JP3832249B2

JP3832249B2 - Fuel cell device

Info

Publication number: JP3832249B2
Application number: JP2001020531A
Authority: JP
Inventors: 泰之伊藤; 博史宮窪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP2002231294A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池における燃料極の燃料出口から排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この混合燃料を燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環手段を備えた燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび酸化剤として例えば空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素が供給されるアノード電極（燃料極）と、酸化剤となる空気が供給されるカソード電極（酸化剤極）との間に配置した構成となっている。燃料極では水素が供給されることで、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。
【０００４】
一方、酸化剤極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【０００５】
このような燃料電池装置において、燃料極で発電に使用されなかった水素を再循環させて、原燃料の水素と混合し、この混合燃料を燃料極に供給するようにしたものがある。例えば、特開平９−２１３３５３号公報では、燃料極から排出された余剰の水素を再循環ガス回路を経てエゼクタポンプに戻し、この戻した余剰の水素と別途エゼクタポンプに導入される水素濃度の高い原燃料とを混合した混合燃料を、燃料極に供給するようにしている。
【０００６】
再循環ガス回路には、燃料極の燃料出口側からエゼクタポンプに向けて、凝縮液化した生成水を貯蔵するタンクを備えた排出ガス冷却用の熱交換器および、燃料電池の負荷に応じて再循環ガスの流量を調整する再循環ガス流量調整弁が、順に設けられている。また、熱交換器と再循環ガス流量調整弁との間には、ガスパージ回路が分岐して設けられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の燃料電池装置においては、燃料電池からの再循環ガス回路に、再循環ガス流量調整弁やガスパージ用配管などが配置されているが、これらの位置関係、特に上下の位置関係については、特に考慮しておらず、このため、上下の配置関係によっては、再循環ガス流量調整弁に凝縮水が溜まり、燃料電池に所定量の水素を供給できず、またガスパージ用配管内にも凝縮水が溜まり、パージ制御時に予定のパージ流量が得られなくなるなど、安定した制御ができなくり、制御性の悪化を招く。
【０００８】
そこでこの発明は、再循環ガス回路における各部の上下位置関係を最適化することで、凝縮水の滞留を防止することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料電池における燃料極の燃料出口から排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この混合燃料を前記燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環手段を備えた燃料電池装置において、前記燃料極の燃料出口と燃料循環手段の排出燃料入口との間の配管に流路遮断弁を設け、この流路遮断弁は、前記燃料循環手段の排出燃料入口より高い位置に配置し、前記燃料電池の燃料入口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に前記燃料循環手段をそれぞれ配置するとともに、前記燃料電池の燃料出口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に前記流路遮断弁をそれぞれ配置した構成としてある。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、複数の燃料循環手段は、互いに循環流量特性が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される各並列配管の流路径も異なる構成としてある。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、燃料電池の燃料入口に接続される複数の並列配管相互の合流部と、前記燃料電池の燃料出口に接続される並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか一方に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の大径とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう配置する構成としてある。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３の発明の構成において、小流量側の小径とした直線状の配管の水平面に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状の配管の同傾斜角度より大きくする構成としてある。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項３の発明の構成において、小流量側の小径とした曲線状の配管の曲率半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率半径より小さくする構成としてある。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項２ないし５のいずれか１項の発明の構成において、並列配管相互の合流部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側の配管に、絞りを設けた構成としてある。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料電池における燃料極の燃料出口と燃料循環手段の排出燃料入口との間の配管に設けた流路遮断弁を、前記燃料循環手段の排出燃料入口より高い位置に配置したので、流路遮断弁における凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
また、複数の燃料循環手段および流路遮断弁を有して複数の燃料循環回路を備えた燃料電池装置においても、各流路遮断弁への凝縮水の滞留を防止でき、各燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２７】
請求項２の発明によれば、複数の燃料循環手段は、互いに循環流量特性が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される各配管の流路径も異なるようにしたものにおいても、各流路遮断弁への凝縮水の滞留を防止でき、各燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２８】
請求項３の発明によれば、燃料電池の燃料入口に接続される複数の並列配管相互の合流部と、燃料電池の燃料出口に接続される並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか一方に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の大径とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう配置したので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２９】
請求項４の発明によれば、小流量側の小径とした直線状の配管の水平面に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状の配管の同傾斜角度より大きくしたので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３０】
請求項５の発明によれば、小流量側の小径とした曲線状の配管の曲率半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率半径より小さくして、より鉛直に近い状態となるようにしたので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３１】
請求項６の発明によれば、並列配管相互の合流部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側の配管に、絞りを設けたので、この絞り部での燃料の流速が高まり、小流量側の小径配管から大流量側の大径配管へ凝縮水が吸い出されることになり、凝縮水が滞留しやすい小径配管内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
【００３４】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。１は、図示しない固体高分子電解質膜を間に挟んで燃料極３と酸化剤極５とを相互に対向して配置した燃料電池構造体を図示しないセパレータで挟持し、これを複数積層して構成した燃料電池スタック（以下単に、燃料電池と呼ぶ）である。７は加湿器であり、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、それぞれ半透膜を介して純水と隣接し、水分子が半透膜を通過することにより燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して加湿を行うものである。
【００３５】
本実施形態では、燃料として水素、酸化剤として空気を用いる。水素タンク９に貯えられた水素は、燃料調圧弁１１により調圧された後、燃料循環手段としてのエゼクタポンプ１３、燃料供給側水分分離手段としての供給側水分離器１５、前記加湿器７を通り、燃料電池１に対し燃料極３の燃料入口３ａから供給される。
【００３６】
燃料極３の燃料出口３ｂから排出される水素と水蒸気との混合ガスは、燃料排出側水分分離手段としての排出側水分離器１７、流路遮断弁１９を通り、前記したエゼクタポンプ１３で原燃料ガスと混合され、この混合ガスは、前記した供給側水分離器１５および加湿器７を経て燃料電池１の燃料極３に循環される。
【００３７】
また、排出側水分離器１７と流路遮断弁１９との間の配管２１には、パージ分岐部２３にて、水素をパージさせるパージ配管２５が分岐接続され、パージ配管２５にはパージガス遮断弁２７およびパージガス触媒２９がそれぞれ設けられている。
【００３８】
酸化剤としての空気は、コンプレッサ３１によって前記した加湿器７を経て燃料電池１の酸化剤極５に、酸化剤入口５ａから供給される。酸化剤極５の酸化剤出口５ｂから排出される排気は、水蒸気と液水を含み、水分離器３３によって液水分が分離される。水分離器３３には、上記した水素パージ時の空気供給用の空気パージ配管３５およびパージガス遮断弁３７が設けてあり、水素パージ時にはパージガス触媒２９に空気が供給されて外部に排出される。また、空気パージ配管３５には、空気排出管３９が分岐接続され、空気排出管３９には空気調圧弁４１が設けられている。
【００３９】
図示しないコントロールユニットは、燃料電池１の発電状態を検知する図示しないセンサの検知信号の入力を受け、発電状態に応じて、水素圧力および空気圧力を、図示しないセンサの検出値に基づき燃料調圧弁１１および空気調圧弁４１で調整するようフィードバック制御するとともに、空気流量を図示しないセンサの検出値に基づいてコンプレッサ３１の回転数により調整するようフィードバック制御する。
【００４０】
図２は、上記した構成の燃料電池装置における、水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す。水素タンク９に貯えられている水素は、前述したように燃料調圧弁１１により所定の圧力に調圧された後、エゼクタポンプ１３により、燃料電池１より排出され循環してきた水素と混合され、供給側水分離器１５に送られる。
【００４１】
このとき、供給側水分離器１５の混合燃料入口１５ａは、エゼクタポンプ１３の混合燃料出口１３ａより低い位置に配置されている。この場合、図２では、エゼクタポンプ１３と供給側水分離器１５とを接続する配管４３は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４３を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４３の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、必ずしもエゼクタポンプ１３から供給側水分離器１５まで一定でなくても構わない。
【００４２】
このように配置することにより、エゼクタポンプ１３から供給側水分離器１５までの間で凝縮された水は、配管４３内に溜まることがなく、これにより、水素の流れが水によって阻害されず、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４３】
供給側水分離器１５を出た水素は加湿器７を通り、燃料電池１の燃料極３に燃料入口３ａから供給される。燃料極３の燃料出口３ｂから出た水素と水蒸気の混合ガスは、排出側水分離器１７を通り流路遮断弁１９へ流れていく。
【００４４】
このとき、排出側水分離器１７の入口１７ａは、水素極３の燃料出口３ｂより低い位置に配置されるとともに、排出側水分離器１７の出口１７ｂは、流路遮断弁１９より低い位置に配置されている。この場合、図２では、燃料電池１と排出側水分離器１７とを接続する配管４５および、排出側水分離器１７と流路遮断弁１９とを接続する配管２１は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４５および２１を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４５および２１の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、燃料電池１から排出側水分離器１７あるいは排出側水分離器１７から流路遮断弁１９まで、それぞれ一定でなくても構わない。
【００４５】
このように配置することにより、配管４５および２１内で凝縮された水が排出側水分離器１７に効率よく流下するため、燃料電池１への水の逆流を防止できるとともに、配管４５および２１内での水の滞留および閉弁状態の流路遮断弁１９における水の滞留を防止できる。これにより、流路遮断弁１９が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４６】
その後水素は、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３へ供給され、エゼクタポンプ１３により、燃料調圧弁１１を経て供給される原燃料ガスと混合され、燃料電池１側に循環される。
【００４７】
このとき、流路遮断弁１９は、エゼクタポンプ１３の排出燃料入口１３ｂより高い位置に配置されている。この場合、図２では、流路遮断弁１９とエゼクタポンプ１３とを接続する配管４９は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４９を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４９の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３まで、一定でなくても構わない。
【００４８】
このように配置することにより、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３までの間で凝縮された水の流路遮断弁１９への逆流が防止され、閉弁状態の流路遮断部１９での水の滞留を防止できるとともに、配管４９内での水の滞留も防止できる。これにより、流路遮断弁１９が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４９】
また、排出側水分離器１７下流の配管２１を流れるガスは、パージ分岐部２３でパージ配管２５に分岐して流れ、パージガス遮断弁２７を経てパージガス触媒２９に供給され外部に排出される。
【００５０】
このとき、パージガス遮断弁２７はパージ分岐部２３より高い位置に配置されている。この場合、図２では、パージガス遮断弁２７とパージ分岐部２３とを接続するパージ配管２５は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。パージ配管２５を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、パージ配管２５の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、パージガス遮断弁２７からパージ分岐部２３まで、一定でなくても構わない。
【００５１】
このように配置することにより、パージ分岐部２３からパージガス遮断弁２７までの間で凝縮された水のパージ分岐部２３側への逆流が防止され、閉弁状態のパージガス遮断弁２７での水の滞留を防止できるとともに、パージ配管２５内での水の滞留も防止できる。これにより、パージガス遮断弁２７が開いたときのパージガスの流れが水によって阻害されず、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５２】
図３は、この発明の第２の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。この実施形態は、第１の実施形態におけるエゼクタポンプ１３に対し、エゼクタポンプ１３０を並列に追加して設け、これに対応して燃料調圧弁１１に対して燃料調圧弁１１０を、また流路遮断弁１９に対して流路遮断弁１９０を、それぞれ並列に追加して設けたものである。その他の構成は、前記図１に示したものと同様であり、図１のものと同一の構成要素には同一の符号を付してある。なお、エゼクタポンプ、燃料調圧弁および流路遮断弁は、いずれも三つ以上並列に設けた構成としてもよい。
【００５３】
図４は、上記図３に示した構成の燃料電池装置における、水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す。エゼクタポンプ１３０と配管４３とは、合流部５１にて、配管４３と並列な配管５３により接続されており、このとき合流部５１は、エゼクタポンプ１３０の混合燃料出口１３０ａより低い位置となるよう配置されている。
【００５４】
この場合、エゼクタポンプ１３０と合流部５１とを接続する配管５３は曲線状でも直線状でもよいが、直線状とした場合の水平面Ｈに対する傾斜角度は、配管４３と同様に、本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、必ずしもエゼクタポンプ１３０から分岐部５１まで一定でなくても構わない。
【００５５】
このように配置することにより、エゼクタポンプ１３０から分岐部５１までの間で凝縮された水は、配管５３内に溜まることがなく、これにより、水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５６】
また、流路遮断弁１９０と配管２１とは、分岐部５５にて、配管２１と並列な配管５７により接続されており、このとき分岐部５５は、流路遮断弁１９０より低い位置に配置されている。この場合、図２では、分岐部５５と流路遮断弁１９０とを接続する配管５７は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管５７を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管５７の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、分岐部５５から流路遮断弁１９０まで一定でなくても構わない。
【００５７】
このように配置することにより、配管５７内で凝縮された水が、分岐部５５に効率よく流下するため、配管５７内での水の滞留および閉弁状態での流路遮断弁１９０における水の滞留を防止できる。これにより、流路遮断弁１９０が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５８】
さらに、流路遮断弁１９０とエゼクタポンプ１３０とは、配管５９で接続され、この配管５９は、流路遮断弁１９０がエゼクタポンプ１３０の排出燃料入口１３０ｂより高い位置に配置されるよう設定されている。この場合、図２では、流路遮断弁１９０とエゼクタポンプ１３０とを接続する配管５９は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管５９を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管５９の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、流路遮断弁１９０からエゼクタポンプ１３０まで、一定でなくても構わない。
【００５９】
このように配置することにより、流路遮断弁１９０からエゼクタポンプ１３０までの間で凝縮された水の流路遮断弁１９０への逆流が防止され、閉弁状態の流路遮断部１９０での水の滞留を防止できるとともに、配管５９内での水の滞留も防止できる。これにより、流路遮断弁１９０が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００６０】
図４における、燃料調圧弁１１，エゼクタポンプ１３および流路遮断弁１９などからなる第１の水素循環系と、燃料調圧弁１１０，エゼクタポンプ１３０および流路遮断弁１９０などからなる第２の水素循環系とは、流量特性としては同じものでも、異なっていても構わない。
【００６１】
流量特性を同じとした場合には、図５の実線ａに示すように、まず第１の水素循環系の燃料調圧弁１１を徐々に開弁していき、要求流量がＬに達した時点で実線ｂで示すように、第２の水素循環系の燃料調圧弁１１０を徐々に開弁していく。これにより、燃料電池１の発電量に応じて低流量時から高流量時まで対応することが可能となる。
【００６２】
一方、流量特性を異なるものとした場合には、図６に示すように、第１の水素循環系の燃料調圧弁１１を徐々に開弁していき、このときの要求流量に対する過不足分は、燃料電池１の発電量などから検出し、これに基づき第２の水素循環系が流量を補正する形で燃料調圧弁１１０の開度を調整する。
【００６３】
流量特性を異なるものとした場合には、第２の水素循環系の水素供給能力を第１の水素循環系より低く設定しており、その各配管については能力小の第２の水素循環系の配管径を小さく設定する。すなわち、図４において、配管径については、配管５３は配管４３より小さく、配管５７は配管２１より小さく、配管５９は配管４９より小さく、それぞれ設定してある。
【００６４】
このように、第１，第２の各水素循環系相互で配管径を異ならせた場合には、合流部５１および分岐部５５のいずれにおいても、図７（ａ），（ｂ）に示すように、直線状とした小径の配管５３，５７の水平面Ｈに対する傾斜角度θ₁を、直線状とした大径の配管４３，２１の同傾斜角度θ₂より大きくして、より鉛直に近い状態とする。例えば、大径配管４３，２１の傾斜角度θ₂を、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の望ましい傾斜角度として５０度に設定すれば、小径配管５３，５７の傾斜角度θ₁は、５０度を越える角度となる。
【００６５】
小径側の配管５３，５７の傾斜角度θ₁を、大径側の配管４３，２１の傾斜角度θ₂より大きくして、より鉛直に近い状態とすることで、凝縮水が滞留しやすい小径配管５３，５７内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができる。
【００６６】
図８（ａ），（ｂ）は、各配管４３，５３および２１，５７を曲線状とした場合であり、この場合には、小径側の配管５３，５７の曲率半径Ｒ1を、大径側の配管４３，２１の曲率半径Ｒ2より小さくしている。これにより、小径側の配管５３，５７が、大径側の配管４３，２１に対して、より鉛直に近い状態となり、凝縮水が滞留しやすい小径配管５３，５７内での凝縮水の滞留を防止することができる。
【００６７】
なお、Ｒ₁＜Ｒ₂とせずにＲ₁＝Ｒ₂として小径側の配管５３，５７を、大径側の配管４３，２１対して、より鉛直に近い状態にできれば、Ｒ₁＝Ｒ₂でも構わない。
【００６８】
要するに、凝縮水が滞留しやすい小径側の配管５３，５７を、より鉛直に近い状態とすることで、小径側の配管５３，５７内の水が大径側の配管４３，２１内に効率よく流下し、小径側の配管５３，５７内での水の滞留を防止できるのである。
【００６９】
図９は、図７（ｂ）における合流部５５の配管２１側に絞り６１を設けたものである。絞り６１を設けることで、絞り６１でのガス流速が高まるので、小径側の配管５７で発生した凝縮水は、この高速のガス流に吸い出されるようにして大径側の配管２１に流下し、配管５７内の水の滞留を防止することができる。
【００７０】
なお。図７（ａ）に示す分岐部５１および図８（ａ），（ｂ）に示す合流部５１，分岐部５５にも、上記した絞り６１と同様にして絞りを設けることで、同様の効果が得られる。
【００７１】
図１０は、エゼクタポンプ１３，１３０の断面図である。同図（ａ）は、排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂを有するサクションポートＳＰ内のガスの流れが、原燃料入口１３ｃ，１３０ｃから混合燃料出口１３ａ，１３０ａへの鉛直方向下方へのガスの流れと直交する場合である。
【００７２】
図１０（ａ）での原燃料入口１３ｃ，１３０ｃは混合燃料出口１３ａ，１３０ａより高い位置であり、原燃料入口１３ｃ，１３０ｃと混合燃料出口１３ａ，１３０ａとを結ぶ直線Ｐと水平面Ｈとのなす角度αは直角となっている。これにより、エゼクタ１３，１３０内での凝縮水の滞留を防止することができる。なお、直線Ｐと水平面Ｈとの角度αは、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度〜９０度の範囲でもよい。
【００７３】
図１０（ｂ）は、同図（ａ）に対し、サクションポートＳＰを、排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂが、この排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂとエゼクタ１３，１３０内の燃料通路６３とのエゼクタ内合流部６５より高い位置となるよう傾斜して形成したものである。このようにすることで、サクションポートＳＰ内を含むエゼクタ１３，１３０内での凝縮水の滞留を確実に防止することができる。なお、図１０（ｂ）において、サクションポートＳＰ内の流れの中心線Ｑと直線Ｐとのなす角度βは、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度程度とすることが望ましい。
【００７４】
なお、以上説明してきた各実施形態では、燃料循環手段としてエゼクタポンプ１３，１３０を使用したが、水素を循環させるものであれば、これに限ることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池装置における水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す説明図である。
【図３】この発明の第２の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図４】図３の燃料電池装置における水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す説明図である。
【図５】二つの水素循環系が同一流量特性の場合の要求流量に対する各燃料調圧弁の開度特性図である。
【図６】二つの水素循環系が異なる流量特性の場合の要求流量に対する主となる側の燃料調圧弁の開度特性図である。
【図７】（ａ）は配管を直線状とした場合の合流部の動作説明図、（ｂ）は配管を直線状とした場合の分岐部の動作説明図である。
【図８】（ａ）は配管を曲線状とした場合の合流部の動作説明図、（ｂ）は配管を曲線状とした場合の分岐部の動作説明図である。
【図９】図７（ｂ）で示す分岐部に絞りを設けた例を示す動作説明図である。
【図１０】エゼクタポンプの断面図で、（ａ）はサクションポートをエゼクタポンプ内の燃料通路と直交するよう配置したもの、（ｂ）はサクションポートをエゼクタポンプ内の燃料通路に対して傾斜するよう配置したものである。
【符号の説明】
１燃料電池
３燃料極
３ａ燃料入口
３ｂ燃料出口
７加湿器
１３，１３０エゼクタポンプ（燃料循環手段）
１３ａ，１３０ａ混合燃料出口
１３ｂ，１３０ｂ排出燃料入口
１３ｃ，１３０ｃ原燃料入口
１５供給側水分離器（燃料供給側水分分離手段）
１５ａ混合燃料入口
１７排出側水分離器（燃料排出側水分分離手段）
１９，１９０流路遮断弁
２１，５７並列配管
２３パージ分岐部
２５パージ配管
２７パージガス遮断弁
４３，５３並列配管
５１合流部
５５分岐部
６１絞り
６３燃料通路
６５エゼクタ内合流部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell device including fuel circulation means for mixing a fuel discharged from a fuel outlet of a fuel electrode and raw fuel in a fuel cell and circulating the mixed fuel to a fuel inlet of the fuel electrode.
[0002]
[Prior art]
Fuel cell technologies that enable clean exhaust and high energy efficiency are attracting attention in recent environmental problems, particularly air pollution caused by automobile exhaust gas and global warming caused by carbon dioxide. A fuel cell is an energy that supplies hydrogen as a fuel or hydrogen-rich reformed gas and oxidant, for example, air to a polymer membrane / electrode catalyst complex, causes an electrochemical reaction, and converts chemical energy into electrical energy. It is a conversion system. Among them, a solid polymer electrolyte fuel cell having a particularly high power density has been attracting attention as a power source for a mobile object such as an automobile.
[0003]
A solid polymer membrane fuel cell using a solid polymer membrane as an electrolyte has an electrolyte membrane comprising an anode electrode (fuel electrode) supplied with hydrogen as a fuel and a cathode electrode (fuel electrode) supplied with air as an oxidant ( It is arranged between the oxidant electrode). When hydrogen is supplied to the fuel electrode, it is dissociated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions pass through the electrolyte membrane, the electrons pass through an external circuit, generate electric power, and move to the oxidant electrode.
[0004]
On the other hand, at the oxidant electrode, oxygen in the supplied air reacts with the hydrogen ions and electrons to generate water, which is discharged to the outside.
[0005]
In such a fuel cell device, hydrogen that has not been used for power generation at the fuel electrode is recirculated, mixed with hydrogen of raw fuel, and this mixed fuel is supplied to the fuel electrode. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-213353, surplus hydrogen discharged from the fuel electrode is returned to the ejector pump through a recirculation gas circuit, and the returned surplus hydrogen and the hydrogen concentration separately introduced into the ejector pump are high. A mixed fuel mixed with the raw fuel is supplied to the fuel electrode.
[0006]
In the recirculation gas circuit, the heat exchanger for cooling the exhaust gas having a tank for storing the condensed liquefied product water from the fuel outlet side of the fuel electrode to the ejector pump, and the recirculation according to the load of the fuel cell. A recirculation gas flow rate adjusting valve for adjusting the flow rate of the circulating gas is provided in order. In addition, a gas purge circuit is branched between the heat exchanger and the recirculation gas flow rate adjustment valve.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the above-described conventional fuel cell device, the recirculation gas circuit from the fuel cell is provided with a recirculation gas flow rate adjusting valve, a gas purge pipe, and the like. For this reason, depending on the vertical arrangement, condensed water accumulates in the recirculation gas flow rate adjustment valve, and a predetermined amount of hydrogen cannot be supplied to the fuel cell. However, condensate accumulates, making it impossible to achieve a stable control, such as the inability to obtain a predetermined purge flow rate during purge control, resulting in poor controllability.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to prevent stagnation of condensed water by optimizing the vertical positional relationship of each part in the recirculation gas circuit.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the object, the invention of claim 1 mixes the exhaust fuel discharged from the fuel outlet of the fuel electrode in the fuel cell and the raw fuel, and circulates the mixed fuel to the fuel inlet of the fuel electrode. In the fuel cell apparatus including the fuel circulation means, a flow path cutoff valve is provided in a pipe between the fuel outlet of the fuel electrode and the exhaust fuel inlet of the fuel circulation means, and the flow path cutoff valve is connected to the fuel circulation means. Placed higher than the exhaust fuel inletIn addition, a plurality of pipes connected to the fuel inlet of the fuel cell are provided in parallel, the fuel circulation means is disposed in each parallel pipe, and a plurality of pipes connected to the fuel outlet of the fuel cell are provided in parallel. The flow path shut-off valve is arranged in each parallel pipeAs a configuration.
[0015]
  Claim2The invention of claim1In the configuration of the invention, the plurality of fuel circulation means have different circulation flow characteristics, and accordingly, the flow path diameters of the parallel pipes connected to the fuel circulation means are also different.
[0016]
  Claim3The invention of claim2In the configuration of the invention, for at least one of a merging portion between a plurality of parallel pipes connected to the fuel inlet of the fuel cell and a branch portion between the parallel pipes connected to the fuel outlet of the fuel cell, A pipe having a small diameter on the small flow rate side is arranged so as to be closer to a vertical state than a pipe having a large diameter on the large flow rate side.
[0017]
  Claim4The invention of claim3In the configuration of the invention, the inclination angle of the straight pipe having a small diameter on the small flow rate side with respect to the horizontal plane is made larger than the inclination angle of the straight pipe having a large diameter on the large flow side.
[0018]
  Claim5The invention of claim3In the configuration of the invention, the curvature radius of the curved pipe having a small diameter on the small flow rate side is set to be smaller than the curvature radius of the curved pipe having a large diameter on the large flow rate side.
[0019]
  Claim6The invention of claimAny one of 2 to 5In the configuration of the invention, the throttle is provided in the large-diameter side pipe of at least one of the junction part and the branch part between the parallel pipes.
[0021]
【The invention's effect】
  According to the first aspect of the present invention, the flow path shutoff valve provided in the pipe between the fuel outlet of the fuel electrode and the exhaust fuel inlet of the fuel circulation means in the fuel cell is positioned higher than the exhaust fuel inlet of the fuel circulation means. Therefore, it is possible to prevent the condensate from staying in the flow path shut-off valve, and to appropriately supply the fuel from the fuel circulation means to the fuel electrode.
  Further, in a fuel cell device having a plurality of fuel circulation means and a flow passage shutoff valve and having a plurality of fuel circulation circuits, it is possible to prevent stagnation of condensed water in each flow passage shutoff valve. The fuel can be appropriately supplied to the fuel electrode.
[0027]
  Claim2According to the invention, the plurality of fuel circulation means have different circulation flow characteristics, and accordingly, the passage diameters of the pipes connected to the fuel circulation means are also different. Condensate water can be prevented from staying in the fuel, and fuel can be appropriately supplied from each fuel circulation means to the fuel electrode.
[0028]
  Claim3According to the invention of the present invention, at least one of a merging portion between a plurality of parallel pipes connected to the fuel inlet of the fuel cell and a branch portion between the parallel pipes connected to the fuel outlet of the fuel cell is small. Since the pipe with a small diameter on the flow rate side is arranged so as to be more vertical than the pipe with a large diameter on the large flow rate side, the condensate stays in the small diameter pipe where the condensate tends to stay. Therefore, the fuel can be properly supplied from the fuel circulation means to the fuel electrode.
[0029]
  Claim4According to the invention, since the inclination angle of the straight pipe having a small diameter on the small flow rate side with respect to the horizontal plane is made larger than the inclination angle of the straight pipe having a large diameter on the large flow side, the condensed water is retained. It is possible to suppress the condensate from staying in the small-diameter piping, which is easy to perform, and to appropriately supply the fuel from the fuel circulation means to the fuel electrode.
[0030]
  Claim5According to the invention, the curvature radius of the curved pipe having a small diameter on the small flow rate side is made smaller than the curvature radius of the curved pipe having a large diameter on the large flow rate side, so that the state becomes more vertical. Therefore, the condensate can be prevented from staying in the small-diameter pipe where the condensate tends to stay, and the fuel can be appropriately supplied from the fuel circulation means to the fuel electrode.
[0031]
  Claim6According to the invention, since the throttle is provided in the large-diameter side pipe of at least one of the junction part and the branch part of the parallel pipes, the flow rate of the fuel in the throttle part increases, Condensed water is sucked out from the small-diameter pipe to the large-diameter pipe on the large flow rate side, so that the condensate can be prevented from staying in the small-diameter pipe where condensate tends to stay. Supply can be performed appropriately.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0034]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device showing a first embodiment of the present invention. 1 shows a fuel cell structure in which a fuel electrode 3 and an oxidizer electrode 5 are disposed opposite to each other with a solid polymer electrolyte membrane (not shown) interposed therebetween, and a plurality of stacked layers. A fuel cell stack (hereinafter simply referred to as a fuel cell). Reference numeral 7 denotes a humidifier, in which the fuel gas and the oxidant gas are adjacent to the pure water through the semipermeable membrane, and the water molecules pass through the semipermeable membrane to humidify the fuel gas and the oxidant gas. Is what you do.
[0035]
In this embodiment, hydrogen is used as the fuel and air is used as the oxidant. The hydrogen stored in the hydrogen tank 9 is regulated by the fuel pressure regulating valve 11, and then the ejector pump 13 as the fuel circulation means, the supply side water separator 15 as the fuel supply side moisture separation means, and the humidifier 7. The fuel cell 1 is supplied from the fuel inlet 3 a of the fuel electrode 3.
[0036]
The mixed gas of hydrogen and water vapor discharged from the fuel outlet 3b of the fuel electrode 3 passes through the discharge side water separator 17 as the fuel discharge side moisture separation means and the flow path shut-off valve 19, and is supplied to the original by the ejector pump 13 described above. The mixed gas is mixed with the fuel gas and circulated to the fuel electrode 3 of the fuel cell 1 through the supply side water separator 15 and the humidifier 7 described above.
[0037]
A purge pipe 25 for purging hydrogen at a purge branching portion 23 is branchedly connected to the pipe 21 between the discharge-side water separator 17 and the flow path cutoff valve 19, and a purge gas cutoff valve is connected to the purge pipe 25. 27 and a purge gas catalyst 29 are provided.
[0038]
Air as the oxidant is supplied from the oxidant inlet 5a to the oxidant electrode 5 of the fuel cell 1 through the humidifier 7 by the compressor 31. Exhaust gas discharged from the oxidant outlet 5 b of the oxidant electrode 5 contains water vapor and liquid water, and liquid water is separated by the water separator 33. The water separator 33 is provided with the air purge pipe 35 and the purge gas shut-off valve 37 for supplying air during the hydrogen purge described above, and air is supplied to the purge gas catalyst 29 and discharged outside during the hydrogen purge. An air discharge pipe 39 is branched and connected to the air purge pipe 35, and an air pressure regulating valve 41 is provided in the air discharge pipe 39.
[0039]
A control unit (not shown) receives a detection signal from a sensor (not shown) that detects the power generation state of the fuel cell 1, and adjusts the hydrogen pressure and the air pressure according to the power generation state based on detection values of the sensor (not shown). 11 and the air pressure regulating valve 41 are feedback-controlled, and the feedback control is performed so that the air flow rate is adjusted by the number of rotations of the compressor 31 based on a detection value of a sensor (not shown).
[0040]
FIG. 2 shows the vertical positional relationship of the components of the hydrogen circulation system in the fuel cell device having the above-described configuration. The hydrogen stored in the hydrogen tank 9 is adjusted to a predetermined pressure by the fuel pressure adjusting valve 11 as described above, and then mixed with the hydrogen discharged and circulated by the ejector pump 13 and supplied. It is sent to the side water separator 15.
[0041]
At this time, the mixed fuel inlet 15 a of the supply side water separator 15 is disposed at a position lower than the mixed fuel outlet 13 a of the ejector pump 13. In this case, in FIG. 2, the pipe 43 connecting the ejector pump 13 and the supply-side water separator 15 has a curved shape, but may be arranged to be inclined as a straight line. When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the piping 43 being linear, the inclination angle of the piping 43 is set to 50 degrees to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination of the vehicle and acceleration. It is desirable. The inclination angle is not necessarily constant from the ejector pump 13 to the supply-side water separator 15.
[0042]
By arranging in this way, the water condensed between the ejector pump 13 and the supply-side water separator 15 does not accumulate in the pipe 43, whereby the flow of hydrogen is not inhibited by the water, Hydrogen can be appropriately supplied to the fuel cell 1, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented.
[0043]
  Hydrogen exiting the supply-side water separator 15 passes through the humidifier 7 and is fuel cell.1The fuel electrode 3 is supplied from the fuel inlet 3a. The mixed gas of hydrogen and water vapor exiting from the fuel outlet 3 b of the fuel electrode 3 flows through the discharge side water separator 17 to the flow path shutoff valve 19.
[0044]
At this time, the inlet 17 a of the discharge-side water separator 17 is disposed at a position lower than the fuel outlet 3 b of the hydrogen electrode 3, and the outlet 17 b of the discharge-side water separator 17 is positioned lower than the flow path shut-off valve 19. Has been placed. In this case, in FIG. 2, the pipe 45 connecting the fuel cell 1 and the discharge side water separator 17 and the pipe 21 connecting the discharge side water separator 17 and the flow path shutoff valve 19 are curved. However, it may be arranged so as to be inclined as a straight line. When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the pipes 45 and 21 being linear, the inclination angle of the pipes 45 and 21 is 50 degrees to the horizontal plane H in consideration of vehicle inclination and acceleration. 90 degrees is desirable. The inclination angle may not be constant from the fuel cell 1 to the discharge-side water separator 17 or from the discharge-side water separator 17 to the flow path shutoff valve 19.
[0045]
By arranging in this way, the water condensed in the pipes 45 and 21 efficiently flows down to the discharge-side water separator 17, so that the backflow of water to the fuel cell 1 can be prevented and the water inside the pipes 45 and 21 can be prevented. It is possible to prevent stagnation of water and stagnation of water in the closed channel shutoff valve 19. Thereby, the flow of hydrogen when the flow path shut-off valve 19 is opened is not hindered by water, hydrogen can be properly supplied to the fuel cell 1, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented. Can do.
[0046]
Thereafter, hydrogen is supplied from the flow path shutoff valve 19 to the ejector pump 13, mixed with the raw fuel gas supplied via the fuel pressure regulating valve 11 by the ejector pump 13, and circulated to the fuel cell 1 side.
[0047]
At this time, the flow path shutoff valve 19 is disposed at a position higher than the exhaust fuel inlet 13 b of the ejector pump 13. In this case, in FIG. 2, the pipe 49 that connects the flow path shut-off valve 19 and the ejector pump 13 has a curved shape, but may be arranged to be inclined as a straight line. When the fuel cell apparatus is mounted on a vehicle with the piping 49 being straight, the inclination angle of the piping 49 is set to 50 degrees to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination of the vehicle and acceleration. It is desirable. This inclination angle may not be constant from the flow path shutoff valve 19 to the ejector pump 13.
[0048]
By arranging in this way, the backflow of the water condensed between the flow path cutoff valve 19 and the ejector pump 13 to the flow path cutoff valve 19 is prevented, and the water in the closed flow path cutoff section 19 is prevented. Can be prevented, and water can be prevented from staying in the pipe 49. Thereby, the flow of hydrogen when the flow path shut-off valve 19 is opened is not hindered by water, hydrogen can be supplied appropriately, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented.
[0049]
Further, the gas flowing through the pipe 21 downstream of the discharge side water separator 17 branches to the purge pipe 25 at the purge branching portion 23 and flows to the purge gas catalyst 29 via the purge gas shut-off valve 27 and is discharged outside.
[0050]
At this time, the purge gas cutoff valve 27 is arranged at a position higher than the purge branching portion 23. In this case, in FIG. 2, the purge pipe 25 connecting the purge gas cutoff valve 27 and the purge branching portion 23 has a curved shape. However, the purge piping 25 may be inclined and arranged linearly. When the fuel cell apparatus is mounted on a vehicle with the purge pipe 25 being linear, the inclination angle of the purge pipe 25 is 50 degrees to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination of the vehicle and acceleration. Is desirable. The inclination angle may not be constant from the purge gas cutoff valve 27 to the purge branching portion 23.
[0051]
By arranging in this way, the backflow of the condensed water between the purge branching portion 23 and the purge gas shutoff valve 27 to the purge branching portion 23 side is prevented, and the water in the purge gas shutoff valve 27 in the closed state is prevented. It is possible to prevent stagnation and to prevent water from staying in the purge pipe 25. Thereby, the flow of purge gas when the purge gas shut-off valve 27 is opened is not hindered by water, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented.
[0052]
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a fuel cell device showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, an ejector pump 130 is added in parallel to the ejector pump 13 in the first embodiment, and the fuel pressure regulating valve 110 is also provided for the fuel pressure regulating valve 11 and the flow path is cut off correspondingly. A flow path cutoff valve 190 is additionally provided in parallel with the valve 19. Other configurations are the same as those shown in FIG. 1, and the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. Note that three or more ejector pumps, fuel pressure regulating valves, and flow path shut-off valves may be provided in parallel.
[0053]
  FIG. 4 shows the vertical positional relationship between the components of the hydrogen circulation system in the fuel cell apparatus having the configuration shown in FIG. The ejector pump 130 and the pipe 43 are connected to each other at the junction 51.43In this case, the merging portion 51 is disposed at a position lower than the mixed fuel outlet 130a of the ejector pump 130.
[0054]
In this case, the pipe 53 connecting the ejector pump 130 and the merging portion 51 may be curved or straight, but the inclination angle with respect to the horizontal plane H when the straight line is made is the same as that of the pipe 43. When mounted on a vehicle, it is desirable to set the angle to 50 degrees to 90 degrees in consideration of the inclination and acceleration of the vehicle. Note that this inclination angle does not necessarily have to be constant from the ejector pump 130 to the branch portion 51.
[0055]
By arranging in this way, the water condensed between the ejector pump 130 and the branching portion 51 does not accumulate in the pipe 53, whereby the hydrogen flow is not hindered by the water and the supply of hydrogen is prevented. Can be performed appropriately, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented.
[0056]
Further, the flow path shut-off valve 190 and the pipe 21 are connected to each other by a pipe 57 parallel to the pipe 21 at the branch section 55. At this time, the branch section 55 is disposed at a position lower than the flow path shut-off valve 190. ing. In this case, in FIG. 2, the pipe 57 that connects the branch portion 55 and the flow path shut-off valve 190 has a curved shape, but may be arranged to be inclined as a straight line. When the fuel cell apparatus is mounted on a vehicle with the piping 57 being straight, the inclination angle of the piping 57 is set to 50 degrees to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination of the vehicle and acceleration. It is desirable. Note that the inclination angle may not be constant from the branching portion 55 to the flow path shutoff valve 190.
[0057]
By arranging in this way, the water condensed in the pipe 57 efficiently flows down to the branching section 55, so that the water in the pipe 57 and the water in the flow path shut-off valve 190 in the closed state are closed. Retention can be prevented. Thereby, the flow of hydrogen when the flow path shut-off valve 190 is opened is not hindered by water, hydrogen can be supplied properly, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented.
[0058]
Further, the flow path shutoff valve 190 and the ejector pump 130 are connected by a pipe 59, and this pipe 59 is set so that the flow path shutoff valve 190 is disposed at a position higher than the exhaust fuel inlet 130b of the ejector pump 130. Yes. In this case, in FIG. 2, the pipe 59 that connects the flow path shut-off valve 190 and the ejector pump 130 has a curved shape, but may be arranged to be inclined as a straight line. When the fuel cell device is mounted on a vehicle with the piping 59 being straight, the inclination angle of the piping 59 is set to 50 degrees to 90 degrees with respect to the horizontal plane H in consideration of the inclination and acceleration of the vehicle. It is desirable. The inclination angle may not be constant from the flow path shutoff valve 190 to the ejector pump 130.
[0059]
By arranging in this way, the back flow of the condensed water between the flow path shut-off valve 190 and the ejector pump 130 to the flow path shut-off valve 190 is prevented, and the water in the flow-path shut-off section 190 in the closed state is prevented. Can be prevented, and water can be prevented from staying in the pipe 59. Thereby, the flow of hydrogen when the flow path shut-off valve 190 is opened is not hindered by water, hydrogen can be supplied properly, and deterioration of controllability by the control unit can be prevented.
[0060]
In FIG. 4, the first hydrogen circulation system including the fuel pressure regulating valve 11, the ejector pump 13 and the flow path cutoff valve 19, and the second hydrogen consisting of the fuel pressure regulation valve 110, the ejector pump 130, the flow path cutoff valve 190 and the like. The circulation system may be the same or different in terms of flow characteristics.
[0061]
When the flow rate characteristics are the same, the fuel pressure regulating valve 11 of the first hydrogen circulation system is gradually opened as shown by the solid line a in FIG. As indicated by the solid line b, the fuel pressure regulating valve 110 of the second hydrogen circulation system is gradually opened. Accordingly, it is possible to cope from a low flow rate to a high flow rate according to the power generation amount of the fuel cell 1.
[0062]
On the other hand, when the flow rate characteristics are different, as shown in FIG. 6, the fuel pressure regulating valve 11 of the first hydrogen circulation system is gradually opened. Then, the amount of power generated by the fuel cell 1 is detected, and based on this, the opening of the fuel pressure regulating valve 110 is adjusted so that the second hydrogen circulation system corrects the flow rate.
[0063]
When the flow rate characteristics are different, the hydrogen supply capacity of the second hydrogen circulation system is set lower than that of the first hydrogen circulation system, and each pipe has a small capacity of the second hydrogen circulation system. Set the pipe diameter small. That is, in FIG. 4, the pipe diameter is set to be smaller than the pipe 43, the pipe 57 is smaller than the pipe 21, and the pipe 59 is smaller than the pipe 49.
[0064]
As described above, when the pipe diameters are made different between the first and second hydrogen circulation systems, as shown in FIGS. 7A and 7B in both the merging portion 51 and the branching portion 55. In addition, the inclination angle θ with respect to the horizontal plane H of the small-diameter pipes 53 and 57 that are linear₁The same inclination angle θ of the large-diameter pipes 43 and 21 having a straight line shape₂Make it larger and make it more vertical. For example, the inclination angle θ of the large-diameter pipes 43 and 21₂Is set to 50 degrees as a desired inclination angle when the fuel cell device is mounted on a vehicle, the inclination angle θ of the small-diameter pipes 53 and 57 is₁Is an angle exceeding 50 degrees.
[0065]
Inclination angle θ of pipes 53 and 57 on the small diameter side₁The inclination angle θ of the pipes 43 and 21 on the large diameter side₂By making it larger and closer to a vertical state, the condensate can be prevented from staying in the small-diameter pipes 53 and 57 where the condensate tends to stay, and hydrogen can be appropriately supplied to the fuel cell 1. Can do.
[0066]
  FIGS. 8A and 8B show a case where the pipes 43, 53 and 21, 57 are curved. In this case, the radius of curvature R1 of the pipes 53, 57 on the small diameter side is set to the large diameter side. The radius of curvature R2 of the pipes 43 and 21 is smaller. As a result, piping on the small diameter side53, 57However, the pipes 43 and 21 on the large diameter side are in a more vertical state, and the condensate can be prevented from staying in the small diameter pipes 53 and 57 where the condensate tends to stay.
[0067]
R₁<R₂Without R₁= R₂If the small-diameter side pipes 53 and 57 can be brought into a more vertical state with respect to the large-diameter side pipes 43 and 21, R₁= R₂It doesn't matter.
[0068]
In short, the water in the small-diameter side pipes 53 and 57 is efficiently put into the large-diameter side pipes 43 and 21 by making the small-diameter side pipes 53 and 57 in which condensed water tends to stay more nearly vertical. It is possible to prevent water from staying in the pipes 53 and 57 on the small diameter side.
[0069]
FIG. 9 is a view in which a throttle 61 is provided on the pipe 21 side of the merging portion 55 in FIG. By providing the throttle 61, the gas flow velocity at the throttle 61 increases, so that the condensed water generated in the small-diameter side pipe 57 flows down to the large-diameter side pipe 21 so as to be sucked out by this high-speed gas flow. The water in the pipe 57 can be prevented from staying.
[0070]
Note that. The same effect can be obtained by providing a throttle in the branching part 51 shown in FIG. 7A and the converging part 51 and the branching part 55 shown in FIGS. 8A and 8B in the same manner as the throttle 61 described above. can get.
[0071]
FIG. 10 is a cross-sectional view of the ejector pumps 13 and 130. In FIG. 6A, the gas flow in the suction port SP having the exhaust fuel inlets 13b and 130b is orthogonal to the gas flow downward from the raw fuel inlets 13c and 130c to the mixed fuel outlets 13a and 130a in the vertical direction. This is the case.
[0072]
The raw fuel inlets 13c and 130c in FIG. 10 (a) are higher than the mixed fuel outlets 13a and 130a. The straight line P connecting the raw fuel inlets 13c and 130c and the mixed fuel outlets 13a and 130a and the horizontal plane H are formed. The angle α is a right angle. Thereby, retention of the condensed water in the ejectors 13 and 130 can be prevented. Note that the angle α between the straight line P and the horizontal plane H may be in the range of 50 degrees to 90 degrees in consideration of the inclination and acceleration of the vehicle when the fuel cell device is mounted on the vehicle.
[0073]
FIG. 10 (b) is similar to FIG. 10 (a) in that the suction port SP, the discharged fuel inlets 13b and 130b, and the discharged fuel inlets 13b and 130b and the fuel passage 63 in the ejectors 13 and 130 join in the ejector. Inclined so as to be higher than the portion 65. By doing so, it is possible to reliably prevent the condensate from staying in the ejectors 13 and 130 including the inside of the suction port SP. In FIG. 10B, the angle β formed between the center line Q of the flow in the suction port SP and the straight line P takes into account the vehicle inclination and acceleration when the fuel cell device is mounted on the vehicle. Therefore, it is desirable to set it to about 50 degrees.
[0074]
In each of the embodiments described above, the ejector pumps 13 and 130 are used as the fuel circulation means. However, the present invention is not limited to this as long as hydrogen is circulated.
[Brief description of the drawings]
1 is an overall configuration diagram of a fuel cell device showing a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a vertical positional relationship of each component of a hydrogen circulation system in the fuel cell device of FIG. 1;
FIG. 3 is an overall configuration diagram of a fuel cell device showing a second embodiment of the present invention.
4 is an explanatory diagram showing the vertical positional relationship of each component of the hydrogen circulation system in the fuel cell device of FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is an opening characteristic diagram of each fuel pressure regulating valve with respect to a required flow rate when two hydrogen circulation systems have the same flow rate characteristic.
FIG. 6 is an opening characteristic diagram of a fuel pressure regulating valve on the main side with respect to a required flow rate when two hydrogen circulation systems have different flow rate characteristics.
7A is an operation explanatory diagram of a merging portion when a pipe is linear, and FIG. 7B is an operation explanatory diagram of a branching portion when the pipe is linear.
8A is an operation explanatory diagram of a merging portion when the piping is curved, and FIG. 8B is an operation explanatory diagram of a branching portion when the piping is curved.
FIG. 9 is an operation explanatory diagram showing an example in which a stop is provided at the branching portion shown in FIG.
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views of the ejector pump, wherein FIG. 10A shows the suction port arranged so as to be perpendicular to the fuel passage in the ejector pump, and FIG. 10B shows the suction port inclined with respect to the fuel passage in the ejector pump. It is arranged like this.
[Explanation of symbols]
1 Fuel cell
3 Fuel electrode
3a Fuel inlet
3b Fuel outlet
7 Humidifier
13,130 Ejector pump (fuel circulation means)
13a, 130a Mixed fuel outlet
13b, 130b Exhaust fuel inlet
13c, 130c Raw fuel inlet
15. Supply side water separator (fuel supply side water separation means)
15a Mixed fuel inlet
17 Discharge side water separator (fuel discharge side moisture separator)
19,190 Channel shutoff valve
21, 57 Parallel piping
23 Purge branch
25 Purge piping
27 Purge gas shut-off valve
43,53 Parallel piping
51 Junction
55 Bifurcation
61 Aperture
63 Fuel passage
65 Junction in the ejector

Claims

In a fuel cell device comprising fuel circulation means for mixing exhaust fuel discharged from a fuel outlet of a fuel electrode and raw fuel in a fuel cell and circulating the mixed fuel to a fuel inlet of the fuel electrode, A flow path cutoff valve is provided in a pipe between the fuel outlet and the exhaust fuel inlet of the fuel circulation means, and the flow path cutoff valve is arranged at a position higher than the exhaust fuel inlet of the fuel circulation means, and the fuel of the fuel cell A plurality of pipes connected to the inlet are provided in parallel, and the fuel circulation means are arranged in each of the parallel pipes, and a plurality of pipes connected to the fuel outlet of the fuel cell are provided in parallel to each of the parallel pipes. A fuel cell device comprising a flow path shut-off valve .

A plurality of fuel circulation means, different circulation flow rate characteristics from each other, the fuel cell system according to claim 1, wherein the channel diameter of each parallel pipes connected also different for each fuel circulating means accordingly.

A small diameter on the small flow rate side with respect to at least one of a merging portion between a plurality of parallel pipes connected to the fuel inlet of the fuel cell and a branching portion between the parallel pipes connected to the fuel outlet of the fuel cell, The fuel cell device according to claim 2 , wherein the pipe is arranged so as to be closer to a vertical state with respect to the pipe having a large diameter on the large flow rate side.

4. The fuel cell device according to claim 3 , wherein an inclination angle of the straight pipe having a small diameter on the small flow rate side with respect to a horizontal plane is larger than the inclination angle of the straight pipe having a large diameter on the large flow rate side. .

4. The fuel cell device according to claim 3 , wherein a curvature radius of the curved pipe having a small diameter on the small flow rate side is made smaller than a curvature radius of the curved pipe having a large diameter on the large flow rate side.

The fuel cell device according to any one of claims 2 to 5 , wherein a restriction is provided in at least one of the large diameter side pipes of the junction part and the branch part of the parallel pipes.