(57)【要約】【課題】  熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質等を生じることなく排出循環ガスを熱媒体の加熱に利用可能とする。【解決手段】  冷間始動時には燃焼器５により発生させた高温の燃焼ガスの熱を熱交換器６により燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機し、水素パージ実行時には熱交換器６を通過させずに燃焼器５により発生させた高温の燃焼ガスを排出させる排気三方弁２１を介して排出する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素を反応させることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に熱媒体を循環供給する熱媒体供給手段と、
水素と酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、
冷間始動時にその燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機する熱交換手段と、
前記燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを前記燃焼ガス発生手段を介して排出する水素パージ手段と、
前記燃料電池および水素パージ手段を制御し且つ熱媒体の温度を調節することにより燃料電池システムの温度をコントロールする制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記燃焼ガスを熱交換手段を通過させずに排出させる熱交換手段バイパス手段を設けるとともに、前記制御手段により水素パージ実行時は燃焼ガスを熱交換手段をバイパスさせて排出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
水素と酸素を反応させることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に熱媒体を循環供給する熱媒体供給手段と、
水素と酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、
冷間始動時に前記燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機する熱交換手段と、
熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路と、
熱媒体の通路を熱交換手段側もしくは熱交換手段バイパス通路側へ切換える熱媒体通路切換手段と、
燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを前記燃焼ガス発生手段を介して排出する水素パージ手段と、
前記燃料電池、熱媒体通路切換手段および水素パージ手段を制御して熱媒体の温度を調節することにより燃料電池システムの温度をコントロールする制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、熱媒体の通路を熱交換手段バイパス通路側としている場合でも、所定量は熱交換手段側へも熱媒体を流通させることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
水素と酸素を反応させることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に熱媒体を循環供給する熱媒体供給手段と、
水素と酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させる燃焼ガス発生手段と、
冷間始動時に前記燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機する熱交換手段と、
熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路と、
熱媒体の通路を熱交換手段側もしくは熱交換手段バイパス通路側へ切換える熱媒体通路切換手段と、
燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを前記燃焼ガス発生手段を介して排出する水素パージ手段と、
前記燃料電池、熱媒体通路切換え手段および水素パージ手段を制御して熱媒体の温度を調節することにより燃料電池システムの温度をコントロールする制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
制御手段は、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体が熱交換手段側へ流通するまでパージを禁止することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システムは、熱交換手段バイパス通路に熱媒体を冷却する熱媒体冷却手段と熱媒体の温度を通常よりも早く急冷させる熱媒体急冷手段とを備え、
前記制御手段は、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体を熱媒体急冷手段により所定温度以下に急冷した後、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うかパージを禁止するかをパージの緊急度に応じて選択することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、要求された水素パージの緊急度が高い場合は、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えて水素パージを行うことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、水素パージ実行中に水素パージの緊急度が下がった場合は熱媒体通路を熱交換手段バイパス通路側へ切換えるとともに水素パージを禁止することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、要求された水素パージの緊急度が低い場合はパージを禁止する請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池システムは、熱交換手段バイパス通路に熱媒体を冷却する熱媒体冷却手段および熱媒体の温度を急冷させる熱媒体急冷手段を備え、
前記制御手段は、要求された水素パージの緊急度が低い場合は水素パージを一旦禁止するとともに、熱媒体を熱媒体急冷手段により所定温度以下に急冷した後、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを許可することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記制御手段は、パージの緊急度を燃料電池のセル電圧より決定することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記制御手段は、パージの緊急度を燃料電池の運転時間より決定することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、パージの緊急度を燃料電池の運転負荷より決定することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記制御手段は、パージの緊急度を燃料電池のパージ継続時間より決定することを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記熱媒体急冷手段は、熱交換手段バイパス通路および熱媒体冷却手段を通過する熱媒体の流量を増加させるものであることを特徴とする請求項５または請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
前記燃料電池システムは、熱交換手段バイパス通路にラジエータを備え、
前記熱媒体急冷手段は、前記ラジエータを通過する空気量を増量させるものであることを特徴とする請求項５または請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記熱媒体供給手段は、燃料電池の冷却液を循環させるポンプを備え、
前記熱媒体通路切換手段は、熱媒体を熱交換手段を通過させる通路と熱交換手段バイパス通路とに分流調整可能な三方弁により構成し、
前記制御手段は、燃料電池を調温するのに必要な熱交換手段通過通路側への三方弁開度を演算する三方弁調温開度演算手段と、熱交換手段への最低必要な熱媒体流量を確保するために三方弁の最低必要開度を前記ポンプ吐出媒体流量に応じて演算する三方弁最低必要開度演算手段と、前記三方弁調温開度演算手段によって演算された三方弁開度が前記三方弁最低必要開度演算手段によって演算された最低必要開度に満たない場合には、三方弁開度を最低必要開度に設定する三方弁開度設定手段と、を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記三方弁最低必要開度演算手段は、前記ポンプ回転数あるいはポンプ駆動デューティ比に基づいて三方弁の最低必要開度を演算する請求項１７に記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
前記三方弁開度設定手段は、三方弁開度が最低必要開度に満たない場合には、パージ手段によるパージ時あるいはパージ直前において、三方弁開度を最低必要開度に設定することを特徴とする請求項１７または請求項１８に記載の燃料電池システム。
【請求項２０】
前記三方弁最低必要開度演算手段は、パージ手段によるパージ時間に応じて三方弁の最低必要開度を大きくすることを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２１】
前記燃料電池システムは、熱交換手段を通過した熱媒体の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記三方弁最低必要開度演算手段は、前記検出された熱交換手段出口の熱媒体温度が高くなるほど三方弁の熱交換手段への最低必要開度を大きくすることを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
前記燃料電池システムは、熱交換手段を通過した燃焼排気ガスの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記三方弁最低必要開度演算手段は、前記検出された熱交換手段出口の燃焼排気ガスの温度が高くなるほど三方弁の熱交換手段への最低必要開度を大きくすることを特徴とする請求項１７から請求項１９のいずれか１つ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、電力の発生を抑制する電力発生抑制物質を効果的に除去できる燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から燃料電池へ供給する水素等の燃料ガス（以下、水素という）を循環供給するとき、循環経路に電力の発生を抑制する不純物即ち電力発生抑制物質が蓄積される毎にこれを循環ガスと共に大気へ排出するものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
これは、循環経路内の不純物の量が所定量を超えるとみなされる一定運転時間毎、循環経路が閉サイクル故に徐々に不純物が蓄積され電極反応面に付着することや相対的に水素の分圧が低下すること等の理由により電気化学的反応が阻害されて燃料電池の出力電圧が所定以上に低下するとき、若しくは、水素濃度が所定濃度以下に低下するときには、循環経路内のガスを大気開放弁により大気に放出するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−２４３４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来例では、循環経路内の不純物量が所定値以上となるとき循環経路内のガスを大気へ放出するが、循環経路内には大気中では含有率の低い水素が含まれている等の理由から、規制物質ではないもののそのまま排出することは好ましくなく、また、水素をメタノールやガソリン等の燃料を改質して作り出す場合、微量ではあるものの水素ガス中に燃料成分が含まれている場合があり、大気環境の観点よりそのまま放出することは好ましくないものであった。
【０００５】
望ましくは、循環経路内のガスを空気等の酸化ガスと混合して燃焼器等で燃焼せしめて水蒸気等の状態にして排出することがよく、その際の燃焼器からの燃焼熱は燃焼ガスを熱交換器を経由させることで、燃料電池の熱媒体を昇温させること等に再利用することが考えられる。
【０００６】
その場合、熱媒体が熱交換器を流通していれば熱媒体の昇温代は比較的少なくて済む。しかしながら、たまたま熱交換器側に熱媒体の流れがない場合には、発生した燃焼熱が極一部の熱媒体へ与えられ熱媒体の温度が高温となり熱媒体の沸騰により熱媒体通路の異常高圧によるシステムの故障や熱媒体の熱分解による変質等を生じる虞があることを考慮する必要がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質等を生じることなく排出循環ガスを熱媒体の加熱に利用可能な燃料電池システム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】
【０００８】
本発明の第１の発明は、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により前記燃焼ガスの熱を燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機する燃料電池システムにおいて、燃焼ガスを熱交換手段を通過させずに排出させる熱交換手段バイパス手段を設け、水素パージ実行時は燃焼ガスを熱交換手段をバイパスさせて排出するようにした。
【０００９】
本発明の第２の発明は、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、また、熱媒体通路切換え手段により熱媒体の通路を前記熱交換手段側もしくは熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路側へ流通させる燃料電池システムにおいて、熱媒体の通路を熱交換手段バイパス通路側としている場合でも、所定量は熱交換手段側へも熱媒体を流通させるようにした。
【００１０】
本発明の第３の発明は、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により前記燃焼ガスの熱を燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路と熱媒体の通路を熱交換手段側もしくは熱交換手段バイパス通路側へ切換える熱媒体通路切換え手段とを備える燃料電池システムにおいて、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うようにした。
【発明の効果】
【００１１】
したがって、本発明の第１の発明では、冷間始動時には燃焼ガス発生手段により発生させた高温の燃焼ガスの熱を熱交換手段により燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機し、水素パージ実行時には燃焼ガス発生手段により発生させた高温の燃焼ガスを熱交換手段を通過させずに排出させる熱交換手段バイパス手段を介して排出するため、水素パージ時に発生する熱は熱交換器へ供給されずに大気へ排出され、熱交換器内へ熱媒体の流通が停止している場合でも熱媒体の一部が過加熱されることなく、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
【００１２】
本発明の第２の発明では、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、また、熱媒体通路切換え手段により熱媒体の通路を前記熱交換手段側もしくは熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路側へ流通させる燃料電池システムにおいて、熱媒体の通路を熱交換手段バイパス通路側としている場合でも、所定量は熱交換手段側へも熱媒体を流通させるようにしたため、暖機が終了した通常運転時であっても燃焼器作動中は常に所定量の熱媒体が熱交換器を流通することとなり、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
【００１３】
本発明の第３の発明では、燃料電池へ水素を供給する水素供給手段内のガスを水素パージ手段により燃焼ガス発生手段を介して排出し、燃焼ガス発生手段により酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段により前記燃焼ガスの熱を燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、熱交換手段をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路と熱媒体の通路を熱交換手段側もしくは熱交換手段バイパス通路側へ切換える熱媒体通路切換え手段とを備える燃料電池システムにおいて、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換手段側へ切換えてから水素パージを行うため、水素パージに伴って発生する熱は熱交換手段を介して多量の熱媒体によって奪われることとなり、ポンプの仕事を増やすことなく熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の燃料電池システムを各実施形態に基づいて説明する。
【００１５】
（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明を適用した燃料電池システムの第１実施形態を示し、図１はシステム構成図、図２は制御ブロック図、図３は「加熱運転実行判断手段」の制御フローチャート、図４は「加熱運転手段」の制御フローチャートである。
【００１６】
図１において、燃料電池システムは、水素と酸素（空気）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１と、燃料電池１に水素を循環供給する水素供給手段としての水素供給系統２と、燃料電池１に酸素を含む空気を供給する酸化ガス供給系統３と、燃料電池１に熱媒体を供給する温度調節手段としての熱媒体供給系統４と、パージされた不純物を含む排水素を排酸素とともに燃焼させる燃焼ガス発生手段としての燃焼器５と、燃焼器５の燃焼ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換手段としての熱交換器６とより構成している。燃料電池１には、その温度を検出する温度センサ７と、燃料電池１の発電状態を検出する電力計８が配置され、いずれの検出信号もコントロールユニット９に入力されている。
【００１７】
前記水素供給系統２は、図示しない高圧貯蔵タンクからの燃料ガスとしての水素を水素調圧弁１０で予め設定した圧力に減圧して燃料電池１の燃料極に供給する。燃料電池１の燃料極から排出された排水素は循環通路１１を経由して戻され、エゼクタ１２により新たに供給された水素と混合されて再び燃料電池１の燃料極に供給される。循環経路１１は前記燃焼器５にパージ手段としてのパージ弁１３を介して連通され、パージ弁１３が開放するとき、循環経路１１中のガスが燃焼器５に供給されるようになっている。水素調圧弁１０、パージ弁１３はコントロールユニット９により制御される。
【００１８】
酸化ガス供給系統３は、外気を取り込み、図示しない電動機で駆動されるコンプレッサ１４で圧縮して送出し、燃料電池１の酸化剤極に供給し、酸化剤極から排出される排空気は前記燃焼器５に供給される。
【００１９】
前記熱媒体供給系統４は、燃料電池１の図示しない熱媒体通路に熱媒体を流動させることで燃料電池１の温度を制御するものであり、コントロールユニット９によってその流量を制御された熱媒体を圧送するポンプ１６と燃料電池１から三方弁１７を経由して排出された熱媒体を冷却するラジエータ１８とを燃料電池１の熱媒体通路に直列接続して構成している。ラジエータ１８にはラジエータファン１９が設けられ、コントロールユニット９により回転が制御されてラジエータ１８への通風量を制御することでラジエータ１８を通過する熱媒体の温度を制御するようにしている。
【００２０】
前記三方弁１７は、ラジエータ１８を迂回する熱交換用通路２０への分岐点に配置され、燃料電池１から排出された熱媒体を、熱交換用通路２０へ流通させるか、若しくは、熱交換器６をバイパスするラジエータ１８側へ流通させるか、コントロールユニット９により切換選択される。熱交換用通路２０を主路とすると、ラジエータ１８側の通路は熱交換器バイパス通路となる。熱交換用通路２０の途中には熱交換手段としての熱交換器６が配置され、熱交換器６は後述するように内部を通過する熱媒体を加熱可能である。熱交換器６はポンプ１６によって常時熱媒体が流通する熱媒体供給系統４に配置されることなく熱媒体が常時は流れない熱交換器用通路２０に配置されているため、通常時の熱媒体の流通には熱交換器６による圧損が常に生じることがなく、ポンプ１６が常時無駄な仕事をすることによる効率の低下を防止している。
【００２１】
前記コントロールユニット９は、燃料電池１の温度センサ７よりの温度信号に基づき三方弁１７を切換制御する。温度センサ７よりの温度信号が所定温度よりも高い場合には、三方弁１７はラジエータ１８側（熱交換器バイパス通路）へ切換えられ、熱媒体はラジエータ１８へ導かれ、冷却される。前記設定温度は、燃料電池システムが安定して運転可能な温度帯の中から適宜決定する。温度センサ７よりの温度信号が設定温度よりも低かった場合には、三方弁１７は熱交換用通路２０へ切換えられ、熱媒体は熱交換器６へ導かれる。
【００２２】
前記熱交換器６は、熱交換面の一方に熱媒体が供給され、熱交換面の他方に前記燃焼器５よりの燃焼ガスが排気三方弁２１を経由して選択的に供給され、燃焼ガスの熱を熱媒体に供給して熱交換を行う。熱交換器６に熱交換用通路２０を経由して供給される熱媒体は、前記したように、設定温度より低い場合であり、熱媒体を加温して燃料電池１の温度を昇温させる。熱媒体が設定温度より低い場合は、燃料電池１の温度が低温であり、発電不能であるか効率が非常に悪いときに相当する。
【００２３】
前記燃焼器５は、前記パージ弁１３が開放されることにより、循環経路１１から排出される循環ガスを燃料電池１の酸化ガス供給系統３の排空気により燃焼させ、排気三方弁２１を経由させて燃焼ガスを外気へ排出するか若しくは熱交換器６に供給するよう選択される。排気三方弁２１はコントロールユニット９により切換位置が制御されるものであり、通常は燃焼ガスを外気へ排出する外気側位置に位置し、前記熱媒体供給系統４の三方弁１７が熱交換器６側に切換えられるときに熱交換器側位置に切換えられる。排気三方弁２１が熱交換器側位置に切換えられて燃焼器５の燃焼ガスが熱交換器６に供給されると、燃焼ガスの熱で熱媒体を加熱する。なお、パージ弁１３が開放されている間は、燃料電池１の燃料極の循環ガスは排出され、燃料電池１での発電は行われない。
【００２４】
以上の構成の燃料電池システムは、コントロールユニット９で一定周期毎に実行される図２の制御ブロック図により制御される。
【００２５】
図２において、コントロールユニット９は、先ず、加熱運転実行判断手段２５により熱媒体を加熱運転するか否かを判定し、次いで、加熱運転手段２６により、前記判定結果に応じて、加熱運転、または、通常運転の継続を実行する。図３は前記加熱運転実行判断手段２５のフローチャートであり、図４は前記加熱運転手段２６のフローチャートである。以下に各手段での詳細な制御手順を図３、４に基づいて説明する。
【００２６】
図３に示す加熱運転実行判断手段は、先ず、ステップＳ１１で、燃料電池１の温度ＴＦＣを温度センサ７よりの温度信号ＴＦＣから読み込む。
【００２７】
ステップＳ１２では、読み込んだ温度信号ＴＦＣが所定温度ＳＬＴＦＣよりも高いか否かを判定する。温度信号ＴＦＣが所定温度ＳＬＴＦＣより、高ければステップＳ１４に進み、高くなければステップＳ１３へ進む。
【００２８】
ステップＳ１３では、加熱運転フラグＦＣＯＬＤを１（加熱運転許可）として本フローを終了し、ステップＳ１４では、加熱運転フラグＦＣＯＬＤを０（加熱運転不許可）として処理を終了する。
【００２９】
図４に示す加熱運転手段は、先ず、ステップＳ２１で、加熱運転実行判断手段で設定した加熱運転フラグＦＣＯＬＤが１か０かを判定し、０であれば加熱運転不可なのでステップＳ２４に進み、１であればステップＳ２２へ進む。
【００３０】
ステップＳ２４では、排気三方弁２１を外気側位置として、一連の処理を終了する。
【００３１】
ステップＳ２２では、加熱運転をするために、パージ弁１３を開とし、水素調圧弁１０を暖機に必要な熱量が燃焼器５から発生するに十分な量の水素を供給するよう調整し、燃焼器５に空気を供給するようコンプレッサ１４の運転を継続する。これにより、燃焼器５には、暖機に必要な熱量を発生するのに十分な量の水素と空気とが供給されて高温の燃焼ガスを発生させる。また、熱媒体供給系統４の三方弁１７を熱交換器６側に切換え、ポンプ１６を運転する。熱媒体は、ポンプ１６、燃料電池１、三方弁１７、熱交換用通路２０、熱交換器６と流れる。これらの処理後にステップＳ２３へ進む。
【００３２】
ステップＳ２３では、排気三方弁２１を熱交換器側位置に切換えて一連の処理を終了する。燃焼器５で得られた高温の燃焼ガスが熱交換器６を通過する。燃焼ガスの熱は、熱交換器６を介して熱媒体へ伝達され、高温となった熱媒体は燃料電池１へ導かれる。このため、燃料電池１は急速に昇温され、効率よく運転できる温度まで短時間で到達する。
【００３３】
以上の処理において、本願はステップＳ２３およびステップＳ２４を特徴とする。即ち、加熱運転をする場合にのみ、燃焼ガスを熱交換器６へ導き、それ以外は熱交換器６を介さずに大気へ排出するため、水素パージ等の加熱運転以外の運転時における燃焼ガスの熱が熱媒体へ伝達することを防ぐことができ、熱媒体の過加熱、沸騰、熱媒体通路の高圧化による破損、熱媒体の変質などを抑制することが可能となる。
【００３４】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００３５】
（ア）冷間始動時には燃焼ガス発生手段としての燃焼器５により発生させた高温の燃焼ガスの熱を熱交換手段としての熱交換器６により燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機し、水素パージ実行時には燃焼器５により発生させた高温の燃焼ガスを熱交換器６を通過させずに排出させる熱交換手段バイパス手段としての排気三方弁２１を介して排出するため、水素パージ時に発生する熱は熱交換器６へ供給されずに大気へ排出されて、熱交換器６内へ熱媒体の流通が停止している場合でも熱媒体の一部が過加熱されることがなく、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
【００３６】
（第２実施形態）
図５〜図８は、本発明を適用した燃料電池システムの第２実施形態を示し、図５はシステム構成図、図６は制御ブロック図、図７は「水素パージ判断手段」の制御フローチャート、図８は「水素パージ手段」の制御フローチャートである。本実施形態においては、熱媒体の一部を常に熱交換器に循環させるようにし且つ、燃焼器５下流の排気三方弁を廃止して、燃焼器の燃焼ガスの全量を熱交換器に供給するようにしたものである。なお、前実施形態と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００３７】
図５において、燃料電池システムは、熱媒体供給系統４の熱交換用通路２０の熱交換器６と三方弁１７との間と燃料電池１の熱媒体出口近辺とを接続して、コントローラ９により弁開度が調節されるバイパス弁２７を配置して備える。燃料電池１から排出された熱媒体の一部は、バイパス弁２７の弁開度に応じて熱交換用通路２０に流れ込み、熱交換器６を経由してポンプ１６に吸込まれ、熱交換器６を流通する。なお、図示しないが、バイパス弁２７を設けることなく三方弁１７自体を操作して熱交換用通路２０に熱媒体を流すようにしても同様に作動させることができる。
【００３８】
また、燃焼器５は熱交換器６に直結され、燃焼器５が循環ガスを燃焼させる際には、燃焼ガスの全量が熱交換器６に供給されるようにしている。
【００３９】
本実施形態における冷間始動時においては、第１実施形態と同様にパージ弁１３を経由して供給された排水素と排空気とが燃焼器５により燃焼され、高温の燃焼ガスを熱交換器６に供給する。他方、三方弁１７は熱交換器６側が開口し、燃料電池１の出口よりの熱媒体は三方弁１７から熱交換器６にその全流量が供給される。このため、冷間始動時には、燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱して燃料電池システムを暖機することができる。
【００４０】
また、燃料電池システムにおいて、燃料電池１へ水素を供給する水素供給手段２である循環経路内のガスに不純物が蓄積されることに起因して、このガスを前記燃焼ガス発生手段としての燃焼器５を介して排出する水素パージ手段としてのパージ弁１３作動に関連して以下に記載する制御を行う。
【００４１】
図６は、以上の構成になる燃料電池システムのコントロールユニット９での一定周期毎に実行される制御ブロック図である。コントロールユニット９は、先ず、水素パージ判断手段２８により水素パージを実行するか否かを判断し、次いで、水素パージ手段２９により、前記判定結果に応じて、水素パージ運転を実行するか、または、水素パージを実行しない通常運転の継続を実行する。図７は前記水素パージ判断手段２８のフローチャートであり、図８は前記水素パージ手段２９のフローチャートである。以下に各手段での詳細な制御手順を図７、図８に基づいて説明する。
【００４２】
図７に示す水素パージ判断手段２８は、先ず、ステップＳ３１で、水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが１（水素パージ許可）か０か（水素パージ不許可）を判定する。水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが１であれば、既に水素パージ制御中であるので水素パージ実行の判断をする必要がなく、そのまま処理を終了し、水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが０であれば、ステップＳ３２へ進む。
【００４３】
ステップＳ３２では、後に算出する「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」ＳＵＭＧＡＳが所定値ＳＬＧＡＳを超過しているか否かを判定し、超過していればステップＳ３５へ進み、「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」ＳＵＭＧＡＳが所定値ＳＬＧＡＳ以下であれば水素パージはまだ不要と判断し、ステップＳ３３へ進む。
【００４４】
ステップＳ３５では、水素パージを許可すべく「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」ＳＵＭＧＡＳをゼロとするとともに水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐを１として水素パージ運転を許可して処理を終了する。
【００４５】
ステップＳ３３では、燃料電池１の発電電力量Ｗを読み込み、ステップＳ３４に進む。
【００４６】
ステップＳ３４では、次式
ＳＵＭＧＡＳ＝Ｗ×Ｋ＋ＳＵＭＧＡＳ
により「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」ＳＵＭＧＡＳを算出して処理を終了する。ここで、Ｋは、本処理が、例えば１秒毎に行われていれば、例えば、Ｋ＝１とし、不定期であれば、前回本処理を実施してから今回までの時間に比例した数値を設定すればよい。
【００４７】
このように設定すれば、「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」ＳＵＭＧＡＳは取り出した電力の積算値に概略比例した値となる。不純物蓄積指標ＳＵＭＧＡＳの値は、実際の不純物量とは異なる値ではあるが、水素極の不純物はＳＵＭＧＡＳと同様、取り出した電力量に概略比例するため、「循環経路中の循環ガスに含まれる不純物蓄積指標」ＳＵＭＧＡＳの大小で水素パージ時期を判断すると無駄なく的確なパージのタイミングが推定できる。なお、水素パージのタイミングは、この実施形態で説明した方法に限定されるものではなく、特開２０００−２４３４１７号公報に開示されているように、一定運転時間毎、不純物が循環経路が閉サイクル故に徐々に蓄積され電極反応面に付着することや相対的に燃料ガスの分圧が低下すること等の理由により電気化学的反応が阻害されて燃料電池の出力電圧が所定以上に低下するとき、若しくは、水素濃度が所定濃度以下に低下するとき等で予測するものでもよい。
【００４８】
図８に示す水素パージ手段２９は、先ず、ステップＳ４１で、水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが１（水素パージ許可）であるか否かを判定し、水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが１であればステップＳ４２へ進み、水素パージが不許可であればそのまま本処理を終了する。
【００４９】
ステップＳ４２では、ポンプ１６の回転数ＮＰを読み込み、ステップＳ４３ではポンプ１６の回転数ＮＰに対応するバイパス弁２７の開度ＢＢＯを、ポンプ回転数−開度テーブルを参照して読出し、ステップＳ４４でバイパス弁２７を読出した開度ＢＢＯだけ開弁し、パージ弁１３を開弁してパージを開始する。
【００５０】
ステップＳ４５では、タイマーＴＭを所定量Ｔ（システムの運転が回復し、かつ無駄な水素の放出を最小限とする値であり、実験的に求められる）だけ増加させる。所定量Ｔは図７のステップＳ３４のＫと同じで、本処理が一定時間毎に行われていれば一定値でかまわないが、不定期であれば前回本処理を実施してから現在までの経過時間に比例する値を設定する。そうすることでパージを実行している時間を正確にカウントアップできる。
【００５１】
ステップＳ４６では、前記タイマーＴＭが所定値ＳＬＴＭを超えたか否かを判定し、超えていなければそのままパージを継続すべく本処理を終了し、超えていればステップＳ４７に進み、水素パージを終了するためにバイパス弁２７とパージ弁１３を閉弁するとともに水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐをゼロとし、タイマーＴＭも次回の計測のためにゼロとして、本処理を終了する。
【００５２】
本実施例において特徴的な部分は、ステップＳ４２〜４４の処理であり、水素パージをする場合は三方弁１７がラジエータ１８側、即ち、熱交換手段としての熱交換器バイパス通路側となっていたとしても熱交換器６に常時熱媒体が所定量（ステップ４３内のポンプ回転数−開度テーブルに基づく）流通させるため、熱媒体の一部に過剰な熱が与えられることがなく、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。なお、三方弁１７が熱交換器６側となっていた場合には、バイパス弁２７の制御は不要だが、実行しても何ら問題なく、簡単化のために場合分けをしなかった。
【００５３】
さらに、本実施形態ではバイパス弁２７を新たに追加しているが、三方弁１７に開度調整機能を持たせて、水素パージ時は熱交換器６側へも所定量の熱媒体を流通させる構成とすると、バイパス弁２７の追加を必要とせずに同様な効果を得ることができる。
【００５４】
本実施形態においては、以下に記載した効果を奏することができる。
【００５５】
（イ）燃料電池１へ水素を供給する水素供給手段２内のガスを水素パージ手段としてのパージ弁１３により燃焼ガス発生手段としての燃焼器５を介して排出し、燃焼器５により高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段としての熱交換器６により燃焼ガスの熱を熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、また、熱媒体通路切換え手段としての三方弁１７により熱媒体の通路を前記熱交換器６側もしくは熱交換器６をバイパスして熱媒体を流通させる熱交換手段バイパス通路側へ流通させる燃料電池システムにおいて、熱媒体の通路を熱交換手段バイパス通路側としている場合でも、所定量は熱交換器６側へも熱媒体を流通させるようにしたため、暖機が終了した通常運転時であっても燃焼器作動中は常に所定量の熱媒体が熱交換器６を流通することとなり、燃焼器５と熱交換器６との間に排気三方弁２１などを新たに追加することなく熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
【００５６】
（第３実施形態）
図９〜図１２は、本発明を適用した燃料電池システムの第３実施形態を示し、図９はシステム構成図、図１０は制御ブロック図、図１１は「熱媒体通路選択手段」の制御フローチャート、図１２は「水素パージ手段」の制御フローチャートである。本実施形態においては、三方弁により熱媒体を熱交換器に流すように切換えてからパージ作動を行うようにしたものである。なお、図１〜図８と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００５７】
図９において、燃料電池システムは、図５に示す燃料電池システムに対して、バイパス弁２７を取去った構成を備える。そして、パージ作動に先立ちコントロールユニット９により三方弁１７を熱交換器側へ切換えるようにしている。
【００５８】
図１０は、以上の構成になる燃料電池システムのコントロールユニット９で一定周期毎に実行される制御ブロック図である。コントロールユニット９は、先ず、水素パージ判断手段２８により水素パージを実行するか否かを判断し、水素パージ実行が許可されると、熱媒体通路選択手段３０により熱媒体を熱交換器６側へ流通させ、次いで、水素パージ手段３１により水素パージ制御を実行する。前記水素パージ判断手段２８は、第２実施形態の図７と同じであり、既に説明済みであるため、ここでの説明は省略する。図１１は熱媒体通路選択手段３０の制御フローチャートであり、図１２は水素パージ手段３１の制御フローチャートである。以下に各手段での詳細な制御手順を図１１、図１２に基づいて説明する。
【００５９】
図１１に示す熱媒体通路選択手段３０は、先ず、ステップＳ５１で水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが１（水素パージ許可）であるか否かを判定し、許可されていなければステップＳ５２へ進み、許可されていればステップ５５へ進む。
【００６０】
ステップＳ５２では、温度センサ７の温度信号より燃料電池１の温度ＴＦＣを読み込み、ステップＳ５３で、その温度ＴＦＣが所定温度ＳＬＴＦＣよりも低いかを判定し、高ければステップＳ５４へ進み、三方弁１７をラジエータ１８側として熱媒体を冷却するモードとして本処理を終了する。他方、温度ＴＦＣが設定温度ＳＬＴＦＣより低ければステップＳ５５へ進む。
【００６１】
ステップＳ５５は、ステップＳ５１で水素パージが許可されている場合は燃料電池１の温度に関係なく、また、ステップＳ５３で温度ＴＦＣが設定温度ＳＬＴＦＣより低い場合とで選択され、三方弁１７を熱交換器６側として熱交換器６へ熱媒体を流通させるモードとし、本処理を終了する。本制御により水素パージ実行時には、必ず熱交換器６に熱媒体が流通することになる。
【００６２】
図１２に示す水素パージ手段３１は、先ず、ステップＳ６１で水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが１（水素パージ許可）であるか否かを判定し、不許可であれば本処理を終了させ、許可されていればステップＳ６２へ進む。
【００６３】
ステップＳ６２では、パージ弁１３を開弁して水素パージを開始し、ステップＳ６３では、タイマーＴＭを所定量Ｔ（システムの運転が回復し、かつ無駄な水素の放出を最小限とする値であり、実験的に求められる）だけ増加させる。これは図７のステップＳ３４のＫと同じで、本処理が一定時間毎に行われていれば一定値でかまわないが、不定期であれば前回本処理を実施してから現在までの経過時間に比例する値を設定する。そうすることでパージを実行している時間を正確にカウントアップできる。
【００６４】
ステップＳ６４では、前記タイマーＴＭが所定値ＳＬＴＭを超えたか否かを判定し、超えていなければそのままパージを継続すべく本処理を終了し、超えていればステップＳ６５に進み、水素パージを終了するためにパージ弁１３を閉弁するとともに水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐをゼロとし、タイマーＴＭも次回の計測のためにゼロとして、本処理を終了する。
【００６５】
以上の処理を実施することで、熱媒体通路が例えラジエータ１８側（熱交換手段バイパス通路側）となっていようとも熱交換器６側へ変更してから水素パージを行うため、熱交換器６内に一部の熱媒体がとどまることがなくなり、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。
【００６６】
また、低温起動時に燃料電池１を昇温させるための燃焼器５とパージにより排出される水素を燃焼せしめる燃焼器５とを一つとすることが可能となり、レイアウト性、コスト低減などが図れる。
【００６７】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００６８】
（ウ）燃料電池１へ水素を供給する水素供給手段２内のガスを水素パージ弁１３により燃焼ガス発生手段としての燃焼器５を介して排出し、燃焼器５により酸素とを反応させて高温の燃焼ガスを発生させ、冷間始動時には熱交換手段としての熱交換器６により前記燃焼ガスの熱を燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することで燃料電池システムを暖機可能であり、熱媒体の通路を熱交換器６側もしくは熱交換器バイパス通路（ラジエータ１８）側へ切換える熱媒体通路切換え手段としての三方弁１７とを備える燃料電池システムにおいて、水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換器バイパス通路側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換器６側へ切換えてから水素パージを行うため、水素パージに伴って発生する熱は熱交換器６を介して多量の熱媒体によって奪われることとなり、燃焼器５と熱交換器６との間に排気三方弁などを新たに追加することなく、また、ポンプ１６の仕事を増やすことなく熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などのトラブルを回避することができる。
【００６９】
（第４実施形態）
図１３および図１４は、本発明を適用した燃料電池システムの第４実施形態を示し、図１３は制御ブロック図、図１４は「水素パージ手段」の制御フローチャートである。本実施形態においては、第３実施形態の図９に示すシステム構成を前提とし、水素パージが要求されたときに熱媒体がラジエータ側を流通していた場合は、熱媒体が熱交換手段側へ流通するまでパージを禁止するようにしたものである。なお、図１〜図１２と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００７０】
燃料電池システムは、第３実施形態の図９に示すシステム構成を備える。
【００７１】
図１３は、燃料電池システムのコントロールユニット９で一定周期毎に実行される制御ブロック図である。コントロールユニット９は、先ず、水素パージ判断手段２８により水素パージを実行するか否かを判断し、水素パージ実行が許可されると、熱媒体通路選択手段３０により熱媒体を熱交換器６側へ流通させ、次いで、水素パージ手段３２により水素パージ制御を実行するが、水素パージ手段３２は熱媒体通路選択手段３０からの指示によりそのタイミングを変更する構成としている。前記水素パージ判断手段２８は第２実施形態の図７と同じであり、前記熱媒体通路選択手段３０は第３実施形態の図１１と同じであり、既に説明済みであるため、ここでの説明は省略する。図１４は水素パージ手段３２の制御フローチャートである。以下に水素パージ手段３２の詳細な制御手順を図１４に基づいて説明する。
【００７２】
図１４に示す水素パージ手段３２は、先ず、ステップＳ７１で水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが１（水素パージ許可）であるか否かを判定し、不許可であればステップＳ７７へ進み、許可されていればステップＳ７２へ進む。
【００７３】
ステップＳ７２では、三方弁が開弁している方向を参照し、ラジエータ１８側、即ち、熱交換器バイパス通路側に開弁していればステップＳ７７に進み、熱交換器６側に開弁していればステップＳ７３に進む。
【００７４】
ステップＳ７３では、パージ弁１３を開弁してパージを開始し、ステップＳ７４〜Ｓ７６とパージを実行する。なお、ステップＳ７４〜Ｓ７６の処理は、第３実施形態の図１２のステップＳ６３〜Ｓ６５と同じであるので、重複した説明を省略する。
【００７５】
他方、ステップＳ７７では、パージ弁１３を閉弁してパージの禁止状態で本処理を終了する。
【００７６】
以上の処理を実行することで、三方弁１７がラジエータ１８側開弁となっており、熱交換器６へ熱媒体が流通していない場合はステップＳ７２からステップＳ７７へ移行してパージ弁１３が閉弁されるため、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。また、パージ途中で熱媒体通路がラジエータ１８側（熱交換器バイパス通路側）になった場合もその時点でパージは禁止されるとともにタイマーＴＭの値はパージが終了するまで現状値を保持する為、パージ時間も正確に実行される。そして、その後のパージで消費される。
【００７７】
本実施形態においては、第３実施形態における効果（ウ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００７８】
（エ）水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路側（ラジエータ１８側）を流通していた場合は、熱媒体が熱交換器６側へ流通するまでパージを禁止するため、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
【００７９】
（第５実施形態）
図１５および図１６は、本発明を適用した燃料電池システムの第５実施形態を示し、図１５はシステム構成図、図１６は熱媒体通路選択手段の制御フローチャートである。本実施形態においては、熱媒体の温度を通常よりも早く急冷させる熱媒体急冷手段を設け、水素パージの要求時にラジエータ側に熱媒体を流通させている場合には熱媒体急冷手段により熱媒体を急冷し後に熱交換器側に熱媒体を流通させて水素パージを行うようにしたものである。なお、図１〜図１４と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００８０】
図１５において、燃料電池システムは、第３実施形態の図９に示すシステム構成と殆んど同じであるが、ラジエータ１８出口の熱媒体温度を計測してその温度信号をコントロールユニット９に入力する熱媒体温度計３３が設けられている構成を追加している。
【００８１】
燃料電池システムのコントロールユニット９は、図示を省略するが、第４実施形態の図１３に示すと同様の制御ブロックを備え、先ず、水素パージ判断手段２８により水素パージを実行するか否かを判断し、水素パージ実行が許可されると、熱媒体通路選択手段３０により熱媒体を熱交換器６側へ流通させ、次いで、水素パージ手段３２により水素パージ制御を実行するが、水素パージ手段２８は熱媒体通路選択手段３０からの指示によりそのタイミングを変更する構成としている。
【００８２】
前記水素パージ判断手段２８は第２実施形態の図７と同じであり、前記水素パージ手段３２は第４実施形態の図１４と同じであり、既に説明済みであるため、ここでの説明は省略する。図１６は前記熱媒体通路選択手段３０の制御フローチャートである。以下に熱媒体通路選択手段３０の詳細な制御手順を図１６に基づいて説明する。
【００８３】
図１６に示す熱媒体通路選択手段３０は、先ず、ステップＳ８１で燃料電池温度ＴＦＣを読み込み、続くステップＳ８２で、燃料電池温度ＴＦＣが低設定温度ＳＬＴＦＣＬよりも高いかを判定し、高くなければステップＳ９２へ進み、高ければステップＳ８３へ進む。
【００８４】
ステップＳ９２では、三方弁を熱交換器６側へ設定して燃料電池１を冷却しないモードにして本処理を終了する。
【００８５】
ステップＳ８３では、三方弁をラジエータ１８（熱交換器バイパス通路）側へ設定して、燃料電池１を冷却する準備を行う。
【００８６】
ステップＳ８４で水素パージ許可フラグＦＨ２Ｐが１（水素パージ許可）であるか否かを判定し、許可されていればステップＳ９１へ進み、ステップＳ９１でポンプ１６の回転数を第１所定回転数（通常運転時のポンプ回転数）よりも高い第２所定回転数へ設定するとともに、ラジエータファン１９を回転させる。この設定により、ラジエータ１８で冷却された冷たい熱媒体を大量に燃料電池１へ送り込み、燃料電池１を急冷することができる。
【００８７】
一方、ステップＳ８４で水素パージが許可されていない場合は、上記急冷作動を行わず、通常の制御をする。即ち、ステップＳ８５で燃料電池１の温度ＴＦＣが前記低設定温度ＳＬＴＦＣＬよりも高い高設定温度ＳＬＴＦＣＨよりも高いか否かを判定し、高ければステップＳ９０でポンプ１６の回転数を第１所定回転数よりも高い第２所定回転数へ設定するが、低ければ第１所定回転数へ設定する。
【００８８】
その後ステップＳ８７で熱媒体温度ＴＬＬＣを温度センサ３３よりの温度信号から読み込んでステップＳ８８で媒体所定温度ＳＬＴＬＬＣよりも低いか判定し、低ければそのまま本処理を終了するが、高ければステップＳ８９でラジエータファン１９を回転させる。
【００８９】
以上の処理を実行することで、たとえ燃料電池１の温度が高くて三方弁１７がラジエータ１８を熱媒体が流通する側へ開弁していたとしても、燃料電池１を急冷して燃料電池１の温度を充分落としてから三方弁１７を熱交換器６側開状態にしてから水素パージを実施するため、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。また、燃料電池１の温度が高くなりすぎることも回避できるとともに、水素パージを禁止する時間も短時間ですむという利点がある。
【００９０】
本実施形態においては、第３実施形態における効果（ウ）および第４実施形態における効果（エ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【００９１】
（オ）燃料電池システムとして、熱交換手段バイパス通路（ラジエータ１８側）に熱媒体を冷却する熱媒体冷却手段としてのラジエータ１８と熱媒体の温度を通常よりも早く急冷させる熱媒体急冷手段としてのラジエータファン１９を備え、水素パージが要求されたときに熱媒体がラジエータ１８側を流通していた場合は、熱媒体をラジエータファン１９により所定温度以下に急冷した後、熱媒体通路を熱交換器６側へ切換えてから水素パージを行うため、燃料電池１の温度を最適に保つとともに、適正な時期に水素パージを行うことを妨げることがなく、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
【００９２】
（カ）熱媒体急冷手段として、ラジエータ１８を通過する熱媒体の流量を増加させるポンプ１６としたため、特別な装置を付加することなく燃料電池１を的確に冷却することが可能となる。
【００９３】
（キ）燃料電池システムは、熱交換手段バイパス通路にラジエータ１８を備え、前記熱媒体急冷手段として、前記ラジエータ１８を通過する空気量を増量させるラジエータファン１９としたため、効率的に燃料電池を冷却することが可能となる。
【００９４】
（第６実施形態）
図１７〜図１９は、本発明を適用した燃料電池システムの第６実施形態を示し、図１７は水素パージ判断手段の制御フローチャート、図１８は熱媒体通路選択手段の制御フローチャート、図１９は水素パージ手段の制御フローチャートである。本実施形態においては、水素パージが要求されたときに熱媒体がラジエータ側を流通していた場合は、パージの緊急度に応じて熱媒体通路を熱交換器側へ切換えてから水素パージを行うかパージを禁止するかを選択するようにしたものである。なお、図１〜図１６と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【００９５】
燃料電池システムは、第５実施形態の図１５に示すシステム構成を備える。
【００９６】
また、燃料電池システムのコントロールユニット９は、図示を省略するが、第４実施形態の図１３に示すと同様の制御ブロックを備え、先ず、水素パージ判断手段２８により水素パージを実行するか否かを判断し、水素パージ実行が許可されると、熱媒体通路選択手段３０により熱媒体を熱交換器６側へ流通させ、次いで、水素パージ手段３２により水素パージ制御を実行する。図１７は前記水素パージ判断手段２８の制御フローチャートであり、図１８は前記熱媒体通路選択手段３０の制御フローチャートであり、図１９は前記水素パージ手段３２の制御フローチャートである。以下に各手段の詳細な制御手順を夫々説明する。
【００９７】
図１７に示す水素パージ判断手段２８は、先ず、ステップＳ１０１で現状の電力量を電力計８より読み込むとともに、後述する水素パージ手段３２でカウントしている水素パージ継続時間ＴＭを読み込む。
【００９８】
ステップＳ１０２では、次式
ＳＵＭＧＡＳ＝ＳＵＭＧＡＳ＋Ｗ×Ｋ１−ＴＭ×Ｋ２
により不純物蓄積指標である前記ＳＵＭＧＡＳを算出する。この指標は燃料電池を運転をすれば電力Ｗが発生するため不純物も溜まり、パージを実行すればパージ実行時間が増加するため不純物が減ることを数値化したものである。ここで、Ｋ１やＫ２は実験等により適正な値を調査し設定する。
【００９９】
ステップＳ１０３では、その不純物蓄積指標ＳＵＭＧＡＳが第１所定値ＳＬＧＡＳＬよりも大きくなったか判定する。大きければパージを要求するためにステップＳ１０４へ進み、ステップＳ１０４では、第１パージ許可フラグＦＨ２ＰＬを１とし、第２パージ許可フラグＦＨ２ＰＨを０とする。
【０１００】
ステップＳ１０５では、第１所定値ＳＬＧＡＳＬよりも値の大きい第２所定値ＳＬＧＡＳＨよりも不純物蓄積指標ＳＵＭＧＡＳが大きくなったかを判定する。大きければパージを要求する為にステップＳ１０６において、第２パージ許可フラグＦＨ２ＰＨを１として第１パージ許可フラグＦＨ２ＰＬを０とする。
【０１０１】
ステップＳ１０７では、不純物蓄積指標ＳＵＭＧＡＳがゼロを下回ったか判定し、ゼロを下回っていればパージが完了したと判断してステップＳ１０８で第１、第２パージ許可フラグともゼロとしてパージを禁止して本処理を終了する。
【０１０２】
以上の処理を実行することにより、現在蓄積されている不純物の量が緊急にパージが必要なレベルであるか（ＳＵＭＧＡＳ＞ＳＬＧＡＳＨ）、熱媒体の通路が熱交換器側になるまで待てるレベルであるか（ＳＬＧＡＳＨ≧ＳＵＭＧＡＳ＞ＳＬＧＡＳＬ）、パージが完了しているか（０＞ＳＵＭＧＡＳ）を判定することができる。
【０１０３】
図１８に示す熱媒体通路選択手段３０は、先ず、ステップＳ１１１で第２パージ許可フラグＦＨ２ＰＨが１であるか判定し、１（緊急にパージが必要な状態）であればパージを実行するためにステップＳ１２３で三方弁１７を熱交換器６側にして熱交換器６に熱媒体が流れるように設定して本処理を終了する。第２パージ許可フラグＦＨ２ＰＨ＝０であればステップＳ１１２へ進む。
【０１０４】
ステップＳ１１２では燃料電池１の温度ＴＦＣを読み込んで、ステップＳ１１３ではその温度ＴＦＣが所定温度ＳＬＴＦＣＬよりも高いか判定する。低ければステップＳ１２３で三方弁１７を熱交換器６側にしてこれ以上燃料電池１の温度を冷やさないように設定し、高ければステップＳ１１４で三方弁１７をラジエータ１８側にして熱媒体温度を冷却する。
【０１０５】
ステップＳ１１５では、第１パージ許可フラグＦＨ２ＰＬが１かを判定し、１であればステップＳ１１９へ進み、０であればステップＳ１１６へ進む。このステップＳ１１６〜Ｓ１２２の処理は、第５実施形態の図１６におけるステップＳ８５〜Ｓ８９と同じ処理であり、重複した説明は省略する。
【０１０６】
以上の処理を実施することで、緊急にパージを必要とする場合および燃料電池１の温度が所定温度ＳＬＴＦＣＬ未満の場合には、三方弁１７を熱交換器６側に開口させて燃料電池１をこれ以上温度低下するのを抑制し、それ以外の場合には、ポンプ１６の回転数およびまたはラジエータファン１９を回転させることで積極的に冷却するように作動する。
【０１０７】
図１９に示す水素パージ手段３２においては、先ず、ステップＳ１３１で第２パージ許可フラグＦＨ２ＰＨが１であるか判定し、１の場合は緊急に水素パージを実施すべくステップＳ１３４へジャンプしてパージ弁１３を開弁し、ステップＳ１３５で水素パージ継続時間ＴＭをカウントアップして本処理を終了する。一方、ステップＳ１３１で第２パージ許可フラグＦＨ２ＰＨ＝０であった場合は、ステップＳ１３２に進む。
【０１０８】
ステップＳ１３２で第１パージ許可フラグＦＨ２ＰＬが１であるか判定し、１でなければパージは要求されていないため、ステップＳ１３６で水素パージ継続時間ＴＭをリセットし、ステップＳ１３７でパージ弁１３を閉弁して本処理を終了する。ステップＳ１３２でＦＨ２ＰＬ＝１であった場合はステップＳ１３３へ進む。
【０１０９】
ステップＳ１３３では、三方弁１７がラジエータ１８側、即ち、熱交換器バイパス通路に設定されているかを判定し、ラジエータ１８側であればパージ実施タイミングを延期するためにステップＳ１３７でパージ弁１３を閉弁して本処理を終了する。他方、三方弁１７が熱交換器６側であればパージ可能であるため、ステップＳ１３４でパージ弁１３を開弁してステップＳ１３５で水素パージ継続時間ＴＭをカウントアップして本処理を終了する。
【０１１０】
以上の処理を実行することで、緊急にパージが必要な場合は、例え燃料電池１の温度が所定温度ＳＬＴＦＣＬよりも高くても熱媒体を熱交換器６側へ流通させることで熱交換器６を冷却しつつパージを行い、パージは必要だが緊急にはパージをしなくても運転可能である場合は、パージを禁止して燃料電池１の冷却を優先する構成とすることができるので、パージと燃料電池１の温度管理の最適なバランスを実現しつつ、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の熱分解による変質などを回避することが可能となる。また、パージの緊急度は燃料電池１を構成するセルの電圧低下からも予測できる為、セル電圧によってパージの緊急度を判断しても良いし、組み合わせて使用することも考えられる。
【０１１１】
本実施形態においては、第３実施形態における効果（ウ）、第４実施形態における効果（エ）および第５実施形態における効果（カ）、（キ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【０１１２】
（ク）水素パージが要求されたときに熱媒体が熱交換手段バイパス通路（ラジエータ１８）側を流通していた場合は、熱媒体通路を熱交換器６側へ切換えてから水素パージを行うかパージを禁止するかをパージの緊急度に応じて選択するため、水素パージの最適タイミングからのずれと熱媒体通路のラジエータ１８側への切換え要求の目標からのずれを両方とも最小としつつ、熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
【０１１３】
（ケ）要求された水素パージの緊急度が高い場合は、熱媒体通路を熱交換器６側へ切換えて水素パージを行うため、水素パージの最適なタイミングから大きく逸脱することなく水素パージを実行できる為、発電効率の大きな低下なく熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
【０１１４】
（コ）水素パージ実行中に水素パージの緊急度が下がった場合は熱媒体通路を熱交換手段バイパス通路（ラジエータ１８）側へ切換えるとともに水素パージを禁止するため、熱媒体通路のラジエータ１８側への切換え要求の目標からのずれを最小としながら熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
【０１１５】
（サ）要求された水素パージの緊急度が低い場合はパージを禁止するため、熱媒体通路のラジエータ１８側への切換え要求の目標からのずれを最小としながら熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
【０１１６】
（シ）燃料電池システムとして、熱交換手段バイパス通路に熱媒体を冷却する熱媒体冷却手段、例えば、ラジエータ１８を通過する熱媒体の送出し用ポンプ１６および熱媒体の温度を急冷させる熱媒体急冷手段としてのラジエータ１８へ冷却風を送出するラジエータファン１９を作動させる手段を備え、要求された水素パージの緊急度が低い場合は水素パージを一旦禁止するとともに、熱媒体を熱媒体急冷手段により所定温度以下に急冷した後、熱媒体通路を熱交換器６へ切換えてから水素パージを許可するため、燃料電池１の温度を最適温度とすることが可能となるとともに、パージのタイミングを最適なタイミングに近づけることができ、発電効率の低下を最低限に抑えながら熱媒体の沸騰、熱媒体通路の高圧化、熱媒体の変質などを回避することができる。
【０１１７】
（ス）パージの緊急度は、燃料電池１のセル電圧、燃料電池１の運転時間、燃料電池１の運転負荷、燃料電池１のパージ継続時間のいずれかに対応して決定するため、パージの緊急度を的確に把握することができる。
【０１１８】
（第７実施形態）
図２０〜図２５は、本発明を適用した燃料電池システムの第７実施形態を示し、図２０〜図２３は第７実施形態の第１実施例であり、図２４および図２５は第７実施形態の第２実施例である。本実施形態においては、パージ排水素の燃焼器の燃焼ガスの全量が流入する熱交換器への熱媒体（冷却液）流量を確保するように、ポンプ吐出流量に応じて三方弁の最低開度を設定するようにしたものである。
【０１１９】
第１実施例を示す図２０は熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図２１および図２２はコントロールユニットで実行されるポンプ制御および三方弁制御の制御ブロック図、図２３はポンプ制御および三方弁制御による熱媒体供給系統の動作状態を示す特性図である。なお、図１〜図１９と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【０１２０】
図２０において、燃料電池システムの熱媒体供給系統４は、第２実施形態と同様に、熱媒体供給系統４の熱交換器用通路２０の熱交換器６と三方弁１７との間と燃料電池１の熱媒体出口とを接続し、コントローラ９により弁開度が調節される三方弁１７を配置して備える。燃料電池１から排出された熱媒体の一部は、三方弁１７の弁開度に応じて熱交換器用通路２０に流れ込み、熱交換器６を経由してポンプ１６に吸込まれ、熱交換器６を流通する。この熱媒体供給系統４においては、バイパス弁を設けることなく三方弁１７自体を操作して熱交換用通路２０に熱媒体を流すように作動させている。なお、水素供給系統２および酸化ガス供給系統３の図示は省略している。
【０１２１】
また、燃焼器５は熱交換器６に直結され、燃焼器５が燃料電池１側からパージされて排出された排水素循環ガスを燃焼させる際には、燃焼ガスの全量が熱交換器６に供給され、燃焼排気ガスは熱交換器６で冷却液によって冷やされてから車外へ排出されるようにしている。熱交換器６を流通する冷却液の流量は、コントロールユニット９により三方弁１７の開度を調整することで制御される。
【０１２２】
コントロールユニット９は、ポンプ１６の回転数を冷却液目標流量設定手段４４により燃料電池１へ供給する熱媒体の目標流量を演算し、この目標流量に基づいてポンプ制御手段４５により演算した目標回転数に制御する。コントロールユニット９は、また、燃料電池１の冷却液の入口温度に基づいて三方弁調温開度演算手段４６により三方弁１７の熱交換用通路２０への弁開度を演算し、前記冷却液目標流量設定手段４４からの目標流量に基づいて三方弁最低開度演算手段３３により三方弁１７の最低必要開度を演算し、両開度演算手段４６、３３に基づいて三方弁開度設定手段３４により三方弁１７の開度を制御する。
【０１２３】
前記冷却液目標流量設定手段４４は、図２１に示すように、燃料電池取出電力と冷却液目標流量とを予め設定した目標流量マップを備え、燃料電池１の電力計８により得られる取出電力から目標流量マップを参照して燃料電池１へ供給する冷却液の目標流量を演算する。前記目標流量マップは、燃料電池１の取出電力が大きくなるほど燃料電池１の発熱量が大きくなるので、冷却液の目標流量を増量して燃料電池１の出入口温度差が増加するのを抑制するとともに、ラジエータ１８の放熱特性を良くするように設定している。
【０１２４】
前記ポンプ制御手段４５は、ポンプ流量−回転数マップを予め設定して備え、前記冷却液目標流量設定手段４４からの目標流量を達成するためのポンプ回転数をポンプ流量−回転数マップを参照してポンプ１６の目標回転数を演算し、ポンプ１６を目標回転数となるように駆動する。前記ポンプ流量−回転数マップは、ポンプ回転数と冷却液流量の関係をあらかじめ実測、あるいはポンプ１６の特性と冷却液循環経路圧力損失から予測して設定する。
【０１２５】
前記三方弁調温開度演算手段４６は、図２２に示すように、温度検出手段３５により検出された燃料電池１の冷却水入口温度と予め設定した燃料電池入口目標冷却液温度との差に応じて燃料電池１を調温するための三方弁１７の開度を演算する。即ち、前記入口目標冷却液温度に対して検出した冷却液入口温度が高い場合には、熱交換器用通路２０への流量を絞り、代ってラジエータ１８への流量を増大するよう三方弁１７の開度を演算し、前記入口目標冷却液温度に対して検出した冷却液入口温度が低い場合には、熱交換用通路２０への流量を増大させ、代ってラジエータ１８への流量を絞るよう三方弁１７の開度を演算し、両温度の差が予め設定した温度差未満である場合には、三方弁１７の現在の弁開度を維持するよう演算する。
【０１２６】
図２３（Ａ）〜（Ｃ）は、目標流量が、例えば、１００Ｌ／ｍｉｎ、５０Ｌ／ｍｉｎ、２０Ｌ／ｍｉｎである場合の夫々の目標流量における三方弁１７の開度（開度％は横軸）に応じたラジエータ側流量（実線図示、なお、流量は縦軸）とバイパス側流量（熱交換用通路２０側、鎖線図示）の冷却液流量分配特性を示す。
【０１２７】
前記三方弁最低必要開度演算手段３３は、熱交換器用通路２０へ予め設定した最低必要流量（例えば、毎分５リットル（５Ｌ／ｍｉｎ））を確保するように予め設定した目標流量−三方弁開度マップを備え、前記冷却液目標流量設定手段４４が出力する冷却液の目標流量に応じて目標流量−三方弁開度マップを参照して、三方弁１７の最低必要開度を演算する。前記目標流量−三方弁開度マップは、変化する目標流量に対して最低必要流量を確保するために三方弁１７をどの程度開く必要があるか、その開度（％）を設定したものであり、予め流量毎に最低必要流量を確保できる開度を実測して設定する。
【０１２８】
図２３（Ａ）〜（Ｃ）の例では、最低必要流量を確保するためには、目標流量が１００Ｌ／ｍｉｎである場合には三方弁１７の開度が３％必要であり、目標流量が５０Ｌ／ｍｉｎである場合には三方弁１７の開度が８％必要であり、目標流量が２０Ｌ／ｍｉｎである場合には三方弁１７の開度が１５％必要であることを表している。
【０１２９】
前記三方弁開度設定手段３４は、燃料電池１へ流入する冷却液温度を調整するための三方弁調温開度演算手段４６よりの三方弁１７の開度と熱交換用通路２０への最低必要流量を確保するための三方弁最低必要開度演算手段３３よりの三方弁最低必要開度とを比較し、大きい方の開度を選択し、三方弁１７の開度を目標開度となるように駆動する。
【０１３０】
なお、上記実施形態の三方弁最低必要開度演算手段３３は三方弁１７の最低必要開度を、冷却液目標流量設定手段４４よりの目標流量に基づいて設定しているが、図示しないが、ポンプ吐出流量を測定し、ポンプ吐出流量に応じて三方弁１７の最低必要開度を設定することもできる。
【０１３１】
以上説明したように、本（第１）実施例においては、ラジエータバイパス側である熱交換用通路２０にパージ排水素の燃焼器５による燃焼ガスの燃焼熱を回収する熱交換器６を備えた燃料電池システムにあって、熱交換器６を経由する熱交換用通路２０への冷却液流量を確保するように、ポンプ吐出冷却液流量（冷却液目標流量）に応じて三方弁最低開度を設定するため、熱交換器６を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器５の燃焼排気ガスを熱交換器６により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器６が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。
【０１３２】
図２４および図２５は、第７実施形態の燃料電池システムの第２実施例を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、および、三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図である。本（第２）実施例に示す燃料電池システムでは、三方弁最低必要開度演算手段により演算する三方弁の最低必要開度が、第１実施例では冷却液目標流量設定手段の目標流量に基づいて演算するのに代えて、ポンプ制御手段で演算されるポンプ目標回転数に基づいて演算するようにしたものである。なお、図２０〜図２３と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【０１３３】
本（第２）実施例では、図２４に示すように、三方弁最低必要開度演算手段３６には、ポンプ制御手段４５により演算されたポンプ目標回転数が入力される。
【０１３４】
前記三方弁最低必要開度演算手段３６は、図２５に示すように、入力された目標ポンプ回転数（あるいは、ポンプ駆動デューティ比）に基づいて三方弁１７の最低必要開度を演算するよう構成している。具体的には、第１実施例の三方弁最低必要開度演算手段３３と同様に構成した三方弁最低必要開度演算部３６Ｂの前段に、燃料電池１への目標冷却液流量を演算する目標冷却液流量演算部３６Ａを新規に挿入している。
【０１３５】
前記目標冷却液流量演算部３６Ａは、予め設定したポンプ回転数（あるいは、ポンプ駆動デューティ比）−冷却液流量テーブルを備え、入力された目標ポンプ回転数（あるいは、ポンプ駆動デューティ比）に基づいてポンプ回転数−冷却液流量テーブルを参照して燃料電池１への目標冷却液流量を演算し、三方弁最低必要開度演算部３６Ｂに出力する。その他の構成は、第１実施例と同様である。
【０１３６】
本（第２）実施例においても、ラジエータバイパス側である熱交換器用通路２０にパージ排水素の燃焼器５による燃焼ガスの燃焼熱を回収する熱交換器６を備えた燃料電池システムにあって、熱交換器６を経由する熱交換器用通路２０への冷却液流量を確保するように、ポンプ回転数あるいはポンプ駆動デューティ比からポンプ吐出冷却液流量を求め、ポンプ吐出冷却液流量に応じて三方弁１７の最低必要開度を設定するため、熱交換器６を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器５の燃焼排気ガスを熱交換器６により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器６が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。
【０１３７】
本実施形態においては、第２実施形態における効果（イ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【０１３８】
（セ）第１実施例においては、熱媒体供給手段４は、燃料電池１の冷却液を循環させるポンプ１６を備え、熱媒体通路切換手段は、熱媒体を熱交換手段６を通過させる通路２０と熱交換手段６バイパス通路とに分流調整可能な三方弁１７により構成し、制御手段９は、燃料電池１を調温するのに必要な熱交換手段通過通路２０側への三方弁開度を演算する三方弁調温開度演算手段４６と、熱交換手段６への最低必要な熱媒体流量を確保するために三方弁１７の最低必要開度を前記ポンプ吐出媒体流量に応じて演算する三方弁最低必要開度演算手段３３と、前記三方弁調温開度演算手段４６によって演算された三方弁開度が前記三方弁最低必要開度演算手段３３によって演算された最低必要開度に満たない場合には、三方弁開度を最低必要開度に設定する三方弁開度設定手段３４と、を備えるよう構成した。
【０１３９】
即ち、ラジエータバイパス側である熱交換器用通路２０にパージ排水素の燃焼器５による燃焼ガスの燃焼熱を回収する熱交換器６を備え、熱交換器６を経由する熱交換用通路２０への冷却液流量を確保するように、ポンプ吐出冷却液流量（冷却液目標流量）に応じて三方弁最低開度を設定するため、熱交換器６を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器５の燃焼排気ガスを熱交換器６により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器６が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。
【０１４０】
（ソ）第２実施例においては、第１実施例の三方弁最低必要開度演算手段３３を、前記ポンプ回転数あるいはポンプ駆動デューティ比に基づいて三方弁１７の最低必要開度を演算するようにした。即ち、ラジエータバイパス側である熱交換器用通路２０にパージ排水素の燃焼器５による燃焼ガスの燃焼熱を回収する熱交換器６を備え、熱交換器６を経由する熱交換器用通路２０への冷却液流量を確保するように、ポンプ回転数あるいはポンプ駆動デューティ比からポンプ吐出冷却液流量を求め、ポンプ吐出冷却液流量に応じて三方弁最低開度を設定するため、熱交換器６を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器５の燃焼排気ガスを熱交換器６により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器６が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。
【０１４１】
（第８実施形態）
図２６〜図２７は、本発明を適用した燃料電池システムの第８実施形態を示し、図２６は熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図２７はコントロールユニットで実行される三方弁制御手段の制御ブロック図である。本実施形態においては、燃料電池の水素供給手段の循環経路の水素をパージしていない場合には、熱媒体（冷却液）をラジエータ側に全量流し、パージ時あるいはパージ直前に熱交換用通路へ最低必要流量を流すように三方弁を制御するようにしたものである。なお、図２０〜図２５と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【０１４２】
図２６に示すように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ９よりのパージ信号が三方弁開度設定手段３７に入力される。
【０１４３】
三方弁開度設定手段３７は、図２７に示すように、三方弁調温開度演算手段４６よりの冷却液温度制御のための三方弁開度と三方弁最低必要開度演算手段３３よりの最低必要開度の大きい方の開度を選択（セレクトハイ）して出力するセレクトハイ出力と、三方弁調温開度演算手段４６よりの冷却液温度制御のための三方弁開度を出力する温度制御出力とを備える。そして、パージ信号が入力されていない場合には温度制御出力を選択して三方弁目標開度として出力し、パージ信号が入力された場合にはセレクトハイ出力を選択して三方弁目標開度として出力する選択手段３８を備え、三方弁１７の開度を目標開度となるように駆動する。
【０１４４】
以上説明したように、本実施形態においては、パージ信号がない場合には燃料電池１の調温に必要な三方弁開度を選択出力し、パージ信号がある場合には三方弁最低必要開度と燃料電池１の調温に必要な三方弁開度の大きい方を選択出力するよう構成しているため、パージ時においては、熱交換器６を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器５の燃焼排気ガスを熱交換器６により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器６が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。他方、パージ作動していない大部分の期間においては、燃料電池１の温度制御のために必要な三方弁開度に三方弁１７を制御でき、例えば、冷却液の冷却が必要な場合にはラジエータ１８の冷却性能を最大利用でき、燃料電池１を最適な温度に維持することができる。
【０１４５】
本実施形態においては、第２実施形態における効果（イ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【０１４６】
（タ）三方弁開度設定手段３７は、三方弁開度が最低必要開度に満たない場合には、パージ手段によるパージ時あるいはパージ直前において、三方弁開度を最低必要開度に設定するため、パージ時においては、熱交換器６を経由した冷却液温度が過度に上昇して冷却液が劣化するのを防止でき、燃焼器５の燃焼排気ガスを熱交換器６により確実に冷却して車外へ排気することができ、さらには、熱交換器６が空焚き状態となって破損するのを防止することができる。他方、パージ作動していない大部分の期間においては、燃料電池１の温度制御のために必要な三方弁開度に三方弁１７を制御でき、例えば、冷却液の冷却が必要な場合にはラジエータ１８の冷却性能を最大利用でき、燃料電池１を最適な温度に維持することができる。
【０１４７】
（第９実施形態）
図２８および図２９は、本発明を適用した燃料電池システムの第９実施形態を示し、図２８は熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図２９はコントロールユニットで実行される三方弁制御手段の制御ブロック図である。本実施形態においては、パージ時間に応じて三方弁の最低必要開度を大きくするようにしたものである。なお、図２０〜図２７と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【０１４８】
図２８に示すように、本実施形態の燃料電池システムにおいては、コントローラ９よりのパージ信号が三方弁最低必要開度演算手段３９に入力される。
【０１４９】
前記三方弁最低必要開度演算手段３９は、図２９に示すように、三方弁最低必要開度演算部３９Ａ（第７実施形態の図２５に示すと同様に構成される）と、入力されるパージ信号の入力時間（パージ時間）に応じて増加する係数を出力する係数発生部３９Ｂと、三方弁最低必要開度演算部３９Ａで出力される三方弁最低必要開度信号に係数発生部３９Ｂで出力した係数を乗算する乗算器３９Ｃとを備える。
【０１５０】
前記係数発生部３９Ｂは、パージ信号が入力されない場合には係数を発生しないか若しくは係数「０」を出力し、パージ信号が入力された場合には係数「１」を出力し、入力されたパージ信号が予め設定した時間を経過する場合には、経過時間に応じて増加してゆく「１」以上の係数を出力するよう構成している。
【０１５１】
したがって、三方弁最低必要開度演算手段３９Ａは、パージ信号が入力されない状態では、係数発生器３９Ｂで出力する係数が「無」若しくは「０」であるため、三方弁最低必要開度演算部３９Ａから出力される三方弁最低必要開度信号と乗算器３９Ｃで乗算された場合に、最低必要開度は「零」と出力する。また、パージ信号が入力された場合には、係数発生器３９Ｂは係数「１」を出力するため、三方弁最低必要開度演算部３９Ａで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器３９Ｃで係数「１」が乗算されてそのまま出力される。
【０１５２】
さらに、このパージ信号が予め設定した時間を経過する場合には、経過時間に応じて増加してゆく「１」以上の係数が出力されるため、三方弁最低必要開度演算部３９Ａで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器３９Ｃで「１」以上の係数が乗算されて増加した最低必要開度が出力される。三方弁最低必要開度演算手段３９の出力は、三方弁開度設定手段３４に入力され、三方弁調温開度演算手段４６よりの冷却液温度制御のための三方弁開度と比較されて大きい方の開度が目標開度として選択（セレクトハイ）され、三方弁１７の開度を目標開度となるように駆動する。
【０１５３】
以上説明したように、本実施形態においては、パージ信号がない場合には燃料電池１の調温に必要な三方弁開度を選択出力し、パージ信号がある場合には三方弁最低必要開度と燃料電池１の調温に必要な三方弁開度の大きい方を選択出力するものであり、しかも、入力されるパージ時間に応じて三方弁１７の最低必要開度を大きくするよう構成している。したがって、燃料電池１のセル電圧が回復しなくてパージ時間が長くなった場合には、燃焼器５でのパージ排出水素の燃焼状態が長く続いて、冷却液の温度が過度に上昇する可能性があるが、本実施形態においては、パージ時間に応じて三方弁１７が熱交換器用通路２０側を開放する方向に動いて熱交換器６への冷却液流量が増加するため、冷却液の過度の温度上昇を抑制し、その劣化を防止することができる。
【０１５４】
本実施形態においては、第２実施形態における効果（イ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【０１５５】
（チ）三方弁最低必要開度演算手段３９は、パージ手段によるパージ時間に応じて三方弁１７の最低必要開度を大きくするため、燃料電池１のセル電圧が回復しなくてパージ時間が長くなった場合には、燃焼器５でのパージ排出水素の燃焼状態が長く続いて、冷却液の温度が過度に上昇する可能性があるが、本実施形態においては、パージ時間に応じて三方弁１７が熱交換器用通路２０側を開放する方向に動いて熱交換器６への冷却液流量が増加するため、冷却液の過度の温度上昇を抑制し、その劣化を防止することができる。
【０１５６】
（第１０実施形態）
図３０〜図３３は、本発明を適用した燃料電池システムの第９実施形態の第１、２実施例を示し、図３０は第８実施形態の第１実施例の熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図３１は第１実施例の三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図、さらに、図３２は第８実施形態の第２実施例の熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、図３３は第２実施例の三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図である。本実施形態においては、熱交換器を通過する冷却液温度若しくは燃焼ガス温度に応じて三方弁最低必要開度を調整するようにしたものである。なお、図２０〜図２９と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【０１５７】
第１実施例の燃料電池システムにおいては、図３０に示すように、熱交換器用通路２０の熱交換器６の出口の冷却液の温度を検出する温度検出手段４１を備え、検出された温度はコントローラ９の三方弁最低必要開度演算手段４０に入力される。
【０１５８】
前記三方弁最低必要開度演算手段４０は、図３１に示すように、三方弁最低必要開度演算部４０Ａ（第７実施形態の図２５に示すと同様に構成される）と、入力される温度検出手段４１による熱交換器６の出口の冷却液の温度に応じて増加する係数を出力する係数発生部４０Ｂと、三方弁最低必要開度演算部４０Ａで出力される三方弁最低必要開度信号に係数発生部４０Ｂで出力した係数を乗算する乗算器４０Ｃとを備える。
【０１５９】
前記係数発生部４０Ｂは、入力される温度検出手段４１による温度が予め設定した温度に達しない場合には係数「１」を出力し、入力された温度検出手段４１による温度が予め設定した温度を超える場合には、その温度上昇に応じて増加してゆく「１」以上の係数を出力するよう構成している。
【０１６０】
したがって、三方弁最低必要開度演算手段４０は、入力される温度検出手段４１による温度が予め設定した設定温度に達しない場合には、係数発生器４０Ｂは係数「１」を出力するため、三方弁最低必要開度演算部４０Ａで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器４０Ｃで係数「１」が乗算されてそのまま出力される。また、入力された温度検出手段４１による温度が予め設定した温度を超える場合には、その温度上昇に応じて増加してゆく「１」以上の係数が出力されるため、三方弁最低必要開度演算部４０Ａで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器４０Ｃで「１」以上の係数が乗算されて増加した最低必要開度が出力される。
【０１６１】
三方弁最低必要開度演算手段４０の出力は、三方弁開度設定手段３４に入力され、三方弁調温開度演算手段４６よりの冷却液温度制御のための三方弁開度と比較されて大きい方の開度が目標開度として選択（セレクトハイ）され、三方弁１７の開度を目標開度となるように駆動する。
【０１６２】
図３２および図３３は、第１０実施形態の燃料電池システムの第２実施例を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図、および、三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図である。本（第２）実施例に示す燃料電池システムでは、三方弁最低必要開度演算手段により演算する三方弁の最低必要開度が、第１実施例では熱交換器出口の冷却液温度に基づいて演算されるものであるのに代えて、熱交換器出口の燃焼器排気ガス温度に基づいて演算するようにしたものである。なお、図２０〜図３１と同一の装置には同一の符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。
【０１６３】
第２実施例の燃料電池システムにおいては、図３２に示すように、熱交換器用通路２０の熱交換器６の出口の燃焼排気ガスの温度を検出する温度検出手段４３を備え、検出された温度はコントローラ９の三方弁最低必要開度演算手段４２に入力される。
【０１６４】
前記三方弁最低必要開度演算手段４２は、図３３に示すように、三方弁最低必要開度演算部４２Ａ（第７実施形態の図２５に示すと同様に構成される）と、入力される温度検出手段４３による熱交換器６の出口の燃焼排気ガスの温度に応じて増加する係数を出力する係数発生部４２Ｂと、三方弁最低必要開度演算部４２Ａで出力される三方弁最低必要開度信号に係数発生部４２Ｂで出力した係数を乗算する乗算器４２Ｃとを備える。
【０１６５】
前記係数発生部４２Ｂは、入力される温度検出手段４３による温度が予め設定した基準値温度に達しない場合には係数「１」を出力し、入力された温度検出手段４３による温度が予め設定した基準値温度を超える場合には、その温度上昇に応じて増加してゆく「１」以上の係数を出力するよう構成している。
【０１６６】
したがって、三方弁最低必要開度演算手段４２は、入力される温度検出手段４３による温度が予め設定した基準値温度に達しない場合には、係数発生器４２Ｂは係数「１」を出力するため、三方弁最低必要開度演算部４２Ａで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器４２Ｃで係数「１」が乗算されてそのまま出力される。また、入力された温度検出手段４３による温度が予め設定した基準値温度を超える場合には、その温度上昇に応じて増加してゆく「１」以上の係数が出力されるため、三方弁最低必要開度演算部４２Ａで出力される三方弁最低必要開度信号は乗算器４２Ｃで「１」以上の係数が乗算されて増加した最低必要開度が出力される。
【０１６７】
三方弁最低必要開度演算手段４２の出力は、三方弁開度設定手段３４に入力され、三方弁調温開度演算手段４６よりの冷却液温度制御のための三方弁開度と比較されて大きい方の開度が目標開度として選択（セレクトハイ）され、三方弁１７の開度を目標開度となるように駆動する。
【０１６８】
以上説明したように、本実施形態においては、熱交換器６出口の冷却液温度若しくは燃焼排気ガス温度が予め設定した設定値に達しない場合には、三方弁最低必要開度と燃料電池１の調温に必要な三方弁開度の大きい方を選択出力するものであり、しかも、熱交換器６出口の冷却液温度若しくは燃焼排気ガス温度が予め設定した設定値を超える場合には、温度上昇に応じて三方弁１７の最低必要開度を大きくするよう構成している。したがって、熱交換器６への冷却液流量不足や燃焼器５内での燃焼ばらつきによって熱交換器６出口冷却液温度が過度に上昇した場合にも、該冷却液温度に応じて三方弁１７が熱交換器用通路２０側に動いて熱交換器６の冷却液流量が増加するため、冷却液の過度の温度上昇を抑制し、その劣化を防止することができる。
【０１６９】
本実施形態においては、第２実施形態における効果（イ）に加えて、以下に記載する効果を奏することができる。
【０１７０】
（ツ）熱交換手段６を通過した熱媒体若しくは燃焼排気ガスの温度を検出する温度検出手段４１、４３を備え、三方弁最低必要開度演算手段４０、４２は、前記検出された熱交換手段６出口の熱媒体温度が高くなるほど三方弁の熱交換手段６への最低必要開度を大きくするため、熱交換器６への冷却液流量不足や燃焼器５内での燃焼ばらつきによって熱交換器６出口冷却液温度が過度に上昇した場合にも、該冷却液温度に応じて三方弁１７が熱交換器用通路２０側に動いて熱交換器６の冷却液流量が増加するため、冷却液の過度の温度上昇を抑制し、その劣化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図。
【図２】同じくコントロールユニットの制御ブロック図。
【図３】同じく加熱運転実行判断手段の制御フローチャート。
【図４】同じく加熱運転手段」制御フローチャート。
【図５】本発明の第２実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図。
【図６】同じくコントロールユニットの制御ブロック図。
【図７】同じく水素パージ判断手段の制御フローチャート。
【図８】同じく水素パージ手段の制御フローチャート。
【図９】本発明の第３実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図。
【図１０】同じくコントロールユニットの制御ブロック図。
【図１１】同じく熱媒体通路選択手段の制御フローチャート。
【図１２】同じく水素パージ手段の制御フローチャート。
【図１３】本発明の第４実施形態を示す燃料電池システムのコントロールユニットの制御ブロック図。
【図１４】同じく水素パージ手段の制御フローチャート。
【図１５】本発明の第５実施形態を示す燃料電池システムのシステム構成図。
【図１６】同じく熱媒体通路選択手段の制御フローチャート。
【図１７】本発明の第６実施形態を示す燃料電池システムの水素パージ判断手段の制御フローチャート。
【図１８】同じく熱媒体通路選択手段の制御フローチャート。
【図１９】同じく水素パージ手段の制御フローチャート。
【図２０】本発明の第７実施形態の第１実施例を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図２１】同じく第１実施例のコントロールユニットで実行されるポンプ制御の制御ブロック図。
【図２２】同じく第１実施例のコントロールユニットで実行される三方弁制御の制御ブロック図。
【図２３】同じく第１実施例のポンプ制御および三方弁制御による熱媒体供給系統の動作状態を示す特性図。
【図２４】本発明の第７実施形態の第２実施例を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図２５】同じく第２実施例の三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図。
【図２６】本発明の第８実施形態を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図２７】同じく第８実施形態のコントロールユニットで実行される三方弁制御手段の制御ブロック図。
【図２８】本発明の第９実施形態を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図２９】同じく第９実施形態のコントロールユニットで実行される三方弁制御手段の制御ブロック図。
【図３０】本発明の第１０実施形態の第１実施例を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図３１】同じく第１実施例の三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図。
【図３２】本発明の第１０実施形態の第２実施例を示す熱媒体供給系統およびコントロールユニットを含む燃料電池システムのシステム構成図。
【図３３】同じく第２実施例の三方弁最低必要開度演算手段の制御ブロック図。
【符号の説明】
【０１７２】
１  燃料電池
２  水素供給手段としての水素供給系統
３  酸化ガス供給系統
４  熱媒体供給系統
５  燃焼ガス発生手段としての燃焼器
６  熱交換手段としての熱交換器
７、３３  温度センサ
８  電力計
９  コントロールユニット
１１  循環経路
１３  パージ手段としてのパージ弁
１６  ポンプ
１７  三方弁
１８  ラジエータ
１９  ラジエータファン
２０  熱交換用通路
２１  排気三方弁
２５  加熱運転実行判断手段
２６  加熱運転手段
２８  水素パージ判断手段
２９、３１、３２  水素パージ手段
３０  熱媒体流路選択手段
３３、３６、３９、４０  三方弁最低必要開度演算手段
３４、３７  三方弁開度設定手段
３５、４１、４３  温度検出手段
４４  冷却液目標流量設定手段
４５  ポンプ制御手段
４６  三方弁調温開度演算手段
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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