(57)【要約】【課題】燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができるとともに、小型化を図ること。【解決手段】排出流路１５を流れる排出ガスと第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスとの間の熱交換が排出側熱交換器５３によって行われることにより、排出流路１５を流れる排出ガスが第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスによって冷却され、排出流路１５を流れる排出ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて凝縮水が生成される。凝縮水は、第１タービン下流流路５１から第２タービン下流流路５２に流れ込んで第２タービン下流流路５２を介して圧縮部上流流路１２に供給される。これにより、圧縮部上流流路１２を流れる空気が、第２タービン下流流路５２から圧縮部上流流路１２に供給される凝縮水によって加湿される。加湿された空気は、供給流路１４を介して燃料電池スタック１１に供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び前記圧縮部を駆動させる電動モータを有する電動圧縮機と、
前記燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンと、
前記電動圧縮機によって圧縮された空気を前記燃料電池スタックに供給する供給流路と、
前記燃料電池スタックと前記タービンとを接続するとともに前記燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、
前記排出流路又は前記タービンに配置され、前記燃料電池スタック内の空気の圧力を調整する圧力調整弁と、を備え、
前記燃料電池スタックから排出される前記排出ガスに水蒸気が含まれている燃料電池システムであって、
大気に連通するとともに大気からの空気を前記圧縮部に供給する圧縮部上流流路と、
前記タービンホイールを通過した前記排出ガスが流れる第１タービン下流流路と、
前記第１タービン下流流路から分岐されて前記圧縮部上流流路に連通する第２タービン下流流路と、
前記排出流路における前記圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスと前記第１タービン下流流路を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う排出側熱交換器と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１タービン下流流路と前記第２タービン下流流路との分岐部には気液分離器が設けられてい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。
【請求項３】
前記供給流路を流れる空気と前記第１タービン下流流路における前記排出側熱交換器よりも前記排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う供給側熱交換器をさらに備え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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスである水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックを備える燃料電池システムを搭載した車両が実用化されている。燃料電池システムは、空気を圧縮する電動圧縮機を備えている。電動圧縮機は、燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び圧縮部を駆動させる電動モータを有している。圧縮部によって圧縮された空気は、燃料電池スタックに供給される。
【０００３】
また、燃料電池システムの中には、燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンを備えているものがある。このような燃料電池システムでは、排出ガスの運動エネルギによりタービンホイールが回転することで、排出ガスの運動エネルギがタービンホイールの回転エネルギに変換される。このように、タービンで発生した回転エネルギは、圧縮部を駆動させる電動モータの負荷を低減する。よって、圧縮部を駆動させるために必要な電動モータの消費電力が低減される。
【０００４】
ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの発電が効率良く行われるためには、燃料電池スタック内が湿潤状態である必要がある。そこで、例えば特許文献１の燃料電池システムには、電動圧縮機によって圧縮された空気を燃料電池スタックに供給する供給流路と、燃料電池スタックとタービンとを接続するとともに燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、を跨ぐように加湿器が設けられている。燃料電池スタックから排出される排出ガスには、水蒸気が含まれている。加湿器は、燃料電池スタックから排出されて排出流路を流れる排出ガスに含まれている水蒸気を回収する。そして、加湿器は、回収した水蒸気を供給流路に向けて移動させることにより供給流路を流れる空気を加湿する。これにより、加湿器で加湿された空気が供給流路を介して燃料電池スタックに供給されるため、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１６４４５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の燃料電池システムにおいては、加湿器が、例えば、熱交換器等の構成部品と比較して体格が大きいため、燃料電池システムが全体として大型化してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができるとともに、小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する燃料電池システムは、燃料ガスと空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び前記圧縮部を駆動させる電動モータを有する電動圧縮機と、前記燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンと、前記電動圧縮機によって圧縮された空気を前記燃料電池スタックに供給する供給流路と、前記燃料電池スタックと前記タービンとを接続するとともに前記燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、前記排出流路又は前記タービンに配置され、前記燃料電池スタック内の空気の圧力を調整する圧力調整弁と、を備え、前記燃料電池スタックから排出される前記排出ガスに水蒸気が含まれている燃料電池システムであって、大気に連通するとともに大気からの空気を前記圧縮部に供給する圧縮部上流流路と、前記タービンホイールを通過した前記排出ガスが流れる第１タービン下流流路と、前記第１タービン下流流路から分岐されて前記圧縮部上流流路に連通する第２タービン下流流路と、前記排出流路における前記圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスと前記第１タービン下流流路を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う排出側熱交換器と、を備えた。
【０００９】
これによれば、第１タービン下流流路を流れる排出ガスの温度は、圧力調整弁を通過する際に排出ガスの圧力が低下し、排出ガスの速度が速くなることにより、排出流路における圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスの温度に比べると低くなっている。そして、排出流路における圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスと第１タービン下流流路を流れる排出ガスとの間の熱交換が排出側熱交換器によって行われることにより、排出流路における圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスが第１タービン下流流路を流れる排出ガスによって冷却される。これにより、排出流路における圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて凝縮水が生成される。凝縮水は、排出ガスと共に排出流路を流れるとともにタービンホイールを通過して第１タービン下流流路を流れる。そして、凝縮水の少なくとも一部は、第１タービン下流流路から第２タービン下流流路に流れ込んで第２タービン下流流路を介して圧縮部上流流路に供給される。これにより、圧縮部上流流路を流れる空気が、第２タービン下流流路から圧縮部上流流路に供給される凝縮水によって加湿される。加湿された空気は、供給流路を介して燃料電池スタックに供給されるため、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池スタック内を湿潤状態とするために、従来技術のような加湿器を供給流路と排出流路とを跨ぐように設ける必要が無い。その結果、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、前記第１タービン下流流路と前記第２タービン下流流路との分岐部には気液分離器が設けられているとよい。
これによれば、第１タービン下流流路を流れる排出ガス及び凝縮水は、第１タービン下流流路と第２タービン下流流路との分岐部において、気液分離器によって排出ガスと凝縮水とに分離される。そして、気液分離器によって分離された排出ガスが第１タービン下流流路における気液分離器よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込むとともに、気液分離器によって分離された凝縮水が第２タービン下流流路に流れ込むことにより、第２タービン下流流路を介して圧縮部上流流路に供給される凝縮水の量を多くすることができる。よって、圧縮部上流流路を流れる空気が加湿され易くなるため、燃料電池スタック内を効率良く湿潤状態とすることができる。
【００１１】
上記燃料電池システムにおいて、前記供給流路を流れる空気と前記第１タービン下流流路における前記排出側熱交換器よりも前記排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う供給側熱交換器をさらに備えているとよい。
【００１２】
これによれば、電動圧縮機によって圧縮されて供給流路を流れる高温の空気と第１タービン下流流路における排出側熱交換器よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換が供給側熱交換器によって行われることにより、供給流路を流れる空気が第１タービン下流流路における排出側熱交換器よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスによって冷却される。よって、供給流路を介して燃料電池スタックに供給される空気の温度を低くすることができるため、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができるとともに、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態における燃料電池システムの概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、燃料電池システムを具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システムは、例えば、燃料電池車などの車両に搭載されている。
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１１と、燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮する電動圧縮機２１と、電動圧縮機２１と直列接続されるとともに燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮するタービン圧縮機３１と、を備えている。燃料電池スタック１１は、例えば、複数のセルを有している。各セルは、酸素極と、水素極と、両極の間に配置された電解質膜とが積層されて構成されている。そして、燃料電池スタック１１は、燃料ガスである水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。
【００１６】
燃料電池スタック１１は、図示しない走行用モータに電気的に接続されている。走行用モータは、燃料電池スタック１１により発電された電力を電力源として駆動する。走行用モータの動力は、図示しない動力伝達機構を介して車軸に伝達され、車両は、アクセルペダルのアクセル開度に応じた車速で走行する。
【００１７】
燃料電池スタック１１の発電に寄与する酸素は、空気中に２割程度しか存在しないことから、燃料電池スタック１１に供給された空気の８割程度は、燃料電池スタック１１の発電に寄与されることなく燃料電池スタック１１から排出ガスとして排出される。また、燃料電池スタック１１が発電を行うと、燃料電池スタック１１の内部には、水素と酸素との化学反応によって水が生成される。燃料電池スタック１１で生成された水は、燃料電池スタック１１の発電によって生じる熱によって水蒸気となって燃料電池スタック１１から排出される。したがって、燃料電池スタック１１から排出される排出ガスには水蒸気が含まれている。
【００１８】
燃料電池スタック１１は、空気が供給される供給口１１ａと、空気が排出ガスとして排出される排出口１１ｂと、供給口１１ａと排出口１１ｂとを繋ぐ空気流路１１ｃと、を有している。空気流路１１ｃでは、供給口１１ａから供給された空気が排出口１１ｂに向けて流れる。
【００１９】
電動圧縮機２１は、電動圧縮機ハウジング２２と、電動圧縮機ハウジング２２内に収容される電動モータ２３と、電動モータ２３の駆動によって回転する連結軸２４と、連結軸２４に連結される圧縮部２５と、を有している。電動モータ２３は、図示しないバッテリから電力が供給されることにより駆動して連結軸２４を回転させる。圧縮部２５は、連結軸２４が回転することにより駆動して燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮する。よって、電動モータ２３は、圧縮部２５を駆動させる。本実施形態において、圧縮部２５は、連結軸２４の端部に連結され、連結軸２４と一体的に回転するインペラであり、電動圧縮機２１では、インペラが回転することにより圧縮動作が行われる。
【００２０】
電動圧縮機ハウジング２２は、空気が吸入される吸入口２２ａと、空気が吐出される吐出口２２ｂと、を有している。また、燃料電池システム１０は、大気に連通するとともに大気からの空気を圧縮部２５に供給する圧縮部上流流路１２を備えている。圧縮部上流流路１２は、例えば、配管等で構成されている。圧縮部上流流路１２の一端は大気に開放されており、圧縮部上流流路１２の他端は吸入口２２ａに接続されている。そして、大気からの空気が圧縮部上流流路１２を流れて吸入口２２ａに吸入される。圧縮部２５は、吸入口２２ａから吸入された空気を圧縮する。そして、圧縮部２５で圧縮された空気は吐出口２２ｂから吐出される。
【００２１】
燃料電池システム１０は、タービン４１を備えている。タービン４１は、燃料電池スタック１１から排出される排出ガスによって回転するタービンホイール４２を有している。タービン４１は、タービン圧縮機３１に一体化されている。
【００２２】
タービン圧縮機３１は、ハウジング３２と、ハウジング３２内に収容される回転軸３３と、タービン４１のタービンハウジング３４と、を有している。ハウジング３２内には、コンプレッサホイール３５が収容される収容室３６が形成されている。また、タービンハウジング３４内には、タービンホイール４２が収容されるタービン室３７が形成されている。回転軸３３の一端部は、収容室３６内に突出している。そして、回転軸３３の一端部には、コンプレッサホイール３５が連結されている。回転軸３３の他端部は、タービン室３７内に突出している。そして、回転軸３３の他端部には、タービンホイール４２が連結されている。コンプレッサホイール３５及びタービンホイール４２は、回転軸３３と一体的に回転するインペラである。コンプレッサホイール３５は、回転軸３３の回転に伴って回転することにより空気を圧縮する。
【００２３】
ハウジング３２は、空気が吸入される吸入口３２ａと、空気が吐出される吐出口３２ｂと、を有している。また、ハウジング３２内には、吸入口３２ａと収容室３６とを連通する第１連通路３２１が形成されている。さらに、ハウジング３２内には、収容室３６と吐出口３２ｂとを連通する第２連通路３２２が形成されている。
【００２４】
燃料電池システム１０は、電動圧縮機２１とタービン圧縮機３１とを接続する接続流路１３を備えている。接続流路１３は、例えば、配管等で構成されている。接続流路１３の一端は、電動圧縮機２１の吐出口２２ｂに接続されており、接続流路１３の他端はタービン圧縮機３１の吸入口３２ａに接続されている。そして、電動圧縮機２１で圧縮されて吐出口２２ｂから接続流路１３に吐出された空気が、接続流路１３を流れて吸入口３２ａに吸入される。コンプレッサホイール３５は、吸入口３２ａから吸入されて第１連通路３２１を介して収容室３６内に流入した空気を圧縮する。そして、コンプレッサホイール３５で圧縮された空気は、収容室３６から第２連通路３２２を介して吐出口３２ｂから吐出される。
【００２５】
したがって、タービン圧縮機３１は、電動圧縮機２１で１度圧縮された空気を圧縮している。よって、本実施形態の燃料電池システム１０においては、燃料電池スタック１１に供給される空気を、電動圧縮機２１及びタービン圧縮機３１でそれぞれ圧縮する２段階圧縮を行っている。
【００２６】
燃料電池システム１０は、タービン圧縮機３１と燃料電池スタック１１とを接続する供給流路１４を備えている。供給流路１４は、例えば、配管等で構成されている。供給流路１４の一端は、タービン圧縮機３１の吐出口３２ｂに接続されるとともに、供給流路１４の他端は、燃料電池スタック１１の供給口１１ａに接続されている。そして、吐出口３２ｂから吐出された空気は、供給流路１４を流れて供給口１１ａに供給される。したがって、供給流路１４は、電動圧縮機２１及びタービン圧縮機３１でそれぞれ圧縮された空気を燃料電池スタック１１に供給する。すなわち、供給流路１４は、電動圧縮機２１によって圧縮された空気を燃料電池スタック１１に供給する。
【００２７】
タービンハウジング３４は、排出ガスが導入される導入口３４ａと、タービン室３７を通過した排出ガスが排出される排出口３４ｂと、を有している。また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１とタービン４１とを接続するとともに燃料電池スタック１１の排出口１１ｂから排出される排出ガスが流れる排出流路１５を備えている。排出流路１５は、例えば、配管等で構成されている。排出流路１５の一端は排出口１１ｂに接続されるとともに、排出流路１５の他端は導入口３４ａに接続されている。そして、排出口１１ｂから排出された排出ガスは、排出流路１５を流れて導入口３４ａに導入される。
【００２８】
タービンハウジング３４内には、導入口３４ａとタービン室３７とを繋ぐ連通路３８が形成されている。タービン圧縮機３１は、連通路３８の流路断面積を調整して燃料電池スタック１１内の空気の圧力を調整する圧力調整弁３９を有している。よって、本実施形態において、圧力調整弁３９は、タービン４１に配置されている。圧力調整弁３９は、例えば、タービンホイール４２の外周の位置に周方向に複数配列されるノズルベーンと、複数のノズルベーンを回動させる回動機構部と、を有している。そして、回動機構部によって複数のノズルベーンが回動することにより、連通路３８の流路断面積が調整される。
【００２９】
燃料電池システム１０は、制御装置１６を備えている。制御装置１６は、アクセルペダルの操作態様等に基づいて燃料電池スタック１１に要求される要求発電量を算出する。制御装置１６は、電動モータ２３と電気的に接続されている。制御装置１６は、要求発電量に基づいて、電動モータ２３の目標トルクを導出する。そして、制御装置１６は、電動モータのトルクが目標トルクとなるように電動モータ２３の駆動を制御する。
【００３０】
また、制御装置１６は、圧力調整弁３９と電気的に接続されている。制御装置１６は、要求発電量に基づいて、圧力調整弁３９の目標開度を導出する。そして、制御装置１６は、圧力調整弁３９の開度が、導出された目標開度となるように圧力調整弁３９の開度を制御する。制御装置１６により圧力調整弁３９の開度が制御されることにより、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力が調整される。なお、圧力調整弁３９の開度は、複数のノズルベーンの回動角度である。そして、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力が調整されることにより、燃料電池スタック１１内の湿度が調整される。燃料電池スタック１１内の湿度は、燃料電池スタック１１の発電を効率良く行うために、予め定められた所望の湿度に調整される。
【００３１】
また、圧力調整弁３９によって連通路３８の流路断面積が調整されることにより、連通路３８からタービン室３７に導入される排出ガスの圧力が調整される。タービンホイール４２は、圧力調整弁３９を通過した排出ガスが吹き付けられることによって回転する。よって、タービン４１においては、タービンホイール４２が排出ガスによって回転することにより回転エネルギが発生する。すなわち、タービン４１は、排出ガスの運動エネルギを、タービンホイール４２が回転することによって、回転エネルギに変換している。タービン圧縮機３１では、排出ガスの運動エネルギにより、タービンホイール４２が回転することで回転軸３３が回転し、回転軸３３の回転に伴ってコンプレッサホイール３５が回転することにより空気が圧縮される。
【００３２】
回転軸３３は、図示しない軸受によってハウジング３２に対して回転可能に支持されている。軸受としては、例えば、空気動圧軸受が用いられている。空気動圧軸受は、回転軸３３の回転数が空気動圧軸受により回転軸３３が浮上する浮上回転数に達するまでは、回転軸３３と接触した状態で回転軸３３を支持する。そして、回転軸３３の回転数が浮上回転数に達すると、回転軸３３と空気動圧軸受との間に生じる動圧によって、空気動圧軸受により回転軸３３が浮上し、空気動圧軸受は、回転軸３３と非接触の状態で回転軸３３を支持する。
【００３３】
燃料電池システム１０は、第１タービン下流流路５１、第２タービン下流流路５２、及び排出側熱交換器５３を備えている。第１タービン下流流路５１は、例えば、配管等で構成されている。第１タービン下流流路５１の一端は、タービンハウジング３４の排出口３４ｂに接続されている。第１タービン下流流路５１の他端は、大気に開放されている。第１タービン下流流路５１内には、タービンホイール４２を通過して排出口３４ｂから排出された排出ガスが流れる。したがって、第１タービン下流流路５１は、タービンホイール４２を通過した排出ガスが流れる。
【００３４】
第１タービン下流流路５１は、排出口３４ｂから排出側熱交換器５３に向けて延びている。なお、図１では、図示の都合上、第１タービン下流流路５１がタービン圧縮機３１を横切るように図示されているが、実際には、第１タービン下流流路５１は、タービン圧縮機３１に干渉しない位置に延設されている。第１タービン下流流路５１の一部分である器内流路５１１は、排出側熱交換器５３内を通過している。
【００３５】
また、排出流路１５の一部分である器内流路１５１は、排出側熱交換器５３内を通過している。排出流路１５の器内流路１５１と第１タービン下流流路５１の器内流路５１１とは、排出側熱交換器５３内において、器内流路１５１を流れる排出ガスと器内流路５１１を流れる排出ガスとが熱交換可能な状態で互いに配置されている。よって、排出側熱交換器５３は、排出流路１５を流れる排出ガスと第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う。
【００３６】
第２タービン下流流路５２は、第１タービン下流流路５１から分岐されて圧縮部上流流路１２に連通している。第２タービン下流流路５２は、例えば、配管等で構成されている。また、第１タービン下流流路５１と第２タービン下流流路５２との分岐部５４には気液分離器５５が設けられている。第１タービン下流流路５１と第２タービン下流流路５２との分岐部５４は、第１タービン下流流路５１において、器内流路５１１よりも排出ガスの流れ方向の上流側に位置している。気液分離器５５は、気液分離器５５の内部において、気体が第１タービン下流流路５１における気液分離器５５よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に向けて流れるとともに、液体が第２タービン下流流路５２に向けて流れるように、気体と液体とが分離可能に構成されている。
【００３７】
燃料電池システム１０は、供給側熱交換器５６をさらに備えている。供給流路１４の一部分である器内流路１４１は、供給側熱交換器５６内を通過している。また、第１タービン下流流路５１における排出側熱交換器５３よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路の一部分である器内流路５１２は、供給側熱交換器５６内を通過している。供給流路１４の器内流路１４１と第１タービン下流流路５１の器内流路５１２とは、供給側熱交換器５６内において、器内流路１４１を流れる空気と器内流路５１２を流れる排出ガスとが熱交換可能な状態で互いに配置されている。よって、供給側熱交換器５６は、供給流路１４を流れる空気と第１タービン下流流路５１における排出側熱交換器５３よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う。
【００３８】
次に、本実施形態の作用について説明する。
第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスの温度は、圧力調整弁３９を通過する際に排出ガスの圧力が低下し、排出ガスの速度が速くなることにより、排出流路１５を流れる排出ガスの温度に比べると低くなっている。そして、排出流路１５を流れる排出ガスと第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスとの間の熱交換が排出側熱交換器５３によって行われることにより、排出流路１５を流れる排出ガスが第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスによって冷却される。これにより、排出流路１５を流れる排出ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて凝縮水が生成される。凝縮水は、排出ガスと共に排出流路１５、導入口３４ａ、連通路３８、及びタービン室３７を流れてタービンホイール４２を通過し、第１タービン下流流路５１を流れて気液分離器５５内に至る。
【００３９】
また、排出側熱交換器５３において凝縮されずに排出ガス中に存在していた水蒸気は、タービン４１において、圧力調整弁３９を通過する際に排出ガスの圧力が低下し、排出ガスの速度が速くなることによって冷却されて、水蒸気が凝縮されることにより凝縮水が生成される。そして、この凝縮水は、排出ガスと共に連通路３８及びタービン室３７を流れてタービンホイール４２を通過し、第１タービン下流流路５１を流れて気液分離器５５内に至る。
【００４０】
気液分離器５５内の排出ガス及び凝縮水は、気液分離器５５によって排出ガスと凝縮水とに分離される。気液分離器５５内では、排出ガスが第１タービン下流流路５１における気液分離器５５よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に向けて流れるとともに、凝縮水が第２タービン下流流路５２に向けて流れるように互いに分離される。そして、気液分離器５５によって分離された排出ガスが第１タービン下流流路５１における気液分離器５５よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込む。第１タービン下流流路５１における気液分離器５５よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込んだ排出ガスは、各器内流路５１１，５１２を通過して大気に排出される。
【００４１】
ここで、気液分離器５５内の圧力は大気圧よりも高くなっており、圧縮部上流流路１２内の圧力は大気圧よりも低くなっているため、気液分離器５５内の圧力は、圧縮部上流流路１２内の圧力よりも高くなっている。よって、気液分離器５５によって分離された凝縮水は、気液分離器５５内の圧力と圧縮部上流流路１２内の圧力との差によって第２タービン下流流路５２に吸い込まれるように流れ込んで、第２タービン下流流路５２を介して圧縮部上流流路１２に供給される。これにより、圧縮部上流流路１２を流れる空気が、第２タービン下流流路５２から圧縮部上流流路１２に供給される凝縮水によって加湿される。加湿された空気は、電動圧縮機２１の圧縮部２５及びタービン圧縮機３１のコンプレッサホイール３５それぞれによって圧縮されるとともに供給流路１４を介して燃料電池スタック１１に供給される。これにより、燃料電池スタック１１内が湿潤状態となる。
【００４２】
また、電動圧縮機２１及びタービン圧縮機３１によって圧縮されて供給流路１４を流れる高温の空気と第１タービン下流流路５１における排出側熱交換器５３よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換が供給側熱交換器５６によって行われる。これにより、供給流路１４を流れる空気が第１タービン下流流路５１における排出側熱交換器５３よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスによって冷却され、供給流路１４を介して燃料電池スタック１１に供給される空気の温度が低くなる。
【００４３】
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）排出流路１５を流れる排出ガスと第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスとの間の熱交換が排出側熱交換器５３によって行われることにより、排出流路１５を流れる排出ガスが第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスによって冷却され、排出流路１５を流れる排出ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて凝縮水が生成される。そして、凝縮水は、第１タービン下流流路５１から第２タービン下流流路５２に流れ込んで第２タービン下流流路５２を介して圧縮部上流流路１２に供給される。これにより、圧縮部上流流路１２を流れる空気が、第２タービン下流流路５２から圧縮部上流流路１２に供給される凝縮水によって加湿される。加湿された空気は、供給流路１４を介して燃料電池スタック１１に供給されるため、燃料電池スタック１１内を湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池スタック１１内を湿潤状態とするために、従来技術のような加湿器を供給流路１４と排出流路１５とを跨ぐように設ける必要が無い。その結果、燃料電池システム１０の小型化を図ることができる。
【００４４】
（２）第１タービン下流流路５１と第２タービン下流流路５２との分岐部５４には気液分離器５５が設けられている。これによれば、第１タービン下流流路５１を流れる排出ガス及び凝縮水は、第１タービン下流流路５１と第２タービン下流流路５２との分岐部５４において、気液分離器５５によって排出ガスと凝縮水とに分離される。そして、気液分離器５５によって分離された排出ガスが第１タービン下流流路５１における気液分離器５５よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込むとともに、気液分離器５５によって分離された凝縮水が第２タービン下流流路５２に流れ込む。これにより、第２タービン下流流路５２を介して圧縮部上流流路１２に供給される凝縮水の量を多くすることができる。よって、圧縮部上流流路１２を流れる空気が加湿され易くなるため、燃料電池スタック１１内を効率良く湿潤状態とすることができる。
【００４５】
（３）燃料電池システム１０は、供給流路１４を流れる空気と第１タービン下流流路５１における排出側熱交換器５３よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う供給側熱交換器５６をさらに備えている。これによれば、電動圧縮機２１によって圧縮されて供給流路１４を流れる高温の空気が第１タービン下流流路５１における排出側熱交換器５３よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスによって冷却される。よって、供給流路１４を介して燃料電池スタック１１に供給される空気の温度を低くすることができるため、燃料電池スタック１１の発電効率を向上させることができる。
【００４６】
（４）第２タービン下流流路５２から圧縮部上流流路１２に供給される凝縮水は、空気を圧縮することにより圧縮部２５で発生する熱によって水蒸気になる。この凝縮水の蒸発潜熱により、圧縮部２５によって圧縮された空気が冷却されるため、電動圧縮機２１から吐出される空気の温度を低くすることができ、燃料電池スタック１１の発電効率を向上させることができる。
【００４７】
（５）気液分離器５５によって分離された排出ガスが第１タービン下流流路５１における気液分離器５５よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込むため、第１タービン下流流路５１から第２タービン下流流路５２を介して圧縮部上流流路１２に流れ込む排出ガスの量を少なくすることができる。その結果、圧縮部上流流路１２を流れて圧縮部２５に供給される排出ガスの量が少なくなるため、圧縮部２５で圧縮される排出ガスの量が少なくなる。その結果、圧縮部２５における空気の圧縮効率を向上させることができる。
【００４８】
（６）従来技術のように、供給流路１４と排出流路１５とを跨ぐように設けられる加湿器は、例えば、水分交換可能な中空糸膜を備え、中空糸膜を介して燃料電池スタック１１に供給される空気を加湿するため、加湿器による排出ガスの圧損が生じ易く、タービンホイール４２を回転させるための排出ガスの運動エネルギが小さくなってしまう。すると、タービンホイール４２が回転することにより発生する回転エネルギが小さくなるため、電動圧縮機２１の圧縮部２５が行う圧縮仕事を増大させる必要がある。したがって、圧縮部２５を駆動させる電動モータ２３の負荷が増大し、圧縮部２５を駆動させるために必要な電動モータ２３の消費電力が増大してしまう。
【００４９】
本実施形態の燃料電池システム１０では、内部に中空糸膜などが設けられていない排出側熱交換器５３及び供給側熱交換器５６を採用した構成であるため、加湿器を採用した構成に比べると排出ガスの圧損を抑えることができる。よって、排出ガスの圧損が生じることにより、タービンホイール４２を回転させるための排出ガスの運動エネルギが小さくなってしまうことが抑制されるため、タービンホイール４２が回転することにより発生する回転エネルギが小さくなってしまうことが抑制される。その結果、圧縮部２５を駆動させるために必要な電動モータ２３の消費電力が低減され易い。
【００５０】
なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【００５１】
○  実施形態において、燃料電池システム１０は、第１タービン下流流路５１と第２タービン下流流路５２との分岐部５４に気液分離器５５が設けられていない構成であってもよい。この場合であっても、凝縮水の一部は、第１タービン下流流路５１から第２タービン下流流路５２に流れ込んで第２タービン下流流路５２を介して圧縮部上流流路１２に供給される。要は、燃料電池システム１０は、凝縮水の少なくとも一部が、第１タービン下流流路５１から第２タービン下流流路５２に流れ込んで第２タービン下流流路５２を介して圧縮部上流流路１２に供給される構成であればよい。
【００５２】
○  実施形態において、燃料電池システム１０は、供給側熱交換器５６を備えていない構成であってもよい。
○  実施形態において、電動圧縮機２１とタービン圧縮機３１との位置関係を逆にしてもよい。すなわち、電動圧縮機２１が、タービン圧縮機３１で１度圧縮された空気を圧縮するようにしてもよい。
【００５３】
○  実施形態において、タービン圧縮機３１が、回転軸３３を回転させる電動モータを有していてもよい。この場合、電動モータは、回転軸３３におけるコンプレッサホイール３５とタービンホイール４２との間に設けられる。そして、燃料電池システム１０において、電動圧縮機２１を削除し、タービン圧縮機３１を、燃料電池システム１０が備える電動圧縮機として機能させてもよい。この場合、コンプレッサホイール３５は、電動圧縮機の圧縮部として機能する。
【００５４】
○  実施形態において、燃料電池システム１０は、タービン圧縮機３１を備えていなくてもよく、タービン４１を少なくとも備えていればよい。そして、タービン４１においてタービンホイール４２が回転することにより発生する回転エネルギを利用して、例えば発電機に回生電力を発生させ、発電機で発生した回生電力を、圧縮部２５を駆動させるための電動モータ２３への供給電力として用いるようにしてもよい。
【００５５】
○  実施形態において、圧力調整弁３９の具体的な構成は特に限定されるものではない。要は、圧力調整弁３９は、連通路３８の流路断面積を調整して燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力を調整することができるものであればよい。
【００５６】
○  実施形態において、圧力調整弁３９はタービン圧縮機３１に設けられていたが、これに限らず、排出流路１５における排出側熱交換器５３とタービンハウジング３４との間に設けられていてもよい。要は、圧力調整弁３９がタービン４１に配置されているのではなく、排出流路１５に配置されていてもよい。この場合、排出側熱交換器５３は、排出流路１５における圧力調整弁３９よりも上流側を流れる排出ガスと第１タービン下流流路５１を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う。
【００５７】
○  実施形態において、圧縮部２５の具体的な型式は、本実施形態のようなインペラ式に限らず任意であり、例えば、スクロール式やルーツ式などであってもよい。
○  実施形態において、燃料電池システム１０は、車両以外に搭載されていてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１２…圧縮部上流流路、１４…供給流路、１５…排出流路、２１…電動圧縮機、２３…電動モータ、２５…圧縮部、３９…圧力調整弁、４１…タービン、４２…タービンホイール、５１…第１タービン下流流路、５２…第２タービン下流流路、５３…排出側熱交換器、５４…分岐部、５５…気液分離器、５６…供給側熱交換器。
【図１】
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