JP2019216025A - Fuel cell system - Google Patents

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英文 森
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Abstract

To downsize a fuel cell stack while realizing wet state of the inside of a fuel cell stack.SOLUTION: Due to heat exchange performed by an exhaust side heat exchanger 53 between exhaust gas flowing in an exhaust flow passage 15 and exhaust gas flowing in a first turbine downstream flow passage 51, the exhaust gas flowing in the exhaust flow passage 15 is cooled by the exhaust gas flowing in the first turbine downstream flow passage 51 and water vapor contained in the exhaust gas flowing in the exhaust flow passage 15 is condensed so as to generate condensed water. The condensed water flows from the first turbine downstream flow passage 51 into a second turbine downstream flow passage 52 and is supplied via the second turbine downstream flow passage 52 to a compression section upstream flow passage 12. Thereby, air flowing in the compression section upstream flow passage 12 is humidified by the condensed water supplied from the second turbine downstream flow passage 52 to the compression section upstream flow passage 12. The humidified air is supplied to a fuel cell stack 11 via a supply flow passage 14.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

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

近年、燃料ガスである水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックを備える燃料電池システムを搭載した車両が実用化されている。燃料電池システムは、空気を圧縮する電動圧縮機を備えている。電動圧縮機は、燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び圧縮部を駆動させる電動モータを有している。圧縮部によって圧縮された空気は、燃料電池スタックに供給される。   2. Description of the Related Art In recent years, a vehicle equipped with a fuel cell system including a fuel cell stack that performs power generation by chemically reacting hydrogen as fuel gas with oxygen in air has been put to practical use. The fuel cell system includes an electric compressor that compresses air. The electric compressor includes a compression unit that compresses air supplied to the fuel cell stack, and an electric motor that drives the compression unit. The air compressed by the compression unit is supplied to the fuel cell stack.

また、燃料電池システムの中には、燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンを備えているものがある。このような燃料電池システムでは、排出ガスの運動エネルギによりタービンホイールが回転することで、排出ガスの運動エネルギがタービンホイールの回転エネルギに変換される。このように、タービンで発生した回転エネルギは、圧縮部を駆動させる電動モータの負荷を低減する。よって、圧縮部を駆動させるために必要な電動モータの消費電力が低減される。   Some fuel cell systems include a turbine having a turbine wheel that is rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack. In such a fuel cell system, the turbine wheel is rotated by the kinetic energy of the exhaust gas, so that the kinetic energy of the exhaust gas is converted into the rotational energy of the turbine wheel. Thus, the rotational energy generated by the turbine reduces the load on the electric motor that drives the compression unit. Therefore, the power consumption of the electric motor necessary for driving the compression unit is reduced.

ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの発電が効率良く行われるためには、燃料電池スタック内が湿潤状態である必要がある。そこで、例えば特許文献1の燃料電池システムには、電動圧縮機によって圧縮された空気を燃料電池スタックに供給する供給流路と、燃料電池スタックとタービンとを接続するとともに燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、を跨ぐように加湿器が設けられている。燃料電池スタックから排出される排出ガスには、水蒸気が含まれている。加湿器は、燃料電池スタックから排出されて排出流路を流れる排出ガスに含まれている水蒸気を回収する。そして、加湿器は、回収した水蒸気を供給流路に向けて移動させることにより供給流路を流れる空気を加湿する。これにより、加湿器で加湿された空気が供給流路を介して燃料電池スタックに供給されるため、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができる。   By the way, in the fuel cell system, the inside of the fuel cell stack needs to be in a wet state in order for the fuel cell stack to generate power efficiently. Therefore, for example, in the fuel cell system of Patent Document 1, a supply flow path for supplying air compressed by an electric compressor to the fuel cell stack, a fuel cell stack and a turbine are connected, and the fuel cell stack is discharged from the fuel cell stack. A humidifier is provided so as to straddle the exhaust flow path through which the exhaust gas flows. The exhaust gas discharged from the fuel cell stack contains water vapor. The humidifier collects water vapor contained in exhaust gas discharged from the fuel cell stack and flowing through the discharge flow path. Then, the humidifier humidifies the air flowing through the supply flow path by moving the collected steam toward the supply flow path. Thereby, the air humidified by the humidifier is supplied to the fuel cell stack through the supply flow path, so that the inside of the fuel cell stack can be brought into a wet state.

特開2012−164457号公報JP 2012-164457 A

しかしながら、特許文献1の燃料電池システムにおいては、加湿器が、例えば、熱交換器等の構成部品と比較して体格が大きいため、燃料電池システムが全体として大型化してしまうという問題があった。   However, in the fuel cell system of Patent Literature 1, since the humidifier has a larger size than components such as a heat exchanger, there is a problem that the fuel cell system becomes larger as a whole.

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができるとともに、小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which the inside of a fuel cell stack can be made wet and the size can be reduced. It is in.

上記課題を解決する燃料電池システムは、燃料ガスと空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び前記圧縮部を駆動させる電動モータを有する電動圧縮機と、前記燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンと、前記電動圧縮機によって圧縮された空気を前記燃料電池スタックに供給する供給流路と、前記燃料電池スタックと前記タービンとを接続するとともに前記燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、前記排出流路又は前記タービンに配置され、前記燃料電池スタック内の空気の圧力を調整する圧力調整弁と、を備え、前記燃料電池スタックから排出される前記排出ガスに水蒸気が含まれている燃料電池システムであって、大気に連通するとともに大気からの空気を前記圧縮部に供給する圧縮部上流流路と、前記タービンホイールを通過した前記排出ガスが流れる第1タービン下流流路と、前記第1タービン下流流路から分岐されて前記圧縮部上流流路に連通する第2タービン下流流路と、前記排出流路における前記圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスと前記第1タービン下流流路を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う排出側熱交換器と、を備えた。   A fuel cell system that solves the above-mentioned problems includes a fuel cell stack that generates power by chemically reacting a fuel gas with oxygen in air, a compression unit that compresses air supplied to the fuel cell stack, and the compression unit. Compressor having an electric motor for driving the fuel cell, a turbine having a turbine wheel rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack, and a supply for supplying air compressed by the electric compressor to the fuel cell stack A flow path, a discharge flow path that connects the fuel cell stack and the turbine and through which exhaust gas discharged from the fuel cell stack flows, and that is disposed in the discharge flow path or the turbine; A pressure regulating valve for regulating the pressure of air, wherein water is added to the exhaust gas discharged from the fuel cell stack. A first turbine that communicates with the atmosphere and that supplies the air from the atmosphere to the compression unit, and a first turbine through which the exhaust gas flows through the turbine wheel. A downstream flow path, a second turbine downstream flow path branched from the first turbine downstream flow path and communicating with the compression section upstream flow path, and exhaust gas flowing upstream of the pressure regulating valve in the discharge flow path And an exhaust-side heat exchanger that performs heat exchange between the exhaust gas and the exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path.

これによれば、第1タービン下流流路を流れる排出ガスの温度は、圧力調整弁を通過する際に排出ガスの圧力が低下し、排出ガスの速度が速くなることにより、排出流路における圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスの温度に比べると低くなっている。そして、排出流路における圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスと第1タービン下流流路を流れる排出ガスとの間の熱交換が排出側熱交換器によって行われることにより、排出流路における圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスが第1タービン下流流路を流れる排出ガスによって冷却される。これにより、排出流路における圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて凝縮水が生成される。凝縮水は、排出ガスと共に排出流路を流れるとともにタービンホイールを通過して第1タービン下流流路を流れる。そして、凝縮水の少なくとも一部は、第1タービン下流流路から第2タービン下流流路に流れ込んで第2タービン下流流路を介して圧縮部上流流路に供給される。これにより、圧縮部上流流路を流れる空気が、第2タービン下流流路から圧縮部上流流路に供給される凝縮水によって加湿される。加湿された空気は、供給流路を介して燃料電池スタックに供給されるため、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池スタック内を湿潤状態とするために、従来技術のような加湿器を供給流路と排出流路とを跨ぐように設ける必要が無い。その結果、燃料電池システムの小型化を図ることができる。   According to this, the temperature of the exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path is reduced by reducing the pressure of the exhaust gas when passing through the pressure regulating valve and increasing the speed of the exhaust gas. The temperature is lower than the temperature of the exhaust gas flowing upstream of the regulating valve. The heat exchange between the exhaust gas flowing upstream of the pressure regulating valve in the discharge flow path and the exhaust gas flowing in the first turbine downstream flow path is performed by the discharge side heat exchanger, so that the discharge flow path in the discharge flow path is changed. The exhaust gas flowing upstream of the pressure regulating valve is cooled by the exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path. As a result, water vapor contained in the exhaust gas flowing upstream of the pressure regulating valve in the exhaust flow path is condensed to generate condensed water. The condensed water flows through the exhaust passage together with the exhaust gas and passes through the turbine wheel and flows through the first turbine downstream passage. At least a portion of the condensed water flows from the first turbine downstream flow path to the second turbine downstream flow path, and is supplied to the compression section upstream flow path via the second turbine downstream flow path. Thereby, the air flowing through the upstream passage of the compression unit is humidified by the condensed water supplied from the downstream passage of the second turbine to the upstream passage of the compression unit. Since the humidified air is supplied to the fuel cell stack through the supply flow path, the inside of the fuel cell stack can be brought into a wet state. Therefore, it is not necessary to provide a humidifier as in the related art so as to straddle the supply flow path and the discharge flow path in order to make the inside of the fuel cell stack wet. As a result, the size of the fuel cell system can be reduced.

上記燃料電池システムにおいて、前記第1タービン下流流路と前記第2タービン下流流路との分岐部には気液分離器が設けられているとよい。
これによれば、第1タービン下流流路を流れる排出ガス及び凝縮水は、第1タービン下流流路と第2タービン下流流路との分岐部において、気液分離器によって排出ガスと凝縮水とに分離される。そして、気液分離器によって分離された排出ガスが第1タービン下流流路における気液分離器よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込むとともに、気液分離器によって分離された凝縮水が第2タービン下流流路に流れ込むことにより、第2タービン下流流路を介して圧縮部上流流路に供給される凝縮水の量を多くすることができる。よって、圧縮部上流流路を流れる空気が加湿され易くなるため、燃料電池スタック内を効率良く湿潤状態とすることができる。
In the above fuel cell system, a gas-liquid separator may be provided at a branch between the first turbine downstream flow path and the second turbine downstream flow path.
According to this, the exhaust gas and the condensed water flowing through the first turbine downstream flow path are separated from the exhaust gas and the condensed water by the gas-liquid separator at the branch between the first turbine downstream flow path and the second turbine downstream flow path. Is separated into The exhaust gas separated by the gas-liquid separator flows into the downstream flow path of the exhaust gas in the first turbine downstream flow path in the flow direction of the exhaust gas, and the condensed gas separated by the gas-liquid separator. By flowing water into the second turbine downstream flow path, the amount of condensed water supplied to the compression section upstream flow path via the second turbine downstream flow path can be increased. Therefore, the air flowing through the upstream passage of the compression unit is easily humidified, and the inside of the fuel cell stack can be efficiently brought into a wet state.

上記燃料電池システムにおいて、前記供給流路を流れる空気と前記第1タービン下流流路における前記排出側熱交換器よりも前記排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う供給側熱交換器をさらに備えているとよい。   In the above fuel cell system, heat exchange between air flowing through the supply flow path and exhaust gas flowing downstream of the exhaust heat exchanger in the first turbine downstream flow path in the flow direction of the exhaust gas is performed. It is preferable to further include a supply-side heat exchanger for performing the heat transfer.

これによれば、電動圧縮機によって圧縮されて供給流路を流れる高温の空気と第1タービン下流流路における排出側熱交換器よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換が供給側熱交換器によって行われることにより、供給流路を流れる空気が第1タービン下流流路における排出側熱交換器よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスによって冷却される。よって、供給流路を介して燃料電池スタックに供給される空気の温度を低くすることができるため、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。   According to this, between the high-temperature air compressed by the electric compressor and flowing through the supply flow path and the exhaust gas flowing downstream of the exhaust-side heat exchanger in the first turbine downstream flow path in the exhaust gas flow direction. Is performed by the supply-side heat exchanger, so that the air flowing through the supply flow path is cooled by the exhaust gas flowing downstream of the exhaust-side heat exchanger in the first turbine downstream flow path in the exhaust gas flow direction. Is done. Therefore, since the temperature of the air supplied to the fuel cell stack through the supply flow path can be reduced, the power generation efficiency of the fuel cell stack can be improved.

この発明によれば、燃料電池スタック内を湿潤状態とすることができるとともに、小型化を図ることができる。   According to the present invention, the inside of the fuel cell stack can be made wet and the size can be reduced.

実施形態における燃料電池システムの概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system in an embodiment.

以下、燃料電池システムを具体化した一実施形態を図1にしたがって説明する。本実施形態の燃料電池システムは、例えば、燃料電池車などの車両に搭載されている。
図1に示すように、燃料電池システム10は、燃料電池スタック11と、燃料電池スタック11に供給される空気を圧縮する電動圧縮機21と、電動圧縮機21と直列接続されるとともに燃料電池スタック11に供給される空気を圧縮するタービン圧縮機31と、を備えている。燃料電池スタック11は、例えば、複数のセルを有している。各セルは、酸素極と、水素極と、両極の間に配置された電解質膜とが積層されて構成されている。そして、燃料電池スタック11は、燃料ガスである水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う。
Hereinafter, an embodiment of the fuel cell system will be described with reference to FIG. The fuel cell system according to the present embodiment is mounted on a vehicle such as a fuel cell vehicle, for example.
As shown in FIG. 1, a fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 11, an electric compressor 21 that compresses air supplied to the fuel cell stack 11, and an electric compressor 21 connected in series and a fuel cell stack. And a turbine compressor 31 that compresses the air supplied to the compressor 11. The fuel cell stack 11 has, for example, a plurality of cells. Each cell is formed by laminating an oxygen electrode, a hydrogen electrode, and an electrolyte membrane disposed between the two electrodes. Then, the fuel cell stack 11 performs power generation by chemically reacting hydrogen as a fuel gas with oxygen in the air.

燃料電池スタック11は、図示しない走行用モータに電気的に接続されている。走行用モータは、燃料電池スタック11により発電された電力を電力源として駆動する。走行用モータの動力は、図示しない動力伝達機構を介して車軸に伝達され、車両は、アクセルペダルのアクセル開度に応じた車速で走行する。   The fuel cell stack 11 is electrically connected to a traveling motor (not shown). The traveling motor is driven by using the power generated by the fuel cell stack 11 as a power source. The power of the traveling motor is transmitted to the axle via a power transmission mechanism (not shown), and the vehicle travels at a vehicle speed corresponding to the accelerator opening of the accelerator pedal.

燃料電池スタック11の発電に寄与する酸素は、空気中に2割程度しか存在しないことから、燃料電池スタック11に供給された空気の8割程度は、燃料電池スタック11の発電に寄与されることなく燃料電池スタック11から排出ガスとして排出される。また、燃料電池スタック11が発電を行うと、燃料電池スタック11の内部には、水素と酸素との化学反応によって水が生成される。燃料電池スタック11で生成された水は、燃料電池スタック11の発電によって生じる熱によって水蒸気となって燃料電池スタック11から排出される。したがって、燃料電池スタック11から排出される排出ガスには水蒸気が含まれている。   Since only about 20% of the oxygen that contributes to the power generation of the fuel cell stack 11 exists in the air, about 80% of the air supplied to the fuel cell stack 11 contributes to the power generation of the fuel cell stack 11. And discharged from the fuel cell stack 11 as exhaust gas. Further, when the fuel cell stack 11 generates power, water is generated inside the fuel cell stack 11 by a chemical reaction between hydrogen and oxygen. The water generated in the fuel cell stack 11 is discharged from the fuel cell stack 11 as water vapor by heat generated by the power generation of the fuel cell stack 11. Therefore, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11 contains water vapor.

燃料電池スタック11は、空気が供給される供給口11aと、空気が排出ガスとして排出される排出口11bと、供給口11aと排出口11bとを繋ぐ空気流路11cと、を有している。空気流路11cでは、供給口11aから供給された空気が排出口11bに向けて流れる。   The fuel cell stack 11 has a supply port 11a to which air is supplied, a discharge port 11b from which air is discharged as exhaust gas, and an air flow path 11c connecting the supply port 11a and the discharge port 11b. . In the air passage 11c, the air supplied from the supply port 11a flows toward the discharge port 11b.

電動圧縮機21は、電動圧縮機ハウジング22と、電動圧縮機ハウジング22内に収容される電動モータ23と、電動モータ23の駆動によって回転する連結軸24と、連結軸24に連結される圧縮部25と、を有している。電動モータ23は、図示しないバッテリから電力が供給されることにより駆動して連結軸24を回転させる。圧縮部25は、連結軸24が回転することにより駆動して燃料電池スタック11に供給される空気を圧縮する。よって、電動モータ23は、圧縮部25を駆動させる。本実施形態において、圧縮部25は、連結軸24の端部に連結され、連結軸24と一体的に回転するインペラであり、電動圧縮機21では、インペラが回転することにより圧縮動作が行われる。   The electric compressor 21 includes an electric compressor housing 22, an electric motor 23 housed in the electric compressor housing 22, a connection shaft 24 rotated by driving the electric motor 23, and a compression unit connected to the connection shaft 24. 25. The electric motor 23 is driven by power supplied from a battery (not shown) to rotate the connecting shaft 24. The compression unit 25 is driven by the rotation of the connecting shaft 24 and compresses the air supplied to the fuel cell stack 11. Therefore, the electric motor 23 drives the compression unit 25. In the present embodiment, the compression unit 25 is an impeller that is connected to the end of the connection shaft 24 and rotates integrally with the connection shaft 24. In the electric compressor 21, the compression operation is performed by rotating the impeller. .

電動圧縮機ハウジング22は、空気が吸入される吸入口22aと、空気が吐出される吐出口22bと、を有している。また、燃料電池システム10は、大気に連通するとともに大気からの空気を圧縮部25に供給する圧縮部上流流路12を備えている。圧縮部上流流路12は、例えば、配管等で構成されている。圧縮部上流流路12の一端は大気に開放されており、圧縮部上流流路12の他端は吸入口22aに接続されている。そして、大気からの空気が圧縮部上流流路12を流れて吸入口22aに吸入される。圧縮部25は、吸入口22aから吸入された空気を圧縮する。そして、圧縮部25で圧縮された空気は吐出口22bから吐出される。   The electric compressor housing 22 has a suction port 22a through which air is sucked, and a discharge port 22b through which air is discharged. Further, the fuel cell system 10 includes a compression section upstream flow path 12 that communicates with the atmosphere and supplies air from the atmosphere to the compression section 25. The compression section upstream flow path 12 is configured by, for example, a pipe or the like. One end of the compression section upstream flow path 12 is open to the atmosphere, and the other end of the compression section upstream flow path 12 is connected to the suction port 22a. Then, air from the atmosphere flows through the upstream passage 12 of the compression unit and is sucked into the suction port 22a. The compression unit 25 compresses the air sucked from the suction port 22a. The air compressed by the compression section 25 is discharged from the discharge port 22b.

燃料電池システム10は、タービン41を備えている。タービン41は、燃料電池スタック11から排出される排出ガスによって回転するタービンホイール42を有している。タービン41は、タービン圧縮機31に一体化されている。   The fuel cell system 10 includes a turbine 41. The turbine 41 has a turbine wheel 42 rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11. The turbine 41 is integrated with the turbine compressor 31.

タービン圧縮機31は、ハウジング32と、ハウジング32内に収容される回転軸33と、タービン41のタービンハウジング34と、を有している。ハウジング32内には、コンプレッサホイール35が収容される収容室36が形成されている。また、タービンハウジング34内には、タービンホイール42が収容されるタービン室37が形成されている。回転軸33の一端部は、収容室36内に突出している。そして、回転軸33の一端部には、コンプレッサホイール35が連結されている。回転軸33の他端部は、タービン室37内に突出している。そして、回転軸33の他端部には、タービンホイール42が連結されている。コンプレッサホイール35及びタービンホイール42は、回転軸33と一体的に回転するインペラである。コンプレッサホイール35は、回転軸33の回転に伴って回転することにより空気を圧縮する。   The turbine compressor 31 has a housing 32, a rotating shaft 33 housed in the housing 32, and a turbine housing 34 of the turbine 41. A housing chamber 36 in which the compressor wheel 35 is housed is formed in the housing 32. Further, a turbine chamber 37 in which a turbine wheel 42 is housed is formed in the turbine housing 34. One end of the rotating shaft 33 protrudes into the storage chamber 36. A compressor wheel 35 is connected to one end of the rotating shaft 33. The other end of the rotating shaft 33 protrudes into the turbine chamber 37. The other end of the rotating shaft 33 is connected to a turbine wheel 42. The compressor wheel 35 and the turbine wheel 42 are impellers that rotate integrally with the rotating shaft 33. The compressor wheel 35 compresses air by rotating with the rotation of the rotating shaft 33.

ハウジング32は、空気が吸入される吸入口32aと、空気が吐出される吐出口32bと、を有している。また、ハウジング32内には、吸入口32aと収容室36とを連通する第1連通路321が形成されている。さらに、ハウジング32内には、収容室36と吐出口32bとを連通する第2連通路322が形成されている。   The housing 32 has a suction port 32a through which air is sucked, and a discharge port 32b through which air is discharged. In the housing 32, a first communication passage 321 that connects the suction port 32a and the storage chamber 36 is formed. Further, in the housing 32, a second communication passage 322 that connects the housing chamber 36 and the discharge port 32b is formed.

燃料電池システム10は、電動圧縮機21とタービン圧縮機31とを接続する接続流路13を備えている。接続流路13は、例えば、配管等で構成されている。接続流路13の一端は、電動圧縮機21の吐出口22bに接続されており、接続流路13の他端はタービン圧縮機31の吸入口32aに接続されている。そして、電動圧縮機21で圧縮されて吐出口22bから接続流路13に吐出された空気が、接続流路13を流れて吸入口32aに吸入される。コンプレッサホイール35は、吸入口32aから吸入されて第1連通路321を介して収容室36内に流入した空気を圧縮する。そして、コンプレッサホイール35で圧縮された空気は、収容室36から第2連通路322を介して吐出口32bから吐出される。   The fuel cell system 10 includes a connection passage 13 that connects the electric compressor 21 and the turbine compressor 31. The connection flow path 13 is configured by, for example, a pipe. One end of the connection flow path 13 is connected to a discharge port 22 b of the electric compressor 21, and the other end of the connection flow path 13 is connected to a suction port 32 a of the turbine compressor 31. Then, the air compressed by the electric compressor 21 and discharged from the discharge port 22b to the connection channel 13 flows through the connection channel 13 and is sucked into the suction port 32a. The compressor wheel 35 compresses the air sucked from the suction port 32a and flowing into the storage chamber 36 through the first communication passage 321. The air compressed by the compressor wheel 35 is discharged from the storage chamber 36 through the discharge port 32b through the second communication path 322.

したがって、タービン圧縮機31は、電動圧縮機21で1度圧縮された空気を圧縮している。よって、本実施形態の燃料電池システム10においては、燃料電池スタック11に供給される空気を、電動圧縮機21及びタービン圧縮機31でそれぞれ圧縮する2段階圧縮を行っている。   Therefore, the turbine compressor 31 compresses the air once compressed by the electric compressor 21. Therefore, in the fuel cell system 10 of the present embodiment, two-stage compression is performed in which the air supplied to the fuel cell stack 11 is compressed by the electric compressor 21 and the turbine compressor 31, respectively.

燃料電池システム10は、タービン圧縮機31と燃料電池スタック11とを接続する供給流路14を備えている。供給流路14は、例えば、配管等で構成されている。供給流路14の一端は、タービン圧縮機31の吐出口32bに接続されるとともに、供給流路14の他端は、燃料電池スタック11の供給口11aに接続されている。そして、吐出口32bから吐出された空気は、供給流路14を流れて供給口11aに供給される。したがって、供給流路14は、電動圧縮機21及びタービン圧縮機31でそれぞれ圧縮された空気を燃料電池スタック11に供給する。すなわち、供給流路14は、電動圧縮機21によって圧縮された空気を燃料電池スタック11に供給する。   The fuel cell system 10 includes a supply passage 14 that connects the turbine compressor 31 and the fuel cell stack 11. The supply flow path 14 is comprised by piping etc., for example. One end of the supply passage 14 is connected to a discharge port 32 b of the turbine compressor 31, and the other end of the supply passage 14 is connected to a supply port 11 a of the fuel cell stack 11. And the air discharged from the discharge port 32b flows through the supply flow path 14, and is supplied to the supply port 11a. Therefore, the supply flow path 14 supplies the air compressed by the electric compressor 21 and the turbine compressor 31 to the fuel cell stack 11. That is, the supply flow path 14 supplies the air compressed by the electric compressor 21 to the fuel cell stack 11.

タービンハウジング34は、排出ガスが導入される導入口34aと、タービン室37を通過した排出ガスが排出される排出口34bと、を有している。また、燃料電池システム10は、燃料電池スタック11とタービン41とを接続するとともに燃料電池スタック11の排出口11bから排出される排出ガスが流れる排出流路15を備えている。排出流路15は、例えば、配管等で構成されている。排出流路15の一端は排出口11bに接続されるとともに、排出流路15の他端は導入口34aに接続されている。そして、排出口11bから排出された排出ガスは、排出流路15を流れて導入口34aに導入される。   The turbine housing 34 has an inlet 34a through which the exhaust gas is introduced, and an outlet 34b through which the exhaust gas passing through the turbine chamber 37 is exhausted. Further, the fuel cell system 10 includes an exhaust passage 15 that connects the fuel cell stack 11 and the turbine 41 and through which exhaust gas discharged from the outlet 11b of the fuel cell stack 11 flows. The discharge channel 15 is formed of, for example, a pipe. One end of the discharge channel 15 is connected to the outlet 11b, and the other end of the discharge channel 15 is connected to the inlet 34a. The exhaust gas discharged from the outlet 11b flows through the discharge channel 15 and is introduced into the inlet 34a.

タービンハウジング34内には、導入口34aとタービン室37とを繋ぐ連通路38が形成されている。タービン圧縮機31は、連通路38の流路断面積を調整して燃料電池スタック11内の空気の圧力を調整する圧力調整弁39を有している。よって、本実施形態において、圧力調整弁39は、タービン41に配置されている。圧力調整弁39は、例えば、タービンホイール42の外周の位置に周方向に複数配列されるノズルベーンと、複数のノズルベーンを回動させる回動機構部と、を有している。そして、回動機構部によって複数のノズルベーンが回動することにより、連通路38の流路断面積が調整される。   In the turbine housing 34, a communication passage 38 that connects the introduction port 34a and the turbine chamber 37 is formed. The turbine compressor 31 has a pressure adjustment valve 39 that adjusts the pressure of the air in the fuel cell stack 11 by adjusting the cross-sectional area of the communication passage 38. Therefore, in the present embodiment, the pressure regulating valve 39 is disposed on the turbine 41. The pressure regulating valve 39 has, for example, a plurality of nozzle vanes arranged in the circumferential direction at a position on the outer periphery of the turbine wheel 42, and a rotating mechanism for rotating the plurality of nozzle vanes. The cross-sectional area of the communication passage 38 is adjusted by rotating the plurality of nozzle vanes by the rotation mechanism.

燃料電池システム10は、制御装置16を備えている。制御装置16は、アクセルペダルの操作態様等に基づいて燃料電池スタック11に要求される要求発電量を算出する。制御装置16は、電動モータ23と電気的に接続されている。制御装置16は、要求発電量に基づいて、電動モータ23の目標トルクを導出する。そして、制御装置16は、電動モータのトルクが目標トルクとなるように電動モータ23の駆動を制御する。   The fuel cell system 10 includes a control device 16. The control device 16 calculates the required power generation amount required for the fuel cell stack 11 based on the operation mode of the accelerator pedal and the like. The control device 16 is electrically connected to the electric motor 23. The control device 16 derives the target torque of the electric motor 23 based on the required power generation amount. Then, the control device 16 controls the driving of the electric motor 23 so that the torque of the electric motor becomes the target torque.

また、制御装置16は、圧力調整弁39と電気的に接続されている。制御装置16は、要求発電量に基づいて、圧力調整弁39の目標開度を導出する。そして、制御装置16は、圧力調整弁39の開度が、導出された目標開度となるように圧力調整弁39の開度を制御する。制御装置16により圧力調整弁39の開度が制御されることにより、燃料電池スタック11に供給される空気の圧力が調整される。なお、圧力調整弁39の開度は、複数のノズルベーンの回動角度である。そして、燃料電池スタック11に供給される空気の圧力が調整されることにより、燃料電池スタック11内の湿度が調整される。燃料電池スタック11内の湿度は、燃料電池スタック11の発電を効率良く行うために、予め定められた所望の湿度に調整される。   Further, the control device 16 is electrically connected to the pressure regulating valve 39. The control device 16 derives a target opening of the pressure regulating valve 39 based on the required power generation amount. Then, the control device 16 controls the opening of the pressure adjusting valve 39 so that the opening of the pressure adjusting valve 39 becomes the derived target opening. The pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11 is adjusted by controlling the opening of the pressure adjusting valve 39 by the control device 16. The opening of the pressure adjusting valve 39 is the rotation angle of the plurality of nozzle vanes. And the humidity in the fuel cell stack 11 is adjusted by adjusting the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11. The humidity in the fuel cell stack 11 is adjusted to a predetermined desired humidity in order to efficiently generate power in the fuel cell stack 11.

また、圧力調整弁39によって連通路38の流路断面積が調整されることにより、連通路38からタービン室37に導入される排出ガスの圧力が調整される。タービンホイール42は、圧力調整弁39を通過した排出ガスが吹き付けられることによって回転する。よって、タービン41においては、タービンホイール42が排出ガスによって回転することにより回転エネルギが発生する。すなわち、タービン41は、排出ガスの運動エネルギを、タービンホイール42が回転することによって、回転エネルギに変換している。タービン圧縮機31では、排出ガスの運動エネルギにより、タービンホイール42が回転することで回転軸33が回転し、回転軸33の回転に伴ってコンプレッサホイール35が回転することにより空気が圧縮される。   In addition, the pressure cross-sectional area of the communication passage 38 is adjusted by the pressure adjustment valve 39, so that the pressure of the exhaust gas introduced from the communication passage 38 into the turbine chamber 37 is adjusted. The turbine wheel 42 rotates when the exhaust gas that has passed through the pressure regulating valve 39 is blown. Therefore, in the turbine 41, rotational energy is generated when the turbine wheel 42 is rotated by the exhaust gas. That is, the turbine 41 converts the kinetic energy of the exhaust gas into rotational energy by rotating the turbine wheel 42. In the turbine compressor 31, the kinetic energy of the exhaust gas rotates the turbine wheel 42 to rotate the rotating shaft 33, and the compressor wheel 35 rotates with the rotation of the rotating shaft 33 to compress the air.

回転軸33は、図示しない軸受によってハウジング32に対して回転可能に支持されている。軸受としては、例えば、空気動圧軸受が用いられている。空気動圧軸受は、回転軸33の回転数が空気動圧軸受により回転軸33が浮上する浮上回転数に達するまでは、回転軸33と接触した状態で回転軸33を支持する。そして、回転軸33の回転数が浮上回転数に達すると、回転軸33と空気動圧軸受との間に生じる動圧によって、空気動圧軸受により回転軸33が浮上し、空気動圧軸受は、回転軸33と非接触の状態で回転軸33を支持する。   The rotating shaft 33 is rotatably supported by the housing 32 by a bearing (not shown). As the bearing, for example, an air dynamic pressure bearing is used. The air dynamic pressure bearing supports the rotating shaft 33 in contact with the rotating shaft 33 until the rotating speed of the rotating shaft 33 reaches the floating rotation speed at which the rotating shaft 33 floats by the air dynamic pressure bearing. When the rotation speed of the rotating shaft 33 reaches the floating rotation speed, the rotating shaft 33 is floated by the air dynamic pressure bearing due to the dynamic pressure generated between the rotating shaft 33 and the air dynamic pressure bearing. The rotating shaft 33 is supported in a state where the rotating shaft 33 is not in contact with the rotating shaft 33.

燃料電池システム10は、第1タービン下流流路51、第2タービン下流流路52、及び排出側熱交換器53を備えている。第1タービン下流流路51は、例えば、配管等で構成されている。第1タービン下流流路51の一端は、タービンハウジング34の排出口34bに接続されている。第1タービン下流流路51の他端は、大気に開放されている。第1タービン下流流路51内には、タービンホイール42を通過して排出口34bから排出された排出ガスが流れる。したがって、第1タービン下流流路51は、タービンホイール42を通過した排出ガスが流れる。   The fuel cell system 10 includes a first turbine downstream flow path 51, a second turbine downstream flow path 52, and an exhaust-side heat exchanger 53. The first turbine downstream flow path 51 is configured by, for example, a pipe or the like. One end of the first turbine downstream flow path 51 is connected to an outlet 34 b of the turbine housing 34. The other end of the first turbine downstream flow path 51 is open to the atmosphere. In the first turbine downstream flow path 51, the exhaust gas that has passed through the turbine wheel 42 and has been discharged from the discharge port 34b flows. Therefore, the exhaust gas that has passed through the turbine wheel 42 flows through the first turbine downstream flow path 51.

第1タービン下流流路51は、排出口34bから排出側熱交換器53に向けて延びている。なお、図1では、図示の都合上、第1タービン下流流路51がタービン圧縮機31を横切るように図示されているが、実際には、第1タービン下流流路51は、タービン圧縮機31に干渉しない位置に延設されている。第1タービン下流流路51の一部分である器内流路511は、排出側熱交換器53内を通過している。   The first turbine downstream flow path 51 extends from the discharge port 34b toward the discharge-side heat exchanger 53. In FIG. 1, the first turbine downstream flow path 51 is illustrated as crossing the turbine compressor 31 for the sake of illustration, but in actuality, the first turbine downstream flow path 51 is It extends to a position where it does not interfere with. The internal passage 511, which is a part of the first turbine downstream passage 51, passes through the exhaust-side heat exchanger 53.

また、排出流路15の一部分である器内流路151は、排出側熱交換器53内を通過している。排出流路15の器内流路151と第1タービン下流流路51の器内流路511とは、排出側熱交換器53内において、器内流路151を流れる排出ガスと器内流路511を流れる排出ガスとが熱交換可能な状態で互いに配置されている。よって、排出側熱交換器53は、排出流路15を流れる排出ガスと第1タービン下流流路51を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う。   The internal passage 151, which is a part of the discharge passage 15, passes through the inside of the discharge-side heat exchanger 53. The internal flow path 151 of the discharge flow path 15 and the internal flow path 511 of the first turbine downstream flow path 51 correspond to the exhaust gas flowing through the internal flow path 151 and the internal flow path in the discharge-side heat exchanger 53. The exhaust gas flowing through 511 is arranged so as to be able to exchange heat. Therefore, the discharge side heat exchanger 53 exchanges heat between the discharge gas flowing through the discharge passage 15 and the discharge gas flowing through the first turbine downstream flow passage 51.

第2タービン下流流路52は、第1タービン下流流路51から分岐されて圧縮部上流流路12に連通している。第2タービン下流流路52は、例えば、配管等で構成されている。また、第1タービン下流流路51と第2タービン下流流路52との分岐部54には気液分離器55が設けられている。第1タービン下流流路51と第2タービン下流流路52との分岐部54は、第1タービン下流流路51において、器内流路511よりも排出ガスの流れ方向の上流側に位置している。気液分離器55は、気液分離器55の内部において、気体が第1タービン下流流路51における気液分離器55よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に向けて流れるとともに、液体が第2タービン下流流路52に向けて流れるように、気体と液体とが分離可能に構成されている。   The second turbine downstream flow path 52 is branched from the first turbine downstream flow path 51 and communicates with the compression section upstream flow path 12. The second turbine downstream flow path 52 is configured by, for example, a pipe or the like. A gas-liquid separator 55 is provided at a branch 54 between the first turbine downstream flow path 51 and the second turbine downstream flow path 52. The branch portion 54 between the first turbine downstream flow path 51 and the second turbine downstream flow path 52 is located on the first turbine downstream flow path 51 on the upstream side of the internal flow path 511 in the exhaust gas flow direction. I have. The gas-liquid separator 55 is configured such that, inside the gas-liquid separator 55, the gas flows in the first turbine downstream flow path 51 toward a flow path downstream of the gas-liquid separator 55 in the exhaust gas flow direction, and The gas and the liquid are configured to be separable so that the liquid flows toward the second turbine downstream flow path 52.

燃料電池システム10は、供給側熱交換器56をさらに備えている。供給流路14の一部分である器内流路141は、供給側熱交換器56内を通過している。また、第1タービン下流流路51における排出側熱交換器53よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路の一部分である器内流路512は、供給側熱交換器56内を通過している。供給流路14の器内流路141と第1タービン下流流路51の器内流路512とは、供給側熱交換器56内において、器内流路141を流れる空気と器内流路512を流れる排出ガスとが熱交換可能な状態で互いに配置されている。よって、供給側熱交換器56は、供給流路14を流れる空気と第1タービン下流流路51における排出側熱交換器53よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う。   The fuel cell system 10 further includes a supply-side heat exchanger 56. The internal flow path 141, which is a part of the supply flow path 14, passes through the supply-side heat exchanger 56. Further, the internal flow path 512, which is a part of the flow path of the first turbine downstream flow path 51 on the downstream side in the exhaust gas flow direction from the discharge side heat exchanger 53, passes through the supply side heat exchanger 56. ing. The internal flow path 141 of the supply flow path 14 and the internal flow path 512 of the first turbine downstream flow path 51 are connected to the air flowing through the internal flow path 141 and the internal flow path 512 in the supply-side heat exchanger 56. And the exhaust gas flowing therethrough are arranged so as to be able to exchange heat. Accordingly, the supply-side heat exchanger 56 is provided between the air flowing through the supply flow path 14 and the exhaust gas flowing downstream of the exhaust-side heat exchanger 53 in the first turbine downstream flow path 51 in the exhaust gas flow direction. Perform heat exchange.

次に、本実施形態の作用について説明する。
第1タービン下流流路51を流れる排出ガスの温度は、圧力調整弁39を通過する際に排出ガスの圧力が低下し、排出ガスの速度が速くなることにより、排出流路15を流れる排出ガスの温度に比べると低くなっている。そして、排出流路15を流れる排出ガスと第1タービン下流流路51を流れる排出ガスとの間の熱交換が排出側熱交換器53によって行われることにより、排出流路15を流れる排出ガスが第1タービン下流流路51を流れる排出ガスによって冷却される。これにより、排出流路15を流れる排出ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて凝縮水が生成される。凝縮水は、排出ガスと共に排出流路15、導入口34a、連通路38、及びタービン室37を流れてタービンホイール42を通過し、第1タービン下流流路51を流れて気液分離器55内に至る。
Next, the operation of the present embodiment will be described.
The temperature of the exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path 51 decreases as the pressure of the exhaust gas decreases when passing through the pressure regulating valve 39 and the speed of the exhaust gas increases. It is lower than the temperature. The heat exchange between the exhaust gas flowing through the discharge flow path 15 and the exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path 51 is performed by the discharge-side heat exchanger 53, so that the exhaust gas flowing through the discharge flow path 15 is reduced. The exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path 51 is cooled. As a result, the water vapor contained in the exhaust gas flowing through the exhaust passage 15 is condensed, and condensed water is generated. The condensed water flows with the exhaust gas through the discharge flow path 15, the inlet 34a, the communication path 38, and the turbine chamber 37, passes through the turbine wheel 42, flows through the first turbine downstream flow path 51, and flows through the gas-liquid separator 55. Leads to.

また、排出側熱交換器53において凝縮されずに排出ガス中に存在していた水蒸気は、タービン41において、圧力調整弁39を通過する際に排出ガスの圧力が低下し、排出ガスの速度が速くなることによって冷却されて、水蒸気が凝縮されることにより凝縮水が生成される。そして、この凝縮水は、排出ガスと共に連通路38及びタービン室37を流れてタービンホイール42を通過し、第1タービン下流流路51を流れて気液分離器55内に至る。   In addition, the steam present in the exhaust gas without being condensed in the exhaust heat exchanger 53 decreases the pressure of the exhaust gas when passing through the pressure regulating valve 39 in the turbine 41, and the speed of the exhaust gas decreases. Cooling is performed by increasing the speed, and condensed water is generated by condensing the steam. Then, the condensed water flows through the communication passage 38 and the turbine chamber 37 together with the exhaust gas, passes through the turbine wheel 42, flows through the first turbine downstream flow path 51, and reaches the inside of the gas-liquid separator 55.

気液分離器55内の排出ガス及び凝縮水は、気液分離器55によって排出ガスと凝縮水とに分離される。気液分離器55内では、排出ガスが第1タービン下流流路51における気液分離器55よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に向けて流れるとともに、凝縮水が第2タービン下流流路52に向けて流れるように互いに分離される。そして、気液分離器55によって分離された排出ガスが第1タービン下流流路51における気液分離器55よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込む。第1タービン下流流路51における気液分離器55よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込んだ排出ガスは、各器内流路511,512を通過して大気に排出される。   The exhaust gas and the condensed water in the gas-liquid separator 55 are separated into the exhaust gas and the condensed water by the gas-liquid separator 55. In the gas-liquid separator 55, the exhaust gas flows in the first turbine downstream flow path 51 toward a flow path downstream of the gas-liquid separator 55 in the exhaust gas flow direction, and condensed water flows in the second turbine downstream flow path. They are separated from each other so as to flow toward the channel 52. Then, the exhaust gas separated by the gas-liquid separator 55 flows into the first turbine downstream flow path 51 into a flow path downstream of the gas-liquid separator 55 in the exhaust gas flow direction. Exhaust gas that has flowed into the first turbine downstream flow path 51 in a flow path downstream of the gas-liquid separator 55 in the flow direction of the exhaust gas passes through the internal flow paths 511 and 512 and is discharged to the atmosphere. .

ここで、気液分離器55内の圧力は大気圧よりも高くなっており、圧縮部上流流路12内の圧力は大気圧よりも低くなっているため、気液分離器55内の圧力は、圧縮部上流流路12内の圧力よりも高くなっている。よって、気液分離器55によって分離された凝縮水は、気液分離器55内の圧力と圧縮部上流流路12内の圧力との差によって第2タービン下流流路52に吸い込まれるように流れ込んで、第2タービン下流流路52を介して圧縮部上流流路12に供給される。これにより、圧縮部上流流路12を流れる空気が、第2タービン下流流路52から圧縮部上流流路12に供給される凝縮水によって加湿される。加湿された空気は、電動圧縮機21の圧縮部25及びタービン圧縮機31のコンプレッサホイール35それぞれによって圧縮されるとともに供給流路14を介して燃料電池スタック11に供給される。これにより、燃料電池スタック11内が湿潤状態となる。   Here, the pressure in the gas-liquid separator 55 is higher than the atmospheric pressure, and the pressure in the compression unit upstream flow path 12 is lower than the atmospheric pressure. , Higher than the pressure in the upstream channel 12 of the compression section. Therefore, the condensed water separated by the gas-liquid separator 55 flows so as to be sucked into the second turbine downstream flow path 52 by a difference between the pressure in the gas-liquid separator 55 and the pressure in the compression section upstream flow path 12. Thus, the compressed gas is supplied to the compression section upstream flow path 12 via the second turbine downstream flow path 52. Thereby, the air flowing in the compression section upstream flow path 12 is humidified by the condensed water supplied from the second turbine downstream flow path 52 to the compression section upstream flow path 12. The humidified air is compressed by the compression unit 25 of the electric compressor 21 and the compressor wheel 35 of the turbine compressor 31, respectively, and is supplied to the fuel cell stack 11 via the supply passage 14. Thereby, the inside of the fuel cell stack 11 becomes wet.

また、電動圧縮機21及びタービン圧縮機31によって圧縮されて供給流路14を流れる高温の空気と第1タービン下流流路51における排出側熱交換器53よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換が供給側熱交換器56によって行われる。これにより、供給流路14を流れる空気が第1タービン下流流路51における排出側熱交換器53よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスによって冷却され、供給流路14を介して燃料電池スタック11に供給される空気の温度が低くなる。   In addition, the high-temperature air compressed by the electric compressor 21 and the turbine compressor 31 and flowing through the supply flow path 14 and the downstream side of the exhaust-side heat exchanger 53 in the first turbine downstream flow path 51 in the flow direction of the exhaust gas flow. The heat exchange with the flowing exhaust gas is performed by the supply-side heat exchanger 56. Thereby, the air flowing through the supply flow path 14 is cooled by the exhaust gas flowing downstream of the exhaust-side heat exchanger 53 in the first turbine downstream flow path 51 in the flow direction of the exhaust gas. The temperature of the air supplied to the fuel cell stack 11 decreases.

上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
(1)排出流路15を流れる排出ガスと第1タービン下流流路51を流れる排出ガスとの間の熱交換が排出側熱交換器53によって行われることにより、排出流路15を流れる排出ガスが第1タービン下流流路51を流れる排出ガスによって冷却され、排出流路15を流れる排出ガスに含まれている水蒸気が凝縮されて凝縮水が生成される。そして、凝縮水は、第1タービン下流流路51から第2タービン下流流路52に流れ込んで第2タービン下流流路52を介して圧縮部上流流路12に供給される。これにより、圧縮部上流流路12を流れる空気が、第2タービン下流流路52から圧縮部上流流路12に供給される凝縮水によって加湿される。加湿された空気は、供給流路14を介して燃料電池スタック11に供給されるため、燃料電池スタック11内を湿潤状態とすることができる。したがって、燃料電池スタック11内を湿潤状態とするために、従来技術のような加湿器を供給流路14と排出流路15とを跨ぐように設ける必要が無い。その結果、燃料電池システム10の小型化を図ることができる。
In the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The heat exchange between the exhaust gas flowing through the discharge flow path 15 and the exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path 51 is performed by the discharge-side heat exchanger 53, so that the exhaust gas flowing through the discharge flow path 15 Is cooled by the exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path 51, and the steam contained in the exhaust gas flowing through the exhaust flow path 15 is condensed to generate condensed water. Then, the condensed water flows from the first turbine downstream flow path 51 into the second turbine downstream flow path 52 and is supplied to the compression section upstream flow path 12 via the second turbine downstream flow path 52. Thereby, the air flowing in the compression section upstream flow path 12 is humidified by the condensed water supplied from the second turbine downstream flow path 52 to the compression section upstream flow path 12. Since the humidified air is supplied to the fuel cell stack 11 through the supply flow path 14, the inside of the fuel cell stack 11 can be in a wet state. Therefore, in order to make the inside of the fuel cell stack 11 wet, it is not necessary to provide a humidifier as in the related art so as to straddle the supply passage 14 and the discharge passage 15. As a result, the size of the fuel cell system 10 can be reduced.

(2)第1タービン下流流路51と第2タービン下流流路52との分岐部54には気液分離器55が設けられている。これによれば、第1タービン下流流路51を流れる排出ガス及び凝縮水は、第1タービン下流流路51と第2タービン下流流路52との分岐部54において、気液分離器55によって排出ガスと凝縮水とに分離される。そして、気液分離器55によって分離された排出ガスが第1タービン下流流路51における気液分離器55よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込むとともに、気液分離器55によって分離された凝縮水が第2タービン下流流路52に流れ込む。これにより、第2タービン下流流路52を介して圧縮部上流流路12に供給される凝縮水の量を多くすることができる。よって、圧縮部上流流路12を流れる空気が加湿され易くなるため、燃料電池スタック11内を効率良く湿潤状態とすることができる。   (2) A gas-liquid separator 55 is provided at a branch portion 54 between the first turbine downstream flow path 51 and the second turbine downstream flow path 52. According to this, the exhaust gas and the condensed water flowing through the first turbine downstream flow path 51 are discharged by the gas-liquid separator 55 at the branch portion 54 between the first turbine downstream flow path 51 and the second turbine downstream flow path 52. Separated into gas and condensed water. Then, the exhaust gas separated by the gas-liquid separator 55 flows into the first turbine downstream flow path 51 into a flow path downstream of the gas-liquid separator 55 in the flow direction of the exhaust gas, and is discharged by the gas-liquid separator 55. The separated condensed water flows into the second turbine downstream flow path 52. Thereby, the amount of condensed water supplied to the compression section upstream flow path 12 via the second turbine downstream flow path 52 can be increased. Therefore, since the air flowing through the compression section upstream flow path 12 is easily humidified, the inside of the fuel cell stack 11 can be efficiently wetted.

(3)燃料電池システム10は、供給流路14を流れる空気と第1タービン下流流路51における排出側熱交換器53よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う供給側熱交換器56をさらに備えている。これによれば、電動圧縮機21によって圧縮されて供給流路14を流れる高温の空気が第1タービン下流流路51における排出側熱交換器53よりも排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスによって冷却される。よって、供給流路14を介して燃料電池スタック11に供給される空気の温度を低くすることができるため、燃料電池スタック11の発電効率を向上させることができる。   (3) The fuel cell system 10 performs heat transfer between the air flowing through the supply flow path 14 and the exhaust gas flowing downstream of the exhaust heat exchanger 53 in the first turbine downstream flow path 51 in the exhaust gas flow direction. A supply-side heat exchanger 56 for performing exchange is further provided. According to this, the high-temperature air compressed by the electric compressor 21 and flowing through the supply flow path 14 is discharged from the first turbine downstream flow path 51 downstream of the discharge-side heat exchanger 53 in the exhaust gas flow direction. Cooled by gas. Therefore, the temperature of the air supplied to the fuel cell stack 11 via the supply flow path 14 can be lowered, so that the power generation efficiency of the fuel cell stack 11 can be improved.

(4)第2タービン下流流路52から圧縮部上流流路12に供給される凝縮水は、空気を圧縮することにより圧縮部25で発生する熱によって水蒸気になる。この凝縮水の蒸発潜熱により、圧縮部25によって圧縮された空気が冷却されるため、電動圧縮機21から吐出される空気の温度を低くすることができ、燃料電池スタック11の発電効率を向上させることができる。   (4) The condensed water supplied from the second turbine downstream flow path 52 to the compression section upstream flow path 12 becomes steam by the heat generated in the compression section 25 by compressing the air. Since the air compressed by the compression unit 25 is cooled by the latent heat of evaporation of the condensed water, the temperature of the air discharged from the electric compressor 21 can be lowered, and the power generation efficiency of the fuel cell stack 11 is improved. be able to.

(5)気液分離器55によって分離された排出ガスが第1タービン下流流路51における気液分離器55よりも排出ガスの流れ方向の下流側の流路に流れ込むため、第1タービン下流流路51から第2タービン下流流路52を介して圧縮部上流流路12に流れ込む排出ガスの量を少なくすることができる。その結果、圧縮部上流流路12を流れて圧縮部25に供給される排出ガスの量が少なくなるため、圧縮部25で圧縮される排出ガスの量が少なくなる。その結果、圧縮部25における空気の圧縮効率を向上させることができる。   (5) Since the exhaust gas separated by the gas-liquid separator 55 flows into the first turbine downstream flow path 51 into a flow path downstream of the gas-liquid separator 55 in the exhaust gas flow direction, the first turbine downstream flow It is possible to reduce the amount of exhaust gas flowing from the passage 51 through the second turbine downstream passage 52 to the compression section upstream passage 12. As a result, the amount of exhaust gas that flows through the compression unit upstream flow path 12 and is supplied to the compression unit 25 decreases, and therefore the amount of exhaust gas compressed by the compression unit 25 decreases. As a result, the compression efficiency of air in the compression unit 25 can be improved.

(6)従来技術のように、供給流路14と排出流路15とを跨ぐように設けられる加湿器は、例えば、水分交換可能な中空糸膜を備え、中空糸膜を介して燃料電池スタック11に供給される空気を加湿するため、加湿器による排出ガスの圧損が生じ易く、タービンホイール42を回転させるための排出ガスの運動エネルギが小さくなってしまう。すると、タービンホイール42が回転することにより発生する回転エネルギが小さくなるため、電動圧縮機21の圧縮部25が行う圧縮仕事を増大させる必要がある。したがって、圧縮部25を駆動させる電動モータ23の負荷が増大し、圧縮部25を駆動させるために必要な電動モータ23の消費電力が増大してしまう。   (6) As in the prior art, the humidifier provided so as to straddle the supply flow path 14 and the discharge flow path 15 is provided with, for example, a moisture-exchangeable hollow fiber membrane, and a fuel cell stack is provided via the hollow fiber membrane. Since the air supplied to the humidifier 11 is humidified, the pressure loss of the exhaust gas by the humidifier is likely to occur, and the kinetic energy of the exhaust gas for rotating the turbine wheel 42 is reduced. Then, since the rotation energy generated by the rotation of the turbine wheel 42 decreases, it is necessary to increase the compression work performed by the compression unit 25 of the electric compressor 21. Therefore, the load on the electric motor 23 that drives the compression unit 25 increases, and the power consumption of the electric motor 23 required to drive the compression unit 25 increases.

本実施形態の燃料電池システム10では、内部に中空糸膜などが設けられていない排出側熱交換器53及び供給側熱交換器56を採用した構成であるため、加湿器を採用した構成に比べると排出ガスの圧損を抑えることができる。よって、排出ガスの圧損が生じることにより、タービンホイール42を回転させるための排出ガスの運動エネルギが小さくなってしまうことが抑制されるため、タービンホイール42が回転することにより発生する回転エネルギが小さくなってしまうことが抑制される。その結果、圧縮部25を駆動させるために必要な電動モータ23の消費電力が低減され易い。   The fuel cell system 10 of the present embodiment employs a configuration in which the discharge-side heat exchanger 53 and the supply-side heat exchanger 56 in which no hollow fiber membrane or the like is provided are used. And the pressure loss of the exhaust gas can be suppressed. Therefore, since the kinetic energy of the exhaust gas for rotating the turbine wheel 42 is suppressed from being reduced due to the pressure loss of the exhaust gas, the rotational energy generated by the rotation of the turbine wheel 42 is reduced. Is suppressed. As a result, the power consumption of the electric motor 23 required to drive the compression unit 25 is easily reduced.

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。   The above embodiment can be modified and implemented as follows. The above embodiment and the following modification examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.

○ 実施形態において、燃料電池システム10は、第1タービン下流流路51と第2タービン下流流路52との分岐部54に気液分離器55が設けられていない構成であってもよい。この場合であっても、凝縮水の一部は、第1タービン下流流路51から第2タービン下流流路52に流れ込んで第2タービン下流流路52を介して圧縮部上流流路12に供給される。要は、燃料電池システム10は、凝縮水の少なくとも一部が、第1タービン下流流路51から第2タービン下流流路52に流れ込んで第2タービン下流流路52を介して圧縮部上流流路12に供給される構成であればよい。   In the embodiment, the fuel cell system 10 may have a configuration in which the gas-liquid separator 55 is not provided at the branch portion 54 between the first turbine downstream channel 51 and the second turbine downstream channel 52. Even in this case, a part of the condensed water flows from the first turbine downstream flow path 51 to the second turbine downstream flow path 52 and is supplied to the compression section upstream flow path 12 via the second turbine downstream flow path 52. Is done. In short, in the fuel cell system 10, at least a part of the condensed water flows from the first turbine downstream flow path 51 to the second turbine downstream flow path 52 and passes through the second turbine downstream flow path 52 to the compression section upstream flow path. 12 may be used.

○ 実施形態において、燃料電池システム10は、供給側熱交換器56を備えていない構成であってもよい。
○ 実施形態において、電動圧縮機21とタービン圧縮機31との位置関係を逆にしてもよい。すなわち、電動圧縮機21が、タービン圧縮機31で1度圧縮された空気を圧縮するようにしてもよい。
In the embodiment, the fuel cell system 10 may be configured not to include the supply-side heat exchanger 56.
In the embodiment, the positional relationship between the electric compressor 21 and the turbine compressor 31 may be reversed. That is, the electric compressor 21 may compress the air compressed once by the turbine compressor 31.

○ 実施形態において、タービン圧縮機31が、回転軸33を回転させる電動モータを有していてもよい。この場合、電動モータは、回転軸33におけるコンプレッサホイール35とタービンホイール42との間に設けられる。そして、燃料電池システム10において、電動圧縮機21を削除し、タービン圧縮機31を、燃料電池システム10が備える電動圧縮機として機能させてもよい。この場合、コンプレッサホイール35は、電動圧縮機の圧縮部として機能する。   In the embodiment, the turbine compressor 31 may include an electric motor that rotates the rotating shaft 33. In this case, the electric motor is provided between the compressor wheel 35 and the turbine wheel 42 on the rotating shaft 33. Then, in the fuel cell system 10, the electric compressor 21 may be deleted, and the turbine compressor 31 may function as an electric compressor included in the fuel cell system 10. In this case, the compressor wheel 35 functions as a compression unit of the electric compressor.

○ 実施形態において、燃料電池システム10は、タービン圧縮機31を備えていなくてもよく、タービン41を少なくとも備えていればよい。そして、タービン41においてタービンホイール42が回転することにより発生する回転エネルギを利用して、例えば発電機に回生電力を発生させ、発電機で発生した回生電力を、圧縮部25を駆動させるための電動モータ23への供給電力として用いるようにしてもよい。   In the embodiment, the fuel cell system 10 does not need to include the turbine compressor 31 and only needs to include at least the turbine 41. Then, using the rotational energy generated by the rotation of the turbine wheel 42 in the turbine 41, for example, a regenerative electric power is generated in the generator, and the regenerative electric power generated in the generator is used for driving the compressor 25. It may be used as power supplied to the motor 23.

○ 実施形態において、圧力調整弁39の具体的な構成は特に限定されるものではない。要は、圧力調整弁39は、連通路38の流路断面積を調整して燃料電池スタック11に供給される空気の圧力を調整することができるものであればよい。   In the embodiment, the specific configuration of the pressure regulating valve 39 is not particularly limited. In short, the pressure adjusting valve 39 may be any valve that can adjust the pressure of the air supplied to the fuel cell stack 11 by adjusting the cross-sectional area of the communication passage 38.

○ 実施形態において、圧力調整弁39はタービン圧縮機31に設けられていたが、これに限らず、排出流路15における排出側熱交換器53とタービンハウジング34との間に設けられていてもよい。要は、圧力調整弁39がタービン41に配置されているのではなく、排出流路15に配置されていてもよい。この場合、排出側熱交換器53は、排出流路15における圧力調整弁39よりも上流側を流れる排出ガスと第1タービン下流流路51を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う。   In the embodiment, the pressure regulating valve 39 is provided in the turbine compressor 31. However, the present invention is not limited to this, and the pressure regulating valve 39 may be provided between the discharge heat exchanger 53 and the turbine housing 34 in the discharge flow path 15. Good. In short, the pressure regulating valve 39 may not be arranged in the turbine 41 but may be arranged in the discharge passage 15. In this case, the exhaust-side heat exchanger 53 exchanges heat between the exhaust gas flowing upstream of the pressure regulating valve 39 in the exhaust flow path 15 and the exhaust gas flowing through the first turbine downstream flow path 51.

○ 実施形態において、圧縮部25の具体的な型式は、本実施形態のようなインペラ式に限らず任意であり、例えば、スクロール式やルーツ式などであってもよい。
○ 実施形態において、燃料電池システム10は、車両以外に搭載されていてもよい。
In the embodiment, the specific type of the compression unit 25 is not limited to the impeller type as in the present embodiment, and may be any type, such as a scroll type or a roots type.
In the embodiment, the fuel cell system 10 may be mounted on a device other than the vehicle.

10…燃料電池システム、11…燃料電池スタック、12…圧縮部上流流路、14…供給流路、15…排出流路、21…電動圧縮機、23…電動モータ、25…圧縮部、39…圧力調整弁、41…タービン、42…タービンホイール、51…第1タービン下流流路、52…第2タービン下流流路、53…排出側熱交換器、54…分岐部、55…気液分離器、56…供給側熱交換器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell system, 11 ... Fuel cell stack, 12 ... Compression part upstream flow path, 14 ... Supply flow path, 15 ... Discharge flow path, 21 ... Electric compressor, 23 ... Electric motor, 25 ... Compression part, 39 ... Pressure regulating valve, 41 ... Turbine, 42 ... Turbine wheel, 51 ... First turbine downstream flow path, 52 ... Second turbine downstream flow path, 53 ... Discharge side heat exchanger, 54 ... Branch part, 55 ... Gas-liquid separator , 56 ... supply side heat exchanger.

Claims (3)

燃料ガスと空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する圧縮部、及び前記圧縮部を駆動させる電動モータを有する電動圧縮機と、
前記燃料電池スタックから排出される排出ガスによって回転するタービンホイールを有するタービンと、
前記電動圧縮機によって圧縮された空気を前記燃料電池スタックに供給する供給流路と、
前記燃料電池スタックと前記タービンとを接続するとともに前記燃料電池スタックから排出される排出ガスが流れる排出流路と、
前記排出流路又は前記タービンに配置され、前記燃料電池スタック内の空気の圧力を調整する圧力調整弁と、を備え、
前記燃料電池スタックから排出される前記排出ガスに水蒸気が含まれている燃料電池システムであって、
大気に連通するとともに大気からの空気を前記圧縮部に供給する圧縮部上流流路と、
前記タービンホイールを通過した前記排出ガスが流れる第1タービン下流流路と、
前記第1タービン下流流路から分岐されて前記圧縮部上流流路に連通する第2タービン下流流路と、
前記排出流路における前記圧力調整弁よりも上流側を流れる排出ガスと前記第1タービン下流流路を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う排出側熱交換器と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell stack that performs a chemical reaction between fuel gas and oxygen in the air to generate power,
A compression unit that compresses air supplied to the fuel cell stack, and an electric compressor including an electric motor that drives the compression unit;
A turbine having a turbine wheel rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack;
A supply channel for supplying air compressed by the electric compressor to the fuel cell stack,
An exhaust passage connecting the fuel cell stack and the turbine and through which exhaust gas discharged from the fuel cell stack flows,
A pressure regulating valve arranged in the exhaust passage or the turbine and regulating a pressure of air in the fuel cell stack,
A fuel cell system in which the exhaust gas discharged from the fuel cell stack contains water vapor,
A compression section upstream flow path that communicates with the atmosphere and supplies air from the atmosphere to the compression section;
A first turbine downstream flow path through which the exhaust gas that has passed through the turbine wheel flows;
A second turbine downstream flow path branched from the first turbine downstream flow path and communicating with the compression section upstream flow path;
A discharge-side heat exchanger for performing heat exchange between exhaust gas flowing upstream of the pressure regulating valve in the discharge flow path and exhaust gas flowing in the first turbine downstream flow path. And a fuel cell system.
前記第1タービン下流流路と前記第2タービン下流流路との分岐部には気液分離器が設けられてい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 a gas-liquid separator is provided at a branch between the first turbine downstream flow path and the second turbine downstream flow path. 前記供給流路を流れる空気と前記第1タービン下流流路における前記排出側熱交換器よりも前記排出ガスの流れ方向の下流側を流れる排出ガスとの間の熱交換を行う供給側熱交換器をさらに備えていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池システム。   A supply-side heat exchanger that performs heat exchange between air flowing through the supply passage and exhaust gas flowing downstream of the exhaust-side heat exchanger in the first turbine downstream passage in the flow direction of the exhaust gas. The fuel cell system according to claim 1, further comprising:
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