JP2007280925A - 燃料電池システムおよびその起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電を開始するまでの起動時間を短縮してエネルギ効率を向上することができる燃料電池システムおよびその起動方法を提供する。
【解決手段】 燃料電池ＦＣを暖機するための燃焼器３１を備えている。燃焼器３１には、水素タンク１４から水素が、エアコンプレッサ２３から空気がそれぞれ供給されるようになっている。制御装置５０は、燃料電池ＦＣの起動時に、燃焼器３１による暖機と同時に、燃料ガス流通路内の空気を水素に置換する処理を行う。また、暖機完了前に水素置換が完了した場合には、燃料電池ＦＣから電流を引くようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池と、この燃料電池を暖機する外部加熱手段とを備えた燃料電池システムおよびその起動方法に関する。

燃料電池自動車などに搭載される固体高分子型の燃料電池では、氷点下に至るような低温環境下で使用する場合の凍結対策として、燃料電池の発電を開始する前に燃料電池を暖機することが行われている。例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）とを燃焼させたときに発生する燃焼排ガスで熱交換によって加熱された不凍液を燃料電池との間で循環させること、また燃焼排ガス（水蒸気を含むガス）を燃料電池の反応ガス流路に供給することによって、燃料電池を暖機する技術が提案されている。
特開２０００−１６４２３３号公報（段落００６５〜００６８、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、燃焼排ガスを利用して燃料電池の反応ガス流路内を暖機しているため、燃料電池の暖機が完了した後に、燃料電池のアノード内を水素で置換してから発電を開始する必要があるため、燃料電池の発電開始までの起動処理に長い時間が必要になる。このため、より多くのエネルギが必要になるため、蓄電装置（バッテリなど）に蓄えておくべき電力が増大し、エネルギ効率が悪化するという問題がある。

本発明は、前記従来の問題を解決するものであり、燃料電池の発電を開始するまでの起動時間を短縮してエネルギ効率を向上することができる燃料電池システムおよびその起動方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池を、この燃料電池とは異なる外部の熱源により加熱する外部加熱手段と、前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路および前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路の少なくとも一方において、前記燃料ガス流通路内を前記燃料ガスで置換し、前記酸化剤ガス流通路内を前記酸化剤ガスで置換するガス置換手段と、前記燃料電池の起動時に、前記外部加熱手段の運転と同時に前記ガス置換手段によりガス置換を実行後、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動手段と、を備えることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池の暖機（加熱）と同時にガス置換を行うようにすることで、暖機完了後直ちに発電に移行することができ、燃料電池の起動から発電開始までの起動時間を短くすることが可能になる。

請求項２に係る発明は、前記外部加熱手段は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを触媒燃焼させる燃焼器であり、前記燃料ガス供給手段は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスを前記燃料電池および前記燃焼器に供給し、前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤ガスを前記燃料電池および前記燃焼器に供給することを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いる燃焼器を用いることで、燃料電池と燃焼器に対してガス供給源を共通にすることができるので、システムの大型化を防止できる。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池は、前記外部加熱手段により暖機され、この暖機が完了した後に発電が開始され、前記外部加熱手段により前記暖機が完了する前に、前記ガス置換手段によるガス置換が完了したときに前記燃料電池から電流を引き出す電流取出手段を備えることを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、暖機が完了せず、発電に移行できない状態でガス置換が完了した場合には燃料電池が高電位に曝され、この状態を放置すると燃料電池を劣化させるおそれがあるので、電流取出手段により燃料電池から微弱の発電電流を取り出すことで、燃料電池が高電位に曝されるのを防止し、燃料電池の劣化を防止できる。

請求項４に係る発明は、前記燃焼器に燃料ガスが供給されていないときにガス置換を行うことを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、燃焼器の運転中に未燃焼のガス抜けが起きたとしても、高濃度の燃料ガスが排出されるのを防止できる。

請求項５に係る発明は、前記燃焼器および前記燃料電池から排出される排ガスを排出する排ガス排出流通路と、前記排ガス排出流通路内に備えられ、排ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置と、を有し、前記ガス濃度が所定値以下のときにガス置換を行うことを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、ガス濃度が高い場合にはガス置換に伴うガスパージが行われないため、排出されるガス濃度を所定値以下に保つことができる。また、ガス濃度が所定値以下の場合には、燃焼器の運転に並行してガス置換によるチェックを実施できるため、燃料電池の発電開始時間を短縮することができる。

請求項６に係る発明は、燃料ガス供給手段から燃料ガスが、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を外部の熱源により加熱する外部加熱手段と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、前記燃料電池の起動時に、燃料ガス流通路内を前記燃料ガスでガス置換し、酸化剤ガス流通路内を前記酸化剤ガスでガス置換し、または前記燃料ガス流通路内を前記燃料ガスでおよび前記酸化剤ガス流通路内を前記酸化剤ガスでガス置換するステップと、前記燃料電池の起動時に、前記外部加熱手段の運転と同時に前記ガス置換を実行後、前記燃料電池の発電を開始するステップと、を備えることを特徴とする。

請求項６に係る発明によれば、燃料電池の暖機（加熱）と同時にガス置換を行うようにすることで、暖機完了後直ちに発電に移行することができ、燃料電池の起動から発電開始までの起動時間を短くすることが可能になる。

本発明によれば、燃料電池の発電を開始するまでの起動時間を短縮してエネルギ効率を向上することができる。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は第１実施形態の燃料電池システムにおける起動時の制御を示すフローチャート、図３は燃料電池の起動から発電までのタイミングチャートであり、（ａ）は従来での制御、（ｂ）および（ｃ）は本実施形態での制御である。なお、本実施形態は、燃料電池自動車（図示せず）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、船舶や航空機の他の乗り物、家庭用電源などに適用してもよい。

図１に示すように、第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池ＦＣと燃焼器３１とが並列に設けられたシステムであり、燃料電池ＦＣ、アノード系１０、カソード系２０、暖機系３０、高電圧系４０、制御装置５０などで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子からなる電解質膜２をアノード３とカソード４で挟んだ膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）をさらに一対の導電性のセパレータ５，６で挟んで構成した単セルが、厚み方向に複数積層された構造を有している。また、セパレータ５には、アノード３と対向する側に燃料ガスとしての水素が流通する流路ａ１が形成され、セパレータ６には、カソード４と対向する側に酸化剤ガスとしての空気が流通する流路ａ２が形成され、さらに熱交換媒体が流通する流路ａ３が水素や空気と混じり合わないように形成されている。このような固体高分子型の燃料電池ＦＣでは、アノード３に水素が、カソードに空気がそれぞれ供給されることにより、水素と酸素との電気化学反応により電気と水が生成される。なお、図１では、説明の便宜上、単セルの積層体ではなくひとつの単セルを模式的に図示している。

アノード系１０は、燃料電池ＦＣに水素を供給し、かつ、燃料電池ＦＣから水素を排出するものであり、アノード供給配管１１、アノード排出配管１２、循環配管１３、水素タンク１４、遮断弁１５、エゼクタ１６、パージ弁１７などで構成されている。

前記アノード供給配管１１は、燃料電池ＦＣのアノード３に供給される水素が流通する流路を構成し、その一端が燃料電池ＦＣの流路ａ１の入口に接続され、他端が遮断弁１５およびエゼクタ１６を介して水素タンク１４に接続されている。

前記アノード排出配管１２は、燃料電池ＦＣのアノード３から排出される水素を含むガス（アノードオフガス）が流通する流路を構成し、その一端が燃料電池ＦＣの流路ａ１の出口と接続され、他端がパージ弁１７と接続されている。

前記水素タンク１４は、高純度の水素が高圧で充填された容器であり、図示しない電磁作動式の遮断弁を備えている。

前記遮断弁１５は、燃料電池ＦＣへの水素の供給を遮断する機能を有し、後記する制御装置５０によって開閉制御されるようになっている。

前記エゼクタ１６は、燃料電池ＦＣの流路ａ１の出口から排出された未反応の水素を、循環配管１３を介して流路ａ１の入口に戻すように循環させる機能を有している。

前記パージ弁１７は、循環配管１３の接続部の下流側に設けられ、例えば定期的に開弁することにより、燃料電池ＦＣのアノード３の流路ａ１を含むアノード供給配管１１、アノード排出配管１２および循環配管１３の流路内に残留する不純物が排出され、新鮮な水素が新たに供給されるようになっている。つまり、パージ弁１７を開弁することで、燃料電池ＦＣの発電時に、カソード４に供給された空気に含まれる窒素が電解質膜２を介してアノード３に透過すること、またカソード４で生成された水が電解質膜２を介してアノード３に透過することによって、アノード３の水素濃度が低下して発電性能が低下するといった不具合を防止できるようになっている。

なお、前記したアノード供給配管１１の流路、アノード排出配管１２の流路、循環配管１３および燃料電池ＦＣのセパレータ５の流路ａ１によって本発明の燃料ガス流通路が構成されている。

前記カソード系２０は、燃料電池ＦＣに空気を供給し、かつ、燃料電池ＦＣから空気を排出するものであり、カソード供給配管２１、カソード排出配管２２、エアコンプレッサ２３、遮断弁２４、背圧弁２５などで構成されている。

前記カソード供給配管２１は、燃料電池ＦＣのカソード４に供給される空気が流通する流路を構成し、その一端が燃料電池ＦＣの流路ａ２の入口に接続され、他端が遮断弁２４を介してエアコンプレッサ２３に接続されている。

前記カソード排出配管２２は、燃料電池ＦＣのカソード４から排出される空気を含むガス（カソードオフガス）が流通する流路を構成し、その一端が燃料電池ＦＣの流路ａ２の出口に接続され、他端が背圧弁２５を介して外部（車外）に連通している。

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、外気を取り込んで圧縮した空気を燃料電池ＦＣに供給する機能を有している。

前記遮断弁２４は、燃料電池ＦＣへの空気の供給を遮断する機能を有し、制御装置５０によって開閉制御されるようになっている。

前記背圧弁２５は、燃料電池ＦＣのカソード４内の圧力を調整する機能を有し、バタフライ弁などによって構成されている。

なお、前記したカソード供給配管２１の流路、カソード排出配管２２の流路および燃料電池ＦＣのセパレータ６の流路ａ２によって本発明の酸化剤ガス流通路が構成されている。

前記暖機系３０は、燃料電池ＦＣの内部に熱交換媒体を循環させて暖機するものであり、燃焼器３１、水素導入配管３２、空気導入配管３３、排出配管３４、熱交換媒体循環配管３５，３６、循環ポンプ３７などで構成されている。

前記燃焼器３１は、燃焼部３１ａと熱交換部３１ｂとを備えている。燃焼部３１ａは、容器内部に水素を燃焼させる触媒が設けられた構造体を備えて構成されている。熱交換部３１ｂは、容器内部に、燃焼部３１ａで生成された燃焼排ガスが流通する流路と、熱交換媒体が流通する流路とを備えて構成されている。

前記水素導入配管３２は、水素を燃焼器３１に導入する流路であり、一端がアノード供給配管１１の遮断弁１５の上流側に接続され、他端が水素インジェクタ３８を介して空気導入配管３３に接続されている。

前記空気導入配管３３は、空気を燃焼器３１に導入する流路であり、一端がカソード供給配管２１の遮断弁２４の上流側に接続され、他端が燃焼器３１の上流側に接続されている。

前記排出配管３４は、燃焼排ガスを燃焼器３１から排出する流路であり、一端が燃焼器３１の下流側に接続され、他端がカソード排出配管２２の背圧弁２５の下流側に接続されている。

前記熱交換媒体循環配管３５，３６は、燃料電池ＦＣと燃焼器３１の熱交換部３１ｂとの間で熱交換媒体を循環させる流路である。熱交換媒体循環配管３５は、一端が燃料電池ＦＣに設けられた流路ａ３の入口に接続され、他端が熱交換部３１ｂの流路の出口に接続されている。もう一方の熱交換媒体循環配管３６は、一端が流路ａ３の出口に接続され、他端が熱交換部３１ｂの流路の入口に接続されている。

前記循環ポンプ３７は、燃料電池ＦＣと燃焼器３１との間で熱交換媒体を循環させるものである。

なお、前記した暖機系３０は、図示しないラジエータを備えて、燃料電池ＦＣを冷却する機能を有しており、暖機完了後の通常発電時において、必要に応じて熱交換媒体をラジエータと燃料電池ＦＣとの間で循環させることにより、燃料電池ＦＣを冷却できるように構成されている。

前記高電圧系４０は、電圧制御器４１、蓄電装置４２などで構成されている。

前記電圧制御器４１は、燃料電池ＦＣから、蓄電装置４２や補機に必要な電圧を取り出す機能を有し、ＤＣ／ＤＣコンバータやインバータなどで構成されている。また、電圧制御器４１は、走行モータ（図示せず）や、エアコンプレッサ２３、循環ポンプ３７、各種弁１５，１７，２４，２５などの各種の補機と接続されて、各補機に必要な電圧が設定されるようになっている。なお、走行モータは、例えば永久磁石式の３相交流同期モータであり、燃料電池ＦＣ、または燃料電池ＦＣおよび蓄電装置４２から供給される電力により駆動輪（図示せず）を回転駆動させるようになっている。

前記蓄電装置４２は、燃料電池ＦＣで発電された電気を貯めておくことができるものであり、バッテリまたはキャパシタなどで構成されている。例えば、バッテリとしては、鉛蓄電池、リチウムイオン二次電池、リチウムポリマー二次電池、ニッケル水素蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池などであり、キャパシタとしては、電気二重層キャパシタや電解コンデンサなどである。

前記制御装置５０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェースなどで構成され、本発明のガス置換手段、燃料電池起動手段および電流取出手段を備えている。また、制御装置５０は、遮断弁１５，２４、パージ弁１７、エアコンプレッサ２３、背圧弁２５、循環ポンプ３７、電圧計４５と電気的に接続され、遮断弁１５，２４やパージ弁１７の開閉動作、背圧弁２５の開度、水素インジェクタ３８の開閉動作をそれぞれ制御し、また電圧計４５から電圧値を取得するようになっている。

次に、第１実施形態の燃料電池システム１Ａの動作について図２および図３を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、燃料電池システム１Ａの運転開始前は、遮断弁１５，２４、パージ弁１７、水素インジェクタ３８がそれぞれ閉じ、エアコンプレッサ２３および循環ポンプ３７が停止している。

まず、燃料電池自動車のイグニッションスイッチ（図示せず）がオフからオンに切替えられると、ステップＳ１において、制御装置５０は、燃料電池ＦＣの暖機が必要であるか否かを判断する。なお、暖機が必要か否かの判断は、例えば、燃料電池ＦＣのシステム温度、外気温度などに基づいて判断することができる。例えば、システム温度であれば、０℃以下を検知したときに暖機が必要であると判断する。なお、システム温度は、熱交換媒体の温度により検知することができる。

ステップＳ１において、制御装置５０は、燃料電池ＦＣの暖機が必要であると判断すると（Ｙｅｓ）、ステップＳ５に進み、水素タンク１４に設けられた図示しない遮断弁を開き、水素インジェクタ３８の噴射口を開いて空気導入配管３３に水素を噴射し、また、エアコンプレッサ２３のモータを回転させて空気導入配管３３に空気を供給することで、燃焼器３１に水素および空気を供給する。なお、図示していないが、燃焼器３１に水素と空気とが供給される前に、混合器によって水素と空気とが混合された後に燃焼器３１に供給されるようになっている。

そして、ステップＳ６に進み、燃焼器３１の燃焼部３１ａでは、水素と空気とが触媒燃焼することによって高温の燃焼排ガスが生成され、この燃焼排ガスが熱交換部３１ｂに送られる。また同時に、循環ポンプ３７が駆動されて、熱交換媒体が燃料電池ＦＣと燃焼器３１との間を循環する。熱交換部３１ｂでは、高温の燃焼排ガスによって熱交換媒体が熱交換によって加熱され、加熱された熱交換媒体が熱交換媒体循環配管３５を介して燃料電池ＦＣに送られる。燃料電池ＦＣで熱を奪われた熱交換媒体は、熱交換媒体循環配管３６を介して熱交換部３１ｂに戻り、再び燃焼排ガスによって加熱される。このような処理を繰り返すことによって、燃料電池ＦＣの暖機が行われる。

そして、ステップＳ７に進み、制御装置５０は、遮断弁１５，２４を開いて、燃料電池ＦＣに水素と空気を供給する。なお、水素と空気の供給を開始するタイミングは、燃料電池ＦＣの起動（ＩＧ−ＯＮ）時のシステム温度などに基づいて判断するようにしてもよい。つまり、システム温度が低い場合には、暖機時間が長くかかるので、燃料電池ＦＣへの水素と空気の供給開始を遅らせ、システム温度が比較的高い場合には、暖機時間が短くなるので、水素と空気の供給開始を早めることができる。

そして、ステップＳ８（ガス置換手段に相当）に進み、制御装置５０は、ＯＣＶチェックを開始する。なお、このＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｖｏｌｔａｇｅ；開回路電圧）チェックとは、燃料電池ＦＣが発電を行う前に、発電可能な状態かどうかを判断するために必要な手順で、例えば開回路電圧（開放端電圧ともいう）を用いて判断する。このＯＣＶは、電圧計４５から得られる電圧値Ｖによって判断される。また、ステップＳ８において、燃料ガス流通路を水素で置換する場合には、パージ弁１７を開くことにより行われる。これは、ソーク中（システム停止中）にアノード系１０内の水素濃度が低下することがあり、水素濃度が低いと燃料電池ＦＣの安定発電が行えなくなるからである。

そして、ステップＳ９に進み、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判断する。なお、ＯＣＶチェック完了の条件としては、例えば電圧値Ｖが所定電圧を超えたことにより判断することができる。また、ＯＣＶチェック完了の条件は、タイマーによって所定時間が経過したことにより判断してもよい。

ステップＳ９において、ＯＣＶチェックがまだ完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、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する。なお、暖機完了の条件としては、例えばシステム温度が所定温度を超えたことにより判断することができる。

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Ｓ９に戻り、暖機が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に進み、水素インジェクタ３８を閉じて燃焼器３１への水素の供給を停止する。なお、図１に示す実施形態では、燃焼器３１への空気は完全に停止できないが、燃焼器３１への水素の供給が停止することにより燃焼排ガスが生成されることはない。

なお、カソード供給配管２１と空気導入配管３３との分岐部に三方弁を設けて、暖機完了（ステップＳ１０、Ｙｅｓ）後に、燃焼器３１への空気の供給を完全に停止できるようにしてもよい。

そして、ステップＳ１３に進み、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判断する。ステップＳ１３において、ＯＣＶチェックが完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４に進み、燃料電池ＦＣの発電を開始する。すなわち、制御装置５０は、電圧制御器４１に対して燃料電池ＦＣから電流を取り出す指令を発して、電圧制御器４１は、走行モータ、蓄電装置４２、各種補機に電流を供給する。

本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、暖機運転と同時にＯＣＶチェック（ガス置換）を実行しているので、暖機完了（Ｓ１０、Ｙｅｓ）と同時にＯＣＶチェックが完了（Ｓ１３、Ｙｅｓ）して、図３（ａ）に示す暖機運転後にＯＣＶチェックをする場合（従来例）に比べて起動時間を短縮することができ、暖機後直ちに燃料電池ＦＣの発電を開始することができる。

また、ステップＳ９において、ＯＣＶチェックが完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１（電流取出手段に相当）に進み、燃料電池ＦＣから微弱な電流を取り出す処理を実行する。つまり、図３（ｃ）に示すように、燃料電池ＦＣの暖機が完了する前にＯＣＶチェックが完了すると、暖機が完了するまでに燃料電池ＦＣに対して負荷を引いていない状態で燃料電池ＦＣに水素と空気が供給され続けることになる。その結果、燃料電池ＦＣ内において水素と空気中の酸素とが反応して、燃料電池ＦＣが所定時間（ｔ）高電位状態に曝されることになり、燃料電池ＦＣの性能が低下することになる。

そこで、本実施形態では、ステップＳ１１に示すように、暖機完了前にＯＣＶチェックが完了した場合には、燃料電池ＦＣから微弱の電流を引く処理を行うことにより、燃料電池ＦＣが高電位状態に曝されるのを防止して燃料電池ＦＣの性能低下を防止できるようになる。

なお、ステップＳ１０において燃料電池ＦＣの暖機は完了したが（Ｓ１０、Ｙｅｓ）、もし万が一ＯＣＶチェックが完了していない場合には（Ｓ１３、Ｎｏ）、ＯＣＶチェックが完了するまでステップＳ１３の処理を繰り返す。そして、ＯＣＶチェックが完了したら（Ｓ１３、Ｙｅｓ）、燃料電池の発電を開始する（ステップＳ１４）。

また、ステップＳ１において、燃料電池ＦＣの暖機が必要でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２に進み、遮断弁１５，２４をそれぞれ開いて、燃料電池ＦＣへ水素と空気の供給を開始する。そして、ステップＳ３に進み、パージ弁１７を開いた状態で、ＯＣＶチェックを開始する。これにより、燃料ガス流通路内の空気が徐々に水素に置換されて、電圧計４５から得られる電圧が上昇していく。そして、ステップＳ４に進み、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判断し、前記電圧が所定電圧でないと判断したときには（Ｎｏ）、ステップＳ４の処理を繰り返し、前記電圧が所定電圧であると判断したときに（Ｙｅｓ）、燃料電池ＦＣの発電を開始する（ステップＳ１４）。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。この燃料電池システム１Ｂは、燃料電池ＦＣと燃焼器３１とを直列に配置した構成であり、直列に配置した点以外で第１実施形態と異なる点は、遮断弁２４が設けられていない点である。その他の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態の燃料電池システム１Ｂの動作についても、図２に示すフローとほぼ同様であるので、フローの図示を省略する。異なる点は、燃料電池ＦＣと燃焼器３１とが直列に接続され、燃焼器３１に空気が供給される際に燃料電池ＦＣを通って空気が供給されるため、ステップＳ７では、燃料電池ＦＣには、水素のみの供給が開始されることになる。

第２実施形態の場合にも、第１実施形態と同様に、起動時間を短くすることができるため、暖機完了後直ちに燃料電池ＦＣの発電を開始することができる。

なお、本発明は前記した各実施形態に限定されるものではなく、外部加熱手段として、燃焼器３１に替えて、例えば電気ヒータを用いて燃料電池ＦＣを暖機するようにしてもよい。

また、第１実施形態において、遮断弁１５，２４を設けずに、暖機必要時に燃焼器３１への水素および空気の供給開始と同時に、燃料電池ＦＣへの水素および空気の供給を開始するようにしてもよい。

ところで、第１実施形態および第２実施形態の燃料電池システム１Ａ，１Ｂにおいて、ＯＣＶチェックを実施する際には、燃料電池ＦＣのアノード系１０内を水素置換するため、パージ弁１７を開く（以下、ＯＣＶパージと略記する）必要がある。このＯＣＶパージを実施するとパージ弁１７を通って水素が系外（例えば、車外）に排出されることになる。このＯＣＶパージと同時に、燃料電池ＦＣの暖機を実施するために燃焼器３１に水素を供給すると、燃焼器３１から未燃焼の水素が吹き抜けてしまった場合、燃焼器３１から排出される水素とＯＣＶパージによって排出される水素とによって一時的に排出水素濃度が上昇するという問題がある。そこで、このような問題を解決すべく、以下に示す制御を実施するに至った。図５は起動時の別の制御を示すフローチャート、図６は燃料電池の起動から発電までのタイミングチャートであり、（ａ）は従来における制御、（ｄ）〜（ｆ）は本実施形態における制御である。なお、以下の説明では、主として、第１実施形態の燃料電池システム１Ａを例に挙げて説明する。

まず、燃料電池自動車のイグニッションスイッチ（図示せず）がオフ（遮断弁１５，２４が閉、および循環ポンプ３７が停止）からオンに切替えられると（ＩＧ−ＯＮ）、ステップＳ１０１において、制御装置５０は、燃料電池ＦＣの暖機が必要であるか否かを判断する。なお、暖機が必要か否かの判断は、第１実施形態と同様な条件で判断される。燃料電池ＦＣの暖機が必要でない場合には（Ｓ１０１、Ｎｏ）、ステップＳ１０２、ステップＳ１０３、ステップＳ１０４、ステップＳ１２１を実行する。なお、ステップＳ１０２は、図２のステップＳ２に相当する処理、ステップＳ１０３は、図２のステップＳ３に相当する処理、ステップＳ１０４は、図２のステップＳ４に相当する処理、ステップＳ１２１は、図２のステップＳ１４に相当する処理である。

一方、ステップＳ１０１において、燃料電池ＦＣの暖機が必要であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進み、制御装置５０は、燃焼器３１が運転中であるか、つまり燃焼器３１に水素が供給中であるか否かを判断する。燃焼器３１が運転中の場合には、制御装置５０は、水素インジェクタ３８の噴射口を開いて空気導入配管３３に水素を噴射するとともに、エアコンプレッサ２３のモータを回転させて空気導入配管３３に空気を供給して、燃焼器３１に水素と空気の混合ガスを供給する。これにより、燃焼器３１内において触媒燃焼が行われ、触媒燃焼によって発生した熱で燃料電池ＦＣと燃焼器３１との間を循環する熱交換媒体が加熱され、加熱された熱交換媒体の熱によって燃料電池ＦＣが暖められる。

そして、制御装置５０は、ステップＳ１０５において、燃焼器３１が運転中であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進み、燃焼器３１による燃焼が完了したか否かを判断する。ちなみに、燃焼とは、燃料電池ＦＣの暖機運転の一部の処理であり、燃焼器３１に水素と空気が供給されて触媒燃焼が行われている状態であり、燃焼完了とは、燃料電池ＦＣが充分に暖められて燃焼器３１をそれ以上触媒燃焼させる必要がない状態である。なお、燃焼完了は、燃料電池ＦＣの温度によって判断することができる。具体的には、燃料電池ＦＣの熱交換媒体の流路出口に温度センサ（図示せず）を設けておき、この温度センサから得られる温度によって判断できる。

制御装置５０は、ステップＳ１０６において、燃焼が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０６の処理を繰り返し、燃焼が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０７に進み、燃焼器３１への水素の供給を停止する。すなわち、水素インジェクタ３８の噴射口を閉じて、燃焼器３１への水素の供給を停止する。なお、空気については、例えば燃焼器３１を冷却するために供給し続けていてもよい。

そして、ステップＳ１０８に進み、制御装置５０は、燃料電池ＦＣへの水素と空気の供給を開始する。すなわち、制御装置５０は、遮断弁１５を開いて燃料電池ＦＣのアノード３に水素を供給するとともに、遮断弁２４を開いて燃料電池ＦＣのカソード４に空気を供給する。

燃料電池ＦＣへの水素および空気の供給が開始されると、ステップＳ１０９に進み、制御装置５０は、ＯＣＶチェック（ガス置換）を開始する。ＯＣＶチェックでは、燃料ガス流通路を水素で置換する必要があるので、制御装置５０によってパージ弁１７が開閉制御される。これにより、燃料電池ＦＣでは、水素と空気中の酸素とが反応して、燃料ガス流通路が徐々に水素に置換されるにしたがって（水素濃度が高まるにつれて）、電圧計４５から得られる電圧値（ＯＣＶ；開回路電圧）が徐々に上昇していく。

そして、ステップＳ１１０に進み、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判断する。ＯＣＶチェックの完了判断は、電圧計４５からの検出値（開回路電圧）が所定値を超えたか否かで判断することができる。ステップＳ１１０において、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１０の処理を繰り返し、またＯＣＶチェックが完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、燃料電池ＦＣの発電を開始する（ステップＳ１２１）。すなわち、制御装置５０は、電圧制御器４１に対して燃料電池ＦＣから電流を取り出す指令を発して、電圧制御器４１は、走行モータ、蓄電装置４２、各種補機に電流を供給する。

このようにステップＳ１０１，Ｓ１０５，Ｓ１０６，Ｓ１０７，Ｓ１０８，Ｓ１０９，Ｓ１１０，Ｓ１２１に示す一連の制御は、図６（ｄ）に示すように、暖機運転の後半において同時にＯＣＶチェックを実施する処理であり、燃焼器３１への水素の供給停止（ステップＳ１０７）後、つまり燃焼器３１へ水素が供給されていないときにＯＣＶチェック（ガス置換）が行われるので、ＯＣＶパージによって排出される水素と、燃焼時に燃焼器３１から排出される未燃焼の水素とが同時に排出されることがないので、高濃度の水素が系外に排出されるのを防止できる。

また、図５に示すステップＳ１０５において、制御装置５０は、燃焼器３１が運転中ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、つまり燃焼器３１に水素が供給されていないと判断したときには、ステップＳ１１１に進み、燃料電池ＦＣへの水素と空気の供給を開始する。ステップＳ１１１は、前記したステップＳ１０８の処理と同様にして処理される。そして、ステップＳ１１２に進み、ＯＣＶチェックを開始する。このステップＳ１１２は、ステップＳ１０９と同様である。

そして、ステップＳ１１３に進み、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判断する。ＯＣＶチェックの完了判断は、ステップＳ１１０と同様である。ステップＳ１１３において、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１６に進み、燃焼器３１への水素と空気の供給を開始する。すなわち、水素インジェクタ３８の噴射口を開いて空気導入配管３３に水素を噴射するとともに、空気導入配管３３に空気を供給して、燃焼器３１に水素と空気の混合ガスを供給する。なお、このとき、遮断弁１５を開いたままにしておき燃料電池ＦＣのアノード３への水素の供給を継続し、遮断弁２４を開いたままにしておき燃料電池ＦＣのカソード４への空気の供給を継続する。これにより、燃焼器３１内において触媒燃焼が行われ、加熱された熱交換媒体の熱によって燃料電池ＦＣが暖められる。

そして、ステップＳ１１７に進み、燃焼器３１による燃焼が完了したか否かを判断する。このステップＳ１１７は、前記したステップＳ１０６と同様であり、制御装置５０は、ステップＳ１１７において、燃焼が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１７の処理を繰り返し、燃焼が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１８に進み、燃焼器３１への水素の供給を停止する。これにより、燃焼器３１での触媒燃焼が停止する。

そして、ステップＳ１１９に進み、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判断する。なお、ステップＳ１１１，Ｓ１１２，Ｓ１１３，Ｓ１１６，Ｓ１１７，Ｓ１１８の一連の処理では、ステップＳ１１３において、ＯＣＶチェックが完了しているので、ステップＳ１１９においては、すでにＯＣＶチェックが完了している（Ｙｅｓ）と判断して、ステップＳ１２１に進み、燃料電池ＦＣの発電を開始する。

このようにステップＳ１０１，Ｓ１０５，Ｓ１１１，Ｓ１１２，Ｓ１１３，Ｓ１１６，Ｓ１１７，Ｓ１１８，Ｓ１１９，Ｓ１２１に示す一連の制御は、図６（ｅ）に示すように、暖機運転の前半において同時にＯＣＶチェックを実施する処理であり、燃焼器３１の運転中ではなく（ステップＳ１０５、Ｎｏ）かつ燃焼器３１への水素と空気の供給開始（ステップＳ１１６）前、つまり燃焼器３１へ水素が供給されていないときにＯＣＶチェック（ガス置換）が行われるので、ＯＣＶパージによって排出される水素と、暖機時に燃焼器３１から排出される未燃焼の水素と、が同時に排出されることがないので、高濃度の水素が系外に排出されるのを防止できる。

また、図６（ｅ）に示すパターンの制御では、燃焼器３１に水素を供給する前にＯＣＶチェックすることにより、その後の燃焼器３１の運転中、燃料電池ＦＣ内は水素や空気（反応ガス）で満たされた状態となるので、燃料電池ＦＣの電極に用いられている触媒が反応ガスに曝され続け、その後の燃料電池ＦＣの発電において、初期の触媒の活性を向上させることができる。

また、図５に示すステップＳ１１３において、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１４に進み、イグニッションスイッチ（図示せず）をオン（ＩＧ−ＯＮ）にしてから所定時間が経過したか否かを判断する。制御装置５０は、ステップＳ１１４において所定時間が経過していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１３に戻る。また、ステップＳ１１４において、制御装置５０は、ＩＧ−ＯＮから所定時間が経過していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１５に進み、ＯＣＶチェックを中断する。

そして、ステップＳ１１６に進み、制御装置５０は、ステップＳ１１６，Ｓ１１７，Ｓ１１８の処理を実行し、ステップＳ１１９において、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判断する。なお、ステップＳ１１１，Ｓ１１２，Ｓ１１３，Ｓ１１４，Ｓ１１５，Ｓ１１６，Ｓ１１７，Ｓ１１８の一連の処理では、ステップＳ１１５において、ＯＣＶチェックを中断しているので、ステップＳ１１９においては、ＯＣＶチェックが完了していない（Ｎｏ）と判断して、ステップＳ１２０に進み、ＯＣＶチェックを再開する。なお、ステップＳ１１９に戻り、ＯＣＶチェックが完了していない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２０において、ＯＣＶチェックを継続する。

そして、ステップＳ１１９において、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２１に進み、燃料電池ＦＣの発電を開始する。

このようにステップＳ１０１，Ｓ１０５，Ｓ１１１，Ｓ１１２，Ｓ１１３，Ｓ１１４，Ｓ１１５，Ｓ１１６，Ｓ１１７，Ｓ１１８，Ｓ１１９，Ｓ１２０，Ｓ１２１に示す一連の制御は、図６（ｆ）に示すように、暖機運転の前半と後半において同時にＯＣＶチェックを実施する処理であり、燃焼器３１への水素と空気の供給開始（ステップＳ１１６）前と燃焼器３１への水素の供給停止（ステップＳ１１８）後、つまり、いずれも燃焼器３１に水素が供給されていないときにＯＣＶチェック（ガス置換）が行われるので、ＯＣＶパージによって排出される水素と、暖機時に燃焼器３１から排出される未燃焼の水素と、が同時に排出されることがないので、高濃度の水素が系外に排出されるのを防止できる。

また、図６（ｆ）に示すパターンの制御では、燃焼器３１での触媒燃焼が開始されるまでにＯＣＶチェックによるガス置換が終わらず、その続きを触媒燃焼後に行うとしても、先（前半）のＯＣＶチェック時にある程度燃料電池ＦＣの内部に水素が留められているので、燃料電池ＦＣの電極に用いられている触媒を活性化させることが可能になる。また、前半のＯＣＶチェックにより燃料電池ＦＣの触媒がある程度活性化しているので、後半にＯＣＶチェックを行うとしても、ＯＣＶチェックの時間を短くすることができ、エネルギ消費（パージ弁１７の開閉によるものなど）を抑えることが可能になる。

（第３実施形態）
図７は第３実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図８は起動時の制御を示すフローチャートである。なお、第３実施形態の燃料電池システム１Ｃは、第１実施形態の燃料電池システム１Ａに、希釈器６０、排ガス排出配管（排ガス排出流通路）６１、水素濃度センサ６２を追加した以外は、燃料電池システム１Ａと同じであり、同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。

前記希釈器６０は、例えば、内部に中空部を備えた容器であり、アノード排出配管１２およびカソード排出配管２２と接続され、アノード排出配管１２から排出された水素をカソード排出配管２２から排出されるカソードオフガス（空気や水など）で希釈する機能を有している。

前記排ガス排出配管６１は、希釈器６０の下流に接続され、系外（例えば、車外）と連通するように構成されている。

前記水素濃度センサ６２は、希釈器６０から排出されるガスに含まれる水素濃度を検出するガス濃度測定装置であり、希釈器６０の下流側に接続された排ガス排出配管６１に設けられている。また、水素濃度センサ６２は、制御装置５０と接続され、制御装置５０は、水素濃度センサ６２の検出値（水素濃度）に基づいて、ＯＣＶチェックの実施可否を判断するようになっている。

前記燃料電池システム１Ｃにおける起動時の制御について図８を参照しながら説明する。なお、燃料電池ＦＣの暖機が必要か否かのステップＳ１（図２参照）については、図示を省略する。

燃料電池ＦＣの暖機が必要とされた場合には、図８に示すように、ステップＳ５００において、制御装置５０は、水素インジェクタ３８の噴射口を開いて、燃焼器３１への水素供給を開始するとともに、エアコンプレッサ２３を駆動して、燃焼器３１への空気供給を開始し、燃焼器３１を運転する（ステップＳ５１０）。そして、ステップＳ５２０に進み、水素濃度センサ６２から得られる検出値（水素濃度）が予め決められた所定値以下であるか否かを判断する。

ステップＳ５２０において、制御装置５０は、水素濃度（ガス濃度）が所定値以下でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５１０に戻る。また、ステップＳ５２０において、制御装置５０は、水素濃度が所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５３０に進み、遮断弁１５を開いて燃料電池ＦＣのアノード３に水素を供給するとともに、遮断弁２４を開いて燃料電池ＦＣのカソード４に空気を供給する。そして、ステップＳ５４０に進み、ＯＣＶチェックを開始する。

ステップＳ５５０に進み、制御装置５０は、再度、水素濃度が所定値以下であるか否かを判断する。ここで、水素濃度を再度チェックするのは、ＯＣＶチェック開始によってパージ弁１７を介して水素が排出されるからである。ステップＳ５５０において、制御装置５０は、水素濃度が所定値以下でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５６０に進み、遮断弁１５，２４を閉じて、燃料電池ＦＣへの水素および空気の供給を停止する。また、ステップＳ５５０において、制御装置５０は、水素濃度が所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５７０に進み、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判断する。

ステップＳ５７０において、制御装置５０は、ＯＣＶチェックが完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５５０に戻り、ＯＣＶチェックが完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５８０に進み、燃料電池ＦＣの暖機が完了したか否かを判断する。燃料電池ＦＣの暖機が完了していない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ５８０の処理を繰り返し、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Ｓ５９０に進み、燃焼器３１への水素および空気の供給を停止する。

そして、ステップＳ６００に進み、制御装置５０は、電圧制御器４１に対して燃料電池ＦＣから電流を取り出す指令を発して、電圧制御器４１は、走行モータ、蓄電装置４２、各種補機に電流を供給するようにして燃料電池ＦＣの発電を開始する。

このように、第３実施形態の燃料電池システム１Ｃでは、水素濃度センサ６２により検出される水素濃度が高い場合には、ＯＣＶチェックのためのガス置換に伴う水素排出が行われないため、系外に排出される水素濃度（ガス濃度）を所定値以下に保つことができる。また、水素濃度が所定値以下の場合には、図１０に示したように、燃焼器３１の運転と並行してＯＣＶチェックを実施できるため、燃料電池ＦＣの発電開始時間を短縮することができる。

なお、第３実施形態において、燃料電池ＦＣの暖機が完了する前に、ＯＣＶチェックが完了した場合には、第１実施形態と同様に、燃料電池から電流を引く（ステップＳ１１）ようにしてもよい。

また、前記した各実施形態では、カソード系２０のカソード供給配管２１に遮断弁２４を設ける構成を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、カソード供給配管２１と空気導入配管３３との接続部分に三方弁を設け、または空気導入配管３３に遮断弁を設けて、燃焼器３１への空気の供給を完全に遮断できるようにしてもよい。

また、本実施形態では、燃料ガス流通路について、空気を水素に置換する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス流通路のみに掃気ガスとしての窒素が残留している場合には、窒素が空気に置換されることでＯＣＶチェックが実行され、または燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路の双方に掃気ガスとして窒素が残留している場合には、燃料ガス流通路内の窒素が水素に置換されるとともに酸化剤ガス流通路内の窒素が空気に置換されることでＯＣＶチェックが実行される。

第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 第１実施形態の燃料電池システムにおける起動時の制御を示すフローチャートである。 燃料電池の起動から発電までのタイミングチャートであり、（ａ）は従来での制御、（ｂ）および（ｃ）は本実施形態での制御である。 第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 起動時の別の制御を示すフローチャートである。 燃料電池の起動から発電までのタイミングチャートであり、（ａ）は従来での制御、（ｄ）〜（ｆ）は本実施形態での制御である。 第３実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 第３実施形態での起動時の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
１１ アノード供給配管
１２ アノード排出配管
１３ 循環配管
１４ 水素タンク（燃料ガス供給手段）
２１ カソード供給配管
２２ カソード排出配管
２３ エアコンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３１ 燃焼器
５０ 制御装置
６１ 排ガス排出配管（排ガス排出流通路）
６２ 水素濃度センサ（ガス濃度測定装置）
ａ１，ａ２ 流路
ＦＣ 燃料電池

Claims (6)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給手段と、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池を、この燃料電池とは異なる外部の熱源により加熱する外部加熱手段と、
   前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスが流通する燃料ガス流通路および前記酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路の少なくとも一方において、前記燃料ガス流通路内を前記燃料ガスで置換し、前記酸化剤ガス流通路内を前記酸化剤ガスで置換するガス置換手段と、
   前記燃料電池の起動時に、前記外部加熱手段の運転と同時に前記ガス置換手段によりガス置換を実行後、前記燃料電池の発電を開始する燃料電池起動手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記外部加熱手段は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを触媒燃焼させる燃焼器であり、
   前記燃料ガス供給手段は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料ガスを前記燃料電池および前記燃焼器に供給し、
   前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池の起動時に、前記酸化剤ガスを前記燃料電池および前記燃焼器に供給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. 前記燃料電池は、前記外部加熱手段により暖機され、この暖機が完了した後に発電が開始され、
   前記外部加熱手段により前記暖機が完了する前に、前記ガス置換手段によるガス置換が完了したときに前記燃料電池から電流を引き出す電流取出手段を備え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. 前記燃焼器に燃料ガスが供給されていないときにガス置換を行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃焼器および前記燃料電池から排出される排ガスを排出する排ガス排出流通路と、
   前記排ガス排出流通路内に備えられ、排ガスに含まれる燃料ガスのガス濃度を測定するガス濃度測定装置と、を有し、
   前記ガス濃度が所定値以下のときにガス置換を行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 燃料ガス供給手段から燃料ガスが、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を外部の熱源により加熱する外部加熱手段と、を備える燃料電池システムの起動方法であって、
   前記燃料電池の起動時に、燃料ガス流通路内を前記燃料ガスでガス置換し、酸化剤ガス流通路内を前記酸化剤ガスでガス置換し、または前記燃料ガス流通路内を前記燃料ガスでおよび前記酸化剤ガス流通路内を前記酸化剤ガスでガス置換するステップと、
   前記燃料電池の起動時に、前記外部加熱手段の運転と同時に前記ガス置換を実行後、前記燃料電池の発電を開始するステップと、を備えることを特徴とする燃料電池システムの起動方法。

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