JP2004111243A

JP2004111243A - 燃料電池の暖機システム

Info

Publication number: JP2004111243A
Application number: JP2002273002A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Makino; 牧野　眞一
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-19
Filing date: 2002-09-19
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】氷点下からの起動時など、凝縮水の凍結を確実に防ぐ。
【解決手段】燃料電池１と、燃料ガスと空気とを燃焼させる燃焼器３と、燃料電池１に循環させる冷却水を燃焼器３の反応熱との熱交換により加熱する熱交換器４とを備える。燃焼器３に供給する燃料量及び空気量と、排ガス圧力とから排ガス中の水蒸気分圧を演算し、演算した水蒸気分圧がそのときの燃料電池の温度における飽和水蒸気圧よりも高く、かつ燃料電池温度が氷点下よりも低い場合に、燃料電池の凍結の可能性があると判断し、燃焼器３からの排ガスを燃料電池１に導入することなく外部に排出させ、凍結の可能性が無くなったときに燃料電池１に導入する。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システムにあって、とくに極低温時からのシステムの起動に関する。
【０００２】
【従来の技術】
個体高分子型燃料電池の氷温下からの起動時に、燃料ガス（水素含有ガス）と酸化剤とを燃焼器で燃焼させ、熱交換器においてその反応熱を利用して燃料電池の冷却液である不凍液を加熱し、燃料電池（スタック）の暖機を行うと共に、燃焼した排ガスを燃料電池の空気極または燃料極の少なくとも一方に供給し、燃料電池を加熱することが、特許文献１に記載されている。この場合、水素を燃焼させた排ガス中には水分が含まれ、この水分の凝縮より燃料電池に必要な加湿が行われ、また凝縮潜熱による加熱効果も生じる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１６４２３３号公報
【０００４】
【発明の解決すべき課題】
ところがこのように燃焼器を出た排ガスを燃料電池に供給する場合、起動初期に燃料電池内部の温度が氷点下にあれば、排ガス中の水分が燃料電池内で凝縮した後、凍結し、ガス流路を閉塞するという可能性があった。
【０００５】
そこで本発明は、氷点下からの起動時など、凝縮水の凍結を確実に防ぐことを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料ガスと空気との電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料ガスと空気とを燃焼させる燃焼器と、前記燃料電池に循環させる冷却水を前記燃焼器の反応熱との熱交換により加熱する熱交換器とを備え、燃料電池の起動時に燃焼器からの排ガスを燃料電池の空気極または燃料極の少なくとも一方に導入するようにした燃料電池の暖機システムであり、さらに前記燃料電池の温度を推定する手段と、前記排ガスの圧力を検出する手段と、前記燃焼器に供給する燃料量及び空気量と、前記排ガス圧力とから排ガス中の水蒸気分圧を演算する手段と、演算した水蒸気分圧がそのときの燃料電池の温度における飽和水蒸気圧よりも高く、かつ燃料電池温度が氷点下よりも低い場合に、燃料電池の凍結の可能性があると判断する手段と、前記燃焼器からの排ガスを前記燃料電池に導入する経路と、燃料電池を経由することなく外部に排出させる経路とを選択的に切り換える経路切換手段とを備え、前記凍結可能性が判断されたときに前記燃焼器からの排ガスを燃料電池に導入することなく外部に排出させるようにしている。
【０００７】
【作用・効果】
したがって、燃料電池の起動時に排ガス中の水蒸気分圧が高く、燃料電池内で水分が多く凝縮する状態にあり、かつ温度が氷点下よりも低いときには、排ガスを燃料電池に導入しないので、水分が燃料電池内部で凍結し、内部流路を閉塞するような事態が回避できる。
【０００８】
このような場合でも、熱交換器により燃料電池が暖められ、凍結が回避できる状態になれば、排ガスが燃料電池内に導入され、加熱と加湿とが行われる。
【０００９】
【実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
まず、第１の実施形態を図１〜図３に示す。
【００１１】
図１において、図中１は、燃料ガス（水素含有ガス）と酸化剤（空気）との供給を受けて電気化学反応により発電を行う燃料電池（スタック）で、燃料極１ａと空気極１ｂを備える。２は燃料電池１の冷却系で、不凍液などの冷却水をラジエータ５、ポンプ６を経由して循環させる。また、この冷却系２には、燃料電池低温起動時などに、ラジエータ５をバイパスして熱交換器４により暖められた冷却水が循環させられる。熱交換器４は燃焼器３の燃焼熱を受けて加熱される。
【００１２】
１３は空気供給経路、１４は燃料（水素ガス）の供給経路であり、それぞれ燃料電池１の空気極１ｂと燃料極１ａに空気と燃料を供給する。
【００１３】
空気供給経路１３と燃料供給経路１４から、それぞれ分岐した分岐空気経路１１と分岐燃料経路１２とが前記燃焼器３に接続し、低温起動時など空気と燃料を燃焼させて熱交換器４を流れる冷却水と熱交換を行う。また、この燃焼した排ガスは、排ガス供給経路１５により燃料電池１の空気極１ｂと燃料極１ａの少なくとも一方に供給される（この実施形態では両方に供給される）。
【００１４】
１６と１７は空気極１ｂと燃料極１ａからの排ガスを外部に排出するための排出経路である。
【００１５】
前記空気供給経路１３と燃料供給経路１４にはバルブ３３と３４が設けられ、このバルブ３３と３４の上流から前記した分岐空気経路１１と分岐燃料経路１２とが分岐し、またこれら分岐空気経路１１と分岐燃料経路１２にもバルブ３１と３２が設けられ、したがって、バルブ３３と３４を開き、バルブ３１と３２を閉じることにより空気と燃料が燃料電池１に供給され、また、バルブ３３と３４を閉じ、バルブ３１と３２を開くことにより、空気と燃料が燃焼器３に供給される。
【００１６】
前記排ガス供給経路１５から分岐して排ガス排出経路１８が設けられ、この排ガス排出経路１８の入口部にはバルブ３６が設けられる。また、排ガス供給経路１５には排ガス排出経路１８の分岐点よりも下流側にバルブ３５が設けられ、したがってバルブ３６を閉じ、バルブ３５を開くことにより、燃焼器３からの排ガスは燃料電池１に流れるが、バルブ３６を開き、バルブ３５を閉じることにより排ガス排出経路１８に排ガスが流れる。
【００１７】
排ガス供給経路１５には排ガスの温度を測定する温度センサ１０１と、排ガス圧力を測定する圧力センサ１０２が設けられ、また、冷却系２の燃料電池１の出口側には冷却液温度を検出する温度センサ１０３が設けられる。
【００１８】
さらに、前記空気供給経路１３には空気流量を測定するエアフローメータ１０５、燃料供給経路１４には燃料流量センサ１０６が設けられる。なお、燃料流量センサ１０６の代わりに、流路オリフィスを設け、その前後の差圧を圧力センサにより計測して燃料流量を算出することもできる。
【００１９】
燃料電池１の氷点下からの起動時など、燃料電池１を暖機するために燃焼器３に燃料と空気を供給して燃焼させ、暖機が完了したら燃料と空気を燃料電池１に供給して発電を行わせるために、コントローラ５０が備えられ、このコントローラ５０には前記各センサ等からの検出信号が入力し、これらに基づいてコントローラ５０が前記各バルブ３１〜３６の開閉を制御する。
【００２０】
とくに本発明では、コントローラ５０は、燃料電池起動時に、バルブ３１と３２を開き、バルブ３３と３４を閉じて燃焼器３に燃料と空気を供給して燃焼を行わせ、その反応熱で熱交換器４により冷却水を加熱して、ポンプ６により加熱した冷却水を燃料電池１に循環させることにより、燃料電池１を暖める一方で、燃焼器３からの燃焼排ガスを排ガス供給経路１５より燃料極１ａと空気極１ｂに送り込み、燃料電池１の加熱と、排ガス中に含まれる水分の凝縮による加湿とを行うが、このとき排ガス中の湿度（水蒸気分圧）が高く、しかも燃料電池１の内部温度が氷点下より低いときなど、燃料電池内部で凝縮した水分が凍結して内部流路を閉塞することがあり、このようなことが予測される間はバルブ３５を閉じ、かつバルブ３６を開いて燃焼器３から排ガスを排ガス排出経路１８より外部に流し、この間に加熱冷却水の循環により燃料電池１が暖まるのを待ち、凍結の心配が無くなってから燃焼排ガスを燃料電池スタック１に流すように制御する。
【００２１】
コントローラ５０によるこの制御動作の詳細は、図２にフローチャートとして示すが、これを説明する前に、予め、排ガス中の水蒸気分圧と凝縮水の凍結との関係を説明しておく。
【００２２】
燃焼器３からの排ガス中の水蒸気分圧を求めるには、まず、燃焼器３に供給する空気量と燃料量と、排ガスの圧力とから排ガス中の水蒸気分圧を推定する。
【００２３】
ここで、エアフローメータ１０５と、燃料流量センサ１０６の計測値に基づいて、
供給空気量：ｇ＿ａｉｒ［ｇ／ｓｅｃ］（Ｏ２：Ｎ２＝０．２１：０．７９）
供給燃料量：ｇ＿Ｈ２［ｇ／ｓｅｃ］
を求め、さらに
アボガドロ数：Ａ＝６．０２×１０^２３［個／ｍｏｌ］
Ｏ２の分子量：ｗ＿Ｏ２＝３２［ｇ／ｍｏｌ］
Ｎ２の分子量：ｗ＿Ｎ２＝２８［ｇ／ｍｏｌ］
Ｈ２の分子量：ｗ＿Ｈ２＝２［ｇ／ｍｏｌ］
とすると、Ｏ２、Ｎ２、Ｈ２の分子数を、ｉ、ｊ、ｋとしたとき、これらは
ｉ＝０．２１×ｇ＿ａｉｒ×Ａ÷ｗ＿Ｏ２［個／ｓｅｃ］
ｊ＝０．７９×ｇ＿ａｉｒ×Ａ÷ｗ＿Ｎ２［個／ｓｅｃ
ｋ＝ｇ＿Ｈ２×Ａ÷ｗ＿Ｈ２［個／ｓｅｃ］
となる。
【００２４】
圧力センサ１０２の計測値から、燃焼排ガスの圧力をＰ＿ｇａｓ＿ａｌｌとすると、燃焼排ガスの水蒸気分圧Ｐ＿Ｈ２Ｏは、
Ｐ＿Ｈ２Ｏ＝ｋ／（ｉ・ｋ／２＋ｊ＋ｋ）×Ｐｇａｓ＿ａｌｌ
となる。
【００２５】
次に、燃料電池内部の温度は、冷却水の出口温度と同一と見なして、温度センサ１０３の計測値から冷却水温度Ｔ＿ｆｃとし、この温度Ｔ＿ｆｃのときの飽和水蒸気圧Ｐ＿ｓａｔ＿ｆｃは一義的に決まる値で、温度が高くなるほど大きくなり、この飽和水蒸気圧よりも前記水蒸気分圧が高ければ、排ガス中の水蒸気は水蒸気として存在できなくなり、水分が凝縮する。
【００２６】
したがって、燃料電池内で排ガス中の水分が凝縮し、かつ凍結するおそれがあるのは、
Ｐ＿Ｈ２Ｏ＞Ｐ＿ｓａｔ＿ｆｃかつＴ＿ｆｃ＜０［℃］
のときであると判断できる。
【００２７】
したがって、このような場合には、燃料電池内で凝縮水が凍結する可能性があるとして、バルブ３５を閉め、バルブ３６を開くことにより、燃料電池内に燃焼排ガスが流れないようにして、凍結を回避するのである。
【００２８】
次に、コントローラ５０が実行するこのような制御動作を図２のフローチャートにしたがって説明する。
【００２９】
このフローは、燃料電池低温起動時にあって、燃焼器３での燃焼を行うが、その燃焼排ガスを燃料電池に導入するか、否かを制御するものであり、まず、ステップＳ１では、空気供給量を測定するエアーフローメータ１０５と、燃料供給量を測定する燃料流量センサ１０６の計測値を読み込み、さらに燃焼器出口の排ガス圧力を圧力センサ１０２からの計測値から読み込む。
【００３０】
ステップＳ２では、これらの計測値に基づいて、前記したように、燃焼排ガスの水蒸気分圧Ｐ＿Ｈ２Ｏを算出する。
【００３１】
次に、ステップＳ３で燃料電池の温度に相当する冷却水の出口温度Ｔ＿ｆｃを、温度センサ１０３の計測値から読みとる。
【００３２】
ステップＳ４において、前記水蒸気分圧Ｐ＿Ｈ２Ｏを、そのときの温度Ｔ＿ｆｃにおける飽和水蒸気分圧Ｐ＿ｓａｔ＿ｆｃと比較し、かつ冷却水温度Ｔ＿ｆｃが氷点下よりも低いかどうかの判断を行う。
【００３３】
もしも、水蒸気分圧が飽和水蒸気圧よりも高く、つまり排ガス中の水分が凝縮し、かつそのときの燃料電池内温度が氷点下よりも低いときは、凍結の可能性が有りと判断して、ステップＳ５に進んでバルブ３５を閉じ、バルブ３６を開いて燃焼排ガスを燃料電池１に導かずに、排出ガス経路１８より外部へと流すことにより、燃料電池１で排ガス中の水分が凝縮して凍結するのを防止する。
【００３４】
これに対して、水蒸気分圧が飽和水蒸気圧よりも高くなく、あるいは温度が氷点下にはなっていないときは、いずれも凍結の可能性が無いものと判断し、バルブ３５を開き、バルブ３６を閉じることにより、燃焼排ガスをすべて燃料電池１に導き、燃料電池１の加熱と、排ガス中に含まれる水分による加湿を行う。
【００３５】
このようにして、本実施形態によれば、燃料電池の極低温状態からの起動時にあって、燃焼器３により燃焼した排ガスを、そのときの燃料電池１の温度と排ガス中の水蒸気分圧に基づいて判断し、排ガス中の水分が凝縮して凍結するおそれのあるときは、燃料電池１に導くことなく外部に排出し、凍結するおそれが無くなってから燃料電池１に導入するようにしたので、排ガス中の水分が凍結し、燃料電池内のガス流路を閉塞することを確実に防止できる。
【００３６】
また、凍結のおそれが無いときには、排ガスを燃料電池内に導くことにより、内部の加熱と加湿を行い、燃料電池が早期に発電反応を開始できるように暖機を促進することができる。
【００３７】
第２の実施形態を図３〜図５を参照して説明する。
【００３８】
この実施形態は、燃焼器３からの燃焼排ガスを排出ガス経路１８より外部に排出するにあたり、全量を外部に排出するのではなく、一部は燃焼器３に再循環させることにより、熱交換器４での排ガス中に多く含まれる水分を凝縮させて回収効率を高め、燃料電池システム内により多くの生成水を保持しようとするものである。
【００３９】
本実施形態を示す図３について、図１と相違する部分を中心に説明すると、前記燃焼器３からの排ガスを外部に排出する排出ガス経路１８の途中から再循環経路１９が分岐し、この再循環経路１９は燃焼器３の入口側で分岐空気経路１１に合流する。この合流部にはエゼクタ４１が設けられ、分岐空気経路１１を流れる空気量に応じて再循環経路１９から排ガスが吸引される。再循環経路１９にはバルブ３７が設けられ、コントローラ５０により開閉が制御される。
【００４０】
また、コントローラ５０は排ガスの再循環時において、燃焼器３に供給する燃料量を、同一設定燃焼温度を維持するように、そのときの燃焼温度に応じて基本指令値から補正し、再循環ガスに含まれる水分の熱交換器４での凝縮、回収量を増大させる。
【００４１】
ここで、まず図４を参照して再循環ガス中の水分の推定方法及び燃料の補正増量について説明する。
【００４２】
燃焼器３に供給される空気量と燃料量とが同じならば、燃焼温度は等しくなるはずであり、もし再循環ガスを空気中に還流したことにより、混合ガスの流量が同一量であっても、燃焼温度が目標とする設定温度から変化したときは、再循環ガスに含まれる水分によって燃焼器３への供給ガスの熱容量が変化したためであると見なせる。
【００４３】
このような場合に燃焼器３が同一の燃焼温度を維持するように供給燃料量を補正することにより、熱交換器４の熱交換特性を同一に維持する。
【００４４】
いま図４のように、供給する乾燥空気量と供給燃料量との燃焼温度との関係を予め測定し、マップを設定しておく。空気と再循環ガスとの混合ガスを燃焼器３に導入したときの燃焼温度Ｔ２が、この混合ガスと同量のＧ１の乾燥空気を導入したときの燃焼温度Ｔ１よりも低い場合には、再循環ガス中に含まれる水分によって燃焼器３へ供給される混合ガスの熱容量が増加し、見かけ上は乾燥空気をＧ２だけ供給しているのと同じ状態であると判断する。この場合には、低下した燃焼温度がＴ１まで上昇するように、供給燃料量をＦ１からＦ２まで増加させる。
【００４５】
このようにして、同じ燃焼温度にするためにより多くの燃料量とすることができ、この場合には、燃料の増加に伴い生成水の量も増加し、熱交換器４で凝縮させられる水の量も増やせ、結果として、燃料電池システム内に保持される生成水の量を増大させ、これを発電時の燃料電池の加湿のために利用して発電効率を高められるのである。
【００４６】
図５のフローチャートにしたがってコントローラ５０の制御動作を説明する。
【００４７】
基本的な動作については、図２のフローチャートと同じであり、燃焼器３からの排ガスを燃料電池１に導入せずに排ガス排出経路１８から燃焼器３に再循環させるときには、ステップＳ１１において、バルブ３７が開かれ、これにより排ガスの一部が再循環経路１９から燃焼器３の入口側に循環させられる。なおこのときはバルブ３６が開き、バルブ３５は閉じられており、排ガスが燃料電池１に流入することない。
【００４８】
この状態において、ステップＳ１２で温度センサ１０１の計測値から燃焼器３の燃焼温度（排ガス温度）Ｔ２を読み込む。ステップＳ１３で、予め燃料電池起動時に供給する空気量Ｇ１と燃料量Ｆ１との基本指令値を読み込み、これらに基づいてステップＳ１４で、そのときの基本燃焼温度Ｔ１を図４のマップを参照して算出する。
【００４９】
そして、ステップＳ１５ではこの基本燃焼温度Ｔ１と、実際の燃焼温度Ｔ２とを比較し、実際の燃焼温度が低いときには、ステップＳ１６に進んで、燃焼温度がＴ１となるために必要な供給燃料量Ｆ２を、マップに基づいて算出し、ステップＳ１７で燃料供給量をＦ１からＦ２に増量補正する。
【００５０】
このため、再循環ガスの混合により低下した燃焼温度は、燃料増量により元の基本燃焼温度まで上昇し、これにより燃焼器３と熱交換器４は同一の熱交換特性でもって熱交換機能を発揮する。一方で、再循環ガスの導入により燃料電池システム外に捨てられる水分が少なくなり、また燃料増量分だけ生成水の増加も可能となる。
【００５１】
なお、熱交換器４により冷却水の加熱が行われ、燃料電池１の温度が氷点下よりも高くなれば、前記した図２のフローチャートにしたがって、燃焼器３からの排ガスが燃料電池１に導かれるように切り替えられ、以後は排ガスにより燃料電池１が直接的に加熱されると共に、加湿される。
【００５２】
このように、本実施形態によれば、燃焼器３からの排ガスを燃料電池１に導入することができず、排ガス排出経路１８に排出する場合でも、再循環経路１９から一部の排ガスを再度燃焼器３に循環させることで、排ガス中に含まれる多くの水分を外部に捨てずに、燃焼器３の熱を受ける熱交換器４で回収し、保持することで、その後に燃料電池１の温度が氷点下より高まり、排ガスを燃料電池１に導入するときに、これら生成水を燃料電池１の加湿に有効利用することが可能となる。
【００５３】
また、この排ガスの再循環時には、燃焼温度の低下分に相当する燃料の増量により、それだけ生成水量を増加させられるため、熱交換器４での水分の回収量を増やし、燃料電池１の加湿に必要な水分の無駄を省くことができる。
【００５４】
第３の実施形態について、図６、図７を参照して説明する。
【００５５】
この実施形態では、燃料電池１から排出された排ガスの排出経路１６と１７の途中から分岐した排ガス再循環経路２０ａ、２０ｂを設け、この排ガス再循環経路２０ａ、２０ｂをバルブ３８ａ、３８ｂの下流において合流して、この合流する排ガス再循環経路２０をエゼクタ４２を介して、燃焼器３の入口側である分岐空気経路１１に接続している。
【００５６】
これにより、燃料電池１の起動時に、前記した図２のフローチャートにしたがってコントローラ５０が、燃料電池１が凍結のおそれの無いと判断したときに燃料電池１に導入された排ガスの一部を、再度燃焼器３に還流させることにより、排ガス中の水分を回収し、外部に捨てる水分の無駄をより少なくするようにしている。
【００５７】
その他の構成については、図３と同じであり、同一部位には同一符号を付す。
【００５８】
そして、コントローラ５０は、図７のフローチャートに示すように、燃料電池の起動時に、燃料電池の凍結のおそれのいかんにより、次のような制御を行う。
【００５９】
ステップＳ２１〜ステップＳ２４までは図２のフローチャートのステップＳ１〜ステップＳ４までと同じであり、水蒸気分圧が飽和水蒸気圧よりも高く、かつ燃料電池１の温度が氷点下よりも低いときには凍結のおそれがあるため、バルブ３５を閉じ、またバルブ３８ａ、３８ｂも閉じ、バルブ３６と３７を開き、燃焼器３からの排ガスを燃料電池１には導入しないで、再循環経路１９より燃焼器３に還流させる。
【００６０】
このとき、図５のフローチャートにしたがって、燃焼器３の燃焼温度に基づいて供給燃料量を補正し、熱交換器４での水分の回収効率を高める。
【００６１】
次に、ステップＳ２４で水蒸気分圧が飽和水蒸気圧よりも低いか、または燃料電池温度１が氷点下よりも上昇したときなどには、凍結の心配の無いときで、ステップＳ２６に進んで、バルブ３５を開き、またバルブ３８ａ、３８ｂも開き、またバルブ３６と３７を閉じる。
【００６２】
これにより燃焼器３からの排ガスは燃料電池１に導入され、燃料電池１の加熱と加湿とを行う。ただし燃料電池１から排出経路１６と１７に出た排ガスには、凝縮しなかった水分が含まれいる。そこで、排ガス再循環経路２０からエゼクタ４２を介して燃焼器３の分岐空気経路１１にこれら排ガスを吸引循環させる。
【００６３】
これにより、排ガス中の水分が再度、燃焼器３から燃料電池１へと循環されるので、全体の水蒸気分圧を高め、燃料電池システムとしての水の回収効率を高めることができる。
【００６４】
したがって、本実施形態によれば、燃料電池１の暖機時に凍結のおそれのあるときは、燃焼器３からの排ガスを燃料電池１に送り込まずに、燃焼器１に循環させて排ガス中の水分を熱交換器４で回収し、また、凍結のおそれのないときは、燃料電池１を加熱、加湿した排ガスを再度、燃焼器３、燃料電池１に循環させることにより、燃料電池１における水分の凝縮を促進し、より効率よく加湿を行うことが可能となる。
【００６５】
第４の実施形態を図８を参照して説明する。
【００６６】
この実施形態は、図６の実施形態における、再循環経路１９と排ガス再循環経路２０とを合流させたもので、これにより流路の簡略化を図っている。
【００６７】
つまり、再循環経路１９に、排ガス再循環経路２０を合流させ、またこの合流部よりも下流の排出ガス経路１８にバルブ３９を設けている。
【００６８】
これにより、燃焼器３からの排ガスを、燃料電池１に導入せずに排ガス排出経路１８に送り出すときには、バルブ３９を閉じ、バルブ３８ａ、３８ｂを閉じることで、燃焼器３に再循環させ、また、燃料電池１に燃焼器３からの排ガスを導入するときには、バルブ３６を閉じるが、バルブ３８ａ、３８ｂを開き、バルブ３９を閉じることにより、燃料電池１を通過した排ガスを再度燃焼器３に循環させることができる。
【００６９】
なお、コントローラ５０の実行する制御は、図７のフローチャートと同じであるため、説明は省略する。
【００７０】
この実施形態によれば、第３の実施形態と同じ効果を生じる一方で、再循環経路の構造が簡略化できるという効果がある。
【００７１】
次に第５の実施形態を図９を参照して説明する。
【００７２】
この実施形態は、燃焼器３と燃料電池１との間から排ガスを排出する排ガス排出経路１８を無くし、燃料電池１から出た排ガスのみを排ガス再循環経路２０を経由して燃焼器３に再循環させるようにしたものである。
【００７３】
燃料電池１の暖機時に、燃焼器３で燃焼した排ガスは、燃料電池１の燃料極１ａ１と空気極ｂを経てこれらを加熱、加湿した後、排出経路１７と１８に流れ出るが、コントローラ５０によりバルブ３８ａ、３８ｂを開くことで、排ガス循環経路２０よりエゼクタ４２を介して燃焼器３の入口側に吸引還流される。
【００７４】
このようにして本実施形態によれば、排ガスの一部を燃焼器３、燃料電池１へと再循環させることにより、燃料電池システム全体での水蒸気分圧を高め、燃料電池１の発電効率に寄与する水分の回収効率を高められる。
【００７５】
なお、この排ガスの再循環により燃焼器３の燃焼温度が設定燃焼温度よりも低下したときには、前記図５のフローチャートと同じようにして、燃料供給量を増やすことで、生成する水分量を増加させることもできる。
【００７６】
本発明は上記した実施形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内で、当業者がなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態のブロック図である。
【図２】コントローラの制御動作を示すフローチャートである。
【図３】第２の実施形態のブロック図である。
【図４】同じく燃焼温度特性を示すマップである。
【図５】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【図６】第３の実施形態を示すブロック図である。
【図７】同じくその制御動作を示すフローチャートである。
【図８】第４の実施形態を示すブロック図である。
【図９】第５の実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　燃料電池（スタック）
１ａ　燃料極
１ｂ　空気極
２　冷却系
３　燃焼器
４　熱交換器
５　ラジエータ
６　ポンプ
１１　分岐空気経路
１２　分岐燃料経路
１３　空気供給経路
１４　燃料供給経路
１５　排ガス供給経路
１６　排出経路
１７　排出経路
１８　排ガス排出経路
１９　再循環経路
２０　排ガス再循環経路
３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８ａ，３８ｂ，３９　バルブ
５０　コントローラ
１０１　温度センサ
１０２　ガス圧力センサ
１０３　水温センサ
１０５　エアフローメータ
１０６　燃料流量センサ

Claims

燃料ガスと空気との電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料ガスと空気とを燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池に循環させる冷却水を前記燃焼器の反応熱との熱交換により加熱する熱交換器とを備え、
燃料電池の起動時に燃焼器からの排ガスを燃料電池の空気極または燃料極の少なくとも一方に導入するようにした燃料電池の暖機システムにおいて、
前記燃料電池の温度を推定する手段と、
前記排ガスの圧力を検出する手段と、
前記燃焼器に供給する燃料量及び空気量と、前記排ガス圧力とから排ガス中の水蒸気分圧を演算する手段と、
演算した水蒸気分圧がそのときの燃料電池の温度における飽和水蒸気圧よりも高く、かつ燃料電池温度が氷点下よりも低い場合に、燃料電池の凍結の可能性があると判断する手段と、
前記燃焼器からの排ガスを前記燃料電池に導入する経路と、燃料電池を経由することなく外部に排出させる経路とを選択的に切り換える経路切換手段と、を備え、
前記凍結可能性が判断されたときに前記燃焼器からの排ガスを燃料電池に導入することなく外部に排出させるようにしたことを特徴とする燃料電池の暖機システム。
前記外部に排出させる排ガスの一部を前記燃焼器に再循環させるようにした請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。
前記燃焼器に再循環させる排ガスに含まれる水分量に応じて、燃焼器に供給する燃料量を増加させる請求項２に記載の燃料電池の暖機システム。
前記燃焼器の燃焼温度が排ガスを再循環させる前の燃焼温度と同じになるように、燃焼器に供給する燃料量を増加させる請求項３に記載の燃料電池の暖機システム。
前記燃料電池から排出された排ガスの一部を前記燃焼器に再循環させるようにした請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池の暖機システム。
前記燃焼器に再循環させる排ガスに含まれる水分量に応じて、燃焼器に供給する燃料量を増加させる請求項５に記載の燃料電池の暖機システム。
前記経路切り換え手段は、
前記燃焼器からの排ガスを燃料電池の空気極と燃料極の少なくとも一方に導く経路と、
この経路の途中から分岐して排ガスを外部に排出する経路と、
燃焼器から排ガスを燃料電池と外部への排出経路に選択的に導くバルブと、を備え、
バルブの切り替えに伴い、凍結可能性のあるときには、排出経路に排ガスを導き、凍結可能性の無いときには、燃料電池に排ガスを導くようにした請求項１に記載の燃料電池の暖機システム。
前記排出経路から分岐して燃焼器の入口側に接続する再循環経路と、再循環経路を開閉するバルブとを備え、排ガスを再循環経路を介して燃焼器に導くようにした請求項７に記載の燃料電池の暖機システム。
前記燃料電池からの排ガスを外部に排出する経路と、この経路の途中から分岐して排ガスを前記燃焼器に導く排ガス再循環経路と、排ガス再循環経路を開閉するバルブとを備え、排ガスを燃焼器に再循環させるようにした請求項８に記載の燃料電池の暖機システム。