JP2003100335A - Fuel cell system and ejector circulation equipment - Google Patents

Fuel cell system and ejector circulation equipment

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JP2003100335A
JP2003100335A JP2001292175A JP2001292175A JP2003100335A JP 2003100335 A JP2003100335 A JP 2003100335A JP 2001292175 A JP2001292175 A JP 2001292175A JP 2001292175 A JP2001292175 A JP 2001292175A JP 2003100335 A JP2003100335 A JP 2003100335A
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fuel cell
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ejector circulation equipment and a fuel cell system in which no variable mechanism is provided in the ejector, while a starting fuel gas and an exhaust circulation gas can be mixed in a fixed ratio in the wide actuation range of gas flow rate. SOLUTION: An ejector 7 has a first supply mouth 9 connected to a first nozzle, a second supply mouth 10 connected to the down stream of the first nozzle and the upper stream of a second nozzle having a cross sectional area larger than that of the first nozzle, and a third supply mouth 11 connected to the down stream of the second nozzle. In a low loading of the fuel cell, shutout valve 18 is closed, then a three-way valve 16 is settled in a first state opening directing to the second supply mouth 10 to supply the starting fuel gas into the first supply mouth 9, and to supply the exhausted circulation gas from a fuel electrode 2 to the second supply mouth 10. In a high loading, the shutout valve is opened, then the three-way valve 16 is settled in a second state opening directing to the third supply mouth 11 to supply the starting fuel gas into the second supply mouth 10, and to supply the exhaust circulation gas into the third supply mouth 11.

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
及び燃料電池に好適なエゼクタ循環装置に係り、特に広
い運転範囲に亘って排出燃料ガスの循環性能を高めた燃
料電池システム及びエゼクタ循環装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell system and an ejector circulator suitable for a fuel cell, and more particularly to a fuel cell system and an ejector circulator having enhanced circulation performance of exhausted fuel gas over a wide operating range. .

【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、小型高出力化が可能であ
り、酸水溶液が不要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 small size and high output can be achieved, and a solid polymer type fuel cell which does not require an aqueous acid solution is a fuel cell using hydrogen gas. It is attracting attention as a method.

【0004】燃料電池において、固体高分子膜を挟んで
対向する燃料極と空気極には、水素を含む燃料ガスと酸
素を含む空気がそれぞれ供給される。この燃料電池にお
ける原燃料ガスの消費量を低減し、並びに水素ガスの利
用率を低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 a fuel cell, a fuel gas containing hydrogen and an air containing oxygen are supplied to a fuel electrode and an air electrode which face each other with a solid polymer membrane interposed therebetween. With the aim of reducing the consumption of raw fuel gas in this fuel cell and lowering the utilization rate of hydrogen gas to improve the output characteristics, the exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell is recirculated and externally supplied. Many recirculation systems have been devised, which are mixed with newly supplied rich fuel gas of hydrogen 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
燃料ガス量と、新たに外部から供給される燃料ガス量
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供給
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、供給燃料ガス量と循環ガス流量を広い作動領域
で一定以上に保つことが困難となっている。
It has been known that the power generation efficiency of a fuel cell is improved by keeping the amount of exhausted fuel gas to be recirculated and the amount of fuel gas newly supplied from the outside at a certain ratio or more. The ejector is well known as a circulation device that mixes two flows, but since negative pressure and dragging due to the flow rate of the supplied fuel gas are used as the driving force for circulation, a wide range of operation of the supplied fuel gas amount and circulating gas flow rate is achieved. It is difficult to keep above a certain level in the area.

【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のノズル面積可変とした
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. JP-A-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, so that a seal structure is added to the sliding portion. There is a need.

【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、上記従来の可変機構を備えたエゼクタの摺動部に
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 molecular size, it is attempted to seal the hydrogen gas at the sliding part of the ejector equipped with the above conventional variable mechanism. Then, not only high processing accuracy is required for the seal portion, but also the friction of the seal portion is increased, and controllability is impaired.

【0008】以上の問題点に鑑み本発明の目的は、エゼ
クタに可変機構を設けることなく、ガス流量の広い作動
領域で原燃料ガスと排出循環ガスとを一定の混合比で混
合することができるエゼクタ循環装置及び該エゼクタ循
環装置を用いて燃料ガス循環性能を高めた燃料電池シス
テムを提供することである。
In view of the above problems, it is an object of the present invention to mix the raw fuel gas and the exhaust circulation gas at a constant mixing ratio in an operating region where the gas flow rate is wide without providing a variable mechanism in the ejector. An ejector circulation device and a fuel cell system with improved fuel gas circulation performance using the ejector circulation device.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1記載の発明は、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循環ガ
スと水素濃度の高い原燃料ガスとを混合して燃料ガスと
するエゼクタ循環装置と、該エゼクタ循環装置で混合さ
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、前記エゼクタ循環装置は、第
1供給口、第2供給口、及び第3供給口の少なくとも2
つから供給される流体を混合して排出口から排出するも
のであり、第1供給口に接続した第1ノズルが第1混合
室に向かって開口し、第1混合室に第2供給口が開口す
るとともに、第1ノズルの噴出方向前方に第1混合室か
ら第2混合室に向かって第1ノズルより断面積が大きい
第2ノズルが設けられ、第2混合室に第3供給口が開口
するとともに、第2混合室がスロート部、ディフューザ
部を順次介して前記排出口に連通し、第1供給口に原燃
料ガスを供給し、第2供給口には原燃料ガスおよび排出
循環ガスのいずれかを切替可能に供給し、第2供給口に
原燃料ガス供給時には第3供給口に排出循環ガスを供給
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 1 provides a fuel cell main body having a fuel electrode and an air electrode, an exhaust circulation gas discharged from the fuel electrode, and a hydrogen concentration. In a fuel cell system having an ejector circulation device that mixes a raw fuel gas with a high fuel gas into a fuel gas, and a flow path that supplies the fuel gas mixed in the ejector circulation device to the fuel electrode, Is at least 2 of the first supply port, the second supply port, and the third supply port.
Fluid to be supplied from one of the two is mixed and discharged from the discharge port, the first nozzle connected to the first supply port opens toward the first mixing chamber, and the second supply port is provided in the first mixing chamber. A second nozzle having a larger cross-sectional area than the first nozzle from the first mixing chamber toward the second mixing chamber is provided forward of the ejection direction of the first nozzle, and a third supply port is opened in the second mixing chamber. At the same time, the second mixing chamber communicates with the discharge port through the throat part and the diffuser part in sequence, supplies the raw fuel gas to the first supply port, and supplies the raw fuel gas and the exhaust circulation gas to the second supply port. It is a gist to control either of them to be switchably supplied and to supply the exhaust circulation gas to the third supply port when the raw fuel gas is supplied to the second supply port.

【0010】上記目的を達成するため、請求項2記載の
発明は、請求項1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、
第1供給口から原燃料ガスを供給し、第2供給口から排
出循環ガスを供給し、第3供給口に排出循環ガスを供給
する配管を遮断する第1の状態で運転し、燃料電池シス
テムの出力が所定値以上となる高負荷時には、第1供給
口、第2供給口の少なくとも一方より原燃料ガスを供給
し、第3供給口から排出循環ガスを供給する第2の状態
で運転することを要旨とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 2 is the fuel cell system according to claim 1, wherein when the output of the fuel cell system is lower than a predetermined value, a low load is applied.
The fuel cell system is operated in the first state in which the raw fuel gas is supplied from the first supply port, the exhaust circulation gas is supplied from the second supply port, and the exhaust circulation gas is supplied to the third supply port is cut off. When the load is higher than the predetermined value, the raw fuel gas is supplied from at least one of the first supply port and the second supply port, and the exhaust circulation gas is supplied from the third supply port in the second state. That is the summary.

【0011】上記目的を達成するため、請求項3記載の
発明は、請求項2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第2の状
態で運転することを要旨とする。
In order to achieve the above object, the invention according to claim 3 provides the fuel cell system according to claim 2,
The gist is to operate in the second state during a transition in which the output of the fuel cell system increases.

【0012】上記目的を達成するため、請求項4記載の
発明は、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、第1供給口に原燃料ガス
を供給する配管に第1の圧力調整弁を設けるとともに、
第2供給口に原燃料ガスを供給する配管に第2の圧力調
整弁を設け、第1供給口に供給する原燃料ガスの圧力
と、第2供給口に供給する原燃料ガスの圧力とを独立に
制御可能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, in which a pipe for supplying raw fuel gas to the first supply port is provided. Is equipped with a first pressure control valve,
A second pressure adjusting valve is provided in the pipe for supplying the raw fuel gas to the second supply port, and the pressure of the raw fuel gas supplied to the first supply port and the pressure of the raw fuel gas supplied to the second supply port are adjusted. The point is that it can be controlled independently.

【0013】上記目的を達成するため、請求項5記載の
発明は、第1供給口、第2供給口、及び第3供給口の少
なくとも2つから供給される流体を混合して排出口から
排出するエゼクタ循環装置であって、第1供給口に接続
した第1ノズルが第1混合室に向かって開口し、該第1
混合室に第2供給口が開口するとともに、第1混合室か
ら第2混合室に向かって第1ノズルより断面積が大きい
第2ノズルが開口し、第2混合室に第3供給口が開口す
るとともに、第2混合室がスロート部、ディフューザ部
を順次介して前記排出口に接続されたことを要旨とす
る。
To achieve the above object, the invention according to claim 5 mixes fluids supplied from at least two of the first supply port, the second supply port, and the third supply port, and discharges the mixture from the discharge port. In the ejector circulation device, the first nozzle connected to the first supply port opens toward the first mixing chamber,
The second supply port opens to the mixing chamber, the second nozzle having a larger cross-sectional area than the first nozzle opens from the first mixing chamber to the second mixing chamber, and the third supply port opens to the second mixing chamber. In addition, the gist is that the second mixing chamber is connected to the discharge port through the throat part and the diffuser part in this order.

【0014】[0014]

【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
される排出循環ガスと水素濃度の高い原燃料ガスとを混
合して燃料ガスとするエゼクタ循環装置と、該エゼクタ
循環装置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
タ循環装置は、第1供給口、第2供給口、及び第3供給
口の少なくとも2つから供給される流体を混合して排出
口から排出するものであり、第1供給口に接続した第1
ノズルが第1混合室に向かって開口し、第1混合室に第
2供給口が開口するとともに、第1混合室から第2混合
室に向かって第1ノズルと略同軸上に第1ノズルより断
面積が大きい第2ノズルが設けられ、第2混合室に第3
供給口が開口するとともに、第2混合室がスロート部、
ディフューザ部を順次介して前記排出口に接続され、第
1供給口に原燃料ガスを供給し、第2供給口には原燃料
ガスおよび排出循環ガスのいずれかを切替可能に供給
し、第2供給口に原燃料ガス供給時には第3供給口に排
出循環ガスを供給するように制御するようにしたので、
燃料電池の運転状態によってエゼクタ循環装置の第1ノ
ズルまたは第2ノズルの一方を選択的に駆動流源とする
ことができ、水素ガスの漏れを抑制しつつエゼクタ循環
装置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 first aspect of the present invention, a fuel cell body having a fuel electrode and an air electrode, an exhaust circulation gas discharged from the fuel electrode and a raw fuel gas having a high hydrogen concentration are mixed. In the fuel cell system having an ejector circulation device that uses the fuel gas as a fuel gas and a flow path that supplies the fuel gas mixed by the ejector circulation device to the fuel electrode, the ejector circulation device includes a first supply port and a second supply port. The fluid supplied from at least two of the supply port and the third supply port is mixed and discharged from the discharge port, and the first fluid is connected to the first supply port.
The nozzle is opened toward the first mixing chamber, the second supply port is opened in the first mixing chamber, and the first nozzle is substantially coaxial with the first nozzle from the first mixing chamber to the second mixing chamber. A second nozzle having a large cross-sectional area is provided and a third nozzle is provided in the second mixing chamber.
While the supply port opens, the second mixing chamber has a throat section,
The raw fuel gas is supplied to the first supply port, and either the raw fuel gas or the exhaust circulation gas is switchably supplied to the second supply port. When the raw fuel gas is supplied to the supply port, the exhaust circulation gas is controlled to be supplied to the third supply port.
One of the first nozzle and the second nozzle of the ejector circulation device can be selectively used as the drive flow source depending on the operating state of the fuel cell, and the operating region of the ejector circulation device can be expanded while suppressing leakage of hydrogen gas. There is an effect that can be.

【0015】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、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、第1供給口から原燃料ガス
を供給し、第2供給口から排出循環ガスを供給し、第3
供給口に排出循環ガスを供給する配管を遮断する第1の
状態で運転し、燃料電池システムの出力が所定値以上と
なる高負荷時には、第1供給口、第2供給口の少なくと
も一方より原燃料ガスを供給し、第3供給口から排出循
環ガスを供給する第2の状態で運転するようにしたの
で、燃料電池システムの負荷に応じてノズル径とスロー
ト径を適切に選択できるため、システム作動領域全体に
渡り、高い排気循環ガス量を維持することができるとい
う効果がある。
According to the invention described in claim 2, in addition to the effect of the invention described in claim 1, when the output of the fuel cell system is lower than a predetermined value and the load is low, the raw fuel gas is supplied from the first supply port. , The exhaust circulation gas is supplied from the second supply port,
When the engine is operated in the first state in which the pipe for supplying the exhausted circulating gas to the supply port is shut off, and the output of the fuel cell system is at a predetermined value or higher under high load, the fuel is discharged from at least one of the first supply port and the second supply port. Since the operation is performed in the second state in which the fuel gas is supplied and the exhaust circulation gas is supplied from the third supply port, the nozzle diameter and the throat diameter can be appropriately selected according to the load of the fuel cell system. There is an effect that a high exhaust gas circulation amount can be maintained over the entire operating region.

【0016】請求項3記載の発明によれば、請求項2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
加する過渡時には第2の状態で運転するようにしたため
に、スタックに供給する水素量を速やかに増加でき、ス
タック燃料極の圧力を増加した発電量に見合うまで速や
かに増加させることができるという効果がある。
According to the third aspect of the present invention, in addition to the effect of the second aspect of the invention, the fuel cell system is operated in the second state during a transition in which the output of the fuel cell system increases. The effect is that the amount of hydrogen generated can be increased rapidly, and the pressure of the stack fuel electrode can be increased rapidly until it corresponds to the increased power generation amount.

【0017】請求項4記載の発明によれば、請求項1な
いし請求項3記載の発明の効果に加えて、第1供給口に
原燃料ガスを供給する配管に第1の圧力調整弁を設ける
とともに、第2供給口に原燃料ガスを供給する配管に第
2の圧力調整弁を設け、第1供給口に供給する原燃料ガ
スの圧力と、第2供給口に供給する原燃料ガスの圧力と
を独立に制御可能としたことにより、原燃料ガスの供給
量の制御性を良好に維持したまま、広い運転領域におい
て排出循環ガスの循環量を維持することができるという
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, a first pressure adjusting valve is provided in the pipe for supplying the raw fuel gas to the first supply port. At the same time, a second pressure adjusting valve is provided in the pipe for supplying the raw fuel gas to the second supply port, and the pressure of the raw fuel gas supplied to the first supply port and the pressure of the raw fuel gas supplied to the second supply port. By making them independently controllable, there is an effect that the circulation amount of the exhaust circulation gas can be maintained in a wide operating region while maintaining good controllability of the supply amount of the raw fuel gas.

【0018】請求項5記載の発明によれば、第1供給
口、第2供給口、及び第3供給口の少なくとも2つから
供給される流体を混合して排出口から排出するエゼクタ
循環装置であって、第1供給口に接続した第1ノズルが
第1混合室に向かって開口し、第1混合室に第2供給口
が開口するとともに、第1ノズルの噴出方向前方に第1
混合室から第2混合室に向かって第1ノズルより断面積
が大きい第2ノズルが設けられ、第2混合室に第3供給
口が開口するとともに、第2混合室がスロート部、ディ
フューザ部を順次介して前記排出口に連通するようにし
たので、第1供給口から第1の流体を供給し第2供給口
から第2の流体を供給する場合には第1ノズルが作動
し、第2供給口から第1の流体を供給し第3供給口から
第2の流体を供給する場合には第1ノズルより断面積が
大きい第2ノズルが作動するという2つの異なる特性を
有するエゼクタ循環装置として作用するので、エゼクタ
循環装置の作動流量領域を拡大することができるという
効果がある。
According to the fifth aspect of the present invention, there is provided an ejector circulation device for mixing fluids supplied from at least two of the first supply port, the second supply port and the third supply port and discharging the mixed fluids from the discharge port. Then, the first nozzle connected to the first supply port is opened toward the first mixing chamber, the second supply port is opened in the first mixing chamber, and the first nozzle is provided in front of the ejection direction of the first nozzle.
A second nozzle having a larger cross-sectional area than the first nozzle is provided from the mixing chamber toward the second mixing chamber, a third supply port is opened in the second mixing chamber, and the second mixing chamber has a throat portion and a diffuser portion. Since the fluid is communicated with the discharge port sequentially, when the first fluid is supplied from the first supply port and the second fluid is supplied from the second supply port, the first nozzle operates, As an ejector circulation device having two different characteristics that the second nozzle having a larger cross-sectional area than the first nozzle operates when the first fluid is supplied from the supply port and the second fluid is supplied from the third supply port Since it works, there is an effect that the operating flow rate region of the ejector circulation device can be expanded.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】図1は、本発明に係る燃料電池シ
ステムの要部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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is a system configuration diagram showing a main configuration of a fuel cell system according to the present invention.
It is suitable as a power source for an electric vehicle that has a large load change from idling to high-speed traveling.

【0020】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 body (hereinafter referred to as a stack) 1 has 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.

【0021】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.

【0022】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、さらに下流に配された圧力調整弁
6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。圧力調整弁6の下流には、圧力調整後の水素ガス圧
力を測定する圧力センサ19が設けられ、圧力センサ1
9の下流に2方向に分岐する分岐部8が設けられてい
る。分岐部8の一方の下流には、エゼクタ循環装置(以
下、エゼクタと略す)7に設けられた第1供給口9が接
続され、圧力調整弁6で圧力が調整された水素ガスが供
給される。
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, hydrogen gas, which is the raw fuel gas, is supplied to the pressure regulating valve 6 arranged further downstream. A pressure sensor 19 that measures the hydrogen gas pressure after pressure adjustment is provided downstream of the pressure adjustment valve 6.
A branch portion 8 that branches in two directions is provided downstream of 9. A first supply port 9 provided in an ejector circulation device (hereinafter abbreviated as an ejector) 7 is connected to one downstream side of the branch portion 8, and hydrogen gas whose pressure is adjusted by a pressure adjusting valve 6 is supplied. .

【0023】エゼクタ7には、後述するように第1供給
口9に接続する第1ノズルに加えて、第2ノズルが設け
られており、第1ノズルの下流側且つ第2ノズルの上流
側は第2供給口10に接続され、第2ノズルの下流側は
第3供給口11に接続され、これら供給口9,10,1
1から供給されたガスは混合されて、排出口12から排
出されるようになっている。
The ejector 7 is provided with a second nozzle in addition to a first nozzle connected to the first supply port 9 as will be described later, and the second nozzle is provided downstream of the first nozzle and upstream of the second nozzle. It is connected to the second supply port 10, the downstream side of the second nozzle is connected to the third supply port 11, and these supply ports 9, 10, 1 are connected.
The gases supplied from 1 are mixed and discharged from the discharge port 12.

【0024】エゼクタ7の第2供給口10には、分岐部
8の他方の下流から遮断弁18を介して接続される水素
ガス供給管と、スタック1の燃料極2からの排出循環ガ
スを3方弁16を介して供給する排出循環ガス管とが接
続されている。この構成により、遮断弁18と3方弁1
6を切り替えることで、第2供給口10に供給するガス
を水素貯蔵タンクから減圧した水素ガスまたは排出循環
ガスの切替えを可能としている。
A hydrogen gas supply pipe connected to the second supply port 10 of the ejector 7 from the other downstream side of the branch portion 8 via a shutoff valve 18 and a circulating gas exhausted from the fuel electrode 2 of the stack 1 The exhaust circulation gas pipe supplied through the one-way valve 16 is connected. With this configuration, the shutoff valve 18 and the three-way valve 1
By switching No. 6, it is possible to switch between the hydrogen gas whose pressure is reduced from the hydrogen storage tank or the exhaust circulation gas for the gas supplied to the second supply port 10.

【0025】また、エゼクタ7には、3方弁16のもう
1方が接続された第3供給口11があり、排出循環ガス
を供給できるようになっている。
Further, the ejector 7 has a third supply port 11 to which the other side of the three-way valve 16 is connected, so that the exhaust circulation gas can be supplied.

【0026】エゼクタ7の排出口12は、加湿器13に
接続され、エゼクタ7で混合された燃料ガスがほぼ水蒸
気飽和状態まで加湿される。加湿された燃料ガスは、ス
タック1の燃料極2に供給され、発電により水素の一部
が消費される。燃料極2の出口からは、発電に使用され
なかった水素を含む排出循環ガスが排出されるが、燃料
極出口は、2方向に分岐する分岐部14に接続されてい
る。分岐部14の一方には、3方弁16が接続され、分
岐部14の他方にはパージ弁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、其のときはパージ弁15を開き余剰の水素ガス
を外部へ放出する。
The outlet 12 of the ejector 7 is connected to a humidifier 13 so that the fuel gas mixed in the ejector 7 is humidified to a substantially water vapor saturated state. The humidified fuel gas is supplied to the fuel electrode 2 of the stack 1 and part of hydrogen is consumed by power generation. From the outlet of the fuel electrode 2, exhausted circulation gas containing hydrogen which has not been used for power generation is discharged, but the outlet of the fuel electrode is connected to a branch portion 14 that branches in two directions. A three-way valve 16 is connected to one side of the branch portion 14, and the other side of the branch portion 14 is opened to the outside via a purge valve 15. If the power output demand of the stack suddenly becomes small, the hydrogen in the circulation pipe 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.

【0027】以上の構成から、エゼクタ7では、水素貯
蔵タンク4から来る水素ガスと、スタック1の燃料極2
を通過した後の圧力が低い排出循環ガスを混合させて下
流に流すようになっており、次いで混合ガスは加湿器1
3を通過する際にスタック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。
With the above structure, in the ejector 7, the hydrogen gas coming from the hydrogen storage tank 4 and the fuel electrode 2 of the stack 1
The exhaust circulation gas having a low pressure after passing through is mixed and flowed to the downstream side.
When passing through 3, the steam necessary for the reaction in the electrolytic membrane in the stack is humidified, and after being heated to a temperature suitable for the reaction, it flows into the fuel electrode 2 of the stack 1.

【0028】そしてスタック1の燃料極2で水素を消費
し、余った残留水素ガスはスタック1から排出され、エ
ゼクタ7へ再度送られる。
Then, the fuel electrode 2 of the stack 1 consumes hydrogen, and the remaining residual hydrogen gas is discharged from the stack 1 and sent to the ejector 7 again.

【0029】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に流入する。そ
して、スタック1の空気極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 also passes through the humidifier, is humidified to a substantially saturated state, and then flows into the stack 1. Then, the air gas left after consuming the oxygen content in the air at the air electrode 3 of the stack 1 passes through the pressure control valve of the air line and is released to the atmosphere together with the moisture produced by the reaction in the stack. The air pressure is controlled by the pressure control valve so that the air pressure becomes a predetermined pressure as required.

【0030】尚、図1には示されていないが空気極で生
成した水は、空気ライン途中に設けられた水回収装置に
て回収され、回収された水は加圧ポンプにより加湿器1
3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。
Although not shown in FIG. 1, the water produced at the air electrode is recovered by a water recovery device provided in the middle of the air line, and the recovered water is pressurized by a pressure pump to the humidifier 1.
3 and is reused as cooling water for the stack 1.

【0031】また、圧力調整弁6はスタックへの供給水
素流量を制御する役目をもち、燃料極の水素圧力が発電
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6の分岐部8
に設けた圧力センサ19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6
の開度制御を行う。
Further, the pressure regulating valve 6 has a role of controlling the flow rate of hydrogen supplied to the stack, and the pressure sensor 20 arranged upstream of the stack 1 so that the hydrogen pressure of the fuel electrode becomes a value suitable for the amount of power generation. While adjusting the output value of, the amount of hydrogen existing in the hydrogen gas circulation system is adjusted to a predetermined value according to the required load, and the amount of hydrogen consumed by power generation is replenished. 6 branch 8
While measuring the output value of the pressure sensor 19 provided in the pressure adjusting valve 6
The opening degree of is controlled.

【0032】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。エゼクタ7は、第1供給
口9、第2供給口10、及び第3供給口11の少なくと
も2つから供給される流体を混合して排出口12から排
出するエゼクタ循環装置であって、第1供給口9に接続
した第1ノズル21が第1混合室31に向かって開口
し、第1混合室31に第2供給口10が開口するととも
に、第1混合室31から隔壁24で隔てられた第2混合
室32に向かって第1ノズル21より断面積が大きい第
2ノズル25が開口し、第2混合室32に第3供給口1
1が開口するとともに、第2混合室32がスロート2
9、ディフューザ30を順次介して排出口12に接続さ
れている。
FIG. 2 shows a sectional structure of the ejector 7 in this embodiment. The ejector 7 is an ejector circulation device that mixes fluids supplied from at least two of the first supply port 9, the second supply port 10, and the third supply port 11 and discharges the mixed fluids from the discharge port 12. The first nozzle 21 connected to the supply port 9 opens toward the first mixing chamber 31, the second supply port 10 opens in the first mixing chamber 31, and is separated from the first mixing chamber 31 by the partition wall 24. A second nozzle 25 having a larger cross-sectional area than the first nozzle 21 opens toward the second mixing chamber 32, and the third supply port 1 is provided in the second mixing chamber 32.
1 is open and the second mixing chamber 32 is throat 2
9 and the diffuser 30 are sequentially connected to the outlet 12.

【0033】このエゼクタ7を構成する部品は、第1ノ
ズル21と原燃料ガスを供給する第1接続口9とが連通
した第1吸気部22と、第1吸気部22をOリング23
とともに組み付けることで、隔壁24に一体に設けられ
た円筒管状の第2ノズル25の上流と原燃料ガスまたは
排出循環ガスを供給する第2供給口10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27とともに組み付けることで、排出循環ガスが
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 first nozzle 21 and the first connection port 9 for supplying the raw fuel gas communicate with each other, and the O-ring 23 connecting the first intake portion 22.
When assembled together, the second intake air configured so that the upstream side of the cylindrical tubular second nozzle 25 integrally provided in the partition wall 24 and the second supply port 10 for supplying the raw fuel gas or the exhaust circulation gas communicate with each other. O of the part 26 and the second intake part 26
By being assembled with the ring 27, the body portion 28 forms a space that connects the third supply port 11 and the discharge port 12 through which the exhaust circulation gas circulates.

【0034】ボディ部28には原燃料ガスと排出循環ガ
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を備えている。
The body portion 28 is provided with a throat 29 for mixing the raw fuel gas and the exhaust circulating gas and a diffuser 30 for reducing the flow velocity of the mixed flow to recover the pressure.

【0035】第2ノズル25は遮断弁18が閉かつ3方
弁16が第2供給口10に連通されるように制御されて
いる第1の状態の場合は、第1ノズル21から注入され
た原燃料ガス流が第2ノズル25の前で絞られることで
流速が増し、第2ノズル25の円筒形状が第1ノズル2
1に対してスロート部となり、この流速増加により第2
供給口10に対して負圧を発生するとともに、第1ノズ
ル21からの流れによって排出循環ガスを吸引し、第2
ノズル25内部で混合流が発生する。この混合流はその
ままスロート29を通過し、ディフューザ30で圧力を
回復しつつ、排出口12から排出される。
The second nozzle 25 is injected from the first nozzle 21 in the first state where the shutoff valve 18 is closed and the three-way valve 16 is controlled so as to communicate with the second supply port 10. The raw fuel gas flow is throttled in front of the second nozzle 25 to increase the flow velocity, and the cylindrical shape of the second nozzle 25 causes the first nozzle 2 to
It becomes a throat part for 1 and the second speed is increased by this flow velocity increase.
A negative pressure is generated with respect to the supply port 10, and the exhaust circulation gas is sucked by the flow from the first nozzle 21,
A mixed flow is generated inside the nozzle 25. This mixed flow passes through the throat 29 as it is, and is discharged from the discharge port 12 while recovering the pressure in the diffuser 30.

【0036】一方、遮断弁18が開、かつ3方弁16が
第3供給口11側に連通されるように制御されている第
2の状態の場合では、第2ノズル25から水素ガスが噴
出し、実質的にノズル部として作用し、第3供給口11
から排出循環ガスを吸引し、スロート29で混合流を発
生させて、第一の状態と同様に排出口12から混合流を
排出する。
On the other hand, in the second state in which the shutoff valve 18 is opened and the three-way valve 16 is controlled so as to communicate with the third supply port 11 side, hydrogen gas is ejected from the second nozzle 25. And substantially acts as a nozzle portion, and the third supply port 11
The exhaust circulation gas is sucked from the throat 29, a mixed flow is generated at the throat 29, and the mixed flow is discharged from the discharge port 12 as in the first state.

【0037】図3は、スロート部とノズル部の径が違う
小型エゼクタと大型エゼクタとのエゼクタ特性の差異を
説明するものであり、図3(a)に供給ガス流量Qinと
供給ガス圧力Pinの関係、図3(b)に、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)を小型エゼクタの特性を細線で、大型エゼ
クタの特性を太線でそれぞれ示す。
FIG. 3 illustrates the difference in ejector characteristics between a small ejector and a large ejector in which the throat portion and the nozzle portion have different diameters. FIG. 3 (a) shows the supply gas flow rate Qin and the supply gas pressure Pin. In relation, FIG. 3B shows 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 with the thin ejector characteristic and the thick ejector characteristic with the large ejector characteristic.

【0038】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、
小径ノズル及び小径スロートを有する小型エゼクタの場
合を細線で、大径ノズル及び大径スロートを有する大型
エゼクタ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は径が細いほど低下するが、供給ガス流
量Qinが増加した場合の循環率Rの最大値は径が大きく
なるほど高くなる傾向にある。
FIG. 3 (b) 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 ejector having a small diameter nozzle and a small diameter throat is shown by a thin line, and the case of a large ejector having a large diameter nozzle and a large diameter throat is shown by a thick line. The supply gas flow rate Qin at which the circulation starts decreases as the diameter decreases, but the maximum value of the circulation rate R when the supply gas flow rate Qin increases tends to increase as the diameter increases.

【0039】また、図3(a)に示すように、水素ガス
供給系の供給圧はシステムにより規定されており、ガス
流量を確保しつつ、供給側接続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。そのため循環開
始の供給流量を低流量側にしたいという観点からは径が
小さな方が良い特性を示すものの、供給可能ガス量が充
分に確保できないことになる。
Further, as shown in FIG. 3 (a), the supply pressure of the hydrogen gas supply system is regulated by the system, and the maximum pressure that can be supplied to the supply side connection port is Pinmax limited while ensuring the gas flow rate. Will be received. Therefore, from the viewpoint of lowering the supply flow rate at the start of circulation, the smaller the diameter, the better the characteristics, but the amount of gas that can be supplied cannot be secured sufficiently.

【0040】よって、車両停止時等のアイドル状態で必
要となるシステムの最小負荷時の供給水素ガス流量Qmi
nから高速走行時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流量Qmaxまでの流量範囲が非常
に広いような場合は、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Rmin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 supply hydrogen gas flow rate Qmi at the time of the minimum load of the system which is required in the idle state such as when the vehicle is stopped.
When the flow rate range from n to the supply hydrogen gas flow rate Qmax at the maximum load of the system required at high speed running or acceleration is very wide, the circulation ratio necessary to maintain a good power generation state of the stack It is difficult to maintain Rmin with one nozzle.

【0041】図4には本実施形態で用いたエゼクタの特
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で第1ノズル21から循環系に供
給できるガス流量Q1までの間は、第1の状態として、
図4の破線で示した循環比Rを確保している。
FIG. 4 shows the characteristics of the ejector used in this embodiment as in FIG. First, from the gas flow rate Qmin corresponding to the minimum operation load of the system to the gas flow rate Q1 that can be supplied from the first nozzle 21 to the circulation system at the maximum pressure Pinmax that can be applied to the ejector upstream, the first state is set.
The circulation ratio R shown by the broken line in FIG. 4 is secured.

【0042】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、第2の状態として、第2供給口
10に原燃料ガスの供給を行い、第2供給口10のガス
圧力を制御することで、第1ノズル21では不足する原
燃料ガスを大径のノズルとして作用する第2ノズル25
から供給する。このとき、第2ノズル25は第1供給口
9および第2供給口10の圧力がともにPinmaxとなっ
た場合に、最大発電要求時に必要となる原燃料ガス量Q
max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, as the second state, the raw fuel gas is supplied to the second supply port 10, and the gas of the second supply port 10 is supplied. By controlling the pressure, the second nozzle 25 that acts as a large-diameter nozzle for the raw fuel gas that is insufficient in the first nozzle 21
Supplied from At this time, in the second nozzle 25, when both the pressures of the first supply port 9 and the second supply port 10 become Pinmax, the amount of raw fuel gas Q required for maximum power generation request Q
It has a diameter that can supply max.

【0043】第2の状態の場合の循環比Rは一点鎖線で
示した値となるため、システムの要求負荷に応じて、第
1、第2の状態を切替えることで、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。
Since the circulation ratio R in the second state is the value shown by the alternate long and short dash line, by switching between the first and second states in accordance with the load demanded by the system, all stack operating regions can be operated. The required circulation ratio Rmin can be secured.

【0044】次に、図5、図6を参照して、本実施形態
における流路切替弁及び圧力調整弁の制御フローを説明
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6の弁下流圧tPrsHe、及び流路切替えの状態
を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 flow of the flow path switching valve and the pressure adjusting valve in this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 5 shows how to control the valve downstream pressure tPrsHe of the pressure regulating valve 6 and the flow path switching state in order to realize the fuel cell power generation target value tPWR given from various vehicle conditions. 6 is a control flowchart shown in FIG.
Shows a graph showing examples of various tables referred to in the control flow.

【0045】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19の測定値tPrsHO,及び圧力セン
サ20の測定値tPrsHeO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 tPrsHO of the pressure sensor 19 and the measured value tPrsHeO of the pressure sensor 20 are 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.
Is calculated. In this calculation, the fuel gas pressure target value tPrsH with respect to the generated power target value tPWR as shown in FIG. 6 (a) is given in a table, and as the power generation target value of the fuel cell, that is, the load increases, the fuel gas at the fuel electrode is increased. The pressure is set to increase.

【0046】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tPrsHOのと差圧tPrsHd=tPrsH−tPrsHOを算
出し、圧力調整弁6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
2. The fuel gas pressure target value tPrsH at the fuel electrode 2 obtained in 2 and the current fuel gas pressure tPrsHO at the fuel electrode 2 obtained from the pressure sensor 20 and the differential pressure tPrsHd = tPrsH-tPrsHO are calculated to adjust the pressure. The condition value is used to determine the basic pattern of control of the valve 6.

【0047】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6の目
標開度tArVを設定可能な最大値tArVmaxに設定し、次
いでステップS20で遮断弁18の開閉制御を行う信号
tSVを開指令となる状態値とし、かつ3方弁16の切替
え指令値t3WVをエゼクタ7の第3供給口11側へ連通
する指令となる状態値として、第2の状態となるように
流路切替えシーケンスに情報を発信する。
Step S16 is a step of determining whether or not the load demand on the fuel cell has rapidly increased. 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 opening degree tArV of the valve 6 is set to a maximum value tArVmax that can be set, and then the signal tSV for controlling the opening / closing of the shutoff valve 18 is set as a state value to be an open command and the switching command value of the three-way valve 16 is set. Information is transmitted to the flow path switching sequence so as to be in the second state by using t3WV as a state value which is a command for communicating with the third supply port 11 side of the ejector 7.

【0048】ステップS16でtPrsHd<tPrsHdHと判
断された場合は、ステップS22へ進み、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tPrsHdL以
下の場合はステップS24へ進み、圧力調整弁6の目標
開度tArVを設定可能な最小値tArVmin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
発信し、次いでステップS26で遮断弁18の開閉制御
を行う信号tSVを閉指令となる状態値とし、かつ3方弁
16の切替え指令値t3WVをエゼクタ7の第2供給口1
0側へ連通する指令となる状態値として、第1の状態と
なるように流路切替えシーケンスに情報を発信する。
When it is judged at step S16 that tPrsHd <tPrsHdH, the routine proceeds to step S22, where it is judged whether or not the load demand is reduced and it is necessary to control the opening of the purge valve 15. If tPrsHd is less than or equal to a predetermined negative value tPrsHdL, the process proceeds to step S24, where the target opening tArV of the pressure adjusting valve 6 is set to the settable minimum value tArVmin, and the purge valve 15 is controlled to open. Information is transmitted, and then the signal tSV for controlling the opening / closing of the shutoff valve 18 is set to the state value which is the closing command, and the switching command value t3WV of the three-way valve 16 is set to the second supply port 1 of the ejector 7 in step S26.
Information is transmitted to the flow path switching sequence so as to be in the first state as a state value which is a command to communicate with the 0 side.

【0049】ステップS22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S2
8へ進み、流路切替え状態が第1の状態とするか否かを
判定する。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19で測定された第1供給口9
における原燃料ガス圧力の値tPrsHeOが供給可能最高圧
であるtPrsHemaxより小さな場合は、ガス流路を第1の
状態にすると判定し、ステップS30へ進む。
When it is judged at step S22 that tPrsHd> tPrsHdL, it is judged as the normal control state, and step S2
In step 8, it is determined whether or not the flow path switching state is the first state. The first supply port 9 whose tPrsH is smaller than the predetermined switching pressure tPrsH1 and which is measured by the pressure sensor 19.
When the value tPrsHeO of the raw fuel gas pressure at is smaller than the maximum supplyable pressure tPrsHemax, it is determined that the gas flow path is in the first state, and the process proceeds to step S30.

【0050】ステップS30では発電電力目標値tPWR
を実現するために必要な燃料極での圧力目標値tPrsHと
なるように、第1供給口9での圧力目標値tPrsHeを演
算している。圧力目標値tPrsHeは、圧力調整弁6から
スタック1の燃料極2電池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電池燃料極ガス圧力に加えた値と
して演算する必要があり、図6(b)のようにあらかじ
め計算してテーブル値として参照する形式の方が良い。
In step S30, the generated power target value tPWR
The target pressure value tPrsHe at the first supply port 9 is calculated so that the target pressure value tPrsH at the fuel electrode necessary to achieve The target pressure value tPrsHe is calculated in advance according to the flow rate of the pressure loss in the fuel gas flow path from the pressure regulating valve 6 to the fuel electrode 2 cell of the stack 1, and the fuel cell fuel electrode targeting the pressure loss is calculated. It is necessary to calculate as a value added to the gas pressure, and it is better to use a form in which it is calculated in advance and referred to as a table value as shown in FIG.

【0051】次いでステップS32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6の絞り面積tArVmをtPrsHeに応じて演算する。こ
の演算は、図6(c)に示すようなテーブルで与えら
れ、圧力目標値tPrsHeが増えるに従い絞り面積tArVm
も増加する。
Next, at step S32, the throttle area tArVm of the basic pressure regulating valve 6 is calculated according to tPrsHe so that the fuel gas flow rate according to the fuel load can be obtained. This calculation is given in the table as shown in FIG. 6C, and the throttle area tArVm increases as the target pressure value tPrsHe increases.
Also increases.

【0052】次いでステップS34で、遮断弁18の開
閉制御を行う信号tSVを閉指令となる状態値とし、かつ
3方弁16の切替え指令値t3WVをエゼクタ7の第2供
給口10側へ連通する指令となる状態値として、第1の
状態となるように流路切替えシーケンスに情報を発信し
て、後述するステップS42へ進む。
Next, at step S34, the signal tSV for controlling the opening / closing of the shutoff valve 18 is set to a state value which serves as a closing command, and the switching command value t3WV of the three-way valve 16 is communicated with the second supply port 10 side of the ejector 7. Information is transmitted to the flow path switching sequence so that the state value becomes the first state as the command state value, and the process proceeds to step S42 described later.

【0053】一方、ステップS28で、tPrsHがtPrsH
1以上、またはtPrsHOがtPrsHemaxとなっていると判
断された場合は、流路切替え状態を第2の状態とすると
判断し、ステップS36へ進む。
On the other hand, in step S28, tPrsH is tPrsH.
When it is determined that the value is 1 or more or tPrsHO is tPrsHemax, it is determined that the flow path switching state is the second state, and the process proceeds to step S36.

【0054】ステップS36ではステップS30と同様
に、tPrsHの演算をマップを用いてtPrsHeの演算を行
うが、ここで使用するマップは図6(c)に示すように
水素ガス供給ノズル径が大きくなったことに対応したも
のとなっている。次いで、ステップS38ではステップ
S32と同様に、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6の絞り面積tArVmを
tPrsHeに応じて演算する。ここで参照するテーブル
は、ノズル径が大きくなったことに対応した図6(e)
のようなテーブルである。
In step S36, similarly to step S30, tPrsH is calculated using a map, and the map used here has a large hydrogen gas supply nozzle diameter as shown in FIG. 6 (c). It corresponds to that. Next, in step S38, similarly to step S32, the throttle area tArVm of the basic pressure adjusting valve 6 is calculated according to tPrsHe so that the fuel gas flow rate according to the fuel load can be obtained. The table referred to here is shown in FIG. 6 (e) corresponding to the increase in the nozzle diameter.
It is a table like.

【0055】ステップS40では、ステップS20と同
様に、遮断弁18の開閉制御を行う信号tSVを開指令と
なる状態値とし、かつ3方弁16の切替え指令値t3WV
をエゼクタ7の第3供給口11側へ連通する指令となる
状態値として、第2の状態となるように流路切替えシー
ケンスに情報を発信して、ステップS42へ進む。
In step S40, as in step S20, the signal tSV for controlling the opening / closing of the shutoff valve 18 is set to a state value which is an open command, and the switching command value t3WV of the three-way valve 16 is set.
Is used as a state value which is a command to communicate with the third supply port 11 side of the ejector 7, and information is transmitted to the flow path switching sequence so as to be in the second state, and the process proceeds to step S42.

【0056】ステップS42では、ステップS32また
はステップS36で演算されたtArVmに対し、圧力セン
サ19で測定した実際の第1供給口9の圧力tPrsHeO
と、圧力センサ20の測定値とステップ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9の圧力が目標値となるように最終的な絞り面
積tArVを算出する。
In step S42, the actual pressure tPrsHeO of the first supply port 9 measured by the pressure sensor 19 is compared with tArVm calculated in step S32 or step S36.
And a correction term α determined from the difference between the measured value of the pressure sensor 20 and the target value tPrsH determined in step S12, and the final throttle area tArV is set so that the pressure of the first supply port 9 becomes the target value. calculate.

【0057】以上、ステップS18、ステップS24、
ステップS42のいずれかにより、圧力調整弁6の絞り
面積が決定され、ステップS44で圧力調整弁6の制御
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 S24,
The throttle area of the pressure adjusting valve 6 is determined by any of step S42, the control information of the pressure adjusting valve 6 is transmitted to the pressure adjusting mechanism controller in step S44, and the control flow ends.

【0058】なお、本実施形態では弁18は遮断弁とし
ていたが、これを圧力調整弁とすると請求項4の第2の
圧力調整弁として作用し、第1ノズル部と第2ノズル部
の原燃料ガス圧力を個別に制御可能となり、原燃料ガス
の供給量の制御性を良好に維持したまま、広い運転領域
において排出循環ガス量を維持することが可能となる。
In this embodiment, the valve 18 is a shutoff valve, but if this valve is used as a pressure regulating valve, it acts as a second pressure regulating valve according to claim 4, and the original nozzles of the first nozzle portion and the second nozzle portion are actuated. The fuel gas pressure can be controlled individually, and the exhaust gas circulation amount can be maintained in a wide operating range while maintaining good controllability of the raw fuel gas supply amount.

【0059】次に、本発明における第2実施形態につい
て、図7を用いて説明する。第1実施形態においては、
第2供給口10へ原燃料ガスと排出循環ガスの供給切替
えを遮断弁18と3方弁16を用いたものに対し、第2
実施形態では、1つの切替え弁39を用いることで、第
1実施形態と同様な流路切替えを可能にしたものであ
り、流路切替え制御を簡便に行うことが可能となる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the first embodiment,
In contrast to the case where the shutoff valve 18 and the three-way valve 16 are used to switch the supply of the raw fuel gas and the exhaust circulation gas to the second supply port 10,
In the embodiment, by using one switching valve 39, the same flow passage switching as in the first embodiment is possible, and the flow passage switching control can be easily performed.

【0060】切替え弁39には、4つの接続口を持つボ
ディ部40と、内部に2つの流路42および43が形成
され、ボディ部40の内部に回転可能に包括されたボー
ル部41からなる。
The switching valve 39 includes a body portion 40 having four connection ports, and two flow passages 42 and 43 formed therein, and a ball portion 41 rotatably included in the body portion 40. .

【0061】ボディ部40の4つの接続口は、分岐部8
と接続された原燃料ガス供給用の接続口44aと、燃料
極2の下流にある分岐部14と接続された排出循環ガス
供給用の接続口44bと、エゼクタ7の第2供給口10
と接続されたガス排出用の接続口45aと、エゼクタ7
の第3供給口11と接続されたガス排出用の接続口45
bとが設けられている。
The four connection ports of the body portion 40 are connected to the branch portion 8
And a connection port 44a for supplying the raw fuel gas, a connection port 44b for supplying the exhaust circulation gas connected to the branch portion 14 located downstream of the fuel electrode 2, and a second supply port 10 of the ejector 7.
A gas discharge connection port 45a connected to the ejector 7
Connection port 45 for gas discharge connected to the third supply port 11 of
b and are provided.

【0062】第1の状態では、図7(a)に示されてい
るように、ボール部41の流路42が接続口44bと接
続口45aを連通せしめ、エゼクタ7の第2供給口10
に排出循環ガスを供給する。そのとき、流路43はボデ
ィ部40の残りの接続口44aと接続口45bを閉鎖す
るような位置に配置されている。
In the first state, as shown in FIG. 7A, the flow path 42 of the ball portion 41 makes the connection port 44b and the connection port 45a communicate with each other, and the second supply port 10 of the ejector 7 is connected.
Supply the exhaust circulation gas to. At that time, the flow path 43 is arranged at a position so as to close the remaining connection ports 44a and 45b of the body portion 40.

【0063】一方、第2の状態では、図7(b)に示さ
れているように、ボール部41が90°左に回転した状
態となるように制御する。この時、流路42は接続口4
4aと接続口45aを連通せしめ、エゼクタ7の第2供
給口10に水素ガスを供給するとともに、流路43は接
続口44bと接続口45bを連通せしめて、エゼクタ7
の第3供給口11に排出循環ガスを供給することが可能
となる。
On the other hand, in the second state, as shown in FIG. 7B, the ball portion 41 is controlled so as to be rotated to the left by 90 °. At this time, the flow path 42 is connected to the connection port 4
4a and the connection port 45a are communicated with each other, hydrogen gas is supplied to the second supply port 10 of the ejector 7, and the flow path 43 communicates the connection port 44b and the connection port 45b with each other.
The exhaust circulation gas can be supplied to the third supply port 11.

【0064】以上の構成で、ボール部41のボディ部4
0に対する回転位置を制御するのみで、第1実施形態と
同様な流路切替えを1つの動作で行えるようになる。
With the above configuration, the body portion 4 of the ball portion 41
Only by controlling the rotational position with respect to 0, the flow passage switching similar to that of the first embodiment can be performed by one operation.

【0065】以上説明したように本発明によれば、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。
As described above, according to the present invention, 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.

【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第1の実施形
態の構成を説明するシステム構成図である。
FIG. 1 is a system configuration diagram illustrating a configuration of a first embodiment of a fuel cell system according to the present invention.

【図2】本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 an internal structure of an ejector in the present embodiment.

【図3】(a)小型エゼクタおよび大型エゼクタの供給
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)小型エゼクタおよび大型エゼクタの供給ガス
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 ejector and a large ejector. (B) It is a figure explaining the circulation ratio characteristic with respect to the supply gas flow volume of a small ejector and a large ejector.

【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】第1の実施形態における圧力調整弁及びガス流
路の第1状態、第2状態切替制御を説明するフローチャ
ートである。
FIG. 5 is a flow chart illustrating a first state / second state switching control of the pressure regulating valve and the gas passage according to the first embodiment.

【図6】制御フロー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。
FIG. 6 is a graph showing an example of various tables referred to in the control flow.

【図7】(a)第2の実施形態における第1状態の要部
を説明する構成図である。(b)第2の実施形態におけ
る第2状態の要部を説明する構成図である。
FIG. 7A is a configuration diagram illustrating a main part in a first state according to the second embodiment. (B) It is a block diagram explaining the principal part of the 2nd state in 2nd Embodiment.

【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 6…圧力調整弁 7…エゼクタ循環装置 9…第1供給口 10…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 16…3方弁 17…分岐部 18…遮断弁 19…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 6 ... Pressure control valve 7 ... Ejector circulation device 9 ... First supply port 10 ... Second supply port 11 ... Third supply port 12 ... outlet 13 ... Humidifier 14 ... Branch 15 ... Purge valve 16 ... 3-way valve 17 ... Branch 18 ... Shut-off valve 19 ... Pressure sensor 20 ... Pressure sensor

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/04 H01M 8/04 N ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/04 H01M 8/04 N

Claims (5)

【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循環ガスと水素濃度
の高い原燃料ガスとを混合して燃料ガスとするエゼクタ
循環装置と、該エゼクタ循環装置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、 前記エゼクタ循環装置は、第1供給口、第2供給口、及
び第3供給口の少なくとも2つから供給される流体を混
合して排出口から排出するものであり、 第1供給口に接続した第1ノズルが第1混合室に向かっ
て開口し、 第1混合室に第2供給口が開口するとともに、第1ノズ
ルの噴出方向前方に第1混合室から第2混合室に向かっ
て第1ノズルより断面積が大きい第2ノズルが設けら
れ、 第2混合室に第3供給口が開口するとともに、第2混合
室がスロート部、ディフューザ部を順次介して前記排出
口に連通し、 第1供給口に原燃料ガスを供給し、第2供給口には原燃
料ガスおよび排出循環ガスのいずれかを切替可能に供給
し、第2供給口に原燃料ガス供給時には第3供給口に排
出循環ガスを供給するように制御することを特徴とする
燃料電池システム。
1. A fuel cell main body having a fuel electrode and an air electrode, and an ejector circulation device that mixes an exhaust circulation gas discharged from the fuel electrode and a raw fuel gas having a high hydrogen concentration into a fuel gas. In a fuel cell system having a flow path for supplying the fuel gas mixed by the ejector circulation device to the fuel electrode, the ejector circulation device includes at least a first supply port, a second supply port, and a third supply port. The fluid supplied from the two is mixed and discharged from the discharge port. The first nozzle connected to the first supply port opens toward the first mixing chamber and the second supply port is provided in the first mixing chamber. And a second nozzle having a larger cross-sectional area than the first nozzle from the first mixing chamber toward the second mixing chamber is provided in front of the ejection direction of the first nozzle, and the third supply port is provided in the second mixing chamber. With the opening, the second mixing chamber The raw fuel gas is supplied to the first supply port, and either the raw fuel gas or the exhaust circulation gas is switchably supplied to the second supply port through the funnel part and the diffuser part in order to communicate with the discharge port. The fuel cell system is characterized in that when the raw fuel gas is supplied to the second supply port, the exhaust circulation gas is supplied to the third supply port.
【請求項2】 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、第1供給口から原燃料ガスを供給し、
第2供給口から排出循環ガスを供給し、第3供給口に排
出循環ガスを供給する配管を遮断する第1の状態で運転
し、 燃料電池システムの出力が所定値以上となる高負荷時に
は、第1供給口、第2供給口の少なくとも一方より原燃
料ガスを供給し、第3供給口から排出循環ガスを供給す
る第2の状態で運転する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 raw fuel gas is supplied from the first supply port when the load of the output of the fuel cell system is lower than a predetermined value,
When operating under the first condition in which the exhaust circulation gas is supplied from the second supply port and the pipe for supplying the exhaust circulation gas to the third supply port is cut off, and the output of the fuel cell system is a predetermined value or more, The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is operated in a second state in which the raw fuel gas is supplied from at least one of the first supply port and the second supply port and the exhaust circulation gas is supplied from the third supply port. system.
【請求項3】 燃料電池システムの出力が増加する過渡
時には第2の状態で運転することを特徴とする請求項2
に記載の燃料電池システム。
3. The fuel cell system is operated in the second state during a transition of increasing output of the fuel cell system.
The fuel cell system according to 1.
【請求項4】 第1供給口に原燃料ガスを供給する配管
に第1の圧力調整弁を設けるとともに、第2供給口に原
燃料ガスを供給する配管に第2の圧力調整弁を設け、第
1供給口に供給する原燃料ガスの圧力と、第2供給口に
供給する原燃料ガスの圧力とを独立に制御可能としたこ
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. A first pressure adjusting valve is provided on a pipe for supplying raw fuel gas to the first supply port, and a second pressure adjusting valve is provided on a pipe for supplying raw fuel gas to the second supply port. 4. The pressure of the raw fuel gas supplied to the first supply port and the pressure of the raw fuel gas supplied to the second supply port can be controlled independently of each other. The fuel cell system according to item.
【請求項5】 第1供給口、第2供給口、及び第3供給
口の少なくとも2つから供給される流体を混合して排出
口から排出するエゼクタ循環装置であって、 第1供給口に接続した第1ノズルが第1混合室に向かっ
て開口し、 該第1混合室に第2供給口が開口するとともに、第1混
合室から第2混合室に向かって第1ノズルより断面積が
大きい第2ノズルが開口し、 第2混合室に第3供給口が開口するとともに、第2混合
室がスロート部、ディフューザ部を順次介して前記排出
口に接続されたことを特徴とするエゼクタ循環装置。
5. An ejector circulation device that mixes fluids supplied from at least two of a first supply port, a second supply port, and a third supply port and discharges the mixture from a discharge port. The connected first nozzle opens toward the first mixing chamber, the second supply port opens at the first mixing chamber, and the cross-sectional area from the first nozzle toward the second mixing chamber is larger than that of the first nozzle. A large second nozzle is opened, a third supply port is opened in the second mixing chamber, and the second mixing chamber is connected to the discharge port through the throat part and the diffuser part in order, and the ejector circulation. apparatus.
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