(57)【要約】【課題】小型化を図ることができながら、燃料電池の冷却に伴う消費電力を低減することのできる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料電池３を冷却するための冷却部６９とを備え、冷却部６９は、冷却液体を供給するための冷却液体供給部８４と、気体を噴射し、冷却液体をミスト状にする噴射部７９と、ミスト状の冷却液体を含有する気体を燃料電池３に供給するためのミスト供給管８５とを備えている。【選択図】図２
2016048664.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池を冷却するための冷却機構と
を備え、
前記冷却機構は、
冷却液体を供給するための液体供給部と、
気体を噴射し、前記冷却液体をミスト状にする噴射部と、
ミスト状の前記冷却液体を含有する前記気体を前記燃料電池に供給するためのミスト供給部と
を備えている
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池に供給された前記冷却液体を前記液体供給部に戻すための液体循環部をさらに備え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】
前記冷却液体は、水よりも蒸気圧の高い有機溶媒であることを特徴する請求項１または２に記載の燃料電池。
【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】
現在まで、燃料電池としては、アルカリ形（ＡＦＣ）、固体高分子形（ＰＥＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体電解質形（ＳＯＦＣ）などの各種のものが知られている。なかでも、固体高分子形燃料電池は、比較的低温で運転できることから、例えば、自動車用途などの各種用途での使用が検討されている。
【０００３】
具体的には、燃料極としてのアノードと、酸素極としてのカソードとが、固体高分子膜からなる電解質層を挟んで対向配置される固体高分子形の燃料電池が知られている。
【０００４】
このような燃料電池は、発電によって発熱し高温となるために、冷却する必要があり、冷却水を循環させることによって、高温となった燃料電池を冷却することのできる燃料電池システムが知られている。
【０００５】
このような燃料電池システムとして、燃料電池を冷却することにより温水となる冷却水を、ラジエータに供給し、ラジエータファンなどからの送風により冷却し、循環させて、再度燃料電池を冷却する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−０７２０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかるに、上記した特許文献１に記載の燃料電池システムでは、冷却水自体を冷却するためのラジエータ、および、ラジエータファンを設けることによる大型化、および、ラジエータファンを駆動させるための消費電力が増加するという不具合が生じる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、小型化を図ることができながら、燃料電池の冷却に伴う消費電力を低減することの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】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池を冷却するための冷却機構とを備え、冷却機構は、冷却液体を供給するための液体供給部と、気体を噴射し、冷却液体をミスト状にする噴射部と、ミスト状の冷却液体を含有する気体を燃料電池に供給するためのミスト供給部とを備えていることを特徴としている。
【００１０】
このような燃料電池システムによれば、燃料電池には、ミスト状の冷却液体が供給される。そして、ミスト状の冷却液体は、燃料電池に接触し、燃料電池の発熱により気化する。このように、ミスト状の冷却液体が気化するときの気化熱によって燃料電池を冷却することができる。
【００１１】
つまり、冷却液体自体が高温であった場合であっても、冷却液体をミスト状とすることによって、燃料電池を冷却することができる。
【００１２】
そのため、ミスト状の冷却液体を用いて燃料電池を冷却することによって、冷却液体自体を冷却しておく必要がなく、冷却液体自体を冷却するための装置を別途必要としないので、冷却液体を液体のまま燃料電池の冷却に利用する場合と比較して、冷却機構の小型化を図ることができ、消費電力を低減することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給された冷却液体を液体供給部に戻すための液体循環部をさらに備えている。
【００１４】
このような燃料電池システムによれば、液体循環部によって、燃料電池の冷却に使用した冷却液体を液体供給部に戻すことができる。
【００１５】
そのため、冷却液体は、それ自体が高温であった場合であっても、冷却液体をミスト状とすることにより、燃料電池を冷却することができるので、高温となって液体供給部に戻されても、冷却液体自体を冷却する工程を必要とせず、再度、燃料電池の冷却に使用することができる。
【００１６】
その結果、冷却液体を循環させて、燃料電池の冷却に効率よく再利用することができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池システムは、冷却液体は、水よりも蒸気圧の高い有機溶媒であることが好適である。
【００１８】
このような燃料電池システムによれば、冷却液体として、水よりも蒸気圧の高い有機溶媒を用いることにより、ミスト状の冷却液体を容易に気化させることができ、効率よく燃料電池を冷却することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池システムによれば、小型化を図ることができながら、燃料電池の冷却に伴う消費電力を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示す冷却部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
１．燃料電池システムの全体構成
図１において、電動車両１は、燃料電池およびバッテリを選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００２２】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、冷却部６９と、制御部６と、動力部７とを備えている。
【００２３】
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給および排出される、例えば、アニオン交換型燃料電池またはカチオン交換型燃料電池であって、電動車両１の中央下側に配置されている。
【００２４】
燃料電池３に供給され、また、燃料電池３から排出される液体燃料としては、例えば、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン類（例えば、無水ヒドラジンや、ヒドラジン１水和物などの水加ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。
【００２５】
燃料電池３は、アニオン交換膜からなる電解質層８と、電解質層８の一方側に配置されたアノード９と、電解質層８の他方側に配置されたカソード１０とを備える単位セル１１（燃料電池セル）が、絶縁材料からなるセパレータ（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造に形成されている。なお、図１では、積層される複数の単位セル１１のうち、電動車両１の前後方向最前端に配置される単位セル１１だけを拡大して表わし、その他の単位セル１１については簡略化して記載している。
【００２６】
燃料電池３は、燃料供給口１５と、燃料排出口１４と、空気供給口１６と、空気排出口１７と、第１冷却口１８と、第２冷却口１９とを備えている。
【００２７】
燃料供給口１５は、液体燃料をアノード９内に流入させるための入口であって、燃料電池３の後端部に形成されている。
【００２８】
燃料排出口１４は、液体燃料をアノード９から排出するための出口であって、燃料電池３の後端部に形成されている。
【００２９】
燃料供給口１５から流入された液体燃料は、スタックされた複数の単位セル１１のアノード９を通過し、燃料排出口１４に向かいながら、アノード９と接触する。
【００３０】
空気供給口１６は、空気をカソード１０内に流入させるための入口であって、燃料電池３の前端部に形成されている。
【００３１】
空気排出口１７は、空気をカソード１０から排出するための出口であって、燃料電池３の前端部に形成されている。
【００３２】
空気供給口１６から流入された空気は、スタックされた複数の単位セル１１のカソード１０を通過し、空気排出口１７に向かいながら、カソード１０と接触する。
【００３３】
第１冷却口１８は、後述するミストを含む気体を燃料電池３に流入させるための入口であって、燃料電池３の後端部に形成されている。
【００３４】
第２冷却口１９は、後述する気化したミストを含む気体を排出するための出口であって、燃料電池３の前側部に形成されている。
【００３５】
第１冷却口１８から流入されたミストを含む気体は、スタックされた複数の単位セル１１間のセパレータ（図示せず）を通過し、第２冷却口１９に向かいながら、セパレータ（図示せず）と接触する。
【００３６】
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、アノード９に液体燃料を供給するために設けられている。
【００３７】
燃料給排部４は、液体燃料を貯蔵するための燃料タンク２１と、燃料タンク２１から供給される液体燃料をアノード９に供給するとともに、燃料電池３（具体的には、アノード９）から排出される液体燃料を燃料電池３（アノード９）に還流するための燃料還流管２２とを備えている。
【００３８】
燃料タンク２１は、燃料電池３よりも後方に配置されている。燃料タンク２１には、上記した液体燃料が貯蔵されている。
【００３９】
燃料還流管２２は、その一端側（下側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料供給口１５に接続され、他端側（上側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の燃料排出口１４に接続されている。
【００４０】
これにより、燃料排出口１４（上流側）から排出される液体燃料が、燃料還流管２２を介して燃料供給口１５（下流側）へ流れることによりアノード９を循環するクローズドライン（閉流路）が形成される。
【００４１】
また、燃料還流管２２の途中には、濃度調整タンク２３と、第１気液分離器２４とが介在されている。
【００４２】
濃度調整タンク２３は、例えば、中空の容器からなり、その上壁には、濃度調整タンク２３の内外を流通させる燃料流入口２５、および、循環燃料流入口２６が形成されている。また、濃度調整タンク２３の側壁には、濃度調整タンク２３の内外を流通させる循環燃料流出口２７が形成されている。
【００４３】
燃料流入口２５、循環燃料流入口２６、および、循環燃料流出口２７は、濃度調整タンク２３の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００４４】
濃度調整タンク２３は、燃料電池３よりも電動車両１の後方、かつ、電動車両１の下方において、循環燃料流入口２６と、循環燃料流出口２７とが、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料還流管２２に接続されることにより、燃料還流管２２に介装されている。
【００４５】
これによって、濃度調整タンク２３の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
【００４６】
また、燃料還流管２２において濃度調整タンク２３の下流側、かつ、燃料電池３の上流側の途中には、燃料電池３に液体燃料を輸送するための循環燃料輸送ポンプ２９が介在されている。
【００４７】
循環燃料輸送ポンプ２９としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが用いられる。循環燃料輸送ポンプ２９は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００４８】
燃料流入口２５には、燃料タンク２１に貯蔵された液体燃料を濃度調整タンク２３に供給するための燃料供給管３１が接続されている。
【００４９】
具体的には、燃料供給管３１は、その一端側が、燃料流入口２５に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、その他端側が、燃料タンク２１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【００５０】
また、燃料供給管３１の途中には、燃料供給弁３２が設けられている。
【００５１】
燃料供給弁３２は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００５２】
また、燃料供給管３１において、燃料供給弁３２と燃料タンク２１との間（燃料供給弁３２の上流側）には、燃料輸送ポンプ３３が設けられている。
【００５３】
燃料輸送ポンプ３３としては、例えば、循環燃料輸送ポンプ２９と同様の公知の送液ポンプが用いられる。燃料輸送ポンプ３３は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００５４】
第１気液分離器２４は、例えば、中空の容器からなり、その側壁の上部には、第１気液分離器２４の内外を流通させる排出燃料流入口３６、および、ガス排出口３７が形成されている。また、第１気液分離器２４の底壁には、第１気液分離器２４の内外を流通させる排出燃料流出口３８が形成されている。排出燃料流入口３６、ガス排出口３７、および、排出燃料流出口３８は、中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００５５】
第１気液分離器２４は、燃料電池３よりも電動車両１の後方、かつ、電動車両１の上方において、排出燃料流入口３６と排出燃料流出口３８とが、それぞれ、シール材（ガスケットなど）を介して、燃料還流管２２に接続されることにより、燃料還流管２２に介装されている。
【００５６】
これによって、第１気液分離器２４の中空部分が、クローズドラインの一部を形成している。
【００５７】
ガス排出口３７には、第１気液分離器２４で分離されたガス（気体）を排出するためのガス排出管３９が接続されている。ガス排出管３９は、その一端側（上流側）が、シール材（ガスケットなど）を介してガス排出口３７に接続され、その他端側（下流側）がドレンとされる。また、ガス排出管３９の途中には、ガス排出弁４０が設けられている。
【００５８】
ガス排出弁４０は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００５９】
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気をカソード１０に供給するための空気供給管４３と、カソード１０から排出される空気を外部に排出するための空気排出管４４とを備えている。
【００６０】
空気供給管４３は、その一端側（上流側）が大気に開放され、他端側（下流側）が空気供給口１６に接続されている。空気供給管４３の途中には、空気供給ポンプ４５が介在されている。
【００６１】
空気供給ポンプ４５としては、例えば、エアコンプレッサなど、公知の送気ポンプが用いられる。空気供給ポンプ４５は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００６２】
空気供給管４３において、空気供給ポンプ４５の下流側には、空気供給弁４６が設けられている。
【００６３】
空気供給弁４６は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００６４】
空気排出管４４は、その一端側（上流側）が空気排出口１７に接続され、他端側（下流側）がドレンとされる。
【００６５】
空気排出管４４には、空気排出弁４７が設けられている。
【００６６】
空気排出弁４７は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【００６７】
また、空気排出管４４において、空気排出弁４７と燃料電池３との間（空気排出弁４７の上流側）には、第２気液分離器５１が設けられている。
【００６８】
第２気液分離器５１には、詳しくは後述するが、燃料電池３の反応によって発生する水などの液体が流入する。
【００６９】
第２気液分離器５１は、例えば、中空の容器からなり、その側壁の上部には、第２気液分離器５１の内外を流通させる気体流入口５３、および、気体流出口５４が形成されている。
【００７０】
気体流入口５３、および、気体流出口５４は、第２気液分離器５１の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【００７１】
第２気液分離器５１は、燃料電池３よりも電動車両１の前方、かつ、電動車両１の下方において、気体流入口５３と気体流出口５４とが、それぞれシール材（ガスケットなど）を介して、空気排出管４４に接続されることにより、空気排出管４４に介装されている。
【００７２】
すなわち、気体流入口５３と気体流出口５４とのそれぞれに対して空気排出管４４が接続され、気体流入口５３に接続された上流側の空気排出管４４と、気体流出口５４に接続された下流側の空気排出管４４とが第２気液分離器５１の中空部分を介して連通している。
【００７３】
（４）冷却部
冷却部６９は、具体的には後述するが、電気化学反応が生じることによって発熱し、高温となる燃料電池３を冷却するように構成されている。
【００７４】
（５）制御部
制御部６は、燃料電池システム２のコントロールユニット６０を備えている。
【００７５】
コントロールユニット６０は、電動車両１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
【００７６】
（６）動力部
動力部７は、燃料電池３から出力される電気エネルギを電動車両１の駆動力として機械エネルギに変換するためのモータ６１と、モータ６１に電気的に接続されるインバータ６２と、モータ６１による回生エネルギを蓄電するための動力用バッテリ６３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４とを備えている。
【００７７】
モータ６１は、燃料電池３よりも前方、電動車両１の前側に配置されている。モータ６１としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機など、公知の三相電動機が挙げられる。
【００７８】
インバータ６２は、モータ６１と燃料電池３との間に配置されている。インバータ６２は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する装置であって、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置が挙げられる。また、インバータ６２は、配線により、燃料電池３およびモータ６１にそれぞれ電気的に接続されるとともに、図示しないが、コントロールユニット６０と電気的に接続されており、これにより、燃料電池３の発電を制御している。
【００７９】
動力用バッテリ６３としては、例えば、定格電圧が１００Ｖ程度のニッケル水素電池や、リチウムイオン電池など、公知の二次電池が挙げられる。また、動力用バッテリ６３は、インバータ６２と燃料電池３との間の配線に接続され、これにより、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ６１に電力を供給可能とされている。
【００８０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、動力用バッテリ６３と燃料電池３との間に配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、燃料電池３の出力電圧を昇降圧する機能を有し、燃料電池３の電力および動力用バッテリ６３の入出力電力を調整する機能を有している。
【００８１】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、図示しないが、コントロールユニット６０と電気的に接続されており、これにより、コントロールユニット６０から出力される出力制御信号の入力に応じて、燃料電池３の出力（出力電圧）を制御する。
【００８２】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４は、配線により、燃料電池３および動力用バッテリ６３にそれぞれ電気的に接続されているとともに、配線の分岐により、インバータ６２に電気的に接続されている。
【００８３】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４からモータ６１への電力は、インバータ６２において直流電力から三相交流電力に変換され、三相交流電力としてモータ６１に供給される。
【００８４】
２．燃料電池システムによる発電
上記した燃料電池システム２では、コントロールユニット６０の制御により、燃料供給弁３２が開かれ、燃料輸送ポンプ３３が駆動されることにより、燃料タンク２１に貯留される液体燃料が、燃料供給管３１を通過して、燃料流入口２５から濃度調整タンク２３に流入する。
【００８５】
燃料供給弁３２の開閉は、濃度調整タンク２３の液体燃料の液溜まりが循環燃料流出口２７よりも下方にならないように制御されており、具体的には、例えば、濃度調整タンク２３の液面レベルが所定値に達したとき、または、一定の時間間隔で、燃料供給弁３２が開かれる。
【００８６】
そして、コントロールユニット６０の制御により、循環燃料輸送ポンプ２９が駆動されることによって、濃度調整タンク２３に貯留される液体燃料が、燃料還流管２２を介して、アノード９に供給される。
【００８７】
一方、コントロールユニット６０の制御により、空気供給弁４６および空気排出弁４７が開かれ、空気供給ポンプ４５が駆動されることにより、空気が空気供給管４３を介してカソード１０に供給される。
【００８８】
アノード９では、液体燃料が、アノード９内を通過する。一方、カソード１０では、空気が、カソード１０内を通過する。
【００８９】
そして、アノード９、および、カソード１０において電気化学反応が生じ、起電力が発生するとともに、この電気化学反応によって、液体燃料中にガス（気泡）が発生する。例えば、液体燃料がヒドラジンである場合には、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−  （アノード９での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−          （カソード１０での反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ              （燃料電池３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード９では、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）とカソード１０での反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）とが反応して、窒素（Ｎ２（ガス））および水（Ｈ２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ−）が発生する（上記式（１）参照）。
【００９０】
このようなアノード９およびカソード１０での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として、上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。
【００９１】
そして、発生した起電力が、配線を介して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６４に送電され、動力部７では、インバータ６２およびモータ６１、および／または、動力用バッテリ６３に送電される。そして、モータ６１では、インバータ６２により三相交流電力に変換された電気エネルギが電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギに変換される。一方、動力用バッテリ６３では、その電力が充電される。
【００９２】
また、燃料給排部４では、アノード９から排出される液体燃料が、燃料還流管２２（燃料電池３の下流側、かつ、第１気液分離器２４の上流側の燃料還流管２２）を通過して、排出燃料流入口３６から第１気液分離器２４に流入する。
【００９３】
第１気液分離器２４では、液面レベルが、排出燃料流入口３６およびガス排出口３７よりも下方位置に保持される液体燃料の液溜まりが、第１気液分離器２４の中空部分に生じるとともに、液溜まりに含まれるガス（例えば、液体燃料がヒドラジンである場合に上記式（１）の反応により生成する窒素（Ｎ２）など）の一部が液溜まりの上方空間へ分離される。その一方で、液溜まりの一部（液体燃料）が、排出燃料流出口３８から、第１気液分離器２４の下流側の燃料還流管２２に流出する。
【００９４】
燃料還流管２２に流出する液体燃料は、濃度調整タンク２３において、燃料タンク２１からの液体燃料（一次燃料）と混合されて、濃度が調整され、二次燃料として、濃度調整タンク２３の下流の循環燃料流出口２７を通過して、再び燃料供給口１５に流入する。このようにして、液体燃料が、クローズドライン（燃料還流管２２、第１気液分離器２４および燃料電池３）を循環する。なお、第１気液分離器２４で分離されたガスは、コントロールユニット６０の制御により、ガス排出弁４０が開かれることによって、ガス排出管３９を介して外部へ排出される。
【００９５】
一方、空気給排部５では、空気排出管４４を介して、第２気液分離器５１に、カソード１０から排出される空気（反応に寄与した酸素を除く空気）が流入する。また、上記の燃料電池３における電気化学反応において、消費されない液体燃料や生成された水が、電解質層８を透過し、カソード１０に漏出し、空気排出口１７から排出され、第２気液分離器５１に流入する場合がある（クロスリーク現象）。
【００９６】
そして、第２気液分離器５１では、液面レベルが、気体流入口５３、および、気体流出口５４よりも下方位置に保持される液溜まりが、第２気液分離器５１の中空部分に生じ、貯蔵されるとともに、空気の一部が液溜まりの上方空間へ分離される。なお、第２気液分離器５１で分離された空気は、コントロールユニット６０の制御により、空気排出弁４７が開かれることによって、空気排出管４４を介して外部へ排出される。
【００９７】
３．冷却部の詳細
冷却部６９は、チャンバ７０と、冷却液体還流部７１と、気体供給部７２とを備えている。
【００９８】
チャンバ７０は、燃料電池３よりも前下側に配置されている。チャンバ７０は、図２に示すように、前後方向に延びる断面略楕円形状の中空の容器からなる。チャンバ７０の上壁には、チャンバ７０の内外を流通させる冷却液体供給口７５が形成されている。また、チャンバ７０の前壁には、チャンバ７０の内外を流通させる気体供給口７６が形成されている。また、チャンバ７０の後壁には、ミスト排出口７７が形成されている。
【００９９】
冷却液体供給口７５、気体供給口７６、および、ミスト排出口７７は、チャンバ７０の中空部分を介して互いに流通可能とされている。なお、冷却液体供給口７５は、後述する噴射開口８２に臨むように配置されている。
【０１００】
また、チャンバ７０は、その内部に、噴射部７９と、案内部８０とを備えている。
【０１０１】
噴射部７９は、チャンバ７０内の前側部分に配置されている。噴射部７９は、前後方向に延び、後側に向かうに従って、その直径が徐々に小径となる略円錐筒形状に形成されている。噴射部７９は、気体供給口７６と軸線が一致している。噴射部７９の前端は、気体供給口７６を囲うように、チャンバ７０の内面に連続している。また、噴射部７９の後側の開口を、噴射開口８２とする。噴射開口８２は、冷却液体供給口７５よりも前側となるように配置されている。
【０１０２】
案内部８０は、チャンバ７０内の後側部分に配置されている。案内部８０は、前後方向に延び、後側に向かうに従って、その直径が徐々に小径となる略円錐筒形状に形成されている。案内部８０は、ミスト排出口７７と軸線が一致している。案内部８０の後端は、ミスト排出口７７の周縁に連続している。なお、案内部８０の前上側部分は、上側に屈曲され、冷却液体供給口７５よりも後側におけるチャンバ７０の内面に連続されている。また、案内部８０の前側の開口を、案内開口８３とする。案内開口８３の直径は、噴射開口８２よりも大きく形成されている。
【０１０３】
冷却液体還流部７１は、液体供給部の一例としての冷却液体供給部８４と、ミスト供給部の一例としてのミスト供給管８５と、液体循環部の一例としての冷却液体還流管８６とを備えている。
【０１０４】
冷却液体供給部８４は、チャンバ７０に冷却液体を供給するために設けられている。冷却液体供給部８４は、冷却液体タンク８９と、冷却液体供給管９３とを備えている。
【０１０５】
冷却液体タンク８９は、燃料電池３の前下側、かつ、チャンバ７０の上側に配置されている。冷却液体タンク８９は、例えば、中空の容器からなり、冷却液体として、水よりも蒸気圧の高い有機溶媒が貯蔵されている。有機溶媒としては、メタノール、エタノール、プロパノール、アセトン、酢酸エチルなど、同条件下（同一温度、同一圧力）において、水よりも蒸気圧が高い有機溶媒が挙げられる。好ましくは、メタノール、エタノール、さらに好ましくは、エタノールが挙げられる。言い換えると、冷却液体として、水よりも揮発性が高い有機溶媒が用いられる。冷却液体タンク８９の上壁には、冷却液体タンク８９の内外を流通させる気体排出口９２が形成されている。冷却液体タンク８９の側壁の上部には、冷却液体タンク８９の内外を流通させる冷却液体流入口９０が形成されている。また、冷却液体タンク８９の下壁には、冷却液体タンク８９の内外を流通させる冷却液体流出口９１が形成されている。
【０１０６】
気体排出口９２、冷却液体流入口９０、および、冷却液体流出口９１は、冷却液体タンク８９の中空部分を介して互いに流通可能とされている。
【０１０７】
気体排出口９２には、冷却液体タンク８９に流入した気体を排出するための気体排出管９５が接続されている。気体排出管９５は、その一端側（上流側）が、シール材（ガスケットなど）を介して気体排出口９２に接続され、その他端側（下流側）が、空気排出管４４（第２気液分離器５１と空気排出弁４７の間）から分岐するように接続されている。
【０１０８】
冷却液体供給管９３は、その一端側（下流側）が、冷却液体タンク８９の冷却液体流出口９１に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されるとともに、他端側（上流側）が、チャンバ７０の冷却液体供給口７５に、シール材（ガスケットなど）を介して接続されている。
【０１０９】
また、冷却液体供給管９３の途中には、冷却液体供給弁９４が設けられている。
【０１１０】
冷却液体供給弁９４は、図１に示すように、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【０１１１】
ミスト供給管８５は、図１および図２に示すように、その一端側（上流側）がシール材（ガスケットなど）を介してチャンバ７０のミスト排出口７７に接続され、その他端側（下流側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の第１冷却口１８に接続されている。
【０１１２】
冷却液体還流管８６は、その一端側（上流側）がシール材（ガスケットなど）を介して燃料電池３の第２冷却口１９に接続され、その他端側（下流側）がシール材（ガスケットなど）を介して冷却液体タンク８９の冷却液体流入口９０に接続されている。
【０１１３】
これにより、燃料電池３の第２冷却口１９から、冷却液体還流管８６、冷却液体タンク８９、冷却液体供給管９３、チャンバ７０、および、ミスト供給管８５を介して、第２冷却口１９に流れるクローズドライン（閉流路）が形成される。
【０１１４】
気体供給部７２は、空気をチャンバ７０に供給するために設けられている。気体供給部７２は、気体供給管９７と、気体供給ポンプ９８とを備えている。
【０１１５】
気体供給管９７は、その一端側（上流側）が大気に開放され、他端側（下流側）がチャンバ７０の気体供給口７６に接続されている。
【０１１６】
気体供給ポンプ９８は、気体供給管９７の途中に介在されている。気体供給ポンプ９８としては、例えば、エアコンプレッサなど、公知の送気ポンプが用いられる。気体供給ポンプ９８は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【０１１７】
なお、気体供給管９７において、気体供給ポンプ９８の下流側には、気体供給弁９９が設けられている。
【０１１８】
気体供給弁９９は、コントロールユニット６０（後述）に電気的に接続されている（図１の破線参照）。
【０１１９】
４．冷却部による燃料電池の冷却
上記のような燃料電池３による発電では、燃料電池３が発熱により高温となるために、燃料電池３を冷却する必要がある。
【０１２０】
上記した冷却部６９では、コントロールユニット６０の制御により、冷却液体供給弁９４が開かれることにより、冷却液体タンク８９に貯留される冷却液体が、冷却液体供給管９３を介して、冷却液体供給口７５からチャンバ７０に供給される。チャンバ７０に供給された冷却液体は、噴射部７９の噴射開口８２の後方に向かって落下する。
【０１２１】
また、同時に、コントロールユニット６０の制御により、気体供給弁９９が開かれ、気体供給ポンプ９８が駆動されることにより、空気が気体供給管９７を介して、気体供給口７６からチャンバ７０内に供給される。
【０１２２】
そうすると、チャンバ７０に供給された空気は、チャンバ７０内において、噴射部７９内を通過することによって加速され、噴射開口８２からミスト排出口７７に向かって噴射される。
【０１２３】
このとき、噴射部７９の噴射開口８２から噴射された空気が、噴射開口８２に向かって落下する冷却液体に衝突する。これにより、冷却液体は、空気によって砕かれて、霧状（ミスト状）となる。そして、ミスト状となった冷却液体は、噴射された空気とともに、案内部８０に案内されるようにしてチャンバ７０内を通過し、ミスト排出口７７から排出され、ミスト供給管８５に供給される。
【０１２４】
ミスト供給管８５に流入したミスト状の冷却液体を含む気体は、第１冷却口１８を介して燃料電池３内に供給される。
【０１２５】
ミスト状の冷却液体は、燃料電池３を通過するときに、燃料電池３の内部（セパレータ）に接触する。
【０１２６】
燃料電池３の内部に付着したミスト状の冷却液体は、燃料電池３の発熱、および、送風により、気化し、そのときの気化熱により、燃料電池３の熱を奪うことで、燃料電池３を冷却する。
【０１２７】
気化した冷却液体を含む空気は、第２冷却口１９から、冷却液体還流管８６に排出され、冷却液体還流管８６から、冷却液体流入口９０を介して、冷却液体タンク８９に戻される。
【０１２８】
そして、気化した冷却液体は、冷却液体タンク８９内で再度、凝縮して液体となり、冷却液体タンク８９に貯留される。
【０１２９】
また、気化した冷却液体とともに冷却液体タンク８９内に流入する空気は、気体排出口９２を介して、気体排出管９５から空気排出管４４に排出され、外部へ排出される。
【０１３０】
なお、冷却液体は、燃料電池３の冷却に利用されたことで、高温となっており、高温のまま、冷却液体タンク８９に再度貯蔵されるが、ミスト状にして利用されるので、冷却液体を冷却することなく、再利用が可能である。
【０１３１】
このようにして、循環する冷却液体の気化熱により、燃料電池３が冷却される。
【０１３２】
５．作用効果
このような燃料電池システム２によれば、図２に示すように、冷却液体供給部８４からチャンバ７０に供給される冷却液体は、噴射部７９から空気が噴射されることによってミスト状となる。そして、燃料電池３には、ミスト供給管８５を介して、ミスト状の冷却液体が供給される。ミスト状の冷却液体は、燃料電池３に接触し、燃料電池３の発熱により気化する。このように、ミスト状の冷却液体が気化するときの気化熱によって燃料電池３を冷却することができる。
【０１３３】
つまり、冷却液体自体が高温であった場合であっても、冷却液体をミスト状とすることによって、燃料電池３を冷却することができる。
【０１３４】
そのため、ミスト状の冷却液体を用いて燃料電池３を冷却することによって、冷却液体自体を冷却しておく必要がなく、冷却液体自体を冷却するための装置を別途必要としないので、冷却液体を液体のまま燃料電池３の冷却に利用する場合と比較して、冷却部６９の小型化を図ることができ、消費電力を低減することができる。
【０１３５】
また、このような燃料電池システム２によれば、図２に示すように、冷却液体還流管８６によって、燃料電池３の冷却に使用した冷却液体を冷却液体供給部８４の冷却液体タンク８９に戻すことができる。
【０１３６】
そのため、冷却液体は、それ自体が高温であった場合であっても、冷却液体をミスト状とすることにより、燃料電池３を冷却することができるので、高温となって冷却液体供給部８４の冷却液体タンク８９に戻されても、冷却液体自体を冷却する工程を必要とせず、再度、燃料電池３の冷却に使用することができる。
【０１３７】
その結果、冷却液体を循環させて、燃料電池３の冷却に効率よく再利用することができる。
【０１３８】
また、このような燃料電池システム２によれば、冷却液体として、水よりも蒸気圧の高い有機溶媒を用いることにより、ミスト状の冷却液体を容易に気化させることができ、効率よく燃料電池３を冷却することができる。
【０１３９】
６．変形例
本実施形態では、冷却液体タンク８９に、冷却液体として、水よりも蒸気圧の高い有機溶媒を貯蔵して使用しているが、水（Ｈ２Ｏ）を貯蔵して使用することもできる。なお、その場合には、図１に破線で示すように、第２気液分離器５１と冷却液体タンク８９とを連結する連結管１０１を設けて、第２気液分離器５１において分離された水を、冷却液体タンク８９に供給して、使用することもできる。
【０１４０】
また、気体供給ポンプ９８を設けず、空気供給ポンプ４５よりも下流側の空気供給管４３を分岐させ、気体供給口７６に接続することで、チャンバ７０に空気を噴射するように構成することもできる。
【０１４１】
また、空気以外の気体（例えば、窒素ガスなど）をチャンバ７０内に噴射し、冷却液体をミスト化することもできる。
【０１４２】
また、噴射部７９の噴射開口８２は、冷却液体供給口７５よりも後側となるように配置することもできる。
【符号の説明】
【０１４３】
２      燃料電池システム
３      燃料電池
６９    冷却部
７９    噴射部
８４    冷却液体供給部
８５    ミスト供給管
８６    冷却液体還流管
【図１】
2016048664.tif 000003
【図２】
2016048664.tif 000004