JP2010080251A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】暖機装置における燃料消費効率を向上させることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。
【解決手段】センサ検出された排気ガス温度が算出された露点温度以下であるか判断して、排気ガス温度が露点温度を超えている場合には（Ｓ６、Ｎｏ）、冷媒量を増加可能である場合には（Ｓ７、Ｙｅｓ）、冷媒量を増加させ（Ｓ１０）、冷媒量を増加可能でない場合には（Ｓ７、Ｎｏ）、混合ガス量を低減可能であれば（Ｓ８、Ｙｅｓ）、混合ガス量を低減させる（Ｓ９）。また、スタック温度が暖機目標温度以上の場合には（Ｓ１１、Ｙｅｓ）、露点温度以上に制御して、残留水を積極的に外部に排出させる（Ｓ１２）。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池用の暖機装置を備えた燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池システムでは、低温環境下での燃料電池の始動性を向上させるために触媒燃焼器を搭載して、低温始動時に燃料電池を暖機する技術が提案されている。例えば、特許文献１の燃料電池システムでは、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）とを燃焼させたときに発生する燃焼排ガスで熱交換によって加熱された不凍液を燃料電池との間で循環させることによって、燃料電池を暖機する暖機装置が提案されている。
特開２０００−１６４２３３号公報（段落００６５、図１）

しかしながら、燃料電池システムを例えば車載用として使用すると、暖機装置で燃焼させる水素量が多くなった場合に車両の航続距離が短くなるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、暖機装置における燃料消費効率を向上させることができる燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、反応ガスが供給され、触媒反応により冷媒の加熱を行う触媒燃焼器と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記触媒燃焼器で加熱された冷媒を前記燃料電池に供給することにより前記燃料電池の暖機を促進させる燃料電池システムであって、前記触媒燃焼器から排出される排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、前記排気ガスの露点温度を算出する露点算出手段と、前記排気ガスの温度が前記露点温度以下かを判定する露点温度判定手段と、前記露点判定手段により前記排気ガスの温度が露点温度以下でないと判定された際に、露点温度以下となるように制御を行う排気ガス温度制御手段と、を有することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、排気ガス中に含まれる水蒸気が水へと凝縮する際に発生する凝縮熱を積極的に利用することにより、水素使用量に対する燃料電池への熱の受け渡し効率が向上して燃料消費効率（いわゆる燃費）が向上し、暖機に使用する水素量を減らすことが可能になる。

請求項２に係る発明は、前記排気ガスの温度が凝固する温度以上かを判定する凝固点温度判定手段を有し、前記排気ガス温度制御手段は、前記凝固点温度判定手段により前記排気ガスが凝固する温度以上でないと判定された際には、排気ガスを凝固する温度以上となるように制御を行うことを特徴とする。

請求項２に係る発明によれば、排気ガスの温度が凝固点以上となるように制御することで、排気ガス中の水蒸気が氷になって触媒での触媒反応を抑制してしまう事象を回避することが可能になる。その結果、触媒燃焼器を運転できなくなるといったことを回避することが可能になる。

請求項３に係る発明は、前記排気ガス温度制御手段は、前記冷媒の流量を制御することにより排気ガスの温度を制御することを特徴とする。

請求項３に係る発明によれば、冷媒流量を制御することにより、触媒に供給される反応ガスの流量を変更せずに排気ガスの温度を制御できるため、触媒反応に好適な反応ガス量を供給した状態で排気ガス温度を制御できる。

請求項４に係る発明は、前記冷媒の流量の上限を検知する冷媒流量上限検知手段を有し、前記排気ガス温度制御手段は、前記冷媒流量上限検知手段により冷媒の流量を増加できないと判定された場合には、前記触媒燃焼器に供給される反応ガスの流量を減少させることを特徴とする。

請求項４に係る発明によれば、冷媒流量を増加させることができない状態においても、反応ガスの流量を減少させることにより排気ガス温度を制御することが可能になる。

請求項５に係る発明は、前記燃料電池の暖機が完了したかどうかを判定する燃料電池暖機完了判定手段を有し、前記排気ガス温度制御手段は、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了したと判定された際には、前記排気ガスの温度を露点以上となるように制御を行うことを特徴とする。

請求項５に係る発明によれば、排気ガスの温度を露点温度以上となるように制御することにより、水の発生を抑えることができ、触媒燃焼器の内部に水が溜まってしまうのを防止することができ、内部の残留水を積極的に外部へ排出することが可能になる。その結果、残留水が蒸発して水蒸気となって触媒に吸着されて活性が低下するのを防止できる。

請求項６に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、反応ガスが供給され、触媒反応により冷媒の加熱を行う触媒燃焼器と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記触媒燃焼器で加熱された冷媒を前記燃料電池に供給することにより前記燃料電池の暖機を促進させる燃料電池システムの制御方法であって、前記触媒燃焼器から排出される排気ガスの温度を検出するステップと、前記排気ガスの露点温度を算出するステップと、
前記排気ガスの温度が前記露点温度以下かを判定するステップと、前記排気ガスの温度が露点温度以下でないと判定された際に、露点温度以下となるように制御を行うステップと、を有することを特徴とする。

請求項６に係る発明によれば、排気ガス中に含まれる水蒸気が水へと凝縮する際に発生する凝縮熱を積極的に利用することにより、水素使用量に対する燃料電池への熱の受け渡し効率が向上して燃料消費効率が向上し、暖機に使用する水素量を減らすことが可能になる。

本発明の燃料電池システムおよびその制御方法によれば、暖機装置における燃料消費効率を向上させることができる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は本実施形態の燃料電池システムの始動時の暖機制御を示すフローチャート、図３は排気ガスの温度変化に基づく混合ガスおよび冷媒の制御を示すタイミングチャートである。なお、以下では、燃料電池自動車などの車両に燃料電池システムを適用した場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機などの他の乗り物に適用してもよく、あるいは家庭用や業務用などの定置式のものに適用してもよい。

図１に示すように本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系１０、カソード系２０、冷却系３０、暖機系４０、希釈系５０、制御系６０などを含んで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子型であるＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成された膜電極構造体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、この膜電極構造体の外側に設けられた一対の導電性のセパレータ（図示せず）とで構成された単セルが厚み方向に複数積層された構造となっている。また、燃料電池ＦＣでは、アノードに対向するセパレータには、燃料ガス（反応ガス）としての水素が流通する流路ａ１、カソードに対向するセパレータには、酸化剤ガス（反応ガス）としての空気が流通する流路ａ２、および燃料電池ＦＣを暖機および冷却するための冷媒（熱交換媒体）が流通する流路ａ３が互いに混じり合わないように形成されている。このようにして形成された燃料電池ＦＣでは、アノードに燃料ガスとしての水素が、カソードに酸化剤ガスとしての空気が供給されることにより、水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電が行われ、走行モータ、高圧バッテリなどの外部負荷に発電電流が供給される。なお、高圧バッテリは、充放電可能なリチウムイオンやキャパシタなどで構成され、燃料電池ＦＣの電力不足時または発電停止時に電力を供給し、また高圧バッテリ内の電力が不足したときに、燃料電池ＦＣの発電電力によって充電されるように構成されている。

前記アノード系１０は、燃料電池ＦＣのアノードに水素（燃料ガス）を供給し、かつ、アノードから水素（燃料オフガス）を排出するものであり、燃料ガス供給配管１１、燃料オフガス配管１２、水素タンク１３、遮断弁１４などで構成されている。

前記燃料ガス供給配管１１は、燃料電池ＦＣに水素を供給する流路であり、その一端が水素タンク１３に接続され、他端が遮断弁１４を介して燃料電池ＦＣのアノードの入口に接続されている。前記燃料オフガス配管１２は、燃料電池ＦＣから水素を排出する流路であり、その一端がアノードの出口に接続され、他端が後記する希釈系５０の希釈器５１に接続されている。

前記水素タンク１３は、高純度の水素が高い圧力で充填されたものである。

前記遮断弁１４は、例えば電磁作動式のものであり、水素タンク１３の下流近傍に設けられている。なお、遮断弁１４は、水素タンク１３と一体に設けられるようなインタンク式のものであってもよい。

前記カソード系２０は、燃料電池ＦＣのカソードに空気（酸化剤ガス）を供給し、かつ、カソードから酸化オフガス（空気や生成水など）を排出するものであり、酸化ガス供給配管２１、酸化オフガス配管２２、エアコンプレッサ２３、背圧弁２４などで構成されている。

前記酸化ガス供給配管２１は、燃料電池ＦＣのカソードに空気を供給する流路であり、その一端が燃料電池ＦＣのカソードの入口に接続され、他端がエアコンプレッサ２３に接続されている。前記酸化オフガス配管２２は、カソードから酸化オフガスを排出する流路であり、その一端が燃料電池ＦＣのカソードの出口に接続され、他端が希釈器５１に接続されている。

前記エアコンプレッサ２３は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、圧縮した空気（外気）を、酸化ガス供給配管２１を介して燃料電池ＦＣに供給するようになっている。

前記背圧弁２４は、開度を調整可能なバタフライ弁などで構成され、燃料電池ＦＣの発電に適した圧力の空気をカソードに供給する機能を有している。

なお、図示していないが、カソード系２０において、酸化ガス供給配管２１にエアコンプレッサ２３からの乾燥した空気（酸化剤ガス）を加湿する加湿器などが設けられている。

前記冷却系３０は、燃料電池ＦＣが発電により発生した熱を放熱する機能を有し、配管３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ、ラジエータ３２、切替弁３３、循環ポンプ３４などを備えている。

前記配管３１ａは、一端が燃料電池ＦＣ（セパレータ）に設けられた冷媒が流通する流路の出口に接続され、他端が切替弁３３および循環ポンプ３４を介して後記する触媒燃焼器４７の冷媒の入口と接続されている。配管３１ｂは、一端が触媒燃焼器４７の冷媒の出口と接続され、他端が燃料電池ＦＣ（セパレータ）に設けられた冷媒が流通する流路の入口に接続されている。配管３１ｃは、一端が燃料電池ＦＣの冷媒の出口と切替弁３３との間の配管３１ａに接続され、他端がラジエータ３２の入口に接続されている。配管３１ｄは、一端がラジエータ３２の出口に接続され、他端が切替弁３３に接続されている。なお、ここで使用される冷媒は、車両などで一般的に使用される水や不凍液（エチレングリコール）である。

前記ラジエータ３２は、管とフィンなどで構成され、燃料電池ＦＣで温められた冷媒を放熱する機能を有している。

前記切替弁３３は、サーモスタット弁などで構成され、燃料電池ＦＣが高温になった際には、ラジエータ３２を通る弁位置に切替えられ、燃料電池ＦＣを暖機する際には、ラジエータ３２をバイパスする弁位置に切替えられる。

前記循環ポンプ３４は、燃料電池ＦＣとラジエータ３２との間、燃料電池ＦＣと後記する触媒燃焼器４７との間において冷媒を循環させる機能を有している。

前記暖機系４０は、酸化ガス導入配管４１、酸化ガス流量制御弁４２、燃料ガス導入配管４４、水素インジェクタ４５、混合器４６、触媒燃焼器４７などで構成されている。

前記酸化ガス導入配管４１は、エアコンプレッサ２３からの乾燥した空気を混合器４６に供給する流路であり、その一端が図示しない加湿器の上流側の酸化ガス供給配管２１に接続され、他端が酸化ガス流量制御弁４２を介して混合器４６に接続されている。

前記酸化ガス流量制御弁４２は、例えばバタフライ弁などで構成されている。なお、酸化ガス流量制御弁４２としてバタフライ弁を使用する際は、酸化ガス導入配管４１の酸化ガス流量制御弁４２の上流に空気の流れを遮断するための遮断弁を用いることが好ましい。これは、例えば燃料電池ＦＣのみが発電していて、酸化ガス導入配管４１に空気を供給する必要がない場合に空気が流れ込むと、エアコンプレッサ２３のエネルギー消費が増えるからである。

前記燃料ガス導入配管４４は、燃料ガス供給配管１１から分岐して燃料電池ＦＣに供給する前の水素を混合器４６に供給する流路であり、一端が遮断弁１４の上流側の燃料ガス供給配管１１に接続され、他端が水素インジェクタ４５を介して酸化ガス流量制御弁４２と混合器４６との間の酸化ガス導入配管４１に接続されている。なお、燃料ガス導入配管４４には、水素タンク１３から水素インジェクタ４５への水素供給を遮断する遮断弁４４ａが設けられている。

前記水素インジェクタ４５は、酸化ガス導入配管４１の流路に水素を噴射する機能を有し、制御装置６１からの制御によって水素の噴射量を制御できるようになっている。すなわち、噴射時間を長く設定することにより、噴射量が増加し、噴射時間を短く設定することにより、噴射量が減少するようになっている。

前記混合器４６は、触媒燃焼器４７の上流側に設けられ、水素と空気とを混合して混合ガスを生成する空間を有している。

前記触媒燃焼器４７は、燃焼部４７ａと熱交換部４７ｂとを備えて構成されている。燃焼部４７ａは、例えばハニカム状に形成されたベース部材に白金などの触媒を担持させて構成されたものであり、混合器４６で混合された混合ガスを流通させることにより、混合ガス中の水素が触媒燃焼されて高温の排気ガス（水素濃度が０のガス）を生成するようになっている。熱交換部４７ｂは、例えば、筒状の配管内に、燃焼部４７ａで生成された排ガスが流れる流路と、前記冷媒が通れる流路とが互いに交じり合わないように区画された構造を有し、排気ガスと冷媒との間で熱交換を行うようになっている。

前記希釈系５０は、希釈器５１、排出管５２、排気ガス配管５３などで構成されている。

前記希釈器５１は、燃料電池ＦＣのアノード側から排出される燃料オフガスに含まれる水素を所定の濃度以下に希釈する機能を有している。なお、本実施形態では、燃料電池ＦＣのカソードから排出される酸化オフガスが、燃料電池ＦＣのアノードから排出される燃料オフガスを希釈する際の希釈ガスとして使用される。また、前記酸化オフガスおよび燃料電池ＦＣのカソードに供給される前の空気（酸化ガス）を希釈器５１に供給して、燃料オフガスを希釈するようにしてもよい。

前記排出管５２は、希釈器５１の下流側に接続され、希釈器５１で希釈されたガスを車外に排出するようになっている。

前記排気ガス配管５３は、触媒燃焼器４７から排出された排気ガス（触媒燃焼後のガス）を排出する流路であり、希釈器５１の下流の排出管５２に接続されている。

前記制御系６０は、制御装置６１、温度センサ６２，６３，６５、流量センサ６４、湿度センサ６６、圧力センサ６７などで構成されている。

前記制御装置６１は、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、周辺回路、入出力インタフェース等から構成され、露点温度算出手段と、露点温度判定手段と、排気ガス温度制御手段を備えている。また、制御装置６１は、遮断弁１４の開閉、エアコンプレッサ２３のモータの回転速度、背圧弁２４および酸化ガス流量制御弁４２の開度、循環ポンプ３４のモータの回転速度、水素インジェクタ４５の噴射量をそれぞれ制御する。

前記温度センサ６２は、燃料電池ＦＣの出口近傍の配管３１ａに設けられ、燃料電池ＦＣから排出される冷媒の温度を検知するものである。

前記温度センサ６３は、触媒燃焼器４７の下流の排気ガス配管５３に設けられ、触媒燃焼器４７から排出される排気ガスの温度を検知するものである。

前記流量センサ６４、温度センサ６５および湿度センサ６６は、エアコンプレッサ２３の上流側（空気導入側）に設けられ、圧力センサ６７は、触媒燃焼器４７の下流側の排気ガス配管５３に設けられている。

なお、露点温度算出手段は、例えば、触媒燃焼器４７に投入される空気の流量と温度と相対湿度を流量センサ６４、温度センサ６５、湿度センサ６６によって検出し、触媒燃焼器４７に投入される水素の流量を水素インジェクタ４５から得られる吐出量によって検出し、触媒燃焼器４７のガス圧力を圧力センサ６７によって検出して、触媒燃焼器４７の出口におけるガス中の水蒸気圧を求め、その水蒸気圧を飽和水蒸気圧とする露点温度を算出する。

次に、本実施形態の燃料電池システムの暖機制御について図２および図３（適宜、図１）を参照して説明する。なお、イグニッションスイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）にされて、燃料電池システム１の運転が停止している場合には、制御装置６１は、遮断弁１４，４４ａを閉じて水素タンク１３から燃料電池ＦＣのアノードへの水素供給、エアコンプレッサ２３を停止して燃料電池ＦＣのカソードへの空気供給、循環ポンプ３４を停止して冷媒循環がそれぞれ停止している。

そして、制御装置６１は、イグニッションスイッチがオンされたこと（ＩＧ−ＯＮ）を検知した場合には、燃料電池システム１における温度（システム温度）を検出して、触媒燃焼器４７による暖機制御を実行するか否かを判断し、システム温度が暖機を実行する必要がない温度であると判断した場合には、図２に示す暖機制御を実行することなく直ちに通常の起動制御を実行する。通常の起動制御とは、遮断弁１４を開いて水素タンク１３から燃料電池ＦＣのアノードに水素を供給するとともに、エアコンプレッサ２３の駆動を開始して燃料電池ＦＣのカソードに空気を供給して、燃料電池ＦＣの開放端電圧（ＯＣＶ；Open Circuit voltage）が所定電圧に達したときに図示しないコンタクタを介して燃料電池ＦＣと外部負荷（エアコンプレッサ２３、走行モータなど）とを接続して、発電を開始する。なお、システム温度は、例えば、温度センサ６２によって検出された温度が用いられる。

一方、制御装置６１は、暖機を実行する必要がある温度と判断した場合には、酸化ガス流量制御弁４２を所定の開度に設定し、エアコンプレッサ２３の駆動を開始して、混合器４６に空気を供給する。また、遮断弁４４ａを開弁して、水素を水素インジェクタ４５に供給して、水素インジェクタ４５から決められた吐出量で混合器４６に水素を供給する。また、循環ポンプ３４が駆動されて、燃料電池ＦＣと触媒燃焼器４７との間で冷媒が循環する。触媒燃焼器４７に混合ガスが供給されると、燃焼部４７ａにおいて触媒燃焼が行われて触媒温度が徐々に上昇する。燃焼部４７ａから排出された排気ガスは、熱交換部４７ｂにおいて冷媒との間で熱交換が行われる。熱交換部４７ｂで熱交換されて温められた冷媒は、配管３１ｂを通って燃料電池ＦＣに供給され、燃料電池ＦＣが暖機され、燃料電池ＦＣから排出された冷媒は、配管３１ａを通り、ラジエータ３２をバイパスして、熱交換部４７ｂに戻るようにして循環する。なお、図２のフローでは図示省略しているが、通常の暖機が開始されるまでに、触媒の温度を所定値に上昇させる処理が行われる（図３の暖機準備および暖機初期）。

そして、ステップＳ１において、制御装置６１は、温度センサ６３によって検出された排気ガス温度が排気ガスの凝固点（例えば、０℃）以上であるか否かを判断する（凝固点温度判定手段）。これは排気ガス中の水蒸気が氷となって触媒燃焼器４７のガス流路を塞いでしまうことを防止するためである。制御装置６１は、検出した排気ガス温度が排気ガスの凝固点よりも高いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、制御装置６１は、検出された排気ガス温度が排気ガスの露点温度（例えば、４０℃）以下であるか否かを判断する（露点温度判定手段）。なお、露点温度は、前記したように、各種センサ６４〜６７などによって検出される検出値に基づいて算出される（露点温度算出手段）。制御装置６１は、検出した排気ガス温度が、算出した排気ガスの露点温度以下であると判断した場合には（Ｓ６、Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１において、制御装置６１は、スタック温度（燃料電池ＦＣの温度）が暖機目標温度以上であるか否かを判断する（燃料電池暖機完了判定手段）。なお、暖機目標温度とは、暖機が完了したかどうかを判断する温度であり、触媒燃焼器４７による暖機を終了させる温度である。また、スタック温度は、例えば温度センサ６２によって検出される温度が用いられる。

ステップＳ１１において、制御装置６１は、スタック温度が暖機目標温度以上でない、つまり暖機が完了していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１に戻り、スタック温度が暖機目標温度以上である、つまり暖機が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２に進み、残留水を排出する制御を行う。残留水を排出する制御とは、排気ガスの温度を露点温度以上となるように制御して、水（液滴）が発生して触媒燃焼器４７内部に水が溜まるのを防止し、残留水の気化を促進させる処理である。

また、ステップＳ１において、制御装置６１は、検出した排気ガス温度が排気ガスの凝固点（例えば、０℃）以上でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ２に進み、冷媒量を低減することができるかどうかを判断する。つまり、冷媒量が予め設定された冷媒の下限流量に達していないかどうかで判断する。なお、このように冷媒の下限流量が設定されるのは、燃料電池ＦＣの過加熱を防止するためである。このように冷媒量を低減させることにより、排気ガスから冷媒に奪われる熱量を減らして、触媒燃焼器４７から排出される排気ガスの温度を上昇させることができる。

ステップＳ２において、制御装置６１は、冷媒量を低減可能であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ５に進み、循環ポンプ３４のモータの回転速度を低下させて冷媒量を低減させる。なお、冷媒量を低減させる時間は、例えば予め決められた所定時間に設定される。

また、ステップＳ２において、制御装置６１は、冷媒量を低減可能ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ３に進み、空気と水素の混合ガス量を増加可能であるかどうかを判断する。混合ガス量を増加することにより、触媒燃焼器４７から排出される排気ガスの温度を上昇させることができる。

ステップＳ３において、制御装置６１は、混合ガス量を増加可能であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ４に進み、水素インジェクタ４５からの吐出量を増加させるとともに酸化ガス流量制御弁４２の開度を拡大して、触媒燃焼器４７に供給される混合ガス量を増加する。なお、混合ガス量を増加させる時間は、例えば予め決められた所定時間に設定される。

また、ステップＳ３において、制御装置６１は、混合ガス量を増加可能でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１に進む。なお、混合ガス量を増加可能でない場合とは、すでに最大の流量で空気と水素とがそれぞれ供給されている場合である。

また、ステップＳ６において、制御装置６１は、検出した排気ガス温度が算出した排気ガスの露点温度を超えていると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ７に進み、冷媒量を増加可能であるか否かを判断する（冷媒流量上限検知手段）。つまり、冷媒量が上限流量に達していないかどうかで判断する。

ステップＳ７において、制御装置６１は、冷媒量を増加可能であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０に進み、循環ポンプ３４のモータの回転速度を上昇させて、冷媒量を増加させる。冷媒量を増加することにより、排気ガスから冷媒への熱交換が促進されて、排気ガス温度を低下させることが可能になる。

また、ステップＳ７において、制御装置６１は、冷媒量を増加可能ではないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ８に進み、空気と水素の混合ガス量を低減可能かどうか判断する。

ステップＳ８において、制御装置６１は、混合ガスの量を低減可能であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ９に進み、混合ガス量を低減させる。なお、混合ガス量を低減させる時間は、予め設定された所定時間である。ステップＳ９において、混合ガスを低減することにより、排気ガス温度が低下して、排気ガス温度が露点温度に向けて低下する。また、ステップＳ８において、制御装置６１は、混合ガスの量を低減可能でないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１１に進む。

なお、暖機が完了し（Ｓ１１、Ｙｅｓ）、残留水の排出が終了した場合には（Ｓ１２）、前記した通常制御と同様に、アノードに水素、カソードに空気をそれぞれ供給して、燃料電池ＦＣを発電開始できる電圧まで上昇させる。また、本実施形態の排気ガス温度制御手段は、ステップＳ２〜Ｓ５が、排気ガスを凝固する温度以上となるように制御する処理であり、ステップＳ７〜Ｓ１１が、排気ガスを露点温度以下となるように制御する処理に相当する。

さらに、図３のタイミングチャートを参照して説明すると、時刻ｔ０において、イグニッションスイッチがオン（ＩＧ−ＯＮ）にされると、燃料電池ＦＣの出口の冷媒温度が、所定温度以下の暖機が必要な低温度Ｔ１（例えば、マイナス３０℃）である場合には、暖機準備として、酸化ガス流量制御弁４２の開度が調節されるとともに遮断弁４４ａが開弁される。

そして、時刻ｔ１において、エアコンプレッサ２３から空気が供給されるとともに水素インジェクタ４５から水素が供給されて、混合器４６において水素と空気とが混合された混合ガスが触媒燃焼器４７に供給される。これにより、空気中の酸素と、水素とが触媒反応によって燃焼して、燃焼部４７ａの触媒温度が徐々に上昇する。触媒温度の上昇により、触媒燃焼器４７から排出される排気ガス温度（温度センサ６３の検出値）が上昇する。また、冷媒量が下限流量となるように循環ポンプ３４のモータの回転速度を制御して、燃料電池ＦＣと触媒燃焼器４７との間で冷媒が循環するように制御する。なお、冷媒量をゼロではなく下限流量で流すのは、燃料電池内の一部が過加熱になるのを防止するためである。また、時刻ｔ１〜ｔ２の暖機初期は、触媒燃焼器４７の触媒の反応性を高めるために触媒温度を上昇させる処理であり、例えば予め決められた所定時間実行される。

そして、時刻ｔ２において、暖機初期の処理によって触媒温度が所定温度まで上昇すると通常制御に移行し、暖機時に通常設定される冷媒量となるように循環ポンプ３４の回転速度を上昇させる。

そして、時刻ｔ３において、排気ガス温度が露点温度を超えると（Ｓ６、Ｎｏ）、冷媒量を上限流量まで増加させる（Ｓ１０）。これにより、排気ガスから冷媒に奪われる熱量が増加するので、排気ガス温度が露点温度以下に低下する（Ｓ６、Ｙｅｓ）。

そして、時刻ｔ４において、排気ガス温度が再び露点温度を超えると（Ｓ６、Ｎｏ）、すでに冷媒量が上限流量に設定されており、冷媒量をこれ以上増加できないので（Ｓ７、Ｎｏ）、空気と水素の混合ガス量を低減する（Ｓ９）。混合ガス量を低減することにより、反応温度が低下して、排気ガス温度が露点温度以下に低下する（Ｓ６、Ｙｅｓ）。

そして、時刻ｔ５において、燃料電池ＦＣの出口の冷媒温度（温度センサ６２の検出値）が所定温度Ｔ２（暖機完了温度）に達すると、循環ポンプ３４を下限流量となる回転速度まで低下させるとともに、混合ガス量を増加させる。これにより、排気ガス温度が露点温度以上に上昇するので、水（凝縮水）の発生が抑えられ、また残留水の気化が促進されて、触媒燃焼器４７内部の残留水が外部に排出される。なお、この場合も、冷媒量をゼロではなく下限流量に設定して、燃料電池ＦＣの一部過加熱を防止する。

そして、残留水排出後の時刻ｔ６において、遮断弁４４ａを閉じることにより、触媒燃焼器４７への水素の供給が停止し、循環ポンプ３４が停止する。なお、このとき、触媒燃焼器４７に空気を供給して、触媒燃焼器４７を冷却する。

なお、時刻ｔ６では、遮断弁１４を開いて燃料電池ＦＣのアノードに水素を供給し、エアコンプレッサ２３を駆動してカソードに空気を供給する。これにより、燃料電池ＦＣの開放端電圧が上昇し、開放端電圧が所定電圧に至ったときの時刻ｔ７において、図示しないコンタクタを接続することで燃料電池ＦＣと前記外部負荷とを接続して、発電を開始する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、排気ガス温度を露天温度以下となるように制御することにより、排気ガス中に含まれる水蒸気が水（液滴）へと凝縮し、そのときに発生する凝縮熱を暖機に利用することができる。これにより、水素使用量に対する燃料電池への熱の受け渡し効率が向上し、水素の燃料消費効率が向上して暖機に使用する際の水素量を削減することが可能になる。

また、本実施形態によれば、排気ガスの温度が凝固点以上となるように制御することで、排気ガス中の水蒸気が氷になって触媒での触媒反応が損なわれるといった事象を回避することが可能になる。その結果、触媒燃焼器４７が運転できなくなる事象を回避することができる。

また、本実施形態によれば、冷媒量を制御することにより、触媒燃焼器４７に供給される混合ガス（反応ガス）の流量を変更することなく排気ガス温度を制御できるため、触媒燃焼器４７において触媒反応に好適な混合ガス量を供給した状態で排気ガス温度を制御できる。

また、本実施形態によれば、循環ポンプ３４の回転速度限界などによって冷媒量を増やせない状態においても、混合ガス量を減少させることにより排気ガス温度を制御することが可能になる。なお、本実施形態では、冷媒量と混合ガス量とを制御する場合を例に挙げて説明したが、混合ガス量のみで制御するようにしてもよい。

また、本実施形態によれば、暖機完了後に排気ガス温度を露点温度以上に制御することで、水（液滴）が発生して触媒燃焼器４７内部に水が溜まるのを防止するとともに、内部の残留水を積極的に気化させて外部に排出することが可能になる。その結果、残留水が蒸発して水蒸気となって触媒に吸着され、触媒の活性が低下するのを防止することができる。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 本実施形態の燃料電池システムの始動時の暖機制御を示すフローチャートである。 排気ガスの温度変化に基づく混合ガスおよび冷媒の制御を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ アノード系
１３ 水素タンク
２０ カソード系
２３ エアコンプレッサ
２４ 背圧弁
３０ 冷却系
３２ ラジエータ
３３ 切替弁
３４ 循環ポンプ
４０ 暖機系
４２ 酸化ガス流量制御弁
４５ 水素インジェクタ
４６ 混合器
４７ 触媒燃焼器
４７ａ 燃焼部
４７ｂ 熱交換部
５０ 希釈系
５１ 希釈器
６０ 制御系
６２ 温度センサ
６３ 温度センサ（温度検出手段）
６４ 流量センサ
６５ 温度センサ
６６ 湿度センサ
６７ 圧力センサ
６１ 制御装置（露点温度算出手段、露点温度判定手段、排気ガス温度制御手段、凝固点温度判定手段、冷媒流量上限検知手段、燃料電池暖機完了判定手段）
ＦＣ 燃料電池

Claims (6)

1. 反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
   反応ガスが供給され、触媒反応により冷媒の加熱を行う触媒燃焼器と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記触媒燃焼器で加熱された冷媒を前記燃料電池に供給することにより前記燃料電池の暖機を促進させる燃料電池システムであって、
   前記触媒燃焼器から排出される排気ガスの温度を検出する温度検出手段と、
   前記排気ガスの露点温度を算出する露点温度算出手段と、
   前記排気ガスの温度が前記露点温度以下かを判定する露点温度判定手段と、
   前記露点温度判定手段により前記排気ガスの温度が露点温度以下でないと判定された際に、露点温度以下となるように制御を行う排気ガス温度制御手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記排気ガスの温度が凝固する温度以上かを判定する凝固点温度判定手段を有し、
   前記排気ガス温度制御手段は、前記凝固点温度判定手段により前記排気ガスが凝固する温度以上でないと判定された際には、排気ガスを凝固する温度以上となるように制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記排気ガス温度制御手段は、前記冷媒の流量を制御することにより排気ガスの温度を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷媒の流量の上限を検知する冷媒流量上限検知手段を有し、
   前記排気ガス温度制御手段は、前記冷媒流量上限検知手段により冷媒の流量を増加できないと判定された場合には、前記触媒燃焼器に供給される反応ガスの流量を減少させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の暖機が完了したかどうかを判定する燃料電池暖機完了判定手段を有し、
   前記排気ガス温度制御手段は、前記燃料電池暖機完了判定手段により前記燃料電池の暖機が完了したと判定された際には、前記排気ガスの温度を露点温度以上となるように制御を行う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。
6. 反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
   反応ガスが供給され、触媒反応により冷媒の加熱を行う触媒燃焼器と、を有し、前記燃料電池の起動時に前記触媒燃焼器で加熱された冷媒を前記燃料電池に供給することにより前記燃料電池の暖機を促進させる燃料電池システムの制御方法であって、
   前記触媒燃焼器から排出される排気ガスの温度を検出するステップと、
   前記排気ガスの露点温度を算出するステップと、
   前記排気ガスの温度が前記露点温度以下かを判定するステップと、
   前記排気ガスの温度が露点温度以下でないと判定された際に、露点温度以下となるように制御を行うステップと、を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
   

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