(57)【要約】【課題】水素又はアノードオフガスを燃焼させる際に、触媒燃焼器が活性化していなくても排出される可燃性ガスの濃度を可燃希薄限界以下に抑制する。【解決手段】触媒燃焼器７は、燃料ガスまたはアノードオフガスと、酸化剤ガスまたはカソードオフガスとの混合ガスを燃焼させる。混合ガスの供給開始から触媒燃焼器７が十分活性化したと判断されるまでの着火期間の間は、混合ガス中の燃料ガス濃度が所定範囲（触媒活性化下限以上、可燃希薄限界以下）となるように制御し、且つ着火期間が経過した後には、燃料ガス濃度が所定範囲外であっても混合ガスを供給するように制御するシステムコントローラ３５を備える。【選択図】      図１
2004253212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料ガスまたは前記燃料電池スタックのアノードから排出されるアノードオフガスと、前記酸化剤ガスまたは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の混合ガスを燃焼させる触媒燃焼器とを備えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも混合ガス供給開始から前記触媒燃焼器が十分活性化したと判断されるまでの着火期間の間は、前記混合ガス中の燃料ガス濃度が所定範囲となるように制御し、
且つ前記着火期間が経過した後には、前記燃料ガス濃度が所定範囲外であっても混合ガスを供給するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記着火期間における混合ガス中の燃料ガスの平均濃度が所定範囲となるように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】
前記制御手段は、前記着火期間において断続的に燃料ガスを供給するように制御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】
前記制御手段は、前記着火期間において断続的に空気増加を行うように制御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】
前記制御手段は、前記着火期間において過渡増加的に燃料ガスを供給するように制御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６】
前記制御手段は、前記着火期間において過渡減少的に空気増加量を調整するように制御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７】
前記制御手段は、前記着火期間における混合ガス中の燃料ガスの最大濃度が所定範囲となるように制御することを特徴とする請求項２乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記所定範囲は、混合ガスの燃焼温度が触媒燃焼器の活性温度となる濃度以上としたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記所定範囲は、燃料ガスの可燃限界となる濃度以下としたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記所定範囲は、混合ガスの燃焼温度が触媒燃焼器の活性温度となる濃度以上かつ燃料ガスの可燃限界となる濃度以下としたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に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の燃焼特性を改善した燃料電池システムに関する。
【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】
固体高分子型燃料電池において、酸化剤ガスとして空気を用いる場合、カソードから電解質膜をリークしてアノードに達した窒素は、アノード系に残留し、水素分圧を下げて、燃料電池の効率を低下させる。このため、ある程度の窒素が溜まると、アノード出口に設けたパージバルブから窒素を含んだ燃料ガスを放出する必要がある。この動作はアノードパージと呼ばれることがある。このときアノードから放出されるガスは、アノードオフガスと呼ばれ、水素を含む可燃性ガスである。可燃性ガスを直接放出することは好ましくないので、触媒燃焼器でアノードオフガスを燃焼させてから、窒素と水蒸気との混合ガスとして、システム外部へ放出される。
【０００４】
このアノードオフガスの燃焼技術としては、例えば特許文献１に記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池のカソードオフガスの一部とアノードオフガスとを混合する混合器と、燃料ラインの原料ガスの流量に応じて排ガス供給ラインの燃焼排ガスの流量を、混合器におけるアノードオフガスとカソードオフガスの混合比が爆発限界外となるようあらかじめ定められた関係に基づいて調整する調整装置を備えた構成としている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−７８６２６号公報（第３頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術に於いては、アノードオフガスとカソードオフガスを爆発限界外の混合比で燃焼させるという構成になっているため、爆発希薄限界以下で燃焼させる場合はガス流量が大きくなることに伴い燃料ガスを処理するために必要な触媒量が多くなり触媒燃焼器のサイズが過度に大きくなる、あるいは燃焼温度が比較的低くなるため熱エネルギの回収効率が低下するという問題点があった。
【０００７】
また過濃限界以上の場合は可燃ガスをシステム外に排出することになり安全信頼性が低下するというという問題点があった。
【０００８】
【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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料ガスまたは前記燃料電池スタックのアノードから排出されるアノードオフガスと、前記酸化剤ガスまたは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の混合ガスを燃焼させる触媒燃焼器とを備えた燃料電池システムにおいて、少なくとも混合ガス供給開始から前記触媒燃焼器が十分活性化したと判断されるまでの着火期間の間は、前記混合ガス中の燃料ガス濃度が所定範囲となるように制御し、且つ前記着火期間が経過した後には、前記燃料ガス濃度が所定範囲外であっても混合ガスを供給するように制御する制御手段を備えたことを要旨とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも混合ガス供給開始から触媒燃焼器が十分活性化したと判断されるまでの着火期間の間は、混合ガス中の燃料ガス濃度が所定範囲となるように制御し、且つ触媒燃焼器が十分活性化したと判断された後では前記所定範囲外の燃料ガス濃度である混合ガスでも供給可能なように制御することにより、触媒燃焼器の状態に応じて適切な条件で運転することができるため、触媒燃焼器の大型化を回避しながら、熱エネルギの回収効率を高めることができるという効果がある。
【００１０】
また、可燃ガスをシステム外に排出することがなくなり、安全信頼性が向上するという効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
次に、図１乃至図３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。図１は、第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。図１において、水素供給装置１は、アノードガス供給配管１１を介して燃料ガスとしての水素をアノード４に供給する。また空気供給装置２は、カソードガス供給配管１４を介して酸化剤ガスとしての空気をカソード５に供給する。燃料電池スタック３は、これら水素及び空気を電気化学反応させて発電する。
【００１２】
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。
【００１３】
通常作動時では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を介してアノードガス供給配管１１に全量循環されて再度アノード４へと供給され、カソードオフガスは燃料電池スタック３に供給される水素および空気を加湿する加湿装置１０を経由して触媒燃焼器７へ供給された後に外部に排気される。
【００１４】
触媒燃焼器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、燃焼ガスは冷媒用熱交換器８を経由してシステム外に排気される。
【００１５】
燃料電池スタック３の運転温度を発電に最適な温度に維持するために、燃料電池スタック３の内部には、図示しない冷媒通路が設けられている。通常運転時には、冷媒は、燃料電池スタック３の冷媒通路出口から、冷媒通路調整弁２２、冷媒冷却装置９、冷媒ポンプ２１、ドレインタンク２５内の冷媒通路を経て、燃料電池スタック３の冷媒通路入口、燃料電池スタック３内部の冷媒通路、同冷媒通路出口へと循環する。そして、燃料電池スタック３で発生した反応熱は、冷媒冷却装置９から外部へ放熱されることにより、燃料電池スタック３の温度が規定の温度に維持される。
【００１６】
尚、燃料電池システムの起動時には、冷媒の温度が低いため、触媒燃焼器７へ水素と空気とを供給し、その燃焼熱で冷媒用熱交換器８を通る冷媒を加熱することにより、冷媒温度を上昇さている。
【００１７】
燃料電池システムを制御するシステムコントローラ（制御手段）３４には、触媒燃焼器７の温度を検出する温度検出器３２、燃料電池スタック３の電圧を検出する電圧検出器３３、アノード出口におけるアノードオフガスの圧力を検出する圧力検出器２６，同温度を検出する温度検出器２７、が接続されている。
【００１８】
システムコントローラ３４は、これら検出器類の検出信号を受信して、触媒燃焼器の活性化状態を判断すると共に、水素供給装置１、空気供給装置２、アノードオフガス排出弁３５、及びカソードオフガス排出弁３６を制御して、触媒燃焼器７における水素又はアノードオフガスと、空気又はカソードオフガスとの混合ガスの濃度を制御するものである。
【００１９】
図２は、第１実施形態におけるシステムコントローラの混合ガス濃度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）触媒燃焼器へ供給する供給水素濃度、（ｂ）触媒燃焼器温度、（ｃ）触媒燃焼器から排出される排気水素濃度をそれぞれ示す。
【００２０】
まず触媒燃焼器温度が触媒活性温度より十分低いときに、触媒活性化下限以上可燃希薄限界未満の供給水素濃度で触媒燃焼器へ水素又はアノードオフガスと、空気又はカソードオフガスとの混合ガスの供給を開始する（ｔ１）。
【００２１】
この触媒活性化下限以上可燃希薄限界未満の水素濃度の混合ガスの供給が開始されたとき、触媒燃焼器は殆ど活性を有していないため、最初は、供給された水素濃度に近い排気が排出される。しかしながらｔ１からｔ２までの着火期間において触媒活性化が進み、転換効率が向上するので、排気水素濃度が低下すると共に、触媒燃焼器温度が上昇する。
【００２２】
そして、触媒燃焼器温度が触媒活性温度に達した（ｔ２）後には、供給水素濃度を可燃希薄限界以上とする。これにより、供給水素濃度濃度は上昇するが、触媒燃焼器温度は、触媒活性温度に達しているので、混合ガス中の水素は充分転換され、排気水素濃度はほぼ０で可燃希薄限界より極めて低い状態に維持される。
【００２３】
次に、図３の制御フローチャートを参照して、本実施形態におけるシステムコントローラによる制御を説明する。
【００２４】
まず、ステップＳ１０でシステムコントローラ３４は、燃料電池スタック３の状態が所定の状態となったか否かを判定する。ここでは、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧検出器３３の検出電圧値が所定電圧値以下になったか否かを判定する。検出電圧値が所定電圧値を超えていれば、ステップＳ１０へ戻る。
【００２５】
検出電圧値が所定電圧値以下になった場合には、パージが必要としてステップＳ１２へ進み、システムコントローラ３４が排出信号を発信する。この排出信号に基づいて、アノードオフガス循環装置６から所定流量のアノードオフガスが触媒燃焼器７に排出されると同時に、水素供給装置１から供給する水素の流量が水素供給圧力を一定に保ちつつアノードオフガス流量と略同量だけ増量される。この際、アノードオフガス排出弁３５は構成を簡素化するため遮断弁としてある。
【００２６】
次いで、ステップＳ１４で、圧力検出器２６および温度検出器２７で検出されるアノードオフガスの圧力および温度に基づいて、排出されるアノードオフガスの流量を推定する。
【００２７】
ステップＳ１６で、アノードオフガス推定流量値に基づいて、触媒燃焼器７に供給される混合ガス中の水素濃度を触媒燃焼器７の活性温度以上の燃焼温度となる濃度以上、且つ水素の可燃希薄限界未満の濃度（４％未満：ここでは例えば３％）とするために必要な空気増加量を算出する。
【００２８】
ステップＳ１８で、算出した空気増加量に基づいてシステムコントローラにより空気供給装置２を制御して燃料電池スタック３への空気供給量を増加した後に、アノードオフガス排出弁３５からアノードオフガスを排出する。
【００２９】
ここで、アノードオフガス排出開始から触媒燃焼器７が十分活性化したと判断されるまでの着火期間（図２のｔ１からｔ２まで）においては、触媒燃焼器７の温度が比較的低いために転換効率が十分でなく、アノードオフガス中の一部の水素が未燃のまま排気される可能性があるが、その際未燃水素は可燃限界未満の濃度であるため、システム内外において着火することがなく、よってシステムの安全性を低下させることはない。
【００３０】
次いで、ステップＳ２０で、温度検出器３２で検出された触媒燃焼器７の温度が活性温度以上か否かを判断する。触媒燃焼器の温度が活性温度未満であれば、Ｓ２０で待機する。
【００３１】
触媒燃焼器７の温度が活性温度以上と判断された時点では、触媒燃焼器７の活性は十分得られており未燃水素を排出する可能性は極めて小さいため、ステップＳ２２へ進み、空気増加を終了しつつアノードオフガスの排出を継続して行う。
【００３２】
次いでステップＳ２４で、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧検出器３３の検出電圧値が所定電圧値以上になるまで待機する。検出電圧値が所定電圧値以上になると、ステップＳ２６へ進み、アノードオフガス排出弁３５，カソードオフガス排出弁３６を共に閉じて、アノードオフガス排出およびカソードオフガス排出を停止して、所定の運転条件に戻る。
【００３３】
以上説明したように第１実施形態によれば、少なくとも混合ガス供給開始から前記触媒燃焼器が十分活性化したと判断されるまでの着火期間の間は、前記混合ガス中の燃料ガス濃度が所定範囲となるように制御し、且つ触媒燃焼器が十分活性化したと判断された後では前記燃料ガス濃度範囲外の混合ガスでも供給可能なように制御することにより、触媒燃焼器の状態に応じて適切な条件で運転することができる。
【００３４】
また、着火期間における燃料ガス濃度範囲は、混合ガスの燃焼温度が触媒燃焼器の活性温度となる濃度以上とすることにより、早期に触媒を活性させ、未燃燃料ガスの排出を抑制することができる。
【００３５】
さらに、着火期間における燃料ガス濃度範囲は、燃料ガスの可燃限界となる濃度以下とすることにより、触媒燃焼器での燃焼が十分でなく未燃燃料ガスを排出する場合でも、排気ガスを着火することなく安全にシステム外に排出することができる。
【００３６】
なお低温時等の触媒燃焼器７が活性化しにくい条件においては、電気ヒータなどの補助加熱手段を用いて着火を行う場合においても、本制御は適用可能である。
【００３７】
〔第２実施形態〕
次に、図４及び図５を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第２実施形態を詳細に説明する。第２実施形態のシステム構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００３８】
第１実施形態との違いは、着火期間において空気増加は行わずにアノードオフガスを着火期間より短い所定間隔で断続的に供給するようにシステムコントローラ（制御手段）３４が制御することである。
【００３９】
図４は、第２実施形態におけるシステムコントローラの混合ガス濃度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）触媒燃焼器へ供給する供給水素濃度、（ｂ）触媒燃焼器温度、（ｃ）触媒燃焼器から排出される排気水素濃度をそれぞれ示す。
【００４０】
まず触媒燃焼器温度が触媒活性温度より十分低いときに、触媒燃焼器へ水素又はアノードオフガスの断続的な供給と、空気又はカソードオフガスの連続的な供給を開始する（ｔ１）。このとき断続的に供給される水素又はアノードオフガスと、連続的に供給される空気又はカソードオフガスとの混合ガスの平均水素濃度は、触媒活性化下限より高く、可燃希薄限界より低いものとする。
【００４１】
この平均水素濃度の混合ガスの供給が開始されたとき、触媒燃焼器は殆ど活性を有していないため、最初は、供給された水素濃度に近い排気が排出される。しかしながらｔ１からｔ２までの着火期間において触媒活性化が進み、転換効率が向上するので、断続的に排気水素濃度が低下すると共に、触媒燃焼器温度が丸みを有する上凸状の段階を経て上昇する。
【００４２】
そして、触媒燃焼器温度が触媒活性温度に達した（ｔ２）後には、供給水素濃度を可燃希薄限界以上とする。これにより、供給水素濃度濃度は上昇するが、触媒燃焼器温度は、触媒活性温度に達しているので、混合ガス中の水素は充分転換され、排気水素濃度はほぼ０で可燃希薄限界より極めて低い状態に維持される。
【００４３】
これにより、着火期間中の平均水素濃度を、触媒燃焼器７の活性温度以上の燃焼温度となる濃度以上、且つ水素の可燃希薄限界未満の濃度（４％未満：ここでは例えば３％）とすることができる。
【００４４】
このため、アノードオフガス排出弁３５を開閉弁として簡素な構成としつつ、アノードオフガス排出弁３５と触媒燃焼器７までの距離が短いことにより応答性よく混合ガス中の水素濃度を調整することができる。また空気増量を伴わないので、空気供給装置２のコンプレッサ等の負担を抑制でき、消費電力の増加も抑制することができる。
【００４５】
次に、図５の制御フローチャートを参照して、本実施形態におけるシステムコントローラによる制御を説明する。
【００４６】
まず、ステップＳ３０でシステムコントローラ３４は、燃料電池スタック３の状態が所定の状態となったか否かを判定する。ここでは、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧検出器３３の検出電圧値が所定電圧値以下になったか否かを判定する。検出電圧値が所定電圧値を超えていれば、ステップＳ３０へ戻る。
【００４７】
検出電圧値が所定電圧値以下になった場合には、パージが必要としてステップＳ３２へ進み、システムコントローラ３４が排出信号を発信する。この排出信号に基づいて、アノードオフガス循環装置６から所定流量のアノードオフガスが触媒燃焼器７に排出されると同時に、水素供給装置１から供給する水素の流量が水素供給圧力を一定に保ちつつアノードオフガス流量と略同量だけ増量される。この際、アノードオフガス排出弁３５は構成を簡素化するため遮断弁としてある。
【００４８】
次いで、ステップＳ３４で、圧力検出器２６および温度検出器２７で検出されるアノードオフガスの圧力および温度に基づいて、排出されるアノードオフガスの流量を推定する。
【００４９】
ステップＳ３６で、アノードオフガス推定流量値に基づいて、触媒燃焼器７に供給される混合ガス中の水素濃度を触媒燃焼器７の活性温度以上の燃焼温度となる濃度以上、且つ水素の可燃希薄限界未満の平均濃度（４％未満：ここでは例えば３％）とするために必要なアノードオフガス断続排出条件を算出する。
【００５０】
ステップＳ３８で、算出したアノードオフガス断続排出条件に基づいてシステムコントローラにより、アノードオフガス排出弁３５を断続的に開閉してアノードオフガスを断続的に排出する。このときカソードオフガス排出量は、排出信号出力前の状態を維持するので、カソードオフガス排出量は変化せず、空気供給装置２の電力消費も増加することはない。
【００５１】
ここで、アノードオフガス排出開始から触媒燃焼器７が十分活性化したと判断されるまでの着火期間（図４のｔ１からｔ２まで）においては、触媒燃焼器７の温度が比較的低いために転換効率が十分でなく、アノードオフガス中の一部の水素が未燃のまま排気される可能性があるが、その際未燃水素は可燃限界を極めて短時間しか超えない濃度であるため、システム内外において着火することがなく、よってシステムの安全性を低下させることはない。
【００５２】
次いで、ステップＳ４０で、温度検出器３２で検出された触媒燃焼器７の温度が活性温度以上か否かを判断する。触媒燃焼器の温度が活性温度未満であれば、Ｓ４０で待機する。
【００５３】
触媒燃焼器７の温度が活性温度以上と判断された時点では、触媒燃焼器７の活性は十分得られており未燃水素を排出する可能性は極めて小さいため、ステップＳ４２へ進み、アノードオフガスの連続排出を開始する。
【００５４】
次いでステップＳ４４で、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧検出器３３の検出電圧値が所定電圧値以上になるまで待機する。検出電圧値が所定電圧値以上になると、ステップＳ４６へ進み、アノードオフガス排出弁３５，カソードオフガス排出弁３６を共に閉じて、アノードオフガス排出およびカソードオフガス排出を停止して、所定の運転条件に戻る。
【００５５】
以上説明したように第２実施形態によれば、着火期間における混合ガス中の燃料ガスの平均濃度が所定範囲となるように制御することにより、着火期間の間に排出される排気ガスの総量に対する未燃燃料ガスの総量の割合を所定範囲内とすることができ、停滞空間に排気された場合でも安全を確保することができる。
【００５６】
また、燃料ガスを断続的に供給するように制御することにより、所定範囲よりも大きい燃料ガス濃度の混合ガスをパルス状に供給することにより高濃度時の発熱量が大きくなるために触媒燃焼器の昇温特性が向上し、且つ排気ガス中の未燃水素濃度も着火期間中において平均的には可燃限界以下とするために、安全に触媒燃焼器の暖機および排気ガスの排出を行うことができる。
【００５７】
なお、これとは逆にアノードオフガスは所定流量のままとし、且つ空気増加を断続的に行うことにより、着火期間中の平均水素濃度を触媒燃焼器７の活性温度以上の燃焼温度となる濃度以上、且つ水素の可燃希薄限界未満の濃度としてもよい。
【００５８】
この場合、発熱量を多くできるので触媒燃焼器７の活性化を比較的早急に行うことができる。
【００５９】
また、着火期間における混合ガス中の燃料ガスの最大濃度が所定範囲となるように制御してもよい。この場合、未燃燃料ガスが排出する可能性がある着火期間において常に排気ガスを着火することなく安全にシステム外に排出することができる。
【００６０】
〔第３実施形態〕
次に、図６及び図７を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第３実施形態を詳細に説明する。第３実施形態のシステム構成は、図１に示した第１実施形態と同様である。
【００６１】
第１実施形態との違いは、着火期間において予め取得する濃度増加パターンに基づき混合ガス中の水素濃度を可燃希薄限界以下の濃度から可燃希薄限界以上の濃度へと過渡的に変化させるようにアノードオフガス流量を増加し、且つ着火期間中の平均水素濃度を、触媒燃焼器７の活性温度以上の燃焼温度となる濃度以上、且つ水素の可燃希薄限界未満の濃度（４％未満：ここでは例えば３％）とする点である。
【００６２】
構成としてはアノードオフガス排出弁３５を流量調整弁としてあり、触媒燃焼器７の温度上昇に伴ってアノードオフガス流量も増加させるため、温度が低く低活性な状態では供給アノードオフガス流量も少ないために未燃水素排出流量も少なく、温度が上昇するに伴いアノードオフガス流量も多くなるように制御するため、システムの安全信頼性が低下することを抑制できる。
【００６３】
ただしこの際、触媒が劣化した場合など、所定パターン設定時間が経過しても触媒燃焼器７の温度が上昇しない場合は、増加パターン終了後は第１実施形態同様の制御を行うことにより触媒燃焼器７の活性を得ることができる。
【００６４】
図６は、第３実施形態におけるシステムコントローラの混合ガス濃度制御を説明するタイムチャートであり、（ａ）触媒燃焼器へ供給する供給水素濃度、（ｂ）触媒燃焼器温度、（ｃ）触媒燃焼器から排出される排気水素濃度をそれぞれ示す。
【００６５】
まず触媒燃焼器温度が触媒活性温度より十分低いときに、触媒活性化下限以上可燃希薄限界未満の供給水素濃度で触媒燃焼器へ水素又はアノードオフガスと、空気又はカソードオフガスとの混合ガスの供給を開始する（ｔ１）。次いで、選択したパターンに従って、供給水素濃度を増加させる。
【００６６】
この触媒活性化下限以上可燃希薄限界未満の水素濃度の混合ガスの供給が開始されたとき、触媒燃焼器は殆ど活性を有していないため、最初は、供給された水素濃度に近い排気が排出される。しかしながらｔ１からｔ２までの着火期間において触媒活性化が進み、転換効率が向上するので、排気水素濃度が低下すると共に、触媒燃焼器温度が上昇する。
【００６７】
そして、触媒燃焼器温度が触媒活性温度に達した（ｔ２）後には、供給水素濃度を可燃希薄限界以上とする。これにより、供給水素濃度濃度は上昇するが、触媒燃焼器温度は、触媒活性温度に達しているので、混合ガス中の水素は充分転換され、排気水素濃度はほぼ０で可燃希薄限界より極めて低い状態に維持される。
【００６８】
次に、図７の制御フローチャートを参照して、本実施形態におけるシステムコントローラによる制御を説明する。
【００６９】
まず、ステップＳ５０でシステムコントローラ３４は、燃料電池スタック３の状態が所定の状態となったか否かを判定する。ここでは、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧検出器３３の検出電圧値が所定電圧値以下になったか否かを判定する。検出電圧値が所定電圧値を超えていれば、ステップＳ５０へ戻る。
【００７０】
検出電圧値が所定電圧値以下になった場合には、パージが必要としてステップＳ５２へ進み、システムコントローラ３４が排出信号を発信する。この排出信号に基づいて、アノードオフガス循環装置６から所定流量のアノードオフガスが触媒燃焼器７に排出されると同時に、水素供給装置１から供給する水素の流量が水素供給圧力を一定に保ちつつアノードオフガス流量と略同量だけ増量される。
【００７１】
次いで、ステップＳ５４で、圧力検出器２６および温度検出器２７で検出されるアノードオフガスの圧力および温度に基づいて、排出されるアノードオフガスの流量を推定する。
【００７２】
ステップＳ５６で、アノードオフガス推定流量値に基づいて、触媒燃焼器へ供給するアノードオフガス流量が順次増加するアノードオフガス供給パターンを選択する。アノードオフガス供給パターンは、例えば、アノードオフガス流量の区分毎に最短時間で触媒活性化できるアノードオフガス供給パターンを実験的に求め、これらのパターンをシステムコントローラ３４に予め記憶させたものである。
【００７３】
また、これらのアノードオフガス供給パターンは、触媒燃焼器７に供給される混合ガス中の水素濃度を触媒燃焼器７の活性温度以上の燃焼温度となる濃度以上、且つ水素の可燃希薄限界未満の濃度（４％未満：ここでは例えば３％）とするパターンである。
【００７４】
ステップＳ５８で、アノードオフガス供給パターンに基づいてシステムコントローラ３４からアノードオフガス排出弁３５の開度を制御してアノードオフガスを排出を開始するとともに、開始からの経過時間を計測する。
【００７５】
ここで、アノードオフガス排出開始から触媒燃焼器７が十分活性化したと判断されるまでの着火期間（図６のｔ１からｔ２まで）においては、触媒燃焼器７の温度が比較的低いために転換効率が十分でなく、アノードオフガス中の一部の水素が未燃のまま排気される可能性があるが、その際未燃水素は可燃限界未満の濃度であるため、システム内外において着火することがなく、よってシステムの安全性を低下させることはない。
【００７６】
次いで、ステップＳ６２で、アノードオフガス供給パターンに従ってアノードオフガス排出開始からの経過時間に応じたアノードオフガス流量を算出し、ステップＳ６４で、算出流量になるようにアノードオフガス排出弁３５の開度を調整することにより流量を調整する。Ｓ６６で経過時間が所定時間（図６のｔ２）を超えたか否かを判定し、超えていなければ、供給パターンに従ったアノードオフガス排出を続けるべく、ステップＳ６２へ戻る。
【００７７】
Ｓ６６の判定で、経過時間が所定時間を超えていれば、ステップＳ６８へ進み、温度検出器３２で検出された触媒燃焼器７の温度が活性温度以上か否かを判断する。触媒燃焼器の温度が活性温度未満であれば、Ｓ６６で待機する。
【００７８】
触媒燃焼器７の温度が活性温度以上と判断された時点では、触媒燃焼器７の活性は十分得られており未燃水素を排出する可能性は極めて小さいため、ステップＳ７０へ進み、所定のアノードオフガス流量でアノードオフガスの排出を継続して行う。
【００７９】
次いでステップＳ７２で、燃料電池スタックの出力電圧を検出する電圧検出器３３の検出電圧値が所定電圧値以上になるまで待機する。検出電圧値が所定電圧値以上になると、ステップＳ７４へ進み、アノードオフガス排出弁３５，カソードオフガス排出弁３６を共に閉じて、アノードオフガス排出およびカソードオフガス排出を停止して、所定の運転条件に戻る。
【００８０】
以上説明した第３実施形態によれば、着火期間において過渡増加的に燃料ガスを供給するように制御するものであり、触媒燃焼器の暖機の進行に伴い燃料ガスの燃焼も活発となり、可燃限界近辺の燃料ガス濃度であっても排気ガス中の燃料ガス濃度を可燃限界以下にすることができ、その場合には燃料ガスの発熱量が多くなることにより、着火時間を短縮することができる。
【００８１】
なお、これとは逆に着火期間において予め取得する濃度増加パターンに基づき、空気増加量を初期値から過渡的に減少させ且つアノードオフガスは所定流量一定として着火期間における混合ガス中の水素平均濃度を所定範囲内にするようにしても良い。この場合、発熱量を多くできるので触媒燃焼器７の活性化を比較的早急に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図２】第１実施形態における制御内容を説明するタイムチャートである。
【図３】第１実施形態の制御フローチャートである。
【図４】第２実施形態における制御内容を説明するタイムチャートである。
【図５】第２実施形態の制御フローチャートである。
【図６】第３実施形態における制御内容を説明するタイムチャートである。
【図７】第３実施形態の制御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…触媒燃焼器
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
１６…水供給配管
１７…水チャンネル
１８…水ポンプ
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…ドレインタンク
２６…圧力検出器
２７…温度検出器
２８…ドレイン配管
２９…ドレイン弁
３０…通気配管
３１…水遮断弁
３２…温度検出器
３３…電圧検出器
３４…システムコントローラ（制御手段）
３５…アノードオフガス排出弁
３６…カソードオフガス排出弁
【図１】
2004253212.tif 000003
【図２】
2004253212.tif 000004
【図３】
2004253212.tif 000005
【図４】
2004253212.tif 000006
【図５】
2004253212.tif 000007
【図６】
2004253212.tif 000008
【図７】
2004253212.tif 000009