JP2009021062A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池を暖機する際の燃料消費量を削減することができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】触媒燃焼器４１を使用すると判断した場合には、触媒燃焼器４１への水素および空気の供給を開始する。そして、触媒燃焼器４１へ冷媒の供給を開始して、燃料電池１０の温度変化量ΔＴを算出し、温度変化量ΔＴに基づいて、触媒燃焼器４１への水素供給を停止する燃料電池温度Ｔ１を決定する。燃料電池１０の温度がＴ１以上になったら、触媒燃焼器４１への水素供給を停止する。そして、温度変化量ΔＴを再度算出して、温度変化量ΔＴが所定値以下になったら、触媒燃焼器４１への冷媒供給を停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を暖機する暖機装置を備えた燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法に関する。

従来、燃料電池システムでは、燃料電池を低温環境下で使用する場合に燃料電池の暖機を促進させるために、燃焼器を用いて、その燃焼器の発熱を利用して燃料電池の内部を流れる冷媒を暖めて、燃料電池の温度が所定温度に達するまで加熱する方法が種々提案されている。
特開２０００−１６４２３３号公報（段落００５７，０１３２、図１および図６）

しかしながら、特許文献１に記載のような従来の燃料電池システムでは、燃焼器で燃焼させる際の燃料として、燃料電池の発電に使用される燃料（水素）を用いることが行われている。このため、燃料電池の発電に使用される燃料（水素）が大量に消費されることにより、燃料効率が悪化す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、燃料電池を暖機する際の燃料消費量を削減することができる燃料電池システムおよび燃料電池システム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、酸化ガスと燃料ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを燃焼させることにより発熱する燃焼器と、前記燃料電池と前記燃焼器との間において冷媒を循環させる循環手段と、を有し、前記燃焼器において発生した燃焼熱により加熱した前記冷媒を前記燃料電池に供給して暖機を行う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と、前記検出された温度を用いて前記燃料電池の温度変化量を算出する温度変化量算出手段と、前記温度変化量に基づいて前記燃焼器への燃料ガスの供給を停止する燃料電池温度を決定する燃料ガス供給停止温度決定手段と、をさらに有することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、従来では燃料電池が所定温度（暖機終了温度）に達すると燃焼器への燃料ガス供給を停止していたが、燃料電池の温度変化量に基づいて燃焼器に供給される燃料ガス供給の停止判断を行うため、燃焼器への燃料ガス供給を停止しても燃焼器の余熱のみで燃料電池が所定温度（暖機終了温度）に達すると予測できる場合には、所定温度に達する前に燃料ガス供給を停止させることが可能になる。よって、早めに停止した分の燃料ガスの消費を削減することが可能になり、燃料電池システムにおける燃費効率が向上する。

請求項２に係る発明は、前記燃料ガス供給停止温度決定手段は、前記燃料電池の温度上昇変化量が大きいほど、前記燃焼器への燃料ガスの供給を停止する燃料電池温度を低い値に設定することを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、温度上昇変化量が大きいと燃焼器への燃料ガス供給を、温度上昇変化量が小さい場合に比べて早めに停止しても、その余熱のみで燃料電池を所定温度（暖機終了温度）まで上昇できるため、燃料ガスの消費を削減することが可能になり、燃料電池システムにおける燃費効率が向上する。

請求項３に係る発明は、前記燃焼器を迂回して前記燃料電池に冷媒を循環させる冷媒迂回手段と、前記燃焼器への燃料ガスの供給停止後に再度算出した燃料電池の温度変化量に基づいて、前記冷媒迂回手段により冷媒を前記燃焼器を迂回させるかを判断する燃焼器迂回判断手段と、を有することを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、燃焼器への燃料ガス供給を停止してからの燃料電池の温度変化量に基づいて冷媒を迂回させるかを判断するため、余熱では冷媒を温めきれなくなった場合など、燃料電池の暖機促進を阻害するような温度になる前に燃焼器を迂回させることにより、燃料電池の暖機時間を短縮させることが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記燃焼器迂回判断手段は、前記燃料電池の温度変化量が所定値以下になったときに前記燃焼器を迂回させると判断することを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、触媒燃焼器の余熱では冷媒を温めきれなくなった場合などを温度変化量によって判断するため、燃料電池の暖機を阻害しないように冷媒を迂回させるタイミングを正確に決めることが可能になる。よって、燃料電池の暖機時間を短縮させることが可能になる。

請求項５に係る発明は、前記燃焼器は、燃料ガスと酸化ガスとを触媒に供給することにより触媒燃焼を行う触媒燃焼器であり、前記燃焼器への燃料ガスの供給停止後も酸化ガスの供給を継続することを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、燃焼用の触媒を高温状態で使用する時間を短縮できるため、触媒の劣化を低減させることが可能になり、触媒の寿命が向上する。また、燃料ガス供給停止後も酸化ガスが燃焼器内部を流れることにより、冷媒と熱交換を行いつつ、燃焼により発生した水蒸気や未燃焼ガスの燃焼器外部への排出を早めに行うことができるため、燃焼器の停止に係る時間を短縮させることが可能になる。

請求項６に係る発明は、酸化ガスと燃料ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを燃焼させることにより発熱する燃焼器との間で冷媒を循環させ、前記燃焼器において発生した燃焼熱により加熱した冷媒を前記燃料電池に供給して暖機を行う燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池の温度を検出するステップと、前記検出された温度を用いて前記燃料電池の温度変化量を算出するステップと、前記温度変化量に基づいて前記燃焼器への燃料ガスの供給を停止する燃料電池温度を決定するステップと、を有することを特徴とする。

請求項６に係る発明によれば、従来では燃料電池が所定温度（暖機終了温度）に達すると燃焼器への燃料ガス供給を停止していたが、燃料電池の温度変化量に基づいて燃焼器に供給される燃料ガス供給の停止判断を行うため、燃焼器への燃料ガス供給を停止しても、燃焼器の余熱のみで燃料電池が所定温度（暖機終了温度）に達すると予測できる場合には、所定温度に達する前に燃料ガス供給を停止できる。したがって、早めに停止した分の燃料ガスの消費を削減することが可能になり、燃料電池システムにおける燃料効率が向上する。

本発明の燃料電池システムおよび燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池を暖機する際の燃料消費量を削減することができる。

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は燃料電池システムの起動時の制御を示すフローチャート、図３は温度上昇変化量と水素供給を停止するときの燃料電池温度との関係を示すマップ、図４は暖機運転時のタイミングチャートである。なお、以下では、燃料電池自動車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、航空機、定置式の家庭用電源などあらゆるものに適用できる。

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１０、アノード系２０、カソード系３０、暖機系４０、希釈系５０、制御系６０などを含んで構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、電解質膜をアノード（水素極）とカソード（酸素極）とで挟んで構成した膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有し、この膜電極構造体を一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成した単セルを厚み方向に複数積層した構造を有している。また、燃料電池１０を構成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、酸化ガスとしての空気が流通する流路、および冷媒が流通する流路が形成されている。

このようにして形成された燃料電池１０では、アノードに水素が、カソードに空気（酸素）がそれぞれ供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電が可能になる。燃料電池１０から取り出された発電電力（発電電流）は、走行モータ（図示せず）、後記するエアコンプレッサ３１、蓄電装置（図示せず）、各種弁などの外部負荷に供給される。

前記アノード系２０は、燃料電池１０のアノードに水素（燃料ガス）を供給し、かつ、アノードから水素（アノードオフガス）を排出するものであり、水素タンク２１、水素遮断弁２２、パージ弁２３、アノード配管２６ａ〜２６ｃなどを備えている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記水素遮断弁２２は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク２１の下流近傍に設けられている。また、水素遮断弁２２は、アノード配管２６ａを介して水素タンク２１と接続され、アノード配管２６ｂを介して燃料電池１０のアノードの入口と接続されている。なお、水素遮断弁２２は、水素タンク２１内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。

前記パージ弁２３は、燃料電池１０のアノードの出口に接続されたアノード配管２６ｃに設けられ、例えば定期的に開弁して、アノードに蓄積した不純物（窒素など）を排出する機能を有している。

前記カソード系３０は、燃料電池１０のカソードに空気（酸化ガス）を供給し、かつ、カソードからカソードオフガス（空気や生成水など）を排出するものであり、エアコンプレッサ３１、背圧弁３２、カソード配管３４ａ，３４ｂなどで構成されている。

前記エアコンプレッサ３１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、外気を圧縮して、カソード配管３４ａを介して燃料電池１０のカソードに供給する機能を有している。

前記背圧弁３２は、例えばバタフライ弁などの開度調節可能な弁で構成され、カソード系３０内の圧力を適宜調節する機能を有している。

前記暖機系４０は、加熱した冷媒を燃料電池１０に供給して暖機する機能を有し、触媒燃焼器４１などを備えて構成されている。

前記触媒燃焼器４１は、燃焼部４２と熱交換部４３とを備え、燃焼熱により冷媒（水、不凍液など）を加熱する機能を有している。

前記燃焼部４２は、例えば、セラミックで形成された微細な気体流通路を有したハニカム形状の構造体に、白金やパラジウムなどの酸化触媒を担持させて形成したものである。この燃焼部４２には、前記水素タンク２１から燃料導入配管４７ａを介して燃料電池１０に供給される前の水素（燃料ガス）が供給され、前記エアコンプレッサ３１から空気導入配管４７ｂを介して燃料電池１０に供給される前の空気（酸化ガス）が供給され、水素と空気とが混合器４６で混合された後に燃焼部４２に供給されるように構成されている。

なお、前記燃料導入配管４７ａは、前記アノード配管２６ａから分岐して形成され、上流側から順に遮断弁４８ａ、水素供給装置４８ｂなどが設けられている。遮断弁４８ａは、燃料電池１０の暖機時に開弁するように制御される。水素供給装置４８ｂは、例えば水素インジェクタで構成され、空気導入配管４７ｂの流路に水素を噴射する機能を有し、水素の噴射量を制御できるようになっている。すなわち、噴射時間を長くすることにより噴射量が増加し、噴射時間を短くすることにより噴射量が減少するようになっている。なお、水素供給装置４８ｂとしては、水素インジェクタに限定されず、エゼクタなどであってもよい。

また、前記空気導入配管４７ｂは、前記カソード配管３４ａから分岐して形成され、遮断弁４９ａを備えて構成されている。この遮断弁４９ａは、燃料電池１０の暖機時に開弁するように制御される。

前記熱交換部４３は、燃焼部４２の下流側に設けられ、燃焼部４２で生成された燃焼オフガス（排ガス）が流れる流路と、前記冷媒が流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、燃焼オフガスと冷媒との間で熱交換を行うようになっている。

また、触媒燃焼器４１の冷媒が排出される出口４１ａは、燃料電池１０の冷媒が供給される入口１０ａと冷媒配管４３ａを介して接続されている。また、燃料電池１０の冷媒が排出される出口１０ｂは、触媒燃焼器４１の冷媒が導入される入口４１ｂと冷媒配管４３ｂを介して接続されている。また、冷媒配管４３ｂには、冷媒を循環させるためのウォータポンプ４４が設けられている。これら冷媒配管４３ａ，４３ｂおよびウォータポンプ４４により、本実施形態の循環手段が構成され、燃料電池１０と触媒燃焼器４１との間で冷媒を循環させることができるようになっている。

また、本実施形態の燃料電池システム１には、触媒燃焼器４１を迂回して燃料電池１０に冷媒を循環させる冷媒迂回手段４５が設けられている。この冷媒迂回手段４５は、冷媒配管４３ａと冷媒配管４３ｂとを接続するバイパス配管４５ａと、冷媒を触媒燃焼器４１側と、触媒燃焼器４１を迂回する側とに切り替える三方弁４５ｂとで構成されている。

前記希釈系５０は、希釈器５１、アノードオフガス導入配管５２、カソードオフガス導入配管５３、排出管５４などで構成されている。

前記希釈器５１は、アノードオフガスに含まれる水素を所定の濃度以下に希釈してから排出する機能を有している。なお、本実施形態では、カソードオフガスを希釈ガスとして使用しているが、これに限定されるものではなく、燃料電池１０の上流側の空気（酸化ガス）を希釈ガスとして利用してもよい。

前記アノードオフガス導入配管５２は、希釈器５１とパージ弁２３とを接続し、アノードオフガスを希釈器５１に導入する機能を有している。

前記カソードオフガス導入配管５３は、希釈器５１と背圧弁３２とを接続し、カソードオフガスを希釈器５１に導入する機能を有している。

前記排出管５４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（大気中）に排出するように構成されている。

なお、排出管５４には、触媒燃焼器４１から排出された燃焼オフガスを排出する燃焼オフガス配管４１ｃが接続されている。なお、図示していないが、排出管５４の燃焼オフガス配管４１ｃとの合流部よりも下流側には、水素濃度を検出する水素センサが設けられている。

前記制御系６０は、制御装置６１、温度センサ６２，６３などで構成されている。

前記制御装置６１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、周辺回路、入出力インタフェースなどから構成され、温度変化量算出手段、燃料ガス供給停止温度決定手段、燃焼器迂回判断手段を備えている。この制御装置６１は、水素遮断弁２２、パージ弁２３、エアコンプレッサ３１、背圧弁３２、ウォータポンプ４４、三方弁４５ｂ、遮断弁４８ａ，４９ａ、水素供給装置４８ｂ、温度センサ６２，６３と接続されている。

前記温度センサ６２は、燃料電池１０の温度（ＦＣ温度）を検出する機能を有し、冷媒配管４３ｂの燃料電池１０の出口近傍に設けられている。なお、ＦＣ温度は、冷媒出口温度に限定されるものではなく、アノード系２０のガス温度、カソード系３０のガス温度であってもよく、あるいは燃料電池１０の温度を直接検出するものであってもよい。

前記温度センサ６３は、触媒燃焼器４１内の触媒の温度を検出する機能を有し、触媒温度が所定温度を超えたときに、触媒燃焼器４１に供給する水素流量や空気流量を増やす制御が行われるように構成されている。

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ないし図４を参照（適宜図１を参照）しながら説明する。なお、燃料電池システム１が停止している状態では、水素遮断弁２２およびパージ弁２３が閉じ、エアコンプレッサ３１が停止し、背圧弁３２が開き、ウォータポンプ４４が停止し、三方弁４５ｂが触媒燃焼器４１をバイパスする位置にあり、遮断弁４８ａ，４９ａがそれぞれ閉じられている。また、以下では、水素供給装置４８ｂとして水素インジェクタを例に挙げて説明する。

まず、図２に示すように、運転者によってイグニッションがオン（ＩＧ−ＯＮ）されると、ステップＳ１００において、制御装置６１は、触媒燃焼器４１を使用する（作動させる）かどうかを判断する。触媒燃焼器４１を使用する際の条件としては、例えば、氷点下（所定温度、例えば、−３０℃）の低温環境下で使用されており、燃料電池１０の暖機が必要な場合である。なお、そのときの温度は、燃料電池１０の温度、外気温度（外気温度センサ）などに基づいて判断してもよく、ナビゲーション装置が搭載されているものであれば天気予報情報に基づいて判断してもよい。

ステップＳ１００において、制御装置６１は、触媒燃焼器４１を使用すると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０１に進み、触媒燃焼器４１の運転を開始する。なお、ここでは、着火モードや定常モードの一連のモードを開始するように制御する。まず、遮断弁４８ａを開くことで水素供給装置４８ｂから空気導入配管４７ｂに水素が噴射され、遮断弁４９ａを開くとともにエアコンプレッサ３１の駆動を開始することで空気導入配管４７ｂに空気を供給する。これにより、水素と空気とが混合器４６で混合された後、触媒燃焼器４１に混合ガスとして供給され、燃焼部４２において触媒燃焼が開始される。

そして、ステップＳ１０２に進み、制御装置６１は、ウォータポンプ４４の駆動を開始するとともに、三方弁４５ｂを触媒燃焼器４１の位置に切り替えて、冷媒を触媒燃焼器４１に供給開始する。なお、触媒燃焼器４１に冷媒の供給を開始するタイミングは、触媒燃焼器４１の触媒温度が所定温度まで上昇したときである。つまり、触媒燃焼器４１への水素および空気の供給開始と同時にすると、触媒燃焼器４１に低温の冷媒が供給されることになり、触媒燃焼器４１の温度上昇が阻害されるからである。

そして、ステップＳ１０３に進み、制御装置６１は、燃料電池１０の温度変化量ΔＴを算出する。なお、温度変化量ΔＴは、温度センサ６２により、所定時間における（単位時間当たりの）温度変化を検出することにより算出される。このステップＳ１０３が、本実施形態における温度変化量算出手段が実施する処理に相当する。

そして、ステップＳ１０４に進み、制御装置６１は、ステップＳ１０３で算出した温度変化量ΔＴにより、触媒燃焼器４１への水素供給を停止する燃料電池温度Ｔ１を決定する。すなわち、現在の燃料電池１０の温度と、温度変化量ΔＴとにより、水素供給を停止しても暖機終了温度にまで到達できる燃料電池温度Ｔ１を決定する。なお、このステップＳ１０４が、本実施形態の燃料ガス供給停止温度決定手段が実施する処理に相当する。この燃料電池温度Ｔ１は、例えば、図３のマップに基づいて決定され、温度上昇変化量（温度変化量）ΔＴが大きいほど、燃料電池温度Ｔ１を低い値に設定できる。例えば、現在の温度上昇変化量ΔＴがΔＴａである場合には、燃料電池１０の温度がＴａに到達したら水素供給を停止する。なお、燃料電池温度Ｔ１の決定は、マップに限定されるものではなく、関数やテーブルなどを用いて決定してもよい。

そして、ステップＳ１０５に進み、制御装置６１は、温度センサ６２から検出される燃料電池１０の温度（以下、ＦＣ温度と略記する）が燃料電池温度Ｔ１以上であるかどうかを判断する。つまり、ＦＣ温度が燃料電池温度Ｔ１に到達したかどうかを判断する。ステップＳ１０５において、制御装置６１は、ＦＣ温度が燃料電池温度Ｔ１以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０３に戻り、ＦＣ温度が燃料電池温度Ｔ１以上になったと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進む。

なお、ステップＳ１０３において算出した温度変化量ΔＴは、時間の経過とともに変化するので、ステップＳ１０４において決定する燃料電池温度Ｔ１も変化する。よって、燃料電池温度Ｔ１は、燃料電池１０の温度変化などに応じて適宜決定されるようになっている。

ステップＳ１０６において、制御装置６１は、触媒燃焼器４１への水素供給を停止する。すなわち、制御装置６１は、遮断弁４８ａを閉じて、水素供給装置４８ｂからの噴射を停止する。その後は、触媒燃焼器４１の熱容量に相当する残留熱量（余熱）で冷媒が温められ、ＦＣ温度はさらに上昇する。

そして、ステップＳ１０７に進み、制御装置６１は、ステップＳ１０３と同様にして、燃料電池１０の温度変化量ΔＴを再度算出する。ちなみに、触媒燃焼器４１の余熱で冷媒を温めているので、燃料電池１０の温度変化量ΔＴは徐々に低下していく。

そして、ステップＳ１０８に進み、制御装置６１は、ステップＳ１０７で算出した温度変化量ΔＴが所定値以下であるかどうかを判断する。なお、所定値は、触媒燃焼器４１の余熱を用いて燃料電池１０の暖機効果が無くなる（または、ほとんど無くなる）と予想される値、例えばゼロ（温度上昇がなくなったとき）に設定される。これは、温度変化量ΔＴが所定値以下になっても冷媒が触媒燃焼器４１を通るようにすると、逆に冷媒が冷やされて、燃料電池１０の暖機が阻害されるからである。なお、このステップＳ１０８が、本実施形態における燃焼器迂回判断手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ１０８において、制御装置６１は、温度変化量ΔＴが所定値以下でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０７に戻り、温度変化量ΔＴが所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９において、制御装置６１は、三方弁４５ｂを、触媒燃焼器４１をバイパスする位置に切り替えて、触媒燃焼器４１への冷媒の供給を停止して、冷媒が燃料電池１０と触媒燃焼器４１との間で循環しないようにする。

そして、ステップＳ１１０に進み、制御装置６１は、遮断弁４９ａを閉じて、触媒燃焼器４１への空気の供給を停止して、触媒燃焼器４１の運転を終了する。

そして、ステップＳ１１１に進み、制御装置６１は、水素遮断弁２２を開いて、燃料電池１０のアノードへの水素供給を開始することで、燃料電池１０の発電を開始する。

そして、ステップＳ１１２に進み、制御装置６１は、イグニッションがオフされたかどうかを判断して、イグニッションがオフされていないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１２を繰り返し、イグニッションがオフされたと判断した場合には（Ｙｅｓ）、処理を終了する。

一方、ステップＳ１００において、制御装置６１は、触媒燃焼器４１を使用しないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１１に進み、水素遮断弁２２を開いて、水素タンク２１から燃料電池１０のアノードに水素を供給し、エアコンプレッサ３１を駆動して、燃料電池１０のカソードに空気を供給して、発電を開始する。

さらに、図４のタイミングチャートを参照しながら、本実施形態の燃料電池１０の暖機について説明する。なお、図４で示す時刻ｔｓは、従来の制御における燃焼器への水素供給停止のタイミングを示し、破線はそのときの変化を示している。

図４に示すように、時刻ｔ０において、燃料電池１０の暖機が開始されると（Ｓ１０１）、まず着火モードに設定される。すなわち、エアコンプレッサ３１の駆動が開始されるとともに遮断弁４９ａが開弁されて、触媒燃焼器４１への空気（エア）の流量が所定量１で供給される。また、遮断弁４８ａが開弁され、水素インジェクタ４８ｃの噴射時間が所定時間１に設定され、触媒燃焼器４１へ水素流量が所定量２で供給される。なお、着火モードとは、触媒が完全に燃焼を開始するまでのモードであり、触媒燃焼器４１に空気および水素を定常モードよりも少なめに供給する。これにより、水素が燃焼部４２を吹き抜けることなく、触媒温度が徐々に上昇して、ＦＣ温度（Ｔ）も徐々に上昇する。

そして、時刻ｔ１において、触媒温度が所定温度（例えば５０℃）になると、着火モードから定常モードに移行して、触媒燃焼器４１への冷媒の供給が開始される（Ｓ１０２）。また、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を上昇させ、触媒燃焼器４１に供給する空気の流量が所定量３（＞所定量１）で供給される。また、水素供給装置４８ｂの噴射時間が所定時間２（＞所定時間１）に切り替えられて、触媒燃焼器４１に供給する水素の流量が所定量４（＞所定量２）で供給される。これにより、触媒温度が例えば７００℃まで上昇し、ＦＣ温度（Ｔ）が上昇する。なお、本実施形態において、着火モードから定常モードへの移行は、触媒温度に基づいて判断しているが、これに限定されるものではなく、時間（例えば、時刻ｔ０からの経過時間）に基づいて判断してもよい。

そして、時刻ｔ２において、ＦＣ温度が、決定された燃料電池温度Ｔ１に到達すると（Ｓ１０５、Ｙｅｓ）、水素供給装置４８ｂをオフ（噴射時間を０）にして、触媒燃焼器４１に供給される水素の流量を０にする（Ｓ１０６）。ただし、エアコンプレッサ３１は定常モード時と同様の回転速度で駆動を継続する。このように、水素供給停止により触媒燃焼が停止したとしても、触媒燃焼器４１が有している余熱で冷媒が温められるので、ＦＣ温度は徐々に上昇し、最終的に暖機終了温度（例えば、１０〜２０℃）に到達する。

そして、時刻ｔ３において、再度算出したＦＣ温度の温度変化量ΔＴ（Ｓ１０７）が所定値以下になると（Ｓ１０８、Ｙｅｓ）、触媒燃焼器４１への冷媒の供給を停止する（Ｓ１０９）。

そして、時刻ｔ４において、ＦＣ温度が暖機終了温度まで到達し、触媒燃焼器４１が空気によって冷却されて、所定温度まで冷却されると、遮断弁４９ａを閉じて、触媒燃焼器４１の運転を終了する（Ｓ１１０）。

このように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、暖機終了温度（例えば、１０℃）に到達する前に触媒燃焼器４１への水素供給を停止させ、その後は触媒燃焼器４１の余熱（熱容量に相当する残留熱量）で暖機を終了させることができる。よって、図４において斜線で示すように、水素供給を早めに停止した分の水素の消費を削減することが可能になり、燃料電池システム１の燃費効率を向上できる。

また、本実施形態によれば、図３に示すようなマップを用いて、温度上昇変化量ΔＴが大きい場合には、小さい場合に比べて触媒燃焼器４１への水素供給を早めに停止しても、触媒燃焼器４１の余熱のみで燃料電池１０を暖機終了温度まで上昇させることができるため、水素消費をさらに削減することが可能になり、燃料電池システムの燃費効率を向上できる。

また、本実施形態によれば、触媒燃焼器４１への水素供給を停止してからの燃料電池１０の温度変化量ΔＴに基づいて触媒燃焼器４１に対して冷媒を迂回させるかどうかを判断するため、余熱では冷媒を温めきれなくなった場合など、燃料電池１０の暖機促進を阻害するような温度になる前に触媒燃焼器４１を迂回させて、燃料電池１０の暖機時間を短縮させることが可能になる。

また、本実施形態によれば、触媒燃焼器４１の余熱では冷媒を温めきれなくなった場合などを温度変化量ΔＴに基づいて判断するため、燃料電池１０の暖機を阻害しないように冷媒を迂回させるタイミングを正確に決めることが可能になる。よって、燃料電池１０の暖機時間を単出させることが可能になる。

また、本実施形態によれば、燃焼器として触媒燃焼器４１を用いることにより、燃焼用の触媒を高温状態で使用する時間を短縮できるため、触媒の劣化を低減させることが可能となり、触媒の寿命が向上する。また、水素供給停止後も空気が内部を流れることにより、冷媒と熱交換を行いつつ、燃焼により発生した水蒸気や未燃焼ガスを触媒燃焼器４１の外部へ早めに排出することができるため、触媒燃焼器４１の停止にかかる時間を短縮させることが可能となる。

なお、前記した実施形態では、冷媒を迂回させるかどうかの判断を温度変化量ΔＴに基づいて決定したが、これに限定されるものではなく、温度閾値を設定して、その温度閾値を超えたら冷媒を迂回させるようにしてもよい。

また、前記した実施形態では、氷点下起動時に触媒燃焼器４１を使用すると判断しているが、必ずしも低温起動時に限定されるものではなく、０℃以上であっても触媒燃焼器４１を使用して暖機するようにしてもよい。

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。 燃料電池システムの起動時の制御を示すフローチャートである。 温度上昇変化量と水素供給を停止するときの燃料電池温度との関係を示すマップである。 暖機運転時のタイミングチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
４１ 触媒燃焼器（燃焼器）
４３ａ，４３ｂ 冷媒配管
４４ ウォータポンプ
４５ 冷媒迂回手段
４５ａ バイパス配管
４５ｂ 三方弁
６１ 制御装置
６２ 温度センサ（温度検出手段）

Claims (6)

1. 酸化ガスと燃料ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスを燃焼させることにより発熱する燃焼器と、
   前記燃料電池と前記燃焼器との間において冷媒を循環させる循環手段と、を有し、
   前記燃焼器において発生した燃焼熱により加熱した前記冷媒を前記燃料電池に供給して暖機を行う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と、
   前記検出された温度を用いて前記燃料電池の温度変化量を算出する温度変化量算出手段と、
   前記温度変化量に基づいて前記燃焼器への燃料ガスの供給を停止する燃料電池温度を決定する燃料ガス供給停止温度決定手段と、をさらに有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ガス供給停止温度決定手段は、前記燃料電池の温度上昇変化量が大きいほど、前記燃焼器への燃料ガスの供給を停止する燃料電池温度を低い値に設定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. 前記燃焼器を迂回して前記燃料電池に冷媒を循環させる冷媒迂回手段と、
   前記燃焼器への燃料ガスの供給停止後に再度算出した燃料電池の温度変化量に基づいて、前記冷媒迂回手段により冷媒を前記燃焼器を迂回させるかを判断する燃焼器迂回判断手段と、を有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. 前記燃焼器迂回判断手段は、前記燃料電池の温度変化量が所定値以下になったときに前記燃焼器を迂回させると判断することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃焼器は、燃料ガスと酸化ガスとを触媒に供給することにより触媒燃焼を行う触媒燃焼器であり、前記燃焼器への燃料ガスの供給停止後も酸化ガスの供給を継続することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 酸化ガスと燃料ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料ガスを燃焼させることにより発熱する燃焼器との間で冷媒を循環させ、前記燃焼器において発生した燃焼熱により加熱した冷媒を前記燃料電池に供給して暖機を行う燃料電池システムの運転方法において、
   前記燃料電池の温度を検出するステップと、
   前記検出された温度を用いて前記燃料電池の温度変化量を算出するステップと、
   前記温度変化量に基づいて前記燃焼器への燃料ガスの供給を停止する燃料電池温度を決定するステップと、を有することを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

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