(57)【要約】【課題】本発明では、冷えた状態の燃料電池に湿潤空気を供給せずに、加湿器を暖機することができる燃料電池システムおよびその暖機方法を提供することにある。【解決手段】燃料電池システムＦＣＳには、燃料電池１に対して供給空気Ａを供給するコンプレッサ２２と、コンプレッサ２２の下流側に配設される冷却器２３と、冷却器２３の下流側に配設され、かつ燃料電池１から排出される排出空気Ａｅから水を回収して、供給空気Ａを加湿する加湿器２４と、供給空気Ａが通る主通路Ｗ１に設けられ、かつ冷却器２３を迂回する第一バイパス通路Ｗ２とが主に設けられている。そして、前記排出空気Ａｅが通る排出通路Ｗ３には、加湿器２３を迂回する第二バイパス通路Ｗ４が設けられている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に対して酸素含有ガスを供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサの下流側に配設され、前記コンプレッサの加圧により加熱された前記酸素含有ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器の下流側に配設され、かつ前記燃料電池から排出される排出ガスから水を回収して、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器と、
前記酸素含有ガスが通る供給通路に設けられ、かつ前記冷却器を迂回する第一バイパス通路とを備える燃料電池システムであって、
前記排出ガスが通る排出通路に、前記加湿器を迂回する第二バイパス通路を設けることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第一バイパス通路は、二股に分岐され、その二つの出口がそれぞれ前記加湿器の上流側と下流側に接続され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。
【請求項３】
燃料電池に対して酸素含有ガスを供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサの下流側に配設され、前記コンプレッサの加圧により加熱された前記酸素含有ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器の下流側に配設され、かつ前記燃料電池から排出される排出ガスから水を回収して、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムの暖機方法であって、
前記燃料電池が加湿準備状態の時に、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器を迂回して前記加湿器に供給するとともに、前記燃料電池の排出ガスを前記加湿器を迂回させて外部に排出することで酸素含有ガスを加湿せずに前記加湿器を加熱する第一ステップと、
前記燃料電池が加湿必要状態の時に、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器で冷却して加湿器に供給するとともに、前記燃料電池の排出ガスを前記加湿器に通すことで排出ガスから水を回収し前記酸素含有ガスを加湿する第二ステップとを有することを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出される排出ガスから水を回収する加湿器を備える燃料電池システムに関し、特に燃料電池および加湿器の暖機に寄与する燃料電池システムおよびその暖機方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃料電池自動車の動力源などとして、クリーンでエネルギ効率の優れた燃料電池が注目されている。この燃料電池では、カソード側に酸素を含んだ空気を供給するとともにアノード側に水素を供給することで、これらの水素と酸素を反応させて電気を発生させている。
【０００３】
ところで、前記のような燃料電池においては、その始動時に燃料電池の温度が効率のよい発電を実現する温度よりも低くなっているため、燃料電池を所定温度まで迅速に加温（暖機）する必要があった。このような問題に対して、従来では、たとえばコンプレッサ、冷却器（インタークーラ）、加湿器および燃料電池が順番に空気供給通路で直列に繋がっている回路構成の燃料電池システムに、冷却器または冷却器と加湿器とを迂回するバイパス通路を設ける技術がある（特許文献１参照）。この技術では、燃料電池の始動時にコンプレッサで圧縮された高温の空気を冷却器で冷却させないようにバイパス通路に通して燃料電池に供給することで、燃料電池を積極的に暖機させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３１３３８７号公報（段落番号〔００２５〕，〔００６２〕、図１，８）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池においては、その始動後の暖機状態（燃料電池が低温）である場合には燃料電池への供給空気を加湿器によって加湿する必要はなく、むしろ加湿することで冷えた状態の燃料電池に過飽和の湿潤ガスが送られて発電電圧が不安定になる場合があった。
【０００６】
しかしながら、始動後に燃料電池が暖まり、その温度が所定温度（たとえば、約５０℃）を超えるころからは、燃料電池の膜を保護するためには空気を加湿する必要があり、また空気の加湿を開始する際には、加湿性能を発揮するために加湿器を充分加熱しておくことが望ましかった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、冷えた状態の燃料電池に湿潤空気を供給せずに、加湿器を暖機することができる燃料電池システムおよびその暖機方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に記載の発明は、燃料電池に対して酸素含有ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側に配設され、前記コンプレッサの加圧により加熱された前記酸素含有ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器の下流側に配設され、かつ前記燃料電池から排出される排出ガスから水を回収して、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器と、前記酸素含有ガスが通る供給通路に設けられ、かつ前記冷却器を迂回する第一バイパス通路とを備える燃料電池システムであって、前記排出ガスが通る排出通路に、前記加湿器を迂回する第二バイパス通路を設けることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の始動時に燃料電池を迅速に暖機させる際は、酸素含有ガスを第一バイパス通路に通すとともに、排出ガスを第二バイパス通路に通す。これにより、コンプレッサからの酸素含有ガスは冷却器を迂回して加湿器と燃料電池に供給され、燃料電池から排出される水分を含んだ排出ガスは加湿器を迂回して外部に排出されることとなる。すなわち、排出ガスが加湿器を迂回することで加湿器内に水分が供給されないので、加湿器を暖めた酸素含有ガスは加湿されずに燃料電池に供給される。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成において、前記第一バイパス通路は、二股に分岐され、その二つの出口がそれぞれ前記加湿器の上流側と下流側に接続されることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による作用に加え、燃料電池の始動時に燃料電池を迅速に暖機させる際には、酸素含有ガスを第一バイパス通路を介して加湿器の下流側へ流す。また、加湿器を暖機させる際には、酸素含有ガスを第一バイパス通路を介して加湿器の上流側へ流す。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、燃料電池に対して酸素含有ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側に配設され、前記コンプレッサの加圧により加熱された前記酸素含有ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器の下流側に配設され、かつ前記燃料電池から排出される排出ガスから水を回収して、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムの暖機方法であって、前記燃料電池が加湿準備状態の時に、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器を迂回して前記加湿器に供給するとともに、前記燃料電池の排出ガスを前記加湿器を迂回させて外部に排出することで酸素含有ガスを加湿せずに前記加湿器を加熱する第一ステップと、前記燃料電池が加湿必要状態の時に、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器で冷却して加湿器に供給するとともに、前記燃料電池の排出ガスを前記加湿器に通すことで排出ガスから水を回収し前記酸素含有ガスを加湿する第二ステップとを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池が加湿準備状態の時に、コンプレッサからの酸素含有ガスを冷却器を迂回して加湿器に供給するとともに、燃料電池の排出ガスを加湿器に通さずに外部に排出する。これにより、加湿器が迅速に暖められるとともに、この加湿器を通った酸素含有ガスが加湿されないで燃料電池に供給される。そして、燃料電池が加湿必要状態となったら、コンプレッサからの酸素含有ガスを冷却器に通すとともに、排出ガスを加湿器に通すことで、コンプレッサからの酸素含有ガスを冷却および加湿して燃料電池に供給する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態〕
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムおよびその暖機方法の詳細について説明する。参照する図面において、図１は本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図であり、図２は燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【００１５】
図１に示すように、燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１、空気供給装置２、水素供給装置３、制御装置４などから構成される燃料電池１を中核とした発電システムである。なお、本実施形態における燃料電池システムＦＣＳは、自動車（燃料電池自動車）に搭載されるものとする。
【００１６】
図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極１ｂおよびアノード電極１ｄを形成している。電解質膜１ｃとしては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜１ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ω−プロトン以下の低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。
【００１７】
また、カソード電極１ｂの外側にはカソード電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気（酸素含有ガス）Ａを通流するカソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電極１ｄの外側にはアノード電極１ｄに燃料ガスとしての供給水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが設けられている。カソード極側ガス通路１ａの入口および出口は空気供給装置２に接続され、アノード極側ガス通路１ｅの入口および出口は水素供給装置３に接続されている。なお、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される。
【００１８】
この燃料電池１は、カソード極側ガス通路１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成され、生成されたプロトンは、電解質膜１ｃ中を移動してカソード電極１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂに到達したプロトンは、供給空気Ａの酸素の酸素イオンと反応して水を生成する。生成した水および未使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気Ａｅとして燃料電池１のカソード極側の出口から排出される（排出空気Ａｅは多量の水分を含む）。また、アノード電極１ｄでは水素がイオン化する際に電子ｅ−が生成されるが、この生成された電子ｅ−は、モータなどの外部負荷Ｍを経由してカソード電極１ｂに達する。
【００１９】
図１に示すように、空気供給装置２は、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、冷却器２３、加湿器２４、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５、逆流防止弁２６、圧力制御弁２７、および通路切替弁２８を備えている。また、この空気供給装置２は、エアクリーナ２１から吸引した供給空気Ａが通る主通路（供給通路）Ｗ１と、燃料電池１から排出される排出ガスＡｅが通る排出通路Ｗ３とを主に備えている。
【００２０】
主通路Ｗ１には、上流側から順にエアクリーナ２１、コンプレッサ２２、冷却器２３、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５、加湿器２４が配設され、排出通路Ｗ３には、上流側から順に通路切替弁２８、加湿器２４、圧力制御弁２７が配設されている。ここで、加湿器２４は、主通路Ｗ１と排出通路Ｗ３とに跨るように配設されている。さらに、この主通路Ｗ１には、第一バイパス通路Ｗ２が設けられ、排出通路Ｗ３には、第二バイパス通路Ｗ４が設けられている。
【００２１】
第一バイパス通路Ｗ２は、冷却器２３を迂回して形成されている。具体的には、コンプレッサ２２と冷却器２３の間で主通路Ｗ１から分岐して、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５と加湿器２４の間で主通路Ｗ１に合流する。したがって、第一バイパス通路Ｗ２を通過する供給空気Ａは、冷却器２３を通過しないようになっている。
【００２２】
ここで、第一バイパス通路Ｗ２の断面積は、主通路Ｗ１の断面積よりも小さく、たとえば主通路Ｗ１の断面積の１／２、またはそれ以下に設定されている。このように、第一バイパス通路Ｗ２の断面積が小さく設定されていることにより、供給空気Ａが第一バイパス通路Ｗ２を流れる際には、主通路Ｗ１を流れる際よりもコンプレッサ２２の吐出側の圧力が大きくなる。その結果、コンプレッサ２２における圧縮量が大きくなり、供給空気Ａの温度を高くすることができる。
【００２３】
第二バイパス通路Ｗ４は、加湿器２４を迂回して形成されている。具体的には、燃料電池１と加湿器２４の間で排出通路Ｗ３から分岐して、加湿器２４と圧力制御弁２７の間で排出通路Ｗ３に合流する。したがって、第二バイパス通路Ｗ４を通過する排出空気Ａｅは、加湿器２４を通過しないようになっている。
【００２４】
そのほか、空気供給装置２は、供給空気Ａ、排出空気Ａｅ、冷却水等の温度を検出する温度センサＴＳ１，ＴＳ２，ＴＳ３を有している。
【００２５】
エアクリーナ２１は、図示しないフィルタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給される空気（供給空気Ａ）をろ過して、供給空気Ａに含まれるごみを取り除く。
【００２６】
コンプレッサ２２は、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータなどから構成され、燃料電池１で酸化剤ガスとして使用される供給空気Ａを断熱圧縮して燃料電池１に圧送する。この断熱圧縮の際に供給空気Ａが加熱される。このように加熱された供給空気Ａが、燃料電池１の暖機に貢献する。
【００２７】
冷却器２３には、冷却水が流れる冷却水流路が設けられており、この冷却水と熱交換することによって、燃料電池１の通常運転時においてコンプレッサ２２から供給される供給空気Ａを冷却している。燃料電池１の通常運転時におけるコンプレッサ２２から供給される供給空気Ａの温度は通常１２０℃程度であるが、燃料電池１は８０〜９０℃程度の温度で運転される。このため、供給空気Ａは、６０〜７５℃程度に冷却されて燃料電池１に導入される。
【００２８】
加湿器２４は、燃料電池排出ガス供給型のものであり、たとえば多数、具体的には５０００本の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束がハウジング内に収容されており、中空糸膜内を供給空気Ａが通過し、ハウジング内であって中空糸膜の外側を排出空気Ａｅが通過する。燃料電池１では、発電に伴い水が発生して、排出空気Ａｅには大量の水分が含まれているので、この水分を供給空気Ａに水分交換して供給空気Ａを加湿する。
【００２９】
通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５は、スイッチ（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦにより弁が開閉されるものである。そして、この通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５が開くことで主通路Ｗ１に供給空気Ａが流れ、閉まることで第一バイパス通路Ｗ２に供給空気Ａが流れるようになっている。
【００３０】
逆流防止弁２６は、第一バイパス通路Ｗ２に設けられており、コンプレッサ２２から加湿器２４の方向に流れる供給空気Ａが逆流するのを防止している。
【００３１】
圧力制御弁２７は、図示しないバタフライ弁およびこれを駆動するステッピングモータなどから構成され、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの圧力（吐出圧）を圧力制御弁２７の開度を減少・増加することにより制御する。
【００３２】
通路切替弁２８は、排出通路Ｗ３と第二バイパス通路Ｗ４の分岐点に設けられ、その内部に加湿器２４側に設けられる弁と第二バイパス通路Ｗ４側に設けられる弁を有している。そして、この通路切替弁２８は、前記二つの弁の開閉を適宜切り替えることで、排出空気Ａｅを加湿器２４へ流すか第二バイパス通路Ｗ４へ流すかを切り替えている。
【００３３】
温度センサＴＳ１は、サーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側入口における供給空気Ａの温度Ｔ１を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３４】
温度センサＴＳ２は、温度センサＴＳ１と同様にサーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側出口における排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３５】
温度センサＴＳ３は、温度センサＴＳ１，ＴＳ２と同様にサーミスタなどから構成され、冷却器２３内に供給される冷却水（燃料電池１から排出される冷却水）の水温Ｔ３を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。ちなみに、この温度センサＴＳ３と冷却器２３との間には、燃料電池１や冷却器２３で暖められた冷却水を冷却する熱交換器（図示せず）が設けられている。
【００３６】
水素供給装置３は、水素ガスボンベ３１、レギュレータ３２、水素循環ポンプ３３などから構成される。水素ガスボンベ３１は、図示しない高圧水素容器から構成され、燃料電池１のアノード極側に導入される供給水素Ｈを貯蔵する。レギュレータ３２は、図示しないダイヤフラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵された供給水素Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使用できるようにする圧力制御弁である。
【００３７】
水素循環ポンプ３３は、図示しないエジェクタなどから構成され、燃料電池１のアノード極側に向かう供給水素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガスとして使用された後の供給水素Ｈ、つまり燃料電池１のアノード極側から排出される排出水素Ｈｅを吸引し循環させる。
【００３８】
制御装置４は、図示しないＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェイス、Ａ／Ｄ変換器、バスなどから構成され、燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御している。特に、この制御装置４は、供給空気Ａのルートや排出空気Ａｅのルートの切り替えを制御するとともに、燃料電池１に供給する供給空気Ａの温度Ｔ１を制御している。そのため、この制御装置４は、温度センサＴＳ１，ＴＳ２，ＴＳ３の検出信号を受信するとともに、これらの検出信号に基づいた制御信号をコンプレッサ２２、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５および通路切替弁２８のそれぞれに対して送信している。
【００３９】
次に、第１の実施形態に係る燃料電池１の始動時における燃料電池システムＦＣＳの動作の一例を、図３および図４を参照して説明する（適宜図１参照）。ここで、図３および図４は、第１の実施形態に係る燃料電池システムにおける制御フローを示すフローチャートである。
【００４０】
図３に示すように、燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチをＯＮにして燃料電池電気自動車を始動させると（Ｓ１）、所定のシステムチェックを行い、各種機器に異常がないか判断する（Ｓ２）。ここで異常が検出された場合には、異常状態に応じた所定の異常処理モードに移行する（Ｓ３）。一方、異常が検出されなかった場合には、アイドル運転を行う際に見合った量の供給空気Ａを供給するように、コンプレッサ２２の回転数を設定する（Ｓ４）。続いて、温度センサＴＳ２によって燃料電池１の出口側における排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出し、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が５０℃以下であるか否かを検出する（Ｓ５）。ここで、排出空気Ａｅの温度Ｔ２は、燃料電池１から排出された空気の温度であるので、排出空気Ａｅの温度Ｔ２によって、燃料電池１の暖機状態を判定することができる。
【００４１】
その結果、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が５０℃を超えている場合（燃料電池１が加湿必要状態の時）には、燃料電池１と加湿器２４の暖機が終了に近づき、かつ燃料電池１に湿潤空気を流す必要があると判断できるので、定常発電モードへ移行する（Ｓ６）。ここで、定常発電モードとは、燃料電池１へ供給される供給空気Ａが主通路Ｗ１を通るとともに、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅが排出通路Ｗ３を通るモードをいい、このモードでは供給空気Ａｅが冷却器２３で冷却されるとともに、加湿器２４で加湿されて燃料電池１に供給される。また、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が５０℃以下である場合（燃料電池１が加湿準備状態の時）には、燃料電池１および加湿器２４はいまだ暖機が必要な状態にあると判断できるので、暖機モードへ移行する（Ｓ７）。
【００４２】
こうして暖機モードに移行した後の制御について、図４を参照して説明する。暖機モードに入ったら（Ｓ１０）、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を閉じるとともに（Ｓ１１）、通路切替弁２８における第二バイパス通路Ｗ４側の弁のみを開放する（Ｓ１２）。ここで、このステップＳ１１，Ｓ１２は、本発明の特許請求の範囲にいう「第一ステップ」に相当する。
【００４３】
このように、各弁２５，２８を制御すると、コンプレッサ２２から排出される供給空気Ａが逆流防止弁２６の付勢力に抗して第一バイパス通路Ｗ２を通過するとともに、燃料電池１から排出される多量の水分を含んだ排出空気Ａｅが第二バイパス通路Ｗ４を通過する。すなわち、コンプレッサ２２からの供給空気Ａは冷却器２３を迂回して加湿器２４と燃料電池１に供給され、燃料電池１から排出される水分を含んだ排出空気Ａｅは加湿器２４を迂回して外部に排出されることとなる。これにより、排出空気Ａｅが加湿器２４を迂回することで加湿器２４内に水分が供給されないので、加湿器２４を暖めた供給空気Ａは加湿されずに燃料電池１に供給される。
【００４４】
前記のように各弁２５，２８を制御したら、温度センサＴＳ２によって、燃料電池１の出口側における排出空気Ａｅの温度Ｔ２を読み取る（Ｓ１３）。温度Ｔ２を読み取ったら、図５（ａ）に示す温度‐空気流量マップを参照して、排出空気Ａｅの温度Ｔ２に対応するコンプレッサ２２の回転数を検出し、コンプレッサ２２の回転数を、検出された回転数に設定する（Ｓ１４）。続いて、燃料電池１の出口側に配置される圧力制御弁２７の開度を設定する（Ｓ１５）。このときの圧力制御弁２７の開度は、図５（ｂ）に示す空気流量‐圧力制御弁開度マップを参照することにより、燃料電池１の入口側における供給空気Ａの圧力が所定の値になるように、コンプレッサ２２の回転数に対応する開度を設定する。
【００４５】
こうして圧力制御弁２７の開度を設定したら、温度センサＴＳ１によって、燃料電池１の入口側における供給空気Ａの温度Ｔ１を読み取り（Ｓ１６）、その温度Ｔ１が８０℃を超えるか否かを判断する（Ｓ１７）。供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超えている場合には、コンプレッサ２２の回転数を低下させて、圧縮量を減らすことにより、加湿器２４および燃料電池１に供給される供給空気Ａの温度Ｔ１を低下させて（Ｓ１８）、燃料電池１と加湿器２４を高温から保護している。
【００４６】
また、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃以下である場合には、コンプレッサ２２の回転数を変えることなく、そのまま運転を継続する。そして、燃料電池１の出口側における排出空気Ａｅの温度Ｔ２を検出し、その温度Ｔ２が５０℃を超えているか否かを判断する（Ｓ１９）。その結果、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が５０℃以下である場合には、さらに暖機が必要であると判断して、ステップＳ１３に戻って加湿器２４および燃料電池１の暖機制御を継続する。
【００４７】
一方、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が５０℃を超えている場合、すなわち燃料電池１が充分暖機された場合には、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を開くとともに（Ｓ２０）、通路切替弁２８における加湿器２４側の弁のみを開放する（Ｓ２１）。これにより、供給空気Ａが主通路Ｗ１を通って燃料電池１に供給され、排出空気Ａｅが排出通路Ｗ３を通って外部に排出されて、暖機モードから定常運転に移行することとなる（Ｓ２２）。ここで、５０℃は、本発明の特許請求の範囲にいう「所定温度」に相当し、ステップＳ２０，Ｓ２１は、本発明の特許請求の範囲にいう「第二ステップ」に相当する。
【００４８】
以上によれば、第１の実施形態において次のような効果を得ることができる。
燃料電池１の始動時に燃料電池１が所定温度（５０℃）以下である場合には、供給空気Ａが冷却器２３を迂回して加湿器２４と燃料電池１に供給され、排出空気Ａｅが加湿器２４を迂回して外部に排出されることにより加湿器２４を通る供給空気Ａが加湿されないので、冷えた状態の燃料電池１に湿潤空気を供給せずに、加湿器２４を暖機することができる。
【００４９】
〔第２の実施形態〕
次に、第２の実施形態に係る燃料電池システムおよびその暖機方法を説明する。なお、前記第１の実施形態と同一性のある要素・部材などについては、同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、図６は、第２の実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【００５０】
図６に示すように、第一バイパス通路Ｗ２は、逆流防止弁２６の下流側で二股に分岐され、その二つの出口がそれぞれ加湿器２４の上流側と下流側に接続されている。言い換えると、この第一バイパス通路Ｗ２には、その出口が加湿器２４の上流側に接続される加湿器暖機用通路Ｗ２１と、その出口が燃料電池１の上流側に接続される燃料電池暖機用通路Ｗ２２とが一体に形成されている。
【００５１】
第一バイパス通路Ｗ２の二股に分岐した部分には、暖機用通路切替弁２９が設けられている。そして、この暖機用通路切替弁２９は、加湿器暖機用通路Ｗ２１側に設けられる弁と燃料電池暖機用通路Ｗ２２側に設けられる弁を有しており、これらの弁の開閉を適宜切り替えることで、供給空気Ａを加湿器暖機用通路Ｗ２１へ流すか燃料電池暖機用通路Ｗ２２へ流すかを切り替えている。また、制御装置４は、この暖機用通路切替弁２９の切り替えを温度センサＴＳ２が検出する温度Ｔ２に基づいて制御している。
【００５２】
次に、第２の実施形態に係る燃料電池１の始動時における燃料電池システムＦＣＳの暖機方法の一例を、図７および図８を参照して説明する（適宜図３および図６参照）。ここで、図７は、第２の実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池暖機モードから加湿器暖機モードに移行するまでの制御フローを示すフローチャートであり、図８は、加湿器暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【００５３】
まず、図３に示すように、第１の実施形態と同様にイグニッションスイッチをＯＮにすると（Ｓ１）、以下のステップＳ２〜Ｓ７が実行される。ここで、ステップＳ５で温度Ｔ２が５０℃以下である場合には、ステップＳ７において燃料電池暖機モードへ移行する。
【００５４】
図７に示すように、燃料電池暖機モードに入ったら（Ｓ３０）、温度センサＴＳ２の温度Ｔ２を読み取り、その温度Ｔ２が２０℃以下であるか否かを判断する（Ｓ３１）。ここで、温度Ｔ２が２０℃を超える場合には、燃料電池１がある程度暖まっていると判断されて、加湿器暖機モードに移行する（Ｓ３２）。
【００５５】
一方、温度Ｔ２が２０℃以下である場合には、燃料電池１は冷えており、暖機が必要であると判断することができる。このときには、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を閉じるとともに（Ｓ３３）、暖機用通路切替弁２９における燃料電池暖機用通路Ｗ２２側の弁のみを開放する（Ｓ３４）。さらに、通路切替弁２８における第二バイパス通路Ｗ４側の弁のみを開放する（Ｓ３５）。
【００５６】
このように、各弁２５，２９，２８を制御すると、コンプレッサ２２から排出される供給空気Ａが第一バイパス通路Ｗ２の燃料電池暖機用通路Ｗ２２を通過するとともに、燃料電池１からの排出空気Ａｅが第二バイパス通路Ｗ４を通過する。すなわち、コンプレッサ２２からの供給空気Ａは冷却器２３と加湿器２４を迂回して燃料電池１に直接供給され、燃料電池１からの排出空気Ａｅは加湿器２４を迂回して外部に排出されることとなる。
【００５７】
続いて、第１の実施形態のステップＳ１３〜Ｓ１９に相当するステップＳ３６〜Ｓ４２を実行することで、燃料電池１に供給される供給空気Ａが８０℃を超えないようにコンプレッサ２２などを適宜制御して、燃料電池１を暖機する。なお、ステップＳ４２におけるしきい値は、第１の実施形態とは異なり２０℃に設定されている。これは、第１の実施形態のしきい値が、燃料電池および加湿器の暖気モードから定常運転へ移行させるための条件で設定されるのに対し、第２の実施形態のしきい値が、燃料電池暖機モードから加湿器暖機モードへ移行させるための条件で設定されるからである。
【００５８】
そして、ステップＳ４２において温度Ｔ２が２０℃を超えたと判断された場合は、燃料電池１がある程度暖まったと判断されて、加湿器暖機モードに移行する（Ｓ４３）。
【００５９】
図８に示すように、加湿器暖機モードに入ったら（Ｓ５０）、温度センサＴＳ２の温度Ｔ２を読み取り、排出空気Ａｅの温度Ｔ２が５０℃以下であるか否かを判断する（Ｓ５１）。このステップＳ５１において温度Ｔ２が５０℃以下であると判断された場合（燃料電池１が加湿準備状態の時）は、暖機用通路切替弁２９における加湿器暖機用通路Ｗ２１側の弁のみを開放して（Ｓ５２）、加湿器２４に供給空気Ａを供給する。このとき、この加湿器２４には燃料電池１からの排出空気Ａｅが通っていないので、この加湿器２４を通過した供給空気Ａは、加湿されずに燃料電池１に供給されることとなる。
【００６０】
続いて、第１の実施形態のステップＳ１３〜Ｓ１９に相当するステップＳ５３〜Ｓ５９を実行することで、燃料電池１に供給される供給空気Ａが８０℃を超えないようにコンプレッサ２２などを適宜制御して、加湿器２４および燃料電池１を暖機する。そして、ステップＳ５９または前記ステップＳ５１において排出空気Ａｅの温度Ｔ２が５０℃を超えた場合（燃料電池１が加湿必要状態の時）は、燃料電池１に湿潤空気を供給する必要があり、かつ加湿器２４が充分暖機されていると判断して、通路ＯＮ／ＯＦＦ弁２５を開放し（Ｓ６０，Ｓ６３）、通路切替弁２８における加湿器２４側の弁のみを開放する（Ｓ６１，Ｓ６４）。これにより、供給空気Ａが主通路Ｗ１および排出通路Ｗ３を通過して、定常運転に移行される（Ｓ６２，Ｓ６５）。
【００６１】
以上によれば、第２の実施形態において次のような効果を得ることができる。
燃料電池１の始動時に燃料電池１が冷えている場合には、燃料電池１のみを迅速に暖機することができる。
【００６２】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの温度Ｔ２に基づいて燃料電池１の暖機状態を判断しているが、燃料電池１から排出される冷却水の水温Ｔ３に基づいて、燃料電池１の暖機状態を判断することもできる。そのため、本実施形態の構造から、燃料電池１の暖機状態の判断に利用されない温度センサはその取り付けを省略することができる。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の始動時には、酸素含有ガスが冷却器を迂回して加湿器と燃料電池に供給され、排出ガスが加湿器を迂回して外部に排出されることにより加湿器を通る酸素含有ガスが加湿されないので、冷えた状態の燃料電池に湿潤空気を供給せずに、加湿器を暖機することができる。
【００６４】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加え、燃料電池の始動時には燃料電池のみを迅速に暖機することができる。
【００６５】
請求項３に記載の発明によれば、燃料電池が加湿準備状態の時に、この加湿器を通った酸素含有ガスが加湿されないので、冷えた状態の燃料電池に湿潤空気を供給せずに、加湿器を暖機することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【図３】第１の実施形態の燃料電池システムにおける始動時から暖機モードに移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図４】第１の実施形態の燃料電池システムにおける暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図５】（ａ）は、供給空気の温度とコンプレッサ回転数の関係を示す温度‐空気流量マップ、（ｂ）は、コンプレッサ回転数と圧力制御弁開度の関係を示す空気流量‐圧力制御弁開度マップである。
【図６】第２の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【図７】第２の実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池暖機モードから加湿器暖機モードに移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図８】第２の実施形態の燃料電池システムにおける加湿器暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
ＦＣＳ  燃料電池システム
Ａ      供給空気（供給ガス）
Ａｅ    排出空気（排出ガス）
１      燃料電池
２      空気供給装置
２２    コンプレッサ
２３    冷却器
２４    加湿器
２５    通路ＯＮ／ＯＦＦ弁
２６    逆流防止弁
２７    圧力制御弁
２８    通路切替弁
２９    暖機用通路切替弁
３      水素供給装置
４      制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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