(57)【要約】【課題】水素及び酸素等のガスの温度に対応して好適に運転可能な触媒燃焼器を備える燃料電池システム及びその運転方法を提供する。【解決手段】水素と空気とが供給されることで発電する燃料電池１０と、水素と空気とが混合してなる燃料混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器５１と、触媒燃焼器５１への燃料ガスの供給を制御する流量調整弁５３及び触媒燃焼器５１への空気の供給を制御する開閉弁５４と、触媒燃焼器５１に供給される水素及び空気の温度を検出する温度センサ５７、５８と、温度センサ５７、５８が検出する検出温度に基づいて、燃料混合ガスにおける水素と空気との比である燃空比を制御する制御部８１と、を備えた燃料電池システム１である。【選択図】図１
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【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ることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混合してなる燃料混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器と、
前記触媒燃焼器への前記燃料ガスの供給を制御する燃料ガス制御手段、及び、前記触媒燃焼器への前記酸化剤ガスの供給を制御する酸化剤ガス制御手段の少なく一方であるガス制御手段と、
前記触媒燃焼器に供給される前記燃焼ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、
前記ガス制御手段を介し、前記温度検出手段が検出する検出温度に基づいて、前記燃料混合ガスにおける前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの比である燃空比を制御する燃空比制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃空比制御手段は、前記検出温度が低いほど前記燃空比を大きく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】
前記ガス制御手段は前記酸化剤ガス制御手段を含み、
前記燃空比制御手段は、前記触媒燃焼器の触媒燃焼初期時において、その触媒燃焼安定時に対して、前記燃空比を大きくする共に、前記酸化剤ガス制御手段を介して前記触媒燃焼器への前記酸化剤ガスの供給量を少なくす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】
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混合してなる燃料混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器と、
を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記触媒燃焼器に供給される前記燃焼ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度に基づいて、前記燃料混合ガスにおける前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの比である燃空比を制御すること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、触媒燃焼器を備える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、家庭用電源等に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のアノードからは、未反応の水素を含むアノードオフガスが排出される。しかしながら、この未反応の水素がそのまま外部に排出されることは望ましくないため、この水素と酸素とを、触媒下で燃焼（触媒燃焼という）させる触媒燃焼器が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−９２３１１号公報（段落番号００１６〜００２８、図１、図２）
【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、特許文献１に記載の触媒燃焼器では、例えば、水素及び酸素の温度が低くても、予め設定された燃空比で運転されるため、触媒燃焼が不安定となり、触媒燃焼反応が停止する場合があった。
【０００５】
そこで、本発明は、水素及び酸素等のガスの温度に対応して好適に運転可能な触媒燃焼器を備える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、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混合してなる燃料混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器と、前記触媒燃焼器への前記燃料ガスの供給を制御する燃料ガス制御手段、及び、前記触媒燃焼器への前記酸化剤ガスの供給を制御する酸化剤ガス制御手段の少なく一方であるガス制御手段と、前記触媒燃焼器に供給される前記燃焼ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度を検出する温度検出手段と、前記ガス制御手段を介し、前記温度検出手段が検出する検出温度に基づいて、前記燃料混合ガスにおける前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの比である燃空比を制御する燃空比制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。
【０００７】
このような燃料電池システムによれば、燃空比制御手段が、温度検出する検出温度に基づいて、ガス制御手段を介して、燃料混合ガスにおける燃料ガスと酸化剤ガスとの比である燃空比を制御する。すなわち、触媒燃焼器には、温度に対応して燃空比が調整された燃料混合ガスが供給される。これにより、触媒燃焼は安定し、触媒燃焼器は好適に運転することができる。
【０００８】
また、前記燃空比制御手段は、前記検出温度が低いほど前記燃空比を大きくすることを特徴とする。
【０００９】
ここで、燃空比を大きくするとは、燃焼混合ガスにおける燃料ガスの濃度を高めることを意味する。
このような燃料電池システムによれば、検出温度が低いほど燃空比を大きくすることにより、安定して触媒燃焼させることができる。なお、安定して触媒燃焼するとは、触媒下における燃料混合ガスの反応性が高くなることと、同義である。
【００１０】
また、前記ガス制御手段は前記酸化剤ガス制御手段を含み、前記燃空比制御手段は、前記触媒燃焼器の触媒燃焼初期時において、その触媒燃焼安定時に対して、前記燃空比を大きくする共に、前記酸化剤ガス制御手段を介して前記触媒燃焼器への前記酸化剤ガスの供給量を少なくすることを特徴とする。
【００１１】
ここで、触媒燃焼初期時とは、触媒燃焼器の運転開始後において、これに内蔵される触媒の活性が、所定触媒活性よりも低い状態にある場合を意味する。これに対し、触媒燃焼安定時とは、触媒が所定触媒活性以上である場合である。
そして、触媒の活性が所定活性よりも低いか否かは、例えば、後記する実施形態のように、実際の触媒の温度と、所定活性が得られる触媒の温度とを比較することで、判定される。
【００１２】
このような燃料電池システムによれば、燃空比制御手段が、触媒燃焼初期時では、触媒燃焼安定時に対して、燃空比を大きくすることにより、触媒の活性を低下させずに、安定して触媒燃焼させることができる。また、燃料ガスの供給量を多くするのではなく、酸化剤ガスの供給量を少なくすることで燃空比を下げることにより、燃料ガスの消費を抑えることができ、燃費を高めることができる。さらに、酸化剤ガスの供給量を少なくすることにより、例えば、酸化剤ガスが低温である場合、触媒燃焼器の触媒が、低温かつ多流量の酸化剤ガスに曝されることを防止できる。これにより、触媒の活性を良好に維持することができ、効率的に触媒燃焼させることができる。
【００１３】
また、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとが混合してなる燃料混合ガスを触媒燃焼させる触媒燃焼器と、を備える燃料電池システムの運転方法であって、前記触媒燃焼器に供給される前記燃焼ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の温度に基づいて、前記燃料混合ガスにおける前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの比である燃空比を制御すること特徴とする燃料電池システムの運転方法である。
【００１４】
このような燃料電池システムの運転方法によれば、触媒燃焼器に供給される燃焼ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方の温度に基づいて、燃料混合ガスにおける燃料ガスと前記酸化剤ガスとの比である燃空比を制御することにより、触媒燃焼は安定し、触媒燃焼器を好適に運転させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、水素及び酸素等のガスの温度に対応して好適に運転可能な触媒燃焼器を備える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】
【００１６】
以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照して説明する。
【００１７】
≪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に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池１０の出力端子（図示しない）に接続された走行モータ４１を備えている。走行モータ４１は燃料電池１０の発電電力によって駆動し、これにより、燃料電池自動車が走行するようになっている。
【００１８】
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード対して水素（燃料ガス）を供給及び排出するアノード系と、燃料電池１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給及び排出するカソード系と、燃料電池１０の発電電力を消費する電力消費系と、燃料電池１０に供給される水素及び空気の一部を取り出し（サンプリングし）、触媒燃焼させる触媒燃焼系と、ラジエータ液（熱交換流体）を流通させるラジエータ液流通系（熱交換流体流通手段）と、燃料電池システム１の起動スイッチであるＩＧ７０（イグニッション）と、これらを電子制御するＥＣＵ８０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を主に備えている。
【００１９】
＜燃料電池＞
燃料電池１０（燃料電池スタック）は、単セルが複数積層されることによって構成された固体高分子型燃料電池である。単セルは、電解質膜（固体高分子膜）の両面をアノード（燃料極）及びカソード（空気極）で挟んでなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、を主に備えている。各セパレータには、各単セルを構成するＭＥＡの全面に水素又は酸素を供給するための溝や、全単セルに水素、酸素を導くための貫通孔等が形成されており、これら溝等がアノード流路１１、カソード流路１２として機能している。
【００２０】
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酸素を含む空気が供給されると、アノード、カソードに含まれる触媒（Ｐｔ等）上で電気化学反応が起こり、各単セルで電位差（いわゆる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、このように各単セルで電位差が発生した燃料電池１０に対して、走行モータ４１等の外部負荷から発電要求があると、燃料電池１０が発電するようになっている。
【００２１】
また、燃料電池１０は、暖機完了燃料電池温度Ｔ４２を固有している。暖機完了燃料電池温度Ｔ４２とは、燃料電池１０の暖機が完了したとされる温度である。そして、暖機完了燃料電池温度Ｔ４２では、アノード及びカソードに含まれる触媒が所定の触媒活性となるため、前記電気化学反応が速やかに進行し、燃料電池１０が好適に発電可能となる。
さらに、前記セパレータには、ラジエータ液流通系から送られ、燃料電池１０と熱交換するラジエータ液が流通するラジエータ液流路１３が形成されている。
【００２２】
＜アノード系＞
アノード系は、水素が貯蔵された水素タンク２１と、遮断弁２２と、減圧弁２３とを主に備えている。そして、水素タンク２１から下流側に向かって、配管２１ａと、遮断弁２２と、配管２２ａと、減圧弁２３と、配管２３ａと、アノード流路１１とが順に接続されており、後記する制御部８１によって遮断弁２２が開かれると、減圧弁２３で所定圧力に減圧された水素が、アノード流路１１に供給されるようになっている。
アノード流路１１の下流側には、配管２３ｂが接続されており、アノードから排出されたアノードオフガスが、配管２３ｂを介して外部に排出されるようになっている。
【００２３】
＜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）を主に備えている。コンプレッサ３１は、配管３１ａを介して、カソード流路１２に接続されており、制御部８１の指令によりコンプレッサ３１が作動すると、酸素を含む空気がカソード流路１２に供給されるようになっている。また、配管３１ａには、加湿器（図示しない）が設けられており、カソードに送られる空気が適宜に加湿されるようになっている。
カソード流路１２の下流側には、配管３１ｂが接続されており、カソードから排出されたカソードオフガスが、配管３１ｂを介して外部に排出されるようになっている。
【００２４】
＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ４１（外部負荷）を主に備えている。この他、コンプレッサ３１やポンプ６１のモータも、電力消費系に含まれる。走行モータ４１は、燃料電池自動車を走行させるモータであり、燃料電池１０の出力端子に接続されている。また、走行モータ４１には、燃料電池１０と走行モータ４１との電気的接続をＯＮ／ＯＦＦするコンタクタや、ＤＣ−ＤＣコンバータ等が設けられており、走行モータ４１は、制御部８１の指令を受けて、燃料電池１０の出力電流や出力電圧を制御する電流電圧制御機能を有している。すなわち、運転者等の出力要求を検知した制御部８１から走行モータ４１に出力指令が送られると、走行モータ４１は、その出力指令に従って、燃料電池１０から電流を適宜に取り出す。
【００２５】
＜触媒燃焼系＞
触媒燃焼系は、水素及び空気を触媒燃焼させることで熱エネルギを取得し、この熱エネルギによって、前記したラジエータ液流通系のラジエータ液を加熱する系である。そして、触媒燃焼系は、触媒燃焼器５１と、熱交換器５２と、流量調整弁５３（燃料ガス制御手段）と、開閉弁５４（酸化剤ガス制御手段）と、温度センサ５６、５７、５８（温度検出手段）とを主に備えている。
【００２６】
［触媒燃焼器］
触媒燃焼器５１は、その内部に、上流側の混合部５１Ａと、下流側の触媒燃焼部５１Ｂとを主に備えている。
【００２７】
混合部５１Ａは、その内部に、水素と空気とを混合し、燃料混合ガスを生成する混合室を有している。さらに説明すると、混合部５１Ａは、配管５１ａを介して所定圧力に減圧された水素が流通する配管２３ａと、配管５１ｂを介して空気が流通する配管３１ａとに接続されている。そして、この燃料混合ガスは、触媒燃焼部５１Ｂに流れるようになっている。
【００２８】
触媒燃焼部５１Ｂは、混合部５１Ａから流れ込んだ燃料混合ガスを、触媒下で触媒燃焼させて、高温の排気ガスを生成させるものである。このような触媒燃焼部５１Ｂは、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を備えている。そして、各細孔を取り囲む内壁面には触媒（Ｐｔ等）が担持されており、細孔に燃料混合ガスが導入されると、この触媒下で、触媒燃焼反応が起こり、高温の排気ガスが生成するようになっている。因みに、この排気ガスは、配管５１ｃを通って、熱交換器５２に供給されるようになっている。
【００２９】
また、触媒燃焼部５１Ｂに内蔵される触媒は、良好な触媒活性となる所定触媒温度Ｔ３２を固有している。さらに説明すると、燃料電池自動車の始動直後等、触媒の実際の温度（実測触媒温度Ｔ３１）が所定触媒温度Ｔ３２よりも低い場合、触媒は所定触媒温度Ｔ３２に対応した所定触媒活性を有しないが、燃料混合ガスを触媒燃焼させることができ、この燃焼熱によって、触媒が加熱されるようになっている。
そして、本実施形態では、低温環境下等における燃料電池自動車の起動において、実測触媒温度Ｔ３１が所定触媒温度Ｔ３２に到達するまでの期間（Ｔ３１＜Ｔ３２）を「触媒燃焼初期時」とし、所定触媒温度Ｔ３２に一旦到達後の期間（Ｔ３１≧Ｔ３２）を「触媒燃焼安定時」とする。
【００３０】
［熱交換器］
熱交換器５２は、触媒燃焼部５１Ｂから送られた高温の排気ガスと、ラジエータ液との間で熱交換し、ラジエータ液を加熱する機器である。そして、熱交換後の排気ガスは、配管５２ａを介して外部に排出されるようになっている。
【００３１】
［流量調整弁］
流量調整弁５３は、バタフライ弁、ニードル弁等であって、その内部を流れるガスの流量を調整する弁である。このような流量調整弁５３は、配管５１ａに設けられており、混合部５１Ａに供給される水素の流量が調整（制御）されるようになっている。また、流量調整弁５３は制御部８１と接続されており、制御部８１によって、その開度等が適宜に調整され、混合部５１Ａへの水素の流量が制御される。
そして、このように水素の流量が制御されることで、混合部５１Ａで生成され、触媒燃焼部５１Ｂに供給される燃料混合ガスにおける燃空比が制御されるようになっている。なお、燃空比（水素／空気）は、燃料混合ガスにおける水素と空気との体積比であって、燃空比が高いことは水素濃度が高いことに対応する。
【００３２】
因みに、流量調整弁５３の制御に際しては、混合部５１Ａへの水素の目標流量と、事前試験等により所定圧力下における流量調整弁５３の開度と混合部５１Ａへの水素の流量とが関連付けられたマップと、に基づいて算出される。なお、本実施形態では、流量調整弁５３の上流側の圧力は、減圧弁２３によって、前記所定圧力に設定されている。
【００３３】
［開閉弁］
開閉弁５４は、触媒燃焼器５１への空気の供給を制御する弁であり、本実施形態では、閉位置に加えて、その開度が第１開度及び第２開度（第１開度＜第２開度）の２段階に制御可能な弁であって、配管５１ｂに設けられている。また、開閉弁５４は制御部８１と接続されており、制御部８１によって適宜に制御される。
具体的には、触媒燃焼部５１Ｂの触媒燃焼初期時には、制御部８１によって第１開度に制御され、空気が空気流量Ｑ２１で混合部５１Ａに供給されるように設計されている。これに対し、触媒燃焼安定時には、第２開度に制御され、空気流量Ｑ２２で供給されるように設計されている（図５参照）。
【００３４】
ここで、本実施形態では、コンプレッサ３１は、燃料電池システム１の運転中、一定の回転速度で稼動するので、開閉弁５４の上流側には、一定の圧力が作用すると予想される。したがって、前記したように、「第１開度＜第２開度」であるため、「空気流量Ｑ２１＜空気流量Ｑ２２」となる。すなわち、触媒燃焼初期時は、触媒燃焼安定時に対して、混合部５１Ａ（触媒燃焼器５１）への空気の供給量が少なくなるように制御される。
【００３５】
［温度センサ］
温度センサ５６は、触媒燃焼部５１Ｂに内蔵された触媒の実測触媒温度Ｔ３１を検出するセンサであり、適所に設けられている。また、温度センサ５６は制御部８１と接続されており、制御部８１は実測触媒温度Ｔ３１を監視している。
【００３６】
温度センサ５７は、混合部５１Ａに供給される水素の実際の温度（実測水素温度Ｔ１１）を検出するセンサであり、流量調整弁５３の下流側の配管５１ａに設けられている。また、温度センサ５７は制御部８１と接続されており、制御部８１は実測水素温度Ｔ１１を監視している。
【００３７】
温度センサ５８は、混合部５１Ａに供給される空気の実際の温度（実測空気温度Ｔ２１）を検出するセンサであり、開閉弁５４の下流側の配管５１ｂに設けられている。また、温度センサ５８は制御部８１と接続されており、制御部８１は実測空気温度Ｔ２１を監視している。
【００３８】
＜ラジエータ液流通系＞
ラジエータ液流通系は、燃料電池１０と熱交換器５２とを経由するように、ラジエータ液を循環（流通）させる系であり、ポンプ６１と、配管６１ａ、６１ｂ、６１ｃと、温度センサ６２（熱交換流体温度検出手段、燃料電池温度検出手段）と、を主に備えている。因みに、ラジエータ液は、例えば、エチレングリコール等を主成分とする不凍液から構成される。
【００３９】
これらの接続状態について説明すると、燃料電池１０のラジエータ液流路１３、配管６１ａ、ポンプ６１、配管６１ｂ、熱交換器５２、配管６１ｃ、燃料電池１０のラジエータ液流路１３の順に接続されている。そして、制御部８１に制御されポンプ６１が作動すると、ラジエータ液が、燃料電池１０、熱交換器５２を経由して循環するように設計されている。これにより、熱交換器５２における前記高温の排気ガスとの熱交換によって昇温したラジエータ液が、燃料電池１０に供給され、その結果として、燃料電池１０が暖機（加熱）されるようになっている。
【００４０】
温度センサ６２は、配管６１ａに設けられており、燃料電池１０から排出されたラジエータ液の温度を、燃料電池１０の実際の温度（実測燃料電池温度Ｔ４１）として検出するようになっている。温度センサ６２は制御部８１と接続されており、制御部８１は実測燃料電池温度Ｔ４１を監視している。
【００４１】
＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置である。このようなＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等を含んで構成され、制御部８１（制御手段）と、制御データ記憶部８２（記憶手段）と、を主に備えている。
【００４２】
［制御部−燃空比制御機能］
制御部８１（燃空比制御手段）は、実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１及び実測触媒温度Ｔ３１に基づいて、流量調整弁５３を制御し、触媒燃焼部５１Ｂに供給される燃料混合ガスの目標燃空比Ｋを制御する機能を備えている。具体的な制御については後記する。
【００４３】
［制御部−触媒判定機能］
制御部８１は、実測触媒温度Ｔ３１と、その内部に記憶された所定触媒温度Ｔ３２とを比較して、触媒燃焼部５１Ｂに内蔵された触媒が、触媒燃焼初期時及び触媒燃焼安定時のいずれであるかを判定する機能を備えている。
【００４４】
［制御部−暖機完了判定機能］
制御部８１は、実測燃料電池温度Ｔ４１と、その内部に記憶された暖機完了燃料電池温度Ｔ４２とを比較して、燃料電池１０の暖機が完了したか否かを判定する機能を備えている。
【００４５】
［制御部−その他機能］
制御部８１は、遮断弁２２、コンプレッサ３１、開閉弁５４及びポンプ６１と接続されており、これらを適宜に制御するようになっている。また、制御部８１は、ＩＧ７０と接続されており、そのＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
【００４６】
［制御データ記憶部］
制御データ記憶部８２には、触媒燃焼初期時に参照する初期マップ（図２参照）と、触媒燃焼安定時に参照する安定マップ（図３参照）とが記憶されている。
【００４７】
（初期マップ）
図２に示す初期マップは、燃料電池システム１の運転開始後であって、触媒燃焼初期時に（Ｔ３１＜Ｔ３２）、実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１及び実測触媒温度Ｔ３１に対応した目標燃空比Ｋとするために、基準（ベース）となる基準燃空比Ｋ１を補正する補正係数Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３を算出するためのマップである。
【００４８】
補正係数Ｃ１１は実測水素温度Ｔ１１に関連付けられた補正係数であり、補正係数Ｃ１２は実測空気温度Ｔ２１に関連付けられた補正係数であり、補正係数Ｃ１３は実測触媒温度Ｔ３１に関連付けられた補正係数である。また、補正係数Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３は、各温度が低いほど大きくなる傾向を有しており、その結果として、各温度が低いほど燃空比が大きくなるように補正される設定となっている。なお、このような初期マップ及び次の安定マップは、事前試験や各種シミュレーションによって求められる。
【００４９】
（安定マップ）
図３に示す安定マップは、触媒燃焼安定時（Ｔ３１≧Ｔ３２）であって、燃料電池１０の暖機完了前に（Ｔ４１＜Ｔ４２）、実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１及び実測触媒温度Ｔ３１に対応した目標燃空比Ｋとするために、基準となる基準燃空比Ｋ２を補正する補正係数Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３を算出するためのマップである。
【００５０】
補正係数Ｃ２１は実測水素温度Ｔ１１に関連付けられた補正係数であり、補正係数Ｃ２２は実測空気温度Ｔ２１に関連付けられた補正係数であり、補正係数Ｃ２３は実測触媒温度Ｔ３１に関連付けられた補正係数である。また、補正係数Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３は、各温度が低いほど大きくなる傾向であり、各温度が低いほど燃空比が大きくなるように補正される設定となっている。
【００５１】
ここで、触媒燃焼初期時の基準燃空比Ｋ１は、触媒燃焼安定時の基準燃空比Ｋ２よりも大きい関係となっている（Ｋ１＞Ｋ２）。そして、「触媒燃焼初期時における基準燃空比Ｋ１を補正した後の目標燃空比Ｋ」は、「触媒燃焼安定時における基準燃空比Ｋ２を補正した後の目標燃空比Ｋ」よりも大きくなるように設定されている。すなわち、触媒燃焼初期時の燃空比は、触媒燃焼安定時の燃空比よりも、大きくなるように設定されている。なお、基準燃空比Ｋ１及び基準燃空比Ｋ２は、事前試験等により求められ、制御部８１に記憶されている。
【００５２】
≪燃料電池システムの動作≫
次に、燃料電池システム１の運転開始時の動作と共に、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について、図１、図２及び図３に加えて、図４に示すフローチャートを参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法は、触媒燃焼器５１に供給される水素及び空気の実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１に基づいて、燃料混合ガスにおける燃空比（水素／空気）を制御すること特徴とする。
なお、以下の説明は、燃料電池自動車（燃料電池システム１）の起動時が低温環境下（例えば０℃未満）であるため、触媒燃焼器５１によって燃料電池１０を暖機する場合を例示する。
【００５３】
燃料電池自動車のＩＧ７０がＯＮされると、図４に示すフローチャートがスタートし、制御部８１は、遮断弁２２を開いて燃料電池１０のアノード流路１１に水素を供給し、コンプレッサ３１を作動して燃料電池１０のカソード流路１２に酸素を含む空気を供給し、ポンプ６１作動してラジエータ液を循環させる。そして、制御部８１は、外部からの発電要求等に応じて、燃料電池１０を発電させる。
【００５４】
ステップＳ１０１において、制御部８１は、混合部５１Ａに空気流量Ｑ２１で空気を供給する。具体的には、制御部８１は、開閉弁５４を空気流量Ｑ２１に対応した第１開度に制御する。
【００５５】
ステップＳ１０２において、制御部８１は、触媒燃焼初期時において、ベースとなる基準燃空比Ｋ１を目標燃空比Ｋとする。そして、制御部８１は、燃料混合ガスが目標燃空比Ｋ（基準燃空比Ｋ１）となるように、次の式（１）に従って、混合部５１Ａへの水素流量を求める。次いで、この水素流量となるように、流量調整弁５３の開度を制御する。
なお、水素流量から開度の算出に際しては、水素流量と開度とが関連付けられ、制御データ記憶部８２に記憶されたマップを参照する。
目標燃空比Ｋ＝水素流量／空気流量Ｑ２１  …（１）
【００５６】
そうすると、混合部５１Ａには水素と空気とが供給され、混合部５１Ａでは燃料混合ガスが生成される。燃料混合ガスは、触媒燃焼部５１Ｂで触媒燃焼され、高温の排気ガとなる。次いで、熱交換器５２において、この排気ガスとラジエータ液との間で熱交換される。そして、昇温したラジエータ液によって、燃料電池１０が加熱され始める。
【００５７】
ステップＳ１０３において、制御部８１は、実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１及び実測触媒温度Ｔ３１と、図２に示す初期マップとに基づいて、補正係数Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３を算出する。
【００５８】
ステップＳ１０４において、制御部８１は、次の式（２）に従って、目標燃空比Ｋを補正する。
Ｋ＝Ｋ１×Ｃ１１×Ｃ１２×Ｃ１３  …（２）
【００５９】
ステップＳ１０５において、制御部８１は、補正後の目標燃空比Ｋとなるように、前記した式（１）に従って、混合部５１Ａへの水素流量を補正する。次いで、この補正した水素流量となるように、流量調整弁５３の開度を制御する。すなわち、補正後の目標燃空比Ｋに基づいて、触媒燃焼器５１への水素流量が制御される。
【００６０】
ステップＳ１０６において、制御部８１は、実測触媒温度Ｔ３１と所定触媒温度Ｔ３２とを比較し、触媒燃焼初期時から触媒燃焼安定時に切り替わったか否かを判定する。
実測触媒温度Ｔ３１が所定触媒温度Ｔ３２以上である場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、触媒燃焼安定時に切り替わったと判定して、ステップＳ１０７に進む。一方、実測触媒温度Ｔ３１が所定触媒温度Ｔ３２未満である場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、未だ触媒燃焼初期時であると判定して、ステップＳ１０３に戻る。
【００６１】
ステップＳ１０７において、制御部８１は、混合部５１Ａに空気流量Ｑ２２（＞Ｑ２１）で空気を供給する。具体的には、制御部８１は、開閉弁５４を空気流量Ｑ２２に対応した第２開度に制御する。
【００６２】
ステップＳ１０８において、制御部８１は、触媒燃焼安定時において、ベースとなる基準燃空比Ｋ２（＜Ｋ１）を目標燃空比Ｋとする。そして、制御部８１は、燃料混合ガスが目標燃空比Ｋ（基準燃空比Ｋ２）となるように、前記した式（１）に従って、混合部５１Ａへの水素流量を求める。次いで、この水素流量となるように、流量調整弁５３の開度を制御する。
【００６３】
ステップＳ１０９において、制御部８１は、実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１及び実測触媒温度Ｔ３１と、図３に示す安定マップとに基づいて、補正係数Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３を算出する。
【００６４】
ステップＳ１１０において、制御部８１は、次の式（３）に従って、目標燃空比Ｋを補正する。
Ｋ＝Ｋ２×Ｃ２１×Ｃ２２×Ｃ２３  …（３）
【００６５】
ステップＳ１１１において、制御部８１は、補正後の目標燃空比Ｋとなるように、前記した式（１）に従って、混合部５１Ａへの水素流量を補正する。次いで、この補正した水素流量となるように、流量調整弁５３の開度を制御する。すなわち、補正後の目標燃空比Ｋに基づいて、触媒燃焼器５１への水素流量が制御される。
【００６６】
ステップＳ１１２において、制御部８１は、実測燃料電池温度Ｔ４１と暖機完了燃料電池温度Ｔ４２とを比較し、燃料電池１０の暖機が完了したか否かを判定する。
実測燃料電池温度Ｔ４１が暖機完了燃料電池温度Ｔ４２以上である場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、燃料電池１０の暖機は完了したと判定して、ステップＳ１１３に進む。一方、実測燃料電池温度Ｔ４１が暖機完了燃料電池温度Ｔ４２未満である場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、燃料電池１０の暖機は完了していないと判定して、ステップＳ１０９に戻る。
【００６７】
ステップＳ１１３において、制御部８１は、流量調整弁５３を閉じ、混合部５１Ａへの水素の供給を停止する。
ステップＳ１１４において、制御部８１は、開閉弁５４を閉じ、混合部５１Ａへの空気の供給を停止する。
そして、エンドに進み、起動時の触媒燃焼器５１の制御を終了する。
【００６８】
このような本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、主に以下の効果を得ることができる。
触媒燃焼初期時及び触媒燃焼安定時の両方において、実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１及び実測触媒温度Ｔ３１に基づいて、触媒燃焼部５１Ｂへの燃料混合ガスの目標燃空比Ｋを制御するので、触媒燃焼部５１Ｂで安定して触媒燃焼させることができ、触媒燃焼器５１を効率的に運転させることができる。
また、実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１及び実測触媒温度Ｔ３１が低いほど、目標燃空比Ｋが大きくなるように補正されるので、触媒活性が低下しにくくなり、安定して触媒燃焼させることができる。
さらに、触媒燃焼初期時は、触媒燃焼安定時に対して、燃空比を大きくすることにより安定して触媒燃焼させることができる。加えて、空気流量を下げて（Ｑ２２→Ｑ２１）、目標燃空比Ｋを大きくすることにより、水素の消費を抑えることができ、その結果として、燃料電池自動車の燃費を高めることができる。
【００６９】
≪燃料電池システムの一動作例≫
次に、図５を参照して、燃料電池システム１の一動作例を説明する。
ＩＧ７０のＯＮに連動して、空気流量Ｑ２１で混合部５１Ａに空気が供給される（Ｓ１０１）。触媒燃焼初期時における目標燃空比Ｋは、前記した式（２）に従って補正され、この補正後の目標燃空比Ｋとなるように水素流量が制御される（Ｓ１０３〜Ｓ１０５）。
そして、実測触媒温度Ｔ３１が所定触媒温度Ｔ３２に到達すると（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、触媒燃焼初期時から触媒燃焼安定時に切り替わり、空気流量Ｑ２２で混合部５１Ａに空気が供給される（Ｓ１０７）。触媒燃焼安定時においても、目標燃空比Ｋは、前記した式（２）に従って補正され、この補正後の目標燃空比Ｋとなるように水素流量が制御される（Ｓ１０３〜Ｓ１０５）。
その後、実測燃料電池温度Ｔ４１が暖機完了燃料電池温度Ｔ４２に到達し、燃料電池１０の暖機が完了すると（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、混合部５１Ａへの水素及び空気の供給は停止される（Ｓ１１３、Ｓ１１４）。
【００７０】
以上、本発明の好適な一実施形態について説明したが、本発明は前記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、例えば以下のような変更をすることができる。
【００７１】
前記した実施形態では、本発明が、燃料電池自動車に搭載された燃料電池システム１に適用された場合について説明したが、これに限定されず、例えば、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等に本発明を適用してもよい。
【００７２】
前記した実施形態では、燃料電池１０と触媒燃焼器５１とが並列に配置されており、燃料電池１０に供給される水素及び空気の一部が触媒燃焼器５１に供給されるシステム構成について説明したが、燃料電池１０と触媒燃焼器５１とが直列、例えば、触媒燃焼器５１が燃料電池１０の下流側に配置されており、触媒燃焼器５１が燃料電池１０から排出された水素及び空気を触媒燃焼させるシステム構成であってもよい。
【００７３】
前記した実施形態では、触媒燃焼器５１が燃料電池１０の暖機を促進させるための機器である場合について説明したが、触媒燃焼器５１の機能はこれに限定されない。例えば、触媒燃焼器５１が燃料電池１０の下流側に配置される場合、触媒燃焼器５１はアノードオフガス中の未反応の水素が直接に外部に放出されることを防止する機器であり、触媒燃焼により水素を消費するものであってもよい。
【００７４】
前記した実施形態では、触媒燃焼器５１への空気流量は、空気流量Ｑ２１、Ｑ２２の二段階で制御するのみとしたが、例えば、配管５１ｂに流量調整弁をさらに設けて、触媒燃焼初期時（Ｔ３１＜Ｔ３２）及び触媒燃焼安定時（Ｔ３１≧Ｔ３２）において、連続的に空気流量を制御する構成としてもよい。
その他、水素流量及び空気流量のいずれか一方のみを制御する構成としてもよい。
【００７５】
前記した実施形態では、触媒燃焼初期時及び触媒燃焼安定時において、実測水素温度Ｔ１１、実測空気温度Ｔ２１及び実測触媒温度Ｔ３１の全てに基づいて、補正係数Ｃ１１等を求め、目標燃空比Ｋを補正する構成としたが、例えば、実測空気温度Ｔ２１のみを検出し、これに基づいて、補正係数Ｃ１２、Ｃ２２のみを求め、目標燃空比Ｋを補正する構成としてもよい。
【００７６】
前記した実施形態では、触媒燃焼初期時から触媒燃焼安定時に切り替わったか否かを、実測触媒温度Ｔ３１と所定触媒温度Ｔ３２とを比較することで判定したが、その他に例えば、タイマーを利用して、燃料電池システム１の運転開始後、触媒燃焼初期時から触媒燃焼安定時に切り替わったと推定される所定時間に基づいて判定してもよい。なお、この場合は、運転開始時の外気温等と、外気温等と前記所定時間とが関連付けられたマップとに基づいて、前記所定時間を適宜に求める構成としてもよい。
【００７７】
前記した実施形態では、温度センサ６２が燃料電池１０の実測燃料電池温度Ｔ４１を検出する場合を説明したが、温度センサ６２の位置はこれに限定されず、燃料電池１０の筐体等に設ける構成であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】触媒燃焼初期時に参照する初期マップである
【図３】触媒燃焼安定時に参照する安定マップである。
【図４】本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５】本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。
【符号の説明】
【００７９】
１      燃料電池システム
１０    燃料電池
５１    触媒燃焼器
５１Ａ  混合部
５１Ｂ  触媒燃焼部
５２    熱交換器
５３    流量調整弁（燃料ガス制御手段）
５４    開閉弁（酸化剤ガス制御手段）
５６、５７、５８  温度センサ（温度検出手段）
６２    温度センサ（燃料電池温度検出手段）
８０    ＥＣＵ
８１    制御部（燃空比制御手段）
８２    制御データ記憶部
Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３  触媒燃焼初期時の補正係数
Ｃ２１、Ｃ２２、Ｃ２３  触媒安定燃焼時の補正係数
Ｋ      目標燃空比
Ｋ１    触媒燃焼初期時の基準燃空比
Ｋ２    触媒燃焼安定時の基準燃空比
Ｔ１１  実測水素温度
Ｔ２１  実測空気温度
Ｔ３１  実測触媒温度
Ｔ３２  所定触媒温度
Ｔ４１  実測燃料電池温度
Ｔ４２  暖機完了燃料電池温度
【図１】
2007234559.tif 000003
【図２】
2007234559.tif 000004
【図３】
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【図４】
2007234559.tif 000006
【図５】
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