JP5222121B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

近年、水素（燃料ガス、反応ガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、反応ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで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。このような燃料電池は、燃料電池車等に搭載されつつある。

ところで、燃料電池を良好に発電させるためには、アノードおよびカソードにおける電極反応が進むように、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６０〜８０℃）で発電させることが好ましい。

そこで、水素および酸素を含む空気が混合されてなる反応ガス（燃料混合ガス）を、Ｐｔ、Ｒｕ等の触媒下で触媒燃焼反応させて、高温の燃焼ガスを生成し、この高温の燃焼ガス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。

また、燃料電池システムにおいて、アノードオフガスをシステムの外部に排出する際に、アノードオフガス内に残留する水素をそのまま外部に排出しないようにするために、アノードオフガスの排出管に燃焼器を配置し、この燃焼器でアノードオフガスを燃焼させることで、アノードオフガス内の水素を触媒燃焼反応させ、そのときの熱を利用して燃料電池を暖めるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１１６３６８号公報

しかしながら、前記した従来の燃料電池システムでは、燃料電池のオフガスが燃焼器を経由するので、燃料電池において生成した生成水で燃焼器の触媒が濡れる虞があり、触媒反応面積の減少や触媒温度の低下を来たす虞があった。このため、燃料電池の暖機時間が長時間になる可能性があった。

そこで、本発明は、反応ガスを触媒燃焼反応させる触媒を有する燃料電池システムにおいて、暖機を速やかに完了することができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記反応ガス供給手段から供給される反応ガスで発電する燃料電池と、前記燃料電池を経由するように冷媒を通流させる冷媒通流手段と、前記反応ガス供給手段から供給される反応ガスのみによって触媒燃焼反応させる触媒を有し、当該触媒燃焼反応により生成する熱で、前記燃料電池に向かう冷媒を暖めて前記燃料電池を暖機する燃焼手段と、前記反応ガス供給手段から前記燃料電池および前記燃焼手段に供給される反応ガスの流量を調節する流量調節手段と、前記流量調節手段を制御し、前記燃料電池の発電および前記燃焼手段の運転を制御する制御手段と、電力を蓄える蓄電装置と、を備え、前記反応ガス供給手段は、前記蓄電装置および前記燃料電池の少なくとも１つを電源とするようになっており、前記制御手段は、前記反応ガス供給手段から前記燃焼手段のみに反応ガスを供給し、当該燃焼手段のみを単独で運転する単独運転モードと、前記反応ガス供給手段から前記燃焼手段および前記燃料電池にそれぞれ反応ガスを供給し、前記燃焼手段の運転と前記燃料電池の発電とを並行させる並行運転モードと、を有し、前記単独運転モード時に、前記蓄電装置の充電率が所定値以下になった場合、当該単独運転モードから前記並行運転モードに移行させるようになっており、前記燃焼手段を、前記蓄電装置および前記燃料電池の少なくとも１つを電源として作動させることを特徴とする。

この燃料電池システムによれば、反応ガス供給手段に対して、燃料電池および燃焼手段がそれぞれ並列に接続されており、燃焼手段の触媒は、反応ガス供給手段から供給される反応ガスのみによって触媒燃焼反応するので、従来のように燃料電池で生成された生成水に触媒が晒されることがなくなり、生成水で触媒が濡れるのを阻止することができる。したがって、触媒反応面積を確保することができ、供給される反応ガスで好適な触媒燃焼反応を得ることができる。

また、触媒が生成水に晒されることがないので、燃焼手段における触媒温度の低下を生じることがなくなり、好適な触媒温度が維持されて、生成される熱で冷媒を効果的に暖めることができる。したがって、燃料電池の暖機を速やかに完了することができる。

また、反応ガス供給手段に対して、燃料電池および燃焼手段がそれぞれ並列に接続されているので、燃焼手段に供給される反応ガスは、反応ガス供給手段から直接に燃焼手段に対して供給されることとなる。したがって、燃焼手段に供給される反応ガスが燃料電池を経由することがなく、これによって、燃料電池を構成する電解質膜等が乾燥するのを防止することができる。

また、単独運転モードでは、反応ガス供給手段から燃焼手段にのみ反応ガスが供給され、燃焼手段のみが単独で運転されることとなるので、予備的段階で効果的に燃料電池を暖めることができる。

また、並行運転モードでは、反応ガス供給手段から燃焼手段および燃料電池にそれぞれ反応ガスが供給され、燃焼手段の運転と燃料電池の発電とが並行して行われるので、燃焼手段による燃料電池の暖機と燃料電池の発電に伴う自己発熱とにより、燃料電池を早期に昇温することが可能となる。したがって、燃料電池の暖機に要する時間が短縮されることとなり、燃料電池の暖機を速やかに行うことができる。

また、前記単独運転モードの後、前記並行運転モードに移行させるので、例えば、システムが低温環境下（例えば０℃未満）で起動される場合等に、単独運転モードによる燃焼手段によって生成した熱で燃料電池を前もって暖機しておいてから、並行運転モードに移行させることが可能となり、燃料電池が低温環境下で発電する状況を回避することができる。つまり、低温環境下において、システム起動時から燃料電池を連動して発電させたときに生じる虞のある燃料電池の劣化を、未然に回避することができる。

また、単独運転モードで、蓄電装置の充電率が所定値以下になると、単独運転モードから並行運転モードに切り換えられるので、電力不足によって燃焼手段が使用できなくなるのを未然に防止することができ、蓄電装置の電力および燃料電池の発電による電力の少なくとも一方の電力で暖機を継続することができる。この場合において、燃料電池の発電電力を基に充電すれば、蓄電装置の暖機も可能となる。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記単独運転モード時に、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が、所定温度以上となった場合、当該単独運転モードから前記並行運転モードに移行させる構成とするのがよい。

この燃料電池システムによれば、燃料電池の温度が所定温度（例えば、自己発電可能な温度や発電を開始しても燃料電池が劣化しない温度）以上となった場合に、制御手段により単独運転モードから並行運転モードに移行、つまり、切り換えられるので、燃焼手段による燃料電池の暖機と燃料電池による自己発熱により、燃料電池を早期に昇温することが可能となる。したがって、燃料電池の暖機に要する時間が短縮されることとなり、燃料電池の暖機を速やかに行うことができる。
また、本発明の燃料電池システムは、前記反応ガスは水素と空気とを混合して生成され、前記制御手段は、前記単独運転モード時に、前記燃焼手段内の結露水等が押出されるように前記燃焼手段に空気を先行して供給し、その後、水素を供給して前記燃焼手段に反応ガスが供給されるように前記流量調節手段を制御する構成とするのがよい。

本発明によれば、反応ガスを触媒燃焼反応させる触媒を有する燃料電池システムにおいて、暖機を速やかに完了することができる燃料電池システムが得られる。

以下、本発明の一実施形態について、図１および図２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を通流させる冷媒通流系（冷媒通流手段）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。

また、燃料電池スタック１０と、冷媒加熱系の後記する触媒燃焼器６０とは、水素タンク２１（燃料ガス供給手段）およびカソード系の後記するコンプレッサ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、反応ガス供給手段としての水素タンク２１からの水素、およびコンプレッサ３１からの空気が、燃料電池スタック１０および触媒燃焼器６０に対して適宜に振り分けられて供給される（後記する単独運転モードでは、触媒燃焼器６０にのみ供給される）ようになっている。

＜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。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、各セパレータには、単セルを適宜に冷却するために冷媒が通流する溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔が、燃料電池スタック１０の冷媒流路１３として機能している。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、常閉型の遮断弁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等を通って、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から排出された未消費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。

ここで、配管２１ａには、分岐された配管７１ａが接続されており、この配管７１ａは、後記する触媒燃焼器６０に通じている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１と、希釈器３２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いる。そして、コンプレッサ３１は、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に向かう空気を加湿する加湿器（図示しない）が設けられている。

カソード流路１２の出口は、配管３２ａを介して、希釈器３２に接続されている。そして、カソード流路１２から排出されたカソードオフガスは希釈器３２に供給されるようになっている。

希釈器３２は、アノード系からのアノードオフガスと、カソード流路１２からのカソードオフガスとを混合し、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、希釈された後のガスは、配管３２ｂを通って、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（後記する単独運転モード中）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を通って、配管３３ｂから車外に排出されるようになっている。

ここで、配管３１ａには、分岐された配管７２ａが接続されており、この配管７２ａは、後記する触媒燃焼器６０に通じている。

＜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、燃料電池自動車の動力源となる走行モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit）と、コンタクタ４３と、蓄電装置としての高圧バッテリ４４とを備えている。

走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
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および走行モータ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、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、図示しないアクセルペダル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。

高圧バッテリ４４は、リチウムイオン型の二次電池から構成され、燃料電池スタック１０の余剰電力を充電したり、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の負荷変動が少なくなるように補助するものである。

高圧バッテリ４４には、高圧バッテリ４４のＳＯＣ（State Of Charge、充電率）を検出する残量検出器４４ａが高圧バッテリ４４の適所に設けられている。そして、残量検出器４４ａは、検出したＳＯＣをＥＣＵ９０に出力するようになっている。検出したＳＯＣは、ＥＣＵ９０による後記する触媒燃焼器６０のみを単独で運転する単独運転モードから、触媒燃焼器６０の運転と燃料電池スタック１０の発電とを並行させる並行運転モードに移行させる制御をＥＣＵ９０が行う際の信号としてＥＣＵ９０に入力される。

なお、電力消費系には、その他、高圧バッテリ４４に充放電される電力を適宜に昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ等が設けられている。
また、コンプレッサ３１、ポンプ５３等も電力消費系に含まれ、高圧バッテリ４４および燃料電池スタック１０の少なくとも１つを電源として作動するようになっている。
本実施形態では、後記するように触媒燃焼器６０のみを単独で運転する単独運転モードで暖機が行われる場合に、高圧バッテリ４４の放電によってコンプレッサ３１やポンプ５３等がＥＣＵ９０の制御により作動され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（切替手段）と、温度センサ５５（温度検出手段）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は、ＥＣＵ９０に制御され、配管５３ａと、配管５４ａまたは後記する配管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換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５３ａ、６０ａを通って触媒燃焼器６０に向かうように、三方弁５４が制御される。
なお、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５４に限定されず、例えば、配管５４ａ、６０ａにそれぞれ開閉弁を設け、これらを適宜に開閉制御するように構成してもよい。

温度センサ５５は、配管５２ａに設けられており、燃料電池スタック１０から排出される冷媒の温度を燃料電池スタック１０の温度Ｔｗとして検出するようになっている。すなわち、温度Ｔｗは、燃料電池スタック１０の温度と略等しいものとしている。このため、温度センサ５５は、冷媒流路１３の出口の近傍（配管５２ａの上流側）に配置することが望ましい。温度センサ５５は、温度ＴｗをＥＣＵ９０に送出するようになっている。

なお、サーモスタット５２は、冷媒の温度が所定温度以上である場合に開くように構成されている。そして、サーモスタット５２が開くと、冷媒がポンプ５３から配管５１ａを通じてラジエータ５１に導入され、このラジエータ５１で冷却された後、配管５１ｂ、５２ｂに戻るようになっている。

＜冷媒加熱系＞
冷媒加熱系は、システム起動時に、循環する冷媒を介して燃料電池スタック１０を暖機（加熱）する系であって、常閉型の水素導入弁７１と、常閉型の空気導入弁７２と、触媒燃焼器６０とを備えている。

空気導入弁７２の上流側は配管７２ａを介して配管３１ａに接続されており、空気導入弁７２の下流側は配管７２ｂを介して、触媒燃焼器６０の触媒燃焼部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７２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。

水素導入弁７１の上流側は配管７１ａを介して配管２１ａに接続されており、水素導入弁７１の下流側は配管７１ｂを介して配管７２ｂ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７１が開かれると、水素（燃料ガス）が配管７２ｂ内に吐出され、配管７２ｂを通る空気と混合し、反応ガス（水素と空気が混合したもの、燃料混合ガス）を生成するようになっている。次いで、この生成した反応ガスは、触媒燃焼部６１に導入されるようになっている。
つまり、本実施形態において、触媒燃焼器６０と燃料電池スタック１０とは、水素タンク２１（水素源）とコンプレッサ３１（空気源）に対して、並列で配置されており、触媒燃焼器６０は、水素タンク２１から供給される水素およびコンプレッサ３１から供給される酸素を含む空気で生成された反応ガスのみによって触媒燃焼反応させるようになっている。

［触媒燃焼器］
触媒燃焼器６０は、反応ガスを触媒下で触媒燃焼反応させ、その燃焼熱によって、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、熱交換後の燃焼ガス（排気ガス）は、配管５２ｃを通って、燃料電池スタック１０からのオフガス（アノードオフガス、カソードオフガス）が通流する配管３２ｂに排出されるようになっている。これにより、触媒燃焼器６０から仮に未燃焼の水素が排出されたとしても、この水素が燃料電池スタック１０のオフガスで希釈された後、車外に排出されるようになっている。

触媒燃焼器６０は、高温の燃焼ガスを生成する触媒燃焼部６１と、燃焼ガスと冷媒とを熱交換させる熱交換部６２とを備えている。
触媒燃焼部６１には、触媒本体６４が配置されている。触媒本体６４は、コージエライト等から形成され、反応ガスが導入される複数の細孔を有するハニカム体と、前記各細孔を取り囲む壁面に担持された触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を備えている。

そして、反応ガスが配管７２ｂから触媒本体６４に導入されると、水素および酸素が触媒下で触媒燃焼し、燃焼熱を帯びた高温の燃焼ガスを生成し、この高温の燃焼ガスが熱交換部６２に供給されるようになっている。
また、触媒燃焼部６１には、システム起動時において、触媒の暖機を促進するため適宜に作動するグロープラグ（図示しない）が設けられている。

また、熱交換部６２には、配管６０ａからの冷媒が通流する熱交換部６５が配置されている。そして、高温の燃焼ガスは、熱交換部６５を通流する冷媒を加熱した後、配管５２ｃに排出されるようになっている。

＜ＩＧ＞
ＩＧ８１は、燃料電池自動車および燃料電池システム１の起動スイッチであり、図示しない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。

＜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、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

ＥＣＵ９０は、遮断弁２２、コンプレッサ３１等を適宜に制御して、燃料電池スタック１０に水素および空気を供給し、そして、コンタクタ４３およびＶＣＵ４２を制御して、燃料電池スタック１０の発電を制御す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６０℃以下）とに基づいて、触媒燃焼器６０を使用し、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場合を含めて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、燃料電池システム１を、触媒燃焼器６０のみを単独で運転する単独運転モード、触媒燃焼器６０の運転および燃料電池スタック１０の発電とを並行させる並行運転モードで運転させる機能を有している。
そして、ＥＣＵ９０は、単独運転モードの後、並行運転モードに移行させるように制御するようになっている。つまり、並行運転モードの前に単独運転モードで暖機を行うように制御する。

[単独運転モード]
単独運転モードは、触媒燃焼器６０のみに反応ガスを供給し、触媒燃焼器６０のみを単独で運転するモードであり、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが単独運転必要温度Ｔ２（例えば、０℃未満の温度）であるときに、触媒燃焼器６０のみを単独で運転して燃料電池スタック１０を昇温させるモードである。
単独運転必要温度Ｔ２は、システム起動時において、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。
なお、温度Ｔｗが運転切換温度Ｔ３（例えば、０℃）であるときに、ＥＣＵ９０の制御により、単独運転モードから後記する並行運転モードに切り換えられる。

また、残量検出器４４ａにより検出される高圧バッテリ４４のＳＯＣが所定残量Ｖｔ（％）以下となったときに、ＥＣＵ９０の制御により、単独運転モードから後記する並行運転モードに切り換えられる。
所定残量Ｖｔ（％）は、単独運転モードでコンプレッサ３１等の作動中に、高圧バッテリ４４の残量がゼロ、つまり、バッテリ切れになって燃料電池スタック１０の発電に支障を来たさないように、燃料電池スタック１０の発電を可能にする最小の残量（例えば、数十％残）に設定される。

[並行運転モード]
並行運転モードは、触媒燃焼器６０および燃料電池スタック１０にそれぞれ反応ガスを供給し、触媒燃焼器６０の運転と燃料電池スタック１０の発電とを並行させるモードである。そして、並行運転モードは、温度Ｔｗが並行運転必要温度Ｔ４（例えば、０℃〜６０℃の範囲の温度）であるときに、触媒燃焼器６０の運転および燃料電池スタック１０の発電を並行して行うことにより燃料電池スタック１０を昇温させるようになっている。
並行運転必要温度Ｔ４は、システム起動時または単独運転モードによる触媒燃焼器６０の運転時において、燃料電池スタック１０内が解氷したと予測される温度であり、自己発電可能な温度や発電を開始しても燃料電池が劣化しない温度である。この並行運転必要温度Ｔ４は、ＭＥＡの材質等に関係し、事前試験によって求められる。
そして、単独運転モード時に検出された温度Ｔｗが運転切換温度Ｔ３（例えば、０℃）であるとき、または、単独運転モード時に、残量検出器４４ａにより検出される高圧バッテリ４４のＳＯＣが所定残量Ｖｔ（％）以下となったときに、ＥＣＵ９０の制御により、単独運転モードから後記する並行運転モードに切り換えられる。

≪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）の流れとともに説明する。
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およびポンプ５３は停止している。遮断弁２２、水素導入弁７１、空気導入弁７２は閉じており、コンタクタ４３はＯＦＦされている。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ９０は、温度センサ５５で検出された燃料電池スタック１０の温度Ｔｗに基づいて、触媒燃焼器６０を単独で使用（運転）する単独運転モードを選択する必要があるか否かを判定する。
具体的に、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが単独運転必要温度Ｔ２、例えば、０℃未満である場合、触媒燃焼器６０を単独運転モードで運転して暖機する必要があると判定する。

なお、前記の他に例えば、システム停止中に低温環境下（０℃未満）に晒されたことにより、燃料電池スタック１０が掃気されている場合、システム起動時における燃料電池スタック１０の温度Ｔｗに関わらず、触媒燃焼器６０を単独運転モードで運転して暖機する必要があると判定する構成としてもよい。

単独運転モードで触媒燃焼器６０を運転する必要があると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１０２に進む。一方、単独運転モードで触媒燃焼器６０を運転する必要がないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１１０に進む。

＜単独運転モード＞
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器６０への反応ガスの供給を開始する。すなわち、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器６０を単独運転モードで運転、つまり、触媒燃焼器６０のみに反応ガスを供給して触媒燃焼器６０の運転を開始する。
具体的に、ＥＣＵ９０は、空気導入弁７２を開き、コンプレッサ３１を作動させるとともに、水素導入弁７１を開き、水素を吐出させる。これにより、水素および空気が混合されて反応ガスが生成され、この反応ガスが触媒燃焼器６０の触媒本体６４に供給される。
なお、暖機の初期段階では、触媒本体６４に内蔵される図示しないグロープラグ等によって、触媒燃焼反応を促進させることが好ましい。

なお、触媒燃焼器６０に空気を先行して供給し、触媒燃焼器６０内の結露水等を押し出し、その後、水素を吐出して反応ガスを供給するようにすることが望ましい（図４参照）。
そうすると、反応ガス中の水素と酸素とが、触媒本体６４の触媒下で触媒燃焼反応し、燃焼熱を帯びた燃焼ガスを生成する。そして、この燃焼熱により触媒本体６４が暖機され、触媒温度が上昇し始める。なお、燃焼熱を帯びた高温の燃焼ガスは、後段の熱交換部６５に供給される。
ここで、反応ガスの流量、水素と空気との混合比は、事前試験等に基づいて、例えば、多量の水素が触媒本体６４を通り抜けないように設定される。

ＥＣＵ９０は、これに並行して、ポンプ５３を作動させる。そうすると、冷媒が、熱交換部６５および燃料電池スタック１０経由で循環する。これによって、熱交換部６５を通流することで高温の燃焼ガスにより暖められた冷媒が、燃料電池スタック１０を暖め始め、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが上昇し始める。

単独運転モードで、コンプレッサ３１およびポンプ５３は、燃料電池スタック１０が発電してないので、高圧バッテリ４４を電源としている。

＜運転モード切換判定＞
ステップＳ１０３、Ｓ１０４において、ＥＣＵ９０は、単独運転モードから並行運転モードに切り換える必要があるか否かを判定する。
まず、ステップＳ１０３において、ＥＣＵ９０は、高圧バッテリ４４のＳＯＣに基づいて単独運転モードから並行運転モードに切り換える必要があるか否かを判定する。
具体的に、ＥＣＵ９０は、残量検出器４４ａにより検出される高圧バッテリ４４のＳＯＣが所定残量Ｖｔ（％）以下である場合に、単独運転モードから並行運転モードに切り換える必要があると判定する。
単独運転モードから並行運転モードに切り換える必要があると判定した場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１０５に進む。一方、単独運転モードから並行運転モードに切り換える必要がないと判定した場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗに基づいて単独運転モードから並行運転モードに切り換えて並行運転モードでさらに暖機を促進させた方がよいか否かを判定する。
具体的に、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが並行運転必要温度Ｔ４（第１閾値）以上（例えば、０℃以上）である場合に、単独運転モードから並行運転モードに切り換えて暖機を促進させた方がよいと判定する。
燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが並行運転必要温度Ｔ４（第１閾値）以上である場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１０５に進む。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが並行運転必要温度Ｔ４（第１閾値）未満である場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、ステップＳ１０３の判定に戻る。

＜並行運転モード＞
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ９０は、前記した触媒燃焼器６０への反応ガスの供給とともに、燃料電池スタック１０に対する反応ガスの供給を開始する。すなわち、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器６０の運転および燃料電池スタック１０の発電を並行して開始する。
具体的に、ＥＣＵ９０は、遮断弁２２を開き、燃料電池スタック１０に向けて水素を吐出させる。これにより、水素および空気が燃料電池スタック１０のアノード流路１１、カソード流路１２にそれぞれ送る。そして、ＥＣＵ９０は、ＶＣＵ４２を制御し、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。

なお、並行運転モード時には、空気不足を防止するためにポンプ５３の回転速度を上昇させる。

また、前記したステップＳ１０３において、高圧バッテリ４４のＳＯＣに基づき、単独運転モードから並行運転モードに切り換えられた並行運転モードでは、燃料電池スタック１０の発電による電力で、コンプレッサ３１およびポンプ５３を駆動するように制御される。この場合において、燃料電池スタック１０の発電による電力で高圧バッテリ４４を充電すれば、高圧バッテリ４４の暖機も可能となる。
なお、並行運転モードに移行後、高圧バッテリ４４の充電が進み、ＳＯＣが回復した場合、並行運転モード中において再度、高圧バッテリ４４を電源としてもよい。

また、前記したステップＳ１０４において、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗに基づき、単独運転モードから並行運転モードに切り換えられた並行運転モードでは、燃料電池スタック１０の発電による電力および高圧バッテリ４４の電力の少なくとも１つによって、コンプレッサ３１およびポンプ５３を駆動するように制御される。この場合、高圧バッテリ４４で駆動するように制御される場合には、高圧バッテリ４４のＳＯＣを監視しながら駆動が行われ、高圧バッテリ４４のＳＯＣが仮に所定残量Ｖｔ（％）以下となったときには、燃料電池スタック１０の発電による電力に切り換えられて駆動が継続される。

ここで、並行運転モードで燃料電池スタック１０を運転する際に、燃料電池スタック１０に供給する反応ガスの供給量は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗと、並行運転モード時の燃料電池スタック１０の出力（電圧、電流）に対応した流量で、反応ガスを供給するようにする（図３参照）。つまり、温度が低いときには発電性能も低いので、反応ガスの供給量を減らすようにする。
このようにすれば、反応ガスが過剰に燃料電池スタック１０に供給されることによる燃料電池スタック１０の電圧の上昇が抑えられる。その結果、燃料電池スタック１０の劣化が防止される。

仮に、このような制御を行わないとすると、低温状態（０℃〜６０℃）では、十分に発電性能を確保することができないために、並行運転モードによる燃料電池スタック１０の発電開始時から反応ガスを多く供給してしまうと、電圧が必要以上に上昇してしまい、燃料電池スタック１０の劣化を生じる虞がある。
これに対して、本実施形態では、ＥＣＵ９０の前記制御により、燃料電池スタック１０から取り出し可能な電力に応じた量だけ反応ガスが供給されるので、電圧の上昇による燃料電池スタック１０の劣化を阻止することができる。
なお、燃料電池スタック１０の発電性能が十分に確保される（低温状態を脱した状態、つまり、暖機完了となる）と、このような反応ガスの供給量を制限した制御が終了する。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗに基づいて単並行運転モードを終了する必要があるか否かを判定する。
具体的に、ＥＣＵ９０は、温度センサ５５から検出される燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが並行運転終了温度Ｔ５（第２閾値）以上（例えば、６０℃を超える温度）である場合に、並行運転モードを終了する必要があると判定する。

並行運転終了温度Ｔ５は、並行運転モードによる触媒燃焼器６０の運転と燃料電池スタック１０の発電とによる並行運転で燃料電池スタック１０が暖機され、燃料電池スタック１０の発電性能が十分に確保されるまでに燃料電池スタック１０が暖機された温度である。

並行運転モードを終了する必要があると判定した場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１０７に進む。一方、並行運転モードを終了する必要がないと判定した場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、ステップＳ１０６の判定を繰り返す。

＜発電モード＞
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器６０への反応ガスの供給を終了し、触媒燃焼器６０の運転を停止する。
具体的に、ＥＣＵ９０は、水素導入弁７１を閉じるとともに空気導入弁７２を閉じ、反応ガスの供給を終了する。これにより、触媒燃焼器６０の燃焼が終了し、触媒燃焼器６０を使用した暖機が終了する。
なお、空気導入弁７２は、遅延タイマー等によって水素導入弁７１の閉弁よりも遅れて閉弁させてもよい。このように制御することによって、触媒燃焼器６０等に仮に水素が残存していたとしてもこれを、供給される空気で希釈することができる。
また、ポンプ５３は、触媒燃焼器６０の運転停止後も触媒燃焼器６０を冷却する目的で所定時間運転させてもよい。

また、前記したステップＳ１０１において、単独運転モードで触媒燃焼器６０を運転する必要がないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１１０に進み、平行運転モードで触媒燃焼器６０の運転と燃料電池スタック１０の発電とを行う必要があるか否かを判定する。
具体的に、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが並行運転必要温度Ｔ４（例えば、０℃〜６０℃の範囲の温度）以下である場合、並行運転モードで暖機運転する必要があると判定する。つまり、燃料電池スタック１０内が凍結している虞はないと予測されるものの、燃料電池スタック１０の暖機が必要であるとされて、並行運転モードで暖機運転される。

並行運転モードで触媒燃焼器６０の運転と燃料電池スタック１０の発電とを行う必要があると判定した場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理は、前記したステップＳ１０５に進む。一方、並行運転モードで触媒燃焼器６０の運転と燃料電池スタック１０の発電とを行う必要がないと判定した場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１１１に進み、燃料電池スタック１０の発電が開始され、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ９０は、ＩＧ８１がＯＦＦされたか否かを判定し、ＩＧがＯＦＦされた場合（ステップＳ１０８・Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０９に進んで燃料電池スタック１０の発電が停止される。
また、ＩＧがＯＦＦされていない場合（ステップＳ１０８・Ｎｏ）には、ステップＳ１０８を繰り返す。

≪燃料電池システムの効果≫
以上説明した本実施形態の燃料電池システム１によれば、水素タンク２１およびコンプレッサ３１（反応ガス供給手段）に対して、燃料電池スタック１０および触媒燃焼器６０がそれぞれ並列に接続されており、触媒燃焼器６０の触媒は、反応ガス供給手段から供給される反応ガスのみによって触媒燃焼反応するので、従来のように燃料電池で生成された生成水に触媒が晒されることがなくなり、生成水で触媒が濡れるのを阻止することができる。したがって、触媒反応面積を確保することができ、供給される反応ガスで好適な触媒燃焼反応を得ることができる。

また、触媒が生成水に晒されることがないので、触媒燃焼器６０における触媒温度の低下を生じることがなくなり、好適な触媒温度が維持されて、生成される熱で冷媒を効果的に暖めることができる。したがって、燃料電池スタック１０の暖機を速やかに完了することができる。

また、反応ガス供給手段に対して、燃料電池スタック１０および触媒燃焼器６０がそれぞれ並列に接続されているので、触媒燃焼器６０に供給される反応ガスは、反応ガス供給手段から直接に触媒燃焼器６０に対して供給されることとなる。したがって、触媒燃焼器６０に供給される反応ガスが燃料電池スタック１０を経由することがなく、これによって、燃料電池スタック１０が乾燥するのを防止することができる。

また、単独運転モードでは、反応ガス供給手段から触媒燃焼器６０にのみ反応ガスが供給され、触媒燃焼器６０のみが単独で運転されることとなるので、予備的段階で効果的に燃料電池スタック１０を暖めることができる。

また、並行運転モードでは、反応ガス供給手段から触媒燃焼器６０および燃料電池スタック１０にそれぞれ反応ガスが供給され、触媒燃焼器６０の運転と燃料電池スタック１０の発電とが並行して行われるので、触媒燃焼器６０による燃料電池スタック１０の暖機と燃料電池スタック１０の発電に伴う自己発熱により、燃料電池スタック１０を早期に昇温することが可能となる（図５参照）。したがって、燃料電池スタック１０の暖機に要する時間が短縮されることとなり、燃料電池スタック１０の暖機を速やかに行うことができる。

また、単独運転モードの後、並行運転モードに移行させるので、例えば、燃料電池システム１が低温環境下（例えば０℃未満）で起動される場合等に、単独運転モードによる触媒燃焼器６０によって生成した熱で燃料電池スタック１０を前もって暖機しておいてから、並行運転モードに移行させることが可能となり、燃料電池スタック１０が低温環境下で発電する状況を回避することができる。つまり、低音環境下において、システム起動時から燃料電池スタック１０を連動して発電させたときに生じる虞のある燃料電池スタック１０の劣化を、未然に回避することができる。

また、単独運転モードで、高圧バッテリ４４のＳＯＣが所定残量Ｖｔ（％）以下になると、単独運転モードから並行運転モードに切り換えられるので、電力不足によって触媒燃焼器６０が使用できなくなるのを未然に防止することができ、高圧バッテリ４４の電力および燃料電池スタック１０の発電による電力の少なくとも一方の電力で暖機を継続することができる。この場合において、燃料電池スタック１０の発電電力を基に充電すれば、高圧バッテリ４４の暖機も可能となる。

また、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが並行運転必要温度Ｔ４（第１閾値）以上である場合に、単独運転モードから並行運転モードに切り換えられるので、触媒燃焼器６０による燃料電池スタック１０の暖機と燃料電池スタック１０による自己発熱により、燃料電池スタック１０を早期に昇温することが可能となる。したがって、燃料電池スタック１０の暖機に要する時間が短縮されることとなり、燃料電池スタック１０の暖機を速やかに行うことができる。

≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、燃料電池システム１の動作例を図４を参照して説明する。ここでは、燃料電池スタック１０の温度がシステム起動時に０℃未満である場合を想定して説明する。
燃料電池スタック１０の温度がシステム起動時に０℃未満であるので、システム起動後、触媒燃焼器６０を単独で運転する単独運転モードが必要であると判定され（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、高圧バッテリ４４の電力によりコンプレッサ３１が運転され、触媒燃焼器６０に空気が供給される。続いて、触媒燃焼器６０に水素が供給され、生成された反応ガスで触媒燃焼器６０が運転されて暖機が開始される（Ｓ１０２）。

暖機開始後、高圧バッテリ４４のＳＯＣの残量が所定残量Ｖｔ（％）以下になる（Ｓ１０３・Ｎｏ）と、単独運転モードから並行運転モードに切り換えられ、必要量の水素および空気が燃料電池スタックに供給されて燃料電池スタック１０の発電が開始される（Ｓ１０３）。なお、このとき、高圧バッテリ４４のＳＯＣの残量が所定残量Ｖｔ（％）以上である場合でも、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが第１閾値以上（並行運転必要温度Ｔ４）である場合には、単独運転モードから並行運転モードに切り換えられる（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）。

燃料電池スタック１０の発電開始に伴い、高圧バッテリ４４のＳＯＣが回復し、また、燃料電池スタック１０が昇温する。そして、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが第２閾値（並行運転終了温度Ｔ５）以上になる（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）と、並行運転モードが終了して暖機が完了する。

前記した実施形態では、温度センサ５５を配管５２ａに設けたが、これに限定されるものではなく、燃料電池スタック１０の筐体等に設けてもよい。また、配管２２ｂ、配管３２ａに設けて、燃料電池スタック１０を通過した反応ガスの温度を燃料電池スタック１０の温度としてもよい。

また、前記した実施形態では、触媒燃焼器６０の触媒燃焼部６１と熱交換部６２とを一体として設けたが別体としてもよい。

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。

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。 燃料電池スタックのＩＶ特性を示す図である。 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。 燃料電池スタックの効果を示したグラフである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
２１ 水素タンク（反応ガス供給手段）
３１ コンプレッサ（反応ガス供給手段）
４４ 高圧バッテリ（蓄電装置）
４４ａ 残量検出器
５３ ポンプ（冷媒通流手段）
５５ 温度センサ（温度検出手段）
６０ 触媒燃焼器（燃焼手段）
６１ 触媒燃焼部
６２ 熱交換部
６４ 触媒本体
６５ 熱交換部
７１ 水素導入弁（流量調節手段）
７２ 空気導入弁（流量調節手段）
９０ ＥＣＵ（制御手段）
Ｔ１ 暖機必要温度
Ｔ２ 単独運転必要温度
Ｔ３ 運転切換温度
Ｔ４ 並行運転必要温度
Ｔ５ 並行運転終了温度
Ｔｗ 燃料電池スタックの温度

Claims (3)

1. 反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
   前記反応ガス供給手段から供給される反応ガスで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池を経由するように冷媒を通流させる冷媒通流手段と、
   前記反応ガス供給手段から供給される反応ガスのみによって触媒燃焼反応させる触媒を有し、当該触媒燃焼反応により生成する熱で、前記燃料電池に向かう冷媒を暖めて前記燃料電池を暖機する燃焼手段と、
   前記反応ガス供給手段から前記燃料電池および前記燃焼手段に供給される反応ガスの流量を調節する流量調節手段と、
   前記流量調節手段を制御し、前記燃料電池の発電および前記燃焼手段の運転を制御する制御手段と、
   電力を蓄える蓄電装置と、を備え、
   前記反応ガス供給手段は、前記蓄電装置および前記燃料電池の少なくとも１つを電源とするようになっており、
   前記制御手段は、
   前記反応ガス供給手段から前記燃焼手段のみに反応ガスを供給し、当該燃焼手段のみを単独で運転する単独運転モードと、
   前記反応ガス供給手段から前記燃焼手段および前記燃料電池にそれぞれ反応ガスを供給し、前記燃焼手段の運転と前記燃料電池の発電とを並行させる並行運転モードと、を有し、
   前記単独運転モード時に、前記蓄電装置の充電率が所定値以下になった場合、当該単独運転モードから前記並行運転モードに移行させるようになっており、
   前記燃焼手段を、前記蓄電装置および前記燃料電池の少なくとも１つを電源として作動させる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記単独運転モード時に、前記温度検出手段の検出する前記燃料電池の温度が、所定温度以上となった場合、当該単独運転モードから前記並行運転モードに移行させる
   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. 前記反応ガスは水素と空気とを混合して生成され、
   前記制御手段は、
   前記単独運転モード時に、前記燃焼手段内の結露水等が押出されるように前記燃焼手段に空気を先行して供給し、その後、水素を供給して前記燃焼手段に反応ガスが供給されるように前記流量調節手段を制御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。

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