JP2020087687A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】加圧吸気を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、簡易な構成で加圧吸気の冷却能力を向上させる。【解決手段】燃料電池１０と、空気供給通路３０と、空気供給部３３と、空気排出通路３６と、排気熱交換部３５と、水供給部４１とを備える。水供給部は、空気排出通路に設けられ、排出空気中に含まれる水を貯蔵する貯水部４１０を有するとともに、貯水部に貯蔵された水を排気熱交換部に供給する。水供給部は、排出空気の流体エネルギが所定値を下回っている場合に水を貯蔵し、排出空気の流体エネルギが所定値を上回った場合に貯蔵した水を排気熱交換部に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、加圧吸気を燃料電池に供給する燃料電池システムに関する。

従来より、コンプレッサと燃料電池との間にインタークーラを設け、コンプレッサで加圧されて高温になった加圧吸気をインタークーラで冷却した後、燃料電池に供給することが行われている。

特許文献１では、コンプレッサで加圧された加圧吸気と、燃料電池の排気ガスとを熱交換させ、加圧吸気を冷却することが提案されている。

特開２０１３−１８２７８１号公報

しかしながら、特許文献１のように、燃料電池の排気ガスを用いて加圧吸気を冷却する構成では、燃料電池の高負荷時には加圧吸気を充分に冷却することができない。

また、本出願人は、特願２０１８−６４３８９号において、インタークーラに燃料電池の排気ガスを導入するとともに、排気ガスに水を噴射して、水の蒸発潜熱を利用してインタークーラの冷却能力を向上させることを提案している。この構成では、水を貯蔵するタンクや水を供給するポンプ等が必要となる。

本発明は上記点に鑑み、加圧吸気を燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、簡易な構成で加圧吸気の冷却能力を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、燃料電池（１０）と、空気供給通路（３０）と、空気供給部（３３）と、空気排出通路（３６）と、排気熱交換部（３５）と、水供給部（４１）と、を備える。水供給部は、排出空気の流体エネルギが所定値を下回っている場合に水を貯蔵し、排出空気の流体エネルギが所定値を上回った場合に貯蔵した水を排気熱交換部に供給する。

これにより、水供給部は貯水部が一体化して設けられており、排気熱交換部に供給する水を貯蔵するためのタンクを独立して設ける必要がない。さらに、水供給部は、排出空気の流体エネルギの変化を利用して水の貯蔵と供給を切り替えることができる。このため、水供給部から排気熱交換部に水を供給するためのポンプ等の動力が不要となり、簡易な構成で加圧吸気の冷却能力を向上させることができる。

また、燃料電池の負荷変動に対応して排出空気の流体エネルギが変化する。このため、燃料電池の低負荷時には排気熱交換部に供給される水が減少し、燃料電池の高負荷時には排気熱交換部に供給される水が増大する。これにより、燃料電池の負荷状況によって必要とされる排気熱交換部の冷却能力に対応し、水供給部から適切に水を供給することができる。

なお、上記各構成要素の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態の燃料電池システムを示す概念図である。 第１実施形態の水供給部が水を貯蔵している状態を示す概念図である。 第１実施形態の水供給部が水を供給している状態を示す概念図である。 第１実施形態の開閉部材の斜視図である。 第１実施形態の開閉部材の変形例を示す斜視図である。 第１実施形態の開閉部材の変形例を示す斜視図である。 第２実施形態の水供給部が水を貯蔵している状態を示す概念図である。 第２実施形態の水供給部が水を供給している状態を示す概念図である。 第３実施形態の水供給部が水を貯蔵している状態を示す概念図である。 第３実施形態の水供給部が水を供給している状態を示す概念図である。 第３実施形態の水保持部の斜視図である。 第４実施形態の水供給部が水を貯蔵している状態を示す概念図である。 第４実施形態の水供給部が水を供給している状態を示す概念図である。 第４実施形態の連通管の変形例を示す側面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態について図面に基づいて説明する。本第１実施形態の燃料電池システムは、電気自動車の一種である燃料電池車両に搭載される。

図１に示すように、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、図示しないインバータ等の電気機器に電力を供給する。インバータは、燃料電池１０から供給された直流電流を交流電流に変換して走行用モータ（負荷）に供給してモータを駆動する。

本第１実施形態では、燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いている。燃料電池１０は、基本単位となるセルが複数積層されたスタック構造となっている。各セルは、電解質膜がカソード極とアノード極で挟まれた構成となっている。

燃料電池１０には、空気供給通路３０を介して酸化剤ガスである空気が供給され、水素供給通路５０を介して燃料ガスである水素が供給される。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（アノード極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（カソード極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
この電気化学反応のためには、燃料電池１０内の電解質膜は、水を含んだ湿潤状態となっている必要がある。このため、燃料電池１０に供給される水素および空気を加湿し、これらの加湿されたガスを燃料電池１０に供給することで、燃料電池１０内の電解質を加湿する。燃料電池１０に供給される水素および空気の加湿は、図示しない加湿装置等によって行うことができる。

燃料電池１０は発電の際、上記電気化学反応により熱が発生する。燃料電池１０は運転中に、発電効率向上のために所定の作動温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。また、燃料電池１０内部の電解質膜は、所定の許容上限温度を超えると、高温により破
壊されるため、燃料電池１０を許容温度以下に保持する必要がある。

燃料電池システムは、燃料電池１０に熱媒体としての冷却水を循環供給する冷却水通路２０を備えている。冷却水通路２０には、ラジエータ２１が設けられている。ラジエータ２１は、燃料電池１０により高温となった冷却水と、外気とを熱交換させ、燃料電池１０で発生した熱を外部に放出する熱交換器である。

燃料電池システムには、燃料電池１０に酸素を含んだ空気を供給するための空気供給通路３０が設けられている。空気供給通路３０には、最上流部にエアフィルタ３１が設けられ、その下流側に空気供給装置３２、３３が設けられている。

本実施形態では、空気供給装置３２、３３として空気圧縮機を用いており、加圧した空気を加圧吸気として燃料電池１０に供給している。空気供給装置３２、３３は、圧縮機モータ（図示せず）と機械的に接続されている。空気供給装置３２、３３で加圧された加圧吸気は、断熱圧縮によって温度が上昇している。

本実施形態の燃料電池システムには、複数の空気供給装置３２、３３が設けられており、燃料電池１０に供給される空気を多段で加圧する。第１空気供給装置３２で加圧された空気は、第２空気供給装置３３でさらに加圧される。なお、第２空気供給装置３３が空気供給部に相当している。

本実施形態の燃料電池システムには、複数のインタークーラ３４、３５が設けられている。複数のインタークーラ３４、３５は、複数の空気供給装置３２、３３に対応して設けられている。具体的には、第１インタークーラ３４は第１空気供給装置３２の下流側に配置され、第２インタークーラ３５は第２空気供給装置３３の下流側に配置されている。第１空気供給装置３２で加圧された加圧吸気は第１インタークーラ３４で冷却され、第２空気供給装置３３で加圧された加圧吸気は第２インタークーラ３５で冷却される。

第１インタークーラ３４は、水冷式インタークーラである。第１インタークーラ３４には、冷却水通路２０を流れる熱媒体としての冷却水が供給される。冷却水通路２０の冷却水は、第１空気供給装置３２の加圧吸気よりも低温となっている。第１インタークーラ３４は、冷却水と加圧吸気との間で熱交換し、加圧吸気を冷却する。

第２インタークーラ３５は、空冷式インタークーラである。第２インタークーラ３５には、燃料電池１０の排出空気が供給される。燃料電池１０の排出空気は、第２空気供給装置３３の加圧吸気よりも低温となっている。第２インタークーラ３５は、排出空気と加圧吸気との間で熱交換し、加圧吸気を冷却する排気熱交換部である。

第１インタークーラ３４は、第２インタークーラ３５の冷却能力が不足する場合に、補助的に用いるようにしてもよい。例えば、第２インタークーラ３５のみによる冷却では、空気供給装置３２、３３の加圧吸気が所定温度まで温度低下しない場合に、第２インタークーラ３５の冷却能力が不足していると判断し、第１インタークーラ３４を補助的に用いればよい。

燃料電池１０には、空気排出通路３６が設けられている。空気排出通路３６には、上述した電気化学反応に用いられた後で燃料電池１０から排出される排出空気が通過する。燃料電池１０に供給された空気に含まれる酸素は、電気化学反応に用いられる。燃料電池１０に供給された空気のうち、電気化学反応に用いられなかった成分は、排出空気として燃料電池１０から排出される。

燃料電池１０では電気化学反応により生成水が発生する。燃料電池１０の生成水は、排出空気に含まれた状態で、空気排出通路３６を介して燃料電池１０から排水として排出される。

空気排出通路３６には、第１空気バルブ３７が設けられている。第１空気バルブ３７は背圧調整弁であり、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するために用いられる。

空気供給通路３０における第２インタークーラ３５の下流側には、バイパス通路３８が分岐している。バイパス通路３８は、空気供給装置３２、３３の加圧吸気を燃料電池１０をバイパスさせるための通路である。バイパス通路３８の下流側は、空気排出通路３６に接続されている。このため、第２インタークーラ３５を通過した加圧吸気は、バイパス通路３８を介して空気排出通路３６に流れることが可能となっている。

空気供給通路３０におけるバイパス通路３８との分岐点より下流側に第２空気バルブ３９が設けられている。バイパス通路３８には、第３空気バルブ４０が設けられている。

第２空気バルブ３９を開放し、第３空気バルブ４０を閉鎖した場合には、空気供給装置３２、３３の加圧吸気が燃料電池１０に流れ、空気排出通路３６には燃料電池１０の排出空気が流れる。第２空気バルブ３９を閉鎖し、第３空気バルブ４０を開放した場合には、空気供給装置３２、３３の加圧吸気がバイパス通路３８を介してバイパス空気として空気排出通路３６に流れる。このため、空気排出通路３６には、排出空気またはバイパス空気のいずれかが流れる。

空気排出通路３６におけるバイパス通路３８との合流部の下流側には、上述した第２インタークーラ３５が設けられている。燃料電池１０の排出空気は、第２インタークーラ３５を通過する。第２インタークーラ３５は、空気供給通路３０を流れる加圧吸気と、空気排出通路３６を流れる排出空気との間で熱交換を行う。

本実施形態では、空気供給装置３２、３３の加圧吸気は、例えば２００℃近くまで温度上昇する。一方、燃料電池１０の排出空気は、燃料電池１０の温度と同程度となっており、例えば１００℃以下になっていると推測される。つまり、本実施形態では、加圧吸気よりも燃料電池１０の排出空気の方が低温となっている。

このため、第２インタークーラ３５では、燃料電池１０の排出空気によって加圧吸気を冷却することができる。さらに、燃料電池１０の排出空気が加圧吸気との熱交換によって温度上昇すると、排出空気に含まれる燃料電池１０の生成水が気化するため、生成水の蒸発潜熱によっても、加圧吸気が冷却される。

空気排出通路３６における第２インタークーラ３５の上流側には、水供給部４１が設けられている。水供給部４１は、排出空気に含まれる水を貯蔵し、貯蔵した水を第２インタークーラ３５に供給する。水供給部４１による水の貯蔵は燃料電池１０の低負荷時に行われ、水供給部４１による水の供給は燃料電池１０の高負荷時に行われる。

図２、図３に示すように、水供給部４１は空気排出通路３６を構成する配管の一部に設けられている。水供給部４１は、空気排出通路３６の外周部に設けられている。図２、図３に示す例では、空気排出通路３６の外周部の一部に水供給部４１を設けているが、空気排出通路３６の外周部の全周に水供給部４１を設けてもよい。

水供給部４１には、水を貯蔵する貯水部４１０が設けられている。つまり、水供給部４１には、貯水部４１０が一体化されている。図２、図３に示す例では、空気排出通路３６における水供給部４１が設けられた部位は配管の壁面が二重になっており、この２枚の壁面に挟まれた部分が貯水部４１０となっている。

水供給部４１には、貯水部４１０に水を流入させる流入部４１１と、貯水部４１０から水を流出させる流出部４１２が設けられている。流入部４１１及び流出部４１２は、空気排出通路３６と貯水部４１０を連通させる開口部である。流入部４１１は排出空気流れ方向上流側に設けられており、流出部４１２は排出空気流れ方向下流側に設けられている。

燃料電池１０の排出空気に含まれる水の一部は、空気排出通路３６の内壁面上で液滴となる。この液滴状の水は、排出空気の流れに押されて空気排出通路３６の内壁面に沿って排出空気流れ方向下流側に移動する。空気排出通路３６の内壁面に沿って移動する液滴状の水は、流入部４１１から貯水部４１０に流入することができる。

流出部４１２には、流出部４１２を開閉する開閉部材４１３が設けられている。図２は、開閉部材４１３が流出部４１２を閉鎖した状態を示している。図３は、開閉部材４１３が流出部４１２を開放した状態を示している。

図４に示すように、開閉部材４１３は、回転軸４１３ａを有する板状部材である。開閉部材４１３は、回転軸４１３ａを中心に回動するフラップとして機能する。開閉部材４１３には、流出部４１２を閉鎖する方向に力が作用している。流出部４１２を閉鎖する方向に開閉部材４１３に作用する力は、例えばバネ等の弾性部材による弾性力を用いることができる。開閉部材４１３が流出部４１２を閉鎖する方向は、排出空気流れ方向の上流側に向かう方向である。

開閉部材４１３は、排出空気の流れに押されることで、開閉部材４１３が排出空気流れ方向の下流側に向かって回動し、流出部４１２を開放することができる。開閉部材４１３の開閉は、燃料電池１０の排出空気の流体エネルギの変動によって行われる。排出空気の流体エネルギは燃料電池１０の負荷に応じて変動するため、燃料電池１０の負荷変動によって開閉部材４１３の開閉が行われることとなる。

燃料電池１０の低負荷時には、開閉部材４１３が閉鎖する。このため、燃料電池１０の低負荷時には、貯水部４１０に排出空気に含まれる水が貯蔵される。燃料電池１０の高負荷時には、開閉部材４１３が開放する。このため、燃料電池１０の高負荷時には、貯水部４１０に貯蔵された水が排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される。

空気排出通路３６の最下流部には、マフラー４２が設けられている。マフラー４２から燃料電池１０の排出空気及び生成水が外部に排出される。

燃料電池システムには、燃料電池１０に水素を供給するための水素供給通路５０が設けられている。水素供給通路５０の最上流部には、水素供給装置５１が設けられている。本実施形態では、水素供給装置５１として高圧の水素が充填された高圧水素タンクを用いている。

水素供給通路５０における水素供給装置５１と燃料電池１０との間には、水素バルブ５２が設けられている。水素バルブ５２を開放することで、水素供給装置５１の水素を減圧して燃料電池１０に供給することができる。水素供給装置５１から供給される水素は、断熱膨張によって温度が低下している。

燃料電池１０に供給された水素は、上述の電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかった未反応の水素は、水素排出通路５３を介して燃料電池１０から水素排ガスとして排出される。燃料電池１０で電気化学反応により生成した生成水は、アノード極側にも移動し、水素排ガスに含まれた状態で水素排出通路５３からも排出される。

燃料電池システムには、図示しない制御装置が設けられている。制御装置は、燃料電池システムを構成する各制御対象機器の作動を制御する。制御装置は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路を備えている。制御装置は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムに基づいて、各制御対象機器の作動を制御することができる。

次に、上記構成を備える燃料電池システムの作動を水供給部４１を中心に説明する。

まず、燃料電池１０の低負荷時には、燃料電池１０の発電量が小さく、排出空気流量が少ない。燃料電池１０の低負荷時には、空気排出通路３６を流れる排出空気の圧力（動圧）が低く、排出空気の流体エネルギが小さい。ここで、燃料電池１０の低負荷時は、燃料電池１０の発電量が所定発電量を下回っている場合、排出空気の流体エネルギが所定値を下回っている場合、あるいは排出空気の圧力が所定圧力を下回っている場合とすることができる。

燃料電池１０の低負荷時には、排出空気の流体エネルギによって開閉部材４１３に作用する力が図示しない弾性部材の弾性力よりも小さくなる。このため、燃料電池１０の低負荷時には、開閉部材４１３が流出部４１２を閉鎖する状態（図２参照）となる。

貯水部４１０には、排出空気に含まれる水のうち液滴状の水が流入部４１１から流入する。燃料電池１０の低負荷時には、流出部４１２が閉鎖状態となることで、貯水部４１０では液滴状の水が貯蔵される。

次に、燃料電池１０の高負荷時には、燃料電池１０の発電量が大きく、排出空気流量が多くなる。燃料電池１０の高負荷時には、空気排出通路３６を流れる排出空気の圧力（動圧）が高く、排出空気の流体エネルギが大きい。ここで、燃料電池１０の高負荷時は、燃料電池１０の発電量が所定発電量を上回っている場合、排出空気の流体エネルギが所定値を上回っている場合、あるいは排出空気の圧力が所定圧力を上回っている場合とすることができる。

燃料電池１０の高負荷時には、排出空気の流体エネルギによって開閉部材４１３に作用する力が図示しない弾性部材の弾性力よりも大きくなる。このため、燃料電池１０の高負荷時には、開閉部材４１３が流出部４１２を開放する状態（図３参照）となる。

流出部４１２が開放されることで、貯水部４１０に貯蔵された水が流出部４１２から流出する。流出部４１２から流出した水は、空気排出通路３６を流れる排出空気に供給されるとともに、排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される。

水供給部４１から第２インタークーラ３５に水が供給されることで、水の顕熱によって第２インタークーラ３５の温度を低下させることができる。さらに水の蒸発に伴う潜熱によって第２インタークーラ３５の温度を低下させることができる。このように、第２インタークーラ３５の温度を低下させることで、第２インタークーラ３５の冷却効率を向上させることができる。

また、水供給部４１から排出空気に水が供給されることで、水の顕熱及び潜熱によって排出空気の温度を低下させることができる。第２インタークーラ３５に供給される排出空気の温度が低下することで、第２インタークーラ３５の冷却効率を向上させることができる。

以上説明した本実施形態では、燃料電池１０の排出空気によって第２空気供給装置３３の加圧吸気を冷却する第２インタークーラ３５に水を供給する水供給部４１を設けている。水供給部４１は、空気排出通路３６における第２インタークーラ３５の上流側に設けられている。水供給部４１は、貯水部４１０が一体化して設けられており、第２インタークーラ３５に供給する水を貯蔵するためのタンクを独立して設ける必要がない。

また、本実施形態の水供給部４１は、燃料電池１０の低負荷時に排出空気に含まれる水を貯蔵し、燃料電池１０の高負荷時に貯蔵した水を排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給する。つまり、水供給部４１は、燃料電池１０の負荷変動による排出空気の流体エネルギの変化を利用して水の貯蔵と供給を切り替えている。このため、水供給部４１から第２インタークーラ３５に水を供給するためのポンプ等の動力が不要になり、簡易な構成で加圧吸気の冷却能力を向上させることができる。

また、燃料電池１０の低負荷時は排出空気に含まれる水の一部を貯蔵し、燃料電池１０の高負荷時に貯蔵した水を第２インタークーラ３５に供給している。このため、第２インタークーラ３５の高い冷却能力が要求されない燃料電池１０の低負荷時には、第２インタークーラ３５に供給される水が減少する。また、第２インタークーラ３５の高い冷却能力が要求される燃料電池１０の高負荷時には、第２インタークーラ３５に供給される水が増大する。これにより、第２インタークーラ３５に要求される冷却能力に対応し、水供給部４１から適切に水を供給することができる。

なお、本第１実施形態の構成において、開閉部材４１３を以下のように変更してもよい。

例えば、図５に示すように、開閉部材４１３の断面を波形状としてもよい。貯水部４１０から第２インタークーラ３５に供給される水の少なくとも一部は、開閉部材４１３の表面上を移動する。図５に示す開閉部材４１３では、水の移動方向と交わる断面が波形状となっている。断面波形状の開閉部材４１３では、並列する複数の溝が水の移動方向に沿って形成されている。

図５に示す開閉部材４１３が流出部４１２を開放した場合には、貯水部４１０に貯蔵されていた液滴状の水は開閉部材４１３の表面を溝に沿って移動する。開閉部材４１３の表面を移動する水は、複数の溝で分割されて液滴が小さくなった状態で、開閉部材４１３の端部から離脱する。

図５に示す開閉部材４１３を用いることで、排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される水が細かな液滴になり、蒸発が促進される。これにより、第２インタークーラ３５の冷却効率を向上させることができる。

また、図６に示すように、開閉部材４１３の端部を鋸歯状としてもよい。図６に示す例では、開閉部材４１３の端部に山部と谷部が連続して形成されている。つまり、開閉部材４１３の端部に複数の鋭角状の突起が連続して形成されている。

この開閉部材４１３の端部は、開閉部材４１３が流出部４１２を開放した場合に、液滴の移動方向下流側に位置する下流側端部である。つまり、開閉部材４１３の端部は、開閉部材４１３が流出部４１２を開放した場合に、排出空気流れ方向下流側に位置する端部であり、開閉部材４１３が流出部４１２を開放した場合に、第２インタークーラ３５に近い側に位置する端部である。

図６に示す開閉部材４１３が流出部４１２を開放した場合には、貯水部４１０に貯蔵されていた水は開閉部材４１３の表面を移動し、開閉部材４１３の端部から離脱する。開閉部材４１３の端部が鋸歯状となっていることで、開閉部材４１３の端部で液滴が分割されて小さくなる。

図６に示す開閉部材４１３を用いることで、排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される水が細かな液滴になり、蒸発が促進される。これにより、第２インタークーラ３５の冷却効率を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。以下、上記第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７、図８に示すように、本第２実施形態の水供給部４１では、流出部４１２に開閉部材４１３が設けられていない。このため、流出部４１２は常時開放状態となっている。

本第２実施形態の水供給部４１では、貯水部４１０に水保持部４１４が設けられている。水保持部４１４は、流入部４１１から貯水部４１０に流入した水を保持しやすくするために設けられている。

図７、図８に示すように、本第２実施形態の水保持部４１４には、多数の突起部がブラシ状に設けられている。水保持部４１４を構成する突起部は、例えば植毛処理によって設けることができる。

このような構成の水保持部４１４では、表面張力に基づく毛管現象によって隣接する突起部の間の隙間に水が保持される。貯水部４１０では、他の部位よりも水の濡れ長さが長くなっており、水が保持されやすくなっている。つまり、貯水部４１０に水保持部４１４を設けることで、貯水部４１０の保水性を向上させることができる。

水保持部４１４は、毛管現象を生じさせることができれば形状は任意であり、ブラシ状に限定されない。例えば水保持部４１４を、多孔質形状としてもよく、スポンジのような連続気泡構造としてもよい。

図７は、燃料電池１０の低負荷時を示している。燃料電池１０の低負荷時には、排出空気の流体エネルギが所定値を下回る。この場合には、液滴に作用する流体エネルギが表面張力を下回るため、貯水部４１０に水が保持される。

図８は、燃料電池１０の高負荷時を示している。燃料電池１０の低負荷時には、排出空気の流体エネルギが所定値を上回る。この場合には、液滴に作用する流体エネルギが表面張力を上回るため、貯水部４１０に貯蔵されている水が排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される。

以上説明した本第２実施形態によれば、水供給部４１の貯水部４１０に水保持部４１４を設けることで、水供給部４１は、燃料電池１０の負荷変動による排出空気の流体エネルギの変化を利用して水の貯蔵と供給を切り替えることができる。このため、水供給部４１から第２インタークーラ３５に水を供給するためのポンプ等の動力が不要になり、簡易な構成で加圧吸気の冷却能力を向上させることができる。また、本第２実施形態では、水保持部４１４を設けることで、水供給部４１に開閉部材４１３が不要となる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図９、図１０に示すように、本第３実施形態の水供給部４１においても、上記第２実施形態と同様、流出部４１２に開閉部材４１３が設けられていない。このため、流出部４１２は常時開放状態となっている。

本第３実施形態の水供給部４１では、貯水部４１０に水保持部４１５が設けられている。水保持部４１５は、流入部４１１から貯水部４１０に流入した水を保持しやすくするために設けられている。

図１１に示すように、水保持部４１５はハニカム状になっている。図１１に示す水保持部４１５は、格子状断面を有しており、複数の微細通路が規則的に設けられている。水保持部４１５に形成された微細通路の断面形状は、特に限定されず、例えば四角形状、六角形状あるいは丸形状等とすることができる。水保持部４１５は、微細通路の長手方向が排出空気流れ方向に沿うように配置されている。

水保持部４１５では、液滴状の水が微細通路を流れる際に粘性抵抗が大きくなり、貯水部４１０の保水性を向上させることができる。水保持部４１５は、水の粘性抵抗を大きくできれば形状は任意であり、ハニカム状に限定されない。

図９は、燃料電池１０の低負荷時を示している。燃料電池１０の低負荷時には、排出空気の流体エネルギが所定値を下回る。この場合には、液滴に作用する流体エネルギが粘性抵抗を下回るため、貯水部４１０に水が保持される。

図１０は、燃料電池１０の高負荷時を示している。燃料電池１０の低負荷時には、排出空気の流体エネルギが所定値を上回る。この場合には、液滴に作用する流体エネルギが粘性抵抗を上回るため、貯水部４１０に貯蔵されている水が排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される。

以上説明した本第３実施形態によれば、水供給部４１の貯水部４１０に水保持部４１５を設けることで、水供給部４１は、燃料電池１０の負荷変動による排出空気の流体エネルギの変化を利用して水の貯蔵と供給を切り替えることができる。このため、水供給部４１から第２インタークーラ３５に水を供給するためのポンプ等の動力が不要になり、簡易な構成で加圧吸気の冷却能力を向上させることができる。また、本第３実施形態では、水供給部４１に水保持部４１５を設けることで、開閉部材４１３が不要となる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。以下、上記各実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１２、図１３に示すように、本第４実施形態では、水供給部４１に流出部４１２が設けられていない。

本第４実施形態では、空気排出通路３６における第２インタークーラ３５の上流側に絞り部３６ａが設けられている。図１２、図１３に示す例では、空気排出通路３６における水供給部４１に対応する位置に絞り部３６ａが設けられている。

絞り部３６ａは、配管の通路断面積が縮小したベンチュリ機構となっている。このため、絞り部３６ａでは、排出空気の流速が上がり、圧力が低下する。

水供給部４１には、連通管４１６が設けられている。連通管４１６は、貯水部４１０における水が貯蔵される部位と、空気排出通路３６の絞り部３６ａとを連通させている。連通管４１６は管状部材であり、内部を液滴状の水が通過可能となっている。

連通管４１６は１本以上設けられていればよく、複数本が設けられていることが望ましい。連通管４１６を複数設ける場合には、貯水部４１０側の端部を均等に分散配置することが望ましい。本第４実施形態では、複数本の連通管４１６が千鳥配置されている。

貯水部４１０は流入部４１１で空気排出通路３６と連通しているため、貯水部４１０内の圧力は、空気排出通路３６における絞り部３６ａ以外の部位と同程度となっている。このため、絞り部３６ａは貯水部４１０よりも圧力が低くなっている。絞り部３６ａの圧力が貯水部４１０の圧力を所定値を超えて下回った場合に、貯水部４１０の水が連通管４１６を介して低圧側の絞り部３６ａに供給される。

図１２は、燃料電池１０の低負荷時を示している。燃料電池１０の低負荷時には、排出空気の流速が低い。このため、絞り部３６ａと貯水部４１０の圧力差が所定値を下回り、貯水部４１０の水は連通管４１６を介して低圧側の絞り部３６ａに供給されない。これにより、貯水部４１０に水が貯蔵される。

図１３は、燃料電池１０の高負荷時を示している。燃料電池１０の高負荷時には、排出空気の流速が速くなる。このため、絞り部３６ａと貯水部４１０の圧力差が所定値を上回り、貯水部４１０の水は連通管４１６を介して低圧側の絞り部３６ａに供給される。これにより、貯水部４１０に貯蔵された水が排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される。

以上説明した本第４実施形態によれば、空気排出通路３６に絞り部３６ａを設け、絞り部３６ａと水供給部４１の貯水部４１０を連通管４１６で連通している。これにより、水供給部４１は、燃料電池１０の負荷変動による排出空気の流体エネルギの変化を利用して水の貯蔵と供給を切り替えることができる。このため、水供給部４１から第２インタークーラ３５に水を供給するためのポンプ等の動力が不要になり、簡易な構成で加圧吸気の冷却能力を向上させることができる。さらに、本第４実施形態では、水供給部４１には、水の貯蔵と供給を切り替えるための開閉部材４１３が不要となる。

また、複数本の連通管４１６を設けることで、貯水部４１０の水を分割して絞り部３６ａに供給することができる。これにより、排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される水が細かな液滴になって蒸発が促進され、第２インタークーラ３５の冷却効率を向上させることができる。

なお、本第４実施形態の構成において、連通管４１６を以下のように変更してもよい。

例えば、図１４に示すように、連通管４１６における絞り部３６ａ側の端部を鋸歯状としてもよい。この場合には、連通管４１６の端部に山部と谷部が連続して形成され、連通管４１６の端部に複数の鋭角状の突起が連続して形成される。

このように連通管４１６の端部と鋸歯状にすることで、連通管４１６を通過する水が連通管４１６の端部で分割されて細かな液滴となる。これにより、排出空気を介して第２インタークーラ３５に供給される水が細かな液滴になって蒸発が促進され、第２インタークーラ３５の冷却効率を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

（１）上記各実施形態では、本発明の燃料電池システムを車両に搭載した例について説明したが、これに限らず、本発明の燃料電池システムを車両用以外の用途にも用いてもよい。

（２）上記各実施形態では、水冷式インタークーラである第１インタークーラ３４と、空冷式インタークーラである第２インタークーラ３５を併設した例について説明したが、第１インタークーラ３４を省略してもよい。

１０ 燃料電池
３０ 空気供給通路
３３ 第２空気供給装置（空気供給部）
３５ 第２インタークーラ（排気熱交換部）
３６ 空気排出通路
３６ａ 絞り部
４１ 水供給部
４１０ 貯水部
４１３ 開閉部材
４１４ 水保持部
４１５ 水保持部
４１６ 連通管

Claims (10)

1. 酸素と水素とを電気化学反応させて発電する燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池に供給される酸素を含んだ空気が通過する空気供給通路（３０）と、
   前記空気供給通路に設けられ、加圧した空気を前記燃料電池に加圧吸気として供給する空気供給部（３３）と、
   前記電気化学反応に用いられた後で前記燃料電池から排出される排出空気が通過する空気排出通路（３６）と、
   前記加圧吸気と前記排出空気とを熱交換させる排気熱交換部（３５）と、
   前記空気排出通路に設けられ、前記排出空気中に含まれる水を貯蔵する貯水部（４１０）を有するとともに、前記貯水部に貯蔵された水を前記排気熱交換部に供給する水供給部（４１）と、
   を備え、
   前記水供給部は、前記排出空気の流体エネルギが所定値を下回っている場合に水を貯蔵し、前記排出空気の流体エネルギが所定値を上回った場合に貯蔵した水を前記排気熱交換部に供給する燃料電池システム。
2. 前記水供給部は、前記貯水部と前記排気熱交換部との間を開閉する開閉部材（４１３）を備え、
   前記開閉部材は、前記排出空気の流体エネルギが所定値を下回っている場合に閉鎖し、前記排出空気の流体エネルギが所定値を上回った場合に開放する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記貯水部に貯蔵された水は、前記開閉部材の表面上を移動した後で前記排気熱交換部に供給されるようになっており、
   前記開閉部材は、水の移動方向に交わる断面が波形状である請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記貯水部に貯蔵された水は、前記開閉部材の表面上を移動した後で前記排気熱交換部に供給されるようになっており、
   前記開閉部材は、水の移動方向における下流側端部が鋸歯状である請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記貯水部は、多数の突起部がブラシ状に設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記貯水部は、多孔質形状である請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記貯水部は、複数の通路が設けられたハニカム状である請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 前記空気排出通路における前記排気熱交換部の上流側には通路断面積が縮小した絞り部（３６ａ）が設けられており、
   前記貯水部は前記絞り部とを連通する連通管（４１６）を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 前記連通管は複数設けられており、前記複数の連通管の前記貯水部側の端部は分散配置されている請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記連通管における前記絞り部側の端部は鋸歯状である請求項８または９に記載の燃料電池システム。

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