JP2009099355A - 燃料電池暖機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内部で発生する凝縮水の凍結を好適に防止する燃料電池暖機装置を提供する。
【解決手段】燃料ガスを触媒燃焼させて高温ガスを生成する触媒燃焼部６１の下流に配置され、高温ガスと燃料電池スタック１０を経由して循環する冷媒との間で熱交換し、燃料電池スタック１０を暖機する熱交換部６２と、熱交換部６２の近傍に配置され、熱交換部６２で発生した凝縮水を貯溜するタンク部７１と、タンク部７１に貯溜された凝縮水を外部に排出するドレン弁７２を備える燃料電池暖機装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池暖機装置に関する。

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、電気化学反応を生じさせ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、水素（燃料ガス）及び酸素を含む空気（酸化剤ガス）を触媒燃焼させて燃焼熱を発生させ、この燃焼熱を有する高温ガスと燃料電池を経由しつつ循環する冷媒との間で熱交換させ、燃料電池を暖機する燃料電池暖機装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−１３９９９１号公報

ところが、水素と空気中の酸素とを触媒燃焼させると水蒸気が生成し、そして、熱交換器において高温ガスと冷媒とで熱交換したとき、前記水蒸気の温度が下がり、水蒸気の凝縮により凝縮水（液体水分）が生成し、凝縮水が熱交換器を構成するフィンの表面や、触媒燃焼させる触媒の表面に付着する虞がある。

また、熱交換器の下流が、例えば燃料電池のカソードから排出されたカソードオフガスが流れる配管に接続された構成である場合、カソードオフガス中の水蒸気が熱交換器に向かって逆流し、逆流した水蒸気の凝縮により生成した凝縮水がフィン等の表面に付着する虞がある。

そして、このようにフィン等の表面に凝縮水が付着したまま、燃料電池システムが氷点下等の低温環境下で起動し極低温の冷媒が循環したり、システム停止中に低温環境下に曝されると、凝縮水が凍結する虞がある。そして、このように凝縮水が凍結すると、触媒燃焼反応が不安定になったり、熱交換が効率的に行われなかったり、配管が閉塞する虞がある。

そこで、本発明は、内部で発生する凝縮水等の液体水分の凍結を好適に防止する燃料電池暖機装置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、燃料ガスを触媒燃焼させて高温ガスを生成する触媒燃焼部の下流に配置され、前記高温ガスと燃料電池を経由して循環する熱媒体との間で熱交換し、前記燃料電池を暖機する熱交換部と、前記熱交換部の近傍に配置され、当該熱交換部で発生した液体水分を貯溜するタンク部と、を備えることを特徴とする燃料電池暖機装置である。

このような燃料電池暖機装置によれば、熱交換部で発生した凝縮水等の液体水分がタンク部で貯溜される。これにより、一旦タンク部で貯溜されると、液体水分が熱交換部のフィン等の表面に付着しにくくなる。

したがって、例えば、低温環境下において燃料電池システムが起動し、極低温の熱媒体が熱交換部を流通しても、熱交換部における液体水分の凍結を防止できる。また、停止中の燃料電池暖機装置が低温環境下に曝されたとしても、熱交換部やこれに接続する配管における液体水分の凍結を防止できる。そして、液体水分が凍結していない熱交換部により、高温ガスと熱媒体との間で効率的に熱交換し、燃料電池を好適に暖機することができる。
なお、燃料電池暖機装置の停止とは、触媒燃焼反応が生じておらず、高温ガスが生成していないことを意味する。

また、本発明は、燃料ガスを触媒燃焼させて高温ガスを生成し、当該高温ガスと燃料電池を経由して循環する熱媒体との間で熱交換し前記燃料電池を暖機する熱交換部に、前記高温ガスを供給する触媒燃焼部と、前記触媒燃焼部の近傍に配置され、当該触媒燃焼部で発生した液体水分を貯溜するタンク部と、を備えることを特徴とする燃料電池暖機装置である。

このような燃料電池暖機装置によれば、触媒燃焼部で発生した凝縮水等の液体水分がタンク部で貯溜される。これにより、一旦タンク部で貯溜されると、液体水分が触媒燃焼部の触媒等の表面に付着しにくくなる。

したがって、例えば、停止中の燃料電池暖機装置が低温環境下に曝されたとしても、触媒燃焼部における液体水分の凍結を防止できる。また、触媒燃焼部の近傍を冷媒が流通する構成である場合、例えば、低温環境下において燃料電池システムが起動し、極低温の冷媒が触媒燃焼部の近傍を流通しても、触媒燃焼部における液体水分の凍結を防止できる。そして、凝集水が凍結していない触媒燃焼部により、燃料ガスを好適に触媒燃焼させて、高温ガスを効率的に生成することができ、熱交換部において生成した高温ガスと熱媒体との間で熱交換させ、燃料電池を好適に暖機することができる。

また、前記タンク部に貯溜された液体水分を外部に排出する排出弁を備えることを特徴とする燃料電池暖機装置である。

このような燃料電池暖機装置によれば、排出弁を適宜に開くことにより、タンク部に貯溜された液体水分を、外部に直接排出することができ、熱交換部又は触媒燃焼部に加えて、タンク部における液体水分の凍結も防止できる。また、タンク部の容量を小型化することができる。
なお、排出弁は、タンク部に貯溜された液体水分の量に対応して、溢れないように、例えば所定貯溜量以上となった場合、開かれる構成とすることが好ましい。

また、前記排出弁を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記燃料電池暖機装置を掃気ガスで掃気する掃気手段による掃気の実行中に、前記排出弁を開くことを特徴とする燃料電池暖機装置である。

ここで、燃料電池暖機装置の掃気とは、燃料電池暖機装置（熱交換部及び／又は触媒燃焼部）に空気等の掃気ガスを導入し、これに残留する燃料ガスや、触媒燃焼により生成した水蒸気等を、外部に押し出すことである。
このような燃料電池暖機装置によれば、掃気手段による掃気の実行中に、制御手段が排出弁を開くことにより、掃気ガスによってタンク部に貯溜された液体水分を外部に排出することができる。
なお、掃気手段による燃料電池暖機装置の掃気は、例えば、燃料電池の暖機完了後に開始される。

また、前記掃気手段による掃気開始から、残留する燃料ガスが排出される時間の経過後、前記制御手段は前記排出弁を開くことを特徴とする燃料電池暖機装置である。

このような燃料電池暖機装置によれば、残留する燃料ガスが排出される時間の経過後、制御手段が排出弁を開くので、残留する燃料ガスが排出弁を介して外部にそのまま排出されることを防止できる。

また、前記掃気手段による掃気開始から、残留する燃料ガスが排出される量の掃気ガスが供給された後、前記制御手段は前記排出弁を開くことを特徴とする燃料電池暖機装置である。

このような燃料電池暖機装置によれば、残留する燃料ガスが排出される量の掃気ガスが供給された後、制御手段が排出弁を開くので、残留する燃料ガスが排出弁を介して外部にそのまま排出されることを防止できる。

本発明によれば、内部で発生する凝縮水等の液体水分の凍結を好適に防止する燃料電池暖機装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図３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、燃料電池暖機装置が組み込まれたシステムであり、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を経由するように冷媒（熱媒体）を循環させる冷媒循環系（熱媒体循環手段）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）等と、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（電極）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。そして、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路とが電気的に接続され、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、各セパレータには、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒が通流する冷媒流路１３を構成する溝、貫通孔が形成されている。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、遮断弁２２とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａ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２２ｂを介して、後記する希釈器３２に接続されている。そして、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が、希釈器３２に排出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、希釈器３２（希釈装置）と、水素センサ３３（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。なお、配管３１ａには、カソード流路１２に向かう空気を適宜に加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。
また、コンプレッサ３１（掃気手段）は、触媒燃焼器６０を掃気する場合、掃気ガス（非加湿の空気）を触媒燃焼器６０に供給するようになっている。

カソード流路１２の出口は、配管３２ａを介して希釈器３２に接続されており、カソード流路１２（カソード）から排出されたカソードオフガスが希釈器３２に導入されるようになっている。
希釈器３２は、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３２で希釈された後のガスは、配管３２ｂを介して、車外（外部）に排出されるようになっている。

水素センサ３３は、水素濃度を検出するセンサであり、配管３２ｂ上であって、配管３２ｂと後記する触媒燃焼器６０から排出された排ガスが流れる配管６０ｃ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３３は、触媒燃焼器６０の下流に配置されている。
そして、水素センサ３３は、配管３２ｂを流れるガス中の水素濃度Ｃ１１を検出し、ＥＣＵ９０に出力す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４１（放熱器）と、ポンプ４２と、三方弁４３と、温度センサ４４とを備えている。
冷媒流路１３の出口は、配管４１ａ、ラジエータ４１、配管４１ｂ、ポンプ４２、配管４２ａ、三方弁４３、配管４３ａ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４２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４３（方向切替手段）は、ＥＣＵ９０によって制御され、配管４２ａと、配管４３ａ又は後記する配管６０ａとを連通させることができ、循環する冷媒を触媒燃焼器６０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６０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６０ａを通って、触媒燃焼器６０に向かうように、三方弁４３は制御される。
ただし、循環する冷媒の触媒燃焼器６０の経由／迂回を切替可能であれば三方弁４３に限定されず、例えば、配管４３ａ、６０ａ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。

温度センサ４４は、冷媒流路１３から排出された直後の冷媒の温度Ｔｗ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４１ａに設けられている。そして、温度センサ４４は検出した冷媒（燃料電池スタック１０）の温度ＴｗをＥＣＵ９０に出力するようになっている。

＜冷媒加熱系＞
冷媒加熱系は、循環する冷媒を介して燃料電池スタック１０を暖機（加熱）する系であり、水素導入弁５１と、空気導入弁５２と、温度センサ５３と、触媒燃焼器６０とを備えている。

空気導入弁５２の上流側は配管５２ａを介して配管３１ａに接続されており、空気導入弁５２の下流側は配管５２ｂを介して後記する触媒燃焼部６１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５２がＥＣＵ９０によって開かれると、酸素を含む空気（酸化剤ガス）が触媒燃焼部６１に向かうようになっている。
ただし、空気導入弁５２はこれに限定されず、例えば、配管５２ａと配管３１ａとの合流点に設けられた三方弁でもよい。

水素導入弁５１の上流側は配管５１ａを介して配管２１ａに接続されており、水素導入弁５１の下流側は配管５１ｂ、インジェクタ（図示しない）介して、配管５２ｂに接続されている。そして、ＥＣＵ９０からの指令によって水素導入弁５１が開かれ、前記インジェクタが適宜に制御されると、水素（燃料ガス）が配管５２ｂ内に吐出（供給）され、配管５２ｂを流れる空気と混合され燃料混合ガスを生成し、燃料混合ガスが触媒燃焼部６１に供給されるようになっている。

［触媒燃焼器］
触媒燃焼器６０は、燃料混合ガスを触媒下で触媒燃焼させて、燃焼熱を有する高温ガスを生成し、この高温ガスによって、冷媒を介して燃料電池スタック１０を暖機（加熱）する機器である。そして、触媒燃焼器６０は、触媒燃焼部６１と、触媒燃焼部６１の下流に配置された熱交換部６２と、触媒燃焼部６１及び／又は熱交換部６２で発生した凝縮水等の液体水分を貯溜するタンク部７１と、タンク部７１に貯溜された凝縮水等の液体水分を排出する常閉型のドレン弁７２（排出弁）とを備えている。
触媒燃焼部６１と熱交換部６２とは、筒状の筐体６３によって一体に構成されており、その外側には円筒状のウォータジャケット６４が配置されている。

触媒燃焼部６１は、筐体６３の上流側部分と、この内部に配置された触媒本体６５と、触媒本体６５に向かう燃料混合ガスを整流する整流板６６と、筐体６３の外に配置されたウォータジャケット６４の一部と、温度センサ６７とを備えている。

触媒本体６５は、コージエライト等から形成され、燃料混合ガスが流通す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触媒燃焼反応を生じさせる触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）とを備えている。整流板６６は、触媒本体６５に向かう燃料混合ガスを整流する例えば多孔質板であり、触媒本体６５の上流に配置されている。
そして、整流板６６で整流された燃料混合ガスが触媒本体６５に供給されると、水素及び酸素が触媒下で触媒燃焼反応し、燃焼熱を帯びた高温ガスを生成するようになっている。次いで、高温ガスは熱交換部６２に導入されるようになっている。

温度センサ６７は、触媒本体６５から熱交換部６２に向かう高温ガスの温度を、触媒本体６５の触媒の温度（触媒温度Ｔｓ）として検出するセンサである。そして、温度センサ６７は、検出した触媒温度ＴｓをＥＣＵ９０に出力するようになっている。

熱交換部６２は、触媒燃焼部６１の下流に配置されており、筐体６３の下流側部分と、この外部に配置されたウォータジャケット６４の一部と、触媒燃焼部６１からの高温ガスとウォータジャケット６４内を通流する冷媒との間で効率的に熱交換させるためのフィン６８と、を備えている。
そして、熱交換部６２に導入された高温ガスは、フィン６８を介して、三方弁４３から配管６０ａを経由してウォータジャケット６４を流れる冷媒を加熱するようになっている。加熱された冷媒は、配管６０ｂを介して、配管４３ａに送られた後、冷媒流路１３を通る際に、燃料電池スタック１０を暖めるようになっている。

また、熱交換後の高温ガス（排ガス）は、配管６０ｃを通って、配管３２ｂに排出されるようになっている。よって、車外に排出される排ガス中の未燃焼の水素濃度Ｃ１１は、水素センサ３３によって検出されるようになっている。
さらに、温度センサ５３が配管６０ｃに配置されており、排ガスの温度Ｔ５を検出し、ＥＣＵ９０に出力するようになっている。

タンク部７１は、本実施形態では、筐体６３の底壁を容器状に加工することで形成された部分であり、触媒燃焼部６１及び／又は熱交換部６２で発生した凝縮水等を補水し、貯溜するように、熱交換部６２の近傍であるフィン６８の鉛直下方に配置されている。
なお、凝縮水等がタンク部７１に好適に集まるように、タンク部７１の表面、フィン６８の表面、筐体６３の内周面に撥水コーティング層を形成してもよいし、また、タンク部７１の開口縁をテーパ面としてもよい。

タンク部７１の底壁には、配管７２ａ、常閉型のドレン弁７２、配管７２ｂが接続されている。そして、ＥＣＵ９０により、ドレン弁７２が開かれると、タンク部７１に貯溜された凝縮水等が車外（外部）に排出されるようになっている。

＜ＩＧ等＞
ＩＧ８１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、ＩＧ８１はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０はＩＧ８１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、走行要求に応じて運転者が踏み込むペダルである。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、運転者から走行要求（発電要求）があると認識するようになっている。
車速センサ８３は、燃料電池自動車の車速Ｖ１を検出し、ＥＣＵ９０に出力するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ９０（制御手段）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、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

ここで、本実施形態において、燃料電池暖機装置は、触媒燃焼部６１と、熱交換部６２と、タンク部７１と、ドレン弁７２と、ＥＣＵ９０とを備えて構成されている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図２を参照して、燃料電池システム１の動作を、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、ここでは、システム起動時に燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが、暖機必要温度Ｔ０（例えば０℃）未満であったため、触媒燃焼器６０を運転、つまり、触媒燃焼反応を生じさせつつ、循環する冷媒を介して燃料電池スタック１０の暖機を開始し、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機完了温度Ｔ１に到達したため、触媒燃焼器６０の運転を停止（触媒燃焼器６０への水素、空気の供給停止）すると共に、燃料電池スタック１０の発電が開始、つまり、燃料電池スタック１０が発電中であることを前提として説明する。

すなわち、この前提において、水素及び空気が供給される燃料電池スタック１０は発電中であって、冷媒は触媒燃焼器６０を迂回しつつ循環しており、水素導入弁５１及び空気導入弁５２は閉じられている。

そして、この前提では、低温環境下でシステムが起動しているため、触媒燃焼器６０内には、水素や生成した水蒸気が残留していたり、触媒の表面やフィン６８の表面には水蒸気が凝縮することで発生した凝縮水（液体水分）が付着している虞がある。また、カソードオフガス中の水蒸気が、配管６０ｃを逆流し、この水蒸気が凝縮することで発生した凝縮水が、フィン６８等の表面に付着している虞もある。そして、この発生した凝縮水は、タンク部７１に貯溜されている可能性がある。
また、凝縮水が極低温の冷媒によって冷却され、フィン６８の表面に霜が発生している虞もある。

なお、暖機必要温度Ｔ０と、暖機完了温度Ｔ１と、前記フィン６８の表面の霜を解氷可能であって、掃気時に触媒燃焼器６０に導入される掃気ガスを好適に暖め、掃気を開始可能な冷媒の温度（掃気開始温度Ｔ２とする）とは、暖機必要温度Ｔ０＜暖機完了温度Ｔ１＜掃気開始温度Ｔ２の関係となっている。そして、これら温度は、事前試験等により求められ、ＥＣＵ９０に予め記憶されている。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ９０は、信号待ち等によって燃料電池自動車が停止したか否かを、車速センサ８３から入力される車速Ｖ１と、停止判定時間Δｔ１とに基づいて判定する。なお、車速Ｖ１が０である時間が停止判定時間Δｔ１継続した場合、燃料電池自動車は停止したと判定される。停止判定時間Δｔ１（例えば３０秒）は事前試験等により求められ、ＥＣＵ９０に予め記憶されている。

燃料電池自動車は停止したと判定された場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池自動車は停止していないと判定された場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１０１の判定を繰り返す。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器６０を迂回しながら循環する冷媒の温度Ｔｗが掃気開始温度Ｔ２以上であるか否かを判定する。
冷媒の温度Ｔｗが掃気開始温度Ｔ２以上である場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０３に進む。一方、冷媒の温度Ｔｗが掃気開始温度Ｔ２以上でない場合（Ｓ１０２・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０１に進む。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ９０は、掃気開始温度Ｔ２以上の冷媒によって掃気ガスを暖めつつ、触媒燃焼器６０の掃気を開始する。
具体的には、ＥＣＵ９０は、空気導入弁５２を開きつつ、コンプレッサ３１の回転速度を、掃気用の回転速度に高める。コンプレッサ３１の回転速度を高めることより、掃気時間を短縮、及び、燃料電池スタック１０における空気不足の防止が図られる。
これに並行して、冷媒が触媒燃焼器６０を経由するように、三方弁４３を切り替える。

そうすると、触媒燃焼器６０に導入された掃気ガスが、掃気開始温度Ｔ２以上の冷媒によって掃気ガスが暖められつつ、この暖められた掃気ガスによって、触媒燃焼器６０に残留する水素、水蒸気は除去され、配管６０ｃを介して、配管３２ｂに押し出される。
ここで、配管３２ｂには、コンプレッサ３１からカソード流路１２を経由し、これから排出されたカソードオフガスが流通しているので、触媒燃焼器６０から配管３２ｂに残留水素が押し出されたとしても、カソードオフガスで希釈された後、車外に排出される。

これに並行して、触媒やフィン６８の表面に付着した凝縮水は、触媒やフィン６８から除去され、タンク部７１に貯溜される。また、フィン６８の表面の霜は、掃気ガスによって解氷され、融解水（液体水分）を生成し、この融解水はタンク部７１に貯溜される。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ９０は、内部クロックを利用して、ステップＳ１０３における掃気の開始から、待ち時間Δｔ２（所定時間）経過したか否かを判定する。待ち時間Δｔ２は、掃気開始後、この時間が経過すれば触媒燃焼器６０の残留水素が、配管６０ｃ、３２ｂを介して車外に排出されるとされる時間であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ９０に予め記憶されている。

待ち時間Δｔ２経過したと判定された場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０５に進む。一方、待ち時間Δｔ２経過していないと判定された場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１１に進む。
なお、一旦、待ち時間Δｔ２が経過した後、掃気が中断され、スタートに戻った場合、触媒燃焼器６０内に残留水素は存在しないので、Ｓ１０４の判定を省略する構成としてもよい。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ９０は、ドレン弁７２を開く。これにより、タンク部７１に貯溜された液体水分（凝縮水、融解水）は車外に排出される。また、触媒燃焼器６０に掃気ガスが導入されている掃気の実行中に、ドレン弁７２が開かれるので、掃気ガスによって凝縮水を押し出し、車外に排出することができる。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ９０は、積算掃気時間と所定掃気時間Δｔ３とに基づいて、触媒燃焼器６０の掃気が完了したか否かを判定する。すなわち、後記するように掃気中に走行が再開した場合（Ｓ１１１・Ｙｅｓ、Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、過去の掃気時間を積算して、積算掃気時間を求める。また、所定掃気時間Δｔ３は、触媒燃焼器６０の掃気が完了したとされる時間であり、事前試験等により求められ、予めＥＣＵ９０に記憶されている。

積算掃気時間が所定掃気時間Δｔ３以上であり、掃気が完了したと判定された場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０７に進む。一方、積算掃気時間が所定掃気時間Δｔ３以上でなく、掃気が完了していないと判定された場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１２に進む。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器６０の掃気が完了したことを一時的に記憶するため、これに対応するフラグＡに１を代入する。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ９０は、空気導入弁５２を閉じ、コンプレッサ３１の回転速度を通常の回転速度に下げ、冷媒が触媒燃焼器６０を迂回するように、三方弁４３を切り替える。
すなわち、ステップＳ１０７からステップＳ１０８に進んだ場合、触媒燃焼器６０の掃気が終了し、触媒燃焼器６０は掃気済となる。一方、後記するステップＳ１１１、Ｓ１１２からステップＳ１０８に進んだ場合、触媒燃焼器６０の掃気は中断される。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ９０は、ドレン弁７２を閉じる。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ９０は、フラグＡを参照して、触媒燃焼器６０の掃気が完了しているか否かを判定する。
フラグＡが１である場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器６０の掃気は完了していると判定し、ＥＣＵ９０の処理はエンドに進む。そして、ＥＣＵ９０は、アクセルペダル８２等からの発電要求に応じて燃料電池スタック１０を発電させる。
一方、フラグＡが１でない場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、触媒燃焼器６０の掃気は完了していないと判定し、ＥＣＵ９０の処理はリターンを経由してスタートに戻る。

次に、ステップＳ１０４の判定結果がＮｏの場合に進むステップＳ１１１を説明する。
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ９０は、アクセルペダル８２からの信号に基づいて、走行が再開したか否かを判定する。
アクセルペダル８２が踏み込まれ、走行が再開したと判定した場合（Ｓ１１１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、アクセルペダル８２が踏み込まれておらず、走行が再開していないと判定した場合（Ｓ１１１・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０４に進む。

次に、ステップＳ１０６の判定結果がＮｏの場合に進むステップＳ１１２を説明する。
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１１１と同様に、走行が再開したか否かを判定する。
走行が再開したと判定した場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、走行が再開していないと判定した場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０６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、次の効果を得る。
タンク部７１によって、触媒燃焼部６１及び／又は熱交換部６２で発生した凝縮水等を捕水し、貯溜することができる。これにより、貯溜された凝縮水等が、触媒燃焼部６１及び／又は熱交換部６２において、凍結することを防止でき、また、凍結による配管６０ｃ等の閉塞も防止できる。

ＥＣＵ９０がドレン弁７２を開くことにより、タンク部７１に貯溜された凝縮水等を車外に排出することができる。また、掃気の実行中にドレン弁７２を開くので、掃気ガスによって、貯溜された凝縮水等を押し出しつつ、車外に押し出すことができる。
さらに、掃気開始から待ち時間Δｔ２が経過した後、ドレン弁７２を開くので、残留水素がドレン弁７２を介して希釈されずに、車外に排出されることを防止できる。

≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、燃料電池システム１の一動作例について、図３を参照して説明する。
ＩＧ８１のＯＮ時における燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機必要温度Ｔ０未満であるので、触媒燃焼器６０の運転が開始され、燃料電池スタック１０の暖機が開始される。そして、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが、暖機完了温度Ｔ１になると、触媒燃焼器６０の運転が停止され（水素導入弁５１及び空気導入弁５２→閉）、燃料電池スタック１０の発電が開始する。

その後、燃料電池自動車が停止したと判定され（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、冷媒の温度Ｔｗが掃気開始温度Ｔ２になると（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器６０の掃気が開始される（Ｓ１０３）。次いで、待ち時間Δｔ２が経過すると（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ドレン弁７２が開かれる。
その後、所定掃気時間Δｔ３が経過すると（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器６０の掃気が終了し（Ｓ１０８）、ドレン弁７２が閉じられる（Ｓ１０９）。

以上、本発明の一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。

前記した実施形態では、ステップＳ１０３の掃気開始から待ち時間Δｔ２経過した場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ドレン弁７２を開く構成としたが（Ｓ１０５）、その他に例えば、掃気開始から、残留水素が配管６０ｃ、３２ｂを介して車外に排出される所定量の掃気ガスが触媒燃焼器６０に供給された後、ドレン弁７２を開く構成としてもよい。ここで、触媒燃焼器６０に供給される掃気ガスの量は、例えば、流量計や、コンプレッサ３１の吐出量及び吐出時間等に基づいて求められる。また、前記判定基準となる所定量は、事前試験等により求められ、予めＥＣＵ９０に記憶される。
その他、水素センサ３３が検出する触媒燃焼器６０の排ガス中の水素濃度Ｃ１１が所定水素濃度以下となった場合、残留水素が排出されたと判定して、ドレン弁７２を開く構成としてもよい。

前記した実施形態では、ステップＳ１０２において、冷媒の温度Ｔｗが掃気開始温度Ｔ２以上である場合（Ｓ１０２・Ｙｅｓ）、掃気を開始する構成としたが（Ｓ１０３）、その他に例えば、温度センサ６７が検出する触媒温度Ｔｓ、温度センサ５３が検出する排ガスの温度Ｔ５が、これに対応する掃気開始温度（例えば０℃）以上である場合、掃気を開始する構成としてもよい。

前記した実施形態では、触媒燃焼部６１と熱交換部６２とが一体であって、タンク部７１が熱交換部６２のフィン６８の鉛直下方に配置された構成を例示したが、図４に示すように、触媒燃焼部６１と熱交換部６２とが一体でなく、触媒燃焼部６１で生成した高温ガスが配管６０ｄを介して熱交換部６２に供給される触媒燃焼器６０Ａでもよい。

この場合、例えば、図４に示すように、触媒本体６５の下流（近傍）にもタンク部７１を配置し、タンク部７１に貯溜された凝縮水等を排出するドレン弁７２を設ければよい。
なお、冷媒は、熱交換部６２のウォータジャケット６４から、配管６０ｅを介して、触媒燃焼部６１のウォータジャケット６４に流れるようになっている。

前記した実施形態では、図１に示すように、タンク部７１が、熱交換部６２を構成するフィン６８の鉛直下方に配置された構成を示したが、タンク部７１の位置はこれに限定されない。例えば、触媒燃焼器６０を構成する筒状の筐体６３が、高温ガスの流れ方向（軸方向）において長い場合、タンク部７１が、前記方向において、フィン６８よりも下流に配置された構成でもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本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。 本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一部の構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
３１ コンプレッサ（掃気手段）
４４ 温度センサ
５２ 空気導入弁
６０ 触媒燃焼器
６１ 触媒燃焼部
６２ 熱交換部
７１ タンク部
７２ ドレン弁（排出弁）
９０ ＥＣＵ（制御手段）
Δｔ２ 待ち時間

Claims (6)

1. 燃料ガスを触媒燃焼させて高温ガスを生成する触媒燃焼部の下流に配置され、前記高温ガスと燃料電池を経由して循環する熱媒体との間で熱交換し、前記燃料電池を暖機する熱交換部と、
   前記熱交換部の近傍に配置され、当該熱交換部で発生した液体水分を貯溜するタンク部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池暖機装置。
2. 燃料ガスを触媒燃焼させて高温ガスを生成し、当該高温ガスと燃料電池を経由して循環する熱媒体との間で熱交換し前記燃料電池を暖機する熱交換部に、前記高温ガスを供給する触媒燃焼部と、
   前記触媒燃焼部の近傍に配置され、当該触媒燃焼部で発生した液体水分を貯溜するタンク部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池暖機装置。
3. 前記タンク部に貯溜された液体水分を外部に排出する排出弁を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池暖機装置。
4. 前記排出弁を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池暖機装置を掃気ガスで掃気する掃気手段による掃気の実行中に、前記排出弁を開く
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池暖機装置。
5. 前記掃気手段による掃気開始から、残留する燃料ガスが排出される時間の経過後、前記制御手段は前記排出弁を開く
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池暖機装置。
6. 前記掃気手段による掃気開始から、残留する燃料ガスが排出される量の掃気ガスが供給された後、前記制御手段は前記排出弁を開く
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池暖機装置。

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