JP2007173036A - 燃料電池システム及びその運転開始方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギを無駄に消費することなく、運転を開始可能な燃料電池システム及びその運転開始方法を提供する。
【解決手段】反応ガスの反応により発電する燃料電池１０と、加熱機５３と、燃料電池１０と加熱機５３とを経由するように熱交換流体を流通させる熱交換流体流通系６０と、熱交換流体の熱を利用する暖房用ヒータ７０と、熱交換流体の温度を検出する温度センサ６２と、燃料電池１０の運転開始後、暖房用ヒータ７０が熱交換流体に要求する所定昇温要件と、運転する燃料電池１０によって加熱される熱交換流体の温度とに基づいて、燃料電池１０による加熱のみでは所定昇温要件を満たさない場合、不足する熱量のみを補足するために加熱機５３を運転する制御部９１と、を備えた燃料電池システム１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転開始方法に関する。

近年、水素がアノードに、酸素がカソードに、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、以下「燃料電池：ＦＣ」）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。

このような燃料電池は運転（発電）によって発熱するため、燃料電池が過昇温しないように熱交換流体（ラジエータ液等）を循環させる技術がある。そして、熱交換流体の流路上に、例えば、車両用エアコンシステムの暖房用ヒータ（熱利用機器）を設けて、暖房用ヒータで、燃料電池から熱交換流体に移動した熱を利用し、熱の利用効率を高める技術がある。ところが、燃料電池の運転開始時は、燃料電池によって熱交換流体が好適に加熱されない場合もあるため、運転開始時に熱交換流体を加熱する加熱機を備える燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００５−４４７９５号公報（段落番号００５２〜００７４、図１）

しかしながら、燃料電池は、その発電状態によって自己発熱量が異なり、燃料電池による熱交換流体の加熱の程度が異なる。よって、例えば、燃料電池の運転開始後、加熱機を常に一定時間作動させる燃料電池システムの場合、燃料電池の自己発熱によって熱交換流体が良好に加熱されているとき、加熱機を作動させるための作動エネルギが無駄に消費されている可能性がある。

そこで、本発明は、エネルギを無駄に消費することなく、運転を開始可能な燃料電池システム及びその運転開始方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、加熱機と、前記燃料電池と前記加熱機とを経由するように熱交換流体を流通させる熱交換流体流通手段と、前記燃料電池及び／又は前記加熱機により加熱される前記熱交換流体の熱を利用する熱利用機器と、前記熱交換流体の温度を検出する熱交換流体温度検出手段と、前記燃料電池の運転開始後、前記熱利用機器が前記熱交換流体に要求する所定昇温要件と、運転する前記燃料電池の発熱によって加熱される前記熱交換流体の温度とに基づいて、前記燃料電池による加熱のみでは前記所定昇温要件を満たしていない間、不足する熱量を補足するために前記加熱機を運転する加熱機運転手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池による加熱のみでは所定昇温要件を満たさない場合、加熱機運転手段は、不足する熱量のみを補足するために、加熱機を運転する。すなわち、本発明によれば、不必要に加熱機を作動させることなく、熱利用機器が熱交換流体に要求する所定昇温要件を満たすことができる。これにより、加熱機の作動エネルギ、例えば、触媒燃焼器を備える加熱機においては燃料を、電気ヒータを備える加熱機においては電力を無駄に消費せずに、燃料電池システムを運転開始することができる。

請求項２に係る発明は、前記熱交換流体の温度に基づいて、前記燃料電池による加熱のみで前記所定昇温要件を満たすか否かを判定する第１判定手段を備え、当該第１判定手段が前記所定昇温要件を満たすと判定した場合、前記加熱機運転手段は前記加熱機の運転を停止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である。

このような燃料電池システムによれば、第１判定手段が所定昇温要件を満たすと判定した場合、加熱機運転手段は前記加熱機の運転を停止することで、加熱機における無駄な作動エネルギの消費を削減しつつ、燃料電池のみで熱交換流体を加熱し、所定昇温要件を満たすことができる。

請求項３に係る発明は、前記熱交換流体の温度に基づいて、前記燃料電池による加熱のみで前記所定昇温要件を満たすか否かを判定する第２判定手段を備え、当該第２判定手段が前記所定昇温要件を満たさないと判定した場合、前記加熱機運転手段は前記加熱機の運転を開始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である。

このような燃料電池システムによれば、第２判定手段が所定昇温要件を満たさないと判定した場合のみに、加熱機運転手段は加熱機の運転を開始し、不足する熱量のみを補足することができる。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、運転開始時の前記燃料電池の温度が所定温度よりも低い場合、前記加熱機運転手段は、前記運転開始時から前記加熱機を運転し、熱交換流体を介して、前記燃料電池を加熱することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の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、運転開始時（後記する実施形態では、システムの起動スイッチであるＩＧ８０がＯＮされた時）の燃料電池の温度が所定温度（判定温度）よりも低い場合、加熱機運転手段が運転開始時から加熱機を運転し、熱交換流体を介して燃料電池を加熱することにより、燃料電池の暖機を促進させることができる。

請求項５に係る発明は、前記加熱機は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの一部を触媒下で燃焼させることで熱を発生させる触媒燃焼器と、当該発生した熱を前記熱交換流体に移動させる熱交換器と、を備え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である。

このような燃料電池システムによれば、触媒燃焼器の燃料ガスと燃料電池の燃料ガスとを共有することにより、燃料電池システムを小型化することができる。また、燃料電池による加熱のみでは所定昇温要件を満たさない場合のみ、不足する熱量のみを補足するために触媒燃焼器（加熱機）を運転することで、燃料電池システムにおける燃料ガスの消費を抑えることができ、例えば、燃料電池システムが燃料電池自動車に搭載されている場合、燃費の向上を図ることができる。

請求項６に係る発明は、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、加熱機と、前記燃料電池と前記加熱機とを経由するように熱交換流体を流通させる熱交換流体流通手段と、前記燃料電池及び／又は前記加熱機により加熱される前記熱交換流体の熱を利用する熱利用機器と、を備える燃料電池システムの運転開始方法であって、前記燃料電池の運転開始後、前記熱利用機器が前記熱交換流体に要求する所定昇温要件と、運転する前記燃料電池によって加熱される前記熱交換流体の温度とに基づいて、前記燃料電池による加熱のみでは前記所定昇温要件を満たしていない間、不足する熱量を補足するために前記加熱機を運転することを特徴とする燃料電池システムの運転開始方法である。

このような燃料電池システムの運転開始方法によれば、燃料電池による加熱のみでは所定昇温要件を満たさない場合、加熱機運転手段は、不足する熱量のみを補足するために加熱機を運転し、不必要に加熱機を作動させることなく、熱利用機器が熱交換流体に要求する所定昇温要件を満たすことができる。これにより、加熱機の作動エネルギを無駄に消費せずに、燃料電池システムを運転開始することができる。

本発明によれば、エネルギを無駄に消費することなく、運転を開始可能な燃料電池システム及びその運転開始方法を提供することができる。

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。

≪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（図示しない）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。

燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）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、反応ガス）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、後記する熱交換流体（ラジエータ液）を適宜に加熱する加熱系５０と、熱交換流体を流通させる熱交換流体流通系６０（熱交換流体流通手段）と、熱交換流体の熱を利用する暖房用ヒータ７０（熱利用機器）と、燃料電池システム１の起動スイッチであるＩＧ８０（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、を主に備えている。

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、を備えて構成されている。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。

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、その結果、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。

また、前記セパレータには、熱交換流体流通系６０から送られ、燃料電池１０と熱交換する熱交換流体が流通する熱交換流体流路１３が形成されている。熱交換流体は、いわゆるラジエータ液（冷媒）であり、例えば、エチレングリコール等の不凍液から構成される。

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、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、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９１によって遮断弁２２が開かれると、アノード流路１１に水素が供給されるようになっている。また、配管２２ａには減圧弁（図示しない）が設けられており、水素が適宜に減圧されるようになっている。
アノード流路１１の下流側は、配管２２ｂ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２２ｂを介して外部に排出されるようになっている。

カソード系は、コンプレッサ３１（スーパーチャージャ、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９１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。

電力消費系は、走行モータ４１（外部負荷）と、ＶＣＵ４２（Voltage Control Unit）と、を主に備えている。この他、コンプレッサ３１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、ＶＣＵ４２を介して燃料電池１０の出力端子に接続されている。
ＶＣＵ４２は、燃料電池１０の出力電流や出力電圧を制御することで、燃料電池１０の発電を制御する電流電圧制御器である。言い換えると、ＶＣＵ４２は、電流を適宜に取り出すことによって燃料電池１０を発電させる機器であり、例えば、コンタクタ（リレー）、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を備えている。そして、ＶＣＵ４２は制御部９１と接続されており、制御部９１はＶＣＵ４２を介して出力電流及び出力電圧を適宜に制御するようになっている。すなわち、例えば、制御部９１が出力電流を０にすれば、燃料電池１０が発電しない設定となっている。

＜加熱系＞
加熱系５０は、熱交換流体流通系６０を流通する熱交換流体を適宜に加熱する系であり、混合器５１と、加熱機５３と、を主に備えている。
混合器５１は、水素タンク２１から配管５１ａを介して送られる水素と、コンプレッサ３１から配管５１ｂを介して送られる酸素を含む空気と、をその内部で混合し、燃料混合ガスを生成する機器である。配管５１ａには、開閉弁５２が設けられており、この開閉弁５２は制御部９１によって適宜に開かれる。

加熱機５３は、Ｐｔ等の触媒を内蔵する触媒燃焼器５４と、熱交換器５５とを備えている。触媒燃焼器５４は、配管５１ｃを介して、混合器５１の下流側に接続されており、混合器５１から燃料混合ガスが、触媒燃焼器５４に送られると、その触媒下で燃焼反応が起こり、高温の排気ガスが生成するようになっている。熱交換器５５は、配管５４ａを介して、触媒燃焼器５４の下流側に接続されており、触媒燃焼器５４から送られた高温の排気ガスと、熱交換流体との間で熱交換し、熱交換流体を加熱するようになっている。また、熱交換後の排気ガスは、配管５５ａを介して外部に排出される。

なお、後記するように、熱交換流体は熱交換器５５と燃料電池１０と暖房用ヒータ７０とを循環しているため、制御部９１によって、開閉弁５２が開かれると、混合器５１で燃料混合ガスが生成し、触媒燃焼器５４で高温の排気ガスが生成し、熱交換器５５で熱交換流体が加熱され、その結果として、燃料電池１０及び暖房用ヒータ７０が加熱される設計となっている。

＜熱交換流体流通系＞
熱交換流体流通系６０は、熱交換流体を流通（循環）させる系であり、ポンプ６１と、配管６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ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。なお、熱交換流体は、いわゆるラジエータ液（不凍液、冷媒）であり、例えば、エチレングリコールを主成分として形成されている。

これらの接続状態について説明すると、燃料電池１０の熱交換流体流路１３、配管６１ａ、ポンプ６１、配管６１ｂ、暖房用ヒータ７０、配管６１ｃ、熱交換器５５、配管６１ｄ、燃料電池１０の熱交換流体流路１３の順に接続されており、制御部９１に制御されてポンプ６１が作動すると、熱交換流体が、燃料電池１０、暖房用ヒータ７０、熱交換器５５を経由して流通するように設計されている。これにより、循環する熱交換流体は、燃料電池１０及び熱交換器５５（加熱機５３）の少なくとも一方により、加熱されるようになっている。

温度センサ６２は、配管６１ａに設けられており、その内部を流れる現在の熱交換流体の温度Ｔ１１を検出するようになっている。また、配管６１ａを燃料電池１０から排出された直後の熱交換流体が流れるため（図１参照）、本実施形態では温度センサ６２で検出される温度Ｔ１１は、燃料電池１０の温度に相当する。

＜暖房用ヒータ＞
暖房用ヒータ７０は、燃料電池自動車に搭載された車両用エアコンシステムの一部を構成すると共に、熱交換流体の熱を利用して車内に吹き出す空気を暖める機器である。すなわち、暖房用ヒータ７０は、配管６１ｂから送られる熱交換流体と車内に吹き出す空気との間で熱交換し、この空気を暖める熱交換器である。

また、ＩＧ８０のＯＮ後の運転者からの暖房要求に好適に対応するため、暖房用ヒータ７０内を流通する熱交換流体について、所定昇温要件が設定されている。具体的に、本実施形態に係る暖房用ヒータ７０が熱交換流体に要求する所定昇温要件は、ＩＧ８０のＯＮ後、目標時間ｔ１が経過するまでに、熱交換流体が目標温度Ｔ２以上になることである（図５〜図７参照）。その他に例えば、目標温度に±２℃等の温度幅を設定してもよい。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ９０は、燃料電池システム１を電子制御する装置である。このようなＥＣＵ９０は、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、制御部９１（制御手段）と、制御データ記憶部９２（記憶手段）と、を主に備えている。

［制御部−加熱機運転機能］
制御部９１（加熱機運転手段）は、開閉弁５２と接続されており、この開閉弁５２を適宜に開／閉するようになっており、加熱機５３の運転機能を備えている。具体的には、コンプレッサ３１が作動し混合器５１に酸素を含む空気が送られており、かつ、遮断弁２２が開いている状態で、制御部９１が開閉弁５２を開くと、混合器５１で燃料混合ガスが生成し、この混合ガスが触媒燃焼器５４で燃焼することで高温の排気ガスとなる。そして、熱交換器５５において、排気ガスが熱交換流体を加熱し、つまり、加熱機５３が運転するように設計されている。

［制御部−第１判定機能］
制御部９１（第１判定手段）は、温度センサ６２と接続されており、温度センサ６２が検出する熱交換流体の温度及び燃料電池１０の温度を監視している。そして、制御部９１は、熱交換流体の温度に基づいて、運転（発電）する燃料電池１０の自己発熱による加熱のみで、所定昇温要件を満たすか否かを判定する第１判定機能を備えている。

［制御部−第２判定機能］
また、制御部９１（第２判定手段）は、運転（発電）する燃料電池１０の自己発熱による加熱のみで、所定昇温要件を満たすか否かを判定する第２判定機能を備えている。

［制御部−その他機能］
制御部９１は、遮断弁２２、コンプレッサ３１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９１は、ＩＧ８０と接続されており、ＩＧ８０のＯＮ／ＯＦＦ信号を検知するようになっている。
さらに、制御部９１は、ＩＧ８０のＯＮ直後の運転開始時に、燃料電池１０を暖機せずに、その発電を開始することができるか否かを判定する判定機能を備えており、その内部には判定基準となる所定の判定温度Ｔ１（例えば−２０℃）が記憶されている。

［制御データ記憶部］
制御データ記憶部９２には、触媒燃焼器５４（加熱機５３）のＯＦＦマップ（図２参照）と、触媒燃焼器５４のＯＮマップ（図３参照）とが記憶されている。

（ＯＦＦマップ）
図２に示す触媒燃焼器５４のＯＦＦマップは、ＩＧ８０のＯＮ後の時間ｔ１１と、時間ｔ１１における交換流体の温度Ｔ１１とに基づいて、運転する燃料電池１０の自己発熱による加熱のみで、熱交換流体が所定昇温要件（ＩＧ８０のＯＮから目標時間ｔ１までに、熱交換流体を目標温度Ｔ２以上に上げる）を満たし、触媒燃焼器５４（加熱機５３）をＯＦＦできるか否かを判定するためのＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１を求めるマップである。
具体的には、図２に示すように、ＩＧ８０のＯＮ後の時間ｔ１１が進むにつれて、触媒燃焼器５４のＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１は線形的に小さくなる傾向となっており、ＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１が大きいほど、熱交換流体の温度Ｔ１１が低いことになる。なお、このようなＯＦＦ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。

（ＯＮマップ）
図３に示す触媒燃焼器５４のＯＮマップは、ＩＧ８０のＯＮから時間ｔ２を経過した後において、時間ｔ１１と、時間ｔ１１における熱交換流体の温度Ｔ１１とに基づいて、運転する燃料電池１０の自己発熱による加熱のみで、熱交換流体が所定昇温要件を満たさず、触媒燃焼器５４をＯＮする必要があるか否かを判定するためのＯＮ判定閾値ΔＴ１２を求めるマップである。
具体的には、図３に示すように、ＩＧ８０のＯＮから時間ｔ２を経過した後において、ＩＧ８０のＯＮ後の時間ｔ１１が進むにつれて、触媒燃焼器５４（加熱機５３）のＯＮ判定閾値ΔＴ１２は線形的に小さくなる傾向となっている。なお、本実施形態に係る時間ｔ２は、ＩＧ８０のＯＮ後、時間ｔ２に触媒燃焼器５４をＯＮすれば、燃料電池自動車が想定している最低温度からでも所定昇温要件を満たす、つまり、熱交換流体の温度Ｔ１１を目標温度Ｔ２に上げることのできる時間である。また、このようなＯＮマップは、事前試験等によって求められる。

≪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の運転開始方法について、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の運転開始方法は、燃料電池１０の運転開始後、暖房用ヒータ（熱利用機器）が熱交換流体に要求する所定昇温要件と、運転する燃料電池１０の発熱によって加熱される熱交換流体の温度Ｔ１１とに基づいて、燃料電池１０による加熱のみでは所定昇温要件を満していない間、不足する熱量のみを補足するために加熱機５３を運転することを特徴とする。

燃料電池自動車のＩＧ８０がＯＮされると（運転開始時）、図４に示すフローチャートがスタートし、制御部９１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作動して熱交換流体を循環させる。

ステップＳ１０１において、制御部９１は、温度センサ６２を介して検出される燃料電池１０（熱交換流体）の現在の温度Ｔ１１と、その内部に記憶された判定温度Ｔ１（所定温度）とを比較して、燃料電池１０を触媒燃焼器５４（加熱機５３）により加熱せずに、そのまま発電開始できるか否かを判定する。
燃料電池１０の温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１よりも低い場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４による加熱が必要であると判定して、ステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池１０の温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１よりも低くない場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、つまり、温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１以上である場合、触媒燃焼器５４による加熱は必要ないと判定して、ステップＳ１０８に進む。

＜触媒燃焼器−ＯＮ＞
ステップＳ１０２において、制御部９１は、開閉弁５２を開く。これにより、混合器５１に水素が送り込まれ、混合器５１ではこの水素とコンプレッサ３１からの酸素を含む空気とが混合されて、燃料混合ガスが生成される。そして、この燃料混合ガスは、触媒燃焼器５４に送り込まれ、その触媒存在下で触媒燃焼し、高温の排気ガスとなり、熱交換器５５に送り込まれる。次いで、熱交換器５５では、この高温の排気ガスと熱交換流体との間で熱交換が行われ、その結果として、熱交換流体が加熱される。それから、このように加熱された熱交換流体が循環することにより、燃料電池１０が加熱、つまり、暖められる。

ステップＳ１０３において、制御部９１は、ステップＳ１０１と同様に、燃料電池１０（熱交換流体）の温度と、所定の判定温度Ｔ１とを比較して、燃料電池１０が発電できる程度に暖まったか否かを判定する。
燃料電池１０の温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１よりも低い場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、燃料電池１０は未だ発電開始できる程度に暖まっていないと判定して、ステップＳ１０３の判定を繰り返す。一方、燃料電池１０の温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１よりも低くない場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、つまり、温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１以上である場合、燃料電池１０が発電開始できる程度に暖まったと判定して、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４において、制御部９１は、ＶＣＵ４２を制御して燃料電池１０から適宜な電流を取り出し、燃料電池１０の運転（発電）を開始させる。このように燃料電池１０が運転（発電）すると、燃料電池１０は自己発熱する。そして、この自己発熱によって、燃料電池１０の熱交換流体流路１３を流れる熱交換流体が加熱される。

＜ＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１の算出＞
ステップＳ１０５において、制御部９１は、内部クロックを利用して求めたＩＧ８０のＯＮから経過した時間ｔ１１と、図２に示すＯＦＦマップとに基づいて、触媒燃焼器５４をＯＦＦできるか否かを判定する基準となるＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１を求める。

＜触媒燃焼器−ＯＦＦ判定＞
ステップＳ１０６において、制御部９１は、所定昇温要件に係る目標温度Ｔ２と現在の熱交換流体の温度Ｔ１１との差と、ステップＳ１０５で求めたＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１と、を比較して、触媒燃焼器５４をＯＦＦできるか否かを判定する。
目標温度Ｔ２と現在の温度Ｔ１１との差が、ＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１以下である場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４をＯＦＦできると判定し、ステップＳ１０７に進む。すなわち、この場合は、運転する燃料電池１０の自己発熱による熱交換流体の加熱のみで、所定昇温要件を満たすと判定される場合である。
一方、目標温度Ｔ２と現在の温度Ｔ１１との差が、ＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１以下でない場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、つまり、目標温度Ｔ２と現在の温度Ｔ１１との差がＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１よりも大きい場合、触媒燃焼器５４をＯＦＦできないと判定し、ステップＳ１０５に戻る。

＜触媒燃焼器−ＯＦＦ＞
ステップＳ１０７において、制御部９１は、開閉弁５２を閉じ、混合器５１への水素の供給を停止する。これにより、混合器５１における燃料混合ガスの生成、及び、触媒燃焼器５４における触媒燃焼は停止され、その結果、熱交換器５５における熱交換流体の加熱は停止される。
その後、エンドに進み、燃料電池システム１の運転開始時の制御を終了する。

次に、ＩＧ８０のＯＮ直後、燃料電池１０（熱交換流体）の温度Ｔ１１が、所定の判定温度Ｔ１以上であり、ステップＳ１０８に進んだ場合を説明する。
ステップＳ１０８において、制御部９１は、ステップＳ１０４と同様にして、燃料電池１０の運転（発電）を開始させる。

ステップＳ１０９において、制御部９１は、熱交換流体の現在の温度Ｔ１１と、所定昇温要件に係る目標温度Ｔ２とを比較する。
そして、熱交換流体の温度Ｔ１１が目標温度Ｔ２以上である場合（Ｓ１０９・Ｙｅｓ）、エンドに進む。この場合は、熱交換流体の温度Ｔ１１が目標温度Ｔ２以上であり、触媒燃焼器５４をＯＮして、熱交換流体を加熱する必要がない場合である。
一方、熱交換流体の温度Ｔ１１が目標温度Ｔ２以上でない場合（Ｓ１０９・Ｎｏ）、つまり、熱交換流体の温度Ｔ１１が目標温度Ｔ２よりも低い場合、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０において、制御部９１は、内部クロックを利用して求められたＩＧ８０のＯＮ後の時間ｔ１１と、図３に示すＯＦＦマップに係る時間ｔ２とを比較する。
そして、ＩＧ８０のＯＮ後の時間ｔ１１が時間ｔ２を超えている場合（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）、ステップＳ１１１に進む。一方、時間ｔ１１が時間ｔ２を超えていない場合（Ｓ１１０・Ｎｏ）、つまり、時間ｔ１１が時間ｔ２以下である場合、ステップＳ１０９に戻る。

＜ＯＮ判定閾値ΔＴ１２の算出＞
ステップＳ１１１において、制御部９１は、ＩＧ８０のＯＮ後の時間ｔ１１と、図３に示すＯＮマップとに基づいて、触媒燃焼器５４をＯＮする必要があるか否かを判定する基準となるＯＮ判定閾値ΔＴ１２を求める。

＜触媒燃焼器−ＯＮ判定＞
ステップＳ１１２において、制御部９１は、所定昇温要件に係る目標温度Ｔ２と現在の熱交換流体の温度Ｔ１１との差と、ステップＳ１１１で求めたＯＮ判定閾値ΔＴ１２と、を比較して、触媒燃焼器５４をＯＮする必要があるか否かを判定する。
目標温度Ｔ２と現在の温度Ｔ１１との差が、ＯＮ判定閾値ΔＴ１２よりも大きい場合（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４をＯＮする必要があると判定し、ステップＳ１１３に進む。すなわち、この場合は、運転する燃料電池１０の自己発熱による熱交換流体の加熱のみでは、所定昇温要件を満たすことができず、不足する熱量のみを補足するために、触媒燃焼器５４（加熱機５３）をＯＮする必要がある場合である。
一方、目標温度Ｔ２と現在の温度Ｔ１１との差が、ＯＮ判定閾値ΔＴ１２よりも大きくない場合（Ｓ１１２・Ｎｏ）、つまり、目標温度Ｔ２と現在の温度Ｔ１１との差がＯＮ判定閾値ΔＴ１２以下である場合、触媒燃焼器５４をＯＮする必要はないと判定し、ステップＳ１０９に戻る。

＜触媒燃焼器−ＯＮ＞
ステップＳ１１３において、制御部９１は、ステップＳ１０２と同様に、開閉弁５２を開く。これにより、混合器５１では燃料混合ガスが生成し、この燃料混合ガスが触媒燃焼器５４で触媒燃焼されて高温の排気ガスとなり、熱交換器５５において、この高温の排気ガスが熱交換流体を加熱する。
このように触媒燃焼器５４をＯＮして、熱交換流体を加熱した後、ステップＳ１０５に進む。

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。
（１）触媒燃焼器５４をＯＮした後（Ｓ１０２、Ｓ１１３）、運転（発電）する燃料電池１０の自己発熱による加熱のみで、熱交換流体の所定昇温要件を満たすと判定される場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４をＯＦＦ（Ｓ１０７）することにより、水素（エネルギ）が無駄に消費されることはない。これにより、燃料電池自動車の燃費を高めることができる。
（２）所定の時間ｔ２の経過後（Ｓ１１０・Ｙｅｓ）については、運転する燃料電池１０の自己発熱による加熱のみでは、熱交換流体が所定昇温要件を満たさないと判定される場合のみに（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４をＯＮすることにより（Ｓ１１３）、水素の消費を抑えることができる。
（３）ＩＧ８０のＯＮ直後（運転開始時）に、燃料電池１０の温度が低すぎる場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４をＯＮして（Ｓ１０２）、燃料電池１０を暖めることにより、発電を開始することができる（Ｓ１０４）。

≪燃料電池システムの動作例≫
次に、図５から図７を参照して、燃料電池システム１の３つの動作例を説明する。

＜第１動作例−図５＞
まず、図５を参照して第１動作例について説明する。
ＩＧ８０がＯＮされた時、燃料電池１０（熱交換流体）の温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１よりも低いと（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＩＧ８０に連動して触媒燃焼器５４がＯＮされる。そして、燃料電池１０（熱交換流体）の温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１に到達すると（Ｓ１０３・Ｎｏ）、燃料電池１０の運転（発電）が開始される。その後、燃料電池１０の暖機を促進するため、例えば、コンプレッサ３１の回転速度が増加される等によって、燃料電池１０が高出力で発電（高発電）すると、燃料電池１０の自己発熱量が増加し、熱交換流体の温度Ｔ１１の上昇率は高くなる。

それから、このように運転する燃料電池１０の自己発熱のみで、熱交換流体が所定昇温要件を満たすと判定されると（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４がＯＦＦ（Ｓ１０７）される。そして、ＩＧ８０のＯＮから目標時間ｔ１経過した際に、熱交換流体の温度Ｔ１１は目標温度Ｔ２に到達し、所定昇温要件が満たされる。

したがって、図８に示すように、熱交換流体の温度Ｔ１１が所定昇温要件に係る目標温度Ｔ２に到達するまでＯＮする場合、その後、熱交換流体は運転する燃料電池１０によって加熱されるため、目標時間ｔ１では熱交換流体の温度Ｔ１１が目標温度Ｔ２を超えてしまう。すなわち、このような場合、触媒燃焼器５４をＯＮするための水素が余分に消費されたことになるが、本実施形態では燃料電池１０による加熱のみで所定昇温要件を満たすと判定される場合、触媒燃焼器５４をＯＦＦするため、水素の消費を抑えることができ、燃費の向上に繋げることができる。

＜第２動作例−図６＞
次に、図６を参照して、第２動作例について説明する。
ＩＧ８０がＯＮされた時、燃料電池１０（熱交換流体）の温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１以上であるため（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＩＧ８０に連動して燃料電池１０の発電が開始される（Ｓ１０８）。その後、熱交換流体の温度Ｔ１１が目標温度Ｔ２に到達しないまま（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＩＧ８０のＯＮ後に時間ｔ２が経過し、そして、触媒燃焼器５４をＯＮする必要があると判定されて（Ｓ１１２・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４がＯＮされる（Ｓ１１３）。
それから、このように運転する燃料電池１０の自己発熱のみで、熱交換流体が所定昇温要件を満たすと判定されると（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、触媒燃焼器５４がＯＦＦ（Ｓ１０７）される。

＜第３動作例−図７＞
次に、図７を参照して、第３動作例について説明する。
ＩＧ８０がＯＮされた時、燃料電池１０（熱交換流体）の温度Ｔ１１が判定温度Ｔ１以上であるため（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＩＧ８０に連動して燃料電池１０の発電が開始される（Ｓ１０８）。その後、熱交換流体の温度Ｔ１１が目標温度Ｔ２に到達しないまま（Ｓ１０９・Ｎｏ）、ＩＧ８０のＯＮ後に時間ｔ２が経過しても、触媒燃焼器５４をＯＮする必要がないと判定されて（Ｓ１１２・Ｎｏ）、運転する燃料電池１０による加熱のみが続く。そして、目標時間ｔ１となった際に、熱交換流体の温度Ｔ１１が目標温度Ｔ２に到達する。

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。

前記した実施形態では、本発明が、車両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。
そして、熱利用機器は前記した実施形態に係る車両用エアコンシステムを構成する暖房用ヒータ７０に限定されず、その他に例えば、家庭用エアコンシステムの暖房用ヒータ等であってもよい。

前記した実施形態では、水素（エネルギ）を消費する触媒燃焼器５４を備える加熱機５３について説明したが、その他に例えば、加熱機はバッテリからの電力（エネルギ）によって発熱する電気ヒータ等であってもよい。

前記した実施形態では、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）が熱交換流体及び燃料電池１０の温度を検出する場合を説明したが、その他に例えば、燃料電池１０の温度を検出する温度センサを別に備え、この温度センサを燃料電池１０の筐体等に設ける構成としてもよい。

前記した実施形態では、熱交換交換流体は、燃料電池１０及び／又は加熱機５３によって加熱される場合について説明したが、その他に例えば、ＩＧ８０のＯＮにより常時に発熱する熱源（ＥＣＵ９０等）により、熱交換交換流体が加熱される構成であってもよい。この場合、燃料電池１０及び熱源によって、所定昇温要件を満たしていない間、不足する熱量を補足するために、加熱機５３を運転する構成とする。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 触媒燃焼器をＯＦＦできるか否かの判定基準となるＯＦＦ判定閾値ΔＴ１１を求めるためのＯＦＦマップである。 触媒燃焼器をＯＮする必要があるか否かの判定基準となるＯＮ判定閾値ΔＴ１２を求めるためのＯＮマップである。 本実施形態に係る燃料電池システムの運転開始時の動作を示すフローチャートである。 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。 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。 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。 比較例に係る燃料電池システムの動作例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１３ 熱交換流体流路
２１ 水素タンク
３１ コンプレッサ
５０ 加熱系
５２ 開閉弁
５３ 加熱機
５４ 触媒燃焼器
５５ 熱交換器
６０ 熱交換流体流通系（熱交換流体流通手段）
６１ ポンプ
６２ 温度センサ（熱交換流体温度検出手段、燃料電池温度検出手段）
７０ 暖房用ヒータ（熱利用機器）
８０ ＩＧ
９０ ＥＣＵ
９１ 制御部（加熱機運転手段、第１判定手段、第２判定手段）
９２ 制御データ記憶部
Ｔ１ 燃料電池の発電開始に係る判定温度（所定温度）
Ｔ２ 熱交換流体の目標温度
Ｔ１１ 現在の熱交換流体の温度
ｔ１ 目標時間
ｔ１１ ＩＧのＯＮ後の時間
ΔＴ１１ ＯＦＦ判定閾値
ΔＴ１２ ＯＮ判定閾値

Claims (6)

1. 反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
   加熱機と、
   前記燃料電池と前記加熱機とを経由するように熱交換流体を流通させる熱交換流体流通手段と、
   前記燃料電池及び／又は前記加熱機により加熱される前記熱交換流体の熱を利用する熱利用機器と、
   前記熱交換流体の温度を検出する熱交換流体温度検出手段と、
   前記燃料電池の運転開始後、前記熱利用機器が前記熱交換流体に要求する所定昇温要件と、運転する前記燃料電池の発熱によって加熱される前記熱交換流体の温度とに基づいて、前記燃料電池による加熱では前記所定昇温要件を満たしていない間、不足する熱量を補足するために前記加熱機を運転する加熱機運転手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記熱交換流体の温度に基づいて、前記燃料電池による加熱によって前記所定昇温要件を満たすか否かを判定する第１判定手段を備え、
   当該第１判定手段が前記所定昇温要件を満たすと判定した場合、前記加熱機運転手段は前記加熱機の運転を停止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。
3. 前記熱交換流体の温度に基づいて、前記燃料電池による加熱によって前記所定昇温要件を満たすか否かを判定する第２判定手段を備え、
   当該第２判定手段が前記所定昇温要件を満たさないと判定した場合、前記加熱機運転手段は前記加熱機の運転を開始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。
4. 前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、
   運転開始時の前記燃料電池の温度が所定温度よりも低い場合、前記加熱機運転手段は、前記運転開始時から前記加熱機を運転し、熱交換流体を介して、前記燃料電池を加熱することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記加熱機は、前記燃料電池に供給される燃料ガスの一部を触媒下で燃焼させることで熱を発生させる触媒燃焼器と、当該発生した熱を前記熱交換流体に移動させる熱交換器と、を備え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。
6. 反応ガスの反応により発電する燃料電池と、加熱機と、前記燃料電池と前記加熱機とを経由するように熱交換流体を流通させる熱交換流体流通手段と、前記燃料電池及び／又は前記加熱機により加熱される前記熱交換流体の熱を利用する熱利用機器と、を備える燃料電池システムの運転開始方法であって、
   前記燃料電池の運転開始後、前記熱利用機器が前記熱交換流体に要求する所定昇温要件と、運転する前記燃料電池によって加熱される前記熱交換流体の温度とに基づいて、前記燃料電池による加熱では前記所定昇温要件を満たしていない間、不足する熱量を補足するために前記加熱機を運転することを特徴とする燃料電池システムの運転開始方法。

Images