JP2009037888A - 触媒燃焼装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の暖機時間を短縮できる触媒燃焼装置を提供すること。
【解決手段】触媒燃焼装置は、水素と空気の混合ガスが供給される吸入孔と、この吸入孔の下流側に設けられ、混合ガスを触媒燃焼する触媒２１６と、を備え、触媒２１６における燃焼熱で、燃料電池車両に搭載された燃料電池を暖機する。また、触媒燃焼装置は、さらに、吸入孔の下流側に設けられ、混合ガスを燃焼することにより触媒２１６を加熱するグロープラグ２１４と、触媒２１６で混合ガスを触媒燃焼させる際には、グロープラグ２１４を制御して触媒２１６を予熱する制御部２８と、を備える。制御部２８は、触媒２１６の着火の完了を判定する着火判定部２８３と、着火判定部２８３により、触媒２１６の着火が完了したと判定されるまで、グロープラグ２１４を制御して触媒２１６を加熱する点火装置制御部２８２と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、触媒燃焼装置に関する。詳しくは、燃料電池車両に搭載された燃料電池を暖機する触媒燃焼装置に関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含むエアを供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

ところで、例えば氷点下のような低温環境下では、燃料電池の電気化学反応の進行が遅くなり発電量が低下する。このため、燃料電池を発電に好ましい温度まで暖機する燃料電池用暖機装置が提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池用暖機装置では、燃料電池と熱交換可能な伝熱流体の循環流路上に、エアと水素ガスの混合ガスを燃焼する触媒燃焼装置が設けられており、触媒燃焼装置で混合ガスを燃焼して熱交換により伝熱流体を加熱するとともに、この伝熱流体を循環させることで燃料電池を加熱することができる。
特開２００５−２５１４３１号公報

しかしながら、上述のように水素ガスを触媒燃焼装置で燃焼すると、触媒燃焼により水蒸気が発生するため、この水蒸気が触媒の表面に付着する場合がある。また、暖機装置の停止時に熱交換器で凝縮した水が、暖機装置の起動時に水蒸気となり、この水蒸気が触媒の表面に付着する場合もある。

またさらに、触媒燃焼装置から排出されるガスが流通する配管と燃料電池から排出されるガスが流通する配管とを接続した場合、燃料電池における反応により発生した水蒸気が、これら配管を介して触媒の表面に付着する場合もある。

以上のように、触媒の表面に水や水蒸気が付着した状態で暖機装置を起動すると、混合ガスを触媒燃焼装置に供給しても、水や水蒸気により燃焼反応が阻害されてしまう。このため、触媒における燃焼反応が不安定になったり、燃焼反応が開始するまでに時間がかかったりしてしまい、燃料電池を所定の温度まで暖機するのに時間がかかってしまうおそれがある。

本発明は、燃料電池の暖機時間を短縮できる触媒燃焼装置を提供することを目的とする。

本発明の触媒燃焼装置（例えば、後述の触媒燃焼装置２０）は、水素と空気の混合ガスが供給される混合ガス供給部（例えば、後述の吸入孔２１２）と、前記混合ガス供給部の下流側に設けられ、混合ガスを触媒燃焼する触媒燃焼部（例えば、後述の触媒２１６）と、を備え、前記触媒燃焼部における燃焼熱で、燃料電池車両に搭載された燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）を暖機する触媒燃焼装置であって、前記混合ガス供給部の下流側に設けられ、混合ガスを燃焼することにより前記触媒燃焼部を加熱する点火装置（例えば、後述のグロープラグ２１４）と、前記触媒燃焼部で混合ガスを触媒燃焼させる際には、前記点火装置を制御して前記触媒燃焼部を予熱する制御部（例えば、後述の制御部２８）と、を備え、前記制御部は、前記触媒燃焼部の着火の完了を判定する着火判定部（例えば、後述の着火判定部２８３）と、前記着火判定部により、前記触媒燃焼部の着火が完了したと判定されるまで、前記点火装置を制御して前記触媒燃焼部を加熱する点火装置制御部（例えば、後述の点火装置制御部２８２）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、混合ガス供給部の下流側に、混合ガスを燃焼して触媒燃焼部を加熱する点火装置を設け、さらにこの点火装置を制御して触媒燃焼部を予熱する制御部を設けた。これにより、例えば、触媒燃焼部の表面に水や水蒸気が付着していたり、触媒燃焼部が凍結していたりした場合であっても、点火装置で触媒燃焼部を予熱することで、触媒燃焼部を、混合ガスを燃焼可能な温度まで速やかに加熱することができる。したがって、燃料電池車両の燃料電池の暖機にかかる時間を短縮できる。

また、触媒燃焼部の着火の完了を判定する着火判定部と、この着火判定部により、触媒燃焼部の着火が完了したと判定されるまで、点火装置を制御して触媒燃焼部を加熱する点火装置制御部とを設けた。これにより、点火装置の使用時間を必要最小にとどめ、点火装置において不要な電力が消費されるのを防止できるとともに、触媒燃焼部による触媒燃焼を速やかに開始することができる。

この場合、前記制御部は、前記点火装置により前記触媒燃焼部を予熱するか否かを判断する触媒予熱判断部（例えば、後述の触媒予熱判断部２８１）をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、点火装置による触媒燃焼部の予熱が必要でない場合に、点火装置が駆動されて、不必要な電力が消費されたり、触媒燃焼部の予熱に必要以上の時間がかかったりするのを防止できる。

この場合、前記触媒予熱判断部は、前記燃料電池による発電が停止してから起動するまでの停止期間（例えば、後述の発電停止期間）と起動直前の前記触媒燃焼部の温度とに基づいて前記触媒燃焼部の活性状態を推定し、該推定された状態に応じて前記点火装置により前記触媒燃焼部を予熱するか否かを判断することが好ましい。

この発明によれば、燃料電池の発電停止期間と、起動直前の触媒燃焼部の温度とに基づいて触媒燃焼部の活性状態が推定され、この活性状態に応じて点火装置による触媒燃焼部の予熱が必要であるか否かが判断される。このように、触媒燃焼部の活性状態に基づいて点火装置の使用を判断することで、点火装置において不必要な電力が消費されたり、触媒燃焼部の予熱に必要以上の時間がかかったりするのを防止できる。

この場合、前記点火装置は、グロープラグであり、前記制御部は、前記グロープラグの温度が混合ガスの発火温度に達したか否かを判断する発火温度判断部（例えば、後述の発火温度判断部２８４）と、前記点火装置により前記触媒燃焼部を加熱する際には、前記発火温度判断部によりグロープラグの温度が混合ガスの発火温度に達したと判断された後に、混合ガスを前記グロープラグに供給する供給制御部（例えば、後述の供給制御部２８５）と、をさらに備えることが好ましい。

この発明によれば、グロープラグにより触媒燃焼部の予熱を開始する際には、発火温度判断部によりグロープラグの温度が混合ガスの発火温度に達したか否かが判断され、発火温度に達したと判断された後に、混合ガスがグロープラグに供給される。このように、グロープラグの温度が混合ガスの発火温度に達した時点で、混合ガスの供給を開始することで、例えば混合ガスの供給開始時期をタイマーで制御する場合と比較して、触媒燃焼部の予熱を速やかに開始できる。したがって、燃料電池車両の燃料電池の暖機にかかる時間を短縮できる。

ここで、点火装置としてグロープラグを用いることにより、グロープラグの温度を、例えば、グロープラグの温度抵抗特性に基づき抵抗値から推定することが可能となる。これにより、温度センサを設置することなくグロープラグの温度を推定することができる。また、点火装置としてグロープラグを用いることにより、点火装置として例えばスパークプラグや伝熱ヒータなど用いた場合と比較して、ノイズの影響を少なくしたり消費電力を抑制したりできる。

この発明によれば、例えば、触媒燃焼部の表面に水や水蒸気が付着していたり、触媒燃焼部が凍結していたりした場合であっても、点火装置で触媒燃焼部を予熱することで、触媒燃焼部を、混合ガスを燃焼可能な温度まで速やかに加熱することができる。したがって、燃料電池車両の燃料電池の暖機にかかる時間を短縮できる。また、触媒燃焼部の着火の完了を判定する着火判定部と、この着火判定部により、触媒燃焼部の着火が完了したと判定されるまで、点火装置を制御して触媒燃焼部を加熱する点火装置制御部とを設けることにより、点火装置の使用時間を必要最小にとどめ、点火装置において不要な電力が消費されるのを防止できるとともに、触媒燃焼部による触媒燃焼を速やかに開始することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る触媒燃焼装置２０を備える燃料電池システム１のブロック図である。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料電池１０を暖機する触媒燃焼装置２０と、燃料電池１０を冷却する冷却システム３０と、燃料電池１０および触媒燃焼装置２０に水素ガスやエアを供給する供給装置４０とを有する。この燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車両に搭載される。

燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含むエアが供給されると、電気化学反応により発電する。

燃料電池１０、触媒燃焼装置２０、および冷却システム３０の間では、冷媒流路２５を介して、熱媒体としての冷媒が循環している。冷却システム３０は、冷媒流路２５に冷媒を循環させるとともに、冷媒と熱交換を行って冷媒から熱を奪うことで、燃料電池１０を冷却する。触媒燃焼装置２０は、触媒ヒータ２７（後述の図２参照）と、この触媒ヒータ２７を制御する制御部２８（後述の図３参照）とを備え、水素ガスおよびエアの混合ガスとの触媒反応により発熱し、熱交換により冷媒に熱を与えることで、燃料電池１０を暖機する。触媒燃焼装置２０の構成については、後に図２および図３を参照して詳述する。

冷媒流路２５は、触媒燃焼装置２０から燃料電池１０に至る第１の冷媒流路２５１と、燃料電池１０から冷却システム３０に至る第２の冷媒流路２５２と、冷却システム３０から触媒燃焼装置２０に至る第３の冷媒流路２５３とを有する。第２の冷媒流路２５２には、燃料電池１０から排出され第２の冷媒流路２５２を流れる冷媒の温度を検出する出口温度センサ２５４が設けられている。

供給装置４０は、コンプレッサ４１と、水素ガスを供給する水素タンク４２と、排ガス処理装置４７と、を含んで構成される。

コンプレッサ４１は、エアを供給するものであり、エア供給路４３を介して、燃料電池１０のカソード電極側および触媒燃焼装置２０に接続されている。すなわち、このエア供給路４３は、コンプレッサ４１から供給されたエアを燃料電池１０および触媒燃焼装置２０に分配して供給する。このエア供給路４３は、コンプレッサ４１から燃料電池１０に至る第１の供給路４３１と、この第１の供給路４３１から分岐して触媒燃焼装置２０に至る第２の供給路４３２と、を有する。

第２の供給路４３２では、触媒燃焼装置２０近傍において、後述の水素供給装置４５３から水素ガスが供給される。水素供給装置４５３から供給された水素ガスは、第２の供給路４３２を流れるエアとミキサ４３５で混合されて、触媒燃焼装置２０に供給される。また、第２の供給路４３２の水素供給装置４５３よりも上流側には、第２の供給路４３２を流れるエアの流量を調整するバタフライバルブ４３３と、第２の供給路４３２を流れるエアの流量を検出するエアフロセンサ４３４とが設けられる。

燃料電池１０のカソード電極側および触媒燃焼装置２０には、それぞれ、排ガス処理装置４７に至る第１のエア排出路４４１および第２のエア排出路４４２が接続される。すなわち、これら第１のエア排出路４４１および第２のエア排出路４４２は、燃料電池１０および触媒燃焼装置２０で利用されたエアをまとめて排出する。この第１のエア排出路４４１には、圧力制御弁４４３が設けられる。

排ガス処理装置４７は、燃料電池１０および触媒燃焼装置２０から排出されるエアおよび水素ガスを処理する。具体的には、第１のエア排出路４４１および第２のエア排出路４４２を通して排出されるエアで後述の水素排出路を通して排出される水素ガスを希釈する希釈器や、この混合ガスの騒音を低減するサイレンサーなどを含んで構成される。

水素タンク４２は、水素ガスを供給するものであり、水素供給路４５を介して、燃料電池１０のアノード電極側および触媒燃焼装置２０に接続されている。この水素供給路４５は、水素タンク４２から燃料電池１０に至る第１の水素供給路４５１と、この第１の水素供給路４５１から分岐して触媒燃焼装置２０に至る第２の水素供給路４５２と、を有する。

第１の水素供給路４５１には、第１の水素遮断弁４５４と、第１のレギュレータ４５６と、エゼクタ４５７とが設けられている。第１の水素遮断弁４５４は、第１の水素供給路４５１を開閉する。第１のレギュレータ４５６は、水素タンク４２から供給された高圧の水素ガスを所定の圧力に減圧する。エゼクタ４５７は、後述の水素排出路４６１に排出された水素ガスを、再循環流路４６２を通して回収し、燃料電池１０に再度供給することにより、水素ガスを循環させる。

また、燃料電池１０のアノード電極側には、排ガス処理装置４７に至る水素排出路４６１が接続される。すなわち、水素排出路４６１は、燃料電池１０で利用された水素ガスを排出する。この水素排出路４６１には、水素排出路４６１が分岐した再循環流路４６２が設けられており、この再循環流路４６２の先端はエゼクタ４５７に接続されている。また、この水素排出路４６１のうち、再循環流路４６２との分岐点と排ガス処理装置４７との間には、再循環流路４６２を流れるガスを排出するパージ弁４６３が設けられている。

第２の水素供給路４５２には、水素タンク４２側から触媒燃焼装置２０へ向かって順に、第２の水素遮断弁４５５と、第２のレギュレータ４５８と、圧力センサ４５９と、水素供給装置４５３とが設けられている。第２の水素遮断弁４５５は、第２の水素供給路４５２を開閉する。第２のレギュレータ４５８は、水素タンク４２から供給された高圧の水素ガスを所定の圧力に減圧する。圧力センサ４５９は、第２の水素供給路４５２内の圧力を検出する。水素供給装置４５３は、上述の第２の供給路４３２に水素ガスを噴射する。水素供給装置４５３としては、具体的には、インジェクタやエゼクタなどが用いられる。

以上のような燃料電池システム１において、燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、水素タンク４２から、水素供給路４５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ４１を駆動させることにより、エア供給路４３を介して、燃料電池１０のカソード側にエアを供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよびエアは、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水とともに、水素排出路および第１のエア排出路４４１に流入する。これらの水素ガスおよびエアは、排ガス処理装置４７で処理されて、排出される。

図２は、触媒燃焼装置２０が備える触媒ヒータ２７の断面図である。
触媒ヒータ２７は、燃焼器２１０と、この燃焼器２１０に直列に接続されかつ下流に配置される熱交換器２２０とを備える。

燃焼器２１０は、筒状の燃焼器ケース２１１と、この燃焼器ケース２１１の内部に設けられる触媒燃焼部としての触媒２１６と、整流板２１５と、点火装置としてのグロープラグ２１４と、を有する。

燃焼器ケース２１１には、混合ガス供給部としての吸入孔２１２が形成され、この吸入孔２１２には、上述のミキサ４３５が接続されており、ミキサ４３５で混合された水素ガスおよびエアの混合ガスは、吸入孔２１２に供給される。この吸入孔２１２に供給された混合ガスは、燃焼器ケース２１１内部に導入される。

整流板２１５は、吸入孔２１２の下流に設けられ、混合ガスを整流し触媒２１６に供給する。触媒２１６は、整流板２１５の下流に設けられ、水素ガスおよびエアの混合ガスを触媒燃焼して発熱する。グロープラグ２１４は、整流板２１５と触媒２１６との間に設けられ、水素ガスおよびエアの混合ガスを燃焼することにより触媒２１６を加熱する。また、燃焼器２１０には、触媒２１６の温度を検出する触媒温度センサ２１８が設けられている。

熱交換器２２０は、筒状の熱交換器ケース２２１と、この熱交換器ケース２２１の内壁に沿って配置された熱交換流路２２６と、この熱交換流路２２６に囲まれた滞留部２２５とを有する。

熱交換流路２２６は、冷媒流入部２２７を介して、上述の第３の冷媒流路２５３に接続され、冷媒流出部２２８を介して、上述の第１の冷媒流路２５１に接続される。これにより、熱交換流路２２６には、冷媒が流通する。滞留部２２５には、燃焼器２１０から排出されたガスが滞留する。この滞留部２２５には、滞留したガスが排出される排気孔２２２が設けられる。この排気孔２２２には、上述の第２のエア排出路４４２が接続される。

上述の触媒２１６における触媒燃焼により加熱されたガスは、燃焼器２１０から熱交換器２２０に排出される。熱交換器２２０に排出されたガスは、滞留部２２５に滞留し、この滞留部２２５を囲む熱交換流路２２６を循環する冷媒と熱交換する。

図３は、触媒燃焼装置２０が備える制御部２８のブロック図である。
制御部２８は、触媒予熱判断部２８１と、点火装置制御部２８２と、着火判定部２８３と、発火温度判断部２８４と、供給制御部２８５とを備え、触媒２１６で混合ガスを触媒燃焼させるとともに、触媒２１６で混合ガスを触媒燃焼させる際には、グロープラグ２１４を制御して触媒２１６を予熱することが可能となっている。

触媒予熱判断部２８１は、グロープラグ２１４により触媒２１６を予熱するか否かを判断する。この触媒予熱判断部２８１は、燃料電池１０による発電が停止してから起動するまでの停止期間を計測するタイマ（図示せず）を備えている。触媒予熱判断部２８１は、このタイマにより計測された停止期間と、触媒温度センサ２１８により検出された起動直前の触媒２１６の温度とに基づいて、触媒２１６の活性状態を推定し、この推定された状態に応じて、グロープラグ２１４により触媒２１６を予熱するか否かを判断する。

点火装置制御部２８２は、グロープラグ２１４の通電量を制御することで、グロープラグを所定の温度まで加熱する。この点火装置制御部２８２は、例えば、グロープラグ２１４により触媒２１６の予熱を行う際には、着火判定部２８３により触媒２１６の着火が完了したと判定されるまで、グロープラグ２１４を通電させて触媒２１６を加熱する。

着火判定部２８３は、触媒温度センサ２１８で検出された触媒２１６の温度に基づいて、触媒２１６の着火の完了を判定する。より具体的には、着火判定部２８３は、触媒２１６の温度が所定の着火判定温度に達したか否かを判定することにより、触媒２１６の着火が完了したか否かを判定する。この着火判定温度は、例えば５０℃とするが、これに限らない。

発火温度判断部２８４は、グロープラグ２１４により触媒２１６の予熱を行う際に、グロープラグ２１４の温度が混合ガスの所定の発火温度に達したか否かを判断する。具体的には、発火温度判断部２８４は、グロープラグ２１４の抵抗値を検出し、グロープラグ２１４の温度抵抗特性に基づき、検出された抵抗値からグロープラグ２１４の温度を算出する。

供給制御部２８５は、上述のバタフライバルブ４３３の開度や水素供給装置４５３の水素ガス供給量を制御し、触媒ヒータ２７に供給される混合ガスの流量や、混合ガス中の水素ガスの濃度を調整する。供給制御部２８５は、グロープラグ２１４により触媒２１６を加熱する際には、発火温度判断部２８４によりグロープラグ２１４の温度が混合ガスの発火温度に達したと判断された後に、混合ガスをグロープラグ２１４に供給する。

触媒燃焼装置２０の動作について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。
図４は、触媒燃焼装置２０による燃料電池１０の暖機運転処理の手順を示すフローチャートである。この暖機運転処理は、例えば、イグニッションがオンにされたことに応じて開始される。

ＳＴ１では、燃料電池の発電停止期間を検出し、ＳＴ２に移る。ＳＴ２では、触媒ヒータの触媒の温度を検出し、ＳＴ３に移る。ＳＴ３では、検出された発電停止期間および触媒温度に基づいて、図５に示すマップを検索して触媒の活性状態を判定し、グロープラグを用いた触媒の予熱が必要であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳである場合にはＳＴ４に移り、ＮＯである場合にはＳＴ９に移る。

図５は、触媒の活性状態に関する制御マップを示す図である。
触媒の活性状態は、発電停止期間ｔに関する所定の閾値ｔｓおよび触媒温度Ｔに関する所定の閾値Ｔｓに基づいて判定される。図５に示すように、発電停止期間が短期（ｔ≦ｔｓ）かつ触媒温度が高温（Ｔ＞Ｔｓ）である場合のみ、グロープラグを用いた触媒の予熱は必要でないと判定され、その他の場合は、グロープラグを用いた触媒の予熱が必要であると判定される。

ＳＴ４では、グロープラグを通電させて、グロープラグの加熱を開始し、ＳＴ５に移る。ＳＴ５では、グロープラグの温度が混合ガスの所定の発火温度に達したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはＳＴ６に移り、ＮＯの場合にはＳＴ５に移る。ＳＴ６では、図６に示す制御マップに基づいて混合ガスの流量および濃度を調整し、混合ガスの供給を開始する。

図６は、混合ガス流量および混合ガス濃度に関する制御マップを示す図である。
グロープラグを用いない場合、混合ガスの流量は予め設定された通常流量に設定され、混合ガスの濃度は予め設定された通常濃度に設定される。また、グロープラグを用いる場合、混合ガスの流量は上記通常流量より低い低流量に設定され、混合ガスの濃度は上記通常濃度よりも高い高濃度に設定される。

ＳＴ７では、触媒の温度が所定の着火判定温度以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはＳＴ８に移り、ＮＯの場合にはＳＴ７に移る。ＳＴ８では、グロープラグの通電を終了して、ＳＴ１１に移る。

ＳＴ９では、上述の図６に示す制御マップに基づいて混合ガスの流量および濃度を調整し、混合ガスの供給を開始する。ＳＴ１０では、触媒の温度が所定の着火判定温度以上であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはＳＴ１１に移り、ＮＯの場合にはＳＴ１０に移る。

ＳＴ１１では、触媒の温度が所定の設定温度以上であると判別されたことに応じて、混合ガスの流量および濃度を再調整し、ＳＴ１２に移る。ＳＴ１２では、燃料電池の温度が所定値以上であるか否かを判別する。具体的には、上述の出口温度センサ２５４（図１参照）によって検出された冷媒の温度が所定値以上であるかを判別する。この判別がＹＥＳである場合はＳＴ１３に移り、ＮＯの場合はＳＴ１２に移る。ＳＴ１３では、混合ガスの供給を終了し、暖機運転処理を終了する。

図７は、触媒燃焼装置２０による暖機運転処理のタイムチャートである。具体的には、図７は、グロープラグにより触媒の予熱を行った場合における暖機運転処理の例を示すタイムチャートである。

時刻ｔ０において、イグニッションがオンにされて暖機運転処理が開始される。この時刻ｔ０における燃料電池１０の出口水温、すなわち、出口温度センサ２５４で検出された温度は、第１所定温度であり、この第１所定温度は、例えば、−４０℃〜−２０℃程度である。

時刻ｔ１において、グロープラグ２１４の通電が開始され（図４中、ＳＴ４）、時刻ｔ２において、グロープラグ２１４の温度が発火温度に達したと判断され（図４中、ＳＴ５）、水素供給装置４５３により水素ガスがエアに供給され、混合ガスの供給が開始される（図４中、ＳＴ６）。

時刻ｔ３において、触媒温度が着火判定温度に達したと判断され（図４中、ＳＴ７）、グロープラグの通電が終了し（図４中、ＳＴ８）、触媒２１６の予熱が終了する。ここで、触媒２１６の予熱が終了したことに応じて、混合ガスの流量および濃度が再調整される（図４中、ＳＴ１１）。具体的には、コンプレッサ４１の回転数を上昇して、エアの流量を増加させるとともに、水素供給装置４５３による水素ガスの供給量を増加して、水素ガスの流量を増加させることにより、触媒２１６における触媒燃焼を開始する。すると、触媒温度が急激に上昇する。

時刻ｔ４において、触媒温度が定常運転温度に達し、燃料電池１０の出口水温が上昇し始める。定常運転温度は、例えば、７００℃程度であるとする。
時刻ｔ５において、燃料電池１０の出口水温が第２所定温度に達したと判断され（図４中、ＳＴ１２）、水素供給装置４５３をオフにし、混合ガスの供給を終了し（図４中、ＳＴ１３）、燃料電池暖機処理を終了する。第２所定温度は、例えば、０℃〜２０℃程度であると。

本実施形態によれば、以下のような作用効果がある。
（１）吸入孔２１２の下流側に、混合ガスを燃焼して触媒２１６を加熱するグロープラグ２１４を設け、さらにこのグロープラグ２１４を制御して触媒２１６を予熱する制御部２８を設けた。これにより、例えば、触媒２１６の表面に水や水蒸気が付着していたり、触媒２１６が凍結していたりした場合であっても、グロープラグ２１４で触媒２１６を予熱することで、触媒２１６を、混合ガスを燃焼可能な温度まで速やかに加熱することができる。したがって、燃料電池車両の燃料電池の暖機にかかる時間を短縮できる。

また、触媒２１６の着火の完了を判定する着火判定部２８３と、この着火判定部２８３により、触媒２１６の着火が完了したと判定されるまで、グロープラグ２１４を制御して触媒２１６を加熱する点火装置制御部２８２とを設けた。これにより、グロープラグ２１４の使用時間を必要最小にとどめ、グロープラグ２１４において不要な電力が消費されるのを防止できるとともに、触媒２１６による触媒燃焼を速やかに開始することができる。

図８は、触媒２１６の温度と時間経過との関係を示す図である。
図８中、点線は、グロープラグ２１４を用いて触媒２１６を予熱した場合を示し、破線は、グロープラグ２１４を用いずに触媒２１６の予熱を行った場合を示す。ここで、触媒温度Ｔ１は、設定温度である。

時刻ｔ０において運転を開始すると、グロープラグ２１４を用いた場合、触媒２１６の温度は速やかに上昇し、時刻ｔ１において設定温度に達する。一方、グロープラグ２１４を用いない場合、触媒２１６の温度はなかなか上昇せず、時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ２において設定温度に達する。
このように、グロープラグ２１４で混合ガスを燃焼させて、その熱で触媒２１６を加熱することにより、触媒２１６が設定温度に達する時間を短縮できる。

（２）点火装置制御部２８２を設けることにより、グロープラグ２１４による触媒２１６の予熱が必要でない場合に、グロープラグ２１４が駆動されて、不必要な電力が消費されたり、触媒２１６の予熱に必要以上の時間がかかったりするのを防止できる。

（３）触媒予熱判断部２８１により、燃料電池１０の発電停止期間と、起動直前の触媒２１６の温度とに基づいて触媒２１６の活性状態が推定され、この活性状態に応じてグロープラグ２１４による触媒２１６の予熱が必要であるか否かが判断される。このように、触媒２１６の活性状態に基づいてグロープラグ２１４の使用を判断することで、グロープラグ２１４において不必要な電力が消費されたり、触媒２１６の予熱に必要以上の時間がかかったりするのを防止できる。

（４）グロープラグ２１４により触媒２１６の予熱を開始する際には、発火温度判断部２８４によりグロープラグ２１４の温度が混合ガスの発火温度に達したか否かが判断され、発火温度に達したと判断された後に、混合ガスがグロープラグ２１４に供給される。

また、グロープラグ２１４を用いることにより、グロープラグ２１４の温度を、例えば、グロープラグ２１４の温度抵抗特性に基づき抵抗値から推定することが可能となる。これにより、温度センサを設置することなくグロープラグ２１４の温度を推定することができる。また、点火装置としてグロープラグ２１４を用いることにより、点火装置として例えばスパークプラグや伝熱ヒータなど用いた場合と比較して、ノイズの影響を少なくしたり消費電力を抑制したりできる。

図９は、グロープラグ２１４により触媒２１６を予熱した場合における触媒温度と時間経過との関係を示す図である。
図９中、点線は、グロープラグ２１４の抵抗値を読み取ることで、グロープラグ２１４の発火温度を判定し、混合ガスの供給を開始した場合を示し、破線は、タイマー制御により混合ガスの供給を開始した場合を示す。また、触媒温度Ｔ１は、設定温度である。

時刻ｔ０において運転を開始し、グロープラグ２１４の通電を開始する。グロープラグ２１４の抵抗値を読み取ることで発火温度の判定をした場合、時刻ｔ１においてグロープラグ２１４が発火温度に達すると即座に混合ガスの供給が開始され、触媒２１６の予熱が開始され、時刻ｔ２において触媒温度が設定温度に達する。

一方、タイマー制御により混合ガスの供給を開始した場合、時刻ｔ１においてグロープラグ２１４が発火温度に達しても混合ガスの供給が開始されず、時刻ｔ３において設定された時間が経過した後に混合ガスの供給が開始される。その後、触媒２１６の予熱が開始され、時刻ｔ４において触媒温度が設定温度に達する。

このように、グロープラグ２１４の温度が混合ガスの発火温度に達した時点で、混合ガスの供給を開始することで、タイマー制御による場合と比較して、触媒２１６の予熱を速やかに開始できる。したがって、燃料電池車両の燃料電池の暖機にかかる時間を短縮できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。

上記実施形態では、着火判定部２８３において、触媒２１６の着火の完了を触媒２１６の温度により判定したが、これに限らない。例えば、触媒の着火の完了は、時間で判定してもよい。すなわち、触媒の着火が完了すると考えられる時間を予め設定しておき、この設定時間が経過した場合には、触媒の着火が完了したと判定してもよい。

上記実施形態では、点火装置としてグロープラグ２１４を設けたが、これに限らない。例えば、点火装置として、電気加熱式触媒（ＥＨＣ）や、スパークプラグなどを設けてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る触媒燃焼装置の触媒ヒータの断面図である。 前記実施形態に係る触媒燃焼装置の制御部のブロック図である。 前記実施形態に係る触媒燃焼装置による燃料電池の暖機運転処理の手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る触媒燃焼装置の制御マップを示す図である。 前記実施形態に係る触媒燃焼装置の制御マップを示す図である。 前記実施形態に係る触媒燃焼装置による暖機運転処理のタイムチャートである。 前記実施形態に係る触媒の温度と時間経過との関係を示す図。 前記実施形態に係るグロープラグにより触媒を予熱した場合における触媒温度と時間経過との関係を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２０ 触媒燃焼装置（触媒燃焼装置）
２７ 触媒ヒータ
２１２ 吸入孔（混合ガス供給部）
２１６ 触媒（触媒燃焼部）
２１４ グロープラグ（点火装置）
２８ 制御部（制御部）
２８１ 触媒予熱判断部（触媒予熱判断部）
２８２ 点火装置制御部（点火装置制御部）
２８３ 着火判定部（着火判定部）
２８４ 発火温度判断部（発火温度判断部）
２８５ 供給制御部（供給制御部）

Claims (4)

1. 水素と空気の混合ガスが供給される混合ガス供給部と、
   前記混合ガス供給部の下流側に設けられ、混合ガスを触媒燃焼する触媒燃焼部と、を備え、前記触媒燃焼部における燃焼熱で、燃料電池車両に搭載された燃料電池を暖機する触媒燃焼装置であって、
   前記混合ガス供給部の下流側に設けられ、混合ガスを燃焼することにより前記触媒燃焼部を加熱する点火装置と、
   前記触媒燃焼部で混合ガスを触媒燃焼させる際には、前記点火装置を制御して前記触媒燃焼部を予熱する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記触媒燃焼部の着火の完了を判定する着火判定部と、
   前記着火判定部により、前記触媒燃焼部の着火が完了したと判定されるまで、前記点火装置を制御して前記触媒燃焼部を加熱する点火装置制御部と、を備えることを特徴とする触媒燃焼装置。
2. 前記制御部は、
   前記点火装置により前記触媒燃焼部を予熱するか否かを判断する触媒予熱判断部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の触媒燃焼装置。
3. 前記触媒予熱判断部は、前記燃料電池による発電が停止してから起動するまでの停止期間と起動直前の前記触媒燃焼部の温度とに基づいて前記触媒燃焼部の活性状態を推定し、該推定された状態に応じて前記点火装置により前記触媒燃焼部を予熱するか否かを判断することを特徴とする請求項２に記載の触媒燃焼装置。
4. 前記点火装置は、グロープラグであり、
   前記制御部は、
   前記グロープラグの温度が混合ガスの発火温度に達したか否かを判断する発火温度判断部と、
   前記点火装置により前記触媒燃焼部を加熱する際には、前記発火温度判断部によりグロープラグの温度が混合ガスの発火温度に達したと判断された後に、混合ガスを前記グロープラグに供給する供給制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の触媒燃焼装置。

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