(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に対して供給ガスを供給するコンプレッサを有し、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に前記供給ガスを流す通路が形成され、前記通路には、前記供給ガスを加湿する加湿器と、前記コンプレッサと前記加湿器の間に備わって前記供給ガスを冷却する放熱器と、が設けられており、
前記加湿器に供給される供給ガスの熱量を調整する熱量調整手段と、
前記燃料電池の入口における前記供給ガスの温度を検出する温度検出手段で検出された前記燃料電池の入口における前記供給ガスの温度に基づいて前記熱量調整手段を制御することで、前記加湿器が本来の加湿性能を発揮するように当該加湿器の温度を制御する制御装置と、が設けられ、
前記熱量調整手段は、前記放熱器を迂回して前記供給ガスを前記加湿器に流入するように前記コンプレッサと前記加湿器の間に設けられるバイパス通路と前記通路との間の流量比率を調整する流量調整弁、又は、前記放熱器における前記供給ガスの放熱量を制御する放熱量調整手段であり、
前記加湿器は、前記供給ガスの熱量で昇温されることを特徴とする燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置。
【請求項２】
前記バイパス通路の断面積は、前記通路の断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置。
【請求項３】
前記バイパス通路の断面積は、前記通路の断面積の半分以下であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池における加湿器の温度を適切に制御する燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気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供給するとともにアノード側に水素を供給し、水素と酸素の反応によって電気を発生する。カソード側に酸素を供給するためには、酸素を含んでいる空気を、たとえばコンプレッサによって燃料電池に供給している。このとき、燃料電池で効率的な発電を実現するためには、燃料電池に供給される酸素を含む空気がある程度湿っている必要がある。そこで、コンプレッサと燃料電池との間に空気を加湿する加湿器が設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記加湿器が本来の加湿性能を発揮するためには、空気がある程度の温度以上であることが必要となる。しかし、燃料電池が低負荷状態で運転されているとき、たとえばコンプレッサの回転数が３０００ｒｐｍ以下の場合には、燃料電池の発熱量は小さく、燃料電池から排出される排出空気の温度も低い。そのため、加湿器も温度低下が生じやすいという問題がある。また、コンプレッサから供給される供給ガスは、高温であるため、放熱器で冷却されてから加湿器を介して燃料電池に供給されるが、燃料電池が低負荷状態で運転されている際には、放熱器の温度も低下している。このため、やはり加湿器の温度低下が生じやすいという問題があった。
【０００４】
また、燃料電池の始動時においても同様に燃料電池およびコンプレッサなどは冷えているので、同様の問題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、燃料電池が低負荷状態で運転されている場合であっても、加湿器の温度を一定温度に維持することにより、加湿器が本来の加湿性能を発揮できるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に係る発明は、燃料電池に対して供給ガスを供給するコンプレッサを有し、前記コンプレッサと前記燃料電池との間に前記供給ガスを流す通路が形成され、前記通路には、前記供給ガスを加湿する加湿器と、前記コンプレッサと前記加湿器の間に備わって前記供給ガスを冷却する放熱器と、が設けられており、前記加湿器に供給される供給ガスの熱量を調整する熱量調整手段と、前記燃料電池の入口における前記供給ガスの温度を検出する温度検出手段で検出された前記燃料電池の入口における前記供給ガスの温度に基づいて前記熱量調整手段を制御することで、前記加湿器が本来の加湿性能を発揮するように当該加湿器の温度を制御する制御装置と、が設けられ、前記熱量調整手段は、前記放熱器を迂回して前記供給ガスを前記加湿器に流入するように前記コンプレッサと前記加湿器の間に設けられるバイパス通路と前記通路との間の流量比率を調整する流量調整弁、又は、前記放熱器における前記供給ガスの放熱量を制御する放熱量調整手段であり、前記加湿器は、前記供給ガスの熱量で昇温されることを特徴とする燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置である。
【０００７】
請求項１に係る発明では、コンプレッサから加湿器に供給される供給ガスの熱量を調整する熱量調整手段が設けられている。この熱量調整手段により、供給ガスの熱量を調整することにより、供給ガスの温度を調整することができるので、ある程度の温度以上の供給ガスを加湿器に供給することができる。そのため、加湿器が本来の加湿性能を十分に発揮することができる。
また、燃料電池の入口における供給ガスの温度を検出し、この供給ガスの温度に基づいて熱量調整手段を制御している。このため、加湿器が本来の加湿性能を発揮するために好適な温度となるように供給ガスの温度を調整することができる。
また、コンプレッサから供給される供給空気は、コンプレッサの断熱圧縮によって高温となっているので、放熱器で冷却してから加湿器に供給される。そこで、請求項１に係る発明では、コンプレッサから加湿器に供給される供給ガスが通る通路として、放熱器が設けられている通路のほかに、放熱器を迂回するバイパス通路が設けられている。そして、通常運転時は通路を通して供給ガスを冷却するが、加湿器に供給される供給ガスの温度が低下しているときには、コンプレッサから供給される供給ガスの一部または全部をバイパス通路に通して、放熱器による冷却を行わないようにする。こうして、コンプレッサで昇温させられた供給ガスをそのまま加湿器に供給することができ、加湿器では本来の加湿性能を発揮することができる。
または、請求項１に係る発明では、熱量調整手段として、放熱器の放熱量を制御する放熱量制御手段、たとえば放熱器が水冷式のものである場合には、冷却水の流量を調整するようにしている。このため、加湿器に供給ガスを供給する熱量を調整するために、バイパス通路を設けなくても済む。したがって、装置全体としての小型化に寄与することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、前記バイパス通路の断面積は、前記通路の断面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置である。
また、請求項３に係る発明は、前記バイパス通路の断面積は、前記通路の断面積の半分以下であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置を、図面を参照して詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
まず、第１実施形態の燃料電池に供給される供給ガスの温度制御装置（以下「温度制御装置」という）を説明する。
この第１実施形態で参照する図面において、図１は第１実施形態の温度制御装置を含む燃料電池システムの全体構成図であり、図２は燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【００１５】
図１に示す燃料電池システムＦＣＳは、燃料電池１、空気供給装置２、水素供給装置３、制御装置４などから構成される燃料電池１を中核とした発電システムである。なお、温度制御装置ＧＳ（ＧＳ１）は、空気供給装置２および制御装置４から構成される。本実施形態における燃料電池システムＦＣＳは、自動車（燃料電池電気自動車）に搭載されるものとする。
【００１６】
図２に示すように、燃料電池１は、電解質膜１ｃを挟んでカソード極側（酸素極側）とアノード極側（水素極側）とに分けられ、それぞれの側に白金系の触媒を含んだ電極が設けられ、カソード電極１ｂおよびアノード電極１ｄを形成している。電解質膜１ｃとしては固体高分子膜、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカーボンスルホン酸膜が使われる。この電解質膜１ｃは、固体高分子中にプロトン交換基を多数持ち、飽和含水することにより常温で２０Ω-プロトン以下の低い比抵抗を示し、プロトン導伝性電解質として機能する。なお、カソード電極１ｂに含まれる触媒は酸素から酸素イオンを生成する触媒であり、アノード電極１ｄに含まれる触媒は水素からプロトンを生成する触媒である。
【００１７】
また、カソード電極１ｂの外側にはカソード電極１ｂに酸化剤ガスとしての供給空気Ａを通流するカソード極側ガス通路１ａが設けられ、アノード電極１ｄの外側にはアノード電極１ｄに燃料ガスとしての供給水素Ｈを通流するアノード極側ガス通路１ｅが設けられている。カソード極側ガス通路１ａの入口および出口は空気供給装置２に接続され、アノード極側ガス通路１ｅの入口および出口は水素供給装置３に接続されている。なお、この図２における燃料電池１は、その構成を模式化して１枚の単セルとして表現してあるが、実際の燃料電池１は、単セルを２００枚程度積層した積層体として構成される。また、燃料電池１は、発電の際に電気化学反応により発熱するため、燃料電池１を冷却する図示しない冷却装置を有する。
【００１８】
この燃料電池１は、カソード極側ガス通路１ａに供給空気Ａが通流され、アノード極側ガス通路１ｅに供給水素Ｈが供給されると、アノード電極１ｄで水素が触媒作用でイオン化してプロトンが生成し、生成したプロトンは、電解質膜１ｃ中を移動してカソード電極１ｂに到達する。そして、カソード電極１ｂに到達したプロトンは、触媒の存在下、供給空気Ａの酸素から生成した酸素イオンと直ちに反応して水を生成する。生成した水および未使用の酸素を含む供給空気Ａは、排出空気Ａｅとして燃料電池１のカソード極側の出口から排出される（排出空気Ａｅは多量の水分を含む）。また、アノード電極１ｄでは水素がイオン化する際に電子ｅ-が生成するが、この生成した電子ｅ-は、モータなどの外部負荷Ｍを経由してカソード電極１ｂに達する。
【００１９】
次に、図１に示すように、温度制御装置ＧＳ１を構成する空気供給装置２は、エアクリーナ２１、コンプレッサ２２、放熱器２３、加湿器２４、流量調整弁２５、逆流防止弁２６、および圧力制御弁２７を備えている。このうち、コンプレッサ２２と燃料電池１の間における通路Ｗ１に放熱器２３が設けられている。また、通路Ｗ１における放熱器２３が配置されている位置の下流側に流量調整弁２５が設けられている。また、コンプレッサ２２と燃料電池１の間におけるバイパス通路Ｗ２は、放熱器２３を迂回して形成されている。具体的には、コンプレッサ２２と放熱器２３との間で通路Ｗ１から分岐して、流量調整弁２５と加湿器２４の間で通路Ｗ１に合流する。したがって、バイパス通路Ｗ２を通過する供給ガスは、放熱器２３を通過しないようになっている。ここで、バイパス通路Ｗ２の断面積は、通路Ｗ１の断面積よりも小さくされている。したがって、供給空気Ａがバイパス通路Ｗ２を流れる際には、通路Ｗ１を流れる際よりも、コンプレッサ２２の出口側の圧力が高まる。その結果、供給空気Ａがより高温に昇温させられる。ここで、具体的には、バイパス通路Ｗ２の断面積は、通路Ｗ１の断面積の半分以下に設定するのが望ましい。そのほか、空気供給装置２は、供給空気Ａや放熱器２３に供給される冷却水の温度を検出する温度センサＴ１，Ｔ２を有している。
【００２０】
エアクリーナ２１は、図示しないフィルタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側に供給される空気（供給空気Ａ）をろ過して、供給空気Ａに含まれるごみを取り除く。
【００２１】
コンプレッサ２２は、図示しないスーパーチャージャ（圧縮機）およびこれを駆動するモータなどから構成され、燃料電池１で酸化剤ガスとして使用される供給空気Ａを断熱圧縮して燃料電池１に圧送する。この断熱圧縮の際に供給空気Ａが加熱される。このように加熱された供給空気Ａが、燃料電池１の暖機に貢献する。
【００２２】
放熱器２３には、冷却水が流れる冷却水流路が設けられており、この冷却水と熱交換することによって、燃料電池１の通常運転時においてコンプレッサ２２から供給される供給空気を冷却している。この放熱器２３にはラジエータ２３Ａが接続されており、ラジエータ２３Ａでは、放熱器２３で供給空気Ａを冷却してその熱により昇温させられた冷却水を、たとえば冷却ファンで冷却している。燃料電池１の通常運転時におけるコンプレッサ２２から供給される供給空気の温度は通常１２０℃程度であるが、燃料電池１は８０〜９０℃程度の温度で運転される。このため、供給空気Ａは、６５〜８０℃程度に冷却されて燃料電池１に導入される。
【００２３】
加湿器２４は、燃料電池排出ガス供給型のものであり、たとえば多数、具体的には５０００本の中空糸膜が束ねられてなる中空糸膜束がハウジング内に収容されており、中空糸膜内を供給空気Ａが通過し、ハウジング内であって中空糸膜の外側を排出空気Ａｅが通過する。燃料電池１では、発電に伴い水が発生して、排出空気Ａｅには大量の水分が含まれているので、この水分を供給空気Ａに水分交換して供給空気Ａを加湿する。なお、加湿器としては、このような燃料電池排出ガス供給型のもののほか、図示しないベンチュリ、水貯蔵タンク、ベンチュリと水貯蔵タンクを接続するサイフォン管などから構成され（一種のキャブレタ）、水貯蔵タンクに貯蔵された加湿用の水をベンチュリ効果で吸い上げて噴霧し、供給空気Ａを加湿するものなど、適宜公知のものを用いてもよい。
【００２４】
流量調整弁２５は、流路の開度調整が可能な弁であり、開度を大きくする（開く）ことにより、流量が増大し、開度を小さくする（閉じる）ことにより、流量が減少するようになっている。したがって、この流量調整弁２５を開くと通路Ｗ１を流れる供給空気Ａの流量が増加し、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａの流量が減少する。逆に、流量調整弁２５を閉じると、通路Ｗ１を流れる供給空気Ａの流量が減少し、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａの流量が増加するようになっている。
【００２５】
逆流防止弁２６は、バイパス通路Ｗ２に設けられており、コンプレッサ２２から加湿器２４の方向に流れる供給空気Ａが逆流するのを防止している。
【００２６】
圧力制御弁２７は、図示しないバタフライ弁およびこれを駆動するステッピングモータなどから構成され、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの圧力（吐出圧）を圧力制御弁２７の開度を減少・増加することにより制御する。ちなみに、圧力制御弁２７の開度を減少すると燃料電池１の排出圧力が高まり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が増加する。また、圧力制御弁２７の開度を増加すると燃料電池１の排出圧力が低くなり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が減少する。
【００２７】
温度センサＴ１は、サーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側の入口における供給空気Ａの温度を検出して、この検出信号を制御装置４に送信する。
【００２８】
温度センサＴ２は、温度センサＴ１と同様にサーミスタなどから構成され、ラジエータ２３Ａから放熱器２３に対して供給される冷却水の温度を検出して、この検出信号を制御装置４に送信する。
【００２９】
また、図１に示すように、水素供給装置３は、水素ガスボンベ３１、レギュレータ３２、水素循環ポンプ３３などから構成される。
【００３０】
水素ガスボンベ３１は、図示しない高圧水素容器から構成され、燃料電池１のアノード極側に導入される供給水素Ｈを貯蔵する。貯蔵する供給水素Ｈは純水素であり、圧力は１５〜２０ＭＰａＧ（１５０〜２００kg/cm2Ｇ）である。なお、水素ガスボンベ３１は、水素吸蔵合金を内蔵し１ＭＰａＧ（１０kg/cm2Ｇ）程度の圧力で水素を貯蔵する水素吸蔵合金タイプである場合もある。
【００３１】
レギュレータ３２は、図示しないダイヤフラムや圧力調整バネなどから構成され、高圧で貯蔵された供給水素Ｈを所定の圧力まで減圧させ、一定圧力で使用できるようにする圧力制御弁である。
【００３２】
水素循環ポンプ３３は、図示しないエジェクタなどから構成され、燃料電池１のアノード極側に向かう供給水素Ｈの流れを利用して、燃料電池１で燃料ガスとして使用された後の供給水素Ｈ、つまり燃料電池１のアノード極側から排出される排出水素Ｈｅを吸引し循環させる。なお、排出水素を循環使用するのは、供給水素Ｈが、水素ガスボンベ３１に貯蔵されている純水素だからである。
【００３３】
次に、制御装置４は、図示しないＣＰＵ、メモリ、入出力インタフェイス、Ａ／Ｄ変換器、バスなどから構成されており、燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御するとともに、燃料電池１に供給する供給空気Ａの温度を制御する。制御装置４は、前記の通り温度センサＴ１，Ｔ２からの検出信号を受信する。また、制御装置４は、コンプレッサ２２、流量調整弁２５、および圧力制御弁２７に対する制御信号を送信する。本実施形態では、制御装置４が熱量調整手段である流量調整弁２５の開度を調整して通路Ｗ１とバイパス通路Ｗ２とを流れる供給空気Ａの流量比率を調整して、加湿器２４に供給される供給空気Ａの熱量を調整している。
【００３４】
次に、第１の実施形態に係る燃料電池１の低負荷時における温度制御装置ＧＳ１の動作の一例を、図３を参照して説明する（適宜図１参照）。
ここで、図３は、燃料電池の温度制御装置の制御フローである。なお、燃料電池１に供給される供給空気Ａの目標温度は６５℃〜８０℃である。
【００３５】
供給空気Ａの温度制御が開始されると、図示しない燃料電池電気自動車におけるアクセル開度信号やその他の補機からの要求出力などに基づいて、燃料電池１の目標発電量が設定される（Ｓ１）。目標発電量が設定されたら、図４に示すマップを参照して目標発電量に対応するコンプレッサ２２の回転数を求めて設定する（Ｓ２）。ここでいうコンプレッサ２２の回転数とは、コンプレッサ２２を作動させるモータの回転数を意味する。続いて、設定されたコンプレッサ２２の回転数が３０００ｒｐｍ未満か否かを検出する（Ｓ３）。設定されたコンプレッサ２２の回転数が３０００ｒｐｍを超える場合には、燃料電池１にはある程度の負荷が掛かっており、通常の発電が行われていると判断できる。したがって、供給空気Ａを昇温させる必要はないので、そのまま通常モードへと移行する（Ｓ４）。すなわち、図４に示すように、コンプレッサ２２の回転数が３０００ｒｐｍ以下の領域が、本実施形態に係る温度制御を行う制御領域となる
【００３６】
一方、コンプレッサ２２の回転数が３０００ｒｐｍ以下の場合には、燃料電池１は低負荷状態にあり、目標発電量が低くなっている。燃料電池１の目標発電量が低いと、加湿器２４に供給される供給空気Ａの温度も下がっており、供給空気Ａの温度が目標値を外れる場合もある。そこで、ステップＳ３でコンプレッサ２２の回転数が３０００ｒｐｍ以下の場合に、供給空気Ａの温度制御を行う。
【００３７】
加湿器２４の温度制御にあたっては、コンプレッサ２２の断熱圧縮により熱量が増加して昇温させられた供給空気の熱量を利用する。さらにいえば、コンプレッサ２２の断熱圧縮により昇温させられた供給空気Ａは、多くの熱量を含み、高温である。このため、低負荷状態における低温となっている加湿器２４に対して多くの熱量を含み高温である供給空気Ａを供給することにより、供給空気Ａの熱で加湿器２４を昇温させようとするものである。
【００３８】
供給空気Ａの温度制御が開始されると、まず温度センサＴ１で燃料電池１の入口における供給空気Ａの温度を検出するべく、温度センサＴ１が示す温度を読み取る（Ｓ５）。加湿器２４には、コンプレッサ２２から供給空気Ａが供給されている。温度センサＴ１で供給空気Ａの温度を読み取ったら、その温度Ｔ１が６５℃未満であるか否かを判断する（Ｓ６）。ここで、供給空気Ａの温度Ｔ１が６５℃以上であると判断したときには、温度センサＴ１で検出した供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃以下であるか否かを判断する（Ｓ７）。その結果、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃以下である場合には、供給空気Ａは目標温度範囲内にあるので、流量調整弁２５の弁開度を維持し（Ｓ８）、処理を終了する。また、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超える場合には、燃料電池１に供給する供給空気Ａの目標上限値を超えないようにするために、流量調整弁２５を１ｄｅｇ開く（Ｓ９）。流量調整弁２５を開くと、通路Ｗ１を流れる供給空気Ａの流量が増加するとともに、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａの流量が減少する。通路Ｗ１を流れる供給空気Ａは、放熱器２３によって冷却されるので、通路Ｗ１を流れる供給空気Ａの流量を増加させることにより、加湿器２４に供給される供給空気Ａは全体として冷却される。したがって、流量調整弁２５を１ｄｅｇ開くことによって、供給空気Ａが徐々に冷却される。
【００３９】
また、ステップＳ６で供給空気Ａの温度Ｔ１が６５℃以下であると判断された場合には、加湿器２４に供給される供給空気Ａの温度が低すぎるので、加湿器２４が本来の加湿性能を発揮することができないおそれがある。そこで、供給空気Ａとして、高い温度のものを加湿器２４に供給する。そのために、まず温度センサＴ２で放熱器２３における冷却水の水温Ｔ２を読み取る（Ｓ１０）。続いて、温度センサＴ２で読み取られた冷却水の水温Ｔ２が温度センサＴ１で読み取られた供給空気Ａの温度よりも高いか否かを判断する（Ｓ１１）。その結果、冷却水の水温Ｔ２が供給空気Ａの温度Ｔ１以上の場合には、冷却水によって供給空気Ａが熱を奪われて冷却されることはない。したがって、流量調整弁２５の開度を調整することなく、そのまま終了する。このときには、供給空気Ａは通路Ｗ１を通過してコンプレッサ２２から加湿器２４に供給される。よって、供給空気Ａは放熱器２３を通過するが、放熱器２３における冷却水の水温Ｔ２が供給空気Ａの温度Ｔ１よりも高いので、供給空気Ａは放熱器２３で冷却されることはない。したがって、供給空気Ａに含まれる多くの熱で加湿器２４を昇温させることができるので、加湿器２４の本来の加湿性能を発揮させるようにすることができる。
【００４０】
また、冷却水の水温Ｔ２が供給空気Ａの温度Ｔ１未満の場合には、流量調整弁２５の開度を１ｄｅｇ閉める（Ｓ１２）。流量調整弁２５を閉めると、バイパス通路Ｗ２に流れる供給空気Ａの流量が増加するとともに、通路Ｗ１を流れる供給空気Ａの流量が減少する。バイパス通路Ｗ２は、放熱器２３を迂回して形成されているので、バイパス通路Ｗ２を通る供給空気Ａは、放熱器２３によって冷却されずに加湿器２４に供給される。したがって、流量調整弁２５を１ｄｅｇ閉めて、バイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａの流量を徐々に増加させることにより、加湿器２４に供給される供給空気Ａの温度が徐々に増加するので、供給空気Ａの熱で加湿器２４を昇温させることができる。その結果、加湿器２４の本来の加湿性能を発揮させるようにすることができる。
【００４１】
そして、流量調整弁２５の開度の調整が済んだら、処理が終了する。
【００４２】
このようにして加湿器２４に供給される供給空気Ａの温度を調整することによって、加湿器２４の温度を制御することができる。加湿器２４の温度を制御することにより、加湿器２４において本来の加湿性能を発揮することができる。そのため、燃料電池１の運転を良好な状態で行うことができるようになる。
【００４３】
なお、この実施形態では、供給空気Ａの温度制御を開始するための条件として、燃料電池が低温状態にあるか否かをコンプレッサの回転数に基づいて判断しているが、燃料電池１から排出される排出空気Ａｅの温度に基づいて、燃料電池１の低温状態を判断することもできる。
【００４４】
また、燃料電池が通常運転を開始する前の始動モードにおいては、コンプレッサ２２の回転数は通常低く抑えられているので、同様の流れで加湿器２４を暖機して、高温の供給空気Ａを加湿器２４に供給することができる。このように高温の供給空気Ａを加湿器２４に供給することにより、加湿器２４の暖機を早期に行うことができる。
【００４５】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態の温度制御装置を説明する。なお、第１実施形態と同一性のある要素・部材などについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
ここで、図５は、第２実施形態の温度制御装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００４６】
図５に示すように、第２実施形態の温度制御装置ＧＳ２は、図１に示す前記第１実施形態において通路Ｗ１に設けた流量調整弁２５およびバイパス通路Ｗ２に設けられた逆流防止弁２６が設けられていない。その代わりに、通路Ｗ１とバイパス通路Ｗ２の合流位置に、それぞれの通路面積に比例的に調整する通路面積比例制御切り替え弁４１が設けられている。その他の構成は前記第１の実施形態と同一である。本実施形態では、通路面積比例制御切り替え弁４１の開度によって、通路Ｗ１を流れる供給空気Ａとバイパス通路Ｗ２を流れる供給空気Ａの流量比率を調整することができる。こうして、流量比率を調整することによって、加湿器２４に供給される供給空気Ａの熱量を調整することができる。
【００４７】
〔第３実施形態〕
続いて、第３実施形態の温度制御装置を説明する。なお、第１実施形態及び第２実施形態と同一性のある要素・部材などについては、同一の符号を付してその説明を省略する。
ここで、図６は、第３実施形態の温度制御装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００４８】
本実施形態では、図１に示す前記第１の実施形態と比較すると、前記第１の実施形態で設けられていたバイパス通路Ｗ２、逆流防止弁２６、および流量調整弁２５が設けられていない。その代わりに、放熱器２３とラジエータ２３Ａの間に、冷却水の流量を調整可能なポンプ２３Ｂが設けられている。また、このポンプ２３Ｂが制御装置４に接続されており、冷却水の流量をポンプ２３Ｂによって制御できるようになっている。
【００４９】
次に、本実施形態における供給空気の温度制御について、図７を参照して説明すると、目標発電量を設定してから（Ｓ２１）、コンプレッサの回転数を設定する（Ｓ２２）。続いて、コンプレッサの回転数が３０００ｒｐｍ以下か否かを判断し（Ｓ２３）、３０００ｒｐｍを超える場合は通常モードに移行する（Ｓ２４）。また、３０００ｒｐｍ以下の場合には温度センサＴ１を読み取り（Ｓ２５）、供給空気Ａの温度を検出して、供給空気Ａの温度Ｔ１が６５℃未満であるか否かを判断する（Ｓ２６）。ここまでの処理は、前記第１の実施形態と同一の処理を行う。
【００５０】
供給空気Ａの温度Ｔ１が６５℃以上となっている場合には、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃以下か否かを判断する（Ｓ２７）。そして、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃以下である場合には、供給空気Ａは適温で加湿器２４に供給されているので、ポンプ２３の開度を調整せず、冷却水の流量はそのまま維持する（Ｓ２８）。また、供給空気Ａの温度Ｔ１が８０℃を超える場合には、加湿器２４に供給する供給空気Ａの熱量を減少させる必要がある。そのために、ポンプ２３Ｂの開度を大きくして、放熱器２３に供給する冷却水の流量を徐々に増加させる（Ｓ２９）。放熱器２３には、ラジエータ２３Ａで冷却された冷却水が供給されるので、冷却水の流量を増加させることにより、加湿器２４に供給される供給空気Ａからより多くの熱を奪うことができる。その結果、供給空気Ａの熱量が減少して、温度が低下する。そうして、加湿器２４に供給される供給空気Ａの温度を適切な範囲に調整することができる。
【００５１】
また、ステップＳ２６において供給空気Ａの温度Ｔ１が６５℃以下である場合には、加湿器２４に供給される供給空気Ａの温度が低すぎるので、これに熱を与えて温度を増加させる必要がある。そのために、温度センサＴ２を読み取り（Ｓ３０）、放熱器２３に供給される冷却水の温度を検出し、冷却水の水温Ｔ２が供給空気Ａの温度Ｔ１よりも小さいか否かを判断する（Ｓ３１）。その結果、放熱器２３に供給される冷却水の水温Ｔ２が加湿器２４に供給される供給空気Ａの温度Ｔ１以上である場合には、冷却水に供給空気Ａの熱を奪われることはないので、そのまま処理を終了する。一方、冷却水の水温Ｔ２が供給空気Ａの温度Ｔ１よりも小さい場合には、供給空気Ａが放熱器２３を通過することにより、冷却水によって熱を奪われて温度が低下してしまうので、ポンプ２３Ｂの運転速度を低下させて、冷却水の流量を徐々に減少させる（Ｓ３２）。冷却水の流量が減少することにより、供給空気Ａから奪う熱量が低下するので、その分供給空気Ａの温度を低下させることができる。
そして、処理が終了する。
【００５２】
こうして供給空気Ａの温度を制御することにより、加湿器２４において本来の加湿性能を発揮することができる。そのため、燃料電池１の運転を良好な状態で行うことができるようになる。
【００５３】
なお、本発明は、前記した発明の実施の形態に限定されることなく、広く変形実施することができる。
例えば、水素供給装置は、水素タンクから燃料電池に水素を供給する構成としたが、メタノールなどの液体原燃料を改質器により改質して水素リッチな燃料ガスを製造し、これを燃料電池に供給する構成としてもよい。また、排出水素を循環使用する・しないにかかわらず、本発明を水素供給装置側に適用してもよい。
【００５４】
なお、燃料電池は、発電を行わなければ（アノード電極で発生した電子がカソード電極に移動しないようにすれば）、酸素及び水素が消費されることはない。ちなみに、始動モードで発電を行うようにすれば、燃料電池が熱を発生し、燃料電池の暖機に少なからず貢献する（但し暖機が充分に行われていない状況では発電効率は低く発熱も少ない）。また、始動モードの終了を、温度ではなくタイマを設けて時間で判断してもよい。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明した本発明のうち請求項１に記載の発明によれば、コンプレッサから加湿器に供給される供給ガスの熱量を調整する熱量調整手段により、供給ガスの熱量を調整し、もって供給ガスの温度を調整することができる。そのため、ある程度の温度以上の供給ガスを加湿器に供給することができる。そして、加湿器を供給ガスの熱量で温度制御できる。したがって、加湿器が本来の加湿性能を十分に発揮することができる。
また、燃料電池の入口における供給ガスの温度を検出し、この供給ガスの温度に基づいて熱量調整手段を制御している。このため、加湿器が本来の加湿性能を発揮するために好適な温度となるように供給ガスの温度を調整することができる。
【００５６】
請求項１に係る発明によれば、加湿器に供給される供給ガスの温度が低下しているときには、コンプレッサから供給される供給ガスの一部または全部をバイパス通路に通して、放熱器による冷却を行わないようにする。こうして、コンプレッサで昇温させられた供給ガスをそのまま加湿器に供給することができ、加湿器では本来の加湿性能を発揮することができる。
【００５７】
請求項１に係る発明によれば、熱量調整手段によって放熱器で供給ガスから奪う熱量を調整している。このため、加湿器に供給ガスを供給する熱量を調整するために、バイパス通路を設けなくても済む。したがって、装置全体としての小型化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の温度制御装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【図３】第１実施形態の温度制御装置の制御フローである。
【図４】図２の燃料電池の発電量とコンプレッサの回転数の関係を示すグラフである。
【図５】第２実施形態の温度制御装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図６】第３実施形態の温度制御装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図７】第３実施形態の温度制御装置の制御フローである。
【符号の説明】
ＧＳ１〜ＧＳ３        温度制御装置
ＦＣＳ  燃料電池システム
１      燃料電池
２      空気供給装置
３      水素供給装置
４      制御装置
２２    コンプレッサ
２３    放熱器
２３Ａ  ラジエータ
２３Ｂ  ポンプ（放熱量調整手段）
２４    加湿器
２５    流量調整弁（熱量調整手段）
２６    逆流防止弁
２７    圧力制御弁
Ｗ１    通路
Ｗ２    バイパス通路
Ａ      供給空気
【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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