JP2012109150A - Fuel cell system and vehicle - Google Patents

Fuel cell system and vehicle Download PDF

Info

Publication number
JP2012109150A
JP2012109150A JP2010257980A JP2010257980A JP2012109150A JP 2012109150 A JP2012109150 A JP 2012109150A JP 2010257980 A JP2010257980 A JP 2010257980A JP 2010257980 A JP2010257980 A JP 2010257980A JP 2012109150 A JP2012109150 A JP 2012109150A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
compressor
expander
hydrogen
cell system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010257980A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shiro Yagawa
士郎 矢川
Teruaki Kawasaki
輝明 河崎
Kenji Nagumo
健司 南雲
Ryoichi Yoshitomi
亮一 吉冨
Takashi Kato
高士 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2010257980A priority Critical patent/JP2012109150A/en
Publication of JP2012109150A publication Critical patent/JP2012109150A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system and a vehicle achieving high energy efficiency by utilizing the energy of high pressure in a hydrogen tank.SOLUTION: The fuel cell system comprises an expander 13 for pressing a piston 13b by the expansion of high pressure hydrogen emitted from a hydrogen tank 11, and a compressor 23 for compressing air by utilizing the presses by the expander 13 to press a piston 23b. The expander 13 and the compressor 23 are connected to each other via a crankshaft 51. Furthermore, auxiliaries, such as a water pump 34, are connected to the crankshaft 51.

Description

本実施形態は、燃料電池システムおよび車両の技術に関する。   The present embodiment relates to a fuel cell system and a vehicle technology.

特許文献1に記載の燃料電池システムのように、従来の燃料電池車などにおいて、燃料電池への燃料(水素)は、高圧状態で水素タンクに充填・貯蔵されている。この高圧水素が燃料電池へ供給される際、減圧弁などによって所定の圧力まで減圧された後、燃料電池へ供給されている。
一方、酸化剤ガス(空気)はエアポンプで圧縮・昇圧された後、燃料電池へ供給されるが、エアポンプは、直結された専用のモータに燃料電池で発電した電力を供給して、駆動している。
As in the fuel cell system described in Patent Document 1, in a conventional fuel cell vehicle or the like, fuel (hydrogen) to the fuel cell is filled and stored in a hydrogen tank in a high pressure state. When the high-pressure hydrogen is supplied to the fuel cell, the pressure is reduced to a predetermined pressure by a pressure reducing valve or the like and then supplied to the fuel cell.
On the other hand, the oxidant gas (air) is compressed and boosted by an air pump and then supplied to the fuel cell. The air pump is driven by supplying electric power generated by the fuel cell to a dedicated motor directly connected. Yes.

また、特許文献2および特許文献3には、水素タンクに充填・貯蔵されている高圧水素の圧力エネルギを利用してタービンを回転させ、その回転エネルギを利用して、前記タービンと一軸で直結された遠心圧縮機を駆動して、空気を圧縮・昇圧する燃料電池システムが開示されている。   In Patent Document 2 and Patent Document 3, the turbine is rotated using the pressure energy of high-pressure hydrogen charged and stored in a hydrogen tank, and the turbine is directly connected to the turbine uniaxially using the rotational energy. A fuel cell system that compresses and pressurizes air by driving a centrifugal compressor is disclosed.

特開2000−195533号公報JP 2000-195533 A 特開2006−147246号公報JP 2006-147246 A 特開2010−170729号公報JP 2010-170729 A

前記したように、従来の燃料電池システムでは水素タンク(高圧燃料ガスタンク)内の高圧水素を、減圧弁で減圧した後、燃料電池へ供給しているため、水素タンク内の高圧エネルギを利用せずに廃棄しており、エネルギを最大限に使用していない。
さらに、前記したように、エアポンプの駆動に燃料電池で発電された電力の一部を使用しているため、効率的なエネルギの利用を実現していない。
As described above, in the conventional fuel cell system, the high pressure hydrogen in the hydrogen tank (high pressure fuel gas tank) is decompressed by the pressure reducing valve and then supplied to the fuel cell, so that the high pressure energy in the hydrogen tank is not used. And is not using the maximum amount of energy.
Furthermore, as described above, since a part of the electric power generated by the fuel cell is used to drive the air pump, efficient use of energy is not realized.

これに対し、特許文献2および特許文献3に記載の技術では、水素タンク内の高圧エネルギを空気の圧縮・昇圧に利用することで効率的な燃料電池システムを実現している。   On the other hand, in the techniques described in Patent Document 2 and Patent Document 3, an efficient fuel cell system is realized by using high-pressure energy in the hydrogen tank for air compression / pressure increase.

しかしながら、特許文献2および特許文献3に記載の技術ではタービンの駆動力を他の補機の駆動や、燃料電池システムの冷却システムなどに対して利用することは考慮されておらず、水素タンク内の高圧エネルギを十分に利用していない。   However, the techniques described in Patent Document 2 and Patent Document 3 do not consider using the driving force of the turbine for driving other auxiliary machines or the cooling system of the fuel cell system. The high-pressure energy is not fully utilized.

そこで、本発明の課題は、高圧燃料ガスタンク内の高圧エネルギを利用することにより、高いエネルギ効率を得ることのできる燃料電池システムおよび車両を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a vehicle that can obtain high energy efficiency by using high-pressure energy in a high-pressure fuel gas tank.

前記課題を解決する本発明のうち請求項1に記載の発明は、高圧燃料ガスタンクと、前記高圧燃料ガスタンクから放出された燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、を備える燃料電池システムであって、少なくとも2気筒以上のシリンダを、クランクシャフトを介して動力伝達する往復動容積型(レシプロ)膨張圧縮機をさらに備えており、前記シリンダは、燃料ガス用シリンダおよび酸化剤ガス用シリンダであり、燃料ガス供給流路は前記高圧燃料ガスタンクから放出された燃料ガスの膨張によりピストンを押圧する前記燃料ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続され、酸化剤ガス供給流路は前記燃料ガス用シリンダの押圧によりピストンを押圧して、前記酸化剤ガスを圧縮および昇圧する酸化剤ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続されていることを特徴とする。   The invention according to claim 1 of the present invention that solves the above-mentioned problems includes a high-pressure fuel gas tank, a fuel gas supply passage that supplies fuel gas discharged from the high-pressure fuel gas tank to a fuel cell, and an oxidant gas. A reciprocating displacement type (reciprocating) expansion compressor that transmits power to at least two cylinders via a crankshaft. The cylinder further includes a cylinder for fuel gas and a cylinder for oxidant gas, and the fuel gas supply channel presses the piston by expansion of the fuel gas discharged from the high-pressure fuel gas tank. And the oxidant gas supply flow path presses the piston by pressing the fuel gas cylinder, Characterized in that through the oxidant gas cylinder to compress and boosting the agent gas are connected to the fuel cell.

請求項1に係る発明によれば、水素の減圧・膨張時に発生するエネルギで空気を圧縮・昇圧できるので、エアポンプなどを不要とすることができる。また、燃料ガスの膨張による温度低下、酸化剤ガスの圧縮・昇圧による温度上昇を、レシプロ型の往復動容積型膨張圧縮機のシリンダブロックなどの筐体を介して燃料ガス用シリンダ、酸化剤ガス用シリンダに伝達することにより、酸化剤ガスの圧縮・昇圧による温度上昇を利用した燃料ガスの暖気、燃料ガスの膨張による温度低下を利用した酸化剤ガスの冷却を相互作用で行うことが可能となる。   According to the first aspect of the present invention, air can be compressed and boosted with energy generated during the decompression and expansion of hydrogen, so that an air pump or the like can be dispensed with. In addition, the temperature drop due to the expansion of the fuel gas and the temperature increase due to the compression / pressure increase of the oxidant gas are detected through a casing such as a cylinder block of a reciprocating reciprocating displacement expansion compressor. By transmitting to the cylinder, the fuel gas can be warmed up by using the temperature rise due to the compression / pressure increase of the oxidant gas, and the oxidant gas can be cooled by the interaction by using the temperature drop due to the expansion of the fuel gas. Become.

また、請求項2に係る発明では、前記クランクシャフトを介して、伝達された動力は、空気圧縮以外の動力源に使用されることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is characterized in that the power transmitted via the crankshaft is used for a power source other than air compression.

請求項2に係る発明によれば、水素膨張仕事が空気圧縮仕事を上回り、余剰エネルギが発生する場合でも、余剰エネルギを回収し、他の補機駆動に有効利用することができる。   According to the second aspect of the present invention, even when the hydrogen expansion work exceeds the air compression work and surplus energy is generated, the surplus energy can be recovered and used effectively for driving other auxiliary machines.

そして、請求項3に係る発明では、少なくとも前記燃料ガス用シリンダを構成する筺体内には、冷却水用通路が設けられ、前記燃料電池システムを冷却するための冷媒が循環していることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is characterized in that a coolant passage is provided at least in the casing constituting the fuel gas cylinder, and a coolant for cooling the fuel cell system circulates. And

請求項3に係る発明によれば、膨張した低温水素と、圧縮・昇圧された高温空気が筐体を通し熱交換するのに加えて、冷却水で温度制御されるため、それぞれの温度制御用熱交換器を不要とすることができる。     According to the invention of claim 3, since the expanded low-temperature hydrogen and the compressed / pressurized high-temperature air are heat-exchanged through the casing, and the temperature is controlled by the cooling water, each temperature control A heat exchanger can be dispensed with.

また、請求項4に係る発明は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載した車両である。   An invention according to claim 4 is a vehicle equipped with the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.

請求項4に係る発明に寄れば、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載した車両を提供することができる。   According to the invention according to claim 4, a vehicle equipped with the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3 can be provided.

本発明によれば、高圧燃料ガスタンク内の高圧エネルギを利用することにより、高いエネルギ効率を得ることのできる燃料電池システムおよび車両を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system and vehicle which can acquire high energy efficiency can be provided by utilizing the high voltage | pressure energy in a high pressure fuel gas tank.

本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the fuel cell system which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である(その1)。It is a figure which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment (the 1). 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である(その2)。It is a figure which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment (the 2). 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示す図である(その3)。It is a figure which shows operation | movement of the fuel cell system which concerns on this embodiment (the 3).

次に、本発明を実施するための形態(「実施形態」という)について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池自動車などの車両に搭載されることを想定しているが、船舶や、自動二輪車、定置用発電装置などに搭載されてもよい。   Next, modes for carrying out the present invention (referred to as “embodiments”) will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. Although the fuel cell system according to the present embodiment is assumed to be mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle, it may be mounted on a ship, a motorcycle, a stationary power generator, or the like.

図1は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成例を示す図である。
燃料電池システム1は、燃料電池2、アノードガス供給系(アノード系)、カソードガス供給系(カソード系)、冷却水循環系(冷却系)および加湿系を有している。
(燃料電池)
燃料電池2は、例えば固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell:PEFC)からなり、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)を図示しない導電性のセパレータ(図示せず)で挟持してなる単セルが複数積層されて構成されている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a fuel cell system according to the present embodiment.
The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2, an anode gas supply system (anode system), a cathode gas supply system (cathode system), a cooling water circulation system (cooling system), and a humidification system.
(Fuel cell)
The fuel cell 2 is composed of, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and a MEA (Membrane Electrode Assembly) is sandwiched between conductive separators (not shown). A plurality of unit cells are stacked.

MEAは、電解質膜(固体高分子膜)、これを挟持するアノードおよびカソードなどを備える。アノードおよびカソードは、例えば触媒がカーボンなどの触媒担体に担持された電極触媒層からなる。アノードに対向するセパレータには、水素(燃料ガス)が通流するアノード流路が形成され、カソードに対向するセパレータには、空気(酸化剤ガス)が通流するカソード流路が形成されている。   The MEA includes an electrolyte membrane (solid polymer membrane), an anode and a cathode that sandwich the membrane. The anode and the cathode are each composed of an electrode catalyst layer in which a catalyst is supported on a catalyst carrier such as carbon. An anode flow path through which hydrogen (fuel gas) flows is formed in the separator facing the anode, and a cathode flow path through which air (oxidant gas) flows is formed in the separator facing the cathode. .

このような燃料電池2では、アノードに水素が供給され、カソードに酸素を含む空気が供給されると、アノードおよびカソードに含まれる触媒上で電極反応が生じ、燃料電池2が発電可能な状態となる。   In such a fuel cell 2, when hydrogen is supplied to the anode and oxygen-containing air is supplied to the cathode, an electrode reaction occurs on the catalyst included in the anode and the cathode, and the fuel cell 2 can generate power. Become.

また、燃料電池2は、図示しない外部負荷と電気的に接続され、外部負荷によって電流が取り出されると、燃料電池2が発電するようになっている。なお、外部負荷とは、走行用のモータや、バッテリ、キャパシタなどの蓄電装置などである。   The fuel cell 2 is electrically connected to an external load (not shown), and the fuel cell 2 generates power when current is taken out by the external load. The external load is a traveling motor, a power storage device such as a battery or a capacitor, and the like.

(アノード系)
アノード系は、高圧燃料ガスタンクである水素タンク11、高圧噴射装置12、燃料ガス用シリンダとしてのエキスパンダ13、排出水素タンク14、エゼクタ用コンプレッサ15、配管16a〜16fなどを有している。なお、図1においてアノード系の配管16a〜16fは太い実線で示されている。ここで、配管16a〜16cおよび高圧噴射装置12が燃料ガス供給流路となる。
(Anode system)
The anode system includes a hydrogen tank 11, which is a high-pressure fuel gas tank, a high-pressure injection device 12, an expander 13 as a fuel gas cylinder, a discharge hydrogen tank 14, an ejector compressor 15, pipes 16a to 16f, and the like. In FIG. 1, the anode pipings 16a to 16f are indicated by thick solid lines. Here, the pipes 16a to 16c and the high-pressure injection device 12 serve as a fuel gas supply channel.

水素タンク11には、高圧で圧縮されている水素が貯蔵されており、配管16aを介して高圧噴射装置12に接続されている。なお、水素タンク11には図示しない電磁弁が内蔵されており、車両のイグニッションスイッチがONになると、この電磁弁も、開弁する。
水素タンク11と、高圧噴射装置12との間には二次遮断弁、フィルタなどが備えられているが、ここでは図示および説明を省略する。
ここで、本実施形態に係る燃料電池システム1には、水素タンク11と、高圧噴射装置12の間に減圧弁を備えておらず、水素タンク11内の高圧水素は、高圧状態を保ったまま高圧噴射装置12に供給される。
なお、配管16aにおいて、水素タンク11と、高圧噴射装置12との間には、リリーフ弁19が設置されている。
The hydrogen tank 11 stores hydrogen compressed at a high pressure, and is connected to the high-pressure injection device 12 through a pipe 16a. The hydrogen tank 11 has a built-in solenoid valve (not shown), and this solenoid valve is opened when the ignition switch of the vehicle is turned on.
Although a secondary shutoff valve, a filter, and the like are provided between the hydrogen tank 11 and the high-pressure injection device 12, illustration and description thereof are omitted here.
Here, the fuel cell system 1 according to the present embodiment does not include a pressure reducing valve between the hydrogen tank 11 and the high-pressure injection device 12, and the high-pressure hydrogen in the hydrogen tank 11 remains in a high-pressure state. It is supplied to the high pressure injection device 12.
In the pipe 16a, a relief valve 19 is installed between the hydrogen tank 11 and the high pressure injection device 12.

高圧噴射装置12は水素を比較的高い圧力の状態で保持するものである。高圧噴射装置12内の高圧水素は、燃料供給通路(配管16b)を介してエキスパンダ13へ供給される。高圧噴射装置12には、ECU(Engine Control Unit)などによって制御される、図示しないバルブが内蔵されており、このバルブが開閉することによってエキスパンダ13への高圧水素供給を制御している。以下、高圧噴射装置12に内蔵されているバルブを高圧噴射装置内蔵バルブと称する。   The high-pressure injection device 12 holds hydrogen at a relatively high pressure. The high-pressure hydrogen in the high-pressure injection device 12 is supplied to the expander 13 through the fuel supply passage (pipe 16b). The high-pressure injection device 12 incorporates a valve (not shown) that is controlled by an ECU (Engine Control Unit) or the like, and the high-pressure hydrogen supply to the expander 13 is controlled by opening and closing the valve. Hereinafter, the valve built in the high pressure injection device 12 is referred to as a high pressure injection device built-in valve.

エキスパンダ13は、レシプロエンジンと同様に、シリンダ13a、ピストン13b、コンロッド13c、バルブ13dなどで構成されており、ガソリンエンジンなど、既存のレシプロエンジンを流用することも可能である。エキスパンダ13は、クランクシャフト51を介してコンプレッサ23と連動している。エキスパンダ13およびコンプレッサ23の動作は、後記して詳述する。   Like the reciprocating engine, the expander 13 includes a cylinder 13a, a piston 13b, a connecting rod 13c, a valve 13d, and the like, and an existing reciprocating engine such as a gasoline engine can be used. The expander 13 is interlocked with the compressor 23 via the crankshaft 51. The operations of the expander 13 and the compressor 23 will be described in detail later.

バルブ13dは、エキスパンダ13の上部(上死点側)に設置されており、カムシャフトおよびカム17の動作に応じて開閉することで、シリンダ13a内の水素を配管16cを介して燃料電池2に導く。カムシャフトおよびカム17は、既存のレシプロエンジンに備えられているものを使用してもよい。なお、バルブ13dは、電磁弁などの開閉制御可能なバルブを用いてもよい。このようにすることで、コストダウンを図ることができる。   The valve 13d is installed on the upper part (top dead center side) of the expander 13, and opens and closes according to the operation of the camshaft and the cam 17, thereby allowing the hydrogen in the cylinder 13a to flow through the pipe 16c to the fuel cell 2. Lead to. The camshaft and cam 17 may be those provided in an existing reciprocating engine. The valve 13d may be a valve that can be controlled to open and close, such as an electromagnetic valve. By doing in this way, cost reduction can be aimed at.

排出水素タンク14は、燃料電池2から排出される未反応の水素を一時的に貯蔵し、エゼクタ用コンプレッサ15へ供給する。
エゼクタ用コンプレッサ15は、未反応の水素を配管16cに戻すことで、再び燃料電池2へ戻すものであり、エキスパンダ13と同様の構成を有している。なお、図1では、エキスパンダ13と比べて、エゼクタ用コンプレッサ15が小さく記述されているが、エキスパンダ13と同じ大きさでもよい。
エゼクタ用コンプレッサ15も、エキスパンダ13と同様にシリンダ15a、ピストン15b、コンロッド15c、吸入用バルブ15d、排出用バルブ15eなどを有している。ピストン15bは、コンロッド15c、クランクシャフト51を介して、エキスパンダ13と連動するように構成されている。
詳細な動作は後記するが、エゼクタ用コンプレッサ15は、シリンダ15a内へ排出水素タンク14から水素を吸入した後、エキスパンダ13の動作と連動することによって、水素を配管16cへ排出する。なお、エゼクタ用コンプレッサ15における水素の吸入・排出は、エゼクタ用コンプレッサ15の上部に備えられている吸入用バルブ15d、排出用バルブ15eによって行われるが、この吸入用バルブ15d、排出用バルブ15eはエキスパンダ13のカム17と連動してもよいし、エキスパンダ13のバルブ13dとは独立して動作してもよい。
The discharged hydrogen tank 14 temporarily stores the unreacted hydrogen discharged from the fuel cell 2 and supplies it to the ejector compressor 15.
The ejector compressor 15 returns unreacted hydrogen to the fuel cell 2 by returning the unreacted hydrogen to the pipe 16 c, and has the same configuration as the expander 13. In FIG. 1, the ejector compressor 15 is described smaller than the expander 13, but it may be the same size as the expander 13.
Similarly to the expander 13, the ejector compressor 15 also includes a cylinder 15a, a piston 15b, a connecting rod 15c, a suction valve 15d, a discharge valve 15e, and the like. The piston 15 b is configured to be linked to the expander 13 via the connecting rod 15 c and the crankshaft 51.
Although the detailed operation will be described later, the ejector compressor 15 draws hydrogen from the discharged hydrogen tank 14 into the cylinder 15a and then discharges the hydrogen to the pipe 16c in conjunction with the operation of the expander 13. The suction / discharge of hydrogen in the ejector compressor 15 is performed by a suction valve 15d and a discharge valve 15e provided on the upper portion of the ejector compressor 15. The suction valve 15d and the discharge valve 15e are It may be interlocked with the cam 17 of the expander 13 or may operate independently of the valve 13d of the expander 13.

(カソード系)
カソード系は、インテーク21、フィルタ22、酸化剤ガス用シリンダとしてのコンプレッサ23、酸化剤ガス供給流路としての配管24a〜24cなどを有している。なお、図1においてカソード系の配管24a〜24cは細い実線で示されている。
インテーク21は、外気から酸素を含む空気を取り入れるものである。フィルタ22は、取り入れた空気に混入している異物を取り除くものである。
(Cathode system)
The cathode system includes an intake 21, a filter 22, a compressor 23 as an oxidant gas cylinder, pipes 24a to 24c as oxidant gas supply channels, and the like. In FIG. 1, the cathode system pipes 24 a to 24 c are shown by thin solid lines.
The intake 21 takes in air containing oxygen from the outside air. The filter 22 removes foreign matters mixed in the taken-in air.

コンプレッサ23は、エキスパンダ13と同様の構成を有しており、シリンダ23a、ピストン23b、コンロッド23c、吸入用バルブ23d、排気用バルブ23eなどを有しており、エキスパンダ13と同様に既存のレシプロエンジンを流用することが可能である。コンロッド23cがクランクシャフト51を介してエキスパンダ13に接続されることで、コンプレッサ23はエキスパンダ13と連動している。吸入用バルブ23dおよび排気用バルブ23eは、カムシャフトおよびカム25と連動している。
エキスパンダ13のピストン13bが押し下げられると、この力がコンロッド13c、クランクシャフト51およびコンロッド23cを介して、コンプレッサ23のピストン23bを押し上げ、シリンダ23a内の空気が圧縮される。圧縮された空気は排気用バルブ23eから燃料電池2へ送られ、空気中の酸素が燃料電池2において水素と反応した後、未反応の酸素を含む空気が換気装置61を介して外気へ排出される。なお、コンプレッサ23における動作についての詳細も後記して説明する。
本実施形態における図面では、煩雑になるのを避けるためコンプレッサ23の上下を逆に記載している。
The compressor 23 has the same configuration as the expander 13, and includes a cylinder 23 a, a piston 23 b, a connecting rod 23 c, a suction valve 23 d, an exhaust valve 23 e, and the like. A reciprocating engine can be used. The connecting rod 23 c is connected to the expander 13 via the crankshaft 51, so that the compressor 23 is interlocked with the expander 13. The intake valve 23 d and the exhaust valve 23 e are interlocked with the camshaft and the cam 25.
When the piston 13b of the expander 13 is pushed down, this force pushes up the piston 23b of the compressor 23 via the connecting rod 13c, the crankshaft 51 and the connecting rod 23c, and the air in the cylinder 23a is compressed. The compressed air is sent to the fuel cell 2 from the exhaust valve 23e. After oxygen in the air reacts with hydrogen in the fuel cell 2, air containing unreacted oxygen is discharged to the outside air through the ventilator 61. The Details of the operation of the compressor 23 will be described later.
In the drawings in the present embodiment, the compressor 23 is shown upside down in order to avoid complication.

なお、エキスパンダ13およびコンプレッサ23を含む装置を往復動容積型膨張圧縮機と称することがある。   A device including the expander 13 and the compressor 23 may be referred to as a reciprocating positive displacement expansion compressor.

(冷却系)
冷却系は、燃料電池システム1を冷却するものであり、サーモスタット弁31、イオン交換器32、ラジエータ33、ウォータポンプ34、配管35a〜35fなどを備えている。なお、図1において冷却系の配管35a〜35fは太い破線で示されている。
サーモスタット弁31は、例えば、内部のワックスの体積が温度で変化することにより流路の切り換えを行うものである。
イオン交換器32は、冷媒中の導電率の上昇を抑制するため、容器に充填されているイオン交換樹脂で冷媒中に存在するイオンを回収するものである。
ラジエータ33は、図示しないラジエータファンによって冷却系を循環する冷媒を放熱するものである。
(Cooling system)
The cooling system cools the fuel cell system 1 and includes a thermostat valve 31, an ion exchanger 32, a radiator 33, a water pump 34, pipes 35a to 35f, and the like. In FIG. 1, the cooling system pipes 35a to 35f are indicated by thick broken lines.
The thermostat valve 31 switches the flow path when, for example, the volume of wax inside changes with temperature.
The ion exchanger 32 collects ions present in the refrigerant with an ion exchange resin filled in the container in order to suppress an increase in conductivity in the refrigerant.
The radiator 33 radiates the refrigerant circulating in the cooling system by a radiator fan (not shown).

ウォータポンプ34は、冷媒を循環させるためのポンプである。なお、本実施形態に係る燃料電池システム1では、ウォータポンプ34がクランクシャフト51に接続されることで、エキスパンダ13で発生する運動エネルギを利用することができ、燃料電池システム1のエネルギ効率の向上を可能にしている。   The water pump 34 is a pump for circulating the refrigerant. In the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the kinetic energy generated in the expander 13 can be used by connecting the water pump 34 to the crankshaft 51, and the energy efficiency of the fuel cell system 1 can be increased. It is possible to improve.

本実施形態における冷却系には、サーモスタット弁31→イオン交換器32→ウォータポンプ34の順に循環する経路と、サーモスタット弁31→コンプレッサ23の筐体内流路→エキスパンダ13の筐体内流路→ウォータポンプ34の順に循環する経路とを有している。後記して詳細を説明するが、コンプレッサ23・エキスパンダ13を経由して循環する冷媒はコンプレッサ23での空気の圧縮による温度の上昇や、エキスパンダ13での水素の膨張による温度の低下を利用して、冷媒の温度を制御することができる。
なお、本実施形態では、冷媒をエキスパンダ13と、コンプレッサ23の双方を循環させているが、これに限らず、エキスパンダ13のみを循環させてもよい。
The cooling system in the present embodiment includes a circulation path in the order of the thermostat valve 31 → the ion exchanger 32 → the water pump 34, the thermostat valve 31 → the flow path in the housing of the compressor 23 → the flow path in the housing of the expander 13 → the water. And a path that circulates in the order of the pump 34. As will be described in detail later, the refrigerant circulating through the compressor 23 and the expander 13 uses a temperature increase due to air compression in the compressor 23 and a temperature decrease due to hydrogen expansion in the expander 13. Thus, the temperature of the refrigerant can be controlled.
In this embodiment, the refrigerant is circulated through both the expander 13 and the compressor 23. However, the present invention is not limited to this, and only the expander 13 may be circulated.

(加湿系)
加湿系は、燃料電池2へ供給される空気を加湿するものであり、気液分離装置41および加湿ポンプ42などを有している。図1において加湿系の配管は細い破線で示されている。
気液分離装置41は、例えば箱型形状のものであり、所定量の生成水(燃料電池2における反応で生成される水)が溜まると、生成水を外部へ排出する。なお、気液分離装置41から排出される水の一部は、加湿ポンプ42へ供給され、残りは換気装置61を介して外部へ排出される。
加湿ポンプ42は、気液分離装置41から供給される生成水をコンプレッサ23へ供給するポンプであり、コンプレッサ23へ供給された生成水は、後記するインジェクタによってコンプレッサ23内(シリンダ内)へ噴霧され、コンプレッサ23における空気の圧縮で生じる熱を利用して気化させ、燃料電池2へ供給される空気を加湿する。
なお、本実施形態では、加湿ポンプ42はモータによって作動しているものとしているが、クランクシャフト51のエネルギを利用して作動してもよい。また、図1記載の実施例では、アノード排出ガスのみから生成水を分離・回収する形態としているが、カソード排出ガスのみから生成水を分離・回収する形態や、アノード・カソードの各排出ガスから共に生成水を分離・回収する形態でもよい。
(Humidification system)
The humidification system humidifies the air supplied to the fuel cell 2, and includes a gas-liquid separator 41, a humidification pump 42, and the like. In FIG. 1, the humidification system piping is indicated by a thin broken line.
The gas-liquid separator 41 has, for example, a box shape. When a predetermined amount of generated water (water generated by the reaction in the fuel cell 2) is accumulated, the generated water is discharged to the outside. A part of the water discharged from the gas-liquid separator 41 is supplied to the humidification pump 42, and the rest is discharged to the outside through the ventilator 61.
The humidification pump 42 is a pump for supplying the generated water supplied from the gas-liquid separator 41 to the compressor 23. The generated water supplied to the compressor 23 is sprayed into the compressor 23 (inside the cylinder) by an injector described later. Then, the air generated by the compression of the air in the compressor 23 is vaporized to humidify the air supplied to the fuel cell 2.
In the present embodiment, the humidification pump 42 is operated by a motor, but may be operated using the energy of the crankshaft 51. Further, in the embodiment shown in FIG. 1, the generated water is separated and recovered only from the anode exhaust gas. However, the generated water is separated and recovered only from the cathode exhaust gas, or from the anode and cathode exhaust gases. Both may take a form in which produced water is separated and recovered.

(その他)
なお、クランクシャフト51には、前記したウォータポンプ34の他に、車輪に接続されているクラッチ52も接続されており、エキスパンダ13およびコンプレッサ23で生じる運動エネルギを車輪の駆動にも利用することで、燃料電池システム1のエネルギ効率のさらなる向上を図ることができる。特に、ウォータポンプ34や、車輪はクランクシャフト51に直結した状態であり、エキスパンダ13およびコンプレッサ23で生じる運動エネルギを直接利用することができる。なお、他の補機をクランクシャフト51に直結させてもよい。
特許文献2や特許文献3で開示されているタービンでは、余剰エネルギを、補機の駆動に利用することが困難であるが、本実施形態のようにレシプロエンジンを利用した形態では、余剰エネルギをクランクシャフト軸端から取り出すことができるため、補機や車輪の駆動などを行うことが可能となる。
(Other)
In addition to the water pump 34 described above, the clutch 52 connected to the wheels is also connected to the crankshaft 51, and the kinetic energy generated by the expander 13 and the compressor 23 is also used for driving the wheels. Thus, the energy efficiency of the fuel cell system 1 can be further improved. In particular, the water pump 34 and the wheels are directly connected to the crankshaft 51, and the kinetic energy generated in the expander 13 and the compressor 23 can be directly used. Other auxiliary machines may be directly connected to the crankshaft 51.
In the turbines disclosed in Patent Document 2 and Patent Document 3, it is difficult to use the surplus energy for driving the auxiliary machine. However, in the form using the reciprocating engine as in this embodiment, the surplus energy is not used. Since it can be taken out from the end of the crankshaft shaft, it is possible to drive auxiliary machines and wheels.

(アノード系・カソード系における動作の詳細な説明)
次に、図2〜図4を参照して、本実施形態に係るアノード系・カソード系における動作を詳細に説明する。空気の圧縮による温度の上昇や、水素の膨張による温度の低下については後記する冷却系の詳細な説明において記載する。なお、図2〜図4において、図1と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図2〜図4において、エキスパンダ13およびコンプレッサ23のそれぞれを1つに略記している。
(Detailed explanation of operation in anode system and cathode system)
Next, with reference to FIGS. 2 to 4, the operation in the anode system / cathode system according to the present embodiment will be described in detail. The temperature increase due to air compression and the temperature decrease due to hydrogen expansion will be described in the detailed description of the cooling system described later. 2 to 4, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. 2 to 4, each of the expander 13 and the compressor 23 is abbreviated as one.

ここで、高圧噴射装置12からの配管16bはエキスパンダ13の吸気口13eに接続し、エキスパンダ13の排気口13fにはバルブ13dが設けられた配管16cが接続されている。
また、配管16fはエゼクタ用コンプレッサ15の排気用バルブ15eが設けられた排気口15fに接続し、エゼクタ用コンプレッサ15の吸気口15gには吸気用バルブ15dが設けられた配管16fが接続されている。
フィルタ22(図1)からの、吸気用バルブ23dが設けられた配管24bはコンプレッサ23の吸気口23gに接続し、コンプレッサ23の排気用バルブ23eが設けられた排気口23hには配管24cが接続されている。
Here, the piping 16b from the high pressure injection device 12 is connected to the intake port 13e of the expander 13, and the exhaust port 13f of the expander 13 is connected to a piping 16c provided with a valve 13d.
The pipe 16f is connected to an exhaust port 15f provided with an exhaust valve 15e of the ejector compressor 15, and a pipe 16f provided with an intake valve 15d is connected to the intake port 15g of the ejector compressor 15. .
A pipe 24b provided with an intake valve 23d from the filter 22 (FIG. 1) is connected to an intake port 23g of the compressor 23, and a pipe 24c is connected to an exhaust port 23h provided with an exhaust valve 23e of the compressor 23. Has been.

エキスパンダ13のバルブ13dが閉じている状態で、ECUからの指示で図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが開くことにより、吸気口13eを介して高圧噴射装置11から供給された高圧水素は膨張することにより、エキスパンダ13のシリンダ13a内でピストン13bを押し下げ、その力がコンロッド13c、クランクシャフト51およびコンロッド23cを介してコンプレッサ23に駆動力が伝達される。これにより、コンプレッサ23のピストン23bが上昇してコンプレッサ23のシリンダ23a内の空気を圧縮する。このとき、図示しないECUの指示により加湿ポンプ42に接続されているインジェクタ23fから生成水が噴霧され、噴霧された生成水は空気が圧縮された際の熱によって気化し、シリンダ23a内の空気を加湿する。なお、インジェクタ23fは、一般的なガソリンエンジンなどで用いられているインジェクタを利用してもよい。また、生成水の噴霧のタイミングは、空気が圧縮されたタイミングに限らず、その他のタイミングで噴霧されてもよい。   When the valve 13d of the expander 13 is closed, a high-pressure injector built-in valve (not shown) is opened by an instruction from the ECU, so that the high-pressure hydrogen supplied from the high-pressure injector 11 through the intake port 13e expands. Thus, the piston 13b is pushed down in the cylinder 13a of the expander 13, and the driving force is transmitted to the compressor 23 via the connecting rod 13c, the crankshaft 51 and the connecting rod 23c. As a result, the piston 23b of the compressor 23 rises and compresses the air in the cylinder 23a of the compressor 23. At this time, the generated water is sprayed from the injector 23f connected to the humidification pump 42 according to an instruction from the ECU (not shown), and the sprayed generated water is vaporized by the heat when the air is compressed, and the air in the cylinder 23a is changed. Humidify. The injector 23f may be an injector used in a general gasoline engine or the like. In addition, the spray timing of the generated water is not limited to the timing when the air is compressed, but may be sprayed at other timing.

このとき、エゼクタ用コンプレッサ15のピストン15bも同様に押し上げられ、図示しないECUの指示により排出用バルブ15eが開いて、排気口15fを介してシリンダ15a内の水素(燃料電池2で反応しなかった水素)が配管16fへ排出され、燃料電池2へ送られる。   At this time, the piston 15b of the ejector compressor 15 is similarly pushed up, the discharge valve 15e is opened by an instruction from an ECU (not shown), and the hydrogen in the cylinder 15a (not reacted in the fuel cell 2) via the exhaust port 15f. Hydrogen) is discharged to the pipe 16 f and sent to the fuel cell 2.

なお、前記したように、このとき生じた回転力はクランクシャフト51を介して、ウォータポンプ34などの補機や、車輪の駆動などに利用することができる。つまり、空気圧縮以外の動力源として使用することができる。   As described above, the rotational force generated at this time can be used via the crankshaft 51 for auxiliary equipment such as the water pump 34 and driving of the wheels. That is, it can be used as a power source other than air compression.

次に、図3に示すように、図示しないECUの指示によりコンプレッサ23の排気用バルブ23eが開き、圧縮された空気が配管23hを介して配管24cへ排出され、燃料電池2へ供給される。   Next, as shown in FIG. 3, the exhaust valve 23e of the compressor 23 is opened by an instruction from an ECU (not shown), and the compressed air is discharged to the pipe 24c through the pipe 23h and supplied to the fuel cell 2.

そして、ECUの指示で図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが閉じると、エキスパンダ13への水素の流入が停止し、図4に示すように、図2における動作の慣性でコンプレッサ23のピストン23bが押し下げられ、エキスパンダ13のシリンダ13bは押し上げられる。
このとき、図示しないECUの指示によりコンプレッサ23の吸気バルブ23dが開いて、配管24bを通って外気から供給される空気が、吸入口23gを介してシリンダ23a内に流入すると同時に、エキスパンダ13のバルブ13dが開き、排気口13fを介してエキスパンダ13内の水素が配管16cへ排出され、燃料電池2へ供給される。
このときの慣性力は、エキスパンダ13・コンプレッサ23の外部に備えられている図示しないフライホイールによって生じさせてもよいし、エキスパンダ13を多気筒化し、高圧水素供給の位相をずらすことなどによって、他のエキスパンダ13のエネルギを利用するようにしてもよい。
Then, when an unillustrated high-pressure injection device built-in valve is closed by an instruction from the ECU, the flow of hydrogen into the expander 13 stops, and as shown in FIG. 4, the piston 23b of the compressor 23 is pushed down by the inertia of the operation in FIG. The cylinder 13b of the expander 13 is pushed up.
At this time, the intake valve 23d of the compressor 23 is opened by an instruction from the ECU (not shown), and the air supplied from the outside air through the pipe 24b flows into the cylinder 23a through the suction port 23g, and at the same time, The valve 13d is opened, and the hydrogen in the expander 13 is discharged to the pipe 16c through the exhaust port 13f and supplied to the fuel cell 2.
The inertial force at this time may be generated by a flywheel (not shown) provided outside the expander 13 / compressor 23, or by expanding the expander 13 into multiple cylinders and shifting the phase of high-pressure hydrogen supply. The energy of another expander 13 may be used.

このとき、エキスパンダ13およびコンプレッサ23の各気筒における圧縮・膨張行程の位相を120°ずつずらすと良好な動作を得ることができる。つまり、コンプレッサ23側について120°ずつ、エキスパンダ13側について120°ずつずらすと、連続的な動作を得ることができる。   At this time, if the phases of the compression / expansion stroke in each cylinder of the expander 13 and the compressor 23 are shifted by 120 °, a good operation can be obtained. That is, a continuous operation can be obtained by shifting 120 degrees on the compressor 23 side and 120 degrees on the expander 13 side.

このとき、エゼクタ用コンプレッサ15のピストン15bも押し下げられ、図示しないECUの指示により吸入用バルブ15dが開いて、燃料電池2において反応しなかった水素が排出水素タンク14から配管16eを通って、吸入口15gを介してシリンダ15a内に流入する。   At this time, the piston 15b of the ejector compressor 15 is also pushed down, the intake valve 15d is opened by an instruction from the ECU (not shown), and hydrogen that has not reacted in the fuel cell 2 is drawn from the exhaust hydrogen tank 14 through the pipe 16e. It flows into the cylinder 15a through the port 15g.

そして、行程は図2の行程にもどり、以下図2〜図4の行程が繰り返される。
なお、本実施形態では、エゼクタ用コンプレッサ15の動作において、エキスパンダ13が水素を排出するときに、水素をシリンダ15a内に流入させ、エキスパンダ13が水素をシリンダ13aに吸入するときに、水素を排出するようにしたが、これに限らない。しかしながら、エキスパンダ13から排出された水素と、エゼクタ用コンプレッサ15から排出された水素とが配管16c(図1)内で干渉しないようなタイミングで動作することが望ましい。
Then, the process returns to the process of FIG. 2, and the processes of FIGS. 2 to 4 are repeated.
In this embodiment, in the operation of the ejector compressor 15, when the expander 13 discharges hydrogen, the hydrogen flows into the cylinder 15a, and when the expander 13 sucks the hydrogen into the cylinder 13a, However, the present invention is not limited to this. However, it is desirable to operate at a timing such that the hydrogen discharged from the expander 13 and the hydrogen discharged from the ejector compressor 15 do not interfere in the pipe 16c (FIG. 1).

(冷却系における動作の詳細な説明)
次に、再び図2を参照して、本実施形態に係る冷却系の動作について詳細に説明する。
図2におけるコンプレッサ23での空気の圧縮により、空気の温度が上昇する。コンプレッサ23には、前記したように配管35e内を冷媒が流れているが、圧縮による温度上昇にともない、この冷媒の温度も上昇する。
一方、前記したようにエキスパンダ13内にも配管35e内を通じて冷媒が流れているが、この冷媒はコンプレッサ23内を通過した冷媒であり、温度が高い状態となっている。エキスパンダ13内における水素の温度は膨張によって低下するが、温度の高くなっている冷媒によって温度が高くなる。これにより、水素を暖めることができる。暖められた水素は、さらに膨張するので、コンプレッサ23へ伝達する動力を増加させることができ、燃料電池システム1全体のエネルギ効率をさらに向上させることができる。
逆に、冷媒は、水素に温度を与えることによって温度が低下し、その状態で燃料電池2へ送られることにより、燃料電池2の冷却を行うことになる。
(Detailed explanation of operation in cooling system)
Next, the operation of the cooling system according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. 2 again.
The air temperature rises due to the compression of air by the compressor 23 in FIG. As described above, the refrigerant flows in the compressor 23 through the pipe 35e. As the temperature rises due to compression, the temperature of the refrigerant also rises.
On the other hand, as described above, the refrigerant also flows in the expander 13 through the pipe 35e. However, this refrigerant is the refrigerant that has passed through the compressor 23 and is in a high temperature state. Although the temperature of hydrogen in the expander 13 decreases due to expansion, the temperature increases due to the refrigerant having a high temperature. Thereby, hydrogen can be warmed. Since the heated hydrogen is further expanded, the power transmitted to the compressor 23 can be increased, and the energy efficiency of the entire fuel cell system 1 can be further improved.
On the contrary, the temperature of the refrigerant decreases by giving the temperature to hydrogen, and the refrigerant is sent to the fuel cell 2 in this state, thereby cooling the fuel cell 2.

このように、膨張した水素と圧縮された空気との間で熱交換することにより、本実施形態における燃料電池システム1は、アノード系およびカソード系それぞれにおける温度制御用熱交換器が不要となり、また、ラジエータ33を小さくすることができる。   As described above, by exchanging heat between the expanded hydrogen and the compressed air, the fuel cell system 1 in the present embodiment does not require the heat exchanger for temperature control in each of the anode system and the cathode system. The radiator 33 can be made small.

なお、本実施形態では、ラジエータ33を、燃料電池2とコンプレッサ23との間に配置しているが、これに限らず、例えばウォータポンプ34の排出側と、燃料電池2との間に配置してもよい。このようにすることで、エキスパンダ13で冷却された冷却水を、ラジエータ33でさらに冷却することができ、効率的な冷却が可能となる。   In the present embodiment, the radiator 33 is disposed between the fuel cell 2 and the compressor 23. However, the present invention is not limited to this, and for example, the radiator 33 is disposed between the discharge side of the water pump 34 and the fuel cell 2. May be. By doing in this way, the cooling water cooled with the expander 13 can be further cooled with the radiator 33, and efficient cooling becomes possible.

また、本実施形態では、クランクシャフト51がウォータポンプ34や、クラッチ52を介して車輪に接続されているが、これに限らず、オルタネータ、潤滑油循環ポンプ、燃料昇圧ポンプ、カム駆動用チェーンなどの補機や、駆動用のモータなどに接続されていてもよい。   In the present embodiment, the crankshaft 51 is connected to the wheels via the water pump 34 and the clutch 52. However, the present invention is not limited to this, and an alternator, a lubricating oil circulation pump, a fuel booster pump, a cam drive chain, etc. It may be connected to an auxiliary machine or a driving motor.

さらに、エキスパンダ13、コンプレッサ23に設置されている各バルブ13d,23d,23eの開閉タイミングを図示しない制御装置によって制御してもよい。このようにすることで、水素や、酸素の供給圧力を変化させたり、燃料電池2が停止した後の酸素拡散を制限することができる。   Furthermore, the opening / closing timings of the valves 13d, 23d, and 23e installed in the expander 13 and the compressor 23 may be controlled by a control device (not shown). By doing in this way, the supply pressure of hydrogen or oxygen can be changed, or oxygen diffusion after the fuel cell 2 is stopped can be limited.

さらに、本実施形態では、エキスパンダ13に高圧水素が供給されると、コンプレッサ23の空気が圧縮される構成となっているが、エキスパンダ13に高圧水素が供給されると、コンプレッサ23のピストン23bが下がり、空気が導入されるようにクランクシャフト51の形状を調節してもよい。つまり、エキスパンダ13への高圧水素の供給と、コンプレッサ23への空気の導入が同期するようにクランクシャフト51の形状を調節してもよい。   Further, in this embodiment, when high-pressure hydrogen is supplied to the expander 13, the air of the compressor 23 is compressed. However, when high-pressure hydrogen is supplied to the expander 13, the piston of the compressor 23 is configured. The shape of the crankshaft 51 may be adjusted so that 23b is lowered and air is introduced. That is, the shape of the crankshaft 51 may be adjusted so that the supply of high-pressure hydrogen to the expander 13 and the introduction of air to the compressor 23 are synchronized.

本実施形態に係る燃料電池システム1によれば、高圧水素を膨張させるエネルギで空気を圧縮するため、水素タンク11における圧力エネルギを空気の圧縮に利用することによって、燃料電池システム1のエネルギ効率を向上させることができる。
また、燃料ガスである水素の膨張による温度低下、酸化剤ガスである空気の圧縮による温度上昇を、コンロッド13c、23c、クランクシャフト51(つまり、往復動容積型エンジンの筐体)を介してエキスパンダ13、コンプレッサ23に伝えることができ、空気の圧縮による温度上昇を利用した水素の暖気、水素の膨張による温度低下を利用した空気の冷却を行うことが可能となる。これは、膨張・圧縮の概念がない特許文献1および特許文献2に記載のタービンから導出することのできない効果である。
According to the fuel cell system 1 according to the present embodiment, the air is compressed with the energy that expands the high-pressure hydrogen. Therefore, the energy efficiency of the fuel cell system 1 is improved by using the pressure energy in the hydrogen tank 11 for air compression. Can be improved.
Further, the temperature decrease due to the expansion of hydrogen as the fuel gas and the temperature increase due to the compression of the air as the oxidant gas are extracted via the connecting rods 13c and 23c and the crankshaft 51 (that is, the casing of the reciprocating positive displacement engine). It can be transmitted to the panda 13 and the compressor 23, and it becomes possible to perform the warming of hydrogen using the temperature rise due to the compression of air and the cooling of the air using the temperature drop due to the expansion of hydrogen. This is an effect that cannot be derived from the turbines described in Patent Document 1 and Patent Document 2 that do not have the concept of expansion / compression.

また、エキスパンダ13・コンプレッサ23と接続しているクランクシャフト51に、車輪や、ウォータポンプ34などの補機を接続することにより、水素タンク11における圧力エネルギを、車輪や、補機などの駆動に利用することができ、燃料電池システム1のエネルギ効率をさらに向上させることができる。つまり、水素タンク11における圧力エネルギから生じる動力を、空気圧縮以外の動力源とすることができる。
冷却系の冷媒をエキスパンダ13の筐体内流路に通過させることにより、水素が膨張したときの温度低下を燃料電池システム1の冷却に利用することができ、ラジエータ33などの温度制御用熱交換器を小型化もしくは不要とすることができる。
このように、専用モータをもつエアポンプを不要とすることで、エアポンプを駆動・制御する装置も不要となり、更に、ラジエータ33を小型化もしくは不要とすることで、コストダウン、車体の軽量化・小型化が可能となる。
また、既存のレシプロエンジンを利用することで、不要となったレシプロエンジンのリサイクルが可能となり、さらなるコストダウンを図ることもできる。
さらに、既存のレシプロエンジンは、アルミニウム鋳物であるが、アルミニウムは軽量で、加工が容易である上、水素脆化にも強いため、車両の軽量化や、コストダウンをさらに図ることができる。
Further, by connecting an auxiliary machine such as a wheel or a water pump 34 to the crankshaft 51 connected to the expander 13 or the compressor 23, the pressure energy in the hydrogen tank 11 is driven to drive the wheel or the auxiliary machine. The energy efficiency of the fuel cell system 1 can be further improved. That is, the power generated from the pressure energy in the hydrogen tank 11 can be used as a power source other than air compression.
By allowing the cooling system refrigerant to pass through the flow path in the housing of the expander 13, the temperature drop when hydrogen expands can be used for cooling the fuel cell system 1, and heat control for temperature control of the radiator 33 and the like. The device can be made smaller or unnecessary.
Thus, by eliminating the need for an air pump having a dedicated motor, a device for driving and controlling the air pump is also unnecessary. Further, by reducing or eliminating the radiator 33, the cost can be reduced, and the weight and size of the vehicle body can be reduced. Can be realized.
In addition, by using an existing reciprocating engine, it becomes possible to recycle the reciprocating engine that is no longer needed, thereby further reducing the cost.
Furthermore, although the existing reciprocating engine is an aluminum casting, aluminum is light in weight, easy to process, and strong against hydrogen embrittlement. Therefore, the vehicle can be further reduced in weight and cost can be further reduced.

また、エキスパンダ13およびコンプレッサ23における水素・空気の流入をバルブ13d,23d、23eで制御することにより、燃料電池2が停止したとき、このバルブ13d,23d、23eを閉じることで水素・空気の供給を停止することができる。従って、燃料電池2の停止時における水素・空気の供給停止のための制御が不要となる。   Further, by controlling the inflow of hydrogen / air in the expander 13 and the compressor 23 with the valves 13d, 23d, 23e, when the fuel cell 2 is stopped, the valves 13d, 23d, 23e are closed to close the hydrogen / air. Supply can be stopped. Therefore, the control for stopping the supply of hydrogen / air when the fuel cell 2 is stopped becomes unnecessary.

1 燃料電池システム
2 燃料電池
11 水素タンク(高圧燃料ガスタンク)
12 高圧噴射装置(燃料ガス供給流路)
13 エキスパンダ(往復動容積型膨張圧縮機、燃料ガス用シリンダ)
13a エキスパンダのシリンダ
13b エキスパンダのピストン
13c エキスパンダのコンロッド
13d エキスパンダのバルブ
14 排出水素タンク
15 エゼクタ用コンプレッサ
15a エゼクタ用コンプレッサのシリンダ
15b エゼクタ用コンプレッサのピストン
15c エゼクタ用コンプレッサのコンロッド
15d エゼクタ用コンプレッサの排出用バルブ
15e エゼクタ用コンプレッサの吸入用バルブ
16a〜16f アノード系の配管(燃料ガス供給流路を含む)
17,25 カム
19 リリーフ弁
21 インテーク
22 フィルタ
23 コンプレッサ(往復動容積型膨張圧縮機、酸化剤ガス用シリンダ)
23a コンプレッサのシリンダ
23b コンプレッサのピストン
23c コンプレッサのコンロッド
23d コンプレッサの吸入用バルブ
23e コンプレッサの排出用バルブ
23f インジェクタ
24a〜24c カソード系の配管(酸化剤ガス供給流路)
31 サーモスタット弁
32 イオン交換器
33 ラジエータ
34 ウォータポンプ
35a〜35b 冷却系の配管
41 気液分離装置
42 加湿ポンプ
51 クランクシャフト
52 クラッチ
61 換気装置
1 Fuel Cell System 2 Fuel Cell 11 Hydrogen Tank (High Pressure Fuel Gas Tank)
12 High-pressure injection device (fuel gas supply flow path)
13 Expander (Reciprocating displacement type expansion compressor, cylinder for fuel gas)
13a Expander cylinder 13b Expander piston 13c Expander connecting rod 13d Expander valve 14 Discharge hydrogen tank 15 Ejector compressor 15a Ejector compressor cylinder 15b Ejector compressor piston 15c Ejector compressor connecting rod 15d Ejector compressor Discharge valve 15e Ejector compressor intake valve 16a to 16f Anode piping (including fuel gas supply flow path)
17, 25 Cam 19 Relief valve 21 Intake 22 Filter 23 Compressor (reciprocating displacement type expansion compressor, oxidant gas cylinder)
23a Compressor cylinder 23b Compressor piston 23c Compressor connecting rod 23d Compressor intake valve 23e Compressor discharge valve 23f Injector 24a-24c Cathode system piping (oxidant gas supply flow path)
31 Thermostat valve 32 Ion exchanger 33 Radiator 34 Water pump 35a-35b Cooling system piping 41 Gas-liquid separator 42 Humidification pump 51 Crankshaft 52 Clutch 61 Ventilator

Claims (4)

高圧燃料ガスタンクと、前記高圧燃料ガスタンクから放出された燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給流路と、
を備える燃料電池システムであって、
少なくとも2気筒以上のシリンダを、クランクシャフトを介して動力伝達する往復動容積型膨張圧縮機をさらに備えており、
前記シリンダは、燃料ガス用シリンダおよび酸化剤ガス用シリンダであり、
燃料ガス供給流路は前記高圧燃料ガスタンクから放出された燃料ガスの膨張によりピストンを押圧する前記燃料ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続され、
酸化剤ガス供給流路は前記燃料ガス用シリンダの押圧によりピストンを押圧して、前記酸化剤ガスを圧縮および昇圧する酸化剤ガス用シリンダを介して前記燃料電池に接続されている
ことを特徴とする燃料電池システム。
A high-pressure fuel gas tank, a fuel gas supply channel for supplying fuel gas discharged from the high-pressure fuel gas tank to the fuel cell, an oxidant gas supply channel for supplying oxidant gas to the fuel cell,
A fuel cell system comprising:
A reciprocating positive displacement expansion compressor that transmits power via a crankshaft to at least two cylinders;
The cylinders are a fuel gas cylinder and an oxidant gas cylinder,
A fuel gas supply flow path is connected to the fuel cell via the fuel gas cylinder that presses a piston by expansion of the fuel gas discharged from the high pressure fuel gas tank,
The oxidant gas supply flow path is connected to the fuel cell via an oxidant gas cylinder that compresses and pressurizes the oxidant gas by pressing a piston by pressing the fuel gas cylinder. Fuel cell system.
前記クランクシャフトを介して、伝達された動力は、空気圧縮以外の動力源に使用される
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The fuel cell system according to claim 1, wherein the power transmitted via the crankshaft is used for a power source other than air compression.
少なくとも前記燃料ガス用シリンダを構成する筐体内に設置された冷却水通路には、前記燃料電池システムを冷却するための冷媒が循環している
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料電池システム。
The refrigerant for cooling the fuel cell system circulates in at least a cooling water passage installed in a casing constituting the fuel gas cylinder. Fuel cell system.
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載した車両。   A vehicle equipped with the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3.
JP2010257980A 2010-11-18 2010-11-18 Fuel cell system and vehicle Pending JP2012109150A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010257980A JP2012109150A (en) 2010-11-18 2010-11-18 Fuel cell system and vehicle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010257980A JP2012109150A (en) 2010-11-18 2010-11-18 Fuel cell system and vehicle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2012109150A true JP2012109150A (en) 2012-06-07

Family

ID=46494547

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010257980A Pending JP2012109150A (en) 2010-11-18 2010-11-18 Fuel cell system and vehicle

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2012109150A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115207397A (en) * 2022-09-08 2022-10-18 国网浙江省电力有限公司宁波供电公司 Hydrogen fuel cell and compressed air energy storage combined operation system and control method thereof

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115207397A (en) * 2022-09-08 2022-10-18 国网浙江省电力有限公司宁波供电公司 Hydrogen fuel cell and compressed air energy storage combined operation system and control method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Progress on design and development of polymer electrolyte membrane fuel cell systems for vehicle applications: A review
US10892642B2 (en) Compressed air energy storage power generation apparatus and compressed air energy storage power generation method
CN211364899U (en) Marine hydrogen production and hydrogen supply integrated hydrogen energy power system
CN107819139B (en) Cold-heat-electricity combined supply system based on renewable fuel cell/expander mixed cycle
JP2009283178A (en) Fuel cell system
JP3254671B2 (en) Fuel cell power generator using resholm compressor
JP2003203659A (en) Fuel supply unit for supplying hydrogen-contained fuel and its method
US11335922B2 (en) Energy conversion system
CN106839426A (en) The high-temperature heat-pump water-heater that one proton exchanging film fuel battery drives
WO2021129430A1 (en) Three-in-one cycle system, vehicle, and charging system
US20060194091A1 (en) Fuel cell system with a recirculating operating material
US7214438B2 (en) Fuel cell apparatus with pressurized fuel tank and pressure-reducing unit for supplying fuel at a reduced operating pressure
WO2021129429A1 (en) 3-in-1 combined circulation system, transportation vehicle, and charging system
US9234454B2 (en) Adiabatic compressed air energy storage for automotive vehicle and energy storage method using the same
CN111211340B (en) Fuel cell system
JP2012109150A (en) Fuel cell system and vehicle
JP2012226972A (en) Redox fuel cell system and fuel cell vehicle
JP5138889B2 (en) Fuel cell system
CN113745567B (en) Fuel cell power supply system based on phase change energy storage
US11289717B2 (en) System and method for heat management of high-temperature systems
JP2012002191A (en) Hybrid engine using the same cylinder
CN110911707A (en) Proton exchange membrane fuel cell system for vehicle in severe cold climate
CN213936271U (en) Fuel cell air inlet energy comprehensive utilization system
WO2018125018A1 (en) Integrated heat waste recovery and fuel cell system
JP2012109151A (en) Fuel cell system and vehicle