(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減圧させて発電するアノードガス非循環型の燃料電池システムであって、
前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを蓄える下流バッファタンクと、
前記下流バッファタンク内の前記アノードオフガスの温度を調節する下流バッファ温度調節機構と、
前記燃料電池システムの運転状態に応じて下流バッファ温度調節機構を制御する下流バッファ温度調節機構制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記下流バッファ温度調節機構制御手段は、
前記燃料電池の湿潤状態に基づいてフラッディングが発生するおそれがあるかを判定するフラッディング判定手段を備え、
フラッディングが発生するおそれがないと判定したときに、前記下流バッファ温度調節機構を制御して前記下流バッファタンク内の温度を上げる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記下流バッファ温度調節機構制御手段は、
前記燃料電池の湿潤状態に基づいてフラッディングが発生するおそれがあるかを判定するフラッディング判定手段を備え、
フラッディングが発生するおそれがあると判定したときに、前記下流バッファ温度調節機構を制御して前記下流バッファタンク内の温度を下げる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記下流バッファタンクから排出されるアノードオフガスの流量を調節するパージ弁と、
前記下流バッファタンク内のアノードガス濃度が所定濃度となるように、前記燃料電池システムの運転状態に応じた基本開度に前記パージ弁を制御するパージ弁制御手段と、
フラッディングが発生するおそれがあると判定したときに、前記パージ弁の開度を基本開度よりも大きくするパージ弁開度補正手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記下流バッファ温度調節機構は、
前記下流バッファタンク内の温度を上げるヒータと、
前記下流バッファタンク内の熱を外部へ放熱するファンと、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料電池を冷却する冷却水循環通路をさらに備え、
前記下流バッファ温度調節機構は、
前記冷却水循環通路から分岐して、前記下流バッファタンクの内部を通るように形成される分岐通路と、
前記分岐通路に設けられ、前記冷却水循環通路からその分岐通路に流入する冷却水の流量を調節する流量制御弁と、
を備えることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池に供給するアノードガスを蓄える上流バッファタンクと、
前記上流バッファタンク内の温度を調節する上流バッファ温度調節機構と、
前記燃料電池システムの運転状態に応じて前記上流バッファ温度調節機構を制御する上流バッファ温度調節機構制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記上流バッファタンク及び前記下流バッファタンクを走行風の当りやすい車両前方に搭載する、
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減圧させて発電するアノードガス非循環型の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を蓄える上流バッファタンクと、
前記燃料電池から排出されたアノードオフガスを蓄える下流バッファタンクと、
前記上流バッファタンク内の前記アノードオフガスの温度を調節する上流バッファ温度調節機構と、
前記燃料電池システムの運転状態に応じて前記上流バッファ温度調節機構を制御する上流バッファ温度調節機構制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【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】
従来の燃料電池システムとして、アノードガス供給通路に常閉ソレノイド弁を設け、アノードガス排出通路に上流から順に常開ソレノイド弁とバッファタンク（リサイクルタンク）とを設けたものがある。
【０００３】
この従来の燃料電池システムは、アノードガス排出通路に排出された未使用のアノードガスを、アノードガス供給通路に戻さないアノードガス非循環型の燃料電池システムであり、アノード圧力を制御する制御弁によって、運転状態に応じた脈動幅でアノードガスの圧力を増減圧させる脈動運転を実施していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５１７３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、バッファタンクの温度変化を考慮していなかった。そのため、バッファタンクの温度によっては、設定された脈動幅で脈動運転を実施すると、燃料電池スタック内部のアノードガス濃度が低下して発電の安定性が低下したり、液水の排出性能が低下するという問題点があった。
【０００６】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、バッファタンクの温度を運転状態に応じて適切な温度に制御することで、安定した発電を行うとともに、液水の排出性能を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池に供給するアノードガスの圧力を周期的に増減圧させて発電するアノードガス非循環型の燃料電池システムである。そして、その燃料電池システムが、燃料電池から排出されたアノードオフガスを蓄える下流バッファタンクと、下流バッファタンク内のアノードオフガスの温度を調節する下流バッファ温度調節機構と、燃料電池システムの運転状態に応じて下流バッファ温度調節機構を制御する下流バッファ温度調節機構制御手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、バッファタンクの温度を燃料電池システムの運転状態に応じて適切な温度に制御することができるので、安定した発電を行うことができるとともに、液水の排出性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池の構成について説明する図である。
【図２】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】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】ある脈動幅で脈動運転したときの、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度及びアノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーを、下流バッファタンク内の温度に応じて示した図である。
【図５】アノードガス流路の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。
【図６】本発明の第１実施形態による脈動運転制御について説明するフローチャートである。
【図７】出力電流から基準圧を算出するテーブルである。
【図８】出力電流から基本脈動幅を算出するテーブルである。
【図９】燃料電池スタックの温度からパージ弁の基本開度を算出するテーブルである。
【図１０】本発明の第１実施形態によるバッファ温度制御処理について説明するフローチャートである。
【図１１】下流バッファタンク内の温度が所定温度のときの、脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、パージ弁の開度に応じて示した図である。
【図１２】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１３】本発明の第２実施形態によるバッファ温度制御処理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】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
（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。
【００１２】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１３】
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。
【００１４】
図１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１（Ａ）は、燃料電池１０の概略斜視図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の燃料電池１０のＢ−Ｂ断面図である。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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、冷却装置４と、コントローラ５と、を備える。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、上流バッファタンク３５と、アノードガス排出通路３６と、下流バッファタンク３７と、パージ通路３８と、パージ弁３９と、を備える。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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５によって制御される。
【００３２】
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を流れるアノードガスの圧力を検出する。本実施形態では、この圧力センサ３４で検出したアノードガスの圧力を、燃料電池スタック２内部の各アノードガス流路１２１と下流バッファタンク３７３６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。
【００３３】
上流バッファタンク３５は、燃料電池スタック２の近傍のアノードガス供給通路３２に設けられて、燃料電池スタック２に供給するアノードガスを一旦蓄える。上流バッファタンク３５には、上流バッファタンク３５に蓄えられたアノードガスの温度を上げるための電気ヒータ（以下「上流バッファ電気ヒータ」という。）３５１と、上流バッファタンク３５に蓄えられたアノードガスの温度を下げるための放熱ファン（以下「上流バッファ放熱ファン」という。）３５２と、が設けられる。
【００３４】
アノードガス排出通路３６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、他端部が下流バッファタンク３７の上部に接続される。アノードガス排出通路３６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純ガスと、の混合ガス（以下「アノードオフガス」という。）が排出される。
【００３５】
下流バッファタンク３７は、アノードガス排出通路３６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、下流バッファタンク３７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。
【００３６】
下流バッファタンク３７には、下流バッファタンク３７に蓄えられたアノードオフガスの温度を上げるための電気ヒータ（以下「下流バッファ電気ヒータ」という。）３７１と、下流バッファタンク３７に蓄えられたアノードオフガスの温度を下げるための放熱ファン（以下「下流バッファ放熱ファン」という。）３７２と、が設けられる。
【００３７】
パージ通路３８は、一端部が下流バッファタンク３７の下部に接続される。パージ通路３８の他端部は、開口端となっている。下流バッファタンク３７に溜められたアノードオフガス及び液水は、パージ通路３８を通って開口端から外気へ排出される。
【００３８】
パージ弁３９は、パージ通路３８に設けられる。パージ弁３９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５によって制御される。パージ弁３９の開度を調節することで、下流バッファタンク３７からパージ通路３８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、下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度が一定となるように調節する。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３９の開度を大きくするほど下流バッファタンク３７内の窒素濃度が低下し、アノードガス濃度が高くなる。
【００３９】
冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、冷却水循環ポンプ４２と、ラジエータ４３と、バイパス通路４４と、三方弁４５と、温度センサ４６と、を備える。
【００４０】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック２１を冷却するための冷却水が流れる通路であって、低温冷却水通路４１ａと、高温冷却水通路４１ｂと、を備える。
【００４１】
低温冷却水通路４１ａは、燃料電池スタック２を冷却する冷却水のうち、ラジエータ４３で冷却された相対的に温度の低い冷却水が流れる通路である。低温冷却水通路４１ａは、一端がラジエータ４３に接続され、他端が燃料電池スタック２の冷却水入口孔２３に接続される。
【００４２】
高温冷却水通路４１ｂは、燃料電池スタックを冷却する冷却水のうち、燃料電池スタック２から排出された相対的に温度の高い冷却水が流れる通路である。高温冷却水通路４１ｂは、一端が燃料電池スタック２の冷却水出口孔２４に接続され、他端がラジエータ４３に接続される。
【００４３】
冷却水循環ポンプ４２は、低温冷却水通路４１ａに設けられて、冷却水を循環させる。
【００４４】
ラジエータ４３は、高温冷却水通路４１ｂを流れてきた冷却水の温度を下げて、低温冷却水通路４１ａへと排出する。
【００４５】
バイパス通路４４は、ラジエータ４３をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４５に接続される。
【００４６】
三方弁４５は、冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４５は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック２１から排出された冷却水が、ラジエータ４３を介して再び燃料電池スタック２１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック２１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４３を介さずにバイパス通路４４を流れて再び燃料電池スタック２１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
【００４７】
温度センサ４６は、高温冷却水通路４１ｂに設けられて、高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度を検出する。本実施形態では、温度センサ４６で検出された冷却水の温度を燃料電池スタック２の温度として代用している。
【００４８】
コントローラ５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。
【００４９】
コントローラ５には、前述した圧力センサ３４や温度センサ４６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５１などの各種センサの検出信号が入力される。
【００５０】
コントローラ５は、これら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３９の開度を調節して下流バッファタンク３７から排出するアノードオフガスの流量を調節し、下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度を所定濃度に保つ。
【００５１】
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２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２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、下流バッファタンク３７からパージ通路３８を介して外気へ排出され続けてしまうので無駄となる。
【００５２】
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、下流バッファタンク３７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２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。
【００５３】
以下、図３を参照して脈動運転について説明しつつ、アノード圧の減圧時に下流バッファタンク３７に溜めたアノードオフガスが燃料電池スタック２に逆流する理由について説明する。
【００５４】
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。
【００５５】
図３（Ａ）に示すように、コントローラ５は、燃料電池スタック２にかかる負荷（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。
【００５６】
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、下流バッファタンク３７へと排出される。
【００５７】
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。
【００５８】
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、一時的に下流バッファタンク３７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、下流バッファタンク３７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。
【００５９】
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を全閉とする。
【００６０】
ここで、このような脈動運転を実施する場合、アノード圧の減圧時においては、下流バッファタンク３７内の温度に応じてアノードガス流路内のアノードガス濃度の最小値（以下「流路内最低アノードガス濃度」という。）が変化することがわかった。また、アノード圧の増圧時においては、下流バッファタンク３７内の温度に応じてアノードガス流路を流れるアノードガスの流速、ひいてはアノードガスの運動エネルギーが変化することがわかった。
【００６１】
図４は、ある脈動幅で脈動運転したときの、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度及びアノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーを、下流バッファタンク３７内の温度に応じて示した図である。図４において、破線が流路内最低アノードガス濃度を示し、実線がアノードガスの運動エネルギーを示す。
【００６２】
図４に示すように、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度は、下流バッファタンク３７内の温度が低くなるほど低くなる。一方で、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーは、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど低くなる。
【００６３】
まず、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度が、下流バッファタンク３７内の温度が低くなるほど低くなる理由について説明する。
【００６４】
アノード圧が所定の上限圧に達したときの下流バッファタンク３７内に存在するアノードガス（水素）の物質量は、下流バッファタンク３７内の温度に応じて変化する。具体的には、下流バッファタンク３７内の圧力が同じであれば、下流バッファタンク３７内の温度が低いときほど、下流バッファタンク３７内に存在するアノードガスの物質量は多くなる。
【００６５】
アノード圧の減圧時には、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とを消費させることで、アノード圧を上限圧から下限圧まで低下させている。そのため、下流バッファタンク３７の内部に存在するアノードガスの物質量が多くなるほど、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要なアノードガスの消費量が多くなるので、アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなる。
【００６６】
アノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなると、アノード圧の減圧時において、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他より低くなる部分が発生する。
【００６７】
図５は、アノードガス流路１２１の内部で局所的にアノードガス濃度が他よりも低くなる部分が発生する理由について説明する図である。図５（Ａ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガス及びアノードオフガスの流れを示した図である。図５（Ｂ）は、アノード圧の減圧時におけるアノードガス流路１２１内のアノードガスの濃度分布を、時間の経過に応じて示した図である。
【００６８】
図５（Ａ）に示すように、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、一時的に下流バッファタンク３７内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、下流バッファタンク３７側からアノードガス流路１２１へとアノードオフガスが逆流してくる。また、同様にアノードガス供給通路３２内にある高濃度のアノードガスも、圧力の低いアノードガス流路１２１へ流れ込んでくる。
【００６９】
そうすると、アノードガス供給通路３２側から流れ込んでくるアノードガスと、下流バッファタンク３７側からアノードガス流路１２１へと逆流してきたアノードオフガスと、の合流部において、それぞれのガス流速が略ゼロとなる淀み点が発生する。
【００７０】
アノードガス流路１２１内でこのような淀み点が発生すると、前述した（１）の電極反応に使用されないアノードオフガス中の窒素が、時間の経過に応じて淀み点近傍に溜まっていく。その結果、淀み点近傍の窒素濃度が時間の経過に応じて他よりも高くなってしまい、図５（Ｂ）に示すように、淀み点近傍のアノードガス濃度が時間の経過に応じて他よりも低くなってしまう。
【００７１】
したがって、下流バッファタンク３７内の温度が低くなるほどアノード圧を下限圧まで低下させるために必要な時間が長くなるので、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度が低くなるのである。
【００７２】
次に、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの運動エネルギーが、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど低くなる理由について説明する。
【００７３】
前述したように、アノード圧が所定の上限圧に達したときの下流バッファタンク３７内に存在するアノードガス（水素）の物質量は、下流バッファタンク３７内の温度に応じて変化する。具体的には、下流バッファタンク３７内の圧力が同じであれば、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど、下流バッファタンク３７内に存在するアノードガスの物質量は少なくなる。
【００７４】
そのため、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど、アノード圧を上限圧まで増加させるのに必要なアノードガス量が少なくなる。その結果、下流バッファタンク３７内の温度が高くなるほど、アノード圧の増圧時におけるアノードガスの流速、ひいては運動エネルギーが低下し、アノードガス流路１２１内の液水の排出性能が低下するのである。
【００７５】
このように、下流バッファタンク３７内の温度が高くなると、アノードガス流路内の液水の排出性能が低下するものの、流路内最低アノードガス濃度が高くなるので安定した発電を行うことができる。
【００７６】
一方、下流バッファタンク３７内の温度が低くなると、流路内最低アノードガス濃度が低くなるものの、アノードガスの運動エネルギーが増加するのでアノードガス流路内の液水の排出性能は向上する。
【００７７】
したがって、下流バッファタンク３７内の温度を制御することで、アノードガス流路内の液水の排出性能及び流路内アノードガス濃度を制御することができる。
【００７８】
そこで、本実施形態では、燃料電池システム１の運転状態に応じて、下流バッファタンク３７内の温度が最適な温度となるように、下流バッファタンク３７内の温度を制御する。
【００７９】
具体的には、燃料電池スタック２の電解質膜１１１が乾いた状態であり、液水の排出性能を低下させてもフラッディングのおそれがないときは、下流バッファタンク３７内の温度を上昇させて、流路内最低アノードガス濃度を高くする。これにより、発電の安定性を向上させることができる
一方で、燃料電池スタック２の電解質膜１１１が湿った状態のときは、逆に下流バッファタンク３７内の温度を下げて、アノードガスの運動エネルギーを増加させる。これにより、液水の排出性能を向上させてフラッディングの発生を抑制する。
【００８０】
以下、本実施形態による脈動運転制御について説明する。
【００８１】
図６は、本実施形態による脈動運転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５は、本ルーチンを所定時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。
【００８２】
ステップＳ１において、コントローラ５は、スタック負荷としての出力電流、スタック温度などの各種センサの検出値を読み込む。
【００８３】
ステップＳ２において、コントローラ５は、図７のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、脈動運転時のアノード圧の基準圧を算出する。図７に示すように、出力電流が大きいときほど、アノード圧の基準圧は大きくなる。
【００８４】
ステップＳ３において、コントローラ５は、図８のテーブルを参照し、出力電流に基づいて、脈動運転時の脈動幅を算出する。図８に示すように、出力電流が大きいときほど、脈動幅は大きくなる。
【００８５】
ステップＳ４において、コントローラ５は、図９のテーブルを参照し、スタック温度に基づいて、パージ弁３９の基本開度を算出する。図９に示すように、スタック温度が高いときほど、パージ弁３９の基本開度は大きくなる。
【００８６】
ステップＳ５において、コントローラ５は、バッファ温度制御処理を実施する。バッファ温度制御処理の詳細については、図１０を参照して後述する。
【００８７】
ステップＳ６において、コントローラ５は、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脈動運転を実施する。
【００８８】
図１０は、バッファ温度制御処理について説明するフローチャートである。
【００８９】
ステップＳ５１において、コントローラ５は、電解質膜１１１の湿潤状態を判断するために、燃料電池スタック２の内部高周波抵抗（ＨＦＲ；High Frequency Resistannce）（以下「内部抵抗」という。）を算出する。電解質膜１１１の湿潤状態と燃料電池スタック２の内部抵抗との間には相関関係があることが知られており、燃料電池スタック２の内部抵抗が低いほど膜中の水分量が多く、電解質膜１１１が濡れた状態となる。
【００９０】
ステップＳ５２において、コントローラ５は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さいか否かを判定する。コントローラ５は、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値よりも小さければ、電解質膜１１１が湿った状態であると判断してステップＳ５５の処理を行う。一方で、燃料電池スタック２の内部抵抗が所定値以上であれば、電解質膜１１１が乾いた状態であると判断してステップＳ５３の処理を行う。
【００９１】
ステップＳ５３において、コントローラ５は、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７内の温度を上げる。具体的には、上流バッファ電気ヒータ３５１及び下流バッファ電気ヒータ３７１をＯＮにするとともに、上流バッファ放熱ファン３５２及び下流バッファ放熱ファン３７２をＯＦＦにする。
【００９２】
ステップＳ５４において、コントローラ５は、パージ弁３９の開度を基本開度に制御する。
【００９３】
ステップＳ５５において、コントローラ５は、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７内の温度を下げる。具体的には、上流バッファ電気ヒータ３５１及び下流バッファ電気ヒータ３７１をＯＦＦにするとともに、上流バッファ放熱ファン３５２及び下流バッファ放熱ファン３７２をＯＮにする。
【００９４】
ステップＳ５６において、コントローラ５は、パージ弁３９の開度が基本開度よりも大きくなるように制御する。これは、下流バッファタンク３７内の温度を下げると、液水の排出性能は向上するものの、流路内アノードガス濃度は低下するため、その低下分を補う必要があるからである。
【００９５】
図１１は、下流バッファタンク３７内の温度が所定温度のときの、脈動幅と流路内最低アノードガス濃度との関係を、パージ弁３９の開度に応じて示した図である。
【００９６】
図１１に示すように、アノード圧の減圧時において、脈動幅が同じときの流路内最低アノードガス濃度は、パージ弁３９の開度を大きくして下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度を高くするほど高くなる。これは、下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度を高くするほど、下流バッファタンク３７側からアノードガス流路１２１に逆流してくるアノードオフガス中の窒素量が少なくなり、淀み点近傍に滞留する窒素が少なくなるためである。
【００９７】
したがって、下流バッファタンク３７内の温度を下げたときに、パージ弁３９の開度を大きくすることで、下流バッファタンク３７内の温度を下げたことによる流路内アノードガス濃度の低下分を補うことができるのである。
【００９８】
以上説明した本実施形態によれば、電解質膜１１１が乾いた状態であり、液水の排出性能を低下させてもフラッディングのおそれがないときは、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７の温度を上げることとした。
【００９９】
下流バッファタンク３７内の温度を上げるほど、アノード圧が上限圧に達したときの下流バッファタンク３７内のアノードガスの物質量が少なくなるので、アノード圧が下限圧まで低下するのに要する時間が短くなる。そのため、下流バッファタンク３７内の温度を上げることで、アノード圧の減圧時における流路内最低アノードガス濃度を高くすることができるので、安定した発電を行うことができる。
【０１００】
また、上流バッファタンク３５内の温度を上げておくことで、以下のような効果を得ることができる。
【０１０１】
燃料電池システム１を車両に搭載する場合、配置スペースや重量バランスの観点から、燃料電池スタック２が車両前方に搭載され、高圧タンク３１が車両後方に搭載されることが多い。そうすると、アノードガス供給通路３２が長くなる。そのため、アノードガス供給通路３２を流れるアノードガスは、外気温度や走行風などの外部環境の影響を特に受けやすい。
【０１０２】
したがって、外部環境によっては燃料電池スタック２に供給するアノードガスの温度が低下し、結果として燃料電池スタック２から排出されて下流バッファタンク３７に流入するアノードオフガスの温度が低くなってしまう。そうすると、下流バッファタンク３７内の温度上昇を妨げることとなる。
【０１０３】
そこで、本実施形態のように上流バッファタンク３５内の温度を上げておくことで、燃料電池スタック２に供給するアノードガスの温度を予め上げておくことができる。これにより、燃料電池スタック２から排出されて下流バッファタンク３７に流入するアノードオフガスの温度を高くすることができる。その結果、素早く下流バッファタンク３７内の温度を上げることができるので、より安定した発電を行うことができる。
【０１０４】
また本実施形態によれば、電解質膜１１１が湿った状態であり、フラッディングが発生しやすい状態のときは、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７の温度を下げることとした。
【０１０５】
下流バッファタンク３７内の温度を下げるほど、アノード圧を上限圧まで増加させるのに必要なアノードガス量が多くなるので、アノード圧を上限圧まで増大させるときのアノードガスの流速が早くなる。そのため、アノードガスの運動エネルギーが増加し、液水の排出性能を向上させることができる。
【０１０６】
また、上流バッファタンク３５の温度を予め下げておくことで、素早く下流バッファタンク３７内の温度を下げることができるので、より液水の排出性能を向上させることができる。運動エネルギーは、ガスの密度をρ、流速をｖとすると、１／２ρｖ2で表され、ガスの密度に比例して大きくなる。そのため、上流バッファタンク３５の温度を下げるほど、燃料電池スタック２に供給されるアノードガスの密度が大きくなって運動エネルギーが増大するので、液水の排出性能を向上させることができる。
【０１０７】
また、本実施形態によれば、下流バッファタンク３７内の温度を下げたときは、パージ弁３９の開度を基本開度よりも大きくして下流バッファタンク３７内のアノードガス濃度を高くすることとした。
【０１０８】
これにより、下流バッファタンク３７の温度を下げたことによって低下した分の流路内最低アノードガス濃度をパージ弁３９の開度を大きくすることで補うことができる。
【０１０９】
（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。本実施形態は、燃料電池システム１の構成が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、以下に示す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。
【０１１０】
図１２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１の概略構成図である。
【０１１１】
本実施形態による冷却装置４は、第１分岐通路４７と、第２分岐通路４８と、を備える。
【０１１２】
第１分岐通路４７は、冷却水循環ポンプ４２よりも下流の低温冷却水通路４１ａから分岐して、三方弁４５と冷却水循環ポンプ４２との間の低温冷却水通路４１ａに合流する通路である。第１分岐通路４７は、下流バッファタンク３７内を貫通するように形成される。これにより、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間で熱交換できるようになっている。第１分岐通路４７には、下流バッファタンク３７よりも下流に第１通水量制御弁４７１が設けられる。
【０１１３】
第１通水量制御弁４７１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、低温冷却水通路４１ａから第１分岐通路４７へと流入してくる冷却水の流量を調節する。第１通水量制御弁４７１は、コントローラ５によって開度が制御される。
【０１１４】
第２分岐通路４８は、高温冷却水通路４１ｂから分岐して、三方弁４５と冷却水循環ポンプ４２との間の低温冷却水通路４１ａに合流する通路である。第２分岐通路４８は、上流バッファタンク３５の内部を貫通するように形成される。これにより、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間で熱交換できるようになっている。第２分岐通路４８には、上流バッファタンク３５よりも下流に第２通水量制御弁４８１が設けられる。
【０１１５】
第２通水量制御弁４８１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、高温冷却水通路４１ｂから第２分岐通路４８へと流入してくる冷却水の流量を調節する。第２通水量制御弁４８１は、コントローラ５によって開度が制御される。
【０１１６】
また、本実施形態による燃料電池システム１は、高温冷却水通路４１ｂに設けられた温度センサ４６のほかに、３つの温度センサ４９，３５３，３７３を備える。
【０１１７】
３つの温度センサのうちの１つは、低温温冷却水通路４１ａに設けられて低温温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度を検出する温度センサ４９である。もう１つは、上流バッファタンク３５内に設けられて上流バッファタンク３５内の温度を検出する温度センサ３５３である。最後の１つは、下流バッファタンク３７内に設けられて下流バッファタンク３７内の温度を検出する温度センサ３７３である。これら３つの温度センサ４９，３５３，３７３の検出信号はコントローラ５に入力される。
【０１１８】
本実施形態では、低温温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度と、下流バッファタンク３７の温度と、を比較し、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて第１通水量制御弁４７１の開度を制御することで、下流バッファタンク３７内の温度を制御する。また、高温温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度と、上流バッファタンク３５の温度と、を比較し、電解質膜１１１の湿潤状態に応じて第２通水量制御弁４８１の開度を制御することで、上流バッファタンク３５内の温度を制御する。以下、この本実施形態によるバッファ温度制御処理について説明する。
【０１１９】
図１３は、本実施形態によるバッファ温度制御処理について説明するフローチャートである。
【０１２０】
ステップＳ２５１において、コントローラ５は、下流バッファタンク３７内の温度と、低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度と、の大小を比較する。コントローラ５は、下流バッファタンク３７内の温度が低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度より高ければステップＳ２５２の処理を行う。一方で、下流バッファタンク３７内の温度が低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度以下であればステップＳ２５３の処理を行う。
【０１２１】
ステップＳ２５２において、コントローラ５は、第１通水量制御弁４７１を閉じて、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間の熱交換を停止する。これにより、下流バッファタンク３７内の温度を高温の状態に保つ。
【０１２２】
ステップＳ２５３において、コントローラ５は、第１通水量制御弁４７１を開き、下流バッファタンク３７内のアノードガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間で熱交換を実施する。これにより、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスの温度を冷却水との熱交換によって上昇させる。
【０１２３】
ステップＳ２５４において、コントローラ５は、上流バッファタンク３５内の温度と、高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度と、の大小を比較する。コントローラ５は、上流バッファタンク３５内の温度が高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度より高ければステップＳ２５５の処理を行う。一方で、上流バッファタンク３５内の温度が高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度以下であればステップＳ２５６の処理を行う。
【０１２４】
ステップＳ２５５において、コントローラ５は、第２通水量制御弁４８１を閉じて、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間の熱交換を停止する。これにより、上流バッファタンク３５内の温度を高温の状態に保つ。
【０１２５】
ステップＳ２５６において、コントローラ５は、第２通水量制御弁４８１を開き、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間の熱交換を実施する。これにより、上流バッファタンク３５内のアノードガスの温度を冷却水との熱交換によって上昇させる。
【０１２６】
ステップＳ２５７において、コントローラ５は、下流バッファタンク３７内の温度と、低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度と、の大小を比較する。コントローラ５は、下流バッファタンク３７内の温度が低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度より高ければステップＳ２５８の処理を行う。一方で、下流バッファタンク３７内の温度が低温冷却水通路４１ａを流れる冷却水の温度以下であればステップＳ２５９の処理を行う。
【０１２７】
ステップＳ２５８において、コントローラ５は、第１通水量制御弁４７１を開き、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間で熱交換を実施する。これにより、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスの温度を冷却水との熱交換によって下げる。
【０１２８】
ステップＳ２５９において、コントローラ５は、第１通水量制御弁４７１を閉じて、下流バッファタンク３７内のアノードオフガスと第１分岐通路４７を流れる冷却水との間の熱交換を停止する。これにより、下流バッファタンク３７内の温度を低温の状態に保つ。
【０１２９】
ステップＳ２６０において、コントローラ５は、上流バッファタンク３５内の温度と、高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度と、の大小を比較する。コントローラ５は、上流バッファタンク３５内の温度が高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度より高ければステップＳ２６１の処理を行う。一方で、上流バッファタンク３５内の温度が高温冷却水通路４１ｂを流れる冷却水の温度以下であればステップＳ２６２の処理を行う。
【０１３０】
ステップＳ２６１において、コントローラ５は、第２通水量制御弁４８１を開き、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間の熱交換を実施する。これにより、上流バッファタンク３５内のアノードガスの温度を冷却水との熱交換によって下げる。
【０１３１】
ステップＳ２６２において、コントローラ５は、第２通水量制御弁４８１を閉じて、上流バッファタンク３５内のアノードガスと第２分岐通路４８を流れる冷却水との間の熱交換を停止する。これにより、上流バッファタンク３５内の温度を低温の状態に保つ。
【０１３２】
以上説明した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られるほか、電気ヒータや放熱ファンを設ける必要がないので、消費電力を抑えることができ、燃費を向上させることができる。
【０１３３】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【０１３４】
上記各実施形態では、電解質膜の湿潤状態を燃料電池スタックの内部抵抗に基づいて判断していたが、これに限られるものではない。例えば、燃料電池システム１の運転状態に基づいて、前述した（１）及び（２）の電極反応によって生じる生成水の量から判断しても良い。また、アノードガス流路１２１内に存在する液水の量が増えてくると、ガス拡散性が阻害されて燃料電池スタック２の出力電圧が徐々に低下するので、出力電圧に基づいて判断しても良い。
【０１３５】
また上記各実施形態では、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７のそれぞれの温度を制御可能に構成していたが、いずれか一方の温度のみを制御可能なように構成しても良い。
【０１３６】
また上記各実施形態において、上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７を車両前方の比較的走行風の当りやすい場所に配置することで、放熱性能を向上させて、温度を下げやすくすることができる。また、通常、車速の高い高負荷運転状態になると燃料電池スタック２の内部の生成水量が多くなるため、アノード側への液水排出性能を向上させる必要がある。上流バッファタンク３５及び下流バッファタンク３７を走行風の当りやすい場所に配置することで、自然とバッファタンクの温度が低下するので、液水排出性能を向上させることができる。
【符号の説明】
【０１３７】
１    燃料電池システム
１０    燃料電池
３５    上流バッファタンク
３５１  上流バッファ電気ヒータ（上流バッファ温度調節機構）
３５２  上流バッファ放熱ファン（上流バッファ温度調節機構）
３７    下流バッファタンク
３７１  下流バッファ電気ヒータ（下流バッファ温度調節機構）（ヒータ）
３７２  下流バッファ放熱ファン（下流バッファ温度調節機構）（ファン）
３９    パージ弁
４７    第１分岐通路（分岐通路）
４７１  第１通水量制御弁（流量制御弁）
Ｓ５２  フラッディング判定手段
Ｓ５３  下流バッファ温度調節機構制御手段
Ｓ５４  パージ弁制御手段
Ｓ５５  下流バッファ温度調節機構制御手段
Ｓ５６  パージ弁開度補正手段
【図１】
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【図２】
0005790177.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
0005790177.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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