(57)【要約】【課題】車両に搭載しながらも、その大型化を抑制可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム２００は、供給された燃料を用いて電気化学反応を生じさせることによって電力を発生させる燃料電池２１０と、燃料電池２１０から排出された反応ガスを冷却することによって該反応ガスに含まれる水を回収する水回収装置２４０と、を備える。水回収装置２４０は、温度調整した空気を車室内に吹き出す車両用空調装置３００の冷凍サイクル３１０から冷媒の供給を受け、該冷媒を用いて反応ガスを冷却するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両（１００，１００Ａ，１００Ｂ）に搭載される燃料電池システム（２００，２００Ａ，２００Ｂ）であって、
供給された燃料を用いて電気化学反応を生じさせることによって電力を発生させる燃料電池（２１０）と、
前記燃料電池から排出された反応ガスを冷却することによって該反応ガスに含まれる水を回収する水回収装置（２４０）と、を備え、
前記水回収装置は、温度調整した空気を車室内に吹き出す車両用空調装置（３００，３００Ａ，３００Ｂ）の冷凍サイクル（３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ）から冷媒の供給を受け、該冷媒を用いて反応ガスを冷却するように構成されている燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷凍サイクルにおいて冷媒を循環させる循環流路（３１１，３１１Ｂ）から冷媒を導出する導出流路（２４４）を備え、
前記水回収装置は、前記導出流路を流れる冷媒を用いて反応ガスを冷却するように構成されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
冷媒を膨張させる導出側膨張弁（２４５）が前記導出流路に設けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記導出流路は、前記循環流路に設けられ冷媒を膨張させる循環側膨張弁（３１６Ｂ）よりも下流側の部位から冷媒を導出する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記導出流路による冷媒の導出を制御する制御弁（３１５）を備える請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御弁は、前記車両用空調装置が調整した空気の温度、又は冷媒と空気との熱交換を行うことで該空気を冷却するエバポレータ（３１７）の表面の温度が所定値以上になったことに基づいて、前記導出流路が導出する冷媒を減少させる請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
反応ガスから回収した水を貯留する貯水タンク（２４８）を備え、
前記貯水タンクは、前記冷凍サイクルから冷媒の供給を受け、該冷媒を用いて、貯留している水を冷却するように構成されている請求項１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、車両に搭載される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
環境意識の高まり等を背景に、ガソリン等の化石燃料を燃焼させて駆動力を発生させる自動車から、電力を用いて駆動力を発生させる電気自動車への代替が進んでいる。このような電気自動車の一形態として、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の検討も進められている。燃料電池システムでは、燃料電池セルの湿潤化、当該システムを構成する機器の冷却や、燃料電池に供給する燃料の水蒸気改質等を行うために、水や水蒸気が必要になる。
【０００３】
下記特許文献１には、内部で水を生成する燃料電池システムが記載されている。当該燃料電池システムは、熱交換器である凝縮器を備えており、この凝縮器によって水を生成する。
【０００４】
詳細には、当該凝縮器は、冷凍サイクルにおいて冷媒が循環し、燃料電池から排出された反応ガスとこの冷媒との熱交換を行うように構成されている。燃料電池から排出された反応ガスには、電気化学反応の際に生成される水分が含まれている。凝縮器において反応ガスが冷却されることで凝縮水が発生するため、この凝縮水を回収すれば、燃料電池システムの運転に再利用することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１７９９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１記載の燃料電池システムを車両に搭載する場合、冷凍サイクルの搭載が必要になり、車両の大型化や製造コストの増大を招くおそれがある。このため、より車両に適した燃料電池システムが待望されていた。
【０００７】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両に搭載しながらも、それに伴う大型化を抑制可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、車両（１００，１００Ａ，１００Ｂ）に搭載される燃料電池システム（２００，２００Ａ，２００Ｂ）であって、供給された燃料を用いて電気化学反応を生じさせることによって電力を発生させる燃料電池（２１０）と、前記燃料電池から排出された反応ガスを冷却することによって該反応ガスに含まれる水を回収する水回収装置（２４０）と、を備える。前記水回収装置は、温度調整した空気を車室内に吹き出す車両用空調装置（３００，３００Ａ，３００Ｂ）の冷凍サイクル（３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ）から冷媒の供給を受け、該冷媒を用いて反応ガスを冷却するように構成されている。
【０００９】
上記構成によれば、水回収装置は、冷媒を用いて反応ガスを冷却し、水を回収する。この冷媒は、車両用空調装置の冷凍サイクルから供給されるものである。すなわち、本発明は、車両用空調装置の冷凍サイクルを水の回収にも利用するものであり、このような冷凍サイクルの利用により、大型化を抑制しながらも車両に搭載可能な燃料電池システムを提供することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、車両に搭載しながらも、その大型化を抑制可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態に係る燃料電池システム等を示す模式図である。
【図２】図１のＦＣ制御装置が実行する処理の一例を示すタイムチャートである。
【図３】図１のＦＣ制御装置が実行する処理を示すフローチャートである。
【図４】第２実施形態に係る燃料電池システム等を示す模式図である。
【図５】第３実施形態に係る燃料電池システム等を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１を参照しながら、第１実施形態に係る燃料電池システム２００について説明する。燃料電池システム２００は、車両用空調装置３００（以下、単に「空調装置３００」と称する）とともに燃料電池車両１００に搭載され、電力を発生させるシステムである。燃料電池システム２００が発生させた電力は、走行用のトルクを発生させる不図示の電動モータや、空調装置３００等に供給される。燃料電池システム２００は、燃料電池２１０と、ＦＣ冷却装置２２０と、ラジエータ冷却装置２３０と、水回収装置２４０と、ＦＣ制御装置２９０と、を備えている。
【００１４】
燃料電池２１０は、不図示の燃料電池セルを複数有している。各燃料電池セルは、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素を含む空気）との供給を受けるとともに、これらのガスを用いて電気化学反応を生じさせることによって電力を発生させる。燃料電池２１０は、各燃料電池セルを互いに電気的に直列に接続することで構成されており、これによって高電圧の電力を発生させることが可能となっている。本発明において燃料電池２１０の方式は特に限定されるものではなく、固体高分子形や固体酸化物形など、種々の方式の燃料電池を採用することができる。
【００１５】
ＦＣ冷却装置２２０は、燃料電池２１０の冷却を行う装置である。ＦＣ冷却装置２２０は、循環流路２２１と、ラジエータ２２２とを有している。循環流路２２１は燃料電池２１０に冷媒を循環させながら供給する流路である。当該冷媒が燃料電池２１０と熱交換を行うことで、電気化学反応の反応熱によって高温になる燃料電池２１０を冷却することができる。燃料電池２１０との熱交換を行うことによって高温になった冷媒は、循環流路２２１によってラジエータ２２２に供給される。ラジエータ２２２内には流路が形成されている。ラジエータ２２２は、燃料電池車両１００の走行に伴って外部から取り込まれる空気や、後述するノズル２３３から噴射される水との熱交換を行わせることで、内部流路を流れる冷媒を冷却する。
【００１６】
ラジエータ冷却装置２３０は、前述したＦＣ冷却装置２２０のラジエータ２２２の冷却を行う装置である。ラジエータ冷却装置２３０は、水供給路２３１と、ポンプ２３２と、ノズル２３３と、を有している。水供給路２３１は、貯水タンク２４８とノズル２３３との間に設けられる流路である。水供給路２３１には、電動のポンプ２３２が設けられている。後述するＦＣ制御装置２９０から受信する制御信号に基づいてこのポンプ２３２が駆動すると、貯水タンク２４８内に貯留されている水が水供給路２３１を介して吸引される。ポンプ２３２は、この水を加圧して下流側のノズル２３３に供給する。高圧になった水は、ノズル２３３に形成されている不図示の噴射孔から噴射され、霧状になってラジエータ２２２に供給される。
【００１７】
水回収装置２４０は、燃料電池２１０から排出された反応ガスから水を回収する装置である。燃料電池２１０から排出された反応ガスには、電気化学反応の際に生成される水分が含まれている。水回収装置２４０は、ケーシング２４１と、導出流路２４４と、帰還流路２４６と、貯水タンク２４８と、を有している。
【００１８】
ケーシング２４１内の空間には、熱交換器である凝縮器２４２が設けられている。凝縮器２４２内には流路が形成されている。凝縮器２４２は、後述する空調装置３００から導出流路２４４を介して冷媒の供給を受け、その内部流路に流すように構成されている。導出流路２４４を流れる冷媒は、導出流路２４４に設けられている膨張弁２４５を通過して膨張することで、低温の状態で凝縮器２４２に供給される。
【００１９】
燃料電池２１０から排出された反応ガスは、水回収装置２４０のケーシング２４１内に供給される。当該反応ガスは、凝縮器２４２の内部流路を流れる低温冷媒と熱交換を行う。この熱交換によって反応ガスが冷却されると、反応ガスに含まれる水分が凝縮器２４２の外表面において凝縮し、凝縮水（以下、単に「水」と称する）が発生する。
【００２０】
尚、凝縮器２４２の内部流路において反応ガスとの熱交換を行った結果、温度が上昇した冷媒は、当該内部流路から帰還流路２４６に排出される。帰還流路２４６は、凝縮器２４２の内部流路の出口から後述する空調装置３００の冷凍サイクル３１０まで延びる流路である。詳細には、帰還流路２４６は、冷凍サイクル３１０の循環流路３１１のうち、エバポレータ３１７とコンプレッサ３１３との間の部位に接続されている。これにより、凝縮器２４２の内部流路から排出された冷媒は、帰還流路２４６によって冷凍サイクル３１０の循環流路３１１に導かれる。
【００２１】
凝縮器２４２の外表面で発生した水は、滴下してケーシング２４１の下部に形成された水受部２４３に着水する。水受部２４３は、受け止めた水を収集するとともに、輸送流路２４７に導くように形成されている。輸送流路２４７は、水を水受部２４３から貯水タンク２４８に導く流路である。
【００２２】
貯水タンク２４８は、その内部に水を貯留可能な容器である。貯水タンク２４８は、水受部２４３から輸送流路２４７によって供給される水を貯留する。貯水タンク２４８が貯留する水は、前述したラジエータ２２２の冷却や、後述するコンデンサ３１４の冷却等に用いられる。
【００２３】
貯水タンク２４８内には、水位センサ２４９が設けられている。水位センサ２４９は、貯水タンク２４８内に貯留されている水の水位Ｈに対応する検知信号を生成するとともに、当該検知信号をＦＣ制御装置２９０に送信する。ＦＣ制御装置２９０は、当該検知信号に基づいて所定の演算を行うことで、水位Ｈを取得することができる。
【００２４】
ＦＣ制御装置２９０は、燃料電池システム２００の運転を制御する装置である。ＦＣ制御装置２９０は、水位センサ２４９等の各種センサと電気的に接続されており、それらから受信する検知信号に基づいて、燃料電池システム２００に設けられる各種機器の動作を把握することができる。また、ＦＣ制御装置２９０は、制御信号を送信することで、燃料電池２１０が発生させた電力の取り出しを制御したり、ポンプ２３２等の機器の動作を制御したりすることができる。
【００２５】
さらに、ＦＣ制御装置２９０は、後述する空調装置３００の空調制御装置３９０とも電気的に接続される。これにより、ＦＣ制御装置２９０は、空調制御装置３９０と連係し、空調装置３００の運転状態を把握したり、後述する水回収優先モードや空調優先モード等の運転モードを実行したりすることができる。
【００２６】
尚、本願において「電気的に接続」とは、信号線によって互いに接続された形態に限定されるものではなく、無線で互いに通信可能とされた形態をもその意味に含みうるものとする。
【００２７】
次に、空調装置３００について説明する。空調装置３００は、燃料電池車両１００の乗員が居る車室内、又は燃料電池車両１００の外部から空気を吸引し、当該空気の温度を調整した後に車室内に吹き出す装置である。空調装置３００は、冷凍サイクル３１０と、ファン３２０と、コンデンサ冷却装置３４０と、を備えている。
【００２８】
冷凍サイクル３１０は、車室内に吹き出す空気の冷却を行う装置である。冷凍サイクル３１０は、循環流路３１１と、コンプレッサ３１３と、コンデンサ３１４と、切替弁３１５と、膨張弁３１６と、エバポレータ３１７と、を有している。循環流路３１１は、冷媒を循環させる流路である。コンプレッサ３１３は、空調制御装置３９０から受信する信号に基づいて駆動する流体機器である。冷媒は、コンプレッサ３１３によって加圧されることで循環流路３１１を流れる。
【００２９】
循環流路３１１のうちコンプレッサ３１３よりも下流側の部位には、熱交換器であるコンデンサ３１４が設けられている。コンデンサ３１４は、その内部に流路が形成されており、コンプレッサ３１３から供給される冷媒をその内部流路に流すように構成されている。コンデンサ３１４の内部流路を流れる冷媒は、燃料電池車両１００の走行に伴って外部から取り込まれる空気や、後述するノズル３４３から噴射される水と熱交換することによって冷却される。
【００３０】
循環流路３１１のうちコンデンサ３１４よりも下流側の部位には、切替弁３１５が設けられている。また、切替弁３１５は、前述した燃料電池システム２００の導出流路２４４と連通している。切替弁３１５は、その内部に不図示の弁体を有している。切替弁３１５は、当該弁体を移動させることによって、上流から供給される冷媒を流す方向を択一的に切り替える。具体的には、切替弁３１５内の弁体は、矢印Ｆａで示されるように循環流路３１１の下流側に冷媒を流す位置（以下、この弁体の位置を「空調位置」と称する）と、矢印Ｆｗで示されるように導出流路２４４に冷媒を流す位置（以下、この弁体の位置を「水回収位置」と称する）と、に配置することができる。切替弁３１５内の弁体が空調位置にある場合、矢印Ｆａで示されるように循環流路３１１の下流側に流れた冷媒は、膨張弁３１６を通過する際に膨張することで温度が低下する。
【００３１】
循環流路３１１のうち膨張弁３１６よりも下流側の部位には、熱交換器であるエバポレータ３１７が設けられている。エバポレータ３１７は、いずれも不図示の複数のチューブと複数のコルゲートフィンとを有している。チューブは、内部に流路が形成されている管状部材である。コルゲートフィンは、金属製の板を折り曲げることによって形成されている。エバポレータ３１７は、隣り合うチューブ間にコルゲートフィンを配置することで構成されており、膨張弁３１６を通過した低温の冷媒をチューブ内の流路に流す。
【００３２】
エバポレータ３１７の外表面には、ファン３２０から供給される空気が流れている。ファン３２０は、空調制御装置３９０から受信する制御信号に基づいて駆動し、空気を吹き出す送風機である。エバポレータ３１７は、内部流路を流れる冷媒との熱交換を行わせることで、ファン３２０から供給される空気を冷却する。冷却されて低温になった空気が、不図示のダクトによって導かれ、車室内に吹き出されることによって、車室内の冷房が行われる。
【００３３】
また、エバポレータ３１７では、いくつかのコルゲートフィンに代えて、不図示の蓄冷材が、隣り合うチューブ間に配置されている。蓄冷材は、例えばパラフィンなど、潜熱量が大きい材料を用いて形成されている。蓄冷材は、常温では液状であるが、チューブ内の流路を低温の冷媒が流れると、当該冷媒に熱を奪われて凝固する。これにより、エバポレータ３１７は、この凝固した蓄冷材の温度が上昇し、液状に戻るまでの間に所定の冷却機能を維持することが可能となる。
【００３４】
また、ファン３２０が吹き出した空気が流れる方向においてエバポレータ３１７よりも下流側には、温度センサ３３０が設けられている。温度センサ３３０は、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度、又はエバポレータ３１７の表面の温度であるＴａ（以下、説明の簡便のため、温度Ｔａは「エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度」とする）に対応する検知信号を生成するとともに、当該検知信号を空調制御装置３９０に送信する。空調制御装置３９０は、当該検知信号に基づいて所定の演算を行うことで、温度Ｔａを取得することができる。
【００３５】
コンデンサ冷却装置３４０は、コンデンサ３１４の冷却を行う装置である。コンデンサ冷却装置３４０は、水供給路３４１と、ポンプ３４２と、ノズル３４３と、を有している。水供給路３４１は、貯水タンク２４８とノズル３４３との間に設けられる流路である。水供給路３４１には、電動のポンプ３４２が設けられている。空調制御装置３９０から受信する制御信号に基づいてこのポンプ３４２が駆動すると、貯水タンク２４８内に貯留されている水が水供給路３４１を介して吸引される。ポンプ３４２は、この水を加圧して下流側のノズル３４３に供給する。高圧となった水は、ノズル３４３に形成されている不図示の噴射孔から噴射され、霧状になってコンデンサ３１４に供給される。
【００３６】
空調制御装置３９０は、空調装置３００の運転を制御する装置である。空調制御装置３９０は、温度センサ３３０等の各種センサと電気的に接続されており、それらから受信する検知信号に基づいて、空調制御装置３９０に設けられる各種機器の状態を把握することができる。また、空調制御装置３９０は、制御信号を送信することで、コンプレッサ３１３を駆動させたり、切替弁３１５の弁体を移動させたりすることができる。
【００３７】
また、空調制御装置３９０は、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度Ｔａが所定の許容範囲内に収まるように空調装置３００の各種機器を制御する。当該許容範囲は、乗員が空調装置３００に対して指示する目標温度に基づいて設定されるものである。乗員は、車室内に設けられる不図示のパネル等を操作することによって、空調装置３００に対して目標温度を指示することができる。
【００３８】
さらに、空調制御装置３９０は、燃料電池システム２００のＦＣ制御装置２９０とも電気的に接続される。これにより、空調制御装置３９０は、燃料電池システム２００の運転状態を把握したり、ＦＣ制御装置２９０から受信する制御信号に基づいて空調制御装置３９０の各種機器に制御信号を送信することで、各種機器の動作を制御したりすることができる。
【００３９】
以上の説明のように構成された燃料電池車両１００では、貯水タンク２４８内に貯留されている水が不足しないように維持する必要がある。そこで、燃料電池システム２００のＦＣ制御装置２９０は、貯水タンク２４８内の水位ＨをＨ２以上に維持するように、水回収優先モードと空調優先モードとを交互に実行する。
【００４０】
水回収優先モードは、空調装置３００の運転よりも、燃料電池システム２００の水回収装置２４０による水の回収を優先させる運転モードである。これに対し、空調優先モードは、燃料電池システム２００の水回収装置２４０による水の回収よりも、空調装置３００の運転を優先させる運転モードである。図２及び図３を参照しながら、このＦＣ制御装置２９０が実行する処理の例について説明する。
【００４１】
図２は、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度Ｔａと、貯水タンク内の水位Ｈと、エバポレータ３１７の蓄冷材の蓄冷量ｑと、切替弁３１５の弁体の位置と、の変化の一例を示している。時刻ｔ１における状態のように、貯水タンク２４８内の水位ＨがＨ１以下になったことに基づいて、ＦＣ制御装置２９０は当該処理の実行を開始する。
【００４２】
時刻ｔ１で、貯水タンク２４８内の水位ＨがＨ１以下になると、ＦＣ制御装置２９０は、まず水回収モードを実行する。すなわち、ＦＣ制御装置２９０は、水位ＨがＨ１以下になったことに基づいて空調制御装置３９０に制御信号を送信し、切替弁３１５の弁体を水回収位置に配置させる。これにより、図１に矢印Ｆｗで示されるように、冷凍サイクル３１０のコンデンサ３１４から排出された低温の冷媒は、切替弁３１５によって導出流路２４４に流される。
【００４３】
切替弁３１５から導出流路２４４に流された冷媒は、膨張弁２４５を通過する際に膨張することで温度が低下する。この低温冷媒は凝縮器２４２に供給され、反応ガスからの水の回収に用いられる。これに伴い、貯水タンク２４８内の水位Ｈが上昇する。
【００４４】
コンデンサ３１４から排出された低温の冷媒が導出流路２４４に流されることで、エバポレータ３１７に低温冷媒が流入しなくなる。しかしながら、前述したように、エバポレータ３１７は蓄冷材を有しており、その蓄冷量ｑは時刻ｔ１では比較的大きいｑ２となっている。したがって、エバポレータ３１７の冷却機能は、低温冷媒がエバポレータ３１７に流入しなくなることで直ちに失われるものではなく、所定時間維持される。このため、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度Ｔａは徐々に上昇する。
【００４５】
時刻ｔ２で、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度ＴａがＴ２に達すると、ＦＣ制御装置２９０は、運転モードを水回収優先モードから空調優先モードに切り替える。すなわち、ＦＣ制御装置２９０は、温度ＴａがＴ２に達したことに基づいて、空調制御装置３９０に制御信号を送信し、切替弁３１５の弁体を空調位置に配置させる。このＴ２は、乗員が空調装置３００に対して指示する目標温度に基づいて設定される許容範囲のうち、上限値に相当する。切替弁３１５の弁体が空調位置に配置されると、冷凍サイクル３１０のコンデンサ３１４から排出された低温の冷媒は、図１に矢印Ｆａで示されるように循環流路３１１の下流側に流される。
【００４６】
切替弁３１５から循環流路３１１の下流側に流された冷媒は、膨張弁３１６を通過する際に膨張することで温度が低下する。この低温冷媒はエバポレータ３１７に供給され、車室内に吹き出す空気の冷却に用いられる。これにより、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度Ｔａが低下する。また、低温冷媒がエバポレータ３１７に供給されることによって、エバポレータ３１７の蓄冷材の蓄冷量ｑが増加する。
【００４７】
時刻ｔ３で、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度ＴａがＴ１に達した後、ＦＣ制御装置２９０は、時間ｔｆだけ、切替弁３１５の弁体を空調位置に配置した状態で維持させる。このＴ１は、乗員が空調装置３００に対して指示する目標温度に基づいて設定される許容範囲のうち、下限値に相当する。また、時間ｔｆは、エバポレータ３１７の蓄冷材の凝固に要する時間である。これにより、エバポレータ３１７の蓄冷材の蓄冷量ｑがさらに増加する。
【００４８】
時刻ｔ３から時間ｔｆが経過した時刻ｔ４で、ＦＣ制御装置２９０は、運転モードを水回収優先モードから空調優先モードに切り替える。すなわち、ＦＣ制御装置２９０は、時刻ｔ３から時間ｔｆが経過したことに基づいて、空調制御装置３９０に制御信号を送信し、切替弁３１５の弁体を水回収位置に配置させる。
【００４９】
以上の説明のように、ＦＣ制御装置２９０は、水回収優先モードと空調優先モードとを、貯水タンク２４８内の水位ＨがＨ２に達するまで交互に実行する。次に、図３を参照しながら、ＦＣ制御装置２９０の処理の流れについて説明する。
【００５０】
まず、ＦＣ制御装置２９０は、図３に示されるステップＳ１で、貯水タンク２４８内の水位ＨがＨ２以上であるか否かを判定する。貯水タンク２４８内の水位ＨがＨ２以上であると判定した場合、すなわち、貯水タンク２４８内の水位Ｈの回復が不要な場合、ＦＣ制御装置２９０は、ステップＳ３の処理に進む。ステップＳ３で、ＦＣ制御装置２９０は、切替弁３１５の弁体を空調位置に配置するように空調制御装置３９０に制御信号を送信する。これにより、空調優先モードが実行される。
【００５１】
一方、ステップＳ１で、貯水タンク２４８内の水位ＨがＨ２以上ではないと判定した場合、すなわち、貯水タンク２４８内の水位Ｈの回復が必要な場合、ＦＣ制御装置２９０はステップＳ２の処理に進む。ステップＳ２で、ＦＣ制御装置２９０は、切替弁３１５の弁体を水回収位置に配置するように空調制御装置３９０に制御信号を送信する。これにより、水回収モードが実行される。ステップＳ２の処理を終えたＦＣ制御装置２９０は、ステップＳ４の処理に進む。
【００５２】
次に、ＦＣ制御装置２９０は、ステップＳ４で、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度ＴａがＴ２以上であるか否かを判定する。ＦＣ制御装置２９０は、温度ＴａがＴ２以上となるまで待機する。温度ＴａがＴ２以上になったと判定すると、ＦＣ制御装置２９０はステップＳ５の処理に進む。
【００５３】
次に、ＦＣ制御装置２９０は、ステップＳ５で、切替弁３１５の弁体を空調位置に配置するように空調制御装置３９０に制御信号を送信する。これにより、運転モードが水回収モードから空調優先モードに切り替えられる。
【００５４】
次に、ＦＣ制御装置２９０は、ステップＳ６で、エバポレータ３１７によって冷却された空気の温度ＴａがＴ１以下であるか否かを判定する。ＦＣ制御装置２９０は、温度ＴａがＴ１以下となるまで待機する。温度ＴａがＴ１以下になったと判定すると、ＦＣ制御装置２９０はステップＳ７の処理に進む。
【００５５】
次に、ＦＣ制御装置２９０は、ステップＳ７で、温度ＴａがＴ１以下になったタイミングから時間ｔｆが経過したか否かを判定する。温度ＴａがＴ１以下になったタイミングから時間ｔｆが経過したと判定すると、ＦＣ制御装置２９０はステップＳ１の処理に戻る。
【００５６】
以上の説明のように、燃料電池システム２００によれば、水回収装置２４０は、冷媒を用いて反応ガスを冷却し、水を回収する。この冷媒は、空調装置３００の冷凍サイクル３１０から供給されるものである。すなわち、燃料電池システム２００は、空調装置３００の冷凍サイクル３１０を水の回収にも利用するものであり、このような冷凍サイクルの利用により、大型化を抑制しながらも燃料電池車両１００に搭載することが可能となる。
【００５７】
また、燃料電池システム２００は、冷凍サイクル３１０において冷媒を循環させる循環流路３１１から冷媒を導出する導出流路２４４を備える。水回収装置２４０は、導出流路２４４を流れる冷媒を用いて反応ガスを冷却するように構成されている。これにより、水回収装置２４０は冷凍サイクル３１０から冷媒の供給を受けるとともに、当該冷媒を用いて水の回収を行うことが可能となる。
【００５８】
また、燃料電池システム２００は、冷媒を膨張させる膨張弁２４５が導出流路２４４に設けられている。これにより、導出流路２４４を流れる冷媒の温度を大幅に低下させ、水回収装置２４０において効率良く水の回収を行うことが可能となる。
【００５９】
また、燃料電池システム２００は、導出流路２４４による冷媒の導出を制御する制御弁である切替弁３１５を備える。これにより、冷凍サイクル３１０の循環流路３１１において冷媒を循環させる空調優先モードと、循環流路３１１から水回収装置２４０に冷媒を供給する水回収優先モードと、を切り替えることが可能になる。また、この空調優先モードと水回収優先モードとを適宜切り替えることにより、空調装置３００による車室内の温度調整と、水回収装置２４０による水の回収との両立を図ることが可能になる。
【００６０】
また、制御弁である切替弁３１５は、空調装置３００が調整した空気の温度、又は冷媒と空気との熱交換を行うことで該空気を冷却するエバポレータ３１７の表面の温度であるＴａがＴ２以上になったことに基づいて、導出流路２４４が導出する冷媒を減少させる。詳細には、切替弁３１５は、温度ＴａがＴ２以上になったことに基づいて、切替弁３１５の弁体を空調位置に配置することで、導出流路２４４による冷媒の導出を停止させる。これにより、温度Ｔａが所定の許容範囲内に収まるように制御し、空調装置３００による車室内の温度調整に支障をきたすことなく水回収を行うことが可能になる。
【００６１】
続いて、第２実施形態に係る燃料電池システム２００Ａについて、図４を参照しながら説明する。この燃料電池システム２００Ａは、空調装置３００Ａとともに燃料電池車両１００Ａに搭載され、電力を発生させるシステムである。
【００６２】
燃料電池システム２００Ａの構成は、その導出流路２４４に膨張弁を備えていない点で、第１実施形態に係る燃料電池システム２００の構成と異なる。また、空調装置３００Ａの構成は、その冷凍サイクル３１０Ａの膨張弁３１６Ｂの配置等の点で、第１実施形態に係る空調装置３００の構成と異なる。燃料電池システム２００Ａ、空調装置３００Ａの構成のうち、第１実施形態に係る燃料電池システム２００、空調装置３００の構成と同一のものについては適宜同一の符号を付して、説明を省略する。
【００６３】
空調装置３００Ａの冷凍サイクル３１０Ａでは、膨張弁３１６が、循環流路３１１のうちコンデンサ３１４と切替弁３１５との間の部位に設けられる。これにより、コンデンサ３１４から排出された冷媒は、膨張して温度が低下した後に、切替弁３１５に供給される。
【００６４】
ＦＣ制御装置２９０は、第１実施形態と同様に、切替弁３１５の弁体を空調位置、又は水回収位置に配置することによって、冷媒を流す方向を択一的に切り替える。すなわち、ＦＣ制御装置２９０は、冷媒を流す方向を、矢印Ｆａで示される方向と、矢印Ｆｗで示される方向とで、択一的に切り替える。
【００６５】
このように、第２実施形態に係る燃料電池システム２００Ａでは、導出流路２４４は、循環流路３１１に設けられ冷媒を膨張させる膨張弁３１６Ｂよりも下流側の部位から冷媒を導出する。これにより、膨張弁３１６Ｂにおいて温度が低下した冷媒を導出し、水回収に利用することが可能となる。この構成によれば、導出流路２４４に膨張弁を設ける必要がないため、燃料電池システム２００Ａの小型化や、製造コストの抑制を図ることが可能となる。
【００６６】
続いて、第３実施形態に係る燃料電池システム２００Ｂについて、図５を参照しながら説明する。この燃料電池システム２００Ｂは、空調装置３００Ｂとともに燃料電池車両１００Ｂに搭載され、電力を発生させるシステムである。
【００６７】
燃料電池システム２００Ｂの構成は、空調装置３００Ｂの循環流路３１１Ｂの一部が内部に配置されている点で、第１実施形態に係る燃料電池システム２００の構成と異なる。また、空調装置３００Ｂの構成は、その冷凍サイクル３１０Ｂの循環流路３１１Ｂの配置の点で、第１実施形態に係る空調装置３００の構成と異なる。燃料電池システム２００Ｂ、空調装置３００Ｂの構成のうち、第１実施形態に係る燃料電池システム２００、空調装置３００の構成と同一のものについては適宜同一の符号を付して、説明を省略する。
【００６８】
空調装置３００Ｂの冷凍サイクル３１０Ｂでは、その循環流路３１１Ｂの一部が燃料電池システム２００Ｂ内に延びるように配置されている。この循環流路３１１Ｂは、貯水タンク２４８内に配置される浸水部３１２Ｂを有している。浸水部３１２Ｂは、貯水タンク２４８内で水没するように配置されている。
【００６９】
冷凍サイクル３１０Ｂの膨張弁３１６を通過する際に膨張し、温度が低下した冷媒は、この浸水部３１２Ｂに導かれる。浸水部３１２Ｂを流れる低温冷媒は、貯水タンク２４８内に貯留されている水と熱交換を行うことによって、当該水を冷却する。
【００７０】
このように、第３実施形態に係る燃料電池システム２００Ｂでは、貯水タンク２４８は、冷凍サイクル３１０Ｂから冷媒の供給を受け、この冷媒を用いて、貯留している水を冷却するように構成されている。これにより、貯水タンク２４８内に貯留されている水の温度を低下させ、当該冷媒を用いてラジエータ２２２、及びコンデンサ３１４を効率良く冷却することが可能になる。
【００７１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【００７２】
第１実施形態に係る燃料電池システム２００のＦＣ制御装置２９０は、空調装置３００の空調制御装置３９０と連係することで、空調装置３００の動作状態を把握したり、空調装置３００の各種機器の動作を制御したりすることができる。しかしながら、本発明の範囲はこの態様に限定されるものではない。例えば、燃料電池システム２００と空調装置３００とを、単一の制御装置によって制御してもよい。
【００７３】
また、第１実施形態に係る空調装置３００のエバポレータ３１７は、隣り合うチューブ間に蓄冷材を有している。しかしながら、本発明の範囲はこの態様に限定されるものではない。例えば、各チューブに冷媒を分配する不図示のタンクの内部に蓄冷材を配置し、気化した冷媒が当該蓄冷材によって再凝縮されることで蓄冷効果を得るような構成としてもよい。
【００７４】
また、前述した各実施形態では、反応ガスから回収した水を、ラジエータ２２２、及びコンデンサ３１４の冷却に用いている。しかしながら、本発明の範囲はこの態様に限定されるものではない。例えば、回収した水を、燃料電池２１０に供給する燃料の水蒸気改質等に用いるように構成してもよい。
【符号の説明】
【００７５】
１００，１００Ａ，１００Ｂ：燃料電池車両（車両）
２００，２００Ａ，２００Ｂ：燃料電池システム
２１０：燃料電池
２４０：水回収装置
２４４：導出流路
２４５：膨張弁
２４８：貯水タンク
３００，３００Ａ，３００Ｂ：空調装置
３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ：冷凍サイクル
３１１，３１１Ｂ：循環流路
３１５：切替弁
３１６，３１６Ｂ：膨張弁
【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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