(57)【要約】【課題】  燃料を無駄に消費せずに且つ既存の機器を利用して、燃料電池を効率よく暖機可能とする燃料電池システムを提供する。【解決手段】  燃料電池３と、燃料電池３を収容する燃料電池ボックス４と、燃料電池を発電させる機器および発電により生じた電力を利用する機器の少なくとも一方であって作動により発熱する発熱機器５と、発熱機器５、燃料電池３の順に経由する空気の流れを生じさせる換気ファン６と、を備え、空気が燃料電池３の外側を流通する燃料電池システム１Ａである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
当該燃料電池を収容する燃料電池ボックスと、
前記燃料電池を発電させる機器および前記発電により生じた電力を利用する機器の少なくとも一方であって作動により発熱する発熱機器と、
当該発熱機器、前記燃料電池の順に経由する空気の流れを生じさせる送風機器と、を備え、
前記空気が前記燃料電池の外側を流通することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の周辺温度を検知する燃料電池周辺温度検知手段と、
前記発熱機器の周辺温度を検知する発熱機器周辺温度検知手段と、
前記燃料電池周辺温度検知手段および前記発熱機器周辺温度検知手段の検知結果に基づき、前記送風機器の作動を制御する送風機器制御装置と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発熱機器の上流側の空気の温度を検知し、前記送風機器制御装置に接続した発熱機器上流側空気温度検知手段を、さらに備え、
前記送風機器制御装置は、前記発熱機器上流側空気温度検知手段の検知結果にも基づき、前記送風機器の作動を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池自動車などの電源として、燃料電池（燃料電池スタックを含む）の開発が盛んである。燃料電池は、燃料電池自体の温度が低いと、電気化学反応が効率よく進行しないため十分に発電できない。また、燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換効率（つまり発電効率）が高いため、発電により自己（燃料電池）を暖機する能力が小さいという特性を有している。
【０００３】
そこで、エアポンプで圧縮加熱された空気を燃料電池内に流通させて、燃料電池を暖機するシステムが提案されている（特許文献１参照）。その他、水素を燃焼させる燃焼ヒータ（燃焼器）を設け、燃料電池を暖機するシステムが提案されている（特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９５５３３号公報（段落番号００１５〜００２６、図１）
【特許文献２】特開２０００−１６４２３３号公報（段落番号００７５〜００８７、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載されたシステムでは、加熱された空気を燃料電池の内部に流通させるため、燃料電池と、この燃料電池周囲の空気との温度差が大きく、燃料電池の熱が容易に放散してしまい、また、燃料電池に供給できる熱量も小さいため、燃料電池が暖機されにくい場合があった。
また、特許文献２に記載されたシステムでは、水素（燃料）を燃焼させるため、燃料電池自動車の燃費が悪くなってしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料を無駄に消費せずに且つ既存の機器を利用して、燃料電池を効率よく暖機可能とする燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、燃料電池と、当該燃料電池を収容する燃料電池ボックスと、前記燃料電池を発電させる機器および前記発電により生じた電力を利用する機器の少なくとも一方であって作動により発熱する発熱機器と、当該発熱機器、前記燃料電池の順に経由する空気の流れを生じさせる送風機器と、を備え、前記空気が前記燃料電池の外側を流通することを特徴とする燃料電池システムである。
【０００８】
このような燃料電池システムによれば、送風機器により空気の流れが生じ、この空気が発熱機器、燃料電池の外側の順に経由して流れる。すなわち、空気は発熱機器を経由するとき発熱機器に加熱され、この加熱された空気は燃料電池の外側を流通する。
したがって、加熱された空気により燃料電池を外側から暖めて、暖機することができる。また、燃料電池の外側を加熱された空気が流通するため、暖気された燃料電池から熱が放散することを防止できる。さらに、加熱された空気が燃料電池の外側を流通するため、加熱された空気の流路を比較的大きく確保することができ、燃料電池に多くの熱を供給できる。
【０００９】
また、発熱機器は、（１）燃料電池を発電させる機器、（２）発電により生じた電力を利用する機器の少なくとも一方である。すなわち、発熱機器は、「（１）燃料電池を発電させること」、または、「（２）電力を利用すること」に付随する既存の機器である。また、発熱機器は、作動により発熱する機器である。したがって、このような既存の発熱機器を利用して燃料電池システムを容易に構成することができる。
さらに、このような既存の発熱機器を使用するため、燃料を燃焼させて熱を得る場合に比べて、燃料が無駄に消費されることもない。
また、このような燃料電池システムは、発熱機器の冷却にも有効である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記燃料電池の周辺温度を検知する燃料電池周辺温度検知手段と、前記発熱機器の周辺温度を検知する発熱機器周辺温度検知手段と、前記燃料電池周辺温度検知手段および前記発熱機器周辺温度検知手段の検知結果に基づき、前記送風機器の作動を制御する送風機器制御装置と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。
【００１１】
ここで、本明細書における「燃料電池の周辺温度」には、燃料電池自体の温度を含むとする。同様に、「発熱機器の周辺温度」には、発熱機器自体の温度を含むとする。
【００１２】
したがって、このような燃料電池システムによれば、送風機器制御装置が、燃料電池周辺温度検知手段および発熱機器周辺温度検知手段の検知結果に基づいて、燃料電池の周辺温度と発熱機器の周辺温度とを比較して、送風機器の作動を制御することができる。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記発熱機器の上流側の空気の温度を検知し、前記送風機器制御装置に接続した発熱機器上流側空気温度検知手段を、さらに備え、前記送風機器制御装置は、前記発熱機器上流側空気温度検知手段の検知結果にも基づき、前記送風機器の作動を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムである。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、送風機器制御装置が、発熱機器上流側空気温度検知手段の検知結果にも基づいて、燃料電池の周辺温度、発熱機器の周辺温度および発熱機器の上流側の空気の温度のうちの少なくとも２つの温度を比較した上で、送風機器の作動を制御することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料を無駄に消費せずに且つ既存の機器を利用して、燃料電池を効率よく暖機可能とする燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明の一実施形態について、図１を参照して詳細に説明する。なお、図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す平面図であり、燃料電池ボックスの天蓋を取った状態で、燃料電池ボックスに収容された燃料電池および発熱機器などの配置状況と、燃料電池ボックス内の空気の流れを示す図である。
【００１７】
≪燃料電池システムの構成≫
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａは、燃料電池自動車に搭載されている。燃料電池システム１Ａは、主として、燃料電池３と、燃料電池ボックス４と、発熱機器５と、換気ファン６（送風機器）と、温度センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３（燃料電池周辺温度検知手段、発熱機器周辺温度検知手段、発熱機器上流側空気温度検知手段）と、制御装置８（送風機器制御装置）と、を備えている。
以下、燃料電池ボックス４、燃料電池３、発熱機器５、換気ファン６、温度センサＳ１〜Ｓ３、制御装置８の順で説明する。
【００１８】
＜燃料電池ボックス＞
燃料電池ボックス４は、薄型の箱であり、燃料電池３および発熱機器５を収容し、これらを保護するための箱である。このような燃料電池ボックス４は、例えば、特開２００３−１４６０８７号公報、特開２００３−１５１６０５号公報などに記載されるように、ボックス本体と天蓋とから構成されている。また、燃料電池ボックス４は、燃料電池自動車のフロアパネルの下で、車両の前後に伸びるメインフレームに固定されている。ここで、説明の都合上、図１に示すように「フロント側」、「リヤ側」をそれぞれ設定する。
【００１９】
＜燃料電池＞
燃料電池３は、燃料電池自動車の電源であり、固体高分子電解質膜の両面を燃料極と空気極とで挟持してなる単セルが、所定数積層して構成されており、一般に燃料電池スタックと称される。このような燃料電池３は、燃料電池ボックス４内で、ややリヤ側に配置されている。
【００２０】
＜発熱機器＞
発熱機器５は、「（１）燃料電池３を発電させる機器」および「（２）発電により生じた電力を利用する機器」の少なくとも一方であり、燃料電池３の運転に付随する既存の機器である。すなわち、このような既存の発熱機器５を利用して、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａを容易に構成可能となっている。
【００２１】
また、発熱機器５は、作動により発熱する機器である。ここで、発熱機器５は、自己が発熱を目的として水素などの燃料を消費して発熱するのではなく、発熱機器５は他の目的（燃料電池の発電、電力の利用）を実現するために作動した結果、発熱する機器である。したがって、発熱機器５が作動して発熱しても、発熱のために水素などの燃料は新たに無駄に消費されず、燃料電池自動車の燃費が低下することはない。
【００２２】
このような発熱機器５は、燃料電池ボックス４内において、燃料電池３よりフロント側に配置されている。また、発熱機器５は、その外表面に、空気と高効率で熱交換するための熱交換部（例えばフィン）を有することが好ましい。
【００２３】
具体的に、「（１）燃料電池３を発電させる機器」としては、例えば、燃料電池３のカソード側に空気を送るコンプレッサや、コンプレッサを制御するＥＣＵや、燃料電池３を加熱するための電熱ヒータ・水素燃焼ヒータや、水素吸蔵合金の水素吸収による熱を利用したＭＨヒータや、水素が吸蔵された水素吸蔵合金を加熱するためのヒータなどが挙げられる。
また、「（２）発電により生じた電力を利用する機器」としては、コンタクタ、走行モータを制御するＰＣＵ（パワープラントコントロールユニット）などが挙げられる。
【００２４】
＜換気ファン＞
換気ファン６は、燃料電池ボックス４のフロント側の壁に取り付けられている。そして、換気ファン６が作動すると、燃料電池ボックス４のフロント側の空気を取り込み、取り込まれた空気が、燃料電池ボックス４内をリア側に向かって流れた後、燃料電池ボックス４のリア側の壁に形成された排気孔４ａから排出されるようになっている。すなわち、換気ファン６は、発熱機器５、燃料電池３の順で経由する空気の流れを生じさせる送風機器である。つまり、本実施形態では、フロント側が空気の流れの上流側であり、リア側が下流側となる。
また、この空気は、燃料電池３を経由する際に、燃料電池３の外側を、その外表面に沿って流通するようになっている。空気を燃料電池３の外側に沿って流通させるためには、例えば、燃料電池ボックス４の底にリブを適宜に設けてもよいし、燃料電池ボックス４内を所定のレイアウトにしてもよい。
【００２５】
＜温度センサ＞
温度センサＳ１〜Ｓ３は、公知の温度センサから適宜選択して使用することができる。温度センサＳ１（燃料電池周辺温度検知手段）は、燃料電池ボックス４内で燃料電池３の周辺に配置されており、燃料電池３の周辺の空気の温度Ｔ１（以下、燃料電池周辺温度Ｔ１という）を検知可能となっている。温度センサＳ２（発熱機器周辺温度検知手段）は、燃料電池ボックス４内で発熱機器５の周辺に配置されており、発熱機器５の周辺の空気の温度Ｔ２（以下、発熱機器周辺温度Ｔ２という）を検知可能となっている。温度センサＳ３（発熱機器上流側空気温度検知手段）は、発熱機器５に送られる空気の温度Ｔ３、つまり、発熱機器５の上流側の空気の温度を検知するセンサである。本実施形態において、温度センサＳ３は、換気ファン６の直上流側に配置されており、換気ファン６に取り込まれる空気の温度Ｔ３（以下、取込空気温度Ｔ３という）を検知可能となっている。
【００２６】
＜制御装置＞
制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏなどから構成され、換気ファン６と温度センサＳ１〜Ｓ３とに電気的に接続している。そして、制御装置８は、温度センサＳ１〜Ｓ３の検知結果に基づいて、具体的には、温度センサＳ１が検知した燃料電池周辺温度Ｔ１と、温度センサＳ２が検知した発熱機器周辺温度Ｔ２と、温度センサＳ３が検知した取込空気温度Ｔ３とを比較し、換気ファン６のＯＮ／ＯＦＦ、回転数などの作動を制御可能となっている。制御装置８による具体的な制御については、後で説明する。
【００２７】
≪燃料電池システムの動作≫
続いて、燃料電池システム１Ａの動作について説明する。
【００２８】
[燃料電池の暖機]
例えば、燃料電池自動車の始動時において、図示しないＩＧＳＷ（イグニションスイッチ）のＯＮに連動して、ＥＣＵ、コンプレッサなどの発熱機器５が作動して発熱し、制御装置８が、温度センサＳ１、Ｓ２を介して、「発熱機器周辺温度Ｔ２＞燃料電池周辺温度Ｔ１」を検知すると、換気ファン６を作動させる。換気ファン６の作動により、空気が燃料電池ボックス４内に取り込まれ、取り込まれた空気は、発熱機器５、燃料電池３の順に経由して流れる。
【００２９】
このように流れる空気は、発熱機器５の周辺を通過するとき、発熱する発熱機器５により加熱される。そして、加熱された空気は、燃料電池３の外側をその外表面に沿って流通する。その結果として、加熱された空気は燃料電池３を外側から暖める。このとき、燃料電池３と燃料電池３の周辺空気との温度差は小さくなり、従来のように、暖機された燃料電池３の熱が放散することもない。このようにして、燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池３を早期に暖機することができる。
【００３０】
一方、例えば、ＩＧＳＷがＯＮされた直後であって発熱機器５が発熱していないとき、つまり「発熱機器周辺温度Ｔ２＜燃料電池周辺温度Ｔ１」を検知する間、制御装置８は、換気ファン６を作動させない。これにより、無駄な電力の消費を防止することができる。
【００３１】
［発熱機器の冷却］
また、本実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、過剰に発熱した発熱機器５を冷却することもできる。
具体的には、制御装置８は、「取込空気温度Ｔ３＜発熱機器周辺温度Ｔ２」を検知したとき、換気ファン６を作動させて、発熱機器５に空気を送り込む。これにより発熱機器５を冷却することができる。
一方、制御装置８は、「取込空気温度Ｔ３＞発熱機器周辺温度Ｔ２」を検知する間、換気ファン６を作動させない。これにより、取り込み空気によって、発熱機器５がさらに加熱されることを防止できる。
【００３２】
このような制御装置８による換気ファン６の制御をまとめて表１に示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
このように本実施形態に係る燃料電池システム１Ａによれば、燃料を燃焼させて熱を得る場合に比べて、燃料を燃料を無駄に消費せずに且つ既存の機器を利用して、燃料電池を効率よく暖機することができる。
【００３５】
以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のような変更をすることができる。
【００３６】
前記した実施形態では、換気ファン６は燃料電池ボックス４のフロント側（空気取込側）の壁に設けられたとしたが、発熱機器５、燃料電池３の順で経由する空気の流れを発生可能ならば、換気ファン６の位置はどのようであってもよい。
例えば、図２に示すように、換気ファン６は、燃料電池ボックス４のリア側（空気排出側）の壁に設けらてもよいし、図３に示すように、燃料電池ボックス４の外部に配置してもよいし、その他に発熱機器５と燃料電池３の間に配置してもよい。
なお、図２に示す燃料電池システム１Ｂのように、換気ファン６が燃料電池ボックス４のリア側に設けられた場合、空気はフロント側の取込孔４ｂから取り込まれる。また、温度センサＳ３の位置は変更せず、発熱機器５の上流側の空気（つまり、発熱機器５に送られる空気）の温度を検知可能となっている。
【００３７】
前記した実施形態では、発熱機器５は燃料電池ボックス４内に配置されたとしたが、発熱機器５の位置は、燃料電池３に向かう空気の流れにおいて、燃料電池３の上流側であればよい。例えば、図３に示す燃料電池システム１Ｃのように、燃料電池ボックス４の外部に配置してもよい。
また、前記した実施形態では、発熱機器５を経由する空気は、発熱機器５の周辺、つまり、発熱機器５の外表面に沿って流通するとしたが（図１参照）、図３に示すように、発熱機器５の内部を経由してもよい。
【００３８】
ここで、図３に示す燃料電池システム１Ｃについて説明すると、発熱機器５および換気ファン６は、燃料電池ボックス４の外部に配置している。換気ファン６は配管１１Ａを介して発熱機器５に接続しており、発熱機器５は配管１１Ｂを介して燃料電池ボックス４に接続している。そして、換気ファン６を作動させると、換気ファン６のフロント側の空気が取り込まれ、取り込まれた空気は、配管１１Ａの内部、発熱機器５の内部、配管１１Ｂの内部を順に経由して、燃料電池ボックス４の取込孔４ｂから導入されるようになっている。
また、空気は発熱機器５の内部を流通するときに、加熱されるようになっている。さらに、取込空気温度Ｔ３を検知する温度センサＳ３は、換気ファン６のフロント側に配置されている。さらにまた、発熱機器５の周辺温度を検知する温度センサＳ２は、発熱機器５内の空気の流通路に配置されている。
このように空気が発熱機器５の内部を流通する具体例としては、例えば、発熱機器５が燃料電池３のカソード側に空気を送るコンプレッサであって、コンプレッサの作動により排出される排気ガスを、そのまま燃料電池ボックス４に供給する場合などが挙げられる。
【００３９】
また、前記した実施形態の換気ファン６（燃料電池ボックス４）の上流側に配管を接続し、「この配管の上流側の少なくとも一部」を、当該一部内の空気が太陽熱によって加熱可能な位置に配置するとよい。
【００４０】
具体的には、例えば、図４に示すように、換気ファン６の上流側の配管１１Ｃの上流端を、燃料電池自動車のボンネット１３に形成されたエアスクープ１３ａ（半閉空間）に配置し、太陽光によって暖められたエアスクープ１３ａ内の空気を、燃料電池ボックス４へ供給可能としてもよい。なお、この場合においては、配管１１Ｃとエアスクープ１３ａとを、「換気ファン６（燃料電池ボックス４）の上流側に接続する配管」とみなし、エアスクープ１３ａが、「前記配管の上流側の少なくとも一部」に相当する。
ただし、「換気ファン６（燃料電池ボックス４）の上流側に接続する配管の一部」の位置は、エアスクープ１３ａのように上流位置に限らず、その他中流位置であってもよい。また、太陽熱を好適に吸収させるため、「前記上流側に接続する配管の一部」を蛇行させてもよい。
【００４１】
また、この場合においては、温度センサＳ３をエアスクープ１３ａ（前記配管の一部）内に配置することが好ましい（図４参照）。そして、制御装置８が、ＩＧＳＷのＯＮ直後であって発熱機器５が発熱しておらず、「発熱機器周辺温度Ｔ２≒燃料電池周辺温度Ｔ１」を検知しても、太陽熱によりエアスクープ１３ａ内の空気が暖かく、「取込空気温度Ｔ３＞発熱機器周辺温度Ｔ２≒燃料電池周辺温度Ｔ１」を検知したとき、換気ファン６を作動させることで、前記暖かい空気を燃料電池ボックス４内に取り込み、燃料電池３を早期に暖めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図２】変形例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図３】変形例に係る燃料電池システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図４】変形例に係る燃料電池システムの空気取込部分を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  燃料電池システム
３      燃料電池
４      燃料電池ボックス
５      発熱機器
６      換気ファン（送風機器）
８      制御装置（送風機器制御装置）
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ  配管
１３    ボンネット
１３ａ  エアスクープ
Ｓ１    温度センサ（燃料電池周辺温度検知手段）
Ｓ２    温度センサ（発熱機器周辺温度検知手段）
Ｓ３    温度センサ（発熱機器上流側空気温度検知手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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