JP2007242522A - Fuel cell system - Google Patents

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JP2007242522A JP2006065840A JP2006065840A JP2007242522A JP 2007242522 A JP2007242522 A JP 2007242522A JP 2006065840 A JP2006065840 A JP 2006065840A JP 2006065840 A JP2006065840 A JP 2006065840A JP 2007242522 A JP2007242522 A JP 2007242522A
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Naoto Todoroki
直人 轟木
Masanari Yanagisawa
政成 柳澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell system having a high jet pump recycle property without increasing the amount of a supply hydrogen flow. <P>SOLUTION: A humidification system 5 exchanges the moisture of an anode offgas being a humid gas supplied from a recycle path 7 with a dry hydrogen gas supplied from a regulation valve 3 to moisturize the dry hydrogen gas. The moisturized hydrogen gas increased in its weight for its density is increased is supplied as the driving flow of the jet pump 6. The anode offgas whose steam content is decreased in the humidification system 5 is supplied to the inlet hole of the jet pump 6 by the recycle pump 8. The jet pump 6 draws in the anode offgas flow to be drawn having density decreased for the reduction of the steam component by using the moisturized heavy driving flow to supply the mixed flow thereof to the anode 1a of the fuel cell 1. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、ジェットポンプを使用してアノードオフガスと新規供給燃料ガスとを混合する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system that mixes anode off gas and newly supplied fuel gas using a jet pump.

燃料電池システムにおいて、燃料電池本体の電解質端部まで燃料ガスの供給量を確保するために、発電に必要な流量より多くの燃料ガスを供給し、排出された未反応燃料ガス(循環ガス)を再度燃料電池に供給するためにエゼクタ等のジェットポンプを備えたものがある。   In a fuel cell system, in order to secure the supply amount of fuel gas to the electrolyte end of the fuel cell body, more fuel gas is supplied than the flow rate required for power generation, and the unreacted fuel gas (circulation gas) discharged is discharged. Some are equipped with a jet pump such as an ejector to supply the fuel cell again.

また、固体高分子型燃料電池では、アノードにおける水素の電離を促進するため、或いは高分子電解質膜の水素イオン伝導性を発揮させるために、ジェットポンプ下流で水素を加湿するものがある(例えば、特許文献1)。
特開2004−171816号公報(第4頁、図3)
Some solid polymer fuel cells humidify hydrogen downstream of the jet pump in order to promote ionization of hydrogen at the anode or to exert hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane (for example, Patent Document 1).
Japanese Patent Laying-Open No. 2004-171816 (page 4, FIG. 3)

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、新規に供給される水素をジェットポンプのオリフィスなどに噴射して発生させた負圧により循環ガスの引き込みを行っているが、最も軽いガスである水素(分子量2)を駆動流として、主成分である水素に窒素(分子量28)や水蒸気(分子量18)などを含む比較的重い循環ガスを引き込むので、負圧を発生させる能力は限定され高い循環性能を発揮できないという問題点があった。   However, in the conventional fuel cell system, circulating gas is drawn in by negative pressure generated by injecting newly supplied hydrogen into an orifice of a jet pump or the like, but hydrogen (molecular weight 2) which is the lightest gas. ) As a driving flow, relatively heavy circulation gas containing nitrogen (molecular weight 28), water vapor (molecular weight 18), etc. is drawn into the main component hydrogen, so the ability to generate negative pressure is limited and high circulation performance cannot be demonstrated. There was a problem.

つまり、駆動流のエネルギー源は水素ガスの圧力エネルギーであるが質量の小さい水素に対しては与えることのできる運動量・運動エネルギーが小さくなってしまう。供給水素の流量自体を増大させることでジェットポンプ性能を向上させることはできるが、システムによって定格運転条件における水素供給量の上限が決まってしまうことが多く、最大供給水素量によって、ジェットポンプが引き込む循環ガス流量が制限される。   In other words, the energy source of the driving flow is the pressure energy of hydrogen gas, but the momentum and kinetic energy that can be given to hydrogen with a small mass is reduced. Although the jet pump performance can be improved by increasing the flow rate of the supplied hydrogen itself, the upper limit of the hydrogen supply amount at the rated operating conditions is often determined by the system, and the jet pump is pulled in by the maximum supply hydrogen amount Circulating gas flow rate is limited.

以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、供給水素流量を増大させなくても、ジェットポンプの高い循環性が得られる燃料電池システムを提供することである。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a fuel cell system in which a high circulation property of a jet pump can be obtained without increasing the supply hydrogen flow rate.

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池へ新規に供給する燃料ガスを駆動流として、該燃料電池から排出されるアノードオフガスを吸引するとともに、新規供給燃料ガスとアノードオフガスとを混合した混合ガスを該燃料電池へ供給するジェットポンプと、該ジェットポンプの駆動流のガス密度を高める駆動流密度上昇手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。   In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas that is newly supplied to the fuel cell as a driving flow. A jet pump that sucks the discharged anode off gas and supplies a mixed gas obtained by mixing a newly supplied fuel gas and an anode off gas to the fuel cell, and a driving flow density increasing means for increasing the gas density of the driving flow of the jet pump And a fuel cell system having the gist of the above.

本発明においては、駆動流密度上昇手段がジェットポンプの駆動流のガス密度を高めることにより、ジェットポンプに生じる負圧の絶対値が大きくなり、ジェットポンプが循環ガスを吸い込む吸い込み能力が高まる。これによりより多くの循環ガスをジェットポンプに吸い込んで駆動流と混合した混合ガスを燃料電池へ供給することができる。   In the present invention, when the driving flow density increasing means increases the gas density of the driving flow of the jet pump, the absolute value of the negative pressure generated in the jet pump increases, and the suction capacity of the jet pump for sucking the circulating gas increases. As a result, a mixed gas obtained by sucking more circulating gas into the jet pump and mixing it with the driving flow can be supplied to the fuel cell.

ジェットポンプの駆動流のガス密度を高める駆動流密度上昇手段としては、駆動流に加湿する加湿手段、駆動流に窒素等の燃料電池に対して不活性ガスなガスを混入させる手段、駆動流の圧力を上昇させるとともに、駆動流の圧力上昇に応じて駆動流の流量を絞ることが可能な可変絞りを有するジェットポンプが含まれる。   Driving flow density increasing means for increasing the gas density of the driving flow of the jet pump includes humidifying means for humidifying the driving flow, means for mixing an inert gas such as nitrogen into the driving flow, A jet pump having a variable restrictor capable of increasing the pressure and reducing the flow rate of the driving flow in accordance with the increase in the driving flow pressure is included.

本発明によれば、ジェットポンプの駆動流のガス密度を高めることにより、駆動流を重くすることができ、ジェットポンプの循環性能が向上するという効果がある。また吸い込み流量を増大させることができるため、循環ガスを循環させるために水素循環ポンプを用いた場合、水素循環ポンプの消費電力を削減し、燃料電池システムの総合的な燃費効率を向上させるという効果がある。また水素循環ポンプの回転数低減効果も見込めるため燃料電池システムの音響振動レベル特性を改善することができるという効果がある。   According to the present invention, by increasing the gas density of the driving flow of the jet pump, the driving flow can be increased, and the circulation performance of the jet pump is improved. In addition, since the suction flow rate can be increased, when a hydrogen circulation pump is used to circulate the circulating gas, the power consumption of the hydrogen circulation pump is reduced and the overall fuel efficiency of the fuel cell system is improved. There is. Further, since the effect of reducing the rotation speed of the hydrogen circulation pump can be expected, there is an effect that the acoustic vibration level characteristic of the fuel cell system can be improved.

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、燃料電池車両の電源として好適な燃料電池システムである。   Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Each embodiment described below is not particularly limited, but is a fuel cell system suitable as a power source for a fuel cell vehicle.

図1は、本発明に係る燃料電池システムの実施例1の概略構成を示す構成図である。図1において、燃料電池システムは、アノード(燃料極)1aとカソード(酸化剤極)1bを有する燃料電池1と、燃料ガスである水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク2と、高圧水素タンク2からアノード1aに至る水素供給路4と、水素供給路4上に配置され高圧水素ガスの圧力を燃料電池1の運転圧力まで低下させて調整する調圧弁3と、調圧弁3の下流に配置され水素を加湿する加湿手段5と、加湿手段5で加湿され重くなった水素を駆動流とするジェットポンプ6と、アノード1aから排出された高湿度のアノードオフガスを加湿手段5へ供給する循環路7と、加湿手段5から排出されたアノードオフガスをジェットポンプ6の吸い込み流として供給する水素循環ポンプ8と、加湿手段5の下流の循環路7から分岐する排気ライン10と、排気ライン10を開閉するパージ弁9とを備えている。   FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of Embodiment 1 of a fuel cell system according to the present invention. In FIG. 1, a fuel cell system includes a fuel cell 1 having an anode (fuel electrode) 1a and a cathode (oxidant electrode) 1b, a high-pressure hydrogen tank 2 for storing hydrogen gas as a fuel gas at a high pressure, and a high-pressure hydrogen tank. 2, a hydrogen supply path 4 extending from 2 to the anode 1 a, a pressure regulating valve 3 disposed on the hydrogen supply path 4 for adjusting the pressure of the high-pressure hydrogen gas to the operating pressure of the fuel cell 1, and disposed downstream of the pressure regulating valve 3. The humidifying means 5 for humidifying the hydrogen, the jet pump 6 using the hydrogen that has been humidified by the humidifying means 5 as a driving flow, and the circulation path for supplying the high-humidity anode off-gas discharged from the anode 1a to the humidifying means 5 7, a hydrogen circulation pump 8 for supplying the anode off-gas discharged from the humidifying means 5 as a suction flow of the jet pump 6, and an exhaust gas branching from the circulation path 7 downstream of the humidifying means 5 And down 10, and a purge valve 9 for opening and closing the exhaust line 10.

尚、燃料電池システムは、カソード1bへ空気を供給する空気系、燃料電池1の運転温度を維持する冷却系、燃料電池1から電力を取り出す電力系の各構成要素を備えているが、本発明としては特徴がないので、図示を省略している。   The fuel cell system includes components of an air system that supplies air to the cathode 1b, a cooling system that maintains the operating temperature of the fuel cell 1, and a power system that extracts power from the fuel cell 1. Since there is no feature, the illustration is omitted.

加湿手段5は、例えば中空糸膜を介して高湿度ガスから低湿度ガスへ水蒸気成分を移動可能な膜タイプの加湿手段である。加湿手段5には、低湿度ガスとして調圧弁3で圧力調整された水素が供給され、高湿度ガスとして循環路7を介してアノードオフガスが供給される。そして、アノードオフガス中の水蒸気が中空糸膜を介して供給水素へ移動することにより供給水素が加湿される。   The humidifying means 5 is a membrane type humidifying means capable of moving a water vapor component from a high-humidity gas to a low-humidity gas via a hollow fiber membrane, for example. The humidifying means 5 is supplied with hydrogen whose pressure is adjusted by the pressure regulating valve 3 as a low-humidity gas, and is supplied with anode off-gas as a high-humidity gas via the circulation path 7. Then, the supply hydrogen is humidified by the water vapor in the anode off-gas moving to the supply hydrogen through the hollow fiber membrane.

調圧弁3は、高圧水素タンク2から必要供給量だけアノード1aに水素を供給するために圧力調整を行う。高圧水素タンク2に貯蔵されている水素は乾燥水素ガスであるので、調圧弁3とジェットポンプ6との間に加湿手段5を設け、ジェットポンプ6の駆動流となる供給水素を加湿する。   The pressure regulating valve 3 performs pressure adjustment to supply hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 2 to the anode 1a by a necessary supply amount. Since the hydrogen stored in the high-pressure hydrogen tank 2 is dry hydrogen gas, the humidifying means 5 is provided between the pressure regulating valve 3 and the jet pump 6 to humidify the supplied hydrogen that is the driving flow of the jet pump 6.

ここで、ジェットポンプについて、図9、図10を参照して説明する。尚、燃料電池システムの用途においては、駆動流は新規に供給される水素であり、吸い込み流は、アノードオフガスであり、混合流は燃料電池のアノードに供給されるガスである。   Here, the jet pump will be described with reference to FIGS. In the fuel cell system application, the driving flow is newly supplied hydrogen, the suction flow is anode off-gas, and the mixed flow is gas supplied to the anode of the fuel cell.

図9は、ジェットポンプの一種であるエゼクタを説明する模式断面図である。エゼクタ40は、駆動流101を噴出させるノズル41と、駆動流101と吸い込み流103とが合流する混合室43と、駆動流101と吸い込み流103とが混合するスロート部44と、駆動流101と吸い込み流103とが混合した混合流104の圧力を回復させるデフューザ部45と、駆動流供給口46と、吸込口47と、出口48とを備えている。   FIG. 9 is a schematic cross-sectional view illustrating an ejector that is a type of jet pump. The ejector 40 includes a nozzle 41 that ejects the driving flow 101, a mixing chamber 43 in which the driving flow 101 and the suction flow 103 merge, a throat portion 44 in which the driving flow 101 and the suction flow 103 mix, and a driving flow 101. A diffuser portion 45 that recovers the pressure of the mixed flow 104 mixed with the suction flow 103, a drive flow supply port 46, a suction port 47, and an outlet 48 are provided.

ノズル41には、オリフィス(絞り)42が設けられ、駆動流101がオリフィス42から混合室43内部へ速度の高い噴流102となって噴出される。この速度が高い噴流102の周囲には、負圧が形成され、この負圧により吸込口47から吸い込み流103が吸い込まれる。   The nozzle 41 is provided with an orifice (throttle) 42, and the driving flow 101 is ejected from the orifice 42 into the mixing chamber 43 as a high-speed jet 102. A negative pressure is formed around the jet 102 having a high velocity, and the suction flow 103 is sucked from the suction port 47 by the negative pressure.

図10は、ジェットポンプの一種である増幅ノズルを説明する模式断面図である。増幅ノズル50は、略円筒形のボディ部51と、ボディ部51の軸方向に可動である可動部52と、ボディ部51と可動部52との間の気密を保持するOリング53とを備えている。ボディ部51の内周部に設けられたネジ部54と、可動部52の外周部に設けられたネジ部55とが螺合している。そして、図示しない駆動機構により可動部52が往復回転駆動されると、ボディ部51に対して可動部52が軸方向に前後運動し、この前後運動によりリング状の絞り59の開度が増減する可変絞りが実現される。   FIG. 10 is a schematic cross-sectional view illustrating an amplifying nozzle that is a kind of jet pump. The amplification nozzle 50 includes a substantially cylindrical body portion 51, a movable portion 52 that is movable in the axial direction of the body portion 51, and an O-ring 53 that maintains airtightness between the body portion 51 and the movable portion 52. ing. The screw part 54 provided on the inner peripheral part of the body part 51 and the screw part 55 provided on the outer peripheral part of the movable part 52 are screwed together. When the movable portion 52 is driven to reciprocate by a drive mechanism (not shown), the movable portion 52 moves back and forth in the axial direction with respect to the body portion 51, and the opening degree of the ring-shaped restrictor 59 increases or decreases due to this back and forth motion. Variable aperture is realized.

ボディ部51の円筒の側面には、駆動流101を供給するための駆動流供給口56が設けられ、駆動流供給口56から駆動流101が供給される。駆動流101は、絞り59を経てコアンダ効果により、可動部52の内面に沿って流れる壁面流62となる。このためリング状の絞り59の中央部には、負圧が発生し、吸込口57から吸い込み流103が吸い込まれる。駆動流101と吸い込み流103とは、スロート部60で混合されて混合流104となり、ディヒューザ部61で圧力が回復されて出口58から排出される。   A drive flow supply port 56 for supplying the drive flow 101 is provided on the cylindrical side surface of the body portion 51, and the drive flow 101 is supplied from the drive flow supply port 56. The driving flow 101 becomes a wall surface flow 62 that flows along the inner surface of the movable portion 52 by the Coanda effect through the restriction 59. For this reason, a negative pressure is generated at the center of the ring-shaped throttle 59, and the suction flow 103 is sucked from the suction port 57. The driving flow 101 and the suction flow 103 are mixed in the throat portion 60 to become a mixed flow 104, and the pressure is recovered in the diffuser portion 61 and discharged from the outlet 58.

図1に戻って、加湿手段5で加湿された供給水素は、水蒸気分だけ流量が増加し、密度も高まった状態でジェットポンプの絞り(図9、エゼクタ40のオリフィス42、図10、増幅ノズル50の絞り59等)から噴出されるため、アノードオフガスと駆動流との混合室において、加湿されないドライの場合よりもより低い負圧(絶対値が大きい)を発生させることで、より大流量のアノードオフガスを引き込み、大流量が引き込まれたことでジェットポンプ出口において回復圧力もドライの場合よりも高めに回復する。これにより、循環流量を増加し、ジェットポンプの揚程を高めることができる。   Returning to FIG. 1, the supply hydrogen humidified by the humidifying means 5 is increased in flow rate by the amount of water vapor and the density is also increased (FIG. 9, orifice 42 of the ejector 40, FIG. 10, amplification nozzle). 50), so that a lower negative pressure (larger absolute value) is generated in the mixing chamber of the anode off gas and the driving flow than in the case of dry without being humidified, so that a larger flow rate is obtained. As the anode off-gas is drawn in and a large flow rate is drawn in, the recovery pressure at the outlet of the jet pump recovers to a higher level than in the dry case. Thereby, a circulation flow rate can be increased and the head of a jet pump can be raised.

本発明を適用しない場合には、ドライ水素をジェットポンプの駆動流として、アノードオフガスを吸い込み流とし、ジェットポンプから吐出される両者の混合流を加湿することになるが、本発明では、ジェットポンプ手前において供給水素を加湿しているので、燃料電池の負荷によって一様に決められている供給水素の量を変えることなくジェットポンプの駆動流の密度・流量を水蒸気分だけ増加させることができるため、昇圧、流量引き込み性能を向上させることができる。また、当然であるが同時にスタック反応促進・保護の役割も供給水素に持たせることができる。   When the present invention is not applied, dry hydrogen is used as a driving flow for the jet pump, anode off gas is used as a suction flow, and the mixed flow discharged from the jet pump is humidified. Since the supplied hydrogen is humidified in front, the density and flow rate of the jet pump drive flow can be increased by the amount of water vapor without changing the amount of supplied hydrogen that is uniformly determined by the load of the fuel cell. Boosting and flow rate drawing performance can be improved. Naturally, the supplied hydrogen can also have the role of promoting and protecting the stack reaction at the same time.

飽和水蒸気圧は、温度によって決まるため、同じ温度において雰囲気圧力が高い場合と低い場合とでは、水蒸気分圧として考えた場合、雰囲気圧力が低い方が相対的に水蒸気圧が高い、つまりガス中の水蒸気濃度が高いということになる。このため加湿手段5は、調圧弁3とジェットポンプ6の間に配置する方が、より多くの水蒸気量を供給水素に含ませることができる。   Since the saturated water vapor pressure is determined by the temperature, when the atmospheric pressure is high and low at the same temperature, the water vapor pressure is relatively high when the atmospheric pressure is low, that is, when the atmospheric pressure is low, that is, in the gas. This means that the water vapor concentration is high. For this reason, when the humidifying means 5 is arranged between the pressure regulating valve 3 and the jet pump 6, a larger amount of water vapor can be included in the supplied hydrogen.

しかし、調圧弁3の上流において高圧水素タンク2からの供給水素を加湿したとしてもジェットポンプを通過した後に加湿した場合よりは、大きな昇圧・流量引き込み性能を実現できることは言うまでもない。   However, it goes without saying that even if the supply hydrogen from the high-pressure hydrogen tank 2 is humidified upstream of the pressure regulating valve 3, it is possible to realize a larger pressure increase / flow rate drawing performance than when humidifying after passing through the jet pump.

加湿手段5として膜タイプの加湿器を用いる場合、膜を介して高湿潤ガスと低湿潤ガスとの間で湿度交換させることによって、電力を使用することなく加湿を行うことができる。また加湿した水素をジェットポンプ6の駆動流として使用することで、ジェットポンプ6の循環性能を向上させ、ジェットポンプ6と併用している水素循環ポンプ8の消費電力を削減したり、水素循環ポンプの小型化、或いは水素循環ポンプを必要としないシステムを構築することができるという効果がある。   When a membrane-type humidifier is used as the humidifying means 5, it is possible to perform humidification without using electric power by exchanging humidity between the high-humidity gas and the low-humidity gas via the membrane. Further, by using humidified hydrogen as the driving flow of the jet pump 6, the circulation performance of the jet pump 6 is improved, and the power consumption of the hydrogen circulation pump 8 used in combination with the jet pump 6 is reduced, or the hydrogen circulation pump There is an effect that it is possible to construct a system that does not require a hydrogen circulation pump.

次に、ジェットポンプの駆動流として供給するガス圧力を高めることで、駆動流の密度を上昇させる駆動流密度上昇手段について説明する。この駆動流密度上昇手段は、駆動流の圧力を高めた分に応じて、ジェットポンプの可変絞りの開度を絞るために、実施例1において図10を参照して説明した増幅ノズルをジェットポンプとして使用する。   Next, driving flow density increasing means for increasing the density of the driving flow by increasing the gas pressure supplied as the driving flow of the jet pump will be described. The driving flow density increasing means uses the amplifying nozzle described with reference to FIG. 10 in the first embodiment in order to reduce the opening of the variable throttle of the jet pump in accordance with the increase in the pressure of the driving flow. Use as

燃料電池の発電量の定格条件において、ジェットポンプへ供給する水素がチョーク(水素速度が音速に達する)するようにジェットポンプの絞りの大きさを決めた場合、定格以下の燃料電池発電量においては、水素速度は亜音速(音速以下)の領域に成り、ジェットポンプの性能(流量、揚程)はチョーク時ほどの高い昇圧量・大流量で機能することができなくなる。そこで、ジェットポンプの絞りを可変にし、供給水素圧を高くすることで、供給水素流量(NL/min)は変えずに密度だけを高めて噴出させる。   If the size of the throttle of the jet pump is determined so that the hydrogen supplied to the jet pump chokes (the hydrogen speed reaches the speed of sound) under the rated conditions of the power generation amount of the fuel cell, The hydrogen velocity is in the subsonic speed range (below the sonic velocity), and the performance (flow rate and head) of the jet pump cannot function at a higher pressure and flow rate as high as choke. Therefore, by making the throttle of the jet pump variable and increasing the supply hydrogen pressure, the supply hydrogen flow rate (NL / min) is not changed, and only the density is increased and ejected.

図8の破線のように、各燃料電池負荷において水素供給圧を高めることで同径のノズルであれば水素供給量も増えるが、供給圧が増えたことで増加する水素供給量をジェットポンプの可変絞りにて絞ることで供給圧が増えても水素供給量は変わらずに、ジェットポンプの駆動流(供給水素)のガス密度が高くなる。このため、ジェットポンプの昇圧性能(もしくは流量性能)は、定格負荷以下の運転領域おいても白丸で示した値から黒丸で示した値へ向上するという効果がある。   As shown by the broken line in FIG. 8, if the nozzles have the same diameter by increasing the hydrogen supply pressure at each fuel cell load, the hydrogen supply amount also increases. However, the increase in the supply pressure increases the hydrogen supply amount by the jet pump. Even if the supply pressure increases by restricting with the variable restrictor, the hydrogen supply amount does not change, and the gas density of the driving flow (supply hydrogen) of the jet pump increases. For this reason, the boosting performance (or flow rate performance) of the jet pump has the effect of improving from the value indicated by the white circle to the value indicated by the black circle even in the operation region below the rated load.

図2は、本発明に係る燃料電池システムの実施例2の概略構成を示す構成図である。図2において、燃料電池システムは、アノード(燃料極)1aとカソード(酸化剤極)1bを有する燃料電池1と、燃料ガスである水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク2と、高圧水素タンク2からアノード1aに至る水素供給路4と、水素供給路4上に配置され高圧水素ガスの圧力を燃料電池1の運転圧力まで低下させて調整する調圧弁3と、調圧弁3の下流に配置され水素を加湿する加湿手段11と、加湿手段11で加湿され重くなった水素を駆動流とするジェットポンプ6と、アノード1aから排出された高湿度のアノードオフガスをジェットポンプの吸い込み流として供給する循環路7と、循環路7内のアノードオフガスを圧送する水素循環ポンプ8とを備えている。   FIG. 2 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a second embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 2, the fuel cell system includes a fuel cell 1 having an anode (fuel electrode) 1a and a cathode (oxidant electrode) 1b, a high-pressure hydrogen tank 2 for storing hydrogen gas as a fuel gas at high pressure, and a high-pressure hydrogen tank. 2, a hydrogen supply path 4 extending from 2 to the anode 1 a, a pressure regulating valve 3 disposed on the hydrogen supply path 4 for adjusting the pressure of the high-pressure hydrogen gas to the operating pressure of the fuel cell 1, and disposed downstream of the pressure regulating valve 3. The humidifying means 11 for humidifying the hydrogen, the jet pump 6 that uses the hydrogen humidified by the humidifying means 11 as a driving flow, and the high-humidity anode off-gas discharged from the anode 1a are supplied as the suction flow of the jet pump. A circulation path 7 and a hydrogen circulation pump 8 for pumping the anode off gas in the circulation path 7 are provided.

尚、燃料電池システムは、カソード1bへ空気を供給する空気系、燃料電池1の運転温度を維持する冷却系、燃料電池1から電力を取り出す電力系の各構成要素を備えているが、本発明としては特徴がないので、図示を省略している。   The fuel cell system includes components of an air system that supplies air to the cathode 1b, a cooling system that maintains the operating temperature of the fuel cell 1, and a power system that extracts power from the fuel cell 1. Since there is no feature, the illustration is omitted.

加湿手段11は、水を貯蔵する水タンク12と水タンク12を加熱する加熱手段13とを備えている。加湿手段11は、水タンク12内の水中へ被加湿ガスである水素ガスを吹き込んで加湿するいわゆるバブラータイプの加湿器である。加熱手段13は、水タンク12を加熱することにより、水タンク内部の水温を上昇させ、水蒸気分圧を高める。加熱手段13としては、図示しない蓄電池から供給される電力で発熱する電気ヒータや、供給される水素の一部を空気中の酸素と反応させて発熱する触媒燃焼器等を用いることができる。   The humidifying means 11 includes a water tank 12 for storing water and a heating means 13 for heating the water tank 12. The humidifying means 11 is a so-called bubbler type humidifier that humidifies by blowing hydrogen gas, which is a humidified gas, into the water in the water tank 12. The heating means 13 heats the water tank 12 to raise the water temperature inside the water tank and increase the water vapor partial pressure. As the heating means 13, an electric heater that generates heat with electric power supplied from a storage battery (not shown), a catalytic combustor that generates heat by reacting part of the supplied hydrogen with oxygen in the air, or the like can be used.

水タンク12の水は、図示しない凝縮器によりカソード排気中から回収された純水が供給されることが好ましい。これにより加湿用の水供給を必要としない移動体用の燃料電池システムを構成できる。   The water in the water tank 12 is preferably supplied with pure water recovered from the cathode exhaust by a condenser (not shown). As a result, a fuel cell system for a moving body that does not require water supply for humidification can be configured.

尚、本実施例においては、加湿手段11はバブラータイプとしが、バブラータイプ以外に、被加湿ガス中に水蒸気を噴射するスチームインジェクションタイプを用いることも可能である。スチームインジェクションタイプの場合、高温の水を噴射させるだけで供給水素の加湿量を急激に高めることができるため、高い応答性が求められる燃料電池システムにおいては有効である。   In the present embodiment, the humidifying means 11 is a bubbler type, but it is also possible to use a steam injection type in which water vapor is injected into the humidified gas other than the bubbler type. In the case of the steam injection type, the humidification amount of the supplied hydrogen can be rapidly increased only by injecting high-temperature water, and thus it is effective in a fuel cell system that requires high responsiveness.

図3は、本発明に係る燃料電池システムの実施例3の概略構成を示す構成図である。図3において、燃料電池システムは、アノード(燃料極)1aとカソード(酸化剤極)1bを有する燃料電池1と、燃料ガスである水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク2と、高圧水素タンク2からアノード1aに至る水素供給路4と、水素供給路4上に配置され高圧水素ガスの圧力を燃料電池1の運転圧力まで低下させて調整する調圧弁3と、調圧弁3の下流に配置され水素を加湿する加湿手段5と、加湿手段5で加湿され重くなった水素を駆動流とするジェットポンプ6と、アノード1aから排出された高湿度のアノードオフガスを水素循環ポンプ8を介してジェットポンプ6及び加湿手段5へ供給する循環路7と、
水素循環ポンプ8下流の循環路7から分岐してアノードオフガスの一部を加湿手段5へ供給するアノードオフガス導入路14と、加湿手段5から排出されたアノードオフガスの流量を調整して循環路7へ戻す可変オリフィス15とを備えている。
FIG. 3 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a third embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 3, the fuel cell system includes a fuel cell 1 having an anode (fuel electrode) 1a and a cathode (oxidant electrode) 1b, a high-pressure hydrogen tank 2 for storing hydrogen gas as a fuel gas at high pressure, and a high-pressure hydrogen tank. 2, a hydrogen supply path 4 extending from 2 to the anode 1 a, a pressure regulating valve 3 disposed on the hydrogen supply path 4 for adjusting the pressure of the high-pressure hydrogen gas to the operating pressure of the fuel cell 1, and disposed downstream of the pressure regulating valve 3. The humidifying means 5 for humidifying the hydrogen, the jet pump 6 using the hydrogen that has been humidified by the humidifying means 5 as a driving flow, and the high-humidity anode off-gas discharged from the anode 1 a are jetted via the hydrogen circulation pump 8. A circulation path 7 for supplying the pump 6 and the humidifying means 5;
An anode off-gas introduction path 14 that branches from the circulation path 7 downstream of the hydrogen circulation pump 8 and supplies a part of the anode off-gas to the humidifying means 5, and a flow path of the anode off-gas discharged from the humidifying means 5 is adjusted. And a variable orifice 15 to be returned to.

尚、燃料電池システムは、カソード1bへ空気を供給する空気系、燃料電池1の運転温度を維持する冷却系、燃料電池1から電力を取り出す電力系の各構成要素を備えているが、本発明としては特徴がないので、図示を省略している。   The fuel cell system includes components of an air system that supplies air to the cathode 1b, a cooling system that maintains the operating temperature of the fuel cell 1, and a power system that extracts power from the fuel cell 1. Since there is no feature, the illustration is omitted.

実施例1ではアノードオフガスをそのまま循環路の一つとして通したが、圧損の発生によって水素循環ポンプ8の消費電力が増加してしまい、ジェットポンプ6のアシスト効果を低減させてしまう悪影響が現れる可能性もある。   In the first embodiment, the anode off-gas is passed as it is as one of the circulation paths, but the power consumption of the hydrogen circulation pump 8 increases due to the occurrence of pressure loss, which may adversely affect the assist effect of the jet pump 6. There is also sex.

そこで本実施例では、水素循環ポンプ6とジェットポンプ吸い込み側入口との間から、水素循環ポンプ8によって圧縮された高温になっているアノードオフガスの一部を加湿手段5へ導入して、供給水素との水蒸気交換を行い、水素循環ポンプ入口まで出て行くようなアノードオフガス導入路14を設ける。   Therefore, in this embodiment, a part of the anode off-gas having a high temperature compressed by the hydrogen circulation pump 8 is introduced into the humidifying means 5 from between the hydrogen circulation pump 6 and the jet pump suction side inlet to supply hydrogen. The anode off-gas introduction path 14 is provided so as to perform steam exchange with the hydrogen circulation pump and exit to the hydrogen circulation pump inlet.

また燃料電池システムの負荷状態に応じて供給水素の加湿量を可変にしてジェットポンプ6による水素循環ポンプ8へのアシスト量を可変するための可変オリフィス15を、アノードオフガス経路14中に設ける。これにより、水素循環ポンプ8から排出されたアノードオフガスの加湿手段5への導入量をコントロールする。なお、可変オリフィス15は、燃料電池システムの負荷が大きくなるに応じて加湿量が増えるように、また負荷が小さくなるに応じて加湿量が減るように可変オリフィス15を制御する。   In addition, a variable orifice 15 is provided in the anode off-gas passage 14 for varying the amount of humidification of the supplied hydrogen in accordance with the load state of the fuel cell system and varying the amount of assist to the hydrogen circulation pump 8 by the jet pump 6. Thereby, the introduction amount of the anode off gas discharged from the hydrogen circulation pump 8 to the humidifying means 5 is controlled. The variable orifice 15 controls the variable orifice 15 so that the humidification amount increases as the load of the fuel cell system increases, and the humidification amount decreases as the load decreases.

本実施例によれば、アノードオフガスを加湿源として用いるので、ジェットポンプの吸い込み流であるアノードオフガスが軽くなるとともに水蒸気分だけ流量が減少し、駆動流が重くなるとともに水蒸気分だけ流量が増加するため、より高いジェットポンプ性能の向上効果を得ることができる。   According to the present embodiment, since the anode off gas is used as a humidification source, the anode off gas, which is the suction flow of the jet pump, becomes lighter and the flow rate is reduced by the amount of water vapor. Therefore, it is possible to obtain a higher jet pump performance improvement effect.

図4は、本発明に係る燃料電池システムの実施例4の概略構成を示す構成図である。図4において、燃料電池システムは、アノード(燃料極)1aとカソード(酸化剤極)1bを有する燃料電池1と、燃料ガスである水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク2と、高圧水素タンク2からアノード1aに至る水素供給路4と、水素供給路4上に配置され高圧水素ガスの圧力を燃料電池1の運転圧力まで低下させて調整する調圧弁3と、調圧弁3の下流に配置され水素を加湿する加湿手段5と、加湿手段5で加湿され重くなった水素を駆動流とするジェットポンプ6と、アノード1aから排出された高湿度のアノードオフガスをジェットポンプの吸い込み流として供給する循環路7と、ジェットポンプ6の下流の水素供給路4から分岐してジェットポンプ6による混合流の一部を加湿手段5へ高湿度ガスとして供給するジェットポンプ出口ガス導入路17と、ジェットポンプ6を加熱するジェットポンプ加熱手段16とを備えている。   FIG. 4 is a configuration diagram showing a schematic configuration of the embodiment 4 of the fuel cell system according to the present invention. 4, the fuel cell system includes a fuel cell 1 having an anode (fuel electrode) 1a and a cathode (oxidant electrode) 1b, a high-pressure hydrogen tank 2 for storing hydrogen gas as a fuel gas at a high pressure, and a high-pressure hydrogen tank. 2, a hydrogen supply path 4 extending from 2 to the anode 1 a, a pressure regulating valve 3 disposed on the hydrogen supply path 4 for adjusting the pressure of the high-pressure hydrogen gas to the operating pressure of the fuel cell 1, and disposed downstream of the pressure regulating valve 3. The humidifying means 5 for humidifying the hydrogen, the jet pump 6 using the hydrogen that has been humidified by the humidifying means 5 as a driving flow, and the high-humidity anode off-gas discharged from the anode 1a are supplied as the suction flow of the jet pump. A jet branched from the circulation path 7 and the hydrogen supply path 4 downstream of the jet pump 6 to supply a part of the mixed flow by the jet pump 6 to the humidifying means 5 as a high humidity gas A pump outlet gas inlet passage 17, and a jet pump heating means 16 for heating the jet pump 6.

尚、燃料電池システムは、カソード1bへ空気を供給する空気系、燃料電池1の運転温度を維持する冷却系、燃料電池1から電力を取り出す電力系の各構成要素を備えているが、本発明としては特徴がないので、図示を省略している。   The fuel cell system includes components of an air system that supplies air to the cathode 1b, a cooling system that maintains the operating temperature of the fuel cell 1, and a power system that extracts power from the fuel cell 1. Since there is no feature, the illustration is omitted.

加湿手段5は、例えば中空糸膜を介して高湿度ガスから低湿度ガスへ水蒸気成分を移動可能な膜タイプの加湿手段である。加湿手段5には、低湿度ガスとして調圧弁3で圧力調整された水素が供給され、高湿度ガスとしてジェットポンプ出口ガス導入路17を介してジェットポンプ出口ガスが供給される。そして、ジェットポンプ出口ガス中の水蒸気が中空糸膜を介して供給水素へ移動することにより供給水素が加湿される。   The humidifying means 5 is a membrane type humidifying means capable of moving a water vapor component from a high-humidity gas to a low-humidity gas via a hollow fiber membrane, for example. The humidifying means 5 is supplied with hydrogen whose pressure is adjusted by the pressure regulating valve 3 as a low humidity gas, and is supplied with a jet pump outlet gas via the jet pump outlet gas introduction passage 17 as a high humidity gas. Then, the water vapor in the jet pump outlet gas moves to the hydrogen supply through the hollow fiber membrane, so that the hydrogen supply is humidified.

実施例1から実施例3では、アノードオフガスの循環装置として水素循環ポンプとジェットポンプを組み合わせたシステムの説明を行ってきたが、水素循環ポンプを備えずジェットポンプのみのシステムでも本発明の適用は当然可能である。   In the first to third embodiments, a description has been given of a system in which a hydrogen circulation pump and a jet pump are combined as an anode off-gas circulation device. However, the present invention can be applied to a system having only a jet pump without a hydrogen circulation pump. Of course it is possible.

また、ジェットポンプ6における絞り(図9、エゼクタ40のオリフィス42、図10、増幅ノズル50の絞り59等)において、供給水素が冷えることで凝縮水が発生し、ジェットポンプの絞り部が詰まることで機能しなくなるといったことを回避するために、ジェットポンプを加熱するための加熱手段16を設ける。加熱手段16はなければならないというものではなく、その必要性はシステムによる。ただ図4に示した本実施例だけでなく、すべての実施例において、ジェットポンプを加熱したことで信頼性(オリフィス穴つまり回避)が向上することは言うまでもない。また、ジェットポンプ6により供給水素を暖めると、気体温度が上がるため、さらに循環効率が向上する。なお、加湿手段により供給水素を加熱しても同様である。加熱手段16は例えば電気ヒータ等で構成し、ジェットポンプに設けた温度センサの検出値により電気ヒータの通電電流を制御して、一定の加熱温度となるように制御する。この加熱温度は、スタックの耐熱や、運転効率を考慮して決定される。   Further, at the throttle in the jet pump 6 (FIG. 9, orifice 42 of the ejector 40, FIG. 10, throttle 59 of the amplification nozzle 50, etc.), the supply hydrogen is cooled, so that condensed water is generated and the throttle portion of the jet pump is clogged. In order to avoid the malfunction of the jet pump, a heating means 16 for heating the jet pump is provided. The heating means 16 does not have to be, the necessity depends on the system. Needless to say, not only in this embodiment shown in FIG. 4 but also in all embodiments, the reliability (orifice hole or avoidance) is improved by heating the jet pump. Further, when the supplied hydrogen is warmed by the jet pump 6, the gas temperature rises, so that the circulation efficiency is further improved. The same applies when the supplied hydrogen is heated by the humidifying means. The heating means 16 is composed of, for example, an electric heater or the like, and controls the energization current of the electric heater based on the detection value of the temperature sensor provided in the jet pump so as to achieve a constant heating temperature. This heating temperature is determined in consideration of heat resistance of the stack and operation efficiency.

図5は、本発明に係る燃料電池システムの実施例5の概略構成を示す構成図である。図5において、燃料電池システムは、アノード(燃料極)1aとカソード(酸化剤極)1bを有する燃料電池1と、燃料ガスである水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク2と、高圧水素タンク2からアノード1aに至る水素供給路4と、水素供給路4上に配置され高圧水素ガスの圧力を燃料電池1の運転圧力まで低下させて調整する調圧弁3と、調圧弁3の下流に配置され水素を加湿する加湿手段5と、加湿手段5で加湿され重くなった水素を駆動流とするジェットポンプ6と、アノード1aから排出されたアノードオフガスをジェットポンプの吸い込み流として供給する循環路7と、カソード1bから排出されるカソードオフガスを加湿手段5へ高湿度ガスとして供給するカソードオフガス導入路18と、加湿手段5で使用済みのカソードオフガスの圧力を制御する空気調圧弁19と、空気調圧弁19からカソードオフガスを排出する空気排出路20と、ジェットポンプ6を加熱するジェットポンプ加熱手段16と、を備えている。   FIG. 5 is a configuration diagram showing a schematic configuration of the fifth embodiment of the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 5, the fuel cell system includes a fuel cell 1 having an anode (fuel electrode) 1a and a cathode (oxidant electrode) 1b, a high-pressure hydrogen tank 2 for storing hydrogen gas as a fuel gas at a high pressure, and a high-pressure hydrogen tank. 2, a hydrogen supply path 4 extending from 2 to the anode 1 a, a pressure regulating valve 3 disposed on the hydrogen supply path 4 for adjusting the pressure of the high-pressure hydrogen gas to the operating pressure of the fuel cell 1, and disposed downstream of the pressure regulating valve 3. The humidifying means 5 for humidifying the hydrogen, the jet pump 6 using the hydrogen that has been humidified by the humidifying means 5 as a driving flow, and the circulation path 7 for supplying the anode off-gas discharged from the anode 1a as the suction flow of the jet pump A cathode offgas introduction path 18 for supplying the cathode offgas discharged from the cathode 1b as a high humidity gas to the humidifying means 5, and a cathode used in the humidifying means 5. An air pressure regulating valve 19 for controlling the pressure of Doofugasu includes an air discharge passage 20 for discharging the cathode off-gas from the air pressure regulator valve 19, a jet pump heating means 16 for heating the jet pump 6.

尚、燃料電池システムは、カソード1bへ空気を供給する空気系、燃料電池1の運転温度を維持する冷却系、燃料電池1から電力を取り出す電力系の各構成要素を備えているが、本発明としては特徴がないので、図示を省略している。   The fuel cell system includes components of an air system that supplies air to the cathode 1b, a cooling system that maintains the operating temperature of the fuel cell 1, and a power system that extracts power from the fuel cell 1. Since there is no feature, the illustration is omitted.

加湿手段5は、例えば中空糸膜を介して高湿度ガスから低湿度ガスへ水蒸気成分を移動可能な膜タイプの加湿手段である。加湿手段5には、低湿度ガスとして調圧弁3で圧力調整された水素が供給され、高湿度ガスとしてカソードオフガス導入路18を介してカソードオフガスが供給される。そして、カソードオフガス中の水蒸気が中空糸膜を介して供給水素へ移動することにより供給水素が加湿される。加湿手段5から排出されたカソードオフガスは、空気調圧弁19を経て空気排出路20から排出される。   The humidifying means 5 is a membrane type humidifying means capable of moving a water vapor component from a high-humidity gas to a low-humidity gas via a hollow fiber membrane, for example. The humidifying means 5 is supplied with hydrogen whose pressure is adjusted by the pressure regulating valve 3 as a low-humidity gas, and is supplied with a cathode off-gas as a high-humidity gas via the cathode off-gas introduction path 18. Then, the supply hydrogen is humidified by the water vapor in the cathode off gas moving to the supply hydrogen through the hollow fiber membrane. The cathode off gas discharged from the humidifying means 5 is discharged from the air discharge passage 20 through the air pressure regulating valve 19.

図6は、本発明に係る燃料電池システムの実施例6の概略構成を示す構成図である。図6において、燃料電池システムは、アノード(燃料極)1aとカソード(酸化剤極)1bを有する燃料電池1と、燃料ガスである水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク2と、高圧水素タンク2からアノード1aに至る水素供給路4と、水素供給路4上に配置され高圧水素ガスの圧力を燃料電池1の運転圧力まで低下させて調整する調圧弁3と、調圧弁3の下流に配置され水素を加湿する加湿手段5と、加湿手段5で加湿され重くなった水素を駆動流とするジェットポンプ6と、アノード1aから排出されたアノードオフガスをジェットポンプの吸い込み流として供給する循環路7と、アノード1aから排出されるアノードオフガスをパージするときに加湿手段5へ高湿度ガスとして供給するアノードパージガス導入路21と、加湿手段5で使用済みのアノードパージガスの放出/放出停止を制御するパージ弁9と、加湿手段5からアノードパージガスを排出する排気ライン10と、ジェットポンプ6を加熱するジェットポンプ加熱手段16と、を備えている。   FIG. 6 is a configuration diagram showing a schematic configuration of Embodiment 6 of the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 6, the fuel cell system includes a fuel cell 1 having an anode (fuel electrode) 1a and a cathode (oxidant electrode) 1b, a high-pressure hydrogen tank 2 for storing hydrogen gas as a fuel gas at a high pressure, and a high-pressure hydrogen tank. 2, a hydrogen supply path 4 extending from 2 to the anode 1 a, a pressure regulating valve 3 disposed on the hydrogen supply path 4 for adjusting the pressure of the high-pressure hydrogen gas to the operating pressure of the fuel cell 1, and disposed downstream of the pressure regulating valve 3. The humidifying means 5 for humidifying the hydrogen, the jet pump 6 using the hydrogen that has been humidified by the humidifying means 5 as a driving flow, and the circulation path 7 for supplying the anode off-gas discharged from the anode 1a as the suction flow of the jet pump An anode purge gas introduction passage 21 that supplies the humidifying means 5 as high-humidity gas when purging the anode off-gas discharged from the anode 1a, and the humidifying means A purge valve 9 for controlling the release / release stop of the used anode purge gas, an exhaust line 10 for discharging the anode purge gas from the humidifying means 5, and a jet pump heating means 16 for heating the jet pump 6. .

尚、燃料電池システムは、カソード1bへ空気を供給する空気系、燃料電池1の運転温度を維持する冷却系、燃料電池1から電力を取り出す電力系の各構成要素を備えているが、本発明としては特徴がないので、図示を省略している。   The fuel cell system includes components of an air system that supplies air to the cathode 1b, a cooling system that maintains the operating temperature of the fuel cell 1, and a power system that extracts power from the fuel cell 1. Since there is no feature, the illustration is omitted.

加湿手段5は、例えば中空糸膜を介して高湿度ガスから低湿度ガスへ水蒸気成分を移動可能な膜タイプの加湿手段である。加湿手段5には、低湿度ガスとして調圧弁3で圧力調整された水素が供給され、高湿度ガスとしてアノードパージガス導入路21を介してアノードパージガスが供給される。そして、アノードパージガス中の水蒸気が中空糸膜を介して供給水素へ移動することにより供給水素が加湿される。加湿手段5から排出されたアノードパージガスは、パージ弁9を経て排気ライン10から排出される。   The humidifying means 5 is a membrane type humidifying means capable of moving a water vapor component from a high-humidity gas to a low-humidity gas via a hollow fiber membrane, for example. The humidifying means 5 is supplied with hydrogen whose pressure is adjusted by the pressure regulating valve 3 as low humidity gas, and is supplied with anode purge gas through the anode purge gas introduction passage 21 as high humidity gas. Then, the water vapor in the anode purge gas moves to the hydrogen supply through the hollow fiber membrane, so that the hydrogen supply is humidified. The anode purge gas discharged from the humidifying means 5 is discharged from the exhaust line 10 through the purge valve 9.

図7は、本発明に係る燃料電池システムの実施例7の概略構成を示す構成図である。図7において、燃料電池システムは、アノード(燃料極)1aとカソード(酸化剤極)1bを有する燃料電池1と、燃料ガスである水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンク2と、高圧水素タンク2からアノード1aに至る水素供給路4と、水素供給路4上に配置され高圧水素ガスの圧力を燃料電池1の運転圧力まで低下させて調整する調圧弁3と、調圧弁3の下流に配置され水素を加湿する加湿手段5と、加湿手段5で加湿され重くなった水素を駆動流とするジェットポンプ6と、アノード1aから排出されたアノードオフガスをジェットポンプの吸い込み流として供給する循環路7と、ジェットポンプ6を加熱するジェットポンプ加熱手段16と、窒素ガスを高圧で貯蔵する高圧窒素タンク30と、高圧窒素の圧力を水素の調整弁3の下流圧力程度まで減圧して調整する窒素調圧弁31と、窒素調圧弁31で圧力調整された窒素ガスを調圧弁3と加湿手段5との間へ合流させる窒素導入路32と、を備えている。   FIG. 7 is a configuration diagram showing a schematic configuration of Embodiment 7 of the fuel cell system according to the present invention. In FIG. 7, the fuel cell system includes a fuel cell 1 having an anode (fuel electrode) 1a and a cathode (oxidant electrode) 1b, a high-pressure hydrogen tank 2 for storing hydrogen gas as a fuel gas at a high pressure, and a high-pressure hydrogen tank. 2, a hydrogen supply path 4 extending from 2 to the anode 1 a, a pressure regulating valve 3 disposed on the hydrogen supply path 4 for adjusting the pressure of the high-pressure hydrogen gas to the operating pressure of the fuel cell 1, and disposed downstream of the pressure regulating valve 3. The humidifying means 5 for humidifying the hydrogen, the jet pump 6 using the hydrogen that has been humidified by the humidifying means 5 as a driving flow, and the circulation path 7 for supplying the anode off-gas discharged from the anode 1a as the suction flow of the jet pump A jet pump heating means 16 for heating the jet pump 6, a high-pressure nitrogen tank 30 for storing nitrogen gas at a high pressure, and the pressure of the high-pressure nitrogen under the hydrogen regulating valve 3. Nitrogen pressure regulating valve 31 to adjust the pressure was reduced to about a pressure, a nitrogen regulating valve 31 and a nitrogen-introducing passage 32 for combining into between the pressure regulated nitrogen gas pressure regulating valve 3 has a humidifier 5, a.

尚、燃料電池システムは、カソード1bへ空気を供給する空気系、燃料電池1の運転温度を維持する冷却系、燃料電池1から電力を取り出す電力系の各構成要素を備えているが、本発明としては特徴がないので、図示を省略している。   The fuel cell system includes components of an air system that supplies air to the cathode 1b, a cooling system that maintains the operating temperature of the fuel cell 1, and a power system that extracts power from the fuel cell 1. Since there is no feature, the illustration is omitted.

加湿手段5は、実施例1で説明した膜タイプの加湿手段、実施例2で説明したバブラータイプ及びスチームインジェクションタイプ等の何れも使用可能である。   As the humidifying means 5, any of the film type humidifying means described in the first embodiment, the bubbler type and the steam injection type described in the second embodiment can be used.

本実施例では、高圧窒素タンク30から供給される窒素をジェットポンプ6と調圧弁3の間に必要に応じて少量混入させることにより駆動流のガス密度を高めることができ、ジェットポンプの循環性能が向上するという効果がある。また吸い込み流量を増大させることができるため、循環ガスを循環させるために水素循環ポンプを用いた場合、水素循環ポンプの消費電力を削減し、燃料電池システムの総合的な燃費効率を向上させるという効果がある。また水素循環ポンプの回転数低減効果も見込めるため燃料電池システムの音響振動レベル特性を改善することができるという効果がある。   In this embodiment, the gas density of the driving flow can be increased by mixing a small amount of nitrogen supplied from the high-pressure nitrogen tank 30 between the jet pump 6 and the pressure regulating valve 3 as necessary, and the circulation performance of the jet pump. Has the effect of improving. In addition, since the suction flow rate can be increased, when a hydrogen circulation pump is used to circulate the circulating gas, the power consumption of the hydrogen circulation pump is reduced and the overall fuel efficiency of the fuel cell system is improved. There is. Further, since the effect of reducing the rotation speed of the hydrogen circulation pump can be expected, there is an effect that the acoustic vibration level characteristic of the fuel cell system can be improved.

尚、窒素を調圧弁3上流に混入させてもよいが、高圧窒素タンク30の圧力を高くする必要があり、窒素充填時にタンク圧を高めるエネルギーや高圧タンクを搭載することでの安全対策、補機類のコストを抑えるためには調圧弁3下流に混入させる方が比較的低い圧力ですむため低コストである。窒素の必要混入量は、燃料電池の各運転負荷条件を示すパラメータ(スタック発電量、補機類の回転数など)より検知する。またアノード循環系に対して無害であればガス種は窒素に限定する必要はない。なお、窒素ガスの投入量は、負荷が大きくなるに応じて多く、また小さくなる応じて少なくなるように制御する。   Nitrogen may be mixed upstream of the pressure regulating valve 3, but the pressure of the high-pressure nitrogen tank 30 needs to be increased. In order to reduce the cost of machinery, it is cheaper to mix it downstream of the pressure regulating valve 3 because a relatively low pressure is required. The necessary amount of nitrogen mixed is detected from parameters (stack power generation amount, rotational speed of auxiliary machinery, etc.) indicating each operation load condition of the fuel cell. The gas species need not be limited to nitrogen as long as it is harmless to the anode circulation system. The amount of nitrogen gas input is controlled to increase as the load increases and decrease as the load decreases.

本発明に係る燃料電池システムの実施例1の構成図である。It is a block diagram of Example 1 of the fuel cell system according to the present invention. 本発明に係る燃料電池システムの実施例2の構成図である。It is a block diagram of Example 2 of the fuel cell system according to the present invention. 本発明に係る燃料電池システムの実施例3の構成図である。It is a block diagram of Example 3 of the fuel cell system according to the present invention. 本発明に係る燃料電池システムの実施例4の構成図である。It is a block diagram of Example 4 of the fuel cell system according to the present invention. 本発明に係る燃料電池システムの実施例5の構成図である。It is a block diagram of Example 5 of the fuel cell system according to the present invention. 本発明に係る燃料電池システムの実施例6の構成図である。It is a block diagram of Example 6 of the fuel cell system according to the present invention. 本発明に係る燃料電池システムの実施例7の構成図である。It is a block diagram of Example 7 of the fuel cell system according to the present invention. 燃料電池負荷に対するジェットポンプの昇圧量と水素供給圧力とを示すグラフである。It is a graph which shows the pressure | voltage rise amount of a jet pump with respect to fuel cell load, and hydrogen supply pressure. エゼクタの構造を説明する模式断面図である。It is a schematic cross section explaining the structure of an ejector. 可変絞りを備えた増幅ノズルの構造を説明する模式断面図である。It is a schematic cross section explaining the structure of the amplification nozzle provided with the variable aperture.

符号の説明Explanation of symbols

1:燃料電池(1a:アノード、1b:カソード)
2:高圧水素タンク
3:調圧弁
4:水素供給路
5:加湿手段
6:ジェットポンプ
7:循環路
8:水素循環ポンプ
9:パージ弁
10:排気ライン
1: Fuel cell (1a: anode, 1b: cathode)
2: High-pressure hydrogen tank 3: Pressure regulating valve 4: Hydrogen supply path 5: Humidification means 6: Jet pump 7: Circulation path 8: Hydrogen circulation pump 9: Purge valve 10: Exhaust line

Claims (11)

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
該燃料電池へ新規に供給する燃料ガスを駆動流として、該燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスを吸引するとともに、新規供給燃料ガスとアノードオフガスとを混合した混合ガスを該燃料電池へ供給するジェットポンプと、
該ジェットポンプの駆動流のガス密度を高める駆動流密度上昇手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
A fuel cell that generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas and an oxidant gas;
The fuel gas newly supplied to the fuel cell is used as a driving flow, and the anode off-gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell is sucked, and a mixed gas obtained by mixing the newly supplied fuel gas and the anode off-gas is supplied to the fuel cell. A jet pump to supply;
Driving flow density increasing means for increasing the gas density of the driving flow of the jet pump;
A fuel cell system comprising:
燃料ガスとして水素ガスを高圧で貯蔵する高圧水素タンクと、
該高圧水素タンクから供給される水素ガスの圧力を調整する調圧弁と、
を備え、
前記駆動流密度上昇手段は、前記調圧弁と前記ジェットポンプとの間に配設された加湿手段であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
A high-pressure hydrogen tank for storing hydrogen gas at high pressure as fuel gas;
A pressure regulating valve for adjusting the pressure of the hydrogen gas supplied from the high-pressure hydrogen tank;
With
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the driving flow density increasing means is a humidifying means disposed between the pressure regulating valve and the jet pump.
前記加湿手段は、水タンク中へ水素ガスを吹き込んで加湿する加湿手段であ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。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the humidifying means is a humidifying means for humidifying by blowing hydrogen gas into a water tank. 前記加湿手段は、高湿度ガスと前記調圧弁から供給される水素ガスとの水蒸気交換を行う水蒸気交換膜を備えたことを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 2, wherein the humidifying means includes a water vapor exchange membrane that performs water vapor exchange between a high humidity gas and hydrogen gas supplied from the pressure regulating valve. 前記高湿度ガスは、燃料電池の燃料極から排出されるアノードオフガスであることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the high-humidity gas is an anode off-gas discharged from a fuel electrode of the fuel cell. アノードオフガスを循環させる水素循環ポンプを備え、
該水素循環ポンプの出口から前記加湿手段へアノードオフガスを導入し、加湿手段から排出されたアノードオフガスを水素循環ポンプ入口へ戻すことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
Equipped with a hydrogen circulation pump that circulates anode off-gas,
6. The fuel cell system according to claim 5, wherein an anode off gas is introduced from the outlet of the hydrogen circulation pump into the humidification means, and the anode off gas discharged from the humidification means is returned to the hydrogen circulation pump inlet.
前記高湿度ガスは、燃料電池の酸化剤極から排出されるカソードオフガスであることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the high-humidity gas is a cathode off-gas discharged from an oxidant electrode of the fuel cell. 前記高湿度ガスは、アノードパージガスまたは前記ジェットポンプ出口ガスであることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to claim 4, wherein the high-humidity gas is an anode purge gas or an outlet gas of the jet pump. 前記ジェットポンプの駆動流を絞るオリフィスの手前を加熱することを特徴とする請求項1乃至請求項8の何れか1項に記載の燃料電池システム。   The fuel cell system according to any one of claims 1 to 8, wherein a front side of an orifice for restricting a driving flow of the jet pump is heated. 前記駆動流密度上昇手段は、前記ジェットポンプの駆動流に不活性ガスを混入させる手段であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。   2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the driving flow density increasing means is means for mixing an inert gas into the driving flow of the jet pump. 前記ジェットポンプは、可変絞り型のジェットポンプであり、
前記駆動流密度上昇手段は、前記ジェットポンプの駆動流として供給するガス圧力を高めることで、駆動流の密度を上昇させる手段であり、
前記駆動流の圧力を高めた分に応じて、前記ジェットポンプの可変絞りの開度を絞ることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
The jet pump is a variable throttle jet pump,
The driving flow density increasing means is means for increasing the density of the driving flow by increasing the gas pressure supplied as the driving flow of the jet pump,
2. The fuel cell system according to claim 1, wherein the opening degree of the variable throttle of the jet pump is reduced in accordance with an increase in the pressure of the driving flow.
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