(57)【要約】【課題】  燃料電池の過電圧が大きくなることを抑制しつつ、燃料電池に供給される空気を加熱して燃料電池を早期に暖機することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  水素と酸素を電気化学反応させて電力を得る燃料電池１０と、空気供給経路２０ａを介して燃料電池１０に酸素を含んだ空気を断熱圧縮して供給するガス圧縮機２１と、空気ガス供給経路２０ａにおける圧縮機２１の上流側に空気を加熱するための加熱装置２６とを設ける。加熱装置２６は、燃料電池１０から電力供給されるように構成する。【選択図】        図１
2007042375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と空気に含まれる酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）と、
空気供給経路（２０ａ）を介して前記燃料電池（１０）に空気を断熱圧縮して供給するガス圧縮機（２１）と、
前記空気ガス供給経路（２０ａ）における前記ガス圧縮機（２１）の上流側に設けられ、前記ガス圧縮機（２１）に吸入される空気を加熱する加熱装置（２６）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】
前記加熱装置（２６）は、前記燃料電池（１０）から電力供給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】
前記燃料電池（１０）の温度を検出する第１の温度センサ（１７）を備え、前記第１の温度センサ（１７）で検出した前記燃料電池（１０）の温度に基づいて前記加熱装置（２６）による空気の加熱を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
外気温を検出する第２の温度センサ（１８）を備え、前記第２の温度センサ（１８）で検出した外気温に基づいて前記加熱装置（２６）による空気の加熱を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池（１０）とガス圧縮機（２１）と加熱装置（２６）は車両に搭載され、前記燃料電池（１０）は前記車両の走行用駆動源として用いられ、
前記ガス圧縮機（２１）から吐出された空気は、車室内に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに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、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
車両用等の駆動源として考えられている高分子電解質型燃料電池では、低温時には発電効率が低いため、低温起動時等に充分な発電能力が得られないという問題がある。このような問題に対し、空気を常圧で燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、供給空気を加熱して燃料電池を暖機して始動時の発電効率を向上させる方法が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−０９３４４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、空気を常圧で燃料電池に供給するため、燃料電池の過電圧が大きくなり発電特性が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は上記点に鑑み、燃料電池の過電圧が大きくなることを抑制しつつ、燃料電池に供給される空気を加熱して燃料電池を早期に暖機す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】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、水素と空気に含まれる酸素とを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１０）と、空気供給経路（２０ａ）を介して燃料電池（１０）に空気を断熱圧縮して供給するガス圧縮機（２１）と、空気ガス供給経路（２０ａ）におけるガス圧縮機（２１）の上流側に設けられ、ガス圧縮機に吸入される空気を加熱するための加熱装置（２６）とを備えることである。
【０００６】
このように、圧縮機（２１）により燃料電池（１０）に空気を供給する燃料電池システムにおいて、圧縮機（２１）の上流側に加熱装置（２６）を設け、圧縮機（２１）の吸入空気を加熱することで、燃料電池（１０）に供給される空気を効率よく昇温させることができ、燃料電池（１０）のカソード側の触媒層を早期に昇温させることができる。そして、燃料電池１０に高温の圧縮空気を供給することができ、カソードの過電圧を低下させて燃料電池（１０）の発電特性を向上させることができ、燃料電池（１０）の自己発熱を促進して燃料電池（１０）を早期に昇温させることができる。
【０００７】
圧縮機（２１）の下流側で圧縮後の空気を加熱する場合には、空気の流速がないため熱交換効率が悪いのに対し、本発明のように圧縮機（２１）の上流側に加熱装置（２６）を配置することで、空気の流速がある状態で熱交換が行われるので、熱交換効率がよく、空気を加熱しやすい。さらに、加熱装置（２６）による加熱と同時に圧縮機（２１）の吐出圧を上昇させることで、燃料電池（１０）に供給される空気をより高温にすることができる。
【０００８】
また、加熱装置（２６）は、電気ヒータと熱交換器が一体的に構成されているものを用いることで、加熱装置（２６）をコンパクトにできる。
【０００９】
本発明の第２の特徴は、加熱装置（２６）は、燃料電池（１０）から電力供給されることである。これにより、燃料電池（１０）の発電量を増加させることができ、自己発熱量を増加させることができる。さらに、加熱装置（２６）で燃料電池（１０）に供給される空気を加熱することで、燃料電池（１０）で増加させた発電電力を熱として回収することができる。
【００１０】
本発明の第３の特徴は、燃料電池（１０）の温度を検出する第１の温度センサ（１７）を備え、第１の温度センサ（１７）で検出した燃料電池（１０）の温度に基づいて加熱装置（２６）による空気の加熱を制御することである。これにより、燃料電池（１０）に供給される空気の温度を、燃料電池温度に応じて適切に調整することができる。
【００１１】
本発明の第４の特徴は、外気温を検出する第２の温度センサ（１８）を備え、第２の温度センサ（１８）で検出した外気温に基づいて加熱装置（２６）による空気の加熱を制御することである。これにより、燃料電池（１０）に供給される空気の温度を、外気温度に応じて適切に調整することができる。
【００１２】
本発明の第５の特徴は、燃料電池（１０）とガス圧縮機（２１）と加熱装置（２６）は車両に搭載され、燃料電池（１０）は車両の走行用駆動源として用いられ、ガス圧縮機（２１）から吐出された空気は、車室内に供給可能に構成されていることである。これにより、空調装置による空気加熱温度が低い場合でも、車室内を暖房することが可能となる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を走行用駆動源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に搭載したものである。
【００１５】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータジェネレータ１１、二次電池１２、補機１５等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００１６】
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数積層されて構成されている。各燃料電池セル１００は、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極（カソード）として構成され、他方の電極は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極（アノード）として構成されている。
【００１７】
燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。
【００１８】
（水素極側）  Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
（酸素極側）  ２Ｈ+＋１／２Ｏ2＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池１０と二次電池１２との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。
【００１９】
燃料電池１０および二次電池１２とモータジェネレータ１１との間に第１インバータ１４が配置されている。この第１インバータ１４により、モータジェネレータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。
【００２０】
そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３と第１インバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からもモータジェネレータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、モータジェネレータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。
【００２１】
燃料電池１０および二次電池１２と補機１５との間に第２インバータ１６が配置されている。補機１５は、燃料電池１０を運転するために必要な電力機器であり、後述の圧縮機２１を駆動する電動モータ２２やウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２が含まれる。
【００２２】
燃料電池システムには、燃料電池１０の温度を検出する第１の温度センサ１７と、外気温を検出する第２の温度センサ１８が設けられている。
【００２３】
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。
【００２４】
空気供給経路２０ａには、空気圧送用の送風機２１が設けられている。この送風機２１は電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２４が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２４を開弁するとともに、電動モータ２２によって圧縮機２１を駆動する。補機としての電動モータ２２は、インバータ２３を介して二次電池１２と接続されている。
【００２５】
空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２５が設けられている。この加湿器２５は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて圧縮機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。
【００２６】
空気供給経路２０ａにおける圧縮機２１の上流側には、加熱装置２６が設けられている。加熱装置２６は圧縮機２１に吸入される空気を加熱し、燃料電池１０に供給される空気を昇温させるものである。加熱装置２６は、燃料電池１０あるいは二次電池１２からの電力供給で作動する。また、加熱装置２６は、電気ヒータと熱交換器が一体的に構成されており、コンパクトな構成となっている。
【００２７】
図２は、圧縮機２１で圧縮される前後の空気の温度を示している。外気温は−３０℃とする。圧縮機２１では断熱圧縮が行われるので、圧縮後の空気温度は圧縮率に比例し、さらに圧縮前の空気温度が高いほど、圧縮後の空気温度が高くなる。このため、加熱装置２６で圧縮機２１に吸入される空気を加熱することで、圧縮後の空気温度を高くすることができる。
【００２８】
圧縮機２１の下流側で圧縮後の空気を加熱する場合には、空気の流速がないため熱交換効率が悪い。これに対し、本実施形態のように圧縮機２１の上流側に加熱装置２６を配置することで、空気の流速がある状態で熱交換が行われるので、熱交換効率がよく、空気を加熱しやすい。また、圧縮前の空気は低温（本例では−３０℃）であり、加熱装置２６による加熱温度との温度差が大きいので、熱交換効率がよい。
【００２９】
また、圧縮機２１の吸入空気温度が同一の場合、圧縮機２１による圧縮率が高い方が圧縮後の空気温度を高くすることができる。このため、必要に応じて圧縮機２１の吐出圧を高くすることで、燃料電池１０に供給される空気の昇温をアシストする。
【００３０】
また、空気供給経路２０ａにおける圧縮機２１と加湿器２５との間に、車室内を空気を供給するための空調用空気供給経路２７が接続されている。空調用空気供給経路２７には、流量調整弁２８が設けられ、空調用空気供給経路２７の他端側は、車室内を空調する空調装置２９に接続されている。空調装置２９に供給された加熱空気は、車室内への吹き出し空気として用いられる。
【００３１】
水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３４が設けられている。
【００３２】
燃料電池１０に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁３３を開弁するとともに、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。
【００３３】
燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４４が設けられている。
【００３４】
冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファン４４を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファン４４による風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。補機としての電動モータ４２は、図示を省略しているが、送風機用電動モータ２２と同様、インバータを介して二次電池１２と接続されている。
【００３５】
燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、温度センサ１７、１８からの温度検出信号等が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、第１インバータ１４、第２インバータ１６、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２３、加熱装置２６、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン４４等に制御信号を出力するように構成されている。
【００３６】
次に、本実施形態の燃料電池システムの作動を図３に基づいて説明する。図３は、制御部５０のＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムに基づいて行う制御の流れを示すフローチャートである。
【００３７】
まず、第２の温度センサ１８で外気温度ＴOUTを検出し（Ｓ１０）、外気温度ＴOUTが第１所定温度Ｔ１を下回っているか否かを判定する（Ｓ１１）。この結果、外気温度ＴOUTが第１所定温度Ｔ１を下回っていないと判定された場合には、Ｓ１０に戻る。なお、第１所定温度Ｔ１は、加熱装置２６による加熱を行うか否かの基準値であり、任意に設定することができる。
【００３８】
一方、外気温度ＴOUTが第１所定温度Ｔ１を下回っていると判定された場合には、第１の温度センサ１７で燃料電池１０の温度ＴFCを検出し（Ｓ１２）、燃料電池温度ＴFCが第２所定温度Ｔ２を下回っているか否かを判定する（Ｓ１３）。この結果、燃料電池温度ＴFCが第２所定温度Ｔ２を下回っていないと判定された場合には、Ｓ１０に戻る、なお、第２所定温度Ｔ２は、加熱装置２６による加熱を行うか否かの基準値であり、任意に設定することができる。
【００３９】
一方、燃料電池温度ＴFCが第２所定温度Ｔ２を下回っていると判定された場合には、加熱装置２６に通電し、加熱装置２６により圧縮機２１の吸入空気の加熱を行う（Ｓ１４）。これにより、燃料電池１０に加熱された空気が供給される。
【００４０】
さらに、加熱装置２６による加熱のみでは燃料電池１０に供給される空気の昇温が充分でない場合等には、必要に応じて圧縮機２１の吐出圧を上昇させる（Ｓ１５）。これにより、燃料電池１０に供給される空気の温度をより高くすることができる。
【００４１】
次に、車室内の暖房が必要か否かを判定する（Ｓ１６）。車室内の暖房の要否は、例えば暖房用スイッチがオンにされているか否かで判定することができる。この結果、車室内の暖房が必要であると判定された場合には、流量調整弁２８の開度を大きくし、空気供給経路２０ａを流れる高温の空気を空調装置２９に供給する（Ｓ１７）。
【００４２】
以上のように、圧縮機２１により燃料電池１０に空気を供給する燃料電池システムにおいて、圧縮機２１の上流側に加熱装置２６を設け、圧縮機２１の吸入空気を加熱することで、燃料電池１０に供給される空気を効率よく昇温させることができる。これにより、燃料電池１０のカソード側に高温の空気が供給され、燃料電池１０のカソード側の触媒層を早期に昇温させることができる。さらに、燃料電池１０に高温の圧縮空気を供給することで、空気の拡散性を向上させることができる。この結果、カソードの過電圧を低下させて燃料電池１０の発電特性を向上させることができ、燃料電池１０の自己発熱を促進して燃料電池１０を早期に昇温させることができ、燃料電池１０内部に存在する水が凍結することを防ぐことができる。
【００４３】
また、燃料電池１０を昇温させるには自己発熱量を増加させることが効果的である。このためには、反応水素量を増加させ、燃料電池１０から電流を多く取り出す必要がある。そこで、燃料電池１０から電気ヒータを用いた加熱装置２６に電力供給することで、燃料電池１０の発電量を増加させ自己発熱量を増加させることができる。そして、加熱装置２６で燃料電池１０に供給される空気を加熱することで、燃料電池１０で増加させた発電電力を熱として回収することができる。さらに、燃料電池１０の作動電圧を低下させることで発電効率を低下させ、自己発熱量を増加させる場合にも、燃料電池１０から加熱装置２６に電力供給することが有効である。
【００４４】
また、圧縮機２１の出口から高温の空気を空調装置２９に供給することで、空調装置２９による空気加熱温度が低い場合でも、車室内を暖房することが可能となる。
【００４５】
（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、外気温度ＴOUTに基づいて加熱装置２６による加熱を行うか否かを決定したが、外気温度ＴOUTに基づいて加熱装置２６による加熱温度を調整するように構成してもよい。例えば、外気温度ＴOUTが低い場合には、加熱装置２６による加熱温度を高くし、外気温度ＴOUTが高い場合には、加熱装置２６による加熱温度を高くすればよい。
【００４６】
同様に、上記実施形態では、燃料電池温度ＴFCに基づいて加熱装置２６による加熱を行うか否かを決定したが、燃料電池温度ＴFC基づいて加熱装置２６による加熱温度を調整するように構成してもよい。例えば、燃料電池温度ＴFCが低い場合には、加熱装置２６による加熱温度を高くし、燃料電池温度ＴFCが高い場合には、加熱装置２６による加熱温度を高くすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図２】圧縮機で圧縮される前後の空気の温度を示す図表である。
【図３】上記実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４８】
１０…燃料電池、１７…第１の温度センサ、１８…第２の温度センサ、２０ａ…空気供給経路、２１…圧縮機、２６…加熱装置、５０…制御部。
【図１】
2007042375.tif 000003
【図２】
2007042375.tif 000004
【図３】
2007042375.tif 000005