JP4843147B2 - 燃料電池暖機システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気中の酸素を利用して発電する燃料電池に使用される燃料電池を暖機する燃料電池暖機システムに関する。
【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（固体高分子型燃料電池）が注目されている。例えば、特開平７−２４０２２０号公報には、燃料電池に供給される水素及び酸素を循環して使用する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムにおける酸素は酸化剤供給装置から供給されるが、燃料電池で未使用の残存酸素は酸素供給ラインに戻され循環使用される。水素についても同様であり、燃料供給装置から供給された水素のうち、燃料電池で未使用の残存水素は水素供給ラインに戻され循環使用される。このように酸素及び水素が循環使用されるのは、酸化剤供給装置及び燃料供給装置から純度の高い酸素及び水素が供給されるからである。
【０００３】
一方、周囲から空気を取り込み、空気中の酸素を燃料電池で使用する構成の燃料電池システムが知られている。この構成の場合、空気を循環使用すると空気中の酸素濃度が低下して行き（窒素濃度が上昇して行き）、燃料電池の効率が低下する。このため、燃料電池から排出された排出空気は循環することなく大気中に放散される。
【０００４】
ところで、燃料電池は、常温よりも高い温度（固体高分子型の場合は８０〜９０℃）で効率よく発電することができ、燃料電池が充分に温まっていないときは効率よく発電することができない。したがって、燃料電池の始動時に燃料電池を所定温度まで迅速に加温（暖機）する必要がある。殊に、燃料電池が電気自動車に搭載される場合は一層迅速に暖機する必要がある。このため、周囲から空気を取り込むタイプの燃料電池システムでは、熱交換器を設けて、排出空気と供給空気とを熱交換することが行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱交換器では排出空気の熱を供給空気に与えることによって供給空気を加熱している。このため、排出空気の温度が低くなっている始動時には、燃料電池の暖機を迅速に行うことができないという問題があった。特に、寒冷地であるとか、冬季など、気温が低い条件下では始動時に燃料電池から排出される排出空気の温度は一層低くなっているので、この問題が特に顕著となる。
【０００６】
また、燃料電池が稼動しているときでも、稼動状態によっては燃料電池から排出される排出ガスの温度が低下する場合がある。このような場合でも、燃料電池に供給する供給ガスの温度はある一定温度以上とする必要があるが、排出ガスの温度が低下しているため、熱交換器のみでは、十分に供給ガスを加熱できない場合が考えられるという問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は、特に燃料電池の始動時において燃料電池の暖機を迅速に行うことができるようにし、さらには燃料電池の稼動状態により、排出ガスの温度が低下したときでも、十分に供給ガスを加熱できる燃料電池加熱システムを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明のうち請求項１に記載の発明は、供給ガスが供給されることにより発電が行われる燃料電池を暖機する燃料電池暖機システムであって、前記燃料電池に供給する前記供給ガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池に供給され、前記燃料電池で利用した後に排出された排出ガスを圧送するコンプレッサと、前記排出ガスの圧力を制御する圧力制御弁と、前記燃料電池の暖機状態に応じて前記排出ガスを前記供給ガスに戻す排出ガス戻し手段と、前記コンプレッサ、前記圧力制御弁及び前記排出ガス戻し手段を制御する制御装置と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池への前記供給ガスが通流する供給ガス流路と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池からの前記排出ガスが通流する排出ガス流路と、前記排出ガス流路と前記供給ガス流路とを接続する排出ガス戻し流路と、を備え、前記排出ガス戻し手段は、前記排出ガス流路と前記排出ガス戻し流路とに接続され、前記排出ガスが流れる流路を切り替える流路切替器を備えてなり、前記コンプレッサ、前記圧力制御弁及び前記排出ガス戻し手段は、前記排出ガスの通流方向においてこの順で設けられ、前記制御装置は、前記コンプレッサを所定の回転数で運転させるように制御し、前記圧力制御弁の開度を制御して前記コンプレッサから吐出される排出ガスの温度を制御し、前記排出ガスの温度が所定値未満である場合に、前記排出ガス戻し手段により、前記排出ガスが流れる流路を前記排出ガス戻し流路に切り替えて、温度が制御され前記コンプレッサから吐出された排出ガスを、前記排出ガス戻し手段を介して前記供給ガスに戻すことにより、前記燃料電池の暖機が行われることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。排出ガス戻し手段は、後述する発明の実施の形態では三方弁であり、燃料電池からの排出ガス（排出空気）をそのまま排出する排出位置と、供給ガス（供給空気）に戻す戻し位置に切り替わるようになっている。戻し位置に切り替わると排出ガスの循環サイクルが形成される。なお、燃料電池の状態に応じてとは、燃料電池の温度などに応じてという意味である。この構成によれば、排出ガスの持つ熱、たとえば燃料電池が発電する熱などを供給ガスに戻すことができるので、燃料電池が始動してから暖機を迅速に行なうことができると共に燃料電池の内部などに残存する水分を有効利用することもできる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記排出ガスの温度を検出する第１温度センサを備え、前記第１温度センサが検出した温度に基づいて、前記制御装置が前記排出ガス戻し手段を制御する燃料電池暖機システムとした。例えば、排出ガスの温度が高ければ燃料電池の暖機が終了したとして、あるいは、燃料電池を保護するため、排出ガス戻し手段は排出位置に切り替えられる。また、例えば、排出ガスの温度が低ければ燃料電池の暖機が必要であるとして、排出ガス戻し手段は戻し位置に切り替えられる。ここで、排出ガスの温度は、燃料電池の状態（温度、湿度など）に大きく影響を受ける。このため、排出ガス戻し手段の制御を行う際には、排出ガスの温度を判断基準として用いるのが最も好適である。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、前記供給ガスの温度を検出する第２温度センサを備え、前記第２温度センサが検出した温度に基づいて、前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を制御する燃料電池暖機システムとした。例えば、供給ガスの温度が高くなれば圧力制御手段により、コンプレッサの下流側の圧力を低下させる。一方、供給ガスの温度が低くなれば圧力制御手段により、コンプレッサの下流側の圧力を上昇させる。この構成によれば、燃料電池に供給される供給ガスを適切な温度とすることが可能になる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度と、予め設定された目標温度とを前記制御装置が比較し、検出された前記供給ガスの温度が予め設定された目標温度未満である場合、前記制御装置は前記圧力制御弁の開度を小さくする燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池に適切な温度の供給ガスを供給することが可能になる。なお、供給ガスの目標温度は、燃料電池の種類や暖機の行い方などに応じて適宜設定することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の構成において、前記供給ガスは前記燃料電池の酸素極に供給する空気であって、前記燃料電池の酸素極に供給する空気中の酸素量に応じて前記排出ガス戻し手段を制御する燃料電池暖気システムとした。この構成によれば、燃料電池の酸素極に供給する空気を加熱して燃料電池を暖機するにあたり、酸素極に供給する空気中の酸素量に応じて排出ガスの戻し量を制御している。このため、暖機中の燃料電池が酸素不足となることを防止することができる。また、燃料電池の水素極側は、酸素極側から暖機されるが、この水素極側の暖機は、燃料電池の膜を介して行われる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の構成において、前記供給ガスの酸素量が前記燃料電池の発電によって減少した場合は、前記排出ガス戻し手段によって排出ガスを戻す量を減少させる燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池の発電に起因して供給ガスの酸素量が減少した場合に排出ガス戻し手段によって排出ガスを戻す量を減少させている。燃料電池に供給される空気中、酸素の含有量が少ない排出ガスの量を少なくし酸素の含有量が多い空気を多く供給できるので、燃料電池に十分な酸素を供給することができる。
また、請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の構成において、前記第１温度センサにより検出された前記排出ガスの温度が第１所定温度未満である場合において、前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度が第２所定温度未満であるとき、前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を小さくすることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。
さらに、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の構成において、前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度が前記第２所定温度未満である場合に前記圧力制御弁の開度を小さくしてから一定時間経過後、第３温度センサにより前記コンプレッサから吐出された排出ガスの温度を検出し、検出された前記排出ガスの温度が第３所定温度を超えている場合に、前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を大きくすることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。
そして、請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の構成において、前記加湿器は、中空糸膜を有する複数本の中空糸膜モジュールと、前記加湿器を通流する前記供給ガスの流量に応じて、通流する中空糸膜モジュールを切り替える切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記供給ガスの流量が多い場合には、前記供給ガスが通流する中空糸膜モジュールの本数を増加させ、前記供給ガスの流量が少ない場合には、前記供給ガスが通流する中空糸膜モジュールの本数を減少させることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。
【００１６】
また、請求項１０に記載の発明は、供給ガスが供給されることにより発電が行われる燃料電池を暖機する燃料電池暖機システムであって、前記燃料電池に供給する前記供給ガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池に供給され、前記燃料電池で利用した後に排出された排出ガスを圧送するコンプレッサと、前記排出ガスの圧力を制御する圧力制御弁と、前記コンプレッサ及び前記圧力制御弁を制御する制御装置と、を備え、前記コンプレッサの断熱圧縮による熱で前記供給ガスを加熱し、加熱された前記供給ガスを前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機し、前記燃料電池で利用された後に排出された前記排出ガスが前記コンプレッサの吸引側に戻される循環サイクルが形成され、前記燃料電池から排出された前記排出ガスは前記圧力制御弁に供給され、前記圧力制御弁からの前記排出ガスは前記コンプレッサの前記吸引側に戻され、前記コンプレッサの吐出側からのガスが前記供給ガスとして前記燃料電池に供給され、前記制御装置は、前記コンプレッサを所定の回転数で運転させるように制御し、前記圧力制御弁の開度を制御して、前記コンプレッサから吐出されるガスの温度を制御することにより、前記燃料電池の暖機が行われることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池の始動後であっても、燃料電池に供給される供給ガスの温度が低下してしまった場合には、コンプレッサから排出されたガスに含まれる熱を、燃料電池を介してコンプレッサの吸引側に供給することができる。したがって、燃料電池を適切な温度範囲まで容易に加熱することができる。
【００１７】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０の構成において、前記供給ガスと前記排出ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器を備え、前記熱交換器は前記循環サイクルの途中に設けられ、前記排出ガスが有する熱が前記熱交換器において前記供給ガスに供給され、加熱された前記供給ガスが前記燃料電池に供給されることを特徴とする燃料電池システムとした。この構成では、加熱供給ガスをコンプレッサに循環供給するにあたり、熱自体が小さい循環サイクルを形成するので、燃料電池に対して断熱圧縮の熱を効率よく伝達することができる。また、燃料電池の発電時には空気中の酸素濃度が減少していくので、ガスのすべてを戻しつづけると、燃料電池の発電効率が悪くなる。そこで、排出ガスの熱量のみを回収できる熱交換器を備えたので、暖気が早くなるとともに、ガス欠（酸素が足りない状態）を起こさないようにすることができる。
【００１８】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０または請求項１１の構成において、前記制御装置は前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判断する機能を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の暖機が完了したと判断した後、前記燃料電池の発電を開始させることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池の発電効率がよくなる温度帯まで燃料電池を加熱させてから、燃料電池による発電を開始することができる。
【００１９】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２の構成において、前記燃料電池の暖機の完了の判断が、前記排出ガスの温度に基づいて行われることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池の始動準備が完了したか否かを燃料電池から排出される加熱供給ガスの温度で判定している。このため、別途燃料電池の始動準備が完了したことを検知するための検知手段などを設けることなく、燃料電池の暖機を検知することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池暖機装置を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
〔第１実施形態〕
先ず、第１実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。
この第１実施形態で参照する図面において、図１は第１実施形態の燃料電池暖機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り、図３はコンプレッサにおける温度上昇特性を説明するグラフである。
【００２２】
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、及び制御装置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、燃料電池暖機装置ＧＳ（ＧＳ１）は、空気供給装置２及び制御装置４から構成される。ちなみに、この燃料電池システム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。
【００２３】
先ず、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及びアノード電極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。
【００２４】
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の入口及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の入口及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。
【００２５】
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。生成した水及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。
【００２６】
次に、図１に示すように、燃料電池暖機装置ＧＳ１を構成する空気供給装置２は、エアクリーナ２１、熱交換器２２、加湿器２３、コンプレッサ２４、圧力制御弁２５、三方弁２６、流量センサＱ、温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３、湿度センサＨなどから構成される。
【００２７】
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。
【００２８】
熱交換器２２は、図示しない低温流体側流路及び高温流体側流路を備えるプレート式熱交換器やシェル＆チューブ熱交換器などから構成され、燃料電池１のカソード極側から排出されコンプレッサ２４で圧縮された空気（排出空気Ａｅ）とエアクリーナ２１でろ過した供給空気Ａを熱交換する。この熱交換器２２により、供給空気Ａが加熱され燃料電池１に導入される。なお、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、６０〜７５℃に温度制御されて燃料電池１に導入される。この供給空気Ａの温度制御の詳細は後述する。
【００２９】
加湿器２３は、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。加湿された供給空気Ａは、燃料電池１のカソード極側に供給される。なお、サイフォン管には、ステッピングモータにより駆動して該サイフォン管を通流する水の流量を制御するニードルが挿入されている（サイフォン管とニードルでニードル弁を構成している）。このように、供給空気Ａを加湿するのは、燃料電池１を加湿して図２に示す電解質膜１ｃが乾燥するのを防止するためである。ちなみに、電解質膜１ｃが乾燥するとプロトンの移動が阻害され起電力が低下する。一方、燃料電池１を加湿しすぎても、図２に示すカソード極側ガス通路１ａや図示しない拡散層が水没して供給空気Ａの通流が阻害され起電力が低下する。
【００３０】
コンプレッサ２４は、図示しないスーパーチャージャ（容積型の圧縮機）及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た後の供給空気Ａ、つまり燃料電池１のカソード極側から排出される排出空気Ａｅを吸引し、圧縮して吐出し後段の熱交換器２２に送出する。このコンプレッサ２４は、供給空気Ａを吸引することにより、燃料電池１を負圧（大気圧以下の圧力）で運転する役割を有する。また、コンプレッサ２４は、排出空気Ａｅを断熱圧縮することにより排出空気Ａｅの温度を高め、排出空気Ａｅを、供給空気Ａを加熱するための熱源とする役割を有する。
【００３１】
圧力制御弁（圧力制御手段）２５は、図示しないバタフライ弁及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、コンプレッサ２４から吐出される排出空気Ａｅの圧力（吐出圧）を圧力制御弁２５の開度を減少・増加することより制御する。ちなみに、圧力制御弁２５の開度を減少するとコンプレッサ２４の吐出圧が高まり、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２５の開度を増加するとコンプレッサ２４の吐出圧が低くなり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が減少する。
なお、圧力制御弁２５はエンタルピ変化が少ない状態で排出空気Ａｅを通流させる。このため、圧力制御弁２５を通流した後の排出空気Ａｅの温度低下は少ない。
【００３２】
三方弁（排出ガス戻し手段）２６は、図示しない電磁作動の流路切替器から構成され、排出空気Ａｅの流路を切り替えて、排出位置、戻し位置にする。三方弁２６を排出位置にした場合には、排出空気Ａｅは空気供給装置２の系外に排出される。また、三方弁２６を戻し位置にした場合には、排出空気Ａｅはエアクリーナ２１と熱交換器２２の間の供給空気Ａのラインに戻される（循環サイクルが形成される）。この三方弁２６がどのような条件で排出位置に切り替わるか、戻し位置に切り替わるかは後述する。
【００３３】
流量計Ｑは、差圧流量計などから構成され、エアクリーナ２１を通流した後（排出空気Ａｅの合流後）の供給空気Ａの流量を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３４】
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、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３５】
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、コンプレッサ２４の出口における排出空気Ａｅ（吐出ガス）の温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３６】
温度センサＴ３は、温度センサＴ１，Ｔ２と同様にサーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側出口における排出空気Ａｅの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３７】
湿度センサＨは、高分子膜系の湿度センサなどから構成され、燃料電池１のカソード極側入口における供給空気Ａの湿度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３８】
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、三方弁３４などから構成される。
【００３９】
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。
【００４０】
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。このレギュレータ３２は、ダイヤフラムに入力される基準圧を大気圧にすると、水素ガスボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を大気圧近辺にまで減圧することができる。また、ダイヤフラムに入力される基準圧を負圧で運転している空気供給装置２の負圧部分の圧力にすると、水素ガスボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を当該負圧部分の圧力近辺にまで減圧することができる。第１実施形態では、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転するため、レギュレータ３２には、空気供給装置２のコンプレッサ２４の吸入側の圧力が基準圧として入力される。ちなみに、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転することにより、通流する水素が外部に漏洩するのを防止することができるので、燃費が向上する。
【００４１】
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三方弁３４を通流する排出水素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。
【００４２】
三方弁３４は、図示しない流路切替器から構成され、排出水素Ｈｅの流路を切り替えて、排出位置、戻し位置にする。三方弁３４を排出位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水素供給装置３の系外に排出される。また、三方弁３４を戻し位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水素循環ポンプ３３に導かれる。
【００４３】
次に、燃料電池用暖機装置ＧＳ１を構成する制御装置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、燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御すると共に、燃料電池１に供給する供給空気Ａの流量、温度、湿度を制御する。制御装置４は、前記の通り各センサＱ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｈからの検出信号を受信する。また、制御装置４は、加湿器２３、コンプレッサ２４、圧力制御弁２５、三方弁２６に対する制御信号を送信する。以下、供給空気Ａの(1)流量制御、(2)温度制御、(3)湿度制御、及び(4)流路切替制御を説明する。なお、制御装置４は、後述するように始動モードと通常モードの２つのモードを有し、始動モードでは三方弁２６が戻し位置になり、通常モードでは排出位置になる。
【００４４】
(1) 流量制御について、制御装置４は、図示しないアクセルペダルなどの出力調整手段からの出力要求信号に基づいて、必要とする供給空気Ａの目標流量をマップなどにより設定する。そして、目標流量が増加したときは、コンプレッサ２４の吐出量（モータの回転数）を増加するように制御信号を生成しコンプレッサ２４に送信する。一方、制御装置４は、目標流量が減少したときは、コンプレッサ２４の吐出量（モータの回転数）を低減するように制御信号を生成しコンプレッサ２４に送信する。この際、流量センサＱの検出信号と目標流量の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。
【００４５】
(2) 温度制御（通常モード）について、制御装置４は、燃料電池１のカソード極側入口に供給される供給空気Ａの温度が６０〜７５℃の目標温度になるように、温度センサＴ１からの検出信号に基づいて、圧力制御弁２５の開度をステッピングモータにより制御する。具体的には、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの温度が上昇したとき（上昇しそうになったとき）は、圧力制御弁２５の開度が増加するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、コンプレッサ２４の吐出圧が低くなり、排出空気Ａｅ（吐出ガス）の温度が低下する。そして、熱交換器２２での熱交換量が減り、供給空気Ａの温度が低下する。一方、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの温度が低下したとき（低下しそうになったとき）は、圧力制御弁２５の開度が減少するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、コンプレッサ２４の吐出圧が高くなり排出空気Ａｅの温度が上昇する。そして、熱交換器２２での熱交換量が増し、供給空気Ａの温度が上昇する。この際、温度センサＴ１の検出信号と目標温度の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。なお、コンプレッサ２４は、圧力制御弁２５の開度にかかわらず、目標流量の供給空気Ａを燃料電池１に供給すべく動作する。
【００４６】
ちなみに、フェイルアンドセーフ機構として、制御装置４は、温度センサＴ２の検出信号が所定値以上（１５０℃以上）になると、コンプレッサ２４などを保護すべく、圧力制御弁２５の開度を増加する制御信号、及び／又はコンプレッサ２４の吐出量を低減する制御信号を生成し送信する。これにより、コンプレッサ２４の吐出側の温度が下がり、コンプレッサ２４などが保護される。
【００４７】
なお、図３の温度上昇特性を説明する図は、コンプレッサ２４の圧力比（Ｐ１〜Ｐ５＝吐出圧／吸入圧）と排出空気Ａｅの流量とコンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度の関係を示すものである（圧力比はＰ５＞Ｐ４＞Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１である）。この図から解るように、コンプレッサ２４の圧力比を高めることで、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度を高めることができ、この際、排出空気Ａｅの流量はあまり影響しない。つまり、圧力制御弁２５により排出空気Ａｅの温度を制御することができるのが解る。ここで、図３に記載の目標温度は、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅ（吐出ガス）の目標とする最低温度である。通常の運転（暖機）は、この目標温度以上の温度で行われる。
【００４８】
(3) 湿度制御について、制御装置４は、燃料電池１のカソード極側入口に供給される供給空気Ａの湿度が目標湿度になるように、湿度センサＨからの検出信号に基づいて、加湿器２３のニードル弁の開度をステッピングモータにより制御する。具体的には、制御装置４は、目標湿度よりも供給空気Ａの湿度が上昇したとき（上昇しそうになったとき）は、ニードル弁の開度が減少するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、ニードル弁を通流する水の量が減少し、供給空気Ａの湿度が低下する。一方、制御装置４は、目標湿度よりも供給空気Ａの湿度が低下したとき（低下しそうになったとき）は、ニードル弁の開度が増加するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、ニードル弁を通流する水の量が増加し、供給空気Ａの湿度が上昇する。この際、湿度センサＨの検出信号と目標湿度の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。
【００４９】
(4) 流路切替制御について、制御装置４は、自動車のイグニッションスイッチがＯＮになって燃料電池システムＦＣＳを始動する際に始動モードになる。制御装置４が始動モードになると、制御装置４は、三方弁２６が戻し位置に切り替わるように三方弁２６に対して制御信号を生成し送信する（循環サイクルが形成される）。後述するように、始動モードは温度センサＴ３の検出信号が所定値を越えた場合などに解除され、制御装置４は通常モードに移行する。通常モードに移行する際には、制御装置４は、三方弁２６が排出位置に切り替わるように三方弁２６に対して制御信号を生成し送信する。なお、燃料電池１からの排出空気Ａｅの温度が低い場合（例えば２０℃以下の場合）に、自動的に始動モードになるようにしておいてもよい。
【００５０】
次に、前記説明した第１実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ１の始動モードにおける動作の一例を、図４を参照して詳細に説明する（適宜図１〜図３を参照）。
【００５１】
ここで、図４は、燃料電池暖機装置の始動モードにおける制御フローである。なお、暖機時の供給空気Ａの目標温度も６０℃（下限目標温度）〜７５℃（上限目標温度）である。
【００５２】
始動モードでは、制御装置４は、空気供給装置２の三方弁２６を戻し位置にして循環サイクルを形成する（Ｓ１）。次に、コンプレッサ２４を所定の回転数（３０００ｒｐｍ）で運転し、圧力制御弁２５の開度を所定値に設定する（Ｓ２，Ｓ３）。圧力制御弁２５は、コンプレッサ２４の吐出圧が４０ｋＰａＧになるように設定される。これにより、燃料電池１の暖機が開始される。また、水の有効利用が図られる。なお、この時点では、燃料電池１は発電を行っていない。ちなみに、図１のｃ点における圧力はｂ点における圧力よりも低いので、ｃ点からの供給空気Ａはａ点には流れないで、ｂ点からの排出空気Ａｅがａ点へ流れ込む（ｂ点の圧力＞ｃ点の圧力＞ａ点の圧力）。
【００５３】
燃料電池１のカソード極側出口の排出空気Ａｅの温度が２０℃未満か否かを判断する（Ｓ４）。２０℃以上であれば暖機が終了した（暖機は不要）と判断できるので、通常モードを実行する（Ｓ５）。なお、通常モード実行の際には、燃料電池１の発電を開始すると共に、空気供給装置２の三方弁２６を排出位置にする。ちなみに、発電を開始すると酸素及び水素が消費される。
【００５４】
一方、ステップＳ４において、排出空気の温度が２０℃未満ならば暖機が継続されるが、この際、燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度が下限目標温度である６０℃未満か否かを判断する（Ｓ６）。６０℃未満ならば圧力制御弁２５を１ｄｅｇ閉める（Ｓ７）。そして、一定時間（数秒）置く（Ｓ８）。これにより、排出空気Ａｅ（吐出ガス）の温度が上昇すると共に供給空気Ａの温度も上昇し、暖機が迅速に行われる。なお、ステップＳ９で、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度が１３０℃を越えているか否かを判断し、１３０℃以下であれば問題がないのでステップＳ４に戻って暖機を継続する。コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度が１３０℃を越えている場合は、圧力制御弁２５を５ｄｅｇ開け、一定時間（数秒）置く（Ｓ１０，Ｓ１１）。これにより、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度が低下するが、ステップＳ１２で該温度を実際に判断し、低下していればステップＳ９に戻り処理を継続する（ステップＳ４に戻ってもよい）。
【００５５】
ステップＳ１２で、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度がなおも上昇している場合（あるいは１５０℃〔所定上限温度〕以上になっている場合）は、ステップＳ１７に移行しフェイルアンドセーフアクションを実行し、圧力制御弁２５を全開にすると共に、コンプレッサ２４を停止し（Ｓ１７，Ｓ１８）、警告灯を点灯して異常を乗員に知らせる。圧力制御弁２５の異常などが考えられるからである。
【００５６】
ところで、ステップＳ６において、燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度が６０℃以上である場合は、燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度が上限目標温度である７５℃を越えているか否かを判断し（Ｓ１３）、７５℃以下であれば適温なのでステップＳ４に戻り処理を継続する。
【００５７】
一方、ステップ１３において供給空気Ａの温度が７５℃を越える場合は、圧力制御弁２５を５ｄｅｇ開け、一定時間（数秒）置く（Ｓ１４，Ｓ１５）。これにより、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度が低下すると共に燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度も低下するが、ステップＳ１６で該温度を実際に判断し、低下していればステップＳ９に戻り処理を継続する（ステップＳ４に戻ってもよい）。供給空気Ａの温度がなおも上昇している場合（あるいは１５０℃〔所定上限温度〕以上になっている場合）は、前記したように機器類の異常などが考えられるので、フェイルアンドセーフアクションを実行し、圧力制御弁２５を全開にすると共に、コンプレッサ２４を停止し（Ｓ１７，Ｓ１８）、警告灯を点灯して異常を乗員に知らせる。なお、コンプレッサ２４を停止しない場合でも、圧力制御弁２５を全開にすると、前記の通り排出空気Ａｅの温度は低下する。ちなみに、圧力制御弁２５を急速に全開にすると、排出空気Ａｅの温度も急速に低下する。
【００５８】
このように始動モードと通常モードで三方弁２６を切り替え、始動モードで排出空気Ａｅを供給空気Ａとして再び燃料電池１に戻すことで、コンプレッサ２４での断熱圧縮による熱を無駄なく利用して燃料電池１を迅速に暖機することができる。また、燃料電池１の内部に蓄えられた水分を有効利用することができる。なお、加湿器２３は、水を噴霧する手段を採用したが、水透過型の中空糸膜などを利用する手段を採用したものでもよい。ちなみに、説明を省略したが、水素供給装置３についても温度制御及び湿度制御を行う構成としてもよい。
【００５９】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。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実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００６０】
図５に示すように、第２実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ２は、熱交換器を含まない構成になっている（他の部分は第１実施形態と同じ）。この構成でも、第１実施形態と同様に、コンプレッサ２４による断熱圧縮で生じた熱を有効利用することができると共に、水分も有効利用することができる。なお、三方弁２６の後段（排出側）に熱交換器を設け、通常モードで、排出空気Ａｅと供給空気Ａを熱交換する構成としてもよい。
【００６１】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。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実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００６２】
第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ３では、加湿器２３は、図示しない中空糸膜を使用した水透過膜型加湿器を使用する。中空糸膜は、中空通路を有する直径１〜２ｍｍ、長さ数十ｃｍの中空繊維である。この加湿器２３は、中空糸膜を数千本束ねてそれぞれ中空容器に収容した２本の中空糸膜モジュール、この２本の中空糸膜モジュールを並列に接続する配管、供給空気Ａの流量や湿度に応じて２本の中空糸膜モジュールを切り替えて使用するための電磁弁や電磁弁コントローラなどの切替手段などから構成される（以上図示外）。なお、電磁弁コントローラは、制御装置４に含まれるものとする。
【００６３】
各中空糸膜モジュールにおける中空糸膜の充填率は、中空容器の断面積に対して４０〜６０％である。この中空糸膜モジュールは、中空糸膜の中空通路の一端から排出空気Ａｅが通流して他端から抜き出されるようになっている。また、中空糸膜モジュールは、中空糸膜同士の隙間に供給空気Ａが通流して抜き出されるようになっている。つまり、中空糸膜モジュールは、中空糸膜により供給空気Ａと排出空気Ａｅが混合しないようになっている。その一方、中空糸膜は、その内表面から外表面に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）の微細な毛管を多数有し、毛管中では、蒸気圧が低下して容易に水分の凝縮が起こるようになっている。そして、凝縮した水分は、毛管現象により吸い出されて中空糸膜を透過する。したがって、中空通路に燃料電池１で生成した水分を多量に含んだ排出空気Ａｅを通流すると、水分が中空通路の内表面で凝縮し、毛管現象により吸い出され、中空糸膜の外表面に到達し、この水分により中空糸膜同士の隙間を通流する相対的に乾燥した供給空気Ａが加湿される。ちなみに、中空通路側に供給空気Ａを通流し、中空糸膜同士の隙間に排出空気Ａｅを通流する構成でもよい。
【００６４】
加湿器２３は、切替手段により、供給空気Ａの流量が少ないときは、中空糸膜モジュールを１本のみ使用するように切替駆動され、供給空気Ａの流量が多いときは、中空糸膜モジュールを２本とも使用するように切替駆動される。このように、切替駆動されるのは、中空糸膜モジュールは、供給空気Ａ及び排出空気Ａｅの流量が少なすぎても多すぎても加湿性能が低下するという加湿特性を有するからである。中空糸膜モジュールを切り替えるタイミングなどは、流量センサＱからの検出信号及び湿度センサＨからの検出信号により決定される。
【００６５】
なお、中空糸膜を使用したこの加湿器２３は、供給空気Ａと排出空気Ａｅが保有する熱を交換する熱交換器の役割を有する。したがって、第２実施形態では、第１実施形態のように独立した熱交換器を有しない。
【００６６】
この第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ３は、熱交換及び加湿の部分だけが第１実施形態と異なり、他の部分は同じであるので、第１実施形態と同様、三方弁２６を切り替えるという簡単な構成により、燃料電池１の暖機を迅速に行なうことができる。なお、この第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ３は、通常モードにおいて、燃料電池１のカソード極側から排出される多量の水分を含んだ排出空気Ａｅの水分を有効に活用することができるので、加湿用の水を蓄えておく必要がなくなったり、蓄えておく量を最低限にすることができる。また、中空糸膜により、供給空気Ａの加湿を均質に行うことができる。
【００６７】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第３の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７は、第４実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００６８】
第４実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ４では、コンプレッサ２４が熱交換器２２における供給空気Ａの排出口と加湿器２３との間に配設されている。この構成では、エアクリーナ２１を介して導入される供給空気Ａは、コンプレッサ２４を介して燃料電池１に供給される。この構成では、燃料電池１に供給される供給空気Ａは、コンプレッサ２４を介している。コンプレッサ２４では、供給空気Ａを断熱圧縮して燃料電池１に圧送して供給するが、この断熱圧縮の際に供給空気Ａが加熱されて加熱供給空気ＡＨとなる。したがって、燃料電池１には、加熱された加熱供給空気ＡＨが供給されるので、始動時における燃料電池１の暖機に貢献することができる。
【００６９】
また、始動時には、第１実施形態同様、三方弁２６は戻し位置にされているので、燃料電池１を暖機するために燃料電池に供給された加熱供給空気ＡＨは、燃料電池１を介して燃料電池１から排出された加熱排出空気ＡｅＨとなってコンプレッサ２４の供給側に圧送される。燃料電池１に供給された加熱排出空気ＡｅＨは、燃料電池１を暖機する際にその熱を奪われているものの、外気よりはまだ多くの熱量を含んでいる。外気よりも熱量の多い加熱排出空気ＡｅＨを再びコンプレッサ２４に戻すことにより、より迅速に燃料電池１を暖機することができる。
【００７０】
燃料電池１の暖機が完了した後は、三方弁２６が排出位置に切り替わり、通常の運転が行われる。
【００７１】
次に、第４実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ４の始動モードにおける動作の一例を、図８を参照（適宜図７を参照）して説明する。なお、かかる動作は、前記第１実施形態における始動モードの動作と同一の部分があるので、その同一の部分についての詳細な説明は省略する。
【００７２】
始動モードでは、三方弁を戻し位置にし（Ｓ１）、コンプレッサ２４を所定回転数で運転する（Ｓ２）。続いて、圧力制御弁２５の開度を所定値に設定し（Ｓ３）、燃料電池１のカソード極側の排出空気（加熱排出空気ＡｅＨ）の温度Ｔ３が２０℃未満であるか否かを判断する（Ｓ４）。ここまでの工程は前記第１実施形態における始動モードと同一である。なお、燃料電池１ではいまだ発電が行われていないので、コンプレッサ２４を駆動するための電力が必要となる。この電力はたとえば別途設けられた図示しないキャパシタやバッテリから取り出すことができる。ここで、ステップＳ４において、加熱排出空気ＡｅＨの温度が２０℃未満と判断した場合には、前記第１実施形態と同様にステップＳ６からステップＳ１９までの工程を経る。
【００７３】
一方、排出空気ＡｅＨの温度が２０℃未満と判断した場合には、通常モードに移行して燃料電池１の発電が可能な状態となっているか否かを判断する（Ｓ２１）。ここで、発電が可能な状態となっていないと判断された場合には、ステップＳ６に戻り、以後、前記第１実施形態と同様にステップＳ６からステップＳ１９までの工程を経る。また、発電が可能な状態にあると判断された場合には、所定電流で発電を開始する（Ｓ２２）。この段階における発電は、いまだ燃料電池１が暖機されていない状態であるので、所定の低電流値のみで行われ、いわば予備的な発電であって、通常の発電可能な状態とされてはいない。
【００７４】
低電流である所定電流で予備的な発電を開始したら、加熱排出空気ＡｅＨが過剰にコンプレッサ２４に供給されて、燃料電池１に供給される加熱供給空気ＡＨの酸素量が少なくなることがないように、加熱排出空気ＡｅＨの戻り量を制御する（Ｓ２３）。このとき、戻り量を減少させるの伴って新しく外気を吸い込み、酸素を補充する。
【００７５】
続いて、燃料電池１に供給される加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１および燃料電池１から排出される加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３の温度を検知する。そして、加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１が７０℃未満であるか、加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３が４０℃未満であるか否かの２つの条件を判断する（Ｓ２４）。その結果、２つの条件とも満たされていない場合には、暖機が完了していないと判断してステップ２３に戻る。また、２つの条件のうちのいずれかが満たされた場合には、三方弁２６を排出位置にして、加熱排出空気ＡｅＨをすべて排出する（Ｓ２５）そして、暖機が完了し、（Ｓ２６）その後、燃料電池１の発電を開始する。
【００７６】
始動モードにおいて、燃料電池１の加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３が２０℃未満では始動モードが維持されて、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池１の加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３が２０℃となって通常モードとなっても、燃料電池１の暖機が完了するまでの間は、本格的な発電を行うことなく、予備的な発電のみを行う。そして、燃料電池１の暖機が完了した後に本格的な発電を開始するので、燃料電池１の暖機を効率的に行うとともに、燃料電池１の発電を適切に行うことができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、加熱排出空気ＡｅＨと供給空気Ａとの間で熱交換を行うために熱交換器２２を設けている。これは、燃料電池の発電に伴って減少する酸素量に応じて戻し量を減少させるので、排出ガスの持つ熱量のみを供給ガス側に伝えられるようになっている。このため、熱を逃がしにくい構成となる。
【００７８】
〔第５実施形態〕
次に、第５実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第４の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９は、第５実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００７９】
図９に示すように、第５実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ５は、前記第４実施形態と比較して、熱交換器２２が設けられていないほか、三方弁２６に代えて流量調整弁４１が設けられている。また、圧力制御弁２５と流量調整弁４１の間の配管Ｐ１には分岐路Ｐ２が設けられており、流量センサＱとコンプレッサ２４との間の配管Ｐ３に接続されている。この分岐路Ｐ２には、逆止弁４２が設けられている。
【００８０】
この構成では、燃料電池１の暖機を行う際には、逆止弁４２を開いて燃料電池１から排出された多くの熱を含む加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に戻すことができる。また、燃料電池１が開始した後も、逆止弁４２を開いた状態で維持しておくことにより、加熱排出空気ＡｅＨがコンプレッサ２４に導入される。このため、始動時であって、燃料電池１が発電していない間はもちろん、燃料電池１が発電を開始した後であっても加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に供給することで、燃料電池１の迅速な暖機に貢献することができる。また、流量調整弁４１でコンプレッサ２４に導入される加熱排出空気ＡｅＨの流量を制御することができるので、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１を上限を越えない範囲に制限することができる。したがって、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温度の上限値を越えない範囲で迅速に燃料電池１の暖機を行うことができる。
【００８１】
〔第６実施形態〕
次に、第６実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第５の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１０は、第６実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００８２】
第６実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ６は、前記第５実施形態と比較して、流量調整弁４１が分岐路Ｐ２に設けられており、配管Ｐ１には何も設けられておらず、分岐路Ｐ２に設けられていた逆止弁がない点でことなっている。
【００８３】
この構成では、分岐路Ｐ２に設けられた流量調整弁４１でコンプレッサ２４に戻す加熱排出空気ＡｅＨの量を制御することができる。したがって、前記第５実施形態同様、始動時であって、燃料電池１が発電していない間はもちろん、燃料電池１が発電を開始した後であっても加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に供給することで、燃料電池１の迅速な暖機に貢献することができる。また、流量調整弁４１でコンプレッサ２４に導入される加熱排出空気ＡｅＨの流量を制御することができるので、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１を上限を越えない範囲に制限することができる。したがって、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温度の上限値を越えない範囲で迅速に燃料電池１の暖機を行うことができる。
【００８４】
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。
【００８５】
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。また、第１実施形態及び第２実施形態の加湿装置は、２流体ノズルなどを使用したものでも、超音波を利用したものでもよい。また、第３実施形態の水透過膜も中空糸膜に限定されることはない。また、コンプレッサもスーパーチャージャやターボチャージャのようにタービンを回転させるものではなく、レシプロ式のものでもよい。また、圧力制御弁をコンプレッサと熱交換器の間に設ける構成として、コンプレッサの断熱圧縮により発生した熱を利用してもよい。
【００８６】
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。
【００８７】
【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、燃料電池の状態に応じて排出ガスを燃料電池に供給する供給ガスに戻すことで、排出ガスの持つ熱、たとえば燃料電池が発電する熱などを供給ガスに戻すことができるので、暖機を迅速に行なうことができ、寒冷地や冬季において使用される燃料電池システムに好適に適用することができる。また、電気自動車用の燃料電池システムに好適に適用することもでき、燃料電池の内部などに残存する水分を有効利用することができる。
また、コンプレッサの断熱圧縮により発生する熱で、迅速な燃料電池の暖機を行うので、燃料電池の発電に拘わらず確実に燃料電池の暖機を行うことができる。
また、コンプレッサの圧力を制御することで排出ガスの温度上昇幅を設定することが可能になる。
【００８８】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明によれば、排出ガスの温度に応じて行うので、燃料電池に暖機が必要か否かや燃料電池の暖機が終了したか否かなどを確実に判断することができる。
【００９１】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明によれば、燃料電池に供給される供給ガスを適切な温度とすることが可能になる。
【００９２】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明によれば、目標温度と比較することで、燃料電池に適切な温度の供給ガスを供給することが可能になる。
【００９３】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明によれば、暖機中の燃料電池が酸素不足となることを防止することができる。これと同時に、この水素極側の暖機を、燃料電池の膜を介して行うことができる。
【００９４】
また、本発明のうちの請求項６に記載の発明によれば、燃料電池に供給される空気中、酸素の含有量が少ない排出ガスの量を少なくし酸素の含有量が多い空気を多く供給できるので、燃料電池に十分な酸素を供給することができる。
【００９５】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明によれば、燃料電池の始動後であっても、燃料電池に供給される供給ガスの温度が低下してしまった場合には、コンプレッサから排出されたガスに含まれる熱を、燃料電池を介してコンプレッサの吸引側に供給することができる。したがって、燃料電池を適切な温度範囲まで容易に加熱することができる。
また、コンプレッサの断熱圧縮により発生する熱で、迅速な燃料電池の暖機を行うので、燃料電池の発電に拘わらず確実に燃料電池の暖機を行うことができる。
また、コンプレッサの圧力を制御することで排出ガスの温度上昇幅を設定することが可能になる。
【００９６】
また、本発明のうち請求項１１に記載の発明によれば、加熱供給ガスをコンプレッサに循環供給するにあたり、熱自体が小さい循環サイクルを形成するので、燃料電池に対して断熱圧縮の熱を効率よく伝達することができる。さらに、燃料電池の暖気が早くなるとともに、ガス欠（酸素が足りない状態）を起こさないようにすることができる。
【００９７】
また、本発明のうち請求項１２に記載の発明によれば、燃料電池の発電効率がよくなる温度帯まで燃料電池を加熱させてから、燃料電池による発電を開始することができる。
【００９８】
また、本発明のうち請求項１３に記載の発明によれば、燃料電池の始動準備が完了したか否かを燃料電池から排出される加熱供給ガスの温度で判定している。このため、別途燃料電池の始動準備が完了したことを検知するための検知手段などを設けることなく、燃料電池の暖機を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態の燃料電池暖機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】 図２のコンプレッサにおける温度上昇特性を説明するグラフである。
【図４】 第１実施形態の燃料電池暖機装置の始動モードにおける制御フローである。
【図５】 第２実施形態の燃料電池暖機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実施形態の燃料電池暖機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４実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図８】 第４実施形態の燃料電池暖機装置の始動モードにおける制御フローである。
【図９】 第５実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図１０】 第６実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【符号の説明】
ＧＳ（ＧＳ１〜ＧＳ６） … 燃料電池暖機装置
ＦＣＳ… 燃料電池システム
Ａ … 供給空気（供給ガス）
Ａｅ … 排出空気（排出ガス）
１ … 燃料電池
２ … 空気供給装置
２２ … 熱交換器（熱交換手段）
２４ … コンプレッサ
２５ … 圧力制御弁（圧力制御手段）
２６ … 三方弁
３ … 水素供給装置
４ … 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、空気中の酸素を利用して発電する燃料電池に使用される燃料電池を暖機する燃料電池暖機システムに関する。
【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（固体高分子型燃料電池）が注目されている。例えば、特開平７−２４０２２０号公報には、燃料電池に供給される水素及び酸素を循環して使用する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムにおける酸素は酸化剤供給装置から供給されるが、燃料電池で未使用の残存酸素は酸素供給ラインに戻され循環使用される。水素についても同様であり、燃料供給装置から供給された水素のうち、燃料電池で未使用の残存水素は水素供給ラインに戻され循環使用される。このように酸素及び水素が循環使用されるのは、酸化剤供給装置及び燃料供給装置から純度の高い酸素及び水素が供給されるからである。
【０００３】
一方、周囲から空気を取り込み、空気中の酸素を燃料電池で使用する構成の燃料電池システムが知られている。この構成の場合、空気を循環使用すると空気中の酸素濃度が低下して行き（窒素濃度が上昇して行き）、燃料電池の効率が低下する。このため、燃料電池から排出された排出空気は循環することなく大気中に放散される。
【０００４】
ところで、燃料電池は、常温よりも高い温度（固体高分子型の場合は８０〜９０℃）で効率よく発電することができ、燃料電池が充分に温まっていないときは効率よく発電することができない。したがって、燃料電池の始動時に燃料電池を所定温度まで迅速に加温（暖機）する必要がある。殊に、燃料電池が電気自動車に搭載される場合は一層迅速に暖機する必要がある。このため、周囲から空気を取り込むタイプの燃料電池システムでは、熱交換器を設けて、排出空気と供給空気とを熱交換することが行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱交換器では排出空気の熱を供給空気に与えることによって供給空気を加熱している。このため、排出空気の温度が低くなっている始動時には、燃料電池の暖機を迅速に行うことができないという問題があった。特に、寒冷地であるとか、冬季など、気温が低い条件下では始動時に燃料電池から排出される排出空気の温度は一層低くなっているので、この問題が特に顕著となる。
【０００６】
また、燃料電池が稼動しているときでも、稼動状態によっては燃料電池から排出される排出ガスの温度が低下する場合がある。このような場合でも、燃料電池に供給する供給ガスの温度はある一定温度以上とする必要があるが、排出ガスの温度が低下しているため、熱交換器のみでは、十分に供給ガスを加熱できない場合が考えられるという問題もある。
【０００７】
そこで、本発明は、特に燃料電池の始動時において燃料電池の暖機を迅速に行うことができるようにし、さらには燃料電池の稼動状態により、排出ガスの温度が低下したときでも、十分に供給ガスを加熱できる燃料電池加熱システムを提供することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明のうち請求項１に記載の発明は、供給ガスが供給されることにより発電が行われる燃料電池を暖機する燃料電池暖機システムであって、前記燃料電池に供給する前記供給ガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池に供給され、前記燃料電池で利用した後に排出された排出ガスを圧送するコンプレッサと、前記排出ガスの圧力を制御する圧力制御弁と、前記燃料電池の暖機状態に応じて前記排出ガスを前記供給ガスに戻す排出ガス戻し手段と、前記コンプレッサ、前記圧力制御弁及び前記排出ガス戻し手段を制御する制御装置と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池への前記供給ガスが通流する供給ガス流路と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池からの前記排出ガスが通流する排出ガス流路と、前記排出ガス流路と前記供給ガス流路とを接続する排出ガス戻し流路と、を備え、前記排出ガス戻し手段は、前記排出ガス流路と前記排出ガス戻し流路とに接続され、前記排出ガスが流れる流路を切り替える流路切替器を備えてなり、前記コンプレッサ、前記圧力制御弁及び前記排出ガス戻し手段は、前記排出ガスの通流方向においてこの順で設けられ、前記制御装置は、前記コンプレッサを所定の回転数で運転させるように制御し、前記圧力制御弁の開度を制御して前記コンプレッサから吐出される排出ガスの温度を制御し、前記排出ガスの温度が所定値未満である場合に、前記排出ガス戻し手段により、前記排出ガスが流れる流路を前記排出ガス戻し流路に切り替えて、温度が制御され前記コンプレッサから吐出された排出ガスを、前記排出ガス戻し手段を介して前記供給ガスに戻すことにより、前記燃料電池の暖機が行われることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。排出ガス戻し手段は、後述する発明の実施の形態では三方弁であり、燃料電池からの排出ガス（排出空気）をそのまま排出する排出位置と、供給ガス（供給空気）に戻す戻し位置に切り替わるようになっている。戻し位置に切り替わると排出ガスの循環サイクルが形成される。なお、燃料電池の状態に応じてとは、燃料電池の温度などに応じてという意味である。この構成によれば、排出ガスの持つ熱、たとえば燃料電池が発電する熱などを供給ガスに戻すことができるので、燃料電池が始動してから暖機を迅速に行なうことができると共に燃料電池の内部などに残存する水分を有効利用することもできる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、前記排出ガスの温度を検出する第１温度センサを備え、前記第１温度センサが検出した温度に基づいて、前記制御装置が前記排出ガス戻し手段を制御する燃料電池暖機システムとした。例えば、排出ガスの温度が高ければ燃料電池の暖機が終了したとして、あるいは、燃料電池を保護するため、排出ガス戻し手段は排出位置に切り替えられる。また、例えば、排出ガスの温度が低ければ燃料電池の暖機が必要であるとして、排出ガス戻し手段は戻し位置に切り替えられる。ここで、排出ガスの温度は、燃料電池の状態（温度、湿度など）に大きく影響を受ける。このため、排出ガス戻し手段の制御を行う際には、排出ガスの温度を判断基準として用いるのが最も好適である。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２の構成において、前記供給ガスの温度を検出する第２温度センサを備え、前記第２温度センサが検出した温度に基づいて、前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を制御する燃料電池暖機システムとした。例えば、供給ガスの温度が高くなれば圧力制御手段により、コンプレッサの下流側の圧力を低下させる。一方、供給ガスの温度が低くなれば圧力制御手段により、コンプレッサの下流側の圧力を上昇させる。この構成によれば、燃料電池に供給される供給ガスを適切な温度とすることが可能になる。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度と、予め設定された目標温度とを前記制御装置が比較し、検出された前記供給ガスの温度が予め設定された目標温度未満である場合、前記制御装置は前記圧力制御弁の開度を小さくする燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池に適切な温度の供給ガスを供給することが可能になる。なお、供給ガスの目標温度は、燃料電池の種類や暖機の行い方などに応じて適宜設定することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の構成において、前記供給ガスは前記燃料電池の酸素極に供給する空気であって、前記燃料電池の酸素極に供給する空気中の酸素量に応じて前記排出ガス戻し手段を制御する燃料電池暖気システムとした。この構成によれば、燃料電池の酸素極に供給する空気を加熱して燃料電池を暖機するにあたり、酸素極に供給する空気中の酸素量に応じて排出ガスの戻し量を制御している。このため、暖機中の燃料電池が酸素不足となることを防止することができる。また、燃料電池の水素極側は、酸素極側から暖機されるが、この水素極側の暖機は、燃料電池の膜を介して行われる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の構成において、前記供給ガスの酸素量が前記燃料電池の発電によって減少した場合は、前記排出ガス戻し手段によって排出ガスを戻す量を減少させる燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池の発電に起因して供給ガスの酸素量が減少した場合に排出ガス戻し手段によって排出ガスを戻す量を減少させている。燃料電池に供給される空気中、酸素の含有量が少ない排出ガスの量を少なくし酸素の含有量が多い空気を多く供給できるので、燃料電池に十分な酸素を供給することができる。
また、請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の構成において、前記第１温度センサにより検出された前記排出ガスの温度が第１所定温度未満である場合において、前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度が第２所定温度未満であるとき、前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を小さくすることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。
さらに、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の構成において、前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度が前記第２所定温度未満である場合に前記圧力制御弁の開度を小さくしてから一定時間経過後、第３温度センサにより前記コンプレッサから吐出された排出ガスの温度を検出し、検出された前記排出ガスの温度が第３所定温度を超えている場合に、前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を大きくすることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。
そして、請求項９に記載の発明は、請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の構成において、前記加湿器は、中空糸膜を有する複数本の中空糸膜モジュールと、前記加湿器を通流する前記供給ガスの流量に応じて、通流する中空糸膜モジュールを切り替える切替手段と、を備え、前記切替手段は、前記供給ガスの流量が多い場合には、前記供給ガスが通流する中空糸膜モジュールの本数を増加させ、前記供給ガスの流量が少ない場合には、前記供給ガスが通流する中空糸膜モジュールの本数を減少させることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。
【００１６】
また、請求項１０に記載の発明は、供給ガスが供給されることにより発電が行われる燃料電池を暖機する燃料電池暖機システムであって、前記燃料電池に供給する前記供給ガスを加湿する加湿器と、前記燃料電池に供給され、前記燃料電池で利用した後に排出された排出ガスを圧送するコンプレッサと、前記排出ガスの圧力を制御する圧力制御弁と、前記コンプレッサ及び前記圧力制御弁を制御する制御装置と、を備え、前記コンプレッサの断熱圧縮による熱で前記供給ガスを加熱し、加熱された前記供給ガスを前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機し、前記燃料電池で利用された後に排出された前記排出ガスが前記コンプレッサの吸引側に戻される循環サイクルが形成され、前記燃料電池から排出された前記排出ガスは前記圧力制御弁に供給され、前記圧力制御弁からの前記排出ガスは前記コンプレッサの前記吸引側に戻され、前記コンプレッサの吐出側からのガスが前記供給ガスとして前記燃料電池に供給され、前記制御装置は、前記コンプレッサを所定の回転数で運転させるように制御し、前記圧力制御弁の開度を制御して、前記コンプレッサから吐出されるガスの温度を制御することにより、前記燃料電池の暖機が行われることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池の始動後であっても、燃料電池に供給される供給ガスの温度が低下してしまった場合には、コンプレッサから排出されたガスに含まれる熱を、燃料電池を介してコンプレッサの吸引側に供給することができる。したがって、燃料電池を適切な温度範囲まで容易に加熱することができる。
【００１７】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０の構成において、前記供給ガスと前記排出ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器を備え、前記熱交換器は前記循環サイクルの途中に設けられ、前記排出ガスが有する熱が前記熱交換器において前記供給ガスに供給され、加熱された前記供給ガスが前記燃料電池に供給されることを特徴とする燃料電池システムとした。この構成では、加熱供給ガスをコンプレッサに循環供給するにあたり、熱自体が小さい循環サイクルを形成するので、燃料電池に対して断熱圧縮の熱を効率よく伝達することができる。また、燃料電池の発電時には空気中の酸素濃度が減少していくので、ガスのすべてを戻しつづけると、燃料電池の発電効率が悪くなる。そこで、排出ガスの熱量のみを回収できる熱交換器を備えたので、暖気が早くなるとともに、ガス欠（酸素が足りない状態）を起こさないようにすることができる。
【００１８】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１０または請求項１１の構成において、前記制御装置は前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判断する機能を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の暖機が完了したと判断した後、前記燃料電池の発電を開始させることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池の発電効率がよくなる温度帯まで燃料電池を加熱させてから、燃料電池による発電を開始することができる。
【００１９】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１２の構成において、前記燃料電池の暖機の完了の判断が、前記排出ガスの温度に基づいて行われることを特徴とする燃料電池暖機システムとした。この構成によれば、燃料電池の始動準備が完了したか否かを燃料電池から排出される加熱供給ガスの温度で判定している。このため、別途燃料電池の始動準備が完了したことを検知するための検知手段などを設けることなく、燃料電池の暖機を検知することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の燃料電池暖機装置を、図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
〔第１実施形態〕
先ず、第１実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。
この第１実施形態で参照する図面において、図１は第１実施形態の燃料電池暖機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り、図３はコンプレッサにおける温度上昇特性を説明するグラフである。
【００２２】
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、及び制御装置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、燃料電池暖機装置ＧＳ（ＧＳ１）は、空気供給装置２及び制御装置４から構成される。ちなみに、この燃料電池システム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。
【００２３】
先ず、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及びアノード電極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。
【００２４】
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の入口及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の入口及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。
【００２５】
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。生成した水及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。
【００２６】
次に、図１に示すように、燃料電池暖機装置ＧＳ１を構成する空気供給装置２は、エアクリーナ２１、熱交換器２２、加湿器２３、コンプレッサ２４、圧力制御弁２５、三方弁２６、流量センサＱ、温度センサＴ１，Ｔ２，Ｔ３、湿度センサＨなどから構成される。
【００２７】
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。
【００２８】
熱交換器２２は、図示しない低温流体側流路及び高温流体側流路を備えるプレート式熱交換器やシェル＆チューブ熱交換器などから構成され、燃料電池１のカソード極側から排出されコンプレッサ２４で圧縮された空気（排出空気Ａｅ）とエアクリーナ２１でろ過した供給空気Ａを熱交換する。この熱交換器２２により、供給空気Ａが加熱され燃料電池１に導入される。なお、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、６０〜７５℃に温度制御されて燃料電池１に導入される。この供給空気Ａの温度制御の詳細は後述する。
【００２９】
加湿器２３は、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。加湿された供給空気Ａは、燃料電池１のカソード極側に供給される。なお、サイフォン管には、ステッピングモータにより駆動して該サイフォン管を通流する水の流量を制御するニードルが挿入されている（サイフォン管とニードルでニードル弁を構成している）。このように、供給空気Ａを加湿するのは、燃料電池１を加湿して図２に示す電解質膜１ｃが乾燥するのを防止するためである。ちなみに、電解質膜１ｃが乾燥するとプロトンの移動が阻害され起電力が低下する。一方、燃料電池１を加湿しすぎても、図２に示すカソード極側ガス通路１ａや図示しない拡散層が水没して供給空気Ａの通流が阻害され起電力が低下する。
【００３０】
コンプレッサ２４は、図示しないスーパーチャージャ（容積型の圧縮機）及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た後の供給空気Ａ、つまり燃料電池１のカソード極側から排出される排出空気Ａｅを吸引し、圧縮して吐出し後段の熱交換器２２に送出する。このコンプレッサ２４は、供給空気Ａを吸引することにより、燃料電池１を負圧（大気圧以下の圧力）で運転する役割を有する。また、コンプレッサ２４は、排出空気Ａｅを断熱圧縮することにより排出空気Ａｅの温度を高め、排出空気Ａｅを、供給空気Ａを加熱するための熱源とする役割を有する。
【００３１】
圧力制御弁（圧力制御手段）２５は、図示しないバタフライ弁及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、コンプレッサ２４から吐出される排出空気Ａｅの圧力（吐出圧）を圧力制御弁２５の開度を減少・増加することより制御する。ちなみに、圧力制御弁２５の開度を減少するとコンプレッサ２４の吐出圧が高まり、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２５の開度を増加するとコンプレッサ２４の吐出圧が低くなり、これに対応して排出空気Ａｅの温度上昇幅が減少する。
なお、圧力制御弁２５はエンタルピ変化が少ない状態で排出空気Ａｅを通流させる。このため、圧力制御弁２５を通流した後の排出空気Ａｅの温度低下は少ない。
【００３２】
三方弁（排出ガス戻し手段）２６は、図示しない電磁作動の流路切替器から構成され、排出空気Ａｅの流路を切り替えて、排出位置、戻し位置にする。三方弁２６を排出位置にした場合には、排出空気Ａｅは空気供給装置２の系外に排出される。また、三方弁２６を戻し位置にした場合には、排出空気Ａｅはエアクリーナ２１と熱交換器２２の間の供給空気Ａのラインに戻される（循環サイクルが形成される）。この三方弁２６がどのような条件で排出位置に切り替わるか、戻し位置に切り替わるかは後述する。
【００３３】
流量計Ｑは、差圧流量計などから構成され、エアクリーナ２１を通流した後（排出空気Ａｅの合流後）の供給空気Ａの流量を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３４】
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、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３５】
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、コンプレッサ２４の出口における排出空気Ａｅ（吐出ガス）の温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３６】
温度センサＴ３は、温度センサＴ１，Ｔ２と同様にサーミスタなどから構成され、燃料電池１のカソード極側出口における排出空気Ａｅの温度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３７】
湿度センサＨは、高分子膜系の湿度センサなどから構成され、燃料電池１のカソード極側入口における供給空気Ａの湿度を検出し、検出信号を制御装置４に送信する。
【００３８】
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、三方弁３４などから構成される。
【００３９】
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。
【００４０】
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。このレギュレータ３２は、ダイヤフラムに入力される基準圧を大気圧にすると、水素ガスボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を大気圧近辺にまで減圧することができる。また、ダイヤフラムに入力される基準圧を負圧で運転している空気供給装置２の負圧部分の圧力にすると、水素ガスボンベ３１に貯蔵された供給水素Ｈの圧力を当該負圧部分の圧力近辺にまで減圧することができる。第１実施形態では、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転するため、レギュレータ３２には、空気供給装置２のコンプレッサ２４の吸入側の圧力が基準圧として入力される。ちなみに、水素供給装置３を大気圧以下の負圧で運転することにより、通流する水素が外部に漏洩するのを防止することができるので、燃費が向上する。
【００４１】
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三方弁３４を通流する排出水素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。
【００４２】
三方弁３４は、図示しない流路切替器から構成され、排出水素Ｈｅの流路を切り替えて、排出位置、戻し位置にする。三方弁３４を排出位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水素供給装置３の系外に排出される。また、三方弁３４を戻し位置にした場合には、排出水素Ｈｅは水素循環ポンプ３３に導かれる。
【００４３】
次に、燃料電池用暖機装置ＧＳ１を構成する制御装置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、燃料電池システムＦＣＳを統括的に制御すると共に、燃料電池１に供給する供給空気Ａの流量、温度、湿度を制御する。制御装置４は、前記の通り各センサＱ，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｈからの検出信号を受信する。また、制御装置４は、加湿器２３、コンプレッサ２４、圧力制御弁２５、三方弁２６に対する制御信号を送信する。以下、供給空気Ａの(1)流量制御、(2)温度制御、(3)湿度制御、及び(4)流路切替制御を説明する。なお、制御装置４は、後述するように始動モードと通常モードの２つのモードを有し、始動モードでは三方弁２６が戻し位置になり、通常モードでは排出位置になる。
【００４４】
(1) 流量制御について、制御装置４は、図示しないアクセルペダルなどの出力調整手段からの出力要求信号に基づいて、必要とする供給空気Ａの目標流量をマップなどにより設定する。そして、目標流量が増加したときは、コンプレッサ２４の吐出量（モータの回転数）を増加するように制御信号を生成しコンプレッサ２４に送信する。一方、制御装置４は、目標流量が減少したときは、コンプレッサ２４の吐出量（モータの回転数）を低減するように制御信号を生成しコンプレッサ２４に送信する。この際、流量センサＱの検出信号と目標流量の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。
【００４５】
(2) 温度制御（通常モード）について、制御装置４は、燃料電池１のカソード極側入口に供給される供給空気Ａの温度が６０〜７５℃の目標温度になるように、温度センサＴ１からの検出信号に基づいて、圧力制御弁２５の開度をステッピングモータにより制御する。具体的には、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの温度が上昇したとき（上昇しそうになったとき）は、圧力制御弁２５の開度が増加するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、コンプレッサ２４の吐出圧が低くなり、排出空気Ａｅ（吐出ガス）の温度が低下する。そして、熱交換器２２での熱交換量が減り、供給空気Ａの温度が低下する。一方、制御装置４は、目標温度よりも供給空気Ａの温度が低下したとき（低下しそうになったとき）は、圧力制御弁２５の開度が減少するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、コンプレッサ２４の吐出圧が高くなり排出空気Ａｅの温度が上昇する。そして、熱交換器２２での熱交換量が増し、供給空気Ａの温度が上昇する。この際、温度センサＴ１の検出信号と目標温度の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。なお、コンプレッサ２４は、圧力制御弁２５の開度にかかわらず、目標流量の供給空気Ａを燃料電池１に供給すべく動作する。
【００４６】
ちなみに、フェイルアンドセーフ機構として、制御装置４は、温度センサＴ２の検出信号が所定値以上（１５０℃以上）になると、コンプレッサ２４などを保護すべく、圧力制御弁２５の開度を増加する制御信号、及び／又はコンプレッサ２４の吐出量を低減する制御信号を生成し送信する。これにより、コンプレッサ２４の吐出側の温度が下がり、コンプレッサ２４などが保護される。
【００４７】
なお、図３の温度上昇特性を説明する図は、コンプレッサ２４の圧力比（Ｐ１〜Ｐ５＝吐出圧／吸入圧）と排出空気Ａｅの流量とコンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度の関係を示すものである（圧力比はＰ５＞Ｐ４＞Ｐ３＞Ｐ２＞Ｐ１である）。この図から解るように、コンプレッサ２４の圧力比を高めることで、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度を高めることができ、この際、排出空気Ａｅの流量はあまり影響しない。つまり、圧力制御弁２５により排出空気Ａｅの温度を制御することができるのが解る。ここで、図３に記載の目標温度は、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅ（吐出ガス）の目標とする最低温度である。通常の運転（暖機）は、この目標温度以上の温度で行われる。
【００４８】
(3) 湿度制御について、制御装置４は、燃料電池１のカソード極側入口に供給される供給空気Ａの湿度が目標湿度になるように、湿度センサＨからの検出信号に基づいて、加湿器２３のニードル弁の開度をステッピングモータにより制御する。具体的には、制御装置４は、目標湿度よりも供給空気Ａの湿度が上昇したとき（上昇しそうになったとき）は、ニードル弁の開度が減少するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、ニードル弁を通流する水の量が減少し、供給空気Ａの湿度が低下する。一方、制御装置４は、目標湿度よりも供給空気Ａの湿度が低下したとき（低下しそうになったとき）は、ニードル弁の開度が増加するようにステッピングモータを駆動する制御信号を生成し送信する。これにより、ニードル弁を通流する水の量が増加し、供給空気Ａの湿度が上昇する。この際、湿度センサＨの検出信号と目標湿度の偏差がゼロになるようにフィードバック制御が行われる。
【００４９】
(4) 流路切替制御について、制御装置４は、自動車のイグニッションスイッチがＯＮになって燃料電池システムＦＣＳを始動する際に始動モードになる。制御装置４が始動モードになると、制御装置４は、三方弁２６が戻し位置に切り替わるように三方弁２６に対して制御信号を生成し送信する（循環サイクルが形成される）。後述するように、始動モードは温度センサＴ３の検出信号が所定値を越えた場合などに解除され、制御装置４は通常モードに移行する。通常モードに移行する際には、制御装置４は、三方弁２６が排出位置に切り替わるように三方弁２６に対して制御信号を生成し送信する。なお、燃料電池１からの排出空気Ａｅの温度が低い場合（例えば２０℃以下の場合）に、自動的に始動モードになるようにしておいてもよい。
【００５０】
次に、前記説明した第１実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ１の始動モードにおける動作の一例を、図４を参照して詳細に説明する（適宜図１〜図３を参照）。
【００５１】
ここで、図４は、燃料電池暖機装置の始動モードにおける制御フローである。なお、暖機時の供給空気Ａの目標温度も６０℃（下限目標温度）〜７５℃（上限目標温度）である。
【００５２】
始動モードでは、制御装置４は、空気供給装置２の三方弁２６を戻し位置にして循環サイクルを形成する（Ｓ１）。次に、コンプレッサ２４を所定の回転数（３０００ｒｐｍ）で運転し、圧力制御弁２５の開度を所定値に設定する（Ｓ２，Ｓ３）。圧力制御弁２５は、コンプレッサ２４の吐出圧が４０ｋＰａＧになるように設定される。これにより、燃料電池１の暖機が開始される。また、水の有効利用が図られる。なお、この時点では、燃料電池１は発電を行っていない。ちなみに、図１のｃ点における圧力はｂ点における圧力よりも低いので、ｃ点からの供給空気Ａはａ点には流れないで、ｂ点からの排出空気Ａｅがａ点へ流れ込む（ｂ点の圧力＞ｃ点の圧力＞ａ点の圧力）。
【００５３】
燃料電池１のカソード極側出口の排出空気Ａｅの温度が２０℃未満か否かを判断する（Ｓ４）。２０℃以上であれば暖機が終了した（暖機は不要）と判断できるので、通常モードを実行する（Ｓ５）。なお、通常モード実行の際には、燃料電池１の発電を開始すると共に、空気供給装置２の三方弁２６を排出位置にする。ちなみに、発電を開始すると酸素及び水素が消費される。
【００５４】
一方、ステップＳ４において、排出空気の温度が２０℃未満ならば暖機が継続されるが、この際、燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度が下限目標温度である６０℃未満か否かを判断する（Ｓ６）。６０℃未満ならば圧力制御弁２５を１ｄｅｇ閉める（Ｓ７）。そして、一定時間（数秒）置く（Ｓ８）。これにより、排出空気Ａｅ（吐出ガス）の温度が上昇すると共に供給空気Ａの温度も上昇し、暖機が迅速に行われる。なお、ステップＳ９で、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度が１３０℃を越えているか否かを判断し、１３０℃以下であれば問題がないのでステップＳ４に戻って暖機を継続する。コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度が１３０℃を越えている場合は、圧力制御弁２５を５ｄｅｇ開け、一定時間（数秒）置く（Ｓ１０，Ｓ１１）。これにより、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度が低下するが、ステップＳ１２で該温度を実際に判断し、低下していればステップＳ９に戻り処理を継続する（ステップＳ４に戻ってもよい）。
【００５５】
ステップＳ１２で、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度がなおも上昇している場合（あるいは１５０℃〔所定上限温度〕以上になっている場合）は、ステップＳ１７に移行しフェイルアンドセーフアクションを実行し、圧力制御弁２５を全開にすると共に、コンプレッサ２４を停止し（Ｓ１７，Ｓ１８）、警告灯を点灯して異常を乗員に知らせる。圧力制御弁２５の異常などが考えられるからである。
【００５６】
ところで、ステップＳ６において、燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度が６０℃以上である場合は、燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度が上限目標温度である７５℃を越えているか否かを判断し（Ｓ１３）、７５℃以下であれば適温なのでステップＳ４に戻り処理を継続する。
【００５７】
一方、ステップ１３において供給空気Ａの温度が７５℃を越える場合は、圧力制御弁２５を５ｄｅｇ開け、一定時間（数秒）置く（Ｓ１４，Ｓ１５）。これにより、コンプレッサ２４の吐出側の排出空気Ａｅの温度が低下すると共に燃料電池１のカソード極側の供給空気Ａの温度も低下するが、ステップＳ１６で該温度を実際に判断し、低下していればステップＳ９に戻り処理を継続する（ステップＳ４に戻ってもよい）。供給空気Ａの温度がなおも上昇している場合（あるいは１５０℃〔所定上限温度〕以上になっている場合）は、前記したように機器類の異常などが考えられるので、フェイルアンドセーフアクションを実行し、圧力制御弁２５を全開にすると共に、コンプレッサ２４を停止し（Ｓ１７，Ｓ１８）、警告灯を点灯して異常を乗員に知らせる。なお、コンプレッサ２４を停止しない場合でも、圧力制御弁２５を全開にすると、前記の通り排出空気Ａｅの温度は低下する。ちなみに、圧力制御弁２５を急速に全開にすると、排出空気Ａｅの温度も急速に低下する。
【００５８】
このように始動モードと通常モードで三方弁２６を切り替え、始動モードで排出空気Ａｅを供給空気Ａとして再び燃料電池１に戻すことで、コンプレッサ２４での断熱圧縮による熱を無駄なく利用して燃料電池１を迅速に暖機することができる。また、燃料電池１の内部に蓄えられた水分を有効利用することができる。なお、加湿器２３は、水を噴霧する手段を採用したが、水透過型の中空糸膜などを利用する手段を採用したものでもよい。ちなみに、説明を省略したが、水素供給装置３についても温度制御及び湿度制御を行う構成としてもよい。
【００５９】
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。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実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００６０】
図５に示すように、第２実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ２は、熱交換器を含まない構成になっている（他の部分は第１実施形態と同じ）。この構成でも、第１実施形態と同様に、コンプレッサ２４による断熱圧縮で生じた熱を有効利用することができると共に、水分も有効利用することができる。なお、三方弁２６の後段（排出側）に熱交換器を設け、通常モードで、排出空気Ａｅと供給空気Ａを熱交換する構成としてもよい。
【００６１】
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。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実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００６２】
第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ３では、加湿器２３は、図示しない中空糸膜を使用した水透過膜型加湿器を使用する。中空糸膜は、中空通路を有する直径１〜２ｍｍ、長さ数十ｃｍの中空繊維である。この加湿器２３は、中空糸膜を数千本束ねてそれぞれ中空容器に収容した２本の中空糸膜モジュール、この２本の中空糸膜モジュールを並列に接続する配管、供給空気Ａの流量や湿度に応じて２本の中空糸膜モジュールを切り替えて使用するための電磁弁や電磁弁コントローラなどの切替手段などから構成される（以上図示外）。なお、電磁弁コントローラは、制御装置４に含まれるものとする。
【００６３】
各中空糸膜モジュールにおける中空糸膜の充填率は、中空容器の断面積に対して４０〜６０％である。この中空糸膜モジュールは、中空糸膜の中空通路の一端から排出空気Ａｅが通流して他端から抜き出されるようになっている。また、中空糸膜モジュールは、中空糸膜同士の隙間に供給空気Ａが通流して抜き出されるようになっている。つまり、中空糸膜モジュールは、中空糸膜により供給空気Ａと排出空気Ａｅが混合しないようになっている。その一方、中空糸膜は、その内表面から外表面に達する口径数ｎｍ（ナノメートル）の微細な毛管を多数有し、毛管中では、蒸気圧が低下して容易に水分の凝縮が起こるようになっている。そして、凝縮した水分は、毛管現象により吸い出されて中空糸膜を透過する。したがって、中空通路に燃料電池１で生成した水分を多量に含んだ排出空気Ａｅを通流すると、水分が中空通路の内表面で凝縮し、毛管現象により吸い出され、中空糸膜の外表面に到達し、この水分により中空糸膜同士の隙間を通流する相対的に乾燥した供給空気Ａが加湿される。ちなみに、中空通路側に供給空気Ａを通流し、中空糸膜同士の隙間に排出空気Ａｅを通流する構成でもよい。
【００６４】
加湿器２３は、切替手段により、供給空気Ａの流量が少ないときは、中空糸膜モジュールを１本のみ使用するように切替駆動され、供給空気Ａの流量が多いときは、中空糸膜モジュールを２本とも使用するように切替駆動される。このように、切替駆動されるのは、中空糸膜モジュールは、供給空気Ａ及び排出空気Ａｅの流量が少なすぎても多すぎても加湿性能が低下するという加湿特性を有するからである。中空糸膜モジュールを切り替えるタイミングなどは、流量センサＱからの検出信号及び湿度センサＨからの検出信号により決定される。
【００６５】
なお、中空糸膜を使用したこの加湿器２３は、供給空気Ａと排出空気Ａｅが保有する熱を交換する熱交換器の役割を有する。したがって、第２実施形態では、第１実施形態のように独立した熱交換器を有しない。
【００６６】
この第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ３は、熱交換及び加湿の部分だけが第１実施形態と異なり、他の部分は同じであるので、第１実施形態と同様、三方弁２６を切り替えるという簡単な構成により、燃料電池１の暖機を迅速に行なうことができる。なお、この第３実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ３は、通常モードにおいて、燃料電池１のカソード極側から排出される多量の水分を含んだ排出空気Ａｅの水分を有効に活用することができるので、加湿用の水を蓄えておく必要がなくなったり、蓄えておく量を最低限にすることができる。また、中空糸膜により、供給空気Ａの加湿を均質に行うことができる。
【００６７】
〔第４実施形態〕
次に、第４実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第３の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７は、第４実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００６８】
第４実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ４では、コンプレッサ２４が熱交換器２２における供給空気Ａの排出口と加湿器２３との間に配設されている。この構成では、エアクリーナ２１を介して導入される供給空気Ａは、コンプレッサ２４を介して燃料電池１に供給される。この構成では、燃料電池１に供給される供給空気Ａは、コンプレッサ２４を介している。コンプレッサ２４では、供給空気Ａを断熱圧縮して燃料電池１に圧送して供給するが、この断熱圧縮の際に供給空気Ａが加熱されて加熱供給空気ＡＨとなる。したがって、燃料電池１には、加熱された加熱供給空気ＡＨが供給されるので、始動時における燃料電池１の暖機に貢献することができる。
【００６９】
また、始動時には、第１実施形態同様、三方弁２６は戻し位置にされているので、燃料電池１を暖機するために燃料電池に供給された加熱供給空気ＡＨは、燃料電池１を介して燃料電池１から排出された加熱排出空気ＡｅＨとなってコンプレッサ２４の供給側に圧送される。燃料電池１に供給された加熱排出空気ＡｅＨは、燃料電池１を暖機する際にその熱を奪われているものの、外気よりはまだ多くの熱量を含んでいる。外気よりも熱量の多い加熱排出空気ＡｅＨを再びコンプレッサ２４に戻すことにより、より迅速に燃料電池１を暖機することができる。
【００７０】
燃料電池１の暖機が完了した後は、三方弁２６が排出位置に切り替わり、通常の運転が行われる。
【００７１】
次に、第４実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ４の始動モードにおける動作の一例を、図８を参照（適宜図７を参照）して説明する。なお、かかる動作は、前記第１実施形態における始動モードの動作と同一の部分があるので、その同一の部分についての詳細な説明は省略する。
【００７２】
始動モードでは、三方弁を戻し位置にし（Ｓ１）、コンプレッサ２４を所定回転数で運転する（Ｓ２）。続いて、圧力制御弁２５の開度を所定値に設定し（Ｓ３）、燃料電池１のカソード極側の排出空気（加熱排出空気ＡｅＨ）の温度Ｔ３が２０℃未満であるか否かを判断する（Ｓ４）。ここまでの工程は前記第１実施形態における始動モードと同一である。なお、燃料電池１ではいまだ発電が行われていないので、コンプレッサ２４を駆動するための電力が必要となる。この電力はたとえば別途設けられた図示しないキャパシタやバッテリから取り出すことができる。ここで、ステップＳ４において、加熱排出空気ＡｅＨの温度が２０℃未満と判断した場合には、前記第１実施形態と同様にステップＳ６からステップＳ１９までの工程を経る。
【００７３】
一方、排出空気ＡｅＨの温度が２０℃未満と判断した場合には、通常モードに移行して燃料電池１の発電が可能な状態となっているか否かを判断する（Ｓ２１）。ここで、発電が可能な状態となっていないと判断された場合には、ステップＳ６に戻り、以後、前記第１実施形態と同様にステップＳ６からステップＳ１９までの工程を経る。また、発電が可能な状態にあると判断された場合には、所定電流で発電を開始する（Ｓ２２）。この段階における発電は、いまだ燃料電池１が暖機されていない状態であるので、所定の低電流値のみで行われ、いわば予備的な発電であって、通常の発電可能な状態とされてはいない。
【００７４】
低電流である所定電流で予備的な発電を開始したら、加熱排出空気ＡｅＨが過剰にコンプレッサ２４に供給されて、燃料電池１に供給される加熱供給空気ＡＨの酸素量が少なくなることがないように、加熱排出空気ＡｅＨの戻り量を制御する（Ｓ２３）。このとき、戻り量を減少させるの伴って新しく外気を吸い込み、酸素を補充する。
【００７５】
続いて、燃料電池１に供給される加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１および燃料電池１から排出される加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３の温度を検知する。そして、加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１が７０℃未満であるか、加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３が４０℃未満であるか否かの２つの条件を判断する（Ｓ２４）。その結果、２つの条件とも満たされていない場合には、暖機が完了していないと判断してステップ２３に戻る。また、２つの条件のうちのいずれかが満たされた場合には、三方弁２６を排出位置にして、加熱排出空気ＡｅＨをすべて排出する（Ｓ２５）そして、暖機が完了し、（Ｓ２６）その後、燃料電池１の発電を開始する。
【００７６】
始動モードにおいて、燃料電池１の加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３が２０℃未満では始動モードが維持されて、前記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、燃料電池１の加熱排出空気ＡｅＨの温度Ｔ３が２０℃となって通常モードとなっても、燃料電池１の暖機が完了するまでの間は、本格的な発電を行うことなく、予備的な発電のみを行う。そして、燃料電池１の暖機が完了した後に本格的な発電を開始するので、燃料電池１の暖機を効率的に行うとともに、燃料電池１の発電を適切に行うことができる。
【００７７】
なお、本実施形態では、加熱排出空気ＡｅＨと供給空気Ａとの間で熱交換を行うために熱交換器２２を設けている。これは、燃料電池の発電に伴って減少する酸素量に応じて戻し量を減少させるので、排出ガスの持つ熱量のみを供給ガス側に伝えられるようになっている。このため、熱を逃がしにくい構成となる。
【００７８】
〔第５実施形態〕
次に、第５実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第４の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９は、第５実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００７９】
図９に示すように、第５実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ５は、前記第４実施形態と比較して、熱交換器２２が設けられていないほか、三方弁２６に代えて流量調整弁４１が設けられている。また、圧力制御弁２５と流量調整弁４１の間の配管Ｐ１には分岐路Ｐ２が設けられており、流量センサＱとコンプレッサ２４との間の配管Ｐ３に接続されている。この分岐路Ｐ２には、逆止弁４２が設けられている。
【００８０】
この構成では、燃料電池１の暖機を行う際には、逆止弁４２を開いて燃料電池１から排出された多くの熱を含む加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に戻すことができる。また、燃料電池１が開始した後も、逆止弁４２を開いた状態で維持しておくことにより、加熱排出空気ＡｅＨがコンプレッサ２４に導入される。このため、始動時であって、燃料電池１が発電していない間はもちろん、燃料電池１が発電を開始した後であっても加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に供給することで、燃料電池１の迅速な暖機に貢献することができる。また、流量調整弁４１でコンプレッサ２４に導入される加熱排出空気ＡｅＨの流量を制御することができるので、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１を上限を越えない範囲に制限することができる。したがって、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温度の上限値を越えない範囲で迅速に燃料電池１の暖機を行うことができる。
【００８１】
〔第６実施形態〕
次に、第６実施形態の燃料電池暖機装置を説明する。なお、第１実施形態から第５の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１０は、第６実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【００８２】
第６実施形態の燃料電池暖機装置ＧＳ６は、前記第５実施形態と比較して、流量調整弁４１が分岐路Ｐ２に設けられており、配管Ｐ１には何も設けられておらず、分岐路Ｐ２に設けられていた逆止弁がない点でことなっている。
【００８３】
この構成では、分岐路Ｐ２に設けられた流量調整弁４１でコンプレッサ２４に戻す加熱排出空気ＡｅＨの量を制御することができる。したがって、前記第５実施形態同様、始動時であって、燃料電池１が発電していない間はもちろん、燃料電池１が発電を開始した後であっても加熱排出空気ＡｅＨをコンプレッサ２４に供給することで、燃料電池１の迅速な暖機に貢献することができる。また、流量調整弁４１でコンプレッサ２４に導入される加熱排出空気ＡｅＨの流量を制御することができるので、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温度Ｔ１を上限を越えない範囲に制限することができる。したがって、燃料電池１の入口における加熱供給空気ＡＨの温度の上限値を越えない範囲で迅速に燃料電池１の暖機を行うことができる。
【００８４】
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。
【００８５】
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。また、第１実施形態及び第２実施形態の加湿装置は、２流体ノズルなどを使用したものでも、超音波を利用したものでもよい。また、第３実施形態の水透過膜も中空糸膜に限定されることはない。また、コンプレッサもスーパーチャージャやターボチャージャのようにタービンを回転させるものではなく、レシプロ式のものでもよい。また、圧力制御弁をコンプレッサと熱交換器の間に設ける構成として、コンプレッサの断熱圧縮により発生した熱を利用してもよい。
【００８６】
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。
【００８７】
【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、燃料電池の状態に応じて排出ガスを燃料電池に供給する供給ガスに戻すことで、排出ガスの持つ熱、たとえば燃料電池が発電する熱などを供給ガスに戻すことができるので、暖機を迅速に行なうことができ、寒冷地や冬季において使用される燃料電池システムに好適に適用することができる。また、電気自動車用の燃料電池システムに好適に適用することもでき、燃料電池の内部などに残存する水分を有効利用することができる。
また、コンプレッサの断熱圧縮により発生する熱で、迅速な燃料電池の暖機を行うので、燃料電池の発電に拘わらず確実に燃料電池の暖機を行うことができる。
また、コンプレッサの圧力を制御することで排出ガスの温度上昇幅を設定することが可能になる。
【００８８】
また、本発明のうち請求項２に記載の発明によれば、排出ガスの温度に応じて行うので、燃料電池に暖機が必要か否かや燃料電池の暖機が終了したか否かなどを確実に判断することができる。
【００９１】
また、本発明のうち請求項３に記載の発明によれば、燃料電池に供給される供給ガスを適切な温度とすることが可能になる。
【００９２】
また、本発明のうち請求項４に記載の発明によれば、目標温度と比較することで、燃料電池に適切な温度の供給ガスを供給することが可能になる。
【００９３】
また、本発明のうち請求項５に記載の発明によれば、暖機中の燃料電池が酸素不足となることを防止することができる。これと同時に、この水素極側の暖機を、燃料電池の膜を介して行うことができる。
【００９４】
また、本発明のうちの請求項６に記載の発明によれば、燃料電池に供給される空気中、酸素の含有量が少ない排出ガスの量を少なくし酸素の含有量が多い空気を多く供給できるので、燃料電池に十分な酸素を供給することができる。
【００９５】
また、本発明のうち請求項１０に記載の発明によれば、燃料電池の始動後であっても、燃料電池に供給される供給ガスの温度が低下してしまった場合には、コンプレッサから排出されたガスに含まれる熱を、燃料電池を介してコンプレッサの吸引側に供給することができる。したがって、燃料電池を適切な温度範囲まで容易に加熱することができる。
また、コンプレッサの断熱圧縮により発生する熱で、迅速な燃料電池の暖機を行うので、燃料電池の発電に拘わらず確実に燃料電池の暖機を行うことができる。
また、コンプレッサの圧力を制御することで排出ガスの温度上昇幅を設定することが可能になる。
【００９６】
また、本発明のうち請求項１１に記載の発明によれば、加熱供給ガスをコンプレッサに循環供給するにあたり、熱自体が小さい循環サイクルを形成するので、燃料電池に対して断熱圧縮の熱を効率よく伝達することができる。さらに、燃料電池の暖気が早くなるとともに、ガス欠（酸素が足りない状態）を起こさないようにすることができる。
【００９７】
また、本発明のうち請求項１２に記載の発明によれば、燃料電池の発電効率がよくなる温度帯まで燃料電池を加熱させてから、燃料電池による発電を開始することができる。
【００９８】
また、本発明のうち請求項１３に記載の発明によれば、燃料電池の始動準備が完了したか否かを燃料電池から排出される加熱供給ガスの温度で判定している。このため、別途燃料電池の始動準備が完了したことを検知するための検知手段などを設けることなく、燃料電池の暖機を検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１実施形態の燃料電池暖機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】 図２のコンプレッサにおける温度上昇特性を説明するグラフである。
【図４】 第１実施形態の燃料電池暖機装置の始動モードにおける制御フローである。
【図５】 第２実施形態の燃料電池暖機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実施形態の燃料電池暖機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４実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図８】 第４実施形態の燃料電池暖機装置の始動モードにおける制御フローである。
【図９】 第５実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【図１０】 第６実施形態の燃料電池暖機装置を含む燃料電池システムの全体構成図である。
【符号の説明】
ＧＳ（ＧＳ１〜ＧＳ６） … 燃料電池暖機装置
ＦＣＳ… 燃料電池システム
Ａ … 供給空気（供給ガス）
Ａｅ … 排出空気（排出ガス）
１ … 燃料電池
２ … 空気供給装置
２２ … 熱交換器（熱交換手段）
２４ … コンプレッサ
２５ … 圧力制御弁（圧力制御手段）
２６ … 三方弁
３ … 水素供給装置
４ … 制御装置
Claims (13)
- 供給ガスが供給されることにより発電が行われる燃料電池を暖機する燃料電池暖機システムであって、
前記燃料電池に供給する前記供給ガスを加湿する加湿器と、
前記燃料電池に供給され、前記燃料電池で利用した後に排出された排出ガスを圧送するコンプレッサと、
前記排出ガスの圧力を制御する圧力制御弁と、
前記燃料電池の暖機状態に応じて前記排出ガスを前記供給ガスに戻す排出ガス戻し手段と、
前記コンプレッサ、前記圧力制御弁及び前記排出ガス戻し手段を制御する制御装置と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池への前記供給ガスが通流する供給ガス流路と、
前記燃料電池に接続され、前記燃料電池からの前記排出ガスが通流する排出ガス流路と、
前記排出ガス流路と前記供給ガス流路とを接続する排出ガス戻し流路と、
を備え、
前記排出ガス戻し手段は、前記排出ガス流路と前記排出ガス戻し流路とに接続され、前記排出ガスが流れる流路を切り替える流路切替器を備えてなり、
前記コンプレッサ、前記圧力制御弁及び前記排出ガス戻し手段は、前記排出ガスの通流方向においてこの順で設けられ、
前記制御装置は、
前記コンプレッサを所定の回転数で運転させるように制御し、
前記圧力制御弁の開度を制御して前記コンプレッサから吐出される排出ガスの温度を制御し、
前記排出ガスの温度が所定値未満である場合に、前記排出ガス戻し手段により、前記排出ガスが流れる流路を前記排出ガス戻し流路に切り替えて、温度が制御され前記コンプレッサから吐出された排出ガスを、前記排出ガス戻し手段を介して前記供給ガスに戻すことにより、前記燃料電池の暖機が行われる
ことを特徴とする燃料電池暖機システム。 - 前記排出ガスの温度を検出する第１温度センサを備え、
前記第１温度センサが検出した温度に基づいて、前記制御装置が前記排出ガス戻し手段を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池暖機システム。 - 前記供給ガスの温度を検出する第２温度センサを備え、
前記第２温度センサが検出した温度に基づいて、前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池暖機システム。 - 前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度と、予め設定された目標温度とを前記制御装置が比較し、
検出された前記供給ガスの温度が予め設定された目標温度未満である場合、前記制御装置は前記圧力制御弁の開度を小さくする
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池暖機システム。 - 前記供給ガスは前記燃料電池の酸素極に供給する空気であって、
前記燃料電池の酸素極に供給する空気中の酸素量に応じて前記排出ガス戻し手段を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載に燃料電池暖機システム。 - 前記供給ガスの酸素量が前記燃料電池の発電によって減少した場合は、前記排出ガス戻し手段によって排出ガスの戻す量を減少させる
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池暖機システム。 - 前記第１温度センサにより検出された前記排出ガスの温度が第１所定温度未満である場合において、前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度が第２所定温度未満であるとき、
前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を小さくする
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池暖機システム。 - 前記第２温度センサにより検出された前記供給ガスの温度が前記第２所定温度未満である場合に前記圧力制御弁の開度を小さくしてから一定時間経過後、
第３温度センサにより前記コンプレッサから吐出された排出ガスの温度を検出し、検出された排出ガスの温度が第３所定温度を超えている場合に、前記制御装置が前記圧力制御弁の開度を大きくする
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池暖機システム。 - 前記加湿器は、
中空糸膜を有する複数本の中空糸膜モジュールと、
前記加湿器を通流する前記供給ガスの流量に応じて、通流する中空糸膜モジュールを切り替える切替手段と、
を備え、
前記切替手段は、
前記供給ガスの流量が多い場合には、前記供給ガスが通流する中空糸膜モジュールの本数を増加させ、
前記供給ガスの流量が少ない場合には、前記供給ガスが通流する中空糸膜モジュールの本数を減少させる
ことを特徴とする請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料電池暖機システム。 - 供給ガスが供給されることにより発電が行われる燃料電池を暖機する燃料電池暖機システムであって、
前記燃料電池に供給する前記供給ガスを加湿する加湿器と、
前記燃料電池に供給され、前記燃料電池で利用した後に排出された排出ガスを圧送するコンプレッサと、
前記排出ガスの圧力を制御する圧力制御弁と、
前記コンプレッサ及び前記圧力制御弁を制御する制御装置と、
を備え、
前記コンプレッサの断熱圧縮による熱で前記供給ガスを加熱し、加熱された前記供給ガスを前記燃料電池に供給して前記燃料電池を暖機し、前記燃料電池で利用された後に排出された前記排出ガスが前記コンプレッサの吸引側に戻される循環サイクルが形成され、
前記燃料電池から排出された前記排出ガスは前記圧力制御弁に供給され、
前記圧力制御弁からの前記排出ガスは前記コンプレッサの前記吸引側に戻され、
前記コンプレッサの吐出側からのガスが前記供給ガスとして前記燃料電池に供給され、
前記制御装置は、
前記コンプレッサを所定の回転数で運転させるように制御し、
前記圧力制御弁の開度を制御して、前記コンプレッサから吐出されるガスの温度を制御することにより、前記燃料電池の暖機が行われる
ことを特徴とする燃料電池暖機システム。 - 前記供給ガスと前記排出ガスとの間で熱交換が行われる熱交換器を備え、
前記熱交換器は前記循環サイクルの途中に設けられ、
前記排出ガスが有する熱が前記熱交換器において前記供給ガスに供給され、加熱された前記供給ガスが前記燃料電池に供給される
ことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池暖機システム。 - 前記制御装置は前記燃料電池の暖機が完了したか否かを判断する機能を備え、
前記制御装置は、前記燃料電池の暖機が完了したと判断した後、前記燃料電池の発電を開始させる
ことを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載の燃料電池暖機システム。 - 前記燃料電池の暖機の完了の判断が、前記排出ガスの温度に基づいて行われる
ことを特徴とする請求項１２に記載の燃料電池暖機システム。
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