JP2023170866A - fuel cell system - Google Patents

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JP2023170866A JP2022082935A JP2022082935A JP2023170866A JP 2023170866 A JP2023170866 A JP 2023170866A JP 2022082935 A JP2022082935 A JP 2022082935A JP 2022082935 A JP2022082935 A JP 2022082935A JP 2023170866 A JP2023170866 A JP 2023170866A
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博之 鈴木
Hiroyuki Suzuki
学 高橋
Manabu Takahashi
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Abstract

To provide a technology that returns the residual oxygen discharged from an FC stack to the FC stack without using electric power.SOLUTION: An FC system disclosed in the present specification comprises an FC stack, an oxygen source that supplies oxygen to the FC stack, and an ejector that sends the oxygen to the FC stack. The ejector is a device that draws in a second gas of lower pressure than the pressure of a first gas as the pressure occurring in the surrounding of a nozzle lowers when the first gas is sprayed from the nozzle and sprays it together with the first gas. The ejector can draw in and spray the second gas without using electric power. In the FC system disclosed in the present specification, the oxygen from the oxygen source is supplied as the first gas to the ejector, and the residual gas discharged from the FC stack is supplied as the second gas to the ejector. The gas sprayed by the ejector is sent to the FC stack. By adopting the ejector, it is made possible to return the residual oxygen discharged from the FC stack to the FC stack without using electric power.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。 The technology disclosed herein relates to a fuel cell system.

燃料電池システムは、燃料電池スタックにて水素と酸素を反応させて電力を得る。水素は水素タンクから供給される。燃料電池システムは、空気中の酸素を用いることが多いが、酸素タンクを用いる場合もある(例えば特許文献1)。燃料電池スタックで未反応の酸素(残酸素)を再利用すべく、特許文献1のシステムでは、燃料電池スタックから排出される未反応の残酸素を循環ブロア(ポンプ)で酸素供給管へ戻す。 A fuel cell system generates electricity by reacting hydrogen and oxygen in a fuel cell stack. Hydrogen is supplied from a hydrogen tank. Fuel cell systems often use oxygen in the air, but may also use oxygen tanks (for example, Patent Document 1). In order to reuse unreacted oxygen (residual oxygen) in the fuel cell stack, in the system of Patent Document 1, unreacted residual oxygen discharged from the fuel cell stack is returned to the oxygen supply pipe using a circulation blower (pump).

なお、以下は説明の便宜上、「燃料電池」を「FC」と表記する場合がある。「燃料電池システム」は「FCシステム」と表記し、「燃料電池スタック」は「FCスタック」と表記する場合がある。 Note that, hereinafter, for convenience of explanation, "fuel cell" may be referred to as "FC". A "fuel cell system" may be written as a "FC system," and a "fuel cell stack" may be written as an "FC stack."

特開2018-147622号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-147622

特許文献1の技術で循環ブロアを用いるのは、FCスタックへ向かう高圧酸素の流れへ残酸素を押し込むためである。循環ブロア(ポンプ)を駆動するのに電力を要する。本明細書は、電力を使わずに残酸素をFCスタックへ戻す技術を提供する。 The reason why the circulation blower is used in the technique of Patent Document 1 is to force residual oxygen into the flow of high-pressure oxygen toward the FC stack. Electricity is required to drive the circulation blower (pump). This specification provides a technique for returning residual oxygen to the FC stack without using electrical power.

本明細書が開示するFCシステム(燃料電池システム)は、エジェクタを使って残酸素をFCスタックへ戻す。エジェクタとは、第1ガスをノズルから噴射する際にノズルの周囲に生じる圧力低下で第1ガスの圧力よりも低い圧力の第2ガスを吸い込んで第1ガスとともに噴射するデバイスである。エジェクタは、電力を使わずに第2ガスを吸い込み、第1ガスと混合して噴射することができる。 The FC system (fuel cell system) disclosed herein uses an ejector to return residual oxygen to the FC stack. An ejector is a device that sucks in a second gas whose pressure is lower than the pressure of the first gas due to the pressure drop that occurs around the nozzle when the first gas is injected from the nozzle, and injects it together with the first gas. The ejector can suck in the second gas, mix it with the first gas, and inject it without using electricity.

本明細書が開示するFCシステムは、FCスタックと、FCスタックへ酸素を供給する酸素源と、酸素をFCスタックへ送るエジェクタを備える。本明細書が開示するFCシステムでは、酸素源の酸素が第1ガスとしてエジェクタに供給され、FCスタックから排出される残酸素が第2ガスとしてエジェクタに供給される。エジェクタによって残酸素は酸素源から送られる酸素と混合されてFCスタックへ噴射される。このFCシステムは電力を用いることなくFCスタックから排出される残酸素をFCスタックへ戻すことができる。 The FC system disclosed herein includes an FC stack, an oxygen source that supplies oxygen to the FC stack, and an ejector that delivers oxygen to the FC stack. In the FC system disclosed in this specification, oxygen as an oxygen source is supplied to the ejector as a first gas, and residual oxygen discharged from the FC stack is supplied to the ejector as a second gas. The ejector mixes the remaining oxygen with oxygen sent from the oxygen source and injects it into the FC stack. This FC system can return residual oxygen exhausted from the FC stack to the FC stack without using electricity.

酸素源は、大気の空気を圧縮するコンプレッサでもよいが、圧縮酸素を溜めた酸素タンクであるとよい。酸素タンクを採用することで、高圧の酸素ガスを生成するのにも電力が不要となる。 The oxygen source may be a compressor that compresses atmospheric air, but is preferably an oxygen tank that stores compressed oxygen. By using an oxygen tank, electricity is not required to generate high-pressure oxygen gas.

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。 Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be explained in the following "Detailed Description of the Invention".

実施例のFCシステムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of an FC system according to an embodiment. エジェクタの構造図である。FIG. 3 is a structural diagram of an ejector.

図面を参照して実施例のFCシステム2(燃料電池システム2)を説明する。図1に、FCシステム2のブロック図を示す。FCシステム2は、FCスタック3(燃料電池スタック3)と燃料タンク11を備える。燃料タンク11には燃料ガス(水素ガス)が貯蔵されている。よく知られているように、FCスタック3は水素と酸素を反応させて電力を得る。多くのFCシステムでは空気中の酸素を用いるが、実施例のFCシステム2は酸素タンク21を備えており、酸素タンク21の酸素と燃料タンク11の燃料ガスを反応させて電力を得る。酸素タンク21に貯蔵されるガスは、酸素と他の分子の混合ガスでもよい。例えば、酸素タンク21は、78%の窒素、21%の酸素、1%のその他の成分を含有する混合ガス(すなわち空気)を貯蔵するタンクであってもよい。 An FC system 2 (fuel cell system 2) according to an embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a block diagram of the FC system 2. The FC system 2 includes an FC stack 3 (fuel cell stack 3) and a fuel tank 11. The fuel tank 11 stores fuel gas (hydrogen gas). As is well known, the FC stack 3 generates electricity by reacting hydrogen and oxygen. Many FC systems use oxygen in the air, but the FC system 2 of the embodiment includes an oxygen tank 21, and generates electric power by causing the oxygen in the oxygen tank 21 to react with the fuel gas in the fuel tank 11. The gas stored in the oxygen tank 21 may be a mixed gas of oxygen and other molecules. For example, the oxygen tank 21 may be a tank that stores a mixed gas (ie, air) containing 78% nitrogen, 21% oxygen, and 1% other components.

FCシステム2は、複数のバルブ(燃料タンクバルブ19など)と、複数の圧力センサ(不図示)、複数の温度センサ(不図示)などを備えている。全てのバルブは、コントローラ10によって制御される。全てのセンサの計測値はコントローラ10に送られる。 The FC system 2 includes multiple valves (such as the fuel tank valve 19), multiple pressure sensors (not shown), multiple temperature sensors (not shown), and the like. All valves are controlled by controller 10. Measured values of all sensors are sent to the controller 10.

FCシステム2の燃料系を説明する。燃料タンク11とFCスタック3は、燃料供給管12で接続されている。良く知られているように、FCスタック3の内部はアノード極3a(燃料極)とカソード極3c(酸素極)に分かれている。燃料供給管12は、燃料タンク11とFCスタック3のアノード極3aを繋いでおり、燃料タンク11からアノード極3aへ燃料ガスを送る。 The fuel system of the FC system 2 will be explained. The fuel tank 11 and the FC stack 3 are connected by a fuel supply pipe 12. As is well known, the inside of the FC stack 3 is divided into an anode electrode 3a (fuel electrode) and a cathode electrode 3c (oxygen electrode). The fuel supply pipe 12 connects the fuel tank 11 and the anode 3a of the FC stack 3, and sends fuel gas from the fuel tank 11 to the anode 3a.

燃料供給管12には燃料タンクバルブ19、インジェクタ13、燃料ストップバルブ14が備えられている。燃料タンクバルブ19は燃料供給管12の最上流(燃料タンク11に最も近い位置)に配置されており、燃料タンク11からの燃料ガスの流出を止める。燃料ストップバルブ14は、燃料供給管12の最下流(FCスタック3に最も近い位置)に配置されている。FCスタック3が停止しているときには燃料タンクバルブ19が閉じられ、FCシステム2の安全が確保される。燃料ストップバルブ14は、FCスタック3の運転中に何等かの異常が生じた場合にFCスタック3への燃料供給を素早く止めるのに用いられる。 The fuel supply pipe 12 is equipped with a fuel tank valve 19, an injector 13, and a fuel stop valve 14. The fuel tank valve 19 is disposed at the most upstream position of the fuel supply pipe 12 (the position closest to the fuel tank 11), and stops the outflow of fuel gas from the fuel tank 11. The fuel stop valve 14 is arranged at the most downstream position of the fuel supply pipe 12 (the position closest to the FC stack 3). When the FC stack 3 is stopped, the fuel tank valve 19 is closed, and the safety of the FC system 2 is ensured. The fuel stop valve 14 is used to quickly stop the fuel supply to the FC stack 3 when some abnormality occurs during operation of the FC stack 3.

インジェクタ13は、燃料タンクバルブ19と燃料ストップバルブ14の間で燃料供給管12に配置されている。インジェクタ13は、FCスタック3に供給される燃料ガスの圧力をアノード適正圧に保つ。 The injector 13 is arranged in the fuel supply pipe 12 between the fuel tank valve 19 and the fuel stop valve 14 . The injector 13 maintains the pressure of the fuel gas supplied to the FC stack 3 at an appropriate anode pressure.

FCスタック3のアノード極ガス出口4には気液分離器17が接続されている。気液分離器17は、アノード極ガス出口4から排出されるガスの中から未反応の燃料ガスと水分(および不純物)を分離する。分離された燃料ガスは燃料還流路16で燃料供給管12に戻され、再利用される。燃料還流路16にはポンプ18が備えられており、ポンプ18が未反応の燃料ガスを強制的に燃料供給管12に戻す。 A gas-liquid separator 17 is connected to the anode gas outlet 4 of the FC stack 3 . The gas-liquid separator 17 separates unreacted fuel gas and moisture (and impurities) from the gas discharged from the anode gas outlet 4. The separated fuel gas is returned to the fuel supply pipe 12 through the fuel return path 16 and reused. The fuel return path 16 is equipped with a pump 18 , and the pump 18 forcibly returns unreacted fuel gas to the fuel supply pipe 12 .

気液分離器17のガス出口には第1排気管41が接続されており、第1排気管41はマフラ45に通じている。気液分離器17で分離された水分と不純物は、第1排気管41とマフラ45を通じて外部へ放出される。 A first exhaust pipe 41 is connected to the gas outlet of the gas-liquid separator 17, and the first exhaust pipe 41 communicates with a muffler 45. Moisture and impurities separated by the gas-liquid separator 17 are discharged to the outside through the first exhaust pipe 41 and the muffler 45.

第1排気管41の途中には排燃料バルブ42が取り付けられている。排燃料バルブ42は、第1排気管41を閉鎖し、不純物や残燃料を含む排ガスが外へ出ることを止める。 A fuel exhaust valve 42 is attached in the middle of the first exhaust pipe 41. The exhaust fuel valve 42 closes the first exhaust pipe 41 and stops exhaust gas containing impurities and residual fuel from exiting.

FCシステム2の酸素系を説明する。酸素タンク21とFCスタック3のカソード極3c(酸素極)は、酸素供給管22で接続されている。酸素供給管22は、酸素タンク21からカソード極3cへ酸素を送る。 The oxygen system of the FC system 2 will be explained. The oxygen tank 21 and the cathode 3c (oxygen electrode) of the FC stack 3 are connected through an oxygen supply pipe 22. The oxygen supply pipe 22 sends oxygen from the oxygen tank 21 to the cathode 3c.

酸素供給管22には酸素タンクバルブ29、酸素ストップバルブ23、24、酸素レギュレータ25、エジェクタ30が備えられている。酸素タンクバルブ29は酸素供給管22の最上流(酸素タンク21に最も近い位置)に配置されており、酸素タンク21からの酸素の流出を止める。FCスタック3が停止しているときには酸素タンクバルブ29が閉じられ、酸素の無駄な流出が抑えられる。 The oxygen supply pipe 22 is equipped with an oxygen tank valve 29, oxygen stop valves 23 and 24, an oxygen regulator 25, and an ejector 30. The oxygen tank valve 29 is disposed at the most upstream position of the oxygen supply pipe 22 (the position closest to the oxygen tank 21), and stops oxygen from flowing out from the oxygen tank 21. When the FC stack 3 is stopped, the oxygen tank valve 29 is closed, and wasteful outflow of oxygen is suppressed.

酸素ストップバルブ24は酸素供給管22の最下流(FCスタック3に最も近い位置)に配置されている。酸素ストップバルブ24は、FCスタック3の運転中に何等かの異常が生じた場合にFCスタック3への酸素を素早く止めるのに用いられる。 The oxygen stop valve 24 is arranged at the most downstream position of the oxygen supply pipe 22 (the position closest to the FC stack 3). The oxygen stop valve 24 is used to quickly stop the supply of oxygen to the FC stack 3 when some abnormality occurs during operation of the FC stack 3.

酸素タンクバルブ29と酸素ストップバルブ24の間に酸素レギュレータ25と酸素ストップバルブ23が配置されている。酸素レギュレータ25は、カソード極3cに供給する酸素の流量を調整する。酸素ストップバルブ23は、酸素供給管22の酸素レギュレータ25と酸素タンクバルブ29の間に取り付けられている。 An oxygen regulator 25 and an oxygen stop valve 23 are arranged between the oxygen tank valve 29 and the oxygen stop valve 24. The oxygen regulator 25 adjusts the flow rate of oxygen supplied to the cathode 3c. The oxygen stop valve 23 is attached between the oxygen regulator 25 and the oxygen tank valve 29 of the oxygen supply pipe 22.

酸素タンクバルブ29と酸素ストップバルブ23、24は、全開と全閉の切換のみができるバルブである。酸素レギュレータ25は、流路の面積を連続的に変化せることができるバルブであり、酸素の流量を調整することができる。酸素の流量を調整することで、酸素レギュレータ25の下流側の酸素圧力を、上流側の酸素圧力よりも下げることができる。 The oxygen tank valve 29 and the oxygen stop valves 23 and 24 are valves that can only be switched between fully open and fully closed. The oxygen regulator 25 is a valve that can continuously change the area of the flow path, and can adjust the flow rate of oxygen. By adjusting the flow rate of oxygen, the oxygen pressure on the downstream side of the oxygen regulator 25 can be lowered than the oxygen pressure on the upstream side.

FCスタック3へ送る酸素として空気を用いる場合、FCスタック3に送る空気(酸素)の圧力を高めるために、空気を圧縮するコンプレッサが必要である。しかし、実施例のFCシステム2では、高圧の酸素を蓄える酸素タンク21を用いるため、コンプレッサも不要である。酸素タンク21の中の酸素の圧力はFCスタック3で用いる酸素の適正圧力(カソード適正圧)よりも高い。酸素レギュレータ25は、カソード適正圧よりも高い酸素の圧力(酸素タンク21の酸素の圧力)を、カソード適正圧まで下げる。なお、酸素レギュレータ25の上流側と下流側、および、エジェクタ30の下流側のそれぞれに圧力センサ(不図示)が備えられている。コントローラ10は、それら圧力センサの計測値をモニタしつつ、FCスタック3に供給される酸素の圧力がカソード適正圧に維持されるように、酸素レギュレータ25を制御する。 When air is used as oxygen to be sent to the FC stack 3, a compressor is required to compress the air in order to increase the pressure of the air (oxygen) sent to the FC stack 3. However, the FC system 2 of the embodiment uses an oxygen tank 21 that stores high-pressure oxygen, so a compressor is not necessary. The pressure of oxygen in the oxygen tank 21 is higher than the proper pressure of oxygen (cathode proper pressure) used in the FC stack 3. The oxygen regulator 25 lowers the oxygen pressure (oxygen pressure in the oxygen tank 21) higher than the appropriate cathode pressure to the appropriate cathode pressure. Note that pressure sensors (not shown) are provided on the upstream and downstream sides of the oxygen regulator 25 and on the downstream side of the ejector 30, respectively. The controller 10 monitors the measured values of these pressure sensors and controls the oxygen regulator 25 so that the pressure of oxygen supplied to the FC stack 3 is maintained at the appropriate cathode pressure.

別言すれば、酸素レギュレータ25と酸素ストップバルブ23がインジェクタの役割を果たす。コントローラ10は、FCスタック3を作動させる際、酸素ストップバルブ23を開き、FCスタック3のカソード極3cに供給される酸素の圧力が所定のカソード適正圧に保持されるように、酸素レギュレータ25を制御する。 In other words, the oxygen regulator 25 and the oxygen stop valve 23 serve as an injector. When operating the FC stack 3, the controller 10 opens the oxygen stop valve 23 and controls the oxygen regulator 25 so that the pressure of oxygen supplied to the cathode 3c of the FC stack 3 is maintained at a predetermined appropriate cathode pressure. Control.

酸素レギュレータ25と酸素ストップバルブ24の間で酸素供給管22にエジェクタ30が備えられている。エジェクタ30の第1流体入口30aが酸素レギュレータ25につながっており、第2流体入口30bは後述する気液分離器27の残酸素出口27aにつながっている。エジェクタ30の噴出口30cは、酸素ストップバルブ24を通じてFCスタック3のカソード極3cにつながっている。エジェクタ30の動作については後述する。 An ejector 30 is provided in the oxygen supply pipe 22 between the oxygen regulator 25 and the oxygen stop valve 24. A first fluid inlet 30a of the ejector 30 is connected to the oxygen regulator 25, and a second fluid inlet 30b is connected to a residual oxygen outlet 27a of a gas-liquid separator 27, which will be described later. The ejection port 30c of the ejector 30 is connected to the cathode 3c of the FC stack 3 through the oxygen stop valve 24. The operation of the ejector 30 will be described later.

FCスタック3のカソード極ガス出口5には気液分離器27が接続されている。気液分離器27は、カソード極ガス出口5から排出されるガスの中から未反応の酸素(残酸素)と水分を分離する。未反応の残酸素は残酸素出口27aから出る。気液分離器27の残酸素出口27aは酸素還流路26でエジェクタ30の第2流体入口30bにつながっている。気液分離器27で分離された残酸素は酸素還流路26でエジェクタ30に戻され、再利用される。酸素還流路26にはストップバルブ28が備えられている。残酸素をエジェクタ30に戻す必要がない場合には、ストップバルブ28が閉じられる。 A gas-liquid separator 27 is connected to the cathode gas outlet 5 of the FC stack 3 . The gas-liquid separator 27 separates unreacted oxygen (residual oxygen) and moisture from the gas discharged from the cathode gas outlet 5. Unreacted residual oxygen exits from the residual oxygen outlet 27a. The residual oxygen outlet 27a of the gas-liquid separator 27 is connected to the second fluid inlet 30b of the ejector 30 through the oxygen reflux path 26. The remaining oxygen separated by the gas-liquid separator 27 is returned to the ejector 30 through the oxygen reflux path 26 and reused. The oxygen reflux path 26 is equipped with a stop valve 28 . If there is no need to return residual oxygen to the ejector 30, the stop valve 28 is closed.

気液分離器27のガス出口には第2排気管44が接続されており、第2排気管44の途中には排酸素バルブ43が取り付けられている。気液分離器27で分離された水分と不純物を排出する必要があるときには排酸素バルブ43を開く。水分や不純物が極めて少ない場合は排出する必要がないため、排酸素バルブ43は閉じられる。気液分離器27で分離された水分と不純物は、マフラ45に送られ、燃料側の気液分離器17から排出された水分と不純物と混合されて外部へ排出される。 A second exhaust pipe 44 is connected to the gas outlet of the gas-liquid separator 27, and an exhaust oxygen valve 43 is attached to the middle of the second exhaust pipe 44. When it is necessary to discharge the moisture and impurities separated by the gas-liquid separator 27, the exhaust oxygen valve 43 is opened. When moisture and impurities are extremely small, there is no need to discharge them, so the exhaust oxygen valve 43 is closed. The moisture and impurities separated by the gas-liquid separator 27 are sent to the muffler 45, mixed with the moisture and impurities discharged from the gas-liquid separator 17 on the fuel side, and discharged to the outside.

エジェクタ30の機能について説明する。図2に、エジェクタ30の構造図を示す。図2の黒い矢印線がガスの流れを示している。エジェクタ30は、第1流体入口30a、第2流体入口30b、噴出口30c、ボディ31、ノズル32、ディフューザ33を備えている。ボディ31の内部にノズル32が配置されている。 The function of the ejector 30 will be explained. FIG. 2 shows a structural diagram of the ejector 30. The black arrow lines in FIG. 2 indicate the flow of gas. The ejector 30 includes a first fluid inlet 30a, a second fluid inlet 30b, a spout 30c, a body 31, a nozzle 32, and a diffuser 33. A nozzle 32 is arranged inside the body 31.

第1流体入口30aから入る第1流体は、ノズル32で流速が増加する。良く知られているように、流体は流速が増すと圧力が下がる。それゆえ、増速した第1流体が噴出するノズル32の周囲(ボディ31の内壁とノズル32の外面の間の空間A)において圧力が下がる。 The first fluid entering from the first fluid inlet 30a increases in flow velocity at the nozzle 32. As is well known, as the flow rate of a fluid increases, the pressure decreases. Therefore, the pressure decreases around the nozzle 32 (the space A between the inner wall of the body 31 and the outer surface of the nozzle 32) from which the accelerated first fluid is ejected.

第2流体入口30bから入る第2流体は流速が遅くても、ノズル32の周囲で圧力が低下している空間Aに吸い込まれ、第1流体と一緒に噴出口30cに向かう(図2の黒矢印線がガスの流れを示している)。ノズル32の下流にはディフューザ33が配置されている。ノズル32で増速した流体は、ディフューザ33を通過する間に減速し、圧力が回復する。ディフューザ33の先端の開口径を適切に選定することで、噴出口30cから噴出する流体の圧力を第1流体入口30aから入る流体の圧力と同等に戻すことができる。エジェクタ30は、電力(動力)を用いることなく、第2流体入口30bから入る第2流体を第1流体入口30aから入る第1流体と混合させて噴出口30cから噴き出すことができる。第2流体入口30bに供給される第2流体の圧力は、第1流体入口30aに供給される第1ガスの圧力よりも低くてよい。 Even if the second fluid entering from the second fluid inlet 30b has a low flow rate, it is sucked into the space A where the pressure is reduced around the nozzle 32 and heads toward the jet port 30c together with the first fluid (black in FIG. 2). (arrow lines indicate gas flow). A diffuser 33 is arranged downstream of the nozzle 32. The fluid whose speed has increased in the nozzle 32 is decelerated while passing through the diffuser 33, and its pressure is restored. By appropriately selecting the opening diameter at the tip of the diffuser 33, the pressure of the fluid ejected from the ejection port 30c can be returned to the same level as the pressure of the fluid entering from the first fluid inlet 30a. The ejector 30 can mix the second fluid entering from the second fluid inlet 30b with the first fluid entering from the first fluid inlet 30a and eject it from the ejection port 30c without using electric power (power). The pressure of the second fluid supplied to the second fluid inlet 30b may be lower than the pressure of the first gas supplied to the first fluid inlet 30a.

FCシステム2では、酸素タンク21から供給される高圧の酸素が第1ガスとしてエジェクタ30に供給され、気液分離器27で分離された低圧の残酸素が第2ガスとしてエジェクタ30に供給される(酸素タンク21から供給される酸素の圧力>残酸素の圧力)。エジェクタ30の噴出口30cは、FCスタック3につながっている。FCスタック3から排出された低圧の残酸素は、エジェクタ30によって酸素タンク21の高圧酸素に混合されてFCスタック3へ戻る。実施例のFCシステム2は、電力(動力)を使わずに残酸素をFCスタックへ戻して再利用することができる。 In the FC system 2, high-pressure oxygen supplied from the oxygen tank 21 is supplied to the ejector 30 as a first gas, and low-pressure residual oxygen separated by the gas-liquid separator 27 is supplied to the ejector 30 as a second gas. (Pressure of oxygen supplied from oxygen tank 21 > pressure of residual oxygen). The ejection port 30c of the ejector 30 is connected to the FC stack 3. The low-pressure residual oxygen discharged from the FC stack 3 is mixed with high-pressure oxygen in the oxygen tank 21 by the ejector 30 and returned to the FC stack 3. The FC system 2 of the embodiment can return residual oxygen to the FC stack and reuse it without using electric power (motive power).

エジェクタ30を含むFCシステム2の構造は次の通り表現することもできる。FCシステム2は、FCスタック3、FCスタック3に酸素を供給する酸素源(酸素タンク21)、酸素タンク21とFCスタック3を接続する酸素供給管22、酸素供給管22に配置されているエジェクタ30、FCスタック3から排出される未反応の酸素(残酸素)をエジェクタ30に戻す酸素還流路26を備える。 The structure of the FC system 2 including the ejector 30 can also be expressed as follows. The FC system 2 includes an FC stack 3, an oxygen source (oxygen tank 21) that supplies oxygen to the FC stack 3, an oxygen supply pipe 22 that connects the oxygen tank 21 and the FC stack 3, and an ejector disposed in the oxygen supply pipe 22. 30, an oxygen reflux path 26 is provided for returning unreacted oxygen (residual oxygen) discharged from the FC stack 3 to the ejector 30.

エジェクタ30は、ノズル32に第1流体を送り込む第1流体入口30aと、ノズル32の周囲に第2流体を導く第2流体入口30bと、第1流体と第2流体の混合流体が噴出する噴出口30cを備えている。エジェクタ30は、酸素タンク21から出た酸素が第1流体入口30aから入り、噴出口30cから出た酸素がFCスタック3に流れ込むように酸素供給管22に備えられている。酸素還流路26はエジェクタ30の第2流体入口30bに接続されている。 The ejector 30 includes a first fluid inlet 30a for feeding the first fluid into the nozzle 32, a second fluid inlet 30b for introducing the second fluid around the nozzle 32, and a jet for ejecting a mixed fluid of the first fluid and the second fluid. It is equipped with an outlet 30c. The ejector 30 is provided in the oxygen supply pipe 22 so that the oxygen discharged from the oxygen tank 21 enters through the first fluid inlet 30a, and the oxygen discharged from the jet port 30c flows into the FC stack 3. The oxygen reflux path 26 is connected to the second fluid inlet 30b of the ejector 30.

エジェクタ30の接続関係の特徴をよりシンプルに表すと、次の通りである。エジェクタ30は、第1ガスをノズル32から噴射する際にノズル32の周囲に生じる圧力低下で第2ガスを吸い込んで第1ガスとともにFCスタック3へ噴射する。酸素タンク21(酸素源)の酸素が第1ガスとして供給され、FCスタック3から排出される残酸素が第2ガスとして供給される。 The characteristics of the connection relationship of the ejector 30 can be expressed more simply as follows. The ejector 30 sucks in the second gas due to the pressure drop that occurs around the nozzle 32 when the first gas is injected from the nozzle 32, and injects the second gas into the FC stack 3 together with the first gas. Oxygen in the oxygen tank 21 (oxygen source) is supplied as the first gas, and residual oxygen discharged from the FC stack 3 is supplied as the second gas.

実施例のFCシステムのいくつかの特徴を以下に列挙する。FCシステム2は、酸素源として高圧酸素を貯蔵する酸素タンク21を備えている。酸素タンク21を備えることで、コンプレッサを要することなく、大気圧よりも高い圧力の酸素をFCスタック3へ送ることができる。しかし、酸素タンクを備えず、大気中の酸素を利用するFCシステムであっても、FCシステム2のようにエジェクタ30を採用することで、電力(動力)を用いることなく残酸素をFCスタック3へ戻す利点を得ることはできる。 Some features of the example FC system are listed below. The FC system 2 includes an oxygen tank 21 that stores high-pressure oxygen as an oxygen source. By providing the oxygen tank 21, oxygen at a pressure higher than atmospheric pressure can be sent to the FC stack 3 without requiring a compressor. However, even in a FC system that does not have an oxygen tank and uses oxygen in the atmosphere, by adopting an ejector 30 like FC system 2, residual oxygen can be transferred to the FC stack 3 without using electric power (power). You can get the benefits of going back.

FCシステム2が酸素タンク21とエジェクタ30を備えている場合、酸素タンク21とエジェクタ30の間に酸素の流量を調整する酸素レギュレータ25が備えられているとよい。酸素レギュレータ25を採用することで、FCスタック3に供給される酸素の圧力が適正な圧力となるように、エジェクタ30へ供給する酸素の圧力を調整することができる。 When the FC system 2 includes an oxygen tank 21 and an ejector 30, an oxygen regulator 25 may be provided between the oxygen tank 21 and the ejector 30 to adjust the flow rate of oxygen. By employing the oxygen regulator 25, the pressure of oxygen supplied to the ejector 30 can be adjusted so that the pressure of oxygen supplied to the FC stack 3 becomes an appropriate pressure.

従来のFCシステムでは、FCスタックに送る燃料の圧力を調整するのにインジェクタを用いている。典型的なインジェクタは、次の構造を有している。インジェクタは、ガス噴射口を塞ぐニードルと、ニードルを動かすソレノイドを備える。ニードルはバネでガス噴射口に押し付けられており、ソレノイド非通電時にガス噴射口を塞ぐ。ソレノイドに通電するとニードルが後退してガス噴射口が開く。ソレノイドの通電を止めるとニードルが戻ってガス噴射口を閉じる。ニードルがガス噴射口の縁に当たるときに打音が生じる。FCスタックに供給される酸素の圧力を調整するのにインジェクタを頻繁にオンオフしなければならない。インジェクタを頻繁にオンオフすると、ニードルがガス噴射口の縁に頻繁に当たって打音のノイズが生じる。 Conventional FC systems use injectors to regulate the pressure of fuel delivered to the FC stack. A typical injector has the following structure. The injector includes a needle that closes the gas injection port and a solenoid that moves the needle. The needle is pressed against the gas injection port by a spring, and blocks the gas injection port when the solenoid is de-energized. When the solenoid is energized, the needle moves back and the gas injection port opens. When the solenoid is de-energized, the needle returns and closes the gas injection port. A tapping sound occurs when the needle hits the edge of the gas injection port. The injector must be turned on and off frequently to adjust the pressure of oxygen supplied to the FC stack. When the injector is turned on and off frequently, the needle frequently hits the edge of the gas injection port, creating a tapping noise.

FCスタックに供給する酸素を蓄える酸素タンクを備えるFCシステムの場合、酸素の圧力を調整するにもインジェクタを用いることが考えられる。しかし、インジェクタを用いると前述したように打音のノイズが生じる。 In the case of an FC system equipped with an oxygen tank that stores oxygen to be supplied to the FC stack, it is conceivable to use an injector to adjust the pressure of oxygen. However, when an injector is used, tapping noise occurs as described above.

実施例のFCシステム2は、FCスタック3、酸素タンク21、FCスタック3と酸素タンク21を繋いでいる酸素供給管22、酸素レギュレータ25、酸素ストップバルブ23を備える。酸素レギュレータ25は、酸素供給管22に配置されており、酸素タンク21からFCスタックのカソード極3cに供給される酸素の流量を調整する。酸素ストップバルブ23は、酸素タンク21から酸素レギュレータ25への酸素の流れを止める。このFCシステム2は、FCスタック3へ供給される酸素の圧力を調整するのにインジェクタではなく、酸素レギュレータ25を用いる。レギュレータは、流路の面積を変化させて流量を調整するバルブである。レギュレータは、インジェクタのようにソレノイドで進退するニードルを有さないのでインジェクタよりも静音性に優れる。 The FC system 2 of the embodiment includes an FC stack 3, an oxygen tank 21, an oxygen supply pipe 22 connecting the FC stack 3 and the oxygen tank 21, an oxygen regulator 25, and an oxygen stop valve 23. The oxygen regulator 25 is arranged in the oxygen supply pipe 22 and adjusts the flow rate of oxygen supplied from the oxygen tank 21 to the cathode electrode 3c of the FC stack. Oxygen stop valve 23 stops the flow of oxygen from oxygen tank 21 to oxygen regulator 25 . This FC system 2 uses an oxygen regulator 25 instead of an injector to adjust the pressure of oxygen supplied to the FC stack 3. The regulator is a valve that adjusts the flow rate by changing the area of the flow path. Regulators are quieter than injectors because they do not have a needle that moves back and forth using a solenoid like injectors do.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely illustrative and do not limit the scope of the claims. The techniques described in the claims include various modifications and changes to the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical utility alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as filed. Furthermore, the techniques illustrated in this specification or the drawings can achieve multiple objectives simultaneously, and achieving one of the objectives has technical utility in itself.

2:燃料電池システム(FCシステム) 3:燃料電池スタック(FCスタック) 3a:アノード極 3c:カソード極 4:アノード極ガス出口 5:カソード極ガス出口 10:コントローラ 11:燃料タンク 12:燃料供給管 13:インジェクタ 14:燃料ストップバルブ 16:燃料還流路 17、27:気液分離器 18:ポンプ 19:燃料タンクバルブ 21:酸素タンク 22:酸素供給管 23、24:酸素ストップバルブ 25:酸素レギュレータ 26:酸素還流路 27a:残酸素出口 28:ストップバルブ 29:酸素タンクバルブ 30:エジェクタ 30a:第1流体入口 30b:第2流体入口 30c:噴出口 31:ボディ 32:ノズル 33:ディフューザ 41:第1排気管 42:排燃料バルブ 43:排酸素バルブ 44:第2排気管 45:マフラ 2: Fuel cell system (FC system) 3: Fuel cell stack (FC stack) 3a: Anode electrode 3c: Cathode electrode 4: Anode electrode gas outlet 5: Cathode electrode gas outlet 10: Controller 11: Fuel tank 12: Fuel supply pipe 13: Injector 14: Fuel stop valve 16: Fuel recirculation path 17, 27: Gas-liquid separator 18: Pump 19: Fuel tank valve 21: Oxygen tank 22: Oxygen supply pipe 23, 24: Oxygen stop valve 25: Oxygen regulator 26 : Oxygen reflux path 27a: Residual oxygen outlet 28: Stop valve 29: Oxygen tank valve 30: Ejector 30a: First fluid inlet 30b: Second fluid inlet 30c: Spout 31: Body 32: Nozzle 33: Diffuser 41: First Exhaust pipe 42: Exhaust fuel valve 43: Exhaust oxygen valve 44: Second exhaust pipe 45: Muffler

Claims (2)

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへ酸素を供給する酸素源と、
第1ガスをノズルから噴射する際に前記ノズルの周囲に生じる圧力低下で第2ガスを吸い込んで前記第1ガスとともに前記燃料電池スタックへ送るエジェクタであって、前記酸素源の酸素が前記第1ガスとして供給され、前記燃料電池スタックから排出される残酸素が前記第2ガスとして供給されるエジェクタと、
を備えている、燃料電池システム。
fuel cell stack,
an oxygen source that supplies oxygen to the fuel cell stack;
The ejector sucks in a second gas by a pressure drop generated around the nozzle when the first gas is injected from the nozzle and sends it to the fuel cell stack together with the first gas, the ejector comprising: an ejector that is supplied as a gas and to which residual oxygen discharged from the fuel cell stack is supplied as the second gas;
Equipped with a fuel cell system.
前記酸素源は、酸素タンクである、請求項1に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein the oxygen source is an oxygen tank.
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