JP2012109151A - Fuel cell system and vehicle - Google Patents
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Abstract
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、エアポンプの駆動に燃料電池で発電した電力を使用している。
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. Electric power generated by the fuel cell is used to drive the air pump.
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
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、エネルギを最大限有効に使用していない。
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. The energy is not used as efficiently as possible.
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
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、タービンで高圧水素が膨張する時の温度低下、及びコンプレッサで空気が圧縮・昇圧される時の温度上昇を利用することは考慮されておらず、これら熱エネルギを廃棄している点から、水素タンク内の圧力エネルギを十分に利用しているとは言えない。さらに、特許文献2および特許文献3に記載の技術では、水素の供給量と、空気の供給量に差がある場合において、空気の供給流量を調節する手段などが考慮されていないため、燃料電池システムの全発電条件において、有効に作動させることは難しい。
However, in the techniques described in
そこで、本発明の課題は、水素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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell system and a vehicle that can obtain high energy efficiency by utilizing high-pressure energy in a hydrogen 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、燃料ガスを貯蔵している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前記燃料ガスを燃料電池のスタックに供給する燃料ガス供給流路と、酸化剤ガスをスタック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、前記燃料ガス供給流路中に介設され、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、非圧縮性の液体が貯留された液体貯留部とからなる燃料ガス供給装置と、前記酸化剤ガス供給流路上に配設され、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記液体が導入される液体導入部と、それらを仕切る仕切部材と、からなる酸化剤ガス供給装置と、前記燃料ガス供給装置と前記酸化剤ガス供給装置を接続し、前記液体で液密にされた接続配管と、をさらに備え、前記燃料ガス供給装置に導入された前記燃料ガスの膨張により前記接続配管を介して前記酸化剤ガス供給装置の前記液体導入部に液体を導入し、前記酸化剤ガス供給部の容積を減少させることで前記酸化剤ガスを圧縮することを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention for solving the above problems, a high-pressure fuel gas tank that stores fuel gas, and a fuel that supplies the fuel gas discharged from the high-pressure fuel gas tank to a fuel cell stack are provided. A fuel cell system comprising a gas supply channel and an oxidant gas supply channel for supplying an oxidant gas to a stack, the fuel cell system being interposed in the fuel gas supply channel and supplying the fuel gas A fuel gas supply device including a gas supply unit and a liquid storage unit storing an incompressible liquid, and an oxidant gas supply unit that is disposed on the oxidant gas supply channel and supplies the oxidant gas An oxidant gas supply device comprising: a liquid introduction part into which the liquid is introduced; and a partition member that partitions them; and the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device are connected, and the liquid is liquid-tight To be A connecting pipe, and a liquid is introduced into the liquid introducing portion of the oxidant gas supply device through the connection pipe by expansion of the fuel gas introduced into the fuel gas supply device, and the oxidant gas The oxidizing gas is compressed by reducing the volume of the supply unit.
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酸化剤ガス(空気)を圧縮・昇圧できるので、専用モータを有するエアポンプなどを不要とすることができる。また、酸化剤供給装置において、酸化剤ガスが圧縮・昇圧された際に生じる熱を、各シリンダを構成する部材間の熱伝導に加えて、液体も介して燃料ガス供給装置へ熱輸送することができ、燃料ガスの暖気に利用することができる。さらに、仕切部材の位置を調節することで、酸化剤供給装置における酸化剤ガスのシリンダの容積を調整することができ、燃料電池システムの発電に必要な燃料ガスの供給量に対して、酸化剤ガスの供給量・圧力を適切に調節することができる。 According to the first aspect of the present invention, since the oxidant gas (air) can be compressed and boosted with the energy generated during the decompression and expansion of hydrogen, an air pump having a dedicated motor can be dispensed with. In addition, in the oxidant supply device, heat generated when the oxidant gas is compressed and pressurized is transported to the fuel gas supply device through the liquid in addition to heat conduction between members constituting each cylinder. Can be used to warm up the fuel gas. Furthermore, by adjusting the position of the partition member, the volume of the oxidant gas cylinder in the oxidant supply device can be adjusted, and the oxidant can be supplied to the fuel gas supply amount necessary for power generation of the fuel cell system. Gas supply amount and pressure can be adjusted appropriately.
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載の燃料電池システムであって、前記液体は、不凍性かつ非圧縮性の冷媒であり、前記燃料電池システムの冷却に用いられることを特徴とする。
The invention according to
請求項2に係る発明によれば、燃料ガス供給装置の動作によって、冷媒を循環させることにより、燃料ガス供給装置が冷却水循環ポンプの役割を担うことなり、別途、冷却水循環ポンプを設置することが不要となる。 According to the second aspect of the present invention, the refrigerant is circulated by the operation of the fuel gas supply device, so that the fuel gas supply device plays the role of the cooling water circulation pump, and a cooling water circulation pump can be separately installed. It becomes unnecessary.
そして、請求項3に係る発明は、請求項1または2に記載の燃料電池システムであって、前記燃料ガス供給装置は、液体の流動を制御し、伝熱を促進する伝熱促進多孔部材が格納されていることを特徴とする。 The invention according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the fuel gas supply device includes a heat transfer promoting porous member that controls liquid flow and promotes heat transfer. It is stored.
請求項3に係る発明によれば、車両の傾斜などに伴う液面の挙動を抑制できるほか、伝熱促進部材が液体の熱を蓄積し、燃料ガスの膨張時に温度低下する燃料ガスに熱を放出するため、等温膨張に近づけることができ、圧力エネルギの利用効率を向上させることができる。 According to the third aspect of the invention, the behavior of the liquid level caused by the inclination of the vehicle can be suppressed, and the heat transfer promoting member accumulates the heat of the liquid and heats the fuel gas whose temperature is lowered when the fuel gas expands. Since it discharges, it can be brought close to isothermal expansion, and the utilization efficiency of pressure energy can be improved.
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。 The 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に係る発明によれば、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 concerning Claim 4, the vehicle carrying the fuel cell system as described in any one of Claims 1-3 can be provided.
本発明によれば、水素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 hydrogen tank.
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)
The
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
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
(アノード系)
アノード系は、高圧燃料ガスタンクとしての水素タンク11、高圧噴射装置12、燃料ガス供給装置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、逆流防止弁17b〜17c、電磁弁18、リリーフ弁19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は太実線で示されている。
(Anode system)
The anode system includes a
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ONとなり、開弁する。
なお、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。また、配管16a、高圧噴射装置12、配管16b,16cが燃料ガス供給流路となる。
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。電磁弁18の開閉制御は図示しないECU(Engine Control Unit)などで行われる。
The
A secondary shut-off valve, a filter, and the like are provided between the
Here, the fuel cell system 1 according to the present embodiment does not include a pressure reducing valve between the
In the
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-
エキスパンダ13は、図2で示すような、円筒形の金属性容器内部に、複数の六角形断面をもつ中空孔13zが貫通するハニカム構造を有するハニカム部材(伝熱促進多孔部材)13aが格納されており、非圧縮性の液体である冷媒51が貯留されている。この中空孔13z内を冷媒51が上下に往復移動する。また、ハニカム部材13aの中空孔13zを介して、その壁面を利用して、水素と、冷媒51との間の熱交換を行うものである。本実施形態では、ハニカム構造として六角形の中空孔(多孔)13zが貫通している構造を有しているものとしたが、三角形や、四角形など他の多角形でもよい。また、冷媒51は、不凍液であることが望ましい。また、ハニカム部材13aは、熱容量が大きく、熱伝導性の高い部材が好ましい。このようにすることで、水素と、冷媒51との間の熱交換をさらに促進することができる。
なお、エキスパンダ13の動作については、後記して詳述する。
エキスパンダ13から排出された水素は、配管16cを介して燃料電池2へ送られる。なお、配管16cには、電磁弁18が設置されており、エキスパンダ13からの排出水素の供給・遮断を制御している。
ここで、本実施形態において、エキスパンダ13およびハニカム部材13aは、円筒形状であることを想定しているが、これに限らず、直方体形状のものでもよい。
The
The operation of the
The hydrogen discharged from the
Here, in the present embodiment, it is assumed that the
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へ戻すものである。
エゼクタ用コンプレッサ15には、冷媒51が貯留されており、この冷媒51の液面には仕切部材15bがエゼクタ用コンプレッサ15の筒体内を上下動可能に液密に配置されている。また、仕切部材15bはスプリング15aを介してエゼクタ用コンプレッサ15の筒体内の上面と接続している。
ここで、本実施形態において、エゼクタ用コンプレッサ15は、円筒形状であることを想定しているが、これに限らず、直方体形状のものでもよい。
エゼクタ用コンプレッサ15の動作についても、後記して詳述することとする。
The discharged
The
A refrigerant 51 is stored in the
Here, in the present embodiment, the
The operation of the
(カソード系)
カソード系は、インテーク21、フィルタ22、酸化剤ガス供給装置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、逆流防止弁25a,25b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
The
コンプレッサ23は、シリンダ23a、ピストン23b、スプリング23c、仕切部材23d,23eなどを有している。仕切部材23dはピストン23bの下部に嵌合しており、コンプレッサ23の下部において密閉された冷媒室(液体導入部)23fを形成している。この冷媒室23fは、冷媒51で満たされている。また、仕切部材23eはピストン23bの上部に嵌合しており、コンプレッサ23の上部において昇圧室(酸化剤ガス供給部)23gを形成している。なお、ピストン23b、仕切部材23d,23eが特許請求の範囲における仕切部材に相当する。
また、ピストン23bの上部は、スプリング23cを介してコンプレッサ23の筒体内の上面と接続している。
コンプレッサ23の動作も後記して詳述するが、コンプレッサ23には配管24bを介して空気が供給され、コンプレッサ23から排出された空気は、配管24cを介して燃料電池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、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。また、本実施形態では、複数のコンプレッサ23を用いている。
ここで、本実施形態において、コンプレッサ23は、円筒形状であることを想定しているが、これに限らず、直方体形状のものでもよい。
The
The upper part of the
Although the operation of the
In the drawings in the present embodiment, the
Here, in the present embodiment, it is assumed that the
(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、配管35a〜35i、逆流防止弁36a,36bなどを備えている。なお、図1において冷却系の配管35a〜35iは太破線で示されている。また、配管35a〜35iのうち、配管35eは、特許請求の範囲における接続配管に相当する。
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51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51を冷却するものである。冷媒51は、液体であり、前記したように非圧縮性の不凍液であることが望ましい。
(Cooling system)
The cooling system cools the fuel cell system 1 and includes a
The
The
The
配管35a〜35iには冷媒51が循環している。冷媒51は、イオン交換器32またはラジエータ33→エキスパンダ13→コンプレッサ23→エゼクタ用コンプレッサ15→燃料電池2→イオン交換器32またはラジエータ33の順に循環している。
なお、後記するようにエキスパンダ13が、冷媒51を循環させるウォータポンプの役割を果たしているので、本実施形態に係る燃料電池システム1には、専用モータを有するウォータポンプが備えられていない。
A refrigerant 51 circulates in the
As will be described later, the
(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破線で示されている。
気液分離装置1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の昇圧室23g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、図1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
The gas-liquid separator 1 has, for example, a box shape, and when a predetermined amount of generated water (water generated by the reaction in the fuel cell 2) accumulates, the generated water is discharged to the outside. A part of the water discharged from the gas-
The humidification pump 42 is a pump that supplies the generated water supplied from the gas-
(動作の詳細な説明)
次に、図3および図4を参照して、本実施形態に係る燃料電池システムにおけるエキスパンダ13、コンプレッサ23およびエゼクタ用コンプレッサ15の動作を詳細に説明する。なお、図3および図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3および図4では、エキスパンダ13に格納されているハニカム部材13aを省略し、さらにコンプレッサ23を1つに略記している。
図3および図4に示すように、エキスパンダ13は吸気口13b、排気口13cを有し、エゼクタ用コンプレッサ15は排気口15c、吸気口15dを有し、コンプレッサ23は、吸気口23h、排気口23iを有している。さらに、コンプレッサ23は加湿ポンプ42から送られた生成水をコンプレッサ23内に噴霧するインジェクタ23jを有している。
(Detailed description of operation)
Next, operations of the
As shown in FIGS. 3 and 4, the
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13bに接続し、エキスパンダ13の排気口13cには配管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の排気口13bに接続し、エゼクタ用コンプレッサ15の吸気口15dには配管16eが接続されている。
フィルタ22(図1)からの配管24bはコンプレッサ23の吸気口23hに接続し、コンプレッサ23の排気口23iには配管24cが接続されている。
A
The piping 16 f is connected to the
A
まず、電磁弁18(図1)が閉じている状態(配管16cの×印で表示)で、図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが開くことによって、図3に示すようにエキスパンダ13の吸気口13bに高圧噴射装置12から高圧水素が供給されると、エキスパンダ13内で水素が膨張する。
その結果、エキスパンダ13内の冷媒51が押し下げられる。押し下げられた冷媒51は、液密された配管35eを通ってコンプレッサ23の冷媒室23fと、エゼクタ用コンプレッサ15の仕切部材15bより下の冷媒室に流入する。このとき、エキスパンダ13のうち、水素で満たされている部分が燃料ガス膨張部であり、冷媒51で満たされている部分が液体貯留部である。
First, when the solenoid valve 18 (FIG. 1) is closed (indicated by a cross in the
As a result, the refrigerant 51 in the
このとき、エキスパンダ13のシリンダ内の高圧水素は断熱膨張により温度低下を生じる。冷媒51は、ハニカム部材13a(図1)の壁面を介して熱交換することによって、結果的に、水素は加熱され、冷媒51は冷却される。この高圧水素の膨張による温度低下を利用することで、冷媒51を冷却することが可能となり、ラジエータ33での熱交換量を低減できることにより、ラジエータ33を小型化もしくは不要とすることができる。また、燃料電池2で発生した熱を水素の暖気(加湿)などに利用することができる。
さらに、燃料電池2で発生した熱を、冷媒51と水素との間で熱交換することにより、水素をさらに膨張させることができるため、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。
At this time, the high-pressure hydrogen in the cylinder of the
Furthermore, since the heat generated in the
冷媒室23fに流入した冷媒51は、コンプレッサ23のピストン23bを押し上げる。これによって、コンプレッサ23の昇圧室23g内の空気が圧縮される。このとき、ECUによって制御されるインジェクタ23jから、生成水が昇圧室23g内に噴霧される。噴霧された生成水は、圧縮された空気の温度上昇を利用して気化し、昇圧室23g内の空気を加湿する。
The refrigerant 51 flowing into the
圧縮・昇圧された空気は、排気口23iから排気され、配管24c(図1)を介して燃料電池2へ供給される。このとき、コンプレッサ23の吸入側に備えられている逆流防止弁25a(図1)により、コンプレッサ23の吸入口23hから圧縮行程において空気が流入することはない。
The compressed and pressurized air is exhausted from the
さらに、エキスパンダ13から流出した冷媒は、コンプレッサ23の冷媒室23f、配管35f〜35h(図1)を介してエゼクタ用コンプレッサ15における仕切部材15bの下の冷媒室へ流入し、エゼクタ用コンプレッサ15の液面(仕切部材15b)を押し上げる。これにより、エゼクタ用コンプレッサ15に流入していた未反応の水素が排気口15cから、配管16f,16c(図1)へ排出され、燃料電池2へ供給される。なお、エゼクタ用コンプレッサ15の吸入側に備えられている逆流防止弁17b(図1)により、排出される水素が吸入口15dから燃料電池2へ逆流することはない(配管16eの×印で表示)。
Further, the refrigerant flowing out of the
エキスパンダ13に高圧噴射装置内蔵バルブから所定量の高圧水素を導入し、その後、高圧噴射装置内蔵バルブを閉じる。そして、ECUで制御される所定時間(エキスパンダ13における冷媒51の液面が十分に下がった)後、配管16cに設けられている電磁弁18(図1)が開く。これにより、エキスパンダ13内の水素が排出され、エキスパンダ13における液面への水素の加圧力が弱まる。すると、エゼクタ用コンプレッサ15およびコンプレッサ23に貯留している冷媒51の圧力も弱まるので、図4に示すようにコンプレッサ13に備えられているスプリング23cによってピストン23bが押し下げられる。また、エゼクタ用コンプレッサ15に備えられているスプリング15aによって冷媒の液面(仕切部材15b)が押し下げられる。ピストン23bや、仕切部材15bが押し下げられることで、コンプレッサ23の冷媒室23fや、エゼクタ用コンプレッサ15に貯留されていた冷媒51が押し出される。このとき、コンプレッサ23の吸入口23hから外気より吸入した空気が流入し、エゼクタ用コンプレッサ15の吸入口15dから排出水素タンク14(図1)からの未反応の水素が流入する。
A predetermined amount of high-pressure hydrogen is introduced into the
エゼクタ用コンプレッサ15から押し出された冷媒51は、燃料電池2へ供給されて燃料電池2を冷却した後、サーモスタット弁31→イオン交換器32またはラジエータ33(図1)を経由してコンプレッサ23に供給される。
コンプレッサ23から押し出された冷媒51は配管35eなどを介してエキスパンダ13に供給される。前記したように、図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが閉じているので、エキスパンダ13における液面への圧力が弱まっており、さらに、スプリング23c,15cによって押圧されているため、コンプレッサ23およびエゼクタ用コンプレッサ15へは冷媒51が新たに流入することはできない。従って、エキスパンダ13に供給された冷媒51はエキスパンダ13内に貯留する。これにより、エキスパンダ13における冷媒51の液面が上昇し、エキスパンダ13内の水素を排出口13cから排出する。
なお、図4の段階において、逆流防止弁17c(図1)により、エゼクタ用コンプレッサ15の排出口15cから水素が逆流することはなく(配管16fの×印で表示)、逆流防止弁25a(図1)により、コンプレッサ23の吸入口23hに空気が逆流することはない(配管24bの×印で表示)。
The refrigerant 51 pushed out from the
The refrigerant 51 pushed out from the
In the stage of FIG. 4, hydrogen does not flow back from the
そして、ECUからの指示によって電磁弁18(図1)が再び閉じられ、図示しない高圧噴射装置内蔵バルブが再び開くと、水素の排出が停止し、エキスパンダ13への水素の流入が再開するので、図3の状態に戻る。
以下、燃料電池システム1は図3および図4の行程を繰り返す。
Then, when the solenoid valve 18 (FIG. 1) is closed again in response to an instruction from the ECU and a high-pressure injection device built-in valve (not shown) is opened again, the discharge of hydrogen stops and the flow of hydrogen into the
Hereinafter, the fuel cell system 1 repeats the steps of FIGS. 3 and 4.
(まとめ)
このような構成により、エキスパンダ13における水素の膨張時の圧力エネルギを利用して空気を圧縮することができるため、空気を燃料電池2へ供給するための専用モータを有するエアポンプを不要とし、燃料電池システム1全体のエネルギ効率を向上させることができる。
さらに、コンプレッサ23のピストン23bの長さや、仕切部材23eの大きさや、スプリング23cの長さや、バネ定数を調節することで、コンプレッサ23における昇圧室23gの大きさを変更することができ、水素の供給量と、空気の供給量とに差がある場合でも、簡便な作業で空気の供給量を適度な量に調節することができる。
(Summary)
With such a configuration, air can be compressed using the pressure energy at the time of hydrogen expansion in the
Furthermore, by adjusting the length of the
さらに、エキスパンダ13に冷媒51を貯留しておき、水素膨張の圧力エネルギを利用して冷媒51を循環させるため、冷媒51を循環させるための専用モータを有するウォータポンプを不要とすることができる。
そして、エネルギの伝達手段として冷媒51などの液体を使用することによって、水素の外部リークを防ぐことができ、また、潤滑油などを不要とすることができる。
Further, since the refrigerant 51 is stored in the
And by using liquids, such as the refrigerant |
また、ハニカム部材13aをエキスパンダ13に格納させることにより、冷媒51の液面の挙動を制御するとともに、冷媒51との接触面積を大きくすることで、冷媒への熱輸送を促進させることができる。これにより、エキスパンダ13における熱交換機能を促進させることができる。また、ハニカム部材13aをエキスパンダ13に格納させることにより、車両傾斜時における液面動きを抑制することができる。
あるいは、燃料電池2で発生した熱を、冷媒51と、水素との間で熱交換することにより、水素をさらに膨張させることができるため、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。
Further, by storing the honeycomb member 13 a in the
Alternatively, the heat generated in the
(変形例)
また、本実施形態では、エキスパンダ13が1つ備えられているが、これに限らず、複数備えてもよいし、コンプレッサ23と対応させるようにエキスパンダ13が接続されていてもよい。あるいは、本実施形態では、図1に示すように複数のコンプレッサ23に順番に冷媒51を供給するようになっているが、配管35eから枝分かれした配管が、それぞれのコンプレッサ23に接続されることにより、各コンプレッサ23に対して同時に冷媒51が供給されるようにしてもよい。
なお、エキスパンダ13が1つしか備えられていない場合、高圧噴射装置12は流量調節手段としての機能を有している。この場合、高圧噴射装置12をバルブなどの他の流量調節手段で置き換えることも可能である。
また、仕切部材15bは省略可能である。
(Modification)
In the present embodiment, one
Note that when only one
Further, the
そして、エキスパンダ13、コンプレッサ23の吸入口、排気口のそれぞれにバルブを設けてもよい。このようにすることで、水素・空気の供給圧力を制御することができる。また、バルブの開閉を調節することによって、不必要なエキスパンダ13、コンプレッサ23を休止させることができる。
A valve may be provided in each of the
また、コンプレッサ23は、例えばダイヤフラム式のポンプでもよい。
The
1 燃料電池システム
2 燃料電池(スタック)
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(燃料ガス供給装置:燃料ガス導入部、液体貯留部を含む)
13a ハニカム部材(伝熱促進多孔部材)
14 排出水素タンク
16a〜16f アノード系の配管(燃料ガス供給流路を含む)
17b〜17c アノード系の逆流防止弁
18 電磁弁
19 リリーフ弁
21 インテーク
22 フィルタ
23 コンプレッサ(酸化剤供給装置)
23a シリンダ
23b ピストン(仕切部材)
23c スプリング
23d,23e 仕切部材
23f 冷媒室(液体導入部)
23g 昇圧室(酸化剤ガス供給部)
23j 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)
25a,25b カソード系の逆流防止弁
31 サーモスタット弁
32 イオン交換器
33 ラジエータ
35a〜35i 冷却系の配管(接続配管を含む)
36a,36b 冷却系の逆流防止弁
41 気液分離装置
42 加湿ポンプ
51 冷媒
1
11 Hydrogen tank (high pressure fuel gas tank)
12 High-pressure injection device (fuel gas supply flow path)
13 Expander (Fuel gas supply device: Including fuel gas introduction part and liquid storage part)
13a Honeycomb member (heat transfer promoting porous member)
14
17b to 17c Anode
23g Pressure chamber (oxidant gas supply part)
25a, 25b Cathode system
36a, 36b Cooling
Claims (4)
を備える燃料電池システムであって、
前記燃料ガス供給流路中に介設され、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、非圧縮性の液体が貯留された液体貯留部とからなる燃料ガス供給装置と、
前記酸化剤ガス供給流路上に配設され、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部と、前記液体が導入される液体導入部と、それらを仕切る仕切部材と、からなる酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料ガス供給装置と前記酸化剤ガス供給装置を接続し、前記液体で液密にされた接続配管と、
をさらに備え、
前記燃料ガス供給装置に導入された前記燃料ガスの膨張により前記接続配管を介して前記酸化剤ガス供給装置の前記液体導入部に液体を導入し、前記酸化剤ガス供給部の容積を減少させることで前記酸化剤ガスを圧縮する
ことを特徴とする燃料電池システム。 A high-pressure fuel gas tank that stores fuel gas, a fuel gas supply channel that supplies the fuel gas discharged from the high-pressure fuel gas tank to a stack of a fuel cell, and an oxidant gas supply that supplies oxidant gas to the stack A flow path;
A fuel cell system comprising:
A fuel gas supply device that is interposed in the fuel gas supply flow path and includes a fuel gas supply unit that supplies the fuel gas, and a liquid storage unit that stores an incompressible liquid;
An oxidant gas supply that is disposed on the oxidant gas supply flow path and includes an oxidant gas supply part that supplies the oxidant gas, a liquid introduction part that introduces the liquid, and a partition member that partitions them. Equipment,
A connecting pipe that connects the fuel gas supply device and the oxidant gas supply device and is liquid-tight with the liquid;
Further comprising
Liquid is introduced into the liquid introduction part of the oxidant gas supply device through the connection pipe by expansion of the fuel gas introduced into the fuel gas supply device, and the volume of the oxidant gas supply part is reduced. The fuel cell system, wherein the oxidant gas is compressed in
前記燃料電池システムの冷却に用いられる
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 liquid is an antifreeze and incompressible refrigerant,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel cell system is used for cooling the fuel cell system.
ことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。 3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the fuel gas supply device stores a heat transfer promoting porous member that controls liquid flow and promotes heat transfer. 4.
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