(57)【要約】【課題】簡単な構成で効率的な燃料電池の昇温を可能とする燃料電池システム。【解決手段】燃料電池システム１０には、燃料電池１２、ＦＣラジエータ８６及びコンプレッサ６８との間で冷却液を循環し、切換バルブ９２の操作によって冷却液の流路をバイパス管９４に切り換え可能となっている。また、燃料電池への供給する空気の圧力は、調圧バルブ７４によって調整される。コントロールユニット７８は、燃料電池を起動するときに、温度センサ９６によって検出する温度が低いと、切換バルブによってバイパス管を選択して循環ポンプ８８を駆動すると共に、調圧バルブを閉じてコンプレッサを駆動する。これにより、高負荷で駆動されるコンプレッサの発する熱と、コンプレッサによって圧縮されて高温となった空気によって燃料電池の昇温を図ることができる。【選択図】図１
2008059922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に空気ないし酸化ガスと水素ガスを供給して、燃料電池の電池反応によって発電する燃料電池システムであって、
燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池へ供給する前記空気ないし酸化ガスを圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサの圧縮圧を調整する調圧手段と、
燃料電池、コンプレッサ及び冷却用熱交換器との間で形成される冷却液の循環路と、
前記循環路内で前記冷却液を循環する循環手段と、
前記循環路に設けられて前記放熱用熱交換器をバイパス可能とする冷却液の循環路を形成するバイパス手段と、
前記冷却液の循環経路を前記放熱用熱交換器と前記バイパス手段との間で切り換える切換手段と、
前記温度検出手段によって検出する温度が予め設定された第１の温度より低いときに、前記調圧手段によって前記コンプレッサの吐出圧を上昇させてコンプレッサを駆動すると共に、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動する起動制御手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池に空気ないし酸化ガスと水素ガスを供給して、燃料電池の電池反応によって発電する燃料電池システムであって、
燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池へ供給する前記空気ないし酸化ガスを圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサの圧縮圧を調整する調圧手段と、
燃料電池と冷却用熱交換器との間で形成される冷却液の循環路と、
前記循環路内で前記冷却液を循環する循環手段と、
前記放熱用熱交換器をバイパスして冷却液と前記コンプレッサとの間で熱交換可能とするバイパス手段と、
前記冷却液の循環経路を前記放熱用熱交換器と前記バイパス手段との間で切り換える切換手段と、
前記温度検出手段によって検出する温度が予め設定された第１の温度より低いときに、前記調圧手段によって前記コンプレッサの吐出圧を上昇させてコンプレッサを駆動すると共に、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動する起動制御手段と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
前記調圧手段を、前記燃料電池からの前記空気ないし酸化ガスの排出側に設けていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第１の温度よりも高い第２の温度が設定され、前記温度検出手段の検出温度が第１の温度より高く、第２の温度よりも低いときに、前記起動制御手段が、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動して、前記燃料電池の発電動作させることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１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、固体高分子型燃料電池を用い、車両などに搭載可能な燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両などに搭載可能な固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池とする）は、一般に、水素イオンを透過するイオン交換性の高分子膜（高分子電解質膜）を電解質とし、この電解質をカソードとアノードの二枚の拡散電極で挟持した膜電極接合体を備え、この膜電極接合体を一対のセパレータで挟持すると共に、膜電極接合体とそれぞれのセパレータとの間に流路を形成し、一方の流路へ燃料としての水素ガスを供給し、他方の流路へ酸化剤としての空気（酸素）を供給することで、発電動作を行なうようになっている。
【０００３】
このとき、水素ガス及び酸素の供給圧を高くすることにより、効率的な発電動作が可能となる。ここから、燃料電池を用いて発電を行なう燃料電池システムでは、水素タンクから高圧の水素ガスを燃料電池へ供給すると共に、コンプレッサによって圧縮した空気を燃料電池へ供給するようにしている。
【０００４】
また、燃料電池では、発電動作によって発熱し温度上昇が生じることから、燃料電池システムでは、冷却用熱交換器であるラジエータを設け、ラジエータと燃料電池との間で冷却液を循環させることにより、燃料電池の温度上昇を抑えるようにしている。
【０００５】
ところで、燃料電池（固体高分子型燃料電池）は、イオン導電性を維持するために、高分子電解質膜を適度に加湿しておく必要がある。このために、燃料電池は、発電停止状態で、０°Ｃ以下の低温域に保持されると、高分子電解質の内部や電極近傍に存在する水分が凍結して、燃料ガス（水素ガスや空気）のガス拡散が阻害されたり、高分子電解質膜でのイオン伝導率が低下してしまい、燃料電池の起動ができなかったり、起動できても発電効率が著しく低下してしまう。
【０００６】
ここから、特許文献１では、冷却媒体を加熱する加熱手段を設け、加熱手段と燃料電池との間で加熱した冷却媒体を循環することにより、燃料電池を加熱して、氷点下の環境であっても、燃料電池を迅速にかつ確実に動作するように提案している。
【０００７】
また、特許文献２では、コンプレッサによって圧縮した空気を、放熱器を通して燃料電池に供給するときに、放熱器をバイパスするバイパス通路を設け、コンプレッサによって圧縮されて昇温された空気を、バイパス通路を通して燃料電池へ供給することにより、燃料電池の暖機を行なうように提案している。
【特許文献１】特開２００５−４４６６８号公報
【特許文献２】特開２００５−２３５４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、燃料電池の暖機専用の加熱手段及び冷却媒体の循環機構を設けることは、燃料電池システムの大型化及びコストアップを生じさせてしまう。また、コンプレッサで圧縮した空気を燃料電池へ供給して暖機を行なうことは、必ずしもエネルギーの効率利用を図りうるものではない。
【０００９】
本発明は上記事実に鑑みてなされたものであり、低温環境下で燃料電池を効率的に暖機して発電動作可能とす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】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明は、燃料電池に空気ないし酸化ガスと水素ガスを供給して、燃料電池の電池反応によって発電する燃料電池システムであって、燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池へ供給する前記空気ないし酸化ガスを圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサの圧縮圧を調整する調圧手段と、燃料電池、コンプレッサ及び冷却用熱交換器との間で形成される冷却液の循環路と、前記循環路内で前記冷却液を循環する循環手段と、前記循環路に設けられて前記放熱用熱交換器をバイパス可能とする冷却液の循環路を形成するバイパス手段と、前記冷却液の循環経路を前記放熱用熱交換器と前記バイパス手段との間で切り換える切換手段と、前記温度検出手段によって検出する温度が予め設定された第１の温度より低いときに、前記調圧手段によって前記コンプレッサの吐出圧を上昇させてコンプレッサを駆動すると共に、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動する起動制御手段と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、燃料電池に空気ないし酸化ガスと水素ガスを供給して、燃料電池の電池反応によって発電する燃料電池システムであって、燃料電池の内部温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池へ供給する前記空気ないし酸化ガスを圧縮するコンプレッサと、前記コンプレッサの圧縮圧を調整する調圧手段と、燃料電池と冷却用熱交換器との間で形成される冷却液の循環路と、前記循環路内で前記冷却液を循環する循環手段と、前記放熱用熱交換器をバイパスして冷却液と前記コンプレッサとの間で熱交換可能とするバイパス手段と、前記冷却液の循環経路を前記放熱用熱交換器と前記バイパス手段との間で切り換える切換手段と、前記温度検出手段によって検出する温度が予め設定された第１の温度より低いときに、前記調圧手段によって前記コンプレッサの吐出圧を上昇させてコンプレッサを駆動すると共に、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動する起動制御手段と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、燃料電池に所定圧力の水素ガスとコンプレッサによって圧縮した空気ないし酸化ガスを供給して、燃料電池の発電動作を行なう。このとき、循環手段を作動させて、燃料電池と冷却用熱交換器の間、又は、燃料電池、コンプレッサ及び冷却用熱交換器との間で冷却液を循環することにより、燃料電池の温度上昇と共にコンプレッサの温度上昇を抑える。
【００１３】
一方、燃料電池を起動するときに、燃料電池の内部温度が第１の温度よりも低いときには、切換手段によってバイパス手段を選択して循環手段を作動させると共に、調圧バルブによってコンプレッサの吐出圧が高くなるようにしてコンプレッサを駆動する。
【００１４】
コンプレッサは、吐出圧が高くなることにより高負荷となり発熱量が増加する。このコンプレッサと燃料電池との間で冷却液を循環することにより、コンプレッサによって加熱された冷却液によって燃料電池の昇温が図られる。
【００１５】
これにより、燃料電池の内部に凍結等が生じて起動が困難なときに、燃料電池を加熱するための特別な熱源を設けること無く、効率的に燃料電池を加熱して起動可能な状態とすることができる。
【００１６】
このような、本発明においては、燃料電池と冷却用熱交換器の間のみで冷却液が循環されるか、又は、燃料電池用の放熱用熱交換と別にコンプレッサ用の放熱用熱交換器が設けられ、燃料電池とコンプレッサとが別々に循環される冷却液によって冷却されるときには、コンプレッサと燃料電池との間で冷却液が循環されるようにバイパス手段を設けて、冷却液の循環経路を切り換えるものであれば良い。
【００１７】
請求項２の発明は、前記調圧手段を、前記燃料電池からの前記空気ないし酸化ガスの排出側に設けていることを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、調圧手段を燃料電池の排出側に設け、燃料電池の発電動作を行なうときに、燃料電池に所定圧力に圧縮された空気ないし酸化ガスを供給できるようにしている。
【００１９】
また、燃料電池の温度が第１の温度よりも低いときには、コンプレッサが高負荷で駆動されることにより、コンプレッサによって高い圧縮率で圧縮された空気を燃料電池へ供給する。
【００２０】
コンプレッサでは、空気ないし酸化ガスを圧縮することにより、燃料電池に供給される空気が高温となり、コンプレッサで発生された熱と、空気ないし酸化ガスの熱によって燃料電池を昇温することができる。
【００２１】
これにより、燃料電池の昇温を、より効率的に短時間で行なうことができる。
【００２２】
請求項３に係る発明は、前記第１の温度よりも高い第２の温度が設定され、前記温度検出手段の検出温度が第１の温度より高く、第２の温度よりも低いときに、前記起動制御手段が、前記切換手段によって前記冷却液の循環経路をバイパス手段に切り換えて前記循環手段を駆動して、前記燃料電池の発電動作させることを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、燃料電池の温度が第１の温度を超えて起動可能となると、燃料電池を起動すると共に、放熱用熱交換器をバイパスして、コンプレッサと燃料電池との間で冷却液の循環を行う。
【００２４】
これにより、燃料電池が電池反応を行なうときに発する熱と、コンプレッサが発する熱によって燃料電池の昇温を図ることができ、燃料電池を迅速に、定常の発電動作状態とすることができる。
【００２５】
なお、第２の温度としては、燃料電池が、効率的に発電可能となる温度の下限を適用することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように本発明によれば、コンプレッサが高負荷で駆動しながら、コンプレッサと燃料電池との間で冷却液の循環を行うことにより、簡単な構成で効率的に燃料電池の昇温を計ることができる。
【００２７】
また、本発明では、コンプレッサと燃料電池との間で冷却液を循環しながら、コンプレッサを高負荷で駆動するときに発生する高温高圧の空気ないし酸化ガスを燃料電池へ供給することにより、より効率的に燃料電池の昇温を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１には、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の概略構成を示している。この燃料電池システム１０は、スタック構造を有する燃料電池（ＦＣ）１２を備えている。なお、燃料電池１２のスタックは、例えば、１００個の単セルが積層されて構成されている。
【００２９】
図２に示されるように、燃料電池１２は、フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）１４がアノード拡散電極１６とカソード拡散電極１８とに挟持された構造の膜電極接合体２０が、一対のセパレータ２２、２４に挟持されている。また、燃料電池１２では、膜電極接合体２０とセパレータ２２との間に水素ガス（Ｈ２）を通して供給／排出を行なう水素ガス流路（燃料流路）２６が形成され、膜電極接合体２０とセパレータ２４との間に空気（エア）を通して供給／排出を行なうエア流路（酸化ガス流路）２８が形成されている。
【００３０】
高分子電解質膜１４は、イオン導電性を有する電解質で形成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。この高分子電解質膜は、通常、イオン導電性を高めることから湿潤状態とされ、水素ガスが供給されることにより得られるアノード側の水素イオンが良好にイオン伝導して、カソード側に移動できるようにしている。なお、高分子電解質膜１４の湿潤状態は、例えば、燃料である水素ガスないしカソード側の酸素を含む空気を加湿することにより得られる。
【００３１】
アノード拡散電極１６及びカソード拡散電極１８は、電気化学反応を担う触媒層及び、集電体として機能する拡散層と構成され、アノード拡散電極１６は、高分子電解質膜１４側から順に、アノード触媒層３０と拡散層３２とが積層されて形成され、カソード拡散電極１８は、高分子電解質膜１４側から順に、カソード触媒層３４と拡散層３６とが順に積層されて形成されている。
【００３２】
アノード触媒層３０及びカソード触媒層３４は、高分子電解質膜１４の表面に、触媒とする白金又は白金と他の金属との合金を塗布して形成される。このときの塗布は、白金又は白金と他の金属の合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当に有機溶媒に分散させ、これに滴量の電解質溶液を添加してペースト化し、高分子電解質膜１４へスクリーン印刷などにより塗布する。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形して形成したシートを高分子電解質膜１４上にプレスしたり、白金等を高分子電解質膜１４と対向する側の拡散層３２、３６の表面に塗布するようにしても良い。
【００３３】
アノード拡散電極１６及びカソード拡散電極１８の拡散層３２、３６は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスなどが用いられる。なお、カーボンクロスのほか、炭素繊維から成るカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態であっても良い。
【００３４】
セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンなどのガス不透過の導電性部材によって形成される。このセパレータ２２、２４は、複数の単セルを積層してスタック構造を形成するときに、一つのセパレータ２２又はセパレータ２４が二つの膜電極接合体２０の間で共有され、セパレータ２２、２４の両側の面に流路が形成される。例えば、セパレータ２２は、隣接する単セルのセパレータ２４を成し、セパレータ２４は、隣接する単セルのセパレータ２２を成す。
【００３５】
燃料電池１２は、スタック構造における水素ガス流路２６に、水素（Ｈ２）密度の高い水素ガスが供給され、エア流路２８に酸素（Ｏ２）を含む空気が供給され、下記式で表される電気化学反応（電池反応）によって外部に電力を供給することができる。
【００３６】
Ｈ２  →  ２Ｈ＋＋２ｅ−
（1/2）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−  →  Ｈ２Ｏ
Ｈ２＋（1/2）Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ
図１に示されるように、燃料電池１２には、アノード側に、水素供給管３８及び排出管４０のそれぞれの一端が接続されており、水素供給配管３８は、単セルが積層されたスタック構造の水素ガス流路２６の供給口に連通され、排出管４０は、水素ガス流路２６の排出口に連通されている（何れも図示省略）。
【００３７】
水素供給管３８の他端には、水素ガスが高圧充填される水素タンク４２が連結され、これにより、水素タンク４２内の水素ガスが、燃料電池１２へ供給可能となっている。また、水素供給管３８には、中間部にシャットバルブ４４、高圧レギュレータ４６、低圧レギュレータ４８及び、シャットバルブ５０が水素タンク４２側から順に配設されており、シャットバルブ４４、高圧レギュレータ４６、低圧レギュレータ４８及びシャットバルブ５０の開閉状態を制御することにより、水素ガスの供給量及び供給圧力の調整がなされるようになっている。
【００３８】
なお、水素タンク４２に換えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、生成した水素ガスが燃料電池１２のアノード側に供給されるものであっても良い。
【００３９】
排出管４０には、シャットバルブ５２、水素ポンプ５４を備え、他端が逆止弁５６を介して水素供給管３８に連結されており、燃料電池１２から排出ガス（アノードオフガス）が、排出管４０に排出される。また、排出管４０には、シャットバルブ５８が設けられた排出配管６０の一端が接続されており、排出配管６０の他端が希釈器６２に接続されている。
【００４０】
これにより、排出配管６０のシャットバルブ５８が閉じられている状態では、アノードオフガスが水素ポンプ５４によって加圧されて、水素供給管３８へ戻され、燃料電池１２へ循環供給される。
【００４１】
燃料電池１２から排出されるアノードオフガスには、発電運転で消費されなかった水素が残量しており、このアノードオフガスを循環することにより、水素の有効活用を図る。
【００４２】
また、アノードオフガス中には、例えば、カソードから高分子電解質膜１４を透過してきて消費されずに残留した窒素などの不純物が含まれ、アノードオフガスが循環されることによりこの不純物濃度が徐々に増加する。このときに、シャットバルブ５８を開くことにより、不純物を含んだアノードオフガスを排出して、不純物の循環量を減少させることができる。
【００４３】
なお、シャットバルブ５８を開くことにより排出配管６０へ排出されるアノードオフガスは、希釈器６２で空気によって希釈されて外部に排気される。このとき、水素も同時に排出されるため、シャットバルブ５８の開度を極力抑えることが燃費向上を図る上で好ましい。また、シャットバルブ４４、５０、５２は、例えば緊急時などで、特に水素を閉じ込める場合に使用される。
【００４４】
一方、燃料電池１２には、カソード側に、エア供給管６４及び排出配管６６の一端が接続され、エア供給管６４がエア流路２８の供給口に連通され、排出配管６６がエア流路２８の排出口に連通されている。エア供給管６４には、コンプレッサ６８及び加湿器７０が設けられると共に、他端側に給気ダクト７２が設けられている。これにより、コンプレッサ６８が回転駆動されると、給気ダクト７２から図示しないフィルタを介してエア（空気）が吸引され、加湿器７０によって加湿されながら所定の供給圧で燃料電池１２に供給される。
【００４５】
排気配管６６には、調圧バルブ７４が設けられ、他端にマフラ７６が設けられている。これにより、電池反応によって酸素密度が低くなって燃料電池１２のカソード側から排出される排出空気（カソードオフガス）及び生成水が排気配管６６からマフラ７６を介して外部に排気される。また、コンプレッサ６８によって圧縮されて燃料電池１２へ供給される空気の供給圧は、調圧バルブ７４の開度が制御されることにより調整される。
【００４６】
一方、燃料電池システム１０には、コントロールユニット７８が設けられている。このコントロールユニット７８には、コンプレッサ６８、各バルブ及び図示しない各種のセンサが接続されている。
【００４７】
このコントロールユニット７８は、車両に設けられているバッテリ８０から供給される電力によって作動し、バッテリ８０から供給される電力によってコンプレッサ６８を駆動すると共に各バルブを作動させて燃料電池１２の発電動作を制御する。
【００４８】
これにより、燃料電池システム１０では、水素タンク４２から所定圧力の水素ガスが燃料電池１２の水素ガス流路２６へ供給されると共に、コンプレッサ６８によって圧縮した空気が燃料電池１２のエア流路２８へ供給され、燃料電池１２内で電気化学反応（電池反応）が行なわれることにより発電された電力が出力される。このとき、燃料電池システム１０では、燃料電池１２へ供給する水素ガス及び空気の圧力を高くすることにより、反応速度を上昇させて発電効率の向上を図るようにしている。このような燃料電池システム１０の基本的構成は、公知の構成を適用することができる。
【００４９】
ところで、燃料電池システム１０では、燃料電池１２に冷却液配管８２、８４の一端が接続され、この冷却液配管８２、８４の他端は、燃料電池用の熱交換器（ＦＣラジエータ８６とする）に接続している。また、冷却液配管８４には、中間部に循環ポンプ８８が設けられている。
【００５０】
循環ポンプ８８は、コントロールユニット７８に接続されており、コントロールユニット７８に制御されて作動することにより、燃料電池１２とＦＣラジエータ８６の間で、冷却液の循環がなされる。
【００５１】
ＦＣラジエータ８６は、例えば、車両の走行ないし冷却ファン９０の作動によって車両前方側（矢印ＦＲ方向側）から外気が冷却風として導風されるようになっており、これにより、ＦＣラジエータ８６では、冷却風と冷却液との間で熱交換が行われるようになっている。
【００５２】
燃料電池１２では、電池反応によって発熱し、温度上昇が生じる。このときに、ＦＣラジエータ８６で冷却した冷却液を、燃料電池１２内を循環されることにより、燃料電池１２の昇温が抑えられる。コントロールユニット７８では、冷却液を循環して燃料電池１２の冷却を行うことにより、燃料電池１２の温度を最も高い発電効率が得られる温度範囲に維持するようにしている。
【００５３】
また、燃料電池システム１０では、冷却液配管８４の中間部にコンプレッサ６８が設けられており、循環ポンプ８８が作動されることにより、ＦＣラジエータ８６から燃料電池１２へ循環される冷却液がコンプレッサ６８を通過するようにしている。
【００５４】
燃料電池システム１０では、コンプレッサ６８で空気を圧縮して燃料電池１２へ供給するようにしており、コンプレッサ６８で空気の圧縮を行なうことにより、コンプレッサ６８に温度上昇が生じる。このときに、コンプレッサ６８へ冷却液が循環されることにより、コンプレッサ６８の温度上昇が抑えられるようにしている。
【００５５】
一方、燃料電池システム１０は、冷却液配管８２の中間部に三方弁などを用いた切換バルブ９２が設けられており、この切換バルブ９２にバイパス管９４の一端が接続されている。また、このバイパス管９４は、他端がコンプレッサ６８とＦＣラジエータ８６の間で冷却液配管８４に接続している。
【００５６】
切換バルブ９２は、コントロールユニット７８に接続しており、コントロールユニット７８は、切換バルブ９２を作動することにより、冷却液の流路を、ＦＣラジエータ８６を通過する流路と、ＦＣラジエータ８６をバイパスする流路に切り換える。
【００５７】
これにより、冷却液の流路がＦＣラジエータ８６を通過する流路となると、ＦＣラジエータ８６、コンプレッサ６８及び燃料電池１２の間で冷却液が循環される。また、冷却液の流路がＦＣラジエータ８６をバイパスする流路（バイパス管９４）に切り換えられることにより、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で冷却液が循環される。
【００５８】
また、燃料電池１２には、内部の温度（内部温度ＴＢ）を検知する温度センサ９６が設けられており、この温度センサ９６がコントロールユニット７８に接続している。
【００５９】
燃料電池システム１０のコントロールユニット７８では、燃料電池１２を起動するときに、温度センサ９６によって燃料電池１２の内部温度ＴＢを検出し、内部温度ＴＢが低いと燃料電池１２を暖機する。
【００６０】
このとき、燃料電池１２を起動しながら暖機を行なうときの第１の温度とする下限温度ＴＬと、第２の温度とする上限温度ＴＨを設定している。この下限温度ＴＬは、燃料電池１２の内部に凍結等が生じて燃料電池１２の起動が困難と判断しうる温度となっており、また、上限温度ＴＨは、燃料電池１２の起動は可能であるが、適正運転状態に達してはいないと判断しうる温度に設定されている。
【００６１】
コントロールユニット７８では、燃料電池１２の内部温度ＴＢが下限温度ＴＬを超えるまでは、燃料電池１２の起動を停止すると共に、コンプレッサ６８を駆動し、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で冷却液の循環を行う。
【００６２】
このときに、コントロールユニット７８では、調圧バルブ７４を閉じて、コンプレッサ６８の負荷を大きくすることにより、コンプレッサ６８が発する熱で冷却液を加熱して燃料電池１２の昇温を図ると共に、コンプレッサ６８によって圧縮されることにより昇温された空気を燃料電池１２へ供給することにより燃料電池１２の昇温を図る。
【００６３】
また、コントロールユニット７８では、内部温度ＴＢが下限温度ＴＬと上限温度ＴＨの範囲であるときには、燃料電池１２の空気の供給圧が所定圧となるように調圧バルブ７４を開いて燃料電池１２を起動し、コンプレッサ６８によって加熱された冷却液と、燃料電池１２が発電動作を行なうことにより生じる熱によって燃料電池１２の昇温を図るようにしている。
【００６４】
このように構成されている燃料電池システム１０では、燃料電池１２の起動指示が入力されることにより、コントロールユニット７８が、各バルブを作動すると共に、コンプレッサ６８を駆動する。これにより、水素タンク４２から所定圧力の水素ガスが、燃料電池１２のスタックの水素ガス供給路２６へ供給されると共に、加湿器７０によって加湿された後、コンプレッサ６８によって圧縮された空気がエア流路２８へ供給される。
【００６５】
これにより、燃料電池１２では、電気化学反応が発生して、これにより生じる電力を出力する。
【００６６】
また、コントロールユニット７８では、燃料電池１２の発電動作に応じて循環ポンプ８８を作動させる。切換バルブ９２は、通常、冷却液がＦＣラジエータ８６へ循環されるように切り換えられており、これにより、燃料電池１２、ＦＣラジエータ８６及びコンプレッサ６８の間で冷却液が循環され、燃料電池１２及びコンプレッサ６８の温度上昇を抑える。
【００６７】
これにより、燃料電池システム１０では、燃料電池１２の効率的な発電動作が行なわれる。このような燃料電池システム１０は、公知の基本的構成を適用することができる。
【００６８】
ところで、燃料電池１２では、加湿器７０によって加湿された空気が供給されることにより、高分子電解質膜１４が湿潤状態に保たれ、これにより、イオン導電性が高められている。このような燃料電池１２が、発電停止状態で、例えば氷点下以下などの低温域にあると単セル内で水分の凍結等が生じ、起動が困難となったり、起動ができたとしても発電効率が極めて低下した状態となる。
【００６９】
ここから、コントロールユニット７８では、燃料電池１２の起動指示が入力されたときに、燃料電池１２の内部温度ＴＢが低くなっていると、燃料電池１２の暖機を行うことにより、燃料電池１２の確実な起動と、起動直後から効率的な発電運転が可能となるようにしている。
【００７０】
ここで、図３を参照しながら、コントロールユニット７８によって実行される起動制御を説明する。なお、燃料電池システム１０では、燃料電池１２の起動指示が入力されると起動制御を行い、起動制御が終了すると、通常制御へ移行するようにしている。
【００７１】
このフローチャートでは、最初のステップ１００で燃料電池１２の起動指示が入力されたか否かを確認し、起動指示が入力されるとステップ１００で肯定判定して起動制御を開始する。
【００７２】
この起動制御では、先ず、ステップ１０２で、温度センサ９６によって検出する燃料電池１２の内部温度ＴＢを読み込み、次のステップ１０４では、内部温度ＴＢが、下限温度ＴＬ以下か否かを確認する。このときの下限温度ＴＬとしては、例えば、燃料電池１２内で水分の凍結が生じている可能性のある温度（例えば０°Ｃ）などを適用することができる。
【００７３】
ここで、例えば、車両の駐車環境が低温域であり、内部温度ＴＢが下限温度ＴＬに達していないときには、ステップ１０４で肯定判定してステップ１０６へ移行する。このステップ１０６では、燃料電池１２のカソード側の排出管路６６に設けている調圧バルブ７４を閉状態とすることにより、コンプレッサ６８を駆動したときに、吐出圧が高くなるように設定し、コンプレッサ６８が高負荷となるようにする。なお、このときの調圧バルブ７４の設定圧は、コンプレッサ６８の許容範囲で、燃料電池１２の単セルの耐圧範囲内となるようにしている。
【００７４】
これと共に、ステップ１０８では、切換バルブ９２を操作して、冷却液が会いパス路９４へ流れえるようにする。
【００７５】
この後、ステップ１１０では、コンプレッサ６８の駆動を開始し、ステップ１１２では、循環ポンプ８８の駆動を開始する。これにより、コンプレッサ６８が高負荷で駆動されると共に、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で冷却液が循環される。
【００７６】
コンプレッサ６８は、高負荷で駆動されることにより温度上昇が生じ、この温度上昇によって加熱された冷却液が燃料電池１２へ循環されることにより、燃料電池１２の昇温が図られる。また、コンプレッサ６８では、空気の圧縮を行なうようになっており、これにより、コンプレッサ６８から吐出される空気が高温となる。
【００７７】
また、燃料電池システム１０では、コンプレッサ６８の吐出圧を、燃料電池１２の排出側に設けている調圧バルブ７４よって調整するようにしており、コンプレッサ６８によって昇温された空気は、燃料電池１２に供給されて、燃料電池１２の昇温を行なう。
【００７８】
このように、燃料電池システム１０では、コンプレッサ６８を高負荷で駆動することにより発生される熱と、コンプレッサ６８が圧縮を行なうことにより温度が上昇された空気によって並行して燃料電池１２の暖機を行なうので、効率的にかつ的確に燃料電池１２の昇温を行なうことができる。
【００７９】
このようにして燃料電池１２の昇温を行ないながら、ステップ１１４では、温度センサ９６によって検出する燃料電池１２の内部温度ＴＢを読み込み、ステップ１１６では、内部温度ＴＢが下限温度ＴＬを超えたか否か、すなわち、燃料電池１２が動作可能な温度に達したか否かを確認する。
【００８０】
これにより、燃料電池１２の内部温度ＴＢが下限温度ＴＬを超えると、ステップ１１６で肯定判定してステップ１１８へ移行する。なお、燃料電池１２の起動指示が入力されたときに、燃料電池１２の内部温度ＴＢが下限温度ＴＬを超えているときには、ステップ１０４で否定判定してステップ１１８へ移行する。
【００８１】
このステップ１１８では、燃料電池１２へ供給される空気の圧力が、燃料電池１２の発電動作を行なうときの圧力となるように調圧バルブ７４を開く。また、ステップ１２０では、切換バルブ９２を操作して、冷却液がバイパス路９４を流れるように切り換える。なお、既に切換バルブ９２の切換操作が行なわれているときには、その操作状態を保持する。
【００８２】
これと共に、ステップ１２２では、コンプレッサ６８を駆動することにより、調圧バルブ７４の設定圧力に応じた空気を燃料電池１２へ供給すると共に、水素タンク４２から所定圧力の水素ガスを燃料電池１２へ供給することにより燃料電池１２を起動する。このとき、循環ポンプ８８を駆動することにより、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で冷却液を循環する。
【００８３】
これにより、燃料電池１２では、発電動作を行なうことにより発生する熱と、コンプレッサ６８の熱によって加熱された冷却液とによって昇温が図られる。
【００８４】
この後、ステップ１２４では、温度センサ９６によって検出する燃料電池１２の内部温度ＴＢを読み込み、ステップ１２６では、内部温度ＴＢが上限温度ＴＨに達したか否かを確認する。このときの上限温度ＴＨは、暖機を必要とする上限の温度であり、燃料電池１２が適正に発電動作可能な温度の下限温度としている。
【００８５】
ここで、燃料電池１２が昇温され、内部温度ＴＢが上限温度ＴＨに達すると、ステップ１２６で肯定判定してステップ１２８へ移行する。このステップ１２８では、切換バルブ９２を操作することにより冷却液がＦＣラジエータ８６へ循環されるように冷却液の流路を切り換え、燃料電池１２の起動制御を終了し、通常の発電制御へ移行する。
【００８６】
このように、燃料電池システム１０では、燃料電池１２を起動するときに、燃料電池１２の内部温度ＴＢが下限温度ＴＬに達していないときには、コンプレッサ６８を高負荷で運転して、このときに発生する熱によって燃料電池１２の昇温を図る。また、コンプレッサ６８によって圧縮されて昇温された空気を燃料電池１２へ供給することにより、コンプレッサ６８を駆動することにより発生する熱を有効に利用し、効率的に燃料電池１２の昇温を行うことができる。
【００８７】
このとき、燃料電池１２とコンプレッサ６８を冷却する冷却液の循環経路に切換バルブ９２とバイパス路９４を設ける簡単な構成で達成することができる。
【００８８】
一方、本実施の形態では、予め燃料電池１２、ＦＣラジエータ８６及びコンプレッサ６８の間で冷却液が循環される燃料電池システム１０を例に説明したが、通常の冷却液の循環を燃料電池とＦＣラジエータとの間で行い、低温域での起動時に、ＦＣラジエータをバイパスする管路が、コンプレッサに密接するか接触するなどして、コンプレッサと冷媒との間で熱交換が可能となるようにした構成であっても良い。
【００８９】
すなわち、通常は、冷却液によって燃料電池のみを冷却する構成であるときに、バイパス管９４がコンプレッサと冷却液との間で熱交換可能に設けたものであっても良い。
【００９０】
また、燃料電池１２の冷却回路と分離してコンプレッサ６８の冷却回路が設けられているときには、それぞれの冷却回路のラジエータ（冷却用放熱器）をバイパスして燃料電池１２とコンプレッサ６８との間で冷却液を循環する冷却回路を形成するように冷却回路の切り換えが行われるものであっても良い。
【００９１】
なお、以上説明した本実施の形態は、本発明の一例を示すものであり、本発明の構成を限定するものではない。例えば、本実施の形態では、燃料電池１２の排出側に設けた調圧バルブ７４を閉じることにより、コンプレッサ６８が高負荷で駆動されるようにしたが、これに限らず、コンプレッサ６８と燃料電池１２との間で、シャットバルブや調圧バルブを設けて、コンプレッサ６８が高負荷で駆動されるようにしても良い。
【００９２】
また、本実施の形態では、燃料電池システム１０を例に説明したが、本発明は、これに限らず、個体高分子型燃料電池を用いて発電を行う任意の構成の燃料電池システムに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本実施の形態に適用した燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池を形成する単セルの一例を示す概略構成図である。
【図３】起動制御の一例を示す流れ図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０    燃料電池システム
１２    燃料電池
１４    高分子電解質膜
１６    アノード拡散電極
１８    カソード拡散電極
４２    水素タンク
６４    エア供給配管
６６    排出配管
６８    コンプレッサ
７４    調圧バルブ（調圧手段）
７８    コントロールユニット（起動制御手段）
８２、８４    冷却液配管（循環手段）
８６    ＦＣラジエータ（放熱用熱交換器）
８８    循環ポンプ（循環手段）
９２    切換バルブ（切換手段）
９４    バイパス管（バイパス手段）
９６    温度センサ（温度検出手段）
【図１】
2008059922.tif 000003
【図２】
2008059922.tif 000004
【図３】
2008059922.tif 000005