JP4603337B2 - Fuel cell system - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power by a reaction between a fuel gas and an oxidant gas.
従来、燃料電池システムにおいて、固体高分子膜を挟んで対向する燃料極(水素極)と酸化剤極(空気極)には、水素を含む燃料ガス(水素)と酸化剤ガス(空気)がそれぞれ供給される。この燃料電池システムにおける燃料ガスの消費量を低減して、出力特性を向上させるために、燃料電池の燃料極から排出される未利用の燃料ガスを再循環して、外部から新たに供給される燃料ガスと混合させ、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in a fuel cell system, a fuel gas (hydrogen) and an oxidant gas (air) containing hydrogen are respectively present at a fuel electrode (hydrogen electrode) and an oxidant electrode (air electrode) facing each other across a solid polymer film. Supplied. In order to reduce the fuel gas consumption in this fuel cell system and improve the output characteristics, the unused fuel gas discharged from the fuel electrode of the fuel cell is recirculated and newly supplied from the outside. A recirculation system that is mixed with fuel gas and supplied to the fuel electrode of a fuel cell is known (see, for example, Patent Document 1).
この燃料電池システムは、燃料極からの排出ガスを再循環させていると、循環の繰り返しに伴って不純物濃度が上昇して、燃料電池の電極触媒活性を低下させたり、腐食を与えたりして、燃料電池の発電性能が低下するおそれがある。
このため、この燃料電池システムでは、運転状況に応じて燃料極通路に供給する燃料ガスと酸化剤ガスとを切り換える燃料極通路切換弁を設けるとともに、この燃料極通路切換弁によって、燃料極通路に酸化剤ガスを供給するように切り換えて、酸化剤ガスで燃料極に溜まった生成水などを吹き飛ばして掃気している。
このような燃料電池システムに、前記のような掃気システムを導入する場合には、燃料電池に供給する燃料ガスと酸化剤ガスとを遮断する燃料極通路切換弁が必要になり、この燃料極通路切換弁で、燃料ガスと酸化剤ガスとが掃気時以外のときに接触しないようにしている。
For this reason, this fuel cell system is provided with a fuel electrode passage switching valve that switches between the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel electrode passage according to the operating conditions, and the fuel electrode passage switching valve provides the fuel electrode passage with the fuel electrode passage switching valve. The oxidant gas is switched to supply, and the generated water accumulated in the fuel electrode is blown off by the oxidant gas to scavenge.
When such a scavenging system is introduced into such a fuel cell system, a fuel electrode passage switching valve for cutting off the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell is required. The switching valve prevents the fuel gas and the oxidant gas from contacting each other than during scavenging.
しかしながら、前記特許文献1の燃料電池システムでは、燃料極から排出された燃料ガスを再循環させているとき、この燃料ガスが、燃料極の燃料ガス排出口から循環通路、エゼクタ、加湿器および燃料極通路切換弁を通って燃料極の燃料ガス供給口に送られて循環している。そして、この燃料ガスに生成水などの不純物が溜まったときには、燃料極通路切換弁を切換えて、燃料ガスの循環を遮断し、コンプレッサからの空気を導入して、循環通路中の生成水や不純物を燃料ガスとともに吹き飛ばす掃気を行う。
このため、循環通路中にあった燃料ガスのうちで、燃料極通路切換弁から燃料極の燃料ガス排出口にあった燃料ガスは、外部に排出されるが、循環通路からエゼクタ、加湿器および燃料極通路切換弁の間にあった不純物を含む燃料ガスは、コンプレッサから送られた空気の影響を受けないため、循環通路にあった大半の燃料ガスが押し出されずにそのまま残っている。
したがって、このような掃気システムでは、循環通路の全体が掃気されず、燃料ガス循環系内の生成水などの不純物を効率よく除去できないという問題点がある。
However, in the fuel cell system of
For this reason, of the fuel gas in the circulation passage, the fuel gas that was in the fuel gas discharge port of the fuel electrode from the fuel electrode passage switching valve is discharged to the outside, but the ejector, humidifier, and Since the fuel gas containing impurities existing between the fuel electrode passage switching valves is not affected by the air sent from the compressor, most of the fuel gas existing in the circulation passage remains without being pushed out.
Therefore, such a scavenging system has a problem in that the entire circulation passage is not scavenged, and impurities such as produced water in the fuel gas circulation system cannot be efficiently removed.
そこで、本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の課題は、燃料ガス循環系の全域を掃気して生成水などの不純物を効率よく掃気する燃料電池システムを提供することである。 Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to scavenge the entire area of the fuel gas circulation system and efficiently scavenge impurities such as generated water. It is to provide a battery system.
前記課題を解決するために、請求項1に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に送られた燃料ガスを燃料ガス再循環装置により循環させる燃料ガス循環通路と、前記燃料電池の燃料ガス排出口と前記燃料ガス再循環装置との間に配置された前記燃料ガス循環通路内の不純物を含んだ前記燃料ガスの排出を調整する排出弁と、前記排出弁を通った前記不純物を含んだ燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出部と、前記酸化剤ガスを前記燃料ガス循環通路に供給可能な酸化剤ガス導入路と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に送る酸化剤ガス流通路と、前記酸化剤ガスとしての空気を前記酸化剤ガス流通路および前記酸化剤ガス導入路に送り込むと共に、通常発電時の前記酸化剤ガスの供給と掃気時の前記酸化剤ガスの導入とを行うコンプレッサと、を備えた燃料電池システムであって、前記燃料ガス再循環装置は、エゼクタからなり、前記酸化剤ガス導入路は、前記排出弁と前記エゼクタとの間に配設されると共に、当該酸化剤ガス導入路上には、前記燃料ガス循環通路に前記酸化剤ガスの導入を制御する酸化剤ガス導入弁が設けられ、前記酸化剤ガス導入弁は、前記エゼクタのディフューザ部に配置され、前記エゼクタと前記排出弁と前記燃料ガス排出部と前記酸化剤ガス導入弁とは、バルブユニットに一体に結合されて近接した位置に配置されていることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, a fuel cell system according to
請求項1に記載の燃料電池システムの発明によれば、燃料ガス循環通路内の不純物を含んだ燃料ガスを排出する排出弁と、燃料電池に送られた燃料ガスを循環させる燃料ガス再循環装置との間に、酸化剤ガス導入路が配設されている。この酸化剤ガス導入路から掃気ガス(酸化剤ガス)を流し込むと、燃料ガス循環通路や燃料ガス循環通路に設けられ生成水が溜まりそうな部材の全てを掃気できるため、燃料電池内および燃料ガス循環系内の全域の生成水などの不純物を含む全てを酸化剤ガスで押し出して排出できる。これにより、燃料電池システムの燃料循環通路に生成水が溜まったまま残ることがなく、より完全な掃気を行うことが可能となり、再始動時の不良を起こり難くすることができる。
さらに、請求項1の発明は、排出弁と酸化剤ガス導入弁とが、近接または一体に配置されていることにより、無駄な掃気範囲を減らして、掃気する体積を減少させることができる。
一方、燃料ガス循環通路においては、排出弁と酸化剤ガス導入弁とが近接または一体に配置させたことにより、燃料ガスが循環する燃料ガス循環通路の略全周を掃気できるため、さらに完全に掃気することが可能となる。
また、排出弁と酸化剤ガス導入弁とを一体にすることにより、排出弁と酸化剤ガス導入弁との間にあった配管が不要になるため、部品点数や組み立て工数が削減でき、組み立て性が向上される。
According to the invention of the fuel cell system according to
Furthermore, in the first aspect of the present invention, the exhaust valve and the oxidant gas introduction valve are arranged close to or integrally with each other, so that the wasteful scavenging range can be reduced and the scavenging volume can be reduced.
On the other hand, in the fuel gas circulation passage, the exhaust valve and the oxidant gas introduction valve are arranged close to or integrally with each other, so that substantially the entire circumference of the fuel gas circulation passage through which the fuel gas circulates can be scavenged. It is possible to scavenge.
Also, by integrating the discharge valve and the oxidant gas introduction valve, the piping between the discharge valve and the oxidant gas introduction valve is no longer required, reducing the number of parts and assembly steps, and improving assembly. Is done.
請求項2に記載の燃料電池システムは、請求項1に記載の燃料電池システムであって、前記酸化剤ガス導入路と前記排出弁との間には、前記酸化剤ガス導入路側から前記排出弁側へのガスの逆流を防止する逆止弁を配設したことを特徴とする。
The fuel cell system according to
請求項2に記載の燃料電池システムの発明によれば、酸化剤ガス導入路と排出弁との間に逆止弁が配設されたことにより、酸化剤ガス導入路の掃気用の酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入路から直接排出弁に向かって流れて排出されることが阻止される。これにより、燃料ガス循環通路に導入された酸化剤ガスの全てを燃料再循環装置側に流して掃気に利用することができる。したがって、燃料電池および燃料ガス循環系の全域を掃気して、生成水などの不純物を効率よく掃気することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the check valve is disposed between the oxidant gas introduction path and the discharge valve, thereby scavenging oxidant gas in the oxidant gas introduction path. Is prevented from flowing directly from the oxidant gas introduction path toward the discharge valve. Thus, all of the oxidant gas introduced into the fuel gas circulation passage can be flowed to the fuel recirculation device side and used for scavenging. Accordingly, the entire area of the fuel cell and the fuel gas circulation system can be scavenged to efficiently scavenge impurities such as generated water.
請求項3に記載の燃料電池システムは、請求項2に記載の燃料電池システムであって、前記逆止弁は、前記バルブユニットに一体に結合されていることを特徴とする。
The fuel cell system according to
請求項3に記載の燃料電池システムの発明によれば、逆止弁をバルブユニットに一体に結合させたことによって、さらに、部品点数を削減することができる。 According to the fuel cell system of the present invention, the number of components can be further reduced by integrally connecting the check valve to the valve unit.
請求項1に記載の燃料電池システムによれば、排出弁と燃料ガス再循環装置との間に、酸化剤ガス導入路を配設したことにより、燃料電池および燃料ガス循環系の全域を掃気して、生成水などの不純物を効率よく排出することができる。
さらに、請求項1に記載の燃料電池システムによれば、排出弁と酸化剤ガス導入弁とが近接または一体に配置させたことにより、燃料ガスが循環する燃料ガス循環通路の略一周を掃気できるため、さらに満遍なく生成水などを排出することができる。また、排出弁と酸化剤ガス導入弁との間にあった配管が不要になるため、部品点数や組み立て工数が削減でき、組み立て性が向上される。
請求項2に記載の燃料電池システムによれば、酸化剤ガス導入路と排出弁との間に逆止弁が配設されたことにより、燃料ガス循環通路に導入された酸化剤ガスの全てを燃料再循環装置側に流して、燃料ガス循環系の全域を掃気して、生成水などの不純物を効率よく排出することができる。
また、請求項3に記載の燃料電池システムによれば、逆止弁をバルブユニットに一体に結合させたことによって、さらに、部品点数や組み立て工数が削減でき、組み立て性が向上される。
According to the fuel cell system of the first aspect, the oxidant gas introduction path is disposed between the discharge valve and the fuel gas recirculation device, thereby scavenging the entire area of the fuel cell and the fuel gas circulation system. Thus, impurities such as produced water can be efficiently discharged.
Further, according to the fuel cell system according to
According to the fuel cell system of
According to the fuel cell system of the third aspect, the check valve is integrally coupled to the valve unit, so that the number of parts and the number of assembly steps can be further reduced, and the assemblability is improved.
次に、図1〜図3を参照して、本発明を実施するための最良の形態(以下、「実施形態」という)を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
Next, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “embodiment”) will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
≪燃料電池システム≫
図1に示す燃料電池システム1は、例えば、燃料電池スタック(以下、「燃料電池」という)を電源として、その燃料電池2の電力で走行モータが駆動して走行する車両などに使用される。この燃料電池システム1は、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって発電を行う燃料電池2と、燃料ガスが流通する燃料ガス流通路3と、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流通路4と、燃料ガス流通路3と酸化剤ガス流通路4とを連通して酸化剤ガスを燃料ガス流通路3に導入する酸化剤ガス導入路5と、燃料電池2の発電時に、燃料ガス流通路3と酸化剤ガス流通路4との連通を遮断する酸化剤ガス導入弁6とを備えている。
≪Fuel cell system≫
A
≪燃料電池≫
図1に示す燃料電池2は、例えば、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極2aと酸化剤極2bとを対設した燃料電池セルをセパレータによって挟持して複数積層することにより構成されている。そして、燃料電池2は、例えば、酸化剤極2bに供給される酸化剤ガスとしての空気中の酸素と、燃料極2aに供給される燃料ガスとしての水素との電気化学反応によって電力を発生させる仕組みになっている。この水素と酸素を処理するときに、燃料電池2は、電力と熱を生成する。
なお、燃料極2aは、一方の燃料ガス(水素)を供給される燃料ガス供給口側がエゼクタ7に接続され、他方の燃料ガス排出側がキャッチタンク8に接続されている。酸化剤極2bは、一方の酸化剤ガス供給口側が酸化剤ガス(酸素)としての空気を供給する空気供給部を構成するコンプレッサ14に接続され、他方の酸化剤ガス排出側が背圧弁15に接続されている。
≪Fuel cell≫
The
The
≪燃料ガス流通路≫
燃料ガス流通路3は、水素などからなる燃料ガスを燃料ガス供給部10から燃料極2aの燃料ガス供給口に供給し、燃料極2a内の燃料ガスを燃料ガス排出口から外部に排出して流通させるための流通路である。この燃料ガス流通路3において、燃料極2aの燃料ガス供給口側には、燃料ガス導入路3aを介して燃料ガス供給部10、圧力制御部(図示せず)、エゼクタ7がそれぞれ接続され、燃料ガス排出口側には、燃料ガス循環通路3bを介してキャッチタンク8、逆止弁11および排出弁13が接続されている。燃料ガス流通路3は、後記する燃料ガス導入路3aと、燃料ガス循環通路3bと、排出通路3cとから構成されている。
≪Fuel gas flow path≫
The fuel
<燃料ガス導入路>
燃料ガス導入路3aは、燃料ガス供給部10からエゼクタ7を介して燃料極2aに燃料ガスを送るための配管である。
<Fuel gas introduction path>
The fuel
<燃料ガス循環通路>
燃料ガス循環通路3bは、燃料電池システム1の通常運転時に、図1に太線で示すように、燃料電池2の燃料ガス排出口から排出された排出燃料ガスをキャッチタンク8、逆止弁11およびエゼクタ7を介して再び燃料電池2の燃料ガス供給口に循環させるための配管である。燃料ガス循環通路3bは、一端部がキャッチタンク8の下流部と排出弁13との間の排出通路3cに設けられた継手部aに接続され、他端部が燃料ガスを循環させるためのエゼクタ7に接続され、中間部には後記する酸化剤ガス導入路5に接続された継手部bと逆止弁11とが設けられている。なお、継手部a,bおよび後記する継手部cは、例えば、T字形継手からなる。
<Fuel gas circulation passage>
The fuel
<排出通路>
排出通路3cは、前記燃料ガス導入路3aによって燃料極2aに供給された燃料ガスおよび酸化剤ガス(掃気ガス)を、排出弁13を介して外部に排出させるための配管である。
<Discharge passage>
The
≪燃料ガス供給部≫
燃料ガス供給部10は、ガスボンベなどからなり、燃料電池2の燃料極2aに供給する燃料ガスが貯蔵されている。
≪Fuel gas supply part≫
The fuel
≪エゼクタ≫
エゼクタ7は、図示しないノズル部とディフューザ部とから構成され、燃料ガス供給部10から圧力制御部(図示せず)を介して供給された燃料ガスが、ノズル部を通過する際に加速されてディフューザ部に向かって噴射される。そのノズル部からディフューザ部に向かって燃料ガスが高速で流通する際、ノズル部とディフューザ部との間に設けられた副流室内で負圧が発生し、燃料ガス循環通路3bを介して燃料極2a側の排出燃料ガスが吸引され、燃料ガスと混合される。このエゼクタ7で混合された燃料ガスおよび排出燃料ガスは、燃料電池2の燃料ガス供給口に送られる。また、燃料電池2から排出された排出燃料ガスは、このエゼクタ7を介して燃料ガス循環通路3bを循環して再び燃料電池2に供給されるようになる。
なお、エゼクタ7は、特許請求の範囲に記載の「燃料ガス再循環装置」に相当する。
≪Ejecta≫
The
The
≪キャッチタンク、ドレイン弁≫
キャッチタンク8は、燃料ガス流通路3内の燃料ガス中の過剰な水分(主に液体水)を分離して内部に滞留できるようにした中空のボックスであり、生成水を排出するためのドレイン弁9が設置されている。
ドレイン弁9は、このドレイン弁9を開くことにより、キャッチタンク8に滞留した生成水を外部に排出することができるバルブである。
≪Catch tank, drain valve≫
The
The drain valve 9 is a valve capable of discharging the generated water staying in the
≪逆止弁≫
逆止弁11は、燃料ガス循環通路3bを流れる排出燃料ガスおよび掃気ガスが図1の矢印A方向(キャッチタンク8の下流側からエゼクタ7方向)の1方向にのみ流して逆流することを防止するためのバルブである。この逆止弁11は、図1に示すように、燃料ガス循環通路3bにおける継手部aと継手部bとの間に介在される。
なお、図1において、継手部a,b間の距離、および継手部aと逆止弁11と間の距離は、ブロック図を作成する便宜上距離があるように記載されているが、後記するようにその間の距離は実際には短い。
≪Check valve≫
The
In FIG. 1, the distance between the joint parts a and b and the distance between the joint part a and the
≪燃料ガス排出部≫
燃料ガス排出部12は、燃料極2aの燃料ガス排出口から排出された排出燃料ガスおよび掃気ガスを外部に排出する箇所であり、この燃料ガス排出部12には、燃料ガスの排出を調整する排出弁13が設置されている。この燃料ガス排出部12は、排出弁13を介して燃料ガス循環通路3bにあるキャッチタンク8の下流側に接続されている。
≪Fuel gas discharge part≫
The fuel
≪排出弁≫
排出弁13は、燃料電池2の運転状態に応じて開閉動作が制御され、燃料ガス循環通路3b内の不純物を含んだ燃料ガスおよび掃気ガス(酸化剤ガス)を外部に排出するためのバルブである。この排出弁13は、少なくとも燃料電池2の燃料ガス排出口とエゼクタ7との間に配置されている。なお、本実施形態では、排出弁13は、燃料ガス流通路3において、燃料電池2の下流側に設置された継手部aから外部に向けて設けたれた排出通路3cに配設されている。
≪Discharge valve≫
The
≪酸化剤ガス流通路≫
酸化剤ガス流通路4は、空気などの酸化剤ガスを酸化剤極2bの酸化剤ガス供給口に供給し、酸化剤極2b内の酸化剤ガスを酸化剤ガス排出部16から外部に排出して流通させるための流通路である。この酸化剤ガス流通路4において、酸化剤極2bの酸化剤ガス供給口側には、コンプレッサ14、放熱部および酸化剤加湿部がそれぞれ接続され、酸化剤ガス排出口側には、背圧弁15が接続されている。また、酸化剤ガス流通路4において、燃料電池2の酸化剤ガス供給口とコンプレッサ14との間には、後記する酸化剤ガス導入路5が接続されている。
≪Oxidant gas flow passage≫
The oxidant gas flow passage 4 supplies an oxidant gas such as air to the oxidant gas supply port of the
≪コンプレッサ≫
コンプレッサ14は、酸化剤ガスとしての空気を酸化剤ガス流通路4と酸化剤ガス導入路5に送り込むための装置であり、酸化剤ガス流通路4の上流側に設置されている。
≪Compressor≫
The
≪酸化剤ガス排出部、背圧弁≫
酸化剤ガス排出部16は、燃料電池2の酸化剤ガス排出口から出た酸化剤ガスを外部に排出するための箇所であり、酸化剤ガス排出部16には、酸化剤ガスの排出を調整する背圧弁15が設置されている。
≪Oxidant gas discharge part, back pressure valve≫
The oxidant
≪酸化剤ガス導入路≫
酸化剤ガス導入路5は、燃料ガス流通路3と酸化剤ガス流通路4とを連通して、酸化剤ガス(掃気ガス)を燃料ガス循環通路3bに送るための配管である。この酸化剤ガス導入路5は、少なくとも排出弁13とエゼクタ7との間に配設されている。なお、本実施形態では、逆止弁11を有する構成であることから、酸化剤ガス導入路5は、一方がコンプレッサ14と酸化剤極2bの酸化剤ガス供給口との間に配置された継手部cに接続され、他方がエゼクタ7と逆止弁11との間に配置された継手部bに接続されている。酸化剤ガス導入路5上には、燃料ガス循環通路3bに酸化剤ガスの導入を制御する酸化剤ガス導入弁6が設けられている。酸化剤ガス導入路5と排出弁13との間には、酸化剤ガス導入路5側から排出弁13側への酸化剤ガスが流れる逆流を防止するための前記逆止弁11が配設されている。
なお、前記継手部bは、排出通路3cに設置された継手部aになるべく近い位置に設置される。
≪Oxidant gas introduction path≫
The oxidant
In addition, the said joint part b is installed in the position as close as possible to the joint part a installed in the discharge channel |
≪酸化剤ガス導入弁≫
酸化剤ガス導入弁6は、燃料電池2の発電時に、酸化剤ガス流通路4と燃料ガス流通路3との連通を遮断し、掃気時に、弁体を開放して酸化剤ガス流通路4の酸化剤ガス(掃気ガス)を燃料ガス流通路3に導入させるバルブである。酸化剤ガス導入弁6は、導出ポート側が燃料ガス流通路3(高圧側流通路)側に接続され、導入ポート側がその燃料ガス流通路3より圧力の低い酸化剤ガス流通路(低圧側流通路)4側に接続されている。この酸化剤ガス導入弁6と排出弁13とは、近接または一体にして近傍の位置に配置される。
なお、酸化剤ガス導入弁6は、酸化剤ガス流通路4および酸化剤ガス導入路5側から燃料ガス流通路3の一方向にのみ流れる逆止弁であってもよい。
≪Oxidant gas introduction valve≫
The oxidant
The oxidant
≪バルブユニット≫
図1に示すように、前記したエゼクタ7、継手部a,b、逆止弁11、酸化剤ガス導入弁6、排出弁13および燃料ガス排出部12は、例えば、バルブユニットBによって一体に結合して設けられている。
そうすることにより、バルブユニットBは、継手部a,bを省略することができる。すなわち、継手部aは、燃料ガス循環通路3bと排出通路3cとが合流して交差する流路であればよい。また、継手部bは、燃料ガス循環通路3bと酸化剤ガス導入路5とが交差する流路であればよい。
さらに、バルブユニットBは、この継手部aと継手部bとの間の距離や、排出弁13と酸化剤ガス導入弁6との間の距離を短くして、それらの部品を近接した位置に設置できるようになる。
また、前記した各部品を一体に結合したことにより、各部品間を繋ぐ配管や継手部a,bを不要にして、各部品を近接した位置にコンパクトに1部品とすることが可能となる。
≪Valve unit≫
As shown in FIG. 1, the
By doing so, the valve unit B can omit the joint portions a and b. That is, the joint part a may be a flow path where the fuel
Furthermore, the valve unit B shortens the distance between the joint part a and the joint part b and the distance between the
Further, by integrally connecting the above-described parts, it is possible to eliminate the need for piping and joint portions a and b connecting the parts, and to make each part compact in a close position.
図2は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムに使用されるバルブユニットの一例を示す平面図である。図3は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムに使用されるバルブユニットの一例を示す正面図である。 FIG. 2 is a plan view showing an example of a valve unit used in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a front view showing an example of a valve unit used in the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
さらに、図2および図3を参照してバルブユニットBを説明する。
前記バルブユニットBは、図2および図3に示すように、燃料ガス循環系および掃気ガス導入系の各部品を一体にして1つにした装置である。このバルブユニットBは、例えば、エゼクタ7と、逆止弁11と、酸化剤ガス導入弁6と、排出弁13と、燃料ガス排出部12とを一体に結合している。
Further, the valve unit B will be described with reference to FIGS.
As shown in FIGS. 2 and 3, the valve unit B is an apparatus in which the components of the fuel gas circulation system and the scavenging gas introduction system are integrated into one. In the valve unit B, for example, an
エゼクタ7は、バルブユニットB外に設置された燃料ガス供給部10(図1参照)からの燃料ガス(矢印D)を取り入れて燃料電池2に送るとともに、逆止弁11を通過した排出燃料ガス(矢印E)と酸化剤ガス導入弁6を通過した掃気ガス(矢印F)を燃料電池2に送る。
逆止弁11は、キャッチタンク8側に燃料ガスおよび掃気ガスが逆流するのを阻止するバルブで、エゼクタ7と酸化剤ガス導入弁6と排出弁13との間の隣接した位置に一体に配置されている。
酸化剤ガス導入弁6は、酸化剤ガス導入路5(図1参照)に連通されるとともに、エゼクタ7と逆止弁11との間に酸化剤ガスを送り込むように、逆止弁11に一体に配置されている。
排出弁13は、キャッチタンク8側から流れて来た排出燃料ガス(矢印G)を適宜に燃料ガス排出部12から外部(矢印H)に排出するためのバルブであり、逆止弁11に一体に設けられている。
The
The
The oxidant
The
これにより、排出弁13と酸化剤ガス導入弁6とが一体に配置されているため、排出弁13と酸化剤ガス導入弁6との間の距離が狭くでき、互いに近接した位置に配置されている。
Thereby, since the
そして、燃料電池システム1の通常運転時には、図2および図3に仮想線の矢印で示すように、燃料電池2およびキャッチタンク8を通ってバルブユニットBに送られて来た排出燃料ガスが、逆止弁11およびエゼクタ7を通って再び燃料電池2に戻るように循環させる。
燃料電池システム1の掃気時には、図2および図3に破線の矢印で示すように、酸化剤ガス導入路5(図1参照)からバルブユニットBに送られて来た酸化剤ガスが酸化剤ガス導入弁6およびエゼクタ7を通って燃料電池2、キャッチタンク8および排出弁13を
通って燃料ガス排出部12から外部に排出される。
During normal operation of the
During scavenging of the
なお、酸化剤ガス導入弁6は、エゼクタ7のディフューザ部に配置されている。また、この酸化剤ガス導入弁6は、燃料ガス循環系の逆止弁11の直後の下流側で、燃料電池2の上流側のできるだけ逆止弁11に近い位置に設置されている。
The oxidant
≪動作≫
次に、各図を参照しながら燃料電池システム1の動作について説明する。
図1に示すように、燃料電池2は、燃料ガス供給部10からエゼクタ7を介して燃料ガス流通路3から供給される燃料ガス(水素)と、コンプレッサ14から酸化剤ガス流通路4によって供給される酸化剤ガス(酸素)との電気化学反応によって電力および熱を発生する。
<< Operation >>
Next, the operation of the
As shown in FIG. 1, the
燃料電池システム1の通常運転時には、酸化剤ガス導入弁6および排出弁13が図示しない制御装置によって閉められている。このため、エゼクタ7から燃料極2aに送られた燃料ガスが、キャッチタンク8、逆止弁11、エゼクタ7を介して、燃料ガス循環通路3bを通って、再び燃料極2aに戻るように矢印A方向に循環される。このようにして燃料ガスの消費が削減されている。
During normal operation of the
そして、燃料電池2の発電状態を停止して、燃料ガス循環通路3b内の燃料ガスの圧力が低下したときに、図示しないセンサと制御装置によって、排出弁13および酸化剤ガス導入弁6が開かれる。そうすると、燃料ガス循環通路3b内の燃料ガスが排出通路3cおよび排出弁13を通ってこの排出弁13から外部に排出される。
When the power generation state of the
そして、酸化剤ガス導入路5と排出弁13との間の燃料ガス循環通路3bには、酸化剤ガス導入路5側から排出弁13側へ酸化剤ガスが流れるのを阻止する逆止弁11が配設されていることにより、酸化剤ガス(掃気ガス)が酸化剤ガス導入路5から継手部aを通って直接排出弁13に向かって流れて排出されることが阻止される。
その結果、コンプレッサ14からの酸化剤ガス(掃気ガス)が、酸化剤ガス流通路4、酸化剤ガス導入路5、酸化剤ガス導入弁6を通過して、エゼクタ7と逆止弁11との間の燃料ガス循環通路3bに流れ込むと、エゼクタ7、燃料極2a、キャッチタンク8および排出弁13を通って燃料ガス排出部12から外部に排出されて、燃料ガス循環通路3bを循環していた排出燃料ガスが押し出されるようにして掃気される。
A
As a result, the oxidant gas (scavenging gas) from the
このとき、酸化剤ガス導入弁6が設けられた酸化剤ガス導入路5は、排出弁13とエゼクタ(燃料ガス再循環装置)7との間の燃料ガス循環通路3bに設けた継手部bに配設され、さらに、排出弁13と酸化剤ガス導入弁6とが、バルブユニットBに一体に配設されて近接した位置にある(図2および図3参照)。このため、酸化剤ガス導入路5から燃料ガス循環通路3b内に入り込んだ掃気用の酸化剤ガスは、図1に示すように、継手部(合流箇所)bから燃料電池2を介して継手部(合流箇所)aの間を通ることにより、燃料ガス循環通路3bを略一周する。
At this time, the oxidant
したがって、その酸化剤ガスは、燃料ガス循環通路3bに導入された酸化剤ガスの全てが掃気に利用されて、燃料ガス循環系内の全域の生成水などの不純物を全て酸化剤ガスで押し出し、燃料ガス排出部12から外部に排出され、満遍なく掃気できる。これにより、バルブユニットBは、燃料ガス循環通路3b中の掃気されない箇所を略なくして、無駄な掃気範囲を減少させることができるとともに、燃料ガス循環通路3b中に燃料電池2から排出された水分を含んだ排気燃料ガスが残存することを防止して、再始動時の不良を起こり難くすることができる。
Therefore, as for the oxidant gas, all of the oxidant gas introduced into the fuel
また、バルブユニットBは、酸化剤ガス導入弁6と逆止弁11とエゼクタ7と排出弁13とを一体にすることにより、各弁間にあった配管が不要になるため、掃気する体積を減少させて、部品点数や組み立て工数が削減でき、組み立て性が向上される。
In addition, the valve unit B integrates the oxidant
排出燃料ガスの掃気が完了すると、また、燃料電池2による発電状態の通常の状態に復帰させる場合、制御装置によって燃料ガス供給部10からエゼクタ7を介して燃料極2aに燃料ガスが送られるとともに、酸化剤ガス導入弁6および排出弁13が遮断される。そして、再び、燃料極2aから排出された燃料ガスが、キャッチタンク8、逆止弁11、エゼクタ7を介して燃料極2aに戻る燃料ガスの循環が行われる。
When the scavenging of the discharged fuel gas is completed and when the
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the technical idea. The present invention extends to these modifications and changes. Of course.
1 燃料電池システム
2 燃料電池
3 燃料ガス流通路
3b 燃料ガス循環通路
4 酸化剤ガス流通路
5 酸化剤ガス導入路
6 酸化剤ガス導入弁
7 エゼクタ(燃料ガス再循環装置)
11 逆止弁
13 排出弁
B バルブユニット
DESCRIPTION OF
11
Claims (3)
前記燃料電池に送られた燃料ガスを燃料ガス再循環装置により循環させる燃料ガス循環通路と、
前記燃料電池の燃料ガス排出口と前記燃料ガス再循環装置との間に配置された前記燃料ガス循環通路内の不純物を含んだ前記燃料ガスの排出を調整する排出弁と、
前記排出弁を通った前記不純物を含んだ燃料ガスを外部に排出する燃料ガス排出部と、
前記酸化剤ガスを前記燃料ガス循環通路に供給可能な酸化剤ガス導入路と、
前記酸化剤ガスを前記燃料電池に送る酸化剤ガス流通路と、
前記酸化剤ガスとしての空気を前記酸化剤ガス流通路および前記酸化剤ガス導入路に送り込むと共に、通常発電時の前記酸化剤ガスの供給と掃気時の前記酸化剤ガスの導入とを行うコンプレッサと、
を備えた燃料電池システムであって、
前記燃料ガス再循環装置は、エゼクタからなり、
前記酸化剤ガス導入路は、前記排出弁と前記エゼクタとの間に配設されると共に、当該酸化剤ガス導入路上には、前記燃料ガス循環通路に前記酸化剤ガスの導入を制御する酸化剤ガス導入弁が設けられ、
前記酸化剤ガス導入弁は、前記エゼクタのディフューザ部に配置され、
前記エゼクタと前記排出弁と前記燃料ガス排出部と前記酸化剤ガス導入弁とは、バルブユニットに一体に結合されて近接した位置に配置されていること
を特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by reaction between the fuel gas and the oxidant gas;
A fuel gas circulation passage for circulating the fuel gas sent to the fuel cell by a fuel gas recirculation device;
A discharge valve for adjusting the discharge of the fuel gas containing impurities of the fuel gas circulation passage disposed between the fuel cells in a fuel gas discharge port and the fuel gas recirculation device,
A fuel gas discharge part for discharging the fuel gas containing the impurities through the discharge valve to the outside;
An oxidant gas introduction path capable of supplying the oxidant gas to the fuel gas circulation path;
An oxidant gas flow path for sending the oxidant gas to the fuel cell;
A compressor that feeds air as the oxidant gas into the oxidant gas flow path and the oxidant gas introduction path, and supplies the oxidant gas during normal power generation and introduces the oxidant gas during scavenging; ,
A fuel cell system comprising:
The fuel gas recirculation device comprises an ejector,
The oxidant gas introduction path is disposed between the discharge valve and the ejector, and an oxidant that controls introduction of the oxidant gas into the fuel gas circulation path on the oxidant gas introduction path. A gas introduction valve is provided,
The oxidant gas introduction valve is disposed in a diffuser portion of the ejector,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the ejector, the discharge valve, the fuel gas discharge unit, and the oxidant gas introduction valve are integrally coupled to a valve unit and arranged at close positions .
前記酸化剤ガス導入路と前記排出弁との間には、前記酸化剤ガス導入路側から前記排出弁側へのガスの逆流を防止する逆止弁を配設したこと
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 ,
A fuel cell system, wherein a check valve for preventing a backflow of gas from the oxidant gas introduction path side to the discharge valve side is disposed between the oxidant gas introduction path and the discharge valve. .
前記逆止弁は、前記バルブユニットに一体に結合されていること
を特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2 , wherein
The fuel cell system , wherein the check valve is integrally coupled to the valve unit .
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