(57)【要約】【課題】確実な暖機を、短時間でかつ効率的に行うことができ、迅速な始動を遂行可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、酸化剤ガス供給部１６とを備えるとともに、前記酸化剤ガス供給部１６は、加圧装置３０を設ける。加圧装置３０は、酸化剤ガスが収容されるシリンダ室５０と、このシリンダ室５０の容量を変更させるモータ５４と、酸化剤ガス導入口６０ａおよび酸化剤ガス導出口６０ｂを開閉自在な第１および第２電磁バルブ６２ａ、６２ｂとを備える。【選択図】図１
2004213901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池の外部に設けられ、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部を備え、
前記酸化剤ガス供給部は、酸化剤ガス供給流路に配置される酸化剤ガス加圧装置を設けるとともに、
前記酸化剤ガス加圧装置は、前記酸化剤ガスが収容される容量が可変な収容部と、
前記収容部の容量を変更させる可動部と、
前記収容部の酸化剤ガス導入口を開閉自在な第１バルブと、
前記収容部の酸化剤ガス導出口を開閉自在な第２バルブと、
前記第１および第２バルブが閉塞された状態で、前記収容部を加熱して該収容部内の酸化剤ガスにエネルギを付与する加熱媒体供給部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記可動部は、前記収容部内を摺動自在なピストン部材と、
前記ピストン部材を進退させる駆動源と、
前記駆動源に電力を付与する電力ストレージと、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記収容部は、複数のシリンダ室を備え、
各シリンダ室内にそれぞれ前記ピストン部材が配置されるとともに、各ピストン部材にそれぞれ前記動力源が接続されることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池の外部に設けられ、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部を備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
この種の燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムは、例えば、特許文献１に開示されている。この燃料電池システムは、図１０に示すように、燃料電池１の外部に設けられ、この燃料電池１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部２と、前記燃料電池１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部３とを備えている。燃料ガス供給部２は、燃料ガス供給源４ａ、減圧弁５ａ、水素圧力回収タービン６ａを介して燃料ガス（水素）を供給するとともに、燃料電池１から排出される燃料ガスを、前記燃料電池１に循環させる水素回収コンプレッサ７ａを備えている。
【０００５】
酸化剤ガス供給部３は、同様に、酸化剤ガス供給源４ｂ、減圧弁５ｂおよび酸素圧力回収タービン６ｂを介して酸化剤ガスを供給するとともに、燃料電池１から排出される酸化剤ガスを、この燃料電池１に循環させる酸素回収コンプレッサ７ｂを備えている。
【０００６】
そこで、燃料ガス供給部２において、燃料ガス供給源４ａから供給される燃料ガスは、減圧弁５ａによって調圧された後、水素圧力回収タービン６ａで所望の圧力に減圧されて燃料電池１に供給される。同様に、酸化剤ガス供給部３において、酸化剤ガス供給源４ｂから供給される酸化剤ガスは、減圧弁５ｂを介して酸素圧力回収タービン６ｂに供給され、所定の圧力まで減圧された後に燃料電池１に供給される。これにより、燃料電池１内では、電気化学反応によって発電が行われる。
【０００７】
次いで、燃料電池１内で発電に利用されなかった燃料ガスおよび酸化剤ガスは、それぞれ水素回収コンプレッサ７ａおよび酸素回収コンプレッサ７ｂに導入される。水素回収コンプレッサ７ａおよび酸素回収コンプレッサ７ｂは、それぞれ水素圧力回収タービン６ａおよび酸素圧力回収タービン６ｂと同軸に連結されており、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、昇圧されて燃料電池１に戻される。従って、水素回収コンプレッサ７ａおよび酸素回収コンプレッサ７ｂを駆動するために、燃料電池１からの駆動電力が不要となり、燃料電池システム全体の出力を上げることができる、としている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２０３５４７号公報（段落［００１４］、［００１５］、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般的に燃料電池が低温始動される際、発電効率が低下してしまい、所望の発電状態に至るまでに相当な時間がかかっている。特に、氷点下での始動では、外部への放熱によって結露が発生し易く、生成水の排出性が低下して発電性能が低下するという不具合が指摘されている。
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池を有効に加温する手段が設けられていない。このため、この燃料電池を発電可能な状態に短時間で移行させることができず、効率的な暖機が遂行されないという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、確実な暖機を短時間でかつ効率的に行うことができ、迅速な始動が遂行可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムでは、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池の外部に設けられ、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部を備えるとともに、前記酸化剤ガス供給部は、酸化剤ガス供給流路に配置される酸化剤ガス加圧装置を設ける。
【００１３】
酸化剤ガス加圧装置は、酸化剤ガスが収容される容量が可変な収容部と、前記収容部の容量を変更させる可動部と、前記収容部の酸化剤ガス導入口を開閉自在な第１バルブと、前記収容部の酸化剤ガス導出口を開閉自在な第２バルブと、前記第１および第２バルブが閉塞された状態で、前記収容部を加熱して該収容部内の酸化剤ガスにエネルギ、具体的には、温度および圧力を上昇させるエネルギを付与する加熱媒体供給部とを備える。
【００１４】
そこで、収容部内に酸化剤ガスが収容されると、第１および第２バルブが閉塞されて前記収容部内に前記酸化剤ガスが封入される。この状態で、加熱媒体の作用下に収容部が加熱されると、この収容部内の酸化剤ガスが加熱される。従って、収容部内では、温度の上昇に伴って酸化剤ガスの圧力が上昇し、第２バルブを開放するとともに、可動部の作用下に前記収容部の容量を減少させることにより、該収容部内で加温および加圧された酸化剤ガスが燃料電池に供給される。
【００１５】
このように加熱媒体を利用することにより、酸化剤ガスを加温および加圧するための電力が可及的に削減される。このため、効率的かつ経済的な暖機が行われて、迅速な始動が遂行可能になる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池システムでは、可動部は、収容部内を摺動自在なピストン部材と、前記ピストン部材を進退させる駆動源と、前記駆動源に電力を付与する電力ストレージとを備える。このため、電力ストレージは、酸化剤ガスを加圧するために電力を使用する必要がなく、燃料電池の発電に用いられる補機用電力が有効に削減される。
【００１７】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池システムでは、収容部は、複数のシリンダ室を備え、各シリンダ室内にそれぞれピストン部材が配置されるとともに、各ピストン部材にそれぞれ動力源が接続される。従って、各収容部に設けられる第１および第２バルブの開閉タイミングを制御することにより、加熱および加圧された酸化剤ガスが発生する間隔を短くすることができる。これにより、加熱および加圧された酸化剤ガスを、燃料電池に効率的に供給することが可能になり、前記燃料電池の暖機時間が良好に短縮される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
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１０の概略構成説明図である。
【００１９】
燃料電池システム１０は、水素含有ガス等の燃料ガスおよび酸素含有ガス（例えば、空気）等の酸化剤ガスが供給されて発電を行う燃料電池１２と、この燃料電池１２に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部１４と、前記燃料電池１２に前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部１６とを備える。燃料電池システム１０は、燃料電池１２に純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給部（図示せず）を必要に応じて設けている。
【００２０】
燃料電池１２は、燃料ガス入口１８ａ、酸化剤ガス入口２０ａ、燃料ガス出口１８ｂおよび酸化剤ガス出口２０ｂを設けるとともに、必要に応じて冷却媒体入口および冷却媒体出口を設ける。燃料電池１２は、図示しないが、例えば、高分子イオン交換膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。
【００２１】
燃料電池１２内では、燃料ガス入口１８ａから供給された燃料ガスは、アノード側電極に供給された後、燃料ガス出口１８ｂから排出される一方、酸化剤ガス入口２０ａから供給された酸化剤ガスは、カソード側電極に供給された後、酸化剤ガス出口２０ｂから排出される。
【００２２】
燃料ガス供給部１４は、燃料ガス入口１８ａに接続される燃料ガス供給流路２２ａと、燃料ガス出口１８ｂに接続される燃料ガス排出流路２２ｂとを備える。燃料ガス供給流路２２ａは、図示しない燃料ガス供給源（例えば、水素タンク）に接続される。燃料ガス排出流路２２ｂは、図示しないパージ流路または循環流路に接続されるとともに、途上で分岐して後述する燃焼装置２８に連通可能である。
【００２３】
酸化剤ガス供給部１６は、酸化剤ガス入口２０ａに接続される酸化剤ガス供給流路２４ａと、酸化剤ガス出口２０ｂに接続される酸化剤ガス排出流路２４ｂとを備える。酸化剤ガス供給流路２４ａには、酸化剤ガス供給装置２６、燃焼装置（加熱媒体供給部）２８および酸化剤ガス加圧装置３０が設けられる。
【００２４】
酸化剤ガス供給装置２６は、例えば、大気中のエアを酸化剤ガス供給流路２４ａに供給するためのブロア３２を備える。ブロア３２は、モータ３４を介して駆動されるとともに、このモータ３４は、通常の発電時には燃料電池１２から電力が供給される一方、この燃料電池１２の暖機時には電力ストレージ（例えば、キャパシタ）３６から電力が供給される。燃焼装置２８は、水素を熱源とした触媒燃焼器等であり、この燃焼装置２８と燃料ガス排出流路２２ｂの途上とは、燃料ガス分岐排出流路３８を介して接続される。
【００２５】
この燃料ガス分岐排出流路３８には、流量調整弁４０が設けられ、この流量調整弁４０は、燃焼温度調整のために燃焼装置２８に供給される燃料ガスの流量を調整する。燃焼装置２８には、酸化剤ガス供給流路２４ａから分岐した酸化剤ガス分岐供給流路４２が接続されており、前記燃焼装置２８内には、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気とが供給され、水素と酸素が反応して加熱媒体（加熱空気）が生成される。この加熱媒体は、加熱媒体供給流路４４を介して加圧装置３０に供給された後、外部に放出される。酸化剤ガス供給流路２４ａと加圧装置３０との間には、流量調整弁４６が設けられる。
【００２６】
加圧装置３０は、例えば、８００℃程度の高温に耐え得る加圧容器４８を備え、この加圧容器４８内には、酸化剤ガスを収容する容量が可変なシリンダ室（収容部）５０が設けられる。このシリンダ室５０には、ピストン部材５２が配置されるとともに、前記ピストン部材５２には、駆動源であるモータ５４がシャフト５６を介して連結される。モータ５４には、電力ストレージ３６から電力が供給されるとともに、前記モータ５４がＣＰＵ５８を介して駆動制御される。シリンダ室５０内を摺動自在なピストン部材５２と、前記ピストン部材５２を進退させるモータ５４と、前記モータ５４に電力を付与する電力ストレージ３６とにより可動部が構成される。
【００２７】
加圧容器４８には、酸化剤ガス導入口６０ａを開閉自在な第１電磁バルブ６２ａと、酸化剤ガス導出口６０ｂを開閉自在な第２電磁バルブ６２ｂとが設けられる。第１および第２電磁バルブ６２ａ、６２ｂは、ＣＰＵ５８により制御される。
【００２８】
このように構成される燃料電池システム１０の暖機動作について、以下に説明する。
【００２９】
まず、燃料ガス供給部１４が駆動されて、燃料ガス供給流路２２ａから燃料ガス入口１８ａに燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、燃料電池１２内のアノード側電極に供給された後、燃料ガス出口１８ｂから燃料ガス排出流路２２ｂに排出される。燃料ガス排出流路２２ｂに排出された燃料ガスは、燃料ガス分岐排出流路３８を通って燃焼装置２８に供給される。
【００３０】
その際、燃料ガスは、燃焼温度調整のために流量調整弁４０を介して流量調整を行った後、燃焼装置２８に供給される。なお、燃焼装置２８に供給されない燃料ガスは、パージにより排出され、あるいは、循環流路に供給されて燃料ガス入口１８ａに戻される。
【００３１】
一方、酸化剤ガス供給部１６では、電力ストレージ３６からモータ３４に電力が供給され、このモータ３４に連結されているブロア３２が駆動される。このため、酸化剤ガスは、ブロア３２を介して酸化剤ガス供給流路２４ａに供給される。この酸化剤ガスは、一部が酸化剤ガス分岐供給流路４２に送られて燃焼装置２８に供給される。この燃焼装置２８では、燃料ガス中の水素と、酸化剤ガスである空気中の酸素とが反応して加熱媒体が発生し、この加熱媒体が加熱媒体供給流路４４から加圧装置３０に送られる。
【００３２】
加圧装置３０では、加圧容器４８にシリンダ室５０の外側に位置して加熱媒体供給流路４４が形成されており、前記シリンダ室５０内が加熱される。このシリンダ室５０には、酸化剤ガス供給流路２４ａから流量調整弁４６を介して酸化剤ガスが供給される。
【００３３】
具体的には、図２に示すように、ＣＰＵ５８を介して第１電磁バルブ６２ａが開放される一方、第２電磁バルブ６２ｂが閉塞される。そこで、電力ストレージ３６からモータ５４に電力が供給され、このモータ５４の駆動作用下にシャフト５６を介してピストン部材５２が矢印Ａ方向に移動する。このため、シリンダ室５０の容量が増加し、酸化剤ガス導入口６０ａから前記シリンダ室５０に常温の酸化剤ガスが導入される。
【００３４】
次に、図３に示すように、第２電磁バルブ６２ｂが閉塞されることにより、シリンダ室５０内が密封される。この状態で、シリンダ室５０の外側に燃焼装置２８から加熱媒体が供給される。この加熱媒体により加圧容器４８およびシリンダ室５０内が加熱され、このシリンダ室５０内に封入されている酸化剤ガスが加熱される。従って、シリンダ室５０内では、酸化剤ガスにエネルギが付与され、この酸化剤ガスが昇温するとともに、前記酸化剤ガスの圧力が上昇する。
【００３５】
所定時間経過後に、図４に示すように、第２電磁バルブ６２ｂが駆動されて酸化剤ガス導出口６０ｂが開放される。そして、モータ５４の作用下に、ピストン部材５２を矢印Ｂ方向（矢印Ａ方向とは逆方向）に移動させることにより、シリンダ室５０の容積が減少する。このため、シリンダ室５０内で加熱および加圧された酸化剤ガスは、加圧容器４８から押し出される。
【００３６】
この加温および加圧された酸化剤ガスは、図１に示すように、酸化剤ガス入口２０ａから燃料電池１２内に供給される。これにより、燃料電池１２では、アノード側電極に供給される燃料ガスと、カソード側電極に供給される空気とが、電極触媒内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。この発電によって燃料電池１２自体が暖機されるとともに、この燃料電池１２に供給される加熱および加圧された酸化剤ガスの加熱作用下に、前記燃料電池１２が一層迅速に暖機される。
【００３７】
この場合、第１の実施形態では、加圧装置３０を構成するシリンダ室５０内に酸化剤ガスを封入した状態で、燃焼装置２８から送られる加熱媒体を介して前記シリンダ室５０内の酸化剤ガスが加熱され、この酸化剤ガスの昇温に伴って該酸化剤ガスの圧力が上昇する。このように加熱媒体を利用することにより、酸化剤ガスを加温および加圧するための電力が可及的に削減され、燃料電池１２の暖機が効率的かつ経済的に行われ、前記燃料電池１２の迅速な始動が遂行可能になるという効果が得られる。
【００３８】
しかも、電力ストレージ３６は、ブロア３２用のモータ３４と加圧装置３０のモータ５４とに電力を供給するだけでよく、この電力ストレージ３６は、酸化剤ガスを加圧するために電力を使用する必要がない。従って、燃料電池１２の発電に用いられる補機用電力が有効に削減され、電力ストレージ３６に蓄えられている電力が経済的に活用されるという利点がある。
【００３９】
さらに、燃料電池１２から排出される燃料ガスの一部は、燃焼装置２８に送られてこの燃焼装置２８の熱源として使用される。これにより、外部に放出される燃料ガスの削減が容易に図られるという効果がある。
【００４０】
ところで、図４に示すように、第２電磁バルブ６２ｂを開放して酸化剤ガス導出口６０ｂが開かれる際、シリンダ室５０内で圧縮された酸化剤ガスが膨張してこの酸化剤ガスの圧力が若干低下する。このため、第２電磁バルブ６２ｂを開放した後の酸化剤ガスの圧力が、要求圧力値以上となるように、シリンダ室５０内での酸化剤ガスの圧力の目標値を、要求圧力値よりも高い値に設定しておくことが望ましい。
【００４１】
例えば、シリンダ室５０の容積が３５０ｃｃ、このシリンダ室５０の内径が６０ｍｍ、前記シリンダ室５０の酸化剤ガス導出口６０ｂから燃料電池１２までの配管容積が２リットル、および前記燃料電池１２内の通路容積が２リットルであって、該燃料電池１２に絶対圧が１３０ｋＰａの酸化剤ガスを供給する場合、前記シリンダ室５０内の前記酸化剤ガスの絶対圧を１５０ｋＰａに設定する必要がある。
【００４２】
また、上記の条件で、ピストン部材５２を矢印Ｂ方向に移動させる際のモータ５４の仕事量は、約１０Ｗである。
【００４３】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する酸化剤ガス加圧装置８０の概略構成説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３および第４の実施形態においても、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
加圧装置８０は、例えば、８００℃程度の高温に耐え得る金属で構成される加圧容器８２を備え、この加圧容器８２には、それぞれ独立した収容部であるシリンダ室８４ａ、８４ｂ、８４ｃおよび８４ｄが形成される。シリンダ室８４ａ〜８４ｄには、それぞれピストン部材８６ａ〜８６ｄが配設されるとともに、前記ピストン部材８６ａ〜８６ｄには、動力源であるモータ８８ａ〜８８ｄが、シャフト９０ａ〜９０ｄを介して連結される。モータ８８ａ〜８８ｄには、電力ストレージ３６から電力が供給される。
【００４５】
各シリンダ室８４ａ〜８４ｄの酸化剤ガス導入口９２ａは、第１電磁バルブ９４ａにより開閉自在であるとともに、酸化剤ガス導出口９２ｂは、第２電磁バルブ９４ｂを介して開閉自在である。
【００４６】
このように構成される第２の実施形態では、各シリンダ室８４ａ〜８４ｄに設けられる第１および第２電磁バルブ９４ａ、９４ｂの開閉タイミングを制御することにより、加熱および加圧された酸化剤ガスが発生する間隔を短くすることができる。すなわち、収容部を４つのシリンダ室８４ａ〜８４ｄに分割し、各シリンダ室８４ａ〜８４ｄでの酸化剤ガスの加熱および加圧タイミングを変更することにより、加熱および加圧された酸化剤ガスを短時間で発生させることが可能になる。
【００４７】
これにより、加熱および加圧された酸化剤ガスを短時間で発生させて燃料電池１２に効率的に供給することができ、前記燃料電池１２の暖機時間が良好に短縮されるという効果が得られる。
【００４８】
この場合、燃焼装置２８に酸化剤ガスを送るための電力は、燃料電池１２に１３０ｋＰａの圧力を供給する際の発電量に相当する空気量で計算すると、略２５０Ｗである。その際、ピストン部材８６ａ〜８６ｄをモータ８８ａ〜８８ｄで上下させる仕事量が１０Ｗであるため、合計で略２６０Ｗの電力が必要となる。一方、コンプレッサ単独で加圧された酸化剤ガスを得る際には、同一の条件下で略１２００Ｗの電力が必要となる。このため、加圧装置８０を用いることによって、暖機のための消費電力が従来の略２０％にまで大幅に低減するという効果がある。
【００４９】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図である。
【００５０】
この燃料電池システム１００では、燃料ガス供給流路２２ａから燃料ガス分岐供給流路１０２が分岐され、前記燃料ガス分岐供給流路１０２は流量調整弁１０４を介して燃焼装置２８に接続される。
【００５１】
このように構成される第３の実施形態では、特に燃料ガス排出流路２２ｂから燃焼装置２８に供給される燃料ガス量が不足した場合に、流量調整弁１０４を介し燃料ガス供給部１４から燃料ガス分岐供給流路１０２を通って前記燃焼装置２８に燃料ガスが供給される。
【００５２】
これにより、加圧装置３０において、酸化剤ガスを所望の加温および加圧状態にするために必要な熱量（エネルギ）を確保することができ、燃料電池１２の暖機が一層確実に遂行されるという利点が得られる。しかも、流量調整弁１０４の作用下に、燃焼装置２８の燃焼温度を制御することができ、加圧装置３０における酸化剤ガスの圧力調整が容易に遂行される。
【００５３】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１１０の概略構成説明図である。
【００５４】
燃料電池システム１１０は、燃料ガス供給部１１２および酸化剤ガス供給部１１４を備える。燃料ガス供給部１１２は、燃料ガス排出流路２２ｂと燃料ガス供給流路２２ａとを繋ぐ循環流路１１６を備える。この循環流路１１６には、流量調整弁１１８およびポンプ１２０が設けられるとともに、燃料ガス供給流路２２ａにエジェクタ１２２が設けられる。燃料ガス排出流路２２ｂには、流量調整弁１２４が設けられる。
【００５５】
酸化剤ガス供給部１１４は、通常の発電時に使用される酸化剤ガス供給流路１２６を備え、この酸化剤ガス供給流路１２６が燃料電池１２の酸化剤ガス入口２０ａに接続される。酸化剤ガス供給流路１２６には、モータ１２８により駆動されるスーパーチャージャ（コンプレッサ）１３０が配設される。
【００５６】
燃焼装置２８には、熱交換器１３２が装着されており、この熱交換器１３２の入口側に酸化剤ガス分岐供給流路４２から分岐された酸化剤ガス分岐供給流路４２ａが接続される。熱交換器１３２の出口側には、流量調整弁１３４が設けられた酸化剤ガス供給流路１３６が接続される。酸化剤ガス供給流路１３６は、加圧装置３０から酸化剤ガス供給流路１２６に接続される酸化剤ガス供給流路２４ａの途上に連通する。
【００５７】
このように構成される第４の実施形態では、まず、寒冷地等において燃料電池１２が発電不可能な状態にある際、燃料ガス供給部１１２を構成する図示しない燃料ガスタンクから燃料ガス供給流路２２ａに燃料ガスが供給される。上記の燃料ガスの供給と同時に、電力ストレージ３６に蓄えられている電力によりモータ３４が駆動され、ブロア３２を介して酸化剤ガスが燃焼装置２８と熱交換器１３２とに送られる（図７参照）。
【００５８】
燃料電池１２内に供給された燃料ガスは、発電に用いられることがなく、全てが燃料ガス出口１８ｂから燃料ガス排出流路２２ｂに排出される。燃料ガス排出流路２２ｂに排出された燃料ガスは、燃料ガス分岐排出流路３８を通って燃焼装置２８に供給され、前記燃焼装置２８内で酸化剤ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とが燃焼反応を起こして高温の気体が発生する。この高温の気体は、熱交換器１３２の熱媒体として機能し、この熱交換器１３２に供給される酸化剤ガスが加温される。
【００５９】
従って、酸化剤ガス供給流路１３６には、熱交換器１３２から高温の酸化剤ガスが供給され、この高温の酸化剤ガスが燃料電池１２内に供給されて前記燃料電池１２が暖機される。上記の暖機によって燃料電池１２内の一部のセルが発電可能になった際、流量調整弁４６、１３４が操作され、ブロア３２により供給される酸化剤ガスは、熱交換器１３２から加圧装置３０に流れ方向が切り換えられる（図８参照）。
【００６０】
このため、加圧装置３０では、酸化剤ガスが燃料電池１２の発電量に応じて加温および加圧された状態で、前記燃料電池１２に供給される。これにより、燃料電池１２では、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電が行われるとともに、この酸化剤ガス自体により暖機され、前記燃料電池１２の暖機処理が迅速に遂行される。
【００６１】
燃料電池１２が暖機されて、この燃料電池１２からモータ１２８に電力を供給することが可能になると、ブロア３２の駆動が停止されるとともに、前記モータ１２８に前記燃料電池１２から電力が供給される。従って、図９に示すように、燃焼装置２８および加圧装置３０への酸化剤ガスの供給が停止される一方、スーパーチャージャ１３０を介して酸化剤ガス供給流路１２６から燃料電池１２に酸化剤ガスが供給される。
【００６２】
また、燃料ガス供給部１１２では、流量調整弁１１８、１２４が操作されるとともに、ポンプ１２０およびエジェクタ１２２が駆動される。このため、燃料電池１２から排出される燃料ガスは、燃焼装置２８に供給されることがなく、循環流路１１６を通って前記燃料電池１２に循環供給される。
【００６３】
これにより、第４の実施形態では、低温始動時に燃料電池１２が部分的に発電可能な状態になると、この燃料電池１２で発電を行いながら加温および加圧された酸化剤ガスによる暖機が行われる。従って、燃料電池１２は、低温始動時からスーパーチャージャ１３０の駆動が可能になるまでの暖機運転が、迅速かつ確実に遂行可能になるという効果が得られる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、収容部内に酸化剤ガスが封入された状態で、加熱媒体の作用下に収容部を加熱することにより、この収容部内の酸化剤ガスが加熱および加圧される。このように加熱媒体を利用することにより、酸化剤ガスを加温および加圧するための電力が可及的に削減され、燃料電池の暖機を効率的かつ経済的に行うことができ、迅速な始動が遂行可能になる。
【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概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する加圧装置内に酸化剤ガスを注入する際の動作説明図である。
【図３】前記加圧装置内で前記酸化剤ガスを加熱および加圧する際の動作説明図である。
【図４】加熱および加圧された前記酸化剤ガスを前記加圧装置から排出する際の動作説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムを構成する酸化剤ガス加圧装置の概略構成説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図８】前記燃料電池システムにより燃料電池を発電および暖機する際の動作説明図である。
【図９】前記燃料電池システムの通常の発電状態の動作説明図である。
【図１０】従来技術に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【符号の説明】
１０、１００、１１０…燃料電池システム
１２…燃料電池                      １４、１１２…燃料ガス供給部
１６、１１４…酸化剤ガス供給部      １８ａ…燃料ガス入口
１８ｂ…燃料ガス出口                ２０ａ…酸化剤ガス入口
２０ｂ…酸化剤ガス出口              ２２ａ…燃料ガス供給流路
２２ｂ…燃料ガス排出流路            ２４ａ…酸化剤ガス供給流路
２４ｂ…酸化剤ガス排出流路          ２８…燃焼装置
３０、８０…加圧装置                ３２…ブロア
３４、５４、８８ａ〜８８ｄ…モータ  ３６…電力ストレージ
４４…加熱媒体供給流路              ５０、８４ａ〜８４ｄ…シリンダ室
５２、８６ａ〜８６ｄ…ピストン部材  ５６、９０ａ〜９０ｄ…シャフト
５８…ＣＰＵ                        ６０ａ…酸化剤ガス導入口
６０ｂ…酸化剤ガス導出口            ６２ａ、６２ｂ…電磁バルブ
８２…加圧容器                      １１６…循環流路
１３２…熱交換器
【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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【図９】
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【図１０】
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