(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との化学反応により電力を発生するとともに、内部に冷却水が通過する冷却水通路（１０ｅ）を有する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環経路（２０）と、
前記燃料電池の内部に存在する前記冷却水を加熱する加熱装置（４０）とを備え、
前記加熱装置（４０）は、高温の熱輸送流体を供給する高温流体供給部（４０ａ）と、前記熱輸送流体と前記冷却水とを仕切る伝熱隔壁を有するとともに、前記熱輸送流体の熱を前記燃料電池の内部に存在する前記冷却水に伝える熱交換部（４０ｂ）とを有しており、
前記熱交換部（４０ｂ）は、前記燃料電池の前記冷却水通路に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記高温流体供給部（４０ａ）は、燃料を供給する燃料供給手段と、空気を供給する空気供給手段（４３）と、前記燃料と前記空気との混合ガスを火炎燃焼させるための着火手段（４４）とを有し、前記火炎燃焼により高温ガスを生成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】
前記高温流体供給部（４０ａ）は、燃料を供給する燃料供給手段と、空気を供給する空気供給手段（４３）と、前記燃料および前記空気の混合ガスを触媒反応により酸化させる酸化触媒とを有し、前記触媒反応により高温ガスを生成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４】
前記高温流体供給部（４０ａ）は、燃料を供給する燃料供給手段と、空気を供給する空気供給手段（４３）と、前記燃料および前記空気の混合ガスを触媒反応により酸化させる酸化触媒とを有し、前記酸化触媒が前記熱交換部（４０ｂ）の前記伝熱隔壁の前記熱輸送流体側に担持されることで、前記熱交換部（４０ｂ）の前記伝熱隔壁にて前記触媒反応により高温ガスを生成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５】
前記熱輸送流体は前記高温ガスであることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記熱輸送流体は、前記熱交換部（４０ｂ）の内部に封入されており、前記熱交換部（４０ｂ）の内部を循環して、前記高温流体供給部（４０ａ）で蒸発されるとともに前記燃料電池（１０）の内部に存在する前記冷却水と熱交換して凝縮することを繰り返すことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記熱輸送流体は、毛細管力により前記熱交換部（４０ｂ）の内部を循環することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記熱輸送流体は、重力により前記熱交換部（４０ｂ）の内部を循環することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記冷却水を前記冷却水循環経路（２０）に循環させる冷却水循環手段（２１）と、
前記伝熱隔壁の温度あるいは前記加熱装置により加熱された冷却水の温度を検出する温度検出手段（３２）とを備え、
前記温度検出手段（３２）により検出した温度が所定温度を上回った場合に、前記冷却水循環手段（２１）を作動させることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料は水素であることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１つ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、燃料電池の温度を管理する（加熱昇温）する燃料電池システムに関するもので、燃料電池を電源として走行する燃料電池車両に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両等の移動体の駆動源として考えられている高分子電解質型燃料電池は、低温環境下において、電極近傍に存在する水分が凍結して反応ガスの拡散を阻害したり、電解質膜の電気伝導率が低下する。このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まり、電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。
【０００３】
そこで、例えば特開平７−９４２０２号公報の発明では、燃焼式ヒータにより流体を加熱し、その加熱された流体（温水）を燃料電池に供給することにより、燃料電池を加熱昇温（暖機）している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼式ヒータを起動した直後は、燃焼式ヒータおよび流体の温度が外気温度まで低下していることに加え、燃焼式ヒータおよび流体は比較的大きな熱容量を有しているので、燃焼式ヒータの起動と同時に充分に加熱された流体を燃料電池に供給することができない。このため、燃料電池を速やかに加熱昇温することができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池を速やかに加熱昇温させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素との化学反応により電力を発生するとともに、内部に冷却水が通過する冷却水通路（１０ｅ）を有する燃料電池（１０）と、燃料電池に冷却水を循環させる冷却水循環経路（２０）と、燃料電池の内部に存在する冷却水を加熱する加熱装置（４０）とを備え、加熱装置（４０）は、高温の熱輸送流体を供給する高温流体供給部（４０ａ）と、熱輸送流体と冷却水とを仕切る伝熱隔壁を有するとともに、熱輸送流体の熱を燃料電池の内部に存在する冷却水に伝える熱交換部（４０ｂ）とを有しており、熱交換部（４０ｂ）は、燃料電池の冷却水通路に配置されていることを特徴としている。
【０００７】
このように、燃料電池（１０）内部に存在する少量の冷却水のみを集中的に加熱することで、燃料電池（１０）を速やかに加熱昇温させることができる。
【０００９】
また、熱交換部（４０ｂ）を燃料電池（１０）内部の冷却水通路（１０ｅ）に直接設置することで、任意の部分を局所的に加熱することが可能となる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、高温流体供給部（４０ａ）は、燃料を供給する燃料供給手段と、空気を供給する空気供給手段（４３）と、燃料と空気との混合ガスを火炎燃焼させるための着火手段（４４）とを有し、火炎燃焼により高温ガスを生成することを特徴としている。
【００１１】
このように、加熱装置（４０）の発熱エネルギ源として燃焼ガスを用いることで、電気式ヒータを用いる場合に比較して、起動時におけるバッテリ等蓄電装置の電力消費を抑えることができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明では、高温流体供給部（４０ａ）は、燃料を供給する燃料供給手段と、空気を供給する空気供給手段（４３）と、燃料および空気の混合ガスを触媒反応により酸化させる酸化触媒とを有し、触媒反応により高温ガスを生成することを特徴としている。
【００１３】
このような構成により、着火手段を削減して燃焼部（４０ａ）を小型化することができる。また、触媒燃焼は、水素と空気の混合比を調整することにより、燃焼ガスの温度幅を広く設定することができる。
【００１４】
また、請求項４に記載の発明では、高温流体供給部（４０ａ）は、燃料を供給する燃料供給手段と、空気を供給する空気供給手段（４３）と、燃料および空気の混合ガスを触媒反応により酸化させる酸化触媒とを有し、酸化触媒が熱交換部（４０ｂ）の伝熱隔壁の熱輸送流体側に担持されることで、熱交換部（４０ｂ）の伝熱隔壁にて触媒反応により高温ガスを生成することを特徴としている。これにより、触媒反応熱が直接伝熱隔壁に伝わるため、冷却水をより効率よく加熱昇温させることができる。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明のように、火炎燃焼あるいは触媒反応により生じた高温ガスを熱輸送流体として用いることができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明では、熱輸送流体は、熱交換部（４０ｂ）の内部に封入されており、熱交換部（４０ｂ）の内部を循環して、高温流体供給部（４０ａ）で蒸発されるとともに燃料電池（１０）の内部に存在する冷却水と熱交換して凝縮することを繰り返すことを特徴としている。
【００１７】
また、熱輸送流体の循環手段としては、請求項７に記載の発明のように毛細管力を利用することができ、あるいは請求項８に記載の発明のように重力を利用することができる。
【００１８】
また、加熱装置（４０）から冷却水を介して燃料電池を加熱暖機するには、熱媒体である冷却水の熱容量（熱容量流量）が小さいほど速やかに加熱昇温させることができる。そこで、請求項９に記載の発明では、冷却水を冷却水循環経路（２０）に循環させる冷却水循環手段（２１）と、伝熱隔壁の温度あるいは加熱装置により加熱された冷却水の温度を検出する温度検出手段（３１）とを備え、温度検出手段（３１）により検出した温度が所定温度を上回った場合に、冷却水循環手段（２１）を作動させることを特徴としている。
【００１９】
これにより、速やかに燃料電池の暖機を行うことができるとともに、起動時の条件、例えば外気温度条件等の変動にも対応した好適な起動制御を行うことができる。
【００２０】
また、請求項１０に記載の発明では、燃料は水素であることを特徴としている。これにより、燃料電池の水素供給装置を共用することができる。
【００２１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本第１実施形態は、燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。図１は、第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。この燃料電池１０は、車両走行用の電動モータ（負荷）１１や図示しない２次電池等の電気機器に電力を供給するものである。本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（正極側）２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
図２は燃料電池１０の構成を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は断面図である。図２（ａ）に示すように、燃料電池１０は基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。図２（ｂ）に示すように、燃料電池１０には、電解質膜１０ａ、カーボンクロス１０ｂ、冷却板１０ｃ、セパレータ１０ｄ、冷却水通路１０ｅ、及び空気（酸素）通路１０ｆが設けられている。水素は、空気通路１０ｆに対して直交する方向に燃料電池１０内を通過し、空気通路１０ｆ内を通過する空気（酸素）と反応するように構成されている。
【００２４】
図１に戻り、燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気経路１２と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素経路１３が設けられている。空気経路１２には図示しない空気供給装置より空気が供給され、水素経路１３には図示しない水素供給装置より水素が供給される。空気供給装置としては、ブロワやコンプレッサを用いることができる。水素供給装置としては、高圧水素タンクや改質反応により水素を生成する改質装置を用いることができる。
【００２５】
燃料電池１０は発電に伴い発熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適温（８０℃程度）となるよう冷却システム２０〜２４が設けられている。
【００２６】
冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水循環経路２０、冷却水を循環させるウォータポンプ（冷却水循環手段）２１、ファン２２を備えたラジエータ（放熱手段）２３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ２３で系外に排出される。また、冷却水循環経路２０には、冷却水をラジエータ２３をバイパスさせるバイパス経路２４が設けられている。冷却水循環経路２０とバイパス経路２４との合流点には、ラジエータ２３に流れる冷却水とバイパス経路２４に流れる冷却水の流量比を調整する流量調整弁２５が設けられている。
【００２７】
燃料電池１０には、燃料電池１０本体の温度を検出する第１温度センサ３０が設けられている。本第１実施形態では、第１温度センサ３０は複数個設けられ、燃料電池１０の複数箇所における温度を検出するように構成されている。また、冷却水循環経路２０における燃料電池１０出口近傍には、燃料電池１０から流出した直後の冷却水温度を検出する第２温度センサ３１が設けられている。
【００２８】
燃料電池システムには、燃料電池１０内部に存在する冷却水を加熱するための加熱装置４０が設けられている。加熱装置４０には、燃焼ガスを生成する燃焼部４０ａと、燃焼ガスの熱を冷却水に伝える熱交換部４０ｂが設けられている。燃焼部４０ａは燃料電池１０の外部に配置され、熱交換部４０ｂは燃料電池１０内部の冷却水通路１０ｅに配置されている。なお、本第１実施形態では、燃焼部４０で生成される燃焼ガスが熱輸送流体を構成し、燃焼部４０が高温流体供給部を構成している。
【００２９】
燃焼部４０ａには、空気経路４１より空気が供給され、水素供給経路４２より水素が供給される。水素経路４２には、燃料電池１０で燃料として用いられるのと同一の水素が図示しない水素供給装置（水素供給手段）より供給される。
【００３０】
図３は加熱装置の構成を示している。図３に示すように、加熱装置４０には空気供給手段としてのブロワ４３と、着火手段としてのスパークプラグ４４が設けられている。燃焼部４０ａでは、空気と水素との混合ガスをスパークプラグ４４により火炎燃焼させ燃焼ガス（高温ガス）を生成する。熱交換部４０ｂは二重管構造になっており、外側の隔壁が冷却水と燃焼ガスとを仕切るとともに燃焼ガスの熱を冷却水に伝える伝熱隔壁となっている。二重管によって形成される外側通路と内側通路は端部で連通している。燃焼部４０ａで生成した燃焼ガスは、熱交換部４０ｂの外側通路を通過して伝熱隔壁を介して冷却水に熱を与えた後、内側通路より外部に排出される。本第１実施形態では、外側通路は熱交換通路として機能し、内側通路は排気通路として機能する。
【００３１】
図１に戻り、燃料電池システムには、各種制御を行う電子制御装置（ＥＣＵ）５０が設けられている。図４は電子制御装置５０の入出力関係を示している。図４に示すように、各温度センサ３０、３１の検出温度は電子制御装置５０に入力され、電子制御装置５０は予め設定されたプログラムに従って、検出温度に基づきウォータポンプ２１、流量調整弁２５、加熱装置４０等の各機器を制御する。
【００３２】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を図５のフローチャートに基づいて説明する。
【００３３】
まず、第１温度センサ３０により燃料電池１０の温度Ｔｆｃを読み込む（Ｓ１００）。次に、燃料電池温度Ｔｆｃを、第１所定温度Ｔ１および第２所定温度Ｔ２と比較する（Ｓ１０１）。第１所定温度Ｔ１は、燃料電池１０が発電を行うことができる最低温度（例えば０℃）に所定の余裕を加味した温度である。第２所定温度は、燃料電池１０が効率よく発電を行うことのできる最高温度（例えば８０℃）に所定の余裕を加味した温度である。
【００３４】
燃料電池温度Ｔｆｃが第１所定温度Ｔ１より低い場合には、冷却水のすべてがバイパス経路２４を通過するように流量調整弁２５を調整して暖機モードとする（Ｓ１０２）。さらに、ウォータポンプを作動させ（Ｓ１０３）、加熱装置４０を作動させる（Ｓ１０４）。第２温度センサ３１にて検出した冷却水温度Ｔｗが第１所定温度Ｔ１を上回るまで、上記ステップＳ１０２〜Ｓ１０４を繰り返し行う（Ｓ１０５）。
【００３５】
冷却水温度Ｔｗが第１所定温度Ｔ１を上回った場合、燃料電池１０が発電可能な状態になったと見なして加熱装置４０を停止し（Ｓ１０６）、燃料電池１０に空気（酸素）および水素を供給して発電を開始する（Ｓ１０７）。
【００３６】
次に、冷却水温度Ｔｗが第３所定温度Ｔ３を上回った否かを判定する（Ｓ１０８）。第３所定温度Ｔ３は、第１所定温度以上かつ第２所定温度未満の温度である。冷却水温度Ｔｗが第３所定温度Ｔ３を上回っている場合には、冷却水をラジエータ２３に流れるように流量調整弁２５を調整して冷却モードとする（Ｓ１０９）。この際、冷却水温度Ｔｗに基づいてラジエータ２３に流れる冷却水流量およびファン２２の風量を制御して、ラジエータ２３での放熱量を制御する。
【００３７】
上記ステップＳ１０１において、燃料電池温度Ｔｆｃが第１所定温度以上で第２所定温度Ｔ２以下であれば、燃料電池１０を加熱昇温（暖機）する必要がないと判断でき、ステップＳ１０７に移り発電を行う。
【００３８】
また、上記ステップＳ１０１において、燃料電池温度Ｔｆｃが第２所定温度Ｔ２を上回っていれば、燃料電池１０の温度が過度に上昇（オーバーヒート）していると判断でき、ステップＳ１０８に移り燃料電池１０を冷却する。
【００３９】
以上、本第１実施形態によれば、加熱装置４０の熱輸送に流体を用いることで伝熱隔壁を外殻とする熱交換部４０ｂを任意の形状に形成することができる。このため、複雑な形状の燃料電池１０内部の冷却水通路１０ｅにも容易に設置することができ、任意の部分を局所的に加熱することが可能となる。
【００４０】
また、加熱装置４０の熱交換部４０ｂを燃料電池１０内部の冷却水通路１０ｅに直接設置することで、燃焼ガス（熱輸送流体）と伝熱隔壁を介して熱交換する燃料電池１０本体の伝熱媒体である冷却水の量を極力少量に抑えることができる。これにより、加熱装置４０の起動直後であって、熱輸送流体の温度が低い場合であっても、燃料電池１０の内部に存在している少量の冷却水のみを集中的に加熱することができ、燃料電池１０を早期に加熱昇温させることができる。
【００４１】
また、加熱装置４０の発熱エネルギ源として、燃料電池１０に供給される水素と空気を利用することで、水素供給装置および空気供給装置を燃料電池と共用することもできる。さらに、熱輸送流体として燃焼ガスを用いることにより、電気式ヒータを用いる場合に比較して、起動時におけるバッテリ等蓄電装置の電力消費を抑えることができる。
【００４２】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図６〜図８に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、燃料電池１０内部に存在する冷却水の温度に基づいてウォータポンプ２１の制御を行う点が異なる。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００４３】
図６は、本第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図６に示すように、燃料電池１０には、燃料電池１０内部の冷却水通路１０ｅに存在する冷却水の温度を検出する第３温度センサ３２が設けられている。第３温度センサ３２では、加熱装置４０の熱交換部４０ｂにて加熱昇温された冷却水の局所的温度Ｔｗ０を検出することができる。図６に示す例では第３温度センサ３２を１個設けているが、第３温度センサ３２を複数個設けて複数箇所の温度を検出するように構成してもよい。
【００４４】
図７は電子制御装置５０の入出力関係を示している。図７に示すように、各温度センサ３０、３１、３２の検出温度は電子制御装置５０に入力され、電子制御装置５０は予め設定されたプログラムに従って、検出温度に基づきウォータポンプ２１、流量調整弁２５、加熱装置４０等の各機器を制御する。
【００４５】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を図８のフローチャートに基づいて上記第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００４６】
本第２実施形態では、第１温度センサにて検出した燃料電池温度Ｔｆｃが第１所定温度Ｔ１より低い場合には、冷却水のすべてがバイパス経路２４を通過するように流量調整弁２５を調整して暖機モードとする（Ｓ２０２）。さらに、加熱装置４０を作動させる（Ｓ２０３）。第３温度センサ３２にて検出した燃料電池１０内部の冷却水温度Ｔｗ０が第１所定温度Ｔ１を上回った場合に、ウォータポンプ２１を作動させる（Ｓ２０４、Ｓ２０５）。
【００４７】
このように燃料電池１０内部の冷却水温度Ｔｗ０が第１所定温度になるまでウォータポンプを作動させないことにより、加熱装置４０の熱は伝熱隔壁近傍のより少量の冷却水を介して燃料電池１０に効率よく伝わり、より速やかに燃料電池１０を発電可能にすることができる。
【００４８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図９に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態に比較して電子制御装置５０による制御内容が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００４９】
図９は、本第３実施形態の燃料電池システムの制御の流れを示すフローチャートである。図９に示すように、第３温度センサ３２にて検出した燃料電池１０内部の冷却水温度Ｔｗ０が第１所定温度Ｔ１を上回った場合に、ウォータポンプ２１を作動させるとともに（Ｓ３０５）、燃料電池１０に水素および空気（酸素）の供給を開始して発電を開始する（Ｓ３０６）。
【００５０】
これにより、燃料電池１０での発電を局所的に開始させ、発電開始がより速やかに行えるとともに、発電に伴う自己発熱で冷却水に放熱される熱をも利用して燃料電池１０の他の部位を加熱昇温させることができる。これにより、燃料電池１０全体を効率よく加熱昇温させることができ、より速やかに燃料電池１０のフル出力での発電を可能とすることができる。
【００５１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１０に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記各実施形態に比較して加熱装置４０の構成が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００５２】
図１０は、本第４実施形態の加熱装置４０の構成を示している。図１０に示すように、加熱装置４０の燃焼部４０ａが二重管の内側通路に形成されている。二重管の内側通路にて生成した燃焼ガスは、外側通路にて伝熱隔壁を介して冷却水と熱交換した後、外部に排出される。本第４実施形態では、内側通路は燃焼部４０ａとして機能し、外側通路は熱交換通路として機能する。
【００５３】
このように、上記第１実施形態では排気通路として機能していた内側通路を燃焼部４０ａとすることにより、加熱装置４０を小型化できる。
【００５４】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１１に基づいて説明する。本第５実施形態は、上記各実施形態に比較して加熱装置４０の構成が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００５５】
図１１は、本第５実施形態の加熱装置４０の構成を示している。図１１に示すように、本第５実施形態における燃焼部４０ａの内壁には酸化触媒（例えば白金、パラジウム等の単体あるいは混合物）４５が担持され、燃焼部４０ａは触媒反応部として構成されている。水素と空気の混合ガスは酸化触媒４５上で酸化反応して触媒燃焼し、燃焼ガスが発生する。燃焼部４０ａにて生成した燃焼ガスは、熱交換部４０ｂの外側通路を通過して伝熱隔壁を介して冷却水に熱を与えた後、内側通路より外部に排出される。
【００５６】
このような構成により、着火手段を削減して燃焼部４０ａを小型化することができる。また、触媒燃焼は、水素と空気の混合比を調整することにより、燃焼ガスの温度幅を広く設定することができる。
【００５７】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１２に基づいて説明する。本第６実施形態は、上記各実施形態に比較して加熱装置４０の構成が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００５８】
図１２は、本第６実施形態の加熱装置４０の構成を示している。図１２に示すように、本第６実施形態の加熱装置４０では、二重管の内側通路の内壁に酸化触媒４５が担持されている。これにより、二重管の内側通路では、水素と空気の混合ガスが触媒反応し、燃焼ガスが発生する。このように、上記第１実施形態では排気通路として機能していた内側通路を燃焼部４０ａとすることにより、加熱装置４０を小型化できる。
【００５９】
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態について図１３に基づいて説明する。本第７実施形態は、上記各実施形態に比較して加熱装置４０の構成が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００６０】
図１３は、本第７実施形態の加熱装置４０の構成を示している。図１３に示すように、本第７実施形態の加熱装置４０では、燃焼ガスと冷却水とが熱交換する伝熱隔壁の内壁に酸化触媒４５が担持されている。このような構成により、触媒反応熱が直接伝熱隔壁に伝わる。このため、冷却水をより効率よく加熱昇温させることができる。
【００６１】
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態について図１４に基づいて説明する。本第８実施形態は、上記各実施形態に比較して加熱装置４０の構成が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００６２】
図１４は、本第８実施形態の加熱装置４０の構成を示している。図１４に示すように、本第８実施形態の加熱装置４０では、熱交換部４０ｂを構成する二重管の内部に熱輸送流体（例えば水、アルコールまたはフロン）が封入されている。二重管の外側通路は、上記各実施形態に比較して狭く形成されているとともに、毛細管力により流体を移動させることのできる材料として例えばウィックが設けられている。熱交換部４０ｂの一端は燃焼部４０ａにて加熱され、熱交換部４０ｂの他端は燃料電池１０内部の冷却水に熱輸送流体の熱を伝えるように構成されている。
【００６３】
加熱装置４０の燃焼部４０ａでは、水素と空気の混合ガスをスパークプラグ（着火手段）４４により火炎燃焼させることで燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、熱交換部４０ｂ内の熱輸送流体を加熱した後、外部に排出される。
【００６４】
熱交換部４０ｂ内部に封入された熱輸送流体は燃焼部４０ａにて加熱されることにより蒸発し、二重管の内側通路を移動する。気体状態の熱輸送流体は、燃料電池１０内部の冷却水と熱交換することで凝縮する。液体状態となった熱輸送流体は、二重管の外側通路を毛細管力により移動し、燃焼部４０ａにて加熱され蒸発する。このように熱輸送流体は熱交換部４０ｂ内を循環して、蒸発および凝縮を繰り返す。
【００６５】
このような構成の加熱装置４０によっても、熱輸送に流体を用いることで、伝熱隔壁を外殻とする熱交換部４０ｂを任意の形状に形成することができる。このため、複雑な形状の燃料電池１０内部の冷却水通路１０ｅにも容易に設置することができ、任意の部分を局所的に加熱することが可能となる。
【００６６】
（第９実施形態）
次に、本発明の第９実施形態について図１５に基づいて説明する。本第９実施形態は、上記各実施形態に比較して加熱装置４０の構成が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００６７】
図１５は、本第９実施形態の加熱装置４０の構成を示している。図１５に示すように、本第９実施形態の加熱装置４０の燃焼部４０ａには、酸化触媒４５が担持された触媒反応部として構成されている。水素と空気の混合ガスは酸化触媒上で酸化反応して触媒燃焼し、燃焼ガスが発生する。燃焼ガスは、熱交換部４０ｂ内の熱輸送流体を加熱した後、外部に排出される。
【００６８】
このような構成により、燃焼部４０ａを小型化することができるとともに着火手段を削減することができる。また、触媒燃焼は、水素と空気の混合比を調整することにより、燃焼ガスの温度幅を広く設定することができる。
【００６９】
（第１０実施形態）
次に、本発明の第１０実施形態について図１６に基づいて説明する。本第１０実施形態は、上記各実施形態に比較して加熱装置４０の構成が異なるものである。上記各実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
【００７０】
図１６は、本第１０実施形態の加熱装置４０の構成を示している。図１６に示すように、本第１０実施形態の加熱装置４０の熱交換部４０ｂは環状に形成されている。環状の熱交換部４０ｂの内部には熱輸送流体が封入されている。熱交換部４０ｂは、熱輸送流体が燃料電池１０の冷却水通路１０ｅを貫流するように設けられている。
【００７１】
加熱装置４０の燃焼部４０ａは、水素と空気の混合ガスを酸化触媒４５により触媒反応させて燃焼ガスを生成する。熱交換部４０ｂ内部の熱輸送流体は、燃焼部４０ａにて加熱されて蒸発し、燃料電池１０内部の冷却水と熱交換して凝縮することを繰り返す。燃焼部４０ａは、熱交換部４０ｂにおける冷却水と熱交換する部位より低い位置に設けられている。
【００７２】
このため、燃料電池１０内の冷却水と熱交換して凝縮した熱輸送流体は重力により下方に移動し、燃焼部４０ａに循環する。燃焼部４０ａによる加熱で蒸発した熱輸送流体は、上方の燃料電池１０の冷却水通路１０ｅに導入される。このとき、気体状態となった熱輸送流体は圧力が高くなり、凝縮した熱輸送流体の循環を助ける。このように、熱交換部４０ｂにおける凝縮部位より重力方向下方に燃焼部４０ａを設けることで、熱輸送流体の循環手段として重力を利用することができる。
【００７３】
（他の実施形態）
なお、上記第１〜第９実施形態では、二重管構造の加熱装置４０を用いたが、これに限らず、二重管構造以外のものも適用可能である。図１７に示す例では、管状部材を一枚の隔壁で仕切ることで２つの通路が形成され、一方の通路が燃焼ガスを生成する燃焼部４０ａを構成し、他方の通路が燃焼ガスと冷却水と熱交換させる熱交換部４０ｂを構成している。
【００７４】
また、図１７の例では、スパークプラグ（着火手段）４４によって燃焼ガスを生成したが、酸化触媒により触媒反応により燃焼ガスを生成する場合にも適用できる。
【００７５】
また、上記各実施形態の加熱装置４０では、燃焼部４０ａの燃料として水素を用いたが、これに限らず、例えば炭化水素原料等の燃料を用いることもできる。
【００７６】
また、上記各実施形態の加熱装置４０では、高温の熱輸送流体を供給する高温流体供給部として燃焼熱を利用する燃焼部４０ａを用いたが、これに限らず、例えば電気式ヒータを用いることもできる。
【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全体構成を示す概念図である。
【図２】（ａ）は燃料電池の斜視図であり、（ｂ）は燃料電池の断面図である。
【図３】第１実施形態の加熱装置の概念図である。
【図４】第１実施形態の電子制御装置の入出力を示すブロック図である。
【図５】第１実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図７】第２実施形態の電子制御装置の入出力を示すブロック図である。
【図８】第２実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【図９】第３実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【図１０】第４実施形態の加熱装置の概念図である。
【図１１】第５実施形態の加熱装置の概念図である。
【図１２】第６実施形態の加熱装置の概念図である。
【図１３】第７実施形態の加熱装置の概念図である。
【図１４】第８実施形態の加熱装置の概念図である。
【図１５】第９実施形態の加熱装置の概念図である。
【図１６】第１０実施形態の加熱装置の概念図である。
【図１７】加熱装置の変形例を示す概念図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池、１０ｅ…冷却水通路、２０…冷却水循環経路、２１…ウォータポンプ、２２…ファン、２３…ラジエータ、２４…バイパス通路、３０…第１温度センサ、３１…第２温度センサ、４０…加熱装置、４０ａ…燃焼部（高温流体供給部）、４０ｂ…熱交換部、５０…電子制御装置。
【図１】
0004055468.tif 000002
【図２】
0004055468.tif 000003
【図３】
0004055468.tif 000004
【図４】
0004055468.tif 000005
【図５】
0004055468.tif 000006
【図６】
0004055468.tif 000007
【図７】
0004055468.tif 000008
【図８】
0004055468.tif 000009
【図９】
0004055468.tif 000010
【図１０】
0004055468.tif 000011
【図１１】
0004055468.tif 000012
【図１２】
0004055468.tif 000013
【図１３】
0004055468.tif 000014
【図１４】
0004055468.tif 000015
【図１５】
0004055468.tif 000016
【図１６】
0004055468.tif 000017
【図１７】
0004055468.tif 000018