JP4070903B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法に関し、詳しくは、単電池を積層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムおよび単電池を積層してなる積層体を有する燃料電池の加温方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、２分割された燃料電池スタックの一方を加温した燃焼ガスを改質器の排ガスとの熱交換により加温して燃料電池スタックの他方を加温するものが提案されている（例えば、特開平２−１３９８７１号公報など）。このシステムは、２分割された燃料電池スタックの間に熱交換器を備えると共に燃料電池スタックの一方，熱交換器，燃料電池スタックの他方の順に冷却および加温用の循環流路を備えており、燃料を燃焼させることにより加熱した燃焼ガスを循環流路により供給して燃料電池スタックの一方を加温し、改質器の排ガスを熱交換器に供給して燃料電池スタックの一方を加温することにより降温したガスを加熱して燃料電池スタックの他方を加温する。この結果、このシステムによれば、燃料電池スタックを迅速に起動可能な温度にすることができる、とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、燃料電池スタックを効果的に迅速に加温することができない場合を生じるという問題があった。上述の燃料電池システムでは、改質器の存在が必須となり、改質器が存在しないシステムでは燃料電池スタックを迅速に加温することができない。
【０００４】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池を構成する積層体を迅速に加温することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を構成する積層体を効率的に加温することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池システムは、システム全体の小型化を目的の一つとする。本発明の燃料電池の加温方法は、燃料電池を構成する積層体を迅速に加温することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の加温方法は、燃料電池を構成する積層体を効率的に加温することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、単電池を積層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムであって、前記複数の積層体毎に熱交換媒体を循環可能な熱交換媒体循環手段と、前記熱交換媒体を加温可能な第１加温手段と、前記複数の積層体毎に燃料を供給可能な燃料供給手段と、前記複数の積層体により発電された電力を用いて前記熱交換媒体を加温可能な第２加温手段と、所定の指示のとき、前記複数の積層体の一部を加温した後に前記一部の積層体での発電により生じる熱と前記一部の積層体から供給される電力を用いて発生させた熱とにより加温された熱交換媒体によって他の積層体を加温するよう前記熱交換媒体循環手段による熱交換媒体循環路形成、前記第１加温手段による熱交換媒体の加温、前記燃料供給手段による積層体への燃料供給、および前記第２加温手段による熱交換媒体の加温を制御する加温制御手段とを備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池システムでは、所定の指示のときに、加温制御手段が複数の積層体の一部を加温した後に他の積層体を加温するよう熱交換媒体循環手段と第１加温手段と燃料供給手段と第２加温手段とを制御することにより、複数の積層体を加温することができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体の温度を検出する温度検出手段を備え、前記加温制御手段は、前記複数の積層体の一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御すると共に前記熱交換媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する第１加温制御手段と、前記温度検出手段により検出される前記複数の積層体の一部の温度が所定温度になったとき、該一部の積層体に燃料を供給するよう前記燃料供給手段を制御すると共に前記一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御し、前記一部の積層体により発電された電力を用いて前記熱交換媒体を加温するよう前記第２加温手段を制御する第２加温制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、加温された一部の積層体を作動させて得られる電力を用いて他の積層体の一部を加温するから、複数の積層体を迅速に加温することができる。また、第１加温手段は積層体の一部を加温するのに必要な熱量を熱交換媒体に加えることができればよいから、第１加温手段として小型のものを用いることができ、システム全体を小型化することができる。
【０００９】
この加温制御手段が第１加温制御手段と第２加温制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記第２加温制御手段は、前記一部の積層体を介して前記他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、一部の積層体が発電に伴い生じる熱を用いて他の積層体の一部を加温することができる。この結果、発生する熱を効率的に利用することができると共に、より迅速に複数の積層体を加温することができる。
【００１０】
また、加温制御手段が第１加温制御手段と第２加温制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記第２加温制御手段は、前記熱交換媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に他の積層体の一部を加温することができる。
【００１１】
これら各態様を含め本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１加温手段は、燃焼用の燃料の供給を受けて該燃料を燃焼することにより前記熱交換媒体を加温する手段であるものとすることもできる。こうすれば、迅速に熱量を熱交換媒体に供給することができる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体毎に前記第１加温手段の排気を供給可能な排気供給手段と、前記加温制御手段による加温に対応して前記第１加温手段の排気を前記複数の積層体の一部に供給するよう前記排気供給手段を制御する排気制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、さらにエネルギ効率を向上させることができると共に迅速に積層体を加温することができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体のすべての加温が終了したとき、前記第１加温手段と前記第２加温手段による前記熱交換媒体の加温を停止する加温停止手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、複数の積層体が過剰に加温されるのを防止することができる。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、前記熱交換媒体を冷却可能な熱交換媒体冷却手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、始動後は、熱交換媒体循環手段を複数の積層体を冷却可能な冷却装置として機能させることができる。この結果、複数の積層体の加温と冷却とを同一の熱交換媒体により行なうことができるから、別々に行なうシステムに比してシステム全体を小型のものにすることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の加温方法は、単電池を積層してなる積層体を有する燃料電池の加温方法であって、前記積層体の一部を加温する第１加温ステップと、該一部の積層体の加温が終了したとき、該一部の積層体に燃料を供給して発電させ該一部の積層体の出力端子から供給される電力を用いて該一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部を加温する第２加温ステップとを備えることを要旨とする。
【００１５】
この本発明の燃料電池の加温方法では、一部の積層体の加温が終了した後に、この一部の積層体に燃料を供給して得られる電力を用いて一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部を加温することにより、積層体全体を迅速に加温することができる。
【００１６】
この本発明の燃料電池の加温方法において、前記第１加温ステップは、燃料を燃焼することにより生じる熱を用いて前記積層体の一部を加温するステップであるものとすることもできる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の加温方法において、前記第２加温ステップは、前記一部の積層体に燃料を供給することにより該一部の積層体が生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステップであるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に積層体を加温することができると共に、加温の際のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の燃料電池の加温方法において、前記第２加温ステップは、燃料を燃焼することにより生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステップであるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に積層体を加温することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、４つの燃料電池スタック２２〜２８と、この４つの燃料電池スタック２２〜２８に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料供給装置３０と、４つの燃料電池スタック２２〜２８を加温および冷却する加温冷却装置４０と、燃料電池システム２０全体をコントロールする電子制御ユニット８０とを備える。
【００２０】
４つの燃料電池スタック２２〜２８（以下、個別に呼ぶときには第１〜第４燃料電池スタックという）は、いずれも湿潤状態でプロトン伝導性を有する固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池の単位セルを複数積層して構成されている。各燃料電池スタック２２〜２８には、燃料供給装置３０から供給される燃料ガスを各単位セルの燃料極に供給する燃料ガス流路３３，３５，３７，３９と、酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気など）を各単位セルの酸素極に供給する図示しない酸化ガス流路と、加温冷却装置４０に用いられる熱交換媒体（例えば、水や不凍液など）の流路としての熱交換媒体流路５３，５５，５７，５９とが設けられている。また、各燃料電池スタック２２〜２８には、それぞれの燃料電池スタックの温度を検出する温度センサ（以下、第１〜第４スタック温度センサという）７２〜７８が取り付けられている。
【００２１】
燃料供給装置３０は、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を水蒸気改質して水素を含有する燃料ガスを得る改質器等の燃料生成装置や、水素ガスを貯蔵する水素タンク等として構成されており、各燃料電池スタック２２〜２８にその需要に応じた燃料ガスを供給する。なお、燃料供給装置３０から各燃料電池スタック２２〜２８への燃料ガス供給管３１は、分岐管を介して各燃料電池スタック２２〜２８の燃料ガス流路３３，３５，３７，３９に接続されており、その流入口には各燃料電池スタック２２〜２８への燃料ガスの供給を司る電磁弁（以下、各電磁弁を第１〜第４燃料バルブという）３２，３４，３６，３８が取り付けられている。
【００２２】
加温冷却装置４０は、各燃料電池スタック２２〜２８の熱交換媒体流路５３，５５，５７，５９に接続されて循環管路を形成する循環形成管路５０と、この循環形成管路５０に熱交換媒体を循環させるポンプ４２と、循環管路に循環する熱交換媒体を加温する燃焼器４４と、同じく循環管路に循環する熱交換媒体を加温する電気ヒータ４６と、循環形成管路５０にバイパス管路として取り付けられた熱交換器４８とを備える。循環形成管路５０の各燃料電池スタック２２〜２８への流入口には各燃料電池スタック２２〜２８への熱交換媒体の循環を司る電磁弁（以下、第１〜第４循環バルブという）５２，５４，５６，５８が取り付けられている。
【００２３】
燃焼器４４は、燃料ガスを燃焼する燃焼部４５を備えており、この燃焼部４５には分岐管６２を介して燃料ガス供給管３１から燃料ガスが供給される。この分岐管６２の燃焼部４５への流入口には、燃料ガスの供給を司る電磁弁（以下、燃焼器燃料バルブという）６４が取り付けられている。また、燃焼器４４には、出口付近の熱交換媒体の温度を検出する燃焼器温度センサ６６が取り付けられている。燃焼器燃料バルブ６４や燃焼器温度センサ６６，燃焼部４５は信号ラインにより電子制御ユニット８０に接続されており、電子制御ユニット８０により燃焼器温度センサ６６が検出する温度が所定温度を越えないよう燃焼部４５による燃料ガスの燃焼が制御されるようになっている。
【００２４】
図２は、各燃料電池スタック２２〜２８と電気ヒータ４６との電気系統を模式的に示した模式図である。図示するように電気ヒータ４６は、通電により発熱する発熱体（例えば、ニクロム線など）４６ａと、発熱体４６ａへの通電を司るスイッチ４７と、電気ヒータ４６の出口付近の熱交換媒体の温度を検出する電気ヒータ温度センサ６７とを備えており、発熱体４６ａへの通電により循環形成管路５０に流れる熱交換媒体を加熱する。なお、スイッチ４７と電気ヒータ温度センサ６７は信号ラインにより電子制御ユニット８０に接続されており、電子制御ユニット８０により電気ヒータ温度センサ６７が検出する温度が所定温度を越えないようスイッチ４７のオンオフが制御されるようになっている。
【００２５】
また、図２に示すように、電気ヒータ４６に接続された電力ライン９２は、第１燃料電池スタック２２の出力端子２２ａ，２２ｂと接続されると共に、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂを介して第２および第３燃料電池スタック２４，２６の出力端子２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂに接続されている。したがって、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂをオンとすることにより第１ないし第３燃料電池スタック２２〜２６は並列に接続され、これらの燃料電池スタックにより発電される電力が電気ヒータ４６に供給されるようになっている。電力ライン９２はリレー９８ａと第４燃料電池スタック２８とを介して電力ライン９３に接続されており、この電力ライン９２，９３は、リレー９１ａ，９１ｂを介してバッテリ９０の出力端子９０ａ，９０ｂに接続されている。また、各燃料電池スタック２２〜２８は、リレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃを介して各燃料電池スタック２２〜２８の異極端子が接続されており、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ，９８ａをオフとした状態でリレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃをオンとすることにより各燃料電池スタック２２〜２８を直列に接続することができるようになっている。この状態で更にリレー９１ａ，９１ｂをオンとすれば、燃料電池スタック２２〜２８により発電された電力を用いてバッテリ９０を充電することができる。
【００２６】
図１に戻って、熱交換器４８は、三方弁（以下、冷却三方弁という）６０を介して循環形成管路５０にバイパス的に接続されており、各燃料電池スタック２２〜２８が定常運転状態のときに管路形成されて循環形成管路５０に流れる熱交換媒体を外気と熱交換して冷却する。なお、熱交換器４８には、熱交換器４８の出口付近の熱交換媒体の温度を検出する熱交換器温度センサ６８が取り付けられている。
【００２７】
図３は、電子制御ユニット８０を中心とした燃料電池システム２０の電気的な構成の概略を示すブロック図である。図示するように、電子制御ユニット８０は、ＣＰＵ８２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ８６と、各種信号を入力する入力処理回路８８と、各種信号を出力する出力処理回路８９とを備える。この電子制御ユニット８０には、燃焼器温度センサ６６からの燃焼器４４の出口付近の熱交換媒体の温度や電気ヒータ温度センサ６７からの電気ヒータ４６の出口付近の熱交換媒体の温度，熱交換器温度センサ６８からの熱交換器４８の出口付近の熱交換媒体の温度，第１〜第４スタック温度センサ７２〜７８からの各燃料電池スタック２２〜２８の温度Ｔ１〜Ｔ４などが入力処理回路８８を介して入力されている。また、電子制御ユニット８０からは、ポンプ４２への駆動信号や燃焼部４５への点火信号，燃焼器燃料バルブ６４への駆動信号，電気ヒータ４６への駆動信号，冷却三方弁６０への駆動信号，第１〜第４燃料バルブ３２，３４，３６，３８への駆動信号，第１〜第４循環バルブ５２，５４，５６，５８への駆動信号，各リレー９１ａ，９１ｂ，９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９８ａ，９８ｃへの駆動信号などが出力処理回路８９を介して出力されている。
【００２８】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池システム２０を始動するときに各燃料電池スタック２２〜２８を加温する動作について説明する。図４は、電子制御ユニット８０により実行される加温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、実施例の燃料電池システム２０が起動される際に各燃料電池スタック２２〜２８の温度が所定温度以下（例えば、０℃以下）のときに実行される。
【００２９】
図４の加温処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ８２は、まず第１燃料電池スタック２２を加温するための第１循環管路５０ａを形成する処理を実行する（ステップＳ１００）。第１循環管路５０ａの形成は、電子制御ユニット８０から第１〜第４循環バルブ５２，５４，５６，５８に駆動信号を出力して第１循環バルブ５２を開成すると共に第２〜第４循環バルブ５４，５６，５８を閉成し、更に、冷却三方弁６０に駆動信号を出力して熱交換媒体が熱交換器４８を通らないよう管路形成することにより行なう。図５は、こうして第１循環管路５０ａが形成されて、これにより第１燃料電池スタック２２が加温される様子を示す説明図である。なお、第１循環管路５０ａを解りやすくするため、第１循環管路５０ａを構成しない第２燃料電池スタック２４等の管路の図示は省略してある。
【００３０】
次に、ポンプ４２を駆動して熱交換媒体を第１循環管路５０ａに循環させると共に（ステップＳ１０２）、燃焼器４４による熱交換媒体の加温の処理を実行する（ステップＳ１０４）。燃焼器４４による加温は、具体的には、電子制御ユニット８０から燃焼器燃料バルブ６４に駆動信号を出力して燃焼器燃料バルブ６４を開成すると共に燃焼部４５に点火信号を出力して燃焼部４５に供給される燃料ガスを燃焼させることにより行なう。
【００３１】
続いて、第１スタック温度センサ７２により検出される第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１を読み込み（ステップＳ１０６）、読み込んだ温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理を実行する（ステップＳ１０８）。ここで閾値Ｔｒは、実施例では第１燃料電池スタック２２の始動可能な最低温度より若干高い温度、例えば第１燃料電池スタック２２内で凍結している水分が完全に解凍している状態と考えられる温度（例えば、５℃など）として設定されている。なお、この第１循環管路５０ａを形成すると共に燃焼器４４により加温する状態では、各燃料電池スタック２２〜２８は停止しているから、第１〜第４燃料バルブ３２，３４，３６，３８は閉成されている。
【００３２】
第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなると、ＣＰＵ８２は、第２循環管路５０ｂを形成する処理を実行する（ステップＳ１１０）。第２循環管路５０ｂの形成は、第１循環管路５０ａの状態で電子制御ユニット８０から第２循環バルブ５４に駆動信号を出力して第２循環バルブ５４を開成することにより行なう。図６は、この第２循環管路５０ｂを形成すると共に第１燃料電池スタック２２を運転して第２燃料電池スタック２４を加温する様子を示す説明図である。図示するように、第２循環管路５０ｂは、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とが並列に接続された循環管路として形成される。続いて、ＣＰＵ８２は、第１燃料電池スタック２２を始動すると共に（ステップＳ１１２）、電気ヒータ４６を駆動する処理を実行する（ステップＳ１１４）。第１燃料電池スタック２２の始動は、第１燃料電池スタック２２の燃料ガス流路３３に燃料ガスを供給するために第１燃料バルブ３２を開成すると共に、第１燃料電池スタック２２の図示しない酸化ガス流路に酸化ガスを供給することにより行なわれる。また、電気ヒータ４６の駆動は、リレー９４ａ，９４ｂ，９４ｃをいずれもオフとした状態で電気ヒータ４６とスイッチ４７をオンとすることにより行なう。この回路構成では、第１燃料電池スタック２２により発電された電力が電気ヒータ４６に供給されることになる。したがって、第２循環管路５０ｂを循環する熱交換媒体は燃焼器４４と電気ヒータ４６とにより加温されることになる。一般的に燃料電池は発電に伴い発熱するから、第１燃料電池スタック２２も発電に伴って生じる熱により熱交換媒体を加温することになる。故に、第２燃料電池スタック２４は、燃焼器４４と電気ヒータ４６と第１燃料電池スタック２２とにより加温されることになる。
【００３３】
次に、ＣＰＵ８２はカウンタＣに値２を設定し（ステップＳ１１６）、カウンタＣの値に該当する燃料電池スタックの温度ＴＣを読み込み（ステップＳ１１８）、この温度ＴＣが閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理を実行する（ステップＳ１２０）。後述するが、この処理（ステップＳ１１８およびＳ１２０）と後続するステップＳ１２２ないしＳ１２８の処理は、すべての燃料電池スタックについて行なわれ、最後の燃料電池スタックの温度が閾値Ｔｒより大きくなったときに、ステップＳ１３０以降の処理に移る。いま、カウンタＣには値２が設定されているときを考えれば、ステップＳ１１８およびＳ１２０の処理は、第２燃料電池スタック２４の温度Ｔ２を第２スタック温度センサ７４から読み込み、この温度Ｔ２が閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理となる。
【００３４】
温度ＴＣが閾値Ｔｒより大きくなると、カウンタＣの値に該当する燃料電池スタックを始動し（ステップＳ１２２）、カウンタＣと値４とを比較する（ステップＳ１２４）。カウンタＣが値２のときを考えれば、この処理は、第２燃料電池スタック２４を始動し、カウンタＣは値４に等しくないと判定される処理となる。なお、第２燃料電池スタック２４の始動は、第２燃料電池スタック２４の燃料ガス流路３５に燃料ガスを供給するために第２燃料バルブ３４を開成すると共に、第２燃料電池スタック２４の図示しない酸化ガス流路に酸化ガスを供給することにより行なわれる。この燃料電池スタックの始動は、更に、始動した燃料電池スタックの電気ヒータ４６への接続も同時に行なわれる。すなわち、カウンタＣが値２の時を考えれば、第２燃料電池スタック２４を第１燃料電池スタック２２と並列に電気ヒータ４６に接続するために、リレー９６ａ，９６ｂ，９６ｃをオフとした状態でリレー９４ａ，９６ｂをオンとするのである。なお、リレー９４ｃはオフの状態のままである。このように接続することにより、第１燃料電池スタック２２により発電された電力と第２燃料電池スタック２４により発電された電力が電気ヒータ４６に供給されることになる。
【００３５】
いま、カウンタＣが値２のときを考えているから、ステップＳ１２４の処理ではカウンタＣは値４に等しくないと判定され、カウンタＣをインクリメントすると共に（ステップＳ１２６）、カウンタＣの値に該当する循環管路を形成する処理を実行し（ステップＳ１２８）、ステップＳ１１８に戻る。カウンタＣが値２のときを考えれば、カウンタＣが値３にインクリメントされ、第２循環管路５０ｂの状態で第３循環バルブ５６を開成して第３燃料電池スタック２６を循環管路に取り込むのである。この結果、第３燃料電池スタック２６は、燃焼器４４による熱交換媒体の加温と、第１燃料電池スタック２２および第２燃料電池スタック２４により発電された電力を用いる電気ヒータ４６による熱交換媒体の加温と、第１燃料電池スタック２２および第２燃料電池スタック２４の発電に伴って生じる熱による熱交換媒体の加温とにより加温されることになる。こうした加温の関係はカウンタＣの値により定まるのは、容易に理解される。なお、ステップＳ１２４では、カウンタＣを値４と比較しているが、これは実施例の燃料電池システム２０が４つの燃料電池スタック２２〜２８を備えているからであり、この比較する値は分割された燃料電池スタックの数に一致するものである。
【００３６】
こうして第３燃料電池スタック２６も第４燃料電池スタック２８も加温されると、燃料電池スタックの加温は終了したと判定され、電気ヒータ４６を停止すると共に（ステップＳ１３０）、燃焼器４４も停止され（ステップＳ１３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成する処理を実行して（ステップＳ１３４）、本ルーチンを終了する。ここで、電気ヒータ４６の停止処理には、スイッチ４７をオフする処理だけでなく、各燃料電池スタック２２〜２８を直列に接続してバッテリ９０に接続する処理も含まれる。具体的には、リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ，９８ａをオフとし、リレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃをオンとすると共にリレー９１ａ，９１ｂをオンとするのである。この結果、始動した各燃料電池スタック２２〜２８により発電される電力でバッテリ９０が充電される。なお、冷却用の循環管路の形成は、電子制御ユニット８０から冷却三方弁６０に駆動信号を出力して、熱交換器４８に熱交換媒体が流れるようにすることにより行なわれる。
【００３７】
図７は、実施例の燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。図中矢印は、矢印の元の燃料電池スタックの発電による電力と発電に伴う熱が矢印の先の燃料電池スタックの加温に用いられていることを示している。図示するように、時間ｔ１で第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなって第１燃料電池スタック２２の加温が終了すると共に第２循環管路５０ｂが形成されて第２燃料電池スタック２４の加温が開始される。同様に時間ｔ２およびｔ３では第２燃料電池スタック２４や第３燃料電池スタック２６の加温が終了すると共に第３燃料電池スタック２６や第４燃料電池スタック２８の加温が開始される。時間ｔｅでは第４燃料電池スタック２８の加温も終了し、各燃料電池スタック２２〜２８によるバッテリ９０の充電が開始される。
【００３８】
図８は、実施例の燃料電池システム２０と従来例の燃料電池システムとにより各燃料電池スタックが加温される様子を模式的に示す説明図である。ここで、従来例の燃料電池システムは、燃焼器４４による加温で同時に各燃料電池スタック２２〜２８を加温するシステムである。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、従来例の燃料電池システムに比して短時間にすべての燃料電池スタックを目標温度である閾値Ｔｒ以上まで加温することができる。なお、従来例の燃料電池システムを、実施例の燃料電池システム２０と同様に短時間で加温を終了するものとするために燃料器４４の規模を大きくすることもできるが、この場合、システムが大型化すると共にエネルギ効率も格段と下がるものとなる。
【００３９】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、４つの燃料電池スタック２２〜２８を順次加温することができる。この結果、燃焼器４４を小型のものとすることができるから、システムの小型化も図ることができる。しかも、加温が終了した燃料電池スタックにより発電される電力で電気ヒータ４６を駆動し、まだ加温されていない燃料電池スタックを加温するから、加温の際のエネルギ効率を高くすることができると共に迅速に加温することができる。さらに、加温が終了した燃料電池スタックの発電に伴う熱をも用いてまだ加温されていない燃料電池スタックを加温するから、加温の際のエネルギ効率をさらに高くすることができると共により迅速に加温を終了することができる。
【００４０】
実施例の燃料電池システム２０では、燃焼器４４の燃焼部４５で燃焼された排ガスは大気に開放されているが、この排ガスを燃料電池スタックの燃料ガス流路や酸化ガス流路に導入して燃料電池スタックの加温を更に促進するものとすることもできる。この変形例の燃料電池システム２０Ｂの構成の概略を図９に例示する。図示するように、変形例の燃料電池システム２０Ｂは、燃焼器４４の燃焼部４５の排ガスを各燃料電池スタック２２〜２８の酸化ガス流路に導入する排ガス管１００を備える。排ガス管１００には、排ガスを大気開放するための三方弁１０２と、各燃料電池スタック２２〜２８へ排ガスを供給するための電磁弁として構成された第１〜第４排ガスバルブ１１２〜１１８とが設けられている。この変形例の燃料電池システム２０Ｂでは、各燃料電池スタックが加温される際に、対応する排ガスバルブが開成されて加温される燃料電池スタックの酸化ガス流路に排ガスが流されるようになっている。この変形例の燃料電池システム２０Ｂによれば、排ガスの熱をも用いて燃料電池スタックを加温するから、より迅速に燃料電池スタックを加温することができると共にエネルギ効率を向上させることができる。
【００４１】
実施例の燃料電池システム２０では、順番に各燃料電池スタック２２〜２８を加温したが、第１燃料電池スタック２２の加温後、残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温するものとしてもよい。この場合の加温処理ルーチンを図１０に例示する。この加温処理ルーチンのステップＳ２００ないしＳ２０８の処理およびステップＳ２３０ないしＳ２３４の処理は、図４に例示する加温処理ルーチンのステップＳ１００ないしＳ１０８の処理およびステップＳ１３０ないしＳ１３４の処理と同一である。こうした同一の処理の説明は省略し、以下にこの図１０の加温処理ルーチンに基づいて、第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温する処理を説明する。
【００４２】
第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなると（ステップＳ２０６，Ｓ２０８）、すべての燃料電池スタック２２〜２８を循環管路に構成する加温循環管路５０ｄを形成する処理を実行する（ステップＳ２１０）。加温循環管路５０ｄの形成は、具体的には、図５に示す第１循環管路５０ａの状態から第２〜第４循環バルブ５４，５６，５８を開成することにより行なう。そして、第１燃料電池スタック２２を始動すると共に（ステップＳ２１２）、電気ヒータ４６を駆動する（ステップＳ２１４）。この加温循環管路５０ｄにより第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８が加温されている様子を図１１に例示する。図示するように、第１燃料電池スタック２２には燃料ガスが供給されている。したがって、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８は、燃焼器４４による加温と、第１燃料電池スタック２２の発電による電力を用いる電気ヒータ４６の加温と、第１燃料電池スタック２２の発電に伴って生じる熱による加温とによって加温される。
【００４３】
そして、第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３を読み込み（ステップＳ２１８）、読み込んだ温度Ｔ３が閾値Ｔｒより大きくなったときに（ステップＳ２２０）、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８の加温が終了したと判断し、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８を始動すると共に（ステップＳ２２２）、電気ヒータ４６と燃焼器４４とを停止し（ステップＳ２３０，Ｓ２３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成して（ステップＳ２３４）、本ルーチンを終了する。こうした第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温する様子を図１２に模式的に示す。
【００４４】
以上説明したように変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０によれば、第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温することができる。この構成の場合、電気ヒータ４６には第１燃料電池スタック２２により発電された電力だけが供給されるから、電気ヒータ４６を容量の小さなものにすることができる。また、電気ヒータ４６の端子には第１燃料電池スタック２２の出力端子だけが接続できればよいから、図２に例示した電気系統における各燃料電池スタック２２〜２８とバッテリ９０との接続や電気ヒータ４６との接続を簡易なものとすることができる。
【００４５】
この変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０では、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８の加温の終了を第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３により判定したが、第２燃料電池スタック２４の温度Ｔ２や第４燃料電池スタック２８の温度Ｔ４により判定するものとしてもよい。
【００４６】
実施例の加温処理ルーチンや変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０では、まず第１燃料電池スタック２２を加温したが、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温し、その後第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを加温するものとしてもよい。この場合の加温処理ルーチンを図１３に例示する。このルーチンでは、ＣＰＵ８２はまず第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温するための第１加温循環管路５０ｅを形成し（ステップＳ３００）、ポンプ４２と燃焼器４４とを駆動して加温を開始する（ステップＳ３０２，Ｓ３０４）。第１加温循環管路５０ｅの形成は、第１循環バルブ５２と第２循環バルブ５４とを開成すると共に第３循環バルブ５６と第４循環バルブ５８とを閉成することにより行なう。第１加温循環管路５０ｅにより第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とが加温される様子を図１４に例示する。
【００４７】
そして、第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなるのを待って（ステップＳ３０６，Ｓ３０８）、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８を加温するための第２加温循環管路５０ｆを形成し（ステップＳ３１０）、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを始動すると共に（ステップＳ３１２）、電気ヒータ４６による加温を開始する（ステップＳ３１４）。第２加温循環管路５０ｆの形成は、第１加温循環管路５０ｅの状態から第３循環バルブ５６と第４循環バルブ５８とを開成することにより行なう。第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを運転して第２加温循環管路５０ｆにより第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とが加温される様子を図１５に例示する。そして、ＣＰＵ８２は、第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３が閾値Ｔｒより大きくなるのを待って（ステップＳ３１８，Ｓ３２０）、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを始動すると共に（ステップＳ３２２）、電気ヒータ４６と燃焼器４４とを停止し（ステップＳ３３０，Ｓ３３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成して（ステップＳ３３４）、本ルーチンを終了する。こうした第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温する様子を図１６に模式的に示す。
【００４８】
以上説明したように変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０によれば、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温することができる。この構成の場合、電気ヒータ４６には第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とにより発電された電力が供給されるから、電気ヒータ４６の容量はそれに応じたものとなる。また、電気ヒータ４６の端子には第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４の出力端子が接続できればよいから、図２に例示した電気系統における各燃料電池スタック２２〜２８とバッテリ９０との接続や電気ヒータ４６との接続を簡易なものとすることができる。
【００４９】
この他、４つの燃料電池スタック２２〜２８の加温の手法として、まず第１燃料電池スタック２２を加温し、次に第２燃料電池スタック２４を加温し、その後、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを同時に加温するもの等としてもよい。
【００５０】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、閾値Ｔｒを燃料電池スタックが始動可能な最低温度より若干高い温度として設定したが、閾値Ｔｒを燃料電池スタックの定常運転温度より若干低い温度として設定したり、所定の出力を得ることができる運転温度として設定するものとしてもよい。
【００５１】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、燃焼器４４の燃料として各燃料電池スタック２２〜２８へ供給する燃料ガスを供給したが、異なる燃料を供給するものとしてもよい。また、燃焼器４４に代えて電気により熱交換媒体を加温するものを備えるものとしてもよい。
【００５２】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、４つの燃料電池スタック２２〜２８を備えるものとしたが、２つの燃料電池スタックや３つの燃料電池スタック、または５以上の燃料電池スタックを備えるものとしてもよい。その場合、複数の燃料電池スタックのうちの１または２以上の一部の燃料電池スタックを加温し、その後、加温された燃料電池スタックにより発電される電力を用いて残りの燃料電池スタックの一部または全部を加温するものであれば、如何なる組み合わせにより加温するものとしてもよい。
【００５３】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、４つの燃料電池スタック２２〜２８を固体高分子型燃料電池として構成したが、リン酸型燃料電池など他の型の燃料電池として構成してもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 各燃料電池スタック２２〜２８と電気ヒータ４６との電気系統を模式的に示した模式図である。
【図３】 電子制御ユニット８０を中心とした燃料電池システム２０の電気的な構成の概略を示すブロック図である。
【図４】 電子制御ユニット８０により実行される加温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】 第１循環管路５０ａにより第１燃料電池スタック２２を加温する様子を説明する説明図である。
【図６】 第１燃料電池スタック２２を運転して第２循環管路５０ｂにより第２燃料電池スタック２４を加温する様子を示す説明図である。
【図７】 実施例の燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図８】 実施例の燃料電池システム２０と従来例の燃料電池システムとにより各燃料電池スタックが加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図９】 変形例の燃料電池システム２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図１０】 電子制御ユニット８０により実行される変形例の加温処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図１１】 加温循環管路５０ｄにより第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８を加温している様子を示す説明図である。
【図１２】 変形例の加温処理ルーチンにより燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図１３】 電子制御ユニット８０により実行される変形例の加温処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図１４】 第１加温循環管路５０ｅにより第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温している様子を示す説明図である。
【図１５】 第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを運転して第２加温循環管路５０ｆにより第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを加温している様子を示す説明図である。
【図１６】 第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温する様子を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
２０，２０Ｂ 燃料電池システム、２２〜２８ 燃料電池スタック、２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ 出力端子、３０ 燃料供給装置、３２，３４，３６，３８ 燃料バルブ、３３，３５，３７，３９燃料ガス流路、４０ 加温冷却装置、４２ ポンプ、４４ 燃焼器、４５ 燃焼部、４６ 電気ヒータ、４６ａ 発熱体、４７ スイッチ、４８ 熱交換器、５０ 循環形成管路、５２，５４，５６，５８ 循環バルブ、５３，５５，５７，５９ 熱交換媒体流路、６０ 冷却三方弁、６２ 分岐管、６４ 燃焼器燃料バルブ、６６ 燃焼器温度センサ、６８ 熱交換器温度センサ、７２，７４，７６，７８ スタック温度センサ、８０ 電子制御ユニット、８２ ＣＰＵ、８４ＲＯＭ、８６ ＲＡＭ、８８ 入力処理回路、８９ 出力処理回路、９０ バッテリ、９０ａ，９０ｂ 出力端子、９１ａ，９１ｂ リレー、９２，９３ 電力ライン、９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９８ａ，９８ｃリレー、１００ 排ガス管、１０２ 三方弁、１１２，１１４，１１６，１１８ 排ガスバルブ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法に関し、詳しくは、単電池を積層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムおよび単電池を積層してなる積層体を有する燃料電池の加温方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、２分割された燃料電池スタックの一方を加温した燃焼ガスを改質器の排ガスとの熱交換により加温して燃料電池スタックの他方を加温するものが提案されている（例えば、特開平２−１３９８７１号公報など）。このシステムは、２分割された燃料電池スタックの間に熱交換器を備えると共に燃料電池スタックの一方，熱交換器，燃料電池スタックの他方の順に冷却および加温用の循環流路を備えており、燃料を燃焼させることにより加熱した燃焼ガスを循環流路により供給して燃料電池スタックの一方を加温し、改質器の排ガスを熱交換器に供給して燃料電池スタックの一方を加温することにより降温したガスを加熱して燃料電池スタックの他方を加温する。この結果、このシステムによれば、燃料電池スタックを迅速に起動可能な温度にすることができる、とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、燃料電池スタックを効果的に迅速に加温することができない場合を生じるという問題があった。上述の燃料電池システムでは、改質器の存在が必須となり、改質器が存在しないシステムでは燃料電池スタックを迅速に加温することができない。
【０００４】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池を構成する積層体を迅速に加温することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池を構成する積層体を効率的に加温することを目的の一つとする。さらに、本発明の燃料電池システムは、システム全体の小型化を目的の一つとする。本発明の燃料電池の加温方法は、燃料電池を構成する積層体を迅速に加温することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池の加温方法は、燃料電池を構成する積層体を効率的に加温することを目的の一つとする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池システムおよび燃料電池の加温方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、単電池を積層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムであって、前記複数の積層体毎に熱交換媒体を循環可能な熱交換媒体循環手段と、前記熱交換媒体を加温可能な第１加温手段と、前記複数の積層体毎に燃料を供給可能な燃料供給手段と、前記複数の積層体により発電された電力を用いて前記熱交換媒体を加温可能な第２加温手段と、所定の指示のとき、前記複数の積層体の一部を加温した後に前記一部の積層体での発電により生じる熱と前記一部の積層体から供給される電力を用いて発生させた熱とにより加温された熱交換媒体によって他の積層体を加温するよう前記熱交換媒体循環手段による熱交換媒体循環路形成、前記第１加温手段による熱交換媒体の加温、前記燃料供給手段による積層体への燃料供給、および前記第２加温手段による熱交換媒体の加温を制御する加温制御手段とを備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の燃料電池システムでは、所定の指示のときに、加温制御手段が複数の積層体の一部を加温した後に他の積層体を加温するよう熱交換媒体循環手段と第１加温手段と燃料供給手段と第２加温手段とを制御することにより、複数の積層体を加温することができる。
【０００８】
こうした本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体の温度を検出する温度検出手段を備え、前記加温制御手段は、前記複数の積層体の一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御すると共に前記熱交換媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する第１加温制御手段と、前記温度検出手段により検出される前記複数の積層体の一部の温度が所定温度になったとき、該一部の積層体に燃料を供給するよう前記燃料供給手段を制御すると共に前記一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御し、前記一部の積層体により発電された電力を用いて前記熱交換媒体を加温するよう前記第２加温手段を制御する第２加温制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、加温された一部の積層体を作動させて得られる電力を用いて他の積層体の一部を加温するから、複数の積層体を迅速に加温することができる。また、第１加温手段は積層体の一部を加温するのに必要な熱量を熱交換媒体に加えることができればよいから、第１加温手段として小型のものを用いることができ、システム全体を小型化することができる。
【０００９】
この加温制御手段が第１加温制御手段と第２加温制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記第２加温制御手段は、前記一部の積層体を介して前記他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、一部の積層体が発電に伴い生じる熱を用いて他の積層体の一部を加温することができる。この結果、発生する熱を効率的に利用することができると共に、より迅速に複数の積層体を加温することができる。
【００１０】
また、加温制御手段が第１加温制御手段と第２加温制御手段とを備える態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記第２加温制御手段は、前記熱交換媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に他の積層体の一部を加温することができる。
【００１１】
これら各態様を含め本発明の燃料電池システムにおいて、前記第１加温手段は、燃焼用の燃料の供給を受けて該燃料を燃焼することにより前記熱交換媒体を加温する手段であるものとすることもできる。こうすれば、迅速に熱量を熱交換媒体に供給することができる。この態様の本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体毎に前記第１加温手段の排気を供給可能な排気供給手段と、前記加温制御手段による加温に対応して前記第１加温手段の排気を前記複数の積層体の一部に供給するよう前記排気供給手段を制御する排気制御手段とを備えるものとすることもできる。こうすれば、さらにエネルギ効率を向上させることができると共に迅速に積層体を加温することができる。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムにおいて、前記複数の積層体のすべての加温が終了したとき、前記第１加温手段と前記第２加温手段による前記熱交換媒体の加温を停止する加温停止手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、複数の積層体が過剰に加温されるのを防止することができる。
【００１３】
さらに、本発明の燃料電池システムにおいて、前記熱交換媒体を冷却可能な熱交換媒体冷却手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、始動後は、熱交換媒体循環手段を複数の積層体を冷却可能な冷却装置として機能させることができる。この結果、複数の積層体の加温と冷却とを同一の熱交換媒体により行なうことができるから、別々に行なうシステムに比してシステム全体を小型のものにすることができる。
【００１４】
本発明の燃料電池の加温方法は、単電池を積層してなる積層体を有する燃料電池の加温方法であって、前記積層体の一部を加温する第１加温ステップと、該一部の積層体の加温が終了したとき、該一部の積層体に燃料を供給して発電させ該一部の積層体の出力端子から供給される電力を用いて該一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部を加温する第２加温ステップとを備えることを要旨とする。
【００１５】
この本発明の燃料電池の加温方法では、一部の積層体の加温が終了した後に、この一部の積層体に燃料を供給して得られる電力を用いて一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部を加温することにより、積層体全体を迅速に加温することができる。
【００１６】
この本発明の燃料電池の加温方法において、前記第１加温ステップは、燃料を燃焼することにより生じる熱を用いて前記積層体の一部を加温するステップであるものとすることもできる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の加温方法において、前記第２加温ステップは、前記一部の積層体に燃料を供給することにより該一部の積層体が生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステップであるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に積層体を加温することができると共に、加温の際のエネルギ効率を向上させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の燃料電池の加温方法において、前記第２加温ステップは、燃料を燃焼することにより生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステップであるものとすることもできる。こうすれば、より迅速に積層体を加温することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、４つの燃料電池スタック２２〜２８と、この４つの燃料電池スタック２２〜２８に水素を含有する燃料ガスを供給する燃料供給装置３０と、４つの燃料電池スタック２２〜２８を加温および冷却する加温冷却装置４０と、燃料電池システム２０全体をコントロールする電子制御ユニット８０とを備える。
【００２０】
４つの燃料電池スタック２２〜２８（以下、個別に呼ぶときには第１〜第４燃料電池スタックという）は、いずれも湿潤状態でプロトン伝導性を有する固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子型燃料電池の単位セルを複数積層して構成されている。各燃料電池スタック２２〜２８には、燃料供給装置３０から供給される燃料ガスを各単位セルの燃料極に供給する燃料ガス流路３３，３５，３７，３９と、酸素を含有する酸化ガス（例えば、空気など）を各単位セルの酸素極に供給する図示しない酸化ガス流路と、加温冷却装置４０に用いられる熱交換媒体（例えば、水や不凍液など）の流路としての熱交換媒体流路５３，５５，５７，５９とが設けられている。また、各燃料電池スタック２２〜２８には、それぞれの燃料電池スタックの温度を検出する温度センサ（以下、第１〜第４スタック温度センサという）７２〜７８が取り付けられている。
【００２１】
燃料供給装置３０は、メタノールやメタンなどの炭化水素系の燃料を水蒸気改質して水素を含有する燃料ガスを得る改質器等の燃料生成装置や、水素ガスを貯蔵する水素タンク等として構成されており、各燃料電池スタック２２〜２８にその需要に応じた燃料ガスを供給する。なお、燃料供給装置３０から各燃料電池スタック２２〜２８への燃料ガス供給管３１は、分岐管を介して各燃料電池スタック２２〜２８の燃料ガス流路３３，３５，３７，３９に接続されており、その流入口には各燃料電池スタック２２〜２８への燃料ガスの供給を司る電磁弁（以下、各電磁弁を第１〜第４燃料バルブという）３２，３４，３６，３８が取り付けられている。
【００２２】
加温冷却装置４０は、各燃料電池スタック２２〜２８の熱交換媒体流路５３，５５，５７，５９に接続されて循環管路を形成する循環形成管路５０と、この循環形成管路５０に熱交換媒体を循環させるポンプ４２と、循環管路に循環する熱交換媒体を加温する燃焼器４４と、同じく循環管路に循環する熱交換媒体を加温する電気ヒータ４６と、循環形成管路５０にバイパス管路として取り付けられた熱交換器４８とを備える。循環形成管路５０の各燃料電池スタック２２〜２８への流入口には各燃料電池スタック２２〜２８への熱交換媒体の循環を司る電磁弁（以下、第１〜第４循環バルブという）５２，５４，５６，５８が取り付けられている。
【００２３】
燃焼器４４は、燃料ガスを燃焼する燃焼部４５を備えており、この燃焼部４５には分岐管６２を介して燃料ガス供給管３１から燃料ガスが供給される。この分岐管６２の燃焼部４５への流入口には、燃料ガスの供給を司る電磁弁（以下、燃焼器燃料バルブという）６４が取り付けられている。また、燃焼器４４には、出口付近の熱交換媒体の温度を検出する燃焼器温度センサ６６が取り付けられている。燃焼器燃料バルブ６４や燃焼器温度センサ６６，燃焼部４５は信号ラインにより電子制御ユニット８０に接続されており、電子制御ユニット８０により燃焼器温度センサ６６が検出する温度が所定温度を越えないよう燃焼部４５による燃料ガスの燃焼が制御されるようになっている。
【００２４】
図２は、各燃料電池スタック２２〜２８と電気ヒータ４６との電気系統を模式的に示した模式図である。図示するように電気ヒータ４６は、通電により発熱する発熱体（例えば、ニクロム線など）４６ａと、発熱体４６ａへの通電を司るスイッチ４７と、電気ヒータ４６の出口付近の熱交換媒体の温度を検出する電気ヒータ温度センサ６７とを備えており、発熱体４６ａへの通電により循環形成管路５０に流れる熱交換媒体を加熱する。なお、スイッチ４７と電気ヒータ温度センサ６７は信号ラインにより電子制御ユニット８０に接続されており、電子制御ユニット８０により電気ヒータ温度センサ６７が検出する温度が所定温度を越えないようスイッチ４７のオンオフが制御されるようになっている。
【００２５】
また、図２に示すように、電気ヒータ４６に接続された電力ライン９２は、第１燃料電池スタック２２の出力端子２２ａ，２２ｂと接続されると共に、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂを介して第２および第３燃料電池スタック２４，２６の出力端子２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂに接続されている。したがって、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂをオンとすることにより第１ないし第３燃料電池スタック２２〜２６は並列に接続され、これらの燃料電池スタックにより発電される電力が電気ヒータ４６に供給されるようになっている。電力ライン９２はリレー９８ａと第４燃料電池スタック２８とを介して電力ライン９３に接続されており、この電力ライン９２，９３は、リレー９１ａ，９１ｂを介してバッテリ９０の出力端子９０ａ，９０ｂに接続されている。また、各燃料電池スタック２２〜２８は、リレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃを介して各燃料電池スタック２２〜２８の異極端子が接続されており、各リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ，９８ａをオフとした状態でリレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃをオンとすることにより各燃料電池スタック２２〜２８を直列に接続することができるようになっている。この状態で更にリレー９１ａ，９１ｂをオンとすれば、燃料電池スタック２２〜２８により発電された電力を用いてバッテリ９０を充電することができる。
【００２６】
図１に戻って、熱交換器４８は、三方弁（以下、冷却三方弁という）６０を介して循環形成管路５０にバイパス的に接続されており、各燃料電池スタック２２〜２８が定常運転状態のときに管路形成されて循環形成管路５０に流れる熱交換媒体を外気と熱交換して冷却する。なお、熱交換器４８には、熱交換器４８の出口付近の熱交換媒体の温度を検出する熱交換器温度センサ６８が取り付けられている。
【００２７】
図３は、電子制御ユニット８０を中心とした燃料電池システム２０の電気的な構成の概略を示すブロック図である。図示するように、電子制御ユニット８０は、ＣＰＵ８２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを記憶したＲＯＭ８４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ８６と、各種信号を入力する入力処理回路８８と、各種信号を出力する出力処理回路８９とを備える。この電子制御ユニット８０には、燃焼器温度センサ６６からの燃焼器４４の出口付近の熱交換媒体の温度や電気ヒータ温度センサ６７からの電気ヒータ４６の出口付近の熱交換媒体の温度，熱交換器温度センサ６８からの熱交換器４８の出口付近の熱交換媒体の温度，第１〜第４スタック温度センサ７２〜７８からの各燃料電池スタック２２〜２８の温度Ｔ１〜Ｔ４などが入力処理回路８８を介して入力されている。また、電子制御ユニット８０からは、ポンプ４２への駆動信号や燃焼部４５への点火信号，燃焼器燃料バルブ６４への駆動信号，電気ヒータ４６への駆動信号，冷却三方弁６０への駆動信号，第１〜第４燃料バルブ３２，３４，３６，３８への駆動信号，第１〜第４循環バルブ５２，５４，５６，５８への駆動信号，各リレー９１ａ，９１ｂ，９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９８ａ，９８ｃへの駆動信号などが出力処理回路８９を介して出力されている。
【００２８】
次に、こうして構成された実施例の燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池システム２０を始動するときに各燃料電池スタック２２〜２８を加温する動作について説明する。図４は、電子制御ユニット８０により実行される加温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、実施例の燃料電池システム２０が起動される際に各燃料電池スタック２２〜２８の温度が所定温度以下（例えば、０℃以下）のときに実行される。
【００２９】
図４の加温処理ルーチンが実行されると、ＣＰＵ８２は、まず第１燃料電池スタック２２を加温するための第１循環管路５０ａを形成する処理を実行する（ステップＳ１００）。第１循環管路５０ａの形成は、電子制御ユニット８０から第１〜第４循環バルブ５２，５４，５６，５８に駆動信号を出力して第１循環バルブ５２を開成すると共に第２〜第４循環バルブ５４，５６，５８を閉成し、更に、冷却三方弁６０に駆動信号を出力して熱交換媒体が熱交換器４８を通らないよう管路形成することにより行なう。図５は、こうして第１循環管路５０ａが形成されて、これにより第１燃料電池スタック２２が加温される様子を示す説明図である。なお、第１循環管路５０ａを解りやすくするため、第１循環管路５０ａを構成しない第２燃料電池スタック２４等の管路の図示は省略してある。
【００３０】
次に、ポンプ４２を駆動して熱交換媒体を第１循環管路５０ａに循環させると共に（ステップＳ１０２）、燃焼器４４による熱交換媒体の加温の処理を実行する（ステップＳ１０４）。燃焼器４４による加温は、具体的には、電子制御ユニット８０から燃焼器燃料バルブ６４に駆動信号を出力して燃焼器燃料バルブ６４を開成すると共に燃焼部４５に点火信号を出力して燃焼部４５に供給される燃料ガスを燃焼させることにより行なう。
【００３１】
続いて、第１スタック温度センサ７２により検出される第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１を読み込み（ステップＳ１０６）、読み込んだ温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理を実行する（ステップＳ１０８）。ここで閾値Ｔｒは、実施例では第１燃料電池スタック２２の始動可能な最低温度より若干高い温度、例えば第１燃料電池スタック２２内で凍結している水分が完全に解凍している状態と考えられる温度（例えば、５℃など）として設定されている。なお、この第１循環管路５０ａを形成すると共に燃焼器４４により加温する状態では、各燃料電池スタック２２〜２８は停止しているから、第１〜第４燃料バルブ３２，３４，３６，３８は閉成されている。
【００３２】
第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなると、ＣＰＵ８２は、第２循環管路５０ｂを形成する処理を実行する（ステップＳ１１０）。第２循環管路５０ｂの形成は、第１循環管路５０ａの状態で電子制御ユニット８０から第２循環バルブ５４に駆動信号を出力して第２循環バルブ５４を開成することにより行なう。図６は、この第２循環管路５０ｂを形成すると共に第１燃料電池スタック２２を運転して第２燃料電池スタック２４を加温する様子を示す説明図である。図示するように、第２循環管路５０ｂは、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とが並列に接続された循環管路として形成される。続いて、ＣＰＵ８２は、第１燃料電池スタック２２を始動すると共に（ステップＳ１１２）、電気ヒータ４６を駆動する処理を実行する（ステップＳ１１４）。第１燃料電池スタック２２の始動は、第１燃料電池スタック２２の燃料ガス流路３３に燃料ガスを供給するために第１燃料バルブ３２を開成すると共に、第１燃料電池スタック２２の図示しない酸化ガス流路に酸化ガスを供給することにより行なわれる。また、電気ヒータ４６の駆動は、リレー９４ａ，９４ｂ，９４ｃをいずれもオフとした状態で電気ヒータ４６とスイッチ４７をオンとすることにより行なう。この回路構成では、第１燃料電池スタック２２により発電された電力が電気ヒータ４６に供給されることになる。したがって、第２循環管路５０ｂを循環する熱交換媒体は燃焼器４４と電気ヒータ４６とにより加温されることになる。一般的に燃料電池は発電に伴い発熱するから、第１燃料電池スタック２２も発電に伴って生じる熱により熱交換媒体を加温することになる。故に、第２燃料電池スタック２４は、燃焼器４４と電気ヒータ４６と第１燃料電池スタック２２とにより加温されることになる。
【００３３】
次に、ＣＰＵ８２はカウンタＣに値２を設定し（ステップＳ１１６）、カウンタＣの値に該当する燃料電池スタックの温度ＴＣを読み込み（ステップＳ１１８）、この温度ＴＣが閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理を実行する（ステップＳ１２０）。後述するが、この処理（ステップＳ１１８およびＳ１２０）と後続するステップＳ１２２ないしＳ１２８の処理は、すべての燃料電池スタックについて行なわれ、最後の燃料電池スタックの温度が閾値Ｔｒより大きくなったときに、ステップＳ１３０以降の処理に移る。いま、カウンタＣには値２が設定されているときを考えれば、ステップＳ１１８およびＳ１２０の処理は、第２燃料電池スタック２４の温度Ｔ２を第２スタック温度センサ７４から読み込み、この温度Ｔ２が閾値Ｔｒより大きくなるのを待つ処理となる。
【００３４】
温度ＴＣが閾値Ｔｒより大きくなると、カウンタＣの値に該当する燃料電池スタックを始動し（ステップＳ１２２）、カウンタＣと値４とを比較する（ステップＳ１２４）。カウンタＣが値２のときを考えれば、この処理は、第２燃料電池スタック２４を始動し、カウンタＣは値４に等しくないと判定される処理となる。なお、第２燃料電池スタック２４の始動は、第２燃料電池スタック２４の燃料ガス流路３５に燃料ガスを供給するために第２燃料バルブ３４を開成すると共に、第２燃料電池スタック２４の図示しない酸化ガス流路に酸化ガスを供給することにより行なわれる。この燃料電池スタックの始動は、更に、始動した燃料電池スタックの電気ヒータ４６への接続も同時に行なわれる。すなわち、カウンタＣが値２の時を考えれば、第２燃料電池スタック２４を第１燃料電池スタック２２と並列に電気ヒータ４６に接続するために、リレー９６ａ，９６ｂ，９６ｃをオフとした状態でリレー９４ａ，９６ｂをオンとするのである。なお、リレー９４ｃはオフの状態のままである。このように接続することにより、第１燃料電池スタック２２により発電された電力と第２燃料電池スタック２４により発電された電力が電気ヒータ４６に供給されることになる。
【００３５】
いま、カウンタＣが値２のときを考えているから、ステップＳ１２４の処理ではカウンタＣは値４に等しくないと判定され、カウンタＣをインクリメントすると共に（ステップＳ１２６）、カウンタＣの値に該当する循環管路を形成する処理を実行し（ステップＳ１２８）、ステップＳ１１８に戻る。カウンタＣが値２のときを考えれば、カウンタＣが値３にインクリメントされ、第２循環管路５０ｂの状態で第３循環バルブ５６を開成して第３燃料電池スタック２６を循環管路に取り込むのである。この結果、第３燃料電池スタック２６は、燃焼器４４による熱交換媒体の加温と、第１燃料電池スタック２２および第２燃料電池スタック２４により発電された電力を用いる電気ヒータ４６による熱交換媒体の加温と、第１燃料電池スタック２２および第２燃料電池スタック２４の発電に伴って生じる熱による熱交換媒体の加温とにより加温されることになる。こうした加温の関係はカウンタＣの値により定まるのは、容易に理解される。なお、ステップＳ１２４では、カウンタＣを値４と比較しているが、これは実施例の燃料電池システム２０が４つの燃料電池スタック２２〜２８を備えているからであり、この比較する値は分割された燃料電池スタックの数に一致するものである。
【００３６】
こうして第３燃料電池スタック２６も第４燃料電池スタック２８も加温されると、燃料電池スタックの加温は終了したと判定され、電気ヒータ４６を停止すると共に（ステップＳ１３０）、燃焼器４４も停止され（ステップＳ１３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成する処理を実行して（ステップＳ１３４）、本ルーチンを終了する。ここで、電気ヒータ４６の停止処理には、スイッチ４７をオフする処理だけでなく、各燃料電池スタック２２〜２８を直列に接続してバッテリ９０に接続する処理も含まれる。具体的には、リレー９４ａ，９４ｂ，９６ａ，９６ｂ，９８ａをオフとし、リレー９４ｃ，９６ｃ，９８ｃをオンとすると共にリレー９１ａ，９１ｂをオンとするのである。この結果、始動した各燃料電池スタック２２〜２８により発電される電力でバッテリ９０が充電される。なお、冷却用の循環管路の形成は、電子制御ユニット８０から冷却三方弁６０に駆動信号を出力して、熱交換器４８に熱交換媒体が流れるようにすることにより行なわれる。
【００３７】
図７は、実施例の燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。図中矢印は、矢印の元の燃料電池スタックの発電による電力と発電に伴う熱が矢印の先の燃料電池スタックの加温に用いられていることを示している。図示するように、時間ｔ１で第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなって第１燃料電池スタック２２の加温が終了すると共に第２循環管路５０ｂが形成されて第２燃料電池スタック２４の加温が開始される。同様に時間ｔ２およびｔ３では第２燃料電池スタック２４や第３燃料電池スタック２６の加温が終了すると共に第３燃料電池スタック２６や第４燃料電池スタック２８の加温が開始される。時間ｔｅでは第４燃料電池スタック２８の加温も終了し、各燃料電池スタック２２〜２８によるバッテリ９０の充電が開始される。
【００３８】
図８は、実施例の燃料電池システム２０と従来例の燃料電池システムとにより各燃料電池スタックが加温される様子を模式的に示す説明図である。ここで、従来例の燃料電池システムは、燃焼器４４による加温で同時に各燃料電池スタック２２〜２８を加温するシステムである。図示するように、実施例の燃料電池システム２０は、従来例の燃料電池システムに比して短時間にすべての燃料電池スタックを目標温度である閾値Ｔｒ以上まで加温することができる。なお、従来例の燃料電池システムを、実施例の燃料電池システム２０と同様に短時間で加温を終了するものとするために燃料器４４の規模を大きくすることもできるが、この場合、システムが大型化すると共にエネルギ効率も格段と下がるものとなる。
【００３９】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、４つの燃料電池スタック２２〜２８を順次加温することができる。この結果、燃焼器４４を小型のものとすることができるから、システムの小型化も図ることができる。しかも、加温が終了した燃料電池スタックにより発電される電力で電気ヒータ４６を駆動し、まだ加温されていない燃料電池スタックを加温するから、加温の際のエネルギ効率を高くすることができると共に迅速に加温することができる。さらに、加温が終了した燃料電池スタックの発電に伴う熱をも用いてまだ加温されていない燃料電池スタックを加温するから、加温の際のエネルギ効率をさらに高くすることができると共により迅速に加温を終了することができる。
【００４０】
実施例の燃料電池システム２０では、燃焼器４４の燃焼部４５で燃焼された排ガスは大気に開放されているが、この排ガスを燃料電池スタックの燃料ガス流路や酸化ガス流路に導入して燃料電池スタックの加温を更に促進するものとすることもできる。この変形例の燃料電池システム２０Ｂの構成の概略を図９に例示する。図示するように、変形例の燃料電池システム２０Ｂは、燃焼器４４の燃焼部４５の排ガスを各燃料電池スタック２２〜２８の酸化ガス流路に導入する排ガス管１００を備える。排ガス管１００には、排ガスを大気開放するための三方弁１０２と、各燃料電池スタック２２〜２８へ排ガスを供給するための電磁弁として構成された第１〜第４排ガスバルブ１１２〜１１８とが設けられている。この変形例の燃料電池システム２０Ｂでは、各燃料電池スタックが加温される際に、対応する排ガスバルブが開成されて加温される燃料電池スタックの酸化ガス流路に排ガスが流されるようになっている。この変形例の燃料電池システム２０Ｂによれば、排ガスの熱をも用いて燃料電池スタックを加温するから、より迅速に燃料電池スタックを加温することができると共にエネルギ効率を向上させることができる。
【００４１】
実施例の燃料電池システム２０では、順番に各燃料電池スタック２２〜２８を加温したが、第１燃料電池スタック２２の加温後、残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温するものとしてもよい。この場合の加温処理ルーチンを図１０に例示する。この加温処理ルーチンのステップＳ２００ないしＳ２０８の処理およびステップＳ２３０ないしＳ２３４の処理は、図４に例示する加温処理ルーチンのステップＳ１００ないしＳ１０８の処理およびステップＳ１３０ないしＳ１３４の処理と同一である。こうした同一の処理の説明は省略し、以下にこの図１０の加温処理ルーチンに基づいて、第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温する処理を説明する。
【００４２】
第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなると（ステップＳ２０６，Ｓ２０８）、すべての燃料電池スタック２２〜２８を循環管路に構成する加温循環管路５０ｄを形成する処理を実行する（ステップＳ２１０）。加温循環管路５０ｄの形成は、具体的には、図５に示す第１循環管路５０ａの状態から第２〜第４循環バルブ５４，５６，５８を開成することにより行なう。そして、第１燃料電池スタック２２を始動すると共に（ステップＳ２１２）、電気ヒータ４６を駆動する（ステップＳ２１４）。この加温循環管路５０ｄにより第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８が加温されている様子を図１１に例示する。図示するように、第１燃料電池スタック２２には燃料ガスが供給されている。したがって、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８は、燃焼器４４による加温と、第１燃料電池スタック２２の発電による電力を用いる電気ヒータ４６の加温と、第１燃料電池スタック２２の発電に伴って生じる熱による加温とによって加温される。
【００４３】
そして、第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３を読み込み（ステップＳ２１８）、読み込んだ温度Ｔ３が閾値Ｔｒより大きくなったときに（ステップＳ２２０）、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８の加温が終了したと判断し、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８を始動すると共に（ステップＳ２２２）、電気ヒータ４６と燃焼器４４とを停止し（ステップＳ２３０，Ｓ２３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成して（ステップＳ２３４）、本ルーチンを終了する。こうした第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温する様子を図１２に模式的に示す。
【００４４】
以上説明したように変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０によれば、第１燃料電池スタック２２を加温した後に残りの３つの燃料電池スタック２４〜２８を同時に加温することができる。この構成の場合、電気ヒータ４６には第１燃料電池スタック２２により発電された電力だけが供給されるから、電気ヒータ４６を容量の小さなものにすることができる。また、電気ヒータ４６の端子には第１燃料電池スタック２２の出力端子だけが接続できればよいから、図２に例示した電気系統における各燃料電池スタック２２〜２８とバッテリ９０との接続や電気ヒータ４６との接続を簡易なものとすることができる。
【００４５】
この変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０では、第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８の加温の終了を第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３により判定したが、第２燃料電池スタック２４の温度Ｔ２や第４燃料電池スタック２８の温度Ｔ４により判定するものとしてもよい。
【００４６】
実施例の加温処理ルーチンや変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０では、まず第１燃料電池スタック２２を加温したが、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温し、その後第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを加温するものとしてもよい。この場合の加温処理ルーチンを図１３に例示する。このルーチンでは、ＣＰＵ８２はまず第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温するための第１加温循環管路５０ｅを形成し（ステップＳ３００）、ポンプ４２と燃焼器４４とを駆動して加温を開始する（ステップＳ３０２，Ｓ３０４）。第１加温循環管路５０ｅの形成は、第１循環バルブ５２と第２循環バルブ５４とを開成すると共に第３循環バルブ５６と第４循環バルブ５８とを閉成することにより行なう。第１加温循環管路５０ｅにより第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とが加温される様子を図１４に例示する。
【００４７】
そして、第１燃料電池スタック２２の温度Ｔ１が閾値Ｔｒより大きくなるのを待って（ステップＳ３０６，Ｓ３０８）、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８を加温するための第２加温循環管路５０ｆを形成し（ステップＳ３１０）、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを始動すると共に（ステップＳ３１２）、電気ヒータ４６による加温を開始する（ステップＳ３１４）。第２加温循環管路５０ｆの形成は、第１加温循環管路５０ｅの状態から第３循環バルブ５６と第４循環バルブ５８とを開成することにより行なう。第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを運転して第２加温循環管路５０ｆにより第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とが加温される様子を図１５に例示する。そして、ＣＰＵ８２は、第３燃料電池スタック２６の温度Ｔ３が閾値Ｔｒより大きくなるのを待って（ステップＳ３１８，Ｓ３２０）、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを始動すると共に（ステップＳ３２２）、電気ヒータ４６と燃焼器４４とを停止し（ステップＳ３３０，Ｓ３３２）、各燃料電池スタック２２〜２８を冷却するための循環管路を形成して（ステップＳ３３４）、本ルーチンを終了する。こうした第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温する様子を図１６に模式的に示す。
【００４８】
以上説明したように変形例の加温処理ルーチンを実行する燃料電池システム２０によれば、第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温することができる。この構成の場合、電気ヒータ４６には第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とにより発電された電力が供給されるから、電気ヒータ４６の容量はそれに応じたものとなる。また、電気ヒータ４６の端子には第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４の出力端子が接続できればよいから、図２に例示した電気系統における各燃料電池スタック２２〜２８とバッテリ９０との接続や電気ヒータ４６との接続を簡易なものとすることができる。
【００４９】
この他、４つの燃料電池スタック２２〜２８の加温の手法として、まず第１燃料電池スタック２２を加温し、次に第２燃料電池スタック２４を加温し、その後、第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを同時に加温するもの等としてもよい。
【００５０】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、閾値Ｔｒを燃料電池スタックが始動可能な最低温度より若干高い温度として設定したが、閾値Ｔｒを燃料電池スタックの定常運転温度より若干低い温度として設定したり、所定の出力を得ることができる運転温度として設定するものとしてもよい。
【００５１】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、燃焼器４４の燃料として各燃料電池スタック２２〜２８へ供給する燃料ガスを供給したが、異なる燃料を供給するものとしてもよい。また、燃焼器４４に代えて電気により熱交換媒体を加温するものを備えるものとしてもよい。
【００５２】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、４つの燃料電池スタック２２〜２８を備えるものとしたが、２つの燃料電池スタックや３つの燃料電池スタック、または５以上の燃料電池スタックを備えるものとしてもよい。その場合、複数の燃料電池スタックのうちの１または２以上の一部の燃料電池スタックを加温し、その後、加温された燃料電池スタックにより発電される電力を用いて残りの燃料電池スタックの一部または全部を加温するものであれば、如何なる組み合わせにより加温するものとしてもよい。
【００５３】
実施例の燃料電池システム２０やその変形例では、４つの燃料電池スタック２２〜２８を固体高分子型燃料電池として構成したが、リン酸型燃料電池など他の型の燃料電池として構成してもよい。
【００５４】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 各燃料電池スタック２２〜２８と電気ヒータ４６との電気系統を模式的に示した模式図である。
【図３】 電子制御ユニット８０を中心とした燃料電池システム２０の電気的な構成の概略を示すブロック図である。
【図４】 電子制御ユニット８０により実行される加温処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
【図５】 第１循環管路５０ａにより第１燃料電池スタック２２を加温する様子を説明する説明図である。
【図６】 第１燃料電池スタック２２を運転して第２循環管路５０ｂにより第２燃料電池スタック２４を加温する様子を示す説明図である。
【図７】 実施例の燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図８】 実施例の燃料電池システム２０と従来例の燃料電池システムとにより各燃料電池スタックが加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図９】 変形例の燃料電池システム２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。
【図１０】 電子制御ユニット８０により実行される変形例の加温処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図１１】 加温循環管路５０ｄにより第２〜第４燃料電池スタック２４〜２８を加温している様子を示す説明図である。
【図１２】 変形例の加温処理ルーチンにより燃料電池システム２０の各燃料電池スタック２２〜２８が加温される様子を模式的に示す説明図である。
【図１３】 電子制御ユニット８０により実行される変形例の加温処理ルーチンを例示するフローチャートである。
【図１４】 第１加温循環管路５０ｅにより第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを加温している様子を示す説明図である。
【図１５】 第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを運転して第２加温循環管路５０ｆにより第３燃料電池スタック２６と第４燃料電池スタック２８とを加温している様子を示す説明図である。
【図１６】 第１燃料電池スタック２２と第２燃料電池スタック２４とを同時に加温した後に残りの２つの燃料電池スタック２６，２８を同時に加温する様子を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
２０，２０Ｂ 燃料電池システム、２２〜２８ 燃料電池スタック、２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２６ａ，２６ｂ，２８ａ，２８ｂ 出力端子、３０ 燃料供給装置、３２，３４，３６，３８ 燃料バルブ、３３，３５，３７，３９燃料ガス流路、４０ 加温冷却装置、４２ ポンプ、４４ 燃焼器、４５ 燃焼部、４６ 電気ヒータ、４６ａ 発熱体、４７ スイッチ、４８ 熱交換器、５０ 循環形成管路、５２，５４，５６，５８ 循環バルブ、５３，５５，５７，５９ 熱交換媒体流路、６０ 冷却三方弁、６２ 分岐管、６４ 燃焼器燃料バルブ、６６ 燃焼器温度センサ、６８ 熱交換器温度センサ、７２，７４，７６，７８ スタック温度センサ、８０ 電子制御ユニット、８２ ＣＰＵ、８４ＲＯＭ、８６ ＲＡＭ、８８ 入力処理回路、８９ 出力処理回路、９０ バッテリ、９０ａ，９０ｂ 出力端子、９１ａ，９１ｂ リレー、９２，９３ 電力ライン、９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９８ａ，９８ｃリレー、１００ 排ガス管、１０２ 三方弁、１１２，１１４，１１６，１１８ 排ガスバルブ。
Claims (12)
- 単電池を積層してなる複数の積層体を有する燃料電池システムであって、
前記複数の積層体毎に熱交換媒体を循環可能な熱交換媒体循環手段と、
前記熱交換媒体を加温可能な第１加温手段と、
前記複数の積層体毎に燃料を供給可能な燃料供給手段と、
前記複数の積層体により発電された電力を用いて前記熱交換媒体を加温可能な第２加温手段と、
所定の指示のとき、前記複数の積層体の一部を加温した後に前記一部の積層体での発電により生じる熱と前記一部の積層体から供給される電力を用いて発生させた熱とにより加温された熱交換媒体によって他の積層体を加温するよう前記熱交換媒体循環手段による熱交換媒体循環路形成、前記第１加温手段による熱交換媒体の加温、前記燃料供給手段による積層体への燃料供給、および前記第２加温手段による熱交換媒体の加温を制御する加温制御手段と
を備える燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記複数の積層体の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記加温制御手段は、
前記複数の積層体の一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御すると共に前記熱交換媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する第１加温制御手段と、
前記温度検出手段により検出される前記複数の積層体の一部の温度が所定温度になったとき、該一部の積層体に燃料を供給するよう前記燃料供給手段を制御すると共に、前記一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御し、前記一部の積層体により発電された電力を用いて前記熱交換媒体を加温するよう前記第２加温手段を制御する第２加温制御手段とを備える
燃料電池システム。 - 前記第２加温制御手段は、前記一部の積層体を介して前記他の積層体の少なくとも一部に前記熱交換媒体が循環するよう前記熱交換媒体循環手段を制御する手段である請求項２記載の燃料電池システム。
- 前記第２加温制御手段は、前記熱交換媒体を加温するよう前記第１加温手段を制御する手段である請求項２または３記載の燃料電池システム。
- 前記第１加温手段は、燃焼用の燃料の供給を受けて該燃料を燃焼することにより前記熱交換媒体を加温する手段である請求項１ないし４いずれか記載の燃料電池システム。
- 請求項５記載の燃料電池システムであって、
前記複数の積層体毎に前記第１加温手段の排気を供給可能な排気供給手段と、前記加温制御手段による加温に対応して前記第１加温手段の排気を前記複数の積層体の一部に供給するよう前記排気供給手段を制御する排気制御手段と
を備える燃料電池システム。 - 前記複数の積層体のすべての加温が終了したとき、前記第１加温手段と前記第２加温手段による前記熱交換媒体の加温を停止する加温停止手段を備える請求項１ないし６いずれか記載の燃料電池システム。
- 前記熱交換媒体を冷却可能な熱交換媒体冷却手段を備える請求項１ないし７いずれか記載の燃料電池システム。
- 単電池を積層してなる積層体を有する燃料電池の加温方法であって、
前記積層体の一部を加温する第１加温ステップと、
該一部の積層体の加温が終了したとき、該一部の積層体に燃料を供給して発電させ該一部の積層体の出力端子から供給される電力を用いて該一部の積層体を除く他の積層体の少なくとも一部を加温する第２加温ステップと
を備える燃料電池の加温方法。 - 前記第１加温ステップは、燃料を燃焼することにより生じる熱を用いて前記積層体の一部を加温するステップである請求項９記載の燃料電池の加温方法。
- 前記第２加温ステップは、前記一部の積層体に燃料を供給することにより該一部の積層体が生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステップである請求項９または１０記載の燃料電池の加温方法。
- 前記第２加温ステップは、燃料を燃焼することにより生じる熱をも用いて前記他の積層体の少なくとも一部を加温するステップである請求項９ないし１１いずれか記載の燃料電池の加温方法。
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