(57)【要約】【課題】燃料電池システムの大型化を抑制しつつ、カソードガスの冷却及び加湿を行う。【解決手段】燃料電池１０に供給される前の圧縮カソードガスを冷却すると共に加湿する冷却加湿装置５０を備える燃料電池システム１００であって、冷却加湿装置５０は、圧縮カソードガスが供給される第１内部流路６３と、燃料電池１０から排出された水が供給されると共に第１内部流路６３とは独立した第２内部流路６６と、を有し、第２内部流路６６に供給された水の蒸発潜熱によって第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスを冷却する熱交換器６０と、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を圧縮カソードガスに供給して加湿するための水蒸気供給流路５２と、を備える。熱交換器６０は、第２内部流路６６内で生じた水蒸気が、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと対向する方向に第２内部流路６６を流れるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
カソードガスを圧縮して前記燃料電池に供給するためのコンプレッサと、
前記コンプレッサによって圧縮されて前記燃料電池に供給される前の圧縮カソードガスを冷却すると共に加湿するための冷却加湿装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記冷却加湿装置は、
圧縮カソードガスが供給される第１内部流路と、前記燃料電池から排出された水が供給されると共に前記第１内部流路とは独立した第２内部流路と、を有し、前記第２内部流路に供給された水の蒸発潜熱によって前記第１内部流路を流れる圧縮カソードガスを冷却する熱交換器と、
前記第１内部流路を流れる圧縮カソードガスとの熱交換によって前記第２内部流路内で生じて前記第２内部流路から排出された水蒸気を、圧縮カソードガスに供給して加湿するための水蒸気供給流路と、
を備え、
前記熱交換器は、
前記第２内部流路内で生じた水蒸気が、前記第１内部流路を流れる圧縮カソードガスの向きと対向する方向に前記第２内部流路を流れるように構成される、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記第２内部流路は、
前記燃料電池から排出された水を前記第２内部流路内に供給するための液水供給口と、
前記第２内部流路内から水蒸気を排出するための水蒸気排出口と、
を備え、
前記液水供給口は、前記第２内部流路内に供給された水によって前記液水供給口が塞がれる位置に設けられ、
前記水蒸気排出口は、前記液水供給口よりも重力方向上側に設けられる、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却加湿装置は、
前記燃料電池から排出された水を前記第２内部流路に供給するための水供給通路に、補助ポンプをさらに備える、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記コンプレッサは、カソードガスを段階的に圧縮可能な多段式コンプレッサであり、
前記水蒸気供給流路は、前記第２内部流路から排出された水蒸気を、多段式コンプレッサの段間の流路を流れる圧縮カソードガスに供給できるように構成される、
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】
特許文献１には、従来の燃料電池システムとして、コンプレッサによって圧縮されたカソードガスが過剰に持つ熱エネルギーを水の蒸発潜熱によって吸収してカソードガスを所定の温度に冷却し、かつ生成した水蒸気によってカソードガスを加湿して燃料電池に供給するように構成されたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０６−０８９７３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の燃料電池システムの場合、高圧のカソードガスに対して水を供給する必要があるため、水を圧送したり加圧したりするための装置が必要になる。そのため、燃料電池システムが大型化するおそれがあった。
【０００５】
本発明はこのような問題に着目してなされたものであり、燃料電池システムの大型化を抑制しつつ、カソードガスの冷却、及び加湿を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明のある態様による燃料電池システムは、燃料電池と、カソードガスを圧縮して燃料電池に供給するためのコンプレッサと、コンプレッサによって圧縮されて燃料電池に供給される前の圧縮カソードガスを冷却すると共に加湿するための冷却加湿装置と、を備える。冷却加湿装置は、圧縮カソードガスが供給される第１内部流路と、燃料電池から排出された水が供給されると共に第１内部流路とは独立した第２内部流路と、を有し、第２内部流路に供給された水の蒸発潜熱によって第１内部流路を流れる圧縮カソードガスを冷却する熱交換器と、第１内部流路を流れる圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路内で生じて第２内部流路から排出された水蒸気を、圧縮カソードガスに供給して加湿するための水蒸気供給流路と、を備える。熱交換器は、第２内部流路内で生じた水蒸気が、第１内部流路を流れる圧縮カソードガスの向きと対向する方向に第２内部流路を流れるように構成される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のこの態様による燃料電池システムによれば、燃料電池システムの大型化を抑制しつつ、カソードガスの冷却、及び加湿を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】図２は、インタクーラの内部を示す概略断面図である。
【図３】図３は、インタクーラの内部を示す概略部分断面図であり、第１内部流路内の圧縮カソードガスの様子と、第２内部流路内の水及び水蒸気の様子と、を示した図である。
【図４】図４は、本発明の第２実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図５】図５は、本発明の第３実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。
【図６】図６は、インタクーラの内部に第２フィンを設けた場合のインタクーラの内部を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
【００１１】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に対してカソードガス（酸化剤ガス）の給排を行うためのカソードガス給排装置２０と、を備える。なお図１では、燃料電池スタック１０に対してアノードガス（燃料ガス）の給排を行うためのアノードガス給排装置や、燃料電池スタック１０を冷却する冷媒を循環させるための冷媒循環装置、燃料電池スタック１０の出力端子に電気的に接続される各種の電装部品、燃料電池システム１００を制御するための電子制御ユニット等については、本発明の主要部分ではないため図示を省略している。
【００１２】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単セル（以下「単セル」という。）を積層し、各単セルを電気的に直列に接続したものである。燃料電池スタック１０は、水素を含有するアノードガス、及び酸素を含有するカソードガスの供給を受けて発電し、発電した電力を、例えば車両を駆動するために必要なモータなどの各種の電装部品に供給する。本実施形態ではアノードガスとして水素を使用し、カソードガスとして空気を使用している。
【００１３】
カソードガス給排装置２０は、カソードガス供給通路２１と、エアクリーナ２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソードオフガス排出通路２４と、カソードガスを冷却すると共に加湿するための冷却加湿装置５０と、を備える。以下、エアクリーナ２２側を上流と定義してカソードガス給排装置２０の各構成部品の詳細について説明する。
【００１４】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１０に供給するカソードガスとしての空気が流れる通路であって、上流側供給配管２１ａと、下流側供給配管２１ｂと、を備える。
【００１５】
上流側供給配管２１ａは、一端がエアクリーナ２２に接続され、他端が後述するインタクーラ６０の高温ガスマニホールド６１に形成された高温ガス入口部６１１に接続される配管である。下流側供給配管２１ｂは、一端が後述するインタクーラ６０の低温ガスマニホールド６２に形成された低温ガス出口部６２１に接続され、他端が燃料電池スタック１０のカソードガス入口部１１に接続される配管である。
【００１６】
エアクリーナ２２は、大気中に配置され、上流側供給配管２１ａに吸入される空気中の異物を取り除く。
【００１７】
カソードコンプレッサ２３は、例えば遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであり、上流側供給配管２１ａに設けられる。カソードコンプレッサ２３は、エアクリーナ２２を介して上流側供給配管２１ａに吸入した空気を圧縮して吐出する。
【００１８】
カソードオフガス排出通路２４は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスが流れる通路であって、上流側排出配管２４ａと、下流側排出配管２４ｂと、を備える。カソードオフガスは、燃料電池スタック１０内での水素と酸素の電気化学反応に使用されなかった余剰の酸素と、窒素等の不活性ガスと、の混合ガスであり、カソードオフガスには電気化学反応によって生じた水分（水及び水蒸気）が含まれている。
【００１９】
上流側排出配管２４ａは、一端が燃料電池スタック１０のカソードオフガス出口部１２に接続され、他端が後述する気液分離器７０のガス流入口７１に接続される配管である。下流側排出配管２４ｂは、一端が後述する気液分離器７０のガス流出口７２に接続され、他端が大気に開口している配管である。
【００２０】
冷却加湿装置５０は、インタクーラ６０と、気液分離器７０と、液水供給配管５１と、排出水蒸気供給配管５２と、を備える。
【００２１】
インタクーラ６０は、液体を蒸発させたときの蒸発潜熱を利用して、高温のガス（気体）を冷却することできるように構成された熱交換器である。このような熱交換器としては、例えば蒸発器が挙げられる。なお図１においては、発明の理解を容易にするため、インタクーラ６０の寸法を拡大して示している。
【００２２】
本実施形態によるインタクーラ６０は、高温ガス入口部６１１を有する高温ガスマニホールド６１と、低温ガス出口部６２１を有する低温ガスマニホールド６２と、高温ガスマニホールド６１及び低温ガスマニホールド６２と連通する複数の第１内部流路６３と、液水入口部６４１を有する液水マニホールド６４と、水蒸気出口部６５１を有する水蒸気マニホールド６５と、液水マニホールド６４及び水蒸気マニホールド６５と連通する複数の第２内部流路６６と、を備え、燃料電池スタック１０内での電気化学反応によって生じた水の蒸発潜熱を利用して、カソードコンプレッサ２３によって圧縮されたカソードガス（以下「圧縮カソードガス」という。）を冷却することができるように構成される。以下、図２及び図３も参照してインタクーラ６０の構成について説明する。
【００２３】
図２は、この本実施形態によるインタクーラ６０の内部を示す概略断面図であり、図１のII-II線に沿う方向からインタクーラ６０を見たときの概略断面図である。図３は、図２のIII-III線に沿ったインタクーラ６０の概略部分断面図であり、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの様子と、第２内部流路６６内に供給された水の様子及び圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で生じた水蒸気が流れる様子と、を示した図である。
【００２４】
図２及び図３に示すように、インタクーラ６０の内部には、隔壁６７によって仕切られた第１内部流路６３及び第２内部流路６６が、図中上下方向に交互に複数形成されており、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの熱を、隔壁６７を介して第２内部流路６６内に供給された水、及び第２内部流路６６内で生じた水蒸気に伝えることができるようになっている。
【００２５】
図１及び図３に示すように、第１内部流路６３は、高温ガスマニホールド６１と連通する高温ガス供給口６３ａと、低温ガスマニホールド６２と連通する低温ガス排出口６３ｂと、を備える。高温ガス入口部６１１を介して上流側供給配管２１ａから高温ガスマニホールド６１の内部に供給された圧縮カソードガスは、第１内部流路６３の高温ガス供給口６３ａから各第１内部流路６３に略均等に分配される。
【００２６】
第１内部流路６３に供給された圧縮カソードガスは、第１内部流路６３を流れて低温ガス排出口６３ｂから低温ガスマニホールド６２に排出される。各第１内部流路６３の低温ガス排出口６３ｂから低温ガスマニホールド６２に排出された圧縮カソードガスは、低温ガスマニホールド６２の内部で纏められて、低温ガス出口部６２１から下流側供給配管２１ｂに排出される。
【００２７】
第２内部流路６６は、液水マニホールド６４と連通する液水供給口６６ａと、水蒸気マニホールド６５と連通する水蒸気排出口６６ｂと、を備える。液水入口部６４１を介して後述する液水供給配管５１から液水マニホールド６４の内部に供給された水は、第２内部流路６６の液水供給口６６ａから各第２内部流路６６に略均等に分配される。
【００２８】
第２内部流路６６に供給された水は、隔壁６７を介した圧縮カソードガスとの熱交換により水蒸気となって第２内部流路６６を流れ、水蒸気排出口６６ｂから水蒸気マニホールド６５に排出される。各第２内部流路６６の水蒸気排出口６６ｂから水蒸気マニホールド６５に排出された水蒸気は、水蒸気マニホールド６５の内部で纏められて、水蒸気出口部６５１から後述する排出水蒸気供給配管５２に排出される。
【００２９】
ここで本実施形態では、圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で生じた水蒸気が、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向き（図３では左側から右側）とは反対方向に流れて第２内部流路６６の水蒸気排出口６６ｂから水蒸気マニホールド６５に排出されるように、インタクーラ６０を構成している。すなわち、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きとが対向するように、インタクーラ６０を構成している。
【００３０】
本実施形態では図３に示すように、水蒸気排出口６６ｂの位置が、液水供給口６６ａの位置よりも上側となるようにしている。これにより、液水供給口６６ａから第２内部流路６６内に供給された水を、第２内部流路６６の下部空間６６１に留めて液水供給口６６ａを水で塞ぐことができる。そのため、圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６の上部空間６６２に生じた水蒸気を、液水供給口６６ａ側に逆流させることなく、水蒸気排出口６６ｂ側に向かって流すことができる。なお、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きとが対向するように、インタクーラ６０を構成している理由については後述する。
【００３１】
また第１内部流路６３及び第２内部流路６６は、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で生じた水蒸気が、第１内部流路６３に流入しないように、それぞれが独立した流路となっている。すなわち、第２内部流路６６内で生じた水蒸気が、インタクーラ６０の内部で圧縮カソードガスの加湿に使用されることなく、水蒸気マニホールド６５からインタクーラ６０の外部に排出されるようになっている。
【００３２】
また第１内部流路６３には、隔壁６７から延設された複数のフィン６８が形成されており、圧縮カソードガスの熱を、フィン６８を介して効率良く隔壁６７に伝えることができるようになっている。
【００３３】
圧縮カソードガスが第１内部流路６３内を流れると、圧縮カソードガスの熱が隔壁６７に伝達されて、隔壁６７の温度が上昇する。隔壁６７の温度が第２内部流路６６内に供給された水の沸点を超えると、隔壁６７と接している第２内部流路６６内の水が蒸発し、そのときの蒸発潜熱によって隔壁６７の温度上昇を或る一定の温度までに抑えることができる。すなわち、隔壁６７の温度を圧縮カソードガスよりも低い温度、具体的には水の沸点近傍の温度にすることができる。そのため、圧縮カソードガスと隔壁６７との温度差を或る一定の温度差にすることができ、圧縮カソードガスの熱を効率良く隔壁６７に伝達して圧縮カソードガスを冷却することができる。
【００３４】
本実施形態では、第１内部流路６３に流入する圧縮カソードガスの温度は概ね２００℃程度であり、第２内部流路６６内に供給された水の沸点は概ね１００℃である。したがって本実施形態では、インタクーラ６０によって、第１内部流路６３に流入した圧縮カソードガスの温度を概ね１００℃まで低下させて、低温ガス出口部６２１から流出させることができる。
【００３５】
このように本実施形態による冷却加湿装置５０は、インタクーラ６０内の第１内部流路６３に圧縮カソードガスが流れ、第２内部流路６６に燃料電池スタック１０内での電気化学反応によって生じた水が供給されるように構成されている。そしてインタクーラ６０は、第２内部流路６６内に供給された水の蒸発潜熱によって、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスを冷却するように構成されている。このように第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの熱を、水を水蒸気に相変化させるための熱として使用することで、例えば液冷媒を相変化させずに第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスとの間で熱交換を行う場合と比較して、熱交換の効率を高めることができる。そのため、インタクーラ６０の冷却性能を向上させることができる。
【００３６】
図１に戻り、気液分離器７０は、ガス流入口７１と、ガス流出口７２と、液水流出口７３と、を備える。気液分離器７０は、ガス流入口７１から内部に流入してきたカソードオフガスから水を分離して、分離した水を液水流出口７３から排出すると共に、水が分離されたカソードオフガスをガス流出口７２から排出する。
【００３７】
液水供給配管５１は、一端が気液分離器７０の液水流出口７３に接続され、他端がインタクーラ６０の液水入口部６４１に接続される配管である。気液分離器７０によって分離されたカソードオフガス中の水は、この液水供給配管５１を流れてインタクーラ６０の液水入口部６４１からインタクーラ６０内の第２内部流路６６に供給される。
【００３８】
排出水蒸気供給配管５２は、一端がインタクーラ６０の水蒸気出口部６５１に接続され、他端がカソードコンプレッサ２３よりも下流側のカソードガス供給通路２１に接続される配管である。本実施形態では、排出水蒸気供給配管５２の他端は、下流側供給配管２１ｂに接続されている。インタクーラ６０内での圧縮カソードガスとの熱交換によって生じた第２内部流路６６内の水蒸気は、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに供給される。これにより、下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガス、すなわち燃料電池スタック１０に供給される圧縮カソードガスの加湿を行うことができる。
【００３９】
ここで、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに水蒸気を供給するためには、排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力を、下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガスの圧力（本実施形態では２００［ｋＰａ］程度）よりも高くする必要がある。
【００４０】
このとき、水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置（例えば噴射弁やコンプレッサ、ポンプ等）を駆動して水蒸気を加圧する構成にすると、加圧装置を駆動するための駆動力（電力）が必要となって燃費が悪化すると共に、加圧装置を搭載するためのスペースの確保が必要となって、燃料電池システムの大型化、及び高コスト化を招くことになる。また、これら加圧装置を制御する必要もある。そして、水蒸気を所望の圧力まで上昇させるために必要な駆動力が大きくなるほど、燃費が悪化すると共に、加圧装置が大型化する傾向にあり、燃料電池システムの大型化、及び高コスト化を招くことになる。
【００４１】
したがって、このような加圧装置を設けることなく水蒸気を加圧できるように、燃料電池システム１００を構成することが望ましい。また、仮に設けるとしても、加圧装置の駆動力を最小限に抑え、燃費の悪化や燃料電池システムの大型化、及び高コスト化を可能な限り抑えることが望ましい。
【００４２】
そこで本実施形態では、前述したように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きとが対向するように、インタクーラ６０を構成することとしたのである。以下、図３を参照して、この理由について説明する。
【００４３】
高温ガス供給口６３ａを介して高温ガスマニホールド６１から第１内部流路６３内に供給された圧縮カソードガスは、第１内部流路６３を低温ガス排出口６３ｂに向かって流れていく間に、水の沸点と同程度の約１００℃程度にまで冷却されて低温ガス排出口６３ｂから低温ガスマニホールド６２に排出される。
【００４４】
そのため図３に示すように、高温ガス供給口６３ａ近傍の第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの温度は、低温ガス排出口６３ｂ近傍の第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの温度（本実施形態では１００℃程度）よりも高くなり、本実施形態ではカソードコンプレッサ２３から吐出された圧縮カソードガスの温度と同等の２００℃程度となる。
【００４５】
また液水供給口６６ａを介して液水マニホールド６４から第２内部流路６６に供給された水は、圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で水蒸気となって、水蒸気排出口６６ｂから水蒸気マニホールド６５に排出される。
【００４６】
このとき本実施形態のように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きと、を対向させることで、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、当該水蒸気が水蒸気出口部６５１に向かって圧縮カソードガスと対向する向きに流れていく過程で第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスによって徐々に加熱して、１００℃以上にすることができる。
【００４７】
図３に示す例では、隔壁６７と接している第２内部流路６６の上部空間６６２を流れる水蒸気と、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガス（特に高温ガス入口部６１１近傍の第１内部流路６３を流れる高温の圧縮カソードガス）と、の間で熱交換が行われ、第２内部流路６６内の水蒸気が１００℃以上に加熱される。
【００４８】
このように水蒸気を１００℃以上に加熱することで、飽和蒸気圧を高くすることができるので、第２内部流路６６から排出されて排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力を高くすることができる。
【００４９】
本実施形態では、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を概ね１２０℃程度まで加熱することが可能となっており、これにより飽和蒸気圧が概ね２３２［ｋＰａ］程度となる。そのため、基本的に前述したような水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置を設けることなく、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに供給することが可能となる。
【００５０】
したがって、加圧装置を駆動するための駆動力も不要なので、燃費の悪化を抑制できる。また加圧装置を搭載するためのスペースの確保も不要なので、燃料電池システム１００の大型化、及び高コスト化を防ぐことができる。
【００５１】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０（燃料電池）と、カソードガスを圧縮して燃料電池スタック１０に供給するためのカソードコンプレッサ２３（コンプレッサ）と、カソードコンプレッサ２３によって圧縮されて燃料電池スタック１０に供給される前の圧縮カソードガスを冷却すると共に加湿するための冷却加湿装置５０と、を備える。
【００５２】
冷却加湿装置５０は、圧縮カソードガスが供給される第１内部流路６３と、燃料電池スタック１０から排出された水が供給されると共に第１内部流路６３とは独立した第２内部流路６６と、を有し、第２内部流路６６に供給された水の蒸発潜熱によって第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスを冷却するインタクーラ６０（熱交換器）と、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で生じて第２内部流路６６から排出された水蒸気を、圧縮カソードガスに供給して加湿するための排出水蒸気供給配管５２（水蒸気供給流路）と、を備える。
【００５３】
そしてインタクーラ６０は、第２内部流路６６内で生じた水蒸気が、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと対向する方向に第２内部流路６６を流れるように構成されている。具体的には、第２内部流路６６は、燃料電池スタック１０から排出された水を第２内部流路６６内に供給するための液水供給口６６ａと、第２内部流路６６内から水蒸気を排出するための水蒸気排出口６６ｂと、を備えており、液水供給口６６ａは、第２内部流路６６内に供給された水によって液水供給口６６ａが塞がれる位置に設けられ、水蒸気排出口６６ｂは、液水供給口６６ａよりも重力方向上側に設けられている。
【００５４】
このように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの熱を、水を水蒸気に相変化させるための熱として使用することで、例えば液冷媒を相変化させずに第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスとの間で熱交換を行う場合と比較して、熱交換の効率を高めることができる。そのため、インタクーラ６０の冷却性能を向上させることができる。
【００５５】
またインタクーラ６０の内部において、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きと、を対向させることで、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、当該水蒸気が第２内部流路６６内を圧縮カソードガスと対向する向きに流れていく過程で第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスによって徐々に加熱することができる。そのため、飽和蒸気圧を高くすることができ、第２内部流路６６から排出されて排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力を高くすることができる。
【００５６】
これにより、排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力を、下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガスの圧力よりも高くできる場合には、基本的に水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置を設けることなく、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに供給することができる。
【００５７】
したがって、加圧装置を駆動するための駆動力も不要なので、燃費の悪化を抑制できる。また加圧装置を搭載するためのスペースの確保も不要なので、燃料電池システム１００の大型化、及び高コスト化を招くこともない。すなわち、本実施形態による冷却加湿装置５０によれば、燃費の悪化や燃料電池システムの大型化、及び高コスト化を防ぎつつ、圧縮カソードガスの冷却、及び加湿を行うことができる。
【００５８】
また、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど、燃料電池スタック１０に供給するカソードガス量を増加させる必要があるため、カソードガスの加湿度合いを一定に保つには、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど圧縮カソードガスに供給する水蒸気量を多くする必要がある。このとき本実施形態による冷却加湿装置５０によれば、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガス中の水分量も多くなるため、インタクーラ６０の第２内部流路６６に供給される液水量も多くなる。したがって、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど、第２内部流路６６内で生じる水蒸気量も多くなるので、燃料電池スタック１０の負荷に応じた適切な量の水蒸気を、特別な制御等を行うことなく圧縮カソードガスに供給することができる。
【００５９】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態は、液水供給配管５１に補助ポンプ８０を設けた点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００６０】
図４は、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。なお図４においても図１と同様に、発明の理解を容易にするため、インタクーラ６０の寸法を拡大して示している。
【００６１】
前述した第１実施形態のように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きと、を対向させて第２内部流路６６内で水蒸気を加熱し、第２内部流路６６から排出される水蒸気の圧力を高くしても、水蒸気の圧力を下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガスの圧力よりも高くできない場合がある。
【００６２】
このような場合には、図４に示すように、冷却加湿装置５０を、燃料電池スタック１０から排出された水を第２内部流路６６に供給するための液水供給配管５１（水供給通路）に、補助ポンプ８０を備えるように構成することができる。
【００６３】
このように補助ポンプ８０を設けることで、水蒸気を下流側供給配管２１ｂに供給するために不足する圧力を、補助ポンプ８０によって補うことができる。またこのような補助ポンプ８０を設けたとしても、第２内部流路６６内で水蒸気を加熱して水蒸気の圧力を予め高めておくことができるので、補助ポンプ８０の駆動力を抑えることができる。そのため、燃費の悪化を最小限に抑制できると共に、補助ポンプ８０として駆動力の小さい小型のポンプを採用することができる。したがって、燃料電池システム１００の大型化、高コスト化も最小限に抑えることができる。
【００６４】
またこのような補助ポンプ８０を設けることで、燃料電池スタック１０の負荷変動時等に、過渡的にカソードオフガス排出通路２４の上流側排出配管２４ａに排出される水分量が減少したとしても、液水供給配管５１を介して液水を第２内部流路６６に安定して供給することができる。そのため、燃料電池スタック１０の負荷変動時等に、第２内部流路６６に供給される液水が過渡的に減少して、インタクーラ６０の冷却性能が低下してしまうのを抑制できる。
【００６５】
さらにこのような補助ポンプ８０を設けることによって、第２内部流路６６内で水蒸気が加熱されて水蒸気の圧力が高くなることで、水蒸気の液水マニホールド６４側への逆流が懸念される場合においても、補助ポンプ８０を駆動することで水蒸気の逆流を防止することができる。
【００６６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態は、カソードコンプレッサ２３として２つ以上のコンプレッサから構成される多段式コンプレッサを用いてカソードガスを段階的に圧縮し、排出水蒸気供給配管５２の他端を多段式コンプレッサの段間の流路２３ｃに接続するようにした点で、第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。
【００６７】
図５は、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。なお図５においても図１と同様に、発明の理解を容易にするため、インタクーラ６０の寸法を拡大して示している。
【００６８】
前述した第１実施形態のように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きと、を対向させて第２内部流路６６内で水蒸気を加熱し、第２内部流路６６から排出される水蒸気の圧力を高くしても、水蒸気の圧力を下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガスの圧力よりも高くできない場合がある。
【００６９】
このような場合には、図５に示す燃料電池システム１００のように、カソードコンプレッサ２３として２つ以上のコンプレッサから構成される多段式コンプレッサを用いてカソードガスを段階的に圧縮し、排出水蒸気供給配管５２の他端を多段式コンプレッサの段間の流路２３ｃに接続するようにしても良い。
【００７０】
これにより、例えば図５に示すように、カソードコンプレッサ２３として２段式コンプレッサを用いた場合には、第１コンプレッサ２３ａと第２コンプレッサ２３ｂとの間の段間の流路２３ｃを流れる圧縮カソードガスの圧力が、排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力よりも低くなるように、第１コンプレッサ２３ａの吐出圧を調整することができる。これにより、前述したような水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置を設けることなく、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、排出水蒸気供給配管５２を介してカソードガス供給通路２１（本実施形態では第１コンプレッサ２３ａと第２コンプレッサ２３ｂとの間の段間の流路２３ｃ）に供給することができる。
【００７１】
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００によれば、カソードコンプレッサ２３（コンプレッサ）は、カソードガスを段階的に圧縮可能な多段式コンプレッサであり、排出水蒸気供給配管５２（水蒸気供給流路）は、第２内部流路６６から排出された水蒸気を、多段式コンプレッサの段間の流路２３ｃを流れる圧縮カソードガスに供給できるように構成されている。
【００７２】
これにより、多段式コンプレッサの段間の流路２３ｃを流れる圧縮カソードガスの圧力が、排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力よりも低くなるように、第１コンプレッサの吐出圧を調整することで、前述したような水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置を設けることなく、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに供給することができる。
【００７３】
したがって、燃費の悪化や燃料電池システム１００の大型化、及び高コスト化を防ぎつつ、圧縮カソードガスの冷却、及び加湿を行うことができる。
【００７４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００７５】
例えば上記の各実施形態では、第１内部流路６３及び第２内部流路６６は直線形状とされている。しかしながら、第１内部流路６３及び第２内部流路６６の流路形状は、圧縮カソードガスと水との間で熱交換ができ、かつ、圧縮カソードガスと水蒸気とが対向するように流れる形状であれば、特に限られるものではない。
【００７６】
また上記の各実施形態では、カソードオフガスから水を分離するために気液分離器７０を用いていたが、例えば気液分離器７０に替えて凝縮器を設けてカソードオフガス中の水を分離するようにしても良い。
【００７７】
またカソードオフガス中には液体の水も含まれているため、気液分離器７０を用いずに、カソードオフガス排出通路２４の他端をインタクーラ６０の液水入口部６４１に直接接続するようにしても良い。なおこのように冷却加湿装置５０を構成した場合は、カソードオフガス排出通路２４内を流れるカソードオフガスを冷却することができるように、カソードオフガス排出通路２４を熱伝導率の高い部材で構成したり、またカソードオフガス排出通路２４の外周面にフィンなどを設けたりして、カソードオフガス排出通路２４の放熱性能を向上させることが望ましい。
【００７８】
また上記の各実施形態において、例えば図６に示すように、第２内部流路６６の上部空間６６２を流れる水蒸気と、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガス（特に高温ガス入口部６１１近傍の第１内部流路６３を流れる高温の圧縮カソードガス）と、の間での熱交換を促進させるために、水蒸気が流れる第２内部流路６６の上部空間６６２に第２フィン６９を設けるようにしても良い。
【符号の説明】
【００７９】
１０    燃料電池スタック（燃料電池）
２３    カソードコンプレッサ（コンプレッサ）
５０    冷却加湿装置
５１    液水供給配管（水供給通路）
５２    排出水蒸気供給配管（水蒸気供給通路）
６０    インタクーラ（熱交換器）
６３    第１内部流路
６６    第２内部流路
６６ａ    液水供給口
６６ｂ    水蒸気排出口
８０    補助ポンプ
１００    燃料電池システム
【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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【図６】
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