JP2010176952A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 温度センサを用いることなく燃料電池の温度を精度良く求めること。
【解決手段】燃料電池システムＦＣの制御部４０は、燃料電池１０内部の反応ガスが封止された状態で、クロスリークによる内部圧力変化を排除して、燃料電池１０の運転停止時における運転停止時内部圧力を求める。制御部４０は、温度センサ３１１によって検出された運転時における燃料電池１０の温度と、算出された内部圧力およびアノード圧力センサ３０１によって検出された現在内部圧力とを用いて燃料電池１０の現在内部温度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、より具体的には、燃料電池の内部温度を検出する技術に関する。

燃料電池システムでは、燃料電池の温度を制御パラメータの１つとして用いて燃料電池の運転制御が行われている。燃料電池の温度は、例えば、燃料電池の冷却液温度、燃料電池の表面温度を温度センサによって検出することによって測定されてきた。温度センサを用いる場合には、燃料電池の運転開始時に迅速に温度を検出できないという問題があった。この問題に対して、温度センタを用いることなく、燃料電池の圧力変化量、ガス供給量とに基づいて燃料電池の温度を推定する技術が知られている。

特開２００７−３５５６３号公報

しかしながら、上記の温度センサを用いない従来技術では、燃料電池の内部圧力が直ちに大気圧と等しくなってしまうため圧力変化量を正確に測定することができないという問題があった。また、クロスリークの影響を考慮していないため検出した圧力低下がクロスリークに基づく圧力低下であるのか、温度低下による圧力低下であるのか判別することができず、燃料電池の温度を精度良く推定することができない。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、温度センサを用いることなく燃料電池の温度を精度良く求めることを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は以下の種々の態様を採る。

第１の態様は、燃料電池システムを提供する。第１の態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の内部温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池内部の反応ガスが封止された状態で前記燃料電池の運転停止時における前記燃料電池の運転停止時内部圧力を求める圧力算出部と、前記燃料電池内部の反応ガスが封止された状態で前記燃料電池の現在内部圧力を検出する圧力検出部と、前記温度検出器によって検出された運転時における前記燃料電池の温度と、前記算出された内部圧力および検出された現在内部圧力とを用いて前記燃料電池の現在内部温度を算出する現在内部温度算出部とを備える。

第１の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池内部の反応ガスが封止された状態で燃料電池の運転停止時における燃料電池の運転停止時内部圧力を求め、温度検出器によって検出された運転時における燃料電池の温度と、算出された内部圧力および検出された現在内部圧力とを用いて燃料電池の現在内部温度を算出するので、温度センサを用いることなく燃料電池の温度を精度良く求めることができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記圧力算出部は、クロスリークを考慮して、前記運転停止時内部圧力を求めても良い。この場合には、クロスリークを考慮して、運転停止時内部圧力を求めるので、運転停止時内部圧力の算出精度を向上させることが可能となり、温度センサを用いることなく燃料電池の温度をさらに精度良く求めることができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記圧力算出部は、クロスリークに伴う圧力低下が収束した後における前記燃料電池の圧力変化に基づいて前記運転停止時内部圧力を求めても良い。この場合には、クロスリークに伴う圧力低下が収束した後における燃料電池の圧力変化に基づくことによって、クロスリークの影響を排除した運転停止時内部圧力を算出することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記圧力算出部は、クロスリークに伴う水素および酸素のモル数の変動を考慮したモル数を用いて前記運転停止時内部圧力を求めても良い。この場合には、クロスリークに伴う水素および酸素のモル数の変動を考慮することによって、クロスリークの影響を排除した運転停止時内部圧力を算出することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池に対する反応ガスの給排を許容または停止するための封止弁を備え、前記燃料電池内の反応ガスの封止は、前記封止弁を閉弁することによって実行されても良い。この場合には、容易に燃料電池内の反応ガスを封止することができる。

第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記運転停止時内部圧力および運転停止時における前記燃料電池の温度を記憶する記憶装置を備え、前記現在内部温度算出部は、前記燃料電池の始動時に、前記記憶装置から前記運転停止時内部圧力および運転時における前記燃料電池の温度を読み出し、前記圧力検出部から現在内部圧力を取得して、前記現在内部温度を算出しても良い。この場合には、記憶装置に記憶されている運転停止時内部圧力および運転停止時における燃料電池の温度を用いて運転停止時内部圧力を算出することができる。

第２の態様は、燃料電池システムにおける燃料電池の現在温度取得方法を提供する。第２の態様に係る燃料電池の現在温度取得方法は、前記燃料電池内部の反応ガスが封止された状態での前記燃料電池の運転停止時における前記燃料電池の運転停止時内部圧力を取得し、前記燃料電池内部の反応ガスが封止された状態で前記燃料電池の現在内部圧力を検出し、運転時における前記燃料電池の温度を取得し、前記取得した運転時における前記燃料電池の温度、前記取得した内部圧力および検出された現在内部圧力とを用いて前記燃料電池の現在内部温度を算出することを備える。

第２の態様に係る燃料電池の現在温度取得方法によれば、第１の態様に係る燃料電池システムと同様の作用効果を得ることができる。また、第２の態様に係る燃料電池の現在温度取得方法は、第１の態様に係る燃料電池システムと同様にして種々の態様にて実現され得る。

第２の態様に係る燃料電池の現在温度取得方法は、この他にも燃料電池の現在温度取得プログラム、燃料電池の現在温度取得プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能媒体として実現され得る。コンピュータ読み取り可能媒体には、ハードディスクドライブ、半導体メモリ、ＣＤおよびＤＶＤといった、磁気的、静電気的、光学的にプログラムを記録可能な種々の媒体が含まれる。

本実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。 本実施例に係る燃料電池システムの適用例として車両に搭載されている様子を示す説明図である。 本実施例における制御部の内部構成を機能的に示すブロック図である。 本実施例に係る燃料電池システムにおける燃料電池の現在内部温度を算出するために実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 第１の方法に用いられる経過時間と圧力との関係を示す特性線の一例を示す説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムについて、図面を参照しつつ、実施例に基づいて説明する。

図１は本実施例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。燃料電池システムＦＣは、燃料電池１０、燃料ガス供給系、酸化ガス供給系、冷却系、制御部４０および負荷５０を備えている。なお、本実施例において、反応ガスは、燃料電池１０における電気化学反応に供する燃料ガスおよび酸化ガスの総称である。なお、燃料ガスとしては、例えば、純水素、水素含有量の高い水素リッチガスが含まれ、酸化ガスとしては、例えば、空気（大気）、酸素が含まれる。

燃料電池１０は、燃料ガスが供給されるアノードおよび酸化ガスが供給されるカソードを有する。本実施例では、固体高分子型の燃料電池が用いられ、燃料電池１０は、電解質膜のそれぞれの面上に、アノード触媒層およびカソード触媒層を備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を備えている。なお、アノード触媒層およびカソード触媒層に加えて、アノードガス拡散層、およびカソードガス拡散層を備えていても良い。

電解質層は、固体高分子電解質膜、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を含むフッ素系樹脂からなるプロトン伝導性のイオン交換膜によって形成することができる。各触媒層は、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金、あるいは白金と他の金属からなる合金を含む。各触媒層は電解質層の表面に塗布されることによって形成されても良く、あるいは、各ガス拡散層に触媒金属を担持させることによって、各ガス拡散層と一体に形成されても良い。各ガス拡散層は、導電性及びガス透過性を有する部材、例えば、カーボン製多孔体、カーボンペーパを用いることができる。

燃料電池１０は、アノードに燃料ガス供給部１００ａおよび燃料オフガス排出部１００ｂ、カソードに酸化ガス供給部１００ｃおよび酸化オフガス排出部１００ｄを備えている。燃料電池１０はさらに、冷却液供給部１００ｅおよび冷却液排出部１００ｆを備えている。

燃料ガス供給系は、水素源１８、燃料ガス供給管１１０、燃料オフガス排出管１１１、燃料オフガス循環管１１２を備えている。水素源１８は、燃料ガスである水素を供給するための水素貯蔵部であり、本実施例では、高圧水素タンクが用いられる。この他に、水素貯蔵合金、カーボンナノチューブを用いた水素貯蔵部、液体水素を貯蔵する水素貯蔵部が用いられても良い。

燃料電池１０の燃料ガス供給部１００ａと水素源１８とは燃料ガス供給管１１０によって接続されている。燃料ガス供給管１１０には、圧力制御弁２１およびアノード圧力センサ３０１が備えられている。圧力制御弁２１は、水素源１８から燃料電池１０に供給される燃料ガスの圧力を所定の圧力に調整すると共に、制御部４０からの閉弁要求に従って、閉弁状態を取り、水素源１８から燃料電池１０に対する燃料ガスの供給を停止する。なお、圧力制御弁２１とは別に、水素源１８から燃料電池１０に対する燃料ガスの供給を許容・停止するための燃料ガス供給封止弁が備えられても良い。燃料ガス供給封止弁は制御部４０によって開弁・閉弁が制御され、後述する現在内部温度算出制御において全封止弁を閉弁する場合には、燃料ガス供給封止弁も閉弁される。

燃料電池１０の燃料オフガス排出部１００ｂには燃料オフガス排出管１１１が接続されている。燃料オフガス排出管１１１にはアノード封止弁２２が備えられている。アノード封止弁２２は、制御部４０によって制御され、開弁状態にて燃料電池１０からの燃料オフガスの排出を許容し、閉弁状態にて燃料電池１０からの燃料オフガスの排出を停止する。アノード封止弁２２は、通常閉弁されており、アノード封止弁２２を定期的に開弁することによって、アノードに滞留している窒素ガス、水蒸気といった非燃料ガスを大気中に排出し、アノードにおける燃料ガスの拡散性を向上して発電効率の回復を図ることができる。

燃料ガス供給管１１０における圧力制御弁２１の下流部と燃料オフガス排出管１１１におけるアノード封止弁２２の上流部とには、燃料オフガス循環管１１２が接続されている。したがって、アノードに対して燃料オフガスを再投入することが可能である。燃料オフガス循環管１１２には、燃料オフガス排出管１１１から流入する燃料オフガスを燃料ガス供給管１１０へ再投入するための燃料オフガス循環ポンプ３２１が備えられている。なお、アノード封止弁２２を備えることなく、燃料電池の燃料オフガス排出部１００ｂに燃料オフガス循環管１１２が直接接続されていても良い。

酸化ガス供給系は、酸化ガス供給管１２０、酸化ガスブロワー３２２、酸化オフガス排出管１２１、マフラ１２２を含んでいる。燃料電池１０の酸化ガス供給部１００ｃには、酸化ガス供給管１２０が接続されており、酸化ガスブロワー３２２と燃料電池１０は、酸化ガス供給管１２０を介して接続されている。酸化ガス供給管１２０にはカソードを大気から封止するための第１カソード封止弁２３が備えられている。燃料電池１０の酸化オフガス排出部１００ｄには、酸化オフガス排出管１２１が接続されている。酸化オフガス排出管１２１には、第２カソード封止弁２４、カソード圧力センサ３０２、マフラ１２２が備えられている。第２カソード封止弁２４は、酸化ガスブロワー３２２と協働してカソード圧力を調整すると共に、第１カソード封止弁と協働してカソードを大気から封止する。カソード圧力センサ３０２はカソードの圧力を検出する。マフラ１２２はカソードオフガスの排出に伴い発生する排気音を低減する。

燃料電池１０の図示しない出力端子には、負荷５０が接続されている。図２は本実施例に係る燃料電池システムの適用例として車両に搭載されている様子を示す説明図である。
燃料電池システムＦＣが車両６０に搭載されている場合、負荷５０として、例えば、車両６０を駆動するためのモータが用いられる。

冷却系は、冷却液配管１３０、熱交換器１３１、温度センサ３１１および冷却液用ポンプ３２３を含んでいる。燃料電池１０の冷却液供給部１００ｅおよび冷却液排出部１００ｆと熱交換器１３１とは冷却液配管１３０を介して接続されている。燃料電池１０の冷却液排出部１００ｆと熱交換器１３１との間の冷却液配管１３０には冷却液温度を検出するための温度センサ３１１および冷却液配管３１０内の冷却液を循環させるための冷却液用ポンプ３２３が配置されている。なお、冷却液は冷媒として用いられており、気体と液体との間で相変化することにより、例えば大気との間で熱の授受を行う冷却物質が用いられても良い。

制御部４０は入力される要求出力に応じて燃料電池システムＦＣの動きを制御する。図３は本実施例における制御部の内部構成を機能的に示すブロック図である。制御部４０は、中央演算装置（ＣＰＵ）４１、メモリ４２、入出力インターフェース４３を備えている。ＣＰＵ４１、メモリ４２および入出力インターフェース４３は双方向通信バスによって互いに接続されている。ＣＰＵ４１はメモリに格納されているプログラムを実行し、燃料電池システムＦＣの動作を制御する。メモリ４２には圧力を用いて現在温度を算出するための現在温度算出プログラム４２１、燃料電池停止時における圧力を算出するための停止時圧力算出プログラム４２２が格納されている。これらプログラム４２１、４２２はＣＰＵ４１によって実行されることによって、現在内部温度算出部、圧力算出部として機能する。また、メモリ４２はＣＰＵ４１による演算結果を一時的に記憶するための作業領域を備えている。入出力インターフェース４３は、制御部４０の外部に備えられている各種センサ、アクチュエータと制御部４０とを接続するための信号線が接続されるインターフェースである。本実施例では、入出力インターフェース４３には、圧力制御弁２１、第１、第２カソード封止弁２３、２４、アノード圧力センサ３０１、カソード圧力センサ３０２、温度センサ３１１、燃料オフガス循環ポンプ３２１、酸化ガスブロワー３２２、冷却液用ポンプ３２３がそれぞれ制御用信号線を介して接続されている。

燃料電池システムＦＣの動作について簡単に説明する。水素源１８に貯蔵されている高圧水素は、圧力制御弁２１によって所定の圧力に減圧された後、燃料ガス供給管１１０および燃料ガス供給部１００ａを介して燃料電池１０のアノードに供給される。燃料ガス供給部１００ａを介して燃料電池内に供給された燃料ガスのうち、起電反応に供されなかった燃料ガスを含む燃料オフガス（アノードオフガス）は、燃料オフガス排出部１００ｂおよび燃料オフガス排出管１１１の一部を介して、燃料オフガス循環管１１２に流動する。燃料オフガス循環管１１２に流動した燃料オフガスは、燃料オフガス循環ポンプ３２１によって燃料ガス供給管１１０へと導かれ、水素源からの水素と共に燃料電池１０に再投入される。なお、アノード封止弁２２は、通常運転時には閉弁状態とされ、燃料電池１０は、燃料オフガスを内部に止めた状態で運転（発電）する。

燃料電池１０のカソードへは、酸化ガスブロワー３２２によって取り込まれた大気（空気）が酸化ガス供給管１２０および酸化ガス供給部１００ｃを介して供給される。制御部４０は、燃料電池１０運転時には、第１および第２カソード封止弁２３、２４を開弁状態とする。

アノードに供給された水素は、アノード触媒層によって水素イオン（プロトン）ど電子とに分離とされ、水素イオンは膜電極接合体を介してカソードに移動し、電子は外部回路を介してカソード触媒層へと移動する。カソードに移動した水素イオンは、カソード触媒層において、カソードに供給された酸素および外部回路を経由した電子と反応し、水が生成される。この一連の反応によって、負荷５０を駆動するための電流を得ることができる。

冷却液配管１３０内の冷却液は、燃料電池１０内で起電反応に伴い発生した熱の一部を奪い、熱交換器１３１において熱の一部を放出する。すなわち、冷却液用ポンプ３２３によって、燃料電池１０と熱交換器１３１との間で冷却液が循環させられることによって、燃料電池１０は所定温度に冷却（または維持）される。

制御部４０は、運転開始時には、後述する現在内部温度算出処理によって算出された現在温度を用いて燃料電池１０の運転を開始する。制御部４０は、始動後の運転時には、入力された要求出力、温度センサ３１１によって取得された燃料電池１０の温度に基づいて、燃料オフガス循環ポンプ３２１、酸化ガスブロワー３２２による燃料オフガス循環量、酸化ガス供給量を調整して、燃料電池１０の運転制御を実行する。

・燃料電池の現在内部温度算出制御：
図４は本実施例に係る燃料電池システムにおける燃料電池の現在内部温度を算出するために実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。本処理ルーチンは、燃料電池１０（燃料電池システムＦＣ）の運転停止要求が入力されると実行される。運転停止要求は、例えば、燃料電池システムが車両６０に搭載されている場合には、スタート・ストップボタン、イグニッションスイッチといったスイッチを介して、あるいは、燃料電池システムが固定設置されている場合には、オン・オフスイッチを介して入力される。

ＣＰＵ４１は温度センサ３１１を介して燃料電池１０の運転停止時温度Ｔ１を取得する（ステップＳ１００）。ここで、運転停止時温度Ｔ１は、稼働中（運転中）の燃料電池１０の内部温度であり、燃料電池１０の冷却液排出部１００ｆから排出される冷却液温度として取得される。燃料電池１０の運転中であれば、冷却液は十分に循環しており、冷却液排出部１００ｆから排出される冷却液の温度は燃料電池１０内部の温度を十分に表していると共に、応答遅れもない。なお、運転停止時温度Ｔ１は、運転停止要求が入力される前、すなわち、燃料電池システムＦＣの稼働中の任意のタイミングにて取得されても良い。通常運転時における燃料電池１０の内部温度は一定と見なすことができるからである。

ＣＰＵ４１は、運転停止時温度Ｔ１を取得すると、燃料電池システムＦＣの運転を停止する（ステップＳ１１０）。具体的には、燃料オフガス循環ポンプ３２１、酸化ガスブロワー３２２を停止すると共に、圧力制御弁２１を閉弁して、燃料電池１０内部への反応ガスの供給を停止する。さらに、負荷５０と接続されている電力供給線上に備えられているスイッチを遮断しても良い。

ＣＰＵ４１は、全ての封止弁を閉弁する（ステップＳ１２０）。具体的には、アノード封止弁２２、第１および第２カソード封止弁２３、２４を閉弁する。この結果、燃料電池１０の内部は、大気から遮断され、封止された状態に保たれる。なお、圧力制御弁２１は、ステップＳ１２０にて閉弁されても良い。

ＣＰＵ４１は停止時圧力算出プログラム４２２を実行して運転停止時内部圧力Ｐ１を算出する（ステップＳ１３０）。運転停止時内部圧力Ｐ１の算出には、燃料電池システムＦＣ停止後における圧力低下特性線を直線補完することによって燃料電池システムＦＣ停止直後の燃料電池１０の内部圧力Ｐ１を算出する第１の方法、理想気体の状態方程式を用いて燃料電池１０の運転停止後における水素および酸素のモル数の変動を考慮して燃料電池システムＦＣ停止直後の燃料電池１０の内部圧力Ｐ１を算出する第２の方法がある。

燃料電池システムＦＣにはアノード圧力センサ３０１、カソード圧力センサ３０２が備えられている。しかしながら、燃料電池１０の運転停止直後は、燃料オフガス循環ポンプ３２１、酸化ガスブロワー３２２および圧力制御弁２１によって圧力調整された高圧水素ガスによって、燃料電池１０のカソードおよびアノードは満たされている。この結果、燃料電池１０のアノードとカソード間においてクロスリークが発生し、クロスリークに伴いアノード圧力およびカソード圧力が変化する。したがって、アノード圧力センサ３０１、カソード圧力センサ３０２によっては、クロスリークの影響を排除して、温度変化（低下）に伴う圧力変化（低下）のみを適切に検出することができない。また、理想気体の状態方程式を用いる場合にも、クロスリークに伴いアノードとカソードのモル数が変化するため、クロスリークに伴うモル数の変化を考慮しなければ正確な圧力を算出することができない。そこで、第１の方法および第２の方法のいずれかによって、燃料電池システムＦＣ停止直後におけるクロスリークの影響を排除した燃料電池１０の内部圧力Ｐ１を推定する。

本実施例ではまた、燃料電池１０のアノードおよびカソードを封止して大気との連通を遮断しているので、燃料電池システムＦＣの運転停止直後に、燃料電池１０の内部圧力が大気圧となる事態を回避して、燃料電池システムＦＣの運転時の内部温度Ｔ１における内部圧力Ｐ１を正確に見積もることができる。

第１の方法は、クロスリークに伴う圧力低下が収束した後における燃料電池の内部圧力変化に基づいて運転停止時内部圧力を求める方法と言うことができる。図５は第１の方法に用いられる経過時間と圧力との関係を示す特性線の一例を示す説明図である。図５において縦軸はスタック圧力、横軸は経過時間を示す。図５において、経過時間０（ｓ）は燃料電池システムＦＣの運転停止直後に対応する。燃料電池システムＦＣが停止すると、クロスリークに伴う圧力低下と温度低下に伴う圧力低下とが同時進行する。クロスリークに伴う圧力低下期間ｔｃは、１０００〜２０００（ｓ）程度である。そこで、本実施例では、ＣＰＵ４１は停止時圧力算出プログラム４２２を実行して、クロスリークに伴う温度低下の影響を受けない開始時間ｔｓ（ｓ）以降の特性線を用いて直線補完を実行する。開始時間ｔｓは、例えば、３６００（ｓ）である。図５の例では、直線補完によって、燃料電池システムＦＣ停止時における燃料電池１０の内部圧力Ｐ１が求められている。なお、特性線を直線補完することによって所望の値を推定（取得）する手法は公知の手法であるから説明を省略する。

第２の方法は、クロスリークに伴う水素および酸素のモル数の変動を考慮したモル数と理想気体の状態方程式とを用いて運転停止時内部圧力を求める。燃料電池システムＦＣ運転時におけるアノードおよびカソードにおける理想気体の状態方程式は以下の（式１）および（式２）の通りとなる。

Ｐ_AnＶ_An＝ｎ_AnＲＴ１ （式１）
Ｐ_CaＶ_Ca＝ｎ_CaＲＴ１ （式２）

アノードの内部圧力Ｐ_An、カソードの内部圧力Ｐ_Caは（式３）および（式４）の通りとなり、アノードのモル数ｎＰ_An、カソードのモル数ｎ_Caは（式５）および（式６）の通りとなる。
Ｐ_An＝Ｐ_H2＋Ｐ_H2O-An＋Ｐ_N2-An （式３）
Ｐ_Ca＝Ｐ_O2＋Ｐ_H2O-Ca＋Ｐ_N2-Ca （式４）
ｎ_An＝ｎ_H2＋ｎ_H2O-An＋ｎ_N2-An （式５）
ｎ_Ca＝ｎ_O2＋ｎ_H2O-Ca＋ｎ_N2-Ca （式６）

なお、Ｐ_H2O-AnおよびＰ_H2O-Ca並びにｎ_H2O-Anおよびｎ_H2O-Caは温度の関数である水蒸気圧曲線を用いて求めることが可能である。また、アノードにおいてはＰ_N2-An およびｎ_N2-An は０と近似することが可能であり、カソードにおいてはＰ_N2-An およびｎ_N2-An は空気における酸素および窒素の組成割合に基づいて求めることができる。

次にクロスリークの影響を考慮すると、アノードおよびカソードにおける残存酸素量および水素量の大小関係に応じて以下の通りモル数が変化する。なお、ｎ’はクロスリークによって消費された後の各成分のモル数を示している。
＊ｎ_H2／２＞ｎ_O2 ｎ’_O2＝０（全量消費） ｎ’_H2＝ｎ_H2−２ｎ_O2
＊ｎ_H2／２＜ｎ_O2 ｎ’_H2＝０（全量消費） ｎ’_O2＝ｎ_O2−ｎ_H2／２
＊ｎ_H2／２＝ｎ_O2 ｎ’_H2＝０（全量消費） ｎ’_O2＝０（全量消費）

すなわち、クロスリークによりアノードにおいて生じる起電反応によってＨ₂Ｏが生成された後に残存する酸素または水素のモル数が、クロスリークの影響によるモル数変化を示し、求められたモル数を考慮する（モル数から減ずる）ことによって、クロスリークの影響を排除したモル数ｎを用いて理想気体の状態方程式から燃料電池システムＦＣの運転停止時における圧力Ｐ１を求めることができる。

クロスリークによる水素または酸素の移動が収束するとアノードおよびカソードの圧力は同一圧力となる。以下では、アノードを例にとって、燃料電池システムＦＣの運転停止直後の圧力Ｐ１の算出手順を説明する。クロスリークに伴う水素のモル数の変化を考慮したモル数、燃料電池システムＦＣの運転中の圧力Ｐ０と燃料電池システムＦＣの運転停止直後の圧力Ｐ１との関係は式（７）、（８）に示すとおり

ここで、式（７）において、Ｐ_Anはアノード圧力センサ３０１によって検出された燃料電池システムＦＣの運転中の内部圧力であり、Ｖ_Anは既知のアノードの容積であり、Ｔ１は温度センサ３１１によって検出された燃料電池システムＦＣの運転中の内部温度であり、いずれも容易に取得することができる値である。また、式（８）において（ｎ_H2−ｎ’_H2）の項が、クロスリークに伴う水素のモル数変化を補正するための項となる。

ＣＰＵ４１は検出した運転停止時温度Ｔ１と算出した運転停止時内部圧力Ｐ１とをメモリ４２に格納し（ステップＳ１４０）、始動要求の入力を待機する（ステップＳ１５０：Ｎｏ）。始動要求の入力は、前述のスタート・ストップボタン、イグニッションスイッチといったスイッチを介して入力される。なお、運転停止時温度Ｔ１として、停止要求の入力とは無関係に、燃料電池システムＦＣの運転中の温度を用いる場合には、運転中の温度を取得するタイミングにてメモリ４２に格納される。

ＣＰＵ４１は、始動要求の入力を検出すると（ステップＳ１５０：Ｙｅｓ）、アノード圧力センサ３０１を介して現在内部圧力Ｐを取得する（ステップＳ１６０）。なお、カソード圧力を燃料電池１０の内部圧力として用いる場合には、カソード圧力センサ３０２を介して現在内部圧力Ｐを取得してもよい。

ＣＰＵ４１は、現在温度算出プログラム４２１を実行して、現在温度Ｔを算出し（ステップＳ１７０）、本処理ルーチンを終了する。現在温度算出プログラム４２１では、以下の式（９）を用いて現在内部温度Ｔを取得する。具体的には、アノードの体積Ｖ_Anが一定であるため、Ｐ_An／Ｔ＝一定であるという特性を利用して、燃料電池システムＦＣの運転停止直後における内部温度Ｔ１および内部圧力Ｐ１と現在内部圧力Ｐを用いて現在内部温度Ｔを求める。換言すれば、燃料電池システムＦＣの運転停止後における、クロスリークの影響を排除した圧力変化（圧力低下）に基づいて、現在内部温度Ｔを取得する。

Ｔ＝Ｔ１／Ｐ１×Ｐ （式９）

以上説明した本実施例に係る燃料電池システムＦＣによれば、燃料電池１０を封止した状態にて算出された燃料電池システムＦＣの運転停止直後における内部圧力Ｐ１と、内部圧力Ｐ１と燃料電池システムＦＣの運転停止直後における内部温度Ｔ１および現在内部圧力Ｐとを用いて現在内部温度Ｔを求める。したがって、内部圧力Ｐ１の算出精度を向上させることができる。この結果、正確に算出された燃料電池１０の内部圧力Ｐ１と正確に検出された内部圧力Ｐとを用いて、燃料電池システムＦＣの始動時における燃料電池１０の内部温度Ｔを算出することができる。

また、本実施例では、クロスリークの影響を除外して、燃料電池システムＦＣの運転停止直後における内部圧力Ｐ１を算出するので、クロスリークに伴う圧力変化を排除して内部圧力Ｐ１を算出することができる。したがって、内部温度の変化（低下）にのみ起因する圧力変化（低下）に基づいて現在内部温度Ｔを算出することが可能となり、算出精度を向上させることができる。

さらに、燃料電池システムＦＣの運転停止後であってクロスリークの影響を受けない時点して内部圧力Ｐ１を算出し、メモリ４２に格納しているので、燃料電池システムＦＣの運転開始時には、記憶されている内部圧力Ｐ１を用いて、迅速に現在内部温度Ｔを算出することができる。

変形例：
（１）上記実施例では、アノードを例にとって燃料電池１０の現在内部温度Ｔを算出しているが、カソードにおける内部圧力変化に基づいて燃料電池１０の現在内部温度Ｔを算出できることは言うまでもない。

（２）上記実施例では、燃料電池システムＦＣの運転停止後であってクロスリークの影響を受けない時点して内部圧力Ｐ１を算出し、メモリ４２に格納しているが、燃料電池システムＦＣの運転開始時に、内部圧力Ｐ１を算出しても良い。この場合には、内部圧力Ｐ１を算出するための圧力検出と、現在内部温度Ｔを算出するための圧力検出とを１回の圧力検出によって実現することができる。

（３）上記実施例では、燃料電池システムＦＣが車両に搭載されている場合を例にとって説明したが、間欠運転を行う固定設置式の燃料電池システムに対しても適用可能であることはいうまでもない。

（４）上記実施例では、固体高分子型の燃料電池を例にとって説明したが、運転停止後に、アノードとカソードとの間でクロスリークが生じる燃料電池であれば、どのような燃料電池であっても本実施例による効果を得ることができる。

（５）上記実施例では、燃料電池１０の運転時温度は冷却液配管１３０に備えられている温度センサ３１１を用いて検出されているが、運転時における燃料電池１０の内部温度を検出できる温度センサであれば、冷却液配管１３０に備えられている温度センサ３１１に限られない。すなわち、燃料電池１０の運転中であれば、燃料電池１０の外部壁面、アノードオフガス、カソードオフガスの温度は、十分に燃料電池１０の内部温度と見なすことができる場合があり、そのような場合には、これら温度を検出し、燃料電池１０の運転停止直後（運転時）の内部温度として用いても良い。

以上、実施例、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

１０…燃料電池
１８…水素源
２１…圧力制御弁
２２…アノード封止弁
２３…第１カソード封止弁
２４…第２カソード封止弁
４０…制御部
４１…ＣＰＵ
４２…メモリ
４２１…現在温度算出プログラム
４２２…停止時圧力算出プログラム
４３…入出力インターフェース
５０…負荷
６０…車両
１００ａ…燃料ガス供給部
１００ｂ…燃料オフガス排出部
１００ｃ…酸化ガス供給部
１００ｄ…酸化オフガス排出部
１００ｅ…冷却液供給部
１００ｆ…冷却液排出部
１１０…燃料ガス供給管
１１１…燃料オフガス排出管
１１２…燃料オフガス循環管
１２０…酸化ガス供給管
１２１…酸化オフガス排出管
１２２…マフラ
１３０…冷却液配管
１３１…熱交換器
３０１…アノード圧力センサ
３０２…カソード圧力センサ
３１０…冷却液配管
３１１…温度センサ
３２１…燃料オフガス循環ポンプ
３２２…酸化ガスブロワー
３２３…冷却液用ポンプ
ＦＣ…燃料電池システム

Claims (7)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   前記燃料電池の内部温度を検出する温度検出器と、
   前記燃料電池内部の反応ガスが封止された状態で前記燃料電池の運転停止時における前記燃料電池の運転停止時内部圧力を求める圧力算出部と、
   前記燃料電池内部の反応ガスが封止された状態で前記燃料電池の現在内部圧力を検出する圧力検出部と、
   前記温度検出器によって検出された運転時における前記燃料電池の温度と、前記算出された内部圧力および検出された現在内部圧力とを用いて前記燃料電池の現在内部温度を算出する現在内部温度算出部とを備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記圧力算出部は、クロスリークを考慮して、前記運転停止時内部圧力を求める、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記圧力算出部は、クロスリークに伴う圧力低下が収束した後における前記燃料電池の圧力変化に基づいて前記運転停止時内部圧力を求める、燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記圧力算出部は、クロスリークに伴う水素および酸素のモル数の変動を考慮したモル数を用いて前記運転停止時内部圧力を求める、燃料電池システム。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムはさらに、
   前記燃料電池に対する反応ガスの給排を許容または停止するための封止弁を備え、
   前記燃料電池内の反応ガスの封止は、前記封止弁を閉弁することによって実行される、燃料電池システム。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池システムはさらに、
   前記運転停止時内部圧力および運転時における前記燃料電池の温度を記憶する記憶装置を備え、
   前記現在内部温度算出部は、前記燃料電池の始動時に、前記記憶装置から前記運転停止時内部圧力および運転時における前記燃料電池の温度を読み出し、前記圧力検出部から現在内部圧力を取得して、前記現在内部温度を算出する、燃料電池システム。
7. 燃料電池システムにおける燃料電池の現在温度取得方法であって、
   前記燃料電池内部の反応ガスが封止された状態での前記燃料電池の運転停止時における前記燃料電池の運転停止時内部圧力を取得し、
   前記燃料電池内部の反応ガスが封止された状態で前記燃料電池の現在内部圧力を検出し、
   運転時における前記燃料電池の温度を取得し、
   前記取得した運転時における前記燃料電池の温度、前記取得した内部圧力および検出された現在内部圧力とを用いて前記燃料電池の現在内部温度を算出する、燃料電池の現在温度取得方法。

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