(57)【要約】【課題】  本発明では、電力を無駄に消費せず、かつ、コンプレッサを大型にすることなく燃料電池の暖機を行う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。【解決手段】  燃料電池システム１は、高圧の燃料ガスを蓄える高圧水素タンク１１と、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスを利用して発電する燃料電池１３と、高圧水素タンク１１と燃料電池１３とを繋ぐ燃料ガス供給路２１と、を備えている。さらに、この燃料電池システム１は、高圧の燃料ガスを低温ガスと高温ガスとに分離する熱分離器１４と、高圧水素タンク１１から排出される水素ガスを、熱分離器１４を介して燃料電池１３に供給する暖機用流路２２と、燃料ガス供給路２１と暖機用流路２２とを切り替える第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃと、を備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧の燃料ガスを蓄える燃料タンクと、
前記燃料タンクから供給される前記燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、
前記燃料タンクと前記燃料電池とを繋ぐ第一の流路と、を備えた燃料電池システムであって、
前記高圧の燃料ガスを、低温ガスと高温ガスとに分離する熱分離器と、
前記燃料タンクから排出される前記燃料ガスを、前記熱分離器を介して前記燃料電池に供給する第二の流路と、
前記第一の流路と第二の流路とを切り替える切替弁と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の温度が所定値以下のときに、前記切替弁を前記第二の流路に切り替える制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記熱分離器で分離された前記低温ガスを蓄えるためのガス回収タンクを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記ガス回収タンク内の圧力を検出する圧力検出手段と、
前記ガス回収タンクから排出される前記低温ガスを前記燃料電池に供給する第三の流路と、
前記第三の流路に設けられ、かつ前記燃料電池への前記低温ガスの供給または停止を切り替えるガス供給切替弁と、を備え、
前記燃料電池の温度が所定値を超え、かつ前記ガス回収タンク内の圧力が所定値を超えているときに、前記制御手段が、前記ガス供給切替弁を開放させて、前記ガス回収タンクから前記燃料電池へ前記低温ガスを供給させ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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を暖機する機能を有した燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、燃料電池はある温度でその性能を最大に発揮する。例えば、燃料電池自動車のパワープラントとして注目されているプロトン交換膜型燃料電池（ＰＥＭ型燃料電池〔ＰＥＭ；Proton  Exchange  Membrane〕）では、その温度は約８０℃であり、温度が低いと発電性能（起電力）が低下する。このため、冬季や寒冷地で燃料電池自動車を起動する場合は、燃料電池を暖機（つまり、所定温度まで燃料電池を加熱・加温）する必要がある。
【０００４】
このような問題に対し、従来では、燃料電池へ空気を供給するコンプレッサの駆動速度を上昇させることで空気を高圧・高温とし、この高圧・高温となった空気を燃料電池へ供給することによって燃料電池の暖機を行う技術がある（特許文献１参照）。すなわち、この技術によれば、冬季や寒冷地で燃料電池自動車を起動する際に、コンプレッサを高速で駆動させることによって、燃料電池の暖機を行うことが可能となっている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３４１５０号公報（段落００３８、図１，２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記のような技術では、燃料電池の暖機のために高速でコンプレッサを駆動する必要があるため、その分電力を無駄に消費してしまうことや、電力を供給する電力源が大型化してしまうといった問題があった。また、燃料電池の暖機を良好に行うことが可能な温度まで空気を圧縮させるためには、コンプレッサを比較的大型にする必要があった。
【０００７】
そこで、本発明では、電力を無駄に消費せず、かつ、コンプレッサを大型にすることなく燃料電池の暖機を行う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】
前記課題を解決する本発明のうち請求項１に記載の発明は、高圧の燃料ガスを蓄える燃料タンクと、前記燃料タンクから供給される前記燃料ガスを利用して発電する燃料電池と、前記燃料タンクと前記燃料電池とを繋ぐ第一の流路と、を備えた燃料電池システムであって、前記高圧の燃料ガスを、低温ガスと高温ガスとに分離する熱分離器と、前記燃料タンクから排出される前記燃料ガスを、前記熱分離器を介して前記燃料電池に供給する第二の流路と、前記第一の流路と第二の流路とを切り替える切替弁と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、燃料タンクから排出される高圧の燃料ガスは、熱分離器を通ることによって、低温ガスと高温ガスとに分離される。そのため、例えば、高温ガスを燃料電池に供給することによって、燃料電池の暖機を行うことができる。なお、低温ガスは、適宜冷却が必要な部分へ循環させることで、その部分の冷却に利用することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の温度が所定値以下のときに、前記切替弁を前記第二の流路に切り替える制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、例えば冬季などにおいて燃料電池を起動させると、温度検出手段によって燃料電池の温度が検出され、その信号が制御手段に出力される。そして、制御手段は、燃料電池の温度が所定値以下であると判断すると、切替弁を第二の流路に切り替える。これにより、燃料タンクから排出される燃料ガスが熱分離器に供給され、この熱分離器で分離された高温ガスが燃料電池に供給される。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記熱分離器で分離された前記低温ガスを蓄えるためのガス回収タンクを備えたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明によれば、熱分離器で分離された低温ガスは、ガス回収タンクで蓄えられる。そのため、このガス回収タンク内に溜まった低温ガス（燃料ガス）を、例えば再度燃料電池に戻したり、ガス回収タンクごと他の設備に持って行って利用することが可能となる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池システムであって、前記ガス回収タンク内の圧力を検出する圧力検出手段と、前記ガス回収タンクから排出される前記低温ガスを前記燃料電池に供給する第三の流路と、前記第三の流路に設けられ、かつ前記燃料電池への前記低温ガスの供給または停止を切り替えるガス供給切替弁と、を備え、前記燃料電池の温度が所定値を超え、かつ前記ガス回収タンク内の圧力が所定値を超えているときに、前記制御手段が、前記ガス供給切替弁を開放させて、前記ガス回収タンクから前記燃料電池へ前記低温ガスを供給させることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明によれば、制御手段によって、燃料電池の温度が所定値を超え、かつガス回収タンク内の圧力が所定値を超えていると判断されると、ガス供給切替弁が開放され、ガス回収タンク内の低温ガス（燃料ガス）が第三の流路を通って燃料電池に供給される。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に記載の発明によれば、高圧の燃料ガスを熱分離器に通すだけで、高温ガス、低温ガスを作ることができるので、電力を無駄にせず、かつ、コンプレッサを大型にすることなく燃料電池の暖機を行うことができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明によれば、例えば冬季などにおいて燃料電池の温度が所定値以下となっている場合には、制御手段によって自動的に燃料タンクからの燃料ガスが熱分離器を通って燃料電池に供給されるので、燃料電池の暖機を良好に行うことができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、熱分離器で分離された低温ガスが、ガス回収タンクで蓄えられるので、このガス回収タンク内に溜まった低温ガス（燃料ガス）を再利用することができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、ガス回収タンク内に蓄えた燃料ガスを、その燃料電池システム内において再利用することができ、燃料ガスを無駄なく使うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図であり、図２は図１の熱分離器の動作を説明するための説明図（ａ）と、燃料電池内に形成される水素流路を示す部分断面図（ｂ）である。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池システム１は、高圧水素タンク１１、エア供給システム１２、燃料電池１３、熱分離器１４、中圧水素タンク１５および制御部１６を主に備えている。
【００２２】
高圧水素タンク（燃料タンク）１１内には、数十ＭＰａの高圧の水素ガス（燃料ガス）が蓄えられている。また、この高圧水素タンク１１と燃料電池１３との間には、水素ガスの通り道となる管状の燃料ガス供給路（第一の流路）２１が設けられており、この燃料ガス供給路２１には、高圧水素タンク１１側から下流側に向けて順に、遮断弁２１ａ、第一切替弁２１ｂ、第二切替弁２１ｃ、レギュレータ２１ｄが設けられている。
【００２３】
遮断弁２１ａは、高圧水素タンク１１から燃料電池１３への水素ガスの供給・停止を切り替える弁であり、制御部１６から起動電流が供給されることで図示せぬソレノイドコイルが励磁し、その磁力によって常時ばねで閉方向に付勢されている図示せぬ固定子が強い力で吸引されることによって開放されるようになっている。なお、この遮断弁２１ａとしては、主にメインバルブ、パイロットバルブを有する二段バルブ式の遮断弁や、主にメインバルブ、パイロットバルブ、セカンドバルブを有する三段バルブ式の遮断弁などを適用できる。
【００２４】
第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃは、燃料ガス供給路２１と、熱分離器１４が設けられる管状の暖機用流路（第二の流路）２２とを切り替えるための弁であり、それぞれ制御部１６によって制御されるようになっている。具体的に、第一切替弁２１ｂは、燃料ガス供給路２１側に設けた弁と、暖機用流路２２側に設けた弁のうちのいずれか一方を閉じることによって、高圧水素タンク１１から排出される水素ガスを燃料ガス供給路２１または暖機用流路２２に供給させるように機能している。
【００２５】
また、第二切替弁２１ｃは、燃料ガス供給路２１側に設けた弁と、暖機用流路２２側に設けた弁のうちのいずれか一方を閉じることによって、燃料ガス供給路２１と暖機用流路２２のうちのいずれか一方から流れてくる水素ガスのみを燃料電池１３へと供給させるように機能している。すなわち、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃの燃料ガス供給路２１側に設けた弁をそれぞれ閉じることによって、水素ガスが暖機用流路２２を流れることとなり、また、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃの暖機用流路２２側の弁をそれぞれ閉じることによって、水素ガスが燃料ガス供給路２１を流れることとなっている。
【００２６】
レギュレータ２１ｄは、高圧水素タンク１１から排出される高圧の水素ガスを減圧する弁である。すなわち、高圧水素タンク１１から燃料電池１３に水素ガスが供給されている際には、高圧水素タンク１１とレギュレータ２１ｄとの間が高圧の状態となり、レギュレータ２１ｄと燃料電池１３との間が、前記高圧の状態よりも低い圧力となる低圧の状態となっている。
【００２７】
エア供給システム１２は、空気を圧縮して燃料電池１３に供給するものである。なお、エア供給システム１２としては、例えばコンプレッサやスーパーチャージャなどを採用することができる。
【００２８】
燃料電池１３は、高圧水素タンク１１から供給される水素ガスと、エア供給システム１２から供給される空気とを電気化学反応させることにより発電するものである。また、燃料電池１３には、この燃料電池１３で発電した電力を消費するモータなどの負荷３１が接続されており、この負荷３１を制御部１６でＯＮ・ＯＦＦすることにより、燃料電池１３からの電流の取り出しがＯＮ・ＯＦＦ（実行・停止）されるようになっている。
【００２９】
さらに、燃料電池１３には、その温度を検出するための温度センサ（温度検出手段）１３ａと、負荷３１のＯＮによって取り出される電流値を検出するための電流計１３ｂとが設けられている。そして、この温度センサ１３ａや電流計１３ｂで検出した信号が、制御部１６に出力されるようになっている。
【００３０】
熱分離器１４は、高圧の水素ガスを、低温の水素ガス（低温ガス）と高温の水素ガス（高温ガス）とに分離するものであり、燃料ガス供給路２１から分岐し、かつその下流側で合流する暖機用流路２２に設けられている。そして、熱分離器１４で分離された高温ガスが暖機用流路２２および燃料ガス供給路２１を通って燃料電池１３に供給されるとともに、低温ガスが後記する回収用流路２３を通って中圧水素タンク１５に供給されるようになっている。なお、この熱分離器１４としては、例えばボルテックス・チューブなどを採用することができる。
【００３１】
以下に、熱分離器１４の分離作用について簡単に説明する。図２（ａ）に示すように、熱分離器１４では、高圧水素タンク１１から高圧の水素ガスが供給されると、この水素ガスが熱分離器１４内の周壁に沿って旋回しながら高温ガスの出口１４ａへ移動し、適宜バルブ１４ｂが開放されることで所定量の水素ガスが高温ガスとして排出される。そして、このように排出された高温ガスは、図２（ｂ）に示す燃料電池１３内に形成された水素流路１３ｃ内に供給されるようになっており、これにより燃料電池１３が内部から加熱されるようになっている。また、図２（ａ）に示す熱分離器１４の高温ガスの出口１４ａ側に設けられるバルブ１４ｂが閉塞されることによって、周壁に沿って旋回しながら高温ガスの出口１４ａ側へ向かってくる水素ガスが熱分離器１４の中心側に押し戻され、その中心を通って低温ガスの出口１４ｃへ旋回しながら移動して、その出口１４ｃから水素ガスが低温ガスとして排出される。そして、このように排出された低温ガスは、中圧水素タンク１５で貯蔵されることとなる。
【００３２】
なお、この熱分離器１４で分離される低温ガスや高温ガスの温度は、熱分離器１４に供給されてくる水素ガスの圧力や温度、さらにはバルブの開度などによって変化する。また、本実施形態では、冬季などにおける燃料電池１３の暖機用に熱分離器１４を利用するため、熱分離器１４に供給される水素ガスの温度が０℃（度）付近になっていることや、高圧水素タンク１１内に残存する水素ガスの圧力は使用に応じて徐々に低くなることを考慮して、適宜バルブの開度などが決められている。具体的には、排出する高温ガスが、燃料電池１３の耐熱温度を超えないように設定されている。
【００３３】
図１に示すように、中圧水素タンク（ガス回収タンク）１５は、熱分離器１４で分離された低温ガスを蓄えるためのタンクであり、熱分離器１４にその一端が接続される回収用流路２３の他端に接続されている。この回収用流路２３は、熱分離器１４で分離された低温ガスが通る管状の流路であり、主に、熱分離器１４から中圧水素タンク１５を直接繋ぐためのバイパス流路Ａと、熱分離器１４から燃料電池１３の外側近傍を通って中圧水素タンク１５へ繋がる冷却用流路Ｂとを有している。また、バイパス流路Ａおよび冷却用流路Ｂには、その内部を流れる低温ガスの流れを遮断または許容するための開閉弁Ａ１，Ｂ１がそれぞれ設けられている。なお、本実施形態においては、バイパス流路Ａ側の開閉弁Ａ１が常に開放された状態となり、冷却用流路Ｂ側の開閉弁Ｂ１は常に閉じた状態となっていることとして説明する。また、中圧水素タンク１５には、第二切替弁２１ｃとレギュレータ２１ｄとの間にその一端が接続される戻し用流路（第三の流路）２４の他端が接続されている。
【００３４】
戻し用流路２４は、中圧水素タンク１５から排出される水素ガスを燃料電池１３に供給するための管状の流路である。また、この戻し用流路２４には、中圧水素タンク１５から下流側に向かって順に、圧力センサ（圧力検出手段）２４ａ、ガス供給切替弁２４ｂが設けられている。圧力センサ２４ａは、戻し用流路２４内の圧力を検出することによって、間接的に中圧水素タンク１５内の圧力を検出するものであり、その検出した信号を制御部１６に出力するように構成されている。また、ガス供給切替弁２４ｂは、中圧水素タンク１５から燃料電池１３への水素ガスの供給・停止を切り替えるための弁であり、制御部１６により適宜制御されるようになっている。
【００３５】
制御部（制御手段）１６は、燃料電池１３に設けた温度センサ１３ａから出力される信号に基づいて、燃料電池１３の温度が所定値以下であるか否かを判断する機能や、その温度が所定値以下であると判断したときに、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃを燃料ガス供給路２１から暖機用流路２２に切り替える（燃料ガス供給路２１側の弁をそれぞれ閉じる）機能を有している。また、制御部１６は、燃料電池１３に設けた温度センサ１３ａと戻し用流路２４に設けた圧力センサ２４ａとから出力される信号に基づいて、燃料電池１３の温度が所定値を超え、かつ中圧水素タンク１５内の圧力が所定値を超えているか否かを判断する機能や、燃料電池１３の温度が所定値を超え、かつ中圧水素タンク１５内の圧力が所定値を超えていると判断したときに、ガス供給切替弁２４ｂを開放させる機能を有している。
【００３６】
さらに、制御部１６は、燃料電池１３に設けた温度センサ１３ａおよび電流計１３ｂから出力される信号に基づいて、高温ガスによって加熱された燃料電池１３の温度が所定値を超え、かつ燃料電池１３から取り出される電流値が所定値を越えているか否かを判断する機能を有している。また、制御部１６は、高温ガスによって加熱された燃料電池１３の温度が所定値を超え、かつ燃料電池１３から取り出される電流値が所定値を越えていると判断したときに、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃを暖機用流路２２から燃料ガス供給路２１に切り替える（暖機用流路２２側の弁をそれぞれ閉じる）機能を有している。なお、制御部１６は、前記した機能の他、遮断弁２１ａを開閉させる機能、負荷３１をＯＮ・ＯＦＦさせる機能、エア供給システム１２の回転速度を変更させる機能などのような従来と同様の機能や、本実施形態では説明しないが開閉弁Ａ１，Ｂ１をＯＮ・ＯＦＦさせる機能も備えている。
【００３７】
次に、燃料電池システム１の起動時における制御部１６の動作について、図３（ａ）〜（ｃ）に示すフローを参照して説明する。参照する図面において、図３は、燃料電池システムの起動時におけるフローを示すフローチャート（ａ）と、通常制御モードのときのフローを示すフローチャート（ｂ）と、氷点下制御モードのときのフローを示すフローチャート（ｃ）である。なお、この説明の最初の段階（燃料電池システム１が停止している状態）においては、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃが燃料ガス供給路２１側に開放するように切り替えられている。
【００３８】
〈起動時におけるフロー〉
図３（ａ）に示すように、運転者によってイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮにされると（ステップＳ１）、遮断弁２１ａが制御部１６によって開放されて、高圧水素タンク１１から排出される水素ガスが、燃料ガス供給路２１を介して燃料電池１３に供給される（ステップＳ２）。
【００３９】
ステップＳ２において水素ガスの供給が開始されると、制御部１６によって燃料電池１３の温度、具体的には、燃料電池１３の構成部品であるセパレータの温度（セパ温度）が０℃を超えているか否か（すなわち、セパ温度が０℃以下であるか否か）が判断される（ステップＳ３）。ステップＳ３においてセパ温度が０℃を超えていると判断された場合は（Ｙｅｓ）、通常制御モードに移行し（ステップＳ４）、また、セパ温度が０℃以下であると判断された場合は（Ｎｏ）、氷点下制御モードに移行する（ステップＳ５）。
【００４０】
〈通常制御モード〉
ステップＳ４において通常制御モードに移行した場合は、図３（ｂ）に示すように、制御部１６によって、まず、中圧水素タンク１５内の圧力が所定圧を超えているか否かが判断される（ステップＳ４１）。ステップＳ４１において所定圧を超えていると判断された場合は（Ｙｅｓ）、制御部１６によって、遮断弁２１ａを閉じることで遮断弁２１ａからレギュレータ２１ｄまでの圧力を下げた後、ガス供給切替弁２４ｂを開放させることによって、中圧水素タンク１５から燃料電池１３へ水素ガスが供給されることとなる（ステップＳ４２）。
【００４１】
また、ステップＳ４１において中圧水素タンク１５内が所定圧以下であると判断された場合であって（Ｎｏ）、かつステップＳ４２を経た後である場合は、制御部１６によって、ガス供給切替弁２４ｂを閉じるとともに、遮断弁２１ａを開放させることによって、高圧水素タンク１１から燃料電池１３へ水素ガスが供給されることとなる（ステップＳ４３）。なお、ステップＳ４１において中圧水素タンク１５内が所定圧以下であると判断された場合であって（Ｎｏ）、かつステップＳ４２を経ていない場合は、遮断弁２１ａが開放され、かつガス供給切替弁２４ｂが閉じられた状態となっている。そのため、この場合、制御部１６は、ステップＳ４３の処理において、遮断弁２１ａおよびガス供給切替弁２４ｂの状態を維持する制御を行うことによって、高圧水素タンク１１から燃料電池１３へ水素ガスを供給させるように作動している。
【００４２】
〈氷点下制御モード〉
図３（ａ）に示すステップＳ５において氷点下制御モードに移行した場合は、図３（ｃ）に示すように、制御部１６によって、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃが暖機用流路２２側に開放するように切り替えられ、高圧水素タンク１１から排出される水素ガスが熱分離器１４を介して燃料電池１３に供給されることとなる（ステップＳ５１）。なお、このステップＳ５１において、制御部１６は、高圧水素タンク１１内の圧力などに応じて適宜熱分離器１４のバルブ１４ｂの開閉を制御することによって、高温ガスおよび低温ガスの流量を調整しており、これにより高温ガスおよび低温ガスの温度が所望の値に調整されている。また、このときに熱分離器１４で分離される低温ガスは、バイパス流路Ａを通過して、中圧水素タンク１５内に蓄えられることとなる。
【００４３】
続いて、制御部１６は、セパ温度が０℃を超えているか否かを判断し（ステップＳ５２）、超えていると判断した場合は（Ｙｅｓ）、負荷３１のＯＮによって燃料電池１３から取り出される電流が電流計１３ｂで測定され、その測定された電流値が制御部１６によって参照される（ステップＳ５３）。また、ステップＳ５２においてセパ温度が０℃を超えていないと判断した場合は（Ｎｏ）、再びステップＳ５２に戻って前記した動作を繰り返す。そして、制御部１６は、ステップＳ５３において電流値を参照した後は、この電流値が所定値を超えているか否かを判断する（ステップＳ５４）。ここで、ステップＳ５４における所定値は、燃料電池１３の発電で生じる熱によって燃料電池１３を暖機することが可能となる電流値、すなわち燃料電池１３が自己暖機可能となる電流値に設定されている。
【００４４】
ステップＳ５４において電流値が所定値を超えていないと判断した場合は（Ｎｏ）、制御部１６は、再びステップＳ５３に戻って前記した動作を繰り返す。また、ステップＳ５４において電流値が所定値を超えていると判断した場合は（Ｙｅｓ）、制御部１６によって第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃが燃料ガス供給路２１側に開放するように切り替えられ、水素ガスの通り道（ガスライン）が暖機用流路２２から燃料ガス供給路２１（通常ライン）に変更されることとなる（ステップＳ５５）。そして、ステップＳ５５の後は、前記した通常制御モードへ移行する（ステップＳ５６）。
【００４５】
次に、本実施形態に係る燃料電池システム１による燃料電池１３の暖機方法について図１を参照して説明する。なお、前記したように、燃料電池システム１が停止している状態においては、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃが燃料ガス供給路２１側に開放するように切り替えられているものとする。また、燃料電池１３の温度は、氷点下となっているものとする。
【００４６】
運転者によってイグニッションスイッチがＯＮにされると、図１に示す遮断弁２１ａが開放されて、高圧水素タンク１１内の水素ガスが燃料ガス供給路２１を介して燃料電池１３に供給されるとともに、制御部１６によって燃料電池１３の暖機が必要であると判断される。そして、このように判断した制御部１６によって、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃが暖機用流路２２側に開放するように切り替えられ、高圧水素タンク１１から熱分離器１４へ水素ガスが供給されることとなる。
【００４７】
熱分離器１４に供給される水素ガスは、熱分離器１４内にて高温ガスと低温ガスとに分離される。そして、このように分離された高温ガスが、暖機用流路２２、燃料ガス供給路２１を通って燃料電池１３の内部に導入され、かつ、低温ガスが回収用流路２３で誘導されてバイパス流路Ａを通った後、中圧水素タンク１５内に蓄えられることとなる。
【００４８】
また、燃料電池１３の暖機中においては、常時制御部１６によって燃料電池１３が自己暖機可能な状態となっているか否かが判断されており、自己暖機可能な状態となったと判断されたときは、第一切替弁２１ｂおよび第二切替弁２１ｃが燃料ガス供給路２１側に開放するように切り替えられる。その後、制御部１６は、中圧水素タンク１５内の圧力が所定値を超えているか否かを判断し、超えている場合には、中圧水素タンク１５内の水素ガスを優先して使うべく、遮断弁２１ａを閉じるとともに、閉じてから所定時間経過後にガス供給切替弁２４ｂを開放させる。これにより、中圧水素タンク１５から燃料電池１３へ水素ガスが供給されることとなる。そして、中圧水素タンク１５内が所定圧（アノードの必要供給圧より低い圧力）になったときに、制御部１６がガス供給切替弁２４ｂを閉じるとともに、遮断弁２１ａを開放させることによって、高圧水素タンク１１内の水素ガスが燃料ガス供給路２１を介して燃料電池１３に供給されることとなる。
【００４９】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
高圧の水素ガスを熱分離器１４に通すだけで、高温ガス、低温ガスを作ることができるので、電力を無駄にせず、かつ、コンプレッサを大型にすることなく燃料電池１３の暖機を行うことができる。
【００５０】
例えば冬季などにおいて燃料電池１３の温度が０℃以下となっている場合には、制御部１６によって自動的に高圧水素タンク１１からの水素ガスが熱分離器１４を通って燃料電池１３に供給されるので、燃料電池１３の暖機を良好に行うことができる。
熱分離器１４で分離された低温ガスが、中圧水素タンク１５で蓄えられるので、この中圧水素タンク１５内に溜まった低温ガス（水素ガス）を再利用することができる。
【００５１】
なお、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、熱分離器１４で分離した低温ガスはそのまま中圧水素タンク１５に蓄えられたが、制御部１６によって開閉弁Ａ１，Ｂ１の開閉状態を本実施形態とは逆に切り替えることで、低温ガスを冷却用流路Ｂに流すようにしてもよい。このように低温ガスを冷却用流路Ｂに流すことによって、例えば高温ガスで加熱された燃料電池１３内の冷媒を冷却することができる。さらには、冷却用流路Ｂの設置場所を適宜変更することにより、例えばエア供給システム１２から圧縮されて排出される高温の圧縮空気なども冷却することができる。
【００５２】
本実施形態では、中圧水素タンク１５内の水素ガスをレギュレータ２１ｄの上流側に供給するようにしたが、本発明はこれに限定されず、レギュレータ２１ｄの下流側に供給するようにしてもよい。これによれば、中圧水素タンク１５内からの水素ガスが低圧状態となる部分に供給されることとなるので、中圧水素タンク１５から良好に水素ガスを排出することが可能となる。ただし、この場合は、中圧水素タンク１５からの水素ガスが外乱となるのを防止するための各種機器を戻し用流路２４に設けるのが望ましい。
【００５３】
本実施形態では、二つの切替弁２１ｂ，２１ｃによって水素ガスの通り道を、燃料ガス供給路２１と暖機用流路２２とに切り替えるようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本実施形態における第二切替弁２１ｃを設ける代わりに、暖機用流路２２における熱分離器１４よりも下流側に、燃料ガス供給路２１側から熱分離器１４への水素ガスの逆流を防止する逆流防止弁を設けてもよい。これによれば、第一切替弁２１ｂを切り替えるだけで、流路の切り替えを行うことができる。
本実施形態では、熱分離器１４を燃料ガスの供給側に用いたが、空気の供給側、すなわちコンプレッサの下流側に設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。
【図２】図１の熱分離器の動作を説明するための説明図（ａ）と、燃料電池内に形成される水素流路を示す部分断面図（ｂ）である。
【図３】燃料電池システムの起動時におけるフローを示すフローチャート（ａ）と、通常制御モードのときのフローを示すフローチャート（ｂ）と、氷点下制御モードのときのフローを示すフローチャート（ｃ）である。
【符号の説明】
【００５５】
１      燃料電池システム
１１    高圧水素タンク
１２    エア供給システム
１３    燃料電池
１３ａ  温度センサ
１３ｂ  電流計
１３ｃ  水素流路
１４    熱分離器
１４ａ  出口
１４ｂ  バルブ
１４ｃ  出口
１５    中圧水素タンク
１６    制御部
２１    燃料ガス供給路
２１ａ  遮断弁
２１ｂ  第一切替弁
２１ｃ  第二切替弁
２１ｄ  レギュレータ
２２    暖機用流路
２３    回収用流路
２４    戻し用流路
２４ａ  圧力センサ
２４ｂ  ガス供給切替弁
３１    負荷
【図１】
2005268141.tif 000003
【図２】
2005268141.tif 000004
【図３】
2005268141.tif 000005