特開 2024-178720 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024178720

(43)【公開日】2024-12-25

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04298 20160101AFI20241218BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20241218BHJP

   H01M 8/04029 20160101ALI20241218BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20241218BHJP

   H01M 8/0432 20160101ALI20241218BHJP

   H01M 8/04694 20160101ALI20241218BHJP

   H01M 10/613 20140101ALI20241218BHJP

   H01M 10/6568 20140101ALI20241218BHJP

   H01M 10/6571 20140101ALI20241218BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20241218BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04298

H01M8/04014

H01M8/04029

H01M8/04 N

H01M8/0432

H01M8/04694

H01M10/613

H01M10/6568

H01M10/6571

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023097088

(22)【出願日】2023-06-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】栗田 大

【テーマコード（参考）】

5H031

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H031KK03

5H031KK08

5H126BB06

5H127AA06

5H127AB29

5H127AC05

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA33

5H127BA39

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB28

5H127BB37

5H127BB39

5H127CC07

5H127DB99

5H127DC90

5H127DC96

5H127DC97

5H127EE14

5H127EE15

5H127EE16

5H127EE18

5H127EE19

5H127EE22

5H127EE23

5H127EE24

(57)【要約】

【課題】二次電池の劣化を抑制しつつ二次電池を暖機できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムの暖機装置６０は、第２供給路３１ｃから分岐し、かつ二次電池１２に隣接して延びる暖機用流路６１と、第２供給路３１ｃから暖機用流路６１に熱交換後の空気を流通可能とする流路制御弁３３と、流路制御弁３３の動作を制御する制御装置７０と、を備える。制御装置７０は、二次電池１２の温度が予め設定された閾値より低くなった場合、エアコンプレッサ３２に対して二次電池１２から放電させるとともに、インタークーラ２５での熱交換後の空気を暖機用流路６１に流すために流路制御弁３３を切り替える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

補機の電源となる二次電池と、
燃料電池スタックと、
空気を前記燃料電池スタックに圧送するエアコンプレッサと、
前記エアコンプレッサから吐出された空気を前記燃料電池スタックへの供給前に熱媒体と熱交換させるインタークーラと、
前記インタークーラでの熱交換後の空気を前記燃料電池スタックに供給するための供給路と、を備える燃料電池システムであって、
前記供給路から分岐し、かつ前記二次電池に隣接して延びる暖機用流路と、
前記供給路から前記暖機用流路に、熱交換後の空気を流通可能とする切替弁と、
前記切替弁の動作を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記二次電池の温度が予め設定された閾値より低くなった場合、前記エアコンプレッサを前記補機として前記二次電池から放電させるとともに、
当該放電によって駆動した前記エアコンプレッサから吐出され、前記インタークーラで熱交換された空気が前記暖機用流路に流れるように前記切替弁を切り替えることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記燃料電池スタックのアノード極から排出された水素ガスが流れ込む希釈器を備え、前記暖機用流路を流れた空気は、前記希釈器に供給される請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池スタックへの冷却水の供給、及び前記燃料電池スタックからの前記冷却水の排出を行う冷却水回路を備え、前記冷却水回路は、前記冷却水を圧送する冷却水ポンプを含み、前記冷却水ポンプは、前記二次電池を電源とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記二次電池の暖機を補助する補助用ヒータを備える請求項１又は請求項２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。

【背景技術】

【0002】

燃料電池スタックを搭載した燃料電池システムには、二次電池を備えるものがある。二次電池は、例えば、燃料電池スタックにエアを供給するためのポンプの電源である。二次電池は、温度が低下すると充放電性能が低下するため、二次電池の暖機が行われるようになっている。特許文献１には、二次電池の暖機をヒータで行う燃料電池システムの暖機装置が開示されている。特許文献１に開示の暖機装置では、二次電池からの電力供給によって加熱されたヒータの熱が二次電池に伝わることで二次電池が暖機されるようになっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－３１１２１８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、ヒータを用いた二次電池の暖機では、二次電池からヒータに流れた電流が多くなるほど、ヒータによる暖機時間を短縮できるが、ヒータに流す電流が多くなるほど、ヒータが過度に高温になってしまう。すると、二次電池が劣化してしまい好ましくない。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上記課題を解決するための燃料電池システムは、補機の電源となる二次電池と、燃料電池スタックと、空気を前記燃料電池スタックに圧送するエアコンプレッサと、前記エアコンプレッサから吐出された空気を前記燃料電池スタックへの供給前に熱媒体と熱交換させるインタークーラと、前記インタークーラでの熱交換後の空気を前記燃料電池スタックに供給するための供給路と、を備える燃料電池システムであって、前記供給路から分岐し、かつ前記二次電池に隣接して延びる暖機用流路と、前記供給路から前記暖機用流路に、熱交換後の空気を流通可能とする切替弁と、前記切替弁の動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記二次電池の温度が予め設定された閾値より低くなった場合、前記エアコンプレッサを前記補機として前記二次電池から放電させるとともに、当該放電によって駆動した前記エアコンプレッサから吐出され、前記インタークーラで熱交換された空気が前記暖機用流路に流れるように前記切替弁を切り替えることを要旨とする。

【0006】

これによれば、二次電池の暖機は、二次電池からエアコンプレッサへの放電に伴う内部暖機と、暖機用流路に流れた空気を用いた外部暖機とによって行われる。外部暖機は、インタークーラでの熱交換後の空気を用いて行われる。インタークーラでの熱交換後の空気は、燃料電池スタックに供給される空気であるため、過度に高温になることはない。したがって、ヒータを用いた場合のように、外部暖機による加熱が過度の高温で行われることがない。これにより、二次電池が過度の高温になることによる二次電池の劣化を抑制できる。その結果、二次電池の劣化を抑制しつつ、内部暖機と外部暖機の両方で二次電池を好適に暖機できる。

【0007】

燃料電池システムについて、前記燃料電池スタックのアノード極から排出された水素ガスが流れ込む希釈器を備え、前記暖機用流路を流れた空気は、前記希釈器に供給されてもよい。

【0008】

これによれば、二次電池の外部暖機に用いた空気を、水素ガスの希釈に利用できる。
燃料電池システムについて、前記燃料電池スタックへの冷却水の供給、及び前記燃料電池スタックからの前記冷却水の排出を行う冷却水回路を備え、前記冷却水回路は、前記冷却水を圧送する冷却水ポンプを含み、前記冷却水ポンプは、前記二次電池を電源としてもよい。

【0009】

これによれば、エアコンプレッサに加えて、冷却水ポンプにも二次電池から放電させるため、エアコンプレッサのみに放電させる場合と比べると、二次電池における内部抵抗に基づくジュール熱が大きくなる。このため、エアコンプレッサのみに二次電池から放電させる場合と比べると、二次電池の温度を高くできる結果、二次電池の内部暖機機能を高めて、二次電池の暖機を速やかに行うことができる。

【0010】

燃料電池システムについて、前記二次電池の暖機を補助する補助用ヒータを備えていてもよい。
これによれば、補助用ヒータによって、二次電池の暖機を補助できるため、二次電池の暖機をより速やかに行うことができる。

【発明の効果】

【0011】

本発明は、二次電池の劣化を抑制しつつ二次電池を暖機できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、燃料電池システムを示す概略構成図である。

【図2】図２は、二次電池と暖機用流路とを模式的に示す斜視図である。

【図3】図３は、流路制御弁を第１位置に切り替えたときを示す模式図である。

【図4】図４は、流路制御弁を第２位置に切り替えたときを示す模式図である。

【図5】図５は、別例の燃料電池システムを示す概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、燃料電池システムを具体化した一実施形態を図１～図４にしたがって説明する。
＜燃料電池システム＞
図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と、冷却水回路２０と、空気供給回路３０と、水素ガス回路４０と、空気排出回路５０と、暖機装置６０と、二次電池１２と、制御装置７０と、を備える。

【0014】

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池セルを備える。複数の燃料電池セルの各々は、カソード極と、アノード極と、両極の間に配置された電解質膜とが積層された、高分子膜型燃料電池セルである。燃料電池スタック１１の燃料電池セルは、空気中の酸素と水素との化学反応によって発電を行う。

【0015】

＜冷却水回路＞
冷却水回路２０は、燃料電池スタック１１への冷却水の供給、及び燃料電池スタック１１からの冷却水の排出を行う。冷却水回路２０は、冷却水循環流路２１と、ラジエータ２３と、冷却水ポンプ２４と、インタークーラ２５と、を備える。

【0016】

冷却水循環流路２１には、燃料電池スタック１１を冷却するための冷却水が流れる。冷却水循環流路２１において、冷却水の流れる方向を「流れ方向」と記載する。冷却水循環流路２１における流れ方向の上流端部及び下流端部は、燃料電池スタック１１に接続されている。

【0017】

ラジエータ２３は、冷却水循環流路２１の一部を形成している。ラジエータ２３は、冷却水循環流路２１を流れる冷却水と外気とを熱交換させる。よって、燃料電池スタック１１と熱交換された冷却水は、ラジエータ２３での外気との熱交換によって冷却される。

【0018】

冷却水ポンプ２４は、冷却水循環流路２１における流れ方向において、ラジエータ２３より下流側、かつインタークーラ２５の上流側に設けられている。冷却水ポンプ２４は、冷却水循環流路２１で冷却水を循環させるべく、冷却水を圧送する。冷却水ポンプ２４を駆動させるモータＭ１は、インバータ１３と電気的に接続されている。インバータ１３は、二次電池１２から放電された直流電力を交流電力に変換してモータＭ１に供給する。そして、インバータ１３の駆動によってモータＭ１が駆動すると、冷却水ポンプ２４が駆動する。したがって、冷却水ポンプ２４は、二次電池１２を電源とする。

【0019】

インタークーラ２５は、冷却水循環流路２１における流れ方向において、冷却水ポンプ２４より下流側、かつ燃料電池スタック１１の上流側に設けられている。インタークーラ２５は、冷却水循環流路２１の一部を形成している。インタークーラ２５は、冷却水循環流路２１を流れる熱媒体としての冷却水と、後に説明するエアコンプレッサ３２から吐出された空気とを熱交換させる。

【0020】

＜空気供給回路＞
空気供給回路３０は、燃料電池スタック１１への空気の供給を行う。空気供給回路３０は、空気供給流路３１と、エアコンプレッサ３２と、切替弁としての流路制御弁３３と、を備える。

【0021】

空気供給流路３１には、燃料電池スタック１１に供給するための空気が流れる。空気供給流路３１において、空気の流れる方向を「流れ方向」と記載する。空気供給流路３１における流れ方向の下流端部は、燃料電池スタック１１に接続されている。空気供給流路３１における流れ方向の上流端部は、吸気フィルタＦを介して大気に開放されている。

【0022】

エアコンプレッサ３２は、空気供給流路３１における流れ方向において、吸気フィルタＦより下流側に設けられている。エアコンプレッサ３２は、モータＭ２を備える。モータＭ２は、インバータ１４と電気的に接続されている。インバータ１４は、二次電池１２から放電された直流電力を交流電力に変換してモータＭ２に供給する。そして、インバータ１４の駆動によってモータＭ２が駆動すると、エアコンプレッサ３２が駆動する。エアコンプレッサ３２は、吸気フィルタＦ及び空気供給流路３１を介して吸入した空気を圧縮して空気供給流路３１に吐出するとともに、燃料電池スタック１１に空気を圧送する。

【0023】

空気供給流路３１の一部は、インタークーラ２５を通過している。
流路制御弁３３は、空気供給流路３１における流れ方向において、インタークーラ２５より下流側に設けられている。流路制御弁３３は、空気供給流路３１を流れる空気の流通方向を制御する。流路制御弁３３は、後に詳述する。

【0024】

空気供給流路３１は、第１供給路３１ａと、冷却流路３１ｂと、第２供給路３１ｃと、を備える。第１供給路３１ａは、エアコンプレッサ３２の吐出口３２ａとインタークーラ２５の入口２５ａとを接続する。第１供給路３１ａには、エアコンプレッサ３２による圧送によって高温となった空気が流れる。以下の説明において、エアコンプレッサ３２による圧送によって高温となった空気を、「高温空気」と記載する。高温空気の温度は、燃料電池スタック１１の発電に適した温度より高い。

【0025】

冷却流路３１ｂは、インタークーラ２５の入口２５ａと、インタークーラ２５の出口２５ｂと、を接続する。冷却流路３１ｂは、インタークーラ２５の内部に配置されている。したがって、空気供給流路３１の冷却流路３１ｂが、インタークーラ２５を通過する空気供給流路３１の一部である。

【0026】

冷却流路３１ｂには、エアコンプレッサ３２から吐出された高温空気が流れる。インタークーラ２５では、冷却水循環流路２１を流れる冷却水と、冷却流路３１ｂを流れる高温空気との間で熱交換が行われる。これにより、高温空気は、冷却される。したがって、インタークーラ２５は、エアコンプレッサ３２から吐出された空気を、燃料電池スタック１１への供給前に冷却水と熱交換させる。インタークーラ２５での熱交換によって、高温空気より温度の下がった空気を「温調空気」と記載する。温調空気の温度は、燃料電池スタック１１の発電に適した温度範囲内の温度である。したがって、インタークーラ２５は、高温空気との熱交換によって、燃料電池スタック１１の発電に適した温度範囲まで高温空気を冷却する。

【0027】

第２供給路３１ｃは、インタークーラ２５の出口２５ｂと燃料電池スタック１１とを接続する。そして、第２供給路３１ｃに流れ込んだ温調空気は、燃料電池スタック１１のカソード極に供給される。したがって、第２供給路３１ｃは、インタークーラ２５での熱交換後の空気を燃料電池スタック１１に供給するための供給路である。また、第２供給路３１ｃには、流路制御弁３３が設けられている。このため、第２供給路３１ｃに流れ込んだ温調空気は、流路制御弁３３に流れ込む。

【0028】

＜水素ガス回路＞
水素ガス回路４０は、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給、及び燃料電池スタック１１からの水素ガスの排出を行う。水素ガス回路４０は、水素ガス供給流路４１と、インジェクタ４２と、水素ガス循環流路４６と、気液分離器４７と、水素循環ポンプ４８と、を備える。

【0029】

水素ガス供給流路４１には、燃料電池スタック１１に供給する水素ガスが流れる。水素ガス供給流路４１において、水素ガスの流れる方向を「流れ方向」とする。水素ガス供給流路４１における流れ方向の下流端部は、燃料電池スタック１１に接続されている。

【0030】

インジェクタ４２は、水素ガス供給流路４１における流れ方向において、上流端部側に設けられている。インジェクタ４２は、例えば弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４２は、図示しない水素タンクから燃料電池スタック１１に供給される水素ガスの流量を調整する。

【0031】

水素ガス循環流路４６は、燃料電池スタック１１と、水素ガス供給流路４１におけるインジェクタ４２より下流側と、に接続されている。燃料電池スタック１１のアノード極からは、燃料電池スタック１１において反応しなかった水素ガスと、水素ガスと酸素との化学反応によって生成された水分と、窒素等の不純物と、を含むアノードオフガスが排出される。そして、燃料電池スタック１１のアノード極から排出されたアノードオフガスは、水素ガス循環流路４６に流れ込む。

【0032】

気液分離器４７は、水素ガス循環流路４６に設けられている。気液分離器４７は、水素ガス循環流路４６を経由して気液分離器４７に流れ込んだアノードオフガスを、水素ガスと水及び不純物とに分離する。

【0033】

水素循環ポンプ４８は、水素ガス循環流路４６におけるアノードオフガスの流れ方向において、気液分離器４７より下流側に設けられている。水素循環ポンプ４８は、気液分離器４７によってアノードオフガスから分離された水素ガスを水素ガス供給流路４１に流すことで、水素ガス回路４０で水素ガスを循環させる。水素循環ポンプ４８は、モータＭ３を備える。モータＭ３は、インバータ１５と電気的に接続されている。インバータ１５は、二次電池１２から放電された直流電力を交流電力に変換してモータＭ３に供給する。そして、インバータ１５の駆動によってモータＭ３が駆動すると、水素循環ポンプ４８が駆動する。

【0034】

＜空気排出回路＞
空気排出回路５０は、燃料電池スタック１１から排出された空気を大気へ排出する。空気排出回路５０は、空気排出流路５１と、エア調圧弁５２と、希釈器５３と、を備える。空気排出流路５１には、燃料電池スタック１１のカソード極から排出された空気と水とを含むカソードオフガスが流れる。空気排出流路５１において、カソードオフガスの流れる方向を「流れ方向」とする。空気排出流路５１の流れ方向の上流端部は、燃料電池スタック１１に接続されている。

【0035】

エア調圧弁５２は、空気排出流路５１における流れ方向において、燃料電池スタック１１より下流側に設けられている。エア調圧弁５２は、例えば電磁弁である。エア調圧弁５２は、弁開度の変更を通じて燃料電池スタック１１内の空気の圧力を調整する。

【0036】

希釈器５３は、空気排出流路５１における流れ方向において、エア調圧弁５２より下流側に設けられている。希釈器５３には、空気排出流路５１からカソードオフガスが流れ込む。希釈器５３は、供給されたカソードオフガスを酸素と水とに分離する。また、気液分離器４７によってアノードオフガスから分離された水及び不純物と、水素ガスとが、気液分離器４７から希釈器５３に排出される。したがって、希釈器５３には、燃料電池スタック１１のアノード極から排出された水素ガスが流れ込む。希釈器５３では、気液分離器４７から希釈器５３に排出された水素ガス及び不純物が、カソードオフガスによって希釈される。希釈器５３によって希釈された水素ガスは、空気排出流路５１の下流端部から燃料電池システム１０外に排出される。希釈器５３で分離された水は貯水タンク５４に貯留される。

【0037】

＜制御装置＞
制御装置７０は、図示しないプロセッサと、記憶部と、を備える。記憶部は、RAM（Random Access Memory）、及びROM（Read Only Memory）を含む。記憶部は、処理をプロセッサに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部、即ち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御装置７０は、ASICやFPGA等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御装置７０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ、ASICやFPGA等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

【0038】

制御装置７０は、燃料電池システム１０を制御する。図示しない上位制御装置からの発電指令に基づいて、流路制御弁３３の流路及びエア調圧弁５２の弁開度を制御するとともに、モータＭ２のインバータ１４を制御して、エアコンプレッサ３２の駆動を制御する。これにより、空気供給流路３１における空気の流量が制御される。

【0039】

また、制御装置７０は、発電指令に基づいて、インジェクタ４２及びモータＭ３のインバータ１５の駆動を制御する。これにより、水素ガス循環流路４６における水素ガスの流量が制御される。

【0040】

また、制御装置７０は、発電指令に基づいて、冷却水ポンプ２４のモータＭ１のインバータ１３の駆動を制御する。これにより、冷却水循環流路２１を冷却水が循環する。冷却水の循環により、燃料電池スタック１１が冷却されるとともに、インタークーラ２５で、エアコンプレッサ３２から圧送された高温空気が冷却される。これらにより、燃料電池スタック１１に所望する温度及び流量の温調空気が供給されるとともに、所望する流量の水素が供給される。その結果、発電指令に基づく発電量を燃料電池スタック１１が発電する。

【0041】

＜二次電池＞
二次電池１２は、図示しないＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池スタック１１に接続されている。二次電池１２の各々は、ＤＣ／ＤＣコンバータによって変圧された燃料電池スタック１１からの出力電力によって充電される。

【0042】

二次電池１２は、エアコンプレッサ３２、冷却水ポンプ２４、及び水素循環ポンプ４８に放電する。したがって、二次電池１２は、補機としてのエアコンプレッサ３２、冷却水ポンプ２４、及び水素循環ポンプ４８の電源である。二次電池１２は、図示しないセルを複数備えるとともに、それら複数のセルを収容したケース１２ａを備える。ケース１２ａは、例えば、四角箱状である。

【0043】

二次電池１２には、リチウムイオン電池が採用される。リチウムイオン電池製の二次電池１２において、充放電には温度依存性がある。また、二次電池１２には、充放電効率を高めるための動作温度範囲が存在する。二次電池１２の温度が、動作温度範囲より高いと、二次電池１２の劣化が早まって好ましくない。

【0044】

二次電池１２の温度が、動作温度範囲より低いと、二次電池１２の内部抵抗が上昇して充放電効率が低下して好ましくない。特に、二次電池１２の温度が動作温度範囲より低いと、充電において制限が掛かってしまう。すると、二次電池１２の充電が不可能になるため、燃料電池スタック１１からの出力電力が二次電池１２に充電できなくなって好ましくない。このため、二次電池１２の温度が動作温度範囲より低い場合は、二次電池１２を動作温度範囲まで暖機する必要がある。

【0045】

＜暖機装置＞
暖機装置６０は、二次電池１２を動作温度範囲まで暖機する。
暖機装置６０は、上記流路制御弁３３と、暖機用流路６１と、上記制御装置７０と、を備える。暖機装置６０は、温度センサ６４を備えていてもよい。

【0046】

温度センサ６４は、二次電池１２の温度を検出するため、例えば、二次電池１２のケース１２ａの外面に設置されている。温度センサ６４は、制御装置７０と電気的に接続されている。温度センサ６４の検出値は、制御装置７０に入力される。

【0047】

流路制御弁３３は、第１ポート３３ａと、第２ポート３３ｂと、第３ポート３３ｃと、を備える。第１ポート３３ａは、インタークーラ２５の出口２５ｂと接続されている。第２ポート３３ｂは、燃料電池スタック１１と接続されている。したがって、流路制御弁３３は、第２供給路３１ｃに設けられている。第３ポート３３ｃは、暖機用流路６１と接続されている。

【0048】

暖機用流路６１の第１端部６１ａは、上記のように第３ポート３３ｃに接続されている。したがって、暖機用流路６１は、流路制御弁３３を介して第２供給路３１ｃから分岐している。暖機用流路６１の第２端部６１ｂは、空気排出流路５１に接続されている。暖機用流路６１の第２端部６１ｂは、空気排出流路５１の流れ方向におけるエア調圧弁５２より下流、かつ希釈器５３より上流に接続されている。

【0049】

図３及び図４に示すように、流路制御弁３３は、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２の２位置に切り替え可能である。第１位置Ｐ１は、第１ポート３３ａと第２ポート３３ｂを連通させて、冷却流路３１ｂと第２供給路３１ｃを連通させる位置である。また、第１位置Ｐ１は、暖機用流路６１を遮断する位置でもある。

【0050】

第２位置Ｐ２は、第１ポート３３ａと第３ポート３３ｃと連通させて、冷却流路３１ｂと暖機用流路６１を連通させる位置である。また、第２位置Ｐ２は、空気供給流路３１を遮断する位置でもある。したがって、流路制御弁３３は、第２供給路３１ｃから暖機用流路６１に、熱交換後の空気を流通可能とする。

【0051】

制御装置７０は、温度センサ６４の検出値に基づいて、流路制御弁３３を第１位置Ｐ１又は第２位置Ｐ２に切り替える。したがって、制御装置７０は、流路制御弁３３の動作を制御する。

【0052】

温度センサ６４の検出値が予め設定された閾値より低い場合、制御装置７０は、流路制御弁３３を第２位置Ｐ２に切り替える。閾値は、二次電池１２の動作範囲温度の下限値に設定されている。この閾値は、実験等によって予め設定されている。温度センサ６４の検出値が閾値以上の場合、制御装置７０は、流路制御弁３３を第１位置Ｐ１に維持する。

【0053】

そして、制御装置７０によって流路制御弁３３が第１位置Ｐ１に切り替えられると、インタークーラ２５での熱交換後の空気、つまり温調空気は、流路制御弁３３及び第２供給路３１ｃを経由して燃料電池スタック１１に供給される。このとき、温調空気は、暖機用流路６１には流れ込まない。したがって、流路制御弁３３が第１位置Ｐ１に切り替えられたときは、燃料電池スタック１１は発電するときである。

【0054】

また、制御装置７０によって流路制御弁３３が第２位置Ｐ２に切り替えられると、インタークーラ２５での熱交換後の空気、つまり温調空気は、流路制御弁３３及び暖機用流路６１を経由して空気排出流路５１に供給される。これにより、温調空気は、空気排出流路５１を経由して希釈器５３に流れ込む。したがって、暖機用流路６１を流れた空気は、希釈器５３に供給される。また、流路制御弁３３が第２位置Ｐ２に切り替えられると、温調空気は、第２供給路３１ｃには流れ込まないため、燃料電池スタック１１は発電しない。

【0055】

図２に示すように、暖機用流路６１の一部は、ヒートシンク６２として機能する。ヒートシンク６２は、暖機用流路６１の一部を拡幅して形成されている。ヒートシンク６２は、熱伝導率の高い金属材料によって形成されている。ヒートシンク６２の内部には、温調空気が流れ込む。図示しないが、ヒートシンク６２の内部には、図示しない放熱フィンが設けられている。

【0056】

ヒートシンク６２は、二次電池１２のケース１２ａを載置するための載置面６２ａを備える。載置面６２ａは、ケース１２ａの下面の全面を載置できる大きさである。そして、ヒートシンク６２の載置面６２ａには、伝熱シート６３を介して二次電池１２のケース１２ａが載置されている。したがって、暖機用流路６１は、ヒートシンク６２の部分において、二次電池１２に隣接して延びている。ヒートシンク６２の熱は、伝熱シート６３及びヒートシンク６２を介して二次電池１２に伝わる。そして、暖機用流路６１に流れ込んだ温調空気は、二次電池１２と熱交換される。ヒートシンク６２での熱交換後の空気の温度は、温調空気より低くなる。ヒートシンク６２での熱交換後の空気を「低温空気」と記載する。

【0057】

＜二次電池の暖機＞
次に、暖機装置６０による二次電池１２の暖機を説明する。なお、燃料電池スタック１１による発電前とする。このとき、流路制御弁３３は、第１位置Ｐ１に切り替えられている。

【0058】

制御装置７０は、温度センサ６４の検出値に基づいて、二次電池１２の暖機を行うか否かを判定する。
温度センサ６４の検出値が予め設定された閾値より低い場合、制御装置７０は、二次電池１２の暖機を行う。制御装置７０は、エアコンプレッサ３２を駆動させるために、インバータ１４を駆動させる。すると、インバータ１４には、二次電池１２から放電されるため、二次電池１２は、内部抵抗に基づくジュール熱が発生して暖機される。つまり、二次電池１２は、内部暖機される。したがって、制御装置７０は、二次電池１２の温度が予め設定された閾値より低くなった場合、エアコンプレッサ３２を補機として、二次電池１２に放電させる。

【0059】

また、インバータ１４の駆動によってモータＭ２が駆動されるため、エアコンプレッサ３２が駆動される。そして、エアコンプレッサ３２によって空気が圧縮される。エアコンプレッサ３２から吐出された高温空気は、空気供給流路３１の第１供給路３１ａに吐出される。

【0060】

また、二次電池１２の暖機を行う場合、制御装置７０は、流路制御弁３３を第１位置Ｐ１から第２位置Ｐ２に切り替える。つまり、二次電池１２の暖機では、制御装置７０は、二次電池１２の放電によって駆動したエアコンプレッサ３２から吐出され、かつインタークーラ２５で熱交換された空気が、暖機用流路６１に流れるように、流路制御弁３３を切り替える。すると、第１供給路３１ａに吐出された高温空気は、インタークーラ２５での熱交換によって冷却されて温調空気となった後、第３ポート３３ｃを経由して暖機用流路６１に流れ込む。暖機用流路６１に流れ込んだ温調空気は、暖機用流路６１を流れる間に若干放熱して温度が下がる。

【0061】

そして、暖機用流路６１のヒートシンク６２において、ケース１２ａ及び伝熱シート６３を介した二次電池１２と温調空気との熱交換により、二次電池１２が暖められる。つまり、二次電池１２は、外部暖機される。ヒートシンク６２を通過した低温空気は、空気排出流路５１に流れ込む。空気排出流路５１に流れ込んだ低温空気は、希釈器５３を経由して、大気に排出される。

【0062】

温度センサ６４の検出値が閾値以上になると、制御装置７０は、二次電池１２の暖機を停止する。制御装置７０は、流路制御弁３３を第２位置Ｐ２から第１位置Ｐ１に切り替える。すると、第１供給路３１ａに吐出された高温空気は、インタークーラ２５での熱交換によって冷却されて温調空気となった後、第２ポート３３ｂ及び第２供給路３１ｃを経由して燃料電池スタック１１に供給される。これにより、燃料電池スタック１１が発電する。

【0063】

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）暖機装置６０による二次電池１２の暖機は、エアコンプレッサ３２への二次電池１２の放電に伴う内部暖機と、暖機用流路６１に流れた温調空気を用いた外部暖機とによって行われる。外部暖機に利用される温調空気は、インタークーラ２５での熱交換後の空気であって、燃料電池スタック１１の発電のために供給される空気である。このため、温調空気の温度が、過度に高温になることはない。したがって、二次電池１２の暖機のためにヒータを用いた外部暖機と異なり、外部暖機による加熱で二次電池１２が過度の高温になることがない。よって、二次電池１２が過度の高温になることを抑制できるため、二次電池１２の劣化を抑制できる。その結果、二次電池１２の劣化を抑制しつつ、内部暖機と外部暖機の両方で二次電池１２を好適に暖機できる。

【0064】

（２）二次電池１２の暖機は、インタークーラ２５での熱交換後の空気を用いて行われる。つまり、二次電池１２の暖機は、エアコンプレッサ３２によって圧縮された後の空気の持つ熱エネルギーを利用して行われる。通常、エアコンプレッサ３２によって圧縮された空気は、インタークーラ２５による熱交換後、燃料電池スタック１１に供給されるため、空気の持つ熱エネルギーは、そのまま捨てられる。しかし、暖機装置６０による二次電池１２の暖機では、捨てられていた熱エネルギーを有効に利用して行われるため、暖機装置６０による二次電池１２の暖機は、非常に有用である。

【0065】

（３）二次電池１２の外部暖機は、燃料電池スタック１１の発電に必要なエアコンプレッサ３２を用いて行うことができる。よって、二次電池１２の暖機は、ヒータ等の加熱装置を別途用いずに行うことができる。したがって、燃料電池システム１０は、コスト上昇を抑えながら、二次電池１２を好適に暖機できる。

【0066】

（４）暖機用流路６１は、二次電池１２との熱交換用のヒートシンク６２を備える。そして、ヒートシンク６２は、二次電池１２と適度な熱交換を可能にする。したがって、二次電池１２の暖機が、過度に高温に加熱されたり、暖機が速やかに行われなかったりすることを抑制できる。

【0067】

（５）インタークーラ２５で熱交換された空気は、暖機用流路６１を流れるため、インタークーラ２５での熱交換直後より、温度が下がる。また、二次電池１２は、ケース１２ａを介して温調空気と熱交換される。このため、二次電池１２は、インタークーラ２５での熱交換直後の空気と熱交換されないため、二次電池１２が過度に外部暖機されることをより好適に抑制できる。

【0068】

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○図５に示すように、切替弁を、流路制御弁３３に代えて、流量制御弁３６としてもよい。流量制御弁３６は、三方弁である。流量制御弁３６は、第１ポート３６ａと、第２ポート３６ｂと、第３ポート３６ｃと、を備える。第１ポート３６ａは、インタークーラ２５の出口２５ｂと接続されている。第２ポート３６ｂは、燃料電池スタック１１と接続されている。第３ポート３６ｃは、暖機用流路６１と接続されている。

【0069】

暖機用流路６１の第１端部６１ａは、上記のように第３ポート３６ｃに接続されている。暖機用流路６１の第２端部６１ｂは、空気排出流路５１に接続されている。暖機用流路６１の第２端部６１ｂは、空気排出流路５１の流れ方向におけるエア調圧弁５２より下流、かつ希釈器５３より上流に接続されている。

【0070】

流量制御弁３６は、第２供給路３１ｃ及び暖機用流路６１の双方に流す温調空気の流量を制御できる。例えば、燃料電池スタック１１による発電を優先させる場合は、流量制御弁３６は、第２供給路３１ｃに多量の温調空気を流しつつ、暖機用流路６１に少量の温調空気を流すように制御される。逆に、二次電池１２の暖機を優先させる場合は、流量制御弁３６は、暖機用流路６１に多量の温調空気を流しつつ、第２供給路３１ｃに少量の温調空気を流すように制御される。また、流量制御弁３６は、暖機用流路６１又は第２供給路３１ｃのみに温調空気を流すことも可能である。

【0071】

空気供給回路３０は、エアフローセンサ３４を、空気供給流路３１における流れ方向において、吸気フィルタＦより下流側、かつエアコンプレッサ３２より上流側に備えている。エアフローセンサ３４は、空気供給流路３１における空気の流量を検出する。エアフローセンサ３４は、制御装置７０と電気的に接続されている。

【0072】

＜二次電池の暖機＞
燃料電池スタック１１による発電中に、二次電池１２の暖機を行う場合について説明する。制御装置７０は、温度センサ６４の検出値に基づいて、二次電池１２の暖機を行うか否かを判定している。

【0073】

低温環境下での燃料電池スタック１１による発電時、制御装置７０は、温度センサ６４の検出値に基づいて、二次電池１２の暖機を行うか否かを判定する。
温度センサ６４の検出値が閾値より低い場合、制御装置７０は、エアコンプレッサ３２による吐出容量を多くするようにインバータ１４を駆動させる。すると、二次電池１２からの放電量が多くなる。すると、二次電池１２は、内部抵抗に基づくジュール熱がさらに発生して内部暖機される。

【0074】

エアコンプレッサ３２から吐出された高温空気は、空気供給流路３１の第１供給路３１ａに吐出される。また、制御装置７０は、流量制御弁３６において、暖機用流路６１に多量の温調空気を流しつつ、第２供給路３１ｃには少量の温調空気を流すように制御する。このとき、制御装置７０は、エアフローセンサ３４の検出値に基づいてエア調圧弁５２の開度を調節することにより、暖機用流路６１及び第２供給路３１ｃそれぞれに流す流量を調節する。

【0075】

すると、第１供給路３１ａに吐出された高温空気は、冷却流路３１ｂによって冷却されて温調空気となった後、第３ポート３６ｃを経由して暖機用流路６１に多量に流れ込む。暖機用流路６１のヒートシンク６２において二次電池１２と温調空気との熱交換により、二次電池１２が暖められる。つまり、二次電池１２は、外部暖機される。

【0076】

なお、燃料電池システム１０は、二次電池１２の近傍に補助用ヒータ６５を備えていてもよい。補助用ヒータ６５は、暖機装置６０による暖機を補助するものであるため、過度に高温になることはない。このように構成した場合、補助用ヒータ６５によって暖機装置６０による二次電池１２の暖機を補助できるため、二次電池１２の暖機がスムーズに行われる。

【0077】

また、流量制御弁３６から第２供給路３１ｃを経由して燃料電池スタック１１に流れ込んだ温調空気は、燃料電池スタック１１の発電に供される。燃料電池スタック１１からは、アノードオフガスが水素ガス循環流路４６に流れ込む。気液分離器４７は、水素ガス循環流路４６を経由して気液分離器４７に流れ込んできたアノードオフガスを、水素ガスと水及び不純物とに分離する。

【0078】

燃料電池スタック１１から排出されたカソードオフガスは、エア調圧弁５２を経由して希釈器５３に流れ込む。さらに、二次電池１２を暖機した後の低温空気は、空気排出流路５１で合流して希釈器５３に流れ込む。そして、希釈器５３では、気液分離器４７から希釈器５３に排出された水素ガス及び不純物が、低温空気及びカソードオフガスによって希釈される。

【0079】

したがって、暖機用流路６１を流れた温調空気は、低温空気となって希釈器５３に供給される。これにより、希釈器５３では、カソードオフガスだけでなく、低温空気も利用して水素ガスを希釈できる。したがって、カソードオフガスだけで水素ガスを希釈する場合と比べて、希釈器５３での希釈効率を高めることができる。

【0080】

○二次電池１２の温度検出は、二次電池１２の温度を直接検出する温度センサ６４でなくてもよい。例えば、空気供給流路３１に温度センサを設けて、空気供給流路３１の空気の温度から二次電池１２の温度を間接的に検出してもよい。要は、二次電池１２の温度を検出できれば、二次電池１２の温度検出方法は、温度センサ６４によって二次電池１２の温度を直接検出する方法に限定されない。

【0081】

○暖機装置６０による二次電池１２の暖機の際、制御装置７０は、二次電池１２による放電を、エアコンプレッサ３２のインバータ１４だけでなく、冷却水ポンプ２４のインバータ１３にも行うように制御してもよい。この場合、二次電池１２は、エアコンプレッサ３２に加え、冷却水ポンプ２４の電源となる。したがって、冷却水ポンプ２４も補機となる。これによれば、二次電池１２における内部抵抗に基づくジュール熱が大きくなるため、二次電池１２の内部暖機温度を高めることができる。その結果、二次電池１２の暖機をより速やかに行うことができる。

【0082】

又は、暖機装置６０による二次電池１２の暖機の際、制御装置７０は、二次電池１２による放電を、エアコンプレッサ３２のインバータ１４だけでなく、水素循環ポンプ４８のインバータ１５にも行うようにしてもよい。この場合、二次電池１２は、エアコンプレッサ３２に加え、水素循環ポンプ４８の電源となる。したがって、水素循環ポンプ４８も補機となる。

【0083】

○暖機用流路６１は、空気排出流路５１に接続せずに大気開放してもよい。
○暖機装置６０の暖機用流路６１にヒートシンク６２は無くてもよい。この場合、暖機用流路６１を複数回折り返した形状として、二次電池１２と熱交換可能とする面積を増やしてもよい。

【0084】

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記暖機用流路には、前記二次電池との熱交換を行うヒートシンクが設けられている。

【符号の説明】

【0085】

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１２…二次電池、２０…冷却水回路、２４…補機としての冷却水ポンプ、２５…インタークーラ、３１ｃ…第２供給路、３２…補機としてのエアコンプレッサ、３３…切替弁としての流路制御弁、３６…切替弁としての流量制御弁、４８…補機としての水素循環ポンプ、５３…希釈器、６１…暖機用流路、６５…補助用ヒータ、７０…制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】