JP4328035B2 - 燃料電池暖機装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を暖機する燃料電池暖機装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池が注目されている。この燃料電池では、カソード側に酸素を供給するとともにアノード側に水素を供給し、水素と酸素の反応によって電気を発生する。カソード側に酸素を供給するためには、酸素を含んでいる空気を、たとえばコンプレッサによって燃料電池に供給している。このとき、コンプレッサの加圧力によって空気は昇温させられる。燃料電池は、所定の温度（固定高分子型の場合は８０〜９０℃）で効率よく発電するが、コンプレッサで加圧された空気はたとえば１２０℃程度まで上昇する。この温度の空気をそのまま燃料電池に供給すると、効率よい発電を実現できないので、燃料電池に供給する前の空気を放熱器に通し、所定の温度まで冷却してから燃料電池に供給するようにしている。
【０００３】
ところで、燃料電池の始動時においては、燃料電池も冷えており、効率よい発電を実現する温度よりも低くなっている。このため、燃料電池の始動時に燃料電池を所定温度まで迅速に加温（暖機）する必要がある。殊に、燃料電池が電気自動車に搭載される場合は一層迅速に暖機する必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、燃料電池を暖機するにあたっては、コンプレッサで暖められた高温の空気をそのまま燃料電池に送ることが考えられる。高温の空気が燃料電池に供給されることによって、燃料電池が早期に暖機される。
【０００５】
しかし、高温の空気は、燃料電池に送ったとしても燃料電池におけるカソード側にしか送られない。このため、燃料電池のアノード側は、燃料電池の膜を介してカソード側の熱が伝達されることによって暖められることになる。したがって、アノード側の暖機がカソード側よりも遅くなってしまい、結局は燃料電池全体としての暖機を早期に行うことができないという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、燃料電池を暖機する際に、カソード側とともに、アノード側も暖機することにより、燃料電池の全体を早期に暖機できるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明は、燃料電池のカソード極に対して空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池のアノード極に対して水素を供給する水素供給手段を備え、前記空気供給手段は、前記空気を圧送するコンプレッサを有するとともに、前記コンプレッサと前記燃料電池のカソード極を繋ぐ空気通路を有し、前記水素供給手段は、前記水素を供給する水素供給源と前記燃料電池のアノード極を繋ぐ水素通路を有し、前記空気通路と前記水素通路との間に、前記空気の熱を前記水素に伝達する熱交換器が介在されていることを特徴とする燃料電池暖機装置である。
【０００８】
このような燃料電池暖機装置によれば、燃料電池のカソード極側に空気を供給するための空気通路と、アノード極側に水素を供給するための水素通路との間に、空気の熱を水素の伝達する熱交換器が介在されている。空気通路を流れる空気は、コンプレッサの断熱圧縮により昇温させられている。このため、熱交換器を介して空気の熱を水素に伝達して水素を昇温させることができる。そして、水素を昇温させることにより、燃料電池のアノード極側をも素早く暖機することができ、燃料電池全体として迅速に暖機を完了させることができる。
【０００９】
また、前記空気通路は、主通路とバイパス通路を備え、前記主通路には、前記空気を冷却する放熱器が設けられており、前記空気が通る通路を、前記主通路と前記バイパス通路の間で切り替えて、前記燃料電池に供給される空気の熱量を調整する熱量調整手段を有することを特徴とする。
【００１０】
このような燃料電池暖機装置によれば、空気通路には、放熱器が設けられた主通路と、放熱器を迂回して設けられたバイパス通路とを備えている。そして、空気が通る通路を主通路とバイパス通路の間で切り替えて、燃料電池に供給される空気の熱量を熱量調整手段で調整している。このため、燃料電池に対して好適な温度の空気および水素を燃料電池に供給することができる。
【００１１】
また、前記燃料電池の暖機状態に応じて、前記熱量調整手段を制御する制御装置が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
このような燃料電池暖機装置によれば、燃料電池の暖機状態に応じて、熱量調整手段によって、空気が流れる通路を、主通路とバイパス通路の間で切り替えて、燃料電池に供給される空気の熱量を調整している。このため、燃料電池の暖機状態に応じて適切な温度の空気および水素を燃料電池に供給することができる。なお、燃料電池の暖機状態は、たとえば燃料電池から排出される排出空気の温度によって特定することができる。
【００１３】
また、前記燃料電池の周囲における外気温に基づいて前記熱量調整手段を制御する制御装置が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
燃料電池に供給する空気を好適な温度に昇温するにあたり、外気温が低い時には、熱量を多くする必要がある、逆に、外気温が高い場合には熱量は少なくて済む。
そこで、このような燃料電池暖機装置によれば、外気温に基づいて、熱量調整手段を制御する。具体的には、外気温が低い場合には、バイパス通路に流す空気の流量を増やし、外気温が高い場合には、主通路に流す空気の流量を増やすように制御する。こうして、好適な温度の空気を燃料電池に対して供給するようにすることができる。
【００１５】
また、前記燃料電池の発電量に応じて前記熱量調整手段を制御する制御装置が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
燃料電池の発電量が多いと、消費する水素も増加するので、水素の消費量の増減に応じて空気の熱量も増減させるのが好適である。
そこで、このような燃料電池暖機装置によれば、燃料電池の発電量に応じて熱量調整手段を制御するようにしている。具体的には、燃料電池の発電量が大きいときには、水素消費量も多いので、この多くの水素に熱を与えるために、バイパス通路に流す空気の流量を増加させて、空気の熱量を増やす。逆に、燃料電池の発電量が小さいときには、水素消費量は少ないので、熱を与える水素も少なくなる。したがって空気に与える熱の量は少なくて済むので、主通路に流す空気の量を増加させる。こうして、燃料電池に対して好適な温度の空気および水素を供給することができる。
【００１７】
また、前記バイパス通路には、開度を調整可能にした絞りが設けられていることを特徴とする。
【００１８】
このような燃料電池暖機装置によれば、バイパス通路に開度を調整可能にした絞り弁が設けられている。このため、バイパス通路の管の幅（径）を狭めたり広げたりすることができる。バイパス通路の管路の幅を広げることにより、コンプレッサの出側の圧力を高めることができるので、バイパス通路の管の幅によって空気の温度を制御することができる。こうして、バイパス通路の管の幅（径）を調整することで、燃料電池に供給される空気および水素を適切な温度に制御することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池暖機装置を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。
この第１実施形態で参照する図面において、図１は第１実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図であり、図２は燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【００２１】
図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１、空気供給装置２、水素供給装置３、制御装置４、アノードカソード熱交換器（以下「熱交換器」という）５などから構成される燃料電池１を中核とした発電システムである。なお、燃料電池暖機装置ＧＳ（ＧＳ１）は、空気供給装置２および制御装置４から構成される。本実施形態における燃料電池システムＦＣＳは、自動車（燃料電池電気自動車）に搭載されるものとする。
【００２２】
図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極１ｂおよびアノード電極１ｄを形成している。電解質膜１ｃとしては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜１ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ω-プロトン以下の低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。
【００２３】
また、カソード電極１ｂの外側にはカソード電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流するカソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電極１ｄの外側にはアノード電極１ｄに燃料ガスとしての供給水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが設けられている。カソード極側ガス通路１ａの入口および出口は空気供給装置２に接続され、アノード極側ガス通路１ｅの入口および出口は水素供給装置３に接続されている。なお、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学反応により発熱するため、燃料電池１を冷却する図示しない冷却装置を有する。
【００２４】
この燃料電池１は、カソード極側ガス通路１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成したプロトンは、電解質膜１ｃ中を移動してカソード電極１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂに到達したプロトンは、供給空気Ａの酸素の酸素イオンと反応して水を生成する。生成した水および未使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気Ａｅとして燃料電池１のカソード極側の出口から排出される（排出空気Ａｅは多量の水分を含む）。また、アノード電極１ｄでは水素がイオン化する際に電子ｅ-が生成するが、この生成した電子ｅ-は、モータなどの外部負荷Ｍを経由してカソード電極１ｂに達する。
【００２５】
次に、図１に示すように、空気供給装置２は、本発明のコンプレッサである空気圧縮器２１、バイパス弁２２、放熱器２３、絞り弁２４、カソード加湿器２５、およびカソード背圧弁２６を備えている。このうち、放熱器２３は、バイパス弁２２とカソード加湿器２５の間における主通路Ｗ１に設けられており、放熱器２３は、供給空気Ａを冷却するために循環供給する冷却水を冷却するラジエータ２３Ａを備えている。また、絞り弁２４は、放熱器２３を迂回して形成されたバイパス通路Ｗ２に設けられており、放熱器２３とカソード加湿器２５の間には熱交換器５が介在されている。したがって、バイパス通路Ｗ２を通過する供給ガスは、放熱器２３を通過しないようになっている。ここで、バイパス通路Ｗ２の断面積は、主通路Ｗ１の断面積よりも小さくされている。したがって、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れる際には、主通路Ｗ１を流れる際よりも、空気圧縮器２１の出口側の圧力が高まる。その結果、供給空気Ａがより高温に昇温させられる。ここで、具体的には、バイパス通路Ｗ２の断面積は、主通路Ｗ１の断面積の半分以下に設定するのが望ましい。そのほか、空気供給装置２は、供給空気Ａや放熱器２３に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１〜Ｔ４を有している。
【００２６】
空気圧縮器２１は、図示しないスーパーチャージャおよびこれを駆動するモータなどから構成されているコンプレッサである。空気圧縮器２１には、たとえば図示しないエアクリーナを通してごみなどを取り除き、燃料電池１で酸化剤ガスとして使用される供給空気Ａを断熱圧縮して燃料電池に圧送する。この断熱圧縮の際に供給空気Ａが加熱される。このように加熱された供給空気Ａが、燃料電池１の暖機に貢献する。
【００２７】
バイパス弁２２は、流路切り替え弁からなり、制御装置４から出力される切り替え信号に基づいて、供給空気Ａを流す通路を、主通路Ｗ１とバイパス通路Ｗ２の間で切り替えて、どちらに供給空気Ａを流すかを決定する。
【００２８】
放熱器２３には、冷却水が流れる冷却水流路が設けられており、この冷却水と熱交換することによって、燃料電池１の通常運転時において空気圧縮器２１から供給される供給空気Ａを冷却している。この放熱器２３にはラジエータ２３Ａが接続されており、ラジエータ２３Ａでは、放熱器２３で供給空気Ａを冷却してその熱により昇温させられた冷却水を、たとえば冷却ファンで冷却している。燃料電池１の通常運転時における空気圧縮器２１から供給される供給空気Ａの温度は通常１２０℃程度であるが、燃料電池１は８０〜９０℃程度の温度で運転される。このため、供給空気Ａは、６０〜７５℃程度に冷却されて燃料電池１に導入される。
【００２９】
絞り弁２４は、開度を調整可能にした開度調整弁であり、その開度を調整することにより、供給空気Ａが通過するバイパス通路Ｗ２の一部の径を狭めることができるようになっている。
【００３０】
カソード加湿器２５は、燃料電池排出ガス供給型のものであり、たとえば多数、具体的には５０００本の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束がハウジング内に収容されており、中空糸膜内を供給空気Ａが通過し、ハウジング内であって中空糸膜の外側を排出空気Ａｅが通過する。燃料電池１では、発電に伴い水が発生して、排出空気Ａｅには大量の水分が含まれているので、この水分を供給空気Ａに水分交換して供給空気Ａを加湿する。なお、カソード加湿器２５としては、このような燃料電池排出ガス供給型のもののほか、図示しないベンチュリ、水貯蔵タンク、ベンチュリと水貯蔵タンクを接続するサイフォン管などから構成され（一種のキャブレタ）、水貯蔵タンクに貯蔵された加湿用の水をベンチュリ効果で吸い上げて噴霧し、供給空気Ａを加湿するものなど、適宜公知のものを用いてもよい。
【００３１】
カソード背圧弁２６は、図示しないバタフライ弁およびこれを駆動するステッピングモータなどから構成され、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの圧力（吐出圧）をカソード背圧弁２６の開度を減少・増加することにより制御する。ちなみに、カソード背圧弁２６の開度を減少すると燃料電池１の排出圧力が高まり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が増加する。また、カソード背圧弁２６の開度を増加すると燃料電池１の排出圧力が低くなり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が減少する。
【００３２】
温度センサＴ１〜Ｔ４は、いずれもサーミスタなどから構成される。このうち、温度センサＴ１は、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの温度を検出する。また、温度センサＴ２は、燃料電池のカソード側の出口における排出空気Ａｅの温度を検出する。さらに、温度センサＴ３は、ラジエータ２３Ａから放熱器２３に対して供給される冷却水の温度を検出する。そして、温度センサＴ４は、熱交換器５に供給される供給空気Ａの温度を検出する。これらの温度センサＴ１〜Ｔ４は、それぞれ検出した検出信号を制御装置４に送信する。なお、温度センサＴ２で検出した排出空気Ａｅの温度Ｔ２によって燃料電池１の暖機状態が判断される。さらに、温度センサＴ３で検出した放熱器２３における冷却水の温度Ｔ３によって外気温が判断される。
【００３３】
また、図１に示すように、水素供給装置３は、アノード供給装置３１、アノード循環装置３２、アノード加湿器３３などから構成される。
【００３４】
アノード供給装置３１は、たとえば水素ガスボンベおよびレギュレータを備える。水素ガスボンベは、図示しない高圧水素容器から構成され、燃料電池１のアノード極側に導入される供給水素Ｈを貯蔵する。貯蔵する供給水素Ｈは純水素であり、圧力は１５〜２０ＭＰａＧ（１５０〜２００kg/cm2Ｇ）である。なお、水素ガスボンベは、水素吸蔵合金を内蔵し１ＭＰａＧ（１０kg/cm2Ｇ）程度の圧力で水素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプである場合もある。レギュレータは、図示しないダイヤフラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵された供給水素Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使用できるようにする圧力制御弁である。
【００３５】
アノード循環装置３２は、たとえば水素循環ポンプからなる。この水素循環ポンプは、図示しないエジェクタなどから構成され、燃料電池１のアノード極側に向かう供給水素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガスとして使用された後の供給水素Ｈ、つまり燃料電池１のアノード極側から排出される排出水素Ｈｅを吸引し循環させる。なお、排出水素Ｈｅを循環使用するのは、供給水素Ｈが、アノード供給装置３１における水素ガスボンベに貯蔵されている純水素だからである。
【００３６】
次に、制御装置４は、図示しないＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェイス、Ａ／Ｄ変換器、バスなどから構成されており、燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御するとともに、燃料電池１に供給する供給空気Ａの温度を制御する。制御装置４は、前記の通り温度センサＴ１〜Ｔ４より出力される検出信号を受信する。また、制御装置４は、空気圧縮器２１、バイパス弁２２、絞り弁２４、およびカソード背圧弁２６に対する制御信号を送信する。本実施形態では、制御装置４がバイパス弁２２を切り替えるとともに、絞り弁２４の絞り開度を調整する。そうして、空気圧縮器２１から供給される供給空気Ａが流れる通路を主通路Ｗ１とバイパス通路Ｗ２の間で切り替える。また、バイパス通路Ｗ２を流す場合には、絞り弁２４の開度を調整して、供給空気Ａの温度を調整する。したがって、これらのバイパス弁２２および絞り弁２４が本発明の熱量調整手段を構成する。
【００３７】
熱交換器５は、空気圧縮器２１と燃料電池１のカソード極を繋ぐ空気通路と、アノード供給装置３１と燃料電池１のアノード極を繋ぐ水素通路の間に介在されて設けられている。この熱交換器５は、供給空気Ａが流れる空気流路と、供給水素Ｈが流れる水素流路とを備えており、空気流路を流れる供給空気Ａの熱が水素流路を流れる供給水素Ｈに対して伝達されるようになっている。
【００３８】
次に、第１の実施形態に係る燃料電池１の始動時おける燃料電池暖機装置ＧＳ１の動作の一例を、図３を参照して説明する（適宜図１参照）。
【００３９】
図３は、燃料電池暖機装置の制御フローを示すフローチャートである。なお、燃料電池１に供給される供給空気Ａの目標温度は６５℃〜８０℃である。
【００４０】
燃料電池を始動する際、イグニッションスイッチをＯＮにすると（Ｓ１）、空気圧縮器２１が駆動する（Ｓ２）。空気圧縮器２１が駆動する際、温度センサＴ１，Ｔ２によって燃料電池１の入側における供給空気Ａの温度および燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度を検出する（Ｓ３）。続いて、温度センサＴ２で検出された排出空気Ａｅの温度Ｔ２が１５℃を超えるかを判断するとともに、温度センサＴ１で検出された供給空気Ａの温度Ｔ１よりも排出空気の温度Ｔ２の方が高いかを判断する（Ｓ４）。排出空気Ａｅの温度が１５℃を超えて入れば、燃料電池１が暖まっていることを示すので、燃料電池１の暖機は特に必要ないと判断できる。一方、供給空気Ａの温度よりも排出空気Ａｅの温度の方が高い場合も同様に、燃料電池１が暖まっていると考えられるので、燃料電池１の暖機は不要と判断できる。そこで、排出空気Ａｅの温度が１５℃を超えるか、あるいは排出空気Ａｅの温度Ｔ２が供給空気Ａの温度Ｔ１よりも高いかのいずれかの条件を満たすときに、燃料電池１の暖機は不要と判断する。そして、空気圧縮器２１の駆動を継続しながら、燃料電池１のアイドル運転を開始する（Ｓ５）。ここまでの処理が、イグニッションスイッチをＯＮにした直後に行われる。
【００４１】
また、ステップＳ４で排出空気Ａｅの温度Ｔ２が１５℃以下であり、かつ排出空気Ａｅの温度が供給空気Ａの温度Ｔ１以下であると判断された場合には、放熱器２３における冷却水の温度を温度センサＴ３で検出する（Ｓ６）。いま、冷却水の温度は外気温とほぼ等しいと考えられるが、冷却水の温度が１５℃を超えていれば、燃料電池１の暖機は不要と考えられる。そこで、冷却水の温度Ｔ３が１５℃を超えているか否かを判断する（Ｓ７）。その結果、冷却水の温度Ｔ３が１５℃を超えている場合には、燃料電池１の暖機は不要であると判断できるので、空気圧縮器２１の駆動を継続するとともに、燃料電池１のアイドル運転を開始する（Ｓ５）。また、ステップＳ７で冷却水の温度Ｔ３が１５℃以下であると判断された場合には、バイパス弁２２をＯＮにして（Ｓ８）、低温始動モードに入り（Ｓ９）、空気圧縮器２１から供給される供給空気Ａをバイパス通路Ｗ２に流す。なお、バイパス弁２２をＯＮにすることにより、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を通り、バイパス弁２２をＯＦＦにすることにより、供給空気Ａが主通路Ｗ１を流れるように、通路が切り替えられる。供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れることにより、供給空気Ａは放熱器２３を迂回して燃料電池１に供給される。放熱器２３を迂回して供給される供給空気Ａは、放熱器２３によって冷却されないので、空気圧縮器２１で暖められた空気をそのまま燃料電池１に供給することができる。
【００４２】
ここで、燃料電池に供給される供給空気Ａは、熱交換器５を通過している。この熱交換器５には、燃料電池１のアノード側に供給される供給水素Ｈも流れている。いま、この供給水素Ｈは、空気圧縮器２１で暖められる前の供給空気Ａとほぼ同じ程度の温度であり、暖められた供給空気Ａよりも温度が低い。また、通常、供給水素Ｈの流量は、供給空気Ａの流量よりも非常に少ない。これらの供給空気Ａと供給水素Ｈがともに熱交換器５を通過することにより、供給空気Ａの熱が供給水素Ｈに伝達され、供給水素Ｈが暖められて供給空気Ａとほぼ同じ温度になる。このため、供給空気Ａは、供給水素Ｈをも暖めるための熱量を有することが求められるので、供給空気Ａは、燃料電池１に供給される温度である６５〜８０℃よりも高い温度まで暖められる。
【００４３】
こうして、空気圧縮器２１で供給空気Ａを暖めるとともに、供給空気Ａの熱で供給水素Ｈを暖めながら供給空気Ａを燃料電池１のカソード側に供給し供給水素Ｈを燃料電池１のアノード極側に供給することにより、燃料電池１を全体的に均一に暖機することができる。したがって、燃料電池１が所定の発電能力を発揮しうるまで燃料電池１を暖機するための時間を短くすることができる。こうして、燃料電池１が迅速に暖機される。なお、低温始動モードでは、空気圧縮器２１は、通常のアイドル時の電力（たとえば５００Ｗ）よりも大きい電力（たとえば５ｋＷ）で運転され、空気圧縮器２１の断熱圧縮による加熱量を増加している。また、絞り弁２４の開度は、たとえば温度センサＴ１で検出される燃料電池１に供給される直前の供給空気Ａの温度に基づいて適宜決定される。
【００４４】
かかる低温始動モード中において、温度センサＴ１によって燃料電池１に供給される直前の供給空気Ａの温度Ｔ１を検出し、温度センサＴ２によって燃料電池１から排出された排出空気Ａｅの温度を検出する（Ｓ１０）。そして、燃料電池１に供給される供給空気Ａの前回の温度と比較した供給空気上昇温度ΔＴ１および燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの前回の温度と比較した排出空気上昇温度ΔＴ２を算出する。それから、これらの供給空気上昇温度ΔＴ１および排出空気上昇温度ΔＴ２がそれぞれ０℃を超えているかを判断する（Ｓ１１）。その結果、供給空気上昇温度ΔＴ１および排出空気上昇温度ΔＴ２のいずれかが０℃以下となっている場合には、ステップＳ９に戻って低温始動モードが継続する。
【００４５】
また、供給空気上昇温度ΔＴ１および排出空気上昇温度ΔＴ２がいずれも０℃を超えた時点で、温度センサＴ３で放熱器２３の冷却水の温度Ｔ３を検出する（Ｓ１２）。そして、冷却水の温度Ｔ３が１５℃未満であるか否かを判断する（Ｓ１３）。その結果、冷却水の水温Ｔ３が１５℃未満である場合には、放熱器２３がまだ暖まっていないので、放熱器２３に供給空気Ａを流すと、供給空気Ａが冷えてしまう。このため、低温始動モードは解除した後（Ｓ１４）、放熱器２３を迂回するべく、絞り弁２４の絞りを全開にして（Ｓ１５）、供給空気Ａをすべてバイパス通路Ｗ２に流す。そして、空気圧縮器２１の駆動を継続しながら、燃料電池１のアイドル運転を開始する（Ｓ１６）。このときの空気圧縮器２１は、たとえば５００Ｗの電力で運転される。
【００４６】
そして、放熱器２３の冷却水の温度Ｔ３を検出し（Ｓ１７）、冷却水の温度Ｔ３が１５℃未満であるか否かを判断する（Ｓ１８）。その結果、冷却水の温度Ｔ３が１５℃未満のときは、ステップＳ１６に戻って、燃料電池１のアイドル運転を継続する。こうして、冷却水の温度が１５℃以上になるまでフィードバック制御を行い、冷却水の温度Ｔ３の温度が１５℃以上となるまで、同様の作業が繰り返される。また、冷却水の温度Ｔ３が１５℃以上となったときには、放熱器２３が冷えた状態ではなくなったと判断できるので、図５に示すステップＳ１９に進む。
【００４７】
一方、ステップＳ１３において、放熱器２３の冷却水の温度Ｔ３が１５℃以上であると判断された場合には、放熱器２３は冷えた状態ではないので、そのままステップＳ１９に進む。
【００４８】
ステップＳ１９では、燃料電池１が低温始動モードにあるか否かを判断している。低温判断の結果、低温始動モードにない場合は、ステップＳ２０を飛び越してステップＳ２１に進む。一方、ステップＳ１９で低温始動モードにあると判断された場合には、低温始動モードを解除する（Ｓ２０）。低温始動モードを解除したらバイパス弁２２をＯＦＦにして（Ｓ２１）、空気圧縮器２１から供給される空気を主通路Ｗ１に流す。主通路Ｗ１を流れる供給空気Ａは、放熱器２３によって所定の温度に温度調整させられてから、燃料電池１に供給される。そして、空気圧縮器２１の駆動を継続するとともに、燃料電池１のアイドル運転を行う（Ｓ２２）。そして、燃料電池１の暖機が終了する（Ｓ２３）。
【００４９】
このように、本実施形態では、空気圧縮器２１によって暖められ、燃料電池１のカソード側に供給空気Ａと、燃料電池１のアノード側に供給される供給水素Ｈをそれぞれ熱交換器５に通す。熱交換器５では、供給空気Ａの熱が供給水素に伝達されて、供給水素Ｈが暖められる。したがって、燃料電池１のカソード側を介することなく燃料電池１のアノード側を直接暖機することができる。したがって、燃料電池１の全体としての暖気を迅速に行うことができる。
【００５０】
また、燃料電池１の暖機の完了を判断するにあたり、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの温度のほか、たとえば空気圧縮器２１の入側に設けられた図示しない温度センサで外気温を測定し、この外気温に基づいてバイパス弁２２の制御を行うこともできる。外気温が低い場合には、燃料電池１に対して好適な温度となるまで空気の温度を上昇させるために、空気に与える熱の量を増やす必要がある。そのため、外気温が低い場合には、バイパス通路Ｗ２に流す供給空気Ａの流量を増加させるように制御を行う。逆に、外気温が高い場合には、主通路Ｗ１に流す供給空気Ａの流量を増やす。このようにして、供給空気Ａの温度を適切に調整することができる。
【００５１】
また、本実施形態における通常走行時における暖機処理について説明する。この通常走行時における暖機処理は、図１に示す燃料電池暖機装置ＧＳ１において行われるので、適宜図１を参照する。
図６（ａ）は、通常時における暖機処理を説明するためのフローチャートである。
図６（ａ）に示すように、燃料電池１が通常モードにあるときには（Ｓ３０）、温度センサＴ４で熱交換器５に供給される供給空気Ａの温度Ｔ４を検出し、供給空気Ａの温度が６０℃未満であるか否かを判断する（Ｓ３１）。燃料電池１が通常モードにあるときには、供給空気Ａを放熱器２３で冷却するためにバイパス弁２２はＯＦＦとなっており、供給空気Ａは主通路Ｗ１を流れている。ここで、熱交換器５に供給される供給空気Ａの温度が６０℃未満である場合には、燃料電池１に供給するための供給空気の適正温度範囲である６５〜８０℃の範囲内にある温度の供給空気Ａを燃料電池１に供給することができない。一方、ステップＳ３１において、供給空気Ａの温度Ｔ４が６０℃以上である場合には、燃料電池１に対して適正な温度範囲にある供給空気Ａを燃料電池１に供給することができる。このためバイパス弁２２はＯＦＦのままとし（Ｓ３２）、供給空気Ａを主通路Ｗ１に流したままとしてそのまま終了する。
【００５２】
また、温度センサＴ４で検出された供給空気Ａの温度Ｔ４が６０℃未満であるときには、暖かい供給空気Ａを燃料電池１に供給する必要性があるので、バイパス弁２２をＯＮにして（Ｓ３３）、供給空気Ａをバイパス通路Ｗ２に流す。バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａは、放熱器２３を迂回して燃料電池１に供給されるので、暖かいままで燃料電池１に供給される。また、供給空気Ａをバイパス通路Ｗ２に流すに際し、バイパス通路Ｗ２に、設けられた絞り弁２４で空気圧縮器２１の出側における圧力を調整する。このときの絞り弁２４の開度は熱交換器５の入側直前における供給空気Ａの温度Ｔ４をパラメータとする関数ｆ（Ｔ４）によって決定する（Ｓ３４）。このときに用いられる関数を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）に示すように、熱交換器５の直前における供給空気Ａの温度Ｔ４が６０℃未満の領域においては、供給空気Ａの温度Ｔ４が低いほど、絞り弁２４の絞り開度を絞る（小さくする）。絞り弁２４の絞り開度を絞ることにより、空気圧縮器２１の出側における供給空気Ａの圧力を大きくすることができ、もって供給空気Ａをさらに高い温度まで昇温させることができる。したがって、燃料電池１に供給する供給空気Ａの温度を上昇させることができる。
【００５３】
そして、供給空気Ａの温度Ｔ３が６０℃に近づくにつれて絞り弁２４の絞り開度を開いていく（大きくする）。絞り弁２４の絞り開度を開くことにより、空気圧縮器２１の出側における供給空気Ａの圧力が小さくなり、もって供給空気Ａの温度の上昇量が減少する。したがって、燃料電池１に供給される供給空気Ａとして適切な温度となるように制御することができる。
【００５４】
このような制御を行うことにより、通常時における燃料電池の暖機処理を終了する（Ｓ３５）。こうして、燃料電池１の通常運転時においても、燃料電池１の暖機を行うことができる。
【００５５】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一性のある要素・部材などについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
図７は、第２の実施形態に係る燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００５６】
図７に示すように、第２実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ２は、図１に示す前記第１実施形態における熱交換器５に代えて、第１，第２共通配管４１，４２が設けられている点で、前記第１実施形態と異なる。第２実施形態では、これらの共通配管４１，４２が、供給空気の熱を供給水素に伝達する熱交換器となる。また、第２実施形態では、絞り弁２４が設けられていない。
【００５７】
この第２実施形態では、空気圧縮器２１から供給された供給空気Ａは、放熱器２３を介して第１共通配管４１に導入される。第１共通配管４１を出た供給空気Ａは、カソード加湿器２５を通過して、第２共通配管４２に導入される。第２共通配管４２から出た供給空気Ａは、燃料電池１のカソード極側に供給される。燃料電池１のカソード極側から排出された排出空気Ａｅは、前記第１実施形態と同一の経路を経て排出される。
【００５８】
一方、アノード供給装置３１から供給された供給水素Ｈは、アノード循環装置３２を経て、第１共通配管４１に導入される。ここで、第１共通配管４１の断面図を図８に示す。図８に示すように、第１共通配管４１は、二重管の構造をなしており、内管４１Ａの内側は供給水素が通過する水素流路ＨＦとなっている。また、内管４１Ａの外側であって外管４１Ｂの内側が供給空気が通過する空気流路ＡＦとなっている。このような単純な二重管の構造となっており、供給空気および供給水素がそれぞれ空気流路ＡＦおよび水素流路ＨＦで同一方向を向いて並流することにより、供給空気Ａの熱が供給水素Ｈに伝達されるようになっている。本実施形態では、供給空気Ａと供給水素は並行して流れるが、もちろん対向して流れるようにしてもよい。
【００５９】
第１共通配管４１を出た供給水素Ｈは、アノード加湿器３３を通過して第２共通配管４２に導入される。第２共通配管４２は、第１共通配管同様、図８に示すように、内管４２Ａと外管４２Ｂを備えており、内管４２Ａの内側に供給水素Ｈが流れる水素流路ＨＦが形成され、内管４２Ａの外側で外管４２Ｂの内側に供給空気が流れる空気流路ＡＦが形成されている。こうしてそれぞれの流路を流れる供給空気と供給水素の間で、供給空気から供給水素に対して熱が伝達されるようになっている。
【００６０】
第２共通配管４２を出た供給空気は、燃料電池１のアノード極側に供給される。燃料電池１のアノード極側から排出された排出水素はＨｅは、アノード循環装置３２に導入され、循環利用される。
【００６１】
本実施形態に係る燃料電池暖機装置ＧＳ２においても、前記第１実施形態と同様にして、温度センサＴ１〜Ｔ４より出力される各温度信号に基づいて、バイパス弁２２およびカソード背圧弁２６を制御している。このため、燃料電池１に対して適切な温度の供給空気Ａおよび供給水素Ｈを供給することにより、迅速に燃料電池１を暖機することができる。
【００６２】
また、本実施形態においては、共通配管４１，４２を用いて供給空気Ａの熱を供給水素Ｈに伝えて供給水素Ｈを暖めているので、前記第１実施形態のように、熱交換器５を用いる場合と比較して、装置全体を小型化することができる。
【００６３】
なお、本発明は、前記した発明の実施の形態に限定されることなく、広く変形実施することができる。
たとえば、前記各実施形態では、燃料電池１に供給される供給空気の温度や放熱器における冷却器の冷却水の温度に基づいて、バイパス弁や絞り弁などの制御を行っている。これに対して、たとえば燃料電池から発電される発電量に基づいて、燃料電池の状態を把握し、燃料電池に供給する供給空気および供給水素の温度を制御することができる。具体的に、たとえば燃料電池の発電量が大きくなると、水素消費量もそれに伴って多くなる。したがって、燃料電池に供給する供給水素量も多くなるので、この多くの水素に熱を与えるために、バイパス通路に流す空気の流量を増加させて、空気の熱量を増やす。逆に、燃料電池の発電量が小さいときには、水素消費量は少ないので、熱を与える水素も少なくなる。したがって空気に与える熱の量は少なくて済むので、主通路に流す空気の量を増加させる。こうして、燃料電池に対して好適な温度の空気および水素を供給することができる。なお、燃料電池から発電される発電量は、たとえば図示しないＥＣＵによって検出することができる。
【００６４】
また、前記実施形態では、熱量調整手段として主通路とバイパス通路を切り替えるバイパス弁を用いたが、たとえば主通路とバイパス通路に流す空気の量を調整する流量調整弁などを用いることもできる。
【００６５】
また、水素供給装置は、水素タンクから燃料電池に水素を供給する構成としたが、メタノールなどの液体原燃料を改質器により改質して水素リッチな燃料ガスを製造し、これを燃料電池に供給する構成としてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、このため、熱交換器を介して空気の熱を水素に伝達して水素を昇温させることができる。そして、水素を昇温させることにより、燃料電池のアノード極側をも素早く暖機することができ、燃料電池全体として迅速に暖機を完了させることができる。
【００６７】
また、燃料電池の暖機状態に応じて適切な温度の空気および水素を燃料電池に供給することができる。
【００６８】
さらに、外気温に基づいて空気の熱量を調整するので、外気温が変化した場合であっても、好適な温度の空気および水素を燃料電池に供給することができる。
【００６９】
さらにまた、燃料電池の発電量に基づいて空気の熱量を調整するので、燃料電池の発電量が増減して水素消費量が増減した場合であっても、適切な温度の水素および空気を燃料電池に供給することができる。
【００７０】
また、バイパス通路の管の幅（径）を調整することで、燃料電池に供給される空気および水素を適切な温度に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【図３】第１実施形態の燃料電池暖機装置の制御フローの一部を示すフローチャートである。
【図４】第１実施形態の燃料電池暖機装置の制御フローの他の一部を示すフローチャートである。
【図５】第１実施形態の燃料電池暖機装置の制御フローのさらに他の一部を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）は、通常モードの暖機処理を示すフローチャート、（ｂ）は、カソード加湿器供給空気の温度と絞り弁の絞り開度との関係を示すグラフである。
【図７】第２実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図８】共通配管の断面図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 空気供給装置
３ 水素供給装置
４ 制御装置
５ 熱交換器
２１ 空気圧縮器（コンプレッサ）
２２ バイパス弁（熱量調整手段）
２４ 絞り弁（熱量調整手段）
４１，４２ 共通配管（熱交換器）
Ｗ１ 主通路
Ｗ２ バイパス通路
Ａ 供給空気
Ｈ 供給水素
ＦＣＳ 燃料電池システム
ＧＳ（ＧＳ１，ＧＳ２） 燃料電池暖機装置

Claims (4)

1. 燃料電池のカソード極に対して空気を供給する空気供給手段と、前記燃料電池のアノード極に対して水素を供給する水素供給手段を備え、
   前記空気供給手段は、前記空気を圧送するコンプレッサを有するとともに、前記コンプレッサと前記燃料電池のカソード極を繋ぐ空気通路を有し、
   前記水素供給手段は、前記水素を供給する水素供給源と前記燃料電池のアノード極を繋ぐ水素通路を有し、
   前記空気通路と前記水素通路との間に、前記空気の熱を前記水素に伝達する熱交換器が介在されており、
   前記空気通路は、主通路とバイパス通路を備え、前記主通路には、前記空気を冷却する放熱器が設けられており、
   前記空気が通る通路を、前記主通路と前記バイパス通路の間で切り替えて、前記燃料電池に供給される空気の熱量を調整する熱量調整手段を有することを特徴とする燃料電池暖機装置。
2. 前記熱量調整手段を制御する制御装置が設けられており、
   前記制御装置は、
   前記カソード極から排出された空気の温度に基づいて、前記燃料電池の暖機が必要と判断された場合、
   前記コンプレッサからの空気が前記バイパス通路に流れるように、前記熱量調整手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池暖機装置。
3. 外気温に基づいて前記熱量調整手段を制御する制御装置が設けられており、
   前記制御装置は、
   前記放熱器を経由し当該放熱器を流れる空気と熱交換する冷却水の温度に基づいて、前記外気温を判断し、
   当該外気温に基づいて前記燃料電池の暖機は必要と判断された場合、
   前記コンプレッサからの空気が前記バイパス通路に流れるように、前記熱量調整手段を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池暖機装置。
4. 前記バイパス通路には、開度を調整可能にした絞りが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の燃料電池暖機装置。

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