JP5271013B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents
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Description
そして、このように触媒の表面に付着すると、触媒の有効反応面積が小さくなってしまい、このままの状態で触媒燃焼器が作動すると、触媒燃焼反応が良好に進行せず、燃料電池の暖機が遅れるうえ、水素等の燃料ガスが触媒燃焼器を通り抜け、そのまま外部に排出されるため、燃料ガスが無駄に消費される虞がある。
したがって、その後の燃料電池システムの起動時において、触媒燃焼器を運転し、つまり、触媒燃焼器において燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、燃料電池を暖機するとき、触媒の表面に水分が付着しておらず、その有効反応面積が小さくなっていないので、触媒燃焼を良好に進めることができる。その結果、触媒燃焼器によって燃料電池を速やかに暖機しつつ、触媒燃焼器から触媒燃焼せずに外部に排出される燃料ガスを低減することができる。
これにより、例えば、後記する実施形態のように、燃料電池と触媒燃焼器とが、酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されており、酸化剤ガス供給手段を共有している燃料電池システムの場合、上流弁を閉じることで、燃料電池のカソード流路の多湿な空気が、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。また、加湿器が燃料電池の酸化剤ガス流路(カソード流路)の上流に配置された燃料電池システムである場合、上流弁を閉じることにより、加湿器内の多湿な酸化剤ガスが、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。
このような燃料電池システムによれば、掃気手段により、触媒燃焼器を掃気することができる。ここで、触媒燃焼器を掃気するとは、触媒燃焼器の運転後に、触媒燃焼器に掃気ガスを導入し、これに残存する燃料ガスや、触媒燃焼により生成した水蒸気(水分)を、外部に押し出すことを意味する。そして、掃気ガスとしては、例えば、後記する実施形態のようにコンプレッサからの非加湿の空気が使用される。このようにして、触媒燃焼器が掃気されるので、触媒燃焼器内に例えば高濃度の燃料ガスが残存することや、結露水が生成することを防止しつつ、触媒燃焼器を冷却できる。
そして、下流弁が、触媒燃焼器の直後に閉じるので、外部から多湿なガスが触媒燃焼器に侵入することを防止でき、次回のシステム起動時における触媒燃焼器の運転に備えて、触媒燃焼器内に水分等が少ない状態を維持することができる。
このような燃料電池システムによれば、開閉制御される制御弁である下流弁及び上流弁が、動力源となる駆動装置を共有しているので、システム構成を簡略化、小型化することができる。この場合において、駆動装置の出力軸周りに、下流弁の弁体と上流弁の弁体とがそれぞれ固定され、下流弁の弁体の移動角と、上流弁の弁体の移動角とが同一である構成でもよいが、例えば、下流弁の弁体には駆動装置の出力軸から減速機構を介して動力が伝達する構成とすれば、下流弁の弁体の移動角と、上流弁の弁体の移動角とが同一でなく、独立した開度で制御可能な構成とすることもできる。
このような燃料電池システムによれば、下流弁が逆止弁であるので、システム構成が簡便となる。
また、排ガスの通流向きとオフガスの通流向きとが対向するように、排ガス配管がオフガス配管に接続されているので、つまり、排ガス配管の下流端はオフガスの上流を向いているので、触媒燃焼器の停止中であり逆止弁が閉じている場合において、燃料電池から排出されたオフガスの一部は排ガス配管に流入する。そうすると、逆止弁の下流における排ガス配管内の圧力が上昇し、この圧力上昇により、逆止弁は閉方向に付勢され、確実に閉じられる。これにより、燃料電池から排出された多湿のオフガスが触媒燃焼器に導入することを防止できる。
これにより、触媒燃焼器に導入される燃料ガス及び酸化剤ガスが、触媒燃焼器が触媒暖機モードで運転する場合、触媒燃焼器が通常モードで運転する場合よりも、触媒燃焼器を通り抜けにくくなる。すなわち、触媒燃焼器が暖機モードで運転している場合、触媒燃焼器に導入された燃料ガスが、触媒燃焼器内で拡散し、触媒燃焼器内の全体に行き届きやすくなる。
したがって、触媒燃焼器内における燃料ガスの濃度の均一化を図ることができ、触媒全体において触媒燃焼反応を進めることができる。そして、触媒燃焼反応熱によって、触媒全体を暖めることができ、触媒の活性の均一化を図ることができる。その結果、触媒を良好に暖機すると共に、暖機時間を短縮することができる。
これにより、例えば、後記する実施形態のように、燃料電池と触媒燃焼器とが、酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されており、酸化剤ガス供給手段を共有している燃料電池システムの場合、上流弁を閉じることで、燃料電池のカソード流路の多湿な空気が、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。また、加湿器が燃料電池の酸化剤ガス流路(カソード流路)の上流に配置された燃料電池システムである場合、上流弁を閉じることにより、加湿器内の多湿な酸化剤ガスが、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。
以下、本発明の第1実施形態について、図1から図6を参照して説明する。
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。
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段)と、加湿器32と、背圧弁33と、希釈器34(希釈装置)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、加湿器32、配管32a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。加湿器32は、その内部に水分透過性を有する中空糸膜を備えており、コンプレッサ31からカソード流路12に向かう空気と、カソード流路12から排出された水蒸気を含む多湿のカソードオフガスとの間で水分交換し、コンプレッサ31からカソード流路12に向かう空気を加湿するようになっている。
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。
また、コンプレッサ31、ポンプ52、遮断弁22、後記する上流弁63及び下流弁65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、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、ポンプ52と、三方弁53と、温度センサ54とを備えている。
冷媒流路13の出口は、配管51a、ラジエータ51(放熱器)、配管51b、ポンプ52、配管52a、三方弁53、配管53a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52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。
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53に限定されず、例えば、配管53a、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。
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)する系であって、水素導入弁61と、インジェクタ62(水素供給手段)と、上流弁63と、ミキサ64(混合器)と、触媒燃焼器70と、下流弁65とを備えている。なお、上流弁63及び下流弁65は、ソレノイドを内蔵し、ECU90により開閉制御される電磁式の制御弁である。ただし、これに限定されず、上流弁63及び下流弁65は、DCモータ、空圧、油圧等によって作動する制御弁でもよい。
ただし、上流弁63はこれに限定されず、例えば、配管63aと配管31aとの合流点に設けられた三方弁でもよい。
そして、整流板73で整流された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ガスを生成し、この高温の排ガスが熱交換部76に供給されるようになっている。
ここで、第1実施形態では、触媒燃焼器70の排ガスを外部に排出する排ガス配管は、配管65aと、配管65bと、配管34aの一部とを備えて構成されている。そして、下流弁65は、前記排ガス配管であって、触媒燃焼器70の下流に配置されている。
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。
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。
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52は停止している。遮断弁22、背圧弁33、水素導入弁61及び上流弁63は閉じており、コンタクタ43はOFFされている。三方弁53は、配管52aと配管53a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。
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。暖機必要温度T1は、燃料電池スタック10の温度Twがこの温度未満である場合、燃料電池スタック10内が凍結している虞があると推定されるので、触媒燃焼器70を運転して燃料電池スタック10を暖機する必要がある温度であり、事前試験等により求められ、ECU90に予め記憶されている。
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)を触媒暖機モードで運転する。つまり、触媒燃焼器70の運転を開始する。
具体的には、ステップS103に示すようにECU90は、上流弁63及び下流弁65を全開にし、コンプレッサ31及びポンプ52を作動させる。これに並行して、ECU90は、水素導入弁61を開き、インジェクタ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53を制御して、配管52aと配管70aとを連通させる。これにより、ポンプ52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。
ステップS104において、ECU90は、触媒温度Tsと触媒の暖機完了温度T5とに基づいて、触媒部本体72を構成する触媒の暖機が完了したか否かを判定する。触媒の暖機完了温度T5は、触媒温度Tsがこの温度以上であれば、触媒部本体72に通常流量で燃料混合ガスを導入しても、良好に触媒燃焼反応が進み、多量の燃料混合ガス(特に水素)が通り抜けないとされる温度である。このような触媒の暖機完了温度T5は、触媒の種類、装填量等に依存し、事前試験等に求められ、ECU90に予め記憶されている。
ステップS105において、ECU90は、触媒燃焼器70を通常モードで運転する。
具体的には、ECU90は、触媒暖機モードに対して、インジェクタ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、コンプレッサ31の回転速度を高め、触媒暖機モードに対して、触媒燃焼器70に送られる空気流量を増加させる。
ステップS106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の暖機完了温度T2は、燃料電池スタック10のMEAに含まれる触媒の種類等に依存し、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S107において、ECU90は、触媒燃焼器70の運転を停止する。
具体的には、ECU90は、触媒燃焼器70により燃料電池スタック10を暖める必要はないため、水素導入弁61を閉じ、触媒燃焼器70への水素供給を停止する。これにより、触媒燃焼器70における触媒燃焼は停止する。
これに対し、上流弁63及び下流弁65は全開のままとし、触媒燃焼器70に空気を継続して流通させる。
ステップS108において、ECU90は、燃料電池スタック10の発電を開始させる。
具体的には、ECU90は、遮断弁22を開いてアノード流路11に水素を供給すると共に、背圧弁33を開いてカソード流路12に空気を供給する。これにより、アノード流路11では水素への置換、カソード流路12では空気の置換が、それぞれ進む。
そして、ECU90は、電圧センサ(図示しない)を介して、燃料電池スタック10のOCVが発電可能な所定OCV以上となったことを検出した後、コンタクタ43をONする。次いで、ECU90は、アクセルペダル82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から電流を取り出す。そうすると、燃料電池スタック10の発電が開始する。なお、燃料電池スタック10の発電は、IG81がOFFされ、後記するステップS112の判定がYesとなるまで継続される。
ステップS109において、ECU90は、触媒燃焼器70を掃気モードで運転する。
具体的には、ECU90は、上流弁63及び下流弁65を継続して開き、コンプレッサ31(掃気手段)からの掃気ガス(非加湿の空気)を、触媒燃焼器70に供給する。これにより、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65a、下流弁65、配管65bを介して外部に排出され、触媒燃焼器70が掃気される。これと同時に、触媒部本体72が冷却される。
なお、三方弁53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。これにより、燃料電池スタック10の発電に伴う自己発熱によって、冷媒を介して、触媒燃焼器70を暖めつつ、掃気することできる。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してもよい。
ステップS110において、ECU90は、内蔵するクロックを利用し、ステップS109における掃気モードでの運転開始後、所定掃気時間Δtが経過したか否かに基づいて、触媒燃焼器70の掃気が完了したか否かを判定する。所定掃気時間Δtは、触媒燃焼器70の掃気が完了したと推定される時間であり、事前試験等により求められ、ECU90に予め記憶されている。
ただし、これに限定されず、例えば、掃気モードに入った際の触媒温度Tsに応じて、掃気モードの実行時間を可変、つまり、触媒温度Tsが高い場合、掃気モードの実行時間を長くする構成としてもよい。
ステップS111において、ECU90は、上流弁63及び下流弁65を閉じる。これにより、触媒燃焼器70(詳細には触媒部本体72)は、配管63b等を介しての加湿器32や、配管65b等を介しての外部と遮断される。すなわち、触媒部本体72は、掃気によって水分及び水素が低減された状態で、密閉維持される。
IG81はOFFされたと判定した場合(S112・Yes)、ECU90は、コンタクタ43をOFFし、燃料電池スタック10の発電を停止させる。これに並行して、ECU90は、遮断弁22を閉じ、コンプレッサ31を停止させ、背圧弁33を閉じる。なお、このように燃料電池スタック10の発電を停止する場合、コンプレッサ31からの掃気ガス(非加湿の空気)を、加湿器32を迂回させてカソード流路12と、図示しない配管を介してアノード流路11とに導入し、アノード流路11及びカソード流路12を掃気することが好ましい。
そして、ECU90の処理は、エンドに進む。
ステップS113において、ECU90は、ステップS108と同様に、燃料電池スタック10の発電を開始させる。その後、ECU90の処理は、ステップS112に進む。
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。
触媒燃焼器の運転停止後であって(S107)、触媒燃焼器70の掃気が完了した直後に(S110・Yes)、上流弁63及び下流弁65を閉めるので(S111)、その後に、触媒燃焼器70への水分等の侵入を防止できる。具体的には、外部の多湿な空気が、配管34a、65b、65aを介して、触媒燃焼器70に侵入することを防止できる。また、加湿器32及びカソード流路12の多湿な空気が、配管63a、63b、64aを介して、触媒燃焼器70に侵入することを防止できる。これにより、掃気完了後において、触媒燃焼器70の触媒に吸着される水分量を、低減することができる(図3参照)。さらに、システム停止中に、氷点下等の低温環境となっても、触媒燃焼器70内が凍結しにくくなる。
これにより、触媒燃焼器70をそのまま通り抜ける水素を低減することができ、外部に排出される排ガスの水素濃度C11を低くすることができる(図4参照)。また、水分吸着量が少ない触媒下で、触媒燃焼反応を好適に進めることができるので、触媒暖機モードにおいて、触媒温度Tsをその暖機完了温度T5に速やかに高めることができ、その結果、燃料電池スタック10の温度Twが、暖機完了温度T2に到達する時間を短縮することができる(図5参照)。
次に、燃料電池システム1の一動作例について、図6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T1未満であるので(S101・Yes)、触媒暖機モードに入り(S102)、上流弁63及び下流弁65が開かれる(S103)。そして、触媒温度Tsが暖機完了温度T5になると(S104・Yes)、通常モードに移行する(S105)。
以上、本発明の第1実施形態について説明したが、本発明は第1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。また、後記する第2実施形態等と適宜に組み合わせてもよい。
また、触媒の暖機が進むと触媒燃焼器70を通り抜ける水素が低減するので、水素センサ35を介して検出される現在の水素濃度C11が、所定水素濃度C1以下となった場合、暖機が完了したと判定する構成としてもよい。なお、所定水素濃度C1は、触媒の暖機が完了したと推定される水素濃度であり、事前試験等により求められ、ECU90に予め記憶される。
次に、本発明の第2実施形態について、図7、図8を参照して説明する。
第2実施形態に係る燃料電池システムの機械的構成は、第1実施形態と同一であるが、ECU90に設定されたプログラムが一部異なる。以下、第1実施形態と異なる部分のみを説明する。
次に、本発明の第3実施形態について、図9、図10を参照して説明する。
第3実施形態に係る燃料電池システムの機械的構成は、第1実施形態と同一であるが、ECU90に設定されたプログラムが一部異なる。以下、第1実施形態と異なる部分のみを説明する。
ステップS116において、ECU90は、上流弁63を全開し、下流弁65を半開する(図10参照)。すなわち、第3実施形態では、触媒暖機モードにおける下流弁65の開度を、暖機完了後の通常モードにおける開度(全開)よりも小さく制御する。この場合において、図10に破線で示すように、下流弁65の弁体を一旦全開位置に作動させ、全開可能であることを検出した後、半開にしてもよい。
ただし、下流弁65の開度は半開に限定されず、通常モードにおける開度よりも小さければよい。また、触媒温度Tsに基づいて下流弁65の開度を可変、例えば、触媒温度Tsが低いほど、下流弁65の開度を小さくする構成としてもよい。
その後、ECU90の処理は、ステップS104に進む。
次に、本発明の第4実施形態について、図11から図13を参照して説明する。
図11に示すように、第4実施形態に係る燃料電池システム2は、上流弁63(図1参照)を備えておらず、配管63aの下流端はミキサ64に接続されており、インジェクタ62は配管63aに配置されている。
次に、本発明の第5実施形態について、図14を参照して説明する。
図14に示すように、第5実施形態に係る燃料電池システムでは、上流弁63と下流弁65とが、その動力源となるモータM(駆動装置)を共有している。すなわち、モータMの出力軸周りに、上流弁63の弁体と、下流弁65の弁体とが固定されおり、上流弁63及び下流弁65の動作は同期する。これにより、燃料電池システムの構成を簡略化、小型化することができる。
この他に例えば、モータMを共有するものの、適宜に減速機構を設けて、上流弁63及び下流弁65にモータMの動力が伝達する構成とし、上流弁63の開度と、下流弁65の開度とが独立する構成としてもよい。
ただし、配管64aの形状は、燃料混合ガスを混合可能であればよく、例えば、螺旋形、蛇行形であってもよい。
次に、本発明の第6実施形態について、図15を参照して説明する。
図15に示すように、第6実施形態に係る燃料電池システムは、電磁式の下流弁65(図1参照)に代えて、下流弁として機能する逆止弁66を備えている。逆止弁66は、触媒燃焼器70の運転時等において、配管65aから配管65bへの排ガスの通流のみを許容し、配管65bから配管65aへの外気や、希釈器34での希釈後のガス等の通流を許容しない、つまり、遮断するワンウェイバルブである。このような逆止弁66は、例えばリード弁から構成され、システム構成が簡便となっている。
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
21 水素タンク
22 遮断弁
31 コンプレッサ(酸化剤ガス供給手段、掃気手段)
63 上流弁(制御弁)
65 下流弁(制御弁)
66 逆止弁(下流弁)
70 触媒燃焼器
71 触媒部
72 触媒部本体
74 温度センサ
76 熱交換部
90 ECU
M モータ(駆動装置)
Tw 燃料電池スタックの温度
T1 燃料電池スタックの暖機必要温度
T2 燃料電池スタックの暖機完了温度
Ts 触媒温度
T5 触媒燃焼器の暖機完了温度
Claims (8)
- 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、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、
燃料ガス供給源から前記燃料電池に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給配管と、
上流端が前記燃料ガス供給配管に接続され、前記触媒燃焼器に向かう燃料ガスが通流する触媒燃焼用燃料ガス導入配管と、
前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給配管と、
上流端が前記酸化剤ガス供給配管に接続され、前記触媒燃焼器に向かう酸化剤ガスが通流する触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管と、
前記触媒燃焼用燃料ガス導入配管と、前記触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管と、の接続箇所よりも上流側の前記触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管に配置され、前記触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、
前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、
前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、
前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
を備え、
システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、
前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器への燃料ガスの通流を遮断して前記触媒燃焼器の運転を行わず、
前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、燃料ガスが前記触媒燃焼用燃料ガス導入配管を介して前記触媒燃焼器に導入されるようにして前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器への燃料ガスの通流を遮断し、前記触媒燃焼器の運転を停止する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 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、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、
前記燃料電池から排出されるオフガスが通流するオフガス配管と、
前記オフガス配管に配置され、前記燃料電池から排出されるオフガスを希釈する希釈器と、
下流端が前記希釈器よりも下流側の前記オフガス配管に接続され、前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、
前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、
前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記希釈器よりも下流側の前記オフガス配管に配置され、前記希釈器から排出されるオフガスと、前記排ガス配管を介して排出される排ガスと、が合流したガスの燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、
を備え、
システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、
前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、
前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段を備え、
前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じる
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。 - 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、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、
前記触媒燃焼器の上流に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、
前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、
前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
前記燃料電池を暖機する際の熱媒体である冷媒の流路方向を切り替える冷媒方向切替手段と、
を備え、
システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、
前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、
前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止し、
前記冷媒方向切替手段は、前記燃料電池の暖機中において前記触媒燃焼器で熱交換した冷媒が前記燃料電池を経由する経由状態とした後、前記掃気手段による掃気中において前記経由状態を維持し、
前記下流弁及び前記上流弁は、前記掃気手段による掃気中において開弁状態を維持し、
前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じる
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記下流弁及び前記上流弁は、開閉制御される制御弁であって、動力源となる駆動装置を共有している
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。 - 前記下流弁は、前記触媒燃焼器からのガスの通流を許容し、前記触媒燃焼器へガスの通流を許容しない逆止弁であり、
前記排ガス配管は、前記燃料電池から排出されたオフガスが通流するオフガス配管に、排ガスの通流向きとオフガスの通流向きとが対向するように、接続されている
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。 - 前記触媒燃焼器がこれに内蔵される触媒を暖機するモードで運転する場合における前記下流弁の開度は、前記触媒燃焼器が通常モードで運転する場合における前記下流弁の開度よりも小さい
ことを特徴とする請求項1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。 - 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、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、
前記触媒燃焼器の上流に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、
前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、
前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
前記燃料電池を暖機する際の熱媒体である冷媒の流路方向を切り替える冷媒方向切替手段と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、
前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、
前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始させた後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止し、
前記冷媒方向切替手段は、前記燃料電池の暖機中において前記触媒燃焼器で熱交換した冷媒が前記燃料電池を経由する経由状態とした後、前記掃気手段による掃気中において前記経由状態を維持し、
前記下流弁及び前記上流弁は、前記掃気手段による掃気中において開弁状態を維持し、
前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じる
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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