JP2023170866A - fuel cell system - Google Patents
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Abstract
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".
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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:
Claims (2)
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.
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