(57)【要約】【課題】  燃料電池を構成する水素分離膜の劣化を抑制することができる燃料電池システムを得る。【解決手段】  燃料電池システム１０では、燃料電池１４の電解質のアノード流路１６との間には、燃料ガス供給部１２からアノード流路１６に供給された燃料ガスから水素を分離する水素分離膜が設けられており、分離された水素は、カソード流路１８に供給された酸素と電気化学的に反応して発電が行われる。発電部コントローラ５２は、燃料電池１４による発電の一時停止期間中に、温度センサ５４の出力信号の変化に基づいて、水素分離膜４０の温度が所定の温度を下回ると判断した場合には、バルブＶａ、Ｖｂを切り換えて冷却用空気ポンプ４４が吐出する燃焼用空気を燃料ガス供給ライン２０の合流させて混合器とし、燃料ガス供給ライン２０からアノード流路１６に供給してアノード触媒に接触させる。すると、アノード電極では触媒燃焼が生じて水素分離膜が加熱される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質とアノード流路との間に水素分離膜が設けられ、前記アノード流路に供給された燃料ガスから分離された水素をカソード流路に供給された酸化ガスと反応させて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池のアノード流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池のカソード流路に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
前記水素分離膜の温度に応じた信号を出力する温度検出器と、
燃料を酸化反応させて生じた熱によって前記水素分離膜を加熱するための水素分離膜加熱手段と、
前記燃料電池に対する発電要求がある場合には、前記燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部を作動して前記アノード流路に前記燃料ガスを供給させると共に前記カソード流路に前記酸化ガスを供給させ、前記燃料電池による発電の一時停止中で、かつ前記温度検出器の出力信号の変化に基づいて前記水素分離膜の温度が該一時停止期間中に所定の温度よりも低くなると判断した場合に、前記水素分離膜加熱手段を作動して水素分離膜を加熱させる制御装置と、
を備えた燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素分離膜加熱手段は、前記アノード流路又はカソード流路において前記燃料ガスを触媒燃焼させて前記水素分離膜を加熱する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素分離膜加熱手段は、前記燃料電池外に設けられ燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生じた燃焼排ガスを前記燃料電池に導入する排ガス流路とを含んで構成されている請求項１又は請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記水素分離膜加熱手段は、前記燃料電池の発電に伴って生じる熱によって前記水素分離膜を加熱する請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素分離膜加熱手段は、前記燃料電池の外周を覆う加熱ヒータの発熱によって前記水素分離膜を加熱する請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加熱ヒータは、燃料の触媒燃焼によって発熱する触媒燃焼ヒータである請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加熱ヒータは、通電によって発熱する電気ヒータである請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記温度検出器は、前記燃料電池に埋め込まれた温度センサである請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料ガス供給部は、炭化水素燃料を改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質部を含む請求項１乃至請求項８の何れか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料ガス供給部は、純水素を放出可能に貯蔵した水素貯蔵部を含む請求項１乃至請求項９の何れか１項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、例えば燃料電池に水素を供給して発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素及び水素以外の成分を含有する燃料ガスを燃料電池に供給することを可能とするために、燃料電池を構成する電解質とアノード流路との間に水素分離膜（水素透過性を有する緻密な金属層）を設けた技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。これにより、例えば、改質器で生成された水素含有の燃料ガスから水素のみを分離することなく、該燃料ガス直接的に燃料電池に供給して発電を行わせることができる。
【特許文献１】特開２００４−１４６３３７明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、水素分離膜として用いられる金属層は、低温で水素に接触すると水素脆化荷より劣化することが懸念される。
【０００４】
本発明は、上記事実を考慮して、燃料電池を構成する水素分離膜の劣化を抑制することができる燃料電池システムを得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明に係る燃料電池システムは、電解質とアノード流路との間に水素分離膜が設けられ、前記アノード流路に供給された燃料ガスから分離された水素をカソード流路に供給された酸化ガスと反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池のアノード流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池のカソード流路に前記酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、前記水素分離膜の温度に応じた信号を出力する温度検出器と、燃料を酸化反応させて生じた熱によって前記水素分離膜を加熱するための水素分離膜加熱手段と、前記燃料電池に対する発電要求がある場合には、前記燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部を作動して前記アノード流路に前記燃料ガスを供給させると共に前記カソード流路に前記酸化ガスを供給させ、前記燃料電池による発電の一時停止中で、かつ前記温度検出器の出力信号の変化に基づいて前記水素分離膜の温度が該一時停止期間中に所定の温度よりも低くなると判断した場合に、前記水素分離膜加熱手段を作動して水素分離膜を加熱させる制御装置と、を備えている。
【０００６】
請求項１記載の燃料電池システムでは、通常の運転状態において、制御装置は燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部を作動し、燃料電池のアノード流路に燃料ガスを供給させると共にカソード流路に酸化ガスを供給させる。燃料電池では、水素分離膜が燃料ガスに含まれる水素のみを選択的に通過させて電解質側に移動させ、この水素（イオン）を酸化ガスと反応させて発電を行う。
【０００７】
燃料電池による発電を一時的に停止している期間中に制御装置は、温度検出器の出力信号の時間変化（履歴）に基づいて、該一時停止期間中（該期間中に含まれ得る基準時から所定時間が経過する時点など）に水素分離膜の温度が所定温度を下回るか否かを判断する。この一時停止期間中に水素分離膜の温度が所定温度を下回ると判断した制御装置は、水素分離膜加熱手段に燃料ガス及び酸化ガスを供給して酸化反応を生じさせ、該反応に伴い生じた熱によって水素分離膜を加熱する（昇温させる）ことができる。これにより、水素分離膜の温度が燃料電池による発電の一時停止期間中に所定の温度を下回ることが防止される。この所定の温度を、例えば水素分離膜に水素脆化が生じない上限温度よりも高く設定しておけば、水素分離膜の劣化が防止又は抑制される。
【０００８】
このように、請求項１記載の燃料電池システムでは、燃料電池を構成する水素分離膜の劣化を抑制することができる。なお、水素分離膜加熱手段が発熱のために酸化させる燃料として、例えば、水素含有の燃料ガスやアノードオフガスを用いたり、水素含有の燃料ガスが炭化水素等の原料の改質によって得られる構成では該炭化水素（改質原料）を用いたりすることで、システムを簡素化することができる。
【０００９】
請求項２記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素分離膜加熱手段は、前記アノード流路又はカソード流路において前記燃料ガスを触媒燃焼させて前記水素分離膜を加熱する。
【００１０】
請求項２記載の燃料電池システムでは、上記した一時停止期間中に水素分離膜の温度が所定温度を下回ると判断した制御装置は、燃料電池のアノード流路又はカソード流路に燃料ガス及び支燃ガスを供給させる。燃料電池のアノード流路、カソード流路は、それぞれ酸化触媒としての活性を有するので、可燃性の燃料ガスと支燃ガスとが共に供給されることで、該燃料ガスの触媒燃焼を生じる。この酸化反応に伴って生じた熱によって、燃料電池内の水素分離膜を加熱することができる。支燃ガスとして、酸化ガス供給部からの酸化ガスを用いても良い。
【００１１】
請求項３記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記水素分離膜加熱手段は、前記燃料電池外に設けられ燃料を燃焼させる燃焼器と、該燃焼器で生じた燃焼排ガスを前記燃料電池に導入する排ガス流路とを含んで構成されている。
【００１２】
請求項３記載の燃料電池システムでは、上記した一時停止期間中に水素分離膜の温度が所定温度を下回ると判断した制御装置は、水素分離膜加熱手段を構成する燃焼器で燃料を燃焼（気相燃焼でも良く、触媒燃焼でも良い）させる。すると、燃焼ガスが排ガス流路を通じて燃料電池に導入される。この燃焼排ガスの熱によって、燃料電池内の水素分離膜を加熱することができる。
【００１３】
請求項４記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記水素分離膜加熱手段は、前記燃料電池の発電に伴って生じる熱によって前記水素分離膜を加熱する。
【００１４】
請求項４記載の燃料電池システムでは、上記した一時停止期間中に水素分離膜の温度が所定温度を下回ると判断した制御装置は、燃料ガス供給部及び酸化ガス供給部を作動し、燃料電池のアノード流路に燃料ガスを供給させると共にカソード流路に酸化ガスを供給させて燃料電池に発電を再開させる。この発電、すなわち水素の酸化によって生じた熱によって、燃料電池内の水素分離膜を加熱することができる。この構成は、例えば、２次電池を備え、該２次電池の蓄電容量に余裕がある場合に、燃料（電力）を有効利用することができる。
【００１５】
請求項５記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記水素分離膜加熱手段は、前記燃料電池の外周を覆う加熱ヒータの発熱によって前記水素分離膜を加熱する。
【００１６】
請求項５記載の燃料電池システムでは、上記した一時停止期間中に水素分離膜の温度が所定温度を下回ると判断した制御装置は、燃料電池の外周を覆う加熱ヒータを作動する。この加熱ヒータの発熱によって、燃料電池は外周側から加熱され、該燃料電池内の水素分離膜を加熱することができる。このように外周部から加熱することで、燃料電池の温度分布が均一化され易く等温化を図ることができる。
【００１７】
請求項６記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項５記載の燃料電池システムにおいて、前記加熱ヒータは、燃料の触媒燃焼によって発熱する触媒燃焼ヒータである。
【００１８】
請求項６記載の燃料電池システムでは、上記した一時停止期間中に水素分離膜の温度が所定温度を下回ると判断した制御装置は、触媒燃焼ヒータで触媒燃焼を生じさせて水素分離膜加熱用の熱を得る。
【００１９】
請求項７記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項５記載の燃料電池システムにおいて、前記加熱ヒータは、通電によって発熱する電気ヒータである。
【００２０】
請求項７記載の燃料電池システムでは、上記した一時停止期間中に水素分離膜の温度が所定温度を下回ると判断した制御装置は、電気ヒータに通電して水素分離膜加熱用の熱を得る。電気エネルギを直接的に熱に変換することで、制御性が良好である。また、燃料や燃焼用空気の供給ポンプを作動する必要がなく、燃焼排ガスの排気損失を不要とすることができ、効率が良好である。
【００２１】
請求項８記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項７の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記温度検出器は、前記燃料電池に埋め込まれた温度センサである。
【００２２】
請求項８記載の燃料電池システムでは、燃料電池に埋め込まれた温度センサの出力信号に基づく水素分離膜の温度履歴を監視するため、換言すれば、水素分離膜の温度（変化）が精度良く推定されるため、燃料電池を構成する水素分離膜の劣化を確実に抑制することができる。また、温度管理の精度が向上するので、水素分離膜加熱手段に供給する燃料ガス量を抑えることが可能になる。
【００２３】
請求項９記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項８の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部は、炭化水素燃料を改質して水素を含有する燃料ガスを生成する改質部を含む。
【００２４】
請求項９記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電時には、炭化水素燃料を改質して生成された水素以外の成分を含み得る燃料ガスが、燃料電池のアノード流路に供給される。この燃料ガスのうち、水素分離膜によって分離された水素のみが燃料電池で消費されて発電に供される。残余のガスはアノード流路を通過して燃料電池から排出される。
【００２５】
請求項１０記載の発明に係る燃料電池システムは、請求項１乃至請求項９の何れか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス供給部は、純水素を放出可能に貯蔵した水素貯蔵部を含む。
【００２６】
請求項１０記載の燃料電池システムでは、燃料電池の発電時には、例えば容器内に高圧で貯蔵された水素、水素吸蔵合金（水素貯蔵合金）等に貯蔵された純水素が、燃料電池のアノード流路に供給される。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を構成する水素分離膜の劣化を抑制することができるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の第１の実施形態に係る燃料ガス供給部１２が適用された燃料電池システム１０、及び燃料電池システム１０が適用された燃料電池ハイブリッドシステム６０について、図面に基づいて説明する。
【００２９】
（燃料電池システムの構成）
図１には、燃料電池システム１０の概略全体構成がブロック図にて示されている。この図に示される如く、燃料電池１４は、水素を含有する燃料ガスをアノード電極に導入するためのアノード流路１６と、酸化ガスとしての酸素を含有するカソード用空気をカソード電極に導入するためのカソード流路１８とを備えている。アノード流路１６の燃料ガス入口１６Ａには、一端が燃料ガス供給部１２の燃料ガス排出口１２Ａに接続された燃料ガス供給ライン２０の他端が接続されている。また、カソード流路１８のカソード用空気入口１８Ａには、一端がカソード用空気ポンプ２２の吐出側に接続されたカソード用空気供給ライン２４の他端が接続されている。
【００３０】
一方、アノード流路１６のアノードオフガス出口１６Ｂには、アノードオフガスをシステム外に排出するためのアノードオフガスライン２６が接続されており、カソード流路１８のカソードオフガス出口１８Ｂには、カソードオフガスをシステム外に排出するためのカソードオフガスライン２８が接続されている。アノードオフガスライン２６には、例えば、図示しない排気浄化装置や排熱回収装置（熱交換器）等が配設されている。また、カソードオフガスライン２８には、例えば図示しない排熱回収装置（熱交換器）等が配設されている。なお、アノードオフガス（水素）やカソードオフガス（水蒸気、酸素等）を回収して利用するように構成しても良い。
【００３１】
燃料電池１４は、アノード電極に供給された水素とカソード電極に供給された酸素とが電気化学的に反応することで、起電力が生じるようになっている。具体的には、燃料電池１４は、図２に示す単セル３０が積層されたスタックを有して構成されている。単セル３０は、電解質層３２を一対のセパレータ３４、３６にて両側から挟み込んで構成されている。各セパレータ３４、３６は、導電性でかつガス不透過性の材料（例えばカーボン）等で構成されている。一方のセパレータ３４には、電解質層３２側に開口してカソード流路１８が形成されており、他方のセパレータ３４には、電解質層３２側に開口してアノード流路１６が形成されている。
【００３２】
電解質層３２は、固体酸化物である電解質膜３２Ａと、電解質膜３２Ａのセパレータ３４側に配置されたカソード３２Ｂと、電解質膜３２Ａのセパレータ３６側に配置されたアノード３２Ｃとで構成されている。電解質膜３２Ａは、例えばＢａＣｅＯ3系、ＳｒＣｅＯ3系等のペロブスカイト系電解質膜とすることができる。また、カソード３２Ｂ（カソード触媒）としては、例えば白金（Ｐｔ）系の拡散層を有するものが用いられる。電解質膜３２Ａが本発明における「電解質」に相当する。
【００３３】
アノード３２Ｃは、セパレータ３６側の水素分子解離層３８と、電解質膜３２Ａ側の水素分離膜４０とを積層して構成されている。水素分子解離層３８としては、例えばパラジウム薄膜が用いられ、このパラジウム薄膜がアノード電極の触媒としても機能するようになっている。なお、アノード電極の触媒として、必要に応じて白金系の触媒を採用しても良い。水素分離膜４０は、例えば、バナジウム膜等の水素の選択的透過性を有する金属が用いられる。なお、水素分子解離層３８と水素分離膜４０との積層膜を本発明における「水素分離膜」として把握することも可能である。
【００３４】
以上説明した燃料電池１４（単セル３０）では、アノード流路１６に導入された燃料ガス中の水素がアノード３２Ｃ（水素分子解離層３８）においてプロトン化され、このプロトンが水素分離膜４０を透過して電解質膜３２Ａに至り、さらにカソード３２Ｂに移動する。このカソード３２Ｂにおいて、このプロトンとカソード流路１８に導入された酸素とが反応して水（水蒸気）が生成される。このプロトンの移動に伴って電子がアノード３２Ｃ（セパレータ３６）から外部導体を通じてカソード（セパレータ３４）に向けて流れ、発電が行われる。
【００３５】
これにより、燃料電池１４は、アノード流路１６に水素含有の燃料ガスを供給すると共にカソード流路１８にカソード用空気を供給することで、発電を行う構成が実現されている。すなわち、燃料電池システム１０では、燃料電池１４に供給する前の燃料ガスから水素のみを分離することなく、水素と他のガスとの混合ガスをアノード流路に供給して発電を行うことができる構成とされている。
【００３６】
この水素分離膜４０を備えた燃料電池１４は、水素分離膜４０が高温になると拡散を生じ、また低温の水素分離膜４０が水素と接触すると水素脆化によって劣化する恐れがあるため、運転温度を所定の温度範囲（例えば、２００℃〜７００℃で、好ましくは３００℃〜６００℃）に保つようになっている。具体的には、燃料電池１４内（単セル３０間）には冷媒流路４２が設けられており、冷媒流路４２の冷媒入口４２Ａには、一端が冷却用空気ポンプ４４の吐出部に接続された冷却用空気供給ライン４６の他端が接続されている。また、冷媒流路４２の冷媒出口４２Ｂには、冷媒排出ライン４８が接続されている。これにより、冷却用空気ポンプ４４が吐出する冷媒として冷却用空気の流量を調整することで、燃料電池１４の運転温度を上記した所定の温度範囲内に保つことが可能とされている。
【００３７】
燃料ガス供給部１２は、後述する発電部コントローラ５２によって作動されて、燃料ガス排出口１２Ａから水素を含有する燃料ガスを排出して燃料電池１４に供給するようになっている。燃料ガス供給部１２は、燃料電池１４が水素分離膜４０を有することから、水素と水素以外のガスとの混合ガスを燃料ガスとして燃料電池１４に供給することができる構成とされている。この実施形態では、燃料ガス供給部１２は、純度の比較的低い水素ガス（燃料ガス）を貯蔵した高圧タンクとされており、図示しない減圧弁によって減圧された燃料ガスを燃料電池１４に供給するようになっている。
【００３８】
また、燃料電池システム１０は、水素分離膜加熱手段を構成するバルブＶａ、Ｖｂを備えている。バルブＶａは、燃料ガス供給ライン２０に配設されており、３方弁とされて該燃料ガス供給ライン２０に燃焼用空気ライン５０を合流させている。具体的には、バルブＶａは、第１ポートＶａ１が燃料ガス供給ライン２０の燃料ガス供給部１２側に、第２ポートＶａ２が燃料ガス供給ライン２０の燃料電池１４側に、第３ポートＶａ３が燃焼用空気ライン５０の一端にそれぞれ接続されている。
【００３９】
このバルブＶａは、第１ポートＶａ１、第２ポートＶａ２間を開放すると共に第３ポートＶａ３を閉止する燃料ガス供給状態と、第１乃至第３ポートＶａ１、Ｖａ２、Ｖａ３を全て開放する混合ガス供給状態とを切換可能とされている。これにより、燃料電池システム１０では、燃料ガス供給ライン２０から燃料ガスのみを燃料電池１４の供給する状態と、燃料ガス供給ライン２０に燃焼用空気を合流させて燃料ガスと空気との混合器を燃料電池１４に供給する状態とを選択的に切り換え得る構成が実現されている。バルブＶａは、通常は燃料ガス供給状態に切り換えられており、後述する水素分離膜４０の温度低下防止制御が行われる際に混合ガス供給状態に切り換えられるようになっている。
【００４０】
バルブＶｂは、冷却用空気供給ライン４６に配設されており、３方弁とされて該冷却用空気供給ライン４６から燃焼用空気ライン５０を分岐させている。具体的には、バルブＶｂは、第１ポートＶｂ１が冷却用空気供給ライン４６の冷却用空気ポンプ４４側に、第２ポートＶｂ２が冷却用空気供給ライン４６の燃料電池１４側に、第３ポートＶｂ３が燃焼用空気ライン５０の他端にそれぞれ接続されている。
【００４１】
このバルブＶｂは、第１ポートＶｂ１、第２ポートＶｂ２間を開放すると共に第３ポートＶｂ３を閉止する冷却用空気供給状態と、第１ポートＶｂ１、第３ポートＶｂ３間を開放すると共に第２ポートＶｂ２を閉止する燃焼用空気供給状態とを切換可能とされている。これにより、燃料電池システム１０では、冷却用空気ポンプ４６が圧送した空気を冷却用空気として燃料電池１４の冷媒流路４２に導入する状態と、該空気を燃焼空気として燃料ガスライン２０に合流させる状態とを切り換え得る構成が実現されている。バルブＶｂは、通常は冷却用空気供給状態に切り換えられており、後述する水素分離膜４０の温度低下防止制御が行われる際に燃焼用空気供給状態に切り換えられるようになっている。
【００４２】
以上説明した燃料ガス供給部１２、カソード用空気ポンプ２２、冷却用空気ポンプ４４、バルブＶａ、Ｖｂは、それぞれ発電部コントローラ５２に電気的に接続されており、該発電部コントローラ５２によって制御されるようになっている。また、発電部コントローラ５２は、温度検出器としての温度センサ５４に電気的に接続されており、該温度センサ５４から燃料電池１４（すなわち水素分離膜４０）の温度に応じた信号が入力されるようになっている。この実施形態では、温度センサ５４は、燃料電池１４に埋設されて燃料電池１４の温度を直接的に検出するようになっている。
【００４３】
発電部コントローラ５２は、燃料電池１４に対する要求発電量に対応するメインコントローラ６８（後述）からの指令に基づいて、燃料電池１４への燃料ガス（水素）、カソード用空気、冷却用空気の各供給量が要求発電量に応じた量になるように、燃料ガス供給部１２、カソード用空気ポンプ２２、冷却用空気ポンプ４４を制御するようになっている。なお、燃料電池１４への冷却用空気の供給量（冷却用空気ポンプ４４の吐出量）の制御パラメータとして、温度センサ５４の出力を用いても良い。また、発電部コントローラ５２は、燃料電池１４の発電状態では、常に、バルブＶａを燃料ガス供給状態に維持すると共に、バルブＶｂを冷却用空気供給状態に維持するようになっている。
【００４４】
この発電部コントローラ５２による、発電一時停止中の温度センサ５４の出力に基づく水素分離膜４０温度の異常低下防止制御については後述する。
【００４５】
（燃料電池ハイブリッドシステムの構成）
図３に示される如く、燃料電池システム１０は、燃料電池ハイブリッドシステム６０に適用されている。燃料電池ハイブリッドシステム６０は、燃料電池システム１０と、燃料電池システム１０（燃料電池１４）が発電した電力を交流電力に変換して外部負荷としてのモータＭに供給するインバータ６２と、燃料電池システム１０が発電した電力を蓄電池（２次電池）としてのバッテリ６４に蓄電（充電）し又はバッテリ６４に蓄電している電力を放電してインバータ６２に供給するためのＤＣ−ＤＣコンバータ６６と、燃料電池ハイブリッドシステム６０全体を制御するメインコントローラ６８とを備えて構成されている。この実施形態では、燃料電池ハイブリッドシステム６０は、モータＭが駆動・停止を繰り返す自動車駆動用の原動機とされており、電源として燃料電池１４及びバッテリ６４を備えるハイブリッドシステムとされている。この燃料電池ハイブリッドシステム６０は、燃料電池システム１０が本発明における狭義の燃料電池システムとして把握されるのに対し、広義の燃料電池システムとして把握される。
【００４６】
この燃料電池ハイブリッドシステム６０では、燃料電池１４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６６の要求に応じた電力量の発電を行うようになっている。すなわち、燃料電池１４が出力する電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６６の要求値と水素及び酸素の供給量とに依存する（ＤＣ−ＤＣコンバータ６６の要求値に応じて水素利用率が変動する）構成である。このため、メインコントローラ６８は、それぞれ電気的に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ６６及び発電部コントローラ５２を統合して制御するようになっている。
【００４７】
図１に示される如く、メインコントローラ６８には、例えばアクセル開度を含む車両情報が入力されるようになっている。メインコントローラ６８は、この車両情報に基づいてモータＭに供給する電力、すなわち燃料電池１４への要求発電量、及びＤＣ−ＤＣコンバータ６６によって燃料電池１４から取り出すべき電圧、電流の要求値（燃料電池１４側から見ると「発電目標」）をそれぞれ求める構成とされている。この実施形態では、燃料電池１４から取り出すべき電圧、電流の要求値は、メインコントローラ６８に予め設定されているＩ−Ｖテーブルから得られるようになっている。
【００４８】
また、メインコントローラ６８には、供給電力検出器７０が電気的に接続されており、該供給電力検出器７０からモータＭに実際に供給された電力（電圧及び電流）に応じた信号が入力されるようになっている。さらに、メインコントローラ６８には、バッテリ残量検出器７２が電気的に接続されており、該バッテリ残量検出器７２からバッテリ６４の残容量（蓄電可能量）に応じた信号が入力されるようになっている。
【００４９】
さらに、メインコントローラ６８は、燃料ガス、カソード用空気、冷却用空気の燃料電池１４への各供給量を指令する指令信号を発電部コントローラ５２に出力するようになっている。発電部コントローラ５２は、この指令信号に基づいて、上記の通り燃料ガス供給部１２、カソード用空気ポンプ２２、冷却用空気ポンプ４４による燃料ガス、カソード用空気、冷却用空気の各供給量を制御する構成とされている。また、メインコントローラ６８は、上記した燃料電池１４から取り出すべき電圧、電流の要求値に応じた指令信号をＤＣ−ＤＣコンバータ６６に出力するようになっている。
【００５０】
このメインコントローラ６８の動作を図４に示すフローチャートを用いて説明する。メインコントローラ６８は、ステップＳ２０で入力されている車両情報に基づいて燃料電池１４に対する要求電力を求める。次いでステップＳ２２でＤＣ−ＤＣコンバータ６６に、燃料電池１４から取り出すべき電圧、電流の要求値を指令し、ステップＳ２４で発電部コントローラ５２に燃料ガス、カソード用空気、冷却用空気の燃料電池１４への各供給量を指令する。ステップＳ２２とステップＳ２４とは、順序が逆でも良く、同時に実行されても良い。次いでステップＳ２６に進み、供給電力検出器７０から入力されるモータＭへの実際の供給電力をステップＳ２０で求めた要求電力と比較する。実測電力と要求電力とに偏差がなければステップＳ２０に戻り、実測電力と要求電力とに偏差がある場合にはステップＳ２８に進んで上記Ｉ−Ｖテーブルを補正してからステップＳ２０に戻る。
【００５１】
以上により、燃料電池ハイブリッドシステム６０では、燃料電池１４に所要の電力を発電させ、モータＭを駆動するようになっている。また、メインコントローラ６８は、例えばバッテリ残量検出器７２の信号に基づいてバッテリ６４の残量が少ないと判断した場合には、必要に応じてＤＣ−ＤＣコンバータ６６を介して燃料電池１４が発電した電力をバッテリ６４蓄電し、また例えばモータＭの負荷が燃料電池１４の発電量を上回る場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ６６を介してバッテリ６４の電力を放電させるようになっている。
【００５２】
（一時停止時の制御）
ところで、上記の通りモータＭが発信・停止を繰り返す自動車駆動用の燃料電池ハイブリッドシステム６０では、燃料電池１４による発電を一時的に停止する場合がある。このような一時停止期間中には、燃料電池１４の内部で水素と酸素との発熱を伴う電気化学反応が停止するので、水素分離膜４０の温度が時間と共に低下する。以下、水素分離膜４０が上記所定温度範囲のうち下限温度を下回ること（異常低温）を防止するための制御について、図５のフローチャートを参照しつつ説明する。
【００５３】
燃料電池ハイブリッドシステム６０では、例えば、バッテリ６４に十分に蓄電された状態で車両が信号待によってモータMを停止させる場合等、車両情報に基づいてメインコントローラ６８が燃料電池１４を停止させる条件が整ったと判断すると、このメインコントローラ６８は発電部コントローラ５２に一時停止指令を出力する。発電部コントローラ５２は、ステップＳ３０でメインコントローラ６８から一時停止指令が入力されたと判断するまでステップＳ３０を繰り返し、一時停止指令が入力されるとステップＳ３２へ進む。ステップＳ３２では、発電部コントローラ５２は、燃料ガス供給部１２、カソード用空気ポンプ２２を停止する。これにより、燃料電池システム１０では、燃料電池１４への燃料ガス及びカソード用空気の供給が停止され、燃料電池１４による発電が停止される。
【００５４】
発電部コントローラ５２は、次いでステップＳ３４に進み、温度センサ５４から燃料電池１４の温度に対応する信号を入力する。温度センサ５４からは、後述する如くステップＳ３４に戻る度に信号が入力され、発電部コントローラ５２は、ステップＳ３６で、温度センサ５４からの入力信号すなわち水素分離膜４０（燃料電池１４）の温度の時間変化（温度履歴）に基づいて、燃料電池１４の一時停止から所定時間経過後に水素分離膜４０が異常低温となるか否かを予測（判断）する。
【００５５】
具体的には、図６に示す如く、温度低下は燃料電池１４の一時停止（ステップ入力）の一時遅れとして予測することができ、例えば水素分離膜４０の温度履歴が図６の履歴Ａである場合、燃料電池１４の一時停止から所定時間経過後の水素分離膜４０の温度Ｔが許容温度Ｔａまで低下することがない（異常低温が生じない）と判断される。一方、水素分離膜４０の温度履歴が履歴Ｂである場合、燃料電池１４の一時停止から所定時間経過後の水素分離膜４０の温度Ｔが許容温度Ｔａよりも低下する、換言すれば、所定時間が経過する前に水素分離膜４０の温度が許容温度Ｔａを下回る（異常低温が生じる）と判断される。
【００５６】
ステップＳ３６で水素分離膜４０の異常低温が生じると判断されると、ステップＳ３８に進み、メインコントローラ６８から入力したバッテリ残量検出器７２の信号に基づいて、バッテリ６４の充電容量に余裕があるか否かが判断される。バッテリの充電容量に余裕があると判断された場合、発電部コントローラ５２は、ステップＳ４０へ進み、発電による温度低下防止制御を行う。具体的には、発電部コントローラ５２は、燃料ガス供給部１２、カソード用空気ポンプ２２、及び冷却用空気ポンプ４６をそれぞれ作動させ、燃料電池１４による発電を再開させる。
【００５７】
これにより、燃料電池１４内では、燃料ガス中の水素がカソード用空気中の酸素と電気化学反応を生じて発熱しつつ酸化される。この熱によって燃料電池１４の水素分離膜４０は、許容温度Ｔａを下回る前に加熱され、冷却用空気によって適温に保持される。また、発電された電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６６を介してバッテリ６４に蓄えられる。なお、例えば短時間で水素の分離膜４０の温度を上昇させる必要がある場合等には、冷却用空気ポンプ４６を作動しなくても良い。
【００５８】
発電部コントローラ５２は、ステップＳ３８でバッテリの充電容量に余裕がないと判断した場合、ステップＳ４２に進み、燃焼による温度低下防止制御を行う。具体的には、発電部コントローラ５２は、燃料ガス供給部１２及びカソード用空気ポンプ２２を作動すると共に、バルブＶａ、Ｖｂを燃焼用空気が燃料ガスライン２０に合流するように、混合ガス供給状態、燃焼用空気供給状態にそれぞれ切り換える。すると、この燃料ガスラインで合流した燃料ガスと空気との混合気は、燃料電池１４のアノード流路に導入され、アノードを構成する触媒（パラジウム層である水素分子解離層３８）に接触して触媒燃焼を生じる。この触媒燃焼に伴う発熱によって、燃料電池１４の水素分離膜４０は、許容温度Ｔａを下回る前に加熱され、冷却用空気によって適温に保持される。
【００５９】
ステップＳ４０、４２で温度低下防止制御が開始されると、発電部コントローラ５２は、ステップＳ３４に戻り温度センサ５４からの信号が入力され、ステップＳ３６に進み、更新された温度履歴に基づいて水素分離膜４０の異常低温が予測されるか否かが判断される。このステップＳ３６で燃料電池１４の異常低温が生じることはないと判断されるまで、ステップＳ４０の発電による温度低下防止制御、又はステップＳ４２の燃焼による温度低下防止制御を繰り返す。
【００６０】
一方、上記温度低下防止制御によって水素分離膜４０の温度が上昇し、水素分離膜４０の異常低温が生じることがないと判断されると、発電部コントローラ５２はステップＳ４４に進む。上記の如く温度低下防止制御が開始された後は、ステップＳ３６では、例えば、水素分離膜４０の温度が、温度低下防止制御を開始する前の温度履歴（温度低下の時定数）との関係で決まる所定の温度を超えたか否かによって、燃料電池１４の異常低温が生じるか否かが判断される。
【００６１】
ステップＳ４４では、温度低下防止制御が行われているか否かが判断される。温度低下防止制御が行われていないと判断された場合には、ステップＳ３４に戻る。一方、温度低下防止制御が行われていると判断された場合には、ステップＳ４６に進み、温度低下防止制御を停止する。これにより、温度低下防止制御によって、水素分離膜４０の温度が上限温度を超えることも防止される。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０（燃料電池ハイブリッドシステム６０）では、燃料電池１４による発電の一時停止期間中に水素分離膜４０の温度が下限の許容温度Ｔａを下回ることが防止される。このため、燃料電池１４の一時停止期間後に許容温度Ｔａよりも温度が低下した水素分離膜４０に燃料ガス中の水素が接触して、該水素分離膜４０が水素脆化によって劣化することが防止される。
【００６３】
そして、発電部コントローラ５２が温度センサ５４の出力信号の時間変化に基づいて温度低下防止制御を行うか否かを判断するため、単に水素分離膜４０の温度が閾値を超えたか否に基づいて温度低下防止制御を行うか否かを判断する構成と比較して、水素分離膜４０の温度が許容温度Ｔａを下回ることが確実に防止される。すなわち、自動車に適用される燃料電池システム１０では、外気温、風の有無や強弱によって水素分離膜４０の温度履歴が比較的大きく異なるので、この温度履歴に基づいて水素分離膜４０の異常低温が生じるか否かを精度良く予測することができる。特に、温度センサ５４が燃料電池１４に埋め込まれ、該燃料電池１４の温度を直接的に検出するため、水素分離膜４０の異常低温が生じるか否かを一層精度良く予測することができる。
【００６４】
この精度の高い予測結果に基づいて温度低下防止制御の要否を判断するため、燃料電池１４の停止中に無駄に燃料（この実施形態では、燃料ガス）を消費することなく、水素分離膜４０の温度が許容温度Ｔａを下回ることが確実に防止される。
【００６５】
また、燃料電池ハイブリッドシステム６０では、バッテリ６４の容量に余裕がある場合には燃料電池１４の停止期間中に発電を再開して水素分離膜４０を加熱するため、換言すれば、バッテリ６４へ充電を行いながら水素分離膜を加熱するため、燃料を無駄にすることなく水素分離膜４０の温度が許容温度Ｔａを下回ることが確実に防止される。また、水素分離膜４０が直接的に加熱されるため、短時間で水素分離膜４０の温度を上昇させることができる。
【００６６】
さらに、バッテリ６４の容量に余裕のない場合には、アノード３２Ｃに燃料ガス及び燃焼用空気を共に供給して触媒燃焼を生じさせるため、換言すれば、水素分離膜４０が直接的に加熱されるため、この場合にも短時間で水素分離膜４０の温度を上昇させることができる。
【００６７】
なお、第１の実施形態では、燃料ガス供給部１２が水素ガスを貯蔵する高圧タンクである例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、燃料ガス供給部１２が純水素を貯蔵するタンクや水素吸蔵合金等であっても良い。純水素を用いる場合、低温で触媒燃焼させることができ局所的な高温部を形成し難い、燃焼範囲が広く制御性が良好であり、発熱量あたりの供給空気量（供給動力、排気抵抗）が少なく効率が良い等のメリットがある。
【００６８】
次いで、本発明の他の実施形態を説明する。なお、上記第１の実施形態又は前出の構成と基本的に同一の部品・部分については上記第１の実施形態又は前出の構成と同一の符号を付して説明を省略する。
【００６９】
（第２の実施形態）
図７には、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略全体構成がブロック図にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム８０は、燃料ガス供給部１２に代えて水素分離膜加熱手段を構成する燃料ガス供給部８２を備えている点で、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０とは異なる。燃料ガス供給部８２は、炭化水素原料を改質することで水素ガスを含有する燃料ガスを生成する構成とされている。以下、具体的に説明する。
【００７０】
燃料ガス供給部８２は、改質触媒を内蔵した改質部８４を有している。改質部８４は、供給される炭化水素ガス（ガソリン、メタノール、天然ガス等）と改質用ガス（水蒸気、酸素）を触媒反応させることで、水素ガスを含む燃料ガスを生成する（改質反応を行う）ようになっている。改質反応は、以下の式（１）乃至（４）で表される各反応を含む。したがって、改質工程で得た燃料ガスには、水素（Ｈ2）、一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ4）、分解炭化水素や未反応の原料炭化水素（ＣxＨy）等の可燃性ガス、二酸化炭素（ＣＯ2）、水（Ｈ2Ｏ）等の不燃性ガスを含むようになっている。
【００７１】
ＣnＨm＋ｎＨ2Ｏ   →  ｎＣＯ ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ2          …  （１）
ＣnＨm＋ｎ／２Ｏ2  →  ｎＣＯ ＋  ｍ／２Ｈ2         …  （２）
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ  ⇔  ＣＯ2＋Ｈ2                           …  （３）
ＣＯ＋３Ｈ2  ⇔  ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ                               …  （４）
この改質反応は、所定の温度以上（本実施形態では、５００℃）で行われるようになっている。このため、燃料ガス供給部８２は、改質部８４に改質反応を行い得る熱を供給する加熱部８６を有している。
【００７２】
また、燃料ガス供給部８２は、図示しない燃料タンクに貯留している炭化水素原料を改質部８４に供給するための原料ポンプ８８を備えており、原料ポンプ８８の吐出部は原料供給ライン９０を介して改質部８４の原料入口８４Ａに接続されている。また、この実施の形態では、カソードオフガスライン２８の下流端が改質部８４の改質反応ガス入口８４Ｂに接続されており、水蒸気及び酸素を含むカソードオフガスが改質部８４に供給されるようになっている。改質部８４の燃料ガス出口８４Ｃは、燃料ガス供給ライン２０の上流端に接続されている。
【００７３】
これにより、改質部８４において炭化水素原料とカソードオフガスとを反応させて生成された水素含有の燃料ガスが燃料電池１４に供給されるようになっている。一方、水素分離膜４０を備えた燃料電池１４は、燃料ガスのうち水素のみを消費して発電を行うようになっている。このため、アノードオフガスには、一酸化炭素（ＣＯ）や炭化水素（ＣxＨy）等の可燃性ガスが含まれており、燃料ガス供給部８２は、このアノードオフガスを加熱部８６の燃料として利用する構成とされている（図示省略）。
【００７４】
また、燃料電池システム８０は、燃焼器９２を備えている。燃焼器９２の燃料入口９２Ａには、燃料ライン９４の下流端が接続されており、燃料ライン９４の上流端は、第１ポートＶｃ１が原料供給ライン９０の原料ポンプ８８側に接続されると共に第２ポートＶｃ２が原料供給ライン９０の改質部８４側に接続されたバルブＶｃの第３ポートＶｃ３に接続されている。バルブＶｃは、第１ポートＶｃ１、第２ポートＶｂ２間を開放すると共に第３ポートＶｂ３を閉止する改質原料供給状態と、第１ポートＶｂ１、第３ポートＶｂ３間を開放すると共に第２ポートＶｂ２を閉止する燃焼燃料供給状態とを切換可能とされている。これにより、燃料電池システム８０では、原料ポンプ８８が圧送した炭化水素原料を改質原料として改質部８４に導入する状態と、該炭化水素原料を燃焼燃料として燃焼器９２に導入する状態とを切り換え得る構成が実現されている。
【００７５】
さらに、燃焼器９２の支燃ガス入口９２Ｂには、燃焼用空気ライン５０の下流端が接続されている。一方、燃焼器９２の燃焼ガス出口９２Ｃには燃焼ガスライン９６の一端が接続されており、燃焼ガスライン９６の他端はバルブＶａの第３ポートＶａ３に接続されている。また、燃料電池システム８０の発電部コントローラ５２は、バルブＶｃ、原料ポンプ８８、燃焼器９２の点火装置９２Ｄとも電気的に接続されており、これらの制御を行う構成とされている。
【００７６】
次に、第２の実施形態の作用における主に第１の実施形態とは異なる部分を説明する。燃料電池システム８０では、図５に示すフローチャートのステップＳ３０で燃料電池１４の一時停止指令が入力されたと判断した場合、ステップＳ３２に進み、原料ポンプ８８及びカソード用空気ポンプ２２を停止する。これにより、燃料電池１４による発電の停止状態となる。
【００７７】
ステップＳ３６で水素分離膜４０の異常低温が予測されると共にステップＳ３８でバッテリ６４の容量に余裕があると判断した場合には、ステップＳ４０にて第１の実施形態と同様の発電による温度低下防止制御を行う。一方、ステップＳ３８でバッテリ６４の容量に余裕がないと判断した場合には、ステップＳ４２に進み、燃焼による温度低下防止制御を行う。すると、発電部コントローラ５２は、燃焼器９２に炭化水素原料及び燃焼空気が共に供給されるようにバルブＶｂ、Ｖｃを切り換えると共に、バルブＶａの第３ポートＶａ３を開放し、かつ原料ポンプ８８、冷却用空気ポンプ４４、及び燃焼器９２の点火装置を作動する。
【００７８】
これにより、燃焼器９２では、燃焼用空気を支燃ガスとして炭化水素原料が燃焼し、この燃焼ガスが燃焼ガスライン９６、燃料ガス供給ライン２０を経由して燃料電池１４のアノード流路１６に供給される。この燃焼ガスの熱によって、燃料電池１４の水素分離膜４０が加熱され、水素分離膜４０の温度が許容温度Ｔａを下回ることが防止される。その後のステップＳ３６、Ｓ４４等の制御は、上記第１の実施形態と同様である。
【００７９】
したがって、この第２の実施形態に係る燃料電池システム８０（が適用された燃料電池ハイブリッドシステム６０）では、燃料電池１４による発電の一時停止期間中に水素分離膜４０の温度が下限の許容温度Ｔａを下回ることが防止されるという、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
また、炭化水素原料を直接的に燃焼する燃焼器９２の燃焼ガスによって水素分離膜を加熱するため、仮に改質部８４の温度が低下して改質反応を行い得ない場合であっても、改質部８４の温度上昇（蓄熱）を待つことなく、速やかに水素分離膜４０を加熱することができる。
【００８１】
なお、上記第２の実施形態では、燃焼器９２の燃焼ガスによって水素分離膜４０の加熱を行うようにしたが、本発明はこれに限定されず、例えば、改質部８４の温度が改質反応を行い得る温度である場合には、第１の実施形態と同様に燃料ガス及び燃焼用空気をアノード３２Ｃに供給して、アノード３２Ｃの触媒燃焼によって水素分離膜４０を加熱するようにしても良い。この場合、燃焼用空気は、燃焼器９２を経由してバルブＶａの第３ポートＶａ３に合流させれば良い。また、燃料ガス供給部８２が改質装置である構成において、第１の実施形態と同様に燃焼器９２を備えない構成としても良い。
【００８２】
また、上記第２の実施形態では、燃焼器９２を燃料ガス供給部８２の外側に設けた例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、燃料としてアノードオフガス及び炭化水素原料を共に使用し得る加熱部８６が燃焼器９２を兼ねる構成としても良い。また、本発明は、改質反応ガスとしての水蒸気及び酸素をカソードオフガスから得る構成に限定されないことはいうまでもない。
【００８３】
（第３の実施形態）
図８には、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略全体構成がブロック図にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１００は、燃焼器９２に代えて加熱ヒータである触媒燃焼ヒータ１０２を備えている点で、第２の実施形態に係る燃料電池システム８０とは異なる。また、燃料電池システム１００は、燃料ガス供給ライン２０上にバルブＶａが配設されていない。
【００８４】
触媒燃焼ヒータ１０２は、燃料電池１４を外周から覆うジャケットタイプのヒータとされている。この触媒燃焼ヒータ１０２には、燃焼用空気ライン５０及び燃料ライン９４の各下流端が接続されている。以上により、燃料電池システム１００では、燃料電池１４及び改質部８４の停止期間中に、原料ポンプ８８が圧送した炭化水素原料及び冷却用空気ポンプ４４が圧送した燃焼用空気を触媒燃焼ヒータ１０２に導入する状態を取り得る。この触媒燃焼ヒータ１０２は、その内部に酸化触媒が充填されており、供給された炭化水素原料を燃焼用空気を支燃ガスとして触媒燃焼させるようになっている。また、触媒燃焼ヒータ１０２には、燃焼排ガスを排出するための燃焼ガスライン９６の上流端が接続されている。この実施形態では、燃焼ガスライン９６の下流端は、例えばアノードオフガスライン２６又は加熱部８６の排ガスラインと共に排気浄化装置に接続されている。この触媒燃焼ヒータ１０２には、発電部コントローラ５２に制御される点火装置９２Ｄが電気的に接続されている。
【００８５】
次に、第３の実施形態の作用における主に第１の実施形態とは異なる部分を説明する。
【００８６】
燃料電池システム１００では、図５に示すフローチャートのステップＳ３０で燃料電池１４の一時停止指令が入力されたと判断した場合、ステップＳ３２に進み、原料ポンプ８８及びカソード用空気ポンプ２２を停止する。これにより、燃料電池１４による発電の停止状態となる。
【００８７】
ステップＳ３６で水素分離膜４０の異常低温が予測されると共にステップＳ３８でバッテリ６４の容量に余裕があると判断した場合には、ステップＳ４０にて第１の実施形態と同様の発電による温度低下防止制御を行う。一方、ステップＳ３８でバッテリ６４の容量に余裕がないと判断した場合には、ステップＳ４２に進み、燃焼による温度低下防止制御を行う。すると、発電部コントローラ５２は、触媒燃焼ヒータ１０２に炭化水素原料及び燃焼空気が共に供給されるようにバルブＶｂ、Ｖｃを切り換えると共に、原料ポンプ８８、冷却用空気ポンプ４４、及び触媒燃焼ヒータ１０２の点火装置９２Ｄを作動する。
【００８８】
これにより、触媒燃焼ヒータ１０２は、燃焼用空気を支燃ガスとして炭化水素原料が触媒燃焼させて発熱し、この熱によって燃料電池１４を外側から加熱する。この加熱によって、燃料電池１４の水素分離膜４０が加熱され、水素分離膜４０の温度が許容温度Ｔａを下回ることが防止される。その後のステップＳ３６、Ｓ４４等の制御は、上記第１の実施形態と同様である。
【００８９】
したがって、この第３の実施形態に係る燃料電池システム１００（が適用された燃料電池ハイブリッドシステム６０）では、燃料電池１４による発電の一時停止期間中に水素分離膜４０の温度が下限の許容温度Ｔａを下回ることが防止されるという、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
また、炭化水素原料を直接的に燃焼する触媒燃焼ヒータ１０２によって水素分離膜を加熱するため、仮に改質部８４の温度が低下して改質反応を行い得ない場合であっても、改質部８４の温度上昇（蓄熱）を待つことなく、速やかに水素分離膜４０を加熱することができる。特に、燃料電池システム１００では、燃料電池１４を外周側から加熱する構成であるため、燃料電池１４の温度分布が均一化され易く等温化を図ることができる。
【００９１】
上記第１乃至第３の実施形態では、燃焼用空気として冷却用空気ポンプ４４の空気を導入する例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、カソード用空気ポンプ２２の空気を導入するようにしても良い。
【００９２】
（第４の実施形態）
図９には、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略全体構成がブロック図にて示されている。この図に示される如く、燃料電池システム１１０は、触媒燃焼ヒータ１０２に代えて加熱ヒータとしての電気ヒータ１１２を備えている点で、第３の実施形態に係る燃料電池システム１００とは異なる。すなわち、燃料電池システム１１０は、水素分離膜加熱手段として電気ヒータ１１２を備えることで、燃焼によって発熱する水素分離膜加熱手段を備える第１乃至第３実施形態とは異なり、燃料や燃焼用空気の供給経路を切り換えるためのラインやバルブを有しない構成とされている。
【００９３】
電気ヒータ１１２は、触媒燃焼ヒータ１０２と同様に燃料電池１４を外周から覆うジャケットタイプのヒータとされており、通電されて発熱するようになっている。この電気ヒータ１１２は、ドライバ１１４を介してバッテリ６６に電気的に接続されている。バッテリ１１４は、発電部コントローラ５２に電気的に接続されており、発電部コントローラ５２のヒータ作動指令を受けるとバッテリ６６の電力を電気ヒータ１１２に供給（通電）する構成とされている。
【００９４】
次に、第４の実施形態の作用における主に第１の実施形態とは異なる部分を説明する。
【００９５】
燃料電池システム１１０では、図５に示すフローチャートのステップＳ３０で燃料電池１４の一時停止指令が入力されたと判断した場合、ステップＳ３２に進み、原料ポンプ８８及びカソード用空気ポンプ２２を停止する。これにより、燃料電池１４による発電の停止状態となる。
【００９６】
ステップＳ３６で水素分離膜４０の異常低温が予測されると共にステップＳ３８でバッテリ６４の容量に余裕があると判断した場合には、ステップＳ４０にて第１の実施形態と同様の発電による温度低下防止制御を行う。一方、ステップＳ３８でバッテリ６４の容量に余裕がないと判断した場合には、ステップＳ４２に進み、ドライバ１１４にヒータ作動指令を出力する。すると、バッテリ６６の電力が電気ヒータ１１２に供給され、電気ヒータ１１２は発熱して燃料電池１４を外側から加熱する。すなわち、この実施形態のステップＳ４２では、燃焼による温度低下防止制御に代えて、電気加熱による温度低下防止制御を行う。この電気ヒータ１１２による加熱によって、燃料電池１４の水素分離膜４０が加熱され、水素分離膜４０の温度が許容温度Ｔａを下回ることが防止される。その後のステップＳ３６、Ｓ４４等の制御は、上記第１の実施形態と同様である。
【００９７】
したがって、この第４の実施形態に係る燃料電池システム１１０（が適用された燃料電池ハイブリッドシステム６０）では、燃料電池１４による発電の一時停止期間中に水素分離膜４０の温度が下限の許容温度Ｔａを下回ることが防止されるという、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、燃料電池システム１００では、燃料電池１４を外周側から加熱する構成であるため、燃料電池１４の温度分布が均一化され易く等温化を図ることができる。
【００９８】
また、バッテリ６６の電気エネルギを熱エネルギに変換して燃料電池１４（水素分離膜４０）を加熱するため、制御性が良好である。また、電気ヒータ１１２を採用することで、燃料電池１４を加熱する際に原料ポンプ８８、冷却用空気ポンプ４４を作動することや、燃焼ガスラインの排出に伴う排気損失を不要とすることができ、効率が良好である。
【００９９】
なお、上記第１乃至第４の実施形態では、発電部コントローラ５２がメインコントローラ６８とは別の制御装置である例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば発電部コントローラ５２の機能がメインコントローラ６８に組み込まれていても良い。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池単セルの模式的な断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムの概略全体構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムが適用された燃料電池ハイブリッドシステムを構成するコントローラの基本的な電力制御フローを示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置の基本制御フローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置による水素分離膜の温度予測を説明するための線図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの概略全体構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１０１】
１０    燃料電池システム
１２    燃料ガス供給部
１４    燃料電池（水素分離膜加熱手段）
１６    アノード流路
１８    カソード流路
２２    カソード用空気ポンプ（酸化ガス供給部）
３２Ａ  電解質膜（電解質）
４０    水素分離膜
５２    発電部コントローラ（制御装置）
５４    温度センサ（温度検出器）
６０    燃料電池ハイブリッドシステム（燃料電池システム）
８０・１００・１１０      燃料電池システム
８２    燃料ガス供給部
８４    改質部
９２    燃焼器（水素分離膜加熱手段）
１０２    触媒燃焼ヒータ（水素分離膜加熱手段、加熱ヒータ）
１１２    電気ヒータ（水素分離膜加熱手段、加熱ヒータ）
Ｖａ、Ｖｂ  バルブ（水素分離膜加熱手段）
【図１】
2006331728.tif 000003
【図２】
2006331728.tif 000004
【図３】
2006331728.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006331728.tif 000009
【図８】
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【図９】
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