(57)【要約】【課題】ＦＣスタックを大型化することなく、発電開始時におけるＦＣスタック内の凍結を解消することができる。【解決手段】燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１６に関連する温度としての冷却水の温度を測定する温度センサ１７と、空気供給流路６の途中に設けられる三方弁１４と、三方弁１４の他方の出口１４ｃに一端が接続されると共に他端がラジエータ１１に向けて開放される暖気流路１５とを備えている。ＥＣＵ７は、ＦＣスタック１の発電を開始する際に、冷却水の温度が氷点下である場合には、三方弁１４を切り替えてエアコンプレッサ３から吐出される高温の空気を暖気流路１５に導くことにより、冷却水の温度を上昇させ、これと相関関係にあるＦＣスタック１内の温度を発電に適した温度まで上昇させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック、該燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給手段、該水素供給手段と前記燃料電池スタックとの間を接続する水素供給流路、前記燃料電池スタックに空気を供給するエアコンプレッサ、該エアコンプレッサと前記燃料電池スタックとの間を接続する空気供給流路および前記燃料電池スタックを冷却する冷却水が循環する冷却系流路を含む、燃料電池ユニットと、
前記燃料電池ユニットに関連する温度を測定する温度測定手段と、
前記空気供給流路の上流側に入口が接続されると共に前記空気供給流路の下流側に一方の出口が接続される三方弁と、
前記三方弁の他方の出口に一端が接続されると共に他端から吐出される空気によって前記冷却水を温める暖気流路と、
前記三方弁の切り替えを制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの発電を開始する際に、前記燃料電池ユニットに関連する温度が所定の温度以下である場合には、前記三方弁を切り替えて前記エアコンプレッサから供給される空気を前記暖気流路に導く、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池ユニットに関連する温度は前記冷却水の温度である、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却水流路の途中にはラジエータが設けられ、前記暖気流路の他端は前記ラジエータに向けて開放される、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記暖気流路の他端は前記燃料電池ユニットの構成要素の少なくとも一部を収容する空間内に開放される、請求項１または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】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池システムの実用化が進められている。一般的な燃料電池システムでは、燃料電池スタック（ＦＣスタック）に水素と酸素が供給され、これら水素と酸素がＦＣスタック内で化学反応を起こすことによって、電気エネルギーが生成される。また、燃料電池システムをフォークリフト等の産業車両に搭載したものも既に実用化されている。
【０００３】
ところで、冬季などに外気温が氷点下まで下がる場合には、燃料電池システムの発電停止時に、先の発電時にＦＣスタック内で生成された水がスタック内で凍結する可能性がある。そのような場合には、燃料電池システムの発電開始に先立ってＦＣスタック内の凍結を解消し、スタック内の温度を発電に適した温度まで上昇させる必要がある。
【０００４】
特許文献１には、ＦＣスタックの側面に熱交換器を取り付け、エアコンプレッサから吐出される高温の空気によってＦＣスタックを温めることにより、ＦＣスタック内の凍結を解消する発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１４３０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、ＦＣスタックに熱交換器を取り付けるために、ＦＣスタックが大型化してしまうという問題がある。特に、フォークリフト等の産業車両のように、限られた空間内に燃料電池システムを収容する必要がある場合には、これは大きな問題となる。
【０００７】
この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、ＦＣスタックを大型化することなく、発電開始時におけるＦＣスタック内の凍結を解消することができる、燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、燃料電池スタック、燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給手段、水素供給手段と燃料電池スタックとの間を接続する水素供給流路、燃料電池スタックに空気を供給するエアコンプレッサ、エアコンプレッサと燃料電池スタックとの間を接続する空気供給流路および燃料電池スタックを冷却する冷却水が循環する冷却系流路を含む、燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットに関連する温度を測定する温度測定手段と、空気供給流路の上流側に入口が接続されると共に空気供給流路の下流側に一方の出口が接続される三方弁と、三方弁の他方の出口に一端が接続されると共に他端から吐出される空気によって冷却水を温める暖気流路と、三方弁の切り替えを制御する制御手段とを備え、制御手段は、燃料電池スタックの発電を開始する際に、燃料電池ユニットに関連する温度が所定の温度以下である場合には、三方弁を切り替えてエアコンプレッサから供給される空気を暖気流路に導く。
【０００９】
燃料電池ユニットに関連する温度は冷却水の温度であってもよい。
【００１０】
冷却水流路の途中にはラジエータが設けられ、暖気流路の他端はラジエータに向けて開放されていてもよい。
【００１１】
暖気流路の他端は燃料電池ユニットの構成要素の少なくとも一部を収容する空間内に開放されていてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係る燃料電池システムによれば、ＦＣスタックを大型化することなく、発電開始時におけるＦＣスタック内の凍結を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る燃料電池システムにおける発電開始時の動作を説明するフローチャートである。
【図３】この発明のその他の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【図４】この発明のその他の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の構成を図１に模式的に示す。なお、以降の説明では、フォークリフト等の産業車両に搭載される燃料電池システムを例にとって説明するが、本願発明の適用可能な範囲はこれに限定されるものでない。例えば、燃料電池自動車に搭載される燃料電池システムに対しても、本願発明を同様に適用することができる。
【００１５】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック（ＦＣスタック）１と、水素ガスを供給可能な水素タンク２と、酸素を含む空気を吐出可能なエアコンプレッサ３とを備えている。水素タンク２から供給される水素ガスとエアコンプレッサ３から吐出される空気中の酸素とがＦＣスタック１の内部で化学反応を起こすことによって、ＦＣスタック１の発電が行われる。
【００１６】
水素タンク２とＦＣスタック１との間は水素供給流路４によって接続されており、水素供給流路４の途中には、ＦＣスタック１に供給される水素ガス量を調整するための流量調整弁５が設けられている。なお、水素タンク２と流量調整弁５が水素供給手段を形成している。一方、エアコンプレッサ３とＦＣスタック１との間は空気供給流路６によって接続されており、空気供給流路６の途中には、後述するインタークーラ１３が設けられている。
【００１７】
流量調整弁５およびエアコンプレッサ３は、マイクロコンピュータによって構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）７によって制御される。ＥＣＵ７は、流量調整弁５の開度とエアコンプレッサ３の吐出量を制御することによって、ＦＣスタック１に供給される水素と酸素の量を調整し、ＦＣスタック１の発電量を制御する。なお、ＦＣスタック１内における化学反応に寄与しなかった水素ガスと空気は、水素排出経路８と空気排出経路９からそれぞれ排出される。
【００１８】
また、ＦＣスタック１には、ＦＣスタック１内を発電に適した温度に保つための冷却水（ＬＬＣ等の不凍冷媒）が循環する冷却系流路１０が接続されている。冷却系流路１０の途中には、ラジエータ１１と、ウォータポンプ１２と、先述したインタークーラ１３とが設けられている。
【００１９】
ラジエータ１１は、冷却系流路１０の周辺の空気と冷却水との間で熱交換を行わせる。ウォータポンプ１２は、冷却系流路１０内で冷却水を循環させる。インタークーラ１３は、エアコンプレッサ３から吐出される高温の空気と冷却水との間で熱交換を行わせることによって、ＦＣスタック１に供給される空気が過度に高温になることを防止する。
【００２０】
また、空気供給流路６の途中には三方弁１４が設けられている。三方弁１４の入口１４ａは空気供給流路６の上流側６ａに接続されており、三方弁１４の一方の出口１４ｂは空気供給流路６の下流側６ｂに接続されている。また、三方弁１４の他方の出口１４ｃには、暖気流路１５の一端１５ａが接続されており、暖気流路１５の他端１５ｂはラジエータ１１に向けて開放されている。
【００２１】
なお、本願発明においては、燃料電池システム１００の構成要素である、ＦＣスタック１、水素タンク２、水素供給流路４、エアコンプレッサ３、空気供給流路６、冷却系流路１０等は、一体化されたユニット（「燃料電池ユニット１６」）内に収容されている。また、ラジエータ１１は、燃料電池ユニット１６の壁部に取り付けられており、暖気流路１５の他端１５ｂは、燃料電池ユニット１６の外側からラジエータ１１に向けて開放されている。
【００２２】
さらに、燃料電池システム１００は、燃料電池ユニット１６に関連する温度を測定するための手段を少なくとも一つ備えている。この実施の形態１における温度測定手段は、冷却系流路１０内を循環する冷却水の温度を測定する温度センサ１７であり、温度センサ１７によって測定された冷却水の温度はＥＣＵ７に入力される。
【００２３】
次に、この発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００の発電を開始する際の動作について、図２のフローチャートを参照して説明する。この際、図１のシステム模式図も併せて参照されたい。なお、図２のフローチャートの開始時において、エアコンプレッサ３とウォータポンプ１２は停止状態であるが、流量調整弁５は一定の開度で開いており、水素タンクからＦＣスタック１へは水素ガスが常時供給されている。
【００２４】
燃料電池システム１００の発電を開始する際、ＥＣＵ７は、燃料電池ユニット１６に関連する温度として、温度センサ１７によって測定される冷却水の温度を取得する（Ｓ１０１）。冷却水の温度が氷点下（０℃以下）である場合には、これと相関関係にあるＦＣスタック１内の温度も氷点下であると考えられる。その場合、先の発電時にＦＣスタック１内で生成された水がスタック内で凍結している可能性がある。そのため、ＥＣＵ７は、ＦＣスタック１を温める必要があると判断する。
【００２５】
詳細には、ＥＣＵ７は、冷却水の温度が氷点下である場合（Ｓ１０２＝ＹＥＳ）には、三方弁１４を暖気流路１５側に切り替え（Ｓ１０３）、エアコンプレッサ３とウォータポンプ１２の運転を開始させる（Ｓ１０４）。これにより、エアコンプレッサ３から供給される高温の空気が暖気流路１５の他端１５ｂからラジエータ１１に向けて吐出され、この高温の空気と冷却水との間で熱交換が行われることにより、冷却水が暖められる。この暖められた冷却水が冷却系流路１０内を循環することにより、ＦＣスタック１内の温度が次第に上昇していき、スタック内の凍結が解消される。
【００２６】
ＥＣＵ７は、冷却水の温度を一定周期で繰り返し取得し（Ｓ１０５、Ｓ１０６）、冷却水の温度が所定の温度以上になると（Ｓ１０６＝ＹＥＳ）、これと相関関係にあるＦＣスタック１内の温度も発電に適した温度になったと判断し、三方弁１４を空気供給流路６の下流側６ｂに切り替え、エアコンプレッサ３から吐出される空気をＦＣスタック１に導く（Ｓ１０７）。これにより、ＦＣスタック１内に空気と水素ガスが共に供給されることになり、ＦＣスタック１の発電が開始される（Ｓ１０８）。
【００２７】
以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００では、燃料電池ユニット１６に関連する温度としての冷却水の温度を測定する温度センサ１７と、空気供給流路６の途中に設けられる三方弁１４と、三方弁１４の他方の出口１４ｃに一端が接続されると共に他端がラジエータ１１に向けて開放される暖気流路１５とを備えている。
【００２８】
ＥＣＵ７は、ＦＣスタック１の発電を開始する際に、燃料電池ユニット１６に関連する温度としての冷却水の温度が氷点下である場合には、三方弁１４を切り替えてエアコンプレッサ３から吐出される高温の空気を暖気流路１５に導くことにより、冷却水の温度を上昇させ、これと相関関係にあるＦＣスタック１内の温度を発電に適した温度まで上昇させる。これにより、特許文献１に記載の発明のようにＦＣスタックに熱交換器を取り付けるのではなく、既存の燃料電池システムの空気供給流路６の途中に三方弁１４と暖気流路１５を取り付けるだけの簡素な構成によって、発電開始時におけるＦＣスタック１内の凍結を解消することができる。
【００２９】
なお、上記の実施の形態１では、インタークーラ１３の上流側に三方弁１４が設けられていたが、インタークーラ１３の下流側に三方弁１４を設けてもよい。その場合には、ラジエータ１１だけでなく、インタークーラ１３においても冷却水を温めることができる。すなわち、三方弁１４は、エアコンプレッサ３からＦＣスタック１に至る空気供給流路６の途中であれば、いずれの位置に設けてもよい。
【００３０】
また、上記の実施の形態１では、燃料電池ユニット１６に関連する温度として冷却水の温度を用いていたが、燃料電池ユニット１６に関連する温度としてその他のものを用いてもよい。例えば、エアコンプレッサ３の上流側の空気の温度（これは外気温にほぼ等しいと考えられる）を用いてもよい。
【００３１】
その他の実施の形態．
実施の形態１では、暖気流路１５の他端１５ｂは、燃料電池ユニット１６の外側からラジエータ１１に向けて開放されていたが、図３に示されるように、燃料電池ユニット１６の内側からラジエータ１１に向けて開放するようにしてもよい。このように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００３２】
また、暖気流路１５の他端１５ｂをラジエータ１１に向けて開放するのではなく、図４に示されるように、燃料電池ユニット１６を収容する空間内にそのまま開放するようにしてもよい。燃料電池ユニット１６を収容する空間内の温度が上昇すれば、結果としてＦＣスタック１内の温度も上昇するからである。
【００３３】
また、燃料電池ユニット１６を収容する空間が一つではなく、ユニットの各構成要素が複数箇所に分かれて配置されているような場合でも、暖気流路１５の他端１５ｂを構成要素の少なくとも一部を収容する空間内に開放するようにすれば、その空間内に収容されている構成要素が温められることにより、結果としてＦＣスタック１内の温度も上昇する。
【符号の説明】
【００３４】
１００，２００，３００  燃料電池システム、１  ＦＣスタック（燃料電池スタック）、２  水素タンク、３  エアコンプレッサ、４  水素供給流路、６  空気供給流路、７  ＥＣＵ（制御手段）、１０  冷却水流路、１１  ラジエータ、１４  三方弁、１５，２１５，３１５、  暖気流路、１６  燃料電池ユニット、１７  温度センサ（温度測定手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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