JP2006139998A - 燃料電池システムと燃料電池システムの低温始動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムに対する熱的損傷を防止し、燃料電池の早期暖機を図る。
【解決手段】 燃料電池２に空気を供給する空気通路３１と、空気を圧縮するコンプレッサ５と、コンプレッサ５により圧縮された空気と熱交換を行う熱交換器６と、熱交換器６を迂回して空気を流す熱交換器バイパス通路３２と、熱交換器６への通路と熱交換器バイパス通路３２に流入する空気の流量を調整する熱交換器バイパス制御弁Ｖ２と、熱交換器６の下流側に設けられた加湿器７と、コンプレッサ５出口の空気の温度を検出するコンプレッサ出口温度センサＴ１と、加湿器７の上流の空気の温度を検出する加湿器入口温度センサＴ２と、を備え、コンプレッサ出口温度センサＴ１で検出された空気温度が第１の所定温度を超えないように且つ加湿器入口温度センサＴ２で検出された空気温度が第２の所定温度を超えないように、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、低温始動性に優れた燃料電池システムとその低温始動方法に関するものである。

燃料電池システムの課題の一つに低温始動性があり、早期起動を図るために種々の暖機方法が考えられている。
例えば、特許文献１には、低温始動時に、圧縮機から燃料電池のカソードに空気を供給する際に、その途中に配置されている消音器や熱交換器を迂回して供給することで、圧縮機で圧縮加熱された空気を直接にカソードに供給して暖機する方法が開示されている。
特開２００２−１１０２１３号公報

しかしながら、特許文献１の暖機方法で燃料電池の暖機を行った場合、燃料電池よりも上流に位置する機器や配管部材が高温の空気に晒されるため、これらが熱的に損傷する虞がある。
そこで、この発明は、燃料電池の早期暖機を図るだけでなく、燃料電池システム全体の熱的損傷を防止することができる燃料電池システムと燃料電池システムの低温始動方法を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、反応ガスの反応により発電を行う燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）と、前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給流路（例えば、後述する実施例における空気通路３１）と、前記反応ガスを圧縮する圧縮機（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ５）と、前記反応ガス供給流路に設けられ前記圧縮機により圧縮された反応ガスと熱交換を行う熱交換器（例えば、後述する実施例における熱交換器６）と、前記反応ガス供給流路における前記熱交換器の上流側と下流側を接続し該熱交換器を迂回して前記反応ガスを流す熱交換器バイパス流路（例えば、後述する実施例における熱交換器バイパス通路３２）と、前記熱交換器への流路と前記熱交換器バイパス流路に流入する前記反応ガスの流量を調整する熱交換器バイパス量調整手段（例えば、後述する実施例における熱交換器バイパス制御弁Ｖ２）と、前記反応ガス供給流路における前記熱交換器の下流側に設けられ前記反応ガスを加湿する加湿器（例えば、後述する実施例における加湿器７）と、前記圧縮機から送り出された前記反応ガスの温度を検出する第１の温度検出手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ出口温度センサＴ１）と、前記熱交換器の下流であって前記加湿器の上流における前記反応ガスの温度を検出する第２の温度検出手段（例えば、後述する実施例における加湿器入口温度センサＴ２）と、を備え、前記第１の温度検出手段で検出された反応ガス温度が第１の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第１の所定温度を超えないように且つ前記第２の温度検出手段で検出された反応ガス温度が第２の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第２の所定温度を超えないように、前記熱交換器バイパス量調整手段を制御することを特徴とする燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１）である。
このように構成することにより、圧縮機から送り出される反応ガスの温度が第１の所定温度を超えない範囲で、且つ、加湿器の上流の反応ガス温度が第２の温度を超えない範囲で、可能な限り高い温度の反応ガスを燃料電池に供給して燃料電池を暖機することが可能になる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の所定温度は、前記圧縮機または前記熱交換器バイパス制御手段の耐熱上限温度に基づいて設定された温度であることを特徴とする。
このように構成することにより、圧縮機から送り出される反応ガスの温度が圧縮機または熱交換器バイパス制御手段の耐熱上限温度を超えないようにすることが可能になる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記第２の所定温度は、前記加湿器の耐熱上限温度に基づいて設定された温度であることを特徴とする。
このように構成することにより、加湿器の上流における反応ガス温度が加湿器の耐熱上限温度を超えないようにすることが可能になる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記反応ガス供給流路における前記加湿器の上流側と下流側を接続し該加湿器を迂回して反応ガスを流す加湿器バイパス流路（例えば、後述する実施例における加湿器バイパス通路３３）と、前記加湿器への流路と前記加湿器バイパス流路に流入する前記反応ガスの流量を調整する加湿器バイパス量調整手段（例えば、後述する実施例における加湿器バイパス制御弁Ｖ３）と、前記加湿器の下流であって前記燃料電池の上流における前記反応ガスの温度を検出する第３の温度検出手段（例えば、後述する実施例におけるカソード入口温度センサＴ３）と、を備え、前記第３の温度検出手段で検出された反応ガス温度が第３の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第３の所定温度を超えないように、前記加湿器バイパス量調整手段を制御することを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の上流における反応ガスの温度が第３の所定温度を超えない範囲で、可能な限り高い温度の反応ガスを燃料電池に供給して燃料電池を暖機することが可能になる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の発明において、前記第３の所定温度は、前記燃料電池の耐熱上限温度に基づいて設定された温度であることを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の上流における反応ガスの温度が燃料電池の耐熱上限温度を超えないようにすることが可能になる。

請求項６に係る発明は、反応ガスを圧縮し熱交換器（例えば、後述する実施例における熱交換器６）で冷却し加湿器（例えば、後述する実施例における加湿器７）で加湿して燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）に供給し発電を行う燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１）を低温始動するときに、前記反応ガスの少なくとも一部を熱交換器を迂回して前記加湿器に供給する燃料電池システムの低温始動方法であって、前記熱交換器の上流の反応ガス温度が第１の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第１の所定温度を超えないように且つ熱交換器と加湿器の間の反応ガスの温度が第２の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第２の所定温度を超えないように、前記熱交換器に流れる反応ガス流量と該熱交換器を迂回して流れる反応ガス流量を制御することを特徴とする燃料電池システムの低温始動方法である。
このように構成することにより、熱交換器の上流の反応ガス温度が第１の所定温度を超えない範囲で、且つ、加湿器の上流の反応ガス温度が第２の温度を超えない範囲で、可能な限り高い温度の反応ガスを燃料電池に供給して燃料電池を暖機することが可能になる。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載の発明において、前記燃料電池システムを低温始動するときに、さらに前記反応ガスの少なくとも一部を前記加湿器を迂回して前記燃料電池に供給し、前記燃料電池の上流の反応ガス温度が第３の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第３の所定温度を超えないように、前記加湿器に流れる反応ガス流量と該加湿器を迂回して流れる反応ガス流量を制御することを特徴とする。
このように構成することにより、燃料電池の上流の反応ガス温度が第３の所定温度を超えないようにすることが可能になる。

請求項１に係る発明によれば、圧縮機から送り出される反応ガスの温度が第１の所定温度を超えない範囲で、且つ、加湿器の上流の反応ガス温度が第２の温度を超えない範囲で、可能な限り高い温度の反応ガスを燃料電池に供給して燃料電池を暖機することが可能になるので、燃料電池システムを熱的な損傷から保護しつつ、燃料電池の暖機を促進することができ、燃料電池システムの信頼性が向上する。
請求項２に係る発明によれば、圧縮機から送り出される反応ガスの温度が圧縮機または熱交換器バイパス制御手段の耐熱上限温度を超えないようにすることが可能になるので、圧縮機や熱交換器バイパス制御手段を熱的な損傷から保護しつつ、燃料電池の暖機を促進することができ、燃料電池システムの信頼性が向上する。
請求項３に係る発明によれば、加湿器の上流における反応ガス温度が加湿器の耐熱上限温度を超えないようにすることが可能になるので、加湿器を熱的な損傷から保護しつつ、燃料電池の暖機を促進することができ、燃料電池システムの信頼性が向上する。

請求項４に係る発明によれば、、燃料電池の上流における反応ガスの温度が第３の所定温度を超えない範囲で、可能な限り高い温度の反応ガスを燃料電池に供給して燃料電池を暖機することが可能になるので、燃料電池システムを熱的な損傷から保護しつつ、燃料電池の暖機を促進することができ、燃料電池システムの信頼性が向上する。
請求項５に係る発明によれば、燃料電池の上流における反応ガスの温度が燃料電池の耐熱上限温度を超えないようにすることが可能になるので、燃料電池を熱的な損傷から保護しつつ、燃料電池の暖機を促進することができ、燃料電池システムの信頼性が向上する。

請求項６に係る発明によれば、熱交換器の上流の反応ガス温度が第１の所定温度を超えない範囲で、且つ、加湿器の上流の反応ガス温度が第２の温度を超えない範囲で、可能な限り高い温度の反応ガスを燃料電池に供給して燃料電池を暖機することが可能になるので、燃料電池システムを熱的な損傷から保護しつつ、燃料電池の暖機を促進することができ、燃料電池システムの信頼性が向上する。
請求項７に係る発明によれば、燃料電池の上流の反応ガス温度が第３の所定温度を超えないようにすることが可能になるので、燃料電池システムを熱的な損傷から保護しつつ、燃料電池の暖機を促進することができ、燃料電池システムの信頼性が向上する。

以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図６の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
図１は燃料電池システム１の概略構成図である。燃料電池２は、固体高分子電解質膜２ａをアノード２ｂとカソード２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード２ｃに酸化剤ガス（反応ガス）としての酸素を含む空気を供給すると、アノード２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード２ｃまで移動し、カソード２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。

高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）３に収容された水素ガスは、水素供給通路２１を流通し、燃料電池２内のアノード側ガス通路（燃料ガス供給路）２ｄを通って各セルのアノード２ｂに供給される。水素供給通路２１には、高圧水素タンク３の水素ガスを減圧して所定圧力に調圧する圧力調整弁Ｖ１が設けられている。
燃料電池２のアノード２ｂに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス通路２２を通ってエゼクタ４に吸引され、高圧水素タンク３から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池２のアノード２ｂに供給される。

一方、空気は、コンプレッサ（圧縮機、酸化剤ガス供給手段）５により圧縮され、空気通路（反応ガス供給流路）３１を流通して燃料電池２内のカソード側ガス通路２ｅに導入され、各セルのカソード２ｃに供給される。空気通路３１には、上流側から順に、熱交換器６、熱交換器バイパス制御弁（熱交換器バイパス量調整手段）Ｖ２、加湿器７が設けられており、さらに、熱交換器６および熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を迂回する熱交換器バイパス通路（熱交換器バイパス流路）３２と、加湿器７を迂回する加湿器バイパス通路（加湿器バイパス流路）３３が接続されていて、加湿器バイパス通路３３には加湿器バイパス制御弁（加湿器バイパス量調整手段）Ｖ３が設けられている。熱交換器６には図示しない冷却水が循環し、コンプレッサ５で圧縮された空気と熱交換を行う。熱交換器バイパス通路３２の管径は空気通路３１の管径よりも小さく、熱交換器バイパス通路３２は熱交換器６よりも十分に大きな抵抗に設定されており、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を全開にしたときには、コンプレッサ５から送られてくる空気の殆どが熱交換器６を流通し、熱交換器バイパス通路３２には殆ど流れないようになっている。なお、この実施例では、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２および加湿器バイパス制御弁Ｖ２は開度調整により流量制御可能な流量制御弁で構成されている。カソード２ｃに供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス通路３４に排出され、加湿器７を通った後、圧力制御弁Ｖ４を介して排出される。なお、コンプレッサ５に流入する空気の流量は流量計８によって検出され、流量計８は検出した空気流量に応じた電気信号を制御手段としての電子制御装置（ＥＣＵ）１０に出力する。

加湿器７は、例えば中空糸加湿器からなり、カソードオフガスから水分を回収し、回収した水分を、燃料電池２へ供給される空気に与えて該空気を加湿する。なお、中空糸加湿器とは、多数の中空糸膜を収容してなり、中空糸膜の内側と外側にそれぞれ水分含量の異なる流体を供給すると、水分含量の多い流体中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ない流体へと移動する性質を利用したものである。そして、加湿された空気を燃料電池２に供給することにより、燃料電池２の固体高分子電解質膜２ａのイオン伝導性を所定の状態に確保している。

空気通路３１には、コンプレッサ５の出口空気温度を検出するコンプレッサ出口温度センサ（第１の温度検出手段）Ｔ１と、熱交換器６の下流であって加湿器７の上流における空気の温度（すなわち加湿器７の入口空気温度）を検出する加湿器入口温度センサ（第２の温度検出手段）Ｔ２と、加湿器７の下流であって燃料電池２の上流における空気の温度（すなわち燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅの入口空気温度）を検出するカソード入口温度センサＴ３とが設けられており、これら温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３はそれぞれ検出した空気温度に応じた電気信号をＥＣＵ１０に出力する。

また、燃料電池２内に設けられた冷却水通路２ｆには、冷却水ポンプ４１および熱交換器４２を備えた冷却水循環通路４０が接続されていて、必要に応じて冷却水を循環させることにより、発電に伴う発熱により燃料電池２が所定の作動温度を超えないように温度制御可能になっている。冷却水循環通路４０には、冷却水温度を検出するための水温センサＴ４が設けられており、水温センサＴ４は検出した冷却水温度に応じた電気信号をＥＣＵ１０に出力する。
このＥＣＵ１０は、燃料電池２の運転状態に応じて、圧力調整弁Ｖ１、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２、加湿器バイパス制御弁Ｖ３、圧力制御弁Ｖ４、およびコンプレッサ５、冷却水ポンプ４１を制御する。

この燃料電池システム１では、通常発電時には、ＥＣＵ１０により、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２が全開、加湿器バイパス制御弁Ｖ３が全閉に制御され、圧力調整弁Ｖ１および圧力制御弁Ｖ４が所定開度に制御される。これにより、高圧水素タンク３の水素ガスと燃料電池２から排出されたアノードオフガスがエゼクタ４で合流して燃料電池２のアノード２ｂに供給され、また、コンプレッサ５で圧縮加熱された空気が熱交換器６で所定温度に冷却され、加湿器７で加湿されて燃料電池２のカソード２ｃに供給され、発電が行われる。

また、この燃料電池システム１では、燃料電池２を所定温度（例えば、０゜Ｃ）以下で始動する低温始動時には、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２と加湿器バイパス制御弁Ｖ３の両方あるいは一方を開くことにより、コンプレッサ５で圧縮加熱された空気の全部あるいは一部を、熱交換器６と加湿器７の両方あるいは一方を迂回させて流し、燃料電池２内のカソード側ガス通路２ｅに加熱空気を導入して、燃料電池２の早期暖機を図っている。つまり、コンプレッサ５で圧縮加熱された空気を熱交換器６および加湿器７に流通させると温度が低下してしまうので、低温始動時には、コンプレッサ５で圧縮加熱された空気の全部あるいは一部を、熱交換器６と加湿器７の両方あるいは一方を迂回させて流すことにより、燃料電池システム１に熱的な損傷が生じない範囲で可能な限り高温の空気を燃料電池２内のカソード側ガス通路２ｅに流通させ、燃料電池２の暖機を行う。

図２のフローチャートに従って低温始動制御を説明する。
まず、ステップＳ１０１において、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がＯＮされると、コンプレッサ５が運転され、燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに空気が導入される。
次に、ステップＳ１０２に進み、低温始動か否かを判定する。低温始動か否かの判定は、例えば、水温センサＴ４で検出される冷却水温度、あるいは、圧力制御弁Ｖ４から排出される空気の温度、あるいは外気温センサ９で検出される外気温に基づいて判定することができる。

ステップＳ１０２における判定結果がＹＥＳ（低温始動）である場合には、ステップＳ１０３に進み、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２と加湿器バイパス制御弁Ｖ３を開くとともにこれらバイパス制御弁Ｖ２，Ｖ３の開度制御を行って、コンプレッサ５で圧縮加熱された空気を燃料電池システム１に熱的な損傷が生じないように所定に温度制御しながら、燃料電池２内のカソード側ガス通路２ｅに導入し、暖機を行う。バイパス制御弁Ｖ２，Ｖ３の制御については、後で詳述する。カソード側ガス通路２ｅに導入された加熱空気はカソードオフガス通路３４を通って圧力制御弁Ｖ４から排出される。

次に、ステップＳ１０４に進み、暖機が完了したか否かを判定する。暖機完了か否かの判定は、水温センサＴ４で検出される冷却水温度、あるいは、圧力制御弁Ｖ４から排出される空気の温度に基づいて判定することができる。
ステップＳ１０４における判定結果がＮＯ（暖機未完了）である場合は、ステップＳ１０３に戻り、燃料電池２への加熱空気導入を継続する。

ステップＳ１０４における判定結果がＹＥＳ（暖機完了）である場合は、ステップＳ１０５に進んで、燃料電池２に対しＯＣＶ（開回路電圧）のチェックを行う。ＯＣＶチェックは、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに水素ガスを導入して、燃料電池２の各セルの電圧を測定し、その中で最低のセル電圧（最低セル電圧）が所定値を越えているか否かで判定する。

ステップＳ１０５のＯＣＶチェックにより最低セル電圧が所定値を越えたことを確認した後、ステップＳ１０６に進み、燃料電池２による通常発電を開始して、本ルーチンの実行を終了する。
なお、ステップＳ１０２における判定結果が「ＮＯ」（低温始動ではない）である場合は、燃料電池２を暖機する必要がないので、ステップＳ１０５に進み、ＯＣＶチェックを行った後に発電を開始する。

次に、バイパス制御弁Ｖ２，Ｖ３の制御を図３および図５に示すバイパス制御サブルーチンのフローチャートに従って詳述する。
初めに、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２の制御を図３のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップＳ２０１において、外気温センサ９で検出された外気温と、流量計８で検出した空気流量に基づいて、図４に示すベース開度マップを参照して、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度を決定する。図４に示す熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度マップでは、外気温が高くなるほどベース開度を大きくし、また、空気流量が多くなるほどベース開度を大きくするように設定されている。

このように熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度マップを設定した理由は次の通りである。コンプレッサ５により圧縮加熱された空気の温度は、コンプレッサ５の入口空気温度すなわち外気温に依存し、外気温が高ければ高いほどコンプレッサ５の出口空気温度は高くなる。また、外気温が低いほど熱交換器６が冷やされているため、熱交換器６を流通した空気は低い温度に冷やされる。熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を開くと、コンプレッサ５で圧縮加熱された空気は、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２の開度に応じた流量割合で熱交換器６と熱交換器バイパス通路３２に分かれて流通し、再び合流して加湿器７に供給される。このとき、管径の小さい熱交換器バイパス通路３２を流通した空気は熱交換器バイパス通路３２においても圧縮加熱される。また、熱交換器バイパス通路３２を流通した空気は殆ど冷却されないが、熱交換器６を流通した空気は冷却される。ここで、低温始動条件下であっても、比較的に外気温が高いときに熱交換器バイパス通路３２に流れる空気流量の割合を余りに多くすると、合流後の空気の温度が高くなり過ぎてしまう。そこで、外気温が高くなるほど熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度を大きくすることにより、熱交換器バイパス通路３２に流れる空気流量に対する熱交換器６に流れる空気流量の割合を大きくして、合流後の空気温度を必要以上に高くさせないようにする。換言すると、外気温が低いときほど熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度を小さくして、熱交換器６に流れる空気流量に対する熱交換器バイパス通路３２に流れる空気流量の割合を大きくし、合流後の空気温度の低下を小さくする。

空気流量が多くなるほどベース開度を大きくするのも同様の理由であり、空気流量が多いときに熱交換器バイパス通路３２に流れる空気流量の割合を余りに多くすると、合流後の空気の温度が高くなり過ぎてしまうので、空気流量が多くなるほど熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度を大きくすることにより、熱交換器バイパス通路３２に流れる空気流量に対する熱交換器６に流れる空気流量の割合を大きくして、合流後の空気温度を必要以上に高くさせないようにする。換言すると、空気流量が少ないときほど熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度を小さくして、熱交換器６に流れる空気流量に対する熱交換器バイパス通路３２に流れる空気流量の割合を大きくし、合流後の空気温度の低下を小さくする。

ステップＳ２０１において熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度を決定した後、ステップＳ２０２に進み、決定されたベース開度で熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を開く。
次に、ステップＳ２０３に進み、コンプレッサ出口温度センサＴ１で検出されたコンプレッサ５の出口空気温度ｔ１が、コンプレッサ５あるいはコンプレッサ５よりも下流の配管部材（熱交換器バイパス通路３２および熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を含む）の耐熱上限温度に基づいて予め設定されたコンプレッサ出口上限温度ｔｃ１以上か否かを判定する。なお、コンプレッサ出口上限温度ｔｃ１は、コンプレッサ５の耐熱上限温度や前記配管部材の耐熱上限温度よりも低い温度に設定されている。

ステップＳ２０３における判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ１≧ｔｃ１）である場合は、ステップＳ２０４に進んで、コンプレッサ５の出口空気温度ｔ１とコンプレッサ出口上限温度ｔｃ１との温度偏差（ｔ１−ｔｃ１）を算出し、さらに、ステップＳ２０５に進んで算出された温度偏差（ｔ１−ｔｃ１）に応じて熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のフィードバック量（熱交換器バイパス制御弁Ｖ２の開度変化量）を算出する。すなわち、この場合には、熱交換器バイパス通路３２を流通する空気流量を減少させることにより熱交換器バイパス通路３２への熱負荷を減少させる必要があるので、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２の開度を大きくする方向に、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のフィードバック量が算出される。なお、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２の開度を大きくすると、熱交換器６を流通する空気流量が増大するため熱交換器６の空気に対する冷却効率が低下するが、冷却が全く行われないわけではないので、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を流通する空気は熱交換器バイパス制御弁Ｖ２の耐熱上限温度を上回ることはない。

この後、ステップＳ２０６に進み、ステップＳ２０５で算出したフィードバック量に基づいて、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２の開度のフィードバック制御を実行し、ステップＳ２０３に戻る。これにより、コンプレッサ５およびその下流の配管部材に対する熱負荷を低減して、前記配管部材の温度上昇を抑制することができる。また、熱交換器６を流通する空気流量が増大することにより、熱交換器バイパス通路３２を流通した空気と熱交換器６を流通した空気の合流後の空気温度を低下させることができる。

一方、ステップＳ２０３における判定結果が「ＮＯ」（ｔ１＜ｔｃ１）である場合は、ステップＳ２０７に進み、加湿器入口温度センサＴ２で検出した加湿器７の入口空気温度ｔ２が、加湿器７の耐熱上限温度に基づいて予め設定された加湿器入口上限温度ｔｃ２以上か否かを判定する。なお、加湿器入口上限温度ｔｃ２は加湿器７の耐熱上限温度よりも低い温度に設定されている。

ステップＳ２０７における判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ２≧ｔｃ２）である場合は、ステップＳ２０８に進んで、加湿器７の入口空気温度ｔ２と加湿器入口上限温度ｔｃ２との温度偏差（ｔ２−ｔｃ２）を算出し、さらに、ステップＳ２０９に進んで算出された温度偏差（ｔ２−ｔｃ２）に応じて加湿器バイパス制御弁Ｖ３のフィードバック量（加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度変化量）を算出する。すなわち、この場合には、加湿器バイパス通路３３を流通する空気流量を増大させて加湿器７への熱負荷を減少させる必要があるので、加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度を大きくする方向に、加湿器バイパス制御弁Ｖ３のフィードバック量が算出される。
この後、ステップＳ２１０に進み、ステップＳ２０９で算出したフィードバック量に基づいて、加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度のフィードバック制御を実行し、ステップＳ２０３に戻る。これにより、加湿器７に対する熱負荷を低減して、加湿器７の温度上昇を抑制することができる。その結果、加湿器７を耐熱上限温度以下に保持することができ、加湿器７の熱的損傷を防止することができる。

次に、加湿器バイパス制御弁Ｖ３の制御を図５のフローチャートに従って説明する。
まず、ステップＳ３０１において、加湿器入口温度センサＴ２で検出された加湿器７の入口空気温度ｔ２と、流量計８で検出した空気流量に基づいて、図６に示すベース開度マップを参照して、加湿器バイパス制御弁Ｖ３のベース開度を決定する。図６に示す加湿器バイパス制御弁Ｖ３のベース開度マップでは、加湿器７の入口空気温度ｔ２が高くなるほどベース開度を小さくし、また、空気流量が多くなるほどベース開度を小さくするように設定されている。

このように加湿器バイパス制御弁Ｖ３のベース開度マップを設定した理由は次の通りである。加湿器バイパス制御弁Ｖ３を開くと、熱交換器６および熱交換器バイパス通路３２を通り合流した加熱空気は、加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度に応じた流量割合で加湿器７と加湿器バイパス通路３３に分かれて流通し、再び合流して燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに供給される。このとき、加湿器バイパス通路３３を流通した空気は殆ど冷却されないが、加湿器７を流通した空気は冷却される。ここで、熱交換器６および熱交換器バイパス通路３２を通り合流した加熱空気の温度（すなわち、加湿器７の入口空気温度ｔ２）が高いときに、加湿器バイパス通路３３に流れる空気流量の割合を余りに多くすると、合流後の空気の温度が高くなり過ぎてしまう。そこで、加湿器７の入口空気温度ｔ２が高くなるほど加湿器バイパス制御弁Ｖ３のベース開度を小さくすることにより、加湿器バイパス通路３３に流れる空気流量に対する加湿器７に流れる空気流量の割合を大きくして、合流後の空気温度を必要以上に高くさせないようにする。換言すると、加湿器７の入口空気温度ｔ２が低いときほど加湿器バイパス制御弁Ｖ３のベース開度を大きくして、加湿器７に流れる空気流量に対する加湿器バイパス通路３３に流れる空気流量の割合を大きくし、合流後の空気温度の低下を小さくする。

空気流量が多くなるほどベース開度を小さくするのも同様の理由であり、空気流量が多いときに加湿器バイパス通路３３に流れる空気流量の割合を余りに多くすると、合流後の空気の温度が高くなり過ぎてしまうので、空気流量が多くなるほど加湿器バイパス制御弁Ｖ３のベース開度を小さくすることにより、加湿器バイパス通路３３に流れる空気流量に対する加湿器７に流れる空気流量の割合を大きくして、合流後の空気温度を必要以上に高くさせないようにする。換言すると、空気流量が少ないときほど加湿器バイパス制御弁Ｖ３のベース開度を大きくして、加湿器７に流れる空気流量に対する加湿器バイパス通路３３に流れる空気流量の割合を大きくし、合流後の空気温度の低下を小さくする。

ステップＳ３０１において加湿器バイパス制御弁Ｖ３のベース開度を決定した後、ステップＳ３０２に進み、決定されたベース開度で加湿器バイパス制御弁Ｖ３を開く。
次に、ステップＳ３０３に進み、カソード入口温度センサＴ３で検出された燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅの入口空気温度ｔ３が、燃料電池２の耐熱上限温度に基づいて予め設定されたカソード入口上限温度ｔｃ３以上か否かを判定する。なお、カソード入口上限温度ｔｃ３は燃料電池２の耐熱上限温度よりも低い温度に設定されている。

ステップＳ３０３における判定結果が「ＹＥＳ」（ｔ３≧ｔｃ３）である場合は、ステップＳ３０４に進んで、カソード側ガス通路２ｅの入口空気温度ｔ３とカソード入口上限温度ｔｃ３との温度偏差（ｔ３−ｔｃ３）を算出し、さらに、ステップＳ３０５に進んで算出された温度偏差（ｔ３−ｔｃ３）に応じて加湿器バイパス制御弁Ｖ３のフィードバック量（加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度変化量）を算出する。すなわち、この場合には、加湿器バイパス通路３３を流通する空気流量を減少させることにより燃料電池２に供給される加熱空気の温度を低下させる必要があるので、加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度を小さくする方向に、加湿器バイパス制御弁Ｖ３のフィードバック量が算出される。

この後、ステップＳ３０６に進み、ステップＳ３０５で算出したフィードバック量に基づいて、加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度のフィードバック制御を実行し、ステップＳ３０３に戻る。これにより、燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに導入される加熱空気の温度を低下させることができ、この加熱空気の温度がカソード入口上限温度を越えるのを防止することができる。その結果、燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに導入される加熱空気の温度を燃料電池２の耐熱上限温度以下に保持することができる。
一方、ステップＳ３０３における判定結果が「ＮＯ」（ｔ３＜ｔｃ３）である場合は、加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度を変更する必要がないので、ステップＳ３０３に戻る。

このように低温始動時に熱交換器バイパス制御弁Ｖ２および加湿器バイパス制御弁Ｖ３の開度を制御して加熱空気を燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに供給すると、空気供給系の機器、配管部材および燃料電池２を熱的な損傷から保護しつつ、可能な限り高温の空気を燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに流通させて、燃料電池２を迅速に暖機することができる。その結果、燃料電池システム１の低温始動性が向上するとともに、燃料電池システム１の信頼性が向上する。
そして、これを達成するための手段は、熱交換器バイパス通路３２、加湿器バイパス通路３３、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２、加湿器バイパス制御弁Ｖ３だけであるので、燃料電池システム１の構成が簡素に済み、制御システムも簡素にできる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、熱交換器バイパス通路３２と熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を並列的に配置したが、熱交換器バイパス通路３２に熱交換器バイパス制御弁Ｖ２を設けてもよい。この場合には、外気温が高くなるほど熱交換器バイパス制御弁Ｖ２のベース開度を小さくし、また、空気流量が多くなるほどベース開度を小さくするように設定する。
また、前述した実施例では、熱交換器バイパス制御弁Ｖ２および加湿器バイパス制御弁Ｖ３を開度調整により流量制御可能な流量制御弁で構成したが、これらバイパス制御弁Ｖ２，Ｖ３をＯＮ／ＯＦＦ弁で構成し、デューテイ比制御により流量制御を行うようにしてもよい。

この発明に係る燃料電池システムの一実施例における概略構成図である。 低温始動制御の一実施例を示すフローチャートである。 熱交換器バイパス制御を示すフローチャートである。 熱交換器バイパス制御弁のベース開度マップの一例を示す図である。 加湿器バイパス制御を示すフローチャートである。 加湿器バイパス制御弁のベース開度マップの一例を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
５ コンプレッサ（圧縮機）
６ 熱交換器
７ 加湿器
１０ ＥＣＵ（制御手段）
３１ 空気通路（反応ガス供給流路）
３２ 熱交換器バイパス通路（熱交換器バイパス流路）
３３ 加湿器バイパス通路（加湿器バイパス流路）
Ｔ１ コンプレッサ出口温度センサ（第１の温度検出手段）
Ｔ２ 加湿器入口温度センサ（第２の温度検出手段）
Ｔ３ カソード入口温度センサ（第３の温度検出手段）
Ｖ２ 熱交換器バイパス制御弁（熱交換器バイパス量調整手段）
Ｖ３ 加湿器バイパス制御弁（加湿器バイパス量調整手段）

Claims (7)

1. 反応ガスの反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に前記反応ガスを供給する反応ガス供給流路と、
   前記反応ガスを圧縮する圧縮機と、
   前記反応ガス供給流路に設けられ前記圧縮機により圧縮された反応ガスと熱交換を行う熱交換器と、
   前記反応ガス供給流路における前記熱交換器の上流側と下流側を接続し該熱交換器を迂回して前記反応ガスを流す熱交換器バイパス流路と、
   前記熱交換器への流路と前記熱交換器バイパス流路に流入する前記反応ガスの流量を調整する熱交換器バイパス量調整手段と、
   前記反応ガス供給流路における前記熱交換器の下流側に設けられ前記反応ガスを加湿する加湿器と、
   前記圧縮機から送り出された前記反応ガスの温度を検出する第１の温度検出手段と、
   前記熱交換器の下流であって前記加湿器の上流における前記反応ガスの温度を検出する第２の温度検出手段と、
   を備え、
   前記第１の温度検出手段で検出された反応ガス温度が第１の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第１の所定温度を超えないように且つ前記第２の温度検出手段で検出された反応ガス温度が第２の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第２の所定温度を超えないように、前記熱交換器バイパス量調整手段を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の所定温度は、前記圧縮機または前記熱交換器バイパス制御手段の耐熱上限温度に基づいて設定された温度であ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. 前記第２の所定温度は、前記加湿器の耐熱上限温度に基づいて設定された温度であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記反応ガス供給流路における前記加湿器の上流側と下流側を接続し該加湿器を迂回して反応ガスを流す加湿器バイパス流路と、
   前記加湿器への流路と前記加湿器バイパス流路に流入する前記反応ガスの流量を調整する加湿器バイパス量調整手段と、
   前記加湿器の下流であって前記燃料電池の上流における前記反応ガスの温度を検出する第３の温度検出手段と、
   を備え、
   前記第３の温度検出手段で検出された反応ガス温度が第３の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第３の所定温度を超えないように、前記加湿器バイパス量調整手段を制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第３の所定温度は、前記燃料電池の耐熱上限温度に基づいて設定された温度であ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. 反応ガスを圧縮し熱交換器で冷却し加湿器で加湿して燃料電池に供給し発電を行う燃料電池システムを低温始動するときに、前記反応ガスの少なくとも一部を熱交換器を迂回して前記加湿器に供給する燃料電池システムの低温始動方法であって、
   前記熱交換器の上流の反応ガス温度が第１の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第１の所定温度を超えないように且つ熱交換器と加湿器の間の反応ガスの温度が第２の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第２の所定温度を超えないように、前記熱交換器に流れる反応ガス流量と該熱交換器を迂回して流れる反応ガス流量を制御することを特徴とする燃料電池システムの低温始動方法。
7. 前記燃料電池システムを低温始動するときに、さらに前記反応ガスの少なくとも一部を前記加湿器を迂回して前記燃料電池に供給し、
   前記燃料電池の上流の反応ガス温度が第３の所定温度に達したときには該反応ガス温度が前記第３の所定温度を超えないように、前記加湿器に流れる反応ガス流量と該加湿器を迂回して流れる反応ガス流量を制御することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの低温始動方法。

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