JP2008192514A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、アノードから排出された余剰燃料ガスを含むアノードオフガスをアノードへ再循環させる燃料ガス循環装置の性能を向上させた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that improves the performance of a fuel gas circulation device that recirculates anode off-gas containing excess fuel gas discharged from an anode to the anode.
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから移動体用の電源として注目されている。 In a fuel cell, a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidant gas containing oxygen are electrochemically reacted through an electrolyte, and electric energy is directly taken out between electrodes provided on both surfaces of the electrolyte. In particular, a polymer electrolyte fuel cell using a polymer electrolyte has attracted attention as a power source for a mobile body because it has a low operating temperature and is easy to handle.
固体高分子型燃料電池は、水素イオン伝導性電解質膜の両面にそれぞれ白金等を含有する触媒層を設け、その上に電子伝導性および通気性を有するガス拡散層を設ける。触媒層およびガス拡散層が燃料極(アノードまたは負極)と酸化剤極(カソードまたは正極)となる(例えば、特許文献1)。そして、燃料極、酸化剤極へセパレータに設けたガス供給溝から水素を含む燃料ガス、酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給して、以下の電気化学反応により発電を行っている。 In the polymer electrolyte fuel cell, a catalyst layer containing platinum or the like is provided on both surfaces of a hydrogen ion conductive electrolyte membrane, and a gas diffusion layer having electronic conductivity and air permeability is provided thereon. The catalyst layer and the gas diffusion layer serve as a fuel electrode (anode or negative electrode) and an oxidant electrode (cathode or positive electrode) (for example, Patent Document 1). Then, a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen are supplied to the fuel electrode and the oxidant electrode from gas supply grooves provided in the separator, respectively, and electricity is generated by the following electrochemical reaction.
[燃料極反応]: H2 → 2H+ + 2e- …(化1)
[酸化剤極反応]: 2H+ + 2e- + 1/2O2 → H2O …(化2)
また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(ジェットポンプ)を備えたものがある。
[Fuel electrode reaction]: H 2 → 2H + + 2e − (Formula 1)
[Oxidant electrode reaction]: 2H + + 2e − + 1 / 2O 2 → H 2 O (chemical formula 2)
Also, in the 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 Some of them are equipped with an ejector (jet pump) for supplying the fuel cell again.
ところで、電動車両用の燃料電池システムにおいては、暖機時から定格出力時まで広範囲の出力に対応するために、最大流量が異なる2つのエゼクタを並列に配置したものがあった(たとえば、特許文献1、2)。
しかしながら、複数のエゼクタを並列に接続した場合は、作動していないエゼクタがあるときに、作動しているエゼクタによって昇圧されたガスが作動していないエゼクタの吐出口から吸込口を経て燃料電池出口側へ、燃料電池を通過することなく逆流することが避けられない。このため、少なくともエゼクタの数から1を減じた個数の逆止弁もしくは電磁弁を設けて逆流を回避しなければならない。 However, when multiple ejectors are connected in parallel, when there is an ejector that is not operating, the gas boosted by the ejector that is operating does not operate. It is inevitable that the fuel flows backward without passing through the fuel cell. For this reason, at least the number of check valves or electromagnetic valves obtained by subtracting 1 from the number of ejectors must be provided to avoid backflow.
この逆止弁もしくは電磁弁は、エゼクタの吸込口手前の循環流路中に設ける必要があり、弁による圧損増大によって燃費が悪化することや、弁の数が増えることでのコスト増大・信頼性低下などの問題点があった。そして最大の弊害として、湿潤環境になっているアノード循環路に機械式弁を設けるために、氷点下でアノード循環路に残存する液水が凍結し、弁も凍結固着してしまうことで燃料電池システムが氷点下起動できないという問題点があった。 This check valve or solenoid valve must be installed in the circulation channel before the intake port of the ejector. The fuel consumption deteriorates due to increased pressure loss caused by the valve, and the cost increases and the reliability increases due to the increase in the number of valves. There were problems such as decline. And as the biggest adverse effect, since a mechanical valve is provided in the anode circulation path which is in a humid environment, the liquid water remaining in the anode circulation path is frozen below freezing point, and the valve is also frozen and fixed. There was a problem that could not start below freezing.
上記問題点を解決するために、本発明は、アノード出口から排出されたアノードオフガスに水素供給源から供給される水素を加えて、再びアノード入口へ供給する燃料ガス循環装置を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス循環装置として直列に配置された複数のエゼクタを備え、各エゼクタの駆動流入口に前記水素供給源を接続し、前記アノード出口と最上流のエゼクタの吸込口とを接続し、最下流のエゼクタの吐出口と前記アノード入口とを接続し、上流側のエゼクタの吐出口を下流側のエゼクタの吸込口に接続したことを要旨とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a fuel cell system including a fuel gas circulation device that adds hydrogen supplied from a hydrogen supply source to anode off-gas discharged from an anode outlet and supplies the hydrogen again to the anode inlet. The fuel gas circulation device comprises a plurality of ejectors arranged in series, the hydrogen supply source is connected to the drive inlet of each ejector, the anode outlet and the suction port of the uppermost ejector are connected, The gist is that the discharge port of the most downstream ejector is connected to the anode inlet, and the discharge port of the upstream ejector is connected to the suction port of the downstream ejector.
本発明においては、燃料ガス循環のための複数のエゼクタを直列に接続したので、燃料ガス循環路に燃料ガスの逆流を防止する弁を設ける必要が無くなる。 In the present invention, since a plurality of ejectors for circulating the fuel gas are connected in series, it is not necessary to provide a valve for preventing the backflow of the fuel gas in the fuel gas circulation path.
本発明によれば、湿潤環境である燃料ガス循環路中に逆止を防止するバルブを設ける必要がなくなり、氷点下環境下よるバルブの凍結固着を回避することができ、氷点下においても凍結部の解凍時間を設けることなく迅速に起動可能な燃料電池システムを提供することができるという効果がある。 According to the present invention, there is no need to provide a valve for preventing check in the fuel gas circulation path which is a humid environment, and it is possible to avoid freezing and sticking of the valve due to an environment below freezing. There is an effect that it is possible to provide a fuel cell system that can be started quickly without providing time.
また、バルブ個数の低減によるコスト低減、信頼性の向上、バルブの圧損による燃費悪化を回避することができるという効果がある。 In addition, there are effects that the cost can be reduced by reducing the number of valves, the reliability can be improved, and the deterioration of fuel consumption due to the pressure loss of the valves can be avoided.
これらすべての効果を、エゼクタを並列接続した場合に得られる効果、すなわち、燃料電池負荷に応じて作動させるエゼクタ本数を制御することで個々のエゼクタを最適作動点に限りなく近い条件(燃料噴射をチョークさせた状態等)で運転を行えるという効果をほとんど悪化させることなく実現できる。ここで、ほとんど悪化させることがない、という意味は、複数エゼクタが作動しているときに上流にて作動しているエゼクタから入れられた供給水素(燃料)が下流側で作動しているエゼクタにとっての負荷増大要因となり、下流側のエゼクタの循環性能が低下するが、負荷増加分(増加流量分)の流体は純水素なので密度が軽く、また、流量的にも中圧(燃料噴射部手前で圧力が高い部分)環境で数百[NL/min]オーダーの流入であるため、アノード運転圧力下の体積に換算するとそれほど多い流量にはならないため、ほとんど負荷増大要因にならないという意味である。
All these effects can be achieved by controlling the number of ejectors that are operated according to the fuel cell load, that is, the effect obtained when the ejectors are connected in parallel. The effect that the operation can be performed in a choked state etc. can be realized with almost no deterioration. Here, meaning that it hardly deteriorates means that the supply hydrogen (fuel) input from the ejector operating upstream when the plurality of ejectors are operating is for the ejector operating downstream. Although the circulation performance of the ejector on the downstream side is reduced, the fluid of the increased load (the increased flow rate) is pure hydrogen, so the density is light and the medium pressure (before the fuel injection part) This means that the flow rate is a few hundreds [NL / min] in the environment where the pressure is high), so that the flow rate is not so high when converted to the volume under the anode operating pressure, so that it hardly causes a load increase.
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、氷点下の戸外に駐車される燃料電池車両に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. In addition, although each Example described below is not specifically limited, it is a fuel cell system suitable for a fuel cell vehicle parked outdoors below freezing.
本発明に係る燃料電池システムの実施例1として、2個のエゼクタを直列に燃料循環路に設けた燃料電池システムを説明する。エゼクタを2つ直列に設けた燃料電池システムにおいて、2つのエゼクタは寸法や性能に差をつけずに同じものを用いた場合でも1つのエゼクタのシステムよりも幅広い範囲で高い循環性能を確保できるが、本実施例では、本発明の最も特徴的な点である、寸法、又は性能が異なる2つのエゼクタを用いたシステムを説明する。ここで性能が異なるとは、最大昇圧値が得られる循環流量、又は駆動流量に対する循環流量の倍率が最大となる循環流量が異なるという意味である。 As a first embodiment of the fuel cell system according to the present invention, a fuel cell system in which two ejectors are provided in series in a fuel circulation path will be described. In a fuel cell system in which two ejectors are connected in series, even if the two ejectors are the same without any difference in size and performance, high circulation performance can be ensured in a wider range than a single ejector system. In this embodiment, a system using two ejectors having different dimensions or performance, which is the most characteristic point of the present invention, will be described. Here, the difference in performance means that the circulating flow rate at which the maximum boost value is obtained, or the circulating flow rate at which the ratio of the circulating flow rate to the drive flow rate is maximum is different.
図1(a)において、実施例1の燃料電池システムは、例えば固体高分子型の燃料電池1と大エゼクタ5と小エゼクタ6とを備えている。小エゼクタ6と大エゼクタ5とは直列接続されている。
In FIG. 1A, the fuel cell system according to the first embodiment includes, for example, a polymer electrolyte fuel cell 1, a
次に、燃料ガス経路について説明する。燃料電池1のアノード1aには、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク2に貯蔵された高圧水素ガスは、水素圧力調整弁3により適当な圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、遮断弁4を介して大エゼクタ5の駆動流入口5aに供給されるとともに、小エゼクタ6の駆動流入口6aに弁を介さずに直接供給される。小エゼクタ6の吸込口6bは、アノード1aの出口に接続されている。小エゼクタ6の吐出口6cは、大エゼクタ5の吸込口5bに接続されている。大エゼクタ5の吐出口5cは、アノード1aの入口に接続されている。これらの接続により、アノード出口から、小エゼクタ6の吸込口6b、小エゼクタ6の吐出口6c、大エゼクタ5の吸込口5b、大エゼクタ5の吐出口5cを経て、アノード1aの入口に至る燃料ガス循環路が形成されている。また、アノード1aの出口から小エゼクタ6の吸込口6bに至る経路から分岐する経路にパージ弁(窒素パージ弁)7が設けられている。
Next, the fuel gas path will be described. Hydrogen as a fuel gas is supplied to the
次に、酸化剤ガス経路について説明する。コンプレッサ8は、酸化剤ガスとして空気を圧縮してカソード1bの入口へ供給する。カソード1bの出口には、カソードの酸化剤圧力を調整する空気圧力調整弁9が設けられている。
Next, the oxidant gas path will be described. The
尚、運転中の燃料電池1の温度を適温に保つ冷却系と、燃料電池1からの電力取出しを制御する電力取出制御部が設けられているが、本発明の本質的な要素ではないので、図示を省略する。 A cooling system that keeps the temperature of the operating fuel cell 1 at an appropriate temperature and a power extraction control unit that controls power extraction from the fuel cell 1 are provided, but are not essential elements of the present invention. Illustration is omitted.
次に図2を参照して、本発明で用いるエゼクタの内部構造と、エゼクタ性能を決定するためのノズル径およびスロート径について説明する。 Next, the internal structure of the ejector used in the present invention and the nozzle diameter and throat diameter for determining the ejector performance will be described with reference to FIG.
図2において、エゼクタ20は、比較的高圧の水素ガスが駆動流として供給される駆動流入口21を備えている。駆動流入口21は、供給水素ガスが噴射するノズル22に連通している。ここでノズル22の内径をノズル径Dnとする。ノズル22の周囲には、吸込室23の空間が設けられ、吸い込み室23は吸込口24に連通している。またノズル22の噴射方向には、ノズル22と同軸上にスロート25が設けられている。スロート25は、ノズル径Dnの数倍の内径であるスロート径Dtを有する。スロート25は、テーパ状に順次内径が拡大するデフューザ26に接続し、デフューザ26は、吐出口27に接続している。
In FIG. 2, the
エゼクタ20の駆動流入口21に比較的高圧の水素ガスが供給されると、ノズル22か高速水素ガス流が噴射される。この高速水素ガス流により発生する負圧で、吸込室23内の循環ガスが吸引される。そして、水素ガスと吸引された循環ガスとの混合流がスロート25に流れ込み、デフューザ26で流速が低下し圧力が上昇する。この結果、吸込口22の圧力より高い圧力の混合流が吐出口27から排出される。本発明では、吐出口27の圧力値から吸込口24の圧力値を減じた値を昇圧量と呼んでいる。
When relatively high-pressure hydrogen gas is supplied to the drive inlet 21 of the
次に、図3を参照して、小エゼクタのスロート径の選択方法をする。エゼクタ性能を決定するパラメータは、燃料電池が消費する水素流量(定常状態であれば、エゼクタに供給する水素流量に等しい)、そのときに必要な循環流量、循環流のガス密度、エゼクタのノズル径Dn(ノズル開口面積Snは、Dnの2乗に比例)、エゼクタのスロート径Dtである。エゼクタ昇圧量がアノード系全体の圧損より大きくなれば、要求される循環流量以上の循環流量が確保されることになる。 Next, referring to FIG. 3, a method for selecting the throat diameter of the small ejector will be described. The parameters that determine the ejector performance are the flow rate of hydrogen consumed by the fuel cell (equal to the flow rate of hydrogen supplied to the ejector in a steady state), the required circulation flow rate, the gas density of the circulation flow, and the ejector nozzle diameter. Dn (nozzle opening area Sn is proportional to the square of Dn) and ejector throat diameter Dt. If the ejector pressure increase amount becomes larger than the pressure loss of the whole anode system, a circulation flow rate higher than the required circulation flow rate is secured.
氷点下においても解凍待ちを行うことなく迅速に燃料電池システムを起動させて、低負荷の暖機運転を開始するためには、暖機運転時の循環流量がエゼクタのみで確保されればよい。その暖機運転時に、燃料電池出力に対応する水素流量を水素圧力調整弁3から小エゼクタ6のみに供給し、遮断弁4を閉じて大エゼクタ5には水素を供給しないとする。この暖機運転時の出力について小エゼクタ6の最適設計を行った場合、他の条件を固定して小エゼクタ6のスロート径Dtのみを変えていくと、図3の細一点鎖線のグラフ(暖機運転時小エゼクタスロート径感度)となる。この暖機運転時の小エゼクタの昇圧量は、スロート径が約Φ4mm付近においてピークとなり、図3のΦ3mm〜Φ10mmの範囲において、暖機運転時の目標昇圧量以上の値が得られる。これを第1条件とする。しかしながら、スロート径がΦ10mmを超えると、暖機運転時の目標昇圧量を下回ることになる。
In order to start the fuel cell system quickly and start a low load warm-up operation without waiting for thawing even below freezing, the circulating flow rate during the warm-up operation only needs to be secured by the ejector. During the warm-up operation, it is assumed that the hydrogen flow rate corresponding to the fuel cell output is supplied from the hydrogen pressure adjustment valve 3 only to the
一方、定格運転時には循環流量が多くなるので、図3の太破線グラフ(定格時の小エゼクタ圧損スロート感度)のように、スロート径がΦ8.5mmを超えるときに昇圧量が正(+)、スロート径がΦ8.5mmのときに昇圧量が0となり、Φ8.5mm未満では昇圧量が負(−)、即ち圧損となる。 On the other hand, since the circulating flow rate increases during rated operation, the amount of pressure increase is positive (+) when the throat diameter exceeds Φ8.5 mm, as shown by the thick broken line graph (small ejector pressure loss throat sensitivity at the time of rating) in FIG. When the throat diameter is Φ8.5 mm, the pressure increase amount is 0, and when it is less than Φ8.5 mm, the pressure increase amount is negative (−), that is, pressure loss.
しかし定格運転時には、大エゼクタも作動しているので、定格運転時における[小エゼクタの昇圧量+大エゼクタの昇圧量]=合計昇圧量は、図3の太実線となる。この定格運転時の合計昇圧量が定格運転時の目標昇圧量(細実線)以上となるのは、小エゼクタのスロート径がΦ8mm以上の範囲である。これを第2条件とする。 However, since the large ejector is also operating during the rated operation, [the boost amount of the small ejector + the boost amount of the large ejector] = the total boost amount during the rated operation is a thick solid line in FIG. The total boost amount during the rated operation is equal to or greater than the target boost amount (thin solid line) during the rated operation when the throat diameter of the small ejector is Φ8 mm or more. This is the second condition.
従って、小エゼクタのスロート径の選び方としては、第1条件と第2条件が共に成立する範囲であるΦ8mm〜Φ10mmの中からスロート径を設定すればよい。定格時以外の比較的高負荷点においても循環性能をより高く作動させるためには、上記の範囲の中で最も小さいもの、すなわちΦ8mmを選定すればよい。 Accordingly, as a method of selecting the throat diameter of the small ejector, the throat diameter may be set from Φ8 mm to Φ10 mm, which is a range in which both the first condition and the second condition are satisfied. In order to operate the circulation performance higher even at a relatively high load point other than the rated time, the smallest one in the above range, that is, Φ8 mm may be selected.
ここで、スロート径の成立範囲の中で最小の値(φ8mm)を選択する理由は、スロート径は小さいほど、低負荷側で最適作動しやすいからである。低負荷では少ない供給水素の駆動流量で少ない吸込流量(循環流量)を引っ張るという状態となり、この状態において高い昇圧量を得るためには、駆動流と吸込流とのミキシング(2流体の合流後の接触状態)をうまく行ってやる必要があります。つまり合流後の径を小さく絞った方がミキシングしやすいので運動量交換が効率よく行えるため、低負荷側で最適作動させたければスロート径は小さいほうが良いという考え方である。しかし、絞りすぎると大流量側で圧損になってしまうため運転領域の広い(循環流量の範囲が広い)燃料電池システムにおいては、低負荷をカバーするためにスロート径を小さくしたいが、大流量の循環流量が流れる運転時には圧損要素にしたくない、というようなトレードオフの考え方が必要となる。 Here, the reason for selecting the smallest value (φ8 mm) in the establishment range of the throat diameter is that the smaller the throat diameter, the easier it is to operate optimally on the low load side. At low load, a low suction flow rate (circulation flow rate) is pulled with a low supply hydrogen drive flow rate. To obtain a high pressure increase in this state, mixing of the drive flow and the suction flow (after the merging of two fluids) It is necessary to do well (contact state). In other words, the smaller the diameter after merging, the easier it is to mix, and the momentum exchange can be performed efficiently. Therefore, if the optimum operation is to be performed on the low load side, the throat diameter should be smaller. However, if the throttle is too much, pressure loss will occur on the large flow rate side, so in a fuel cell system with a wide operating range (wide circulation flow range), you want to reduce the throat diameter to cover a low load. It is necessary to have a trade-off concept of not wanting to be a pressure loss factor during operation with a circulating flow rate.
φ8mmを選択する理由は、燃料電池の定格出力時(最大循環流量時)に、他のエゼクタと組み合わせた合計昇圧量が目標昇圧量以上となれば、あとは定格出力未満の運転条件において、できるだけ高い昇圧を小エゼクタで行いたいため、図3の黒両矢印で示されるスロート径範囲の中でも最小のスロート径を小エゼクタのスロート径として選択する。 The reason for selecting φ8mm is that if the total boosted amount combined with other ejectors exceeds the target boosted amount at the rated output of the fuel cell (at the maximum circulating flow rate), the remaining conditions under the rated output are as much as possible. In order to increase the pressure by a small ejector, the smallest throat diameter in the throat diameter range indicated by the black double arrow in FIG. 3 is selected as the throat diameter of the small ejector.
次に、ノズル径の選定方法を説明する。図4は、エゼクタの各種ノズル径による水素供給圧に対する供給水素流量と、暖機に必要な供給水素流量とを図示したものである。図4に示すように、水素圧力調整弁3から小エゼクタ6の駆動流入口6aに供給される水素圧力(最大元圧)によって、暖機運転時に必要な供給水素流量を流せるノズル径φ0.8mmよりも大きいものを選定する。さらに図5に示すように、暖機運転時の目標昇圧量を満足する最大ノズル径φ2.0mmよりも小さいものを選定する。
Next, a method for selecting the nozzle diameter will be described. FIG. 4 shows the supply hydrogen flow rate with respect to the hydrogen supply pressure for various nozzle diameters of the ejector and the supply hydrogen flow rate necessary for warming up. As shown in FIG. 4, a nozzle diameter φ0.8 mm that allows a supply hydrogen flow rate required during warm-up operation to flow by the hydrogen pressure (maximum source pressure) supplied from the hydrogen pressure adjustment valve 3 to the
このφ0.8mm〜φ2.0mmの範囲内で、どのノズル径を選択するかは、図7のように大エゼクタの作動を開始する点Paをどこにもってきたいかで決定すればよい。φ0.8mm〜φ2.0mmの間でノズル径の小さいものを選ぶと、大エゼクタ作動開始点は低出力側にシフトし、大きいノズル径を選択すれば大エゼクタ作動開始点は高出力側へシフトする。この決定基準は対象としているアノード循環系の圧損特性によるものであり、基本的には全域をエゼクタのみでカバーできるノズル径にしてやればよく、図6のグラフで言えば曲線C(細一点鎖線)の、大エゼクタノズル径1.5mm、小エゼクタノズル径1.2mmというノズル径配分にしてやればよい。小エゼクタのノズル径を決定すると、残りの大エゼクタのノズル径は必然的に決定される。 Which nozzle diameter is to be selected within the range of φ0.8 mm to φ2.0 mm may be determined depending on where the point Pa where the operation of the large ejector is started is located as shown in FIG. If a nozzle with a small nozzle diameter between φ0.8 mm and φ2.0 mm is selected, the large ejector operation start point shifts to the low output side, and if a large nozzle diameter is selected, the large ejector operation start point shifts to the high output side. To do. This determination criterion is based on the pressure loss characteristic of the target anode circulation system. Basically, it is sufficient to set the nozzle diameter so that the entire region can be covered only by the ejector. In the graph of FIG. The nozzle diameter distribution may be such that the large ejector nozzle diameter is 1.5 mm and the small ejector nozzle diameter is 1.2 mm. When the nozzle diameter of the small ejector is determined, the nozzle diameters of the remaining large ejectors are inevitably determined.
なぜならば、定格出力時に必要な供給水素流量は決まっていて、水素供給源から供給される水素圧力(元圧)が同じであるために、大・小エゼクタノズルへ配分される供給水素流量は管摩擦などによる諸損失を無視すればノズル開口面積比で配分されるため、小エゼクタノズルが決まると大エゼクタのノズル径は必然的に決定される。 This is because the supply hydrogen flow rate required at the rated output is fixed and the hydrogen pressure (source pressure) supplied from the hydrogen supply source is the same, so the supply hydrogen flow rate distributed to the large and small ejector nozzles is If various losses due to friction and the like are ignored, the nozzle opening area ratio is allocated, so that when the small ejector nozzle is determined, the nozzle diameter of the large ejector is inevitably determined.
次に図1(a)の燃料電池システムにおいて、暖機運転時出力(最小出力)から定格出力(最大出力)まで、連続的に燃料電池出力を上げていく様子を説明する。図7は、2つの直列エゼクタを備えた燃料電池システムの全ての負荷領域における、あるノズル径配分によるエゼクタの作動状況を示したものである。図7の横軸は燃料電池出力(負荷)であり、縦軸は各エゼクタの昇圧量(負の値は圧損)及び全エゼクタの合計昇圧量を示す。 Next, how the fuel cell output is continuously increased from the warm-up operation output (minimum output) to the rated output (maximum output) in the fuel cell system of FIG. FIG. 7 shows the operating state of the ejector according to a certain nozzle diameter distribution in all load regions of the fuel cell system including two series ejectors. The horizontal axis in FIG. 7 represents the fuel cell output (load), and the vertical axis represents the pressure increase amount of each ejector (negative value is pressure loss) and the total pressure increase amount of all ejectors.
まず、水素圧力調整弁3の作動開始によって水素タンク2から水素供給を開始すると、最小出力から1本目のエゼクタである小エゼクタ6が作動する。徐々に出力が上がるにつれて供給水素流量が増加してゆき、それに伴って小エゼクタ6の昇圧性能も上がってゆく。そのとき、大エゼクタ5には全く水素供給されていないため、大エゼクタ5は単なる流路なので圧損要素となっている。小エゼクタ6は、この大エゼクタ5の圧損分も含めて昇圧させる必要がある。
First, when the supply of hydrogen from the hydrogen tank 2 is started by starting the operation of the hydrogen pressure regulating valve 3, the
燃料電池出力が増加し、ある出力点Paまで達すると、小エゼクタ6のノズル手前の圧力(水素圧力調整弁3の下流圧)、すなわち水素供給圧力は最大元圧まで達し、小エゼクタ6のノズル径ではこれ以上の供給水素を通過させられないという出力点まで来る。これを小エゼクタノズル手前の圧力値が最大元圧と等しくなったことを検知することによって認識し、大エゼクタ5のノズル手前にある遮断弁4を開き、大エゼクタ5の作動を開始させる。そこから大エゼクタ5も昇圧動作を開始し、小エゼクタ6にも水素供給されているために2つのエゼクタが同時に昇圧を行い、これらの合計昇圧量が目標昇圧量(アノード系圧損特性)を超えるような作動を行う。
When the fuel cell output increases and reaches a certain output point Pa, the pressure before the nozzle of the small ejector 6 (the downstream pressure of the hydrogen pressure regulating valve 3), that is, the hydrogen supply pressure reaches the maximum original pressure, and the nozzle of the
こうすることで、1つのエゼクタでは循環させられなかった低負荷領域もカバーしつつ高負荷領域までカバーする。結果としてエゼクタ並列接続と同等の効果を逆止弁なしで実現できるため、逆止弁の凍結固着を回避し迅速な氷点下の燃料電池システム起動が可能となる。エゼクタノズルの凍結については、ノズルを通過する水素ガスがドライであるためにノズル内部は考慮する必要が無い。ノズルの外側については、吸込室等の循環ガス流路に付着するスタック生成水(液水)が凍結することによるノズル開口部閉塞に対しては、運転停止直前にドライ水素によってアノード系内を掃気して除去するなどのオペレーションを入れて回避することができる。ほとんど液水が発生しないシステムであればそのようなオペレーションを入れる必要は無い。また、エゼクタの配置方法やレイアウトによって回避する方法もあり、ノズルが下向きになるようなエゼクタレイアウトではノズルの先端に液水が滴って氷柱状の凍結が起こる可能性があるため、ノズルの向きは下向き以外になるようレイアウトすることも有効な手段である。 In this way, the low load region that is not circulated by one ejector is also covered up to the high load region. As a result, an effect equivalent to that of the ejector parallel connection can be realized without a check valve. Therefore, the check valve can be prevented from freezing and sticking, and the fuel cell system can be quickly started at a freezing point. Regarding the freezing of the ejector nozzle, since the hydrogen gas passing through the nozzle is dry, it is not necessary to consider the inside of the nozzle. On the outside of the nozzle, against the nozzle opening blockage due to freezing of the stack water (liquid water) adhering to the circulation gas flow path such as the suction chamber, the inside of the anode system is scavenged with dry hydrogen immediately before the operation is stopped. This can be avoided by putting operations such as removing them. If the system generates almost no liquid water, there is no need for such operation. In addition, there is a method to avoid by the ejector arrangement method and layout, and in the ejector layout where the nozzle faces downward, liquid water may drop on the tip of the nozzle and ice column-like freezing may occur, so the direction of the nozzle is It is also an effective means to lay out other than downward.
次に、実施例2を説明する。図1(b)は、実施例2の燃料電池システムの構成図である。図1(a)に示した実施例1の構成との相違は、機械式の燃料ガス循環ポンプ10が追加されていることである。その他の構成は、図1(a)と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
Next, Example 2 will be described. FIG. 1B is a configuration diagram of the fuel cell system according to the second embodiment. The difference from the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1A is that a mechanical fuel
燃料ガス循環ポンプ10は、アノード1aの出口と小エゼクタ6の吸込口6bとの間、かつパージ弁7の上流に配置されている。燃料ガス循環ポンプ10は、凍結して作動できない場合にもガス流路が閉塞しない形式の機械式ポンプである。このタイプのポンプとしては、一般に速度式ポンプと呼ばれ、回転羽根で流体に運動エネルギーを与えて速度を圧力に変化する形式のポンプであり、例えば、渦流式ポンプ、遠心式ポンプなどが相当する。
The fuel
そして、部分的に昇圧量(循環流量)が不足するような循環ガス流量(或いは発電出力)領域のみ、燃料ガス循環ポンプ10を作動させる。これにより、燃料ガス循環ポンプ10の作動頻度を大幅に抑えられるため、耐久性及び信頼性の向上、ポンプ作動音及び振動を低減させる効果などが得られる。また、アノード運転圧力が低い運転領域において、窒素パージが十分に行なえない場合には、一時的に燃料ガス循環ポンプ10の出力を高めることで燃料ガス循環ポンプ10と小エゼクタ6との間の空間の圧力を高め、窒素パージ流量を確保することができる。
Then, the fuel
尚、燃料ガス循環ポンプ10の可動部の凍結によって燃料ガス循環ポンプ10が起動できない場合は、エゼクタのみのアノードオフガス循環による発電を行うとともに、燃料ガス循環ポンプ10が解凍されるまで、燃料電池出力をエゼクタのみによって目標循環流量確保が可能な出力に制限するように、電力取出制御部により燃料電池出力を制限する。この燃料電池出力制限中に、燃料ガス循環ポンプの解凍等の制御を行う。このように、燃料ガス循環ポンプ10が凍結してもエゼクタのみにより循環可能な燃料電池出力までは発電を行うことができるので、本発明を燃料電池車両に適用した場合、起動後直ちにある程度の速度で車両を走行させることができ、ドライバに不快な解凍待ち時間を与えないという効果がある。
If the fuel
このような燃料ガス循環ポンプを導入することで、氷点下の起動性と、燃料ガス循環制御の自由度向上、及びシステム条件によってはエゼクタだけでは要求循環流量を確保できない燃料電池出力範囲において循環流量を確保することとを両立することができるという効果がある。 By introducing such a fuel gas circulation pump, the circulation flow rate can be reduced in the fuel cell output range where the required circulation flow rate cannot be ensured by the ejector alone, depending on the system conditions, and the ability to control below freezing point, improve the freedom of fuel gas circulation control. There is an effect that it is possible to ensure both.
また、燃料電池出口側から見た際に、最上流に燃料ガス循環ポンプを設けることで、燃料ガス循環ポンプの循環流量に、エゼクタから供給されてくる供給水素が追加されることがないため、ポンプ負荷を低減させることができ、回転数を下げて運転できることによる音振低下、燃費向上、ポンプ寿命の向上などの効果がある。 In addition, when viewed from the fuel cell outlet side, by providing a fuel gas circulation pump in the uppermost stream, supply hydrogen supplied from the ejector is not added to the circulation flow rate of the fuel gas circulation pump. The pump load can be reduced, and there are effects such as a reduction in sound vibration, improvement in fuel consumption, and improvement in pump life due to the ability to operate at a reduced speed.
さらに、燃料ガス循環ポンプの下流にパージ弁を設けるのは、アノード系内圧力が低いときには、大気圧との差圧がほとんどないために十分な窒素パージが行えない場合があるが、燃料ガス循環ポンプの出力を一時的に高めてポンプ下流圧を高めることで、十分なパージを可能とするというう効果がある。また、エゼクタの手前にパージ弁を設けることで、エゼクタから供給される水素を一緒にアノード系外へ排出することを回避し、パージによる燃費効率の低下を抑制するという効果がある。 In addition, a purge valve is provided downstream of the fuel gas circulation pump. When the anode system pressure is low, there is almost no pressure difference from the atmospheric pressure, so that sufficient nitrogen purge may not be performed. By increasing the pump output temporarily to increase the pump downstream pressure, there is an effect of enabling sufficient purge. Further, by providing a purge valve in front of the ejector, it is possible to avoid discharging hydrogen supplied from the ejector together outside the anode system, and to suppress a decrease in fuel efficiency due to the purge.
次に、実施例3を説明する。本発明における直列接続された複数のエゼクタは、2つのみに限らず、3つ以上のエゼクタでも適用可能である。エゼクタの数を増やせば増やすほど、各エゼクタの形状を細かくふることができるため、より最適作動点に近い条件で個々のエゼクタをそれぞれ作動させることができ、全体的に高い循環性能を確保できるが、コスト、スペースなどの問題で数が限られてしまう。 Next, Example 3 will be described. The plurality of ejectors connected in series in the present invention is not limited to two, and can be applied to three or more ejectors. As the number of ejectors increases, the shape of each ejector can be finely adjusted, so that each ejector can be operated under conditions closer to the optimum operating point, and overall high circulation performance can be secured. The number is limited due to problems such as cost and space.
図8は、3エゼクタを直列接続した構成の燃料電池システムの構成を説明する構成図である。図8において、実施例3の燃料電池システムは、例えば固体高分子型の燃料電池1と、直列接続された大エゼクタ5と中エゼクタ12と小エゼクタ6とを備えている。
FIG. 8 is a configuration diagram illustrating the configuration of a fuel cell system in which three ejectors are connected in series. In FIG. 8, the fuel cell system of Example 3 includes, for example, a polymer electrolyte fuel cell 1, a
次に、燃料ガス経路について説明する。燃料電池1のアノード1aには、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク2に貯蔵された高圧水素ガスは、水素圧力調整弁3により適当な圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、遮断弁4を介して大エゼクタ5の駆動流入口5aに供給され、遮断弁11を介して中エゼクタ12の駆動流入口12aに供給され、小エゼクタ6の駆動流入口6aに弁を介さずに直接供給される。
Next, the fuel gas path will be described. Hydrogen as a fuel gas is supplied to the
小エゼクタ6の吸込口6bは、アノード1aの出口に接続されている。小エゼクタ6の吐出口6cは、中エゼクタ12の吸込口12bに接続されている。中エゼクタ12の吐出口12cは、大エゼクタ5の吸込口5bに接続されている。大エゼクタ5の吐出口5cは、アノード1aの入口に接続されている。これらの接続により、アノード1aの出口から、小エゼクタ6の吸込口6b、小エゼクタ6の吐出口6c、中エゼクタ12の吸込口12b、中エゼクタ12の吐出口12c、大エゼクタ5の吸込口5b、大エゼクタ5の吐出口5cを経て、アノード1aの入口に至る燃料ガス循環路が形成されている。また、アノード1aの出口から小エゼクタ6の吸込口6bに至る経路から分岐する経路にパージ弁7が設けられている。
The
次に、酸化剤ガス経路について説明する。コンプレッサ8は、酸化剤ガスとして空気を圧縮してカソード1bの入口へ供給する。カソード1bの出口には、カソードの酸化剤圧力を調整する空気圧力調整弁9が設けられている。
Next, the oxidant gas path will be described. The
尚、運転中の燃料電池1の温度を適温に保つ冷却系と、燃料電池1から電力を取り出す電力系が設けられているが、本発明の本質的な要素ではないので、図示を省略する。尚、図1(b)と同様に、アノード1aの出口と小エゼクタ6の吸込口6bとの間、かつパージ弁7の上流に、機械式の燃料ガス循環ポンプ10を配置してもよい。
A cooling system for keeping the temperature of the operating fuel cell 1 at an appropriate temperature and a power system for taking out electric power from the fuel cell 1 are provided, but these are not essential elements of the present invention, and are not shown. As in FIG. 1B, a mechanical fuel
ここで、各エゼクタのノズル開口面積は、小エゼクタのノズル開口面積が最小であり、大エゼクタのノズル開口面積が最大となり、中エゼクタのノズル開口面積は、最大と最小の間である。 Here, as for the nozzle opening area of each ejector, the nozzle opening area of the small ejector is the smallest, the nozzle opening area of the large ejector is the largest, and the nozzle opening area of the middle ejector is between the largest and the smallest.
複数のエゼクタを作動させている場合において、上流側で作動しているエゼクタの燃料噴射部分から流入してくる供給水素が、下流側で作動しているエゼクタの循環流路を通過する(吸い込まれる)必要があるために、下流側で作動しているエゼクタにとっては負荷増大要因となり、昇圧量が減少したり、最悪の場合、下流側のエゼクタは単なる圧損要素としてってしまう。しかしノズル開口面積が小さい順に上流からエゼクタを設けることで、複数が同時に作動している際には常に下流側のエゼクタの方に多い供給水素が流れ込むため、バランス的に下流側のエゼクタが高い循環性能を確保するようになり、上流側から流入した供給水素による負荷の増大の影響をほとんど受けずに作動させることができる。 When operating a plurality of ejectors, the hydrogen supplied from the fuel injection portion of the ejector operating on the upstream side passes through (inhales) the circulation flow path of the ejector operating on the downstream side. Therefore, the ejector operating on the downstream side causes a load increase, and the amount of pressure increase is reduced. In the worst case, the downstream ejector is merely a pressure loss element. However, by providing an ejector from the upstream in order of increasing nozzle opening area, when a plurality of the ejectors are operating at the same time, more supply hydrogen always flows into the downstream ejector. As a result, performance can be ensured, and operation can be performed almost without being affected by an increase in load due to the supplied hydrogen flowing in from the upstream side.
次に、図9を参照して、実施例3の制御方法を説明する。図9は、3つの直列エゼクタを備えた燃料電池システムにおける燃料電池出力に対する各エゼクタの作動状況を説明する図である。図9の横軸は燃料電池出力(負荷)であり、縦軸は各エゼクタの昇圧量(負の値は圧損)及び全エゼクタの合計昇圧量を示す。 Next, with reference to FIG. 9, the control method of Example 3 is demonstrated. FIG. 9 is a diagram for explaining the operation state of each ejector with respect to the fuel cell output in the fuel cell system including three series ejectors. The horizontal axis in FIG. 9 represents the fuel cell output (load), and the vertical axis represents the pressure increase amount of each ejector (negative value is pressure loss) and the total pressure increase amount of all ejectors.
実施例3の制御方法は、ほとんど2つエゼクタの場合と同様である。まず暖機運転時から燃料電池の出力が小さい間は、小エゼクタ6のみを作動させ、遮断弁4,11は閉じた状態として、中エゼクタ11及び大エゼクタ5は単に循環流路(圧損要素)となる。燃料電池出力がさらに増加し、小エゼクタ6のノズル手前の圧力が最大元圧まで達したら(このときの燃料電池出力をP1とする)、中エゼクタ12のノズル手前の遮断弁11を開き、中エゼクタの作動を開始させる。中エゼクタ12を作動させたことで一旦ノズル手前の圧力は下がる。さらに燃料電池出力が増加して、再び小エゼクタ6のノズル(もしくは中エゼクタ12のノズル)手前の圧力が最大元圧まで達すると(このときの燃料電池出力をP2とする)、遮断弁4も開いて大エゼクタ5への水素供給を開始し、3つ全部のエゼクタを作動させる。
The control method of the third embodiment is almost the same as in the case of two ejectors. First, only the
燃料電池システムの運転中は、常にノズル開口面積が最小のエゼクタ(小エゼクタ)を作動させるように、小エゼクタの駆動流入口には、遮断弁を設けない構成とすることにより、それだけで遮断弁を1つ削減できるため、信頼性向上・コスト低減の効果がある。 During operation of the fuel cell system, the drive inlet of the small ejector is not provided with a shut-off valve so that the ejector with the smallest nozzle opening area (small ejector) is always operated. Can be reduced by one, which has the effect of improving reliability and reducing costs.
また、ノズル開口面積が最小のエゼクタをいつも作動させておくことで、高負荷時に多い循環流量が流れたときに、昇圧量が減ることはあっても最小のエゼクタが圧損要素にはならないという効果がある。 In addition, by always operating the ejector with the smallest nozzle opening area, the effect of the smallest ejector not becoming a pressure loss element even if the amount of pressure increase decreases when a large circulating flow rate flows at high loads. There is.
1 燃料電池
1a アノード
1b カソード
2 水素タンク
3 水素圧力調整弁
4 遮断弁
5 大エゼクタ
6 小エゼクタ
7 パージ弁
8 コンプレッサ
9 空気圧力調整弁
10 燃料ガス循環ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (13)
前記燃料ガス循環装置として直列に配置された複数のエゼクタを備え、
各エゼクタの駆動流入口に前記水素供給源を接続し、
前記アノード出口と最上流のエゼクタの吸込口とを接続し、
最下流のエゼクタの吐出口と前記アノード入口とを接続し、
上流側のエゼクタの吐出口を下流側のエゼクタの吸込口に接続したことを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system including a fuel gas circulation device that adds hydrogen supplied from a hydrogen supply source to an anode off-gas discharged from an anode outlet and supplies the anode off-gas again to the anode inlet.
A plurality of ejectors arranged in series as the fuel gas circulation device;
Connecting the hydrogen source to the drive inlet of each ejector;
Connecting the anode outlet and the suction port of the uppermost ejector;
Connect the discharge port of the most downstream ejector and the anode inlet,
A fuel cell system comprising a discharge port of an upstream ejector connected to a suction port of a downstream ejector.
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