(57)【要約】【課題】効率よく燃料電池を暖めて、燃料電池の起動性を向上させることができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】燃料電池システム１において、アノード９およびカソード１０を備える燃料電池２のアノード９に、燃料を供給する燃料供給路１２を接続し、この燃料供給路１２における触媒流路３５に、触媒元素が担持された触媒１５を介在させる。また、燃料として、上記触媒元素の存在下、分解発熱反応を生じるヒドラジンを使用する。そして、ヒドラジンを触媒１５に接触させて分解させることにより生じる反応熱によって、アノード９に供給されるヒドラジンの温度を上昇させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードおよびカソードを有する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料を供給するための燃料供給部と
を備え、
前記燃料供給部は、前記アノードに燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料供給路の途中に介在され、燃料の温度を上昇させるための温度上昇手段とを備えていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記温度上昇手段が、酸化触媒であ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】
燃料がヒドラジンであることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記カソードに供給される酸素の一部を、前記温度上昇手段に供給するための酸素供給手段を備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか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、燃料電池システムに関し、詳しくは、暖機運転のできる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質膜と、電解質膜を挟んで対向するアノードおよびカソードとを備えており、アノードおよびカソードで電気化学反応を生じさせることにより、起電力を発生させる。
燃料電池における電気化学反応は、燃料電池の温度が作動温度（例えば、固体高分子形燃料電池では、８０℃程度）のときに、高い反応効率で進むが、燃料電池の温度が作動温度よりも低くなるにしたがって、その反応効率は低下する。
【０００３】
そのため、燃料電池が冷えている起動時には、燃料電池を暖める暖機運転を行なうことによって、燃料電池の温度を作動温度付近にまで上昇させる必要があり、暖機運転を行なうことのできる燃料電池が種々提案されている。
例えば、電解質を介して互いに対向するメタノール極および空気極を備える液体燃料電池において、メタノールタンクからのメタノールを、空気極背面の空気室に直接供給するための配管を施し、起動時に、空気流とともにメタノールを霧状に空気室に供給して、空気極でメタノールを燃焼させることによって液体燃料電池を暖めることが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、固体電解質膜を挟んで対向する燃料極および酸化剤極を備える単セル構造を有する燃料電池において、単セル構造に接するように、燃料タンクに連通する燃焼部を設け、低温中で使用する際に、燃料タンク中の燃料の一部を燃焼部に供給して、燃焼部で燃料を燃焼させることによって単セル構造の温度を上昇させることが提案されている（特許文献２参照）。    
【特許文献１】特開平５−３０７９７０号公報
【特許文献２】国際公開パンフレットＷＯ２００５／０５５３５２
【特許文献３】特開２００６−２４４９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の液体燃料電池では、液体燃料電池が所定の温度に達してから空気室へのメタノールの供給を停止し、その後、液体燃料電池としての通常運転を行なう。そのため、液体燃料電池を起動させるまでの待機時間が長いという不具合がある。また、燃料電池は、本来、アノードに燃料が供給され、カソードに空気が供給されて、アノードおよびカソードで電気化学反応を生じさせるところ、特許文献１に記載の液体燃料電池では、本来燃料が供給されない空気室にメタノールを供給し、空気極でメタノールを燃焼させる。そのため、電解質の耐久性が低下するおそれがある。
【０００６】
また、特許文献２の単セル構造において、燃料極および酸化剤極の電気化学反応は、単セル構造の内部で生じる。そのため、単セル構造を、その外側に設けられた燃焼部により暖める特許文献２に記載の方法では、熱損失が大きいという不具合がある。
本発明の目的は、効率よく燃料電池を暖めて、燃料電池の起動性を向上させることができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、アノードおよびカソードを有する燃料電池と、前記燃料電池に燃料を供給するための燃料供給部とを備え、前記燃料供給部は、前記アノードに燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料供給路の途中に介在され、燃料の温度を上昇させるための温度上昇手段とを備えていることを特徴としている。
本発明の燃料電池システムによれば、温度上昇手段により、燃料供給路を通る燃料の温度を上昇させ、温度の上昇した燃料をアノードに供給する。つまり、燃料を媒体として燃料電池を直接暖めるので、少ない熱損失で効率よく燃料電池を暖めることできる。さらに、燃料電池を暖めながらアノードにおける電気化学反応を生じさせることができるので、短時間で燃料電池を起動させることができる。その結果、燃料電池の起動性を向上させることができる。
【０００８】
また、本発明の燃料電池システムでは、前記温度上昇手段が、酸化触媒であることが好適である。
温度上昇手段が、酸化触媒であれば、燃料を発熱反応させて、その反応熱により燃料の温度を上昇させることができる。そのため、燃料の温度を短時間で上昇させることができる。その結果、燃料電池を短時間で効率よく暖めることができるので、燃料電池の起動性を一層向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池システムでは、燃料がヒドラジンであることが好適である。
燃料がヒドラジンであれば、酸化触媒での反応により、一酸化炭素が生成しない。そのため、酸化触媒の被毒を抑制することができ、酸化触媒の触媒活性の低下を抑制することができる。その結果、ヒドラジンの温度を効率よく上昇させることができるので、燃料電池の起動性を一層向上させることができる。
【００１０】
さらに、本発明の燃料電池システムでは、前記カソードに供給される酸素の一部を、前記温度上昇手段に供給するための酸素供給手段を備えることが好適である。
酸素供給手段から温度上昇手段に酸素を供給することによって、燃料を燃焼させることができる。そのため、燃料の燃焼熱によっても燃料の温度を上昇させることができる。その結果、燃料電池をより短時間で効率よく暖めることができるので、燃料電池の起動性を一層向上させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料を媒体として燃料電池を直接暖めるので、少ない熱損失で効率よく燃料電池を暖めることできる。さらに、燃料電池を暖めながらアノードにおける電気化学反応を生じさせることができるので、短時間で燃料電池を起動させることができる。その結果、燃料電池の起動性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。
図１において、燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃料電池２に燃料を供給するための燃料供給部３と、燃料電池２からの燃料を燃料供給部３へ還流するための還流部４と、燃料電池２に酸素を供給するための酸素供給部５と、燃料電池２からの排出物質を排出するための排出部６と、燃料電池２の運転を制御する制御部７とを備えている。
（Ａ）燃料電池
燃料電池２は、例えば、ヒドラジンを燃料とする固体高分子形（ＰＥＦＣ）の燃料電池である。以下の説明において、特記しない限り、ヒドラジンという場合には、水加ヒドラジン（ヒドラジンヒドラート）および無水ヒドラジンのいずれをも含むものとする。
【００１３】
また、燃料電池２は、セルスタック８と、セルスタック８を挟んで対向配置されるアノード９およびカソード１０とを備えている。
セルスタック８は、例えば、特許文献３（特開２００６−２４４９６１号公報）に記載されている、電解質層と、この電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備える燃料電池セル（単セル）が、複数積層されるスタック構造として形成される。
【００１４】
なお、図１では、セパレータ（図示せず）を介して複数積層された単セルの積層体が、セルスタック８として示されている。また、セルスタック８の両側端部において、各単セルに設けられる燃料側電極および酸素側電極を、概念的にそれぞれアノード９およびカソード１０として示している。  
アノード９には、その燃料の流入口（図示せず）に、後述する燃料供給路１２が接続されており、また、その燃料の流出口（図示せず）に、後述する還流用流路１９が接続されている。
【００１５】
カソード１０には、その酸素の流入口（図示せず）に、後述する酸素供給路２１が接続されており、また、その排出物質の流出口（図示せず）に、後述する排出路２７が接続されている。
（Ｂ）燃料供給部
燃料供給部３は、燃料が貯められる燃料タンク１１と、燃料タンク１１内の燃料をアノード９に供給する燃料供給路１２とを備えている。
【００１６】
燃料タンク１１には、燃料として、例えば、ヒドラジンが貯蔵されている。
燃料供給路１２は、上流側の一端が燃料タンク１１の燃料流出口（図示せず）に接続され、下流側の他端がアノード９の燃料流入口（図示せず）に接続されている。また、燃料供給路１２の途中には、燃料供給ポンプ１３と、温度上昇手段としての触媒１５とが介在されている。
【００１７】
燃料供給ポンプ１３は、燃料タンク１１内の燃料を、燃料供給路１２に流すためのポンプであって、例えば、公知の送液ポンプなどが用いられる。また、燃料供給ポンプ１３は、制御部７と電気的に接続されており、制御部７からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。燃料供給ポンプ１３の出力が制御されることによって、燃料供給路１２を流れる燃料の流量が制御される。
【００１８】
触媒１５は、燃料供給ポンプ１３よりも下流側に設けられ、例えば、コージェライトなどからなるハニカム状のモノリス担体など、公知の触媒担体を用いて形成されている。また、触媒１５には、燃料（ヒドラジン）の分解反応の反応速度を速める触媒元素が担持されている。触媒１５に担持される触媒元素としては、例えば、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）などの酸化触媒元素が挙げられる。これらは、単独または２種類以上併用してもよい。また、燃料供給路１２には、触媒１５を挟んで、バイパス流路１７が接続されている。
【００１９】
バイパス流路１７は、燃料供給路１２から分岐した流路であって、具体的には、バイパス流路１７の上流側の一端は、燃料供給路１２における燃料供給ポンプ１３と触媒１５との間に接続され、その下流側の他端は、燃料供給路１２における触媒１５の下流側に接続されている。
そして、燃料供給路１２では、バイパス流路１７の一端と他端との間の区間が、触媒１５が介在される触媒流路３５とされている。なお、触媒流路３５の具体的な構成については、図２を参照して、後に詳述する。
【００２０】
また、燃料供給路１２には、バイパス流路１７の一端と触媒１５との間における触媒流路３５に、配分切替弁１４が設けられている。
配分切替弁１４は、燃料タンク１１からの燃料のうち、触媒流路３５へ流す燃料の流量を調節するとともに、バイパス流路１７へ流す燃料の流量を調節するための弁である。配分切替弁１４としては、例えば、バタフライ式、スライド式などの公知の絞り弁が挙げられ、好ましくは、バタフライ式の絞り弁が挙げられる。また、配分切替弁１４は、制御部７と電気的に接続されており、制御部７からの入力信号により、その開度が調節される。配分切替弁１４の開度が調節されることによって、触媒流路３５（後述）およびバイパス流路１７への燃料の流量配分が決定される。
【００２１】
また、燃料供給路１２には、触媒１５とバイパス流路１７の他端との間における触媒流路３５に、逆止弁１６が設けられている。
逆止弁１６は、バイパス流路１７を通過する燃料が触媒１５に逆流することを防止するための弁であって、例えば、公知の逆止弁が用いられる。
また、燃料供給路１２には、バイパス流路１７の他端よりも下流側に、温度センサ１８が設けられている。
【００２２】
温度センサ１８は、燃料供給路１２からアノード９へ流入する燃料の温度（燃料電池２の入口温度）を検知するためのセンサであって、例えば、サーミスタ、熱電対などの公知の温度センサが用いられる。また、温度センサ１８は、制御部７と電気的に接続されており、温度センサ１８で検知された温度情報を含む出力信号は、制御部７に入力信号として入力される。
【００２３】
さらに、触媒流路３５には、触媒１５と逆止弁１６との間において、パージ流路２５が接続されている。
パージ流路２５は、その上流側の一端が触媒流路３５に接続され、その下流側の他端が後述する排出路２７に接続されている。パージ流路２５の途中には、パージ弁２６が設けられている。
【００２４】
パージ弁２６は、パージ流路２５を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、パージ弁２６は、制御部７と電気的に接続されており、制御部７からの入力信号により、その開閉が制御される。
（Ｃ）還流部
還流部４は、アノード９から排出される燃料を燃料タンク１１へ戻す還流用流路１９を備えている。
【００２５】
還流用流路１９は、アノード９と燃料タンク１１とを接続しており、具体的には、その上流側の一端がアノード９の燃料流出口（図示せず）に接続され、その下流側の他端が燃料タンク１１の燃料流入口（図示せず）に接続されている。還流用流路１９の途中には、温度センサ２０が設けられている。
温度センサ２０は、アノード９から排出される燃料の温度（燃料電池２の出口温度）を検知するためのセンサであって、例えば、上記した公知の温度センサが用いられる。また、温度センサ２０は、制御部７と電気的に接続されており、温度センサ２０で検知された温度情報を含む出力信号は、制御部７に入力信号として入力される。
（Ｄ）酸素供給部
酸素供給部５は、酸素（空気）をカソード１０に供給する酸素供給路２１を備えている。
【００２６】
酸素供給路２１は、上流側の一端が大気中に開放され、下流側の他端がカソード１０の酸素流入口（図示せず）に接続されている。酸素供給路２１の途中には、酸素供給ポンプ２２が介在されている。
酸素供給ポンプ２２は、大気中の空気を、酸素供給路２１に流すためのポンプであって、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが用いられる。また、酸素供給ポンプ２２は、制御部７と電気的に接続されており、制御部７からの入力信号により稼動するとともに、その出力が制御される。酸素供給ポンプ２２の出力が制御されることによって、酸素供給路２１を流れる酸素（空気）の流量が制御される。さらに、酸素供給路２１には、酸素供給ポンプ２２とカソード１０との間において、酸素供給手段としての分岐路２３が接続されている。
【００２７】
分岐路２３は、酸素供給路２１から分岐する流路であって、酸素供給路２１を流れる酸素（空気）の一部を、触媒流路３５を介して触媒１５に供給するための流路である。分岐路２３は、その上流側の一端が酸素供給路２１に接続され、その下流側の他端が触媒流路３５における配分切替弁１４と触媒１５との間に接続されている。分岐路２３の途中には、開閉弁２４が設けられている。
【００２８】
開閉弁２４は、分岐路２３を開閉するための弁であって、例えば、電磁弁などの公知の開閉弁が用いられる。また、開閉弁２４は、制御部７と電気的に接続されており、制御部７からの入力信号により、その開閉が制御される。
（Ｅ）排出部
排出部６は、カソード１０から排出される排出物質を排出する排出路２７を備えている。
【００２９】
排出路２７は、その上流側の一端がカソード１０の酸素流出口（図示せず）に接続され、その下流側の他端がドレンとされるか、または、アンモニアなどを処理するための処理タンク（図示せず）に接続されている。排出路２７の途中には、パージ流路２５の他端が接続されている。
なお、排出路２７から排出される排出物質としては、例えば、セルスタック８における電気化学反応により生成する窒素ガス、水および未反応の酸素（空気）、さらには、パージ流路２５からの窒素ガス、水素ガスおよびアンモニアガスなどが挙げられる。
（Ｆ）制御部
制御部７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータで構成されている。制御部７には、初期暖機モード（後述）、発電暖機モード（後述）および安定発電モード（後述）に対応する制御プログラムが記憶されている。
【００３０】
また、制御部７には、燃料供給ポンプ１３、配分切替弁１４、温度センサ１８、温度センサ２０、酸素供給ポンプ２２、開閉弁２４およびパージ弁２６が制御対象として電気的に接続されている（図１の破線参照）。
そして、制御部７は、温度センサ１８および／または温度センサ２０からの入力信号に基づいて、上記した各部（例えば、燃料供給ポンプ１３、配分切替弁１４、酸素供給ポンプ２２、開閉弁２４およびパージ弁２６）を制御することにより、上記した各制御プログラムを実行する。
【００３１】
図２は、図１に示す触媒流路３５の拡大図である。
図２において、触媒流路３５は、略水平方向に延びる上流側の上流管２８と、上流管２８よりも上方において略水平方向に延びる下流側の下流管２９と、水平方向に対して略垂直な上下方向に延び、上流管２８と下流管２９とを連結する連結管３０とを備えている。
上流管２８は、略円筒形状に形成されており、その内部に、配分切替弁１４が設けられている。また、上流管２８には、配分切替弁１４よりも下流側において、絞り部３１が形成されている。
【００３２】
絞り部３１は、上流管２８において、その径の一部がその他の部分の径よりも小さく絞られたくびれ部分であって、具体的には、上流管２８の軸線方向上流側から下流側に向けて、その中間部まで連続的に径が小さくなり、その中間部から末端まで連続的に径が大きくなる形状に形成されている。
また、上流管２８には、配分切替弁１４と絞り部３１との間において、分岐路２３が接続されている。
【００３３】
分岐路２３は、図２において、上流管２８に酸素（空気）を供給する本体管３２と、本体管３２を流れる酸素（空気）を噴射するためのノズル３３が一体的に接続された管として形成されている。
本体管３２は、その上流側の一端が酸素供給路２１に連通しており、その下流側の他端が上流管２８の周側壁を介して上流管２８内に延びている。また、本体管３２の途中には、上流管２８の外側において、開閉弁２４が設けられている。
【００３４】
ノズル３３は、本体管３２の他端から上流管２８の軸線方向下流側に延びており、その末端が、絞り部３１の中間部付近に配置される。
下流管２９は、連結管３０の上下方向途中に接続されている。具体的には、下流管２９は、略円筒形状に形成されており、その周側壁における上端が連結管３０の上壁（後述）よりも下方に位置するように、連結管３０の周側壁（後述）に接続されている。また、下流管２９には、逆止弁１６が設けられている。
【００３５】
連結管３０は、有底円筒形状に形成されている。連結管３０には、その軸線方向（上下方向）途中に、連結管３０の軸線方向（上下方向）に燃料が流通自在となるように、触媒１５が介在されている。
また、連結管３０には、その上壁に、パージ流路２５の一端が接続されており、パージ流路２５には、パージ弁２６が設けられている。
【００３６】
また、連結管３０には、その軸線方向における上流側の一端部（上下方向における下端部）の周側壁に、上流管２８が接続されている。
また、連結管３０には、その軸線方向における下流側の他端部（上下方向における上端部）の周側壁に、下流管２９が接続されている。上記したように、下流管２９の周側壁における上端が連結管３０の上壁よりも下方に位置するように、下流管２９が接続されているため、連結管３０の内部には、下流管２９よりも上方に、燃料と燃料に含有される気体とを分離するための気液分離部３４が形成されている。
【００３７】
すなわち、気液分離部３４は、連結管３０における下流管２９よりも上方の周側壁と、連結管３０の上壁とで囲まれ、上側の底壁（上壁）を有する略円筒形状に形成されている。
そして、以上説明した燃料電池システム１では、制御部７によって、燃料電池２の運転を制御する制御モードとして、初期暖機モード、発電暖機モードおよび安定発電モードが実行される。
【００３８】
図３および図４は、図１の制御部７において実行される制御処理の流れを示すフローチャートである。
制御部７は、制御モードとして、例えば、燃料電池２の温度を、起動温度αを超えるまで上昇させる初期暖機モードと、燃料電池２に発電させながら、燃料電池２の温度を、作動温度βを超えるまで上昇させる発電暖機モードと、燃料電池２の温度を、安定温度γに保持する安定発電モードとを備えている。
【００３９】
制御部７に対して、燃料電池２の起動指令信号が入力されると（ステップＳ１）、まず初期暖機モードが実行される。
初期暖機モードでは、まず、温度センサ２０の温度Ｔ０が検知され（ステップＳ２）、検知温度Ｔ０が起動温度αよりも大きいか否か（Ｔ０＞αであるか）が判別される（ステップＳ３）。ここで、起動温度αとは、燃料電池２を起動させる（発電を開始させる）ために適した温度である。
【００４０】
起動指令信号入力時には、還流用流路１９に燃料が流れておらず、Ｔ０＞αではないので（ステップＳ３のＮＯ）、Ｔ０とαとの温度差が計算される（ステップＳ４）。
そして、開閉弁２４が「開」にされるとともに（ステップＳ５）、Ｔ０とαとの温度差に基づいて、配分切替弁１４の開度が決定される（ステップＳ６）。これにより、燃料供給路１２と酸素供給路２１とが、分岐路２３を介して連通するとともに、触媒流路３５およびバイパス流路１７に供給される燃料の流量の配分が決定される。
【００４１】
次いで、燃料供給ポンプ１３および酸素供給ポンプ２２が、それぞれ初期暖機用出力で稼動されることによって（ステップＳ７）、燃料供給部３において、燃料タンク１１から燃料供給路１２に燃料が供給されるとともに、酸素供給部５において、大気中の酸素（空気）が酸素供給路２１に供給される。
そして、燃料供給路１２を流れる燃料は、触媒流路３５およびバイパス流路１７へ流入する。一方、酸素供給路２１を流れる酸素（空気）は、カソード１０に供給されるとともに、その一部が分岐路２３へ流入する。
【００４２】
触媒流路３５では、図２に示すように、配分切替弁１４を通過した燃料が、さらに絞り部３１を通過して連結管３０内を上昇する。このとき、上流管２８内では、分岐路２３（本体管３２）からの酸素（空気）がノズル３３から噴射されるので、燃料（ヒドラジン）に酸素（空気）が混入されるとともに、絞り部３１の下流側へ生じる吸引力により、絞り部３１の上流側への燃料の逆流が防止される。
【００４３】
連結管３０では、管内を上昇する燃料（ヒドラジン）が、触媒１５と接触することによって、触媒１５（触媒元素）の存在下、下記式の分解反応が生じて、窒素ガス、水素ガスおよびアンモニアガスが生成する。
３ＮＨ２ＮＨ２→２Ｎ２＋２Ｈ２＋２ＮＨ３
上記した分解反応は、発熱をともなう発熱反応であるため、その反応熱の熱量が、未反応の燃料に吸収されて、その燃料の温度が上昇する。また、分解反応により生成する気体（窒素ガス、水素ガスおよびアンモニアガス）は、燃料中に気泡として含有される。
【００４４】
そして、触媒１５を通過した燃料は、下流管２９が接続される高さまで上昇し、下流管２９へ流入する。一方、燃料に含有される気泡（窒素ガス、水素ガスおよびアンモニアガス））は、燃料が連結管３０内を上昇するときに、燃料の液面で弾け、気液分離部３４を気体として上昇し、パージ流路２５へ流出する。
温度の上昇した燃料は、下流管２９を通過し、バイパス流路１７からの燃料と合流してアノード９へ供給される。このように、アノード９に温度の上昇した燃料が供給されることによって、燃料電池２が暖められる暖機運転が行なわれる。
【００４５】
その後、温度センサ２０の検知温度Ｔ０が起動温度αよりも大きくなると、すなわち、Ｔ０＞αになると（ステップＳ３のＹＥＳ）、セルスタック８において発電が開始される（ステップＳ８）。すなわち、アノード９およびカソード１０にそれぞれ供給された燃料（ヒドラジン）および酸素（空気）によって、セルスタック８において、下記式の電気化学反応が生じて、起電力が発生する。
ＮＨ２ＮＨ２＋Ｈ２Ｏ＋Ｏ２→Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ
なお、上記電気化学反応により生成する窒素ガス、水および未反応の酸素（空気）は、パージ流路２５からの気体（窒素ガス、水素ガスおよびアンモニアガス）とともに、排出物質として排出路２７に排出される。
【００４６】
セルスタック８の発電が開始されると、制御部７では、発電暖機モードが実行される。
発電暖機モードでは、温度センサ２０の温度Ｔ０が検知され（ステップＳ９）、検知温度Ｔ０が作動温度βよりも大きいか否か（Ｔ０＞βであるか）が判別される（ステップＳ１０）。ここで、作動温度βとは、初期暖機モードにおける起動温度αよりも大きい温度、より詳しくは、燃料電池２に最大発電量で発電させるために適した温度である。
【００４７】
セルスタック８の発電開始時には、燃料電池２は、その温度が作動温度βを超えるまで暖機されておらず、Ｔ０＞βではないので（ステップＳ１０のＮＯ）、Ｔ０とβとの温度差が計算される（ステップＳ１１）。
そして、開閉弁２４が「開」にされたまま、Ｔ０とβとの温度差に基づいて、配分切替弁１４の開度が決定される（ステップＳ１２）。
【００４８】
発電暖機モードにおける触媒流路３５とバイパス流路１７との燃料の流量配分としては初期暖気モードにおける触媒流路３５とバイパス流路１７との燃料の流量配分に対して、触媒流路３５に流量がより多い割合である。
次いで、燃料供給ポンプ１３および酸素供給ポンプ２２の出力が、発電暖機用出力に調節されることによって、燃料供給ポンプ１３および酸素供給ポンプ２２が、それぞれ発電暖機用出力で稼動される（ステップＳ１３）。これによって、燃料電池２の暖機運転と並行して、セルスタック８での発電が行なわれる。
【００４９】
なお、各発電暖機用出力は、燃料電池２の暖機運転と並行して、セルスタック８での発電を行なう発電暖機運転に適した出力である。
その後は、温度センサ２０の検知温度Ｔ０が作動温度βよりも大きくなるまで、発電暖機運転が行なわれ、Ｔ０＞βになると（ステップＳ１０のＹＥＳ）、暖機運転終了の制御処理が開始され（ステップＳ１４）、発電暖機モードが終了する。
【００５０】
すなわち、開閉弁２４が「閉」にされて（ステップＳ１５）、酸素供給路２１から触媒流路３５への酸素（空気）の供給が停止されるとともに、配分切替弁１４がバイパス流路１７側に切り替えられて（ステップＳ１６）、燃料タンク１１から触媒流路３５への燃料の供給が停止されることによって、発電暖機モードが終了する。
そして、燃料供給ポンプ１３の出力が、通常発電用出力に調節されることによって、燃料供給ポンプ１３が、通常発電用出力で稼動される（ステップＳ１７）。これによって、アノード９には、バイパス流路１７を通過する燃料のみが供給され、セルスタック８において発電が行なわれる、燃料電池２の通常運転が行なわれる。
【００５１】
燃料電池２の通常運転時において、燃料電池２の温度（例えば、温度センサ１８および／または温度センサ２０で検知される温度）は、セルスタック８での電気化学反応により生じる反応熱によって、安定温度γに保持される。ここで、安定温度γとは、燃料電池２を効率よく、かつ、安定して発電させるために適した温度である。
なお、燃料供給ポンプ１３の通常発電用出力は、燃料電池２の通常運転を行なうために適した出力である。
【００５２】
燃料電池２の通常運転が開始されると、制御部７では、安定発電モードが実行される。
安定発電モードでは、温度センサ１８の温度Ｔ１が検知され（ステップＳ１８）、検知されたＴ１が安定温度γよりも大きいか否か（Ｔ１＞γであるか）が判別される（ステップＳ１９）。
そして、Ｔ１＞γである間（ステップＳ１９のＹＥＳ）、すなわち、燃料電池２が効率よく安定発電している間は、配分切替弁１４がバイパス流路１７側に切り替えられたまま（ステップＳ２０）、燃料電池２の終了指令がされるまで（ステップＳ２１のＮＯ）、燃料電池２の通常運転が継続される。
【００５３】
一方、燃料電池２の温度低下などによって、アノード９から排出される燃料の温度が低下し、Ｔ１＞γではなくなると（ステップＳ１９のＮＯ）、Ｔ１とγとの温度差が計算される（ステップＳ２２）。
そして、開閉弁２４が「開」にされるとともに（ステップＳ２３）、Ｔ１とγとの温度差に基づいて、配分切替弁１４の開度が決定される（ステップＳ２４）。これにより、燃料供給路１２と酸素供給路２１とが分岐路２３を介して連通するとともに、燃料タンク１１と触媒流路３５とが連通することになり、燃料電池２の暖機運転が可能となる。
【００５４】
安定発電モードにおける触媒流路３５とバイパス流路１７との燃料の流量配分としては、検知温度Ｔ１の低下度合、すなわち、Ｔ１とγとの温度差（γ−Ｔ１）により異なる。
次いで、燃料供給ポンプ１３および酸素供給ポンプ２２の出力が、安定発電用出力に調節されることによって、燃料供給ポンプ１３および酸素供給ポンプ２２が、それぞれ安定発電用出力で稼動される（ステップＳ２５）。これによって、セルスタック８での発電と並行して、燃料電池２の暖機運転が行なわれて、燃料電池２の温度（温度センサ１８の検知温度Ｔ１）が、安定温度γに保持される。
【００５５】
なお、各安定発電用出力は、セルスタック８の発電と並行して、燃料電池２の暖機運転を行なう安定発電運転に適した出力であり、検知温度Ｔ１の低下度合、すなわち、Ｔ１とγとの温度差（γ−Ｔ１）により異なる。
その後は、燃料電池２の終了指令がされるまで（ステップＳ２１のＮＯ）、上記した安定発電モードが実行されることにより、燃料電池２の温度が安定温度γに保持される。
【００５６】
そして、燃料電池２の終了指令がされると（ステップＳ２１のＹＥＳ）、安定発電モードが終了され、燃料電池２の運転が終了する。
以上のように、燃料電池システム１によれば、触媒流路３５に触媒１５を介在させ、燃料タンク１１からの燃料（ヒドラジン）を、触媒流路３５へ流入させることによって、燃料（ヒドラジン）の分解反応を生じさせて、その反応熱により燃料（ヒドラジン）の温度を上昇させる。
【００５７】
そして、温度の上昇した燃料を、アノード９に供給する。アノード９に温度の上昇した燃料が供給されることによって、燃料電池２が暖められる暖機運転が行なわれる。つまり、燃料を媒体として燃料電池２を直接暖めるので、少ない熱損失で効率よく燃料電池２を暖めることできる。さらに、本来アノード９に供給される燃料を加熱媒体として供給するので、燃料電池２の暖機運転に伴う電解質（図示せず）の耐久性の低下を抑制することができる。
【００５８】
また、上記した発電暖機モードのように、燃料電池２の暖機運転と並行して、セルスタック８での発電を行なう発電暖機運転を行なうことができるので、短時間で燃料電池２を起動（通常運転）させることができる。
これらの結果、燃料電池システム１によれば、燃料電池２の起動性を向上させることができる。
【００５９】
また、酸化触媒元素の存在下、容易に分解反応を生じるヒドラジンを燃料として用い、さらに、触媒１５に酸化触媒元素が担持されているので、短時間で燃料の温度を上昇させることができる。その結果、燃料電池２を短時間で効率よく暖めることができる。
さらに、燃料がヒドラジンであることから、分解反応により生成する物質が窒素、水素およびアンモニアであり、一酸化炭素が生成しない。そのため、触媒１５に担持された酸化触媒元素の被毒を抑制することができ、酸化触媒元素の触媒活性の低下を抑制することができる。
【００６０】
これらの結果、燃料電池２の起動性を一層向上させることができる。
また、触媒流路３５において、上流管２８内に分岐路２３のノズル３３が配置されているので、ノズル３３から酸素（空気）を噴射し、噴射された酸素（空気）と燃料（ヒドラジン）とを反応させることによっても燃焼熱を発生させて、燃料の温度を上昇させることができる。その結果、燃料電池２をより短時間で効率よく暖めることができるので、燃料電池２の起動性を一層向上させることができる。
【００６１】
また、燃料電池システム１には、燃料供給路１２の触媒流路３５を迂回するバイパス流路１７が備えられ、さらに、触媒流路３５およびバイパス流路１７に流す燃料の流量配分を調節できる配分切替弁１４が設けられている。
そのため、配分切替弁１４の開度を適宜調節することによって、適切な濃度の燃料をアノード９に供給することができる。例えば、発電暖機モードでは、温度の上昇した燃料が供給されるにつれて燃料電池２が暖められるので、その終期には、主として燃料電池２の発電を行なうために、高濃度の燃料を供給する必要がある。燃料電池システム１によれば、このような場合に、バイパス流路１７への流量配分を、触媒流路３５よりも多くすることによって、高濃度の燃料をアノード９に供給して効率よく発電させることができる。
【００６２】
さらに、例えば、安定発電モードでは、配分切替弁１４をバイパス流路１７側に切り替えて、燃料タンク１１からの燃料全量をバイパス流路１７を介して供給することによって、燃料の過度の温度上昇を防止することができる。その結果、燃料電池２の高温劣化・破損などを防止することもできる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施形態は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜設計を変形することができる。
【００６３】
本発明の燃料電池システムの用途としては、例えば、電動車両、鉄道、船舶、航空機などが挙げられる。
また、前述の実施形態では、燃料をヒドラジンとする固体高分子形の燃料電池２を備える燃料電池システム１についてのみ説明したが、本発明の燃料電池は、例えば、アルカリ形（ＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）などの各種燃料電池であってもよい。
【００６４】
また、使用される燃料についても、例えば、メタノール（ＣＨ３ＯＨ）、エタノール（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）などのアルコール類、ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ２ＮＨ２）２ＣＯ２）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２ＳＯ４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ３ＮＨＮＨ２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２ＮＮＨ２、ＣＨ３ＮＨＮＨＣＨ３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ２）２ＣＯ）などのヒドラジン類、例えば、尿素（ＮＨ２ＣＯＮＨ２）、例えば、アンモニア（ＮＨ３）、例えば、イミダゾール、１，３，５−トリアジン、３−アミノ−１，２，４−トリアゾールなどの複素環類、例えば、ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ２ＯＨ・Ｈ２ＳＯ４）などのヒドロキシルアミン類などであってもよい。
【００６５】
また、前述の実施形態では、燃料の分解反応により生じる反応熱によって燃料の温度を上昇させたが、例えば、燃料供給路１２を公知のジャケットヒータなどで被覆し、燃料供給路１２を加熱することによって燃料の温度を上昇させてもよい。なお、好ましくは、前述の実施形態で説明したように、触媒流路３５に触媒１５を介在させ、燃料（ヒドラジン）を触媒流路３５へ流入させることによって、燃料（ヒドラジン）の分解反応を生じさせて、その反応熱により燃料（ヒドラジン）の温度を上昇させる。燃料を暖める加熱媒体が反応熱であれば、燃料を直接的に暖めることができるので、短時間で燃料の温度を上昇させることができる。
【００６６】
また、前述の実施形態では、起動温度α、作動温度βおよび安定温度γについて一例を示したが、これらは、本発明の燃料電池システムの使用環境（周囲の気温など）や燃料電池の種類などによって異なり、状況に応じて適宜設定される。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の触媒流路の拡大図である。
【図３】図１の制御部において実行される制御処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】図３のフローチャートの続きを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６８】
１    燃料電池システム
２    燃料電池
３    燃料供給部
９    アノード
１０  カソード
１２  燃料供給路
１５  触媒
２３  分岐路
【図１】
2009181750.tif 000003
【図２】
2009181750.tif 000004
【図３】
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【図４】
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