JP2007184110A

JP2007184110A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2007184110A
Application number: JP2005380612A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kamiya; 斎神谷; Kenji Kato; 憲二加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2007-07-19

Abstract

【課題】燃料電池に供給される酸化ガスを効率的に暖めることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸化ガス供給ファン１２２と、燃料ガスが流入される燃料室と前記酸化ガス供給ファンにより供給される酸化ガスが流入される酸化ガス室とを高温電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池１００と、冷媒循環路８０と、前記冷媒循環路８０に設けられ、前記冷媒循環路８０中の冷媒を圧縮するコンプレッサー８１と、前記冷媒循環路８０に設けられ、前記コンプレッサー８１により圧縮された冷媒の放熱用熱交換器８２と、を備え、前記放熱用熱交換器８２は、前記酸化ガス供給ファン１２２と前記燃料電池の酸化ガス入口３２６との間に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは冷媒循環路を循環する冷媒と供給される酸化ガスとの熱交換機能を有する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生させるものであり、例えば、固体高分子電解質型燃料電池では、基本単位となる単位セルとセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックが構成される。そして、単位セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池では、水素及び空気（酸素）が供給されることにより、以下のような水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
（水素極側）Ｈ₂→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（酸素極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、燃料電池には、上記発電された電力を取り出すための集電板が、積層方向における両端に設けられている。この集電板で取り出された電力は、インバータを介して走行モータ等の負荷に供給され、あるいは図示しない２次電池の充電等に用いられる。

ところで、上記電気化学反応を行うためには、電解質膜の性質に応じて、最適な温度環境となるように温度管理する必要があるが、発電反応によって生成される水を蒸発させ、燃料室内での生成水の滞留を防止するために、摂氏１００度以上において反応効率が高い電解質膜が用いられる。
特開２００２−３１３３８７号

しかし、発電反応を行う際の温度環境が高い場合には、燃料電池に供給される燃料ガスや酸化ガスが運転時の温度より低いため、これらのガスを燃料電池へ供給する前に、予め暖める必要がある。
本発明は、燃料電池に供給される酸化ガスを効率的に暖めることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１）酸化ガス供給ファンと、
燃料ガスが流入される燃料室と前記酸化ガス供給ファンにより供給される酸化ガスが流入される酸化ガス室とを高温電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられ、前記冷媒循環路中の冷媒を圧縮するコンプレッサーと、
前記冷媒循環路に設けられ、前記コンプレッサーにより圧縮された冷媒の放熱用熱交換器と、
を備え、
前記放熱用熱交換器は、前記酸化ガス供給ファンと前記燃料電池の酸化ガス入口との間に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

（２）前記冷媒循環路に設けられ、前記放熱用熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記冷媒循環路に設けられ、前記膨張弁により膨張した冷媒の吸熱用熱交換器と、
をさらに備え、
前記吸熱用熱交換器は、前記燃料電池の酸化ガス出口と外部環境へ酸化ガスを放出する放出口との間に設けられていることを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。

（３）前記コンプレッサー及び前記酸化ガス供給ファンを作動させる暖気手段と、
前記燃料電池から排気される酸化ガスの温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記検出温度が予め定められた温度に達した場合、前記燃料電池に燃料ガスを供給するように前記燃料ガス供給手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする（１）又は（２）に記載の燃料電池システム。

（４）前記燃料電池から排気される酸化ガスの温度が予め定められた温度範囲に収まるように前記コンプレッサーを制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の燃料電池システム。

請求項１記載の発明によれば、冷媒循環路を循環する冷媒は、コンプレッサーで圧縮されることにより高温・高圧の状態になって放熱用熱交換機に到達し、この放熱用交換器において放熱する。この放熱用交換器は酸化ガス供給ファンと燃料電池の酸化ガス入口との間に設けられている。従って、酸化ガス供給ファンから供給される酸化ガスを放熱により暖め、この暖められた酸化ガスを燃料電池に供給することが可能となる。すなわち、燃料電池に供給される酸化ガスを効率的に暖めることが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、冷媒循環路を循環する冷媒は、膨張弁により膨張することにより低温・低圧の状態になって吸熱用熱交換器に到達し、この吸熱用熱交換機において吸熱する。この吸熱用熱交換機は、燃料電池の酸化ガス出口と外部環境へ酸化ガスを放出する放出口との間に設けられている。従って、外部環境へ放出される酸化ガスを吸熱により冷却し、この冷却された酸化ガスを外部環境へ放出することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、コンプレッサー、膨張弁、及び酸化ガス供給ファンを作動させることにより燃料電池の発電前の暖気を行い、この暖気により燃料電池（から排気される酸化ガス）が予め定められた温度（反応効率が良好な温度）に達した場合、燃料電池に燃料ガスを供給することになる。これにより、燃料電池を反応効率が良好な温度で発電開始することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、燃料電池（から排気される酸化ガス）が予め定められた温度範囲に収まるようにコンプレッサー、及び膨張弁を制御することになる。これにより燃料電池を反応効率が良好な温度範囲内で運転することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００と、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０と、空気供給系１２と、負荷系７とに大略構成される。

図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。 ◎
燃料電池スタック１００は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、空気極である酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。

固体高分子電解質膜２３は、高温域でプロトン伝導度が十分に得られる高温膜が用いられる。すなわち、この高温膜は、雰囲気が高温・低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜である。具体的に高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、またはそれらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質よりも水が十分に保水される材料か、又は水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものであれば良く、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であれば良い。
具体的なプロトン伝導度の一例を挙げると、温度が摂氏50〜140℃の範囲内で、湿度が0〜50％の雰囲気下において、一般的な固体高分子（摂氏50度以下、湿度50％以上の雰囲気下でプロトン伝導度が0.1S/cm以上）よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、摂氏120℃、湿度20％の雰囲気下において、プロトン伝導性が0.1S/cm以上であるものが好ましい。
以上のような高温膜を用いることによって、発電反応によって発生する生成水が気化し、燃料ガスや酸化ガスとともに排出されるため、燃料電池スタック内に水が溜まることがなく、水排出のための構造を付加する必要もなくなる。

セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。固体高分子電解質膜２３において、燃料として供給された水素と酸化剤として供給された酸素が反応し、電力が得られるとともに、生成水が発生する。この電解質膜２３の反応効率が良好な温度領域は、１００度以上であるため、この温度領域で発電反応を行うことで、生成水は水蒸気となり、燃料ガスや空気とともに、燃料電池スタック１００の外部に排出される。発電反応が可能となる温度領域が、水の沸点以上である電解室膜を用いることによって、生成水を気化させて排出させることが可能となる。

集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。

集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。

凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。

燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。

各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１００内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１００内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。一対の燃料ガス排出通路３１９ａ、３１９ｂの一方は、燃料ガス供給流路２０１Ａに接続され、他方は、ガス循環流路２０２に接続される。

集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１００の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。このように構成された燃料電池スタック１００の鉛直上側には、空気マニホールド５４が設けられている。

次に、図１に示されている燃料電池システムの空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である排気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の空気流入部３２６に空気を分割して流入させる。

排気ダクト１２４は、燃料電池スタック１００の空気流出部３２７に接続され、空気流出部３２７から流出した空気を合流させ、外部環境へ放出する。排気ダクト１２４には、吸熱用熱交換器１２６が接続され、熱が吸収された排気は、フィルタ１２５を介して外部環境に排出される。排出される空気の温度は、吸熱用熱交換器１２６の下流側に設けられた温度センサＳ６で検出される。また、排気ダクト１２４には、空気流出部３２７から排出された空気の温度を検出するための温度センサＳ５が設けられている。この温度センサＳ５によって、燃料電池スタック１００の温度を間接的に検出することができる。

燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスボンベである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａを介して燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＡＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元開閉弁Ｖ０、一次センサＳ０、レギュレータＶ２、二次供給弁Ｖ１、水素調圧弁Ｖ３、この水素調圧弁Ｖ３と並列に設けられた起動電磁弁Ｖ３ａ及び二次圧センサＳ１、ガス供給弁Ｖ４、三次圧センサＳ２、安全弁ＶＡが順に設けられ、三次圧センサＳ２とガス取入口２０１ＡＩＮの間には、ガス導出路２０１Ｂと外気流入路２０６の一端がそれぞれ接続されている。外気流入路２０６の他端は、外部に開口し、開口側からフィルタ２９、外気導入電磁弁Ｖ５が順に設けられている。ガス導出路２０１Ｂは、他端が排気ダクト１２４に接続されており、排気ダクト１２４側から減圧用電磁弁Ｖ６、循環電磁弁Ｖ７が順に設けられている。

燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、ガス循環流路２０２の一端が接続され、その他端は、ガス導出路２０１Ｂの減圧用電磁弁Ｖ６と循環電磁弁Ｖ７の間に接続されている。また、ガス循環流路２０２には、循環ポンプ２５が設けられ、ガス排出口２０２ＯＵＴからガス導出路２０１Ｂへ向けて、水素ガスが流れるように作用する。このガス循環流路２０２と、燃料ガス供給流路２０１Ａとによって、水素ガスの循環路が構成される。

ガス循環流路２０２において、循環ポンプ２５とガス排出口２０２ＯＵＴの間には、ガス排出路２０３の一端が接続されている。ガス排出路２０３の他端は、後述する排気ダクトに接続され、さらにガス排出路２０３は、ガス排出電磁弁Ｖ８を備えている。

次に、冷熱サイクルシステムについて説明する。
冷熱サイクルシステムは、冷媒が循環する冷媒循環路８０を備えており、この冷媒循環路８０には、冷媒循環路８０中の冷媒を圧縮する電動コンプレッサー８１、この電動コンプレッサー８１により圧縮された冷媒の放熱用交換器８２、この放熱用交換器８２において放熱した冷媒を膨張させる膨張弁８３、この膨張弁８３により膨張した冷媒の吸熱用熱交換器１２６が設けられている。また、電動コンプレッサー８１と放熱用交換器８２との間には圧縮後の冷媒の圧力を検出するための圧力センサＳ７、及び、その圧縮後の冷媒の温度を検出するための温度センサＳ８が設けられている。また、放熱用交換器８２と膨張弁８３との間には放熱後の冷媒の温度を検出するための温度センサＳ９が設けられている。

図４は、放熱用熱交換器８２（吸熱用交換器１２６も同様）の構成を示す斜視図である。放熱用熱交換器８２は、空気導入路１２３内に位置し、空気導入路１２３を横断する方向に配置され、空気導入路１２３内を流れる空気の流線に対して直行する平面内において蛇行する管体２７１を有する。放熱用熱交換器８２においては、管体２７１内を冷媒が循環する際、空気と冷媒との間で、熱交換が行われ、冷媒は冷やされ、空気は暖められる。一方、吸熱用交換器１２６においては、管体２７１内を冷媒が循環する際、空気と冷媒との間で熱交換が行われ、冷媒は暖められ、空気は冷やされる。空気導入路１２３内の管体２７１は、特に他の部位の配管よりも熱伝導率の良い材料で構成されていることが好ましい。

外側雰囲気の空気と、冷媒との熱交換を、より効率よく行うためである。また、他の部位の配管に用いられる材質は、周囲の配置された部品に、熱による悪影響を与えないように、熱伝導率の低い材料を用いることが好ましい。また、管体２７１は、蛇行形状に限らず、螺旋形状など他の形状であってもよい。例えば、螺旋形状の中心線が、空気導入路１２３内の空気流の流線に平行となるように、配置されていてもよい。

燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３を介してモータ等の負荷に接続されている。また、インバータ７３には、出力制御装置７５を介して補助電源である蓄電池７６が接続されている。蓄電池としては、例えば、キャパシタ、リチウム電池等が用いられる。

燃料電池システム１の制御装置には、各センサＳ０〜Ｓ９の検出値が入力され、かつ、各電磁弁Ｖ１〜８、ポンプ２５、ファン１２２、インバータ７３、出力制御装置７５を制御する。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータの駆動や停止の指示信号が入力される。

次に、以上のように構成された燃料電池システム１の動作（起動時の動作）について説明する。図５は、燃料電池システム１の動作（起動時の動作）を説明するための図である。

以下の動作はイグニッションがオンされると開始する。
イグニッションがオンされると（ステップＳ１０）、燃料電池システム１においては、蓄電池７６の残量が５０％以上であるか否かが判定される（ステップＳ１２）。蓄電池７６の残量が５０％以上であれば（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、圧力センサＳ７によって冷媒圧力を検出し（ステップＳ１４）、この検出した冷媒圧力に基づいて、電解質膜２３が一定温度（反応効率が良好な温度。例えば１２０℃）に迅速に達するように電動コンプレッサー８１を制御する（ステップＳ１６）。また、温度センサＳ６によって外部環境へ排出される排気温度を検出し（ステップＳ１８）、この検出した排気温度に基づいて、電解質膜２３が一定温度（反応効率が良好な温度。例えば１２０℃）に迅速に達するように膨張弁８３を制御する（ステップＳ２０）。次に空気供給ファン１２２をオンして低回転で作動させる（ステップＳ２２）。

冷媒循環路８０を循環する冷媒は、電動コンプレッサー８１で圧縮されることにより高温・高圧の状態になって放熱用熱交換器８２に到達し、この放熱用交換器８２において放熱する。この放熱用交換器８２は空気供給ファン１２２と燃料電池スタック１００の空気流入部３２６との間に設けられている。従って、空気供給ファン１２２から供給される酸化ガスを放熱により暖め、この暖められた酸化ガスを燃料電池スタック１００に供給することが可能となる。すなわち、燃料電池スタック１００に供給される酸化ガスを効率的に暖めることが可能となる。この暖められた酸化ガスは燃料電池スタック１００の空気流入部３２６、空気流通路３２５を経て、空気流出部３２７から排気される。

以上の処理（ステップＳ１２〜Ｓ２２）は、温度センサＳ５によって検出されるＦＣ排気温度が所定温度（反応効率が良好な温度。例えば摂氏１２０度）に達するまで、繰り返される（ステップＳ２４）。これにより、燃料電池スタック１００（電解質膜２３）を反応効率が良好な温度まで迅速に暖機することが可能となる。この所定温度は、電気化学反応により生成される水が蒸発する温度であり、具体的には摂氏１００度以上に設定される。また、リン酸を用いた電解質を使用する場合には、生成水にリン酸が溶出するため、生成水が蒸発する温度領域で電気化学反応が生じるように温度管理することが好ましい。

次に、温度センサＳ５によって検出されるＦＣ排気温度が上記所定温度に達すると（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、圧力センサＳ７によって冷媒圧力を検出し（ステップＳ２６）、この検出した冷媒圧力に基づいて、電解質膜２３が一定温度（反応効率が良好な温度。例えば１２０℃）を維持するように電動コンプレッサー８１を制御する（ステップＳ２８）。また、温度センサＳ６によって外部環境へ排出される排気温度を検出し（ステップＳ３０）、この検出した排気温度に基づいて、電解質膜２３が一定温度（反応効率が良好な温度。例えば１２０℃）を維持するように膨張弁８３を制御する（ステップＳ３２）、次に水素導入起動処理を行う（ステップＳ３４）。

すなわち、燃料電池スタック１００の温度が高温膜の可動域に達した後、燃料電池スタック１００内に充填されていた置換ガスを水素ガスに置換する。つまり、ガス排出電磁弁Ｖ８と起動電磁弁Ｖ３ａを開放し、３次圧よりも圧力の高い２次圧を燃料電池スタック１００へ供給することによって、置換ガスから水素ガスへの置換を急速に完了させる。ガス置換の終了後、定常運転が行われる（ステップＳ３６）。
一方、蓄電池７６の残量が５０％未満であれば、蓄電池７６の残量低下を車両ＥＣＵに通知し（ステップＳ３８）、異常時の停止運転を行う（ステップＳ４０）。

以上説明したように、電動コンプレッサー８１、膨張弁８３、及び空気供給ファン１２２を作動させる（ステップＳ１４〜Ｓ２２）ことにより燃料電池スタック１００の発電前の暖気（加熱）を行い、この暖気により燃料電池スタック１００（から排気される酸化ガス）が予め定められた温度（反応効率が良好な温度）に達した場合（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１００に燃料ガスを供給することになる（ステップＳ３４）。これにより、燃料電池スタック１００を反応効率が良好な温度で発電開始することが可能となる。

次に、燃料電池システム１の動作（定常時の動作）について説明する。図６は、燃料電池システム１の動作（定常時の動作）を説明するための図である。

以下の動作は定常時に継続して実行される。
定常時、燃料電池システム１においては、温度センサＳ５によって検出されるＦＣ排気温度が１２０℃以上であるか否かが判定される（ステップＳ５０）。ＦＣ排気温度が１２０℃以上であれば（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）、さらに、ＦＣ排気温度が２００℃以下であるか否かが判定される（ステップＳ５２）。ＦＣ排気温度が２００℃以下であれば（ステップＳ５２：Ｙｅｓ）、圧力センサＳ７によって冷媒圧力を検出し（ステップＳ５４）、この検出した冷媒圧力に基づいて、電解質膜２３が一定温度範囲（反応効率が良好な温度範囲。例えば１２０〜２００℃）を維持するように電動コンプレッサー８１を制御する（ステップＳ５６）。また、温度センサＳ６によって外部環境へ排出される排気温度を検出し（ステップＳ５８）、この検出した排気温度に基づいて、電解質膜２３が一定温度範囲（反応効率が良好な温度範囲。例えば１２０〜２００℃）を維持するように膨張弁８３を制御する（ステップＳ６０）。

冷媒循環路８０を循環する冷媒は、電動コンプレッサー８１で断熱圧縮されることにより高温・高圧の状態になって放熱用熱交換機８２に到達し、この放熱用交換器８２において放熱する。この加熱用交換器８２は空気供給ファン１２２と燃料電池スタック１００の空気流入部３２６との間に設けられている。従って、空気供給ファン１２２から供給される酸化ガスを放熱により暖め、この暖められた酸化ガスを燃料電池スタック１００に供給することが可能となる。すなわち、燃料電池スタック１００に供給される酸化ガスを効率的に暖めることが可能となる。電動コンプレッサー８１による冷媒の圧縮量を調整することにより、酸化ガスに放熱される熱量を調整し、酸化ガスの温度を調整することが可能となる。
この暖められた酸化ガスは燃料電池スタック１００の空気流入部３２６、空気流通路３２５を経て、空気流出部３２７から排気される。

一方、ＦＣ排気温度が１２０℃未満であるか（ステップＳ５０：Ｎｏ）、あるいは、ＦＣ排気温度が２００℃を超えていれば（ステップＳ５２：Ｎｏ）、車両ＥＣＵに温度異常を通知し（ステップＳ６２）、異常時の停止運転を行う（ステップＳ６４）。
以上の処理（ステップＳ５０〜Ｓ６４）は、定常運転が行われている間、繰り返される。これにより、燃料電池スタック１００（電解質膜２３）を反応効率が良好な温度範囲内で運転することが可能となる。

なお、以上の処理（ステップＳ５０〜Ｓ６４）が行われている間、冷媒循環路８０を循環する冷媒は、膨張弁８３により断熱膨張することにより低温・低圧の状態になって吸熱用熱交換器１２６に到達し、この吸熱用熱交換機１２６において吸熱する。この吸熱用熱交換機１２６は、燃料電池スタック１００の酸化ガス出口である空気流出部３２７と外部環境へ酸化ガスを放出する放出口との間に設けられている。従って、外部環境へ放出される酸化ガスを吸熱により冷却し、この冷却された酸化ガスを外部環境へ放出することが可能となる。

以上説明したように、燃料電池スタック１００（から排気される酸化ガス）が予め定められた温度範囲に収まるようにコンプレッサー８１、及び膨張弁８３を制御することになる（ステップＳ５０〜Ｓ６０）。これにより燃料電池スタック１００を反応効率が良好な温度範囲内で運転することが可能となる。

次に、燃料電池システム１の動作（停止時の動作）について説明する。図７は、燃料電池システム１の動作（停止時の動作）を説明するための図である。
以下の動作はイグニッションがオフされると開始する。
イグニッションがオフされると（ステップＳ７０）、燃料電池システムにおいては、蓄電池７６の残量が５０％以上であるか否かが判定される（ステップＳ７０）。蓄電池７６の残量が５０％以上であれば（ステップＳ７０：Ｙｅｓ）、さらに、ＦＣ排気温度が１２０℃以上であるか否かが判定される（ステップＳ７２）。ＦＣ排気温度が１２０℃以上であれば（ステップＳ７２：Ｙｅｓ）、水素排出停止処理が行われる（ステップＳ７４）。これにより、燃料電池スタック１００に水素ガスが供給されなくなり、発電が停止する。

次に、燃料電池スタック１００から得られる電圧が予め定められた低電圧以下であるか否かが判定される（ステップＳ７６）。燃料電池スタック１００から得られる電圧が予め定められた低電圧以下であれば（ステップＳ７６：Ｙｅｓ）、電動コンプレッサー８１及び空気供給ファン１２２をオフする（ステップＳ７８、Ｓ８０）。

一方、蓄電池７６の残量が５０％未満であれば（ステップＳ７０：Ｎｏ）、蓄電池７６の残量低下を車両ＥＣＵに通知し（ステップＳ８２）、異常時の停止運転を行う（ステップＳ８６）。また、ＦＣ排気温度が１２０℃未満であれば（ステップＳ７２：Ｎｏ）、ＦＣ排気温度異常を車両ＥＣＵに通知し（ステップＳ８４）、異常時の停止運転を行う（ステップＳ８６）。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。燃料電池スタックの部分断面側面図である。燃料電池スタックの部分斜視図である。熱交換器の構成を示す斜視図である。燃料電池システム１の動作（起動時の動作）を説明するための図である。燃料電池システム１の動作（定常時の動作）を説明するための図である。燃料電池システム１の動作（停止時の動作）を説明するための図である。

符号の説明

１燃料電池システム
１１水素貯蔵タンク
１００燃料電池スタック
２０１Ａ、２０１Ｂ燃料ガス供給流路
２０２循環流路
２５循環ポンプ
８０冷媒循環路
８１電動コンプレッサー
８２放熱用熱交換機
８３膨張弁
１２６吸熱用熱交換器

Claims

酸化ガス供給ファンと、
燃料ガスが流入される燃料室と前記酸化ガス供給ファンにより供給される酸化ガスが流入される酸化ガス室とを高温電解質膜を介して隣接させ、燃料ガスと酸化ガスとの反応により発電する燃料電池と、
冷媒循環路と、
前記冷媒循環路に設けられ、前記冷媒循環路中の冷媒を圧縮するコンプレッサーと、
前記冷媒循環路に設けられ、前記コンプレッサーにより圧縮された冷媒の放熱用熱交換器と、
を備え、
前記放熱用熱交換器は、前記酸化ガス供給ファンと前記燃料電池の酸化ガス入口との間に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
前記冷媒循環路に設けられ、前記放熱用熱交換器を通過した冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記冷媒循環路に設けられ、前記膨張弁により膨張した冷媒の吸熱用熱交換器と、
をさらに備え、
前記吸熱用熱交換器は、前記燃料電池の酸化ガス出口と外部環境へ酸化ガスを放出する放出口との間に設けられてい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。
前記コンプレッサー、膨張弁、及び前記酸化ガス供給ファンを作動させる暖気手段と、
前記燃料電池から排気される酸化ガスの温度を検出する温度センサと、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記検出温度が予め定められた温度に達した場合、前記燃料電池に燃料ガスを供給するように前記燃料ガス供給手段を制御する制御手段と、
を備え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。
前記燃料電池から排気される酸化ガスの温度が予め定められた温度範囲に収まるように前記コンプレッサー、及び膨張弁を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の燃料電池システム。