JP7180563B2 - fuel cell system - Google Patents

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Description

本開示は、燃料電池システムに関する。 The present disclosure relates to fuel cell systems.

下記の特許文献1に開示されているように、バイパス流路を備えた燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、調圧弁(調整弁ともいう)を介して燃料電池の入口側に接続された供給流路と、調圧弁を介して燃料電池の出口側に接続された排出流路を備える。供給流路はコンプレッサに接続され、排出流路はタービンに接続される。入口側の調圧弁と出口側の調圧弁とによって、燃料電池内の圧力が調節される。 As disclosed in Patent Document 1 below, a fuel cell system having a bypass flow path is known. This fuel cell system includes a supply channel connected to the inlet side of the fuel cell via a pressure regulating valve (also referred to as a regulating valve), and a discharge channel connected to the outlet side of the fuel cell via the pressure regulating valve. . The supply channel is connected to the compressor and the discharge channel is connected to the turbine. The pressure in the fuel cell is regulated by the pressure regulating valve on the inlet side and the pressure regulating valve on the outlet side.

バイパス流路は、供給流路における調圧弁とコンプレッサとの間の部分を、排出流路における調圧弁とタービンとの間の部分にバイパス接続する。バイパス流路にはバイパス弁が設けられる。コンプレッサから燃料電池を介さずにバイパス流路を通流してタービンに供給されるカソードガスの流量はバイパス弁により調節される。調整弁およびバイパス弁の動作を制御することによって、燃料電池内の圧力を適切な値に設定しつつ、タービンで効率よく動力を回収することが可能となる。 The bypass flowpath bypasses a portion of the supply flowpath between the pressure regulator and the compressor to a portion of the discharge flowpath between the pressure regulator and the turbine. A bypass valve is provided in the bypass flow path. A bypass valve regulates the flow rate of the cathode gas supplied from the compressor to the turbine through the bypass passage without passing through the fuel cell. By controlling the operation of the regulating valve and the bypass valve, it is possible to efficiently recover power in the turbine while setting the pressure in the fuel cell to an appropriate value.

特開2018-092795号公報JP 2018-092795 A

調圧弁は、たとえば電磁バルブから構成され、一般的に圧力損失を利用して、調圧弁の上流側部分と調圧弁の下流側部分との間に差圧を発生させる。調圧弁を利用することで、燃料電池内の圧力を容易に調節することが可能となる。しかしながら、燃料電池の出口側の排出経路に調圧弁を配置した場合には、燃料電池内の圧力を調節する際にこの調圧弁によって圧力損失が発生するため、タービンにおける動力回収効率を向上させることが難しくなる。 The pressure regulating valve is composed of, for example, an electromagnetic valve, and generally utilizes pressure loss to generate a differential pressure between an upstream portion of the pressure regulating valve and a downstream portion of the pressure regulating valve. By using the pressure regulating valve, the pressure inside the fuel cell can be easily adjusted. However, if a pressure regulating valve is arranged in the exhaust path on the outlet side of the fuel cell, the pressure regulating valve causes pressure loss when adjusting the pressure in the fuel cell. becomes difficult.

本開示は、簡素な構成で、タービンにおける動力回収効率を従来に比して向上させやすくすることが可能な構成を備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a fuel cell system that has a simple configuration and that can easily improve power recovery efficiency in a turbine as compared with the conventional one.

本開示に基づく燃料電池システムは、上記燃料電池にカソードガスを供給する供給流路と、カソードガスを圧縮して上記供給流路に供給するコンプレッサと、上記供給流路における上記燃料電池と上記コンプレッサとの間に設けられ、上記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を調節可能な入口弁と、上記燃料電池からカソード排ガスを排出する排出流路と、タービンホイールと上記タービンホイールを収容するタービンハウジングとを有し、上記排出流路からのカソード排ガスが上記タービンハウジング内に供給されて上記タービンホイールによって動力を生成するタービンと、互いに連通可能な第1接続部と第2接続部とを有し、上記供給流路における上記コンプレッサと上記入口弁との間の位置に上記第1接続部が接続され、上記タービンハウジング内における上記タービンホイールよりもカソード排ガスが流れる方向の上流側の位置に上記第2接続部が接続されたバイパス流路と、上記バイパス流路における上記第1接続部と上記第2接続部との間に設けられ、上記バイパス流路を流れるカソードガスの流量を調節可能なバイパス弁と、上記燃料電池から排出されるカソード排ガスが流れる方向において上記第2接続部の位置よりも上流側に配置され、上記燃料電池から排出されて上記タービンハウジング内に供給されるカソード排ガスの流量を調節可能な可変ノズルユニットと、を備える。 A fuel cell system according to the present disclosure includes a supply passage for supplying cathode gas to the fuel cell, a compressor for compressing the cathode gas and supplying it to the supply passage, and the fuel cell and the compressor in the supply passage. and an inlet valve capable of adjusting the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell, a discharge passage for discharging the cathode exhaust gas from the fuel cell, a turbine wheel, and a turbine housing the turbine wheel a turbine to which cathode exhaust gas from the discharge channel is supplied into the turbine housing to generate power by the turbine wheel; and first and second connections that are communicable with each other. The first connecting portion is connected to a position between the compressor and the inlet valve in the supply flow path, and the first connecting portion is connected to a position upstream of the turbine wheel in the direction in which the cathode exhaust gas flows in the turbine housing. A bypass flow path to which a second connection part is connected, and a cathode gas flow rate provided between the first connection part and the second connection part in the bypass flow path and capable of adjusting the flow rate of the cathode gas flowing through the bypass flow path A bypass valve and a cathode exhaust gas discharged from the fuel cell and disposed upstream of the second connecting portion in a flow direction of the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell and supplied to the turbine housing. and a variable nozzle unit capable of adjusting the flow rate.

上記燃料電池システムにおいては、上記可変ノズルユニットは、上記タービンハウジングの内部に配置されていてもよい。 In the fuel cell system, the variable nozzle unit may be arranged inside the turbine housing.

上記燃料電池システムにおいては、上記可変ノズルユニットは、流路を内側に形成する枠状のシール部材と、上記シール部材に離接することで上記流路を開閉するベーンと、上記ベーンを軸支する軸部とを有し、上記軸部は、上記タービンホイールの回転軸と平行に延びており、上記ベーンは、上記シール部材に離接するシール面を有し、上記シール面は、上記回転軸の周方向に沿って延びる曲面形状を有していてもよい。 In the fuel cell system, the variable nozzle unit includes a frame-shaped sealing member that forms a channel inside, vanes that open and close the channel by contacting and separating from the sealing member, and pivotally supporting the vanes. The shaft extends parallel to the rotation axis of the turbine wheel, the vane has a seal surface that contacts and separates from the seal member, and the seal surface extends along the rotation axis. It may have a curved surface shape extending along the circumferential direction.

上記燃料電池システムにおいては、上記回転軸に対して平行な方向に沿って見た場合、上記第2接続部は、上記ベーンと上記タービンホイールとの間に位置していてもよい。 In the fuel cell system, the second connecting portion may be located between the vane and the turbine wheel when viewed along a direction parallel to the rotation axis.

上記燃料電池システムにおいては、上記バイパス流路のうちの上記第2接続部を形成している出口部分は、上記回転軸に対して略平行に延びていてもよい。 In the above fuel cell system, an outlet portion of the bypass channel that forms the second connecting portion may extend substantially parallel to the rotating shaft.

上記燃料電池システムにおいては、上記シール部材は、カソード排ガスが流れる方向において上流側に位置する上流部と、同方向において上記上流部よりも下流側に位置する下流部と、を有し、重力方向における上記下流部の高さ位置は、重力方向における上記上流部の高さ位置よりも高くてもよい。 In the above fuel cell system, the sealing member has an upstream portion located upstream in the direction in which the cathode exhaust gas flows, and a downstream portion located downstream of the upstream portion in the same direction. may be higher than the height position of the upstream portion in the gravity direction.

上記燃料電池システムにおいては、上記ベーンは、閉塞部を有しており、上記ベーンが上記シール部材から離れている状態において、上記閉塞部は、上記バイパス流路における上記第2接続部の少なくとも一部を塞いでいてもよい。 In the above fuel cell system, the vane has a closed portion, and when the vane is separated from the seal member, the closed portion is at least one of the second connection portions in the bypass flow path. part may be closed.

上記燃料電池システムにおいては、カソード排ガスが流れる方向において、上記ベーンおよび上記軸部は、上記シール部材に対して下流側に配置されていてもよい。 In the above fuel cell system, the vane and the shaft portion may be arranged downstream with respect to the seal member in a direction in which cathode exhaust gas flows.

上記燃料電池システムにおいては、上記可変ノズルユニットは、上記タービンホイールの回転軸に対して平行な方向に移動可能なベーンと、上記タービンハウジングの内壁上に設けられたシール部材と、を有し、上記ベーンが上記シール部材に離接することで、上記燃料電池から排出されて上記タービンハウジング内に供給されるカソード排ガスの流量が調節されてもよい。 In the above fuel cell system, the variable nozzle unit has vanes movable in a direction parallel to the rotation axis of the turbine wheel, and a seal member provided on the inner wall of the turbine housing, A flow rate of the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell and supplied into the turbine housing may be adjusted by moving the vane to and from the sealing member.

上記構成を備えた燃料電池システムによれば、タービンにおける動力回収効率を従来に比して向上させやすくすることが可能となる。 According to the fuel cell system having the above configuration, it is possible to easily improve the power recovery efficiency in the turbine as compared with the conventional system.

実施の形態1における燃料電池システム100を模式的に示す図である。1 is a diagram schematically showing a fuel cell system 100 according to Embodiment 1; FIG. 比較例1における燃料電池システム100aを模式的に示す図である。4 is a diagram schematically showing a fuel cell system 100a in Comparative Example 1. FIG. 比較例2における燃料電池システム100bを模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing a fuel cell system 100b in Comparative Example 2; 実施の形態2における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11(閉じている状態)を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a turbine 5 and a variable nozzle unit 11 (closed state) provided in a fuel cell system according to Embodiment 2; 実施の形態2における可変ノズルユニット11を示す斜視図である。FIG. 8 is a perspective view showing a variable nozzle unit 11 according to Embodiment 2; 実施の形態2における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11(開いている状態)を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a turbine 5 and a variable nozzle unit 11 (open state) provided in a fuel cell system according to Embodiment 2; 実施の形態3における燃料電池システム(可変ノズルユニット)に備えられるベーン13mを示す斜視図である。FIG. 11 is a perspective view showing vanes 13m provided in a fuel cell system (variable nozzle unit) according to Embodiment 3; 実施の形態4における実施の形態4における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11b(閉じている状態)を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a turbine 5 and a variable nozzle unit 11b (closed state) provided in a fuel cell system according to Embodiment 4 of Embodiment 4; 実施の形態5における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11c(閉じている状態)を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a turbine 5 and a variable nozzle unit 11c (closed state) provided in a fuel cell system according to Embodiment 5; 実施の形態5における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11c(開いている状態)を示す断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view showing a turbine 5 and a variable nozzle unit 11c (open state) provided in a fuel cell system according to Embodiment 5; 実施の形態5における燃料電池システムの変形例に備えられるタービン5および可変ノズルユニット11c(閉じている状態)を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing a turbine 5 and a variable nozzle unit 11c (closed state) provided in a modified example of the fuel cell system according to Embodiment 5;

実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。以下の説明において同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。 Embodiments will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same reference numerals are given to the same parts and equivalent parts, and redundant description may not be repeated.

[実施の形態1]
(燃料電池システム100)
図1は、実施の形態1における燃料電池システム100を模式的に示す図である。燃料電池システム100は、燃料電池1、カソードガス供給系2およびアノードガス供給系(不図示)を備える。
[Embodiment 1]
(Fuel cell system 100)
FIG. 1 is a diagram schematically showing a fuel cell system 100 according to Embodiment 1. FIG. The fuel cell system 100 includes a fuel cell 1, a cathode gas supply system 2 and an anode gas supply system (not shown).

燃料電池1は、アノードガス(水素)およびカソードガス(空気)が供給されることによって発電する。カソードガス供給系2は、コンプレッサ3、モータ4m、タービン5、供給流路6、入口弁7、排出流路8、バイパス流路9、バイパス弁10、および可変ノズルユニット11を備える。 The fuel cell 1 generates power by being supplied with an anode gas (hydrogen) and a cathode gas (air). The cathode gas supply system 2 includes a compressor 3, a motor 4m, a turbine 5, a supply channel 6, an inlet valve 7, a discharge channel 8, a bypass channel 9, a bypass valve 10, and a variable nozzle unit 11.

コンプレッサ3は、コンプレッサホイール3wと、コンプレッサホイール3wを収容するコンプレッサハウジング3hを有する。カソードガス(矢印AR1)は、ポート3sを通してコンプレッサハウジング3h内のコンプレッサホイール3wに供給される。カソードガスは、圧縮された状態でポート3dを通して供給流路6に供給される。供給流路6は、燃料電池1の入口部1aとコンプレッサ3のポート3dとを接続しており、燃料電池1にカソードガスを供給する(矢印AR2)。 The compressor 3 has a compressor wheel 3w and a compressor housing 3h that houses the compressor wheel 3w. Cathode gas (arrow AR1) is supplied to compressor wheel 3w in compressor housing 3h through port 3s. Cathode gas is supplied to supply channel 6 through port 3d in a compressed state. The supply channel 6 connects the inlet 1a of the fuel cell 1 and the port 3d of the compressor 3, and supplies cathode gas to the fuel cell 1 (arrow AR2).

排出流路8は、燃料電池1の出口部1bとタービン5のポート5sとを接続しており、燃料電池1からカソード排ガスを排出する(矢印AR3)。タービン5は、タービンホイール5wと、タービンホイール5wを収容するタービンハウジング5hとを有する。排出流路8からのカソード排ガスは、ポート5sを通してタービンハウジング5h内のタービンホイール5wに供給され、ポート5dから吐出される(矢印AR4)。タービン5はこの際、タービンホイール5wを介してエネルギーを回収し、動力を生成する。 The discharge passage 8 connects the outlet 1b of the fuel cell 1 and the port 5s of the turbine 5, and discharges the cathode exhaust gas from the fuel cell 1 (arrow AR3). The turbine 5 has a turbine wheel 5w and a turbine housing 5h that houses the turbine wheel 5w. Cathode exhaust gas from the discharge passage 8 is supplied to the turbine wheel 5w in the turbine housing 5h through the port 5s and discharged from the port 5d (arrow AR4). The turbine 5 then recovers energy via the turbine wheel 5w to generate power.

モータ4mは、センターハウジング4h内に収容される。コンプレッサホイール3wとタービンホイール5wとはシャフト4sを介して連結されている。タービンホイール5wによって回収されたエネルギーは、回転駆動力としてコンプレッサホイール3wの回転に利用される。コンプレッサホイール3wは、モータ4mによっても回転駆動可能である。 The motor 4m is accommodated in the center housing 4h. Compressor wheel 3w and turbine wheel 5w are connected via shaft 4s. The energy recovered by the turbine wheel 5w is used as rotational driving force to rotate the compressor wheel 3w. The compressor wheel 3w can also be driven to rotate by the motor 4m.

入口弁7は、供給流路6における燃料電池1とコンプレッサ3との間に設けられる。入口弁7は、たとえば調圧弁、具体的には電磁バルブなどから構成され、燃料電池1に供給されるカソードガスの流量を調節可能である。 An inlet valve 7 is provided between the fuel cell 1 and the compressor 3 in the supply channel 6 . The inlet valve 7 is composed of, for example, a pressure regulating valve, more specifically an electromagnetic valve, and can adjust the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell 1 .

バイパス流路9は、互いに連通可能な第1接続部9aと第2接続部9bとを有する。バイパス流路9の第1接続部9aは、供給流路6におけるコンプレッサ3と入口弁7との間の位置に接続される。バイパス流路9の第2接続部9bは、タービンハウジング5h内におけるタービンホイール5wよりもカソード排ガスが流れる方向の上流側の位置に接続される。 The bypass channel 9 has a first connection portion 9a and a second connection portion 9b that can communicate with each other. A first connection 9 a of the bypass channel 9 is connected to a position in the supply channel 6 between the compressor 3 and the inlet valve 7 . The second connecting portion 9b of the bypass flow path 9 is connected to a position upstream of the turbine wheel 5w in the direction in which the cathode exhaust gas flows inside the turbine housing 5h.

図1では、第2接続部9bは、タービンハウジング5hのうちのセンターハウジング4hから遠い側の壁部分を貫通するように設けられている。第2接続部9bは、タービンハウジング5hのうちのセンターハウジング4hから近い側の壁部分を貫通するように設けられていてもよい。 In FIG. 1, the second connection portion 9b is provided so as to pass through a wall portion of the turbine housing 5h on the far side from the center housing 4h. The second connecting portion 9b may be provided so as to penetrate a wall portion of the turbine housing 5h on the side closer to the center housing 4h.

バイパス流路9は、コンプレッサ3から吐出されたカソードガスを、燃料電池1をバイパスしてタービン5に供給する。バイパス流路9における第1接続部9aと第2接続部9bとの間にバイパス弁10が設けられる。バイパス弁10はバイパス流路9を流れるカソードガスの流量を調節可能である。 The bypass flow path 9 bypasses the fuel cell 1 and supplies the cathode gas discharged from the compressor 3 to the turbine 5 . A bypass valve 10 is provided between the first connection portion 9 a and the second connection portion 9 b in the bypass flow path 9 . The bypass valve 10 can adjust the flow rate of the cathode gas flowing through the bypass channel 9 .

ここで、比較例1(図2)の燃料電池システム100aでは、電磁バルブなどから構成される調圧弁11aが、燃料電池1の出口側に採用される。一方、本実施の形態では、可変ノズルユニット11が燃料電池1の出口側に採用される(図1)。カソード排ガスが流れる方向において、可変ノズルユニット11とタービンホイール5wとの間に、バイパス流路9の第2接続部9bが設けられる。 Here, in the fuel cell system 100a of Comparative Example 1 (FIG. 2), a pressure regulating valve 11a composed of an electromagnetic valve or the like is employed on the outlet side of the fuel cell 1. As shown in FIG. On the other hand, in this embodiment, the variable nozzle unit 11 is adopted on the outlet side of the fuel cell 1 (FIG. 1). A second connecting portion 9b of the bypass flow path 9 is provided between the variable nozzle unit 11 and the turbine wheel 5w in the direction in which the cathode exhaust gas flows.

可変ノズルユニット11は、可変ノズルユニット11を通過する流体の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換する。可変ノズルユニット11は、燃料電池1から排出されるカソード排ガスが流れる方向において、バイパス流路9の第2接続部9bの位置よりも上流側に配置される。可変ノズルユニット11は、燃料電池1から排出されてタービンハウジング5h内に供給されるカソード排ガスの流量を調節可能である。 The variable nozzle unit 11 converts pressure energy of fluid passing through the variable nozzle unit 11 into velocity energy. The variable nozzle unit 11 is arranged upstream of the position of the second connecting portion 9b of the bypass channel 9 in the direction in which the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell 1 flows. The variable nozzle unit 11 can adjust the flow rate of the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell 1 and supplied into the turbine housing 5h.

本実施の形態の可変ノズルユニット11はさらに、カソード排ガスが流れる方向において、可変ノズルユニット11の上流側部分から可変ノズルユニット11の下流側部分へと流体が流れることを遮断または実質的に遮断することが可能である。可変ノズルユニット11は、これとは逆向きに流体が流れることも遮断または実質的に遮断することが可能である。 The variable nozzle unit 11 of the present embodiment further blocks or substantially blocks the flow of fluid from the upstream portion of the variable nozzle unit 11 to the downstream portion of the variable nozzle unit 11 in the direction in which the cathode exhaust gas flows. It is possible. The variable nozzle unit 11 can also block or substantially block the flow of fluid in the opposite direction.

(作用および効果)
たとえば、バイパス弁10を開き、入口弁7および可変ノズルユニット11を閉じた場合には、コンプレッサ3から吐出されたカソードガスは、燃料電池1を通ることなくバイパス流路9を通してタービン5に供給される。カソードガスは、タービンホイール5wによりエネルギーを回収された状態で、ポート5dから吐出される。
(action and effect)
For example, when the bypass valve 10 is opened and the inlet valve 7 and the variable nozzle unit 11 are closed, the cathode gas discharged from the compressor 3 is supplied to the turbine 5 through the bypass passage 9 without passing through the fuel cell 1. be. The cathode gas is discharged from port 5d with energy recovered by turbine wheel 5w.

比較例1(図2)の場合においても、バイパス弁10を開き、入口弁7および調圧弁11aを閉じた場合には、コンプレッサ3から吐出されたカソードガスは、燃料電池1を通ることなくバイパス流路9を通してタービン5に供給される。実施の形態1における燃料電池システム100は、バイパス流路9および可変ノズルユニット11によって、これと同様な動作を行なうことが可能である。 Even in the case of Comparative Example 1 (FIG. 2), when the bypass valve 10 is opened and the inlet valve 7 and the pressure regulating valve 11a are closed, the cathode gas discharged from the compressor 3 bypasses the fuel cell 1 without passing through it. It is supplied to turbine 5 through flow path 9 . Fuel cell system 100 in Embodiment 1 can perform the same operation by bypass flow path 9 and variable nozzle unit 11 .

運転停止時などにおいては、入口弁7および可変ノズルユニット11を閉じることで、入口部1aおよび出口部1bを介した燃料電池1への流体の入出力を遮断または実質的に遮断することが可能となる。 By closing the inlet valve 7 and the variable nozzle unit 11 when the operation is stopped, it is possible to cut off or substantially cut off the input/output of the fluid to the fuel cell 1 via the inlet portion 1a and the outlet portion 1b. becomes.

可変ノズルユニット11を開いた場合、カソード排ガスが可変ノズルユニット11を通過することで、カソード排ガスの圧力エネルギーが速度エネルギーに変換される。可変ノズルユニット11の上流側と下流側との間に差圧が発生する。入口弁7、バイパス弁10および可変ノズルユニット11の各々の開度を制御することによって、燃料電池1内の圧力を適切な値に設定することができる。可変ノズルユニット11の変換効率は、比較例1の場合の調圧弁11a(図2)の場合よりも容易に高くすることができ、回生量の増加を図ることが可能である。 When the variable nozzle unit 11 is opened, the cathode exhaust gas passes through the variable nozzle unit 11, thereby converting the pressure energy of the cathode exhaust gas into velocity energy. A differential pressure is generated between the upstream side and the downstream side of the variable nozzle unit 11 . By controlling the degree of opening of each of the inlet valve 7, the bypass valve 10 and the variable nozzle unit 11, the pressure inside the fuel cell 1 can be set to an appropriate value. The conversion efficiency of the variable nozzle unit 11 can be easily made higher than that of the pressure regulating valve 11a (FIG. 2) in Comparative Example 1, and the amount of regeneration can be increased.

すなわち、可変ノズルユニット11によって圧力調整を行なう際に発生し得る圧力損失は、調圧弁11aを利用して圧力調整を行なう際に発生し得る圧力損失よりも少ない。カソード排ガスは、より多くの運動エネルギーを有している状態でタービンホイール5wに供給される。したがって本実施の形態によれば、タービン5における動力回収効率を従来構成や比較例1の構成に比べて向上させやすくすることが可能であり、燃料電池システム100が搭載される車両等における電力使用効率を向上させることが可能となる。 That is, the pressure loss that can occur when the pressure is adjusted by the variable nozzle unit 11 is smaller than the pressure loss that can occur when the pressure is adjusted using the pressure regulating valve 11a. The cathode exhaust gas is supplied to the turbine wheel 5w while having more kinetic energy. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to easily improve the power recovery efficiency in the turbine 5 compared to the conventional configuration and the configuration of Comparative Example 1, and the power consumption in the vehicle or the like in which the fuel cell system 100 is mounted. Efficiency can be improved.

燃料電池システム100によれば、可変ノズルユニット11が、燃料電池1から排出されるカソード排ガスが流れる方向において、バイパス流路9の第2接続部9bの位置よりも上流側に配置される。入口弁7と可変ノズルユニット11とを閉鎖することによって、燃料電池1の入口部1aおよび出口部1bを閉鎖できる。 According to the fuel cell system 100, the variable nozzle unit 11 is arranged upstream of the position of the second connecting portion 9b of the bypass channel 9 in the direction in which the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell 1 flows. By closing the inlet valve 7 and the variable nozzle unit 11, the inlet portion 1a and the outlet portion 1b of the fuel cell 1 can be closed.

ここで、比較例2(図3)の燃料電池システム100bでは、バイパス流路9の第2接続部9bが、排出流路8における燃料電池1の出口部1bとタービン5のポート5sとの間の部分に接続されている。燃料電池1の入口部1aおよび出口部1bを閉鎖するためには、すなわち燃料電池1を閉鎖状態とするためには、入口弁7と可変ノズルユニット11とを閉鎖するだけでなく、バイパス弁10も閉鎖する必要がある。 Here, in the fuel cell system 100b of Comparative Example 2 (FIG. 3), the second connecting portion 9b of the bypass channel 9 is located between the outlet portion 1b of the fuel cell 1 in the exhaust channel 8 and the port 5s of the turbine 5. connected to the part of In order to close the inlet portion 1a and the outlet portion 1b of the fuel cell 1, that is, to bring the fuel cell 1 into a closed state, not only the inlet valve 7 and the variable nozzle unit 11 but also the bypass valve 10 are closed. should also be closed.

実施の形態1の燃料電池システム100では、入口弁7と可変ノズルユニット11とを閉鎖すれば、燃料電池1の閉鎖状態を実現できる。比較例2の場合には、燃料電池1の閉鎖状態を得るために、入口弁7、可変ノズルユニット11およびバイパス弁10の閉鎖性能を確保する必要がある。実施の形態1は比較例2の場合に比べてバイパス弁10に高い閉鎖性能が要求されないという点において、少ない費用でシステムを構成することができる。 In the fuel cell system 100 of Embodiment 1, the closed state of the fuel cell 1 can be realized by closing the inlet valve 7 and the variable nozzle unit 11 . In the case of Comparative Example 2, in order to obtain the closed state of the fuel cell 1, the closing performance of the inlet valve 7, the variable nozzle unit 11 and the bypass valve 10 must be ensured. In the first embodiment, the bypass valve 10 is not required to have high closing performance as compared with the second comparative example, so that the system can be constructed at a low cost.

実施の形態1の燃料電池システム100は、燃料電池を閉鎖状態とする場合、バイパス流路9と排出流路8との2つの流路を閉鎖する必要があるところ、可変ノズルユニット11によりその両方を閉鎖することができる。 In the fuel cell system 100 of Embodiment 1, when the fuel cell is closed, both the bypass channel 9 and the discharge channel 8 need to be closed. can be closed.

燃料電池システム100においては、タービンハウジング5hの内部に可変ノズルユニット11が配置されている。可変ノズルユニット11がタービンハウジング5hの外部に配置されている場合に比べて、可変ノズルユニット11とタービンホイール5wとの距離が近い。可変ノズルユニット11によってカソード排ガスの圧力エネルギーが速度エネルギーに変換された後すぐに、カソード排ガスは、より多くの運動エネルギーを有している状態でタービンホイール5wに付与される。 In the fuel cell system 100, the variable nozzle unit 11 is arranged inside the turbine housing 5h. The distance between the variable nozzle unit 11 and the turbine wheel 5w is shorter than when the variable nozzle unit 11 is arranged outside the turbine housing 5h. Immediately after the pressure energy of the cathode exhaust gas is converted into velocity energy by the variable nozzle unit 11, the cathode exhaust gas is imparted to the turbine wheel 5w with more kinetic energy.

[実施の形態2]
図4は、実施の形態2における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11を示す図であり、タービンホイール5w(シャフト4s)の回転軸5cに対して平行な方向に沿ってタービンハウジング5h内の各要素を見た場合の様子を表わしている。図5は、実施の形態2における可変ノズルユニット11を示す斜視図である。
[Embodiment 2]
FIG. 4 is a diagram showing the turbine 5 and the variable nozzle unit 11 provided in the fuel cell system according to Embodiment 2. The turbine housing extends along a direction parallel to the rotation axis 5c of the turbine wheel 5w (shaft 4s). It shows how each element in 5h is viewed. FIG. 5 is a perspective view showing the variable nozzle unit 11 according to Embodiment 2. FIG.

図1に示す場合と同様に、第2接続部9bは、タービンハウジング5hのうちのセンターハウジング4h(図1)から遠い側の壁部分を貫通するように設けられる。したがって第2接続部9bは便宜上のため破線を用いて図4中に図示している。第2接続部9bは、タービンハウジング5hのうちのセンターハウジング4hから近い側の壁部分を貫通するように設けられていてもよい。 As in the case shown in FIG. 1, the second connecting portion 9b is provided so as to penetrate the wall portion of the turbine housing 5h on the far side from the center housing 4h (FIG. 1). Therefore, the second connecting portion 9b is illustrated in FIG. 4 using a dashed line for convenience. The second connecting portion 9b may be provided so as to penetrate a wall portion of the turbine housing 5h on the side closer to the center housing 4h.

可変ノズルユニット11は、シール部材12、ベーン13、および軸部14を有する。シール部材12は枠状の形状を有し、流路12rを内側に形成する。シール部材12は、上流部12a、下流部12c、および、中間部12b,12d(図5)を有する。上流部12aはカソード排ガスが流れる方向において上流側に位置し、下流部12cは同方向において上流部12aよりも下流側に位置する(図4参照)。 The variable nozzle unit 11 has a seal member 12 , vanes 13 and a shaft portion 14 . The sealing member 12 has a frame-like shape and forms a flow path 12r inside. The seal member 12 has an upstream portion 12a, a downstream portion 12c, and intermediate portions 12b and 12d (FIG. 5). The upstream portion 12a is located on the upstream side in the direction in which the cathode exhaust gas flows, and the downstream portion 12c is located on the downstream side of the upstream portion 12a in the same direction (see FIG. 4).

ベーン13は、板状の形状を有する。ベーン13の上流側の端部が、軸部14によって軸支される。軸部14は駆動源15に接続される。駆動源15によって軸部14が駆動され、ベーン13は軸部14と一体的に回動する(図5の矢印DR)。 The vane 13 has a plate-like shape. An upstream end of the vane 13 is pivotally supported by the shaft portion 14 . The shaft portion 14 is connected to the drive source 15 . The shaft portion 14 is driven by the drive source 15, and the vane 13 rotates integrally with the shaft portion 14 (arrow DR in FIG. 5).

本実施の形態では、軸部14は、タービンホイール5w(図4)の回転軸5cと平行に延びており、ベーン13は、シール部材12に離接するシール面13sを有する。シール面13sは、タービンホイール5wの回転軸5cに対して平行な方向に延在するとともに、回転軸5cの周方向に沿って延びる曲面形状を有している。シール面13sは、タービンハウジング5hの内周面の形状に略平行になるように配置されている。 In the present embodiment, the shaft portion 14 extends parallel to the rotation axis 5c of the turbine wheel 5w (FIG. 4), and the vane 13 has a seal surface 13s that contacts and separates from the seal member 12. As shown in FIG. The seal surface 13s extends in a direction parallel to the rotating shaft 5c of the turbine wheel 5w and has a curved shape extending along the circumferential direction of the rotating shaft 5c. 13 s of seal surfaces are arrange|positioned so that it may become substantially parallel to the shape of the internal peripheral surface of the turbine housing 5h.

以上のような構成を備えた可変ノズルユニット11によれば、ベーン13のシール面13sがシール部材12に離接することで、流路12rが開閉される。可変ノズルユニット11は、カソード排ガスが流れる方向において、可変ノズルユニット11の上流側部分から可変ノズルユニット11の下流側部分へと流体が流れることを、より漏れが少ない状態で遮断または実質的に遮断することが可能である。可変ノズルユニット11は、これとは逆向きに流体が流れることも遮断または実質的に遮断することが可能である。 According to the variable nozzle unit 11 having the configuration described above, the flow path 12r is opened and closed by the sealing surface 13s of the vane 13 coming into contact with and separating from the sealing member 12. As shown in FIG. The variable nozzle unit 11 blocks or substantially blocks, with less leakage, the flow of fluid from the upstream portion of the variable nozzle unit 11 to the downstream portion of the variable nozzle unit 11 in the flow direction of the cathode exhaust gas. It is possible to The variable nozzle unit 11 can also block or substantially block the flow of fluid in the opposite direction.

図4に示すように、カソード排ガスが流れる方向において、ベーン13および軸部14は、シール部材12に対して下流側に配置されているとよい。ベーン13および軸部14がシール部材12に対して上流側に配置されている場合に比べて、ベーン13とシール部材12とによる密閉状態または実質的な密閉状態を形成しやすくなる。 As shown in FIG. 4, the vane 13 and the shaft portion 14 are preferably arranged downstream with respect to the sealing member 12 in the direction in which the cathode exhaust gas flows. Compared to the case where the vane 13 and the shaft portion 14 are arranged on the upstream side with respect to the seal member 12 , it becomes easier to form a sealed state or a substantially sealed state by the vane 13 and the seal member 12 .

図6に示すように、ベーン13のシール面13sはタービンホイール5wの回転軸5cの周方向に沿って延びる曲面形状を有している。可変ノズルユニット11が開いた状態、すなわちベーン13がシール部材12から離れた状態では、可変ノズルユニット11は、排出流路8からのカソード排ガスをタービンホイール5wに向けてスムーズに案内する。可変ノズルユニット11によって案内されたカソード排ガスは、タービンホイール5wの回転方向に対して接線方向に流れることができ、結果としてタービン5は高い変換効率で流体の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換することが可能となる。 As shown in FIG. 6, the sealing surface 13s of the vane 13 has a curved shape extending along the circumferential direction of the rotating shaft 5c of the turbine wheel 5w. When the variable nozzle unit 11 is open, that is, when the vane 13 is separated from the seal member 12, the variable nozzle unit 11 smoothly guides the cathode exhaust gas from the exhaust passage 8 toward the turbine wheel 5w. The cathode exhaust gas guided by the variable nozzle unit 11 can flow tangentially to the rotating direction of the turbine wheel 5w, and as a result, the turbine 5 can convert fluid pressure energy into velocity energy with high conversion efficiency. It becomes possible.

図4に示すように、タービンホイール5wの回転軸5cに対して平行な方向に沿って見た場合、バイパス流路9の第2接続部9bは、ベーン13とタービンホイール5wとの間に位置しているとよい。流体がタービンハウジング5h内を流れてタービンホイール5wを回転させる。流体に乱れが生じると、流体からタービンホイール5wに付与される運動エネルギーが減少し得る。上記構成によれば、第2接続部9bがベーン13によって覆われやすくなり、タービンホイール5wの回転に直接的に寄与する流体に、第2接続部9bからのカソードガスの影響が及ぶことを軽減可能となる。 As shown in FIG. 4, when viewed along a direction parallel to the rotation axis 5c of the turbine wheel 5w, the second connecting portion 9b of the bypass flow path 9 is positioned between the vane 13 and the turbine wheel 5w. I hope you are. Fluid flows through the turbine housing 5h to rotate the turbine wheel 5w. Turbulence in the fluid can reduce the kinetic energy imparted from the fluid to the turbine wheel 5w. According to the above configuration, the second connection portion 9b is easily covered with the vanes 13, and the influence of the cathode gas from the second connection portion 9b on the fluid that directly contributes to the rotation of the turbine wheel 5w is reduced. It becomes possible.

図4に示す構成では、タービンホイール5wの径方向において、第2接続部9bはベーン13とタービンホイール5wとの間に位置している。第2接続部9bは、図4中に示す位置P1または位置P2に設けられていてもよい。第2接続部9bが図4中に示す位置に設けられる場合であっても、第2接続部9bが位置P1,P2に設けられる場合であっても、燃料電池1から排出されるカソード排ガスが流れる方向において、可変ノズルユニット11は第2接続部9bよりも上流側に位置し、タービンホイール5wは第2接続部9bよりも下流側に位置する。 In the configuration shown in FIG. 4, the second connecting portion 9b is positioned between the vane 13 and the turbine wheel 5w in the radial direction of the turbine wheel 5w. The second connecting portion 9b may be provided at the position P1 or the position P2 shown in FIG. Even when the second connection portion 9b is provided at the position shown in FIG. In the direction of flow, the variable nozzle unit 11 is located upstream of the second connection portion 9b, and the turbine wheel 5w is located downstream of the second connection portion 9b.

図1に示すように、バイパス流路9のうちの第2接続部9bを形成している出口部分は、タービンホイール5wの回転軸5cに対して略平行に延びているとよい。上記構成によっても、タービンホイール5wの回転に直接的に寄与する流体に、第2接続部9bからのカソードガスの影響が及ぶことを軽減可能となる。 As shown in FIG. 1, the outlet portion of the bypass flow path 9 forming the second connecting portion 9b preferably extends substantially parallel to the rotation axis 5c of the turbine wheel 5w. The above configuration also makes it possible to reduce the influence of the cathode gas from the second connection portion 9b on the fluid that directly contributes to the rotation of the turbine wheel 5w.

[実施の形態3]
図7は、実施の形態3における燃料電池システム(可変ノズルユニット)に備えられるベーン13mを示す斜視図である。ベーン13mは、シール面13sを形成している部分と、当該部分から膨出する膨出部13tとを有しており、全体として略L字状の断面形状を呈する。膨出部13tの表面が閉塞部13cを構成している。ベーン13がシール部材12(図5等参照)から離れている状態において、閉塞部13cは、バイパス流路9における第2接続部9bの少なくとも一部を塞いでいるとよい。
[Embodiment 3]
FIG. 7 is a perspective view showing vanes 13m provided in the fuel cell system (variable nozzle unit) according to the third embodiment. The vane 13m has a portion that forms the sealing surface 13s and a bulging portion 13t that bulges from the portion, and exhibits a substantially L-shaped cross-sectional shape as a whole. The surface of the bulging portion 13t constitutes the closing portion 13c. The closing portion 13c preferably closes at least a portion of the second connecting portion 9b in the bypass flow path 9 in a state where the vane 13 is separated from the sealing member 12 (see FIG. 5, etc.).

多くのカソード排ガスがタービンハウジング5h内に供給されている状態において、第2接続部9bの存在および第2接続部9bからの流体の供給は、タービンハウジング5h内のカソード排ガスに乱れが発生する原因となり得る。上記構成によれば、可変ノズルユニットがある程度開いた状態でバイパス流路9の一部またはほとんどが閉塞部13cにより塞がれるため、タービンハウジング5h内のカソード排ガスに乱れが発生することを抑制できる。 In a state in which a large amount of cathode exhaust gas is supplied into the turbine housing 5h, the presence of the second connection portion 9b and the supply of fluid from the second connection portion 9b cause turbulence in the cathode exhaust gas within the turbine housing 5h. can be. According to the above configuration, part or most of the bypass passage 9 is blocked by the blocking portion 13c when the variable nozzle unit is opened to some extent, so that it is possible to suppress the occurrence of turbulence in the cathode exhaust gas in the turbine housing 5h. .

[実施の形態4]
図8は、実施の形態4における実施の形態4における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11b(閉じている状態)を示す図である。
[Embodiment 4]
FIG. 8 is a diagram showing the turbine 5 and the variable nozzle unit 11b (closed state) provided in the fuel cell system according to the fourth embodiment.

可変ノズルユニット11bにおいては、シール部材12は、カソード排ガスが流れる方向において上流側に位置する上流部12aと、同方向において上流部12aよりも下流側に位置する下流部12cとを有する。重力方向における下流部12cの高さ位置は、重力方向における上流部12aの高さ位置よりも高い。 In the variable nozzle unit 11b, the seal member 12 has an upstream portion 12a located upstream in the direction in which the cathode exhaust gas flows, and a downstream portion 12c located downstream of the upstream portion 12a in the same direction. The height position of the downstream portion 12c in the direction of gravity is higher than the height position of the upstream portion 12a in the direction of gravity.

下流部12cの近傍に溜まった水分が凍結すると、ベーン13とシール部材12とが固着してベーン13による可変ノズルユニット11(流路12r)の開閉動作が行なわれにくくなる。上記構成によれば、重力方向における下流部12cの高さ位置は、重力方向における上流部12aの高さ位置よりも高いため、下流部12cの近傍に水滴が発生したとしても、水分はベーン13の表面に沿って上流部12aの側に垂れ落ちる。下流部12cの近傍の狭い範囲で凍結が発生することを抑制可能となる。 When the moisture accumulated near the downstream portion 12c freezes, the vane 13 and the seal member 12 are stuck together, making it difficult for the vane 13 to open and close the variable nozzle unit 11 (flow path 12r). According to the above configuration, the height position of the downstream portion 12c in the direction of gravity is higher than the height position of the upstream portion 12a in the direction of gravity. along the surface of the upstream portion 12a. It is possible to suppress the occurrence of freezing in a narrow range near the downstream portion 12c.

[実施の形態5]
図9は、実施の形態5における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11c(閉じている状態)を示す断面図である。実施の形態5においては、タービンホイール5wから見てポート5dとは反対側(すなわちモータ4mの側)に隔壁17が設けられる。隔壁17は円盤状の形状を有し、隔壁17には凹所形成部19が設けられる。凹所形成部19はモータ4mの側に凹む凹所を形成する。
[Embodiment 5]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the turbine 5 and the variable nozzle unit 11c (closed state) provided in the fuel cell system according to the fifth embodiment. In Embodiment 5, a partition wall 17 is provided on the side opposite to the port 5d when viewed from the turbine wheel 5w (that is, on the side of the motor 4m). The partition 17 has a disk-like shape, and the partition 17 is provided with a recess forming portion 19 . The recess forming portion 19 forms a recess that is recessed on the side of the motor 4m.

凹所形成部19を貫通するように可変ノズルユニット11cの軸部14が配置される。軸部14は駆動源15によって軸方向に移動可能である。可変ノズルユニット11cは、タービンホイール5wの回転軸5cに対して平行な方向に移動可能なベーン13と、タービンハウジング5hの内壁5u上に設けられたシール部材12とを有する。ベーン13がシール部材12に接触している状態では、可変ノズルユニット11cに対してタービンホイール5w側に位置する空間とその反対側の空間5eとの間の連通が遮断または実質的に遮断される。 A shaft portion 14 of the variable nozzle unit 11 c is arranged so as to pass through the recess forming portion 19 . The shaft portion 14 is axially movable by a drive source 15 . The variable nozzle unit 11c has a vane 13 movable in a direction parallel to the rotating shaft 5c of the turbine wheel 5w, and a seal member 12 provided on the inner wall 5u of the turbine housing 5h. When the vane 13 is in contact with the seal member 12, the communication between the space located on the turbine wheel 5w side with respect to the variable nozzle unit 11c and the space 5e on the opposite side is blocked or substantially blocked. .

図10は、実施の形態5における燃料電池システムに備えられるタービン5および可変ノズルユニット11c(開いている状態)を示す断面図である。ベーン13がシール部材12と離接することで、燃料電池から排出されてタービンハウジング5h内に供給されるカソード排ガス(図10に示すAR5)の流量が調節される。 FIG. 10 is a cross-sectional view showing the turbine 5 and the variable nozzle unit 11c (open state) provided in the fuel cell system according to the fifth embodiment. The movement of the vane 13 to and from the sealing member 12 adjusts the flow rate of the cathode exhaust gas (AR5 shown in FIG. 10) discharged from the fuel cell and supplied into the turbine housing 5h.

上記構成においては、バイパス流路9の第2接続部9bは、凹所形成部19の内側の凹所空間に接続しているとよい。第2接続部9bがこの位置に設けられる場合であっても、燃料電池1から排出されるカソード排ガスが流れる方向において、可変ノズルユニット11は第2接続部9bよりも上流側に位置し、タービンホイール5wは第2接続部9bよりも下流側に位置する。 In the above configuration, the second connection portion 9b of the bypass flow path 9 is preferably connected to the recessed space inside the recessed portion 19 . Even when the second connection portion 9b is provided at this position, the variable nozzle unit 11 is positioned upstream of the second connection portion 9b in the direction in which the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell 1 flows. The wheel 5w is positioned downstream of the second connecting portion 9b.

(実施の形態5の変形例)
図11に示すように、タービンハウジング5hの内側に区画壁5vを設けてもよい。区画壁5vが、タービンハウジング5hの内壁5uを構成しており、内壁5u上にシール部材12が設けられる。区画壁5vは、バイパス流路9の第2接続部9bと、タービンハウジング5h内のタービンホイール5wが配置されている空間とを連通させる。当該構成によっても、上述の実施の形態と同様な作用および効果が得られる。
(Modification of Embodiment 5)
As shown in FIG. 11, a partition wall 5v may be provided inside the turbine housing 5h. The partition wall 5v constitutes an inner wall 5u of the turbine housing 5h, and a seal member 12 is provided on the inner wall 5u. The partition wall 5v allows communication between the second connecting portion 9b of the bypass flow path 9 and the space in the turbine housing 5h where the turbine wheel 5w is arranged. This configuration also provides the same actions and effects as the above-described embodiment.

実施の形態5およびその変形例において、ベーン13は軸方向に移動可能であるだけでなく、軸部14を中心として実施の形態1~4と同様な回動動作を行なってもよい。すなわち、実施の形態5およびその変形例において開示した技術的思想は実施の形態1~4と組み合わせて実施することも可能である。 In the fifth embodiment and its modification, the vane 13 is not only movable in the axial direction, but may also rotate around the shaft portion 14 in the same manner as in the first to fourth embodiments. That is, the technical ideas disclosed in the fifth embodiment and its modifications can be implemented in combination with the first to fourth embodiments.

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 Although the embodiments have been described above, the above disclosure is illustrative in all respects and is not restrictive. The technical scope of the present invention is indicated by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of equivalence to the scope of claims.

1 燃料電池、1a 入口部、1b 出口部、2 カソードガス供給系、3 コンプレッサ、3d,3s,5d,5s ポート、3h コンプレッサハウジング、3w コンプレッサホイール、4h センターハウジング、4m モータ、4s シャフト、5 タービン、5c 回転軸、5e 空間、5h タービンハウジング、5u 内壁、5v 区画壁、5w タービンホイール、6 供給流路、7 入口弁、8 排出流路、9 バイパス流路、9a 第1接続部、9b 第2接続部、10 バイパス弁、11,11b,11c 可変ノズルユニット、11a 調圧弁、12 シール部材、12a 上流部、12b,12d 中間部、12c 下流部、12r 流路、13,13m ベーン、13c 閉塞部、13s シール面、13t 膨出部、14 軸部、15 駆動源、17 隔壁、19 凹所形成部、100,100a,100b 燃料電池システム、AR1,AR2,AR3,AR4,DR 矢印、P1,P2 位置。 1 fuel cell, 1a inlet, 1b outlet, 2 cathode gas supply system, 3 compressor, 3d, 3s, 5d, 5s port, 3h compressor housing, 3w compressor wheel, 4h center housing, 4m motor, 4s shaft, 5 turbine , 5c rotating shaft, 5e space, 5h turbine housing, 5u inner wall, 5v partition wall, 5w turbine wheel, 6 supply channel, 7 inlet valve, 8 discharge channel, 9 bypass channel, 9a first connection part, 9b second 2 connection part 10 bypass valve 11, 11b, 11c variable nozzle unit 11a pressure regulating valve 12 sealing member 12a upstream part 12b, 12d intermediate part 12c downstream part 12r flow path 13, 13m vane 13c blockage Part 13s Sealing surface 13t Swelling part 14 Shaft part 15 Drive source 17 Partition wall 19 Recess formation part 100, 100a, 100b Fuel cell system AR1, AR2, AR3, AR4, DR Arrow P1, P2 position.

Claims (9)

燃料電池と、
前記燃料電池にカソードガスを供給する供給流路と、
カソードガスを圧縮して前記供給流路に供給するコンプレッサと、
前記供給流路における前記燃料電池と前記コンプレッサとの間に設けられ、前記燃料電池に供給されるカソードガスの流量を調節可能な入口弁と、
前記燃料電池からカソード排ガスを排出する排出流路と、
タービンホイールと前記タービンホイールを収容するタービンハウジングとを有し、前記排出流路からのカソード排ガスが前記タービンハウジング内に供給されて前記タービンホイールによって動力を生成するタービンと、
互いに連通可能な第1接続部と第2接続部とを有し、前記供給流路における前記コンプレッサと前記入口弁との間の位置に前記第1接続部が接続され、前記タービンハウジング内における前記タービンホイールよりもカソード排ガスが流れる方向の上流側の位置に前記第2接続部が接続されたバイパス流路と、
前記バイパス流路における前記第1接続部と前記第2接続部との間に設けられ、前記バイパス流路を流れるカソードガスの流量を調節可能なバイパス弁と、
前記燃料電池から排出されるカソード排ガスが流れる方向において前記第2接続部の位置よりも上流側に配置され、前記燃料電池から排出されて前記タービンハウジング内に供給されるカソード排ガスの流量を調節可能な可変ノズルユニットと、を備える、
燃料電池システム。
a fuel cell;
a supply channel for supplying a cathode gas to the fuel cell;
a compressor that compresses the cathode gas and supplies it to the supply channel;
an inlet valve provided between the fuel cell and the compressor in the supply flow path and capable of adjusting the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell;
a discharge channel for discharging cathode exhaust gas from the fuel cell;
a turbine having a turbine wheel and a turbine housing containing the turbine wheel, wherein cathode exhaust gas from the discharge passage is fed into the turbine housing to generate power by the turbine wheel;
a first connection and a second connection in communication with each other, the first connection being connected to a position between the compressor and the inlet valve in the supply flow path; a bypass flow path to which the second connecting portion is connected at a position upstream of the turbine wheel in the direction in which the cathode exhaust gas flows;
a bypass valve provided between the first connection portion and the second connection portion in the bypass flow channel and capable of adjusting the flow rate of the cathode gas flowing through the bypass flow channel;
The cathode exhaust gas discharged from the fuel cell is arranged upstream of the position of the second connecting portion in the flow direction of the cathode exhaust gas, and the flow rate of the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell and supplied into the turbine housing can be adjusted. and a variable nozzle unit,
fuel cell system.
前記可変ノズルユニットは、前記タービンハウジングの内部に配置されている、
請求項1に記載の燃料電池システム。
The variable nozzle unit is arranged inside the turbine housing,
The fuel cell system according to claim 1.
前記可変ノズルユニットは、流路を内側に形成する枠状のシール部材と、前記シール部材に離接することで前記流路を開閉するベーンと、前記ベーンを軸支する軸部とを有し、
前記軸部は、前記タービンホイールの回転軸と平行に延びており、
前記ベーンは、前記シール部材に離接するシール面を有し、
前記シール面は、前記回転軸の周方向に沿って延びる曲面形状を有している、
請求項2に記載の燃料電池システム。
The variable nozzle unit has a frame-shaped sealing member that forms a flow path inside, vanes that open and close the flow path by contacting and separating from the sealing member, and a shaft that supports the vanes,
The shaft portion extends parallel to the rotation axis of the turbine wheel,
The vane has a sealing surface that contacts and separates from the sealing member,
The sealing surface has a curved surface shape extending along the circumferential direction of the rotating shaft,
3. The fuel cell system according to claim 2.
前記回転軸に対して平行な方向に沿って見た場合、前記第2接続部は、前記ベーンと前記タービンホイールとの間に位置している、
請求項3に記載の燃料電池システム。
when viewed along a direction parallel to the axis of rotation, the second connection is located between the vane and the turbine wheel;
4. The fuel cell system according to claim 3.
前記バイパス流路のうちの前記第2接続部を形成している出口部分は、前記回転軸に対して略平行に延びている、
請求項3または4に記載の燃料電池システム。
an outlet portion of the bypass channel forming the second connecting portion extends substantially parallel to the rotation axis;
5. The fuel cell system according to claim 3 or 4.
前記シール部材は、カソード排ガスが流れる方向において上流側に位置する上流部と、同方向において前記上流部よりも下流側に位置する下流部と、を有し、
重力方向における前記下流部の高さ位置は、重力方向における前記上流部の高さ位置よりも高い、
請求項3から5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The seal member has an upstream portion positioned upstream in a direction in which the cathode exhaust gas flows, and a downstream portion positioned downstream of the upstream portion in the same direction,
the height position of the downstream portion in the direction of gravity is higher than the height position of the upstream portion in the direction of gravity;
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 5.
前記ベーンは、閉塞部を有しており、
前記ベーンが前記シール部材から離れている状態において、前記閉塞部は、前記バイパス流路における前記第2接続部の少なくとも一部を塞いでいる、
請求項3から6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The vane has a blockage,
In a state in which the vane is separated from the seal member, the blocking portion blocks at least a portion of the second connection portion in the bypass flow path,
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 6.
カソード排ガスが流れる方向において、前記ベーンおよび前記軸部は、前記シール部材に対して下流側に配置されている、
請求項3から7のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
The vane and the shaft are arranged downstream with respect to the sealing member in the direction in which the cathode exhaust gas flows,
The fuel cell system according to any one of claims 3 to 7.
前記可変ノズルユニットは、
前記タービンホイールの回転軸に対して平行な方向に移動可能なベーンと、
前記タービンハウジングの内壁上に設けられたシール部材と、を有し、
前記ベーンが前記シール部材に離接することで、前記燃料電池から排出されて前記タービンハウジング内に供給されるカソード排ガスの流量が調節される、
請求項2に記載の燃料電池システム。
The variable nozzle unit is
vanes movable in a direction parallel to the axis of rotation of the turbine wheel;
a sealing member provided on the inner wall of the turbine housing;
The movement of the vane to and from the sealing member adjusts the flow rate of the cathode exhaust gas discharged from the fuel cell and supplied into the turbine housing.
3. The fuel cell system according to claim 2.
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