【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムのガス循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、特許文献１に記載のものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−４２５００号公報
【０００４】
これは、２以上のイジェクタを連設する際に、各イジェクタの吸込口につながるポート内に、吸込口から作動流体が流れ出さないように逆流防止手段を備えている。これにより各イジェクタでの吸込み性能の低下を防ぎ、より多くのガスを排出できるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来のものでは、作動流体の逆流防止手段として、ばね力によって弁体をシート部に押し付ける一般的な逆止弁を用いた場合、作動流体が順方向に流れる際に、上記のばね力を上回る前後差圧が常に発生することになる。
【０００６】
このような前後差圧による大きな圧力損失は、イジェクタの吸込み性能を大きく低下させてしまう。この結果、イジェクタからの排出流量が低下し、燃料電池に適用した場合には、供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比であるストイキ比が小さくなり、燃料電池システムの運転性が低下する。
【０００７】
そこで、この発明は、逆止弁の順方向流れの圧力損失を最小限に抑えて、燃料電池に供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比を大きくし、燃料電池システムの運転性を向上させることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、電解質膜を燃料極と酸化剤極との間に配置した単電池を有する燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記燃料電池で余った燃料ガスを外部に排出する燃料排出管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、前記燃料電池で余った酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤排出管と、前記燃料排出管あるいは前記酸化剤排出管から前記燃料電池外に排出した余剰の燃料ガスあるいは酸化剤ガスを、再度前記燃料電池の入口側に送り込む互いに並列配置された複数のガス循環ポンプおよびガス循環配管と、前記ガス循環配管の途中または、前記燃料供給管あるいは酸化剤供給管の途中のいずれかに配置されて順方向流れで連通する一方、逆方向流れで遮断する逆止弁と、をそれぞれ備え、前記逆止弁は、弁ケース内部に重力の作用により移動可能な弁体部を有し、この逆止弁を、順方向流れの向きが重力の作用の方向とほぼ逆になるように配置した構成としてある。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、弁ケース内部に重力の作用により移動可能な弁体部を有する逆止弁を、順方向流れの向きが重力の作用の方向とほぼ逆になるように配置したので、内部にばね要素を持たない逆止弁を用いることができて、逆止弁における順方向流れの圧力損失を最小限に抑えることができ、燃料電池に供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比が大きくなり、燃料電池システムの運転性を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１２は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単電池１の構成を示している。この単電池１の中心に、イオン導電性を有する電解質膜としての固体高分子膜３を配置し、その両側に、燃料極であるアノード電極５と、酸化剤極であるカソード電極７とをそれぞれ配置する。
【００１２】
アノード電極５およびカソード電極７のそれぞれの外側には、アノード電極５に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝９およびカソード電極７に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１１を設ける。さらに各供給溝９および１１の外側には、導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ１３およびカソードセパレータ１５をそれぞれ配置し、アノードセパレータ１３のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ１７を配置する。
【００１３】
そして、上記した水セパレータ１７のさらに外側に、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、燃料電池の温度を適正に保つための冷却水を流す冷却水供給溝１９を設ける。
【００１４】
以上のような固体高分子電解質型の燃料電池においては、アノード電極５に燃料ガスを、カソード電極７に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単電池１における一対の電極間での電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。
【００１５】
アノード反応： Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ−
カソード反応： ２Ｈ＋ ＋ （１／２）Ｏ２ ＋ ２ｅ− → ２Ｈ２Ｏ
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素を使用し、酸化剤ガスとしては空気を使用するが、まず、アノード電極５に水素、カソード電極７に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極５では、供給された水素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜３を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極７に移動する。
【００１６】
一方、カソード電極７においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極５およびカソード電極７においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は未反応ガスとともに電池外に排出される。
【００１７】
ところで、単電池１の起電力は１Ｖ以下と低いため、数十〜数百枚の単電池１を積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックによる発電を行なっている。
【００１８】
固体高分子膜３としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸膜（Ｎａｆｉｏｎ：米国デュポン社の登録商標）が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能するとともに、燃料と酸化剤とを分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤とが混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜３は飽和含水としておくことが望ましい。
【００１９】
発電によりアノード電極５で分離した水素イオンが、固体高分子膜３を通りカソード電極７に移動するときに、水も一緒に移動するために、アノード電極５側では固体高分子膜３は乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜３は乾燥する傾向にある。
【００２０】
上記の理由から、予め加湿した燃料と酸化剤を供給すること、もしくは燃料電池内で反応生成された水を使っての固体高分子膜３の湿潤を行う。
【００２１】
また、上記の積層された燃料電池スタックの各単電池１に、反応ガスを不足しないように充分な量を供給してすべての単電池１での高い発電効率を維持するためには、実際に電気化学反応に必要な反応ガス量より多くの反応ガスを、燃料電池スタックに供給する必要がある。
【００２２】
このとき余剰のガスが燃料電池スタックから排出されることになるが、これを未利用のまま無駄に捨てるのではなく、ガス循環経路を設けて再び燃料電池スタック入口側に戻すことで、燃料消費率を悪化させずに燃料電池スタックへの流入反応ガス量を確保する方法をとる。
【００２３】
また、上記の必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量との比のことを、「ストイキ比」と呼んでおり、上記の説明のようにこの「ストイキ比」は、１以上の値をとるのが普通であり、それを確保するために本燃料電池システムでは、ガス循環ポンプを使用する。
【００２４】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【００２５】
高圧燃料ガスタンク２１から高圧の燃料ガスを取り出し、圧力調整弁２３で適正な圧力まで減圧する。この減圧した燃料ガスを、燃料供給管２５を通じて燃料電池スタック２７の燃料極へと供給するとともに、図には示されていないが空気などの酸化剤ガスも酸化剤ガス供給管を通じて燃料電池スタック２７の酸化剤極に送り込む。これにより、電池内部での電気化学的反応により燃料ガスの持つ化学結合のエネルギが電気エネルギに変換される。
【００２６】
電気化学的反応に携わらなかった余剰の燃料ガスおよび酸化剤ガスは燃料電池スタック２７から、燃料排出管２９および図示しない酸化剤排出管からそれぞれ排出される。そして、本実施形態では、上記した燃料排出管２９と燃料供給管２５とを、ガス循環配管３１で接続し、上記した余剰の燃料ガスをこのガス循環配管３１を通して燃料供給配管２５に戻している。
【００２７】
なお、ここでは、燃料ガスを、ガス循環配管３１を通じて燃料供給配管２５を経て燃料電池スタック２７に戻す例を示しているが、酸化剤ガスについても、以下に説明する燃料ガスの場合と同様にして燃料電池スタック２７に戻すことができる。
【００２８】
ガス循環配配管３１は、燃料排出管２９側の共通配管３３と、この共通配管３３と燃料供給配管２５とを並列に接続する２本の並列配管３５，３７とを有する。各並列配管３５，３７には、燃料電池スタック２７から排出した燃料ガスを吸入して燃料供給管２５側に吐出するガス循環ポンプ３９，４１をそれぞれ配置してある。
【００２９】
すなわち、この第１の実施形態は、燃料排出管２９から燃料電池スタック２７外に排出した余剰の燃料ガスを、再び燃料電池スタック２７の入口側に送り込むための複数のガス循環ポンプ３９，４１およびガス循環配管３１を有する。
【００３０】
なお、上記した各ガス循環ポンプ３９，４１は、一方の例えばガス循環ポンプ３９を小流量タイプとし、他方のガス循環ポンプ４１を大流量タイプとする。
【００３１】
さらに、上記した各並列配管３５，３７には逆止弁４３，４５を設置している。この逆止弁４３，４５は、燃料ガスの順方向流れの向き（図１中で矢印ａ，ｂで示す上向き）が、重力が作用する向き（図１中で矢印ｇで示す下向き）とほぼ逆になるように配置してある。
【００３２】
また、共通配管３３と燃料排出管２９との接続部より下流側の燃料排出管２９には、パージ弁４７を設けてある。このパージ弁４７は、燃料電池スタック２７内のガス通路のパージが必要になった場合に開くことによって、燃料電池スタック２７内のガス通路の水閉塞を防ぐ役目を果たす。
【００３３】
図２は、上記した逆止弁４３，４５の内部構造を示す斜視図である。
【００３４】
余剰燃料ガスは流入管４９から弁ケース５１に入り、流出管５３に出ていくことになるが、これが流れの順方向であり、この流れの順方向が、重力の作用の方向とほぼ逆になるように全体を固定してある。
【００３５】
弁ケース５１は、円筒部５１ａと、円筒部５１ａの上下両端に装着してある端板５１ｂ，５１ｃとを備えて全体として円筒形状となっている。そして、各端板５１ｃおよび５１ｂに、前記した流入管４９および流出管５３をそれぞれ接続する。下部の端板５１ｃには、流入管４９に連通する貫通孔５５を形成するとともに、上部の端板５１ｂについても、図示していないが流出管５３に連通する貫通孔を形成してある。
【００３６】
弁ケース５１の内部には、逆方向の流れ（図２中で下方に向く流れ）を防止するための弁体部としての弁本体５７を収容してある。弁本体５７は、図２中で下部側が先細となる円錐弁部５９を備え、この円錐弁部５９の上部には円板部６１を設けてある。
【００３７】
上記した弁本体５７の中心部には、上部の円板部６１側からガイド棒挿入孔６１ａを設けてあり、このガイド棒挿入孔６１ａには、弁ケース５１側に後述する方法で固定してあるガイド棒６３を挿入してあり、弁本体５７は、このガイド棒６３に沿って図２中で上下に移動可能である。ガイド棒６３は、その上端を、弁ケース５１の上部内面に固定してあるガイド棒取付具６５の中心部に固定してある。すなわち、このガイド棒６３は、逆止弁内部の中心軸上にて弁ケース５１に固定してある。
【００３８】
弁本体５７は、重力によってガイド棒６３に沿って下方に移動し、円錐弁部５９の先端側が端板５１ｃに形成してある貫通孔５５に入り込み、その周囲の弁シート６７に密着することで、図２中で下方に向かう逆方向流れが阻止される。この弁シート６７と円錐弁部５９との間のすき間面積が、燃料ガスの順方向の通過流量に応じて弁本体５７が上下にスライドすることで変化することになる。
【００３９】
燃料ガスの順方向流れの流路抵抗をできるだけ少なくするためには、可動部である弁本体５７を、軽金属や樹脂などの比重の小さい材質で成型した部品とすることが望ましい。
【００４０】
図３は、上記した第１の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置におけるガス循環ポンプ３９，４１の動きを制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００４１】
まず、燃料電池スタック２７へ循環する燃料ガスの流量が小さい場合には、小流量タイプのガス循環ポンプ（以下小流量ポンプとする）３９のみを稼動させ、その回転数を制御することで循環流量を調整する（ステップ３０１）。次に、小流量ポンプ３９の安定吐出可能流量の上限に到達、つまりポンプの回転数が許容最大値に到達したかを判定する（ステップ３０３）。
【００４２】
ここで、最大値に達していない場合には、引き続き小流量ポンプ３９のみの流量調整が可能であるとして、上記ステップ３０１に戻って流量調整を継続する。逆に、最大値に達している場合は、小流量ポンプ３９では要求循環流量が確保できないため、小流量ポンプ３９を停止するとともに、その代わりに大流量タイプのガス循環ポンプ（以下大流量ポンプとする）４１の運転を開始する（ステップ３０５）。
【００４３】
そして、大流量ポンプ４１の回転数を制御することで循環流量を調整し（ステップ３０７）、その後大流量ポンプ４１の安定吐出可能流量が下限値に到達、つまりポンプの回転数が許容下限値に到達したかを判定する（ステップ３０９）。ここで、また下限値に達していない場合は、引き続き大流量ポンプ４１での流量制御が可能であるとして上記ステップ３０７に戻って流量調整が継続する。逆に、下限値に達している場合には、大流量ポンプ４１を停止し、前記ステップ３０１に戻って再び小流量ポンプ３９のみでの流量調整に移行する。
【００４４】
そして、各ポンプ９１，４１を駆動して燃料ガスを順方向に流す際には、図２に示してある逆止弁４３，４５において、燃料ガスの圧力により弁本体５７が上昇し、円錐弁部５９が弁シート６７から離れることになる。
【００４５】
上記した第１の実施形態によれば、逆止弁４３，４５は、弁本体５７が、重力によって弁シート６７に密着する状態から、燃料ガス圧によって上昇移動するものであり、内部にばね要素を一切持たない構造であるため、逆止弁４３，４５の順方向の圧力損失は最小限に抑えることができる。
【００４６】
この結果、燃料電池スタック２７に供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比、すなわち「ストイキ比」を大きくして燃料電池システムの運転性を向上させることができる。
【００４７】
また、複数のガス循環ポンプ３９，４１の組み合わせにより、幅広い流量範囲にわたってのガス循環を実現することができる。
【００４８】
さらに、逆止弁４３，４５として、ばね要素を持たずに重力のみでシールするようなボールチェック弁を用いた場合には、圧力損失は最小限に抑えることができるが、逆止弁の設置の向きが多少変化した場合や、移動体適用時などで前後左右の慣性力が作用する環境下に置かれた場合などには、ボールがシール位置に完全に戻ることが難しく、つまり逆方向のシール性能が低下してしまい、ガス循環配管を逆流する流れが発生して、ガス循環ポンプからの排出流量が低下し、ストイキ比を高く維持できることが困難となる。
【００４９】
一方、本実施形態では、逆止弁４３，４５の設置向きが多少変化した場合や、前後左右に慣性力が作用する環境下で使用される場合でも、弁ケース５１内部のガイド棒６３に沿うように弁本体５７の運動の方向を制限できる。このため、逆方向の密閉を確実に行えるようになって並列配管３５または３７中のガスの逆流をほぼ完全に阻止すること、言い換えればポンプから吐出された燃料ガスを、燃料電池スタック２７へ確実に送り込むことができる。
【００５０】
したがって、どのような運転状態、環境条件下においても高いストイキ比を維持することが可能となり、結果的に燃料電池システムの運転性、信頼性の向上が可能となる。
【００５１】
さらに、上述のような逆止弁４３，４５は、電制弁のように外部からの電力供給を必要としないことから、消費電力の低減、装置の簡素化をも可能とする。
【００５２】
なお、上記した実施形態では、ガス循環配管として二つの並列配管３５，３７を設けるとともに、二つのガス循環ポンプ３９，４１を設ける構成としたが、それぞれ三つ以上設ける燃料電池システムにも適用できる。
【００５３】
図４は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【００５４】
本実施形態では、２系統の燃料供給管６９，７１を互いに並列に設け、この燃料供給管６９，７１と、ガス循環配管３１の並列配管３５，３７との各接続部に、イジェクタ７３，７５を、前記図１のガス循環ポンプ３９，４１に代えて設置してある。このイジェクタ７３，７５は、ノズルで高速噴流を作り出してその周囲に発生する負圧を利用してガスを吸引するものであり、各イジェクタ７３，７５へのガス供給口の上流側の燃料供給管６９，７１には、遮断弁７７，７９をそれぞれ取り付けてある。その他の構成は、前述の第１の実施形態と同じである。
【００５５】
なお、上記した各イジェクタ７３，７５は、一方の例えばイジェクタ７３を小流量タイプとし、他方のイジェクタ７５を大流量タイプとする。
【００５６】
図５は、上記した第２の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置における遮断弁７７，７９の動きを制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００５７】
まず、燃料電池スタック２７へ循環する流量が小さい場合には、小流量タイプのイジェクタ（以下小流量イジェクタとする）７３のみを利用するため、遮断弁７７を開、遮断弁７９は閉としてガス循環をさせる（ステップ５０１）。
【００５８】
次に、小流量イジェクタ７３での循環可能負荷の上限値に到達したかを判定し（ステップ５０３）、まだ上限値に達していない場合には、上記ステップ５０１に戻って引き続き小流量イジェクタ７３のみのガス循環を続ける。逆に、上限値に達している場合は、小流量イジェクタ７３では要求循環流量が確保できないため、小流量イジェクタ７３の使用を停止するために、遮断弁７７を閉じるとともに、もう一つの遮断弁７９を開いて大流量タイプのイジェクタ（以下大流量イジェクタとする）７５に切り替える（ステップ５０５）。
【００５９】
そして、大流量イジェクタ７５での循環可能負荷の下限値に到達したかを判定し（ステップ５０７）、まだ下限値に達していない場合は、引き続き大流量イジェクタ７５でのガス循環が可能であるとして、ステップ５０５に戻る。逆に、下限値に達している場合には、最初のステップ５０１に戻って小流量イジェクタ７３のみのガス循環に移行する。
【００６０】
上述のような構成と制御方法であれば、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏するほか、第１の実施形態に対して、ガス循環ポンプ３９，４１を駆動する場合と異なり、その駆動に必要な電力、電力を供給する駆動装置、制御機器、供給電力線なども一切不要となるため、燃料電池システム内での消費電力の大幅な低減と、システムのさらなる簡素化が期待できる。
【００６１】
図６は、この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【００６２】
本実施形態では、前記図４に示した第２の実施形態に対し、小流量タイプのイジェクタ７３に代えて大ノズル径のイジェクタ８１を、大流量タイプのイジェクタ７５に代えて小ノズル径のイジェクタ８３を、それぞれ設けるとともに、逆止弁３７および遮断弁７９を廃止している。すなわち、この実施形態では、複数のイジェクタ８１，８３は、ノズル径が互いに異なり、ノズル径最小のイジェクタ８３側については、逆止弁および遮断弁を設けていない。その他の構成は、第２の実施形態と同じである。
【００６３】
以下にノズル径の異なる２本のイジェクタ８１，８３の組み合わせの考え方について、その概略を述べる。
【００６４】
図７は、イジェクタＥを利用した燃料電池システムのガス循環装置におけるガス流量の収支を説明する模式図である。
イジェクタＥに供給する供給ガス量Ｑｓｕｐによって吸込み側から吸込みガス量Ｑｖａｃを吸入し、合わせて流入ガス量Ｑａｌｌとして排出し後、燃料電池スタック相当の流路抵抗を有する圧損要素Ｒを通過するときに圧力の損失が発生する。排出ガス量Ｑｏｕｔとして燃料電池スタックで消費される燃料ガス量に相当するガス量が、系外に持ち出されるとすると、残りの吸込み入ガス量Ｑｖａｃがガス循環配管を通ってイジェクタＥに戻される。
【００６５】
なお、この系が定常状態にあれば、系内への流入総ガス量である供給ガス量Ｑｓｕｐは、系外への流出総ガス量となる排出ガス量Ｑｏｕｔに等しくなるはずである。
【００６６】
図８は、ノズル径の異なる２本のイジェクタを利用した場合の、供給ガス量Ｑｓｕｐと吸込みガス量Ｑｖａｃとの典型的な関係を説明する図である。
【００６７】
ノズル径が小さい場合は、供給ガス量Ｑｓｕｐが小さい領域で吸込み流量Ｑｖａｃが最大となるが、ノズル径を大きくするにつれて、その吸込みガス量Ｑｖａｃのピークが、供給ガス量Ｑｓｕｐの大きい側にシフトしていくという特徴がある。
【００６８】
したがって、本例のような２本の大小ノズル径の組み合わせにあっては、負荷が高くなっていく場合、つまり供給ガス量Ｑｓｕｐが大きくなっていく場合には、使用するイジェクタを単にノズル径小からノズル径大に切り替えるよりも、ノズル径小１本のみから２本同時に流すようにしたほうが、両方のイジェクタの吸入能力を有効に使えるため、トータルの吸込みガス量Ｑｖａｃを大きくすることができる。
【００６９】
よって、図８のようなイジェクタの特性をあらかじめ調べておけば、破線Ｃで示す切替え点を境にして、使用するノズルの本数を変化させればよい。
【００７０】
図９は、上記した第３の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置における遮断弁７７の動きを制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００７１】
まず、燃料電池スタック２７へ循環する流量が小さい場合には、小ノズル径イジェクタ８３のみを利用するため、遮断弁７７を閉としてガス循環をさせる（ステップ８０１）。次に、前記図８に示したイジェクタ１本／２本の切替え負荷に到達したかを判定し（ステップ８０３）、まだ切替え点に達していない場合には、上記ステップ８０１に戻って引き続き小ノズル径イジェクタ８３のみのガス循環を続ける。
【００７２】
逆に、切替え点に達している場合は、小ノズル径イジェクタ８３だけでは要求循環流量が確保できないため、遮断弁７７を開くことで大ノズル径イジェクタ８１にも燃料ガスを供給し、２本のイジェクタ８１，８３での循環運転を開始する（ステップ８０５）。
【００７３】
そして、再びイジェクタ１本／２本の切替え（２本から１本への切替え）負荷に到達したかを判定し（ステップ８０７）、まだ切替え点に到達していない場合は、引き続き２本のイジェクタ８１，８３でのガス循環が必要であるとして前記ステップ８０５に戻る。逆に、切替え点に達している場合には、最初のステップ８０１に戻って小ノズル径イジェクタ８３のみのガス循環に移行する。
【００７４】
上述の構成と制御方法であれば、燃料電池システムが低負荷運転のときには、ノズル径小のイジェクタ８３のみでガス循環させ、負荷が増大していった場合には、前記ノズル径小のイジェクタ８３は稼動させたまま、もう一本のノズル径大のイジェクタ８１を追加で稼動させることができる。このため、対応可能な運転範囲を幅広く維持したまま、遮断弁、逆止弁の設置数を減少させることが可能となり、燃料電池システムの構成をより簡素化することができ、重量面、コスト面、メンテナンスのしやすさの面で有利となる。
【００７５】
図１０は、この本発明の第４の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す構成図である。
【００７６】
本実施形態では、前述の第３の実施形態の２つのイジェクタに相当するものとして、ボディ一体型イジェクタ８５を設けている点が大きく異なる。ボディ一体型イジェクタ８５は、ボディ８７の図中で下部に、互いに平行に並んだ小径ノズル部８９および大径ノズル部９１を有し、これら２つのノズル部８９，９１は、先端（図１０中で上部）のガス吐出部が１つの負圧発生室９３内に位置するよう、ボディ８７に固定してある。
【００７７】
また、２つのノズル部８９，９１それぞれに対応する２つのディフューザ部９５，９７を、負圧発生室９３の上部に連通して設けてある。この負圧発生室９３には、一端をガス排出管２９に接続したガス循環配管９９の他端を接続してある。すなわち、このボディ一体型イジェクタ８５は、ガス循環配管９９に接続する吸込口を１箇所としている。
【００７８】
上記した小径ノズル部８９およびディフューザ部９５は、一方の燃料供給管７１上に配置し、大径ノズル部９１およびディフューザ部９７は、他方の燃料供給管６９上に配置する。そして、ディフューザ部９７の排出側の燃料供給管６９には、前記図６のものと同様な逆止弁４３を指定方向に向けた状態で設けている。また、大径ノズル部９１の上流側の燃料供給管６９には、図６のものと同様に遮断弁７７を設けてある。その他の構成は、前述の第３の実施形態と同じである。
【００７９】
上述の構成であれば、低負荷運転時などで１組のノズル部とディフューザ部を使用している場合にも、使用していない他のディフューザ部からのガスの逆流を防ぐことができる。このため、前述の第３の実施形態と同じく高いストイキ比を維持して燃料電池システムの運転性を向上させることができるのはもちろんのこと、さらにボディ一体型イジェクタ８５とすることで、イジェクタのコンパクト化とガス循環配管９９の１本化によって、システム全体の一層の簡素化が可能となる。
【００８０】
図１１は、この発明の第５の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す構成図である。
【００８１】
本実施形態では前述の第４の実施形態において、１本のガス循環配管９９が負圧発生室９３と接続するイジェクタ吸込み口（図１１中で右側）から見て、小径ノズル部８９およびこれに対応するディフーザ９５を手前側に、大径ノズル部９１およびこれに対応するディフーザ９７を奥側にそれぞれ配置するとともに、大径ノズル部９１およびディフーザ９７に対応する前後の遮断弁７７および逆止弁４３も合わせて、奥側に設置したものである。その他の構成は、前述の第４の実施形態と同じである。
【００８２】
上述の構成であれば、特にガス循環配管９９の圧力損失の大きさに敏感な低負荷運転時に、小径ノズル部８９のみを利用し、このときガス循環配管９９からボディ一体型イジェクタ８５の吸込口から入った循環ガスは、前記吸込口通過後すぐに小径ノズル部８９からの噴流とともにディフューザ９５を通ってイジェクタから排出される。このため、負圧発生室９３内で前記ノズル噴流と合流する地点までのイジェクタ内通路抵抗を小さく抑えることができ、ストイキ比の維持がより一層容易になり、その結果、燃料電池システムの運転性のさらなる向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【図２】第１の実施形態に使用する逆止弁の内部構造を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置におけるガス循環ポンプの動きを制御するためのフローチャートである。
【図４】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【図５】第２の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置における遮断弁の動きを制御するためのフローチャートである。
【図６】この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【図７】イジェクタを利用した燃料電池システムのガス循環装置におけるガス流量の収支を説明する模式図である。
【図８】ノズル径の異なる２本のイジェクタを利用した場合の、供給ガス量と吸込みガス量との典型的な関係を説明する図である。
【図９】第３の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置における遮断弁の動きを制御するためのフローチャートである。
【図１０】この本発明の第４の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す構成図である。
【図１１】この発明の第５の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す構成図である。
【図１２】固体高分子電解質型燃料電池における単電池の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 単電池
３ 固体高分子膜（電解質膜）
５ アノード電極（燃料極）
７ カソード電極（酸化剤極）
２７ 燃料電池スタック（燃料電池）
２５，６９，７１ 燃料供給管
２９ 燃料排出管
３１，９９ ガス循環配管
３９，４１ ガス循環ポンプ
４３，４５ 逆止弁
５１ 弁ケース
５７ 弁本体（弁体部）
６３ ガイド棒
６１ａ ガイド棒挿入孔
７３ 小流量タイプのイジェクタ
７５ 大流量タイプのイジェクタ
７７，７９ 遮断弁
８１ 大ノズル径のイジェクタ
８３ 小ノズル径のイジェクタ
８５ ボディ一体型イジェクタ
８９ 小径のノズル部
９１ 大径のノズル部
９５，９７ ディフーザ部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas circulation device for a fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
As a prior art, the one described in Patent Document 1 is known.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-8-42500
[0004]
When a plurality of ejectors are connected in series, a backflow preventing means is provided in a port connected to a suction port of each ejector so that working fluid does not flow out from the suction port. As a result, the suction performance of each ejector is prevented from deteriorating, and more gas can be discharged.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described conventional device, when a general check valve that presses the valve body against the seat portion by a spring force is used as the backflow preventing means of the working fluid, when the working fluid flows in the forward direction, A differential pressure that exceeds the spring force will always be generated.
[0006]
Such a large pressure loss due to the pressure difference between the front and rear greatly reduces the suction performance of the ejector. As a result, the discharge flow rate from the ejector decreases, and when applied to a fuel cell, the stoichiometric ratio, which is the ratio of the actual amount of reactant gas supplied to the required amount of reactant gas to be supplied, decreases, and the operability of the fuel cell system decreases. Decreases.
[0007]
Accordingly, the present invention minimizes the pressure loss of the forward flow of the check valve, increases the ratio of the actual inflow reactant gas amount to the required reactant gas amount supplied to the fuel cell, and operates the fuel cell system. The purpose is to improve the performance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel cell having a unit cell having an electrolyte membrane disposed between a fuel electrode and an oxidant electrode, a fuel supply pipe for supplying a fuel gas to the fuel electrode, A fuel discharge pipe for discharging excess fuel gas from the fuel cell to the outside; an oxidant supply pipe for supplying oxidant gas to the oxidant electrode; and an oxidant for discharging the excess oxidant gas to the outside in the fuel cell A discharge pipe, and a plurality of gas circulation units arranged in parallel with each other for feeding surplus fuel gas or oxidant gas discharged from the fuel discharge pipe or the oxidant discharge pipe to the outside of the fuel cell to the inlet side of the fuel cell again. A check valve that is disposed in the middle of the gas circulation pipe or the fuel supply pipe or the oxidant supply pipe and communicates with a pump and a gas circulation pipe in a forward flow and shuts off in a reverse flow. When, The check valve has a valve body that is movable by the action of gravity inside the valve case, and the check valve is arranged such that the direction of forward flow is substantially opposite to the direction of action of gravity. It is configured to be arranged at
[0009]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the check valve having the valve body movable by the action of gravity inside the valve case is arranged so that the direction of the forward flow is substantially opposite to the direction of the action of gravity, A check valve having no spring element can be used to minimize the pressure loss of the forward flow in the check valve, and the actual inflow reactant gas with respect to the required reactant gas amount supplied to the fuel cell can be used. The ratio of the amounts increases, and the operability of the fuel cell system can be improved.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0011]
FIG. 12 shows a configuration of a unit cell 1 in a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC). A solid polymer membrane 3 as an electrolyte membrane having ionic conductivity is disposed at the center of the unit cell 1, and an anode electrode 5 as a fuel electrode and a cathode electrode 7 as an oxidant electrode are provided on both sides thereof. Deploy.
[0012]
A fuel gas supply groove 9 for supplying a fuel gas to the anode electrode 5 and an oxidizing gas supply groove 11 for supplying an oxidizing gas to the cathode electrode 7 are provided outside each of the anode electrode 5 and the cathode electrode 7. Provide. Further, a conductive gas-impermeable anode separator 13 and a cathode separator 15 are disposed outside the supply grooves 9 and 11, respectively, and a conductive gas and water-impermeable material are further disposed outside the anode separator 13. A permeable water separator 17 is arranged.
[0013]
Further, a cooling water supply groove 19 through which cooling water for keeping the temperature of the fuel cell proper by removing excess heat generated by power generation is provided further outside the water separator 17.
[0014]
In the solid polymer electrolyte type fuel cell as described above, when a fuel gas is supplied to the anode electrode 5 and an oxidizing gas is supplied to the cathode electrode 7, an electrochemical reaction between a pair of electrodes in the unit cell 1 causes An electromotive force is generated as follows.
[0015]
Anode reaction: ΔH2→ 2H++ $ 2e−
Cathode reaction: $ 2H++ (1/2) O2+ $ 2e−→ 2H2O
That is, usually, hydrogen is used as the fuel gas and air is used as the oxidizing gas. First, when hydrogen is supplied to the anode electrode 5 and air is supplied to the cathode electrode 7, the supplied hydrogen gas is supplied to the anode electrode 5. Hydrogen dissociates into hydrogen ions and electrons. Then, the hydrogen ions pass through the solid polymer membrane 3 and the electrons pass through the external circuit to the cathode electrode 7 respectively.
[0016]
On the other hand, in the cathode electrode 7, the oxygen in the supplied air, the hydrogen ions, and the electrons react to generate water. At this time, the electrons that have passed through the external circuit become current and can supply power. That is, at the anode electrode 5 and the cathode electrode 7, the reaction represented by the above-described chemical reaction formulas proceeds. The generated water is discharged out of the battery together with the unreacted gas.
[0017]
By the way, since the electromotive force of the unit cell 1 is as low as 1 V or less, several tens to several hundreds of unit cells 1 are stacked to constitute a fuel cell stack, and power is generated by the fuel cell stack.
[0018]
As the solid polymer membrane 3, for example, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (Nafion: registered trademark of DuPont, USA) that is a proton exchange membrane is known. This membrane has a hydrogen ion exchange group in the molecule, and functions as an ion conductive electrolyte by containing saturated water, and also has a function of separating fuel and an oxidizing agent. Conversely, when the water content of the membrane decreases, the ionic resistance increases, and a crossover in which the fuel and the oxidant are mixed occurs, making it impossible for the battery to generate power. For this reason, it is desirable that the solid polymer film 3 be saturated with water.
[0019]
When hydrogen ions separated at the anode electrode 5 by power generation pass through the solid polymer membrane 3 and move to the cathode electrode 7, water also moves together, so the solid polymer membrane 3 dries on the anode electrode 5 side. There is a tendency. If the amount of water vapor contained in the supplied hydrogen or air is small, the solid polymer film 3 tends to dry near the respective reaction gas inlets.
[0020]
For the above-mentioned reasons, the fuel and the oxidant which have been humidified in advance are supplied, or the solid polymer membrane 3 is wetted with water generated by the reaction in the fuel cell.
[0021]
Further, in order to maintain a high power generation efficiency in all the cells 1 by supplying a sufficient amount to each of the cells 1 of the stacked fuel cell stack so as not to run out of the reaction gas, it is actually necessary to It is necessary to supply more reaction gas to the fuel cell stack than the amount of reaction gas required for the electrochemical reaction.
[0022]
At this time, surplus gas is discharged from the fuel cell stack. However, instead of discarding the unused gas unnecessarily, a gas circulation path is provided and returned to the fuel cell stack inlet side to reduce fuel consumption. A method of securing the amount of reactant gas flowing into the fuel cell stack without decreasing the rate is adopted.
[0023]
Further, the ratio of the above-mentioned required amount of reactant gas to the actual amount of reactant gas is called "stoichiometric ratio", and as described above, the "stoichiometric ratio" takes a value of 1 or more. Usually, a gas circulation pump is used in the present fuel cell system to secure the same.
[0024]
FIG. 1 is an overall configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
[0025]
High-pressure fuel gas is taken out of the high-pressure fuel gas tank 21 and reduced to an appropriate pressure by the pressure regulating valve 23. The decompressed fuel gas is supplied to the fuel electrode of the fuel cell stack 27 through the fuel supply pipe 25, and an oxidant gas such as air (not shown) is also supplied to the fuel cell stack 27 through the oxidant gas supply pipe. To the oxidizer electrode. Thereby, the energy of the chemical bond of the fuel gas is converted into electric energy by an electrochemical reaction inside the battery.
[0026]
Excess fuel gas and oxidant gas that have not been involved in the electrochemical reaction are discharged from the fuel cell stack 27 from a fuel discharge pipe 29 and an oxidant discharge pipe (not shown). In the present embodiment, the fuel discharge pipe 29 and the fuel supply pipe 25 are connected by a gas circulation pipe 31, and the surplus fuel gas is returned to the fuel supply pipe 25 through the gas circulation pipe 31. .
[0027]
Here, an example is shown in which the fuel gas is returned to the fuel cell stack 27 via the fuel supply pipe 25 through the gas circulation pipe 31, but the oxidizing gas is also similar to the case of the fuel gas described below. To return to the fuel cell stack 27.
[0028]
The gas circulation distribution pipe 31 has a common pipe 33 on the fuel discharge pipe 29 side, and two parallel pipes 35 and 37 connecting the common pipe 33 and the fuel supply pipe 25 in parallel. Gas circulation pumps 39 and 41 for sucking the fuel gas discharged from the fuel cell stack 27 and discharging the fuel gas to the fuel supply pipe 25 side are arranged in the parallel pipes 35 and 37, respectively.
[0029]
That is, in the first embodiment, the plurality of gas circulation pumps 39 and 41 for feeding surplus fuel gas discharged from the fuel discharge pipe 29 to the outside of the fuel cell stack 27 to the inlet side of the fuel cell stack 27 again, and It has a gas circulation pipe 31.
[0030]
In each of the gas circulation pumps 39 and 41 described above, one of the gas circulation pumps 39 is a small flow type and the other gas circulation pump 41 is a large flow type.
[0031]
Further, check valves 43 and 45 are installed in the parallel pipes 35 and 37 described above. In the check valves 43 and 45, the direction of the forward flow of the fuel gas (upward indicated by arrows a and b in FIG. 1) is substantially the same as the direction in which gravity acts (downward indicated by arrow g in FIG. 1). It is arranged to be reversed.
[0032]
Further, a purge valve 47 is provided in the fuel discharge pipe 29 downstream of the connection between the common pipe 33 and the fuel discharge pipe 29. The purge valve 47 serves to prevent the gas passage in the fuel cell stack 27 from being clogged by opening when the gas passage in the fuel cell stack 27 needs to be purged.
[0033]
FIG. 2 is a perspective view showing the internal structure of the check valves 43 and 45 described above.
[0034]
Excess fuel gas enters the valve case 51 from the inflow pipe 49 and exits to the outflow pipe 53. This is the forward direction of the flow, and the forward direction of the flow is substantially opposite to the direction of the action of gravity. The whole is fixed so that it may become.
[0035]
The valve case 51 includes a cylindrical portion 51a and end plates 51b and 51c mounted on both upper and lower ends of the cylindrical portion 51a, and has a cylindrical shape as a whole. The inflow pipe 49 and the outflow pipe 53 are connected to the end plates 51c and 51b, respectively. A through hole 55 communicating with the inflow pipe 49 is formed in the lower end plate 51c, and a through hole communicating with the outflow pipe 53 (not shown) is also formed in the upper end plate 51b.
[0036]
Inside the valve case 51, a valve main body 57 as a valve body for preventing a flow in a reverse direction (a flow directed downward in FIG. 2) is housed. The valve body 57 includes a conical valve portion 59 whose lower side tapers in FIG. 2, and a disc portion 61 is provided on the upper portion of the conical valve portion 59.
[0037]
A guide rod insertion hole 61a is provided at the center of the valve body 57 from the upper disk portion 61 side. The guide rod insertion hole 61a is fixed to the valve case 51 side by a method described later. A certain guide rod 63 is inserted, and the valve body 57 can move up and down along the guide rod 63 in FIG. The guide rod 63 has its upper end fixed to the center of a guide rod mounting member 65 fixed to the upper inner surface of the valve case 51. That is, the guide rod 63 is fixed to the valve case 51 on the central axis inside the check valve.
[0038]
The valve body 57 moves downward along the guide rod 63 due to gravity, and the leading end side of the conical valve portion 59 enters the through hole 55 formed in the end plate 51c, and comes into close contact with the surrounding valve seat 67. 2, the backward flow flowing downward is prevented. The area of the gap between the valve seat 67 and the conical valve portion 59 changes as the valve body 57 slides up and down according to the forward flow rate of the fuel gas.
[0039]
In order to reduce the flow resistance of the forward flow of the fuel gas as much as possible, it is desirable that the valve body 57, which is a movable portion, is a part molded from a material having a low specific gravity, such as light metal or resin.
[0040]
FIG. 3 is a flowchart for controlling the operation of the gas circulation pumps 39 and 41 in the gas circulation device of the fuel cell system according to the first embodiment, and the algorithm will be described below.
[0041]
First, when the flow rate of the fuel gas circulating to the fuel cell stack 27 is small, only the small flow rate type gas circulation pump (hereinafter referred to as a small flow rate pump) 39 is operated, and the number of revolutions is controlled to control the circulation flow rate. Is adjusted (step 301). Next, it is determined whether the upper limit of the stable dischargeable flow rate of the small flow rate pump 39 has been reached, that is, whether the rotation speed of the pump has reached the allowable maximum value (step 303).
[0042]
If the maximum value has not been reached, it is assumed that the flow rate adjustment of only the small flow rate pump 39 is possible, and the flow returns to step 301 to continue the flow rate adjustment. Conversely, if the maximum value has been reached, the required circulation flow rate cannot be secured by the small flow rate pump 39, so that the small flow rate pump 39 is stopped and, instead, a large flow rate type gas circulation pump (hereinafter referred to as a large flow rate pump). (Yes) 41 is started (step 305).
[0043]
Then, the circulation flow rate is adjusted by controlling the rotation speed of the large flow pump 41 (step 307). Thereafter, the stable dischargeable flow rate of the large flow pump 41 reaches the lower limit value, that is, the rotation speed of the pump becomes the allowable lower limit value. It is determined whether it has reached (step 309). Here, if the lower limit has not been reached, it is assumed that the flow control by the large flow pump 41 can be continued, and the flow returns to the step 307 to continue the flow adjustment. Conversely, if the lower limit value has been reached, the large flow pump 41 is stopped, and the flow returns to step 301 to resume the flow adjustment using only the small flow pump 39.
[0044]
When the pumps 91 and 41 are driven to flow the fuel gas in the forward direction, the check valve 43 and 45 shown in FIG. The part 59 is separated from the valve seat 67.
[0045]
According to the above-described first embodiment, the check valves 43 and 45 are configured such that the valve body 57 is moved upward by the fuel gas pressure from the state in which the valve body 57 is in close contact with the valve seat 67 due to gravity, and has a spring element therein. , The pressure loss in the forward direction of the check valves 43 and 45 can be minimized.
[0046]
As a result, the operability of the fuel cell system can be improved by increasing the ratio of the actual inflow reaction gas amount to the required reaction gas amount supplied to the fuel cell stack 27, that is, the "stoichiometric ratio".
[0047]
In addition, gas circulation over a wide flow rate range can be realized by a combination of the plurality of gas circulation pumps 39 and 41.
[0048]
Further, when a ball check valve which does not have a spring element and is sealed only by gravity is used as the check valves 43 and 45, the pressure loss can be minimized. When the direction of the ball slightly changes, or when the ball is placed in an environment where inertial forces in front, rear, left and right are applied, such as when a moving object is applied, it is difficult for the ball to completely return to the sealing position. The sealing performance is reduced, and a flow that flows backward in the gas circulation pipe is generated, the discharge flow rate from the gas circulation pump is reduced, and it is difficult to maintain a high stoichiometric ratio.
[0049]
On the other hand, in the present embodiment, even when the installation directions of the check valves 43 and 45 are slightly changed, or when the check valves 43 and 45 are used in an environment in which inertial force acts on front and rear and left and right, the check valves 63 and 45 follow the guide rod 63 inside the valve case 51. Thus, the direction of movement of the valve body 57 can be limited. For this reason, it is possible to reliably perform the sealing in the reverse direction, and to almost completely prevent the backflow of the gas in the parallel pipes 35 or 37. In other words, the fuel gas discharged from the pump is reliably transferred to the fuel cell stack 27. Can be sent to
[0050]
Therefore, a high stoichiometric ratio can be maintained under any operating conditions and environmental conditions, and as a result, the operability and reliability of the fuel cell system can be improved.
[0051]
Further, the check valves 43 and 45 as described above do not require an external power supply unlike the electronically controlled valve, so that the power consumption can be reduced and the device can be simplified.
[0052]
In the above embodiment, two parallel pipes 35 and 37 are provided as gas circulation pipes, and two gas circulation pumps 39 and 41 are provided. However, the present invention can be applied to a fuel cell system provided with three or more gas pumps. .
[0053]
FIG. 4 is an overall configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
[0054]
In the present embodiment, two systems of fuel supply pipes 69 and 71 are provided in parallel with each other, and ejectors 73 and 75 are connected to each connection between the fuel supply pipes 69 and 71 and the parallel pipes 35 and 37 of the gas circulation pipe 31. Is installed in place of the gas circulation pumps 39 and 41 in FIG. The ejectors 73 and 75 generate high-speed jets with nozzles and use a negative pressure generated around the nozzles to suck gas. A fuel supply pipe upstream of a gas supply port to each of the ejectors 73 and 75 is provided. Shut-off valves 77 and 79 are attached to 69 and 71, respectively. Other configurations are the same as those of the first embodiment.
[0055]
In each of the ejectors 73 and 75 described above, one of the ejectors 73 is, for example, a small flow type, and the other is a large flow type.
[0056]
FIG. 5 is a flowchart for controlling the operation of the shutoff valves 77 and 79 in the gas circulation device of the fuel cell system according to the second embodiment described above, and the algorithm thereof will be described below.
[0057]
First, when the flow rate circulating to the fuel cell stack 27 is small, only the small flow rate type ejector (hereinafter, referred to as a small flow rate ejector) 73 is used, so that the shutoff valve 77 is opened and the shutoff valve 79 is closed to perform gas circulation. (Step 501).
[0058]
Next, it is determined whether the upper limit value of the circulable load in the small flow rate ejector 73 has been reached (step 503). If the upper limit value has not been reached yet, the process returns to step 501 and only the small flow rate ejector 73 continues. Continue gas circulation. Conversely, if the upper limit has been reached, the required circulation flow rate cannot be ensured by the small flow rate ejector 73. Therefore, in order to stop using the small flow rate ejector 73, the shutoff valve 77 is closed and the other shutoff valve 79 is closed. Is opened to switch to a large flow type ejector (hereinafter referred to as a large flow ejector) 75 (step 505).
[0059]
Then, it is determined whether the lower limit of the circulable load in the large flow ejector 75 has been reached (step 507). If the lower limit has not yet been reached, it is determined that gas circulation in the large flow ejector 75 is possible. The process returns to step 505. Conversely, if the lower limit has been reached, the process returns to the first step 501 and shifts to gas circulation with only the small flow rate ejector 73.
[0060]
With the above-described configuration and control method, in addition to the same effects as those of the above-described first embodiment, unlike the case of driving the gas circulation pumps 39 and 41 with respect to the first embodiment, Since the power required for driving, a driving device for supplying power, a control device, a supply power line, and the like are not required at all, it is expected that the power consumption in the fuel cell system is greatly reduced and the system is further simplified.
[0061]
FIG. 6 is an overall configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
[0062]
This embodiment differs from the second embodiment shown in FIG. 4 in that a large nozzle type ejector 81 is used instead of the small flow type ejector 73, and a small nozzle diameter ejector is used instead of the large flow type ejector 75. 83 are provided, and the check valve 37 and the shut-off valve 79 are eliminated. That is, in this embodiment, the plurality of ejectors 81 and 83 have different nozzle diameters, and the check valve and the shutoff valve are not provided on the side of the ejector 83 having the smallest nozzle diameter. Other configurations are the same as those of the second embodiment.
[0063]
The concept of the combination of two ejectors 81 and 83 having different nozzle diameters will be outlined below.
[0064]
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the balance of the gas flow rate in the gas circulation device of the fuel cell system using the ejector E.
When the suction gas amount Qvac is sucked from the suction side by the supply gas amount Qsup supplied to the ejector E and is discharged as the inflow gas amount Qall, the suction gas amount Qvac passes through the pressure loss element R having a flow path resistance equivalent to the fuel cell stack. Pressure loss occurs. Assuming that a gas amount corresponding to the fuel gas amount consumed by the fuel cell stack as the exhaust gas amount Qout is taken out of the system, the remaining intake / intake gas amount Qvac is returned to the ejector E through the gas circulation pipe.
[0065]
If the system is in a steady state, the supply gas amount Qsup, which is the total gas amount flowing into the system, should be equal to the exhaust gas amount Qout, which is the total gas amount flowing out of the system.
[0066]
FIG. 8 is a diagram illustrating a typical relationship between the supply gas amount Qsup and the suction gas amount Qvac when two ejectors having different nozzle diameters are used.
[0067]
When the nozzle diameter is small, the suction flow rate Qvac is maximum in a region where the supply gas amount Qsup is small, but as the nozzle diameter increases, the peak of the suction gas amount Qvac shifts to the side where the supply gas amount Qsup increases. There is a feature that goes.
[0068]
Therefore, in the combination of two large and small nozzle diameters as in this example, when the load increases, that is, when the supply gas amount Qsup increases, the ejector to be used is simply changed to the small nozzle diameter. It is more effective to use the two nozzles simultaneously from only one small nozzle diameter than to switch the nozzle diameter to large nozzle diameter, so that the suction capacity of both ejectors can be used more effectively, so that the total suction gas amount Qvac can be increased.
[0069]
Therefore, if the characteristics of the ejector as shown in FIG. 8 are checked in advance, the number of nozzles to be used may be changed at the switching point indicated by the broken line C.
[0070]
FIG. 9 is a flowchart for controlling the operation of the shut-off valve 77 in the gas circulation device of the fuel cell system according to the third embodiment described above, and the algorithm will be described below.
[0071]
First, when the flow rate circulating to the fuel cell stack 27 is small, the shut-off valve 77 is closed and the gas is circulated in order to use only the small nozzle diameter ejector 83 (step 801). Next, it is determined whether or not the switching load of one ejector / two ejectors shown in FIG. 8 has been reached (step 803). If the switching point has not been reached yet, the process returns to step 801 to continue the small nozzle The gas circulation of only the diameter ejector 83 is continued.
[0072]
Conversely, when the switching point has been reached, the required circulation flow rate cannot be ensured only by the small nozzle diameter ejector 83, so that the fuel gas is also supplied to the large nozzle diameter ejector 81 by opening the shut-off valve 77 and the two nozzles are opened. The circulation operation in the ejectors 81 and 83 is started (step 805).
[0073]
Then, it is determined again whether the load has reached the switching of one ejector / two ejectors (switching from two ejectors to one ejector) (step 807), and if the switching point has not been reached yet, the two ejectors are continued. It is determined that gas circulation at 81 and 83 is necessary, and the process returns to step 805. Conversely, when the switching point has been reached, the process returns to the first step 801 and shifts to gas circulation of only the small nozzle diameter ejector 83.
[0074]
According to the above-described configuration and control method, when the fuel cell system operates at a low load, the gas is circulated only by the ejector 83 having a small nozzle diameter, and when the load increases, the ejector 83 having a small nozzle diameter is used. The other ejector 81 having a large nozzle diameter can be additionally operated while the is operated. For this reason, it is possible to reduce the number of shut-off valves and check valves while maintaining a wide operating range that can be supported, thereby simplifying the configuration of the fuel cell system, and reducing the weight and cost. This is advantageous in terms of ease of maintenance.
[0075]
FIG. 10 is a configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
[0076]
The present embodiment is significantly different in that a body-integrated ejector 85 is provided as equivalent to the two ejectors of the third embodiment. The body-integrated ejector 85 has a small-diameter nozzle portion 89 and a large-diameter nozzle portion 91 which are arranged in parallel at a lower portion of the body 87 in the drawing. (Upper part) is fixed to the body 87 so that the gas discharge part is located in one negative pressure generation chamber 93.
[0077]
Further, two diffusers 95 and 97 corresponding to the two nozzles 89 and 91 are provided in communication with the upper part of the negative pressure generating chamber 93. The other end of the gas circulation pipe 99 having one end connected to the gas discharge pipe 29 is connected to the negative pressure generation chamber 93. That is, the body-integrated ejector 85 has a single suction port connected to the gas circulation pipe 99.
[0078]
The small-diameter nozzle section 89 and the diffuser section 95 are arranged on one fuel supply pipe 71, and the large-diameter nozzle section 91 and the diffuser section 97 are arranged on the other fuel supply pipe 69. In the fuel supply pipe 69 on the discharge side of the diffuser section 97, a check valve 43 similar to that shown in FIG. The fuel supply pipe 69 on the upstream side of the large-diameter nozzle portion 91 is provided with a shut-off valve 77 as in FIG. Other configurations are the same as those of the third embodiment.
[0079]
With the above-described configuration, even when one set of the nozzle section and the diffuser section are used during a low-load operation or the like, it is possible to prevent the backflow of the gas from the other diffuser sections that are not used. For this reason, it is possible to improve the operability of the fuel cell system by maintaining a high stoichiometric ratio as in the third embodiment, and furthermore, by using the body-integrated ejector 85, the The downsizing and the unification of the gas circulation pipe 99 can further simplify the entire system.
[0080]
FIG. 11 is a configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention.
[0081]
In the present embodiment, in the above-described fourth embodiment, when one gas circulation pipe 99 is viewed from the ejector suction port (the right side in FIG. 11) connected to the negative pressure generation chamber 93, the small-diameter nozzle portion 89 and the small-diameter nozzle portion 89 The corresponding diffuser 95 is disposed on the front side, the large-diameter nozzle portion 91 and the corresponding diffuser 97 are disposed on the rear side, and the front and rear shut-off valves 77 and the check valves corresponding to the large-diameter nozzle portion 91 and the diffuser 97. 43 is also installed on the back side. Other configurations are the same as those of the above-described fourth embodiment.
[0082]
With the above-described configuration, only the small-diameter nozzle portion 89 is used during a low-load operation that is particularly sensitive to the magnitude of the pressure loss of the gas circulation pipe 99. At this time, the suction port of the body-integrated ejector 85 from the gas circulation pipe 99 is used. Immediately after passing through the suction port, the circulating gas which has entered through the suction port is discharged from the ejector through the diffuser 95 together with the jet from the small-diameter nozzle portion 89. For this reason, the resistance of the passage in the ejector up to the point where it merges with the nozzle jet in the negative pressure generation chamber 93 can be reduced, and the stoichiometric ratio can be more easily maintained. As a result, the operability of the fuel cell system can be improved. Can be expected to be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an internal structure of a check valve used in the first embodiment.
FIG. 3 is a flowchart for controlling the operation of a gas circulation pump in the gas circulation device of the fuel cell system according to the first embodiment.
FIG. 4 is an overall configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart for controlling the operation of a shutoff valve in a gas circulation device of a fuel cell system according to a second embodiment.
FIG. 6 is an overall configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a balance of a gas flow rate in a gas circulation device of a fuel cell system using an ejector.
FIG. 8 is a diagram illustrating a typical relationship between a supply gas amount and a suction gas amount when two ejectors having different nozzle diameters are used.
FIG. 9 is a flowchart for controlling the operation of a shutoff valve in a gas circulation device of a fuel cell system according to a third embodiment.
FIG. 10 is a configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram schematically showing a gas circulation device of a fuel cell system according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a unit cell in a solid polymer electrolyte fuel cell.
[Explanation of symbols]
1 cell
3. Solid polymer membrane (electrolyte membrane)
5 Anode electrode (fuel electrode)
7 cathode electrode (oxidant electrode)
27 fuel cell stack (fuel cell)
25, 69, 71 fuel supply pipe
29 fuel discharge pipe
31,99mm gas circulation piping
39, 41 gas circulation pump
43, 45 ° check valve
51 valve case
57 mm valve body (valve body)
63mm guide rod
61a Guide rod insertion hole
73 small flow type ejector
75 large flow type ejector
77, 79 shut-off valve
Ejector with 81 large nozzle diameter
Ejector with 83 small nozzle diameter
85 body integrated ejector
89 mm small diameter nozzle
91 large diameter nozzle
95, 97 Diffuser
