(57)【要約】【課題】  水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電気エネルギを得る燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されるカソードオフガスに含まれる水分の凍結を防ぎつつ当該水分を効果的に分離できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  液体水素又は高圧水素を貯蔵した水素タンク１１から供給される水素供給通路２１と燃料電池１０のカソード側から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路２４との間に、前記カソードオフガス又は熱媒体のうち少なくとも一方の温度に基づいた流量の熱媒体を循環させて、前記水素供給通路２１で水素ガスと熱交換した熱媒体を前記カソードオフガス通路２４でカソードオフガスと熱交換させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体水素又は高圧水素を貯蔵した水素タンクと、
電解質層の両面にアノード及びカソードが接合され、前記水素タンクから供給される水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、
前記水素タンクの水素ガスを前記燃料電池のアノード側に供給する水素供給通路と、
前記燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路と、
前記水素供給通路とカソードオフガス通路との間に熱媒体を循環させることで、前記水素供給通路で水素ガスと熱交換した熱媒体を前記カソードオフガス通路でカソードオフガスと熱交換させる熱交換手段と、
前記カソードオフガス及び熱媒体のうち少なくともいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記熱交換手段によって循環される熱媒体の流量を制御する熱媒体制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記熱媒体は、気体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】
前記カソードオフガス通路上に設けられ、カソードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離器を更に備え、
前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記気液分離器内で行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記カソードオフガスを前記カソードオフガス通路に排出する燃料電池のカソードオフガス排出口の直下流で行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記カソードオフガス通路上に設けられ、カソードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離器を更に備え、
前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記気液分離器と燃料電池の間のカソードオフガス通路上で行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記カソードオフガス通路の一部を構成し、前記カソードオフガス通路を通るカソードオフガスを大気へ排出するマフラーを更に備え、
前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記マフラー内で行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学反応にて電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料電池に水素等の燃料ガスと酸化ガスを供給して、水素と酸素の電気化学反応によって電気エネルギを得るものである。前記燃料ガスは、出来る限り省スペースで多く貯蔵できることが望ましく、例えば、燃料ガスとして水素を用いる場合には、液体水素タンク、高圧水素タンクを用いて、省スペースで多くの水素を貯蔵している。
【０００３】
従来の燃料電池システムとして、高圧水素タンクから供給される水素ガスを燃料とする燃料電池システムにおいて、水素ガスを燃料電池に供給する水素供給通路と、燃料電池のアノード側から排出されるアノードオフガス通路と、前記アノードオフガス通路上に設けられ、前記アノードオフガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、を備え、前記凝縮器の冷媒通路が前記水素供給通路の一部を構成する燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
前記燃料電池システムにおいて、前記高圧水素タンクから供給される水素ガスは、気化熱による吸熱によって、高圧水素タンクから放出されるとその温度が低下する。前記燃料電池システムは、アノードオフガス中の水分を凝縮させる凝縮器の冷媒通路が前記水素供給通路の一部を構成しているため、高圧水素タンクから供給された低温の水素ガスと燃料電池から排出されたアノードオフガスを前記凝縮器において熱交換することができ、その結果、アノードオフガスを冷却しアノードオフガス中の水分を凝縮させて分離することができる。
【特許文献１】特開２００２−３１３３７６号公報
【特許文献２】特開２００３−１８５０９６号公報
【特許文献３】特開平９−２１９２０９号公報
【特許文献４】特開２００３−１８４７６７号公報
【特許文献５】特許３５６１６５９号公報
【特許文献６】特開２００２−３１３４０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池システムは、前記高圧水素タンクから放出される水素ガスにより凝縮器を冷却しているが、燃料電池の発電に必要な水素を高圧水素タンクから供給し続けると凝縮器が過冷却されて、凝縮器内の水が凍結してしまうおそれがある。
【０００６】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電気エネルギを得る燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出されるカソードオフガスに含まれる水分の凍結を防ぎつつ当該水分を効果的に分離できる燃料電池システムを提供することを技術的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、液体水素又は高圧水素を貯蔵した水素タンクと、電解質層の両面にアノード及びカソードが接合され、前記水素タンクから供給される水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電力を得る燃料電池と、前記水素タンクの水素ガスを前記燃料電池のアノード
側に供給する水素供給通路と、前記燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路と、前記水素供給通路とカソードオフガス通路との間に熱媒体を循環させることで、前記水素供給通路で水素ガスと熱交換した熱媒体を前記カソードオフガス通路でカソードオフガスと熱交換させる熱交換手段と、前記カソードオフガス及び熱媒体のうち少なくともいずれか一方の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度に基づいて、前記熱交換手段によって循環される熱媒体の流量を制御する熱媒体制御手段と、を備える燃料電池システムである。
【０００８】
本発明は、液体水素又は高圧水素を貯蔵した水素タンクから供給される水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって電力を得る燃料電池システムである。前記水素タンクは、液体水素又は高圧水素を貯蔵しており、水素タンクから供給される水素ガスは、気化熱又は断熱膨張による吸熱によって、水素タンクから放出されると温度が低下する。
【０００９】
前記燃料電池のカソード側から排出されるカソードオフガスは、燃料電池の電気化学反応によって、その温度は上昇する。また、燃料電池の電気化学反応により、カソードオフガスには水分がその多くは水蒸気の状態で含まれている。
【００１０】
ここで、本発明に係る燃料電池システムは、低温の水素ガスが通る水素供給通路と燃料電池によって加熱されたカソードオフガスが通るカソードオフガス通路との間に熱媒体を循環させて、前記水素供給通路で水素ガスと熱交換した熱媒体をカソードオフガス通路のカソードオフガスと熱交換させる熱交換手段を備えている。前記熱交換手段によって、低温の水素ガスと高温のカソードオフガスとの間で熱交換を行うことができる。その結果、熱媒体から水素ガスに熱エネルギーが移り水素ガスが加熱されるとともに、カソードオフガスから熱媒体に熱エネルギーが移りカソードオフガスを冷却することが可能となる。尚、本発明における前記熱交換手段によるカソードオフガス通路側での熱交換は、前記熱媒体とカソードオフガスとの直接的な熱交換だけでなく、他の媒体を介した間接的な熱交換も含むものである。
【００１１】
前記熱交換手段によって水素ガスを加熱することで、比較的高温の水素ガスを燃料電池に供給することができる。これにより、低温の水素ガスを供給することによる燃料電池の冷却に伴う発電効率の低下を防ぐことができる。また、燃料電池システムは、前記水素タンクから供給される水素の温度及び圧力を調整するため、前記水素供給通路に、気化装置、ヒータ、減圧器等を備えたものがある。本発明に係る燃料電池システムによれば、前記気化装置、ヒータ、減圧器の負荷を軽減することができ、また使用態様によっては、前記装置を不要にすることも可能である。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記カソードオフガスを冷却することにより、カソードオフガスに含まれる水分を効果的に除去することができる。前記燃料電池の種類によっては、前記カソードオフガスにフッ素イオン等の有害イオンを含む場合がある。前記有害イオンがカソードオフガス通路を通過すると、カソードオフガス通路が腐食する虞がある。しかし、前記カソードオフガスを冷却して水分を分離することにより、カソードオフガスに含まれる有害イオンを水分とともに分離することが可能となる。さらに、カソードオフガスの水分を除去することにより、低温環境下での白煙発生を防止することが可能となる。
【００１３】
前記燃料電池から排出されるカソードオフガスは、供給される水素ガスにほぼ比例しており、供給される水素ガスが増加すると、排出されるカソードオフガスも増加する。本発明は、前記水素ガスとカソードオフガスとの間で熱交換を行っており、供給される水素ガスと排出されるカソードオフガスとが比例して増減するため、熱交換のバランスが保たれ、効率よく熱交換を行うことが可能となる。
【００１４】
さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記温度検出手段と熱媒体制御手段を設け、温度検出手段によって検出された温度に基づいて熱媒体の流量を制御しており、前記水素ガスとカソードオフガスとの間で熱交換する熱量をほぼ均等に制御することができる。前記燃料電池システムは、水素供給通路とカソードオフガス通路との間で熱媒体を循環させて熱交換を行うため、例えば、燃料電池の起動直後等、燃料電池の温度が低い場合、燃料電池から排出されるカソードオフガスの温度が低く、水素ガスとの熱交換により、カソードオフガスが過冷却される虞がある。しかし、前記熱媒体の流量を制御することにより、前記カソードオフガスの過冷却を防ぎ、カソードオフガス中に含まれる水分の凍結を防止できる。
【００１５】
従って、前記カソードオフガス又は熱媒体の温度に基づく熱媒体の流量の制御とは、前記カソードオフガスが凍結しないような熱媒体の流量の調整である。例えば、カソードオフガスの温度が低く、冷却を抑えた方がよい場合には、熱媒体の流量を抑えて、カソードオフガスに含まれる水分の凍結を防ぐことができる。
【００１６】
尚、前記熱媒体制御手段は、前記カソードオフガスの凍結を防止するように熱媒体の流量を制御できるものであればよく、後述する気液分離器を備えた燃料電池システムにおいては、カソードオフガスの温度を反映する気液分離器の温度を温度検出手段によって検出し、その検出された気液分離器の温度に基づいて熱媒体の流量を制御してもよい。
【００１７】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記熱媒体が気体であることが望ましい。前記熱媒体は、水素供給通路の水素ガスとカソードオフガス通路との間で循環し、水素ガスとカソードオフガスとの間で熱交換を行う。前記水素ガスは、貯蔵状態によっては氷点下であり、熱媒体が氷点下以下に冷却されることもある。従って、熱媒体は、水素ガスとの熱交換によって凍結しない流体であることが望ましく、例えば熱媒体を気体とすることにより、熱媒体自体の凍結を効果的に防止することができる。
【００１８】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記カソードオフガス通路上に設けられ、カソードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離器を更に備え、前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記気液分離器内で行われることを特徴としてもよい。
【００１９】
前記気液分離器とは、カソードオフガスを冷却、圧縮等することによりカソードオフガス中の水分を分離する装置である。前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換を気液分離器内で行うことにより、水分が分離されるカソードオフガス又は気液分離器を冷却して、気液分離器によるカソードオフガス中の水分の分離効果を促進させることができる。
【００２０】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換が、前記カソードオフガスを前記カソードオフガス通路に排出する燃料電池のカソードオフガス排出口の直下流で行われることを特徴としてもよい。
【００２１】
前記燃料電池のカソードオフガス排出口の直下流で前記熱交換を行うことにより、前記カソードオフガス排出口の直下流においてカソードオフガスを冷却して、カソードオフガス中の水分を分離することができる。従って、カソードオフガス通路を通るカソードオフガスの水分含有量を早い段階で少なくすることができ、カソードオフガスに含まれるフッ素イオン等の有害イオンを水分とともに分離して、カソードオフガス通路の腐食をより効果的に防止することが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明に係る燃料電池システムは、前記カソードオフガス通路上に設けられ、
カソードオフガスに含まれる水分を分離する気液分離器を更に備え、前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記気液分離器と燃料電池の間のカソードオフガス通路上で行われること特徴としてもよい。
【００２３】
前記気液分離器と燃料電池の間のカソードオフガス通路上で前記熱交換を行うことにより、カソードオフガスを気液分離器に流入させる前にカソードオフガスを冷却することができる。従って、気液分離器に流入されるカソードオフガス中の水分含有量が少なくなり、気液分離器の水分の分離効果を促進させることができる。また、前記燃料電池のカソードオフガス排出口の直下流で前記熱交換を行う際と同様に、カソードオフガス通路内を通るカソードオフガスの有害イオンを可及的に減少させて、カソードオフガス通路の腐食を効果的に防止することができる。
【００２４】
また、本発明に係る燃料電池システムは、前記カソードオフガス通路の一部を構成し、前記カソードオフガス通路を通るカソードオフガスを大気へ排出するマフラーを更に備え、前記熱交換手段のカソードオフガス通路での熱交換は、前記マフラー内で行われることを特徴としてもよい。
【００２５】
近年、燃料電池システムは、小型化が求められており、特に燃料電池を燃料とする電気自動車においては省スペースに前記カソードオフガス通路等の種々の通路、機器を配置しなければならず、配置の制限が伴うことがある。また。前記燃料電池から排出されるカソードオフガスは、必要に応じて気液分離器等により、水分を分離した後、カソードオフガス通路の出口となるマフラーから大気（燃料電池システム外）へ排出される。
【００２６】
前記マフラーは、燃料電池システム外にカソードオフガスを排出する出口であり、その配置は燃料電池システムの中心ではなく、端部となる。すなわち、前記マフラーは、前記燃料電池システム内において、配置の制限が少ない位置に配置されており、当該マフラーに熱交換手段を配置することにより、他の通路、装置等の配置の制限を緩和することが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、水素ガスと酸化ガスとの電気化学反応にて電気エネルギを得る燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される水素ガスと燃料電池から排出されるカソードオフガスとで熱交換を行い、前記カソードオフガスに含まれる水分の凍結を防ぎつつ当該水分を効果的に分離することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
発明に係る燃料電池システムの実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２９】
図１は、本発明が適用される燃料電池システムのシステム構成図である。この燃料電池システムは、電解質層の両面にアノード及びカソードが接合された燃料電池１０と、燃料である水素ガスを貯蔵した水素タンク１１と、酸化ガスを供給する空気供給装置としてのエアコンプレッサ１２と、燃料電池１０に供給される水素ガスが通る水素供給通路２１と、燃料電池１０に供給される酸化ガスが通る酸素供給通路２２と、燃料電池１０のアノード側から排出されるアノードオフガスを水素供給通路２１に循環させる水素循環通路２３と、燃料電池１０のカソード側から排出されるカソードオフガスが通るカソードオフガス通路２４と、水素ガスとカソードオフガスとの間で熱交換を行う熱交換システム３０と、を備えている。
【００３０】
燃料電池１０は、水素と酸素とを電解質を介して電気化学的に反応させて電気エネルギ
を得るものである。本実施の形態に係る燃料電池１０は、燃料電池を動力源として走行する電気自動車において多用されている固体高分子電解質型燃料電池である。
【００３１】
燃料電池１０には、水素タンク１１より水素が供給され、エアコンプレッサ１２より酸素を含んだ酸化ガスが供給されるように構成されている。水素タンク１１には、液体水素が貯蔵されている。液体水素は、水素供給通路２１に設けられた気化装置１３によって気化されて燃料電池１０に供給される。また、酸素供給通路２２には、加湿器１４が設けられており、エアコンプレッサ１２から供給される酸化ガスは加湿器１４によって加湿されて、燃料電池１０に供給される。
【００３２】
燃料電池１０に供給された水素ガスと酸化ガスは、燃料電池１０で電気化学的に反応して、燃料電池のカソード側からは水分を含んだカソードオフガスが排出される。また、この電気化学反応において未反応の水素ガスは、燃料電池のアノード側からアノードオフガスとして排出され、水素循環通路２３を経て水素供給通路２１に循環される。これにより、燃料電池１０から排出された水素ガスを再度燃料電池１０の燃料として用いることができる。
【００３３】
尚、本実施の形態では、アノードオフガスをそのまま水素供給通路２１に供給したが、アノードオフガスに水分が含まれている場合には、水素循環通路２３に気液分離器を設け、アノードオフガスに含まれる水分を除去してから水素供給通路２１に供給するように構成してもよい。
【００３４】
燃料電池１０のカソード側から排出されたカソードオフガスは、燃料電池１０における電気化学反応により、水分を含み、その温度は上昇している。カソードオフガス通路２４には、カソードオフガス中の水分を分離するための気液分離器１５が設けられている。燃料電池１０から排出されたカソードオフガスは、気液分離器１５によって水分が分離され、カソードオフガス通路２４の出口に設けられたマフラー１６から大気に排出される。
【００３５】
前記熱交換システム３０は、本発明における熱交換手段であり、水素供給通路２１に設けられた第一熱交換器３１と、気液分離器１５内に設けられた第二熱交換器３２と、第一熱交換器３１と第二熱交換器３２との間を循環する熱媒体が通る熱媒体循環通路３３と、熱媒体循環通路３３内に熱媒体を循環させる熱媒体ポンプ３４と、を備えている。
【００３６】
熱交換システム３０は、熱媒体ポンプ３４によって熱媒体循環通路３３内で熱媒体を循環させることで、水素供給通路２１を通る水素ガスとカソードオフガス通路２４を通るカソードオフガスとの間で熱交換を行わせるシステムである。具体的には、水素タンク１１に貯蔵されている液体水素が水素タンク１１外に放出されたとき、水素ガスの液体から気体への変化に伴う気化熱および断熱膨張作用による吸熱によって、該水素ガスの温度が比較的低くなる。そこで、第一熱交換器３１においては、この比較的低温の水素ガスと熱媒体との間で熱交換を行わせることで、水素ガスの温度を上昇させるとともに熱媒体の温度を低下させる。その結果、より高温の水素ガスを燃料電池１０に供給することが可能となり、発電効率の向上が図られる。また、第一熱交換器３１は、水素タンク１１と気化装置１３の間に配置されている。そこで、第一熱交換器３１によって温度上昇された水素ガスを気化装置１３に流入させるため、気化装置１３の負荷を軽減することができる。
【００３７】
次に、第一熱交換器３１によって冷却された熱媒体が熱媒体ポンプ３４の作用により第二熱交換器３２に送られる。その結果、燃料電池１０から排出される比較的高温のカソードオフガスを冷却することができる。即ち、燃料電池１０における電気化学反応によって生じる水（水蒸気）を含む比較的高温のカソードオフガスと、冷却された熱媒体との間で熱交換を行うことで、カソードオフガスの冷却と熱媒体の温度上昇が図られる。カソード
オフガスの冷却の結果、カソードオフガス中の水分を分離しやすくすることができる。本実施の形態では、気液分離器１５内に第二熱交換器３２が配置されており、カソードオフガスとともに気液分離器１５も冷却することができ、気液分離器１５によって更に効果的にカソードオフガス中の水分を分離することが可能となる。
【００３８】
尚、第二熱交換器３２において温度上昇された熱媒体は、熱媒体ポンプ３４によって循環され再び第一熱交換器３１に送られ、上述した第一熱交換器３１における熱交換に供される。このように、熱交換システム３０によって、水素供給通路２１を通る水素ガスとカソードオフガス通路２４を通るカソードオフガスとの間で熱交換を行い、水素ガスの温度上昇による燃料電池１０の発電効率の向上と、カソードオフガスの冷却による水分の分離の両立が図られる。
【００３９】
ここで、燃料電池１０の負荷が上昇する場合、該負荷に対応するために燃料電池１０による発電量を増加させる必要がある。このとき、水素タンク１１からの水素供給量は増加するとともに、発生するカソードオフガスも増加する。換言すると、水素タンク１１からの水素放出に伴う水素ガスの気化熱量および吸熱量が大きくなるとともに、カソードオフガスの発熱量も大きくなる。このように、上記の燃料電池システムにおいては、燃料電池１０の負荷が変動しても、水素ガスの気化熱量および吸熱量と、カソードオフガスの発熱量とのバランスが保たれるため、燃料電池１０の負荷にかかわらず安定した熱交換を行うことが可能となる。
【００４０】
しかし、燃料電池１０のおかれる環境等によっては、上述した熱交換によってカソードオフガスが過度に冷却される等の弊害が生じる場合がある。そこで、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池１０の周囲の外気温度を検出する外気温度センサ１９と、気液分離器１５の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ２０と、熱媒体ポンプ等を制御する熱媒体制御手段としての電子制御装置（ＥＣＵ）３０と、を更に備える。外気温度センサ１９および温度センサ２０によるそれぞれの検出温度は、ＥＣＵ４０に入力されるように構成されている。
【００４１】
そして、ＥＣＵ４０は、外気温度センサ１９および温度センサ２０の検出温度に基づいて予め設定されたプログラムに従って、熱媒体ポンプ３４を制御しており、カソードオフガスが過度に冷却されないように、熱媒体の流量を調整する。この熱媒体の流量を制御するための、上記構成の燃料電池システムにおける熱交換制御について、図２に示すフローチャートに基づいて説明する。尚、該熱交換制御はＥＣＵ４０によって一定間隔で繰り返し実行されるルーチンである。
【００４２】
Ｓ１０１では、外気温度センサ１９によって燃料電池１０の周囲の外気温度と、温度センサ２０によって気液分離器１５の温度がそれぞれ検出される。Ｓ１０１の処理が終了すると、Ｓ１０２へ進む。
【００４３】
Ｓ１０２では、Ｓ１０１で検出された外気温度が予め設定された設定温度Ｔ１より低いか又はＳ１０１で検出された気液分離器１５の温度が予め設定された設定温度Ｔ２より低いか否かが判定される。ここで、設定温度Ｔ１およびＴ２は、熱交換システム３０によって熱媒体を循環させ熱交換を行わせると、カソードオフガスが過度に冷却されて凍結する虞がある場合の、外気温度の閾値および気液分離器１５の温度の閾値である。即ち、外気温度が設定温度Ｔ１より低い状態で又は気液分離器１５の温度が設定温度Ｔ２より低い状態で、熱交換システム３０によって熱交換を行うと、第二熱交換器３２によるカソードオフガスの冷却でカソードオフガス中の水分が凍結する虞がある。従って、Ｓ１０２では、カソードオフガスの水分凍結の虞があるか否かを、外気温度もしくは気液分離器１５の温度に基づいて判定する。
【００４４】
そこで、外気温度が設定温度Ｔ１より低いか又は気液分離器１５の温度が設定温度Ｔ２より低いかの何れかが肯定判定されると、カソードオフガス中の水分が凍結する虞があると判断し、Ｓ１０３に進む。一方で、それ以外の判定が為されると、カソードオフガス中の水分が凍結する虞はないと判断し、Ｓ１０４へ進む。
【００４５】
Ｓ１０３では、熱媒体ポンプ３４の稼動を止める。これにより、熱媒体循環通路３３中の熱媒体の循環が停止され、熱交換システム３０によるカソードオフガスの冷却が行なわれなくなる。Ｓ１０３の処理後、本制御を終了する。
【００４６】
また、Ｓ１０４では、Ｓ１０１で検出された気液分離器１５の温度が予め設定された設定温度Ｔ３より高いか否かが判定される。この設定温度Ｔ３は上述の設定温度Ｔ２より高い温度であって、カソードオフガスの冷却が必要と判断されるときの気液分離器１５の温度、即ち冷却が必要であるカソードオフガスによって温度上昇したときの気液分離器１５の温度である。
【００４７】
そこで、気液分離器１５の温度が設定温度Ｔ３より高いと判定されると、Ｓ１０５へ進み、熱媒体ポンプ３４の出力を上げ、熱媒体循環通路３３を流れる熱媒体の流量を上昇させる。これにより、カソードオフガス通路２４を流れるカソードオフガスの冷却が促進される。また、気液分離器１５の温度が設定温度Ｔ３より高くないと判定されると、Ｓ１０６へ進み、熱媒体ポンプ３４の出力を下げ、熱媒体循環通路３３を流れる熱媒体の流量を低下させる。これにより、カソードオフガス通路２４を流れるカソードオフガスの冷却を抑制し、過度な冷却が回避される。Ｓ１０５の処理後又はＳ１０６の処理後、本制御を終了する。
【００４８】
本制御によると、図１に示す燃料電池システムにおいて、熱媒体によるカソードオフガスの冷却の強弱が、カソードオフガス温度を反映した気液分離器１５の温度もしくは外気温度に基づいて制御される。その結果、カソードオフガス中の水分が過冷却により凍結することを回避することが可能となる。
【実施例２】
【００４９】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第二の実施例について、図３に基づいて説明する。本実施例の燃料電池システムと、上述の第一の実施例に係る燃料電池システムとの相違点は、第二熱交換器が配置される場所である。それ以外の構成については第一の実施例と同様であるため、同一の構成には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５０】
本実施例の燃料電池システムにおける熱交換システム５０は、第一熱交換器３１、第二熱交換器５２、熱媒体循環通路５３、熱媒体ポンプ３４によって構成される。第二熱交換器５２は、燃料電池１０のカソードオフガス排出口の直下流であって、燃料電池１０と加湿器１４との間のカソードオフガス通路２４上に設けられている。そして、熱媒体循環通路５３は、第一熱交換器３１と第二熱交換器５２との間に熱媒体を循環させる通路である。
【００５１】
このように構成される熱交換システム５０によって、第一の実施例のようにカソードオフガス通路２４を流れるカソードガスを冷却し、該ガス中に含まれる水分を効果的に分離することが可能となる。ここで、第二熱交換器５２が燃料電池１０のカソードオフガス排出口の直下流に設けられていることで、早い段階で、カソードオフガス中の水分を分離させるため、ガス中に含まれるフッ素イオン等の有害イオンも水分とともにガスから分離させることが可能となる。その結果、カソードオフガス通路２４を流れるカソードオフガス
中に含まれる有害イオンの量を減らすことができ、該有害イオンの外部への放出を抑制するとともに、該有害イオンによるカソードオフガス通路２４の腐食を防止し得る。
【００５２】
さらに、第二熱交換器５２は、燃料電池１０のカソードオフガス排出口の直下流であって、燃料電池１０と加湿器１４との間のカソードオフガス通路２４上に設けられており、カソードオフガスから分離した水分を加湿器１４に循環させることができ、システムの効率を向上させることができる。
【００５３】
また、本実施例に係る燃料電池システムにおいても、図２に示す熱交換制御を実行することが可能であり、それによりカソードオフガスの過冷却を防止することが可能となる。
【実施例３】
【００５４】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第三の実施例について、図４に基づいて説明する。本実施例の燃料電池システムと、上述の第一の実施例に係る燃料電池システムとの相違点は、第二熱交換器が配置される場所である。それ以外の構成については第一の実施例と同様であるため、同一の構成には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５５】
本実施例の燃料電池システムにおける熱交換システム６０は、第一熱交換器３１、第二熱交換器６２、熱媒体循環通路６３、熱媒体ポンプ３４によって構成される。第二熱交換器６２は、加湿器１４と気液分離器１５との間のカソードオフガス通路２４上に設けられている。そして、熱媒体循環通路６３は、第一熱交換器３１と第二熱交換器６２との間に熱媒体を循環させる通路である。
【００５６】
このように構成される熱交換システム６０によって、第一の実施例のようにカソードオフガス通路２４を流れるカソードガスを冷却し、該ガス中に含まれる水分を効果的に分離することが可能となる。ここで、第二熱交換器６２が加湿器１４と気液分離器１５との間に設けられていることで、気液分離器１５に流入するカソードオフガス中の水分含有量を少なくして、気液分離器１５による水分の分離効果における負担を減少させることが可能となる。また、第二熱交換器６２をより上流側に設けることで、第二の実施例と同様に、カソードオフガス中に含まれる有害イオンの外部への放出を抑制するとともに、該有害イオンによるカソードオフガス通路２４の腐食を可及的に防止し得る。
【００５７】
また、本実施例に係る燃料電池システムにおいても、図２に示す熱交換制御を実行することが可能であり、それによりカソードオフガスの過冷却を防止することが可能となる。
【実施例４】
【００５８】
次に、本発明に係る燃料電池システムの第四の実施例について、図５に基づいて説明する。本実施例の燃料電池システムと、上述の第一の実施例に係る燃料電池システムとの相違点は、第二熱交換器が配置される場所である。それ以外の構成については第一の実施例と同様であるため、同一の構成には同一の参照番号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００５９】
本実施例の燃料電池システムにおける熱交換システム７０は、第一熱交換器３１、第二熱交換器７２、熱媒体循環通路７３、熱媒体ポンプ３４によって構成される。第二熱交換器７２は、前記マフラー１６内に設けられている。そして、熱媒体循環通路７３は、第一熱交換器３１と第二熱交換器６２との間に熱媒体を循環させる通路である。
【００６０】
このように構成される熱交換システム７０によって、第一の実施例のようにカソードオフガス通路２４の一部でもあるマフラー１６を流れるカソードオフガスを冷却し、該ガス
中に含まれる水分を効果的に分離することが可能となる。ここで、第二熱交換器７２が、比較的大きさの制限の少ないマフラー１６内に設けられることで、燃料電池システムを構成する熱交換システム７０に要する空間容積を可及的に小さくすることが可能となり、第二熱交換器７２を除くその他の構成要素の配置の制限を緩和することが可能となる。これは、燃料電池システムが空間容積の制限が厳しい条件下で使用される場合、例えば該燃料電池システムが搭載される車両が比較的小型のものである場合等に、特に有用である。
【００６１】
また、本実施例に係る燃料電池システムにおいても、図２に示す熱交換制御を実行することが可能であり、それによりカソードオフガスの過冷却を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の第一の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明の実施例に係る燃料電池システムにおける処理を示すフローチャートである。
【図３】本発明の第二の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図４】本発明の第三の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【図５】本発明の第四の実施例に係る燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００６３】
１０・・・・燃料電池
１１・・・・水素タンク
１５・・・・気液分離器
１６・・・・マフラー
１９・・・・外気温度センサ
２０・・・・温度センサ
２１・・・・水素供給通路
２２・・・・酸素供給通路
２４・・・・カソードオフガス通路
３０、５０、６０、７０・・・・熱交換システム
３１・・・・第一熱交換器
３２、５２、６２、７２・・・・第二熱交換器
３３、５３、６３、７３・・・・熱媒体循環通路
３４・・・・熱媒体ポンプ
４０・・・・ＥＣＵ
【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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