JP2002313387A - 燃料電池暖機装置 - Google Patents

燃料電池暖機装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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、大容量のバッテ
リを必要としない燃料電池暖機装置を提供する。 【解決手段】 温度制御装置ＧＳ１は、燃料電池１に対
して供給ガスＡを供給するコンプレッサ２２を有する。
コンプレッサ２２と燃料電池１との間には、供給ガスＡ
を流す主通路Ｗ１が形成され、主通路Ｗ１には、供給ガ
スＡを冷却する放熱器２３が設けられている。また、コ
ンプレッサ２２から供給される供給空気Ａが、放熱器２
３を迂回して燃料電池１に供給されるように、バイパス
通路Ｗ２が設けられている。

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。
【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】このため、従来においては、バッテリや商
用電源による電源ヒータや、たとえばＵＳＰ６１０３４
１０に開示されている水素燃焼ヒータで燃料電池を加熱
するなどの措置を講じていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来の技
術では、燃料電池の暖機のために電源ヒータや水素燃焼
ヒータを用いているので、燃料電池の暖機のためだけ
に、水素や電力を用いなければならない。そのため、電
気や水素を余分に消費してしまうので、たとえば燃料電
池を自動車に積載した場合には、その走行距離が短くな
ってしまう問題があった。また、商用電源を用いた電源
ヒータでは、外部から電気を導入する手間が必要となる
問題もあった。さらに、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒ
ータを設ける必要があるため、その分燃料電池システム
全体が大型化する問題があった。特に、寒冷地であると
か、冬季であるなど、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。さらに、氷点下
では、燃料電池内の水分が凍っていることがあり、この
状態では燃料電池で発電することが難しい状態にあるた
め、より一層迅速に燃料電池を暖機する必要がある。
【０００６】そこで、本発明の課題は、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、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータを必要
としない燃料電池暖機装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決する本発
明のうちの請求項１に係る発明は、燃料電池に対して供
給ガスを供給するコンプレッサを有し、前記コンプレッ
サと前記燃料電池との間に前記供給ガスを流す主通路が
形成され、前記主通路には放熱器が設けられており、前
記コンプレッサと前記燃料電池との間には、前記放熱器
を迂回して前記供給ガスを流すバイパス通路が設けられ
ていることを特徴とする燃料電池暖機装置。
【０００８】請求項１に係る発明では、コンプレッサか
ら燃料電池に供給ガスを供給するにあたり、供給ガスが
主通路を通ると放熱器による冷却がなされ、バイパス通
路を通ると放熱器は通らず、供給ガスが冷却されること
はない。したがって、供給ガスを冷却する必要がある燃
料電池の通常運転時には供給ガスを主通路に通して冷却
する。逆に、暖機が必要な始動時には供給ガスをバイパ
ス通路に通すことによって昇温させ、暖かい供給ガスを
燃料電池に供給する。こうして、始動時には暖かい供給
ガスが燃料電池に供給されるので、暖機を迅速に行うこ
とができるので、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータを
設ける必要がなくなる。
【０００９】請求項２に係る発明は、請求項１に記載の
燃料電池暖機装置において、前記バイパス通路の断面積
は、前記主通路の断面積よりも小さいことを特徴とす
る。
【００１０】請求項２に係る発明では、バイパス通路の
断面積が主通路の断面積よりも小さく設定されている。
コンプレッサから供給される供給ガスの昇温量は、コン
プレッサの圧縮比で決まる。コンプレッサから供給され
る供給ガスの通路の断面積が小さいほど、同じ流量の供
給ガスを供給する際にその圧縮比が増加し、圧縮比の増
加に伴い供給ガスの温度も増加する。このため、燃料電
池の暖機を図りたいときに供給ガスを通すバイパス通路
の断面積を、通常時に供給ガスを通す主通路の断面積よ
り大きくしておくことにより、高い温度の供給ガスを燃
料電池に供給することができる。したがって、さらに迅
速に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００１１】請求項３に係る発明は、請求項１に記載の
燃料電池暖機装置において、前記燃料電池の暖機状態に
応じて、前記コンプレッサから前記燃料電池に対して供
給される供給ガスを前記主通路と前記バイパス通路のい
ずれに流すかを決定することを特徴とする。
【００１２】請求項３に係る発明では、燃料電池の暖機
状態に応じて、主通路とバイパス通路のいずれに流すか
を決定する。このため、燃料電池がまだ暖まっていない
状態では、コンプレッサによって昇温させられた供給ガ
スを燃料電池に供給する。また、燃料電池が暖まった
ら、供給ガスを主通路に流すようにして、放熱器を介し
て、高温となった供給ガスを冷却して燃料電池に供給す
ることができる。
【００１３】請求項４に係る発明は、請求項１または請
求項２に記載の燃料電池暖機装置において、前記コンプ
レッサから前記燃料電池に供給される供給ガスのうち、
前記主通路を通過する前記供給ガスの流量と、前記バイ
パス通路を通過する前記供給ガスの流量との比率を調整
する流量調整手段が設けられていることを特徴とする。
【００１４】請求項４に係る発明では、燃料電池に供給
される供給ガスのうち、主通路に流す供給ガスの流量
と、バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整してい
る。このため、燃料電池が暖機されておらず、冷えてい
るときには、供給ガスをすべてバイパス通路に流して供
給ガスを昇温させて燃料電池を暖機する。その後、燃料
電池が暖機されてきたら、徐々に供給ガスが流れる通路
をバイパス通路から主通路に移していく。こうして、燃
料電池が冷えた状態から暖機が完了するまでの間、適切
な温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１５】請求項５に係る発明は、請求項４に記載の
燃料電池暖機装置において、前記燃料電池の暖機状態に
応じて、前記コンプレッサから前記燃料電池に供給され
る供給ガスのうち、前記バイパス通路に流す供給ガスの
流量を調整することを特徴とする。
【００１６】請求項５に係る発明においては、コンプレ
ッサから燃料電池の供給する供給ガスのうち、バイパス
通路に流す供給ガスの量を燃料電池の暖機状態に応じて
調整している。このため、たとえば燃料電池の運転中に
燃料電池の負荷が低下して、燃料電池が、暖機を必要と
する状態となったときには、暖機を必要とする状態に応
じて、バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整する。
こうして、燃料電池の運転中でも、早期に燃料電池を暖
機することができる。
【００１７】請求項６に係る発明は、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に
おいて、前記燃料電池の暖機状態に応じて、前記コンプ
レッサの回転数を制御することを特徴とする。
【００１８】請求項６に係る発明においては、燃料電池
の暖機状態に応じて、コンプレッサの回転数を制御して
いる。このため、たとえば燃料電池の入側における供給
ガスの温度が高温、たとえば８０℃以上となったとき
に、コンプレッサの回転数を抑制することにより、燃料
電池に供給される供給ガスの温度を低下させる。こうし
て、燃料電池が発電する際に好適な温度となる供給ガス
を燃料電池に供給することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の燃料
電池暖機装置を、図面を参照して詳細に説明する。 〔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。
【００２０】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（ＧＳ１）
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。
【００２１】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。
【００２２】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。
【００２３】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。
【００２４】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、コンプレッサ２２、放熱器２３、加湿器２４、通路
ＯＮ／ＯＦＦ弁２５、逆流防止弁２６、および圧力制御
弁２７を備えている。このうち、コンプレッサ２２と燃
料電池１の間における主通路Ｗ１に放熱器２３が設けら
れている。また、主通路Ｗ１における放熱器２３が配置
されている位置の下流側に通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５が設
けられている。
【００２５】さらに、コンプレッサ２２と燃料電池１の
間におけるバイパス通路Ｗ２は、放熱器２３を迂回して
形成されている。具体的には、コンプレッサ２２の放熱
器２３の間で主通路Ｗ１から分岐して、通路ＯＮ／ＯＦ
Ｆ弁２５と加湿器２４の間で主通路Ｗ１に合流する。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２３を通過しないようになっている。
【００２６】また、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、たとえば主通路Ｗ１の断
面積の１／２、またはそれ以下に設定されている。この
ように、バイパス通路Ｗ２の断面積が小さく設定されて
いることにより、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れ
る際には、主通路Ｗ１を流れる際よりもコンプレッサ２
２の吐出側の圧力が大きくなる。その結果、コンプレッ
サ２２における圧縮量が大きくなり、供給空気Ａの温度
を高くすることができる。
【００２７】そのほか、空気供給装置２は、供給空気、
排出空気、冷却水等の温度を検出する温度センサＴ１，
Ｔ２，Ｔ３を有している。
【００２８】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。
【００２９】コンプレッサ２２は、図示しないスーパー
チャージャ（圧縮機）およ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
る供給空気Ａを断熱圧縮して燃料電池１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。
【００３０】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コンプレッサ２
２から供給される供給空気を冷却している。燃料電池１
の通常運転時におけるコンプレッサ２２から供給される
供給空気の温度は通常１２０℃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。
【００３１】加湿器２４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５０００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Ａｅ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、加湿器としては、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。
【００３２】通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５は、主通路Ｗ１に
設けられており、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５をＯＮにする
ことにより、主通路Ｗ１に供給空気Ａが流れ、ＯＦＦに
することにより、バイパス通路Ｗ２に供給空気Ａが流れ
るようになっている。
【００３３】逆流防止弁２６は、バイパス通路Ｗ２に設
けられており、コンプレッサ２２から加湿器２４の方向
に流れる供給空気Ａが逆流するのを防止している。
【００３４】圧力制御弁２７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）を圧力制御弁２７の開度を減少・増加するこ
とにより制御する。ちなみに、圧力制御弁２７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、圧力
制御弁２７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。
【００３５】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。
【００３６】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、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】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、放熱器２３内に
おける冷却水の水温を検出し、検出信号を制御装置４に
送信する。
【００３８】また、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。
【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】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，Ｔ２,Ｔ３ら
の検出信号を受信する。また、制御装置４は、コンプレ
ッサ２２、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５、逆流防止弁２６、
および圧力制御弁２７に対する制御信号を送信する。
【００４３】次に、第１の実施形態に係る燃料電池１の
始動時における燃料電池暖機装置ＧＳ１の動作の一例
を、図３および図４を参照して説明する（適宜図１参
照）。
【００４４】ここで、図３および図４は、第１の実施形
態に係る燃料電池暖機装置における制御フローを示すフ
ローチャートである。図４に示すフローでは、コンプレ
ッサ２２の回転数によって供給空気Ａの加熱量を制御す
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。
【００４５】図３に示すように、燃料電池電気自動車の
イグニッションスイッチをＯＮにして燃料電池電気自動
車を始動させると（Ｓ１）、所定のシステムチェックを
行い、各種機器に異常がないか判断する（Ｓ２）。ここ
で異常が検出された場合には、異常状態に応じた所定の
異常処理モードに移行する（Ｓ３）。一方、異常が検出
されなかった場合には、アイドル運転を行う際に見合っ
た量の供給空気Ａを供給するように、コンプレッサ２２
の回転数を設定する（Ｓ４）。続いて、温度センサＴ２
によって燃料電池１の出口側における排出空気Ａｅの温
度を検出し、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下であるか
否かを検出する（Ｓ５）。排出空気Ａｅの温度は、燃料
電池１を通過し、すぐ排出された空気の温度であるの
で、排出空気Ａｅの温度によって、燃料電池１の暖機状
態を判定することができる。
【００４６】その結果、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が２０
℃を超えている場合には、暖機は完了していると判断で
きるので、定常発電モードへ移行する（Ｓ６）。また、
排出空気Ａｅの温度が２０℃以下である場合には、燃料
電池１はいまだ暖機が必要な状態にあると判断できるの
で、暖機モードへ移行する（Ｓ７）。
【００４７】こうして暖機モードに移行した後の制御に
ついて、図４を参照して説明する。暖機モードに入った
ら（Ｓ１０）、温度センサＴ３によって、放熱器２３に
おける冷却水の水温を検出し、冷却水の水温Ｔ３が３０
℃以下であるか否かを検出する（Ｓ１１）。ここで、冷
却水の水温Ｔ３が３０℃を超える場合には、燃料電池１
は暖機されていると判断することができるので、定常発
電モードへ移行する（Ｓ１２）。一方、冷却水温度が３
０℃以下である場合には、燃料電池１は、いまだ暖機が
必要な状態にあると判断できる。したがって、通路ＯＮ
／ＯＦＦ弁２５を閉じて、コンプレッサ２２から供給さ
れる供給空気Ａをバイパス通路Ｗ２に通過させる。バイ
パス通路Ｗ２は、放熱器２３を迂回して形成されている
ので、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａは、放熱器
２３によって冷却されることはない。しかも、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、具体的にはおよそ１／２に設定されている。このた
め、供給空気Ａがバイパス通路を流れる場合、主通路Ｗ
１を流れる場合と比較してコンプレッサ２２の出口側の
圧力が大きくなる。その結果、コンプレッサ２２の圧縮
量が大きくなり、供給空気Ａをさらに高温に上昇させる
ことができる。このようにして、コンプレッサ２２にお
ける冷却水の温度から燃料電池１の暖機状態を判断し、
供給空気Ａを暖機状態に応じて主通路Ｗ１またはバイパ
ス通路Ｗ２のいずれに流すかを決定する。
【００４８】バイパス通路Ｗ２を流れることによって温
度が上昇した供給空気Ａは、高温状態のまま加湿器２４
を介して燃料電池１に供給され、燃料電池１には、温度
の高い供給空気Ａが供給されるので、早期に暖機を完了
することができる。
【００４９】通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を閉じたら、温度
センサＴ２によって、燃料電池１の出側における排出空
気Ａｅの温度を読み取る（Ｓ１４）。燃料電池１の出側
における排出空気Ａｅの温度を読み取ったら、図５
（ａ）に示す温度‐空気流量マップを参照して、排出空
気Ａｅの温度に対応するコンプレッサ２２の回転数を検
出し、コンプレッサ２２の回転数を、検出された回転数
に設定する（Ｓ１５）。続いて、燃料電池１の出側に配
置される圧力制御弁２７の開度を設定する（Ｓ１６）。
このときの圧力制御弁２７の開度は、図５（ｂ）に示す
空気流量‐圧力制御弁開度マップを参照することによ
り、燃料電池１の入口側における供給空気Ａの圧力が所
定の値になるように、コンプレッサ２２の回転数に対応
する開度を設定する。
【００５０】こうして圧力制御弁２７の開度を設定した
ら、温度センサＴ１によって、燃料電池１の入側におけ
る供給空気Ａの温度を読み取る（Ｓ１７）。温度センサ
Ｔ１によって供給空気Ａの温度を読み取ったら、供給空
気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えるか否かを判断する（Ｓ
１８）。供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えている場
合には、燃料電池１を暖機するための温度としては充分
すぎる。したがって、供給空気Ａの温度が８０℃を超え
ているときには、コンプレッサ２２の回転数を低下させ
て、圧縮量を減らすことにより、燃料電池１に供給され
る供給空気Ａの温度を低下させる（Ｓ１９）。また、供
給空気Ａの温度が８０℃以下である場合には、コンプレ
ッサ２２の回転数を変えることなく、そのまま運転を継
続する。そして、燃料電池１の出側における排出空気Ａ
ｅの温度を検出し、その温度が２０℃を超えているか否
かを判断する（Ｓ２０）。その結果、排出空気Ａｅの温
度が２０℃以下である場合には、さらに暖機が必要であ
ると判断して、ステップＳ１６に戻って燃料電池１の暖
機制御を継続する。一方、排出空気Ａｅの温度が２０℃
を超えている場合には、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を開く
（Ｓ２１）。こうして、コンプレッサ２２から供給され
る供給空気Ａを、主通路Ｗ１に流して燃料電池１に供給
して、定常運転に移行することにより、暖機モードを終
了する（Ｓ２２）。
【００５１】このようにして、燃料電池１が暖機状態に
あるときには、バイパス通路Ｗ２を介して供給空気Ａを
燃料電池１に供給するので、燃料電池１に対して放熱器
２３を通さない暖かい供給空気Ａを供給することができ
る。その結果、燃料電池１を早期に暖機することができ
るようになるので、始動時に燃料電池１を暖機するため
の専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータなどを設ける必要
がなくなる。また、暖機が完了した後は、通常モードと
して、供給空気Ａを放熱器２３に通すことにより、燃料
電池１に供給される供給空気Ａの温度が高くなりすぎな
いようにすることができる。
【００５２】なお、前記第１の実施形態では、燃料電池
１から排出される排出空気Ａｅの温度Ｔ２および放熱器
２３における冷却水の水温Ｔ３に基づいて燃料電池１の
暖機状態を判断しているが、これらのうちの一方のみに
基づいて、燃料電池１の暖機状態を判断することもでき
る。この場合、燃料電池１の暖機状態の判断に利用され
ない温度センサはその取り付けを省略することができる
のはもちろんである。
【００５３】〔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、前記第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６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。
【００５４】図６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に示す通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２
５に代えて、流量制御弁４１を備える構成になっている
（他の部分は第１実施形態と同じ）。本実施形態では、
始動時における燃料電池１の暖機のほか、始動時以外の
低負荷時における燃料電池１の暖機も好適に行うことが
できる。
【００５５】次に、第２の実施形態に係る燃料電池１の
運転時における燃料電池暖機装置ＧＳ２の動作の一例
を、図７を参照して説明する（適宜図６参照）。ここ
で、図７は、第２実施形態の燃料電池暖機装置における
暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを
示すフローチャートである。図７に示すフローでは、流
量制御弁４１の開度によって供給空気Ａの加熱量を制御
する。
【００５６】図７に示すように、燃料電池１が暖機モー
ドに入ったら（Ｓ３０）、温度センサＴ３を読み取り、
放熱器２３における冷却水の水温Ｔ３が３０℃以下であ
るか否かを検出する（Ｓ３１）。ここで、冷却水の水温
Ｔ３が３０℃を超える場合には、燃料電池１は暖機の必
要がないと判断できるので、通常運転に移行することが
できる（Ｓ３２）。一方、冷却水の水温Ｔ３が３０℃以
下である場合には、燃料電池１は冷えており、暖機が必
要であると判断することができる。このときには、流量
制御弁４１を閉じて（Ｓ３３）、コンプレッサ２２から
供給される供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れるよう
にする。続いて、温度センサＴ２を読み取り（Ｓ３
４）、燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度Ｔ
２を検出する。排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出したら、
コンプレッサ２２の回転数を所定の回転数に設定する
（Ｓ３５）。このときのコンプレッサ２２の回転数はた
とえば３０００ｒｐｍに設定することができる。コンプ
レッサ２２の回転数を設定したら、図５（ｂ）に示す空
気流量‐圧力制御弁開度マップを参照して、コンプレッ
サ２２の回転数に対応する圧力制御弁２７の開度を設定
する（Ｓ３６）。
【００５７】圧力制御弁３６の開度を調整したら、温度
センサＴ１によって、燃料電池１の入側における供給空
気Ａの温度を読み取る（Ｓ３７）。温度センサＴ１によ
って供給空気Ａの温度を読み取ったら、供給空気Ａの温
度Ｔ１が８０℃を超えているか否かを判断する（Ｓ３
８）。その結果、供給空気Ａの温度が８０℃を超えてい
る場合には、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度
が高すぎるので、流量制御弁４１を、前回より所定開
度、たとえば１ｄｅｇ開いて（Ｓ３９）、バイパス通路
Ｗ２を流れる供給空気Ａのうちの一部を主通路Ｗ１に流
すようにする。主通路Ｗ１を流れる供給空気Ａは、放熱
器２３を通過して冷却される。また、主通路Ｗ１の断面
積は広いので、コンプレッサ２２による圧縮量が少なく
なる。こうして、燃料電池１に供給する供給空気Ａの温
度を少し低下させることができる。また、ステップＳ３
７で供給空気Ａの温度が８０℃以下であると判断された
場合には、供給空気Ａの温度が高すぎることはないの
で、そのまま燃料電池１に供給する。
【００５８】続いて、温度センサＴ２によって燃料電池
１から排出される排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出し、排
出空気Ａｅの温度Ｔ２が２０℃を超えているか否かを判
断する（Ｓ４０）。その結果、排出空気Ａｅの温度が２
０℃以下である場合には、ステップＳ３４に戻って、再
び暖機制御を行う。この暖機制御の際には、ステップＳ
３９において流量制御弁４１の開度を１ｄｅｇづつ徐々
に開いていくので、燃料電池１に供給される供給空気Ａ
の温度を好適な温度範囲に制御することができる。しか
も、供給空気Ａは、主通路Ｗ１およびバイパス通路Ｗ２
を通過して燃料電池１に供給されるので、供給空気Ａの
流量を減少させることはない。
【００５９】また、ステップＳ４０で排出空気Ａｅの温
度が２０℃を超えていると判断された場合には、燃料電
池１は暖機されたと考えられるので、流量制御弁４１を
開いて（Ｓ４１）、コンプレッサ２２から供給される供
給空気Ａを主通路Ｗ１に流す。こうして、定常運転に移
行することにより、暖機が終了する（Ｓ４２）。
【００６０】このように、第２実施形態では、燃料電池
１の暖機状態に応じて流量制御弁４１の開度を調整して
いるため、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度を
燃料電池１が発電を行う際に好適な温度となるように制
御している。このため、燃料電池１の運転中も、燃料電
池１に供給する供給空気Ａの供給量を減らすことなく、
好適な温度の供給空気Ａが燃料電池１に対して供給する
ことができる。
【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、前記第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８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実施形態では、第１実施形態と比較し
て、バイパス通路Ｗ２の接続位置が異なっている。すな
わち、図１に示す第１実施形態では、通路ＯＮ／ＯＦＦ
弁２５と加湿器２４の間にバイパス通路Ｗ２が接続され
ていたが、第３実施形態では、加湿器２４と燃料電池１
の間にバイパス通路Ｗ２が接続されている。
【００６３】第３の実施形態では、バイパス通路Ｗ２を
通過した供給空気Ａは、放熱器２３に加えて、加湿器２
４をも通過することなく燃料電池１に供給される。供給
空気Ａが加湿器２４を通過すると、供給空気Ａが加湿さ
れるが、この加湿とともにわずかながら温度の低下が生
じる。第３実施形態では、バイパス通路Ｗ２を流れた供
給空気Ａは加湿器２４も通過しない。前記第１実施形態
で説明したように、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流
れるのは、燃料電池１を暖機するときである。したがっ
て、第３実施形態では、燃料電池１の暖機を行う際に、
バイパス通路Ｗ２を流れた供給空気Ａが加湿器２４を通
過することがないので、さらに早期に燃料電池１の暖機
を完了することができる。
【００６４】〔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、前記第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９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。
【００６５】第４実施形態では、図１に示す第１実施形
態で用いられていた通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５および逆流
防止弁２６に代えて、図９に示すように、通路切換え弁
４２を用いている。このように、通路切換え弁４２を用
いることにより、前記第１の実施形態と比較して、部品
点数を削減することができる。
【００６６】〔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。本実施形態は、前記第３実
施形態と近似する形態であるので、前記第３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。
【００６７】第５実施形態では、図８に示す第３の実施
形態で用いられていた通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５および逆
流防止弁２６に代えて、図１０に示すように、通路切換
え弁４２を用いている。このように、通路切換え弁４２
を用いることにより、前記第３の実施形態と比較して、
部品点数を削減することができる。
【００６８】以上、本発明の好適な実施形態について説
明したが、本発明は、前記した発明の実施形態に限定さ
れることなく、広く変形実施することができる。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、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、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。
【００６９】また、燃料電池に温度の高い供給空気を供
給しているので、燃料電池で発電しながら、燃料電池を
暖機することができる。このため、短時間で燃料電池か
ら電気の取り出しを開始することができるので、水素を
無駄なく利用することができる。
【００７０】
【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、供給ガスを冷却する必要がある燃料
電池の通常運転時には供給ガスを主通路に通して冷却
し、暖機が必要な始動時には供給ガスをバイパス通路に
通すことによって昇温させ、暖かい供給ガスを燃料電池
に供給する。こうして、始動時には暖かい供給ガスが燃
料電池に供給されるので、暖機を迅速に行うことができ
るので、暖機のための専用の電源ヒータや水素燃焼ヒー
タなどを設ける必要がなくなる。
【００７１】請求項２に係る発明によれば、バイパス通
路の断面積を、通常時に供給ガスを通す主通路の断面積
より大きくしておくことにより、高い温度の供給ガスを
燃料電池に供給することができる。したがって、さらに
迅速に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００７２】請求項３に係る発明によれば、燃料電池が
まだ暖まっていない状態では、コンプレッサによって昇
温させられた供給ガスを燃料電池に供給する。また、燃
料電池が暖まったら、供給ガスを主通路に流すようにし
て、放熱器を介して、高温となった供給ガスを冷却して
燃料電池に供給することができる。
【００７３】請求項４に係る発明によれば、燃料電池が
冷えた状態から暖機が完了するまでの間、適切な温度の
供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【００７４】請求項５に係る発明によれば、たとえば燃
料電池の運転中に燃料電池の負荷が低下して、燃料電池
が、暖機を必要とする状態となったときには、暖機を必
要とする状態に応じて、バイパス通路に流す供給ガスの
流量を調整する。こうして、燃料電池の運転中でも、早
期に燃料電池を暖機することができる。
【００７５】請求項６に係る発明によれば、たとえば燃
料電池の入側における供給ガスの温度が高温となったと
きに、コンプレッサの回転数を抑制することにより、燃
料電池に供給される供給ガスの温度を低下させることが
できる。こうして、燃料電池が発電する際に好適な温度
となる供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【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における始動
時から暖機モードに移行するまでの制御フローを示すフ
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における暖機
モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示す
フローチャートである。
【図５】（ａ）は、コンプレッサ回転数と供給空気の温
度の関係を示す温度‐空気流量マップ、（ｂ）は、コン
プレッサ回転数と圧力制御弁開度の関係を示す空気流量
‐圧力制御弁開度マップである。
【図６】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７】第２実施形態の燃料電池暖機装置における暖機
モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示す
フローチャートである。
【図８】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９】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１０】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。
【符号の説明】
ＧＳ（ＧＳ１〜ＧＳ５） … 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 … コンプレッサ ２３ … 放熱器 ２４ … 加湿器 ２５ … 通路ＯＮ／ＯＦＦ弁 ２６ … 逆流防止弁 ２７ … 圧力制御弁 ３ … 水素供給装置 ４ … 制御装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA13 KK44 KK48 MM08

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料電池に対して供給ガスを供給するコ
    ンプレッサを有し、前記コンプレッサと前記燃料電池と
    の間に前記供給ガスを流す主通路が形成され、前記主通
    路には放熱器が設けられており、 前記コンプレッサと前記燃料電池との間には、前記放熱
    器を迂回して前記供給ガスを流すバイパス通路が設けら
    れていることを特徴とする燃料電池暖機装置。
  2. 【請求項２】 前記バイパス通路の断面積は、前記主通
    路の断面積よりも小さい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】 前記燃料電池の暖機状態に応じて、前記
    コンプレッサから前記燃料電池に対して供給される供給
    ガスを前記主通路と前記バイパス通路のいずれに流すか
    を決定する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】 前記コンプレッサから前記燃料電池に供
    給される供給ガスのうち、前記主通路を通過する前記供
    給ガスの流量と、前記バイパス通路を通過する前記供給
    ガスの流量との比率を調整する流量調整手段が設けられ
    ている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。
  5. 【請求項５】 前記燃料電池の暖機状態に応じて、前記
    コンプレッサから前記燃料電池に供給される供給ガスの
    うち、前記バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整す
    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】 前記燃料電池の暖機状態に応じて、前記
    コンプレッサの回転数を制御す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。
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