JP2001313054A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却装置の冷却性能を向上させ、冷却装置の
小型化を図ることが可能な燃料電池システムを提供す
る。 【解決手段】 水素と酸素とを化学反応させて電力を得
る燃料電池１と、熱媒体を用いて熱交換することにより
燃料電池１を冷却する冷却装置４とを備え、化学反応で
発生する水分の蒸発潜熱により冷却装置４の放熱量を増
大する。化学反応で発生する水分は、冷却装置４に直接
散布、あるいは冷却装置４に送風される空気中に散布し
てもよい。燃料電池１で発生する水分は、気液分離器１
０により水蒸気と水に分離され、この分離された水を散
布に用いる。また、燃料電池１の出力に基づいて散布の
制御を行う制御装置１２を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷却装置の冷却効
率を向上を図る燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、水素と酸素（空気）との化学
反応を利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池シ
ステムが知られている。燃料電池では、発電時の化学反
応により水分および熱が発生する。燃料は発電効率のた
め定温（８０℃程度）に維持する必要があり、発電時に
発生する熱のほとんどを、水等の熱媒体を介してラジエ
ータ（空冷式の冷却装置）により大気に放出している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池システムでは内燃機関に比較して発熱量が小さく、冷
却水温度と外気温度との気水温度差が５０％程度低下す
るため、ラジエータによる冷却には不利である。そこ
で、ラジエータの冷却性能を確保するためにはラジエー
タの性能を向上させる必要がある。一般的なラジエータ
の性能は、ラジエータ自身の体格およびファンの送風量
によってほぼ決定する。このため、通常ラジエータ能力
を向上させるには、ラジエータの体格を大きくするか、
あるいはファンの送風量を増大させる必要がある。

【０００４】ところが、燃料電池を例えば車両の駆動電
源として適用する場合には、車両に搭載可能な空間サイ
ズは限定されるためラジエータ小型化の要求があり、ラ
ジエータの体格を大きくすることは困難である。さらに
ファン能力を増大させるためには大電力が必要であると
いった問題がある。

【０００５】本発明は、上記問題点に鑑み、冷却装置の
冷却性能を向上させ、冷却装置の小型化を図ることが可
能な燃料電池システムを提供すること目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】燃料電池は通常、電解質
膜が一対の電極で挟まれたセルが多数組み合わされて構
成されており、発電の際には、水素と酸素との化学反応
のために電解質膜を常に水分を含んだ状態にしておく必
要がある。そこで、従来の燃料電池システムでは、発電
時に発生する水分の一部を、加湿器を介して燃料電池に
供給される空気あるいは水素を加湿して電解質膜の加湿
に利用するものが提案されており、残りの水分は系外に
排出される。

【０００７】本発明者らは燃料電池にて発電後、余剰と
なって系外に排出される水分が存在することに着目し、
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
水素と酸素とを化学反応させて電力を得る燃料電池
（１）と、熱媒体を用いて熱交換することにより燃料電
池（１）を冷却する冷却装置（４）とを備え、化学反応
で発生する水分の蒸発潜熱により冷却装置（４）を冷却
することを特徴としている。

【０００８】このような構成により、燃料電池（１）で
発電時に発生する水分を最大限に有効利用して、冷却装
置（４）での放熱量を増大させ、冷却装置（４）の冷却
性能を向上させることができる。これにより、従来のよ
うに冷却装置（４）を空冷だけで冷却を行う場合より、
冷却装置（４）に必要とされる冷却能力を低減できる。
従って、大電力を必要とすることなく冷却装置（４）の
冷却性能を確保しつつ、冷却装置（４）を小型化するこ
とが可能となり、燃料電池システム全体の効率を向上さ
せることができる。

【０００９】具体的には、請求項２に記載の発明のよう
に、化学反応で発生する水分を冷却装置（４）に直接散
布することができ、また、請求項３に記載の発明のよう
に、化学反応で発生する水分を冷却装置（４）に送風さ
れる空気中に散布することができる。

【００１０】また、請求項４に記載の発明では、燃料電
池（１）の出力に基づいて散布の制御を行う制御装置
（１２）を備えることを特徴としている。

【００１１】これにより、燃料電池（１）の冷却の必要
性に応じて適切に冷却を行うことができる。また、燃料
電池（１）の出力として、熱媒体の燃料電池（１）の出
口温度や燃料電池（１）の発電量等を用いることができ
る。

【００１２】また、請求項５に記載の発明では、化学反
応で発生する水分を水蒸気と水に分離する気液分離器
（１０）を備え、気液分離器（１０）にて分離される水
を散布に用いることを特徴としている。

【００１３】これにより、気液分離器１０内に水を貯蔵
しておくことができ、冷却装置（４）の冷却のため緊急
に大量の水が必要な場合でも対応できる。また、気液分
離器（１０）に貯蔵されている水は、凝縮により低温状
態で生成されるので、熱媒体との温度差が広がり、効果
的に冷却装置（４）を冷却できる。

【００１４】また、請求項６に記載の発明では、燃料電
池（１）は電解質膜を備え、気液分離器（１０）にて分
離される水蒸気は、電解質膜の加湿に用いられることを
特徴としている。これにより、燃料電池（１）で生成さ
れる水分をより効果的に利用することができる。

【００１５】また、請求項７に記載の発明は、水素と酸
素とを化学反応させて電力を得る燃料電池（２１）と、
熱媒体を用いて熱交換することにより燃料電池（２１）
を冷却する冷却装置（２４）と、高温高圧の冷媒を冷却
する高圧側熱交換器（２９）を有する車内空調用の冷凍
サイクル装置とを備え、冷却装置（２４）あるいは高圧
側熱交換器（２９）の少なくとも一方に対し、化学反応
で発生する水分を散布して水分の蒸発潜熱により冷却す
ることを特徴としている。

【００１６】このような構成により、燃料電池内で発生
した生成水を、燃料電池（２１）を冷却する冷却装置
（２４）の冷却のみならず、車室内の空調に用いられる
熱交換器（２９）の冷却にも利用して冷凍サイクルの効
率を向上させることができる。

【００１７】また、請求項８に記載の発明では、熱媒体
の温度（Ｔｗ）が所定温度（Ｔａ）を超えている場合に
は、冷却装置（２４）に水分を散布し、熱媒体の温度
（Ｔｗ）が所定温度（Ｔａ）を超えていない場合であっ
て、冷凍サイクル装置が作動しているときには、高圧側
熱交換器（２９）に水分を散布することを特徴としてい
る。このように、車両走行に必要な燃料電池の冷却を優
先することで、車両走行能力を確保することができる。

【００１８】また、請求項９に記載の発明では、冷却装
置（２４）は送風用ファン（２５）を備えており、熱媒
体の温度（Ｔｗ）が所定温度（Ｔａ）を超えていない場
合であって、かつ、冷凍サイクル装置が作動していない
場合において、送風用ファン（２５）が作動していると
きには、冷却装置（２４）に水分を散布することを特徴
としている。これにより、冷却装置（２４）の冷却能力
を向上させて、ファン（２５）の消費電力を低減させる
ことができる。

【００１９】また、請求項１０に記載の発明のように、
冷却装置（２４）に水分を散布した場合に水分が残留す
るときには、冷却装置（２４）および高圧側熱交換器
（２９）に同時に水分を散布するようにしてもよい。

【００２０】また、請求項１１に記載の発明では、冷凍
サイクル装置の冷媒の蒸発潜熱により車室内に送風され
る空気を冷却する蒸発器（３８）を備え、蒸発器（３
８）により冷却された空気から発生する凝縮水を回収
し、化学反応により生じた水分に加えることを特徴とし
ている。

【００２１】これにより、燃料電池（２１）の生成水に
加えて、空調装置の作動に伴って発生する生成水を回収
して有効利用することができる。

【００２２】また、請求項１２に記載の発明では、水分
は、散布に加えて、燃料電池（２１）に供給される水素
あるいは酸素の少なくとも一方の加湿に用いられること
を特徴としている。これにより、燃料電池（２１）内部
の電解質膜を湿潤状態に保つことができる。

【００２３】また、請求項１３に記載の発明では、化学
反応で発生する水分を水蒸気と水に分離し、分離した水
を貯蔵する気液分離器（４２）を備え、気液分離器（４
２）には、貯蔵水を散布に用いるための散布用通路（３
２、３３）と、貯蔵水を加湿に用いるための加湿用通路
（３１）とが接続されており、散布用通路（３２、３
３）は、加湿用通路（３１）より上方に接続されている
ことを特徴としている。

【００２４】これにより、加湿用通路（３２、３３）が
接続された部位より下方に存在する水は、冷却装置（２
４）等への散布には使用することができない。従って、
より優先順位の高い水素等の加湿用に、常に水を確保し
ておくことができる。

【００２５】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。

【００２６】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
適用した第１実施形態を図１に基づいて説明する。本実
施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走
行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものであ
る。

【００２７】図１に示すように、本実施形態の燃料電池
システムは、水素と酸素との化学反応を利用して電力を
発生する燃料電池（ＦＣスタック）１を備えている。本
実施形態の燃料電池１は固体高分子電解質型燃料電池を
用いており、電解質膜が一対の電極で挟まれたセルが多
数組み合わされて構成されている。この燃料電池１は、
走行用電動モータやバッテリ等の電気機器（図示せず）
に電力を供給するものである。

【００２８】燃料電池１には、空気通路２を介して空気
（酸素）が供給され、水素通路３を介して水素が供給さ
れるように構成されている。発電時の化学反応のために
電解質膜を水分を含んだ状態にしておく必要があるた
め、本実施形態では、図示しない加湿器等により予め加
湿された空気が燃料電池１に供給され、燃料電池１内の
電解質が加湿されるように構成されている。

【００２９】燃料電池１では、発電の際の化学反応によ
り水分および熱が発生する。燃料電池１は発電効率のた
めに運転中一定温度（例えば８０℃程度）に維持する必
要があり、燃料電池システムには燃料電池１で発生した
熱を系外に放出するための冷却装置としてのラジエータ
４が設けられている。燃料電池１を通過した熱媒体（例
えば冷却水等の流体）は熱媒体流路６を介してラジエー
タ４に循環し、ここで外気（大気）と熱交換され冷却さ
れる。ラジエータ４はファン５を備えており、これによ
り送風が行われラジエータ４の熱交換を補助する。

【００３０】熱媒体流路６には、冷却水の冷却が不要な
場合にラジエータ４をバイパスさせるバイパス流路６ａ
が設けられている。この冷却水のバイパス流路６ａへの
切り替えは、三方切替弁７により行われる。また、熱媒
体流路６には、冷却水を循環させるためのウォータポン
プ８が設けられている。熱媒体流路６における燃料電池
１出口側には、冷却水温度を検出する温度センサ９が設
けられている。

【００３１】燃料電池１にて発電の際に発生した水分
は、燃料電池１から空気に含まれた状態で空気通路２を
介して排出される。そこで、本実施形態の燃料電池シス
テムには、空気通路２における燃料電池１の下流側に、
発電の際に発生した水分を水蒸気および水に分離する気
液分離器１０が設けられている。気液分離器１０で分離
された水蒸気は系外に排出される。気液分離器１０で分
離された水は、凝縮により温度が下げられた状態で気液
分離器１０内に一旦貯えられ、その後、散布用流路１１
を介してラジエータ４に散布（供給）される。散布用通
路１１には、水を散布用通路１１に供給するためのウォ
ータポンプ１２と、散布用通路１１を流れる水の流量を
制御するための散布用弁１３が設けられている。

【００３２】本実施形態の燃料電池システムは、燃料電
池１の出力に基づいて燃料電池１の冷却制御を行う制御
装置１４を備えている。燃料電池１の出力変化に伴い燃
料電池１の発熱量が変化するので、本実施形態では燃料
電池１の出力として、燃料電池１の温度（発熱量）に対
応した冷却水の燃料電池１出口温度を用いている。従っ
て制御装置１４は、温度センサ９からの温度信号に基づ
いて三方切替弁７、ウォータポンプ１２、散布用弁１３
の制御を行う。これにより、熱媒体流路６において冷却
水がバイパス流路６ａに流れる量や気液分離器１０に貯
蔵された水のラジエータ４への散布量を調整する。

【００３３】以下、本実施形態の燃料電池システムの作
動を図１、図２に基づいて説明する。まず、図示しない
加熱手段により燃料電池１を発電可能温度まで加熱した
後、水素、空気の供給を開始する。これにより燃料電池
１では発電が開始される。この発電時の化学反応により
燃料電池１では水分と熱が発生する。水分は空気通路２
を介して空気に含まれた状態で燃料電池１から排出され
た後、気液分離器１０で水蒸気と水に分離される。水蒸
気は系外に排出され、水は気液分離器１０で貯蔵され
る。燃料電池１で発生した熱は、以下の冷却制御により
大気中に放出される。

【００３４】次に、制御装置１４による燃料電池システ
ムの冷却制御について図２のフローチャートに基づいて
説明する。まず、車両が停止しているか否か判定する
（Ｓ１００）。車両が停止している場合には、燃料電池
１の冷却は不要であり終了する（Ｓ１１０）。車両が停
止していない場合には、燃料電池１の冷却が必要か否か
を判定する（Ｓ１２０）。具体的には、制御装置１４に
おいて、温度センサ９で検出した冷却水温度Ｔｗが、冷
却の必要な所定温度Ｔｓ（例えば９０℃）以上であるか
否かを判定する。冷却が不要であれば（Ｔｗ＜Ｔｓ）、
制御装置１４からの信号によって、冷却水が熱媒体流路
６中バイパス通路６ａを流れるように三方弁７が切り替
えられ（図１中矢印Ａ）、冷却水はラジエータ４をバイ
パスする（Ｓ１３０）。

【００３５】一方、冷却が必要であれば（Ｔｗ＞Ｔ
ｓ）、冷却水がラジエータ４に流れるように三方弁７が
切り替えられ（図１中矢印Ｂ）、ラジエータ４による冷
却水の冷却が行われる（Ｓ１４０）。ここで、燃料電池
１の冷却がさらに必要か否か判定する（Ｓ１５０）。こ
こではラジエータ４のよる冷却のみで充分な冷却が得ら
れるか否かを判定する。

【００３６】冷却が必要であると判定された場合（Ｔｗ
＞Ｔｓ）、すなわちラジエータ４のみによる冷却では不
充分と判定された場合には、気液分離器１０に貯蔵され
た水がラジエータ４に散布される（Ｓ１６０）。具体的
には、制御装置１４では温度センサ９からの温度信号に
より必要散布量を算出し、これに基づいてウォータポン
プ１２および散布用弁１３を作動させ、これによりラジ
エータ４への散布（供給）が行われる。これにより、散
布された水の蒸発潜熱（吸熱）によってラジエータ４の
放熱能力を向上させ、効果的に冷却水の温度を低下させ
る。

【００３７】このとき、気液分離器１０に貯蔵されてい
る水は凝縮により低温状態で生成されており、このよう
な低温の水をラジエータ４に散布することで冷却水との
温度差が広がり、効果的に冷却水の冷却を行うことがで
きる。また、気液分離器１０内に水を貯蔵しておくこと
で、冷却のため緊急に大量の水が必要な場合でも対応で
きる。

【００３８】また、気液分離器１０に貯蔵された水を散
布用通路１１を介してラジエータ４に散布する際、水が
ラジエータ４にて蒸発することにより蒸発潜熱によりラ
ジエータ４の放熱能力を向上させ、効果的に冷却水の温
度を低下させればよく、水滴状態でラジエータ４本体に
散布する場合、あるいは霧状にしてラジエータ４本体に
散布（噴霧）する場合等、種々の散布方法を用いること
ができる。さらに、水をラジエータ４本体に直接散布す
るのではなく、ノズルやインジェクタ等によりラジエー
タ４に送風される空気中に散布して、送風空気を冷却し
てもよい。この場合には、冷却された空気がラジエータ
４に送風され、ラジエータ４の放熱効率が向上する。

【００３９】このように本実施形態の燃料装置システム
では、燃料電池１の出力に応じて、すなわち燃料電池１
の冷却の必要性に応じて（１）ラジエータ４を使用しな
い場合、（２）ラジエータ４が空冷のみで冷却を行う場
合、（３）ラジエータ４が空冷と水の蒸発潜熱による冷
却を行う場合のいずれかに切り替える制御が可能となっ
ている。

【００４０】以上、本実施形態の燃料電池システムによ
れば、燃料電池１で発電時に発生する水分をラジエータ
４に散布することで、発電時に発生する水分を最大限に
有効利用して、ラジエータ４での放熱量を増大できる。
これにより、従来のようにラジエータ４を空冷だけで冷
却を行う場合より、ラジエータ４に必要とされる冷却能
力を低減できる。従って、大電力を必要とすることなく
ラジエータ４の冷却性能を確保しつつ、ラジエータ４を
小型化することが可能となり、燃料電池システム全体の
効率を向上させることができる。

【００４１】（第２実施形態）次に、本発明の第２実施
形態の燃料電池システムを図３に基づいて説明する。本
第２実施形態の燃料電池システムは、上記第１実施形態
に比較して、空気通路２に全熱交換器１５と、全熱交換
器１５に空気を供給するポンプ１６が追加されたもので
ある。上記第１実施形態と同様の部分については同一の
符号を付して説明を省略する。

【００４２】図３に示すように、本第２実施形態の燃料
電池システムでは、空気通路２に全熱交換器１５が設け
られている。空気通路２は、燃料電池１の上流側および
下流側において全熱交換器１５を通過するように構成さ
れている。

【００４３】燃料電池１で発電時に発生した水分は、気
液分離器１０にて水蒸気と水に分離され、水は上記第１
実施形態と同様に散布によるラジエータ４の冷却に利用
される。一方、気液分離器１０にて分離された水蒸気
は、空気通路２を介して全熱交換器１５に流れ、ここで
燃料電池１に供給される空気の加湿に利用される。この
とき、全熱交換器１５では、供給空気の温度を若干高く
することにより、水蒸気を多く含むことができるように
している。加湿された空気が燃料電池１に供給されるこ
とにより、燃料電池１内の電解質を加湿することができ
る。

【００４４】以上、本第２実施形態の燃料電池システム
の構成によれば、燃料電池１にて発電時に発生した水分
を気液分離器１０で水蒸気と水に分離した後、上記第１
実施形態のように水をラジエータ４の冷却に用い、さら
に水蒸気を供給空気の加湿に用いる。従って、本第２実
施形態では、燃料電池１で生成される水分をより効果的
に利用することができる。

【００４５】（第３実施形態）次に、本発明の第３実施
形態を図４、図５に基づいて説明する。本第３実施形態
の燃料電池システムは、燃料電池にて発電時に発生する
水分を、燃料電池の冷却に用いられるラジエータに加え
て、車室内の空調に用いられるコンデンサの冷却にも用
いている。本第３実施形態の燃料電池システムは、燃料
電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）
に適用したものである。

【００４６】図４は、本第３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４に示すように、本第３
実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との化学反
応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）
２１を備えている。燃料電池２１には、空気通路２２を
介して空気（酸素）が供給され、水素通路２３を介して
水素が供給される。

【００４７】燃料電池システムには、燃料電池２１を冷
却するためのラジエータ２４が設けられている。ラジエ
ータ２４は送風冷却用ファン２５を備えており、ファン
２５の周囲はファンシュラウド２６が設けられている。
燃料電池２１には熱媒体流路２７を介して熱媒体（例え
ば冷却水等の流体）が循環する。熱媒体流路２７には、
冷却水を循環させるためのウォータポンプ２８が設けら
れている。

【００４８】さらに、本第３実施形態の燃料電池システ
ムは、車室内の空調装置（エアコンディショナ）に用い
られる冷凍サイクル装置を備えている。冷凍サイクル装
置は、冷媒が循環する冷媒通路、冷媒の圧縮吐出を行う
コンプレッサ、コンプレッサから吐出された高圧冷媒を
凝縮するコンデンサ、コンデンサで凝縮した冷媒を減圧
する減圧装置、減圧装置で減圧した低圧冷媒を蒸発させ
るエバポレータ等よりなる周知の冷凍サイクルから構成
されている。コンデンサ２９は、高温高圧の冷媒ガスの
熱を大気中に放出して、冷媒ガスを凝縮液化させるため
の高圧側熱交換器である。なお、冷凍サイクル装置は、
コンデンサ２９を除いて図示を省略している。

【００４９】空気通路２２における燃料電池２１の下流
側には、発電の際に発生して空気に含まれた状態で排出
される生成水を、水蒸気および水に分離する気液分離器
３０が設けられている。気液分離器３０で分離された水
蒸気は系外に排出され、分離された水は気液分離器３０
内に貯えられる。気液分離器３０内に貯蔵された水は、
燃料電池２１内への水分補給と、ラジエータ２４および
コンデンサ２９の冷却に用いられる。

【００５０】気液分離器３０に貯蔵された生成水は、加
湿用通路３１を介して空気通路２２および水素通路２３
に供給される。これにより、予め加湿された空気および
水素が燃料電池２１に供給され、燃料電池２１内の電解
質が加湿される。

【００５１】また、気液分離器３０に貯蔵された生成水
は、散布用通路３２、３３を介してノズル３６、３７よ
りラジエータ２４およびコンデンサ２９に散布（供給）
される。ノズル３６、３７は、ラジエータ２４等の風上
（車両前方側）に配置されている。散布された水の蒸発
潜熱により、ラジエータ２４およびコンデンサ２９は冷
却される。散布用通路３２、３３には、水をラジエータ
２４等に供給するためのウォータポンプ３４、３５が設
けられている。

【００５２】本第３実施形態の燃料電池システムは、各
種制御を行う図示しない制御装置を備えている。制御装
置は、燃料電池２１に循環する冷却水の温度、ラジエー
タファン作動状態、冷凍サイクル装置作動状態等に基づ
いて、ラジエータ２４あるいはコンデンサ２９に対する
水分の散布を制御する。

【００５３】次に、本第３実施形態における気液分離器
３０に分離貯蔵された燃料電池２０の生成水の利用方法
について、図５のフローチャートに基づいて説明する。

【００５４】まず、冷却水の温度Ｔｗを読み込む（ステ
ップＳ２００）。次に、冷却水温度Ｔｗが目標温度Ｔａ
を超えているか否かを判定する（ステップＳ２１０）。
この結果、Ｔｗ＞Ｔａである場合には、ラジエータ用ポ
ンプ３４を作動させ、ラジエータ２４に生成水を散布
（噴射）する（ステップＳ２２０）。散布された水の蒸
発潜熱によりラジエータ２４の温度を低下させることが
でき、ラジエータ２４の冷却能力を向上させることがで
きる。

【００５５】冷却水温度Ｔｗが目標温度Ｔａを超えてい
ない場合には、空調装置が作動しているか否か、すなわ
ち冷凍サイクル装置が作動しているか否かを判定する
（ステップＳ２３０）。この結果、空調装置が作動して
いる場合には、コンデンサ用ポンプ３５を作動させ、コ
ンデンサ２９に生成水を散布する（ステップＳ２４
０）。散布された水の蒸発潜熱によりコンデンサ２９の
温度を低下させることができ、冷凍サイクルの高圧側の
冷媒ガス圧力を低下させることができる。これにより、
冷凍サイクルの効率（ＣＯＰ）を向上させることがで
き、コンプレッサ消費動力を低減させることができ、車
両燃費を向上させることができる。これは、エアコンの
クールダウン時や夏期等の渋滞走行等のような冷凍サイ
クルの高圧側冷媒ガス圧力が上昇する条件において、特
に有効である。

【００５６】空調装置が作動していない場合には、ラジ
エータファン２５が作動しているか否かを判定する（ス
テップＳ２５０）。この結果、ファン２５が作動してい
る場合には、ラジエータ用ポンプ３４を作動させ、ラジ
エータ２４に生成水を散布する（ステップＳ２６０）。
これにより、ラジエータ２４の冷却能力を向上させるこ
とができるため、ファン２５の稼働率を低下させること
ができ、ファン消費電力を低減させることができる。

【００５７】次に、運転者によるキーオフ操作の有無を
検出し、燃料電池２０を停止させるか否かを判定する
（ステップＳ２７０）。この結果、燃料電池２０を停止
させる場合には本制御を終了し、停止させない場合には
上記ステップＳ２００に戻り、上記の各ステップを繰り
返し行う。

【００５８】以上、本第３実施形態によれば、ラジエー
タ２４およびコンデンサ２９の冷却能力を向上させるこ
とができる。これにより、ラジエータ２４の冷却能力向
上と同時に補機類の消費電力が低減し、車両の燃費を向
上させることができる。また、本第３実施形態では、車
両走行に必要な燃料電池２１の冷却装置であるラジエー
タを優先的に冷却することで、車両走行能力を確保して
いる。

【００５９】（第４実施形態）次に、本発明の第４実施
形態について図６に基づいて説明する。本第４実施形態
は、上記第３実施形態に比較して、燃料電池の生成水に
加えて車内用空調装置で発生する生成水（凝縮水）を回
収する点が異なるものである。上記第３実施形態と同様
の部分は同一の符号を付して説明を省略する。

【００６０】図６は本第４実施形態の燃料電池システム
の概略構成を示している。図６に示すように、本第４実
施形態では、冷凍サイクルのエバポレータ３８の下方
に、エバポレータ３８にて発生する凝縮水を回収するた
めの凝縮水回収トレイ３９が設けられている。凝縮水回
収トレイ３９は、凝縮水回収配管４０により気液分離器
３０に接続されている。

【００６１】エバポレータ３８は、冷凍サイクルの減圧
装置で低温低圧の状態となった液冷媒を蒸発させること
で、エバポレータ３８を通過して車室内に送風される空
気を冷却する。このとき、空気が露点温度以下に冷却さ
れることで、空気中の水分が凝縮してエバポレータ３８
の表面に凝縮水が生成する。この凝縮水は、凝縮水回収
トレイ３９にて回収され、凝縮水回収配管４０を介して
気液分離器３０に貯蔵される。

【００６２】このような構成により、燃料電池２１の生
成水に加えて、空調装置の作動に伴って発生する生成水
を回収することができ、ラジエータ２４あるいはコンデ
ンサ２９に散布して、これらの冷却に利用することがで
きる。

【００６３】（第５実施形態）次に、本発明の第５実施
形態について図７に基づいて説明する。本第５実施形態
は、上記第３実施形態に比較して、気液分離器３０に貯
蔵された生成水の散布方式が異なるものである。上記第
３実施形態と同様の部分は同一の符号を付して説明を省
略する。

【００６４】図７は本第５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７に示すように、気液分離
器３０に貯蔵された生成水は、１本の散布用通路３２を
介してノズル３６、３７に供給される。散布用通路３２
には、流路内の圧力を調整するプレッシャレギュレータ
４１が設けられている。また、それぞれのノズル３６、
３７には、図示しない制御部によって開閉制御される弁
が設けられている。

【００６５】本第５実施形態の燃料電池システムでは、
以下のように気液分離器３０に貯蔵された生成水がラジ
エータ等に散布される。

【００６６】まず、ウォータポンプ３４によって気液分
離器３０内の生成水がノズル３６、３７に圧送される。
このとき、プレッシャレギュレータ４１にて水圧が調整
される。そして、ラジエータ２４あるいはコンデンサ２
９に対して水の噴射が必要なときに、ノズル３６、３７
に設けられた弁が開けられ水が噴射（散布）される。

【００６７】本第５実施形態の構成によれば、ノズル３
６、３７に設けられた弁の開閉により水の噴射制御をす
るので、応答性を向上させることができる。従って、例
えばデューティ比制御により水の噴射制御を行う場合に
適している。

【００６８】（第６実施形態）次に、本発明の第６実施
形態について図８に基づいて説明する。本第６実施形態
は、上記第３実施形態に比較して、液器分離器の構成が
異なるものである。上記第３実施形態と同様の部分は同
一の符号を付して説明を省略する。

【００６９】図８は本第６実施形態の気液分離器４２の
拡大断面を示している。気液分離器４２には、燃料電池
２０から排出された排ガスが流入・流出する空気通路２
２が接続されている。また、気液分離器４２において水
分が貯蔵される下方側には、気液分離器４２に貯蔵され
た水を、空気通路２２等に供給する加湿用通路３１と、
ラジエータ２４等に供給する散布用通路３２、３３とが
接続されている。散布用通路３２、３３は、加湿用通路
３１に比較して高い位置に接続されている。散布用通路
３２、３３が接続されている水面レベルが、加湿用貯蔵
水レベル４２ａとなる。

【００７０】気液分離器４２には、燃料電池２１より生
成水を含んだ排気空気が流入し、排気空気より分離され
た水分が下方に溜まり貯蔵される。この貯蔵された水
は、燃料電池２１に供給される空気および水素の加湿
と、ラジエータ２４等への噴射に用いられる。このと
き、散布用通路３２、３３は加湿用通路３１より高い位
置に接続されているので、加湿用貯蔵水レベル４２ａよ
り下に存在する水は、ラジエータ２４等への噴射には使
用することができない。これにより、より優先順位の高
い空気等の加湿用に、常に水を確保しておくことができ
る。

【００７１】（他の実施形態）なお、上記第１、第２実
施形態では、燃料電池１の出力に対応する冷却水温度Ｔ
ｗ（間接的な燃料電池温度）に基づいて制御装置１４に
よる冷却制御を行ったが、これに限らず、例えば燃料電
池１の発電量に基づいて冷却制御を行うこともできる。

【００７２】また、上記第１、第２実施形態では、空気
通路２の燃料電池１下流側に気液分離器１０を設け、気
液分離器１０にて分離貯蔵された水をラジエータ４の冷
却に用いたが、気液分離器１０を省略して、燃料電池１
から排出される水分を含んだ空気を直接ラジエータ４に
散布（供給）するように構成してもよい。このような構
成によっても、上記実施形態と同様に、燃料電池１で発
生した水の蒸発潜熱を利用してラジエータ４の放熱効率
を向上させ、効果的に冷却水の温度を低下させることが
できる。また、この場合には、燃料電池システム全体の
構成を簡素化できる。

【００７３】また、上記第３〜第６実施形態では、ラジ
エータ２４あるいはコンデンサ２９に生成水を散布する
のにノズル３６、３７を用いたが、これに限らず、噴射
する機構を備えていれば任意の装置を用いることができ
る。

【００７４】また、上記第３〜第６実施形態では、冷凍
サイクルの高圧側の熱交換器としてコンデンサ２９を用
いているが、これに限らず、例えばガスクーラ等を用い
てもよい。

【００７５】また、上記第３〜第６実施形態では、ラジ
エータ２４およびコンデンサ２９の双方に燃料電池２１
の生成水を散布するように構成しているが、これに限ら
ず、いずれか一方にのみ散布するように構成してもよ
い。

【００７６】また、上記第３〜第６実施形態では、優先
的にラジエータ２４に生成水を散布し、ラジエータ２４
の冷却能力に余裕がある場合にコンデンサ２９に生成水
を散布する構成としたが、これに限らず、生成水の量に
余裕がある場合には、ラジエータ２４およびコンデンサ
２９の双方に同時に生成水を散布するように構成しても
よい。

【００７７】また、上記各実施形態では、空気通路にの
み気液分離器を設けたが、これに限らず、水素通路の燃
料電池下流側においても同様の気液分離器を設け、燃料
電池から排出される排ガスからも水分を回収するように
構成してもよい。あるいは、単一の気液分離器に空気通
路側の排気と水素通路側の排気を導くように構成しても
よい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を
示す模式図である。

【図２】図１の燃料電池システムの作動を示すフローチ
ャートである。

【図３】第２実施形態の燃料電池システムの概略構成を
示す模式図である。

【図４】第３実施形態の燃料電池システムの概略構成を
示す模式図である。

【図５】第３実施形態の燃料電池システムの作動を示す
フローチャートである。

【図６】第４実施形態の燃料電池システムの概略構成を
示す模式図である。

【図７】第５実施形態の燃料電池システムの概略構成を
示す模式図である。

【図８】第６実施形態の燃料電池システムの概略構成を
示す模式図である。

【符号の説明】

１、２１…燃料電池、２、２２…空気通路、３、３３…
水素通路、４、２４…冷却装置（ラジエータ）、６、２
７…熱媒体流路、９…温度センサ、１０、３０、４２…
気液分離器、１４…制御装置、２９…コンデンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡本 邦夫 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 佐々木 博邦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 坂上 祐一 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 越智 和通 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 CC06 KK48 MM01 MM16

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水素と酸素とを化学反応させて電力を得
   る燃料電池（１）と、 熱媒体を用いて熱交換することにより前記燃料電池
   （１）を冷却する冷却装置（４）とを備え、 前記化学反応で発生する水分の蒸発潜熱により前記冷却
   装置（４）を冷却することを特徴とする燃料電池システ
   ム。
2. 【請求項２】 前記化学反応で発生する水分を前記冷却
   装置（４）に直接散布す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。
3. 【請求項３】 前記化学反応で発生する水分を前記冷却
   装置（４）に送風される空気中に散布することを特徴と
   する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記燃料電池（１）の出力に基づいて前
   記散布の制御を行う制御装置（１２）を備えることを特
   徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記化学反応で発生する水分を水蒸気と
   水に分離する気液分離器（１０）を備え、 前記気液分離器（１０）にて分離される水を前記散布に
   用いることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１
   つに記載の燃料電池システム。
6. 【請求項６】 前記燃料電池（１）は電解質膜を備えて
   おり、 前記気液分離器（１０）にて分離される水蒸気は、前記
   電解質膜の加湿に用いられることを特徴とする請求項４
   または５に記載の燃料電池システム。
7. 【請求項７】 水素と酸素とを化学反応させて電力を得
   る燃料電池（２１）と、 熱媒体を用いて熱交換することにより前記燃料電池（２
   １）を冷却する冷却装置（２４）と、 高温高圧の冷媒を冷却する高圧側熱交換器（２９）を有
   する車内空調用の冷凍サイクル装置とを備え、 前記冷却装置（２４）あるいは前記高圧側熱交換器（２
   ９）の少なくとも一方に対し、前記化学反応で発生する
   水分を散布して前記水分の蒸発潜熱により冷却すること
   を特徴とする燃料電池システム。
8. 【請求項８】 前記熱媒体の温度（Ｔｗ）が所定温度
   （Ｔａ）を超えている場合には、前記冷却装置（２４）
   に前記水分を散布し、前記熱媒体の温度（Ｔｗ）が所定
   温度（Ｔａ）を超えていない場合であって、前記冷凍サ
   イクル装置が作動しているときには、前記高圧側熱交換
   器（２９）に前記水分を散布することを特徴とする請求
   項７に記載の燃料電池システム。
9. 【請求項９】 前記冷却装置（２４）は送風用ファン
   （２５）を備えており、前記熱媒体の温度（Ｔｗ）が所
   定温度（Ｔａ）を超えていない場合であって、かつ、前
   記冷凍サイクル装置が作動していない場合において、前
   記送風用ファン（２５）が作動しているときには、前記
   冷却装置（２４）に前記水分を散布することを特徴とす
   る請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 【請求項１０】 前記冷却装置（２４）に前記水分を散
    布した場合に前記水分が残留するときには、前記冷却装
    置（２４）および前記高圧側熱交換器（２９）に同時に
    前記水分を散布することを特徴とする請求項７に記載の
    燃料電池システム
11. 【請求項１１】 前記冷凍サイクル装置の冷媒の蒸発潜
    熱により車室内に送風される空気を冷却する蒸発器（３
    ８）を備え、 前記蒸発器（３８）により冷却された空気から発生する
    凝縮水を回収し、前記凝縮水を前記化学反応により生じ
    た水分に加えることを特徴とする請求項７ないし１０の
    いずれか１つに燃料電池システム。
12. 【請求項１２】 前記水分は、前記散布に加えて、前記
    燃料電池（２１）に供給される水素あるいは酸素の少な
    くとも一方の加湿に用いられることを特徴とする請求項
    ７ないし１１のいずれか１つに記載の燃料電池システ
    ム。
13. 【請求項１３】 前記化学反応で発生する水分を水蒸気
    と水に分離し、分離した水を貯蔵する気液分離器（４
    ２）を備え、 前記気液分離器（４２）には、前記貯蔵水を前記散布に
    用いるための散布用通路（３２、３３）と、前記貯蔵水
    を前記加湿に用いるための加湿用通路（３１）とが接続
    されており、 前記散布用通路（３２、３３）は、前記加湿用通路（３
    １）より上方に接続されていることを特徴とする請求項
    １２に記載の燃料電池システム。