JP2002056871A - 燃料電池暖気装置 - Google Patents

燃料電池暖気装置

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JP2002056871A JP2001058785A JP2001058785A JP2002056871A JP 2002056871 A JP2002056871 A JP 2002056871A JP 2001058785 A JP2001058785 A JP 2001058785A JP 2001058785 A JP2001058785 A JP 2001058785A JP 2002056871 A JP2002056871 A JP 2002056871A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 燃料電池の暖機を迅速に行うことができる燃
料電池暖機装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池１に供給する供給空気Ａと該供
給空気Ａを前記燃料電池１で利用した後に排出空気Ａｅ
として排出する燃料電池用ガス供給装置ＧＳに、前記排
出空気Ａｅを前記燃料電池１の状態に応じて即ち、排気
ガス温度と供給空気の温度を比較して、供給空気の目標
温度となるように排出ガスの圧力を制御する圧力制御手
段を用い断熱圧縮による加熱排気ガスを前記供給空気Ａ
に戻す三方弁を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気中の酸素を利
用して発電する燃料電池に使用される燃料電池を暖機す
る燃料電池暖機装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電気自動車の動力源などとして、
クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池（固体高分子
型燃料電池）が注目されている。例えば、特開平７−２
４０２２０号公報には、燃料電池に供給される水素及び
酸素を循環して使用する燃料電池システムが開示されて
いる。この燃料電池システムにおける酸素は酸化剤供給
装置から供給されるが、燃料電池で未使用の残存酸素は
酸素供給ラインに戻され循環使用される。水素について
も同様であり、燃料供給装置から供給された水素のう
ち、燃料電池で未使用の残存水素は水素供給ラインに戻
され循環使用される。このように酸素及び水素が循環使
用されるのは、酸化剤供給装置及び燃料供給装置から純
度の高い酸素及び水素が供給されるからである。
【０００３】一方、周囲から空気を取り込み、空気中の
酸素を燃料電池で使用する構成の燃料電池システムが知
られている。この構成の場合、空気を循環使用すると空
気中の酸素濃度が低下して行き（窒素濃度が上昇して行
き）、燃料電池の効率が低下する。このため、燃料電池
から排出された排出空気は循環することなく大気中に放
散される。
【０００４】ところで、燃料電池は、常温よりも高い温
度（固体高分子型の場合は８０〜９０℃）で効率よく発
電することができ、燃料電池が充分に温まっていないと
きは効率よく発電することができない。したがって、燃
料電池の始動時に燃料電池を所定温度まで迅速に加温
（暖機）する必要がある。殊に、燃料電池が電気自動車
に搭載される場合は一層迅速に暖機する必要がある。こ
のため、周囲から空気を取り込むタイプの燃料電池シス
テムでは、熱交換器を設けて、排出空気と供給空気とを
熱交換することが行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱交換
器では排出空気の熱を供給空気に与えることによって供
給空気を加熱している。このため、排出空気の温度が低
くなっている始動時には、燃料電池の暖機を迅速に行う
ことができないという問題があった。特に、寒冷地であ
るとか、冬季など、気温が低い条件下では始動時に燃料
電池から排出される排出空気の温度は一層低くなってい
るので、この問題が特に顕著となる。
【０００６】また、燃料電池が稼動しているときでも、
稼動状態によっては燃料電池から排出される排出ガスの
温度が低下する場合がある。このような場合でも、燃料
電池に供給する供給ガスの温度はある一定温度以上とす
る必要があるが、排出ガスの温度が低下しているため、
熱交換器のみでは、十分に供給ガスを加熱できない場合
が考えられるという問題もある。
【０００７】そこで、本発明は、特に燃料電池の始動時
において燃料電池の暖機を迅速に行うことができるよう
にし、さらには燃料電池の稼動状態により、排出ガスの
温度が低下したときでも、十分に供給ガスを加熱できる
燃料電池加熱装置を提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決した本発
明のうち請求項１に記載の発明は、燃料電池に供給ガス
を供給するとともに、前記供給ガスを前記燃料電池で利
用した後に排出ガスとして排出するにあたり、前記燃料
電池の暖機状態に応じて前記排出ガスを供給ガスに戻す
排出ガス戻し手段を備えたことを特徴とする燃料電池暖
機装置とした。排出ガス戻し手段は、後述する発明の実
施の形態では三方弁であり、燃料電池からの排出ガス
（排出空気）をそのまま排出する排出位置と、供給ガス
（供給空気）に戻す戻し位置に切り替わるようになって
いる。戻し位置に切り替わると排出ガスの循環サイクル
が形成される。なお、燃料電池の状態に応じてとは、燃
料電池の温度などに応じてという意味である。この構成
によれば、排出ガスの持つ熱、たとえば燃料電池が発電
する熱などを供給ガスに戻すことができるので、燃料電
池が始動してから暖機を迅速に行なうことができると共
に燃料電池の内部などに残存する水分を有効利用するこ
ともできる。
【０００９】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
の構成において、前記排出ガス戻し手段は、前記排出ガ
スの温度に応じて制御される燃料電池暖機装置とした。
例えば、排出ガスの温度が高ければ燃料電池の暖機が終
了したとして、あるいは、燃料電池を保護するため、排
出ガス戻し手段は排出位置に切り替えられる。また、例
えば、排出ガスの温度が低ければ燃料電池の暖機が必要
であるとして、排出ガス戻し手段は戻し位置に切り替え
られる。ここで、排出ガスの温度は、燃料電池の状態
（温度、湿度など）に大きく影響を受ける。このため、
排出ガス戻し手段の制御を行う際には、排出ガスの温度
を判断基準として用いるのが最も好適である。
【００１０】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
または請求項２の構成において、前記燃料電池からの排
出ガスを圧送するコンプレッサを備え、前記コンプレッ
サによって前記排出ガスを前記供給ガスに戻す燃料電池
暖機装置とした。この構成によれば、コンプレッサの断
熱圧縮により発生する熱を燃料電池の暖機に使用するこ
とができるので、燃料電池の発電に拘わらず迅速な暖機
を確実に行うことができる。なお、燃料電池などでは圧
力損失が生じるが、この圧力損失を回復すべくコンプレ
ッサで圧縮を行うと、断熱圧縮により圧力損失に見合う
分の熱が発生する。
【００１１】また、請求項４に記載の発明は、請求項３
の構成において、前記燃料電池からの排出ガスの圧力を
制御する圧力制御手段を備える燃料電池暖機装置とし
た。この構成によれば、コンプレッサの圧力を制御する
ことで排出ガスの温度上昇幅を設定することができる。
例えば、圧力制御手段でコンプレッサの下流側の圧力
（吐出圧）を上昇させると、排出ガスの温度上昇が増加
する。逆の動作をすると、排出ガスの温度上昇が低減さ
れる。この温度上昇幅が設定された排出ガスは、排出ガ
ス戻し手段により供給ガスに戻される。圧力制御手段が
バタフライ弁などの圧力制御弁から構成される場合は、
該圧力制御弁の開度を閉じるとコンプレッサの下流側の
圧力が上昇し、逆に開度を開くとコンプレッサの下流側
の圧力が低下する。なお、圧力制御手段は、エンタルピ
の変化が生じることなく（又は変化を小さくして）、排
出ガスを通流させるものが好ましい。
【００１２】また、請求項５に記載の発明は、請求項４
の構成において、前記供給ガスの温度に応じて前記圧力
制御手段を制御する燃料電池暖機装置とした。例えば、
供給ガスの温度が高くなれば圧力制御手段により、コン
プレッサの下流側の圧力を低下させる。一方、供給ガス
の温度が低くなれば圧力制御手段により、コンプレッサ
の下流側の圧力を上昇させる。この構成によれば、燃料
電池に供給される供給ガスを適切な温度とすることが可
能になる。
【００１３】また、請求項６に記載の発明は、請求項５
の構成において、前記供給ガスの温度とこの供給ガスの
目標温度を比較して前記圧力制御手段を制御する燃料電
池暖機装置とした。この構成によれば、燃料電池に適切
な温度の供給ガスを供給することが可能になる。なお、
供給ガスの目標温度は、燃料電池の種類や暖機の行い方
などに応じて適宜設定することができる。
【００１４】また、請求項７に記載の発明は、請求項１
に記載の構成において、前記供給ガスは前記燃料電池の
酸素極に供給する空気であって、前記燃料電池の酸素極
に供給する空気中の酸素量に応じて前記排出ガス戻し手
段を制御する燃料電池暖気装置とした。この構成によれ
ば、燃料電池の酸素極に供給する空気を加熱して燃料電
池を暖機するにあたり、酸素極に供給する空気中の酸素
量に応じて排出ガスの戻し量を制御している。このた
め、暖機中の燃料電池が酸素不足となることを防止する
ことができる。また、燃料電池の水素極側は、酸素極側
から暖機されるが、この水素極側の暖機は、燃料電池の
膜を介して行われる。
【００１５】請求項８に記載の発明は、請求項７に記載
の構成において、前記供給ガスの酸素量が前記燃料電池
の発電によって減少した場合は、前記排出ガス戻し手段
によって排出ガスを戻す量を減少させる燃料電池暖機装
置とした。この構成によれば、燃料電池の発電に起因し
て供給ガスの酸素量が減少した場合に排出ガス戻し手段
によって排出ガスを戻す量を減少させている。燃料電池
に供給される空気中、酸素の含有量が少ない排出ガスの
量を少なくし酸素の含有量が多い空気を多く供給できる
ので、燃料電池に十分な酸素を供給することができる。
【００１６】また、請求項９に記載の発明は、燃料電池
に供給ガスを供給するとともに、前記供給ガスを前記燃
料電池を排出ガスとして排出するコンプレッサを備え、
前記コンプレッサの断熱圧縮による熱で前記ガスを加熱
し、前記加熱されたガスを前記燃料電池に供給して前記
燃料電池を暖機し、前記燃料電池から排出されるガスを
前記コンプレッサの吸引側に戻して循環サイクルを形成
したことを特徴とする燃料電池暖機装置とした。この構
成によれば、燃料電池の始動後であっても、燃料電池に
供給される供給ガスの温度が低下してしまった場合に
は、コンプレッサから排出されたガスに含まれる熱を、
燃料電池を介してコンプレッサの吸引側に供給すること
ができる。したがって、燃料電池を適切な温度範囲まで
容易に加熱することができる。
【００１７】また、請求項１０に記載の発明は、請求項
９の構成において、前記コンプレッサによって加熱され
る前のガスと、コンプレッサによって加熱された後のガ
スとの間で熱交換を行う熱交換機を前記循環サイクルに
備え、前記熱交換器によって加熱されたガスを前記燃料
電池に供給することを特徴とする請求項９に記載の燃料
電池暖機装置とした。この構成では、加熱供給ガスをコ
ンプレッサに循環供給するにあたり、熱自体が小さい循
環サイクルを形成するので、燃料電池に対して断熱圧縮
の熱を効率よく伝達することができる。また、燃料電池
の発電時には空気中の酸素濃度が減少していくので、ガ
スのすべてを戻しつづけると、燃料電池の発電効率が悪
くなる。そこで、排出ガスの熱量のみを回収できる熱交
換器を備えたので、暖気が早くなるとともに、ガス欠
（酸素が足りない状態）を起こさないようにすることが
できる。
【００１８】また、請求項１１に記載の発明は、請求項
９または請求項１０の構成において、前記燃料電池の暖
機が完了したか否かを判定し、前記燃料電池の暖機が完
了したと判断した後に、前記燃料電池の発電を開始する
燃料電池暖機装置とした。この構成によれば、燃料電池
の発電効率がよくなる温度帯まで燃料電池を加熱させて
から、燃料電池による発電を開始することができる。
【００１９】また、請求項１２に記載の発明は、請求項
１１の構成において、前記燃料電池の暖機の完了の判断
を、前記燃料電池から排出される加熱排出ガスの温度に
基づいて行う燃料電池暖機装置とした。この構成によれ
ば、燃料電池の始動準備が完了したか否かを燃料電池か
ら排出される加熱供給ガスの温度で判定している。この
ため、別途燃料電池の始動準備が完了したことを検知す
るための検知手段などを設けることなく、燃料電池の暖
機を検知することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の燃料
電池暖機装置を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】〔第１実施形態〕先ず、第１実施形態の燃
料電池暖機装置を説明する。この第１実施形態で参照す
る図面において、図１は第１実施形態の燃料電池暖機装
置を含む燃料電池システムの全体構成図であり、図２は
燃料電池の構成を模式化した説明図であり、図３はコン
プレッサにおける温度上昇特性を説明するグラフであ
る。
【００２２】図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃
料電池１、空気供給装置２、水素供給装置３、及び制御
装置４などから構成される燃料電池１を中核とした発電
システムである。なお、燃料電池暖機装置ＧＳ（ＧＳ
１）は、空気供給装置２及び制御装置４から構成され
る。ちなみに、この燃料電池システムＦＣＳは、自動車
（燃料電池電気自動車）に搭載されるものとする。
【００２３】先ず、図２に示すように、燃料電池１は、
電解質膜１ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノ
ード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に白
金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極１ｂ
及びアノード電極１ｄを形成している。電解質膜１ｃと
しては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパー
フロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜
１ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽
和含水することにより常温で２０Ω-プロトン以下の低
い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能す
る。なお、カソード電極１ｂに含まれる触媒は酸素から
酸素イオンを生成する触媒であり、アノード電極１ｄに
含まれる触媒は水素からプロトンを生成する触媒であ
る。
【００２４】また、カソード電極１ｂの外側にはカソー
ド電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流する
カソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電極１
ｄの外側にはアノード電極１ｄに燃料ガスとしての供給
水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが設けられ
ている。カソード極側ガス通路１ａの入口及び出口は空
気供給装置２に接続され、アノード極側ガス通路１ｅの
入口及び出口は水素供給装置３に接続されている。な
お、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化
して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電
池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構
成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学反
応により発熱するため、燃料電池１を冷却する図示しな
い冷却装置を有する。
【００２５】この燃料電池１は、カソード極側ガス通路
１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１
ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水
素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成し
たプロトンは、電解質膜１ｃ中を移動してカソード電極
１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂに到達した
プロトンは、触媒の存在下、供給空気Ａの酸素から生成
した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成し
た水及び未使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気Ａ
ｅとして燃料電池１のカソード極側の出口から排出され
る（排出空気Ａｅは多量の水分を含む）。また、アノー
ド電極１ｄでは水素がイオン化する際に電子ｅ-が生成
するが、この生成した電子ｅ-は、モータなどの外部負
荷Ｍを経由してカソード電極１ｂに達する。
【００２６】次に、図１に示すように、燃料電池暖機装
置ＧＳ１を構成する空気供給装置２は、エアクリーナ２
１、熱交換器２２、加湿器２３、コンプレッサ２４、圧
力制御弁２５、三方弁２６、流量センサＱ、温度センサ
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３、湿度センサＨなどから構成される。
【００２７】エアクリーナ２１は、図示しないフィルタ
などから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給さ
れる空気（供給空気Ａ）をろ過して、供給空気Ａに含ま
れるごみを取り除く。
【００２８】熱交換器２２は、図示しない低温流体側流
路及び高温流体側流路を備えるプレート式熱交換器やシ
ェル＆チューブ熱交換器などから構成され、燃料電池１
のカソード極側から排出されコンプレッサ２４で圧縮さ
れた空気（排出空気Ａｅ）とエアクリーナ２１でろ過し
た供給空気Ａを熱交換する。この熱交換器２２により、
供給空気Ａが加熱され燃料電池１に導入される。なお、
燃料電池１は、８０〜９０℃程度の温度で運転される。
このため、供給空気Ａは、６０〜７５℃に温度制御され
て燃料電池１に導入される。この供給空気Ａの温度制御
の詳細は後述する。
【００２９】加湿器２３は、図示しないベンチュリ、水
貯蔵タンク、ベンチュリと水貯蔵タンクを接続するサイ
フォン管などから構成され（一種のキャブレタ）、水貯
蔵タンクに貯蔵された加湿用の水をベンチュリ効果で吸
い上げて噴霧し、供給空気Ａを加湿する。加湿された供
給空気Ａは、燃料電池１のカソード極側に供給される。
なお、サイフォン管には、ステッピングモータにより駆
動して該サイフォン管を通流する水の流量を制御するニ
ードルが挿入されている（サイフォン管とニードルでニ
ードル弁を構成している）。このように、供給空気Ａを
加湿するのは、燃料電池１を加湿して図２に示す電解質
膜１ｃが乾燥するのを防止するためである。ちなみに、
電解質膜１ｃが乾燥するとプロトンの移動が阻害され起
電力が低下する。一方、燃料電池１を加湿しすぎても、
図２に示すカソード極側ガス通路１ａや図示しない拡散
層が水没して供給空気Ａの通流が阻害され起電力が低下
する。
【００３０】コンプレッサ２４は、図示しないスーパー
チャージャ（容積型の圧縮機）及びこれを駆動するモー
タなどから構成され、燃料電池１で酸化剤ガスとして使
用された後の供給空気Ａ、つまり燃料電池１のカソード
極側から排出される排出空気Ａｅを吸引し、圧縮して吐
出し後段の熱交換器２２に送出する。このコンプレッサ
２４は、供給空気Ａを吸引することにより、燃料電池１
を負圧（大気圧以下の圧力）で運転する役割を有する。
また、コンプレッサ２４は、排出空気Ａｅを断熱圧縮す
ることにより排出空気Ａｅの温度を高め、排出空気Ａｅ
を、供給空気Ａを加熱するための熱源とする役割を有す
る。
【００３１】圧力制御弁（圧力制御手段）２５は、図示
しないバタフライ弁及びこれを駆動するステッピングモ
ータなどから構成され、コンプレッサ２４から吐出され
る排出空気Ａｅの圧力（吐出圧）を圧力制御弁２５の開
度を減少・増加することより制御する。ちなみに、圧力
制御弁２５の開度を減少するとコンプレッサ２４の吐出
圧が高まり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅
が増加する。また、圧力制御弁２５の開度を増加すると
コンプレッサ２４の吐出圧が低くなり、これに対応して
排出空気Ａｅの温度上昇幅が減少する。なお、圧力制御
弁２５はエンタルピ変化が少ない状態で排出空気Ａｅを
通流させる。このため、圧力制御弁２５を通流した後の
排出空気Ａｅの温度低下は少ない。
【００３２】三方弁（排出ガス戻し手段）２６は、図示
しない電磁作動の流路切替器から構成され、排出空気Ａ
ｅの流路を切り替えて、排出位置、戻し位置にする。三
方弁２６を排出位置にした場合には、排出空気Ａｅは空
気供給装置２の系外に排出される。また、三方弁２６を
戻し位置にした場合には、排出空気Ａｅはエアクリーナ
２１と熱交換器２２の間の供給空気Ａのラインに戻され
る（循環サイクルが形成される）。この三方弁２６がど
のような条件で排出位置に切り替わるか、戻し位置に切
り替わるかは後述する。
【００３３】流量計Ｑは、差圧流量計などから構成さ
れ、エアクリーナ２１を通流した後（排出空気Ａｅの合
流後）の供給空気Ａの流量を検出し、検出信号を制御装
置４に送信する。
【００３４】温度センサＴ１は、サーミスタなどから構
成され、燃料電池１のカソード極側の入口における供給
空気Ａの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信す
る。
【００３５】温度センサＴ２は、温度センサＴ１と同様
にサーミスタなどから構成され、コンプレッサ２４の出
口における排出空気Ａｅ（吐出ガス）の温度を検出し、
検出信号を制御装置４に送信する。
【００３６】温度センサＴ３は、温度センサＴ１，Ｔ２
と同様にサーミスタなどから構成され、燃料電池１のカ
ソード極側出口における排出空気Ａｅの温度を検出し、
検出信号を制御装置４に送信する。
【００３７】湿度センサＨは、高分子膜系の湿度センサ
などから構成され、燃料電池１のカソード極側入口にお
ける供給空気Ａの湿度を検出し、検出信号を制御装置４
に送信する。
【００３８】図１に示すように、水素供給装置３は、水
素ガスボンベ３１、レギュレータ３２、水素循環ポンプ
３３、三方弁３４などから構成される。
【００３９】水素ガスボンベ３１は、図示しない高圧水
素容器から構成され、燃料電池１のアノード極側に導入
される供給水素Ｈを貯蔵する。貯蔵する供給水素Ｈは純
水素であり、圧力は１５〜２０ＭＰａＧ（１５０〜２０
０kg/cm2Ｇ）である。なお、水素ガスボンベ３１は、水
素吸蔵合金を内蔵し１ＭＰａＧ（１０kg/cm2Ｇ）程度の
圧力で水素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプである場合も
ある。
【００４０】レギュレータ３２は、図示しないダイヤフ
ラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵され
た供給水素Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使
用できるようにする圧力制御弁である。このレギュレー
タ３２は、ダイヤフラムに入力される基準圧を大気圧に
すると、水素ガスボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの
圧力を大気圧近辺にまで減圧することができる。また、
ダイヤフラムに入力される基準圧を負圧で運転している
空気供給装置２の負圧部分の圧力にすると、水素ガスボ
ンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を当該負圧部分
の圧力近辺にまで減圧することができる。第１実施形態
では、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転するた
め、レギュレータ３２には、空気供給装置２のコンプレ
ッサ２４の吸入側の圧力が基準圧として入力される。ち
なみに、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転する
ことにより、通流する水素が外部に漏洩するのを防止す
ることができるので、燃費が向上する。
【００４１】水素循環ポンプ３３は、図示しないエジェ
クタなどから構成され、燃料電池１のアノード極側に向
かう供給水素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガ
スとして使用された後の供給水素Ｈ、つまり燃料電池１
のアノード極側から排出され三方弁３４を通流する排出
水素Ｈｅを吸引し循環させる。なお、排出水素を循環使
用するのは、供給水素Ｈが、水素ガスボンベ３１に貯蔵
されている純水素だからである。
【００４２】三方弁３４は、図示しない流路切替器から
構成され、排出水素Ｈｅの流路を切り替えて、排出位
置、戻し位置にする。三方弁３４を排出位置にした場合
には、排出水素Ｈｅは水素供給装置３の系外に排出され
る。また、三方弁３４を戻し位置にした場合には、排出
水素Ｈｅは水素循環ポンプ３３に導かれる。
【００４３】次に、燃料電池用暖機装置ＧＳ１を構成す
る制御装置４は、図示しないＣＰＵ、メモリ、入出力イ
ンタフェイス、Ａ／Ｄ変換器、バスなどから構成され、
燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御すると共に、燃
料電池１に供給する供給空気Ａの流量、温度、湿度を制
御する。制御装置４は、前記の通り各センサＱ，Ｔ１，
Ｔ２，Ｔ３，Ｈからの検出信号を受信する。また、制御
装置４は、加湿器２３、コンプレッサ２４、圧力制御弁
２５、三方弁２６に対する制御信号を送信する。以下、
供給空気Ａの(1)流量制御、(2)温度制御、(3)湿度制
御、及び(4)流路切替制御を説明する。なお、制御装置
４は、後述するように始動モードと通常モードの２つの
モードを有し、始動モードでは三方弁２６が戻し位置に
なり、通常モードでは排出位置になる。
【００４４】(1) 流量制御について、制御装置４は、図
示しないアクセルペダルなどの出力調整手段からの出力
要求信号に基づいて、必要とする供給空気Ａの目標流量
をマップなどにより設定する。そして、目標流量が増加
したときは、コンプレッサ２４の吐出量（モータの回転
数）を増加するように制御信号を生成しコンプレッサ２
４に送信する。一方、制御装置４は、目標流量が減少し
たときは、コンプレッサ２４の吐出量（モータの回転
数）を低減するように制御信号を生成しコンプレッサ２
４に送信する。この際、流量センサＱの検出信号と目標
流量の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行
われる。
【００４５】(2) 温度制御（通常モード）について、制
御装置４は、燃料電池１のカソード極側入口に供給され
る供給空気Ａの温度が６０〜７５℃の目標温度になるよ
うに、温度センサＴ１からの検出信号に基づいて、圧力
制御弁２５の開度をステッピングモータにより制御す
る。具体的には、制御装置４は、目標温度よりも供給空
気Ａの温度が上昇したとき（上昇しそうになったとき）
は、圧力制御弁２５の開度が増加するようにステッピン
グモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これに
より、コンプレッサ２４の吐出圧が低くなり、排出空気
Ａｅ（吐出ガス）の温度が低下する。そして、熱交換器
２２での熱交換量が減り、供給空気Ａの温度が低下す
る。一方、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの
温度が低下したとき（低下しそうになったとき）は、圧
力制御弁２５の開度が減少するようにステッピングモー
タを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、
コンプレッサ２４の吐出圧が高くなり排出空気Ａｅの温
度が上昇する。そして、熱交換器２２での熱交換量が増
し、供給空気Ａの温度が上昇する。この際、温度センサ
Ｔ１の検出信号と目標温度の偏差がゼロになるようにフ
ィードバック制御が行われる。なお、コンプレッサ２４
は、圧力制御弁２５の開度にかかわらず、目標流量の供
給空気Ａを燃料電池１に供給すべく動作する。
【００４６】ちなみに、フェイルアンドセーフ機構とし
て、制御装置４は、温度センサＴ２の検出信号が所定値
以上（１５０℃以上）になると、コンプレッサ２４など
を保護すべく、圧力制御弁２５の開度を増加する制御信
号、及び／又はコンプレッサ２４の吐出量を低減する制
御信号を生成し送信する。これにより、コンプレッサ２
４の吐出側の温度が下がり、コンプレッサ２４などが保
護される。
【００４７】なお、図３の温度上昇特性を説明する図
は、コンプレッサ２４の圧力比（Ｐ１〜Ｐ５＝吐出圧／
吸入圧）と排出空気Ａｅの流量とコンプレッサ２４の吐
出側の排出空気Ａｅの温度の関係を示すものである（圧
力比はＰ５＞Ｐ４＞Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１である）。この図
から解るように、コンプレッサ２４の圧力比を高めるこ
とで、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度
を高めることができ、この際、排出空気Ａｅの流量はあ
まり影響しない。つまり、圧力制御弁２５により排出空
気Ａｅの温度を制御することができるのが解る。ここ
で、図３に記載の目標温度は、コンプレッサ２４の吐出
側の排出空気Ａｅ（吐出ガス）の目標とする最低温度で
ある。通常の運転（暖機）は、この目標温度以上の温度
で行われる。
【００４８】(3) 湿度制御について、制御装置４は、燃
料電池１のカソード極側入口に供給される供給空気Ａの
湿度が目標湿度になるように、湿度センサＨからの検出
信号に基づいて、加湿器２３のニードル弁の開度をステ
ッピングモータにより制御する。具体的には、制御装置
４は、目標湿度よりも供給空気Ａの湿度が上昇したとき
（上昇しそうになったとき）は、ニードル弁の開度が減
少するようにステッピングモータを駆動する制御信号を
生成し送信する。これにより、ニードル弁を通流する水
の量が減少し、供給空気Ａの湿度が低下する。一方、制
御装置４は、目標湿度よりも供給空気Ａの湿度が低下し
たとき（低下しそうになったとき）は、ニードル弁の開
度が増加するようにステッピングモータを駆動する制御
信号を生成し送信する。これにより、ニードル弁を通流
する水の量が増加し、供給空気Ａの湿度が上昇する。こ
の際、湿度センサＨの検出信号と目標湿度の偏差がゼロ
になるようにフィードバック制御が行われる。
【００４９】(4) 流路切替制御について、制御装置４
は、自動車のイグニッションスイッチがＯＮになって燃
料電池システムＦＣＳを始動する際に始動モードにな
る。制御装置４が始動モードになると、制御装置４は、
三方弁２６が戻し位置に切り替わるように三方弁２６に
対して制御信号を生成し送信する（循環サイクルが形成
される）。後述するように、始動モードは温度センサＴ
３の検出信号が所定値を越えた場合などに解除され、制
御装置４は通常モードに移行する。通常モードに移行す
る際には、制御装置４は、三方弁２６が排出位置に切り
替わるように三方弁２６に対して制御信号を生成し送信
する。なお、燃料電池１からの排出空気Ａｅの温度が低
い場合（例えば２０℃以下の場合）に、自動的に始動モ
ードになるようにしておいてもよい。
【００５０】次に、前記説明した第１実施形態の燃料電
池暖機装置ＧＳ１の始動モードにおける動作の一例を、
図４を参照して詳細に説明する（適宜図１〜図３を参
照）。
【００５１】ここで、図４は、燃料電池暖機装置の始動
モードにおける制御フローである。なお、暖機時の供給
空気Ａの目標温度も６０℃（下限目標温度）〜７５℃
（上限目標温度）である。
【００５２】始動モードでは、制御装置４は、空気供給
装置２の三方弁２６を戻し位置にして循環サイクルを形
成する（Ｓ１）。次に、コンプレッサ２４を所定の回転
数（３０００ｒｐｍ）で運転し、圧力制御弁２５の開度
を所定値に設定する（Ｓ２，Ｓ３）。圧力制御弁２５
は、コンプレッサ２４の吐出圧が４０ｋＰａＧになるよ
うに設定される。これにより、燃料電池１の暖機が開始
される。また、水の有効利用が図られる。なお、この時
点では、燃料電池１は発電を行っていない。ちなみに、
図１のｃ点における圧力はｂ点における圧力よりも低い
ので、ｃ点からの供給空気Ａはａ点には流れないで、ｂ
点からの排出空気Ａｅがａ点へ流れ込む（ｂ点の圧力＞
ｃ点の圧力＞ａ点の圧力）。
【００５３】燃料電池１のカソード極側出口の排出空気
Ａｅの温度が２０℃未満か否かを判断する（Ｓ４）。２
０℃以上であれば暖機が終了した（暖機は不要）と判断
できるので、通常モードを実行する（Ｓ５）。なお、通
常モード実行の際には、燃料電池１の発電を開始すると
共に、空気供給装置２の三方弁２６を排出位置にする。
ちなみに、発電を開始すると酸素及び水素が消費され
る。
【００５４】一方、ステップＳ４において、排出空気の
温度が２０℃未満ならば暖機が継続されるが、この際、
燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度が下限目
標温度である６０℃未満か否かを判断する（Ｓ６）。６
０℃未満ならば圧力制御弁２５を１ｄｅｇ閉める（Ｓ
７）。そして、一定時間（数秒）置く（Ｓ８）。これに
より、排出空気Ａｅ（吐出ガス）の温度が上昇すると共
に供給空気Ａの温度も上昇し、暖機が迅速に行われる。
なお、ステップＳ９で、コンプレッサ２４の吐出側の排
出空気Ａｅの温度が１３０℃を越えているか否かを判断
し、１３０℃以下であれば問題がないのでステップＳ４
に戻って暖機を継続する。コンプレッサ２４の吐出側の
排出空気Ａｅの温度が１３０℃を越えている場合は、圧
力制御弁２５を５ｄｅｇ開け、一定時間（数秒）置く
（Ｓ１０，Ｓ１１）。これにより、コンプレッサ２４の
吐出側の排出空気Ａｅの温度が低下するが、ステップＳ
１２で該温度を実際に判断し、低下していればステップ
Ｓ９に戻り処理を継続する（ステップＳ４に戻ってもよ
い）。
【００５５】ステップＳ１２で、コンプレッサ２４の吐
出側の排出空気Ａｅの温度がなおも上昇している場合
（あるいは１５０℃〔所定上限温度〕以上になっている
場合）は、ステップＳ１７に移行しフェイルアンドセー
フアクションを実行し、圧力制御弁２５を全開にすると
共に、コンプレッサ２４を停止し（Ｓ１７，Ｓ１８）、
警告灯を点灯して異常を乗員に知らせる。圧力制御弁２
５の異常などが考えられるからである。
【００５６】ところで、ステップＳ６において、燃料電
池１のカソード極側の供給空気Ａの温度が６０℃以上で
ある場合は、燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの
温度が上限目標温度である７５℃を越えているか否かを
判断し（Ｓ１３）、７５℃以下であれば適温なのでステ
ップＳ４に戻り処理を継続する。
【００５７】一方、ステップ１３において供給空気Ａの
温度が７５℃を越える場合は、圧力制御弁２５を５ｄｅ
ｇ開け、一定時間（数秒）置く（Ｓ１４，Ｓ１５）。こ
れにより、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの
温度が低下すると共に燃料電池１のカソード極側の供給
空気Ａの温度も低下するが、ステップＳ１６で該温度を
実際に判断し、低下していればステップＳ９に戻り処理
を継続する（ステップＳ４に戻ってもよい）。供給空気
Ａの温度がなおも上昇している場合（あるいは１５０℃
〔所定上限温度〕以上になっている場合）は、前記した
ように機器類の異常などが考えられるので、フェイルア
ンドセーフアクションを実行し、圧力制御弁２５を全開
にすると共に、コンプレッサ２４を停止し（Ｓ１７，Ｓ
１８）、警告灯を点灯して異常を乗員に知らせる。な
お、コンプレッサ２４を停止しない場合でも、圧力制御
弁２５を全開にすると、前記の通り排出空気Ａｅの温度
は低下する。ちなみに、圧力制御弁２５を急速に全開に
すると、排出空気Ａｅの温度も急速に低下する。
【００５８】このように始動モードと通常モードで三方
弁２６を切り替え、始動モードで排出空気Ａｅを供給空
気Ａとして再び燃料電池１に戻すことで、コンプレッサ
２４での断熱圧縮による熱を無駄なく利用して燃料電池
１を迅速に暖機することができる。また、燃料電池１の
内部に蓄えられた水分を有効利用することができる。な
お、加湿器２３は、水を噴霧する手段を採用したが、水
透過型の中空糸膜などを利用する手段を採用したもので
もよい。ちなみに、説明を省略したが、水素供給装置３
についても温度制御及び湿度制御を行う構成としてもよ
い。
【００５９】〔第２実施形態〕次に、第２実施形態の燃
料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態と同一
性のある要素・部材などについては、同一の符号を付し
てその説明を省略する。ここで、図５は、第２実施形態
の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成
図である。
【００６０】図５に示すように、第２実施形態の燃料電
池暖機装置ＧＳ２は、熱交換器を含まない構成になって
いる（他の部分は第１実施形態と同じ）。この構成で
も、第１実施形態と同様に、コンプレッサ２４による断
熱圧縮で生じた熱を有効利用することができると共に、
水分も有効利用することができる。なお、三方弁２６の
後段（排出側）に熱交換器を設け、通常モードで、排出
空気Ａｅと供給空気Ａを熱交換する構成としてもよい。
【００６１】〔第３実施形態〕次に、第３実施形態の燃
料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態及び第
２実施形態と同一性のある要素・部材などについては、
同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、図６
は、第３実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池シ
ステムの全体構成図である。
【００６２】第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ３で
は、加湿器２３は、図示しない中空糸膜を使用した水透
過膜型加湿器を使用する。中空糸膜は、中空通路を有す
る直径１〜２ｍｍ、長さ数十ｃｍの中空繊維である。こ
の加湿器２３は、中空糸膜を数千本束ねてそれぞれ中空
容器に収容した２本の中空糸膜モジュール、この２本の
中空糸膜モジュールを並列に接続する配管、供給空気Ａ
の流量や湿度に応じて２本の中空糸膜モジュールを切り
替えて使用するための電磁弁や電磁弁コントローラなど
の切替手段などから構成される（以上図示外）。なお、
電磁弁コントローラは、制御装置４に含まれるものとす
る。
【００６３】各中空糸膜モジュールにおける中空糸膜の
充填率は、中空容器の断面積に対して４０〜６０％であ
る。この中空糸膜モジュールは、中空糸膜の中空通路の
一端から排出空気Ａｅが通流して他端から抜き出される
ようになっている。また、中空糸膜モジュールは、中空
糸膜同士の隙間に供給空気Ａが通流して抜き出されるよ
うになっている。つまり、中空糸膜モジュールは、中空
糸膜により供給空気Ａと排出空気Ａｅが混合しないよう
になっている。その一方、中空糸膜は、その内表面から
外表面に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）の微細な毛
管を多数有し、毛管中では、蒸気圧が低下して容易に水
分の凝縮が起こるようになっている。そして、凝縮した
水分は、毛管現象により吸い出されて中空糸膜を透過す
る。したがって、中空通路に燃料電池１で生成した水分
を多量に含んだ排出空気Ａｅを通流すると、水分が中空
通路の内表面で凝縮し、毛管現象により吸い出され、中
空糸膜の外表面に到達し、この水分により中空糸膜同士
の隙間を通流する相対的に乾燥した供給空気Ａが加湿さ
れる。ちなみに、中空通路側に供給空気Ａを通流し、中
空糸膜同士の隙間に排出空気Ａｅを通流する構成でもよ
い。
【００６４】加湿器２３は、切替手段により、供給空気
Ａの流量が少ないときは、中空糸膜モジュールを１本の
み使用するように切替駆動され、供給空気Ａの流量が多
いときは、中空糸膜モジュールを２本とも使用するよう
に切替駆動される。このように、切替駆動されるのは、
中空糸膜モジュールは、供給空気Ａ及び排出空気Ａｅの
流量が少なすぎても多すぎても加湿性能が低下するとい
う加湿特性を有するからである。中空糸膜モジュールを
切り替えるタイミングなどは、流量センサＱからの検出
信号及び湿度センサＨからの検出信号により決定され
る。
【００６５】なお、中空糸膜を使用したこの加湿器２３
は、供給空気Ａと排出空気Ａｅが保有する熱を交換する
熱交換器の役割を有する。したがって、第２実施形態で
は、第１実施形態のように独立した熱交換器を有しな
い。
【００６６】この第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ
３は、熱交換及び加湿の部分だけが第１実施形態と異な
り、他の部分は同じであるので、第１実施形態と同様、
三方弁２６を切り替えるという簡単な構成により、燃料
電池１の暖機を迅速に行なうことができる。なお、この
第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ３は、通常モード
において、燃料電池１のカソード極側から排出される多
量の水分を含んだ排出空気Ａｅの水分を有効に活用する
ことができるので、加湿用の水を蓄えておく必要がなく
なったり、蓄えておく量を最低限にすることができる。
また、中空糸膜により、供給空気Ａの加湿を均質に行う
ことができる。
【００６７】〔第４実施形態〕次に、第４実施形態の燃
料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第
３の実施形態と同一性のある要素・部材などについて
は、同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、
図７は、第４実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電
池システムの全体構成図である。
【００６８】第４実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ４で
は、コンプレッサ２４が熱交換器２２における供給空気
Ａの排出口と加湿器２３との間に配設されている。この
構成では、エアクリーナ２１を介して導入される供給空
気Ａは、コンプレッサ２４を介して燃料電池１に供給さ
れる。この構成では、燃料電池１に供給される供給空気
Ａは、コンプレッサ２４を介している。コンプレッサ２
４では、供給空気Ａを断熱圧縮して燃料電池１に圧送し
て供給するが、この断熱圧縮の際に供給空気Ａが加熱さ
れて加熱供給空気ＡＨとなる。したがって、燃料電池１
には、加熱された加熱供給空気ＡＨが供給されるので、
始動時における燃料電池１の暖機に貢献することができ
る。
【００６９】また、始動時には、第１実施形態同様、三
方弁２６は戻し位置にされているので、燃料電池１を暖
機するために燃料電池に供給された加熱供給空気ＡＨ
は、燃料電池１を介して燃料電池１から排出された加熱
排出空気ＡｅＨとなってコンプレッサ２４の供給側に圧
送される。燃料電池１に供給された加熱排出空気ＡｅＨ
は、燃料電池１を暖機する際にその熱を奪われているも
のの、外気よりはまだ多くの熱量を含んでいる。外気よ
りも熱量の多い加熱排出空気ＡｅＨを再びコンプレッサ
２４に戻すことにより、より迅速に燃料電池１を暖機す
ることができる。
【００７０】燃料電池１の暖機が完了した後は、三方弁
２６が排出位置に切り替わり、通常の運転が行われる。
【００７１】次に、第４実施形態の燃料電池暖機装置Ｇ
Ｓ４の始動モードにおける動作の一例を、図８を参照
（適宜図７を参照）して説明する。なお、かかる動作
は、前記第１実施形態における始動モードの動作と同一
の部分があるので、その同一の部分についての詳細な説
明は省略する。
【００７２】始動モードでは、三方弁を戻し位置にし
（Ｓ１）、コンプレッサ２４を所定回転数で運転する
（Ｓ２）。続いて、圧力制御弁２５の開度を所定値に設
定し（Ｓ３）、燃料電池１のカソード極側の排出空気
（加熱排出空気ＡｅＨ）の温度Ｔ３が２０℃未満である
か否かを判断する（Ｓ４）。ここまでの工程は前記第１
実施形態における始動モードと同一である。なお、燃料
電池１ではいまだ発電が行われていないので、コンプレ
ッサ２４を駆動するための電力が必要となる。この電力
はたとえば別途設けられた図示しないキャパシタやバッ
テリから取り出すことができる。ここで、ステップＳ４
において、加熱排出空気ＡｅＨの温度が２０℃未満と判
断した場合には、前記第１実施形態と同様にステップＳ
６からステップＳ１９までの工程を経る。
【００７３】一方、排出空気ＡｅＨの温度が２０℃未満
と判断した場合には、通常モードに移行して燃料電池１
の発電が可能な状態となっているか否かを判断する（Ｓ
２１）。ここで、発電が可能な状態となっていないと判
断された場合には、ステップＳ６に戻り、以後、前記第
１実施形態と同様にステップＳ６からステップＳ１９ま
での工程を経る。また、発電が可能な状態にあると判断
された場合には、所定電流で発電を開始する（Ｓ２
２）。この段階における発電は、いまだ燃料電池１が暖
機されていない状態であるので、所定の低電流値のみで
行われ、いわば予備的な発電であって、通常の発電可能
な状態とされてはいない。
【００７４】低電流である所定電流で予備的な発電を開
始したら、加熱排出空気ＡｅＨが過剰にコンプレッサ２
４に供給されて、燃料電池１に供給される加熱供給空気
ＡＨの酸素量が少なくなることがないように、加熱排出
空気ＡｅＨの戻り量を制御する（Ｓ２３）。このとき、
戻り量を減少させるの伴って新しく外気を吸い込み、酸
素を補充する。
【００７５】続いて、燃料電池１に供給される加熱供給
空気ＡＨの温度Ｔ１および燃料電池１から排出される加
熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３の温度を検知する。そし
て、加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１が７０℃未満である
か、加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３が４０℃未満である
か否かの２つの条件を判断する（Ｓ２４）。その結果、
２つの条件とも満たされていない場合には、暖機が完了
していないと判断してステップ２３に戻る。また、２つ
の条件のうちのいずれかが満たされた場合には、三方弁
２６を排出位置にして、加熱排出空気ＡｅＨをすべて排
出する（Ｓ２５）そして、暖機が完了し、（Ｓ２６）そ
の後、燃料電池１の発電を開始する。
【００７６】始動モードにおいて、燃料電池１の加熱排
出空気ＡｅＨの温度Ｔ３が２０℃未満では始動モードが
維持されて、前記第１実施形態と同様の効果を得ること
ができる。また、燃料電池１の加熱排出空気ＡｅＨの温
度Ｔ３が２０℃となって通常モードとなっても、燃料電
池１の暖機が完了するまでの間は、本格的な発電を行う
ことなく、予備的な発電のみを行う。そして、燃料電池
１の暖機が完了した後に本格的な発電を開始するので、
燃料電池１の暖機を効率的に行うとともに、燃料電池１
の発電を適切に行うことができる。
【００７７】なお、本実施形態では、加熱排出空気Ａｅ
Ｈと供給空気Ａとの間で熱交換を行うために熱交換器２
２を設けている。これは、燃料電池の発電に伴って減少
する酸素量に応じて戻し量を減少させるので、排出ガス
の持つ熱量のみを供給ガス側に伝えられるようになって
いる。このため、熱を逃がしにくい構成となる。
【００７８】〔第５実施形態〕次に、第５実施形態の燃
料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第
４の実施形態と同一性のある要素・部材などについて
は、同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、
図９は、第５実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電
池システムの全体構成図である。
【００７９】図９に示すように、第５実施形態の燃料電
池暖機装置ＧＳ５は、前記第４実施形態と比較して、熱
交換器２２が設けられていないほか、三方弁２６に代え
て流量調整弁４１が設けられている。また、圧力制御弁
２５と流量調整弁４１の間の配管Ｐ１には分岐路Ｐ２が
設けられており、流量センサＱとコンプレッサ２４との
間の配管Ｐ３に接続されている。この分岐路Ｐ２には、
逆止弁４２が設けられている。
【００８０】この構成では、燃料電池１の暖機を行う際
には、逆止弁４２を開いて燃料電池１から排出された多
くの熱を含む加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に
戻すことができる。また、燃料電池１が開始した後も、
逆止弁４２を開いた状態で維持しておくことにより、加
熱排出空気ＡｅＨがコンプレッサ２４に導入される。こ
のため、始動時であって、燃料電池１が発電していない
間はもちろん、燃料電池１が発電を開始した後であって
も加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に供給するこ
とで、燃料電池１の迅速な暖機に貢献することができ
る。また、流量調整弁４１でコンプレッサ２４に導入さ
れる加熱排出空気ＡｅＨの流量を制御することができる
ので、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温
度Ｔ１を上限を越えない範囲に制限することができる。
したがって、燃料電池１の入口における加熱供給空気Ａ
Ｈの温度の上限値を越えない範囲で迅速に燃料電池１の
暖機を行うことができる。
【００８１】〔第６実施形態〕次に、第６実施形態の燃
料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第
５の実施形態と同一性のある要素・部材などについて
は、同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、
図１０は、第６実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料
電池システムの全体構成図である。
【００８２】第６実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ６
は、前記第５実施形態と比較して、流量調整弁４１が分
岐路Ｐ２に設けられており、配管Ｐ１には何も設けられ
ておらず、分岐路Ｐ２に設けられていた逆止弁がない点
でことなっている。
【００８３】この構成では、分岐路Ｐ２に設けられた流
量調整弁４１でコンプレッサ２４に戻す加熱排出空気Ａ
ｅＨの量を制御することができる。したがって、前記第
５実施形態同様、始動時であって、燃料電池１が発電し
ていない間はもちろん、燃料電池１が発電を開始した後
であっても加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に供
給することで、燃料電池１の迅速な暖機に貢献すること
ができる。また、流量調整弁４１でコンプレッサ２４に
導入される加熱排出空気ＡｅＨの流量を制御することが
できるので、燃料電池１の入口における加熱供給空気Ａ
Ｈの温度Ｔ１を上限を越えない範囲に制限することがで
きる。したがって、燃料電池１の入口における加熱供給
空気ＡＨの温度の上限値を越えない範囲で迅速に燃料電
池１の暖機を行うことができる。
【００８４】なお、本発明は、前記した発明の実施の形
態に限定されることなく、広く変形実施することができ
る。
【００８５】例えば、水素供給装置は、水素タンクから
燃料電池に水素を供給する構成としたが、メタノールな
どの液体原燃料を改質器により改質して水素リッチな燃
料ガスを製造し、これを燃料電池に供給する構成として
もよい。また、排出水素を循環使用する・しないにかか
わらず、本発明を水素供給装置側に適用してもよい。ま
た、第１実施形態及び第２実施形態の加湿装置は、２流
体ノズルなどを使用したものでも、超音波を利用したも
のでもよい。また、第３実施形態の水透過膜も中空糸膜
に限定されることはない。また、コンプレッサもスーパ
ーチャージャやターボチャージャのようにタービンを回
転させるものではなく、レシプロ式のものでもよい。ま
た、圧力制御弁をコンプレッサと熱交換器の間に設ける
構成として、コンプレッサの断熱圧縮により発生した熱
を利用してもよい。
【００８６】なお、燃料電池は、発電を行わなければ
（アノード電極で発生した電子がカソード電極に移動し
ないようにすれば）、酸素及び水素が消費されることは
ない。ちなみに、始動モードで発電を行うようにすれ
ば、燃料電池が熱を発生し、燃料電池の暖機に少なから
ず貢献する（但し暖機が充分に行われていない状況では
発電効率は低く発熱も少ない）。また、始動モードの終
了を、温度ではなくタイマを設けて時間で判断してもよ
い。
【００８７】
【発明の効果】以上説明した本発明のうち請求項１に記
載の発明によれば、燃料電池の状態に応じて排出ガスを
燃料電池に供給する供給ガスに戻すことで、排出ガスの
持つ熱、たとえば燃料電池が発電する熱などを供給ガス
に戻すことができるので、暖機を迅速に行なうことがで
き、寒冷地や冬季において使用される燃料電池システム
に好適に適用することができる。また、電気自動車用の
燃料電池システムに好適に適用することもでき、燃料電
池の内部などに残存する水分を有効利用することができ
る。
【００８８】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
によれば、排出ガスの温度に応じて行うので、燃料電池
に暖機が必要か否かや燃料電池の暖機が終了したか否か
などを確実に判断することができる。
【００８９】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
によれば、コンプレッサの断熱圧縮により発生する熱
で、迅速な燃料電池の暖機を行うので、燃料電池の発電
に拘わらず確実に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００９０】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
によれば、コンプレッサの圧力を制御することで排出ガ
スの温度上昇幅を設定することが可能になる。
【００９１】また、本発明のうち請求項５に記載の発明
によれば、供給ガスの温度に応じてコンプレッサの下流
側の圧力を制御することで、燃料電池に供給される供給
ガスを適切な温度とすることが可能になる。
【００９２】また、本発明のうち請求項６に記載の発明
によれば、目標温度と比較することで、燃料電池に適切
な温度の供給ガスを供給することが可能になる。
【００９３】また、本発明のうち請求項７に記載の発明
によれば、暖機中の燃料電池が酸素不足となることを防
止することができる。これと同時に、この水素極側の暖
機を、燃料電池の膜を介して行うことができる。
【００９４】また、本発明のうちの請求項８に記載の発
明によれば、燃料電池に供給される空気中、酸素の含有
量が少ない排出ガスの量を少なくし酸素の含有量が多い
空気を多く供給できるので、燃料電池に十分な酸素を供
給することができる。
【００９５】また、本発明のうち請求項９に記載の発明
によれば、燃料電池の始動後であっても、燃料電池に供
給される供給ガスの温度が低下してしまった場合には、
コンプレッサから排出されたガスに含まれる熱を、燃料
電池を介してコンプレッサの吸引側に供給することがで
きる。したがって、燃料電池を適切な温度範囲まで容易
に加熱することができる。
【００９６】また、本発明のうち請求項１０に記載の発
明によれば、加熱供給ガスをコンプレッサに循環供給す
るにあたり、熱自体が小さい循環サイクルを形成するの
で、燃料電池に対して断熱圧縮の熱を効率よく伝達する
ことができる。さらに、燃料電池の暖気が早くなるとと
もに、ガス欠（酸素が足りない状態）を起こさないよう
にすることができる。
【００９７】また、本発明のうち請求項１１に記載の発
明によれば、燃料電池の発電効率がよくなる温度帯まで
燃料電池を加熱させてから、燃料電池による発電を開始
することができる。
【００９８】また、本発明のうち請求項１２に記載の発
明によれば、燃料電池の始動準備が完了したか否かを燃
料電池から排出される加熱供給ガスの温度で判定してい
る。このため、別途燃料電池の始動準備が完了したこと
を検知するための検知手段などを設けることなく、燃料
電池の暖機を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃
料電池システムの全体構成図である。
【図２】 図１の燃料電池の構成を模式化した説明図
である。
【図３】 図２のコンプレッサにおける温度上昇特性
を説明するグラフである。
【図４】 第１実施形態の燃料電池暖機装置の始動モ
ードにおける制御フローである。
【図５】 第２実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃
料電池システムの全体構成図である。
【図６】 第３実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃
料電池システムの全体構成図である。
【図７】 第４実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃
料電池システムの全体構成図である。
【図８】 第４実施形態の燃料電池暖機装置の始動モ
ードにおける制御フローである。
【図９】 第５実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃
料電池システムの全体構成図である。
【図１０】 第６実施形態の燃料電池暖機装置を含む
燃料電池システムの全体構成図である。
【符号の説明】
ＧＳ（ＧＳ１〜ＧＳ６） … 燃料電池暖機装置 ＦＣＳ… 燃料電池システム Ａ … 供給空気（供給ガス） Ａｅ … 排出空気（排出ガス） １ … 燃料電池 ２ … 空気供給装置 ２２ … 熱交換器（熱交換手段） ２４ … コンプレッサ ２５ … 圧力制御弁（圧力制御手段） ２６ … 三方弁 ３ … 水素供給装置 ４ … 制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島貫 寛士 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 縫谷 芳雄 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA13 BA19 BC11 BC19 KK31 KK48 MM04

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池に供給ガスを供給するととも
    に、前記供給ガスを前記燃料電池で利用した後に排出ガ
    スとして排出するにあたり、前記燃料電池の暖機状態に
    応じて前記排出ガスを供給ガスに戻す排出ガス戻し手段
    を備えたことを特徴とする燃料電池暖機装置。
  2. 【請求項２】 前記排出ガス戻し手段は、前記排出ガ
    スの温度に応じて制御されることを特徴とする請求項１
    に記載の燃料電池暖機装置。
  3. 【請求項３】 前記燃料電池からの排出ガスを圧送す
    るコンプレッサを備え、前記コンプレッサによって前記
    排出ガスを前記供給ガスに戻すことを特徴とする請求項
    １または請求項２に記載の燃料電池暖機装置。
  4. 【請求項４】 前記燃料電池からの排出ガスの圧力を
    制御する圧力制御手段を備えることを特徴とする請求項
    ３に記載の燃料電池暖機装置。
  5. 【請求項５】 前記供給ガスの温度に応じて前記圧力
    制御手段を制御することを特徴とする請求項４に記載の
    燃料電池暖機装置。
  6. 【請求項６】 前記供給ガスの温度とこの供給ガスの
    目標温度を比較して前記圧力制御手段を制御することを
    特徴とする請求項５に記載の燃料電池暖機装置。
  7. 【請求項７】 前記供給ガスは前記燃料電池の酸素極に
    供給する空気であって、前記燃料電池の酸素極に供給す
    る空気中の酸素量に応じて前記排出ガス戻し手段を制御
    することを特徴とする請求項１に記載に燃料電池暖機装
    置。
  8. 【請求項８】 前記供給ガスの酸素量が前記燃料電池の
    発電によって減少した場合は、前記排出ガス戻し手段に
    よって排出ガスの戻す量を減少させることを特徴とする
    請求項７に記載の燃料電池暖機装置。
  9. 【請求項９】 燃料電池に供給ガスを供給するととも
    に、前記供給ガスを前記燃料電池を排出ガスとして排出
    するコンプレッサを備え、 前記コンプレッサの断熱圧縮による熱で前記ガスを加熱
    し、前記加熱されたガスを前記燃料電池に供給して前記
    燃料電池を暖機し、前記燃料電池から排出されるガスを
    前記コンプレッサの吸引側に戻して循環サイクルを形成
    したことを特徴とする燃料電池暖機装置。
  10. 【請求項１０】 前記コンプレッサよって加熱される
    前のガスと、前記コンプレッサによって加熱された後の
    ガスとの間で熱交換を行う熱交換器を前記循環サイクル
    に備え、前記熱交換器によって加熱されたガスを前記燃
    料電池に供給することを特徴とする請求項９に記載の燃
    料電池暖機装置。
  11. 【請求項１１】 前記燃料電池の暖機が完了したか否
    かを判定し、前記燃料電池の暖機が完了したと判断した
    後に、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする
    請求項９または請求項１０のうちのいずれか１項に記載
    の燃料電池暖機装置。
  12. 【請求項１２】 前記燃料電池の暖機の完了の判断
    を、前記燃料電池から排出される排出ガスの温度に基づ
    いて行うことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池
    暖機装置。
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