JP2008251335A - 燃料電池システムの暖機装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に極低温環境下で燃料電池を起動した場合でも、燃料電池の暖機を促進することができる燃料電池システムの暖機装置を提供する。
【解決手段】第２流体配管７と加熱配管１２とを連通させた状態において加熱装置４を作動させ、加熱した冷媒を燃料電池２の入口２ａ側から作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）に供給する。そして、温度Ｔ２が温度Ｔ１よりも高くなった場合には、第４流体配管９と加熱配管１２とを連通させ、加熱装置４を停止させ、燃料電池２の出口２ｂから排出された冷媒を作動デバイスに供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池冷却用の冷媒を加温する加熱装置を備えた燃料電池システムの暖機装置に関する。

従来から、燃料電池システムでは、低温環境下での始動性を向上させるために始動時に燃料電池を暖機する技術として、例えば、冷媒（伝熱流体）をヒータなどで加熱し、その加熱した冷媒を燃料電池内に供給して循環させることが提案されている（特許文献１参照）。また、燃料電池システムでは、例えばアノード系内の暖機速度を向上させることが燃料電池の起動性向上に寄与することが既に知られており、その手段として、燃料電池の出口から排出された冷媒を、熱交換器に導入して反応ガス（水素など）を加温したり、弁などの燃料電池の周辺デバイスを加温するのに使用することが提案されている。
特開２００３−２４３０１２号公報（図１）

しかしながら、前記した従来の技術では、例えば燃料電池を極低温環境下で起動した場合、燃料電池の出口の冷媒温度がなかなか上昇せず、暖機もほとんど促進されないという問題があった。また、周辺デバイスでは加温に必要な流量は少なくて済むが、熱交換器では要求流量が多く、その流量を確保するために配管が大型化して重量増加を招くという問題もあった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、特に極低温環境下で燃料電池を起動した場合でも、燃料電池の暖機を促進することができる燃料電池システムの暖機装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池に熱交換用の伝熱流体を供給する燃料電池用流体流路と、前記燃料電池用流体流路の伝熱流体を加熱する加熱装置と、所定の作動デバイスに熱交換用の伝熱流体を供給する作動デバイス用流体流路と、を備えた燃料電池システムの暖機装置において、前記燃料電池用流体流路における前記燃料電池の伝熱流体の入口と前記加熱装置との間を連通する第１の流体流路と、前記第１の流体流路から分岐した第２の流体流路と、前記燃料電池用流体流路における前記燃料電池の伝熱流体の出口と前記加熱装置との間を連通する第３の流体流路と、前記第３の流体流路から分岐した第４の流体流路と、前記第２の流体流路を前記作動デバイス用流体流路の上流側とする第１の伝熱流体供給パターンと、前記第４の流体流路を前記作動デバイス用流体流路の上流側とする第２の伝熱流体供給パターンと、を前記燃料電池の運転状態に基づいて切換え可能な切換手段と、を備えたことを特徴とする。

これによれば、第１の伝熱流体供給パターンと第２の伝熱流体供給パターンとを切換え可能な切換手段を設けたことにより、燃料電池の運転状態に基づいて作動デバイスへの伝熱流体の最適な供給が可能になり、燃料電池システム全体の昇温が可能になる。なお、運転状態とは、例えば、暖機中、特に極低温状態での始動時、電気ヒータや触媒燃焼ヒータ等を用いて燃料電池システムを暖機している状態を意味する。

請求項２に係る発明は、前記第２の流体流路と前記第４の流体流路とが合流する合流部を有し、
前記合流部の下流に前記作動デバイスを加熱する加熱流路を設け、前記切換手段は、前記合流部から前記加熱流路へ向かう伝熱流体を、前記第２の流体流路からの伝熱流体にするか、前記第４の流体流路からの伝熱流体にするかを切り換えることを特徴とする。

これによれば、簡単な構成により切換手段を構成でき、しかも合流部より下流側は共通な加熱流路となるので装置の小型化が可能になる。

請求項３に係る発明は、前記第１の流体流路または前記第２の流体流路を流れる伝熱流体の温度を検出もしくは予測する第１の温度検知手段と、前記第３の流体流路または前記第４の流体流路を流れる伝熱流体の温度を検出もしくは予測する第２の温度検知手段と、を備え、前記第１の温度検知手段および前記第２の温度検知手段により得られたそれぞれの温度に基づいて前記切換手段を切換えることを特徴とする。

これによれば、温度に基づいて切換手段を切換えるようにしているため、燃料電池システム全体の昇温を早めることが可能になる。

請求項４に係る発明は、前記燃料電池が暖機中か否かを判断する暖機判断手段を備え、前記暖機判断手段により前記燃料電池が暖機中であると判断された場合には、前記第１の伝熱流体供給パターンとなるように前記切換手段を切換えることを特徴とする。

これによれば、第１流体流路ないし第４流体流路に温度検知手段を設置しなくても制御可能となる。なお、暖機判断手段は、燃料電池の温度や外気温度等の温度パラメータに基づいて判断できる。

請求項５に係る発明は、前記作動デバイスは、前記燃料電池へ供給される燃料ガスの燃料ガス供給路に設けられて前記燃料ガスとの熱交換をする熱交換器と、前記燃料電池から排出される燃料排ガスの燃料排ガス路に設けられて前記燃料排ガス路の燃料排ガスを処理する処理装置と、で構成され、前記熱交換器を前記処理装置の上流側に配置したことを特徴とする。

これによれば、系内を暖機する熱交換器に必要な流量は、作動デバイスの加温に必要な流量よりも大流量が要求されるため、先に熱交換器を接続し、その下流に処理装置を接続することにより、熱交換器に対して大流量の伝熱流体を確保でき、処理装置には必要十分な流量の伝熱流体を確保できるようになる。

請求項６に係る発明は、前記処理装置は、複数の処理装置からなり、前記熱交換器を通過した伝熱流体が前記複数の処理装置に対して並列に流れるようにした分岐流路を備えることを特徴とする。

これによれば、処理装置の加温に必要な流量は少なくて済むため、伝熱流体が並列に流れるように分岐流路を備えることにより、大径の配管を長く引き回さなくてよいので、装置の小型化および軽量化に寄与できる。

本発明によれば、特に極低温環境下で燃料電池を起動した場合でも、燃料電池の暖機を促進することができる。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の暖機装置を含む燃料電池システムを示す全体構成図、図２は第１実施形態の暖機装置における燃料電池システムの起動時の制御を示すフローチャートである。なお、燃料電池システムＦ１の暖機装置１Ａは自動車用に限定されるものではなく、船舶や航空機、定置式の家庭用電源などに適用することもできる。まず、燃料電池システムＦ１について説明する。

図１に示すように、燃料電池システムＦ１は、燃料電池２、アノード系２０、冷却系３０などを含んで構成されている。なお図示していないが、燃料電池システムＦ１には、エアコンプレッサ、加湿器、背圧弁、配管などで構成されたカソード系が設けられているものとする。

前記燃料電池２は、例えば、固体高分子電解質膜を触媒を含むアノード（電極）および触媒を含むカソード（電極）で挟み、さらに導電性のセパレータで挟んで構成された単セルを厚み方向に複数積層した構造を有している。また、導電性のセパレータには、水素が流通するアノード流路、空気が流通するカソード流路（図示せず）、冷媒が流通する冷媒流路が形成されている。なお、冷媒は水や不凍液などである。

前記アノード系２０は、水素タンク２１、遮断弁２２、レギュレータ２３、エゼクタ２４、気液分離器２５、パージ弁２６などで構成されている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記遮断弁２２は、水素タンク２１の出口に接続された配管２７ａに設けられ、後記する制御部４０によって開閉制御される。

前記レギュレータ２３は、遮断弁２２の下流側に配管２７ｂを介して接続され、水素タンク２１から供給された高圧の水素ガスを所定圧に減圧する機能を有している。

前記エゼクタ２４は、燃料電池２のアノードから排出された未反応の水素を、燃料電池２のアノードに戻す機能を有している。また、エゼクタ２４は、レギュレータ２３と配管２７ｃを介して接続されている。また、燃料電池２のアノード入口側とは、配管２７ｄを介して接続されている。また、エゼクタ２４は、アノード出口側に接続された配管２７ｅ（燃料排ガス路）から分岐した配管２７ｆと接続されている。なお、配管２７ｅは、燃料電池２のアノードの出口と後記する希釈ボックス２８とを接続する配管である。

前記気液分離器２５は、アノードオフガス（燃料排ガス）を処理する、つまり燃料電池２から排出されたアノードオフガスを生成水と水素とに分離して、生成水を貯留して排出する機能を有し、配管２７ｅの途中に設けられている。なお、図示していないが、気液分離器２５には、生成水を排出する際に開く弁が設けられている。ちなみに、気液分離器２５に貯留される生成水は、例えば燃料電池２のカソード側で生成されて電解質膜を透過してきたものである。

前記パージ弁２６は、配管２７ｅ上に設けられ、後記する制御部４０によって開閉されることにより、アノードオフガス（燃料排ガス）を処理する（系外に排出する）機能を有している。なお、パージ弁２６は、例えば定期的に開閉することで、発電性能が損なわれるのを防止している。

前記希釈ボックス２８は、燃料電池２のアノードから排出されたアノードオフガスに含まれる水素を、燃料電池２のカソードから排出されたカソードオフガス（空気など）で希釈した後に系外に排出する機能を有している。

前記冷却系３０は、燃料電池２が発電により発生した熱を放熱する機能を有し、ラジエータ３１、バイパス配管３２、サーモスタット弁３３、循環ポンプ３４などを備えている。

前記ラジエータ３１は、管とフィンなどで構成され、燃料電池２で温められた冷媒を放熱する機能を有している。また、ラジエータ３１は、燃料電池２と後記する各配管と接続されることで、燃料電池２とラジエータ３１との間で冷媒を循環させることができるように構成されている。

前記バイパス配管３２は、燃料電池２から排出された冷媒をラジエータ３１を通さずに燃料電池２に戻す配管である。

前記サーモスタット弁３３は、冷媒(伝熱流体)の温度に応じて切り替わる機能を有し、冷媒が燃料電池２を冷却する必要がある温度であるときに、ラジエータ３１を通る位置に切替えられ、冷媒が燃料電池２を冷却する必要がない温度（または暖機する必要がある温度）であるときに、ラジエータ３１をバイパスする位置に切替えられるように構成されている。なお、サーモスタット弁３３の切り替えは、内部のワックスが温度によって体積が変化することによりなされるものであってもよく、あるいは後記する制御部４０からの信号により電気的に切替えが行われるものであってもよい。

前記循環ポンプ３４は、燃料電池２とラジエータ３１との間において冷媒を循環させる機能を有している。

図１に示すように、第１実施形態の暖機装置１Ａは、燃料電池２を冷却する際の冷媒（伝熱流体）を利用して暖機する機能を有し、燃料電池用流体配管３、加熱装置４、作動デバイス用流体配管５、三方弁（切換手段）１０、水素熱交換器１１、制御部４０、温度センサ４１，４２などを含んで構成されている。

前記燃料電池用流体配管３は、燃料電池２に対して冷媒を循環させる流路を構成し、燃料電池２の入口２ａとラジエータ３１の出口３１ａとを接続して、燃料電池２に供給される冷媒が流通する冷媒供給配管３Ａと、燃料電池２の出口２ｂとラジエータ３１の入口３１ｂとを接続して、燃料電池２から排出された冷媒が流通する冷媒排出配管３Ｂとで構成されている。

前記冷媒供給配管３Ａは、燃料電池用流体配管３の一部を構成し、燃料電池２の冷媒の入口２ａと加熱装置４とを接続する第１流体配管６を有している。また、冷媒排出配管３Ｂは、燃料電池用流体配管３の一部を構成し、燃料電池２の冷媒の出口２ｂと加熱装置４とを接続する第３流体配管８を有している。

前記加熱装置４は、冷媒を加温する機能を有し、ヒータ４ａと、冷媒を冷媒供給配管３Ａからヒータ４ａに導く加温供給配管４ｂと、ヒータ４ａで加温された冷媒を冷媒供給配管３Ａに戻す加温排出配管４ｃと、冷媒の流れをヒータ４ａ側または燃料電池２側に切り替える加温切替弁４ｄとで構成されている。

前記ヒータ４ａは、電気ヒータや触媒燃焼ヒータなどで構成されている。なお、触媒燃焼ヒータは、例えば、ハニカム形状のベース部材に白金やパラジウムなどの酸化触媒を担持させて形成したものが用いられ、水素と空気の混合ガスが供給されることにより燃焼するようになっている。

前記作動デバイス用流体配管５は、所定の作動デバイスに冷媒（伝熱流体）を供給する流路を構成し、第２流体配管７、第４流体配管９、および加熱配管１２を有している。なお、本実施形態における作動デバイスとは、後記する水素熱交換器（熱交換器）１１、前記した気液分離器（処理装置）２５およびパージ弁（処理装置）２６である。

前記第２流体配管７は、第１流体配管６から分岐して形成され、後記する三方弁１０と接続されている。前記第４流体配管９は、第３流体配管８から分岐して形成され、後記する三方弁１０と接続されている。なお、第２流体配管７と第４流体配管９とが合流している部分（三方弁１０の部分）が本実施形態における合流部に相当する。

前記三方弁１０は、作動デバイス用流体配管５の上流側の配管を第２流体配管７として、冷媒が第２流体配管７から加熱配管１２に流れる状態に設定する第１の伝熱流体供給パターンと、作動デバイス用流体配管５の上流側の配管を第４流体配管９として、冷媒が第４流体配管９から加熱配管１２に流れる状態に設定する第２の伝熱流体供給パターンとに切換え可能な弁である。

前記水素熱交換器１１は、水素タンク２１から供給された水素との間で熱交換を行う機能を有し、例えばレギュレータ２３とエゼクタ２４との間の配管２７ｃに設けられている。

前記加熱配管１２は、前記三方弁１０が位置する合流部の下流に接続され、作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）を加熱する機能を有している。また、加熱配管１２は、先に単一の配管１２ａで水素熱交換器１１に冷媒が流れ、その後に分岐配管１２ｂ，１２ｃとなって気液分離器２５、パージ弁２６に対して冷媒が並列に流れるように構成されている。なお、分岐配管１２ｂ，１２ｃは、気液分離器２５、パージ弁２６を通過後、合流して配管１２ｄとなって冷媒排出配管３Ｂおよびバイパス配管３２に接続されるように構成されている。

前記制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、プログラムなどで構成されている。また、制御部４０は、遮断弁２２、気液分離器２５に設けられた弁（図示せず）、パージ弁２６、加温切替弁４ｄ、三方弁１０、循環ポンプ３４、後記する温度センサ４１，４２などと電気的に接続されている。

前記温度センサ４１は、第２流体配管７に流れる冷媒の温度を検出する機能を有している。前記温度センサ４２は、第４流体配管９に流れる冷媒の温度を検出する機能を有している。なお、温度センサ４１は、第２流体配管７の位置に限定されるものではなく、第１流体配管６に設けてもよい。また、温度センサ４２についても、第４流体配管９に限定されるものではなく、第３流体配管８に設けてもよい。

次に、第１実施形態の燃料電池システムＦ１の暖機装置１Ａの動作について図２を参照（適宜、図１を参照）しながら説明する。なお、燃料電池システムＦ１の運転停止時には、遮断弁２２、気液分離器２５の弁、パージ弁２６が閉じられ、循環ポンプ３４が停止している。また、加温切替弁４ｄは、冷媒が加熱装置４を通らない状態に切換えられ、三方弁１０は、第２の伝熱流体供給パターンに切換えられている。

車両のイグニッションがオンにされると、ステップＳ１０１において、制御部４０は、加熱装置４による冷媒の加熱が必要であるか否かを判断する。加熱装置４による冷媒の加熱が必要な状態とは、例えばマイナス２０℃や３０℃というような極低温の環境下における起動である。

ステップＳ１０１において、制御部４０は、冷媒の加熱が必要であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、低温起動が必要であると判断して、ステップＳ１０２に進み、三方弁１０を第１の伝熱流体供給パターンに切換える。これにより、第２流体配管７と加熱配管１２とが連通して、燃料電池２の入口２ａ側の燃料電池２を通過していない冷媒が作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）に流れるようになる。なお、このときには、すでに遮断弁２２が開いており、水素タンク２１から燃料電池２のアノードに水素が供給され、図示しないカソード系の装置によって燃料電池２のカソードに空気が供給され、また循環ポンプ３４が駆動されているものとする。

そして、ステップＳ１０３に進み、制御部４０は、ヒータ４ａを駆動して、加温切替弁４ｄをヒータ４ａ側に切換えて、冷媒の加熱処理を行う。これにより、加熱装置４によって加熱された冷媒が第２流体配管７、配管１２ａを介して水素熱交換器１１を通り、燃料電池２のアノードに供給される水素が加温される。このように、加温された水素が燃料電池２に供給されるので、燃料電池システムＦ１が温められて、燃料電池２の暖機が促進される。

また、水素熱交換器１１を通過した冷媒は、配管１２ａを分岐して並列に形成された分岐配管１２ｂ，１２ｃを通って、気液分離器２５、パージ弁２６を加温する。これにより、気液分離器２５に溜まった凍結した生成水が解け、気液分離器２５に設けられた弁（図示せず）やパージ弁２６の作動性が高められる。なお、気液分離器２５およびパージ弁２６を通過した冷媒は、配管１２ｄ、バイパス配管３２を通って、循環ポンプ３４に戻る。

そして、ステップＳ１０４に進み、制御部４０は、温度センサ４２によって検出される温度Ｔ２が温度センサ４１によって検出される温度Ｔ１よりも大きいか否かを判断する。すなわち、このステップＳ１０４での処理は、燃料電池２の入口２ａ側の冷媒の温度Ｔ１と、燃料電池２の出口２ｂ側の冷媒の温度Ｔ２とを比較する処理である。ステップＳ１０４において、制御部４０は、温度Ｔ２が温度Ｔ１以下であると判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０３に戻り、温度Ｔ２が温度Ｔ１より高いと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進み、三方弁１０を第２の伝熱流体供給パターンに切換える。これにより、第２流体配管７と加熱配管１２との連通が遮断され、第４流体配管９と加熱配管１２とが連通して、燃料電池２の出口２ｂから排出された冷媒が作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）に流れるようになる。

このように、ステップＳ１０４において温度Ｔ１と温度Ｔ２とを比較したのは、燃料電池２を極低温環境下で起動させる場合には、ヒータ４ａで加熱した冷媒が燃料電池２内の冷媒流路を通ることにより、燃料電池２によって冷媒の熱が吸収され、燃料電池２の出口２ｂ側の温度Ｔ２が入口２ａ側の温度Ｔ１よりも低くなるからである。したがって、温度Ｔ１と温度Ｔ２とを比較して、温度の高い方の冷媒を作動デバイスに流すことにより、作動デバイスつまり燃料電池２の暖機を促進することが可能になる。

そして、ステップＳ１０６に進み、制御部４０は、加熱装置４（ヒータ４ａ）を停止する。その後は、燃料電池２の温度が所定温度になるまで暖機を継続し、作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）の加温を継続する。

また、ステップＳ１０１において、制御部４０は、冷媒の加熱が必要でないと判断した場合には（Ｎｏ）、通常起動を実行すると判断して、三方弁１０を第２の伝熱流体供給パターンに設定（維持）し、燃料電池２の出口２ｂから排出された冷媒を作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）に供給する。なお、通常起動とは、燃料電池２の暖機運転の一種であり、冷媒の加熱を必要としない暖機を意味している。

第１実施形態の燃料電池システムＦ１の暖機装置１Ａによれば、特に、極低温状態での始動（低温起動）時に、三方弁１０を第１の伝熱流体供給パターンと第２の伝熱流体供給パターンとを適宜切換えて、作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）への冷媒の最適な供給が可能になるので、燃料電池システムＦ１の昇温を速やかに行うことが可能になる。

また、第１実施形態によれば、温度センサ４１，４２による温度Ｔ１，Ｔ２に基づいて第１の伝熱流体供給パターンと第２の伝熱流体供給パターンとを切換えているので、冷媒の温度を正確に把握することができ、燃料電池システムＦ１の昇温をさらに早めることが可能になる。

また、第１実施形態によれば、熱交換器（水素熱交換器１１）を処理装置（気液分離器２５、パージ弁２６）の上流側に配置したので、水素熱交換器１１に対しては大流量の冷媒を供給できるようになり、処理装置（気液分離器２５、パージ弁２６）には必要十分な流量の冷媒を確保できるようになる。これは、燃料電池２の熱容量と作動デバイスの熱容量との大小関係に基づくものであり、燃料電池２が０℃以下となる場合には、燃料電池２を昇温するのに必要な流量と、作動デバイスを昇温するのに必要な流量とを比べると燃料電池２を昇温するほうが大流量を必要とするので、水素熱交換器１１が処理装置（気液分離器２５、パージ弁２６）よりも大流量を要求するからである。

また、第１実施形態によれば、冷媒が複数の処理装置（気液分離器２５、パージ弁２６）に対して並列に流れるように分岐した分岐配管１２ｂ，１２ｃを備えることにより、水素熱交換器１１を通るような大径の配管を長く引き回す必要がなくなるので、暖機装置１Ａの小型化および軽量化が図れる。

（第２実施形態）
図３は第２実施形態の暖機装置を含む燃料電池システムを示す全体構成図、図４は第２実施形態の暖機装置における暖機時の制御を示すフローチャートである。なお、第２実施形態の暖機装置１Ｂと第１実施形態の暖機装置１Ａとの相違点は、温度センサ４１，４２が設けられていない点、制御部４０が暖機中であるか否かを判断する暖機判断手段を備えている点である。その他同一の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

車両のイグニッションがオンにされると、ステップＳ２０１において、制御部４０は、暖機中であるか否かを判断する。ここでの暖機中であるか否かの判断は、加熱装置４が作動しているか否かに基づいて判断する。なお、加熱装置４の作動の可否は、燃料電池２の温度、外気温度などの温度パラメータに基づいて判断されることが前提である。また、このステップＳ２０１が、本実施形態の暖機判断手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ２０１において、制御部４０は、暖機中であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２に進み、三方弁１０を第１の伝熱流体供給パターンに切換える。これにより、第２流体配管７と加熱配管１２とが連通して、燃料電池２の入口２ａ側の冷媒が作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）に流れるようになる。

そして、ステップＳ２０３に進み、制御部４０は、暖機が完了したか否かを判断する。なお、例えば燃料電池２の温度が所定値を超えたときに暖機完了と判断される。ステップＳ２０３において、制御部４０は、暖機が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ２０４に進み、三方弁１０を第２の伝熱流体供給パターンに切換える。これにより、第２流体配管７と加熱配管１２との連通が遮断され、第４流体配管９と加熱配管１２とが連通して、燃料電池２の出口２ｂから排出された冷媒が作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）に流れるようになる。なお、ステップＳ２０５は、前記したステップＳ１０７と同様である。

第２実施形態の燃料電池システムＦ１の暖機装置１Ａによれば、特に、極低温状態での始動（低温起動）時に、三方弁１０を第１の伝熱流体供給パターンと第２の伝熱流体供給パターンとを適宜切換えて、作動デバイス（水素熱交換器１１、気液分離器２５、パージ弁２６）への冷媒の最適な供給が可能になるので、燃料電池システムＦ１の昇温を速やかに行うことが可能になる。

第２実施形態の暖機装置１Ｂによれば、暖機判断手段を備えることにより、前記したような温度センサ４１，４２が不要になる。

また、第２実施形態によれば、水素熱交換器１１を処理装置（気液分離器２５、パージ弁２６）の上流側に配置したので、水素熱交換器１１に対しては大流量の冷媒を供給できるようになり、処理装置（気液分離器２５、パージ弁２６）には必要十分な流量の冷媒を確保できるようになる。

また、第２実施形態によれば、冷媒が複数の処理装置（気液分離器２５、パージ弁２６）に対して並列に流れるように分岐した分岐配管１２ｂ，１２ｃを備えることにより、水素熱交換器１１を通るような大径の配管を長く引き回す必要がなくなるので、暖機装置１Ａの小型化および軽量化が図れる。

図５は第１実施形態の暖機装置の変形例を示す全体構成図、図６は暖機装置の変形例における暖機時の制御を示すフローチャートである。なお、この変形例である暖機装置１Ｃは、暖機装置１Ａの三方弁１０に替えて、遮断弁１０Ａ，１０Ｂが設けられている。遮断弁１０Ａは、第２流体配管７に設けられ、制御部４０によって開閉制御される。遮断弁１０Ｂは、第４流体配管９に設けられ、制御部４０によって開閉制御される。また、図６では、図２のステップＳ１０２，Ｓ１０５，Ｓ１０７が、ステップＳ３０２，Ｓ３０５，Ｓ３０７に置き換わっている点を除いて図２と同様である。

図６に示すように、制御部４０は、冷媒の加熱が必要であると判断した場合には（Ｓ３０２、Ｙｅｓ）、遮断弁１０Ａを開いて、遮断弁１０Ｂを閉じて、燃料電池２の入口２ａ側の冷媒が加熱配管１２に供給されるようになっている。また、制御部４０は、温度Ｔ２が温度Ｔ１よりも高いと判断した場合には（Ｓ３０４、Ｙｅｓ）、遮断弁１０Ａを閉じて、遮断弁１０Ｂを開いて、燃料電池２の出口２ｂ側の冷媒が加熱配管１２に供給されるようになっている。

なお、前記した各実施形態では、アノード系２０の作動デバイスを加温する場合を例に挙げて説明したが、カソード系（図示せず）の作動デバイスを加温する場合に適用してもよい。また、第１実施形態において、温度センサ４１，４２を設けて温度Ｔ１，Ｔ２を直接に検出したが、燃料電池２の温度や外気温度などに基づいて温度を予測するようにしてもよい。

第１実施形態の暖機装置を含む燃料電池システムを示す全体構成図である。 第１実施形態の暖機装置における暖機時の制御を示すフローチャートである。 第２実施形態の暖機装置を含む燃料電池システムを示す全体構成図である。 第２実施形態の暖機装置における暖機時の制御を示すフローチャートである。 第１実施形態の暖機装置の変形例を示す全体構成図である。 第１実施形態の暖機装置の変形例における暖機時の制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１Ａ〜１Ｃ 暖機装置
２ 燃料電池
２ａ 入口
２ｂ 出口
３ 燃料電池用流体配管（燃料電池用流体流路）
４ 加熱装置
５ 作動デバイス用流体配管（作動デバイス用流体流路）
６ 第１流体配管（第１の流体流路）
７ 第２流体配管（第２の流体流路）
８ 第３流体配管（第３の流体流路）
９ 第４流体配管（第４の流体流路）
１０ 三方弁（切換手段）
１１ 水素熱交換器（熱交換器）
１２ 加熱配管（加熱流路）
１２ｂ，１２ｃ 分岐配管（分岐流路）
２５ 気液分離器（処理装置）
２６ パージ弁（処理装置）
２７ｅ 配管（燃料排ガス路）
４１ 温度センサ（第１の温度検知手段）
４２ 温度センサ（第２の温度検知手段）
Ｆ１ 燃料電池システム

Claims (6)

1. 燃料電池に熱交換用の伝熱流体を供給する燃料電池用流体流路と、
   前記燃料電池用流体流路の伝熱流体を加熱する加熱装置と、
   所定の作動デバイスに熱交換用の伝熱流体を供給する作動デバイス用流体流路と、を備えた燃料電池システムの暖機装置において、
   前記燃料電池用流体流路における前記燃料電池の伝熱流体の入口と前記加熱装置との間を連通する第１の流体流路と、
   前記第１の流体流路から分岐した第２の流体流路と、
   前記燃料電池用流体流路における前記燃料電池の伝熱流体の出口と前記加熱装置との間を連通する第３の流体流路と、
   前記第３の流体流路から分岐した第４の流体流路と、
   前記第２の流体流路を前記作動デバイス用流体流路の上流側とする第１の伝熱流体供給パターンと、前記第４の流体流路を前記作動デバイス用流体流路の上流側とする第２の伝熱流体供給パターンと、を前記燃料電池の運転状態に基づいて切換え可能な切換手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムの暖機装置。
2. 前記第２の流体流路と前記第４の流体流路とが合流する合流部を有し、
   前記合流部の下流に前記作動デバイスを加熱する加熱流路を設け、
   前記切換手段は、
   前記合流部から前記加熱流路へ向かう伝熱流体を、前記第２の流体流路からの伝熱流体にするか、前記第４の流体流路からの伝熱流体にするかを切り換え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の暖機装置。
3. 前記第１の流体流路または前記第２の流体流路を流れる伝熱流体の温度を検出もしくは予測する第１の温度検知手段と、
   前記第３の流体流路または前記第４の流体流路を流れる伝熱流体の温度を検出もしくは予測する第２の温度検知手段と、を備え、
   前記第１の温度検知手段および前記第２の温度検知手段により得られたそれぞれの温度に基づいて前記切換手段を切換え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の暖機装置。
4. 前記燃料電池が暖機中か否かを判断する暖機判断手段を備え、
   前記暖機判断手段により前記燃料電池が暖機中であると判断された場合には、前記第１の伝熱流体供給パターンとなるように前記切換手段を切換え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の暖機装置。
5. 前記作動デバイスは、
   前記燃料電池へ供給される燃料ガスの燃料ガス供給路に設けられて前記燃料ガスとの熱交換をする熱交換器と、
   前記燃料電池から排出される燃料排ガスの燃料排ガス路に設けられて前記燃料排ガス路の燃料排ガスを処理する処理装置と、で構成され、
   前記熱交換器を前記処理装置の上流側に配置したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの暖機装置。
6. 前記処理装置は、複数の処理装置からなり、
   前記熱交換器を通過した伝熱流体が前記複数の処理装置に対して並列に流れるようにした分岐流路を備え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の暖機装置。

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