(57)【要約】【課題】燃料電池の状態によらず、燃料電池を加湿できる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に供給されるエアが流通するエア供給路２２と、このエア供給路２２に設けられ、燃料電池１０のカソードオフガスとともに排出された発電生成水を、エア供給路２２を流通するエアに受け渡す加湿器２９と、を備える。燃料電池システム１は、エアと水素ガスを混合して構成された反応ガスを触媒反応により燃焼しオフガスとともに水蒸気を排出する触媒ヒータ５０をさらに備える。また、この触媒ヒータ５０のヒータオフガス及び水蒸気は、エア供給路２２を介して燃料電池１０に供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される反応ガスが流通する反応ガス供給通路と、
前記反応ガス供給通路に設けられ、前記燃料電池のオフガスとともに排出された発電生成水を、前記反応ガス供給通路を流通する反応ガスに受け渡す加湿器と、を備える燃料電池システムであって、
反応ガスを触媒反応により燃焼しオフガスとともに燃焼生成水を排出する触媒燃焼装置をさらに備え、
当該触媒燃焼装置のオフガス及び燃焼生成水は、前記反応ガス供給通路を介して前記燃料電池に供給されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の湿潤度合いを推定する推定手段と、
前記触媒燃焼装置の燃焼に供される反応ガスの流量を調整する流量調整手段と、
前記推定手段により推定された湿潤度合いに基づいて前記流量調整手段を制御する流量制御手段と、をさらに備え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。
【請求項３】
前記燃料電池と熱交換する熱媒体が循環する熱媒体循環通路をさらに備え、
前記触媒燃焼装置は、反応ガスの燃焼により発生した熱により、前記熱媒体循環通路を循環する熱媒体を加熱する加熱器を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記触媒燃焼装置の燃焼に供される反応ガスは、水素と空気とを含み、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の発電停止後に、前記触媒燃焼装置のオフガスを前記燃料電池に供給することで当該燃料電池の内部を掃気する掃気手段と、前記反応ガスの水素と空気の混合比を調整する混合比調整手段と、をさらに備え、
前記掃気手段は、前記燃料電池の内部を掃気する際には、前記混合比調整手段を制御し、前記反応ガスの空気に対する水素の割合を、前記燃料電池の起動時における割合よりも少なくすることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記触媒燃焼装置は、前記反応ガス供給通路のうち前記加湿器よりも前記燃料電池側に設けられることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給される反応ガスが流通する反応ガス供給通路と、
前記反応ガス供給通路に設けられ、前記燃料電池のオフガスとともに排出された発電生成水を、前記反応ガス供給通路を流通する反応ガスに受け渡す加湿器と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、反応ガスを触媒反応により燃焼しオフガスとともに燃焼生成水を排出する触媒燃焼装置をさらに備え、
前記燃料電池の発電を開始する際に、前記触媒燃焼装置のオフガス及び燃焼生成水を前記反応ガス供給通路を介して前記燃料電池に供給する加湿工程を含むことを特徴とする制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。詳しくは、触媒燃焼装置を備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置とを備える。
【０００３】
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
【０００４】
この燃料電池のアノード電極にアノードガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極にカソードガスとしてのエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池システムが注目されている。
【０００５】
このように、燃料電池における化学反応はＭＥＡで行われるが、このＭＥＡはある程度湿った状態でなければイオン交換が行われず、発電し続けることが出来なくなる。また、ＭＥＡが乾いた状態で反応ガスを供給し続けるとＭＥＡが劣化するおそれもある。そこで、従来では、燃料電池に供給される反応ガス流路に加湿器を設け、この加湿器で反応ガスを湿らせることによりＭＥＡを適切な湿度に保つ（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００８−５３１４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで上述のような燃料電池システムにおける加湿器は、燃料電池からオフガスとともに排出された水分を、燃料電池に新たに供給される反応ガスに受け渡すことで、この反応ガスを湿らせる。
【０００７】
ところが、例えば燃料電池の起動時には、燃料電池の内部に残留する水分が少なく、また発電による生成水も少ないため、加湿器により反応ガスを十分に加湿できなくなるおそれがある。また、燃料電池の低出力時には、燃料電池のオフガスに含まれる水分に対して、燃料電池に供給される反応ガスの量が多くなってしまうため、このような場合も加湿器により反応ガスを十分に加湿できず、ＭＥＡを適切な湿度に保つことが困難になるおそれがある。
【０００８】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の状態によらず、燃料電池を加湿できる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池システム（例えば、後述の燃料電池システム１）は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池に供給される反応ガス（例えば、後述の空気、水素ガス、及びこれらを混合したガス）が流通する反応ガス供給通路（例えば、後述のエア供給路２２、バイパス通路２８、水素供給路３３、及びヒータ用水素供給路３６）と、前記反応ガス供給通路に設けられ、前記燃料電池のオフガスとともに排出された発電生成水を、前記反応ガス供給通路を流通する反応ガスに受け渡す加湿器（例えば、後述の加湿器２９）と、を備える。前記燃料電池システムは、反応ガスを触媒反応により燃焼しオフガスとともに燃焼生成水を排出する触媒燃焼装置（例えば、後述の触媒ヒータ５０）をさらに備え、当該触媒燃焼装置のオフガス及び燃焼生成水は、前記反応ガス供給通路を介して前記燃料電池に供給される。
【００１０】
この発明によれば、加湿器に加えて、反応ガスを燃焼しオフガスとともに燃焼生成水を排出する触媒燃焼装置を燃料電池システムに設けた。さらに、この燃焼生成水を含んだ触媒燃焼装置のオフガスが、反応ガス供給通路を介して燃料電池に供給されるように燃料電池システムを構成した。これにより、燃料電池の起動時や低出力時など、燃料電池の内部の水分が僅かであり加湿器により十分な加湿が行えない状態であっても、触媒燃焼装置のオフガスを燃料電池に供給することで、燃焼により発生した燃焼生成水で燃料電池を加湿することができる。また、触媒燃焼装置のオフガスを燃料電池に供給することで、燃料電池の暖機を促進することもできる。
【００１１】
この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の湿潤度合いを推定する推定手段（例えば、後述のＥＣＵ６０、及び図４に示すフローチャートのステップＳ１の実行に係る手段）と、前記触媒燃焼装置の燃焼に供される反応ガスの流量を調整する流量調整手段（例えば、後述のバイパス弁２８１、エアコンプレッサ２１、水素供給装置３７、及びウォータポンプ４２）と、前記推定手段により推定された湿潤度合いに基づいて前記流量調整手段を制御する流量制御手段（例えば、後述のＥＣＵ６０、及び図４に示すフローチャートのステップＳ２の実行に係る手段）と、をさらに備えることが好ましい。
【００１２】
この発明によれば、燃料電池の湿潤度合いを推定し、触媒燃焼装置の燃焼に供される反応ガスの流量を調整する流量調整手段を、推定された湿潤度合いに基づいて制御する。これにより、例えば、燃料電池が湿潤である場合には触媒燃焼装置で燃焼させる反応ガスの流量を少なくしたり、燃料電池が湿潤でない場合には触媒燃焼装置で燃焼させる反応ガスの流量を多くしたりすることで、反応ガスの無駄な消費を抑制しながら、燃料電池を効率的に加湿することができる。
【００１３】
この場合、前記燃料電池システムは、前記燃料電池と熱交換する熱媒体（例えば、後述の冷媒）が循環する熱媒体循環通路（例えば、後述の冷媒循環通路４１）をさらに備え、前記触媒燃焼装置は、反応ガスの燃焼により発生した熱により、前記熱媒体循環通路を循環する熱媒体を加熱する加熱器（例えば、後述の熱交換器５２）を備えることが好ましい。
【００１４】
この発明によれば、触媒燃焼装置に、反応ガスの燃焼により発生した熱により熱媒体を加熱する加熱器を設けた。これにより、触媒燃焼装置のオフガスで燃料電池を加湿しながら熱媒体を加熱し、燃料電池の暖機を促進することができる。
【００１５】
この場合、前記触媒燃焼装置の燃焼に供される反応ガスは、水素と空気とを含み、前記燃料電池システムは、前記燃料電池の発電停止後に、前記触媒燃焼装置のオフガスを前記燃料電池に供給することで当該燃料電池の内部を掃気する掃気手段（例えば、後述のＥＣＵ６０、及び図５に示すフローチャートの実行に係る手段）と、前記反応ガスの水素と空気の混合比を調整する混合比調整手段（例えば、後述のエアコンプレッサ２１、及び水素供給装置３７）と、をさらに備え、前記掃気手段は、前記燃料電池の内部を掃気する際には、前記混合比調整手段を制御し、反応ガスの空気に対する水素の割合を、前記燃料電池の起動時における割合よりも少なくすることが好ましい。
【００１６】
この発明によれば、燃料電池の発電停止後に、この燃料電池の内部を掃気する際には、混合比調整手段を制御し、反応ガスの空気に対する水素の割合を燃料電池の起動時における割合よりも少なくする。ここで、触媒燃焼装置で反応ガスを燃焼する際、空気に対する水素の割合を燃料電池の起動時よりも少なくすることにより、触媒燃焼装置のオフガスをより乾燥したものにすることができる。このように、乾燥した触媒燃焼装置のオフガスを燃料電池に供給することにより燃料電池の掃気を促進することができる。
【００１７】
この場合、前記触媒燃焼装置は、前記反応ガス供給通路のうち前記加湿器よりも前記燃料電池側に設けられることが好ましい。
【００１８】
この発明によれば、反応ガス供給通路のうち加湿器よりも燃料電池側に、触媒燃焼装置を設けた。これにより、例えば、加湿器の上流側に触媒燃焼装置を設けた場合と比較して、加湿器の加湿効率を向上できるとともに、加湿器における圧損を小さくすることができる。触媒燃焼装置を加湿器の上流側に設けた場合、触媒燃焼装置により加湿されたオフガスが加湿器に流入するため、加湿器における加湿効率が低下する。また、加湿されたオフガスが加湿器に流入すると、加湿器における圧損が増加してしまうが、この発明によれば、このような加湿器の加湿効率の低下や圧損の増加を防ぐことができる。
【００１９】
本発明の制御方法は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池に供給される反応ガス（例えば、後述の空気、水素ガス、及びこれらを混合したガス）が流通する反応ガス供給通路（例えば、後述のエア供給路２２、バイパス通路２８、水素供給路３３、及びヒータ用水素供給路３６）と、前記反応ガス供給通路に設けられ、前記燃料電池のオフガスとともに排出された発電生成水を、前記反応ガス供給通路を流通する反応ガスに受け渡す加湿器（例えば、後述の加湿器２９）と、を備える燃料電池システムの制御方法である。前記燃料電池システムは、反応ガスを触媒反応により燃焼しオフガスとともに燃焼生成水を排出する触媒燃焼装置（例えば、後述の触媒ヒータ５０）をさらに備える。前記制御方法は、前記燃料電池の発電を開始する際には、前記触媒燃焼装置のオフガス及び燃焼生成水を前記反応ガス供給通路を介して前記燃料電池に供給する加湿工程（例えば、後述の図４に示すフローチャートのステップＳ２）を含む。
【発明の効果】
【００２０】
この発明によれば、燃料電池の起動時や低出力時など、燃料電池の内部の水分が僅かであり加湿器の加湿性能が低下した状態であっても、触媒燃焼装置のオフガスを燃料電池に供給することで、燃焼により発生した燃焼生成水で燃料電池を加湿することができる。また、触媒燃焼装置のオフガスを燃料電池に供給することで、燃料電池の暖機を促進することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスを供給する反応ガス供給装置２０と、燃料電池１０を冷却する冷却システム４０と、これら燃料電池１０、反応ガス供給装置２０、及び冷却システム４０を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）６０と、を有する。この燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１０により発電された電力を動力源とする図示しない燃料電池車両に搭載される。
【００２２】
燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。
【００２３】
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に形成されたアノード流路１３に反応ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に形成されたカソード流路１４に反応ガスとしての空気（エア）が供給されると、これら反応ガスの電気化学反応により発電する。
【００２４】
反応ガス供給装置２０は、燃料電池１０のカソード流路１４にエアを供給するエアコンプレッサ２１と、燃料電池１０のアノード流路１３に水素ガスを供給する水素タンク３１と、を含んで構成される。
【００２５】
エアコンプレッサ２１は、エア供給路２２を介して、燃料電池１０のカソード流路１４の一端側に接続されている。したがって、エアコンプレッサ２１により圧縮されたエアは、エア供給路２２を流通し、燃料電池１０のカソード流路１４に供給される。また、このエアコンプレッサ２１は、ＥＣＵ６０に接続されており、このエアコンプレッサ２１の回転数は、ＥＣＵ６０により制御される。
【００２６】
燃料電池１０のカソード流路１４の他端側には、エア排出路２３が接続されている。このエア排出路２３の先端側には、カソード流路１４内のエアの圧力を調整する背圧弁２３１が設けられている。したがって、燃料電池１０において発電に供された後にカソード流路１４から排出されたエアは、エア排出路２３を流通し、図示しない希釈器を介して車外に排出される。また、この背圧弁２３１は、ＥＣＵ６０に接続されており、この背圧弁２３１の開弁時間は、ＥＣＵ６０により制御される。なお、以下では、カソード流路１４から排出され、エア排出路２３を流通する燃料電池１０のオフガスを、「カソードオフガス」という。
【００２７】
エア供給路２２には、加湿器２９と触媒ヒータ５０とが、エアコンプレッサ２１から燃料電池１０へ向かってこの順で設けられている。
【００２８】
加湿器２９には、エア供給路２２及びエア排出路２３が接続されている。加湿器２９は、水透過製の中空糸膜を備えており、この中空糸膜を介して、エア供給路２２を流通するエアとエア排出路２３を流通するカソードオフガスとの間で水分交換が行われる。
また、エア排出路２３には、カソードオフガスとともに発電生成水が排出されるため、エア排出路２３を流通するカソードオフガスは、エア供給路２２を流通するエアよりも湿っている。したがって、カソードオフガスとともに排出された発電生成水は、この加湿器２９により、エア供給路２２を流通するエアに受け渡される。これにより、加湿器２９の下流側の触媒ヒータ５０及び燃料電池１０には、加湿器２９により加湿されたエアが供給される。
【００２９】
触媒ヒータ５０は、エアと水素ガスとを混合して構成された反応ガスが供給されると、触媒反応によりこの反応ガスを燃焼し、そのオフガスとともにこの反応により生成された水蒸気を下流側へ排出する。なお、この触媒ヒータ５０の詳細な構成については、後に詳述する。
【００３０】
また、エア供給路２２には、触媒ヒータ５０の上流側から分岐しこの触媒ヒータ５０の下流側に至るバイパス通路２８と、このバイパス通路２８を流通するエアの流量を調整する流量調整手段としてのバイパス弁２８１とが設けられている。また、このバイパス弁２８１は、ＥＣＵ６０に接続されており、このバイパス弁２８１の開弁時間は、ＥＣＵ６０により制御される。
【００３１】
バイパス弁２８１を開くと、バイパス通路２８を流通するエアの流量が増加するとともに、触媒ヒータ５０に供給されるエアの流量が減少する。一方、バイパス弁２８１を閉じると、バイパス通路２８を流通するエアの流量が減少するとともに、触媒ヒータに供給されるエアの流量が増加する。したがって、バイパス弁２８１を開閉することにより、触媒ヒータ５０の燃焼に供されるエアの流量を調整することが可能となる。また、このようなバイパス通路２８及びバイパス弁２８１を設けることにより、触媒ヒータ５０における不要な圧損の増加を抑制することができる。
【００３２】
水素タンク３１は、水素供給路３３を介して、燃料電池１０のアノード流路１３の一端側に接続されている。また、水素供給路３３には、水素タンク３１から供給される水素ガスを減圧する図示しない遮断弁及びレギュレータが設けられている。
【００３３】
燃料電池１０のアノード流路１３の他端側には、水素排出路３５が接続される。水素排出路３５の先端側には、図示しない希釈器が接続されている。また、水素排出路３５には、この水素排出路３５を流通するガスの流量を調整するパージ弁３５１が設けられている。すなわち、パージ弁３５１を開くことにより、アノード流路１３内のガスは希釈器に導入され、この希釈器で希釈された後に、車外に排出される。また、このパージ弁３５１は、ＥＣＵ６０に接続されており、このパージ弁３５１の開弁時間は、ＥＣＵ６０により制御される。
【００３４】
水素供給路３３には、ヒータ用水素供給路３６が分岐して設けられている。このヒータ用水素供給路３６は、水素供給路３３から分岐し触媒ヒータ５０に至り、水素タンク３１から供給された水素ガスを触媒ヒータ５０に供給する。また、このヒータ用水素供給路３６には、水素供給装置３７が設けられている。
【００３５】
水素供給装置３７は、具体的には例えばインジェクタで構成され、水素タンク３１からヒータ用水素供給路３６に供給された水素ガスを触媒ヒータ５０に噴射する。また、この水素供給装置３７は、ＥＣＵ６０に接続されており、この水素供給装置３７による水素ガスの供給量は、ＥＣＵ６０により制御される。
【００３６】
冷却システム４０は、燃料電池１０と図示しないラジエタを経路に含む冷媒循環通路４１と、この冷媒循環通路４１に沿って熱媒体としての冷媒を循環させるウォータポンプ４２と、を含んで構成される。この冷却システム４０では、ウォータポンプ４２により冷媒を冷媒循環通路４１に沿って循環させながら、冷媒と燃料電池１０との間で熱交換することにより、燃料電池１０を冷却する。燃料電池１０と熱交換することにより昇温した冷媒は、ラジエタと熱交換することにより冷却される。また、このウォータポンプ４２は、ＥＣＵ６０に接続されており、このウォータポンプ４２の回転数すなわち冷媒循環通路４１を循環する冷媒の流量は、ＥＣＵ６０により制御される。
【００３７】
また、図１に示すように、冷却システム４０の冷媒循環通路４１は、燃料電池１０及びラジエタに加えて、触媒ヒータ５０を経路に含んでおり、この触媒ヒータ５０と熱交換することが可能となっている。すなわち、触媒ヒータ５０で発生した熱を利用することで、冷媒循環通路４１を流通する冷媒を加熱し、さらにこの加熱した冷媒と燃料電池１０とで熱交換することにより、燃料電池１０を暖機することもできる。
【００３８】
例えば、燃料電池１０で発電を行い続けると、燃料電池１０の温度は、発電を効率的に行うのに適した温度や、ＭＥＡの保護温度を上回ってしまうおそれがある。このような場合、ラジエタで冷媒を冷却しながら冷媒を冷媒循環通路４１に沿って循環させることにより、燃料電池１０を冷却し適切な温度に保つことができる。
一方、燃料電池１０の発電を開始する際、特に低温環境下では、燃料電池１０の温度が発電を効率的に行うのに適した温度を下回っているおそれがある。このような場合、触媒ヒータ５０で冷媒を加熱しながら冷媒を冷媒循環通路４１に沿って循環させることにより、燃料電池１０を加熱し発電に適した温度まで速やかに昇温することができる。
【００３９】
触媒ヒータ５０は、触媒燃焼器５１と、この触媒燃焼器５１の下流側に設けられた加熱器としての熱交換器５２と、を備える。
【００４０】
触媒燃焼器５１は、エア供給路２２に接続され、加湿器２９を通過したエアが流通する燃焼器ケースと、この燃焼器ケース内に設けられた触媒と、を含んで構成される。また、この燃焼器ケースには、ヒータ用水素供給路３６が接続されており、エアと水素ガスとを混合して構成された反応ガスを触媒に供給することが可能となっている。触媒燃焼器５１は、供給された反応ガスを触媒反応により燃焼し、オフガスとともにこの反応により生成された水蒸気を排出する。
【００４１】
また、この触媒燃焼器５１から排出されたオフガスは、熱交換器５２を通過した後、燃焼により発生した水蒸気とともにエア供給路２２を介して燃料電池１０のカソード流路１４に供給される。なお、以下では、触媒ヒータ５０のオフガスを、「ヒータオフガス」という。
【００４２】
熱交換器５２は、触媒燃焼器５１の触媒反応で発生した熱、より具体的にはヒータオフガスと、冷媒循環通路４１を循環する冷媒との間で熱交換することにより、この冷媒を加熱する。
【００４３】
ここで、以上のような燃料電池システム１において、燃料電池１０で発電する手順は以下のようになる。
すなわち、パージ弁３５１を閉じておき、水素タンク３１から、水素供給路３３を介して、燃料電池１０のアノード流路１３に水素ガスを供給する。また、エアコンプレッサ２１を駆動することにより、エア供給路２２を介して、燃料電池１０のカソード流路１４にエアを供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガス及びエアは、発電に供された後、燃料電池１０から発電生成水とともに水素排出路３５及びエア排出路２３に排出される。
【００４４】
また、燃料電池１０の発電停止後には、燃料電池システム１の凍結を防止するために、燃料電池１０の内部及び各通路２２，２３，２８，３３，３５，３６などに残留した水分を車外に排出する掃気処理が実行される。この掃気処理は、エアコンプレッサ２１を所定の回転数で駆動し、燃料電池１０の内部や各通路２２，２４，２８，３３，３５，３６にエアを供給し、残留水を車外に押し出すことにより実行される。
【００４５】
ＥＣＵ６０には、触媒ヒータ５０のヒータオフガスの温度を検出する温度センサ２２１と、燃料電池１０の起動要求及び停止要求を検出する図示しないイグニッションスイッチと、が接続されている。
【００４６】
温度センサ２２１は、エア供給路２２のうち触媒ヒータ５０の下流側を流通するヒータオフガスの温度を検出し、検出したヒータオフガス温度に応じた信号をＥＣＵ６０に出力する。
イグニッションスイッチは、燃料電池システム１が搭載された燃料電池車両の運転席に設けられており、運転者の操作に応じて、起動を指令するオン信号又は停止を指令するオフ信号をＥＣＵ６０に出力する。
【００４７】
ＥＣＵ６０は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定のレベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換するなどの機能を有する入力回路と、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）と、を備える。この他、ＥＣＵ６０は、ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果などを記憶する記憶回路と、エアコンプレッサ２１、背圧弁２３１、パージ弁３５１、ウォータポンプ４２、バイパス弁２８１、及び水素供給装置３７などに制御信号を出力する出力回路とを備える。
【００４８】
次に、図２及び図３を参照して触媒ヒータの運転モードについて詳細に説明する。
図２は、触媒ヒータの複数の運転モードと、触媒ヒータの運転に係る複数の運転パラメータ及び制御目標との関係を示す図である。
図３は、各運転モードに対する運転パラメータ及び制御目標を比較した図である。
【００４９】
図２に示すように、触媒ヒータは、「加湿モード」による運転と、「停止モード」による運転と、「掃気モード」による運転との、３種類の異なる運転モードで運転することが可能である。また、これら運転モードによる触媒ヒータの運転は、運転モードごとに設定された制御目標が達成されるように、複数の運転パラメータを適切に調整することで実行される。
【００５０】
図２及び図３に示すように、触媒ヒータの運転に係る複数の運転パラメータは、「燃焼用エア増加量」と、「燃焼用水素供給量」と、「ヒータ用冷媒循環量」との３種類で構成される。
【００５１】
燃焼用エア増加量とは、ここでは、触媒ヒータの燃焼に供されるエアの流量を示す。上述のように、燃料電池で発電を行う際には、エアコンプレッサを駆動しエア供給路を介して燃料電池にエアを供給する。燃焼用エア増加量とは、より具体的には、エアコンプレッサによりエア供給路に供給されたエアのうち触媒ヒータの燃焼に供されるエア、すなわち通常の発電用に供給したエアに加えて、触媒ヒータで燃焼するために増加したエアの流量を示す。この燃焼用エア増加量は、エアコンプレッサの回転数やバイパス弁の開度によって調整される。より具体的には、エアコンプレッサの回転数を大きくすると、燃焼用エア増加量は大きくなる傾向がある。また、バイパス弁の開度を大きくすると、触媒ヒータに供給されるエアの流量は小さくなるため、燃焼用エア増加量は小さくなる傾向がある。実際に燃焼用エア増加量を調整する場合は、エアコンプレッサの回転数及びバイパス弁の開度の何れかを調整してもよいし、両方を調整してもよい。
【００５２】
燃焼用水素供給量とは、ここでは、触媒ヒータに供給される水素ガスの流量、すなわち触媒ヒータの燃焼に供される水素ガスの流量を示す。上述のように、水素ガスは、水素タンクからヒータ用水素供給路を介して触媒ヒータに供給される。したがって、この燃焼用水素供給量は、水素供給装置による水素ガスの噴射量によって調整される。
【００５３】
ヒータ用冷媒循環量とは、ここでは、冷媒循環通路を循環する冷媒のうち、触媒ヒータの熱交換器を流通する冷媒の流量を示す。上述のように、冷媒はウォータポンプにより圧送され、冷媒循環通路内を循環する。したがって、このヒータ用冷媒循環量は、ウォータポンプの回転数によって調整される。
【００５４】
図２及び図３に示すように、触媒ヒータの運転に係る複数の制御目標は、「ヒータ触媒温度」と、「ヒータオフガス温度」と、「ヒータオフガス湿度」との３種類で構成される。
【００５５】
ヒータ触媒温度は、ここでは、触媒ヒータの触媒の温度を示す。上述の複数の運転パラメータのうち燃焼用エア増加量と燃焼用水素供給量とを共に増加すると、反応ガスの燃焼が促進されるため、このヒータ触媒温度は上昇する傾向がある。また、このヒータ触媒温度を上昇させることにより、冷媒循環通路を循環する冷媒の温度を速やかに上昇させ、燃料電池の暖機を促進することができる。
【００５６】
ヒータオフガス温度は、ここでは、触媒ヒータのヒータオフガスの温度であり、上述の温度センサ２２１（図１参照）の出力値が用いられる。上述の複数の運転パラメータのうち燃焼用エア増加量と燃焼用水素供給量とを共に増加すると、反応ガスの燃焼が促進されるため、ヒータオフガス温度は上昇する傾向がある。また、ヒータ用冷媒循環量を増加すると、熱交換器において冷媒とヒータオフガスとの間の熱交換が促進されるため、ヒータオフガス温度は低下する傾向がある。
【００５７】
ヒータオフガス湿度は、ここでは、触媒ヒータのヒータオフガスの湿度を示す。このヒータオフガス湿度を調整することにより、燃料電池の内部の湿度を調整することができる。このヒータオフガス湿度は、反応ガスの水素ガスとエアの混合比、すなわち燃焼用エア増加量と燃焼用水素供給量との割合に応じて調整することができる。したがって、本実施形態の混合比調整手段は、エアコンプレッサ、及び水素供給装置により構成される。より具体的には、触媒ヒータの触媒に供給される反応ガスの燃焼用エア増加量に対する燃焼用水素供給量の割合を多くすると、より多くの水蒸気が発生するため、ヒータオフガス湿度は上昇する傾向がある。また、ヒータ用冷媒循環量を増加すると、ヒータオフガス温度が低下するため、ヒータオフガス湿度は上昇する傾向がある。
【００５８】
次に、各運転モードに対する運転パラメータと制御目標について説明する。
加湿モードによる触媒ヒータの運転は、後に図４を参照して詳述するように、主に燃料電池の起動時や低出力時において実行される。起動時や低出力時における燃料電池は、通常運転時と比較して、温度が低くかつ内部の湿度が低い。そこで、この加湿モードによる触媒ヒータの運転では、燃料電池を暖機しながら湿度が高くなるように制御目標が設定される。
【００５９】
加湿モードでは、ヒータ触媒温度は、冷媒を暖めるために例えば約５００〜７００℃の範囲内に設定される。ヒータオフガス温度は、燃料電池の要求温度に設定される。また、ヒータオフガス湿度は、湿潤、すなわちヒータオフガス湿度が触媒ヒータに供給されるエアの湿度よりも高くなるように設定される。
加湿モードによる運転では、以上のように設定された制御目標が達成されるように、燃焼用エア増加量、燃焼用水素供給量、及びヒータ用冷媒循環量を調整する。より具体的には、燃焼用エア増加量は、例えば、ヒータ触媒温度が所定の目標値に一致するように調整する。また、燃焼用水素供給量は、例えば、ヒータオフガス湿度が所定の目標値に一致するように調整する。また、ヒータ用冷媒循環量は、例えば、ヒータオフガス温度に合わせて調整する。
【００６０】
停止モードによる触媒ヒータの運転は、後に図４を参照して詳述するように、主に燃料電池の通常運転時に実行される。通常運転時における燃料電池は、温度及び内部の湿度が共に発電に適した状態にある。したがって、触媒ヒータを用いて燃料電池を暖機したり加湿したりする必要もない。そこで、この停止モードによる触媒ヒータの運転では、触媒反応が発生しないように、燃焼用エア増加量、燃焼用水素供給量、及びヒータ用冷媒循環量を全て０Ｌ／ｍｉｎとする。この場合、触媒ヒータに供給されたエアは、燃焼に供されず、触媒ヒータを通過して燃料電池に供給される。
【００６１】
掃気モードによる触媒ヒータの運転は、後に図５を参照して詳述するように、主に燃料電池の発電停止後の掃気処理を行う際に実行される。上述のように、掃気処理は、燃料電池の内部及び各通路に残留した水分をエアで排出することを目的とする。したがって、燃料電池の内部に供給されるエアは、常温よりも高温でありかつ外気よりも乾燥していることが好ましい。そこで、この掃気モードによる触媒ヒータの運転では、高温かつ乾燥したエアが燃料電池に供給されるように制御目標が設定される。
【００６２】
加湿モードでは、ヒータ触媒温度は、例えば、約１００℃に設定される。ヒータオフガス温度は、例えば、約１００℃に設定される。また、ヒータオフガス湿度は、乾燥、すなわちヒータオフガス湿度が触媒ヒータに供給されるエアの湿度よりも低くなるように設定される。
掃気モードによる運転では、以上のように設定された制御目標が達成されるように、燃焼用エア増加量、燃焼用水素供給量、及びヒータ用冷媒循環量を調整する。より具体的には、燃焼用エア増加量は、例えば、掃気に必要な量に合わせて調整する。また、燃焼用水素供給量は、例えば、ヒータ触媒温度が所定の目標値に一致するように調整する。特にここで、図３に示すように、燃焼用エア増加量に対する燃焼用水素供給量の割合、すなわち、燃焼に供する反応ガスのエアに対する水素ガスの割合を、加湿モードにおける割合よりも少なくする。これにより、高温かつ乾燥したヒータオフガスを燃料電池に供給することが可能となる。なお、ヒータ用冷媒循環量は、０Ｌ／ｍｉｎとする。
【００６３】
次に、図４及び図５を参照して、触媒ヒータの運転の具体的な制御手順について説明する。これら図４及び図５に示す制御手順は、上述のようなハードウェア構成を有するＥＣＵにより実現される。
【００６４】
図４は、燃料電池の起動時における触媒ヒータの制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、運転者によりイグニッションスイッチがオンにされ、燃料電池の発電の開始を指令する信号を検出したことに応じて開始する。
【００６５】
ステップＳ１では、燃料電池の湿潤度合いを推定し、この推定された湿潤度合いに基づいて触媒ヒータを用いた燃料電池の加湿が不要であるか否かを判別する。
ここで、燃料電池の湿潤度合いと相関がある量としては、例えば、燃料電池の発電を開始してから現在までの経過時間や、燃料電池の出力値などがある。つまり、発電の経過時間が所定の時間以上である場合や、燃料電池の出力値が所定値以上である場合には、燃料電池の内部は十分に湿潤な状態であると推定される。このステップでは、以上のようにして燃料電池の湿潤度合いを推定し、その結果、十分に湿潤な状態であり燃料電池の加湿が必要ではないと判定された場合にはステップＳ３に移り、十分に湿潤な状態ではなく燃料電池の加湿が必要であると判定された場合にはステップＳ２に移る。
【００６６】
ステップＳ２では、触媒ヒータによる加湿が必要であると判定されたことに応じて、加湿モードによる触媒ヒータの運転を実行し、触媒ヒータの湿潤なヒータオフガスを燃料電池に供給する。
【００６７】
ステップＳ３では、触媒ヒータの燃焼を行っている場合には、これを停止するとともにバイパス弁を開き、ステップＳ４に移る。ステップＳ４では、停止モードによる触媒ヒータの運転を実行する。なお、停止モードによる運転は、燃料電池の発電が終了するまで行われる。
【００６８】
図５は、燃料電池の発電停止後における触媒ヒータの制御手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、発電停止後、掃気処理の実行に合わせて開始する。
【００６９】
ステップＳ１１では、触媒ヒータを用いた乾燥掃気が必要であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１２に移り、この判別がＮＯの場合にはこの処理を終了する。
ステップＳ１２では、掃気モードによる触媒ヒータの運転を実行し、触媒ヒータのヒータオフガスを燃料電池に供給し、燃料電池の掃気を促進する。ステップＳ１３では、所定時間が経過したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ１４に移り、この判別がＮＯの場合には、ステップＳ１２に移り、掃気モードによる運転を継続する。ステップＳ１４では、触媒ヒータの燃焼を停止するとともに、バイパス弁を開き、この処理を終了する。
【００７０】
本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）本実施形態によれば、加湿器２９に加えて、反応ガスを燃焼しオフガスとともに水蒸気を排出する触媒ヒータ５０を燃料電池システム１に設けた。さらに、この水蒸気を含んだ触媒ヒータ５０のヒータオフガスが、エア供給路２２を介して燃料電池１０に供給されるように、燃料電池システム１を構成した。これにより、燃料電池１０の起動時や低出力時など、燃料電池１０の内部の水分が僅かであり加湿器２９により十分な加湿が行えない状態であっても、触媒ヒータ５０のヒータオフガスを燃料電池１０に供給することで、燃焼により発生した水蒸気で燃料電池１０を加湿することができる。また、触媒ヒータ５０のヒータオフガスを燃料電池１０に供給することで、燃料電池１０の暖機を促進することもできる。
【００７１】
（２）本実施形態によれば、燃料電池１０の湿潤度合いを推定し、この推定に基づいて、エアコンプレッサ２１、バイパス弁２８１、及び水素供給装置３７などを制御し、触媒ヒータ５０の燃焼に供される反応ガスの流量を調整する。具体的には、燃料電池１０が十分に湿潤であると推定された場合には、停止モードにより触媒ヒータ５０を運転し、燃料電池１０が十分に湿潤でないと推定された場合には、加湿モードにより触媒ヒータ５０を運転する。これにより、反応ガス、特に水素ガスの無駄な消費を抑制しながら、燃料電池１０を効率的に加湿することができる。
【００７２】
（３）本実施形態によれば、触媒ヒータ５０に、反応ガスの燃焼により発生した熱により冷媒を加熱する熱交換器５２を設けた。これにより、触媒ヒータ５０のヒータオフガスで燃料電池１０を加湿しながら冷媒を加熱し、燃料電池１０の暖機を促進することができる。
【００７３】
（４）本実施形態によれば、燃料電池１０の発電停止後に、この燃料電池１０の内部を掃気する際には、エアコンプレッサ２１や水素供給装置３７を制御し、反応ガスのエアに対する水素ガスの割合を、加湿モードによる運転時における割合よりも少なくする。ここで、触媒ヒータ５０で反応ガスを燃焼する際、エアに対する水素ガスの割合を加湿モードによる運転時よりも少なくすることにより、触媒ヒータ５０のヒータオフガスをより乾燥したものにすることができる。このように、乾燥した触媒ヒータ５０のヒータオフガスを燃料電池１０に供給することにより、燃料電池１０の掃気を促進することができる。
【００７４】
（５）本実施形態によれば、エア供給路２２のうち加湿器２９よりも燃料電池１０側に、触媒ヒータ５０を設けた。これにより、例えば、加湿器２９の上流側に触媒ヒータ５０を設けた場合と比較して、加湿器２９の加湿効率を向上できるとともに、加湿器２９における圧損を小さくすることができる。
加湿器は、中空糸膜を介した水分交換によりエアを加湿するため、触媒ヒータを加湿器の上流側に設けた場合、触媒ヒータにより加湿されたヒータオフガスが加湿器に流入してしまい、加湿器における加湿効率が低下する。また、加湿されたヒータオフガスが加湿器に流入すると、加湿器における圧損が増加してしまうが、本実施形態によれば、このような加湿器の加湿効率の低下や圧損の増加を防ぐことができる。
【００７５】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】上記実施形態に係る触媒ヒータの複数の運転モードと、触媒ヒータの運転に係る複数の運転パラメータ及び制御目標との関係を示す図である。
【図３】上記実施形態に係る各運転モードに対する運転パラメータ及び制御目標を比較した図である。
【図４】上記実施形態に係る燃料電池の起動時における触媒ヒータの制御手順を示すフローチャートである。
【図５】上記実施形態に係る燃料電池の発電停止後における触媒ヒータの制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１    燃料電池システム
１０    燃料電池
２０    反応ガス供給装置
２１    エアコンプレッサ（流量調整手段、混合比調整手段）
２２    エア供給路（反応ガス供給通路）
２８    バイパス通路（反応ガス供給通路）
２８１    バイパス弁（流量調整手段）
２９    加湿器
３３    水素供給路（反応ガス供給通路）
３６    ヒータ用水素供給路（反応ガス供給通路）
３７    水素供給装置（流量調整手段、混合比調整手段）
４０    冷却システム
４１    冷媒循環通路（熱媒体循環通路）
４２    ウォータポンプ
５０    触媒ヒータ（触媒燃焼装置）
５１    触媒燃焼器
５２    熱交換器（加熱器）
６０    ＥＣＵ（推定手段、流量制御手段、掃気手段）
【図１】
2010129529.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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