(57)【要約】【課題】間欠的に排出されるアノードオフガスを確実に燃焼器で燃焼させる。【解決手段】燃焼器７を加熱するヒータ４１を設ける。電圧検知手段３６が検出した燃料電池スタック３の出力電圧が境界値より低下したとき、アノードオフガスをパージ弁２７から排出するのに先だって、ヒータ４１に通電して燃焼器７の燃焼触媒を加熱するようにシステムコントローラ３７が制御する。燃焼器温度が上昇した後、パージ弁２７を開いてアノードオフガスを燃焼器７へ導入する。【選択図】      図１
2004164951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックのアノードからアノードオフガスを一時的に排出するアノードオフガス排出手段と、
前記アノードオフガスと前記燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼させる燃焼器と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃焼器を加熱する加熱手段と、
前記アノードオフガス排出手段からアノードオフガスを排出するに先立って前記加熱手段により前記燃焼器を加熱するように制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの運転状態を検知する運転状態検知手段を備え、
該運転状態検知手段が検知した前記運転状態および該運転状態の時間的変化により算出される運転状態変化傾向に基づいて、前記制御手段が前記加熱手段及び前記アノードオフガス排出手段を制御す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】
前記運転状態検知手段は、燃料電池スタックまたは燃料電池スタックを構成する一部のセルの出力電圧値あるいは出力電流値のうち一方ないしは双方を検知することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
運転状態検知手段は、燃料電池スタックに供給するアノードガスあるいは燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスのうち一方ないしは双方に含まれる水素の濃度または分圧、あるいは水素以外の成分の濃度または分圧を検知することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加熱手段は、燃料ガスを燃焼させ得る酸化触媒を担持する電気ヒータとすることを特徴とする請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加熱手段は、前記燃料ガスあるいは個別に保有する燃料を燃焼させる第２の燃焼器とすることを特徴とする請求項３または請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
アノードオフガス排出以前の前記加熱手段による前記燃焼器加熱時間は、燃料電池スタックの運転状態に応じて制御することを特徴とする請求項５または請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
アノードオフガス排出以前の前記加熱手段で発生する加熱エネルギは、燃料電池スタックの運転状態に応じて制御することを特徴とする請求項５または請求項６記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池システムに係り、特にアノードオフガスを燃焼する燃焼器の予熱に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
ところで、固体高分子型燃料電池には、電気化学反応で消費される水素流量より多量の水素をアノード（燃料極）入口に供給し、アノード出口から排出される未反応の水素ガスを含むアノードオフガスをアノード入口に再循環させるアノードオフガス循環型のものがある。
【０００４】
このアノードオフガス循環型燃料電池においては、カソード（空気極）からアノードへ空気や水蒸気がリークし、運転を継続すると、アノードガス中の窒素濃度及び水蒸気濃度が高まる現象が起きる。また、燃料ガスである水素中にも不純物が含まれる場合があり、これらの不純物は、水素のように電気化学反応により消費されることなくアノードガス中に蓄積する。
【０００５】
これらの現象が起きると、発電性能が低下して好ましくないので、ある程度運転を継続した後には、不純物を多く含むアノードガスをアノードオフガス循環路から外部の燃焼器へ排出し、燃焼器でアノードオフガスを空気とともに燃焼させている。
【０００６】
このような燃焼器は、例えば特許文献１記載の技術のように、空気流量を制御して、燃焼器の温度が耐熱温度を超えないように制御されている。
【０００７】
この従来技術によれば、アノードオフガスとカソードオフガスの一部とが導入されて燃焼する燃焼室を有する燃料改質器と、カソード排ガスタービンで駆動される空気圧縮機と、空気圧縮機からの空気と一緒に空気を燃焼室へ送り込む低温ブロワとを備えている。
【０００８】
そして、燃料電池に対する出力指令と燃焼排ガスの酸素濃度と燃焼器の出口温度とに基づき、低温ブロワへの回転数の指令を出力する共に、改質器燃焼空気流量調節弁への開度補正指令を出力する制御器を設けている。そして燃焼室の出口温度が上限値を超えた場合、改質器燃焼空気流量調節弁の開度を増加させ、且つその開度に対応させて低温ブロワの回転数を増加させ、改質器の燃焼室への空気流量を増やして燃焼室の温度を低下させるように制御している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平８−０７８０３０号公報（第６ページ、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、燃焼室で継続的な燃焼を行っている間に燃焼室出口ガス温度を検出して温度上限値を超えた場合に空気流量を増加して燃焼室の温度を低下させるという構成になっていたため、燃焼が行われる時間が燃焼が行われない時間と比較して十分に短い間欠的な燃焼を行う場合には、燃焼室は燃焼を行わない間に内部を流通するカソードオフガスにより比較的低温まで温度低下しており、パージ指令に基づいてアノードオフガスを排出する際には燃焼器の活性が不十分なために、カソードオフガスと混合されて燃焼可能な水素濃度となった混合気を未反応のまま排気してしまう可能性があるという問題点があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのアノードからアノードオフガスを一時的に排出するアノードオフガス排出手段と、前記アノードオフガスと前記燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガスとを燃焼させる燃焼器と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃焼器を加熱する加熱手段と、前記アノードオフガス排出手段からアノードオフガスを排出するに先立って前記加熱手段により前記燃焼器を加熱するように制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１２】
【発明の効果】
本発明によれば、アノードオフガス排出手段からアノードオフガスを排出するに先立って、加熱手段で燃焼器を加熱することにより、間欠的に短時間燃料が供給される場合でも燃焼器の触媒温度が十分に上昇し、確実にアノードオフガスを燃焼させることができるという効果がある。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、図１乃至図４を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システムは、燃料ガスとしての水素を供給する水素供給装置（燃料ガス供給装置）１と、酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給装置（酸化剤ガス供給装置）２と、アノード４とカソード５を電極として備えそれぞれの電極にに供給された水素と空気とを用いて発電する燃料電池スタック３と、アノードオフガスをアノードオフガス循環配管１２を介してアノード４の上流に循環させるアノードオフガス循環装置６と、アノードオフガスを燃焼させる燃焼器７と、起動時に燃焼器７の燃焼排ガスで冷媒を加熱する冷媒用熱交換器８と、冷媒冷却装置９と、水素及び空気を加湿する加湿装置１０と、冷媒を熱交換器８又は冷媒冷却装置９と燃料電池スタック３との間に循環させる冷媒ポンプ２１と、冷媒流路を熱交換器８又は冷媒冷却装置９に切り換える三方弁２２と、アノードオフガスをアノードオフガス循環装置６から外部へ排出するアノードオフガス排出弁（パージ手段）２７と、カソードオフガスの燃焼器７への供給を制御することによりカソード圧力を制御する空気圧調整弁２８と、温度検出器２９ａ〜２９ｆ、圧力検出器３０ａ〜３０ｄ、空気流量計３２，水素流量計３３，燃料電池スタック３の出力電圧を検知する電圧検知手段３６，燃焼器７を電熱で加熱するヒータ（加熱手段）４１，および燃料電池システム全体を制御するシステムコントローラ（システム制御手段）３７を備えている。
【００１５】
尚、以下の説明では、アノードオフガスをアノードオフガス循環装置６から燃焼器７へ一時的に排出することを「パージ」とも呼ぶ。
【００１６】
燃焼器７は、供給される水素あるいはアノードオフガスと、空気あるいはカソードオフガスとを混合して均一な混合ガスを形成するミキサ２３と、燃焼触媒を担持して混合ガスを燃焼させる燃焼室２４とで構成されている。
【００１７】
燃焼室２４には、温度検出器２９ｅが設けられ、この検出温度の情報は、図示しない信号線でシステムコントローラ３７へ送られる。
【００１８】
燃焼器７には、アノードオフガス排出弁２７を介して水素を主成分とするアノードオフガスが供給されるとともに、カソードオフガス排出配管１５を介してカソードオフガスが供給される。そして、ミキサ２３でこれらのガスが混合され、混合ガスが燃焼室２４で燃焼される。燃料電池システムの起動時に燃焼器７で生成された燃焼ガスは、冷媒用熱交換器８で冷媒と熱交換され冷媒温度を運転温度まで上昇させるのに用いられ、その後、排気配管１９によりシステム外へ排出される。尚、排気配管１９からは凝縮水が回収されて、純水タンク２５に貯蔵される。
【００１９】
純水タンク２５に貯蔵された純水は、純水ポンプ３５により、純水配管２６を介して加湿装置１０へ供給され、加湿装置１０は、この純水を用いて燃料電池スタック３に供給する水素及び空気を加湿する。
【００２０】
燃料電池スタック３は、例えば不凍液等の冷媒により、運転温度が適温に維持されるように温度管理されている。このため、通常運転時には、三方弁２２は、冷媒ポンプ２１と冷媒冷却装置９とを連通し、冷媒ポンプ２１、三方弁２２，冷媒冷却装置９、燃料電池スタック３、冷媒ポンプ２１という閉路を冷媒が循環する。これにより、燃料電池スタック３の発熱を冷媒冷却装置９からシステム外へ放出して、燃料電池スタック３の温度を適温に維持する。
【００２１】
一方、燃料電池システムの起動時には、三方弁２２は、冷媒ポンプ２１と冷媒用熱交換器８とを連通し、冷媒ポンプ２１、三方弁２２，冷媒用熱交換器８、燃料電池スタック３、冷媒ポンプ２１という閉路を冷媒が循環する。これにより、冷媒温度を冷媒用熱交換器８で上昇させて、燃料電池スタック３の温度を運転開始に適切な温度まで上昇させることができる。
【００２２】
システムコントローラ３７は、アノードオフガス排出弁２７によりアノードオフガスを燃焼器７へ排出するに先だって、ヒータ４１により燃焼器７を加熱し、燃焼器７の燃焼触媒を活性化させている。
【００２３】
またシステムコントローラ３７には、空気流量計３２，水素流量計３３，温度検出器２９ａ〜２９ｆ、圧力検出器３０ａ〜３０ｄ、及び電圧検知手段３６が接続されている。システムコントローラ３７は、これれらのセンサ類により、空気供給装置２から供給する空気の流量、温度、圧力、水素供給装置１から供給する水素の流量、温度、圧力、カソード５から排出されるカソードオフガスの温度、圧力、アノード４から排出されるアノードオフガスの温度、圧力をそれぞれ入力することができるようになっている。
【００２４】
さらに電圧検知手段３６は、燃料電池スタック３の出力電圧、または燃料電池スタック３を構成する一部のセル電圧または複数セルからなるセル群の電圧を検知して、これらの電圧値をシステムコントローラ３７へ出力する。
【００２５】
システムコントローラ３７は、上記センサ類から検出信号を入力して、水素供給装置１，空気供給装置２，アノードオフガス循環装置６，冷媒ポンプ２１，純水ポンプ３５，三方弁２２、アノードオフガス排出弁２７、空気圧調整弁２８を制御することにより、燃料電池スタック３に対する水素及び空気の供給、燃料電池スタック３の温度を制御する。
【００２６】
また、特に限定されないが、本実施形態においては、システムコントローラ３７は、ＣＰＵとメモリとＩ／Ｏインタフェースを有するマイクロコンピュータで構成されている。
【００２７】
次に、燃料電池システムの動作を説明する。水素供給装置１から水素をアノード４に、空気供給装置２により空気をカソード５にそれぞれ供給し、燃料電池スタック３内で反応させて発電する。その際アノード４からは消費されずに残ったアノードオフガスが、またカソード５からは一部の酸素が消費され且つ発電により生成した水分を含んだカソードオフガスがそれぞれ排出される。
【００２８】
通常運転時にアノードオフガスは、アノードオフガス循環装置６によりアノードオフガス循環配管１２を介して水素供給配管１１に全量循環されて再度アノード４へと供給される。
【００２９】
カソードオフガスは燃焼器７へ供給された後に、冷媒用熱交換器８、排気配管１９を経由してシステム外へ排気される。
【００３０】
ここで燃料電池スタック３の出力電圧を検知する電圧検知手段３６において予め設定される境界値よりも低い電圧が検知された場合には、システムコントローラ３７から発信されるパージ指令に基づいて、アノードオフガス循環装置６に設置されたパージ弁２７から所定流量のアノードオフガスが燃焼器７に排出されると同時に、パージ弁２７の開度調整を行うことにより燃料電池スタック３への水素供給圧力を一定に保ちつつ水素供給装置１からの水素の供給流量がアノードオフガス流量と同量だけ増量される。
【００３１】
図２は、第１実施形態におけるシステムコントローラ３７による制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃料電池スタックの出力電圧、（ｂ）パージ指令、（ｃ）ヒータ通電指令、（ｄ）アノードオフガス排出量、（ｅ）燃焼ガス温度をそれぞれ示す。
【００３２】
詳細な作動としては、次のようになる。図２（ａ）に示す燃料電池スタック３の出力電圧値は時系列的に電圧検知手段３６で計測されている。システムコントローラ３７は、この時系列の電圧値により予測される電圧低下傾向を基に燃料電池スタック３の性能低下が許容限界となる限界電圧値までの到達時間を算出する。そして、この到達時間と、燃料電池スタック３の運転負荷に応じて決定されるヒータ４１の加熱時間（図２（ｃ））を比較して、前記到達時間が前記加熱時間に等しくなった時点ないしは等しくなる直前でシステムコントローラ３７からパージ指令（図２（ｂ））が発信される。
【００３３】
パージ指令が発信されると、システムコントローラ３７はカソードオフガス温度にまで冷却されているヒータ４１に通電して、ヒータ４１に担持する酸化触媒を活性温度にまで加熱し、図２（ｃ）に示す所定の加熱時間が経過した時点で、図２（ｄ）に示すパージ弁２７の開度を調整してアノードオフガスを排出する。
【００３４】
排出されたアノードオフガスはミキサ２３でカソードオフガスと混合されて混合ガスを形成してヒータ４１に供給され、活性温度にまで加熱されたヒータ４１で着火されて燃焼する。
【００３５】
またこの時点でヒータ４１後流に設置される温度検知器２９ｅによりさらなる温度上昇が確認された時点でヒータへの通電を停止する。
【００３６】
図３は、燃料電池スタック運転負荷に対するヒータ加熱時間の例を示すマップ図である。運転負荷が高いほど、アノードオフガスのパージ前に、燃焼器７を介して外部へ放出されているカソードオフガスの流量が多いので、それだけ燃焼器７の温度低下が大きくなる。従って、燃料電池スタック運転負荷が高いほど、ヒータ加熱時間を長くする。
【００３７】
ヒータ４１で生成する燃焼ガスは後流に設置される燃焼室２４を加熱した後に排気配管１９を経由して外部へ排気される。燃焼室２４は燃焼ガスの熱により急速に温度が上昇するため、ヒータ４１で反応せずに排出される水素が存在する場合でも速やかに燃焼させて極力未反応の水素の排出を抑制することができる。
【００３８】
電圧検知手段３６で検知される燃料電池スタック３の出力電圧値が初期電圧値に戻った時点で、水素供給装置１からの水素の増量を停止して通常流量とすると同時に、パージ弁２７を閉じて燃焼器７へのアノードオフガスの排出を停止する。
【００３９】
図４は、第１実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【００４０】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料電池スタックの出力電圧の時系列計測を開始する。次いでＳ１２で燃料電池スタックの運転負荷を検出する。Ｓ１４で運転負荷に基づいてマップを検索しヒータ加熱時間を算出する。Ｓ１６でスタック出力電圧値の時系列から出力電圧が低下して限界電圧に到達する時間を算出する。
【００４１】
Ｓ１８で到達時間が加熱時間に等しいか否かを判定し、等しくなければＳ１８に戻る。Ｓ１８で到達時間＝加熱時間となったら、Ｓ２０へ進み、パージ指令を発信する。Ｓ２２でヒータ４１に通電を開始し、Ｓ２４でヒータ加熱時間が経過するまで待つ。Ｓ２４でヒータ加熱時間が経過すると、Ｓ２６でパージ弁２７の開度を調整し、アノードオフガスのパージを開始する。Ｓ２８で水素供給装置１からアノード４に供給する水素流量をアノードオフガスの流量だけ増量する。
【００４２】
次いで、Ｓ３０で温度センサ２９ｅが検出するヒータ４１の出口温度が更に上昇したか否かを判定する。ヒータ出口温度が更に上昇しなければＳ３０で待機する。Ｓ３０でヒータ出口温度が更に上昇すれば、Ｓ３２へ進み、ヒータ４１の通電を停止する。Ｓ３４で、電圧検出手段３６が検出する燃料電池スタックの出力電圧が初期値まで回復したか否かを判定し、回復していなければＳ３４で待機する。燃料電池スタックの出力電圧が初期値まで回復すると、Ｓ３６へ進み、水素供給装置１からの水素増量を停止する。Ｓ３８でパージ弁２７を閉止して、一連のパージ手続きを終了してリターンする。
【００４３】
以上説明した第１実施形態によれば、アノードオフガスの排出に先立って、ヒータにより燃焼器を加熱しているので、間欠的に短時間アノードオフガスが燃焼器に供給される場合でも確実に燃料に着火して燃焼を行うことができるという効果がある。
【００４４】
また本実施形態によれば、燃料電池スタックの運転状態を検知する運転状態検知手段により検知される燃料電池スタックの運転状態および前記運転状態の時間的変化により算出される運転状態変化傾向に基づき、パージ指令を発信することにより、応答性良く燃料電池スタックの性能変化を検知してパージ指令の発信が行えるために、燃料電池スタックの性能低下を極力抑制することができるという効果がある。
【００４５】
また本実施形態によれば、運転状態検知手段は、燃料電池スタックの出力電圧値を検知することにより、応答性良く燃料電池スタックの発電性能の変化を検知してパージ指令の発信が行えるために、燃料電池スタックの性能低下を極力抑制することができる。
【００４６】
また本実施形態によれば、燃焼器を加熱する加熱手段としてアノードオフガスを燃焼させ得る酸化触媒を担持する電気ヒータとすることにより、燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガス中の凝縮水がヒータに付着する場合でも速やかにヒータを加熱して凝縮水を気化できると同時に、アードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスが水素の希薄可燃限界以下の混合割合となる場合でも混合ガスを確実に燃焼させることができる。
【００４７】
さらに本実施形態によれば、アノードオフガス排出以前の加熱手段の運転時間は、燃料電池スタックの運転状態に応じて制御することにより、燃料電池スタックの運転負荷が高く大量の混合ガスが流入する場合でも加熱手段による燃焼器の暖機を十分に行い、混合ガスに着火することができる。
【００４８】
〔第２実施形態〕
次に、図５乃至図７を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。図２は、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を示すシステム構成図である。第２実施形態では、第１実施形態の電圧検知手段３６に代えて、運転状態検知手段としてアノードガスの水素濃度を検知する水素濃度検知手段４２を用いている。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付与して重複する説明を省略する。
【００４９】
本実施形態は、燃料電池の運転状態としてアノードガス中の水素濃度および水素濃度低減傾向を検知してパージ指令を発信するものである。これにより、燃料電池スタック３の性能に直接影響を及ぼすアノードガス中の水素濃度を検知して性能低下の程度を予測することができるため、システムを精度良く制御することができる。
【００５０】
水素濃度検知手段４２で検知される水素濃度が、予め設定される境界値よりも低くなった時点でパージ指令を発信してヒータ４１に通電し、所定の加熱時間が経過した時点でパージ弁２７の開度調整を行ってアノードオフガスを排出し、アノードガス供給配管１１、燃料電池スタック３内のアノードガス通路、およびアノードオフガス循環装置６内を置換できる量の水素を供給した時点でパージ弁２７を閉じて燃焼器７へのアノードオフガスの排出を停止する。
【００５１】
またここでは水素濃度を検知して制御する構成としているが、水素以外の全ての成分濃度を検知して制御する構成としても結果として水素濃度を検知することと等価であるため同様の制御として扱える。またアノード入口に供給するガスの水素濃度検出に代えて、アノード出口に水素濃度検知手段を備えてもよい。
【００５２】
図６は、第２実施形態におけるシステムコントローラ３７による制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）アノード入口の水素濃度、（ｂ）パージ指令、（ｃ）ヒータ通電指令、（ｄ）アノードオフガス排出量、（ｅ）燃焼ガス温度をそれぞれ示す。
【００５３】
詳細な作動としては、次のようになる。図６（ａ）に示す水素濃度は時系列的に水素濃度検知手段４２で計測されている。システムコントローラ３７は、この時系列の水素濃度値により予測される水素濃度低下傾向を基に燃料電池スタック３の性能低下が許容限界となる限界水素濃度値までの到達時間を算出する。そして、この到達時間と、燃料電池スタック３の運転負荷に応じて決定されるヒータ４１の加熱時間（図２（ｃ））を比較して、前記到達時間が前記加熱時間に等しくなった時点ないしは等しくなる直前でシステムコントローラ３７からパージ指令（図２（ｂ））が発信される。
【００５４】
パージ指令が発信されると、システムコントローラ３７はカソードオフガス温度にまで冷却されているヒータ４１に通電して、ヒータ４１に担持する酸化触媒を活性温度にまで加熱し、図２（ｃ）に示す所定の加熱時間が経過した時点で、図２（ｄ）に示すパージ弁２７の開度を調整してアノードオフガスを排出する。
【００５５】
排出されたアノードオフガスはミキサ２３でカソードオフガスと混合されて混合ガスを形成してヒータ４１に供給され、活性温度にまで加熱されたヒータ４１で着火されて燃焼する。
【００５６】
図７は、第２実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【００５７】
まず、Ｓ４０において、水素濃度検知手段４２により燃料電池スタック３のアノード４入口における水素濃度の時系列計測を開始する。次いでＳ４２で燃料電池スタックの運転負荷を検出する。Ｓ４４で運転負荷に基づいてマップを検索しヒータ加熱時間を算出する。Ｓ４６で水素濃度値の時系列から水素濃度が低下して限界水素濃度値に到達する時間を算出する。
【００５８】
Ｓ４８で到達時間が加熱時間に等しいか否かを判定し、等しくなければＳ４８に戻る。Ｓ４８で到達時間＝加熱時間となったら、Ｓ５０へ進み、パージ指令を発信する。Ｓ５２でヒータ４１に通電を開始し、Ｓ５４でヒータ加熱時間が経過するまで待つ。Ｓ５４でヒータ加熱時間が経過すると、Ｓ５６でパージ弁２７の開度を調整し、アノードオフガスのパージを開始する。Ｓ５８で水素供給装置１からアノード４に供給する水素流量をアノードオフガスの流量だけ増量する。
【００５９】
次いで、Ｓ６０で温度センサ２９ｅが検出するヒータ４１の出口温度が更に上昇したか否かを判定する。ヒータ出口温度が更に上昇しなければＳ６０で待機する。Ｓ６０でヒータ出口温度が更に上昇すれば、Ｓ６２へ進み、ヒータ４１の通電を停止する。Ｓ６４で、水素濃度検知手段４２が検知するアノード入口の水素濃度値が初期値まで回復したか否かを判定し、回復していなければＳ６４で待機する。燃料電池スタックの出力電圧が初期値まで回復すると、Ｓ６６へ進み、水素供給装置１からの水素増量を停止する。Ｓ６８でパージ弁２７を閉止して、一連のパージ手続きを終了してリターンする。
【００６０】
以上説明した第２実施形態によれば、運転状態検知手段は、燃料電池スタックに供給するアノードガスに含まれる水素の濃度を検知することにより、アノードオフガス中に水素以外の成分が混在してアノードガス中の水素分圧が低下する場合でも、燃料電池スタックの許容限度以上の性能低下が生じる以前にアノードオフガスを一時的に排出して燃料電池スタックの性能低下を抑制することができる。
【００６１】
また本実施形態によれば、燃焼器を加熱する加熱手段としてアノードオフガスを燃焼させ得る酸化触媒を担持する電気ヒータとすることにより、燃料電池スタックのカソードから排出されるカソードオフガス中の凝縮水がヒータに付着する場合でも速やかにヒータを加熱して凝縮水を気化できると同時に、アードオフガスとカソードオフガスとの混合ガスが水素の希薄可燃限界以下の混合割合となる場合でも混合ガスを確実に燃焼させることができる。
【００６２】
〔第３実施形態〕
次に、図８乃至図１１を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。図８は、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を示すシステム構成図である。第３実施形態では、第１実施形態の電気ヒータ４１に代えて、水素バーナ４３により燃焼器７を加熱するものである。水素バーナ４３には、水素供給装置１から水素供給弁１６，水素供給配管４４を介して水素が供給され、空気供給装置２から空気供給弁１７，空気供給配管４５を介して空気が供給されている。着火手段４６は、水素と空気の混合気に着火させて燃焼させるものである。その他の構成は、図１に示した第１実施形態と同様であるので、同一の構成要素には同一符号を付与して重複する説明を省略する。
【００６３】
本実施形態では、燃焼器７を加熱するヒータとして、水素バーナ４３を用いており、生成される燃焼ガスにより燃焼室２４に付着する水を気化させ且つ燃焼室２４に担持された燃焼触媒を活性温度にまで急速に加熱できるため、混合気中の水素濃度が水素の可燃混合濃度から外れる場合においても速やかにアノードオフガス中の水素を燃焼させることができる。
【００６４】
図９は、第３実施形態におけるシステムコントローラ３７による制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃料電池スタックの出力電圧、（ｂ）パージ指令、（ｃ）水素バーナ燃焼指令、（ｄ）アノードオフガス排出量、（ｅ）燃焼ガス温度をそれぞれ示す。
【００６５】
図９（ａ）に示す燃料電池スタック３の出力電圧値は時系列的に電圧検知手段３６で計測されている。システムコントローラ３７は、燃料電池スタック３の出力電圧値が境界値よりも低くなった時点でパージ指令を発信する。これにより、水素バーナ４３に水素供給弁１６および水素配管４４、空気供給弁１７および空気配管４５からそれぞれ所定量の水素、空気が供給され着火手段４６により着火されて燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは燃焼室２４に供給されて燃焼室２４に付着する水の気化を図ると同時に燃焼室２４に担持された燃焼触媒を活性温度にまで急速に加熱する。
【００６６】
この際アノードオフガス排出以前の水素バーナ４３の運転時間は、燃料電池スタック３の運転状態によらず一定値に設定してある。このとき、予め実験的に求められる燃料電池スタック３の運転負荷と水素バーナ４３の発熱量の関係により、図１０に示すような運転負荷に応じた水素バーナ４３の単位時間あたりの発熱量、言い換えれば水素供給流量が決定され、また燃焼温度を所定の温度とするために水素供給流量に付随して空気供給量も決定される。
【００６７】
所定の水素バーナ４３運転時間が経過した時点で水素バーナ４３への空気、水素の供給を停止し、またパージ弁２７の開度を調整してアノードオフガスを排出すると同時に水素供給装置１からの水素供給量を増量する。
【００６８】
電圧検知手段３６で検知される燃料電池スタック３の出力電圧値が初期電圧値にまで回復した時点で水素供給装置１からの水素供給量の増量を停止して通常流量に戻すと同時にパージ弁２７を閉じて燃焼器７へのアノードオフガスの排出を停止する。
【００６９】
図１１は、第３実施形態におけるシステムコントローラの制御機能を説明するフローチャートである。
【００７０】
まず、Ｓ７０において、燃料電池スタックの出力電圧の時系列計測を開始する。次いでＳ７２で燃料電池スタックの運転負荷を検出する。Ｓ７４で運転負荷に基づいてマップを検索しヒータ加熱時間を算出する。Ｓ７６でスタック出力電圧値の時系列から出力電圧が低下して限界電圧に到達する時間を算出する。
【００７１】
Ｓ７８で到達時間が加熱時間に等しいか否かを判定し、等しくなければＳ７８に戻る。Ｓ７８で到達時間＝加熱時間となったら、Ｓ８０へ進み、パージ指令を発信する。Ｓ８２で水素供給弁１６，空気供給弁１７の開度を調整して、水素バーナ４３へ水素と空気を供給する。
【００７２】
Ｓ８４で水素バーナ４３に着火し燃焼器７の加熱を開始する。Ｓ８６で所定の加熱時間が経過するまで待つ。Ｓ８６で所定加熱時間が経過すると、Ｓ９０でパージ弁２７の開度を調整し、アノードオフガスのパージを開始する。Ｓ９２で水素供給装置１からアノード４に供給する水素流量をアノードオフガスの流量だけ増量する。
【００７３】
次いで、Ｓ９４で電圧検知手段３６が検出する燃料電池スタックの出力電圧値が初期値まで回復したか否かを判定し、回復していなければＳ９４で待機する。燃料電池スタックの出力電圧が初期値まで回復すると、Ｓ９６へ進み、水素供給装置１からの水素増量を停止する。Ｓ９８でパージ弁２７を閉止して、一連のパージ手続きを終了してリターンする。
【００７４】
以上説明した第３実施形態によれば、運転状態検知手段は、燃料電池スタックの出力電圧値を検知することにより、応答性良く燃料電池スタックの発電性能の変化を検知してパージ指令の発信が行えるために、燃料電池スタックの性能低下を極力抑制することができる。
【００７５】
また本実施形態によれば、燃焼器を加熱する加熱手段は、燃料ガスを燃焼させるバーナとすることにより、短時間で燃焼器の温度を上昇させることができるため、パージ指令を発信してからアノードオフガスを排出するまでの時間を短時間にでき燃料電池スタックの性能低下を抑制することができる。
【００７６】
さらに本実施形態によれば、アノードオフガス排出以前の加熱手段の加熱エネルギは、燃料電池スタックの運転状態に応じて制御することにより急速に燃焼器を暖機して、パージ指令を発信してからアノードオフガスを排出するまでの時間を短時間とし、その間での燃料電池スタックの性能低下を極力抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】第１実施形態におけるパージ前の燃焼器の加熱を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃料電池スタック出力電圧、（ｂ）パージ指令、（ｃ）ヒータ通電指令、（ｄ）アノードオフガス排出量、（ｅ）燃焼ガス温度をそれぞれ示す。
【図３】第１実施形態におけるヒータ加熱時間算出例を示す図である。
【図４】第１実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図６】第２実施形態におけるパージ前の燃焼器の加熱を説明するタイムチャートであり、（ａ）アノード水素濃度、（ｂ）パージ指令、（ｃ）ヒータ通電指令、（ｄ）アノードオフガス排出量、（ｅ）燃焼ガス温度をそれぞれ示す。
【図７】第２実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図９】第３実施形態におけるパージ前の燃焼器の加熱を説明するタイムチャートであり、（ａ）燃料電池スタック出力電圧、（ｂ）パージ指令、（ｃ）ヒータ燃焼指令、（ｄ）アノードオフガス排出量、（ｅ）燃焼ガス温度をそれぞれ示す。
【図１０】第３実施形態におけるヒータ発熱量算出例を示す図である。
【図１１】第３実施形態におけるシステムコントローラの制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１…水素供給装置
２…空気供給装置
３…燃料電池スタック
４…アノード
５…カソード
６…アノードオフガス循環装置
７…燃焼器
８…冷媒用熱交換器
９…冷媒冷却装置
１０…加湿装置
１１…アノードガス供給配管
１２…アノードオフガス循環配管
１３…アノードオフガス供給配管
１４…カソードガス供給配管
１５…カソードオフガス供給配管
１９…排気配管
２０…冷媒通路
２１…冷媒ポンプ
２２…冷媒通路調整弁
２３…ミキサ
２４…燃焼室
２５…純水タンク
２６…純水配管
２７…パージ弁
２８…空気圧調整弁
２９…温度検出器
３０…圧力検出器
３２…空気流量計
３３…水素流量計
３５…水ポンプ
３６…電圧検知手段
３７…システムコントローラ
４１…ヒータ
４２…水素濃度検知手段
４３…水素バーナ
４４…水素供給配管
４５…空気供給配管
４６…着火手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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