JP5799766B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池を備える燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料電池システムに必要な熱量を供給するために、燃料電池の電流を制御する電流制御手段と、燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、燃料電池システムが必要とする必要熱量を算出し、算出された必要熱量を発熱するように電流制御手段の電流目標値と電圧制御手段の電圧目標値を決定することで発熱量を制御する発熱量制御手段とを備える燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の従来技術によれば、燃料電池本体が熱を創出する熱創出手段となり、電気ヒータ等の加熱手段を別途設ける必要なくなるため、燃料電池システムの簡素化を図ることができる。

特開２００９−３２６０５号公報

ところで、燃料電池を駆動源とする燃料電池車両では、一般に減速時や降坂時に車両駆動用モータ等を用いて回生制動を行わせ、回生制動により得られる回生電力を二次電池（電力貯蔵装置）に蓄え、次の発進時や加速時に利用することで、車両燃費、車両加速性能を向上させることが行われている。

しかしながら、降り坂が連続して続くような場合には、回生電力により二次電池が満充電状態になってしまい、駆動用モータからの回生電力を二次電池に蓄えることができなくなる。すなわち、このような場合には、燃料電池で発電を行うことができなくなる。

ここで、上記特許文献１に記載の従来技術は、燃料電池の電流および電圧を制御することにより発熱量を制御する構成である。したがって、上記特許文献１に記載の従来技術を上述のような燃料電池車両に適用した場合、回生制動時で且つ二次電池が満充電状態の場合、すなわち燃料電池で発電を行うことができない場合には、燃料電池で熱を創出することができないという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、燃料電池で発電を行うことができない場合であっても、システムに必要な熱量を供給することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池（２）と、酸化剤ガスおよび燃料ガスの少なくとも一方である供給ガスを燃料電池（２）に供給する供給ガス流路（４０）と、供給ガス流路（４０）に設けられるとともに、燃料電池（２）に供給ガスを圧送する供給ガス圧送手段（４２）と、圧送手段（４２）により圧送された供給ガスを、供給ガス流路（４０）における圧送手段（４２）の入口側に戻す循環流路（４４）と、圧送手段（４２）により圧送された供給ガスを燃料電池（２）へ流入させる第１流路、および、圧送手段（４２）により圧送された供給ガスを循環流路（４４）へ流入させる第２流路とを切り替える流路切替手段（４５）とを備え、循環流路（４４）の入口側は、供給ガス流路（４０）における圧送手段（４２）の下流側に接続されており、燃料電池（２）で発電をしない場合に、流路切替手段（４５）に基づいて第２流路に切替え、圧送手段（４２）により圧送された供給ガスを、循環流路（４４）を介して供給ガス流路（４０）における圧送手段（４２）の入口側に戻して循環させることにより熱を創出することを特徴とする。

これによれば、燃料電池（２）で発電をしない場合に、流路切替手段（４５）に基づいて第２流路に切替え、圧送手段（４２）により圧送された供給ガスを、循環流路（４４）を介して供給ガス流路（４０）における圧送手段（４２）の入口側に戻して循環させる。
このため、燃料電池（２）で発電をしない場合に、供給ガスを圧送手段（４２）にて断熱圧縮してその温度を上昇させることができる、すなわち熱を創出することができる。したがって、燃料電池（２）で発電を行うことができない場合であっても、システムに必要な熱量を供給することが可能となる。
しかも、圧送手段（４２）にて断熱圧縮されて昇温された供給ガスは、燃料電池（２）に流入することがなく、再度圧送手段（４２）の入口側に供給される。このため、燃料電池（２）で発電を行うことができない場合に、供給ガスが燃料電池（２）に供給されることを防止できる。このため、燃料電池（２）の内部が乾燥することを抑制できる。

さらに、請求項１に記載の発明では、燃料電池（２）に供給される冷却水が循環する冷却水循環回路（５）を備え、供給ガス流路（４０）における圧送手段（４２）の下流側と循環流路（４４）の入口側との間には、供給ガスと冷却水との間で熱交換を行う熱交換器（４６）が設けられていることを特徴とする。

これによれば、圧送手段（４２）にて断熱圧縮されて昇温された供給ガスが熱交換器（４６）に供給されるので、熱交換器（４６）において、当該昇温された供給ガスと冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を加熱することができる。すなわち、燃料電池（２）で発電を行うことができない場合に、供給ガスを圧送手段（４２）にて断熱圧縮することにより創出した熱を、冷却水に供給することができる。このため、例えば、燃料電池システムを燃料電池車両に適用した場合、熱交換器（４６）にて加熱された高温の冷却水を車室内暖房用の熱源として利用することができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、循環流路（４４）の圧力損失が、供給ガス流路（４０）の圧力損失より大きいことを特徴とする。

これによれば、循環流路（４４）を流れて再度圧送手段（４２）に流入する供給ガスの圧力を低下させることができるので、供給ガスを圧送手段（４２）にて断熱圧縮する際に、その温度をより高温にすることができる。すなわち、より多くの熱を創出することが可能となる。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、圧送手段（４２）の供給ガス圧送能力を制御する圧送能力制御手段（８ａ）と、燃料電池（２）で発電をしない場合に、圧送手段（４２）により圧送された供給ガスを、供給ガス流路（４０）における圧送手段（４２）の入口側に戻して循環させることで熱を創出する熱創出手段（４２、４００）とを備え、圧送能力制御手段（８ａ）は、熱創出手段（４２、４００）に要求される要求熱創出量が多くなる程、圧送手段（４２）による供給ガスの圧送能力を増加させることを特徴とする。

これによれば、熱創出手段（４２、４００）に要求される要求熱創出量が多くなる程、圧送手段（４２）による供給ガスの圧送能力を増加させて、創出される熱量を増加させることができる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、圧送手段（４２）により圧送された供給ガスを、供給ガス流路（４０）における圧送手段（４２）の入口側に戻して循環させる際に、当該供給ガスが流れる流路を供給ガス循環回路（４００）としたとき、供給ガス循環回路（４００）を循環する供給ガスの少なくとも一部を、供給ガス循環回路（４００）外へ排出可能な排出手段（４５、４８）を備え、供給ガス循環回路（４００）を循環している供給ガスの温度が予め定めた基準温度を上回った場合に、排出手段（４５、４８）から供給ガスの少なくとも一部を供給ガス循環回路（４００）外へ排出するとともに、供給ガス循環回路（４００）内に新たに供給ガスを導入することを特徴とする。

これによれば、圧送手段（４２）により断熱圧縮されて昇温された後の供給ガスの温度が高すぎる場合に、高温の供給ガスの少なくとも一部を供給ガス循環回路（４００）外へ排出するとともに、供給ガス循環回路（４００）内に新たに低温の供給ガスを導入することができる。これにより、供給ガス循環回路（４００）内を循環する供給ガスの温度を低下させることが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの電気制御部を示すブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は、本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。この燃料電池システム１は、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。

図１に示すように、燃料電池システム１は、空気（酸化剤ガス）と水素（燃料ガス）との電気化学反応により電力を発生する燃料電池２を備えている。燃料電池２は、空気および水素の供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成されている。

燃料電池２にて生じた直流の電力の一部は、第１インバータ２１を介して交流電流に変換されて車両走行用電動モータ２２等の各種電気負荷に供給される。また、燃料電池２にて生じた直流の電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３によって昇降圧され、電力貯蔵手段である二次電池２４に充電される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３によって昇降圧された電力の一部は、第２インバータ２５を介して交流電流に変換されて、後述する空気ポンプ４２の空気ポンプ用電動モータ２６に供給される。

なお、本実施形態の燃料電池車両は、減速時や降坂時に車両走行用電動モータ２２等を用いて回生制動を行わせ、回生制動により得られる回生電力を二次電池２４に蓄えられるようになっている。

燃料電池２には、各単セルに水素を供給するための水素供給配管３０、および各単セルの内部に存する生成水や窒素を未反応水素と共に燃料電池２の外部に排出する水素排出配管３１が接続されている。そして、本実施形態の水素供給配管３０および水素排出配管３１は、水素循環配管３２を介して接続されている。

水素供給配管３０には、その最上流部に、高圧水素が充填された高圧水素タンク３３が設けられている。また、水素供給配管３０における高圧水素タンク３３と燃料電池２との間には、燃料電池２に供給される水素の圧力を所定の圧力に調整可能な水素調圧弁３４が設けられている。

水素排出配管３１には、水素を燃料電池２の外部に排出するための排出弁３５が設けられている。この排出弁３５は、開放された際に、燃料電池２の水素極側から水素排出配管３１を介して、水素、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。

水素循環配管３２は、水素排出配管３１の排出弁３５上流側から分岐して水素供給配管３０の水素調圧弁３４下流側に接続されている。これにより、燃料電池２から流出した未反応水素を含む燃料オフガスを、燃料電池２に循環させて再供給している。さらに、水素循環配管３２には、燃料オフガスを水素供給配管３０に循環させる水素循環ポンプ３６が配置されている。

また、燃料電池２には、各単セルに空気を供給するための空気供給配管４０、および各単セルの内部に存する生成水を空気と共に燃料電池２の外部に排出する空気排出配管４１が接続されている。

空気供給配管４０には、燃料電池２に空気を圧送して供給する圧送手段としての空気ポンプ４２が設けられている。空気ポンプ４２は、ポンプ室を形成するケーシング内に配置された羽根車を空気ポンプ用電動モータ２６で駆動する電動式のポンプである。

空気ポンプ用電動モータ２６は、第２インバータ２５から出力される交流電圧によって、その作動（回転数）が制御される交流モータである。また、第２インバータ２５は、後述する制御装置８から出力される制御信号に応じた周波数の交流電圧を出力する。そして、この回転数制御によって、空気ポンプ４２の空気圧送能力が制御される。

また、空気排出配管４１には、燃料電池２の空気極側における空気の圧力（背圧）を所定の圧力に調整する空気調圧弁４３が設けられている。空気調圧弁４３は、制御装置８から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。

また、空気供給配管４０には、空気ポンプ４２により圧送された供給ガスとしての空気を、空気供給配管４０における空気ポンプ４２の入口側（上流側）に戻す空気循環配管４４が接続されている。この空気循環配管４４内の圧力損失は、空気供給配管４０内の圧力損失より大きくなっている。

また、空気供給配管４０における空気ポンプ４２より下流側部分と空気循環配管４４との接続部には、電気式の第１三方弁４５が配置されている。第１三方弁４５は、空気ポンプ４２により圧送された空気を燃料電池２へ流入させる第１流路、および、空気ポンプ４２により圧送された空気を空気循環配管４４へ流入させる第２流路を切り替える流路切替手段である。この第１三方弁４５は、制御装置８から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。

また、空気供給配管４０における空気ポンプ４２の出口側と第１三方弁４５の間には、燃料電池２を冷却する冷却水（熱媒体）と空気との間で熱交換可能な熱交換器としてのインタークーラ４６が設けられている。このインタークーラ４６の詳細な構成については後述する。

また、空気供給配管４０における空気ポンプ４２とインタークーラ４６との間には、空気ポンプ４２から吐出された空気温度Ｔａを検出する空気温度検出手段としての空気温度センサ４７が設けられている。

なお、本実施形態では、空気供給配管４０が供給ガス流路を構成し、空気ポンプ４２が供給ガス圧送手段を構成し、空気循環配管４４が循環流路を構成している。また、本実施形態では、空気排出配管４１は、燃料電池２内を通過した空気が流通するようになっている。したがって、空気排出配管４１が下流側供給ガス流路を構成している。

ところで、燃料電池システム１は、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却水循環回路５を備えている。冷却水循環回路５は、冷却水を燃料電池２および後述するラジエータ５５に循環供給する冷却水循環流路５１と、冷却水のラジエータ５５への流入を回避させるバイパス流路５２と、冷却水を冷却水循環流路５１やバイパス流路５２等に循環させる冷却水循環ポンプ５３と、冷却水を循環させる流路を制御する電気式の第２三方弁５４等を備えている。

冷却水循環流路５１には、送風ファン５５ａから送風された送風空気と冷却水とを熱交換させて冷却水を放熱させる放熱用熱交換器としてのラジエータ５５が設けられている。また、冷却水循環流路５１のうち燃料電池２の出口側には、冷却水温度Ｔｗを検出する冷却水温度センサ５６が設けられている。

冷却水循環ポンプ５３は、冷却水循環回路５において冷却水を燃料電池２へ圧送する電動式のポンプであり、制御装置８から出力される制御信号によって回転数（流量）が制御される。

第２三方弁５４は、冷却水循環流路５１とバイパス流路５２とを切り替える回路切替手段である。この第２三方弁５４は、制御装置８から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。

具体的には、第２三方弁５４は、第一入口、第二入口および出口を形成する三つの弁を有する。第２三方弁５４の第一入口は、ラジエータ５５の出口側に冷却水循環流路５１を介して接続されており、第２三方弁５４の第二入口は、バイパス流路５２の出口に接続されている。第２三方弁５４の出口は冷却水循環ポンプ５３の入口側に冷却水循環流路５１を介して接続されている。

そして、第２三方弁５４は、冷却水の温度が低い場合（例えば、燃料電池２の暖機が必要な場合）には、第一入口が閉弁され、第二入口が開弁される。これにより、冷却水がラジエータ５５を経由することなくバイパス流路５２を通って循環するため、冷却水の温度が上昇する。一方、冷却水の温度が高い場合（例えば、燃料電池２が安定して運転できる上限温度を超える場合）には、第一入口を開弁し、第二入口を閉弁する。これにより、冷却水がラジエータ５５によって冷却されるため、冷却水の温度が低下する。

冷却水循環回路５には、ヒータコア６１に冷却水を供給するヒータコア循環流路６が接続されている。ヒータコア循環流路６は、冷却水循環回路５におけるバイパス流路５２への分岐点よりも冷却水流れ上流側から分岐している。すなわち、ヒータコア循環流路６の入口側は、冷却水循環回路５におけるバイパス流路５２への分岐点と冷却水温度センサ５６との間に接続されている。ヒータコア循環流路６の出口側は、冷却水循環回路５における第２三方弁５４と冷却水循環ポンプ５３との間に接続されている。

また、ヒータコア循環流路６には、ヒータコア６１およびシャット弁６２が設けられている。シャット弁６２およびヒータコア６１は、ヒータコア循環流路６の冷却水流れ上流側から、この順に配置されている。

ヒータコア６１は、送風機（図示せず）により送風された送風空気（空調用空気）と冷却水とを熱交換させて、送風空気を加熱する加熱用熱交換器である。シャット弁６２は、冷却水循環流路５１からヒータコア６１への冷却水の供給を遮断または許容する電気式の制御弁であり、制御装置８から出力される制御電圧によって、その作動が制御される。

冷却水循環回路５には、インタークーラ４６に冷却水を供給するインタークーラ循環流路７が接続されている。インタークーラ循環流路７は、冷却水循環回路５におけるヒータコア循環流路６への分岐点よりも冷却水流れ上流側から分岐している。すなわち、インタークーラ循環流路７の出口側は、冷却水循環回路５におけるヒータコア循環流路６への分岐点と冷却水温度センサ５６との間に接続されている。インタークーラ循環流路７の入口側は、冷却水循環回路５における冷却水循環ポンプ５３の出口側に接続されている。

インタークーラ４６は、上述した空気供給配管４０を流通する空気と冷却水とを熱交換させて、空気の有する熱を冷却水へ供給する熱交換器である。

次に、図２により、本実施形態の電気制御部について説明する。図２は、本第１実施形態に係る燃料電池システムの電気制御部を示すブロック図である。

図２に示すように、制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのＲＯＭ内に記憶された空調制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種機器の作動を制御する。

制御装置８の出力側には、各種インバータ２１、２５、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３、各種調圧弁３４、４３、排出弁３５、各種循環ポンプ３６、５３、各種三方弁４５、５４、送風ファン５５ａ、シャット弁６２等が接続されている。

また、制御装置８の入力側には、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサ２７、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサ２８、空気ポンプ４２から吐出された空気温度Ｔａを検出する空気温度センサ４７、燃料電池２の出口側の冷却水温度Ｔｗを検出する冷却水温度センサ５６等が接続されている。

なお、制御装置８は、その出力側に接続された各種制御対象機器を制御する制御手段が一体に構成されたものであるが、それぞれの制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が、それぞれの制御対象機器の作動を制御する制御手段を構成している。本実施形態では、特に、空気ポンプ４２の圧送能力制御変更手段である空気ポンプ用電動モータ２６の作動（空気圧送能力）を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）を圧送能力制御手段８ａとする。

次に、図３により、上記構成における本実施形態の燃料電池システム１の作動を説明する。図３は、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御処理を示すフローチャートである。この制御処理は、燃料電池システム１の作動スイッチ（図示せず）が投入されるとスタートする。

まず、ステップＳ１０１では、暖房要求があるか否か判定する。具体的には、暖房スイッチ（図示せず）が投入された場合に、暖房要求があると判定することができる。ステップＳ１０１にて、暖房要求がないと判定された場合は、再度ステップＳ１０１に戻る。

一方、ステップＳ１０１にて、暖房要求があると判定された場合は、ステップＳ１０２に進み、燃料電池２での発電が許可されているか否かを判定する。具体的には、回生制動時で且つ二次電池２４が満充電状態になっており、車両走行用電動モータ２２からの回生電力を二次電池２４に蓄えることができない場合に、燃料電池２での発電が許可されていないと判定することができる。

ステップＳ１０２にて、燃料電池２での発電が許可されていると判断された場合は、ステップＳ１０３に進み、燃料電池２に通常運転時よりも発電効率の低い運転（以下、低効率発電という）を行わせ、ステップＳ１０１に戻る。燃料電池２に低効率発電を行わせると、燃料電池２から放出される熱を増加させることができる。

具体的には、空気のストイキ比Ｓｔを通常運転時（Ｓｔ＝１．５〜２．０）より小さく設定（Ｓｔ＝１．０〜１．２）する。これにより、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、燃料電池２から放出される熱を増加させることができる。このように、燃料電池２から放出される熱を増加させると、燃料電池２からの排熱を吸収する冷却水の温度を上昇させることができる。

また、他の方法としては、燃料電池２の出力電流を維持させながら、出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２３で降圧させる。これにより、同じ燃料消費量で、出力電圧を低下させることができるため、その分、燃料電池２に低効率発電を行わせることができ、燃料電池２から放出される熱を増大させることができる。

一方、ステップＳ１０２にて、燃料電池２での発電が許可されていないと判断された場合は、ステップＳ１０４に進み、第１三方弁４５を、空気ポンプ４２により圧送された空気を空気循環配管４４へ流入させる第２流路（後述する空気循環回路４００側）に切り替える。続くステップＳ１０５では、空気ポンプ４２を作動させて、ステップＳ１０１に戻る。

これにより、空気ポンプ４２により圧送された空気が、空気供給配管４０から空気循環配管４４に流入し、再度空気ポンプ４２へ流入する。すなわち、空気が、空気ポンプ４２→インタークーラ４６→第１三方弁４５→空気循環配管４４→空気ポンプ４２のように循環する。以下、この空気が循環する流路を、空気循環回路４００ともいう。

したがって、空気ポンプ４２にて断熱圧縮されることにより昇温された空気を、インタークーラ４６に供給することができる。このため、インタークーラ４６にて、高温の空気とインタークーラ循環流路７を流れる冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を加熱することができる。そして、インタークーラ４６にて加熱された冷却水がヒータコア６１に供給されることで、ヒータコア６１にて空調空気を加熱することができるので、車室内の暖房を行うことができる。

なお、この場合、空気は空気循環回路４００内で循環しており、燃料電池２に供給されることはないので、燃料電池２では発電が行われない。さらに、燃料電池２に空気が供給されないので、燃料電池２内部（スタック）の乾燥を抑制できる。

ここで、ステップＳ１０４、Ｓ１０５において、空気循環回路４００内を循環する空気を、空気ポンプ４２にて断熱圧縮することにより昇温させる、すなわち熱を創出することができる。したがって、本実施形態では、空気ポンプ４２および空気循環回路４００が熱創出手段を構成している。

本実施形態では、ステップＳ１０５において空気ポンプ４２を作動させる際に、空気ポンプ４２を作動させる電力として、二次電池２４に蓄電されている電力もしくは回生電力を利用している。また、ステップＳ１０５では、要求される暖房能力（要求熱創出量）が多くなる程、空気ポンプ４２の空気圧送能力を増加させている。これにより、二次電池２４に蓄電されている電力を効率よく利用することができる。

また、本実施形態では、ステップＳ１０４、Ｓ１０５において、空気を空気循環回路４００内で循環させる場合に、通常時（空気を空気循環回路４００内に循環させない場合）と比較して、冷却水循環ポンプ５３の冷却水圧送能力を増大させて、インタークーラ４６に供給される冷却水の流量を増大させている。このように、空気を空気循環回路４００内で循環させる場合には、空気の温度が上昇するが、この際にインタークーラ４６を流れる冷却水流量を増大させることで、インタークーラ４６における熱交換性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、ステップＳ１０４、Ｓ１０５において、空気を空気循環回路４００内で循環させている場合に、冷却水温度が予め定めた基準冷却水温度を上回ったときには、第２三方弁５４を切り替えて、冷却水がラジエータ５５によって冷却されるようにしている。これにより、冷却水温度を調整することができる。

また、本実施形態では、空気温度センサ４７により検出された空気ポンプ４２吐出側の空気温度Ｔａが予め定めた基準空気温度を上回った場合には、第１三方弁４５の開度を調整し、空気循環回路４００を循環する空気の一部を燃料電池２側に流出させている。これによれば、高温の空気を空気循環回路４００の系外に排出しつつ、新たに低温の空気を空気循環回路４００内に導入することができるので、空気ポンプ４２吐出側の空気温度Ｔａを低下させることができる。

ここで、本実施形態では、第１三方弁４５が、空気循環回路４００を循環する空気の一部を空気循環回路４００外へ排出可能な排出手段を構成している。

ところで、降り坂が連続して続くような場合に、回生電力により二次電池２４が満充電状態になってしまうと、回生制動を利用するために回生電力を放電する必要がある。本実施形態では、このような場合においても、第１三方弁４５を空気循環回路４００側に切り替えるとともに、空気ポンプ４２を作動させている。これにより、燃料電池２で発電が行われない場合に、燃料電池２に空気が供給されることはないので、燃料電池２内部（スタック）の乾燥を抑制できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池２で発電を行うことができない場合に、空気を空気ポンプ４２にて断熱圧縮してその温度を上昇させることができる、すなわち熱を創出することができる。したがって、燃料電池２で発電を行うことができない場合であっても、システムに必要な熱量を供給することが可能となる。

また、空気循環配管４４内の圧力損失を、空気供給配管４０内の圧力損失より大きくすることで、空気循環配管４４を流れて再度空気ポンプ４２に流入する空気の圧力を低下させることができるので、空気を空気ポンプ４２にて断熱圧縮する際に、その温度をより高温にすることができる。すなわち、より多くの熱を創出することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４に基づいて説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と比較して、空気循環配管４４の入口側を、空気排出配管４１に接続した点が異なるものである。

図４は、本第２実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。図４に示すように、空気排出配管４１における空気調圧弁４３より空気流れ下流側には、空気循環配管４４の入口側が接続されている。空気排出配管４１と空気循環配管４４との接続部には、第１三方弁４５が設けられている。

第１三方弁４５は、燃料電池２から流出した空気を外部へ排出する第１流路、および、燃料電池２から流出した空気を空気循環配管４４へ流入させる第２流路を切り替える流路切替手段である。第１三方弁４５を第１流路に切り替えることで、空気ポンプ４２により圧送された空気は、空気供給配管４０を流れて燃料電池２に供給され、燃料電池２から流出した空気（オフ空気ガス）が外部へ排出される。

また、第１三方弁４５を第２流路に切り替えるとともに、空気ポンプ４２を作動させることで、空気ポンプ４２により圧送された空気が、空気供給配管４０を流れて燃料電池２に供給され、燃料電池２から流出した空気が空気循環配管４４を流れて、再度空気ポンプ４２へ流入する。すなわち、空気が、空気ポンプ４２→燃料電池２→第１三方弁４５→空気循環配管４４→空気ポンプ４２のように循環する。以下、この空気が循環する流路を、空気循環回路４００ともいう。

したがって、空気ポンプ４２にて断熱圧縮されることにより温度が上昇した空気を、燃料電池２に供給することができる。このため、燃料電池２にて、高温の空気と燃料電池２内を流れる冷却水との間で熱交換を行い、冷却水を加熱することができる。そして、燃料電池２にて加熱された冷却水がヒータコア６１に供給されることで、ヒータコア６１にて空調空気を加熱することができるので、車室内の暖房を行うことができる。

本実施形態では、燃料電池２において、高温の空気を冷却水と熱交換させて冷却水を加熱している。すなわち、燃料電池２が、高温の空気を冷却水と熱交換させる熱交換器としての機能を果たす。したがって、冷却水を加熱するためのインタークーラ等の熱交換器を廃止することができるので、部品点数を低減しつつ、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

また、第１三方弁４５を、空気排出配管４１における空気調圧弁４３より空気流れ下流側に配置することで、第１三方弁４５の開度を調整することにより、空気循環配管４４を流れて空気ポンプ４２に再度流入する空気の圧力を調整することができる。このため、空気ポンプ４２にて空気を断熱圧縮する際に、その温度を調整することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５に基づいて説明する。本第３実施形態では、上記第１実施形態と比較して、空気循環回路４００を循環する空気を排出可能な循環空気排出弁４８を設けた点が異なるものである。

図５は、本第３実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。図５に示すように、空気供給配管４０におけるインタークーラ４６と第１三方弁４５との間には、空気循環回路４００を循環する空気の少なくとも一部を系外へ排出可能な排出手段としての循環空気排出弁４８が設けられている。循環空気排出弁４８は、常閉型の電磁弁であり、制御装置８から出力される制御信号に応じて、その作動が制御される。

具体的には、制御装置８は、空気温度センサ４７により検出された空気ポンプ４２吐出側の空気温度Ｔａが基準空気温度を上回った場合に、循環空気排出弁４８を開弁し、空気循環回路４００を循環する高温の空気の一部を系外に排出しつつ、新たに低温の空気を空気循環回路４００内に導入する。これにより、空気ポンプ４２吐出側の空気温度Ｔａを低下させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記第１、第２実施形態では、空気温度センサ４７により検出された空気ポンプ４２吐出側の空気温度Ｔａが基準空気温度を上回った場合に、第１三方弁４５の開度を調整し、空気循環回路４００を循環する空気の一部を燃料電池２側に流した例について説明したが、これに限らず、空気ポンプ４２の空気圧送能力（回転数）を低下させてもよい。これによれば、空気ポンプ４２による断熱圧縮仕事量を低減できるので、空気ポンプ４２吐出側の空気温度Ｔａを低下させることができる。

（２）上記実施形態では、供給ガスとして空気を採用した例について説明したが、これに限らず、供給ガスとして水素を採用してもよいし、水素および空気の双方を採用してもよい。

（３）上記実施形態では、冷却水循環流路５１とバイパス流路５２とを切り替える回路切替手段として、電気式の第２三方弁５４を採用した例を説明したが、回路切替手段はこれに限定されない。例えば、サーモスタット弁を採用してもよい。サーモスタット弁は、温度によって体積変化するサーモワックス（感温部材）によって弁体を変位させて冷却水通路を開閉する機械的機構で構成される冷却水温度応動弁である。

２ 燃料電池
４０ 空気供給配管（供給ガス流路）
４２ 空気ポンプ（供給ガス圧送手段）
４４ 空気循環配管（循環流路）
４５ 第１三方弁（流路切替手段）
４６ インタークーラ（熱交換器）

Claims (4)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池（２）と、
   前記酸化剤ガスおよび前記燃料ガスの少なくとも一方である供給ガスを前記燃料電池（２）に供給する供給ガス流路（４０）と、
   前記供給ガス流路（４０）に設けられるとともに、前記燃料電池（２）に前記供給ガスを圧送する供給ガス圧送手段（４２）と、
   前記圧送手段（４２）により圧送された前記供給ガスを、前記供給ガス流路（４０）における前記圧送手段（４２）の入口側に戻す循環流路（４４）と、
   前記圧送手段（４２）により圧送された前記供給ガスを前記燃料電池（２）へ流入させる第１流路、および、前記圧送手段（４２）により圧送された前記供給ガスを前記循環流路（４４）へ流入させる第２流路とを切り替える流路切替手段（４５）とを備え、
   前記循環流路（４４）の入口側は、前記供給ガス流路（４０）における前記圧送手段（４２）の下流側に接続されており、
   前記燃料電池（２）で発電をしない場合に、前記流路切替手段（４５）に基づいて前記第２流路に切替え、前記圧送手段（４２）により圧送された前記供給ガスを、前記循環流路（４４）を介して前記供給ガス流路（４０）における前記圧送手段（４２）の入口側に戻して循環させることにより熱を創出するようになっており、
   さらに、前記燃料電池（２）に供給される冷却水が循環する冷却水循環回路（５）を備え、
   前記供給ガス流路（４０）における前記圧送手段（４２）の下流側と前記循環流路（４４）の入口側との間には、前記供給ガスと前記冷却水との間で熱交換を行う熱交換器（４６）が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記循環流路（４４）の圧力損失が、前記供給ガス流路（４０）の圧力損失より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. さらに、前記圧送手段（４２）の供給ガス圧送能力を制御する圧送能力制御手段（８ａ）と、
   前記燃料電池（２）で発電をしない場合に、前記圧送手段（４２）により圧送された前記供給ガスを、前記供給ガス流路（４０）における前記圧送手段（４２）の入口側に戻して循環させることで熱を創出する熱創出手段（４２、４００）とを備え、
   前記圧送能力制御手段（８ａ）は、前記熱創出手段（４２、４００）に要求される要求熱創出量が多くなる程、前記圧送手段（４２）による前記供給ガスの圧送能力を増加させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記圧送手段（４２）により圧送された前記供給ガスを、前記供給ガス流路（４０）における前記圧送手段（４２）の入口側に戻して循環させる際に、当該供給ガスが流れる流路を供給ガス循環回路（４００）としたとき、
   前記供給ガス循環回路（４００）を循環する前記供給ガスの少なくとも一部を、前記供給ガス循環回路（４００）外へ排出可能な排出手段（４５、４８）を備え、
   前記供給ガス循環回路（４００）を循環している前記供給ガスの温度が予め定めた基準温度を上回った場合に、前記排出手段（４５、４８）から前記供給ガスの少なくとも一部を前記供給ガス循環回路（４００）外へ排出するとともに、前記供給ガス循環回路（４００）内に新たに前記供給ガスを導入することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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