JP7087866B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
特許文献１には、燃料電池から流れ出た生成水を貯留するキャッチタンクが設けられた燃料電池システムが開示されている。
特許文献２には、気液分離器に流れる水素に含まれる水分を、気液分離器よりも上流側に配置された冷却器を用いて温度低下させることで液化させて、気液分離器で除去する構成が開示されている。
特開２０１０－１５３２４６号公報 特開２００９－１９１３３３号公報
ところで、燃料電池では、水素と空気とが送り込まれ、水素と酸素とが化学反応することで発電が行われる。燃料電池からは、排出体が排出される。排出体は、燃料電池における化学反応で消費されなかった気体（酸素及び窒素を含む）と、液体（水蒸気及び液水を含む）とを有する。そして、排出体は、気液分離器に通されることで、気体と液体とに分離される。
しかし、特許文献１の燃料電池システムのように、燃料電池から流れ出た液水を単にキャッチタンクに貯留するだけでは、気液分離器において水蒸気が気体として下流側に流れてしまう可能性があるので、液水の回収量を増やし難い。また、特許文献２の構成のように、液水の回収量を増やすために、気液分離器よりも上流側に冷却器を別途設けて排出体を冷却させる構成では、冷却器を作動させるために多くの電気エネルギーが必要であり、エネルギー消費量が増えてしまう。つまり、エネルギー消費量の増加を抑制し且つ液水の回収量を増やすことができる燃料電池システムを得るには、改善の余地がある。
本発明は上記事実を考慮し、エネルギー消費量の増加を抑制し且つ液水の回収量を増やすことができる燃料電池システムを得ることを目的とする。
請求項１に記載の本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池から排出された排出体が流れる排出管と、前記排出管に接続され、前記排出体を気体と液体とに分離させる気液分離器と、前記気液分離器の少なくとも前記気体が排出される排出口に接続された接続管と、前記接続管に接続され、上流側の前記気体の圧力を大気圧よりも高くし、且つ下流側の前記気体の圧力が前記接続管における前記気体の圧力よりも低くなるように前記気体の圧力を調整する圧力調整部と、前記圧力調整部の下流側に中継管を介して接続され、少なくとも前記気体を前記排出管に向けて案内させる案内管と、前記排出管と前記案内管との間で熱交換を行う熱交換部と、前記中継管に接続され、前記中継管を流れる少なくとも前記気体の流路を前記案内管及び他の配管の一方に切替え可能とされた三方弁と、前記中継管に設けられ、少なくとも前記気体の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにおいて測定された少なくとも前記気体の測定温度が上限設定温度よりも高い場合には、前記三方弁を前記他の配管側に切替え、前記測定温度が前記上限設定温度以下の場合には、前記三方弁を前記案内管側に切替える制御を行う制御部と、を有する。
請求項１に記載の本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池から排出された排出体が、気液分離器において気体と液体とに分離される。液体は液水として回収されるが、少なくとも気体は、気液分離器を通って下流側の圧力調整部に流れる。圧力調整部では、接続管を含む上流側の気体の圧力を大気圧よりも高くし、且つ下流側の気体の圧力が接続管における気体の圧力よりも低くなるように、気体の圧力が調整される。圧力調整部を通過後に気体の圧力が低下されることで、ジュール・トムソン効果により、気体の温度が低下する。
温度が低下した気体は、案内管によって排出管に向けて案内される。そして、熱交換部では、排出管と案内管との間で熱交換が行われる。具体的には、排出管内を流れる高温の排出体と、案内管を流れる低温の気体との間で熱交換が行われることで、排出管内を流れる高温の排出体の温度が低下される。高温の排出体の温度が低下されることで、排出体中の気体の一部が液化され、液水となる。このように、気液分離器に向けて流れる気体の一部が液水となって回収されるので、排出体が気体のままで気液分離器に流される構成に比べて、液水の回収量を増やすことができる。
さらに、燃料電池システムでは、圧力調整部によって温度低下された気体と、熱交換部とを用いて、高温の排出体の温度を低下させているので、排出体を温度低下させる他の装置を設ける必要が無い。このため、他の装置を設けて排出体の温度を低下させる構成に比べて、エネルギー消費量の増加を抑制することができる。つまり、請求項１に記載の本発明に係る燃料電池システムでは、エネルギー消費量の増加を抑制し且つ液水の回収量を増やすことができる。
また、この燃料電池システムでは、例えば、液水回収量をより多く要求される温暖な地域で燃料電池システムが利用される場合には、予め三方弁を案内管側に切り替えておくことで、熱交換部において熱交換が行われる。一方、液水回収量を多く要求されない寒冷地で燃料電池システムが利用される場合には、予め三方弁を他の配管側に切り替えておくことで、排出体が熱交換部に流れなくなるので、排出体が熱交換部によって過剰に冷却されるのを抑制することができる。
また、この燃料電池システムでは、気体の測定温度が上限設定温度以下の場合には、三方弁が案内管側に切替えられる。このため、圧力調整部を通った気体が三方弁を経由して案内管に流され、熱交換部において熱交換が行われる。これにより、気液分離器に向けて流れる気体の一部が液水となるので、排出体が気体のままで気液分離器に流される構成に比べて、液水の回収量を増やすことができる。
一方、気体の測定温度が上限設定温度よりも高い場合には、三方弁が他の配管側に切替えられる。このため、圧力調整部を通った気体は、三方弁を経由して他の配管に流されるので、案内管には流されない。換言すると、測定温度が上限設定温度よりも高い気体が熱交換部に流されなくなるので、燃料電池から排出された排出体の温度が熱交換部によって上がるのを抑制することができる。
請求項２に記載の本発明に係る燃料電池システムは、請求項１に記載の構成において、前記制御部には、前記上限設定温度よりも低い下限設定温度が設定され、前記制御部は、前記測定温度が前記下限設定温度以上で且つ前記上限設定温度以下の場合には、前記三方弁を前記案内管側に切替える制御を行い、前記測定温度が前記下限設定温度よりも低い場合には、前記三方弁を前記他の配管側に切替える制御を行う。
請求項２に記載の本発明に係る燃料電池システムでは、排出体の測定温度が下限設定温度以上で且つ上限設定温度以下の場合には、三方弁が案内管側に切替えられる。このため、圧力調整部を通った気体が三方弁を経由して案内管に流され、熱交換部において熱交換が行われる。これにより、気液分離器に向けて流れる気体の一部が液水となるので、排出体が気体のままで気液分離器に流される構成に比べて、液水の回収量を増やすことができる。
一方、排出体の測定温度が下限設定温度よりも低い場合には、三方弁が他の配管側に切替えられる。このため、圧力調整部を通った気体は、三方弁を経由して他の配管に流されるので、案内管には流されない。換言すると、測定温度が下限設定温度よりも低い気体が熱交換部に流されなくなるので、燃料電池から排出された排出体の温度が熱交換部によって過剰に冷却されるのを抑制することができる。
以上説明したように、本発明は、エネルギー消費量の増加を抑制し且つ液水の回収量を増やすことができる。
第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 図１に示す燃料電池システムにおける圧力調整部の上流側及び下流側での排出体の圧力を示すグラフである。 第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。 図３に示す燃料電池システムにおけるバルブの構成図である。 図３に示す燃料電池システムにおける排出体の温度及び設定温度を示す図である。 図３に示す燃料電池システムにおいてバルブを第２排出管側に切り替えた状態を示す構成図である。 図３に示す燃料電池システムにおいて検出温度に基づいてバルブ位置を切り替える処理の流れを示すフローチャートである。 第３実施形態に係る燃料電池システムにおける排出体の温度、設定温度及び下限設定温度を示す図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムにおいて検出温度に基づいてバルブ位置を切り替える処理の流れを示すフローチャートである。 第４実施形態に係る燃料電池システムの全体構成図である。
[第１実施形態]
第１実施形態に係る燃料電池システム２０について説明する。なお、第１実施形態は本発明の実施形態ではなく参考例である。
図１に示す燃料電池システム２０は、ラジエータ１２を含んで構成された車両１０に搭載されている。また、燃料電池システム２０は、一例として、電池本体部２２と、排気部３０と、ラジエータ冷却部５０とを有する。
〔電池本体部〕
電池本体部２２は、一例として、燃料電池スタック２４と、第１供給管２６と、第２供給管２７と、水素配管２８とを有する。
燃料電池スタック２４は、燃料電池の一例である。具体的には、燃料電池スタック２４は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するユニットであり、図示しない電解質膜を含む複数のセル及び電極等が積層されることで形成されている。燃料電池スタック２４には、図示しない水素タンクから第１供給管２６を介して水素が供給される。また、燃料電池スタック２４には、図示しない空気供給器から第２供給管２７を介して空気（酸素及び窒素を含む）が供給される。水素配管２８には、発電に使用されなかった水素が流れる。
燃料電池スタック２４の一部には、接続口２９が設けられている。接続口２９からは、排出体Ｍが排出される。排出体Ｍは、気体（酸素、窒素及び水蒸気を含む）と、液体（液水Ｗ）とを含んでいる。水蒸気及び液水は、水素と酸素との電気化学反応によって生成されたものである。液水Ｗは、排出体Ｍのうち飽和蒸気量を超えた生成水である。
〔排気部〕
排気部３０は、一例として、排出管３２と、気液分離器３４と、接続管３５と、調圧弁３６と、案内管３８と、熱交換器４２とを有する。
＜排出管＞
排出管３２は、一例として、一方向に長い円筒状のパイプで構成されている。また、排出管３２は、一例として、ステンレス鋼製とされている。排出管３２の軸方向の一端部は、接続口２９に接続されている。排出管３２の軸方向の他端部は、後述する気液分離器３４に接続されている。排出管３２の内部には、排出体Ｍが流れるようになっている。
＜気液分離器＞
気液分離器３４は、排出管３２に接続されている。また、気液分離器３４は、排出体Ｍを気体と液体（液水Ｗ）とに分離させる。気液分離器３４には、液水Ｗが排水される排水口３７と、少なくとも気体が排出される排出口３９とが形成されている。排水口３７には、後述する排水管５２の軸方向の一端部が接続されている。排出口３９には、後述する接続管３５の軸方向の一端部が接続されている。つまり、気液分離器３４において分離された気体及び液水Ｗのうち、液水Ｗは排水管５２に流され、気体は接続管３５に流されるようになっている。なお、液水Ｗの一部が接続管３５へ流出する可能性はある。
＜接続管＞
接続管３５は、一例として、一方向に長い円筒状のパイプで構成されている。また、接続管３５は、一例として、ステンレス鋼製とされている。接続管３５の軸方向の他端部は、後述する調圧弁３６に接続されている。接続管３５の内部には、気体が流れるようになっている。なお、接続管３５の内部には、液水Ｗの一部が流れる可能性がある。換言すると、接続管３５の内部には、少なくとも気体が流れるようになっている。
＜調圧弁＞
調圧弁３６は、圧力調整部の一例である。また、調圧弁３６は、接続管３５の下流側に接続されている。換言すると、調圧弁３６は、気液分離器３４よりも下流側に設けられている。さらに、調圧弁３６は、調圧弁３６よりも上流側（接続管３５を含む）の気体の圧力を、大気圧よりも高くし、案内管３８における（調圧弁３６よりも下流側における）気体の圧力よりも高くなるように、気体の圧力を調整する構成とされている。換言すると、調圧弁３６は、調圧弁３６よりも上流側の気体の圧力を大気圧よりも高くし、且つ調圧弁３６よりも下流側の気体の圧力が接続管３５における気体の圧力よりも低くなるように気体の圧力を調整する構成とされている。なお、調圧弁３６において、気体と共に液水の一部が存在していてもよい。
調圧弁３６の操作によって気体の圧力が調整されることで、燃料電池スタック２４から調圧弁３６までの排出管３２、気液分離器３４及び接続管３５の内部圧力が、調圧弁３６よりも下流側の内部圧力よりも高められている。ここで、排出管３２の内部圧力が高められていることで、燃料電池スタック２４内の図示しない電解質膜からの水の蒸発が抑制されるので、電解質膜が水で湿らせられた状態が保持されている。
＜案内管＞
案内管３８は、一例として、複数箇所で屈曲された円筒状のパイプで構成されている。また、案内管３８は、一例として、ステンレス鋼製とされている。案内管３８の一端部は、調圧弁３６の下流側に接続されている。案内管３８の他端側は、排出管３２まで延ばされている。つまり、案内管３８は、少なくとも気体を排出管３２に向けて案内させるように構成されている。
なお、案内管３８の他端側は、一例として、排出管３２とは非接触となるように、一方向に間隔をあけて配置されている。該一方向から見た場合に、案内管３８と排出管３２とは、一例として、直交するように配置されている。案内管３８の他端は、開口されており、気体が外部に排出されるようになっている。換言すると、案内管３８の他端は、大気開放されている。
＜熱交換器＞
熱交換器４２は、熱交換部の一例である。また、熱交換器４２では、一例として、ヒートパイプ方式によって熱交換が行われるようになっている。また、熱交換器４２は、排出管３２と、案内管３８とに接触されている。ここで、熱交換器４２を介して、排出管３２と案内管３８との間で熱交換が行われるようになっている。具体的には、排出管３２内を流れる高温状態の排出体Ｍと、案内管３８内を流れる低温状態の気体との間で、熱交換が行われる。
〔ラジエータ冷却部〕
ラジエータ冷却部５０は、一例として、排水管５２と、開度調整弁５４と、タンク５６と、ポンプ５８と、噴射部６２とを有する。
排水管５２は、複数の円筒状のパイプが繋ぎ合わされることで、１本の配管として構成されている。排水管５２の一端部は、排水口３７に接続されている。また、排水管５２の他端部は、ラジエータ１２に向けて延設されている。開度調整弁５４は、排水管５２における気液分離器３４に近い側に設けられている。また、開度調整弁５４は、操作されることで、流路の開度を調整可能とされている。
タンク５６は、排水管５２における開度調整弁５４よりも下流側に配置されており、気液分離器３４から排水管５２を介して流れてきた液水Ｗを貯留する。ポンプ５８は、排水管５２におけるタンク５６よりも下流側に配置されており、排水管５２内の液水Ｗ（タンク５６内の液水Ｗも含む）を下流側に向けて圧送する機能を有する。噴射部６２は、図示しない複数の噴射口が形成された部材として構成されており、排水管５２の他端部に固定されている。ここで、ポンプ５８によって圧送された液水Ｗは、噴射部６２の噴射口からラジエータ１２に向けて噴射されるようになっている。また、ラジエータ１２では、液水Ｗがかけられることで、温度低下されるようになっている。
〔作用及び効果〕
次に、第１実施形態の燃料電池システム２０の作用及び効果について説明する。
燃料電池システム２０では、燃料電池スタック２４から排出された排出体Ｍが、気液分離器３４において気体と液体とに分離される。液体は液水Ｗとして回収され、ラジエータ冷却部５０において、ラジエータ１２の冷却に用いられる。一方、気液分離器３４において回収しきれなかった液体（液水）の一部及び気体は、気液分離器３４を通って下流側の調圧弁３６に流れる。調圧弁３６では、調圧弁３６よりも上流側（接続管３５を含む）の気体の圧力が大気圧よりも高くされ、且つ調圧弁３６よりも下流側の気体の圧力が、上流側の接続管３５の気体の圧力よりも低くなるように、気体の圧力が調整される。なお、気体に加えて、液水の一部が存在していてもよい。
図２に示すように、調圧弁３６よりも上流側では、圧力Ｐ１の高圧状態となっているが、調圧弁３６よりも下流側では、案内管３８（図１参照）が大気開放されていることにより、気体の圧力がほぼ大気圧Ｐ０（＜Ｐ１）まで低下される。
図１に示す案内管３８では、調圧弁３６を通過後に気体の圧力が大気圧まで低下されることで、ジュール・トムソン効果により、気体の温度が低下する。温度が低下した気体は、案内管３８によって排出管３２に向けて案内される。なお、気液分離器３４を通った気体に液水Ｗの一部が混在している場合には、この液水Ｗが、調圧弁３６を通ることで減圧され且つ気化されることで、蒸発潜熱に相当する分だけ熱量が消費されるので、気体の温度がさらに低下されることになる。
熱交換器４２では、排出管３２と案内管３８との間で熱交換が行われる。具体的には、排出管３２内を流れる高温の排出体Ｍと、案内管３８を流れる低温の気体との間で熱交換が行われることで、排出管３２内を流れる高温の排出体Ｍの温度が低下される。高温の排出体Ｍの温度が低下されることで、排出体Ｍ中の気体（水蒸気）の一部が液化され、液水Ｗとなる。このように、気液分離器３４に向けて流れる気体の一部が、そのまま気体として流されずに、液水Ｗとして回収されるようになるので、排出体Ｍが気体のままで気液分離器３４に流される構成に比べて、液水Ｗの回収量を増やすことができる。
さらに、燃料電池システム２０では、調圧弁３６によって温度低下された気体と、熱交換器４２とを用いて、高温の排出体Ｍの温度を低下させているので、排出体Ｍを温度低下させる他の装置を設ける必要が無い。このため、他の装置を設けて排出体Ｍの温度を低下させる構成に比べて、エネルギー消費量の増加を抑制することができる。つまり、燃料電池システム２０では、エネルギー消費量の増加を抑制し且つ液水Ｗの回収量を増やすことができる。
[第２実施形態]
次に、第２実施形態に係る燃料電池システム７０について説明する。なお、第２実施形態は本発明の実施形態である。また、第２実施形態において、第１実施形態の燃料電池システム２０（図１参照）と同様の構成については、第１実施形態と同じ符号を付与して説明を適宜省略する。
図３に示す燃料電池システム７０は、燃料電池システム２０の排気部３０（図１参照）において、中継管７１、三方弁７２、排気管７４、温度センサ７６及び制御部７８を更に有する構成とされている。中継管７１、三方弁７２、排気管７４、温度センサ７６及び制御部７８以外の構成は、燃料電池システム２０と同じとされている。
＜中継管＞
中継管７１は、一例として、一方向に長い円筒状のパイプで構成されている。また、中継管７１は、一例として、ステンレス鋼製とされている。中継管７１の軸方向の一端部は、調圧弁３６に接続されている。中継管７１の軸方向の他端部には、後述する三方弁７２が接続されている。中継管７１の内部には、少なくとも気体が流れるようになっている。なお、中継管７１の軸方向の他端部を接続部７３と称する。
＜三方弁＞
図４に示す三方弁７２は、１つの流入ポート（ポートＡ）と、２つの流出ポート（ポートＢ、Ｃ）とを有している。また、三方弁７２は、図示しない本体部に対して相対回転される弁体７５を有している。三方弁７２では、弁体７５が操作（回転）されることで、ポートＡとポートＢとの接続（ポートＣの遮断）と、ポートＡとポートＣとの接続（ポートＢの遮断）とが切り替え可能とされている。ポートＡは、中継管７１の接続部７３に接続されている。ポートＢには、案内管３８の一方側端部（上流側端部）が接続されている。換言すると、案内管３８は、調圧弁３６に中継管７１を介して接続されている。ポートＣには、後述する排気管７４の一方側端部（上流側端部）が接続されている。
三方弁７２には、弁体７５を回転駆動させる図示しないモータと、弁体７５の位置を検出する図示しない位置センサとが設けられている。この位置センサによって検出された弁体７５の位置情報は、後述する制御部７８（図３参照）に送られるようになっている。これにより、制御部７８による三方弁７２の切り替え制御が可能とされている。
つまり、三方弁７２は、中継管７１を流れる少なくとも気体の流路Ｄを、案内管３８及び排気管７４の一方に切替え可能に構成されている。換言すると、三方弁７２は、中継管７１を、案内管３８及び排気管７４の一方に選択的に接続させるようになっている。なお、ポートＡとポートＢとが接続された状態における弁体７５の位置を、三方弁７２の第１位置と称する。また、ポートＡとポートＣとが接続された状態における弁体７５の位置を、三方弁７２の第２位置と称する。
＜排気管＞
図３に示す排気管７４は、他の配管の一例である。また、排気管７４は、一例として、一方向に長い円筒状のパイプで構成されている。さらに、排気管７４は、一例として、ステンレス鋼製とされている。既述の通り、排気管７４の軸方向の一端部は、三方弁７２のポートＣ（図４参照）に接続されている。排気管７４の軸方向の他端部は、大気開放されている。
＜温度センサ＞
温度センサ７６は、中継管７１（調圧弁３６と三方弁７２との間）に設けられている。そして、温度センサ７６は、中継管７１内に存在する少なくとも気体の温度を測定するように構成されている。温度センサ７６において測定された測定温度の情報は、後述する制御部７８に送られる。
＜制御部＞
制御部７８は、図示しないＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）を備える。ＥＣＵは、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を含むマイクロコンピュータで構成されている。制御部７８には、車両１０及び燃料電池システム７０の各部の動作を制御するプログラムが設定されている。
図５には、一例として、測定温度Ｔ１、Ｔ２（単位：℃）と、上限設定温度ＴＡ（単位：℃）とが示されている。上限設定温度ＴＡは、予め制御部７８（図３参照）に設定された温度であり、三方弁７２（図３参照）の切り替えの判定に用いられる温度である。測定温度Ｔ１（＜ＴＡ）は、一例として、時点ｔ１において温度センサ７６（図３参照）によって測定された温度である。測定温度Ｔ２（＞ＴＡ）は、一例として、時点ｔ２（＞ｔ１）において温度センサ７６によって測定された温度である。
図３に示す制御部７８には、温度センサ７６において測定された少なくとも気体の測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡ（図５参照）よりも高い場合には、三方弁７２を排気管７４側に切替える制御を行うように、プログラムが設定されている。さらに、制御部７８には、測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡ以下の場合には、三方弁７２を案内管３８側に切替える制御を行うように、プログラムが設定されている。
〔作用及び効果〕
次に、第２実施形態の燃料電池システム７０の作用及び効果について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システム７０の各部については、図３から図６までを参照する。また、燃料電池システム７０は、既に起動されているものとする。
ステップＳ１０では、三方弁７２の位置が第１位置であるか第２位置であるかが検出される。三方弁７２の位置情報は、制御部７８に一時的に記憶される。そして、ステップＳ１２に移行される。
ステップＳ１２では、温度センサ７６において測定温度Ｔが測定される。測定温度Ｔの情報は、制御部７８に送られる。そして、ステップＳ１４に移行される。
ステップＳ１４では、測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡ以下であるか否かが、制御部７８によって判定される。測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡ以下である場合には、ステップＳ１６に移行される。測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡよりも高い場合には、ステップＳ２０に移行される。
ステップＳ１６では、三方弁７２の位置が第１位置であるか否かが、制御部７８によって判定される。三方弁７２の位置が第１位置である場合には、ステップＳ２４に移行される。三方弁７２の位置が第２位置である場合には、ステップＳ１８に移行される。
ステップＳ１８では、制御部７８によって弁体７５が操作されることによって、三方弁７２の位置が第２位置から第１位置に切り替えられる（図３参照）。そしてステップＳ２４に移行される。
ステップＳ２０では、三方弁７２の位置が第２位置であるか否かが、制御部７８によって判定される。三方弁７２の位置が第２位置である場合には、ステップＳ２４に移行される。三方弁７２の位置が第１位置である場合には、ステップＳ２２に移行される。
ステップＳ２２では、制御部７８によって弁体７５が操作されることによって、三方弁７２の位置が第１位置から第２位置に切り替えられる（図６参照）。そしてステップＳ２４に移行される。
ステップＳ２４では、燃料電池システム７０の動作が終了されるか否かが、制御部７８によって判定される。燃料電池システム７０の動作が継続される場合には、ステップＳ１２に移行される。燃料電池システム７０の動作が終了される場合には、プログラムが終了される。
図３に示す燃料電池システム７０では、燃料電池システム２０（図１参照）と同様に、調圧弁３６において、下流側の気体の圧力が上流側の気体の圧力よりも低くなるように、気体の圧力が調整される。そして、案内管３８では、ジュール・トムソン効果により、排出体Ｍの温度が低下している。熱交換器４２では、気液分離器３４よりも上流側における排出管３２内の高温の排出体Ｍと、案内管３８を流れる低温の気体との間で熱交換が行われることで、排出管３２内の排出体Ｍの温度が低下される。高温の排出体Ｍの温度が低下されることで、排出体Ｍ中の気体（水蒸気）の一部が液化され、液水Ｗとなる。このように、気液分離器３４に向けて流れる気体の一部が、そのまま気体として流されずに、液水Ｗとして回収されるので、エネルギー消費量の増加を抑制し且つ液水Ｗの回収量を増やすことができる。
また、燃料電池システム７０では、既述の通り、気体の測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡ以下の場合には、三方弁７２が案内管３８側に切替えられる。このため、調圧弁３６を通った排出体Ｍが三方弁７２を経由して案内管３８に流され、熱交換器４２において熱交換が行われる。これにより、気液分離器３４に向けて流れる気体の一部が、温度が低下されることで液水Ｗとなるので、排出体Ｍが気体のままで気液分離器３４に流される構成に比べて、液水Ｗの回収量を増やすことができる。
一方、図６に示すように、気体の測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡよりも高い場合には、三方弁７２が排気管７４側に切替えられる。このため、調圧弁３６を通った気体は、三方弁７２を経由して排気管７４に流されるので、案内管３８には流されない。換言すると、測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡよりも高い気体が熱交換器４２に流されなくなるので、燃料電池スタック２４から排出された排出体Ｍの温度が熱交換器４２によって上がるのを抑制することができる。
[第３実施形態]
次に、第３実施形態に係る燃料電池システム７０（図３参照）について説明する。なお、第３実施形態は本発明の実施形態である。第３実施形態の燃料電池システム７０は、第２実施形態の燃料電池システム７０において、制御部７８による三方弁７２の制御が一部異なっていることを除いて同様の構成とされているため、第２実施形態と同じ符号を付与して説明を適宜省略する。
図８には、一例として、測定温度Ｔ０、Ｔ１、Ｔ２（単位：℃）と、上限設定温度ＴＡと、下限設定温度ＴＢ（単位：℃）とが示されている。下限設定温度ＴＢは、予め制御部７８に設定された温度であり、上限設定温度ＴＡと共に、三方弁７２（図３参照）の切り替えの判定に用いられる温度である。下限設定温度ＴＢは、上限設定温度ＴＡよりも低い温度である。測定温度Ｔ０（＜Ｔ１）は、一例として、時点ｔ０（＜ｔ１）において温度センサ７６（図３参照）によって測定された温度である。
第３実施形態の燃料電池システム７０（図３参照）において、制御部７８には、気体の測定温度Ｔが、上限設定温度ＴＡよりも高い場合及び下限設定温度ＴＢよりも低い場合には、三方弁７２を排気管７４側に切替える制御を行うように、プログラムが設定されている。さらに、制御部７８には、測定温度Ｔが下限設定温度ＴＢ以上で且つ上限設定温度ＴＡ以下の場合には、三方弁７２を案内管３８側に切替える制御を行うように、プログラムが設定されている。
〔作用及び効果〕
次に、第３実施形態の燃料電池システム７０の作用及び効果について、図９に示すフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池システム７０の各部については、図３、図６及び図８を参照する。また、燃料電池システム７０は、既に起動されているものとする。
ステップＳ３０では、三方弁７２の位置が第１位置であるか第２位置であるかが検出される。三方弁７２の位置情報は、制御部７８に一時的に記憶される。そして、ステップＳ３２に移行される。
ステップＳ３２では、温度センサ７６において測定温度Ｔが測定される。測定温度Ｔの情報は、制御部７８に送られる。そして、ステップＳ３４に移行される。
ステップＳ３４では、測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡ以下であるか否かが、制御部７８によって判定される。測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡ以下である場合には、ステップＳ３６に移行される。測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡよりも高い場合には、ステップＳ４０に移行される。
ステップＳ３６では、測定温度Ｔが下限設定温度ＴＢ以上であるか否かが、制御部７８によって判定される。測定温度Ｔが下限設定温度ＴＢ以上である場合には、ステップＳ３８に移行される。測定温度Ｔが下限設定温度ＴＢよりも低い場合には、ステップＳ４０に移行される。
ステップＳ３８では、三方弁７２の位置が第１位置であるか否かが、制御部７８によって判定される。三方弁７２の位置が第１位置である場合には、ステップＳ４６に移行される。三方弁７２の位置が第２位置である場合には、ステップＳ４２に移行される。
ステップＳ４０では、三方弁７２の位置が第２位置であるか否かが、制御部７８によって判定される。三方弁７２の位置が第２位置である場合には、ステップＳ４６に移行される。三方弁７２の位置が第１位置である場合には、ステップＳ４４に移行される。
ステップＳ４２では、制御部７８によって弁体７５が操作されることによって、三方弁７２の位置が第２位置から第１位置に切り替えられる。そしてステップＳ４６に移行される。
ステップＳ４４では、制御部７８によって弁体７５が操作されることによって、三方弁７２の位置が第１位置から第２位置に切り替えられる。そしてステップＳ４６に移行される。
ステップＳ４６では、燃料電池システム７０の動作が終了されるか否かが、制御部７８によって判定される。燃料電池システム７０の動作が継続される場合には、ステップＳ３２に移行される。燃料電池システム７０の動作が終了される場合には、プログラムが終了される。
第３実施形態の燃料電池システム７０では、第２実施形態の燃料電池システム７０と同様に、エネルギー消費量の増加を抑制し且つ液水Ｗの回収量を増やすことができる。
また、第３実施形態の燃料電池システム７０では、気体の測定温度Ｔが下限設定温度ＴＢ以上で且つ上限設定温度ＴＡ以下の場合には、三方弁７２が案内管３８側に切替えられる。このため、調圧弁３６を通った少なくとも気体が三方弁７２を経由して案内管３８に流され、熱交換器４２において熱交換が行われる。これにより、気液分離器３４に向けて流れる気体の一部が、そのまま気体として流されずに、温度が低下されることで液水Ｗとなるので、排出体Ｍが気体のままで気液分離器３４に流される構成に比べて、液水Ｗの回収量を増やすことができる。
排出体Ｍの測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡよりも高い場合には、三方弁７２が排気管７４側に切替えられる。このため、調圧弁３６を通った少なくとも気体は、三方弁７２を経由して排気管７４に流されるので、案内管３８には流されない。換言すると、測定温度Ｔが上限設定温度ＴＡよりも高い気体が熱交換器４２に流されなくなるので、燃料電池スタック２４から排出された排出体Ｍの温度が熱交換器４２によって上がるのを抑制することができる。
さらに、気体の測定温度Ｔが下限設定温度ＴＢよりも低い場合には、三方弁７２が排気管７４側に切替えられる。このため、調圧弁３６を通った少なくとも気体は、三方弁７２を経由して排気管７４に流されるので、案内管３８には流されない。換言すると、測定温度Ｔが下限設定温度ＴＢよりも低い気体が、熱交換器４２に流されなくなるので、燃料電池から排出された排出体Ｍの温度が熱交換器４２によって過剰に冷却されるのを抑制することができる。
[第４実施形態]
次に、第４実施形態に係る燃料電池システム８０について説明する。なお、第４実施形態は本発明の実施形態ではなく参考例である。また、第４実施形態において、第１実施形態の燃料電池システム２０（図１参照）及び第２実施形態の燃料電池システム７０（図３参照）と同様の構成については、第１、第２実施形態と同じ符号を付与して説明を省略する。
図１０に示す燃料電池システム８０は、燃料電池システム７０（図３参照）において、温度センサ７６（図３参照）が取り除かれた構成とされている。また、制御部７８は、三方弁７２の切り替えを行わないようになっている。つまり、燃料電池システム８０では、三方弁７２が手動で切り替えられるように構成されている。
〔作用及び効果〕
次に、第４実施形態の燃料電池システム８０の作用及び効果について説明する。
燃料電池システム８０では、例えば、液水回収量（液水Ｗの回収量）をより多く要求される温暖な地域で燃料電池システム８０が利用される場合には、予め三方弁７２を案内管３８側に手動で切り替えておくことで、熱交換器４２において熱交換が行われる。
一方、液水回収量を多く要求されない寒冷地で燃料電池システム８０が利用される場合には、予め三方弁７２を排気管７４側に手動で切り替えておくことで、排出体Ｍが熱交換器４２に流れなくなる。このため、排出体Ｍが熱交換器４２によって過剰に冷却されるのを抑制することができる。
なお、本発明は上記の第２、第３実施形態に限定されない。
燃料電池システム２０、７０、８０において、ラジエータ冷却部５０を設けずに、気液分離器３４から流れる液水を直接、タンク５６に貯留させるだけでもよい。また、タンク５６から燃料電池スタック２４まで配管を設けておき、タンク５６に貯留された液水Ｗの量が多くなった場合に、該配管に液水Ｗを流して、燃料電池スタック２４を冷却させてもよい。
案内管３８は、１本のパイプで構成されたものに限らず、途中で複数本のパイプに分岐されるものであってもよい。
本発明の実施形態ではない参考例として、燃料電池システム２０において、タンク５６内の液水Ｗの液面高さを検出するセンサを設け、さらに、熱交換器４２を排出管３２及び案内管３８に対して接触及び離間可能に設けて、液水Ｗの液面高さに合わせて熱交換器４２を移動させてもよい。例えば、本発明の実施形態ではない参考例として、液面高さが高い（液水量が多い）場合には、排出管３２及び案内管３８に対して熱交換器４２を離間させることで、液水Ｗの回収量を減らしてもよいし、液面高さが低い（液水量が少ない）場合には、排出管３２及び案内管３８に対して熱交換器４２を接触させることで、液水Ｗの回収量を増やせばよい。
車両１０は、一定の電力消費量（負荷）で走行しているわけではなく、例えば、坂道において、平地よりも電力消費量が増える。電力消費量が増えることで、排出体Ｍの温度が上昇する可能性がある。これにより、車両１０の走行状態と、燃料電池スタック２４から排出される排出体Ｍの温度とを予め関連付けておき、車両１０の走行状態に合わせて、三方弁７２を切り替える制御を行ってもよい。なお、この変形例は、本発明の実施形態ではない参考例である。
熱交換部は、熱交換器４２に限らず、例えば、排出管３２の外周面と案内管３８の外周面とが直接、接触する接触部として構成されていてもよい。
２０ 燃料電池システム
２４ 燃料電池スタック（燃料電池の一例）
３２ 排出管
３４ 気液分離器
３５ 接続管
３６ 調圧弁（圧力調整部の一例）
３８ 案内管
３９ 排出口
４２ 熱交換器（熱交換部の一例）
７０ 燃料電池システム
７１ 中継管
７２ 三方弁
７４ 排気管（他の配管の一例）
７６ 温度センサ
７８ 制御部
８０ 燃料電池システム
Ｄ 流路
Ｍ 排出体

Claims (2)

  1. 燃料電池から排出された排出体が流れる排出管と、
    前記排出管に接続され、前記排出体を気体と液体とに分離させる気液分離器と、
    前記気液分離器の少なくとも前記気体が排出される排出口に接続された接続管と、
    前記接続管に接続され、上流側の前記気体の圧力を大気圧よりも高くし、且つ下流側の前記気体の圧力が前記接続管における前記気体の圧力よりも低くなるように前記気体の圧力を調整する圧力調整部と、
    前記圧力調整部の下流側に中継管を介して接続され、少なくとも前記気体を前記排出管に向けて案内させる案内管と、
    前記排出管と前記案内管との間で熱交換を行う熱交換部と、
    前記中継管に接続され、前記中継管を流れる少なくとも前記気体の流路を前記案内管及び他の配管の一方に切替え可能とされた三方弁と、
    前記中継管に設けられ、少なくとも前記気体の温度を測定する温度センサと、
    前記温度センサにおいて測定された少なくとも前記気体の測定温度が上限設定温度よりも高い場合には、前記三方弁を前記他の配管側に切替え、前記測定温度が前記上限設定温度以下の場合には、前記三方弁を前記案内管側に切替える制御を行う制御部と、
    を有する燃料電池システム。
  2. 前記制御部には、前記上限設定温度よりも低い下限設定温度が設定され、
    前記制御部は、前記測定温度が前記下限設定温度以上で且つ前記上限設定温度以下の場合には、前記三方弁を前記案内管側に切替える制御を行い、前記測定温度が前記下限設定温度よりも低い場合には、前記三方弁を前記他の配管側に切替える制御を行う請求項１に記載の燃料電池システム。
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