JP7794084B2 - fuel cell system - Google Patents
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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。 A fuel cell system includes a fuel cell stack. The fuel cell stack generates electricity by chemically reacting fuel gas with oxygen in the air. The fuel cell system may also include an electric compressor and a turbine. The electric compressor includes a compression section and a motor. The compression section compresses the air supplied to the fuel cell stack. The motor drives the compression section. The turbine has a turbine wheel. The turbine wheel rotates due to exhaust gas discharged from the fuel cell stack, assisting in driving the motor. Specifically, the turbine wheel rotates when exhaust gas discharged from the fuel cell stack is supplied to the turbine. The exhaust gas supplied to the turbine expands due to the rotation of the turbine wheel. The expansion of the exhaust gas converts the energy of the exhaust gas into rotational energy. In this way, the energy of the exhaust gas is converted into rotational energy, generating regenerative power in the turbine. The regenerative power generated by the turbine assists in driving the motor.
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 described in Patent Document 1 is equipped with a heat exchanger that exchanges heat between air compressed in the compression section of the electric compressor and exhaust gas discharged from the fuel cell stack. The exhaust gas discharged from the fuel cell stack is then heated in the heat exchanger by the air compressed in the compression section. This increases the energy of the exhaust gas, and therefore the rotational energy converted by the exhaust gas expanding due to the rotation of the turbine wheel in the turbine. As a result, the regenerative power generated by the turbine increases, efficiently assisting in driving the motor.
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。 However, for example, pressure loss that occurs when exhaust gas passes through a heat exchanger can hinder an increase in the regenerative power generated by the turbine. Therefore, it is desirable 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 problem includes a fuel cell stack that generates electricity by chemically reacting fuel gas with oxygen in the air, an electric compressor that includes a compressor unit that compresses air supplied to the fuel cell stack and a motor that drives the compressor unit, and a turbine that has a turbine wheel that rotates with exhaust gas discharged from the fuel cell stack to assist in driving the motor. The system also includes a storage tank that stores water contained in exhaust gas discharged from the fuel cell stack. The storage tank has a supply port connected to an air layer within the storage tank and that supplies 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 unit that stores the water separated by the gas-liquid separation unit, a heat exchange unit that exchanges heat between the water stored in the storage unit and air discharged from the electric compressor, and an outlet connected to the air layer and that discharges the exhaust gas from which water has been separated by the gas-liquid separation unit 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 system, exhaust gas discharged from the fuel cell stack is supplied to an air layer in a storage tank through a supply port. The gas-liquid separator separates water from the exhaust gas supplied through the supply port. The water separated by the gas-liquid separator is then stored in a storage tank. The water stored in the storage tank is evaporated into water vapor through heat exchange with air discharged from the electric compressor via a heat exchanger. The water vapor is discharged to the turbine through an outlet as exhaust gas together with the exhaust gas from which the water has been separated in the gas-liquid separator. 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 expanding due to the rotation of the turbine wheel increases, increasing the amount of work the turbine wheel must do. This increases the regenerative power generated by the turbine. Furthermore, the exhaust gas from which the water has been separated in the gas-liquid separator passes through the air layer in the storage tank and is discharged to the turbine through an outlet. This reduces exhaust gas pressure loss within the storage tank, thereby avoiding interference with the increase in regenerative power generated by the turbine. As a result, 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 above fuel cell system, the storage tank may have a water storage volume control unit that controls the amount of water stored in the storage unit so that the liquid level of the water stored in the storage unit does not exceed a predetermined height, and the heat exchange unit may have a heat exchange main body that is positioned vertically below the predetermined height, and a protrusion that extends from the heat exchange main body and protrudes beyond the predetermined height into the air layer.
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。 This allows the protrusion to create a capillary phenomenon that draws up the liquid surface of the water stored in the storage section, thereby increasing the surface area between the gas and liquid phases in the storage tank. As a result, the water stored in the storage section can be evaporated efficiently.
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 above fuel cell system, the turbine preferably has a turbine chamber that houses the turbine wheel and a fixed nozzle that throttles the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber. It also preferably has an inlet flow path that introduces air discharged from the electric compressor into the heat exchanger, a bypass flow path that branches off from the inlet flow path and supplies the air flowing through the inlet flow path to the fuel cell stack, bypassing the heat exchanger, and a flow rate adjustment unit that adjusts the flow rate of air that branches off from the inlet flow path and flows into the bypass flow path, thereby adjusting the flow rate of air introduced from the electric compressor via the inlet flow path to the heat exchanger.
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。 This allows the amount of water vapor generated by heat exchange between the water stored in the storage unit and the air discharged from the electric compressor via the heat exchange unit to be adjusted. Therefore, even if the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber is uniquely determined, such as when the turbine has a fixed nozzle, it is possible to adjust the flow rate of exhaust gas that expands due to the rotation of the turbine wheel. As a result, the expansion ratio of the turbine can be adjusted, allowing the turbine to operate at 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 above fuel cell system, the heat exchange unit may have a plurality of piping sections arranged vertically in the storage tank, and the air discharged from the electric compressor may flow through each of the piping sections, and each of the piping sections may exchange heat 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, as the liquid level of the water stored in the storage section drops, one of the multiple piping sections located vertically at the top may become exposed to the air layer within the storage tank. In piping sections 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 more difficult. In this way, fluctuations in the liquid level of the water stored in the storage section can fine-tune the amount of water vapor generated by heat exchange between the water stored in the storage section and the air discharged from the electric compressor via the heat exchange section.
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 above fuel cell system, the heat exchange unit may include a porous material that is thermally coupled to the heat exchange body and is positioned 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。 By doing this, heat exchange occurs between the water stored in the storage section and the porous material, causing the water stored in the storage section to evaporate and become water vapor. Therefore, the water stored in the storage section can be evaporated efficiently.
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。 This invention makes it possible to efficiently increase the regenerative power generated by the turbine.
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 now be described with reference to Figures 1 to 5. The fuel cell system of this embodiment is mounted on a fuel cell vehicle.
<Overall Configuration of Fuel Cell System 10>
As shown in Fig. 1, a fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 11, an electric compressor 12, and a turbine 13. The fuel cell stack 11 includes, for example, a plurality of cells. Each cell is configured by stacking an oxygen electrode, a hydrogen electrode, and an electrolyte membrane disposed between the two electrodes. The fuel cell stack 11 generates electricity by chemically reacting hydrogen, which is a fuel gas, with oxygen in the air.
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 air contains oxygen, which contributes to the power generation of the fuel cell stack 11. Therefore, about 80% of the air supplied to the fuel cell stack 11 is discharged from the fuel cell stack 11 as exhaust gas without contributing to the power generation of the fuel cell stack 11. The exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11 contains water that is produced when the fuel cell stack 11 generates power.
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 fuel cell stack 11 is electrically connected to a traction motor (not shown). The traction motor is powered by electricity generated by the fuel cell stack 11. The power of the traction motor is transmitted to the axle via a power transmission mechanism (not shown). The fuel cell vehicle travels at a speed that corresponds to the accelerator pedal depression.
<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。
<Electric compressor 12>
The electric compressor 12 includes a compression unit 14 and a motor 15. The electric compressor 12 also includes a rotary shaft 16. The compression unit 14 is connected to a first end of the rotary shaft 16. The compression unit 14 is, for example, an impeller. The compression unit 14 is rotatable integrally with the rotary shaft 16. The compression unit 14 compresses air supplied to the fuel cell stack 11. The motor 15 rotates the rotary shaft 16. The rotation of the rotary shaft 16 drives the compression unit 14. Therefore, the motor 15 drives the compression unit 14.
<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。
<Turbine 13>
The turbine 13 has a turbine wheel 17 and a turbine housing 18. The turbine wheel 17 is connected to a second end of the rotary shaft 16. The turbine wheel 17 is rotatable integrally with the rotary shaft 16.
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 turbine housing 18 is cylindrical and has a circular discharge port 19. The turbine housing 18 is fixed to the electric compressor 12. Therefore, the turbine 13 is integrated with the electric compressor 12.
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 turbine 13 has a turbine chamber 20 and a fixed nozzle 21. The turbine chamber 20 is formed in the turbine housing 18. The turbine chamber 20 houses the turbine wheel 17. The discharge port 19 is connected to the turbine chamber 20. The turbine 13 has a suction chamber 22. The suction chamber 22 is formed in the turbine housing 18. The suction chamber 22 extends around the axis of the discharge port 19 around the periphery of the turbine chamber 20. Exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11 is drawn into the suction chamber 22.
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 nozzle 21 is a passage formed in the turbine housing 18 that connects the turbine chamber 20 and the suction chamber 22. The fixed nozzle 21 extends radially from the rotating shaft 16. The fixed nozzle 21 supplies exhaust gas drawn into the suction chamber 22 to the turbine chamber 20 from the radial direction of the rotating shaft 16. The fixed nozzle 21 throttles the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber 20. The turbine wheel 17 is rotated by the exhaust gas supplied to the turbine chamber 20. Therefore, the turbine wheel 17 is rotated by the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11. The turbine wheel 17 is then rotated by the exhaust gas to assist in driving the motor 15.
<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。
<Storage tank 30>
As shown in Figures 2 and 3, the fuel cell system 10 includes a storage tank 30. The storage tank 30 stores water contained in exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11. The storage tank 30 is, for example, in the shape of a rectangular box. The storage tank 30 has an upper wall 31, a lower wall 32, a first side wall 33, and a second side wall 34. The upper wall 31 and the lower wall 32 face each other in the vertical direction. The first side wall 33 and the second side wall 34 face each other in the horizontal direction.
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 storage tank 30 has a supply port 35. The supply port 35 is provided in a portion of the top wall 31 of the storage tank 30 near the first side wall 33. The supply port 35 supplies exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11 into the storage tank 30.
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 storage tank 30 has a gas-liquid separation section 36. The gas-liquid separation section 36 is a cylindrical section that protrudes from the inner surface of the upper wall 31. The gas-liquid separation section 36 protrudes from the inner surface of the upper wall 31, surrounding the opening of the supply port 35 to the interior of the storage tank 30. The exhaust gas supplied into the storage tank 30 from the supply port 35 passes inside the gas-liquid separation section 36. Water contained in the exhaust gas is separated from the exhaust gas by centrifugation as it passes inside the gas-liquid separation section 36. The water contained in the exhaust gas is also separated from the exhaust gas by the exhaust gas colliding with the inner surface of the gas-liquid separation section 36. Therefore, the gas-liquid separation section 36 separates water from the exhaust gas supplied from the supply port 35.
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。 The water separated from the exhaust gas by the gas-liquid separator 36 is stored in the storage tank 30. Therefore, the storage tank 30 has a storage section 37 in which the water separated by the gas-liquid separator 36 is stored. Inside the storage tank 30, the space other than the storage section 37 in which the water is stored forms an air layer 38. Therefore, the upper part of the storage tank 30 forms the air layer 38. The supply port 35 is connected to the air layer 38 inside the storage tank 30.
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 storage tank 30 has an outlet 39. The outlet 39 is provided in a portion of the upper wall 31 of the storage tank 30 near the second side wall 34. The outlet 39 is connected to the air space 38. The outlet 39 discharges the exhaust gas from which water has been separated in the gas-liquid separation section 36 to the turbine 13.
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 storage tank 30 has a water storage volume control unit 40. The water storage volume control unit 40 controls the amount of water stored in the storage unit 37 so that the liquid level of the water stored in the storage unit 37 does not exceed a predetermined height H1. The predetermined height H1 is a preset height of the water liquid level. The predetermined height H1 is lower than the bottom end of the gas-liquid separation unit 36 within the storage tank 30. Therefore, the gas-liquid separation unit 36 is positioned higher than the predetermined height H1 within the storage tank 30.
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 volume control unit 40 has a drain pipe 41 and a drain valve 42. The drain pipe 41 is provided on the first side wall 33 of the storage tank 30. The inside of the drain pipe 41 is connected to the inside of the storage tank 30. The drain pipe 41 is provided at a portion of the first side wall 33 corresponding to a predetermined height H1. Therefore, the opening position of the drain pipe 41 to the interior of the storage tank 30 is a position within the storage tank 30 corresponding to the predetermined height H1. When the liquid level of the water stored in the storage section 37 reaches the predetermined height H1, the water stored in the storage section 37 flows into the drain pipe 41.
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 drain valve 42 is configured to open when a preset amount of water stored in the storage section 37 flows into the drain valve 42 via the drain pipe 41. Therefore, the drain valve 42 is configured to close until a preset amount of water stored in the storage section 37 flows into the drain valve 42 via the drain pipe 41. When the drain valve 42 opens, the water flowing through the drain pipe 41 is discharged to the outside. In this way, the water storage volume control unit 40 controls the amount of water stored in the storage section 37 so that the liquid level of the water stored in the storage section 37 does not exceed a predetermined height H1.
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 storage tank 30 has a heat exchanger 50. The heat exchanger 50 has a heat exchanger main body 51, an upstream header 52, and a downstream header 53. The heat exchanger main body 51 has multiple piping sections 54. Therefore, the heat exchanger 50 has multiple piping sections 54.
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 section 54 is, for example, a rectangular tubular shape. Each piping section 54 is, for example, a flat tube. Each piping section 54 is made of, for example, a metal with excellent thermal conductivity. Each piping section 54 spans the inside of the storage tank 30, spanning between the first side wall 33 and the second side wall 34. Multiple piping sections 54 are arranged vertically side by side within the storage tank 30. The thickness direction of each piping section 54 coincides with the vertical direction. Each piping section 54 is arranged vertically below a predetermined height H1. Therefore, the heat exchanger main body 51 is arranged vertically below the predetermined height H1.
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 upstream header 52 is connected to a first end of each piping section 54. The first end of each piping section 54 is the end of the piping section 54 located on the second side wall 34 side. The upstream header 52 distributes the air discharged from the electric compressor 12 into each piping section 54. The air distributed from the upstream header 52 into each piping section 54 flows through each piping section 54. Therefore, the air discharged from the electric compressor 12 flows through each piping section 54. Each piping section 54 exchanges heat between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12. Therefore, the heat exchange section 50 exchanges heat between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12.
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 downstream header 53 is connected to the second end of each piping section 54. The second end of each piping section 54 is the end of each piping section 54 located on the first side wall 33 side. The air that has passed through each piping section 54 joins the downstream header 53. The downstream header 53 then directs the air from each piping section 54 toward the fuel cell stack 11.
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 heat exchange unit 50 has a plurality of protrusions 55. Each protrusion 55 is thin and flat. Each protrusion 55 is made of, for example, a metal with excellent thermal conductivity. Each protrusion 55 is arranged within the storage tank 30 with the thickness direction of each protrusion 55 aligned horizontally. The multiple protrusions 55 are arranged at intervals in the horizontal direction within the storage tank 30. The multiple protrusions 55 are arranged side by side at equal intervals in the horizontal direction.
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 protrusion 55 extends from the heat exchanger main body 51. Specifically, each protrusion 55 is supported by a corresponding piping section 54. Each piping section 54 penetrates each protrusion 55 in the thickness direction of the protrusion 55. Each protrusion 55 extends from each piping section 54 upward within the storage tank 30. Each protrusion 55 extends from each piping section 54 to a position exceeding a predetermined height H1. Therefore, each protrusion 55 extends from the heat exchanger main body 51 and protrudes into the air layer 38 exceeding the predetermined height H1. Each protrusion 55 is thermally coupled to each piping section 54. Each protrusion 55 causes capillary action, which draws up the liquid level of the water stored in the storage section 37.
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 heat exchanger 50 includes a porous material 56. The porous material 56 is thermally coupled to the heat exchanger body 51. The porous material 56 is disposed within the storage tank 30 in close contact with the lowest of the multiple pipe sections 54. Therefore, the porous material 56 is thermally coupled to the heat exchanger body 51 and is disposed vertically below a predetermined height H1.
<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>
1 , the fuel cell system 10 includes an inlet flow path 61. A first end of the inlet flow path 61 is connected to a discharge chamber (not shown) of the electric compressor 12. A second end of the inlet flow path 61 is connected to an upstream header 52 of the heat exchanger 50. The inlet flow path 61 connects the electric compressor 12 and the heat exchanger 50. The inlet flow path 61 introduces air discharged from the electric compressor 12 into the upstream header 52. Therefore, the inlet flow path 61 introduces the air discharged from the electric compressor 12 into the heat exchanger 50.
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 fuel cell system 10 has an air supply passage 62. A first end of the air supply passage 62 is connected to the downstream header 53 of the heat exchanger 50. A second end of the air supply passage 62 is connected to the fuel cell stack 11. The air supply passage 62 connects the heat exchanger 50 and the fuel cell stack 11. The air supply passage 62 supplies air that has passed through the heat exchanger 50 to the fuel cell stack 11.
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 fuel cell system 10 is equipped with an exhaust flow path 63. A first end of the exhaust flow path 63 is connected to the fuel cell stack 11. A second end of the exhaust flow path 63 is connected to the supply port 35 of the storage tank 30. The exhaust flow path 63 connects the fuel cell stack 11 to the supply port 35 of the storage tank 30. The exhaust flow path 63 directs exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11 toward the supply port 35. The exhaust gas flowing through the exhaust flow path 63 is supplied to the supply port 35.
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 fuel cell system 10 is equipped with a gas supply passage 64. A first end of the gas supply passage 64 is connected to the discharge port 39 of the storage tank 30. A second end of the gas supply passage 64 is connected to the suction chamber 22 of the turbine 13. The gas supply passage 64 connects the discharge port 39 of the storage tank 30 to the suction chamber 22 of the turbine 13. The gas supply passage 64 directs exhaust gas discharged from the discharge port 39 toward the suction chamber 22. The exhaust gas flowing through the gas supply passage 64 is supplied to the suction chamber 22.
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 fuel cell system 10 is equipped with a bypass flow path 65. A first end of the bypass flow path 65 is connected to the intake flow path 61. Therefore, the bypass flow path 65 branches off from the intake flow path 61. A second end of the bypass flow path 65 is connected to the air supply flow path 62. The air that branches off from the intake flow path 61 and flows into the bypass flow path 65 merges with the air supply flow path 62 via the bypass flow path 65 and is then supplied to the fuel cell stack 11 via the air supply flow path 62. Therefore, the bypass flow path 65 supplies the air flowing through the intake flow path 61 to the fuel cell stack 11, bypassing the heat exchanger 50. An intercooler 66 is provided in the bypass flow path 65. The air flowing through the bypass flow path 65 is cooled by the intercooler 66.
<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 rate adjustment section 67>
The fuel cell system 10 includes a flow rate adjuster 67. The flow rate adjuster 67 is, for example, a flow rate control valve provided at a connection point between the inlet flow path 61 and the bypass flow path 65. The fuel cell system 10 also includes a controller 70. The controller 70 is electrically connected to the flow rate adjuster 67. The controller 70 controls the valve opening of the flow rate adjuster 67. The flow rate adjuster 67 adjusts the flow rate of air branching from the inlet flow path 61 to the bypass flow path 65 by having the valve opening controlled by the controller 70. The flow rate adjuster 67 adjusts the flow rate of air branching from the inlet flow path 61 to the bypass flow path 65, thereby adjusting the flow rate of air introduced from the electric compressor 12 to the heat exchanger 50 via the inlet flow path 61.
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 fuel cell system 10 is equipped with a rotation speed sensor 71, a flow rate sensor 72, a pressure sensor 73, and a temperature sensor 74. The rotation speed sensor 71, the flow rate sensor 72, the pressure sensor 73, and the temperature sensor 74 are electrically connected to the controller 70.
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 rotation speed sensor 71 detects the rotation speed of the turbine wheel 17. The rotation speed sensor 71 outputs a detection signal related to the rotation speed of the turbine wheel 17 to the control controller 70. The flow rate sensor 72 detects the flow rate of air drawn in from the outside by the electric compressor 12. The flow rate sensor 72 outputs a detection signal related to the air flow rate to the control controller 70. The pressure sensor 73 detects the pressure of exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11. The pressure sensor 73 outputs a detection signal related to the exhaust gas pressure to the control controller 70. The temperature sensor 74 detects the temperature of exhaust gas drawn into the suction chamber 22 of the turbine 13. The temperature sensor 74 outputs a detection signal related to the exhaust gas temperature to the control controller 70.
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。 Figure 4 shows the relationship between the expansion ratio and turbine efficiency of the turbine 13. A map correlating the expansion ratio and turbine efficiency of the turbine 13 is pre-stored in the control controller 70. The relationship between the expansion ratio and turbine efficiency of the turbine 13 is shown, for example, as characteristic line L1 in Figure 4. Characteristic line L1 showing the relationship between the expansion ratio and turbine efficiency of the turbine 13 is determined by the rotation speed of the turbine wheel 17. Note that Figure 4 shows, as an example, characteristic line L1 determined by the rotation speed of the turbine wheel 17 under specified operating conditions. A program is pre-stored in the control controller 70 that derives characteristic line L1 showing the relationship between the expansion ratio and turbine efficiency of the turbine 13 based on the rotation speed of the turbine wheel 17 detected by the rotation speed sensor 71. Note that a program is pre-stored in the control controller 70 that calculates the expansion ratio of the turbine 13 based on the pressure detected by the pressure sensor 73.
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。 Figure 5 shows the relationship between the expansion ratio of the turbine 13 and the corrected flow rate of the exhaust gas. Here, the "corrected flow rate of the exhaust gas" is the mass flow rate of the exhaust gas flowing into the turbine 13 corrected by the exhaust gas pressure and exhaust gas temperature. The corrected flow rate of the exhaust gas is the flow rate before passing through the turbine wheel 17. As shown by the solid line L2 in Figure 5, the corrected flow rate of the exhaust gas increases as the expansion ratio of the turbine 13 increases. A correction program is pre-stored in the control controller 70, which corrects the flow rate detected by the flow sensor 72 to the corrected flow rate based on the pressure detected by the pressure sensor 73 and the pressure detected by the temperature sensor 74.
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 control controller 70 is pre-stored with a program that adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so that the turbine efficiency approaches the peak value ηmax. Consider, for example, a case where the expansion ratio of the turbine 13 calculated by the control controller 70 is lower than the expansion ratio corresponding to the peak value ηmax, as shown at state point P1 in Figure 4. In such a case, the control controller 70 adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so as to increase the flow rate of air introduced from the electric compressor 12 to the heat exchange unit 50 via the introduction flow path 61. In other words, the control controller 70 adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so as to reduce the flow rate of air branching from the introduction flow path 61 and flowing into the bypass flow path 65.
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 turbine 13 calculated by the control controller 70 is higher than the expansion ratio corresponding to the peak value ηmax, as in state point P2 shown in Figure 4. In such a case, the control controller 70 adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so as to reduce the flow rate of air introduced from the electric compressor 12 to the heat exchange unit 50 via the introduction flow path 61. In other words, the control controller 70 adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so as to increase the flow rate of air branching from the introduction flow path 61 and flowing into the bypass flow path 65.
[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 the embodiment]
Next, the operation of this embodiment will be described.
Exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11 is supplied to an air layer 38 in the storage tank 30 via a supply port 35. A gas-liquid separator 36 separates water from the exhaust gas supplied from the supply port 35. The water separated by the gas-liquid separator 36 is then stored in a storage section 37. The water stored in the storage section 37 is evaporated into water vapor by heat exchange with air discharged from the electric compressor 12 via a heat exchanger 50.
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 protrusion 55 causes capillary action, which draws up the liquid surface of the water stored in the storage section 37. Therefore, the surface area between the gas phase and the liquid phase in the storage tank 30 is increased, allowing the water stored in the storage section 37 to evaporate efficiently. Furthermore, heat exchange occurs between the water stored in the storage section 37 and the porous material 56, causing the water stored in the storage section 37 to evaporate and become water vapor. Therefore, the water stored in the storage section 37 is evaporated efficiently.
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 as exhaust gas to the turbine 13 via the outlet 39 together with the exhaust gas from which water has been separated in the gas-liquid separator 36. In this way, the mass of the exhaust gas supplied to the turbine 13 increases by the amount of water vapor added. As a result, the mass of the exhaust gas expanding due to the rotation of the turbine wheel 17 increases, increasing the amount of work done by the turbine wheel 17. This increases the regenerative power generated by the turbine 13. In addition, the exhaust gas from which water has been separated in the gas-liquid separator 36 passes through the air layer 38 in the storage tank 30 and is discharged to the turbine 13 via the outlet 39. Therefore, pressure loss of the exhaust gas within the storage tank 30 is unlikely to occur, avoiding any hindrance to the increase in regenerative power generated by the turbine 13.
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 turbine 13 calculated by the controller 70 is lower than the expansion ratio corresponding to the peak value ηmax, as shown in state point P1 in Figure 4. In such a case, the controller 70 adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so as to increase the flow rate of air introduced from the electric compressor 12 to the heat exchange unit 50 via the introduction flow path 61. In other words, the controller 70 adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so as to reduce the flow rate of air branching from the introduction flow path 61 and flowing into the bypass flow path 65.
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 via the heat exchange section 50 between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12. Therefore, the corrected flow rate of the exhaust gas increases, and the flow rate of the exhaust gas expanded by the rotation of the turbine wheel 17 increases. This increases the expansion ratio of the turbine 13, and the expansion ratio of the turbine 13 approaches the expansion ratio corresponding to the peak value ηmax. As a result, the turbine efficiency approaches the peak value ηmax.
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 turbine 13 calculated by the control controller 70 is higher than the expansion ratio corresponding to the peak value ηmax, as in state point P2 shown in Figure 4. In such a case, the control controller 70 adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so as to reduce the flow rate of air introduced from the electric compressor 12 to the heat exchange unit 50 via the introduction flow path 61. In other words, the control controller 70 adjusts the valve opening of the flow rate adjustment unit 67 so as to increase the flow rate of air branching from the introduction flow path 61 and flowing into the bypass flow path 65.
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。 This reduces the amount of water vapor generated by heat exchange via the heat exchange section 50 between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12. Therefore, the corrected flow rate of the exhaust gas decreases, and the flow rate of the exhaust gas expanded by the rotation of the turbine wheel 17 decreases. This reduces the expansion ratio of the turbine 13, and the expansion ratio of the turbine 13 approaches the expansion ratio corresponding to the peak value ηmax. As a result, the turbine efficiency approaches the peak value ηmax.
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 via the heat exchange section 50 between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12, the flow rate of the exhaust gas expanded by the rotation of the turbine wheel 17 is adjusted. As a result, the expansion ratio of the turbine 13 is adjusted, allowing the turbine 13 to operate at high turbine efficiency.
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 , suppose the amount of water vapor generated by heat exchange between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12 via the heat exchanger 50 increases, causing the liquid level of the water stored in the storage section 37 to drop. As a result of this drop in the liquid level of the water stored in the storage section 37, the uppermost pipe section 54 in the vertical direction may become exposed to the air layer 38 within the storage tank 30. In the pipe section 54 exposed to the air layer 38 within the storage tank 30, heat exchange between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12 becomes more difficult. In this way, fluctuations in the liquid level of the water stored in the storage section 37 fine-tune the amount of water vapor generated by heat exchange between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12 via the heat exchanger 50.
[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 the embodiment]
The above embodiment can provide the following effects.
(1) Exhaust gas discharged from the fuel cell stack 11 is supplied to the air layer 38 in the storage tank 30 via the supply port 35. The gas-liquid separator 36 separates water from the exhaust gas supplied via the supply port 35. The water separated by the gas-liquid separator 36 is then stored in the storage portion 37. The water stored in the storage portion 37 is evaporated into water vapor through heat exchange with air discharged from the electric compressor 12 via the heat exchanger 50. The water vapor is discharged as exhaust gas to the turbine 13 via the discharge port 39 together with the exhaust gas from which water has been separated by the gas-liquid separator 36. In this way, the mass of the exhaust gas supplied to the turbine 13 increases by the amount of water vapor. As a result, the mass of the exhaust gas expanding due to the rotation of the turbine wheel 17 increases, thereby increasing the workload of the turbine wheel 17. This increases the regenerative power generated by the turbine 13. Furthermore, the exhaust gas from which water has been separated in the gas-liquid separator 36 passes through an air layer 38 in the storage tank 30 and is discharged from an outlet 39 to the turbine 13. Therefore, pressure loss of the exhaust gas is unlikely to occur in the storage tank 30, and the increase in regenerative power generated in the turbine 13 is not hindered. As a result, the regenerative power generated in the turbine 13 can be efficiently increased.
(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 protrusion 55 can induce capillary action, which draws up the liquid surface of the water stored in the storage section 37, thereby increasing the surface area between the gas phase and the liquid phase in the storage tank 30. As a result, the water stored in the storage section 37 can be evaporated efficiently.
(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 fuel cell system 10 includes an inlet flow path 61, a bypass flow path 65, and a flow rate adjustment unit 67. The flow rate adjustment unit 67 adjusts the flow rate of air branching from the inlet flow path 61 to the bypass flow path 65, thereby adjusting the flow rate of air introduced from the electric compressor 12 to the heat exchange unit 50 via the inlet flow path 61. This makes it possible to adjust the amount of water vapor generated by heat exchange between water stored in the reservoir 37 and air discharged from the electric compressor 12 via the heat exchange unit 50. Therefore, even if the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber 20 is uniquely determined, such as when the turbine 13 has a fixed nozzle 21, it is possible to adjust the flow rate of exhaust gas expanded by the rotation of the turbine wheel 17. As a result, the expansion ratio of the turbine 13 can be adjusted, allowing the turbine 13 to operate with high turbine efficiency.
(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, if the liquid level of the water stored in the storage section 37 drops, one of the multiple pipe sections 54 located at the top in the vertical direction may become exposed to the air layer 38 within the storage tank 30. In the pipe section 54 exposed to the air layer 38 within the storage tank 30, heat exchange between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12 becomes difficult. In this way, fluctuations in the liquid level of the water stored in the storage section 37 can fine-tune the amount of water vapor generated by heat exchange between the water stored in the storage section 37 and the air discharged from the electric compressor 12 via the heat exchange section 50.
(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 heat exchange unit 50 has a porous material 56 that is thermally coupled to the heat exchange body 51 and is positioned vertically below a predetermined height H1. As a result, heat exchange occurs between the water stored in the storage unit 37 and the porous material 56, causing the water stored in the storage unit 37 to evaporate and become water vapor. Therefore, the water stored in the storage unit 37 can be efficiently evaporated.
[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]
The above embodiment can be modified as follows: The above embodiment and the following modifications can be combined with each other within the scope of technical compatibility.
○ 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。
In the above-described embodiment, the heat exchanger 50 does not have to have a plurality of protrusions 55. For example, the heat exchanger 50 may have only one protrusion 55.
In the embodiment, the protruding portion 55 does not have to be thin and flat, and may be, for example, columnar. The protruding portion 55 may also be made of, for example, a lattice material or a mesh material. The key is that the protruding portion 55 needs only to extend from the heat exchanger body 51 and protrude beyond the predetermined height H1 into the air layer 38. The protruding portion 55 needs only to be configured to cause capillary action that draws up the liquid surface of the water stored in the storage portion 37.
○ 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。
In the above embodiment, the heat exchanger 50 does not have to have the protrusion 55 .
In the above-described embodiment, the fuel cell system 10 may not include the bypass flow path 65 and the flow rate regulator 67 .
○ 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 an embodiment, the turbine 13 may be configured to have a variable nozzle, instead of a fixed nozzle 21, that can vary the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber 20.
○ 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 above-described embodiment, the heat exchange unit 50 does not have to include a plurality of pipes 54. For example, the heat exchange unit 50 may include only one pipe 54.
In the above-described embodiment, the pipes 54 do not have to be flat tubes and may be, for example, cylindrical tubes. In other words, the shape of the pipes 54 is not particularly limited.
○ 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。
In the above embodiment, the heat exchange unit 50 does not have to include the porous material 56 .
In the above embodiment, the fuel cell system 10 does not necessarily have to include the temperature sensor 74 that detects the temperature of the exhaust gas taken into the intake chamber 22 of the turbine 13. In this case, the temperature of the exhaust gas may be estimated from the temperature of the cooling water that adjusts the temperature of the fuel cell stack 11, for example.
○ 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 an embodiment, the storage tank 30 may have, for example, a water level sensor that measures the height of the water level stored in the storage section 37. The drain valve 42 may also be configured so that its opening and closing are controlled by the control controller 70. The control controller 70 may then control the operation of the drain valve 42 to open it when a detection signal indicating that the water level has reached a predetermined height H1 is transmitted from the water level sensor.
○ 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-liquid separation section 36 was a cylindrical section protruding from the inner surface of the upper wall 31, but this is not limited to this. In short, the specific configuration of the gas-liquid separation section 36 is not particularly limited as long as it is capable of separating water from the exhaust gas supplied from the supply port 35.
○ 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 this embodiment, the fuel cell system 10 does not have to be installed in a fuel cell vehicle. In other words, the fuel cell system 10 is not limited to being installed in a vehicle.
[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。
[Note]
The above embodiment includes the configurations described in the following supplementary notes.
<Appendix 1>
a fuel cell stack that generates electricity by chemically reacting fuel gas with oxygen in the air;
an electric compressor including a compression unit that compresses air supplied to the fuel cell stack and a motor that drives the compression unit;
a turbine having a turbine wheel that is rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack to assist in driving the motor,
a storage tank for storing water contained in exhaust gas discharged from the fuel cell stack;
The storage tank comprises:
a supply port connected to an air space in the storage tank and configured to supply 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 the 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;
an outlet connected to the air layer and for discharging the exhaust gas from which water has been separated in the gas-liquid separator 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。
<Appendix 2>
the storage tank has a water storage amount control unit that controls the amount of water stored in the storage unit so that the liquid level of the water stored in the storage unit does not exceed a predetermined height,
The heat exchange unit is
a heat exchange body disposed vertically below the predetermined height;
and a protrusion extending from the heat exchange body and protruding beyond the predetermined height into the air layer.
<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。
<Appendix 3>
The turbine is
a turbine chamber that houses the turbine wheel;
a fixed nozzle that throttles the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber,
an introduction flow path that introduces air discharged from the electric compressor into the heat exchanger;
a bypass flow path that branches off from the inlet flow path and supplies the air flowing through the inlet flow path to the fuel cell stack, bypassing the heat exchanger;
a flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of air that branches off from the inlet flow path and flows into the bypass flow path, thereby adjusting the flow rate of air that is introduced from the electric compressor through the inlet flow path to the heat exchange unit.
<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。
<Appendix 4>
the heat exchange unit has a plurality of piping units arranged side by side in a vertical direction within the storage tank,
The air discharged from the electric compressor flows through the piping sections,
The fuel cell system described in any one of <Appendix 1> to <Appendix 3>, characterized in that each of the piping sections performs heat exchange between the water stored in the storage section and the air discharged from the electric compressor.
<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。
<Appendix 5>
The fuel cell system described in <Appendix 2> is characterized in that the heat exchange unit has a porous material that is thermally coupled to the heat exchange main body and is positioned vertically below the specified height.
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。 10...Fuel cell system, 11...Fuel cell stack, 12...Electric compressor, 13...Turbine, 14...Compression section, 15...Motor, 17...Turbine wheel, 20...Turbine chamber, 21...Fixed nozzle, 30...Storage tank, 35...Supply port, 36...Gas-liquid separation section, 37...Storage section, 38...Air layer, 39...Outlet, 40...Storage volume control section, 50...Heat exchange section, 51...Heat exchange main body, 54...Piping section, 55...Protrusion, 56...Porous material, 61...Inlet flow path, 65...Bypass flow path, 67...Flow rate adjustment section.
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 with oxygen in the air;
an electric compressor including a compression unit that compresses air supplied to the fuel cell stack and a motor that drives the compression unit;
a turbine having a turbine wheel that is rotated by exhaust gas discharged from the fuel cell stack to assist in driving the motor,
a storage tank for storing water contained in exhaust gas discharged from the fuel cell stack;
The storage tank comprises:
a supply port connected to an air space in the storage tank and configured to supply 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 the 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;
an outlet connected to the air layer and for discharging the exhaust gas from which water has been separated in the gas-liquid separator 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 unit so that the liquid level of the water stored in the storage unit does not exceed a predetermined height,
The heat exchange unit is
a heat exchange body disposed vertically below the predetermined height;
2. The fuel cell system according to claim 1, further comprising: a protrusion extending from said heat exchange body and protruding beyond said predetermined height into said air layer.
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 that houses the turbine wheel;
a fixed nozzle that throttles the flow rate of exhaust gas supplied to the turbine chamber,
an introduction flow path that introduces air discharged from the electric compressor into the heat exchanger;
a bypass flow path that branches off from the inlet flow path and supplies the air flowing through the inlet flow path to the fuel cell stack, bypassing the heat exchanger;
a flow rate adjusting unit that adjusts the flow rate of air that branches off from the inlet flow path and flows into the bypass flow path, thereby adjusting the flow rate of air that is introduced from the electric compressor through the inlet flow path to the heat exchanger.
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 unit has a plurality of piping units arranged side by side in a vertical direction within the storage tank,
The air discharged from the electric compressor flows through the piping sections,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein each of the piping sections exchanges heat between the water stored in the storage section and the air discharged from the electric compressor.
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