JP2006093025A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】氷点下等の低温始動時での凍結を有効に防止しながら、空気加湿手段での効率の良い加湿を実現する。
【解決手段】燃料電池１への供給空気が流れる空気供給通路４と燃料電池１からの排出空気が流れる空気排気通路５とに跨って膜加湿器等の空気加湿手段６が配設され、空気供給通路４における空気加湿手段６の下流側に空気圧送手段７が配設された燃料電池システムにおいて、燃料電池１から排出されて空気排気通路５を流れる高温空気の少なくとも一部を空気供給通路４における空気圧送手段４上流側に環流させるための空気環流手段（第１空気通路１１及び第１開閉弁１２、第２空気通路１３及び第２開閉弁１４）を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料である水素と酸化剤である空気とが供給されることで発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものであり、特に、燃料電池に供給する空気を加湿するための空気加湿手段を空気圧送手段の上流側に配置した構成の燃料電池システムの改良に関する。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料としての水素、酸化剤極に酸化剤としての空気をそれぞれ供給し、燃料電池においてこれら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。

燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば車載用に好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に高分子膜が設けられたものであり、この高分子膜が飽和含水することによって水素イオン伝導体（電解質膜）として機能するようになっている。したがって、このような固体高分子タイプの燃料電池を用いた燃料電池システムでは、何らかのかたちで燃料電池の固体高分子膜を加湿する機構を設ける必要があり、例えば、燃料電池への空気供給通路と燃料電池からの空気排気通路とに跨って中空糸膜を用いた膜加湿器を設置し、この膜加湿器を用いて燃料電池から排出された空気（オフガス）中の水分を燃料電池に供給される空気（スイープガス）へと移動させて、加湿した空気を燃料電池に供給することで燃料電池の高分子膜を加湿することが広く行われている。

ところで、中空糸膜を用いた膜加湿器においては、低温で乾燥したスイープガスと高温多湿のオフガスとの温度差が大きいほど加湿効率が高くなる。そのため、膜加湿器は、空気を圧送するための空気圧送手段の上流側に配設する方が有利であり、そのように構成した燃料電池システムも提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。従来の一般的な構成では、膜加湿器が空気圧送手段の下流側に設けられており、空気圧送手段で圧縮されて高温となったスイープガスが膜加湿器に導入されるため、スイープガスとオフガスとの温度差を確保することが困難であったが、膜加湿器を空気圧送手段の上流側に配設することによって、スイープガスとオフガスとの温度差を確保して加湿効率の向上を図ることが可能となる。
特開２００１−３５１６５９号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明のように、膜加湿器を空気圧送手段の上流側に配設した場合（換言すると、膜加湿器の下流側に空気圧送手段を配設した場合）、膜加湿器には外気より吸入した空気がそのまま供給されることになるので、膜加湿器を通過する空気の温度が外気温に大きく影響されることになる。このとき、例えば外気温が氷点下となっている状況でシステムを始動させると、膜加湿器に氷点下の空気が供給されることで、膜加湿器の内部や空気圧送手段前段の配管などで凍結が生じる可能性がある。そして、このような凍結が生じると、燃料電池に供給する空気を適正に加湿することができなくなり、円滑な始動の妨げとなる。

本発明は、以上のような空気加湿手段（膜加湿器）の下流側に空気圧送手段を配設した構成の燃料電池システムが抱える問題を解消すべく提案されたものであり、氷点下等の低温始動時での凍結を有効に防止しながら、空気加湿手段での効率の良い加湿を実現することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料である水素と酸化剤である空気とが供給されることで発電する燃料電池と、燃料電池に供給される空気が流れる空気供給通路と、燃料電池から排出された空気が流れる空気排気通路と、空気供給通路と空気排気通路とに跨って配設され、燃料電池から排出された空気中の水分で燃料電池に供給される空気を加湿する空気加湿手段と、空気供給通路における空気加湿手段の下流側に配設され、燃料電池に空気を圧送する空気圧送手段とを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出された空気の少なくとも一部を空気供給通路における空気圧送手段の上流側に環流させるための空気環流手段を設けたことを特徴としている。

本発明の燃料電池システムでは、空気供給経路における空気加湿手段の下流側に空気圧送手段が設けられているので、空気加湿手段には、空気圧送手段により圧縮され高温となった空気が供給されるのではなく、空気供給通路に吸気した空気がそのまま供給されることになる。したがって、燃料電池に供給される加湿対象の空気（スイープガス）と燃料電池から排出された高湿度の空気（オフガス）との温度差を大きくとることができ、加湿効率が高くなる。

また、例えば氷点下等の低温始動時には、燃料電池から排出された高温の空気の少なくとも一部が空気還流手段によって空気供給通路における空気圧送手段の上流側に還流されるので、この空気圧送手段上流側において速やかに暖機が行われることになり、例えば空気供給通路の配管内や空気加湿手段内部等における凍結が防止される。

本発明の燃料電池システムによれば、氷点下等の低温始動時での空気供給通路における空気圧送手段上流側の配管内や空気加湿手段内部等における凍結を有効に防止しながら、空気加湿手段での効率の良い加湿を実現することができる。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
本実施形態の燃料電池システムは、発電手段としての燃料電池と、燃料電池に燃料としての水素を供給する水素系と、燃料電池に酸化剤としての空気を供給する空気系とを主要な構成要素として備え、燃料電池に水素系からの水素、空気系からの空気をそれぞれ供給することで、燃料電池でこれら水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。

燃料電池は、水素が供給される燃料極（アノード）と空気が供給される酸化剤極（カソード）とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有する。特に、本実施形態の燃料電池システムでは、この燃料電池として固体高分子タイプの燃料電池を用いている。固体高分子タイプの燃料電池は、電解質として固体高分子膜を用いたものであり、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等の点で優れている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

水素系は、例えば、水素を貯蔵する高圧水素タンクや、水素供給通路、可変バルブ、水素排気通路、水素希釈装置等を有する。この水素系において、水素供給源である高圧水素タンクから取り出された水素は、可変バルブなどで流量や圧力が調整された上で、水素供給通路を通じて燃料電池の燃料極へと供給される。また、燃料電池の燃料極から排出されたアノード排ガスは、水素排気通路を通って水素希釈装置で水素濃度が十分に希釈された上で、システム外部に排出される。

なお、水素系の構成は以上の例に限定されるものではなく、従来公知の構成が何れも採用可能である。例えば、燃料電池での発電で消費されなかった余剰の水素をポンプやエゼクタを用いて循環させて、燃料電池の燃料極に再度供給する水素循環型の構成を採用してもよく、この場合には、水素の利用効率を高めながら燃料電池での発電を効率的に行うことが可能となる。

燃料電池で発電を行うには、燃料としての水素の他、酸化剤としての空気を供給する必要があり、燃料電池システムには、そのための機構として空気系が設けられている。本発明の燃料電池システムは、この空気系の構成に大きな特徴を有しており、以下、この空気系を中心に本実施形態の燃料電池システムの構成について説明する。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの構成、特に空気系の構成を中心に示したものである。本実施形態の燃料電池システムは、固体高分子タイプの燃料電池１を備え、この燃料電池１の燃料極１ａに上述した水素系の水素供給通路２及び水素排気通路３が接続されている。また、燃料電池１の酸化剤極１ｂ側には、空気系を構成する空気供給通路４及び空気排気通路５がそれぞれ接続されている。空気供給通路４は燃料電池１の酸化剤極１ｂに供給される空気が流れる通路であり、空気排気通路５は、燃料電池１の酸化剤極１ｂから排出された空気が流れる通路である。

本実施形態の燃料電池システムでは、空気供給通路４を通って燃料電池１の空気極１ｂへと供給される空気を加湿することで、燃料電池１の固体高分子膜を加湿する方式を採用しており、空気系に、中空糸膜を用いた膜加湿器等の空気加湿手段６が設けられている。この空気加湿手段６は、空気供給通路４と空気排気通路５とに跨って配設され、燃料電池１の空気極１ｂから排出されて空気排気通路５を流れる空気（オフガス）中の水分を、空気供給通路４を流れる空気、すなわち燃料電池１の空気極１ｂに供給される空気（スイープガス）へと移動させて、スイープガスを加湿するものである。

また、空気供給通路４には、燃料電池１の酸化剤極１ｂに空気を圧送するための機構として、コンプレッサ等の空気圧送手段７が設けられており、特に本実施形態の燃料電池システムでは、この空気圧送手段７が空気供給通路４における空気加湿手段６の下流側、すなわち空気加湿手段６と燃料電池１との間に配設されている。この空気圧送手段７の吸気側ポートには水噴射手段８が設けられており、空気加湿手段６による加湿が不足する際には、この水噴射手段８により空気圧送手段７から燃料電池１へと圧送される空気に水を噴射することで、必要な加湿量が確保できるようにしている。

水噴射手段８への水の供給は、例えば、空気排気通路５中に水回収手段９を設置して、ここで燃料電池１の空気極１ｂから排出される空気中の水分の一部を回収することによって行われる。また、空気排気通路５における空気加湿手段６の下流側には圧力制御弁１０が設けられており、この圧力制御弁１０の開度調整によって、空気系における空気圧力、すなわち燃料電池１の運転圧力が制御されるようになっている。

また、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池１の酸化剤極１ｂから排出された空気の少なくとも一部を空気供給通路４における空気圧送手段７の上流側に環流させるための空気環流手段を設け、例えば、低温始動時に、この空気環流手段によって、燃料電池１の酸化剤極１ｂから排出された空気を空気供給通路４側へと環流させて、空気供給通路４側の暖機を図るようにしている。そして、特に本実施形態の燃料電池システムでは、この空気環流手段として、空気排気通路５の空気加湿手段６下流側と空気供給通路４における空気加湿手段６上流側とを接続する第１空気通路１１、及びこの第１空気通路１１中に配設された第１開閉弁１２と、空気排気通路５における空気加湿手段６上流側と空気供給通路４における空気加湿手段６下流側とを接続する第２空気通路１３、及びこの第２空気通路１３中に配設された第２開閉弁１４とがそれぞれ設けられている。

さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、空気供給通路４における第１空気通路１１の接続位置よりもさらに上流側に第１温度検出手段１５、空気供給通路４における第１空気通路１１の接続位置と空気加湿手段６との間に第２温度検出手段１６、空気供給通路４における第２空気通路１３の接続位置と空気圧送手段７との間に第３温度検出手段１７がそれぞれ設けられており、また、燃料電池１の酸化剤極１ｂの入口付近には、燃料電池１の酸化剤極１ｂに圧送される空気の圧力を検出するための圧力検出手段１８が設置されている。

第１温度検出手段１５は、空気供給通路４に吸入される吸入空気の温度を検出するものである。また、第２温度検出手段１６は、空気供給通路４における空気加湿手段６の入口側の空気温度を検出するものである。また、第３温度検出手段１７は、空気供給通路４における空気加湿手段６の出口側の空気温度を検出するものである。本実施形態の燃料電池システムでは、これら第１乃至第３の温度検出手段１５，１６，１７の検出値に基づいて、空気環流手段の動作、すなわち、第１空気通路１１中に配設された第１開閉弁１２の開閉や、第２空気通路１３中に配設された第２開閉弁１４の開閉等を制御するようにしている。

以下、本実施形態の燃料電池システムにおいて特徴的な制御シーケンスについて、図２のタイムチャートに基づいて示す。

本実施形態の燃料電池システムでは、システム始動（空気圧送手段７の作動開始）と同時に第１乃至第３の温度検出手段１５，１６，１７がそれぞれ空気温度の検出を開始する。ここで、外気温が氷点下となる温度環境でシステム始動を開始した場合には、空気供給通路４に吸入される吸入空気が氷点下であり、第１温度検出手段１５の検出値が氷点下となる。このように、システム始動時に第１温度検出手段１５の検出値が氷点下であった場合、本実施形態の燃料電池システムでは、先ず、第２空気通路１３中に配設された第２開閉弁１４を閉から開に切り替える（図２中Ａ点）。これにより、燃料電池１の空気極１ｂから排出されて空気排気通路５を流れる比較的高温の空気が、第２空気通路１３を経由して、空気供給通路４における空気加湿手段６の下流側に流入することになる。その結果、空気供給通路４における空気加湿手段６の出口側の空気温度が徐々に上昇していくことになる。

その後、第３温度検出手段１７の検出値が例えば０℃を上回ったときに、空気圧送手段７の吸気側に水噴射手段８から水を噴射して、空気圧送手段７から燃料電池１の酸化剤極１ｂへと圧送される空気を加湿し、燃料電池１での効率の良い発電を開始させる（図２中Ｂ点）。このとき、空気圧送手段７に吸気される空気は、空気加湿手段６によって加湿されていない乾燥空気であるため、水噴射手段８から噴射する水の量は多くする必要がある。水噴射手段８から噴射する水は、例えば空気排気通路５中に設けられた水回収手段９で回収した水を用いることができる。なお、ここでは、水噴射手段８からの水の噴射を開始させるタイミングを第３温度検出手段１７の検出値が０℃を上回ったときとしているが、例えば第３温度検出手段１７周辺の熱容量が小さい場合などには、予め実験等によって空気圧送手段７の吸気側が氷点下とならない正の温度を求めておき、第３温度検出手段１７の検出値がこの温度に達したときに水噴射手段８からの水の噴射を開始させるようにしてもよい。

さらに、第２開閉弁１４を開状態に維持して空気加湿手段６下流側への高温空気の流入を継続させることによって、第３温度検出手段１７の検出値は上昇し続けることになる。そして、第３温度検出手段１７の検出値が予め定められた所定温度、例えば空気加湿手段６によって加湿されることで温度が下がった空気が流れても氷点下とならない温度Ｔ１に達した段階で、第１空気通路１１中に配設された第１開閉弁１２を閉から開に切り替え、空気加湿手段６による空気の加湿を開始させる（図２中Ｃ点）。

このとき、燃料電池１の温度は発電に従って上昇しており、そのため水回収手段９で十分な水回収を行うことができないことが考えられる。その場合には、水噴射手段８で噴射する水の量を減らす必要があるが、この時点では空気圧送手段７に吸気される空気は空気加湿手段６によって加湿されているため、十分加湿された空気を燃料電池１の酸化剤極１ｂに供給することが可能である。

また、第１空気通路１１中に配設された第１開閉弁１２を閉から開に切り替えたことによって、燃料電池１の空気極１ｂから排出されて空気排気通路５を流れる高温空気が、第１空気通路１１を経由して、空気供給通路４における空気加湿手段６の上流側にも流入することになる。その結果、空気供給通路４における空気加湿手段６の入口側の空気温度が上昇していくことになる。本実施形態の燃料電池システムでは、この空気加湿手段６の入口側の空気温度が上昇し、第２温度検出手段１６の検出値が例えば０℃を上回ったときに、第２開閉弁１４を開から閉に切り替えて、第２空気通路１３経由での高温空気の流入を停止させるようにしている（図２中Ｄ点）。また、空気加湿手段６の入口側の空気温度がさらに上昇し、第２温度検出手段１６の検出値が予め定められた所定温度Ｔ２に達すると、第１開閉弁１２も開から閉に切り替えて、第１空気通路１１経由での高温空気の流入も停止させるようにしている（図２中Ｅ点）。

その後、システム運転中に空気供給通路４内に引き続き氷点下の空気を吸入し続けた場合には、空気供給通路４内の温度が徐々に低下していくことになる。そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、第２温度検出手段１６の検出値が例えば０℃まで低下したときに、第１開閉弁１２を再度閉から開へと切り替えて第１空気通路１１経由での高温空気の流入を再開させるようにしている（図２中Ｆ点）。そして、高温空気の流入により空気加湿手段６の入口側の空気温度が上昇して第２温度検出手段１６の検出値が所定温度Ｔ２に達すると、第１開閉弁１２を再度開から閉へと切り替えて第１空気通路１１経由での高温空気の流入を再度停止させるようにしている（図２中Ｇ点）。

以降、同様に、空気供給通路４内に氷点下の空気を吸入し続けたことで第２温度検出手段１６の検出値が０℃まで低下したら、第１開閉弁１２を再度閉から開へと切り替えて第１空気通路１１経由での高温空気の流入を再開させ（図２中Ｈ点）、第２温度検出手段１６の検出値が所定温度Ｔ２に達すると、第１開閉弁１２を再度開から閉へと切り替えて第１空気通路１１経由での高温空気の流入を再度停止させる。そして、空気供給通路４内への吸入空気の温度が上昇し、第１温度検出手段１５の検出値が０℃を上回った後は、第１開閉弁１２を閉の状態に維持させる（図２中Ｉ点）。

また、以上の一連の制御シーケンスを実行している間、空気排気通路５における空気加湿手段６の下流側に配設された圧力制御弁１０の開度や、空気圧送手段７の作動（回転数）は、燃料電池１の空気極１ｂ入口付近に設置された圧力検出手段１８の検出値が、燃料電池１で要求される運転圧力となるように制御される。ここで、特に本実施形態の燃料電池システムでは、第１空気通路１１や第２空気通路１３経由で空気供給通路４側に高温空気が流入するので、これら圧力制御弁１０の開度や空気圧送手段７の作動も、空気供給通路４側への高温空気の流入を考慮して行われる。例えば、第１開閉弁１２及び第２開閉弁１４の双方が開とされ、第１空気通路１１及び第２空気通路１３の双方から空気供給通路４側に高温空気が流入しているときには、第２開閉弁１４のみを開にして第２空気通路１４のみから高温空気を流入させている場合と比して、圧力制御弁１０の開度を小さく設定する。これにより、外部に排出される空気量を減らしてより多くの高温空気を第２空気通路１４経由で空気供給通路４側に流入させ、燃料電池１で必要な運転圧力を確保することが可能となる。

なお、このような圧力制御弁１０の開度や空気圧送手段７の作動の制御は、予め燃料電池１の運転圧力と第１開閉弁１２及び第２開閉弁１４の開閉の状態との対応関係を記載した制御マップを作成してマップ記憶手段に格納しておき、このマップ記憶手段に格納された制御マップに基づいて実行することが望ましい。これにより、空気供給通路４側への高温空気の流入状態に合わせた圧力制御弁１０の開度制御や空気圧送手段７の作動制御を、適切且つ簡便に実施することが可能となる。

また、以上説明した例では、空気供給通路４に第１乃至第３の温度検出手段１５，１６，１７を設置して、これら第１乃至第３の温度検出手段１５，１６，１７の検出値に基づいて第１開閉弁１２及び第２開閉弁１４の開閉等を制御するようにしているが、第１開閉弁１２及び第２開閉弁１４の開閉制御は、これら温度検出手段１５，１６，１７の検出値によらず、例えば、予めシステム始動後の燃料電池１での累積発電量とシステム周囲の温度との関係を表すマップを作成してマップ記憶手段に格納しておき、このマップ記憶手段に格納された燃料電池１での累積発電量とシステム周囲の温度との関係を表すマップに従って、第１開閉弁１２及び第２開閉弁１４の開閉を制御することも可能である。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、外気温が氷点下となる温度環境でシステムを始動させる時には、燃料電池１から排出されて空気排気通路５を流れる高温の空気を、空気供給通路４における空気圧送手段７の上流側に環流させるようにしているので、この空気圧送手段７上流側の暖機を速やかに行って、氷点下の空気吸入に起因する空気圧送手段７上流側の配管や空気加湿手段６内部での凍結を確実に防止することが可能となる。

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、第１空気通路１１及び第２空気通路１３経由で空気加湿手段６の上流側及び下流に高温空気を流すことができ、さらに空気圧送手段７で圧送される空気に水を噴射する水噴射手段８を有するため、空気加湿手段６周辺の暖機が完了する前に加湿空気を燃料電池１へ供給することができるようになり、低温雰囲気下でのシステム始動性能を向上させることができる。

さらに、本実施形態の燃料電池システムでは、氷点下での始動時に先ず空気加湿手段６の下流側に高温空気を環流させるようにしているので、水噴射手段８による空気加湿を開始できるまでの時間を短縮することができ、加湿空気による効率の良い発電を開始するまでの時間を短縮することができる。また、その後、予め決められた所定の条件となった段階で空気加湿手段６の上流側にも高温空気を環流させるようにしているため、燃料電池１の温度が上昇して水噴射手段８により噴射するための水回収が困難になった状態になっても、空気加湿手段６によって加湿された空気を燃料電池１へ供給することができ、燃料電池１の性能低下を招くこともない。

さらにまた、本実施形態の燃料電池システムによれば、吸気温度と空気加湿手段６入口温度と空気加湿手段６出口温度とのそれぞれの値に応じて、第１空気通路１１中の第１開閉弁１２や第２空気通路１３中の第２開閉弁１４の開閉制御を行うようにしているので、空気供給通路４内の実際の温度状態に応じた最適な制御を行うことができ、燃料電池１の出力を落とすことなく、燃料電池１から排出される高温の空気で空気供給通路４側の暖機を効果的に行うことができる。

また、本実施形態の燃料電池システムでは、例えば吸気温度が氷点下である場合に、先ず第２開閉弁１４のみを開に切り替えて、空気加湿手段６の下流側に接続された第２空気通路１３経由での空気の環流のみを行うようにしているので、空気加湿手段６によって吸気空気が加湿されることで配管内や空気加湿手段６内部で凍結が生じるといった不都合を有効に防止することができる。さらに、空気加湿手段６の下流に高温空気が供給されるため、空気圧送手段７で圧送される空気に水噴射手段８から水を噴射することによって、凍結を生じさせることなく加湿空気を燃料電池１へ確実に供給することができ、速やかに効率の良い発電を開始することができる。

さらにまた、本実施形態の燃料電池システムによれば、空気加湿手段６下流側に高温空気を環流させた後、空気加湿手段６の出口温度を検出する第３温度検出手段１７の検出値が予め決められた所定温度を上回ったときに、空気加湿手段６上流へも高温空気を環流させるようにしているので、空気加湿手段６内部で凍結を生じさせることなく、吸気空気の加湿を行うことができる。また、空気加湿手段６で加湿された吸気空気を空気加湿手段６の下流側で凍結させることなく、空気圧送手段７へ供給することができる。

さらにまた、本実施形態の燃料電池システムによれば、空気加湿手段６の入口温度を検出する第２温度検出手段１６の検出値が予め決められた第１の所定値（例えば０℃）を上回った段階で、第２開閉弁１４を開から閉に切り替えて空気加湿手段６下流側への高温空気の環流を停止させ、その後、第２温度検出手段１６の検出値が予め決められた第２の所定値（Ｔ２）にまで達した段階で、第１開閉弁１２も開から閉に切り替えて空気加湿手段６上流側への高温空気の環流も停止させるようにしているので、空気加湿手段６で加湿された空気を凍結を生じさせることなく燃料電池１に供給することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、水噴射手段４によって噴射される水の量を、空気加湿手段６の下流側に設けられた第３温度検知手段１７の検出値に基づいて制御するようにすれば、低温の空気に水を噴射してしまうことに起因して凍結が生じるといった不都合を有効に防止することができ、且つ空気加湿手段６の通過の有無によって適正な水噴射量の増減を行うことができ、適切に加湿された空気を燃料電池１へ供給することができる。

さらにまた、本実施形態の燃料電池システムにおいては、予め燃料電池１の運転圧力と第１開閉弁１２及び第２開閉弁１４の開閉の状態との対応関係を記載した制御マップを作成してマップ記憶手段に格納しておき、このマップ記憶手段に格納された制御マップに基づいて圧力制御弁１０の開度や空気圧送手段７の作動の制御を実行するようにすれば、空気供給通路４側への高温空気の流入状態に合わせた圧力制御弁１０の開度制御や空気圧送手段７の作動制御を、適切且つ簡便に実施することが可能となる。

さらにまた、本実施形態の燃料電池システムにおいては、予めシステム始動後の燃料電池１での累積発電量とシステム周囲の温度との関係を表すマップを作成してマップ記憶手段に格納しておき、このマップ記憶手段に格納された燃料電池１での累積発電量とシステム周囲の温度との関係を表すマップに従って、第１開閉弁１２及び第２開閉弁１４の開閉を制御することも可能であり、この場合には、必要以上に温度検出手段を設ける必要がなく、簡易なシステムで上述した効果を得ることが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明を適用した第２の実施形態の燃料電池システムについて説明する。図３は、本実施形態の燃料電池システムの空気系の構成を中心に示したものである。本実施形態の燃料電池システムは、上述した第１の実施形態の燃料電池システムよりも簡素な構成で、空気系、特に空気加湿手段６内部での凍結を防止できるようにしたものであり、第１の実施形態と比べて、第２空気通路１３及び第２開閉弁１４、水噴射手段８、水回収手段９を省略した構成となっている。他の構成は、上述した燃料電池システムと同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、ここではその説明は省略する。

本実施形態の燃料電池システムにおいては、上述した第１の燃料電池システムの場合と同様、第１温度検出手段１５による検出値が氷点下である時、第１空気通路１１に設けられた第１開閉弁１２を閉から開に切り替えて、燃料電池１から排出されて空気排気通路５を流れる高温の空気を第１空気通路１１経由で空気供給通路４側へと環流させ、空気加湿手段６上流側の暖機を促進させる。同時に、燃料電池１から排出された高温の空気は空気加湿手段６を通過するため、空気加湿手段６内部の凍結も防止される。したがって、空気加湿手段６を適正に作動させて吸入空気を加湿することができ、空気加湿手段５によって加湿された空気を燃料電池１へと供給することができる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システムにおいても、氷点下雰囲気時に第１開閉弁１２を開にして燃料電池１から排出された高温空気を第１空気通路１１経由で空気供給通路４の空気加湿手段６上流側に環流させることで、空気加湿手段６周辺の暖機を図ることができ、特に空気加湿手段６内部における凍結を有効に防止することができる。したがって、空気加湿手段６を適正に作動させて、速やかに加湿空気による燃料電池１の効率的な運転を行うことが可能となる。

第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。 第１の実施形態の燃料電池システムにおける制御シーケンスを示すタイムチャートである。 第２の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池
４ 空気供給通路
５ 空気排気通路
６ 空気加湿手段
７ 空気圧送手段
８ 水噴射手段
１０ 圧力制御弁
１１ 第１空気通路
１２ 第１開閉弁
１３ 第２空気通路
１４ 第２開閉弁
１５ 第１温度検出手段
１６ 第２温度検出手段
１７ 第３温度検出手段

Claims (12)

1. 燃料である水素と酸化剤である空気とが供給されることで発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される空気が流れる空気供給通路と、
   前記燃料電池から排出された空気が流れる空気排気通路と、
   前記空気供給通路と前記空気排気通路とに跨って配設され、前記燃料電池から排出された空気中の水分で前記燃料電池に供給される空気を加湿する空気加湿手段と、
   前記空気供給通路における前記空気加湿手段の下流側に配設され、前記燃料電池に空気を圧送する空気圧送手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池から排出された空気の少なくとも一部を前記空気供給通路における前記空気圧送手段の上流側に環流させるための空気環流手段を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 低温始動時に、前記空気環流手段により、前記燃料電池から排出された空気の少なくとも一部を前記空気圧送手段の上流側に環流させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記空気環流手段は、前記空気排気通路と前記空気供給通路における前記空気加湿手段の上流側とを接続する空気通路及び当該空気通路中に配設された開閉弁を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記空気環流手段は、前記空気排気通路と前記空気供給通路における前記空気加湿手段の上流側とを接続する第１空気通路及び当該第１空気通路中に配設された第１開閉弁と、前記空気排気通路と前記空気供給通路における前記空気加湿手段の下流側とを接続する第２空気通路及び当該第２空気通路中に配設された第２開閉弁とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
5. 低温始動時に、前記第２開閉弁を開とした後、所定の条件が成立したときに前記第１開閉弁を開とすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. システム始動後の前記燃料電池の累積出力に基づいて、前記第１開閉弁及び第２開閉弁の開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記空気供給通路に吸入される吸入空気の温度を検出する第１温度検出手段と、
   前記空気供給通路における前記空気加湿手段入口の空気温度を検出する第２温度検出手段と、
   前記空気供給通路における前記空気加湿手段出口の空気温度を検出する第３温度検出手段とを備え、
   前記第１乃至第３の温度検出手段による検出値に基づいて、前記第１開閉弁及び第２開閉弁の開閉を制御することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１温度検出手段の検出値が氷点下の場合に、前記第２開閉弁を開とすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記第２開閉弁を開とした後、前記第３温度検出手段の検出値が予め定められた所定値を上回ったときに前記第１開閉弁を開とすることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記第２温度検出手段の検出値が予め定められた第１の所定値を上回ったときに前記第２開閉弁を閉とし、その後、前記第２温度検出手段の検出値が前記第１の所定値よりも高い第２の所定値を上回ったときに前記第１開閉弁を閉とすることを特徴とする請求項７乃至９の何れかに記載の燃料電池システム。
11. 前記空気圧送手段で圧送する空気に水を噴射する水噴射手段を備え、
    前記第３温度検出手段の検出値に基づいて、前記水噴射手段の作動を制御することを特徴とする請求項７乃至１０の何れかに記載の燃料電池システム。
12. 前記空気排気通路における前記空気加湿手段の下流側に配設され、前記燃料電池の運転圧力を制御するための圧力制御手段と、
    前記燃料電池の運転圧力と前記空気環流手段の状態との対応関係を記載した制御マップが格納されたマップ記憶手段とを備え、
    前記マップ記憶手段に格納された制御マップに基づいて、前記圧力制御手段の開度及び前記空気圧送手段の作動を制御することを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の燃料電池システム。

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