JP2005129387A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、システム構成部品に流体を循環させる燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that circulates fluid through system components.
燃料電池システムにおいては、燃料ガスと酸化剤ガスを加湿する加湿器、この加湿器に加湿水を供給する配管や、発電によって生じる燃料電池内の余分な熱を除去するための冷却水を供給する配管、または補機類の熱を除去するための冷却水を供給する配管などを備えており、これらを液体が循環する構成となっている。 In the fuel cell system, a humidifier for humidifying the fuel gas and the oxidant gas, a pipe for supplying humidified water to the humidifier, and a cooling water for removing excess heat in the fuel cell generated by power generation are supplied. A pipe or a pipe for supplying cooling water for removing heat from the auxiliary equipment is provided, and the liquid circulates through these pipes.
例えば、下記特許文献1には、上記した配管の中でその前後の配管部分で相対的に高い部位に上下方向に分岐管を通して気水分離装置に連通させ、その場で大気開放し空気抜きしている技術が開示されている。
しかしながら上述のような従来の燃料電池システムでは、気水分離装置における空気溜め空間に空気をトラップしても、そこに空気が留まるため、このトラップした空気が配管に逆戻りする場合がある。 However, in the conventional fuel cell system as described above, even if the air is trapped in the air reservoir space in the steam separator, the air remains there, so the trapped air may return to the pipe.
そこで、本発明は、トラップした空気が配管に逆戻りしないようして配管内の空気抜きを確実なものとなることを目的としている。 In view of the above, an object of the present invention is to ensure that the trapped air does not return to the pipe so that the air in the pipe is vented.
本発明は、燃料電池を始めとするシステム構成部品内の流路に液体を循環させ、このシステム構成部品内の流路に接続する配管の出口近傍の上部に、空気を溜めるための空気溜め空間を設け、この空気溜め空間から、空気溜め空間より高い位置に設けた液体を溜めるタンクへ、空気抜き配管を接続することを最も主要な特徴とする。 The present invention circulates a liquid in a flow path in a system component such as a fuel cell, and stores an air in an upper portion near an outlet of a pipe connected to the flow path in the system component. The most important feature is that an air vent pipe is connected from the air reservoir space to a tank for storing a liquid provided at a position higher than the air reservoir space.
本発明によれば、システム構成部品の流路に接続する配管の出口近傍の上部に、空気を溜めるための空気溜め空間を設けたので、空気溜め空間を数多く設置できない場合でも、特に空気が混入しやすいシステム構成部品を通過したときに配管に混入する空気を効率よくトラップすることができる。 According to the present invention, the air reservoir space for storing air is provided in the upper part near the outlet of the pipe connected to the flow path of the system component, so that even when a large number of air reservoir spaces cannot be installed, especially air is mixed. It is possible to efficiently trap the air mixed into the pipe when passing through system components that are easy to be used.
また、空気溜め空間は、配管内への初期の液体投入時の空気溜め空間としても活用できる。 The air reservoir space can also be used as an air reservoir space when an initial liquid is put into the pipe.
さらに、空気溜め空間から、空気溜め空間より高い位置に設けた液体を溜めるタンクへ、空気抜き配管を接続しているので、空気溜め空間から液体を溜めるタンクまでは、配管内圧によって空気を圧送することにより、空気溜め空間でトラップした空気を、速やかに空気抜き配管を利用してタンクに移動させることができ、配管への空気の逆戻りを防止でき、配管内の空気抜きを確実なものとすることができる。 Furthermore, since the air vent pipe is connected from the air reservoir space to the tank that stores liquid higher than the air reservoir space, air is pumped from the air reservoir space to the tank that stores liquid by the internal pressure of the pipe. Therefore, the air trapped in the air reservoir space can be quickly moved to the tank using the air vent pipe, the return of air to the pipe can be prevented, and the air vent in the pipe can be ensured. .
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池システムを示す全体の概略図である。この燃料電池システムは、破線Aで囲んだ部分を車両の床下1に配置し、破線Bで囲んだ部分を車両前部のモータルーム3内に配置する。図2は、このような車両の簡略化した側面断面図であり、図中で符号5は前車輪、符号7は後車輪である。
FIG. 1 is an overall schematic diagram showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. In this fuel cell system, a portion surrounded by a broken line A is disposed under the
燃料電池9は、図2に示すように、床下1に設けたサブフレーム11に搭載し、他の前記した破線Aで囲んだ部分の各部品もサブフレーム11に搭載する。
As shown in FIG. 2, the
燃料電池9とモータルーム3内の前部に設置したラジエータ13とは、図1に示すように、冷却水供給配管15および冷却水排出配管17によって接続する。なお、図2では、これらの冷却水供給配管15および冷却水排出配管17は省略している。
The
冷却水供給配管15には、ラジエータ13側から順に、液体である冷却水を溜める大気開放のタンク19,冷却水を燃料電池9に向けて圧送する冷却水循環ポンプ21,第1のシステム構成部品23をそれぞれ設ける。ここでタンク19はモータルーム3内に設置し、冷却水循環ポンプ21および第1のシステム構成部品23は、床下1に設置する。
The cooling
一方、冷却水排出配管17には、燃料電池9側から順に、第2のシステム構成部品25,熱交換器27をそれぞれ設け、これらは床下1に設置する。
On the other hand, the cooling
上記した第1,第2の各システム構成部品は23,25は、例えばフィルタ,熱交換器,弁などが考えられ、その種類は問わない。また、燃料電池9,冷却水循環ポンプ21および熱交換器27もシステム構成部品を構成している。
The above-described first and
これら各システム構成部品内には、冷却水が流れる流路を備えている。 Each of these system components includes a flow path through which cooling water flows.
そして、上記した冷却水循環ポンプ21の出口近傍および第1のシステム構成部品23の出口近傍における冷却水供給配管15の上部(最も高い部位)に、空気溜め空間29および31をそれぞれ設ける。また、燃料電池9,第1のシステム構成部品25,熱交換器27のそれぞれの出口近傍における冷却水排出配管17の上部(最も高い部位)にも、空気溜め空間33,35,37をそれぞれ設ける。
なお、上記した出口近傍とは、各システム構成部品の出口から、その下流の他のシステム構成部品まで、または分岐路がある場合にはその分岐路までの間の配管を意味する。例えば、燃料電池9の出口近傍とは、燃料電池9と第2のシステム構成部品25との間の冷却水排出配管17である。
Note that the vicinity of the outlet described above means a pipe from the outlet of each system component to another system component downstream thereof, or when there is a branch path, to the branch path. For example, the vicinity of the outlet of the
これらの空気溜め空間29,31,33,35,37から、モータルーム3内にて空気溜め空間29,31,33,35,37より高い位置に設けた前記液体を溜めるタンク19へ、空気抜き配管39,41,43,45,47をそれぞれ独立して接続する。
From these
上記した空気抜き配管39,41,43,45,47は、図2および、図2のC−C断面に相当する簡略化した模式図である図3に示すように、車両の床下1における車幅方向中央部に設けたセンタトンネル49の下部の空間51内に、車輌前後方向に沿って配置し、車両前部のモータルーム3内のタンク19に接続する。このとき、各空気抜き配管39,41,43,45,47は、空気溜め空間29,31,33,35,37からタンク19に向けて下方から上方に向かう流路で構成しており、空気溜め空間29,31,33,35,37からタンク19まで下り坂無く接続している。
The
上記した構成の燃料電池システムでは、冷却水循環ポンプ21から吐出した冷却水が、第1のシステム構成部品23を通過し、燃料電池9へと供給される。このとき冷却水は、燃料電池9内部において燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応で発生する熱を吸収し高温になる。
In the fuel cell system configured as described above, the cooling water discharged from the cooling
燃料電池9から出た高温の冷却水は、第2のシステム構成部品25を通過後、熱交換器27で低温流体と熱交換する。その後、冷却水はラジエータ13へ入って熱を放出し、さらにタンク19で空気を放出し、冷却水循環ポンプ21に戻るというサイクルを繰り返す。
The high-temperature coolant discharged from the
ここで、特に燃料電池9や熱交換器27については、内部の流路が細かく、空気が溜まりやすい部位であるが、この空気は燃料電池9および熱交換器27の出口近傍の配管の中で最も高い位置にある部分の空気溜め空間33,37に溜まることになる。
Here, in particular, the
また、他の冷却水循環ポンプ21や第1,第2のシステム構成部品23,25内の流路で溜まった空気も、これらの出口近傍の配管の中で最も高い位置にある部分の空気溜め空間29,31,35にそれぞれ溜まることになる。
In addition, the air accumulated in the flow paths in the other cooling
これにより、燃料電池9を始めとするシステム構成部品の出口近傍の配管から効率よく空気抜きを行うことができ、この結果冷却水量を充分確保でき、冷却効率も向上する。
As a result, the air can be efficiently vented from the piping in the vicinity of the outlet of the system components such as the
上記した空気溜め空間29,31,33,35,37に溜めてトラップした空気は、配管内圧によって、各空気溜め空間29,31,33,35,37に対して互いに独立して接続する空気抜き配管39,41,43,45,47を経てタンク19にまで、速やかに上昇移動する。これにより、空気溜め空間29,31,33,35,37にトラップした空気が配管へ逆戻りすることを防止できる。
Air trapped in the
このような空気溜め空間29,31,33,35,37は、タンク19に対し空気抜き配管39,41,43,45,47によって常に接続した状態であるので、常に空気抜き機能を有することになる。
Such
また、空気抜き配管39,41,43,45,47は、空気溜め空間29,31,33,35,37からタンク19に向けて下方から上方に向かう流路で構成しており、空気溜め空間29,31,33,35,37からタンク19まで下り坂無く接続しているので、空気抜き配管39,41,43,45,47内での配管への空気の逆流を確実に防止できる。
Further, the
さらに、空気溜め空間29,31,33,35,37を設けることによって、冷却水注入時の冷却水供給配管15および冷却水排出配管17内の空気抜きも行うことができる。
Furthermore, by providing the
また、トラップした空気を通常の配管内圧において圧送する場合よりも低い運転圧においても、空気抜き配管39,41,43,45,47を、空気溜め空間29,31,33,35,37からタンク19まで下り坂無く接続しているので、トラップした空気を空気抜き配管39,41,43,45,47内部に停滞させずにタンク19に導くことができ、より一層の空気抜き性能を向上することができ、さらなる冷却効率の向上に寄与することができる。
Further, the
また、複数の空気抜き配管39,41,43,45,47を途中で合流させずに、それぞれ独立した状態でタンク19に接続しているので、途中で空気抜き配管39,41,43,45,47が合流する場合のように圧力差によって空気が逆流する可能性はなく、空気の逆流を確実に防止することができる。
Further, since the plurality of
さらに、車両の床下1という高さが限られる部位に燃料電池9を配置する車両においても、複数の空気抜き配管39,41,43,45,47を、センタトンネル49を利用して上方へ導くようにしているので、冷却水供給配管15および冷却水排出配管17内の空気抜きを容易に行うことができる。
Further, even in a vehicle in which the
以上のように、本実施形態によれば、車両の床下に燃料電池システムを搭載する際に、冷却水供給配管15および冷却水排出配管17に、空気溜め空間29,31および33,35,37を設け、空気溜め空間29,31,33,35,37とモータルーム3内のタンク19とを接続する空気抜き配管39,41,43,45,47を、センタトンネル49の空間51を利用して、空気溜め空間29,31,33,35,37からタンク19へ下り坂無く接続することで、冷却水供給配管15および冷却水排出配管17中の空気抜きを容易に行うことができ、効果的な冷却水量の確保および冷却効率を得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, when the fuel cell system is mounted under the floor of the vehicle, the
なお、本実施形態では、冷却水配管(冷却水供給配管15,冷却水排出配管17)に本発明を適用した例を示したが、これに限らず、冷却水配管の代わりに、燃料電池の電解質膜に純水を供給する純水配管システムや、燃料電池9の代わりに、燃料ガスと酸化剤ガスを加湿する加湿装置を備える加湿水(純水)配管システムにも適用可能である。
In the present embodiment, the example in which the present invention is applied to the cooling water pipe (the cooling
本発明によれば、システム構成部品は、燃料電池、加湿装置、熱交換器の少なくとも一つであり、これらは液体が流れる内部流路が細かく、燃料電池の起動時に空気が発生するので、それらに接続する配管の出口近傍に、空気溜め空間を設けることで、効果的な空気抜きを行うことができる。 According to the present invention, the system component is at least one of a fuel cell, a humidifier, and a heat exchanger, which has a fine internal flow path through which liquid flows and generates air when the fuel cell is started. By providing an air reservoir space in the vicinity of the outlet of the pipe connected to the pipe, effective air venting can be performed.
上記した空気抜き配管を、空気溜め空間からタンクに向けて上方に向かう流路で構成したので、空気抜き配管内の空気の逆流を効果的に防ぐことができ、さらに液体注入時においても、配管内の空気抜きが容易にできる。また、通常の配管内圧よりも低い運転圧においても、空気溜め空間にトラップした空気を、空気抜き配管に停滞させずにタンクまで排出でき、空気抜き性能を向上させることができる。 Since the above-described air vent pipe is configured with a flow path that is directed upward from the air reservoir space toward the tank, it is possible to effectively prevent the backflow of air in the air vent pipe, and even during liquid injection, Easy to vent. Further, even at an operating pressure lower than the normal pipe internal pressure, the air trapped in the air reservoir space can be discharged to the tank without stagnation in the air vent pipe, and the air vent performance can be improved.
上記した空気溜め空間を、複数のシステム構成部品に対してそれぞれ設け、これら各空気溜め空間に対応してそれぞれ独立して空気抜き配管を接続したので、それぞれの空気抜き配管を途中で合流させた場合に起こりうる圧力差による逆流を防止することができる。 The above air reservoir space is provided for each of a plurality of system components, and the air vent pipes are connected independently corresponding to each of the air reservoir spaces. Therefore, when the air vent pipes are merged on the way, Backflow due to a possible pressure difference can be prevented.
燃料電池システムを車両の床下に搭載し、空気抜き配管を車両床面に設けたセンタトンネル下の空間に設置し、タンクを車両前方のモータルームに設置するようにしたので、センタトンネルを利用して空気溜め空間からモータルームに設けたタンクまで空気抜き配管を下り坂無く接続することがき、車両床下に燃料電池システムを搭載する車両のような高さが限られた場合においても、配管中の空気抜きを容易に行うことができる。 Since the fuel cell system is installed under the floor of the vehicle, the air vent pipe is installed in the space under the center tunnel provided on the vehicle floor, and the tank is installed in the motor room in front of the vehicle. It is possible to connect the air vent piping from the air reservoir space to the tank provided in the motor room without any downhill, and even if the height is limited, such as a vehicle equipped with a fuel cell system under the vehicle floor, the air vent in the piping can be removed. It can be done easily.
また、モータルーム内に設置したタンクは、空気溜め空間に対してより確実に高さが稼げるとともに、タンクからの液体の注入作業が容易になる。 In addition, the tank installed in the motor room can more reliably increase the height of the air reservoir space, and the operation of injecting liquid from the tank becomes easy.
3 モータルーム
9 燃料電池(システム構成部品)
15 冷却水供給配管(システム構成部品内の流路に接続する配管)
17 冷却水排出配管(システム構成部品内の流路に接続する配管)
19 タンク
21 冷却水循環ポンプ(システム構成部品)
23 第1のシステム構成部品
25 第2のシステム構成部品
27 熱交換器(システム構成部品)
29,31,33,35,37 空気溜め空間
39,41,43,45,47 空気抜き配管
49 センタトンネル
51 センタトンネル下の空間
3
15 Cooling water supply piping (piping connected to the flow paths in the system components)
17 Cooling water discharge pipe (pipe connected to the flow path in the system components)
19
23
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