(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池へ供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路から分岐する分岐燃料ガス流路と、
前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通する燃料オフガス流路と、
前記燃料電池に供給される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給流路から分岐する分岐酸化剤ガス流路と、
前記燃料電池から排出される酸化剤ガスが流通する酸化剤オフガス流路と、
前記分岐燃料ガス流路と、前記分岐酸化剤ガス流路とに連通し、前記燃料電池へ供給される前の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器の燃焼により発生した熱と熱媒体とを熱交換する熱交換器と、
前記熱交換器と前記燃料電池との間に前記熱媒体を循環させる熱媒体循環流路と、
前記分岐酸化剤ガス流路に流通する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、を備え、
前記分岐燃料ガス流路には、
前記燃焼器へ供給する燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給量制御手段と、
前記燃料ガス供給量制御手段の上流に、前記燃料ガスの圧力を前記分岐酸化剤ガス流路にかかる圧力に基づいて前記燃料ガス供給量制御手段の入口圧力が出口圧力よりも高く設定する制御を行う圧力制御手段と、が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力制御手段は、前記分岐酸化剤ガス流路から分岐した第２の分岐酸化剤ガス流路に設けられ、前記分岐酸化剤ガス流路の圧力を信号圧とす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。
【請求項３】
前記熱媒体循環流路は、前記燃料電池以外を暖めるのに利用する第２の熱交換器に連通していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料オフガス流路と前記酸化剤オフガス流路とが合流した合流部の下流に前記燃焼器から排出される燃焼器オフガス流路が合流し、その下流に前記燃料ガスを検知する燃料ガス検出装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料オフガス流路と前記酸化剤オフガス流路とがそれぞれ希釈器に連通し、前記希釈器の上流に前記燃焼器から排出される前記燃焼器オフガス流路が合流することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項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、燃焼器を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼器を備えた燃料電池システムとしては、燃料電池のアノード極（水素極）から排出されるアノードオフガスと燃料電池のカソード極（空気極）から排出されるカソードオフガスとをそれぞれ燃焼器に導入して、燃焼反応によって生成された排熱を熱交換器に導入して冷媒を暖めて低温始動時に燃料電池を暖機する技術が提案されている（特許文献１参照）。また、燃焼器を備えた他の燃料電池システムとしては、アノードオフガス流路およびカソードオフガス流路に燃料電池の上流側で分岐した反応前のアノードガスおよびカソードガスを燃焼器に導入する流路を設ける技術が提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１７９１５３号公報（段落００２３、図１）
【特許文献２】特開２００４−９５２５８号公報（段落００１１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、燃料電池内を通過した後のオフガスを用いて燃焼させているため、水素の量と空気の量を適切に把握しないと目標とする温度に制御することが困難になるという問題がある。すなわち、オフガスを用いると、オフガス中の水素の量と酸素の量とをうまく把握できないので燃焼制御が難しくなる。また、オフガスを用いると、燃料電池と燃焼器の双方で反応させる必要があるため、水素と空気の供給量を燃料電池のみで反応させる場合よりも増大させる必要があり、供給時に必要なエネルギーが増大するという問題もある。また、特許文献２に記載の技術においても、同様にオフガスを用いて燃焼させているため、燃焼制御が困難になる。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、低温始動時でも適切な燃焼制御が可能で、燃料電池の暖機を効率よく行うことができる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】
【０００５】
請求項１に係る発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ供給される燃料ガスが流通する燃料ガス供給流路から分岐する分岐燃料ガス流路と、前記燃料電池から排出される燃料ガスが流通する燃料オフガス流路と、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス供給流路から分岐する分岐酸化剤ガス流路と、前記燃料電池から排出される酸化剤ガスが流通する酸化剤オフガス流路と、前記分岐燃料ガス流路と、前記分岐酸化剤ガス流路とに連通し、前記燃料電池へ供給される前の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼により発生した熱と熱媒体とを熱交換する熱交換器と、前記熱交換器と前記燃料電池との間に前記熱媒体を循環させる熱媒体循環流路と、前記分岐酸化剤ガス流路に流通する前記酸化剤ガスの流量を制御する酸化剤ガス流量制御手段と、を備え、前記分岐燃料ガス流路には、前記燃焼器へ供給する燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給量制御手段と、前記燃料ガス供給量制御手段の上流に、前記燃料ガスの圧力を前記分岐酸化剤ガス流路にかかる圧力に基づいて前記燃料ガス供給量制御手段の入口圧力が出口圧力よりも高く設定する制御を行う圧力制御手段と、が設けられていることを特徴とする。
【０００６】
請求項１に係る発明によれば、燃焼器には、燃料電池に供給される前の燃料ガスと酸化剤ガスとがそれぞれ導入され、つまりオフガスを利用していないため、燃焼器への燃料ガスの供給量と酸化剤ガスの供給量とを正確に把握することが可能になり、目標とする温度制御が容易になる。また、燃料電池の発電が行われていない状況下でも燃焼器を作動させることができ、燃料電池の暖機などに有効に利用することができる。
【０００８】
請求項１に係る発明によれば、酸化剤ガス流量制御手段に基づいて酸化剤ガスの流量を制御することで、燃料電池の発電中においても、酸化剤ガスの供給量を正確に制御でき、適切な燃焼制御が可能となる。
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、燃料ガス供給量制御手段の上流側と下流側とを均等な差圧もしくは同圧とすることで、燃料電池の発電中においても、正確な燃料ガスの供給量の制御が容易になる。
【００１１】
請求項２に係る発明は、前記圧力制御手段は、前記分岐酸化剤ガス流路から分岐した第２の分岐酸化剤ガス流路に設けられ、前記分岐酸化剤ガス流路の圧力を信号圧とすることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る発明によれば、簡単な構成で、分岐酸化剤ガス流路と、分岐燃料ガス流路との圧力バランスを得ることが可能になる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記熱媒体循環流路は、前記燃料電池以外を暖めるのに利用する第２の熱交換器に連通していることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る発明によれば、燃料電池の暖機完了後には、第２の熱交換器による熱を暖房用などの他の機器に利用することが可能になる。
【００１５】
請求項４に係る発明は、前記燃料オフガス流路と前記酸化剤オフガス流路とが合流した合流部の下流に前記燃焼器から排出される燃焼器オフガス流路が合流し、その下流に前記燃料ガスを検知する燃料ガス検出装置を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に係る発明によれば、燃焼器から排出される燃料ガスを検知する燃料ガス検出装置と、燃料電池から排出される燃料ガスを検知する燃料ガス検出装置とを共用化することができ、部品点数の削減を図ることができる。
【００１７】
請求項５に係る発明は、前記燃料オフガス流路と前記酸化剤オフガス流路とがそれぞれ希釈器に連通し、前記希釈器の上流に前記燃焼器から排出される前記燃焼器オフガス流路が合流することを特徴とする。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、希釈器に燃焼器から排出されるオフガスを合流させることで、燃焼に不具合が生じたとしても、濃度の高い燃料ガスが排出されるのを防止できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、低温始動時でも適切な燃焼制御が可能で、燃料電池の暖機を効率よく行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１実施形態）
図１は第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。なお、以下では燃料電池システム１Ａを燃料電池自動車（車両）に搭載した場合を例に挙げて説明するが、燃料電池システム１Ａを船舶や航空機などに適用してもよい。
第１実施形態の燃料電池システム１Ａは、燃料電池ＦＣ、アノード系１０、カソード系２０、冷却系３０、燃焼系４０、希釈系６０などを含んで構成されている。
【００２１】
前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、電解質膜２をアノード極３とカソード極４とで挟んで構成された膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を導電性のセパレータでさらに挟んで構成した単セルを厚み方向に複数積層した構造を有している。この燃料電池ＦＣのアノード極３に燃料ガスとしての水素が、カソード極４に酸化剤ガスとしての空気が供給されることにより、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われ、走行モータなどの負荷に発電電流が供給される。なお、後記するが、燃料電池ＦＣには、熱媒体が流通可能な流路が、水素の流路と空気の流路と混じり合わないように形成されている。また図１では、説明の便宜上、単セルの構造を模式的に図示している。
【００２２】
前記アノード系１０は、燃料電池ＦＣのアノード極３に水素を供給し、かつ、アノード極３から水素を排出するものであり、アノードガス供給配管（燃料ガス供給流路）１１、アノードオフガス配管（燃料オフガス流路）１２、水素タンク１３、レギュレータ１４、水素循環系１５、パージ弁１６などで構成されている。
【００２３】
前記アノードガス供給配管１１は、燃料電池ＦＣに水素を供給する流路であり、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極３の入口に接続され、他端が水素タンク１３に接続されている。前記アノードオフガス配管１２は、燃料電池ＦＣから水素を排出する流路であり、その一端がアノード極３の出口に接続され、他端がパージ弁１６に接続されている。
【００２４】
前記水素タンク１３は、高純度の水素を非常に高い圧力で充填可能なもので構成され、電磁作動の遮断弁１３ａを備えている。
【００２５】
前記レギュレータ１４は、アノードガス供給配管１１の途中に設けられ、水素タンク１３から供給された高圧の水素を所定の圧力に減圧するための減圧弁である。
【００２６】
前記水素循環系１５は、燃料電池ＦＣのアノード極３の出口から排出された未反応の水素をアノード極３の入口に戻すように循環させる機能を有し、エゼクタ１５ａ、水素循環配管１５ｂなどで構成されている。エゼクタ１５ａは、アノードガス供給配管１１のレギュレータ１４の下流に設けられ、水素循環配管１５ｂの一端がエゼクタ１５ａに接続され、他端がアノードオフガス配管１２に接続されるように構成されている。これにより、燃料としての水素が無駄に排出されるのが防止され、水素を有効活用することが可能になる。
【００２７】
前記パージ弁１６は、アノードオフガス配管１２に設けられた遮断弁であり、開弁することでアノード極３に蓄積された、カソード極４から電解質膜２を介して透過した空気中の窒素や生成水などの不純物を排出させることができる。これにより、アノード極３での水素濃度の低下を防止して、燃料電池ＦＣの発電性能が損なわれるといった不都合を防止することができる。
【００２８】
前記カソード系２０は、燃料電池ＦＣのカソード極４に空気を供給し、かつ、カソード極４から空気などを排出するものであり、カソードガス供給配管（酸化剤ガス供給流路）２１、カソードオフガス配管（酸化剤オフガス流路）２２、エアコンプレッサ２３、背圧弁２４などで構成されている。
【００２９】
前記カソードガス供給配管２１は、燃料電池ＦＣのカソード極４に空気を供給する流路であり、その一端がカソード極４の入口に接続され、他端がエアコンプレッサ２３に接続されている。前記カソードオフガス配管２２は、カソード極４から空気などを排出する流路であり、その一端がカソード極４の出口に接続され、他端が背圧弁２４に接続されている。
【００３０】
前記エアコンプレッサ２３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、圧縮した空気（外気）を、カソードガス供給配管２１を介して燃料電池ＦＣに供給する。
【００３１】
前記背圧弁２４は、開度を制御可能な弁であり、図示しない制御装置によってカソード極４を流れる空気の圧力が制御される。
【００３２】
前記冷却系３０は、燃料電池ＦＣが発電により発生した熱を放熱する機能を有し、熱媒体配管３１ａ，３１ｂ，３１ｃ、ラジエータ３２、冷却配管３２ａ，３２ｂ、切替弁３３，３４、循環ポンプ３５、三方電磁弁３６、温度センサ３７などを備えている。
【００３３】
前記熱媒体配管３１ａは、一端が燃料電池ＦＣに設けられた熱媒体が流通する流路の入口に接続され、他端が三方電磁弁３６に接続されている。なお、ここで使用される熱媒体は、車両で一般的に使用される冷却液である。前記熱媒体配管３１ｂは、一端が燃料電池ＦＣに設けられた熱媒体が流通する流路の出口に接続され、他端が切替弁３４に接続されている。前記熱媒体配管３１ｃは、一端が切替弁３４に接続され、他端が三方電磁弁３６に接続されて、熱媒体がラジエータ３２をバイパスして流通させる機能を有している。
【００３４】
前記ラジエータ３２は、冷却管とフィンなどで構成された公知の熱交換器であり、入口に接続された冷却配管３２ａが後記する切替弁３４に接続され、出口に接続された冷却配管３２ｂが後記する切替弁３３に接続されている。また、図示していないが、ラジエータ３２には電動ファンが設けられており、放熱が十分確保できない場合に電動ファンが駆動される。
【００３５】
前記切替弁３３は、例えば電磁作動の四方弁からなり、後記する暖房ヒータ７０に接続された暖房用配管７２ｂと接続されている。前記切替弁３４は、同様に電磁作動の四方弁からなり、暖房ヒータ７０に接続された暖房用配管７２ａと接続されている。
【００３６】
前記循環ポンプ３５は、熱媒体配管３１ｃに設けられ、主として燃料電池ＦＣとラジエータ３２との間、または燃料電池ＦＣと後記する熱交換器４２ｂとの間において熱媒体を循環させる機能を有している。
【００３７】
前記三方電磁弁３６は、循環ポンプ３５側から送られた熱媒体を熱媒体配管３１ａに供給する通常運転位置と、熱交換器４２ｂに供給する暖機運転位置とに切換えられるようになっている。
【００３８】
前記温度センサ３７は、熱媒体配管３１ｂの燃料電池ＦＣの出口近傍に設けられ、燃料電池ＦＣから排出される熱媒体の温度を検知するものである。
【００３９】
前記燃焼系４０は、燃焼系配管４１ａ，４１ｂ、燃焼器４２ａと熱交換器４２ｂとを備えた燃焼ヒータ４２、混合器４３、分岐アノードガス供給配管４４、水素インジェクタ４５、遮断弁４６、水素レギュレータ（圧力制御手段）４７、分岐カソードガス供給配管４８、カソードガス流量制御弁（酸化剤ガス流量制御手段）４９、カソードガス流量センサ５０、信号圧供給配管（第２の酸化剤ガス流路）５１、燃焼器オフガス配管（燃焼器オフガス流路）５２、水素濃度センサ（水素ガス検出装置）５３、温度センサ５４などで構成されている。
【００４０】
前記燃焼系配管４１ａは、その一端が前記三方電磁弁３６と接続され、他端が後記する燃焼ヒータ４２に設けられた熱交換器４２ｂの入口と接続されている。前記燃焼系配管４１ｂは、その一端が前記熱媒体配管３１ａの三方電磁弁３６の下流に接続され、他端が熱交換器４２ｂの出口と接続されている。なお、この燃焼系配管４１ａ，４１ｂと、前記した熱媒体配管３１ａ，３１ｂ，３１ｃとで請求項１に記載の熱媒体循環流路が構成されている。
【００４１】
前記混合器４３は、燃焼ヒータ４２の上流側に設けられ、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気とを混合して生成された混合ガスを燃焼ヒータ４２の燃焼器４２ａに供給するものである。
【００４２】
前記分岐アノードガス供給配管４４は、アノードガス供給配管１１から分岐して水素タンク１３から供給された水素を混合器４３の上流に供給する流路であり、その一端がアノードガス供給配管１１に設けられたレギュレータ１４の上流側に接続され、他端が水素インジェクタ４５に接続されている。
【００４３】
前記水素インジェクタ４５は、図示しない制御装置による電子制御によって水素の噴射量を制御できるものであり、後記する分岐カソードガス供給配管４８の流路に水素が噴射されるようになっている。
【００４４】
前記遮断弁４６は、分岐アノードガス供給配管４４の水素レギュレータ４７の上流に設けられ、開弁することで水素タンク１３から水素が水素インジェクタ４５に供給される。
【００４５】
前記水素レギュレータ４７は、分岐カソードガス供給配管４８の圧力を信号圧として入力され、水素レギュレータ４７の下流の圧力と、分岐カソードガス供給配管４８の圧力とが所定の差圧で保持されるように調整される。
【００４６】
前記分岐カソードガス供給配管４８は、カソードガス供給配管２１から分岐してエアコンプレッサ２３からの空気を混合器４３に供給する流路であり、その一端がカソードガス供給配管２１に接続され、他端が混合器４３に接続されている。
【００４７】
前記カソードガス流量制御弁４９は、分岐カソードガス供給配管４８に設けられ、分岐カソードガス供給配管４８に流れる空気の供給量を例えばバタフライ弁等により応答性よく制御できるようになっている。さらに、バタフライ弁を使用する際は、分岐カソードガス供給配管４８のカソードガス流量制御弁４９の上流にカソードガスの遮断弁を用いてもよい。なお、このカソードガス流量制御弁４９は、例えばポペット弁のように流路を完全に遮断できる弁で構成することが好ましい。これは、例えば燃料電池ＦＣのみが発電していて、分岐カソードガス供給配管４８に空気を供給する必要がない場合に空気が流れ込むと、エアコンプレッサ２３のエネルギー消費が増えるからである。したがって、カソードガス流量制御弁４９に全閉可能な弁を使用することにより、分岐カソードガス供給配管４８に空気が漏れるのが防止されて、エアコンプレッサ２３のエネルギーが無駄に消費されるのを防ぐことが可能になる。
【００４８】
前記カソードガス流量センサ５０は、カソードガス流量制御弁４９の上流側に設けられ、分岐カソードガス供給配管４８を流れる空気の流量を検知する機能を有している。このカソードガス流量センサ５０からの流量情報に基づいて、図示しない制御装置がカソードガス流量制御弁４９の開度を制御することにより、燃焼器４２ａでの水素との反応に必要な酸素（空気）を適切に供給することが可能となる。
【００４９】
前記信号圧供給配管５１は、分岐カソードガス供給配管４８のカソードガス流量制御弁４９の下流で分岐して、前記水素レギュレータ４７と接続されている。前記したように、水素レギュレータ４７では、分岐カソードガス供給配管４８内の圧力が信号圧として入力され、水素インジェクタ４５に供給する水素圧力を調整するものである。つまり、水素インジェクタ４５から水素を噴射させるには、水素インジェクタ４５の入口圧力が出口圧力よりも高くなるように設定する必要があるため、分岐カソードガス供給配管４８から供給される空気の供給圧力を制御信号とする水素レギュレータ４７を用いて、水素インジェクタ４５の入口圧力と、出口圧力とが所定の差圧となるように制御することが必要になる。したがって、例えば分岐カソードガス供給配管４８の圧力が低下した場合には、水素レギュレータ４７の下流の圧力も比例して低下するので、結果として水素インジェクタ４５の入口と出口の圧力差を常に一定に保つことが可能になる。
【００５０】
前記燃焼器オフガス配管（燃焼器オフガス流路）５２は、その一端が前記熱交換器４２ｂと連通するように接続され、他端が後記する希釈系配管６２と合流するように接続されている。
【００５１】
前記水素濃度センサ５３は、燃焼器オフガス配管５２に設けられ、燃焼器４２ａにおいて水素と酸素との触媒燃焼によって生成された排ガスに含まれる水素濃度を検出するものである。
【００５２】
前記温度センサ５４は、燃焼系配管４１ｂに設けられ、熱交換器４２ｂから排出された熱媒体の温度を検出するものである。この温度センサ５４から出力される温度情報に基づいて、燃焼ヒータ４２に供給される水素と空気の供給量が制御される。
【００５３】
前記希釈系６０は、希釈系配管６１，６２、希釈器６３、水素濃度センサ６４などを備えている。
【００５４】
前記希釈系配管６１は、その一端がパージ弁１６と接続され、他端が希釈器６３と接続されている。前記希釈系配管６２は、その一端が背圧弁２４と接続され、他端が希釈器６３と接続されている。
【００５５】
前記希釈器６３では、希釈系配管６１から流入したアノードオフガスと希釈系配管６２から流入したカソードオフガス（酸素含有ガス）とが混合されて希釈された後に大気中に排出される。
【００５６】
また、本実施形態の燃料電池システム１Ａには、暖房ヒータ７０が設けられている。この暖房ヒータ７０は、暖房用熱交換器（第２の熱交換器）７１、暖房用配管７２ａ，７２ｂなどを備えている。
【００５７】
前記暖房用熱交換器７１は、前記熱交換器４２ｂによって加熱された熱媒体を流通させて放熱させ、車室内を暖めるのに利用されるものである。暖房用配管７２ａは、その一端が切替弁３４に接続され、他端が暖房用熱交換器７１の入口に接続されている。暖房用配管７２ｂは、その一端が切替弁３３に接続され、他端が暖房用熱交換器７１の出口に接続されている。
【００５８】
また、本実施形態の燃料電池システム１Ａには、蓄電装置８０が設けられている。この蓄電装置８０は、リチウムイオン電池などのバッテリや、キャパシタなどで構成されている。この蓄電装置８０は、燃料電池ＦＣの発電によって蓄電され、エアコンプレッサ２３などの補機に電力が供給されるように構成されている。
【００５９】
次に、第１実施形態の燃料電池システムの動作について説明する。
車両のイグニッションがオフからオンに切り替えられて、図示しない制御装置が燃料電池ＦＣの暖機が必要であると判断した場合には、熱媒体がラジエータ３２をバイパスして熱媒体配管３１ｃを通るように切替弁３３，３４が切り替えられるとともに、三方電磁弁３６が暖機運転位置に切り替えられる。そして、遮断弁１３ａ，４６が開弁されて、分岐アノードガス供給配管４４を介して水素インジェクタ４５から分岐カソードガス供給配管４８内の流路に水素が噴射される。同時に、カソードガス流量制御弁４９が所定の開度に設定され、蓄電装置８０から供給される電力によってエアコンプレッサ２３が駆動されて、分岐カソードガス供給配管４８を介して混合器４３に向けて空気が供給される。そして、水素と空気とが混合器４３で混合された後に、燃焼ヒータ４２の燃焼器４２ａにおいて触媒燃焼が行われ、触媒燃焼によって生成された燃焼オフガス（排ガス）が熱交換器４２ｂを流通する。また、循環ポンプ３５が駆動され、熱媒体が燃焼系配管４１ａから熱交換器４２ｂを流通することで、前記燃焼オフガスとの間で熱交換が行われ、熱媒体が加熱される。加熱された熱媒体は、燃焼系配管４１ｂ、熱媒体配管３１ａ、燃料電池ＦＣ内を流通して、燃料電池ＦＣが暖機される。これにより、燃料電池システム１Ａを極低温時で使用したとしても、燃料電池ＦＣの発電特性を向上させることができるため、極低温時での発電効率が向上し、従来の燃料電池システムに比べて燃料消費量（水素消費量）を低減することが可能になる。なお、温度センサ５４から出力される温度情報に基づいて、燃焼器４２ａに供給される水素と空気の各供給量を制御することができる。
【００６０】
そして、燃焼器４２ａから熱交換器４２ｂを通って排出された燃焼オフガス（排ガス）は、燃焼器オフガス配管５２を通って、希釈器６３の上流に接続された希釈系配管６２と合流し、燃料電池ＦＣのカソード極４から排出されたカソードオフガス（主に、空気や水）とともに希釈器６３に送られる。このように希釈器６３に燃焼オフガスを合流させることで、燃焼ヒータ４２において燃焼に不具合があったとしても、燃焼オフガスが希釈器６３で希釈されるので、高濃度の水素が大気中に排出されるのを防止することができる。
【００６１】
そして、図示しない制御装置が暖機の必要がないと判断した場合には、遮断弁４６およびカソードガス流量制御弁４９を閉じて、混合器４３への水素と空気の供給を停止する。その後、温度センサ３７からの温度情報に基づいて燃料電池ＦＣを冷却する必要性が生じた場合には、熱媒体がラジエータ３２を通るように切替弁３３，３４を切り替えるとともに、三方電磁弁３６を通常運転位置に切り替える。これにより、燃料電池ＦＣの発電により発生した熱で加熱された熱媒体が、ラジエータ３２に送られることで放熱・冷却が行われて、この冷却された熱媒体が燃料電池ＦＣに戻されて、燃料電池ＦＣが所定の温度となるまで冷却される。
【００６２】
なお、前記のように燃焼ヒータ４２の熱をすべて燃料電池ＦＣの暖機に使用するのではなく、熱媒体が熱媒体配管３１ｃと暖房用熱交換器７１の双方に流通するように切替弁３３，３４を切り替えるようにしてもよい。これにより、燃焼ヒータ４２で加熱された熱媒体が燃料電池ＦＣ内を流通して燃料電池ＦＣが暖機され、また同時に加熱された熱媒体が暖房用配管７２ａを通って暖房用熱交換器７１を流通して、暖房用熱交換器７１において放熱が行われて車室内の暖房が行われる。このように、燃料電池ＦＣの暖機と、車内の暖房とが並行して運転されている場合には、暖房を行いつつ燃料電池ＦＣの暖機運転を補助することができ、並行運転を行わない場合（暖房のみ行う場合）に比べて燃料電池ＦＣの発電特性を短時間で向上させることが可能になる。このように、熱源の確保が難しい極低温時の使用においても、暖房を利用できるようになる。
【００６３】
（第２実施形態）
図２は第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。なお、第２実施形態の燃料電池システム１Ｂと第１実施形態の燃料電池システム１Ａとの主な相違点は、燃焼系４０Ａの構成である。なお、その他の構成は同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６４】
前記燃焼系４０Ａは、分岐アノードガス供給配管４４Ａを備えている。この分岐アノードガス供給配管４４Ａは、第１実施形態と同様な、水素インジェクタ４５および遮断弁４６を備えており、その一端がアノードガス供給配管１１のレギュレータ１４の下流側に接続され、他端が水素インジェクタ４５を介して分岐カソードガス供給配管４８と接続されている。また、アノードガス供給配管１１に設けられたレギュレータ１４には、カソードガス供給配管２１から分岐した信号圧配管５を介してカソード極４の圧力が信号圧として入力されて、カソード極４側の圧力と、レギュレータ１４の下流のアノード極３側の圧力とが、所定の差圧となるように制御されている。このように、分岐アノードガス供給配管４４Ａの上流をレギュレータ１４の下流に接続することにより、分岐アノードガス供給配管４４Ａの圧力をカソード極４の圧力と所定の差圧に設定することが可能になり、カソードガス流量制御弁４９と水素インジェクタ４５によりねらい通りの水素を噴射できる。したがって、第２実施形態では、前記した水素レギュレータ４７や信号圧供給配管５１を削減して、システムの簡略化を図ることができる。
【００６５】
また、第２実施形態では、燃焼器オフガス配管５２を希釈器６３の下流側において合流するように配置し、その合流部の下流側に水素濃度センサ６４を配置したので、燃焼器４２ａから排出される燃焼オフガスを検知する水素濃度センサと、燃料電池ＦＣから排出されるオフガスを検知する水素濃度センサを共用化することが可能になり、部品点数を削減することが可能になる。
【００６６】
なお、本実施形態では、暖房用熱交換器を第２の熱交換器として説明したが、これに限定されるものではなく、燃料電池以外と熱交換するものであれば、これに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。
【符号の説明】
【００６８】
１Ａ，１Ｂ  燃料電池システム
１１    アノードガス供給配管（燃料ガス供給流路）
１２    アノードオフガス配管（燃料オフガス流路）
２１    カソードガス供給配管（酸化剤ガス供給流路）
２２    カソードオフガス配管（酸化剤オフガス流路）
４２ａ  燃焼器
４２ｂ  熱交換器
４４，４４Ａ  分岐アノードガス供給配管（分岐燃料ガス流路）
４５    水素インジェクタ（燃料ガス供給量制御手段）
４７    水素レギュレータ（圧力制御手段）
４８    分岐カソードガス供給配管（分岐酸化剤ガス流路）
４９    カソードガス流量制御弁（酸化剤ガス流量制御手段）
５１    信号圧供給配管（第２の分岐酸化剤ガス流路）
５２    燃焼器オフガス配管（燃焼器オフガス流路）
６３    希釈器
６４    水素濃度センサ（燃料ガス検出装置）
７１    暖房用熱交換器（第２の熱交換器）
ＦＣ    燃料電池
【図１】
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【図２】
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