(57)【要約】【課題】  燃料電池を素速く暖機することができるようにする。【解決手段】  加熱された空気を燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに供給可能なコンプレッサ６と、水素ガスを燃料電池２のアノード側ガス通路２ｄに供給可能な高圧水素タンク３と、カソード側ガス通路２ｅとアノード側ガス通路２ｄとを連結する連結路３３と、連結路３３の連通・遮断を行う連通弁Ｖ５と、燃料電池２の発電開始前に、水素ガスをアノード側ガス通路２ｄに供給する前に連通弁Ｖ５を開いて、コンプレッサ６から供給される加熱空気をカソード側ガス通路２ｅとアノード側ガス通路２ｄに導入する制御手段（ＥＣＵ１０）と、を備える。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱された酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤ガス供給路に供給可能な酸化剤ガス供給手段と、
燃料ガスを前記燃料電池の燃料ガス供給路に供給可能な燃料ガス供給手段と、
前記酸化剤ガス供給路と前記燃料ガス供給路とを連結する連結路と、
前記連結路の連通・遮断を行う連通弁と、
前記燃料電池の発電開始前に、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給路に供給する前に前記連通弁を開いて、前記酸化剤ガス供給手段から供給される加熱ガスを前記酸化剤ガス供給路および前記燃料ガス供給路に導入する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス供給手段は、前記酸化剤ガスを圧縮加熱する圧縮機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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、氷点下起動性に優れた燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムの課題の一つに低温始動性（特に氷点下起動）があり、早期起動を図るために種々の暖機方法が考えられている。
例えば、特許文献１には、低温始動時に、圧縮機から燃料電池のカソードに空気を供給する際に、その途中に配置されている消音器や熱交換器を迂回して供給することで、圧縮機で圧縮加熱された空気を直接にカソードに供給して暖機する方法が開示されている。
【０００３】
また、特許文献２には、通常発電時に燃料電池のカソードに空気を供給する供給する空気供給装置とは別に、低温始動専用にコンプレッサやヒータ等からなる加熱空気供給装置を備え、低温始動時には、この加熱空気供給装置から加熱空気を燃料電池のカソードおよびアノードに供給して暖機する方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１１０２１３号公報
【特許文献２】特開２００３−１５１５９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の暖機方法では、燃料電池のカソード側の暖機は促進されるが、アノード側は間接的に暖められるので遅れて暖機され、その結果、カソードとアノードの暖機状態が異なり、発電が安定するまでに時間が長くかかる虞がある。
また、特許文献２の暖機方法では、低温始動専用に加熱空気供給装置が必要なため、システムが大型化するという問題がある。
そこで、この発明は、システムを大型化することなく迅速な暖機が可能な燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、加熱された酸化剤ガス（例えば、後述する実施例における空気）を燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池２）の酸化剤ガス供給路（例えば、後述する実施例におけるカソード側ガス通路２ｅ）に供給可能な酸化剤ガス供給手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ６）と、燃料ガス（例えば、後述する実施例における水素ガス）を前記燃料電池の燃料ガス供給路（例えば、後述する実施例におけるアノード側ガス通路２ｄ）に供給可能な燃料ガス供給手段（例えば、後述する実施例における高圧水素タンク３）と、前記酸化剤ガス供給路と前記燃料ガス供給路とを連結する連結路（例えば、後述する実施例における連結路３３）と、前記連結路の連通・遮断を行う連通弁（例えば、後述する実施例における連通弁Ｖ５）と、前記燃料電池の発電開始前に、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給路に供給する前に前記連通弁を開いて、前記酸化剤ガス供給手段から供給される加熱ガスを前記酸化剤ガス供給路および前記燃料ガス供給路に導入する制御手段（例えば、後述する実施例におけるＥＣＵ１０）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム（例えば、後述する実施例における燃料電池システム１）である。
このように構成することにより、燃料電池の発電前に加熱された酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤ガス供給路および燃料ガス供給路に供給することができ、燃料電池の両極を同時に暖機することができる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記酸化剤ガス供給手段は、前記酸化剤ガスを圧縮加熱する圧縮機（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ６）であることを特徴とする。
このように構成することにより、圧縮機によって加熱した酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤ガス供給路および燃料ガス供給路に供給することが可能になる。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に係る発明によれば、燃料電池の発電前に加熱された酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤ガス供給路および燃料ガス供給路に供給して、燃料電池の両極を同時に暖機することができるので、低温始動性（特に、氷点下起動性）が向上する。しかも、低温始動専用の加熱流体供給手段が不要であるので、燃料電池システムをコンパクトに構成することができる。。
請求項２に係る発明によれば、発電時に酸化剤ガスを圧縮して燃料電池の酸化剤ガス供給路に供給するための圧縮機を、加熱した酸化剤ガスの供給手段として併用することができるので、燃料電池システムのコンパクト化を更に促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
図１は燃料電池システム１の概略構成図である。燃料電池２は、固体高分子電解質膜２ａをアノード２ｂとカソード２ｃとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されたスタック（図１では単セルのみ示す）からなり、アノード２ｂに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード２ｃに酸化剤ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、アノード２ｂで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜２ａを通過してカソード２ｃまで移動し、カソード２ｃで酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【０００９】
高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）３に収容された水素ガスは、水素供給通路２１を流通し、燃料電池２内のアノード側ガス通路（燃料ガス供給路）２ｄを通って各セルのアノード２ｂに供給される。水素供給通路２１には、高圧水素タンク３の水素ガスを減圧して所定圧力に調圧する圧力調整弁Ｖ１が設けられている。
【００１０】
燃料電池２のアノード２ｂに供給された水素ガスのうち発電に供されなかった水素ガス、すなわち未反応の水素は、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス通路２２を通ってエゼクタ４に吸引され、高圧水素タンク３から供給される新鮮な水素ガスと合流して再び燃料電池２のアノード２ｂに供給される。また、アノードオフガス通路２２には排出弁Ｖ２を備えた排出通路２３が接続されている。
【００１１】
一方、空気は、コンプレッサ（圧縮機、酸化剤ガス供給手段）６により圧縮され、空気通路３１を流通して燃料電池２内のカソード側ガス通路２ｅに導入され、各セルのカソード２ｃに供給される。空気通路３１には、その途中に冷却器５が設けられるとともに、冷却器５を迂回するバイパス通路３２が接続されている。バイパス通路３２にはバイパス弁Ｖ３が設けられている。カソード２ｃに供給された空気は発電に供された後、燃料電池２からカソードオフガスとしてカソードオフガス通路３４に排出され、圧力制御弁Ｖ４を介して排出される。
【００１２】
空気通路３１における燃料電池２の直ぐ上流と、水素供給通路２１における燃料電池２の直ぐ上流は、連通弁Ｖ５を備えた連通路３３によって接続されている。
また、燃料電池２内に設けられた冷却水通路２ｆには、冷却水ポンプ４１および熱交換器４２を備えた冷却水循環通路４０が接続されていて、必要に応じて冷却水を循環させることにより、発電に伴う発熱により燃料電池２が所定の作動温度を超えないように温度制御可能になっている。冷却水循環通路４０には、冷却水温度を検出するための水温センサ４３が設けられており、水温センサ４３は検出した冷却水温度に応じた電気信号を制御手段としての電子制御装置（ＥＣＵ）１０に出力する。
このＥＣＵ１０は、燃料電池２の運転状態に応じて、圧力調整弁Ｖ１、排出弁Ｖ２、バイパス弁Ｖ３、圧力制御弁Ｖ４，連通弁Ｖ５、およびコンプレッサ６、冷却水ポンプ４１を制御する。
【００１３】
この燃料電池システム１では、通常発電時には、排出弁Ｖ２、バイパス弁Ｖ３、連通弁Ｖ５が全閉に制御される。これにより、高圧水素タンク３の水素ガスと燃料電池２から排出されたアノードオフガスがエゼクタ４で合流して燃料電池２のアノード２ｂに供給され、また、コンプレッサ６で圧縮加熱された空気が冷却器５で所定温度に冷却されて燃料電池２のカソード２ｃに供給され、発電が行われる。
【００１４】
また、この燃料電池システム１では、燃料電池２を所定温度（例えば、０゜Ｃ）以下で始動する氷点下起動時には、コンプレッサ６で圧縮加熱された空気を、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄおよびカソード側ガス通路２ｅに直接導入することにより、燃料電池２の早期暖機を図っている。
以下、図２および図３のフローチャートと図４のタイムチャートに従って氷点下起動制御を説明する。図２のフローチャートに示す氷点下起動制御ルーチンはＥＣＵ１０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
【００１５】
まず、ステップＳ１１においてイグニッションスイッチ（ＩＧ）がＯＮされると、ステップＳ１２においてコンプレッサ６を運転し、燃料電池２に空気を導入する。
次に、ステップＳ１３に進み、氷点下起動か否かを判定する。氷点下起動か否かの判定は、例えば、水温センサ４３で検出される冷却水温度、あるいは、燃料電池２から排出されるカソードオフガス温度、あるいは外気温に基づいて判定することができる。
【００１６】
ステップＳ１３における判定結果がＹＥＳ（氷点下起動）である場合には、ステップＳ１４に進み、排出弁Ｖ２とバイパス弁Ｖ３と連通弁Ｖ５を開いて、コンプレッサ６で圧縮加熱された空気を、冷却器５を迂回させて燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに導入するとともに、連通路３３を介して水素供給通路２１に導き燃料電池２のアノード側ガス通路２ｄに導入する。つまり、コンプレッサ６で圧縮加熱された空気を冷却器５に流通させると温度が低下してしまうので、氷点下起動時には、冷却器５を迂回させることにより、コンプレッサ６の圧縮により加熱された空気を、温度低下させないで直接に燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄおよびカソード側ガス通路２ｅに導入して、燃料電池２のアノード２ｂとカソード２ｃを両方同時に暖めて、燃料電池２の暖機を行う。アノード側ガス通路２ｄに導入された加熱空気はアノードオフガス通路２２および排出通路２３を通って排出弁Ｖ２から排出され、カソード側ガス通路２ｅに導入された加熱空気はカソードオフガス通路３４を通って圧力制御弁Ｖ４から排出される。
【００１７】
次に、ステップＳ１５に進み、暖機が完了したか否かを判定する。暖機完了か否かの判定は、水温センサ４３で検出される冷却水温度、排出弁Ｖ２あるいは圧力制御弁Ｖ４から排出される空気の温度に基づいて判定してもよいし、あるいは、水温センサ４３で検出される冷却水温度に基ついて判定してもよい。
ステップＳ１５における判定結果がＮＯ（暖機未完了）である場合は、燃料電池２への加熱空気導入を続行する。
【００１８】
ステップＳ１５における判定結果がＹＥＳ（暖機完了）である場合は、ステップＳ１６に進んでバイパス弁Ｖ３と連通弁Ｖ５を閉じる。これにより、コンプレッサ６で圧縮加熱された空気は冷却器５を通過して燃料電池２のカソード側ガス通路２ｅに導入され、また、アノード側ガス通路２ｄへの加熱空気の導入が停止せしめられる。
【００１９】
次に、ステップＳ１７に進んで、燃料電池２に対しＯＣＶ（開回路電圧）のチェックを行う。
図３はＯＣＶチェックのサブルーチンを示すフローチャートである。ステップＳ１７１において、燃料電池２内のアノード側ガス通路２ｄに水素ガスを導入して、アノード側ガス通路２ｄ内の加熱空気を押し出し排出弁Ｖ２から排出し、アノード側ガス通路２ｄ内を水素ガスに置換する。なお、例えばタイマー設定により加熱空気の排出終了後、排出弁Ｖ２を閉じる。
そして、ステップＳ１７２において、アノード側ガス通路２ｄに水素ガスを導入しながら、燃料電池２の各セルの電圧を測定し、その中で最低のセル電圧（最低セル電圧）が所定値を越えているか否かを判定する。
【００２０】
ステップＳ１７２における判定結果がＮＯ（所定値以下）である場合は、ステップＳ１７１に戻る。
ステップＳ１７２における判定結果がＹＥＳ（所定値を越えた）である場合は、ステップＳ１７３に進み、発電を許可し、本サブルーチンの実行を終了する。
図２に戻って、ステップＳ１７におけるＯＣＶチェックの結果、発電が許可されたときには、ステップＳ１８に進み、燃料電池２の発電を開始して、本ルーチンの実行を終了する。
なお、ステップＳ１３における判定結果が「ＮＯ」（氷点下起動ではない）である場合は、燃料電池２を暖機する必要がないので、ステップＳ１７に進み、ＯＣＶチェックを行った後に発電を開始する。
【００２１】
このように氷点下起動時には、コンプレッサ６で圧縮した際に温度上昇した加熱空気を、冷却器５を迂回させることで温度低下を防止しつつ、燃料電池２のアノード２ｂおよびカソード２ｃに同時に導入しているので、アノード２ｂとカソード２ｃの両方を暖機することができる。したがって、従来よりも燃料電池システム1の暖機時間を短くすることができ、氷点下起動性が向上する。また、起動直後の発電が安定し、発電可能な最大電流が増大するので、商品性が高くなる。
しかも、この実施例において加熱空気を生成するコンプレッサ６は通常時の発電に使用されるものであるので、氷点下起動専用の加熱空気生成手段が必要なく、燃料電池システム１をコンパクトにすることができる。
【００２２】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、加熱された酸化剤ガスを酸化剤ガス供給路に供給可能な酸化剤ガス供給手段は、コンプレッサに限るものではなく、ヒータとファン等で構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの一実施例における概略構成図である。
【図２】氷点下起動処理の一実施例を示すフローチャートである。
【図３】ＯＣＶチェックを示すフローチャートである。
【図４】氷点下起動時のタイムチャートである。
【符号の説明】
【００２４】
１  燃料電池システム
２  燃料電池
２ｄ  アノード側ガス通路（燃料ガス供給路）
２ｅ  カソード側ガス通路（酸化剤ガス供給路）
３  高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）
６  コンプレッサ（圧縮機、酸化剤ガス供給手段）
１０  ＥＣＵ（制御手段）
３３  連通路
Ｖ５  連通弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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