JP4971664B2 - 燃料電池システムおよびその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池と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。

従来、燃料電池と燃焼器とを備えた燃料電池システムが種々提案されている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、電力需要がないときに、燃料電池の発電を停止して待機運転に移行し、待機運転では、燃料ガスと空気の量をそれぞれ低減して燃焼器へ供給して、燃料電池を暖機することが提案されている。また、特許文献２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池の水素循環系からの水素パージに伴って、水素を燃焼器へ供給して、それに応じてカソード側のエアを燃焼器に導入することが提案されている。
特開２００４−１０３２８７号公報（段落００３７、図１） 特開２００４−１９９９３１号公報（段落００２７、図１）

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池と燃焼器の同時運転や単独運転についての技術は提案されているものの、具体的なガスの供給の仕方について、特に燃料電池および燃焼器へのガス供給源が同一の場合のガスの供給の仕方については全く検討されていなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池と燃焼器とを備えてガス供給源が同一の燃料電池システムにおいて、燃料電池および燃焼器の運転状況に応じて適切にガス供給を行う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、水素と空気とが供給されることにより発電を行う燃料電池と、水素と前記空気との反応により燃焼させて前記燃料電池の暖機を行う燃焼器と、前記空気を前記燃料電池および前記燃焼器に供給する空気供給手段と、前記燃料電池の目標発電量に基づいて、前記燃料電池への前記空気の必要量を求める燃料電池必要エア量算出手段と、前記燃焼器の目標発熱量に基づいて、前記燃焼器への前記空気の必要量を求める燃焼器必要エア量算出手段と、前記燃料電池必要エア量算出手段および前記燃焼器必要エア量算出手段で求めた前記空気の必要量の積算量に基づいて、前記空気供給手段を制御するエア供給量制御手段と、を備え、前記燃焼器の目標発熱量は、前記燃料電池の必要暖機熱量から前記燃料電池の自己発熱量を減算した量であることを特徴とする。なお、燃焼器に供給する水素の供給源は、燃料電池に供給する水素の供給源と同一であっても、異なっていてもどちらでもよい。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池と燃焼器とを並行運転するシステムにおいて、燃料電池と燃焼器の双方に対して過不足なく空気を供給することができるため、燃料電池と燃焼器の安定運転が可能となる。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池を燃焼器で暖機する際に、必要最低限の空気供給および水素供給が可能となり、空気供給手段が必要とするエネルギーの削減および水素消費量を低減できる。

請求項２に係る発明は、前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された空気が導入されるように配置され、前記燃料電池と前記燃焼器とを並行運転する際に、前記燃料電池への前記空気の必要量は、少なくとも前記燃料電池の発電に伴う消費分であることを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、燃料電池と燃焼器とを並行運転するときは、燃料電池の空気の必要量を燃料電池が実際に消費する消費分とすることで、供給する空気量の削減ができ、空気供給手段が消費するエネルギーの削減が可能になる。このとき、燃料電池には、燃焼器で使用される分の空気も供給されるため、燃料電池の安定発電が可能となるストイキを確保できる。
また、燃料電池は、低温起動時には、ストイキが若干高くなるように空気の供給量が多くなるが、燃料電池内で反応に使われる空気中の酸素量は少ないため多くの酸素が燃料電池から排出される。このような低温起動時には、暖機が必要となって燃焼器の運転が行われるので、燃料電池から排出された空気を無駄に排出することがなくなる。

請求項３に係る発明は、水素と空気とが供給されることにより発電を行う燃料電池と、水素と前記空気との反応により燃焼させて前記燃料電池の暖機を行う燃焼器と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池の目標発電量に基づいて、前記燃料電池への前記空気の必要量を求める燃料電池必要エア量算出ステップと、前記燃焼器の目標発熱量に基づいて、前記燃焼器への前記空気の必要量を求める燃焼器必要エア量算出ステップと、前記燃料電池必要エア量算出ステップおよび前記燃焼器必要エア量算出ステップで求めた前記空気の必要量の積算量に基づいて供給するエア供給量制御ステップと、を含み、前記燃焼器の目標発熱量は、前記燃料電池の必要暖機熱量から前記燃料電池の自己発熱量を減算した量であることを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、燃料電池と燃焼器の双方に対して過不足なく空気を供給することができるため、燃料電池および燃焼器の安定運転が可能となる。

本発明によれば、燃料電池と燃焼器とを備えてガス供給源が同一の燃料電池システムにおいて、燃料電池および燃焼器の運転状況に応じて適切にガス供給を行うことができる。

（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である。なお、本実施形態については、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、例えば、船舶や航空機などの他の乗り物用の燃料電池システムに適用してもよい。

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ＨＴＲ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、制御部４０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とで挟んでなる膜電極構造体（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、一方のセパレータ５には、アノード３と対向する面に水素が流通する流路ａ１が形成され、もう一方のセパレータ６には、カソード４と対向する面に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。このように形成された燃料電池ＦＣでは、アノード３に水素が、カソード４に空気がそれぞれ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る。燃料電池ＦＣから出力された電気は、走行モータや各種の補機に供給される。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。

前記アノード系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、水素供給配管１１、水素排出配管１２、循環配管１３、水素タンク１４、遮断弁１４ａ，１５、エゼクタ１６、パージ弁１７などで構成されている。

前記水素供給配管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であり、その一端が水素タンク１４に接続され、他端が遮断弁１４ａ，１５およびエゼクタ１６を介して燃料電池ＦＣの流路ａ１の入口に接続されている。

前記水素排出配管１２は、燃料電池ＦＣのアノード３を通って排出される水素が流通する流路であり、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を介して車外へと通じている。

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る。

前記遮断弁１４ａは、水素タンク１４の近傍に設けられ、後記する制御部４０によって開閉動作が制御される。なお、この遮断弁１４ａは、水素タンク１４内に設けられたインタンク式のものであってもよい。

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、後記する制御部４０によって開閉動作が制御される。

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吸引して、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、制御部４０の制御によって開閉するようになっている。燃料電池ＦＣでは、カソード４で生成された生成水や空気中の窒素などの不純物が電解質膜２を介してアノード３に透過すると発電性能が損なわれるので、例えば定期的に開弁することにより、アノード３内の水素濃度の低下を防止するようになっている。

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、空気供給配管２１、空気排出配管２２、エアコンプレッサ２３、三方弁２４などで構成されている。

前記空気供給配管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であり、その一端が燃料電池ＦＣの流路ａ２の入口に接続され、他端が三方弁２４を介してエアコンプレッサ２３に接続されている。

前記空気排出配管２２は、燃料電池ＦＣのカソード４から排出される空気が流通する流路であり、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に向けて供給する機能を有している。なお、このエアコンプレッサ２３が、請求の範囲の空気供給手段に相当する。

前記三方弁２４は、空気供給配管２１と、後記する暖機系３０に設けられた空気導入配管３４との分岐部分に設けられ、制御部４０の制御によって、燃料電池ＦＣへの空気供給量と燃焼器ＨＴＲへの空気供給量とを適宜調整できるようになっている。

前記暖機系３０は、燃料電池ＦＣに加熱した熱交換媒体を循環させて暖機するものであり、燃焼器ＨＴＲ、水素導入配管３２、水素インジェクタ３３、空気導入配管３４、排出ガス配管３５、熱交換媒体循環配管３６，３７、循環ポンプ３８、温度センサ３９などで構成されている。

前記燃焼器ＨＴＲは、燃焼部３１ａと熱交換部３１ｂとで構成されている。燃焼部３１ａは、例えばハニカム構造体に触媒が担持されたものであり、水素と空気の混合ガスが供給されることで触媒燃焼するようになっている。熱交換部３１ｂは、燃焼部３１ａで触媒燃焼して生成された高温の排ガスが流通する流路と、燃料電池ＦＣとの間で循環する熱交換媒体が流通する流路とを備えている。

前記水素導入配管３２は、水素タンク１４から燃焼器３１に水素を導入する流路であり、一端が水素供給配管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３３を介して空気導入配管３４に接続されている。

前記水素インジェクタ３３は、燃焼器ＨＴＲの上流の空気導入配管３４に水素を噴射するものであり、制御部４０の制御により開放時間を変えることにより、その噴射量が増減するようになっている。

前記空気導入配管３４は、エアコンプレッサ２３からの空気を燃焼器ＨＴＲに導入する流路であり、一端が三方弁２４に接続され、他端が燃焼器ＨＴＲの上流側に接続されている。

前記排出ガス配管３５は、燃焼器ＨＴＲで生成された排ガスを排出する流路であり、一端が燃焼器ＨＴＲの下流側に接続され、他端が空気排出配管２２と合流して車外に連通するようになっている。

前記熱交換媒体循環配管３６，３７は、燃料電池ＦＣと燃焼器ＨＴＲ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３６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。熱交換媒体循環配管３７は、一端が燃料電池ＦＣの流路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３８は、燃料電池ＦＣと燃焼器ＨＴＲとの間で熱交換媒体を循環させるものであり、制御部４０の制御によって駆動されるようになっている。

前記温度センサ３９は、熱交換媒体循環配管３７の燃料電池ＦＣの流路ａ３の出口近傍に設けられ、燃料電池ＦＣの温度を検出するようになっている。

前記制御部４０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース（いずれも図示せず）などで構成され、請求の範囲の燃料電池必要エア量算出手段、燃焼器必要エア量算出手段、およびエア供給量制御手段を備えている。

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の運転開始前においては、遮断弁１４ａ，１５、パージ弁１７、水素インジェクタ３３がそれぞれ閉じ、三方弁２４が燃料電池ＦＣ側に切り替えられ、エアコンプレッサ２３および循環ポンプ３８が停止している。

まず、ステップＳ１０１において、制御部４０は、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たことを（ＩＧ−ＯＮ）検知すると、循環ポンプ３８を駆動する。そして、ステップＳ１０２に進み、制御部４０は、燃料電池ＦＣの暖機が必要であるか否かを判断する。例えば、温度センサ３９を介して検出される燃料電池ＦＣ（熱交換媒体）の現在の温度と、制御部４０のメモリに記憶された判定温度とを比較して、燃料電池ＦＣを燃焼器ＨＴＲにより加熱せずに、そのまま発電できるか否かを判断する。

ステップＳ１０２において、制御部４０は、燃料電池ＦＣの温度が判定温度よりも高いと判断した場合には（Ｎｏ）、そのまま処理を終了する。この場合の処理を終了とは、遮断弁１４ａ，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、エアコンプレッサ２３を駆動して燃料電池ＦＣのカソード４に空気を供給して、燃料電池ＦＣを単独運転させることである。

また、ステップＳ１０２において、制御部４０は、燃料電池ＦＣの温度が判定温度よりも低く、暖機が必要であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０３に進み、必要暖機熱量Ｑｓｙｓを算出する。この必要暖機熱量Ｑｓｙｓとは、燃料電池ＦＣの現在の温度を目標温度まで上げるのに必要な熱量を意味している。

そして、ステップＳ１０４に進み、制御部４０は、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとを並行運転するか否かを判断する。なお、並行運転するか否かの判断は、例えば、温度センサ３９から検出される燃料電池ＦＣ（熱交換媒体）の現在の温度に基づいて行われる。

ステップＳ１０４において、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとを並行運転しない場合（Ｎｏ）、つまり車両が極低温環境下におかれて燃料電池ＦＣの温度が非常に低くなり、燃料電池ＦＣが発電できない場合であり、このような場合には燃焼器ＨＴＲを単独運転させると判断して、ステップＳ１０５に進み、燃焼器ＨＴＲの目標発熱量Ｑｈｔｒを算出する。この場合、燃焼器ＨＴＲのみを運転させるので、ステップＳ１０３で算出された暖機必要熱量Ｑｓｙｓがそのまま目標発熱量Ｑｈｔｒとなる。

また、ステップＳ１０４において、制御部４０は、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとを並行運転すると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０６に進み、燃料電池ＦＣの自己発熱量Ｑｆｃを算出する。この自己発熱量とは、燃料電池ＦＣが目標とする発電量に基づいて得られる熱量である。

そして、ステップＳ１０７に進み、制御部４０は、燃焼器ＨＴＲにおける目標発熱量Ｑｈｔｒを算出する。この目標発熱量Ｑｈｔｒは、ステップＳ１０３で算出した必要暖機熱量ＱｓｙｓからステップＳ１０６で算出した自己発熱量Ｑｆｃを減算することにより得られる。

ステップＳ１０５およびステップＳ１０７において、燃焼器ＨＴＲの目標熱量Ｑｈｔｒが算出されると、ステップＳ１０８に進み、制御部４０は、燃焼器ＨＴＲに必要な水素供給量ＧＨｈｔｒを算出する。なお、このときの水素供給量ＧＨｈｔｒは、目標発熱量Ｑｈｔｒを満たすように設定される。

そして、ステップＳ１０９に進み、制御部４０は、燃焼器ＨＴＲに必要なエア（空気）供給量ＧＡｈｔｒを算出する。ここでのエア供給量ＧＡｈｔｒは、前記で算出された目標発熱量Ｑｈｔｒに合わせて、燃空比が燃焼可能範囲となるように設定される。なお、燃空比とは、混合ガス（水素＋空気）における空気の質量を水素の質量で割ったものである。燃料電池ＦＣでの燃空比は、例えば、水素に対して空気が約２倍となるように設定される。また、このステップＳ１０９が、請求の範囲の燃焼器必要エア量算出手段が実行する処理に相当する。

そして、ステップＳ１１０に進み、制御部４０は、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとを並行運転するか否か判断する。このステップＳ１１０は、前記したステップＳ１０４に合わせて、燃焼器ＨＴＲのみを運転する場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１１に進み、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとを並行運転する場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１２に進む。

燃焼器ＨＴＲのみが運転する場合には（ステップＳ１１０、Ｎｏ）、燃料電池システム１Ａの要求エア量ＧＡｓｙｓを算出する（ステップＳ１１１）。この場合には、燃焼器ＨＴＲのみの運転であるので、要求エア量ＧＡｓｙｓは、ステップＳ１０９で算出したエア供給量ＧＡｈｔｒが設定される。

また、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとが並行運転する場合には（ステップＳ１１０、Ｙｅｓ）、燃料電池ＦＣが要求する要求エア量ＧＡｆｃを算出する（ステップＳ１１２）。なお、この要求エア量ＧＡｆｃとは、燃料電池ＦＣに対する目標出力に対して要求されるエア量、つまりストイキを確保したエア量、さらに言い換えると安定発電させるためのエア量を意味している。また、ステップＳ１１２が、請求の範囲の燃料電池必要エア量算出手段が実行する処理に相当する。

そして、ステップＳ１１３に進み、制御部４０は、システム要求エア量ＧＡｓｙｓを算出する。この要求エア量ＧＡｓｙｓは、燃料電池システム１Ａで要求されるエア量であり、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとを並行運転させるので、ステップＳ１０９で算出した燃焼器ＨＴＲのエア供給量ＧＡｈｔｒと、ステップＳ１１２で算出した燃料電池ＦＣの要求エア量ＧＡｆｃとを加算したエア量が設定される。

燃料電池システム１Ａの要求エア量ＧＡｓｙｓが算出されると（Ｓ１１１、Ｓ１１３）、ステップＳ１１４に進み、制御部４０は、ステップＳ１０８で設定された水素供給量ＧＨｈｔｒとなるように水素インジェクタ３３を噴射させる制御指令を送る。例えば、水素供給量ＧＨｈｔｒが多く設定された場合には、水素インジェクタ３３から噴射する噴射時間を長く設定し、水素供給量ＧＨｈｔｒが少なく設定された場合には、噴射時間を短く設定する。

そして、ステップＳ１１５に進み、制御部４０は、ステップＳ１１１またはステップＳ１１３で設定した要求エア量ＧＡｓｙｓとなるようにエアコンプレッサ２３のモータの回転数を制御する指令を送る。なお、このステップＳ１１５が、請求の範囲のエア供給量制御手段が実行する処理に相当する。

したがって、燃焼器ＨＴＲのみが運転される場合には、制御部４０は、遮断弁１４ａを開き、水素インジェクタ３３を開放して、燃焼器ＨＴＲに接続された空気導入配管３４に水素を噴射する。また、エアコンプレッサ２３を駆動するとともに、三方弁２４を燃焼器ＨＴＲのみに空気が流れるように切替えて、空気導入配管３４に空気を導入する。そして、導入された水素と空気は、図示しない混合器で混合されて混合ガスとなって、燃焼器ＨＴＲに供給される。

燃焼器ＨＴＲでは、燃焼部３１ａにおいて、触媒燃焼されて高温の排ガスが熱交換部３１ｂに導入される。熱交換部３１ｂでは、高温の排ガスによって熱交換媒体が加熱されて、加熱された熱交換媒体が燃料電池ＦＣに送られる。燃料電池ＦＣでは、暖められた熱交換媒体が流路ａ３を流通することによって、燃料電池ＦＣが暖められることで暖機が行われる。

そして、ステップＳ１１６に進み、制御部４０は、燃料電池ＦＣの暖機が完了したか否かを判断する。なお、暖機完了の条件は、温度センサ３９から検出される燃料電池ＦＣ（熱交換媒体）の現在の温度が、制御部４０のメモリに記憶された、燃料電池ＦＣを燃焼器ＨＴＲで加熱せずにそのまま発電可能となる判定温度を超えたと判断したときである。

ステップＳ１１６において、制御部４０は、燃料電池ＦＣの暖機が完了していないと判断した場合（Ｎｏ）、つまり燃料電池ＦＣの温度が十分に上昇しておらず暖機を継続する必要がある場合には、ステップＳ１０３に戻る。

ステップＳ１１６において、制御部４０は、燃料電池ＦＣの暖機が完了したと判断した場合（Ｙｅｓ）、つまり燃料電池ＦＣを暖機する必要がない温度まで上昇したと判断した場合には、処理を終了して、燃料電池ＦＣの単独運転に移行する。すなわち、水素インジェクタ３３を閉じるとともに遮断弁１５を開いて、燃料電池ＦＣのアノード３に水素タンク１４から水素を供給する。また、三方弁２４を燃料電池ＦＣのみに空気が流れるように切替えて、燃料電池ＦＣのカソード４に空気を供給するようにする。

一方、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとが並行運転される場合には、制御部４０は、遮断弁１４ａ，１５を開き、水素インジェクタ３３を開放して、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣのそれぞれに水素を供給する。このとき、燃焼器ＨＴＲに対してエア供給量ＧＡｈｔｒが供給され、燃料電池ＦＣに対して要求エア量ＧＡｆｃが供給されるように、エアコンプレッサ２３の回転数を制御するとともに、三方弁２４の流路配分を切替える。

このように第１実施形態の燃料電池システム１Ａでは、燃料電池ＦＣと燃焼器ＨＴＲの並行運転時には、燃料電池ＦＣおよび燃焼器ＨＴＲに必要な空気量を算出することによって、燃料電池ＦＣの安定発電、および燃焼器ＨＴＲの安定燃焼が可能となる。

また、並行運転する場合には、ステップＳ１０７で示すように、燃料電池ＦＣの必要暖機熱量Ｑｓｙｓから、燃料電池ＦＣにおける自己発熱量Ｑｆｃを減算して、燃焼器ＨＴＲに供給するエア供給量ＧＡｈｔｒを算出することで、燃焼器ＨＴＲに対して必要最低限のエア供給量で済むようになり、エアコンプレッサ２３の消費エネルギー（消費電力）の低減が可能となる。さらに、エア供給量ＧＡｈｔｒの低減により、水素供給量ＧＨｈｔｒも低減できるので、水素消費量の低減も可能となる。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図４は第２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５はシステム要求エア量と燃料電池温度との関係の一例を示すグラフである。

第２実施形態の燃料電池システム１Ｂは、燃料電池ＦＣと燃焼器ＨＴＲとを直列に配置したシステムである。この場合の直列とは、燃焼器ＨＴＲが燃料電池ＦＣの下流側に配置され、燃料電池ＦＣのカソード４から排出される空気が燃焼器ＨＴＲに導入されるようにして構成されたものを意味している。第１実施形態と第２実施形態との相違点は、燃料電池ＦＣと燃焼器ＨＴＲとが直列に接続されたことで第１実施形態の三方弁２４が不要になった点のみである。その他の構成は、第１実施形態と同様であるので、同一の符号を付してその説明を省略する。

すなわち、燃料電池システム１Ｂでは、暖機が必要で、燃焼器ＨＴＲが単独運転する場合には、遮断弁１５が閉じられて、遮断弁１４ａが開かれ、水素インジェクタ３３が開放されることによって、水素タンク１４から燃焼器ＨＴＲに水素が供給される。また、エアコンプレッサ２３が駆動されることで、燃料電池ＦＣ内を通過して、燃料電池ＦＣから排出された空気が燃焼器ＨＴＲに供給される。

また、暖機が必要で、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとを並行運転する場合には、遮断弁１４ａ，１５が開かれ、水素インジェクタ３３が開放されることによって、水素タンク１４から燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとに水素がそれぞれ供給される。また、エアコンプレッサ２３が駆動されることで、燃料電池ＦＣに空気が供給されるとともに、燃料電池ＦＣで反応に寄与せずに燃料電池ＦＣから排出された空気が燃焼器ＨＴＲに供給される。

次に、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂの動作について説明するが、ステップＳ１０１からＳ１１１までは、第１実施形態と同様であるのでその説明を省略し、ステップＳ１２１から説明する。

ステップＳ１２１において、燃料電池ＦＣの消費エア量ＧＡｆｃｕｓｅが算出される。この消費エア量ＧＡｆｃｕｓｅとは、第１実施形態での要求エア量ＧＡｆｃとは異なり、燃料電池ＦＣの発電によって実際に消費されるエア量を意味している。さらに詳述すると、燃料電池ＦＣの発電によって消費される酸素量に相当するエア量である。

そして、ステップＳ１２２に進み、燃料電池ＦＣの要求エア量ＧＡｆｃを算出する。これは、第１実施形態のステップＳ１１２と同様に、燃料電池ＦＣの安定発電に必要な（ストイキを確保した）エア量である。

そして、ステップＳ１２３に進み、要求エア量ＧＡｓｙｓ´を算出する。この要求エア量ＧＡｓｙｓ´は、燃料電池システム１Ｂで要求されるエア量であり、ステップＳ１０９で算出した燃焼器ＨＴＲへのエア供給量ＧＡｈｔｒと、ステップＳ１２１で算出した燃料電池ＦＣの消費エア量ＧＡｆｃｕｓｅとを加算したエア量である。

そして、ステップＳ１２４に進み、制御部４０は、ステップＳ１２２で算出した燃料電池ＦＣの要求エア量ＧＡｆｃが、ステップＳ１２３で算出したシステム要求エア量ＧＡｓｙｓ´以上であるか否かを判断する。ステップＳ１２４において、要求エア量ＧＡｆｃが、システム要求エア量ＧＡｓｙｓ´以上である場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２５に進み、ステップＳ１２２で算出した要求エア量ＧＡｆｃをシステムエア要求量ＧＡｓｙｓとして設定する。

また、ステップＳ１２４において、要求エア量ＧＡｆｃが、システム要求エア量ＧＡｓｙｓ´以上でない場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１２６に進み、システム要求エア量ＧＡｓｙｓ´をシステムエア要求量ＧＡｓｙｓとして設定する。

ステップＳ１２１〜Ｓ１２６の点について、図５を参照しながら詳述する。図５において実線で示すように、要求エア量ＧＡｆｃは、一般に、燃料電池システム１Ｂにおいて０℃以下の低温時には、燃空比が通常発電時（例えば、エア量を１．８）よりも多くなるように（例えば、エア量を２．２）設定される。これは、低温時では、触媒の活性が低下していて発電性能が低下しているためである。また、前記したように消費エア量ＧＡｆｃｕｓｅは、燃料電池ＦＣで実際に消費される酸素に対応するエア量（例えば、エア量を１．０）であり、要求エア量ＧＡｆｃよりも少なくなる。また、エア供給量ＧＡｈｔｒが例えば１．０で、システム要求エア量ＧＡｓｙｓ´のエア量が２．０であると仮定すると、ＧＡｆｃ、ＧＡｆｃｕｓｅ、ＧＡｓｙｓ´は、図５のような関係になる。

図５を参照しながら説明すると、燃料電池ＦＣの温度（ＦＣ温度）が０℃以下の場合のように、ステップＳ１２４において、要求エア量ＧＡｆｃが要求エア量ＧＡｓｙｓ´以上であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、要求エア量ＧＡｆｃ（燃料電池ＦＣのストイキ）のみで満たされているので、要求エア量ＧＡｓｙｓとして要求エア量ＧＡｆｃを設定する（ステップＳ１２５）。また、図５において、０℃を越える場合のように、ステップＳ１２４において、要求エア量ＧＡｆｃが要求エア量ＧＡｓｙｓ´以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、要求エア量ＧＡｆｃ（燃料電池ＦＣのストイキ）では不足するので、要求エア量ＧＡｓｙｓとして要求エア量ＧＡｓｙｓ´を設定する（ステップＳ１２６）。

よって、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとが並列に設けられた第１実施形態では、燃料電池ＦＣから排出された空気も燃焼器ＨＴＲから排出された空気もそれぞれ排出されてしまうが、直列に設けられた第２実施形態では、燃料電池ＦＣから排出された分のエアを燃焼器ＨＴＲへのエアの分として加味できるので、要求エア量ＧＡｓｙｓを低減でき、エアコンプレッサ２３で消費される電力を低減できるようになる。また、第２実施形態では、燃料電池ＦＣのストイキ分のエア量で足りない場合であっても、エア量を若干追加する程度で全体のエア供給量をまかなうことができる。

また、第２実施形態のように、燃焼器ＨＴＲと燃料電池ＦＣとを直列に設けることにより、低温時、燃料電池ＦＣでは、触媒の活性が低くなり、消費される空気中の酸素量も低下して、より多くの酸素を含んだエアが燃料電池ＦＣから排出されるが、逆に低温時に燃焼器ＨＴＲでは、必要なエア量が増えるため、燃料電池ＦＣと燃焼器ＨＴＲとのバランスがとれて、燃料電池システム１Ｂを効率的に運転することが可能になる。

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、例えば、直列に設けられた燃料電池システム１Ｂにおいて、水素導入配管３２および水素インジェクタ３３を設けずに、パージ弁１７の下流の配管を空気排出配管２２に接続して、パージ弁１７を開いたときに水素が燃焼器ＨＴＲに供給されるような構成であってもよい。

また、燃料電池ＦＣおよび燃焼器ＨＴＲの水素の供給源を同一のものとしたが、別個のものであってもよい。

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。 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。 第２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。 システム要求エア量と燃料電池温度との関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ 燃料電池システム
１０ アノード系
１４ 水素タンク
１４ａ，１５ 遮断弁
１７ パージ弁
２０ カソード系
２３ エアコンプレッサ（空気供給手段）
２４ 三方弁
３０ 暖機系
３１ａ 燃焼部
３１ｂ 熱交換部
３２ 水素導入配管
３３ 水素インジェクタ
３４ 空気導入配管
３９ 温度センサ
４０ 制御部
ＦＣ 燃料電池
ＨＴＲ 燃焼器

Claims (3)

1. 水素と空気とが供給されることにより発電を行う燃料電池と、
   水素と前記空気との反応により燃焼させて前記燃料電池の暖機を行う燃焼器と、
   前記空気を前記燃料電池および前記燃焼器に供給する空気供給手段と、
   前記燃料電池の目標発電量に基づいて、前記燃料電池への前記空気の必要量を求める燃料電池必要エア量算出手段と、
   前記燃焼器の目標発熱量に基づいて、前記燃焼器への前記空気の必要量を求める燃焼器必要エア量算出手段と、
   前記燃料電池必要エア量算出手段および前記燃焼器必要エア量算出手段で求めた前記空気の必要量の積算量に基づいて、前記空気供給手段を制御するエア供給量制御手段と、を備え、
   前記燃焼器の目標発熱量は、前記燃料電池の必要暖機熱量から前記燃料電池の自己発熱量を減算した量であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃焼器は、前記燃料電池から排出された空気が導入されるように配置され、
   前記燃料電池と前記燃焼器とを並行運転する際に、前記燃料電池への前記空気の必要量は、少なくとも前記燃料電池の発電に伴う消費分であ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. 水素と空気とが供給されることにより発電を行う燃料電池と、水素と前記空気との反応により燃焼させて前記燃料電池の暖機を行う燃焼器と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池の目標発電量に基づいて、前記燃料電池への前記空気の必要量を求める燃料電池必要エア量算出ステップと、
   前記燃焼器の目標発熱量に基づいて、前記燃焼器への前記空気の必要量を求める燃焼器必要エア量算出ステップと、
   前記燃料電池必要エア量算出ステップおよび前記燃焼器必要エア量算出ステップで求めた前記空気の必要量の積算量に基づいて供給するエア供給量制御ステップと、を含み、
   前記燃焼器の目標発熱量は、前記燃料電池の必要暖機熱量から前記燃料電池の自己発熱量を減算した量であることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

Images