(57)【要約】  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。
2013051398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【発明の概要】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（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。
【０００９】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
以下、図３を参照して脈動運転について説明する。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
（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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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