JP2020205195A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低温の燃料ガスを効果的に活用できる燃料電池システムを得る。【解決手段】本燃料電池システム１０では、ボルテックスチューブ１６からの低温水素は、第１熱交換器３２へ供給されて燃料電池スタック１２からの排気が低温水素によって冷却され、これによって、水蒸気の状態で排気に含まれる生成水が凝縮されて液状にされる。燃料電池スタック１２からの排気は、燃料電池システム１０の作動状態で基本的に常に燃料電池スタック１２から排出される。このため、本燃料電池システム１０の作動状態で低温水素が排気と熱交換せずに燃料電池スタック１２へ供給されることを抑制できるため、ボルテックスチューブ１６において水素を低温にすることによる効果を十分に得ることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

下記特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃料ガス（例えば、水素）は、ボルテックスチューブを通って燃料電池スタックへ供給される。燃料ガスは、ボルテックスチューブ内でボルテックスチューブへの供給時よりも高温の高温燃料ガスと、ボルテックスチューブへの供給時よりも低温の低温燃料ガスとに分離される。

一方、燃料電池スタックには、冷媒流路が設けられており、冷却装置の冷媒（冷却液）が流れる。これによって、燃料電池スタックが冷却される。また、燃料電池スタックを冷却した冷媒と、低温燃料ガスとは、低温燃料ガス側の熱交換器に供給される。熱交換器では、冷媒と低温燃料ガスとの間で熱が交換され、これによって、燃料電池スタックで加熱された冷媒が冷却される。

ところで、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、燃料電池スタックの冷媒流路を通った冷媒の温度が十分に高くない場合、すなわち、冷媒の冷却の必要がない場合には、冷媒は、低温燃料ガス側の熱交換器を通らない。したがって、このような場合には、低温燃料ガスは、基本的に冷媒を冷却することなく、燃料電池スタックへ供給される。このため、特許文献１に開示された燃料電池システムでは、低温の燃料ガスの活用方法については改善の余地がある。

特開２０１９−０４０７５７号公報

本発明は、上記事実を考慮して、低温の燃料ガスを効果的に活用できる燃料電池システムを得ることが目的である。

請求項１に記載の燃料電池システムは、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスの酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池の燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給路に設けられて前記燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを供給時よりも高温の高温燃料ガスと供給時よりも低温の低温燃料ガスとに分離するボルテックスチューブと、前記ボルテックスチューブから排出された前記低温燃料ガスが供給されると共に、前記燃料電池スタックから排出された排気が供給され、前記低温燃料ガスと前記排気との間で熱を交換させて前記排気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器から排出された前記排気が供給され、前記排気に含まれる水分を前記排気から分離する気液分離器と、を備えている。

請求項１に記載の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給路にボルテックスチューブが設けられており、燃料ガスは、燃料電池スタックへの供給の途中（燃料電池スタックへの供給前）にボルテックスチューブを通過する。ボルテックスチューブでは、供給された燃料ガスが、供給時よりも高温の高温燃料ガスと、供給時よりも低温の低温燃料ガスとに分離される。ボルテックスチューブから排出された低温燃料ガスは、熱交換器に供給される。この熱交換器には、燃料電池スタックから排出された排気が供給され、熱交換器では、ボルテックスチューブからの低温燃料ガスと、燃料電池スタックからの排気との間で熱が交換される。これによって、排気が冷却される。

ここで、燃料電池スタックでは、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスの酸素との間で電気化学反応が生じ、これによって発電される。また、このような水素と酸素との電気化学反応によって水分が生成される（以下、この水分を「生成水」と称する）。この生成水の少なくとも一部は、水蒸気の状態で排気に含まれる。このため、熱交換器において排気が冷却されると、排気に含まれる生成水が凝縮されて液状にされる。

さらに、このように液状とされた生成水は、気液分離器によって排気から分離される。このように排気から液状の生成水を得ることができ、本燃料電池システムの各構成や本燃料電池システム以外の装置へ液状の生成水を供給できる。このように、本燃料電池システムでは、ボルテックスチューブによって分離された低温燃料ガスを排気に含まれる水蒸気状の生成水の凝縮に用いている。燃料電池システムが作動して燃料ガスの水素と酸化剤ガスの酸素との間で電気化学反応が生じている状態では、生成水を含んだ排気が熱交換器に供給される。このため、低温の燃料ガスを効果的に活用できる。

以上、説明したように、請求項１に記載の燃料電池システムでは、低温の燃料ガスを効果的に活用できる。

第１の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す水素、空気、冷却液の回路図である。 第２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す水素、空気、冷却液の回路図である。 第３の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す水素、空気、冷却液の回路図である。 第４の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す水素、空気、冷却液の回路図である。 第５の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す水素、空気、冷却液の回路図である。 第６の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す水素、空気、冷却液の回路図である。

次に、本発明の各実施の形態を図１から図６の各図に基づいて説明する。なお、以下の各実施の形態を説明するにあたり、説明している実施の形態よりも前出の実施の形態と基本的に同一の構成については、同一の符号を付与してその詳細な説明を省略する。

＜第１の実施の形態の構成＞
図１に示されるように、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池を構成する燃料電池スタック１２を備えている。燃料電池スタック１２は、複数のセルを備えている。燃料ガスとしての水素がセルの正極（アノード、燃料極）と正極側のセパレータとの間を流れ、酸化剤としての酸素を含む空気がセルの負極（カソード、空気極）と負極側のセパレータとの間を流れる。これによって、水素と酸素との電気化学反応が生じて、発電される。

燃料電池スタック１２は、車両に搭載された駆動ドライバを介して駆動装置としての車両駆動モータへ電気的に接続されており、燃料電池スタック１２から車両駆動モータへ電力が供給されることによって車両駆動モータが駆動される。車両駆動モータの出力軸は、車両の駆動輪へ機械的に接続されており、車両駆動モータの駆動力が駆動輪へ伝わることによって車両は、走行できる。

また、本燃料電池システム１０は、燃料ガス貯蔵部としてのタンク１４を備えている。タンク１４には、上述した水素（燃料ガス）が高圧の状態で貯蔵されている。タンク１４の、例えば、口金部分は、ボルテックスチューブ１６の供給口１８へ接続されており、タンク１４からの水素は、ボルテックスチューブ１６の供給口１８を介してボルテックスチューブ１６内へ供給される。ボルテックスチューブ１６は、暖気排出部２０及び冷気排出部２２を備えている。暖気排出部２０は、ボルテックスチューブ１６の中心軸方向一端に設けられ、冷気排出部２２は、ボルテックスチューブ１６の中心軸方向他端に設けられている。

ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０は、第１バルブ２４の吸入ポートへ接続されており、第１バルブ２４の排出ポートは、燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートへ接続されている。ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０から排出された水素は、第１バルブ２４及び燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートを通って燃料電池スタック１２へ供給される。

燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートは、第１気液分離器２６の吸入ポートへ接続されており、燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートから排出された排気は、第１気液分離器２６に流れる。燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートから排出された排気が第１気液分離器２６に供給されると、排気は、第１気液分離器２６によって水分が多い排気と、水分が少ない排気とに分離される。

第１気液分離器２６の気体排出ポートは、燃料循環ポンプ２８の吸入ポートへ接続されており、水分が少ない排気は、第１気液分離器２６の気体排出ポートから排出されて燃料循環ポンプ２８の吸入ポートへ供給される。燃料循環ポンプ２８の排出ポートは、第１バルブ２４の排出ポートと燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートとの間で水素の流路に接続されている。燃料循環ポンプ２８の排出ポートから排出された排気は、第１バルブ２４の排出ポートと燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートとの間を流れる水素に合流し、燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートへ供給される。

一方、第１気液分離器２６の液体排出ポートは、弁３０へ接続されており、更に、弁３０は、熱交換器としての第１熱交換器３２の高温側吸入ポートへ接続されている。水分の含有量が多い排気は、第１気液分離器２６の液体排出ポートから排出され、弁３０を通り、第１熱交換器３２の高温側吸入ポートから第１熱交換器３２内へ供給される。第１熱交換器３２の低温側吸入ポートは、ボルテックスチューブ１６の冷気排出部２２へ接続されており、ボルテックスチューブ１６の冷気排出部２２からの水素は、第１熱交換器３２の低温側吸入ポートを通って第１熱交換器３２へ供給される。

第１熱交換器３２では、第１気液分離器２６から供給された排気とボルテックスチューブ１６の冷気排出部２２から供給された水素との間で熱が交換される。第１熱交換器３２の低温側排出ポートは、ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０と第１バルブ２４の吸入ポートとの間で水素の流路に接続されている。第１熱交換器３２の低温側吸入ポートを通った水素は、ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０と第１バルブ２４の吸入ポートとの間を流れる水素に合流して燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートへ供給される。

一方、第１熱交換器３２の高温側排出ポートは、気液分離器としての第２気液分離器３４の吸入ポートへ接続されており、第１熱交換器３２の高温側排出ポートから排出された排気は、第２気液分離器３４の吸入ポートを通って第２気液分離器３４へ供給される。第１熱交換器３２の高温側排出ポートから排出された排気は、第２気液分離器３４において水分と水分が少ない排気とに分離され、水分が少ない排気は、第２気液分離器３４の気体排出ポートから外部へ放出される。これに対して、第２気液分離器３４の液体排出ポートは、インタークーラー（第２熱交換器）３６の低温側吸入ポートへ接続されている。第２気液分離器３４の液体排出ポートから排出された水分は、インタークーラー３６の低温側吸入ポートを通ってインタークーラー３６へ供給される。

一方、インタークーラー３６の高温側吸入ポートは、エアコンプレッサ３８の排出ポートへ供給されている。エアコンプレッサ３８では、外気、すなわち、空気が吸引されて圧縮される。エアコンプレッサ３８によって圧縮された空気は、インタークーラー３６の高温側吸入ポートを通ってインタークーラー３６へ供給される。インタークーラー３６では、第２気液分離器３４からの水分と、エアコンプレッサ３８からの空気との間で熱が交換される。これによって、エアコンプレッサ３８からの空気が冷却され、第２気液分離器３４からの水分が加熱される。インタークーラー３６で加熱された水分は、インタークーラー３６の低温側排出ポートを通って外部へ排出される。

これに対して、インタークーラー３６の高温側排出ポートは、燃料電池スタック１２の負極側の吸入ポートへ接続されている。インタークーラー３６にて冷却された空気は、燃料電池スタック１２の負極側の吸入ポートを通って燃料電池スタック１２へ供給され、燃料電池スタック１２に供給された水素との電気化学反応に供される。燃料電池スタック１２の負極側の排出ポートは、第２バルブ４０の吸入ポートへ接続されている。第２バルブ４０の排出ポートは、弁３０と第１熱交換器３２との間で燃料電池スタック１２の正極側からの排気の流路に接続されている。燃料電池スタック１２の負極側の排出ポートからの排気は、第２バルブ４０を通り、弁３０と第１熱交換器３２との間を流れる燃料電池スタック１２の正極側からの排気へ合流される。

一方、本燃料電池システム１０は、冷却装置４２を備えている。冷却装置４２は、ラジエータ４４を備えている。ラジエータ４４は、例えば、車両のエンジンコンパートメントの内側におけるバンパリインフォースの車両後側に配置されている。ラジエータ４４には、冷却装置４２を循環する冷媒としての冷却液がラジエータ４４を流れる。ラジエータ４４は、概ね、車両前後方向に空気の通過が可能に構成されている。車両の走行状態で走行風がラジエータ４４を通ると、走行風とラジエータ４４内の冷却液との間で熱が交換される。これによって、冷却液が冷却される。なお、冷却液は、水でもよいし、エチレングリコール等を含んだ液体であってもよい。

ラジエータ４４の冷却液の排出ポートは、三方弁４６の第１吸入ポートへ接続されている。三方弁４６の排出ポートは、燃料電池スタック１２の冷却液流路の一端へ接続されており、ラジエータ４４から三方弁４６を介して燃料電池スタック１２の冷却液流路の一端へ供給された冷却液は、燃料電池スタック１２の冷却液流路を流れる。これによって、燃料電池スタック１２が冷却される。

燃料電池スタック１２の冷却液流路の他端は、ラジエータ４４の吸入ポートへ接続されている。燃料電池スタック１２を冷却することによって加熱された冷却液は、ラジエータ４４の吸入ポートを通ってラジエータ４４へ供給される。また、燃料電池スタック１２の冷却液流路の他端は、三方弁４６の第２吸入ポートへ接続されている。例えば、燃料電池スタック１２の冷却液流路の他端からの冷却液が三方弁４６の第２吸入ポートへ流れると、冷却液は、ラジエータ４４を通ることなく燃料電池スタック１２の冷却液流路の一端へ流れる。

＜第１の実施の形態の作用、効果＞
次に、本実施の形態の作用並びに効果について説明する。

本燃料電池システム１０では、タンク１４から排出された水素がボルテックスチューブ１６の供給口１８を通ってボルテックスチューブ１６内へ供給される。ボルテックスチューブ１６内に供給された水素は、螺旋状の第１螺旋気流となってボルテックスチューブ１６の中心軸方向一端側、すなわち、暖気排出部２０側へ流れ、第１螺旋気流となった水素の一部は、暖気排出部２０から排出される。暖気排出部２０から排出されなかった第１螺旋気流（すなわち、水素）は、螺旋状の第２螺旋気流となって第１螺旋気流の内側（ボルテックスチューブ１６の中心軸側）をボルテックスチューブ１６の中心軸方向他端側、すなわち、冷気排出部２２側へ流れる。

このように、水素が第１螺旋気流、第２螺旋気流となってボルテックスチューブ１６内を流れると、第１螺旋気流と第２螺旋気流との間で熱が交換される。これによって、ボルテックスチューブ１６の供給口１８へ流れた際の水素よりも高温の高温水素（高温燃料ガス）がボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０から排出される。これに対して、ボルテックスチューブ１６の供給口１８へ流れた際の水素よりも低温の低温水素（低温燃料ガス）がボルテックスチューブ１６の冷気排出部２２から排出される。

ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０から排出された高温水素は、第１バルブ２４及び燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートを通って燃料電池スタック１２へ供給される。これに対して、ボルテックスチューブ１６の冷気排出部２２から排出された低温水素は、第１熱交換器３２を通り、ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０と第１バルブ２４との間で高温水素に合流されて高温水素と共に燃料電池スタック１２へ供給される。

一方、エアコンプレッサ３８が作動されると、空気である外気がエアコンプレッサ３８によって吸引されて圧縮される。エアコンプレッサ３８から排出された空気は、インタークーラー３６を通って燃料電池スタック１２の負極側の吸入ポートを通って燃料電池スタック１２へ供給される。このように、燃料電池スタック１２の正極側に水素が供給されて燃料電池スタック１２の負極側に空気が供給されると、燃料電池スタック１２では、水素と空気に含まれる酸素とによる電気化学反応が生じ、発電される。

一方、燃料電池スタック１２において空気との電気化学反応に供されなかった水素は、排気として燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートから排出されて第１気液分離器２６へ供給される。燃料電池スタック１２では、水素と酸素との電気化学反応の結果、水分が生成される（以下、この水分を「生成水」と称する）。このため、燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートから排出された排気には、生成水の少なくとも一部が水蒸気として含まれる。このように、生成水の水蒸気が含まれた排気と、液状の生成水とが燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートから排出される、第１気液分離器２６に流れる。

第１気液分離器２６では、燃料電池スタック１２の正極側の排出ポートから排出された排気が、生成水の含有量が少ない（水分が少ない）排気と、生成水の含有量が多い（水分が多い）排気とに分離される。生成水の含有量が少ない排気は、第１気液分離器２６の気体排出ポートから排出されて燃料循環ポンプ２８を通る。燃料循環ポンプ２８を通った排気は、第１バルブ２４の排出ポートと燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートとの間を流れる水素に合流され、燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートへ供給される。

一方、生成水の含有量が多い排気は、液状の生成水と共に第１気液分離器２６の液体排出ポートから排出され、弁３０を通って第１熱交換器３２へ供給される。また、燃料電池スタック１２において水素との電気化学反応に供されなかった空気は、排気として燃料電池スタック１２の負極側の排出ポートから排出される。燃料電池スタック１２の負極側の排出ポートから排出された排気は、第２バルブ４０を通り、弁３０と第１熱交換器３２との間で第１気液分離器２６の液体排出ポートからの排気に合流される。このようにして燃料電池スタック１２の正極側、負極側の双方からの排気及び液状の生成水が第１熱交換器３２へ供給される。

第１熱交換器３２では、ボルテックスチューブ１６で冷却された低温水素と燃料電池スタック１２からの排気との間で熱交換が行われる。これによって排気が冷却されると、排気中で水蒸気として存在していた生成水が過飽和となり、凝縮されて液状に変化する。これによって、生成水が排気から分離される。このようにして排気から分離された液状の生成水は、排気と、元々、液状として排気中に混在していた生成水と共に第２気液分離器３４へ供給され、第２気液分離器３４において排気と、液状の生成水とに分離される。液状の生成水から分離された排気は、第２気液分離器３４の気体排出ポートから外部へ放出される。

一方、排気から分離された液状の生成水は、第２気液分離器３４の液体排出ポートを通ってインタークーラー３６へ供給される。インタークーラー３６にはエアコンプレッサ３８によって圧縮された空気が供給されている。ここで、空気は、エアコンプレッサ３８によって圧縮されることで温度が高くなっている。インタークーラー３６では、エアコンプレッサ３８によって高温にされた空気と、第２気液分離器３４からの生成水との間で熱が交換される。これによって第２気液分離器３４からの生成水は、加熱され、更に、生成水は、インタークーラー３６の低温側排出ポートを通って外部へ放出される。これに対して、第２気液分離器３４からの生成水との間で熱が交換されることによって冷却された空気は、燃料電池スタック１２の負極側に供給される。

このように、エアコンプレッサ３８によって高温にされた空気を生成水によって冷却できる。これによって、高温の空気が燃料電池スタック１２へ供給されることを抑制でき、燃料電池スタック１２へ供給される空気の温度を適切に保つことができる。

一方、本燃料電池システム１０では、冷却装置４２の冷却液が燃料電池スタック１２の冷却液流路を流れることによって燃料電池スタック１２が冷却される。ここで、本燃料電池システム１０では、上記のように、エアコンプレッサ３８によって高温にされた空気が生成水によって冷却される。

このため、燃料電池スタック１２の冷却液流路を流れる冷却液の温度上昇を抑制できる。これによって、燃料電池スタック１２側からラジエータ４４へ冷却液が流れた際に、ラジエータ４４への入熱量が大きくなることを抑制できる。このため、例えば、車両走行時の走行風によって冷却液を十分に冷却でき、冷却装置４２の冷却性能を向上できる。

ここで、本燃料電池システム１０が作動されて、燃料電池スタック１２において水素と空気に含まれる酸素との間で電気化学反応が生じて発電されている状態では、基本的に常に生成水が生成される。したがって、生成水が水蒸気の状態で含まれた排気は、本燃料電池システム１０の作動状態で基本的に常に第１熱交換器３２へ供給される。このため、本燃料電池システム１０の作動状態では、基本的に常にボルテックスチューブ１６からの低温水素は、第１熱交換器３２において排気と熱を交換し、排気を冷却して水蒸気の状態で排気に含まれる生成水を凝縮している。

このように、本燃料電池システム１０では、本燃料電池システム１０の作動状態で低温水素が排気と熱交換せずに燃料電池スタック１２へ供給されることを抑制できる。このため、ボルテックスチューブ１６において水素を低温にすることによる効果を十分に得ることができる。

＜第２の実施の形態＞
図２に示されるように、第２の実施の形態に係る燃料電池システム１０では、第２気液分離器３４の液体排出ポートは、インタークーラー３６の低温側吸入ポートへ接続されていない。また、本実施の形態は、噴射器としての噴霧器５２を備えている。噴霧器５２は、冷却装置４２のラジエータ４４の車両前側に配置されており、ラジエータ４４の車両前側から霧状の液体をラジエータ４４へ噴き付けることができる。噴霧器５２は、第２気液分離器３４の液体排出ポートへ接続されている。したがって、第２気液分離器３４の液体排出ポートから排出された生成水は、噴霧器５２へ供給される。これによって、噴霧器５２から霧状の生成水がラジエータ４４へ噴き付けられる。

一方、本実施の形態では、冷却装置４２の冷却液が流れる燃料電池スタック１２の冷却液流路の他端と、ラジエータ４４の吸入ポート及び三方弁４６の第２吸入ポートとの間にインタークーラー３６の低温側吸入ポートが接続されている。また、本実施の形態では、インタークーラー３６の低温側排出ポートが三方弁４６の排出ポートと燃料電池スタック１２の冷却液流路の一端との間に接続されている。このため、本実施の形態では、インタークーラー３６が冷却装置４２の一部を構成しており、エアコンプレッサ３８によって圧縮されて高温となった空気は、インタークーラー３６を流れる冷却液によって冷却される。

このように、本実施の形態では、第２気液分離器３４からの生成水が噴霧器５２へ供給され、噴霧器５２からラジエータ４４へ噴き付けられる。ラジエータ４４に噴き付けられた霧状の生成水は、ラジエータ４４の表面で蒸発することによってラジエータ４４から気化熱を奪う。これによって、ラジエータ４４での冷却液の冷却性能を向上でき、冷却液による燃料電池スタック１２の冷却性能を向上できる。

また、上記のように十分に冷却された冷却液は、インタークーラー３６を流れてエアコンプレッサ３８によって圧縮されて高温となった空気との間で熱が交換される。これによって、エアコンプレッサ３８によって圧縮された空気を冷却できる。これによって、高温の空気が燃料電池スタック１２へ供給されることを抑制でき、燃料電池スタック１２へ供給される空気の温度を適切に保つことができる。

＜第３の実施の形態及び第４の実施の形態＞
図３には第３の実施の形態が示されており、図４には第４の実施の形態が示されている。第３の実施の形態は、前記第１の実施の形態の変形例であり、第４の実施の形態は、前記第２の実施の形態の変形例である。

図３及び図４に示されるように、第３の実施の形態及び第４の実施の形態の各々は、膨張機５４を備えている。膨張機５４の吸入ポートは、ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０から排出された高温水素と、第１熱交換器３２から低温側排出ポートから排出された低温水素との合流部分よりも水素の流路の下流側で水素の流路に接続されている。これに対して、膨張機５４の排出ポートは、第１バルブ２４の吸入ポートへ接続されている。したがって、ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０から排出された高温水素と、第１熱交換器３２から低温側排出ポートから排出された低温水素とが合流されると、水素は、膨張機５４へ供給される。膨張機５４を通った水素は、第１バルブ２４及び燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートを通って燃料電池スタック１２へ供給される。

膨張機５４へ供給される水素は、ボルテックスチューブ１６の暖気排出部２０から排出された高温水素及び第１熱交換器３２で排気と熱が交換することで高温になった水素である。このような水素が膨張機５４へ供給されると、水素が膨張される（すなわち、水素の体積が増加される）。これによって、水素の温度及び圧力が低下され、膨張機５４から排出される水素の温度は、例えば、ボルテックスチューブ１６の供給口での水素の温度と同程度まで低下される。このため、比較的高温の水素が燃料電池スタック１２へ供給されることを抑制でき、燃料電池システム１０の運転条件を容易に調整できる。

また、膨張機５４では、水素の膨張によって、例えば、膨張機５４に設けられた回転軸等の機械的作動部が作動され、このような機械的作動部での機械仕事をエネルギーとして回収できる。このように回収したエネルギーによって燃料電池システム１０を構成する他の装置（一例としては、燃料循環ポンプ２８やエアコンプレッサ３８）を駆動したり、燃料電池システム１０以外の装置を駆動したりできる。

さらに、第３の実施の形態の膨張機５４以外の構成は、基本的に前記第１の実施の形態と同様であり、第４の実施の形態の膨張機５４以外の構成は、基本的に前記第２の実施の形態と同様である。したがって、第３の実施の形態は、基本的に前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができ、第４の実施の形態は、基本的に前記第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

＜第５の実施の形態及び第６の実施の形態＞
図５には第５の実施の形態が示されており、図６には第６の実施の形態が示されている。第５の実施の形態は、前記第３の実施の形態の変形例であり、第６の実施の形態は、前記第４の実施の形態の変形例である。

図５及び図６に示されるように、第５の実施の形態及び第６の実施の形態の各々は、第３熱交換器５６を備えている。第３熱交換器５６の低温側吸入ポートは、膨張機５４の排出ポートに接続されており、第３熱交換器５６の低温側排出ポートは、第１バルブ２４の吸入ポートへ接続されている。したがって、膨張機５４によって膨張された水素が第３熱交換器５６、第１バルブ２４、燃料電池スタック１２の正極側の吸入ポートを通って燃料電池スタック１２へ供給される。

一方、図５に示されるように、第５の実施の形態では、第３熱交換器５６の高温側吸入ポートは、冷却装置４２の三方弁４６の排出ポートへ接続されている。これに対して、図６に示されるように、第６の実施の形態では、第３熱交換器５６の高温側吸入ポートは、冷却装置４２の三方弁４６の排出ポートからの冷却液と、インタークーラー３６からの冷却液との合流部分へ接続されている。また、図５及び図６に示されるように、第５の実施の形態及び第６の実施の形態では、第３熱交換器５６の高温側排出ポートは、燃料電池スタック１２における冷却液流路の一端へ接続されている。したがって、冷却装置４２の冷却液は、第３熱交換器５６を通って燃料電池スタック１２における冷却液流路へ流れる。

ここで、第３熱交換器５６では、膨張機５４によって膨張された水素と冷却装置４２の冷却液との間で熱が交換される。これによって、冷却装置４２の冷却液は、冷却され、膨張機５４からの水素は、加熱される。このように、膨張機５４によって低温にされた水素の温度を高くできる。このため、膨張機５４によって水素の温度が大きく低下されても、水素の温度を第３熱交換器５６によって適切な温度まで上昇させることができる。これによって、燃料電池システム１０の運転条件を容易に調整できる。

また、このように膨張機５４によって水素の温度が大きく低下されても、水素の温度を第３熱交換器５６によって適切な温度まで上昇させることができるため、膨張機５４での水素の膨張率を大きく設定できる。これによって、膨張機５４の機械的作動部での機械仕事をエネルギーとして回収した際のエネルギーの回収量を大きくできる。

さらに、冷却装置４２の冷却液と膨張機５４からの水素との間の熱の交換によって冷却装置４２の冷却液が冷却される。このため、冷却装置４２による燃料電池スタック１２の冷却性能を向上できる。

さらに、第５の実施の形態の第３熱交換器５６以外の構成は、基本的に前記第３の実施の形態と同様であり、第６の実施の形態の第３熱交換器５６以外の構成は、基本的に前記第４の実施の形態と同様である。したがって、第５の実施の形態は、基本的に前記第３の実施の形態と同様の効果を得ることができ、第６の実施の形態は、基本的に前記第４の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記の第２の実施の形態、第４の実施の形態、第６の実施の形態では、噴射器としての噴霧器５２は、霧状の生成水をラジエータ４４へ噴き付ける構成であった。しかしながら、噴射器から噴射される生成水の態様は、例えば、液滴状等であってもよい。すなわち、噴射器は、生成水をラジエータ４４へ噴き付けることができる構成であればよく、噴射器から噴射される生成水の態様に関しては特に限定されるものではない。

また、上記の各実施の形態では、燃料電池スタック１２の正極側からの排気及び燃料電池スタック１２の負極側からの排気の双方が第１熱交換器３２に供給される構成であった。しかしながら、燃料電池スタック１２の正極側からの排気及び燃料電池スタック１２の負極側からの排気の一方が第１熱交換器３２に供給され、他方が第１熱交換器３２に供給されない構成であってもよい。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池スタック
１６ ボルテックスチューブ
３２ 第１熱交換器（熱交換器）
３４ 第２気液分離器（気液分離器）

Claims (1)

1. 燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスの酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池の燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックへの前記燃料ガスの供給路に設けられて前記燃料ガスが供給され、前記燃料ガスを供給時よりも高温の高温燃料ガスと供給時よりも低温の低温燃料ガスとに分離するボルテックスチューブと、
   前記ボルテックスチューブから排出された前記低温燃料ガスが供給されると共に、前記燃料電池スタックから排出された排気が供給され、前記低温燃料ガスと前記排気との間で熱を交換させて前記排気を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器から排出された前記排気が供給され、前記排気に含まれる水分を前記排気から分離する気液分離器と、
   を備える燃料電池システム。