JP2002305013A

JP2002305013A - 燃料電池暖機装置

Info

Publication number: JP2002305013A
Application number: JP2001108106A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Kai; 満甲斐; Tomoki Kobayashi; 知樹小林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-10-18
Anticipated expiration: 2021-04-06
Also published as: JP4328035B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池を暖機する際に、カソード側ととも
に、アノード側も暖機することにより、燃料電池の全体
を早期に暖機できるようにする。【解決手段】燃料電池１のカソード極に対して供給空
気Ａを供給する空気供給手段２と、燃料電池１のアノー
ド極に対して供給水素Ｈを供給する水素供給手段３を備
える。空気供給手段２は、供給空気Ａを圧送する空気圧
縮器２１を有するとともに、空気圧縮器２１と燃料電池
１のカソード極を繋ぐ空気通路を有する。水素供給手段
３は、供給水素Ｈを供給するアノード供給装置３１と燃
料電池１のアノード極を繋ぐ水素通路を有する。空気通
路と水素通路との間に、供給空気Ａの熱を供給水素Ｈに
伝達する熱交換器５が介在されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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が注目されて
いる。この燃料電池では、カソード側に酸素を供給する
とともにアノード側に水素を供給し、水素と酸素の反応
によって電気を発生する。カソード側に酸素を供給する
ためには、酸素を含んでいる空気を、たとえばコンプレ
ッサによって燃料電池に供給している。このとき、コン
プレッサの加圧力によって空気は昇温させられる。燃料
電池は、所定の温度（固定高分子型の場合は８０〜９０
℃）で効率よく発電するが、コンプレッサで加圧された
空気はたとえば１２０℃程度まで上昇する。この温度の
空気をそのまま燃料電池に供給すると、効率よい発電を
実現できないので、燃料電池に供給する前の空気を放熱
器に通し、所定の温度まで冷却してから燃料電池に供給
するようにしている。

【０００３】ところで、燃料電池の始動時においては、
燃料電池も冷えており、効率よい発電を実現する温度よ
りも低くなっている。このため、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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池を
暖機するにあたっては、コンプレッサで暖められた高温
の空気をそのまま燃料電池に送ることが考えられる。高
温の空気が燃料電池に供給されることによって、燃料電
池が早期に暖機される。

【０００５】しかし、高温の空気は、燃料電池に送った
としても燃料電池におけるカソード側にしか送られな
い。このため、燃料電池のアノード側は、燃料電池の膜
を介してカソード側の熱が伝達されることによって暖め
られることになる。したがって、アノード側の暖機がカ
ソード側よりも遅くなってしまい、結局は燃料電池全体
としての暖機を早期に行うことができないという問題が
あった。

【０００６】そこで、本発明の課題は、燃料電池を暖機
する際に、カソード側とともに、アノード側も暖機する
ことにより、燃料電池の全体を早期に暖機できるように
することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本発
明のうちの請求項１に係る発明は、燃料電池のカソード
極に対して空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電
池のアノード極に対して水素を供給する水素供給手段を
備え、前記空気供給手段は、前記空気を圧送するコンプ
レッサを有するとともに、前記コンプレッサと前記燃料
電池のカソード極を繋ぐ空気通路を有し、前記水素供給
手段は、前記水素を供給する水素供給源と前記燃料電池
のアノード極を繋ぐ水素通路を有し、前記空気通路と前
記水素通路との間に、前記空気の熱を前記水素に伝達す
る熱交換器が介在されていることを特徴とする燃料電池
暖機装置。である。

【０００８】請求項１に係る発明では、燃料電池のカソ
ード極側に空気を供給するための空気通路と、アノード
極側に水素を供給するための水素通路との間に、空気の
熱を水素の伝達する熱交換器が介在されている。空気通
路を流れる空気は、コンプレッサの断熱圧縮により昇温
させられている。このため、熱交換器を介して空気の熱
を水素に伝達して水素を昇温させることができる。そし
て、水素を昇温させることにより、燃料電池のアノード
極側をも素早く暖機することができ、燃料電池全体とし
て迅速に暖機を完了させることができる。

【０００９】請求項２に係る発明は、前記空気通路は、
主通路とバイパス通路を備え、前記主通路には、前記空
気を冷却する放熱器が設けられており、前記空気が通る
通路を、前記主通路と前記バイパス通路の間で切り替え
て、前記燃料電池に供給される空気の熱量を調整する熱
量調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載の
燃料電池暖機装置である。

【００１０】請求項２に係る発明では、空気通路には、
放熱器が設けられた主通路と、放熱器を迂回して設けら
れたバイパス通路とを備えている。そして、空気が通る
通路を主通路とバイパス通路の間で切り替えて、燃料電
池に供給される空気の熱量を熱量調整手段で調整してい
る。このため、燃料電池に対して好適な温度の空気およ
び水素を燃料電池に供給することができる。

【００１１】請求項３に係る発明は、前記燃料電池の暖
機状態に応じて、前記熱量調整手段を制御する制御装置
が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃
料電池暖機装置である。

【００１２】請求項３に係る発明においては、燃料電池
の暖機状態に応じて、熱量調整手段によって、空気が流
れる通路を、主通路とバイパス通路の間で切り替えて、
燃料電池に供給される空気の熱量を調整している。この
ため、燃料電池の暖機状態に応じて適切な温度の空気お
よび水素を燃料電池に供給することができる。なお、燃
料電池の暖機状態は、たとえば燃料電池から排出される
排出空気の温度によって特定することができる。

【００１３】請求項４に係る発明は、前記燃料電池の周
囲における外気温に基づいて前記熱量調整手段を制御す
る制御装置が設けられていることを特徴とする請求項２
に記載の燃料電池暖機装置である。

【００１４】燃料電池に供給する空気を好適な温度に昇
温するにあたり、外気温が低い時には、熱量を多くする
必要がある、逆に、外気温が高い場合には熱量は少なく
て済む。そこで、請求項４に係る発明では、外気温に基
づいて、熱量調整手段を制御する。具体的には、外気温
が低い場合には、バイパス通路に流す空気の流量を増や
し、外気温が高い場合には、主通路に流す空気の流量を
増やすように制御する。こうして、好適な温度の空気を
燃料電池に対して供給するようにすることができる。

【００１５】請求項５に係る発明は、前記燃料電池の発
電量に応じて前記熱量調整手段を制御する制御装置が設
けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電
池暖機装置である。

【００１６】燃料電池の発電量が多いと、消費する水素
も増加するので、水素の消費量の増減に応じて空気の熱
量も増減させるのが好適である。そこで、請求項におい
ては、燃料電池の発電量に応じて熱量調整手段を制御す
るようにしている。具体的には、燃料電池の発電量が大
きいときには、水素消費量も多いので、この多くの水素
に熱を与えるために、バイパス通路に流す空気の流量を
増加させて、空気の熱量を増やす。逆に、燃料電池の発
電量が小さいときには、水素消費量は少ないので、熱を
与える水素も少なくなる。したがって空気に与える熱の
量は少なくて済むので、主通路に流す空気の量を増加さ
せる。こうして、燃料電池に対して好適な温度の空気お
よび水素を供給することができる。

【００１７】請求項６に係る発明は、前記バイパス通路
には、開度を調整可能にした絞りが設けられていること
を特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１
項に記載の燃料電池暖機装置である。

【００１８】請求項６に係る発明においては、バイパス
通路に開度を調整可能にした絞り弁が設けられている。
このため、バイパス通路の管の幅（径）を狭めたり広げ
たりすることができる。バイパス通路の管路の幅を広げ
ることにより、コンプレッサの出側の圧力を高めること
ができるので、バイパス通路の管の幅によって空気の温
度を制御することができる。こうして、バイパス通路の
管の幅（径）を調整することで、燃料電池に供給される
空気および水素を適切な温度に制御することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に係る
燃料電池暖機装置を、図面を参照して詳細に説明する。

【００２０】〔第１実施形態〕まず、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る。

【００２１】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、制御装置
４、アノードカソード熱交換器（以下「熱交換器」とい
う）５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および制御装置４から構成され
る。本実施形態における燃料電池システム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。

【００２２】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および
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。

【００２３】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の入口および出口は
空気供給装置２に接続され、アノード極側ガス通路１ｅ
の入口およ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。

【００２４】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、供給空気Ａの酸素の酸素イオンと反応して
水を生成する。生成した水および未使用の酸素を含む供
給空気Ａは、排出空気Ａｅ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１
ｂに達する。

【００２５】次に、図１に示すように、空気供給装置２
は、本発明のコンプレッサである空気圧縮器２１、バイ
パス弁２２、放熱器２３、絞り弁２４、カソード加湿器
２５、およびカソード背圧弁２６を備えている。このう
ち、放熱器２３は、バイパス弁２２とカソード加湿器２
５の間における主通路Ｗ１に設けられており、放熱器２
３は、供給空気Ａを冷却するために循環供給する冷却水
を冷却するラジエータ２３Ａを備えている。また、絞り
弁２４は、放熱器２３を迂回して形成されたバイパス通
路Ｗ２に設けられており、放熱器２３とカソード加湿器
２５の間には熱交換器５が介在されている。したがっ
て、バイパス通路Ｗ２を通過する供給ガスは、放熱器２
３を通過しないようになっている。ここで、バイパス通
路Ｗ２の断面積は、主通路Ｗ１の断面積よりも小さくさ
れている。したがって、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２
を流れる際には、主通路Ｗ１を流れる際よりも、空気圧
縮器２１の出口側の圧力が高まる。その結果、供給空気
Ａがより高温に昇温させられる。ここで、具体的には、
バイパス通路Ｗ２の断面積は、主通路Ｗ１の断面積の半
分以下に設定するのが望ましい。そのほか、空気供給装
置２は、供給空気Ａや放熱器２３に供給される冷却水の
温度を検出する温度センサＴ１〜Ｔ４を有している。

【００２６】空気圧縮器２１は、図示しないスーパーチ
ャージャおよびこれを駆動するモータなどから構成され
ているコンプレッサである。空気圧縮器２１には、たと
えば図示しないエアクリーナを通してごみなどを取り除
き、燃料電池１で酸化剤ガスとして使用される供給空気
Ａを断熱圧縮して燃料電池に圧送する。この断熱圧縮の
際に供給空気Ａが加熱される。このように加熱された供
給空気Ａが、燃料電池１の暖機に貢献する。

【００２７】バイパス弁２２は、流路切り替え弁からな
り、制御装置４から出力される切り替え信号に基づい
て、供給空気Ａを流す通路を、主通路Ｗ１とバイパス通
路Ｗ２の間で切り替えて、どちらに供給空気Ａを流すか
を決定する。

【００２８】放熱器２３には、冷却水が流れる冷却水流
路が設けられており、この冷却水と熱交換することによ
って、燃料電池１の通常運転時において空気圧縮器２１
から供給される供給空気Ａを冷却している。この放熱器
２３にはラジエータ２３Ａが接続されており、ラジエー
タ２３Ａでは、放熱器２３で供給空気Ａを冷却してその
熱により昇温させられた冷却水を、たとえば冷却ファン
で冷却している。燃料電池１の通常運転時における空気
圧縮器２１から供給される供給空気Ａの温度は通常１２
０℃程度であるが、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
℃程度に冷却されて燃料電池１に導入される。

【００２９】絞り弁２４は、開度を調整可能にした開度
調整弁であり、その開度を調整することにより、供給空
気Ａが通過するバイパス通路Ｗ２の一部の径を狭めるこ
とができるようになっている。

【００３０】カソード加湿器２５は、燃料電池排出ガス
供給型のものであり、たとえば多数、具体的には５００
０本の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束がハウジン
グ内に収容されており、中空糸膜内を供給空気Ａが通過
し、ハウジング内であって中空糸膜の外側を排出空気Ａ
ｅが通過する。燃料電池１では、発電に伴い水が発生し
て、排出空気Ａｅには大量の水分が含まれているので、
この水分を供給空気Ａに水分交換して供給空気Ａを加湿
する。なお、カソード加湿器２５としては、このような
燃料電池排出ガス供給型のもののほか、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を加湿するもの
など、適宜公知のものを用いてもよい。

【００３１】カソード背圧弁２６は、図示しないバタフ
ライ弁およ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、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの
圧力（吐出圧）をカソード背圧弁２６の開度を減少・増
加することにより制御する。ちなみに、カソード背圧弁
２６の開度を減少すると燃料電池１の排出圧力が高ま
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、カソード背圧弁２６の開度を増加すると燃料
電池１の排出圧力が低くなり、これに対応して排出空気
Ａｅの温度上昇幅が減少する。

【００３２】温度センサＴ１〜Ｔ４は、いずれもサーミ
スタなどから構成される。このうち、温度センサＴ１
は、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気
Ａの温度を検出する。また、温度センサＴ２は、燃料電
池のカソード側の出口における排出空気Ａｅの温度を検
出する。さらに、温度センサＴ３は、ラジエータ２３Ａ
から放熱器２３に対して供給される冷却水の温度を検出
する。そして、温度センサＴ４は、熱交換器５に供給さ
れる供給空気Ａの温度を検出する。これらの温度センサ
Ｔ１〜Ｔ４は、それぞれ検出した検出信号を制御装置４
に送信する。なお、温度センサＴ２で検出した排出空気
Ａｅの温度Ｔ２によって燃料電池１の暖機状態が判断さ
れる。さらに、温度センサＴ３で検出した放熱器２３に
おける冷却水の温度Ｔ３によって外気温が判断される。

【００３３】また、図１に示すように、水素供給装置３
は、アノード供給装置３１、アノード循環装置３２、ア
ノード加湿器３３などから構成される。

【００３４】アノード供給装置３１は、たとえば水素ガ
スボンベおよびレギュレータを備える。水素ガスボンベ
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１５〜２０Ｍ
ＰａＧ（１５０〜２００kg/cm2Ｇ）である。なお、水素
ガスボンベは、水素吸蔵合金を内蔵し１ＭＰａＧ（１０
kg/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。レギュレータは、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。

【００３５】アノード循環装置３２は、たとえば水素循
環ポンプからなる。この水素循環ポンプは、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る排出水素Ｈｅを吸
引し循環させる。なお、排出水素Ｈｅを循環使用するの
は、供給水素Ｈが、アノード供給装置３１における水素
ガスボンベに貯蔵されている純水素だからである。

【００３６】次に、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
どから構成されており、燃料電池システムＦＣＳを統括
的に制御するとともに、燃料電池１に供給する供給空気
Ａの温度を制御する。制御装置４は、前記の通り温度セ
ンサＴ１〜Ｔ４より出力される検出信号を受信する。ま
た、制御装置４は、空気圧縮器２１、バイパス弁２２、
絞り弁２４、およびカソード背圧弁２６に対する制御信
号を送信する。本実施形態では、制御装置４がバイパス
弁２２を切り替えるとともに、絞り弁２４の絞り開度を
調整する。そうして、空気圧縮器２１から供給される供
給空気Ａが流れる通路を主通路Ｗ１とバイパス通路Ｗ２
の間で切り替える。また、バイパス通路Ｗ２を流す場合
には、絞り弁２４の開度を調整して、供給空気Ａの温度
を調整する。したがって、これらのバイパス弁２２およ
び絞り弁２４が本発明の熱量調整手段を構成する。

【００３７】熱交換器５は、空気圧縮器２１と燃料電池
１のカソード極を繋ぐ空気通路と、アノード供給装置３
１と燃料電池１のアノード極を繋ぐ水素通路の間に介在
されて設けられている。この熱交換器５は、供給空気Ａ
が流れる空気流路と、供給水素Ｈが流れる水素流路とを
備えており、空気流路を流れる供給空気Ａの熱が水素流
路を流れる供給水素Ｈに対して伝達されるようになって
いる。

【００３８】次に、第１の実施形態に係る燃料電池１の
始動時おける燃料電池暖機装置ＧＳ１の動作の一例を、
図３を参照して説明する（適宜図１参照）。

【００３９】図３は、燃料電池暖機装置の制御フローを
示すフローチャートである。なお、燃料電池１に供給さ
れる供給空気Ａの目標温度は６５℃〜８０℃である。

【００４０】燃料電池を始動する際、イグニッションス
イッチをＯＮにすると（Ｓ１）、空気圧縮器２１が駆動
する。空気圧縮器２１が駆動する際、温度センサＴ１，
Ｔ２によって燃料電池１の入側における供給空気Ａの温
度および燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度
を検出する（Ｓ２）。続いて、温度センサＴ２で検出さ
れた排出空気Ａｅの温度Ｔ２が１５℃を超えるかを判断
するとともに、温度センサＴ１で検出された供給空気Ａ
の温度Ｔ１よりも排出空気の温度Ｔ２の方が高いかを判
断する（Ｓ３）。排出空気Ａｅの温度が１５℃を超えて
入れば、燃料電池１が暖まっていることを示すので、燃
料電池１の暖機は特に必要ないと判断できる。一方、供
給空気Ａの温度よりも排出空気Ａｅの温度の方が高い場
合も同様に、燃料電池１が暖まっていると考えられるの
で、燃料電池１の暖機は不要と判断できる。そこで、排
出空気Ａｅの温度が１５℃を超えるか、あるいは排出空
気Ａｅの温度Ｔ２が供給空気Ａの温度Ｔ１よりも高いか
のいずれかの条件を満たすときに、燃料電池１の暖機は
不要と判断する。そして、空気圧縮器２１の駆動を継続
しながら、燃料電池１のアイドル運転を開始する（Ｓ
５）。ここまでの処理が、イグニッションスイッチをＯ
Ｎにした直後に行われる。

【００４１】また、ステップＳ４で排出空気Ａｅの温度
Ｔ２が１５℃以下であり、かつ排出空気Ａｅの温度が供
給空気Ａの温度Ｔ１以下であると判断された場合には、
放熱器２３における冷却水の温度を温度センサＴ３で検
出する（Ｓ６）。いま、冷却水の温度は外気温とほぼ等
しいと考えられるが、冷却水の温度が１５℃を超えてい
れば、燃料電池１の暖機は不要と考えられる。そこで、
冷却水の温度Ｔ３が１５℃を超えているか否かを判断す
る（Ｓ７）。その結果、冷却水の温度Ｔ３が１５℃を超
えている場合には、燃料電池１の暖機は不要であると判
断できるので、空気圧縮器２１の駆動を継続するととも
に、燃料電池１のアイドル運転を開始する（Ｓ５）。ま
た、ステップＳ７で冷却水の温度Ｔ３が１５℃以下であ
ると判断された場合には、バイパス弁２２をＯＮにして
（Ｓ８）、低温始動モードに入り（Ｓ９）、空気圧縮器
２１から供給される供給空気Ａをバイパス通路Ｗ２に流
す。なお、バイパス弁２２をＯＮにすることにより、供
給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を通り、バイパス弁２２を
ＯＦＦにすることにより、供給空気Ａが主通路Ｗ１を流
れるように、通路が切り替えられる。供給空気Ａがバイ
パス通路Ｗ２を流れることにより、供給空気Ａは放熱器
２３を迂回して燃料電池１に供給される。放熱器２３を
迂回して供給される供給空気Ａは、放熱器２３によって
冷却されないので、空気圧縮器２１で暖められた空気を
そのまま燃料電池１に供給することができる。

【００４２】ここで、燃料電池に供給される供給空気Ａ
は、熱交換器５を通過している。この熱交換器５には、
燃料電池１のアノード側に供給される供給水素Ｈも流れ
ている。いま、この供給水素Ｈは、空気圧縮器２１で暖
められる前の供給空気Ａとほぼ同じ程度の温度であり、
暖められた供給空気Ａよりも温度が低い。また、通常、
供給水素Ｈの流量は、供給空気Ａの流量よりも非常に少
ない。これらの供給空気Ａと供給水素Ｈがともに熱交換
器５を通過することにより、供給空気Ａの熱が供給水素
Ｈに伝達され、供給水素Ｈが暖められて供給空気Ａとほ
ぼ同じ温度になる。このため、供給空気Ａは、供給水素
Ｈをも暖めるための熱量を有することが求められるの
で、供給空気Ａは、燃料電池１に供給される温度である
６５〜８０℃よりも高い温度まで暖められる。

【００４３】こうして、空気圧縮器２１で供給空気Ａを
暖めるとともに、供給空気Ａの熱で供給水素Ｈを暖めな
がら供給空気Ａを燃料電池１のカソード側に供給し供給
水素Ｈを燃料電池１のアノード極側に供給することによ
り、燃料電池１を全体的に均一に暖機することができ
る。したがって、燃料電池１が所定の発電能力を発揮し
うるまで燃料電池１を暖機するための時間を短くするこ
とができる。こうして、燃料電池１が迅速に暖機され
る。なお、低温始動モードでは、空気圧縮器２１は、通
常のアイドル時の電力（たとえば５００Ｗ）よりも大き
い電力（たとえば５ｋＷ）で運転され、空気圧縮器２１
の断熱圧縮による加熱量を増加している。また、絞り弁
２４の開度は、たとえば温度センサＴ１で検出される燃
料電池１に供給される直前の供給空気Ａの温度に基づい
て適宜決定される。

【００４４】かかる低温始動モード中において、温度セ
ンサＴ１によって燃料電池１に供給される直前の供給空
気Ａの温度Ｔ１を検出し、温度センサＴ２によって燃料
電池１から排出された排出空気Ａｅの温度を検出する
（Ｓ１０）。そして、燃料電池１に供給される供給空気
Ａの前回の温度と比較した供給空気上昇温度ΔＴ１およ
び燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの前回の温度
と比較した排出空気上昇温度ΔＴ２を算出する。それか
ら、これらの供給空気上昇温度ΔＴ１および排出空気上
昇温度ΔＴ２がそれぞれ０℃を超えているかを判断する
（Ｓ１１）。その結果、供給空気上昇温度ΔＴ１および
排出空気上昇温度ΔＴ２のいずれかが０℃以下となって
いる場合には、ステップＳ９に戻って低温始動モードが
継続する。

【００４５】また、供給空気上昇温度ΔＴ１および排出
空気上昇温度ΔＴ２がいずれも０℃を超えた時点で、温
度センサＴ３で放熱器２３の冷却水の温度Ｔ３を検出す
る（Ｓ１２）。そして、冷却水の温度Ｔ３が１５℃未満
であるか否かを判断する（Ｓ１３）。その結果、冷却水
の水温Ｔ３が１５℃未満である場合には、放熱器２３が
まだ暖まっていないので、放熱器２３に供給空気Ａを流
すと、供給空気Ａが冷えてしまう。このため、低温始動
モードは解除した後（Ｓ１４）、放熱器２３を迂回する
べく、絞り弁２４の絞りを全開にして（Ｓ１５）、供給
空気Ａをすべてバイパス通路Ｗ２に流す。そして、空気
圧縮器２１の駆動を継続しながら、燃料電池１のアイド
ル運転を開始する（Ｓ１６）。このときの空気圧縮器２
１は、たとえば５００Ｗの電力で運転される。

【００４６】そして、放熱器２３の冷却水の温度Ｔ３を
検出し（Ｓ１７）、冷却水の温度Ｔ３が１５℃未満であ
るか否かを判断する（Ｓ１８）。その結果、冷却水の温
度Ｔ３が１５℃未満のときは、ステップＳ１６に戻っ
て、燃料電池１のアイドル運転を継続する。こうして、
冷却水の温度が１５℃以上になるまでフィードバック制
御を行い、冷却水の温度Ｔ３の温度が１５℃以上となる
まで、同様の作業が繰り返される。また、冷却水の温度
Ｔ３が１５℃以上となったときには、放熱器２３が冷え
た状態ではなくなったと判断できるので、図５に示すス
テップＳ１９に進む。

【００４７】一方、ステップＳ１３において、放熱器２
３の冷却水の温度Ｔ３が１５℃以上であると判断された
場合には、放熱器２３は冷えた状態ではないので、その
ままステップＳ１９に進む。

【００４８】ステップ１９では、燃料電池１が低温始動
モードにあるか否かを判断している。低温判断の結果、
始動モードにない場合は、ステップＳ２０を飛び越して
ステップＳ２１に進む。一方、ステップＳ１９で低温始
動モードにあると判断された場合には、始動モードを解
除する（Ｓ２０）。低温始動モードを解除したらバイパ
ス弁２２をＯＦＦにして、空気圧縮器２１から供給され
る空気を主通路Ｗ１に流す。主通路Ｗ１を流れる供給空
気Ａは、放熱器２３によって所定の温度に温度調整させ
られてから、燃料電池１に供給される。そして、空気圧
縮器２１の駆動を継続するとともに、燃料電池１のアイ
ドル運転を行う（Ｓ２２）。そして、燃料電池１の暖機
が終了する（Ｓ２３）。

【００４９】このように、本実施形態では、空気圧縮器
２１によって暖められ、燃料電池１のカソード側に供給
空気Ａと、燃料電池１のアノード側に供給される供給水
素Ｈをそれぞれ熱交換器５に通す。熱交換器５では、供
給空気Ａの熱が供給水素に伝達されて、供給水素Ｈが暖
められる。したがって、燃料電池１のカソード側を介す
ることなく燃料電池１のアノード側を直接暖機すること
ができる。したがって、燃料電池１の全体としての暖気
を迅速に行うことができる。

【００５０】また、燃料電池１の暖機の完了を判断する
にあたり、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの温
度のほか、たとえば空気圧縮器２１の入側に設けられた
図示しない温度センサで外気温を測定し、この外気温に
基づいてバイパス弁２２の制御を行うこともできる。外
気温が低い場合には、燃料電池１に対して好適な温度と
なるまで空気の温度を上昇させるために、空気に与える
熱の量を増やす必要がある。そのため、外気温が低い場
合には、バイパス通路Ｗ２に流す供給空気Ａの流量を増
加させるように制御を行う。逆に、外気温が高い場合に
は、主通路Ｗ１に流す供給空気Ａの流量を増やす。この
ようにして、供給空気Ａの温度を適切に調整することが
できる。

【００５１】また、本実施形態における通常走行時にお
ける暖機処理について説明する。この通常走行時におけ
る暖機処理は、図１に示す燃料電池暖機装置ＧＳ１にお
いて行われるので、適宜図１を参照する。図６（ａ）
は、通常時における暖機処理を説明するためのフローチ
ャートである。図６（ａ）に示すように、燃料電池１が
通常モードにあるときには（Ｓ３０）、温度センサＴ４
で熱交換器５に供給される供給空気Ａの温度Ｔ４を検出
し、供給空気Ａの温度が６０℃未満であるか否かを判断
する（Ｓ３１）。燃料電池１が通常モードにあるときに
は、供給空気Ａを放熱器２３で冷却するためにバイパス
弁２２はＯＦＦとなっており、供給空気Ａは主通路Ｗ１
を流れている。ここで、熱交換器５に供給される供給空
気Ａの温度が６０℃未満である場合には、燃料電池１に
供給するための供給空気の適正温度範囲である６５〜８
０℃の範囲内にある温度の供給空気Ａを燃料電池１に供
給することができない。一方、ステップＳ３１におい
て、供給空気Ａの温度Ｔ４が６０℃以上である場合に
は、燃料電池１に対して適正な温度範囲にある供給空気
Ａを燃料電池１に供給することができる。このためバイ
パス弁２２はＯＦＦのままとし（Ｓ３２）、供給空気Ａ
を主通路Ｗ１に流したままとしてそのまま終了する。

【００５２】また、温度センサＴ４で検出された供給空
気Ａの温度Ｔ４が６０℃未満であるときには、暖かい供
給空気Ａを燃料電池１に供給する必要性があるので、バ
イパス弁２２をＯＮにして（Ｓ３３）、供給空気Ａをバ
イパス通路Ｗ２に流す。バイパス通路Ｗ２を流れる供給
空気Ａは、放熱器２３を迂回して燃料電池１に供給され
るので、暖かいままで燃料電池１に供給される。また、
供給空気Ａをバイパス通路Ｗ２に流すに際し、バイパス
通路Ｗ２に、設けられた絞り弁２４で空気圧縮器２１の
出側における圧力を調整する。このときの絞り弁２４の
開度は熱交換器５の入側直前における供給空気Ａの温度
Ｔ４をパラメータとする関数ｆ（Ｔ４）によって決定す
る（Ｓ３４）。このときに用いられる関数を図６（ｂ）
に示す。図６（ｂ）に示すように、熱交換器５の直前に
おける供給空気Ａの温度Ｔ４が６０℃未満の領域におい
ては、供給空気Ａの温度Ｔ４が低いほど、絞り弁２４の
絞り開度を絞る（小さくする）。絞り弁２４の絞り開度
を絞ることにより、空気圧縮器２１の出側における供給
空気Ａの圧力を大きくすることができ、もって供給空気
Ａをさらに高い温度まで昇温させることができる。した
がって、燃料電池１に供給する供給空気Ａの温度を上昇
させることができる。

【００５３】そして、供給空気Ａの温度Ｔ３が６０℃に
近づくにつれて絞り弁２４の絞り開度を開いていく（大
きくする）。絞り弁２４の絞り開度を開くことにより、
空気圧縮器２１の出側における供給空気Ａの圧力が小さ
くなり、もって供給空気Ａの温度の上昇量が減少する。
したがって、燃料電池１に供給される供給空気Ａとして
適切な温度となるように制御することができる。

【００５４】このような制御を行うことにより、通常時
における燃料電池の暖機処理を終了する（Ｓ３５）。こ
うして、燃料電池１の通常運転時においても、燃料電池
１の暖機を行うことができる。

【００５５】〔第２実施形態〕次に、本発明の第２実施
形態について説明する。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。図７は、第２の実施形態に係る燃料
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。

【００５６】図７に示すように、第２実施形態の燃料電
池暖機装置ＧＳ２は、図１に示す前記第１実施形態にお
ける熱交換器５に代えて、第１，第２共通配管４１，４
２が設けられている点で、前記第１実施形態と異なる。
第２実施形態では、これらの共通配管４１，４２が、供
給空気の熱を供給水素に伝達する熱交換器となる。ま
た、第２実施形態では、絞り弁２４が設けられていな
い。

【００５７】この第２実施形態では、空気圧縮器２１か
ら供給された供給空気Ａは、放熱器２３を介して第１共
通配管４１に導入される。第１共通配管４１を出た供給
空気Ａは、カソード加湿器２５を通過して、第２共通配
管４２に導入される。第２共通配管４２から出た供給空
気Ａは、燃料電池１のカソード極側に供給される。燃料
電池１のカソード極側から排出された排出空気Ａｅは、
前記第１実施形態と同一の経路を経て排出される。

【００５８】一方、アノード供給装置３１から供給され
た供給水素Ｈは、アノード循環装置３２を経て、第１共
通配管４１に導入される。ここで、第１共通配管４１の
断面図を図８に示す。図８に示すように、第１共通配管
４１は、二重管の構造をなしており、内管４１Ａの内側
は供給水素が通過する水素流路ＨＦとなっている。ま
た、内管４１Ａの外側であって外管４１Ｂの内側が供給
空気が通過する空気流路ＡＦとなっている。このような
単純な二重管の構造となっており、供給空気および供給
水素がそれぞれ空気流路ＡＦおよび水素流路ＨＦで同一
方向を向いて並流することにより、供給空気Ａの熱が供
給水素Ｈに伝達されるようになっている。本実施形態で
は、供給空気Ａと供給水素は並行して流れるが、もちろ
ん対向して流れるようにしてもよい。

【００５９】第１共通配管４１を出た供給水素Ｈは、ア
ノード加湿器３３を通過して第２共通配管４２に導入さ
れる。第２共通配管４２は、第１共通配管同様、図８に
示すように、内管４２Ａと外管４２Ｂを備えており、内
管４２Ａの内側に供給水素Ｈが流れる水素流路ＨＦが形
成され、内管４２Ａの外側で外管４２Ｂの内側に供給空
気が流れる空気流路ＡＦが形成されている。こうしてそ
れぞれの流路を流れる供給空気と供給水素の間で、供給
空気から供給水素に対して熱が伝達されるようになって
いる。

【００６０】第２共通配管４２を出た供給空気は、燃料
電池１のアノード極側に供給される。燃料電池１のアノ
ード極側から排出された排出水素はＨｅは、アノード循
環装置３２に導入され、循環利用される。

【００６１】本実施形態に係る燃料電池暖機装置ＧＳ２
においても、前記第１実施形態と同様にして、温度セン
サＴ１〜Ｔ４より出力される各温度信号に基づいて、バ
イパス弁２２およびカソード背圧弁２６を制御してい
る。このため、燃料電池１に対して適切な温度の供給空
気Ａおよび供給水素Ｈを供給することにより、迅速に燃
料電池１を暖機することができる。

【００６２】また、本実施形態においては、共通配管４
１，４２を用いて供給空気Ａの熱を供給水素Ｈに伝えて
供給水素Ｈを暖めているので、前記第１実施形態のよう
に、熱交換器５を用いる場合と比較して、装置全体を小
型化することができる。

【００６３】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。たとえば、前記各実施形態では、燃料電池１に供給
される供給空気の温度や放熱器における冷却器の冷却水
の温度に基づいて、バイパス弁や絞り弁などの制御を行
っている。これに対して、たとえば燃料電池から発電さ
れる発電量に基づいて、燃料電池の状態を把握し、燃料
電池に供給する供給空気および供給水素の温度を制御す
ることができる。具体的に、たとえば燃料電池の発電量
が大きくなると、水素消費量もそれに伴って多くなる。
したがって、燃料電池に供給する供給水素量も多くなる
ので、この多くの水素に熱を与えるために、バイパス通
路に流す空気の流量を増加させて、空気の熱量を増や
す。逆に、燃料電池の発電量が小さいときには、水素消
費量は少ないので、熱を与える水素も少なくなる。した
がって空気に与える熱の量は少なくて済むので、主通路
に流す空気の量を増加させる。こうして、燃料電池に対
して好適な温度の空気および水素を供給することができ
る。なお、燃料電池から発電される発電量は、たとえば
図示しないＥＣＵによって検出することができる。

【００６４】また、前記実施形態では、熱量調整手段と
して主通路とバイパス通路を切り替えるバイパス弁を用
いたが、たとえば主通路とバイパス通路に流す空気の量
を調整する流量調整弁などを用いることもできる。

【００６５】また、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。

【００６６】

【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、このため、熱交換器を介して空気の
熱を水素に伝達して水素を昇温させることができる。そ
して、水素を昇温させることにより、燃料電池のアノー
ド極側をも素早く暖機することができ、燃料電池全体と
して迅速に暖機を完了させることができる。

【００６７】請求項３に係る発明によれば、燃料電池の
暖機状態に応じて適切な温度の空気および水素を燃料電
池に供給することができる。

【００６８】請求項４に係る発明によれば、外気温に基
づいて空気の熱量を調整するので、外気温が変化した場
合であっても、好適な温度の空気および水素を燃料電池
に供給することができる。

【００６９】請求項５に係る発明によれば、燃料電池の
発電量に基づいて空気の熱量を調整するので、燃料電池
の発電量が増減して水素消費量が増減した場合であって
も、適切な温度の水素および空気を燃料電池に供給する
ことができる。

【００７０】請求項６に係る発明によれば、バイパス通
路の管の幅（径）を調整することで、燃料電池に供給さ
れる空気および水素を適切な温度に制御することができ
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】第１実施形態の燃料電池暖機装置の制御フロー
の一部を示すフローチャートである。

【図４】第１実施形態の燃料電池暖機装置の制御フロー
の他の一部を示すフローチャートである。

【図５】第１実施形態の燃料電池暖機装置の制御フロー
のさらに他の一部を示すフローチャートである。

【図６】（ａ）は、通常モードの暖機処理を示すフロー
チャート、（ｂ）は、カソード加湿器供給空気の温度と
絞り弁の絞り開度との関係を示すグラフである。

【図７】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８】共通配管の断面図である。

【符号の説明】

１燃料電池２空気供給装置３水素供給装置４制御装置５熱交換器２１空気圧縮器（コンプレッサ）２２バイパス弁（熱量調整手段）２４絞り弁（熱量調整手段）４１，４２共通配管（熱交換器）Ｗ１主通路Ｗ２バイパス通路Ａ供給空気Ｈ供給水素ＦＣＳ燃料電池システムＧＳ（ＧＳ１，ＧＳ２）燃料電池暖機装置

フロントページの続きＦターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 KK21 KK28 MM01 MM04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池のカソード極に対して空気を供
給する空気供給手段と、前記燃料電池のアノード極に対
して水素を供給する水素供給手段を備え、前記空気供給手段は、前記空気を圧送するコンプレッサ
を有するとともに、前記コンプレッサと前記燃料電池の
カソード極を繋ぐ空気通路を有し、前記水素供給手段は、前記水素を供給する水素供給源と
前記燃料電池のアノード極を繋ぐ水素通路を有し、前記空気通路と前記水素通路との間に、前記空気の熱を
前記水素に伝達する熱交換器が介在されていることを特
徴とする燃料電池暖機装置。
【請求項２】前記空気通路は、主通路とバイパス通路
を備え、前記主通路には、前記空気を冷却する放熱器が
設けられており、前記空気が通る通路を、前記主通路と前記バイパス通路
の間で切り替えて、前記燃料電池に供給される空気の熱
量を調整する熱量調整手段を有す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。
【請求項３】前記燃料電池の暖機状態に応じて、前記
熱量調整手段を制御する制御装置が設けられていること
を特徴とする請求項２に記載の燃料電池暖機装置。
【請求項４】外気温に基づいて前記熱量調整手段を制
御する制御装置が設けられていることを特徴とする請求
項２に記載の燃料電池暖機装置。
【請求項５】前記燃料電池の発電量に応じて前記熱量
調整手段を制御する制御装置が設けられていることを特
徴とする請求項２に記載の燃料電池暖機装置。
【請求項６】前記バイパス通路には、開度を調整可能
にした絞りが設けられていることを特徴とする請求項１
から請求項５のうちのいずれか１項に記載の燃料電池暖
機装置。