JP6897426B2

JP6897426B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6897426B2
Application number: JP2017162246A
Authority: JP
Inventors: 坪内　正克; 正克坪内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2017-08-25
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-08-25
Also published as: JP2019040757A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出される排気の排出経路上にボルテックスチューブを設けて、このボルテックスチューブの熱分離作用を利用して、冷気噴出し口から流出する排気を燃料電池スタック等の冷却に用いている。また、ボルテックスチューブの暖気噴出し口から流出する排気を燃料電池スタック等の暖機に用いている。つまり、排気を機器の冷却や暖機に再利用している。

特開２００８−２２６６７６号公報

ところで、ボルテックスチューブは一般的に、導入される気体に水分が多く含まれていると、熱分離性能が低下する特性を有する。一方、水素燃料の燃料電池スタックの排気には、水成分が多く含まれている。このため、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、ボルテックスチューブの熱分離性能が低くなり、機器の冷却や暖機を十分に行うことができない可能性がある。したがって、上記先行技術はこの点で改良の余地がある。

本発明は、上記事実を考慮し、機器の冷却や暖機を十分に行う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に記載の発明に係る燃料電池システムは、高圧水素が充填された水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給経路に設けられかつ前記水素を高温の水素と低温の水素とに熱分離するボルテックスチューブと、前記燃料電池スタックと熱交換を行う熱媒体と、前記ボルテックスチューブから噴出される高温の前記水素及び低温の前記水素の少なくとも一方とで熱交換を行う熱交換器と、を備え、前記水素供給経路には、前記水素タンク、第１調圧弁、制御弁、前記ボルテックスチューブ、前記熱交換器及び第２調圧弁が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。

請求項１に記載の発明によれば、高圧水素が充填された水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給経路には、ボルテックスチューブが設けられている。ボルテックスチューブは、水素を高温の水素と低温の水素とに熱分離する。ボルテックスチューブからの高温の水素及び低温の水素の少なくとも一方は、熱交換器によって熱媒体と熱交換が行われる。これによって、燃料電池スタックの暖機又は冷却を行うことができる。

ここで、一般的に、ボルテックスチューブは、導入される気体に水分が多く含まれていると、高温の気体と低温の気体とに分離する熱分離性能が低下する。しかしながら、本発明では、ボルテックスチューブは高圧水素が充填された水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給経路に設けられている。したがって、ボルテックスチューブには、高圧で水素タンクに充填されることで水分がほぼ含まれない水素が供給されることから、ボルテックスチューブの熱分離性能が向上してより温度の高い水素及び温度の低い水素を得ることができる。これにより、熱交換能力を高めることができる。

請求項１に記載の本発明に係る燃料電池システムは、機器の冷却や暖機を十分に行うことができるという優れた効果を有する。

第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。第３実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。第４実施形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示す構成図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態例を詳細に説明する。なお、以下の各実施形態では、燃料電池システムが車両に搭載された場合の形態例を説明する。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、第１実施形態に係る燃料電池システム１０の構成について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２、水素タンク１４、逆止弁１６、第１制御弁１８、圧力センサ２０、第１調圧弁２２、第２制御弁２４、ボルテックスチューブ２６、熱交換器としての高温側熱交換器２８、熱交換器としての低温側熱交換器３０、第２調圧弁３２及びインジェクタ３４を備える。また、燃料電池システム１０は、気液分離部３６、水素ポンプ３８、排水弁４０、ラジエータ４２、ポンプ４４、水温センサ４６、流路切替弁４８及び図示しない制御装置を更に備える。

燃料電池スタック１２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、複数の単セルが積層されて形成されている。水素タンク１４は、複数（一例として２つ）設けられていると共に、水素タンク１４には、燃料電池スタック１２に供給するための高圧（例えば、７０ＭＰａ以上）の水素が充填口５０から逆止弁１６を通って充填される。この逆止弁１６は、充填口５０への水素の逆流を防止するために設けられている。なお、以下では、水素タンク１４側を水素の流路の上流とし、燃料電池スタック１２側を水素の流路の下流として説明する。

水素タンク１４から燃料電池スタック１２への水素の供給経路としての水素供給経路５２には、圧力センサ２０、第１制御弁１８、第１調圧弁２２、第２制御弁２４、ボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８、低温側熱交換器３０、第２調圧弁３２及びインジェクタ３４が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。なお、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０は並列に設けられている。

第１制御弁１８は、制御装置による制御によって、開状態及び閉状態の何れかの状態となる弁体である。第１調圧弁２２は、開示の技術の減圧部の一例であり、水素タンク１４から供給された水素を減圧させる。圧力センサ２０は、第１制御弁１８と第１調圧弁２２との間の圧力を、水素タンク１４の内圧として測定する。なお、水素タンク１４の内圧を、水素タンク１４の内部に設けられた圧力センサによって測定してもよい。

第２制御弁２４は、制御装置による制御によって、開状態及び閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、ボルテックスチューブ２６へ水素の供給を行う状態であり、閉状態は、ボルテックスチューブ２６への水素の供給を遮断する状態である。

ボルテックスチューブ２６は、第２制御弁２４から供給された水素を高温の水素と低温の水素とに分離する。ボルテックスチューブ２６から噴出する高温の水素は、高温側熱交換器２８へ供給される。また、ボルテックスチューブ２６から噴出する低温の水素は、上述した高温側熱交換器２８と並列に配置された低温側熱交換器３０へ供給される。高温側熱交換器２８では、後述する冷却水循環経路５４を通る熱媒体としての冷却水と高温の水素とで熱交換が行われる。一方、低温側熱交換器３０では、冷却水と低温の水素とで熱交換が行われる。

第２調圧弁３２は、開示の技術の減圧部の一例であり、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通った水素を減圧させる。インジェクタ３４は、例えば電磁式の開閉弁を含み、燃料電池スタック１２への水素の供給量を調整する。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２とインジェクタ３４との間の圧力領域を供給圧領域という。また、インジェクタ３４と第２調圧弁３２との間の圧力領域を調圧領域という。さらに、第２調圧弁３２と第２制御弁２４との間の圧力領域を圧力変動領域という。さらにまた、第２制御弁２４より上流の圧力領域を高圧領域という。

気液分離部３６は、燃料電池スタック１２から排出された水素及び反応ガスを気体成分と液体成分とに分離する。水素ポンプ３８は、気液分離部３６により分離された気体成分に含まれる水素を、水素供給経路５２上のインジェクタ３４の下流に送り出す循環ポンプとして機能する。また、気液分離部３６により分離された液体成分は、排水弁４０を介して外部に排出される。

ラジエータ４２は、例えば外気を取り込む図示しないファンを有し、ファンを回転させることによって、冷却水循環経路５４内をポンプ４４によって流される冷却水を冷却する。冷却水循環経路５４は、燃料電池スタック１２を通りかつ燃料電池スタック１２と熱交換可能とされているため、冷却水循環経路５４を流れる冷却水によって、燃料電池スタック１２が冷却される。冷却水循環経路５４には、流路切替弁４８が設けられている。流路切替弁４８は、制御装置による制御によって、暖機状態及び冷却状態の何れかの状態となる弁体である（図１は冷却状態を示している。）。冷却状態は、低温側熱交換器３０への冷却水の循環を行い、かつ高温側熱交換器２８への冷却水の循環を遮断する状態である。なお、暖機状態は、低温側熱交換器３０への冷却水の循環を遮断し、かつ高温側熱交換器２８へ冷却水の循環を行う状態である。

冷却水循環経路５４には、水温センサ４６が設けられており、この水温センサ４６は制御装置に接続されている。水温センサ４６による冷却水の温度によって、制御装置は流路切替弁４８を暖機状態及び冷却状態の何れかの状態に切り替える。

冷却水循環経路５４には、制御装置による制御によって流路を変更可能とする三方弁６０が設けられており、三方弁６０によって、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水はラジエータ４２をバイパス可能とされている。

（第１実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。

ここで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第１調圧弁２２に導かれた水素は、減圧されて第２制御弁２４を通りボルテックスチューブ２６へ供給される。ボルテックスチューブ２６により、水素は高温の水素と低温の水素とに熱分離される。そして、高温の水素は、高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、低温側熱交換器３０へ供給される。

ここで、冷却水循環経路５４の水温センサ４６により測定された冷却水の温度により、制御装置は流路切替弁４８の状態を切り替えるか否かを判断する。一例として、冷却水の温度が３０℃未満の場合、制御装置は暖機が必要と判断して流路切替弁４８を暖機状態にすると共に、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水がラジエータ４２をバイパスするように三方弁６０を制御する。また、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合、制御装置は流路切替弁４８の状態を維持すると共に、冷却水がラジエータ４２を通るように三方弁６０を制御する。なお、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合でかつ冷却水の温度上昇が所定時間継続したとき、制御装置は流路切替弁４８を冷却状態に切り替える制御を行ってもよい。さらに、冷却水の温度が７０℃以上の場合、制御装置は流路切替弁４８を冷却状態にする。以下、流路切替弁４８が冷却状態の場合について説明する。

流路切替弁４８が冷却状態の場合、低温側熱交換器３０にて低温の水素と冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、ポンプ４４により燃料電池スタック１２へ送られる。これにより、燃料電池スタック１２の冷却を行うことができる。なお、高温側熱交換器２８では、冷却水の循環が行われないため、高温の水素と冷却水との間で熱交換が行われないが、外部の熱交換器に接続して車室内や車外へ放熱する構成としてもよい。

高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第２調圧弁３２を経てインジェクタ３４へ供給される。

以上のように、本実施形態では、図１に示されるように、高圧水素が充填された水素タンク１４から燃料電池スタック１２へ水素を供給する水素供給経路５２には、ボルテックスチューブ２６が設けられている。ボルテックスチューブ２６は、水素を高温の水素と低温の水素とに熱分離する。ボルテックスチューブ２６からの高温の水素は、高温側熱交換器２８によって冷却水と熱交換が行われる。一方、ボルテックスチューブ２６からの低温の水素は、低温側熱交換器３０によって冷却水と熱交換が行われる。つまり、流路切替弁４８により流路を切り替えることで、燃料電池スタック１２の暖機又は冷却を行うことができる。

ここで、一般的に、ボルテックスチューブ２６は、導入される気体に水分が多く含まれていると、高温の気体と低温の気体とに分離する熱分離性能が低下する。しかしながら、本実施形態では、ボルテックスチューブ２６は高圧水素が充填された水素タンク１４から燃料電池スタック１２へ水素を供給する水素供給経路５２に設けられている。したがって、ボルテックスチューブ２６には、高圧で水素タンク１４に充填されることで水分がほぼ含まれない水素が供給されることから、ボルテックスチューブ２６の熱分離性能が向上してより温度の高い水素及び温度の低い水素を得ることができる。これにより、熱交換能力を高めることができることから、機器の冷却や暖機を十分に行うことができる。

（第２実施形態）
次に、図２を用いて、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム６１について説明する。なお、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図２に示されるように、この第２実施形態に係る燃料電池システム６１は、基本的な構成は第１実施形態と同様とされ、水素供給経路６２が並列して配置されかつ一方の水素供給経路６２にボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が設けられている点に特徴がある。

すなわち、水素タンク１４から燃料電池スタック１２への水素の供給経路としての水素供給経路６２には、第１供給経路６２Ａと第２供給経路６２Ｂとが設けられている。第１供給経路６２Ａには、第１制御弁１８、圧力センサ２０、第１調圧弁２２、第２制御弁２４、第２調圧弁３２、及びインジェクタ３４が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。

第２供給経路６２Ｂは、第１調圧弁２２の下流側から第２調圧弁３２の上流側の間に設けられており、第３制御弁６４、ボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８、低温側熱交換器３０及び逆止弁６６が、この順番で上流から下流に向けて設けられている。なお、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０は並列に設けられている。

第３制御弁６４は、制御装置による制御によって、開状態及び閉状態の何れかの状態となる弁体である。開状態は、第１調圧弁２２からの水素をボルテックスチューブ２６へ供給を行う状態であり、閉状態は、ボルテックスチューブ２６への水素の供給を遮断する状態である。

逆止弁６６は、第１供給経路６２Ａを流れる水素が第２供給経路６２Ｂへと流れるのを防止するために設けられている。高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通ったそれぞれの水素は、合流した後第２調圧弁３２の上流側の水素と合流される。なお、本実施形態では、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通ったそれぞれの水素は、合流した後第２調圧弁３２の上流側の水素と合流される構成とされているが、これに限らず、図中破線にて示すように第２調圧弁３２と同様の構成とされた第３調圧弁６８を経て減圧された後にインジェクタ３４の下流側の水素と合流される構成としてもよい。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２とインジェクタ３４との間の圧力領域を供給圧領域という。また、本実施形態では、インジェクタ３４と第２調圧弁３２との間の圧力領域を調圧領域という。さらに、本実施形態では、第２調圧弁３２と第３制御弁６４との間の圧力領域を圧力変動領域という。さらにまた、本実施形態では、第３制御弁６４より上流の圧力領域を高圧領域という。

（第２実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。

ここで、本実施形態に係る燃料電池システム６１の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第１調圧弁２２に導かれた水素は、減圧された後に第２制御弁２４へ供給されると共に、第２供給経路６２Ｂの開状態とされた第３制御弁６４を通りボルテックスチューブ２６へ供給される。ボルテックスチューブ２６により、水素は高温の水素と低温の水素とに熱分離される。そして、高温の水素は、高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、低温側熱交換器３０へ供給される。

ここで、冷却水循環経路５４の水温センサ４６により測定された冷却水の温度により、制御装置は流路切替弁４８の状態を切り替えるか否かを判断する。一例として、冷却水の温度が３０℃未満の場合、制御装置は暖機が必要と判断して流路切替弁４８を暖気状態にすると共に、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水がラジエータ４２をバイパスするように三方弁６０を制御する。また、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合、制御装置は流路切替弁４８の状態を維持すると共に、冷却水がラジエータ４２を通るように三方弁６０を制御する。なお、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合でかつ冷却水の温度上昇が所定時間継続したとき、制御装置は流路切替弁４８を冷却状態に切り替える制御を行ってもよい。さらに、冷却水の温度が７０℃以上の場合、制御装置は流路切替弁４８を冷却状態にする。以下、流路切替弁４８が冷却状態の場合について説明する。

高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第２調圧弁３２の上流側にて第１供給経路６２Ａの水素と合流し、インジェクタ３４へ供給される。

以上のように、上記構成によっても、第１供給経路６２Ａと第２供給経路６２Ｂとが並列して配置されかつ第２供給経路６２Ｂにボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が配置されている点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、第１供給経路６２Ａにボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が配置されていない構成とされていることから、第１供給経路６２Ａによって水素タンク１４から燃料電池スタック１２へ素早く水素を供給することができる。

（第３実施形態）
次に、図３を用いて、本発明の第３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、前述した第１実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図３に示されるように、この第３実施形態に係る燃料電池システム７０は、基本的な構成は第１実施形態と同様とされ、サブラジエータ７２が設けられている点に特徴がある。

すなわち、冷却水循環経路７１には、サブラジエータ７２、サブポンプ７４及び流路切替弁７６が設けられている。サブラジエータ７２は、例えば外気を取り込む図示しないファンを有し、ファンを回転させることによって、冷却水循環経路７１を流れる冷却水を冷却する。流路切替弁７６は、四方弁とされており、制御装置による制御によって、暖機状態及び冷却状態の何れかの状態となる弁体である（図３は冷却状態を示している）。冷却状態では、ラジエータ４２と低温側熱交換器３０とが流路切替弁７６を介して冷却水循環経路７１（図中太線）によって接続されると共に、サブラジエータ７２と高温側熱交換器２８とが流路切替弁７６を介して冷却水循環経路７１（図中破線）によって接続される。なお、暖機状態では、ラジエータ４２と高温側熱交換器２８とが流路切替弁７６を介して冷却水循環経路７１によって接続されると共に、サブラジエータ７２と低温側熱交換器３０とが流路切替弁７６を介して冷却水循環経路７１によって接続される。

（第３実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。

ここで、本実施形態に係る燃料電池システム７０の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第１調圧弁２２に導かれた水素は、減圧されて第２制御弁２４を通りボルテックスチューブ２６へ供給される。ボルテックスチューブ２６により、水素は高温の水素と低温の水素とに熱分離される。そして、高温の水素は、高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、低温側熱交換器３０へ供給される。

ここで、冷却水循環経路７１の水温センサ４６により測定された冷却水の温度により、制御装置は流路切替弁７６の状態を切り替えるか否かを判断する。一例として、冷却水の温度が３０℃未満の場合、制御装置は暖機が必要と判断して流路切替弁７６を暖機状態にすると共に、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水がラジエータ４２をバイパスするように三方弁６０を制御する。また、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合、制御装置は流路切替弁７６の状態を維持すると共に、冷却水がラジエータ４２を通るように三方弁６０を制御する。なお、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合でかつ冷却水の温度上昇が所定時間継続したとき、制御装置は流路切替弁７６を冷却状態に切り替える制御を行ってもよい。さらに、冷却水の温度が７０℃以上の場合、制御装置は流路切替弁７６を冷却状態にする。以下、流路切替弁７６が冷却状態の場合について説明する。

流路切替弁７６が冷却状態の場合、低温側熱交換器３０にて低温の水素と冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、ポンプ４４により燃料電池スタック１２へ送られる。これにより、燃料電池スタック１２の冷却を行うことができる。なお、高温側熱交換器２８は、サブラジエータ７２と接続されるため、高温側熱交換器２８にて高温の水素と熱交換したことで高温となった冷却水がサブラジエータ７２で冷やされる。つまり、高温の水素は、冷却水を介して熱が大気へ放出されることで温度が低くなると共に、低温の水素は、燃料電池スタック１２の熱が加えられることで温度が高くなる。このため、高温側熱交換器２８を通った水素と低温側熱交換器３０を通った水素とが合流した後の水素の温度と、ボルテックスチューブ２６に供給される前の水素の温度との差、すなわち水素の温度変化を抑制することができる。

以上のように、上記構成によっても、サブラジエータ７２が設けられている点以外は、第１実施形態の燃料電池システム１０と同様に構成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、サブラジエータ７２が設けられており、ラジエータ４２に接続された低温側熱交換器３０（又は高温側熱交換器２８）と反対側の高温側熱交換器２８（又は低温側熱交換器３０）がサブラジエータ７２とが接続されることで、高温側熱交換器２８を通った水素と低温側熱交換器３０を通った水素とが合流した後の水素の温度と、ボルテックスチューブ２６に供給される前の水素の温度との差、すなわち水素の温度変化を抑制することができる。

（第４実施形態）
次に、図４を用いて、本発明の第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、前述した第３実施形態と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図４に示されるように、この第４実施形態に係る燃料電池システム８０は、基本的な構成は第３実施形態と同様とされ、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が２組設けられている点に特徴がある。

すなわち、第２制御弁２４の下流側と、第２調圧弁３２の上流側との間には、第３実施形態と同様の配列とされたボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が２組設けられている。そして、一方のボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０と、他方のボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０との間には、第３調圧弁８２が設けられている。

一方の高温側熱交換器２８と他方の高温側熱交換器２８とは、冷却水循環経路８４（図中破線）によって直列に接続されている。同様に、一方の低温側熱交換器３０と他方の低温側熱交換器３０とは、冷却水循環経路８４（図中太線）によって直列に接続されている。

冷却水循環経路８４は、ポンプ４４によって流された冷却水が直接燃料電池スタック１２へ向かう第１冷却水循環経路８４Ａと、ポンプ４４によって流された冷却水が低温側熱交換器３０（又は高温側熱交換器２８）を経由して燃料電池スタック１２へ向かう第２冷却水循環経路８４Ｂとが設けられており、第１冷却水循環経路８４Ａと第２冷却水循環経路８４Ｂとは並列に配置されている。

（第４実施形態の作用・効果）
次に、本実施形態の作用並びに効果を説明する。

ここで、本実施形態に係る燃料電池システム８０の作用について説明する。水素タンク１４から第１制御弁１８を通って第１調圧弁２２に導かれた水素は、減圧されて第２制御弁２４を通り一方のボルテックスチューブ２６へ供給される。このボルテックスチューブ２６により、水素は高温の水素と低温の水素とに熱分離される。そして、高温の水素は、一方の高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、一方の低温側熱交換器３０へ供給される。

一方の高温側熱交換器２８及び一方の低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第３調圧弁８２を経て他方のボルテックスチューブ２６へ供給される。そして、ボルテックスチューブ２６により、水素は再度高温の水素と低温の水素とに熱分離されて、高温の水素は他方の高温側熱交換器２８へ供給され、低温の水素は、他方の低温側熱交換器３０へ供給される。

ここで、冷却水循環経路８４の水温センサ４６により測定された冷却水の温度により、制御装置は流路切替弁７６の状態を切り替えるか否かを判断する。一例として、冷却水の温度が３０℃未満の場合、制御装置は暖機が必要と判断して流路切替弁７６を暖機状態にすると共に、燃料電池スタック１２からラジエータ４２へと向かう冷却水がラジエータ４２をバイパスするように三方弁６０を制御する。また、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合、制御装置は流路切替弁７６の状態を維持すると共に、冷却水がラジエータ４２を通るように三方弁６０を制御する。なお、冷却水の温度が３０℃以上７０℃未満の場合でかつ冷却水の温度上昇が所定時間継続したとき、制御装置は流路切替弁７６を冷却状態に切り替える制御を行ってもよい。さらに、冷却水の温度が７０℃以上の場合、制御装置は流路切替弁７６を冷却状態にする。以下、流路切替弁７６が冷却状態の場合について説明する。

流路切替弁７６が冷却状態の場合、一方の低温側熱交換器３０にて低温の水素と冷却水との間で熱交換が行われる。これにより、冷却水が冷却される。冷却された冷却水は、ポンプ４４により直列に接続された他方の低温側熱交換器３０に送られてさらに低温の水素と熱交換が行われた後、燃料電池スタック１２へ送られる。これにより、燃料電池スタック１２の冷却を行うことができる。なお、一方の高温側熱交換器２８とこれに直列に接続された他方の高温側熱交換器２８は、サブラジエータ７２と接続されるため、高温側熱交換器２８にて高温の水素と熱交換したことで高温となった冷却水がサブラジエータ７２で冷やされる。つまり、高温の水素は、冷却水を介して熱が大気へ放出されることで温度が低くなると共に、低温の水素は、燃料電池スタック１２の熱が加えられることで温度が高くなる。このため、高温側熱交換器２８を通った水素と低温側熱交換器３０を通った水素とが合流した後の水素の温度と、ボルテックスチューブ２６に供給される前の水素の温度との差、すなわち水素の温度変化を抑制することができる。

他方の高温側熱交換器２８及び他方の低温側熱交換器３０を通過したそれぞれ水素は、合流して第２調圧弁３２を経てインジェクタ３４へ供給される。

以上のように、上記構成によっても、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が２組設けられている点以外は、第３実施形態の燃料電池システム７０と同様に構成されているので、第３実施形態と同様の効果が得られる。また、ボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が２組設けられていることで、より一層熱交換能力を高めることができる。

なお、本実施形態では、２組のボルテックスチューブ２６、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が直列に配置された構成とされているが、これに限らず、並列に配置された構成としてもよい。また、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が接続された第２冷却水循環経路８４Ｂと第１冷却水循環経路８４Ａとは並列に配置された構成とされているが、これに限らず、第３実施形態のように高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０を冷却水循環経路８４上にて直列に配置する構成としてもよい。

さらに、上述した第１〜第３実施形態では、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０が冷却水循環経路５４、７１上にてそれぞれ直列に配置された構成とされているが、これに限らず、第４実施形態のように冷却水循環経路５４、７１を、第１冷却水循環経路（熱交換器を経由しない）と第２冷却水循環経路（熱交換機を経由する）とが並列に配置された構成としてもよい。

また、上述した第１〜第４実施形態では、高温側熱交換器２８及び低温側熱交換器３０がそれぞれ設けられた構成とされているが、これに限らず、どちらか一方のみが設けられた構成としてもよい。

以上、本発明は、上記の形態例に限定されるものではなく、上記の形態例以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

１０燃料電池システム
１２燃料電池スタック
１４水素タンク
２６ボルテックスチューブ
２８高温側熱交換器（熱交換器）
３０低温側熱交換器（熱交換器）
４８流路切替弁
５２水素供給経路
６１燃料電池システム
６２水素供給経路
７０燃料電池システム
７６流路切替弁
８０燃料電池システム

Claims

高圧水素が充填された水素タンクから燃料電池スタックへ水素を供給する水素供給経路に設けられかつ前記水素を高温の水素と低温の水素とに熱分離するボルテックスチューブと、
前記燃料電池スタックと熱交換を行う熱媒体と、前記ボルテックスチューブから噴出される高温の前記水素及び低温の前記水素の少なくとも一方とで熱交換を行う熱交換器と、
を備え、
前記水素供給経路には、前記水素タンク、第１調圧弁、制御弁、前記ボルテックスチューブ、前記熱交換器及び第２調圧弁が、この順番で上流から下流に向けて設けられている、
燃料電池システム。