(57)【要約】【課題】空気流路から排出される空気中から回収される水分量を増加させることができるとともに、気温の高いときに、車両の室内を冷房するための冷気を得ることができ、専用の冷房システムが不要であり、装置構成が簡素でスペース効率が高い燃料電池システムを提供することができるようにする。【解決手段】電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、空気流路に供給される空気中に水を供給する水供給ノズルと、空気流路から排出される空気中の水分を凝縮させて除去する凝縮器と、凝縮器によって除去された水を回収して水供給ノズルに供給する水循環システムと、凝縮器に冷媒を供給する冷媒供給システムと、冷媒供給システムの冷熱を回収して車両の室内を冷房する冷房システムとを有する。【選択図】図１
2008251439.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
前記空気流路に供給される空気中に水を供給する水供給ノズルと、
前記空気流路から排出される空気中の水分を凝縮させて除去する凝縮器と、
該凝縮器によって除去された水を回収して前記水供給ノズルに供給する水循環システムと、
前記凝縮器に冷媒を供給する冷媒供給システムと、
該冷媒供給システムの冷熱を回収して車両の室内を冷房する冷房システムとを有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷媒供給システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、及び、液化された冷媒を気化するエバポレータを備え、
該エバポレータが前記凝縮器に配設され、
前記冷房システムは、前記凝縮器を通過した空気を車両の室内に導入する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷房システムは、前記凝縮器を通過した空気を車両の室内に導入する冷房用空気ダクトを備え、
前記凝縮器の一部が前記冷房用空気ダクト内に位置する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記凝縮器における前記冷房用空気ダクト内に位置する部分の割合を変化させる制御装置を有する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷房システムは、前記凝縮器を通過した空気を車両の室内に導入する冷房用空気ダクトを備え、
前記冷媒供給システムは、前記凝縮器をバイパスして前記冷房用空気ダクト内に配設された冷房用冷却器を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷房用冷却器に供給される冷媒の割合を変化させる制御装置を有する請求項５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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、直接形メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。
【０００３】
この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに解離され、水素イオンが固体高分子電解質膜を移動する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。
【０００４】
そして、車両用の燃料電池システムにおいては、圧縮して供給された空気が燃料電池から排出された後に膨張する際の吸熱作用を利用して車両の室内を冷房するシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−１５５２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、圧縮して供給された空気が膨張する際の吸熱作用を利用して室内を冷房するので、高圧の空気を燃料電池に供給する高圧燃料電池システムを搭載する車両にのみ適用することが可能であり、常圧の空気を燃料電池に供給する常圧燃料電池システムを搭載する車両に適用することは不可能である。
【０００６】
高圧燃料電池システムは、高圧の空気を供給するための圧縮機を必要とし、更に、高圧の空気を流通させるためにダクト等の部材の強度を向上させる必要がある。そのため、高圧燃料電池システムは、小型軽量化が困難であり、特に小型の車両への搭載に不向きである。これに対し、常圧燃料電池システムは、圧縮機を必要とせず、ダクト等の部材の強度を向上させる必要もない。そのため、常圧燃料電池システムは、小型軽量化が可能であり、特に小型の車両への搭載に適している。しかし、従来の燃料電池システムは、このように優れた特徴を備える常圧燃料電池システムに適用することができない。
【０００７】
本発明は、従来の燃料電池システムの問題点を解決して、空気流路に供給される常圧の空気中に水を供給する燃料電池システムにおいて、空気流路から排出される空気中の水分を凝縮させて除去する凝縮器を冷却する冷媒供給システムの冷熱を車両の室内の冷房に利用することによって、空気流路から排出される空気中から回収される水分量を増加させることができるとともに、気温の高いときに、車両の室内を冷房するための冷気を得ることができ、専用の冷房システムが不要であり、装置構成が簡素でスペース効率が高い燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、前記空気流路に供給される空気中に水を供給する水供給ノズルと、前記空気流路から排出される空気中の水分を凝縮させて除去する凝縮器と、該凝縮器によって除去された水を回収して前記水供給ノズルに供給する水循環システムと、前記凝縮器に冷媒を供給する冷媒供給システムと、該冷媒供給システムの冷熱を回収して車両の室内を冷房する冷房システムとを有する。
【０００９】
本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷媒供給システムは、気相の冷媒を圧縮する圧縮機、該圧縮機によって圧縮された冷媒を液化するコンデンサ、及び、液化された冷媒を気化するエバポレータを備え、該エバポレータが前記凝縮器に配設され、前記冷房システムは、前記凝縮器を通過した空気を車両の室内に導入する。
【００１０】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷房システムは、前記凝縮器を通過した空気を車両の室内に導入する冷房用空気ダクトを備え、前記凝縮器の一部が前記冷房用空気ダクト内に位置する。
【００１１】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記凝縮器における前記冷房用空気ダクト内に位置する部分の割合を変化させる制御装置を有する。
【００１２】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷房システムは、前記凝縮器を通過した空気を車両の室内に導入する冷房用空気ダクトを備え、前記冷媒供給システムは、前記凝縮器をバイパスして前記冷房用空気ダクト内に配設された冷房用冷却器を備える。
【００１３】
本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記冷房用冷却器に供給される冷媒の割合を変化させる制御装置を有する。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の構成によれば、空気流路から排出される空気中から回収される水分量を増加させることができるとともに、気温の高いときに、車両の室内を冷房するための冷気を得ることができ、専用の冷房システムが不要であり、装置構成を簡素化することができ、エネルギ効率及びスペース効率の高い燃料電池システムを得ることができる。
【００１５】
請求項２の構成によれば、凝縮器内を通過して冷却された空気を効果的に利用して車両の室内を冷房することができる。
【００１６】
請求項３の構成によれば、車両の室内をより強力に冷房することができる。
【００１７】
請求項４の構成によれば、車両の運転状況の変化等に応じて燃料電池負荷が変化した場合にも、適切に対応することができる。
【００１８】
請求項５の構成によれば、車両の室内をより強力に冷房することができる。
【００１９】
請求項６の構成によれば、車両の運転状況の変化等に応じて燃料電池負荷が変化した場合にも、適切に対応することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図、図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの要部の構成を示す図であり、図１におけるＡ部拡大図である。
【００２２】
図において、１１は燃料電池装置としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック１１と蓄電手段としてのキャパシタユニット６３とを併用して使用することが望ましい。
【００２３】
そして、燃料電池スタック１１は、アルカリ水溶液形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体酸化物形、直接形メタノール等のものであってもよいが、固体高分子形燃料電池であることが望ましい。
【００２４】
なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）形燃料電池、又は、ＰＥＭ（Ｐｒｏｔｏｎ  Ｅｘｃｈａｎｇｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）形燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ形燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを移動する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。
【００２５】
本実施の形態において、燃料電池スタック１１は、複数の図示されないセルモジュールを有する。該セルモジュールは、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該単位セル同士を電気的に接続するとともに、単位セルに導入される、アノードガスとしての水素ガスの流路とカソードガスとしての空気の流路とを分離するセパレータとを１セットとして、板厚方向に複数のセットを重ねて構成されている。なお、セルモジュールは、単位セル同士が所定の間隙（げき）を隔てて配置されるように、単位セルとセパレータとが、多段に重ねられて積層されている。
【００２６】
この場合、セルモジュールは、導電可能に、かつ、燃料流路、すなわち、水素ガス流路が連続するように相互に接続されている。
【００２７】
そして、単位セルは、電解質層としての固体高分子電解質膜の側に設けられた酸素極としての空気極及び他側に設けられた燃料極とで構成されている。前記空気極は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る電極拡散層と、該電極拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セルの空気極側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタと、単位セルの燃料極側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタとを有する。
【００２８】
前記単位セルにおいては、水が移動する。この場合、燃料極側コレクタの燃料室内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオンと電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜を透過する。また、前記空気極をカソード極とし、酸化剤流路としての酸素室内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜を透過し、燃料極側コレクタの燃料室内に移動する。ここで、逆拡散水とは、空気流路としての酸素室において生成される水が固体高分子電解質膜内に拡散し、該固体高分子電解質膜内を前記水素イオンと逆方向に透過して燃料室にまで浸透したものである。
【００２９】
図には、燃料電池スタック１１に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、及び、酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック１１に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段２１に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック１１は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。
【００３０】
水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段２１から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２２、及び、該第１燃料供給管路２２に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２２には、燃料貯蔵手段元開閉弁２３、第１圧力センサ２７ａ、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６及び第３圧力センサ２７ｃが配設される。また、前記第１燃料供給管路２２には、第２燃料圧力調整弁２５ｂをバイパスするバイパス管路２２ａが接続され、該バイパス管路２２ａには第２圧力センサ２７ｂ及び起動用電磁弁２６ａが配設される。
【００３１】
この場合、前記燃料貯蔵手段２１は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。なお、図に示される例においては、燃料貯蔵手段２１が複数、例えば、３つ配設され、また、第１燃料供給管路２２は、各燃料貯蔵手段２１に接続される部分で複数本に分割され、途中で合流して１本になっている。前記燃料貯蔵手段２１は、単数であってもよいし、複数であってもよいし、複数の場合にはいくつであってもよい。
【００３２】
そして、燃料電池スタック１１の水素ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、第１燃料排出管路３０を通って燃料電池スタック１１外に排出される。前記第１燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記第１燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。さらに、前記第１燃料排出管路３０における燃料電池スタック１１と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック１１外に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック１１の水素ガス流路に供給して再利用することができる。
【００３３】
また、前記第１燃料排出管路３０における燃料電池スタック１１と吸引循環ポンプ３６との間には、第２燃料排出管路３８が接続され、該第２燃料排出管路３８には水素起動排気電磁弁３７が配設され、燃料電池スタック１１の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、第２燃料排出管路３８の出口端は排気マニホールド１３に接続されている。
【００３４】
さらに、前記第１燃料排出管路３０における吸引循環ポンプ３６と水素循環電磁弁３４との間には、他端が前記第２燃料排出管路３８に接続された第３燃料排出管路３８ａが接続されている。そして、該第３燃料排出管路３８ａには、燃料電池スタック１１内を減圧する際に開となる減圧水素排出弁３７ａが配設されている。また、前記第１燃料排出管路３０には、外気導入電磁弁３５及びエアフィルタ３５ａが接続され、燃料電池スタック１１の停止時に外気を導入することができるようになっている。
【００３５】
ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。
【００３６】
また、前記燃料供給電磁弁２６、起動用電磁弁２６ａ、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁３７は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２３は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【００３７】
一方、酸化剤としての空気は、エアフィルタ５３を通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン５１に吸引され、該空気供給ファン５１から、空気供給管路５２及び吸気マニホールド１２を通って、燃料電池スタック１１の酸化剤流路としての酸素室、すなわち、空気流路に供給される。
【００３８】
本実施の形態における燃料電池システムは、直接噴射型常圧燃料電池システム、すなわち、ＤＷＩ−ＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｗａｔｅｒ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）システムであって、アノードガスを常圧下において供給し、燃料電池に直接水を吹き掛けて冷却する固体高分子形燃料電池システムである。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記空気供給ファン５１は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記エアフィルタ５３は、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド１３及び凝縮器１４を通って大気中へ排出される。
【００３９】
また、前記空気供給管路５２には、空気流路に供給される空気中に水をスプレーして供給し、燃料電池スタック１１の酸素極としての空気極を湿潤な状態に維持するための水供給ノズル４７が配設される。なお、スプレーされた水によって前記空気極及び燃料極を冷却することもできる。さらに、前記排気マニホールド１３の端部に配設された凝縮器１４は、前記燃料電池スタック１１から排出される空気中の水分を凝縮して除去するためのものであり、前記凝縮器１４によって凝縮された水は凝縮水排出管路４１を通って水貯留容器としての水タンク４３に回収される。なお、前記凝縮水排出管路４１には排水ポンプ４２が配設され、前記水タンク４３にはレベルゲージが取り付けられている。
【００４０】
そして、前記水タンク４３内の水は、給水管路４６を通って水供給ノズル４７に供給される。なお、前記給水管路４６には、給水ポンプ４４及び水フィルタ４５が配設されている。ここで、前記排水ポンプ４２及び給水ポンプ４４は、水を吸引して吐出することができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。前記凝縮水排出管路４１、排水ポンプ４２、水タンク４３、給水ポンプ４４、水フィルタ４５及び給水管路４６は、水循環システムとして機能する。
【００４１】
さらに、燃料電池スタック１１の図示されない電気端子には、負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置６１、及び、蓄電手段としてのキャパシタユニット６３が並列に接続されている。該キャパシタユニット６３は、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）を備えるものである。なお、前記蓄電手段は、必ずしもキャパシタでなくてもよく、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であってもよいし、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。
【００４２】
また、インバータ装置６１は、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。ここで、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３が並列に接続されて、前記インバータ装置６１に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池スタック１１が停止した場合や、坂道等の高負荷運転時に燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６１に電流が自動的に供給される。
【００４３】
なお、６２は、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）を備えるＩＧＢＴユニットであり、キャパシタユニット６３の充電を制御する制御回路である。
【００４４】
そして、前記交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がキャパシタユニット６３に供給され、該キャパシタユニット６３が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記キャパシタユニット６３が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池スタック１１が発生する電流が自動的に前記キャパシタユニット６３に供給される。
【００４５】
このように、燃料電池システムにおいては、前記キャパシタユニット６３が常時充電され、前記燃料電池スタック１１からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６１に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。
【００４６】
また、７０は、凝縮器１４に冷媒を供給するための冷媒供給システムとしての冷却システムであり、冷蔵庫、冷凍庫、家庭用空調機、車両用空調機等に利用される冷凍サイクルと同様の蒸気圧縮式の冷凍サイクルを利用したシステムである。ここで、７１は、内部を冷媒が流通するパイプとしての冷媒管路７２に配設された圧縮機としてのコンプレッサであり、気相の冷媒を圧縮する。なお、前記冷媒は、例えば、特定フロン類の代替品として開発が進められたフロン類似品である、いわゆる代替フロンであるが、いかなる種類の冷媒であってもよい。
【００４７】
さらに、前記冷媒管路７２における冷媒の流通方向に関するコンプレッサ７１の下流側には、冷媒用凝縮器としてのコンデンサ７４が配設されている。そして、コンプレッサ７１によって高温高圧の過熱ガスの状態にまで圧縮された気相の冷媒は、前記コンデンサ７４内において冷却されることによって液化され、飽和液又は過冷却液の状態となる。なお、前記コンプレッサ７１は、燃料電池スタック１１又はキャパシタユニット６３から供給される電流を利用する図示されないモータによって駆動される。
【００４８】
また、前記冷媒管路７２における冷媒の流通方向に関するコンプレッサ７１の下流側には、膨張弁７５が配設されている。さらに、前記冷媒管路７２における冷媒の流通方向に関する下流側の部分は、冷凍サイクルのエバポレータとして機能する部分であり、凝縮器１４内部を通過するように配設されている。そして、飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒は、膨張弁７５を通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されて、エバポレータとして機能する部分に流入する。該部分において、前記冷媒は凝縮器１４内を通過する空気から熱を吸収し、再び、コンプレッサ７１に吸引される。
【００４９】
一方、前記凝縮器１４内を通過する空気は、冷媒によって熱を吸収されることによって冷却される。そのため、燃料電池スタック１１から排出される空気の温度が凝縮器１４内において大幅に低下し、それとともに前記空気の飽和水蒸気圧も大幅に低下するので、凝縮されて前記空気から回収される水分量が増加する。これにより、前記空気に含まれる水分を凝縮する凝縮器１４の能力が向上し、燃料電池スタック１１から排出される空気からの水分の回収効率が向上する。
【００５０】
なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、後述されるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）８１を有する。前記ＥＣＵ８１は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、各種のセンサから、燃料電池スタック１１の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン５１、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、燃料供給電磁弁２６、水素循環電磁弁３４、吸引循環ポンプ３６、排水ポンプ４２、給水ポンプ４４、コンプレッサ７１等の動作を制御する。さらに、前記ＥＣＵ８１は、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック１１に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。また、前記ＥＣＵ８１は、車両の室内を暖房するために車両の室内に導入される空気の温度も制御する。
【００５１】
次に、車両の室内に導入される空気の温度を制御するためのシステムについて説明する。
【００５２】
図３は本発明の第１の実施の形態における車両の室内に導入される空気の温度を制御するシステムの構成を示す図である。
【００５３】
図に示される例において、８０は車両の室内を冷房する冷房システムであり、凝縮器１４内を通過して冷却された空気の一部を車両の室内に導入する冷房用空気ダクト８２を有する。該冷房用空気ダクト８２の入口部と凝縮器１４とは互いに隣接して配設され、空気の流路を形成する共通のシュラウド８８によって周囲を囲繞（にょう）されている。また、該シュラウド８８に囲繞された空間の凝縮器１４の空気排出側（図３における左側）には可動ガイド板８５が配設され、凝縮器１４内を通過した空気の一部が前記可動ガイド板８５によってガイドされ、、前記入口部から冷房用空気ダクト８２に導入されるようになっている。なお、前記可動ガイド板８５は、枢軸に回転可能に取り付けられ、凝縮器１４内を通過して排出された空気の流れに対する角度を変化させることができるものであることが望ましい。この場合、前記可動ガイド板８５の角度を変化させることによって、冷房用空気ダクト８２に導入される凝縮器１４内を通過して冷却された空気の量を調整することができる。
【００５４】
また、前記冷房用空気ダクト８２の途中には、空気に含まれる塵埃、不純物等を除去するためにエアフィルタ８３を配設することが望ましい。該エアフィルタ８３は、空気に含まれる塵埃、不純物等を除去することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。
【００５５】
さらに、前記冷房用空気ダクト８２の途中には、車両の室内に導入される空気の温度及び風量を調整するために、外気導入管路８４が接続されることが望ましい。そして、外気導入管路８４の冷房用空気ダクト８２への接続部には、温度調節弁として、外気導入管路８４から導入される冷却されていない空気の流量を調整する外気導入量調整弁８４ａが配設されている。該外気導入量調整弁８４ａの開度を制御して外気導入管路８４から導入される空気の流量を制御することによって、車両の室内に導入される空気の温度及び風量を調整することができる。なお、外気導入管路８４には、空気に含まれる塵埃、不純物等を除去するために、前記エアフィルタ８３と同様のエアフィルタ８６を配設することが望ましい。
【００５６】
なお、前記外気導入量調整弁８４ａ及び可動ガイド板８５の動作は、ＥＣＵ８１によって制御される。該ＥＣＵ８１は、冷房用空気ダクト８２の出口近傍に配設された温度センサ８７の検出した温度に基づき、図において矢印Ｂで示されるような冷房用空気ダクト８２を通過して車両の室内に導入される空気の温度が車両の乗員等によって設定された温度となるように、外気導入量調整弁８４ａ及び可動ガイド板８５の動作を制御する。
【００５７】
ところで、空気流路から排出される空気は、吸入した外気より温度が上昇して排出されるため、蒸気圧も上昇している。このため、外気に含まれていた水分に加え、水供給ノズル４７から空気中にスプレーした冷却水、燃料電池生成水による水蒸気も燃料電池から排出される空気は含むことができる。その結果、排出される空気に含まれる水分の方が、水供給ノズル４７から空気中にスプレーして供給された水の量よりも多くなる場合がある。これは、前述のように、各単位セルにおいて、空気中の酸素と水素イオン及び電子とが結合して水が生成され、この生成水が空気流路から排出される空気に含まれるからである。そのため、凝縮器１４によって燃料電池スタック１１から排出される空気から除去される水分の割合が高くなり、凝縮器１４によって凝縮されることなく、排気マニホールド１３の出口から外気中に放出されてしまう水分の割合が低くなれば、水供給ノズル４７から供給された水の量よりも多い量の水を水タンク４３に回収することができる。すると、水循環システムを循環する水としての循環水を補給する必要がなく、燃料電池システムのメンテナンス負担が軽減される。
【００５８】
しかし、夏季のように気温の高いときには、空気の飽和水蒸気圧が上昇するので、そのままだと凝縮器１４によって凝縮される水分の量が低下してしまう。そのため、燃料電池スタック１１から排出される空気から除去される水分が減少し、水供給ノズル４７から供給された水の量よりも少ない量の水しか水タンク４３に回収することができなくなる。すると水循環システムの循環水が次第に減少するので、循環水を補給する必要が生じ、燃料電池システムのメンテナンス負担が増大してしまう。
【００５９】
そこで、本実施の形態においては、気温の高いときには冷却システム７０を積極的に稼働させて凝縮器１４の温度を低下させることによって、凝縮器１４によって凝縮される水分の量を増加させるようになっている。これにより、気温の高いときであっても、十分な量の水を水タンク４３に回収することができ、その結果、水循環システムを循環する水としての循環水を補給する必要性が低減され、又は、皆無になり、燃料電池システムのメンテナンス負担を軽減することができる。
【００６０】
さらに、凝縮器１４によって凝縮される水分の量を増加させて、回収される水の量を水供給ノズル４７から供給された水の量よりも多くすれば、循環水が余剰となる。そこで、本実施の形態においては、排水手段としての水廃棄管路４８が水タンク４３に接続され、水循環システムを循環する水としての循環水を排出することができ、水タンク４３内に収容しきれない余分な循環水を廃棄するようになっている。
【００６１】
また、回収される水の量を水供給ノズル４７から供給された水の量よりも多くすれば、水タンク４３内の循環水の不純物を希釈して循環水の浄化を行うことができる。
【００６２】
そもそも、燃料電池スタック１１から回収された水には、不可避的に不純物が含まれている。例えば、空気流路に供給される空気中に含まれる塵埃、雨水、エアロゾル、海塩、黄砂、花粉等が不純物として含まれてしまう。また、例えば、配管、電極部材、ガスケット、接着剤等の燃料電池スタック１１を構成する各種の部材から溶出した成分が不純物として含まれてしまう。そのため、水循環システムによって循環される循環水は、しだいに不純物濃度が増加してしまう。
【００６３】
しかし、多量の水を水タンク４３に回収し、該水タンク４３内に収容しきれない余分な循環水を水廃棄管路４８から廃棄すると、水タンク４３内の循環水が新たに回収された水によって置換される。そして、新たに回収された水に含まれる不純物の量のほうが、循環を繰り返した循環水に含まれる不純物の量よりも少ないのであるから、水タンク４３内の循環水を新たに回収された水によって置換することにより、水タンク４３内の循環水の不純物を希釈して水の浄化を行うことができる。また、格別のメンテナンス作業を行うことなく、不純物濃度を低く維持することができる。これにより、不純物濃度が低い循環水を燃料電池スタック１１に供給することができ、燃料電池スタック１１の性能低下を抑制することができる。
【００６４】
本実施の形態においては、前記水廃棄管路４８には水廃棄調整弁４８ａが配設され、ＥＣＵ８１が水廃棄調整弁４８ａの動作を制御することによって、廃棄される水の量を調整して、水タンク４３内に収容される循環水の量及び不純物の希釈状態を調整することができる。例えば、水タンク４３内の循環水が所定量以上になると、水廃棄調整弁４８ａを開いて水廃棄管路４８から余分な循環水を廃棄するようにしてもよい。なお、前記水廃棄管路４８は、必ずしも水タンク４３に直接接続される必要はなく、給水管路４６に接続されてもよいし、凝縮水排出管路４１に接続されてもよい。
【００６５】
また、夏季のように気温の高いときには、車両の室内を冷房する必要性が高くなる。そのため、水タンク４３内に回収される水の量を増加させるために冷却システム７０を積極的に稼働させたことによって温度が低下した凝縮器１４内を通過して冷却された空気を冷房用空気ダクト８２に導入することにより、車両の室内を十分に冷房することができる。これにより、本来であれば廃棄される凝縮器１４内を通過した空気の冷熱を有効に再利用して車両の室内を冷房することができる。
【００６６】
このように、本実施の形態においては、燃料電池システムが、燃料電池スタック１１の空気流路に供給される常圧の空気中に水を供給するＤＷＩ−ＦＣシステムであり、燃料電池スタック１１から排出された空気中の水分を冷却システム７０によって冷却された凝縮器１４によって凝縮させて除去するとともに、該凝縮器１４内を通過した空気の冷熱、すなわち、廃棄された冷熱を車両の室内の冷房に利用する。
【００６７】
これにより、水分を効率よく回収して循環させ、空気流路に供給される空気中に供給される循環水として再利用することができる。また、廃棄された冷熱を車両の室内の冷房に利用するので、エネルギ効率を高めることができる。特に、気温の高いときに冷却システム７０を積極的に稼働させることによって回収される水の量を多くし、循環水の補給を不要としてメンテナンス負担を軽減することができるとともに、車両の室内を十分に冷房することができる。
【００６８】
また、回収される水の量を水供給ノズル４７から供給された水の量よりも多くすれば、新たに回収された水によって旧来の循環水を置換することにより、循環される水の不純物濃度を低下させることができる。そのため、不純物濃度が低い水を燃料電池スタック１１に供給することができ、燃料電池スタック１１の性能低下を抑制することができる。
【００６９】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００７０】
図４は本発明の第２の実施の形態における車両の室内に導入される空気の温度を制御するシステムの構成を示す図である。
【００７１】
本実施の形態においては、凝縮器１４の一部が冷房用空気ダクト８２に導入された空気を更に冷却するための冷却器１４ａとして機能するようになっている。図に示されるように、凝縮器１４の周囲は、シュラウド８８によって囲繞され、凝縮器１４の一部である冷却器１４ａが冷房用空気ダクト８２の入口部内に位置する。そして、凝縮器１４の空気流入側（図４における右側）には、排気マニホールド１３と冷房用空気ダクト８２とを仕切る可動仕切壁９３が配設されている。該可動仕切壁９３は、一端が凝縮器１４の空気流入側に当接又は近接し、他端が排気マニホールド１３及び冷房用空気ダクト８２の凝縮器１４側端部に接続される。
【００７２】
そのため、前記凝縮器１４における可動仕切壁９３より下側の部分は、燃料電池スタック１１から排出される空気が直接通過する部分であり、空気に含まれる水分を凝縮して回収するという本来の機能を発揮する部分となる。また、前記凝縮器１４における可動仕切壁９３より上側の部分は、凝縮器１４内を通過して可動ガイド板８５によってガイドされた空気が通過する部分であり、凝縮器１４内部を通過するように配設された冷媒管路７２におけるエバポレータとして機能する部分により空気を更に冷却する冷却器１４ａとして機能する部分となる。
【００７３】
また、凝縮器１４の空気流入側には可動仕切壁９３を上下方向に移動させる第１昇降装置９１が配設され、該第１昇降装置９１が作動することによって前記可動仕切壁９３は、矢印Ｃで示されるように、上下方向に移動、すなわち、昇降させられ、凝縮器１４における冷却器１４ａとして機能する部分の割合を変化させる。例えば、凝縮器１４によって凝縮される水分の量を増加させる必要性が高く、車両の室内を冷房する必要性が低い場合には、可動仕切壁９３を上昇させて冷却器１４ａとして機能する部分の割合を小さくすることができ、また、例えば、凝縮器１４によって凝縮される水分の量を増加させる必要性が低く、車両の室内を冷房する必要性が高い場合には、可動仕切壁９３を下降させて冷却器１４ａとして機能する部分の割合を大きくすることができる。
【００７４】
なお、排気マニホールド１３における可動仕切壁９３との接続部近傍の所定範囲は、収縮性を備えたゴム等から成る可撓（とう）性部１３ａとなっており、冷房用空気ダクト８２における可動仕切壁９３との接続部近傍の所定範囲も、同様に、収縮性を備えたゴム等から成る可撓性部８２となっている。そして、前記排気マニホールド１３の可撓性部１３ａ及び冷房用空気ダクト８２の可撓性部８２ａは、可動仕切壁９３に接続されているので、該可動仕切壁９３の昇降に従って、矢印Ｄで示されるように、昇降させられる。そのため、可動仕切壁９３が昇降しても、前記排気マニホールド１３及び冷房用空気ダクト８２内を流通する空気が外部に流出してしまうことはない。
【００７５】
また、凝縮器１４の空気排出側には可動ガイド板８５を上下方向に移動させる第２昇降装置９２が配設され、該第２昇降装置９２が作動することによって前記可動ガイド板８５が昇降させられる。該可動ガイド板８５は、その上下方向の位置が可動仕切壁９３の位置に対応するように昇降させられる。
【００７６】
なお、前記第１昇降装置９１及び第２昇降装置９２の動作は、外気導入量調整弁８４ａ及び可動ガイド板８５の動作と同様に、ＥＣＵ８１によって制御される。また、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００７７】
このように、本実施の形態においては、凝縮器１４の一部が冷房用空気ダクト８２に導入された空気を更に冷却するための冷却器１４ａとして機能するようになっている。そのため、凝縮器１４内を通過して冷却された空気を冷却器１４ａによって更に冷却することができ、車両の室内をより強力に冷房することができる。
【００７８】
また、可動仕切壁９３を昇降させることによって、凝縮器１４における冷却器１４ａとして機能する部分の割合を変化させることができる。そのため、車両の運転状況の変化等に応じて燃料電池負荷が変化した場合、それに応じて冷却器１４ａとして機能する部分の割合を変化させることによって適切に対応することができる。また、車両の室内を冷房する必要性に応じても、冷却器１４ａとして機能する部分の割合を変化させることによって適切に対応することができる。
【００７９】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、第１及び第２の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１及び第２の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。
【００８０】
図５は本発明の第３の実施の形態における車両の室内に導入される空気の温度を制御するシステムの構成を示す図である。
【００８１】
本実施の形態においては、冷房用空気ダクト８２に導入された空気を更に冷却するための冷房用冷却器７８が冷房用空気ダクト８２内に配設されている。図に示されるように、冷却システム７０は、凝縮器１４の部分をバイパスするバイパス管路７６を備え、該バイパス管路７６の途中に冷凍サイクルのエバポレータとして機能する冷房用冷却器７８が配設されている。なお、前記バイパス管路７６の一端は、冷媒管路７２におけるコンデンサ７４と膨張弁７５との間の位置に配設された分岐弁７７を介して冷媒管路７２に接続され、前記バイパス管路７６の一端は、冷媒管路７２における凝縮器１４内部を通過する部分とコンプレッサ７１との間の位置において冷媒管路７２に接続されている。また、前記バイパス管路７６における冷媒の流通方向に関する冷房用冷却器７８の上流側には、冷房用膨張弁７５ａが配設されている。
【００８２】
そして、コンデンサ７４を通過して飽和液又は過冷却液の状態となった冷媒の一部は、分岐弁７７からバイパス管路７６に流入し、冷房用膨張弁７５ａを通過することによって低温低圧の湿り蒸気の状態にまで減圧されて、冷房用冷却器７８に流入する。該冷房用冷却器７８において、前記冷媒は冷房用空気ダクト８２内を通過する空気から熱を吸収し、再び、コンプレッサ７１に吸引される。そして、冷房用空気ダクト８２に導入された空気は、冷房用冷却器７８を通過することによって更に冷却される。
【００８３】
また、該冷房用冷却器７８に流入する冷媒の流量は、分岐弁７７の動作を制御することによって変化させることができる。例えば、凝縮器１４によって凝縮される水分の量を増加させる必要性が高く、車両の室内を冷房する必要性が低い場合には、冷房用冷却器７８に流入する冷媒の流量を減少させることができ、また、例えば、凝縮器１４によって凝縮される水分の量を増加させる必要性が低く、車両の室内を冷房する必要性が高い場合には、冷房用冷却器７８に流入する冷媒の流量を増加させることができる。
【００８４】
なお、前記分岐弁７７の動作は、外気導入量調整弁８４ａ及び可動ガイド板８５の動作と同様に、ＥＣＵ８１によって制御される。また、その他の点の構成及び動作については、前記第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００８５】
このように、本実施の形態においては、冷房用空気ダクト８２に導入された空気を更に冷却するための冷房用冷却器７８が冷房用空気ダクト８２内に配設されている。そのため、凝縮器１４内を通過して冷却された空気を冷房用冷却器７８によって更に冷却することができ、車両の室内をより強力に冷房することができる。
【００８６】
また、凝縮器１４を冷却するための冷却システム７０を利用した冷房用冷却器７８によって車両の室内を冷房するので、車両の室内を冷房するための冷却システムを別途配設する必要がなく、構成を簡素化することができ、コストを低減することができる。さらに、凝縮器１４内を通過して冷却された空気を冷却するので、冷房用冷却器７８の冷却能力を小さくすることができる。そのため、車両の室内を冷房するために消費されるエネルギを節約することができる。
【００８７】
さらに、分岐弁７７の動作を制御することにより、凝縮器１４を冷却するために使用される冷媒の量と冷房用冷却器７８によって車両の室内を冷房するために使用される冷媒の量との割合を変化させることができる。そのため、車両の運転状況の変化等に応じて燃料電池負荷が変化した場合、それに応じて凝縮器１４を冷却するために使用される冷媒の量を変化させることによって適切に対応することができる。また、車両の室内を冷房する必要性に応じても、車両の室内を冷房するために使用される冷媒の量を変化させることによって適切に対応することができる。
【００８８】
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの要部の構成を示す図であり、図１におけるＡ部拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における車両の室内に導入される空気の温度を制御するシステムの構成を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における車両の室内に導入される空気の温度を制御するシステムの構成を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態における車両の室内に導入される空気の温度を制御するシステムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００９０】
１１    燃料電池スタック
１４    凝縮器
４１    凝縮水排出管路
４２    排水ポンプ
４３    水タンク
４４    給水ポンプ
４５    水フィルタ
４６    給水管路
４７    水供給ノズル
７０    冷却システム
７１    コンプレッサ
７４    コンデンサ
７８    冷房用冷却器
８０    冷房システム
８１    ＥＣＵ
８２    冷房用空気ダクト
【図１】
2008251439.tif 000003
【図２】
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【図３】
2008251439.tif 000005
【図４】
2008251439.tif 000006
【図５】
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