JP6866878B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスであ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備え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。燃料電池システムは、空気を圧縮する電動圧縮機を備えている。電動圧縮機は、燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び圧縮部を駆動させる電動モータを有している。圧縮部によって圧縮された空気は、燃料電池スタックに供給される。

また、燃料電池システムの中には、燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンを備えているものがある。このような燃料電池システムでは、排出ガスの運動エネルギによりタービンホイールが回転することで、排出ガスの運動エネルギがタービンホイールの回転エネルギに変換される。このように、タービンで発生した回転エネルギは、圧縮部を駆動させる電動モータの負荷を低減する。よって、圧縮部を駆動させるために必要な電動モータの消費電力が低減される。

ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの発電が効率良く行われるためには、燃料電池スタック内が湿潤状態である必要がある。そこで、例えば特許文献１の燃料電池システムには、電動圧縮機によって圧縮された空気を燃料電池スタックに供給する供給流路と、燃料電池スタックとタービンとを接続するとともに燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、を跨ぐように加湿器が設けられている。排出流路には、燃料電池スタックから排出される水が排出ガスと共に流れる。加湿器は、燃料電池スタックから排出されて排出流路を流れる水を回収する。そして、加湿器は、回収した水を供給流路に向けて移動させることにより供給流路を流れる空気を加湿する。これにより、加湿器で加湿された空気が供給流路を介して燃料電池スタックに供給されるため、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができる。

特開２０１２−１６４４５７号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、加湿器で排出ガスの圧損が生じることにより、タービンホイールを回転させるための排出ガスの運動エネルギが小さくなってしまう。すると、タービンホイールが回転することにより発生する回転エネルギが小さくなるため、圧縮部を駆動させる電動モータの負荷が効率良く低減されなくなり、圧縮部を駆動させるために必要な電動モータの消費電力が効率良く低減されなくなってしまう。

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、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができるとともに、圧縮部を駆動させるために必要な電動モータの消費電力を効率良く低減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、燃料ガス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と、前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び前記圧縮部を駆動させる電動モータを有する電動圧縮機と、前記燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンと、前記電動圧縮機によって圧縮された空気を前記燃料電池スタックに供給する供給流路と、前記燃料電池スタックと前記タービンとを接続するとともに前記燃料電池スタックから排出される排出ガスと共に前記燃料電池スタックから排出される水が流れる排出流路と、を備えた燃料電池システムであって、前記タービンホイールの回転軸線方向に延びる筒状の流路形成壁によって形成されるとともに前記タービンホイールを通過した前記排出ガスが大気に向けて流れるタービン下流流路と、大気に連通するとともに大気からの空気を前記圧縮部に供給する圧縮部上流流路と、前記タービン下流流路と前記圧縮部上流流路とを連通する連通流路と、を備え、前記連通流路における前記タービン下流流路側の端部が、前記流路形成壁の内周面に開口している。

これによれば、燃料電池スタックから排出されて排出ガスと共に排出流路を流れる水は、排出流路を介してタービンに流入する。そして、水は、タービンホイールの回転による遠心力の作用によってタービンホイールの外周に向けて飛散しながら排出ガスと共にタービンホイールを通過して流路形成壁の内周面を伝うようにしてタービン下流流路を流れ、連通流路におけるタービン下流流路側の端部に至る。ここで、タービン下流流路内の圧力は大気圧よりも高くなっており、圧縮部上流流路内の圧力は大気圧よりも低くなっているため、タービン下流流路内の圧力は、圧縮部上流流路内の圧力よりも高くなっている。よって、連通流路におけるタービン下流流路側の端部に至った水は、タービン下流流路内の圧力と圧縮部上流流路内の圧力との差によって連通流路に吸い込まれるとともに連通流路を介して圧縮部上流流路に流れ込む。そして、圧縮部上流流路に流れ込む水によって圧縮部上流流路を流れる空気が加湿される。よって、加湿された空気が供給流路を介して燃料電池スタックに供給されるため、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池スタック内を湿潤状態とするために、従来技術のような加湿器を供給流路と排出流路とを跨ぐように設ける必要が無いため、排出流路を流れる排出ガスの圧損を抑制することができる。よって、排出流路を流れる排出ガスの圧損が生じることにより、タービンホイールを回転させるための排出ガスの運動エネルギが小さくなってしまうことが抑制されるため、タービンホイールが回転することにより発生する回転エネルギが小さくなってしまうことが抑制される。その結果、圧縮部を駆動させる電動モータの負荷が効率良く低減されなくなってしまうことが抑制され、圧縮部を駆動させるために必要な電動モータの消費電力が効率良く低減されなくなってしまうことが抑制される。以上のことから、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができるとともに、圧縮部を駆動させるために必要な電動モータの消費電力を効率良く低減することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記流路形成壁内には、前記タービン下流流路内を流れる水を前記連通流路における前記タービン下流流路側の端部に向けて案内する案内部が設けられているとよい。

これによれば、案内部が、タービン下流流路内を流れる水を連通流路におけるタービン下流流路側の端部に向けて案内するため、タービン下流流路内を流れる水が連通流路を介して圧縮部上流流路に効率良く流れ込む。よって、圧縮部上流流路を流れる空気を効率良く加湿することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記連通流路内には、多孔質体が充填されているとよい。
これによれば、連通流路内に多孔質体が充填されていない場合に比べると、排出ガスが連通流路を通過し難くなるため、タービン下流流路から連通流路を介して圧縮部上流流路に流れ込む排出ガスの量を少なくすることができる。その結果、圧縮部上流流路を流れて圧縮部に供給される排出ガスの量が少なくなるため、圧縮部で圧縮される排出ガスの量が少なくなる。その結果、圧縮部における空気の圧縮効率を向上させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記連通流路には、可変絞りが設けられており、前記可変絞りは、前記燃料電池スタックの温度が高いほど前記連通流路の流路断面積を増大させるとよい。

これによれば、燃料電池スタックの温度が高いほど、タービン下流流路から連通流路を介して圧縮部上流流路に流れ込む水の量が多くなる。よって、圧縮部上流流路を流れる空気が加湿され易くなるため、燃料電池スタック内を効率良く湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池スタックの温度が高い場合であっても、燃料電池スタック内が乾いてしまうことを抑制することができ、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができる。

この発明によれば、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができるとともに、圧縮部を駆動させるために必要な電動モータの消費電力を効率良く低減することができる。

実施形態における燃料電池システムの概略構成図。 電動圧縮機の縦断面図。 タービン圧縮機の縦断面図。 連通流路の周辺を示す縦断面図。

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４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、例えば、燃料電池車などの車両に搭載されている。
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、燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮する電動圧縮機２１と、電動圧縮機２１と直列接続されるとともに燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮するタービン圧縮機３１と、を備えている。燃料電池スタック１１は、例えば、複数のセルを有している。各セルは、酸素極と、水素極と、両極の間に配置された電解質膜とが積層されて構成されている。そして、燃料電池スタック１１は、燃料ガスであ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により発電された電力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、車両は、アクセルペダルのアクセル開度に応じた車速で走行する。

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から排出ガスとして排出される。また、燃料電池スタック１１が発電を行うと、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。燃料電池スタック１１で生成された水は、燃料電池スタック１１の発電によって生じる熱によって水蒸気となって燃料電池スタック１１から排出される。したがって、燃料電池スタック１１から排出される排出ガスには水蒸気が含まれている。また、燃料電池スタック１１で生成された水は、水蒸気とならずに燃料電池スタック１１から排出される場合もある。

燃料電池スタック１１は、空気が供給される供給口１１ａと、空気が排出ガスとして排出される排出口１１ｂと、供給口１１ａと排出口１１ｂとを繋ぐ空気流路１１ｃと、を有している。空気流路１１ｃでは、供給口１１ａから供給された空気が排出口１１ｂに向けて流れる。

図２に示すように、電動圧縮機２１は、電動圧縮機ハウジング２２と、電動モータ２３と、電動モータ２３の駆動によって回転する連結軸２４と、連結軸２４に連結される圧縮部２５と、を有している。電動モータ２３は、図示しないバッテリから電力が供給されることにより駆動して連結軸２４を回転させる。圧縮部２５は、連結軸２４が回転することにより駆動して燃料電池スタック１１に供給される空気を圧縮する。よって、電動モータ２３は、圧縮部２５を駆動させる。本実施形態において、圧縮部２５は、連結軸２４の端部に連結され、連結軸２４と一体的に回転するインペラであり、電動圧縮機２１では、インペラが回転することにより圧縮動作が行われる。

電動圧縮機ハウジング２２内には、コンプレッサインペラ室２６、ディフューザ流路２７、及びコンプレッサスクロール流路２８が形成されている。さらに、電動圧縮機ハウジング２２には、空気が吸入される吸入口２２ａが形成されている。吸入口２２ａは、コンプレッサインペラ室２６に連通している。コンプレッサインペラ室２６は、圧縮部２５を収容する。コンプレッサスクロール流路２８は、コンプレッサインペラ室２６の外周を渦巻状に周回している。ディフューザ流路２７は、コンプレッサインペラ室２６の周囲で環状に延びるとともに、コンプレッサインペラ室２６とコンプレッサスクロール流路２８とを連通する。また、図１に示すように、電動圧縮機ハウジング２２は、空気が吐出される吐出口２２ｂを有している。吐出口２２ｂは、コンプレッサスクロール流路２８におけるディフューザ流路２７とは反対側の端部に連通している。

燃料電池システム１０は、大気に連通するとともに大気からの空気を圧縮部２５に供給する圧縮部上流流路１２を備えている。図２に示すように、圧縮部上流流路１２は、配管１２Ａにより形成されている。圧縮部上流流路１２の一端は大気に開放されており、圧縮部上流流路１２の他端は吸入口２２ａに接続されている。よって、配管１２Ａは、配管１２Ａの内部の空間である圧縮部上流流路１２の他端が、吸入口２２ａに連通するように電動圧縮機ハウジング２２に連結されている。そして、大気からの空気が圧縮部上流流路１２を流れて吸入口２２ａに吸入される。圧縮部２５は、吸入口２２ａから吸入された空気を圧縮する。そして、圧縮部２５で圧縮された空気は、ディフューザ流路２７、及びコンプレッサスクロール流路２８を通過して吐出口２２ｂから吐出される。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、タービン５０を備えている。タービン５０は、燃料電池スタック１１から排出される排出ガスによって回転するタービンホイール５１を有している。タービン５０は、タービン圧縮機３１に一体化されている。

タービン圧縮機３１は、ハウジング３２と、ハウジング３２内に収容される回転軸３３と、タービン５０のタービンハウジング５２と、を有している。回転軸３３の一端側にはタービンホイール５１が連結されるとともに、回転軸３３の他端側にはコンプレッサホイール３４が連結されている。コンプレッサホイール３４及びタービンホイール５１は、回転軸３３と一体的に回転するインペラである。よって、コンプレッサホイール３４の回転軸線方向及びタービンホイール５１の回転軸線方向は、回転軸３３の回転軸線方向に一致している。コンプレッサホイール３４は、回転軸３３の回転に伴って回転することにより空気を圧縮する。

図３に示すように、ハウジング３２は、ベアリングハウジング３５及びコンプレッサハウジング３６を有している。ベアリングハウジング３５は、軸受３７を介して回転軸３３を回転可能に支持する。軸受３７としては、例えば、空気動圧軸受が用いられている。軸受３７は、回転軸３３の回転数が軸受３７により回転軸３３が浮上する浮上回転数に達するまでは、回転軸３３と接触した状態で回転軸３３を支持する。そして、回転軸３３の回転数が浮上回転数に達すると、回転軸３３と軸受３７との間に生じる動圧によって、軸受３７により回転軸３３が浮上し、軸受３７は、回転軸３３と非接触の状態で回転軸３３を支持する。

タービンハウジング５２は、ベアリングハウジング３５における回転軸３３の回転軸線方向の一端に連結されている。コンプレッサハウジング３６は、ベアリングハウジング３５における回転軸３３の回転軸線方向の他端に連結されている。

コンプレッサハウジング３６内には、収容室３８、ディフューザ流路３９、及びコンプレッサスクロール流路４０が形成されている。さらに、コンプレッサハウジング３６には、空気が吸入される吸入口３２ａが形成されている。吸入口３２ａは、収容室３８に連通している。収容室３８は、コンプレッサホイール３４を収容する。コンプレッサスクロール流路４０は、収容室３８の外周を渦巻状に周回している。ディフューザ流路３９は、収容室３８の周囲で環状に延びるとともに、収容室３８とコンプレッサスクロール流路４０とを連通する。

図１に示すように、ハウジング３２は、空気が吐出される吐出口３２ｂを有している。吐出口３２ｂは、コンプレッサスクロール流路４０におけるディフューザ流路３９とは反対側の端部に連通している。

燃料電池システム１０は、電動圧縮機２１とタービン圧縮機３１とを接続する接続流路１３を備えている。接続流路１３は、例えば、配管等で構成されている。接続流路１３の一端は、電動圧縮機２１の吐出口２２ｂに接続されており、接続流路１３の他端はタービン圧縮機３１の吸入口３２ａに接続されている。そして、電動圧縮機２１で圧縮されて吐出口２２ｂから接続流路１３に吐出された空気が、接続流路１３を流れて吸入口３２ａに吸入される。コンプレッサホイール３４は、吸入口３２ａから吸入されて収容室３８内に流入した空気を圧縮する。そして、コンプレッサホイール３４で圧縮された空気は、ディフューザ流路３９、及びコンプレッサスクロール流路４０を通過して吐出口３２ｂから吐出される。

したがって、タービン圧縮機３１は、電動圧縮機２１で１度圧縮された空気を圧縮している。よって、本実施形態の燃料電池システム１０においては、燃料電池スタック１１に供給される空気を、電動圧縮機２１及びタービン圧縮機３１でそれぞれ圧縮する２段階圧縮を行っている。

燃料電池システム１０は、タービン圧縮機３１と燃料電池スタック１１とを接続する供給流路１４を備えている。供給流路１４は、例えば、配管等で構成されている。供給流路１４の一端は、タービン圧縮機３１の吐出口３２ｂに接続されるとともに、供給流路１４の他端は、燃料電池スタック１１の供給口１１ａに接続されている。そして、吐出口３２ｂから吐出された空気は、供給流路１４を流れて供給口１１ａに供給される。したがって、供給流路１４は、電動圧縮機２１及びタービン圧縮機３１でそれぞれ圧縮された空気を燃料電池スタック１１に供給する。すなわち、供給流路１４は、電動圧縮機２１によって圧縮された空気を燃料電池スタック１１に供給する。

図３に示すように、タービンハウジング５２内には、タービン室５３、連通路５４、及びタービンスクロール流路５５が形成されている。タービン室５３は、タービンホイール５１を収容する。タービンスクロール流路５５は、タービン室５３の外周を渦巻状に周回している。よって、タービンスクロール流路５５は、タービン室５３の周囲を取り囲む。連通路５４は、タービン室５３の周囲で環状に延びるとともに、タービンスクロール流路５５とタービン室５３とを連通する。

図１に示すように、タービンハウジング５２は、導入口５２ａを有している。導入口５２ａは、タービンスクロール流路５５における連通路５４とは反対側の端部に連通している。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１とタービン５０とを接続するとともに燃料電池スタック１１の排出口１１ｂから排出される排出ガスが流れる排出流路１５を備えている。なお、排出流路１５は、排出ガスと共に燃料電池スタック１１から排出される水が流れる。排出流路１５は、例えば、配管等で構成されている。排出流路１５の一端は排出口１１ｂに接続されるとともに、排出流路１５の他端は導入口５２ａに接続されている。そして、排出口１１ｂから排出された排出ガスは、排出流路１５を流れて導入口５２ａに導入される。

図３に示すように、タービン５０は、複数のノズルベーン５６、第１プレート５７、及び第２プレート５８を備えている。第１プレート５７及び第２プレート５８はそれぞれ環状であるとともに、回転軸３３の回転軸線方向で間隔を置いた状態で互いに対向している。第１プレート５７は、第２プレート５８よりもベアリングハウジング３５寄りに配置されている。そして、第１プレート５７と第２プレート５８とによって連通路５４が形成されている。第１プレート５７及び第２プレート５８は、互いに協働して複数のノズルベーン５６を回動可能に支持している。

複数のノズルベーン５６は、連通路５４の流路断面積を可変とする。複数のノズルベーン５６は、連通路５４の周方向において互いに間隔を置いてそれぞれ配置されている。なお、回転軸３３の回転軸線方向において、第１プレート５７とベアリングハウジング３５との間には、複数のノズルベーン５６を回動させるための回動機構部５９が配置されている。そして、複数のノズルベーン５６及び回動機構部５９は、連通路５４の流路断面積を調整して燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力を調整する圧力調整弁６０を構成している。

タービンハウジング５２は、ベアリングハウジング３５とは反対側に向けて突出するタービン筒状部６１を有している。タービン筒状部６１は、回転軸３３の回転軸線方向に延びている。タービン筒状部６１の軸線は、回転軸３３の回転軸線に一致している。タービン筒状部６１内は、タービン室５３に連通している。そして、タービン筒状部６１内は、タービンホイール５１を通過した排出ガスが大気に向けて流れるタービン下流流路６２になっている。よって、本実施形態において、タービン下流流路６２は、回転軸３３の回転軸線方向、すなわち、タービンホイール５１の回転軸線方向に延びるタービン筒状部６１によって形成されている。したがって、タービン筒状部６１は、タービン下流流路６２を形成する筒状の流路形成壁である。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、制御装置１６を備えている。制御装置１６は、アクセルペダルの操作態様等に基づいて燃料電池スタック１１に要求される要求発電量を算出する。制御装置１６は、電動モータ２３と電気的に接続されている。制御装置１６は、要求発電量に基づいて、電動モータ２３の目標トルクを導出する。そして、制御装置１６は、電動モータ２３のトルクが目標トルクとなるように電動モータ２３の駆動を制御する。

また、制御装置１６は、圧力調整弁６０と電気的に接続されている。制御装置１６は、要求発電量に基づいて、圧力調整弁６０の目標開度を導出する。そして、制御装置１６は、圧力調整弁６０の開度が、導出された目標開度となるように圧力調整弁６０の開度を制御する。制御装置１６により圧力調整弁６０の開度が制御されることにより、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力が調整される。なお、圧力調整弁６０の開度は、複数のノズルベーン５６の回動角度である。そして、燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力が調整されることにより、燃料電池スタック１１内の湿度が調整される。燃料電池スタック１１内の湿度は、燃料電池スタック１１の発電を効率良く行うために、予め定められた所望の湿度に調整される。

また、圧力調整弁６０によって連通路５４の流路断面積が調整されることにより、連通路５４からタービン室５３に導入される排出ガスの圧力が調整される。タービンホイール５１は、圧力調整弁６０を通過した排出ガスが吹き付けられることによって回転する。よって、タービン５０においては、タービンホイール５１が排出ガスによって回転することにより回転エネルギが発生する。すなわち、タービン５０は、排出ガスの運動エネルギを、タービンホイール５１が回転することによって、回転エネルギに変換している。タービン圧縮機３１では、排出ガスの運動エネルギにより、タービンホイール５１が回転することで回転軸３３が回転し、回転軸３３の回転に伴ってコンプレッサホイール３４が回転することにより空気が圧縮される。

燃料電池システム１０は、温度センサ１７を備えている。本実施形態において、温度センサ１７は、燃料電池スタック１１を冷却する冷却水の温度を検出する。温度センサ１７は、制御装置１６に電気的に接続されている。そして、温度センサ１７により検出された検出信号は、制御装置１６に送信される。制御装置１６は、温度センサ１７から送信される検出信号に基づいて、燃料電池スタック１１の温度を推定する。

図４に示すように、燃料電池システム１０は、タービン下流流路６２と圧縮部上流流路１２とを連通する連通流路６３を備えている。連通流路６３は、配管１２Ａの外周面から延設される連通配管６４、及び配管１２Ａを貫通する貫通孔１２ｈにより形成されている。連通配管６４は、連通配管６４の内部と貫通孔１２ｈとが連通するように配管１２Ａに一体形成されている。貫通孔１２ｈは、配管１２Ａの内周面に開口している。したがって、連通流路６３における圧縮部上流流路１２側の端部は、配管１２Ａの内周面に開口している。

タービン筒状部６１には、接続孔６１ｈが形成されている。そして、連通配管６４は、連通配管６４における配管１２Ａとは反対側の端部が接続孔６１ｈに挿入された状態でタービン筒状部６１に連結されている。連通配管６４における配管１２Ａとは反対側の端部は、タービン筒状部６１の内周面６１ａよりもタービン筒状部６１の内側に突出していない。よって、連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部は、タービン筒状部６１の内周面６１ａに開口している。

連通配管６４内には、多孔質体６５が充填されている。すなわち、連通流路６３内には、多孔質体６５が充填されている。また、連通流路６３には、可変絞りとしての流量制御弁６６が設けられている。流量制御弁６６は、制御装置１６に電気的に接続されている。制御装置１６は、温度センサ１７により検出された検出信号から推定される燃料電池スタック１１の温度に基づいて、流量制御弁６６の開度を制御する。具体的には、制御装置１６は、温度センサ１７により検出された温度が高いほど、流量制御弁６６の開度が大きくなるように流量制御弁６６の開度を制御する。したがって、流量制御弁６６は、燃料電池スタック１１の温度が高いほど連通流路６３の流路断面積を増大させる。

タービン筒状部６１には、筒部材６７が取り付けられている。筒部材６７は、タービン筒状部６１におけるタービン室５３とは反対側の開口から挿入された状態でタービン筒状部６１内に嵌め込まれている。筒部材６７は、回転軸３３の回転軸線方向に延びている。筒部材６７の軸線は、タービン筒状部６１の軸線に一致している。筒部材６７におけるタービン筒状部６１とは反対側の端部は、配管やマフラー等を介して大気に連通している。そして、タービン室５３を通過した排出ガスは、タービン下流流路６２及び筒部材６７の内側を通過するとともに配管やマフラー等を介して外部へ排出される。

筒部材６７は、大径部６７ａと、外径が大径部６７ａよりも小さい小径部６７ｂと、を有している。大径部６７ａの外周面と小径部６７ｂの外周面とは、筒部材６７の軸線方向に対して直交する方向に延びる環状の段差面６７ｃによって接続されている。大径部６７ａの内径と小径部６７ｂの内径とは同じである。よって、大径部６７ａの内周面と小径部６７ｂの内周面とは同一面上に位置している。

小径部６７ｂは、大径部６７ａよりもタービン室５３側に位置している。大径部６７ａの一部は、タービン筒状部６１の内側に位置するとともに、その他の部分はタービン筒状部６１におけるタービン室５３とは反対側の開口から外部へ突出している。大径部６７ａにおけるタービン筒状部６１の内側に位置する部分の外周面は、タービン筒状部６１の内周面６１ａに接している。

小径部６７ｂは、筒部材６７におけるタービン室５３側の端部に位置している。小径部６７ｂにおける段差面６７ｃとは反対側の端縁は、タービン筒状部６１の軸線方向において、連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部よりもタービン室５３側に位置している。よって、連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部は、タービン筒状部６１の径方向で小径部６７ｂと対向している。小径部６７ｂの外周面は、段差面６７ｃの内周縁からタービン筒状部６１の軸線方向に延びている。小径部６７ｂの外周面は、タービン筒状部６１の内周面６１ａに沿って延びている。小径部６７ｂの外周面は、タービン筒状部６１の内周面６１ａから離間している。

段差面６７ｃは、タービン筒状部６１の軸線方向において、連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部よりもタービン室５３とは反対側に位置している。そして、小径部６７ｂの外周面及び段差面６７ｃは、タービン下流流路６２内を流れる水を連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に向けて案内する案内部６８を構成している。したがって、タービン筒状部６１内には、タービン下流流路６２内を流れる水を連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に向けて案内する案内部６８が設けられている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
燃料電池スタック１１から排出されて排出ガスと共に排出流路１５を流れる水は、排出流路１５、導入口５２ａ、タービンスクロール流路５５、及び連通路５４を介してタービン室５３に流入する。また、燃料電池スタック１１から排出されて排出ガス中に存在している水蒸気は、タービン５０において、圧力調整弁６０を通過する際に圧力が低下し、排出ガスの速度が速くなることによって冷却されて凝縮される。これにより、水（凝縮水）が生成され、この水は、排出ガスと共に連通路５４を介してタービン室５３に流入する。

タービン室５３に流入した水は、タービンホイール５１の回転による遠心力の作用によってタービンホイール５１の外周に向けて飛散しながら排出ガスと共にタービンホイール５１を通過してタービン筒状部６１の内周面６１ａを伝うようにしてタービン下流流路６２を流れる。タービン筒状部６１の内周面６１ａを伝うようにしてタービン下流流路６２を流れる水は、筒部材６７の小径部６７ｂの外周面とタービン筒状部６１の内周面６１ａとの間に流入するとともに、筒部材６７の段差面６７ｃによってタービン下流流路６２内におけるタービン室５３とは反対側へ向かう流れが堰き止められる。また、小径部６７ｂの外周面は、小径部６７ｂの外周面とタービン筒状部６１の内周面６１ａとの間においてタービン筒状部６１の内周面６１ａから離間した水を受け止める。そして、小径部６７ｂの外周面及び段差面６７ｃは、タービン下流流路６２内における筒部材６７の小径部６７ｂの外周面とタービン筒状部６１の内周面６１ａとの間を流れる水を連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に向けて案内する。小径部６７ｂの外周面及び段差面６７ｃによって案内された水は、連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に至る。また、タービン室５３を通過した排出ガスは、タービン下流流路６２及び筒部材６７の内側を通過するとともに配管やマフラー等を介して外部へ排出される。

ここで、タービン下流流路６２内の圧力は大気圧よりも高くなっており、圧縮部上流流路１２内の圧力は大気圧よりも低くなっているため、タービン下流流路６２内の圧力は、圧縮部上流流路１２内の圧力よりも高くなっている。よって、連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に至った水は、タービン下流流路６２内の圧力と圧縮部上流流路１２内の圧力との差によって連通流路６３に吸い込まれるとともに連通流路６３を介して圧縮部上流流路１２に流れ込む。このとき、連通流路６３内に多孔質体６５が充填されているため、連通流路６３内に多孔質体６５が充填されていない場合に比べると、排出ガスが連通流路６３を通過し難くなっている。

また、制御装置１６は、温度センサ１７により検出された温度が高いほど、流量制御弁６６の開度が大きくなるように流量制御弁６６の開度を制御する。よって、燃料電池スタック１１の温度が高いほど、流量制御弁６６の開度が大きくなり、タービン下流流路６２から連通流路６３を介して圧縮部上流流路１２に流れ込む水の量が多くなる。

そして、圧縮部上流流路１２に流れ込む水によって圧縮部上流流路１２を流れる空気が加湿される。加湿された空気は、電動圧縮機２１の圧縮部２５及びタービン圧縮機３１のコンプレッサホイール３４それぞれによって圧縮されるとともに供給流路１４を介して燃料電池スタック１１に供給される。これにより、燃料電池スタック１１内が湿潤状態となる。

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
（１）燃料電池スタック１１内を湿潤状態とするために、従来技術のような加湿器を供給流路１４と排出流路１５とを跨ぐように設ける必要が無いため、排出流路１５を流れる排出ガスの圧損を抑制することができる。よって、排出流路１５を流れる排出ガスの圧損が生じることにより、タービンホイール５１を回転させるための排出ガスの運動エネルギが小さくなってしまうことが抑制されるため、タービンホイール５１が回転することにより発生する回転エネルギが小さくなってしまうことが抑制される。したがって、圧縮部２５を駆動させるために必要な電動モータ２３の消費電力が低減され易い。よって、圧縮部２５を駆動させる電動モータ２３の負荷が効率良く低減されなくなってしまうことが抑制され、圧縮部２５を駆動させるために必要な電動モータ２３の消費電力が効率良く低減されなくなってしまうことが抑制される。以上のことから、燃料電池スタック１１内を湿潤状態とすることができるとともに、圧縮部２５を駆動させるために必要な電動モータ２３の消費電力を効率良く低減することができる。

（２）タービン筒状部６１内には、タービン下流流路６２内を流れる水を連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に向けて案内する案内部６８が設けられている。これによれば、案内部６８が、タービン下流流路６２内を流れる水を連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に向けて案内するため、タービン下流流路６２内を流れる水が連通流路６３を介して圧縮部上流流路１２に効率良く流れ込む。よって、圧縮部上流流路１２を流れる空気を効率良く加湿することができる。

（３）連通流路６３内には、多孔質体６５が充填されている。これによれば、連通流路６３内に多孔質体６５が充填されていない場合に比べると、排出ガスが連通流路６３を通過し難くなるため、タービン下流流路６２から連通流路６３を介して圧縮部上流流路１２に流れ込む排出ガスの量を少なくすることができる。その結果、圧縮部上流流路１２を流れて圧縮部２５に供給される排出ガスの量が少なくなるため、圧縮部２５で圧縮される排出ガスの量が少なくなる。その結果、圧縮部２５における空気の圧縮効率を向上させることができる。

（４）連通流路６３には、可変絞りとしての流量制御弁６６が設けられている。流量制御弁６６は、燃料電池スタック１１の温度が高いほど開度が大きくなる。これによれば、燃料電池スタック１１の温度が高いほど、タービン下流流路６２から連通流路６３を介して圧縮部上流流路１２に流れ込む水の量が多くなる。よって、圧縮部上流流路１２を流れる空気が加湿され易くなるため、燃料電池スタック１１内を効率良く湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池スタック１１の温度が高い場合であっても、燃料電池スタック１１内が乾いてしまうことを抑制することができ、燃料電池スタック１１の発電効率の低下を抑制することができる。

（５）燃料電池スタック１１内を湿潤状態とするために、従来技術のような加湿器を供給流路１４と排出流路１５とを跨ぐように設ける必要が無い。その結果、燃料電池システム１０の小型化を図ることができる。

（６）連通流路６３から圧縮部上流流路１２に供給される水は、空気を圧縮することにより圧縮部２５で発生する熱によって水蒸気になる。この水の蒸発潜熱により、圧縮部２５によって圧縮された空気が冷却されるため、電動圧縮機２１から吐出される空気の温度を低くすることができ、燃料電池スタック１１の発電効率を向上させることができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

○ 実施形態において、筒部材６７の小径部６７ｂの外周面が、段差面６７ｃの内周縁からタービン筒状部６１の軸線方向に対して斜交する方向に延びるテーパ形状であってもよい。

○ 実施形態において、タービン筒状部６１に、筒部材６７が取り付けられていなくてもよい。そして、例えば、タービン下流流路６２内を流れる水を連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に向けて案内する案内部が、タービン筒状部６１の内周面６１ａに一体形成されていてもよい。要は、タービン下流流路６２を形成する流路形成壁内に、タービン下流流路６２内を流れる水を連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に向けて案内する案内部が設けられていればよい。

○ 実施形態において、タービン筒状部６１に、筒部材６７が取り付けられていなくてもよい。要は、タービン下流流路６２を形成する流路形成壁内に、タービン下流流路６２内を流れる水を連通流路６３におけるタービン下流流路６２側の端部に向けて案内する案内部が設けられていなくてもよい。

○ 実施形態において、連通流路６３内に多孔質体６５が充填されていなくてもよい。
○ 実施形態において、連通流路６３に、可変絞りとしての流量制御弁６６が設けられていなくてもよい。

○ 実施形態において、電動圧縮機２１とタービン圧縮機３１との位置関係を逆にしてもよい。すなわち、電動圧縮機２１が、タービン圧縮機３１で１度圧縮された空気を圧縮するようにしてもよい。

○ 実施形態において、タービン圧縮機３１が、回転軸３３を回転させる電動モータを有していてもよい。この場合、電動モータは、回転軸３３におけるコンプレッサホイール３４とタービンホイール５１との間に設けられる。そして、燃料電池システム１０において、電動圧縮機２１を削除し、タービン圧縮機３１を、燃料電池システム１０が備える電動圧縮機として機能させてもよい。この場合、コンプレッサホイール３４は、電動圧縮機の圧縮部として機能する。

○ 実施形態において、燃料電池システム１０は、タービン圧縮機３１を備えていなくてもよく、タービン５０を少なくとも備えていればよい。そして、タービン５０においてタービンホイール５１が回転することにより発生する回転エネルギを利用して、例えば発電機に回生電力を発生させ、発電機で発生した回生電力を、圧縮部２５を駆動させるための電動モータ２３への供給電力として用いるようにしてもよい。

○ 実施形態において、圧力調整弁６０の具体的な構成は特に限定されるものではない。要は、圧力調整弁６０は、連通路５４の流路断面積を調整して燃料電池スタック１１に供給される空気の圧力を調整することができるものであればよい。

○ 実施形態において、圧縮部２５の具体的な型式は、本実施形態のようなインペラ式に限らず任意であり、例えば、スクロール式やルーツ式などであってもよい。
○ 実施形態において、燃料電池システム１０は、車両以外に搭載されていてもよい。

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１２…圧縮部上流流路、１４…供給流路、１５…排出流路、２１…電動圧縮機、２３…電動モータ、２５…圧縮部、５０…タービン、５１…タービンホイール、６１…流路形成壁であるタービン筒状部、６１ａ…内周面、６２…タービン下流流路、６３…連通流路、６５…多孔質体、６６…可変絞りとしての流量制御弁、６８…案内部。

Claims (4)

1. 燃料ガス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と、
   前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び前記圧縮部を駆動させる電動モータを有する電動圧縮機と、
   前記燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンと、
   前記電動圧縮機によって圧縮された空気を前記燃料電池スタックに供給する供給流路と、
   前記燃料電池スタックと前記タービンとを接続するとともに前記燃料電池スタックから排出される排出ガスと共に前記燃料電池スタックから排出される水が流れる排出流路と、を備えた燃料電池システムであって、
   前記タービンホイールの回転軸線方向に延びる筒状の流路形成壁によって形成されるとともに前記タービンホイールを通過した前記排出ガスが大気に向けて流れるタービン下流流路と、
   大気に連通するとともに大気からの空気を前記圧縮部に供給する圧縮部上流流路と、
   前記タービン下流流路と前記圧縮部上流流路とを連通する連通流路と、を備え、
   前記連通流路における前記タービン下流流路側の端部が、前記流路形成壁の内周面に開口していることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記流路形成壁内には、前記タービン下流流路内を流れる水を前記連通流路における前記タービン下流流路側の端部に向けて案内する案内部が設けられ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。
3. 前記連通流路内には、多孔質体が充填されている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. 前記連通流路には、可変絞りが設けられており、
   前記可変絞りは、前記燃料電池スタックの温度が高いほど前記連通流路の流路断面積を増大させることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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