JP4950386B2 - 燃料電池暖機装置 - 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。
【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】
このため、従来においては、バッテリや商用電源による電源ヒータや、たとえばＵＳＰ６１０３４１０に開示されている水素燃焼ヒータで燃料電池を加熱するなどの措置を講じていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の技術では、燃料電池の暖機のために電源ヒータや水素燃焼ヒータを用いているので、燃料電池の暖機のためだけに、水素や電力を用いなければならない。そのため、電気や水素を余分に消費してしまうので、たとえば燃料電池を自動車に積載した場合には、その走行距離が短くなってしまう問題があった。また、商用電源を用いた電源ヒータでは、外部から電気を導入する手間が必要となる問題もあった。さらに、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータを設ける必要があるため、その分燃料電池システム全体が大型化する問題があった。特に、寒冷地であるとか、冬季であるなど、気温が低い条件下では始動時に燃料電池から排出される排出空気の温度は一層低くなっているので、この問題が特に顕著となる。さらに、氷点下では、燃料電池内の水分が凍っていることがあり、この状態では燃料電池で発電することが難しい状態にあるため、より一層迅速に燃料電池を暖機する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、特に燃料電池の始動時において好適な温度の酸化剤ガスを燃料電池に供給しつつ燃料電池の暖機を迅速に行うことができるようにし、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータを必要としない燃料電池暖機装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、前記主通路に設けられた放熱器と、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記設定回転数にて前記コンプレッサを制御している場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記コンプレッサの回転数を前記設定回転数から低下させ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、制御装置が、燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスがバイパス通路を流れている場合において、燃料電池に関わる温度が低いほどコンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にてコンプレッサを制御して酸化剤ガスを燃料電池に供給し、設定回転数にてコンプレッサを制御している場合において、燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、酸化剤ガスの温度が暖機充分温度を超えないようにコンプレッサの回転数を設定回転数から低下させる。
【０００９】
すなわち、コンプレッサから燃料電池に供給ガスを供給するにあたり、供給ガスが主通路を通ると放熱器による冷却がなされ、バイパス通路を通ると放熱器は通らず、供給ガスが冷却されることはない。したがって、供給ガスを冷却する必要がある燃料電池の通常運転時には供給ガスを主通路に通して冷却する。逆に、暖機が必要な始動時には供給ガスをバイパス通路に通すことによって昇温させ、暖かい供給ガスを燃料電池に供給する。こうして、始動時には暖かい供給ガスが燃料電池に供給されるので、暖機を迅速に行うことができるので、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータを設ける必要がなくなる。
【００１０】
また、バイパス通路の断面積が主通路の断面積よりも小さく設定されている。コンプレッサから供給される供給ガスの昇温量は、コンプレッサの圧縮比で決まる。コンプレッサから供給される供給ガスの通路の断面積が小さいほど、同じ流量の供給ガスを供給する際にその圧縮比が増加し、圧縮比の増加に伴い供給ガスの温度も増加する。このため、燃料電池の暖機を図りたいときに供給ガスを通すバイパス通路の断面積を、通常時に供給ガスを通す主通路の断面積より大きくしておくことにより、高い温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。したがって、さらに迅速に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００１１】
さらに、燃料電池の暖機状態に応じて、コンプレッサの回転数を制御している。このため、たとえば燃料電池の入側における供給ガスの温度が高温、たとえば８０℃以上となったときに、コンプレッサの回転数を抑制することにより、燃料電池に供給される供給ガスの温度を低下させる。こうして、燃料電池が発電する際に好適な温度となる供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１２】
また、本発明は、燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、前記主通路に設けられた放熱器と、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、前記コンプレッサから前記燃料電池に供給される酸化剤ガスのうち、前記主通路を通過する前記酸化剤ガスの流量と、前記バイパス通路を通過する前記酸化剤ガスの流量との比率を調整する流量調整手段と、前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、を備え、前記流量調整手段は、前記燃料電池に関わる温度が、当該燃料電池を暖機する必要があるとされる温度以下である場合、前記コンプレッサからの酸化剤ガスが前記バイパス通路に流れるように制御し、前記制御装置は、前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記流量調整手段は、前記設定回転数にて前記コンプレッサが制御されている場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記主通路を流れる酸化剤ガスが増加するように制御することを特徴とする燃料電池暖機装置である。
【００１３】
このような燃料電池暖機装置によれば、流量調整手段が、燃料電池に関わる温度が、燃料電池を暖機する必要があるとされる温度以下である場合、コンプレッサからの酸化剤ガスがバイパス通路に流れるように制御し、制御装置が、燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスがバイパス通路を流れている場合において、燃料電池に関わる温度が低いほどコンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にてコンプレッサを制御して酸化剤ガスを燃料電池に供給し、流量調整手段は、設定回転数にてコンプレッサが制御されている場合において、燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、酸化剤ガスの温度が暖機充分温度を超えないように主通路を流れる酸化剤ガスが増加するように制御する。
【００１４】
すなわち、燃料電池の暖機状態に応じて、主通路とバイパス通路のいずれに流すかを決定する。このため、燃料電池がまだ暖まっていない状態では、コンプレッサによって昇温させられた供給ガスを燃料電池に供給する。また、燃料電池が暖まったら、供給ガスを主通路に流すようにして、放熱器を介して、高温となった供給ガスを冷却して燃料電池に供給することができる。
また、燃料電池に供給される供給ガスのうち、主通路に流す供給ガスの流量と、バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整している。このため、燃料電池が暖機されておらず、冷えているときには、供給ガスをすべてバイパス通路に流して供給ガスを昇温させて燃料電池を暖機する。その後、燃料電池が暖機されてきたら、徐々に供給ガスが流れる通路をバイパス通路から主通路に移していく。こうして、燃料電池が冷えた状態から暖機が完了するまでの間、適切な温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１５】
さらに、コンプレッサから燃料電池の供給する供給ガスのうち、バイパス通路に流す供給ガスの量を燃料電池の暖機状態に応じて調整している。このため、たとえば燃料電池の運転中に燃料電池の負荷が低下して、燃料電池が、暖機を必要とする状態となったときには、暖機を必要とする状態に応じて、バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整する。こうして、燃料電池の運転中でも、早期に燃料電池を暖機することができる。
【００１６】
また、本発明は、燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、前記主通路に設けられた放熱器及び前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器及び加湿器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記設定回転数にて前記コンプレッサを制御している場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記コンプレッサの回転数を前記設定回転数から低下させることを特徴とする燃料電池暖機装置である。
【００１７】
このような燃料電池暖機装置によれば、制御装置が、燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスがバイパス通路を流れている場合において、燃料電池に関わる温度が低いほどコンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にてコンプレッサを制御して酸化剤ガスを燃料電池に供給し、設定回転数にてコンプレッサを制御している場合において、燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、酸化剤ガスの温度が暖機充分温度を超えないようにコンプレッサの回転数を設定回転数から低下させる。
【００１８】
また、前記燃料電池暖機装置において、前記バイパス通路に設けられ、酸化剤ガスの逆流を防止する逆流防止弁を備えることが好ましい。
このような燃料電池暖機装置によれば、逆流防止弁によって、バイパス通路における酸化剤ガスの逆流を防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池暖機装置を、図面を参照して詳細に説明する。
〔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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、図１に示すように、燃料電池暖機装置ＧＳ１を構成する空気供給装置２は、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、放熱器２３、加湿器２４、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５、逆流防止弁２６、および圧力制御弁２７を備えている。このうち、コンプレッサ２２と燃料電池１の間における主通路Ｗ１に放熱器２３が設けられている。また、主通路Ｗ１における放熱器２３が配置されている位置の下流側に通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５が設けられている。
【００２５】
さらに、コンプレッサ２２と燃料電池１の間におけるバイパス通路Ｗ２は、放熱器２３を迂回して形成されている。具体的には、コンプレッサ２２の放熱器２３の間で主通路Ｗ１から分岐して、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５と加湿器２４の間で主通路Ｗ１に合流する。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。
【００２６】
また、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、たとえば主通路Ｗ１の断面積の１／２、またはそれ以下に設定されている。このように、バイパス通路Ｗ２の断面積が小さく設定されていることにより、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れる際には、主通路Ｗ１を流れる際よりもコンプレッサ２２の吐出側の圧力が大きくなる。その結果、コンプレッサ２２における圧縮量が大きくなり、供給空気Ａの温度を高くすることができる。
【００２７】
そのほか、空気供給装置２は、供給空気、排出空気、冷却水等の温度を検出する温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３を有している。
【００２８】
エアクリーナ２１は、図示しないフィルタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給される空気（供給空気Ａ）をろ過して、供給空気Ａに含まれるごみを取り除く。
【００２９】
コンプレッサ２２は、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータなどから構成され、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１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。
【００３０】
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コンプレッサ２２から供給される供給空気を冷却している。燃料電池１の通常運転時におけるコンプレッサ２２から供給される供給空気の温度は通常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。
【００３１】
加湿器２４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、加湿器としては、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。
【００３２】
通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５は、主通路Ｗ１に設けられており、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５をＯＮにすることにより、主通路Ｗ１に供給空気Ａが流れ、ＯＦＦにすることにより、バイパス通路Ｗ２に供給空気Ａが流れるようになっている。
【００３３】
逆流防止弁２６は、バイパス通路Ｗ２に設けられており、コンプレッサ２２から加湿器２４の方向に流れる供給空気Ａが逆流するのを防止している。
【００３４】
圧力制御弁２７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）を圧力制御弁２７の開度を減少・増加することにより制御する。ちなみに、圧力制御弁２７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、圧力制御弁２７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。
【００３５】
温度センサＴ１は、サーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３６】
温度センサＴ２は、温度センサＴ１と同様にサーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側出口における排出空気Ａｅの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３７】
温度センサＴ３は、温度センサＴ１，Ｔ２と同様にサーミスタなどから構成され、放熱器２３内における冷却水の水温を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３８】
また、図１に示すように、水素供給装置３は、水素ガスボンベ３１、レギュレータ３２、水素循環ポンプ３３などから構成される。
【００３９】
水素ガスボンベ３１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３１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。
【００４０】
レギュレータ３２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。
【００４１】
水素循環ポンプ３３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、排出水素を循環使用するのは、供給水素Ｈが、水素ガスボンベ３１に貯蔵されている純水素だからである。
【００４２】
次に、燃料電池用暖機装置ＧＳ１を構成する制御装置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、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，Ｔ２,Ｔ３らの検出信号を受信する。また、制御装置４は、コンプレッサ２２、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５、逆流防止弁２６、および圧力制御弁２７に対する制御信号を送信する。
【００４３】
次に、第１の実施形態に係る燃料電池１の始動時における燃料電池暖機装置ＧＳ１の動作の一例を、図３および図４を参照して説明する（適宜図１参照）。
【００４４】
ここで、図３および図４は、第１の実施形態に係る燃料電池暖機装置における制御フローを示すフローチャートである。図４に示すフローでは、コンプレッサ２２の回転数によって供給空気Ａの加熱量を制御する。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。
【００４５】
図３に示すように、燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチをＯＮにして燃料電池電気自動車を始動させると（Ｓ１）、所定のシステムチェックを行い、各種機器に異常がないか判断する（Ｓ２）。ここで異常が検出された場合には、異常状態に応じた所定の異常処理モードに移行する（Ｓ３）。一方、異常が検出されなかった場合には、アイドル運転を行う際に見合った量の供給空気Ａを供給するように、コンプレッサ２２の回転数を設定する（Ｓ４）。続いて、温度センサＴ２によって燃料電池１の出口側における排出空気Ａｅの温度を検出し、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下であるか否かを検出する（Ｓ５）。排出空気Ａｅの温度は、燃料電池１を通過し、すぐ排出された空気の温度であるので、排出空気Ａｅの温度によって、燃料電池１の暖機状態を判定することができる。
【００４６】
その結果、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が２０℃を超えている場合には、暖機は完了していると判断できるので、定常発電モードへ移行する（Ｓ６）。また、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下である場合には、燃料電池１はいまだ暖機が必要な状態にあると判断できるので、暖機モードへ移行する（Ｓ７）。
【００４７】
こうして暖機モードに移行した後の制御について、図４を参照して説明する。
暖機モードに入ったら（Ｓ１０）、温度センサＴ３によって、放熱器２３における冷却水の水温を検出し、冷却水の水温Ｔ３が３０℃以下であるか否かを検出する（Ｓ１１）。ここで、冷却水の水温Ｔ３が３０℃を超える場合には、燃料電池１は暖機されていると判断することができるので、定常発電モードへ移行する（Ｓ１２）。一方、冷却水温度が３０℃以下である場合には、燃料電池１は、いまだ暖機が必要な状態にあると判断できる。したがって、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を閉じて、コンプレッサ２２から供給される供給空気Ａをバイパス通路Ｗ２に通過させる。バイパス通路Ｗ２は、放熱器２３を迂回して形成されているので、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａは、放熱器２３によって冷却されることはない。しかも、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、具体的にはおよそ１／２に設定されている。このため、供給空気Ａがバイパス通路を流れる場合、主通路Ｗ１を流れる場合と比較してコンプレッサ２２の出口側の圧力が大きくなる。その結果、コンプレッサ２２の圧縮量が大きくなり、供給空気Ａをさらに高温に上昇させることができる。このようにして、コンプレッサ２２における冷却水の温度から燃料電池１の暖機状態を判断し、供給空気Ａを暖機状態に応じて主通路Ｗ１またはバイパス通路Ｗ２のいずれに流すかを決定する。
【００４８】
バイパス通路Ｗ２を流れることによって温度が上昇した供給空気Ａは、高温状態のまま加湿器２４を介して燃料電池１に供給され、燃料電池１には、温度の高い供給空気Ａが供給されるので、早期に暖機を完了することができる。
【００４９】
通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を閉じたら、温度センサＴ２によって、燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度を読み取る（Ｓ１４）。燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度を読み取ったら、図５（ａ）に示す温度‐空気流量マップを参照して、排出空気Ａｅの温度に対応するコンプレッサ２２の回転数を検出し、コンプレッサ２２の回転数を、検出された回転数に設定する（Ｓ１５）。続いて、燃料電池１の出側に配置される圧力制御弁２７の開度を設定する（Ｓ１６）。このときの圧力制御弁２７の開度は、図５（ｂ）に示す空気流量‐圧力制御弁開度マップを参照することにより、燃料電池１の入口側における供給空気Ａの圧力が所定の値になるように、コンプレッサ２２の回転数に対応する開度を設定する。
【００５０】
こうして圧力制御弁２７の開度を設定したら、温度センサＴ１によって、燃料電池１の入側における供給空気Ａの温度を読み取る（Ｓ１７）。温度センサＴ１によって供給空気Ａの温度を読み取ったら、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えるか否かを判断する（Ｓ１８）。供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えている場合には、燃料電池１を暖機するための温度としては充分すぎる。したがって、供給空気Ａの温度が８０℃を超えているときには、コンプレッサ２２の回転数を低下させて、圧縮量を減らすことにより、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度を低下させる（Ｓ１９）。また、供給空気Ａの温度が８０℃以下である場合には、コンプレッサ２２の回転数を変えることなく、そのまま運転を継続する。そして、燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度を検出し、その温度が２０℃を超えているか否かを判断する（Ｓ２０）。その結果、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下である場合には、さらに暖機が必要であると判断して、ステップＳ１６に戻って燃料電池１の暖機制御を継続する。一方、排出空気Ａｅの温度が２０℃を超えている場合には、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を開く（Ｓ２１）。こうして、コンプレッサ２２から供給される供給空気Ａを、主通路Ｗ１に流して燃料電池１に供給して、定常運転に移行することにより、暖機モードを終了する（Ｓ２２）。
【００５１】
このようにして、燃料電池１が暖機状態にあるときには、バイパス通路Ｗ２を介して供給空気Ａを燃料電池１に供給するので、燃料電池１に対して放熱器２３を通さない暖かい供給空気Ａを供給することができる。その結果、燃料電池１を早期に暖機することができるようになるので、始動時に燃料電池１を暖機するための専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータなどを設ける必要がなくなる。また、暖機が完了した後は、通常モードとして、供給空気Ａを放熱器２３に通すことにより、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度が高くなりすぎないようにすることができる。
【００５２】
なお、前記第１の実施形態では、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの温度Ｔ２および放熱器２３における冷却水の水温Ｔ３に基づいて燃料電池１の暖機状態を判断しているが、これらのうちの一方のみに基づいて、燃料電池１の暖機状態を判断することもできる。この場合、燃料電池１の暖機状態の判断に利用されない温度センサはその取り付けを省略することができるのはもちろんである。
【００５３】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、前記第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。
ここで、図６は、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。
【００５４】
図６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に示す通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５に代えて、流量制御弁４１を備える構成になっている（他の部分は第１実施形態と同じ）。本実施形態では、始動時における燃料電池１の暖機のほか、始動時以外の低負荷時における燃料電池１の暖機も好適に行うことができる。
【００５５】
次に、第２の実施形態に係る燃料電池１の運転時における燃料電池暖機装置ＧＳ２の動作の一例を、図７を参照して説明する（適宜図６参照）。
ここで、図７は、第２実施形態の燃料電池暖機装置における暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。図７に示すフローでは、流量制御弁４１の開度によって供給空気Ａの加熱量を制御する。
【００５６】
図７に示すように、燃料電池１が暖機モードに入ったら（Ｓ３０）、温度センサＴ３を読み取り、放熱器２３における冷却水の水温Ｔ３が３０℃以下であるか否かを検出する（Ｓ３１）。ここで、冷却水の水温Ｔ３が３０℃を超える場合には、燃料電池１は暖機の必要がないと判断できるので、通常運転に移行することができる（Ｓ３２）。一方、冷却水の水温Ｔ３が３０℃以下である場合には、燃料電池１は冷えており、暖機が必要であると判断することができる。このときには、流量制御弁４１を閉じて（Ｓ３３）、コンプレッサ２２から供給される供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れるようにする。続いて、温度センサＴ２を読み取り（Ｓ３４）、燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出する。排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出したら、コンプレッサ２２の回転数を所定の回転数に設定する（Ｓ３５）。このときのコンプレッサ２２の回転数はたとえば３０００ｒｐｍに設定することができる。コンプレッサ２２の回転数を設定したら、図５（ｂ）に示す空気流量‐圧力制御弁開度マップを参照して、コンプレッサ２２の回転数に対応する圧力制御弁２７の開度を設定する（Ｓ３６）。
【００５７】
圧力制御弁３６の開度を調整したら、温度センサＴ１によって、燃料電池１の入側における供給空気Ａの温度を読み取る（Ｓ３７）。温度センサＴ１によって供給空気Ａの温度を読み取ったら、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えているか否かを判断する（Ｓ３８）。その結果、供給空気Ａの温度が８０℃を超えている場合には、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度が高すぎるので、流量制御弁４１を、前回より所定開度、たとえば１ｄｅｇ開いて（Ｓ３９）、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａのうちの一部を主通路Ｗ１に流すようにする。主通路Ｗ１を流れる供給空気Ａは、放熱器２３を通過して冷却される。また、主通路Ｗ１の断面積は広いので、コンプレッサ２２による圧縮量が少なくなる。こうして、燃料電池１に供給する供給空気Ａの温度を少し低下させることができる。また、ステップＳ３７で供給空気Ａの温度が８０℃以下であると判断された場合には、供給空気Ａの温度が高すぎることはないので、そのまま燃料電池１に供給する。
【００５８】
続いて、温度センサＴ２によって燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出し、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が２０℃を超えているか否かを判断する（Ｓ４０）。その結果、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下である場合には、ステップＳ３４に戻って、再び暖機制御を行う。この暖機制御の際には、ステップＳ３９において流量制御弁４１の開度を１ｄｅｇづつ徐々に開いていくので、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度を好適な温度範囲に制御することができる。しかも、供給空気Ａは、主通路Ｗ１およびバイパス通路Ｗ２を通過して燃料電池１に供給されるので、供給空気Ａの流量を減少させることはない。
【００５９】
また、ステップＳ４０で排出空気Ａｅの温度が２０℃を超えていると判断された場合には、燃料電池１は暖機されたと考えられるので、流量制御弁４１を開いて（Ｓ４１）、コンプレッサ２２から供給される供給空気Ａを主通路Ｗ１に流す。こうして、定常運転に移行することにより、暖機が終了する（Ｓ４２）。
【００６０】
このように、第２実施形態では、燃料電池１の暖機状態に応じて流量制御弁４１の開度を調整しているため、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度を燃料電池１が発電を行う際に好適な温度となるように制御している。このため、燃料電池１の運転中も、燃料電池１に供給する供給空気Ａの供給量を減らすことなく、好適な温度の供給空気Ａが燃料電池１に対して供給することができる。
【００６１】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、前記第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。
ここで、図８は、第３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。
【００６２】
第３実施形態では、第１実施形態と比較して、バイパス通路Ｗ２の接続位置が異なっている。すなわち、図１に示す第１実施形態では、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５と加湿器２４の間にバイパス通路Ｗ２が接続されていたが、第３実施形態では、加湿器２４と燃料電池１の間にバイパス通路Ｗ２が接続されている。
【００６３】
第３の実施形態では、バイパス通路Ｗ２を通過した供給空気Ａは、放熱器２３に加えて、加湿器２４をも通過することなく燃料電池１に供給される。供給空気Ａが加湿器２４を通過すると、供給空気Ａが加湿されるが、この加湿とともにわずかながら温度の低下が生じる。第３実施形態では、バイパス通路Ｗ２を流れた供給空気Ａは加湿器２４も通過しない。前記第１実施形態で説明したように、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れるのは、燃料電池１を暖機するときである。したがって、第３実施形態では、燃料電池１の暖機を行う際に、バイパス通路Ｗ２を流れた供給空気Ａが加湿器２４を通過することがないので、さらに早期に燃料電池１の暖機を完了することができる。
【００６４】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、前記第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。
ここで、図９は、第４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。
【００６５】
第４実施形態では、図１に示す第１実施形態で用いられていた通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５および逆流防止弁２６に代えて、図９に示すように、通路切換え弁４２を用いている。このように、通路切換え弁４２を用いることにより、前記第１の実施形態と比較して、部品点数を削減することができる。
【００６６】
〔第５実施形態〕
次に、第５実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。本実施形態は、前記第３実施形態と近似する形態であるので、前記第３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。
ここで、図１０は、第５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。
【００６７】
第５実施形態では、図８に示す第３の実施形態で用いられていた通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５および逆流防止弁２６に代えて、図１０に示すように、通路切換え弁４２を用いている。このように、通路切換え弁４２を用いることにより、前記第３の実施形態と比較して、部品点数を削減することができる。
【００６８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前記した発明の実施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。
例えば、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。また、排出水素を循環使用する・しないにかかわらず、本発明を水素供給装置側に適用してもよい。また、加湿装置は、２流体ノズルなどを使用したものでも、超音波を利用したものでもよい。また、コンプレッサもスーパーチャージャやターボチャージャのようにタービンを回転させるものではなく、レシプロ式のものでもよい。また、圧力制御弁をコンプレッサと熱交換器の間に設ける構成として、コンプレッサの断熱圧縮により発生した熱を利用してもよい。
【００６９】
また、燃料電池に温度の高い供給空気を供給しているので、燃料電池で発電しながら、燃料電池を暖機することができる。このため、短時間で燃料電池から電気の取り出しを開始することができるので、水素を無駄なく利用することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、供給ガスを冷却する必要がある燃料電池の通常運転時には供給ガスを主通路に通して冷却し、暖機が必要な始動時には供給ガスをバイパス通路に通すことによって昇温させ、暖かい供給ガスを燃料電池に供給する。こうして、始動時には暖かい供給ガスが燃料電池に供給されるので、暖機を迅速に行うことができるので、暖機のための専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータなどを設ける必要がなくなる。
【００７１】
また、バイパス通路の断面積を、通常時に供給ガスを通す主通路の断面積より大きくしておくことにより、高い温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。したがって、さらに迅速に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００７２】
さらに、燃料電池がまだ暖まっていない状態では、コンプレッサによって昇温させられた供給ガスを燃料電池に供給する。また、燃料電池が暖まったら、供給ガスを主通路に流すようにして、放熱器を介して、高温となった供給ガスを冷却して燃料電池に供給することができる。
【００７３】
さらにまた、燃料電池が冷えた状態から暖機が完了するまでの間、適切な温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【００７４】
また、たとえば燃料電池の運転中に燃料電池の負荷が低下して、燃料電池が、暖機を必要とする状態となったときには、暖機を必要とする状態に応じて、バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整する。こうして、燃料電池の運転中でも、早期に燃料電池を暖機することができる。
【００７５】
さらに、たとえば燃料電池の入側における供給ガスの温度が高温となったときに、コンプレッサの回転数を抑制することにより、燃料電池に供給される供給ガスの温度を低下させることができる。こうして、燃料電池が発電する際に好適な温度となる供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【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における始動時から暖機モードに移行するまでの制御フロー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における暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図５】（ａ）は、コンプレッサ回転数と供給空気の温度の関係を示す温度‐空気流量マップ、（ｂ）は、コンプレッサ回転数と圧力制御弁開度の関係を示す空気流量‐圧力制御弁開度マップである。
【図６】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７】第２実施形態の燃料電池暖機装置における暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図８】第３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９】第４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１０】第５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。
【符号の説明】
ＧＳ（ＧＳ１〜ＧＳ５） … 燃料電池暖機装置
ＦＣＳ… 燃料電池システム
Ａ … 供給空気（供給ガス）
Ａｅ … 排出空気（排出ガス）
１ … 燃料電池
２ … 空気供給装置
２２ … コンプレッサ
２３ … 放熱器
２４ … 加湿器
２５ … 通路ＯＮ／ＯＦＦ弁
２６ … 逆流防止弁
２７ … 圧力制御弁
３ … 水素供給装置
４ … 制御装置
【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。
【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】
このため、従来においては、バッテリや商用電源による電源ヒータや、たとえばＵＳＰ６１０３４１０に開示されている水素燃焼ヒータで燃料電池を加熱するなどの措置を講じていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の技術では、燃料電池の暖機のために電源ヒータや水素燃焼ヒータを用いているので、燃料電池の暖機のためだけに、水素や電力を用いなければならない。そのため、電気や水素を余分に消費してしまうので、たとえば燃料電池を自動車に積載した場合には、その走行距離が短くなってしまう問題があった。また、商用電源を用いた電源ヒータでは、外部から電気を導入する手間が必要となる問題もあった。さらに、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータを設ける必要があるため、その分燃料電池システム全体が大型化する問題があった。特に、寒冷地であるとか、冬季であるなど、気温が低い条件下では始動時に燃料電池から排出される排出空気の温度は一層低くなっているので、この問題が特に顕著となる。さらに、氷点下では、燃料電池内の水分が凍っていることがあり、この状態では燃料電池で発電することが難しい状態にあるため、より一層迅速に燃料電池を暖機する必要がある。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、特に燃料電池の始動時において好適な温度の酸化剤ガスを燃料電池に供給しつつ燃料電池の暖機を迅速に行うことができるようにし、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータを必要としない燃料電池暖機装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決する本発明は、燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、前記主通路に設けられた放熱器と、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記設定回転数にて前記コンプレッサを制御している場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記コンプレッサの回転数を前記設定回転数から低下させ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、制御装置が、燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスがバイパス通路を流れている場合において、燃料電池に関わる温度が低いほどコンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にてコンプレッサを制御して酸化剤ガスを燃料電池に供給し、設定回転数にてコンプレッサを制御している場合において、燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、酸化剤ガスの温度が暖機充分温度を超えないようにコンプレッサの回転数を設定回転数から低下させる。
【０００９】
すなわち、コンプレッサから燃料電池に供給ガスを供給するにあたり、供給ガスが主通路を通ると放熱器による冷却がなされ、バイパス通路を通ると放熱器は通らず、供給ガスが冷却されることはない。したがって、供給ガスを冷却する必要がある燃料電池の通常運転時には供給ガスを主通路に通して冷却する。逆に、暖機が必要な始動時には供給ガスをバイパス通路に通すことによって昇温させ、暖かい供給ガスを燃料電池に供給する。こうして、始動時には暖かい供給ガスが燃料電池に供給されるので、暖機を迅速に行うことができるので、専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータを設ける必要がなくなる。
【００１０】
また、バイパス通路の断面積が主通路の断面積よりも小さく設定されている。コンプレッサから供給される供給ガスの昇温量は、コンプレッサの圧縮比で決まる。コンプレッサから供給される供給ガスの通路の断面積が小さいほど、同じ流量の供給ガスを供給する際にその圧縮比が増加し、圧縮比の増加に伴い供給ガスの温度も増加する。このため、燃料電池の暖機を図りたいときに供給ガスを通すバイパス通路の断面積を、通常時に供給ガスを通す主通路の断面積より大きくしておくことにより、高い温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。したがって、さらに迅速に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００１１】
さらに、燃料電池の暖機状態に応じて、コンプレッサの回転数を制御している。このため、たとえば燃料電池の入側における供給ガスの温度が高温、たとえば８０℃以上となったときに、コンプレッサの回転数を抑制することにより、燃料電池に供給される供給ガスの温度を低下させる。こうして、燃料電池が発電する際に好適な温度となる供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１２】
また、本発明は、燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、前記主通路に設けられた放熱器と、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、前記コンプレッサから前記燃料電池に供給される酸化剤ガスのうち、前記主通路を通過する前記酸化剤ガスの流量と、前記バイパス通路を通過する前記酸化剤ガスの流量との比率を調整する流量調整手段と、前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、を備え、前記流量調整手段は、前記燃料電池に関わる温度が、当該燃料電池を暖機する必要があるとされる温度以下である場合、前記コンプレッサからの酸化剤ガスが前記バイパス通路に流れるように制御し、前記制御装置は、前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記流量調整手段は、前記設定回転数にて前記コンプレッサが制御されている場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記主通路を流れる酸化剤ガスが増加するように制御することを特徴とする燃料電池暖機装置である。
【００１３】
このような燃料電池暖機装置によれば、流量調整手段が、燃料電池に関わる温度が、燃料電池を暖機する必要があるとされる温度以下である場合、コンプレッサからの酸化剤ガスがバイパス通路に流れるように制御し、制御装置が、燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスがバイパス通路を流れている場合において、燃料電池に関わる温度が低いほどコンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にてコンプレッサを制御して酸化剤ガスを燃料電池に供給し、流量調整手段は、設定回転数にてコンプレッサが制御されている場合において、燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、酸化剤ガスの温度が暖機充分温度を超えないように主通路を流れる酸化剤ガスが増加するように制御する。
【００１４】
すなわち、燃料電池の暖機状態に応じて、主通路とバイパス通路のいずれに流すかを決定する。このため、燃料電池がまだ暖まっていない状態では、コンプレッサによって昇温させられた供給ガスを燃料電池に供給する。また、燃料電池が暖まったら、供給ガスを主通路に流すようにして、放熱器を介して、高温となった供給ガスを冷却して燃料電池に供給することができる。
また、燃料電池に供給される供給ガスのうち、主通路に流す供給ガスの流量と、バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整している。このため、燃料電池が暖機されておらず、冷えているときには、供給ガスをすべてバイパス通路に流して供給ガスを昇温させて燃料電池を暖機する。その後、燃料電池が暖機されてきたら、徐々に供給ガスが流れる通路をバイパス通路から主通路に移していく。こうして、燃料電池が冷えた状態から暖機が完了するまでの間、適切な温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【００１５】
さらに、コンプレッサから燃料電池の供給する供給ガスのうち、バイパス通路に流す供給ガスの量を燃料電池の暖機状態に応じて調整している。このため、たとえば燃料電池の運転中に燃料電池の負荷が低下して、燃料電池が、暖機を必要とする状態となったときには、暖機を必要とする状態に応じて、バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整する。こうして、燃料電池の運転中でも、早期に燃料電池を暖機することができる。
【００１６】
また、本発明は、燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、前記主通路に設けられた放熱器及び前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器及び加湿器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、前記設定回転数にて前記コンプレッサを制御している場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記コンプレッサの回転数を前記設定回転数から低下させることを特徴とする燃料電池暖機装置である。
【００１７】
このような燃料電池暖機装置によれば、制御装置が、燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスがバイパス通路を流れている場合において、燃料電池に関わる温度が低いほどコンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にてコンプレッサを制御して酸化剤ガスを燃料電池に供給し、設定回転数にてコンプレッサを制御している場合において、燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、酸化剤ガスの温度が暖機充分温度を超えないようにコンプレッサの回転数を設定回転数から低下させる。
【００１８】
また、前記燃料電池暖機装置において、前記バイパス通路に設けられ、酸化剤ガスの逆流を防止する逆流防止弁を備えることが好ましい。
このような燃料電池暖機装置によれば、逆流防止弁によって、バイパス通路における酸化剤ガスの逆流を防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池暖機装置を、図面を参照して詳細に説明する。
〔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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
次に、図１に示すように、燃料電池暖機装置ＧＳ１を構成する空気供給装置２は、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、放熱器２３、加湿器２４、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５、逆流防止弁２６、および圧力制御弁２７を備えている。このうち、コンプレッサ２２と燃料電池１の間における主通路Ｗ１に放熱器２３が設けられている。また、主通路Ｗ１における放熱器２３が配置されている位置の下流側に通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５が設けられている。
【００２５】
さらに、コンプレッサ２２と燃料電池１の間におけるバイパス通路Ｗ２は、放熱器２３を迂回して形成されている。具体的には、コンプレッサ２２の放熱器２３の間で主通路Ｗ１から分岐して、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５と加湿器２４の間で主通路Ｗ１に合流する。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。
【００２６】
また、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、たとえば主通路Ｗ１の断面積の１／２、またはそれ以下に設定されている。このように、バイパス通路Ｗ２の断面積が小さく設定されていることにより、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れる際には、主通路Ｗ１を流れる際よりもコンプレッサ２２の吐出側の圧力が大きくなる。その結果、コンプレッサ２２における圧縮量が大きくなり、供給空気Ａの温度を高くすることができる。
【００２７】
そのほか、空気供給装置２は、供給空気、排出空気、冷却水等の温度を検出する温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３を有している。
【００２８】
エアクリーナ２１は、図示しないフィルタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給される空気（供給空気Ａ）をろ過して、供給空気Ａに含まれるごみを取り除く。
【００２９】
コンプレッサ２２は、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータなどから構成され、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１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。
【００３０】
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コンプレッサ２２から供給される供給空気を冷却している。燃料電池１の通常運転時におけるコンプレッサ２２から供給される供給空気の温度は通常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。
【００３１】
加湿器２４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、加湿器としては、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。
【００３２】
通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５は、主通路Ｗ１に設けられており、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５をＯＮにすることにより、主通路Ｗ１に供給空気Ａが流れ、ＯＦＦにすることにより、バイパス通路Ｗ２に供給空気Ａが流れるようになっている。
【００３３】
逆流防止弁２６は、バイパス通路Ｗ２に設けられており、コンプレッサ２２から加湿器２４の方向に流れる供給空気Ａが逆流するのを防止している。
【００３４】
圧力制御弁２７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）を圧力制御弁２７の開度を減少・増加することにより制御する。ちなみに、圧力制御弁２７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、圧力制御弁２７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。
【００３５】
温度センサＴ１は、サーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３６】
温度センサＴ２は、温度センサＴ１と同様にサーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側出口における排出空気Ａｅの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３７】
温度センサＴ３は、温度センサＴ１，Ｔ２と同様にサーミスタなどから構成され、放熱器２３内における冷却水の水温を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３８】
また、図１に示すように、水素供給装置３は、水素ガスボンベ３１、レギュレータ３２、水素循環ポンプ３３などから構成される。
【００３９】
水素ガスボンベ３１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３１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。
【００４０】
レギュレータ３２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。
【００４１】
水素循環ポンプ３３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、排出水素を循環使用するのは、供給水素Ｈが、水素ガスボンベ３１に貯蔵されている純水素だからである。
【００４２】
次に、燃料電池用暖機装置ＧＳ１を構成する制御装置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、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，Ｔ２,Ｔ３らの検出信号を受信する。また、制御装置４は、コンプレッサ２２、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５、逆流防止弁２６、および圧力制御弁２７に対する制御信号を送信する。
【００４３】
次に、第１の実施形態に係る燃料電池１の始動時における燃料電池暖機装置ＧＳ１の動作の一例を、図３および図４を参照して説明する（適宜図１参照）。
【００４４】
ここで、図３および図４は、第１の実施形態に係る燃料電池暖機装置における制御フローを示すフローチャートである。図４に示すフローでは、コンプレッサ２２の回転数によって供給空気Ａの加熱量を制御する。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。
【００４５】
図３に示すように、燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチをＯＮにして燃料電池電気自動車を始動させると（Ｓ１）、所定のシステムチェックを行い、各種機器に異常がないか判断する（Ｓ２）。ここで異常が検出された場合には、異常状態に応じた所定の異常処理モードに移行する（Ｓ３）。一方、異常が検出されなかった場合には、アイドル運転を行う際に見合った量の供給空気Ａを供給するように、コンプレッサ２２の回転数を設定する（Ｓ４）。続いて、温度センサＴ２によって燃料電池１の出口側における排出空気Ａｅの温度を検出し、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下であるか否かを検出する（Ｓ５）。排出空気Ａｅの温度は、燃料電池１を通過し、すぐ排出された空気の温度であるので、排出空気Ａｅの温度によって、燃料電池１の暖機状態を判定することができる。
【００４６】
その結果、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が２０℃を超えている場合には、暖機は完了していると判断できるので、定常発電モードへ移行する（Ｓ６）。また、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下である場合には、燃料電池１はいまだ暖機が必要な状態にあると判断できるので、暖機モードへ移行する（Ｓ７）。
【００４７】
こうして暖機モードに移行した後の制御について、図４を参照して説明する。
暖機モードに入ったら（Ｓ１０）、温度センサＴ３によって、放熱器２３における冷却水の水温を検出し、冷却水の水温Ｔ３が３０℃以下であるか否かを検出する（Ｓ１１）。ここで、冷却水の水温Ｔ３が３０℃を超える場合には、燃料電池１は暖機されていると判断することができるので、定常発電モードへ移行する（Ｓ１２）。一方、冷却水温度が３０℃以下である場合には、燃料電池１は、いまだ暖機が必要な状態にあると判断できる。したがって、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を閉じて、コンプレッサ２２から供給される供給空気Ａをバイパス通路Ｗ２に通過させる。バイパス通路Ｗ２は、放熱器２３を迂回して形成されているので、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａは、放熱器２３によって冷却されることはない。しかも、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、具体的にはおよそ１／２に設定されている。このため、供給空気Ａがバイパス通路を流れる場合、主通路Ｗ１を流れる場合と比較してコンプレッサ２２の出口側の圧力が大きくなる。その結果、コンプレッサ２２の圧縮量が大きくなり、供給空気Ａをさらに高温に上昇させることができる。このようにして、コンプレッサ２２における冷却水の温度から燃料電池１の暖機状態を判断し、供給空気Ａを暖機状態に応じて主通路Ｗ１またはバイパス通路Ｗ２のいずれに流すかを決定する。
【００４８】
バイパス通路Ｗ２を流れることによって温度が上昇した供給空気Ａは、高温状態のまま加湿器２４を介して燃料電池１に供給され、燃料電池１には、温度の高い供給空気Ａが供給されるので、早期に暖機を完了することができる。
【００４９】
通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を閉じたら、温度センサＴ２によって、燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度を読み取る（Ｓ１４）。燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度を読み取ったら、図５（ａ）に示す温度‐空気流量マップを参照して、排出空気Ａｅの温度に対応するコンプレッサ２２の回転数を検出し、コンプレッサ２２の回転数を、検出された回転数に設定する（Ｓ１５）。続いて、燃料電池１の出側に配置される圧力制御弁２７の開度を設定する（Ｓ１６）。このときの圧力制御弁２７の開度は、図５（ｂ）に示す空気流量‐圧力制御弁開度マップを参照することにより、燃料電池１の入口側における供給空気Ａの圧力が所定の値になるように、コンプレッサ２２の回転数に対応する開度を設定する。
【００５０】
こうして圧力制御弁２７の開度を設定したら、温度センサＴ１によって、燃料電池１の入側における供給空気Ａの温度を読み取る（Ｓ１７）。温度センサＴ１によって供給空気Ａの温度を読み取ったら、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えるか否かを判断する（Ｓ１８）。供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えている場合には、燃料電池１を暖機するための温度としては充分すぎる。したがって、供給空気Ａの温度が８０℃を超えているときには、コンプレッサ２２の回転数を低下させて、圧縮量を減らすことにより、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度を低下させる（Ｓ１９）。また、供給空気Ａの温度が８０℃以下である場合には、コンプレッサ２２の回転数を変えることなく、そのまま運転を継続する。そして、燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度を検出し、その温度が２０℃を超えているか否かを判断する（Ｓ２０）。その結果、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下である場合には、さらに暖機が必要であると判断して、ステップＳ１６に戻って燃料電池１の暖機制御を継続する。一方、排出空気Ａｅの温度が２０℃を超えている場合には、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を開く（Ｓ２１）。こうして、コンプレッサ２２から供給される供給空気Ａを、主通路Ｗ１に流して燃料電池１に供給して、定常運転に移行することにより、暖機モードを終了する（Ｓ２２）。
【００５１】
このようにして、燃料電池１が暖機状態にあるときには、バイパス通路Ｗ２を介して供給空気Ａを燃料電池１に供給するので、燃料電池１に対して放熱器２３を通さない暖かい供給空気Ａを供給することができる。その結果、燃料電池１を早期に暖機することができるようになるので、始動時に燃料電池１を暖機するための専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータなどを設ける必要がなくなる。また、暖機が完了した後は、通常モードとして、供給空気Ａを放熱器２３に通すことにより、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度が高くなりすぎないようにすることができる。
【００５２】
なお、前記第１の実施形態では、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの温度Ｔ２および放熱器２３における冷却水の水温Ｔ３に基づいて燃料電池１の暖機状態を判断しているが、これらのうちの一方のみに基づいて、燃料電池１の暖機状態を判断することもできる。この場合、燃料電池１の暖機状態の判断に利用されない温度センサはその取り付けを省略することができるのはもちろんである。
【００５３】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、前記第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。
ここで、図６は、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。
【００５４】
図６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に示す通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５に代えて、流量制御弁４１を備える構成になっている（他の部分は第１実施形態と同じ）。本実施形態では、始動時における燃料電池１の暖機のほか、始動時以外の低負荷時における燃料電池１の暖機も好適に行うことができる。
【００５５】
次に、第２の実施形態に係る燃料電池１の運転時における燃料電池暖機装置ＧＳ２の動作の一例を、図７を参照して説明する（適宜図６参照）。
ここで、図７は、第２実施形態の燃料電池暖機装置における暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。図７に示すフローでは、流量制御弁４１の開度によって供給空気Ａの加熱量を制御する。
【００５６】
図７に示すように、燃料電池１が暖機モードに入ったら（Ｓ３０）、温度センサＴ３を読み取り、放熱器２３における冷却水の水温Ｔ３が３０℃以下であるか否かを検出する（Ｓ３１）。ここで、冷却水の水温Ｔ３が３０℃を超える場合には、燃料電池１は暖機の必要がないと判断できるので、通常運転に移行することができる（Ｓ３２）。一方、冷却水の水温Ｔ３が３０℃以下である場合には、燃料電池１は冷えており、暖機が必要であると判断することができる。このときには、流量制御弁４１を閉じて（Ｓ３３）、コンプレッサ２２から供給される供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れるようにする。続いて、温度センサＴ２を読み取り（Ｓ３４）、燃料電池１の出側における排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出する。排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出したら、コンプレッサ２２の回転数を所定の回転数に設定する（Ｓ３５）。このときのコンプレッサ２２の回転数はたとえば３０００ｒｐｍに設定することができる。コンプレッサ２２の回転数を設定したら、図５（ｂ）に示す空気流量‐圧力制御弁開度マップを参照して、コンプレッサ２２の回転数に対応する圧力制御弁２７の開度を設定する（Ｓ３６）。
【００５７】
圧力制御弁３６の開度を調整したら、温度センサＴ１によって、燃料電池１の入側における供給空気Ａの温度を読み取る（Ｓ３７）。温度センサＴ１によって供給空気Ａの温度を読み取ったら、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えているか否かを判断する（Ｓ３８）。その結果、供給空気Ａの温度が８０℃を超えている場合には、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度が高すぎるので、流量制御弁４１を、前回より所定開度、たとえば１ｄｅｇ開いて（Ｓ３９）、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａのうちの一部を主通路Ｗ１に流すようにする。主通路Ｗ１を流れる供給空気Ａは、放熱器２３を通過して冷却される。また、主通路Ｗ１の断面積は広いので、コンプレッサ２２による圧縮量が少なくなる。こうして、燃料電池１に供給する供給空気Ａの温度を少し低下させることができる。また、ステップＳ３７で供給空気Ａの温度が８０℃以下であると判断された場合には、供給空気Ａの温度が高すぎることはないので、そのまま燃料電池１に供給する。
【００５８】
続いて、温度センサＴ２によって燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出し、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が２０℃を超えているか否かを判断する（Ｓ４０）。その結果、排出空気Ａｅの温度が２０℃以下である場合には、ステップＳ３４に戻って、再び暖機制御を行う。この暖機制御の際には、ステップＳ３９において流量制御弁４１の開度を１ｄｅｇづつ徐々に開いていくので、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度を好適な温度範囲に制御することができる。しかも、供給空気Ａは、主通路Ｗ１およびバイパス通路Ｗ２を通過して燃料電池１に供給されるので、供給空気Ａの流量を減少させることはない。
【００５９】
また、ステップＳ４０で排出空気Ａｅの温度が２０℃を超えていると判断された場合には、燃料電池１は暖機されたと考えられるので、流量制御弁４１を開いて（Ｓ４１）、コンプレッサ２２から供給される供給空気Ａを主通路Ｗ１に流す。こうして、定常運転に移行することにより、暖機が終了する（Ｓ４２）。
【００６０】
このように、第２実施形態では、燃料電池１の暖機状態に応じて流量制御弁４１の開度を調整しているため、燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度を燃料電池１が発電を行う際に好適な温度となるように制御している。このため、燃料電池１の運転中も、燃料電池１に供給する供給空気Ａの供給量を減らすことなく、好適な温度の供給空気Ａが燃料電池１に対して供給することができる。
【００６１】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、前記第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。
ここで、図８は、第３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。
【００６２】
第３実施形態では、第１実施形態と比較して、バイパス通路Ｗ２の接続位置が異なっている。すなわち、図１に示す第１実施形態では、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５と加湿器２４の間にバイパス通路Ｗ２が接続されていたが、第３実施形態では、加湿器２４と燃料電池１の間にバイパス通路Ｗ２が接続されている。
【００６３】
第３の実施形態では、バイパス通路Ｗ２を通過した供給空気Ａは、放熱器２３に加えて、加湿器２４をも通過することなく燃料電池１に供給される。供給空気Ａが加湿器２４を通過すると、供給空気Ａが加湿されるが、この加湿とともにわずかながら温度の低下が生じる。第３実施形態では、バイパス通路Ｗ２を流れた供給空気Ａは加湿器２４も通過しない。前記第１実施形態で説明したように、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れるのは、燃料電池１を暖機するときである。したがって、第３実施形態では、燃料電池１の暖機を行う際に、バイパス通路Ｗ２を流れた供給空気Ａが加湿器２４を通過することがないので、さらに早期に燃料電池１の暖機を完了することができる。
【００６４】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、前記第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。
ここで、図９は、第４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。
【００６５】
第４実施形態では、図１に示す第１実施形態で用いられていた通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５および逆流防止弁２６に代えて、図９に示すように、通路切換え弁４２を用いている。このように、通路切換え弁４２を用いることにより、前記第１の実施形態と比較して、部品点数を削減することができる。
【００６６】
〔第５実施形態〕
次に、第５実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。本実施形態は、前記第３実施形態と近似する形態であるので、前記第３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。
ここで、図１０は、第５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。
【００６７】
第５実施形態では、図８に示す第３の実施形態で用いられていた通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５および逆流防止弁２６に代えて、図１０に示すように、通路切換え弁４２を用いている。このように、通路切換え弁４２を用いることにより、前記第３の実施形態と比較して、部品点数を削減することができる。
【００６８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、前記した発明の実施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。
例えば、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。また、排出水素を循環使用する・しないにかかわらず、本発明を水素供給装置側に適用してもよい。また、加湿装置は、２流体ノズルなどを使用したものでも、超音波を利用したものでもよい。また、コンプレッサもスーパーチャージャやターボチャージャのようにタービンを回転させるものではなく、レシプロ式のものでもよい。また、圧力制御弁をコンプレッサと熱交換器の間に設ける構成として、コンプレッサの断熱圧縮により発生した熱を利用してもよい。
【００６９】
また、燃料電池に温度の高い供給空気を供給しているので、燃料電池で発電しながら、燃料電池を暖機することができる。このため、短時間で燃料電池から電気の取り出しを開始することができるので、水素を無駄なく利用することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、供給ガスを冷却する必要がある燃料電池の通常運転時には供給ガスを主通路に通して冷却し、暖機が必要な始動時には供給ガスをバイパス通路に通すことによって昇温させ、暖かい供給ガスを燃料電池に供給する。こうして、始動時には暖かい供給ガスが燃料電池に供給されるので、暖機を迅速に行うことができるので、暖機のための専用の電源ヒータや水素燃焼ヒータなどを設ける必要がなくなる。
【００７１】
また、バイパス通路の断面積を、通常時に供給ガスを通す主通路の断面積より大きくしておくことにより、高い温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。したがって、さらに迅速に燃料電池の暖機を行うことができる。
【００７２】
さらに、燃料電池がまだ暖まっていない状態では、コンプレッサによって昇温させられた供給ガスを燃料電池に供給する。また、燃料電池が暖まったら、供給ガスを主通路に流すようにして、放熱器を介して、高温となった供給ガスを冷却して燃料電池に供給することができる。
【００７３】
さらにまた、燃料電池が冷えた状態から暖機が完了するまでの間、適切な温度の供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【００７４】
また、たとえば燃料電池の運転中に燃料電池の負荷が低下して、燃料電池が、暖機を必要とする状態となったときには、暖機を必要とする状態に応じて、バイパス通路に流す供給ガスの流量を調整する。こうして、燃料電池の運転中でも、早期に燃料電池を暖機することができる。
【００７５】
さらに、たとえば燃料電池の入側における供給ガスの温度が高温となったときに、コンプレッサの回転数を抑制することにより、燃料電池に供給される供給ガスの温度を低下させることができる。こうして、燃料電池が発電する際に好適な温度となる供給ガスを燃料電池に供給することができる。
【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における始動時から暖機モードに移行するまでの制御フロー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における暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図５】（ａ）は、コンプレッサ回転数と供給空気の温度の関係を示す温度‐空気流量マップ、（ｂ）は、コンプレッサ回転数と圧力制御弁開度の関係を示す空気流量‐圧力制御弁開度マップである。
【図６】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７】第２実施形態の燃料電池暖機装置における暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図８】第３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９】第４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１０】第５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。
【符号の説明】
ＧＳ（ＧＳ１〜ＧＳ５） … 燃料電池暖機装置
ＦＣＳ… 燃料電池システム
Ａ … 供給空気（供給ガス）
Ａｅ … 排出空気（排出ガス）
１ … 燃料電池
２ … 空気供給装置
２２ … コンプレッサ
２３ … 放熱器
２４ … 加湿器
２５ … 通路ＯＮ／ＯＦＦ弁
２６ … 逆流防止弁
２７ … 圧力制御弁
３ … 水素供給装置
４ … 制御装置
Claims (4)
- 燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、
前記主通路に設けられた放熱器と、
前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、
前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、
前記設定回転数にて前記コンプレッサを制御している場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記コンプレッサの回転数を前記設定回転数から低下させる
ことを特徴とする燃料電池暖機装置。 - 燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、
前記主通路に設けられた放熱器と、
前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、
前記コンプレッサから前記燃料電池に供給される酸化剤ガスのうち、前記主通路を通過する前記酸化剤ガスの流量と、前記バイパス通路を通過する前記酸化剤ガスの流量との比率を調整する流量調整手段と、
前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、
を備え、
前記流量調整手段は、前記燃料電池に関わる温度が、当該燃料電池を暖機する必要があるとされる温度以下である場合、前記コンプレッサからの酸化剤ガスが前記バイパス通路に流れるように制御し、
前記制御装置は、前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、
前記流量調整手段は、前記設定回転数にて前記コンプレッサが制御されている場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記主通路を流れる酸化剤ガスが増加するように制御する
ことを特徴とする燃料電池暖機装置。 - 燃料電池に対して酸化剤ガスを供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサと前記燃料電池との間に形成され前記酸化剤ガスを流す主通路と、
前記主通路に設けられた放熱器及び前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
前記コンプレッサと前記燃料電池との間に設けられ、前記放熱器及び加湿器を迂回して前記酸化剤ガスを流し、前記主通路の断面積よりも小さいバイパス通路と、
前記コンプレッサの回転数を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記燃料電池を暖機する必要があり酸化剤ガスが前記バイパス通路を流れている場合において、前記燃料電池に関わる温度が低いほど前記コンプレッサの回転数が増加するように予め設定されたマップに基づいて、前記燃料電池の関わる温度に対応する設定回転数にて前記コンプレッサを制御して酸化剤ガスを前記燃料電池に供給し、
前記設定回転数にて前記コンプレッサを制御している場合において、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの温度が前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの目標温度の上限値であって前記燃料電池を暖機するために充分である暖機充分温度を超えるとき、前記酸化剤ガスの温度が前記暖機充分温度を超えないように前記コンプレッサの回転数を前記設定回転数から低下させる
ことを特徴とする燃料電池暖機装置。 - 前記バイパス通路に設けられ、酸化剤ガスの逆流を防止する逆流防止弁を備える
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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