(57)【要約】【課題】低温環境下であっても、燃料電池スタックの温度を速やかに上昇させること。【解決手段】変更弁１９は、燃料電池スタック１２の暖機中に、吸入配管１５内の流路面積を暖機完了後よりも縮小する。すると、吸入配管１５内における変更弁１９よりも下流側を流れる空気の圧力は、吸入配管１５内における変更弁１９よりも上流側を流れる空気の圧力よりも低くなる。よって、吸入口１１ａから圧縮機１１に吸入される空気の圧力は、変更弁１９が吸入配管１５内の流路面積を縮小しない場合の圧力に比べて低くなる。そして、吸入口１１ａから圧縮機１１に吸入される空気の圧力と、圧縮機１１で圧縮されて吐出口１１ｂから吐出配管１６に吐出される空気の圧力との圧力差が大きくなり易くなり、吐出口１１ｂから吐出配管１６に吐出される空気の温度が高温となり易くなる。燃料電池スタック１２は、高温となった空気の熱により暖められる。【選択図】図１
2018113214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸入口から吸入した空気を圧縮して吐出口から吐出する圧縮機と、
前記圧縮機によって圧縮された空気が供給される燃料電池スタックと、
前記吸入口に接続される吸入流路と、
前記吐出口と前記燃料電池スタックとを接続する吐出流路と、
前記燃料電池スタックの暖機中に、前記吸入流路の流路面積を暖機完了後よりも縮小する流路面積変更部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックを冷却する冷却水が循環する循環流路と、
前記循環流路を循環する冷却水と前記吐出流路を流れる空気との間の熱交換を行う熱交換器と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記循環流路を循環する冷却水の温度である冷却水温度を検出する冷却水温度センサを備え、
前記流路面積変更部は、前記冷却水温度が予め定められた閾値よりも低いことを条件に、前記流路面積の前記縮小を行う請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記吐出流路における前記熱交換器よりも前記圧縮機側の流路である第１流路と前記吐出流路における前記熱交換器よりも前記燃料電池スタック側の流路である第２流路とを前記熱交換器を迂回して接続する接続流路と、
前記第１流路における前記熱交換器への空気の流通を許容し、且つ前記第１流路から前記接続流路を介しての前記第２流路への空気の流通を遮断する第１切換状態と、前記第１流路における前記熱交換器への空気の流通を遮断し、且つ前記第１流路から前記接続流路を介しての前記第２流路への空気の流通を許容する第２切換状態と、を切換可能な切換部と、を備える請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記流路面積変更部は、
前記吸入流路に設けられ、弁開度を小さくすることにより前記流路面積の前記縮小を行う変更弁を含む請求項１〜請求項４のいずれか一項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】
水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックを有する燃料電池システムが、例えば特許文献１に開示されている。この化学反応を行うための空気は、圧縮機により圧縮された状態で燃料電池スタックに供給される。燃料電池スタックは、燃料電池スタックの温度が予め定められた温度域であるときに効率良く発電が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８５９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば氷点下のように外気温度が低い低温環境下で、燃料電池システムを起動させる場合、起動時から燃料電池スタックの温度が予め定められた温度域に上昇するまで、すなわち、燃料電池スタックの暖機が完了するまで時間を要する。このため、燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの暖機が完了するまでは、燃料電池スタックの発電効率が悪化する。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、低温環境下であっても、燃料電池スタックの温度を速やかに上昇させることができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する燃料電池システムは、吸入口から吸入した空気を圧縮して吐出口から吐出する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された空気が供給される燃料電池スタックと、前記吸入口に接続される吸入流路と、前記吐出口と前記燃料電池スタックとを接続する吐出流路と、前記燃料電池スタックの暖機中に、前記吸入流路の流路面積を暖機完了後よりも縮小する流路面積変更部と、を備える。
【０００７】
これによれば、燃料電池スタックの暖機中は、流路面積変更部により、吸入流路の流路面積が暖機完了後よりも縮小される。その結果、吸入流路における流路面積が縮小した部分よりも下流側を流れる空気の圧力は、吸入流路における流路面積が縮小した部分よりも上流側を流れる空気の圧力よりも低くなる。よって、吸入口から圧縮機に吸入される空気の圧力である吸入圧は、流路面積変更部が吸入流路の流路面積を縮小しない場合の圧力に比べて低くなる。すると、吸入圧と、圧縮機で圧縮されて吐出口から吐出流路に吐出される空気の圧力である吐出圧との圧力差が大きくなり易くなる。圧縮機により圧縮される空気は、吸入圧と吐出圧との圧力差が大きいほど高温になり易い。よって、吐出口から吐出流路に吐出される空気の温度が高温となり易くなる。その結果、高温となった空気の熱を利用して燃料電池スタックを暖めることができるため、低温環境下であっても、燃料電池スタックの温度を速やかに上昇させることができる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水が循環する循環流路と、前記循環流路を循環する冷却水と前記吐出流路を流れる空気との間の熱交換を行う熱交換器と、を備えるとよい。
【０００９】
これによれば、吐出流路を流れる高温の空気と循環流路を循環する冷却水との間の熱交換が熱交換器によって行われることにより、冷却水が高温の空気によって暖められる。したがって、吐出流路を介して燃料電池スタックに供給される空気と、空気によって暖められた冷却水とによって燃料電池スタックを暖めることができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、前記循環流路を循環する冷却水の温度である冷却水温度を検出する冷却水温度センサを備え、前記流路面積変更部は、前記冷却水温度が予め定められた閾値よりも低いことを条件に、前記流路面積の前記縮小を行うとよい。
【００１１】
燃料電池スタックを冷却する冷却水の温度は、燃料電池スタックの温度と相関を有している。よって、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの温度を把握し、同燃料電池スタックの温度が低いことに基づいて、燃料電池スタックの温度を適切に上昇させることができる。
【００１２】
上記燃料電池システムにおいて、前記吐出流路における前記熱交換器よりも前記圧縮機側の流路である第１流路と前記吐出流路における前記熱交換器よりも前記燃料電池スタック側の流路である第２流路とを前記熱交換器を迂回して接続する接続流路と、前記第１流路における前記熱交換器への空気の流通を許容し、且つ前記第１流路から前記接続流路を介しての前記第２流路への空気の流通を遮断する第１切換状態と、前記第１流路における前記熱交換器への空気の流通を遮断し、且つ前記第１流路から前記接続流路を介しての前記第２流路への空気の流通を許容する第２切換状態と、を切換可能な切換部と、を備えるとよい。
【００１３】
これによれば、燃料電池スタックの暖機中に、切換部によって燃料電池システムの空気の流れを、例えば、第２切換状態に切り換え、吐出口から第１流路に吐出された高温の空気を、接続流路を介して第２流路へ流通させ、第２流路を介して燃料電池スタックに供給する。よって、燃料電池システムが、循環流路及び熱交換器を備えた構成であっても、熱交換器を用いた高温の空気と冷却水との間の熱交換を行うことなく、高温の空気を燃料電池スタックに供給することも可能となる。
【００１４】
なお、上記燃料電池システムにおいて、前記吸入流路の流路面積の縮小は、例えば、前記吸入流路に設けられた変更弁の弁開度の変更を通じて行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、低温環境下であっても、燃料電池スタックの温度を速やかに上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態における燃料電池システムの概略構成図。
【図２】別の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。
【図３】別の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。
【図４】別の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、燃料電池システムを具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システムは車両（燃料電池車）に搭載されている。
図１に示すように、燃料電池システム１０は、吸入口１１ａから吸入した空気を圧縮して吐出口１１ｂから吐出する圧縮機１１と、圧縮機１１によって圧縮された空気が供給される燃料電池スタック１２と、を備えている。圧縮機１１は、例えば、電動モータで駆動するターボ式の電動流体機械である。燃料電池スタック１２は、複数のセルを有する。
【００１８】
燃料電池スタック１２には、水素タンク１３から水素供給路１３ａを介して水素が供給される。燃料電池スタック１２は、水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。燃料電池スタック１２は、燃料電池スタック１２の温度が予め定められた温度域であるときに効率良く発電が行われる。燃料電池スタック１２の内部には、水素と酸素との化学反応によって水が生成される。また、燃料電池スタック１２において酸素と反応しなかった水素は、水素循環路１３ｂを介して水素供給路１３ａに戻される。
【００１９】
燃料電池スタック１２は、図示しないキャパシタ等の蓄電装置に電気的に接続され、さらに図示しない走行用モータに接続されている。走行用モータは、蓄電装置を電力源として駆動する。走行用モータの動力は、図示しない動力伝達機構を介して車軸に伝達され、燃料電池車は、アクセル開度に応じた車速で走行する。
【００２０】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を冷却する冷却水（ＬＬＣ）が循環する循環流路を構成する循環配管１４ａと、循環配管１４ａ内を流れる冷却水を圧送するポンプ１４ｂと、ラジエータ１４ｃと、を有する冷却水回路１４を備えている。
【００２１】
循環配管１４ａの一部分であるラジエータ内配管１４１ａは、ラジエータ１４ｃ内に設けられている。ラジエータ内配管１４１ａ内を流れる冷却水は、外気と熱交換が行われることで冷却される。
【００２２】
循環配管１４ａの他の一部分であるスタック内配管１４２ａは、燃料電池スタック１２内を通過している。燃料電池スタック１２は、スタック内配管１４２ａ内を流れる冷却水と熱交換が行われることにより冷却される。
【００２３】
燃料電池システム１０は、吸入口１１ａに接続される吸入流路を構成する吸入配管１５を備えている。吸入配管１５における吸入口１１ａとは反対側の端部は、大気に開放されており、吸入配管１５内には、大気圧の空気が吸入される。吸入配管１５内には、フィルタ１５ａが設けられている。また、燃料電池システム１０は、吐出口１１ｂと燃料電池スタック１２とを接続する吐出流路を構成する吐出配管１６を備えている。
【００２４】
燃料電池システム１０は、循環配管１４ａ内を循環する冷却水と吐出配管１６内を流れる空気との間の熱交換を行う熱交換器２０（インタークーラ）を備えている。循環配管１４ａの一部分である器内配管１４３ａは、熱交換器２０内を通過している。吐出配管１６の一部分である器内配管１６１は、熱交換器２０内を通過している。循環配管１４ａの器内配管１４３ａと、吐出配管１６の器内配管１６１とは、熱交換器２０内において、器内配管１４３ａ内を流れる冷却水と器内配管１６１内を流れる空気とが熱交換可能な状態で配置されている。
【００２５】
吐出配管１６は、一端が吐出口１１ｂに接続されるとともに他端が器内配管１６１に接続される第１配管１６ａと、一端が器内配管１６１に接続されるとともに他端が燃料電池スタック１２に接続される第２配管１６ｂと、を有する。第１配管１６ａは、吐出配管１６における熱交換器２０よりも圧縮機１１側の流路である第１流路を構成する。第２配管１６ｂは、吐出配管１６における熱交換器２０よりも燃料電池スタック１２側の流路である第２流路を構成する。
【００２６】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２から排出された空気を大気へ排出する排出流路を構成する排出配管１７を備えている。排出配管１７には、調圧弁１７ｖが設けられている。調圧弁１７ｖは、弁開度の変更を通じて吐出配管１６から燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整する。本実施形態において、調圧弁１７ｖは、電磁弁である。
【００２７】
また、吸入配管１５におけるフィルタ１５ａよりも圧縮機１１側には、変更弁１９が設けられている。変更弁１９は、弁開度の変更が行われることにより吸入配管１５の流路面積を変更するように構成されている。本実施形態において、変更弁１９は、電磁弁である。
【００２８】
燃料電池システム１０は、制御装置３０を備えている。調圧弁１７ｖ及び変更弁１９は、制御装置３０からの制御信号により、弁開度が変更される。また、圧縮機１１は、制御装置３０からの制御信号により、圧縮機１１の駆動装置（インバータ）が制御され、圧縮機１１の駆動が制御される。
【００２９】
制御装置３０は、運転者に操作されるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルセンサからアクセル開度を示す信号を受信する。制御装置３０は、蓄電装置の電圧に応じて要求発電量を算出する。また、制御装置３０は、要求発電量を燃料電池スタック１２にて発電するために必要な燃料電池スタック１２に供給する空気の圧力や流量を算出する。
【００３０】
制御装置３０は、燃料電池スタック１２に供給する空気の圧力が、要求発電量を燃料電池スタック１２で発電するために必要な圧力となるように、調圧弁１７ｖの弁開度を制御する。なお、制御装置３０は、燃料電池システム１０の起動時から燃料電池スタック１２の温度が予め定められた温度域まで上昇するまで、すなわち、燃料電池スタック１２の暖機が完了するまでの間において、調圧弁１７ｖの弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくなるように、調圧弁１７ｖの弁開度を制御する。
【００３１】
燃料電池システム１０は、循環配管１４ａを循環する冷却水の温度である冷却水温度を検出する冷却水温度センサ３１を備えている。冷却水温度センサ３１は、制御装置３０に電気的に接続されている。冷却水温度センサ３１は、燃料電池スタック１２から排出された直後の冷却水の温度、即ち、循環配管１４ａにおいて、スタック内配管１４２ａよりも冷却水の流れ方向の下流側であって、且つラジエータ内配管１４１ａよりも冷却水の流れ方向の上流側の配管内を流れる冷却水の温度を検出する。なお、このようにして検出される冷却水の温度は、燃料電池スタック１２の温度と相関を有している。
【００３２】
制御装置３０は、冷却水温度センサ３１により検出された温度が閾値以上である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを通常運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。この閾値は、燃料電池スタック１２の暖機が完了したことを示す値であり、例えば０℃である。一方、制御装置３０は、冷却水温度センサ３１により検出された温度が閾値未満である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを、燃料電池スタック１２を温度上昇させるための暖機運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくした弁開度よりも小さくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。よって、本実施形態において、制御装置３０及び変更弁１９は、燃料電池スタック１２の暖機中に、吸入配管１５内の流路面積を暖機完了後よりも縮小する処理である暖機処理を行う流路面積変更部として機能する。制御装置３０及び変更弁１９は、冷却水温度センサ３１により検出された温度が予め定められた閾値よりも低いことを条件に、吸入配管１５内の流路面積の縮小を行う。
【００３３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
氷点下のような温度が低い低温環境下では、燃料電池スタック１２の内部に生成される水が凍結することがある。水が凍結している状態では、燃料電池スタック１２の発電効率が著しく低下する。そこで、本実施形態の燃料電池システム１０では、少なくとも燃料電池スタック１２の暖機が完了するまでの間においては、調圧弁１７ｖの弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくなっている。これにより、燃料電池スタック１２の内部で水が凍結している場合でも、凍結した水の燃料電池スタック１２からの排出が促されるようになるため、燃料電池スタック１２の発電効率の低下が回避され易くなる。
【００３４】
上述したように、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１２の暖機が完了するまでの間において、調圧弁１７ｖの弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくなっているため、圧縮機１１で圧縮されて吐出口１１ｂから吐出配管１６に吐出される空気の圧力である吐出圧は大気圧にほぼ等しくなっている。
【００３５】
氷点下のような温度が低い低温環境下で、燃料電池システム１０を起動させる場合、冷却水温度センサ３１により検出される温度は閾値未満になっている。よって、制御装置３０は、燃料電池システム１０が起動されると、燃料電池システム１０の運転モードを暖機運転モードにし、変更弁１９の弁開度が通常運転モード時よりも小さくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。すると、吸入配管１５内における変更弁１９が設けられた箇所では、変更弁１９の弁開度が小さくなったことにより、吸入配管１５内の流路面積が縮小する。
【００３６】
燃料電池スタック１２の暖機中に、変更弁１９により吸入配管１５内の流路面積が縮小されると、吸入配管１５内における変更弁１９よりも下流側を流れる空気の圧力は、吸入配管１５内における変更弁１９よりも上流側を流れる空気の圧力、すなわち大気圧よりも低くなる。よって、吸入口１１ａから圧縮機１１に吸入される空気の圧力である吸入圧は負圧となる。すると、吸入圧と吐出圧との圧力差が大きくなり易くなり、吐出口１１ｂから吐出配管１６に吐出される空気の温度も高温となり易くなる。
【００３７】
吐出口１１ｂから吐出された空気は、第１配管１６ａ、器内配管１６１、及び第２配管１６ｂを介して燃料電池スタック１２に供給される。器内配管１６１内を流れる空気は、循環配管１４ａ内を循環する冷却水と熱交換器２０を介して熱交換が行われる。これにより、冷却水が高温の空気によって暖められる。高温の空気によって暖められた冷却水は、スタック内配管１４２ａ内を通過する際に、燃料電池スタック１２を暖める。また、器内配管１６１内を通過して第２配管１６ｂ内を流れる空気は、冷却水との熱交換によって温度は低下するものの、大気中の空気よりは温度は高い。そして、器内配管１６１内を通過して第２配管１６ｂ内を流れる空気は、燃料電池スタック１２に供給され、燃料電池スタック１２を暖める。
【００３８】
燃料電池スタック１２の温度が上昇すると、スタック内配管１４２ａ内を流れる冷却水の温度も上昇する。よって、循環配管１４ａを循環する冷却水の温度が上昇する。制御装置３０は、冷却水温度センサ３１により検出された温度が閾値以上になると、燃料電池システム１０の運転モードを通常運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。そして、制御装置３０は、燃料電池スタック１２に供給する空気の圧力が、要求発電量を燃料電池スタック１２で発電するために必要な圧力となるように、調圧弁１７ｖの弁開度を制御する。
【００３９】
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）吐出配管１６を通じて燃料電池スタック１２に供給される空気の熱を利用して燃料電池スタック１２を暖めることができるため、低温環境下であっても、燃料電池スタック１２の温度を速やかに上昇させることができる。
【００４０】
（２）吐出配管１６内を流れる空気との間で熱交換が行われて温度上昇した循環配管１４ａの冷却水によっても、燃料電池スタック１２を暖めることができる。なお、循環配管１４ａのスタック内配管１４２ａは、燃料電池スタック１２の温度を調節する上で適切な構造を有しているため、燃料電池スタック１２の暖機中にスタック内配管１４２ａ内を流れる冷却水の熱を用いることで、燃料電池スタック１２を効率的に暖めることができる。
【００４１】
（３）冷却水温度センサ３１の検出結果に基づき燃料電池スタック１２の温度を把握し、同燃料電池スタック１２の温度が低いときに、燃料電池システム１０の運転モードを暖機運転モードにして燃料電池スタック１２の温度を上昇させることができるため、燃料電池スタック１２の温度を適切に上昇させることができる。
【００４２】
（４）吸入配管１５内の流路面積の縮小を同吸入配管１５に設けた変更弁１９の弁開度の変更を通じて行うことができる。
（５）制御装置３０は、暖機運転モード時において、調圧弁１７ｖの弁開度を、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくする一方で、変更弁１９の弁開度が通常運転モード時よりも小さくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。このため、凍結した水の燃料電池スタック１２からの排出を促しつつも、燃料電池スタック１２の温度を速やかに上昇させることができる。
【００４３】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  図２に示すように、燃料電池システム１０は、第１配管１６ａと第２配管１６ｂとを熱交換器２０を迂回して接続する接続流路を構成する接続配管４０を備えている。そして、第１配管１６ａと接続配管４０との接続箇所に、切換弁４１が設けられている。切換弁４１は制御装置３０からの制御信号を取り込む。切換弁４１は、吐出配管１６において吐出口１１ｂから切換弁４１までの通路、第１配管１６ａにおいて切換弁４１よりも下流側の通路、及び接続配管４０の接続状態を切り換え可能な電磁式の三方切換弁である。切換弁４１は、図２に実線の矢印で示すように、第１配管１６ａにおける熱交換器２０への空気の流通を許容し、且つ第１配管１６ａから接続配管４０を介しての第２配管１６ｂへの空気の流通を遮断する第１切換状態となるように、制御装置３０からの制御信号に基づいて、燃料電池システム１０の空気の流れを切換可能である。また、切換弁４１は、図２に破線の矢印で示すように、第１配管１６ａにおける熱交換器２０への空気の流通を遮断し、且つ第１配管１６ａから接続配管４０を介しての第２配管１６ｂへの空気の流通を許容する第２切換状態となるように、制御装置３０からの制御信号に基づいて、燃料電池システム１０の空気の流れを切換可能である。したがって、制御装置３０及び切換弁４１は、燃料電池システム１０の空気の流れを、第１切換状態と第２切換状態とに切換可能な切換部として機能する。
【００４４】
例えば、燃料電池システム１０において、冷却水温度センサ３１により検出された温度が閾値未満である場合、すなわち、燃料電池スタック１２の暖機中には、切換弁４１は、制御装置３０からの制御信号に基づいて、燃料電池システム１０の空気の流れを第２切換状態に切り換える。すると、吐出口１１ｂから第１配管１６ａに吐出された高温の空気が、第１配管１６ａから接続配管４０を介して第２配管１６ｂへ流通し、第２配管１６ｂを介して燃料電池スタック１２に供給される。よって、燃料電池システム１０が、循環配管１４ａ及び熱交換器２０を備えた構成であっても、熱交換器２０を用いた高温の空気と冷却水との間の熱交換を行うことなく、高温の空気を燃料電池スタック１２に供給することも可能となる。そして、例えば、燃料電池システム１０において、冷却水温度センサ３１により検出された温度が閾値以上である場合、すなわち、燃料電池スタック１２の暖機完了後、切換弁４１は、制御装置３０からの制御信号に基づいて、燃料電池システム１０の空気の流れを、第１切換状態に切り換える。なお、図２に示す実施形態では、熱交換器２０を用いた高温の空気と冷却水との間の熱交換が行われないため、図２で説明した実施形態の閾値は、図１で説明した実施形態の閾値よりも小さい値になる。
【００４５】
○  図３に示すように、第１配管１６ａと接続配管４０との接続箇所に切換弁４１を設ける構成に代えて、第１配管１６ａにおける接続配管４０の分岐箇所よりも熱交換器２０側に位置する配管に第１開閉弁４１ａを設けるとともに、接続配管４０に第２開閉弁４１ｂを設けるようにしてもよい。第１開閉弁４１ａ及び第２開閉弁４１ｂは制御装置３０からの制御信号を取り込む。そして、燃料電池システム１０の空気の流れを、第１切換状態にする際には、第１開閉弁４１ａは、制御装置３０からの制御信号に基づいて、開弁状態となり、第２開閉弁４１ｂは、制御装置３０からの制御信号に基づいて、閉弁状態となる。また、燃料電池システム１０の空気の流れを、第２切換状態とする際には、第１開閉弁４１ａは、制御装置３０からの制御信号に基づいて、閉弁状態となり、第２開閉弁４１ｂは、制御装置３０からの制御信号に基づいて、開弁状態となる。したがって、制御装置３０、第１開閉弁４１ａ及び第２開閉弁４１ｂは、燃料電池システム１０の空気の流れを、第１切換状態と第２切換状態とに切換可能な切換部として機能する。
【００４６】
○  図４に示すように、吸入配管１５は、フィルタ１５ａと圧縮機１１の吸入口１１ａとを接続するメイン配管１５１と、一端がメイン配管１５１におけるフィルタ１５ａ側に接続されるとともに他端がメイン配管１５１における圧縮機１１側に接続されるサブ配管１５２とを含んだ構成であってもよい。サブ配管１５２には、固定絞り１５３が設けられている。また、メイン配管１５１とサブ配管１５２の一端とが接続される接続箇所には、切換弁１５４が設けられている。切換弁１５４は、制御装置３０からの制御信号を取り込む。切換弁１５４は、メイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の一端との接続箇所に対してフィルタ１５ａ側に位置する配管、メイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の一端との接続箇所に対して圧縮機１１側に位置する配管、及びサブ配管１５２の接続状態を切り換え可能な電磁式の三方切換弁である。
【００４７】
制御装置３０は、冷却水温度センサ３１により検出された温度が閾値以上である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを通常運転モードにし、切換弁１５４の弁体の位置が第１切換位置になるように、切換弁１５４を制御する。切換弁１５４の弁体の位置が第１切換位置になると、メイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の一端との接続箇所に対してフィルタ１５ａ側に位置する配管内を流通する空気が、メイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の一端との接続箇所に対して圧縮機１１側に位置する配管内を流通する。そして、メイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の一端との接続箇所に対してフィルタ１５ａ側に位置する配管内を流通する空気が、サブ配管１５２内へ流入することが遮断されるようになっている。
【００４８】
一方、制御装置３０は、冷却水温度センサ３１により検出された温度が閾値未満であった場合には、燃料電池システム１０の運転モードを暖機運転モードにし、切換弁１５４の弁体の位置が第１切換位置とは異なる第２切換位置になるように、切換弁１５４を制御する。切換弁１５４の弁体の位置が第２切換位置になると、メイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の一端との接続箇所に対してフィルタ１５ａ側に位置する配管内を流通する空気が、メイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の一端との接続箇所に対して圧縮機１１側に位置する配管内へ流入することが遮断される。そして、メイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の一端との接続箇所に対してフィルタ１５ａ側に位置する配管内を流通する空気が、サブ配管１５２内へ流通する。
【００４９】
サブ配管１５２内を流通する空気は、固定絞り１５３を通過して、サブ配管１５２からメイン配管１５１のうちメイン配管１５１とサブ配管１５２の他端との接続箇所に対して圧縮機１１側に位置する配管内へ流入し、吸入口１１ａから圧縮機１１に吸入される。サブ配管１５２における固定絞り１５３が設けられた箇所では、サブ配管１５２の流路面積が縮小されているため、サブ配管１５２内における固定絞り１５３よりも下流側を流れる空気の圧力は、サブ配管１５２内における固定絞り１５３よりも上流側を流れる空気の圧力、すなわち大気圧よりも低くなる。よって、吸入圧は負圧となる。すると、吸入圧と吐出圧との圧力差が大きくなり易くなり、吐出口１１ｂから吐出配管１６に吐出される空気の温度が高温となり易くなる。
【００５０】
このように、図４に示す実施形態では、燃料電池スタック１２の暖機中に、吸入配管１５内を流れる空気が固定絞り１５３を通過するように、切換弁１５４が制御装置３０の制御信号に基づいて吸入配管１５内の空気の流れを変更し、固定絞り１５３を利用することにより吸入配管１５内の流路面積を縮小している。したがって、図４に示す実施形態において、制御装置３０、切換弁１５４及び固定絞り１５３は、燃料電池スタック１２の暖機中に、吸入配管１５内の流路面積を暖機完了後よりも縮小する流路面積変更部として機能している。
【００５１】
○  実施形態において、燃料電池システム１０は、大気の温度を検出する大気温度センサを備えていてもよい。大気の温度は、燃料電池スタック１２の温度と相関を有している。例えば、制御装置３０は、大気温度センサにより検出された温度が閾値以上である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを通常運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。一方、制御装置３０は、大気温度センサにより検出された温度が閾値未満である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを暖機運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくした弁開度よりも小さくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。
【００５２】
○  実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２から排出配管１７に排出される空気の温度を検出する排気温度センサを備えていてもよい。燃料電池スタック１２から排出される空気の温度は、燃料電池スタック１２の温度と相関を有している。例えば、制御装置３０は、排気温度センサにより検出された温度が閾値以上である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを通常運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。一方、制御装置３０は、排気温度センサにより検出された温度が閾値未満である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを暖機運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくした弁開度よりも小さくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。
【００５３】
○  実施形態において、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の温度を検出する温度センサを備えていてもよい。例えば、制御装置３０は、温度センサにより検出された温度が閾値以上である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを通常運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。一方、制御装置３０は、温度センサにより検出された温度が閾値未満である場合には、燃料電池システム１０の運転モードを暖機運転モードにし、変更弁１９の弁開度が、発電不良に陥らない範囲で最大限大きくした弁開度よりも小さくなるように変更弁１９の弁開度を制御する。
【００５４】
○  実施形態において、燃料電池スタック１２を構成するケースの外壁面に、吐出配管１６の一部分を接触させて吐出配管１６とケースとを熱的に結合し、空気の熱を、吐出配管１６を介してケースに伝達させることにより、燃料電池スタック１２を暖めるようにしてもよい。
【００５５】
○  実施形態において、変更弁は、例えば、外気温度が低いときに自律的に開度が小さくなる感温弁であってもよい。この場合、感温弁そのものが流路面積変更部に相当する。
○  実施形態において、圧縮機１１は、電動モータで駆動するターボ式の電動流体機械であったが、例えば、スクロール式の電動流体機械やルーツ式の電動流体機械であってもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０…燃料電池システム、１１…圧縮機、１１ａ…吸入口、１１ｂ…吐出口、１２…燃料電池スタック、１４ａ…循環配管、１５…吸入配管、１６…吐出配管、１６ａ…第１配管、１６ｂ…第２配管、１９…変更弁、２０…熱交換器、３０…制御装置、３１…冷却水温度センサ、４０…接続配管、４１…切換弁、４１ａ…第１開閉弁、４１ｂ…第２開閉弁、１５３…固定絞り、１５４…切換弁。
【図１】
2018113214.tif 000003
【図２】
2018113214.tif 000004
【図３】
2018113214.tif 000005
【図４】
2018113214.tif 000006