(57)【要約】      （修正有）【課題】低温環境下において、燃料電池システムに設けられた熱交換部内部の凍結による閉塞状態が起こることを抑制し、熱交換部を早期に昇温させる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１から排出される酸化剤ガスの排出経路３１に設けられ、外気と酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換部を有する熱交換器３４と、燃料電池１から伝熱される熱媒体の通過経路である熱媒体経路を備える燃料電池システムにおいて、熱媒体経路を熱交換部と熱的に接続させる。これにより、熱交換器３４の熱交換部は熱交換媒体と熱交換をすることができるため、早期に熱交換部を昇温することができ、熱交換器３４内部の閉塞状態を解消することができる。【選択図】図１
2008123840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）から排出される前記酸化剤ガスの排出経路（３１）に設けられ、外気と前記酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換部（４２）を有する熱交換器（３４）と、
前記燃料電池（１）から伝熱される熱媒体の通過経路である熱媒体経路を備え、
前記熱媒体経路は、前記熱交換部（４２）と熱的に接続されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガスを前記熱交換部（４２）をバイパスさせるバイパス経路（４１）と、
前記酸化剤ガスの流路を前記熱交換部（４２）側又は前記バイパス経路（４１）側に切り替える流路切替手段とを備え、
前記熱媒体は、前記燃料電池（１）から排出される前記酸化剤ガスであり、前記熱媒体経路は、前記バイパス経路（４１）から構成され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】
前記バイパス経路（４１）は、前記熱交換部（４２）と直接接触されてい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】
前記熱交換器（３４）は、前記熱交換部（４２）の入口に設けられた入口側タンク（４３）と前記熱交換部（４２）の出口に設けられた出口側タンク（４４）を備えており、
前記バイパス経路（４１）の少なくとも一部が、前記入口側タンク（４３）又は前記出口側タンク（４４）の少なくとも一方の内部に配置されており、
前記バイパス経路（４１）は、前記入口側タンク（４３）又は前記出口側タンク（４４）を介して前記熱交換部（４２）と熱的に接続されてい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】
前記熱交換部（４２）と前記バイパス経路（４１）と前記流路切替手段は一体的な構成としたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記熱媒体は、前記燃料電池（１）の冷却システムの燃料電池冷却配管（６０）を通過する燃料電池冷却液であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記熱媒体は、燃料電池（１）から電力を供給される電気機器の冷却システムの電気機器冷却配管を通過する電気機器冷却液であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記流路切替手段は、流路切替弁（４０）による流路切替を制御する流路切替制御手段と、
前記熱交換器（３４）出口の酸化剤ガス温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段による前記熱交換器（３４）出口の前記酸化剤ガス温度が所定温度以下の場合に、前記熱交換器（３４）内部の水分が凍結する所定凍結温度を下回るか否かを判定する凍結判定手段とを備え、
前記流路切替制御手段は前記凍結判定手段の判定結果により前記流路切替弁（４０）を切り替える制御を行うことを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記流路切替手段は、前記バイパス経路（４１）を開放又は閉鎖する弁体（５０）と、
前記弁体に弾性力を作用させる弾性部材（５１）とを備え、
前記弾性部材（５１）は、前記バイバス経路（４１）における前記弁体（５０）が設けられた位置よりも上流側の圧力が所定圧力を超えた場合に前記弁体（５０）を開放位置にし、所定圧力を超えない場合に前記弁体（５０）を閉鎖位置にすることを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれか１つ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、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素と空気（酸素）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。燃料電池システムでは、発電に伴い水が発生する。そこで、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮回収し、回収された水を燃料電池に供給して潜熱冷却を行う燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１１−３１７２３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、燃料電池からの排出空気に含まれる水を凝縮させる熱交換器が車載された場合、熱交換器に設けられた送風ファンを駆動しなくても、車両の走行風が熱交換器に供給される場合がある。その時、低温環境下においては、熱交換器内部の水分が凍結し、熱交換器内部が閉塞してしまうことがあった。
【０００４】
そのため、閉塞を防止するために熱交換器に供給される燃料電池からの排出空気をバイパスする方法も知られているが、燃料電池からの排出空気をバイパスさせた場合であっても、熱交換器に熱を伝熱する手段がないので、熱交換器内部が凍結すると長時間熱交換器に排出空気を流すことができない。その結果、排出空気に含まれる生成水の回収量が不足し冷却能力が足りなくなる問題があった。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、熱交換器内部において凍結による閉塞状態が起こることを抑制し、熱交換器を早期に昇温させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の特徴は、酸化剤ガスと燃料ガスとを電気化学反応させて電力を得る燃料電池（１）と、燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスの排出経路（３１）に設けられ、外気と酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換部（４２）を有する熱交換器（３４）と、燃料電池（１）から伝熱される熱媒体の通過経路である熱媒体経路を備え、熱媒体経路は、熱交換部（４２）と熱的に接続されていることである。
【０００７】
これにより、燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスの排出経路（３１）に設けられた熱交換器（３４）内部が凍結し閉塞状態になる場合であっても、燃料電池（１）の廃熱が伝熱される熱媒体の通過経路である熱媒体経路と熱交換部（４２）とが接続され、熱交換部（４２）は熱交換媒体と熱交換をすることができるため、早期に熱交換部（４２）を昇温することができ、熱交換器（３４）内部の閉塞状態を解消することができる。
【０００８】
なお、燃料電池システム以外の系から熱の供給を受けることなく効率よく熱交換器（３４）内部の閉塞状態を解消することができる。ここで、燃料電池（１）の廃熱には、燃料電池（１）から直接発生する熱に限られず、燃料電池（１）の発電に伴い発生する電力を利用する電気機器等から発生する熱も含むものとする。
【０００９】
また、酸化剤ガスを熱交換部（４２）をバイパスさせるバイパス経路（４１）と、酸化剤ガスの流路を熱交換部（４２）側又はバイパス経路（４１）側に切り替える流路切替手段とを備え、熱媒体は、燃料電池（１）から排出される酸化剤ガスであり、熱媒体経路は、バイパス経路（４１）から構成する場合は、燃料電池（１）の廃熱として酸化剤ガスが有する熱を利用して、バイパス経路（４１）を通過する酸化剤ガスの熱を熱交換部（４２）に伝熱することができるため、早期に熱交換部（４２）を昇温することができ、熱交換器（３４）内部の閉塞状態を解消することができる。また、流路切替手段により排出空気の流路をバイパス経路（４１）側に切り替えることができる。
【００１０】
また、バイパス経路（４１）は、熱交換部（４２）と直接接触している構成とする場合は、熱交換部（４２）とバイパス経路（４１）は熱的に直接に接するため高効率で早期に熱交換器（３４）を昇温することができる。
【００１１】
また、熱交換器（３４）は、熱交換部（４２）の入口に設けられた入口側タンク（４３）と熱交換部（４２）の出口に設けられた出口側タンク（４４）を備えており、バイパス経路（４１）の少なくとも一部が、入口側タンク（４３）又は出口側タンク（４４）の少なくとも一方の内部に配置されている構成とする場合は、熱交換部（４２）とバイパス経路（４１）の少なくとも一部は熱的に直接又は熱交換部（４２）の入口側タンク（４３）又は出口側タンク（４４）を介して接するため、早期に熱交換部（４２）を昇温することができる。さらに、バイパス経路（４１）が入口側タンク（４３）又は出口側タンク（４４）の内部に配置されるため、省スペースで搭載性を向上させることができる。
【００１２】
また、熱交換部（４２）とバイパス経路（４１）と流路切替手段は一体的な構成とする場合は、より省スペースで搭載性を向上させることができる。
【００１３】
また、熱媒体は、燃料電池（１）の冷却システムの燃料電池冷却配管を通過する燃料電池冷却液である構成とする場合は、燃料電池（１）の廃熱として冷却システムの燃料電池冷却配管を通過する燃料電池冷却液が有する熱を利用して熱交換部（４２）を昇温することができ、熱交換器（３４）の閉塞状態を解消することができる。また、燃料電池（１）の冷却システムの燃料電池冷却液の温度を下げることができる。
【００１４】
また、熱媒体は、燃料電池（１）から電力を供給される電気機器の冷却システムの電気機器冷却配管を通過する電気機器冷却液である構成とする場合、燃料電池（１）の廃熱として燃料電池（１）から電力を供給される電気機器の冷却システムの電気機器冷却液が有する熱を利用して熱交換部（４２）を昇温することができ、熱交換器（３４）の閉塞状態を解消することができる。また、電気機器の冷却システムの電気機器冷却液の温度を下げることができる。
【００１５】
また、流路切替手段は、流路切替弁（４０）による流路切替を制御する流路切替制御手段と、熱交換器（３４）出口の酸化剤ガス温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段による熱交換器（３４）出口の酸化剤ガス温度が所定温度以下の場合に、熱交換器（３４）内部の水分が凍結する所定凍結温度を下回るか否かを判定する凍結判定手段とを備え、流路切替制御手段は凍結判定手段の判定結果により流路切替弁（４０）を切り替える制御を行う構成とすることが可能である。
【００１６】
これにより、凍結判定手段により熱交換器（３４）の状態を推定でき、流路切替制御手段によりバイパス経路（４１）の切替制御を行うことができるため、凍結判定手段が凍結と判定した場合にはバイパス経路（４１）を開放する制御を行い、凍結と判定しない場合にはバイパス経路（４１）を閉鎖する制御を行うことができる。そのため、適切なバイパス経路（４１）の開閉を制御することにより、熱交換部（４２）を昇温することができ、熱交換器（３４）の閉塞状態を解消することができる。
【００１７】
また、流路切替手段は、バイパス経路（４１）を開放又は閉鎖する弁体（５０）と、弁体（５０）に弾性力を作用させる弾性部材（５１）とを備え、弾性部材（５１）は、バイバス経路（４１）における弁体（５０）が設けられた位置よりも上流側の圧力が所定圧力を超えた場合に弁体（５０）を開放位置にし、所定圧力を超えない場合に弁体（５０）を閉鎖位置にする構成とした場合、より簡素な構成で排出空気の排出経路（３１）の切り替えをすることができ、搭載性を向上することができる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池１を走行用駆動源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に搭載したものである。
【００２０】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１を備えている。燃料電池１は、二次電池３、走行用モータ５、補機等の電気機器に電力を供給するように構成されている。
【００２１】
本実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数積層されて構成されている。各燃料電池セルは、プロトン伝導性のイオン交換膜からなる電解質膜とその両側面に配置された電極とから構成されている。電極は触媒層とガス拡散層とから構成されている。一方の電極は、酸化剤ガスとしての空気が供給される空気極（カソード）として構成され、他方の電極は、燃料ガスとしての水素が供給される水素極（アノード）として構成されている。
【００２２】
燃料電池１では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
【００２３】
（水素極側）  Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（酸素極側）  ２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池１と二次電池３との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ２は、燃料電池１から二次電池３、あるいは二次電池３から燃料電池１への、電力の流れをコントロールするものである。
【００２４】
燃料電池１および二次電池３と走行用モータ５との間に走行用インバータ４が配置されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２を経由した燃料電池１からの電力あるいは二次電池３からの電力が走行用インバータ４へ供給される。なお、走行用インバータ４は燃料電池１とＤＣ−ＤＣコンバータ２の間に接続してもよい。走行用インバータ４は、走行用モータ５を駆動させ、あるいは電力を回生させるためのインバータである。
【００２５】
燃料電池システムには、外気温を検出する第１温度センサ１３と車両の速度を検出する車速検出センサ１５が設けられている。
【００２６】
燃料電池システムには、燃料電池１の水素極に供給される水素ガスが通過する水素供給経路２０と、燃料電池１の水素極から排出される水素極側排ガスが通過する水素排出経路２１が設けられている。水素供給経路２０の最上流部には、燃料電池１の水素極に水素ガスを供給するための水素供給装置２２が設けられている。本実施形態では、水素供給装置２２として、高圧の水素が充填された水素タンクを用いている。
【００２７】
水素供給経路２０には、上流側から順に第１シャット弁２３、調圧装置２４、第２シャット弁２５が設けられている。燃料電池１に水素を供給する際には、第１シャット弁２３と第２シャット弁２５を開き、調圧装置２４によって所望の水素圧力にして燃料電池１に供給する。車両停止時には、安全の為第１シャット弁２３、第２シャット弁２５は閉められる。
【００２８】
水素排出配管２１には、第３シャット弁２６が設けられている。必要に応じて第３シャット弁２６を開くことで、燃料電池１の水素極側から水素排出配管２１を介して、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）および空気極側から電解質膜を通過して水素極側に混入した窒素、酸素などの不純物が排出される。
【００２９】
燃料電池システムには、燃料電池１の酸素極に供給される酸素ガス（空気）が通過する空気供給経路３０と、燃料電池１の酸素極から排出される空気極側排ガスが通過する空気排出経路３１が設けられている。空気供給経路３０には、空気を供給するための空気供給装置３２が設けられている。本実施形態では、空気供給装置３２として空気圧縮機を用いている。空気供給装置３２は図示しない圧縮機用モータと機械的に接続されている。
【００３０】
空気供給経路３０における空気供給装置３２の上流側には、燃料電池１に供給される空気の流量を検出する空気流量検出手段としてのエアフローセンサ１０が設けられている。また、空気排出経路３１には、所望の圧力になるよう空気の排気圧力（燃料電池１の背圧）を調整する調圧装置３３が設けられている。なお、燃料電池１から排出される空気は燃料電池１の熱が伝熱されて高温状態となっている。
【００３１】
燃料電池１は発電に伴い熱を生じる。燃料電池１の発電に伴い発生する熱を冷却するため、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システムが設けられている。
【００３２】
冷却システムには、燃料電池１に冷却液（熱媒体）を循環させる燃料電池冷却経路６０、冷却液を循環させるウォータポンプ６３、ウォータポンプ６３を駆動する電動モータ、ファン６２を備えたラジエータ６１が設けられている。燃料電池１で発生した熱は、冷却液を介してラジエータ６１で系外に排出される。
【００３３】
また、燃料電池冷却経路６０における燃料電池１の出口側近傍には、燃料電池１から流出した冷却液の温度を検出する第２温度センサ１４が設けられている。第２温度センサ１４により冷却液温度を検出することで、燃料電池１の温度Ｔｆｃを間接的に検出することができる。第２温度センサ１４を燃料電池１本体に直接設置し、燃料電池１の温度Ｔｆｃを直接的に検出してもよい。
【００３４】
さらに、燃料電池システムには、燃料電池１を冷却するために潜熱冷却システムが設けられている。潜熱冷却システムには、空気排出経路３１を通過する空気（空気極側排出ガス）に含まれる水分を凝縮させるファン３５を備えた凝縮器３４、凝縮器３４により凝縮された水を分離する気液分離器３６が設けられている。ここで、凝縮器３４は、本発明の熱交換器に該当する。気液分離器３６は、空気排出経路３１における凝縮器３４の下流側に設けられている。
【００３５】
また、潜熱冷却システムには、気液分離器３６により分離された水を貯蔵する水回収タンク３７、水回収タンク３７に貯蔵された水を燃料電池１に供給するための水供給配管６４、水供給配管６４を通過する水を供給させる水供給ポンプ６５が設けられている。図示しない水供給ポンプ用モータを回転させることにより水供給ポンプ６５を回転させて水供給配管６４を介して燃料電池１に水回収タンク３７内の水を供給する。供給された水が、蒸発する際の潜熱により冷却されることで燃料電池１の潜熱冷却を行う。
【００３６】
図２は、本第１実施形態で用いる凝縮器３４の全体構成であり、図２（ａ）は凝縮器３４の正面図、図２（ｂ）は凝縮器３４の側面図を示している。図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、凝縮器３４は、排出空気が流通する複数本のチューブ、チューブの外表面に接合された波状のフィンからなる熱交換部４２、チューブにおける排出空気の流入出方向両端側に設けられて複数本のチューブと連通する入口側タンク４３、出口側タンク４４および、入口側タンク４３および出口側タンク４４と連通するバイパス経路４１から構成される。
【００３７】
バイパス経路４１は、熱交換部４２、入口側タンク４３および出口側タンク４４に接合されている。本実施形態では、熱交換部４２、入口側タンク４３、出口側タンク４４およびバイパス経路４１の凝縮器３４を構成する部品はアルミニウム合金製であり、これらはろう付けにて一体接合される。ここで、凝縮器３４の構成は、アルミニウム合金製であるため低コストで製作することができ、ろう付けにて一体接合されるため、コンパクトな構成となり搭載性を向上させることができる。
【００３８】
また、バイパス経路４１は、バイパス経路４１の上流側に空気導入口４５が設けられ、空気導入口４５と凝縮器３４の上流側の空気排出経路３１とを接続することで、排出空気をバイパス経路４１又は入口側タンク４３に流す。
【００３９】
出口側タンク４４は、空気排出口４６が設けられ、空気排出口４６と凝縮器３４の下流側の空気排出経路３１とを接続することで、排出空気を気液分離器３６に流す。なお、バイパス経路４１を通過する排出空気の熱と熱交換部４２との伝熱面積を広げるために、出口側タンク４４に設けられた空気排出口４６をバイパス経路４１と連通された一端に対して他端側近傍に設ける構成としている。
【００４０】
バイパス経路４１の上流側に設けられた排出空気の空気導入口４５には排出空気の流路切替弁４０として電動式のロータリバルブが設けられている。流路切替弁４０は、排出空気の流路を熱交換部４２側又はバイパス経路４１側に切り替え可能に構成されている。
【００４１】
凝縮器３４の通常運転時は、流路切替弁４０は熱交換部４２側（Ａ方向）に切り替えられている。凝縮器３４が凍結による閉塞状態となる場合には、流路切替弁４０はバイパス経路４１側（Ｂ方向）に切り替えることで、燃料電池１から排出される排出空気はバイパス経路４１を流れ、バイパス経路４１を通過する排出空気の有する熱により凝縮器３４を昇温することができる。
【００４２】
なお、本実施形態では、流路切替弁４０として電動式のロータリバルブを用いているが、ロータリバルブに限定されるものではなく、他の電動式三方切替弁等を用いても良い。また、凝縮器３４が凍結による閉塞状態となり、凝縮器３４内部の圧力が異常に上昇しすぎるのを防止するため入口側タンク４３の上部には圧抜き弁４７を設けている。
【００４３】
図１に戻り、燃料電池システムには、各種制御を行う制御手段としての制御部１００（ＥＣＵ）が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部１００には、各種負荷からの要求電力信号、２次電池３からの充電量の関する信号、エアフローセンサ１０からの空気流量信号、圧力センサ１１、１２からの圧力信号、温度センサ１３、１４からの温度信号等が入力される。また、制御部１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２、二次電池３、走行用インバータ４、走行用モータ５、調圧弁２４、３３、シャット弁２３、２５、２６、ファン３５、６２、流路切替弁４０等に制御信号を出力するように構成されている。
【００４４】
次に、本実施形態の流路切替弁４０の制御を図３、図４に基づいて説明する。図３は、制御部１００のＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムに基づいて行う流路切替制御を示すフローチャートである。
【００４５】
本流路切替弁４０の制御に先立って、燃料電池１に空気および水素の供給が開始され、燃料電池１での発電が開始されているものとする。
【００４６】
まず、エアフローセンサ１０で空気供給経路３０におけるエア流量と、空気排出経路３１に設けられた圧力センサ１２で空気排出経路３１におけるエア圧力と、燃料電池１の発電量を検出する（Ｓ１０）。次に、凝縮器３４が凍結しているか否かの判定を行う（Ｓ１１）。
【００４７】
ここで、Ｓ１１の判定処理の内容について説明する。図４は、所定の発電量における、凝縮器３４が凍結していない場合のエア流量とエア圧力（通常エア圧力）とが関連付けられたマップ（図４の実線部）と、凝縮器３４が凍結している場合のエア流量とエア圧力（凍結判定圧力）とが関連付けられたマップ（図４の破線部）を示している。
【００４８】
上記通常エア圧力は、凝縮器３４が凍結していない状態において、圧力センサ１２で検出されるエア圧力であって、予め実験的に求められたものである。また、凍結判定圧力とは、凝縮器３４が凍結し熱交換部４２が閉塞しているか否かを判定するための基準圧力であり、通常エア圧力より高い圧力値として予め設定されている。
【００４９】
燃料電池１の発電量に応じて供給される酸素の消費量は増加するため、図４に示すマップは、各発電量に対して設定されており、各マップは制御部１００のＲＯＭ内に予め記憶されている。なお、圧力センサ１２で検出されるエア圧力は、空気排出経路３１に設けられた調圧装置３３が開放された状態で検出されている。
【００５０】
図４に示すように、圧力センサ１２で検出されるエア圧力が、凍結判定圧力（図４の破線部）を上回っている場合には、凝縮器３４は凍結しているものと判定することができる。
【００５１】
図３に戻り、凝縮器３４が凍結しているものと判定された場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）は、流路切替弁４０をバイパス経路４１側（Ｂ方向）に切り替える（Ｓ１５）。なお、流路切替弁４０がバイパス経路４１側（Ｂ方向）に切り替わっている場合は、その状態を維持する。
【００５２】
これにより、燃料電池１から排出された空気の流路は、空気排出経路３１→バイパス経路４１→出口側タンク４４→空気排出経路３１→気液分離器３６→外部となる。バイパス経路４１および出口側タンク４４に排出空気が導入されることにより、排出空気の熱が凝縮器３４の熱交換部４２に伝熱されるため、熱交換部４２は昇温する。この結果、凝縮器３４内部で凍結している水分が溶け、凝縮器３４の閉塞状態は解消する。
【００５３】
Ｓ１１の判定処理の結果、検出したエア圧力が凍結判定圧力を上回っていないと判定された場合（Ｓ１１：ＮＯ）には、さらに、第１温度センサ１３により外気温Ｔａ、第２温度センサ１４により燃料電池１の温度Ｔｆｃ、エアフローセンサ１０で空気排出経路３１におけるエア流量、車速検出センサ１５により車速、制御信号により電動ファン３５の状態を検出する（Ｓ１２）。
【００５４】
検出した上記情報から凝縮器３４凍結時の各情報のマップにより燃料電池１から排出された空気の熱交換量を推定する。推定された熱交換量に基づいて凝縮器３４出口の排出空気温度Ｔｈを算出する（Ｓ１３）。ここで、排出空気温度Ｔｈは、凝縮器３４における排出空気の熱交換量から算出しているが、凝縮器３４出口に第３温度センサを設け、第３温度センサで検出された温度を排出空気温度Ｔｈとしてもよい。
【００５５】
Ｓ１３で算出された排出空気温度Ｔｈが所定値（例えば、０℃）を下回っている場合には、凝縮器３４が凍結しているものと判定をすることができる（Ｓ１４）。Ｓ１４の判定処理の結果、凝縮器３４が凍結しているものと判定された場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）は、流路切替弁４０をバイパス経路４１側（Ｂ方向）に切り替える（Ｓ１５）。なお、流路切替弁４０がバイパス経路４１側（Ｂ方向）に切り替わっている場合は、その状態を維持する。
【００５６】
バイパス経路４１に排出空気が導入されることにより、排出空気の熱が凝縮器３４の熱交換部４２に伝熱されるため、熱交換部４２は昇温する。この結果、凝縮器３４内部で凍結している水分が溶け、凝縮器３４の閉塞状態は解消する。
【００５７】
Ｓ１４の判定処理の結果、算出された排出空気温度Ｔｈが、所定値を下回っていないと判定された場合（Ｓ１４：ＮＯ）には、流路切替弁４０を熱交換部４２側（Ａ方向）に切り替える（Ｓ１６）。なお、流路切替弁４０が熱交換部４２側（Ａ方向）に切り替わっている場合は、その状態を維持する。
【００５８】
これにより、燃料電池１から排出された空気の流路は、空気排出経路３１→入口側タンク４３→熱交換部４２→出口側タンク４４→空気排出経路３１→気液分離器３６→外部となる。
【００５９】
以上のように燃料電池１からの排出空気を凝縮器３４に設けたバイパス経路に流すことで、排出空気の熱により凝縮器３４の熱交換部４２を昇温することができ、燃料電池１からの廃熱を有効利用して低温環境下における凝縮器３４内部の閉塞状態を早期に解消することができる。
【００６０】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５、図６に基づいて説明する。本第２実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６１】
図５は、本第２実施形態で用いる燃料電池システムの主要構成を示している。図５に示すように、本第２実施例では燃料電池１を冷却するために設けられた潜熱冷却システムには、空気排出経路３１を通過する空気（空気極側排出ガス）に含まれる水分を凝縮させる凝縮器３４、凝縮器３４により凝縮された水を分離する気液分離器３６、凝縮器３４の上流側にバイパス経路４１と流路切替弁４０が設けられている。
【００６２】
バイパス経路４１は、空気排出経路３１における凝縮器３４の上流側で分岐しており、空気排出経路３１における調圧装置３３の下流側であって凝縮器３４の上流側と凝縮器３４の下流側であって気液分離器３６の上流側とを接続されている。流路切替弁４０は、バイパス経路４１と凝縮器３４上流側の空気排出経路３１との接続部に設けられている。
【００６３】
図６は、本第２実施形態で用いる凝縮器３４の全体構成を示している。図６（ａ）は凝縮器３４の正面図、図６（ｂ）は凝縮器３４の側面図を示している。図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、凝縮器３４は、熱交換部４２、入口側タンク４３、出口側タンク４４から構成されている。
【００６４】
入口側タンク４３は、長手方向の一端近傍に空気導入口４５が設けられている。空気導入口４５と凝縮器３４の上流側の空気排出経路３１とを接続することで排出空気が入口側タンク４３に導入される。入口側タンク４３に導入された排出空気は、熱交換部４２に流れる。
【００６５】
出口側タンク４４は、長手方向の入口側タンク４３に設けられた空気導入口４５の反対側の端部近傍に空気排出口４６が設けられている。空気排出口４６と凝縮器３４の下流側の空気排出経路３１とを接続することで排出空気は出口側タンク４４から排出され、凝縮器３４の下流側の気液分離器３６に流れる。
【００６６】
また、出口側タンク４４には、流体経路入口４８および流体経路出口４９が設けられている。この流体経路入口４８および流体経路出口４９を介して、出口側タンク４４の内部にバイパス経路４１の一部が配置されている。バイパス経路４１の一部は、出口側タンク４４の内壁に接した状態で配置されている。そのため、バイパス経路４１の一部は、出口側タンク４４を介して熱交換部４２と熱的に接触している。
【００６７】
これにより、流路切替弁４０をバイパス経路４１側に切り替える場合に、燃料電池１から排出される空気は、出口側タンク４４の内部に配置されるバイパス経路４１の一部を通過するため、排出空気の有する熱が出口側タンク４４を介して熱交換部４２に伝えられ、熱交換部４２を昇温させることができる。この結果、凝縮器３４内部で凍結している水分が溶け、凝縮器３４の閉塞状態は解消される。
【００６８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図７に基づいて説明する。本第３実施形態では、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６９】
図７は、凝縮器３４の全体構成を示している。図７（ａ）は凝縮器３４の正面図、図７（ｂ）は凝縮器３４の側面図を示している。図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、凝縮器３４は熱交換部４２、入口側タンク４３、出口側タンク４４、排出空気を熱交換部４２をバイパスするバイパス経路４１から構成されている。
【００７０】
バイパス経路４１を通過する排出空気の熱と熱交換部４２との伝熱面積を広げるために、入口側タンク４３は、長手方向であってバイパス経路４１と接続された一端に対して他端近傍に空気導入口４５が設けられている。空気導入口４５と凝縮器３４の上流側の空気排出経路３１とを接続することで排出空気が入口側タンク４３に導入される。入口側タンク４３に導入された排出空気は、熱交換部４２に流れる。
【００７１】
同様に、出口側タンク４４は、長手方向であってバイパス経路４１と接続された一端に対して他端近傍に空気排出口４６が設けられている。空気排出口４６と凝縮器３４の下流側の空気排出経路３１とを接続することで排出空気は、出口側タンク４４から排出され、凝縮器３４の下流側の気液分離器３６に流れる。
【００７２】
バイパス経路４１の内部に流路切替弁４０が設けられている。本実施形態の流路切替弁４０は、バイパス経路４１を開放又は閉鎖するように構成されている。具体的に流路切替弁４０は、バイパス経路４１を開閉する弁体５０、弁体５０が設けられた位置よりも上流側の圧力と対抗して弁体５０を閉鎖方向に押し付けるコイルバネ等の弾性部材５１とから構成されている。ここで、弁体５０は、弁体５０の一端側が開放方向に回動可能なようにバイパス経路４１内壁に支持されている。また、流路切替弁４０には、弁体５０が閉鎖状態において弁体５０の他端を支持する係止部５２が設けられている。
【００７３】
バイバス経路４１における弁体５０が設けられた位置よりも上流側の圧力が上昇し、その圧力による弁体５０の開放方向への押し付け力が、弾性部材５１の弾性力（弁体５０の閉鎖方向への押し付け力）を上回った場合に、弁体５０は、開放位置に移動する。また、圧力が下降し、圧力による弁体５０の押し付け力が弾性部材５１の弾性力を下回った場合に、弁体５０は閉鎖位置に移動する。なお、弾性部材５１の初期荷重を変更することにより、弁体５０を開放又は閉鎖位置にする所定圧力の調整を行うことができる。
【００７４】
これにより、熱交換部４２が凍結により閉塞状態となる場合に、弁体５０よりも上流側のバイパス経路４１の圧力が上がり、その圧力を利用してバイパス経路４１を開放することができる。熱交換部４２の閉塞状態が解消した場合は、バイパス経路４１の圧力が下がるため、バイパス経路４１を閉鎖することができる。
【００７５】
以上のように、簡素な構成で、燃料電池１からの排出空気を凝縮器３４に設けたバイパス経路４１に流すことができ、排出空気の熱により凝縮器３４の熱交換部４２を昇温することができる。この結果、燃料電池１からの廃熱を有効利用して低温環境下における凝縮器３４内部の閉塞状態を早期に解消することができる。
【００７６】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態において、燃料電池１からの排出空気を凝縮器３４に設けたバイパス経路４１に流すことで、排出空気の熱を熱媒体として凝縮器３４を昇温する実施形態を示したが、これに限られず、燃料電池１の冷却システムの燃料電池冷却経路６０又は燃料電池１の電気機器の電気機器冷却経路の一部を凝縮器３４と熱的に接続することにより、燃料電池冷却液又は電気機器冷却液が有する熱を熱媒体として凝縮器３４の昇温に利用してもよい。
【００７７】
また、熱媒体としてバイパス経路４１を通過する排出空気を用いる構成、燃料電池冷却経路６０を通過する燃料電池冷却液を用いる構成、電気機器冷却経路を通過する電気機器冷却液を用いる構成を適宜組み合わせて用いることができる。
【００７８】
また、第２実施形態では、燃料電池１の排出空気が流れるバイパス経路４１の一部を、出口側タンク４４内部に配置したが、入口側タンク４３又は両タンク４３、４４の内部に配置してもよい。
【００７９】
また、上記各実施形態において、熱交換部４２、入口側タンク４３、出口側タンク４４およびバイパス経路４１はアルミニウム合金製で形成されているが、これに限られず、熱伝導性に優れた他の金属材料による構成としてもよい。
【００８０】
また、第２実施形態では、出口側タンク４４内部の熱交換部４２から離れた側にバイパス経路４１を配置しているが、出口側タンク４４内部の熱交換部４２に近い側にバイパス経路４１を配置する構成としてもよい。
【００８１】
また、上記各実施形態では、気液分離器３６により分離された水を燃料電池１に供給し潜熱冷却を行ったが、これに限らず、気液分離器３６により分離された水を燃料電池１の電解質膜を加湿するために利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】上記第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】上記第１実施形態の凝縮器の主要構成図である。
【図３】燃料電池から排出される空気の流路切替制御手段のフローチャートである。
【図４】流路切替制御手段で用いる所定発電量における排出空気のエア流量とエア圧力の関係を示すマップである。
【図５】上記第２実施形態の燃料電池システムの主要構成を示す概念図である。
【図６】上記第２実施形態の凝縮器の主要構成図である。
【図７】上記第３実施形態の凝縮器の主要構成図である。
【符号の説明】
【００８３】
１…燃料電池、１０…エアフローセンサ、１１…第１圧力センサ、１２…第２圧力センサ、１３…第１温度センサ、１４…第２温度センサ、１５…車速検出センサ、３０…空気供給経路、３１…空気排出経路、３４…凝縮器、３５…ファン、３６…気液分離器、４０…流路切替弁、４１…バイパス経路、４２…熱交換部、４３…入口側タンク、４４…出口側タンク、４５…空気導入口、４６…空気排出口、４８…流体経路入口、４９…流体経路出口、５０…弁体、５１…弾性部材、６０…燃料電池冷却経路、６４…水供給配管、１００…制御装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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