JP3580236B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおいては、燃料電池の燃料極に燃料ガス（水素ガス）を、酸化剤極に空気を供給することにより、燃料ガスと空気のの電気化学的な反応で発電を行う。
【０００３】
このような燃料電池システムにおける空気供給系統の構成としては、例えば、図６に示すようなものが一般的である。この燃料電池システムでは、圧縮機２からの圧縮空気は、圧縮機２下流の空気流路上に設けられた消音器１０、熱交換器１１を経て、燃料電池１に供給される。ここで、消音器１０は、圧縮機２は一般に容積式のものが多く、吐出脈動騒音が発生するため、これを低減するために設けられるものである。また、熱交換器１１は、圧縮空気の温度を、燃料電池１が故障しない温度に調整するために設けられるものである。
【０００４】
圧縮機２を駆動するモータ１５は、電源切換装置１７により、始動用バッテリー１８または燃料電池１から選択的に電源供給を受けて動作する。燃料電池システムの始動時には、モータ１５は、始動用バッテリー１８からの電源供給によって始動される。そして、燃料電池１がモータ１５を駆動するのに十分な電力を発電するようになったところで、モータ１５への電源が燃料電池１に切り換えられ、以降は、燃料電池１で発電される電力の一部が、モータ１５の駆動に利用されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、圧縮機２から燃料電池１への空気流路に、消音器１０、熱交換器１１といった圧縮空気調整用機器が設けられているので、これらの機器の容積によって、空気の圧力と流量の供給に時間遅れが生じてしまう。このため、燃料電池システムの始動時には、燃料電池１になかなか十分な量と圧力の空気が供給されず、燃料電池１が発電を開始するまでの時間が長くなってしまう。したがって、この長い始動運転の間、モータ１５を駆動できるようにするために、始動用バッテリー１８を、バッテリー容量が大きいものとしたり、大型で高価な２次電池とするなどの対策が必要となり、コストアップの原因となっていた。
【０００６】
また、冷間時に燃料電池システムを始動する場合には、熱容量の大きな圧縮空気調整用機器によって圧縮空気の温度が下げられ、燃料電池１の発電効率が低下し、始動性が悪化してしまう。このため、始動用バッテリー１８の負担が大きくなり、やはり始動用バッテリー１８のバッテリー容量を大きくしたり、大型で高価な２次電池を用いる等の対策が必要となっていた。
【０００７】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、始動時における燃料電池への空気供給を迅速に行えるようにして、燃料電池の立ち上がりを早め、始動用バッテリーを小型化しうる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明では、空気と燃料の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池への空気の主流路に空気調整用機器を配設し、この主流路と並列に設けられ、空気調整用機器を備えず、管路内径が前記主流路よりも小さいバイパス流路を有し、始動運転開始後、前記燃料電池に供給される空気の圧力又は流量の少なくともいずれか一方が流路切換しきい値以上になるまで、燃料電池への空気流路を前記バイパス流路側とする流路切換手段を備えた。
【０００９】
第２の発明では、前記流路切換しきい値とは、燃料電池への圧縮空気の供給に関して定常運転に移行することを判定するための基準値である。
【００１０】
第３の発明では、燃料電池に向けて空気を送り出す圧縮機と、この圧縮機を駆動するモータと、始動運転時に前記モータに電源供給する始動用バッテリーと、燃料電池が前記モータを駆動可能な電力を発電するようになったと判断された時点で前記モータへの電源を始動用バッテリーから燃料電池に切り換える電源切換装置とを備えた。
【００１１】
第４の発明では、前記空気調整用機器として、熱交換器を備えた。
【００１２】
第５の発明では、前記空気調整用機器として、消音器を備えた。
【００１３】
第６の発明では、前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気流量に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換える。
【００１４】
第７の発明では、前記空気流量を計測する流量計を、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設した。
【００１５】
第８の発明では、前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気圧力に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換える。
【００１６】
第９の発明では、前記空気圧力を計測する圧力計を、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設した。
【００１７】
第１０の発明では、前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気温度に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換える。
【００１８】
第１１の発明では、前記空気温度を計測する温度センサを、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設した。
【００１９】
第１２の発明では、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に、フィルタを備えた。
【００２０】
第１３の発明では、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に、湿度調整器を備えた。
【００２１】
【発明の作用および効果】第１の発明では、燃料電池システムの始動運転時には、燃料電池に供給される空気の圧力又は流量の少なくともいずれか一方が流路切換しきい値以上になるまで、空気流路が、空気調整用機器を備えないバイパス流路側とされる結果、燃料電池への空気は空気調整用機器を迂回して供給されるので、空気流量や圧力に、空気調整用機器の持つ容積に起因した時間遅れが生じることはない。したがって、燃料電池には、始動時において、必要な空気が迅速に供給されることになり、燃料電池の始動性を高めることができる。また、冷間時の始動においては、空気が熱容量の大きな空気調整用機器を通過して温度が下げられてしまうことがないので、燃料電池の発電効率の低下を防止でき、燃料電池の始動性を高めることができる。
【００２２】
また、バイパス流路の管路内径は、主流路に比較して小さくなっているので、管路の容積が小さくなった分、管路内の圧力を容易に高めることができる。燃料電池に供給される空気の圧力は迅速に上昇させることができ、燃料電池の始動性を高めることができる。
【００２３】
第３の発明では、圧縮機を駆動するモータは、燃料電池システムの始動時には始動用バッテリーから電源供給を受けるが、始動運転時にはバイパス流路を通って燃料電池への空気供給がなされる結果、燃料電池は早期に立ち上がって、モータを駆動可能な電力を発電するようになる。このため、始動用バッテリーから燃料電池への電源切換は早期に行うことができ、始動用バッテリーの消費電力は少なくて済むので、始動用バッテリーを小型で安価なものとでき、コスト削減を図れる。
【００２４】
第４の発明では、空気調整用機器として熱交換器が備えられるので、始動運転時には、比較的低温の空気がバイパス流路を介して燃料電池に供給されて、燃料電池の早期の立ち上がりが達成される一方で、始動運転終了後に、空気の温度が高温となったときには、空気流路は主流路側に切り換えられ、空気は熱交換器により燃料電池が故障しない温度に調整されたうえで供給される。したがって、始動運転から定常運転に至るまで、燃料電池への合理的な空気供給を行うことができる。
【００２５】
第５の発明では、空気調整用機器として消音器が備えられるので、始動運転時に、比較的騒音の小さなときには、空気がバイパス流路を介して燃料電池に供給されて、燃料電池の早期の立ち上がりが達成される一方で、始動運転終了後に、騒音が大きくなってきたときには、空気流路は主流路側に切り換えられ、消音器による消音がなされる。したがって、燃料電池への空気供給にともなう騒音発生を合理的に防止することができる。
【００２６】
第６の発明では、燃料電池への空気流量に基づいて空気流路を切り換えるので、空気流路の切換制御を、燃料電池への空気の供給状態に応じて的確に行うことができる。
【００２７】
第７の発明では、流量計は主流路とバイパス流路の合流点よりも下流に配設されるので、燃料電池に近い地点で空気流量の測定を行うことができ、燃料電池に供給される空気の流量を的確に把握できるので、この流量に基づいて流路切換の制御を精度よく行うことができる。
【００２８】
第８の発明では、燃料電池への空気圧力に基づいて空気流路を切り換えるので、空気流路の切換制御を、燃料電池への空気の供給状態に応じて的確に行うことができる。
【００２９】
第９の発明では、圧力計は主流路とバイパス流路の合流点よりも下流に配設されるので、燃料電池に近い地点で空気圧力の測定を行うことができ、燃料電池に供給される空気の圧力を的確に把握できるので、この圧力に基づいて流路切換の制御を精度よく行うことができる。
【００３０】
第１０の発明では、燃料電池への空気温度に基づいて空気流路を切り換えるので、空気流路の切換制御を、燃料電池への空気の供給状態に応じて的確に行うことができる。特に、冷間時の始動においては、燃料電池への空気温度が適切に高まったところで流路切換ができるので、流路切換のタイミングを適切に決めることができる。
【００３１】
第１１の発明では、圧力計は主流路とバイパス流路の合流点よりも下流に配設されるので、燃料電池に近い地点で空気圧力の測定を行うことができ、燃料電池に供給される空気の圧力を的確に把握できるので、この圧力に基づいて流路切換の制御を精度よく行うことができる。
【００３２】
第１２の発明では、主流路とバイパス流路の合流点よりも下流にフィルタを備えたので、圧縮空気がバイパス流路を通る始動時においても、空気から有害な塵を除去することができ、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００３３】
第１３の発明では、主流路とバイパス流路の合流点よりも下流に湿度調整器を備えたので、圧縮空気がバイパス流路を通る始動時においても、空気の湿度を燃料電池における発電に適切な湿度に調整することができ、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００３５】
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。なお、この構成図では、本発明の特徴部分である燃料電池への酸化剤（圧縮空気）供給関連系統の構成のみが示され、燃料電池への燃料ガス（水素ガス）供給関連系統の構成は省略されている。
【００３６】
図示されるように、燃料電池システムには、圧縮空気と水素ガスの供給を受けて発電する燃料電池１と、この燃料電池１の酸化剤極（カソード電極）に圧縮空気を送り込む圧縮機２が備えられる。
【００３７】
圧縮機２の上流には、エアクリーナ３および流量計４が備えられる。ダクト５から吸い込まれた空気は、エアクリーナ３において浄化されて、圧縮機２に導入される。圧縮機２へ導入され、燃料電池１側に供給される空気流量は、流量計４により計測される。
【００３８】
圧縮機２から下流の燃料電池１へ至る流路は、その一部が、並列に設けられた主流路６とバイパス流路７に分岐している。主流路６とバイパス流路７の分岐点には切換弁８が、合流点には切換弁９が、それぞれ設けられる。これらの切換弁８、９の切り換えにより、圧縮機２からの圧縮空気は、主流路６またはバイパス流路７のいずれかを選択的に通って、燃料電池１に至る。
【００３９】
主流路６には、圧縮空気調整用の機器として、消音器１０と熱交換器１１が介装されている。消音器１０は、容積式のものが多く用いられる圧縮機２からの吐出脈動騒音を低減するための装置である。また、熱交換器１１は、圧縮空気の温度を、燃料電池１が破損しない温度まで下げるための装置である。
【００４０】
バイパス流路７は、主流路６に比較して小さな内径の管路で構成されるとともに、このバイパス流路７上には、消音器１０、圧縮機１２のような圧縮空気調整用の機器は設けられない。これにより、圧縮機２からの圧縮空気をバイパス流路７側に導いた場合には、圧縮空気調整用機器の容積に基づく圧縮空気の流量および圧力に時間遅れが生じることなく、また配管が細い分、圧力を高めるべき容積が小さくて済むので、燃料電池システムの起動時にも、迅速に十分な量の空気を、燃料電池１に供給することができるようになっている。なお、バイパス流路７の管路径は、切換弁８、９による流路切り換えの際に圧力損失の影響がでない範囲で細くする。
【００４１】
切換弁９と燃料電池１の間には圧力計１２が備えられる。この圧力計１２により、燃料電池１に導入される圧縮空気の圧力が計測される。
【００４２】
燃料電池１の燃料極（アノード電極）には、燃料ガスの供給機構（図示せず）からの原燃料ガス（水素ガス）が、圧力調整弁１３により圧縮空気圧力に合わせた圧力に調整されたうえで、供給される。圧縮空気と水素ガスは、燃料電池１における発電に消費される。なお、発電に消費されなかった余剰の空気は、圧力調整弁１４を通って大気中に放出される。
【００４３】
圧縮機２を駆動するモータ１５には、モータ１５の回転数を制御するインバータ１６、および電源切換装置１７を介して、電源が供給される。電源切換装置１７は、モータ１５に供給される電源として、始動用バッテリー１８（例えば１２Ｖバッテリー）から昇圧器１９を介して供給される電源と、燃料電池１から供給される電源を、選択的に切り換える装置である。始動用バッテリー１８は、燃料電池システムの始動時に、圧縮機２の始動に使用される電源であり、燃料電池１の発電量がモータ１５を駆動するのに不十分な間は、この始動用バッテリー１８からの電源供給がなされる。そして、燃料電池１の発電量が、圧縮機２およびその各種補機の消費電力をまかなえるまで高まったならば、電源切換装置１７は電源を燃料電池１側に切り換えることになる。
【００４４】
コントローラ２０は、燃料電池システムの動作を制御する装置である。具体的には、流量計４、圧力計１２からの検出信号が入力されるとともに、切換弁８、切換弁９、圧力計１２、圧力調整弁１３、圧力調整弁１４、インバータ１６、電源切換装置１７と電気的に接続され、これらの動作を制御するようになっている。
【００４５】
図２は、コントローラ２０において実行される圧縮空気供給関連の始動時制御の処理手順を示すフローチャートである。この制御は、燃料電池システムの始動運転開始直後に実行される。
【００４６】
ステップＳ１では、切換弁８、９を切り換えて、圧縮機２からの流路をバイパス流路７側に接続する。ステップＳ２では、始動用バッテリー１８からの電源をモータ１５に供給し、所定の目標回転数を目指してモータ１５を加速する。
【００４７】
ステップＳ３では、流量計４で計測される空気流量Ｑ、圧力計１２で計測される空気圧力Ｐを、それぞれ電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１と比較して、空気流量Ｑが電源切換流量しきい値Ｑ１以上となり、かつ空気圧力Ｐが電源切換圧力しきい値Ｐ１以上となったか否かの判定がなされる。ここで、電源切換圧力しきい値Ｑ１、電源切換流量しきい値Ｐ１とは、燃料電池１の発電量がモータ１５および各種補機を駆動し得る程度にまで立ち上がったことを判定するための基準値であり、適切な値が、あらかじめ設定されている。
【００４８】
この判定により、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの少なくとも一方が、電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１を超えていない場合には、燃料電池１がモータ１５等を駆動し得る状態に立ち上がっていないということであるから、ステップＳ２に戻り、モータ１５をさらに加速する。
【００４９】
一方、空気流量Ｑが電源切換流量しきい値Ｑ１を超え、かつ空気圧力Ｐが電源切換圧力しきい値Ｐ１を超えた場合には、燃料電池１がモータ１５等を駆動し得る状態に立ち上がったということであるから、ステップＳ４に進み、モータ１５への電源を燃料電池１に切り換える。
【００５０】
なお、本実施の形態では、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの２つを電源切換の判定に用い、これら空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの両方が、それぞれ電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１を超えたところで電源を切り換えるようにしたが、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐのいずれか一方のみを電源切換の判定に用いてもよいし、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの２つを電源切換の判定に用いつつ、これら空気流量Ｑ、空気圧力Ｐのいずれか一方が電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１を超えたところで電源を切り換えるようにしてもよい。このように、電源切換タイミング決定に用いられる測定量は、適宜選択できるし、また適宜組み合わせて用いることができる。
【００５１】
ステップＳ５では、燃料電池１からの電源供給により、目標回転数に向けてモータ１５を加速する。
【００５２】
ステップＳ６では、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐを、それぞれ流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２と比較して、空気流量Ｑが流路切換流量しきい値Ｑ２以上となり、かつ空気圧力Ｐが電源切換圧力しきい値Ｐ２以上となったか否かの判定がなされる。ここで、流路切換圧力しきい値Ｑ２、流路切換流量しきい値Ｐ２とは、圧縮機２からの圧縮空気の流量および圧力が、主流路６側に流通させても問題ない程度に高まったか否かを判定するための基準値であり、それぞれ、電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１よりも大きな適切な値が、あらかじめ設定されている。
【００５３】
この判定により、空気流量または空気圧力の少なくとも一方が、流路切換流量しきい値Ｑ２または流路切換圧力しきい値Ｐ２を超えていない場合には、空気流量および圧力が、まだ十分に高まっていないということであるから、ステップＳ５に戻り、モータ１５をさらに加速する。
【００５４】
一方、空気流量が流路切換流量しきい値Ｑ２を超え、かつ空気圧力が流路切換圧力しきい値Ｐ２を超えた場合には、圧縮機２からの空気の流量および圧力が主流路６側を流通させても問題がない程度に高まったということであるから、ステップＳ７に進み、切換弁８、９を切り換えて、圧縮機２からの流路を主流路６側とする。
【００５５】
なお、この流路切換の判定では、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの両方が、それぞれ流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２を超えたところで電源を切り換えるようにしたが、上記電源切換の判定の場合と同様に、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐのいずれか一方のみを流路切換の判定に用いてもよいし、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの２つを流路切換の判定に用いつつ、これら空気流量Ｑ、空気圧力Ｐのいずれか一方が流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２を超えたところで電源を切り換えるようにしてもよい。このように、流路切換タイミングを決定するための測定量は、適宜選択できるし、また適宜組み合わせて用いることができる。
【００５６】
ステップＳ７の処理で、始動時制御のルーチンは終了し、燃料電池システムは、定常運転に移行する。定常運転では、圧縮機２からの圧縮空気を主流路６を介して燃料電池１に供給し、燃料電池１による発電が行われる。
【００５７】
つぎに、全体的な作用および効果を説明する。
【００５８】
燃料電池システムを始動すると、始動用バッテリー１８からの電源供給を受けたモータ１５により、圧縮機２が駆動され、燃料電池１側への空気の吐出を開始される。モータ１５の回転数は、所定の目標回転数に向けて加速される。
【００５９】
この始動運転開始とともに、圧縮機２からの空気流路は、切換弁８、９により、バイパス流路７側に切り換えられる。これにより、圧縮機２からの圧縮空気は、主流路６側にある各種空気調整用機器（消音器１０および熱交換器１１）を迂回し、バイパス流路７を通って、燃料電池１側に供給される。
【００６０】
このように、燃料電池システムの始動時には、空気調整用機器のないバイパス流路７を通って、燃料電池１への圧縮空気の供給がなされるので、消音器１０、熱交換器１１といった圧縮空気調整用機器のもつ容積によって、圧縮空気の流量および圧力に時間遅れが生じることない。また、バイパス流路７の管路は、主流路６に比較して、切換時に圧力損失が生じない限度で細くなっているので、管路内の余分な圧力を高める必要がない。したがって、燃料電池１には、圧縮機２の始動初期から、迅速に十分な量の圧縮空気が供給されていき、燃料電池１を早期に立ち上げることができる。この結果、始動用バッテリー１８における消費電力を少なくなるので、始動用バッテリー１８としては比較的小型軽量の電池を用いればよく、高価で重い２次電池を用いる必要はなくなり、コスト削減および装置の小型化を達成できる。
【００６１】
また、冷間時の始動においては、圧縮空気は、消音器１０、熱交換器１１といった熱容量の大きな機器を迂回して供給されるので、燃料電池１に供給される圧縮空気の温度は適温まで迅速に上昇し、燃料電池１の発電効率を高くできるという効果もある。
【００６２】
なお、このように空気流路をバイパス流路７側に切り換え、圧縮空気を消音器１０、熱交換器１１に通さずに燃料電池１に供給したとしても、燃料電池システムの始動初期段階（空気流量Ｑ、空気圧力Ｐが、流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２以上とならない段階）において行う限り、問題は生じない。すなわち、燃料電池システムの始動初期段階では、圧縮機２の回転数は低いので、空気吐出にともなう騒音は小さく、消音器１０は必要ない。また、圧縮機２から吐出される圧縮空気の温度も低いので、熱交換器１１によって温度を下げる必要もない。
【００６３】
このような始動運転により、モータ１５の回転数が上昇していくと、圧縮機２からの空気流量Ｑおよび空気圧力Ｐも上昇して行く。そして、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐが電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１以上となると、モータ１５への電源を燃料電池１に切り換える。
【００６４】
さらに、モータ１５の回転数が上昇して、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐが流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２以上となると、圧縮機２からの空気流路を主流路６側に切り換える。これにより、圧縮空気の供給に関する始動時制御は終了し、燃料電池システムは、圧縮空気の供給に関して、定常運転に移行する。
【００６５】
図３は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【００６６】
この実施の形態は、上記第１の実施の形態と比較して、第１の実施の形態では流量計４が圧縮機２の上流に配設されていたのに対して、流量計４が切換弁９の下流に配置されている点でのみ異なり、他の構成については共通するものであるしたがって、第１の実施の形態と共通する構成については、図３において同一の符番で示し、説明は省略する。
【００６７】
この実施の形態によれば、流量計４が燃料電池１直前に設けられるので、燃料電池１への供給流量を、燃料電池１に近い位置で正確に測定することができ、精度の高い制御が可能となる。
【００６８】
図４は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【００６９】
この実施の形態は、上記第２の実施の形態と比較して、流量計４と圧力計１２との間に、フィルタ２１と加湿器（湿度調整器）２２を備えた点でのみ異なり、他の構成については共通する。
【００７０】
この実施の形態によれば、燃料電池システムの始動時に、圧縮空気をバイパス通路８を通って供給する場合でも、燃料電池１の手前のフィルタ２１により圧縮空気中の有害な塵を除去できる。また、加湿器２２により圧縮空気を燃料電池１の発電効率を高めるために最適な湿度とすることができる。
【００７１】
図５は、本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【００７２】
この実施の形態では、流量計４と圧力計１２との間に温度センサ２３を備え、この温度センサ２３により圧縮空気の温度をモニターし、この空気温度Ｔが流路切換温度しきい値Ｔ２以上となった時点で、圧縮機２からの空気流路をバイパス流路７から主流路６に切り換える。このように圧縮空気の温度に基づいて流路切換を行うことにより、特に冷間時における流路切り換えを、より適切なタイミングで行うことができ、燃料電池システムの始動性を高めることができる。なお、本実施の形態においても、流路切換タイミングを決定するための測定量として、空気温度Ｔに加えて、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐを、適宜組み合わせて用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【図２】同じく圧縮空気供給に関する始動時制御を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【図６】従来の燃料電池システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 圧縮機
４ 流量計
６ 主流路
７ バイパス流路
８ 切換弁
９ 切換弁
１０ 消音器
１１ 熱交換器
１２ 圧力計
１５ モータ
１７ 電源切換装置
１８ 始動用バッテリー
２０ コントローラ
２１ フィルタ
２２ 加湿器
２３ 温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおいては、燃料電池の燃料極に燃料ガス（水素ガス）を、酸化剤極に空気を供給することにより、燃料ガスと空気のの電気化学的な反応で発電を行う。
【０００３】
このような燃料電池システムにおける空気供給系統の構成としては、例えば、図６に示すようなものが一般的である。この燃料電池システムでは、圧縮機２からの圧縮空気は、圧縮機２下流の空気流路上に設けられた消音器１０、熱交換器１１を経て、燃料電池１に供給される。ここで、消音器１０は、圧縮機２は一般に容積式のものが多く、吐出脈動騒音が発生するため、これを低減するために設けられるものである。また、熱交換器１１は、圧縮空気の温度を、燃料電池１が故障しない温度に調整するために設けられるものである。
【０００４】
圧縮機２を駆動するモータ１５は、電源切換装置１７により、始動用バッテリー１８または燃料電池１から選択的に電源供給を受けて動作する。燃料電池システムの始動時には、モータ１５は、始動用バッテリー１８からの電源供給によって始動される。そして、燃料電池１がモータ１５を駆動するのに十分な電力を発電するようになったところで、モータ１５への電源が燃料電池１に切り換えられ、以降は、燃料電池１で発電される電力の一部が、モータ１５の駆動に利用されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料電池システムにおいては、圧縮機２から燃料電池１への空気流路に、消音器１０、熱交換器１１といった圧縮空気調整用機器が設けられているので、これらの機器の容積によって、空気の圧力と流量の供給に時間遅れが生じてしまう。このため、燃料電池システムの始動時には、燃料電池１になかなか十分な量と圧力の空気が供給されず、燃料電池１が発電を開始するまでの時間が長くなってしまう。したがって、この長い始動運転の間、モータ１５を駆動できるようにするために、始動用バッテリー１８を、バッテリー容量が大きいものとしたり、大型で高価な２次電池とするなどの対策が必要となり、コストアップの原因となっていた。
【０００６】
また、冷間時に燃料電池システムを始動する場合には、熱容量の大きな圧縮空気調整用機器によって圧縮空気の温度が下げられ、燃料電池１の発電効率が低下し、始動性が悪化してしまう。このため、始動用バッテリー１８の負担が大きくなり、やはり始動用バッテリー１８のバッテリー容量を大きくしたり、大型で高価な２次電池を用いる等の対策が必要となっていた。
【０００７】
本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、始動時における燃料電池への空気供給を迅速に行えるようにして、燃料電池の立ち上がりを早め、始動用バッテリーを小型化しうる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明では、空気と燃料の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池への空気の主流路に空気調整用機器を配設し、この主流路と並列に設けられ、空気調整用機器を備えず、管路内径が前記主流路よりも小さいバイパス流路を有し、始動運転開始後、前記燃料電池に供給される空気の圧力又は流量の少なくともいずれか一方が流路切換しきい値以上になるまで、燃料電池への空気流路を前記バイパス流路側とする流路切換手段を備えた。
【０００９】
第２の発明では、前記流路切換しきい値とは、燃料電池への圧縮空気の供給に関して定常運転に移行することを判定するための基準値である。
【００１０】
第３の発明では、燃料電池に向けて空気を送り出す圧縮機と、この圧縮機を駆動するモータと、始動運転時に前記モータに電源供給する始動用バッテリーと、燃料電池が前記モータを駆動可能な電力を発電するようになったと判断された時点で前記モータへの電源を始動用バッテリーから燃料電池に切り換える電源切換装置とを備えた。
【００１１】
第４の発明では、前記空気調整用機器として、熱交換器を備えた。
【００１２】
第５の発明では、前記空気調整用機器として、消音器を備えた。
【００１３】
第６の発明では、前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気流量に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換える。
【００１４】
第７の発明では、前記空気流量を計測する流量計を、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設した。
【００１５】
第８の発明では、前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気圧力に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換える。
【００１６】
第９の発明では、前記空気圧力を計測する圧力計を、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設した。
【００１７】
第１０の発明では、前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気温度に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換える。
【００１８】
第１１の発明では、前記空気温度を計測する温度センサを、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設した。
【００１９】
第１２の発明では、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に、フィルタを備えた。
【００２０】
第１３の発明では、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に、湿度調整器を備えた。
【００２１】
【発明の作用および効果】第１の発明では、燃料電池システムの始動運転時には、燃料電池に供給される空気の圧力又は流量の少なくともいずれか一方が流路切換しきい値以上になるまで、空気流路が、空気調整用機器を備えないバイパス流路側とされる結果、燃料電池への空気は空気調整用機器を迂回して供給されるので、空気流量や圧力に、空気調整用機器の持つ容積に起因した時間遅れが生じることはない。したがって、燃料電池には、始動時において、必要な空気が迅速に供給されることになり、燃料電池の始動性を高めることができる。また、冷間時の始動においては、空気が熱容量の大きな空気調整用機器を通過して温度が下げられてしまうことがないので、燃料電池の発電効率の低下を防止でき、燃料電池の始動性を高めることができる。
【００２２】
また、バイパス流路の管路内径は、主流路に比較して小さくなっているので、管路の容積が小さくなった分、管路内の圧力を容易に高めることができる。燃料電池に供給される空気の圧力は迅速に上昇させることができ、燃料電池の始動性を高めることができる。
【００２３】
第３の発明では、圧縮機を駆動するモータは、燃料電池システムの始動時には始動用バッテリーから電源供給を受けるが、始動運転時にはバイパス流路を通って燃料電池への空気供給がなされる結果、燃料電池は早期に立ち上がって、モータを駆動可能な電力を発電するようになる。このため、始動用バッテリーから燃料電池への電源切換は早期に行うことができ、始動用バッテリーの消費電力は少なくて済むので、始動用バッテリーを小型で安価なものとでき、コスト削減を図れる。
【００２４】
第４の発明では、空気調整用機器として熱交換器が備えられるので、始動運転時には、比較的低温の空気がバイパス流路を介して燃料電池に供給されて、燃料電池の早期の立ち上がりが達成される一方で、始動運転終了後に、空気の温度が高温となったときには、空気流路は主流路側に切り換えられ、空気は熱交換器により燃料電池が故障しない温度に調整されたうえで供給される。したがって、始動運転から定常運転に至るまで、燃料電池への合理的な空気供給を行うことができる。
【００２５】
第５の発明では、空気調整用機器として消音器が備えられるので、始動運転時に、比較的騒音の小さなときには、空気がバイパス流路を介して燃料電池に供給されて、燃料電池の早期の立ち上がりが達成される一方で、始動運転終了後に、騒音が大きくなってきたときには、空気流路は主流路側に切り換えられ、消音器による消音がなされる。したがって、燃料電池への空気供給にともなう騒音発生を合理的に防止することができる。
【００２６】
第６の発明では、燃料電池への空気流量に基づいて空気流路を切り換えるので、空気流路の切換制御を、燃料電池への空気の供給状態に応じて的確に行うことができる。
【００２７】
第７の発明では、流量計は主流路とバイパス流路の合流点よりも下流に配設されるので、燃料電池に近い地点で空気流量の測定を行うことができ、燃料電池に供給される空気の流量を的確に把握できるので、この流量に基づいて流路切換の制御を精度よく行うことができる。
【００２８】
第８の発明では、燃料電池への空気圧力に基づいて空気流路を切り換えるので、空気流路の切換制御を、燃料電池への空気の供給状態に応じて的確に行うことができる。
【００２９】
第９の発明では、圧力計は主流路とバイパス流路の合流点よりも下流に配設されるので、燃料電池に近い地点で空気圧力の測定を行うことができ、燃料電池に供給される空気の圧力を的確に把握できるので、この圧力に基づいて流路切換の制御を精度よく行うことができる。
【００３０】
第１０の発明では、燃料電池への空気温度に基づいて空気流路を切り換えるので、空気流路の切換制御を、燃料電池への空気の供給状態に応じて的確に行うことができる。特に、冷間時の始動においては、燃料電池への空気温度が適切に高まったところで流路切換ができるので、流路切換のタイミングを適切に決めることができる。
【００３１】
第１１の発明では、圧力計は主流路とバイパス流路の合流点よりも下流に配設されるので、燃料電池に近い地点で空気圧力の測定を行うことができ、燃料電池に供給される空気の圧力を的確に把握できるので、この圧力に基づいて流路切換の制御を精度よく行うことができる。
【００３２】
第１２の発明では、主流路とバイパス流路の合流点よりも下流にフィルタを備えたので、圧縮空気がバイパス流路を通る始動時においても、空気から有害な塵を除去することができ、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００３３】
第１３の発明では、主流路とバイパス流路の合流点よりも下流に湿度調整器を備えたので、圧縮空気がバイパス流路を通る始動時においても、空気の湿度を燃料電池における発電に適切な湿度に調整することができ、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００３５】
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。なお、この構成図では、本発明の特徴部分である燃料電池への酸化剤（圧縮空気）供給関連系統の構成のみが示され、燃料電池への燃料ガス（水素ガス）供給関連系統の構成は省略されている。
【００３６】
図示されるように、燃料電池システムには、圧縮空気と水素ガスの供給を受けて発電する燃料電池１と、この燃料電池１の酸化剤極（カソード電極）に圧縮空気を送り込む圧縮機２が備えられる。
【００３７】
圧縮機２の上流には、エアクリーナ３および流量計４が備えられる。ダクト５から吸い込まれた空気は、エアクリーナ３において浄化されて、圧縮機２に導入される。圧縮機２へ導入され、燃料電池１側に供給される空気流量は、流量計４により計測される。
【００３８】
圧縮機２から下流の燃料電池１へ至る流路は、その一部が、並列に設けられた主流路６とバイパス流路７に分岐している。主流路６とバイパス流路７の分岐点には切換弁８が、合流点には切換弁９が、それぞれ設けられる。これらの切換弁８、９の切り換えにより、圧縮機２からの圧縮空気は、主流路６またはバイパス流路７のいずれかを選択的に通って、燃料電池１に至る。
【００３９】
主流路６には、圧縮空気調整用の機器として、消音器１０と熱交換器１１が介装されている。消音器１０は、容積式のものが多く用いられる圧縮機２からの吐出脈動騒音を低減するための装置である。また、熱交換器１１は、圧縮空気の温度を、燃料電池１が破損しない温度まで下げるための装置である。
【００４０】
バイパス流路７は、主流路６に比較して小さな内径の管路で構成されるとともに、このバイパス流路７上には、消音器１０、圧縮機１２のような圧縮空気調整用の機器は設けられない。これにより、圧縮機２からの圧縮空気をバイパス流路７側に導いた場合には、圧縮空気調整用機器の容積に基づく圧縮空気の流量および圧力に時間遅れが生じることなく、また配管が細い分、圧力を高めるべき容積が小さくて済むので、燃料電池システムの起動時にも、迅速に十分な量の空気を、燃料電池１に供給することができるようになっている。なお、バイパス流路７の管路径は、切換弁８、９による流路切り換えの際に圧力損失の影響がでない範囲で細くする。
【００４１】
切換弁９と燃料電池１の間には圧力計１２が備えられる。この圧力計１２により、燃料電池１に導入される圧縮空気の圧力が計測される。
【００４２】
燃料電池１の燃料極（アノード電極）には、燃料ガスの供給機構（図示せず）からの原燃料ガス（水素ガス）が、圧力調整弁１３により圧縮空気圧力に合わせた圧力に調整されたうえで、供給される。圧縮空気と水素ガスは、燃料電池１における発電に消費される。なお、発電に消費されなかった余剰の空気は、圧力調整弁１４を通って大気中に放出される。
【００４３】
圧縮機２を駆動するモータ１５には、モータ１５の回転数を制御するインバータ１６、および電源切換装置１７を介して、電源が供給される。電源切換装置１７は、モータ１５に供給される電源として、始動用バッテリー１８（例えば１２Ｖバッテリー）から昇圧器１９を介して供給される電源と、燃料電池１から供給される電源を、選択的に切り換える装置である。始動用バッテリー１８は、燃料電池システムの始動時に、圧縮機２の始動に使用される電源であり、燃料電池１の発電量がモータ１５を駆動するのに不十分な間は、この始動用バッテリー１８からの電源供給がなされる。そして、燃料電池１の発電量が、圧縮機２およびその各種補機の消費電力をまかなえるまで高まったならば、電源切換装置１７は電源を燃料電池１側に切り換えることになる。
【００４４】
コントローラ２０は、燃料電池システムの動作を制御する装置である。具体的には、流量計４、圧力計１２からの検出信号が入力されるとともに、切換弁８、切換弁９、圧力計１２、圧力調整弁１３、圧力調整弁１４、インバータ１６、電源切換装置１７と電気的に接続され、これらの動作を制御するようになっている。
【００４５】
図２は、コントローラ２０において実行される圧縮空気供給関連の始動時制御の処理手順を示すフローチャートである。この制御は、燃料電池システムの始動運転開始直後に実行される。
【００４６】
ステップＳ１では、切換弁８、９を切り換えて、圧縮機２からの流路をバイパス流路７側に接続する。ステップＳ２では、始動用バッテリー１８からの電源をモータ１５に供給し、所定の目標回転数を目指してモータ１５を加速する。
【００４７】
ステップＳ３では、流量計４で計測される空気流量Ｑ、圧力計１２で計測される空気圧力Ｐを、それぞれ電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１と比較して、空気流量Ｑが電源切換流量しきい値Ｑ１以上となり、かつ空気圧力Ｐが電源切換圧力しきい値Ｐ１以上となったか否かの判定がなされる。ここで、電源切換圧力しきい値Ｑ１、電源切換流量しきい値Ｐ１とは、燃料電池１の発電量がモータ１５および各種補機を駆動し得る程度にまで立ち上がったことを判定するための基準値であり、適切な値が、あらかじめ設定されている。
【００４８】
この判定により、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの少なくとも一方が、電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１を超えていない場合には、燃料電池１がモータ１５等を駆動し得る状態に立ち上がっていないということであるから、ステップＳ２に戻り、モータ１５をさらに加速する。
【００４９】
一方、空気流量Ｑが電源切換流量しきい値Ｑ１を超え、かつ空気圧力Ｐが電源切換圧力しきい値Ｐ１を超えた場合には、燃料電池１がモータ１５等を駆動し得る状態に立ち上がったということであるから、ステップＳ４に進み、モータ１５への電源を燃料電池１に切り換える。
【００５０】
なお、本実施の形態では、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの２つを電源切換の判定に用い、これら空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの両方が、それぞれ電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１を超えたところで電源を切り換えるようにしたが、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐのいずれか一方のみを電源切換の判定に用いてもよいし、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの２つを電源切換の判定に用いつつ、これら空気流量Ｑ、空気圧力Ｐのいずれか一方が電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１を超えたところで電源を切り換えるようにしてもよい。このように、電源切換タイミング決定に用いられる測定量は、適宜選択できるし、また適宜組み合わせて用いることができる。
【００５１】
ステップＳ５では、燃料電池１からの電源供給により、目標回転数に向けてモータ１５を加速する。
【００５２】
ステップＳ６では、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐを、それぞれ流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２と比較して、空気流量Ｑが流路切換流量しきい値Ｑ２以上となり、かつ空気圧力Ｐが電源切換圧力しきい値Ｐ２以上となったか否かの判定がなされる。ここで、流路切換圧力しきい値Ｑ２、流路切換流量しきい値Ｐ２とは、圧縮機２からの圧縮空気の流量および圧力が、主流路６側に流通させても問題ない程度に高まったか否かを判定するための基準値であり、それぞれ、電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１よりも大きな適切な値が、あらかじめ設定されている。
【００５３】
この判定により、空気流量または空気圧力の少なくとも一方が、流路切換流量しきい値Ｑ２または流路切換圧力しきい値Ｐ２を超えていない場合には、空気流量および圧力が、まだ十分に高まっていないということであるから、ステップＳ５に戻り、モータ１５をさらに加速する。
【００５４】
一方、空気流量が流路切換流量しきい値Ｑ２を超え、かつ空気圧力が流路切換圧力しきい値Ｐ２を超えた場合には、圧縮機２からの空気の流量および圧力が主流路６側を流通させても問題がない程度に高まったということであるから、ステップＳ７に進み、切換弁８、９を切り換えて、圧縮機２からの流路を主流路６側とする。
【００５５】
なお、この流路切換の判定では、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの両方が、それぞれ流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２を超えたところで電源を切り換えるようにしたが、上記電源切換の判定の場合と同様に、本発明はこのような形態に限られるものではない。例えば、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐのいずれか一方のみを流路切換の判定に用いてもよいし、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐの２つを流路切換の判定に用いつつ、これら空気流量Ｑ、空気圧力Ｐのいずれか一方が流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２を超えたところで電源を切り換えるようにしてもよい。このように、流路切換タイミングを決定するための測定量は、適宜選択できるし、また適宜組み合わせて用いることができる。
【００５６】
ステップＳ７の処理で、始動時制御のルーチンは終了し、燃料電池システムは、定常運転に移行する。定常運転では、圧縮機２からの圧縮空気を主流路６を介して燃料電池１に供給し、燃料電池１による発電が行われる。
【００５７】
つぎに、全体的な作用および効果を説明する。
【００５８】
燃料電池システムを始動すると、始動用バッテリー１８からの電源供給を受けたモータ１５により、圧縮機２が駆動され、燃料電池１側への空気の吐出を開始される。モータ１５の回転数は、所定の目標回転数に向けて加速される。
【００５９】
この始動運転開始とともに、圧縮機２からの空気流路は、切換弁８、９により、バイパス流路７側に切り換えられる。これにより、圧縮機２からの圧縮空気は、主流路６側にある各種空気調整用機器（消音器１０および熱交換器１１）を迂回し、バイパス流路７を通って、燃料電池１側に供給される。
【００６０】
このように、燃料電池システムの始動時には、空気調整用機器のないバイパス流路７を通って、燃料電池１への圧縮空気の供給がなされるので、消音器１０、熱交換器１１といった圧縮空気調整用機器のもつ容積によって、圧縮空気の流量および圧力に時間遅れが生じることない。また、バイパス流路７の管路は、主流路６に比較して、切換時に圧力損失が生じない限度で細くなっているので、管路内の余分な圧力を高める必要がない。したがって、燃料電池１には、圧縮機２の始動初期から、迅速に十分な量の圧縮空気が供給されていき、燃料電池１を早期に立ち上げることができる。この結果、始動用バッテリー１８における消費電力を少なくなるので、始動用バッテリー１８としては比較的小型軽量の電池を用いればよく、高価で重い２次電池を用いる必要はなくなり、コスト削減および装置の小型化を達成できる。
【００６１】
また、冷間時の始動においては、圧縮空気は、消音器１０、熱交換器１１といった熱容量の大きな機器を迂回して供給されるので、燃料電池１に供給される圧縮空気の温度は適温まで迅速に上昇し、燃料電池１の発電効率を高くできるという効果もある。
【００６２】
なお、このように空気流路をバイパス流路７側に切り換え、圧縮空気を消音器１０、熱交換器１１に通さずに燃料電池１に供給したとしても、燃料電池システムの始動初期段階（空気流量Ｑ、空気圧力Ｐが、流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２以上とならない段階）において行う限り、問題は生じない。すなわち、燃料電池システムの始動初期段階では、圧縮機２の回転数は低いので、空気吐出にともなう騒音は小さく、消音器１０は必要ない。また、圧縮機２から吐出される圧縮空気の温度も低いので、熱交換器１１によって温度を下げる必要もない。
【００６３】
このような始動運転により、モータ１５の回転数が上昇していくと、圧縮機２からの空気流量Ｑおよび空気圧力Ｐも上昇して行く。そして、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐが電源切換流量しきい値Ｑ１、電源切換圧力しきい値Ｐ１以上となると、モータ１５への電源を燃料電池１に切り換える。
【００６４】
さらに、モータ１５の回転数が上昇して、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐが流路切換流量しきい値Ｑ２、流路切換圧力しきい値Ｐ２以上となると、圧縮機２からの空気流路を主流路６側に切り換える。これにより、圧縮空気の供給に関する始動時制御は終了し、燃料電池システムは、圧縮空気の供給に関して、定常運転に移行する。
【００６５】
図３は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【００６６】
この実施の形態は、上記第１の実施の形態と比較して、第１の実施の形態では流量計４が圧縮機２の上流に配設されていたのに対して、流量計４が切換弁９の下流に配置されている点でのみ異なり、他の構成については共通するものであるしたがって、第１の実施の形態と共通する構成については、図３において同一の符番で示し、説明は省略する。
【００６７】
この実施の形態によれば、流量計４が燃料電池１直前に設けられるので、燃料電池１への供給流量を、燃料電池１に近い位置で正確に測定することができ、精度の高い制御が可能となる。
【００６８】
図４は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【００６９】
この実施の形態は、上記第２の実施の形態と比較して、流量計４と圧力計１２との間に、フィルタ２１と加湿器（湿度調整器）２２を備えた点でのみ異なり、他の構成については共通する。
【００７０】
この実施の形態によれば、燃料電池システムの始動時に、圧縮空気をバイパス通路８を通って供給する場合でも、燃料電池１の手前のフィルタ２１により圧縮空気中の有害な塵を除去できる。また、加湿器２２により圧縮空気を燃料電池１の発電効率を高めるために最適な湿度とすることができる。
【００７１】
図５は、本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【００７２】
この実施の形態では、流量計４と圧力計１２との間に温度センサ２３を備え、この温度センサ２３により圧縮空気の温度をモニターし、この空気温度Ｔが流路切換温度しきい値Ｔ２以上となった時点で、圧縮機２からの空気流路をバイパス流路７から主流路６に切り換える。このように圧縮空気の温度に基づいて流路切換を行うことにより、特に冷間時における流路切り換えを、より適切なタイミングで行うことができ、燃料電池システムの始動性を高めることができる。なお、本実施の形態においても、流路切換タイミングを決定するための測定量として、空気温度Ｔに加えて、空気流量Ｑ、空気圧力Ｐを、適宜組み合わせて用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【図２】同じく圧縮空気供給に関する始動時制御を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの一部を示す構成図である。
【図６】従来の燃料電池システムを示す構成図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 圧縮機
４ 流量計
６ 主流路
７ バイパス流路
８ 切換弁
９ 切換弁
１０ 消音器
１１ 熱交換器
１２ 圧力計
１５ モータ
１７ 電源切換装置
１８ 始動用バッテリー
２０ コントローラ
２１ フィルタ
２２ 加湿器
２３ 温度センサ
Claims (13)
- 空気と燃料の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
燃料電池への空気の主流路に空気調整用機器を配設し、
この主流路と並列に設けられ、空気調整用機器を備えず、管路内径が前記主流路よりも小さいバイパス流路を有し、
始動運転開始後、前記燃料電池に供給される空気の圧力又は流量の少なくともいずれか一方が流路切換しきい値以上になるまで、燃料電池への空気流路を前記バイパス流路側とする流路切換手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記流路切換しきい値とは、燃料電池への圧縮空気の供給に関して定常運転に移行することを判定するための基準値である
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 - 燃料電池に向けて空気を送り出す圧縮機と、
この圧縮機を駆動するモータと、
始動運転時に前記モータに電源供給する始動用バッテリーと、
燃料電池が前記モータを駆動可能な電力を発電するようになったと判断された時点で前記モータへの電源を始動用バッテリーから燃料電池に切り換える電源切換装置と
を備えた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。 - 前記空気調整用機器として、熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記空気調整用機器として、消音器を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気流量に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記空気流量を計測する流量計を、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設したことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
- 前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気圧力に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記空気圧力を計測する圧力計を、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設したことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
- 前記流路切換手段は、燃料電池へ供給される空気温度に基づいて前記燃料電池への空気流路を切り換えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記空気温度を計測する温度センサを、前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に配設したことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
- 前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に、フィルタを備えたことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
- 前記主流路と前記バイパス流路の合流点よりも下流に、湿度調整器を備えたことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
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