JP2003100334A - Fuel cell system and ejector - Google Patents

Fuel cell system and ejector

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JP2003100334A
JP2003100334A JP2001292134A JP2001292134A JP2003100334A JP 2003100334 A JP2003100334 A JP 2003100334A JP 2001292134 A JP2001292134 A JP 2001292134A JP 2001292134 A JP2001292134 A JP 2001292134A JP 2003100334 A JP2003100334 A JP 2003100334A
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system in which an ejector has no variable mechanism, the ratio (circulation ratio) of an exhaust gas flow against an starting gas flow is kept not less than a fixed value in a wide gas flow range to obtain a high hydrogen utilization efficiency. SOLUTION: The ejector 7 has a throat for mixing the starting gas and the exhaust gas, and nozzles of small size and large size that have opening at the entrance of each throat part. A first supply inlet 9a and a second supply inlet 9b are connected to the small size nozzle and the large size nozzle respectively. Pressure control valves 6a and 6b that control the supply pressure of each starting gas are provided at the first supply inlet 9a and the second supply inlet 9b respectively. The control is carried out that the starting gas is supplied from the small size nozzle at low load operation when the output of the fuel cell system is not larger than a predetermined value, and the starting fuel gas is supplied from the large size nozzle and the small size nozzle when the output of the fuel cell system is not less than a predetermined value or during transition time when the output is increasing.

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】本発明は、燃料電池システム
及びエゼクタに係り、特に燃料極から排出される排出ガ
スの再循環特性を改良した燃料電池システム及び該燃料
電池システムに好適なエゼクタに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system and an ejector, and more particularly to a fuel cell system with improved recirculation characteristics of exhaust gas discharged from a fuel electrode and an ejector suitable for the fuel cell system.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、水素を燃料ガスとして燃料
極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給すること
により、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電
するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると
共に、環境性に優れている。
2. Description of the Related Art A fuel cell is one in which hydrogen is supplied as a fuel gas to a fuel electrode and air containing oxygen is supplied to an air electrode to electrochemically react hydrogen with oxygen to directly generate electricity. Yes, high power generation efficiency can be obtained even on a small scale, and it is also environmentally friendly.

【0003】また、近年、電解質として固体高分子イオ
ン交換膜を使用することで、酸水溶液を不要とし、小型
高出力化が可能な固体高分子型燃料電池が水素ガスを用
いた燃料電池の方式として注目されている。
Further, in recent years, by using a solid polymer ion exchange membrane as an electrolyte, a solid polymer type fuel cell capable of miniaturization and high output without using an acid aqueous solution is a fuel cell system using hydrogen gas. Is being watched as.

【0004】この燃料電池において、原燃料ガスの消費
量を低減するとともに、水素ガスの利用率を高めて出力
特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極か
らの排出ガスを再循環して、外部から新たに供給される
水素の濃い原燃料ガスと混合させ、燃料電池の燃料極へ
と供給する再循環方式のものが多く考案されている。
In this fuel cell, the exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell is recirculated with the aim of reducing the consumption of raw fuel gas and increasing the utilization rate of hydrogen gas to improve the output characteristics. Thus, many recirculation systems have been devised, which are mixed with raw fuel gas rich in hydrogen newly supplied from the outside and supplied to the fuel electrode of the fuel cell.

【0005】燃料電池の発電効率は、再循環させる排出
ガス量と、新たに外部から供給される原燃料ガス量を、
ある一定の比率以上に保つことで良くなることが分かっ
ている。二つガスの流れを混合させる循環装置としてエ
ゼクタが良く知られているが、循環の原動力として原燃
料ガスの流速による負圧と引きずり込みを利用している
ため、原燃料ガス流量と循環される排出ガス流量との比
を広い作動領域で一定以上に保つことが困難となってい
る。
The power generation efficiency of a fuel cell depends on the amount of exhaust gas to be recirculated and the amount of raw fuel gas newly supplied from the outside.
It has been found that keeping it above a certain ratio improves it. The ejector is well known as a circulation device that mixes the flow of two gases, but since the negative pressure and drag due to the flow rate of the raw fuel gas are used as the driving force of circulation, the flow rate of the raw fuel gas and the circulated discharge It is difficult to keep the ratio with the gas flow rate above a certain level in a wide operating range.

【0006】エゼクタ作動領域を広げるための可変容量
エゼクタの例として、スライド機構を用いてエゼクタ全
体の流路面積可変とした特開平7−185284号公報
や、ノズルにニードル形状の調整ロッドを挿入し、調整
ロッドの位置を変更することでノズル面積を可変とした
特開平8−338398号公報などがあるが、ともにエ
ゼクタ外部から可変機構を制御する構造としているた
め、摺動部にシール構造を付加する必要がある。
As an example of a variable displacement ejector for expanding the ejector operating region, Japanese Patent Laid-Open Publication No. 7-185284 in which a flow passage area of the entire ejector is variable by using a slide mechanism or a needle-shaped adjusting rod is inserted into a nozzle. Japanese Patent Laid-Open No. 8-338398 discloses that the nozzle area can be changed by changing the position of the adjusting rod. However, both of them have a structure in which the variable mechanism is controlled from outside the ejector, and therefore a seal structure is added to the sliding portion. There is a need to.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら燃料電池
の作動ガスである水素は分子の大きさが極めて小さいた
め、上記従来技術のエゼクタ可変機構では、摺動部にて
水素ガスをシールしようとすると、シール部に高い加工
精度が要求されるだけでなく、シール部の摩擦が増加し
て、制御性が損なわれるという問題点があった。
However, since hydrogen, which is a working gas of a fuel cell, has a very small molecule size, in the ejector variable mechanism of the above-mentioned prior art, when trying to seal the hydrogen gas at the sliding portion, There is a problem that not only high processing accuracy is required for the seal portion, but also friction of the seal portion increases and controllability is impaired.

【0008】以上の問題点に鑑み本発明の目的は、エゼ
クタ循環装置に可変機構を設けることなく、ガス流量の
広い範囲で新たに供給される原燃料ガス流量に対する循
環させられる排出ガス流量の比(循環比)を一定以上に
保ち、高い水素ガス利用効率が得られる燃料電池システ
ムを提供することである。
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a ratio of the exhaust gas flow rate to be circulated to the newly supplied raw fuel gas flow rate in a wide gas flow rate range without providing a variable mechanism in the ejector circulation device. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system capable of maintaining a high (circulation ratio) above a certain level and achieving high hydrogen gas utilization efficiency.

【0009】また本発明の目的は、ガス流量の広い範囲
で循環比を一定以上に保つことができるエゼクタを提供
することである。
Another object of the present invention is to provide an ejector capable of keeping the circulation ratio above a certain level in a wide range of gas flow rate.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
上記目的を達成するため、燃料極と空気極とを有する燃
料電池本体と、前記燃料極から排出される排出ガスを再
循環して、新たに水素濃度の高い原燃料ガスに混合させ
るエゼクタと、該エゼクタで混合された燃料ガスを前記
燃料極へ供給する流路とを有する燃料電池システムにお
いて、前記エゼクタは、原燃料ガスと排出ガスとが混合
する1つのスロート部と、該スロート部入口にそれぞれ
開口した2つのノズルとを有し、前記2つのノズルの上
流には、それぞれのノズル毎に原燃料ガスの供給圧力を
調整する圧力調整弁を備えたことを要旨とする。
The invention according to claim 1 is
In order to achieve the above object, a fuel cell body having a fuel electrode and an air electrode, an ejector for recirculating exhaust gas discharged from the fuel electrode, and newly mixing with a raw fuel gas having a high hydrogen concentration, In a fuel cell system having a flow path for supplying the fuel gas mixed by the ejector to the fuel electrode, the ejector includes one throat portion in which raw fuel gas and exhaust gas are mixed, and an inlet at the throat portion inlet. The gist of the present invention is to have two nozzles that are opened, and a pressure adjusting valve that adjusts the supply pressure of the raw fuel gas for each nozzle upstream of the two nozzles.

【0011】請求項2記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1記載の燃料電池システムにおいて、前
記2つのノズル径が異なり、径の小さなノズルの先端
は、径の大きなノズルの先端よりも前記スロート部入口
に近接して配置されたことを要旨とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein the two nozzles have different diameters, and the tip of the nozzle having a small diameter is the tip of the nozzle having a large diameter. The gist is that it is arranged closer to the entrance of the throat part than.

【0012】請求項3記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1または請求項2に記載の燃料電池シス
テムにおいて、前記2つのノズルが、径の大きなノズル
が径の小さなノズルを内包するように、同軸状に配置さ
れたことを要旨とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 3 is the fuel cell system according to claim 1 or claim 2, wherein the two nozzles include a nozzle having a large diameter and a nozzle having a small diameter. As described above, the gist is that they are arranged coaxially.

【0013】請求項4記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載
の燃料電池システムにおいて、前記ノズル上流に配した
2つの圧力調整弁における原燃料ガス制御可能流量の比
を、前記ノズル部の開口面積の比と略同等としたことを
要旨とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 4 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 3, wherein two pressure regulating valves are provided upstream of the nozzle. The gist is that the ratio of the raw fuel gas controllable flow rate is made substantially equal to the ratio of the opening area of the nozzle portion.

【0014】請求項5記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項2ないし請求項4のいずれか1項に記載
の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力
が所定値より低い低負荷時には前記2つのノズルのうち
小径のノズルから原燃料ガスを供給し、燃料電池システ
ムの出力が所定値以上の時には前記小径のノズルに加え
大径のノズルからも原燃料ガスを供給するように制御す
ることを要旨とする。
In order to achieve the above object, a fifth aspect of the invention is the fuel cell system according to any one of the second to fourth aspects, in which the output of the fuel cell system is lower than a predetermined value. Sometimes, the raw fuel gas is supplied from the small diameter nozzle of the two nozzles, and when the output of the fuel cell system is a predetermined value or more, the raw fuel gas is supplied from the large diameter nozzle in addition to the small diameter nozzle. The point is to do.

【0015】請求項6記載の発明は、上記目的を達成す
るため、請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載
の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力
が増加する過渡時には前記2つのノズル両方から原燃料
ガスを供給するように制御することを要旨とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 6 is the fuel cell system according to any one of claims 1 to 5, wherein when the output of the fuel cell system is increased, the 2 The point is to control so that raw fuel gas is supplied from both nozzles.

【0016】請求項7記載の発明は、上記目的を達成す
るため、第1の流体と第2の流体とを混合させるエゼク
タにおいて、第1の流体と第2の流体が混合する1つの
スロート部を有し、該スロート部入口に一端を開口した
径の異なる2つのノズルを同軸状に有し、径の小さなノ
ズルの先端は、径の大きなノズルの先端よりも前記スロ
ート部入口に近接して配置したことを要旨とする。
According to a seventh aspect of the invention, in order to achieve the above object, in the ejector for mixing the first fluid and the second fluid, one throat portion where the first fluid and the second fluid are mixed. And has two nozzles having different diameters and having one end opened at the inlet of the throat, and the tip of the nozzle having a smaller diameter is closer to the inlet of the throat than the tip of a nozzle having a larger diameter. The point is that they are arranged.

【0017】[0017]

【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、燃料極と
空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出
される排出ガスを再循環して、新たに水素濃度の高い原
燃料ガスに混合させるエゼクタと、該エゼクタで混合さ
れた燃料ガスを前記燃料極へ供給する流路とを有する燃
料電池システムにおいて、前記エゼクタは、原燃料ガス
と排出ガスとが混合する1つのスロート部と、該スロー
ト部入口にそれぞれ開口した2つのノズルとを有し、前
記2つのノズルの上流には、それぞれのノズル毎に原燃
料ガスの供給圧力を調整する圧力調整弁を備えたことに
より、エゼクタ内部に可動部をもたせることなく実質的
なノズル径を可変とすることができるため、水素ガスの
漏れを抑制しつつ簡単な構成でエゼクタの作動領域を拡
大することができるという効果がある。
According to the invention described in claim 1, the fuel cell main body having the fuel electrode and the air electrode, and the exhaust gas discharged from the fuel electrode are recirculated to newly generate a hydrogen-rich source gas. In a fuel cell system having an ejector for mixing with a fuel gas and a flow path for supplying the fuel gas mixed by the ejector to the fuel electrode, the ejector is one throat in which a raw fuel gas and an exhaust gas are mixed. Section and two nozzles that are respectively opened at the inlet of the throat section, and a pressure adjusting valve that adjusts the supply pressure of the raw fuel gas for each nozzle is provided upstream of the two nozzles. Since the nozzle diameter can be made variable without providing a movable part inside the ejector, the operating area of the ejector can be expanded with a simple configuration while suppressing hydrogen gas leakage. There is an effect that.

【0018】請求項2記載の発明によれば、請求項1記
載の発明の効果に加えて、前記2つのノズル径が異な
り、径の小さなノズルの先端は、径の大きなノズルの先
端よりも前記スロート部入口に近接して配置したことに
より、供給水素量が少ない低負荷時には小径ノズルから
噴射された原燃料ガスがスロート内での摩擦による減速
が抑えられるため、原燃料ガスのもつ運動エネルギが有
効に利用でき、かつ小径ノズルに加えて大径ノズルから
も原燃料ガスを噴射する高負荷時には、排出ガスが流入
するためのノズルとスロートとの間隔を確保することが
でき、原燃料ガスと排出ガスの混合距離が確保できるよ
うになり、広い作動領域において一定以上の循環比を得
ることができるという効果がある。
According to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the two nozzles have different diameters, and the tip of the nozzle having a smaller diameter is the tip of the nozzle having a larger diameter. By arranging it close to the inlet of the throat part, the raw fuel gas injected from the small diameter nozzle is suppressed from being decelerated due to friction in the throat when the amount of hydrogen supply is small and the load is low, so the kinetic energy of the raw fuel gas is reduced. It can be effectively used, and at the time of high load where the raw fuel gas is injected from the large diameter nozzle in addition to the small diameter nozzle, it is possible to secure the space between the nozzle and the throat for the exhaust gas to flow in, and Since the mixing distance of the exhaust gas can be secured, there is an effect that a circulation ratio above a certain level can be obtained in a wide operating region.

【0019】請求項3記載の発明によれば、請求項1ま
たは請求項2に記載の発明の効果に加えて、前記2つの
ノズルが、径の大きなノズルが径の小さなノズルを内包
するように、同軸状に配置したことにより、両ノズルか
ら噴射された原燃料ガスが互いに干渉することなくエネ
ルギを無理なくスロート部に導入することができるとい
う効果がある。
According to the invention described in claim 3, in addition to the effect of the invention described in claim 1 or 2, in the two nozzles, a nozzle having a large diameter includes a nozzle having a small diameter. The coaxial arrangement has an effect that the raw fuel gas injected from both nozzles can be reasonably introduced into the throat portion without interfering with each other.

【0020】請求項4記載の発明によれば、請求項1な
いし請求項3に記載の発明の効果に加えて、前記ノズル
上流に配した2つの圧力調整弁における原燃料ガス制御
可能流量の比を、前記ノズル部の開口面積の比と略同等
としたことにより、ノズルを通過する原燃料ガスの流量
制御性を損なうことがなく、広い運転領域において良好
な原燃料ガスの供給量制御が可能となるという効果があ
る。
According to the invention of claim 4, in addition to the effects of the invention of claims 1 to 3, the ratio of the raw fuel gas controllable flow rates in the two pressure adjusting valves arranged upstream of the nozzles Is substantially equal to the ratio of the opening area of the nozzle portion, so that it is possible to control the supply amount of the raw fuel gas in a wide operating range without impairing the controllability of the flow rate of the raw fuel gas passing through the nozzle. The effect is that

【0021】請求項5記載の発明によれば、請求項2な
いし請求項4に記載の発明の効果に加えて、燃料電池シ
ステムの出力が所定値より低い低負荷時には前記2つの
ノズルのうち小径のノズルから原燃料ガスを供給し、燃
料電池システムの出力が所定値以上の時には前記小径の
ノズルに加え大径のノズルからも原燃料ガスを供給する
ように制御するようにしたので、広い運転領域において
排気ガスの循環量を確保しつつ、供給原燃料ガスの制御
性を維持できるという効果がある。
According to the invention of claim 5, in addition to the effects of the inventions of claims 2 to 4, when the output of the fuel cell system is lower than a predetermined value and the load is low, the small diameter of the two nozzles is used. The raw fuel gas is supplied from the nozzle of No. 2, and when the output of the fuel cell system is equal to or more than a predetermined value, the raw fuel gas is controlled to be supplied from the large-diameter nozzle in addition to the small-diameter nozzle. There is an effect that the controllability of the supplied raw fuel gas can be maintained while securing the circulation amount of the exhaust gas in the region.

【0022】請求項6記載の発明によれば、請求項1な
いし請求項5に記載の発明の効果に加えて、燃料電池シ
ステムの出力が増加する過渡時には前記2つのノズル両
方から原燃料ガスを供給するように制御するようにした
ので、急激な出力要求の増加に応じて燃料極に供給する
水素量を増加でき、急激に増加した発電量に見合うまで
燃料極の圧力を速やかに増加させることができるという
効果がある。
According to the invention described in claim 6, in addition to the effects of the invention described in claims 1 to 5, the raw fuel gas is supplied from both of the two nozzles at the transition time when the output of the fuel cell system increases. Since it is controlled to supply hydrogen, the amount of hydrogen supplied to the fuel electrode can be increased in response to a sudden increase in output demand, and the pressure at the fuel electrode can be increased rapidly until the power generation amount that has increased sharply is met. There is an effect that can be.

【0023】請求項7記載の発明によれば、第1の流体
と第2の流体とを混合させるエゼクタにおいて、第1の
流体と第2の流体が混合する1つのスロート部を有し、
該スロート部入口に一端を開口した径の異なる2つのノ
ズルを同軸状に有し、径の小さなノズルの先端は、径の
大きなノズルの先端よりも前記スロート部入口に近接し
て配置したことにより、エゼクタの作動領域を拡大する
ことができるという効果がある。
According to the invention described in claim 7, in the ejector for mixing the first fluid and the second fluid, the ejector has one throat portion for mixing the first fluid and the second fluid,
By having coaxially two nozzles of different diameters with one end opened at the throat inlet, the tip of the small diameter nozzle is arranged closer to the throat inlet than the tip of the large diameter nozzle. The effect is that the operating area of the ejector can be expanded.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る燃料電池シ
ステムの第1実施形態の構成を示すシステム構成図であ
り、特に、アイドル時から高速走行時まで負荷変動の大
きい電動車両用の電源として好適なものである。
FIG. 1 is a system configuration diagram showing the configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention, particularly for an electric vehicle in which load fluctuation is large from idle to high speed running. It is suitable as a power source.

【0025】図1において、燃料電池本体(以下、スタ
ックと呼ぶ)1は、燃料極2と空気極3を備える。実際
には、スタック1に冷却系の配管、電力取出線、各種セ
ンサ等が組み込まれるが、本図ではガス系統のみを示
す。
In FIG. 1, a fuel cell main body (hereinafter referred to as a stack) 1 includes a fuel electrode 2 and an air electrode 3. In practice, the stack 1 is equipped with cooling system piping, power output lines, various sensors, etc., but only the gas system is shown in this figure.

【0026】燃料極2と空気極3とは、個体高分子によ
る電解質膜を隔ててスタック1の内部で接合されてお
り、燃料極2で水素が電離して水素イオンと電子とに別
れる。水素イオンは水分を媒体として電解質膜中を燃料
極2側から空気極3側に移動し、電子は燃料極2から外
部負荷回路を通って空気極3に戻り、水素イオン、電
子、及び酸素が空気極3で結合して水となる電気化学反
応により直流発電が行われる。
The fuel electrode 2 and the air electrode 3 are joined inside the stack 1 with an electrolyte membrane made of a solid polymer therebetween, and hydrogen is ionized at the fuel electrode 2 to separate into hydrogen ions and electrons. The hydrogen ions move from the fuel electrode 2 side to the air electrode 3 side in the electrolyte membrane using water as a medium, and the electrons return from the fuel electrode 2 to the air electrode 3 through the external load circuit, and hydrogen ions, electrons, and oxygen DC power generation is performed by an electrochemical reaction in which water is combined with the air electrode 3.

【0027】本実施形態では、燃料として水素を直接保
有する方式を示している。水素貯蔵タンク4には、水素
ガスが圧縮されて高圧状態で保有されている。水素貯蔵
タンク4の充填圧力は、高ければ高いほど、1充填当た
りの走行可能距離が伸びたり、タンク容積を小型化でき
るので、通常数10MPa 以上にも達する。このような
水素貯蔵タンク4の高圧からスタック1への供給圧を一
度に制御することは困難なため、水素貯蔵タンク4の下
流には減圧弁5を介して下流圧を実質的に制御可能な一
定値に低下させた後、並列に配された2つの圧力調整弁
6aおよび6bに原燃料ガスである水素ガスを供給する
構成としている。
In this embodiment, a method of directly holding hydrogen as fuel is shown. Hydrogen gas is compressed and held in the hydrogen storage tank 4 in a high pressure state. The higher the filling pressure of the hydrogen storage tank 4, the more the traveling distance per filling can be extended and the tank volume can be reduced. Since it is difficult to control the supply pressure from the high pressure of the hydrogen storage tank 4 to the stack 1 at a time, the downstream pressure can be substantially controlled downstream of the hydrogen storage tank 4 via the pressure reducing valve 5. After the pressure is reduced to a constant value, the hydrogen gas as the raw fuel gas is supplied to the two pressure adjusting valves 6a and 6b arranged in parallel.

【0028】圧力調整弁6aおよび6bは、エゼクタ7
に設けられた2つのノズル部にそれぞれ連通する第1供
給口9aおよび第2供給口9bにそれぞれ接続され、2
つのノズル部に供給する水素ガス圧を個別に制御して、
水素ガスをスタック1を含む循環管路に送る。
The pressure adjusting valves 6a and 6b are connected to the ejector 7
Is connected to a first supply port 9a and a second supply port 9b which communicate with two nozzles provided in
By individually controlling the hydrogen gas pressure supplied to the two nozzles,
Hydrogen gas is sent to the circulation line containing the stack 1.

【0029】エゼクタ7では、水素貯蔵タンク4から供
給される水素ガスと、スタック1の燃料極2を通過した
後の圧力が低く水素割合が低下した排出ガスとを混合し
た燃料ガスを下流に流し、次いで燃料ガスは加湿器13
を通過する際にスタック1内の電解膜での反応に必要な
水蒸気を加湿され、かつ反応に適した温度まで加熱され
た後、スタック1の燃料極2に流入する。
In the ejector 7, a fuel gas, which is a mixture of hydrogen gas supplied from the hydrogen storage tank 4 and exhaust gas having a low pressure and a low hydrogen content after passing through the fuel electrode 2 of the stack 1, is caused to flow downstream. , Then fuel gas humidifier 13
Water vapor necessary for the reaction in the electrolytic film in the stack 1 when passing through and is heated to a temperature suitable for the reaction, and then flows into the fuel electrode 2 of the stack 1.

【0030】そしてスタック1の燃料極2で水素を消費
し、余った残留水素を含む排出ガスはスタック1から排
出され、エゼクタ7の第3供給口11へ送られ再度循環
する。スタック1からエゼクタ7の第3供給口11まで
の配管の途中には、分岐部14があり、パージ弁15を
介して外部へと開放されている。スタックの電力出力要
求が急に小さくなったら、循環管路中の水素がスタック
で消費しきれなくなるので、そのときはパージ弁15を
開き余剰の水素ガスを外部へ放出する。
The fuel gas 2 of the stack 1 consumes hydrogen, and the exhaust gas containing the remaining residual hydrogen is discharged from the stack 1, sent to the third supply port 11 of the ejector 7, and circulated again. A branch portion 14 is provided in the middle of the pipe from the stack 1 to the third supply port 11 of the ejector 7, and is open to the outside via a purge valve 15. If the power output demand of the stack suddenly becomes small, the hydrogen in the circulation line cannot be completely consumed by the stack. At that time, the purge valve 15 is opened to release the surplus hydrogen gas to the outside.

【0031】一方、図では省略しているが、空気極へ
は、まず、大気を取り込んで圧縮して空気ラインに送り
込む圧縮機がスタック上流に設置される。圧縮機で圧縮
された空気についても水素と同様に加湿器を通過し略飽
和状態まで加湿された後、スタック1の空気極3に流入
する。そして、空気極3で空気中の酸素分を消費して余
った空気ガスは、スタック1内で反応して出来た水分と
ともに、空気ラインの圧力制御バルブを通過して大気へ
放出する。空気圧力は要求に応じてあらかじめ定められ
た圧力となるように圧力制御バルブにより制御される。
On the other hand, although not shown in the figure, a compressor for taking in the atmosphere, compressing it and sending it to the air line is installed upstream of the stack to the air electrode. Similarly to hydrogen, the air compressed by the compressor passes through the humidifier, is humidified to a substantially saturated state, and then flows into the air electrode 3 of the stack 1. Then, the air gas left after consuming the oxygen component in the air at the air electrode 3 passes through the pressure control valve of the air line and is discharged to the atmosphere together with the moisture produced by the reaction in the stack 1. The air pressure is controlled by the pressure control valve so that the air pressure becomes a predetermined pressure as required.

【0032】空気極で生成した水は、空気ライン途中に
設けられた図示しない水回収装置にて回収され、回収さ
れた水は加圧ポンプにより加湿器13に供給されたり、
スタック1の冷却水として再利用される。
The water produced at the air electrode is recovered by a water recovery device (not shown) provided in the middle of the air line, and the recovered water is supplied to the humidifier 13 by a pressure pump.
It is reused as cooling water for the stack 1.

【0033】また、圧力調整弁6aおよび6bは、スタ
ック1への供給水素流量を制御する役目をもち、燃料極
2の水素圧力が発電量に適した値となるように、スタッ
ク1の上流に配した圧力センサ20の出力値を測定しな
がら、要求負荷に応じてあらかじめ定めた所定値となる
よう、水素ガス循環系に存在する水素量を調整するとと
もに、発電により消費した水素量を補充するように圧力
調整弁6aおよび6bの下流にそれぞれ設けた圧力セン
サ19aおよび19bの出力値を測定しながら、発電量
に応じて予め定めた所定値となるように圧力調整弁6a
および6bの開制御を行う。
The pressure regulating valves 6a and 6b also have a role of controlling the flow rate of hydrogen supplied to the stack 1, and are arranged upstream of the stack 1 so that the hydrogen pressure of the fuel electrode 2 becomes a value suitable for the amount of power generation. While measuring the output value of the arranged pressure sensor 20, the amount of hydrogen existing in the hydrogen gas circulation system is adjusted so as to be a predetermined value determined according to the required load, and the amount of hydrogen consumed by power generation is replenished. Thus, while measuring the output values of the pressure sensors 19a and 19b provided downstream of the pressure adjusting valves 6a and 6b, respectively, the pressure adjusting valve 6a is adjusted to a predetermined value according to the amount of power generation.
And 6b open control is performed.

【0034】圧力調整弁6aおよび6bにおける制御可
能流量の比は、後述する小径ノズル21と大径ノズル3
1との開口面積の比と略同等としている。
The ratio of controllable flow rates in the pressure adjusting valves 6a and 6b is such that the small diameter nozzle 21 and the large diameter nozzle 3 which will be described later will be described.
It is almost equal to the ratio of the opening area to 1.

【0035】図2は、本実施形態におけるエゼクタ7の
断面構造を示したものである。同図においてエゼクタ7
は、原燃料ガスと排出ガスとが混合する1つのスロート
29と、スロート29入口にそれぞれ開口したノズル径
の異なる2つのノズル21,31とを有する。2つのノ
ズル21,31のうち、小径ノズル21の先端は、大径
ノズル31の先端よりもスロート29の入口に近接して
配置されている。さらに、大径ノズル31が小径ノズル
21を内包するように、同軸状に配置されている。
FIG. 2 shows a sectional structure of the ejector 7 in this embodiment. In the same figure, the ejector 7
Has one throat 29 in which the raw fuel gas and the exhaust gas are mixed, and two nozzles 21 and 31 having different nozzle diameters which are respectively opened at the inlets of the throat 29. Of the two nozzles 21, 31, the tip of the small diameter nozzle 21 is arranged closer to the inlet of the throat 29 than the tip of the large diameter nozzle 31. Further, the large diameter nozzle 31 is coaxially arranged so as to include the small diameter nozzle 21.

【0036】そして、エゼクタ7は、小径ノズル21に
連通する第1供給口9aと、大径ノズル31に連通する
第2供給口9bと、サクション側接続口である第3供給
口11とを備え、第1供給口9a及び第2供給口9bか
らは原燃料ガスである水素ガスが供給され、第3供給口
11からは燃料極2(図1)からの排出循環ガスが吸引
されるように配管が接続される。
The ejector 7 is provided with a first supply port 9a communicating with the small diameter nozzle 21, a second supply port 9b communicating with the large diameter nozzle 31, and a third supply port 11 which is a suction side connection port. The hydrogen gas, which is the raw fuel gas, is supplied from the first supply port 9a and the second supply port 9b, and the exhaust circulation gas from the fuel electrode 2 (FIG. 1) is sucked from the third supply port 11. The pipe is connected.

【0037】このエゼクタ7を構成する部品は、小径ノ
ズル21と原燃料ガスを供給する第1供給口9aとが連
通した第1吸気部22と、第1吸気部22をOリング2
3とともに組み付けることで、大径ノズル31と原燃料
ガスを供給する第1供給口9aとが連通するように構成
された第2吸気部26と、第2吸気部26をOリング2
7とともに組み付けることで、排気燃料ガスが循環して
くる第3供給口11と排出口12を連通する空間を形成
するボディ部28からなる。
The parts constituting the ejector 7 are the first intake portion 22 in which the small-diameter nozzle 21 and the first supply port 9a for supplying the raw fuel gas communicate with each other, and the O-ring 2 connecting the first intake portion 22.
By assembling together with 3, the large-diameter nozzle 31 and the second intake part 26 configured to communicate with the first supply port 9a for supplying the raw fuel gas, and the second intake part 26 are connected to the O-ring 2.
When assembled together with 7, the body portion 28 forms a space that connects the third supply port 11 and the discharge port 12 through which the exhaust fuel gas circulates.

【0038】ボディ部28には原燃料ガスと排気燃料ガ
スが混合するスロート29および混合流の流速を低下さ
せて圧力回復を図るディフューザ30を持っている。小
径ノズル21、または小径ノズル21及び大径ノズル3
1から注入された原燃料ガス流は、スロート29の前で
絞られることで流速が増し、この流速増加により第3供
給口11に対して負圧を発生するとともに、第1供給口
9a及び第2供給口9bからの流れによって、吸い込み
側の第3供給口11から排出ガスを吸引し、スロート2
9の内部で混合流が発生する。
The body portion 28 has a throat 29 for mixing the raw fuel gas and the exhaust fuel gas and a diffuser 30 for reducing the flow velocity of the mixed flow to recover the pressure. Small diameter nozzle 21, or small diameter nozzle 21 and large diameter nozzle 3
The raw fuel gas flow injected from No. 1 has its flow velocity increased by being throttled in front of the throat 29, and due to this flow velocity increase, a negative pressure is generated at the third supply port 11, and the first supply port 9a and the first supply port 9a and The exhaust gas is sucked from the suction side third supply port 11 by the flow from the 2 supply port 9b, and the throat 2
A mixed flow occurs inside 9.

【0039】図3は、スロート部及びボディ部の径が同
一で、ノズル部の径が大小異なる場合のエゼクタの特性
として、(a)供給ガス流量Qinと供給ガス圧力Pinと
の関係、(b)供給ガス流量Qinに対する循環比R(循
環ガス流量Qsuと供給ガス流量Qinの比)をそれぞれ示
す。
FIG. 3 shows the characteristics of the ejector when the diameters of the throat portion and the body portion are the same and the diameters of the nozzle portion are different, (a) the relationship between the supply gas flow rate Qin and the supply gas pressure Pin, and (b) ) The circulation ratio R (the ratio of the circulation gas flow rate Qsu and the supply gas flow rate Qin) to the supply gas flow rate Qin is shown.

【0040】図3(b)は、エゼクタにおける供給ガス
流量Qinに対する循環比Rの関係を示した図であるが、
小径ノズルの場合を細線で、大径ノズルの場合を太線で
示してある。循環が開始する供給ガス流量Qinは、ノズ
ル径が細いほど低下し、供給ガス流量Qinが増加した場
合の循環比Rの最大値も高くなる。
FIG. 3B is a diagram showing the relationship of the circulation ratio R to the supply gas flow rate Qin in the ejector.
The case of a small diameter nozzle is shown by a thin line, and the case of a large diameter nozzle is shown by a thick line. The supply gas flow rate Qin at which the circulation starts decreases as the nozzle diameter decreases, and the maximum value of the circulation ratio R also increases when the supply gas flow rate Qin increases.

【0041】しかし、図3(a)に示すように、水素ガ
ス供給系の供給圧は減圧弁等のシステムにより規定され
ており、圧力調整弁でガス流量を確保しつつ、第1、第
2供給口に供給できる最大圧力はPinmaxの制限を受け
ることになる。そのため循環比の観点からはノズル径が
小さな方が良い特性を示すものの、供給可能ガス量は低
下することとなる。
However, as shown in FIG. 3 (a), the supply pressure of the hydrogen gas supply system is regulated by a system such as a pressure reducing valve, and while the gas flow rate is secured by the pressure adjusting valve, the first and second The maximum pressure that can be supplied to the supply port is limited by Pinmax. Therefore, from the viewpoint of the circulation ratio, the smaller the nozzle diameter is, the better the characteristic is, but the amount of gas that can be supplied is reduced.

【0042】よって、車両停止時のシステムアイドル状
態で必要になる負荷時の水素ガス供給Qminから高速走
行や加速時に必要となるシステムの最大負荷時の供給水
素ガス量Qmaxまでの流量範囲が非常に広いため、スタ
ックの良好な発電状態を維持するために必要な循環比R
minを維持することは1つのノズルでは困難となってい
る。
Therefore, the flow rate range from the hydrogen gas supply Qmin at the time of load required in the system idle state when the vehicle is stopped to the amount Qmax of supply hydrogen gas at the maximum load of the system required at high speed running or acceleration is very large. Since it is wide, the circulation ratio R required to maintain a good power generation state of the stack
Maintaining min is difficult with one nozzle.

【0043】図4には本実施形態で用いたエゼクタを使
用した場合の特性を図3と同様に示している。まず、シ
ステムの作動最低負荷に当たるガス流量Qminからエゼ
クタ上流に付与できる最大圧力Pinmaxで小径ノズル2
1から循環系に供給できるガス流量Q1までの間は、圧
力調整弁6aを開制御して原燃料ガスを供給する。その
時は図4の細線で示した循環比Rとなり、スタックの最
低要求値Rmin以上の循環比を得ることができる。
FIG. 4 shows the characteristics when the ejector used in this embodiment is used, as in FIG. First, the small diameter nozzle 2 is operated at the maximum pressure Pinmax that can be applied to the ejector upstream from the gas flow rate Qmin corresponding to the minimum operation load of the system.
From 1 to the gas flow rate Q1 that can be supplied to the circulation system, the pressure regulating valve 6a is controlled to be opened to supply the raw fuel gas. At that time, the circulation ratio R shown by the thin line in FIG. 4 is obtained, and the circulation ratio equal to or higher than the minimum required value Rmin of the stack can be obtained.

【0044】発電要求量が増加し、原燃料ガスの必要供
給量がQ1を超えると、小径ノズル21からの供給量Q
1に加え、圧力調整弁6bを開制御して第2供給口9b
のガス圧力を増加させ、不足する原燃料ガスを大径ノズ
ル31より供給する。このとき、大径ノズル31は第1
供給口9aおよび第2供給口9bの圧力がともにPinma
xとなった場合に、最大発電量の要求時に必要となる原
燃料ガス量Qmaxを供給できる径としている。
When the required power generation amount increases and the required supply amount of the raw fuel gas exceeds Q1, the supply amount Q from the small diameter nozzle 21.
In addition to 1, the pressure control valve 6b is controlled to be opened to control the second supply port 9b.
The gas pressure is increased to supply the insufficient raw fuel gas from the large diameter nozzle 31. At this time, the large diameter nozzle 31 is
The pressures of the supply port 9a and the second supply port 9b are both Pinma.
In the case of x, the diameter is set so that the raw fuel gas amount Qmax required at the time of requesting the maximum power generation amount can be supplied.

【0045】圧力調整弁6bを開制御したときの循環比
Rは、細い破線で示された小径ノズル21から流れによ
る循環と、太い破線で示した大径ノズル31から流れに
よる循環との和である太線となるため、全てのスタック
作動領域において必要となる循環比Rminを確保するこ
とができる。
The circulation ratio R when the pressure control valve 6b is controlled to be open is the sum of the circulation by the flow from the small diameter nozzle 21 shown by the thin broken line and the circulation by the flow from the large diameter nozzle 31 shown by the thick broken line. Since it becomes a certain thick line, it is possible to secure the necessary circulation ratio Rmin in all stack operating regions.

【0046】エゼクタ7の上流に配置した圧力調整弁6
a,6bは、圧力制御の精度を向上させるために、全開
となるように制御された時に、減圧弁5により一定圧に
制御された圧力で必要となる原燃料ガス量となるように
設定されていることが望まれる。また、エゼクタのノズ
ル径は、供給ガス量が増加した場合に、ノズル部での流
れが音速となるように設定することで、高い循環比を得
ることができる。
Pressure regulating valve 6 arranged upstream of the ejector 7.
In order to improve the accuracy of pressure control, a and 6b are set so that when they are controlled to be fully opened, the amount of raw fuel gas required is a constant pressure controlled by the pressure reducing valve 5. Is desired. Further, the nozzle diameter of the ejector is set so that the flow in the nozzle section becomes sonic when the supply gas amount increases, so that a high circulation ratio can be obtained.

【0047】よって、エゼクタ7上流に配置した2つの
圧力調整弁6a,6bにおける原燃料ガス制御可能流量
の比を小径ノズル8aと大径ノズル8bの実開口面積の
比と略同等とすることで、原燃料ガスの流量制御性を損
なうことなく、高い循環比を得ることができる。
Accordingly, the ratio of the raw fuel gas controllable flow rates in the two pressure regulating valves 6a, 6b arranged upstream of the ejector 7 is made substantially equal to the ratio of the actual opening area of the small diameter nozzle 8a and the large diameter nozzle 8b. A high circulation ratio can be obtained without impairing the controllability of the raw fuel gas flow rate.

【0048】次に、図5、図6を参照して、本実施形態
における圧力調整弁6a,6bの制御内容を説明する。
図5は諸々の車両条件から与えられた燃料電池の発電電
力目標値tPWRを実現するために、どのように圧力調整弁
6aの弁下流圧tPrsHeAおよび圧力調整弁6bの弁下流
値tPrsHeBを演算して制御するかを示した制御フローチ
ャートであり、図6は、制御フローチャート中で参照す
る各種テーブルの例をグラフで示すものである。
Next, the control contents of the pressure regulating valves 6a and 6b in this embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 5 shows how to calculate the valve downstream pressure tPrsHeA of the pressure regulating valve 6a and the valve downstream value tPrsHeB of the pressure regulating valve 6b in order to realize the target power generation value tPWR of the fuel cell given from various vehicle conditions. FIG. 6 is a control flowchart showing whether or not the control is performed, and FIG. 6 is a graph showing an example of various tables referred to in the control flowchart.

【0049】まず、ステップS10において、要求負荷
に基づいて別途算出された発電電力目標値tPWRを読み込
み、圧力センサ20の測定値tPrsH0,圧力センサ19a
の測定値tPrsHeA0,圧力センサ19bの測定値tPrsHeB0
を読み込む。次いで、ステップS12では、燃料電池の
発電電力目標値tPWRに基づいて燃料電池の燃料極におけ
る燃料ガス圧力目標値tPrsHを演算する。この演算は、
図6(a)に示すような発電電力目標値tPWRに対する燃
料ガス圧力目標値tPrsHがテーブルで与えられ、燃料電
池の発電目標値すなわち負荷が大きくなればなるほど燃
料極での燃料ガス圧力が大きくなるように設定してい
る。
First, in step S10, the generated power target value tPWR separately calculated based on the required load is read, and the measured value tPrsH0 of the pressure sensor 20 and the pressure sensor 19a are read.
Measured value tPrsHeA0 of the pressure sensor 19b
Read. Next, in step S12, the fuel gas pressure target value tPrsH at the fuel electrode of the fuel cell is calculated based on the power generation target value tPWR of the fuel cell. This operation is
The fuel gas pressure target value tPrsH for the generated power target value tPWR as shown in FIG. 6A is given in a table, and the fuel gas pressure at the fuel electrode increases as the power generation target value of the fuel cell, that is, the load increases. Is set.

【0050】次いでステップS14では、ステップS1
2で得られた燃料極2での燃料ガス圧力目標値tPrsHと
圧力センサ20から得られた現在の燃料極2での燃料ガ
ス圧力tPrsH0のと差圧tPrsHd=tPrsH−tPrsH0を算出
し、圧力調整弁6a,6bの制御の基本的なパターンを
判定する条件値とする。
Next, in step S14, step S1
The fuel gas pressure target value tPrsH at the fuel electrode 2 obtained in 2 and the current fuel gas pressure tPrsH0 at the fuel electrode 2 obtained from the pressure sensor 20 and the differential pressure tPrsHd = tPrsH-tPrsH0 are calculated to adjust the pressure. The condition value is used to determine the basic pattern of control of the valves 6a and 6b.

【0051】ステップS16は、燃料電池に対する負荷
要求が急激増えたか否かを判定するステップであり、差
圧tPrsHdが予め定めた値tPrsHdH以上の場合は急加速状
態として、ステップS18へ進み、圧力調整弁6aおよ
び6bの目標開度tArVA、tArVBを、それぞれ設定可能な
最大値tARVAmax、tArVBmaxに設定する。
Step S16 is a step of determining whether or not the load demand on the fuel cell has increased sharply. If the differential pressure tPrsHd is equal to or greater than a predetermined value tPrsHdH, it is determined as a rapid acceleration state and the process proceeds to step S18 to adjust the pressure. The target openings tArVA and tArVB of the valves 6a and 6b are set to the maximum values tARVAmax and tArVBmax that can be set, respectively.

【0052】ステップS16でtPrsHd<tPrsHdLと判断
された場合は、ステップS20へ進み、tPrsHdが予め定
めた負の値であるtPrsHdLを超えているか、即ち負荷要
求が減少し、パージ弁15を開制御する必要があるか否
かを判定する。tPrsHdが予め定めた負の値であるtPrsHd
L以下の場合はステップS22へ進み、圧力調整弁6a
および6bの目標開度tArVa、tArVBを、それぞれ設定可
能な最小値tArVamin、tArVBminに設定するとともに、パ
ージ弁15の制御シーケンスに開制御の情報を発信す
る。
When it is judged at step S16 that tPrsHd <tPrsHdL, the routine proceeds to step S20, at which tPrsHd exceeds a predetermined negative value tPrsHdL, that is, the load demand is reduced, and the purge valve 15 is controlled to open. It is determined whether it is necessary to do. tPrsHd where tPrsHd is a predetermined negative value
If it is less than L, the process proceeds to step S22, and the pressure adjusting valve 6a
The target openings tArVa and tArVB of 6 and 6b are set to the settable minimum values tArVamin and tArVBmin, respectively, and the open control information is transmitted to the control sequence of the purge valve 15.

【0053】ステップS20でtPrsHd>tPrsHdLと判断
された場合は、通常制御状態と判断し、ステップS24
へ進み、大径ノズル31から水素ガスを供給するか否か
を判定する。ステップS24では、tPrsHが予め定めた
切替え圧力tPrsH1より小さく、かつ圧力センサ30aで
測定された第1供給口9aの圧力値tPrsHeA0が供給可能
最高圧であるtPrsHemaxより小さな場合は、小径ノズル
21からの水素ガス供給のみの範囲と判定し、ステップ
S26へ進む。
If it is determined in step S20 that tPrsHd> tPrsHdL, it is determined that the normal control state is set, and step S24 is performed.
Then, it is determined whether or not hydrogen gas is supplied from the large diameter nozzle 31. In step S24, when tPrsH is smaller than the predetermined switching pressure tPrsH1 and the pressure value tPrsHeA0 of the first supply port 9a measured by the pressure sensor 30a is smaller than the maximum supplyable pressure tPrsHemax, the small-diameter nozzle 21 outputs It is determined that the range is only for supplying hydrogen gas, and the process proceeds to step S26.

【0054】ステップS26では、発電電力目標値tPWR
を実現するために必要な燃料極2での圧力目標値tPrsH
となるように、第1供給口9aでの圧力目標値tPrsHeA
を演算している。圧力目標値tPrsHeAは、圧力調整弁1
9aからスタック1の燃料極2までの燃料ガス流路中の
圧力損失を流量に応じてあらかじめ計算しておき、その
圧力損失を目標とする燃料極2のガス圧力に加えた値と
して演算する必要があり、図6(b)に示すようにあら
かじめ計算してテーブル値として参照する形式のほうが
良い。
In step S26, the generated power target value tPWR
Target value tPrsH at fuel electrode 2 required to achieve
So that the target pressure value tPrsHeA at the first supply port 9a is
Is being calculated. The target pressure value tPrsHeA is the pressure control valve 1
It is necessary to calculate the pressure loss in the fuel gas flow path from 9a to the fuel electrode 2 of the stack 1 in advance according to the flow rate, and to calculate the pressure loss as a value added to the target gas pressure of the fuel electrode 2. Therefore, as shown in FIG. 6B, it is better to use a format that is calculated in advance and referred to as a table value.

【0055】次いでステップS28にて、燃料負荷に応
じた燃料ガス流量が得られるように基本となる圧力調整
弁6aの絞り面積tArVamをtPrsHeAに応じて演算する。
実施形態では図6(c)に示すようなテーブルで与えら
れ、圧力目標値tPrsHeAが増えるに従い絞り面積tArVAm
も増加する。
Next, at step S28, the throttle area tArVam of the basic pressure adjusting valve 6a is calculated according to tPrsHeA so that the fuel gas flow rate according to the fuel load can be obtained.
In the embodiment, it is given by a table as shown in FIG. 6C, and the throttle area tArVAm increases as the target pressure value tPrsHeA increases.
Also increases.

【0056】ステップS30では、圧力センサ19aで
測定した実際の第1供給口9aの圧力tPrsHeA0と、燃料
極2へ供給される燃料ガス圧力を示す圧力センサ20の
測定値tPrsH0とステップS12で定めた目標値tPrsHと
の乖離から定まる補正項αを加えて、第1供給口9aの
圧力が目標値tPrsHeAとなるように最終的な絞り面積tAr
VAを算出し、かつ大径ノズル側の第2供給口9bの圧力
を制御している圧力調整弁6bの絞り面積tArVBを最小
値であるtArVBminにセットする。
In step S30, the actual pressure tPrsHeA0 of the first supply port 9a measured by the pressure sensor 19a, the measured value tPrsH0 of the pressure sensor 20 indicating the fuel gas pressure supplied to the fuel electrode 2 and the value determined in step S12 are determined. A final throttle area tAr is added so that the pressure at the first supply port 9a becomes the target value tPrsHeA by adding the correction term α determined from the deviation from the target value tPrsH.
VA is calculated and the throttle area tArVB of the pressure adjusting valve 6b that controls the pressure of the second supply port 9b on the large diameter nozzle side is set to the minimum value tArVBmin.

【0057】ステップS24で、tPrsHがtPrsH1以上、
またはtPrsHeA0がtPrsHemax以上となっていると判断さ
れた場合は、小径ノズル21に加えて大径ノズル31か
らの水素ガス供給が必要と判断し、ステップS32へ進
む。
At step S24, tPrsH is tPrsH1 or more,
Alternatively, when it is determined that tPrsHeA0 is equal to or larger than tPrsHemax, it is determined that hydrogen gas needs to be supplied from the large diameter nozzle 31 in addition to the small diameter nozzle 21, and the process proceeds to step S32.

【0058】ステップS32,S34ではステップS2
6,S28と同様に、それぞれ図6(d)、図6(e)
のテーブルを参照しながら、圧力調整弁8bの絞り面積
tArVBmの演算を行う。
In steps S32 and S34, step S2
6 and FIG. 6E, respectively, as in S6 and S28.
Refer to the table of, the throttle area of the pressure control valve 8b
Calculate tArVBm.

【0059】次いでステップS36では、圧力センサ1
9bで測定した実際の第2供給口9bの圧力tPrsHeB0
と、圧力センサ20の測定値tPrsH0とステップS12で
定めた目標値tPrsHとの乖離から定まる補正項βを加え
て、第2供給口9bの圧力が目標値tPrsHeBとなるよう
に最終的な絞り面積tArVBを算出し、かつ小径ノズル側
の圧力調整弁6aの絞り面積tArVAを最大値であるtAVAm
axにセットする。
Next, in step S36, the pressure sensor 1
Actual pressure at second supply port 9b measured at 9b tPrsHeB0
And a correction term β determined from the deviation between the measured value tPrsH0 of the pressure sensor 20 and the target value tPrsH determined in step S12, and the final throttle area is adjusted so that the pressure at the second supply port 9b becomes the target value tPrsHeB. tArVB is calculated and the throttle area tArVA of the pressure adjustment valve 6a on the small diameter nozzle side is tAVAm which is the maximum value.
Set to ax.

【0060】以上、ステップS18、ステップS22、
ステップS30、ステップS36のいずれかにより、圧
力調整弁6aおよび6bの絞り面積が決定され、ステッ
プS38で情報を圧力調整機構制御装置に送信し、制御
フローが終了する。
Above, step S18, step S22,
The throttle areas of the pressure adjusting valves 6a and 6b are determined by either step S30 or step S36, information is transmitted to the pressure adjusting mechanism controller in step S38, and the control flow ends.

【0061】以上説明してきた構成とすることで、広い
負荷範囲に対応した供給ガス流量に対し必要な排気ガス
循環量が確保でき、安定した燃料電池の運転が可能とな
る。
With the configuration described above, the required exhaust gas circulation amount can be secured for the supply gas flow rate corresponding to the wide load range, and the stable operation of the fuel cell becomes possible.

【0062】尚、本実施形態で用いたエゼクタは、燃料
電池システムに限らず、第1の流体(気体または液体)
と第2の流体(気体または液体)とを混合するあらゆる
用途において、エゼクタに可動部を設けることなく、広
い動作範囲で高い混合比(第2の流体の流量/第1の流
体の流量)を得ることができることは明らかである。こ
の場合、エゼクタの2つのノズルの上流には、それぞれ
のノズル毎に第1の流体の圧力または流量を調整する調
整弁を設けることになる。
The ejector used in this embodiment is not limited to the fuel cell system, but may be the first fluid (gas or liquid).
A high mixing ratio (flow rate of the second fluid / flow rate of the first fluid) can be obtained in a wide operating range without providing a moving part in the ejector in any application for mixing the fluid with the second fluid (gas or liquid). It is clear that you can get it. In this case, an adjusting valve for adjusting the pressure or flow rate of the first fluid is provided upstream of the two nozzles of the ejector for each nozzle.

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

【図1】本発明に係る燃料電池システムの実施形態の構
成を示すシステム構成図である。
FIG. 1 is a system configuration diagram showing a configuration of an embodiment of a fuel cell system according to the present invention.

【図2】実施形態におけるエゼクタの内部構造を示す断
面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the internal structure of the ejector in the embodiment.

【図3】(a)小径ノズルおよび大径ノズルの供給ガス
流量に対する供給ガス圧力特性を説明する図である。
(b)小径ノズルおよび大径ノズルの供給ガス流量に対
する循環比特性を説明する図である。
FIG. 3A is a diagram illustrating supply gas pressure characteristics with respect to supply gas flow rates of a small diameter nozzle and a large diameter nozzle.
(B) It is a figure explaining the circulation ratio characteristic with respect to the supply gas flow rate of a small diameter nozzle and a large diameter nozzle.

【図4】(a)実施形態のエゼクタにおける供給ガス流
量に対する供給ガス圧力特性を説明する図である。
(b)実施形態のエゼクタにおける供給ガス流量に対す
る循環比特性を説明する図である。
FIG. 4A is a diagram illustrating a supply gas pressure characteristic with respect to a supply gas flow rate in the ejector of the embodiment.
(B) It is a figure explaining the circulation ratio characteristic with respect to the supply gas flow rate in the ejector of embodiment.

【図5】実施形態における圧力調整弁制御を説明する制
御フローチャートである。
FIG. 5 is a control flowchart illustrating pressure control valve control in the embodiment.

【図6】図5の制御フローチャート中で参照する各種テ
ーブルの例をグラフで示すものである。
6 is a graph showing an example of various tables referred to in the control flowchart of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…燃料電池本体(スタック) 2…燃料極 3…空気極 4…水素貯蔵タンク 5…減圧弁 6a,6b…圧力調整弁 7…エゼクタ 8…分岐部 9a…第1供給口 9b…第2供給口 11…第3供給口 12…排出口 13…加湿器 14…分岐部 15…パージ弁 19a,19b…圧力センサ 20…圧力センサ 1 ... Fuel cell body (stack) 2 ... Fuel pole 3 ... Air electrode 4 ... Hydrogen storage tank 5 ... Pressure reducing valve 6a, 6b ... Pressure regulating valve 7 ... Ejector 8 ... Branch 9a ... 1st supply port 9b ... Second supply port 11 ... Third supply port 12 ... outlet 13 ... Humidifier 14 ... Branch 15 ... Purge valve 19a, 19b ... Pressure sensor 20 ... Pressure sensor

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Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料極と空気極とを有する燃料電池本体
と、前記燃料極から排出される排出ガスを再循環して、
新たに水素濃度の高い原燃料ガスに混合させるエゼクタ
と、該エゼクタで混合された燃料ガスを前記燃料極へ供
給する流路とを有する燃料電池システムにおいて、 前記エゼクタは、原燃料ガスと排出ガスとが混合する1
つのスロート部と、該スロート部入口にそれぞれ開口し
た2つのノズルとを有し、 前記2つのノズルの上流には、それぞれのノズル毎に原
燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整弁を備えたこと
を特徴とする燃料電池システム。
1. A fuel cell main body having a fuel electrode and an air electrode, and recirculating exhaust gas discharged from the fuel electrode,
In a fuel cell system having an ejector that newly mixes with a raw fuel gas having a high hydrogen concentration, and a flow path that supplies the fuel gas mixed by the ejector to the fuel electrode, the ejector is a raw fuel gas and an exhaust gas. Mixed with 1
One throat section and two nozzles opened at the inlet of the throat section, and a pressure adjusting valve for adjusting the supply pressure of the raw fuel gas for each nozzle is provided upstream of the two nozzles. A fuel cell system characterized by the above.
【請求項2】 前記2つのノズル径が異なり、径の小さ
なノズルの先端は、径の大きなノズルの先端よりも前記
スロート部入口に近接して配置されたことを特徴とする
請求項1記載の燃料電池システム。
2. The two nozzles having different diameters, and the tip of a nozzle having a small diameter is arranged closer to the throat inlet than the tip of a nozzle having a large diameter. Fuel cell system.
【請求項3】 前記2つのノズルが、径の大きなノズル
が径の小さなノズルを内包するように、同軸状に配置さ
れたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の
燃料電池システム。
3. The fuel cell system according to claim 1, wherein the two nozzles are coaxially arranged such that a nozzle having a large diameter includes a nozzle having a small diameter. .
【請求項4】 前記ノズル上流に配した2つの圧力調整
弁における原燃料ガス制御可能流量の比を、前記ノズル
部の開口面積の比と略同等としたことを特徴とする請求
項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池シ
ステム。
4. The ratio of the raw fuel gas controllable flow rates of the two pressure regulating valves arranged upstream of the nozzle is made substantially equal to the ratio of the opening area of the nozzle portion. Item 4. The fuel cell system according to any one of items 3.
【請求項5】 燃料電池システムの出力が所定値より低
い低負荷時には前記2つのノズルのうち小径のノズルか
ら原燃料ガスを供給し、燃料電池システムの出力が所定
値以上の時には前記小径のノズルに加え大径のノズルか
らも原燃料ガスを供給するように制御することを特徴と
する請求項2ないし請求項4のいずれか1項に記載の燃
料電池システム。
5. The raw fuel gas is supplied from a nozzle having a smaller diameter among the two nozzles when the output of the fuel cell system is lower than a predetermined value, and when the output of the fuel cell system is equal to or greater than a predetermined value, the nozzle having the small diameter. The fuel cell system according to any one of claims 2 to 4, wherein the fuel cell system is controlled so that the raw fuel gas is also supplied from a large-diameter nozzle.
【請求項6】 燃料電池システムの出力が増加する過渡
時には前記2つのノズル両方から原燃料ガスを供給する
ように制御することを特徴とする請求項1ないし請求項
5のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
6. The fuel cell system according to claim 1, wherein the raw fuel gas is controlled to be supplied from both of the two nozzles during a transition of increasing output of the fuel cell system. Fuel cell system.
【請求項7】 第1の流体と第2の流体とを混合させる
エゼクタにおいて、 第1の流体と第2の流体が混合する1つのスロート部を
有し、該スロート部入口に一端を開口した径の異なる2
つのノズルを同軸状に有し、 径の小さなノズルの先端は、径の大きなノズルの先端よ
りも前記スロート部入口に近接して配置したことを特徴
とするエゼクタ。
7. An ejector for mixing a first fluid and a second fluid, wherein the ejector has one throat part for mixing the first fluid and the second fluid, and one end is opened at an inlet of the throat part. 2 with different diameter
An ejector having two nozzles coaxially, wherein the tip of the nozzle having a smaller diameter is arranged closer to the inlet of the throat portion than the tip of the nozzle having a larger diameter.
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