルストップ条件が成立していれば燃料電池スタック２の発電を停止させ、その後、所定のアイドルストップ解除条件が成立すれば燃料電池スタック２の発電を開始させる制御である。
　また、コントローラ４は、各種センサの入力信号に基づいて調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うとともに、パージ弁３８の開度を調節してバッファタンク３６から排出するアノードオフガスの流量を調節し、アノード系内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。
　アノードガス非循環型の燃料電池システム１の場合、調圧弁３３を開いたままにして高圧タンク３１から燃料電池スタック２２にアノードガスを供給し続けてしまうと、燃料電池スタック２２から排出された未使用のアノードガスを含むアノードオフガスが、バッファタンク３６からパージ通路３７を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。
　そこで、本実施形態では調圧弁３３を周期的に開閉し、アノード圧を周期的に増減圧させる脈動運転を行うのである。脈動運転を行うことで、バッファタンク３６に溜めたアノードオフガスを、アノード圧の減圧時に燃料電池スタック２２に逆流させることができる。これにより、アノードオフガス中のアノードガスを再利用することができるので、外気へ排出されるアノードガス量を減らすことができ、無駄をなくすことができる。
　以下、図３を参照して脈動運転について説明する。
　図３は、燃料電池システム１の運転状態が一定の定常運転時における脈動運転について説明する図である。
　図３（Ａ）に示すように、コントローラ４は、燃料電池スタック２にかかる負荷（以下「スタック負荷」という。）（出力電流）に基づいて、アノード圧の基準圧と脈動幅とを算出し、アノード圧の上限値及び下限値を設定する。そして、基準圧を中心として、脈動幅の範囲でアノード圧を周期的に増減圧させて、設定したアノード圧の上限値及び下限値の間でアノード圧を周期的に増減圧させる。
　具体的には、時刻ｔ１でアノード圧が下限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように、少なくともアノード圧を上限値まで増圧させることができる開度まで調圧弁３３を開く。この状態のときは、アノードガスは高圧タンク３１から燃料電池スタック２に供給され、バッファタンク３６へと排出される。
　時刻ｔ２でアノード圧が上限値に達したら、図３（Ｂ）に示すように調圧弁３３を全閉とし、高圧タンク３１から燃料電池スタック２へのアノードガスの供給を停止する。そうすると、前述した（１）の電極反応によって、燃料電池スタック２内部のアノードガス流路１２１に残されたアノードガスが時間の経過とともに消費されるので、アノードガスの消費分だけアノード圧が低下する。
　また、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスが消費されると、一時的にバッファタンク３６の圧力がアノードガス流路１２１の圧力よりも高くなるので、バッファタンク３６からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流する。その結果、アノードガス流路１２１に残されたアノードガスと、アノードガス流路１２１に逆流したアノードオフガス中のアノードガスが時間の経過とともに消費され、さらにアノード圧が低下する。
　時刻ｔ３でアノード圧が下限値に達したら、時刻ｔ１のときと同様に調圧弁３３が開かれる。そして、時刻ｔ４で再びアノード圧が上限値に達したら、調圧弁３３を閉じる。
　ここで、燃料電池システム１の運転時には、前述したようにアノード系全体のアノードガス濃度が予め定められた所定濃度となるように、燃料電池システム１の運転状態に応じてアノード圧の基準圧及び脈動幅が設定されると共に、パージ弁３８の開度が制御される。
　しかしながら、燃料電池システム１が停止されると、主に窒素などの不活性ガスがカソード側からアノードガス流路１２１へと透過していき、不活性ガスが徐々にアノードガス流路１２１に充満していく。そのため、燃料電池システム１の停止時には、アノードガス濃度が所定濃度から徐々に低下していく。
　したがって、燃料電池システム１の起動時には、アノードガス流路１２１に充満した不活性ガスをバッファタンク３６へと圧送し、アノードガス流路１２１のアノードガス濃度を所定濃度まで上げる必要がある。つまり、燃料電池システム１の起動時には、燃料電池システム１の停止中にカソード側からアノードガス流路１２１に透過してきた不活性ガスの量に応じてアノード圧を設定する必要があり、起動時のアノード圧の上限値（以下「起動時アノード圧」という。）を、アノードガス流路１２１に充満した不活性ガスを全てバッファタンク３６に圧送した後のバッファタンク３６の圧力よりも大きくする必要がある。
　このとき、同量の不活性ガスをバッファタンク３６に圧送した後のバッファタンク３６の圧力は、スタック温度とバッファタンク３６の内部温度（以下「バッファ温度」という。）とが同じ場合と比べて、バッファ温度がスタック温度よりも低いときのほうが低くなる。したがって、バッファ温度がスタック温度よりも低い場合は、スタック温度とバッファ温度とが同じときと比べて起動時アノード圧を低くしないと、アノードガス流路１２１に充満した不活性ガスをバッファタンク３６に圧送するために必要な量以上のアノードガスを供給してしまうことになり、燃費が悪化する。
　従来は、スタック温度とバッファ温度が同じになっていること、すなわち、燃料電池システム１を停止してから長時間が経過して、スタック温度及びバッファ温度が外気温相当となった後に起動されることを前提として、起動時アノード圧を設定していた。そのため、バッファ温度によって起動時アノード圧を調整する必要はなかった。
　しかしながら、本実施形態のようにアイドルストップ制御を実施する燃料電池システム１の場合、燃料電池システム１が停止されてから短時間で燃料電池システム１が再起動される。そうすると、燃料電池スタック２よりも熱容量の低いバッファタンク３６のほうが温度の低下速度が早いため、バッファ温度がスタック温度よりも低くなることがある。
　そこで本実施形態では、アイドルストップ制御が実施されたときは、スタック温度とバッファ温度との温度差に応じて起動時アノード圧を制御することとした。以下、この本実施形態による起動時制御について説明する。
　図４は、本実施形態による起動時制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、本ルーチンを燃料電池システム１の運転中に所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で実行する。
　ステップＳ１において、コントローラ４は、各種センサの検出信号を読み込む。
　ステップＳ２において、コントローラ４は、アイドルストップフラグｆが１に設定されているか否かを判定する。アイドルストップフラグｆは、アイドルストップ条件が成立したときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。コントローラ４は、アイドルストップフラグｆが０に設定されていればステップＳ３の処理を行い、アイドルストップフラグｆが１に設定されていればステップＳ７の処理を行う。
　ステップＳ３において、コントローラ４は、複数のアイドルストップ条件が全て成立しているか否かを判定する。アイドルストップ条件としては、車速が所定車速よりも低いこと、バッテリ充電率が所定充電率よりも高いこと、暖気制御が終了していることなどがある。コントローラ４は、アイドルストップ条件が全て成立してればステップＳ４の処理を行い、成立していなければ今回の処理を終了する。
　ステップＳ４において、コントローラ４は、アイドルストップを実施する。具体的には、調圧弁３３を全閉にすると共にカソードガスの供給を停止して、燃料電池スタック２の発電を停止させる。
　ステップＳ５において、コントローラ４は、アイドルストップ条件が成立したときのスタック温度（以下「アイドルストップ開始時スタック温度」という。）を記憶する。
　ステップＳ６において、コントローラ４は、アイドルストップフラグｆを１に設定する。
　ステップＳ７において、コントローラ４は、アイドルストップ解除条件が成立したか否かを判定する。コントローラ４は、前述した複数のアイドルストップ条件のうち、少なくとも１つの条件が不成立となったときに、アイドルストップ解除条件が成立したと判定する。コントローラ４は、アイドルストップ解除条件が成立していなければステップＳ８の処理を行い、成立していればステップＳ１１の処理を行う。
　ステップＳ８において、コントローラ４は、アイドルストップ条件が成立してからの経過時間（以下「アイドルストップ時間」）Ｔｉｄｌｅを算出する。具体的には、アイドルストップ時間Ｔｉｄｌｅの前回値に演算周期ΔＴを足すことで、アイドルストップ時間Ｔｉｄｌｅを算出する。アイドルストップ時間Ｔｉｄｌｅの初期値は０に設定される。
　ステップＳ９において、コントローラ４は、カソード側からアノードガス流路１２１に透過してくる演算周期当りの不活性ガスの透過量（以下「単位透過量」という。）ΔＱを算出する。
　具体的には、まずアノード側の不活性ガスの分圧初期値を０［ｋＰａ］として、カソード側のカソードガス中の不活性ガスの分圧（例えば７６［ｋＰａ］）との分圧差を算出する。次に、後述する図５のテーブルを参照し、スタック温度に基づいて、不活性ガスの透過係数を算出する。最後に、算出した分圧差に透過係数を乗じて不活性ガスの単位透過量ΔＱを算出する。
　なお、最初の演算ではアノード側の不活性ガスの分圧初期値は０［ｋＰａ］に設定されるが、２回目以降の演算では、後述する不活性ガス透過総量Ｑｉｄｌｅに基づいて算出されたアノード側の不活性ガスの分圧が、分圧初期値として設定される。
　ステップＳ１０において、コントローラ４は、アイドルストップ時間中にアノードガス流路１２１に透過してきた不活性ガスの透過総量Ｑｉｄｌｅを算出する。具体的には、不活性ガス透過総量Ｑｉｄｌｅの前回値に単位透過量ΔＱを足すことで、不活性ガス透過総量Ｑｉｄｌｅを算出する。
　ステップＳ１１において、コントローラ４は、アイドルストップ開始時スタック温度と、外気温センサ４５で検出した現在の外気温と、の温度差（以下「第１差温」という。）を算出する。アイドルストップ条件が成立したときのバッファ温度は、基本的にスタック温度と同じと考えることができるので、第１差温は、換言すれば、アイドルストップ開始時のバッファ温度と、外気温と、の差温である。
　ステップＳ１２において、コントローラ４は、第１差温とアイドルストップ時間とに基づいて、アイドルストップ時間が経過したときのバッファ温度と、外気温センサ４５で検出した現在の外気温と、の温度差（以下「第２差温」という。）を推定する。第２差温の推定方法については、図６を参照して後述する。
　ステップＳ１３において、コントローラ４は、外気温センサ４５で検出した現在の外気温に第２差温を足して、現在のバッファ温度を推定する。以下、この推定した現在のバッファ温度のことを「推定バッファ温度」という。
　ステップＳ１４において、コントローラ４は、水温センサ４２で検出した現在のスタック温度と、推定バッファ温度と、の温度差（以下「第３差温」という。）を算出する。
　ステップＳ１５において、コントローラ４は、後述する図７のマップを参照し、第３差温と、不活性ガス透過総量Ｑｉｄｌｅと、に基づいて、起動時アノード圧を設定する。
　ステップＳ１６において、コントローラ４は、アイドルストップフラグｆを０に設定する。
　図５は、スタック温度に基づいて、不活性ガスの透過係数を算出するテーブルである。この透過係数は、電解質膜の材質や膜厚によって決まる物性値である。
　図５に示すように、一般的に不活性ガスの透過係数は、スタック温度が高くなるほど多くなる。
　図６は、第２差温（アイドルストップ時間経過後のバッファ温度と外気温との温度差）の推定方法について説明する図である。
　アイドルストップ中のバッファ温度は、バッファタンク３６の放熱特性にしたがって徐々に低下していく。バッファタンク３６の放熱特性は、予め実験等によって調べておくことができる。そのため、図６に示すように、第１差温が分かれば、バッファタンク３６の放熱特性からバッファ温度が時間の経過とともにどのように低下していくかを推定することができ、これにより第２差温、すなわちアイドルストップ時間が経過したときのバッファ温度と外気温との差温を推定することができる。
　図７は、第３差温（アイドルストップ時間経過後のスタック温度とバッファ温度との温度差）と、不活性ガス透過総量Ｑｉｄｌｅと、に基づいて、起動時アノード圧を設定するマップである。
　図７に示すように、アイドルストップ後の起動時アノード圧は、第３差温、すなわちアイドルストップ時間経過後の燃料電池スタック２及びバッファタンク３６のそれぞれの温度の温度差が大きくなるほど低くなる。また、第３差温が同じでも、不活性ガス透過総量Ｑｉｄｌｅが多くなるほどアイドルストップ後の起動時アノード圧は高くなるように設定される。
　以上説明した本実施形態によれば、アイドルストップ制御が実施された場合など、燃料電池システム１の起動時にスタック温度とバッファ温度との間に温度差が生じている可能性があるときは、起動時におけるスタック温度とバッファ温度の温度差（第３差温）に応じて起動時アノード圧を設定することとした。具体的には、スタック温度とバッファ温度との温度差（第３差温）が大きくなるほど、つまり、スタック温度に対してバッファ温度が低くなるほど、起動時アノード圧が低くなるようした。
　前述したように、アノードガス流路１２１内に存在する同量の不活性ガスをバッファタンク３６に圧送した後のバッファタンク３６の圧力は、スタック温度とバッファ温度とが同じ場合と比べて、バッファ温度がスタック温度よりも低いときのほうが低くなる。
　したがって、スタック温度とバッファ温度との間に温度差があるときに、バッファ温度を無視して起動前のアノードガス流路１２１内の不活性ガス量に応じて起動時アノード圧を設定してしまうと、アノードガス流路１２１内の不活性ガスをバッファタンク３６に圧送するために必要な量以上のアノードガスを供給してしまうことになり、燃費が悪化する。
　これに対して本実施形態では、スタック温度に対してバッファ温度が低くなるほど、起動時アノード圧が小さくなるようにしたので、アノードガス流路１２１内の不活性ガスをバッファタンク３６に圧送するために必要な量以上のアノードガスが供給されるのを抑制できる。よって、燃費の悪化を抑制することができる。さらに、電解質膜に対する圧力入力も減るため、電解質膜、ひいては燃料電池システムの耐久性を向上させることができる。
　また、本実施形態では、燃料電池システム１の停止中にアノードガス流路１２１に透過してくる不活性ガスの総量（不活性ガス透過総量Ｑｉｄｌｅ）も考慮して起動時アノード圧を設定することとした。具体的には、不活性ガス透過総量Ｑｉｄｌｅが多くなるほど、起動時アノード圧が高くなるようにした。
　これにより、アノードガス流路１２１内の不活性ガスを確実にバッファタンク３６に圧送することができる。つまり、起動前の燃料電池スタック２のアノードガス流路１２１内に存在する不活性ガスを、バッファタンク３６に圧送しきれずにアノードガス流路１２１内に残存させてしまうことを抑制できる。よって、起動時の発電効率の低下や、アノードガス不足による燃料電池スタック２の劣化を抑制できる。
　また、本実施形態では、バッファ温度を、燃料電池システム１の停止前のスタック温度、燃料電池システム１が停止されてから起動されるまでの停止時間（アイドルストップ時間）、及び、外気温に応じて推定することとした。
　これにより、精度良くバッファ温度を推定することができるとともに、バッファ温度を検出するための温度センサが不要なので、コストを削減することができる。
　（第２実施形態）
　次に、本発明の第２実施形態について説明する。本発明の第２実施形態は、バッファ温度の推定方法が第１実施形態と相異する。以下、その相違点について説明する。なお、以下に示す各実施形態では前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。
　図８は、本発明の第２実施形態によるアノードガス非循環型の燃料電池システム１１の概略構成図である。
　本実施形態による燃料電池システム１のアノードガス供給装置３は、バッファタンク３６の温度を検出する温度センサ３９を備える。
　温度センサ３９は、バッファタンク３６に取り付けられ、バッファタンク３６内の空間の一部分の温度、又は、バッファタンク３６の外壁の一部分の温度を検出する。以下では、温度センサ３９で検出したバッファタンク３６の温度を「検出バッファ温度」という。
　図９は、本実施形態による起動時制御について説明するフローチャートである。コントローラ４は、本ルーチンを燃料電池システム１の運転中に所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で実行する。
　ステップＳ１からステップＳ１０、ステップＳ１５及びステップＳ１６の処理は第１実施形態と同様なので、ここでは説明を省略する。
　ステップＳ２１において、コントローラ４は、検出バッファ温度と外気温センサ４５で検出した外気温との平均値を算出し、この平均値を推定バッファ温度とする。
　これは、バッファタンク３６の容積は大きく、また、外壁を介して外気に放熱しているので、バッファタンク３６の内部では温度にムラができる可能性があり、必ずしも検出バッファ温度がバッファタンク３６内の正確な温度を示していない可能性がある。そこで、本実施形態では、検出バッファ温度と外気温との平均値を推定バッファ温度としたのである。これにより、バッファ温度を精度良く推定することできる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
　例えば、上記各実施形態では、アノードオフガスを蓄える空間としてのバッファタンク３６をアノードガス排出通路３５に設けていた。しかしながら、このようなバッファタンク３６を設けずに、例えば、燃料電池スタック２の内部マニホールドをバッファタンク３６の代わりの空間としても良い。なお、ここでいう内部マニホールドとは、各セパレータのアノードガス流路１２１を流れ終わったアノードオフガスがまとめられる燃料電池スタック内部の空間であり、アノードオフガスはマニホールドを介してアノードガス排出通路３５へと排出される。
　また、上記各実施形態では、アイドルストップ後の燃料電池システム１の起動時にスタック温度とバッファ温度との間に温度差に応じて起動時アノード圧を設定していた。しかしながら、このような起動時アノード圧の設定は、燃料電池システム１の起動時にスタック温度とバッファ温度との間に温度差が生じている可能性があるときに行えば良く、アイドルストップ後の燃料電池システム１の起動時に限られるものではない。
　本願は、２０１１年１０月４日に日本国特許庁に出願された特願２０１１－２１９７５３号に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (5)

  1. 　アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
    　前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御する制御弁と、
    　前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを蓄えるバッファ部と、
    　前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池に供給するアノードガスの圧力を制御して、前記燃料電池のアノードガス流路内の不活性ガスを前記バッファ部に圧送する起動時アノードガス圧力制御手段と、
    を備え、
    　前記起動時アノードガス圧力制御手段は、前記燃料電池の温度と前記バッファ部の温度との温度差に応じてアノードガスの圧力を制御する、
    燃料電池システム。
  2. 　前記起動時アノードガス圧力制御手段は、
    　　前記バッファ部の温度が、前記燃料電池の温度に対して低いときほど、アノードガスの圧力を低くする、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記起動時アノードガス圧力制御手段は、
    　　前記燃料電池システムの起動時における前記燃料電池のアノードガス流路内の不活性ガス量が多いときほど、アノードガスの圧力を高くする、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記燃料電池システムの停止前の前記燃料電池の温度、燃料電池システムが停止されてから再始動されるまでの停止時間、及び、外気温に応じて前記バッファ部の温度を推定するバッファ温度推定手段を備える、
    請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
  5. 　前記バッファ部の一部の温度を検出する温度検出手段と、
    　前記バッファ部の一部の温度と外気温とに応じて前記バッファ部の温度を推定するバッファ温度推定手段を備える、
    請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
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