JP2002231294A - Fuel cell device - Google Patents

Fuel cell device

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JP2002231294A
JP2002231294A JP2001020531A JP2001020531A JP2002231294A JP 2002231294 A JP2002231294 A JP 2002231294A JP 2001020531 A JP2001020531 A JP 2001020531A JP 2001020531 A JP2001020531 A JP 2001020531A JP 2002231294 A JP2002231294 A JP 2002231294A
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泰之 伊藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the residence of condensate by optimizing the vertical positional relationship among the respective parts of a hydrogen circulating system. SOLUTION: This device is provided with an ejector pump 13 for mixing an exhaust fuel from a fuel outlet 3b of a fuel cell 1 with a raw fuel to feed the gaseous mixture to an fuel inlet 3a. A passage shut-off valve 19 between the fuel outlet 3b and an exhaust fuel inlet 13b of the ejector pump 13 is disposed higher than the exhaust fuel inlet 13b, an exhaust side water separator 17 between the fuel outlet 3b and the shut-off valve 19 is disposed lower than the fuel outlet 3b and the shut-off valve 19, a purge pipe 25 for purging the exhaust fuel gas outside is connected to a pipe 21 on the upstream side of the shut-off valve 19 at a purge branch part 23, a purge gas shut-out valve 27 on the purge pipe 25 is disposed higher than the branch part 23, and a feeding-side water separator 15 mounted on the downstream side of a mixed fuel outlet 13a of the ejector pump 13 is disposed lower than the outlet 13a.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池におけ
る燃料極の燃料出口から排出される排出燃料と原燃料と
を混合し、この混合燃料を燃料極の燃料入口に循環させ
る燃料循環手段を備えた燃料電池装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention comprises a fuel circulating means for mixing raw fuel and exhaust fuel discharged from a fuel outlet of a fuel electrode in a fuel cell and circulating the mixed fuel to a fuel inlet of the fuel electrode. To a fuel cell device.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年の環境問題、特に自動車の排出ガス
による大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に
対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とす
る燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料
となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび酸化剤
として例えば空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給
し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネル
ギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも
特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池
が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
2. Description of the Related Art In recent years, attention has been paid to a fuel cell technology capable of achieving clean exhaust and high energy efficiency with respect to environmental problems, in particular, air pollution caused by automobile exhaust gas and global warming caused by carbon dioxide. . Fuel cells supply hydrogen as a fuel or hydrogen-rich reformed gas and air as an oxidizing agent, for example, to a polymer membrane-electrocatalyst composite, causing an electrochemical reaction to convert chemical energy into electric energy. It is a conversion system. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell having a particularly high output density has attracted attention as a power source for a mobile body such as an automobile.

【0003】固体高分子膜を電解質として用いた固体高
分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素が供
給されるアノード電極(燃料極)と、酸化剤となる空気
が供給されるカソード電極(酸化剤極)との間に配置し
た構成となっている。燃料極では水素が供給されること
で、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜
を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化
剤極にそれぞれ移動する。
In a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, an anode electrode (fuel electrode) to which hydrogen serving as a fuel is supplied and air serving as an oxidant are supplied to the electrolyte membrane. It is configured to be arranged between a cathode electrode (oxidant electrode). When hydrogen is supplied to the fuel electrode, it is dissociated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane, and the electrons generate electric power through an external circuit and move to the oxidant electrode.

【0004】一方、酸化剤極では、供給された空気中の
酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成さ
れ、外部に排出される。
On the other hand, at the oxidant electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and the electrons to generate water, which is discharged to the outside.

【0005】このような燃料電池装置において、燃料極
で発電に使用されなかった水素を再循環させて、原燃料
の水素と混合し、この混合燃料を燃料極に供給するよう
にしたものがある。例えば、特開平9−213353号
公報では、燃料極から排出された余剰の水素を再循環ガ
ス回路を経てエゼクタポンプに戻し、この戻した余剰の
水素と別途エゼクタポンプに導入される水素濃度の高い
原燃料とを混合した混合燃料を、燃料極に供給するよう
にしている。
[0005] In such a fuel cell device, hydrogen not used for power generation at the fuel electrode is recirculated and mixed with hydrogen of raw fuel, and this mixed fuel is supplied to the fuel electrode. . For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 9-213353, excess hydrogen discharged from the fuel electrode is returned to an ejector pump via a recirculation gas circuit, and the returned excess hydrogen and a high concentration of hydrogen separately introduced into the ejector pump are high. The mixed fuel mixed with the raw fuel is supplied to the fuel electrode.

【0006】再循環ガス回路には、燃料極の燃料出口側
からエゼクタポンプに向けて、凝縮液化した生成水を貯
蔵するタンクを備えた排出ガス冷却用の熱交換器およ
び、燃料電池の負荷に応じて再循環ガスの流量を調整す
る再循環ガス流量調整弁が、順に設けられている。ま
た、熱交換器と再循環ガス流量調整弁との間には、ガス
パージ回路が分岐して設けられている。
The recirculation gas circuit includes a heat exchanger for cooling the exhaust gas, which is provided with a tank for storing condensed and liquefied product water from the fuel outlet side of the fuel electrode to the ejector pump, and a load for the fuel cell. A recirculation gas flow control valve for adjusting the flow rate of the recirculation gas accordingly is provided in order. Further, a gas purge circuit is provided between the heat exchanger and the recirculation gas flow control valve.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した従
来の燃料電池装置においては、燃料電池からの再循環ガ
ス回路に、再循環ガス流量調整弁やガスパージ用配管な
どが配置されているが、これらの位置関係、特に上下の
位置関係については、特に考慮しておらず、このため、
上下の配置関係によっては、再循環ガス流量調整弁に凝
縮水が溜まり、燃料電池に所定量の水素を供給できず、
またガスパージ用配管内にも凝縮水が溜まり、パージ制
御時に予定のパージ流量が得られなくなるなど、安定し
た制御ができなくり、制御性の悪化を招く。
By the way, in the above-mentioned conventional fuel cell device, a recirculation gas flow control valve, a gas purge pipe, and the like are arranged in a recirculation gas circuit from the fuel cell. , Especially the top and bottom, is not taken into account.
Depending on the vertical arrangement, condensed water accumulates in the recirculation gas flow control valve, and a predetermined amount of hydrogen cannot be supplied to the fuel cell.
In addition, condensed water accumulates in the gas purge pipe, and a predetermined purge flow rate cannot be obtained during the purge control, so that stable control cannot be performed and controllability is deteriorated.

【0008】そこでこの発明は、再循環ガス回路におけ
る各部の上下位置関係を最適化することで、凝縮水の滞
留を防止することを目的としている。
Accordingly, an object of the present invention is to prevent stagnation of condensed water by optimizing the vertical position of each part in the recirculation gas circuit.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項1の発明は、燃料電池における燃料極の燃料
出口から排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この
混合燃料を前記燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環
手段を備えた燃料電池装置において、前記燃料極の燃料
出口と燃料循環手段の排出燃料入口との間の配管に流路
遮断弁を設け、この流路遮断弁は、前記燃料循環手段の
排出燃料入口より高い位置に配置する構成としてある。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell comprising: mixing raw fuel with exhaust fuel discharged from a fuel outlet of a fuel electrode in a fuel cell; In a fuel cell device provided with a fuel circulating means for circulating a fuel at a fuel inlet of the fuel electrode, a flow path shutoff valve is provided in a pipe between a fuel outlet of the fuel electrode and a discharged fuel inlet of the fuel circulating means. The shut-off valve is arranged at a position higher than a discharge fuel inlet of the fuel circulation means.

【0010】請求項2の発明は、請求項1の発明の構成
において、燃料電池に供給される燃料は、加湿されてい
る構成としてある。
In a second aspect of the present invention, in the first aspect, the fuel supplied to the fuel cell is humidified.

【0011】請求項3の発明は、請求項1または2の発
明の構成において、燃料極の燃料出口と流路遮断弁との
間の配管に排出燃料中の水分を分離する燃料排出側水分
分離手段を設け、この燃料排出側水分分離手段は前記燃
料出口および流路遮断弁より低い位置に配置する構成と
してある。
According to a third aspect of the present invention, in the configuration of the first or second aspect of the invention, a fuel discharge-side water separation device separates water in the discharged fuel into a pipe between the fuel outlet of the fuel electrode and the flow path cutoff valve. Means is provided, and the fuel discharge side water separating means is arranged at a position lower than the fuel outlet and the flow path cutoff valve.

【0012】請求項4の発明は、請求項1ないし3のい
ずれかの発明の構成において、流路遮断弁の上流側の配
管に、排出燃料を外部に放出するパージ配管を接続して
パージ分岐部を設けるとともに、前記パージ配管にパー
ジガス遮断弁を設け、このパージガス遮断弁は、前記パ
ージ分岐部より高い位置に配置する構成としてある。
According to a fourth aspect of the present invention, in the configuration of any one of the first to third aspects of the present invention, a purge pipe for discharging discharged fuel to the outside is connected to a pipe on the upstream side of the flow path cutoff valve. And a purge gas cutoff valve is provided in the purge pipe, and the purge gas cutoff valve is arranged at a position higher than the purge branch portion.

【0013】請求項5の発明は、請求項1ないし4のい
ずれかの発明の構成において、燃料循環手段の混合燃料
出口に接続される配管に、燃料供給側水分分離手段を設
け、この燃料供給側水分分離手段の混合燃料入口は、前
記燃料循環手段の混合燃料出口より低い位置に配置され
る構成としてある。
According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration of any one of the first to fourth aspects of the present invention, a fuel supply-side water separating means is provided in a pipe connected to the mixed fuel outlet of the fuel circulating means. The mixed fuel inlet of the side moisture separating means is arranged at a position lower than the mixed fuel outlet of the fuel circulating means.

【0014】請求項6の発明は、請求項1ないし5のい
ずれかの発明の構成において、燃料電池の燃料入口に接
続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に燃料
循環手段をそれぞれ配置するとともに、前記燃料電池の
燃料出口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並
列配管に流路遮断弁をそれぞれ配置する構成としてあ
る。
According to a sixth aspect of the present invention, in the configuration of any one of the first to fifth aspects, a plurality of pipes connected to the fuel inlet of the fuel cell are provided in parallel, and a fuel circulation means is provided in each of the parallel pipes. In addition, a plurality of pipes connected to the fuel outlet of the fuel cell are provided in parallel, and a flow path cutoff valve is provided in each of the parallel pipes.

【0015】請求項7の発明は、請求項6の発明の構成
において、複数の燃料循環手段は、互いに循環流量特性
が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される各並
列配管の流路径も異なる構成としてある。
According to a seventh aspect of the present invention, in the configuration of the sixth aspect of the present invention, the plurality of fuel circulating means have different circulating flow characteristics, and accordingly, the flow path diameter of each parallel pipe connected to each fuel circulating means. Also has a different configuration.

【0016】請求項8の発明は、請求項7の発明の構成
において、燃料電池の燃料入口に接続される複数の並列
配管相互の合流部と、前記燃料電池の燃料出口に接続さ
れる並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか一方
に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の大径
とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう配置
する構成としてある。
According to an eighth aspect of the present invention, in the configuration of the seventh aspect of the present invention, a junction between a plurality of parallel pipes connected to the fuel inlet of the fuel cell and a parallel pipe connected to the fuel outlet of the fuel cell are provided. The configuration is such that a pipe having a small diameter on the small flow rate side is arranged to be closer to a vertical state than a pipe having a large diameter on the large flow rate side with respect to at least one of the mutual branch portions.

【0017】請求項9の発明は、請求項8の発明の構成
において、小流量側の小径とした直線状の配管の水平面
に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状の配
管の同傾斜角度より大きくする構成としてある。
According to a ninth aspect of the present invention, in the configuration of the eighth aspect, the inclination angle of the straight pipe having the small diameter on the small flow rate side with respect to the horizontal plane is larger than that of the straight pipe having the large diameter on the large flow rate side. It is configured to be larger than the same inclination angle.

【0018】請求項10の発明は、請求項8の発明の構
成において、小流量側の小径とした曲線状の配管の曲率
半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率半径
より小さくする構成としてある。
According to a tenth aspect of the present invention, in the configuration of the eighth aspect, the radius of curvature of the curved pipe having the small diameter on the small flow rate side is changed to the radius of curvature of the curved pipe having the large diameter on the large flow rate side. It is configured to be smaller.

【0019】請求項11の発明は、請求項7ないし10
のいずれかの発明の構成において、並列配管相互の合流
部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側の配管
に、絞りを設けた構成としてある。
The invention according to claim 11 is the invention according to claims 7 to 10
In any one of the aspects of the invention, at least one of the merging portion and the branch portion of the parallel pipes is provided with a throttle on the large-diameter pipe.

【0020】請求項12の発明は、請求項1ないし11
のいずれかの発明の構成において、燃料循環手段の原燃
料入口を同混合燃料出口より高い位置に配置するととも
に、前記燃料循環手段の排出燃料入口を、この排出燃料
入口と燃料循環手段内の燃料通路との合流部より高い位
置に配置する構成としてある。
The invention of claim 12 is the invention of claims 1 to 11
In the configuration of any one of the inventions, the raw fuel inlet of the fuel circulating means is arranged at a position higher than the mixed fuel outlet, and the discharged fuel inlet of the fuel circulating means is connected to the discharged fuel inlet and the fuel in the fuel circulating means. It is configured to be arranged at a position higher than the junction with the passage.

【0021】[0021]

【発明の効果】請求項1の発明によれば、燃料電池にお
ける燃料極の燃料出口と燃料循環手段の排出燃料入口と
の間の配管に設けた流路遮断弁を、前記燃料循環手段の
排出燃料入口より高い位置に配置したので、流路遮断弁
における凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃
料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
According to the first aspect of the present invention, a flow path cutoff valve provided in a pipe between a fuel outlet of a fuel electrode of a fuel cell and a discharged fuel inlet of a fuel circulating means is provided for discharging the fuel circulating means. Since it is arranged at a position higher than the fuel inlet, the stagnation of condensed water in the flow path cutoff valve can be prevented, and fuel can be appropriately supplied from the fuel circulation means to the fuel electrode.

【0022】請求項2の発明によれば、燃料を加湿する
ための加湿水による凝縮水の流路遮断弁への滞留を防止
でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に
行うことができる。
According to the second aspect of the invention, it is possible to prevent the humidification water for humidifying the fuel from remaining in the flow path shutoff valve, and to appropriately supply the fuel from the fuel circulation means to the fuel electrode. be able to.

【0023】請求項3の発明によれば、燃料電池の燃料
出口と流路遮断弁との間の配管に設けた燃料排出側水分
分離手段は、前記燃料出口および流路遮断弁より低い位
置に配置したので、凝縮水は、燃料排出側水分分離手段
に効率よく溜まり、流路遮断弁への滞留を防止でき、燃
料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うこと
ができる。
According to the third aspect of the present invention, the fuel discharge side water separating means provided in the pipe between the fuel outlet of the fuel cell and the flow path cutoff valve is located at a position lower than the fuel outlet and the flow path cutoff valve. Since the condensed water is disposed, the condensed water efficiently accumulates in the water separating means on the fuel discharge side, so that the condensed water can be prevented from staying in the flow path cutoff valve, and the fuel can be appropriately supplied from the fuel circulating means to the fuel electrode.

【0024】請求項4の発明によれば、流路遮断弁の上
流側の配管に、排出燃料を外部に放出するパージ配管を
接続してパージ分岐部を設け、パージ配管に設けたパー
ジガス遮断弁を、パージ分岐部より高い位置に配置した
ので、凝縮水のパージガス遮断弁への滞留を防止でき、
パージガス動作を適正に行えるとともに、燃料循環手段
から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
According to the fourth aspect of the present invention, a purge branch for connecting a purge pipe for discharging discharged fuel to the outside is provided in the pipe on the upstream side of the flow path cutoff valve, and the purge gas cutoff valve provided in the purge pipe is provided. Is located at a position higher than the purge branch portion, so that condensed water can be prevented from staying in the purge gas shutoff valve,
The purge gas operation can be performed properly, and the fuel can be properly supplied from the fuel circulation means to the fuel electrode.

【0025】請求項5の発明によれば、燃料循環手段の
混合燃料出口に接続される配管に設けた燃料供給側水分
分離手段の混合燃料入口を、前記燃料循環手段の混合燃
料出口より低い位置に配置したので、凝縮水は、配管内
に滞留することなく燃料供給側水分分離手段に効率よく
流れ、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に
行うことができる。
According to the fifth aspect of the present invention, the mixed fuel inlet of the fuel supply side water separating means provided on the pipe connected to the mixed fuel outlet of the fuel circulating means is positioned lower than the mixed fuel outlet of the fuel circulating means. Therefore, the condensed water flows efficiently to the fuel supply-side water separating means without staying in the pipe, and the fuel can be appropriately supplied from the fuel circulating means to the fuel electrode.

【0026】請求項6の発明によれば、複数の燃料循環
手段および流路遮断弁を有して複数の燃料循環回路を備
えた燃料電池装置においても、各流路遮断弁への凝縮水
の滞留を防止でき、各燃料循環手段から燃料極への燃料
の供給を適正に行うことができる。
According to the invention of claim 6, in a fuel cell apparatus having a plurality of fuel circulation circuits having a plurality of fuel circulation means and a flow path cutoff valve, the condensed water is supplied to each flow path cutoff valve. Stagnation can be prevented, and fuel can be properly supplied from each fuel circulation means to the fuel electrode.

【0027】請求項7の発明によれば、複数の燃料循環
手段は、互いに循環流量特性が異なり、これに伴い各燃
料循環手段に接続される各配管の流路径も異なるように
したものにおいても、各流路遮断弁への凝縮水の滞留を
防止でき、各燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を
適正に行うことができる。
According to the seventh aspect of the present invention, the plurality of fuel circulating means have different circulating flow characteristics from each other, and accordingly, the diameter of each pipe connected to each fuel circulating means is also different. In addition, the accumulation of the condensed water in each flow path shutoff valve can be prevented, and the fuel can be appropriately supplied from each fuel circulation means to the fuel electrode.

【0028】請求項8の発明によれば、燃料電池の燃料
入口に接続される複数の並列配管相互の合流部と、燃料
電池の燃料出口に接続される並列配管相互の分岐部との
少なくともいずれか一方に対し、小流量側の小径とした
配管を、大流量側の大径とした配管に対し、より鉛直に
近い状態となるよう配置したので、凝縮水が滞留しやす
い小径の配管内での凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環
手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができ
る。
According to the invention of claim 8, at least one of a junction between the plurality of parallel pipes connected to the fuel inlet of the fuel cell and a branch between the parallel pipes connected to the fuel outlet of the fuel cell. On the other hand, the small-diameter pipe on the small flow rate side is arranged so as to be closer to the vertical than the large-diameter pipe on the large flow rate side, so the condensed water tends to stay in the small-diameter pipe. Of the condensed water can be prevented, and the fuel can be properly supplied from the fuel circulation means to the fuel electrode.

【0029】請求項9の発明によれば、小流量側の小径
とした直線状の配管の水平面に対する傾斜角度を、大流
量側の大径とした直線状の配管の同傾斜角度より大きく
したので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮
水の滞留を抑制でき、燃料循環手段から燃料極への燃料
の供給を適正に行うことができる。
According to the ninth aspect of the present invention, the inclination angle of the small-diameter straight pipe on the small flow rate side with respect to the horizontal plane is larger than the inclination angle of the large-diameter straight pipe on the large flow rate side. In addition, the accumulation of the condensed water in the small-diameter pipe in which the condensed water is easily accumulated can be suppressed, and the fuel can be appropriately supplied from the fuel circulation means to the fuel electrode.

【0030】請求項10の発明によれば、小流量側の小
径とした曲線状の配管の曲率半径を、大流量側の大径と
した曲線状の配管の曲率半径より小さくして、より鉛直
に近い状態となるようにしたので、凝縮水が滞留しやす
い小径の配管内での凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環
手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができ
る。
According to the tenth aspect of the present invention, the radius of curvature of the small-diameter curved pipe on the small flow rate side is made smaller than the radius of curvature of the large-diameter curved pipe on the large flow rate side, thereby achieving a more vertical Therefore, the condensed water can be prevented from staying in the small-diameter pipe in which the condensed water easily stays, and the fuel can be appropriately supplied from the fuel circulation means to the fuel electrode.

【0031】請求項11の発明によれば、並列配管相互
の合流部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側
の配管に、絞りを設けたので、この絞り部での燃料の流
速が高まり、小流量側の小径配管から大流量側の大径配
管へ凝縮水が吸い出されることになり、凝縮水が滞留し
やすい小径配管内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料循
環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことがで
きる。
According to the eleventh aspect of the present invention, a throttle is provided in at least one of the large-diameter side of the junction and the branch of the parallel pipes. As a result, condensed water is sucked from the small-diameter pipe on the small flow rate side to the large-diameter pipe on the large flow rate side. The fuel can be appropriately supplied to the fuel electrode.

【0032】請求項12の発明によれば、燃料循環手段
の原燃料入口を同混合燃料出口より高い位置に配置する
とともに、燃料循環手段の排出燃料入口を、この排出燃
料入口と燃料循環手段内の燃料通路との合流部より高い
位置に配置したので、凝縮水の燃料循環手段内での滞留
を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を
適正に行うことができる。
According to the twelfth aspect of the invention, the raw fuel inlet of the fuel circulating means is arranged at a position higher than the mixed fuel outlet, and the discharged fuel inlet of the fuel circulating means is connected to the discharged fuel inlet and the fuel circulating means. Since it is arranged at a position higher than the junction with the fuel passage, the accumulation of condensed water in the fuel circulation means can be prevented, and fuel can be appropriately supplied from the fuel circulation means to the fuel electrode.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を、
図面に基づき説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
This will be described with reference to the drawings.

【0034】図1は、この発明の第1の実施形態を示す
燃料電池装置の全体構成図である。1は、図示しない固
体高分子電解質膜を間に挟んで燃料極3と酸化剤極5と
を相互に対向して配置した燃料電池構造体を図示しない
セパレータで挟持し、これを複数積層して構成した燃料
電池スタック(以下単に、燃料電池と呼ぶ)である。7
は加湿器であり、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、それぞ
れ半透膜を介して純水と隣接し、水分子が半透膜を通過
することにより燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して加湿
を行うものである。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. Reference numeral 1 denotes a fuel cell structure in which a fuel electrode 3 and an oxidant electrode 5 are arranged to face each other with a solid polymer electrolyte membrane (not shown) interposed therebetween. It is a configured fuel cell stack (hereinafter simply referred to as a fuel cell). 7
Denotes a humidifier, in which the fuel gas and the oxidizing gas are adjacent to the pure water through the semipermeable membrane, respectively, and the water molecules pass through the semipermeable membrane to humidify the fuel gas and the oxidizing gas. Things.

【0035】本実施形態では、燃料として水素、酸化剤
として空気を用いる。水素タンク9に貯えられた水素
は、燃料調圧弁11により調圧された後、燃料循環手段
としてのエゼクタポンプ13、燃料供給側水分分離手段
としての供給側水分離器15、前記加湿器7を通り、燃
料電池1に対し燃料極3の燃料入口3aから供給され
る。
In this embodiment, hydrogen is used as fuel and air is used as oxidant. After the hydrogen stored in the hydrogen tank 9 is regulated by the fuel pressure regulating valve 11, the hydrogen is supplied to the ejector pump 13 as fuel circulation means, the supply water separator 15 as fuel supply water separation means, and the humidifier 7. As described above, the fuel is supplied to the fuel cell 1 from the fuel inlet 3a of the fuel electrode 3.

【0036】燃料極3の燃料出口3bから排出される水
素と水蒸気との混合ガスは、燃料排出側水分分離手段と
しての排出側水分離器17、流路遮断弁19を通り、前
記したエゼクタポンプ13で原燃料ガスと混合され、こ
の混合ガスは、前記した供給側水分離器15および加湿
器7を経て燃料電池1の燃料極3に循環される。
The mixed gas of hydrogen and water vapor discharged from the fuel outlet 3b of the fuel electrode 3 passes through the discharge water separator 17 as fuel discharge water separation means, the flow path shutoff valve 19, and the ejector pump. At 13, the fuel gas is mixed with the raw fuel gas, and the mixed gas is circulated to the fuel electrode 3 of the fuel cell 1 through the above-described supply-side water separator 15 and humidifier 7.

【0037】また、排出側水分離器17と流路遮断弁1
9との間の配管21には、パージ分岐部23にて、水素
をパージさせるパージ配管25が分岐接続され、パージ
配管25にはパージガス遮断弁27およびパージガス触
媒29がそれぞれ設けられている。
The discharge-side water separator 17 and the flow path shutoff valve 1
A purge pipe 25 for purging hydrogen is branched and connected to a pipe 21 between the pipe 9 and a purge branch section 23. The purge pipe 25 is provided with a purge gas cutoff valve 27 and a purge gas catalyst 29.

【0038】酸化剤としての空気は、コンプレッサ31
によって前記した加湿器7を経て燃料電池1の酸化剤極
5に、酸化剤入口5aから供給される。酸化剤極5の酸
化剤出口5bから排出される排気は、水蒸気と液水を含
み、水分離器33によって液水分が分離される。水分離
器33には、上記した水素パージ時の空気供給用の空気
パージ配管35およびパージガス遮断弁37が設けてあ
り、水素パージ時にはパージガス触媒29に空気が供給
されて外部に排出される。また、空気パージ配管35に
は、空気排出管39が分岐接続され、空気排出管39に
は空気調圧弁41が設けられている。
The air as the oxidizing agent is supplied to the compressor 31
The fuel is supplied from the oxidizer inlet 5a to the oxidizer electrode 5 of the fuel cell 1 through the humidifier 7 described above. The exhaust gas discharged from the oxidant outlet 5b of the oxidant electrode 5 contains water vapor and liquid water, and the liquid separator 33 separates the liquid water. The water separator 33 is provided with an air purge pipe 35 and a purge gas cutoff valve 37 for supplying air during the above-described hydrogen purging. At the time of hydrogen purging, air is supplied to the purge gas catalyst 29 and discharged to the outside. An air discharge pipe 39 is branched and connected to the air purge pipe 35, and the air discharge pipe 39 is provided with an air pressure regulating valve 41.

【0039】図示しないコントロールユニットは、燃料
電池1の発電状態を検知する図示しないセンサの検知信
号の入力を受け、発電状態に応じて、水素圧力および空
気圧力を、図示しないセンサの検出値に基づき燃料調圧
弁11および空気調圧弁41で調整するようフィードバ
ック制御するとともに、空気流量を図示しないセンサの
検出値に基づいてコンプレッサ31の回転数により調整
するようフィードバック制御する。
The control unit (not shown) receives a detection signal from a sensor (not shown) that detects the power generation state of the fuel cell 1 and, based on the power generation state, determines the hydrogen pressure and the air pressure based on the detection values of the sensor (not shown). Feedback control is performed so as to be adjusted by the fuel pressure control valve 11 and the air pressure control valve 41, and feedback control is performed so that the air flow rate is adjusted by the rotation speed of the compressor 31 based on a detection value of a sensor (not shown).

【0040】図2は、上記した構成の燃料電池装置にお
ける、水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係
を示す。水素タンク9に貯えられている水素は、前述し
たように燃料調圧弁11により所定の圧力に調圧された
後、エゼクタポンプ13により、燃料電池1より排出さ
れ循環してきた水素と混合され、供給側水分離器15に
送られる。
FIG. 2 shows the upper and lower positional relationships of the respective components of the hydrogen circulation system in the fuel cell device having the above-described configuration. The hydrogen stored in the hydrogen tank 9 is regulated to a predetermined pressure by the fuel pressure regulating valve 11 as described above, and then mixed with the hydrogen discharged and circulated from the fuel cell 1 by the ejector pump 13 to be supplied. It is sent to the side water separator 15.

【0041】このとき、供給側水分離器15の混合燃料
入口15aは、エゼクタポンプ13の混合燃料出口13
aより低い位置に配置されている。この場合、図2で
は、エゼクタポンプ13と供給側水分離器15とを接続
する配管43は、曲線状となっているが、直線状として
傾斜して配置するようにしてもよい。配管43を直線状
として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管
43の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮し
て、水平面Hに対して50度〜90度とすることが望ま
しい。なお、この傾斜角度は、必ずしもエゼクタポンプ
13から供給側水分離器15まで一定でなくても構わな
い。
At this time, the mixed fuel inlet 15 a of the supply-side water separator 15 is connected to the mixed fuel outlet 13 of the ejector pump 13.
a. In this case, in FIG. 2, the pipe 43 connecting the ejector pump 13 and the supply-side water separator 15 is curved, but may be arranged linearly and inclined. When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the pipe 43 being straight, the inclination angle of the pipe 43 is set to 50 degrees to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination and acceleration of the vehicle. It is desirable. Note that this inclination angle does not necessarily have to be constant from the ejector pump 13 to the supply-side water separator 15.

【0042】このように配置することにより、エゼクタ
ポンプ13から供給側水分離器15までの間で凝縮され
た水は、配管43内に溜まることがなく、これにより、
水素の流れが水によって阻害されず、燃料電池1への水
素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニッ
トによる制御性の悪化を防止することができる。
With this arrangement, the water condensed between the ejector pump 13 and the supply-side water separator 15 does not accumulate in the pipe 43.
The flow of hydrogen is not hindered by water, so that the supply of hydrogen to the fuel cell 1 can be properly performed, and the controllability of the control unit can be prevented from deteriorating.

【0043】供給側水分離器15を出た水素は加湿器7
を通り、燃料電池7の燃料極3に燃料入口3aから供給
される。燃料極3の燃料出口3bから出た水素と水蒸気
の混合ガスは、排出側水分離器17を通り流路遮断弁1
9へ流れていく。
The hydrogen exiting the feed-side water separator 15 is supplied to the humidifier 7
To the fuel electrode 3 of the fuel cell 7 from the fuel inlet 3a. The mixed gas of hydrogen and steam flowing out of the fuel outlet 3b of the fuel electrode 3 passes through the discharge-side water separator 17, and the flow path shutoff valve 1
Flowing to 9.

【0044】このとき、排出側水分離器17の入口17
aは、水素極3の燃料出口3bより低い位置に配置され
るとともに、排出側水分離器17の出口17bは、流路
遮断弁19より低い位置に配置されている。この場合、
図2では、燃料電池1と排出側水分離器17とを接続す
る配管45および、排出側水分離器17と流路遮断弁1
9とを接続する配管21は、曲線状となっているが、直
線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管4
5および21を直線状として本燃料電池装置を車両に搭
載する場合には、配管45および21の傾斜角度は、車
両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Hに対して5
0度〜90度とすることが望ましい。なお、この傾斜角
度は、燃料電池1から排出側水分離器17あるいは排出
側水分離器17から流路遮断弁19まで、それぞれ一定
でなくても構わない。
At this time, the inlet 17 of the discharge-side water separator 17
a is disposed at a position lower than the fuel outlet 3b of the hydrogen electrode 3, and the outlet 17b of the discharge-side water separator 17 is disposed at a position lower than the flow path shutoff valve 19. in this case,
In FIG. 2, a pipe 45 connecting the fuel cell 1 and the discharge-side water separator 17, and the discharge-side water separator 17 and the flow path shutoff valve 1
The pipe 21 connecting to the pipe 9 has a curved shape, but may be arranged linearly and inclined. Piping 4
When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the straight lines 5 and 21 mounted, the inclination angles of the pipes 45 and 21 are set to 5 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination of the vehicle and acceleration.
It is desirable that the angle be 0 degrees to 90 degrees. Note that this inclination angle may not be constant from the fuel cell 1 to the discharge water separator 17 or from the discharge water separator 17 to the flow path shutoff valve 19.

【0045】このように配置することにより、配管45
および21内で凝縮された水が排出側水分離器17に効
率よく流下するため、燃料電池1への水の逆流を防止で
きるとともに、配管45および21内での水の滞留およ
び閉弁状態の流路遮断弁19における水の滞留を防止で
きる。これにより、流路遮断弁19が開いたときの水素
の流れが水によって阻害されず、燃料電池1への水素の
供給を適正に行うことができ、コントロールユニットに
よる制御性の悪化を防止することができる。
With this arrangement, the piping 45
The water condensed in the fuel cell 1 and 21 efficiently flows down to the water separator 17 on the discharge side, so that the backflow of water to the fuel cell 1 can be prevented, and the water in the pipes 45 and 21 stays in the closed state and the valve is closed. The stagnation of water in the flow path shutoff valve 19 can be prevented. Thus, the flow of hydrogen when the flow path shutoff valve 19 is opened is not hindered by water, and the supply of hydrogen to the fuel cell 1 can be properly performed, and the controllability of the control unit is prevented from deteriorating. Can be.

【0046】その後水素は、流路遮断弁19からエゼク
タポンプ13へ供給され、エゼクタポンプ13により、
燃料調圧弁11を経て供給される原燃料ガスと混合さ
れ、燃料電池1側に循環される。
After that, hydrogen is supplied from the flow path cutoff valve 19 to the ejector pump 13, and the ejector pump 13
It is mixed with the raw fuel gas supplied through the fuel pressure regulating valve 11 and circulated to the fuel cell 1 side.

【0047】このとき、流路遮断弁19は、エゼクタポ
ンプ13の排出燃料入口13bより高い位置に配置され
ている。この場合、図2では、流路遮断弁19とエゼク
タポンプ13とを接続する配管49は、曲線状となって
いるが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよ
い。配管49を直線状として本燃料電池装置を車両に搭
載する場合には、配管49の傾斜角度は、車両の傾きや
加速時などを考慮して、水平面Hに対して50度〜90
度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、流路
遮断弁19からエゼクタポンプ13まで、一定でなくて
も構わない。
At this time, the flow path cutoff valve 19 is arranged at a position higher than the discharge fuel inlet 13 b of the ejector pump 13. In this case, in FIG. 2, the pipe 49 connecting the flow path cutoff valve 19 and the ejector pump 13 has a curved shape, but may be arranged linearly and inclined. When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the pipe 49 being straight, the inclination angle of the pipe 49 should be 50 to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination of the vehicle and acceleration.
Degree is desirable. Note that this inclination angle may not be constant from the flow path cutoff valve 19 to the ejector pump 13.

【0048】このように配置することにより、流路遮断
弁19からエゼクタポンプ13までの間で凝縮された水
の流路遮断弁19への逆流が防止され、閉弁状態の流路
遮断部19での水の滞留を防止できるとともに、配管4
9内での水の滞留も防止できる。これにより、流路遮断
弁19が開いたときの水素の流れが水によって阻害され
ず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロール
ユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
By arranging in this way, backflow of water condensed between the flow path cutoff valve 19 and the ejector pump 13 to the flow path cutoff valve 19 is prevented, and the flow path cutoff section 19 in the closed state is prevented. Water can be prevented from staying in
The stagnation of water in the inside 9 can also be prevented. Thereby, the flow of hydrogen when the flow path cutoff valve 19 is opened is not hindered by water, and the supply of hydrogen can be appropriately performed, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented.

【0049】また、排出側水分離器17下流の配管21
を流れるガスは、パージ分岐部23でパージ配管25に
分岐して流れ、パージガス遮断弁27を経てパージガス
触媒29に供給され外部に排出される。
Further, the pipe 21 downstream of the discharge-side water separator 17
Flows through the purge branch section 23 into the purge pipe 25, flows through the purge gas cutoff valve 27, is supplied to the purge gas catalyst 29, and is discharged to the outside.

【0050】このとき、パージガス遮断弁27はパージ
分岐部23より高い位置に配置されている。この場合、
図2では、パージガス遮断弁27とパージ分岐部23と
を接続するパージ配管25は、曲線状となっているが、
直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。パー
ジ配管25を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載
する場合には、パージ配管25の傾斜角度は、車両の傾
きや加速時などを考慮して、水平面Hに対して50度〜
90度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、
パージガス遮断弁27からパージ分岐部23まで、一定
でなくても構わない。
At this time, the purge gas cutoff valve 27 is arranged at a position higher than the purge branch portion 23. in this case,
In FIG. 2, the purge pipe 25 connecting the purge gas cutoff valve 27 and the purge branch portion 23 has a curved shape.
You may make it arrange incline as a linear shape. When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the purge pipe 25 being straight, the inclination angle of the purge pipe 25 should be 50 degrees or less with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination and acceleration of the vehicle.
It is desirable that the angle be 90 degrees. In addition, this inclination angle is
From the purge gas cutoff valve 27 to the purge branching section 23, it does not have to be constant.

【0051】このように配置することにより、パージ分
岐部23からパージガス遮断弁27までの間で凝縮され
た水のパージ分岐部23側への逆流が防止され、閉弁状
態のパージガス遮断弁27での水の滞留を防止できると
ともに、パージ配管25内での水の滞留も防止できる。
これにより、パージガス遮断弁27が開いたときのパー
ジガスの流れが水によって阻害されず、コントロールユ
ニットによる制御性の悪化を防止することができる。
By arranging in this manner, backflow of water condensed between the purge branch section 23 and the purge gas cutoff valve 27 to the purge branch section 23 is prevented, and the purge gas cutoff valve 27 in the closed state is prevented from flowing. Of water in the purge pipe 25 can be prevented.
Thus, the flow of the purge gas when the purge gas cutoff valve 27 is opened is not hindered by the water, and the controllability of the control unit can be prevented from deteriorating.

【0052】図3は、この発明の第2の実施形態を示す
燃料電池装置の全体構成図である。この実施形態は、第
1の実施形態におけるエゼクタポンプ13に対し、エゼ
クタポンプ130を並列に追加して設け、これに対応し
て燃料調圧弁11に対して燃料調圧弁110を、また流
路遮断弁19に対して流路遮断弁190を、それぞれ並
列に追加して設けたものである。その他の構成は、前記
図1に示したものと同様であり、図1のものと同一の構
成要素には同一の符号を付してある。なお、エゼクタポ
ンプ、燃料調圧弁および流路遮断弁は、いずれも三つ以
上並列に設けた構成としてもよい。
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a fuel cell device showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, an ejector pump 130 is additionally provided in parallel with the ejector pump 13 in the first embodiment. Correspondingly, the fuel pressure regulating valve 110 is connected to the fuel pressure regulating valve 11 and the flow path is shut off. A flow path cutoff valve 190 is additionally provided in parallel with the valve 19. Other configurations are the same as those shown in FIG. 1, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. In addition, the ejector pump, the fuel pressure regulating valve, and the flow path shutoff valve may have a configuration in which three or more are all provided in parallel.

【0053】図4は、上記図3に示した構成の燃料電池
装置における、水素循環系の構成要素それぞれの上下の
位置関係を示す。エゼクタポンプ130と配管43と
は、合流部51にて、配管51と並列な配管53により
接続されており、このとき合流部51は、エゼクタポン
プ130の混合燃料出口130aより低い位置となるよ
う配置されている。
FIG. 4 shows the upper and lower positional relationships of the components of the hydrogen circulation system in the fuel cell device having the configuration shown in FIG. The ejector pump 130 and the pipe 43 are connected at a junction 51 by a pipe 53 parallel to the pipe 51. At this time, the junction 51 is disposed at a position lower than the mixed fuel outlet 130a of the ejector pump 130. Have been.

【0054】この場合、エゼクタポンプ130と合流部
51とを接続する配管53は曲線状でも直線状でもよい
が、直線状とした場合の水平面Hに対する傾斜角度は、
配管43と同様に、本燃料電池装置を車両に搭載する場
合には、車両の傾きや加速時などを考慮して、50度〜
90度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、
必ずしもエゼクタポンプ130から分岐部51まで一定
でなくても構わない。
In this case, the pipe 53 connecting the ejector pump 130 and the junction 51 may be curved or straight, but when it is straight, the inclination angle with respect to the horizontal plane H is:
As in the case of the pipe 43, when the fuel cell device is mounted on a vehicle, the fuel cell device is set at 50 degrees to 50 degrees in consideration of the inclination and acceleration of the vehicle.
It is desirable that the angle be 90 degrees. In addition, this inclination angle is
It does not necessarily have to be constant from the ejector pump 130 to the branch portion 51.

【0055】このように配置することにより、エゼクタ
ポンプ130から分岐部51までの間で凝縮された水
は、配管53内に溜まることがなく、これにより、水素
の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行
うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪
化を防止することができる。
With this arrangement, the water condensed between the ejector pump 130 and the branch portion 51 does not accumulate in the pipe 53, so that the flow of hydrogen is not hindered by the water. Hydrogen can be appropriately supplied, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented.

【0056】また、流路遮断弁190と配管21とは、
分岐部55にて、配管21と並列な配管57により接続
されており、このとき分岐部55は、流路遮断弁190
より低い位置に配置されている。この場合、図2では、
分岐部55と流路遮断弁190とを接続する配管57
は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置
するようにしてもよい。配管57を直線状として本燃料
電池装置を車両に搭載する場合には、配管57の傾斜角
度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Hに
対して50度〜90度とすることが望ましい。なお、こ
の傾斜角度は、分岐部55から流路遮断弁190まで一
定でなくても構わない。
The flow path cutoff valve 190 and the pipe 21
The branch 55 is connected by a pipe 57 parallel to the pipe 21 at this time.
It is located at a lower position. In this case, in FIG.
Piping 57 for connecting the branch portion 55 and the flow path cutoff valve 190
Has a curved shape, but may be arranged linearly and inclined. When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the pipe 57 being straight, the inclination angle of the pipe 57 is set to 50 to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination of the vehicle and acceleration. It is desirable. Note that this inclination angle may not be constant from the branch portion 55 to the flow path shutoff valve 190.

【0057】このように配置することにより、配管57
内で凝縮された水が、分岐部55に効率よく流下するた
め、配管57内での水の滞留および閉弁状態での流路遮
断弁190における水の滞留を防止できる。これによ
り、流路遮断弁190が開いたときの水素の流れが水に
よって阻害されず、水素の供給を適正に行うことがで
き、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止す
ることができる。
With this arrangement, the piping 57
Since the water condensed inside flows down to the branch portion 55 efficiently, it is possible to prevent water from staying in the pipe 57 and water from staying in the flow path shutoff valve 190 in a closed state. Accordingly, the flow of hydrogen when the flow path cutoff valve 190 is opened is not hindered by water, and the supply of hydrogen can be appropriately performed, so that the controllability of the control unit can be prevented from deteriorating.

【0058】さらに、流路遮断弁190とエゼクタポン
プ130とは、配管59で接続され、この配管59は、
流路遮断弁190がエゼクタポンプ130の排出燃料入
口130bより高い位置に配置されるよう設定されてい
る。この場合、図2では、流路遮断弁190とエゼクタ
ポンプ130とを接続する配管59は、曲線状となって
いるが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよ
い。配管59を直線状として本燃料電池装置を車両に搭
載する場合には、配管59の傾斜角度は、車両の傾きや
加速時などを考慮して、水平面Hに対して50度〜90
度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、流路
遮断弁190からエゼクタポンプ130まで、一定でな
くても構わない。
Further, the flow path cutoff valve 190 and the ejector pump 130 are connected by a pipe 59, and this pipe 59
The flow path cutoff valve 190 is set to be disposed at a position higher than the discharge fuel inlet 130b of the ejector pump 130. In this case, in FIG. 2, the pipe 59 connecting the flow path cutoff valve 190 and the ejector pump 130 has a curved shape, but may be arranged linearly and inclined. When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the pipe 59 formed in a straight line, the inclination angle of the pipe 59 should be 50 to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination and acceleration of the vehicle.
Degree is desirable. Note that this inclination angle may not be constant from the flow path cutoff valve 190 to the ejector pump 130.

【0059】このように配置することにより、流路遮断
弁190からエゼクタポンプ130までの間で凝縮され
た水の流路遮断弁190への逆流が防止され、閉弁状態
の流路遮断部190での水の滞留を防止できるととも
に、配管59内での水の滞留も防止できる。これによ
り、流路遮断弁190が開いたときの水素の流れが水に
よって阻害されず、水素の供給を適正に行うことがで
き、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止す
ることができる。
By arranging in this manner, backflow of water condensed between the flow path cutoff valve 190 and the ejector pump 130 to the flow path cutoff valve 190 is prevented, and the flow path cutoff section 190 in a closed state is prevented. Of the water in the pipe 59 and the water in the pipe 59 can also be prevented. Accordingly, the flow of hydrogen when the flow path cutoff valve 190 is opened is not hindered by water, and the supply of hydrogen can be appropriately performed, so that the controllability of the control unit can be prevented from deteriorating.

【0060】図4における、燃料調圧弁11,エゼクタ
ポンプ13および流路遮断弁19などからなる第1の水
素循環系と、燃料調圧弁110,エゼクタポンプ130
および流路遮断弁190などからなる第2の水素循環系
とは、流量特性としては同じものでも、異なっていても
構わない。
In FIG. 4, a first hydrogen circulation system including a fuel pressure regulating valve 11, an ejector pump 13, a flow path shutoff valve 19, etc., a fuel pressure regulating valve 110, an ejector pump 130
The flow characteristics may be the same as or different from those of the second hydrogen circulation system including the flow path cutoff valve 190 and the like.

【0061】流量特性を同じとした場合には、図5の実
線aに示すように、まず第1の水素循環系の燃料調圧弁
11を徐々に開弁していき、要求流量がLに達した時点
で実線bで示すように、第2の水素循環系の燃料調圧弁
110を徐々に開弁していく。これにより、燃料電池1
の発電量に応じて低流量時から高流量時まで対応するこ
とが可能となる。
When the flow characteristics are the same, first, the fuel pressure regulating valve 11 of the first hydrogen circulation system is gradually opened as shown by the solid line a in FIG. At this point, as shown by the solid line b, the fuel pressure regulating valve 110 of the second hydrogen circulation system is gradually opened. Thereby, the fuel cell 1
It is possible to respond from a low flow rate to a high flow rate in accordance with the amount of power generation.

【0062】一方、流量特性を異なるものとした場合に
は、図6に示すように、第1の水素循環系の燃料調圧弁
11を徐々に開弁していき、このときの要求流量に対す
る過不足分は、燃料電池1の発電量などから検出し、こ
れに基づき第2の水素循環系が流量を補正する形で燃料
調圧弁110の開度を調整する。
On the other hand, when the flow rate characteristics are different, as shown in FIG. 6, the fuel pressure regulating valve 11 of the first hydrogen circulation system is gradually opened, and the flow rate over the required flow rate at this time is reduced. The shortage is detected from the power generation amount of the fuel cell 1 and the like, and based on this, the opening degree of the fuel pressure regulating valve 110 is adjusted in such a manner that the second hydrogen circulation system corrects the flow rate.

【0063】流量特性を異なるものとした場合には、第
2の水素循環系の水素供給能力を第1の水素循環系より
低く設定しており、その各配管については能力小の第2
の水素循環系の配管径を小さく設定する。すなわち、図
4において、配管径については、配管53は配管43よ
り小さく、配管57は配管21より小さく、配管59は
配管49より小さく、それぞれ設定してある。
When the flow characteristics are different, the hydrogen supply capacity of the second hydrogen circulation system is set lower than that of the first hydrogen circulation system, and each pipe has a smaller capacity of the second hydrogen circulation system.
Set the piping diameter of the hydrogen circulation system to small. That is, in FIG. 4, regarding the pipe diameter, the pipe 53 is smaller than the pipe 43, the pipe 57 is smaller than the pipe 21, and the pipe 59 is smaller than the pipe 49, respectively.

【0064】このように、第1,第2の各水素循環系相
互で配管径を異ならせた場合には、合流部51および分
岐部55のいずれにおいても、図7(a),(b)に示
すように、直線状とした小径の配管53,57の水平面
Hに対する傾斜角度θ1を、直線状とした大径の配管4
3,21の同傾斜角度θ2より大きくして、より鉛直に
近い状態とする。例えば、大径配管43,21の傾斜角
度θ2を、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の望ま
しい傾斜角度として50度に設定すれば、小径配管5
3,57の傾斜角度θ1は、50度を越える角度とな
る。
As described above, when the pipe diameters are different between the first and second hydrogen circulating systems, both the merging section 51 and the branching section 55 are shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). As shown in the figure, the inclination angle θ 1 of the small-diameter straight pipes 53, 57 with respect to the horizontal plane H is changed to the straight large-diameter pipe 4.
It is larger than the inclination angle theta 2 of 3, 21, and more vertical close state. For example, the inclination angle theta 2 of the large-diameter pipe 43,21 is set to be 50 degrees the fuel cell system as the preferred angle of inclination when installed in a vehicle, a small diameter pipe 5
The inclination angle θ 1 of 3,57 is an angle exceeding 50 degrees.

【0065】小径側の配管53,57の傾斜角度θ
1を、大径側の配管43,21の傾斜角度θ2より大きく
して、より鉛直に近い状態とすることで、凝縮水が滞留
しやすい小径配管53,57内での凝縮水の滞留を抑制
でき、燃料電池1への水素の供給を適正に行うことがで
きる。
The inclination angle θ of the small-diameter pipes 53 and 57
1, and greater than the inclination angle theta 2 of the pipe 43,21 of larger diameter, by a more vertical close state, the retention of condensed water in the condensed water within the small diameter pipes 53 and 57 easily stay Thus, the supply of hydrogen to the fuel cell 1 can be appropriately performed.

【0066】図8(a),(b)は、各配管43,53
および21,57を曲線状とした場合であり、この場合
には、小径側の配管53,57の曲率半径R1を、大径
側の配管43,21の曲率半径R2より小さくしてい
る。これにより、小径側の配管43,21が、大径側の
配管43,21に対して、より鉛直に近い状態となり、
凝縮水が滞留しやすい小径配管53,57内での凝縮水
の滞留を防止することができる。
FIGS. 8 (a) and 8 (b) show respective pipes 43 and 53.
In this case, the radius of curvature R 1 of the small-diameter pipes 53 and 57 is smaller than the radius of curvature R 2 of the large-diameter pipes 43 and 21. . As a result, the small-diameter pipes 43 and 21 are closer to the vertical than the large-diameter pipes 43 and 21,
It is possible to prevent the condensed water from staying in the small-diameter pipes 53 and 57 where the condensed water easily stays.

【0067】なお、R1<R2とせずにR1=R2として小
径側の配管53,57を、大径側の配管43,21対し
て、より鉛直に近い状態にできれば、R1=R2でも構わ
ない。
[0067] Incidentally, the R 1 = pipe diameter side as R 2 53, 57 without the R 1 <R 2, for pipes 43,21 of the large diameter side, if the more vertical close state, R 1 = R 2 may be used.

【0068】要するに、凝縮水が滞留しやすい小径側の
配管53,57を、より鉛直に近い状態とすることで、
小径側の配管53,57内の水が大径側の配管43,2
1内に効率よく流下し、小径側の配管53,57内での
水の滞留を防止できるのである。
In short, the pipes 53 and 57 on the small diameter side where the condensed water is liable to stay are made closer to vertical,
The water in the small-diameter pipes 53 and 57 is changed to the large-diameter pipes 43 and 2.
1, the water can efficiently flow down, and water can be prevented from staying in the small-diameter pipes 53, 57.

【0069】図9は、図7(b)における合流部55の
配管21側に絞り61を設けたものである。絞り61を
設けることで、絞り61でのガス流速が高まるので、小
径側の配管57で発生した凝縮水は、この高速のガス流
に吸い出されるようにして大径側の配管21に流下し、
配管57内の水の滞留を防止することができる。
FIG. 9 shows a configuration in which a throttle 61 is provided on the pipe 21 side of the junction 55 in FIG. 7B. By providing the throttle 61, the gas flow velocity in the throttle 61 increases, so that the condensed water generated in the small-diameter pipe 57 flows down to the large-diameter pipe 21 so as to be sucked into this high-speed gas flow. ,
The stagnation of water in the pipe 57 can be prevented.

【0070】なお。図7(a)に示す分岐部51および
図8(a),(b)に示す合流部51,分岐部55に
も、上記した絞り61と同様にして絞りを設けること
で、同様の効果が得られる。
Note that. The same effect can be obtained by providing a stop in the branch 51 shown in FIG. 7A and also in the junction 51 and the branch 55 shown in FIGS. 8A and 8B in the same manner as the stop 61 described above. can get.

【0071】図10は、エゼクタポンプ13,130の
断面図である。同図(a)は、排出燃料入口13b,1
30bを有するサクションポートSP内のガスの流れ
が、原燃料入口13c,130cから混合燃料出口13
a,130aへの鉛直方向下方へのガスの流れと直交す
る場合である。
FIG. 10 is a sectional view of the ejector pumps 13 and 130. FIG. 3A shows the exhaust fuel inlets 13b, 1b.
The flow of gas in the suction port SP having the fuel mixture 30b is supplied from the raw fuel inlets 13c and 130c to the mixed fuel outlet 13
a, 130a in a direction perpendicular to the gas flow downward in the vertical direction.

【0072】図10(a)での原燃料入口13c,13
0cは混合燃料出口13a,130aより高い位置であ
り、原燃料入口13c,130cと混合燃料出口13
a,130aとを結ぶ直線Pと水平面Hとのなす角度α
は直角となっている。これにより、エゼクタ13,13
0内での凝縮水の滞留を防止することができる。なお、
直線Pと水平面Hとの角度αは、本燃料電池装置を車両
に搭載した場合の車両の傾きや加速時などを考慮して、
50度〜90度の範囲でもよい。
The raw fuel inlets 13c, 13 in FIG.
0c is a position higher than the mixed fuel outlets 13a, 130a, and the raw fuel inlets 13c, 130c and the mixed fuel outlet 13
a, the angle α between the horizontal line H connecting the straight line P connecting
Is a right angle. Thereby, the ejectors 13, 13
The stagnation of condensed water within 0 can be prevented. In addition,
The angle α between the straight line P and the horizontal plane H is determined in consideration of the inclination and acceleration of the vehicle when the fuel cell device is mounted on the vehicle,
The range may be 50 degrees to 90 degrees.

【0073】図10(b)は、同図(a)に対し、サク
ションポートSPを、排出燃料入口13b,130b
が、この排出燃料入口13b,130bとエゼクタ1
3,130内の燃料通路63とのエゼクタ内合流部65
より高い位置となるよう傾斜して形成したものである。
このようにすることで、サクションポートSP内を含む
エゼクタ13,130内での凝縮水の滞留を確実に防止
することができる。なお、図10(b)において、サク
ションポートSP内の流れの中心線Qと直線Pとのなす
角度βは、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の車両
の傾きや加速時などを考慮して、50度程度とすること
が望ましい。
FIG. 10B is different from FIG. 10A in that the suction port SP is connected to the exhaust fuel inlets 13b and 130b.
However, the exhaust fuel inlets 13b, 130b and the ejector 1
Ejector junction 65 with fuel passage 63 in
It is formed to be inclined to a higher position.
By doing so, it is possible to reliably prevent the condensed water from staying in the ejectors 13 and 130 including the inside of the suction port SP. In FIG. 10B, the angle β formed between the center line Q of the flow in the suction port SP and the straight line P takes into consideration the inclination of the vehicle when the fuel cell device is mounted on the vehicle, acceleration, and the like. It is desirable that the angle be about 50 degrees.

【0074】なお、以上説明してきた各実施形態では、
燃料循環手段としてエゼクタポンプ13,130を使用
したが、水素を循環させるものであれば、これに限るこ
とはない。
In each of the embodiments described above,
Although the ejector pumps 13 and 130 are used as the fuel circulating means, the invention is not limited to this as long as hydrogen is circulated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の第1の実施形態を示す燃料電池装置
の全体構成図である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の燃料電池装置における水素循環系の構成
要素それぞれの上下の位置関係を示す説明図である。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the upper and lower positional relationships of respective components of a hydrogen circulation system in the fuel cell device of FIG.

【図3】この発明の第2の実施形態を示す燃料電池装置
の全体構成図である。
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a fuel cell device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】図3の燃料電池装置における水素循環系の構成
要素それぞれの上下の位置関係を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the upper and lower positional relationship of each component of a hydrogen circulation system in the fuel cell device of FIG. 3;

【図5】二つの水素循環系が同一流量特性の場合の要求
流量に対する各燃料調圧弁の開度特性図である。
FIG. 5 is an opening characteristic diagram of each fuel pressure regulating valve with respect to a required flow rate when two hydrogen circulation systems have the same flow rate characteristic.

【図6】二つの水素循環系が異なる流量特性の場合の要
求流量に対する主となる側の燃料調圧弁の開度特性図で
ある。
FIG. 6 is an opening characteristic diagram of a fuel pressure regulating valve on a main side with respect to a required flow rate when two hydrogen circulation systems have different flow rate characteristics.

【図7】(a)は配管を直線状とした場合の合流部の動
作説明図、(b)は配管を直線状とした場合の分岐部の
動作説明図である。
FIG. 7A is an explanatory diagram of an operation of a merging portion when a pipe is linear, and FIG. 7B is an explanatory diagram of an operation of a branch portion when a pipe is linear.

【図8】(a)は配管を曲線状とした場合の合流部の動
作説明図、(b)は配管を曲線状とした場合の分岐部の
動作説明図である。
8A is an explanatory diagram of an operation of a merging portion when the pipe is curved, and FIG. 8B is an explanatory diagram of an operation of a branch portion when the pipe is curved.

【図9】図7(b)で示す分岐部に絞りを設けた例を示
す動作説明図である。
FIG. 9 is an operation explanatory diagram showing an example in which a stop is provided in the branch portion shown in FIG. 7B.

【図10】エゼクタポンプの断面図で、(a)はサクシ
ョンポートをエゼクタポンプ内の燃料通路と直交するよ
う配置したもの、(b)はサクションポートをエゼクタ
ポンプ内の燃料通路に対して傾斜するよう配置したもの
である。
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of the ejector pump, wherein FIG. 10A shows a state in which a suction port is arranged orthogonal to a fuel passage in the ejector pump, and FIG. 10B shows a state in which the suction port is inclined with respect to the fuel passage in the ejector pump. It is arranged as follows.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池 3 燃料極 3a 燃料入口 3b 燃料出口 7 加湿器 13,130 エゼクタポンプ(燃料循環手段) 13a,130a 混合燃料出口 13b,130b 排出燃料入口 13c,130c 原燃料入口 15 供給側水分離器(燃料供給側水分分離手段) 15a 混合燃料入口 17 排出側水分離器(燃料排出側水分分離手段) 19,190 流路遮断弁 21,57 並列配管 23 パージ分岐部 25 パージ配管 27 パージガス遮断弁 43,53 並列配管 51 合流部 55 分岐部 61 絞り 63 燃料通路 65 エゼクタ内合流部 Reference Signs List 1 fuel cell 3 fuel electrode 3a fuel inlet 3b fuel outlet 7 humidifier 13,130 ejector pump (fuel circulating means) 13a, 130a mixed fuel outlet 13b, 130b discharged fuel inlet 13c, 130c raw fuel inlet 15 supply side water separator ( Fuel supply side water separation means) 15a mixed fuel inlet 17 discharge side water separator (fuel discharge side water separation means) 19,190 flow path cutoff valve 21,57 parallel pipe 23 purge branch section 25 purge pipe 27 purge gas cutoff valve 43, 53 Parallel piping 51 Merging part 55 Branch part 61 Restrictor 63 Fuel passage 65 Merging part in ejector

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料電池における燃料極の燃料出口から
排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この混合燃料
を前記燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環手段を備
えた燃料電池装置において、前記燃料極の燃料出口と燃
料循環手段の排出燃料入口との間の配管に流路遮断弁を
設け、この流路遮断弁は、前記燃料循環手段の排出燃料
入口より高い位置に配置してあることを特徴とする燃料
電池装置。
1. A fuel cell device comprising a fuel circulation means for mixing raw fuel and fuel discharged from a fuel outlet of a fuel electrode in a fuel cell and circulating the mixed fuel to a fuel inlet of the fuel electrode. A flow path cutoff valve is provided in a pipe between a fuel outlet of the fuel electrode and a discharge fuel inlet of the fuel circulation means, and the flow path cutoff valve is disposed at a position higher than the discharge fuel inlet of the fuel circulation means. A fuel cell device comprising:
【請求項2】 燃料電池に供給される燃料は、加湿され
ていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池装置。
2. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel supplied to the fuel cell is humidified.
【請求項3】 燃料極の燃料出口と流路遮断弁との間の
配管に排出燃料中の水分を分離する燃料排出側水分分離
手段を設け、この燃料排出側水分分離手段は前記燃料出
口および流路遮断弁より低い位置に配置してあることを
特徴とする請求項1または2記載の燃料電池装置。
3. A fuel discharge side water separating means for separating water in discharged fuel is provided in a pipe between a fuel outlet of a fuel electrode and a flow path cutoff valve, and the fuel discharge side water separating means is provided with the fuel outlet and the fuel outlet. 3. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell device is arranged at a position lower than the flow path shutoff valve.
【請求項4】 流路遮断弁の上流側の配管に、排出燃料
を外部に放出するパージ配管を接続してパージ分岐部を
設けるとともに、前記パージ配管にパージガス遮断弁を
設け、このパージガス遮断弁は、前記パージ分岐部より
高い位置に配置してあることを特徴とする請求項1ない
し3のいずれかに記載の燃料電池装置。
4. A purge pipe for discharging discharged fuel to the outside is connected to a pipe on the upstream side of the flow path cutoff valve to provide a purge branch portion, and a purge gas cutoff valve is provided in the purge pipe. 4. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell device is disposed at a position higher than the purge branch portion.
【請求項5】 燃料循環手段の混合燃料出口に接続され
る配管に、燃料供給側水分分離手段を設け、この燃料供
給側水分分離手段の混合燃料入口は、前記燃料循環手段
の混合燃料出口より低い位置に配置されていることを特
徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の燃料電池
装置。
5. A fuel supply-side water separation means is provided in a pipe connected to a mixed fuel outlet of the fuel circulation means, and a mixed fuel inlet of the fuel supply-side water separation means is connected to a mixed fuel outlet of the fuel circulation means. The fuel cell device according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell device is arranged at a low position.
【請求項6】 燃料電池の燃料入口に接続される配管を
複数並列に設けてこの各並列配管に燃料循環手段をそれ
ぞれ配置するとともに、前記燃料電池の燃料出口に接続
される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に流路遮
断弁をそれぞれ配置したことを特徴とする請求項1ない
し5のいずれかに記載の燃料電池装置。
6. A plurality of pipes connected to a fuel inlet of a fuel cell are provided in parallel, a fuel circulation means is arranged in each parallel pipe, and a plurality of pipes connected to a fuel outlet of the fuel cell are provided in parallel. The fuel cell device according to any one of claims 1 to 5, wherein a flow path cutoff valve is provided in each of the parallel pipes.
【請求項7】 複数の燃料循環手段は、互いに循環流量
特性が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される
各並列配管の流路径も異なることを特徴とする請求項6
記載の燃料電池装置。
7. The fuel circulation means according to claim 6, wherein the circulation flow characteristics are different from each other, and accordingly, the diameter of each parallel pipe connected to each fuel circulation means is also different.
The fuel cell device according to claim 1.
【請求項8】 燃料電池の燃料入口に接続される複数の
並列配管相互の合流部と、前記燃料電池の燃料出口に接
続される並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか
一方に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の
大径とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう
配置したことを特徴とする請求項7記載の燃料電池装
置。
8. A small junction between at least one of a junction of a plurality of parallel pipes connected to a fuel inlet of a fuel cell and a branch of a parallel pipe connected to a fuel outlet of the fuel cell. 8. The fuel cell device according to claim 7, wherein the small-diameter pipe on the flow rate side is arranged to be closer to the vertical than the large-diameter pipe on the large flow rate side.
【請求項9】 小流量側の小径とした直線状の配管の水
平面に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状
の配管の同傾斜角度より大きくすることを特徴とする請
求項8記載の燃料電池装置。
9. An inclination angle of a small-diameter straight pipe on a small flow rate side with respect to a horizontal plane is larger than an inclination angle of a large-diameter straight pipe on a large flow rate side. The fuel cell device according to claim 1.
【請求項10】 小流量側の小径とした曲線状の配管の
曲率半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率
半径より小さくすることを特徴とする請求項8記載の燃
料電池装置。
10. The fuel according to claim 8, wherein the radius of curvature of the curved pipe having a small diameter on the small flow rate side is smaller than the radius of curvature of the curved pipe having a large diameter on the large flow rate side. Battery device.
【請求項11】 並列配管相互の合流部と分岐部との少
なくともいずれか一方の大径側の配管に、絞りを設けた
ことを特徴とする請求項7ないし10のいずれかに記載
の燃料電池装置。
11. The fuel cell according to claim 7, wherein a throttle is provided in at least one of the large-diameter pipes at a junction or a branch of the parallel pipes. apparatus.
【請求項12】 燃料循環手段の原燃料入口を同混合燃
料出口より高い位置に配置するとともに、前記燃料循環
手段の排出燃料入口を、この排出燃料入口と燃料循環手
段内の燃料通路との合流部より高い位置に配置したこと
を特徴とする請求項1ないし11のいずれかに記載の燃
料電池装置。
12. The fuel supply device according to claim 1, wherein a raw fuel inlet of the fuel circulating means is disposed at a position higher than the mixed fuel outlet, and a discharged fuel inlet of the fuel circulating means is connected to the discharged fuel inlet and a fuel passage in the fuel circulating means. The fuel cell device according to claim 1, wherein the fuel cell device is disposed at a position higher than the portion.
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