(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、
燃料ガス供給源から前記燃料電池に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給配管と、
上流端が前記燃料ガス供給配管に接続され、前記触媒燃焼器に向かう燃料ガスが通流する触媒燃焼用燃料ガス導入配管と、
前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給配管と、
上流端が前記酸化剤ガス供給配管に接続され、前記触媒燃焼器に向かう酸化剤ガスが通流する触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管と、
前記触媒燃焼用燃料ガス導入配管と、前記触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管と、の接続箇所よりも上流側の前記触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管に配置され、前記触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、
前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、
前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、
前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
を備え、
システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、
前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器への燃料ガスの通流を遮断して前記触媒燃焼器の運転を行わず、
前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、燃料ガスが前記触媒燃焼用燃料ガス導入配管を介して前記触媒燃焼器に導入されるようにして前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器への燃料ガスの通流を遮断し、前記触媒燃焼器の運転を停止する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、
前記燃料電池から排出されるオフガスが通流するオフガス配管と、
前記オフガス配管に配置され、前記燃料電池から排出されるオフガスを希釈する希釈器と、
下流端が前記希釈器よりも下流側の前記オフガス配管に接続され、前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、
前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、
前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記希釈器よりも下流側の前記オフガス配管に配置され、前記希釈器から排出されるオフガスと、前記排ガス配管を介して排出される排ガスと、が合流したガスの燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、
を備え、
システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、
前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、
前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止する
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段を備え、
前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じる
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、
前記触媒燃焼器の上流に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、
前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、
前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
前記燃料電池を暖機する際の熱媒体である冷媒の流路方向を切り替える冷媒方向切替手段と、
を備え、
システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、
前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、
前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止し、
前記冷媒方向切替手段は、前記燃料電池の暖機中において前記触媒燃焼器で熱交換した冷媒が前記燃料電池を経由する経由状態とした後、前記掃気手段による掃気中において前記経由状態を維持し、
前記下流弁及び前記上流弁は、前記掃気手段による掃気中において開弁状態を維持し、
前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
前記下流弁及び前記上流弁は、開閉制御される制御弁であって、動力源となる駆動装置を共有している
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６】
前記下流弁は、前記触媒燃焼器からのガスの通流を許容し、前記触媒燃焼器へガスの通流を許容しない逆止弁であり、
前記排ガス配管は、前記燃料電池から排出されたオフガスが通流するオフガス配管に、排ガスの通流向きとオフガスの通流向きとが対向するように、接続されている
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記触媒燃焼器がこれに内蔵される触媒を暖機するモードで運転する場合における前記下流弁の開度は、前記触媒燃焼器が通常モードで運転する場合における前記下流弁の開度よりも小さい
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、
前記触媒燃焼器の上流に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、
前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、
前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段と、
前記燃料電池を暖機する際の熱媒体である冷媒の流路方向を切り替える冷媒方向切替手段と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、
前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、
前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始させた後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止し、
前記冷媒方向切替手段は、前記燃料電池の暖機中において前記触媒燃焼器で熱交換した冷媒が前記燃料電池を経由する経由状態とした後、前記掃気手段による掃気中において前記経由状態を維持し、
前記下流弁及び前記上流弁は、前記掃気手段による掃気中において開弁状態を維持し、
前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じる
ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで、電気化学反応が生じ発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。
【０００３】
このような燃料電池を良好に発電させるには、アノード及びカソードにおける電極反応が良好に進むように、アノード等に含まれる触媒等に依存する好適発電温度（ＰＥＦＣの場合、７０〜８０℃）に暖機することが好ましい。そこで、触媒燃焼器によって、水素（燃料ガス）及び酸素を含む空気（酸化剤ガス）を触媒燃焼させて燃焼熱を発生し、この燃焼熱を利用して燃料電池を暖機する燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−１３９９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１の燃料電池システムでは、触媒燃焼器が、その排ガスが流れる排ガス流路（排ガス配管）を介して、外部（大気）と連通しているため、例えば、燃料電池システムの停止中に、多湿の空気が前記排ガス流路を逆流した後、触媒燃焼器内で結露し、結露水が触媒燃焼器に内蔵される触媒の表面に付着（吸着）する虞がある。
そして、このように触媒の表面に付着すると、触媒の有効反応面積が小さくなってしまい、このままの状態で触媒燃焼器が作動すると、触媒燃焼反応が良好に進行せず、燃料電池の暖機が遅れるうえ、水素等の燃料ガスが触媒燃焼器を通り抜け、そのまま外部に排出されるため、燃料ガスが無駄に消費される虞がある。
【０００５】
そこで、本発明は、触媒燃焼器へのガスの侵入を低減可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、燃料ガス供給源から前記燃料電池に向かう燃料ガスが通流する燃料ガス供給配管と、上流端が前記燃料ガス供給配管に接続され、前記触媒燃焼器に向かう燃料ガスが通流する触媒燃焼用燃料ガス導入配管と、前記酸化剤ガス供給手段から前記燃料電池に向かう酸化剤ガスが通流する酸化剤ガス供給配管と、上流端が前記酸化剤ガス供給配管に接続され、前記触媒燃焼器に向かう酸化剤ガスが通流する触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管と、前記触媒燃焼用燃料ガス導入配管と、前記触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管と、の接続箇所よりも上流側の前記触媒燃焼用酸化剤ガス導入配管に配置され、前記触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、を備え、システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器への燃料ガスの通流を遮断して前記触媒燃焼器の運転を行わず、前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、燃料ガスが前記触媒燃焼用燃料ガス導入配管を介して前記触媒燃焼器に導入されるようにして前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器への燃料ガスの通流を遮断し、前記触媒燃焼器の運転を停止することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００７】
ここで、「触媒燃焼器の運転停止後に閉じる」とは、触媒燃焼器の運転停止直後に閉じる場合だけでなく、触媒燃焼器の運転停止後、時間を隔てて閉じる場合を含む。また、触媒燃焼器が運転中とは、触媒燃焼器に燃料ガス及び酸化剤ガスが導入され、触媒燃焼器において触媒燃焼反応が起こっている状態を意味する。さらに、触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁は、開閉制御される制御弁だけでなく、ガスの通流が停止すると閉じる逆止弁を含む。
【０００８】
このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器の運転停止後、排ガス配管に配置された下流弁が閉じ、ガスの流通は遮断される。そして、このように下流弁が閉じると、その後、外部のガス（例えば、空気）が排ガス配管を介して触媒燃焼器に侵入することを低減できる。これにより、下流弁が閉じた後において、触媒燃焼器に内蔵される触媒の表面に、結露水等の水分が、付着（吸着）することを低減でき、触媒燃焼器の凍結も防止できる。
したがって、その後の燃料電池システムの起動時において、触媒燃焼器を運転し、つまり、触媒燃焼器において燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、燃料電池を暖機するとき、触媒の表面に水分が付着しておらず、その有効反応面積が小さくなっていないので、触媒燃焼を良好に進めることができる。その結果、触媒燃焼器によって燃料電池を速やかに暖機しつつ、触媒燃焼器から触媒燃焼せずに外部に排出される燃料ガスを低減することができる。
【００１０】
また、触媒燃焼器の運転停止後、触媒燃焼器の上流に配置された上流弁が閉じられるので、触媒燃焼器への上流側からのガスの侵入は遮断される。
これにより、例えば、後記する実施形態のように、燃料電池と触媒燃焼器とが、酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されており、酸化剤ガス供給手段を共有している燃料電池システムの場合、上流弁を閉じることで、燃料電池のカソード流路の多湿な空気が、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。また、加湿器が燃料電池の酸化剤ガス流路（カソード流路）の上流に配置された燃料電池システムである場合、上流弁を閉じることにより、加湿器内の多湿な酸化剤ガスが、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。
【００１１】
また、例えば、燃料電池と触媒燃焼器とが直列、つまり、燃料電池から排出された酸化剤ガスが触媒燃焼器に供給されると共に、触媒燃焼器への酸化剤ガスの供給が不要なとき、燃料電池から排出された酸化剤ガスが触媒燃焼器を迂回（バイパス）するバイパス配管を通る燃料電池システムの場合、上流弁を、前記バイパス配管が燃料電池と触媒燃焼器とを結ぶオフガス配管に接続する接続位置よりも下流であって、触媒燃料器よりも上流に配置すると共に、触媒燃焼器の運転停止後、この上流弁を閉じることにより、燃料電池の酸化剤ガス流路等内の多湿のガスが、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。
【００１２】
また、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、前記燃料電池から排出されるオフガスが通流するオフガス配管と、前記オフガス配管に配置され、前記燃料電池から排出されるオフガスを希釈する希釈器と、下流端が前記希釈器よりも下流側の前記オフガス配管に接続され、前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記希釈器よりも下流側の前記オフガス配管に配置され、前記希釈器から排出されるオフガスと、前記排ガス配管を介して排出される排ガスと、が合流したガスの燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段と、を備え、システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１３】
また、前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段を備え、前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、掃気手段により、触媒燃焼器を掃気することができる。ここで、触媒燃焼器を掃気するとは、触媒燃焼器の運転後に、触媒燃焼器に掃気ガスを導入し、これに残存する燃料ガスや、触媒燃焼により生成した水蒸気（水分）を、外部に押し出すことを意味する。そして、掃気ガスとしては、例えば、後記する実施形態のようにコンプレッサからの非加湿の空気が使用される。このようにして、触媒燃焼器が掃気されるので、触媒燃焼器内に例えば高濃度の燃料ガスが残存することや、結露水が生成することを防止しつつ、触媒燃焼器を冷却できる。
そして、下流弁が、触媒燃焼器の直後に閉じるので、外部から多湿なガスが触媒燃焼器に侵入することを防止でき、次回のシステム起動時における触媒燃焼器の運転に備えて、触媒燃焼器内に水分等が少ない状態を維持することができる。
【００１４】
また、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、前記触媒燃焼器の上流に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段と、前記燃料電池を暖機する際の熱媒体である冷媒の流路方向を切り替える冷媒方向切替手段と、を備え、システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始した後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止し、前記冷媒方向切替手段は、前記燃料電池の暖機中において前記触媒燃焼器で熱交換した冷媒が前記燃料電池を経由する経由状態とした後、前記掃気手段による掃気中において前記経由状態を維持し、前記下流弁及び前記上流弁は、前記掃気手段による掃気中において開弁状態を維持し、前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１５】
また、前記下流弁及び前記上流弁は、開閉制御される制御弁であって、動力源となる駆動装置を共有していることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、開閉制御される制御弁である下流弁及び上流弁が、動力源となる駆動装置を共有しているので、システム構成を簡略化、小型化することができる。この場合において、駆動装置の出力軸周りに、下流弁の弁体と上流弁の弁体とがそれぞれ固定され、下流弁の弁体の移動角と、上流弁の弁体の移動角とが同一である構成でもよいが、例えば、下流弁の弁体には駆動装置の出力軸から減速機構を介して動力が伝達する構成とすれば、下流弁の弁体の移動角と、上流弁の弁体の移動角とが同一でなく、独立した開度で制御可能な構成とすることもできる。
【００１６】
また、前記下流弁は、前記触媒燃焼器からのガスの通流を許容し、前記触媒燃焼器へガスの通流を許容しない逆止弁であり、前記排ガス配管は、前記燃料電池から排出されたオフガスが通流するオフガス配管に、排ガスの通流向きとオフガスの通流向きとが対向するように、接続されていることを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、下流弁が逆止弁であるので、システム構成が簡便となる。
また、排ガスの通流向きとオフガスの通流向きとが対向するように、排ガス配管がオフガス配管に接続されているので、つまり、排ガス配管の下流端はオフガスの上流を向いているので、触媒燃焼器の停止中であり逆止弁が閉じている場合において、燃料電池から排出されたオフガスの一部は排ガス配管に流入する。そうすると、逆止弁の下流における排ガス配管内の圧力が上昇し、この圧力上昇により、逆止弁は閉方向に付勢され、確実に閉じられる。これにより、燃料電池から排出された多湿のオフガスが触媒燃焼器に導入することを防止できる。
【００１９】
また、前記触媒燃焼器がこれに内蔵される触媒を暖機するモードで運転する場合における前記下流弁の開度は、前記触媒燃焼器が通常モードで運転する場合における前記下流弁の開度よりも小さいことを特徴とする燃料電池システムである。
【００２０】
このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器がこれに内蔵される触媒を暖機するモード（以下、触媒暖機モード）で運転する場合における下流弁の開度は、触媒燃焼器が通常モードで運転する場合における下流弁の開度よりも小さく制御される。
これにより、触媒燃焼器に導入される燃料ガス及び酸化剤ガスが、触媒燃焼器が触媒暖機モードで運転する場合、触媒燃焼器が通常モードで運転する場合よりも、触媒燃焼器を通り抜けにくくなる。すなわち、触媒燃焼器が暖機モードで運転している場合、触媒燃焼器に導入された燃料ガスが、触媒燃焼器内で拡散し、触媒燃焼器内の全体に行き届きやすくなる。
したがって、触媒燃焼器内における燃料ガスの濃度の均一化を図ることができ、触媒全体において触媒燃焼反応を進めることができる。そして、触媒燃焼反応熱によって、触媒全体を暖めることができ、触媒の活性の均一化を図ることができる。その結果、触媒を良好に暖機すると共に、暖機時間を短縮することができる。
【００２１】
また、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料ガス及び酸化剤ガスを触媒燃焼し、前記燃料電池を暖機する触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器の排ガスを外部に排出する排ガス配管と、前記触媒燃焼器の上流に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じられる上流弁と、前記排ガス配管に配置され、当該触媒燃焼器の運転停止後に閉じる下流弁と、前記触媒燃焼器の運転を管理する触媒燃焼器運転管理手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電開始後、前記触媒燃焼器を掃気ガスで掃気する掃気手段と、前記燃料電池を暖機する際の熱媒体である冷媒の流路方向を切り替える冷媒方向切替手段と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、システム起動時において前記触媒燃焼器運転管理手段は、前記温度検出手段によって検出される温度が、前記燃料電池を暖機する必要があるか否かの判定基準である暖機必要温度以上である場合、前記触媒燃焼器の運転を行わず、前記温度検出手段によって検出される温度が前記暖機必要温度未満である場合、前記触媒燃焼器の運転を開始させた後、前記燃料電池の発電開始よりも前に前記触媒燃焼器の運転を停止し、前記冷媒方向切替手段は、前記燃料電池の暖機中において前記触媒燃焼器で熱交換した冷媒が前記燃料電池を経由する経由状態とした後、前記掃気手段による掃気中において前記経由状態を維持し、前記下流弁及び前記上流弁は、前記掃気手段による掃気中において開弁状態を維持し、前記下流弁は、前記掃気手段による前記触媒燃焼器の掃気の直後に閉じることを特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
【００２２】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、触媒燃焼器の運転停止後、排ガス配管に配置された下流弁を閉じるので、ガスの流通が遮断される。そして、このように下流弁を閉じると、その後、外部のガス（例えば、空気）が排ガス配管を介して触媒燃焼器に侵入することを低減できる。これにより、下流弁を閉じた後において、触媒燃焼器に内蔵される触媒の表面に、結露水等の水分が、付着（吸着）することを低減できる。
【００２４】
また、触媒燃焼器の運転停止後、触媒燃焼器の上流に配置された上流弁を閉じるので、触媒燃焼器への上流側からのガスの侵入は遮断される。
これにより、例えば、後記する実施形態のように、燃料電池と触媒燃焼器とが、酸化剤ガス供給手段に対して並列で配置されており、酸化剤ガス供給手段を共有している燃料電池システムの場合、上流弁を閉じることで、燃料電池のカソード流路の多湿な空気が、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。また、加湿器が燃料電池の酸化剤ガス流路（カソード流路）の上流に配置された燃料電池システムである場合、上流弁を閉じることにより、加湿器内の多湿な酸化剤ガスが、触媒燃焼器に侵入することを低減できる。
【００２５】
また、掃気手段により触媒燃焼器を掃気した直後に、下流弁を閉じるので、外部から多湿なガスが触媒燃焼器に侵入することを防止でき、次回のシステム起動時における触媒燃焼器の運転に備えて、触媒燃焼器内に水分等が少ない状態を維持することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、触媒燃焼器へのガスの侵入を低減可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
≪第１実施形態≫
以下、本発明の第１実施形態について、図１から図６を参照して説明する。
【００２９】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費等する電力消費系と、燃料電池スタック１０を経由するように冷媒（熱交換流体）を循環させる冷媒循環系（熱交換流体循環手段）と、循環する冷媒を加熱する冷媒加熱系と、ＩＧ８１（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ９０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。
【００３０】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。
【００３１】
アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００３２】
各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）、カソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、ＯＣＶが所定ＯＣＶ以上となった状態で、発電要求があり、後記するコンタクタ４３がＯＮされ、ＶＣＵ４２が制御され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
【００３３】
また、第１実施形態では、燃料電池スタック１０と触媒燃焼器７０とは、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）に対して、並列で配置されている。そして、コンプレッサ３１からの空気が、後記する背圧弁３３及び上流弁６３が適宜に開閉されることにより、燃料電池スタック１０及び触媒燃焼器７０に適宜に振り分けられるようになっている。
【００３４】
＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１と、遮断弁２２とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、遮断弁２２、配管２２ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されている。そして、ＥＣＵ９０からの指令によって遮断弁２２が開かれると、水素が、水素タンク２１から、遮断弁２２等を経由して、アノード流路１１に供給されるようになっている。
【００３５】
アノード流路１１の出口は、配管２２ｂを介して、後記する希釈器３４に接続されている。そして、アノード流路１１から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが、希釈器３４に排出されるようになっている。
【００３６】
＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）と、加湿器３２と、背圧弁３３と、希釈器３４（希釈装置）と、水素センサ３５（燃料ガス濃度検出手段）とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されており、ＥＣＵ９０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１２に供給するようになっている。加湿器３２は、その内部に水分透過性を有する中空糸膜を備えており、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気と、カソード流路１２から排出された水蒸気を含む多湿のカソードオフガスとの間で水分交換し、コンプレッサ３１からカソード流路１２に向かう空気を加湿するようになっている。
【００３７】
さらに、コンプレッサ３１は、後記するポンプ５２と、電動モータ等の動力源（図示しない）を共有している。つまり、この動力源の駆動軸周りにコンプレッサ３１及びポンプ５２の羽根車がそれぞれ固定されており、コンプレッサ３１及びポンプ５２は同期するように設計されている。そして、このように動力源を共有しているので、システム構成が簡易となっている。
【００３８】
カソード流路１２の出口は、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３３ａ、背圧弁３３、配管３３ｂを介して、希釈器３４に接続されており、燃料電池スタック１０のカソードから排出されたカソードオフガスが希釈器３４に供給されるようになっている。つまり、背圧弁３３は、燃料電池スタック１０の下流側に配置されており、また、例えばバラフライ弁から構成され、その開度を自由に変更可能となっている。そして、ＥＣＵ９０によって背圧弁３３の開度が制御されることで、コンプレッサ３１から燃料電池スタック１０のカソード流路１２（カソード）に供給される空気の圧力及び流量が、制御されるようになっている。
【００３９】
希釈器３４は、アノード系から導入されるアノードオフガスと、カソード流路１２から排出されたカソードオフガス（酸化剤ガス、希釈用ガス）とを混合し、アノードオフガス中の水素を希釈する機器であり、これらガスを混合し、水素を希釈するための希釈空間を備えている。そして、希釈器３４で希釈された後のガスは、配管３４ａ、車外（外部）に排出されるようになっている。なお、配管３４ａには、図示しないサイレンサ（消音器）が設けられている。
【００４０】
水素センサ３５は、水素濃度を検出するセンサであり、配管３４ａ上であって、配管３４ａと後記する触媒燃焼器７０から排出された排ガスが流れる配管６５ｂとの接続点よりも下流側に配置されている。すなわち、水素センサ３５は、触媒燃焼器７０の下流に配置されている。
そして、水素センサ３５は、配管３３ａを流れるガス中の水素濃度Ｃ１１を検出するようになっている。また、水素センサ３５はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０は水素濃度Ｃ１１を検知するようになっている。
【００４１】
＜電力消費系＞
電力消費系は、燃料電池スタック１０の発電電力を消費等する系であって、走行モータ４１と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit）と、コンタクタ４３とを備えている。ＶＣＵ４２は、燃料電池スタック１０の出力電力（電流、電圧）を制御する機器であって、ＤＣ／ＤＣチョッパ等を備えている。コンタクタ４３は、燃料電池スタック１０とＶＣＵ４２及び走行モータ４１との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするスイッチである。走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源であって、三相交流電流を発生させるＰＤＵ（Power Drive Unit、図示しない）、ＶＣＵ４２、コンタクタ４３を順に介して、燃料電池スタック１０の出力端子に接続されている。
【００４２】
そして、ＥＣＵ９０がコンタクタ４３をＯＮした状態で、アクセルペダル８２等からの発電要求に応じてＶＣＵ４２を制御すると、燃料電池スタック１０から電流が取り出され、燃料電池スタック１０が発電し、走行モータ４１が回転するようになっている。一方、コンタクタ４３がＯＦＦされている場合、燃料電池スタック１０から電流が取り出されないので、燃料電池スタック１０が発電することはない。
【００４３】
その他、電力消費系は、蓄電装置や、ＤＣ／ＤＣコンバータ等（いずれも図示しない）を備えている。蓄電装置は、燃料電池スタック１０の余剰発電電力や、走行モータ４１からの回生電力を蓄えたり、燃料電池スタック１０の発電電力が低い場合、その充電電力を放電し燃料電池スタック１０を補助するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記蓄電装置に充放電される電力を適宜に昇降圧するものである。
また、コンプレッサ３１、ポンプ５２、遮断弁２２、後記する上流弁６３及び下流弁６５等も電力消費系に含まれ、前記蓄電装置及び／又は燃料電池スタック１０を電源として作動するようになっている。このため、アクセルペダル８２等から発電要求がなくても、コンプレッサ３１等の補機を作動する必要がある場合、ＥＣＵ９０は燃料電池スタック１０を発電させるようになっている。
【００４４】
＜冷媒循環系＞
冷媒循環系は、燃料電池スタック１０の冷媒流路１３を経由するように、エチレングリコール等の冷媒を循環させる系であって、ラジエータ５１と、ポンプ５２と、三方弁５３と、温度センサ５４とを備えている。
冷媒流路１３の出口は、配管５１ａ、ラジエータ５１（放熱器）、配管５１ｂ、ポンプ５２、配管５２ａ、三方弁５３、配管５３ａを介して、冷媒流路１３の入口に接続されている。そして、ポンプ５２がＥＣＵ９０の指令に従って作動すると、冷媒が循環するようになっている。
【００４５】
三方弁５３（方向切替手段）は、ＥＣＵ９０に制御され、配管５２ａと、配管５３ａ又は後記する配管７０ａとを連通させることができ、循環する冷媒を触媒燃焼器７０を経由させるか否かを切り替え可能となっている。なお、システム起動時において、触媒燃焼器７０によって燃料電池スタック１０を暖機する場合、冷媒が配管７０ａを通って、触媒燃焼器７０に向かうように、三方弁５３は制御される。
ただし、循環する冷媒の触媒燃焼器７０の経由／迂回を切替可能であれば三方弁５３に限定されず、例えば、配管５３ａ、７０ａにそれぞれ開閉弁を設け、これらを適宜に開閉する構成としてもよい。
【００４６】
温度センサ５４は、冷媒流路１３から排出された直後の冷媒の温度を、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗとして検出するセンサであり、配管５１ａに設けられている。そして、温度センサ５４はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０は温度センサ５４からの検出信号によって燃料電池スタック１０の温度Ｔｗを検知するようになっている。
【００４７】
＜冷媒加熱系＞
冷媒加熱系は、循環する冷媒を介して、燃料電池スタック１０を暖機（加熱）する系であって、水素導入弁６１と、インジェクタ６２（水素供給手段）と、上流弁６３と、ミキサ６４（混合器）と、触媒燃焼器７０と、下流弁６５とを備えている。なお、上流弁６３及び下流弁６５は、ソレノイドを内蔵し、ＥＣＵ９０により開閉制御される電磁式の制御弁である。ただし、これに限定されず、上流弁６３及び下流弁６５は、ＤＣモータ、空圧、油圧等によって作動する制御弁でもよい。
【００４８】
上流弁６３の上流側は配管６３ａを介して配管３１ａに接続されており、上流弁６３の下流側は配管６３ｂを介してミキサ６４に接続されている。つまり、上流弁６３は、触媒燃焼器７０の上流に配置されている。そして、コンプレッサ３１の作動中、上流弁６３がＥＣＵ９０によって開かれると、酸素を含む空気（酸化剤ガス）がミキサ６４に導入されるようになっている。
ただし、上流弁６３はこれに限定されず、例えば、配管６３ａと配管３１ａとの合流点に設けられた三方弁でもよい。
【００４９】
水素導入弁６１の上流側は配管６１ａを介して配管２１ａに接続されており、水素導入弁６１の下流側は配管６１ｂを介してインジェクタ６２に接続されており、インジェクタ６２は配管６３ｂの途中に設けられている。そして、ＥＣＵ９０からの指令によって水素導入弁６１が開かれ、インジェクタ６２が適宜に制御されると、水素（燃料ガス）がインジェクタ６２から配管６３ｂ内に吐出（供給）され、配管６３ｂを通る空気と共に、ミキサ６４に導入されるようになっている。
【００５０】
ミキサ６４は、これに導入される水素及び空気を混合し、燃料混合ガスを生成する機器であり、その内部に混合空間を有している。よって、ミキサ６４は、水素及び空気を適切に混合するべく、水素等を拡散するためのリブ等の拡散手段を備えることが好ましい。そして、燃料混合ガスは、配管６４ａを介して触媒燃焼器７０の触媒部７１に供給されるようになっている。
【００５１】
触媒燃焼器７０は、燃料混合ガスを触媒下で燃焼させ、その燃焼熱によって、冷媒を介して燃料電池スタック１０を暖機（加熱）する機器であり、触媒部７１と熱交換部７６とを備えている。
【００５２】
触媒部７１は、触媒部本体７２と、触媒部本体７２に向かう燃料混合ガスを整流する整流板７３（例えば多孔質板）と、温度センサ７４とを備えている。触媒部本体７２は、コージエライト等から形成され、燃料混合ガスが導入される複数の細孔を有するハニカム体と、前記細孔を取り囲む壁面に担持されたＰｔ、Ｒｕ等の触媒とを備えている。整流板７３は、触媒部本体７２に向かう燃料混合ガスを整流する例えば多孔質板であり、触媒部本体７２の上流に配置されている。
そして、整流板７３で整流された燃料混合ガスが触媒部本体７２に供給されると、水素及び酸素が触媒下で燃焼反応し、燃焼熱を帯びた高温の排ガスを生成し、この高温の排ガスが熱交換部７６に供給されるようになっている。
【００５３】
温度センサ７４は、触媒部本体７２から熱交換部７６に向かう排ガスの温度を、触媒部本体７２の触媒の温度（触媒温度Ｔｓ）として検出するセンサである。また、温度センサ７４はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０は温度センサ７４からの検出信号によって触媒温度Ｔｓを検知するようになっている。
【００５４】
熱交換部７６は、高温の排ガスと、その内部を通流する冷媒との間で熱交換し、冷媒を加熱する部分である。冷媒は、三方弁５３から配管７０ａを介して熱交換部７６内に導入され、高温の排ガスによって加熱された後、配管７０ｂを介して、配管５３ａに送られた後、冷媒流路１３を通る際に、燃料電池スタック１０を暖めるようになっている。
【００５５】
また、熱交換後の排ガスは、配管６５ａ、下流弁６５、配管６５ｂを通って、配管３４ａに排出されるようになっている。よって、外部に排出されるガス中の未燃焼の水素濃度Ｃ１１は、水素センサ３５によって検出されるようになっている。
ここで、第１実施形態では、触媒燃焼器７０の排ガスを外部に排出する排ガス配管は、配管６５ａと、配管６５ｂと、配管３４ａの一部とを備えて構成されている。そして、下流弁６５は、前記排ガス配管であって、触媒燃焼器７０の下流に配置されている。
【００５６】
下流弁６５は、その開度を０（全閉）を含めて自在に制御可能な弁であって、例えばステッピングモータを動力装置とするバタフライ弁により構成される。
【００５７】
＜その他機器＞
ＩＧ８１は、燃料電池自動車及び燃料電池システム１の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、ＩＧ８１はＥＣＵ９０と接続されており、ＥＣＵ９０はＩＧ８１のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００５８】
アクセルペダル８２（Accelerator Pedal：ＡＰ）は、運転者が走行要求に応じて踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル８２は、その踏み込み程度に基づいた信号を、ＥＣＵ９０に送り、ＥＣＵ９０はアクセルペダル８２の踏み込み量を検知すると共に、アクセルペダル８２が踏まれている場合、燃料電池スタック１０に対して、運転者から発電要求があると認識するようになっている。
【００５９】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ９０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
【００６０】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の動作及びその運転方法を、ＥＣＵ９０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。
なお、ＩＧ８１がＯＮされると、図２のフローチャートに示す処理がスタートする。また、ＩＧ８１のＯＮ前（初期状態）において、コンプレッサ３１及びポンプ５２は停止している。遮断弁２２、背圧弁３３、水素導入弁６１及び上流弁６３は閉じており、コンタクタ４３はＯＦＦされている。三方弁５３は、配管５２ａと配管５３ａとが連通するポジション、つまり、冷媒が触媒燃焼器７０を迂回するポジションとなっている。
【００６１】
＜触媒燃焼器の使用判定＞
ステップＳ１０１において、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗ及び暖機必要温度Ｔ１に基づいて、燃料電池システム１を起動するに際し、触媒燃焼器７０を使用する必要があるか否か、つまり、触媒燃焼器７０を使用して燃料電池スタック１０を暖機する必要があるか否かを判定する。暖機必要温度Ｔ１は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗがこの温度未満である場合、燃料電池スタック１０内が凍結している虞があると推定されるので、触媒燃焼器７０を運転して燃料電池スタック１０を暖機する必要がある温度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ９０に予め記憶されている。
【００６２】
そして、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機必要温度Ｔ１未満である場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器７０を使用する必要があると判定し、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機必要温度Ｔ１未満でない場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、触媒燃焼器７０を使用する必要はないと判定し、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１３に進む。
【００６３】
＜触媒暖機モード、触媒燃焼器の運転開始＞
ステップＳ１０２において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０（燃料電池システム１）を触媒暖機モードで運転する。つまり、触媒燃焼器７０の運転を開始する。
具体的には、ステップＳ１０３に示すようにＥＣＵ９０は、上流弁６３及び下流弁６５を全開にし、コンプレッサ３１及びポンプ５２を作動させる。これに並行して、ＥＣＵ９０は、水素導入弁６１を開き、インジェクタ６２を適宜に制御して、配管６３ｂ内に水素を吐出する。これにより、水素及び空気がミキサ６４に送られ、ミキサ６４で好適に混合され、燃料混合ガスが生成し、この燃料混合ガスが触媒燃焼器７０の触媒部本体７２に供給される。
また、ＥＣＵ９０は、三方弁５３を制御して、配管５２ａと配管７０ａとを連通させる。これにより、ポンプ５２の作動によって循環する冷媒が、触媒燃焼器７０を経由する。
【００６４】
そうすると、触媒部本体７２では、燃料混合ガス中の水素及び酸素が触媒燃焼し、燃焼熱を生成すると共に、この燃焼熱を有する高温の排ガスが生成する。そして、この燃焼熱により、触媒部本体７２の触媒温度Ｔｓが上昇し始める。つまり、触媒部本体７２が暖機される。
【００６５】
また、生成した高温の排ガスは、熱交換部７６に流れ込み、この熱交換部７６において、冷媒と熱交換し、冷媒を加熱した後、配管６５ａ、下流弁６５、配管６５ｂ、配管３４ａを通って外部に排出される。一方、加熱された冷媒は、配管７０ｂ、配管５３ａを介して、冷媒流路１３に供給される。これにより、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが上昇し始める。なお、触媒燃焼器７０から外部に排出されるガスには、未燃焼の水素が含まれており、その水素濃度Ｃ１１は、水素センサ３５で検出されている。
【００６６】
＜触媒の暖機完了判定＞
ステップＳ１０４において、ＥＣＵ９０は、触媒温度Ｔｓと触媒の暖機完了温度Ｔ５とに基づいて、触媒部本体７２を構成する触媒の暖機が完了したか否かを判定する。触媒の暖機完了温度Ｔ５は、触媒温度Ｔｓがこの温度以上であれば、触媒部本体７２に通常流量で燃料混合ガスを導入しても、良好に触媒燃焼反応が進み、多量の燃料混合ガス（特に水素）が通り抜けないとされる温度である。このような触媒の暖機完了温度Ｔ５は、触媒の種類、装填量等に依存し、事前試験等に求められ、ＥＣＵ９０に予め記憶されている。
【００６７】
そして、触媒温度Ｔｓが、暖機完了温度Ｔ５以上である場合（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、触媒の暖機は完了したと判定し、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０５に進む。一方、触媒温度Ｔｓが、暖機完了温度Ｔ５以上でない場合（Ｓ１０４・Ｎｏ）、触媒の暖機は完了していないと判定し、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０４の判定を繰り返す。
【００６８】
＜通常モード＞
ステップＳ１０５において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０を通常モードで運転する。
具体的には、ＥＣＵ９０は、触媒暖機モードに対して、インジェクタ６２による水素の吐出量を増加させ、触媒燃焼器７０に送られる水素流量を増加させる。これに並行して、ＥＣＵ９０は、コンプレッサ３１の回転速度を高め、触媒暖機モードに対して、触媒燃焼器７０に送られる空気流量を増加させる。
【００６９】
これにより、暖機の完了した触媒部本体７２おいて、触媒燃焼が良好に進み、触媒部本体７２から熱交換部７６に、高温の排ガスが大流量で導入され、熱交換部７６における冷媒の加熱がさらに進む。そして、この加熱された冷媒が冷媒流路１３に供給されることにより、燃料電池スタック１０の暖機が進む。
【００７０】
＜燃料電池スタックの暖機完了判定＞
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗと、暖機完了温度Ｔ２とに基づいて、燃料電池スタック１０の暖機が完了したか否かを判定する。燃料電池スタック１０の暖機完了温度Ｔ２は、燃料電池スタック１０のＭＥＡに含まれる触媒の種類等に依存し、事前試験等により求められ、ＥＣＵ９０に予め記憶されている。
【００７１】
そして、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機完了温度Ｔ２以上である場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１０の暖機は完了したと判定し、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０７に進む。一方、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機完了温度Ｔ２以上でない場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、燃料電池スタック１０の暖機は完了していないと判定し、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１０６の判定を繰り返す。
【００７２】
＜触媒燃焼器の運転停止＞
ステップＳ１０７において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０の運転を停止する。
具体的には、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０により燃料電池スタック１０を暖める必要はないため、水素導入弁６１を閉じ、触媒燃焼器７０への水素供給を停止する。これにより、触媒燃焼器７０における触媒燃焼は停止する。
これに対し、上流弁６３及び下流弁６５は全開のままとし、触媒燃焼器７０に空気を継続して流通させる。
【００７３】
＜燃料電池スタックの発電開始＞
ステップＳ１０８において、ＥＣＵ９０は、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。
具体的には、ＥＣＵ９０は、遮断弁２２を開いてアノード流路１１に水素を供給すると共に、背圧弁３３を開いてカソード流路１２に空気を供給する。これにより、アノード流路１１では水素への置換、カソード流路１２では空気の置換が、それぞれ進む。
そして、ＥＣＵ９０は、電圧センサ（図示しない）を介して、燃料電池スタック１０のＯＣＶが発電可能な所定ＯＣＶ以上となったことを検出した後、コンタクタ４３をＯＮする。次いで、ＥＣＵ９０は、アクセルペダル８２等からの発電要求に応じて、ＶＣＵ４２を制御し、燃料電池スタック１０から電流を取り出す。そうすると、燃料電池スタック１０の発電が開始する。なお、燃料電池スタック１０の発電は、ＩＧ８１がＯＦＦされ、後記するステップＳ１１２の判定がＹｅｓとなるまで継続される。
【００７４】
＜掃気モード＞
ステップＳ１０９において、ＥＣＵ９０は、触媒燃焼器７０を掃気モードで運転する。
具体的には、ＥＣＵ９０は、上流弁６３及び下流弁６５を継続して開き、コンプレッサ３１（掃気手段）からの掃気ガス（非加湿の空気）を、触媒燃焼器７０に供給する。これにより、触媒燃焼器７０に残留する水素や、触媒燃焼によって生成した水蒸気が、配管６５ａ、下流弁６５、配管６５ｂを介して外部に排出され、触媒燃焼器７０が掃気される。これと同時に、触媒部本体７２が冷却される。
なお、三方弁５３は、冷媒が触媒燃焼器７０を経由するポジションで維持される。これにより、燃料電池スタック１０の発電に伴う自己発熱によって、冷媒を介して、触媒燃焼器７０を暖めつつ、掃気することできる。ただし、冷媒が触媒燃焼器７０を迂回するポジションに変更してもよい。
【００７５】
＜掃気完了判定＞
ステップＳ１１０において、ＥＣＵ９０は、内蔵するクロックを利用し、ステップＳ１０９における掃気モードでの運転開始後、所定掃気時間Δｔが経過したか否かに基づいて、触媒燃焼器７０の掃気が完了したか否かを判定する。所定掃気時間Δｔは、触媒燃焼器７０の掃気が完了したと推定される時間であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ９０に予め記憶されている。
【００７６】
所定冷却時間Δｔが経過したと判定された場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１１に進む。一方、所定掃気時間Δｔが経過していないと判定された場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１０の判定を繰り返す。
ただし、これに限定されず、例えば、掃気モードに入った際の触媒温度Ｔｓに応じて、掃気モードの実行時間を可変、つまり、触媒温度Ｔｓが高い場合、掃気モードの実行時間を長くする構成としてもよい。
【００７７】
＜上流弁、下流弁の全閉＞
ステップＳ１１１において、ＥＣＵ９０は、上流弁６３及び下流弁６５を閉じる。これにより、触媒燃焼器７０（詳細には触媒部本体７２）は、配管６３ｂ等を介しての加湿器３２や、配管６５ｂ等を介しての外部と遮断される。すなわち、触媒部本体７２は、掃気によって水分及び水素が低減された状態で、密閉維持される。
【００７８】
ステップＳ１１２において、ＩＧ８１からの信号に基づいて、ＩＧ８１がＯＦＦされたか否かを判定する。
ＩＧ８１はＯＦＦされたと判定した場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ９０は、コンタクタ４３をＯＦＦし、燃料電池スタック１０の発電を停止させる。これに並行して、ＥＣＵ９０は、遮断弁２２を閉じ、コンプレッサ３１を停止させ、背圧弁３３を閉じる。なお、このように燃料電池スタック１０の発電を停止する場合、コンプレッサ３１からの掃気ガス（非加湿の空気）を、加湿器３２を迂回させてカソード流路１２と、図示しない配管を介してアノード流路１１とに導入し、アノード流路１１及びカソード流路１２を掃気することが好ましい。
そして、ＥＣＵ９０の処理は、エンドに進む。
【００７９】
一方、ＩＧ８１はＯＦＦされていないと判定した場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１１２の判定を繰り返す。
【００８０】
次に、ステップＳ１０１の判定結果がＮｏとなって進むステップＳ１１３を説明する。
ステップＳ１１３において、ＥＣＵ９０は、ステップＳ１０８と同様に、燃料電池スタック１０の発電を開始させる。その後、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１１２に進む。
【００８１】
≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
触媒燃焼器の運転停止後であって（Ｓ１０７）、触媒燃焼器７０の掃気が完了した直後に（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、上流弁６３及び下流弁６５を閉めるので（Ｓ１１１）、その後に、触媒燃焼器７０への水分等の侵入を防止できる。具体的には、外部の多湿な空気が、配管３４ａ、６５ｂ、６５ａを介して、触媒燃焼器７０に侵入することを防止できる。また、加湿器３２及びカソード流路１２の多湿な空気が、配管６３ａ、６３ｂ、６４ａを介して、触媒燃焼器７０に侵入することを防止できる。これにより、掃気完了後において、触媒燃焼器７０の触媒に吸着される水分量を、低減することができる（図３参照）。さらに、システム停止中に、氷点下等の低温環境となっても、触媒燃焼器７０内が凍結しにくくなる。
【００８２】
そして、このように上流弁６３及び下流弁６５が閉じられた状態が、燃料電池システム１の停止後（燃料電池スタック１０の発電停止後）も維持され、次回システム起動時において、触媒燃焼器７０を使用するとき（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、上流弁６３及び下流弁６５が開かれるので（Ｓ１０３）、吸着した水分が少ない触媒下で、水素と空気とを触媒燃焼することができる。
これにより、触媒燃焼器７０をそのまま通り抜ける水素を低減することができ、外部に排出される排ガスの水素濃度Ｃ１１を低くすることができる（図４参照）。また、水分吸着量が少ない触媒下で、触媒燃焼反応を好適に進めることができるので、触媒暖機モードにおいて、触媒温度Ｔｓをその暖機完了温度Ｔ５に速やかに高めることができ、その結果、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが、暖機完了温度Ｔ２に到達する時間を短縮することができる（図５参照）。
【００８３】
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、燃料電池システム１の一動作例について、図６を参照して説明する。
ＩＧ８１のＯＮ時における燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが暖機必要温度Ｔ１未満であるので（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、触媒暖機モードに入り（Ｓ１０２）、上流弁６３及び下流弁６５が開かれる（Ｓ１０３）。そして、触媒温度Ｔｓが暖機完了温度Ｔ５になると（Ｓ１０４・Ｙｅｓ）、通常モードに移行する（Ｓ１０５）。
【００８４】
次いで、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗが、暖機完了温度Ｔ２になると（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、通常モードを終了し、触媒燃焼器７０の運転を停止する（Ｓ１０７）。その後、触媒燃焼器７０に掃気ガスを送る掃気モードで運転し（Ｓ１０９）、掃気が完了した直後（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、上流弁６３及び下流弁６５を閉じる（Ｓ１１１）。
【００８５】
≪変形例≫
以上、本発明の第１実施形態について説明したが、本発明は第１実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。また、後記する第２実施形態等と適宜に組み合わせてもよい。
【００８６】
前記した第１実施形態では、触媒の暖機完了判定を、現在の触媒温度Ｔｓと、暖機完了温度Ｔ５とに基づいて行ったが、例えば、触媒燃焼器７０への燃料混合ガスの導入開始後、暖機が完了したと推定される時間を経過した場合、暖機が完了したと判定する構成としてもよい。
また、触媒の暖機が進むと触媒燃焼器７０を通り抜ける水素が低減するので、水素センサ３５を介して検出される現在の水素濃度Ｃ１１が、所定水素濃度Ｃ１以下となった場合、暖機が完了したと判定する構成としてもよい。なお、所定水素濃度Ｃ１は、触媒の暖機が完了したと推定される水素濃度であり、事前試験等により求められ、ＥＣＵ９０に予め記憶される。
【００８７】
前記した第１実施形態では、燃料電池スタック１０の発電開始（Ｓ１０９）に引き続いて、掃気モードに入り（Ｓ１０９）、触媒燃焼器７０を掃気する構成としたが、例えば、燃料電池スタック１０の発電が安定し、発電に伴う自己発熱により冷媒の温度が高くなった後、この暖かい冷媒を触媒燃焼器７０に流通させつつ、触媒燃焼器７０を掃気する構成としてもよい。このような構成にすれば、燃料電池スタック１０の発電に伴う自己発熱によって、触媒燃焼器７０を暖めつつ、掃気できるので、触媒燃焼器７０内の水分を好適に排出することができる。
【００８８】
前記した第１実施形態では、燃料電池スタック１０の温度Ｔｗを検出する温度センサ５４が、燃料電池スタック１０から排出された冷媒の流れる配管５２ａに配置された場合を例示したが、温度センサ５４の位置及び数はこれに限定されない。例えば、温度センサを、アノードオフガス、カソードオフガスが流れる配管２２ｂ、３２ｂに設けてもよいし、燃料電池スタック１０に直接設けてもよい。また、複数の温度センサを設けて、誤検出を防止するようにしてもよい。
【００８９】
前記した第１実施形態では、コンプレッサ３１（酸化剤ガス供給手段）に対して、燃料電池スタック１０と触媒燃焼器７０とが並列で配置された構成を例示したが、燃料電池スタック１０と触媒燃焼器７０とが直列で配置された構成であってもよい。例えば、触媒燃焼器７０が燃料電池スタック１０の下流に配置され、アノードオフガス及びカソードオフガスが触媒燃焼器７０に導入される構成であってもよい。
【００９０】
前記した第１実施形態では、触媒燃焼器７０の運転停止後、コンプレッサ３１からの掃気ガスにより触媒燃焼器７０が掃気され、この掃気の直後に下流弁６５が閉じられる構成を例示したが、触媒燃焼器７０の運転停止後に触媒燃焼器７０が掃気されない構成でもよい。この構成の場合、例えば、触媒燃焼器７０の運転停止後に上流弁６３及び下流弁６５を閉じればよい。
【００９１】
前記した第１実施形態では、希釈器３４を備える燃料電池システム１について説明したが、希釈器３４を備えない燃料電池システム１に本発明を適用してもよい。また、未反応の水素を含むアノードオフガスをアノード流路１１の上流に戻し、水素を循環させる水素循環系を備える燃料電池システムに本発明を適用してもよい。
【００９２】
前記した第１実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。
【００９３】
≪第２実施形態≫
次に、本発明の第２実施形態について、図７、図８を参照して説明する。
第２実施形態に係る燃料電池システムの機械的構成は、第１実施形態と同一であるが、ＥＣＵ９０に設定されたプログラムが一部異なる。以下、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００９４】
図７に示すように、第２実施形態に係る燃料電池システムでは、ステップＳ１１０の判定結果がＹｅｓの後、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１４に進む。そして、ステップＳ１１４において、ＥＣＵ９０は、上流弁６３のみを閉じ、下流弁６５は開いたままとする。その後、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１１２に進む。
【００９５】
また、第２実施形態では、ステップＳ１１２の判定結果がＹｅｓとなり、燃料電池スタック１０の発電を停止した後、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１５に進む。そして、ステップＳ１１５において、ＥＣＵ９０は、下流弁６５を閉じ、エンドに進む。
【００９６】
すなわち、触媒燃焼器７０の掃気完了直後（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）に下流弁６５を閉じずに、触媒燃焼器７０の運転停止後（Ｓ１０７）から適宜な時間が経過した燃料電池スタック１０の発電停止後に（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、下流弁６５を閉じる構成としてもよい（図８参照）。
【００９７】
≪第３実施形態≫
次に、本発明の第３実施形態について、図９、図１０を参照して説明する。
第３実施形態に係る燃料電池システムの機械的構成は、第１実施形態と同一であるが、ＥＣＵ９０に設定されたプログラムが一部異なる。以下、第１実施形態と異なる部分のみを説明する。
【００９８】
図９に示すように、第３実施形態に係る燃料電池システムでは、ステップＳ１０２の後、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１６に進む。
ステップＳ１１６において、ＥＣＵ９０は、上流弁６３を全開し、下流弁６５を半開する（図１０参照）。すなわち、第３実施形態では、触媒暖機モードにおける下流弁６５の開度を、暖機完了後の通常モードにおける開度（全開）よりも小さく制御する。この場合において、図１０に破線で示すように、下流弁６５の弁体を一旦全開位置に作動させ、全開可能であることを検出した後、半開にしてもよい。
ただし、下流弁６５の開度は半開に限定されず、通常モードにおける開度よりも小さければよい。また、触媒温度Ｔｓに基づいて下流弁６５の開度を可変、例えば、触媒温度Ｔｓが低いほど、下流弁６５の開度を小さくする構成としてもよい。
【００９９】
これにより、触媒燃焼器７０から排ガスが排出されにくくなると共に、触媒燃焼器７０に導入される燃料混合ガス（水素、空気）が、触媒燃焼器７０を通り抜けにくくなり、燃料混合ガスが触媒部本体７２の全体に拡散し、触媒部本体７２の全体に亘りやすくなる。したがって、触媒部本体７２における燃料混合ガス、特に、水素の濃度が均一となり、触媒部本体７２の全体において触媒燃焼反応を進めることができる。その結果、触媒燃焼反応熱によって、触媒部本体７２の全体を暖めることができ、触媒を全体的に活性化することができると共に、触媒の暖機時間を短縮することもできる。
その後、ＥＣＵ９０の処理は、ステップＳ１０４に進む。
【０１００】
また、第３実施形態では、触媒の暖機が完了し、ステップＳ１０４の判定結果がＹｅｓの後、ＥＣＵ９０の処理はステップＳ１１７に進む。そして、ステップＳ１１７において、ＥＣＵ９０は、下流弁６５を全開した後（図１０参照）、ステップＳ１０５に進む。このように下流弁６５を全開とすることにより、下流弁６５から受ける圧力損失が下がるため、コンプレッサ３１に作用する負荷が低下し、コンプレッサ３１の消費電力を下げることができる。
【０１０１】
≪第４実施形態≫
次に、本発明の第４実施形態について、図１１から図１３を参照して説明する。
図１１に示すように、第４実施形態に係る燃料電池システム２は、上流弁６３（図１参照）を備えておらず、配管６３ａの下流端はミキサ６４に接続されており、インジェクタ６２は配管６３ａに配置されている。
【０１０２】
そして、燃料電池システム２は、図１２に示すように、ステップＳ１０３（図２参照）に代えて、下流弁６５のみを全開するステップＳ１１８を備えている（図１３参照）。また、燃料電池システム２は、ステップＳ１１１（図２参照）に代えて、下流弁６５のみを全閉するステップＳ１１９を備えている（図１３参照）。
【０１０３】
≪第５実施形態≫
次に、本発明の第５実施形態について、図１４を参照して説明する。
図１４に示すように、第５実施形態に係る燃料電池システムでは、上流弁６３と下流弁６５とが、その動力源となるモータＭ（駆動装置）を共有している。すなわち、モータＭの出力軸周りに、上流弁６３の弁体と、下流弁６５の弁体とが固定されおり、上流弁６３及び下流弁６５の動作は同期する。これにより、燃料電池システムの構成を簡略化、小型化することができる。
この他に例えば、モータＭを共有するものの、適宜に減速機構を設けて、上流弁６３及び下流弁６５にモータＭの動力が伝達する構成とし、上流弁６３の開度と、下流弁６５の開度とが独立する構成としてもよい。
【０１０４】
また、第５実施形態に係る燃料電池システムでは、ミキサ６４と触媒燃焼器７０とを接続し、燃料混合ガスが流れる配管６４ａがＵ字形となっている。これにより、配管６４ａにおいても、燃料混合ガスを混合することができ、燃料混合ガスにおける水素濃度を均一にすることができる。
ただし、配管６４ａの形状は、燃料混合ガスを混合可能であればよく、例えば、螺旋形、蛇行形であってもよい。
【０１０５】
≪第６実施形態≫
次に、本発明の第６実施形態について、図１５を参照して説明する。
図１５に示すように、第６実施形態に係る燃料電池システムは、電磁式の下流弁６５（図１参照）に代えて、下流弁として機能する逆止弁６６を備えている。逆止弁６６は、触媒燃焼器７０の運転時等において、配管６５ａから配管６５ｂへの排ガスの通流のみを許容し、配管６５ｂから配管６５ａへの外気や、希釈器３４での希釈後のガス等の通流を許容しない、つまり、遮断するワンウェイバルブである。このような逆止弁６６は、例えばリード弁から構成され、システム構成が簡便となっている。
【０１０６】
そして、逆止弁６６は、触媒燃焼器７０が触媒暖機モード、通常モード、掃気モードで運転する場合、つまり、コンプレッサ３１が作動した状態で上流弁６３が開かれ、触媒燃焼器７０から排ガス等が排出された場合、開くように構成されている。すなわち、逆止弁６６の開閉状態は、上流弁６３の開閉状態と同期することになる。
【０１０７】
さらに、逆止弁６６において、例えば、リードの厚さを変更したり、ばね係数の異なる複数の圧縮コイルばねを使用したり、コンプレッサ３１の回転速度・吐出圧を適宜変更すれば、図１０の下流弁６５の開度のように、逆止弁６６を触媒暖機モードで半開し、通常モードで全開することもできる。
【０１０８】
また、第６実施形態において、配管６５ｂ（排ガス配管）の下流端は、希釈器３４の下流の配管３４ａに、排ガスの通流向き（上流向き）と、希釈器３４からのガス（アノードオフガス、カソードオフガスが混合したもの）の通流向きとが、対向するように接続されている。すなわち、配管６５ｂは、その下流端が配管３４ａの上流を向くように接続されている。
【０１０９】
これにより、燃料電池スタック１０が発電し、触媒燃焼器７０が停止し、逆止弁６６が閉じている場合において、希釈器３４から排出されたガスの一部は配管６５ｂに流入する。そうすると、逆止弁６６の下流における配管６５ｂ内の圧力が上昇し、この圧力上昇により、逆止弁６６は閉方向に付勢され、確実に閉じられる。これにより、希釈器３４からのガス、つまり、燃料電池スタック１０から排出された多湿のアノードオフガス、カソードオフガスが触媒燃焼器７０に導入することを確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態に係る燃料電池システムの効果を示すグラフである。
【図４】第１実施形態に係る燃料電池システムの効果を示すグラフである。
【図５】第１実施形態に係る燃料電池システムの効果を示すグラフである。
【図６】第１実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図７】第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図８】第２実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図９】第３実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図１０】第３実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図１１】第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１２】第４実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図１３】第４実施形態に係る燃料電池システムの一動作例を示すタイムチャートである。
【図１４】第５実施形態に係る燃料電池システムの一部の構成を示す図である。
【図１５】第６実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
１１    アノード流路（燃料ガス流路）
１２    カソード流路（酸化剤ガス流路）
１３    冷媒流路
２１    水素タンク
２２    遮断弁
３１    コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段、掃気手段）
６３    上流弁（制御弁）
６５    下流弁（制御弁）
６６    逆止弁（下流弁）
７０    触媒燃焼器
７１    触媒部
７２    触媒部本体
７４    温度センサ
７６    熱交換部
９０    ＥＣＵ
Ｍ      モータ（駆動装置）
Ｔｗ    燃料電池スタックの温度
Ｔ１    燃料電池スタックの暖機必要温度
Ｔ２    燃料電池スタックの暖機完了温度
Ｔｓ    触媒温度
Ｔ５    触媒燃焼器の暖機完了温度
【図１】
0005271013.tif 000002
【図２】
0005271013.tif 000003
【図３】
0005271013.tif 000004
【図４】
0005271013.tif 000005
【図５】
0005271013.tif 000006
【図６】
0005271013.tif 000007
【図７】
0005271013.tif 000008
【図８】
0005271013.tif 000009
【図９】
0005271013.tif 000010
【図１０】
0005271013.tif 000011
【図１１】
0005271013.tif 000012
【図１２】
0005271013.tif 000013
【図１３】
0005271013.tif 000014
【図１４】
0005271013.tif 000015
【図１５】
0005271013.tif 000016