JP2019021545A

JP2019021545A - Fuel cell system

Info

Publication number: JP2019021545A
Application number: JP2017140345A
Authority: JP
Inventors: 雄也草野; Yuya Kusano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2017-07-19
Publication date: 2019-02-07

Abstract

To cool and humidify cathode gas, while preventing the upsizing of a fuel cell system.SOLUTION: A fuel cell system 100 is provided with a cooling humidifier 50 for cooling and humidifying compressed cathode gas before being supplied to a fuel cell 10. The cooling humidifier 50 comprises: a heat exchanger 60 provided with a first internal passage 63 to which the compressed cathode gas is supplied and a second internal passage 66, independent from the first internal passage 63, to which water discharged from the fuel cell 10 is supplied; and a water vapor supply passage 52 for supplying water vapor generated in the second internal passage 66 to the compressed cathode gas and humidifying it. The heat exchanger 60 cools the compressed cathode gas flowing in the first internal passage 63 by evaporative latent heat of the water supplied to the second internal passage 66. The heat exchanger 60 is configured such that the water vapor generated in the second internal passage 66 flows through the second internal passage 66 in a direction opposite to that of the compressed cathode gas flowing in the first internal passage 63.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system.

特許文献１には、従来の燃料電池システムとして、コンプレッサによって圧縮されたカソードガスが過剰に持つ熱エネルギーを水の蒸発潜熱によって吸収してカソードガスを所定の温度に冷却し、かつ生成した水蒸気によってカソードガスを加湿して燃料電池に供給するように構成されたものが開示されている。 In Patent Document 1, as a conventional fuel cell system, the cathode gas compressed by the compressor absorbs excessive heat energy by the latent heat of vaporization of the water, cools the cathode gas to a predetermined temperature, and generates water vapor. A configuration in which the cathode gas is humidified and supplied to the fuel cell is disclosed.

特開平０６−０８９７３１号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-089331

しかしながら、前述した従来の燃料電池システムの場合、高圧のカソードガスに対して水を供給する必要があるため、水を圧送したり加圧したりするための装置が必要になる。そのため、燃料電池システムが大型化するおそれがあった。 However, in the case of the conventional fuel cell system described above, it is necessary to supply water to the high-pressure cathode gas, and thus a device for pumping or pressurizing water is required. Therefore, the fuel cell system may be increased in size.

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、燃料電池システムの大型化を抑制しつつ、カソードガスの冷却、及び加湿を行うことを目的とする。 The present invention has been made paying attention to such a problem, and an object of the present invention is to cool and humidify the cathode gas while suppressing an increase in the size of the fuel cell system.

上記課題を解決するために、本発明のある態様による燃料電池システムは、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圧縮カソードガスを冷却すると共に加湿するための冷却加湿装置と、を備える。冷却加湿装置は、圧縮カソードガスが供給される第１内部流路と、燃料電池から排出された水が供給されると共に第１内部流路とは独立した第２内部流路と、を有し、第２内部流路に供給された水の蒸発潜熱によって第１内部流路を流れる圧縮カソードガスを冷却する熱交換器と、第１内部流路を流れる圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路内で生じて第２内部流路から排出された水蒸気を、圧縮カソードガスに供給して加湿するための水蒸気供給流路と、を備える。熱交換器は、第２内部流路内で生じた水蒸気が、第１内部流路を流れる圧縮カソードガスの向きと対向する方向に第２内部流路を流れるように構成される。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to an aspect of the present invention includes a fuel cell, a compressor for compressing a cathode gas and supplying the fuel to the fuel cell, and a compressor compressed by the compressor and supplied to the fuel cell. A cooling and humidifying device for cooling and humidifying the previous compressed cathode gas. The cooling and humidifying device has a first internal channel to which a compressed cathode gas is supplied, and a second internal channel to which water discharged from the fuel cell is supplied and independent from the first internal channel. The heat exchanger that cools the compressed cathode gas that flows through the first internal flow path by the latent heat of evaporation of water supplied to the second internal flow path and the second heat exchange between the compressed cathode gas that flows through the first internal flow path A water vapor supply channel for supplying and humidifying the vapor generated in the internal channel and discharged from the second internal channel to the compressed cathode gas. The heat exchanger is configured such that water vapor generated in the second internal flow path flows through the second internal flow path in a direction opposite to the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path.

本発明のこの態様による燃料電池システムによれば、燃料電池システムの大型化を抑制しつつ、カソードガスの冷却、及び加湿を行うことができる。 According to the fuel cell system according to this aspect of the present invention, the cathode gas can be cooled and humidified while suppressing an increase in size of the fuel cell system.

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。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 図２は、インタクーラの内部を示す概略断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the inside of the intercooler. 図３は、インタクーラの内部を示す概略部分断面図であり、第１内部流路内の圧縮カソードガスの様子と、第２内部流路内の水及び水蒸気の様子と、を示した図である。FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view showing the inside of the intercooler, and shows the state of the compressed cathode gas in the first internal flow path and the states of water and water vapor in the second internal flow path. . 図４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。FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. 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。FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. 図６は、インタクーラの内部に第２フィンを設けた場合のインタクーラの内部を示す概略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the interior of the intercooler when the second fin is provided inside the intercooler.

以下、図面を参照して本発明の各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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are assigned to similar components.

（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。 (First embodiment)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 100 according to a first embodiment of the present invention.

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、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を冷却する冷媒を循環させるための冷媒循環装置、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、燃料電池システム１００を制御するための電子制御ユニット等については、本発明の主要部分ではないため図示を省略している。 The fuel cell system 100 includes a fuel cell stack 10 and a cathode gas supply / discharge device 20 for supplying and discharging cathode gas (oxidant gas) to the fuel cell stack 10. In FIG. 1, an anode gas supply / discharge device for supplying / discharging anode gas (fuel gas) to / from the fuel cell stack 10, a refrigerant circulation device for circulating a refrigerant for cooling the fuel cell stack 10, and fuel Various electrical components that are electrically connected to the output terminal of the battery stack 10, an electronic control unit for controlling the fuel cell system 100, and the like are not shown in FIG.

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。 The fuel cell stack 10 is formed by stacking a plurality of fuel cell single cells (hereinafter referred to as “single cells”) and electrically connecting the single cells in series. The fuel cell stack 10 generates power by receiving supply of an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen, and uses the generated power to various electrical components such as a motor necessary for driving a vehicle. Supply. In this embodiment, hydrogen is used as the anode gas and air is used as the cathode gas.

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と共に加湿するための冷却加湿装置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。 The cathode gas supply / discharge device 20 includes a cathode gas supply passage 21, an air cleaner 22, a cathode compressor 23, a cathode offgas discharge passage 24, and a cooling / humidifying device 50 for cooling and humidifying the cathode gas. Hereinafter, the details of each component of the cathode gas supply / discharge device 20 will be described with the air cleaner 22 side defined as upstream.

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。 The cathode gas supply passage 21 is a passage through which air as cathode gas supplied to the fuel cell stack 10 flows, and includes an upstream supply pipe 21a and a downstream supply pipe 21b.

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の高温ガスマニホールド６１に形成された高温ガス入口部６１１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の低温ガスマニホールド６２に形成された低温ガス出口部６２１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。 The upstream supply pipe 21 a is a pipe having one end connected to the air cleaner 22 and the other end connected to a high temperature gas inlet 611 formed in a high temperature gas manifold 61 of an intercooler 60 described later. The downstream supply pipe 21b is a pipe having one end connected to a low temperature gas outlet 621 formed in a low temperature gas manifold 62 of the intercooler 60 described later and the other end connected to the cathode gas inlet 11 of the fuel cell stack 10. is there.

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。 The air cleaner 22 is disposed in the atmosphere and removes foreign matters in the air sucked into the upstream supply pipe 21a.

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。 The cathode compressor 23 is, for example, a centrifugal or axial flow type turbo compressor, and is provided in the upstream supply pipe 21a. The cathode compressor 23 compresses and discharges the air sucked into the upstream supply pipe 21 a via the air cleaner 22.

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内での水素と酸素の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。 The cathode offgas discharge passage 24 is a passage through which the cathode offgas discharged from the fuel cell stack 10 flows, and includes an upstream discharge pipe 24a and a downstream discharge pipe 24b. The cathode off gas is a mixed gas of surplus oxygen that has not been used for the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in the fuel cell stack 10 and an inert gas such as nitrogen. The resulting moisture (water and water vapor) is included.

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。 The upstream discharge pipe 24a is a pipe having one end connected to the cathode offgas outlet 12 of the fuel cell stack 10 and the other end connected to a gas inlet 71 of a gas-liquid separator 70 described later. The downstream discharge pipe 24b is a pipe having one end connected to a gas outlet 72 of a gas-liquid separator 70 described later and the other end opened to the atmosphere.

冷却加湿装置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、排出水蒸気供給配管５２と、を備える。 The cooling and humidifying device 50 includes an intercooler 60, a gas-liquid separator 70, a liquid water supply pipe 51, and an exhaust water vapor supply pipe 52.

インタクーラ６０は、液体を蒸発させたときの蒸発潜熱を利用して、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。なお図１においては、発明の理解を容易にするため、インタクーラ６０の寸法を拡大して示している。 The intercooler 60 is a heat exchanger configured to cool a high-temperature gas (gas) using latent heat of vaporization when the liquid is evaporated. Examples of such a heat exchanger include an evaporator. In FIG. 1, the dimensions of the intercooler 60 are shown enlarged to facilitate understanding of the invention.

本実施形態によるインタクーラ６０は、高温ガス入口部６１１を有する高温ガスマニホールド６１と、低温ガス出口部６２１を有する低温ガスマニホールド６２と、高温ガスマニホールド６１及び低温ガスマニホールド６２と連通する複数の第１内部流路６３と、液水入口部６４１を有する液水マニホールド６４と、水蒸気出口部６５１を有する水蒸気マニホールド６５と、液水マニホールド６４及び水蒸気マニホールド６５と連通する複数の第２内部流路６６と、を備え、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の蒸発潜熱を利用して、カソードコンプレッサ２３によって圧縮されたカソードガス（以下「圧縮カソードガス」という。）を冷却することができるように構成される。以下、図２及び図３も参照してインタクーラ６０の構成について説明する。 The intercooler 60 according to the present embodiment includes a high temperature gas manifold 61 having a high temperature gas inlet portion 611, a low temperature gas manifold 62 having a low temperature gas outlet portion 621, and a plurality of first gas vessels communicating with the high temperature gas manifold 61 and the low temperature gas manifold 62. A liquid water manifold 64 having a liquid water inlet 641, a water vapor manifold 65 having a water vapor outlet 651, and a plurality of second internal flow channels 66 communicating with the liquid water manifold 64 and the water vapor manifold 65. The cathode gas compressed by the cathode compressor 23 (hereinafter referred to as “compressed cathode gas”) is cooled using the latent heat of vaporization of water generated by the electrochemical reaction in the fuel cell stack 10. Configured to be able to. Hereinafter, the configuration of the intercooler 60 will be described with reference to FIGS.

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り、図１のII-II線に沿う方向からインタクーラ６０を見たときの概略断面図である。図３は、図２のIII-III線に沿ったインタクーラ６０の概略部分断面図であり、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの様子と、第２内部流路６６内に供給された水の様子及び圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で生じた水蒸気が流れる様子と、を示した図である。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the inside of the intercooler 60 according to this embodiment, and is a schematic cross-sectional view when the intercooler 60 is viewed from the direction along the line II-II in FIG. FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of the intercooler 60 taken along the line III-III in FIG. 2. The state of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 and the second internal flow path 66 are supplied. It is the figure which showed the mode that the water vapor | steam and the water vapor | steam produced in the 2nd internal flow path 66 by heat exchange with compressed cathode gas flow.

図２及び図３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を流れる圧縮カソードガスの熱を、隔壁６７を介して第２内部流路６６内に供給された水、及び第２内部流路６６内で生じた水蒸気に伝えることができるようになっている。 2 and 3, a plurality of first internal flow paths 63 and second internal flow paths 66 partitioned by a partition wall 67 are alternately formed in the intercooler 60 in the vertical direction in the drawing. The heat of the compressed cathode gas flowing through the first internal channel 63 is transferred to the water supplied into the second internal channel 66 via the partition wall 67 and the water vapor generated in the second internal channel 66. It can be done.

図１及び図３に示すように、第１内部流路６３は、高温ガスマニホールド６１と連通する高温ガス供給口６３ａと、低温ガスマニホールド６２と連通する低温ガス排出口６３ｂと、を備える。高温ガス入口部６１１を介して上流側供給配管２１ａから高温ガスマニホールド６１の内部に供給された圧縮カソードガスは、第１内部流路６３の高温ガス供給口６３ａから各第１内部流路６３に略均等に分配される。 As shown in FIGS. 1 and 3, the first internal flow path 63 includes a high temperature gas supply port 63 a that communicates with the high temperature gas manifold 61 and a low temperature gas discharge port 63 b that communicates with the low temperature gas manifold 62. The compressed cathode gas supplied from the upstream supply pipe 21 a to the inside of the high temperature gas manifold 61 via the high temperature gas inlet 611 passes from the high temperature gas supply port 63 a of the first internal flow path 63 to each first internal flow path 63. Almost evenly distributed.

第１内部流路６３に供給された圧縮カソードガスは、第１内部流路６３を流れて低温ガス排出口６３ｂから低温ガスマニホールド６２に排出される。各第１内部流路６３の低温ガス排出口６３ｂから低温ガスマニホールド６２に排出された圧縮カソードガスは、低温ガスマニホールド６２の内部で纏められて、低温ガス出口部６２１から下流側供給配管２１ｂに排出される。 The compressed cathode gas supplied to the first internal flow path 63 flows through the first internal flow path 63 and is discharged to the low temperature gas manifold 62 from the low temperature gas discharge port 63b. The compressed cathode gas discharged to the low temperature gas manifold 62 from the low temperature gas discharge port 63b of each first internal flow path 63 is collected inside the low temperature gas manifold 62, and is supplied from the low temperature gas outlet portion 621 to the downstream supply pipe 21b. Discharged.

第２内部流路６６は、液水マニホールド６４と連通する液水供給口６６ａと、水蒸気マニホールド６５と連通する水蒸気排出口６６ｂと、を備える。液水入口部６４１を介して後述する液水供給配管５１から液水マニホールド６４の内部に供給された水は、第２内部流路６６の液水供給口６６ａから各第２内部流路６６に略均等に分配される。 The second internal channel 66 includes a liquid water supply port 66 a that communicates with the liquid water manifold 64 and a water vapor discharge port 66 b that communicates with the water vapor manifold 65. Water supplied to the inside of the liquid water manifold 64 from a liquid water supply pipe 51 to be described later via the liquid water inlet 641 is supplied from the liquid water supply port 66a of the second internal channel 66 to each second internal channel 66. Almost evenly distributed.

第２内部流路６６に供給された水は、隔壁６７を介した圧縮カソードガスとの熱交換により水蒸気となって第２内部流路６６を流れ、水蒸気排出口６６ｂから水蒸気マニホールド６５に排出される。各第２内部流路６６の水蒸気排出口６６ｂから水蒸気マニホールド６５に排出された水蒸気は、水蒸気マニホールド６５の内部で纏められて、水蒸気出口部６５１から後述する排出水蒸気供給配管５２に排出される。 The water supplied to the second internal flow path 66 is converted into water vapor by heat exchange with the compressed cathode gas via the partition wall 67, flows through the second internal flow path 66, and is discharged to the water vapor manifold 65 from the water vapor discharge port 66b. The The water vapor discharged to the water vapor manifold 65 from the water vapor discharge port 66b of each second internal flow channel 66 is collected inside the water vapor manifold 65 and discharged from the water vapor outlet portion 651 to the discharge water vapor supply pipe 52 described later.

ここで本実施形態では、圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で生じた水蒸気が、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向き（図３では左側から右側）とは反対方向に流れて第２内部流路６６の水蒸気排出口６６ｂから水蒸気マニホールド６５に排出されるように、インタクーラ６０を構成している。すなわち、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きとが対向するように、インタクーラ６０を構成している。 Here, in the present embodiment, the water vapor generated in the second internal channel 66 due to heat exchange with the compressed cathode gas flows in the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal channel 63 (from left to right in FIG. 3). Constitutes the intercooler 60 so that it flows in the opposite direction and is discharged to the water vapor manifold 65 from the water vapor discharge port 66b of the second internal channel 66. That is, the intercooler 60 is configured so that the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 and the direction of the water vapor flowing through the second internal flow path 66 are opposed to each other.

本実施形態では図３に示すように、水蒸気排出口６６ｂの位置が、液水供給口６６ａの位置よりも上側となるようにしている。これにより、液水供給口６６ａから第２内部流路６６内に供給された水を、第２内部流路６６の下部空間６６１に留めて液水供給口６６ａを水で塞ぐことができる。そのため、圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６の上部空間６６２に生じた水蒸気を、液水供給口６６ａ側に逆流させることなく、水蒸気排出口６６ｂ側に向かって流すことができる。なお、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きとが対向するように、インタクーラ６０を構成している理由については後述する。 In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the position of the water vapor discharge port 66b is set to be higher than the position of the liquid water supply port 66a. Accordingly, the water supplied from the liquid water supply port 66a into the second internal channel 66 can be retained in the lower space 661 of the second internal channel 66, and the liquid water supply port 66a can be closed with water. Therefore, the water vapor generated in the upper space 662 of the second internal channel 66 by heat exchange with the compressed cathode gas can flow toward the water vapor discharge port 66b without backflowing toward the liquid water supply port 66a. . The reason why the intercooler 60 is configured so that the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 and the direction of the water vapor flowing through the second internal flow path 66 face each other will be described later.

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を流れる圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で生じた水蒸気が、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内で生じた水蒸気が、インタクーラ６０の内部で圧縮カソードガスの加湿に使用されることなく、水蒸気マニホールド６５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。 Further, the first internal flow path 63 and the second internal flow path 66 are configured so that water vapor generated in the second internal flow path 66 due to heat exchange with the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 is generated by the first internal flow path. Each is an independent flow path so as not to flow into 63. That is, the water vapor generated in the second internal flow channel 66 is discharged from the water vapor manifold 65 to the outside of the intercooler 60 without being used for humidifying the compressed cathode gas inside the intercooler 60.

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、圧縮カソードガスの熱を、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。 The first internal flow path 63 is formed with a plurality of fins 68 extending from the partition walls 67 so that the heat of the compressed cathode gas can be efficiently transmitted to the partition walls 67 through the fins 68. It has become.

圧縮カソードガスが第１内部流路６３内を流れると、圧縮カソードガスの熱が隔壁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内に供給された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内の水が蒸発し、そのときの蒸発潜熱によって隔壁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の温度を圧縮カソードガスよりも低い温度、具体的には水の沸点近傍の温度にすることができる。そのため、圧縮カソードガスと隔壁６７との温度差を或る一定の温度差にすることができ、圧縮カソードガスの熱を効率良く隔壁６７に伝達して圧縮カソードガスを冷却することができる。 When the compressed cathode gas flows through the first internal flow path 63, the heat of the compressed cathode gas is transmitted to the partition walls 67, and the temperature of the partition walls 67 rises. When the temperature of the partition wall 67 exceeds the boiling point of the water supplied into the second internal channel 66, the water in the second internal channel 66 in contact with the partition wall 67 evaporates, and the partition wall 67 is generated by latent heat of evaporation at that time. Can be suppressed to a certain temperature. That is, the temperature of the partition wall 67 can be set to a temperature lower than that of the compressed cathode gas, specifically, a temperature near the boiling point of water. Therefore, the temperature difference between the compressed cathode gas and the partition wall 67 can be a certain temperature difference, and the heat of the compressed cathode gas can be efficiently transmitted to the partition wall 67 to cool the compressed cathode gas.

本実施形態では、第１内部流路６３に流入する圧縮カソードガスの温度は概ね２００℃程度であり、第２内部流路６６内に供給された水の沸点は概ね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に流入した圧縮カソードガスの温度を概ね１００℃まで低下させて、低温ガス出口部６２１から流出させることができる。 In the present embodiment, the temperature of the compressed cathode gas flowing into the first internal channel 63 is approximately 200 ° C., and the boiling point of the water supplied into the second internal channel 66 is approximately 100 ° C. Therefore, in the present embodiment, the temperature of the compressed cathode gas that has flowed into the first internal flow path 63 can be lowered to approximately 100 ° C. by the intercooler 60 and can be discharged from the low temperature gas outlet 621.

このように本実施形態による冷却加湿装置５０は、インタクーラ６０内の第１内部流路６３に圧縮カソードガスが流れ、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内に供給された水の蒸発潜熱によって、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガス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を流れる圧縮カソードガスの熱を、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、例えば液冷媒を相変化させずに第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスとの間で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。 As described above, in the cooling / humidifying device 50 according to the present embodiment, the compressed cathode gas flows in the first internal flow path 63 in the intercooler 60 and is generated in the second internal flow path 66 by an electrochemical reaction in the fuel cell stack 10. It is configured to be supplied with water. The intercooler 60 is configured to cool the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 by the latent heat of evaporation of water supplied into the second internal flow path 66. Thus, by using the heat of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 as heat for changing the phase of water to water vapor, for example, the first internal flow path 63 is changed without changing the phase of the liquid refrigerant. Compared with the case where heat exchange is performed with the flowing compressed cathode gas, the efficiency of heat exchange can be increased. Therefore, the cooling performance of the intercooler 60 can be improved.

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。 Returning to FIG. 1, the gas-liquid separator 70 includes a gas inlet 71, a gas outlet 72, and a liquid water outlet 73. The gas-liquid separator 70 separates water from the cathode off-gas that has flowed into the gas inlet 71, discharges the separated water from the liquid water outlet 73, and discharges the cathode off-gas from which the water has been separated to the gas outlet. 72 is discharged.

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６４１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６４１からインタクーラ６０内の第２内部流路６６に供給される。 The liquid water supply pipe 51 is a pipe having one end connected to the liquid water outlet 73 of the gas-liquid separator 70 and the other end connected to the liquid water inlet 641 of the intercooler 60. The water in the cathode off-gas separated by the gas-liquid separator 70 flows through the liquid water supply pipe 51 and is supplied from the liquid water inlet 641 of the intercooler 60 to the second internal channel 66 in the intercooler 60.

排出水蒸気供給配管５２は、一端がインタクーラ６０の水蒸気出口部６５１に接続され、他端がカソードコンプレッサ２３よりも下流側のカソードガス供給通路２１に接続される配管である。本実施形態では、排出水蒸気供給配管５２の他端は、下流側供給配管２１ｂに接続されている。インタクーラ６０内での圧縮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内の水蒸気は、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに供給される。これにより、下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガス、すなわち燃料電池スタック１０に供給される圧縮カソードガスの加湿を行うことができる。 The exhaust steam supply pipe 52 is a pipe having one end connected to the steam outlet 651 of the intercooler 60 and the other end connected to the cathode gas supply passage 21 on the downstream side of the cathode compressor 23. In the present embodiment, the other end of the discharged water vapor supply pipe 52 is connected to the downstream supply pipe 21b. The water vapor in the second internal flow path 66 generated by heat exchange with the compressed cathode gas in the intercooler 60 is supplied to the downstream supply pipe 21b via the discharge water vapor supply pipe 52. As a result, the compressed cathode gas flowing through the downstream supply pipe 21b, that is, the compressed cathode gas supplied to the fuel cell stack 10 can be humidified.

ここで、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに水蒸気を供給するためには、排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力を、下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガスの圧力（本実施形態では２００［ｋＰａ］程度）よりも高くする必要がある。 Here, in order to supply water vapor to the downstream supply pipe 21b through the discharge water vapor supply pipe 52, the pressure of the water vapor flowing through the discharge water vapor supply pipe 52 is set to the pressure of the compressed cathode gas flowing through the downstream supply pipe 21b ( In the present embodiment, it needs to be higher than about 200 [kPa].

このとき、水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置（例えば噴射弁やコンプレッサ、ポンプ等）を駆動して水蒸気を加圧する構成にすると、加圧装置を駆動するための駆動力（電力）が必要となって燃費が悪化すると共に、加圧装置を搭載するためのスペースの確保が必要となって、燃料電池システムの大型化、及び高コスト化を招くことになる。また、これら加圧装置を制御する必要もある。そして、水蒸気を所望の圧力まで上昇させるために必要な駆動力が大きくなるほど、燃費が悪化すると共に、加圧装置が大型化する傾向にあり、燃料電池システムの大型化、及び高コスト化を招くことになる。 At this time, if it is configured to pressurize the water vapor by driving any pressurization device (for example, an injection valve, a compressor, a pump, etc.) for pressurizing the water vapor, a driving force (electric power) is required to drive the pressure device. As a result, the fuel consumption deteriorates, and it is necessary to secure a space for mounting the pressurizing device, leading to an increase in size and cost of the fuel cell system. It is also necessary to control these pressure devices. As the driving force required to increase the water vapor to a desired pressure increases, the fuel consumption deteriorates and the pressurizing device tends to increase in size, leading to an increase in the size and cost of the fuel cell system. It will be.

したがって、このような加圧装置を設けることなく水蒸気を加圧できるように、燃料電池システム１００を構成することが望ましい。また、仮に設けるとしても、加圧装置の駆動力を最小限に抑え、燃費の悪化や燃料電池システムの大型化、及び高コスト化を可能な限り抑えることが望ましい。 Therefore, it is desirable to configure the fuel cell system 100 so that water vapor can be pressurized without providing such a pressurizing device. Further, even if it is provided, it is desirable to minimize the driving force of the pressurizing device to minimize deterioration of fuel consumption, enlargement of the fuel cell system, and cost increase as much as possible.

そこで本実施形態では、前述したように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きとが対向するように、インタクーラ６０を構成することとしたのである。以下、図３を参照して、この理由について説明する。 Therefore, in the present embodiment, as described above, the intercooler 60 is configured so that the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 and the direction of the water vapor flowing through the second internal flow path 66 face each other. It was. Hereinafter, this reason will be described with reference to FIG.

高温ガス供給口６３ａを介して高温ガスマニホールド６１から第１内部流路６３内に供給された圧縮カソードガスは、第１内部流路６３を低温ガス排出口６３ｂに向かって流れていく間に、水の沸点と同程度の約１００℃程度にまで冷却されて低温ガス排出口６３ｂから低温ガスマニホールド６２に排出される。 While the compressed cathode gas supplied from the high temperature gas manifold 61 into the first internal flow path 63 through the high temperature gas supply port 63a flows through the first internal flow path 63 toward the low temperature gas discharge port 63b, It is cooled to about 100 ° C., which is the same as the boiling point of water, and discharged from the low temperature gas discharge port 63 b to the low temperature gas manifold 62.

そのため図３に示すように、高温ガス供給口６３ａ近傍の第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの温度は、低温ガス排出口６３ｂ近傍の第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの温度（本実施形態では１００℃程度）よりも高くなり、本実施形態ではカソードコンプレッサ２３から吐出された圧縮カソードガスの温度と同等の２００℃程度となる。 Therefore, as shown in FIG. 3, the temperature of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 in the vicinity of the high temperature gas supply port 63a is equal to the temperature of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 in the vicinity of the low temperature gas discharge port 63b. (In this embodiment, about 100 ° C.), and in this embodiment, the temperature becomes about 200 ° C., which is equivalent to the temperature of the compressed cathode gas discharged from the cathode compressor 23.

また液水供給口６６ａを介して液水マニホールド６４から第２内部流路６６に供給された水は、圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で水蒸気となって、水蒸気排出口６６ｂから水蒸気マニホールド６５に排出される。 Further, the water supplied from the liquid water manifold 64 to the second internal channel 66 through the liquid water supply port 66a becomes water vapor in the second internal channel 66 by heat exchange with the compressed cathode gas, and the water vapor is discharged. The water is discharged from the outlet 66b to the water vapor manifold 65.

このとき本実施形態のように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きと、を対向させることで、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、当該水蒸気が水蒸気出口部６５１に向かって圧縮カソードガスと対向する向きに流れていく過程で第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスによって徐々に加熱して、１００℃以上にすることができる。 At this time, as in the present embodiment, the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 and the direction of the water vapor flowing through the second internal flow path 66 are opposed to each other, so that the inside of the second internal flow path 66 Is gradually heated by the compressed cathode gas flowing in the first internal flow path 63 in the process in which the water vapor flows in the direction facing the compressed cathode gas toward the water vapor outlet portion 651, and is 100 ° C. or higher. Can be.

図３に示す例では、隔壁６７と接している第２内部流路６６の上部空間６６２を流れる水蒸気と、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガス（特に高温ガス入口部６１１近傍の第１内部流路６３を流れる高温の圧縮カソードガス）と、の間で熱交換が行われ、第２内部流路６６内の水蒸気が１００℃以上に加熱される。 In the example shown in FIG. 3, the water vapor flowing through the upper space 662 of the second internal flow channel 66 in contact with the partition wall 67 and the compressed cathode gas flowing through the first internal flow channel 63 (particularly the first gas near the high temperature gas inlet 611). Heat exchange is performed with the high-temperature compressed cathode gas flowing in the internal flow path 63, and the water vapor in the second internal flow path 66 is heated to 100 ° C. or higher.

このように水蒸気を１００℃以上に加熱することで、飽和蒸気圧を高くすることができるので、第２内部流路６６から排出されて排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力を高くすることができる。 Since the saturated vapor pressure can be increased by heating the water vapor to 100 ° C. or higher in this way, the pressure of the water vapor discharged from the second internal flow channel 66 and flowing through the discharged water vapor supply pipe 52 can be increased. it can.

本実施形態では、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を概ね１２０℃程度まで加熱することが可能となっており、これにより飽和蒸気圧が概ね２３２［ｋＰａ］程度となる。そのため、基本的に前述したような水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置を設けることなく、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに供給することが可能となる。 In the present embodiment, the water vapor generated in the second internal channel 66 can be heated to about 120 ° C., and the saturated vapor pressure becomes about 232 [kPa]. Therefore, without providing any pressurization device for pressurizing the water vapor as described above, the water vapor generated in the second internal flow channel 66 is supplied to the downstream supply pipe 21b via the discharge water vapor supply pipe 52. It becomes possible to supply to.

したがって、加圧装置を駆動するための駆動力も不要なので、燃費の悪化を抑制できる。また加圧装置を搭載するためのスペースの確保も不要なので、燃料電池システム１００の大型化、及び高コスト化を防ぐことができる。 Therefore, since the driving force for driving the pressurizing device is not necessary, deterioration of fuel consumption can be suppressed. Further, since it is not necessary to secure a space for mounting the pressurizing device, it is possible to prevent the fuel cell system 100 from becoming large and expensive.

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に供給される前の圧縮カソードガスを冷却すると共に加湿するための冷却加湿装置５０と、を備える。 The fuel cell system 100 according to the present embodiment described above includes a fuel cell stack 10 (fuel cell), a cathode compressor 23 (compressor) for compressing and supplying cathode gas to the fuel cell stack 10, and a cathode compressor 23. A cooling / humidifying device 50 for cooling and humidifying the compressed cathode gas before being compressed and supplied to the fuel cell stack 10.

冷却加湿装置５０は、圧縮カソードガスが供給される第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と共に第１内部流路６３とは独立した第２内部流路６６と、を有し、第２内部流路６６に供給された水の蒸発潜熱によって第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスを冷却するインタクーラ６０（熱交換器）と、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスとの熱交換によって第２内部流路６６内で生じて第２内部流路６６から排出された水蒸気を、圧縮カソードガスに供給して加湿するための排出水蒸気供給配管５２（水蒸気供給流路）と、を備える。 The cooling humidifier 50 is supplied with a first internal flow path 63 to which a compressed cathode gas is supplied, and a second internal flow path to which water discharged from the fuel cell stack 10 is supplied and independent from the first internal flow path 63. 66, an intercooler 60 (heat exchanger) for cooling the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 by the latent heat of evaporation of water supplied to the second internal flow path 66, and the first internal flow path Discharge water vapor supply piping 52 for supplying the steam supplied to the compressed cathode gas and humidifying the water vapor generated in the second internal flow channel 66 and discharged from the second internal flow channel 66 by heat exchange with the compressed cathode gas flowing through 63. (Water vapor supply channel).

そしてインタクーラ６０は、第２内部流路６６内で生じた水蒸気が、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと対向する方向に第２内部流路６６を流れるように構成されている。具体的には、第２内部流路６６は、燃料電池スタック１０から排出された水を第２内部流路６６内に供給するための液水供給口６６ａと、第２内部流路６６内から水蒸気を排出するための水蒸気排出口６６ｂと、を備えており、液水供給口６６ａは、第２内部流路６６内に供給された水によって液水供給口６６ａが塞がれる位置に設けられ、水蒸気排出口６６ｂは、液水供給口６６ａよりも重力方向上側に設けられている。 The intercooler 60 is configured such that water vapor generated in the second internal flow channel 66 flows through the second internal flow channel 66 in a direction opposite to the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow channel 63. . Specifically, the second internal flow channel 66 includes a liquid water supply port 66 a for supplying water discharged from the fuel cell stack 10 into the second internal flow channel 66, and from the second internal flow channel 66. A liquid water supply port 66a for discharging water vapor, and the liquid water supply port 66a is provided at a position where the liquid water supply port 66a is blocked by the water supplied into the second internal channel 66. The water vapor discharge port 66b is provided above the liquid water supply port 66a in the gravity direction.

このように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの熱を、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、例えば液冷媒を相変化させずに第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスとの間で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。 Thus, by using the heat of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 as heat for changing the phase of water to water vapor, for example, the first internal flow path 63 without changing the phase of the liquid refrigerant. The efficiency of heat exchange can be increased compared to the case where heat exchange is performed with the compressed cathode gas flowing through the. Therefore, the cooling performance of the intercooler 60 can be improved.

またインタクーラ６０の内部において、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きと、を対向させることで、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、当該水蒸気が第２内部流路６６内を圧縮カソードガスと対向する向きに流れていく過程で第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスによって徐々に加熱することができる。そのため、飽和蒸気圧を高くすることができ、第２内部流路６６から排出されて排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力を高くすることができる。 Further, in the interior of the intercooler 60, the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 and the direction of the water vapor flowing through the second internal flow path 66 are opposed to each other, thereby generating the second internal flow path 66. The water vapor can be gradually heated by the compressed cathode gas flowing through the first internal channel 63 in the process in which the water vapor flows through the second internal channel 66 in a direction opposite to the compressed cathode gas. Therefore, the saturated vapor pressure can be increased, and the pressure of the water vapor discharged from the second internal channel 66 and flowing through the discharged water vapor supply pipe 52 can be increased.

これにより、排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力を、下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガスの圧力よりも高くできる場合には、基本的に水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置を設けることなく、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに供給することができる。 Thereby, when the pressure of the water vapor flowing through the discharged water vapor supply pipe 52 can be made higher than the pressure of the compressed cathode gas flowing through the downstream side supply pipe 21b, there is basically provided some pressurization device for pressurizing the water vapor. The water vapor generated in the second internal flow channel 66 can be supplied to the downstream supply pipe 21b via the discharge water vapor supply pipe 52 without any problem.

したがって、加圧装置を駆動するための駆動力も不要なので、燃費の悪化を抑制できる。また加圧装置を搭載するためのスペースの確保も不要なので、燃料電池システム１００の大型化、及び高コスト化を招くこともない。すなわち、本実施形態による冷却加湿装置５０によれば、燃費の悪化や燃料電池システムの大型化、及び高コスト化を防ぎつつ、圧縮カソードガスの冷却、及び加湿を行うことができる。 Therefore, since the driving force for driving the pressurizing device is not necessary, deterioration of fuel consumption can be suppressed. Further, since it is not necessary to secure a space for mounting the pressurizing device, the fuel cell system 100 is not increased in size and cost. That is, according to the cooling / humidifying device 50 according to the present embodiment, it is possible to cool and humidify the compressed cathode gas while preventing deterioration of fuel consumption, enlargement of the fuel cell system, and cost increase.

また、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど、燃料電池スタック１０に供給するカソードガス量を増加させる必要があるため、カソードガスの加湿度合いを一定に保つには、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど圧縮カソードガスに供給する水蒸気量を多くする必要がある。このとき本実施形態による冷却加湿装置５０によれば、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガス中の水分量も多くなるため、インタクーラ６０の第２内部流路６６に供給される液水量も多くなる。したがって、燃料電池スタック１０の負荷が高くなるほど、第２内部流路６６内で生じる水蒸気量も多くなるので、燃料電池スタック１０の負荷に応じた適切な量の水蒸気を、特別な制御等を行うことなく圧縮カソードガスに供給することができる。 Further, as the load on the fuel cell stack 10 increases, the amount of cathode gas supplied to the fuel cell stack 10 needs to be increased. Therefore, in order to keep the humidification degree of the cathode gas constant, the load on the fuel cell stack 10 is high. It is necessary to increase the amount of water vapor supplied to the compressed cathode gas. At this time, according to the cooling / humidifying device 50 according to the present embodiment, as the load on the fuel cell stack 10 increases, the amount of water in the cathode off-gas discharged from the fuel cell stack 10 also increases, so the second internal flow of the intercooler 60 is increased. The amount of liquid water supplied to the channel 66 also increases. Accordingly, the higher the load on the fuel cell stack 10, the more water vapor is generated in the second internal flow path 66. Therefore, special control or the like is performed on an appropriate amount of water vapor according to the load on the fuel cell stack 10. Without being supplied to the compressed cathode gas.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態は、液水供給配管５１に補助ポンプ８０を設けた点で、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。 (Second Embodiment)
Next, a fuel cell system 100 according to a second embodiment of the present invention will be described. This embodiment is different from the first embodiment in that an auxiliary pump 80 is provided in the liquid water supply pipe 51. Hereinafter, the difference will be mainly described.

図４は、本発明の第２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。なお図４においても図１と同様に、発明の理解を容易にするため、インタクーラ６０の寸法を拡大して示している。 FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 100 according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, as in FIG. 1, the dimensions of the intercooler 60 are shown enlarged to facilitate understanding of the invention.

前述した第１実施形態のように、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガスの向きと、第２内部流路６６を流れる水蒸気の向きと、を対向させて第２内部流路６６内で水蒸気を加熱し、第２内部流路６６から排出される水蒸気の圧力を高くしても、水蒸気の圧力を下流側供給配管２１ｂを流れる圧縮カソードガスの圧力よりも高くできない場合がある。 As in the first embodiment described above, the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63 and the direction of the water vapor flowing through the second internal flow path 66 are opposed to each other in the second internal flow path 66. Even if the water vapor is heated and the pressure of the water vapor discharged from the second internal channel 66 is increased, the pressure of the water vapor may not be higher than the pressure of the compressed cathode gas flowing through the downstream supply pipe 21b.

このような場合には、図４に示すように、冷却加湿装置５０を、燃料電池スタック１０から排出された水を第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）に、補助ポンプ８０を備えるように構成することができる。 In such a case, as shown in FIG. 4, the cooling / humidifying device 50 supplies the liquid water supply pipe 51 (water supply passage) for supplying the water discharged from the fuel cell stack 10 to the second internal channel 66. ) Can be configured to include an auxiliary pump 80.

このように補助ポンプ８０を設けることで、水蒸気を下流側供給配管２１ｂに供給するために不足する圧力を、補助ポンプ８０によって補うことができる。またこのような補助ポンプ８０を設けたとしても、第２内部流路６６内で水蒸気を加熱して水蒸気の圧力を予め高めておくことができるので、補助ポンプ８０の駆動力を抑えることができる。そのため、燃費の悪化を最小限に抑制できると共に、補助ポンプ８０として駆動力の小さい小型のポンプを採用することができる。したがって、燃料電池システム１００の大型化、高コスト化も最小限に抑えることができる。 By providing the auxiliary pump 80 in this manner, the auxiliary pump 80 can compensate for a pressure that is insufficient to supply water vapor to the downstream supply pipe 21b. Even if such an auxiliary pump 80 is provided, the water vapor pressure can be increased in advance by heating the water vapor in the second internal flow path 66, so that the driving force of the auxiliary pump 80 can be suppressed. . Therefore, deterioration of fuel consumption can be suppressed to the minimum, and a small pump with a small driving force can be employed as the auxiliary pump 80. Therefore, an increase in size and cost of the fuel cell system 100 can be minimized.

またこのような補助ポンプ８０を設けることで、燃料電池スタック１０の負荷変動時等に、過渡的にカソードオフガス排出通路２４の上流側排出配管２４ａに排出される水分量が減少したとしても、液水供給配管５１を介して液水を第２内部流路６６に安定して供給することができる。そのため、燃料電池スタック１０の負荷変動時等に、第２内部流路６６に供給される液水が過渡的に減少して、インタクーラ６０の冷却性能が低下してしまうのを抑制できる。 Further, by providing such an auxiliary pump 80, even when the load of the fuel cell stack 10 changes, the amount of water discharged to the upstream discharge pipe 24a of the cathode offgas discharge passage 24 transiently decreases. Liquid water can be stably supplied to the second internal channel 66 through the water supply pipe 51. Therefore, it is possible to suppress a decrease in the cooling performance of the intercooler 60 due to a transient decrease in liquid water supplied to the second internal flow channel 66 when the load of the fuel cell stack 10 is changed.

さらにこのような補助ポンプ８０を設けることによって、第２内部流路６６内で水蒸気が加熱されて水蒸気の圧力が高くなることで、水蒸気の液水マニホールド６４側への逆流が懸念される場合においても、補助ポンプ８０を駆動することで水蒸気の逆流を防止することができる。 Further, when such an auxiliary pump 80 is provided, the steam is heated in the second internal flow path 66 and the pressure of the steam is increased, so that the backflow of steam to the liquid water manifold 64 side is concerned. However, the backflow of water vapor can be prevented by driving the auxiliary pump 80.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による燃料電池システム１００について説明する。本実施形態は、カソードコンプレッサ２３として２つ以上のコンプレッサから構成される多段式コンプレッサを用いてカソードガスを段階的に圧縮し、排出水蒸気供給配管５２の他端を多段式コンプレッサの段間の流路２３ｃに接続するようにした点で、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。 (Third embodiment)
Next, a fuel cell system 100 according to a third embodiment of the invention will be described. In the present embodiment, the cathode gas is compressed stepwise using a multistage compressor composed of two or more compressors as the cathode compressor 23, and the other end of the discharge water vapor supply pipe 52 is connected between the stages of the multistage compressor. It is different from the first embodiment in that it is connected to the path 23c. Hereinafter, the difference will be mainly described.

図５は、本発明の第３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。なお図５においても図１と同様に、発明の理解を容易にするため、インタクーラ６０の寸法を拡大して示している。 FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system 100 according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, as in FIG. 1, the dimensions of the intercooler 60 are shown enlarged to facilitate understanding of the invention.

このような場合には、図５に示す燃料電池システム１００のように、カソードコンプレッサ２３として２つ以上のコンプレッサから構成される多段式コンプレッサを用いてカソードガスを段階的に圧縮し、排出水蒸気供給配管５２の他端を多段式コンプレッサの段間の流路２３ｃに接続するようにしても良い。 In such a case, as in the fuel cell system 100 shown in FIG. 5, the cathode gas is compressed stepwise by using a multistage compressor composed of two or more compressors as the cathode compressor 23, and the exhaust water vapor is supplied. You may make it connect the other end of the piping 52 to the flow path 23c between the stages of a multistage compressor.

これにより、例えば図５に示すように、カソードコンプレッサ２３として２段式コンプレッサを用いた場合には、第１コンプレッサ２３ａと第２コンプレッサ２３ｂとの間の段間の流路２３ｃを流れる圧縮カソードガスの圧力が、排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力よりも低くなるように、第１コンプレッサ２３ａの吐出圧を調整することができる。これにより、前述したような水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置を設けることなく、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、排出水蒸気供給配管５２を介してカソードガス供給通路２１（本実施形態では第１コンプレッサ２３ａと第２コンプレッサ２３ｂとの間の段間の流路２３ｃ）に供給することができる。 Thus, for example, as shown in FIG. 5, when a two-stage compressor is used as the cathode compressor 23, the compressed cathode gas flowing in the flow path 23c between the first compressor 23a and the second compressor 23b. The discharge pressure of the first compressor 23a can be adjusted so that the pressure of the first compressor 23a becomes lower than the pressure of the water vapor flowing through the exhaust water vapor supply pipe 52. As a result, the water vapor generated in the second internal flow channel 66 can be supplied to the cathode gas supply passage 21 (main) via the discharge water vapor supply pipe 52 without providing any pressurizing device for pressurizing the water vapor as described above. In the embodiment, it can be supplied to the flow path 23c) between the first compressor 23a and the second compressor 23b.

以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００によれば、カソードコンプレッサ２３（コンプレッサ）は、カソードガスを段階的に圧縮可能な多段式コンプレッサであり、排出水蒸気供給配管５２（水蒸気供給流路）は、第２内部流路６６から排出された水蒸気を、多段式コンプレッサの段間の流路２３ｃを流れる圧縮カソードガスに供給できるように構成されている。 According to the fuel cell system 100 according to the present embodiment described above, the cathode compressor 23 (compressor) is a multistage compressor capable of compressing the cathode gas in stages, and the discharged water vapor supply pipe 52 (water vapor supply flow path) The water vapor discharged from the second internal flow channel 66 can be supplied to the compressed cathode gas flowing in the flow channel 23c between the stages of the multistage compressor.

これにより、多段式コンプレッサの段間の流路２３ｃを流れる圧縮カソードガスの圧力が、排出水蒸気供給配管５２を流れる水蒸気の圧力よりも低くなるように、第１コンプレッサの吐出圧を調整することで、前述したような水蒸気を加圧するための何らかの加圧装置を設けることなく、第２内部流路６６内で生じた水蒸気を、排出水蒸気供給配管５２を介して下流側供給配管２１ｂに供給することができる。 Thus, by adjusting the discharge pressure of the first compressor so that the pressure of the compressed cathode gas flowing through the flow path 23c between the stages of the multistage compressor becomes lower than the pressure of the water vapor flowing through the discharged water vapor supply pipe 52. The water vapor generated in the second internal flow channel 66 is supplied to the downstream supply pipe 21b via the discharge water vapor supply pipe 52 without providing any pressurizing device for pressurizing the water vapor as described above. Can do.

したがって、燃費の悪化や燃料電池システム１００の大型化、及び高コスト化を防ぎつつ、圧縮カソードガスの冷却、及び加湿を行うことができる。 Therefore, it is possible to cool and humidify the compressed cathode gas while preventing deterioration in fuel consumption, enlargement of the fuel cell system 100, and cost increase.

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。 The embodiment of the present invention has been described above. However, the above embodiment only shows a part of application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is limited to the specific configuration of the above embodiment. Absent.

例えば上記の各実施形態では、第１内部流路６３及び第２内部流路６６は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、圧縮カソードガスと水との間で熱交換ができ、かつ、圧縮カソードガスと水蒸気とが対向するように流れる形状であれば、特に限られるものではない。 For example, in each of the above embodiments, the first internal channel 63 and the second internal channel 66 are linear. However, the flow path shapes of the first internal flow path 63 and the second internal flow path 66 are such that heat can be exchanged between the compressed cathode gas and water, and the compressed cathode gas and water vapor flow so as to face each other. If it is, it will not be restricted in particular.

また上記の各実施形態では、カソードオフガスから水を分離するために気液分離器７０を用いていたが、例えば気液分離器７０に替えて凝縮器を設けてカソードオフガス中の水を分離するようにしても良い。 In each of the above embodiments, the gas-liquid separator 70 is used to separate water from the cathode offgas. However, for example, a condenser is provided instead of the gas-liquid separator 70 to separate water in the cathode offgas. You may do it.

また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６４１に直接接続するようにしても良い。なおこのように冷却加湿装置５０を構成した場合は、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。 Since the cathode offgas contains liquid water, the other end of the cathode offgas discharge passage 24 is directly connected to the liquid water inlet 641 of the intercooler 60 without using the gas-liquid separator 70. Also good. When the cooling / humidifying device 50 is configured in this way, the cathode offgas discharge passage 24 is configured with a member having high thermal conductivity so that the cathode offgas flowing in the cathode offgas discharge passage 24 can be cooled. Further, it is desirable to improve the heat radiation performance of the cathode offgas discharge passage 24 by providing fins or the like on the outer peripheral surface of the cathode offgas discharge passage 24.

また上記の各実施形態において、例えば図６に示すように、第２内部流路６６の上部空間６６２を流れる水蒸気と、第１内部流路６３を流れる圧縮カソードガス（特に高温ガス入口部６１１近傍の第１内部流路６３を流れる高温の圧縮カソードガス）と、の間での熱交換を促進させるために、水蒸気が流れる第２内部流路６６の上部空間６６２に第２フィン６９を設けるようにしても良い。 In each of the above embodiments, for example, as shown in FIG. 6, the water vapor flowing through the upper space 662 of the second internal flow channel 66 and the compressed cathode gas flowing through the first internal flow channel 63 (particularly in the vicinity of the high temperature gas inlet 611). The second fin 69 is provided in the upper space 662 of the second internal flow path 66 through which water vapor flows in order to promote heat exchange with the high-temperature compressed cathode gas flowing through the first internal flow path 63). Anyway.

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）
５０冷却加湿装置
５１液水供給配管（水供給通路）
５２排出水蒸気供給配管（水蒸気供給通路）
６０インタクーラ（熱交換器）
６３第１内部流路
６６第２内部流路
６６ａ液水供給口
６６ｂ水蒸気排出口
８０補助ポンプ
１００燃料電池システム 10 Fuel cell stack (fuel cell)
23 Cathode compressor (compressor)
50 Cooling humidifier 51 Liquid water supply pipe (water supply passage)
52 Discharge water vapor supply pipe (water vapor supply passage)
60 Intercooler (heat exchanger)
63 1st internal flow path 66 2nd internal flow path 66a Liquid water supply port 66b Water vapor | steam discharge port 80 Auxiliary pump 100 Fuel cell system

Claims

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圧縮カソードガスを冷却すると共に加湿するための冷却加湿装置と、
を備える燃料電池システムであって、
前記冷却加湿装置は、
圧縮カソードガスが供給される第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と共に前記第１内部流路とは独立した第２内部流路と、を有し、前記第２内部流路に供給された水の蒸発潜熱によって前記第１内部流路を流れる圧縮カソードガスを冷却する熱交換器と、
前記第１内部流路を流れる圧縮カソードガスとの熱交換によって前記第２内部流路内で生じて前記第２内部流路から排出された水蒸気を、圧縮カソードガスに供給して加湿するための水蒸気供給流路と、
を備え、
前記熱交換器は、
前記第２内部流路内で生じた水蒸気が、前記第１内部流路を流れる圧縮カソードガスの向きと対向する方向に前記第２内部流路を流れるように構成される、
燃料電池システム。 A fuel cell;
A compressor for compressing the cathode gas and supplying it to the fuel cell;
A cooling and humidifying device for cooling and humidifying the compressed cathode gas before being compressed by the compressor and supplied to the fuel cell;
A fuel cell system comprising:
The cooling humidifier is
A first internal flow path to which a compressed cathode gas is supplied; and a second internal flow path to which water discharged from the fuel cell is supplied and independent of the first internal flow path. A heat exchanger that cools the compressed cathode gas that flows through the first internal flow path by the latent heat of evaporation of water supplied to the 2 internal flow path;
For supplying moisture to the compressed cathode gas to humidify the water vapor generated in the second inner channel by the heat exchange with the compressed cathode gas flowing through the first inner channel and discharged from the second inner channel. A water vapor supply channel;
With
The heat exchanger is
The water vapor generated in the second internal flow path is configured to flow through the second internal flow path in a direction opposite to the direction of the compressed cathode gas flowing through the first internal flow path.
Fuel cell system.

前記第２内部流路は、
前記燃料電池から排出された水を前記第２内部流路内に供給するための液水供給口と、
前記第２内部流路内から水蒸気を排出するための水蒸気排出口と、
を備え、
前記液水供給口は、前記第２内部流路内に供給された水によって前記液水供給口が塞がれる位置に設けられ、
前記水蒸気排出口は、前記液水供給口よりも重力方向上側に設けられる、
請求項１に記載の燃料電池システム。 The second internal flow path is
A liquid water supply port for supplying water discharged from the fuel cell into the second internal flow path;
A water vapor outlet for discharging water vapor from the second internal flow path;
With
The liquid water supply port is provided at a position where the liquid water supply port is blocked by water supplied into the second internal flow path;
The water vapor outlet is provided above the liquid water supply port in the direction of gravity.
The fuel cell system according to claim 1.

前記冷却加湿装置は、
前記燃料電池から排出された水を前記第２内部流路に供給するための水供給通路に、補助ポンプをさらに備える、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 The cooling humidifier is
A water supply passage for supplying water discharged from the fuel cell to the second internal flow path, further comprising an auxiliary pump;
The fuel cell system according to claim 1 or 2.

前記コンプレッサは、カソードガスを段階的に圧縮可能な多段式コンプレッサであり、
前記水蒸気供給流路は、前記第２内部流路から排出された水蒸気を、多段式コンプレッサの段間の流路を流れる圧縮カソードガスに供給できるように構成される、
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。 The compressor is a multistage compressor capable of compressing cathode gas in stages,
The water vapor supply flow path is configured to supply the water vapor discharged from the second internal flow path to the compressed cathode gas flowing through the flow path between the stages of the multistage compressor.
The fuel cell system according to claim 1 or 2.