JP4059431B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、燃料電池システムは、プロトン導電性の高分子電解質膜(PEM膜)を挟んで一側にカソード極を区画し、他側にアノード極を区画して構成されており、カソード極に供給される空気中の酸素と、アノード極に供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応によって発電するものである。そして、このような燃料電池システムとしては、前記高分子電解質膜を適度に加湿するために燃料電池内に供給する水素や酸素を加湿する加湿器や、燃料電池内で反応しきれなかった余りの水素を再度燃料電池へ供給するための水素循環経路を備える構造が一般的に知られている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−58092号公報(第3図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の燃料電池システムにおいては、水素又は酸素を燃料電池に供給するための通路や前記水素循環経路内に設けられる遮断弁やパージ弁等の切り替えを行うソレノイド等から振動が発生しており、この振動を抑制することが望まれていた。
【0005】
そこで、本発明の課題は、水素や酸素の供給通路や水素循環経路内に設けられる弁の切り替え用のソレノイド等から発生する振動を抑制す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。
【0006】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明は、燃料電池のアノード側に供給する燃料ガスを加湿するアノード加湿器と、前記燃料電池のカソード側に供給する空気を加湿するカソード加湿器と、前記燃料ガス又は空気が通る通路に設けられ、かつ振動を発生する振動発生デバイスとを一体的に備える燃料電池システムである。
【0007】
ここで、「振動発生デバイス」とは、例えば遮断弁、レギュレータ、逆止弁、パージ弁等の振動を発生する機器のことをいう。例えば、遮断弁やパージ弁では、その弁の開閉を行うソレノイドから振動が発生している。
【0008】
このような燃料電池システムによれば、例えば振動発生デバイスである遮断弁の切り替えによって発生した振動(作動音)は、一体となったアノード加湿器とカソード加湿器によって吸収され、確実に抑制されることとなる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る加湿器ユニットの詳細について説明する。参照する図面において、図1は本発明の加湿器ユニットを示す斜視図であり、図2は図1の水素循環ユニットを構成する機器を含んだ燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【0010】
図1に示すように、加湿器ユニットUは、燃料電池FCのアノード側に供給する水素(燃料ガス)Hを加湿するアノード加湿器1と、燃料電池FCのカソード側に供給する空気Aを加湿するカソード加湿器2と、水素循環ユニット(振動発生デバイス)3とを一体的に備えている。具体的には、2本のアノード加湿器1が縦に並べて配設され、これらのアノード加湿器1に隣接するように3本のカソード加湿器2がその平面位置を互いにずらした状態で配設されている。そして、この2本のアノード加湿器1がこのアノード加湿器1の長さよりも長い3本のカソード加湿器2に対してその長手方向でずらして配設されることで生じたスペースに、水素循環ユニット3が配設されている。また、この水素循環ユニット3は、アノード加湿器1の両端に設けられる剛性の高い部材で形成されたヘッド11に固定されている。
【0011】
水素循環ユニット3は、図2に示すように、水素Hが通る通路に設けられる複数の機器のうち特定のものが一体となって構成されたものである。なお、以下にこの水素循環ユニット3を構成する機器の機能を理解するにあたって、燃料電池システムS全体について簡単に説明する。
【0012】
最初に、この燃料電池システムSにおける水素Hの流れについて説明する。
まず、水素タンクT内に備えられた図示しない電磁弁と遮断弁31とを開放することで水素タンクT内から放出される水素Hは、レギュレータ32によって、その圧力が調整される。この圧力調整された水素Hは、エゼクタ34を介して加湿器ユニットUに供給される。なお、エゼクタ34は、水素タンクTからの水素Hと燃料電池FCから戻ってくる水素Hを混合させて燃料電池FCに再供給して水素Hを循環させるものである。
【0013】
そして、加湿器ユニットUで加湿された水素Hは燃料電池FC内に供給され、そのうち化学反応しきれなかった余りの水素Hが逆止弁35を通ると共に、前記エゼクタ34によって加湿器ユニットUに戻され、再利用される。ここで、逆止弁35はエゼクタ34に向かって流れる水素Hの逆流を防止するものである。ちなみに、この燃料電池FCから排出する水素Hを加湿器ユニットUに戻す通路には、流体排出用のパージ弁36が設けられており、このパージ弁36で循環通路内の水素等を適宜系外に排出するようになっている。
【0014】
次に、空気Aの流れについて説明する。
スーパーチャージャSPで圧縮された高温の空気Aは、インタークーラICで冷却された後、加湿器ユニットUを介して燃料電池FCに供給される。
【0015】
そして、燃料電池FC内に供給された空気Aのうち化学反応しきれなかった余りの空気A(一般にオフガスと呼ばれ、多量の水分を含んでいる。)が、加湿器ユニットUでの水素Hや空気Aの加湿に利用される。その後、この加湿器ユニットUから出てくる空気Aは、背圧弁V2を介して排出される。
【0016】
最後に、冷却水の流れについて説明する。
冷却水CWは、温水ポンプHPによって燃料電池システムS内を循環しており、ラジエータRADで冷却された冷却水CWが、燃料電池FCに供給されるようになっている。
【0017】
以上のように燃料電池システムSを構成する機器としてはいろいろなものがあり、このうち水素H又は空気Aが通る通路に設けられる遮断弁31、レギュレータ32、逆止弁35、パージ弁36及び背圧弁V2が、振動を発生する「振動発生デバイス」に相当している。また、これらの振動発生デバイスのうち遮断弁31、レギュレータ32、逆止弁35及びパージ弁36が、本実施形態の水素循環ユニット3を構成する機器となっている。
【0018】
次に、水素循環ユニット3の各種機器31,32,35,36により振動が発生した場合における加湿器ユニットUの作用について図1を参照して説明する。図1に示すように、水素循環ユニット3の各種機器31,32,35,36(図2参照)が振動すると、その振動は剛性の高いヘッド11で吸収された後、さらに一体化した加湿器ユニットUによって吸収され、確実に抑制されることとなる。
【0019】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
水素循環ユニット3の各種機器31,32,35,36から発生した振動が一体化した加湿器ユニットUによって吸収されるので(単体で振動するのとユニット全体で振動するのでは揺れ方が異なるため)、その振動を確実に抑制することができる。また、この振動が最初に剛性の高いヘッド11で吸収されるので、その振動をより確実に抑制することができる。
【0020】
以上、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、水素循環ユニット3を加湿器ユニットUと一体に構成させたが、本発明はこれに限定されず、たとえば空気Aが通る通路に設けられ、かつ振動を発生する背圧弁V2も、加湿器ユニットUと一体に構成してもよい。
また、加湿器ユニットUに振動を発生しない機器を一体に取り付けてもよい。この場合、加湿器ユニットUの総重量が大きくなることで加湿器ユニットU全体が振動し難くなるので、振動の抑制を大幅に向上することができる。
【0021】
【発明の効果】
本発明によれば、振動発生デバイスから発生した振動が一体となったアノード加湿器とカソード加湿器によって吸収されるので、この振動発生デバイスからの振動を確実に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の加湿器ユニットを示す斜視図である。
【図2】図1の水素循環ユニットを構成する機器を含んだ燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【符号の説明】
FC 燃料電池
H 水素(燃料ガス)
A 空気
U 加湿器ユニット
1 アノード加湿器
2 カソード加湿器
3 水素循環ユニット(振動発生デバイス)
31 遮断弁
32 レギュレータ
34 エゼクタ
35 逆止弁
36 パージ弁
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system .
[0002]
[Prior art]
In general, a fuel cell system is configured such that a cathode electrode is partitioned on one side and an anode electrode is partitioned on the other side with a proton conductive polymer electrolyte membrane (PEM membrane) interposed therebetween, and is supplied to the cathode electrode. Power is generated by an electrochemical reaction between oxygen in the air and hydrogen in the fuel gas supplied to the anode electrode. And as such a fuel cell system, in order to humidify the said polymer electrolyte membrane moderately, the humidifier which humidifies the hydrogen and oxygen supplied in a fuel cell, or the remainder which was not able to react within a fuel cell A structure having a hydrogen circulation path for supplying hydrogen to the fuel cell again is generally known (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2000-58092 A (FIG. 3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional fuel cell system, vibration is generated from a passage for supplying hydrogen or oxygen to the fuel cell, a solenoid for switching a shut-off valve, a purge valve or the like provided in the hydrogen circulation path. Therefore, it has been desired to suppress this vibration.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can suppress vibrations generated from a solenoid for switching valves provided in a hydrogen or oxygen supply passage or a hydrogen circulation passage.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention that has solved the above problems includes an anode humidifier that humidifies fuel gas supplied to the anode side of the fuel cell, a cathode humidifier that humidifies air supplied to the cathode side of the fuel cell, and the fuel gas or air. provided in a passage through which, and a fuel cell system Ru integrally includes a vibration generating device that generates vibrations.
[0007]
Here, the “vibration generating device” refers to a device that generates vibration, such as a shut-off valve, a regulator, a check valve, and a purge valve. For example, in a shut-off valve and a purge valve, vibration is generated from a solenoid that opens and closes the valve.
[0008]
According to such a fuel cell system , for example, vibration (operation noise) generated by switching a shut-off valve that is a vibration generating device is absorbed by the integrated anode humidifier and cathode humidifier and reliably suppressed. It will be.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, details of the humidifier unit according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings to be referred to, FIG. 1 is a perspective view showing a humidifier unit of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a fuel cell system including devices constituting the hydrogen circulation unit of FIG.
[0010]
As shown in FIG. 1, the humidifier unit U humidifies the anode humidifier 1 that humidifies hydrogen (fuel gas) H supplied to the anode side of the fuel cell FC and the air A supplied to the cathode side of the fuel cell FC. The cathode humidifier 2 and the hydrogen circulation unit (vibration generating device) 3 are integrally provided. Specifically, the two anode humidifiers 1 are arranged vertically, and the three cathode humidifiers 2 are arranged so that their planar positions are shifted from each other so as to be adjacent to the anode humidifier 1. Has been. Then, the two anode humidifiers 1 are disposed in a space generated by being displaced in the longitudinal direction with respect to the three cathode humidifiers 2 longer than the length of the anode humidifier 1. A unit 3 is provided. The hydrogen circulation unit 3 is fixed to a head 11 formed of a highly rigid member provided at both ends of the anode humidifier 1.
[0011]
As shown in FIG. 2, the hydrogen circulation unit 3 is configured by integrating a specific unit among a plurality of devices provided in a passage through which hydrogen H passes. In the following, the fuel cell system S as a whole will be briefly described in order to understand the functions of the devices constituting the hydrogen circulation unit 3.
[0012]
First, the flow of hydrogen H in the fuel cell system S will be described.
First, the pressure of the hydrogen H released from the hydrogen tank T by opening a solenoid valve (not shown) provided in the hydrogen tank T and the shutoff valve 31 is adjusted by the regulator 32. The pressure-adjusted hydrogen H is supplied to the humidifier unit U via the ejector 34. The ejector 34 mixes the hydrogen H from the hydrogen tank T and the hydrogen H returned from the fuel cell FC, re-supplyes them to the fuel cell FC, and circulates the hydrogen H.
[0013]
Then, the hydrogen H humidified by the humidifier unit U is supplied into the fuel cell FC, and the surplus hydrogen H that could not be chemically reacted passes through the check valve 35 and is passed to the humidifier unit U by the ejector 34. Returned and reused. Here, the check valve 35 prevents the backflow of hydrogen H flowing toward the ejector 34. Incidentally, a purge valve 36 for discharging the fluid is provided in the passage for returning the hydrogen H discharged from the fuel cell FC to the humidifier unit U, and hydrogen or the like in the circulation passage is appropriately removed from the system by the purge valve 36. To be discharged.
[0014]
Next, the flow of air A will be described.
The hot air A compressed by the supercharger SP is cooled by the intercooler IC, and then supplied to the fuel cell FC via the humidifier unit U.
[0015]
The excess air A (generally referred to as off-gas, which contains a large amount of water) that has not been chemically reacted in the air A supplied into the fuel cell FC is supplied to the hydrogen H in the humidifier unit U. And air A humidification. Thereafter, the air A coming out of the humidifier unit U is discharged via the back pressure valve V2.
[0016]
Finally, the flow of cooling water will be described.
The cooling water CW is circulated in the fuel cell system S by the hot water pump HP, and the cooling water CW cooled by the radiator RAD is supplied to the fuel cell FC.
[0017]
As described above, there are various devices constituting the fuel cell system S, and among these, a shutoff valve 31, a regulator 32, a check valve 35, a purge valve 36, and a back valve provided in a passage through which hydrogen H or air A passes. valve V2 is, corresponds to that occur vibration "vibration generating device". Of these vibration generating devices, the shut-off valve 31, the regulator 32, the check valve 35, and the purge valve 36 are devices constituting the hydrogen circulation unit 3 of the present embodiment.
[0018]
Next, the operation of the humidifier unit U when vibrations are generated by the various devices 31, 32, 35, and 36 of the hydrogen circulation unit 3 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, when various devices 31, 32, 35, and 36 (see FIG. 2) of the hydrogen circulation unit 3 vibrate, the vibration is absorbed by the highly rigid head 11 and then further integrated with a humidifier. It is absorbed by the unit U and reliably suppressed.
[0019]
According to the above, the following effects can be obtained in the present embodiment.
Since the vibration generated from the various devices 31, 32, 35, 36 of the hydrogen circulation unit 3 is absorbed by the integrated humidifier unit U (because the vibration is different between the vibration of the single unit and the whole unit). ), The vibration can be reliably suppressed. In addition, since this vibration is first absorbed by the highly rigid head 11, the vibration can be more reliably suppressed.
[0020]
As mentioned above, this invention is implemented in various forms, without being limited to the said embodiment.
In the present embodiment, the hydrogen circulation unit 3 is configured integrally with the humidifier unit U. However, the present invention is not limited to this, and for example, a back pressure valve V2 that is provided in a passage through which air A passes and generates vibration is also provided. The humidifier unit U may be integrated.
Moreover, you may attach the apparatus which does not generate | occur | produce a vibration to the humidifier unit U integrally. In this case, since the whole humidifier unit U becomes difficult to vibrate because the total weight of the humidifier unit U increases, the suppression of vibration can be greatly improved.
[0021]
【The invention's effect】
According to the present invention , the vibration generated from the vibration generating device is absorbed by the integrated anode humidifier and cathode humidifier, so that the vibration from the vibration generating device can be reliably suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a humidifier unit of the present invention.
2 is a configuration diagram showing a configuration of a fuel cell system including devices constituting the hydrogen circulation unit of FIG. 1. FIG.
[Explanation of symbols]
FC Fuel cell H Hydrogen (fuel gas)
A Air U Humidifier unit 1 Anode humidifier 2 Cathode humidifier 3 Hydrogen circulation unit (vibration generating device)
31 Shutoff valve 32 Regulator 34 Ejector 35 Check valve 36 Purge valve

Claims (4)

燃料電池と、A fuel cell;
前記燃料電池に供給されるガスを、当該燃料電池から排出されたオフガスにより加湿し、外形が円柱状の加湿器と、  The gas supplied to the fuel cell is humidified by the off-gas discharged from the fuel cell, and a humidifier having an outer shape that is cylindrical,
前記燃料電池に供給されるガス、及び、前記燃料電池から排出されたオフガスのいずれかが通る通路に直接設けられ、かつ、開閉するときに振動を発生する弁と、  A valve that is directly provided in a passage through which either the gas supplied to the fuel cell or the off-gas discharged from the fuel cell passes, and generates a vibration when opening and closing;
を備える燃料電池システムであって、  A fuel cell system comprising:
前記加湿器の端部に設けられたヘッド部に前記弁を固定し、前記加湿器と前記弁とを一体的に構成した  The valve is fixed to the head portion provided at the end of the humidifier, and the humidifier and the valve are integrally configured.
ことを特徴とする燃料電池システム。  A fuel cell system.
前記オフガスのうち前記燃料電池から排出された水素を、前記燃料電池に供給される水素に戻す循環通路を備え、A circulation path for returning hydrogen discharged from the fuel cell in the off-gas to hydrogen supplied to the fuel cell;
前記弁は、前記循環通路における水素の逆流を防止する逆止弁、又は、ソレノイドにより開閉し前記循環通路の水素を排出するパージ弁、を含む  The valve includes a check valve that prevents backflow of hydrogen in the circulation passage, or a purge valve that is opened and closed by a solenoid and discharges hydrogen in the circulation passage.
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.
前記燃料電池に供給される水素が貯蔵された水素タンクを備え、A hydrogen tank storing hydrogen to be supplied to the fuel cell;
前記弁は、ソレノイドにより開閉し開くことで前記水素タンクの水素を放出する遮断弁、又は、前記水素タンクから前記燃料電池に向かう水素の圧力を調整するレギュレータ、を含む  The valve includes a shut-off valve that releases hydrogen from the hydrogen tank by opening and closing by a solenoid, or a regulator that adjusts the pressure of hydrogen from the hydrogen tank toward the fuel cell.
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 fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized by the above.
前記弁は、前記オフガスのうち前記燃料電池から排出された空気が流れる通路に設けられた背圧弁を含むThe valve includes a back pressure valve provided in a passage through which air discharged from the fuel cell in the off gas flows.
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。  The fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein
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