JP2005310464A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 アノードオフガスによる燃料電池の速やかな暖機を燃料電池システムの安定した運転を阻害せずに行う燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 暖機系５０を構成する第１燃料ガスライン６７は、アノード極１１の下流側の燃料配管２９ｄと混合器５２とを連絡する燃料配管６７ａ〜６７ｃと、燃料配管６７ａ〜６７ｃにより接続された気水分離器５３および第１ガス流量制御弁５４とから構成されている。また、第３燃料ガスライン６８は、水素供給系２０の燃料配管２９ｃと第１燃料ガスライン６７の燃料配管６７ｃとを連絡する燃料配管６８ａ，６８ｂと、燃料配管６８ａ，６８ｂの間に介装された第３ガス流量制御弁５６とから構成されている。希釈系７０を構成する第２燃料ガスライン７９は、気水分離器５３と希釈装置７１とを連絡する燃料配管７９ａ，７９ｂと、燃料配管７９ａ，７９ｂの間に介装された第２ガス流量制御弁７２とから構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、アノードオフガスを燃焼させて燃料電池の暖機を行う燃料電池システムに関する。
近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の観点から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ2）と空気中の酸素（Ｏ2）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。
ところで、燃料電池はある温度でその性能を最大に発揮する。例えば、燃料電池電気自動車のパワープラントとして注目されているプロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭ型燃料電池〔ＰＥＭ；Proton Exchange Membrane〕）では、その温度は約８０℃であり、温度が低いと発電性能（起電力）が低下する。このため、冬季や寒冷地で燃料電池電気自動車を起動する場合は、燃料電池を暖機（つまり、所定温度まで燃料電池を加熱または加温）する必要がある。
従来、燃料電池を暖機するにあたっては、次のような方法が採られていた。例えば、燃料電池に電気ヒータを付設し、燃料電池電気自動車の車載バッテリにより電気ヒータを発熱させ、その熱により燃料電池を暖機するもの（例えば、特許文献１参照）がある。また、燃料電池に燃焼ヒータ（触媒燃焼器等）を付設し、燃料電池電気自動車が燃料（原燃料）として搭載する水素やメタノール、ガソリン等を燃焼ヒータに供給して燃焼させ、その燃焼熱により燃料電池を暖機するもの（例えば、特許文献２参照）がある。
一方、燃料電池のうちで燃料ガスを再循環させる燃料循環系路を備えたものでは、発電に伴ってカソード極で生成される水が膜を通してアノード極側に移動することから、アノード極の流路が水により閉塞されたり、同様に膜を通してカソード極からアノード極に窒素ガス等が移動することから燃料循環系路に不純物が蓄積されたりすることが避けられない。そのため、この種の燃料電池で安定した発電を行うべく、燃料電池内部の状態に応じ、燃料循環系の燃料ガスをアノードオフガスとして排出側経路から排出し（すなわち、パージや掃気を行い）、カソードオフガスと混合・希釈した後に触媒燃焼器で燃焼させて大気中に排出するもの（例えば、特許文献３参照）がある。また、燃料電池のアノード極から排出された反応残水素や水素タンクからの水素ガスを空気とともに触媒燃焼器で燃焼させ、その燃焼熱を冷却液循環系路を介して燃料電池に供給することによって暖機を行うもの（例えば、特許文献４参照）もある。
特開平７−９４２０２号公報（段落００３８、図３） 特開２００１−１１８５９３号公報（段落００３４、図１） 特開２００２−２８９２３７号公報（段落００６３〜００６５、図１） 特開２００３−２４３００９号公報（段落００２２〜００２４、図１）
しかしながら、特許文献１の装置では、車載バッテリの電力を暖機用の電気ヒータに消費することが好ましくない他、起電力が低下する低温時に車載バッテリから充分な電力が供給されない場合がある。また、商用電源を使用する場合は、路上等の商用電源がない場所では暖機することができないという問題があった。また、特許文献２の装置では、発電に使用するための水素（原燃料）を水素燃焼器等が消費するため、燃料電池の燃費が悪化してしまう問題があった。
一方、特許文献３の装置では、アノードオフガスの水素濃度を希釈および燃焼により安全なレベルまで低下させて大気中に放出することはできるが、触媒燃焼器での燃焼により生じた熱エネルギーが大気中に放出されてしまうため、燃料電池の暖機は電気ヒータ等の加熱手段により行わねばならずエネルギー効率が低下する問題があった。また、特許文献４の装置では、触媒燃焼器への導入水素量が制限された場合、必要な量の反応残水素が排出されなくなり、燃料電池システムの運転状態が不安定となって出力の低下等が起こる虞があった。また、反応残水素には加湿水の余剰分やカソード極からアノード極へ逆拡散してきた水分が混入し、これらの水分が液体状態で導入されることにより触媒燃焼器での燃焼が不安定となる虞もあった。
本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、アノードオフガスによる燃料電池の速やかな暖機を燃料電池システムの安定した運転を阻害せずに行う燃料電池システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決すべく、請求項１に記載の燃料電池システムは、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸素含有ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記アノード極からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段と、前記アノードオフガスと前記燃料ガスとの少なくとも一方を含む燃焼用ガスを酸素含有ガスとともに燃焼させ、その燃焼により得られた熱エネルギーを用いて前記燃料電池を加熱する燃焼ヒータと、前記酸素含有ガスによって前記アノードオフガスを希釈する希釈手段と、前記アノードオフガスを前記燃焼ヒータに導入するための第１の経路と、前記アノードオフガスの前記第１の経路への導入量の調整に供される第１流量調整手段と、前記アノードオフガスを前記希釈手段に導入するための第２の経路と、前記アノードオフガスの前記第２の経路への導入量の調整に供される第２流量調整手段と、前記第１流量調整手段および前記第２流量調整手段を駆動制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
請求項１の燃料電池システムでは、例えば、始動後の暖機時においてアノードオフガスが燃焼ヒータに導入されて燃料電池が暖機され、暖機の完了後においてアノードオフガスが希釈手段により可燃限界以下の濃度に希釈されて大気中に放出される。
また、請求項２に記載の燃料電池システムは、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガスを前記燃焼ヒータに導入するための第３の経路と、前記燃料ガスの前記第３の経路への導入量の調整に供される第３流量調整手段とを更に備え、前記制御手段が前記第３流量調整手段を駆動制御することを特徴とする。
請求項２の燃料電池システムでは、例えば、アノードオフガスの量が不足した場合には燃料ガスが燃焼ヒータに導入されて燃料電池が暖機される。
また、請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、前記制御手段は、前記燃料電池の温度が第１の所定温度より低い場合、前記アノードオフガスの前記第１の経路への導入量を前記第２の経路への導入量より多くし、前記燃料電池の温度が第１の所定温度より高い場合、前記アノードオフガスの前記第２の経路への導入量を前記第１の経路への導入量より多くすることを特徴とする。
請求項３の燃料電池システムでは、例えば、始動後の暖機時には比較的大量のアノードオフガスが燃焼ヒータに導入され、暖機の完了後には比較的大量のアノードオフガスが希釈手段に導入される。
また、請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項１から請求項３の燃料電池システムにおいて、前記アノードオフガスの前記第１の経路への導入量の限界値を設定する燃料供給限界量設定手段を更に備え、前記制御手段は、前記アノードオフガス排出手段によるアノードオフガスの排出量が前記限界値を超えた場合、当該排出量から当該限界量を減じた量のアノードオフガスを前記希釈手段に導入することを特徴とする。
請求項４の燃料電池システムでは、燃料供給限界量設定手段は、例えば、燃料電池が自己暖機できる温度に達すると、燃料電池の温度をオーバシュートさせない範囲のアノードオフガスの量を限界値として設定する。
また、請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項１から請求項４の燃料電池システムにおいて、前記燃焼ヒータへの燃焼用ガスの要求供給量を設定する要求燃料量設定手段を更に備え、前記制御手段は、前記アノードオフガス排出手段によるアノードオフガスの排出量が前記要求供給量に満たない場合、当該要求供給量から当該排出量を減じた量の燃料ガスを前記前記第３の経路に導入させることを特徴とする。
請求項５の燃料電池システムでは、例えば、要求燃料量設定手段は、燃料電池システムの運転に支障のない範囲で、可能な限り短時間で燃料電池を暖機するための燃焼用ガスの量を設定する。
また、請求項６に記載の燃料電池システムは、請求項１から請求項５の燃料電池システムにおいて、前記燃焼ヒータへの燃焼用ガスの要求供給量または実流量に基づき、当該燃焼ヒータに供給する前記酸素含有ガスの流量または当該燃焼ヒータにより加熱される燃料電池冷却系の冷媒流量を設定することを特徴とする。
請求項６の燃料電池システムでは、例えば、アノードオフガスの量に対してカソードオフガスの量が少ない場合、燃焼ヒータ内で適正な混合比での燃焼を行わすべく、エアポンプから新気を燃焼ヒータに導入する。
また、請求項７に記載の燃料電池システムは、請求項１から請求項５の燃料電池システムにおいて、前記燃焼ヒータに導入される前記アノードオフガス中の水分を除去するための気水分離手段と前記燃焼ヒータに導入される前記酸素含有ガス中の水分を除去するための気水分離手段との少なくとも一方を備えたことを特徴とする、
請求項７の燃料電池システムでは、アノード極から排出されたアノードオフガスやカソード極から排出されたカソードオフガスは、気水分離手段により水分を除去された後、燃焼ヒータに導入される。
また、請求項８に記載の燃料電池システムは、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸素含有ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記アノード極からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段と、前記アノードオフガスと前記燃料ガスとの少なくとも一方を含む燃焼用ガスを酸素含有ガスとともに燃焼させ、その燃焼により得られた熱エネルギーを用いて前記燃料電池を加熱する燃焼ヒータと、前記酸素含有ガスによって前記アノードオフガスを希釈する希釈手段と、前記アノードオフガスを前記燃焼ヒータに導入するための第１の経路と、前記アノードオフガスの前記第１の経路への導入量の調整に供される第１流量調整手段と、前記アノードオフガスを前記希釈手段に導入するための第２の経路と、前記アノードオフガスの前記第２の経路への導入量の調整に供される第２流量調整手段と、前記第１流量調整手段および前記第２流量調整手段を駆動制御する制御手段とを備え、前記燃焼ヒータに、前記酸素含有ガスとして、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが導入され、前記希釈手段が前記燃焼ヒータの下流に設けられ、当該燃焼ヒータから排出された排気ガスが当該希釈手段に流入することを特徴とする。
請求項８の燃料電池システムでは、例えば、始動後の暖機時においては、アノードオフガスとカソードオフガスとが燃焼ヒータに導入されて燃料電池が暖機され、燃焼ヒータの排気が希釈手段を経由して大気中に放出される。また、暖機の完了後においては、希釈手段に直接導入されたアノードオフガスは、燃焼ヒータを経由して希釈手段に流入したカソードオフガスにより可燃限界以下の濃度に希釈されて大気中に放出される。
また、請求項９に記載の燃料電池システムは、請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼ヒータに導入される前記アノードオフガス中の水分を除去するための気水分離手段と前記燃焼ヒータに導入される前記カソードオフガス中の水分を除去するための気水分離手段との少なくとも一方を備えたことを特徴とする。
請求項７の燃料電池システムでは、アノード極から排出されたアノードオフガスやカソード極から排出されたカソードオフガスは、気水分離手段により水分を除去された後、燃焼ヒータに導入される。
請求項１の燃料電池システムによれば、アノードオフガスを燃焼ヒータの燃料として用いることから、燃料電池の燃料である水素ガスを用いずに燃料電池の暖機を行うことができるとともに、燃料電池の暖機完了後は燃焼ヒータでの燃焼に伴う熱害等を防止できる。また、請求項２の燃料電池システムによれば、アノードオフガスの排出量の大小に拘わらず、燃焼ヒータに適切な量の燃焼用ガスを供給できる。また、請求項３の燃料電池システムによれば、燃料電池の温度に応じた適切な暖機が行える。また、請求項４の燃料電池システムによれば、燃焼ヒータに過剰な量のアノードオフガスが供給されることに起因する燃料電池温度のオーバシュートが防止できる。また、請求項５の燃料電池システムによれば、燃料電池システムの運転に支障がない範囲で大きな量のアノードオフガスを燃焼ヒータに供給することができ、燃料電池を速やかに暖機することができる。また、請求項６の燃料電池システムによれば、酸素含有ガスの流量を設定するものにあっては、アノードオフガスの量に応じた量の酸素含有ガスを導入することで燃焼ヒータでのアノードオフガスの完全燃焼が実現され、冷媒流量を設定するものにあっては、燃焼ヒータの発生熱量に応じた量の冷媒を燃焼ヒータに導入することで熱エネルギーの有効利用が実現される。また、請求項７の燃料電池システムによれば、燃焼ヒータに水分が流入することによる不安定な燃焼を防止できる。また、請求項８の燃料電池システムによれば、カソードオフガスを燃焼ヒータに導入するため、燃焼ヒータに酸素含有ガス（空気）を導入する専用の装置を設ける必要がなくなる。また、燃料電池の発電中にはカソードオフガス中の酸素濃度が低下するため、燃焼ヒータでの燃焼温度が上昇し難くなり、より多くのアノードオフガスを燃焼させることが可能となる。更に、燃焼ヒータの下流に希釈手段を設置したことにより、希釈手段に酸素含有ガス（空気）を導入する専用の装置を設ける必要がなくなるとともに、アノードオフガスとカソードオフガスとの混合・希釈を希釈手段で行えば、燃料電池を加熱させることなくアノードオフガスを処理できる。また、請求項９の燃料電池システムによれば、燃焼ヒータに水分が流入することによる不安定な燃焼を防止できる。
以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用したいくつかの実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。各実施形態は、その制御形態がそれぞれ異なるが、車両および燃料電池システムの構成については同一である。
≪実施形態≫
図１は実施形態の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図であり、図２は実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。
＜車両の構成＞
まず、車両を説明する。図１に示す車両Ｖでは、ＦＣボックスＦＣＢが乗員席の床下に搭載され、ＦＣボックスＦＣＢの中には燃料電池１０（図２参照）が収納されている。また、走行モータＭが車両Ｖの前部に搭載され、高圧水素タンク２１が車両Ｖの後輪の上方に横置きで搭載されている。また、車両Ｖの下部には、ＦＣボックスＦＣＢと高圧水素タンク２１との間に燃焼ヒータ５１が搭載されている。そして、燃焼ヒータ５１が発生した熱は、図示しない燃料電池１０の冷却系内を流れる冷却液を介して、燃料電池１０を暖機する。
燃料電池１０は、空気供給配管によりエアポンプと接続されている（図示外）。燃料電池１０は空気中の酸素と水素とを電気化学的に反応させて発電し、発電された電力は走行モータＭに供給されて車両Ｖを走行させる。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解膜を挟んでアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば３００枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。ここで、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。
＜燃料電池の構成＞
次に、図２を参照して、燃料電池システムＦ１を説明する。実施形態の燃料電池システムＦ１は、燃料電池１０、水素供給系２０、空気供給系３０、冷却系４０、暖機系５０、希釈系７０、電力消費系８０および制御装置（制御手段）９０を含んで構成される。
燃料電池１０は、前記のようにアノード極１１とカソード極１２とを有するＰＥＭ型の燃料電池であり、アノード極１１に燃料ガスである水素が供給され、カソード極１２に酸化剤ガスである空気が供給されることにより発電する。燃料電池１０が発電した電力は、電力消費系８０のＶＣＵ（Voltage Control Unit）８１を介して取り出される。ＶＣＵ８１は、リミッタ機能を持った電圧調整器であり、燃料電池１０から取り出す電流を制限する。ＶＣＵ８１を介して取り出された電流は、走行モータＭ（図１参照）や補機等の負荷８２に供給される。尚、ＶＣＵ８１による取出し電流量は、図示しないスロットルペダルの踏込み量θthや消費電力等に基づいて設定される。
水素供給系２０は、燃料電池１０のアノード極１１に燃料ガスである水素を供給する役割を担っている。そのため、アノード極１１の上流側には、高圧水素タンク２１の他、遮断弁２２とレギュレータ（減圧手段）２３とが設置されている。また、アノード極１１の下流側には、逆止弁２４と、燃料ポンプ２５とが設置されている。水素供給系２０の機器は燃料配管（水素供給ライン）２９ａ〜２９ｆにより接続され、燃料配管２９ｃにはアノード極１１への供給水素量ＱFFCを検出する流量計２６が設置されている。高圧水素タンク２１からの水素は、遮断弁２２およびレギュレータ２３を介して、アノード極１１に供給される。また、アノード極１１から排出されたアノードオフガスは、逆止弁２４を介して燃料ポンプ２５に流入し、燃料ポンプ２５に圧送されてアノード極１１に再び導入（再循環）される。
空気供給系３０は、燃料電池１０に酸化剤ガスたる空気を供給する役割を担っている。そのため、カソード極１２の上流側にはエアポンプ３１が設置され、カソード極１２の下流側には背圧弁３２が設置されている。エアポンプ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御装置９０からの信号によりモータの回転速度が制御される。ちなみに、モータの回転速度を速くすると、燃料電池１０のカソード極１２に供給される空気の量が多くなる。空気供給系３０の機器はエア配管３９ａ，３９ｂにより接続され、エア配管３９ａにはカソード極１２への供給空気量ＱOFCを検出する流量計３４が設置されている。背圧弁３２は、制御装置９０からの信号により作動する。尚、燃料電池１０に供給される空気は、図示しない加湿器により加湿される。ちなみに、このように空気を加湿する構成を採っていることから、カソード極１２で生成された水は、膜を通してアノード極１１に移動した後にアノード極１１における水素の循環により蓄積され、アノード極１１の循環経路を閉塞しやすい。また、同様に、膜を通して移動してくる窒素等の不純物もアノード極１１における水素の循環により蓄積されやすい。
冷却系４０は、燃料電池１０が発電により発生した熱を大気中に放出する役割を担っている。冷却系４０は、ラジエタ４１の他、サーモスタット弁４２、水ポンプ４３、三方電磁弁４４を備えている。冷却系４０の機器は冷却液配管４９ａ〜４９ｆにより接続され、冷却液配管４９ａには燃料電池１０の出口側冷却液温を燃料電池温度ＴFCとして検出する温度センサ４５と冷却液流量Ｑｗを検出する流量センサ４６とが設置されている。サーモスタット弁４２は、燃料電池１０の暖機を促進すべく、始動後の冷機時にラジエタ４１を経由させずに冷却液を循環させる。また、三方電磁弁４４は、制御装置９０からの信号により作動し、水ポンプ４３からの冷却液を直に燃料電池１０に供給する通常運転位置と、後記の燃焼ヒータ５１に供給する暖機運転位置とに切換えられる。
暖機系５０は、燃焼ヒータ５１でアノードオフガスや水素（燃料ガス）を燃焼させ、その熱エネルギーで燃料電池１０を暖機する役割を担っている。暖機系５０は、燃焼ヒータ５１の他、燃焼ヒータ５１に導入されるアノードオフガスとカソードオフガスとを混合する混合器５２とを備えている。燃焼ヒータ５１には希釈装置（希釈手段）７１が接続されており、アノードオフガスと燃焼ヒータ５１の排気ガスとはこの希釈装置７１内で希釈された後に大気中に放出される。
暖機系５０は、アノードオフガスを混合器５２（すなわち、燃焼ヒータ５１）に導く第１燃料ガスライン（第１の経路）６７と、水素を混合器５２に導く第３燃料ガスライン（第３の経路）６８と、カソードオフガスを混合器５２（すなわち、燃焼ヒータ５１）に導く第１カソードオフガスライン６４と、燃料電池１０の冷却液を燃焼ヒータ５１に導く暖機冷却液ライン６９とを有している。
第１燃料ガスライン６７は、アノード極１１の下流側の燃料配管２９ｄと混合器５２とを連絡する燃料配管６７ａ〜６７ｃと、これら燃料配管６７ａ〜６７ｃにより接続された気水分離器５３および第１ガス流量制御弁（第１流量調整手段、アノードオフガス排出手段）５４とから構成されている。第１ガス流量制御弁５４は、制御装置９０からの信号により作動する。気水分離器５３は、図３に示すように、内部に分離プレート５３ａを備えたプレート式であり、燃料配管６７ａ（すなわち、アノード極１１側）から流入したアノードオフガス中の水分を分離プレート５３ａにより分離し、燃料配管６７ｂ（すなわち、混合器５２側）に水分が除かれたアノードオフガスを流入させ、後記の燃料配管７９ａ（すなわち、希釈装置７１側）に水分を含んだアノードオフガスを流入させる。燃料配管６７ｃには混合器５２（すなわち、燃焼ヒータ５１）への燃料ガス供給量ＱPHを検出する流量計５５が設置されている。
第３燃料ガスライン６８は、水素供給系２０の燃料配管２９ｃと第１燃料ガスライン６７の燃料配管６７ｃとを連絡する燃料配管６８ａ，６８ｂと、これら燃料配管６８ａ，６８ｂの間に介装された第３ガス流量制御弁（第３流量調整手段）５６とから構成されている。第３ガス流量制御弁５６は、制御装置９０からの信号により作動する。
第１カソードオフガスライン６４は、空気供給系３０における背圧弁３２の出口側と混合器５２とを連絡するエア配管６４ａ，６４ｂと、これらエア配管６４ａ，６４ｂの間に介装された気水分離器５７とから構成されている。気水分離器５７は、前記の気水分離器５３と同様のプレート式であり、エア配管６４ａ（すなわち、カソード極１２側）から流入したカソードオフガス中の水分を分離プレートにより分離し、エア配管６４ｂ（すなわち、混合器５２側）に水分が除かれたカソードオフガスを流入させ、後記のエア配管７８ａ（すなわち、希釈装置７１側）に水分を含んだカソードオフガスを流入させる。エア配管６４６６ｃには混合器５２（すなわち、燃焼ヒータ５１）へのカソードオフガス供給量ＱOHを検出する流量計５８が設置されている。
暖機冷却液ライン６９は、前記の三方電磁弁４４から供給された冷却液を燃焼ヒータ５１に供給する冷却液配管６９ａと、燃焼ヒータ５１で加熱された冷却液を燃料電池１０に供給する冷却液配管６９ｂとから構成されている。
希釈系７０は、燃焼ヒータ５１に接続された希釈装置７１を備えており、アノードオフガスと燃焼ヒータ５１の排気ガスとをこの希釈装置７１内で酸素含有ガスにより希釈して大気中に放出する役割を担っている。希釈装置７１は、多孔板７１ａにより仕切られた貯留室７１ｂと拡散室７１ｃとを有している。そして、貯留室７１ｂに流入したアノードオフガスは、多孔板７１ａを介して徐々に拡散室７１ｃに流入し、拡散室７１ｃで酸素含有ガスと混合することにより希釈された後に大気中に排出される。
希釈系７０は、アノードオフガスを希釈装置７１に導く第２燃料ガスライン（第２の経路）７９と、カソードオフガスを希釈装置７１に導く第２カソードオフガスライン７８とを有している。
第２燃料ガスライン７９は、気水分離器５３と希釈装置７１の貯留室７１ｂとを連絡する燃料配管７９ａ，７９ｂと、これら燃料配管７９ａ，７９ｂの間に介装された第２ガス流量制御弁（第２流量調整手段、アノードオフガス排出手段）７２とから構成されている。第２ガス流量制御弁７２は、制御装置９０からの信号により作動する。
第２カソードオフガスライン７８は、気水分離器５７と希釈装置７１とを連絡するエア配管７８ａ，７８ｂと、これらエア配管７８ａ，７８ｂの間に介装されたオリフィス７３とから構成されている。
＜第１実施形態＞
以下、図４のフローチャートを参照して、第１実施形態における暖機制御の手順を詳細に説明する（図２を適宜参照）。
運転者により車両Ｖ（図１参照）のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、制御装置９０は、図４に示す暖機制御を実行する。制御装置９０は、先ずステップＳ１で、燃料電池システムＦ１の運転状態（燃料電池１０の発電状態、燃料電池温度、アノードガス温度等）に基づき、燃料電池１０の要求パージ量ＱPを図示しない要求パージ量マップから検索する。要求パージ量ＱPは、アノード極１１や燃料配管２９ｃ〜２９ｆに蓄積された水や不純物を除去するために必要なアノードオフガスの量であり、始動直後は停車中に蓄積された水や不純物を除去すべく連続的かつ比較的大きな値となる。また、要求パージ量ＱPは、始動後所定の時間が経過すると、運転によって蓄積された水や不純物を除去すべく、間歇的かつ比較的小さな値となる。
制御装置９０は、ステップＳ１で要求パージ量ＱPを得ると、次に、ステップＳ２で温度センサ４５により検出された燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOW（例えば、３０℃）より低いか否かを判定する。
燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOWより低く、ステップＳ２の判定がＹesとなると、制御装置９０は、ステップＳ３で、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ５１に供給する暖機運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ４で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを要求パージ量ＱPとし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを０とする。
これにより、第１ガス流量制御弁５４が開放される一方で、第２ガス流量制御弁７２が閉鎖され、混合器５２には、アノード極１１からパージされたアノードオフガスの全量と、カソード極１２から排出されたカソードオフガスの略全量とが流入する。尚、カソードオフガスは、気水分離器５７から第２カソードオフガスライン７８を介して希釈装置７１にも流入するが、その流入量は第２カソードオフガスライン７８にオリフィス７３が設けられていることによりごく小さな値となる。そして、カソードオフガスは、気水分離器５７で分離された水分とともにエア配管７８ａに徐々に流入し、この水分を気水分離器５７から希釈装置７１に搬送する。
アノードオフガスとカソードオフガスとは、混合器５２内で混合された後に燃焼ヒータ５１に流入し、燃焼ヒータ５１内で燃焼して熱エネルギーを発生する。燃焼ヒータ５１の熱エネルギーは、暖機冷却液ライン６９および冷却液配管４９ａ〜４９ｆを介して燃料電池１０に供給され、燃料電池温度ＴFCを上昇させる。この際、アノードオフガスに含まれていた水分が気水分離器５３内で分離され、カソードオフガスに含まれていた水分が気水分離器５７内で分離されるため、燃焼ヒータ５１には水分を含まないアノードオフガスとカソードオフガスとが供給され、これにより燃焼の安定性が向上する。本実施形態では、従来排気されていたアノードオフガスを燃焼させて暖機を行うため、燃料の消費量が低下する。
燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOWに達してステップＳ２の判定がＮｏとなると、制御装置９０は、ステップＳ５で、水ポンプ４３からの冷却液を直に燃料電池１０に供給する通常運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ６で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを０とし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを要求パージ量ＱPとする。
これにより、第１ガス流量制御弁５４が閉鎖される一方で、第２ガス流量制御弁７２が開放され、アノードオフガスの供給先が混合器５２から希釈装置７１に変わる。その結果、燃焼ヒータ５１での燃焼は停止し、アノードオフガスの全量が希釈装置７１内でカソードオフガスにより可燃限界以下の濃度（例えば、２％）に希釈された後に大気中に放出される。
＜第２実施形態＞
以下、図５のフローチャートを参照して、第２実施形態における暖機制御の手順を詳細に説明する（図２を適宜参照）。第２実施形態は、要求パージ量ＱPが多すぎた場合に、燃焼ヒータ５１に供給するアノードオフガスの量を減少させ、その分のアノードオフガスを希釈装置７１に供給する点が前記の第１実施形態と異なる。
運転者により車両Ｖ（図１参照）のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、制御装置９０は、図５に示す暖機制御を実行する。制御装置９０は、先ずステップＳ１１で、燃料電池システムＦ１の運転状態に基づき、燃料電池１０の要求パージ量ＱPを図示しない要求パージ量マップから検索する。
制御装置９０は、ステップＳ１１で要求パージ量ＱPを得ると、次に、ステップＳ１２で流量計２６により検出されたアノード極１１への供給水素量ＱFFCと、流量計３４により検出されたカソード極１２への供給空気量ＱOFCと、温度センサ４５により検出された燃料電池温度ＴFCと、流量センサ４６により検出された冷却液流量Ｑｗとに基づき、燃焼ヒータ５１への燃料供給限界量ＱPHmaxを図示しない燃料供給限界量マップから検索する。燃料供給限界量ＱPHmaxは、燃料電池温度ＴFCが既にある程度上昇しており、燃焼ヒータ５１からの供給熱量が大きくなり過ぎて燃料電池温度ＴFCが目標温度からオーバシュートする虞がある場合に小さくなる。
制御装置９０は、ステップＳ１２で燃料供給限界量ＱPHmaxを得ると、次に、ステップＳ１３で要求パージ量ＱPが燃料供給限界量ＱPHmaxより小さいか否かを判定する。そして、この判定がＹｅｓであれば、制御装置９０は、ステップＳ１４で第１燃料供給量Ｑ１を要求パージ量ＱPとし、第２燃料供給量Ｑ２を０とする。また、ステップＳ１３の判定がＮｏであれば、制御装置９０は、ステップＳ１５で第１燃料供給量Ｑ１を燃料供給限界量ＱPHmaxとし、第２燃料供給量Ｑ２を要求パージ量ＱPから燃料供給限界量ＱPHmaxを減じた値とする。
ステップＳ１４，Ｓ１５で第１，第２燃料供給量Ｑ１，Ｑ２を設定すると、制御装置９０は、ステップＳ１６で温度センサ４５により検出された燃料電池温度ＴFCが前記の暖機要求温度ＴLOWより低いか否かを判定する。
燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOWより低く、ステップＳ１６の判定がＹesとなると、制御装置９０は、ステップＳ１７で、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ５１に供給する暖機運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ１８で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを第１燃料供給量Ｑ１とし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを第２燃料供給量Ｑ２とする。
これにより、第１ガス流量制御弁５４が開放側に駆動される一方で、第２ガス流量制御弁７２が閉鎖側に駆動され、混合器５２には、アノード極１１からパージされたアノードオフガスが燃料供給限界量ＱPHmaxを超えない範囲で流入する一方、カソード極１２から排出されたカソードオフガスとが流入する。また、希釈装置７１には、燃料供給限界量ＱPHmaxを超えた分のアノードオフガスが流入し、カソードオフガスにより希釈された後に大気中に放出される。
アノードオフガスとカソードオフガスとは、第１実施形態と同様に、混合器５２内で混合された後に燃焼ヒータ５１に流入し、燃焼ヒータ５１内で燃焼して熱エネルギーを発生する。燃焼ヒータ５１の熱エネルギーは、暖機冷却液ライン６９および冷却液配管４９ａ〜４９ｆを介して燃料電池１０に供給され、燃料電池温度ＴFCを上昇させる。第２実施形態では、アノードオフガスの供給量が燃料供給限界量ＱPHmaxを超えないようにしたため、燃料電池温度ＴFCの目標温度からのオーバシュートが防止される。
燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOWに達してステップＳ１６の判定がＮｏとなると、制御装置９０は、ステップＳ１９で、水ポンプ４３からの冷却液を直に燃料電池１０に供給する通常運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ２０で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを０とし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを第１燃料供給量Ｑ１と第２燃料供給量Ｑ２とを和したもの（すなわち、要求パージ量ＱP）とする。
これにより、第１ガス流量制御弁５４が閉鎖される一方で、第２ガス流量制御弁７２が開放され、アノードオフガスの供給先が混合器５２から希釈装置７１に変わる。その結果、燃焼ヒータ５１での燃焼は停止し、アノードオフガスの全量が希釈装置７１内でカソードオフガスにより可燃限界以下の濃度（例えば、２％）に希釈された後に大気中に放出される。
＜第３実施形態＞
以下、図６のフローチャートを参照して、第３実施形態における暖機制御の手順を詳細に説明する（図２を適宜参照）。第３実施形態は、燃焼ヒータ５１に供給されるアノードオフガスの量に対してカソードオフガスの量が少ない場合、エアポンプ３１から燃料電池１０に供給する空気を増量する点が前記の第１実施形態と異なる。
運転者により車両Ｖ（図１参照）のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、制御装置９０は、図６に示す暖機制御を実行する。制御装置９０は、先ずステップＳ３１で、燃料電池システムＦ１の運転状態に基づき、燃料電池１０の要求パージ量ＱPを図示しない要求パージ量マップから検索する。
制御装置９０は、ステップＳ３１で要求パージ量ＱPを得ると、次に、ステップＳ３２で温度センサ４５により検出された燃料電池温度ＴFCが前記の暖機要求温度ＴLOWより低いか否かを判定する。
燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOWより高く、ステップＳ３２の判定がＮｏとなると、制御装置９０は、ステップＳ３３で、水ポンプ４３からの冷却液を直に燃料電池１０に供給する通常運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ３４で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを０とし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを要求パージ量ＱPとする。
これにより、第１ガス流量制御弁５４と第１エア流量制御弁５７とが閉鎖される一方で、第２ガス流量制御弁７２と第２エア流量制御弁７３とが開放され、アノードオフガスおよびカソードオフガスが希釈装置７１に供給される。そして、アノードオフガスは、その全量が希釈装置７１内でカソードオフガスにより可燃限界以下の濃度（例えば、２％）に希釈された後に大気中に放出される。
一方、燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOWより低く、ステップＳ３２の判定がＹesとなると、制御装置９０は、ステップＳ３５で、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ５１に供給する暖機運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ３６で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを要求パージ量ＱPとし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを０とする。
これにより、前記の第１実施形態と同様に、第１ガス流量制御弁５４が開放される一方で、第２ガス流量制御弁７２が閉鎖され、混合器５２には、アノード極１１からパージされたアノードオフガスの全量と、カソード極１２から排出されたカソードオフガスの略全量とが流入する。
アノードオフガスとカソードオフガスとは、混合器５２内で混合された後に燃焼ヒータ５１に流入し、燃焼ヒータ５１内で燃焼して熱エネルギーを発生する。燃焼ヒータ５１の熱エネルギーは、暖機冷却液ライン６９および冷却液配管４９ａ〜４９ｆを介して燃料電池１０に供給され、燃料電池温度ＴFCを上昇させる。
次に、制御装置９０は、ステップＳ３７で目標燃料導入量ＱPHtgtの水素を燃焼させるために必要な目標酸素導入量ＱOHtgtを所定の計算式を用いて算出する。その後、制御装置９０は、ステップＳ３８で流量計５８により検出された燃焼ヒータ５１へのカソードオフガス供給量ＱOHが目標酸素導入量ＱOHtgtより少ないか否かを判定し、この判定がＹｅｓであった場合、制御装置９０は、ステップＳ３９でエアポンプ３１の吐出空気量ＱAPを所定量ΔＱｏ増加させる。
一方、ステップＳ３８の判定がＮｏであった場合、制御装置９０は、ステップＳ４０で流量計５８により検出された燃焼ヒータ５１へのカソードオフガス供給量ＱOHが目標酸素導入量ＱOHtgtより多いか否かを判定し、この判定がＹｅｓであった場合、制御装置９０は、ステップＳ４１でエアポンプ３１の吐出空気量ＱAPを所定量ΔＱｏ減少させる。尚、ステップＳ３８，Ｓ４０の判定がともにＮｏであった場合（すなわち、カソードオフガス供給量ＱOHと目標酸素導入量ＱOHtgtとが一致した場合）、エアポンプ３１の吐出空気量ＱAPは変化しない。
これにより、燃焼ヒータ５１へのカソードオフガス供給量ＱOHが過不足ない値に調整されることになり、燃焼ヒータ５１内で適正な混合比での燃焼が実現される。
＜第４実施形態＞
以下、図７のフローチャートを参照して、第４実施形態における暖機制御の手順を詳細に説明する（図２を適宜参照）。第４実施形態は、厳寒時等に燃焼ヒータ５１での暖機に必要な量のアノードオフガスが得られない場合、燃料ガスである水素を燃焼ヒータ５１に供給する点が前記の第１実施形態と異なる。
運転者により車両Ｖ（図１参照）のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、制御装置９０は、図７に示す暖機制御を実行する。制御装置９０は、先ずステップＳ５１で、燃料電池システムＦ１の運転状態に基づき、燃料電池１０の要求パージ量ＱPを図示しない要求パージ量マップから検索する。
制御装置９０は、ステップＳ５１で要求パージ量ＱPを得ると、次に、ステップＳ５２で温度センサ４５により検出された燃料電池温度ＴFCが冷機時温度ＴCOLD（例えば、０℃）より低いか否かを判定する。
燃料電池温度ＴFCが冷機時温度ＴCOLDより高く、ステップＳ５２の判定がＮｏとなると、制御装置９０は、ステップＳ５３で燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOW（例えば、３０℃）より低いか否かを判定する。
燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOWより高く、ステップＳ５３の判定がＮｏとなると、制御装置９０は、ステップＳ５４で、水ポンプ４３からの冷却液を直に燃料電池１０に供給する通常運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ５５で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを０とし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを要求パージ量ＱPとする。
これにより、第１ガス流量制御弁５４が閉鎖される一方で、第２ガス流量制御弁７２が開放され、アノードオフガスが希釈装置７１に供給される。そして、アノードオフガスは、その全量が希釈装置７１内でカソードオフガスにより可燃限界以下の濃度（例えば、２％）に希釈された後に大気中に放出される。
燃料電池温度ＴFCが冷機時温度ＴCOLDと暖機要求温度ＴLOWとの間にあり、ステップＳ５３の判定がＹｅｓとなると、制御装置９０は、ステップＳ５６で、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ５１に供給する暖機運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ５７で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを要求パージ量ＱPとし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを０とする。
これにより、前記の第１実施形態と同様に、第１ガス流量制御弁５４が開放される一方で、第２ガス流量制御弁７２が閉鎖され、混合器５２には、アノード極１１からパージされたアノードオフガスの全量と、カソード極１２から排出されたカソードオフガスの略全量とが流入する。
アノードオフガスとカソードオフガスとは、混合器５２内で混合された後に燃焼ヒータ５１に流入し、燃焼ヒータ５１内で燃焼して熱エネルギーを発生する。燃焼ヒータ５１の熱エネルギーは、暖機冷却液ライン６９および冷却液配管４９ａ〜４９ｆを介して燃料電池１０に供給され、燃料電池温度ＴFCを上昇させる。
一方、厳寒時等に燃料電池温度ＴFCが冷機時温度ＴCOLDより低く、ステップＳ５２の判定がＹesとなると、制御装置９０は、ステップＳ５８で、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ５１に供給する暖機運転位置に三方電磁弁４４を駆動する。その後、制御装置９０は、ステップＳ５９で燃焼ヒータ５１への目標燃料導入量ＱPHtgtを要求パージ量ＱPとし、希釈装置７１への目標燃料導入量ＱPDtgtを０とする。
これにより、前記の第１実施形態と同様に、第１ガス流量制御弁５４が開放される一方で、第２ガス流量制御弁７２が閉鎖され、混合器５２には、アノード極１１からパージされたアノードオフガスの全量と、カソード極１２から排出されたカソードオフガスの略全量とが流入する。
アノードオフガスとカソードオフガスとは、混合器５２内で混合された後に燃焼ヒータ５１に流入し、燃焼ヒータ５１内で燃焼して熱エネルギーを発生する。燃焼ヒータ５１の熱エネルギーは、暖機冷却液ライン６９および冷却液配管４９ａ〜４９ｆを介して燃料電池１０に供給される。
次に、制御装置９０は、ステップＳ６０で、燃料電池システムＦ１の運転状態に基づき、燃焼ヒータ５１の要求燃料量ＱFHdを図示しない要求燃料量マップから検索する。要求燃料量ＱFHdは、燃料電池システムＦ１の運転（発電）に支障のない範囲で、可能な限り短時間で燃料電池温度ＴFCを所定値（例えば、）まで上昇させるための値（燃焼ヒータ５１への燃料供給上限量）である。
ステップＳ６０で要求燃料量ＱFHdを得ると、制御装置９０は、ステップＳ６１で要求パージ量ＱPが要求燃料量ＱFHdより少ないか否かを判定し、この判定がＮｏであればスタートに戻って制御を繰り返す。
要求パージ量ＱPが要求燃料量ＱFHdより少なく、ステップＳ６１の判定がＹｅｓになると、制御装置９０は、ステップＳ６２で要求燃料量ＱFHdから要求パージ量ＱPを減じて目標水素導入量ＱFHtgtを求める。尚、目標水素導入量ＱFHtgtは、高圧水素タンク２１から燃焼ヒータ５１に直接導入される水素の量である。
これにより、第３ガス流量制御弁５６が開弁方向に所定量駆動され、第３燃料ガスライン６８および燃料配管６７ｃを介して高圧水素タンク２１の水素が混合器５２に導入される。その結果、燃焼ヒータ５１には要求燃料量ＱFHdの燃料が供給されることになり、燃料電池１０の暖機が運転に支障のない範囲で迅速に行われる。
＜燃料供給の経過＞
次に、図８のタイムチャートを参照して、実施形態の燃料電池システムＦ１の暖機時における燃料供給の経過を説明する。尚、図８のタイムチャートは、前記の第４実施形態の燃料供給制御に第２実施形態の燃料供給制御を一部付加したものである。
極寒時（例えば、−数１０℃）に燃料電池１０を始動した場合、安定した発電を実現するためには速やかに燃料電池温度ＴFCを上昇させる必要がある。そこで、第４実施形態では、要求燃料量ＱFHd（燃料電池システムＦ１の運転に支障ない範囲での燃焼ヒータ５１への燃料供給上限量）を設定し、この要求燃料量ＱFHdから要求パージ量ＱP（アノードオフガスの供給量）を減じた量（図８中にハッチングで示す量）の水素を高圧水素タンク２１から燃焼ヒータ５１に直接供給する。
燃料電池システムＦ１では、その運転状態に応じて間欠的にパージが行われるため、アノードオフガスの供給量は増減を繰り返す。しかしながら、第４実施形態では、高圧水素タンク２１から水素を直接供給することにより、燃焼ヒータ５１の燃焼エネルギーを燃料電池システムＦ１の運転に支障ない範囲で大きくし、燃料電池温度ＴFCを速やかに冷機時温度ＴCOLD（例えば、０℃）に到達させることができる。
図８のタイムチャートにおける始動の時点から時間が経過して燃料電池温度ＴFCが冷機時温度ＴCOLD（図８中に一点鎖線で示すライン）に達すると、燃料電池１０は自己暖機（発電により生じた熱による暖機）が可能となるため、高圧水素タンク２１から燃焼ヒータ５１への水素の直接供給は不要となる。逆に、アノードオフガスの全量を燃焼ヒータ５１で燃焼させた場合、燃料電池温度ＴFCが目標温度からオーバシュートする虞が生じる。そこで、第２実施形態では、燃料電池１０への供給水素量ＱFFCや、供給空気量ＱOFC、燃料電池温度ＴFC、冷却液流量Ｑｗに基づいて燃焼ヒータ５１への燃料供給限界量ＱPHmaxを設定し、この燃料供給限界量ＱPHmaxを超えた分のアノードオフガス（図８中にクロスハッチングで示す量）を希釈装置７１に供給する。
燃料電池システムＦ１では、前記のようにアノードオフガスの供給量は増減を繰り返す。しかしながら、第２実施形態では、燃料供給限界量ＱPHmaxを超えない量のアノードオフガスを燃焼ヒータ５１で燃焼させるようにしたため、燃焼ヒータ５１の燃焼エネルギーを燃料電池温度ＴFCが目標温度からオーバシュートしない範囲で大きくし、燃料電池温度ＴFCを速やかに暖機要求温度ＴLOW（例えば、３０℃）（図８中に二点鎖線で示すライン）に到達させることができる。
燃料電池温度ＴFCが暖機要求温度ＴLOWに達して燃料電池１０の暖機が完了すると、アノードオフガスはその全量（図８中にクロスハッチングで示す量）が希釈装置７１に供給され、含有水素濃度が可燃限界以下となるように希釈されて大気中に放出される。
≪気水分離器の変形例≫
次に、図９，図１０を参照して、気水分離器の変形例を説明する。
図９は変形例に係る燃料電池システムの要部を示すブロック構成図であり、図１０は変形例に係る気水分離器の縦断面図である。
図９，図１０に示すように、変形例の燃料電池システムＦ１では、気水分離器５３が水素供給系２０の燃料配管２９ｄと燃料配管２９ｅとの間に設けられている。そのため、アノード極１１を通過した水素はその全量が気水分離器５３に流入し、水素に含まれていた水分が燃料電池１０の運転時に気水分離器５３により常時除去される。そして、気水分離器５３により除去された水分は、燃料電池１０の掃気時にアノードオフガスと伴にアノード極１１から希釈装置７１に導入される。このように、本変形例では、掃気時のみならず、通常運転時においても水素中の水分を除去するようにしたため、アノード極１１での水分の蓄積が起こり難くなった。
本発明は、前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、前記実施形態ではＰＥＭ型の燃料電池を例にして説明したが、ＰＥＭ型に限定されることはない。また、前記実施形態はアノードオフガスを燃料電池に再循環させる燃料電池システムに本発明を適用したものであるが、アノードオフガスの再循環を行わない燃料電池システムにも本発明を適用することができる。また、燃料電池電気自動車を例に説明したが、船舶や定置発電装置用の燃料電池システム等に本発明を適用することができる。また、前記の第３実施形態では、燃焼ヒータに供給されるアノードオフガスの量に対してカソードオフガスの量が少ない場合にエアポンプからの新気を燃焼ヒータに導入するようにしたが、燃焼ヒータに導入する冷却液の量をアノードオフガスの量に応じて設定するようにしてもよい。また、前記各実施形態は酸素含有ガスとしてカソードオフガスを燃焼ヒータに導入するものを例に説明したが、カソードオフガスに代えて酸化剤ガス（新気）を燃焼ヒータに導入するようにしてもよい。また、前記実施形態では第２カソードオフガスラインにオリフィスを設けるようにしたが、オリフィスに代えて電磁弁（オン・オフ弁）や電動弁を設けるようにしてもよい。また、燃料電池システムを構成する配管や流量制御弁等のレイアウトを始め、気水分離器や燃焼ヒータ、希釈装置の具体的構造、暖機制御の具体的手順等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
実施形態の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。 実施形態の燃料電池システムのブロック構成図である。 実施形態の気水分離器の構造を示す縦断面図である。 第１実施形態における暖機制御の手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における暖機制御の手順を示すフローチャートである。 第３実施形態における暖機制御の手順を示すフローチャートである。 第４実施形態における暖機制御の手順を示すフローチャートである。 実施形態での暖機時における燃料供給の経過をタイムチャートである。 気水分離器の変形例に係る燃料電池システムの要部を示すブロック構成図である。 変形例に係る気水分離器の縦断面図である。
符号の説明
１０ 燃料電池
１１ アノード極
１２ カソード極
４５ 温度センサ
５１ 燃焼ヒータ
５３ 気水分離器
５４ 第１ガス流量制御弁（第１流量調整手段、アノードオフガス排出手段）
５６ 第３ガス流量制御弁（第３流量調整手段）
５７ 第１エア流量制御弁
６７ 第１燃料ガスライン（第１の経路）
６８ 第３燃料ガスライン（第３の経路）
７１ 希釈装置（希釈手段）
７２ 第２ガス流量制御弁（第２流量調整手段、アノードオフガス排出手段）
７３ 第２エア流量制御弁（カソードオフガス排出手段）
７９ 第２燃料ガスライン（第２の経路）
９０ 制御装置（制御手段）

Claims (9)

  1. アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸素含有ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
    前記アノード極からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段と、
    前記アノードオフガスと前記燃料ガスとの少なくとも一方を含む燃焼用ガスを酸素含有ガスとともに燃焼させ、その燃焼により得られた熱エネルギーを用いて前記燃料電池を加熱する燃焼ヒータと、
    前記酸素含有ガスによって前記アノードオフガスを希釈する希釈手段と、
    前記アノードオフガスを前記燃焼ヒータに導入するための第１の経路と、
    前記アノードオフガスの前記第１の経路への導入量の調整に供される第１流量調整手段と、
    前記アノードオフガスを前記希釈手段に導入するための第２の経路と、
    前記アノードオフガスの前記第２の経路への導入量の調整に供される第２流量調整手段と、
    前記第１流量調整手段および前記第２流量調整手段を駆動制御する制御手段と
    を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料ガスを前記燃焼ヒータに導入するための第３の経路と、
    前記燃料ガスの前記第３の経路への導入量の調整に供される第３流量調整手段と
    を更に備え、
    前記制御手段が前記第３流量調整手段を駆動制御す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。
  3. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を更に備え、
    前記制御手段は、
    前記燃料電池の温度が第１の所定温度より低い場合、前記アノードオフガスの前記第１の経路への導入量を前記第２の経路への導入量より多くし、
    前記燃料電池の温度が第１の所定温度より高い場合、前記アノードオフガスの前記第２の経路への導入量を前記第１の経路への導入量より多くする
    ことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記アノードオフガスの前記第１の経路への導入量の限界値を設定する燃料供給限界量設定手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記アノードオフガス排出手段によるアノードオフガスの排出量が前記限界値を超えた場合、当該排出量から当該限界量を減じた量のアノードオフガスを前記希釈手段に導入することを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃焼ヒータへの燃焼用ガスの要求供給量を設定する要求燃料量設定手段を更に備え、
    前記制御手段は、前記アノードオフガス排出手段によるアノードオフガスの排出量が前記要求供給量に満たない場合、当該要求供給量から当該排出量を減じた量の燃料ガスを前記前記第３の経路に導入させることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記燃焼ヒータへの燃焼用ガスの要求供給量または実流量に基づき、当該燃焼ヒータに供給する前記酸素含有ガスの流量または当該燃焼ヒータにより加熱される燃料電池冷却系の冷媒流量を設定することを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃焼ヒータに導入される前記アノードオフガス中の水分を除去するための気水分離手段と前記燃焼ヒータに導入される前記酸素含有ガス中の水分を除去するための気水分離手段との少なくとも一方を備えたことを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
  8. アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸素含有ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
    前記アノード極からアノードオフガスを排出するアノードオフガス排出手段と、
    前記アノードオフガスと前記燃料ガスとの少なくとも一方を含む燃焼用ガスを酸素含有ガスとともに燃焼させ、その燃焼により得られた熱エネルギーを用いて前記燃料電池を加熱する燃焼ヒータと、
    前記酸素含有ガスによって前記アノードオフガスを希釈する希釈手段と、
    前記アノードオフガスを前記燃焼ヒータに導入するための第１の経路と、
    前記アノードオフガスの前記第１の経路への導入量の調整に供される第１流量調整手段と、
    前記アノードオフガスを前記希釈手段に導入するための第２の経路と、
    前記アノードオフガスの前記第２の経路への導入量の調整に供される第２流量調整手段と、
    前記第１流量調整手段および前記第２流量調整手段を駆動制御する制御手段と
    を備え、
    前記燃焼ヒータに、前記酸素含有ガスとして、前記燃料電池から排出されたカソードオフガスが導入され、
    前記希釈手段が前記燃焼ヒータの下流に設けられ、当該燃焼ヒータから排出された排気ガスが当該希釈手段に流入することを特徴とする燃料電池システム。
  9. 前記燃焼ヒータに導入される前記アノードオフガス中の水分を除去するための気水分離手段と前記燃焼ヒータに導入される前記カソードオフガス中の水分を除去するための気水分離手段との少なくとも一方を備えたことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
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