(57)【要約】【課題】  水素透過性金属層を備える燃料電池において、水素透過性金属層の水素脆化を抑制する。【解決手段】  燃料電池システム２００は、燃料電池２１０と燃料電池２１０の運転状態を制御する燃料電池制御部２２６を備えている。水素を含む燃料ガスが供給される燃料電池２１０のアノードは、水素透過性金属層を有している。水素脆化抑制部は、水素透過性金属層を加熱することにより、水素透過性金属層の水素脆化を抑制する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
電解質と、前記電解質の一方側に設けられたカソードと、水素透過性金属層を有し前記電解質の他方側に設けられたアノードと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路と、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するアノード流路と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池の運転状態を制御する燃料電池制御部と、
前記水素透過性金属層を加熱することによって、前記水素透過性金属層の水素脆化を抑制する水素脆化抑制部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の始動時に前記水素脆化抑制部を作動させ前記水素透過性金属層を加熱する第１の加熱モードを有する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記水素透過性金属層の温度に関するパラメータを取得する温度パラメータ取得部を備え、
前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の温度以下の場合に前記水素脆化抑制部を作動させ前記水素透過性金属層を加熱する第２の加熱モードを有する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池システムであって、
前記所定の温度は２００℃以上の温度である、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項３または４記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池が外部の負荷に電力を供給しない給電停止時である場合にのみ前記第２の加熱モードを実行する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池が外部の負荷に電力を供給しない給電停止時に前記水素脆化抑制部を作動させ前記水素透過性金属層を加熱する第３の加熱モードを有する、燃料電池システム。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノード流路に水素を含まないパージガスを供給するパージガス供給部を備え、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムと前記外部の負荷との状態に基づいて前記パージガス供給部を作動させ前記アノード流路を前記パージガスでパージするパージモードを有しており、前記パージモードを前記第３の加熱モードの実行の後に実行する、燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池が給電停止状態になった後、前記パージモードを実行することなく前記第３の加熱モードを実行し、前記パージモードを前記第３の加熱モードの実行の後に実行する、燃料電池システム。
【請求項９】
請求項５記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記アノード流路に水素を含まないパージガスを供給するパージガス供給部を備え、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムと前記外部の負荷との状態に基づいて前記パージガス供給部を作動させ前記アノード流路を前記パージガスでパージするパージモードを有しており、前記パージモードを前記第２の加熱モードの実行の後に実行する、燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池が給電停止状態となった後、前記パージモードを実行することなく前記第２の加熱モードを実行し、前記パージモードを前記第２の加熱モードの実行の後に実行する、燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項７ないし１０のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムの状態が、前記燃料電池システムを通常運転状態に復帰させる前に所定の始動運転を必要とする状態となった場合に前記パージモードを実行する、燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記水素透過性金属層を加熱するための加熱流体が導入される加熱流路を有しており、
前記水素脆化抑制部は、前記加熱流路に前記加熱流体を供給する、燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の燃料電池システムであって、
前記加熱流路は、前記燃料電池の異なる位置に設けられた複数の加熱流体供給口を備え、
前記水素脆化抑制部は、前記複数の加熱流体供給口に前記加熱流体を供給する、燃料電池システム。
【請求項１４】
請求項１２または１３記載の燃料電池システムであって、
前記加熱流路は、前記アノード流路と前記カソード流路の少なくとも一方の流路である、燃料電池システム。
【請求項１５】
請求項１２ないし１４のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記加熱流路は、触媒燃焼を促進するための酸化触媒を備える、燃料電池システム。
【請求項１６】
請求項１２ないし１５のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記加熱流体は、可燃性成分と酸化性成分との少なくとも一方を含む反応性流体である、燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の燃料電池システムであって、
前記水素脆化抑制部は、前記酸化性成分に対する前記可燃性成分の比が量論比より高い第１種の反応性流体と、前記酸化性成分に対する前記可燃性成分の比が量論比より低い第２種の反応性流体とを前記加熱流路の入口に時間的に交互に供給する、燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項１２ないし１５のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記水素脆化抑制部は、可燃性成分と酸化性成分との燃焼により生成される燃焼ガスを前記加熱流路に供給する燃焼ガス供給部と、前記燃焼ガス供給部に前記可燃性成分と前記酸化性成分とを含む反応性流体を供給する反応性流体供給部とを備える、燃料電池システム。
【請求項１９】
請求項１８記載の燃料電池システムであって、
前記反応性流体供給部は、前記燃焼ガス供給部が可燃性成分を含むガスと酸化性成分を含むガスとを前記加熱流路の入口に時間的に交互に供給するように、前記酸化性成分に対する前記可燃性成分の比が量論比より高い第１種の反応性流体と、前記酸化性成分に対する前記可燃性成分の比が量論比より低い第２種の反応性流体とを前記燃焼ガス供給部のガスの入口に時間的に交互に供給する、燃料電池システム。
【請求項２０】
請求項１ないし１１のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記水素脆化抑制部は、前記燃料電池に接続される抵抗値可変の負荷を備えており、
前記燃料電池制御部は、前記抵抗値可変の負荷の抵抗値を低減することにより前記水素透過性金属層を加熱する、燃料電池システム。
【請求項２１】
請求項１ないし２０のいずれか記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は、前記燃料電池を冷却するための燃料電池冷却部を備えており、
前記水素脆化抑制部は、さらに、前記燃料電池冷却部の作動を停止させることにより前記水素透過性金属層の温度の低下を抑制する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素透過膜型燃料電池の水素透過性金属層の水素脆化を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素系の改質原料から生成される改質ガスを燃料とする燃料電池では、改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）を低減するため改質ガスの精製が行われる。改質ガスの精製は、改質器に設けられた選択酸化部や水素透過膜を備える水素精製器等の精製装置によって行われる。このような精製装置を設けることによる燃料電池システムの複雑化を避けるため、精製されていない改質ガスを燃料に使用可能な電解質層に水素透過性金属層を備える燃料電池が提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９９１０５号公報
【特許文献２】特開２００３−９５６０８号公報
【０００４】
しかしながら、水素透過性金属は、低温で水素に接すると水素を吸収して水素脆化を生じる。そのため、水素透過性金属層を備える燃料電池では、燃料電池の停止時等の燃料電池の温度が低下している場合、水素透過性金属層の水素脆化により燃料電池の耐久性が損なわれる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、水素透過性金属層を備える燃料電池において、水素透過性金属層の水素脆化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、電解質と、前記電解質の一方側に設けられたカソードと、水素透過性金属層を有し前記電解質の他方側に設けられたアノードと、前記カソードに酸化剤ガスを供給するカソード流路と、前記アノードに水素を含む燃料ガスを供給するアノード流路と、を有する燃料電池と、前記燃料電池の運転状態を制御する燃料電池制御部と、前記水素透過性金属層を加熱することによって、前記水素透過性金属層の水素脆化を抑制する水素脆化抑制部と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、水素透過性金属層の温度が水素脆化を回避できる温度以上に維持できるので、水素透過性金属層の水素脆化を抑制することができる。
【０００８】
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池の始動時に前記水素脆化抑制部を作動させ前記水素透過性金属層を加熱する第１の加熱モードを有するものとしても良い。
【０００９】
この構成によれば、水素透過性金属層が低温の始動時において水素透過性金属層を加熱できるので、水素透過性金属の水素脆化を抑制することができる。
【００１０】
前記燃料電池システムは、さらに、前記水素透過性金属層の温度に関するパラメータを取得する温度パラメータ取得部を備え、前記燃料電池制御部は、前記温度パラメータによって表される前記水素透過性金属層の温度が所定の温度以下の場合に前記水素脆化抑制部を作動させ前記水素透過性金属層を加熱する第２の加熱モードを有するものとしても良い。
【００１１】
この構成によれば、不要な加熱を避けることができるので、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００１２】
前記所定の温度は２００℃以上の温度であるものとしても良い。
【００１３】
この構成によっても、不要な加熱を避けることができるので、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００１４】
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池が外部の負荷に電力を供給しない給電停止時である場合にのみ前記第２の加熱モードを実行するものとしても良い。
【００１５】
この構成によれば、給電停止時の燃料の消費を抑制できるので、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００１６】
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池が外部の負荷に電力を供給しない給電停止時に前記水素脆化抑制部を作動させ前記水素透過性金属層を加熱する第３の加熱モードを有するものとしても良い。
【００１７】
この構成によっても、給電停止時の燃料の消費を抑制できるので、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００１８】
前記燃料電池システムは、さらに、前記アノード流路に水素を含まないパージガスを供給するパージガス供給部を備え、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムと前記外部の負荷との状態に基づいて前記パージガス供給部を作動させ前記アノード流路を前記パージガスでパージするパージモードを有しており、前記パージモードを前記第３の加熱モードの実行の後に実行するものとしても良い。
【００１９】
この構成によれば、不要なパージを抑制することができるので、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００２０】
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池が給電停止状態になった後、前記パージモードを実行することなく前記第３の加熱モードを実行し、前記パージモードを前記第３の加熱モードの実行の後に実行するものとしてもよい。
【００２１】
この構成によれば、パージの実行による燃料電池の温度低下が抑制できるので、燃料電池の再起動が容易となる。
【００２２】
前記燃料電池システムは、さらに、前記アノード流路に水素を含まないパージガスを供給するパージガス供給部を備え、前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムと前記外部の負荷との状態に基づいて前記パージガス供給部を作動させ前記アノード流路を前記パージガスでパージするパージモードを有しており、前記パージモードを前記第２の加熱モードの実行の後に実行するものとしても良い。
【００２３】
この構成によっても、不要なパージを抑制することができるので、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００２４】
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池が給電停止状態となった後、前記パージモードを実行することなく前記第２の加熱モードを実行し、前記パージモードを前記第２の加熱モードの実行の後に実行するものとしても良い。
【００２５】
この構成によっても、パージの実行による燃料電池の温度低下が抑制できるので、燃料電池の再起動が容易となる。
【００２６】
前記燃料電池制御部は、前記燃料電池システムの状態が、前記燃料電池システムを通常運転状態に復帰させる前に所定の始動運転を必要とする状態となった場合に前記パージモードを実行するものとしても良い。
【００２７】
この構成によれば、燃料電池システムの運転停止が短時間の場合にアノード流路がパージされないので、燃料電池システムの再起動が容易となる。
【００２８】
前記燃料電池は、前記水素透過性金属層を加熱するための加熱流体が導入される加熱流路を有しており、前記水素脆化抑制部は、前記加熱流路に前記加熱流体を供給するものとしても良い。
【００２９】
この構成によれば、水素透過性金属層を加熱するための加熱装置を燃料電池に組み込むことなく水素透過性金属層を加熱できるので、燃料電池の構成が簡単になる。
【００３０】
前記加熱流路は、前記燃料電池の異なる位置に設けられた複数の加熱流体供給口を備え、前記水素脆化抑制部は、前記複数の加熱流体供給口に前記加熱流体を供給するものとしても良い。
【００３１】
この構成によれば、燃料電池の加熱流路内の温度分布をより均一にできるので、水素透過性金属層各部を適当な温度とすることができる。
【００３２】
前記加熱流路は、前記アノード流路と前記カソード流路の少なくとも一方の流路であるものとしても良い。
【００３３】
この構成によれば、水素透過性金属層を直接加熱できるので、水素透過性金属層の加熱に要するエネルギが低減でき、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００３４】
前記加熱流路は、触媒燃焼を促進するための酸化触媒を備えるものとしても良い。
【００３５】
この構成によれば、燃料電池を直接加熱できるので、水素透過性金属層の加熱に要するエネルギが低減でき、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００３６】
前記加熱流体は、可燃性成分と酸化性成分との少なくとも一方を含む反応性流体であるものとしても良い。
【００３７】
この構成によっても、水素透過性金属層を加熱するための加熱装置を燃料電池に組み込むことなく水素透過性金属層を加熱できるので、燃料電池の構成が簡単になる。
【００３８】
前記水素脆化抑制部は、前記酸化性成分に対する前記可燃性成分の比が量論比より高い第１種の反応性流体と、前記酸化性成分に対する前記可燃性成分の比が量論比より低い第２種の反応性流体とを前記加熱流路の入口に時間的に交互に供給するものとしても良い。
【００３９】
この構成によっても、燃料電池の加熱流路内の温度分布をより均一にできるので、水素透過性金属層各部を適当な温度とすることができる。
【００４０】
前記水素脆化抑制部は、可燃性成分と酸化性成分との燃焼により生成される燃焼ガスを前記加熱流路に供給する燃焼ガス供給部と、前記燃焼ガス供給部に前記可燃性成分と前記酸化性成分とを含む反応性流体を供給する反応性流体供給部とを備えるものとしても良い。
【００４１】
この構成によっても、燃料電池の加熱流路内の温度分布をより均一にできるので、水素透過性金属層各部を適当な温度とすることができる。また、燃料電池を直接加熱できるので、水素透過性金属層の加熱に要するエネルギが低減でき、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００４２】
前記反応性流体供給部は、前記燃焼ガス供給部が可燃性成分を含むガスと酸化性成分を含むガスとを前記加熱流路の入口に時間的に交互に供給するように、前記酸化性成分に対する前記可燃性成分の比が量論比より高い第１種の反応性流体と、前記酸化性成分に対する前記可燃性成分の比が量論比より低い第２種の反応性流体とを前記燃焼ガス供給部のガスの入口に時間的に交互に供給するものとしても良い。
【００４３】
この構成によっても、燃料電池の加熱流路内の温度分布をより均一にできるので、水素透過性金属層各部を適当な温度とすることができる。
【００４４】
前記水素脆化抑制部は、前記燃料電池に接続される抵抗値可変の負荷を備えており、前記燃料電池制御部は、前記抵抗値可変の負荷の抵抗値を低減することにより前記水素透過性金属層を加熱するものとしても良い。
【００４５】
この構成によれば、燃料電池に加熱流体を供給する装置を用いることなく水素透過性金属層を加熱できるので、燃料電池システムの構成が簡単になる。
【００４６】
前記燃料電池は、前記燃料電池を冷却するための燃料電池冷却部を備えており、前記水素脆化抑制部は、さらに、前記燃料電池冷却部の作動を停止させることにより前記水素透過性金属層の温度の低下を抑制するものとしても良い
【００４７】
この構成によれば、燃料電池に加えられる熱が燃料電池冷却部によって奪われないので、水素透過性金属層の加熱に要するエネルギが低減でき、燃料電池システムの燃費を改善することができる。
【００４８】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの制御装置または制御方法、その制御装置を備えた車両、その制御装置または制御方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、等の態様で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．第４実施例：
Ｅ．第５実施例：
Ｆ．第６実施例：
Ｇ．第７実施例：
Ｈ．変形例：
【００５０】
Ａ．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図である。この電気自動車１００は、電源システム１５を備えている。電源システム１５は、配線４０を介して高圧補機２８と、駆動インバータ２６とに接続されている。駆動インバータ２６に接続される駆動モータ３０は、この電気自動車１００の推進力を発生するためのものである。この駆動モータ３０と高圧補機２８とは、電源システム１５の負荷となる。
【００５１】
電源システム１５は、燃料電池システム２００と、２次電池２２とを備えている。２次電池２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を介して配線４０に接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と燃料電池２１０とは、上記配線４０に対して並列に接続されている。
【００５２】
２次電池２２は、燃料電池システム２００の始動時に、燃料電池システム２００の各部を駆動するための電力を供給したり、燃料電池システム２００の暖機運転が完了するまでの間、各負荷に対して電力を供給する。また、２次電池２２は、燃料電池２１０の電力供給量が不足するときに、その不足分の電力を供給する。２次電池２２には、２次電池２２の残存容量（ＳＯＣ）を検出するための残存容量モニタ２３が設けられている。残存容量モニタ２３としては、２次電池２２における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータや、電圧センサを利用することができる。
【００５３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、出力側の目標電圧値を設定することによって、配線４０における電圧を調節する。燃料電池２１０の出力側の電圧である配線４０における電圧が調節されることにより、燃料電池２１０からの出力電力が調節される。
【００５４】
駆動モータ３０は、同期モータであって、回転磁界を形成するための三相コイルを備えている。電源システム１５から供給される電力は、駆動インバータ２６によって三相交流に変換されて、駆動モータ３０に供給される。駆動モータ３０の出力軸３４は、減速ギヤ３２を介して車両駆動軸３６に接続している。駆動軸３６には、車速センサ３７が設けられている。
【００５５】
高圧補機２８は、電源システム１５から供給される３００Ｖ以上の電圧をそのまま利用する。高圧補機２８としては、例えば、燃料電池２１０に空気を供給するためのポンプや、改質原料を供給するためのポンプを挙げることができる。これらの装置は、燃料電池システム２００に含まれる装置であるが、図１においては、電源システム１５の外側に、高圧補機２８として示した。さらに、高圧補機２８としては、燃料電池システム２００に含まれるものの他に、例えば電気自動車１００が備える空調装置（エアコン）が含まれる。
【００５６】
電気自動車１００は、制御部５０をさらに備えている。制御部５０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭタイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されている。制御部５０が取得する入力信号としては、既述した残存容量モニタ２３が出力する信号や、車速センサ３７が出力する信号が挙げられる。さらに制御部５０には、駆動モータ３０の起動スイッチのオン・オフ信号や、電気自動車１００におけるシフト位置、フットブレーキのオン・オフ、アクセル開度を示す信号等が入力される。これらの信号を取得して、制御部５０は、種々の制御処理を実行し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４、燃料電池システム２００の各部、駆動インバータ２６、高圧補機２８などに駆動信号を出力する。
【００５７】
図２は、第１実施例における燃料電池システム２００の構成を示す説明図である。燃料電池システム２００は、燃料電池制御部２２６と、燃料電池２１０と、改質器２３０と、浄化器２３４と、負荷２０２とを備えている。なお、図２の負荷２０２は、図１の高圧補機２８および駆動モータ３０に相当する。
【００５８】
燃料電池２１０は、アノード流路２１２と、カソード流路２１４と、出力端子２１６，２１８と、熱交換器２２０とを備えている。なお、燃料電池２１０は、アノードと、カソードと、電解質とを有する単セル（後述する）を複数積層した燃料電池スタックを有しているが、図２では図示の便宜上簡略化して描かれている。
【００５９】
アノード流路２１２に導入される燃料ガスには燃料として水素が含まれ、カソード流路２１４に導入される酸化剤ガスには酸化剤として酸素が含まれている。これらの水素と酸素は、それぞれ単セル中のアノードとカソードに供給され燃料電池反応により消費される。燃料電池反応により水素濃度が低下した燃料ガスは、アノードオフガスとして燃料電池２１０から排出される。同様に、酸素濃度が低下した酸化剤ガスは、カソードオフガスとして燃料電池２１０から排出される。燃料電池反応に伴って発生する電力は、出力端子２１６，２１８から配線４０を通して負荷２０２に供給される。
【００６０】
アノード流路２１２の第１の流路端２１２ａは、第１の燃料ガス配管２４４と燃料ガス供給バルブ２９０と第２の燃料ガス配管２４２とを介して燃料ガスの供給源である改質器２３０に接続されている。改質器２３０は、炭化水素系の改質原料と、別途供給される水蒸気および空気とを反応させることにより改質原料を改質して燃料ガスを生成する。改質原料は、改質原料供給ポンプ２８２により、外部の改質原料供給部から改質原料配管２４０を介して改質器２３０に供給される。
【００６１】
アノード流路２１２の第２の流路端２１２ｅは、アノードオフガス配管２６２を介して浄化器２３４に接続されている。浄化器２３４は、アノードオフガス中の可燃性の成分を燃焼させて不活性化した後、その排気を大気中に放出する。
【００６２】
第１のアノード流路端２１２ａは、さらに、パージガス供給配管３０２を介してパージガス供給ポンプ３００にも接続されている。パージガス供給ポンプ３００は、水素を含まないパージガスをアノード流路２１２に供給する。パージガスとしては、例えば、空気を利用することができる。燃料電池システム２００の運転を停止する際には、燃料ガス供給バルブ２９０が閉じられパージガス供給ポンプ３００が駆動されることにより、アノード流路２１２は水素を含まないパージガスによって置換される。
【００６３】
カソード流路２１４の第１の流路端２１４ａは、酸化剤ガス配管２５０を介して第１の空気供給ポンプ２８４に接続されている。第１の空気供給ポンプ２８４は、酸化剤ガスとしての空気を加圧してカソード流路２１４に供給する。カソードオフガスは、カソード流路２１４の第２の流路端２１４ｅから図示しない配管を通して大気中に排出される。
【００６４】
第１のカソード流路端２１４ａは、さらに、第１の加熱ガス配管２５２と加熱ガス供給バルブ２９２と第２の加熱ガス配管２４６とを介して、第２の燃料ガス配管２４２に接続されている。加熱ガス配管２５２，２４６と加熱ガス供給バルブ２９２の使用方法については後述する。
【００６５】
燃料電池２１０に設けられた熱交換器２２０は、冷却ガス流路２２２を備えている。冷却ガス流路２２２の第１の流路端２２２ａは、冷却ガス配管２６０を介して第２の空気供給ポンプ２８０に接続されている。冷却ガス流路２２２の第１の流路端２２２ａから供給された空気は冷却ガス流路２２２を通過する際に燃料電池２１０を冷却し、冷却ガス流路２２２の第２の流路端２２２ｅから放出される。
【００６６】
燃料電池システム２００は、燃料電池制御部２２６によって制御される。燃料電池制御部２２６は、改質器２３０に接続された温度センサ２８８や燃料電池２１０に接続された温度センサ２８６等から得られる燃料電池システム２００各部の温度と、負荷２０２の動作状態に関する情報を取得する。そして、燃料電池制御部２２６は、取得したこれらの情報に基づいてポンプ２８０，２８８，３００やバルブ２９０，２９２等の燃料電池システム２００の各部を制御する。なお、燃料電池制御部２２６は、制御部５０（図１）に組み込まれるものとしても良く、制御部５０とは別個のマイクロコンピュータとして構成されても良い。
【００６７】
燃料電池制御部２２６は、燃料電池２１０を加熱するための運転モード（加熱モード）を備えている。第１実施例の加熱モードでは、燃料電池制御部２２６は、燃料ガス供給バルブ２９０を閉じるとともに、加熱ガス供給バルブ２９２を開ける。燃料ガス供給バルブ２９０を閉じることにより、アノード流路２１２への燃料ガスの供給は停止される。
【００６８】
加熱ガス供給バルブ２９２を開けることにより、第２の燃料ガス配管２４２と第１のカソード流路端２１４ａは、第１の加熱ガス配管２５２と加熱ガス供給バルブ２９２と第２の加熱ガス配管２５２とを介して接続される。第２の燃料ガス配管２４２と第１のカソード流路端２１４ａが接続されることにより、改質器２３０によって生成される燃料ガスは、加熱ガスとしてカソード流路２１４に供給される。第１の空気供給ポンプ２８４と第１のカソード流路端２１４ａは、酸化剤ガス配管２５０を介して接続されているので、酸化剤ガスもカソード流路２１４に供給される。
【００６９】
第１のカソード流路２１４には、燃料ガスと酸化剤ガス（以下、これらのガスを併せて「反応性ガス」とも呼ぶ）が同時に供給される。そのため、カソード流路２１４内では燃料ガスと酸化剤ガスとは混合され、燃焼を起こしうる混合ガスになる。この混合ガスは、カソード流路２１４に接し酸化触媒としての活性を有するカソードの働きによりカソード流路２１４内で燃焼反応を起こす。燃料電池２１０は、この燃焼反応により生じた熱により加熱される。
【００７０】
図３は、燃料電池２１０を構成する単セル４００の構造を示す断面模式図である。燃料電池２１０は、単セル４００が積層された燃料電池スタックを有している。単セル４００は、電解質層４１０と、電解質層４１０を両側から挟み込む２枚のセパレータ４２２，４２４とを備えている。これら２枚のセパレータ４２２，４２４は、プレス成形されたカーボンなどのガス不透性と導電性とを有する材料で形成されている。
【００７１】
電解質層４１０は、固体酸化物からなる電解質４１４と、白金（Ｐｔ）を含むカソード４１２とパラジウム（Ｐｄ）を含むアノード４２０とを有している。電解質４１４としては、例えば、ＢａＣｅＯ3系や、ＳｒＣｅＯ3系のセラミックスプロトン伝導体などを用いることができる。なお、本実施例では、本実施例ではカソードに白金を使用しているが、ロジウム（Ｒｈ）等の他の貴金属やＬａＧａＭｎＯ3等の導電性セラミックスをカソードに使用しても良い。
【００７２】
アノード４２０は、水素分子を解離させるための水素分子解離層４１８と水素透過性金属層４１６とを有している。水素分子解離層４１８としては、例えば、パラジウムの薄膜を使用することができる。水素透過性金属層４１６の材料としては、例えば、パラジウムやバナジウム（Ｖ）等の単体金属、もしくは、パラジウムやバナジウムを含む合金を使用することができる。
【００７３】
第１のセパレータ４２２と第２のセパレータ４２４には、それぞれ電解質層４１０に面した側に凹部が設けられている。第１のセパレータ４２２に設けられた凹部は、カソード４１２との間に酸化剤ガス流路４３２（図２のカソード流路２１４に相当する）を形成する。また、第２のセパレータ４２４に設けられた凹部は、アノード４２０との間に燃料ガス流路４３４（図２のアノード流路２１２に相当する）を形成する。
【００７４】
燃料ガス流路４３４に導入された燃料ガス中の水素分子は、水素分子解離層４１８で解離してプロトンになる。解離したプロトンは、水素透過性金属層４１６を介して電解質４１４に到達する。電解質４１４はプロトンをカソード４１２に供給する。カソード４１２では、アノード４２０側から供給されたプロトンと酸化剤ガス流路４３２に導入された酸化剤ガス中の酸素とが反応し水を生成する。この燃料電池反応は、電解質４１４を介したプロトンの移動に伴い、外部の導体を通して電子がアノード４２０からカソード４１２に移動することにより進行する。
【００７５】
上述のように、燃料電池制御部２２６（図２）が加熱モードを実行している場合、酸化剤ガス流路４３２には、酸化剤ガスと燃料ガスとが混合されたガスが導入される。この酸化剤ガスと燃料ガスとの混合ガスは、カソード４１２に含まれる白金により触媒燃焼しカソード４１２を加熱する。水素透過性金属層４１６は、カソード４１２側で発生した熱が電解質４１４を介して伝達されることにより加熱される。なお、説明の便宜上、本明細書において、水素透過性金属層４１６を加熱することを「燃料電池２１０を加熱する」と言い、また、水素透過性金属層４１６の温度を「燃料電池２１０の温度」と言う。
【００７６】
図４は、第１実施例における燃料電池システム２００（図２）の始動の様子を示す説明図である。燃料電池制御部２２６（図２）は、起動スイッチ（電気自動車１００（図１）のキースイッチ）がオフの状態からオンの状態に切り換えられたとき（以下、この時点を「起動時ｔS」とも呼ぶ）燃料電池システム２００を始動させる。なお、起動時ｔSの時点では、燃料ガス供給バルブ２９０（図２）は、起動時ｔS以前の運転停止時に閉じられた状態が維持されている。また、加熱ガス供給バルブ２９２（図２）は、起動時ｔS以前の加熱モードの実行停止時に閉じられた状態が維持されている。
【００７７】
図４（ａ）は、燃料電池２１０（図２）の温度ＴFCが時間の経過に従って変化する様子を示し、図４（ｂ）は、燃料電池２１０を加熱する燃料電池システム２００の運転モードである加熱モードの実行状態の時間変化を示している。また、図４（ｃ）は、燃料電池２１０からの出力電力Ｐoutが時間の経過に従って変化する様子を示している。
【００７８】
図４（ａ）に示されるように起動時ｔS以前は、燃料電池温度ＴFCは常温ＴN（外気温と略同一の温度）となっている。起動スイッチがオンになると、燃料電池制御部２２６は、加熱ガス供給バルブ２９２を開いて加熱モードを実行する。燃料電池温度ＴFCは、上述のように、燃料ガスと酸化剤ガスがカソード流路２１４（図２）に供給されることにより上昇する。
【００７９】
なお、燃料電池システム２００の始動には、改質器２３０（図２）の温度も低下している。改質器２３０が低温の場合、改質器２３０は、改質されない改質原料をそのまま燃料ガスとして供給する。この場合であっても、カソード流路２１４内では触媒燃焼が起こるので、燃料電池２１０が加熱されて燃料電池温度ＴFCが上昇する。
【００８０】
燃料電池制御部２２６は、起動時ｔsから所定の時間ｔh（＝ｔg−ｔs）が経過するまで加熱モードを実行し続ける。なお、燃料電池制御部２２６が加熱モードを実行し続ける所定の時間ｔh（以下、「暖機時間ｔh」とも呼ぶ）は、加熱モードを実行した場合の燃料電池温度ＴFCの時間あたりの上昇率から、燃料電池温度ＴFCが所定の基準温度Ｔrに到達するまでの時間を実験等により求めることで決定できる。
【００８１】
所定の基準温度Ｔrは、以下のように設定されるのが好適である。基準温度Ｔrは、水素透過性金属層４１６（図３）の水素脆化を回避可能な温度に基づいて設定される。水素透過性金属層４１６は、低温状態で水素に接すると、水素を吸収して水素脆化を生じる。基準温度Ｔrは、こうした特性を考慮して、例えば、水素透過性金属層４１６が水素に接触しても過度の水素脆化が生じることを回避できる下限値よりも若干高い値とすることができる。例えば、水素透過性金属層４１６にパラジウムを用いた場合、基準温度Ｔrは２００℃以上の任意の温度に設定できる。
【００８２】
起動時ｔsから暖機時間ｔhが経過すると（以下、この時点を「出力開始時ｔg」とも呼ぶ）、燃料電池制御部２２６は加熱ガス供給バルブ２９２を閉じて加熱モードの実行を停止する。燃料電池制御部２２６は、加熱モードの実行停止と同時に、燃料ガス供給バルブ２９０を開ける。燃料ガス供給バルブ２９０が開けられることにより燃料電池２１０への燃料ガスの供給が開始されると、図４（ｃ）に示されるように、燃料電池２１０は電力の出力を開始する。出力開始時ｔg以後は発熱反応である燃料電池反応により燃料電池２１０が加熱されるので、図４（ａ）で示されるように、燃料電池温度ＴFCは基準温度Ｔr以上に維持される。
【００８３】
このように、第１実施例では、燃料電池２１０の始動時に、燃料ガスをアノード流路２１２に供給することなく、カソード流路２１４に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することによって、燃料電池２１０を加熱することができる。そのため、低温状態の水素透過性金属層４１６が水素と接触させられないので、水素透過性金属層４１６の水素脆化が抑制できる。
【００８４】
なお、第１実施例では、燃料電池制御部２２６は、燃料電池システム２００の起動時ｔSからの時間に基づいて加熱モードを実行しているが、この代わりに、燃料電池温度ＴFCが所定の基準温度Ｔr以下である場合に加熱モードを実行するものとしても良い。この場合、燃料電池温度ＴFCは、燃料電池２１０に設けられた温度センサ２８６（図２）から供給される温度を表すパラメータから、適当な換算を行うことにより求められる。
【００８５】
また、第１実施例では、燃料電池制御部２２６は、燃料電池システム２００の起動時ｔSから加熱モードを実行しているが、加熱モードは起動時ｔsの後、所定の条件が満たされたときから実行されるようにしても良い。燃料電池制御部２２６は、例えば、改質器２３０の温度が水素を含む燃料ガスの生成が可能な改質可能温度Ｔc以上となった時点から加熱モードを実行するものとしても良い。この場合、燃料ガス中には着火が容易な水素が含まれるので、カソード流路２１４中での燃焼反応の維持が容易となる。
【００８６】
Ｂ．第２実施例：
図５は、第２実施例における燃料電池システム２００ａの構成を示す説明図である。第１実施例における燃料電池システム２００（図２）とは、加熱ガスである燃料ガスが複数の加熱ガス供給口からカソード流路２１５に供給される点で異なっている。なお、他の構成については第１実施例とほぼ同一である。
【００８７】
燃料電池２１０ａのカソード流路２１５に燃料を供給する加熱ガス配管２５２ａは、加熱ガス供給バルブ２９２と第１のカソード流路端２１５ａとの間に分岐を有している。加熱ガス配管２５２ａから分岐した配管は、さらに２つに分岐してカソード流路２１５の途中に設けられた２つの加熱ガス供給口２１５ｂ，２１５ｃに接続されている。
【００８８】
燃料ガスは、加熱ガス供給バルブ２９２が開くことにより、第１のカソード流路端２１５ａと加熱ガス供給口２１５ｂ，２１５ｃとからカソード流路２１５に供給される。そして、燃料電池２１０ａは、カソード流路２１５に供給された燃料ガスの燃焼反応により生じた熱により加熱される。
【００８９】
図６は、第１実施例と第２実施例において、燃料電池２１０（図２），２１０ａ（図５）の温度がカソード流路２１４（図２），２１５（図５）中のガスの流れ方向に沿って変化する様子を示す説明図である。図６の各グラフの横軸は、カソード流路２１４，２１５中のガスの流れ方向に沿った第１のカソード流路端２１４ａ，２１５ａからの位置（以下、「カソード流れ方向位置」と呼ぶ）を示している。
【００９０】
図６（ａ）の破線は、第１実施例におけるカソード流路２１４中の燃料濃度とカソード流れ方向位置との関係を示している。また、図６（ａ）の実線は、カソード流路２１４内での燃焼反応の反応量とカソード流れ方向位置との関係を示している。第１実施例では、燃料ガスは第１のカソード流路端２１４ａのみから供給される。燃料はカソード流路２１４内の燃焼反応により消費されるので、上流の第１のカソード流路端２１４ａから下流の第２のカソード流路端２１４ｅに向かって燃料濃度が低下していく。燃料濃度の低下に伴い、燃焼反応の反応量と燃焼による発熱量は上流から下流に向かって急激に減少する。
【００９１】
図６（ｂ）の破線は、第２実施例におけるカソード流路２１５中の燃料濃度とカソード流れ方向位置との関係を示している。また、図６（ｂ）の実線は、カソード流路２１５内での燃焼反応の反応量とカソード流れ方向位置との関係を示している。第２実施例では、燃料ガスは第１のカソード流路端２１５ａと、それよりも下流側に設けられた２つの加熱ガス供給口２１５ｂ，２１５ｃとのそれぞれから供給される。そのため、第２実施例でのカソード流路２１５の全体を通じた燃料濃度の変化は、第１実施例の場合と比較して少なくなる。第２実施例では燃料濃度の変化が少ないため、燃焼反応の反応量と燃焼による発熱量は第１実施例の場合よりも均一となる。
【００９２】
図６（ｃ）は、第１実施例の燃料電池２１０と第２実施例の燃料電池２１０ａのそれぞれの温度とカソード流れ方向位置との関係を示している。上述のように第１実施例では、発熱量はカソード流路２１４の上流から下流に向かって急激に減少する。そのため、カソード流路２１４の上流側と下流側とでは燃料電池２１０の温度差が大きくなる。一方、第２実施例では、発熱量が第１実施例の場合よりも均一であるので、カソード流路２１５の上流側と下流側の燃料電池２１０ａの温度差が小さくなる。
【００９３】
このように、第２実施例では、カソード流路２１５の上流側と下流側の燃料電池２１０ａの温度差が小さくなる。そのため、第２実施例は、カソード流路２１５の上流側と下流側の全領域で燃料電池２１０ａを適当な温度とすることが容易である点で第１実施例よりも好ましい。一方、第１実施例は、第１のカソード流路端２１４ａの他に加熱ガス供給口を設けないので、燃料電池２１０の構造が簡単になる点で第２実施例よりも好ましい。
【００９４】
Ｃ．第３実施例：
図７は、第３実施例における燃料電池システム２００ｂの構成を示す説明図である。第１実施例における燃料電池システム２００（図２）とは、燃料電池２１０を加熱する加熱ガスとして、燃焼器２３２で生成された高温の燃焼ガスを用いる点で異なっている。なお、他の構成については第１実施例とほぼ同一である。
【００９５】
燃料電池システム２００ｂは、酸化触媒を有する燃焼器２３２を備えている。燃焼器２３２は、配管２４８ａ，２４８ｂとバルブ２９４とを介して第２の燃料ガス配管２４２に接続され、また、配管２５４ａ，２５４ｂとバルブ２９６とを介して酸化剤ガス配管２５０に接続されている。
【００９６】
燃焼器２３２への反応性ガスの供給は、２つのバルブ２９４，２９６が同時に開くことにより行われる。燃焼器２３２に設けられた酸化触媒の働きにより、反応性ガスから高温の燃焼ガスを生成される。燃焼器２３２で生成された燃焼ガスは、燃焼ガス供給配管２５８を介して第１のカソード流路端２１４ａに供給される。そして、燃料電池２１０は、第１のカソード流路端２１４ａから供給される燃焼ガスにより加熱される。
【００９７】
このように、第３実施例によっても、第１または第２実施例と同様に燃料電池２１０を加熱できる。さらに、第３実施例は、カソード流路２１４内での燃焼反応による局所的な温度上昇が抑制できる点で、第１または第２実施例よりも好ましい。一方、第１または第２実施例は、燃焼器２３２が不要となり燃料電池システムの構成がより簡単になる点で第３実施例よりも好ましい。
【００９８】
なお、第３実施例では、燃焼器２３２で生成された高温の燃焼ガスをカソード流路２１４に直接供給しているが、カソード流路２１４には燃料電池２１０の温度よりも高温の加熱ガスが供給できればよい。高温の加熱ガスとしては、例えば、燃焼器２３２で生成された高温の燃焼ガスが供給される熱交換器により加熱された空気やカソードオフガス等を用いることができる。この場合、加熱ガスにはＣＯ等の不純物量が少ないので燃料電池２１０の劣化を抑制することができる。
【００９９】
Ｄ．第４実施例：
図８は、第４実施例における燃焼器２３２（図７）への反応性ガスの供給量とカソード流路２１４（図７）内での燃焼ガス量の時間変化を示す説明図である。第４実施例は、燃料ガスが間欠的に燃焼器２３２へ供給される点で第３実施例と異なっている。なお、装置の構成は、図７に示した第３実施例と同一であるので、ここではその説明を省略する。
【０１００】
図８（ａ）の破線は、燃焼器２３２に供給される酸化剤ガスの量が時間の経過に従って変化する様子を示している。燃料電池制御部２２６（図７）は、燃焼器２３２に酸化剤ガスを供給するバルブ２９６（図７）を開けた状態を維持する。バルブ２９６が開けた状態に維持されることにより、燃焼器２３２にはほぼ一定量の酸化剤ガスが供給される。
【０１０１】
図８（ａ）の実線は、燃焼器２３２に供給される燃料ガスの量が時間の経過に従って変化する様子を示している。燃料電池制御部２２６は、燃焼器２３２に燃料ガスを供給するバルブ２９４（図７）を休止時間ｔ1の間閉じ、バルブ２９４を供給時間ｔ2の間開ける。バルブ２９４が間欠的に開閉されることにより、燃焼器２３２には間欠的に燃料ガスが供給される。なお、燃料ガスが供給されている供給時間ｔ2の間は、燃焼器２３２へ供給される反応性ガスは、リッチである。なお、本明細書においては、「リッチ」とは酸化性成分の量に対する可燃性成分の量の比が量論比より高いことを言い、「リーン」とは酸化性成分の量に対する可燃性成分の量の比が量論比より低いことを言う。
【０１０２】
燃焼器２３２に酸化剤ガスのみが供給されている休止時間ｔ1の間、燃焼器２３２では燃焼反応が起こらないので、酸化剤ガスがそのまま排出されてカソード流路２１４に供給される。一方、燃焼器２３２に酸化剤ガスに加えて燃料ガスが供給されている供給時間ｔ2の間、反応性ガスはリッチであるので、燃焼ガスは可燃性成分の残量が多く酸素残量が少ない可燃ガスとなる。このように、燃焼器２３２に燃料を間欠的に供給することにより、カソード流路２１４には酸化剤ガスと可燃ガスとが時間的に交互に供給される（図８（ｂ））。
【０１０３】
図８（ｂ）は、カソード流路２１４の上流（第１のカソード流路端２１４ａ側）部で燃焼ガス量と燃焼ガスの成分とが時間の経過に従って変化する様子を示している。また
図８（ｃ）と図８（ｄ）とは、それぞれ、カソード流路２１４の中流部と下流（第２のカソード流路端２１４ｅ側）部とで燃焼ガス量と燃焼ガスの成分とが時間の経過に従って変化する様子を示している。
【０１０４】
図８（ｂ）に示されるように、カソード流路２１４には酸化剤ガスと可燃ガスとが時間的に交互に供給される。そのため、カソード流路２１４の上流部では、カソード流路２１４中の燃焼ガスの流量は急速に変化する。燃焼ガス流量の変化は、燃焼ガスがカソード流路２１４の上流部から下流部に行くに従って緩やかになる。カソード流路２１４の中流部では、図８（ｃ）に示されるように、上流部よりも燃焼ガスの流量変化が緩やかになる。そして、カソード流路２１４の下流部では、図８（ｄ）に示されるように、燃焼ガスの流量変化は中流部よりもさらに緩やかになる。
【０１０５】
燃焼ガスの流量の変化に要する期間（以下、「過渡期間ｔt」と呼ぶ）では、酸化剤ガスと可燃ガスとが混合される。可燃ガスは酸素残量が少ないのでそれ自体ではほとんど燃焼しないが、可燃ガスと酸化剤ガスとの混合ガスではかなりの燃焼が発生しうる。過渡期間ｔtの短い上流部では、酸化剤ガスと可燃ガスとの混合ガス（図８（ｂ）斜線部）が供給される期間が短くなる。カソード流路２１４内での燃焼反応は、混合ガスが供給される過渡期間ｔtで起きるので、上流側では可燃ガスはほとんど燃焼しない。上流部よりも過渡期間ｔtが長い中流部では、図８（ｃ）に示されるように上流部よりも長い時間混合ガスが供給されるので、上流部よりも可燃ガスの燃焼量が多くなる。そして、過渡期間ｔtが燃料ガスの供給周期ｔ1＋ｔ2のほぼ半周期となる下流部では、図８（ｄ）に示されるように酸化剤ガスと可燃ガスとの大半が混合され、中流部よりも可燃ガスの燃焼量が多くなる。
【０１０６】
図９（ａ）は、第４実施例の加熱モードにおけるカソード流路２１４（図７）の温度変化を模擬するための実験装置の模式図である。燃焼器６０は図７の燃焼器２３２を模擬しており、反応器７０はカソード流路２１４を模擬している。燃焼器６０には、燃料ガスとしてのガソリンの改質により生成されたガス（以下、「改質ガソリン」と呼ぶ）と、酸化剤ガスとしての空気が供給される。燃焼器６０では、改質ガソリンと空気が燃焼反応を起こし燃焼ガスが生成される。生成された燃焼ガスは、酸化触媒を備える反応器７０に導入される。反応器７０の前端、中間、後端の各部にはそれぞれ温度センサＴ1，Ｔ2，Ｔ3が取り付けられ、反応器７０の各部の温度変化が測定される。
【０１０７】
図９（ｂ）は、時間的にほぼ一定量の空気が供給されると同時に、改質ガソリンが休止時間ｔ1の間供給が停止され、供給時間ｔ2（＝ｔ1）の間供給された時の反応器７０の温度変化を示している。測定開始から約５０秒までの間は、改質ガソリンが供給され続けている。そのため、燃焼ガスは酸素残量が少ない可燃ガスとなる。可燃ガス自体はほとんど燃焼しないため、反応器７０の温度Ｔ1，Ｔ2，Ｔ3は上昇しない。
【０１０８】
測定開始の約５０秒後、改質ガソリンを間欠的に供給すると反応器７０の前端温度Ｔ1が上昇する。図９（ｂ）では、休止時間ｔ1と供給時間ｔ2がそれぞれ１秒（燃料ガス供給周期が２秒）と短いため、反応器７０の前端においても図８（ｄ）に示した状態に近くなり、可燃ガスと酸化剤ガスとは十分に混合される。そのため、可燃ガス中の可燃成分の濃度が高い反応器７０の前端では可燃成分の燃焼量が多くなり、反応器７０の温度Ｔ1が急速に上昇する。一方、反応器７０の中間と後端においては、可燃成分の濃度が低くなるので、温度が低く酸化触媒の活性が低い状態では可燃ガスを燃焼させることができない。そのため、上流側で発生した熱が伝達され酸化触媒が活性化するまで、反応器７０の温度Ｔ2，Ｔ3は上昇しない。
【０１０９】
図９（ｃ）は、休止時間ｔ1と供給時間ｔ2をそれぞれ１０秒としたときの反応器７０の温度変化を示している。図９（ｃ）では、休止時間ｔ1と供給時間ｔ2がそれぞれ１０秒（燃料ガス供給周期が２０秒）と長いため、反応器７０の前端では図８（ｂ）に示した状態に近くなり、可燃ガスと酸化剤ガスとはほとんど混合されない。そのため、可燃成分の濃度が高い反応器７０の前端であっても可燃ガスはほとんど燃焼せず、反応器７０の温度Ｔ1はほとんど上昇しない。一方、過渡期間ｔtが反応器７０の前端より長い反応器７０の中間と後端では、可燃ガスと酸化剤ガスが混合されるため、可燃成分の燃焼量が多くなる。そのため、反応器７０の中間と後端では、反応器７０の温度Ｔ2，Ｔ3が上昇する。
【０１１０】
以上の説明から理解できるように、第４実施例では、燃焼器２３２（図７）への燃料ガスの供給と休止の時間を制御することによりカソード流路２１４（図７）内の温度分布が制御される。そのため、燃料電池システム２００ｂの構成に応じて実験的に最適な燃料ガス供給時間と燃料ガス休止時間を決定することで、カソード流路２１４内の温度をほぼ均一にすることができる。
【０１１１】
このように、第４実施例は、第１ないし第３実施例よりも局所的な温度の上昇がさらに抑制される点で第１ないし第３実施例よりも好ましい。一方、第１または第２実施例は、燃焼器２３２が不要となり燃料電池システムの構成がより簡単になる点で第４実施例よりも好ましい。また、第３実施例は、燃料電池制御部２２６（図７）による制御が容易になる点で第４実施例よりも好ましい。
【０１１２】
なお、第４実施例では、燃焼器２３２への酸化剤ガスの供給をほぼ一定量に維持し、燃料ガスを間欠的に燃焼器２３２に供給しているが、一般には、カソード流路２１４にリッチなガスとリーンなガスが時間的に交互に供給できればよい。例えば、燃焼器２３２への燃料ガスの供給をほぼ一定量に維持し、酸化剤ガスを間欠的に燃焼器２３２に供給するものとしても良い。また、カソード流路２１４に燃料ガスと酸化剤ガスとを交互に供給するものとしても良い。このようにしてもカソード流路２１４中の燃焼量分布が制御できるので、カソード流路内の温度をほぼ均一にすることができる。
【０１１３】
Ｅ．第５実施例：
図１０は、第５実施例における燃料電池システム２００（図２）の運転制御の様子を示す説明図である。第５実施例は、燃料電池制御部２２６（図２）が負荷２０２（図２）が要求する電力に応じて燃料電池２１０（図２）から負荷２０２への給電状態を制御する点と、給電状態と燃料電池２１０の温度とに基づいて加熱モードの実行の要否を判断している点で第１実施例と異なっている。なお、装置の構成は図２に示した第１実施例と同じなので、ここではその説明を省略する。
【０１１４】
図１０（ａ）は、燃料電池２１０の出力電力Ｐoutが時間の経過に応じて変化する様子を示している。第５実施例では、電気自動車１００（図１）が停止しているときのように負荷２０２の要求電力が所定の値以下の場合、燃料電池制御部２２６は燃料電池２１０からの給電を停止する。一方、負荷２０２の要求電力が所定の値以上の場合、燃料電池制御部２２６は、燃料電池２１０からの出力電力Ｐoutを要求出力と一致するように制御する。図１０（ａ）は、時間ｔh以前では出力電力Ｐoutが要求出力と一致するように制御され、時間ｔp以後は燃料電池２１０からの給電が停止されている様子を示している。
【０１１５】
燃料電池２１０からの給電が停止している場合、燃料電池２１０による発電は行われないので、発熱反応である燃料電池反応が進行しない。そのため、図１０（ｂ）に示されるように、燃料電池２１０からの給電が停止された時間ｔpの後、燃料電池温度ＴFCは徐々に低下する。燃料電池２１０の加熱を行わない場合、図１０（ｂ）の破線で示されるように、燃料電池温度ＴFCは低下し続け、水素透過性金属層４１６（図３）の水素脆化を回避するための基準温度Ｔrを下回るようになる。
【０１１６】
燃料電池制御部２２６は、燃料電池２１０からの給電停止の後、燃料電池温度ＴFCが低下し所定の加熱開始温度Ｔth1（≧Ｔr）に至ったときに加熱モードを実行する。燃料電池制御部２２６による加熱モードの実行により、燃料電池温度ＴFCは上昇する。燃料電池制御部２２６は、燃料電池温度ＴFCが上昇し所定の加熱停止温度Ｔth2（＞Ｔth1）に至ったときに加熱モードの実行を停止する。このように燃料電池システム２００が制御されることにより、燃料電池温度ＴFCは加熱開始温度Ｔth1と加熱停止温度Ｔth2との中間の温度に維持される。
【０１１７】
このように、第５実施例では、燃料電池２１０からの給電が停止している場合に、燃料電池２１０の温度を基準温度Ｔr以上に維持できる。そのため、アノード流路２１２（図２）に水素を含む燃料ガスが供給されていても、燃料電池温度ＴFCの低下による水素透過性金属層４１６の水素脆化を抑制できる。そのため、燃料電池２１０の給電停止時においても、アノード流路２１２のパージが不要となる。
【０１１８】
第５実施例では、負荷２０２の要求電力が少ない場合にアノード流路２１２のパージをすることなく燃料電池２１０からの給電が停止できるので、燃料電池システム２００の燃費が改善できる点で第１ないし第４実施例よりも好ましい。一方、第１ないし第４実施例は、燃料電池制御部２２６による燃料電池システム２００の運転制御が容易になる点で第５実施例よりも好ましい。
【０１１９】
なお、第５実施例では、加熱モードを加熱開始温度Ｔth1となった場合に実行し加熱停止温度Ｔth2となった場合に停止するいわゆるオン・オフ制御を行っているが、一般には、燃料電池温度ＴFCが基準温度以上Ｔrに維持できればよい。例えば、燃料電池制御部２２６は、燃料電池温度ＴFCによらず燃料電池２１０からの給電が停止した場合に加熱モードを実行するものとしても良く、燃料電池２１０からの給電状態によらず燃料電池温度ＴFCが所定の温度以下である場合に加熱モードを実行するものとしても良い。さらに、燃料電池制御部２２６は、燃料電池２１０が給電停止状態であって、燃料電池温度ＴFCが所定の温度以下である場合のみに加熱モードを実行するものとしても良い。
【０１２０】
また、第５実施例では、負荷２０２の要求電力が所定の値以下の場合に燃料電池２１０からの給電を停止するものとしているが、要求電力以外の電気自動車１００の運転状態に基づいて給電を停止するものとしても良い。この場合、燃料電池制御部２２６は、例えば、シフト位置や車速センサ３７の出力信号や残存容量モニタ２３の出力信号等の電気自動車１００各部から供給される信号に応じて燃料電池２１０からの給電を停止する。
【０１２１】
Ｆ．第６実施例：
図１１は、第６実施例における燃料電池システム２００（図２）の停止処理の様子を示す説明図である。第６実施例は、燃料電池制御部２２６（図２）が改質器２３０（図２）の温度に応じて加熱モードを実行している点で第１実施例と異なっている。なお、他の構成については第１実施例とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【０１２２】
燃料電池制御部２２６は、起動スイッチ（電気自動車１００（図１）のキースイッチ）がオンの状態からオフの切り換えられたとき（以下、この時点を「停止処理開始時ｔd」とも呼ぶ）燃料電池２１０（図２）の停止処理を開始する。燃料電池２１０の停止処理が開始されると、燃料電池制御部２２６は、休止モードの運転を実行する。休止モードでは、燃料電池２１０から負荷２０２への給電が停止されるとともに、改質器２３０への改質原料と空気と水蒸気との供給が停止される。
【０１２３】
休止モードの実行により、改質器２３０への改質原料と空気の供給が停止されると、改質器２３０での部分酸化反応や選択酸化反応等の発熱反応が起こらなくなる。そのため、図１１（ｂ）に示されるように、改質器２３０の温度ＴRFは停止処理開始時ｔdから徐々に低下し、時刻ｔx（以下、この時点を「パージ開始時刻ｔx」とも呼ぶ）で改質器温度ＴRFは改質可能温度Ｔc以下となる。
【０１２４】
改質器温度ＴRFが改質可能温度Ｔc以上の状態では、改質器２３０に改質原料等を供給すれば燃料電池２１０への水素の供給が可能となる。そのため、燃料電池制御部２２６は、改質器温度ＴRFが改質可能温度Ｔc以上の期間（停止処理開始時ｔdからパージ開始時刻ｔxまでの期間）燃料電池２１０からの給電を停止し、アノード流路２１２中に燃料ガスが残った状態を維持する。
【０１２５】
燃料電池２１０からの給電を停止した状態では、上述のように、燃料電池温度ＴFCは低下する。燃料電池温度ＴFCが低下して燃料電池温度ＴFCが水素透過性金属層４１６（図３）の水素脆化が回避可能な温度以下になると、燃料ガス中の水素により水素透過性金属層４１６の水素脆化が進行する。燃料電池制御部２２６は、水素透過性金属層４１６の水素脆化を抑制するため、休止モード期間（停止処理開始時ｔdからパージ開始時刻ｔxまでの期間）中は加熱モードを実行する。加熱モードが実行されることにより、図１１（ｃ）に示されるように、燃料電池温度ＴFCは所定の基準温度Ｔr以上に維持される。
【０１２６】
一方、改質器温度ＴRFが改質可能温度Ｔc以下の状態では、改質器２３０に改質原料等を供給しても直ちには燃料電池２１０の燃料となる水素が生成されない。そのため、燃料電池制御部２２６は、燃料電池システム２００を通常の運転状態に復帰させる前に所定の始動運転が必要であると判断する。始動運転が必要と判断されると、燃料電池制御部２２６は、停止モードの運転を実行する。停止モードでは、燃料ガス供給バルブ２９０（図２）は閉じられ、パージガス供給ポンプ３００（図２）が駆動されることによりアノード流路２１２がパージされる。
【０１２７】
なお、ここで所定の始動運転とは、燃料電池２１０に燃料となる水素が供給可能な状態にするための始動運転を言う。このような始動運転には、例えば、改質原料等を改質器２３０に供給して水素の生成が可能となるように、改質器２３０を改質可能温度Ｔc以上の温度となるように加熱する燃料電池システム２００の運転状態がある。
【０１２８】
このように、第６実施例では、休止モード期間ではアノード流路２１２がパージされない。そのため、短時間の停車時のように起動スイッチがオフにされている時間が短い場合には、燃料電池システム２００の始動運転が不要となる。燃料電池システム２００の始動運転が不要となることにより、燃料電池システム２００の燃費が改善できる点で、第６実施例は第１ないし第５実施例よりも好ましい。
【０１２９】
なお、第６実施例では、停止処理開始時ｔd後にアノード流路２１２をパージするものとしているが、一般には、燃料電池制御部２２６は燃料電池システム２００の始動運転が必要となった場合にアノード流路２１２をパージするものとしても良い。燃料電池システム２００の始動運転が必要となる場合としては、例えば、起動スイッチがオンの状態であっても、改質器２３０への改質原料の供給量低下等により、改質器２３０での発熱反応量が少なくなり改質器温度ＴRFが低下した場合がある。
【０１３０】
また、第６実施例では、停止処理開始時ｔd後にアノード流路２１２をパージするものとしているが、一般には、燃料電池２１０からの給電が停止した後に燃料電池システム２００の始動運転が必要となった場合にアノード流路２１２をパージするものとしても良い。この場合、パージによる燃料電池システム２００の燃費低下を抑制できる点で、燃料電池制御部２２６は、燃料電池２１０の給電停止の後、アノード流路２１２をパージをすることなく加熱モードを実行することが好ましい。
【０１３１】
Ｇ．第７実施例：
図１２は、第７実施例における燃料電池システム２００ｃの構成を示す説明図である。第７実施例の燃料電池システム２００ｃは、カソード流路２１４に燃料ガスを供給する配管を備えておらず、配線４０に燃料電池２１０を抵抗値（０および∞を含む）可変の負荷として短絡スイッチ２０４を備えている点で第１実施例と異なっている。なお、他の構成は第１実施例とほぼ同様であるので、ここではその説明を省略する。
【０１３２】
短絡スイッチ２０４は、配線４０を介して燃料電池２１０の出力端子２１６，２１８に接続されている。燃料電池制御部２２６は、短絡スイッチ２０４を開閉することにより燃料電池２１０を短絡するか否かの制御を行う。短絡スイッチ２０４が閉（抵抗値０）にされて燃料電池２１０が短絡されると、後述するように燃料電池２１０の内部損失が増加し燃料電池２１０が加熱される。
【０１３３】
図１３は、燃料電池２１０（図１２）が備える単セル４００（図３）の電流−電圧特性を示すグラフである。図１３の横軸は電解質４１４（図３）を流れる電流の電流密度を示し、図１３の縦軸は水素透過性金属層４１６（図３）とカソード４１２（図３）間のセル電圧を示している。燃料電池のセル電圧は、単セルの平衡起電力Ｅから電流密度に依存する過電圧を引いた電圧となる。この過電圧は、電流密度が低い領域では電流密度にほぼ比例する。一方、電流密度が高い領域では、過電圧は電流密度の増加に伴って急激に増大する。そのため、図１３に示されるように、セル電圧は電流密度の高い領域で急速に低下する。
【０１３４】
単セル４００を電流密度ｉXで放電させた場合、セル４００から得られる出力ＰCは電流密度と対応するセル電圧ＶXとからＰC＝ＶX×ｉXと表される。そして、過電圧による単セル４００での内部損失は、単セル４００の平衡起電力Ｅとセル電圧ＶXと電流密度ｉXとから（Ｅ−ＶX）×ｉXと表される。燃料電池２１０を短絡した場合、セル電圧ＶXは０Ｖとなり電解質４１４を流れる電流密度ｉXは限界電流密度ｉlとなる。そのため、燃料電池２１０を短絡したとき、単セル４００での内部損失は最大となる。単セル４００での内部損失は、電解質層４１０（図３）での発熱となる。そのため、燃料電池２１０を短絡させることにより、燃料電池２１０は加熱される。
【０１３５】
このように、第７実施例においても、燃料電池２１０を短絡し出力電流を増加させることにより、燃料電池２１０を加熱することができる。第７実施例では、カソード流路２１４（図２）に加熱ガスを供給する配管を使用しないので、燃料電池システム２００ｃの構成が簡単になる点で第１ないし第６実施例よりも好ましい。一方、第１ないし第６実施例は、配線４０（図１２）に流れる最大電流を低減できるので、第７実施例よりも好ましい。
【０１３６】
なお、第７実施例では、抵抗値可変の負荷として短絡スイッチ２０４（図１２）を用いて出力電流を増加させているが、出力電流を増加させられれば燃料電池２１０を加熱することができる。抵抗値可変の負荷としては、例えば、抵抗値を適当な値まで低減できる可変抵抗器を用いることができる。
【０１３７】
Ｈ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【０１３８】
Ｈ１．変形例１：
上記第１ないし第６実施例では、加熱ガスを加熱ガス流路であるカソード流路２１４（図２），２１５（図５）に供給することにより燃料電池２１０（図２），２１０ａ（図５）を加熱しているが、加熱ガス流路は燃料電池２１０，２１０ａ内に設けられたいずれかの流路であればよい。加熱ガス流路は、例えば、カソード流路２１４，２１５とアノード流路２１２（図２）と冷却ガス流路２２２（図２）の少なくとも１つの流路とすることができる。なお、可燃性成分と酸化性成分とを含むガスを加熱ガスとして冷却ガス流路２２２に供給する場合、冷却ガス流路２２２流路には酸化触媒が設けられる。
【０１３９】
Ｈ２．変形例２：
上記第１ないし第６実施例では、カソード流路２１４（図２），２１５（図５）もしくは燃焼器２３２（図７）に燃料ガスと酸化剤ガスを供給しているが、カソード流路２１４，２１５もしくは燃焼器２３２には酸化性成分と可燃性成分とを含む流体が供給できればよい。酸化性成分を含むガスとしては、例えば、カソード流路２１４，２１５から排出されるカソードオフガスや冷却ガス流路２２２から排出される冷却ガス等を使用することができる。また、可燃性成分を含む流体としては、例えば、改質原料やアノード流路２１２から排出されるアノードオフガス等を使用することができる。
【０１４０】
Ｈ３．変形例３：
上述した種々の実施例で説明した複数種類の加熱モードのうち、２つ以上の加熱モードを同じ電気自動車１００（図１）で採用することができる。例えば、燃料電池システム２００（図２）の始動時には第１実施例の加熱モードを実行し、燃料電池２１０（図２）の給電停止時には第５実施例の加熱モードを実行するものとしても良い。このようにすれば、燃料電池システム２００の始動時と、燃料電池２１０の給電停止時とのいずれの場合にも、水素透過性金属層４１６（図３）の水素脆化を抑制することができる。
【０１４１】
Ｈ４．変形例４：
上記各実施例および変形例では、加熱モードにおいて、燃料電池制御部２２６（図２）は燃料電池２１０（図２）の加熱のみを行っているが、燃料電池２１０の加熱とともに燃料電池２１０の温度の低下を抑制するようにしても良い。燃料電池２１０の温度の低下は、例えば、燃料電池制御部２２６は加熱モードの実行とともに第２の空気供給ポンプ２８０（図２）の駆動を停止することにより燃料電池２１０の冷却を停止することで抑制できる。この場合、加熱ガスの供給により加えられる熱が冷却ガスによって奪われないので、加熱ガスの供給量が低減でき燃料電池システム２００（図２）の燃費を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図。
【図２】第１実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図３】燃料電池を構成する単セルの構造を示す断面模式図。
【図４】第１実施例における燃料電池システムの始動時の制御の様子を示す説明図。
【図５】第２実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図６】第１実施例と第２実施例において、燃料電池の温度がカソード流路中のガスの流れ方向に沿って変化する様子を示す説明図。
【図７】第３実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図８】第４実施例における燃焼器への反応性ガスの供給量とカソード流路内での燃焼ガス量の時間変化を示す説明図。
【図９】燃料ガスの燃焼器への供給状態と燃焼ガスが導入される反応器各部の温度変化との関係を説明する説明図。
【図１０】第５実施例における燃料電池システムの運転制御の様子を示す説明図。
【図１１】第６実施例における燃料電池システムの停止処理の様子を示す説明図。
【図１２】第７実施例における燃料電池システムの構成を示す説明図。
【図１３】燃料電池が備える単セルの電流−電圧特性を示すグラフ。
【符号の説明】
【０１４３】
１５…電源システム
２３…残存容量モニタ
２４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４…コンバータ
２６…駆動インバータ
２８…高圧補機
３０…駆動モータ
３２…減速ギヤ
３４…出力軸
３６…車両駆動軸
３６…駆動軸
３７…車速センサ
４０…配線
５０…制御部
６０…燃焼器
７０…反応器
１００…電気自動車
２００，２００ａ，２００ｂ，２００ｃ…燃料電池システム
２０２…負荷
２０４…短絡スイッチ
２１０，２１０ａ…燃料電池
２１２…アノード流路
２１２ａ，２１２ｅ…アノード流路端
２１４，２１５…カソード流路
２１４ａ，２１５ａ，２１４ｅ，２１５ｅ…カソード流路端
２１５ｂ，２１５ｃ…加熱ガス供給口
２１６，２１８…出力端子
２２０…熱交換器
２２２…冷却ガス流路
２２２ａ，２２２ｅ…冷却ガス流路端
２２６…燃料電池制御部
２３０…改質器
２３２…燃焼器
２３４…浄化器
２４０…改質原料配管
２４２，２４４…燃料ガス配管
２４６，２５２，２５２ａ…加熱ガス配管
２４８ａ，２４８ｂ…配管
２５０…酸化剤ガス配管
２５４ａ，２５４ｂ…配管
２５８…燃焼ガス供給配管
２６０…冷却ガス配管
２６２…アノードオフガス配管
２８０，２８２，２８４，２８８，３００…ポンプ
２８６，２８８…温度センサ
２９０…燃料ガス供給バルブ
２９２…加熱ガス供給バルブ
２９４，２９６…バルブ
３００…パージガス供給ポンプ
３０２…パージガス供給配管
４００…単セル
４１０…電解質層
４１２…カソード
４１４…電解質
４１６…水素透過性金属層
４１８…水素分子解離層
４２０…アノード
４２２，４２４…セパレータ
４３２…酸化剤ガス流路
４３４…燃料ガス流路
【図１】
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【図２】
2005216803.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005216803.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005216803.tif 000008
【図７】
2005216803.tif 000009
【図８】
2005216803.tif 000010
【図９】
2005216803.tif 000011
【図１０】
2005216803.tif 000012
【図１１】
2005216803.tif 000013
【図１２】
2005216803.tif 000014
【図１３】
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