JP2024005650A - fuel cell system - Google Patents
fuel cell system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2024005650A JP2024005650A JP2022105917A JP2022105917A JP2024005650A JP 2024005650 A JP2024005650 A JP 2024005650A JP 2022105917 A JP2022105917 A JP 2022105917A JP 2022105917 A JP2022105917 A JP 2022105917A JP 2024005650 A JP2024005650 A JP 2024005650A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- section
- turbine
- exhaust gas
- heat exchange
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims abstract description 104
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 138
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 30
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 112
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 18
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 18
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 13
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 abstract description 15
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04044—Purification of heat exchange media
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04746—Pressure; Flow
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
- H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
- H01M8/04828—Humidity; Water content
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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.
燃料電池システムは、燃料電池スタックを備えている。燃料電池スタックは、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。また、燃料電池システムは、電動圧縮機と、タービンと、を備えている場合がある。電動圧縮機は、圧縮部、及びモータを備えている。圧縮部は、燃料電池スタックに供給される空気を圧縮する。モータは、圧縮部を駆動させる。タービンは、タービンホイールを有している。タービンホイールは、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してモータの駆動を補助する。具体的には、タービンホイールは、燃料電池スタックから排出される排出ガスがタービンに供給されることにより回転する。タービンに供給された排出ガスは、タービンホイールの回転によって膨張する。そして、排出ガスが膨張することにより、排出ガスのエネルギーが回転エネルギーに変換される。このように、排出ガスのエネルギーが回転エネルギーに変換されることにより、タービンにて回生動力が発生する。そして、タービンにて発生した回生動力によって、モータの駆動が補助される。 The fuel cell system includes a fuel cell stack. A fuel cell stack generates electricity by causing a chemical reaction between fuel gas and oxygen in the air. Further, the fuel cell system may include an electric compressor and a turbine. The electric compressor includes a compression section and a motor. The compression section compresses air supplied to the fuel cell stack. The motor drives the compression section. The turbine has a turbine wheel. The turbine wheel is rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack and assists in driving the motor. Specifically, the turbine wheel rotates as exhaust gas discharged from the fuel cell stack is supplied to the turbine. Exhaust gas supplied to the turbine is expanded by rotation of the turbine wheel. As the exhaust gas expands, the energy of the exhaust gas is converted into rotational energy. In this way, the energy of the exhaust gas is converted into rotational energy, thereby generating regenerative power in the turbine. The drive of the motor is assisted by the regenerative power generated by the turbine.
例えば特許文献1の燃料電池システムでは、電動圧縮機の圧縮部で圧縮された空気と、燃料電池スタックから排出された排出ガスとの熱交換を行う熱交換器を備えている。そして、燃料電池スタックから排出された排出ガスは、熱交換器にて、圧縮部で圧縮された空気によって加熱される。これにより、排出ガスのエネルギーが増大するため、タービンにてタービンホイールの回転によって排出ガスが膨張することにより変換される回転エネルギーが増大する。その結果、タービンにて発生する回生動力が増加するため、モータの駆動が効率良く補助される。 For example, the fuel cell system disclosed in Patent Document 1 includes a heat exchanger that exchanges heat between air compressed by a compression section of an electric compressor and exhaust gas discharged from a fuel cell stack. Then, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack is heated in the heat exchanger by air compressed in the compression section. This increases the energy of the exhaust gas, so the rotational energy converted by expanding the exhaust gas in the turbine due to the rotation of the turbine wheel increases. As a result, the regenerative power generated by the turbine increases, so that the drive of the motor is efficiently assisted.
ところで、例えば、排出ガスが熱交換器を通過する際に生じる圧力損失は、タービンにて発生する回生動力の増加を妨げる要因となる。したがって、タービンにて発生する回生動力を効率良く増加させることが望まれている。 By the way, for example, pressure loss that occurs when exhaust gas passes through a heat exchanger becomes a factor that prevents an increase in regenerative power generated in a turbine. Therefore, it is desired to efficiently increase the regenerative power generated by the turbine.
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モータを備えている電動圧縮機と、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して前記モータの駆動を補助するタービンホイールを有するタービンと、を備えている燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックから排出される排出ガスに含まれる水を貯留する貯留タンクを備え、前記貯留タンクは、前記貯留タンク内の空気層に接続されるとともに前記燃料電池スタックから排出された排出ガスを前記貯留タンク内に供給する供給口と、前記供給口から供給された前記排出ガスから水を分離する気液分離部と、前記気液分離部で分離された水が貯留される貯留部と、前記貯留部に貯留された水と前記電動圧縮機から吐出された空気との熱交換を行う熱交換部と、前記空気層に接続されるとともに前記気液分離部で水が分離された後の排出ガスを前記タービンへ排出する排出口と、を有している。 A fuel cell system that solves the above problems includes a fuel cell stack that generates electricity by chemically reacting fuel gas and oxygen in the air, a compression section that compresses air supplied to the fuel cell stack, and the compression section. and a turbine having a turbine wheel that is rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack to assist in driving the motor. and a storage tank for storing water contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack, the storage tank being connected to an air layer in the storage tank and for storing water contained in the exhaust gas discharged from the fuel cell stack. A supply port that supplies gas into the storage tank, a gas-liquid separation section that separates water from the exhaust gas supplied from the supply port, and a storage section that stores the water separated by the gas-liquid separation section. a heat exchange section that exchanges heat between the water stored in the storage section and the air discharged from the electric compressor; and a heat exchange section that is connected to the air layer and that separates water in the gas-liquid separation section. and an exhaust port for discharging subsequent exhaust gas to the turbine.
これによれば、燃料電池スタックから排出された排出ガスは、供給口を介して貯留タンク内の空気層に供給される。気液分離部は、供給口から供給された排出ガスから水を分離する。そして、気液分離部で分離された水が貯留部に貯留される。貯留部に貯留された水は、電動圧縮機から吐出された空気との熱交換部を介した熱交換が行われることにより蒸発されて水蒸気となる。水蒸気は、気液分離部で水が分離された後の排出ガスと共に排出ガスとして排出口を介してタービンへ排出される。このように、タービンに供給される排出ガスの質量が、水蒸気が加わった分だけ増える。その結果、タービンホイールの回転によって膨張する排出ガスの質量が増えるため、タービンホイールの仕事量が増える。これにより、タービンにて発生する回生動力が増加する。また、気液分離部で水が分離された後の排出ガスは、貯留タンク内の空気層を通過して排出口からタービンへ排出される。したがって、貯留タンク内での排出ガスの圧力損失が生じ難く、タービンにて発生する回生動力の増加を妨げられることが回避されている。以上により、タービンにて発生する回生動力を効率良く増加させることができる。 According to this, the exhaust gas discharged from the fuel cell stack is supplied to the air layer within the storage tank via the supply port. The gas-liquid separation section separates water from the exhaust gas supplied from the supply port. The water separated by the gas-liquid separation section is then stored in the storage section. The water stored in the storage section undergoes heat exchange with the air discharged from the electric compressor via the heat exchange section, and is evaporated into water vapor. The water vapor is discharged to the turbine through the exhaust port as exhaust gas together with the exhaust gas after water has been separated in the gas-liquid separation section. In this way, the mass of the exhaust gas supplied to the turbine increases by the amount of water vapor added. As a result, the mass of the exhaust gas that expands as the turbine wheel rotates increases, which increases the amount of work done by the turbine wheel. This increases the regenerative power generated by the turbine. Further, the exhaust gas after water has been separated in the gas-liquid separation section passes through an air layer in the storage tank and is discharged from the discharge port to the turbine. Therefore, pressure loss of the exhaust gas within the storage tank is less likely to occur, and an increase in regenerative power generated in the turbine is avoided. With the above, the regenerative power generated by the turbine can be efficiently increased.
上記燃料電池システムにおいて、前記貯留タンクは、前記貯留部に貯留される水の液面が所定の高さを超えないように前記貯留部に貯留される水の貯水量を制御する貯水量制御部を有し、前記熱交換部は、前記所定の高さよりも鉛直方向の下方に配置される熱交換本体部と、前記熱交換本体部から延びるとともに前記所定の高さを超えて前記空気層に突出する突出部と、を有しているとよい。 In the fuel cell system, the storage tank includes a water storage amount control unit that controls the amount of water stored in the storage portion so that the liquid level of the water stored in the storage portion does not exceed a predetermined height. The heat exchange section has a heat exchange main body that is arranged vertically below the predetermined height, and a heat exchange main body that extends from the heat exchange main body and extends beyond the predetermined height to the air layer. It is preferable to have a protrusion that protrudes.
これによれば、突出部によって、貯留部に貯留されている水の液面を吸い上げる毛細管現象を引き起こすことができるため、貯留タンク内の気相と液相との間の表面積を増加させることができる。その結果、貯留部に貯留されている水を効率良く蒸発させることができる。 According to this, the protruding part can cause a capillary phenomenon that sucks up the liquid level of the water stored in the storage part, so it is possible to increase the surface area between the gas phase and the liquid phase in the storage tank. can. As a result, the water stored in the storage section can be efficiently evaporated.
上記燃料電池システムにおいて、前記タービンは、前記タービンホイールを収容するタービン室と、前記タービン室へ供給される排出ガスの流量を絞る固定ノズルと、を有し、前記電動圧縮機から吐出される空気を前記熱交換部へ導入する導入流路と、前記導入流路から分岐するとともに前記導入流路を流れる空気を前記熱交換部を迂回して前記燃料電池スタックへ供給するバイパス流路と、前記導入流路から前記バイパス流路へ分岐して流れる空気の流量を調整することにより、前記電動圧縮機から前記導入流路を介して前記熱交換部へ導入される空気の流量を調整する流量調整部と、を備えているとよい。 In the fuel cell system, the turbine includes a turbine chamber that accommodates the turbine wheel, and a fixed nozzle that throttles the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber, and the turbine includes air discharged from the electric compressor. an introduction flow path that introduces the air into the heat exchange section; a bypass flow path that branches from the introduction flow path and supplies air flowing through the introduction flow path to the fuel cell stack by bypassing the heat exchange section; Flow rate adjustment that adjusts the flow rate of air introduced from the electric compressor to the heat exchange section via the introduction flow path by adjusting the flow rate of air that branches and flows from the introduction flow path to the bypass flow path. It would be good to have a section and.
これによれば、貯留部に貯留された水と電動圧縮機から吐出された空気との熱交換部を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量を調整することができる。したがって、タービンが固定ノズルを有する構成であるように、タービン室へ供給される排出ガスの流量が一義的に決まっている構成であったとしても、タービンホイールの回転によって膨張する排出ガスの流量を調整することができる。その結果、タービンの膨張比を調整することができるため、タービンを高いタービン効率で動作させることができる。 According to this, the amount of water vapor generated by heat exchange between the water stored in the storage part and the air discharged from the electric compressor via the heat exchange part can be adjusted. Therefore, even if the flow rate of the exhaust gas supplied to the turbine chamber is uniquely determined, such as when the turbine has a fixed nozzle, the flow rate of the exhaust gas that expands due to the rotation of the turbine wheel is limited. Can be adjusted. As a result, the expansion ratio of the turbine can be adjusted, so the turbine can be operated with high turbine efficiency.
上記燃料電池システムにおいて、前記熱交換部は、前記貯留タンク内において鉛直方向に並んで配置される配管部を複数有し、前記電動圧縮機から吐出された空気は、前記各配管部内を流れ、前記各配管部は、前記貯留部に貯留された水と前記電動圧縮機から吐出された空気との熱交換を行うとよい。 In the fuel cell system, the heat exchange section has a plurality of piping sections arranged vertically in parallel within the storage tank, and air discharged from the electric compressor flows through each of the piping sections; Each of the piping sections preferably performs heat exchange between the water stored in the storage section and the air discharged from the electric compressor.
例えば、貯留部に貯留されている水の液面が下がることにより、複数の配管部のうち、鉛直方向の上方に位置する配管部が、貯留タンク内の空気層に露出する場合がある。貯留タンク内の空気層に露出した配管部では、貯留部に貯留された水と電動圧縮機から吐出された空気との熱交換が行われ難くなる。このように、貯留部に貯留されている水の液面の変動によって、貯留部に貯留された水と電動圧縮機から吐出された空気との熱交換部を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量を微調整することができる。 For example, when the liquid level of the water stored in the storage section decreases, a piping section located vertically above among the plurality of piping sections may be exposed to the air layer within the storage tank. In the piping section exposed to the air layer within the storage tank, heat exchange between the water stored in the storage section and the air discharged from the electric compressor becomes difficult to occur. In this way, due to fluctuations in the liquid level of the water stored in the storage section, heat exchange occurs between the water stored in the storage section and the air discharged from the electric compressor through the heat exchange section. The amount of water vapor produced can be fine-tuned.
上記燃料電池システムにおいて、前記熱交換部は、前記熱交換本体部に熱的に結合されるとともに前記所定の高さよりも鉛直方向の下方に配置される多孔質材を有しているとよい。 In the fuel cell system, the heat exchange section may include a porous material that is thermally coupled to the heat exchange main body and is disposed vertically below the predetermined height.
これによれば、貯留部に貯留された水と多孔質材との熱交換が行われることにより、貯留部に貯留された水が蒸発されて水蒸気となる。したがって、貯留部に貯留された水を効率良く蒸発させることができる。 According to this, heat exchange is performed between the water stored in the storage part and the porous material, so that the water stored in the storage part is evaporated and becomes water vapor. Therefore, the water stored in the storage section can be efficiently evaporated.
この発明によれば、タービンにて発生する回生動力を効率良く増加させることができる。 According to this invention, the regenerative power generated by the turbine can be efficiently increased.
以下、燃料電池システムを具体化した一実施形態を図1~図5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、燃料電池車に搭載されている。
<燃料電池システム10の全体構成>
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、電動圧縮機12と、タービン13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。
An embodiment of a fuel cell system will be described below with reference to FIGS. 1 to 5. The fuel cell system of this embodiment is installed in a fuel cell vehicle.
<Overall configuration of
As shown in FIG. 1, the
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。したがって、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。燃料電池スタック11から排出される排出ガスには、燃料電池スタック11が発電した際に生成される水が含まれている。
Only about 20% of the oxygen that contributes to the power generation of the
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る。燃料電池車は、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
<電動圧縮機12>
電動圧縮機12は、圧縮部14、及びモータ15を備えている。また、電動圧縮機12は、回転軸16を備えている。圧縮部14は、回転軸16の第1端部に連結されている。圧縮部14は、例えば、インペラである。圧縮部14は、回転軸16と一体的に回転可能である。圧縮部14は、燃料電池スタック11に供給される空気を圧縮する。モータ15は、回転軸16を回転させる。そして、回転軸16が回転することにより、圧縮部14が駆動する。したがって、モータ15は、圧縮部14を駆動させる。
<
The
<タービン13>
タービン13は、タービンホイール17と、タービンハウジング18と、を有している。タービンホイール17は、回転軸16の第2端部に連結されている。タービンホイール17は、回転軸16と一体的に回転可能である。
<
The
タービンハウジング18は、円孔状の吐出口19を有する筒状である。タービンハウジング18は、電動圧縮機12に固定されている。したがって、タービン13は、電動圧縮機12に一体化されている。
The
タービン13は、タービン室20と、固定ノズル21と、を有している。タービン室20は、タービンハウジング18に形成されている。タービン室20は、タービンホイール17を収容する。吐出口19は、タービン室20に連通している。タービン13は、吸入室22を有している。吸入室22は、タービンハウジング18に形成されている。吸入室22は、タービン室20の周囲で吐出口19の軸心周りに延びている。吸入室22には、燃料電池スタック11から排出された排出ガスが吸入される。
The
固定ノズル21は、タービンハウジング18に形成されるとともにタービン室20と吸入室22とを連通する通路である。固定ノズル21は、回転軸16の径方向に延びている。固定ノズル21は、吸入室22に吸入された排出ガスを回転軸16の径方向からタービン室20へ供給する。固定ノズル21は、タービン室20へ供給される排出ガスの流量を絞る。タービンホイール17は、タービン室20へ供給される排出ガスによって回転する。したがって、タービンホイール17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。そして、タービンホイール17は、排出ガスによって回転してモータ15の駆動を補助する。
The fixed
<貯留タンク30>
図2及び図3に示すように、燃料電池システム10は、貯留タンク30を備えている。貯留タンク30は、燃料電池スタック11から排出される排出ガスに含まれる水を貯留する。貯留タンク30は、例えば、四角箱状である。貯留タンク30は、上壁31と、下壁32と、第1側壁33と、第2側壁34と、を有している。上壁31と下壁32とは、鉛直方向で互いに対向している。第1側壁33と第2側壁34とは、水平方向で互いに対向している。
<
As shown in FIGS. 2 and 3, the
貯留タンク30は、供給口35を有している。供給口35は、貯留タンク30の上壁31における第1側壁33寄りの部位に設けられている。供給口35は、燃料電池スタック11から排出された排出ガスを貯留タンク30内に供給する。
The
貯留タンク30は、気液分離部36を有している。気液分離部36は、上壁31の内面から突出する筒部である。気液分離部36は、供給口35における貯留タンク30の内部に対する開口を取り囲んだ状態で、上壁31の内面から突出している。供給口35から貯留タンク30内に供給された排出ガスは、気液分離部36の内側を通過する。排出ガスに含まれている水は、気液分離部36の内側を通過する際に、排出ガスから遠心分離される。また、排出ガスに含まれている水は、排出ガスが気液分離部36の内面に衝突することによっても排出ガスから分離される。したがって、気液分離部36は、供給口35から供給された排出ガスから水を分離する。
The
気液分離部36によって排出ガスから分離された水は、貯留タンク30内に貯留される。したがって、貯留タンク30は、気液分離部36で分離された水が貯留される貯留部37を有している。そして、貯留タンク30内は、水が貯留される貯留部37以外の空間が空気層38になっている。したがって、貯留タンク30内の上方は、空気層38になっている。供給口35は、貯留タンク30内の空気層38に接続されている。
Water separated from the exhaust gas by the gas-
貯留タンク30は、排出口39を有している。排出口39は、貯留タンク30の上壁31における第2側壁34寄りの部位に設けられている。排出口39は、空気層38に接続されている。排出口39は、気液分離部36で水が分離された後の排出ガスをタービン13へ排出する。
The
貯留タンク30は、貯水量制御部40を有している。貯水量制御部40は、貯留部37に貯留される水の液面が所定の高さH1を超えないように貯留部37に貯留される水の貯水量を制御する。所定の高さH1とは、予め設定された水の液面の高さである。所定の高さH1は、貯留タンク30内において気液分離部36の下端よりも低い。したがって、気液分離部36は、貯留タンク30内において、所定の高さH1よりも高い位置に配置されている。
The
貯水量制御部40は、ドレン管41と、ドレンバルブ42と、を有している。ドレン管41は、貯留タンク30の第1側壁33に設けられている。ドレン管41内は、貯留タンク30内に連通している。ドレン管41は、第1側壁33における所定の高さH1に対応する部分に設けられている。したがって、ドレン管41における貯留タンク30の内部に対する開口位置は、貯留タンク30内において、所定の高さH1に対応する位置である。そして、貯留部37に貯留されている水の液面が所定の高さH1に達すると、貯留部37に貯留されている水がドレン管41内に流れ込む。
The water storage
ドレンバルブ42は、貯留部37に貯留されている水がドレン管41内を介して予め設定されている量だけドレンバルブ42に流れ込んでくると開弁するように構成されている。したがって、ドレンバルブ42は、貯留部37に貯留されている水がドレン管41内を介してドレンバルブ42に予め設定されている量だけ流れ込んでくるまでは閉弁するように構成されている。ドレンバルブ42が開弁すると、ドレン管41内を流れている水は、外部へ排出される。このようにして、貯水量制御部40は、貯留部37に貯留される水の液面が所定の高さH1を超えないように貯留部37に貯留される水の貯水量を制御する。
The
貯留タンク30は、熱交換部50を有している。熱交換部50は、熱交換本体部51と、上流ヘッダ52と、下流ヘッダ53と、を有している。熱交換本体部51は、複数の配管部54を有している。したがって、熱交換部50は、配管部54を複数有している。
The
各配管部54は、例えば、長四角筒状である。各配管部54は、例えば、扁平状のチューブである。各配管部54は、例えば、熱伝導性に優れた金属製である。各配管部54は、第1側壁33と第2側壁34との間で架け渡された状態で、貯留タンク30内を横切っている。複数の配管部54は、貯留タンク30内において鉛直方向に並んで配置されている。各配管部54の厚み方向は、鉛直方向に一致している。各配管部54は、所定の高さH1よりも鉛直方向の下方に配置されている。したがって、熱交換本体部51は、所定の高さH1よりも鉛直方向の下方に配置されている。
Each piping
上流ヘッダ52は、各配管部54の第1端部に接続されている。なお、各配管部54の第1端部は、各配管部54における第2側壁34側に位置する端部である。上流ヘッダ52は、電動圧縮機12から吐出された空気を各配管部54内に分配する。そして、上流ヘッダ52から各配管部54内に分配された空気は、各配管部54内を流れる。したがって、電動圧縮機12から吐出された空気は、各配管部54内を流れる。各配管部54は、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換を行う。したがって、熱交換部50は、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換を行う。
The
下流ヘッダ53は、各配管部54の第2端部に接続されている。なお、各配管部54の第2端部は、各配管部54における第1側壁33側に位置する端部である。下流ヘッダ53には、各配管部54を通過した空気が合流する。そして、下流ヘッダ53は、各配管部54からの空気を燃料電池スタック11に向けて流す。
The
熱交換部50は、突出部55を複数有している。各突出部55は、薄板平板状である。各突出部55は、例えば、熱伝導性に優れた金属製である。各突出部55は、各突出部55の厚み方向が水平方向に一致した状態で、貯留タンク30内に配置されている。複数の突出部55は、貯留タンク30内において水平方向に間隔を置いて配置されている。複数の突出部55は、水平方向に等間隔置きに並んで配置されている。
The
各突出部55は、熱交換本体部51から延びている。具体的には、各突出部55は、各配管部54に支持されている。各配管部54は、各突出部55を突出部55の厚み方向に貫通している。各突出部55は、各配管部54から貯留タンク30内の上方へ延びている。各突出部55は、各配管部54から所定の高さH1を超えた位置まで延びている。したがって、各突出部55は、熱交換本体部51から延びるとともに所定の高さH1を超えて空気層38に突出している。各突出部55は、各配管部54と熱的に結合されている。各突出部55は、貯留部37に貯留されている水の液面を吸い上げる毛細管現象を引き起こす。
Each
熱交換部50は、多孔質材56を有している。多孔質材56は、熱交換本体部51に熱的に結合されている。多孔質材56は、複数の配管部54のうち、最も下方に位置する配管部54に密着した状態で貯留タンク30内に配置されている。したがって、多孔質材56は、熱交換本体部51に熱的に結合されるとともに所定の高さH1よりも鉛直方向の下方に配置されている。
The
<各流路>
図1に示すように、燃料電池システム10は、導入流路61を備えている。導入流路61の第1端は、電動圧縮機12の図示しない吐出室に接続されている。導入流路61の第2端は、熱交換部50の上流ヘッダ52に接続されている。導入流路61は、電動圧縮機12と熱交換部50とを接続している。導入流路61は、電動圧縮機12から吐出される空気を上流ヘッダ52へ導入する。したがって、導入流路61は、電動圧縮機12から吐出された空気を熱交換部50へ導入する。
<Each flow path>
As shown in FIG. 1, the
燃料電池システム10は、空気供給流路62を備えている。空気供給流路62の第1端は、熱交換部50の下流ヘッダ53に接続されている。空気供給流路62の第2端は、燃料電池スタック11に接続されている。空気供給流路62は、熱交換部50と燃料電池スタック11とを接続している。空気供給流路62は、熱交換部50を通過した空気を燃料電池スタック11へ供給する。
The
燃料電池システム10は、排出流路63を備えている。排出流路63の第1端は、燃料電池スタック11に接続されている。排出流路63の第2端は、貯留タンク30の供給口35に接続されている。排出流路63は、燃料電池スタック11と貯留タンク30の供給口35とを接続している。排出流路63は、燃料電池スタック11から排出される排出ガスを供給口35に向けて流す。排出流路63を流れる排出ガスは、供給口35に供給される。
The
燃料電池システム10は、ガス供給流路64を備えている。ガス供給流路64の第1端は、貯留タンク30の排出口39に接続されている。ガス供給流路64の第2端は、タービン13の吸入室22に接続されている。ガス供給流路64は、貯留タンク30の排出口39とタービン13の吸入室22とを接続している。ガス供給流路64は、排出口39から排出される排出ガスを吸入室22に向けて流す。ガス供給流路64を流れる排出ガスは、吸入室22に供給される。
The
燃料電池システム10は、バイパス流路65を備えている。バイパス流路65の第1端は、導入流路61の途中に接続されている。したがって、バイパス流路65は、導入流路61から分岐している。バイパス流路65の第2端は、空気供給流路62の途中に接続されている。そして、導入流路61からバイパス流路65へ分岐して流れる空気は、バイパス流路65を介して空気供給流路62に合流した後、空気供給流路62を介して燃料電池スタック11へ供給される。したがって、バイパス流路65は、導入流路61を流れる空気を熱交換部50を迂回して燃料電池スタック11へ供給する。なお、バイパス流路65には、インタークーラ66が設けられている。そして、バイパス流路65を流れる空気は、インタークーラ66にて冷却される。
The
<流量調整部67>
燃料電池システム10は、流量調整部67を備えている。流量調整部67は、例えば、導入流路61とバイパス流路65との接続箇所に設けられる流量制御弁である。また、燃料電池システム10は、制御コントローラ70を備えている。制御コントローラ70は、流量調整部67に電気的に接続されている。制御コントローラ70は、流量調整部67の弁開度を制御する。流量調整部67は、制御コントローラ70によって弁開度が制御されることにより、導入流路61からバイパス流路65へ分岐して流れる空気の流量を調整する。流量調整部67は、導入流路61からバイパス流路65へ分岐して流れる空気の流量を調整することにより、電動圧縮機12から導入流路61を介して熱交換部50へ導入される空気の流量を調整する。
<Flow
The
燃料電池システム10は、回転数センサ71、流量センサ72、圧力センサ73、及び温度センサ74を備えている。回転数センサ71、流量センサ72、圧力センサ73、及び温度センサ74は、制御コントローラ70に電気的に接続されている。
The
回転数センサ71は、タービンホイール17の回転数を検出する。回転数センサ71は、タービンホイール17の回転数に関する検出信号を制御コントローラ70に出力する。流量センサ72は、電動圧縮機12が外部から吸入した空気の流量を検出する。流量センサ72は、空気の流量に関する検出信号を制御コントローラ70に出力する。圧力センサ73は、燃料電池スタック11から排出された排出ガスの圧力を検出する。圧力センサ73は、排出ガスの圧力に関する検出信号を制御コントローラ70に出力する。温度センサ74は、タービン13の吸入室22に吸入される排出ガスの温度を検出する。温度センサ74は、排出ガスの温度に関する検出信号を制御コントローラ70に出力する。
The
図4では、タービン13の膨張比とタービン効率との関係を示している。制御コントローラ70には、タービン13の膨張比とタービン効率とが関係付けられたマップが予め記憶されている。タービン13の膨張比とタービン効率との関係は、例えば、図4に示す特性線L1のように示される。タービン13の膨張比とタービン効率との関係を示す特性線L1は、タービンホイール17の回転数によって決定される。なお、図4では、所定の運転条件のときのタービンホイール17の回転数によって決定される特性線L1を一例として示している。制御コントローラ70には、回転数センサ71により検出されたタービンホイール17の回転数に基づいて、タービン13の膨張比とタービン効率との関係を示す特性線L1を導出するプログラムが予め記憶されている。なお、制御コントローラ70には、圧力センサ73により検出される圧力に基づいて、タービン13の膨張比を算出するプログラムが予め記憶されている。
FIG. 4 shows the relationship between the expansion ratio of the
図5では、タービン13の膨張比と排出ガスの修正流量との関係を示している。ここで、「排出ガスの修正流量」とは、タービン13に流入する排出ガスの質量流量を、排出ガスの圧力と排出ガスの温度とで修正した流量である。排出ガスの修正流量は、タービンホイール17を通過する前の流量である。図5において実線L2で示すように、排出ガスの修正流量は、タービン13の膨張比が大きくなるにつれて多くなる。制御コントローラ70には、圧力センサ73により検出された圧力と、温度センサ74により検出された圧力と、に基づいて、流量センサ72により検出された流量を修正流量に修正する修正プログラムが予め記憶されている。
FIG. 5 shows the relationship between the expansion ratio of the
制御コントローラ70には、タービン効率がピーク値ηmaxに近付くように、流量調整部67の弁開度を調整するプログラムが予め記憶されている。例えば、図4に示す状態点P1のように、制御コントローラ70により算出されたタービン13の膨張比が、ピーク値ηmaxに対応する膨張比よりも低い場合を考える。このような場合では、制御コントローラ70は、電動圧縮機12から導入流路61を介して熱交換部50へ導入される空気の流量が増えるように流量調整部67の弁開度を調整する。すなわち、導入流路61からバイパス流路65へ分岐して流れる空気の流量が減るように、制御コントローラ70によって流量調整部67の弁開度が調整される。
The
一方で、例えば、図4に示す状態点P2のように、制御コントローラ70により算出されたタービン13の膨張比が、ピーク値ηmaxに対応する膨張比よりも高い場合を考える。このような場合では、制御コントローラ70は、電動圧縮機12から導入流路61を介して熱交換部50へ導入される空気の流量が減るように流量調整部67の弁開度を調整する。すなわち、導入流路61からバイパス流路65へ分岐して流れる空気の流量が増えるように、制御コントローラ70によって流量調整部67の弁開度が調整される。
On the other hand, consider a case where the expansion ratio of the
[実施形態の作用]
次に、本実施形態の作用について説明する。
燃料電池スタック11から排出された排出ガスは、供給口35を介して貯留タンク30内の空気層38に供給される。気液分離部36は、供給口35から供給された排出ガスから水を分離する。そして、気液分離部36で分離された水が貯留部37に貯留される。貯留部37に貯留された水は、電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより蒸発されて水蒸気となる。
[Operation of embodiment]
Next, the operation of this embodiment will be explained.
Exhaust gas discharged from the
ここで、各突出部55は、貯留部37に貯留されている水の液面を吸い上げる毛細管現象を引き起こす。したがって、貯留タンク30内の気相と液相との間の表面積が増加されているため、貯留部37に貯留されている水が効率良く蒸発される。また、貯留部37に貯留されている水と多孔質材56との熱交換が行われることにより、貯留部37に貯留された水が蒸発されて水蒸気となる。したがって、貯留部37に貯留された水が効率良く蒸発される。
Here, each
水蒸気は、気液分離部36で水が分離された後の排出ガスと共に排出ガスとして排出口39を介してタービン13へ排出される。このように、タービン13に供給される排出ガスの質量が、水蒸気が加わった分だけ増える。その結果、タービンホイール17の回転によって膨張する排出ガスの質量が増えるため、タービンホイール17の仕事量が増える。これにより、タービン13にて発生する回生動力が増加する。また、気液分離部36で水が分離された後の排出ガスは、貯留タンク30内の空気層38を通過して排出口39からタービン13へ排出される。したがって、貯留タンク30内での排出ガスの圧力損失が生じ難く、タービン13にて発生する回生動力の増加を妨げられることが回避されている。
The water vapor is discharged to the
例えば、図4に示す状態点P1のように、制御コントローラ70により算出されたタービン13の膨張比が、ピーク値ηmaxに対応する膨張比よりも低い場合を考える。このような場合では、制御コントローラ70は、電動圧縮機12から導入流路61を介して熱交換部50へ導入される空気の流量が増えるように流量調整部67の弁開度を調整する。すなわち、導入流路61からバイパス流路65へ分岐して流れる空気の流量が減るように、制御コントローラ70によって流量調整部67の弁開度が調整される。
For example, consider a case where the expansion ratio of the
これにより、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量が多くなる。したがって、排出ガスの修正流量が多くなるため、タービンホイール17の回転によって膨張する排出ガスの流量が多くなる。よって、タービン13の膨張比が高くなり、タービン13の膨張比が、ピーク値ηmaxに対応する膨張比に近付く。その結果、タービン効率がピーク値ηmaxに近付く。
This increases the amount of water vapor generated by heat exchange between the water stored in the
一方で、例えば、図4に示す状態点P2のように、制御コントローラ70により算出されたタービン13の膨張比が、ピーク値ηmaxに対応する膨張比よりも高い場合を考える。このような場合では、制御コントローラ70は、電動圧縮機12から導入流路61を介して熱交換部50へ導入される空気の流量が減るように流量調整部67の弁開度を調整する。すなわち、導入流路61からバイパス流路65へ分岐して流れる空気の流量が増えるように、制御コントローラ70によって流量調整部67の弁開度が調整される。
On the other hand, consider a case where the expansion ratio of the
これにより、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量が少なくなる。したがって、排出ガスの修正流量が少なくなるため、タービンホイール17の回転によって膨張する排出ガスの流量が少なくなる。よって、タービン13の膨張比が低くなり、タービン13の膨張比が、ピーク値ηmaxに対応する膨張比に近付く。その結果、タービン効率がピーク値ηmaxに近付く。
Thereby, the amount of water vapor generated is reduced by heat exchange between the water stored in the
このように、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量を調整することにより、タービンホイール17の回転によって膨張する排出ガスの流量が調整される。その結果、タービン13の膨張比が調整されるため、タービン13が高いタービン効率で動作する。
In this way, by adjusting the amount of water vapor generated by heat exchange between the water stored in the
図3に示すように、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量が多くなって、貯留部37に貯留されている水の液面が下がったとする。このように、貯留部37に貯留されている水の液面が下がることにより、複数の配管部54のうち、鉛直方向の上方に位置する配管部54が、貯留タンク30内の空気層38に露出する場合がある。貯留タンク30内の空気層38に露出した配管部54では、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換が行われ難くなる。このように、貯留部37に貯留されている水の液面の変動によって、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量が微調整される。
As shown in FIG. 3, the amount of water vapor generated increases as a result of heat exchange between the water stored in the
[実施形態の効果]
上記実施形態では以下の効果を得ることができる。
(1)燃料電池スタック11から排出された排出ガスは、供給口35を介して貯留タンク30内の空気層38に供給される。気液分離部36は、供給口35から供給された排出ガスから水を分離する。そして、気液分離部36で分離された水が貯留部37に貯留される。貯留部37に貯留された水は、電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより蒸発されて水蒸気となる。水蒸気は、気液分離部36で水が分離された後の排出ガスと共に排出ガスとして排出口39を介してタービン13へ排出される。このように、タービン13に供給される排出ガスの質量が、水蒸気が加わった分だけ増える。その結果、タービンホイール17の回転によって膨張する排出ガスの質量が増えるため、タービンホイール17の仕事量が増える。これにより、タービン13にて発生する回生動力が増加する。また、気液分離部36で水が分離された後の排出ガスは、貯留タンク30内の空気層38を通過して排出口39からタービン13へ排出される。したがって、貯留タンク30内での排出ガスの圧力損失が生じ難く、タービン13にて発生する回生動力の増加を妨げられることが回避されている。以上により、タービン13にて発生する回生動力を効率良く増加させることができる。
[Effects of embodiment]
In the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Exhaust gas discharged from the
(2)突出部55によって、貯留部37に貯留されている水の液面を吸い上げる毛細管現象を引き起こすことができるため、貯留タンク30内の気相と液相との間の表面積を増加させることができる。その結果、貯留部37に貯留されている水を効率良く蒸発させることができる。
(2) The protruding
(3)燃料電池システム10は、導入流路61と、バイパス流路65と、流量調整部67と、を備えている。流量調整部67は、導入流路61からバイパス流路65へ分岐して流れる空気の流量を調整することにより、電動圧縮機12から導入流路61を介して熱交換部50へ導入される空気の流量を調整する。これによれば、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量を調整することができる。したがって、タービン13が固定ノズル21を有する構成であるように、タービン室20へ供給される排出ガスの流量が一義的に決まっている構成であったとしても、タービンホイール17の回転によって膨張する排出ガスの流量を調整することができる。その結果、タービン13の膨張比を調整することができるため、タービン13を高いタービン効率で動作させることができる。
(3) The
(4)例えば、貯留部37に貯留されている水の液面が下がることにより、複数の配管部54のうち、鉛直方向の上方に位置する配管部54が、貯留タンク30内の空気層38に露出する場合がある。貯留タンク30内の空気層38に露出した配管部54では、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換が行われ難くなる。このように、貯留部37に貯留されている水の液面の変動によって、貯留部37に貯留された水と電動圧縮機12から吐出された空気との熱交換部50を介した熱交換が行われることにより生成される水蒸気の量を微調整することができる。
(4) For example, when the liquid level of the water stored in the
(5)熱交換部50は、熱交換本体部51に熱的に結合されるとともに所定の高さH1よりも鉛直方向の下方に配置される多孔質材56を有している。これによれば、貯留部37に貯留された水と多孔質材56との熱交換が行われることにより、貯留部37に貯留された水が蒸発されて水蒸気となる。したがって、貯留部37に貯留された水を効率良く蒸発させることができる。
(5) The
[変更例]
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。
[Example of change]
Note that 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、熱交換部50は、突出部55を複数有していなくてもよい。熱交換部50は、例えば、突出部55を1つだけ有している構成であってもよい。
○ 実施形態において、突出部55は、薄板平板状でなくてもよく、例えば、柱状であってもよい。また、突出部55は、例えば、格子材であってもよいし、メッシュ材であってもよい。要は、突出部55は、熱交換本体部51から延びるとともに所定の高さH1を超えて空気層38に突出していればよい。そして、突出部55は、貯留部37に貯留されている水の液面を吸い上げる毛細管現象を引き起こす構成であればよい。
(circle) In embodiment, the
(circle) In embodiment, the
○ 実施形態において、熱交換部50は、突出部55を有していなくてもよい。
○ 実施形態において、燃料電池システム10は、バイパス流路65及び流量調整部67を備えていない構成であってもよい。
(circle) In embodiment, the
In the embodiment, the
○ 実施形態において、タービン13は、固定ノズル21に代えて、タービン室20へ供給される排出ガスの流量を可変可能である可変ノズルを有している構成であってもよい。
In the embodiment, instead of the fixed
○ 実施形態において、熱交換部50は、配管部54を複数有していなくてもよい。熱交換部50は、例えば、配管部54を1つだけ有している構成であってもよい。
○ 実施形態において、各配管部54は、扁平状のチューブでなくてもよく、例えば、円管状のチューブであってもよい。要は、配管部54の形状は特に限定されるものではない。
In the embodiment, the
(circle) In embodiment, each piping
○ 実施形態において、熱交換部50は、多孔質材56を有していなくてもよい。
○ 実施形態において、燃料電池システム10は、タービン13の吸入室22に吸入される排出ガスの温度を検出する温度センサ74を備えていなくてもよい。この場合、例えば、燃料電池スタック11の温度を調整する冷却水の温度から排出ガスの温度を推定するようにしてもよい。
(circle) In embodiment, the
In the embodiment, the
○ 実施形態において、貯留タンク30は、例えば、貯留部37に貯留される水の液面の高さを測定する水位センサを有していてもよい。また、ドレンバルブ42は、制御コントローラ70により開閉の駆動が制御される構成であってもよい。そして、制御コントローラ70は、水の液面が所定の高さH1に達した旨の検出信号が水位センサから送信されると、ドレンバルブ42を開弁させるようにドレンバルブ42の駆動を制御するようにしてもよい。
In the embodiment, the
○ 実施形態において、気液分離部36は、上壁31の内面から突出する筒部であったが、これに限らない。要は、気液分離部36は、供給口35から供給された排出ガスから水を分離することが可能であれば、その具体的な構成は特に限定されるものではない。
In the embodiment, the gas-
○ 実施形態において、燃料電池システム10は、燃料電池車に搭載されていなくてもよい。要は、燃料電池システム10は、車両に搭載されるものに限定されるものではない。
In the embodiment, the
[付記]
上記実施形態は、以下の付記に記載する構成を含む。
<付記1>
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モータを備えている電動圧縮機と、
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して前記モータの駆動を補助するタービンホイールを有するタービンと、を備えている燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックから排出される排出ガスに含まれる水を貯留する貯留タンクを備え、
前記貯留タンクは、
前記貯留タンク内の空気層に接続されるとともに前記燃料電池スタックから排出された排出ガスを前記貯留タンク内に供給する供給口と、
前記供給口から供給された前記排出ガスから水を分離する気液分離部と、
前記気液分離部で分離された水が貯留される貯留部と、
前記貯留部に貯留された水と前記電動圧縮機から吐出された空気との熱交換を行う熱交換部と、
前記空気層に接続されるとともに前記気液分離部で水が分離された後の排出ガスを前記タービンへ排出する排出口と、を有していることを特徴とする燃料電池システム。
[Additional notes]
The above embodiment includes the configuration described in the following supplementary notes.
<Additional note 1>
A fuel cell stack that generates electricity by chemically reacting fuel gas and oxygen in the air,
an electric compressor including a compression section that compresses air supplied to the fuel cell stack, and a motor that drives the compression section;
A fuel cell system comprising: a turbine having a turbine wheel that is rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack to assist in driving the motor;
comprising a storage tank that stores water contained in exhaust gas discharged from the fuel cell stack,
The storage tank is
a supply port connected to an air layer in the storage tank and supplying exhaust gas discharged from the fuel cell stack into the storage tank;
a gas-liquid separation unit that separates water from the exhaust gas supplied from the supply port;
a storage section in which water separated by the gas-liquid separation section is stored;
a heat exchange unit that exchanges heat between the water stored in the storage unit and the air discharged from the electric compressor;
A fuel cell system comprising: an outlet connected to the air layer and for discharging exhaust gas after water has been separated in the gas-liquid separation section to the turbine.
<付記2>
前記貯留タンクは、前記貯留部に貯留される水の液面が所定の高さを超えないように前記貯留部に貯留される水の貯水量を制御する貯水量制御部を有し、
前記熱交換部は、
前記所定の高さよりも鉛直方向の下方に配置される熱交換本体部と、
前記熱交換本体部から延びるとともに前記所定の高さを超えて前記空気層に突出する突出部と、を有していることを特徴とする<付記1>に記載の燃料電池システム。
<Additional note 2>
The storage tank has a water storage amount control unit that controls the amount of water stored in the storage portion so that the liquid level of the water stored in the storage portion does not exceed a predetermined height,
The heat exchange section includes:
a heat exchange main body disposed vertically below the predetermined height;
The fuel cell system according to Supplementary Note 1, further comprising a protrusion extending from the heat exchange main body and protruding into the air layer beyond the predetermined height.
<付記3>
前記タービンは、
前記タービンホイールを収容するタービン室と、
前記タービン室へ供給される排出ガスの流量を絞る固定ノズルと、を有し、
前記電動圧縮機から吐出される空気を前記熱交換部へ導入する導入流路と、
前記導入流路から分岐するとともに前記導入流路を流れる空気を前記熱交換部を迂回して前記燃料電池スタックへ供給するバイパス流路と、
前記導入流路から前記バイパス流路へ分岐して流れる空気の流量を調整することにより、前記電動圧縮機から前記導入流路を介して前記熱交換部へ導入される空気の流量を調整する流量調整部と、を備えていることを特徴とする<付記1>又は<付記2>に記載の燃料電池システム。
<Additional note 3>
The turbine is
a turbine chamber housing the turbine wheel;
a fixed nozzle that throttles the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber,
an introduction flow path for introducing air discharged from the electric compressor into the heat exchange section;
a bypass flow path that branches from the introduction flow path and supplies air flowing through the introduction flow path to the fuel cell stack by bypassing the heat exchange section;
A flow rate that adjusts the flow rate of air introduced from the electric compressor to the heat exchange section via the introduction flow path by adjusting the flow rate of air that branches and flows from the introduction flow path to the bypass flow path. The fuel cell system according to <Appendix 1> or <Appendix 2>, comprising: an adjustment section.
<付記4>
前記熱交換部は、前記貯留タンク内において鉛直方向に並んで配置される配管部を複数有し、
前記電動圧縮機から吐出された空気は、前記各配管部内を流れ、
前記各配管部は、前記貯留部に貯留された水と前記電動圧縮機から吐出された空気との熱交換を行うことを特徴とする<付記1>~<付記3>のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
<Additional note 4>
The heat exchange section has a plurality of piping sections arranged in line in the vertical direction within the storage tank,
The air discharged from the electric compressor flows through each of the piping sections,
According to any one of <Appendix 1> to <Appendix 3>, each of the piping sections exchanges heat between the water stored in the storage section and the air discharged from the electric compressor. The fuel cell system described.
<付記5>
前記熱交換部は、前記熱交換本体部に熱的に結合されるとともに前記所定の高さよりも鉛直方向の下方に配置される多孔質材を有していることを特徴とする<付記2>に記載の燃料電池システム。
<Additional note 5>
<Additional Note 2> The heat exchange section is characterized by having a porous material that is thermally coupled to the heat exchange main body section and arranged vertically below the predetermined height. The fuel cell system described in .
10…燃料電池システム、11…燃料電池スタック、12…電動圧縮機、13…タービン、14…圧縮部、15…モータ、17…タービンホイール、20…タービン室、21…固定ノズル、30…貯留タンク、35…供給口、36…気液分離部、37…貯留部、38…空気層、39…排出口、40…貯水量制御部、50…熱交換部、51…熱交換本体部、54…配管部、55…突出部、56…多孔質材、61…導入流路、65…バイパス流路、67…流量調整部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
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モータを備えている電動圧縮機と、
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して前記モータの駆動を補助するタービンホイールを有するタービンと、を備えている燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックから排出される排出ガスに含まれる水を貯留する貯留タンクを備え、
前記貯留タンクは、
前記貯留タンク内の空気層に接続されるとともに前記燃料電池スタックから排出された排出ガスを前記貯留タンク内に供給する供給口と、
前記供給口から供給された前記排出ガスから水を分離する気液分離部と、
前記気液分離部で分離された水が貯留される貯留部と、
前記貯留部に貯留された水と前記電動圧縮機から吐出された空気との熱交換を行う熱交換部と、
前記空気層に接続されるとともに前記気液分離部で水が分離された後の排出ガスを前記タービンへ排出する排出口と、を有していることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack that generates electricity by chemically reacting fuel gas and oxygen in the air,
an electric compressor including a compression section that compresses air supplied to the fuel cell stack, and a motor that drives the compression section;
A fuel cell system comprising: a turbine having a turbine wheel that is rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack to assist in driving the motor;
comprising a storage tank that stores water contained in exhaust gas discharged from the fuel cell stack,
The storage tank is
a supply port connected to an air layer in the storage tank and supplying exhaust gas discharged from the fuel cell stack into the storage tank;
a gas-liquid separation unit that separates water from the exhaust gas supplied from the supply port;
a storage section in which water separated by the gas-liquid separation section is stored;
a heat exchange unit that exchanges heat between the water stored in the storage unit and the air discharged from the electric compressor;
A fuel cell system comprising: an outlet connected to the air layer and for discharging exhaust gas after water has been separated in the gas-liquid separation section to the turbine.
前記熱交換部は、
前記所定の高さよりも鉛直方向の下方に配置される熱交換本体部と、
前記熱交換本体部から延びるとともに前記所定の高さを超えて前記空気層に突出する突出部と、を有し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 storage tank has a water storage amount control unit that controls the amount of water stored in the storage portion so that the liquid level of the water stored in the storage portion does not exceed a predetermined height,
The heat exchange section includes:
a heat exchange main body disposed vertically below the predetermined height;
The fuel cell system according to claim 1, further comprising a protrusion extending from the heat exchange main body and protruding into the air layer beyond the predetermined height.
前記タービンホイールを収容するタービン室と、
前記タービン室へ供給される排出ガスの流量を絞る固定ノズルと、を有し、
前記電動圧縮機から吐出される空気を前記熱交換部へ導入する導入流路と、
前記導入流路から分岐するとともに前記導入流路を流れる空気を前記熱交換部を迂回して前記燃料電池スタックへ供給するバイパス流路と、
前記導入流路から前記バイパス流路へ分岐して流れる空気の流量を調整することにより、前記電動圧縮機から前記導入流路を介して前記熱交換部へ導入される空気の流量を調整する流量調整部と、を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。 The turbine is
a turbine chamber housing the turbine wheel;
a fixed nozzle that throttles the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber,
an introduction flow path for introducing air discharged from the electric compressor into the heat exchange section;
a bypass flow path that branches from the introduction flow path and supplies air flowing through the introduction flow path to the fuel cell stack by bypassing the heat exchange section;
A flow rate that adjusts the flow rate of air introduced from the electric compressor to the heat exchange section via the introduction flow path by adjusting the flow rate of air that branches and flows from the introduction flow path to the bypass flow path. The fuel cell system according to claim 1 or 2, further comprising an adjustment section.
前記電動圧縮機から吐出された空気は、前記各配管部内を流れ、
前記各配管部は、前記貯留部に貯留された水と前記電動圧縮機から吐出された空気との熱交換を行う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 heat exchange section has a plurality of piping sections arranged in line in the vertical direction within the storage tank,
The air discharged from the electric compressor flows through each of the piping sections,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein each of the piping sections exchanges heat between water stored in the storage section and air discharged from the electric compressor.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022105917A JP2024005650A (en) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | fuel cell system |
PCT/JP2023/011051 WO2024004292A1 (en) | 2022-06-30 | 2023-03-21 | Fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022105917A JP2024005650A (en) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | fuel cell system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2024005650A true JP2024005650A (en) | 2024-01-17 |
Family
ID=89381933
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022105917A Pending JP2024005650A (en) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | fuel cell system |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2024005650A (en) |
WO (1) | WO2024004292A1 (en) |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06283185A (en) * | 1993-03-30 | 1994-10-07 | Toshiba Corp | Integrated exhaust heat recovery device of fuel cell power generation system |
JP2007282449A (en) * | 2006-04-11 | 2007-10-25 | Honda Motor Co Ltd | Thermoelectric converter |
DE102011119664A1 (en) * | 2011-11-29 | 2013-05-29 | Daimler Ag | Level sensor e.g. ultrasonic sensor for detecting liquid level in container, has float that is provided with reflecting surface for reflecting ultrasound, and liquid inlet which is arranged below the float |
JP2013182781A (en) * | 2012-03-01 | 2013-09-12 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell system |
-
2022
- 2022-06-30 JP JP2022105917A patent/JP2024005650A/en active Pending
-
2023
- 2023-03-21 WO PCT/JP2023/011051 patent/WO2024004292A1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2024004292A1 (en) | 2024-01-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3722019B2 (en) | Fuel cell system | |
US6468681B1 (en) | Fuel cell system | |
JP4038307B2 (en) | Fuel cell system | |
JP4701624B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2012099394A (en) | Fuel cell system | |
JP6565860B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2009522723A (en) | Response to gas uptake into the fuel cell refrigerant | |
JP2008269844A (en) | Fuel cell system | |
WO2024004292A1 (en) | Fuel cell system | |
JP2002141094A (en) | Fuel cell system | |
JP2002313376A (en) | Gas supplying device of fuel cell | |
JP2017016789A (en) | Gas-liquid separation device, fuel cell system comprising the same, and control method therefor | |
JP2007242328A (en) | Fuel cell system | |
JP2018139194A (en) | Fuel cell system | |
JP7136012B2 (en) | fuel cell system | |
JP3664062B2 (en) | Fuel cell system | |
JP2005259440A (en) | Fuel cell system | |
JP2000357527A (en) | Fuel cell system | |
JP2005050639A (en) | Fuel cell system | |
US10562408B2 (en) | Anode exhaust reservoir assembly | |
JP4553004B2 (en) | Fuel cell stack | |
KR20170066948A (en) | Flow path adjusting device of anode manifold for fuel cell system | |
JP2019216024A (en) | Fuel cell system | |
JP2002170588A (en) | Deionized water recovery system for fuel battery | |
JPH0963618A (en) | Fuel cell system |