JP2007250406A - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の暖機が必要なときに常に熱を得ることができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供する。
【解決手段】燃料電池ＦＣの供給側に接続された燃料ガス供給配管１１には、燃料ガス導入配管４４が接続されるとともに、燃料ガス導入配管４４が水素インジェクタ４５を介して触媒燃焼器４７の上流に接続されている。また、燃料電池ＦＣの排出側に接続された燃料オフガス配管１２には、切替パージ弁１７を介して導入配管４３が接続されるとともに、導入配管４３が触媒燃焼器４７の上流側に接続されている。また、燃料オフガス配管１２には、切替パージ弁１７を介して希釈器５１が接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と触媒燃焼器とを備えた燃料電池システムおよびその運転方法に関する。

燃料電池システムでは、低温環境下での燃料電池の始動性を向上させるために触媒燃焼器を搭載して、低温始動時に燃料電池を暖機する技術が提案されている。例えば、特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃焼器に燃料電池からアノードオフガス（水素）が供給されない場合には、カソードオフガス（空気）を燃焼器からバイパスさせ、また燃焼器にアノードオフガスが供給される場合には、適切な流量およびタイミングでカソードオフガスを燃焼器に供給するようになっている。
特開２００４−１９９９３１号公報（図１）

しかしながら、このような従来の燃料電池システムでは、パージされたアノードオフガスをすべて燃焼器で燃焼させることを目的としているため、燃料電池の運転時に、燃料電池の冷却が必要な状況であっても熱を発生させることになってしまい非効率となる。また、逆に燃料電池を暖機するために熱が必要なときには、パージしたときしか熱を得ることができないため暖機速度が遅くなるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の暖機が必要なときに常に熱を得ることができる燃料電池システムおよびその運転方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合させて前記燃料ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器と、前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路と、前記燃料ガス供給流路から前記触媒燃焼器に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入路と、前記燃料オフガス流路から前記触媒燃焼器に前記燃料オフガスを導入する燃料オフガス導入路と、を有することを特徴する。

請求項１に係る発明によれば、触媒燃焼器への燃料ガスの供給流路として、燃料ガス供給流路側からと、燃料オフガス流路側からの２つの流路を持たせることで、触媒燃焼器が燃料ガスを必要としているときには必要なだけ燃料ガスを供給することが可能になる。しかも、燃料オフガス流路からも燃料ガスを導入することができるので、燃料オフガスを無駄に排出することがない。

請求項２に係る発明は、前記燃料オフガス流路から排出された前記燃料オフガスを希釈ガスにより希釈する希釈器と、前記燃料オフガス導入路または前記希釈器に流路を切り替える切替手段と、を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、触媒燃焼器の運転が必要ないときには、燃料電池から排出される燃料オフガスを希釈器に導入することで、燃料オフガスを十分に希釈して排出することが可能となる。

請求項３に係る発明は、前記触媒燃焼器の運転が必要かどうかを判断する触媒燃焼器運転判断手段を備え、前記切替手段は、前記触媒燃焼器の運転が必要なときに前記燃料オフガス導入路に切替え、前記触媒燃焼器の運転が必要ないときに前記希釈器に切替えることを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、触媒燃焼器の運転の必要性の有無により燃料オフガス導入路と希釈器の流路を切り替えることで、濃度の高い燃料オフガスが系外に排出されるのを防止することが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記燃料ガス導入路は、前記燃料ガスの導入量を調整可能な燃料ガス導入量調整手段を備え、前記燃料オフガス導入路から導入された前記燃料オフガスの導入量に応じて前記燃料ガス導入量調整手段を調整することを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、燃料ガス供給流路（燃料電池の供給側）から触媒燃焼器への燃料ガスの導入量を、燃料オフガス流路（燃料電池の排出側）から触媒燃焼器への燃料オフガスの導入量に応じて調整することで、燃料オフガスを十分に有効利用することが可能になる。つまり、燃料オフガスが導入されるときには、燃料ガス供給流路からの燃料ガス導入量を減らすことで燃料ガスの消費量を減らすことができ、燃料オフガスを導入しないときには、燃料ガス供給流路からの燃料ガス導入量を増やすことで、触媒燃焼器での燃焼条件を常に満たすことが可能になる。

請求項５に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合させて前記燃料ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池から排出されて前記触媒燃焼器に導入される前記燃料オフガスの導入量に応じて、前記燃料電池の供給前に前記触媒燃焼器に導入される前記燃料ガスの導入量を調整する燃料ガス導入量調整ステップを備えることを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、触媒燃焼器への燃料ガスの供給が、燃料電池供給前の燃料ガスと、燃料電池排出後の燃料オフガスを導入する２つの流路を持たせることで、触媒燃焼器が燃料ガスを必要としているときには必要なだけ燃料ガスを送ることが可能になるとともに、燃料オフガスも導入することができるので燃料オフガスを無駄に排出することがない。さらに、燃料電池の供給側から触媒燃焼器への燃料ガスの導入量を、燃料電池の排出側から触媒燃焼器への燃料オフガスの導入量に応じて調整することで、燃料オフガスを十分に有効利用することが可能になる。

請求項６に係る発明は、前記触媒燃焼器の運転が必要かどうかを判断する触媒燃焼器運転判断ステップを備え、前記触媒燃焼器運転判断ステップは、触媒燃焼器の運転が必要であると判断したときに、前記燃料オフガスを前記触媒燃焼器に導入し、前記触媒燃焼器の運転が必要でないと判断したときに、前記燃料オフガスを希釈ガスにより希釈することを特徴とする。

請求項６に係る発明によれば、触媒燃焼器の運転が必要ないときには、燃料電池からの燃料オフガスを希釈ガスで希釈することで、濃度の高い燃料オフガスが系外に排出されるのを防ぐことが可能になる。

本発明によれば、燃料電池の暖機が必要なときに常に熱を得ることができ、かつ、暖機が必要ないときには水素を希釈して排出することができる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は本実施形態の燃料電池システムの始動時の暖機制御を示すフローチャート、図３（ａ）はシステム温度と目標発熱量との関係示すマップ、（ｂ）は目標発熱量と水素供給量との関係を示すマップである。なお、以下では、燃料電池自動車などの車両を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などの他の乗り物、定置式の家庭用電源などに適用してもよい。

図１に示すように本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系１０、カソード系２０、冷却系３０、暖機系４０、希釈系５０、制御装置６０などを含んで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、電解質膜２をアノード３とカソード４とで挟んで構成された膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、この膜電極構造体の外側に設けられた一対の導電性のセパレータ（図示せず）とで構成された単セルが厚み方向に複数積層された構造となっている。また、燃料電池ＦＣでは、アノード３に対向するセパレータには、燃料ガスとしての水素が流通する流路ａ１、カソード４に対向するセパレータには、酸化剤ガスとしての空気が流通する流路ａ２、および燃料電池ＦＣを暖機および冷却するための流路ａ３が互いに混じり合わないように形成されている。このようにして形成された燃料電池ＦＣでは、アノード３に燃料ガスとしての水素が、カソード４に酸化剤ガスとしての空気が供給されることにより、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われ、走行モータなどの外部負荷に発電電流が供給される。なお、図１では、説明の便宜上、ひとつの単セルを模式的に図示している。

前記アノード系１０は、燃料電池ＦＣのアノード３に水素（燃料ガス）を供給し、かつ、アノード３から水素（燃料オフガス）を排出するものであり、燃料ガス供給配管（燃料ガス供給流路）１１、燃料オフガス配管（燃料オフガス流路）１２、水素タンク１３、遮断弁１４、レギュレータ１５、エゼクタ１６、切替パージ弁（切替手段）１７などで構成されている。

前記燃料ガス供給配管１１は、燃料電池ＦＣに水素を供給する流路であり、その一端が水素タンク１３に接続され、他端が遮断弁１４、レギュレータ１５およびエゼクタ１６を介して燃料電池ＦＣのアノード３の入口に接続されている。前記燃料オフガス配管１２は、燃料電池ＦＣから水素を排出する流路であり、その一端がアノード３の出口に接続され、他端が後記する希釈系５０の希釈器５１に接続されている。

前記水素タンク１３は、高純度の水素が高い圧力で充填されたものである。

前記遮断弁１４は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク１３の下流近傍に設けられている。なお、遮断弁１４は、水素タンク１３に設けられるようなインタンク式のものであってもよい。

前記レギュレータ１５は、遮断弁１４の下流に設けられ、水素タンク１３から供給された高圧の水素を燃料電池ＦＣでの発電に適した圧力に減圧するための減圧弁である。

前記エゼクタ１６は、燃料電池ＦＣのアノード３の出口から排出された未反応の水素を再びアノード３の入口に戻して循環させる機能を有し、燃料オフガス配管１２と水素循環配管１６ａを介して接続されている。これにより、燃料として燃料電池ＦＣに供給された水素が無駄に排出されるのが防止され、水素を有効活用することが可能になる。

前記切替パージ弁１７は、燃料オフガス配管１２の途中に設けられ、燃料オフガス配管１２の流路を遮断する遮断弁としての機能を有するとともに、後記する導入配管（燃料オフガス導入路）４３の流路と、後記する希釈器５１の流路のいずれかに切り替える切替弁としての機能を有している。切替パージ弁１７によって、流路を遮断することにより、燃料電池ＦＣに供給された水素をエゼクタ１６および水素循環配管１６ａを介して循環させることができ、流路を切り替えることにより、燃料電池ＦＣから排出された水素を、後記する触媒燃焼器４７または希釈器５１に導入させることができる。

なお、本実施形態では、切替パージ弁１７に、流路を遮断する機能と流路を切り替える機能の双方を持たせているが、流路を遮断する機能と、流路を切り替える機能とを別々の弁により構成してもよい。

前記カソード系２０は、燃料電池ＦＣのカソード４に空気（酸化剤ガス）を供給し、かつ、カソード４から酸化オフガス（空気や生成水など）を排出するものであり、酸化ガス供給配管２１、酸化オフガス配管２２、エアコンプレッサ２３、背圧弁２４などで構成されている。

前記酸化ガス供給配管２１は、燃料電池ＦＣのカソード４に空気を供給する流路であり、その一端が燃料電池ＦＣのカソード４の入口に接続され、他端がエアコンプレッサ２３に接続されている。前記酸化オフガス配管２２は、カソード４から酸化オフガスを排出する流路であり、その一端が燃料電池ＦＣのカソード４の出口に接続され、他端が希釈器５１に接続されている。

前記エアコンプレッサ２３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、圧縮した空気（外気）を、酸化ガス供給配管２１を介して燃料電池ＦＣに供給するようになっている。

前記背圧弁２４は、開度を調整可能な弁であり、後記する制御装置６０による開度調整によって燃料電池ＦＣの発電に適した圧力の空気をカソード４に供給する機能を有している。

前記冷却系３０は、燃料電池ＦＣが発電により発生した熱を放熱する機能を有し、配管３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ、ラジエータ３２、切替弁３３、循環ポンプ３４、温度センサ３５などを備えている。

前記配管３１ａは、一端が燃料電池ＦＣ（セパレータ）に設けられた熱交換媒体が流通する流路の出口に接続され、他端が切替弁３３および循環ポンプ３４を介して後記する触媒燃焼器４７の熱交換部４２ｂの入口に接続されている。配管３１ｂは、一端が熱交換部４２ｂの出口に接続され、他端が燃料電池ＦＣ（セパレータ）に設けられた熱交換媒体が流通する流路の入口に接続されている。配管３１ｃは、一端が配管３１ａの途中に接続され、他端がラジエータ３２の入口に接続されている。配管３１ｄは、一端がラジエータ３２の出口に接続され、他端が切替弁３３に接続されている。なお、ここで使用される熱交換媒体は、車両などで一般的に使用される水や不凍液である。

前記ラジエータ３２は、管とフィンなどで構成され、燃料電池ＦＣで温められた熱交換媒体を放熱する機能を有している。

前記切替弁３３は、例えば電磁作動の三方弁からなり、燃料電池ＦＣを冷却する際には、ラジエータ３２を通る位置に切替えられ、燃料電池ＦＣを暖機する際には、ラジエータ３２をバイパスする位置に切替えられる。

前記循環ポンプ３４は、燃料電池ＦＣとラジエータ３２との間、燃料電池ＦＣと後記する触媒燃焼器４７との間において熱交換媒体を循環させる機能を有している。

前記温度センサ３５は、配管３１ｂの燃料電池ＦＣの出口近傍に設けられ、燃料電池ＦＣから排出される熱交換媒体の温度を検知するものである。なお、ここで得られる温度が、後記するシステム温度Ｔ（燃料電池ＦＣの温度）として利用される。

前記暖機系４０は、酸化ガス導入配管４１、酸化ガス流量制御弁４２、導入配管（燃料オフガス導入路）４３、燃料ガス導入配管（燃料ガス導入路）４４、水素インジェクタ（燃料ガス導入量調整手段）４５、混合器４６、触媒燃焼器４７などで構成されている。

前記酸化ガス導入配管４１は、酸化ガス供給配管２１から分岐してエアコンプレッサ２３からの乾燥した空気を混合器４６に供給する流路であり、その一端が酸化ガス供給配管２１に接続され、他端が混合器４６に接続されている。

前記酸化ガス流量制御弁４２は、例えばバタフライ弁などで構成されている。なお、酸化ガス流量制御弁４２としてバタフライ弁を使用する際は、酸化ガス導入配管４１の酸化ガス流量制御弁４２の上流に空気の流れを遮断するための遮断弁を用いることが好ましい。また、この酸化ガス流量制御弁４２は、例えばポペット弁のように流路を完全に遮断できる弁で構成してもよい。これは、例えば燃料電池ＦＣのみが発電していて、酸化ガス導入配管４１に空気を供給する必要がない場合に空気が流れ込むと、エアコンプレッサ２３のエネルギー消費が増えるからである。したがって、酸化ガス流量制御弁４２に全閉可能な弁を使用することにより、酸化ガス導入配管４１に空気が漏れるのを防止して、エアコンプレッサ２３のエネルギーが無駄に消費されるのを防ぐことができる。

前記導入配管４３は、燃料電池ＦＣのアノード３から排出された燃料オフガスを混合器４６に導入する流路であり、一端が前記切替パージ弁１７と接続され、他端が前記酸化ガス導入配管４１と接続されている。

前記燃料ガス導入配管４４は、燃料ガス供給配管１１から分岐して燃料電池ＦＣに供給する前の水素を混合器４６に供給する流路であり、一端が燃料ガス供給配管１１のレギュレータ１５の下流に接続され、他端が水素インジェクタ４５に接続されている。

前記水素インジェクタ４５は、酸化ガス導入配管４１の流路に水素を噴射する機能を有し、制御装置６０からの制御によって水素の噴射量を制御できるようになっている。すなわち、噴射時間を長く設定することにより、噴射量が増加し、噴射時間を短く設定することにより、噴射量が減少するようになっている。

前記混合器４６は、触媒燃焼器４７の上流側に設けられ、水素と空気とを混合して混合ガスを生成する空間を有している。

前記触媒燃焼器４７は、燃焼部４７ａと熱交換部４７ｂとを備えて構成されている。燃焼部４７ａは、例えばハニカム状に形成されたベース部材に白金などの触媒を担持させて構成されたものであり、混合器４６で混合された混合ガスを流通させることにより、混合ガス中の水素が触媒燃焼されて高温の排ガス（水素濃度が０のガス）を生成するようになっている。熱交換部４７ｂは、例えば、筒状の配管内に、燃焼部４７ａで生成された排ガスが流れる流路と、前記熱交換媒体が通れる流路とが互いに交じり合わないように区画された構造を有し、排ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行うようになっている。

前記希釈系５０は、希釈器５１、排出管５２、排ガス配管５３などで構成されている。

前記希釈器５１は、燃料オフガスに含まれる水素を所定の濃度以下に希釈する機能を有している。なお、本実施形態では、燃料電池ＦＣのカソード４から排出される酸化オフガスが、燃料電池ＦＣのアノード３から排出される燃料オフガスを希釈する際の希釈ガスとして使用される。

前記排出管５２は、希釈器５１の下流側に接続され、希釈器５１で希釈されたガスを車外に排出するようになっている。

前記排ガス配管５３は、触媒燃焼器４７から排出された排ガスを排出する流路であり、希釈器５１の下流の排出管５２に接続されている。

前記制御装置６０は、本発明の触媒燃焼器運転判断手段を含み、図示しない、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、周辺回路、入出力インタフェース等から構成されている。この制御装置６０は、遮断弁１４、切替パージ弁１７、エアコンプレッサ２３、背圧弁２４、循環ポンプ３４、温度センサ３５、酸化ガス流量制御弁４２、水素インジェクタ４５と接続されている。また、制御装置６０は、遮断弁１４の開閉動作、切替パージ弁１７の流路遮断および導入配管４３と希釈器５１の流路切替動作、エアコンプレッサ２３のモータの回数数、背圧弁２４の開度、循環ポンプ３４のモータ回転数、酸化ガス流量制御弁４２の開度、水素インジェクタ４５の噴射量をそれぞれ制御し、温度センサ３５によって検出されたシステム温度を取得する。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の動作について図２および図３を参照（適宜図１を参照）しながら説明する。なお、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がオフにされて停止している場合には、遮断弁１４が閉状態、切替パージ弁１７が遮断状態、エアコンプレッサ２３がオフ状態、切替弁３３がラジエータ３２をバイパスする位置、循環ポンプ３４がオフ状態、酸化ガス流量制御弁４２が遮断状態になっている。

制御装置６０は、車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がオンに切り替えられたことを検知すると、遮断弁１４を開き、水素タンク１３から燃料電池ＦＣのアノード３に向けて水素の供給を開始する。また同時に、エアコンプレッサ２３を駆動し、燃料電池ＦＣのカソード４に向けて空気の供給を開始する。このとき、ステップＳ１（触媒燃焼器運転判断手段に相当）において、燃料電池ＦＣと触媒燃焼器４７とを並行運転させる必要があるか否かを判断する。燃料電池ＦＣと触媒燃焼器４７とを並行運転させる場合とは、例えば、車両が低温環境下（氷点下）で使用されて燃料電池ＦＣの暖機が必要な場合である。また、並行運転させるか否かの判断は、例えば、システム温度Ｔ（０℃以下）に基づいて判断することができる。なお、並行運転の判断条件は、システム温度Ｔに限定されるものではなく、例えば外気温度などであってもよい。

ステップＳ１において、燃料電池ＦＣと触媒燃焼器４７を並行運転させる必要があると判断した場合には（ＹＥＳ）、燃料電池ＦＣを暖機する必要があるので、ステップＳ２に進み、切替パージ弁１７の遮断状態を解除して導入配管４３に切り替える。これにより、触媒燃焼器４７に排出水素（燃料オフガス）が導入されるようになる。

そして、ステップＳ３に進み、制御装置６０は、触媒燃焼器４７での目標発熱量を算出する。なお、この目標発熱量は、予め実験等で求めた図３（ａ）に示すようなマップに基づいて算出される。すなわち、システム温度Ｔが高い場合には、目標発熱量が低く設定され、システム温度Ｔが低い場合には、目標発熱量が高く設定される。これによれば、燃料電池ＦＣへの水素の供給量を増やせるといった効果や、騒音の低減が可能となる。

そして、ステップＳ４に進み、制御装置６０は、ステップＳ３で算出した目標発熱量から、予め実験等で求めた図３（ｂ）に示すようなマップに基づいて、触媒燃焼器４７に供給すべき水素供給量を算出する。すなわち、ステップＳ３において、目標発熱量が低く設定された場合には、水素供給量が少なくなるように設定され、目標発熱量が高く設定された場合には、水素供給量が多くなるように設定される。このステップＳ４で算出された水素供給量に基づいて、ベース量（単位時間当たりの噴射量）を、制御装置６０のＲＡＭに記憶する。

そして、ステップＳ５に進み、制御装置６０は、現在、燃料電池ＦＣのパージ処理中であるか否かを判断する。なお、パージ処理とは、燃料電池ＦＣの発電時において、燃料電池ＦＣのカソード４内の空気に含まれる窒素や生成水の不純物が電解質膜２を介してアノード３に透過して、アノード３の水素濃度低下による発電性能低下を防止するために行う処理であり、切替パージ弁１７を例えば定期的に開いて不純物を排出するとともに水素タンク１３から純度の高い水素を供給する処理である。

なお、前記したパージ処理には、イグニッションスイッチをオンにしたときの燃料電池ＦＣの起動時に実行される処理で、燃料電池ＦＣのアノード３を含む燃料ガス供給配管１１および燃料オフガス配管１２に空気を流して、燃料電池システム１の運転停止時に残留している水を排出して凍結防止を図るため、またアノード３を含む燃料ガス供給配管１１および燃料オフガス配管１２に空気を流して、燃料電池システム１の運転停止時に残留している水素を排出して燃料電池ＦＣが高電圧状態になるのを防止するための処理を含む。

ステップＳ５において、制御装置６０がパージ処理中でないと判断した場合には（ＮＯ）、ステップＳ６に進み、水素インジェクタ４５の噴射量を、ステップＳ４で設定したベース量に応じた噴射量に設定し、ステップＳ９に進み、制御装置６０から水素インジェクタ４５に対して水素の噴射指令を与える。

これにより、酸化ガス導入配管４１の混合器４６の上流側に水素が噴射されるようになる。水素インジェクタ４５から噴射された水素は、酸化ガス導入配管４１から供給される空気と混合器４６で混合された後に触媒燃焼器４７に送られる。触媒燃焼器４７では、まず燃焼部４７ａにおいて水素が触媒燃焼されて、触媒燃焼によって生成された高温の排ガスが熱交換部４７ｂに送られ、熱交換部４７ｂにおいて高温の排ガスによって熱交換媒体が加熱される。また、このとき、循環ポンプ３４がオンにされて、触媒燃焼器４７で加熱された熱交換媒体は、配管３１ｂを通って燃料電池ＦＣの流路ａ３を通ることで、燃料電池ＦＣが暖機される。燃料電池ＦＣを通って冷やされた熱交換媒体は、配管３１ａを通って、再び触媒燃焼器４７の熱交換部４７ｂに送られるようにして循環する。

そして、ステップＳ１０に進み、制御装置６０は、燃料電池ＦＣの暖機が完了したか否かを判断する。暖機完了の条件としては、例えばシステム温度Ｔに基づいて判断され、システム温度Ｔが所定温度を超えたと判断されたときに暖機完了と判断する。

ステップＳ１０において、燃料電池ＦＣの暖機が完了していないと判断した場合には（ＮＯ）、ステップＳ５に戻る。また、ステップＳ１０において、暖機完了と判断した場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進み、切替パージ弁１７を導入配管４３側から希釈器５１側に切り替える。また、このとき、制御装置６０は、酸化ガス流量制御弁４２を閉じて触媒燃焼器４７への空気の供給を停止し、水素インジェクタ４５を閉じて触媒燃焼器４７への水素の供給を停止する。その後は、通常の発電に移行する。

また、ステップＳ５において、制御装置６０がパージ処理中と判断した場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ７に進み、パージ処理によって燃料電池ＦＣから排出されるパージ水素量を算出する。このパージ水素量は、例えば予め実験等で求めておき、これをパージ量として制御装置６０のＲＡＭに記憶される。そして、ステップＳ８に進み、水素インジェクタ４５の噴射量を、ステップＳ４で設定されたベース量からステップＳ７で設定されたパージ量を減算した値（（ベース量）−（パージ量））に応じた噴射量に設定変更する。すなわち、パージ水素を触媒燃焼器４７に導入することができるので、水素インジェクタ４５の噴射量（単位時間当りの噴射量）をステップＳ６で設定された噴射量よりも少なくする。そして、ステップＳ９において、制御装置６０から水素インジェクタ４５に対して、ステップＳ８で設定した噴射量で水素を噴射する指令を与える。

これにより、酸化ガス導入配管４１の混合器４６の上流に水素インジェクタ４５と導入配管４３からそれぞれ水素が噴射される。双方から導入された水素は、酸化ガス導入配管４１からの空気と混合器４６で混合された後に触媒燃焼器４７に送られる。その後は前記と同様にして、触媒燃焼器４７において加熱された熱交換媒体によって燃料電池ＦＣが暖機される。このように、触媒燃焼器４７への燃料電池ＦＣの供給側（燃料ガス導入配管４４側）からの水素の導入量を、燃料電池ＦＣの排出側（燃料オフガス配管１２側）からの導入水素の量に応じて調整すること、つまりパージ処理中の場合には、燃料電池ＦＣの供給側からの水素の導入量を減らすことで、水素タンク１３に蓄積された水素の消費量を低減でき、またパージ処理中でない場合には、燃料電池ＦＣの供給側からの水素の導入量を増やすことで目標とする燃焼条件を満たすことが可能となる。

そして、ステップＳ１０に進み、燃料電池ＦＣの暖機が完了したか否かを判断し、燃料電池ＦＣの暖機が完了したと判断した場合には（ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進み、切替パージ弁１７を、導入配管４３側から希釈器５１側に切り替える。なお、このとき、パージ中であれば、燃料オフガス配管１２の流路を遮断せず、燃料電池ＦＣから排出される水素を希釈器５１に導入して希釈する。

本実施形態では、触媒燃焼器４７に、燃料電池ＦＣへ供給する前の水素（燃料ガス）を導入する燃料ガス導入配管４４と、燃料電池ＦＣから排出された排出水素（燃料オフガス）を導入する導入配管４３とが接続されているので、燃料電池ＦＣの暖機時には、燃料ガス導入配管４４のみから、または燃料ガス導入配管４４および導入配管４３の双方から水素を導入できるので常に必要量の水素を導入することができる。さらに、暖機時にパージ処理されて排出された排出水素（燃料オフガス）を暖機に利用することができるので燃料オフガスを無駄に排出することがない。

また、ステップＳ１に戻り、燃料電池ＦＣと触媒燃焼器４７とを並行運転させる必要がないと判断した場合には（ＮＯ）、燃料電池ＦＣを単独運転させるので、ステップＳ１１に進み、切替パージ弁１７を希釈器５１側に切り替える。なお、パージ処理が必要になったときに流路を開く。ステップＳ１からステップ１１に進む条件としては、例えばシステム温度Ｔが所定温度（例えば、０℃）を超えている場合である。このように、本実施形態では、燃料電池ＦＣを暖機する必要がなく、触媒燃焼器４７を運転する必要がないときには、燃料電池ＦＣから排出される燃料オフガスを希釈器５１に導入することで、排出水素を十分に希釈してから車外に排出することができる。

また、本実施形態では、燃料電池ＦＣと触媒燃焼器４７とを並行して運転することができるので、車両を低温環境下（氷点下）で使用したとしても、燃料電池ＦＣの発電効率を向上させることができる。また、前記したように、触媒燃焼器４７の運転の有無により、導入配管４３と希釈器５１の流路を適宜切り替えることができるので、暖機時には触媒燃焼器４７において触媒燃焼されて水素濃度がほぼ０の状態で、また希釈時には希釈器５１においてカソード４側のオフガス（主に空気や生成水）によって水素が所定以下の濃度まで希釈された状態でそれぞれ排出されるので、高濃度の水素が車外に排出されるのを確実に防止することができる。

なお、本実施形態では、触媒燃焼器４７に空気を導入する配管（酸化ガス導入配管４１）と、希釈器５１にオフガスを導入する配管（酸化オフガス配管２２）を別個に設けているが、酸化ガス導入配管４１を設けずに、酸化オフガス配管２２に統一して切替弁を設けて、並行運転時には空気が触媒燃焼器４７を通るように、並行運転不要時には空気が希釈器５１を通るように切り替える構成としてもよい。

また、本実施形態では、燃料電池ＦＣと触媒燃焼器４７との並行運転の際、目標発熱量を図３のマップによって算出しているが（図２のステップＳ３）、システム温度Ｔに関係なく、触媒燃焼器４７を定格運転させるようにしてもよい。これによれば、より短い時間で暖機を完了することができる。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 本実施形態の燃料電池システムの始動時の暖機制御を示すフローチャートである。 （ａ）はシステム温度と目標発熱量との関係示すマップ、（ｂ）は目標発熱量と水素供給量との関係を示すマップである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１１ 燃料ガス供給配管（燃料ガス供給流路）
１２ 燃料オフガス配管（燃料オフガス流路）
１７ 切替パージ弁（切替手段）
４３ 導入配管（燃料オフガス導入路）
４４ 燃料ガス導入配管（燃料ガス導入路）
４５ 水素インジェクタ（燃料ガス導入量調整手段）
４７ 触媒燃焼器
５１ 希釈器
６０ 制御装置
ＦＣ 燃料電池

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合させて前記燃料ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器と、
   前記燃料電池に供給される前記燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路と、
   前記燃料電池から排出された燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路と、
   前記燃料ガス供給流路から前記触媒燃焼器に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入路と、
   前記燃料オフガス流路から前記触媒燃焼器に前記燃料オフガスを導入する燃料オフガス導入路と、を有することを特徴する燃料電池システム。
2. 前記燃料オフガス流路から排出された前記燃料オフガスを希釈ガスにより希釈する希釈器と、
   前記燃料オフガス導入路または前記希釈器に流路を切り替える切替手段と、を有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. 前記触媒燃焼器の運転が必要かどうかを判断する触媒燃焼器運転判断手段を備え、
   前記切替手段は、前記触媒燃焼器の運転が必要なときに前記燃料オフガス導入路に切替え、前記触媒燃焼器の運転が必要ないときに前記希釈器に切替えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料ガス導入路は、前記燃料ガスの導入量を調整可能な燃料ガス導入量調整手段を備え、
   前記燃料オフガス導入路から導入された前記燃料オフガスの導入量に応じて前記燃料ガス導入量調整手段を調整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１項に記載の燃料電池システム。
5. 燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを混合させて前記燃料ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器と、前記燃料電池へ供給する前記燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路と、前記燃料電池から排出された燃料オフガスが流通する燃料オフガス流路と、前記燃料ガス供給流路から前記触媒燃焼器に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入路と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料オフガス流路を介して前記触媒燃焼器に導入される前記燃料オフガスの排出量に応じて、前記燃料ガス供給流路を介して前記触媒燃焼器に導入される前記燃料ガスの導入量を調整する燃料ガス導入量調整ステップを備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
6. 前記触媒燃焼器の運転が必要かどうかを判断する触媒燃焼器運転判断ステップを備え、
   前記触媒燃焼器運転判断ステップは、触媒燃焼器の運転が必要であると判断したときに、前記燃料オフガスを前記触媒燃焼器に導入し、前記触媒燃焼器の運転が必要でないと判断したときに、前記燃料オフガスを希釈ガスにより希釈することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。

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