(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器と、
前記改質器で生成した水素ガスが供給される固体酸化物型燃料電池と、
前記固体酸化物型燃料電池から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関と、
前記内燃機関から排出された排気ガスを前記改質器及び固体酸化物型燃料電池の少なくとも一方の加熱に利用するために、前記排気ガスを前記改質器及び前記固体酸化物燃料電池の一方へ選択的に又は両方へ導くように前記排気ガスを導く先を制御する排気経路制御弁と、
前記排気経路制御弁を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記排気経路制御弁を制御して、燃料電池システムの起動時に前記固体酸化物型燃料電池の温度が所定の設定温度まで上昇する間、前記排気ガスを前記固体酸化物型燃料電池へ選択的に導き、かつ、前記固体酸化物型燃料電池の温度が前記設定温度に到達した後、前記排気ガスを前記改質器へ導く、ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記設定温度は、前記固体酸化物型燃料電池の定常運転時の作動温度である完全暖機温度である、ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記設定温度は、前記固体酸化物型燃料電池の定常運転時の作動温度である完全暖機温度よりも所定の温度だけ低い半暖機温度である、ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記排気経路制御弁を制御して、燃料電池システムの起動時に前記固体酸化物型燃料電池の温度が前記半暖機温度まで上昇する間、前記排気ガスを前記固体酸化物型燃料電池へ選択的に導き、前記固体酸化物型燃料電池の温度が前記半暖機温度に到達した後、更に前記完全暖機温度まで上昇する間、前記排気ガスを前記固体酸化物型燃料電池及び前記改質器の両方へ導き、かつ、前記固体酸化物型燃料電池の温度が前記完全暖機温度に到達した後、前記排気ガスを前記改質器へ選択的に導く、ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記排気経路制御弁を制御して、燃料電池システムの起動時に前記固体酸化物型燃料電池の温度が前記半暖機温度まで上昇する間、前記排気ガスを前記固体酸化物型燃料電池へ選択的に導き、前記固体酸化物型燃料電池の温度が前記半暖機温度に到達した後、前記改質器の温度が所定の設定温度まで上昇する間、前記排気ガスを前記改質器へ選択的に導き、かつ、前記改質器の温度が前記設定温度に到達した後、前記固体酸化物型燃料電池の温度が前記完全暖機温度に到達していない場合に、前記排気ガスを前記固体酸化物型燃料電池及び前記改質器の両方へ導く、ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【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に係り、より詳細には、固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：ＳＯＦＣ）と内燃機関とを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の特許文献１には、ＳＯＦＣと内燃機関とを備えた従来の複合発電設備が記載されている。この複合発電設備においては、特許文献１の図１４に示すように、ＳＯＦＣのオフガスを内燃機関の燃料の一部として利用し、さらに、その内燃機関の排気ガスを改質器及びＳＯＦＣへ導き、改質器及びＳＯＦＣを予加熱している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８０１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ＳＯＦＣは、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte  Fuel Cell：ＰＥＦＣ）の発電効率（例えば３０〜４０％）よりも高い発電効率（例えば４５〜６５％）を有する。さらに、ＳＯＦＣは、ＰＥＦＣよりも多様な燃料を制御することができるという利点を有する。しかし、ＳＯＦＣは、ＰＥＦＣの作動温度（例えば７０〜９０℃）よりも高い作動温度（例えば６００〜１０００℃）を必要とするため、起動が遅いという問題があった。
【０００５】
上記の特許文献１に記載の複合発電設備においては、その内燃機関の排気ガスを改質器及びＳＯＦＣへ導き、改質器及びＳＯＦＣを予加熱している。このため、複合発電設備の起動の迅速化が図れると考えられる。
【０００６】
ところで、ＳＯＦＣと内燃機関とを備えた燃料電池システムを、例えば、電気自動車の電源として利用する場合、起動時にできるだけ早く燃料電池から電気が供給されることが望ましい。このため、燃料電池システムにおいて、起動時により早くＳＯＦＣによる発電が開始されることが望まれる。
【０００７】
そこで、本発明は、起動時に固体酸化物型燃料電池による早期の発電開始が可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器と、改質器で生成した水素ガスが供給される固体酸化物型燃料電池と、固体酸化物型燃料電池から排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関と、内燃機関から排出された排気ガスを改質器及び固体酸化物型燃料電池の少なくとも一方の加熱に利用するために、排気ガスを改質器及び固体酸化物燃料電池の一方へ選択的に又は両方へ導くように排気ガスを導く先を制御する排気経路制御弁と、排気経路制御弁を制御する制御手段とを備え、制御手段は、排気経路制御弁を制御して、燃料電池システムの起動時に固体酸化物型燃料電池の温度が所定の設定温度まで上昇する間、排気ガスを固体酸化物型燃料電池へ選択的に導き、かつ、固体酸化物型燃料電池の温度が設定温度に到達した後、前記排気ガスを前記改質器へ導く、ことを特徴とする。
【０００９】
このように構成された本発明においては、制御手段が、排気経路制御弁を制御して、燃料電池システムの起動時に固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）の温度が所定の設定温度まで上昇する間、排気ガスがＳＯＦＣへ選択的に導かれる。その結果、起動直後に排気ガスがＳＯＦＣへ選択的に導かれて、ＳＯＦＣが優先的に暖機される。これにより、起動直後にＳＯＦＣの温度が速やかに上昇する。
【００１０】
なお、起動直後は、排気ガスはＳＯＦＣへ選択的に導かれ、改質器には導かれない。このため、起動直後は、改質器の温度が低く、改質器では燃料ガスが十分に改質されない。しかし、ＳＯＦＣの温度がある程度高くなれば、ＳＯＦＣにおいて、いわゆる内部改質が可能となる。内部改質とは、改質されていない燃料ガスが高温のＳＯＦＣに供給されると、その燃料ガスの一部がＳＯＦＣ内で加熱されて分解し、水素ガスが発生する現象をいう。その結果、十分に改質されていない燃料ガスがＳＯＦＣへ供給されても、ＳＯＦＣ内で内部改質が行われることによって、ＳＯＦＣで発電反応が開始する。一旦、発電反応が開始すると、発電反応は発熱反応であるため、ＳＯＦＣは自立的に暖機される。
【００１１】
したがって、本発明によれば、起動直後のＳＯＦＣの温度が所定の設定温度まで上昇する間、内燃機関の排気ガスをＳＯＦＣに選択的に導くことにより、ＳＯＦＣを優先的に暖機するとともに、ＳＯＦＣで内部改質が行われることによって、ＳＯＦＣによる早期の発電開始が可能となる。
【００１２】
また、本発明において、好ましくは、設定温度は、固体酸化物型燃料電池の定常運転時の作動温度である完全暖機温度である。
ＳＯＦＣの温度が完全暖機温度まで早く上昇すれば、ＳＯＦＣにおいて、効率良く発電反応を行うことが可能となる。
【００１３】
また、本発明において、好ましくは、設定温度は、固体酸化物型燃料電池の定常運転時の作動温度である完全暖機温度よりも所定の温度だけ低い半暖機温度である。
ＳＯＦＣの温度が半暖機温度まで早く上昇すれば、内部改質による発電反応により、ＳＯＦＣはある程度自立的に暖機することができる。そのうえ、ＳＯＦＣの温度が完全暖機温度まで上昇する前に、半暖機温度まで上昇した時点で、排気ガスによる改質器の暖機を早期に開始することができる。その結果、改質器における燃料ガスの改質が早期に開始される。これにより、ＳＯＦＣでの効率良い発電が早期に開始される。
【００１４】
また、本発明において、好ましくは、制御手段は、排気経路制御弁を制御して、燃料電池システムの起動時に固体酸化物型燃料電池の温度が半暖機温度まで上昇する間、排気ガスを固体酸化物型燃料電池へ選択的に導き、固体酸化物型燃料電池の温度が半暖機温度に到達した後、更に完全暖機温度まで上昇する間、排気ガスを固体酸化物型燃料電池及び改質器の両方へ導き、かつ、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度に到達した後、排気ガスを改質器へ選択的に導く。
【００１５】
このように、まず、ＳＯＦＣの温度が半暖機温度まで上昇する間は、排気ガスがＳＯＦＣへ選択的に導かれて、ＳＯＦＣが優先的に暖機される。その結果、ＳＯＦＣでの内部改質を利用した発電反応が早期に開始する。次いで、ＳＯＦＣの温度が半暖気温度に到達した後、更に完全暖気温度まで上昇する間、排気ガスはＳＯＦＣ及び改質器の両方へ導かれる。その結果、ＳＯＦＣの温度が更に上昇するとともに、改質器が暖機されて燃料ガスの改質が開始する。これにより、改質された燃料ガスがＳＯＦＣに供給されるようになり、ＳＯＦＣの発電反応効率が向上する。さらに、ＳＯＦＣの温度が完全暖気温度に到達した後は、ＳＯＦＣは発電反応により自立的に暖機する。そこで、排気ガスを改質器へ選択に導くことにより、改質器を効率的に暖機する。このように、ＳＯＦＣの温度に応じて排気ガスを導く先を制御することにより、燃料電池システム全体が早期に暖機される。
【００１６】
また、本発明において、好ましくは、制御手段は、排気経路制御弁を制御して、燃料電池システムの起動時に固体酸化物型燃料電池の温度が半暖機温度まで上昇する間、排気ガスを固体酸化物型燃料電池へ選択的に導き、固体酸化物型燃料電池の温度が半暖機温度に到達した後、改質器の温度が所定の設定温度まで上昇する間、排気ガスを改質器へ選択的に導き、かつ、改質器の温度が設定温度に到達した後、固体酸化物型燃料電池の温度が完全暖機温度に到達していない場合に、排気ガスを固体酸化物型燃料電池及び改質器の両方へ導く。
【００１７】
このように、まず、ＳＯＦＣの温度が半暖機温度まで上昇する間は、排気ガスがＳＯＦＣへ選択的に導かれて、ＳＯＦＣが優先的に暖機される。その結果、ＳＯＦＣでの内部改質を利用した発電反応が早期に開始する。次いで、ＳＯＦＣの温度が半暖気温度に到達した後、排気ガスは改質器へ選択的に導かれる。その結果、改質器が効率的に暖機されて燃料ガスの改質が早期に開始する。これにより、改質された燃料ガスがＳＯＦＣに供給されるようになり、ＳＯＦＣの発電反応効率が向上する。さらに、改質器の温度が所定の設定温度に到達した後、ＳＯＦＣの温度が完全暖気温度に到達していない場合には、排気ガスはＳＯＦＣ及び改質器の両方へ導かれる。その結果、改質器の暖機を継続しつつ、ＳＯＦＣの暖機が促進される。このように、ＳＯＦＣ及び改質器の温度に応じて排気ガスを導く先を制御することにより、燃料電池システム全体が早期に暖機される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムによれば、起動時に固体酸化物型燃料電池による早期の発電開始が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。
【図２】本発明の第１実施形態による燃料電池システムのコントロールユニットの入出力関係を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料電池システムの基本制御を示すローチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態による燃料電池システムにおける排気ガスの流れの制御を示すフローチャートである。
【図５】固体酸化物型燃料電池の完全暖機温度及び半暖機温度を説明するグラフである。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムにおける排気ガスの流れの制御を示す概略図である。
【図７】本発明の第２実施形態による燃料電池システムにおける排気ガスの流れの制御を示すフローチャートである。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムにおける排気ガスの流れの制御を示す概略図である。
【図９】本発明の第３実施形態による燃料電池システムにおける排気ガスの流れの制御を示すフローチャートである。
【図１０】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第３実施形態による燃料電池システムにおける排気ガスの流れの制御を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付の図面を参照して、本発明の燃料電池システムの実施形態を説明する。
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの構成について説明する。図１は、第１実施形態による燃料電池システムの基本構成を示す概略図である。
【００２１】
図１に示すように、第１実施形態による燃料電池システムは、電気自動車の駆動用電源であって、作動時に、炭化水素化合物を含有する燃料ガスを改質して水素ガスを生成する改質器１と、改質器で生成した水素ガスが供給される固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）２と、ＳＯＦＣから排出されたオフガスを燃料の一部として吸引する内燃機関としてのエンジン３と、内燃機関から排出された排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方の加熱に利用するために、排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方へ導くように排気ガスを導く先を制御する排気経路制御弁４ａ及び４ｂと、排気経路制御弁４ａ及び４ｂを制御する制御手段５とを備えている。
【００２２】
改質器１としては、従来公知の任意好適なものを利用することができる。改質器１では、例えば６００〜８００℃の高温下で、メタン等の炭化水素化合物を含む燃料ガスに水蒸気が加えられることによって、炭化水素化合物が分解されて、水素が生成される。本実施形態では、燃料ガスとして液化天然ガス（liquefied petroleum gas：ＬＰＧ）を使用する。
【００２３】
なお、図１では、改質器１へ供給される燃料ガスの経路を実線１０ａで示す。また、改質器１へ供給される水の経路の図示を省略する。また、図１に経路を示す種々のガスは、それぞれ経路に従って設けられた不図示の配管によって導かれる。
【００２４】
また、改質器１には、排気ガスの熱及びオフガスによって改質器１を加熱するために、不図示の熱交換機構が設けられている。熱交換機構は、任意好適な構造を採用することができる。例えば、熱交換機構として、改質器１の周囲を排気ガスとオフガスを別々に通すジャケットで覆ってもよいし、改質器１の内部に、排気ガスとオフガスを別々に通す複数の配管を設けてもよい。
【００２５】
改質器１で生成された水素ガス、及び改質器１を通過した未改質の燃料ガスは、ＳＯＦＣ２へ供給される。また、ＳＯＦＣ２へは空気（Ａｉｒ）も供給される。図１では、改質器１からＳＯＦＣ２へ供給される水素ガス及び未改質の燃料ガスの経路を実線１０ｂで示し、ＳＯＦＣ２へ供給される空気の経路を破線１１ａで示す。
【００２６】
ＳＯＦＣ２としては、従来公知の任意好適なものを利用することができる。本実施形態におけるＳＯＦＣ２も、従来公知のものと同様に、燃料極（アノード）２１と空気極（カソード）２２を備えている。改質器１からの燃料ガス等は燃料極２１へ供給される。また、空気極２２には空気が供給される。
【００２７】
ＳＯＦＣ２では、燃料極２１に供給された燃料ガス中の水素と、空気極２２に供給された空気中の酸素とが反応して水が生成されるとともに、電気が発生する発電反応が行われる。発電反応で発生した電気は、燃料極２１及び空気極２２それぞれのセラミック電極に接続された二次電池（図示せず）や駆動モータ（図示せず）に送られる。
【００２８】
また、ＳＯＦＣ２には、排気ガスの熱によってＳＯＦＣ２を加熱するために、不図示の熱交換機構が設けられている。熱交換機構は、任意好適な構造を採用することができる。例えば、熱交換機構として、ＳＯＦＣ２の周囲を排気ガスを通すジャケットで覆ってもよいし、ＳＯＦＣ２の内部に、排気ガスを通す複数の配管を設けてもよい。
【００２９】
一般のＳＯＦＣは、従来、発電反応を行うために８００〜１０００℃という高い作動温度を必要としていた。しかし、近年、作動温度を例えば６５０℃ぐらいまで下げたＳＯＦＣも開発されている。発電反応は発熱反応であるため、発電反応が開始するとＳＯＦＣは自立的に加熱されて、ＳＯＦＣの作動温度が維持される。したがって、排気ガスによるＳＯＦＣ２の加熱は、ＳＯＦＣの起動時の暖機に特に有用である。
【００３０】
ＳＯＦＣ２から排出されたオフガスは、改質器１の熱交換機構（図示せず）を経由して、エンジン３の吸入ポート３１へ供給される。本実施形態では、オフガスとして、ＳＯＦＣ２の燃料極２１から排出されたガスと、空気極２２から排出されたガスとの両方がエンジン３へ供給される。図１では、燃料極２１からエンジン３へ供給される未反応の燃料ガスを含むガスの経路を実線１０ｃで示し、空気極２２からエンジン３へ供給される空気の経路を破線１１ｂで示す。
【００３１】
ＳＯＦＣ２の作動温度が高温であるため、ＳＯＦＣ２から排出されたオフガスも通常、数百℃という高温である。かかる高温のオフガスは、改質器１の熱交換機構において、改質器１と熱交換される。その結果、改質器１が加熱される一方、オフガスが冷却される。そして、冷却されたオフガスがエンジン３へ供給される。これにより、オフガスの排熱の有効利用を図ることができる。
【００３２】
エンジン３としては、吸気排気サイクルを有する従来公知の任意好適な内燃機関を利用することができる。例えば、エンジン３として、レシプロエンジンを採用してもよいし、ロータリーエンジンを採用してもよい。図１では、ピストン３３を備えたレシプロエンジンの例を模式的に示す。エンジン３を内燃機関として駆動する際には、エンジン３での燃焼を最適なものとするため、エンジン３の吸気ポート３１にオフガスとともに、燃料（ＬＰＧ）及び空気（Ａｉｒ）が供給される。
【００３３】
このエンジン３は車両走行のための駆動源ではなく、エンジン３のピストンロッド３４はモータ兼発電機６に連結されている。これにより、エンジン３は、オフガスを燃料の一部として内燃機関として駆動して、モータ兼発電機６で補助的に発電することができる。また、二次電池に充電された電気を利用してモータ兼発電機６をモータとして駆動することによって、エンジン３のピストン３３を運動させることもできる。
【００３４】
エンジン３においてオフガスを燃料の一部として利用することによって、オフガスに含まれる未反応の高い水素を燃焼させることができるとともに、オフガスに含まれる未改質の炭化水素化合物も燃焼させることができる。このように、エンジン３でオフガスを燃焼させることによって、引火性の高い水素ガスを大気中に放出することを回避することができるとともに、オフガス中の炭化水素化合物を減らして、排気ガスの浄化を図ることができる。
【００３５】
さらに、エンジン３は、通常のＳＯＦＣ等の燃料電池ユニットにおいて必要とされるブロアーの機能を果たす。具体的には、エンジン３は、吸気サイクルにおいて、吸気ポート３１からオフガスを吸引する。その結果、ＳＯＦＣ２の燃料極２１では改質器１から燃料ガス等が吸引され、かつ、空気極２２では空気が吸引される。さらに、改質器１では、燃料ガスが吸引される。したがって、本実施形態による燃料電池ユニットでは、燃料ガスを改質器及びＳＯＦＣへ送出するためのブロアーも、空気をＳＯＦＣへ送出するためのブロアーも必要としない。
【００３６】
そして、エンジン３は、排気ポート３２から数百℃の高温の排気ガスを排気する。排気ガスは、改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方の熱交換機構へ導かれて、これらの加熱に利用される。これにより、排気ガスの排熱の有効利用を図ることができる。
【００３７】
排気経路制御弁４ａ及び４ｂは、排気ガスの経路上に設けられ、排気ガスを改質器１及びＳＯＦＣ２の少なくとも一方へ導くように排気ガスを導く先を制御する。具体的には、排気経路制御弁４ａが開き、かつ排気経路制御弁４ｂが閉じている場合に、排気ガスは改質器１へ導かれる。一方、排気経路制御弁４ａが閉じ、かつ排気経路制御弁４ｂが開いている場合に、排気ガスはＳＯＦＣ２へ導かれる。さらに、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの両方が開いている場合に、排気ガスは改質器１及びＳＯＦＣ２の両方へ導かれる。改質器１及びＳＯＦＣ２それぞれに導かれる排気ガスの割合は、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開度によって調整される。
【００３８】
なお、図１では、燃料電池システムの定常運転時に、排気経路制御弁４ａが開き、かつ排気経路制御弁４ｂが閉じて、エンジン３から改質器１へ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。また、図１では、エンジン３からＳＯＦＣ２へ導かれて排気されるガスの経路の一部を二点鎖線で示す。
【００３９】
制御手段５は、コントロールユニット５として設けられている。ここで、図２にコントロールユニット５の入出力関係を示すブロック図を示す。図２に示すように、コントロールユニット５には、電気自動車のイグニッションスイッチ（ＩＧ  ＳＷ）のオン情報５１、エンジン回転数５２、車速５３、アクセル開度５４、二次電池の充電状態（state of charge：ＳＯＣ）５５、ＳＯＦＣ温度５６及び改質器温度５７の情報が入力される。なお、これらの情報は、それぞれ不図示のセンサによって検出される。
【００４０】
コントロールユニット５は、燃料電池システムの起動時に、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御して、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが所定の設定温度まで上昇する間、エンジン３から排気された排気ガスをＳＯＦＣ２へ選択的に導き、かつ、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが設定温度に到達した後、排気ガスを改質器１へ導く。なお、起動時の排気経路制御弁４ａ及び４ｂの詳細な制御内容については後述する。
【００４１】
さらに、コントロールユニット５は、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御するだけでなく、改質器１に供給される燃料ガス量を制御する燃料電池燃料制御弁４ｃの開閉も制御する。また、コントロールユニット５は、オフガスとは別に、エンジン３へ供給される空気及び燃料の量を制御する空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅその他の燃料電池ユニット内の各弁の開閉をも制御する。さらに、コントロールユニット５は、モータ兼発電機６の動作も制御する。
【００４２】
次に、図３のフローチャートを参照して、コントロールユニット５による燃料電池システムの作動時の基本制御について説明する。
まず、車速、アクセル開度及び二次電池のＳＯＣの情報がコントロールユニット５に読み込まれる（Ｓ３１）。
【００４３】
次いで、車速及びアクセル開度から、走行に必要な電力を算出する（Ｓ３２）。
次いで、二次電池のＳＯＣからＳＯＦＣ２で発電すべき充電電力を算出する（Ｓ３３）。
【００４４】
次いで、算出した充電電力に応じて、ＳＯＦＣ２へ供給すべき燃料量及び空気量を算出する（Ｓ３４）。
次いで、算出した供給すべき燃料量に応じて、燃料電池燃料制御弁４ｃの開度を制御する（Ｓ３５）。
【００４５】
次いで、算出した供給すべき空気量に応じて、エンジンの目標回転数を設定する（Ｓ３６）。エンジン３はブロアとしても機能するため、エンジンの回転数によって、空気供給量が調節される。
次いで、エンジン３が目標回転数となるように、エンジン３を制御する（Ｓ３７）。エンジンの制御にあたっては、空気制御弁４ｄ及び燃料制御弁４ｅの開度が調整される。
このようにして、車両の走行中、ＳＯＦＣ２によって適切な電力が発電される。
【００４６】
次に、図４のフローチャートを参照して、第１実施形態における燃料電池システムの起動時の排気ガスを導く先の制御について説明する。排気ガスを導く先は、コントロールユニット５による排気制御弁４ａ及び４ｂの開閉によって制御される。
【００４７】
先ず、イグニッションスイッチ（ＩＧ  ＳＷ）がオンされると（Ｓ４１で「Ｙｅｓ」の場合）、コントロールユニット５は、エンジン回転数Ｎｅ、二次電池のＳＯＣ、及びＳＯＦＣの温度Ｔｓを読み込む（Ｓ４２）。
次いで、コントロールユニット５は、目標エンジン回転数を設定して、エンジンを制御する（Ｓ４３）。
【００４８】
次いで、コントロールユニット５は、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが、完全暖機温度Ｔ１まで上昇する間（Ｓ４４で「Ｙｅｓ」の場合）、排気ガスをＳＯＦＣ２の熱交換機構へ選択的に導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ４５）。具体的には、排気経路制御弁４ａを閉じ、かつ、排気経路制御弁４ｂを開く。
【００４９】
ここで、完全暖機温度Ｔ１は、図５のグラフに示すように、ＳＯＦＣ２の定常運転時の作動温度である。図５は、燃料電池システムを起動させてから定常運転に至るまでのＳＯＦＣ２の温度Ｔｓの時間変化を模式的に示すグラフである。図５のグラフ中の曲線Ｉに示すように、起動時のＳＯＦＣ２の温度Ｔｓは、例えば電気自動車の外気温と同じ温度Ｔ０から上昇して、定常運転時の作動温度Ｔ１でほぼ一定となる。作動温度Ｔ１は、例えば、６５０℃である。
【００５０】
図６（Ａ）に、排気経路制御弁４ａを閉じ、かつ、排気経路制御弁４ｂを開いた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図６（Ａ）では、エンジン３からＳＯＦＣ２へ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。なお、二点鎖線で示した、排気経路制御弁４ａから改質器１へ導かれる経路へは排気ガスは導かれない。
【００５１】
なお、図６、図８及び図１０では、発明の理解を容易にするため、改質器１を経由する経路を省略して、オフガスが改質器１を経由せずにエンジン３へ直接送られるように排気ガスの経路を図示する。
【００５２】
ところで、ＳＯＦＣ２が暖機温度Ｔ１まで上昇する間、排気経路弁４ａが閉じられ、改質器１には排気ガスが導かれない。このため、起動直後は、改質器１の温度が低く、改質器１では燃料ガスが十分に改質されない。しかし、ＳＯＦＣ２の温度がある程度高くなれば、ＳＯＦＣ２において内部改質が行われるため、ＳＯＦＣで発電反応を開始させることができる。また、発電反応が一旦開始すると、発電反応は発熱反応であるため、ＳＯＦＣは自立的に暖機される。したがって、起動直後のＳＯＦＣ２の温度Ｔｓを完全暖機温度Ｔ１まで早く上昇すれば、ＳＯＦＣ２において、早期に効率良い発電反応を開始することができる。
【００５３】
そして、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１に到達した後（Ｓ４４で「Ｎｏ」の場合）、コントローラ５は、排気ガスを改質器１の熱交換機構へ選択的に導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ４６）。具体的には、排気経路制御弁４ａを開き、かつ、排気経路制御弁４ｂを閉じる。
【００５４】
図６（Ｂ）に、排気経路制御弁４ａを開き、かつ、排気経路制御弁４ｂを閉じた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図６（Ｂ）では、エンジン３から改質器１へ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。なお、二点鎖線で示した、排気経路制御弁４ｂからＳＯＦＣ２へ導かれる経路には排気ガスは導かれない。
【００５５】
ＳＯＦＣ２が完全暖機温度Ｔ１まで暖機された後は、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓは作動温度に自立的に維持される。一方、排気ガスを改質器１の熱交換機構へ選択的に導くことにより、改質器１が暖機される。改質器１の温度Ｔｒが上昇して、燃料ガスの改質が開始されることにより、ＳＯＦＣ２で、内部改質よる場合よりも効率よく発電反応が行われる。
【００５６】
また、第１実施形態では、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが、完全暖機温度Ｔ１ではなく、半暖機温度Ｔ２まで上昇する間、排気ガスをＳＯＦＣ２の熱交換機構へ選択的に導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御してもよい。半暖機温度Ｔ２とは、図５に示すように、暖機温度Ｔ１よりも所定の温度ΔＴだけ低い温度である。例えば、完全暖機温度Ｔ１が６５０℃であり、かつΔＴが１５０℃である場合、半暖機温度Ｔ２は、４００℃である。
【００５７】
ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが半暖機温度Ｔ２まで早く上昇すれば、内部改質による発電反応により、ＳＯＦＣ２はある程度自立的に暖機することができる。そのうえ、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖機温度Ｔ１まで上昇する前に、半暖機温度Ｔ２まで上昇した時点で、排気ガスによる改質器１の暖機を早期に開始することができる。その結果、改質器における燃料ガスの改質が早期に開始される。これにより、ＳＯＦＣ２での効率良い発電を早期に開始することができる。
【００５８】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
なお、第２実施形態による燃料電池ユニットの基本構成及び基本制御は、上述の第１実施形態と同じである。このため、第２実施形態では、図７のフローチャートを参照して、第２実施形態における燃料電池システムの起動時の排気ガスを導く先の制御について説明する。第２実施形態においても、排気ガスを導く先は、コントロールユニット５による排気制御弁４ａ及び４ｂの開閉によって制御される。
【００５９】
先ず、イグニッションスイッチ（ＩＧ  ＳＷ）がオンされると（Ｓ７１で「Ｙｅｓ」の場合）、コントロールユニット５は、エンジン回転数Ｎｅ、二次電池のＳＯＣ、ＳＯＦＣの温度Ｔｓ及び改質器温度Ｔｒを読み込む（Ｓ７２）。
次いで、コントロールユニット５は、目標エンジン回転数を設定して、エンジンを制御する（Ｓ７３）。
【００６０】
次いで、コントロールユニット５は、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが、半暖機温度Ｔ２まで上昇する間（Ｓ７４で「Ｙｅｓ」の場合）、排気ガスをＳＯＦＣ２の熱交換機構へ選択的に導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ７５）。具体的には、排気経路制御弁４ａを閉じ、かつ、排気経路制御弁４ｂを開く。
【００６１】
図８（Ａ）に、排気経路制御弁４ａを閉じ、かつ、排気経路制御弁４ｂを開いた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図８（Ａ）では、エンジン３からＳＯＦＣ２へ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。なお、二点鎖線で示した、排気経路制御弁４ａから改質器１へ導かれる経路へは排気ガスは導かれない。
【００６２】
このように、まず、ＳＯＦＣ２の温度が半暖機温度Ｔ２まで上昇する間は、排気ガスがＳＯＦＣ２へ選択的に導かれて、ＳＯＦＣ２が優先的に暖機される。その結果、ＳＯＦＣ２での内部改質を利用した発電反応が早期に開始する。
【００６３】
そして、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが半暖機温度Ｔ２に到達した後（Ｓ７４で「Ｎｏ」の場合）、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが更に完全暖気温度Ｔ１まで上昇する間（Ｓ７６で「Ｎｏ」の場合）、コントローラ５は、排気ガスをＳＯＦＣ２の熱交換機及び改質器１の熱交換機構の両方へ導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ７７）。具体的には、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの両方を開く。
なお、ＳＯＦＣ２及び改質器１へそれぞれ導く排気ガスの流量比は、排気制御弁４ａ及び４ｂの開度によって調節される。この流量比は、任意好適な値とすることができ、例えば、１：１である。
【００６４】
図８（Ｂ）に、排気経路制御弁４ａ及び４ｂを開いた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図８（Ｂ）では、エンジン３からＳＯＦＣ２及び改質器１へそれぞれ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。
【００６５】
このように、第２実施形態では、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが半暖気温度Ｔ２に到達した後、更に完全暖気温度Ｔ１まで上昇する間、排気ガスはＳＯＦＣ２及び改質器１の両方へ導かれる。その結果、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが更に上昇するとともに、改質器１が暖機されて燃料ガスの改質が開始する。これにより、改質された燃料ガスがＳＯＦＣ２に供給されるようになり、ＳＯＦＣ２の発電反応効率が向上する。
【００６６】
そして、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖気温度Ｔ１に到達した後（Ｓ７６で「Ｙｅｓ」の場合）、コントローラ５は、排気ガスを改質器１へ選択的に導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ７８）。具体的には、排気経路制御弁４ａを開き、排気経路制御弁４ｂを閉じる。
【００６７】
図８（Ｃ）に、排気経路制御弁４ａを開き、排気経路制御弁４ｂを閉じた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図８（Ｃ）では、エンジン３から改質器１へ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。なお、二点鎖線で示した、排気経路制御弁４ｂからＳＯＦＣ２へ導かれる経路へは排気ガスは導かれない。
【００６８】
ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖気温度Ｔ１に到達した後は、ＳＯＦＣ２は発電反応により自立的に作動温度を維持する。そこで、排気ガスを改質器１へ選択に導くことにより、改質器１が効率的に暖機される。このように、第２実施形態では、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓに応じて排気ガスを導く先を制御することにより、燃料電池システム全体が早期に暖機される。
【００６９】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
なお、第３実施形態による燃料電池ユニットの基本構成及び基本制御は、上述の第１実施形態と同じである。このため、第３実施形態では、図９のフローチャートを参照して、第３実施形態における燃料電池システムの起動時の排気ガスを導く先の制御について説明する。第３実施形態においても、排気ガスを導く先は、コントロールユニット５による排気制御弁４ａ及び４ｂの開閉によって制御される。
【００７０】
先ず、イグニッションスイッチ（ＩＧ  ＳＷ）がオンされると（Ｓ９１で「Ｙｅｓ」の場合）、コントロールユニット５は、エンジン回転数Ｎｅ、二次電池のＳＯＣ、ＳＯＦＣの温度Ｔｓ及び改質器温度Ｔｒを読み込む（Ｓ９２）。
次いで、コントロールユニット５は、目標エンジン回転数を設定して、エンジンを制御する（Ｓ９３）。
【００７１】
次いで、コントロールユニット５は、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが、半暖機温度Ｔ２まで上昇する間（Ｓ９４で「Ｙｅｓ」の場合）、排気ガスをＳＯＦＣ２の熱交換機構へ選択的に導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ９５）。具体的には、排気経路制御弁４ａを閉じ、かつ、排気経路制御弁４ｂを開く。
【００７２】
図１０（Ａ）に、排気経路制御弁４ａを閉じ、かつ、排気経路制御弁４ｂを開いた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図１０（Ａ）では、エンジン３からＳＯＦＣ２へ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。なお、二点鎖線で示した、排気経路制御弁４ａから改質器１へ導かれる経路へは排気ガスは導かれない。
【００７３】
このように、まず、ＳＯＦＣ２の温度が半暖機温度Ｔ２まで上昇する間は、排気ガスがＳＯＦＣ２へ選択的に導かれて、ＳＯＦＣ２が優先的に暖機される。その結果、ＳＯＦＣ２での内部改質を利用した発電反応が早期に開始する。
【００７４】
そして、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが半暖機温度Ｔ２に到達した後（Ｓ９４で「Ｎｏ」の場合）、改質器１の温度Ｔｒが所定の設定温度Ｔ３まで上昇する間（Ｓ９６で「Ｙｅｓ」の場合）、コントローラ５は、排気ガスを改質器１の熱交換機構へ選択的に導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ９７）。具体的には、排気経路制御弁４ａを開き、かつ、排気経路制御弁４ｂを閉じる。
なお、改質器の所定の設定温度Ｔ３とは、例えば、改質器１において燃料ガスの改質反応が行われる際の改質器１の作動温度であるとよい。かかる作動温度は、例えば、６００℃である。
【００７５】
図１０（Ｂ）に、排気経路制御弁４ａを開き、排気経路制御弁４ｂを閉じた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図１０（Ｂ）では、エンジン３から改質器１へ導かれて排気される排気が宇の経路を太線１２で示す。なお、二点鎖線で示した、排気経路制御弁４ｂからＳＯＦＣ２へ導かれる経路へは排気ガスは導かれない。
【００７６】
このように、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが半暖気温度Ｔ２に到達した後、排気ガスは改質器１へ選択的に導かれる。その結果、改質器１が効率的に暖機されて燃料ガスの改質が早期に開始する。これにより、改質された燃料ガスがＳＯＦＣに供給されるようになり、ＳＯＦＣの発電反応効率が向上する。
【００７７】
そして、改質器１の温度Ｔ４が設定温度Ｔ３に到達した後（Ｓ９６で「Ｎｏ」の場合）、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖気温度Ｔ１に到達していない場合（Ｓ９８で「Ｎｏ」の場合）に、コントローラ５は、排気ガスをＳＯＦＣ２及び改質器１の両方へ導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ９９）。具体的には、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの両方を開く。
なお、ＳＯＦＣ２及び改質器１へそれぞれ導く排気ガスの流量比は、排気制御弁４ａ及び４ｂの開度によって調節される。この流量比は、任意好適な値とすることができ、例えば、１：１である。
【００７８】
図１０（Ｃ）に、排気経路制御弁４ａ及び４ｂを開いた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図１０（Ｃ）では、エンジン３からＳＯＦＣ２及び改質器１へそれぞれ導かれて排気される排気ガスの経路を太線１２で示す。
【００７９】
このように、第３実施形態では、改質器１の温度Ｔｒが所定の設定温度Ｔ３に到達した後、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖気温度Ｔ１に到達していない場合に、排気ガスはＳＯＦＣ２及び改質器１の両方へ導かれる。その結果、改質器１の暖機を継続しつつ、ＳＯＦＣ２の暖機が促進される。
【００８０】
さらに、ＳＯＦＣ２の温度Ｔｓが完全暖気温度Ｔ１に到達した場合（Ｓ９８で「Ｙｅｓ」の場合）に、コントローラ５は、排気ガスを再び改質器１へ選択的に導くように、排気経路制御弁４ａ及び４ｂの開閉を制御する（Ｓ１００）。具体的には、排気経路制御弁４ａを開き、かつ、排気経路制御弁４ｂを閉じる。
【００８１】
図１０（Ｄ）に、排気経路制御弁４ａを開き、排気経路制御弁４ｂを閉じた場合の排気ガスの経路を模式的に示す。図１０（Ｄ）では、エンジン３から改質器１へ導かれて排気される排気が宇の経路を太線１２で示す。なお、二点鎖線で示した、排気経路制御弁４ｂからＳＯＦＣ２へ導かれる経路へは排気ガスは導かれない。
【００８２】
このように、第３実施形態では、ＳＯＦＣ２及び改質器１の温度に応じて排気ガスを導く先を制御することにより、燃料電池システム全体が早期に暖機される。
【００８３】
上述した各実施形態においては、本発明を特定の条件で構成した例について説明したが、本発明は種々の変更及び組み合わせを行うことができ、これに限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、オフガスを改質器１の熱交換機構を経由させてから内燃機関へ供給する例について説明したが、本発明では、オフガスを改質器１を経由させずに直接内燃機関へ供給するようにしてもよい。
【００８４】
また、上述の実施形態では、本発明の燃料電池ユニットを電気自動車の駆動用の燃料電池ユニットとした例について説明したが、本発明の燃料電池ユニットの用途は電気自動車に限定されない。
【００８５】
また、上述の実施形態では、ＳＯＦＣの燃料極及び空気極の両方から排出されるガスをオフガスとして内燃機関へ供給する例について説明したが、本発明では、ＳＯＦＣの燃料極及から排出されるガスのみをオフガスとして内燃機関へ供給するようにしてもよい。すなわち、本発明では、ＳＯＦＣのオフガスには、少なくとも燃料極からの排出ガスが含まれ、空気極からの排出ガスを含めても良い。
【００８６】
また、上述の実施形態では、使用燃料としてＬＰＧを用いる例について説明したが、本発明では、これに限定されず例えばエタノール等他の燃料を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明の燃料電池システムは、例えば、電気自動車に搭載される電源として利用可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１  改質器
２  ＳＯＦＣ
３  エンジン
４ａ、４ｂ  排気経路制御弁
４ｃ  燃料電池燃料制御弁
４ｄ  空気制御弁
４ｅ  燃料制御弁
５  コントロールユニット
６  モータ兼発電機
２１  燃料極（アノード）
２２  空気極（カソード）
３１  吸気ポート
３２  排気ポート
３３  シリンダ
３４  ピストンロッド
【図１】
0005541447.tif 000002
【図２】
0005541447.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005541447.tif 000007
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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