(57)【要約】【課題】システム全体を小型化すると共に、アノード及びカソードの両方からの水分を好適に回収すること。【解決手段】燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスが流通するアノードオフガス排出流路ａ３、ａ４、ａ７、ａ８と、前記燃料電池スタック１２から排出されたカソードオフガスの圧力を吸収するエキスパンダタービン４０と、前記エキスパンダタービン４０の下流側に配置され、アノードオフガスが導入される希釈器３２と、前記希釈器３２での凝縮水を回収する第２気液分離器４２と、前記第２気液分離器４２で回収された水を、エアが取り込まれる配管ｂ１内に向って噴射する水噴射機構４４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、
前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス排出流路と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガスが流通する燃料オフガス排出流路と、
前記酸化剤オフガス排出流路に配置され、前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスの圧力を吸収するエキスパンダと、
前記エキスパンダの下流側に配置され、前記燃料電池から排出された燃料オフガスが導入される希釈器と、
前記希釈器での凝縮水を回収する水回収手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤ガス供給流路には、
前記エキスパンダによる回生エネルギを得て駆動される過給器と、
前記エキスパンダによる回生エネルギによらない酸化剤ガス供給器とが配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤ガス供給流路には、
前記水回収手段からの凝縮水を受容し、前記過給器及び前記酸化剤ガス供給器の上流側に対して前記凝縮水を噴射する水噴射機構が配置されることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、
前記希釈器内には、気液分離器が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、
前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤オフガス排出流路とにそれぞれ架け渡された加湿器が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池を備えた燃料電池システムでは、例えば、リショルム式やルーツ式のエア供給器（具体的には、ファンやコンプレッサ等）により空気を取り込み、燃料電池のカソード側に対して酸素（酸化剤ガス）を供給している。また、燃料電池のカソード側には、燃料電池を構成する電解質膜の湿潤状態を確保するべく、燃料電池で発生した生成水を回収し燃料電池に供給するエアを湿潤する加湿器が設けられている場合がある。
【０００３】
このような従来技術に係る燃料電池システムでは、他の構成要素と比較して加湿器の全体寸法が大きく、特に車両に搭載した場合、燃料電池システムのコンパクト化を達成することが困難となる。また、従来のエア供給器では、低風量域においてロータクリアランスからのガス漏出によって、高風量域と比較してエア圧縮効率が低下するという問題がある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１には、エア供給器を構成するロータのブレードに対して凝縮水を噴射することにより、低風量域におけるエア供給器のエア圧縮効率低下を回避することが可能な、蒸気改質型の燃料電池システムが開示されている。
【０００５】
この特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃料電池のアノード出口及びカソード出口から導出されたアノード流出物（未反応の水素）及びカソード流出物（水及び未反応のエア）を燃焼器で加熱し、さらに、水収集器で燃焼ガス中から水分を抽出している。さらに、この燃料電池システムでは、前記抽出された水分をリザーバで貯留し、前記リザーバで貯留された水を、インジェクタによってエア供給器（乾燥式コンプレッサ）のロータに対して噴射するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２９４２６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃料電池が必要とされる水分量を水噴射でまかなう必要があるため、燃料電池から排出される蒸気を液滴の状態にする必要性があり、例えば、燃焼器や水収集器（リザーバ）等の凝縮器が必要となって燃料電池システムの大型化を招来するという問題がある。
【０００８】
また、特許文献１に開示された燃料電池システムは、蒸気改質器（燃料改質器）を備えて構成されており、このような燃料改質器を備えていない純水素型の燃料電池システムに関し、アノード及びカソードの両方からの水分を好適に回収する具体的手段については、何ら開示乃至示唆されていない。
【０００９】
本発明は、前記の点に鑑みてなされたものであり、システム全体を小型化すると共に、アノード及びカソードの両方からの水分を好適に回収することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記の目的を達成するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に対して酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路と、前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスが流通する酸化剤オフガス排出流路と、前記燃料電池から排出される燃料オフガスが流通する燃料オフガス排出流路と、前記酸化剤オフガス排出流路に配置され、前記燃料電池から排出された酸化剤オフガスの圧力を吸収するエキスパンダと、前記エキスパンダの下流側に配置され、前記燃料電池から排出された燃料オフガスが導入される希釈器と、前記希釈器での凝縮水を回収する水回収手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、エキスパンダを希釈器の上流側に配置し、且つ、希釈器での凝縮水を回収する水回収手段を希釈器の下流側に配置することにより、カソード側の凝縮水及びアノード側の凝縮水を効率良く回収することができる。
【００１２】
また、本発明によれば、エキスパンダで酸化剤オフガスの排気エネルギ（圧力）を回収（吸収）しつつ、酸化剤オフガスが冷却されることによる凝縮水を利用することでカソード側の凝縮水量を増加させると共に、希釈器で燃料オフガスを希釈した後に水回収手段で凝縮水を回収することで、アノード側の凝縮水も簡易に且つ同時に回収することができる。
【００１３】
さらに、本発明によれば、酸化剤オフガス排出流路中にエキスパンダを備えることにより、酸化剤オフガスの圧力エネルギ（排気エネルギ）を容易に回収することができる。
【００１４】
また、本発明は、前記酸化剤ガス供給流路に、前記エキスパンダによる回生エネルギを得て駆動される過給器と、前記エキスパンダによる回生エネルギによらない酸化剤ガス供給器とが配置されることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、エキスパンダで駆動される過給器を備えることにより、従来から設けられているエア供給器（例えば、エアコンプレッサやファン）のみでエアを昇圧させた場合と比較して、燃料電池へ送給される酸化剤ガス（圧縮エア）の圧力を上昇させることができ、燃料電池における必要水蒸気量を削減することができる。この結果、本発明では、加湿器の小型化に寄与することができ、終局的には、燃料電池システムの小型化を達成することができる。
【００１６】
さらに、本発明は、前記酸化剤ガス供給流路に、前記水回収手段からの凝縮水を受容し、前記過給器及び前記酸化剤ガス供給器の上流側に対して前記凝縮水を噴射する水噴射機構が配置されることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、エキスパンダによる排気エネルギの回収によって酸化剤オフガスの温度が低下することで、酸化剤オフガス中の凝縮水の流量を増加させ、水噴射機構から噴射することができる噴射水量を増大させることにより、大気中から取り込まれて燃料電池に対して送給される酸化剤ガスの湿度を高くすることができる。この結果、本発明では、従来と比較して加湿器の全体寸法を小型化することができ、終局的には、燃料電池システムの小型化を達成することができる。
【００１８】
さらにまた、本発明は、前記希釈器内に気液分離器が設けられることを特徴とする。本発明によれば、希釈器内に気液分離器を配設して一体化することにより、燃料電池システムの小型化をより一層向上させることができる。
【００１９】
またさらに、本発明は、前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤オフガス排出流路とにそれぞれ架け渡された加湿器が設けられることを特徴とする。
【００２０】
本発明によれば、水噴射機構とは別個に加湿器を設けることにより、必要水蒸気量の全量を回収することが不要となり、しかも、従来技術における凝縮器（例えば、燃焼器や水収集器）等の複雑な機構が不要となって燃料電池システムを簡素に構成することができる。例えば、カソード側の凝縮水及びアノード側の凝縮水の回収だけでは不十分である場合、水噴射機構と別個に設けられた加湿器を利用して燃料電池に送給される酸化剤ガス（圧縮エア）を十分に加湿することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、システム全体を小型化すると共に、アノード及びカソードの両方からの水分を好適に回収することが可能な燃料電池システムを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）は、水噴射機構の構成例を示す断面図である。
【図３】燃料電池スタックに送給される圧縮エアの圧力（エア圧力）と必要水蒸気量との関係を示したものである。
【図４】本システムにおけるカソード系において、理解を深めるために希釈器を省略した概略構成図である。
【図５】比較例に係る水回収システムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
【００２４】
図１に示される燃料電池システム１０は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（燃料電池）１２と、燃料電池スタック１２のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系１４と、燃料電池スタック１２のカソードに対して酸素を含むエア（酸化剤ガス、反応ガス）を給排するカソード系１６と、これらを電子制御する図示しない電子制御装置（以下、ＥＣＵという）とを備えている。
【００２５】
燃料電池スタック１２は、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）であり、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）をセパレータ（図示せず）で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。ＭＥＡは、電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟持するカソード及びアノードとを備えている。各セパレータには、溝や貫通孔からなるアノード流路１８及びカソード流路２０が形成されている。
【００２６】
この場合、アノード流路１８を介して各アノードに対して水素が供給されることによって電極反応が起こり、一方、カソード流路２０を介して各カソードにエアが供給されることによって電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生して燃料電池スタック１２が発電可能な状態となる。このように発電可能な状態の燃料電池スタック１２と、外部負荷（例えば、図示しない走行用のモータ）とが電気的に接続され、電流が取り出されることにより、燃料電池スタック１２が発電するようになっている。
【００２７】
アノード系１４は、水素が高圧で封入された水素タンク２２と、エゼクタ２４と、第１気液分離器２６と、ドレン弁２８と、パージ弁３０とを備えている。
【００２８】
アノードの出口ポートは、配管ａ３、第１気液分離器２６、配管ａ４を介して、エゼクタ２４の吸引ポートに接続されている。この場合、アノード流路１８から排出された未消費（未反応）の水素を含むアノードオフガス（燃料オフガス）は、配管ａ３、ａ４を流通して燃料電池スタック１２の上流側に配置されたエゼクタ２４に戻され、水素が循環するように構成されている。
【００２９】
すなわち、エゼクタ２４の導出ポートとアノード流路１８の入口ポートとを接続する配管ａ２を含む複数の配管ａ２、ａ３、ａ４によって、水素循環ライン（燃料ガス循環ライン）が構成され、この水素循環ライン中に第１気液分離器２６が配設されている。なお、エゼクタ２４を省略して電動ポンプを配置し構成してもよい。
【００３０】
第１気液分離器２６は、前記第１気液分離器２６に導入されるアノードオフガスから、アノードオフガス中に含まれる水分（結露水）を分離し、前記分離した水分を一時的に内部に貯留するものである。なお、第１気液分離器２６における気液分離方式は、例えば、第１気液分離器２６内において、アノードオフガスの流路断面積を増大させ、第１気液分離器２６内を流通するアノードオフガスの流速を低下させることにより、水素に対して比重の大きい水分を分離する方式を採用することができる。またさらに、低温冷媒が流通する冷却管を配設し、この冷却管によってアノードオフガスを冷却して、水分を分離する方式を用いてもよい。
【００３１】
第１気液分離器２６内で水分が分離されたアノードオフガスは、配管ａ４を介して、エゼクタ２４に戻され、一方、分離回収された水分は、第１気液分離器２６の底部（例えば、タンク部）に一時的に貯留される。
【００３２】
第１気液分離器２６の底部は、配管ａ５、常閉型のドレン弁２８、配管ａ６を介して、後記する希釈器３２に接続されている。ドレン弁２８は、第１気液分離器２６に貯留された水分を排出するための弁であり、図示しないＥＣＵから導出される弁開信号（制御信号）によって弁開状態となると、第１気液分離器２６の水分（貯留水）が、配管ａ５、ドレン弁２８、配管ａ６を介して、希釈器３２に流出される。
【００３３】
なお、ドレン弁２８は、燃料電池スタック１２や、燃料電池スタック１２の発電電力を充電する図示しないバッテリや図示しない降圧コンバータを電源として作動する。この他、パージ弁３０や後記するエア供給器３６等も、燃料電池スタック１２等を電源として作動する。
【００３４】
配管ａ４の途中から分岐する中間部位には、配管ａ７、常閉型のパージ弁３０、配管ａ８を介して、希釈器３２が接続されている。パージ弁３０は、燃料電池スタック１２の発電時において、水素循環ライン（配管ａ２〜ａ４）を循環するアノードオフガス（水素）に含まれる不純物（窒素等）を排出（パージ）するバルブである。なお、アノード系１４において、配管ａ３、ａ４（分岐部分まで）、ａ７、ａ８は、燃料オフガス排出流路として機能するものである。
【００３５】
カソード系１６は、駆動力を与えられることでエアを強制的に取り込み送出する過給器３４と、エア供給器（酸化剤ガス供給器）３６と、加湿器３８と、前記過給器３４に対して回転駆動力を伝達する伝達軸４０ａで連結されたエキスパンダタービン（エキスパンダ）４０と、希釈器３２と、前記希釈器３２と一体的に構成された第２気液分離器（水回収手段）４２と、前記過給器３４及び前記エア供給器３６の上流側の配管ｂ１内に水を噴射する水噴射機構４４とを備えて構成される。
【００３６】
過給器３４は、エキスパンダタービン４０の回生エネルギを得て駆動されるものであり、伝達軸４０ａを介して伝達される回転駆動力によって図示しないタービンブレードが回転駆動される。前記過給器３４の図示しないタービンブレードが回転駆動されることにより、酸素を含むエアが取り込まれて燃料電池スタック１２に供給するようになっている。前記伝達軸４０ａは、図示しない軸受けを介して回転自在に軸支される。この過給器３４は、上流側の配管ｂ１と、下流側の配管ｂ２とを介してエア供給器３４に接続される。なお、図１中では、エキスパンダタービン４０と過給器３４とが伝達軸４０ａを介して同軸に配設される場合を例示しているが、異軸に構成されてもよい。
【００３７】
エア供給器３６は、例えば、エアコンプレッサやファン等からなり、エキスパンダタービン４０の回生エネルギによらないで図示しない電動モータによって駆動される。このエア供給器３６は、配管ｂ３を介して加湿器３８に接続され、図示しないＥＣＵからの制御信号に基づいて作動すると、配管ｂ１から酸素を含むエアが取り込まれて燃料電池スタック１２に供給するようになっている。
【００３８】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２に対する上流側に過給器３４を配設し、その下流側にエア供給器３６を直列に配設するようにしているが、これに限定されるものではなく、燃料電池スタック１２に対する上流側にエア供給器３６を配設し、その下流側に過給器３４を配設するようにしてもよい。
【００３９】
燃料電池スタック１２のカソード流路２０の入口ポートに接続される配管ｂ４とカソード流路２０の出口ポートに接続される配管ｂ５との間には、これらの配管ｂ４、ｂ５を跨ぐように、カソード流路２０に向うエアを加湿する加湿器３８が配設されている。この加湿器３８は、水分交換可能な図示しない中空糸膜を備え、この中空糸膜を介して、カソード流路２０に向うエアと、多湿のカソードオフガスとの間で水分が交換可能に設けられている。加湿器３８とその下流のエキスパンダタービン４０との間の配管ｂ６には、カソード流路２０におけるエアの圧力を制御する背圧弁４６が設けられている。なお、カソード系１６において、配管ｂ１〜ｂ４は、酸化剤ガス供給流路として機能するものである。
【００４０】
加湿器３８の出口ポートは、配管ｂ６を介して、エキスパンダタービン４０に接続されている。このエキスパンダタービン４０は、燃料電池スタック１２から排出されたカソードオフガスの圧力を吸収（減圧）する回生タービンとして機能するものである。すなわち、燃料電池スタック１２から排出された（比較的高圧の）カソードオフガスの排気エネルギによってエキスパンダタービン４０（回生タービン）が回転駆動され、このエキスパンダタービン４０の回転力（回生エネルギ）が伝達軸４０ａを介して過給器３４に伝達されて、前記過給器３４が回転駆動される。
【００４１】
この場合、エキスパンダタービン４０がカソードオフガスで回転駆動されることにより、前記カソードオフガスが膨張して冷却される。この結果、エキスパンダタービン４０を通過するカソードオフガスの圧力が低下することによりカソードオフガスの温度が低下し、カソードオフガスの一部が凝縮して凝縮水（カソード側の凝縮水）が発生する。この凝縮水及びエキスパンダタービン４０を通過したカソードオフガスは、配管ｂ７を介して下流側に接続される希釈器３２に導入される。
【００４２】
希釈器３２は、例えば、多段に積層されたボックス体からなり、各層間を連通する希釈空間が形成されている。例えば、希釈器３２を構成する最下段の希釈空間部内には、第２気液分離器４２が一体的に設けられている。前記希釈器３２の希釈空間で希釈されたアノードオフガスが第２気液分離器４２内に導入されて、水分が分離回収される。なお、第２気液分離器４２は、第１気液分離器２６と同一又は略同一構成からなり、その作用効果も同一であるため詳細な説明を省略する。
【００４３】
希釈器３２は、パージ時（パージ弁３０が弁開状態のとき）に配管ａ８から導入されるアノードオフガス中の水素を、エキスパンダタービン４０から排出されるカソードオフガスで希釈するものであり、この希釈されたカソードオフガスは、第２気液分離器４２を経由して大気中に排気される。さらに、希釈器３２には、ドレン弁２８が弁開状態となったとき、配管ａ５、ａ６を介して第１気液分離器２６で貯留された水（アノード側の凝縮水）が導入される。
【００４４】
この結果、カソードオフガスの水分が凝縮されたカソード側の凝縮水が配管ｂ７を通じて希釈器３２内に導入されると共に、アノードオフガスの水分が凝縮されたアノード側の凝縮水が配管ａ５、ａ６を通じて希釈器３２内に導入される。前記カソード側の凝縮水及び前記アノード側の凝縮水は、前記希釈器３２内に一体的に設けられた第２気液分離器４２に一時的に貯留される。
【００４５】
前記第２気液分離器４２で分離回収された水（水分）は、配管ｂ８を介して水噴射機構４４に導入される。この水噴射機構４４は、前記第２気液分離器４２からの水を受容して、過給器３４及びエア供給器３６の上流側に前記水を噴射し、配管ｂ１内を流通するエアを加湿するものである。なお、カソード系１６において、配管ｂ５〜ｂ７は、酸化剤オフガス排出流路として機能するものである。
【００４６】
この水噴射機構４４の構成例を図２に示す。
図２（ａ）は、その一例としてオリフィスタイプの水噴射機構４４ａを示したものであり、過給器３４の上流側の配管ｂ１中にオリフィス部５０を設け、配管ｂ１の下流側に設けられた過給器３４及びエア供給器３６の作用で取り込まれたエアをオリフィス部５０に通すようになっている。そして、前記取り込まれたエアは、オリフィス部５０を通過する際にその流速が増すと共に圧力が低下する。この減圧作用によって第２気液分離器４２内に貯留された水が管路５２を通じて導出され、エアが流通する配管ｂ１に対して好適に水を噴射することができる。
【００４７】
図２（ｂ）は、その一例としてポンプタイプの水噴射機構４４ｃを示したものであり、第２気液分離器４２内の水を電動ポンプ５６で吸い上げ、配管ｂ１内に臨むインジェクタ５８の先端部から電動ポンプ５６で吸い上げた水を噴射させるようにしている点に特徴がある。
【００４８】
本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的に以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００４９】
本実施形態では、エキスパンダタービン４０を希釈器３２の上流側に配置し、且つ、水分を回収する第２気液分離器４２を希釈器３２の下流側（希釈器３２内の底部）に配置することにより、カソード側の凝縮水及びアノード側の凝縮水を効率良く回収することができる。本実施形態では、このように構成することにより、エキスパンダタービン４０でカソードオフガスの排気エネルギを回収しつつ、カソードオフガスが冷却されることによる凝縮水を利用することでカソード側の凝縮水量を増加させると共に、希釈器３２でアノードオフガスを希釈した後に第２気液分離器４２で水を回収することで、アノード側の凝縮水も簡易に且つ同時に回収することができる。
【００５０】
また、本実施形態では、燃料電池スタック１２から排気されるカソードオフガスの排気流路中にエキスパンダタービン４０を備えることにより、カソードオフガスの圧力エネルギ（排気エネルギ）を容易に回収することができる。さらに、前記排気エネルギの回収によってカソードオフガスの温度が低下することで、カソードオフガス中の凝縮水の流量を増加させ、水噴射機構４４から噴射することができる噴射水量を増大させることにより、大気中から取り込まれて燃料電池スタック１２に対して送給されるエアの湿度を高くすることができる。この結果、本実施形態では、従来と比較して加湿器３８の全体寸法を小型化することができ、終局的には、燃料電池システム１０の小型化を達成することができる。
【００５１】
さらに、本実施形態では、エキスパンダタービン４０によって駆動される過給器３４を備えることにより、従来から設けられている電動モータ駆動のエア供給器３６（例えば、エアコンプレッサやファン）のみでエアを昇圧させた場合と比較して、燃料電池スタック１２へ送給される圧縮エアの圧力を上昇させることができ、燃料電池スタック１２における必要水蒸気量を削減することができる。この結果、本実施形態では、加湿器３８の小型化に寄与することができ、終局的には、燃料電池システム１２の小型化を達成することができる。
【００５２】
図３は、燃料電池スタック１２に送給される圧縮エアの圧力（エア圧力）と必要水蒸気量との関係を示したものである。図３から了解されるように、圧縮エアの圧力を上昇させることにより、特定条件において圧縮エアの湿度を１００パーセントとするのに必要な水蒸気量を減少させることができる。
【００５３】
本実施形態では、エア供給流路にそれぞれ配設され、エキスパンダタービン４０の回生エネルギによって駆動される過給器３４と、エキスパンダタービン４０の回生エネルギによらない電動モータ駆動のエア供給器３６とによって２段に過給することで圧縮エアの圧力を増大させ、燃料電池スタック１２で要求される必要水蒸気量を削減することができる。この結果、本実施形態では、水噴射機構４４から配管ｂ１内の流路に対して噴射される水の流量を抑制することができると共に、加湿能力を抑制して小型化された加湿器３８を用いることが可能となる。あるいは、前記加湿器３８を燃料電池システム１０から削減することができる。
【００５４】
図４は、本システムにおけるカソード系において、理解を深めるために希釈器を省略した概略構成図である。本実施形態では、カソード系１６において、エキスパンダタービン４０が第２気液分離器４２よりも上流側に配置されることにより、エキスパンダタービン４０で凝縮される凝縮水を有効に利用することができる。
【００５５】
すなわち、エキスパンダタービン４０でカソードオフガスの排気回生を行い、前記カソードオフガスの排気圧力を減圧（吸収）させることによって、カソードオフガスの温度を低下させることができる。この結果、本実施形態では、カソードオフガス中に含まれる水分を凝縮させてカソード側の凝縮水として析出させることが可能となり、水噴射機構４４から噴射される必要流量を確実且つ十分に確保することができる。
【００５６】
ここで、本実施形態では、図１に示したとおり第２気液分離器４２がアノードオフガス中の水素を希釈する希釈器３２の下流側（希釈器３２内の底部）に配置されることにより、アノードから排気されるアノードオフガス（パージガス）中に含まれる水分が凝縮されたアノード側の凝縮水も希釈器３２内に導入することができる。従って、水噴射機構４４で噴射可能な流量を増加させることができる。しかも、本実施形態では、アノード及びカソードの両方からの凝縮水を無駄なく回収することができるため、前記凝縮水の効率的なマネージメントを遂行することができる。
【００５７】
また、第２気液分離器４２では、希釈器３２で希釈されたオフガスから水を回収するために、従来技術のような特段の機構を設けることが不要となる。従って、本実施形態では、燃料電池システム全体を簡素化して小型化を達成することができる。
【００５８】
図５は、比較例に係る水回収システムの概略構成図である。なお、図５中では、図１に示される本実施形態と同一の構成要素に同一の参照符号を付している。
この比較例に係る水回収システム１００では、第２気液分離器４２で一時的に貯留された水を送給するための配管ｃ１が、ドレン弁２８と水噴射機構４４とを結ぶ配管ａ６に対して直接接続されるように構成されている。従って、比較例では、ドレン弁２８に接続された配管ａ６によって水噴射機構４４内に水素も流入する可能性があり、エアが取り込まれる配管ｂ１内に対して水噴射機構４４から水を噴射した場合、燃料電池スタック１２の発電性能が劣化するおそれがある。この結果、比較例のような構成では、水噴射機構４４内に水素が流入しないような特別な機構を設ける必要があり、システムの複雑化及び大型化を招来するという課題がある。本実施形態によれば、こうした水素流入防止の特別な機構を加える必要がないという利点も有する。
【００５９】
またさらに、本実施形態では、水噴射機構４４とは別個に、カソード流路２０に向う低湿なエアと多湿なカソードオフガスとの間で水分交換可能な加湿器３８を設けることにより、必要水蒸気量の全量を回収することが不要となり、従来技術における凝縮器（例えば、燃焼器や水収集器）等の複雑な機構が不要となり、燃料電池システム１２を簡素に構成することができる。例えば、カソード側の凝縮水及びアノード側の凝縮水の回収だけでは不十分である場合、水噴射機構４４と別個に設けられた加湿器３８を利用して燃料電池スタック１２に送給される圧縮エアを十分に加湿することができる。
【００６０】
またさらに、本実施形態では、希釈器３２内に第２気液分離器４２を配設して一体化することにより、燃料電池システム１０の小型化をより一層向上させることができる。
【符号の説明】
【００６１】
１０    燃料電池システム
１２    燃料電池スタック（燃料電池）
２６    第１気液分離器
３２    希釈器
３４    過給器
３６    エア供給器（酸化剤ガス供給器）
３８    加湿器
４０    エキスパンダタービン（エキスパンダ）
４２    第２気液分離器（水回収手段）
４４、４４ａ、４４ｂ  水噴射機構
ｂ１〜ｂ４  配管（酸化剤ガス供給流路）
ｂ５〜ｂ７  配管（酸化剤オフガス排出流路）
ａ３、ａ４、ａ７、ａ８  配管（燃料オフガス排出流路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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