(57)【要約】【課題】循環調整弁の凍結防止、および、発電性能の安定性を向上させる。【解決手段】燃料電池システム１は、水素と酸素を含む空気を供給されて発電をする燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２に供給される空気が流通する空気供給流路１１と、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス流路１２と、空気供給流路１１を介して空気を燃料電池スタック２に圧送するコンプレッサ１０と、カソードオフガス流路１２から分岐されコンプレッサ１０よりも上流の空気供給流路１１に接続されるカソードオフガス循環流路２０と、カソードオフガス循環流路２０に設けられた循環調整弁２１と、循環調整弁２１よりも上流側のカソードオフガス循環流路２０とコンプレッサ１０よりも下流の空気供給流路１１とに架け渡される熱交換器１３と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤を供給されて発電をする燃料電池と、
前記燃料電池に供給される酸化剤が流通する酸化剤供給流路と、
前記燃料電池から排出された酸化剤が流通する酸化剤排出流路と、
前記酸化剤供給流路を介して酸化剤を前記燃料電池に圧送する酸化剤圧送手段と、
前記酸化剤排出流路から分岐され前記酸化剤圧送手段よりも上流の前記酸化剤供給流路に接続され前記排出された酸化剤を循環させる酸化剤循環流路と、
前記酸化剤循環流路に設けられた循環調整弁と、
前記循環調整弁よりも前記循環における上流側の前記酸化剤循環流路と前記酸化剤圧送手段よりも下流の前記酸化剤供給流路とに架け渡される熱交換器と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤供給流路と前記酸化剤循環流路のいずれか一方に接続され前記熱交換器を跨ぐことで前記熱交換器をバイパスするバイパス流路と、
前記バイパス流路に設けられたバイパス弁と、
を備え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】
前記バイパス流路は前記熱交換器の上流と下流の前記酸化剤供給流路を接続することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱交換器よりも下流の前記酸化剤供給流路に設けられて酸化剤を加湿する加湿器と、
前記熱交換器よりも下流であって前記加湿器よりも上流の前記酸化剤供給流路に設けられて酸化剤を冷却する冷却手段と、
を備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記酸化剤圧送手段と前記熱交換器の間の前記酸化剤供給流路を流通する酸化剤の温度を検出する供給酸化剤温度センサと、
前記熱交換器と前記燃料電池の間の前記酸化剤循環流路を流通する酸化剤の温度を検出する循環酸化剤温度センサと、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記供給酸化剤温度センサで検出された酸化剤の温度が前記循環酸化剤温度センサで検出された酸化剤の温度よりも大きい場合には前記バイパス弁を閉じ、前記供給酸化剤温度センサで検出された酸化剤の温度が前記循環酸化剤温度センサで検出された酸化剤の温度よりも大きくない場合には前記バイパス弁を開くことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸化剤排出流路に設けられた封止弁と、
前記酸化剤排出流路を流通する酸化剤の温度を検出する排出酸化剤温度センサと、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、燃料電池システムの始動時に前記封止弁を閉じ、前記排出酸化剤温度センサで検知された酸化剤の温度が規定条件を満たした場合に前記封止弁を開くことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
車両に搭載され、
車両の停止時に前記バイパス弁を開く制御部を備えることを特徴とする請求項３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】
この発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料と酸化剤とを供給されて発電をする燃料電池を備える燃料電池システムでは、酸化剤としての酸素を含む空気をコンプレッサで圧縮し、空気供給流路を介して燃料電池に供給するのが一般的である。
また、燃料電池内の湿度調節のために、燃料電池から排出される湿度の高い排出空気の一部を空気循環流路を介して前記空気供給流路に戻し循環使用するシステム（以下、排気循環システムという）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
前記排気循環システムでは、燃料電池から排出される暖かく湿度の高いカソードオフガスを、空気供給流路を流通する低温の新鮮な空気に合流させたときに、暖かいカソードオフガス中の湿分が凝縮して凝縮水が生成されてしまう。これを防止するために、空気供給流路において空気循環流路との合流点よりも上流側に、合流前の新鮮な空気を加熱する加熱部を設ける技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
これら前記排気循環システムにおいては、循環させるカソードオフガスの流量を調整するために、空気循環流路に循環調整弁を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表平８−５００９３１号公報
【特許文献２】特開２００５−２６８１１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池システムを低温環境下で停止させた場合に、空気循環流路を流通するカソードオフガス中に含まれる水分が、循環調整弁において凍結し、循環調整弁が固着してしまう場合がある。
【０００６】
特に、循環調整弁が開弁状態で固着してしまうと、燃料電池システム始動時にカソードオフガスの循環流量を適切に制御することができないため、水蒸気や窒素を含むカソードオフガスが過剰に燃料電池に供給されて、暖機運転である酸素リーン発電時にフラッディングが発生する虞がある。ここで、酸素リーン発電とは、水素に対する酸素の量を通常運転時よりも少なくして意図的に低効率の発電状態とすることで、発電に伴う発熱量を増やし、暖機を促進する運転方法である。
【０００７】
このように、酸素リーン発電時にフラッディングが発生すると、酸素リーン発電から通常発電に移行する際に発電が不安定になる虞がある。また、循環調整弁が固着した状態のまま通常発電に移行してしまうと、通常発電時において燃料電池に供給される空気の酸素濃度が低下し、意図しない発電効率の低下を招く虞もある。
【０００８】
そこで、この発明は、循環調整弁の凍結防止、および、発電性能の安定性を向上することができる燃料電池システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、燃料と酸化剤を供給されて発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池スタック２）と、前記燃料電池に供給される酸化剤が流通する酸化剤供給流路（例えば、後述する実施例における空気供給流路１１）と、前記燃料電池から排出された酸化剤が流通する酸化剤排出流路（例えば、後述する実施例におけるカソードオフガス流路１２）と、前記酸化剤供給流路を介して酸化剤を前記燃料電池に圧送する酸化剤圧送手段（例えば、後述する実施例におけるコンプレッサ１０）と、前記酸化剤排出流路から分岐され前記酸化剤圧送手段よりも上流の前記酸化剤供給流路に接続され前記排出された酸化剤を循環させる酸化剤循環流路（例えば、後述する実施例におけるカソードオフガス循環流路２０）と、前記酸化剤循環流路に設けられた循環調整弁（例えば、後述する実施例における循環調整弁２１）と、前記循環調整弁よりも前記循環における上流側の前記酸化剤循環流路と前記酸化剤圧送手段よりも下流の前記酸化剤供給流路とに架け渡される熱交換器（例えば、後述する実施例における熱交換器１３）と、を備えることを特徴とする燃料電池システムである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記酸化剤供給流路と前記酸化剤循環流路のいずれか一方に接続され前記熱交換器を跨ぐことで前記熱交換器をバイパスするバイパス流路（例えば、後述する実施例におけるバイパス流路２２）と、前記バイパス流路に設けられたバイパス弁（例えば、後述する実施例におけるバイパス弁）と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の発明において、前記バイパス流路は前記熱交換器の上流と下流の前記酸化剤供給流路を接続することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項２または請求項３に記載の発明において、前記熱交換器よりも下流の前記酸化剤供給流路に設けられて酸化剤を加湿する加湿器（例えば、後述する実施例における加湿器１５）と、前記熱交換器よりも下流であって前記加湿器よりも上流の前記酸化剤供給流路に設けられて酸化剤を冷却する冷却手段（例えば、後述する実施例におけるインタークーラー１４）と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記酸化剤圧送手段と前記熱交換器の間の前記酸化剤供給流路を流通する酸化剤の温度を検出する供給酸化剤温度センサ（例えば、後述する実施例における空気温度センサ２４）と、前記熱交換器と前記燃料電池の間の前記酸化剤循環流路を流通する酸化剤の温度を検出する循環酸化剤温度センサ（例えば、後述する実施例における循環カソードオフガス温度センサ25）と、制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、前記供給酸化剤温度センサで検出された酸化剤の温度が前記循環酸化剤温度センサで検出された酸化剤の温度よりも大きい場合には前記バイパス弁を閉じ、前記供給酸化剤温度センサで検出された酸化剤の温度が前記循環酸化剤温度センサで検出された酸化剤の温度よりも大きくない場合には前記バイパス弁を開くことを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の発明において、前記酸化剤排出流路に設けられた封止弁（例えば、後述する実施例における封止弁１６）と、前記酸化剤排出流路を流通する酸化剤の温度を検出する排出酸化剤温度センサ（例えば、後述する実施例におけるカソードオフガス温度センサ２６）と、制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）と、を備え、前記制御部は、燃料電池システムの始動時に前記封止弁を閉じ、前記排出酸化剤温度センサで検知された酸化剤の温度が規定条件を満たした場合に前記封止弁を開くことを特徴とする。
【００１５】
請求項７に係る発明は、請求項３に記載の発明において、車両に搭載され、車両の停止時に前記バイパス弁を開く制御部（例えば、後述する実施例における制御装置３０）を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明によれば、循環調整弁よりも上流に設けた熱交換器によって、圧送手段により圧縮され昇温された酸化剤の熱を、酸化剤循環流路を流れる酸化剤に移動させて該酸化剤を昇温することができ、この昇温した酸化剤を循環調整弁に流通させることができる。これにより、酸化剤に含まれる水分が循環調整弁において凝縮し滞留するのを防止することができ、低温環境下での停止時に循環調整弁の凍結・固着を防止することができる。また、燃料電池から排出された酸化剤を熱交換器で昇温した後に酸化剤供給流路に合流させることができるので、酸化剤供給流路を流れる低温の酸化剤と合流した際に、燃料電池から排出された酸化剤に含まれる湿分が凝縮して生成される凝縮水の生成量を低減することができる。その結果、燃料電池の発電性能の安定性を高めることができる。
【００１７】
請求項２および請求項３に係る発明によれば、バイパス弁を閉じることにより熱交換器を機能させることができ、バイパス弁を開くことにより熱交換器を機能させないようにすることができる。
【００１８】
請求項４に係る発明によれば、熱交換器を流通した酸化剤の温度をさらに低下させることができ、酸化剤を加湿器や燃料電池へ供給可能な温度まで確実に低下させることができる。
【００１９】
請求項５に係る発明によれば、酸化剤循環流路を流れる酸化剤の温度を昇温することができる場合に限って熱交換器を機能させることができ、熱交換器を機能させると却って酸化剤循環流路を流れる酸化剤の温度を低下させてしまう場合には熱交換器を機能させないようにすることができる。これにより前記酸化剤の温度低下を防止することができる。
【００２０】
請求項６に係る発明によれば、燃料電池システムの始動時に燃料電池から排出された酸化剤の全量を循環させることができ、酸素リーン発電による暖機運転を促進することができる。また、暖気完了後に通常発電運転に移行することができる。
【００２１】
請求項７に係る発明によれば、車両の停止中、酸化剤が流通する流路の抵抗を低減することができるので、圧送手段の駆動エネルギーを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明に係る燃料電池システムの実施例における構成図である。
【図２】実施例におけるバイパス弁の開閉制御を示すフローチャートである。
【図３】実施例における燃料電池システムの運転制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図３の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは、燃料電池車両に搭載された態様である。
図１は、実施例における燃料電池システム１の概略構成を示した図である。
燃料電池スタック（燃料電池）２は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで形成されたセルを複数積層して構成されており、アノードに燃料として水素（燃料）を供給し、カソードに酸化剤として酸素を含む空気（酸化剤）を供給すると、アノードで触媒作用により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動して、カソードで空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。
【００２４】
図示しない水素タンクから供給される水素は、水素供給流路３、エゼクタ４を通って燃料電池スタック２のアノードに供給される。燃料電池スタック２で消費されなかった未反応の水素は、燃料電池スタック２からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路５を通ってエゼクタ４に戻され、水素タンクから供給される新鮮な水素と合流し再び燃料電池スタック２のアノードに供給される。
【００２５】
空気はコンプレッサ（酸化剤圧送手段）１０によって加圧され、空気供給流路（酸化剤供給流路）１１を通って燃料電池スタック２のカソードに供給され、この空気中の酸素が酸化剤として発電に供された後、燃料電池スタック２からカソードオフガスとして排出され、カソードオフガス流路（酸化剤排出流路）１２を通って排出される。なお、以下の説明では、燃料電池スタック２に供給される空気を供給空気と称す。
【００２６】
空気供給流路１１においてコンプレッサ１０よりも下流には、上流側から順に、熱交換器１３、インタークーラー（冷却手段）１４、加湿器１５が設けられている。加湿器１５は、空気供給流路１１とカソードオフガス流路１２との間に設けられており、カソードオフガス中の水分を膜を介して供給空気に移動させることによって供給空気を加湿する、いわゆる膜加湿器で構成されている。
【００２７】
カソードオフガス流路１２において加湿器１５よりも下流には、その上流側から順に、封止弁１６、エキスパンダタービン１７が設けられている。コンプレッサ１０とエキスパンダタービン１７は共通の回転軸１８によって連結されており、回転軸１８を回転する駆動モータ１９を備えている。コンプレッサ１０は、駆動モータ１９と、カソードオフガスの有するエネルギーによって作動するエキスパンダタービン１７とによって駆動される。
この実施例において封止弁１６は、燃料電池スタック２内のカソードの空気圧力を調整する圧力調整弁を兼ねている。
【００２８】
カソードオフガス流路１２において加湿器１５の上流側からはカソードオフガス循環流路（酸化剤循環流路）２０が分岐しており、このカソードオフガス循環流路２０は、コンプレッサ１０よりも上流の空気供給流路１１に接続されて、カソードオフガスを燃料電池スタック２に循環供給することができるように構成されている。カソードオフガス循環流路２０は、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスの全部あるいは一部を空気供給流路１１に戻すための流路であり、空気供給流路１１に戻されたカソードオフガスは新鮮な空気と共にコンプレッサ１０に吸引されて、燃料電池スタック２のカソードに供給される。
【００２９】
熱交換器１３は、コンプレッサ１０とインタークーラー１４との間の空気供給流路１１と、カソードオフガス循環流路２０とに架け渡されて設置されており、空気供給流路１１を流通する供給空気とカソードオフガス循環流路２０を流通するカソードオフガスとの間で熱の授受をするように構成されている。
また、カソードオフガス循環流路２０において熱交換器１３よりもカソードオフガスの循環流れから視て下流の位置には、カソードオフガスの循環量を調整するための循環調整弁２１が設けられている。
さらに、空気供給流路１１において熱交換器１３の上流側と下流側は、熱交換器１３を跨いでバイパスするバイパス流路２２によって接続されており、バイパス流路２２には、バイパス流路２２を開閉するバイパス弁２３が設けられている。
【００３０】
コンプレッサ１０と熱交換器１３との間の空気供給流路１１には、熱交換器１３に流入する空気の温度を検出するための空気温度センサ（供給酸化剤温度センサ）２４が設けられている。
カソードオフガス循環流路２０において熱交換器１３よりも上流側（燃料電池スタック２に近い側）には、熱交換器１３に流入するカソードオフガスの温度を検出するための循環カソードオフガス温度センサ（循環酸化剤温度センサ）２５が設けられている。
カソードオフガス流路１２において加湿器１５よりも上流には、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスの温度を検出するためのカソードオフガス温度センサ（排出酸化剤温度センサ）２６が設けられている。
これら温度センサ２４，２５，２６は検出温度に応じた電気信号を制御装置（制御部）３０に出力する。
【００３１】
制御装置３０は、これら温度センサ２４，２５，２６の出力、イグニッションスイッチ（ＩＧ）２７のＯＮ／ＯＦＦ信号等に基づいて、バイパス弁２３の開閉制御、封止弁１６の開閉制御を実行する。また、制御装置３０は、要求発電量に応じて、モータ１９の回転数制御、封止弁１６の開度制御等を実行し、燃料電池スタック２の運転状態に応じて循環調整弁２１の開度制御等を実行する。
【００３２】
この燃料電池システムでは、循環調整弁２１の凍結を防止するために、循環調整弁２１の上流において熱交換器１３によりカソードオフガスを昇温し、循環調整弁２１に流入するカソードオフガスの相対湿度を低下させ、循環調整弁２１、および空気供給流路１１とカソードオフガス循環流路２０との合流点においてカソードオフガス中の水分が凝縮するのを抑制している。
【００３３】
次に、図２のフローチャートを参照して、バイパス流路２２に設けられたバイパス弁２３の開閉制御を説明する。図２のフローチャートに示すバイパス弁２３の開閉制御ルーチンは、制御装置３０によって実行される。
【００３４】
初めに、ステップＳ０１において、イグニッションスイッチ２７がＯＮか否かを判定する。
ステップＳ０１における判定結果が「ＹＥＳ」である場合には、ステップＳ０２に進み、空気温度センサ２４により検出された空気の温度、すなわち熱交換器１３に流入する供給空気の温度Ｔ１が、循環カソードオフガス温度センサ２５により検出されたカソードオフガスの温度、すなわち熱交換器１３に流入するカソードオフガスの温度Ｔ２よりも大きいか否かを判定する。
【００３５】
ステップＳ０２における判定結果が「ＹＥＳ」である場合には、ステップＳ０３に進み、バイパス弁２３を閉じる。バイパス弁２３を閉じると、コンプレッサ１０から圧送された供給空気は熱交換器１３を流通するようになる。ここで、熱交換器１３に流入する供給空気の温度Ｔ１は、熱交換器１３に流入するカソードオフガスの温度Ｔ２よりも大きいので、供給空気を熱交換器１３に通すことによって供給空気の有する熱がカソードオフガスへ移動し、カソードオフガスを暖めることができる。
【００３６】
一方、ステップＳ０２における判定結果が「ＮＯ」である場合には、ステップＳ０４に進み、バイパス弁２３を開く。バイパス弁２３を開くと、コンプレッサ１０から圧送された供給空気は、熱交換器１３内の流路よりも抵抗の少ないバイパス流路２２を流通するようになる。これは、熱交換器１３に流入する供給空気の温度Ｔ１が、熱交換器１３に流入するカソードオフガスの温度Ｔ２以下である場合に供給空気を熱交換器１３に流通させると、熱交換器１３内においてカソードオフガスの有する熱が供給空気に移動してしまい、却ってカソードオフガスの温度を低下させてしまう。そこで、これを防止するために、このような温度条件下では供給空気を熱交換器１３に流通させないようにする。
【００３７】
また、ステップＳ０１における判定結果が「ＮＯ」である場合、すなわちイグニッションスイッチ２７がＯＦＦの場合には、ステップＳ０４に進み、バイパス弁２３を開く。
【００３８】
次に、図３のフローチャートを参照して、燃料電池システム１の運転制御を説明する。
図３のフローチャートに示す運転制御ルーチンは、制御装置３０によって実行され、イグニッションスイッチ２７のＯＮ信号により開始される。
【００３９】
初めに、ステップＳ１０１において封止弁１６を閉じ、さらにステップＳ１０２に進んで、燃料電池スタック２を通常発電時よりも相対的に酸素量を少なくした発電状態（酸素リーン発電）となるように、モータ１９を起動して燃料電池スタック２に供給空気を供給するとともに、燃料電池スタック２への水素供給を実行する。
酸素リーン発電運転は暖機運転の一種であり、燃料電池スタック２を意図的に低効率発電にして、発電に伴う発熱量を増大させ、燃料電池スタック２の暖機を促進する運転方法（暖機モード）である。
【００４０】
コンプレッサ１０によって圧縮・加熱された空気は、バイパス弁２３が閉じているときには熱交換器１３を通って、バイパス弁２３が開いているときにはバイパス流路２２を通ってインタークーラー１４に供給される。供給空気は、インタークーラー１４によって、加湿器１５および燃料電池スタック２へ供給可能な温度まで冷却され、加湿器１５を通って燃料電池スタック２のカソードに供給される。
【００４１】
なお、インタークーラー１４をバイパスするバイパス流路を空気供給流路１１に接続し、該バイパス流路にバイパス弁を設けておいて、熱交換器１３により供給空気の温度が加湿器１５および燃料電池スタック２へ供給可能な温度まで低下した場合には、供給空気をインタークーラー１４をバイパスして流すようにすることが可能である。そのようにすると、加湿器１５および燃料電池スタック２へ流入する供給空気の温度制御をより確実に行うことができるので、より好ましい。
【００４２】
この酸素リーン発電運転では封止弁１６が閉じているので、燃料電池スタック２から排出されるカソードオフガスは、その全量がカソードオフガス循環流路２０を流通して空気供給流路１１に戻される。その結果、供給空気の酸素量を減少させることができる。なお、カソードオフガスの循環流量の調整は、循環調整弁２１の開度制御によって行われる。
【００４３】
この酸素リーン発電運転の間も、バイパス弁２３は、前述したように熱交換器１３に流入する供給空気の温度Ｔ１と熱交換器１３に流入するカソードオフガスの温度Ｔ２に基づいて開閉を制御され、前記供給空気の温度Ｔ１が前記カソードオフガスの温度Ｔ２よりも大きいときに限ってバイパス弁２３が閉ざされ、供給空気が熱交換器１３を流通するので、燃料電池スタック２から排出された比較的に暖かいカソードオフガスをさらに昇温することができる。
【００４４】
そして、熱交換器１３で昇温したカソードオフガスを循環調整弁２１に流通させているので、カソードオフガスに含まれる水分が循環調整弁２１において凝縮し、滞留するのを防止することができる。
また、熱交換器１３で昇温されたカソードオフガスが循環調整弁２１を流通するので、燃料電池システム１の始動前の低温停止時に万が一、循環調整弁２１が凍結により固着していても、循環調整弁２１を迅速に解氷することができ、解氷後は循環調整弁２１を開度調整を行うことができる。その結果、後述する通常発電運転に移行したときに、循環調整弁２１の開度制御を確実に実行することができる。
【００４５】
また、昇温されたカソードオフガスが空気供給流路１１に合流するので、カソードオフガスを昇温しないで空気供給流路１１に合流させた場合よりも、低温の空気（外気）と合流した際に、混合されたカソードオフガス中の湿分が凝縮して生成される凝縮水の生成量を低減することができる。その結果、コンプレッサ１０に水が滞留するのを防止することができ、動力損失が増大するのを防止することができる。
【００４６】
次に、ステップＳ１０２からステップＳ１０３に進み、カソードオフガス温度センサ２６により検出されたカソードオフガスの温度、すなわち燃料電池スタック２から排出された直後のカソードオフガスの温度Ｔ３が、予め設定された目標温度（例えば、０゜Ｃ）よりも大きいか否か、あるいは、前記カソードオフガスの温度Ｔ３の時間変化（ｄＴ３／ｄｔ）が予め設定した所定値εよりも小さいか否かを判定する。
【００４７】
ステップＳ１０３における判定結果が「ＹＥＳ」である場合、すなわち、燃料電池スタック２から排出された直後のカソードオフガスの温度Ｔ３が目標温度よりも大きい場合、あるいは、前記カソードオフガスの温度Ｔ３の時間変化（ｄＴ３／ｄｔ）が所定値εよりも小さい場合には、暖機完了と判断してステップＳ１０４に進み、通常発電運転に移行する。
【００４８】
一方、ステップＳ１０３における判定結果が「ＮＯ」である場合、すなわち、燃料電池スタック２から排出された直後のカソードオフガスの温度Ｔ３が目標温度以下である場合、あるいは、前記カソードオフガスの温度Ｔ３の時間変化（ｄＴ３／ｄｔ）が所定値ε以上である場合には、まだ暖機が完了していないと判断してステップＳ１０１に戻り、酸素リーン発電運転を継続する。
【００４９】
ステップＳ１０４の通常発電運転に移行するにあたっては、封止弁１６を開き、さらに燃料電池スタック２のカソード圧力が要求発電量に応じた圧力となるように封止弁１６の開度制御を実行する。また、要求発電量に応じた供給空気流量となるように、コンプレッサ１０の駆動モータ１９の回転数を制御する。
さらに、循環調整弁２１の開度制御を実行し、カソードオフガスの循環流量を調整する。これにより、燃料電池スタック２から排出される湿度の高いカソードオフガスの戻り量を調整し、燃料電池スタック２内に供給される供給空気の加湿量を調整することができる。
【００５０】
この通常発電運転の間も、バイパス弁２３は、前述したように熱交換器１３に流入する供給空気の温度Ｔ１と熱交換器１３に流入するカソードオフガスの温度Ｔ２に基づいて開閉を制御され、前記供給空気の温度Ｔ１が前記カソードオフガスの温度Ｔ２よりも大きいときに限ってバイパス弁２３が閉ざされ、供給空気が熱交換器１３を流通するので、燃料電池スタック２から排出された比較的に暖かいカソードオフガスをさらに昇温することができる。
【００５１】
また、通常発電運転においても、カソードオフガス循環流路２０を流れるカソードオフガスを、循環調整弁２１よりも上流にて熱交換器１３で昇温し、昇温したカソードオフガスを循環調整弁２１に流通させているので、カソードオフガスに含まれる水分が循環調整弁２１において凝縮し、滞留するのを防止することができる。その結果、燃料電池システム１を低温環境で停止したときにも、循環調整弁２１が凍結して固着するのを防止することができる。
【００５２】
さらに、熱交換器１３で昇温されたカソードオフガスが空気供給流路１１に合流するので、カソードオフガスを昇温しないで空気供給流路１１に合流させた場合よりも、低温の空気（外気）と合流した際に、混合されたカソードオフガス中の湿分が凝縮して生成される凝縮水の生成量を低減することができる。
【００５３】
このように凝縮水の生成量を低減することができるので、燃料電池スタック２に供給される加湿水蒸気量が予期せずに減少し燃料電池スタック２の固体高分子電解質膜が乾燥して発電性能が低下してしまうのを回避することができる。
しかも、循環調整弁２１の凍結固着がないので、酸素リーン発電運転から通常発電運転に移行した当初から循環調整弁２１の開度制御が可能であり、カソードオフガスの循環流量を調整することができる。これにより、供給空気の加湿量を適正に制御することができ、燃料電池スタック２の発電性能の安定化が達成される。
【００５４】
また、前述のように、コンプレッサ１０の上流において凝縮水の生成量を低減することができるので、コンプレッサ１０に水が滞留するのを防止することができ、動力損失が増大するのを防止することができる。
【００５５】
次に、ステップＳ１０４からステップＳ１０５に進み、イグニッションスイッチ２７がＯＦＦか否かを判定する。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」である場合には、ステップＳ１０４に戻り、通常発電運転を継続する。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」である場合には、ステップＳ１０６に進み、発電停止処理を実行する。この発電停止処理には、空気供給流路１１およびカソードオフガス流路１２に掃気ガスを流してカソード系内の水を排出するパージ処理や、燃料電池スタック２内に残存する水素を消費するためのディスチャージ発電などが含まれる。
ステップＳ１０６において発電停止処理を実行した後、燃料電池システム１は停止状態となり（ステップＳ１０７）、本ルーチンの実行を終了する。
【００５６】
このように、この燃料電池システム１では、低温環境下で停止しても循環調整弁２１の凍結固着を防止することができるので、酸素リーン発電運転の当初から循環調整弁２１の開度制御が可能であり、カソードオフガスの循環流量を調整することができる。その結果、酸素リーン発電運転時に水蒸気を含むカソードオフガスが過剰に燃料電池スタック２に供給されることがなく、燃料電池スタック２のカソードにおいてフラッディングが発生することもない。
【００５７】
したがって、酸素リーン発電運転から通常発電運転に移行した際に発電が不安定になることもない。また、通常発電運転の当初から循環調整弁２１の開度制御ができるので、カソードオフガスの循環流量を適正に制御することができ、供給空気の酸素濃度が予期せずに低下することがない。
【００５８】
〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、熱交換器１３をバイパスするバイパス流路２２を空気供給流路１１に設けたが、これに代えて、カソードオフガス循環流路２０において熱交換器１３の上流側と下流側とを接続するバイパス流路を設け、このバイパス流路にバイパス弁を設けても、前述した実施例と同様の作用、効果を得ることができる。
【００５９】
また、前述した実施例のようにバイパス流路２２を空気供給流路１１に設けた場合には、車両の停止中、バイパス弁２３を開き、供給空気をバイパス流路２２に流して熱交換器１３をバイパスさせるようにすると、流路抵抗が低減するので、コンプレッサ１０の駆動動力を低減することができ、省エネルギーに貢献することができる。
【００６０】
また、前述した実施例では、カソードオフガス循環流路２０を加湿器１５よりも上流のカソードオフガス流路１２から分岐したが、この分岐点はエキスパンダタービン１７よりも上流側にあればよく、その限り加湿器１５よりも下流側であってもよい。エキスパンダタービン１７の下流で分岐したのでは、エキスパンダタービン１７において既に凝縮水が生じているため、凝縮水を含んだカソードオフガス（酸化剤）をカソードオフガス循環流路２０に流すこととなり、この発明の目的にそぐわないからである。
【００６１】
また、前述した実施例ではインタークーラー１４を設けたが、インタークーラー１４を設けなくても、この発明は成立する。
さらに、前述した実施例では、封止弁１６を、燃料電池スタック２内のカソードの空気圧力を調整する圧力調整弁と兼用させたが、封止弁と圧力調整弁とを別々に設けてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１  燃料電池システム
２  燃料電池スタック（燃料電池）
１０  コンプレッサ（酸化剤圧送手段）
１１  空気供給流路（酸化剤供給流路）
１２  カソードオフガス流路（酸化剤排出流路）
１３  熱交換器
１４  インタークーラー（冷却手段）
１５  加湿器
１６  封止弁
２０  カソードオフガス循環流路（酸化剤循環流路）
２１  循環調整弁
２２  バイパス流路
２３  バイパス弁
２４  空気温度センサ（供給酸化剤温度センサ）
２５  循環カソードオフガス温度センサ（循環酸化剤温度センサ）
２６  カソードオフガス温度センサ（排出酸化剤温度センサ）
３０  制御装置（制御部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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