JP2018098068A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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.
水素ガス及び酸化ガスを用いて電力を供給する燃料電池システムが実用化されている。発電装置である燃料電池は、アノードやカソードと称される電極を有している。燃料電池は、アノードに供給される水素ガスと、カソードに供給されると酸化ガスと、を用いて電気化学反応を生じさせることにより、電力を発生させる。 A fuel cell system for supplying electric power using hydrogen gas and oxidizing gas has been put into practical use. A fuel cell as a power generation device has electrodes called an anode and a cathode. The fuel cell generates electric power by causing an electrochemical reaction using hydrogen gas supplied to the anode and oxidizing gas when supplied to the cathode.
特許文献１には、水素ガス供給流路と、帰還流路と、水素ポンプと、を備える燃料電池システムが開示されている。水素ガス供給流路は、水素タンクに貯蔵された水素をアノードに供給する流路である。帰還流路は、アノードから排出されたガス（以下「アノードオフガス」という。）を水素ガス供給流路に戻す流路である。水素ポンプは、帰還流路に配置され、アノードオフガスを水素ガス供給流路側に圧送する流体機器である。アノードオフガスは、電気化学反応で消費されなかった残余の水素ガスを含んでいる。したがって、アノードオフガスをアノードに供給することにより、燃料電池システムの運転効率を向上させることができる。 Patent Document 1 discloses a fuel cell system that includes a hydrogen gas supply channel, a return channel, and a hydrogen pump. The hydrogen gas supply channel is a channel for supplying hydrogen stored in a hydrogen tank to the anode. The return flow path is a flow path for returning the gas discharged from the anode (hereinafter referred to as “anode off gas”) to the hydrogen gas supply flow path. The hydrogen pump is a fluid device that is disposed in the return flow path and pumps the anode off gas to the hydrogen gas supply flow path side. The anode off gas contains residual hydrogen gas that was not consumed in the electrochemical reaction. Therefore, the operation efficiency of the fuel cell system can be improved by supplying the anode off gas to the anode.
ところで、アノードオフガスは、水素ガスの他にも、電気化学反応に伴って生成した水蒸気を含んでいる。このため、前述した特許文献１記載の構成では、水素ポンプにおいて凝縮水の生成及びその凍結が生じ、水素ポンプの駆動に支障を来すおそれがある。 By the way, anode off gas contains the water vapor | steam produced | generated with the electrochemical reaction other than hydrogen gas. For this reason, in the structure of patent document 1 mentioned above, the production | generation and freezing of condensed water arise in a hydrogen pump, and there exists a possibility that it may interfere with the drive of a hydrogen pump.
そこで、特許文献１記載の燃料電池システムは、ヒータや、ヒータによって加熱された媒体を水素ポンプに供給する流路を備えている。このような構成を用いて水素ポンプを加熱することにより、水素ポンプにおける凝縮水の生成及びその凍結を抑制することが可能になる。 Therefore, the fuel cell system described in Patent Document 1 includes a heater and a flow path for supplying a medium heated by the heater to the hydrogen pump. By heating the hydrogen pump using such a configuration, generation of condensed water and freezing thereof in the hydrogen pump can be suppressed.
しかしながら、特許文献１記載の燃料電池システムは、水素ポンプの温度調整のみに用いられる構成を必要とするため、製造コストの増大を招くという課題があった。 However, since the fuel cell system described in Patent Document 1 requires a configuration that is used only for temperature adjustment of the hydrogen pump, there is a problem in that the manufacturing cost increases.
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、水素ポンプにおける凝縮水の生成及びその凍結を抑制しながらも、製造コストを抑制することが可能な燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of suppressing the production cost while suppressing the generation and freezing of condensed water in the hydrogen pump. There is to do.
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素ガス及び酸化ガスの供給を受け、電気化学反応を生じさせて電力を発生させる燃料電池と、燃料電池に水素ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された水素ガスを供給流路に戻す帰還流路と、帰還流路に配置され、水素ガスを圧送する水素ポンプと、燃料電池を介して冷却水を循環させる冷却水流路が内部に形成された冷却水配管と、を備える。水素ポンプは、冷却水配管と当接している。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention receives a supply of hydrogen gas and an oxidizing gas, generates an electric power by generating an electrochemical reaction, and supplies hydrogen gas to the fuel cell. A supply flow path, a return flow path for returning the hydrogen gas discharged from the fuel cell to the supply flow path, a hydrogen pump disposed in the return flow path for pumping the hydrogen gas, and cooling water circulated through the fuel cell A cooling water pipe having a cooling water channel formed therein. The hydrogen pump is in contact with the cooling water pipe.
この構成によれば、まず、冷却水流路において循環する冷却水は、電気化学反応の反応熱によって昇温している燃料電池を冷却する。この冷却の際、冷却水は燃料電池から受熱し、その温度が上昇する。 According to this configuration, first, the cooling water circulating in the cooling water flow path cools the fuel cell that has been heated by the reaction heat of the electrochemical reaction. During this cooling, the cooling water receives heat from the fuel cell and its temperature rises.
水素ポンプは、冷却水流路が内部に形成された冷却水配管と当接している。したがって、水素ポンプは、冷却水流路を流れる冷却水から冷却水配管を介して受熱し、その温度が上昇する。 The hydrogen pump is in contact with a cooling water pipe having a cooling water passage formed therein. Therefore, the hydrogen pump receives heat from the cooling water flowing through the cooling water flow path via the cooling water pipe, and the temperature rises.
すなわち、上記構成によれば、燃料電池の冷却に用いられる冷却水により、水素ポンプを加熱することができる。この結果、水素ポンプにおける凝縮水の生成及びその凍結を抑制しながらも、製造コストを抑制することが可能になる。 That is, according to the said structure, a hydrogen pump can be heated with the cooling water used for cooling of a fuel cell. As a result, it is possible to suppress the manufacturing cost while suppressing the generation of condensed water and freezing thereof in the hydrogen pump.
本発明によれば、水素ポンプにおける凝縮水の生成及びその凍結を抑制しながらも、製造コストを抑制することが可能な燃料電池システムを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell system which can suppress manufacturing cost can be provided, suppressing the production | generation of the condensed water in a hydrogen pump, and its freezing.
以下、添付図面を参照しながら実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. In order to facilitate the understanding of the description, the same constituent elements in the drawings will be denoted by the same reference numerals as much as possible, and redundant description will be omitted.
まず、図１を参照しながら、実施形態に係る燃料電池システム１の概要について説明する。図１は燃料電池システム１のブロック図である。図１は、燃料電池システム１が備える構成のうち主要なもののみを図示している。 First, the outline of the fuel cell system 1 according to the embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram of the fuel cell system 1. FIG. 1 illustrates only the main components included in the fuel cell system 1.
燃料電池システム１は、不図示の車両に搭載されている。当該車両は所謂燃料電池自動車である。当該車両は、電力によって駆動する不図示の交流モータを動力源として備えている。燃料電池システム１は、電力を発生させるとともに、当該電力を交流モータに供給する。 The fuel cell system 1 is mounted on a vehicle (not shown). The vehicle is a so-called fuel cell vehicle. The vehicle includes an AC motor (not shown) that is driven by electric power as a power source. The fuel cell system 1 generates electric power and supplies the electric power to an AC motor.
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、酸化ガス供給部２と、水素ガス供給部３と、冷却水供給部４と、を備えている。 The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10, an oxidizing gas supply unit 2, a hydrogen gas supply unit 3, and a cooling water supply unit 4.
燃料電池１０は、不図示の複数の単セルを積層してなる固体高分子形燃料電池である。各単セルは、アノードやカソードと称される電極と、アノードとカソードとの間に配置される高分子電解質膜と、を有している。アノードでは（１）式の酸化反応が生じる。カソードでは（２）式の還元反応が生じる。単セル全体としては、（３）式の電気化学反応が生じる。
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of single cells (not shown) are stacked. Each single cell has an electrode called an anode or a cathode, and a polymer electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode. The oxidation reaction of the formula (1) occurs at the anode. At the cathode, the reduction reaction of formula (2) occurs. As a whole single cell, an electrochemical reaction of the formula (3) occurs.
H 2 → 2H + + 2e − (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)
燃料電池１０は、この電気化学反応に伴って、電力線１１に直流電力を出力する。当該直流電力は、不図示のインバータによって三相交流電力に変換された後に、交流モータに供給される。 The fuel cell 10 outputs DC power to the power line 11 along with this electrochemical reaction. The DC power is converted into three-phase AC power by an inverter (not shown) and then supplied to the AC motor.
酸化ガス供給部２は、燃料電池１０のカソードに酸化ガスを供給する機能部である。具体的には、酸化ガス供給部２は空気をカソードに供給し、カソードでは当該空気中に含まれる酸素が電気化学反応に用いられる。 The oxidizing gas supply unit 2 is a functional unit that supplies an oxidizing gas to the cathode of the fuel cell 10. Specifically, the oxidizing gas supply unit 2 supplies air to the cathode, and oxygen contained in the air is used for the electrochemical reaction at the cathode.
酸化ガス供給部２は、供給流路２１及び排出流路２２を有している。供給流路２１は、車両の外部から取り込んだ空気を燃料電池１０のカソードに導く流路である。排出流路２２は、カソードから排出された空気を車両の外部に導く流路である。 The oxidizing gas supply unit 2 has a supply channel 21 and a discharge channel 22. The supply flow path 21 is a flow path that guides air taken from the outside of the vehicle to the cathode of the fuel cell 10. The discharge flow path 22 is a flow path that guides the air discharged from the cathode to the outside of the vehicle.
供給流路２１には、フィルタ２１１、コンプレッサ２１２及びインタークーラ２１３が配置されている。フィルタ２１１は、供給流路２１に取り込まれる空気から異物を除去する。コンプレッサ２１２は、フィルタ２１１よりも下流側に配置され、空気を吸引して供給流路２１に空気を取り込むとともに、圧縮して下流側に流す。インタークーラ２１３には、コンプレッサ２１２が圧縮した高温の空気が供給される。当該空気は、インタークーラ２１３を通過する際に放熱し、その温度が低下した後に、燃料電池１０に導かれる。 A filter 211, a compressor 212, and an intercooler 213 are disposed in the supply flow path 21. The filter 211 removes foreign matter from the air taken into the supply channel 21. The compressor 212 is disposed on the downstream side of the filter 211, sucks air into the supply flow path 21, and compresses it to flow downstream. Hot air compressed by the compressor 212 is supplied to the intercooler 213. The air dissipates heat when passing through the intercooler 213, and is guided to the fuel cell 10 after the temperature is lowered.
水素ガス供給部３は、燃料電池１０のアノードに水素ガスを供給する機能部である。水素ガス供給部３は、供給流路３１及び排出流路３２を有している。供給流路３１は、水素ガスを燃料電池１０のアノードに導く流路である。排出流路３２は、アノードから排出されたアノードオフガスを車両の外部に導く流路である。 The hydrogen gas supply unit 3 is a functional unit that supplies hydrogen gas to the anode of the fuel cell 10. The hydrogen gas supply unit 3 has a supply channel 31 and a discharge channel 32. The supply flow path 31 is a flow path that guides hydrogen gas to the anode of the fuel cell 10. The discharge flow path 32 is a flow path that guides the anode off gas discharged from the anode to the outside of the vehicle.
供給流路３１には、水素タンク３１１及びインジェクタ３１２が配置されている。水素タンク３１１は、その内部に高圧（例えば、３５ＭＰａから７０ＭＰａ程度）の水素ガスを貯蔵する容器である。水素タンク３１１は、不図示のバルブが開弁することにより、供給流路３１に水素ガスを供給する。水素タンク３１１が供給した水素ガスは、インジェクタ３１２を通過することにより例えば２００ｋＰａ程度まで減圧され、供給流路３１を流れる。 A hydrogen tank 311 and an injector 312 are disposed in the supply flow path 31. The hydrogen tank 311 is a container that stores high-pressure (for example, about 35 MPa to 70 MPa) hydrogen gas therein. The hydrogen tank 311 supplies hydrogen gas to the supply flow path 31 by opening a valve (not shown). The hydrogen gas supplied from the hydrogen tank 311 is reduced in pressure to, for example, about 200 kPa by passing through the injector 312 and flows through the supply flow path 31.
水素ガス供給部３は、さらに、帰還流路３３を有している。帰還流路３３は、その一端が排出流路３２に接続され、他端が供給流路３１に接続されている。換言すると、帰還流路３３は排出流路３２から分岐するとともに、供給流路３１に合流するように形成されている。これにより、燃料電池１０のアノードから排出されたアノードオフガスの一部が、帰還流路３３を介して供給流路３１に供給される。 The hydrogen gas supply unit 3 further has a return channel 33. The return flow path 33 has one end connected to the discharge flow path 32 and the other end connected to the supply flow path 31. In other words, the return flow path 33 is formed so as to branch from the discharge flow path 32 and join the supply flow path 31. As a result, a part of the anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell 10 is supplied to the supply channel 31 via the return channel 33.
燃料電池１０のアノードから排出されたアノードオフガスは、電気化学反応で消費されなかった残余の水素ガスを含んでいる。したがって、アノードオフガスが帰還流路３３を介して供給流路３１に供給されることにより、燃料電池１０から排出された水素ガスが供給流路３１に戻される。 The anode off-gas discharged from the anode of the fuel cell 10 contains residual hydrogen gas that has not been consumed by the electrochemical reaction. Accordingly, the anode off gas is supplied to the supply flow path 31 via the return flow path 33, whereby the hydrogen gas discharged from the fuel cell 10 is returned to the supply flow path 31.
帰還流路３３には水素ポンプ５が配置されている。水素ポンプ５は、排出流路３２からアノードオフガスを吸引するとともに、当該アノードガスを供給流路３１に圧送する。水素ポンプ５の詳細な構成については後述する。 A hydrogen pump 5 is disposed in the return flow path 33. The hydrogen pump 5 sucks the anode off gas from the discharge passage 32 and pressure-feeds the anode gas to the supply passage 31. The detailed configuration of the hydrogen pump 5 will be described later.
冷却水供給部４は、燃料電池１０に冷却水を供給する機能部である。燃料電池１０の各単セルは、電気化学反応の反応熱によって昇温する。冷却水供給部４は、冷却水を供給することにより燃料電池１０を冷却し、燃料電池１０の温度を所定の値に維持する。 The cooling water supply unit 4 is a functional unit that supplies cooling water to the fuel cell 10. Each unit cell of the fuel cell 10 is heated by the reaction heat of the electrochemical reaction. The cooling water supply unit 4 cools the fuel cell 10 by supplying cooling water, and maintains the temperature of the fuel cell 10 at a predetermined value.
冷却水供給部４は、冷却水流路４０を有している。冷却水流路４０は、冷却水を循環させる流路である。冷却水は、例えば不凍液を混入させたＬＬＣ等が用いられる。冷却水流路４０は、主流路４１及びバイパス流路４２を有している。 The cooling water supply unit 4 has a cooling water channel 40. The cooling water channel 40 is a channel for circulating cooling water. As the cooling water, for example, LLC mixed with antifreeze is used. The cooling water passage 40 has a main passage 41 and a bypass passage 42.
主流路４１の両端は、いずれも、燃料電池１０の内部に形成された流路に接続されている。主流路４１には、冷却水ポンプ４１１及びラジエータ４１２が配置されている。ラジエータ４１２の側方には、ファン４１３が配置されている。冷却水ポンプ４１１は、冷却水を吸引し、下流側に圧送する流体機器である。 Both ends of the main channel 41 are connected to a channel formed inside the fuel cell 10. A cooling water pump 411 and a radiator 412 are arranged in the main channel 41. A fan 413 is disposed on the side of the radiator 412. The cooling water pump 411 is a fluid device that sucks the cooling water and pumps it to the downstream side.
ラジエータ４１２は、冷却水ポンプ４１１の下流側に配置され、不図示のチューブとコルゲートフィンとを有する熱交換器である。チューブは、内部に冷却水を流す金属製の管状部材である。コルゲートフィンは、金属製の板を折り曲げることで形成されている。ラジエータ４１２は、複数のコルゲートフィンと複数のコルゲートフィンとを交互に積層することで形成されている。 The radiator 412 is a heat exchanger that is disposed on the downstream side of the cooling water pump 411 and includes a tube and a corrugated fin (not shown). The tube is a metallic tubular member that allows cooling water to flow inside. The corrugated fin is formed by bending a metal plate. The radiator 412 is formed by alternately stacking a plurality of corrugated fins and a plurality of corrugated fins.
ファン４１３が駆動すると、車両の外部から空気が取り込まれる。この空気は、隣り合うチューブ間を流れることでラジエータ４１２を通過し、当該チューブの内部を流れる冷却水と熱交換を行う。これにより、ラジエータ４１２を流れる冷却水が放熱し、当該冷却水の温度が低下する。 When the fan 413 is driven, air is taken from the outside of the vehicle. The air flows between the adjacent tubes, passes through the radiator 412, and exchanges heat with the cooling water flowing inside the tubes. Thereby, the cooling water flowing through the radiator 412 dissipates heat, and the temperature of the cooling water decreases.
バイパス流路４２は、第１流路４３及び第２流路４４を有している。第１流路４３及び第２流路４４は、いずれも、その一端が主流路４１に接続されている。詳細には、第１流路４３の一端は、冷却水ポンプ４１１の下流かつラジエータ４１２の上流の部位に接続されている。また、第２流路４４の一端は、ラジエータ４１２の下流かつ燃料電池１０の上流の部位に接続されている。第１流路４３及び第２流路４４の他端は、いずれも、インタークーラ２１３の筐体の内部に形成された流路に接続されている。 The bypass channel 42 includes a first channel 43 and a second channel 44. One end of each of the first flow path 43 and the second flow path 44 is connected to the main flow path 41. Specifically, one end of the first flow path 43 is connected to a portion downstream of the cooling water pump 411 and upstream of the radiator 412. Further, one end of the second flow path 44 is connected to a portion downstream of the radiator 412 and upstream of the fuel cell 10. The other ends of the first flow path 43 and the second flow path 44 are both connected to a flow path formed inside the housing of the intercooler 213.
冷却水ポンプ４１１が駆動すると、冷却水は主流路４１及びバイパス流路４２を循環するように流れる。主流路４１を流れる冷却水は、燃料電池１０の内部に形成された流路を流れる際に熱交換し、燃料電池１０を冷却する。当該熱交換によって昇温し、燃料電池１０から排出された冷却水は、主流路４１によってラジエータ４１２に供給される。当該冷却水は、ラジエータ４１２の内部を流れる際に空気と熱交換し、その温度が低下する。ラジエータ４１２を通過した冷却水は、主流路４１によって再び燃料電池１０に供給され、その冷却の用に供される。 When the cooling water pump 411 is driven, the cooling water flows so as to circulate through the main channel 41 and the bypass channel 42. The cooling water flowing through the main channel 41 exchanges heat when flowing through the channel formed inside the fuel cell 10 to cool the fuel cell 10. The cooling water heated by the heat exchange and discharged from the fuel cell 10 is supplied to the radiator 412 through the main channel 41. The cooling water exchanges heat with air when flowing inside the radiator 412, and the temperature thereof decreases. The cooling water that has passed through the radiator 412 is supplied again to the fuel cell 10 by the main flow path 41 and is used for cooling thereof.
ここで、冷却水ポンプ４１１によって圧送される冷却水の一部は、主流路４１からバイパス流路４２の第１流路４３に供給される。当該第１流路４３を流れる冷却水は、インタークーラ２１３に供給される。当該冷却水は、インタークーラ２１３の筐体の内部を流れる際に熱交換し、当該筐体を冷却する。当該熱交換によって昇温した冷却水は、インタークーラ２１３からバイパス流路４２の第２流路４４に排出される。 Here, a part of the cooling water pumped by the cooling water pump 411 is supplied from the main channel 41 to the first channel 43 of the bypass channel 42. The cooling water flowing through the first flow path 43 is supplied to the intercooler 213. The cooling water exchanges heat when it flows through the interior of the intercooler 213 to cool the housing. The cooling water heated by the heat exchange is discharged from the intercooler 213 to the second flow path 44 of the bypass flow path 42.
第２流路４４を流れる冷却水は、水素ポンプ５の近傍を通過した後、再び主流路４１に戻される。当該冷却水は、ラジエータ４１２を通過して主流路４１を流れる冷却水と合流し、燃料電池１０の冷却の用に供される。 The cooling water flowing through the second flow path 44 returns to the main flow path 41 again after passing through the vicinity of the hydrogen pump 5. The cooling water merges with the cooling water that passes through the radiator 412 and flows through the main flow path 41, and is used for cooling the fuel cell 10.
このように冷却水を循環させることにより、燃料電池１０を継続的に冷却することができる。冷却された燃料電池１０の温度は、所定の値に維持される。この結果、燃料電池１０において電気化学反応を安定的に生じさせ、燃料電池システム１の発電効率を高めることが可能になる。 By circulating the cooling water in this way, the fuel cell 10 can be continuously cooled. The temperature of the cooled fuel cell 10 is maintained at a predetermined value. As a result, it is possible to stably cause an electrochemical reaction in the fuel cell 10 and increase the power generation efficiency of the fuel cell system 1.
次に、水素ポンプ５の詳細な構成について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２及び図３は、水素ポンプ５の説明図である。図２は、水素ポンプ５及び冷却水配管４４１の外観を示している。図３は、図２の紙面奥行方向に対して垂直な平面で切断した水素ポンプ５の断面を示している。 Next, a detailed configuration of the hydrogen pump 5 will be described with reference to FIGS. 2 and 3. 2 and 3 are explanatory diagrams of the hydrogen pump 5. FIG. 2 shows the appearance of the hydrogen pump 5 and the cooling water pipe 441. FIG. 3 shows a cross section of the hydrogen pump 5 cut along a plane perpendicular to the depth direction of FIG.
水素ポンプ５は、真空ポンプやルーツポンプと称される流体機器である。図３に示されるように、水素ポンプ５は、ハウジング５１と、ロータ５５ａ，５５ｂと、を有している。 The hydrogen pump 5 is a fluid device called a vacuum pump or a roots pump. As shown in FIG. 3, the hydrogen pump 5 includes a housing 51 and rotors 55a and 55b.
ハウジング５１は、水素ポンプ５の外殻となる部材である。ハウジング５１の内部には、ポンプ室５２が形成されている。また、ハウジング５１のうち、互いに対向する部分には、吸込口５３と、吐出口５４と、が開設されている。吸込口５３及び吐出口５４は、いずれも、ハウジング５１の外部とポンプ室５２とを連通するように開設されている。吸込口５３及び吐出口５４は、いずれも帰還流路３３（図１参照）と接続されている。 The housing 51 is a member that becomes an outer shell of the hydrogen pump 5. A pump chamber 52 is formed inside the housing 51. In addition, a suction port 53 and a discharge port 54 are provided in portions of the housing 51 that face each other. Both the suction port 53 and the discharge port 54 are established so as to communicate the outside of the housing 51 and the pump chamber 52. Both the suction port 53 and the discharge port 54 are connected to the return flow path 33 (see FIG. 1).
ポンプ室５２には、一対のロータ５５ａ，５５ｂが配置されている。ロータ５５ａ，５５ｂは、相互間や、ハウジング５１の内側面との間に僅かな隙間を隔てて配置されている。ロータ５５ａ，５５ｂは、中央部から両端部にかけて拡大するように形成されている。 A pair of rotors 55 a and 55 b are disposed in the pump chamber 52. The rotors 55 a and 55 b are arranged with a slight gap between each other and between the inner surface of the housing 51. The rotors 55a and 55b are formed so as to expand from the center to both ends.
ロータ５５ａ，５５ｂは、その中央部が回転軸５６ａ，５６ｂによって枢支されている。ロータ５５ａ，５５ｂは、不図示のタイミングギアの回転に伴い、回転軸５６ａ，５６ｂを中心として互いに反対方向に回転するように構成されている。 The central portions of the rotors 55a and 55b are pivotally supported by the rotation shafts 56a and 56b. The rotors 55a and 55b are configured to rotate in opposite directions around the rotation shafts 56a and 56b as the timing gear (not shown) rotates.
ロータ５５ａ，５５ｂが回転し、それぞれの端部が吸込口５３の近傍を通過すると、当該端部とハウジング５１との間にアノードオフガスが補足される。これにより、矢印Ｆ１で示されるように、帰還流路３３を流れるアノードオフガスが吸込口５３からポンプ室５２に吸い込まれる。 When the rotors 55 a and 55 b rotate and their respective end portions pass near the suction port 53, the anode off gas is supplemented between the end portions and the housing 51. As a result, the anode off gas flowing through the return flow path 33 is sucked into the pump chamber 52 from the suction port 53 as indicated by the arrow F1.
ポンプ室５２に吸い込まれたアノードオフガスは、ハウジング５１とロータ５５ａ，５５ｂとの間に閉じ込められ、ロータ５５ａ，５５ｂの回転に伴って吐出口５４側に送られる。このアノードオフガスは、矢印Ｆ２で示されるように吐出口５４から排出され、前述したように帰還流路３３を流れ、供給流路３１を流れる水素ガスと合流する。 The anode off gas sucked into the pump chamber 52 is confined between the housing 51 and the rotors 55a and 55b, and is sent to the discharge port 54 side as the rotors 55a and 55b rotate. The anode off gas is discharged from the discharge port 54 as indicated by the arrow F2, flows through the return flow path 33 as described above, and merges with the hydrogen gas flowing through the supply flow path 31.
ところで、燃料電池１０のアノードから排出流路３２に排出されたアノードオフガスは、電気化学反応に伴って生成した水蒸気を含んでいる。したがって、水素ポンプ５が低温環境に置かれると、アノードオフガス中の水蒸気が凝縮し、その凝縮水が凍結するおそれがある。凍結によって生じた氷塊が、ロータ５５ａ，５５ｂ間や、ロータ５５ａ，５５ｂとハウジング５１との間に挟み込まれると、ロータ５５ａ，５５ｂの回転が妨げられ、水素ポンプ５の駆動に支障を来すおそれがある。このような凝縮水の生成及びその凍結は、アノードオフガスが吸い込まれる吸込口５３の近傍で特に懸念される。 By the way, the anode off-gas discharged | emitted from the anode of the fuel cell 10 to the discharge flow path 32 contains the water vapor | steam produced | generated with the electrochemical reaction. Therefore, when the hydrogen pump 5 is placed in a low temperature environment, water vapor in the anode off-gas may condense and the condensed water may freeze. If ice blocks generated by freezing are sandwiched between the rotors 55a and 55b, or between the rotors 55a and 55b and the housing 51, the rotation of the rotors 55a and 55b is hindered, which may hinder the driving of the hydrogen pump 5. There is. Such generation of condensed water and freezing thereof are particularly concerned in the vicinity of the suction port 53 into which the anode off gas is sucked.
そこで、燃料電池システム１は、図２に示されるように、冷却水配管４４１を水素ポンプ５のハウジング５１と当接させることで、凝縮水の凍結防止を図っている。特に、冷却水配管４４１は、吸込口５３の近傍に当接している。冷却水配管４４１は管状の部材であり、その内部に第２流路４４が形成されている。 Therefore, the fuel cell system 1 prevents the condensed water from freezing by bringing the cooling water pipe 441 into contact with the housing 51 of the hydrogen pump 5 as shown in FIG. In particular, the cooling water pipe 441 is in contact with the vicinity of the suction port 53. The cooling water pipe 441 is a tubular member, and a second flow path 44 is formed therein.
前述したように、第２流路４４には、燃料電池１０及びインタークーラ２１３と熱交換を行って昇温した冷却水が流れている。したがって、水素ポンプ５のハウジング５１は、第２流路４４を流れる冷却水から冷却水配管４４１を介して受熱し、その温度が上昇する。 As described above, the cooling water heated through the heat exchange with the fuel cell 10 and the intercooler 213 flows through the second flow path 44. Accordingly, the housing 51 of the hydrogen pump 5 receives heat from the cooling water flowing through the second flow path 44 via the cooling water pipe 441, and the temperature rises.
すなわち、本構成によれば、燃料電池１０の冷却に用いられる冷却水により、水素ポンプ５を加熱することができる。この結果、水素ポンプ５における凝縮水の生成及びその凍結を抑制しながらも、製造コストを抑制することが可能になる。 That is, according to this configuration, the hydrogen pump 5 can be heated by the cooling water used for cooling the fuel cell 10. As a result, it is possible to suppress the manufacturing cost while suppressing generation of condensed water and freezing thereof in the hydrogen pump 5.
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されず、適宜変更することができる。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. In other words, those specific examples that have been appropriately modified by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they have the characteristics of the present invention. Each element included in each of the specific examples described above and their arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate.
例えば、上記実施形態では、インタークーラ２１３と熱交換を行って昇温した冷却水によって水素ポンプ５を加熱しているが、本発明はこの態様に限定されない。つまり、冷却水に、インタークーラ２１３との熱交換を行わせることなく、水素ポンプ５を加熱させてもよい。この場合、燃料電池１０の下流側かつラジエータ４１２の上流側の主流路４１を流れる冷却水を水素ポンプ５の加熱に用いることが好ましい。この構成によれば、ラジエータ４１２を通過する前の冷却水を用いることができるため、高温の冷却水によって水素ポンプ５を確実に加熱することができる。 For example, in the above embodiment, the hydrogen pump 5 is heated by the cooling water that has been heated and exchanged with the intercooler 213, but the present invention is not limited to this aspect. That is, the hydrogen pump 5 may be heated without causing the cooling water to exchange heat with the intercooler 213. In this case, it is preferable to use the cooling water flowing in the main flow path 41 downstream of the fuel cell 10 and upstream of the radiator 412 for heating the hydrogen pump 5. According to this configuration, since the cooling water before passing through the radiator 412 can be used, the hydrogen pump 5 can be reliably heated by the high-temperature cooling water.
１：燃料電池システム ３１：供給流路 ３３：帰還流路 ４０：冷却水流路 ４１１：冷却水ポンプ ４４１：冷却水配管 1: Fuel cell system 31: Supply flow path 33: Return flow path 40: Cooling water flow path 411: Cooling water pump 441: Cooling water piping
Claims (1)
水素ガス及び酸化ガスの供給を受け、電気化学反応を生じさせて電力を発生させる燃料電池と、
前記燃料電池に水素ガスを供給する供給流路と、
前記燃料電池から排出された水素ガスを前記供給流路に戻す帰還流路と、
前記帰還流路に配置され、水素ガスを圧送する水素ポンプと、
前記燃料電池を介して冷却水を循環させる冷却水流路が内部に形成された冷却水配管と、を備え、
前記水素ポンプは、前記冷却水配管と当接していることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell system,
A fuel cell that is supplied with hydrogen gas and oxidant gas and generates an electric power by causing an electrochemical reaction;
A supply flow path for supplying hydrogen gas to the fuel cell;
A return flow path for returning the hydrogen gas discharged from the fuel cell to the supply flow path;
A hydrogen pump disposed in the return flow path for pumping hydrogen gas;
A cooling water pipe formed therein with a cooling water flow path for circulating cooling water through the fuel cell,
The fuel cell system, wherein the hydrogen pump is in contact with the cooling water pipe.
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