JP2008293755A - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒燃焼器から水素が排出されたとしても、水素濃度の高いガスが外部に排出されることを防止可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】水素及び空気が供給されることで発電する燃料電池スタック１０と、空気を供給するコンプレッサ３１と、燃料電池スタック１０に冷媒を循環させる冷媒循環系と、水素及び空気を触媒燃焼し、循環する冷媒を加熱する触媒燃焼器７０と、触媒燃焼器７０から排出された排気ガスが流れる配管７０ｃと、コンプレッサ３１から送られるガスが排気ガス中の未燃焼の水素を希釈する希釈用ガスとして流れる配管３３ａと、を備え、システム起動時に、燃料電池スタック１０を暖機すると判定された場合、触媒燃焼器７０が冷媒を介して燃料電池スタック１０を暖機する燃料電池システム１であって、コンプレッサは、触媒燃焼器７０が準備モードでの運転中、配管３３ａに希釈用ガスを供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。

このような燃料電池を良好に発電させるには、アノード及びカソードにおける電極反応が良好に進むように、アノード等に含まれる触媒等に依存する好適発電温度（ＰＥＦＣの場合、７０〜８０℃）に暖機することが好ましい。そこで、触媒燃焼器によって、水素及び空気（酸素）を触媒燃焼させて燃焼熱を発生し、この燃焼熱を利用して燃料電池を暖機する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２４３００９号公報

しかしながら、燃料電池が低温であり、その暖機が必要である場合、触媒燃焼器も低温である。よって、この場合、触媒燃焼器に内蔵される触媒温度も低温であるため、触媒燃焼器に供給される水素及び空気の全てが触媒燃焼反応によって消費されず、未燃焼の水素が外部に排出され、触媒燃焼器の排気ガス中の水素濃度が高くなる虞がある。

また、水素及び空気の触媒燃焼によって水蒸気が生成するため、システム起動時に、前回の触媒燃焼時に生成した水蒸気が触媒燃焼器内に残留し、この残留水分（結露水等）が触媒表面に付着していると、触媒と水素及び空気との接触面積が狭くなる。そうすると、触媒燃焼が良好に進まず、未燃焼の水素が触媒燃焼器から排出されてしまう虞がある。

そこで、本発明は、触媒燃焼器から未燃焼の水素等の燃料ガスが排出されたとしても、燃料ガス濃度の高いガスが外部に排出されることを防止可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱すると共に、複数のモードで運転する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器から排出された排気ガスが流れる排気ガス管と、前記酸化剤ガス供給手段から送られるガスが前記排気ガス中の未燃焼の燃料ガスを希釈する希釈用ガスとして流れる希釈用ガス管と、を備え、システム起動時に、前記燃料電池を暖機する場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、前記触媒燃焼器が、外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度（後記する実施形態では上限水素濃度Ｃ２）以上になる虞のあるモード（後記する実施形態では準備モード）で運転中、前記酸化剤ガス供給手段は、前記希釈用ガス管にガスを供給することを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器が、外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度以上になる虞のあるモードで運転中、酸化剤ガス供給手段が希釈用ガス管にガスを供給する。これにより、触媒燃焼器から未燃焼の燃料ガスが排出されたとしても、酸化剤ガス供給手段からのガスによって希釈される。したがって、燃料ガス濃度の高いガスが外部に排出されることを防止できる。

また、前記希釈用ガス管の上流端は、前記燃料電池における酸化剤ガス流路の出口に接続されており、前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は、前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されていることを特徴とする燃料電池システムである。

ここで、燃料電池及び触媒燃焼器は、酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されているとは、１つの酸化剤ガス供給手段から吐出される酸化剤ガスが、分岐して燃料電池と触媒燃焼器とに供給されるように、燃料電池及び触媒燃焼器が配置されていることを意味する。

このような燃料電池システムによれば、酸化剤ガス供給手段で圧縮により高温となった酸化剤ガスが、燃料電池の酸化剤ガス流路を経由して、希釈用ガス管に供給される。したがって、酸化剤ガス供給手段が燃料ガスを希釈するため希釈用ガス管にガスを供給すると、高温の酸化剤ガスが酸化剤ガス流路を経由することになり、この高温の酸化剤ガスによって燃料電池を暖機することができ、暖気時間を短縮することができる。また、燃焼電池が凍結していた場合、このような高温の酸化剤ガスが供給されることで、解氷することもできる。

また、前記燃料電池のカソードの下流側に配置され、前記カソードに供給される酸化剤ガスの圧力及び流量を制御する背圧弁を備え、前記酸化剤ガス供給手段は、前記背圧弁の開度に対応して、酸化剤ガスの流量を補正することを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、背圧弁によって、燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスの圧力及び流量を制御することができる。また、酸化剤ガス供給手段が、背圧弁の開度に対応して、吐出する酸化剤ガスの流量を補正するので、背圧弁の開度の制御前後において、触媒燃焼器に供給される酸化剤ガスの流量を一定にすることもできる。

また、前記触媒燃焼器の下流側に配置され、当該触媒燃焼器から排出された未燃焼の燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段、を備え、前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガスの濃度が所定濃度（後記する実施形態では基準水素濃度Ｃ１）以上である場合、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガスの濃度が、外部に排出されるガスを希釈するべき所定濃度以上である場合、酸化剤ガス供給手段が、燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を増加させる。これにより、燃料電池から排出され、希釈用ガス管を流れる酸化剤ガスの流量が増加するので、触媒燃焼器から排出された未燃焼の燃料ガスを確実に希釈し、燃料ガス濃度の高いガスが外部に排出されることを防止できる。
また、燃料電池を経由する高温の酸化剤ガスの流量が増加するので、燃料電池の暖機を進めることもできる。

また、前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガスの濃度が高いほど、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量の増加量を多くすることを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料ガス濃度が高いほど、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量、つまり、燃料電池から排出され排気ガスを希釈する希釈用ガスの流量が増加するので、外部に排出されるガス中の燃料ガスを適切に希釈することができる。

また、前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガスの濃度が所定濃度未満である場合、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給しないことを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料ガスの濃度が所定濃度未満である場合、酸化剤ガス供給手段が燃料電池に酸化剤ガスを供給しないので、酸化剤ガス供給手段の消費エネルギ（後記する実施形態ではコンプレッサ３１の消費電力）を抑えると共に、その作動音も低下させることができる。

また、前記触媒燃焼器が備える触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、前記触媒温度検出手段が検出する触媒の温度に基づいて、触媒が所定温度に到達したか否かを判定する触媒温度判定手段と、を備え、前記酸化剤ガス供給手段は、前記触媒温度判定手段によって触媒が所定温度に到達したと判定された場合、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、触媒温度判定手段によって、触媒が所定温度に到達し、触媒燃焼器から未燃焼の燃料ガスが排出されくい状態になったと判定された場合、酸化剤ガス供給手段が、燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する。これにより、酸化剤ガス供給手段の作動エネルギを抑えると共に、その作動音も低下させることができる。

また、外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度以上になる虞のあるモードでの前記触媒燃焼器の運転開始に連動して、前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を開始することを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器が、外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度以上になる虞のあるモードでの運転を開始することに連動して、酸化剤ガス供給手段が、燃料電池への酸化剤ガスの供給を開始する。
これにより、触媒燃焼器から未燃焼の燃料ガスが排中されたとしても、この未燃焼の燃料ガスは希釈用ガス管を流れている酸化剤ガス供給手段からのガスによって希釈される。したがって、燃料ガス濃度の高いガスが外部に排出されることは防止される。

また、前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱すると共に、複数のモードで運転する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器から排出された排気ガスが流れる排気ガス管と、前記酸化剤ガス供給手段から送られるガスが前記排気ガス中の未燃焼の燃料ガスを希釈する希釈用ガスとして流れる希釈用ガス管と、を備え、システム起動時に、前記燃料電池を暖機する場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムの運転方法であって、前記触媒燃焼器が、外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度（後記する実施形態では上限水素濃度Ｃ２）以上になる虞のあるモード（後記する実施形態では準備モード）で運転中、前記酸化剤ガス供給手段から前記希釈用ガス管にガスを供給することを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。

このような燃料電池システムの運転方法によれば、触媒燃焼器が、外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度以上になる虞のあるモードで運転中、酸化剤ガス供給手段から希釈用ガス管にガスを供給する。これにより、触媒燃焼器から未燃焼の燃料ガスが排出されたとしても、酸化剤ガス供給手段からのガスによって希釈される。したがって、燃料ガス濃度の高いガスが外部に排出されることを防止できる。

また、前記希釈用ガス管の上流端は、前記燃料電池における酸化剤ガス流路の出口に接続されており、前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は、前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されていることを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。

このような燃料電池システムの運転方法によれば、酸化剤ガス供給手段で圧縮により高温となった酸化剤ガスが、燃料電池の酸化剤ガス流路を経由して、希釈用ガス管に供給される。したがって、酸化剤ガス供給手段が燃料ガスを希釈するため希釈用ガス管にガスを供給すると、高温の酸化剤ガスが酸化剤ガス流路を経由することになり、この高温の酸化剤ガスによって燃料電池を暖機することができる。

本発明によれば、触媒燃焼器から水素が排出されたとしても、水素濃度の高いガスが外部に排出されることを防止可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。

≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図７を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費等する電力消費系と、燃料電池スタック１０を経由するように冷媒（熱交換流体）を循環させる冷媒循環系（熱交換流体循環手段）と、循環する冷媒を加熱する冷媒加熱系と、ＩＧ８１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ９０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、ＯＣＶが所定ＯＣＶ以上となった状態で、発電要求があり、後記するコンタクタ４３がＯＮされ、ＶＣＵ４２が制御され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。

また、第１実施形態では、燃料電池スタック１０と触媒燃焼器７０とは、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）に対して、並列で配置されている。そして、コンプレッサ３１からの空気が、後記する背圧弁３２及び空気導入弁６３が適宜に開閉されることにより、燃料電池スタック１０及び触媒燃焼器７０に適宜に振り分けられるようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、遮断弁２２と、エゼクタ２３と、パージ弁２４（排出弁）とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ、エゼクタ２３、配管２３ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ９０からの指令によって遮断弁２２が開かれると、水素が、水素タンク２１から、遮断弁２２等を経由して、アノード流路１１に供給されるようになっている。

アノード流路１１の出口は、配管２４ａ、パージ弁２４、配管２４ｂを介して、後記する希釈器３３に接続されている。また、配管２４ａの途中は、配管２４ｃを介してエゼクタ２３に接続されている。

パージ弁２４は、ＥＣＵ９０によって制御される開閉弁であり、燃料電池スタック１０の発電中は閉じられる設定となっている。これにより、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスは、配管２４ｃを介してエゼクタ２３に戻されるようになっている。そして、戻された水素は、再びアノード流路１１に供給され、水素が循環するようになっている。すなわち、燃料電池システム１は、水素を循環させる水素循環系を備えており、水素が効率的に利用されるようになっている。

一方、循環する水素に同伴する不純物（水蒸気、窒素等）が多くなり、燃料電池スタック１０及び／又は単セルの出力が下がった場合、不純物を排出するため、パージ弁２４は開かれ、アノードオフガスが希釈器３３に供給されるようになっている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、背圧弁３２と、希釈器３３（希釈装置）と、サイレンサ３４（消音器）と、水素センサ３５（燃料ガス濃度検出手段）とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されており、ＥＣＵ９０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１２に供給するようになっている。また、配管３１ａには加湿器（図示しない）が設けられており、カソード流路１２に供給される空気が適宜に加湿されるようになっている。

さらに、コンプレッサ３１は、後記するポンプ５３と、電動モータ等の動力源（図示しない）を共有している。つまり、この動力源の駆動軸周りにコンプレッサ３１及びポンプ５３の羽根車がそれぞれ固定されており、コンプレッサ３１及びポンプ５３は同期するように設計されている。そして、このように動力源を共有しているので、システム構成が簡易となっている。

カソード流路１２の出口は、配管３２ａ、背圧弁３２、配管３２ｂを介して、希釈器３３に接続されており、燃料電池スタック１０のカソードから排出されたカソードオフガスが希釈器３３に供給されるようになっている。つまり、背圧弁３２は、燃料電池スタック１０の下流側に配置されており、また、例えばバラフライ弁から構成され、その開度を自由に変更可能となっている。そして、ＥＣＵ９０によって背圧弁３２の開度が制御されることで、コンプレッサ３１から燃料電池スタック１０のカソード流路１２（カソード）に供給される空気の圧力及び流量が、制御されるようになっている。

希釈器３３は、パージ弁２４が開かれることでアノード系から導入されるアノードオフガスと、カソード流路１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス、希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を希釈する機器であり、これらガスを混合し、水素を希釈するための希釈空間を備えている。そして、希釈器３３で希釈された後のガスは、配管３３ａ、サイレンサ３４、配管３４ａを介して、車外（外部）に排出されるようになっている。

なお、システム起動時において、燃料電池スタック１０の暖機中は、燃料電池スタック１０からアノードオフガスは排出されず、コンプレッサ３１からの空気は、カソード流路１２、希釈器３３等を通って、配管３３ａに向かうようになっている。
また、サイレンサ３４は、カソード系を流れるガス中を伝達するコンプレッサ３１の作動音を低減するものである。

ここで、第１実施形態では、後記する準備モードにおいて、触媒燃焼器７０から排出された未燃焼の水素を希釈するため、希釈用ガスとしてのカソードオフガスが流れる希釈用ガス管は、配管３２ａ、３２ｂ、３３ａを備えて構成されている。そして、この希釈用ガス管の上端は、カソード流路１２の出口に接続されている。

水素センサ３５は、水素濃度を検出するセンサであり、配管３３ａ上であって、配管３３ａと後記する触媒燃焼器７０から排出された排気ガスが流れる配管７０ｃとの接続点よりも下流側に配置されている。すなわち、水素センサ３５は、触媒燃焼器７０の下流側に配置されている。
そして、水素センサ３５は、配管３３ａを流れるガス中の水素濃度Ｃ１１を検出するようになっている。また、水素センサ３５はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０は水素濃度Ｃ１１を検知するようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系は、燃料電池スタック１０の発電電力を消費等する系であって、走行モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit）と、コンタクタ４３とを備えている。ＶＣＵ４２は、燃料電池スタック１０の出力電力（電流、電圧）を制御する機器であって、ＤＣ／ＤＣチョッパ等を備えている。コンタクタ４３は、燃料電池スタック１０とＶＣＵ４２及び走行モータ４１との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチである。走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源であって、三相交流電流を発生させるＰＤＵ（Power Drive Unit、図示しない）、ＶＣＵ４２、コンタクタ４３を順に介して、燃料電池スタック１０の出力端子に接続されている。

そして、ＥＣＵ９０がコンタクタ４３をＯＮした状態で、アクセルペダル８２等からの発電要求に応じてＶＣＵ４２を制御すると、燃料電池スタック１０から電流が取り出され、燃料電池スタック１０が発電し、走行モータ４１が回転するようになっている。一方、コンタクタ４３がＯＦＦされている場合、燃料電池スタック１０から電流が取り出されないので、燃料電池スタック１０が発電することはない。

その他、電力消費系は、蓄電装置や、ＤＣ／ＤＣコンバータ等（いずれも図示しない）を備えている。蓄電装置は、燃料電池スタック１０の余剰発電電力や、走行モータ４１からの回生電力を蓄えたり、燃料電池スタック１０の発電電力が低い場合、その充電電力を放電し燃料電池スタック１０を補助するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記蓄電装置に充放電される電力を適宜に昇降圧するものである。
また、コンプレッサ３１、ポンプ５３、遮断弁２２、パージ弁２４等も電力消費系に含まれ、前記蓄電装置及び／又は燃料電池スタック１０を電源として作動するようになっている。このため、アクセルペダル８２等から発電要求がなくても、コンプレッサ３１等の補機を作動する必要がある場合、これに応じて、ＥＣＵ９０は燃料電池スタック１０を発電させるようになっている。

＜冷媒循環系＞
冷媒循環系は、燃料電池スタック１０の冷媒流路１３を経由するように、エチレングリコール等の冷媒を循環させる系であって、ラジエータ５１と、サーモスタット５２と、ポンプ５３と、三方弁５４と、温度センサ５５とを備えている。
冷媒流路１３の出口は、配管５２ａ、サーモスタット５２、配管５２ｂ、ポンプ５３、配管５３ａ、三方弁５４、配管５４ａを介して、冷媒流路１３の入口に接続されている。そして、ポンプ５３がＥＣＵ９０の指令に従って作動すると、冷媒が循環するようになっている。

三方弁５４（切替手段）は、ＥＣＵ９０に制御され、配管５３ａと、配管５４ａ又は後記する配管７０ａとを連通させることができ、循環する冷媒を触媒燃焼器７０を経由させるか否かを切り替え可能となっている。なお、システム起動時において、触媒燃焼器７０によって燃料電池スタック１０を暖機する場合、冷媒が配管５３ａ、７０ａを通って、触媒燃焼器７０に向かうように、三方弁５４は制御される。
ただし、循環する冷媒の触媒燃焼器７０の経由／迂回を切替可能であれば三方弁５４に限定されず、例えば、配管５４ａ、７０ａにそれぞれ開閉弁を設け、これらを適宜に開閉する構成としてもよい。

配管５２ａの途中は、配管５１ａ、ラジエータ５１、配管５１ｂを介して、サーモスタット５２に接続されている。サーモスタット５２は、冷媒の温度が低い場合は閉じ、配管５２ａと配管５２ｂとを連通させるように構成されている。一方、冷媒の温度が高くなると、サーモスタット５２は開き、配管５１ｂと配管５２ｂとが連通し、高温の冷媒がラジエータ５１で冷却されるようになっている。

温度センサ５５は、冷媒流路１３から排出された直後の冷媒の温度を、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗとして検出するセンサであり、配管５２ａに設けられている。そして、温度センサ５５はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０は温度センサ５５からの検出信号によって燃料電池スタック１０の温度Ｔｗを検知するようになっている。

＜冷媒加熱系＞
冷媒加熱系は、循環する冷媒を加熱する系であって、水素導入弁６１と、水素供給手段６２（例えばインジェクタ）と、空気導入弁６３と、ミキサ６４（混合器）と、触媒燃焼器７０とを備えている。
空気導入弁６３の上流側は配管６３ａを介して配管３１ａに接続されており、空気導入弁６３の下流側は配管６３ｂを介してミキサ６４に接続されている。そして、コンプレッサ３１の作動中、空気導入弁６３がＥＣＵ９０によって開かれると、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がミキサ６４に導入されるようになっている。

水素導入弁６１の上流側は配管６１ａを介して配管２１ａに接続されており、水素導入弁６１の下流側は配管６１ｂを介して水素供給手段６２に接続されており、水素供給手段６２は配管６３ｂの途中に設けられている。そして、ＥＣＵ９０からの指令によって水素導入弁６１が開かれ、水素供給手段６２が適宜に制御されると、水素が水素供給手段６２から配管６３ｂ内に吐出（供給）され、配管６３ｂを通る空気と共に、ミキサ６４に導入されるようになっている。

ミキサ６４は、これに導入される水素及び空気を混合し、燃料混合ガスを生成する機器であり、その内部に混合空間を有している。したがって、ミキサ６４は、水素及び空気を適切に混合するべく、水素等を拡散するためのリブ等の拡散手段を備えることが好ましい。そして、燃料混合ガスは、配管６４ａを介して触媒燃焼器７０の触媒部７１に供給されるようになっている。

触媒燃焼器７０は、燃料混合ガスを触媒下で燃焼させ、その燃焼熱によって、冷媒を加熱する機器であり、触媒部７１と熱交換部７５とを備えている。
触媒部７１は、触媒部本体７２と、触媒部本体７２を囲んだ円筒状のウォータジャケット７３と、温度センサ７４とを備えている。触媒部本体７２は、コージエライト等から形成され、燃料混合ガスが導入される複数の細孔を有するハニカム体と、前記細孔を取り囲む壁面に担持されたＰｔ、Ｒｕ等の触媒と、を備えている。そして、燃料混合ガスが触媒部本体７２に供給されると、水素及び酸素が触媒下で燃焼反応し、燃焼熱を帯びた高温の排気ガスを生成するようになっている。この高温の排気ガスは、熱交換部７５に供給されるようになっている。

温度センサ７４は、触媒部本体７２から熱交換部７５に向かう排気ガスの温度を、触媒部本体７２の触媒の温度（触媒温度Ｔｓ）として検出するセンサである。また、温度センサ７４はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０は温度センサ７４からの検出信号によって触媒温度Ｔｓを検知するようになっている。

熱交換部７５は、高温の排気ガスと、その内部を通流する冷媒との間で熱交換し、冷媒を加熱する部分である。冷媒は、三方弁５４から配管７０ａを介して熱交換部７５内に導入され、高温の排気ガスによって加熱された後、ウォータジャケット７３を通り、配管７０ｂを介して、配管５４ａに送られるようになっている。

また、熱交換後の排気ガスは、配管７０ｃ（排気ガス管）を通って、配管３３ａに導入されるようになっている。よって、外部に排出されるガス中の未燃焼の水素濃度Ｃ１１は、水素センサ３５によって検出されるようになっている。

＜その他機器＞
ＩＧ６１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ６１はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０はＩＧ６１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。

アクセルペダル８２（Accelerator Pedal：ＡＰ）は、運転者が走行要求に応じて踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル８２は、その踏み込み程度に基づいた信号を、ＥＣＵ９０に送り、ＥＣＵ９０はアクセルペダル８２の踏み込み量を検知すると共に、アクセルペダル８２が踏まれている場合、燃料電池スタック１０に対して、運転者から発電要求があると認識するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ９０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種処理を実行するようになっている。

ＥＣＵ９０は、遮断弁２２、パージ弁２４、コンプレッサ３１及び背圧弁３２を適宜に制御して、燃料電池スタック１０に水素及び空気を供給し、そして、コンタクタ４３及びＶＣＵ４２を制御して、燃料電池スタック１０を発電させる機能を備えている。

また、ＥＣＵ９０（暖機必要判定手段）は、燃料電池システム１の起動時に、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗと、暖機必要温度Ｔ１（例えば０℃）とに基づいて、触媒燃焼器７０を使用して、燃料電池スタック１０を暖機する必要あるか否か判定する機能を備えている。暖機必要温度Ｔ１は、燃料電池スタック１０内が凍結している虞があると予測される温度であり、ＭＥＡの材質等に関係し、事前試験によって求められる。

ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０を暖機する場合、触媒燃焼器７０（燃料電池システム１）を、準備モード、定常（燃焼）モード、冷却モードの順で運転させる機能を備えている。

［準備モード］
準備モードとは、触媒燃焼器７０への水素及び空気の供給量を定常モードよりも少なくし、触媒燃焼器７０から未燃焼の水素の排出を抑えつつ、触媒燃焼によって触媒温度Ｔｓを準備完了温度Ｔ５（例えば５０℃）に昇温させるモードである。つまり、準備モードは、触媒燃焼器７０から未燃焼の水素が排出され、水素濃度Ｃ１１が上限水素濃度Ｃ２以上になる虞があるモードである。

準備完了温度Ｔ５は、触媒燃焼器７０に内蔵される触媒の触媒温度Ｔｓが、その好適活性温度に到達し、触媒燃焼が良好に進むため、水素及び空気が定常の流量で供給可能であり、触媒燃焼器７０の準備が完了したとされる温度である。すなわち、触媒温度Ｔｓが準備完了温度Ｔ５以上になると、略全ての水素等が触媒燃焼し、未燃焼の水素が排出されにくくなる。そして、このような準備完了温度Ｔ５は、触媒部本体７２に内蔵される触媒の種類や、その構造等に関係し、事前試験によって求められる。

なお、触媒温度Ｔｓが準備完了温度Ｔ５に到達した場合、触媒の着火が完了したと称され、準備モードは着火モードと称されることもある。また、準備モード時における燃料混合ガスの燃空比（水素と酸素の体積比）は、触媒燃焼による昇温を促進するべく、定常モードよりも高め（水素を多め）になるように、水素供給手段６２の水素吐出量を設定することが好ましい。

また、触媒燃焼器７０の準備モードでの運転中、ＥＣＵ９０（触媒温度判定手段）は、触媒温度Ｔｓが準備完了温度Ｔ５（所定温度）に到達したか否かを判定する機能を備えている。

さらに、準備モードでの運転中、ＥＣＵ９０は、外部に排出されるガス中の水素濃度Ｃ１１が、基準水素濃度Ｃ１（所定濃度）以上であるか否かを判定する機能を備えている。そして、この判定結果に基づいて、ＥＣＵ９０は、コンプレッサ３１からカソード流路１２に供給される空気流量を、背圧弁３２を介して制御する機能を備えている。
基準水素濃度Ｃ１は、図６（ａ）に示すように、車外に排出可能な水素濃度の上限値（上限水素濃度Ｃ２）よりも低い水素濃度であって、この後、水素濃度Ｃ１１が上限水素濃度Ｃ２に達することを防止するため、予め、水素の希釈に備えて、配管３３ａに希釈用ガスとしてのカソードオフガスの供給を開始すべき濃度に設定される。なお、上限水素濃度Ｃ２、基準水素濃度Ｃ１は、事前試験等によって求められる。

［定常モード］
定常モードとは、触媒温度Ｔｓが準備完了温度Ｔ５以上となった後に実行されるモードであり、水素及び空気を定常流量で触媒燃焼器７０に供給し、触媒燃焼させて燃焼熱を生成し、この燃焼熱によって冷媒を介して燃料電池スタック１０の温度Ｔｗを暖機完了温度Ｔ２に昇温させるモードである。
暖機完了温度Ｔ２は、燃料電池スタック１０が自己発電可能な温度に設定される。そして、暖機完了温度Ｔ２は、アノード等に含まれる触媒の種類や、電解質膜の材質に関係し、事前試験により求められる。

また、定常モードでの運転中、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗと、暖機完了温度Ｔ２とに基づいて、燃料電池スタック１０の暖機が完了したか否かを判定する機能を備えている。

［冷却モード］
冷却モードとは、定常モード後、つまり、燃料電池スタック１０の暖機完了後、触媒燃焼器７０に空気を通流させて、高温の触媒燃焼器７０を冷却するモードである。なお、第１実施形態において、冷却モードは所定冷却時間Δｔにて実行される。所定冷却時間Δｔは、触媒燃焼器７０を好適に冷却可能な時間であり、事前試験等によって求められる。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作及びその運転方法を、ＥＣＵ９０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。
なお、ＩＧ８１がＯＮされると、図２のフローチャートに示す処理がスタートする。また、ＩＧ８１のＯＮ前（初期状態）において、コンプレッサ３１及びポンプ５３は停止している。遮断弁２２、パージ弁２４、背圧弁３２、水素導入弁６１及び空気導入弁６３は閉じており、コンタクタ４３はＯＦＦされている。三方弁５４は、配管５３ａと配管５４ａとが連通するポジション、つまり、冷媒が触媒燃焼器７０を迂回するポジションとなっている。

＜触媒燃焼器の使用判定＞
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗ及び暖機必要温度Ｔ１に基づいて、燃料電池システム１を起動するに際し、触媒燃焼器７０を使用する必要があるか否か、つまり、触媒燃焼器７０を使用して燃料電池スタック１０を暖機する必要があるか否かを判定する。

そして、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機必要温度Ｔ１未満である場合、燃料電池スタック１０内が凍結している虞があるので、触媒燃焼器７０を使用する必要があると判定し（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機必要温度Ｔ１未満でない場合、触媒燃焼器７０を使用する必要はないと判定し（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１０に進む。

＜準備モード＞
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０（燃料電池システム１）を準備モードで運転する。
具体的には、ＥＣＵ９０は、空気導入弁６３を開き、コンプレッサ３１及びポンプ５３を作動させる。これに並行して、ＥＣＵ９０は、水素導入弁６１を開き、水素供給手段６２を適宜に制御して、配管６３ｂ内に水素を吐出する。これにより、水素及び空気がミキサ６４に送られ、ミキサ６４で好適に混合され、燃料混合ガスが生成し、この燃料混合ガスが触媒燃焼器７０の触媒部本体７２に供給される。
また、ＥＣＵ９０は、三方弁５４を制御して、配管５３ａと配管７０ａとを連通させる。これにより、ポンプ５３の作動によって循環する冷媒が、触媒燃焼器７０を経由する。

そうすると、触媒部本体７２では、燃料混合ガス中の水素及び酸素が触媒燃焼し、燃焼熱を生成すると共に、この燃焼熱を有する高温の排気ガスが生成する。そして、この燃焼熱により、触媒部本体７２の触媒温度Ｔｓが上昇し始める。
また、生成した高温の排気ガスは、熱交換部７５に流れ込み、この熱交換部７５において、冷媒と熱交換し、冷媒を加熱した後、配管７０ｃ、３３ａ、サイレンサ３４を通って外部に排出される。一方、加熱された冷媒は、ウォータジャケット７３を通った後、配管７０ｂ、５４ａを介して、冷媒流路１３に供給される。これにより、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが上昇し始める。なお、触媒燃焼器７０から外部に排出されるガスには、未燃焼の水素が含まれており、その水素濃度Ｃ１１は、水素センサ３５で検出されている。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ９０は、水素センサ３５を介して検出される水素濃度Ｃ１１が、水素の希釈を開始するか否かの基準である基準水素濃度Ｃ１（所定濃度）以上であるか否かを判定する。
そして、水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１以上であると判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ２００に進む。一方、水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１以上でない、つまり、水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１未満であると判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ２００において、ＥＣＵ９０は、コンプレッサ３１から燃料電池スタック１０のカソード流路１２に供給される空気の流量（ＦＣ空気流量）を変更する。具体的な処理内容は、後で説明する。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ９０は、コンプレッサ３１から燃料電池スタック１０のカソード流路１２に供給される空気の流量（ＦＣ空気流量）を、通常に設定する。ここで、第１実施形態では、コンプレッサ３１からカソード流路１２に送られる空気流量が通常に制御される場合、背圧弁３２が閉じられ、燃料電池スタック１０への空気流量が略０（Ｌ／ｍｉｎ）となる構成を例示する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ９０は、触媒温度Ｔｓと準備完了温度Ｔ５とに基づいて、触媒燃焼器７０の準備が完了したか否かを判定する。
触媒温度Ｔｓが準備完了温度Ｔ５以上である場合、触媒燃焼器７０の準備は完了したと判定し（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、触媒温度Ｔｓが準備完了温度Ｔ５以上でない場合、触媒燃焼器７０の準備は完了していないと判定し（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０３に進む。

＜定常モード＞
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０を定常モードで運転する。
具体的には、ＥＣＵ９０は、準備モードに対して、水素供給手段６２による水素の吐出量を増加させ、触媒燃焼器７０に送られる水素流量を増加させる。これに並行して、ＥＣＵ９０は、背圧弁３２が開いている場合、これを閉じ、コンプレッサ３１を適宜に制御し、準備モードに対して、触媒燃焼器７０に送られる空気流量を増加させる。

これにより、触媒部本体７２では触媒燃焼が良好に進み、触媒部本体７２から熱交換部７５に、高温の排気ガスが大流量で導入され、熱交換部７５における冷媒の加熱がさらに進む。そして、この加熱された冷媒が冷媒流路１３に供給されることにより、燃料電池スタック１０の暖機が進む。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗと、暖機完了温度Ｔ２とに基づいて、燃料電池スタック１０の暖機が完了したか否かを判定する。
燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機完了温度Ｔ２以上である場合、燃料電池スタック１０の暖機は完了したと判定し（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機完了温度Ｔ２以上でない場合、燃料電池スタック１０の暖機は完了していないと判定し（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０７の判定を繰り返す。

＜冷却モード＞
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０を冷却モードで運転する。
具体的には、ＥＣＵ９０は、空気導入弁６３を開いたまま、水素導入弁６１を閉じる。これにより、コンプレッサ３１から触媒燃焼器７０に空気が供給されるので、触媒燃焼器７０に残留する水素や、触媒燃焼によって生成した水蒸気が、配管７０ｃを介して排出されると共に、触媒部本体７２が冷却し始める。
なお、三方弁５４は、冷媒が触媒燃焼器７０を経由するポジションで維持される。ただし、冷媒が触媒燃焼器７０を迂回するポジションに変更されてもよい。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１０８における冷却モードでの運転開始後、所定冷却時間Δｔが経過したか否かを、内蔵するクロックを利用して判定する。

所定冷却時間Δｔが経過したと判定された場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１０に進む。一方、所定冷却時間Δｔが経過していないと判定された場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０９の判定を繰り返す。
ただし、これに限定されず、例えば、冷却モードに入った際の触媒温度Ｔｓに応じて、冷却モードの実行時間を可変、つまり、触媒温度Ｔｓが高い場合、冷却モードの実行時間を長くする構成としてもよい。

＜暖機完了、燃料電池スタックの発電制御開始＞
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ９０は、空気導入弁６３が開いている場合はこれを閉じ、冷却モードでの運転を終了し、燃料電池スタック１０を暖機するためのシステム制御を終了する。また、三方弁５４は、冷媒が触媒燃焼器７０を迂回するポジションに制御される。
その後、ＥＣＵ９０は、遮断弁２２を開いた後、パージ弁２４を適宜に開き、アノード流路１１内を水素に置換する。そして、ＥＣＵ９０は、電圧センサ（図示しない）によって、燃料電池スタック１０のＯＣＶが所定ＯＣＶ以上であることを判定した後、コンタクタ４３をＯＮする。次いで、アクセルペダル８２や、車内エアコン等からの発電要求に応じて、ＶＣＵ４２を制御し、燃料電池スタック１０を発電させる。

＜燃料電池スタック側の空気流量の変更処理：Ｓ２００＞
次に、図３を参照して、燃料電池スタック１０への空気流量（ＦＣ空気流量）の変更処理（Ｓ２００）を説明する。
ステップＳ２０１において、ＥＣＵ９０は、水素センサ３５を介して検出された水素濃度Ｃ１１と、図４のマップとに基づいて、背圧弁３２の開度を変更する。すなわち、ＥＣＵ９０は、水素濃度Ｃ１１が高いほど、背圧弁３２の開度が大きくなるように制御する。これにより、水素濃度Ｃ１１が高いほど、コンプレッサ３１からカソード流路１２に供給される空気流量が増加するように補正される。なお、図４及び後記する図５のマップは事前試験により求められ、ＥＣＵ９０に記憶されている。

そうすると、カソード流路１２から配管３２ａ、３２ｂ、希釈器３３を介して、未燃焼の水素を含む排気ガスが導入される配管３３ａに供給される空気の流量も増加する。これにより、この後、水素濃度Ｃ１１が大きく上昇することは防止され、水素濃度Ｃ１１が上限水素濃度Ｃ２を越えるようなガスが、車外に排出されることは防止される（図６（ａ）参照）。

また、コンプレッサ３１から吐出される空気は、圧縮により高温であるので、背圧弁３２の開度が大きく制御され、カソード流路１２への空気流量が増加すると（図７参照）、この暖かい空気によって、燃料電池スタック１０の暖機を促進することもできる（図６（ｂ）参照）。

ステップＳ２０２において、ＥＣＵ９０は、背圧弁３２の変更後の開度と、図５のマップとに基づいて、コンプレッサ３１の回転速度を変更する。すなわち、ステップＳ２０１で、背圧弁３２の開度が大きくなるように変更されると、これに対応して、コンプレッサ３１の回転速度は高められる。ここで、コンプレッサ３１の回転速度は、ミキサ６４に供給される空気の流量が、背圧弁３２の開度の変更前後で変化しないように制御される。これにより、触媒燃焼器７０に供給される燃料混合ガスの燃空比（水素と空気との体積比）は、背圧弁３２の開度の変更前後で変化しない。

その後、ＥＣＵ９０の処理は、リターンを通って、図２のステップＳ１０５に進む。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、以下の効果を得ることができる。
燃料電池システム１を起動する際に、触媒燃焼器７０を使用し、燃料電池スタック１０を暖機する場合であって、触媒燃焼器７０が準備モードで運転しているときにおいて、外部に排出されるガス中の水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１以上である場合、背圧弁３２を開き、カソード流路１２に空気を供給すると共に、配管３３ａにカソードオフガスを供給するので、水素濃度Ｃ１１が上限水素濃度Ｃ２以上になることは防止される（図６（ａ）参照）。
また、この場合において、高温の空気がカソード流路１２を通ることになるので、この高温の空気によって、燃料電池スタック１０の暖機を促進することもできる。

さらに、水素濃度Ｃ１１が高いほど、燃料電池スタック１０（配管３３ａ）に供給する空気流量が多くなるように背圧弁３２の開度を大きくするので、水素濃度Ｃ１１が上限水素濃度Ｃ２以上になることを、確実に防止できる。
さらにまた、背圧弁３２を開いて、燃料電池スタック１０に空気を供給する場合、背圧弁３２の開度に対応して、コンプレッサ３１の回転速度を変更するので、触媒燃焼器７０に送られる空気流量が少なくなることはない。これにより、触媒部本体７２における触媒燃焼反応を良好に進めることができ、触媒温度Ｔｓの昇温率が低下することはない。

また、水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１以上でない場合、燃料電池スタック１０に空気を供給せず、コンプレッサ３１の回転速度を下げるので、コンプレッサ３１の消費電力及び作動音を抑えることができる。

さらに、触媒温度Ｔｓが準備完了温度Ｔ５以上である場合、背圧弁３２を閉じ、コンプレッサ３１から燃料電池スタック１０への空気供給を停止するので、コンプレッサ３１の消費電力及び作動音を抑えることができる。

≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、図７を参照して、燃料電池システム１の一動作例を説明する。なお、システム起動時に、触媒燃焼器７０を使用し、燃料電池スタック１０を暖機する場合を例示する。
ＩＧ６１のＯＮ後、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機必要温度Ｔ１未満であるので（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、準備モード（Ｓ１０２）に入る。その後、水素濃度Ｃ１１が基準水素濃度Ｃ１になると（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、水素濃度Ｃ１１に対応して背圧弁３２は開かれ（Ｓ２０１）、そして、これに対応してコンプレッサ３１の回転速度が高められる（Ｓ２０２）。

これにより、触媒燃焼器７０に供給される空気の流量及び燃空比は一定のまま、燃料電池スタック１０のカソード流路１２への空気流量、つまり、カソード流路１２から排出され、触媒燃焼器７０からの排気ガス中の水素を希釈するべく、配管３３ａに向かう空気の流量が増加する。したがって、外部に排出されるガスの水素濃度Ｃ１１が大きく立ち上がることは防止される。

その後、触媒温度Ｔｓが準備完了温度Ｔ５に到達すると（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、準備モードでの運転を終了し、定常モードでの運転に移行する（Ｓ１０６）。そして、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機完了温度Ｔ２に到達すると（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、定常モードでの運転を終了し、冷却モードでの運転に移行する（Ｓ１０８）。

次いで、冷却モードでの運転開始後、所定冷却時間Δｔが経過すると（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、冷却モードでの運転を終了し、燃料電池スタック１０を暖機するためのシステム制御を終了する（Ｓ１１０）。そして、遮断弁２２を開いた後、パージ弁２４を適宜に開き、アノード流路１１内を水素に置換する。次いで、電圧センサ等によって所定のＯＣＶが発生していることを検出した後、コンタクタ４３をＯＮし、アクセルペダル８２等からの発電要求に対応して、燃料電池スタック１０を発電させる。

≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。なお、第１２実施形態と異なる部分のみを説明する。
図８に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１０２の後、ステップＳ３００に進む。なお、ステップＳ１０２において、触媒燃焼器７０は、準備モードでの運転を開始している。すなわち、空気導入弁６３は開かれ、コンプレッサ３１は作動し、空気がミキサ６４に供給されると共に、水素導入弁６１は開かれ、水素供給手段６２から水素が吐出されている。

ステップＳ３００において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０が、未燃焼の水素を排出しやすく、外部に排出されるガスの水素濃度Ｃ１１が上限水素濃度Ｃ２以上になる虞のある準備モードでの運転を開始したことに連動して、コンプレッサ３１及び背圧弁３２を制御し、カソード流路１２（配管３３ａ）への空気の供給を開始する。
すなわち、ＥＣＵ９０（予測手段）は、触媒燃焼器７０が未燃焼の水素が排出される虞のある準備モードで運転するので、このままでは、上限水素濃度Ｃ２を超える水素濃度のガスが排出されてしまう虞があると予測し、カソード流路１２への空気の供給を開始する。
なお、触媒燃焼器７０が準備モードで運転すると、水素濃度Ｃ１１が上限水素濃度Ｃ２以上になる虞があることは、予備試験等によって求められ、予め関連付けられてＥＣＵ９０に記憶されている。

具体的には、ＥＣＵ９０は、背圧弁３２を開き、図２のステップＳ２００における変更後に対応した高速の回転速度で、コンプレッサ３１を作動させる。これにより、コンプレッサ３１から燃料電池スタック１０への空気流量、および、燃料電池スタック１０から配管３３ａに導入されるカソードオフガスの流量が変更、つまり、増加する。
なお、ステップＳ１０２、Ｓ３００の処理は連続して実行されるので、図９に示すように、ＩＧ８１のＯＮに連動して、空気導入弁６３及び背圧弁３２が開かれると共に、コンプレッサ３１が高めの回転速度で作動し、燃料電池スタック１０に空気が供給されることになる。

このように、触媒燃焼器７０が準備モードで作動する場合、背圧弁３２を開き、背圧弁３２の開度に対応してコンプレッサ３１の回転速度を高めるので、背圧弁３２の閉開前後において、ミキサ６４から触媒燃焼器７０に供給される燃料混合ガスの燃空比は第１実施形態と同様、同じとなる。そして、このような燃空比の燃料混合ガスが供給されると、触媒燃焼器７０では、第１実施形態と同様に触媒燃焼し、触媒温度Ｔｓが上昇する。

ここで、触媒燃焼器７０から排出される排気ガスには未燃焼の水素が含まれるが、この排気ガスは、カソード流路１２から予め排出されているカソードオフガス（酸化剤ガス、希釈用ガス）で希釈されるので、外部に排出されるガスの水素濃度Ｃ１１が、上限水素濃度Ｃ２以上になることは防止される。

その後、ステップＳ１０５において、ＥＣＵ９０は、第１実施形態と同様に、触媒温度Ｔｓと、準備完了温度Ｔ５とに基づいて、触媒燃焼器７０の準備が完了したか否かを判定する。なお、第２実施形態では、ステップＳ１０５の判定がＮｏである場合、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０５の判定を繰り返す。
ただし、ステップＳ１０５の判定がＮｏの後、ＥＣＵ９０の処理がステップＳ３００に進むように構成し、このように進むステップＳ３００では、水素センサ３５を介して実際に検出される水素濃度Ｃ１１と、図４及び図５のマップとに基づいて、背圧弁３２の開度及びコンプレッサ３１の回転速度を制御する構成としてもよい。

このような第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、以下の効果を得ることができる。
ＩＧ８１のＯＮ後、触媒燃焼器７０が準備モードでの運転を開始することに連動して、背圧弁３２が開かれ、燃料電池スタック１０（配管３３ａ）に空気（カソードオフガス）が供給されるので、外部に排出されるガスの水素濃度Ｃ１１が、上限水素濃度Ｃ２以上になることは防止される。
また、このような燃料電池スタック１０への空気の供給は、未燃焼の水素が排出されやすい準備モードに入った際に予め実行する構成であるので、水素センサ３５をシステム構成から省略することができ、また、水素センサ３５が故障していても実行できる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。

例えば、図１０に示す燃料電池システム２に本発明を適用してもよい。燃料電池システム２は、第１実施形態に係る燃料電池システム１の構成の他、コンプレッサ３１からの空気を希釈器３３に直接的に導入する希釈器用空気導入ラインを備えている。希釈器用空気導入ラインは希釈器用空気導入弁６５を備えており、コンプレッサ３１の吐出空気が流れる配管３１ａは、配管６５ａ、希釈器用空気導入弁６５、配管６５ｂを介して、希釈器３３に接続されている。なお、配管６５ｂの下流端は、配管３３ａに接続されてもよい。

そして、燃料電池システム２では、第１、第２実施形態に係る空気流量の変更処理（Ｓ２００、Ｓ３００）に代えて、第１実施形態と同様に、水素センサ３５による水素濃度Ｃ１１に対応して空気流量を変更する場合、又は、第２実施形態と同様に、準備モードに入った際に予め変更する場合、ＥＣＵ９０は、背圧弁３２は閉じたまま、希釈器用空気導入弁６５を開くように設定されている。このようにコンプレッサ３１の作動中、希釈器用空気導入弁６５が開かれると、コンプレッサ３１から希釈器３３を介して、配管３３ａに空気が供給されるので、外部に排出されるガスの水素濃度Ｃ１１が上限水素濃度Ｃ２以上になることは防止される。

前記した第１実施形態では、ステップＳ１０４における燃料電池スタック１０への空気流量が通常であるとは、背圧弁３２が閉じられ、燃料電池スタック１０側への空気流量が略０（Ｌ／ｍｉｎ）となる構成を例示したが、燃料電池スタック１０に空気が小流量で供給される構成であってもよい。

前記した実施形態では、水素センサ３５が配管３３ａに設けられた構成を例示したが、その位置は、触媒燃焼器７０の下流側であればよく、例えば、配管７０ｃに設けられる構成であってもよい。

前記した実施形態では、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗを検出する温度センサ５５が、燃料電池スタック１０から排出された冷媒の流れる配管５２ａに配置された場合を例示したが、温度センサ５５の位置及び数はこれに限定されない。例えば、温度センサを、アノードオフガス、カソードオフガスが流れる配管２４ａ、３２ａに設けてもよいし、燃料電池スタック１０に直接設けてもよい。また、複数の温度センサを設けて、誤検出を防止するようにしてもよい。

前記した第実施形態では、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）に対して、燃料電池スタック１０と触媒燃焼器７０とが並列で配置された構成を例示したが、燃料電池スタック１０と触媒燃焼器７０とが直列で配置された構成であってもよい。例えば、触媒燃焼器７０が燃料電池スタック１０の下流に配置され、アノードオフガス及びカソードオフガスが触媒燃焼器７０に導入される構成であってもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が配管２４ｃ等によって構成される水素循環系を備える場合を例示したが、水素循環系を備えない燃料電池システムに本発明を適用してもよい。また、希釈器３３を備えない燃料電池システム１に適用してもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 図２に示す燃料電池スタック側の空気流量の変更処理を示すフローチャートである。 排気ガス中の水素濃度と背圧弁の開度との関係を示すマップである。 背圧弁の開度とコンプレッサの回転速度との関係を示すマップである。 （ａ）、（ｂ）共に第１実施形態に係る燃料電池システムの効果を示すグラフである。 第１実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。 変形例に係る燃料電池システムの構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１１ アノード流路（燃料ガス流路）
１２ カソード流路（酸化剤ガス流路）
１３ 冷媒流路
３１ コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３２ 背圧弁
３２ａ、３２ｂ、３３ａ 配管（希釈用ガス管）
３５ 水素センサ（燃料ガス濃度検出手段）
５１ ラジエータ（放熱器）
５３ ポンプ（熱交換流体循環手段）
５５ 温度センサ
６１ 水素導入弁
６２ 水素供給手段
６３ 空気導入弁
７０ 触媒燃焼器
７０ｃ 配管（排気ガス管）
７１ 触媒部
７２ 触媒部本体
７４ 温度センサ（触媒温度検出手段）
７５ 熱交換部
９０ ＥＣＵ（触媒温度判定手段、予測手段）
Ｃ１１ 水素濃度
Ｃ１ 基準水素濃度（所定濃度）
Ｃ２ 上限水素濃度（上限燃料ガス濃度）
Ｔｗ 燃料電池スタックの温度
Ｔ１ 暖機必要温度
Ｔ２ 暖機完了温度
Ｔｓ 触媒温度
Ｔ５ 準備完了温度（所定温度）

Claims (10)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、
   燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱すると共に、複数のモードで運転する触媒燃焼器と、
   前記触媒燃焼器から排出された排気ガスが流れる排気ガス管と、
   前記酸化剤ガス供給手段から送られるガスが前記排気ガス中の未燃焼の燃料ガスを希釈する希釈用ガスとして流れる希釈用ガス管と、
   を備え、
   システム起動時に、前記燃料電池を暖機する場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、
   前記触媒燃焼器が、外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度以上になる虞のあるモードで運転中、
   前記酸化剤ガス供給手段は、前記希釈用ガス管にガスを供給する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記希釈用ガス管の上流端は、前記燃料電池における酸化剤ガス流路の出口に接続されており、
   前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は、前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されている
   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. 前記燃料電池のカソードの下流側に配置され、前記カソードに供給される酸化剤ガスの圧力及び流量を制御する背圧弁を備え、
   前記酸化剤ガス供給手段は、前記背圧弁の開度に対応して、酸化剤ガスの流量を補正する
   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. 前記触媒燃焼器の下流側に配置され、当該触媒燃焼器から排出された未燃焼の燃料ガスの濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段、を備え、
   前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガスの濃度が所定濃度以上である場合、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を増加させる
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガスの濃度が高いほど、前記燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量の増加量を大きくする
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料ガス濃度検出手段により検出された燃料ガスの濃度が所定濃度未満である場合、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給しない
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記触媒燃焼器が備える触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記触媒温度検出手段が検出する触媒の温度に基づいて、触媒が所定温度に到達したか否かを判定する触媒温度判定手段と、
   を備え、
   前記酸化剤ガス供給手段は、前記触媒温度判定手段によって触媒が所定温度に到達したと判定された場合、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を停止する
   ことを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度以上になる虞のあるモードでの前記触媒燃焼器の運転開始に連動して、
   前記酸化剤ガス供給手段は、前記燃料電池への酸化剤ガスの供給を開始する
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
9. 燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
   酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料電池を経由するように熱交換流体を循環させる熱交換流体循環手段と、
   燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、循環する熱交換流体を加熱すると共に、複数のモードで運転する触媒燃焼器と、
   前記触媒燃焼器から排出された排気ガスが流れる排気ガス管と、
   前記酸化剤ガス供給手段から送られるガスが前記排気ガス中の未燃焼の燃料ガスを希釈する希釈用ガスとして流れる希釈用ガス管と、
   を備え、
   システム起動時に、前記燃料電池を暖機する場合、前記触媒燃焼器が熱交換流体を介して前記燃料電池を暖機する燃料電池システムの運転方法であって、
   前記触媒燃焼器が、外部に排出されるガス中の燃料ガス濃度が上限燃料ガス濃度以上になる虞のあるモードで運転中、
   前記酸化剤ガス供給手段から前記希釈用ガス管にガスを供給する
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
10. 前記希釈用ガス管の上流端は、前記燃料電池における酸化剤ガス流路の出口に接続されており、
    前記燃料電池及び前記触媒燃焼器は、前記酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されている
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの運転方法。

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