JP2018055931A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機により圧縮された空気を効率良く冷却すること。【解決手段】インタークーラ２０は、排出配管３１を流通する水を捕捉する捕捉部材３０を有する。捕捉部材３０は、第１流路１７０を流れる空気と熱交換可能な位置に配置されている。これによれば、圧縮機から吐出された空気は、捕捉部材３０を通過する際に、捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

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有す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。例えば特許文献１に開示されているように、燃料電池システムにおいては、空気を圧縮する圧縮機が用いられている。また、燃料電池システムは、圧縮機により圧縮された高温高圧の空気を、燃料電池スタックに供給する前に冷却するために用いられるインタークーラ（冷却部）を備えている。

特開平１１−３２９４７０号公報

ところで、燃料電池システムでは、インタークーラを用いて、圧縮機により圧縮された高温高圧の空気を、燃料電池スタックに供給する前に冷却しているが、圧縮機により圧縮された空気を、燃料電池スタックに供給する前にさらに効率良く冷却することが望まれている。

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、圧縮機により圧縮された空気を効率良く冷却す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。

上記課題を解決する燃料電池システムは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された空気が供給される燃料電池スタックと、前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間を繋ぐ第１流路と、前記第１流路を流れる空気を冷却する冷却部と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックから当該燃料電池スタックで生成された水を排出する排出流路を有し、前記冷却部は、前記排出流路を流通する前記水を捕捉する捕捉部材を有し、前記捕捉部材は、前記第１流路を流れる空気と熱交換可能な位置に配置される。

これによれば、圧縮機により圧縮されて圧縮機から吐出された空気は、第１流路を流れて捕捉部材を通過する際に、捕捉部材によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。よって、捕捉部材を有していない冷却部に比べて、圧縮機により圧縮された空気を効率良く冷却することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックから排出された空気を膨張させて前記空気の排気エネルギーを回収する膨張機と、前記膨張機と前記冷却部との間を繋ぐ第２流路と、を有していてもよい。

膨張機から排出された空気は、膨張機により膨張されたことで低温低圧になっているとともに水を含んでいる。膨張機から排出された水を含んだ空気は、第２流路を介して冷却部に導入される。そして、圧縮機により圧縮されて圧縮機から吐出された空気は、冷却部において、第２流路を介して冷却部に導入された空気に含まれる水と熱交換されることにより冷却される。よって、圧縮機により圧縮された空気を効率良く冷却することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの内部抵抗値に応じて、前記捕捉部材へ供給される水の供給量を制御する制御部を備えてもよい。
第１流路を流れる空気は、捕捉部材を通過すると、捕捉部材が水を捕捉しているため、湿度が上昇する。すると、第１流路を流れる空気の湿度が上昇し過ぎて、燃料電池スタックの内部の湿度が過剰となる可能性がある。

燃料電池スタックの発電を効率良く行うためには、燃料電池スタックの内部の湿度を予め定められた所望の湿度に保つ必要がある。ここで、燃料電池スタックの内部抵抗値と燃料電池スタックの内部の湿度とは相関関係にある。よって、制御部が、燃料電池スタックの内部抵抗値に応じて、捕捉部材へ供給される水の供給量を制御することにより、第１流路を流れる空気の湿度を調節することができる。その結果、燃料電池スタックの内部の湿度を予め定められた所望の湿度に調節し易くすることができ、燃料電池スタックの発電を効率良く行うことができる。

上記課題を解決する燃料電池システムは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮された空気が供給される燃料電池スタックと、前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間を繋ぐ第１流路と、前記第１流路を流れる空気を冷却する冷却部と、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックから当該燃料電池スタックで生成された水を排出する排出配管を有し、前記排出配管は、一部分が前記圧縮機の吐出室内に設けられるとともに両端が前記圧縮機の外側に設けられており、前記排出配管の前記一部分内には、前記排出配管内を流通する前記水を捕捉する捕捉部材が設けられている。

これによれば、圧縮機により圧縮されて吐出室内に吐出された空気は、排出配管を介して捕捉部材によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。よって、圧縮機により圧縮された空気を効率良く冷却することができる。

この発明によれば、圧縮機により圧縮された空気を効率良く冷却することができる。

実施形態における燃料電池システムの概略構成図。 インタークーラの模式図。 インタークーラ周辺の斜視図。 別の実施形態におけるインタークーラ周辺の斜視図。 別の実施形態におけるインタークーラの部分断面図。 （ａ）は別の実施形態におけるインタークーラのチューブの斜視図、（ｂ）はチューブの断面図。 別の実施形態におけるインタークーラの部分断面図。 別の実施形態における燃料電池システムの概略構成図。

以下、燃料電池システムを具体化した一実施形態を図１〜図３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車両（燃料電池車）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、空気を圧縮する圧縮機１２と、燃料電池スタック１１から排出された空気を膨張させて空気の排気エネルギーを回収する膨張機１３とを備えている。圧縮機１２及び膨張機１３は、電動モータで駆動するターボ式の電動流体機械である。燃料電池スタック１１は、複数のセルを直列に積層して構成されている。

燃料電池スタック１１は、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。なお、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から排出される。

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、燃料電池車は、アクセル開度に応じた車速で走行する。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１を冷却するための冷却水（ＬＬＣ）が循環する流路を構成する循環配管１５と、循環配管１５内を流れる冷却水を圧送するポンプ１５ａと、ラジエータ１５ｂと、を有する冷却水回路１５０を備えている。

循環配管１５の一部分であるラジエータ内配管１５１は、ラジエータ１５ｂ内に設けられている。ラジエータ内配管１５１内を流れる冷却水は、外気と熱交換することで冷却される。

循環配管１５の他の一部分であるスタック内配管１５２は、燃料電池スタック１１内を通過している。燃料電池スタック１１は、スタック内配管１５２内を流れる冷却水と熱交換されることにより冷却される。

燃料電池システム１０では、膨張機１３において、燃料電池スタック１１から排出された空気が膨張し、空気の排気エネルギーが機械的エネルギーとして取り出され、膨張機１３の電動モータが発電機として機能して電動モータに回生電力が発生する。電動モータに発生した回生電力は、図示しないバッテリに蓄電され、例えば、走行用モータの電力源として用いられる。

燃料電池システム１０は、インタークーラ２０を備えている。燃料電池システム１０は、外部から圧縮機１２に空気を供給する吸入流路を構成する吸入配管１６を備えている。また、燃料電池システム１０は、圧縮機１２とインタークーラ２０との間を繋ぐ第１接続配管１７ａと、インタークーラ２０と燃料電池スタック１１との間を繋ぐ第２接続配管１７ｂと、を備えている。第１接続配管１７ａ、第２接続配管１７ｂ及び後述するインタークーラ空間２５は、後述する第１流路１７０の一部を構成している。

また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と膨張機１３との間を繋ぐ第３接続配管１７ｃを備えている。さらに、燃料電池システム１０は、膨張機１３とインタークーラ２０との間を繋ぐ第２流路を構成する第４接続配管１８を備えている。膨張機１３から排出されて第４接続配管１８を流れる空気は、膨張機１３により膨張されたことで低温低圧になっているとともに水を含んでいる。また、燃料電池システム１０は、インタークーラ２０内を通過した空気が排出される第５接続配管１９を備えている。

図２及び図３に示すように、インタークーラ２０は、細長四角箱状の第１タンク２１及び第２タンク２２と、長板状の一対の接続プレート（第１の接続プレート２７ａ、第２の接続プレート２７ｂ）と、複数のチューブ２３と、フィン２６と、を備えている。

第１タンク２１及び第２タンク２２は、互いに間隔を空けて配置されており、第１タンク２１及び第２タンク２２の間には、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂと、複数のチューブ２３と、フィン２６と、が配置されている。

すなわち、第１タンク２１と第２タンク２２とは、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂと、複数のチューブ２３と、フィン２６と、を挟んで対向するように配置されている。以降は、第１タンク２１において、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂと、複数のチューブ２３と、フィン２６と、を挟んで第２タンク２２と対向する面を第１対向面２１１とし、第２タンク２２において、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂと、複数のチューブ２３と、フィン２６と、を挟んで第１タンク２１と対向する面を第２対向面２２１として説明を行う。

なお、第１対向面２１１及び第２対向面２２１は、矩形状である。
第１対向面２１１における長手方向の一端部２１１ａには、第１の接続プレート２７ａにおける長手方向の一端部２７１ａが接合されており、第１対向面２１１における長手方向の他端部２１１ｂには、第２の接続プレート２７ｂにおける長手方向の一端部２７１ｂが接合されている。

同様に、第２対向面２２１における長手方向の一端部２２１ａには、第１の接続プレート２７ａにおける長手方向の他端部２７２ａが接合されており、第２対向面２２１における長手方向の他端部２２１ｂには、第２の接続プレート２７ｂにおける長手方向の他端部２７２ｂが接合されている。

すなわち、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂは、間隔を空けて互いに平行に配置されている。
第１対向面２１１における長手方向の一端部２１１ａと長手方向の他端部２１１ｂとの間には、図示しない矩形状の貫通孔が複数設けられており、複数の貫通孔は、第１対向面２１１の長手方向に沿って互いに間隔を空けて配置されている。

第１対向面２１１と同様に、第２対向面２２１における長手方向の一端部２２１ａと長手方向の他端部２２１ｂとの間にも、図示しない矩形状の貫通孔が複数設けられている。複数の貫通孔は、第２対向面２２１の長手方向に沿って互いに間隔を空けて配置されている。

複数のチューブ２３は扁平中空状である。複数のチューブ２３は、一端が第１対向面２１１の貫通孔に各々挿通され、他端が第２対向面２２１の貫通孔に各々挿通されている。
すなわち、複数のチューブ２３は、第１タンク２１内及び第２タンク２２内と連通している。また、複数のチューブ２３は、第１の接続プレート２７ａと第２の接続プレート２７ｂとの間の空間を複数の空間に区画するように、間隔を空けて互いに平行に配置されている。

第１の接続プレート２７ａとチューブ２３との間の空間、第２の接続プレート２７ｂとチューブ２３との間の空間、及び、チューブ２３とチューブ２３との間の空間を、以降、インタークーラ空間２５として説明を行う。

インタークーラ空間２５には、フィン２６（コルゲートフィン）が配設されている。
なお、説明の都合上、図２に示すインタークーラ２０は模式的に示したものであり、図２に示すインタークーラ２０のチューブ２３及びフィン２６の数と、図３に示すインタークーラ２０のチューブ２３及びフィン２６の数とは異なっている。

第１タンク２１における第１対向面２１１と対向する面２１２には、第４接続配管１８が接続される吸入口２１ａと、第５接続配管１９が接続される吐出口２１ｂとが形成されている。第１タンク２１の内部は、仕切壁２１ｃによって、吸入口２１ａに連通する吸入空間２１ｄと、吐出口２１ｂに連通する吐出空間２１ｅとに仕切られている。

以上のように構成されたインタークーラ２０内の空気の流れについて以下に説明をする。
第４接続配管１８内を流れる空気は、吸入口２１ａを介して吸入空間２１ｄに流れ込み、吸入空間２１ｄから吸入空間２１ｄと連通するチューブ２３内に流れ込む。チューブ２３内を通過した空気は、第２タンク２２内に流れ込み、第２タンク２２内から吐出空間２１ｅと連通するチューブ２３内にそれぞれ流れ込む。そして、各チューブ２３内を通過した空気は、吐出空間２１ｅに吐出されるとともに吐出口２１ｂを介して第５接続配管１９内に排出される。

第１接続配管１７ａ及び第２接続配管１７ｂは、インタークーラ２０に接続されている。
第１接続配管１７ａは、第１接続配管１７ａ内と全てのインタークーラ空間２５とが連通するようにインタークーラ２０に接続されている。

詳述すると、第１接続配管１７ａにおけるインタークーラ２０に接続される端部は、インタークーラ２０に近づくにつれてその開口が徐々に拡径していくように形成されている。そして、第１接続配管１７ａにおけるインタークーラ２０に接続される端部の開口縁は、第１タンク２１の一面（第１対向面２１１と、第１対向面２１１と対向する面２１２とを繋ぐ２つの面のうちの一方の面２１３）、第２タンク２２の一面（第２対向面２２１と、第２対向面２２１と対向する面２２２とを繋ぐ２つの面のうちの一方の面２２３）、及び、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂにおけるフィン２６と接続される面から立設する２つの面のうちの一方の面２７３ａ，２７３ｂと、に接合されている。

同様に、第２接続配管１７ｂは、第２接続配管１７ｂ内と全てのインタークーラ空間２５とが連通するようにインタークーラ２０に接続されている。
詳述すると、第２接続配管１７ｂにおけるインタークーラ２０に接続される端部は、インタークーラ２０に近づくにつれてその開口が徐々に拡径していくように形成されている。そして、第２接続配管１７ｂにおけるインタークーラ２０に接続される端部の開口縁は、第１タンク２１の一面（第１対向面２１１と、第１対向面２１１と対向する面２１２とを繋ぐ２つの面のうちの他方の面２１４）、第２タンク２２の一面（第２対向面２２１と、第２対向面２２１と対向する面２２２とを繋ぐ２つの面のうちの他方の面２２４）、及び、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂにおけるフィン２６と接続される面から立設する２つの面のうちの他方の面２７４ａ，２７４ｂと、に接合されている。

本実施形態において、複数のインタークーラ空間２５は、第１接続配管１７ａ内及び第２接続配管１７ｂ内と連通している。
第１接続配管１７ａ、複数のインタークーラ空間２５及び第２接続配管１７ｂは、圧縮機１２と燃料電池スタック１１との間を繋ぐ第１流路１７０を構成している。

インタークーラ２０は、捕捉部材３０を有している。
図３に示すように、捕捉部材３０は、シート状の多孔質体である。捕捉部材３０は、図３において二点鎖線で示すように、各インタークーラ空間２５における第１接続配管１７ａ側の開口を覆うように設けられており、第１接続配管１７ａ内に収容されている。

また、捕捉部材３０は、チューブ２３及びフィン２６と接触しており、チューブ２３及びフィン２６と熱交換可能となっている。
本実施形態において、インタークーラ２０及び捕捉部材３０は、第１流路１７０を流れる空気を冷却する冷却部を構成している。つまり、冷却部は、捕捉部材３０を有している。

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から当該燃料電池スタック１１で生成された水を排出する排出流路を構成する排出配管３１を有している。
排出配管３１の一端は、燃料電池スタック１１に接続されている。

排出配管３１の他端は、第１接続配管１７ａを貫通して、開口端が捕捉部材３０に接続されている。
また、燃料電池システム１０は、一端が第２接続配管１７ｂに接続され、他端が排出配管３１に接続される導入配管３１ａを備えている。

第２接続配管１７ｂ内を流通する空気の一部は、導入配管３１ａ内を流通して排出配管３１内に導入される。
排出配管３１内の水は、導入配管３１ａを介して排出配管３１内に導入される空気によって捕捉部材３０に向けて流れ、捕捉部材３０によって捕捉される。

以上のように構成された燃料電池システム１０において圧縮機１２から吐出された空気が、インタークーラ２０によって冷却されて燃料電池スタック１１に供給されるまでの流れについて説明する。

圧縮機１２から吐出された空気は、第１接続配管１７ａ内を流れ、各インタークーラ空間２５に流入する前に捕捉部材３０を通過し、捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換することで冷却される。

捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換して冷却された空気は、インタークーラ空間２５に流入し、チューブ２３内を通過する水を含む空気と、フィン２６及びチューブ２３を介して熱交換されることにより更に冷却され、第２接続配管１７ｂ内に流入し、その後、燃料電池スタック１１に供給される。

本実施形態の燃料電池システム１０は、さらに、図１に示すように、排出配管３１内に流量制御弁３１ｖが設けられている。また、燃料電池システム１０は、制御装置３２を備えている。制御装置３２は、流量制御弁３１ｖと電気的に接続されている。流量制御弁３１ｖは、制御装置３２からの制御を受けることにより、弁開度が調節される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１の電流値を検出する電流センサ３３と、燃料電池スタック１１の電池セル毎の電圧値を検出する電圧センサ３４と、を備えている。電流センサ３３によって検出された電流値は制御装置３２に送られる。電圧センサ３４によって検出された電圧値は制御装置３２に送られる。そして、制御装置３２は、電流センサ３３から送られた電流値と、電圧センサ３４から送られた電圧値とによって燃料電池スタック１１の内部抵抗値（インピーダンス）を算出し、算出された内部抵抗値に応じて流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。

燃料電池スタック１１の内部抵抗値は、燃料電池スタック１１の内部の湿度が高くなると小さくなり、燃料電池スタック１１の内部の湿度が低くなると大きくなる。つまり、燃料電池スタック１１の内部抵抗値は、燃料電池スタック１１の内部の湿度によって変化する。したがって、燃料電池スタック１１の内部抵抗値は、燃料電池スタック１１の内部の湿度と相関関係にある。

例えば、制御装置３２によって算出された内部抵抗値が予め定められた閾値未満であった場合、制御装置３２は、流量制御弁３１ｖの弁開度が小さくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。また、制御装置３２によって算出された内部抵抗値が予め定められた閾値以上であった場合、制御装置３２は、流量制御弁３１ｖの弁開度が大きくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。以上のように、制御装置３２及び流量制御弁３１ｖは、捕捉部材３０へ供給される水の供給量を制御する制御部を構成している。

次に、本実施形態の作用について説明する。
圧縮機１２から吐出された空気は、捕捉部材３０を通過する際に、捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。よって、捕捉部材３０を有していない冷却部に比べて、圧縮機１２により圧縮されて圧縮機１２から吐出された空気が効率良く冷却される。

また、捕捉部材３０によって捕捉されている水の一部は、圧縮機１２から吐出されて捕捉部材３０を通過する空気と熱交換されることにより蒸発するため、この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気が冷却される。よって、捕捉部材３０によって捕捉されている水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気を冷却しているため、圧縮機１２から吐出された空気がさらに効率良く冷却される。

また、膨張機１３から排出された空気は、膨張機１３により膨張されたことで低温低圧になっているとともに水を含んでいる。膨張機１３から排出された水を含んだ空気は、第４接続配管１８を介してインタークーラ２０のチューブ２３内に導入される。そして、圧縮機１２から吐出された空気は、チューブ２３内に導入された空気に含まれる水と熱交換されることにより冷却される。よって、圧縮機１２から吐出された空気が効率良く冷却される。

また、チューブ２３内に導入された水を含んだ空気と、圧縮機１２から吐出された空気とがインタークーラ２０で熱交換される際に、チューブ２３内に導入された空気に含まれている水の一部は、第１流路１７０を流れる空気からの熱によって蒸発する。よって、この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気がさらに効率良く冷却される。

さらに、第１流路１７０を流れる空気は、捕捉部材３０を通過すると、捕捉部材３０が水を捕捉しているため、湿度が上昇する。すると、第１流路１７０を流れる空気の湿度が上昇し過ぎて、燃料電池スタック１１の内部の湿度が過剰となる可能性がある。

燃料電池スタック１１の発電を効率良く行うためには、燃料電池スタック１１の内部の湿度を予め定められた所望の湿度に保つ必要がある。制御装置３２は、制御装置３２によって算出された内部抵抗値が予め定められた閾値未満であった場合、流量制御弁３１ｖの弁開度が小さくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。すると、排出配管３１から捕捉部材３０へ供給される水の供給量が少なくなり、第１流路１７０を流れる空気の湿度が上昇し過ぎてしまうことが抑制される。その結果、燃料電池スタック１１の内部の湿度が過剰となってしまうことが抑制される。

また、制御装置３２は、制御装置３２によって算出された内部抵抗値が予め定められた閾値以上であった場合、流量制御弁３１ｖの弁開度が大きくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。すると、排出配管３１から捕捉部材３０へ供給される水の供給量が多くなり、第１流路１７０を流れる空気の湿度が上昇する。その結果、燃料電池スタック１１の内部の湿度を、予め定められた所望の湿度に向けて上昇させ易くすることが可能となる。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）インタークーラ２０は、排出配管３１を流通する水を捕捉する捕捉部材３０を有する。捕捉部材３０は、第１流路１７０を流れる空気と熱交換可能な位置に配置されている。これによれば、圧縮機１２から吐出された空気は、捕捉部材３０を通過する際に、捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。よって、捕捉部材３０を有していない冷却部に比べて、圧縮機１２により圧縮されて圧縮機１２から吐出された空気を効率良く冷却することができる。

（２）燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１から排出された空気を膨張させて空気の排気エネルギーを回収する膨張機１３と、膨張機１３とインタークーラ２０との間を繋ぐ第４接続配管１８と、を有している。膨張機１３から排出された水を含んだ空気は、第４接続配管１８を介してインタークーラ２０内に導入される。そして、圧縮機１２により圧縮されて圧縮機１２から吐出された空気は、インタークーラ２０内において、第４接続配管１８を介してインタークーラ２０内に導入された空気に含まれる水と熱交換されることにより冷却される。よって、圧縮機１２により圧縮されて圧縮機１２から吐出された空気を効率良く冷却することができる。

（３）制御装置３２は、燃料電池スタック１１の内部抵抗値に応じて流量制御弁３１ｖの弁開度を調節し、捕捉部材３０へ供給される水の供給量を制御する。これにより、第１流路１７０を流れる空気の湿度を調節することができる。その結果、燃料電池スタック１１の内部の湿度を予め定められた所望の湿度に調節し易くすることができ、燃料電池スタック１１の発電を効率良く行うことができる。

（４）捕捉部材３０によって捕捉されている水の一部は、圧縮機１２から吐出されて捕捉部材３０を通過する空気と熱交換されることにより蒸発するため、この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気が冷却される。よって、捕捉部材３０によって捕捉されている水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気を冷却しているため、圧縮機１２から吐出された空気をさらに効率良く冷却することができる。

（５）インタークーラ２０内に導入された水を含んだ空気と、圧縮機１２から吐出された空気とがインタークーラ２０で熱交換される際に、インタークーラ２０に導入された空気に含まれている水の一部が、第１流路１７０を流れる空気からの熱によって蒸発する。よって、この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気をさらに効率良く冷却することができる。

（６）捕捉部材３０は、燃料電池スタック１１の内部で生成される水を捕捉している。これによれば、水素と酸素との化学反応によって燃料電池スタック１１の内部で生成される水を有効利用することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 図４に示すように、インタークーラ２０の吸入口２１ａに第１接続配管１７ａが接続されるとともに、インタークーラ２０の吐出口２１ｂに第２接続配管１７ｂが接続されていてもよい。この場合、第１接続配管１７ａ、吸入口２１ａ、吸入空間２１ｄ、各チューブ２３、第２タンク２２の内部、吐出空間２１ｅ、吐出口２１ｂ及び第２接続配管１７ｂは、圧縮機１２と燃料電池スタック１１との間を繋ぐ第１流路を構成している。そして、第４接続配管１８が、第４接続配管１８内と全てのインタークーラ空間２５とが連通するようにインタークーラ２０に接続され、第５接続配管１９が、第５接続配管１９内と全てのインタークーラ空間２５とが連通するようにインタークーラ２０に接続されていてもよい。図４に示す実施形態のその他の構成は、既に図１〜図３で説明した実施形態と同様の構成であり、その説明を割愛し、差異の構成を中心に以下に説明する。

詳述すると、第４接続配管１８におけるインタークーラ２０に接続される端部は、インタークーラ２０に近づくにつれてその開口が徐々に拡径していくように形成されている。そして、第４接続配管１８におけるインタークーラ２０に接続される端部の開口縁は、第１タンク２１の面２１３、第２タンク２２の面２２３、及び、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂの面２７３ａ，２７３ｂと、に接合されている。

第５接続配管１９におけるインタークーラ２０に接続される端部は、インタークーラ２０に近づくにつれてその開口が徐々に拡径していくように形成されている。そして、第５接続配管１９におけるインタークーラ２０に接続される端部の開口縁は、第１タンク２１の面２１４、第２タンク２２の面２２４、及び、一対の接続プレート２７ａ，２７ｂの面２７４ａ，２７４ｂと、に接合されている。

また、この場合、捕捉部材３０は、各チューブ２３に接した状態で、各チューブ２３と熱的に結合されている必要がある。圧縮機１２から吐出されて各チューブ２３内を流れる空気は、各チューブ２３を介して捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。また、捕捉部材３０によって捕捉されている水の一部は、圧縮機１２から吐出されて各チューブ２３内を流れる空気と、各チューブ２３を介して熱交換されることにより蒸発する。この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気が冷却される。

また、この場合、圧縮機１２から吐出されて第１流路を流れる空気は捕捉部材３０を通過しない。このため、圧縮機１２から吐出されて第１流路を流れる空気が捕捉部材３０を通過する場合のように、湿度が上昇するといったことが無い。よって、捕捉部材３０へ供給される水の供給量を制御しなくてもよく、排出配管３１に流量制御弁３１ｖが設けられていなくてもよい。

○ 図５、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すように、インタークーラ２０のチューブ２３の一部を、捕捉部材３０Ａとしてもよい。つまり、図５、図６（ａ）、図６（ｂ）に示す実施形態は、図１〜図３で説明した実施形態と比較して、捕捉部材３０Ａがインタークーラ２０のチューブ２３の一部であることが異なっており、その他の構成については同様であるため、その説明を割愛する。

捕捉部材３０Ａは、例えば、水透過性フィルムである。捕捉部材３０Ａは、排出配管３１内を流通する水を捕捉する。排出配管３１の一端は、燃料電池スタック１１に接続されるとともに、排出配管３１の他端は、捕捉部材３０Ａに接続されている。

圧縮機１２から吐出された空気は、捕捉部材３０Ａによって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。また、捕捉部材３０Ａによって捕捉されている水の一部は、圧縮機１２から吐出された空気と熱交換されることにより蒸発する。この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気がさらに冷却される。なお、上述したような捕捉部材３０Ａをチューブ２３の一部とする構成は、全てのチューブ２３に適用してもよいし、一部のチューブ２３に適用してもよい。全てのチューブ２３に適用する場合、全てのチューブ２３にそれぞれ設けられた捕捉部材３０Ａにそれぞれ排出配管３１が接続されている。例えば、排出配管３１の他端側が、各捕捉部材３０Ａに向けて分岐されて、排出配管３１の各他端が各捕捉部材３０Ａに接続されている。

○ 図７に示すように、捕捉部材３０が、第２タンク２２の内部に設けられていてもよい。つまり、図７に示す実施形態は、図１〜図３で説明した実施形態と比較して、捕捉部材３０が第２タンク２２の内部に設けられていることが異なっている。そして、図４に示す実施形態で説明したように、インタークーラ２０の吸入口２１ａに第１接続配管１７ａが接続されるとともに、インタークーラ２０の吐出口２１ｂに第２接続配管１７ｂが接続されていてもよい。さらに、第４接続配管１８が、第４接続配管１８内と全てのインタークーラ空間２５とが連通するようにインタークーラ２０に接続され、第５接続配管１９が、第５接続配管１９内と全てのインタークーラ空間２５とが連通するようにインタークーラ２０にされていてもよい。

また、排出配管３１の他端は、第２タンク２２を貫通して、開口端が捕捉部材３０に接続されている。
圧縮機１２から吐出されて第２タンク２２の内部を流れる空気は、捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。また、捕捉部材３０によって捕捉されている水の一部は、圧縮機１２から吐出されて第２タンク２２の内部を流れる空気と熱交換されることにより蒸発する。この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気がさらに冷却される。

○ 捕捉部材３０が、第１タンク２１の内部における吸入空間２１ｄに設けられていてもよい。つまり、図７で説明した実施形態と比較して、捕捉部材３０が第１タンク２１の内部における吸入空間２１ｄに設けられていることが異なっている。排出配管３１の他端は、第１タンク２１を貫通して、開口端が捕捉部材３０に接続されている。

圧縮機１２から吐出されて第１タンク２１の内部を流れる空気は、捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。また、捕捉部材３０によって捕捉されている水の一部は、圧縮機１２から吐出されて第１タンク２１の内部を流れる空気と熱交換されることにより蒸発する。この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２から吐出された空気がさらに冷却される。

○ 実施形態において、例えば、捕捉部材３０が、第２接続配管１７ｂ内に設けられていてもよい。要は、捕捉部材３０は、第１流路１７０を流れる空気と熱交換可能な位置に配置されていればよい。

○ 図８に示すように、排出配管３１の一部分が、圧縮機１２のハウジングを貫通して吐出室１２ｄ内に設けられるとともに、排出配管３１の両端が圧縮機１２の外側に設けられており、排出配管３１内における吐出室１２ｄ内を通過している部位の内部に、排出配管３１内を流通する水を捕捉する捕捉部材３０が設けられていてもよい。

圧縮機１２により圧縮されて吐出室１２ｄ内に吐出された空気は、排出配管３１を介して捕捉部材３０によって捕捉されている水と熱交換されることにより冷却される。これにより、圧縮機１２により圧縮された空気を効率良く冷却することができる。また、捕捉部材３０によって捕捉されている水の一部は、圧縮機１２により圧縮されて吐出室１２ｄに吐出された空気と、排出配管３１を介して熱交換されることにより蒸発する。この水の蒸発潜熱を利用して、圧縮機１２により圧縮された空気をさらに効率良く冷却することができる。

○ 実施形態において、制御装置３２は、燃料電池スタック１１の温度を検出するセンサによって検出された温度に基づいて、流量制御弁３１ｖの弁開度を調節してもよい。燃料電池スタック１１の温度は、燃料電池スタック１１の内部の湿度が高くなると高くなり、燃料電池スタック１１の内部の湿度が低くなると低くなる。制御装置３２は、センサによって検出された温度が予め定められた閾値以上であった場合、流量制御弁３１ｖの弁開度が小さくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。また、制御装置３２は、センサによって検出された温度が予め定められた閾値未満であった場合、流量制御弁３１ｖの弁開度が大きくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。

○ 実施形態において、制御装置３２は、循環配管１５を流れる冷却水の温度を検出するセンサによって検出された温度に基づいて、流量制御弁３１ｖの弁開度を調節してもよい。燃料電池スタック１１の温度は、燃料電池スタック１１の内部の湿度が高くなると高くなり、燃料電池スタック１１と熱交換される冷却水の温度も高くなる。燃料電池スタック１１の温度は、燃料電池スタック１１の内部の湿度が低くなると低くなり、燃料電池スタック１１と熱交換される冷却水の温度も低くなる。制御装置３２は、センサによって検出された温度が予め定められた閾値以上であった場合、流量制御弁３１ｖの弁開度が小さくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。また、制御装置３２は、センサによって検出された温度が予め定められた閾値未満であった場合、流量制御弁３１ｖの弁開度が大きくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。

○ 実施形態において、制御装置３２は、燃料電池スタック１１の内部の湿度を検出するセンサによって検出された湿度に基づいて、流量制御弁３１ｖの弁開度を調節してもよい。制御装置３２は、センサによって検出された湿度が予め定められた閾値以上であった場合、流量制御弁３１ｖの弁開度が小さくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。また、制御装置３２は、センサによって検出された湿度が予め定められた閾値未満であった場合、流量制御弁３１ｖの弁開度が大きくなるように流量制御弁３１ｖの弁開度を制御する。

○ 実施形態において、排出配管３１内に流量制御弁３１ｖが設けられていなくてもよい。要は、燃料電池システム１０は、捕捉部材３０へ供給される水の供給量を制御する制御部が無い構成であってもよい。

○ 実施形態において、膨張機１３から排出された空気と圧縮機１２から吐出された空気とをインタークーラ２０を用いて熱交換する構成でなくてもよい。そして、燃料電池システム１０は、インタークーラ２０を通過する冷却水（ＬＬＣ）が循環する冷却水回路を備えた構成であってもよい。圧縮機１２から吐出された空気は、インタークーラ２０を用いて、冷却水回路を循環する冷却水によって冷却される。

○ 実施形態において、インタークーラ２０は、第１タンク２１に吸入口が設けられており、第２タンク２２に吐出口が設けられているものであってもよい。第４接続配管１８内を流れる空気は、吸入口を介して第１タンク２１の内部に流れ込み、第１タンク２１の内部から各チューブ２３にそれぞれ流れ込む。各チューブ２３を通過した空気は、第２タンク２２の内部に流れ込み、吐出口を介して第５接続配管１９内に排出される。

○ 実施形態において、燃料電池スタック１１に電力を供給する側に電流センサを設け、当該電流センサによって、燃料電池スタック１１に供給される電流値を検出し、この検出された電流値を制御装置３２に送るようにしてもよい。

○ 実施形態において、導入配管３１ａは、第３接続配管１７ｃと排出配管３１とを接続し、第３接続配管１７ｃを流れる空気を排出配管３１に導入するものであってもよい。
○ 実施形態において、圧縮機１２は、電動モータで駆動するターボ式の電動流体機械であったが、例えば、スクロール式の電動流体機械やルーツ式の電動流体機械であってもよい。同様に、膨張機１３も、例えば、スクロール式の電動流体機械やルーツ式の電動流体機械であってもよい。

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１２…圧縮機、１２ｄ…吐出室、１３…膨張機、１８…第２流路を構成する第４接続配管、２０…冷却部の一部を構成するインタークーラ、３０，３０Ａ…捕捉部材、３１…排出流路を構成する排出配管、３１ｖ…制御部を構成する流量制御弁、３２…制御部を構成する制御装置、１７０…第１流路。

Claims (4)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された空気が供給される燃料電池スタックと、
   前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間を繋ぐ第１流路と、
   前記第１流路を流れる空気を冷却する冷却部と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックから当該燃料電池スタックで生成された水を排出する排出流路を有し、
   前記冷却部は、前記排出流路を流通する前記水を捕捉する捕捉部材を有し、
   前記捕捉部材は、前記第１流路を流れる空気と熱交換可能な位置に配置されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックから排出された空気を膨張させて前記空気の排気エネルギーを回収する膨張機と、
   前記膨張機と前記冷却部との間を繋ぐ第２流路と、を有す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。
3. 前記燃料電池スタックの内部抵抗値に応じて、前記捕捉部材へ供給される水の供給量を制御する制御部を備えた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。
4. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機によって圧縮された空気が供給される燃料電池スタックと、
   前記圧縮機と前記燃料電池スタックとの間を繋ぐ第１流路と、
   前記第１流路を流れる空気を冷却する冷却部と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックから当該燃料電池スタックで生成された水を排出する排出配管を有し、
   前記排出配管は、一部分が前記圧縮機の吐出室内に設けられるとともに両端が前記圧縮機の外側に設けられており、
   前記排出配管の前記一部分内には、前記排出配管内を流通する前記水を捕捉する捕捉部材が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。

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