(57)【要約】【課題】暖機専用の新たな構成部品を追加することなく、空気供給用のポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、同じ容量のポンプを使用した場合に短時間で暖機が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は燃料電池１１のアノード電極側に水素タンク２５の水素を水素循環ポンプ２４を利用して供給し、燃料電池１１の水素排出ポートから排出される水素が水素タンク２５から供給される水素とともに循環使用される。水素循環ポンプ２４には加圧可能なポンプが使用され、暖機時には水素循環経路で水素を循環させるとともに、水素循環ポンプ２４は圧縮比が通常運転時の適正な圧縮比より高くなるように制御されて、通常運転時より水素の圧力を高くする。暖機終了後は、水素循環ポンプ２４は水素の加圧状態が通常運転時の加圧状態になるように圧縮比が制御される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の水素電極側に水素源の水素を、ポンプを利用して供給する水素供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池で使用されなかった水素を前記水素供給手段の水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路を備え、前記ポンプに水素を加圧可能なポンプが使用され、暖機時には前記水素循環経路で水素を循環させるとともに、通常運転時の適正な圧縮比より前記ポンプの圧縮比を高くして運転を行う燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池の水素電極側に水素源の水素を、ポンプを利用して供給する水素供給手段を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池で使用されなかった水素を前記水素供給手段の水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路を備え、前記ポンプに水素を加圧可能なポンプが使用され、暖機時には前記水素循環経路で水素を循環させるとともに、前記ポンプを駆動するモータの回転速度を通常運転時の適正な回転速度より高めて運転を行う燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池で使用されなかった水素は通常運転時も水素循環経路により循環される請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
暖機が終了した時に前記ポンプの運転条件を通常運転時の運転条件に自動的に変更する変更手段を備えている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記変更手段は、燃料電池の温度を直接又は間接的に検出するセンサの検出信号に基づき、燃料電池の温度が所定温度に達すると前記ポンプの運転条件を通常運転時の運転条件に変更する請求項４に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは低温環境で使用される際の少なくとも始動時に所定の温度以上に暖機するための構成に特徴を有する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車の動力源等として、クリーンでエネルギー効率の優れた燃料電池が注目されている。燃料電池は、周知のように、酸素と水素とを化学反応させることで生じる起電力を利用するものである。そして、カソード側に酸素を供給するとともに、アノード側に水素を供給し、水素と酸素とを反応させることによって、化学エネルギーが直接的に電気エネルギーに変換されるので、優れた変換効率が得られる。
【０００３】
燃料電池にはいくつかの種類があるが、自動車に使用するには小型で高出力であることが要求され、固体高分子型燃料電池が好適に使用される。固体高分子型燃料電池は、所定の温度（８０〜９０℃程度）で効率よく発電が行われる。燃料電池は発熱反応のため、発電を開始して所定時間経過すれば、環境温度が低くても効率良く発電を継続できるが、発電開始時に低温（例えば、５℃以下）では発電できないか極めて効率が悪い。従って、冬の屋外等での燃料電池の始動時には、燃料電池を少なくとも発電開始可能な温度まで暖める必要があり、好ましくは効率良く運転を継続できる温度まで暖める暖機装置が必要になる。また、燃料電池の通常運転時には燃料電池の発熱反応に伴う熱で燃料電池の温度が、効率良く発電できる温度より高くなるのを防ぐ必要もある。
【０００４】
従来、炭化水素の改質で生成した水素を燃料とする燃料電池において、燃料電池の始動時に、供給ガスあるいは排出ガスを燃焼させて、改質装置の温度を改質用燃料の改質反応に適した温度に加熱する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、燃料電池セルの温度を検出する温度検出手段と、燃料電池セルに供給する空気を加熱するヒータとを設け、始動時に温度検出手段の検出温度に基づいてヒータの発熱量を制御するようにした装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
また、燃料電池の暖機を行う際に、暖機専用のヒータを必要としない燃料電池システムの暖機装置が提案されている（例えば、特許文献３及び特許文献４参照）。特許文献３に記載の燃料電池の暖機装置は、排出空気の熱を利用して熱交換器により供給空気を加熱するとともに、排出空気の管路に三方弁を設け、排出空気を供給空気の管路に戻すことが可能に構成されている。また、燃料電池からの排出空気を圧送するコンプレッサを備えている。従って、暖機を行う際に、コンプレッサの圧縮により排出空気の温度を高めて、その排出空気を供給空気の管路に戻すことができる。
【０００７】
特許文献４に記載の燃料電池システムの暖機装置は、燃料電池に対して供給空気を供給するコンプレッサを有し、コンプレッサと燃料電池との間には、供給空気を流す主流路が形成され、主流路には供給空気を冷却する放熱器が設けられている。また、コンプレッサから供給される供給空気を、放熱器を迂回して燃料電池に供給するバイパス通路が設けられている。さらに、空気通路と水素通路との間に、供給空気の熱を供給水素に伝達する熱交換器が設けられている。そして、供給空気を冷却する必要がある燃料電池システムの通常運転時には供給空気を放熱器を介して燃料電池に供給し、暖機が必要な時には、バイパス通路を介して供給空気を燃料電池に供給する。
【０００８】
また、燃料電池の水素供給源として純度の高い水素を使用する構成では、一般に水素循環ポンプを設けて、燃料電池からの排出水素を水素供給源からの水素に混合して燃料電池に供給する循環経路が設けられている。そして、水素循環ポンプには、エジェクタ式のものが使用されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−６３１０４号公報（明細書の段落［００２１］、［００４１］〜［００４３］、図３）
【特許文献２】
特開２００２−９３４４５号公報（明細書の段落［００２８］〜［００３０］、図１）
【特許文献３】
特開２００２−５６８７１号公報（明細書の段落［００２６］、［００４１］、［００５８］、図１）
【特許文献４】
特開２００２−３０５０１３号公報（明細書の段落［００２５］、［００３７］、［００５８］、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載の方法では、燃料電池の特徴の一つであるクリーンという利点にとってマイナスとなる。また、特許文献２の装置では、ヒータの熱源に電池を使用するため、暖機のためだけに電力を使用することになり、燃料電池を自動車に搭載した場合、その走行距離が短くなる。また、暖機専用の装置を設けるためその分の配置スペースを確保する必要があるため、燃料電池システム全体が大型化する。
【００１１】
特許文献３に記載の燃料電池発電システムでは、燃料電池で使用されて酸素の一部が水素と反応した後の排出ガスを循環可能に構成されている。従って、暖機の際には排出ガスを循環させることにより、コンプレッサで加圧されることによって発生した熱が、燃料電池を暖めるのに有効に使用される。発電をせずに燃料電池を暖めるだけの目的であれば、排出ガスを循環させるのは有効である。しかし、低温で燃料電池が発電を開始した場合は、燃料電池に新しい空気（酸素）の供給が必要となり、排出ガスの燃料電池への戻し量を少なくする必要があり、酸素供給と、排出ガスの循環による燃料電池の昇温とを同時に行うのが難しい。
【００１２】
特許文献４に記載の燃料電池発電システムでは、空気通路と水素通路との間に、供給空気の熱を供給水素に伝達する熱交換器を設けた構成のため、暖機を行う際、水素電極側においても燃料電池を暖めることができる。しかし、余分な熱交換器が必要となり、装置が大型化する。
【００１３】
また、従来、水素循環ポンプにはエジェクタ式のものが使用されているため、水素を加圧して温度を高めることはできず、水素を加圧してその発熱を暖機に使用することを示唆する記載はなかった。
【００１４】
本発明は前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、暖機専用の新たな構成部品を追加することなく、空気供給用のポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、同じ容量のポンプを使用した場合に短時間で暖機が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、燃料電池の水素電極側に水素源の水素を、ポンプを利用して供給する水素供給手段を備えた燃料電池システムである。前記燃料電池で使用されなかった水素を前記水素供給手段の水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路を備え、前記ポンプに水素を加圧可能なポンプが使用されている。暖機時には前記水素循環経路で水素を循環させるとともに、通常運転時の適正な圧縮比より前記ポンプの圧縮比を高くして運転を行う。「通常運転時の適正な圧縮比」とは、暖機時以外の燃料電池の運転状態において、カソード電極（酸素電極）側の酸素の圧力に対応するアノード電極（水素電極）側の水素の圧力を確保するのに必要な圧力に水素を加圧するために必要な圧縮比を意味する。
【００１６】
この発明では、暖機時には、燃料電池で使用されなかった水素が水素循環経路で循環されるとともに、通常運転時の適正な圧縮比よりポンプの圧縮比を高くして運転がおこなわれる。従って、ポンプが通常運転時の適正な圧縮比で運転された場合より高圧になるまで水素が加圧され、加圧の際に発生する熱量が大きくなる。そして、通常運転時の適正な圧縮比で運転された場合より高温の水素がポンプから吐出されて燃料電池に供給され、燃料電池が暖められる。
【００１７】
空気と水素のガス特性を考慮すると、空気の方が熱容量が大きく、同じ循環量であれば、一度に運ぶ熱量は水素に比較して大きい。しかし、水素は空気に比較して、熱伝導率が高く、また、分子が小さいため、同容量のポンプで同じ圧損の閉回路を循環させた場合、水素の方が小さなエネルギーで大きな流量を循環させることができる。従って、暖機専用の新たな構成部品を追加することなく、空気ポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、同じ容量のポンプを使用した場合に短時間で暖機が可能になる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、燃料電池の水素電極側に水素源の水素を、ポンプを利用して供給する水素供給手段を備えた燃料電池システムである。前記燃料電池で使用されなかった水素を前記水素供給手段の水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路を備え、前記ポンプに水素を加圧可能なポンプが使用されている。暖機時には前記水素循環経路で水素を循環させるとともに、前記ポンプを駆動するモータの回転速度を通常運転時の適正な回転速度より高めて運転を行う。「通常運転時の適正な回転速度」とは、暖機時以外の燃料電池の運転状態において、カソード電極（酸素電極）側の酸素の圧力に対応するアノード電極（水素電極）側の水素の圧力を確保するのに必要な圧力に水素を加圧するようにポンプを運転するために必要なモータの回転速度を意味する。
【００１９】
この発明では、暖機時には、燃料電池で使用されなかった水素が水素循環経路で循環されるとともに、通常運転時の適正な回転速度よりポンプを駆動するモータの回転速度を高めて運転が行われる。従って、ポンプから単位時間当たりに吐出される水素の量が増加され、燃料電池を暖めるために水素から供給される単位時間当たりの熱量が増加し、通常運転時の適正な回転速度でポンプを運転する場合に比較して、燃料電池を短時間で暖めることができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記燃料電池で使用されなかった水素は通常運転時も水素循環経路により循環される。この発明では、通常運転時に、燃料電池の水素電極（アノード電極で）で使用されなかった水素を再利用できるため、燃料の効率が高くなる。また、燃料電池に供給する水素の量を、アノード電極で使用されずに燃料電池の外部に排出される量が少なくなるように制御する必要がなく、燃料電池に供給する水素の量の制御が容易になる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、暖機が終了した時に前記ポンプの運転条件を通常運転時の運転条件に自動的に変更する変更手段を備えている。この発明では、暖機が終了すると、ポンプによる水素の加圧が、変更手段により通常運転時の加圧に自動的に変更される。従って、暖機終了後に燃料電池を暖めるという無駄なエネルギーの使用が防止される。
【００２２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記変更手段は、燃料電池の温度を直接又は間接的に検出するセンサの検出信号に基づき、燃料電池の温度が所定温度に達すると前記ポンプの運転条件を通常運転時の運転条件に変更する。ここで「燃料電池の温度を間接的に検出する」とは、燃料電池システム又は燃料電池システムの一部の温度を検出して、その検出温度から燃料電池の温度を求めることを意味する。この発明では、暖機の終了時期の判断が、燃料電池の温度に基づいてなされるため、暖機の終了時期の判断が正確になされ、ポンプの圧縮比やポンプを駆動するモータの回転速度等の運転条件の変更が適切になされる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図１及び図２に従って説明する。図１は燃料電池システムの概略構成図であり、図２は燃料電池セルの模式分解断面図である。
【００２４】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池１１、水素供給手段１２、酸素供給手段１３、燃料電池冷却手段１４及び制御装置１５を備えている。燃料電池１１は、例えば固体高分子型の燃料電池からなり、水素供給手段１２から供給される水素と、酸素供給手段１３から供給される酸素とを反応させて直流の電気エネルギー（直流電力）を発生する。
【００２５】
燃料電池１１は、図２に示すような、燃料電池セル１６を多数直列に積層連結することにより構成されている。燃料電池セル１６は、電解質膜（イオン交換膜）１７を挟んで、水素電極としてのアノード電極１８と、酸素電極としてのカソード電極１９とが配置され、その外側にガスケット１６ａ及びセパレータ２０，２１が配設される構成となっている。そして、多数の燃料電池セル１６が図示しない通しボルトにより締め付けられて、スタックが構成されている。各セパレータ２０，２１の電極と対向する側にはそれぞれ複数の溝２０ａ，２１ａが平行に形成されている。この実施の形態では、アノード電極１８と対向する溝２０ａの数が、カソード電極１９と対向する溝２１ａの数より多く形成されている。各溝２０ａとアノード電極１８で構成される水素通路の方が、溝２１ａとカソード電極１９で構成される空気通路より流路の断面積が小さく、各流路を構成する壁面の合計面積は、水素通路の方が空気通路より大きく形成されている。
【００２６】
水素供給手段１２は、燃料電池１１の水素供給ポートに管路２２を介して連結され、燃料電池１１の水素排出ポートに管路２３を介して連結されたポンプとしての水素循環ポンプ２４と、水素源（水素ガス供給源）としての水素タンク２５とを備えている。水素循環ポンプ２４はモータＭにより駆動される。水素タンク２５は途中にレギュレータ２６を備えた管路２７を介して管路２２に連結されている。レギュレータ２６は、水素タンク２５に高圧で貯蔵された水素を所定の圧力まで減圧させて一定圧力で供給する圧力制御弁である。管路２３、水素循環ポンプ２４及び管路２２により、燃料電池１１で使用されなかった水素を水素供給手段１２の水素供給経路に戻すことが可能な水素循環経路が構成されている。
【００２７】
水素循環ポンプ２４には水素を加圧可能なポンプが使用され、この実施の形態ではスクロール型コンプレッサが使用され、制御装置１５からの指令によって圧縮力（圧縮比）を制御可能に構成されている。制御装置１５は暖機が終了した時に水素循環ポンプ２４の運転条件を通常運転時の運転条件に自動的に変更する変更手段を構成する。
【００２８】
制御装置１５は、始動時から所定時間経過するまでは、水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時の適正な圧縮比より高くなるように運転制御し、所定時間経過後に、水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時の適正な圧縮比で運転するように制御する。即ち、制御装置１５は、始動時から所定時間経過するまでは、水素循環ポンプ２４を通常運転時より高圧の水素を吐出するように運転制御し、所定時間経過後に、水素循環ポンプ２４を通常運転時の加圧状態で運転するように制御する。前記所定時間は、予め実験により求められた値に設定されている。
【００２９】
酸素供給手段１３は、燃料電池１１の酸素供給ポートに管路２８を介して連結されたコンプレッサ２９を備えている。コンプレッサ２９は図示しないエアクリーナでゴミ等が除去された空気を圧縮して管路２８に吐出するようになっている。コンプレッサ２９も圧縮力が変更可能に構成されている。燃料電池１１の空気排出ポートには排気管３０が連結されている。
【００３０】
燃料電池冷却手段１４はラジエータ３１と、ラジエータ３１で冷却された冷却水を燃料電池１１及び水素循環ポンプ２４に導く配管３２とを備え、冷却水が配管３２を介して燃料電池１１、水素循環ポンプ２４及びラジエータ３１を循環するようになっている。なお、配管３２の途中には冷却水を循環させる図示しないウォータポンプが設けられ、ウォータポンプは制御装置１５からの指令信号に基づいて駆動、停止及び流量変更が可能になっている。この実施の形態では燃料電池冷却手段１４が水素循環ポンプ２４をも冷却可能になっている。
【００３１】
次に前記のように構成された燃料電池システム１０の作用を説明する。
燃料電池システム１０は、環境温度が燃料電池１１の発電が可能な予め設定された温度（設定温度）以上の場合は通常運転が行われ、環境温度が前記予め設定された設定温度未満の場合は、暖機が行われた後、通常運転が行われる。制御装置１５は環境温度を計測する温度センサ（図示せず）の検出信号に基づいて、環境温度が前記設定温度以上であれば始動時から通常運転を行い、環境温度が設定温度未満の場合には暖機を行った後、通常運転に移行する。
【００３２】
通常運転時には、水素タンク２５からレギュレータ２６を介して水素が供給されるとともに、水素循環ポンプ２４は水素を第１の所定の加圧状態に圧縮するように運転される。そして、第１の所定の加圧状態で水素が燃料電池１１のアノード電極１８側に供給される。また、コンプレッサ２９が駆動されて、空気が所定の圧力に加圧されて燃料電池１１のカソード電極１９側に供給される。水素の供給量及び空気の供給量は、水素及び空気（酸素）がアノード電極１８又はカソード電極１９と対応する通路を通過する間に燃料電池１１での化学反応によって消費される量より多い。そして、発電のための化学反応で発生した水は、水蒸気の状態で未反応の空気とともに排気管３０から外部に排出される。また、未反応の水素は管路２３を経て水素循環ポンプ２４へ導かれ、水素循環ポンプ２４により加圧されて循環再利用される。
【００３３】
固体高分子型燃料電池は、８０〜９０℃程度で効率よく発電が行われるが、水素と酸素との化学反応は発熱反応のため、発電を継続すると、反応熱のため燃料電池１１の温度が８０〜９０℃の適正温度より上昇する。この温度上昇を防止するため、ラジエータ３１で冷却された冷却水が循環される。また、水素循環ポンプ２４は水素を加圧する構成のため発熱するので、冷却水の循環により冷却されて過熱が防止される。
【００３４】
暖機を行う場合は、ラジエータ３１の冷却水の循環が停止された状態で、制御装置１５は、水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時の適正な圧縮比より高くなるように制御し、水素を第２の所定の加圧状態に圧縮するように水素循環ポンプ２４を運転制御する。第２の所定の加圧状態の圧力は、第１の所定の加圧状態の圧力より高い。そして、予め設定された所定時間経過後、水素循環ポンプ２４の圧縮比が通常運転時の適正な圧縮比に変更され、水素循環ポンプ２４は、水素を第１の所定の加圧状態に圧縮する通常運転に移行する。即ち、暖機が終了すると、水素循環ポンプ２４による水素の加圧状態が、通常運転時の加圧状態に自動的に変更される。暖機中は、コンプレッサ２９の駆動が停止され、通常運転に移行する際にコンプレッサ２９の駆動が開始される。また、通常運転に移行後、ラジエータ３１の冷却水の循環が開始される。
【００３５】
空気と水素のガス特性を考慮すると、空気の方が熱容量が大きく、同じ循環量であれば、一度に運ぶ熱量は水素に比較して大きい。しかし、水素は空気に比較して、熱伝導率が高く、また、分子が小さいため、同容量のポンプで同じ圧損の閉回路を循環させた場合、水素の方が小さなエネルギーで大きな流量を循環させることができる。従って、空気をコンプレッサで断熱圧縮した際に発生する熱を利用して暖機を行う従来装置と比較して、燃料電池１１の暖機が迅速に行われる。
【００３６】
この実施の形態では以下の効果を有する。
（１）  燃料電池システム１０は、燃料電池１１のアノード電極（水素電極）１８側に水素を水素循環ポンプ２４を利用して供給し、水素循環ポンプ２４は水素を加圧可能に構成されている。そして、暖機時には、燃料電池１１で使用されなかった水素が水素循環経路で循環されるとともに、通常運転時より水素循環ポンプ２４は、圧縮比が通常運転時の適正な圧縮比より高くなるように運転され、水素の圧力が高くなり、加圧により発生した熱で燃料電池１１が暖められる。従って、暖機専用の新たな構成部品を追加することなく、空気供給用のポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、同じ容量のポンプを使用した場合に短時間で暖機が可能になる。
【００３７】
（２）  燃料電池１１で使用されなかった水素は通常運転時も水素循環経路により循環される。従って、通常運転時に、燃料電池１１のアノード電極１８で使用されなかった水素を再利用できるため、燃料の効率が高くなる。また、燃料電池１１に供給する水素の量を、アノード電極１８で使用されずに燃料電池１１の外部に排出される量が少なくなるように制御する必要がなく、燃料電池１１に供給する水素の量の制御が容易になる。
【００３８】
（３）  暖機が終了した時に水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時の適正な圧縮比に自動的に変更する変更手段（制御装置１５）を備えている。従って、暖機が終了すると、水素循環ポンプ２４による水素の加圧状態が、通常運転時の加圧状態に自動的に変更され、暖機終了後に燃料電池１１を暖めるという無駄なエネルギーの使用が防止される。
【００３９】
（４）  変更手段（制御装置１５）は、暖機時には、予め実験により求められて設定された所定時間経過後に、通常運転に移行する。従って、燃料電池１１の温度を検出するセンサを設ける必要がなく、暖機終了後に通常運転に移行する構成が簡単になる。
【００４０】
（５）  燃料電池セル１６のアノード電極１８と対応する水素通路を構成する壁面の合計面積が、空気通路を構成する壁面の合計面積より大きく形成されているため、セパレータ２０が熱交換器として有効に機能し、機暖機時に水素の熱が燃料電池１１に効率よく伝達されて暖機時間の短縮に寄与する。
【００４１】
（６）  暖機時に燃料電池１１の冷却水の循環を停止するため、冷却水の循環を行ったまま暖機を行う場合に比較して、暖機時間を短縮できる。
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態を図３に従って説明する。この実施の形態では、暖機を行うか否かの判断と、燃料電池１１の温度を直接又は間接的に検出するセンサの検出信号に基づき、暖機時に燃料電池１１の温度が所定温度に達すると水素循環ポンプ２４による加圧を通常運転時の加圧に変更する点が第１の実施の形態と大きく異なっている。また、暖機を行うか否かの判断基準等も第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同様な部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４２】
燃料電池１１には燃料電池１１の温度を直接検出するセンサとしての温度センサ３３が設けられている。制御装置１５は温度センサ３３の検出信号を入力し、その検出信号に基づいて燃料電池１１の温度を把握し、暖機が必要か否かを判断するようになっている。制御装置１５は燃料電池システム１０の始動時に、温度センサ３３の検出信号に基づいて燃料電池１１の温度が暖機が必要な所定温度未満か否かを判断する。そして、燃料電池１１が所定温度以上であれば、暖機を行わずに始動時から通常運転を行い、所定温度未満であれば、暖機を行った後、通常運転に移行する。
【００４３】
暖機は第１の実施の形態と同様に、コンプレッサ２９を駆動せず、水素循環ポンプ２４を駆動して水素のみを循環させた状態で行われる。燃料電池１１の温度が発電が可能な温度に達すると、制御装置１５からコンプレッサ２９に駆動指令が出力されてコンプレッサ２９が駆動を開始する。その結果、燃料電池１１に水素と酸素とが供給される状態となって発電が開始される。
【００４４】
この実施の形態においては、第１の実施の形態の（１）〜（３），（５），（６）と同様の効果を有する他に、次の効果を有する。
（７）  暖機を行うか否かの判断が燃料電池１１の温度に基づいてなされるため、暖機を行うか否かの判断が正確になされ、暖機が不要な際は不要な暖機を行うことなく始動時から通常運転を行うことができる。
【００４５】
（８）  暖機の終了時期の判断が、燃料電池１１の温度に基づいてなされるため、暖機の終了時期の判断が正確になされ、水素循環ポンプ２４の加圧状態の変更が適切になされる。
【００４６】
（９）  燃料電池１１の温度を温度センサ３３により直接検出する構成のため、燃料電池１１の温度を間接的に検出する場合に比較して正確に検出することができる。
【００４７】
なお、実施の形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  暖機時に水素循環ポンプ２４から吐出されて燃料電池１１に供給される水素の温度を通常運転時より高める手段として、水素循環ポンプ２４の圧縮比を通常運転時より高くする代わりに、水素循環ポンプ２４を駆動するモータＭの回転速度を高めて運転を行うようにしてもよい。この構成でも、暖機時には燃料電池１１で使用されなかった水素が水素循環経路で循環される。そして、暖機時には同じ時間内に水素が水素循環ポンプ２４で圧縮される回数が通常運転時に比較して多くなり、水素循環ポンプ２４から単位時間当たりに吐出される水素の量が増加される。従って、燃料電池１１を暖めるために水素から供給される単位時間当たりの熱量が増加し、通常運転時と同じ条件で水素循環ポンプ２４を運転する場合に比較して、燃料電池１１を短時間で暖めることができる。
【００４８】
○  燃料電池１１の温度が発電可能な温度に達して発電が開始された後も、燃料電池１１の温度が発電に好適な温度に達するまでは、水素循環ポンプ２４の運転条件を通常運転時の条件に戻さずに運転し、冷却水の循環を停止した状態に保持する構成としてもよい。例えば、暖機時に圧縮比を変更して水素循環ポンプ２４を運転する場合は、圧縮比を暖機時の条件に保持する。また、暖機時に、水素循環ポンプ２４を駆動するモータＭの回転速度を高めて運転する場合は、モータＭの回転速度を暖機時の条件に保持する。また、第２の実施の形態のように、温度センサで燃料電池１１の温度を検出する構成においては、燃料電池１１の温度が発電に好適な温度に達した後、水素循環ポンプ２４の運転条件を通常運転時の条件に戻す。これらの場合、燃料電池１１の温度が発電可能な所定温度に達して発電を開始した後も、燃料電池１１の温度が発電に好適な温度に達するまでは暖機を継続するため、適正温度に達するまでの時間を短縮することができる。
【００４９】
○  第１の実施の形態のように、環境温度によって暖機を行うか否かを判断し、暖機を開始してから所定時間経過後に通常運転に移行する構成において、所定時間を環境温度の値によって異なる値に設定するようにしてもよい。例えば、環境温度に対応して暖機開始から終了までの所定時間を予め実験により求めた値を、環境温度毎に制御装置１５の記憶装置に記憶しておく。所定時間が環境温度に拘わらず同じに設定される場合は、所定時間を長めに設定する必要があるが、環境温度毎に異なる所定時間を設定した場合は、暖機時に適正な所定時間経過後に通常運転に移行することができる。
【００５０】
〇  暖機を開始してから所定時間経過後に通常運転に移行する構成において、通常運転に移行する前に、発電を開始させるとともに冷却水の循環を停止した状態で運転を行う期間を設けてもよい。例えば、所定時間を設定する際、燃料電池１１の温度を発電が可能な温度まで暖めるのに必要な時間ではなく、発電に好適な温度に達するまでの時間に設定する。そして、暖機開始からあるいは暖機の途中からカソード電極１９への空気の供給を開始する。この場合、発電が可能な温度に達した後は発電による発熱により、燃料電池１１が発電に好適な温度に達するまでの時間が短くなる。
【００５１】
〇  燃料電池１１の温度が発電可能な温度に達するまでの間のみ暖機を行う構成において、最初からコンプレッサ２９を駆動して空気を燃料電池１１に供給する構成としてもよい。暖機終了までは発電は行われないため、空気及び水素の両方が燃料電池１１に供給されても発電による発熱はない。しかし、コンプレッサ２９による空気の断熱圧縮時に空気が加熱されて燃料電池１１に供給されるため、燃料電池１１の加熱効果が向上し、燃料電池１１が発電可能な温度に達するまでの時間をより短縮することができる。
【００５２】
〇  燃料電池１１の通常運転時に、燃料電池１１で使用されなかった水素を循環させて再利用せず、水素の循環は暖機時にのみ行う構成としてもよい。例えば、燃料電池１１の水素排出ポートに連結された管路２３に三方弁を設け、暖機時以外は管路２３が外気と連通状態に保持され、暖機時にのみ水素排出ポートが水素循環ポンプ２４に連通される状態に保持されるように構成する。
【００５３】
○  燃料電池１１の温度を温度センサ３３で直接検出する構成に代えて、燃料電池システム又は燃料電池システムの一部の温度を検出して、その検出温度から燃料電池の温度を求めるようにしてもよい。例えば、温度センサ３３を燃料電池１１以外の箇所に設けて、間接的に燃料電池１１の温度を検出してその検出温度から燃料電池１１の温度を推定してもよい。
【００５４】
〇  燃料電池１１の温度を検出可能な構成において、燃料電池１１の温度に応じて冷却水の循環速度を変更する構成としてもよい。この場合、燃料電池１１の温度を発電に好適な温度範囲内に保持するのが容易になる。
【００５５】
〇  燃料電池１１で使用されなかった水素が通常運転時も水素循環経路により循環される構成において、暖機時と通常運転時とで水素循環ポンプ２４の圧縮比を同じにしてもよい。この構成では、通常運転時の水素循環ポンプ２４の圧縮比が適正な圧縮比より大きく、水素の加圧による発熱量が多くなるが、冷却水の循環量を増加する等の燃料電池１１の冷却効果を高めることにより、対処できる。
【００５６】
○  燃料電池１１で使用されなかった水素が通常運転時も水素循環経路により循環される構成において、暖機時と通常運転時とで水素循環ポンプ２４を駆動するモータＭの回転速度を同じにしてもよい。この構成では、通常運転時の前記モータＭの回転速度が適正な回転速度より大きくなり、水素の発熱量が多くなるが、冷却水の循環量を増加する等の燃料電池１１の冷却効果を高めることにより、対処できる。
【００５７】
〇  水素循環ポンプ２４を構成するポンプは水素を加圧可能なポンプであればよく、スクロール型のコンプレッサに限らず、他の形式のコンプレッサ等であってもよい。しかし、スクロール型のコンプレッサの方が圧縮効率が高く、小型化が可能なため好ましい。
【００５８】
〇  水素源は高圧に圧縮された水素ガスが単に充填された水素タンクに限らず、例えば、水素吸蔵合金を内蔵した水素タンクや水素化物から化学反応により水素を発生させて取り出すもの等であってもよい。
【００５９】
○  冷却水の循環は、暖機時に停止、通常運転時に開始でなくてもよい。例えば、燃料電池１１や水素循環ポンプ２４の温度を検出し、温度に応じて冷却水の循環停止・開始を制御してもよい。
【００６０】
前記実施の形態から把握できる発明（技術的思想）について以下に記載する。
（１）  請求項５に記載の発明において、前記所定温度は、燃料電池が発電可能となる下限温度である。
【００６１】
（２）  請求項５に記載の発明において、前記所定温度は、燃料電池の発電が効率良く行われる温度の下限温度である。
（３）  請求項１〜請求項５及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、酸素電極（カソード電極）側への酸素（空気）の供給は、燃料電池の温度が発電可能な状態に上昇した後に開始される。
【００６２】
（４）  請求項１〜請求項５及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、燃料電池の酸素電極側へはコンプレッサによって加圧された状態の空気が供給され、暖機の開始から空気の供給が行われる。
【００６３】
（５）  請求項１〜請求項５及び前記技術的思想（１）〜（３）のいずれか一項に記載の発明において、前記燃料電池を冷却する燃料電池冷却手段が設けられ、該燃料電池冷却手段は燃料電池の温度が発電に好適な温度に上昇した後に作動が開始される。
【００６４】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜請求項５に記載の発明によれば、新たな構成部品を追加することなく、空気供給用のポンプを使用して暖機を行う従来装置に比較して、短時間で暖機を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の燃料電池システムの概略構成図。
【図２】燃料電池セルの模式分解側面図。
【図３】第２の実施の形態の燃料電池システムの概略構成図。
【符号の説明】
Ｍ…モータ、１０…燃料電池システム、１１…燃料電池、１２…水素供給手段、１５…変更手段としての制御装置、１８…水素電極としてのアノード電極、２２，２３…水素循環経路を構成する管路、２４…水素供給手段及び水素循環経路を構成する水素循環ポンプ、２５…水素源としての水素タンク、３３…センサとしての温度センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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