(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
前記反応ガスのうちの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、
前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサの下流側の前記酸化ガス供給流路から分岐し、前記コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの一部を前記コンプレッサの上流側の前記酸化ガス供給流路に循環させるための酸化ガス循環流路と、
前記酸化ガス循環流路に設けられ、当該酸化ガス循環流路への前記酸化ガスの流入を遮断または許容する弁と、
前記燃料電池の温度を検出する温度センサによって検出される温度が所定の低温閾値以下である場合に、前記弁を開弁させて、前記コンプレッサから吐出される前記酸化ガスのうち、一部の前記酸化ガスを前記酸化ガス循環流路に循環させ、残りの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給させる制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
外気温を検出する外気温センサをさらに備え、
前記制御手段は、前記外気温センサにより検出される温度が所定の低温閾値以下である場合に、前記弁を開弁させ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】
前記コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの温度を検出する吐出温度センサをさらに備え、
前記制御手段は、前記吐出温度センサにより検出される温度が所定の吐出温度以上である場合に、前記弁を閉弁させることを特徴とする請求項１または２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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いられている。この燃料電池に供給される酸化ガスは、大気中の空気を取り込んで圧縮するコンプレッサから送出されている（下記特許文献１〜３参照）。
【特許文献１】特開２００６−１３９９９８号公報
【特許文献２】特開２００６−１８５９０７号公報
【特許文献３】特開２００７−０７３２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、外気温が低い場合には、コンプレッサに取り込まれる空気の温度が低くなるため、燃料電池に供給される酸化ガスの温度も低くなる。したがって、上述した従来の燃料電池システムを低温下で起動させた場合には、燃料電池自体の温度が低いだけではなく、燃料電池に供給される酸化ガスの温度も低くなるため、燃料電池を昇温させるのに要する時間が長くなり、燃料電池の発電効率が低下する。
【０００４】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、低温下で起動させた場合の燃料電池の昇温時間を短縮させる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】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、反応ガスのうちの酸化ガスを燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路に設けられ、酸化ガスを燃料電池に供給するコンプレッサと、コンプレッサの下流側の酸化ガス供給流路から分岐し、コンプレッサから吐出される酸化ガスの一部をコンプレッサの上流側の酸化ガス供給流路に循環させるための酸化ガス循環流路と、酸化ガス循環流路に設けられ、当該酸化ガス循環流路への酸化ガスの流入を遮断または許容する弁と、所定の温度センサにより検出される温度が所定の低温閾値以下である場合に、弁を開弁させる制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
この発明によれば、低温である場合に、酸化ガス循環流路への酸化ガスの流入を許容して、コンプレッサで圧縮されてから吐出される酸化ガスの一部をコンプレッサの上流側の酸化ガス供給流路に循環させることができるため、低温下で燃料電池に供給される酸化ガスの温度を、コンプレッサを用いてより迅速に上昇させることができるとともに、燃料電池に供給される温度の低い酸化ガスの供給流量を減少させることができる。したがって、燃料電池の昇温（暖機）をより短時間で行うことが可能となる。
【０００７】
上記燃料電池システムにおいて、上記所定の温度センサは、燃料電池の温度を検出する温度センサであって、上記制御手段は、温度センサにより検出される温度が所定の低温閾値以下である場合に、弁を開弁させることができる。
【０００８】
これにより、燃料電池の温度が低い場合に、コンプレッサから吐出された酸化ガスの一部をコンプレッサの上流側にある酸化ガス供給流路に循環させることができるため、燃料電池に供給される酸化ガスの温度をより迅速に上昇させることができる。
【０００９】
上記燃料電池システムにおいて、上記所定の温度センサは、外気温を検出する外気温センサであって、上記制御手段は、外気温センサにより検出される温度が所定の低温閾値以下である場合に、弁を開弁させることができる。
【００１０】
これにより、外気温が低い場合に、コンプレッサから吐出された酸化ガスの一部をコンプレッサの上流側にある酸化ガス供給流路に循環させることができるため、燃料電池に供給される酸化ガスの温度をより迅速に上昇させることができる。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、コンプレッサから吐出される前記酸化ガスの温度を検出する吐出温度センサをさらに備え、上記制御手段は、吐出温度センサにより検出される温度が所定の吐出温度以上である場合には、弁を閉弁させることができる。
【００１２】
これにより、燃料電池に供給される酸化ガスの熱によって燃料電池が損傷してしまう事態を事前に回避させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、低温下で起動させた場合の燃料電池の昇温時間を短縮させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
【００１５】
本発明に係る燃料電池システムは、低温下で起動させる場合に、コンプレッサで圧縮されてから吐出される酸化ガスの一部をコンプレッサの上流側に循環させることで、燃料電池に供給される酸化ガスの温度を、コンプレッサを用いてより迅速に上昇させるとともに、燃料電池に供給される温度の低い酸化ガスの供給流量を減少させる点に特徴がある。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。
【００１６】
まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
【００１７】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却系５と、システム全体を統括制御する制御部６（制御手段）とを有する。なお、燃料電池システム１には、外気温を測定するための外気温センサＴ３も含まれる。
【００１８】
燃料電池２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
【００１９】
酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２（酸化ガス供給流路）と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３と、コンプレッサ３１から吐出された酸化ガスの一部をコンプレッサ３１の上流側にある空気供給流路３２に戻すための空気循環流路３４（酸化ガス循環流路）とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３５が設けられている。この加湿器３５で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００２０】
空気循環流路３４は、コンプレッサ３１の下流側にある空気供給流路３２から分岐し、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの一部をコンプレッサ３１の上流側にある空気供給流路３２に循環させることで、燃料電池２への酸化ガスの供給量を減少させる。空気循環流路３４には、空気循環流路３４への酸化ガスの流入を遮断または許容する遮断弁３６（弁）が設けられている。この遮断弁３６は、例えば、電磁弁によって構成されている。コンプレッサ３１の下流側には、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの温度（以下、吐出温度という。）を検出する温度センサＴ１（吐出温度センサ）が設けられている。
【００２１】
水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための水素循環流路４２とを有する。
【００２２】
水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４とが設けられている。
【００２３】
水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４５が設けられている。また、水素循環流路４２には、気液分離器４６及び排気排水弁４７を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４７は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４６で回収された水分と水素循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４７から排出された水素オフガスは、希釈器４９によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。
【００２４】
冷却系５は、冷却水を冷却するラジエータ５１と、冷却水を燃料電池２およびラジエータ５１に循環供給する冷却水循環流路５２と、冷却水を冷却水循環流路５２に循環させる冷却水循環ポンプ５３とを有する。冷却水循環流路５２のうち、燃料電池２の出口側には、冷却水の温度を検出する温度センサＴ２（温度センサ）が設けられている。
【００２５】
制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４５、冷却水循環ポンプ５３のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。
【００２６】
制御部６は、燃料電池システム１を起動させるときに、温度センサＴ２により検出された冷却水の温度が所定の低温起動開始温度（所定の低温閾値）以下であるか否かを判定する。所定の低温起動開始温度としては、例えば、燃料電池２の標準運転時における冷却水の温度よりも１０℃程低い温度が該当する。
【００２７】
制御部６は、冷却水の温度が所定の低温起動開始温度以下であると判定した場合に、空気循環流路３４の遮断弁３６を開弁させて低温起動時運転を開始させる。低温起動時運転は、燃料電池システム１を低温時に起動させる際の運転モードである。具体的には、空気循環流路３４の遮断弁３６を開弁し、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの一部をコンプレッサ３１の上流側にある空気供給流路３２に循環させることで、燃料電池２に供給する酸化ガスの流量を減少させる運転モードである。
【００２８】
低温起動時運転を行うことによって、十分に温まっていない燃料電池２に対して供給される温度の低い酸化ガスの供給流量を減少させることができる。また、コンプレッサ３１で圧縮されてから吐出される酸化ガスの温度は、コンプレッサ３１に取り込まれる空気の温度よりも高くなる。したがって、低温起動時運転を行うことによって、コンプレッサ３１に取り込まれる冷たい空気に対してコンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの熱を付与することができるため、燃料電池２に供給する酸化ガスの温度をより迅速に上昇させることができる。
【００２９】
なお、低温起動時運転を開始する際に、温度センサＴ２により検出された冷却水の温度を用いて開始するか否かを判定しているが、判定に用いる温度は冷却水の温度に限定されない。例えば、燃料電池のスタックの温度等を用いてもよく、その時点の燃料電池２の温度に対応させることが可能な温度であれば、いずれの温度であってもよい。
【００３０】
制御部６は、低温起動時運転中に、温度センサＴ２により検出された冷却水の温度が所定の低温起動終了温度以上であるか否かを判定する。所定の低温起動終了温度としては、例えば、燃料電池２の標準運転時における冷却水の温度が該当する。
【００３１】
制御部６は、冷却水の温度が所定の低温起動終了温度以上であると判定した場合に、空気循環流路３４の遮断弁３６を閉弁させて通常運転に移行させる。これにより、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスを循環させることなく、吐出された酸化ガスの全てを燃料電池２に供給させることができる。
【００３２】
ここで、制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、温度センサＴ１、Ｔ２等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、遮断弁３６、主止弁４３、水素ポンプ４５、排気排水弁４７および冷却水循環ポンプ５３等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００３３】
ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して温度センサＴ１、Ｔ２での検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムの起動時処理等を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。
【００３４】
次に、図２に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システムの起動時処理について説明する。
【００３５】
まず、制御部６は、イグニッションＯＮ等の運転起動命令を受信すると（ステップＳ１）、温度センサＴ２により検出された冷却水の温度が所定の低温起動開始温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２；ＮＯ）には、処理を後述するステップＳ６に移行する。
【００３６】
一方、上記ステップＳ２の判定で冷却水の温度が所定の低温起動開始温度以下であると判定された（ステップＳ２；ＹＥＳ）場合に、制御部６は、空気循環流路３４にある遮断弁３６を開弁させ（ステップＳ３）、低温起動時運転を開始させる。これにより、コンプレッサから吐出される酸化ガスの一部をコンプレッサ３１の上流側にある空気供給流路３２に循環させることができるため、燃料電池２に供給される酸化ガスの温度を、コンプレッサ３１を用いてより迅速に上昇させることができるとともに、燃料電池２に供給される温度の低い酸化ガスの流量を減少させることができる。
【００３７】
続いて、制御部６は、温度センサＴ２により検出された冷却水の温度が所定の低温起動終了温度以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ４；ＮＯ）には、この判定処理を繰り返す。
【００３８】
一方、上記ステップＳ４の判定で冷却水の温度が所定の低温起動終了温度以上であると判定された場合（ステップＳ４；ＹＥＳ）に、制御部６は、遮断弁３６を閉弁させ（ステップＳ５）、通常運転に移行させる（ステップＳ６）。これにより、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスを循環させることなくその全てを燃料電池２に供給させることができる。
【００３９】
上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２の温度が所定の低温起動開始温度以下である場合には、空気循環流路３４への酸化ガスの流入を許容して、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの一部をコンプレッサ３１の上流側の空気供給流路３２に循環させることができるため、燃料電池２に供給される酸化ガスの温度を、コンプレッサ３１を用いてより迅速に上昇させることができるとともに、燃料電池２に供給される温度の低い酸化ガスの供給流量を減少させることができる。したがって、燃料電池２の昇温（暖機）をより短時間で行うことが可能となり、燃料電池２の発電効率を向上させることができる。
【００４０】
なお、上述した実施形態では、低温起動時運転に移行する際に、冷却水の温度が所定の低温起動開始温度以下であることを条件にしているが、低温起動時運転に移行する条件は、これに限定されない。例えば、制御部６が、外気温センサＴ３によって検出された温度が所定の外気温度（所定の低温閾値）以下であるか否かを判定し、この判定が成立（ＹＥＳ）する場合に、遮断弁３６を開弁して低温起動時運転を開始させることとしてもよい。所定の外気温度としては、例えば、０℃程度が該当する。外気温が低い場合には、コンプレッサ３１から吐出される酸化ガスの温度も低くなるため、吐出された酸化ガスの一部をコンプレッサ３１の上流側にある空気供給流路３２に循環させることで、燃料電池に供給される酸化ガスの温度をより迅速に上昇させることができ、燃料電池２の昇温をより短時間で行うことが可能となる。これにより、燃料電池２の発電効率を向上させることができる。
【００４１】
また、上述した実施形態では、低温起動時運転から通常運転に移行する際に、冷却水の温度が所定の低温起動終了温度以上であることを条件にしているが、低温起動時運転から通常運転に移行する条件は、これに限定されない。例えば、制御部６が、低温起動時運転中に、温度センサＴ１により検出された温度が所定の吐出温度以上であるか否かを判定し、この判定が成立（ＹＥＳ）する場合に、遮断弁３６を閉弁させて通常運転に移行することとしてもよい。所定の吐出温度としては、例えば、燃料電池２に供給される酸化ガスの熱によって燃料電池２のスタック等が損傷することのない程度の温度が該当する。これにより、燃料電池２に供給される酸化ガスの熱によって燃料電池２のスタック等が損傷してしまう事態を事前に回避させることができる。
【００４２】
また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】燃料電池システムの起動時処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…冷却系、６…制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…空気循環流路、３５…加湿器、３６…遮断弁、Ｔ１、Ｔ２…温度センサ、Ｔ３…外気温センサ。
【図１】
0005282398.tif 000002
【図２】
0005282398.tif 000003