JP2008123840A - Fuel cell system - Google Patents

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祐一 坂上
Naoto Hotta
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    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/06—Derivation channels, e.g. bypass

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system capable of promptly raising temperature of a heat exchange part by suppressing the occurrence of a closed state due to freezing inside the heat exchange part installed in the fuel cell system under a low-temperature environment. <P>SOLUTION: In the fuel cell system provided with a heat exchanger 34 having a heat exchange part which is installed in an exhaust route 31 of an oxidizer gas exhausted from a fuel cell 1 and heat exchanges between the outside air and the oxidizer gas and a heating medium route being a passage route of the heating medium transmitted from the fuel cell 1, the heating medium route is thermally connected to the heat exchange part. Thereby, the heat exchange part of the heat exchanger 34 can heat exchange with the heat exchanging medium and raise the temperature of the heat exchange part promptly, and the closed state inside the heat exchanger 34 can be eliminated. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electric energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is effective when applied to a moving body such as a vehicle, a ship, and a portable generator.

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）。
特開平１１−３１７２３８号公報 2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell system that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and air (oxygen) is known. In the fuel cell system, water is generated with power generation. Therefore, a fuel cell system that condenses and recovers water contained in exhaust air from the fuel cell and supplies the recovered water to the fuel cell to perform latent heat cooling is known (for example, Patent Document 1).
JP-A-11-317238

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。   However, when a heat exchanger that condenses water contained in the exhaust air from the fuel cell is mounted on the vehicle, the running wind of the vehicle is supplied to the heat exchanger without driving the blower fan provided in the heat exchanger. May be. At that time, in a low temperature environment, the water inside the heat exchanger may freeze, and the heat exchanger may be blocked.

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。   Therefore, a method of bypassing the exhaust air from the fuel cell supplied to the heat exchanger to prevent the blockage is also known, but even if the exhaust air from the fuel cell is bypassed, the heat exchange Since there is no means for transferring heat to the heat exchanger, the exhaust air cannot flow through the heat exchanger for a long time when the heat exchanger is frozen. As a result, there is a problem that the amount of generated water contained in the exhaust air is insufficient and the cooling capacity is insufficient.

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。   In view of the above points, an object of the present invention is to suppress the occurrence of a clogged state due to freezing inside a heat exchanger and to raise the temperature of the heat exchanger early.

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。   In order to achieve the above object, the present invention is characterized by a fuel cell (1) that obtains electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas, and discharge of the oxidant gas discharged from the fuel cell (1). A heat exchanger (34) provided in the path (31) and having a heat exchanging part (42) for exchanging heat between the outside air and the oxidant gas, and a path through which the heat medium transferred from the fuel cell (1) passes. A heat medium path is provided, and the heat medium path is thermally connected to the heat exchange section (42).

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。   Thus, even when the inside of the heat exchanger (34) provided in the discharge path (31) for the oxidant gas discharged from the fuel cell (1) is frozen and closed, the fuel cell (1) Since the heat exchange path (42) and the heat exchange path (42) through which the heat medium through which the waste heat is transferred are connected and the heat exchange section (42) can exchange heat with the heat exchange medium, early The temperature of the heat exchanging part (42) can be raised and the closed state inside the heat exchanger (34) can be eliminated.

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。   In addition, the blockage | closure state inside a heat exchanger (34) can be eliminated efficiently, without receiving supply of heat from systems other than a fuel cell system. Here, the waste heat of the fuel cell (1) is not limited to the heat directly generated from the fuel cell (1), but the heat generated from an electric device or the like that uses the power generated by the power generation of the fuel cell (1). Shall also be included.

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。   A bypass path (41) for bypassing the oxidant gas to the heat exchange section (42); and a flow path switching means for switching the oxidant gas flow path to the heat exchange section (42) side or the bypass path (41) side. And the heat medium is an oxidant gas discharged from the fuel cell (1). When the heat medium path is constituted by the bypass path (41), the oxidant gas is used as waste heat of the fuel cell (1). Since the heat of the oxidant gas passing through the bypass path (41) can be transferred to the heat exchange part (42) using the heat of the heat, the temperature of the heat exchange part (42) can be raised quickly. The blockage state inside the heat exchanger (34) can be eliminated. Further, the flow path of the exhaust air can be switched to the bypass path (41) side by the flow path switching means.

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。   In addition, when the bypass path (41) is configured to be in direct contact with the heat exchange section (42), the heat exchange section (42) and the bypass path (41) are in direct thermal contact with each other with high efficiency. The temperature of the heat exchanger (34) can be raised at an early stage.

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。   The heat exchanger (34) includes an inlet side tank (43) provided at the inlet of the heat exchange unit (42) and an outlet side tank (44) provided at the outlet of the heat exchange unit (42). In the case where at least a part of the bypass path (41) is arranged in at least one of the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44), the heat exchange part (42) and the bypass are bypassed. At least a part of the path (41) is in direct contact with the heat exchange section (42) through the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44) of the heat exchange section (42). Can be warmed. Furthermore, since the bypass path (41) is disposed inside the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44), the space-saving and the mountability can be improved.

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。   In addition, when the heat exchanging section (42), the bypass path (41), and the flow path switching means are integrated, the space can be saved and the mountability can be improved.

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。   When the heat medium is a fuel cell coolant that passes through the fuel cell cooling pipe of the cooling system of the fuel cell (1), the fuel cell cooling pipe of the cooling system is used as waste heat of the fuel cell (1). It is possible to raise the temperature of the heat exchanging part (42) using the heat of the fuel cell coolant that passes through the heat exchanger (34), and the closed state of the heat exchanger (34) can be eliminated. Further, the temperature of the fuel cell coolant in the cooling system of the fuel cell (1) can be lowered.

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。   Moreover, when it is set as the structure which is an electrical equipment coolant which passes through the electrical equipment cooling piping of the cooling system of the electrical equipment supplied with electric power from the fuel cell (1), the heat medium is used as waste heat of the fuel cell (1). The heat exchanger (42) can be heated using the heat of the electric equipment coolant of the electric equipment cooling system supplied with electric power from the fuel cell (1), and the heat exchanger (34) is blocked. The state can be resolved. Moreover, the temperature of the electric equipment coolant of the electric equipment cooling system can be lowered.

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。   The channel switching means includes channel switching control means for controlling channel switching by the channel switching valve (40), temperature detecting means for detecting the oxidant gas temperature at the outlet of the heat exchanger (34), and temperature Freezing determination means for determining whether or not the moisture inside the heat exchanger (34) is below a predetermined freezing temperature when the temperature of the oxidant gas at the outlet of the heat exchanger (34) by the detecting means is equal to or lower than a predetermined temperature; The flow path switching control means can be configured to perform control to switch the flow path switching valve (40) according to the determination result of the freezing determination means.

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。   Thereby, since the state of the heat exchanger (34) can be estimated by the freezing determination means and the switching control of the bypass path (41) can be performed by the flow path switching control means, when the freezing determination means determines that it is frozen. Can perform control to open the bypass path (41), and can control to close the bypass path (41) when it is not determined that it is frozen. Therefore, by controlling the opening and closing of the appropriate bypass path (41), the temperature of the heat exchange unit (42) can be raised, and the closed state of the heat exchanger (34) can be eliminated.

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。   The flow path switching means includes a valve body (50) for opening or closing the bypass path (41), and an elastic member (51) for applying an elastic force to the valve body (50), and the elastic member (51). The valve body (50) is opened when the pressure upstream of the position where the valve body (50) is provided in the bypass path (41) exceeds a predetermined pressure, and when the pressure does not exceed the predetermined pressure, When it is set as the structure which makes a body (50) into a closed position, the discharge path | route (31) of exhaust air can be switched with a simpler structure, and mounting property can be improved.

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。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

（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。 (First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, the fuel cell system is mounted on an electric vehicle (fuel cell vehicle) that travels using the fuel cell 1 as a drive source for travel.

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。   FIG. 1 shows the overall configuration of the fuel cell system of the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell system of the present embodiment includes a fuel cell 1 that generates electric power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 1 is configured to supply power to electrical devices such as the secondary battery 3, the traveling motor 5, and auxiliary equipment.

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。   In this embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 1, and a plurality of fuel cells serving as basic units are stacked. Each fuel cell is composed of an electrolyte membrane made of a proton-conductive ion exchange membrane and electrodes arranged on both side surfaces thereof. The electrode is composed of a catalyst layer and a gas diffusion layer. One electrode is configured as an air electrode (cathode) to which air as an oxidant gas is supplied, and the other electrode is configured as a hydrogen electrode (anode) to which hydrogen as a fuel gas is supplied.

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。   In the fuel cell 1, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.

（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。 (Hydrogen electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Oxygen electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The fuel cell 1 and the secondary battery 3 are electrically connected via a DC-DC converter 2 capable of transmitting power in both directions. The DC-DC converter 2 controls the flow of power from the fuel cell 1 to the secondary battery 3 or from the secondary battery 3 to the fuel cell 1.

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。   A traveling inverter 4 is disposed between the fuel cell 1 and the secondary battery 3 and the traveling motor 5. Power from the fuel cell 1 or power from the secondary battery 3 via the DC-DC converter 2 is supplied to the traveling inverter 4. The traveling inverter 4 may be connected between the fuel cell 1 and the DC-DC converter 2. The traveling inverter 4 is an inverter for driving the traveling motor 5 or regenerating electric power.

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。   The fuel cell system is provided with a first temperature sensor 13 for detecting the outside air temperature and a vehicle speed detection sensor 15 for detecting the speed of the vehicle.

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。   The fuel cell system is provided with a hydrogen supply path 20 through which hydrogen gas supplied to the hydrogen electrode of the fuel cell 1 passes and a hydrogen discharge path 21 through which hydrogen electrode side exhaust gas discharged from the hydrogen electrode of the fuel cell 1 passes. It has been. A hydrogen supply device 22 for supplying hydrogen gas to the hydrogen electrode of the fuel cell 1 is provided at the most upstream portion of the hydrogen supply path 20. In the present embodiment, a hydrogen tank filled with high-pressure hydrogen is used as the hydrogen supply device 22.

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。   The hydrogen supply path 20 is provided with a first shut valve 23, a pressure regulator 24, and a second shut valve 25 in order from the upstream side. When supplying hydrogen to the fuel cell 1, the first shut valve 23 and the second shut valve 25 are opened, and a desired hydrogen pressure is supplied to the fuel cell 1 by the pressure regulator 24. When the vehicle is stopped, the first shut valve 23 and the second shut valve 25 are closed for safety.

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。   The hydrogen discharge pipe 21 is provided with a third shut valve 26. By opening the third shut valve 26 as necessary, the unreacted hydrogen gas, vapor (or water) and the air electrode side pass through the electrolyte membrane from the hydrogen electrode side of the fuel cell 1 through the hydrogen discharge pipe 21. Thus, impurities such as nitrogen and oxygen mixed on the hydrogen electrode side are discharged.

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。   The fuel cell system includes an air supply path 30 through which oxygen gas (air) supplied to the oxygen electrode of the fuel cell 1 passes, and an air discharge path through which the air electrode side exhaust gas discharged from the oxygen electrode of the fuel cell 1 passes. 31 is provided. The air supply path 30 is provided with an air supply device 32 for supplying air. In the present embodiment, an air compressor is used as the air supply device 32. The air supply device 32 is mechanically connected to a compressor motor (not shown).

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。   On the upstream side of the air supply device 32 in the air supply path 30, an air flow sensor 10 is provided as an air flow rate detecting means for detecting the flow rate of the air supplied to the fuel cell 1. Further, the air discharge path 31 is provided with a pressure adjusting device 33 that adjusts the exhaust pressure of the air (back pressure of the fuel cell 1) so as to obtain a desired pressure. Note that the air discharged from the fuel cell 1 is in a high temperature state as the heat of the fuel cell 1 is transferred.

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。   The fuel cell 1 generates heat with power generation. In order to cool the heat generated by the power generation of the fuel cell 1, the fuel cell system includes a cooling that cools the fuel cell 1 so that the operating temperature becomes a temperature suitable for an electrochemical reaction (for example, about 80 ° C.). A system is provided.

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。   The cooling system includes a fuel cell cooling path 60 that circulates a coolant (heat medium) in the fuel cell 1, a water pump 63 that circulates the coolant, an electric motor that drives the water pump 63, and a radiator 61 that includes a fan 62. Is provided. The heat generated in the fuel cell 1 is discharged out of the system by the radiator 61 via the coolant.

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。 Further, a second temperature sensor 14 for detecting the temperature of the coolant flowing out from the fuel cell 1 is provided in the vicinity of the outlet side of the fuel cell 1 in the fuel cell cooling path 60. By detecting the coolant temperature with the second temperature sensor 14, the temperature T fc of the fuel cell 1 can be indirectly detected. The second temperature sensor 14 may be directly installed in the fuel cell 1 body, and the temperature T fc of the fuel cell 1 may be directly detected.

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。   Further, the fuel cell system is provided with a latent heat cooling system for cooling the fuel cell 1. In the latent heat cooling system, a condenser 34 having a fan 35 for condensing moisture contained in the air (air electrode side exhaust gas) passing through the air discharge path 31, and a gas-liquid separating water condensed by the condenser 34. A separator 36 is provided. Here, the condenser 34 corresponds to the heat exchanger of the present invention. The gas-liquid separator 36 is provided on the downstream side of the condenser 34 in the air discharge path 31.

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。   The latent heat cooling system includes a water recovery tank 37 for storing water separated by the gas-liquid separator 36, a water supply pipe 64 for supplying water stored in the water recovery tank 37 to the fuel cell 1, water A water supply pump 65 that supplies water passing through the supply pipe 64 is provided. By rotating a water supply pump motor (not shown), the water supply pump 65 is rotated to supply water in the water recovery tank 37 to the fuel cell 1 through the water supply pipe 64. The supplied water is cooled by the latent heat when evaporating, whereby the latent heat cooling of the fuel cell 1 is performed.

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。   2 shows the overall configuration of the condenser 34 used in the first embodiment. FIG. 2A shows a front view of the condenser 34 and FIG. 2B shows a side view of the condenser 34. As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the condenser 34 is composed of a plurality of tubes through which exhausted air flows, a heat exchanging section 42 made of wavy fins joined to the outer surface of the tube, and a tube. The inlet side tank 43, the outlet side tank 44, and the bypass path 41 that communicates with the plurality of tubes and that communicates with the inlet side tank 43 and the outlet side tank 44. .

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。   The bypass path 41 is joined to the heat exchange part 42, the inlet side tank 43 and the outlet side tank 44. In this embodiment, the parts constituting the heat exchanging section 42, the inlet side tank 43, the outlet side tank 44 and the condenser 34 of the bypass path 41 are made of aluminum alloy, and these are integrally joined by brazing. Here, since the configuration of the condenser 34 is made of an aluminum alloy, it can be manufactured at a low cost, and since it is integrally joined by brazing, the configuration becomes compact and the mountability can be improved.

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。   Further, the bypass path 41 is provided with an air inlet 45 on the upstream side of the bypass path 41, and connects the air inlet 45 and the air discharge path 31 on the upstream side of the condenser 34, thereby bypassing the exhaust air. 41 or the inlet side tank 43.

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。   The outlet side tank 44 is provided with an air discharge port 46, and connects the air discharge port 46 and the air discharge path 31 on the downstream side of the condenser 34, thereby allowing the discharged air to flow to the gas-liquid separator 36. In order to increase the heat transfer area between the heat of the exhaust air passing through the bypass passage 41 and the heat exchanging portion 42, the air discharge port 46 provided in the outlet side tank 44 is connected to one end communicated with the bypass passage 41. And provided in the vicinity of the other end side.

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。   An electric rotary valve provided as an exhaust air flow path switching valve 40 is provided at an air introduction port 45 for exhaust air provided on the upstream side of the bypass path 41. The flow path switching valve 40 is configured to be able to switch the flow path of the exhaust air to the heat exchange unit 42 side or the bypass path 41 side.

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。   During normal operation of the condenser 34, the flow path switching valve 40 is switched to the heat exchanging unit 42 side (direction A). When the condenser 34 is closed due to freezing, the flow path switching valve 40 is switched to the bypass path 41 side (direction B), so that the exhaust air discharged from the fuel cell 1 flows through the bypass path 41 and bypasses. The temperature of the condenser 34 can be raised by the heat of the exhaust air passing through the path 41.

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。   In the present embodiment, an electric rotary valve is used as the flow path switching valve 40, but the present invention is not limited to the rotary valve, and other electric three-way switching valve or the like may be used. In addition, a pressure relief valve 47 is provided above the inlet side tank 43 in order to prevent the condenser 34 from being closed due to freezing and the pressure inside the condenser 34 from rising excessively.

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。   Returning to FIG. 1, the fuel cell system is provided with a control unit 100 (ECU) as control means for performing various controls. The control unit 100 is configured by a known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, an I / O, and the like, and executes processing such as various calculations according to a program stored in the ROM. The control unit 100 includes a request power signal from various loads, a signal related to the charge amount from the secondary battery 3, an air flow signal from the air flow sensor 10, a pressure signal from the pressure sensors 11 and 12, and temperature sensors 13 and 14. The temperature signal from is input. In addition, the control unit 100 includes a DC-DC converter 2, a secondary battery 3, a traveling inverter 4, a traveling motor 5, pressure regulating valves 24 and 33, shut valves 23, 25, and 26, fans 35 and 62, and flow path switching. A control signal is output to the valve 40 or the like.

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。   Next, control of the flow path switching valve 40 of the present embodiment will be described based on FIGS. FIG. 3 is a flowchart illustrating flow path switching control performed by the CPU of the control unit 100 based on a control program stored in the ROM.

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。   Prior to the control of the main flow path switching valve 40, supply of air and hydrogen to the fuel cell 1 is started, and power generation in the fuel cell 1 is started.

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）。   First, the air flow sensor 10 detects the air flow rate in the air supply path 30, the pressure sensor 12 provided in the air discharge path 31 detects the air pressure in the air discharge path 31 and the power generation amount of the fuel cell 1 (S10). Next, it is determined whether or not the condenser 34 is frozen (S11).

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。   Here, the contents of the determination process of S11 will be described. FIG. 4 shows a map (solid line portion in FIG. 4) in which the air flow rate and the air pressure (normal air pressure) when the condenser 34 is not frozen at a predetermined power generation amount and the condenser 34 are frozen. 6 shows a map (broken line portion in FIG. 4) in which the air flow rate and the air pressure (freezing determination pressure) are associated with each other.

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。   The normal air pressure is an air pressure detected by the pressure sensor 12 in a state where the condenser 34 is not frozen, and is experimentally obtained in advance. The freezing determination pressure is a reference pressure for determining whether or not the condenser 34 is frozen and the heat exchanging unit 42 is closed, and is set in advance as a pressure value higher than the normal air pressure.

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。   Since the consumption amount of oxygen supplied in accordance with the power generation amount of the fuel cell 1 increases, the map shown in FIG. 4 is set for each power generation amount, and each map is stored in the ROM of the control unit 100 in advance. It is remembered. The air pressure detected by the pressure sensor 12 is detected in a state in which the pressure regulator 33 provided in the air discharge path 31 is opened.

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。   As shown in FIG. 4, when the air pressure detected by the pressure sensor 12 exceeds the freezing determination pressure (broken line portion in FIG. 4), the condenser 34 can be determined to be frozen. it can.

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。   Returning to FIG. 3, when it is determined that the condenser 34 is frozen (S11: YES), the flow path switching valve 40 is switched to the bypass path 41 side (direction B) (S15). In addition, when the flow path switching valve 40 is switched to the bypass path 41 side (B direction), the state is maintained.

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。   Thereby, the flow path of the air discharged from the fuel cell 1 becomes the air discharge path 31 → the bypass path 41 → the outlet side tank 44 → the air discharge path 31 → the gas-liquid separator 36 → the outside. Since the exhaust air is introduced into the bypass path 41 and the outlet side tank 44, the heat of the exhaust air is transferred to the heat exchange unit 42 of the condenser 34, so that the heat exchange unit 42 is heated. As a result, water frozen inside the condenser 34 is melted, and the closed state of the condenser 34 is eliminated.

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）。 As a result of the determination process of S11, when it is determined that the detected air pressure does not exceed the freezing determination pressure (S11: NO), the outside temperature Ta and the second temperature sensor 14 are further detected by the first temperature sensor 13. Thus, the temperature T fc of the fuel cell 1, the air flow sensor 10 detects the air flow rate in the air discharge path 31, the vehicle speed detection sensor 15 detects the vehicle speed, and the state of the electric fan 35 based on the control signal (S 12).

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。 From the detected information, the heat exchange amount of the air discharged from the fuel cell 1 is estimated from a map of each information when the condenser 34 is frozen. Condenser 34 calculates the outlet air temperature T h of the outlet based on the estimated amount of heat exchange (S13). Here, although the exhaust air temperature Th is calculated from the heat exchange amount of the exhaust air in the condenser 34, a third temperature sensor is provided at the outlet of the condenser 34, and the temperature detected by the third temperature sensor is exhausted. it may be used as the air temperature T h.

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。 Discharge air temperature T h is a predetermined value calculated in S13 (for example, 0 ° C.) when below the can to determine that the condenser 34 is frozen (S14). As a result of the determination process in S14, when it is determined that the condenser 34 is frozen (S14: YES), the flow path switching valve 40 is switched to the bypass path 41 side (B direction) (S15). In addition, when the flow path switching valve 40 is switched to the bypass path 41 side (B direction), the state is maintained.

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。   Since the exhaust air is introduced into the bypass path 41, the heat of the exhaust air is transferred to the heat exchange unit 42 of the condenser 34, so that the heat exchange unit 42 is heated. As a result, water frozen inside the condenser 34 is melted, and the closed state of the condenser 34 is eliminated.

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。 S14 in the determination processing result, when the discharge air temperature T h which is calculated is determined to not lower than the predetermined value: the (S14 NO), the channel switching valve 40 to heat exchanger 42 side (A direction (S16). In addition, when the flow path switching valve 40 is switched to the heat exchange part 42 side (A direction), the state is maintained.

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。   Thereby, the flow path of the air discharged from the fuel cell 1 becomes the air discharge path 31 → the inlet side tank 43 → the heat exchange part 42 → the outlet side tank 44 → the air discharge path 31 → the gas-liquid separator 36 → the outside. .

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。   By flowing the exhaust air from the fuel cell 1 through the bypass path provided in the condenser 34 as described above, the temperature of the heat exchanging part 42 of the condenser 34 can be raised by the heat of the exhaust air, and the fuel cell 1 By effectively utilizing the waste heat, the clogged state inside the condenser 34 in a low temperature environment can be quickly eliminated.

（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。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, only parts different from the first embodiment will be described.

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。   FIG. 5 shows the main configuration of the fuel cell system used in the second embodiment. As shown in FIG. 5, in the second embodiment, the latent heat cooling system provided for cooling the fuel cell 1 contains moisture contained in the air passing through the air discharge path 31 (air electrode side exhaust gas). A condenser 34 for condensation, a gas-liquid separator 36 for separating water condensed by the condenser 34, and a bypass path 41 and a flow path switching valve 40 are provided upstream of the condenser 34.

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。   The bypass path 41 is branched upstream of the condenser 34 in the air discharge path 31, and is downstream of the pressure regulator 33 in the air discharge path 31, upstream of the condenser 34 and downstream of the condenser 34. Thus, the upstream side of the gas-liquid separator 36 is connected. The flow path switching valve 40 is provided at a connection portion between the bypass path 41 and the air discharge path 31 on the upstream side of the condenser 34.

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。   FIG. 6 shows the overall configuration of the condenser 34 used in the second embodiment. 6A is a front view of the condenser 34, and FIG. 6B is a side view of the condenser 34. As shown in FIGS. 6A and 6B, the condenser 34 includes a heat exchange unit 42, an inlet side tank 43, and an outlet side tank 44.

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。   The inlet side tank 43 is provided with an air inlet 45 in the vicinity of one end in the longitudinal direction. The exhaust air is introduced into the inlet side tank 43 by connecting the air inlet 45 and the air discharge path 31 upstream of the condenser 34. Exhaust air introduced into the inlet side tank 43 flows into the heat exchange unit 42.

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。   The outlet side tank 44 is provided with an air discharge port 46 in the vicinity of the end on the opposite side of the air introduction port 45 provided in the inlet side tank 43 in the longitudinal direction. By connecting the air discharge port 46 and the air discharge path 31 on the downstream side of the condenser 34, the discharged air is discharged from the outlet side tank 44 and flows to the gas-liquid separator 36 on the downstream side of the condenser 34.

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。   The outlet side tank 44 is provided with a fluid path inlet 48 and a fluid path outlet 49. A part of the bypass path 41 is arranged inside the outlet side tank 44 through the fluid path inlet 48 and the fluid path outlet 49. A part of the bypass path 41 is arranged in contact with the inner wall of the outlet side tank 44. Therefore, a part of the bypass path 41 is in thermal contact with the heat exchange unit 42 via the outlet side tank 44.

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。   As a result, when the flow path switching valve 40 is switched to the bypass path 41 side, the air discharged from the fuel cell 1 passes through a part of the bypass path 41 disposed inside the outlet side tank 44, and thus is discharged. The heat of the air is transmitted to the heat exchange unit 42 via the outlet side tank 44, and the heat exchange unit 42 can be heated. As a result, the water frozen inside the condenser 34 is melted, and the closed state of the condenser 34 is eliminated.

（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。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, only portions different from the first embodiment will be described.

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。   FIG. 7 shows the overall configuration of the condenser 34. FIG. 7A is a front view of the condenser 34, and FIG. 7B is a side view of the condenser 34. As shown in FIGS. 7A and 7B, the condenser 34 includes a heat exchanging portion 42, an inlet side tank 43, an outlet side tank 44, and a bypass path 41 that bypasses the exhaust air to the heat exchanging portion 42. Has been.

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。   In order to increase the heat transfer area between the heat of the exhaust air passing through the bypass path 41 and the heat exchanging section 42, the inlet side tank 43 is in the longitudinal direction and near the other end with respect to one end connected to the bypass path 41. Is provided with an air inlet 45. The exhaust air is introduced into the inlet side tank 43 by connecting the air inlet 45 and the air discharge path 31 upstream of the condenser 34. Exhaust air introduced into the inlet side tank 43 flows into the heat exchange unit 42.

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。   Similarly, the outlet side tank 44 is provided with an air discharge port 46 in the vicinity of the other end with respect to one end connected to the bypass path 41 in the longitudinal direction. By connecting the air discharge port 46 and the air discharge path 31 on the downstream side of the condenser 34, the discharged air is discharged from the outlet side tank 44 and flows to the gas-liquid separator 36 on the downstream side of the condenser 34.

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。   A flow path switching valve 40 is provided inside the bypass path 41. The flow path switching valve 40 of the present embodiment is configured to open or close the bypass path 41. Specifically, the flow path switching valve 40 includes a valve body 50 that opens and closes the bypass path 41, and an elastic such as a coil spring that presses the valve body 50 in the closing direction against the pressure upstream of the position where the valve body 50 is provided. The member 51 is comprised. Here, the valve body 50 is supported by the inner wall of the bypass path 41 so that one end side of the valve body 50 can be rotated in the opening direction. The flow path switching valve 40 is provided with a locking portion 52 that supports the other end of the valve body 50 when the valve body 50 is closed.

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。   The pressure upstream of the position where the valve body 50 is provided in the bypass path 41 increases, and the pressing force of the pressure in the opening direction of the valve body 50 is the elastic force of the elastic member 51 (the closing direction of the valve body 50). The valve body 50 moves to the open position. Further, when the pressure decreases and the pressing force of the valve body 50 due to the pressure falls below the elastic force of the elastic member 51, the valve body 50 moves to the closed position. In addition, by changing the initial load of the elastic member 51, it is possible to adjust the predetermined pressure that brings the valve body 50 into the open or closed position.

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。   Thereby, when the heat exchanging part 42 is closed due to freezing, the pressure of the bypass path 41 on the upstream side of the valve body 50 is increased, and the bypass path 41 can be opened using the pressure. When the closed state of the heat exchanging unit 42 is resolved, the pressure of the bypass path 41 is lowered, so that the bypass path 41 can be closed.

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。   As described above, the exhaust air from the fuel cell 1 can be flowed to the bypass path 41 provided in the condenser 34 with a simple configuration, and the heat exchanging portion 42 of the condenser 34 is heated by the heat of the exhaust air. be able to. As a result, the waste heat from the fuel cell 1 can be effectively used to quickly eliminate the blocked state inside the condenser 34 in a low temperature environment.

（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。 (Other embodiments)
In each of the above embodiments, the embodiment has been described in which the temperature of the condenser 34 is increased by using the heat of the exhaust air as a heat medium by flowing the exhaust air from the fuel cell 1 through the bypass path 41 provided in the condenser 34. However, the fuel cell cooling path is not limited to this, and the fuel cell cooling path 60 of the cooling system of the fuel cell 1 or a part of the electrical equipment cooling path of the electrical equipment of the fuel cell 1 is thermally connected to the condenser 34 to cool the fuel cell. You may utilize for the temperature rising of the condenser 34 by using the heat | fever which a liquid or an electric equipment coolant has as a thermal medium.

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。   Also, a configuration using exhaust air passing through the bypass path 41 as a heat medium, a configuration using fuel cell coolant passing through the fuel cell cooling path 60, and a configuration using electrical equipment coolant passing through the electrical equipment cooling path are appropriately combined. Can be used.

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。   Further, in the second embodiment, a part of the bypass path 41 through which the exhaust air of the fuel cell 1 flows is arranged inside the outlet side tank 44, but it is arranged inside the inlet side tank 43 or both tanks 43, 44. Also good.

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。   Moreover, in each said embodiment, although the heat exchange part 42, the inlet side tank 43, the outlet side tank 44, and the bypass path | route 41 are formed from the aluminum alloy, it is not restricted to this, The other which was excellent in thermal conductivity It is good also as a structure by a metal material.

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。   In the second embodiment, the bypass path 41 is disposed on the side away from the heat exchange part 42 inside the outlet side tank 44, but the bypass path 41 is located on the side close to the heat exchange part 42 inside the outlet side tank 44. It is good also as a structure which arranges.

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。   In each of the above embodiments, the water separated by the gas-liquid separator 36 is supplied to the fuel cell 1 and the latent heat cooling is performed. However, the present invention is not limited to this, and the water separated by the gas-liquid separator 36 is used for the fuel cell. One electrolyte membrane may be used for humidification.

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。It is a conceptual diagram which shows the whole structure of the fuel cell system of the said 1st Embodiment. 上記第１実施形態の凝縮器の主要構成図である。It is a principal block diagram of the condenser of the said 1st Embodiment. 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。It is a flowchart of the flow-path switching control means of the air discharged from the fuel cell. 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。It is a map which shows the relationship between the air flow rate and the air pressure of the exhaust air in the predetermined electric power generation amount used with a flow-path switching control means. 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。It is a conceptual diagram which shows the main structures of the fuel cell system of the said 2nd Embodiment. 上記第２実施形態の凝縮器の主要構成図である。It is a principal block diagram of the condenser of the said 2nd Embodiment. 上記第３実施形態の凝縮器の主要構成図である。It is a principal block diagram of the condenser of the said 3rd Embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

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。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 10 ... Air flow sensor, 11 ... 1st pressure sensor, 12 ... 2nd pressure sensor, 13 ... 1st temperature sensor, 14 ... 2nd temperature sensor, 15 ... Vehicle speed detection sensor, 30 ... Air supply path | route, DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 ... Air discharge path, 34 ... Condenser, 35 ... Fan, 36 ... Gas-liquid separator, 40 ... Flow path switching valve, 41 ... Bypass path, 42 ... Heat exchange part, 43 ... Inlet side tank, 44 ... Outlet side Tank, 45 ... Air inlet, 46 ... Air outlet, 48 ... Fluid path inlet, 49 ... Fluid path outlet, 50 ... Valve element, 51 ... Elastic member, 60 ... Fuel cell cooling path, 64 ... Water supply pipe, 100 …Control device.

Claims (9)

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。 A fuel cell (1) for obtaining electric power by electrochemically reacting an oxidant gas and a fuel gas;
A heat exchanger (34) provided in a discharge path (31) for the oxidant gas discharged from the fuel cell (1) and having a heat exchange section (42) for exchanging heat between the outside air and the oxidant gas; ,
A heating medium path which is a passage path of a heating medium transferred from the fuel cell (1),
The fuel cell system, wherein the heat medium path is thermally connected to the heat exchange section (42). 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。 A bypass path (41) for bypassing the heat exchanger (42) with the oxidant gas;
Flow path switching means for switching the flow path of the oxidant gas to the heat exchange section (42) side or the bypass path (41) side,
The fuel according to claim 1, wherein the heat medium is the oxidant gas discharged from the fuel cell (1), and the heat medium path includes the bypass path (41). Battery system. 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。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the bypass path (41) is in direct contact with the heat exchange section (42). 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。 The heat exchanger (34) includes an inlet side tank (43) provided at an inlet of the heat exchange part (42) and an outlet side tank (44) provided at an outlet of the heat exchange part (42). And
At least a part of the bypass path (41) is disposed inside at least one of the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44),
The bypass path (41) is thermally connected to the heat exchange part (42) via the inlet side tank (43) or the outlet side tank (44). The fuel cell system according to claim 2. 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。 The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat exchanging section (42), the bypass path (41), and the flow path switching means are integrated. . 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。 6. The fuel cell coolant according to claim 1, wherein the heat medium is a fuel cell coolant that passes through a fuel cell cooling pipe (60) of a cooling system of the fuel cell (1). 7. Fuel cell system. 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。 The said heat medium is the electric equipment coolant which passes the electric equipment cooling piping of the cooling system of the electric equipment supplied with electric power from the fuel cell (1). The fuel cell system according to one. 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。 The channel switching means includes channel switching control means for controlling channel switching by the channel switching valve (40),
Temperature detecting means for detecting an oxidant gas temperature at the outlet of the heat exchanger (34);
When the oxidant gas temperature at the outlet of the heat exchanger (34) by the temperature detecting means is equal to or lower than a predetermined temperature, it is determined whether or not the moisture inside the heat exchanger (34) is below a predetermined freezing temperature. Freezing determination means to
The fuel cell according to any one of claims 2 to 7, wherein the flow path switching control means performs control to switch the flow path switching valve (40) according to a determination result of the freezing determination means. system. 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。 The flow path switching means includes a valve body (50) for opening or closing the bypass path (41),
An elastic member (51) for applying an elastic force to the valve body,
The elastic member (51) brings the valve body (50) into an open position when the pressure upstream of the position where the valve body (50) is provided in the bypass path (41) exceeds a predetermined pressure. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 5, wherein the valve body (50) is set to a closed position when a predetermined pressure is not exceeded.
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