JP4546703B2 - 燃料電池システムおよびその暖機方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出される排出ガスから水を回収する加湿器を備える燃料電池システムに関し、特に燃料電池および加湿器の暖機に寄与する燃料電池システムおよびその暖機方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、燃料電池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含んだ空気を供給するとともにアノード側に水素を供給することで、これらの水素と酸素を反応させて電気を発生させている。
【0003】
ところで、前記のような燃料電池においては、その始動時に燃料電池の温度が効率のよい発電を実現する温度よりも低くなっているため、燃料電池を所定温度まで迅速に加温(暖機)する必要があった。このような問題に対して、従来では、たとえばコンプレッサ、冷却器(インタークーラ)、加湿器および燃料電池が順番に空気供給通路で直列に繋がっている回路構成の燃料電池システムに、冷却器または冷却器と加湿器とを迂回するバイパス通路を設ける技術がある(特許文献1参照)。この技術では、燃料電池の始動時にコンプレッサで圧縮された高温の空気を冷却器で冷却させないようにバイパス通路に通して燃料電池に供給することで、燃料電池を積極的に暖機させている。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−313387号公報(段落番号〔0025〕,〔0062〕、図1,8)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、固体高分子型燃料電池においては、その始動後の暖機状態(燃料電池が低温)である場合には燃料電池への供給空気を加湿器によって加湿する必要はなく、むしろ加湿することで冷えた状態の燃料電池に過飽和の湿潤ガスが送られて発電電圧が不安定になる場合があった。
【0006】
しかしながら、始動後に燃料電池が暖まり、その温度が所定温度(たとえば、約50℃)を超えるころからは、燃料電池の膜を保護するためには空気を加湿する必要があり、また空気の加湿を開始する際には、加湿性能を発揮するために加湿器を充分加熱しておくことが望ましかった。
【0007】
そこで、本発明の課題は、冷えた状態の燃料電池に湿潤空気を供給せずに、加湿器を暖機することができる燃料電池システムおよびその暖機方法を提供することにある。
【0008】
【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に記載の発明は、燃料電池に対して酸素含有ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側に配設され、前記コンプレッサの加圧により加熱された前記酸素含有ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器の下流側に配設され、かつ前記燃料電池から排出される排出ガスから水を回収して、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器と、前記酸素含有ガスが通る供給通路に設けられ、かつ前記冷却器を迂回する第一バイパス通路とを備える燃料電池システムであって、前記排出ガスが通る排出通路に設けられ、前記加湿器を迂回する第二バイパス通路と、前記第一バイパス通路が二股に分岐され、その二つの出口がそれぞれ前記加湿器の上流側に接続される加湿器暖機用通路、および前記加湿器の下流側に接続される燃料電池暖機用通路と、前記酸素含有ガスを前記加湿器暖機用通路へ流すか前記燃料電池暖機用通路へ流すかを切り替える暖機用通路切替弁と、前記燃料電池から排出される排出ガスの温度または前記燃料電池から排出される冷却水の温度を検出する温度センサと、前記温度センサの温度が前記燃料電池のみを暖機する必要がある第1所定温度以下であるときに、前記暖機用通路切替弁を制御して前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記第一バイパス通路および前記燃料電池暖機用通路を介して供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記第二バイパス通路を介して外部に排出し、前記温度センサの温度が前記第1所定温度を超え且つ第2所定温度以下となって前記加湿器を暖機する必要があるときに、前記暖機用通路切替弁を制御して前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記第一バイパス通路および前記加湿器暖機用通路を介して供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記第二バイパス通路を介して外部に排出し、前記温度センサの温度が前記燃料電池を加湿する必要がある前記第2所定温度を超えているときに、前記暖機用通路切替弁を制御して前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器に供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記加湿器に供給する制御装置と、を備えることを特徴とする。
【0009】
請求項1に記載の発明によれば、燃料電池の始動時に燃料電池を迅速に暖機させる際は、酸素含有ガスを第一バイパス通路に通すとともに、排出ガスを第二バイパス通路に通す。これにより、コンプレッサからの酸素含有ガスは冷却器を迂回して加湿器と燃料電池に供給され、燃料電池から排出される水分を含んだ排出ガスは加湿器を迂回して外部に排出されることとなる。すなわち、排出ガスが加湿器を迂回することで加湿器内に水分が供給されないので、加湿器を暖めた酸素含有ガスは加湿されずに燃料電池に供給される。
【0011】
請求項1に記載の発明によれば、燃料電池の始動時に燃料電池を迅速に暖機させる際には、酸素含有ガスを第一バイパス通路を介して加湿器の下流側へ流す。また、加湿器を暖機させる際には、酸素含有ガスを第一バイパス通路を介して加湿器の上流側へ流す。
【0012】
請求項2に記載の発明は、燃料電池に対して酸素含有ガスを供給するコンプレッサと、前記コンプレッサの下流側に配設され、前記コンプレッサの加圧により加熱された前記酸素含有ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器の下流側に配設され、かつ前記燃料電池から排出される排出ガスから水を回収して、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムの暖機方法であって、前記燃料電池が加湿準備状態の場合、前記燃料電池から排出される排出ガスまたは冷却水の温度が前記燃料電池のみの暖機が必要となる第1所定温度以下であるときに、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器および前記加湿器を迂回させて前記燃料電池に直接に供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記加湿器を迂回させて外部に排出し、前記排出ガスまたは前記冷却水の温度が前記第1所定温度を超え且つ第2所定温度以下となって前記加湿器の暖機が必要であるときに、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器を迂回させて前記加湿器に供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記加湿器を迂回させて外部に排出するステップと、前記排出ガスまたは前記冷却水の温度が前記第2所定温度を超えて前記燃料電池が加湿必要状態の場合、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器で冷却して加湿器に供給するとともに、前記燃料電池の排出ガスを前記加湿器に通すことで排出ガスから水を回収し前記酸素含有ガスを加湿するステップとを有することを特徴とする。
【0013】
請求項2に記載の発明によれば、燃料電池が加湿準備状態の時に、コンプレッサからの酸素含有ガスを冷却器を迂回して加湿器に供給するとともに、燃料電池の排出ガスを加湿器に通さずに外部に排出する。これにより、加湿器が迅速に暖められるとともに、この加湿器を通った酸素含有ガスが加湿されないで燃料電池に供給される。そして、燃料電池が加湿必要状態となったら、コンプレッサからの酸素含有ガスを冷却器に通すとともに、排出ガスを加湿器に通すことで、コンプレッサからの酸素含有ガスを冷却および加湿して燃料電池に供給する。
【0014】
【発明の実施の形態】
〔参考例〕
以下、図面を参照して、参考例に係る燃料電池システムおよびその暖機方法の詳細について説明する。参照する図面において、図1は参考例に係る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に示すように、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、参考例における燃料電池システムFCSは、自動車(燃料電池自動車)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。
【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(酸素含有ガス)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。
【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され、生成されたプロトンは、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、供給空気Aの酸素の酸素イオンと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-が生成されるが、この生成された電子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】
図1に示すように、空気供給装置2は、エアクリーナ21、コンプレッサ22、冷却器23、加湿器24、通路ON/OFF弁25、逆流防止弁26、圧力制御弁27、および通路切替弁28を備えている。また、この空気供給装置2は、エアクリーナ21から吸引した供給空気Aが通る主通路(供給通路)W1と、燃料電池1から排出される排出ガスAeが通る排出通路W3とを主に備えている。
【0020】
主通路W1には、上流側から順にエアクリーナ21、コンプレッサ22、冷却器23、通路ON/OFF弁25、加湿器24が配設され、排出通路W3には、上流側から順に通路切替弁28、加湿器24、圧力制御弁27が配設されている。ここで、加湿器24は、主通路W1と排出通路W3とに跨るように配設されている。さらに、この主通路W1には、第一バイパス通路W2が設けられ、排出通路W3には、第二バイパス通路W4が設けられている。
【0021】
第一バイパス通路W2は、冷却器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と冷却器23の間で主通路W1から分岐して、通路ON/OFF弁25と加湿器24の間で主通路W1に合流する。したがって、第一バイパス通路W2を通過する供給空気Aは、冷却器23を通過しないようになっている。
【0022】
ここで、第一バイパス通路W2の断面積は、主通路W1の断面積よりも小さく、たとえば主通路W1の断面積の1/2、またはそれ以下に設定されている。このように、第一バイパス通路W2の断面積が小さく設定されていることにより、供給空気Aが第一バイパス通路W2を流れる際には、主通路W1を流れる際よりもコンプレッサ22の吐出側の圧力が大きくなる。その結果、コンプレッサ22における圧縮量が大きくなり、供給空気Aの温度を高くすることができる。
【0023】
第二バイパス通路W4は、加湿器24を迂回して形成されている。具体的には、燃料電池1と加湿器24の間で排出通路W3から分岐して、加湿器24と圧力制御弁27の間で排出通路W3に合流する。したがって、第二バイパス通路W4を通過する排出空気Aeは、加湿器24を通過しないようになっている。
【0024】
そのほか、空気供給装置2は、供給空気A、排出空気Ae、冷却水等の温度を検出する温度センサTS1,TS2,TS3を有している。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
冷却器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Aを冷却している。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A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、60〜75℃程度に冷却されて燃料電池1に導入される。
【0028】
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。
【0029】
通路ON/OFF弁25は、スイッチ(図示せず)のON/OFFにより弁が開閉されるものである。そして、この通路ON/OFF弁25が開くことで主通路W1に供給空気Aが流れ、閉まることで第一バイパス通路W2に供給空気Aが流れるようになっている。
【0030】
逆流防止弁26は、第一バイパス通路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。
【0031】
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。
【0032】
通路切替弁28は、排出通路W3と第二バイパス通路W4の分岐点に設けられ、その内部に加湿器24側に設けられる弁と第二バイパス通路W4側に設けられる弁を有している。そして、この通路切替弁28は、前記二つの弁の開閉を適宜切り替えることで、排出空気Aeを加湿器24へ流すか第二バイパス通路W4へ流すかを切り替えている。
【0033】
温度センサTS1は、サーミスタなどから構成され、燃料電池1のカソード極側入口における供給空気Aの温度T1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TS2は、温度センサTS1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T2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TS3は、温度センサTS1,TS2と同様にサーミスタなどから構成され、冷却器23内に供給される冷却水(燃料電池1から排出される冷却水)の水温T3を検出し、検出信号を制御装置4に送信する。ちなみに、この温度センサTS3と冷却器23との間には、燃料電池1や冷却器23で暖められた冷却水を冷却する熱交換器(図示せず)が設けられている。
【0036】
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。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。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。
【0037】
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。
【0038】
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を統括的に制御している。特に、この制御装置4は、供給空気Aのルートや排出空気Aeのルートの切り替えを制御するとともに、燃料電池1に供給する供給空気Aの温度T1を制御している。そのため、この制御装置4は、温度センサTS1,TS2,TS3の検出信号を受信するとともに、これらの検出信号に基づいた制御信号をコンプレッサ22、通路ON/OFF弁25および通路切替弁28のそれぞれに対して送信している。
【0039】
次に、参考例に係る燃料電池1の始動時における燃料電池システムFCSの動作の一例を、図3および図4を参照して説明する(適宜図1参照)。ここで、図3および図4は、参考例に係る燃料電池システムにおける制御フローを示すフローチャートである。
【0040】
図3に示すように、燃料電池電気自動車のイグニッションスイッチをONにして燃料電池電気自動車を始動させると(S1)、所定のシステムチェックを行い、各種機器に異常がないか判断する(S2)。ここで異常が検出された場合には、異常状態に応じた所定の異常処理モードに移行する(S3)。一方、異常が検出されなかった場合には、アイドル運転を行う際に見合った量の供給空気Aを供給するように、コンプレッサ22の回転数を設定する(S4)。続いて、温度センサTS2によって燃料電池1の出口側における排出空気Aeの温度T2を検出し、排出空気Aeの温度T2が50℃以下であるか否かを検出する(S5)。ここで、排出空気Aeの温度T2は、燃料電池1から排出された空気の温度であるので、排出空気Aeの温度T2によって、燃料電池1の暖機状態を判定することができる。
【0041】
その結果、排出空気Aeの温度T2が50℃を超えている場合(燃料電池1が加湿必要状態の時)には、燃料電池1と加湿器24の暖機が終了に近づき、かつ燃料電池1に湿潤空気を流す必要があると判断できるので、定常発電モードへ移行する(S6)。ここで、定常発電モードとは、燃料電池1へ供給される供給空気Aが主通路W1を通るとともに、燃料電池1から排出される排出空気Aeが排出通路W3を通るモードをいい、このモードでは供給空気Aeが冷却器23で冷却されるとともに、加湿器24で加湿されて燃料電池1に供給される。また、排出空気Aeの温度T2が50℃以下である場合(燃料電池1が加湿準備状態の時)には、燃料電池1および加湿器24はいまだ暖機が必要な状態にあると判断できるので、暖機モードへ移行する(S7)。
【0042】
こうして暖機モードに移行した後の制御について、図4を参照して説明する。
暖機モードに入ったら(S10)、通路ON/OFF弁25を閉じるとともに(S11)、通路切替弁28における第二バイパス通路W4側の弁のみを開放する(S12)。ここで、このステップS11,S12は、本発明の特許請求の範囲にいう「第一ステップ」に相当する。
【0043】
このように、各弁25,28を制御すると、コンプレッサ22から排出される供給空気Aが逆流防止弁26の付勢力に抗して第一バイパス通路W2を通過するとともに、燃料電池1から排出される多量の水分を含んだ排出空気Aeが第二バイパス通路W4を通過する。すなわち、コンプレッサ22からの供給空気Aは冷却器23を迂回して加湿器24と燃料電池1に供給され、燃料電池1から排出される水分を含んだ排出空気Aeは加湿器24を迂回して外部に排出されることとなる。これにより、排出空気Aeが加湿器24を迂回することで加湿器24内に水分が供給されないので、加湿器24を暖めた供給空気Aは加湿されずに燃料電池1に供給される。
【0044】
前記のように各弁25,28を制御したら、温度センサTS2によって、燃料電池1の出口側における排出空気Aeの温度T2を読み取る(S13)。温度T2を読み取ったら、図5(a)に示す温度‐空気流量マップを参照して、排出空気Aeの温度T2に対応するコンプレッサ22の回転数を検出し、コンプレッサ22の回転数を、検出された回転数に設定する(S14)。続いて、燃料電池1の出口側に配置される圧力制御弁27の開度を設定する(S15)。このときの圧力制御弁27の開度は、図5(b)に示す空気流量‐圧力制御弁開度マップを参照することにより、燃料電池1の入口側における供給空気Aの圧力が所定の値になるように、コンプレッサ22の回転数に対応する開度を設定する。
【0045】
こうして圧力制御弁27の開度を設定したら、温度センサTS1によって、燃料電池1の入口側における供給空気Aの温度T1を読み取り(S16)、その温度T1が80℃を超えるか否かを判断する(S17)。供給空気Aの温度T1が80℃を超えている場合には、コンプレッサ22の回転数を低下させて、圧縮量を減らすことにより、加湿器24および燃料電池1に供給される供給空気Aの温度T1を低下させて(S18)、燃料電池1と加湿器24を高温から保護している。
【0046】
また、供給空気Aの温度T1が80℃以下である場合には、コンプレッサ22の回転数を変えることなく、そのまま運転を継続する。そして、燃料電池1の出口側における排出空気Aeの温度T2を検出し、その温度T2が50℃を超えているか否かを判断する(S19)。その結果、排出空気Aeの温度T2が50℃以下である場合には、さらに暖機が必要であると判断して、ステップS13に戻って加湿器24および燃料電池1の暖機制御を継続する。
【0047】
一方、排出空気Aeの温度T2が50℃を超えている場合、すなわち燃料電池1が充分暖機された場合には、通路ON/OFF弁25を開くとともに(S20)、通路切替弁28における加湿器24側の弁のみを開放する(S21)。これにより、供給空気Aが主通路W1を通って燃料電池1に供給され、排出空気Aeが排出通路W3を通って外部に排出されて、暖機モードから定常運転に移行することとなる(S22)。ここで、50℃は、本発明の特許請求の範囲にいう「所定温度」に相当し、ステップS20,S21は、本発明の特許請求の範囲にいう「第二ステップ」に相当する。
【0048】
以上によれば、参考例において次のような効果を得ることができる。
燃料電池1の始動時に燃料電池1が所定温度(50℃)以下である場合には、供給空気Aが冷却器23を迂回して加湿器24と燃料電池1に供給され、排出空気Aeが加湿器24を迂回して外部に排出されることにより加湿器24を通る供給空気Aが加湿されないので、冷えた状態の燃料電池1に湿潤空気を供給せずに、加湿器24を暖機することができる。
【0049】
〔本実施形態〕
次に、本実施形態に係る燃料電池システムおよびその暖機方法を説明する。なお、前記参考例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、本実施形態に係る燃料電池システムを示す全体構成図である。
【0050】
図6に示すように、第一バイパス通路W2は、逆流防止弁26の下流側で二股に分岐され、その二つの出口がそれぞれ加湿器24の上流側と下流側に接続されている。言い換えると、この第一バイパス通路W2には、その出口が加湿器24の上流側に接続される加湿器暖機用通路W21と、その出口が燃料電池1の上流側に接続される燃料電池暖機用通路W22とが一体に形成されている。
【0051】
第一バイパス通路W2の二股に分岐した部分には、暖機用通路切替弁29が設けられている。そして、この暖機用通路切替弁29は、加湿器暖機用通路W21側に設けられる弁と燃料電池暖機用通路W22側に設けられる弁を有しており、これらの弁の開閉を適宜切り替えることで、供給空気Aを加湿器暖機用通路W21へ流すか燃料電池暖機用通路W22へ流すかを切り替えている。また、制御装置4は、この暖機用通路切替弁29の切り替えを温度センサTS2が検出する温度T2に基づいて制御している。
【0052】
次に、本実施形態に係る燃料電池1の始動時における燃料電池システムFCSの暖機方法の一例を、図7および図8を参照して説明する(適宜図3および図6参照)。ここで、図7は、本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池暖機モードから加湿器暖機モードに移行するまでの制御フローを示すフローチャートであり、図8は、加湿器暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【0053】
まず、図3に示すように、参考例と同様にイグニッションスイッチをONにすると(S1)、以下のステップS2〜S7が実行される。ここで、ステップS5で温度T2が50℃以下である場合には、ステップS7において燃料電池暖機モードへ移行する。
【0054】
図7に示すように、燃料電池暖機モードに入ったら(S30)、温度センサTS2の温度T2を読み取り、その温度T2が20℃(第1所定温度)以下であるか否かを判断する(S31)。ここで、温度T2が20℃を超える場合には、燃料電池1がある程度暖まっていると判断されて、加湿器暖機モードに移行する(S32)。
【0055】
一方、温度T2が20℃以下である場合には、燃料電池1は冷えており、暖機が必要であると判断することができる。このときには、通路ON/OFF弁25を閉じるとともに(S33)、暖機用通路切替弁29における燃料電池暖機用通路W22側の弁のみを開放する(S34)。さらに、通路切替弁28における第二バイパス通路W4側の弁のみを開放する(S35)。
【0056】
このように、各弁25,29,28を制御すると、コンプレッサ22から排出される供給空気Aが第一バイパス通路W2の燃料電池暖機用通路W22を通過するとともに、燃料電池1からの排出空気Aeが第二バイパス通路W4を通過する。すなわち、コンプレッサ22からの供給空気Aは冷却器23と加湿器24を迂回して燃料電池1に直接供給され、燃料電池1からの排出空気Aeは加湿器24を迂回して外部に排出されることとなる。
【0057】
続いて、参考例のステップS13〜S19に相当するステップS36〜S42を実行することで、燃料電池1に供給される供給空気Aが80℃を超えないようにコンプレッサ22などを適宜制御して、燃料電池1を暖機する。なお、ステップS42におけるしきい値は、参考例とは異なり20℃に設定されている。これは、参考例のしきい値が、燃料電池および加湿器の暖気モードから定常運転へ移行させるための条件で設定されるのに対し、本実施形態のしきい値が、燃料電池暖機モードから加湿器暖機モードへ移行させるための条件で設定されるからである。
【0058】
そして、ステップS42において温度T2が20℃を超えたと判断された場合は、燃料電池1がある程度暖まったと判断されて、加湿器暖機モードに移行する(S43)。
【0059】
図8に示すように、加湿器暖機モードに入ったら(S50)、温度センサTS2の温度T2を読み取り、排出空気Aeの温度T2が50℃(第2所定温度)以下であるか否かを判断する(S51)。このステップS51において温度T2が50℃以下であると判断された場合(燃料電池1が加湿準備状態の時)は、暖機用通路切替弁29における加湿器暖機用通路W21側の弁のみを開放して(S52)、加湿器24に供給空気Aを供給する。このとき、この加湿器24には燃料電池1からの排出空気Aeが通っていないので、この加湿器24を通過した供給空気Aは、加湿されずに燃料電池1に供給されることとなる。
【0060】
続いて、参考例のステップS13〜S19に相当するステップS53〜S59を実行することで、燃料電池1に供給される供給空気Aが80℃を超えないようにコンプレッサ22などを適宜制御して、加湿器24および燃料電池1を暖機する。そして、ステップS59または前記ステップS51において排出空気Aeの温度T2が50℃を超えた場合(燃料電池1が加湿必要状態の時)は、燃料電池1に湿潤空気を供給する必要があり、かつ加湿器24が充分暖機されていると判断して、通路ON/OFF弁25を開放し(S60,S63)、通路切替弁28における加湿器24側の弁のみを開放する(S61,S64)。これにより、供給空気Aが主通路W1および排出通路W3を通過して、定常運転に移行される(S62,S65)。
【0061】
以上によれば、本実施形態において次のような効果を得ることができる。
燃料電池1の始動時に燃料電池1が冷えている場合には、燃料電池1のみを迅速に暖機することができる。
【0062】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、燃料電池1から排出される排出空気Aeの温度T2に基づいて燃料電池1の暖機状態を判断しているが、燃料電池1から排出される冷却水の水温T3に基づいて、燃料電池1の暖機状態を判断することもできる。そのため、本実施形態の構造から、燃料電池1の暖機状態の判断に利用されない温度センサはその取り付けを省略することができる。
【0063】
【発明の効果】
請求項1に記載の発明によれば、燃料電池の始動時には、酸素含有ガスが冷却器を迂回して加湿器と燃料電池に供給され、排出ガスが加湿器を迂回して外部に排出されることにより加湿器を通る酸素含有ガスが加湿されないので、冷えた状態の燃料電池に湿潤空気を供給せずに、加湿器を暖機することができる。
【0064】
請求項1に記載の発明によれば、燃料電池の始動時には燃料電池のみを迅速に暖機することができる。
【0065】
請求項2に記載の発明によれば、燃料電池が加湿準備状態の時に、この加湿器を通った酸素含有ガスが加湿されないので、冷えた状態の燃料電池に湿潤空気を供給せずに、加湿器を暖機することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 参考例に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【図2】 燃料電池の構成を模式化した説明図である。
【図3】 参考例の燃料電池システムにおける始動時から暖機モードに移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図4】 参考例の燃料電池システムにおける暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図5】 (a)は、供給空気の温度とコンプレッサ回転数の関係を示す温度‐空気流量マップ、(b)は、コンプレッサ回転数と圧力制御弁開度の関係を示す空気流量‐圧力制御弁開度マップである。
【図6】 本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
【図7】 本実施形態の燃料電池システムにおける燃料電池暖機モードから加湿器暖機モードに移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【図8】 本実施形態の燃料電池システムにおける加湿器暖機モードから定常運転に移行するまでの制御フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
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 コンプレッサ
23 冷却器
24 加湿器
25 通路ON/OFF弁
26 逆流防止弁
27 圧力制御弁
28 通路切替弁
29 暖機用通路切替弁
3 水素供給装置
4 制御装置
Claims (2)
- 燃料電池に対して酸素含有ガスを供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサの下流側に配設され、前記コンプレッサの加圧により加熱された前記酸素含有ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器の下流側に配設され、かつ前記燃料電池から排出される排出ガスから水を回収して、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器と、
前記酸素含有ガスが通る供給通路に設けられ、かつ前記冷却器を迂回する第一バイパス通路とを備える燃料電池システムであって、
前記排出ガスが通る排出通路に設けられ、前記加湿器を迂回する第二バイパス通路と、
前記第一バイパス通路が二股に分岐され、その二つの出口がそれぞれ前記加湿器の上流側に接続される加湿器暖機用通路、および前記加湿器の下流側に接続される燃料電池暖機用通路と、
前記酸素含有ガスを前記加湿器暖機用通路へ流すか前記燃料電池暖機用通路へ流すかを切り替える暖機用通路切替弁と、
前記燃料電池から排出される排出ガスの温度または前記燃料電池から排出される冷却水の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの温度が前記燃料電池のみを暖機する必要がある第1所定温度以下であるときに、前記暖機用通路切替弁を制御して前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記第一バイパス通路および前記燃料電池暖機用通路を介して供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記第二バイパス通路を介して外部に排出し、
前記温度センサの温度が前記第1所定温度を超え且つ第2所定温度以下となって前記加湿器を暖機する必要があるときに、前記暖機用通路切替弁を制御して前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記第一バイパス通路および前記加湿器暖機用通路を介して供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記第二バイパス通路を介して外部に排出し、
前記温度センサの温度が前記燃料電池を加湿する必要がある前記第2所定温度を超えているときに、前記暖機用通路切替弁を制御して前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器に供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記加湿器に供給する制御装置と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 燃料電池に対して酸素含有ガスを供給するコンプレッサと、
前記コンプレッサの下流側に配設され、前記コンプレッサの加圧により加熱された前記酸素含有ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器の下流側に配設され、かつ前記燃料電池から排出される排出ガスから水を回収して、前記酸素含有ガスを加湿する加湿器とを備えた燃料電池システムの暖機方法であって、
前記燃料電池が加湿準備状態の場合、前記燃料電池から排出される排出ガスまたは冷却水の温度が前記燃料電池のみの暖機が必要となる第1所定温度以下であるときに、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器および前記加湿器を迂回させて前記燃料電池に直接に供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記加湿器を迂回させて外部に排出し、前記排出ガスまたは前記冷却水の温度が前記第1所定温度を超え且つ第2所定温度以下となって前記加湿器の暖機が必要であるときに、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器を迂回させて前記加湿器に供給するとともに、前記燃料電池からの排出ガスを前記加湿器を迂回させて外部に排出するステップと、
前記排出ガスまたは前記冷却水の温度が前記第2所定温度を超えて前記燃料電池が加湿必要状態の場合、前記コンプレッサからの酸素含有ガスを前記冷却器で冷却して加湿器に供給するとともに、前記燃料電池の排出ガスを前記加湿器に通すことで排出ガスから水を回収し前記酸素含有ガスを加湿するステップとを有することを特徴とする燃料電池システムの暖機方法。
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