JP2018163874A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】カソードガスの冷却を効率良く行いつつ、燃料電池システムの冷却性能の低下を抑制する。【解決手段】コンプレッサ２３によって圧縮されたカソードガスを冷却するためのカソードガス冷却装置５０を備える燃料電池システム１００であって、カソードガス冷却装置５０は、カソードガスが流入する第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第２内部流路６６とを有すると共に第２内部流路６６を流れる水の気化潜熱によって第１内部流路６３を流れるカソードガスを冷却する熱交換器６０を備え、第１内部流路６３及び第２内部流路６６は、第１内部流路６３を流れるカソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内に生じた水蒸気が第１内部流路６３に流入しないように、熱交換器６０の内部においてそれぞれ独立した流路とされる。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

特許文献１には、従来の燃料電池システムとして、燃料電池から排出されたカソードオフガスを、ターボチャージャのタービンを通過させることで断熱膨張によって冷却し、その冷却したカソードオフガスと、コンプレッサによって圧縮されて高温になったカソードガスと、の間で熱交換を行うことによって、燃料電池に供給するカソードガスを冷却するように構成されたものが開示されている。

特開２００２−０５６８６５号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムは、気体と気体との間で熱交換を行っていたため、熱交換の効率が悪く、カソードガスの冷却が十分に行われないおそれがあった。そのため、燃料電池に比較的高温のカソードガスが供給されることになるため、燃料電池自体を冷却する際の負荷が増大して燃料電池システムの冷却性能が低下するおそれがあった。

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、カソードガスの冷却を効率良く行いつつ、燃料電池システム全体の冷却性能の低下を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様によれば、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カソードガスを冷却するためのカソードガス冷却装置と、を備える燃料電池システムにおいて、カソードガス冷却装置は、カソードガスが流入する第１内部流路と燃料電池から排出された水が供給される第２内部流路とを有すると共に第２内部流路を流れる水の気化潜熱によって第１内部流路を流れるカソードガスを冷却して第１内部流路から流出させる熱交換器を備え、第１内部流路及び第２内部流路は、第１内部流路を流れるカソードガスとの熱交換によって第２内部流路内に生じた水蒸気が第１内部流路に流入しないように、熱交換器の内部においてそれぞれ独立した流路とされる。

本発明のこの態様によれば、カソードガスの冷却を効率良く行いつつ、燃料電池システム全体の冷却性能の低下を抑制することができる。

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は、インタクーラの内部を示す概略断面図である。 図３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４は、本発明の第２実施形態によるインタクーラへの冷媒供給制御について説明するフローチャートである。 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は、本発明の第４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７は、本発明の第４実施形態によるインタクーラの内部の一部を示す概略断面図である。 図８は、本発明の第１実施形態の第１変形例による燃料電池システムの概略構成図である。 図９は、本発明の第１実施形態の第２変形例による燃料電池システムの概略構成図である。 図１０は、本発明の第１実施形態の第３変形例による燃料電池システムの概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の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。

（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。

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、燃料電池スタック１０を冷却する冷媒（例えばロングライフクーラント（ＬＬＣ））を循環させるための冷媒循環装置３０と、電子制御ユニット４０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の出力端子に電気的に接続される各種の電装部品については、本発明の主要部分ではないため図示を省略している。

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。

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ためのカソードガス冷却装置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。

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。

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の高温ガス入口部６１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の低温ガス出口部６２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。

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。

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。

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。

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。

本実施形態によるカソードガス冷却装置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、水蒸気排出配管５２と、を備える。

インタクーラ６０は、液体を蒸発させたときの気化潜熱を利用して、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。本実施形態によるインタクーラ６０は、高温ガス入口部６１と、低温ガス出口部６２と、高温ガス入口部６１と低温ガス出口部６２とを連通する第１内部流路６３と、液水入口部６４と、水蒸気出口部６５と、液水入口部６４と水蒸気出口部６５とを連通する第２内部流路６６と、を備え、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よって生じた水の気化潜熱を利用して、カソードコンプレッサ２３によって圧縮されて高温になった空気（以下「圧縮空気」という。）を冷却することができるように構成される。

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る。

図２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を流れる圧縮空気の熱を、隔壁６７を介して第２内部流路６６内の水に伝えることができるようになっている。

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を流れる圧縮空気との熱交換によって第２内部流路６６内に生じた水蒸気が、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内に生じた水蒸気が、インタクーラ６０の内部でカソードガスの加湿に使用されることなく、第２内部流路６６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。

本実施形態では、第１内部流路６３及び第２内部流路６６は、それぞれ平行に紙面手前側から紙面奥側に向かって延びる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、圧縮空気と水との間で熱交換ができる形状であれば特に限られるものではなく、例えばＵ字形状としても良い。

第１内部流路６３には、高温ガス入口部６１（図１参照）からインタクーラ６０の内部に供給されたカソードガスが略均等に分配されて流入するようになっており、図２に示す例では、紙面手前側から紙面奥側に向かって圧縮空気が第１内部流路６３を流れている。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、圧縮空気の熱を、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。

第２内部流路６６には、液水入口部６４（図１参照）からインタクーラ６０の内部に流入した水が略均等に分配されて供給されるようになっている。第２内部流路６６に供給された水は、隔壁６７を介した圧縮空気との熱交換により沸騰して水蒸気となり、図２に示す例では、紙面奥側から紙面手前側に向かってこの水蒸気が第２内部流路６６を流れて水蒸気出口部６５から排出されるようになっている。このように本実施形態では圧縮空気と水蒸気とがインタクーラ６０の内部で対向するように流れているが、これに限らずそれぞれ同じ向きに流れるようにしても良い。

圧縮空気が第１内部流路６３内を流れると、圧縮空気の熱が隔壁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内を流れる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内の水が沸騰し、そのときの気化潜熱によって隔壁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の温度を圧縮空気よりも低い温度、具体的には水の沸点近傍の温度に維持することができる。そのため、圧縮空気と隔壁６７との温度差を或る一定の温度差に維持することができ、圧縮空気の熱を継続的に効率良く隔壁６７に伝達して圧縮空気を冷却することができる。

本実施形態では、第１内部流路６３に流入する圧縮空気の温度は概ね３００℃であり、第２内部流路６６内を流れる水の沸点は概ね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に流入した圧縮空気の温度を概ね１００℃まで低下させて、低温ガス出口部６２から流出させることができる。なお、例えば液水供給配管５１に減圧ポンプ等を設けて、第２内部流路６６内の圧力を制御して水の沸点を変化させることができるようにカソードガス冷却装置５０を構成しても良く、このように構成することで、低温ガス出口部６２から流出するカソードガスの温度を調整することができる。

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。

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６４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６４からインタクーラ６０内の第２内部流路６６に供給される。

水蒸気排出配管５２は、一端がインタクーラ６０の水蒸気出口部６５に接続され、他端が大気に開口している配管である。インタクーラ６０内での圧縮空気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、水蒸気排出配管５２を介して燃料電池システム１００の系外（本実施形態では大気）に排出される。

このように本実施形態によるカソードガス冷却装置５０は、インタクーラ６０内の第１内部流路６３に空気が流れ、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に供給された水の気化潜熱によって、第１内部流路６３を流れる空気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を流れる空気の熱を、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、例えば相変化させずに第１内部流路６３を流れる空気との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。

また本実施形態によるカソードガス冷却装置５０は、インタクーラ６０内の第１内部流路６３と第２内部流路６６とをそれぞれ独立した流路とし、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、カソードガスの加湿に使用せずに水蒸気排出配管５２に排出して外気に放出することができるように構成されている。

ここで第１内部流路６３を流れる空気との熱交換によって生じた水蒸気を、カソードガスの加湿のために、仮にインタクーラ６０内の第１内部流路６３を流れて冷却された空気に合流させてしまうと、空気から奪った熱を再度その空気に戻すことになってしまい、結果としてその空気が供給される燃料電池スタック１０の温度が上昇しやすくなる。そうすると、燃料電池スタック１０を冷却する冷媒の循環流量を増大させる必要が生じ、後述する冷媒ポンプ３２の負荷が増大することになる。その結果、燃料電池スタック１０の冷却効率が低下して燃料電池システム１００全体としての冷却性能が低下するおそれがある。

これに対して、本実施形態によるカソードガス冷却装置５０は、このような知見のもと、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、カソードガスの加湿に使用せずに水蒸気排出配管５２に排出して外気に放出するように構成されている。そのため、インタクーラ６０の冷却性能を向上させつつ、燃料電池システム１００全体の冷却性能を向上させることができる。

冷媒循環装置３０は、冷媒循環配管３１と、冷媒ポンプ３２と、ラジエータ３３と、ラジエータバイパス配管３４と、バイパス制御弁３５と、を備える。

冷媒循環配管３１は、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒を循環させる配管であって、一端が燃料電池スタック１０の冷媒入口部１３に接続され、他端が燃料電池スタック１０の冷媒出口部１４に接続される。以下では、冷媒出口部１４側を冷媒循環配管３１の上流と定義し、冷媒入口部１３側を冷媒循環配管３１の下流と定義して説明する。

冷媒ポンプ３２は、冷媒循環配管３１の下流側に設けられ、冷媒を循環させる。

ラジエータ３３は、冷媒ポンプ３２よりも上流の冷媒循環配管３１に設けられ、冷媒出口部１４から冷媒循環配管３１に流出した冷媒、すなわち燃料電池スタック１０の冷却に使用されて相対的に高温になった冷媒を、例えば走行風や、ラジエータファン（図示せず）によって吸い込んだ空気によって冷却する。

ラジエータバイパス配管３４は、ラジエータ３３を経由させずに冷媒を循環させることができるように設けられた配管であって、一端がバイパス制御弁３５に接続され、他端がラジエータ３３と冷媒ポンプ３２との間の冷媒循環配管３１に接続される。

バイパス制御弁３５は、例えばサーモスタットであり、ラジエータ３３よりも上流の冷媒循環配管３１に設けられる。バイパス制御弁３５は、冷媒の温度に応じて冷媒の循環経路を切り替える。具体的には、冷媒の温度が予め設定された基準温度よりも高いときは、冷媒出口部１４から冷媒循環配管３１に流出した冷媒が、ラジエータ３３を経由して冷媒入口部１３から燃料電池スタック１０の内部に流入するように冷媒の循環経路を切り替える。逆に、冷媒の温度が基準温度以下のときは、冷媒出口部１４から冷媒循環配管３１に流出した冷媒が、ラジエータ３３を経由せずにラジエータバイパス配管３４を流れて冷媒入口部１３から燃料電池スタック１０の内部に流入するように冷媒の循環経路を切り替える。

バイパス制御弁３５よりも上流の冷媒出口部１４付近の冷媒循環配管３１には、水温センサ４０１が設けられる。水温センサ４０１は、冷媒出口部１４から冷媒循環配管３１に流出した冷媒の温度を検出する。この水温センサ４０１で検出された冷媒の温度が予め定められた目標温度（例えば６０℃）となるように、冷媒ポンプ３２が電子制御ユニット４０からの制御信号に基づいて制御される。

電子制御ユニット４０は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を備える。

入力ポート４５には、前述した水温センサ４０１の他、燃料電池スタック１０から取り出される電流（以下「スタック出力電流」という。）を検出するための電流センサ４０２などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器４７を介して入力される。この電流センサ４０２で検出されたスタック出力電流が、燃料電池スタック１０の負荷に相当する。

出力ポート４６には、対応する駆動回路４８を介してカソードコンプレッサ２３や冷媒ポンプ３２などの各制御部品が電気的に接続される。

このように、入力ポート４５には燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサの出力信号が入力されており、電子制御ユニット４０は、入力ポート４５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート４６から出力する。

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に供給される前のカソードガスを冷却するためのカソードガス冷却装置５０と、を備える。

そしてカソードガス冷却装置５０は、カソードガスが流入する第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第２内部流路６６とを有すると共に第２内部流路６６を流れる水の気化潜熱によって第１内部流路６３を流れるカソードガスを冷却して第１内部流路６３から流出させるインタクーラ６０（熱交換器）を備え、第１内部流路６３を流れる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内の水蒸気を、カソードガスの加湿に使用せずに大気に排出するように構成されている。

具体的には、第１内部流路６３及び第２内部流路６６は、第１内部流路６３を流れるカソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内に生じた水蒸気が第１内部流路６３に流入しないように、インタクーラ６０（熱交換器）の内部においてそれぞれ独立した流路とされる。またカソードガス冷却装置５０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中の水を分離する気液分離器７０と、気液分離器７０によって分離した水を、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）と、第１内部流路６３を流れるカソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内に生じた水蒸気を大気に放出するための水蒸気排出配管５２（水蒸気排出通路）と、をさらに備えるように構成される。

これにより、第１内部流路６３を流れる空気の熱を、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ができるので、例えば相変化させずに第１内部流路６３を流れる空気との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。

また第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、カソードガスの加湿に使用せずに水蒸気排出配管５２に排出して外気に放出するように構成されているので、第１内部流路６３内でカソードガスから奪った熱が、再度燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスに戻されることがない。そのため、インタクーラ６０の冷却性能を向上させてカソードガスの冷却を効率良く行いつつ、燃料電池スタック１０の冷却効率の低下を抑えて燃料電池システム１００全体の冷却性能の低下を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、冷媒循環配管３１を循環する冷媒の一部を、インタクーラ６０に供給して圧縮空気の冷却に使用できるようにカソードガス冷却装置５０を構成した点で第１実施形態と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。

図３は、本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。

燃料電池システム１００は、冷媒を循環させて燃料電池スタック１０を冷却するために、ラジエータ３３によって燃料電池スタック１０から排出された相対的に高温な冷媒を冷却している。そのためラジエータ３３は、燃料スタック１０の負荷が高負荷のときでも、燃料電池スタック１０の冷却を十分に行うことができる冷却性能を持ったものが用いられている。

したがって、燃料電池スタック１０の負荷が低負荷のときは、高負荷のときと比べてラジエータ３３による冷媒の冷却能力に余裕がある状態となっている。

一方で、燃料電池スタック１０の負荷が低負荷のときは、高負荷のときと比べて電気化学反応によって生成される水の量が少なくなる。そのため、燃料電池スタック１０の負荷が低負荷のときは、高負荷のときと比べてインタクーラ６０の第２内部流路６６に供給できる水の量が少なくなるため、インタクーラ６０による圧縮空気の冷却性能が低下することになる。

そこで本実施形態では、冷媒循環配管３１を循環する冷媒の一部を、燃料電池スタック１０の負荷に応じてインタクーラ６０にも供給できるようにカソードガス冷却装置５０を構成することとした。これにより燃料電池スタック１０の負荷が低負荷のときには、冷媒循環配管３１を循環する冷媒を、インタクーラ６０にも供給することで、低負荷時におけるインタクーラ６０の冷却性能の低下を抑制できる。また燃料電池スタック１０の負荷が高負荷のときは、冷媒循環配管３１を循環する冷媒のインタクーラ６０への供給を停止することで、燃料電池スタック１０の冷却が不十分になってしまうのを防止できる。

以下、図３を参照してこの本実施形態による燃料電池システム１００の詳細な構成について説明する。

図３に示すように、本実施形態によるインタクーラ６０は、高温ガス入口部６１、低温ガス出口部６２、第１内部流路６３、液水入口部６４、水蒸気出口部６５、及び第２内部流路６６に加えて、インタクーラ用冷媒入口部６７１と、インタクーラ用冷媒出口部６８１と、インタクーラ用冷媒入口部６７１とインタクーラ用冷媒出口部６８１とを連通する第３内部流路６９１と、をさらに備え、第１内部流路６３を流れる圧縮空気を、第３内部流路６９１を流れる冷媒との熱交換によっても冷却できるように構成されている。このとき第３内部流路６９１を流れる冷媒は、第２内部流路６６を流れる水とは異なり、相変化せずに液体のままインタクーラ用冷媒出口部６８１から排出される。なお第３内部流路６９１も、第１内部流路６３及び第２内部流路６６とは独立した流路とされている。

また本実施形態によるカソードガス冷却装置５０は、インタクーラ６０、気液分離器７０、液水供給配管５１、及び水蒸気排出配管５２に加えて、冷媒供給配管５３と、冷媒排出配管５４と、第１流量制御弁５５と、第２流量制御弁５６と、をさらに備える。

冷媒供給配管５３は、冷媒ポンプ３２から吐出されて燃料電池スタック１０に流入する前の冷媒の一部を、冷媒循環配管３１から分岐させてインタクーラ６０に供給するための配管である。冷媒供給配管５３は、その一端が冷媒ポンプ３２よりも下流の冷媒循環配管３１に接続され、他端がインタクーラ６０のインタクーラ用冷媒入口部６７１に接続される。

冷媒排出配管５４は、圧縮空気との熱交換によって相対的に高温となってインタクーラ６０から排出された冷媒を、冷媒循環配管３１に戻すための配管である。冷媒排出配管５４は、その一端がインタクーラ６０のインタクーラ用冷媒出口部６８１に接続され、他端がバイパス制御弁３５よりも上流の冷媒循環配管３１に接続される。

第１流量制御弁５５は、冷媒供給配管５３に設けられる。第１流量制御弁５５は、燃料電池スタック１０の負荷が低負荷のときに開かれて、冷媒供給配管５３に流入する冷媒の流量を制御する。一方で第１流量制御弁５５は、燃料電池スタック１０の負荷が高負荷のときには閉じられて、冷媒供給配管５３への冷媒の流入を防止する。第１流量制御弁５５の開度は、電子制御ユニット４０によって制御される。

第２流量制御弁５６は、冷媒排出配管５４に設けられる。第２流量制御弁５６は、燃料電池スタック１０の負荷が低負荷のときに第１流量制御弁５５と共に開かれて、冷媒供給配管５３に流入する冷媒の流量を制御する。一方で第２流量制御弁５６は、燃料電池スタック１０の負荷が高負荷のときには閉じられて、冷媒循環配管３１を流れる冷媒が冷媒排出配管５４に逆流するのを防止する。第２流量制御弁５６の開度は、電子制御ユニット４０によって制御される。

続いて図４を参照し、本実施形態によるインタクーラ６０への冷媒供給制御について説明する。

図４は、電子制御ユニット４０が本実施形態によるインタクーラ６０への冷媒供給制御について説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、電子制御ユニット４０は、燃料電池スタック１０の負荷が低負荷であるか否かを判定する。具体的には電子制御ユニット４０は、電流センサ４０２で検出されたスタック出力電流が所定値未満か否かを判定する。電子制御ユニット４０は、スタック出力電流が所定値未満であれば、燃料電池スタック１０の負荷が低負荷であると判定してステップＳ２の処理に進む。一方で電子制御ユニット４０は、スタック出力電流が所定値以上であれば、燃料電池スタック１０の負荷が高負荷であると判定してステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ２において、電子制御ユニット４０は、第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６を全開とする。

ステップＳ３において、電子制御ユニット４０は、第２流量制御弁５６及び第２流量制御弁５６を全閉とする。

なお本実施形態では、スタック出力電流が所定値未満のときには、第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６を全開としているが、これに限らず、例えばスタック出力電流が所定値よりも小さいときほど、第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６の開度が大きくなるように、第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６の開度を制御するようにしても良い。すなわち、燃料電池スタック１０の負荷に応じて、第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６の開度を可変制御するようにしても良い。

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）を冷却する冷媒が循環する冷媒循環配管３１（冷媒循環通路）と、冷媒循環配管３１に設けられて冷媒を冷却するラジエータ３３と、をさらに備える。

そしてカソードガス冷却装置５０は、冷媒循環配管３１を循環する冷媒の一部を、インタクーラ６０（熱交換器）の内部に形成された第３内部流路６９１に供給し、第３内部流路６９１を流れる冷媒によっても第１内部流路６３を流れるカソードガスを冷却するように構成されている。

具体的にはカソードガス冷却装置５０は、冷媒循環配管３１から分岐して第３内部流路６９１と連通する冷媒供給配管５３及び冷媒排出配管５４（分岐通路）と、冷媒供給配管５３及び冷媒排出配管５４に設けられる第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６（流量制御弁）と、燃料電池スタック１０の負荷に基づいて、第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６の開度を制御して第３内部流路６９１に供給する冷媒の流量を制御する電子制御ユニット４０（制御装置）と、を備える。そして電子制御ユニット４０は、燃料電池スタック１０の負荷が所定負荷未満のときに、第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６の開度を全閉よりも大きくするように構成されている。

これにより、燃料電池スタック１０の負荷が所定負荷未満の低負荷のときには、冷媒循環配管３１を循環する冷媒をインタクーラ６０にも供給することができるので、低負荷時におけるインタクーラ６０の冷却性能の低下を抑制できる。なお燃料電池スタック１０の負荷が所定負荷未満のときにおいて、負荷が低くなるほど第１流量制御弁５５及び第２流量制御弁５６（流量制御弁）の開度を大きくするように、電子制御ユニット４０を構成することで、一層効果的にインタクーラ６０の冷却性能の低下を抑制できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、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内の水蒸気を、水に戻して再度第２内部流路６６に供給できるようにカソードガス冷却装置５０を構成した点で、第１実施形態と相違する。以下、この相違点を中心に説明する。

図５は、本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。

図５に示すように、本実施形態によるカソードガス冷却装置５０は、インタクーラ６０、気液分離器７０、液水供給配管５１、及び水蒸気排出配管５２に加えて、凝縮器５７と、液水戻し配管５８と、液水ポンプ５９と、を備える。

本実施形態による水蒸気排出配管５２の他端は、第１実施形態と異なり大気に開口しておらず、凝縮器５７の水蒸気入口部５７１に接続される。

凝縮器５７は、水蒸気入口部５７１と、液水取出部５７２と、を備える。凝縮器５７は、水蒸気入口部から流入してきた水蒸気を凝縮して水に戻してその内部に貯留し、必要に応じてその水を液水取出部から取り出せるように構成される。

液水戻し配管５８は、凝縮器５７内の水を液水供給配管５１に戻して再利用するための配管であって、一端が凝縮器５７の液水取出部５７２に接続され、他端が液水供給配管５１に接続される。

液水ポンプ５９は、液水戻し配管５８に設けられる。液水ポンプ５９は、凝縮器５７内の水を吸入して液水取出部から取り出し、液水供給配管５１に供給する。

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に供給される前のカソードガスを冷却するためのカソードガス冷却装置５０と、を備える。

そしてカソードガス冷却装置５０は、カソードガスが流入する第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第２内部流路６６とを有すると共に第２内部流路６６を流れる水の気化潜熱によって第１内部流路６３を流れるカソードガスを冷却するインタクーラ６０（熱交換器）を備え、第１内部流路６３を流れる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内の水蒸気を、カソードガスの加湿に使用せずに水に戻して再度第２内部流路６６に供給するように構成されている。

具体的にはカソードガス冷却装置５０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中の水を分離する気液分離器７０と、気液分離器７０によって分離した水を、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）と、第１内部流路６３を流れるカソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内に生じた水蒸気が排出される水蒸気排出配管５２（水蒸気排出通路）と、水蒸気排出配管５２に排出された水蒸気を水に戻す凝縮器５７と、凝縮器５７によって水蒸気から戻された水を液水供給配管５１に供給して再利用するための液水戻し配管５８（水戻し通路）と、を備えるように構成される。

カソードガス冷却装置５０をこのように構成しても、第１実施形態と同様の効果が得られる他、第２内部流路６６から排出された水蒸気を水に戻して再利用できるため、第２内部流路６６に供給できる水の量を増やすことができる。そのため、インタクーラ６０の冷却性能を一層向上させることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、インタクーラ６０の第２内部流路６６内を２つの独立した流路（第１独立流路６６ａ及び第２独立流路６６ｂ）に分割した点で、インタクーラ６０の構成が第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。

図６は、本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。

図６に示すように、本実施形態によるインタクーラ６０は、第２内部流路６６が後述する分割壁９０（図７参照）によって第１独立流路６６ａと第２独立流路６６ｂの２つの独立した流路に分割されており、第１液水入口部６４ａと、第２液水入口部６４ｂと、大気開放口６９と、をさらに備える。

第１独立流路６６ａは、第１液水入口部６４ａと水蒸気出口部６５とを連通する流路である。第２独立流路６６ｂは、第２液水入口部６４ｂと大気開放口６９とを連通する流路である。

また本実施形態では、液水供給配管５１の他端を２股に分岐させて、そのうちの一方の他端を第１液水入口部６４ａに接続し、他方の他端を第２液水入口部６４ｂに接続しており、第１独立流路６６ａ及び第２独立流路６６ｂにそれぞれ個別に水を供給できるようになっている。

図７は、本実施形態によるインタクーラ６０の内部の一部を示す概略断面図であり、第１内部流路６３を流れる圧縮空気の流れ方向に沿った断面を示している。

図７に示すように、本実施形態によるインタクーラ６０は、第２内部流路６６を第１独立流路６６ａと第２独立流路６６ｂとに分割する分割壁９０を備える。分割壁９０は、圧縮空気の流れ方向に対して直交する方向に延在するように形成される。これにより、第１独立流路６６ａに供給された水には、隔壁６７を介して第１内部流路の上流側（高温ガス入口部６１側）を流れる相対的に高温の圧縮空気の熱が伝達されることになる。そして第２独立流路６６ｂに供給された水には、隔壁６７を介して第１内部流路の下流側（低温ガス出口部６２側）を流れる相対的に低温の圧縮空気の熱が伝達されることになる。

以下、図７を参照しつつ、このような分割壁９０を設けた理由について説明する。

前述した各実施形態では、基本的に第２内部流路６６内の水を沸騰させて水蒸気に相変化させたときの気化潜熱を利用して、第１内部流路６３を流れる圧縮空気を冷却していた。

ここで圧縮空気は、第１内部流路６３を低温ガス出口部６２側に向かって流れていく過程で冷却されていくことになるので、第１内部流路６３の下流側を流れる圧縮空気の温度は、第１内部流路６３の上流側を流れる圧縮空気の温度と比較して、相対的に低くなる。そのため、隔壁６７を介して第１内部流路６３の下流側の圧縮空気と接している第２内部流路６６内の水は沸騰しにくくなる。その結果、第１内部流路６３の下流側においては、気化潜熱による冷却効率が悪くなるおそれがある。

これに対して本実施形態によるインタクーラ６０によれば、圧縮空気の流れ方向に対して直交する方向に延在する分割壁９０によって第２内部流路６６を第１独立流路６６ａと第２独立流路６６ｂとに分割することで、以下のような効果を得ることができる。

すなわち第１独立流路６６ａに供給された水には、隔壁６７を介して第１内部流路６３の上流側を流れる相対的に高温の圧縮空気の熱が伝達されることになる。そのため、第１内部流路６３の上流側においては、第１独立流路６６ａ内の水を問題なく沸騰させることができるので、第１独立流路６６ａ内の水を沸騰させて水蒸気に相変化させたときの気化潜熱を利用して、圧縮空気を効率良く冷却することができる。

一方で本実施形態においても、第２独立流路６６ｂに供給された水には、前述した各実施形態によるインタクーラ６０と同様に、隔壁６７を介して第１内部流路６３の下流側を流れる相対的に低温の圧縮空気の熱が伝達されることになる。そのため、本実施形態においても、隔壁６７を介して第１内部流路６３の下流側の圧縮空気と接している第２独立流路６６ｂ内の水は沸騰しにくくなる。

しかしながら本実施形態においては、分割壁９０によって第２内部流路６６を２つの完全に独立した流路（第１独立流路６６ａと第２独立流路６６ｂ）に分割し、さらに第２独立流路６６ｂに大気開放口６９を設けて第２独立流路６６ｂを大気開放させている。そのため、第２独立流路６６ｂ内の水を蒸発させて水蒸気に相変化させたときの気化潜熱を利用して、第１内部流路６３を流れる圧縮空気を冷却することできる。

なお本実施形態において蒸発とは、水がその表面から気化して水蒸気となり、空気中に拡散していく現象をいうものとする。また沸騰とは水がその内部からも気化して水蒸気となり、空気中に拡散していく現象をいうものとする。

ここで第２内部流路６６内の水が蒸発するには、第２内部流路６６内の空気中の水蒸気量が飽和水蒸気量未満である必要がある。そして空気中の水蒸気量が少ないほど（より詳細には水面との水蒸気濃度差が大きいほど）、蒸発速度は速くなる。

しかしながら前述した各実施形態によるインタクーラ６０には、分割壁９０が設けられていなかったために、主に第１内部流路６３の上流側を流れる圧縮空気との熱交換によって沸騰により生じた水蒸気で第２内部流路６６内が満たされてしまい、第２内部流路６６内の空気中の水蒸気量は基本的に飽和水蒸気量となる。これは、水蒸気出口部６５から排出される水蒸気量よりも沸騰によって生じる水蒸気量の方が基本的に多くなるためである。そのため、前述した各実施形態によるインタクーラ６０の場合、第２内部流路６６内の水を蒸発させることができなかった。

これに対して、本実施形態においては、分割壁９０によって第２内部流路６６が２つの完全に独立した流路（第１独立流路６６ａと第２独立流路６６ｂ）に分割されているため、第１内部流路６３の上流側を流れる相対的に高温の圧縮空気との熱交換によって第１独立流路６６ａで沸騰により発生した水蒸気は、第２独立流路６６ｂに流入することなく水蒸気出口部６５から水蒸気排出配管５２に排出される。そして第２独立流路６６ｂは大気開放口６９を介して大気開放されているため、第２独立流路６６ｂ内の空気中の水蒸気量は、基本的に飽和水蒸気量未満となる。

そのため、本実施形態においては、沸騰させにくい第２独立流路６６ｂ内の水の一部を蒸発させることができ、そのときの気化潜熱で第２独立流路６６ｂ内の残りの水を冷却することができる。ここで前述した各実施形態によるインタクーラ６０のように、第２内部流路６６内の水を沸騰させたときの気化潜熱を利用して圧縮空気を冷却する場合は、隔壁６７の温度を水の沸点以上まで上昇させる必要があるので、圧縮空気を水の沸点以下まで冷却することは難しかった。

これに対し本実施形態によれば、隔壁６７の温度が水の沸点以下であっても第２内部流路６６内の水を蒸発させて水の温度を低下させ、これにより隔壁６７の温度を水の沸点以下まで低下させることができる。そのため、圧縮空気を水の沸点以下の温度まで低下させることができる。

以上説明した本実施形態によるカソードガス冷却装置５０のインタクーラ６０（熱交換器）は、第２内部流路６６を第１独立流路６６ａと第２独立流路６６ｂの２つの独立した流路に分割する分割壁９０を備える。

分割壁９０は、第１独立流路６６ａが第１内部流路６３を流れるカソードガスの流れ方向上流側に位置し、第２独立流路６６ｂが第１内部流路６３を流れるカソードガスの流れ方向下流側に位置するように、第２内部流路６６内に設けられる。具体的には分割壁９０は、第１内部流路６３を流れるカソードガスの流れ方向に対して直交する方向に延在するように、第２内部流路６６内に設けられる。また第２独立流路６６ｂは、大気空間と連通される大気開放口６９を備える。

これにより、第１内部流路６３の下流側を流れる相対的に低温の圧縮空気との間で熱交換が行われるために沸騰させにくい第２独立流路６６ｂ内の水の一部を蒸発させることができ、そのときの気化潜熱で第２独立流路６６ｂ内の残りの水を冷却することができる。そのため、隔壁６７の温度が水の沸点以下であっても第２内部流路６６内の水を蒸発させて水の温度を低下させ、これにより隔壁６７の温度を水の沸点以下まで低下させることができる。したがって、圧縮空気を水の沸点以下の温度まで低下させることができるので、インタクーラ６０の冷却性能を一層向上させることができる。

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。

例えば図８に示す第１実施形態の第１変形例による燃料電池システム１００のように、カソードオフガスから水を分離するために使用していた気液分離器７０を、第３実施形態で説明した凝縮器５７に置き換えると共に、液水供給配管５１に第３実施形態で説明した液水ポンプ５９を設けるようにしても良い。カソードガス冷却装置５０をこのように構成しても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また図９に示す第１実施形態の第２変形例による燃料電池システム１００のように、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６４に直接接続するようにしても良い。カソードガス冷却装置５０をこのように構成しても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。なおこのようにカソードガス冷却装置５０を構成する場合は、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。

また図１０に示す第１実施形態の第３変形例による燃料電池システム１００のように、気液分離器７０を、回生器のタービン８０に置き換えてもよい。このようにカソードガス冷却装置５０を構成しても、カソードオフガスによってタービン８０を駆動させることで断熱膨張によって冷却して水に戻し、その水を第２内部流路６６に供給することができる。また、タービン８０によって発電機（図示せず）を駆動して発電を行い、発電した電力をバッテリ等に充電することができるので、燃料電池システム１００の燃費（電費）を向上させることができる。

また、第１実施形態及び第２実施形態において、このような回生器のタービン８０を水蒸気排出配管５２に設け、水蒸気によってタービン８０を駆動して発電を行うように構成しても良い。

さらに上記の各実施形態において、下流側供給配管２１ｂにカソードガスを加湿するための加湿器を設けるようにしても良い。

また第４実施形態において、第２独立流路６６ｂに乾燥空気や外気を供給するようにしても良い。これにより、第２独立流路６６ｂ内の水（水面）と空気との水蒸気濃度差を大きくすることができるので、第２独立流路６６ｂ内での水の蒸発を促進させることができる。また第２独立流路６６ｂ内に供給された乾燥空気や外気によって、第２内部流路６６内の水を攪拌させることができるので、これにより、水を空気との接触を促進させて蒸発を促進させることもできる。

なお上記の各実施形態や各変形例は、適宜組み合わせ自由である。

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）
３１ 冷媒循環配管（冷媒循環通路）
３３ ラジエータ
４０ 電子制御ユニット（制御装置）
５０ カソードガス冷却装置
５１ 液水供給配管（水供給通路）
５２ 水蒸気排出配管（水蒸気排出通路）
５３ 冷媒供給配管（分岐通路）
５４ 冷媒排出配管（分岐通路）
５５ 第１流量制御弁（流量制御弁）
５６ 第２流量制御弁（流量制御弁）
５７ 凝縮器
５８ 液水戻し配管（水戻し通路）
６０ インタクーラ
６３ 第１内部流路
６６ 第２内部流路
６６ａ 第１独立流路
６６ｂ 第２独立流路
６９１ 第３内部流路
７０ 気液分離器
９０ 分割壁
１００ 燃料電池システム

Claims (8)

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カソードガスを冷却するためのカソードガス冷却装置と、
   を備える燃料電池システムであって、
   前記カソードガス冷却装置は、
   カソードガスが流入する第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第２内部流路と、を有し、前記第２内部流路を流れる水の気化潜熱によって前記第１内部流路を流れるカソードガスを冷却する熱交換器を備え、
   前記第１内部流路及び前記第２内部流路は、
   前記第１内部流路を流れるカソードガスとの熱交換によって前記第２内部流路内に生じた水蒸気が前記第１内部流路に流入しないように、前記熱交換器の内部においてそれぞれ独立した流路とされる、
   燃料電池システム。
2. 前記カソードガス冷却装置は、
   前記燃料電池から排出されたカソードオフガス中の水を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器によって分離した水を、前記第２内部流路に供給するための水供給通路と、
   前記第１内部流路を流れるカソードガスとの熱交換によって前記第２内部流路内に生じた水蒸気を、大気に放出するための水蒸気排出通路と、
   を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記カソードガス冷却装置は、
   前記燃料電池から排出されたカソードオフガス中の水を分離する気液分離器と、
   前記気液分離器によって分離した水を、前記第２内部流路に供給するための水供給通路と、
   前記第１内部流路を流れるカソードガスとの熱交換によって前記第２内部流路内に生じた水蒸気が排出される水蒸気排出通路と、
   前記水蒸気排出通路に排出された水蒸気を水に戻す凝縮器と、
   前記凝縮器によって水蒸気から戻された水を、前記水供給通路に供給して再利用するための水戻し通路と、
   を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池システムは、
   前記燃料電池を冷却する冷媒が循環する冷媒循環通路と、
   前記冷媒循環通路に設けられ、前記冷媒を冷却するラジエータと、
   をさらに備え、
   前記カソードガス冷却装置は、
   前記冷媒循環通路を循環する冷媒の一部を、前記熱交換器の内部に形成された第３内部流路に供給し、前記第３内部流路を流れる冷媒によっても前記第１内部流路を流れるカソードガスを冷却することができるように構成される、
   請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記カソードガス冷却装置は、
   前記冷媒循環通路から分岐して前記第３内部流路と連通する分岐通路と、
   前記分岐通路に設けられる流量制御弁と、
   前記燃料電池の負荷に基づいて、前記流量制御弁の開度を制御して前記第３内部流路に供給する冷媒の流量を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の負荷が所定負荷未満のときに、前記流量制御弁の開度を全閉よりも大きくする、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御装置は、
   前記燃料電池の負荷が所定負荷未満のときに、負荷が低くなるほど前記流量制御弁の開度を大きくする、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記熱交換器は、
   前記第２内部流路を第１独立流路と第２独立流路の２つの独立した流路に分割する分割壁を備え、
   前記分割壁は、
   前記第１独立流路が前記第１内部流路を流れるカソードガスの流れ方向上流側に位置し、前記第２独立流路が前記第１内部流路を流れるカソードガスの流れ方向下流側に位置するように、前記第２内部流路内に設けられ、
   前記第２独立流路は、
   大気空間と連通される大気開放口を備える、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記分割壁は、前記第１内部流路を流れるカソードガスの流れ方向に対して直交する方向に延在するように、前記第２内部流路内に設けられる、
   請求項７に記載の燃料電池システム。

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