JP7043946B2

JP7043946B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7043946B2
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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

下記特許文献１には、燃料電池スタックへ供給される水素を含んだ燃料ガスが膨張機で断熱膨張された際に、燃料ガスの内部エネルギーが機械的なエネルギーに変換して利用する構成が開示されている。このような構成では、燃料ガスの内部エネルギーが大きいほど、大きな機械的エネルギーを得ることができる。

特開２００３－２１７６４１号公報

本発明は、上記事実を考慮して、膨張機における燃料ガスの減圧によって得られる機械的なエネルギーを増大させることができる燃料電池システムを得ることが目的である。

請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスの水素と酸化剤ガスの酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給路に設けられ、高圧状態の前記燃料ガスが供給されることによって前記燃料ガスが膨張されて減圧されると共に、前記燃料ガスが膨張、減圧されることによって前記燃料ガスの内部エネルギーが機械的エネルギーに変換される膨張機と、前記膨張機よりも前記供給路の上流側に設けられて、前記燃料ガスを加熱する加熱装置と、を備え、前記加熱装置は、前記燃料電池スタックを冷却することによって前記加熱装置よりも前記供給路の上流側の前記燃料ガスよりも高温とされた流体としての冷却液によって前記燃料ガスを加熱する。
請求項２に記載の燃料電池システムは、燃料ガスの水素と酸化剤ガスの酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給路に設けられ、高圧状態の前記燃料ガスが供給されることによって前記燃料ガスが膨張されて減圧されると共に、前記燃料ガスが膨張、減圧されることによって前記燃料ガスの内部エネルギーが機械的エネルギーに変換される膨張機と、前記膨張機よりも前記供給路の上流側に設けられて、前記燃料ガスを加熱する加熱装置と、を備え、前記加熱装置は、前記燃料電池スタックにおける発電に供されることによって前記加熱装置よりも前記供給路の上流側の前記燃料ガスよりも高温とされた流体としての前記酸化剤ガスの排ガスによって前記燃料ガスを加熱する。

請求項１に記載の燃料電池システムによれば、加熱装置によって加熱され燃料ガスが膨張機へ送られる。これによって、膨張機へ送られる燃料ガスの温度が上昇し、燃料ガスの内部エネルギーが大きくなる。このため、膨張機における燃料ガスの減圧によって得られる機械的なエネルギーが増大される。
また、膨張機へ送られる燃料ガスは、加熱装置において加熱装置よりも供給路の上流側の燃料ガスよりも高温とされた流体によって加熱される。ここで、燃料ガスを加熱する流体は、燃料電池スタックを冷却する冷却液とされている。このため、燃料電池スタックの熱を燃料ガスの加熱のための実質的な熱源にでき、特別な熱源が不要である。
請求項２に記載の燃料電池システムによれば、膨張機へ送られる燃料ガスは、加熱装置において加熱装置よりも供給路の上流側の燃料ガスよりも高温とされた流体によって加熱される。ここで、燃料ガスを加熱する流体は、燃料電池スタックにおける発電に供された酸化剤ガスの排ガスとされている。このため、燃料電池スタックの熱を燃料ガスの加熱のための実質的な熱源にでき、特別な熱源が不要である。

請求項３に記載の燃料電池システムは、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記加熱装置は、前記燃料ガスよりも高温の流体が流れると共に、前記燃料ガスと高温状態の前記流体との間で熱交換させて前記燃料ガスを加熱する熱交換器とされている。

請求項３に記載の燃料電池システムによれば、燃料ガスは、加熱装置としての熱交換器を流れる。熱交換器には、熱交換器よりも供給路の上流側における燃料ガスよりも高温の流体が流れ、熱交換器では、この高温状態の流体と、燃料ガスとの間で熱交換され、これによって、燃料ガスの温度が高くなる。

請求項４に記載の燃料電池システムは、請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記熱交換器は、冷却対象を冷却することによって高温状態にされた流体が流れる。

請求項４に記載の燃料電池システムによれば、熱交換器には、冷却対象を冷却して高温状態になった流体が流れ、熱交換器では、この高温状態の流体と、燃料ガスとの間で熱交換される。これによって、冷却対象を冷却して高温状態になった流体を冷却できる。

請求項５に記載の燃料電池システムは、請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、前記熱交換器は、前記膨張機よりも前記供給路の上流側に設けられ、前記燃料ガスが流れることによって前記燃料ガスと前記流体との間での熱交換が可能な第１熱交換器流路と、前記膨張機よりも前記供給路の下流側に設けられ、前記燃料ガスが流れることによって前記燃料ガスと前記流体との間での熱交換が可能な第２熱交換器流路と、を備えている。

請求項５に記載の燃料電池システムによれば、燃料ガスが熱交換器の第１熱交換器流路を流れることによって燃料ガスと流体との間での熱交換が可能とされ、第１熱交換器流路における燃料ガスと流体との間での熱交換によって燃料ガスの温度が上昇する。

一方、燃料ガスが膨張器で減圧、膨張されて燃料ガスの内部エネルギーが機械的なエネルギーに変換されると、燃料ガスの温度が下降する。このようにして低温、低圧の状態になった燃料ガスは、膨張機よりも供給路の下流側に設けられた熱交換器の第２熱交換器流路を流れる。燃料ガスが熱交換器の第２熱交換器を流れることによって燃料ガスと流体との間での熱交換が可能とされ、第２熱交換器流路における燃料ガスと流体との間での熱交換によって流体を効果的に冷却できる。

以上、説明したように、請求項１及び請求項２に記載の燃料電池システムでは、膨張機における燃料ガスの減圧によって得られる機械的なエネルギーを増大させることができる。
また、燃料電池スタックの熱を燃料ガスの加熱のための実質的な熱源にでき、特別な熱源が不要である。

また、請求項３に記載の燃料電池システムでは、高温状態の流体と、燃料ガスとの間で熱交換され、これによって、燃料ガスの温度を高くでき、膨張機における燃料ガスの減圧によって得られる機械的なエネルギーを増大させることができる。

請求項４に記載の燃料電池システムでは、燃料ガスの温度を高くでき、膨張機における燃料ガスの減圧によって得られる機械的なエネルギーを増大させることができると共に、冷却対象を冷却して高温状態になった流体を冷却できる。

請求項５に記載の燃料電池システムでは、燃料ガスが熱交換器の第１熱交換器流路を流れることによって燃料ガスの温度を増大させることができ、更に、膨張機で減圧、膨張されて温度が低下した燃料ガスが熱交換器の第２熱交換器流路を流れることによって流体を効果的に冷却できる。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す水素、冷却液等の回路図である。第１の実施の形態と比較するための比較例の燃料電池システムの構成の要部を示す水素、冷却液等の回路図である。第２の実施の形態の燃料電池システムの構成の要部を示す水素、冷却液等の回路図である。第３の実施の形態の燃料電池システムの構成の要部を示す水素、冷却液等の回路図である。

次に、本発明の各実施の形態を図１から図４の各図に基づいて説明する。なお、以下の各実施の形態に係る燃料電池システム１０は、車両に搭載される構成であるが、各図における紙面左右方向、紙面上下方向等と、車両前後方向、車幅方向等の車両を基準とする各方向とは基本的に関係ない。

＜第１の実施の形態の構成＞
図１に示されるように、本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池を構成する燃料電池スタック１２を備えている。燃料電池スタック１２は、複数のセルを備えている。燃料ガスとしての水素がセルの正極（アノード、燃料極）と正極側のセパレータとの間を流れ、酸化剤としての酸素を含む空気がセルの負極（カソード、空気極）と負極側のセパレータとの間を流れることによって電気化学反応が生じ、これによって、発電される。

燃料電池スタック１２は、車両（図示省略）に搭載された駆動ドライバを介して駆動装置としての車両駆動モータへ電気的に接続されており、燃料電池スタック１２から車両駆動モータへ電力が供給されることによって車両駆動モータが駆動される。車両駆動モータの出力軸は、車両の駆動輪へ機械的に接続されており、車両駆動モータの駆動力が駆動輪へ伝わることによって車両は、走行できる。

また、燃料電池スタック１２のセルの近傍には、冷却液流路１４が配置されており、冷却液流路１４には流体又は冷媒としての冷却液が流れる。冷却液は、例えば、水に凍結防止剤、防腐剤等の添加剤が添加されることによって形成されている。燃料電池スタック１２のセルにおける水素と酸素との電気化学反応は、発熱を伴うが、冷却液が燃料電池スタック１２のセルの近傍を通過した際にセルと冷却液との間で熱が交換されることによってセルが冷却される。

この冷却液流路１４の両端は、第１熱交換器としてのラジエータ１６へ接続されており、冷却液は、ラジエータ１６を流れる。ラジエータ１６は、例えば、車両のエンジンルーム内におけるラジエータグリルの車両後側に配置される。車両が走行すると、走行風がラジエータグリルを通ってエンジンルーム内に入る。このようにエンジンルーム内に入った走行風がラジエータ１６を通過する。走行風がラジエータ１６を通過した際に、走行風とラジエータ１６を通過する冷却液との間で熱が交換されることによって、冷却液が冷却される。

一方、本燃料電池システム１０は、タンク１８を備えている。タンク１８には、上述した燃料ガスとしての水素が高圧の状態で貯蔵されている。タンク１８の、例えば、口金部分には仕切弁２０が設けられている。仕切弁２０の排出ポートには、供給路としての燃料ガス流路２２を構成するメイン流路２４の一端が接続されている。メイン流路２４の他端は、燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートへ接続されており、タンク１８は、仕切弁２０及びメイン流路２４を介して燃料電池スタック１２へ接続されている。

メイン流路２４の中間部には、第１調圧弁２６が設けられている。第１調圧弁２６の供給ポートは、メイン流路２４によって仕切弁２０の排出ポートへ接続されている。第１調圧弁２６は、例えば、減圧弁によって構成されている。第１調圧弁２６よりもメイン流路２４の下流側での水素（すなわち、第１調圧弁２６の排出ポートから流れ出る水素）の圧力は、第１調圧弁２６によって一定に保たれている。また、メイン流路２４における第１調圧弁２６の供給ポートと仕切弁２０の排出ポートとの間には、第１圧力センサ２８が接続されており、例えば、タンク１８内の水素の圧力等が第１圧力センサ２８によって検出されている。

一方、第１調圧弁２６の排出ポートは、メイン流路２４によって切替弁３０の供給ポートへ接続されている。切替弁３０は、供給ポート、第１排出ポート、第２排出ポートを備える三方弁とされている。切替弁３０は、弁開度を調節することによって、供給ポートと第１排出ポートとの間を流れる水素の流量と、供給ポートと第２排出ポートとの間を流れる水素の流量とを調節できる。

切替弁３０の第１排出ポートは、メイン流路２４によって熱交換器としての第２熱交換器３２の第１供給ポート３４へ接続されている。第２熱交換器３２は、第１熱交換器流路３６と、第２熱交換器流路３８とを備えている。第１熱交換器流路３６の一端は、第２熱交換器３２の第１供給ポート３４へ接続され、第１熱交換器流路３６の他端は、第２熱交換器３２の第１排出ポート４０へ接続されている。

切替弁３０の第１排出ポートからメイン流路２４を介して第２熱交換器３２の第１供給ポートへ流れた水素は、第２熱交換器３２の第１熱交換器流路３６を流れ、更に、第２熱交換器３２の第１排出ポートへ流れる。また、第２熱交換器３２は、上述した冷却液流路１４における燃料電池スタック１２よりも下流でラジエータ１６よりも上流側に設けられており、第２熱交換器３２では、第２熱交換器３２の第１熱交換器流路３６を流れる水素と、冷却液流路１４を流れる冷却液との間で熱交換が行なわれる。

第２熱交換器３２の第１排出ポート４０は、メイン流路２４によって膨張機４２の供給ポートへ接続されており、第２熱交換器３２の第１熱交換器流路３６を流れた水素は、メイン流路２４を流れて膨張機４２へ供給される。膨張機４２へ供給された水素は、膨張機４２において断熱膨張されて減圧される。膨張機４２は、出力軸４４を備えており、膨張機４２における水素の断熱膨張の過程で水素の内部エネルギーは、出力軸４４の回転に供される。これにより、水素の温度は、断熱膨張の過程で下がる。

膨張機４２の出力軸４４は、回転力伝達機構の一態様であるタイミングベルト４６を介して機械装置４８の入力軸５０へ機械的に連結されており、膨張機４２の出力軸４４の回転力は、タイミングベルト４６を介して機械装置４８の入力軸５０へ伝達される。膨張機４２の出力軸４４の回転力が機械装置４８の入力軸５０へ伝達されることによって機械装置４８が作動される（すなわち、機械装置４８は、膨張機４２の出力軸４４の回転力を動力として作動される）。この機械装置４８は、例えば、上述したラジエータ１６に走行風等を効率よく流すためのファンとされている。但し、機械装置４８は、発電機、空気等の流体を圧縮するコンプレッサ等であってもよく、機械装置４８は、回転力が入力されることによって作動される構成であれば、ラジエータ１６のファンに限定されることなく、広く適用できる。

一方、膨張機４２の排出ポートは、メイン流路２４によって第２熱交換器３２の第２供給ポート５２へ接続されている。第２熱交換器３２の第２供給ポート５２には、第２熱交換器３２の第２熱交換器流路３８の一端が接続されており、第２熱交換器流路３８の他端は、第２熱交換器３２の第２排出ポート５４へ接続されている。第２熱交換器３２では、第２熱交換器３２の第２熱交換器流路３８を流れる水素と、冷却液流路１４を流れる冷却液との間で熱交換が行なわれる。

第２熱交換器３２の第２排出ポート５４は、第１インジェクタ５６へ接続されている。第１インジェクタ５６は、メイン流路２４によって燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートへ接続されている。第２熱交換器３２の第２排出ポート５４から排出された水素は、第１インジェクタ５６を流れて燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートへ流れて燃料電池スタック１２のセルの正極（アノード、燃料極）と正極側のセパレータとの間へ流れる。また、メイン流路２４における第２熱交換器３２と第１インジェクタ５６との間には、第２圧力センサ５８が設けられており、第２熱交換器３２の第２排出ポート５４から排出される水素の圧力等が第２圧力センサ５８によって検出されている。

一方、燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートは、排気流路６０の一端へ接続されている。排気流路６０の他端は、メイン流路２４における第１インジェクタ５６と燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートとの接続部分との間に接続されている。排気流路６０の中間部には、気液分離器６２が設けられており、燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートから排出された排気は、気液分離器６２に流れる。

気液分離器６２の液体排出ポートは、排水弁６４へ接続されており、燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートからの排気に含まれる水分は、排水弁６４から排出される。これに対して、気液分離器６２の気体排出ポートは、排気流路６０によってポンプ６６へ接続され、更に、ポンプ６６は、排気流路６０によってメイン流路２４における第１インジェクタ５６と燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートとの間に接続されており、気液分離器６２において水分が分離された排気は、ポンプ６６によって燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートへ流れる。また、第１インジェクタ５６からの水素が、ポンプ６６によって燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートへ流れる排気に合流されることによって、水素は、排気と共に燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートへ流れる。

また、燃料ガス流路２２は、バイパス流路６８を備えている。バイパス流路６８の一端は、切替弁３０の第２排出ポートへ接続されている。バイパス流路６８には、第２調圧弁７０が設けられている。第２調圧弁７０は、例えば、減圧弁によって構成されている。第２調圧弁７０よりもバイパス流路６８の下流側での水素（すなわち、第２調圧弁７０の排出ポートから流れ出る水素）の圧力は、第２調圧弁７０によって一定に保たれている。

バイパス流路６８の第２調圧弁７０よりも下流側には、第２インジェクタ７２が設けられており、第２調圧弁７０の排出ポートは、バイパス流路６８によって第２インジェクタ７２へ接続されている。バイパス流路６８の第２インジェクタ７２よりも他端側は、メイン流路２４の第１インジェクタ５６とメイン流路２４の排気流路６０との合流部分との間へ接続されており、第２調圧弁７０の排出ポートから流れ出た水素は、第２インジェクタ７２を通って燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートへ流れる。また、メイン流路２４の第１インジェクタ５６とメイン流路２４のバイパス流路６８との合流部分との間には、逆止弁７４が設けられており、バイパス流路６８の第２インジェクタ７２を流れた水素が、メイン流路２４の第１インジェクタ５６側へ流れることを防止している。

＜第１の実施の形態の作用、効果＞
次に、第１の実施の形態の作用並びに効果について説明する。

本燃料電池システム１０では、切替弁３０の供給ポートと第２排出ポートとの間（すなわち、バイパス流路６８側）が閉塞されて切替弁３０の供給ポートと第１排出ポートとの間が開放されると、切替弁３０の弁開度に応じた流量の水素が燃料ガス流路２２のメイン流路２４を流れる。切替弁３０の第１排出ポートから流れた水素は、膨張機４２へ供給され、水素は、膨張機４２において断熱膨張されて減圧される。さらに、この膨張機４２における水素の断熱膨張の過程で水素の内部エネルギーは、出力軸４４の回転に供される。これにより、水素の温度は、断熱膨張の過程で下がる。

膨張機４２から流れた水素は、第２熱交換器３２の第２熱交換器流路３８、第１インジェクタ５６を介して燃料電池スタック１２の正極側の供給ポートへ流れて燃料電池スタック１２のセルの正極と正極側のセパレータとの間へ流れる。この状態で、空気がセルの負極と負極側のセパレータとの間を流れると、空気に含まれる酸素と水素とで電気化学反応が生じ、これによって発電される。このようにして燃料電池スタック１２で生じた電力が、車両に搭載された駆動ドライバを介して駆動装置としての車両駆動モータへ供給されることによって車両駆動モータが駆動され、車両の駆動輪が回転される。これによって、車両は、走行できる。

ところで、図１に示されるように、本燃料電池システム１０では、タンク１８から放出され、仕切弁２０、第１調圧弁２６、切替弁３０の第１排出ポートを流れた常温で高圧の水素Ｈ１１は、第２熱交換器３２の第１供給ポート３４から第１熱交換器流路３６へ流れる。一方で、第２熱交換器３２には、冷却液流路１４が設けられており、燃料電池スタック１２での熱交換によって高温となった冷却液Ｗが第２熱交換器３２を流れる。このため、第２熱交換器３２では、常温で高圧の水素Ｈ１１と高温となった冷却液Ｗとの間で熱が交換される（すなわち、水素Ｈ１１は、高温の冷却液Ｗによって加熱され、冷却液Ｗは、常温の水素Ｈ１１によって冷却される）。これによって、水素Ｈ１１は、高温で高圧の水素Ｈ１２となって第２熱交換器３２の第１排出ポート４０から排出される。

第２熱交換器３２の第１排出ポート４０から排出された水素Ｈ１２は、メイン流路２４を流れて膨張機４２の供給ポートから膨張機４２に供給される。膨張機４２に供給された高温で高圧の水素Ｈ１２は、膨張機４２において断熱膨張される。これによって、水素Ｈ１２は、膨張されると共に減圧される（すなわち、水素Ｈ１２の体積が増加されると共に水素Ｈ１２の圧力が低下される）。さらに、この水素Ｈ１２の膨張、減圧の過程で、水素Ｈ１２の内部エネルギーの少なくとも一部は、出力軸４４の回転に供される。この出力軸４４の回転力は、タイミングベルト４６によって機械装置４８の入力軸５０へ伝達され、入力軸５０が回転されることによって機械装置４８が作動される。

このように、膨張機４２における水素Ｈ１２の断熱膨張の過程で水素Ｈ１２の内部エネルギーが出力軸４４の回転に供されることによって水素Ｈ１２の温度が下がり、低温で低圧の水素Ｈ１３になる。この低温で低圧の水素Ｈ１３は、第２熱交換器３２の第２供給ポート５２から第２熱交換器流路３８へ流れる。これによって、第２熱交換器３２では、低温で低圧の水素Ｈ１３と高温となった冷却液Ｗとの間で熱が交換される（すなわち、冷却液Ｗは、低温の水素Ｈ１３によって冷却され、水素Ｈ１３は、高温の冷却液Ｗによって加熱される）。これによって、水素Ｈ１３は、中温度で低圧の水素Ｈ１４となって第２熱交換器３２の第２排出ポート５４から排出されて燃料電池スタック１２の供給ポート側へ流れる。

ところで、開いた系で気体が系の外部に仕事をすると、気体の内部エネルギーが減少する。このことは、熱力学の第１法則等によって一般的に知られている。断熱膨張の場合、この内部エネルギーの減少によって気体の圧力が減少し、気体の体積が増加する。内部エネルギーの減少分は、気体の体積膨張開始時から体積膨張少終了時までの圧力と体積との積の積算値に相当する。ここで、体積膨張終了時の気体の圧力が同じであれば、気体の体積膨張開始時の圧力を高くすることによって内部エネルギーの減少分、すなわち、開いた系において気体が外部にする仕事の大きさを大きくできる。

一方で、一般的に、気体の圧力と体積との積は、気体の温度に概ね比例する。このことは、気体の状態方程式等によって一般的に知られている。したがって、気体が加熱されて気体の温度が高くなった状態で気体が系の外部にする仕事は、加熱されていない気体が系の外部にする仕事よりも大きくできる。

ここで、本実施の形態では、常温で高圧の水素Ｈ１１は、第２熱交換器３２で加熱されて高温で高圧の水素Ｈ１２となって膨張機４２へ供給されるため、膨張機４２の出力軸４４の回転に供される水素Ｈ１２の内部エネルギーを増大させることができる。これによって、例えば、膨張機４２の出力軸４４の回転数を向上できる。

＜第１の実施の形態と比較例との比較＞
次に、本実施の形態と、図２に示される比較例とを比較する。

図２に示される比較例は、切替弁３０の第１排出ポートがメイン流路２４によって膨張機４２の供給ポートへ接続されており、この変形例では、メイン流路２４における切替弁３０の第１排出ポートと膨張機４２の供給ポートとの間に第２熱交換器３２が設けられていない。このため、膨張機４２の供給ポートへ流れる水素Ｈ１１は、第２熱交換器３２等で加熱されることがなく、水素Ｈ１１は、常温で高圧のまま膨張機４２の供給ポートへ流れる。

比較例及び第１の実施の形態での水素Ｈ１１～Ｈ１４及び水素Ｈ２３の各々の温度Ｔ、圧力Ｐを以下の表１のように表す（温度の場合は、「Ｔ」の符号、圧力の場合は、「Ｐ」の符号に各水素Ｈ１１～Ｈ２３の数字の符号を付す）。

また、第２熱交換器３２を通る前の高温の冷却液Ｗの温度をＴ０１、第２熱交換器３２を通った後の低温の冷却液Ｗの温度をＴ０２とする。但し、燃料電池システム１０に用いられるラジエータ１６を含んだ燃料電池スタック１２の冷却システムでは、冷却液Ｗの流量が大きい（流速が速い）ため、冷却液Ｗの温度勾配が小さく、温度Ｔ０１と温度Ｔ０２との差は、小さいものと仮定する（すなわち、温度Ｔ０１≒温度Ｔ０２）。

さらに、以下の式において、κは、水素の比熱比、ｍは、水素の質量流量、Ｃｖは、水素の定容比熱である。また、上記のように、温度Ｔ０１≒温度Ｔ０２とされ、更に、後述のように、水素Ｈ１１が第２熱交換器３２の第１熱交換器流路３６を流れることによって水素Ｈ１１と高温の冷却液Ｗとの間で熱が交換され、水素Ｈ１１の温度Ｔ１１が高温の冷却液Ｗの温度Ｔ０１と概ね同じ温度まで水素Ｈ１１が加熱されるとすると、第２熱交換器３２を流れた後の水素Ｈ１２の温度Ｔ１２は、高温の冷却液Ｗの温度Ｔ０１と概ね等しくなる（すなわち、温度Ｔ１２≒温度Ｔ０１）。したがって、第２熱交換器３２での温度効率ηは、便宜上、１と仮定できる。さらに、Ｃｒは、膨張機４２の圧力比で、比較例と第１の実施の形態とで同じ圧力比の膨張機４２を用いるものとする。このため、膨張機４２の圧力比Ｃｒ＝（Ｐ２３／Ｐ１１）＝（Ｐ１３／Ｐ１２）となる。

先ず、比較例の構成において第２熱交換器３２を流れる前の水素Ｈ２３の温度Ｔ２３と、第２熱交換器３２を流れた後の水素Ｈ１４の温度Ｔ１４との温度差での冷熱量Ｑａを考える。水素Ｈ２３が第２熱交換器３２を流れることによって、水素Ｈ２３と高温の冷却液Ｗとの間で熱が交換され、水素Ｈ２３の温度Ｔ２３が高温の冷却液Ｗの温度Ｔ０１と概ね同じ温度まで水素Ｈ２３が加熱されるとすると、第２熱交換器３２を流れた後の水素Ｈ１４の温度Ｔ１４は、高温の冷却液Ｗの温度Ｔ０１と概ね等しくなる。したがって、冷熱量Ｑａは、以下の式１のように表される。

ここで、温度Ｔ２３は、膨張機４２の圧力比Ｃｒを用いると、以下の式２のように表される。したがって、以上の式１と式２から冷熱量Ｑａは、以下の式３のように表される。

一方、第１の実施の形態の構成で第２熱交換器３２の第１熱交換器流路３６を流れる前の前の水素１１の温度Ｔ１１と、第２熱交換器３２の第１熱交換器流路３６を流れた後の水素Ｈ１２の温度Ｔ１２との温度差での冷熱量Ｑ１を考える。水素Ｈ１１が第２熱交換器３２の第１熱交換器流路３６を流れることによって水素Ｈ１１と高温の冷却液Ｗとの間で熱が交換され、水素Ｈ１１の温度Ｔ１１が高温の冷却液Ｗの温度Ｔ０１と概ね同じ温度まで水素Ｈ１１が加熱されるとすると、第２熱交換器３２を流れた後の水素Ｈ１２の温度Ｔ１２は、高温の冷却液Ｗの温度Ｔ０１と概ね等しくなる。したがって、冷熱量Ｑ１は、以下の式４のように表される。

また、第１の実施の形態の構成で第２熱交換器３２の第２熱交換器流路３８を流れる前の前の水素１３の温度Ｔ１３と、第２熱交換器３２の第２熱交換器流路３８を流れた後の水素Ｈ１４の温度Ｔ１４との温度差での冷熱量Ｑ２について考える。上述した冷熱量Ｑ１と同様に、冷熱量Ｑ２は、以下の式５のように表される。

温度Ｔ１３は、膨張機４２の圧力比Ｃｒを用いると、以下の式６のように表される。したがって、以上の式５と式６から冷熱量Ｑ２は、以下の式７のように表される。

したがって、冷熱量Ｑ１と冷熱量Ｑ２との和である冷熱量Ｑｂは、以下の式８のようになり、更に、冷熱量Ｑｂと上記の冷熱量Ｑａとの差ΔＱは、式９のようになる。

このように、ΔＱが負であることから、Ｑｂは、Ｑａよりも小さくなる（冷熱量としては、冷熱量Ｑｂは、冷熱量Ｑａよりも大きくなる）。このため、仮に、高温の冷却液Ｗが第２熱交換器３２を通って低温の冷却液Ｗとなった際の冷却液Ｗの温度変化が極めて小さく、第２熱交換器３２の温度効率ηが１と見做せるとおいた仮定が現実的なレベルであっても、冷熱量Ｑｂが冷熱量Ｑａよりも小さくなる（上記のΔＱが正となり、ＱｂがＱａよりも大きくなる）ことはない。

これらの結果に基づいて、比較例における膨張機４２での膨張仕事Ｗａ及び第１の実施の形態における膨張機４２での膨張仕事Ｗｂについて考える。膨張仕事Ｗａは、以下の式１０のようになり、膨張仕事Ｗｂは、以下の式１１のようになる。なお、以下の式１０、式１１においてｎは、物質量、Ｒは、モル気体定数である。

ここで、第１の実施の形態において第２熱交換器３２から膨張機４２へ流れる水素Ｈ１３の温度Ｔ１２は、概ね、冷却液Ｗの温度Ｔ０１に等しくなり、この冷却液Ｗの温度Ｔ０１は、タンク１８から仕切弁２０、第１調圧弁２６、切替弁３０を介して第２熱交換器３２へ流れる水素Ｈ１１の温度Ｔ１１よりも高い。このため、第１の実施の形態における膨張機４２での膨張仕事Ｗｂは、比較例における膨張機４２での膨張仕事Ｗａよりも大きくなる。

このように、第１の実施の形態では、水素が第２熱交換器３２によって加熱され、これによって、温度が高くなった水素が膨張機４２へ供給される。このため、第１の実施の形態は、水素が加熱されずに膨張機４２へ供給される構成（すなわち、比較例のような構成）に比べて、水素が膨張機４２において膨張されることによって得られる機械的なエネルギー（すなわち、膨張機４２の出力軸４４を回転させるためのエネルギー）を大きくできる。

また、上記のように、第１の実施の形態での冷熱量Ｑｂは、比較例のような水素が加熱されずに膨張機４２へ供給される構成（すなわち、比較例のような構成）での冷熱量Ｑａよりも大きくなる。このため、第１の実施の形態は、比較例のような構成に比べて膨張機４２から流れた水素による冷却液の冷却効果を向上できる。

さらに、上記の式２と式６とから、第１の実施の形態において膨張機４２の排出ポートから第２熱交換器３２の第２供給ポート５２へ流れる水素Ｈ１３の温度Ｔ１３は、比較例において膨張機４２の排出ポートから第２熱交換器３２の第２供給ポート５２へ流れる水素Ｈ２３の温度Ｔ２３よりも高い。このため、第１の実施の形態では、比較例に比べて、膨張機４２の排出ポートと第２熱交換器３２の第２供給ポート５２との間の部分の温度（気温）と、この膨張機４２の排出ポートと第２熱交換器３２の第２供給ポート５２との間を流れる水素Ｈ１３の温度Ｔ１３との差を小さくできる。これによって、水素Ｈ１３が膨張機４２の排出ポートから第２熱交換器３２の第２供給ポート５２へ流れる間での水素Ｈ１３の外部からの熱の吸収を抑制できる。

また、第１の実施の形態は、燃料電池スタック１２における熱交換で高温となった冷却液Ｗと、タンク１８から放出され、仕切弁２０、第１調圧弁２６、切替弁３０の第１排出ポートを流れた常温で高圧の水素Ｈ１１との間で熱交換されることによって、水素Ｈ１１が加熱され、高温で高圧の水素Ｈ１２になる（すなわち、水素Ｈ１１を加熱するための熱源が、燃料電池スタック１２における熱交換で高温となった冷却液Ｗである）。このため、水素Ｈ１１を加熱するための冷却液Ｗとは別の特別な熱源や、このような特別な熱源によって水素Ｈ１１を加熱するためのヒータ等の加熱装置が不要である。これによって、燃料電池システム１０の構成を簡単でコンパクトにでき、低コストでの実現が可能になる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について説明する。

図３に示されるように、本実施の形態では、第２熱交換器３２に冷却液流路１４が設けられておらず、代わりに、排ガス流路８２が設けられている。排ガス流路８２の一端は、燃料電池スタック１２の負極側の排出ポートへ接続されている。燃料電池スタック１２の負極側の排出ポートからは、燃料ガスとしての水素との電気化学反応に供された酸化剤ガスとしての空気の排ガスＥｇが排出されて排ガス流路８２へ流れる。ここで、燃料電池スタック１２のセルで水素と空気の酸素との電気化学反応が生じると、この電気化学反応により生じた空気の排ガスＥｇは、高温になる。一方、排ガス流路８２の第２熱交換器３２よりも他端側は、燃料電池スタック１２を通っている。

このような構成では、タンク１８から放出され、仕切弁２０及び第１調圧弁２６を介して切替弁３０の第１排出ポートを流れた常温で高圧の水素Ｈ１１が第２熱交換器３２の第１供給ポート３４から第１熱交換器流路３６へ流れる。これによって、常温で高圧の水素１１と高温の排ガスＥｇとの間で熱が交換される。これによって、水素１１が加熱されて高温で高圧の水素１２になり、この高温で高圧の水素１２が膨張機４２へ供給される。

一方、高温で高圧の水素１２は、膨張機４２において断熱膨張されることによって、低温で低圧の水素Ｈ１３となり、第２熱交換器３２の第２供給ポート５２から第２熱交換器流路３８へ流れる。低温で低圧の水素１３が第２熱交換器３２の第２熱交換器流路３８を流れる。これによって、低温で低圧の水素１３と高温の排ガスＥｇとの間で熱が交換される。これによって、排ガスＥｇが冷却される。

このように冷却された排ガスＥｇは、燃料電池スタック１２側へ流れ、燃料電池スタック１２を暖める。これによって、燃料電池スタック１２の発熱を促進でき、例えば、燃料電池スタック１２のセルにおける水素と酸素との電気化学反応により生じた水の凍結を抑制でき、また、このような水が凍結することにより形成された氷を溶かすことができる。

また、前記第１の実施の形態では、第２熱交換器３２を通ることで燃料ガスとしての水素との間で熱交換される流体が冷却液であるのに対し、本実施の形態は、流体が排ガスＥｇである。このため、膨張機４２から流れた水素による冷却液の冷却効果の向上等の流体が冷却液であるが故の特有の効果以外の前記第１の実施の形態の効果と同様の効果を本実施の形態も得ることができる。

なお、本実施の形態では、排ガスＥｇが燃料電池スタック１２側へ流れることによって排ガスＥｇが燃料電池スタック１２を暖める構成であった。しかしながら、例えば、一部が燃料電池スタック１２に設けられると共に燃料電池スタック１２を冷却可能な冷却液等の冷媒等を排ガスＥｇが暖めることによって排ガスＥｇが燃料電池スタック１２を間接的に暖める構成であってもよい。

さらに、本実施の形態では、排ガスＥｇが燃料電池スタック１２を暖める構成であったが、例えば、排ガス流路８２の他端側を車両の室内の温度等を調整するための空調装置（図示省略）側に配置し、排ガスＥｇと空調装置のダクト等を流れる空気との間で熱交換を生じさせ、これによって、空調装置のダクト等を流れる空気を暖める構成としてもよい、
また、本実施の形態では、排ガスＥｇが燃料電池スタック１２を暖める構成であったが、排ガスＥｇは、単に、車両外部へ排気される構成であってもよい。

さらに、本実施の形態は、排ガス流路８２が第２熱交換器３２に設けられた構成であった。しかしながら、燃料電池スタック１２の負極側の供給ポートに接続されて酸化剤ガスとしての空気が燃料電池スタック１２側へ流れる供給ガス流路が第２熱交換器３２に設けられる構成であってもよい。このような構成で、更に、酸化剤ガスとしての空気が圧縮されて燃料電池スタック１２へ流れる構成とした例を、第２の実施の形態の変形例として以下に簡単に説明する。

この変形例では、酸化剤ガスとしての空気は、コンプレッサ等のガス圧縮装置によって圧縮された圧縮空気となる。圧縮空気は、供給ガス流路を流れて燃料電池スタック１２の負極側の供給ポートへ流れる。これによって、燃料電池スタック１２内の圧力環境が大気圧よりも高く保持される。燃料電池スタック１２内では、燃料電池スタック１２内に供給された水素が触媒によってイオン化されてプロトン（水素イオン）になる。水素イオンは、負極側へ伝えられるが、水素イオンを負極側へ伝えるための媒介としては、水が用いられる。

燃料電池スタック１２において水素と酸素との電気化学反応が生じると、これに伴い反応熱が発生し、燃料電池スタック１２内が高温環境下になる。ここで、上記のように、空気が圧縮されて燃料電池スタック１２に供給されることによって、水素イオンを負極側へ伝えるための媒介としての水を安定供給できる。

この変形例では、上記のように、燃料電池スタック１２側へ流れる圧縮空気の流路である供給ガス流路が第２熱交換器３２に設けられる。空気は、圧縮されることによって温度が上昇される。したがって、第２熱交換器３２では、圧縮空気が冷却されて水素が加熱される。このように、圧縮空気が冷却されることによって空気の密度を高くでき、燃料電池スタック１２の負極側の供給ポートでの吸気効率を高くできる。

更には、酸化剤ガスとしての空気を圧縮して燃料電池スタック１２の負極側の供給ポートへ供給する構成では、熱交換器３２とは別に、冷却水等による空気冷却手段によって空気を冷却する構成もある。このような、空気冷却手段を備える構成であっても、空気が第２熱交換器によって更に冷却されることによって空気の密度を更に高くでき、燃料電池スタック１２の負極側の供給ポートでの吸気効率を更に高くできる。しかも、空気冷却手段の負担の軽減も可能になる。

＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態について説明する。

図４に示されるように、本実施の形態では、メイン流路２４における切替弁３０と膨張機４２との間（すなわち、膨張機４２の上流側）に第２熱交換器３２が配置されている。本実施の形態では、膨張機４２よりも下流側でメイン流路２４は、第２熱交換器３２へ繋がっていない。また、本実施の形態は、第３熱交換器９２を備えている。第３熱交換器９２は、膨張機４２と第１インジェクタ５６（図３では図示省略）との間（すなわち、膨張機４２の下流側）に配置されており、膨張機４２の排出ポートは、メイン流路２４によって第３熱交換器９２の供給ポートへ接続されている。第２熱交換器３２及び第３熱交換器９２には、冷却液流路１４が設けられており、第２熱交換器３２及び第３熱交換器９２の一方を流れた冷却液Ｗは、第２熱交換器３２及び第３熱交換器９２の他方へ流れる。

以上の構成の本実施の形態では、タンク１８から放出された常温で高圧の水素Ｈ１１は、第２熱交換器３２を流れることによって冷却液Ｗとの間で熱交換される。これによって加熱された水素Ｈ１１は、高温で高圧の水素Ｈ１２となって膨張機４２へ流れる。また、膨張機４２から排出された低温で低圧の水素Ｈ１３は、第３熱交換器９２を流れることによって冷却液Ｗとの間で熱交換される。これによって、冷却液Ｗが冷却される。

このような構成であっても、本実施の形態は、前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、第２熱交換器３２及び第３熱交換器９２の双方を流体としての冷却液Ｗが流れる構成であった。しかしながら、第２熱交換器３２及び第３熱交換器９２を流れる流体は、排ガスＥｇであってもよい。また、冷却液Ｗが第２熱交換器３２及び第３熱交換器９２の一方を流れ、排ガスＥｇが第２熱交換器３２及び第３熱交換器９２の他方を流れる構成のように、第２熱交換器３２と第３熱交換器９２とで異なる流体が流れる構成としてもよく、流体の態様に関しては特に限定されるものではない。

さらに、本実施の形態は、第２熱交換器３２及び第３熱交換器９２を備える構成であった。しかしながら、膨張機４２へ流れる前の燃料ガスとしての水素を加熱するための構成は、本実施の形態では、第２熱交換器３２である。したがって、第３熱交換器９２を備えずに第２熱交換器３２のみを備える構成としてもよい。

また、上記の各実施の形態では、加熱装置が第２熱交換器３２とされた構成であった。しかしながら、加熱装置は、例えば、膨張機４２よりも上流側でメイン流路２４を加熱して間接的に燃料ガスとしての水素を加熱するヒータ等であってもよい。すなわち、加熱装置は、膨張機４２へ流れる前の燃料ガスとしての水素を加熱できる構成であれば、その具体的な態様に限定されるものではない。

さらに、上記の各実施の形態では、燃料ガス流路２２は、メイン流路２４の他にバイパス流路６８を備える構成であった。しかしながら、燃料ガス流路２２がバイパス流路６８を備えず、メイン流路２４のみで構成されてもよい。

１０燃料電池システム
１２燃料電池スタック
２２燃料ガス流路（供給路）
２４メイン流路
３２第２熱交換器（熱交換器、加熱装置）
３６第１熱交換器流路
３８第２熱交換器流路
４２膨張機
Ｈ１１、Ｈ１２、Ｈ１３、Ｈ１４、Ｈ２３水素
Ｅｇ排ガス

Claims

燃料ガスの水素と酸化剤ガスの酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給路に設けられ、高圧状態の前記燃料ガスが供給されることによって前記燃料ガスが膨張されて減圧されると共に、前記燃料ガスが膨張、減圧されることによって前記燃料ガスの内部エネルギーが機械的エネルギーに変換される膨張機と、
前記膨張機よりも前記供給路の上流側に設けられて、前記燃料ガスを加熱する加熱装置と、を備え、
前記加熱装置は、前記燃料電池スタックを冷却することによって前記加熱装置よりも前記供給路の上流側の前記燃料ガスよりも高温とされた流体としての冷却液によって前記燃料ガスを加熱する、燃料電池システム。
燃料ガスの水素と酸化剤ガスの酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池の燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給路に設けられ、高圧状態の前記燃料ガスが供給されることによって前記燃料ガスが膨張されて減圧されると共に、前記燃料ガスが膨張、減圧されることによって前記燃料ガスの内部エネルギーが機械的エネルギーに変換される膨張機と、
前記膨張機よりも前記供給路の上流側に設けられて、前記燃料ガスを加熱する加熱装置と、を備え、
前記加熱装置は、前記燃料電池スタックにおける発電に供されることによって前記加熱装置よりも前記供給路の上流側の前記燃料ガスよりも高温とされた流体としての前記酸化剤ガスの排ガスによって前記燃料ガスを加熱する、燃料電池システム。
前記加熱装置は、前記燃料ガスよりも高温の流体が流れると共に、前記燃料ガスと高温状態の前記流体との間で熱交換させて前記燃料ガスを加熱する熱交換器とされた請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
前記熱交換器は、冷却対象を冷却することによって高温状態にされた流体が流れる請求項３に記載の燃料電池システム。
前記熱交換器は、
前記膨張機よりも前記供給路の上流側に設けられ、前記燃料ガスが流れることによって前記燃料ガスと前記流体との間での熱交換が可能な第１熱交換器流路と、
前記膨張機よりも前記供給路の下流側に設けられ、前記燃料ガスが流れることによって前記燃料ガスと前記流体との間での熱交換が可能な第２熱交換器流路と、
を備える請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。