(57)【要約】【課題】エアポンプ５０およびウォータポンプ６０を同軸状に連結した場合でも、暖機時の熱交換効率を向上させることが可能な、燃料電池システム１００を提供する。【解決手段】燃料電池１の空気の流通を調整する背圧弁５５を有し、制御部８０は、空気流量センサ７３による検出値が所定値Ａ１であり、ウォータポンプ６０の回転数から検出した冷媒循環量が所定値Ｗ２未満である場合に、モータ４０の駆動量を上昇させるとともに、背圧弁５５による空気の流通調整量を変更する構成とした。【選択図】図１
2009110771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行なう燃料電池と、
前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガス供給手段に対して前記燃料電池と並列に配置され、前記酸化ガス供給手段から酸化ガスが供給されて、前記燃料電池の内部を流れる冷媒の加熱を行う加熱手段と、
前記燃料電池と前記加熱手段との間で前記冷媒を循環させる循環手段と、
前記酸化ガス供給手段および前記循環手段を同軸で駆動する駆動手段と、を有し、
前記燃料電池の始動時に前記加熱手段を用いて前記燃料電池の暖機を行なう燃料電池システムにおいて、
前記加熱手段に供給される前記酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量検出手段と、
前記冷媒の循環量を検出する冷媒循環量検出手段と、
前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記加熱手段の要求値である第１所定値であり、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記燃料電池の暖機効率が最大となる第２所定値未満である場合に、前記加熱手段に供給される前記酸化ガスの流量を前記第１所定値に維持しつつ、前記冷媒の循環量が前記第２所定値となるような制御を行う制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に対する前記酸化ガスの流通を調整する流通調整手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記第１所定値であり、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記第２所定値未満である場合に、前記流通制御手段による調整量を変更する手段であ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】
前記燃料電池の排出ガス流路と、前記加熱手段の排出ガス流路とが、合流するように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
同軸で駆動する前記酸化ガス供給手段と前記循環手段の間には変速機が配置され、
前記制御手段は、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記第１所定値であり、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記第２所定値未満である場合には、前記変速機の変速比を変更する手段であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷媒の循環量を変化させる補助循環手段を備え、
前記制御手段は、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記第１所定値であり、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記第２所定値以下である場合には、前記補助循環手段を駆動させる手段であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
酸化ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行なう燃料電池と、
前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給手段と、
前記酸化ガス供給手段に対して前記燃料電池と並列に配置され、前記酸化ガス供給手段から酸化ガスが供給されて、前記燃料電池の内部を流れる冷媒の加熱を行う加熱手段と、
前記燃料電池と前記加熱手段との間で前記冷媒を循環させる循環手段と、
前記酸化ガス供給手段および前記循環手段を同軸で駆動する駆動手段と、を有し、
前記燃料電池の始動時に前記加熱手段を用いて前記燃料電池の暖機を行なう燃料電池システムにおいて、
前記加熱手段に供給される前記酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量検出手段と、
前記冷媒の循環量を検出する冷媒循環量検出手段と、
前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記燃料電池の暖機効率が最大となる第２所定値であり、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記加熱手段の要求値である第１所定値を超える場合に、前記冷媒の循環量を前記第２所定値に維持しつつ、前記加熱手段に供給される前記酸化ガスの流量が前記第１所定値となるような制御を行う制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池に対する前記酸化ガスの流通を調整する流通調整手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記第２所定値であり、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記第１所定値を超える場合に、前記流通制御手段による調整量を変更する手段であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池の排出ガス流路と、前記加熱手段の排出ガス流路とが、合流するように配置されていることを特徴とする請求項６または請求項７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、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数積層して燃料電池スタックとするものが知られている。この燃料電池では、アノード電極とアノード側セパレータとの間に形成された燃料ガス流路に燃料ガス（燃料ガス）として水素ガスを供給するとともに、カソード電極とカソード側セパレータとの間に形成された酸化ガス流路に酸化ガス（酸化ガス）として空気を供給する。これにより、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード電極まで移動し、カソード電極で空気中の酸素と電気化学反応を起こして発電が行われる。
【０００３】
燃料電池では、発電に伴って生成された水が発電停止後においても電解質膜に付着している。そのため、寒冷地において燃料電池を起動させる際には、電解質膜に付着した水が凍結して水素イオンの移動が困難になり、発電効率が低下することになる。そこで、寒冷地において燃料電池を起動させる際に、燃料電池の暖機を行う技術が開発されている。
例えば特許文献１では、燃料電池スタックと、冷却系と、冷却系を加熱する冷媒加熱装置とを備える燃料電池システムにおいて、冷媒加熱装置を、発熱部、熱交換部、ガス混合室により構成し、さらに、発熱部を、通電発熱体と触媒体とが積層された構造が採用されている。そして、冷媒加熱装置のガス混合室に空気ガスおよび水素ガスを供給して混合ガスを生成し、その混合ガスを触媒体に供給して触媒反応により燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスが熱交換部において冷却水（熱媒体）を加熱するようになっている。
【特許文献１】特開２００６−１３９９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された技術では、冷媒加熱装置から未反応の水素ガスが排出されるのを防止するため、冷媒加熱装置に所定量の空気を供給する必要がある。一般に、燃料電池や触媒ヒータに対する空気の供給は、エアポンプによって行われる。近時では、燃料電池システムを小型化するため、上述したエアポンプと、冷媒を循環させるウォータポンプとを同軸状に連結し、１個のモータで両者を駆動する技術が開発されている。
【０００５】
ところが、触媒ヒータに所定量の空気を供給するためエアポンプを所定回転数で駆動すると、ウォータポンプも同じ回転数で駆動されることになり、冷媒循環量が決定されてしまう。決定された冷媒循環量は、暖機時の熱交換効率を最大にする冷媒循環量とは異なる場合があり、触媒ヒータが要求する空気供給量の確保と、暖機時の熱交換効率とを両立することができないという問題がある。
そこで本発明は、酸化ガス供給手段（エアポンプ）および循環手段（ウォータポンプ）を同軸状に連結した場合でも、加熱手段（触媒ヒータ）が要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることが可能な、燃料電池システムの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、酸化ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行なう燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１）と、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給手段（例えば、実施形態におけるエアポンプ５０）と、前記酸化ガス供給手段に対して前記燃料電池と並列に配置され、前記酸化ガス供給手段から酸化ガスが供給されて、前記燃料電池の内部を流れる冷媒の加熱を行う加熱手段（例えば、実施形態における触媒ヒータ７０）と、前記燃料電池と前記加熱手段との間で前記冷媒を循環させる循環手段（例えば、実施形態におけるウォータポンプ６０）と、前記酸化ガス供給手段および前記循環手段を同軸で駆動する駆動手段（例えば、実施形態におけるモータ４０）と、を有し、前記燃料電池の始動時に前記加熱手段を用いて前記燃料電池の暖機を行なう燃料電池システム（例えば、実施形態における燃料電池システム）において、前記加熱手段に供給される前記酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量検出手段（例えば、実施形態における空気流量センサ７３）と、前記冷媒の循環量を検出する冷媒循環量検出手段（例えば、実施形態におけるウォータポンプ６０）と、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記加熱手段の要求値である第１所定値（例えば、実施形態における所定値Ａ１）であり、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記燃料電池の暖機効率が最大となる第２所定値（例えば、実施形態における所定値Ｗ２）未満である場合に、前記加熱手段に供給される前記酸化ガスの流量を前記第１所定値に維持しつつ、前記冷媒の循環量が前記第２所定値となるような制御を行う制御手段（例えば、実施形態における制御部８０）と、を有することを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記燃料電池に対する前記酸化ガスの流通を調整する流通調整手段（例えば、実施形態における背圧弁５５）をさらに有し、前記制御手段は、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記第１所定値であり、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記第２所定値未満である場合に、前記流通制御手段による調整量を変更する手段であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明は、前記燃料電池の排出ガス流路（例えば、実施形態における排気ガス配管５６）と、前記加熱手段の排出ガス流路（例えば、実施形態における燃焼ガス排出配管７４）とが、合流するように配置されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、同軸で駆動する前記酸化ガス供給手段と前記循環手段の間には変速機（例えば、実施形態における変速機４２）が配置され、前記制御手段は、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記第１所定値であり、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記第２所定値未満である場合には、前記変速機の変速比を変更する手段であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明は、前記冷媒の循環量を変化させる補助循環手段（例えば、実施形態における補助ウォータポンプ６５）を備え、前記制御手段は、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記第１所定値であり、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記第２所定値以下である場合には、前記補助循環手段を駆動させる手段であることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に係る発明は、酸化ガスおよび燃料ガスが供給されて発電を行なう燃料電池と、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給手段と、前記酸化ガス供給手段に対して前記燃料電池と並列に配置され、前記酸化ガス供給手段から酸化ガスが供給されて、前記燃料電池の内部を流れる冷媒の加熱を行う加熱手段と、前記燃料電池と前記加熱手段との間で前記冷媒を循環させる循環手段と、前記酸化ガス供給手段および前記循環手段を同軸で駆動する駆動手段と、を有し、前記燃料電池の始動時に前記加熱手段を用いて前記燃料電池の暖機を行なう燃料電池システムにおいて、前記加熱手段に供給される前記酸化ガスの流量を検出する酸化ガス流量検出手段と、前記冷媒の循環量を検出する冷媒循環量検出手段と、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記燃料電池の暖機効率が最大となる第２所定値であり、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記加熱手段の要求値である第１所定値を超える場合に、前記冷媒の循環量を前記第２所定値に維持しつつ、前記加熱手段に供給される前記酸化ガスの流量が前記第１所定値となるような制御を行う制御手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項７に係る発明は、前記燃料電池に対する前記酸化ガスの流通を調整する流通調整手段をさらに有し、前記制御手段は、前記冷媒循環量検出手段による検出値が前記第２所定値であり、前記酸化ガス流量検出手段による検出値が前記第１所定値を超える場合に、前記流通制御手段による調整量を変更する手段であることを特徴とする。
【００１３】
請求項８に係る発明は、前記燃料電池の排出ガス流路と、前記加熱手段の排出ガス流路とが、合流するように配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に係る発明によれば、加熱手段に供給される酸化ガスの流量を第１所定値に維持しつつ、前記冷媒の循環量が第２所定値となるような制御を行う制御手段を備えているので、酸化ガス供給手段および循環手段を同軸状に連結した場合でも、加熱手段が要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることが可能になる。これに伴って、燃料電池の暖機時間を低減することができる。
【００１５】
請求項２に係る発明によれば、酸化ガス供給手段に対して燃料電池と加熱手段とが並列に配置されているので、流通調整手段により燃料電池に対する酸化ガスの流通調整量を変更するだけで、冷媒循環量を維持しつつ、燃料電池および加熱手段への空気の分配量を変更することが可能になる。これにより、酸化ガス供給手段および循環手段を同軸状に連結した場合でも、加熱手段が要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることができる。
【００１６】
請求項３に係る発明によれば、流通調整手段により燃料電池に酸化ガスを流通させるとともに、燃料電池の排出ガス流路に加熱手段の排出ガス流路を合流さているので、加熱手段からの排出ガスに未反応の燃料ガスが含まれる場合でも、加熱手段からの排出ガスを燃料電池からの排出ガスで希釈することができる。
【００１７】
請求項４に係る発明によれば、変速機の変速比を変更することで、酸化ガス供給手段による酸化ガス供給量を維持しつつ、循環手段による冷媒循環量を変化させることが可能になる。これにより、酸化ガス供給手段および循環手段を同軸状に連結した場合でも、加熱手段が要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることができる。
【００１８】
請求項５に係る発明によれば、循環手段を駆動するだけでは冷媒循環量が足りない場合でも、補助循環手段を駆動することにより冷媒循環量を増加させることが可能になる。これにより、酸化ガス供給手段および循環手段を同軸状に連結した場合でも、加熱手段が要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることができる。
【００１９】
請求項６に係る発明によれば、冷媒の循環量を第２所定値に維持しつつ、加熱手段に供給される酸化ガスの流量が第１所定値となるような制御を行う制御手段を備えているので、酸化ガス供給手段および循環手段を同軸状に連結した場合でも、加熱手段が要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることが可能になる。これに伴って、燃料電池の暖機時間を低減することができる。
【００２０】
請求項７に係る発明によれば、酸化ガス供給手段に対して燃料電池と加熱手段とが並列に配置されているので、流通調整手段により燃料電池に対する酸化ガスの流通調整量を変更するだけで、燃料電池および加熱手段への空気の分配量を変更することが可能になる。これにより、酸化ガス供給手段および循環手段を同軸状に連結した場合でも、加熱手段が要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることができる。
【００２１】
請求項８に係る発明によれば、流通調整手段により燃料電池に酸化ガスを流通させるとともに、燃料電池の排出ガス流路に加熱手段の排出ガス流路を合流さているので、加熱手段からの排出ガスに未反応の燃料ガスが含まれる場合でも、加熱手段からの排出ガスを燃料電池からの排出ガスで希釈することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（燃料電池システム）
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、酸化ガスと燃料ガスを供給し発電を行う燃料電池１を備えている。燃料電池１は、単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を多数積層して電気的に直列接続したものである。単位セルは、膜電極構造体の両側にセパレータを配置したサンドイッチ構造をなす。詳述すると、膜電極構造体は、例えばフッ素系電解質材料等からなる固体高分子電解質膜（電解質膜）の両側にアノード電極とカソード電極を配置して構成されている。その膜電極構造体のアノード電極に面してアノード側セパレータが配置され、両者間に燃料ガス流路が形成されている。また膜電極構造体のカソード電極に面してカソード側セパレータが配置され、両者間に酸化ガス流路が形成されている。
【００２３】
この燃料電池１では、燃料ガス流路に燃料ガスとして水素ガス等を供給し、酸化ガス流路に酸化ガスとして酸素を含む空気等を供給する。すると、アノード電極で触媒反応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電極まで移動する。この水素イオンがカソード電極で酸素と電気化学反応を起こし、発電が行われる。なお、発電に伴ってカソード電極側で水が生成される。
【００２４】
燃料電池１の酸化ガス流路の入口側には酸化ガス供給配管５２が連結され、その上流端部にはエアポンプ（Ａ／Ｐ）５０が接続されている。また、酸化ガス流路の出口側にはカソードオフガス排出配管５４が連結されている。カソードオフガス排出配管５４には、燃料電池１における酸化ガスの流通を調整する電磁駆動式の背圧弁５５が設けられている。背圧弁５５の下流側には希釈器（不図示）が配置され、希釈器から排気ガス配管５６が延設されている。
【００２５】
エアポンプ５０により加圧された空気は、酸化ガス供給配管５２から燃料電池１の酸化ガス流路に供給される。なお背圧弁５５の開度を調整することにより、燃料電池１に供給される空気の圧力や流量等を制御しうるようになっている。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１からカソードオフガスとして排出される。カソードオフガスは希釈器に供給され、未反応の水素ガスを含むアノードオフガスの希釈に使用される。希釈されたガスは、排気ガス配管５６を通って外部に排出される。
【００２６】
燃料電池は発電に伴って発熱するので、燃料電池を冷却するためアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に冷媒流路が設けられている。冷媒流路の入口側および出口側には、冷媒循環配管６１が接続されている。冷媒循環配管６１には、冷媒を循環させるウォータポンプ（Ｗ／Ｐ）６０と、冷媒を冷却するラジエータ（不図示）と、冷媒を加熱する触媒ヒータ７０とが接続されている。エアポンプ５０およびウォータポンプ６０は、同軸状に連結されて、モータ４０に接続されている。このモータ４０を運転することにより、エアポンプ５０およびウォータポンプ６０が同じ回転数で駆動されるようになっている。燃料電池を冷却する場合には、燃料電池１との熱交換で高温となった冷媒を、ラジエータで冷却して再び燃料電池１に供給する。このとき、触媒ヒータ７０は運転しない。
【００２７】
一方、寒冷地において燃料電池１の暖機を行うため、冷媒循環配管６１には、水素ガスと空気との触媒反応によって発熱する触媒ヒータ７０が接続されている。触媒ヒータ７０に空気を供給するため、酸化ガス供給配管５２から空気供給配管７２が分岐して、触媒ヒータ７０に接続されている。空気供給配管７２には、触媒ヒータ７０への空気供給量を検出する空気流量センサ７３が設けられている。また触媒ヒータ７０から延設された燃焼ガス排出配管７４は、排気ガス配管５６に合流している。触媒ヒータ７０の内部には、触媒部および熱交換部が設けられている。触媒部には、触媒としてＰｔ等の貴金属類が保持されている。また熱交換部には、冷媒循環配管６１が配置されている。
触媒ヒータ７０に供給された水素ガスおよび空気は、触媒部に導入されて触媒反応を起こし、高温の燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスが熱交換部に導入され、冷媒循環配管６１を循環する冷媒と熱交換を行う。これにより、加熱された冷媒が触媒ヒータ７０から燃料電池１に供給されて、燃料電池１の暖機を行うことが可能になる。このとき、ラジエータを迂回して冷媒を循環させることが望ましい。
【００２８】
（第１実施形態）
図２は、燃料電池の暖機時における冷媒流量と熱交換効率との関係を概略的に示すグラフである。冷媒循環量（流量）の増加とともに熱交換効率が向上し、冷媒循環量が所定値Ｗ２以上になると熱交換効率が最大になることがわかる。そのため、冷媒循環量は所定値Ｗ２以上とすることが望ましい。冷媒循環量を所定値Ｗ２以上とするには、ウォータポンプ６０を所定回転数以上で駆動すればよい。
一方、触媒ヒータ７０は水素ガスを導入して触媒反応を発生させるものである。この触媒ヒータ７０から未反応の水素ガスが排出されるのを防止するためには、供給された水素ガスを全て触媒反応に消費する必要がある。そのためには、水素ガスの供給量に対応した所定量の空気を触媒ヒータ７０に供給する必要がある。ただし、空気供給量が多くなると触媒が冷却されるため、熱交換効率が低下することになる。そこで、触媒ヒータ７０に対する空気供給量は、所定値Ａ１とする必要がある。空気供給量を所定値Ａ１とするには、エアポンプ５０を所定回転数で駆動すればよい。
【００２９】
ところが、上述したようにエアポンプ５０およびウォータポンプ６０は同軸状に連結されている。そのため、触媒ヒータ７０への空気供給量を所定値Ａ１とすべく、エアポンプ５０を所定回転数で駆動すると、ウォータポンプ６０も同じ回転数で駆動されることになる。これにより、冷媒循環量が所定値Ｗ２より小さいＷ１となり、熱交換効率が低下するという問題がある。逆に、冷媒循環量が所定値Ｗ２となるようにウォータポンプ６０およびエアポンプ５０を駆動すると、触媒ヒータ７０への空気供給量が所定値Ａ１より多くなり、同じく熱交換効率が低下することになる。
【００３０】
そこで第１実施形態では、燃料電池の暖機時に、まず触媒ヒータ７０への空気供給量が所定値Ａ１となるようにモータ４０を運転する。このとき冷媒循環量が所定値Ｗ２を下回っていれば、モータ４０の回転数を上昇させる。これによりエアポンプ５０から過剰に供給される空気は、背圧弁５５を開くことで燃料電池１を経由して排気する。これにより、触媒ヒータ７０への空気供給量を所定値Ａ１に一致させる。なお冷媒は非圧縮性の不凍液であるため、冷媒循環量はウォータポンプ６０の回転数から算出することが可能である。なお、冷媒循環配管６１に冷媒流量センサを設けて冷媒循環量を検出してもよい。また触媒ヒータ７０に対する空気供給量は、空気供給配管７２に設けた空気流量センサ７３によって検出することが可能である。
【００３１】
以上の制御は制御部８０によって行う。制御部８０は、空気流量センサ７３の出力信号を受信して空気供給量をモニタする。そして、触媒ヒータ７０への空気供給量が所定値Ａ１となるモータ４０の運転条件を算出し、モータ４０に運転信号を出力する。また制御部８０は、ウォータポンプ６０の回転数信号を受信して冷媒循環量を算出する。そして、冷媒循環量が所定値Ｗ２となるモータ４０の運転条件を算出し、運転信号をモータ４０に出力する。これと同時に、触媒ヒータ７０への空気供給量が所定値Ａ１となる背圧弁５５の開度を算出し、開度信号を背圧弁５５に出力するようになっている。
【００３２】
図３（ａ）は、本実施形態に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートである。最初にＳ１２において、燃料電池１の暖機を開始する。具体的には、まず背圧弁５５を閉鎖して燃料電池への空気（および水素ガス）の供給を停止する。次に、モータ４０を運転してエアポンプ５０およびウォータポンプ６０を駆動し、触媒ヒータ７０に空気（および水素ガス）を供給するとともに、冷媒循環配管６１に冷媒を循環させる。
次にＳ１４において、触媒ヒータ７０が必要とするエア流量まで、すなわち触媒ヒータ７０への空気供給量が所定値Ａ１となるまで、モータ４０を運転してエアポンプ５０の回転数を増加させる。エアポンプ５０とともにウォータポンプ６０も回転するので、空気供給量とともに冷媒循環量も増加する。
【００３３】
次にＳ１６において、熱交換効率が最大となる冷媒流量未満であるか、すなわち冷媒循環量が所定値Ｗ２未満であるか判断する。判断がＹｅｓの場合にはＳ１７に進み、冷媒循環量が所定値Ｗ２となるようにモータ４０を運転してウォータポンプ６０の回転数を増加させる。
これと同時に、エアポンプ５０から触媒ヒータ７０への空気供給量は所定値Ａ１を上回ることになる。そこでＳ１８において、背圧弁５５を開き、エアポンプ５０から供給された空気を燃料電池１にも流通させる。過剰に供給された空気は、酸化ガス供給配管５２、燃料電池１の酸化ガス流路、カソードオフガス排出配管５４、および排気ガス配管５６を通って排出される。これにより、触媒ヒータ７０への空気供給量を所定値Ａ１とすることができる。
【００３４】
なお、過剰に供給された空気を燃料電池１の酸化ガス流路に供給するので、燃料電池１の内部に生成水が残留していた場合でも、これを燃料電池１の外部に押し出すことが可能になり、発電効率を向上させることができる。
また、触媒ヒータ７０の燃焼ガス排出配管７４を排気ガス配管５６に合流させるとともに、背圧弁５５を開いて燃料電池１に空気を流通させるので、触媒ヒータ７０の燃焼ガスに未反応の水素ガスが含まれる場合でも、その燃焼ガスを過剰に供給された空気で希釈することができる。
【００３５】
そして、燃料電池１の暖機が終了したら、燃料電池１の通常運転を行う。具体的には、燃料電池１に対する水素ガスおよび空気の供給を開始し、触媒ヒータ７０への供給を停止する。なお必要に応じて、触媒ヒータ７０への空気の供給のみを継続し、触媒ヒータ７０の内部の掃気を行ってもよい。
【００３６】
図３（ｂ）は、本実施形態の変形例に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートである。最初にＳ１１２において燃料電池の暖機を開始する。
次にＳ１１４において、熱交換効率が最大になる冷媒流量まで、すなわち冷媒循環量が所定値Ｗ２となるまで、モータ４０を運転してウォータポンプ６０の回転数を増加させる。ウォータポンプ６０とともにエアポンプ５０も回転するので、冷媒循環量とともに空気供給量も増加する。
【００３７】
次にＳ１１６において、触媒ヒータ７０が必要とする空気流量を超過したか、すなわち触媒ヒータ７０に対する空気供給量が所定値Ａ１を超えたか判断する。判断がＹｅｓの場合にはＳ１１８に進み、背圧弁５５の開度を調整して、エアポンプ５０から過剰に供給された空気を燃料電池１に流通させる。これにより、触媒ヒータ７０への空気供給量を所定値Ａ１とすることができる。
【００３８】
以上に詳述したように、第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池１に対する空気の流通を調整する背圧弁５５を有し、制御部８０は、空気流量センサ７３による検出値が所定値Ａ１であり、ウォータポンプ６０の回転数から検出した冷媒循環量が所定値Ｗ２未満である場合に、モータ４０の回転数を増加させるとともに、背圧弁５５の開度を調整して燃料電池１に対する空気の流通量を変更する構成とした。
この構成によれば、エアポンプに対して燃料電池１と触媒ヒータとが並列に配置されているので、通常の燃料電池１が備えている背圧弁５５の開度を調整し燃料電池１に対する空気の流通量を変更するだけで、冷媒循環量を維持しつつ、燃料電池１および触媒ヒータ７０への空気の分配量を変更することが可能になる。これにより、エアポンプ５０およびウォータポンプ６０が同軸状に連結されていても、触媒ヒータへの空気供給量を所定値Ａ１とし、冷媒循環量を所定値Ｗ２とすることが可能になる。したがって、加熱手段が要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることができる。これに伴って、燃料電池の暖機時間を低減することができる。なお、電動モータの回転数を増加させることで消費電力は上昇するが、熱交換効率を向上させることで消費電力の上昇分を吸収することが可能である。
【００３９】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。第２実施形態では、エアポンプ５０とウォータポンプ６０との間に変速機４２が設けられている点で第１実施形態と相違している。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
【００４０】
図４に示すように、エアポンプ５０とウォータポンプ６０との連結軸上に、変速機４２が設けられている。変速機４２は、複数のギアを組み合わせることで、一方の回転数を変化させて他方に伝達するものである。本実施形態の変速機４２は、エアポンプ５０の回転数よりウォータポンプ６０の回転数が多くなるように変速比（ギア比）が設定されている。なお変速機４２は、無段階変速機であっても有段階変速機であってもよい。
そして制御部８０は、変速機４２の変速比を変更することができるようになっている。
【００４１】
図５（ａ）は、第２実施形態に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートである。Ｓ１２〜Ｓ１７は第１実施形態と同様である。第２実施形態では、Ｓ２８において、触媒ヒータ７０への空気供給量が、触媒ヒータ７０の必要空気流量（すなわち所定値Ａ１）となるように、変速機４２の変速比を変更する。なお必要に応じて、変速比の変更とともにモータ４０の回転数を調整する。
図５（ｂ）は、第２実施形態の変形例に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートである。Ｓ１１２〜Ｓ１１６は第１実施形態の変形例と同様である。第２実施形態では、Ｓ１２８において、触媒ヒータ７０への空気供給量が、触媒ヒータ７０の必要空気流量（すなわち所定値Ａ１）となるように、変速機４２の変速比を変更する。
【００４２】
第２実施形態に係る燃料電池システムは、同軸で駆動されるエアポンプ５０とウォータポンプ６０の間に変速機４２が配置され、制御部８０は、空気流量センサ７３による検出値が所定値Ａ１であり、ウォータポンプ６０の回転数から検出した冷媒循環量が所定値Ｗ２未満である場合に、変速機４２の変速比を変更して、エアポンプ５０の回転数を維持しつつウォータポンプ６０の回転数を増加させる構成とした。
この構成によれば、変速機４２の変速比を変更することで、エアポンプ５０による空気供給量を維持しつつ、ウォータポンプ６０による冷媒循環量を増加させることが可能になる。これにより、エアポンプ５０およびウォータポンプ６０が同軸状に連結されていても、触媒ヒータへの空気供給量を所定値Ａ１とし、冷媒循環量を所定値Ｗ２とすることが可能になる。したがって、触媒ヒータが要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることができる。
【００４３】
（第３実施形態）
図６は、第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。第３実施形態では、冷媒の循環量を増加させる補助ウォータポンプ６５を備えている点で第１実施形態と相違している。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
図６に示すように、冷媒循環配管６１に補助ウォータポンプ６５が設けられている。補助ウォータポンプ６５は、ウォータポンプ６０と同様に構成されているが、エアポンプ５０およびウォータポンプ６０を駆動するモータ４０から独立した他のモータ（不図示）によって駆動されるようになっている。
制御部８０は、補助ウォータポンプ６５の回転数を変更することができるようになっている。
【００４５】
図７は、第３実施形態に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートである。Ｓ１２〜Ｓ１６は第１実施形態と同様である。第３実施形態では、Ｓ３７において、熱交換効率が最大となる冷媒流量となるように、すなわち冷媒循環量が所定値Ｗ２となるように、補助ウォータポンプ６５を駆動させる。
【００４６】
第３実施形態に係る燃料電池システムは、補助ウォータポンプ６５が冷媒循環配管６１に設けられ、制御部８０は、空気流量センサ７３による検出値が所定値Ａ１であり、ウォータポンプ６０の回転数から検出した冷媒循環量が所定値Ｗ２未満である場合に、補助ウォータポンプ６５を駆動する構成とした。
この構成によれば、ウォータポンプ６０だけでは冷媒循環量が足りない場合であっても、補助ウォータポンプ６５を駆動することにより、冷媒循環量を増加させることが可能になる。これにより、エアポンプ５０およびウォータポンプ６０が同軸状に連結されていても、触媒ヒータへの空気供給量を所定値Ａ１とし、冷媒循環量を所定値Ｗ２とすることが可能になる。したがって、触媒ヒータが要求する空気供給量を確保しつつ、暖機時の熱交換効率を向上させることができる。
【００４７】
なお、この発明は上述した実施形態に限られるものではない。
例えば、実施形態では空気供給量を所定値Ａ１とした場合に、冷媒循環量が所定値Ｗ２未満になる場合を例にして説明したが、冷媒循環量が所定値Ｗ２を超過する場合に本発明を適用することも可能である。
また、実施形態では水素ガスおよび空気を導入して触媒反応により加熱する触媒ヒータを例にして説明したが、空気（酸化ガス）を導入して加熱する他のヒータに本発明を適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の暖機時における冷媒流量と熱交換効率との関係を概略的に示すグラフである。
【図３】（ａ）は第１実施形態に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートであり、（ｂ）は第１実施形態の変形例に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートである。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図５】（ａ）は第２実施形態に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートであり、（ｂ）は第２実施形態の変形例に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートである。
【図６】第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図７】第３実施形態に係る燃料電池の暖機方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
Ａ１…所定値（第１所定値）  Ｗ２…所定値（第２所定値）  １…燃料電池  ４０…モータ（駆動手段）  ４２…変速機  ５０…エアポンプ（酸化ガス供給手段）  ５５…背圧弁（流通調整手段）  ５６…排気ガス配管（排出ガス流路）  ６０…ウォータポンプ（循環手段、冷媒循環量検出手段）  ７０…触媒ヒータ（加熱手段）  ７３…空気流量センサ（酸化ガス流量検出手段）  ７４…燃焼ガス排出配管（排出ガス流路）  ８０…制御部（制御手段）  １００…燃料電池システム
【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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