JP2005203261A - Fuel cell system - Google Patents

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Nobuhiro Tomosada
伸浩 友定
Toru Bisaga
徹 毘沙賀
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system having no possibility generating corrosion of a motor part when fuel cell off gas is circulated again. <P>SOLUTION: The fuel cell system has a compression means comprising a suction part 5 sucking off gas exhausted from a fuel cell 1, and the motor part 6 communicating with the suction part and housing a motor acting as a driving source when off gas sucked in the suction part is compressed, and also has a motor part pressing means 2 making the motor part in a higher pressure state than the suction part. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

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.

燃料電池システムにおいて、燃料の利用効率を高めるため、燃料電池に一旦供給されて一部未反応のまま排出される燃料水素を含むオフガスを、燃料電池に再循環させることが行われている。特許文献1には、燃料電池本体から排出される残存酸素、又は残存水素をそれぞれ循環ポンプ、又はコンプレッサを利用して燃料電池本体への酸素/水素供給ラインに戻して、閉ループを組み、循環させるようにした固体高分子電解質燃料電池システムが開示されている。また、かかる技術分野における関連技術を開示するものとして、特許文献2が挙げられる。
特開平7−240220 特開2003−178782
In the fuel cell system, in order to increase the fuel utilization efficiency, off-gas containing fuel hydrogen once supplied to the fuel cell and partially discharged without being reacted is recirculated to the fuel cell. In Patent Document 1, residual oxygen or residual hydrogen discharged from the fuel cell main body is returned to the oxygen / hydrogen supply line to the fuel cell main body using a circulation pump or a compressor, and a closed loop is assembled and circulated. A solid polymer electrolyte fuel cell system is disclosed. Patent Document 2 is cited as a technique for disclosing a related technique in this technical field.
JP-A-7-240220 JP2003-178882

しかし、燃料電池本体から排出される残存酸素、又は残存水素中には燃料電池内で生成された水分が含まれるため、この水分が循環ポンプの燃料オフガス吸入部と連通しているモータ部に浸入すると、モータ部の腐食が発生してしまうという問題があった。   However, since the residual oxygen or residual hydrogen discharged from the fuel cell body contains moisture generated in the fuel cell, this moisture enters the motor part communicating with the fuel off-gas intake part of the circulation pump. Then, there existed a problem that corrosion of a motor part will generate | occur | produce.

そこで本発明は、燃料電池オフガスを再循環させる際に、モータ部に腐食の発生する虞のない燃料電池システムを提供することを課題とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which corrosion of the motor portion does not occur when the fuel cell off-gas is recirculated.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
請求項1に記載の発明は、燃料電池から排出されるオフガスを吸入する吸入部と、該吸入部と連通されるとともに該吸入部に吸入されたオフガスを圧縮する際の駆動源となるモータを収容するモータ部と、から構成される圧縮手段を具備する燃料電池システムであって、モータ部を吸入部よりも高圧状態にさせるモータ部加圧手段を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
According to the first aspect of the present invention, there is provided a suction portion that sucks off gas discharged from the fuel cell, and a motor that is in communication with the suction portion and serves as a drive source when compressing the off gas sucked into the suction portion. A fuel cell system comprising compression means comprising a motor part to be housed, comprising a motor part pressurizing means for causing the motor part to be in a higher pressure state than the suction part.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池に供給される燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料ガス貯蔵手段を備え、モータ部加圧手段は、燃料ガス貯蔵手段に貯蔵されている燃料ガスをモータ部内に充満させることにより高圧状態を生じさせることを特徴とする。   A second aspect of the present invention is the fuel cell system according to the first aspect, further comprising fuel gas storage means for storing the fuel gas supplied to the fuel cell at a high pressure, wherein the motor unit pressurizing means is a fuel gas storage means. A high pressure state is generated by filling the fuel gas stored in the means into the motor unit.

請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、燃料ガスを調圧する調圧手段を備え、調圧手段は燃料ガス貯蔵手段とモータ部との間に配置されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell system according to the second aspect of the present invention, the fuel cell system further includes a pressure regulating unit that regulates the fuel gas, and the pressure regulating unit is disposed between the fuel gas storage unit and the motor unit. It is characterized by that.

請求項1に記載される燃料電池システムによれば、モータ部加圧手段によって、モータ部を吸入部よりも高圧状態にすることができる。したがって、吸入部により吸入されるオフガス中に含まれる水分がモータ部内に浸入するのを抑制して、水分浸入に起因するモータ部の腐食を防止することが可能となる。   According to the fuel cell system of the first aspect, the motor part can be brought into a higher pressure state than the suction part by the motor part pressurizing means. Therefore, it is possible to prevent the moisture contained in the off-gas sucked by the suction part from entering the motor part and to prevent the corrosion of the motor part due to the water penetration.

請求項2に記載の発明によれば、燃料ガス貯蔵手段に貯蔵されている燃料ガスにより高圧状態を発生するので、高圧状態を発生させるために新たな装置を追加する必要がないという利点がある。   According to the invention described in claim 2, since the high pressure state is generated by the fuel gas stored in the fuel gas storage means, there is an advantage that it is not necessary to add a new device to generate the high pressure state. .

請求項3に記載の発明によれば、モータ部と燃料ガス貯蔵手段との間に調圧手段が配置されているので、モータ部内の圧力はほぼ一定に保たれる。したがって、モータ部内に圧力変化が生じることに起因するモータ部のシール損傷を未然に防止することができる。   According to the third aspect of the present invention, since the pressure adjusting means is disposed between the motor unit and the fuel gas storage means, the pressure in the motor unit is kept substantially constant. Therefore, it is possible to prevent the motor unit from being damaged due to pressure changes in the motor unit.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。この第1実施形態にかかる燃料電池システム10は、燃料電池1と、燃料電池1から排出されるオフガスを燃料電池1に再循環させる圧縮手段2と、燃料電池1へ供給する燃料水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク3とを備えている。圧縮手段2は、圧縮室4、吸入室5、及び、モータ室6をこの順に配置して備えている。吸入室5は圧縮室4の上記再循環経路上流側(吸入側)に配置されている。吸入室5とモータ室6とは隔壁7により仕切られている。圧縮室4内には圧縮機4aが配置されている。また、モータ室6内にはモータ6aが配置されている。モータ6aにより発生した駆動力を伝える駆動軸8はモータ室6から隔壁7を貫通して吸入室5を通過後、圧縮機4aに連結されている。隔壁7を駆動軸8が貫通する部位は、適宜軸シール等により所定レベルの気密が保たれている。燃料電池1の排気ポート1aから吸入室5へとガス通路11が配設されている。また、圧縮室4の下流側(吐出側)から燃料電池1の吸入ポート1bへとガス通路12、13が配設されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. The fuel cell system 10 according to the first embodiment includes a fuel cell 1, a compression means 2 for recirculating off-gas discharged from the fuel cell 1 to the fuel cell 1, and high-pressure fuel hydrogen gas supplied to the fuel cell 1. And a high-pressure hydrogen tank 3 stored in The compression means 2 includes a compression chamber 4, a suction chamber 5, and a motor chamber 6 arranged in this order. The suction chamber 5 is arranged on the upstream side (suction side) of the recirculation path of the compression chamber 4. The suction chamber 5 and the motor chamber 6 are partitioned by a partition wall 7. A compressor 4 a is disposed in the compression chamber 4. A motor 6 a is disposed in the motor chamber 6. The drive shaft 8 for transmitting the drive force generated by the motor 6a passes through the partition wall 7 from the motor chamber 6 and passes through the suction chamber 5, and is connected to the compressor 4a. A portion where the drive shaft 8 penetrates the partition wall 7 is maintained at a predetermined level of airtightness by an appropriate shaft seal or the like. A gas passage 11 is disposed from the exhaust port 1 a of the fuel cell 1 to the suction chamber 5. Gas passages 12 and 13 are disposed from the downstream side (discharge side) of the compression chamber 4 to the suction port 1 b of the fuel cell 1.

一方、高圧水素タンク3のガス出口ポート3aからモータ室6へと、ガス通路14が配設されている。モータ室6からガス通路15が導き出され、前記ガス通路13と合流されている。モータ室6において、ガス通路14が導き入れられている部位と、ガス通路15が導き出されている部位とは離隔して配置されている。ガス通路15にはレギュレータ9が設置されている。   On the other hand, a gas passage 14 is disposed from the gas outlet port 3 a of the high-pressure hydrogen tank 3 to the motor chamber 6. A gas passage 15 is led out from the motor chamber 6 and merged with the gas passage 13. In the motor chamber 6, the part into which the gas passage 14 is introduced and the part from which the gas passage 15 is led are arranged apart from each other. A regulator 9 is installed in the gas passage 15.

かかる構成において、まず、燃料電池1から排出されるオフガスの再循環について説明する。モータ6aが回転されると、その回転力は駆動軸8を介して圧縮機4aに伝えられ、圧縮機4aが動作することにより上記オフガスが圧縮されて、ガス通路12、13を介して再び燃料電池1の吸入ポート1bへとオフガスが送り出される。同時に圧縮室4の吸入側に配置されている吸入室5に負圧が生じ、燃料電池1の排気ポート1aから排出されるオフガスがガス通路11を介して吸入室5へと導き入れられる。   In such a configuration, first, recirculation of off-gas discharged from the fuel cell 1 will be described. When the motor 6a is rotated, the rotational force is transmitted to the compressor 4a through the drive shaft 8, and the off-gas is compressed by the operation of the compressor 4a, and the fuel is again supplied through the gas passages 12 and 13. Off-gas is sent out to the suction port 1 b of the battery 1. At the same time, a negative pressure is generated in the suction chamber 5 disposed on the suction side of the compression chamber 4, and off-gas discharged from the exhaust port 1 a of the fuel cell 1 is introduced into the suction chamber 5 through the gas passage 11.

一方、高圧水素タンク3からの燃料水素ガスは、燃料電池1へ以下に示すように供給される。高圧水素タンク3内に貯蔵されている高圧の燃料水素ガスは、タンクのガス出口ポート3aが開放されることにより、自らの圧力によりガス通路14を経て、モータ室6へと侵入する。そしてモータ室6内に満たされた後、モータ室6からガス通路15、レギュレータ9、及びガス通路13に至る。そしてガス通路13において上記ガス通路12を通じて再循環されてくるオフガスと合流されて、燃料電池1の吸入ポート1bへと導かれ、燃料電池1内に燃料水素ガスとして供給されて使用に供される。   On the other hand, the fuel hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank 3 is supplied to the fuel cell 1 as shown below. The high-pressure fuel hydrogen gas stored in the high-pressure hydrogen tank 3 enters the motor chamber 6 through the gas passage 14 by its own pressure when the gas outlet port 3a of the tank is opened. After filling the motor chamber 6, the motor chamber 6 reaches the gas passage 15, the regulator 9, and the gas passage 13. The gas is then combined with the off-gas recirculated through the gas passage 12 in the gas passage 13, led to the intake port 1 b of the fuel cell 1, and supplied as fuel hydrogen gas into the fuel cell 1 for use. .

上記構成において、高圧水素タンク3から、ガス通路14、モータ室6、及び、ガス通路15を経て、レギュレータ9に至る間の燃料水素ガスの圧力は、高圧水素タンク3のガス圧V1と基本的に同一である。一方、燃料電池1の排気ポート1aからガス通路11、吸入室5、圧縮室4、ガス通路12、及びガス通路13を経て燃料電池1の吸入ポート1bへと至る間のガス圧は、主に圧縮機4aにより発生される圧力や、燃料電池1自体の排気圧などにより決まる圧力V2に支配される。そして通常、
V1>>V2
であるので、モータ室6内の圧力V1は、吸入室5内の圧力V2よりも十分に高くなる。上記したように、吸入室5とモータ室6とを仕切る隔壁7をモータ6aの駆動軸8が貫通しているため、隔壁7と、駆動軸8との間には軸シール等により気密が保たれているものの、必ずしもこの気密は十分なものとはいえず、従来は、吸入室5内のオフガスがモータ室6内に浸入する虞があった。しかし上記のような構成をとることによりドライな水素により高圧に保たれているモータ室6内に、これより低圧である吸入室5側からオフガスが浸入することが抑制される。したがって、オフガス中に含まれる水分によって、モータが腐食する等の不良発生を防止することが可能となる。また、貯蔵されている燃料水素ガスにより高圧状態を発生させるので、新たな圧力発生手段を設ける必要がない。
In the above configuration, the pressure of the fuel hydrogen gas from the high pressure hydrogen tank 3 to the regulator 9 through the gas passage 14, the motor chamber 6, and the gas passage 15 is basically the same as the gas pressure V 1 of the high pressure hydrogen tank 3. Are identical. On the other hand, the gas pressure from the exhaust port 1a of the fuel cell 1 through the gas passage 11, the suction chamber 5, the compression chamber 4, the gas passage 12, and the gas passage 13 to the suction port 1b of the fuel cell 1 is mainly It is governed by the pressure V2 determined by the pressure generated by the compressor 4a, the exhaust pressure of the fuel cell 1 itself, and the like. And usually
V1 >> V2
Therefore, the pressure V1 in the motor chamber 6 is sufficiently higher than the pressure V2 in the suction chamber 5. As described above, since the drive shaft 8 of the motor 6a passes through the partition wall 7 separating the suction chamber 5 and the motor chamber 6, airtightness is maintained between the partition wall 7 and the drive shaft 8 by a shaft seal or the like. However, this airtightness is not always sufficient, and conventionally, there is a possibility that the off gas in the suction chamber 5 may enter the motor chamber 6. However, by adopting the above configuration, it is possible to prevent the off gas from entering the motor chamber 6 maintained at a high pressure with dry hydrogen from the suction chamber 5 side at a lower pressure. Therefore, it is possible to prevent the occurrence of defects such as corrosion of the motor due to moisture contained in the off gas. Moreover, since the high pressure state is generated by the stored fuel hydrogen gas, it is not necessary to provide a new pressure generating means.

また、ガス通路15にはレギュレータ9が設置されており、これによって、燃料水素ガスの圧力が適度に調整されるので、ガス通路13では、燃料水素ガスと再循環されてきたオフガスとが合流して燃料電池1の吸入ポート1bへと導かれ、ガス通路12内をオフガスが逆流されることが防止される。   In addition, a regulator 9 is installed in the gas passage 15 so that the pressure of the fuel hydrogen gas is appropriately adjusted. Therefore, in the gas passage 13, the fuel hydrogen gas and the recirculated off gas merge. Thus, it is guided to the intake port 1b of the fuel cell 1 and the backflow of off-gas in the gas passage 12 is prevented.

また、高圧水素タンク3から排出されて断熱膨張により低温となった燃料水素ガスがモータ室6内に流通されるので、これによりモータ6aの冷却が行われる。モータ室6において、ガス通路14が導き入れられている部位と、ガス通路15が導き出されている部位とは離隔して配置されているので、モータ室6内を満遍なく冷却することもできる。したがって、モータ6aに水冷装置や冷却フィンなどを設置を省略することが可能となる。   Further, since the fuel hydrogen gas discharged from the high-pressure hydrogen tank 3 and having a low temperature due to adiabatic expansion is circulated in the motor chamber 6, the motor 6a is thereby cooled. In the motor chamber 6, the portion where the gas passage 14 is introduced and the portion where the gas passage 15 is led are arranged apart from each other, so that the inside of the motor chamber 6 can be evenly cooled. Therefore, installation of a water cooling device, a cooling fin, or the like on the motor 6a can be omitted.

(第2実施形態)
図2は、本発明の第2実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。なお、図2の燃料電池システム20において、第1実施形態の燃料電池システム10と同一部材が使用されている場合には、第1実施形態の燃料電池システム10を表した図1と同一の参照符号を付して、それらの説明を省略することがある。以下の図においても同様とする。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram schematically showing a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention. In the fuel cell system 20 of FIG. 2, when the same members as the fuel cell system 10 of the first embodiment are used, the same reference as FIG. 1 showing the fuel cell system 10 of the first embodiment. Reference numerals may be attached and descriptions thereof may be omitted. The same applies to the following drawings.

図示の燃料電池システム20は、燃料水素ガスの圧力調整をするレギュレータ9が、ガス通路14内に配置されている点で、レギュレータ9がガス通路15内に配置されている第1実施形態の燃料電池システム10とは異なる。レギュレータ9は、モータ室6に供給する高圧水素タンク3の燃料水素ガスの圧力を、再循環経路中にある吸入室5内のオフガスの圧力よりやや高めとなるように調製している。かかる構成をとることにより、第1実施形態の燃料電池システム10と同様に、ドライな水素により高圧に保たれているモータ室6内に、これより低圧である吸入室5側からオフガスが浸入することが抑制され、オフガス中に含まれる水分によって、モータが腐食する等の不良発生を防止することが可能となる。また、モータ室6に低温となった燃料水素ガスが流通されるので、これによりモータ6aの冷却が行われ、モータの水冷装置や冷却フィンなどの設置を省略することが可能となる。   The illustrated fuel cell system 20 is the fuel of the first embodiment in which the regulator 9 for adjusting the pressure of the fuel hydrogen gas is disposed in the gas passage 14, and the regulator 9 is disposed in the gas passage 15. Different from the battery system 10. The regulator 9 is prepared so that the pressure of the fuel hydrogen gas in the high-pressure hydrogen tank 3 supplied to the motor chamber 6 is slightly higher than the pressure of the off-gas in the suction chamber 5 in the recirculation path. By adopting such a configuration, as in the fuel cell system 10 of the first embodiment, off-gas enters the motor chamber 6 maintained at a high pressure by dry hydrogen from the suction chamber 5 side at a lower pressure. It is possible to prevent the occurrence of defects such as corrosion of the motor due to moisture contained in the off-gas. Further, since the fuel hydrogen gas having a low temperature is circulated in the motor chamber 6, the motor 6a is cooled by this, and the installation of the water cooling device, the cooling fin, etc. of the motor can be omitted.

さらに本実施形態の燃料電池システム20では、モータ室6に供給される燃料水素ガスが、高圧水素タンク3の高圧状態からレギュレータ9により、吸入室5の圧力よりやや高めのほぼ一定圧力まで減圧されているので、圧力変化に起因するシールの損傷、及びシールが高圧状態に晒されることに起因するシールの損傷を抑制することができる構造となっている。したがって、モータ室6と吸入室5とを仕切る隔壁7と、隔壁7をモータ室6から吸入室5側に貫通する駆動軸8との間の軸シール21を、通常使用されるオイルシールやリップシール等の簡便なもので構成することができる。   Further, in the fuel cell system 20 of the present embodiment, the fuel hydrogen gas supplied to the motor chamber 6 is depressurized from the high pressure state of the high pressure hydrogen tank 3 to a substantially constant pressure that is slightly higher than the pressure of the suction chamber 5 by the regulator 9. Therefore, the seal can be prevented from being damaged due to a pressure change and the seal being damaged due to the high pressure state of the seal. Therefore, a shaft seal 21 between the partition wall 7 that partitions the motor chamber 6 and the suction chamber 5 and the drive shaft 8 that penetrates the partition wall 7 from the motor chamber 6 toward the suction chamber 5 is used as an oil seal or lip that is normally used. It can be composed of a simple material such as a seal.

図3はかかるモータ室6と吸入室5との間に配設された隔壁7に設けられた軸シール21の一例を示す断面図である。図3において、図面中央に表されているのはモータ室6であり、向かってその右側には吸入室5が配置されている。吸入室5と、モータ室6との間は隔壁7により仕切られている。モータ6aはその回動の中心に駆動軸8を有している。駆動軸8はモータ室6のハウジング側壁26に取り付けられた軸受け22、及び隔壁7のホルダー部27に取り付けられた軸受け23を介してモータ室6及び吸入室5の中心部に回転自在に取り付けられている。さらに駆動軸8の図で右方に示される側は、この図には示されていない圧縮機4aに連結されている。ホルダー部27において、軸受け23の吸入室側には軸シール21が配置されている。図面におけるモータ室6の左下部には、高圧水素タンク3からガス通路14を介してドライな燃料水素ガスを受け入れる吸入口24が設けられている。一方、図面におけるモータ室6の右上部にはモータ室6内に導き入れられた燃料水素ガスをガス通路15側へと送り出す排出口25が設けられている。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the shaft seal 21 provided in the partition wall 7 disposed between the motor chamber 6 and the suction chamber 5. In FIG. 3, a motor chamber 6 is shown in the center of the drawing, and a suction chamber 5 is arranged on the right side of the motor chamber 6. A partition wall 7 partitions the suction chamber 5 and the motor chamber 6. The motor 6a has a drive shaft 8 at the center of rotation. The drive shaft 8 is rotatably attached to the central portions of the motor chamber 6 and the suction chamber 5 via a bearing 22 attached to the housing side wall 26 of the motor chamber 6 and a bearing 23 attached to the holder portion 27 of the partition wall 7. ing. Further, the side shown on the right side of the drive shaft 8 is connected to a compressor 4a not shown in the figure. In the holder portion 27, the shaft seal 21 is disposed on the suction chamber side of the bearing 23. In the lower left part of the motor chamber 6 in the drawing, an inlet 24 for receiving dry fuel hydrogen gas from the high-pressure hydrogen tank 3 through the gas passage 14 is provided. On the other hand, in the upper right part of the motor chamber 6 in the drawing, there is provided a discharge port 25 for sending the fuel hydrogen gas introduced into the motor chamber 6 to the gas passage 15 side.

このようなモータ室6と吸入室5との構造において、仮に吸入室5側からモータ室6側へと、オフガスのリークがあるとすれば、それは隔壁7を貫通する駆動軸8の外周部の周囲に沿った部位からのものである。しかし上述した如く、モータ室6は、燃料水素ガスにより吸入室5より高圧に保たれているため、このようなリークが生じにくい。そのため軸シール21は図示されているようなオイルシールやリップシール等の簡便なもので構成すればよい。   In such a structure of the motor chamber 6 and the suction chamber 5, if there is an off-gas leak from the suction chamber 5 side to the motor chamber 6 side, it is the outer peripheral portion of the drive shaft 8 that penetrates the partition wall 7. From a site along the periphery. However, as described above, since the motor chamber 6 is maintained at a higher pressure than the suction chamber 5 by the fuel hydrogen gas, such a leak hardly occurs. Therefore, the shaft seal 21 may be constituted by a simple one such as an oil seal or a lip seal as shown.

なお、本発明において、圧縮機の形式は特に限定されるものではなく、例えば、往復動式、スクリュー式、スクロール式、ターボ式、ルーツ式などの圧縮機を使用することができる。但し後に示す第5実施形態の燃料電池システム50においては、圧縮機の形式としてルーツ式を採用する。   In the present invention, the type of the compressor is not particularly limited, and for example, a reciprocating, screw, scroll, turbo, or roots type compressor can be used. However, in the fuel cell system 50 according to the fifth embodiment, which will be described later, a Roots type is adopted as the compressor type.

(第3実施形態)
図4は、本発明の第3実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。図示の燃料電池システム30は、ガス通路14からガス通路15へのバイパス通路16を設け、バイパス通路16内にオリフィス17を設けた点が第2実施形態にかかる燃料電池システム20とは異なっている。この燃料電池システム30においては、レギュレータ9により降圧されたドライな燃料水素ガスは、その一部がモータ室6を通過し、その余の燃料水素ガスは、バイパス通路16を通過して直接燃料電池1に供給される構成をとる。この場合、モータ室6を通過する燃料水素ガスの必要量に応じてオリフィスの有無を決してもよい。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a diagram schematically showing a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention. The illustrated fuel cell system 30 is different from the fuel cell system 20 according to the second embodiment in that a bypass passage 16 from the gas passage 14 to the gas passage 15 is provided and an orifice 17 is provided in the bypass passage 16. . In this fuel cell system 30, a part of the dry fuel hydrogen gas whose pressure has been lowered by the regulator 9 passes through the motor chamber 6, and the remaining fuel hydrogen gas passes directly through the bypass passage 16 and directly into the fuel cell. 1 is adopted. In this case, the presence or absence of an orifice may never be provided according to the required amount of fuel hydrogen gas passing through the motor chamber 6.

かかる構成の燃料電池システム30においても、第1及び第2実施形態の燃料電池システム10、20と同様に、ドライな水素により高圧に保たれているモータ室6内に、これより低圧である吸入室5側からオフガスが浸入することが抑制され、オフガス中に含まれる水分によって、モータが腐食する等の不良発生を防止することが可能となる。また、モータ室6に低温となった燃料水素ガスが流通されるので、これによりモータ6aの冷却が行われ、モータ6aの水冷装置や冷却フィンなどの設置を省略することが可能となる。さらに第2実施形態の燃料電池システム20と同様、モータ室6内を適度な高圧に保つことができるので、シールを簡易なもので構成することが可能である。   Also in the fuel cell system 30 having such a configuration, similarly to the fuel cell systems 10 and 20 of the first and second embodiments, the suction at a lower pressure is introduced into the motor chamber 6 maintained at a high pressure by dry hydrogen. The intrusion of off-gas from the chamber 5 side is suppressed, and it becomes possible to prevent the occurrence of defects such as corrosion of the motor due to moisture contained in the off-gas. In addition, since the low temperature fuel hydrogen gas is circulated in the motor chamber 6, the motor 6a is thereby cooled, and the installation of a water cooling device, cooling fins, and the like of the motor 6a can be omitted. Further, as in the fuel cell system 20 of the second embodiment, the inside of the motor chamber 6 can be maintained at a moderately high pressure, so that the seal can be configured with a simple one.

(第4実施形態)
図5は、本発明の第4実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。図示の燃料電池システム40では、高圧水素タンク3の燃料水素ガスがガス通路14を介して高圧のままモータ室6に導かれており、モータ室6に導かれた燃料水素ガスはそのままモータ室6内にとどまり、第1〜3実施形態にかかる燃料電池システム10、20、30のようにモータ室6内の燃料水素ガスが燃料電池1へと供給されることはない。燃料水素ガスは、バイパス通路16を介して、バイパス通路16に設けられたレギュレータ9により、所定圧力に降圧された上、さらにガス通路13を経て燃料電池1へと供給される。一方、この燃料電池システム40における、燃料電池1から排出されるオフガスの再循環に関しては、上述の第1〜3実施形他にかかる燃料電池システム10、20、30と同様に、燃料電池1の排気ポート1a、ガス通路11、吸入室5、圧縮室4、及び、ガス通路12、13を経て再び燃料電池1の吸入ポート1bへと供給される。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a diagram schematically showing a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention. In the illustrated fuel cell system 40, the fuel hydrogen gas in the high-pressure hydrogen tank 3 is guided to the motor chamber 6 through the gas passage 14 while maintaining a high pressure, and the fuel hydrogen gas guided to the motor chamber 6 is used as it is. The fuel hydrogen gas in the motor chamber 6 is not supplied to the fuel cell 1 as in the fuel cell systems 10, 20, and 30 according to the first to third embodiments. The fuel hydrogen gas is reduced in pressure to a predetermined pressure by a regulator 9 provided in the bypass passage 16 through the bypass passage 16 and further supplied to the fuel cell 1 through the gas passage 13. On the other hand, regarding the recirculation of the off gas discharged from the fuel cell 1 in the fuel cell system 40, the fuel cell system 10, 20, and 30 according to the first to third embodiments described above and the like, The exhaust gas is supplied again to the intake port 1b of the fuel cell 1 through the exhaust port 1a, the gas passage 11, the suction chamber 5, the compression chamber 4, and the gas passages 12 and 13.

かかる構成の燃料電池システム40では、高圧の燃料水素ガスが直接モータ室6に供給されるので、吸入室5との差圧を十分にとることができ、確実にオフガスのモータ室6内への浸入を防止することができる。また、モータ室6内の燃料水素ガスを燃料電池1へと導くガス通路を要しないので、それだけシステムを簡素なものにすることができる。   In the fuel cell system 40 having such a configuration, the high-pressure fuel hydrogen gas is directly supplied to the motor chamber 6, so that a sufficient differential pressure with respect to the suction chamber 5 can be obtained, and the off-gas is surely introduced into the motor chamber 6. Intrusion can be prevented. Further, since a gas passage for guiding the fuel hydrogen gas in the motor chamber 6 to the fuel cell 1 is not required, the system can be simplified accordingly.

(第5実施形態)
図6は、本発明の第5実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す図である。図示の燃料電池システム50は、圧縮機としてルーツコンプレッサ51を使用している点に一つ目の特徴がある。図6の手前側に表されているのがルーツコンプレッサ51であり、その奥側にギアボックス55、モータ室60の順に配置されている。ルーツコンプレッサ51、ギアボックス55、モータ室60の各室は、隔壁により仕切られている。モータ室60内に収容されている不図示のモータの駆動力は、ギアボックス55内の変換装置により、互いに異なる方向に回転する2軸の駆動力に変換されて、ルーツコンプレッサ51のロータ51aを駆動している。したがって、モータ室60とギアボックス55とを仕切る隔壁には、1本の駆動軸が貫通されており、ギアボックス55とルーツコンプレッサ51とを仕切る隔壁には2本の駆動軸が貫通している。1本の駆動軸が貫通しているモータ室60とギアボックス55とを仕切る隔壁には、シールが設けられていない。また、2本の駆動軸が貫通しているギアボックス55とルーツコンプレッサ51とを仕切る隔壁には、シールが設けられている。
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a diagram schematically showing a fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention. The illustrated fuel cell system 50 has a first feature in that a roots compressor 51 is used as a compressor. The root compressor 51 is shown on the front side of FIG. 6, and the gear box 55 and the motor chamber 60 are arranged in that order on the back side. Each of the roots compressor 51, the gear box 55, and the motor chamber 60 is partitioned by a partition wall. The driving force of a motor (not shown) accommodated in the motor chamber 60 is converted into a biaxial driving force that rotates in different directions by a conversion device in the gear box 55, and the rotor 51 a of the roots compressor 51 is moved. Driving. Accordingly, one drive shaft is passed through the partition wall that partitions the motor chamber 60 and the gear box 55, and two drive shafts pass through the partition wall that partitions the gear box 55 and the roots compressor 51. . No seal is provided on the partition wall that partitions the motor chamber 60 and the gear box 55 through which one drive shaft passes. Further, a seal is provided on a partition wall that partitions the gear box 55 through which the two drive shafts pass and the roots compressor 51.

燃料電池1の排気ポート1aからルーツコンプレッサ51へと、ガス通路11が導かれている。ルーツコンプレッサ51からは、ガス通路12、13が燃料電池1の吸入ポート1bへと導かれている。これらは、燃料電池1のオフガスの再循環経路を形成している。モータ室60内のモータが回転されると、その回転力は駆動軸を介してギアボックス55に伝えられ2軸の回転駆動力に変換される。この2軸の回転駆動力がルーツコンプレッサ51のロータ51aを回転させると、オフガスが圧縮されて、ガス通路12、13を介して再び燃料電池1の吸入ポート1bへとオフガスが送り出される。同時にルーツコンプレッサ51の吸入側に負圧が生じ、燃料電池1の排気ポート1aから排出されるオフガスがガス通路11を介してルーツコンプレッサ51へと導き入れられる。   A gas passage 11 is led from the exhaust port 1 a of the fuel cell 1 to the roots compressor 51. From the roots compressor 51, gas passages 12 and 13 are led to the intake port 1 b of the fuel cell 1. These form an off-gas recirculation path of the fuel cell 1. When the motor in the motor chamber 60 is rotated, the rotational force is transmitted to the gear box 55 via the drive shaft and converted into a biaxial rotational drive force. When the biaxial rotational driving force rotates the rotor 51 a of the roots compressor 51, the off gas is compressed, and the off gas is sent out again to the intake port 1 b of the fuel cell 1 through the gas passages 12 and 13. At the same time, a negative pressure is generated on the suction side of the roots compressor 51, and off-gas discharged from the exhaust port 1 a of the fuel cell 1 is introduced into the roots compressor 51 through the gas passage 11.

一方、高圧水素タンク3からモータ室60へとガス通路14が導かれている。モータ室60内に導かれた高圧の燃料水素ガスは、ギアボックス55内に容易に浸入する。モータ室60とギアボックス55との間にはシールが設けられていないからである。さらにギアボックス55内の高圧の燃料水素ガスは、ガス通路15に設けられたレギュレータ9により所定の圧力に調整された上、ガス通路15、13を経て、上記再循環されるオフガスと合流し、吸入ポート1bから燃料電池1へと供給されて燃料ガスとして使用される。   On the other hand, the gas passage 14 is led from the high-pressure hydrogen tank 3 to the motor chamber 60. The high-pressure fuel hydrogen gas introduced into the motor chamber 60 easily enters the gear box 55. This is because no seal is provided between the motor chamber 60 and the gear box 55. Further, the high-pressure fuel hydrogen gas in the gear box 55 is adjusted to a predetermined pressure by the regulator 9 provided in the gas passage 15 and then merges with the recirculated off-gas through the gas passages 15 and 13. It is supplied from the intake port 1b to the fuel cell 1 and used as fuel gas.

かかる構成をとる燃料電池システム50においては、ルーツコンプレッサ51とモータ室60との間にギアボックス55が配置されており、ルーツコンプレッサ51からモータ室60への水分を含んだオフガスの浸入に対して、ギアボックス55が構造上のバッファとなっている。この点に本実施形態の二つ目の特徴がある。しかも、ギアボックス55、及びモータ室60はドライな高圧の燃料水素ガスで満たされており、その流れ方向がモータ室60からギアボックス55側へと向かっているので、ますますルーツコンプレッサ51からモータ室60への水分を含んだオフガスの浸入は困難なものとなっている。   In the fuel cell system 50 having such a configuration, a gear box 55 is disposed between the roots compressor 51 and the motor chamber 60, so that moisture containing moisture from the roots compressor 51 enters the motor chamber 60. The gear box 55 is a structural buffer. This is the second feature of this embodiment. Moreover, the gear box 55 and the motor chamber 60 are filled with dry high-pressure fuel hydrogen gas, and the flow direction is directed from the motor chamber 60 toward the gear box 55, so that the motor from the roots compressor 51 is increasingly used. Infiltration of off-gas containing moisture into the chamber 60 is difficult.

またルーツコンプレッサ51自体の構造が逆止弁の機能を備えており、仮に燃料電池1の排気ポート1a側の圧力が低下した際にも、オフガスの逆流を防止できる。したがって、再循環経路内に逆支弁を設けることを要しないので、燃料電池システムの構造を簡素なものにすることができる。さらに、ルーツコンプレッサ51の吸入部を下側に配置することにより、気液分離機の作用を兼ね備えさせることができる。また本実施形態の燃料電池システム50においても、低温の燃料水素ガスがモータ室60に供給されるので、これによりモータの冷却が行われ、モータの水冷装置や冷却フィンなどの設置を省略することが可能となる。   Further, the structure of the Roots compressor 51 itself has a check valve function, and even when the pressure on the exhaust port 1a side of the fuel cell 1 is reduced, the back flow of the off gas can be prevented. Therefore, since it is not necessary to provide a reverse support valve in the recirculation path, the structure of the fuel cell system can be simplified. Furthermore, by disposing the suction part of the roots compressor 51 on the lower side, it is possible to have the function of a gas-liquid separator. Also in the fuel cell system 50 of the present embodiment, the low-temperature fuel hydrogen gas is supplied to the motor chamber 60, so that the motor is cooled, and the installation of the motor water cooling device, cooling fins, etc. is omitted. Is possible.

なお、以上の各実施形態においては、アノード側の循環に関して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、カソード側に適用して、カソードにおけるガスの再循環に際しても、モータ部を水分による腐食から保護するように構成することも可能である。   In each of the above embodiments, the anode side circulation has been described. However, the present invention is not limited to this, and the motor unit is also applied to the cathode side for gas recirculation at the cathode. It can also be configured to protect against moisture corrosion.

本発明の第1実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。1 is a diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell system concerning 2nd Embodiment of this invention. モータ室と吸入室との間に配設された隔壁に設けられたシールの一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the seal | sticker provided in the partition arrange | positioned between the motor chamber and the suction chamber. 本発明の第3実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell system concerning 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell system concerning 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5実施形態にかかる燃料電池システムを示す図である。It is a figure which shows the fuel cell system concerning 5th Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池
1a 排気ポート
1b 吸入ポート
2 圧縮手段
3 高圧水素タンク
3a ガス出口ポート
4 圧縮室
4a 圧縮機
5 吸入室
6 モータ室
6a モータ
7 隔壁
8 駆動軸
9 レギュレータ
10、20、30、40、50 燃料電池システム
11、12、13、14、15 ガス通路
16 バイパス通路
17 オリフィス
21 軸シール
22、23 軸受け
24 吸入口
25 排出口
26 ハウジング側壁
27 ホルダー部
51 ルーツコンプレッサ
51a ロータ
55 ギアボックス
60 モータ室
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 1a Exhaust port 1b Suction port 2 Compression means 3 High pressure hydrogen tank 3a Gas outlet port 4 Compression chamber 4a Compressor 5 Suction chamber 6 Motor chamber 6a Motor 7 Partition 8 Drive shaft 9 Regulator 10, 20, 30, 40, 50 Fuel cell system 11, 12, 13, 14, 15 Gas passage 16 Bypass passage 17 Orifice 21 Shaft seal 22, 23 Bearing 24 Suction port 25 Suction port 26 Housing side wall 27 Holder part 51 Roots compressor 51a Rotor 55 Gear box 60 Motor chamber

Claims (3)

燃料電池から排出されるオフガスを吸入する吸入部と、該吸入部と連通されるとともに該吸入部に吸入されたオフガスを圧縮する際の駆動源となるモータを収容するモータ部と、から構成される圧縮手段を具備する燃料電池システムであって、前記モータ部を前記吸入部よりも高圧状態にさせるモータ部加圧手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。 A suction part for sucking off the gas discharged from the fuel cell; and a motor part that communicates with the suction part and accommodates a motor serving as a drive source when compressing the off gas sucked into the suction part. The fuel cell system further comprises a motor unit pressurizing unit that causes the motor unit to be in a higher pressure state than the suction unit. 前記燃料電池に供給される燃料ガスを高圧で貯蔵する燃料ガス貯蔵手段を備え、前記モータ部加圧手段は、前記燃料ガス貯蔵手段に貯蔵されている前記燃料ガスを前記モータ部内に充満させることにより前記高圧状態を生じさせ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。 Fuel gas storage means for storing the fuel gas supplied to the fuel cell at a high pressure is provided, and the motor part pressurizing means fills the motor part with the fuel gas stored in the fuel gas storage means. The fuel cell system according to claim 1, wherein the high pressure state is generated by the operation. 前記燃料ガスを調圧する調圧手段を備え、該調圧手段は前記燃料ガス貯蔵手段と前記モータ部との間に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。

3. The fuel cell system according to claim 2, further comprising pressure adjusting means for adjusting the fuel gas, wherein the pressure adjusting means is disposed between the fuel gas storage means and the motor unit.

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