(57)【要約】【課題】  本発明では、低温時でも燃焼ヒータの着火を迅速に行うことができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  水素と排空気の混合ガスを燃焼させて発生する熱により燃料電池を暖機する燃焼ヒータについて、外気温が低い場合は、燃焼ヒータが着火するまでは、混合ガスにおける水素濃度を、着火後における濃度よりも濃くする制御装置（暖機水素量制御手段４１０）を備えた。【選択図】      図２
2006024397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素含有ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、
燃料ガスを酸化剤ガスにより燃焼させる燃焼ヒータと、
前記燃焼ヒータに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃焼ヒータに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃焼ヒータの置かれている環境温度又は前記燃焼ヒータの温度を検出する温度検出手段と、
前記燃焼ヒータの着火を検出する着火検出手段とを備え、
前記環境温度又は前記燃焼ヒータの温度が低い場合は、前記燃焼ヒータが着火するまでは、前記燃料ガスの前記酸化剤ガスに対する濃度を、着火後における濃度よりも濃くする燃料ガス供給制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料ガスは、前記燃料電池の燃料となる水素含有ガスであること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼ヒータを備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、低温では燃料ガスと酸化剤ガスとの反応が遅く、充分発電できないことから、燃料電池がある程度の温度になるまで暖機してから発電するようにしている。このため、燃料電池を中核とした燃料電池システムでは、燃料電池を暖機するための暖機手段を一般的に備えている。この暖機手段としては、触媒の作用により、安定的に燃料ガスを燃焼させることができることから触媒燃焼器（燃焼ヒータ）が広く使用されている（特許文献１）。
【０００３】
この特許文献１では（段落００３１〜００３４、図３、図４等参照）、燃料電池の起動の際、発電には利用されなかった水素（燃料電池から排出される水素）を触媒燃焼器で触媒燃焼し、この熱で冷媒を熱してこれを循環させ、燃料電池を暖機している。このため、特許文献１では、暖機が進むと燃料電池での発電量が多くなり（つまり燃料電池での水素の消費量が多くなり）、触媒燃焼器で燃焼できる水素の量が減ることになる。そこで、冷媒温度がまだ低いときは、触媒燃焼器で燃焼できる水素の量が減らないように別系統で水素を補い、触媒燃焼器に供給する水素の量を一定（Ｈmax）にし、燃料電池の暖機を行っている。
【特許文献１】特開２００３−２４３００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この触媒燃焼器（燃焼ヒータ）は、氷点下の気温といったような低温環境におかれて自身の温度が低いと、着火性能が劣るという問題がある。しかしながら、特許文献１には、着火後の記載があるのみで、触媒燃焼器の着火に関する記載はない。
そこで、本発明は、低温時でも燃焼ヒータの着火を迅速に行う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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記課題を解決した本発明（請求項１）は、水素含有ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電する燃料電池と、燃料ガスを酸化剤ガスにより燃焼させる燃焼ヒータと、前記燃焼ヒータに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃焼ヒータに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃焼ヒータの置かれている環境温度又は前記燃焼ヒータの温度を検出する温度検出手段と、前記燃焼ヒータの着火を検出する着火検出手段とを備えた燃料電池システムである。そして、この燃料電池システムは、前記環境温度又は前記燃焼ヒータの温度が低い場合は、前記燃焼ヒータが着火するまでは、前記燃料ガスの前記酸化剤ガスに対する濃度を、着火後における濃度よりも濃くする燃料ガス供給制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、低温の起動時は燃焼ヒータに供給される燃料ガスの濃度が濃くされるので、着火性が向上する。なお、環境温度は、後記する実施形態では外気温である。
【０００７】
また、本発明（請求項２）は、前記燃料ガスは、前記燃料電池の燃料となる水素含有ガスであること、を特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明（請求項１）によれば、低温時でも燃焼ヒータの着火を迅速に行うことができる。また、本発明（請求項２）によれば、燃料電池の燃料ガスを利用することができ、別に燃料を備える必要がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の燃料電池システムを実施するための最良の形態（以下「実施形態」という）を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
≪システム構成≫
図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムＡは、燃料電池１を中核として、燃料電池１に燃料ガスとしての水素を供給し排出する水素供給排出系１０、燃料電池１に酸化剤ガスとしての空気を供給し排出する空気供給排出系２０、起動時に燃料電池１を暖機する暖機系３０、燃料電池システムＡの制御を行う制御系４０等を含んで構成される。
【００１１】
〔燃料電池〕
燃料電池（ＳＴＡＣＫ）１は、アノード極に水素、カソード極に空気（酸素）を供給され、この供給された水素と酸素とを反応させて発電する発電機である。例えば、この燃料電池１はＰＥＭ（Polymer Electrode Membrane）型のものであり、８０℃程度の温度で最適な発電性能を示す。
【００１２】
〔水素供給排出系〕
水素供給排出系１０は、その構成として、水素タンク１１、２次レギュレータ１２、エゼクタ１３、水素供給配管１４、水素循環配管１５、パージ弁１６、水素排出配管１７等を有する。このうち、水素タンク１１は、燃料電池１の燃料ガスとなる水素を数十ＭＰａの圧力で貯蔵している。また、２次レギュレータ１２は、水素タンク１１から燃料電池１のアノード極に供給される水素の圧力を調整する圧力調整弁である。エゼクタ１３は、燃料電池１のアノード極から排出される水素を再度燃料電池１のアノード極に供給する再循環手段を構成する。パージ弁１６は、燃料電池１から排出される水素を燃料電池システムＡの系外に放出する弁である。なお、図示を省略したが、この水素供給排出系１０には、水素タンク１１からの水素の供給を遮断する遮断弁、水素タンク１１と２次レギュレータ１２との間に設けられる１次レギュレータ、燃料電池１に供給する水素の温度を調整する温調装置等を、必要に応じて備えているものとする。
【００１３】
つまり、この水素供給排出系１０では、水素タンク１１に貯蔵された水素は、水素供給配管１４の途中に設けられた２次レギュレータ１２で圧力調整され、エゼクタ１３を介して燃料電池１のアノード極に供給されて反応し、反応に関与しなかった水素は、アノード極から排出され、エゼクタ１３の吸引力により水素排出配管１７の途中で分岐された水素循環配管１５から再度エゼクタ１３を介して燃料電池１のアノード極に循環されるようになっている。また、燃料電池１のアノード極から排出された水素は、水素排出配管１７の途中に設けたパージ弁１６を介して燃料電池システムＡの系外に放出されるようになっている。
【００１４】
〔空気供給排出系〕
空気供給排出系２０は、その構成として、スーパチャージャ（Ｓ／Ｃ）２１、加湿器２２、空気供給配管２３、排空気配管２４等を有する。このうち、スーパチャージャ２１は、モータの回転動力により外気を取り込んで圧縮して燃料電池１のカソード極に供給するコンプレッサである。加湿器２２は、例えば水透過性の中空糸膜を用いて、燃料電池１のカソード極から排出される排空気中の水分（酸素と水素との反応により生成した水分）を利用して、燃料電池１を加湿するものである。なお、図示を省略したが、この空気供給排出系２０には、加湿器２２の後段側の空気供給配管２３に温調装置、加湿器２２の後段側の排空気配管２４に気液分離装置等を、必要に応じて備えているものとする。
【００１５】
つまり、この空気供給排出系２０では、スーパチャージャ２１により外気から取り込まれた空気は、空気供給配管２３の途中に設けられた加湿器２２により加湿されて燃料電池１のカソード極に供給されて反応し、反応に関与しなかった空気は、カソード極から排空気として排出されて排空気配管２４の途中に設けられた加湿器２２で燃料電池１に供給される空気を加湿し、その後、暖機系３０に備えられるミキサ３３に供給されるようになっている。
【００１６】
〔暖機系〕
暖機系３０は、水素と空気とを混合した混合ガスを触媒燃焼させて熱を発生させる熱源系と、熱源系で発生した熱を燃料電池１に伝達する熱伝達系とに分けられるが、その構成として、燃焼ヒータ３１、インジェクタ（ＩＮＪ）３２、ミキサ（ＭＩＸＥＲ）３３、暖機系水素配管３４、暖機系排気配管３５、熱媒ポンプ３６、往き熱媒配管３７、戻り熱媒配管３８等を有する。
【００１７】
このうち、本実施形態の燃焼ヒータ３１（触媒ヒータとも触媒燃焼器とも呼ばれる）は、表面に白金のような触媒が担持されたセラミックハニカム（触媒燃焼部）を内部に備えると共に、触媒燃焼により発生した熱を熱媒に与える熱交換部を備え、供給された水素と空気とを触媒燃焼させて熱を発生させ、発生させた熱で熱媒（水）を加熱する。なお、低温時は、触媒の活性が低いことから着火性が悪くなる。インジェクタ３２は、水素タンク１１から燃焼ヒータ３１に供給される水素の量（混合ガスにおける水素濃度）を、後記する制御系４０からの信号（例えばＰＷＭ〔Pulse Width Modulation〕信号）に基づいて任意の量（任意の濃度）に調整する流量（濃度）調整手段である。ミキサ３３は、燃焼ヒータ３１での燃焼性を向上させることを目的として、インジェクタ３２から供給される水素と燃料電池１のカソード極から排出されて供給される排空気とを充分混合するガス混合手段である。暖機系水素配管３４は、水素供給配管１４から分岐された配管である。また、熱媒ポンプ３６は、水ポンプ等であり熱媒を燃料電池１と燃焼ヒータ３１との間で循環させる。
【００１８】
つまり、暖機系３０では、水素タンク１１からの水素は、暖機系水素配管３４により水素供給配管１４から分流され、この暖機系水素配管３４の途中に設けたインジェクタ３２により水素の流量が調整され、ミキサ３３で燃料電池１のカソード極の排空気と混合され、この混合ガスが燃焼ヒータ３１で触媒燃焼され、暖機系排気配管３５から燃料電池システムＡの系外に放出されるようになっている。また、燃焼ヒータ３１で加熱された熱媒は、往き熱媒配管３７により燃焼ヒータ３１から燃料電池１に供給され、燃料電池１を暖機した熱媒は、戻り熱媒配管３８により燃料電池１から燃焼ヒータ３１に供給されるようになっている。
【００１９】
〔制御系〕
制御系４０は、その構成として制御装置４１、燃焼ヒータ温度計Ｔ１、水素圧力計Ｐ１、水素温度計Ｔ２、排空気流量計Ｑ１、熱媒温度計Ｔ３、外気温温度計Ｔ４等を有する。このうち制御装置４１は、ハードウェア的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力インタフェイスや各種電子回路を備えている。そして、この制御装置４１は、機能的には、燃焼ヒータ温度計Ｔ１、水素圧力計Ｐ１、水素温度計Ｔ２、排空気流量計Ｑ１、熱媒温度計Ｔ３等が送信する信号、その他燃料電池１に対する出力要求信号等を入力する信号入力手段、インジェクタ１１による水素の量を制御する信号（インジェクタ１１の開弁時間を制御する信号）を生成してインジェクタ１１に送信する暖機水素量制御手段（後記する図２参照）、スーパチャージャ２１の回転速度を制御する信号を生成してスーパチャージャ２１に送信する空気量制御手段、熱媒ポンポプ３６の回転速度を制御する信号を生成して熱媒ポンプ３６に送信する熱媒循環量制御手段等を有している。
【００２０】
〔暖機水素量制御手段〕
前記した暖機水素量制御手段を説明する。図２は、暖機水素量制御手段の構成を示す機能ブロック図である。
【００２１】
図２に示すように、暖機水素量制御手段４１０は、着火前目標燃空比設定部４１１、着火後目標燃空比設定部４１２、目標値選択部４１３、目標水素量算出部４１４、体積補正係数算出部４１５、乗算部４１６、ＦＦ（フィードフォワード）開弁時間設定部４１７、偏差算出部４２１、ＦＢ量算出部４２２、ゼロ量記憶部４２３、ＦＢ量選択部４２４、ＦＢ（フィードバック）開弁時間設定部４２５、着火判定部４３１、加算部４３２を含んで構成されている。このうち、符号４１１から４１７は、フィードフォワード制御（適宜「ＦＦ制御」という）に関する構成であり、符号４２１から４２５は、フィードバック制御（適宜「ＦＢ制御」という）に関する構成である。本実施形態では、ＦＦ制御で燃焼ヒータ３１に供給する水素の量のベース値（インジェクタ３２のベースとなる開弁時間）を設定し、ＦＢ制御で燃焼ヒータ３１の温度を任意の温度にする水素の量（インジェクタ３２の変動分の開弁時間）を設定し、温度制御を行っている。
【００２２】
前記した各部のうち、主たる部分を説明する。
着火前目標燃空比設定部４１１は、燃焼ヒータ３１が着火する前の混合ガスにおける水素濃度の目標値（着火前目標燃空比；vol％）を設定するものであり、外気温温度計Ｔ４から外気温が入力されると、その外気温に応じた着火前目標燃空比を設定し、後段の目標値選択部４１３に出力する。一方、着火後目標燃空比設定部４１２は、燃焼ヒータ３１が着火した後の混合ガスにおける水素濃度の目標値（着火後目標燃空比；vol％）を設定するものであり、外気温が入力されると、外気温に応じた着火後目標燃空比を設定し、後段の目標値選択部４１３に出力する。
【００２３】
ちなみに、図２中に模式的に示すように、着火前目標燃空比は、ある外気温（例えば０℃）を境に、外気温が低くなるほど着火前目標燃空比が連続的に大きな値になるように設定されている。一方、着火後目標燃空比は、外気温の値にかかわらず一定の値になるように設定されている。つまり、燃焼ヒータ３１の着火性をよくするため、外気温（燃焼ヒータ３１の温度）が低い場合は、燃焼ヒータ３１が着火するまでは、燃料ガス（水素）の酸化剤ガス（排空気）に対する濃度（混合ガスにおける水素濃度）を、着火後における濃度よりも濃くするように設定されている。
なお、着火後は外気温の温度にかかわらず着火後目標燃空比が一定の値となることから、着火前目標燃空比設定部４１１や着火後目標燃空比設定部４１２に入力されるのが、外気温でなくとも、当初から燃焼ヒータ３１の温度でもよい。また、例えば、燃焼ヒータ３１に供給される排空気や水素の温度でも、燃焼ヒータ３１から排気されるガスの温度でもよい。
【００２４】
着火判定部４３１は、燃焼ヒータ温度計Ｔ１から得られた燃焼ヒータ３１の温度が、着火を確認できる所定の温度（例えば２００℃）以上か否かで燃焼ヒータ３１が着火しているか否かを確認し、所定の温度以上であれば燃焼ヒータ３１は着火していると判定し、その結果である着火確認フラグに「１」（着火していないと判定した場合は「０」）を設定して目標値選択部４１３及びＦＢ量選択部４２４に送信する。
【００２５】
なお、着火確認フラグを送信された目標値選択部４１３は、着火確認フラグが「０」である場合は目標燃空比として着火前目標燃空比を選択し、同フラグが「１」である場合は目標燃空比として着火後目標燃空比を選択し、後段の目標水素量算出部４１４に送信するようになっている。また、着火確認フラグを送信されたＦＢ量選択部４２４は、着火確認フラグが「０」である場合はＦＢ量として０を選択し、同フラグが「１」である場合はＦＢ量としてＦＢ量算出部４２２が算出したＦＢ量を選択し、後段のＦＢ開弁時間設定部４２５に送信する。
【００２６】
ＦＦ開弁時間設定部４１７は、乗算部４１６により得られた補正後目標流量（ＦＦ量）を入力して、マップや関数等を用いてインジェクタ３２の開弁時間（ベース値としての開弁時間）を設定するものである。また、ＦＢ開弁時間設定部４２５は、ＦＢ量選択部４２４で選択されたＦＢ量）を入力して、マップや関数等を用いてインジェクタ３２の開弁時間（変動値としての開弁時間）を設定するものである。この両方で設定された開弁時間は、加算部４３２で加算されてインジェクタ３２の開弁時間が決定される。これにより、燃焼ヒータ３１の着火後は、燃焼ヒータ３１の温度が目標温度になるように燃焼ヒータ３１に供給される混合ガスにおける水素濃度が制御さる。ちなみに、本実施形態では、排空気の流量が多くなれば、水素の濃度を目標燃空比に維持するため、開弁時間は多くなる。
【００２７】
≪動作説明≫
次に、以上説明した燃料電池システムの動作を、「システム起動時の全体の動作」と「燃焼ヒータが着火するまでの動作」とに分けて説明する。
【００２８】
〔システム起動時の全体の動作〕
図１及び図３を参照しつつ、システム起動時の全体の動作を説明する。図３は、燃料電池システムの発電開始までの動作を示すフローチャートである。
【００２９】
まず、燃料電池システムＡの起動時、水素タンク１１から２次レギュレータ１２及びエゼクタ１３を介して水素が燃料電池１のアノード極に供給される（ステップＳ１１）。一方、スーパチャージャ２１から加湿器２２を介して空気が燃料電池１のカソード極に供給される（ステップＳ１２）。なお、水素と空気が供給されると、燃料電池１の端子電圧は上昇するが、負荷（図示外）を接続しなければ電流は外部に取り出されない。つまり、負荷を接続しない状況では、燃料電池１は水素も空気（酸素）も消費しない、このため、水素供給排出系１０では、水素の流れは生じない。一方、空気供給排出系２０では、カソード極に供給された空気は、そのまま排空気配管２４の途中に備えられた加湿器２２を通流し、さらに、暖機系３０に備えられたミキサ３３と燃焼ヒータ３１を通流して燃料電池システムＡの系外に放出される。
【００３０】
次に、燃焼ヒータ３１を着火して燃料電池１を暖機するため、インジェクタ３２を駆動して暖機系３０（ミキサ３３、燃焼ヒータ３１）に水素を供給する。併せて、熱媒ポンプ３６を駆動して熱媒を循環させる。なお、暖機系３０に供給する混合ガスにおける水素濃度（燃空比）は、燃焼ヒータ３１の着火前と着火後とでは異なるものとしている。この点は、後で図２や図４等を参照して詳細に説明する。
【００３１】
燃焼ヒータ３１が着火して熱を発生すると、熱媒が加熱される。熱媒は、燃料電池１と燃焼ヒータ３１の間で循環されているので、この熱媒により、燃焼ヒータ３１で発生した熱が伝達されて燃料電池１が暖機される。ステップＳ１４では、燃料電池１の熱媒出口の熱媒温度を熱媒温度計Ｔ４により監視し、暖機完了か否かを判断する。熱媒温度が暖機完了と判断できる所定温度（例えば２０℃）になっていない場合は（ステップＳ１４；ＮＯ）、ステップＳ１４に戻り熱媒温度の監視を継続する。一方、熱媒温度が所定温度に達した場合は暖機完了として（ステップＳ１４；ＹＥＳ）、暖機系３０への水素の供給を停止する（ステップＳ１５）。つまり、インジェクタ３２の駆動を停止する。
【００３２】
そして、燃料電池１に負荷を接続し、燃料電池１から負荷に向けて電流を取り出す。つまり、燃料電池１の発電を開始する（ステップＳ１６）。なお、燃料電池１に負荷が接続されると、燃料電池１は水素と空気（酸素）とを反応させて電力を発生する。これに伴い、多くの生成水がカソード極で生じるので、加湿器２２による加湿が行われるようになる。また、水素が消費されるが、消費された分の水素は、２次レギュレータ１２を介して水素タンク１１から燃料電池１に供給される。また、燃料電池１のアノード極から排出された水素がエゼクタ１３により吸引され、循環流路１５により循環されて燃料電池１に再度供給されるようになる。
【００３３】
〔燃焼ヒータが着火するまでの動作〕
次に、図１〜図４を参照して燃焼ヒータ３１が着火するまでの動作を説明する。図４は、暖機水素量を制御する動作を示すフローチャートである。この図４のフローチャートは、図３のフローチャートにステップＳ１３と示される処理を行うサブルーチンであり、動作主体は、制御装置４１の暖機水素量制御手段４１０である。なお、以下の説明においては、外気温、燃焼ヒータ３１の温度とも氷点下であるとする。
【００３４】
まず、暖機水素量制御手段４１０が、外気温温度計Ｔ４から外気温を入力して、着火前目標燃空比設定部４１１で着火前目標燃空比を、着火後目標燃空比設定部４１２で着火後目標燃空比を、それぞれ設定する（ステップＳ１３ａ）。なお、図２中に示されるように、着火前目標燃空比は、外気温が低い場合は、着火後目標燃空比よりも大きく（混合ガスにおける水素濃度が濃くなるように）設定されている。
ここでは、前記のとおり外気温が氷点下であり外気温が低い場合を例に説明しているので、着火前目標燃空比は、着火後目標燃空比よりも、また氷点下でない場合の着火前目標燃空比よりも、燃空比が高く設定されている。
【００３５】
続いて、着火判定部４３１が、燃焼ヒータ温度計Ｔ１から入力した燃焼ヒータ３１の温度が、着火を確認できる所定の温度（例えば２００℃）以上か否かで燃焼ヒータ３１が着火しているか否かを確認する（ステップＳ１３ｂ）。この段階では、まだ水素が燃焼ヒータ３１に供給されておらず、かつ、外気温と同様、燃焼ヒータ３１の温度が氷点下であるので、当然燃焼ヒータ３１は着火していないと判定される（ステップＳ１３ｂ；ＮＯ）。このため、着火判定部４３１は、「０」の着火確認フラグを目標値選択部４１３に送信する。これにより、目標値選択部４１３は着火前目標燃空比を選択し、目標燃空比＝着火前目標燃空比とする（ステップＳ１３ｄ）。なお、ここでの着火前目標燃空比は、外気温が低いことにより、外気温が低くない場合よりも混合ガスにおける水素濃度が濃くなるように設定されている。ちなみに、着火後（ステップＳ１３ｂ；ＹＥＳ）は、目標燃空比＝着火後目標燃空比になり（ステップＳ１３ｃ）、幾ら外気温が低くても、混合ガスにおける水素濃度が濃くなるように設定されることはない。このことは、図２を見れば一目瞭然である。
【００３６】
次に、目標水素量算出部４１４が、目標燃空比と排空気流量計Ｑ１から入力した排空気の流量を用いて目標水素量（流量）を算出する（ステップＳ１３ｅ）。続いて、体積補正係数算出部４１５が、水素温度計Ｔ２から入力した水素の温度と水素圧力計Ｐ１から入力した水素の圧力とを用いて水素の体積補正係数を算出する（ステップＳ１３ｆ）。そして、乗算部４１６が、目標水素量と体積補正係数とを乗算して温度と圧力が反映された水素の量（補正後目標水素量）を算出する（ステップＳ１３ｇ）。
【００３７】
補正後目標水素量が算出されると、ＦＦ開弁時間設定部４１７が、マップを用いたり関数を用いたりして、補正後目標水素量からインジェクタ３２の開弁時間を設定する。なお、この際設定される開弁時間は、「外気温が低く、燃焼ヒータ３１が未着火」であることから、「外気温が低くなく、燃焼ヒータ３１が未着火」の場合よりも、水素濃度が濃くなるように開弁時間が多めに設定される。同様に、「外気温が低く、燃焼ヒータ３１が着火」の場合よりも、水素濃度が濃くなるように開弁時間が多めに設定される。
【００３８】
この開弁時間（ＦＦ制御による開弁時間）と、別に設定されるＦＢ制御による開弁時間とは、加算部４３２により加算されて最終的な開弁時間が設定される（ステップＳ１３ｉ）。なお、本実施形態では、未着火の場合はＦＢ制御による開弁時間は０である。つまり、燃焼ヒータ３１が未着火では、ＦＢ量選択部４２４で選択されるＦＢ量が０であることから、ＦＢ制御による開弁時間は０である。但し、ＦＢ制御による開弁時間が０であっても、「外気温が低く、燃焼ヒータ３１が未着火」であることからＦＦ制御による開弁時間は多めに設定されているので、前記したとおり、燃焼ヒータ３１が着火するまでは開弁時間が多めに設定されていることになる。
【００３９】
ちなみに、着火するまでは、燃焼ヒータ３１の温度と目標温度の偏差の大きさにかかわらずＦＢ量をゼロにしているが、これは、着火前は、前記偏差が大き過ぎることから、ＦＢ制御により混合ガスの濃度を制御しようとすると制御が安定せず、この結果、吹き抜け量が多くなるおそれがあるからである。つまり、着火するまでは、ＦＢ制御を実質無効にして、着火前においても適切な水素濃度の混合ガスを燃焼ヒータ３１に供給して、水素の吹き抜けを低減するためである。なお、後記するように、ゼロ量記憶部４２３に記憶されるＦＢ量がゼロでなくとも、大きな値でもよい。
【００４０】
そして、多めに設定された開弁時間に基づいてインジェクタ３２が駆動（開弁）され（ステップＳ１３ｊ）、この結果多めの水素がミキサ３３に供給され、ここで空気と混合され、水素濃度の濃い混合ガスとして燃焼ヒータ３１に供給される。これにより、燃焼ヒータ３１が迅速に着火する（触媒燃焼を開始する）。
【００４１】
なお、図４に示すフローチャートは、暖機時には、暖機水素量制御手段４１０において繰り返し実行されており、燃焼ヒータ３１の着火後は、ＦＢ制御を加味したインジェクタ３２の開弁時間が設定されることになる。これを説明すると（図２参照）、暖機水素量制御手段４１０では、偏差算出部４２１が、燃焼ヒータ３１の目標温度と実際の燃焼ヒータ３１の温度（燃焼ヒータ温度計Ｔ１の温度）との偏差を算出し、ＦＢ量算出部４２２が、この偏差を迅速にゼロにする水素の量（ＦＢ量）を算出する。着火後は、後段のＦＢ量選択部４２４が、必ずＦＢ量算出部４２２で算出されたＦＢ量を選択し、ＦＢ開弁時間設定部４２５が、このＦＢ量に対応するインジェクタ３２の開弁時間を設定する。そして、前記したように、加算部４３２が、ＦＦ開弁時間設定部４１７による開弁時間とＦＢ開弁時間設定部４２５による開弁時間とを加算する（ステップＳ１３ｉ）。
【００４２】
ちなみに、燃焼ヒータ３１の目標温度は、燃料電池システムＡの状況や外気温等を考慮して、４００℃とか、５００℃とか、別に設定される。本実施形態によれば、目標温度が設定されれば、この目標温度になるように、ＦＦ制御とＦＢ制御により混合ガスにおける水素濃度が適切に調整され、これにより、燃焼ヒータ３１は適切に温度調整される。
特に本実施形態では、ＦＦ制御により、インジェクタ３２のベースとなるＦＦ制御の開弁時間（ベースとなる水素の量）が設定され、ＦＢ制御により、目標温度と実際の温度との偏差を打ち消すようにインジェクタ３２のＦＢ制御の開弁時間が設定されるので、迅速かつ正確に燃焼ヒータ３１の温度制御を行うことができる。
【００４３】
なお、着火後に目標燃空比を小さくするのは（混合ガスにおける水素濃度を薄くするのは）、目標燃空比が大きなままだと、制御上、燃焼ヒータ３１の温度を低くしようとしても低くできないおそれがあるからである（後記する図６に示すように燃焼ヒータ３１の温度は水素濃度（燃空比）で決定される）。また、着火後に目標燃空比を小さくするのは、水素の吹き抜け量が多くならないようにするためである。
【００４４】
燃料電池１の暖機完了後は、前記したように、暖機系３０への水素の供給が停止される（図３のステップＳ１５）。これにより、燃焼ヒータ３１での燃焼は行われなくなる。
【００４５】
図５は、低温時における着火の際の水素濃度と水素吹き抜けの関係を示したグラフである。このグラフからは、水素濃度が濃い程（燃空比が高い程）、水素の吹き抜けが少ない（未燃焼の水素の量が少ない）ことが理解される。これは、ある濃度範囲にて水素濃度を高めることで、燃焼ヒータ３１が確実に着火して触媒燃焼が行われるためである。もちろん水素濃度が高い方がよいというわけではなく、あまり高いと却って吹き抜けが多くなる。
【００４６】
図６は、水素濃度と燃焼ヒータの温度との関係を示すグラフである。このグラフからは、水素濃度（燃空比）と燃焼ヒータ３１の温度とは良好な相関関係があり、このことから、燃焼ヒータ３１の温度をパラメータにＦＢ制御すれば、燃焼ヒータ３１に供給する酸素と空気の混合ガスにおける水素濃度を適切に設定できることが理解される。
【００４７】
このように本実施形態では、外気温が低い場合は、燃焼ヒータ３１が着火するまでは、燃焼ヒータ４２に供給される混合ガスにおける水素濃度が濃くなるように設定されているので、喩え外気温が低くとも（燃焼ヒータ３１（触媒燃焼部）の温度が低くとも）、燃焼ヒータ３１の着火は迅速・確実に行われる。これにより、燃焼ヒータ３１が着火しないことにより燃料電池システムＡの系外に排出される水素の量（吹き抜け量）を低減することができる。そして、水素の排出濃度要件、例えば可燃下限界よりもさらに低い濃度で系外に水素を排出するといった濃度要件を満たし易くなる。
【００４８】
また、本実施形態では、排空気の量の多少に影響されることなく、混合ガスにおける水素濃度を制御することができる。
【００４９】
また、着火が迅速に行われることにより、燃料電池１の暖機も迅速に行われることになるため、燃料電池システムＡの短時間での起動に貢献することになる。また、燃料電池１に使用される燃料（水素）と同じ燃料を燃焼ヒータ３１に供給するので、燃料電池システムＡに特別の燃料供給設備を設ける必要がない。これにより、例えば燃料電池システムＡの小型化が図れ、車両等の限られたスペースに好適に搭載することができるようになる。また、家庭等の限られたスペースにも好適に設置できるようになる。
【００５０】
ちなみに、本実施形態のように燃料電池を暖機する技術とは異なるが、特開２００１−１５５７４７号公報には、燃料電池の廃熱を利用して加熱した水（給湯用のお湯）を、さらに触媒燃焼を用いた追焚きバーナで加熱して給湯する技術が開示されている。この特許文献には、追焚きバーナの立ち上げの際、炭化水素系の燃料は、触媒燃焼により着火する温度が常温よりも高いので（段落０００６）、追焚きバーナの立ち上げ時に着火性のよい水素を追焚きバーナに供給すること（段落００１７、００３１・・・）等が開示されている。つまり、本願のような燃焼ヒータの着火時に、都市ガス等の炭化水素系の燃料に代えて着火性のよい水素を用いることが開示されている。しかし、この特許文献には、低温により着火性が悪いときの解決策や水素で着火性が悪いときの解決策は開示されていない。また、システムの一層の小型化を考慮すると、この特許文献のように複数の燃料を用いたのでは、システムの小型化を充分に図れないことになる。また、システムを複雑化することになる。
【００５１】
以上説明した本発明は、前記した実施形態に限定されることなく、幅広く実施することができる。
例えば、着火後は、ＦＢ制御を加味した燃焼ヒータ３１の温度制御を行ったが、ＦＦ制御のみで燃焼ヒータ３１の温度制御を行ってもよい。また、燃焼ヒータ３１が着火するまでは、ＦＦ制御で混合ガスにおける水素濃度を濃くすることとしたが、ＦＢ制御のみで混合ガスにおける水素濃度を濃くするようにしてもよい。この場合でも、外気温（燃焼ヒータ３１の温度）が低く、かつ、燃焼ヒータ３１が着火するまでは、水素濃度が濃くされる。例えば、外気温が低い場合は、着火するまでは、ＦＢ制御における燃焼ヒータ３１の目標温度を高くするといったように制御することで実現できる。
【００５２】
また、前記した実施形態では（図２参照）、ある外気温（例えば０℃）を境に、外気温が低くなるほど着火前目標燃空比（水素濃度）が連続的に大きな値になるように設定しているが、１段階とか２段階とかといったように、段階的に（不連続で）着火前目標燃空比が大きな値になるようにしてもよい。
【００５３】
また、前記した着火前目標燃空比設定部４１１及び着火後目標燃空比設定部４１２は、外気温（環境温度等）に基づいて目標燃空比（着火前目標燃空比／着火後目標燃空比）を設定するものであったが、外気温に代えて、或いは外気温に加えて、燃焼ヒータ３１の目標温度に基づいて目標燃空比を設定するものでもよい。
【００５４】
また、前記した実施形態では（図２参照）、目標燃空比を設定する２つのマップを用いたが、例えば、このような複数のマップ等を用いず、或いはマップと併用して、外気温が低い場合は、燃焼ヒータ３１が着火するまでは、目標燃空比に所定の係数を乗じることにより、混合ガスにおける水素濃度（燃料ガスの酸化剤ガスに対する濃度）を、着火後における濃度よりも濃くするようにしてもよい。
【００５５】
また、着火前は、燃焼ヒータ３１の温度と目標温度の偏差の大きさにかかわらず、ゼロ量記憶部４２３に記憶された値「ゼロ」をＦＢ制御量として選択するようにしているが、この値を「ゼロ」ではなく大きな値にして、外気温が低温の場合、燃焼ヒータ３１が着火するまでは、ゼロ量記憶部４２３に記憶された大きな値のＦＢ量により、水素濃度が濃くなるようにしてもよい。なお、本実施形態では、ＦＢ量は、排空気の量による水素量の算出や体積補正はなされない。
【００５６】
つまり、外気温等が低い場合の、「燃焼ヒータ３１が着火するまでは、燃料ガスの酸化剤ガスに対する濃度を、着火後における濃度よりも濃くする」手段・手法については、あらゆる手段・手法を適用することができる。
【００５７】
また、燃料電池システムＡは、建造物等に設置されるものでも、移動体（自動車、船舶、航空機・・・）に搭載されるものでもよい。また、ＰＥＭ型を例に説明したが、燃料電池の種類も限定されない。また、システムの一層の小型化等を考慮しなければ、燃料電池用の燃料とは異なる燃料（都市ガス・・・）を燃焼ヒータで燃焼させてもよい。この場合も、低温時には、燃焼ヒータ３１が着火するまでは、燃料の濃度が濃くされる。
【００５８】
また、水素含有ガスは、水素タンク１１に貯蔵された水素（純水素）でも、メタノールとかガソリンとかの原燃料を改質装置によって改質した水素含有の改質ガスでもよい。
【００５９】
また、燃料電池１のカソード極から排出された排空気と混合することで燃料を燃焼ヒータ３１で燃焼させたが、排空気ではなく、燃料電池１を経由することなく供給される空気と燃料とを混合して燃焼ヒータ３１で燃焼させてもよい。また、燃料電池１のアノード極から排出される燃料（未利用の燃料）を、燃焼ヒータ３１で燃焼させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】暖機水素量制御手段の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】燃料電池システムの発電開始までの動作を示すフローチャートである。
【図４】暖機水素量を制御する動作を示すフローチャートである。
【図５】低温時における燃焼ヒータの着火の際の水素濃度と水素吹き抜け関係を示したグラフである。
【図６】水素濃度と燃焼ヒータの温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６１】
Ａ      燃料電池システム
１      燃料電池
１０    水素供給排出系
１１    水素タンク
１４    水素供給配管
２０    空気供給排出系
２１    スーパチャージャ
２３    空気供給配管
２４    排空気配管
３０    暖機系
３１    燃焼ヒータ
３２    インジェクタ（燃料ガス供給制御手段）
３４    暖機系水素配管
４０    制御系
４１    制御装置
４１０  暖機水素量制御手段（燃料ガス供給制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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