JP2000294263A - 燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池を構成する積層体を効率的に迅速に
加温すると共にシステム全体の小型化を図る。 【解決手段】 バルブ５２を開成すると共にバルブ５４
〜５８を閉成して燃料電池スタック２２のみの循環管路
を形成し、燃焼器４４で熱交換媒体を加熱することによ
り燃料電池スタック２２を加温する。燃料電池スタック
２２の加温が終了したら、バルブ５４を開成して燃料電
池スタック２２および２４からなる循環管路を形成して
燃料電池スタック２４を加温する。この際、燃料電池ス
タック２２からの電力を電気ヒータ４６に供給してその
加温を促進する。以下、他の燃料電池スタックも同様に
して順次加温する。燃焼器４４は最初の燃料電池スタッ
クの加温に必要な容量でよい。また、得られる電力を用
いて加温するから、効率よく迅速にすべての燃料電池ス
タックを加温することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
および燃料電池の加温方法に関し、詳しくは、単電池を
積層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムお
よび単電池を積層してなる積層体を有する燃料電池の加
温方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の燃料電池システムとして
は、２分割された燃料電池スタックの一方を加温した燃
焼ガスを改質器の排ガスとの熱交換により加温して燃料
電池スタックの他方を加温するものが提案されている
（例えば、特開平２−１３９８７１号公報など）。この
システムは、２分割された燃料電池スタックの間に熱交
換器を備えると共に燃料電池スタックの一方，熱交換
器，燃料電池スタックの他方の順に冷却および加温用の
循環流路を備えており、燃料を燃焼させることにより加
熱した燃焼ガスを循環流路により供給して燃料電池スタ
ックの一方を加温し、改質器の排ガスを熱交換器に供給
して燃料電池スタックの一方を加温することにより降温
したガスを加熱して燃料電池スタックの他方を加温す
る。この結果、このシステムによれば、燃料電池スタッ
クを迅速に起動可能な温度にすることができる、とされ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た燃料電池システムでは、燃料電池スタックを効果的に
迅速に加温することができない場合を生じるという問題
があった。上述の燃料電池システムでは、改質器の存在
が必須となり、改質器が存在しないシステムでは燃料電
池スタックを迅速に加温することができない。

【０００４】本発明の燃料電池システムは、燃料電池を
構成する積層体を迅速に加温することを目的の一つとす
る。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を構
成する積層体を効率的に加温することを目的の一つとす
る。さらに、本発明の燃料電池システムは、システム全
体の小型化を目的の一つとする。本発明の燃料電池の加
温方法は、燃料電池を構成する積層体を迅速に加温する
ことを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の加
温方法は、燃料電池を構成する積層体を効率的に加温す
ることを目的の一つとする。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法は、
上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手
段を採った。

【０００６】本発明の燃料電池システムは、単電池を積
層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムであ
って、前記複数の積層体毎に熱交換媒体を循環可能な熱
交換媒体循環手段と、前記熱交換媒体を加温可能な第１
加温手段と、前記複数の積層体毎に燃料を供給可能な燃
料供給手段と、前記複数の積層体により発電された電力
を用いて前記熱交換媒体を加温可能な第２加温手段と、
所定の指示のとき、前記複数の積層体の一部を加温した
後に他の積層体を加温するよう前記熱交換媒体循環手段
と前記第１加温手段と前記燃料供給手段と前記第２加温
手段とを制御する加温制御手段とを備えることを要旨と
する。

【０００７】この本発明の燃料電池システムでは、所定
の指示のときに、加温制御手段が複数の積層体の一部を
加温した後に他の積層体を加温するよう熱交換媒体循環
手段と第１加温手段と燃料供給手段と第２加温手段とを
制御することにより、複数の積層体を加温することがで
きる。

【０００８】こうした本発明の燃料電池システムにおい
て、前記複数の積層体の温度を検出する温度検出手段を
備え、前記加温制御手段は、前記複数の積層体の一部に
前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段
を制御すると共に前記熱交換媒体を加温するよう前記第
１加温手段を制御する第１加温制御手段と、前記温度検
出手段により検出される前記複数の積層体の一部の温度
が所定温度になったとき、該一部の積層体に燃料を供給
するよう前記燃料供給手段を制御すると共に前記一部の
積層体を除く他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換
媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御し、
前記一部の積層体により発電された電力を用いて前記熱
交換媒体を加温するよう前記第２加温手段を制御する第
２加温制御手段とを備えるものとすることもできる。こ
うすれば、加温された一部の積層体を作動させて得られ
る電力を用いて他の積層体の一部を加温するから、複数
の積層体を迅速に加温することができる。また、第１加
温手段は積層体の一部を加温するのに必要な熱量を熱交
換媒体に加えることができればよいから、第１加温手段
として小型のものを用いることができ、システム全体を
小型化することができる。

【０００９】この加温制御手段が第１加温制御手段と第
２加温制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池シス
テムにおいて、前記第２加温制御手段は、前記一部の積
層体を介して前記他の積層体の少なくとも一部に前記熱
交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御
する手段であるものとすることもできる。こうすれば、
一部の積層体が発電に伴い生じる熱を用いて他の積層体
の一部を加温することができる。この結果、発生する熱
を効率的に利用することができると共に、より迅速に複
数の積層体を加温することができる。

【００１０】また、加温制御手段が第１加温制御手段と
第２加温制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池シ
ステムにおいて、前記第２加温制御手段は、前記熱交換
媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する手段で
あるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に
他の積層体の一部を加温することができる。

【００１１】これら各態様を含め本発明の燃料電池シス
テムにおいて、前記第１加温手段は、燃焼用の燃料の供
給を受けて該燃料を燃焼することにより前記熱交換媒体
を加温する手段であるものとすることもできる。こうす
れば、迅速に熱量を熱交換媒体に供給することができ
る。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前
記複数の積層体毎に前記第１加温手段の排気を供給可能
な排気供給手段と、前記加温制御手段による加温に対応
して前記第１加温手段の排気を前記複数の積層体の一部
に供給するよう前記排気供給手段を制御する排気制御手
段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、さ
らにエネルギ効率を向上させることができると共に迅速
に積層体を加温することができる。

【００１２】また、本発明の燃料電池システムにおい
て、前記複数の積層体のすべての加温が終了したとき、
前記第１加温手段と前記第２加温手段による前記熱交換
媒体の加温を停止する加温停止手段を備えるものとする
こともできる。こうすれば、複数の積層体が過剰に加温
されるのを防止することができる。

【００１３】さらに、本発明の燃料電池システムにおい
て、前記熱交換媒体を冷却可能な熱交換媒体冷却手段を
備えるものとすることもできる。こうすれば、始動後
は、熱交換媒体循環手段を複数の積層体を冷却可能な冷
却装置として機能させることができる。この結果、複数
の積層体の加温と冷却とを同一の熱交換媒体により行な
うことができるから、別々に行なうシステムに比してシ
ステム全体を小型のものにすることができる。

【００１４】本発明の燃料電池の加温方法は、単電池を
積層してなる積層体を有する燃料電池の加温方法であっ
て、前記積層体の一部を加温する第１加温ステップと、
該一部の積層体の加温が終了したとき、該一部の積層体
に燃料を供給して得られる電力を用いて該一部の積層体
を除く他の積層体の少なくとも一部を加温する第２加温
ステップとを備えることを要旨とする。

【００１５】この本発明の燃料電池の加温方法では、一
部の積層体の加温が終了した後に、この一部の積層体に
燃料を供給して得られる電力を用いて一部の積層体を除
く他の積層体の少なくとも一部を加温することにより、
積層体全体を迅速に加温することができる。

【００１６】この本発明の燃料電池の加温方法におい
て、前記第１加温ステップは、燃料を燃焼することによ
り生じる熱を用いて前記積層体の一部を加温するステッ
プであるものとすることもできる。

【００１７】また、本発明の燃料電池の加温方法におい
て、前記第２加温ステップは、前記一部の積層体に燃料
を供給することにより該一部の積層体が生じる熱をも用
いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステッ
プであるものとすることもできる。こうすれば、より迅
速に積層体を加温することができると共に、加温の際の
エネルギ効率を向上させることができる。

【００１８】さらに、本発明の燃料電池の加温方法にお
いて、前記第２加温ステップは、燃料を燃焼することに
より生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一
部を加温するステップであるものとすることもできる。
こうすれば、より迅速に積層体を加温することができ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である
燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図であ
る。図示するように、実施例の燃料電池システム２０
は、４つの燃料電池スタック２２〜２８と、この４つの
燃料電池スタック２２〜２８に水素を含有する燃料ガス
を供給する燃料供給装置３０と、４つの燃料電池スタッ
ク２２〜２８を加温および冷却する加温冷却装置４０
と、燃料電池システム２０全体をコントロールする電子
制御ユニット８０とを備える。

【００２０】４つの燃料電池スタック２２〜２８（以
下、個別に呼ぶときには第１〜第４燃料電池スタックと
いう）は、いずれも湿潤状態でプロトン伝導性を有する
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電
池の単位セルを複数積層して構成されている。各燃料電
池スタック２２〜２８には、燃料供給装置３０から供給
される燃料ガスを各単位セルの燃料極に供給する燃料ガ
ス流路３３，３５，３７，３９と、酸素を含有する酸化
ガス（例えば、空気など）を各単位セルの酸素極に供給
する図示しない酸化ガス流路と、加温冷却装置４０に用
いられる熱交換媒体（例えば、水や不凍液など）の流路
としての熱交換媒体流路５３，５５，５７，５９とが設
けられている。また、各燃料電池スタック２２〜２８に
は、それぞれの燃料電池スタックの温度を検出する温度
センサ（以下、第１〜第４スタック温度センサという）
７２〜７８が取り付けられている。

【００２１】燃料供給装置３０は、メタノールやメタン
などの炭化水素系の燃料を水蒸気改質して水素を含有す
る燃料ガスを得る改質器等の燃料生成装置や、水素ガス
を貯蔵する水素タンク等として構成されており、各燃料
電池スタック２２〜２８にその需要に応じた燃料ガスを
供給する。なお、燃料供給装置３０から各燃料電池スタ
ック２２〜２８への燃料ガス供給管３１は、分岐管を介
して各燃料電池スタック２２〜２８の燃料ガス流路３
３，３５，３７，３９に接続されており、その流入口に
は各燃料電池スタック２２〜２８への燃料ガスの供給を
司る電磁弁（以下、各電磁弁を第１〜第４燃料バルブと
いう）３２，３４，３６，３８が取り付けられている。

【００２２】加温冷却装置４０は、各燃料電池スタック
２２〜２８の熱交換媒体流路５３，５５，５７，５９に
接続されて循環管路を形成する循環形成管路５０と、こ
の循環形成管路５０に熱交換媒体を循環させるポンプ４
２と、循環管路に循環する熱交換媒体を加温する燃焼器
４４と、同じく循環管路に循環する熱交換媒体を加温す
る電気ヒータ４６と、循環形成管路５０にバイパス管路
として取り付けられた熱交換器４８とを備える。循環形
成管路５０の各燃料電池スタック２２〜２８への流入口
には各燃料電池スタック２２〜２８への熱交換媒体の循
環を司る電磁弁（以下、第１〜第４循環バルブという）
５２，５４，５６，５８が取り付けられている。

【００２３】燃焼器４４は、燃料ガスを燃焼する燃焼部
４５を備えており、この燃焼部４５には分岐管６２を介
して燃料ガス供給管３１から燃料ガスが供給される。こ
の分岐管６２の燃焼部４５への流入口には、燃料ガスの
供給を司る電磁弁（以下、燃焼器燃料バルブという）６
４が取り付けられている。また、燃焼器４４には、出口
付近の熱交換媒体の温度を検出する燃焼器温度センサ６
６が取り付けられている。燃焼器燃料バルブ６４や燃焼
器温度センサ６６，燃焼部４５は信号ラインにより電子
制御ユニット８０に接続されており、電子制御ユニット
８０により燃焼器温度センサ６６が検出する温度が所定
温度を越えないよう燃焼部４５による燃料ガスの燃焼が
制御されるようになっている。

【００２４】図２は、各燃料電池スタック２２〜２８と
電気ヒータ４６との電気系統を模式的に示した模式図で
ある。図示するように電気ヒータ４６は、通電により発
熱する発熱体（例えば、ニクロム線など）４６ａと、発
熱体４６ａへの通電を司るスイッチ４７と、電気ヒータ
４６の出口付近の熱交換媒体の温度を検出する電気ヒー
タ温度センサ６７とを備えており、発熱体４６ａへの通
電により循環形成管路５０に流れる熱交換媒体を加熱す
る。なお、スイッチ４７と電気ヒータ温度センサ６７は
信号ラインにより電子制御ユニット８０に接続されてお
り、電子制御ユニット８０により電気ヒータ温度センサ
６７が検出する温度が所定温度を越えないようスイッチ
４７のオンオフが制御されるようになっている。

【００２５】また、図２に示すように、電気ヒータ４６
に接続された電力ライン９２は、第１燃料電池スタック
２２の出力端子２２ａ，２２ｂと接続されると共に、各
リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂを介して第２お
よび第３燃料電池スタック２４，２６の出力端子２４
ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂに接続されている。したが
って、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂをオン
とすることにより第１ないし第３燃料電池スタック２２
〜２６は並列に接続され、これらの燃料電池スタックに
より発電される電力が電気ヒータ４６に供給されるよう
になっている。電力ライン９２はリレー９８ａと第４燃
料電池スタック２８とを介して電力ライン９３に接続さ
れており、この電力ライン９２，９３は、リレー９１
ａ，９１ｂを介してバッテリ９０の出力端子９０ａ，９
０ｂに接続されている。また、各燃料電池スタック２２
〜２８は、リレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃを介して各燃
料電池スタック２２〜２８の異極端子が接続されてお
り、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ，９８ａ
をオフとした状態でリレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃをオ
ンとすることにより各燃料電池スタック２２〜２８を直
列に接続することができるようになっている。この状態
で更にリレー９１ａ，９１ｂをオンとすれば、燃料電池
スタック２２〜２８により発電された電力を用いてバッ
テリ９０を充電することができる。

【００２６】図１に戻って、熱交換器４８は、三方弁
（以下、冷却三方弁という）６０を介して循環形成管路
５０にバイパス的に接続されており、各燃料電池スタッ
ク２２〜２８が定常運転状態のときに管路形成されて循
環形成管路５０に流れる熱交換媒体を外気と熱交換して
冷却する。なお、熱交換器４８には、熱交換器４８の出
口付近の熱交換媒体の温度を検出する熱交換器温度セン
サ６８が取り付けられている。

【００２７】図３は、電子制御ユニット８０を中心とし
た燃料電池システム２０の電気的な構成の概略を示すブ
ロック図である。図示するように、電子制御ユニット８
０は、ＣＰＵ８２を中心として構成されたワンチップマ
イクロプロセッサとして構成されており、処理プログラ
ムを記憶したＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶する
ＲＡＭ８６と、各種信号を入力する入力処理回路８８
と、各種信号を出力する出力処理回路８９とを備える。
この電子制御ユニット８０には、燃焼器温度センサ６６
からの燃焼器４４の出口付近の熱交換媒体の温度や電気
ヒータ温度センサ６７からの電気ヒータ４６の出口付近
の熱交換媒体の温度，熱交換器温度センサ６８からの熱
交換器４８の出口付近の熱交換媒体の温度，第１〜第４
スタック温度センサ７２〜７８からの各燃料電池スタッ
ク２２〜２８の温度Ｔ１〜Ｔ４などが入力処理回路８８
を介して入力されている。また、電子制御ユニット８０
からは、ポンプ４２への駆動信号や燃焼部４５への点火
信号，燃焼器燃料バルブ６４への駆動信号，電気ヒータ
４６への駆動信号，冷却三方弁６０への駆動信号，第１
〜第４燃料バルブ３２，３４，３６，３８への駆動信
号，第１〜第４循環バルブ５２，５４，５６，５８への
駆動信号，各リレー９１ａ，９１ｂ，９４ａ，９４ｂ，
９４ｃ，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９８ａ，９８ｃへの
駆動信号などが出力処理回路８９を介して出力されてい
る。

【００２８】次に、こうして構成された実施例の燃料電
池システム２０の動作、特に燃料電池システム２０を始
動するときに各燃料電池スタック２２〜２８を加温する
動作について説明する。図４は、電子制御ユニット８０
により実行される加温処理ルーチンの一例を示すフロー
チャートである。このルーチンは、実施例の燃料電池シ
ステム２０が起動される際に各燃料電池スタック２２〜
２８の温度が所定温度以下（例えば、０℃以下）のとき
に実行される。

【００２９】図４の加温処理ルーチンが実行されると、
ＣＰＵ８２は、まず第１燃料電池スタック２２を加温す
るための第１循環管路５０ａを形成する処理を実行する
（ステップＳ１００）。第１循環管路５０ａの形成は、
電子制御ユニット８０から第１〜第４循環バルブ５２，
５４，５６，５８に駆動信号を出力して第１循環バルブ
５２を開成すると共に第２〜第４循環バルブ５４，５
６，５８を閉成し、更に、冷却三方弁６０に駆動信号を
出力して熱交換媒体が熱交換器４８を通らないよう管路
形成することにより行なう。図５は、こうして第１循環
管路５０ａが形成されて、これにより第１燃料電池スタ
ック２２が加温される様子を示す説明図である。なお、
第１循環管路５０ａを解りやすくするため、第１循環管
路５０ａを構成しない第２燃料電池スタック２４等の管
路の図示は省略してある。

【００３０】次に、ポンプ４２を駆動して熱交換媒体を
第１循環管路５０ａに循環させると共に（ステップＳ１
０２）、燃焼器４４による熱交換媒体の加温の処理を実
行する（ステップＳ１０４）。燃焼器４４による加温
は、具体的には、電子制御ユニット８０から燃焼器燃料
バルブ６４に駆動信号を出力して燃焼器燃料バルブ６４
を開成すると共に燃焼部４５に点火信号を出力して燃焼
部４５に供給される燃料ガスを燃焼させることにより行
なう。

【００３１】続いて、第１スタック温度センサ７２によ
り検出される第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１を読
み込み（ステップＳ１０６）、読み込んだ温度Ｔ１が閾
値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理を実行する（ステッ
プＳ１０８）。ここで閾値Ｔｒは、実施例では第１燃料
電池スタック２２の始動可能な最低温度より若干高い温
度、例えば第１燃料電池スタック２２内で凍結している
水分が完全に解凍している状態と考えられる温度（例え
ば、５℃など）として設定されている。なお、この第１
循環管路５０ａを形成すると共に燃焼器４４により加温
する状態では、各燃料電池スタック２２〜２８は停止し
ているから、第１〜第４燃料バルブ３２，３４，３６，
３８は閉成されている。

【００３２】第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾
値Ｔｒより大きくなると、ＣＰＵ８２は、第２循環管路
５０ｂを形成する処理を実行する（ステップＳ１１
０）。第２循環管路５０ｂの形成は、第１循環管路５０
ａの状態で電子制御ユニット８０から第２循環バルブ５
４に駆動信号を出力して第２循環バルブ５４を開成する
ことにより行なう。図６は、この第２循環管路５０ｂを
形成すると共に第１燃料電池スタック２２を運転して第
２燃料電池スタック２４を加温する様子を示す説明図で
ある。図示するように、第２循環管路５０ｂは、第１燃
料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とが並
列に接続された循環管路として形成される。続いて、Ｃ
ＰＵ８２は、第１燃料電池スタック２２を始動すると共
に（ステップＳ１１２）、電気ヒータ４６を駆動する処
理を実行する（ステップＳ１１４）。第１燃料電池スタ
ック２２の始動は、第１燃料電池スタック２２の燃料ガ
ス流路３３に燃料ガスを供給するために第１燃料バルブ
３２を開成すると共に、第１燃料電池スタック２２の図
示しない酸化ガス流路に酸化ガスを供給することにより
行なわれる。また、電気ヒータ４６の駆動は、リレー９
４ａ，９４ｂ，９４ｃをいずれもオフとした状態で電気
ヒータ４６とスイッチ４７をオンとすることにより行な
う。この回路構成では、第１燃料電池スタック２２によ
り発電された電力が電気ヒータ４６に供給されることに
なる。したがって、第２循環管路５０ｂを循環する熱交
換媒体は燃焼器４４と電気ヒータ４６とにより加温され
ることになる。一般的に燃料電池は発電に伴い発熱する
から、第１燃料電池スタック２２も発電に伴って生じる
熱により熱交換媒体を加温することになる。故に、第２
燃料電池スタック２４は、燃焼器４４と電気ヒータ４６
と第１燃料電池スタック２２とにより加温されることに
なる。

【００３３】次に、ＣＰＵ８２はカウンタＣに値２を設
定し（ステップＳ１１６）、カウンタＣの値に該当する
燃料電池スタックの温度ＴＣを読み込み（ステップＳ１
１８）、この温度ＴＣが閾値Ｔｒより大きくなるのを待
つ処理を実行する（ステップＳ１２０）。後述するが、
この処理（ステップＳ１１８およびＳ１２０）と後続す
るステップＳ１２２ないしＳ１２８の処理は、すべての
燃料電池スタックについて行なわれ、最後の燃料電池ス
タックの温度が閾値Ｔｒより大きくなったときに、ステ
ップＳ１３０以降の処理に移る。いま、カウンタＣには
値２が設定されているときを考えれば、ステップＳ１１
８およびＳ１２０の処理は、第２燃料電池スタック２４
の温度Ｔ２を第２スタック温度センサ７４から読み込
み、この温度Ｔ２が閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処
理となる。

【００３４】温度ＴＣが閾値Ｔｒより大きくなると、カ
ウンタＣの値に該当する燃料電池スタックを始動し（ス
テップＳ１２２）、カウンタＣと値４とを比較する（ス
テップＳ１２４）。カウンタＣが値２のときを考えれ
ば、この処理は、第２燃料電池スタック２４を始動し、
カウンタＣは値４に等しくないと判定される処理とな
る。なお、第２燃料電池スタック２４の始動は、第２燃
料電池スタック２４の燃料ガス流路３５に燃料ガスを供
給するために第２燃料バルブ３４を開成すると共に、第
２燃料電池スタック２４の図示しない酸化ガス流路に酸
化ガスを供給することにより行なわれる。この燃料電池
スタックの始動は、更に、始動した燃料電池スタックの
電気ヒータ４６への接続も同時に行なわれる。すなわ
ち、カウンタＣが値２の時を考えれば、第２燃料電池ス
タック２４を第１燃料電池スタック２２と並列に電気ヒ
ータ４６に接続するために、リレー９６ａ，９６ｂ，９
６ｃをオフとした状態でリレー９４ａ，９６ｂをオンと
するのである。なお、リレー９４ｃはオフの状態のまま
である。このように接続することにより、第１燃料電池
スタック２２により発電された電力と第２燃料電池スタ
ック２４により発電された電力が電気ヒータ４６に供給
されることになる。

【００３５】いま、カウンタＣが値２のときを考えてい
るから、ステップＳ１２４の処理ではカウンタＣは値４
に等しくないと判定され、カウンタＣをインクリメント
すると共に（ステップＳ１２６）、カウンタＣの値に該
当する循環管路を形成する処理を実行し（ステップＳ１
２８）、ステップＳ１１８に戻る。カウンタＣが値２の
ときを考えれば、カウンタＣが値３にインクリメントさ
れ、第２循環管路５０ｂの状態で第３循環バルブ５６を
開成して第３燃料電池スタック２６を循環管路に取り込
むのである。この結果、第３燃料電池スタック２６は、
燃焼器４４による熱交換媒体の加温と、第１燃料電池ス
タック２２および第２燃料電池スタック２４により発電
された電力を用いる電気ヒータ４６による熱交換媒体の
加温と、第１燃料電池スタック２２および第２燃料電池
スタック２４の発電に伴って生じる熱による熱交換媒体
の加温とにより加温されることになる。こうした加温の
関係はカウンタＣの値により定まるのは、容易に理解さ
れる。なお、ステップＳ１２４では、カウンタＣを値４
と比較しているが、これは実施例の燃料電池システム２
０が４つの燃料電池スタック２２〜２８を備えているか
らであり、この比較する値は分割された燃料電池スタッ
クの数に一致するものである。

【００３６】こうして第３燃料電池スタック２６も第４
燃料電池スタック２８も加温されると、燃料電池スタッ
クの加温は終了したと判定され、電気ヒータ４６を停止
すると共に（ステップＳ１３０）、燃焼器４４も停止さ
れ（ステップＳ１３２）、各燃料電池スタック２２〜２
８を冷却するための循環管路を形成する処理を実行して
（ステップＳ１３４）、本ルーチンを終了する。ここ
で、電気ヒータ４６の停止処理には、スイッチ４７をオ
フする処理だけでなく、各燃料電池スタック２２〜２８
を直列に接続してバッテリ９０に接続する処理も含まれ
る。具体的には、リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６
ｂ，９８ａをオフとし、リレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃ
をオンとすると共にリレー９１ａ，９１ｂをオンとする
のである。この結果、始動した各燃料電池スタック２２
〜２８により発電される電力でバッテリ９０が充電され
る。なお、冷却用の循環管路の形成は、電子制御ユニッ
ト８０から冷却三方弁６０に駆動信号を出力して、熱交
換器４８に熱交換媒体が流れるようにすることにより行
なわれる。

【００３７】図７は、実施例の燃料電池システム２０の
各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式
的に示す説明図である。図中矢印は、矢印の元の燃料電
池スタックの発電による電力と発電に伴う熱が矢印の先
の燃料電池スタックの加温に用いられていることを示し
ている。図示するように、時間ｔ１で第１燃料電池スタ
ック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなって第１燃
料電池スタック２２の加温が終了すると共に第２循環管
路５０ｂが形成されて第２燃料電池スタック２４の加温
が開始される。同様に時間ｔ２およびｔ３では第２燃料
電池スタック２４や第３燃料電池スタック２６の加温が
終了すると共に第３燃料電池スタック２６や第４燃料電
池スタック２８の加温が開始される。時間ｔｅでは第４
燃料電池スタック２８の加温も終了し、各燃料電池スタ
ック２２〜２８によるバッテリ９０の充電が開始され
る。

【００３８】図８は、実施例の燃料電池システム２０と
従来例の燃料電池システムとにより各燃料電池スタック
が加温される様子を模式的に示す説明図である。ここ
で、従来例の燃料電池システムは、燃焼器４４による加
温で同時に各燃料電池スタック２２〜２８を加温するシ
ステムである。図示するように、実施例の燃料電池シス
テム２０は、従来例の燃料電池システムに比して短時間
にすべての燃料電池スタックを目標温度である閾値Ｔｒ
以上まで加温することができる。なお、従来例の燃料電
池システムを、実施例の燃料電池システム２０と同様に
短時間で加温を終了するものとするために燃料器４４の
規模を大きくすることもできるが、この場合、システム
が大型化すると共にエネルギ効率も格段と下がるものと
なる。

【００３９】以上説明した実施例の燃料電池システム２
０によれば、４つの燃料電池スタック２２〜２８を順次
加温することができる。この結果、燃焼器４４を小型の
ものとすることができるから、システムの小型化も図る
ことができる。しかも、加温が終了した燃料電池スタッ
クにより発電される電力で電気ヒータ４６を駆動し、ま
だ加温されていない燃料電池スタックを加温するから、
加温の際のエネルギ効率を高くすることができると共に
迅速に加温することができる。さらに、加温が終了した
燃料電池スタックの発電に伴う熱をも用いてまだ加温さ
れていない燃料電池スタックを加温するから、加温の際
のエネルギ効率をさらに高くすることができると共によ
り迅速に加温を終了することができる。

【００４０】実施例の燃料電池システム２０では、燃焼
器４４の燃焼部４５で燃焼された排ガスは大気に開放さ
れているが、この排ガスを燃料電池スタックの燃料ガス
流路や酸化ガス流路に導入して燃料電池スタックの加温
を更に促進するものとすることもできる。この変形例の
燃料電池システム２０Ｂの構成の概略を図９に例示す
る。図示するように、変形例の燃料電池システム２０Ｂ
は、燃焼器４４の燃焼部４５の排ガスを各燃料電池スタ
ック２２〜２８の酸化ガス流路に導入する排ガス管１０
０を備える。排ガス管１００には、排ガスを大気開放す
るための三方弁１０２と、各燃料電池スタック２２〜２
８へ排ガスを供給するための電磁弁として構成された第
１〜第４排ガスバルブ１１２〜１１８とが設けられてい
る。この変形例の燃料電池システム２０Ｂでは、各燃料
電池スタックが加温される際に、対応する排ガスバルブ
が開成されて加温される燃料電池スタックの酸化ガス流
路に排ガスが流されるようになっている。この変形例の
燃料電池システム２０Ｂによれば、排ガスの熱をも用い
て燃料電池スタックを加温するから、より迅速に燃料電
池スタックを加温することができると共にエネルギ効率
を向上させることができる。

【００４１】実施例の燃料電池システム２０では、順番
に各燃料電池スタック２２〜２８を加温したが、第１燃
料電池スタック２２の加温後、残りの３つの燃料電池ス
タック２４〜２８を同時に加温するものとしてもよい。
この場合の加温処理ルーチンを図１０に例示する。この
加温処理ルーチンのステップＳ２００ないしＳ２０８の
処理およびステップＳ２３０ないしＳ２３４の処理は、
図４に例示する加温処理ルーチンのステップＳ１００な
いしＳ１０８の処理およびステップＳ１３０ないしＳ１
３４の処理と同一である。こうした同一の処理の説明は
省略し、以下にこの図１０の加温処理ルーチンに基づい
て、第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３
つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温する処理
を説明する。

【００４２】第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾
値Ｔｒより大きくなると（ステップＳ２０６，Ｓ２０
８）、すべての燃料電池スタック２２〜２８を循環管路
に構成する加温循環管路５０ｄを形成する処理を実行す
る（ステップＳ２１０）。加温循環管路５０ｄの形成
は、具体的には、図５に示す第１循環管路５０ａの状態
から第２〜第４循環バルブ５４，５６，５８を開成する
ことにより行なう。そして、第１燃料電池スタック２２
を始動すると共に（ステップＳ２１２）、電気ヒータ４
６を駆動する（ステップＳ２１４）。この加温循環管路
５０ｄにより第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８が
加温されている様子を図１１に例示する。図示するよう
に、第１燃料電池スタック２２には燃料ガスが供給され
ている。したがって、第２〜第４燃料電池スタック２４
〜２８は、燃焼器４４による加温と、第１燃料電池スタ
ック２２の発電による電力を用いる電気ヒータ４６の加
温と、第１燃料電池スタック２２の発電に伴って生じる
熱による加温とによって加温される。

【００４３】そして、第３燃料電池スタック２６の温度
Ｔ３を読み込み（ステップＳ２１８）、読み込んだ温度
Ｔ３が閾値Ｔｒより大きくなったときに（ステップＳ２
２０）、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８の加温
が終了したと判断し、第２〜第４燃料電池スタック２４
〜２８を始動すると共に（ステップＳ２２２）、電気ヒ
ータ４６と燃焼器４４とを停止し（ステップＳ２３０，
Ｓ２３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却する
ための循環管路を形成して（ステップＳ２３４）、本ル
ーチンを終了する。こうした第１燃料電池スタック２２
を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２
８を同時に加温する様子を図１２に模式的に示す。

【００４４】以上説明したように変形例の加温処理ルー
チンを実行する燃料電池システム２０によれば、第１燃
料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電
池スタック２４〜２８を同時に加温することができる。
この構成の場合、電気ヒータ４６には第１燃料電池スタ
ック２２により発電された電力だけが供給されるから、
電気ヒータ４６を容量の小さなものにすることができ
る。また、電気ヒータ４６の端子には第１燃料電池スタ
ック２２の出力端子だけが接続できればよいから、図２
に例示した電気系統における各燃料電池スタック２２〜
２８とバッテリ９０との接続や電気ヒータ４６との接続
を簡易なものとすることができる。

【００４５】この変形例の加温処理ルーチンを実行する
燃料電池システム２０では、第２〜第４燃料電池スタッ
ク２４〜２８の加温の終了を第３燃料電池スタック２６
の温度Ｔ３により判定したが、第２燃料電池スタック２
４の温度Ｔ２や第４燃料電池スタック２８の温度Ｔ４に
より判定するものとしてもよい。

【００４６】実施例の加温処理ルーチンや変形例の加温
処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０では、ま
ず第１燃料電池スタック２２を加温したが、第１燃料電
池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に
加温し、その後第３燃料電池スタック２６と第４燃料電
池スタック２８とを加温するものとしてもよい。この場
合の加温処理ルーチンを図１３に例示する。このルーチ
ンでは、ＣＰＵ８２はまず第１燃料電池スタック２２と
第２燃料電池スタック２４とを加温するための第１加温
循環管路５０ｅを形成し（ステップＳ３００）、ポンプ
４２と燃焼器４４とを駆動して加温を開始する（ステッ
プＳ３０２，Ｓ３０４）。第１加温循環管路５０ｅの形
成は、第１循環バルブ５２と第２循環バルブ５４とを開
成すると共に第３循環バルブ５６と第４循環バルブ５８
とを閉成することにより行なう。第１加温循環管路５０
ｅにより第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタ
ック２４とが加温される様子を図１４に例示する。

【００４７】そして、第１燃料電池スタック２２の温度
Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなるのを待って（ステップＳ
３０６，Ｓ３０８）、第３燃料電池スタック２６と第４
燃料電池スタック２８を加温するための第２加温循環管
路５０ｆを形成し（ステップＳ３１０）、第１燃料電池
スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを始動する
と共に（ステップＳ３１２）、電気ヒータ４６による加
温を開始する（ステップＳ３１４）。第２加温循環管路
５０ｆの形成は、第１加温循環管路５０ｅの状態から第
３循環バルブ５６と第４循環バルブ５８とを開成するこ
とにより行なう。第１燃料電池スタック２２と第２燃料
電池スタック２４とを運転して第２加温循環管路５０ｆ
により第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタッ
ク２８とが加温される様子を図１５に例示する。そし
て、ＣＰＵ８２は、第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ
３が閾値Ｔｒより大きくなるのを待って（ステップＳ３
１８，Ｓ３２０）、第３燃料電池スタック２６と第４燃
料電池スタック２８とを始動すると共に（ステップＳ３
２２）、電気ヒータ４６と燃焼器４４とを停止し（ステ
ップＳ３３０，Ｓ３３２）、各燃料電池スタック２２〜
２８を冷却するための循環管路を形成して（ステップＳ
３３４）、本ルーチンを終了する。こうした第１燃料電
池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に
加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８
を同時に加温する様子を図１６に模式的に示す。

【００４８】以上説明したように変形例の加温処理ルー
チンを実行する燃料電池システム２０によれば、第１燃
料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加
温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を
同時に加温することができる。この構成の場合、電気ヒ
ータ４６には第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池
スタック２４とにより発電された電力が供給されるか
ら、電気ヒータ４６の容量はそれに応じたものとなる。
また、電気ヒータ４６の端子には第１燃料電池スタック
２２と第２燃料電池スタック２４の出力端子が接続でき
ればよいから、図２に例示した電気系統における各燃料
電池スタック２２〜２８とバッテリ９０との接続や電気
ヒータ４６との接続を簡易なものとすることができる。

【００４９】この他、４つの燃料電池スタック２２〜２
８の加温の手法として、まず第１燃料電池スタック２２
を加温し、次に第２燃料電池スタック２４を加温し、そ
の後、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタッ
ク２８とを同時に加温するもの等としてもよい。

【００５０】実施例の燃料電池システム２０やその変形
例では、閾値Ｔｒを燃料電池スタックが始動可能な最低
温度より若干高い温度として設定したが、閾値Ｔｒを燃
料電池スタックの定常運転温度より若干低い温度として
設定したり、所定の出力を得ることができる運転温度と
して設定するものとしてもよい。

【００５１】実施例の燃料電池システム２０やその変形
例では、燃焼器４４の燃料として各燃料電池スタック２
２〜２８へ供給する燃料ガスを供給したが、異なる燃料
を供給するものとしてもよい。また、燃焼器４４に代え
て電気により熱交換媒体を加温するものを備えるものと
してもよい。

【００５２】実施例の燃料電池システム２０やその変形
例では、４つの燃料電池スタック２２〜２８を備えるも
のとしたが、２つの燃料電池スタックや３つの燃料電池
スタック、または５以上の燃料電池スタックを備えるも
のとしてもよい。その場合、複数の燃料電池スタックの
うちの１または２以上の一部の燃料電池スタックを加温
し、その後、加温された燃料電池スタックにより発電さ
れる電力を用いて残りの燃料電池スタックの一部または
全部を加温するものであれば、如何なる組み合わせによ
り加温するものとしてもよい。

【００５３】実施例の燃料電池システム２０やその変形
例では、４つの燃料電池スタック２２〜２８を固体高分
子型燃料電池として構成したが、リン酸型燃料電池など
他の型の燃料電池として構成してもよい。

【００５４】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例である燃料電池システム２
０の構成の概略を示す構成図である。

【図２】 各燃料電池スタック２２〜２８と電気ヒータ
４６との電気系統を模式的に示した模式図である。

【図３】 電子制御ユニット８０を中心とした燃料電池
システム２０の電気的な構成の概略を示すブロック図で
ある。

【図４】 電子制御ユニット８０により実行される加温
処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。

【図５】 第１循環管路５０ａにより第１燃料電池スタ
ック２２を加温する様子を説明する説明図である。

【図６】 第１燃料電池スタック２２を運転して第２循
環管路５０ｂにより第２燃料電池スタック２４を加温す
る様子を示す説明図である。

【図７】 実施例の燃料電池システム２０の各燃料電池
スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説
明図である。

【図８】 実施例の燃料電池システム２０と従来例の燃
料電池システムとにより各燃料電池スタックが加温され
る様子を模式的に示す説明図である。

【図９】 変形例の燃料電池システム２０Ｂの構成の概
略を示す構成図である。

【図１０】 電子制御ユニット８０により実行される変
形例の加温処理ルーチンを例示するフローチャートであ
る。

【図１１】 加温循環管路５０ｄにより第２〜第４燃料
電池スタック２４〜２８を加温している様子を示す説明
図である。

【図１２】 変形例の加温処理ルーチンにより燃料電池
システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温さ
れる様子を模式的に示す説明図である。

【図１３】 電子制御ユニット８０により実行される変
形例の加温処理ルーチンを例示するフローチャートであ
る。

【図１４】 第１加温循環管路５０ｅにより第１燃料電
池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温し
ている様子を示す説明図である。

【図１５】 第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池
スタック２４とを運転して第２加温循環管路５０ｆによ
り第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２
８とを加温している様子を示す説明図である。

【図１６】 第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池
スタック２４とを同時に加温した後に残りの２つの燃料
電池スタック２６，２８を同時に加温する様子を模式的
に示す説明図である。

【符号の説明】

２０，２０Ｂ 燃料電池システム、２２〜２８ 燃料電
池スタック、２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６
ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ 出力端子、３０燃料供給
装置、３２，３４，３６，３８ 燃料バルブ、３３，３
５，３７，３９燃料ガス流路、４０ 加温冷却装置、４
２ ポンプ、４４ 燃焼器、４５ 燃焼部、４６ 電気
ヒータ、４６ａ 発熱体、４７ スイッチ、４８ 熱交
換器、５０ 循環形成管路、５２，５４，５６，５８
循環バルブ、５３，５５，５７，５９ 熱交換媒体流
路、６０ 冷却三方弁、６２ 分岐管、６４ 燃焼器燃
料バルブ、６６ 燃焼器温度センサ、６８ 熱交換器温
度センサ、７２，７４，７６，７８ スタック温度セン
サ、８０ 電子制御ユニット、８２ ＣＰＵ、８４ＲＯ
Ｍ、８６ ＲＡＭ、８８ 入力処理回路、８９ 出力処
理回路、９０ バッテリ、９０ａ，９０ｂ 出力端子、
９１ａ，９１ｂ リレー、９２，９３ 電力ライン、９
４ａ，９４ｂ，９４ｃ，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９８
ａ，９８ｃリレー、１００ 排ガス管、１０２ 三方
弁、１１２，１１４，１１６，１１８ 排ガスバルブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原田 基生 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 高橋 剛 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 鈴木 昌彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 岡本 邦夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 堀田 直人 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 佐々木 博邦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H027 AA06 CC06 KK46 MM08 MM09 MM16

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単電池を積層してなる複数の積層体を有
   する燃料電池システムであって、 前記複数の積層体毎に熱交換媒体を循環可能な熱交換媒
   体循環手段と、 前記熱交換媒体を加温可能な第１加温手段と、 前記複数の積層体毎に燃料を供給可能な燃料供給手段
   と、 前記複数の積層体により発電された電力を用いて前記熱
   交換媒体を加温可能な第２加温手段と、 所定の指示のとき、前記複数の積層体の一部を加温した
   後に他の積層体を加温するよう前記熱交換媒体循環手段
   と前記第１加温手段と前記燃料供給手段と前記第２加温
   手段とを制御する加温制御手段とを備える燃料電池シス
   テム。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記複数の積層体の温度を検出する温度検出手段を備
   え、 前記加温制御手段は、 前記複数の積層体の一部に前記熱交換媒体が循環するよ
   う前記熱交換媒体循環手段を制御すると共に前記熱交換
   媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する第１加
   温制御手段と、 前記温度検出手段により検出される前記複数の積層体の
   一部の温度が所定温度になったとき、該一部の積層体に
   燃料を供給するよう前記燃料供給手段を制御すると共
   に、前記一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一
   部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環
   手段を制御し、前記一部の積層体により発電された電力
   を用いて前記熱交換媒体を加温するよう前記第２加温手
   段を制御する第２加温制御手段とを備える燃料電池シス
   テム。
3. 【請求項３】 前記第２加温制御手段は、前記一部の積
   層体を介して前記他の積層体の少なくとも一部に前記熱
   交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御
   する手段である請求項２記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記第２加温制御手段は、前記熱交換媒
   体を加温するよう前記第１加温手段を制御する手段であ
   る請求項２または３記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記第１加温手段は、燃焼用の燃料の供
   給を受けて該燃料を燃焼することにより前記熱交換媒体
   を加温する手段である請求項１ないし４いずれか記載の
   燃料電池システム。
6. 【請求項６】 請求項５記載の燃料電池システムであっ
   て、 前記複数の積層体毎に前記第１加温手段の排気を供給可
   能な排気供給手段と、 前記加温制御手段による加温に対応して前記第１加温手
   段の排気を前記複数の積層体の一部に供給するよう前記
   排気供給手段を制御する排気制御手段とを備える燃料電
   池システム。
7. 【請求項７】 前記複数の積層体のすべての加温が終了
   したとき、前記第１加温手段と前記第２加温手段による
   前記熱交換媒体の加温を停止する加温停止手段を備える
   請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池システム。
8. 【請求項８】 前記熱交換媒体を冷却可能な熱交換媒体
   冷却手段を備える請求項１ないし７いずれか記載の燃料
   電池システム。
9. 【請求項９】 単電池を積層してなる積層体を有する燃
   料電池の加温方法であって、 前記積層体の一部を加温する第１加温ステップと、 該一部の積層体の加温が終了したとき、該一部の積層体
   に燃料を供給して得られる電力を用いて該一部の積層体
   を除く他の積層体の少なくとも一部を加温する第２加温
   ステップとを備える燃料電池の加温方法。
10. 【請求項１０】 前記第１加温ステップは、燃料を燃焼
    することにより生じる熱を用いて前記積層体の一部を加
    温するステップである請求項９記載の燃料電池の加温方
    法。
11. 【請求項１１】 前記第２加温ステップは、前記一部の
    積層体に燃料を供給することにより該一部の積層体が生
    じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加
    温するステップである請求項９または１０記載の燃料電
    池の加温方法。
12. 【請求項１２】 前記第２加温ステップは、燃料を燃焼
    することにより生じる熱をも用いて前記他の積層体の少
    なくとも一部を加温するステップである請求項９ないし
    １１いずれか記載の燃料電池の加温方法。