JP5055808B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システム、特に固体高分子型燃料電池に燃料ガスを循環して供給する燃料電池システムに関する。   The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system that circulates and supplies fuel gas to a polymer electrolyte fuel cell.

近年、燃料電池に関するさまざまな研究開発が行われている。特に、自動車業界では、将来、内燃機関自動車の代替となり得るモータ駆動の電気自動車に搭載する固体高分子型燃料電池の実用化に向けて、研究開発が盛んに行われている。   In recent years, various research and development related to fuel cells have been conducted. In particular, in the automobile industry, research and development are actively conducted toward the practical application of a polymer electrolyte fuel cell to be mounted on a motor-driven electric vehicle that can be an alternative to an internal combustion engine vehicle in the future.

固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池と記す）は、燃料極（以下、アノードと記す）と、高分子電解質膜と、空気極（以下、カソードと記す）とが順に積層した膜−電極接合体（以下、ＭＥＡと記す）を、２枚のセパレータで狭持した構造を有している。この構造により１つの電池が構成されるため、一般にこれがセルと称される。アノードとカソードは、電極触媒層とガス拡散層を有しており、電極触媒層が高分子電解質膜側に面し、ガス拡散層がセパレータに面している。各セパレータは、アノードに水素及びカソードに酸素を供給するための流体経路を形成している。   A polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) is a membrane-electrode in which a fuel electrode (hereinafter referred to as an anode), a polymer electrolyte membrane, and an air electrode (hereinafter referred to as a cathode) are laminated in order. A joined body (hereinafter referred to as MEA) is sandwiched between two separators. Since one battery is constituted by this structure, it is generally called a cell. The anode and the cathode have an electrode catalyst layer and a gas diffusion layer, the electrode catalyst layer faces the polymer electrolyte membrane side, and the gas diffusion layer faces the separator. Each separator forms a fluid pathway for supplying hydrogen to the anode and oxygen to the cathode.

燃料電池の電気化学反応による発電について説明する。アノードの触媒作用によりに水素は、水素イオンと電子に解離される。触媒作用により生成した水素イオンは、高分子電解質膜を透過して、カソードへ送られる。また、触媒作用により生成した電子は、外部回路を通じてカソードへ送られる。一方、カソードでは、高分子電解質膜を透過した水素イオンと、外部回路を通じて供給された電子とが、触媒作用により酸素と反応し、水を生成する。このＭＥＡにおける一連の反応により、セルは外部へ電力供給が可能となる。なお、通常使用される燃料電池システムは、セルを積層方向に多数積層させたセルスタックとして、所望の起電力が得られるようにしてある。   The power generation by the electrochemical reaction of the fuel cell will be described. Hydrogen is dissociated into hydrogen ions and electrons by the catalytic action of the anode. Hydrogen ions generated by the catalytic action pass through the polymer electrolyte membrane and are sent to the cathode. Further, the electrons generated by the catalytic action are sent to the cathode through an external circuit. On the other hand, at the cathode, hydrogen ions that permeate the polymer electrolyte membrane and electrons supplied through an external circuit react with oxygen by a catalytic action to generate water. This series of reactions in the MEA enables the cell to supply power to the outside. Note that the fuel cell system that is normally used is configured to obtain a desired electromotive force as a cell stack in which a large number of cells are stacked in the stacking direction.

一般に、燃料電池システムは、貯蔵タンク（以下、水素タンクと記す）から供給される水素（以下、燃料ガスと記す）を、燃料電池のセパレータを通じてアノードに供給する。一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ酸素（以下、酸化剤ガスと記す）を、燃料電池のセパレータを通じてカソードに供給する。このとき、アノードにおいて、電気化学反応せずに残った燃料ガスは、燃料電池の外部に排出される。この排出された燃料ガス（以下、アノードオフガスと記す）を再び燃料電池の電気化学反応に使用するために、燃料電池システムは、循環装置を設けて、アノードオフガスを循環させる。そして、アノードオフガスと水素タンクから供給される燃料ガスとを合流させた後に、この合流させた燃料ガスを燃料電池のアノードに供給している。   In general, a fuel cell system supplies hydrogen (hereinafter referred to as fuel gas) supplied from a storage tank (hereinafter referred to as a hydrogen tank) to an anode through a separator of the fuel cell. On the other hand, oxygen taken from the outside air by the compressor (hereinafter referred to as oxidant gas) is supplied to the cathode through the separator of the fuel cell. At this time, the fuel gas remaining without electrochemical reaction at the anode is discharged to the outside of the fuel cell. In order to use the discharged fuel gas (hereinafter referred to as anode off gas) again for the electrochemical reaction of the fuel cell, the fuel cell system provides a circulation device to circulate the anode off gas. Then, after the anode off gas and the fuel gas supplied from the hydrogen tank are merged, the merged fuel gas is supplied to the anode of the fuel cell.

ここで、従来の燃料電池システムにおいて、燃料ガスとアノードオフガスとが合流する合流部の一例を、図４を用いて説明する。合流部２０は、燃料ガス１次供給管路２２と循環管路２６とが合流する燃料ガス２次供給管路２４の一端である。燃料ガス１次供給管路２２は、燃料電池に供給する燃料ガスを水素タンクから導出する管路であり、循環管路２６は、燃料電池に循環するアノードオフガスを燃料電池から導出する管路である。そして、燃料ガス２次供給管路２４は、合流部２０において、燃料ガス１次供給管路２２からの燃料ガスと循環管路２６からのアノードオフガスとを合流させ、燃料電池に供給する管路である。   Here, in the conventional fuel cell system, an example of a merging portion where the fuel gas and the anode off gas merge will be described with reference to FIG. The junction 20 is one end of the fuel gas secondary supply pipeline 24 where the fuel gas primary supply pipeline 22 and the circulation pipeline 26 merge. The fuel gas primary supply line 22 is a line for deriving the fuel gas supplied to the fuel cell from the hydrogen tank, and the circulation line 26 is a line for deriving the anode off-gas circulating to the fuel cell from the fuel cell. is there. The fuel gas secondary supply pipe 24 is a pipe that joins the fuel gas from the fuel gas primary supply pipe 22 and the anode off-gas from the circulation pipe 26 at the junction 20 and supplies the fuel gas to the fuel cell. It is.

合流部２０は、燃料ガス２次供給管路２４の屈曲部にあり、この屈曲部の上流側の側面より燃料ガス１次供給管路２２が接続されている。また、合流部２０の上流側には、循環管路２６が接続されている。循環管路２６から供給されるアノードオフガスは、電気化学反応により暖機した燃料電池より排出されるため、外気温より高温である。また、燃料電池での電気化学反応の生成物である水蒸気を含んでいる。一方で、水素タンクから供給される燃料ガスは、タンク内における高圧状態から減圧弁などにより減圧されて、圧力と供給量が調整されるため、外気温より低温になり、氷点温度以下に低下するおそれがある。   The merging portion 20 is located at a bent portion of the fuel gas secondary supply conduit 24, and the fuel gas primary supply conduit 22 is connected to the upstream side surface of the bent portion. A circulation line 26 is connected to the upstream side of the junction 20. Since the anode off gas supplied from the circulation line 26 is discharged from the fuel cell warmed up by the electrochemical reaction, the temperature is higher than the outside temperature. It also contains water vapor that is the product of the electrochemical reaction in the fuel cell. On the other hand, the fuel gas supplied from the hydrogen tank is depressurized by a pressure reducing valve or the like from the high pressure state in the tank, and the pressure and supply amount are adjusted, so that the temperature is lower than the outside temperature and falls below the freezing point temperature. There is a fear.

ここで、外気が氷点下、かつ、燃料電池が暖機されている場合、水素タンクより供給された燃料ガスは、外気温よりさらに低温になり、アノードオフガスとの温度差が大きくなる。合流部２０において、アノードオフガスに含まれている水蒸気は、低温の燃料ガスと合流すると、アノードオフガス中の水蒸気が飽和水蒸気圧以下まで冷やされて、凝縮水になる。さらに、冷やされると氷粒になる。燃料ガス１次供給管路２２から供給される燃料ガスは、合流部２０の接続部２２ａにある噴出口２２ｂから噴出された後、管壁に沿って流れるため、管壁を冷やす。そして、この氷粒が冷やされた管壁に付着し堆積する。この状況が継続すると、配管が閉塞して、燃料ガスの供給量が少なくなる。この結果、燃料電池での電気化学反応が減少し、所望の起電力が得られなくなるという問題があった。   Here, when the outside air is below freezing point and the fuel cell is warmed up, the fuel gas supplied from the hydrogen tank is further cooler than the outside air temperature, and the temperature difference from the anode off gas becomes large. When the water vapor contained in the anode off-gas merges with the low-temperature fuel gas in the merge section 20, the water vapor in the anode off-gas is cooled to a saturated water vapor pressure or less and becomes condensed water. In addition, when cooled, it becomes ice particles. The fuel gas supplied from the fuel gas primary supply pipeline 22 is jetted from the jet port 22b in the connecting portion 22a of the merging portion 20 and then flows along the pipe wall, so that the pipe wall is cooled. The ice particles adhere to and accumulate on the cooled tube wall. If this situation continues, the piping is blocked and the amount of fuel gas supplied decreases. As a result, there has been a problem that the electrochemical reaction in the fuel cell is reduced and a desired electromotive force cannot be obtained.

特許文献１には、燃料ガスとアノードオフガスの合流部が、燃料ガスを内側にして、アノードオフガスを外側にした二重管構造であるエジェクタを用い、さらに、水分の凍結を防止するために、合流部をヒータにより加熱する技術について開示されている。   Patent Document 1 uses an ejector having a double-pipe structure in which the joining portion of the fuel gas and the anode off gas has the fuel gas on the inside and the anode off gas on the outside. Further, in order to prevent moisture freezing, A technique for heating a confluence portion with a heater is disclosed.

また、特許文献２にも、燃料ガスとアノードオフガスの合流部が、燃料ガスを内側にして、アノードオフガスを外側にした二重管構造であるエジェクタを用いる技術について開示されている。   Also, Patent Document 2 discloses a technique that uses an ejector having a double-pipe structure in which the joining portion of the fuel gas and the anode off gas has the fuel gas on the inside and the anode off gas on the outside.

特開２００４−９５５２８号公報JP 2004-95528 A 特開２００３−１５１５８８号公報JP 2003-151588 A

燃料ガスとアノードオフガスとを合流させる合流部にエジェクタを使用することにより、ガスの合流がスムーズになり、ポンプの作用による動力の低減にもなる。しかし、燃料電池システムは、小型化の要求により設置スペースが限られている。このため、各管路は、空いたスペースを縫うように屈曲部を多用して各装置間に接続されており、合流部にエジェクタを使用することが難しい。また、ヒータを用いて加熱することで、水分の凍結を防止する方法では、そのためにヒータが別部材として必要になり、装置の大型化を招き、またコストが上昇するという問題がある。   By using an ejector at the junction where the fuel gas and the anode off gas are merged, the gas can be smoothly merged, and power can be reduced by the action of the pump. However, the installation space of the fuel cell system is limited due to the demand for miniaturization. For this reason, each pipe line is connected between each apparatus using many bent portions so as to sew a vacant space, and it is difficult to use an ejector at the junction. Further, in the method of preventing moisture from being frozen by heating using a heater, there is a problem that the heater is required as a separate member, leading to an increase in the size of the apparatus and an increase in cost.

本発明の目的は、燃料ガスとアノードオフガスとを合流させる合流部において、水分の凍結による配管の閉塞を防止することができる燃料電池システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of preventing a pipe from being blocked due to freezing of water at a junction where a fuel gas and an anode off gas are merged.

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され電気化学反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵タンクから導出する燃料ガス１次供給管路と、前記燃料電池に循環するアノードオフガスを燃料電池から導出する循環管路と、前記燃料ガス１次供給管路からの燃料ガスと、前記循環管路からのアノードオフガスを合流して前記燃料電池に供給する燃料ガス２次供給管路と、を含み、燃料ガス２次供給管路における、燃料ガス１次供給管路からの燃料ガスと循環管路からのアノードオフガスの合流部は、循環管路に接続された燃料ガス２次供給管路である外側配管と、燃料ガス１次供給管路である内側配管とからなる二重管構造であるとともに、燃料ガス２次供給管路の屈曲部にあり、前記内側配管の噴出口は、屈曲部の上流側に位置し、内側配管から噴出される燃料ガスの気流方向が、外側配管の軸線より屈曲部の内径側に向かうとともに、屈曲部の内径側である管壁に接触しないように形成されていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas to generate power by an electrochemical reaction, and the fuel gas supplied to the fuel cell is derived from a storage tank. A fuel gas primary supply line, a circulation line for deriving an anode off-gas circulating to the fuel cell from the fuel cell, a fuel gas from the fuel gas primary supply line, and an anode from the circulation line A fuel gas secondary supply line that joins off-gas and supplies the fuel cell to the fuel cell, and a fuel gas from the fuel gas primary supply line and an anode from the circulation line in the fuel gas secondary supply line confluent portion of the off-gas, and the outer pipe is a fuel gas secondary supply conduit connected to the circulation pipe, with a double pipe structure composed of an inner pipe which is the fuel gas primary supply pipe, the fuel gas Secondary service Located at the bent portion of the pipeline, the jet outlet of the inner pipe is located upstream of the bent portion, and the flow direction of the fuel gas ejected from the inner pipe is directed toward the inner diameter side of the bent portion from the axis of the outer pipe. And it is formed so that it may not contact the tube wall which is an inner diameter side of a bending part .

さらに、本発明の燃料電池システムは、燃料ガス１次供給管路が、前記合流部の上流側であって前記屈曲部の内径側である管壁より貫通して、内側配管となっていることが望ましい。   Furthermore, in the fuel cell system according to the present invention, the fuel gas primary supply pipe passes through the pipe wall on the upstream side of the merging portion and on the inner diameter side of the bent portion, thereby forming an inner pipe. Is desirable.

本発明により、燃料ガスとアノードオフガスとを合流させる合流部において、水分の凍結による配管の閉塞を防止することができる燃料電池システムを適用できる。さらに、簡易構造である合流部により、燃料電池システムの小型化に対応できる。   According to the present invention, it is possible to apply a fuel cell system capable of preventing a pipe from being blocked due to freezing of moisture at a junction where the fuel gas and the anode off gas are merged. Further, the merging portion having a simple structure can cope with downsizing of the fuel cell system.

以下、本発明に係る実施形態について、図面を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、水素タンク１２と、燃料ガス流量制御装置１４と、気液分離装置１８と、循環装置１６とを有している。   FIG. 1 is a configuration diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. The fuel cell system 1 includes a fuel cell 10, a hydrogen tank 12, a fuel gas flow rate control device 14, a gas-liquid separation device 18, and a circulation device 16.

燃料電池システム１は、燃料電池１０に燃料ガスを供給するために、燃料ガス１次供給管路２２と、燃料ガス２次供給管路２４と、循環管路２６とを有している。燃料ガス１次供給管路２２は、燃料ガス（本実施形態では水素ガス）を貯蔵している水素タンク１２から燃料ガス流量制御装置１４を経て燃料ガス２次供給管路２４に接続されている。燃料ガス２次供給管路２４は、燃料ガス１次供給管路２２から供給された燃料ガスと、循環管路２６から供給されたアノードオフガスとを合流させる合流部２０を有し、その合流した燃料ガス（水素タンク１２からの燃料ガスと循環管路２６からのアノードオフガスの混合物）を燃料電池１０に供給している。なお、循環管路２６は、アノードオフガスを燃料ガスとして再利用するために、燃料電池１０から気液分離装置１８と循環装置１６を経て燃料ガス２次供給管路２４に接続している。   The fuel cell system 1 has a fuel gas primary supply line 22, a fuel gas secondary supply line 24, and a circulation line 26 in order to supply fuel gas to the fuel cell 10. The fuel gas primary supply line 22 is connected from the hydrogen tank 12 storing the fuel gas (hydrogen gas in this embodiment) to the fuel gas secondary supply line 24 via the fuel gas flow rate control device 14. . The fuel gas secondary supply line 24 has a merging portion 20 for merging the fuel gas supplied from the fuel gas primary supply line 22 and the anode off-gas supplied from the circulation line 26, and merged. Fuel gas (a mixture of fuel gas from the hydrogen tank 12 and anode off-gas from the circulation line 26) is supplied to the fuel cell 10. The circulation line 26 is connected from the fuel cell 10 to the fuel gas secondary supply line 24 via the gas-liquid separation device 18 and the circulation device 16 in order to reuse the anode off gas as the fuel gas.

燃料電池１０は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され電気化学反応により発電を行う装置である。なお、燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池であり、その構成の一例は、従来の燃料電池と同様のため、説明を省略する。   The fuel cell 10 is a device that is supplied with fuel gas and oxidant gas and generates power by an electrochemical reaction. The fuel cell 10 is a polymer electrolyte fuel cell, and an example of the configuration is the same as that of a conventional fuel cell, and thus the description thereof is omitted.

水素タンク１２は、燃料ガスとして燃料電池１０へ供給する水素ガスを高圧貯蔵する貯蔵タンクである。ここで、燃料ガスは、炭化水素系化合物の改質反応によって生成された水素リッチな改質ガスであっても良い。この場合には、炭化水素化合物を貯蔵する貯蔵タンクの他に、炭化水素化合物を水素に改質する改質器が別途必要になる。   The hydrogen tank 12 is a storage tank that stores high-pressure hydrogen gas supplied to the fuel cell 10 as fuel gas. Here, the fuel gas may be a hydrogen-rich reformed gas generated by a reforming reaction of a hydrocarbon compound. In this case, in addition to the storage tank for storing the hydrocarbon compound, a reformer for reforming the hydrocarbon compound to hydrogen is necessary.

燃料ガス流量制御装置１４は、燃料電池１０の要求起電力に応じた必要な燃料ガス量を供給するために、燃料ガスの圧力及び流量を制御する流量調整弁で構成される。燃料ガス流量制御装置１４で制御された燃料ガスの状態は、使用状況にもよるが、流量が約４００Ｌ／ｍｉｎ、温度が約−３０℃である。   The fuel gas flow rate control device 14 is composed of a flow rate adjusting valve that controls the pressure and flow rate of the fuel gas in order to supply a necessary amount of fuel gas corresponding to the required electromotive force of the fuel cell 10. The state of the fuel gas controlled by the fuel gas flow rate control device 14 is about 400 L / min and the temperature is about −30 ° C., although it depends on the state of use.

気液分離装置１８は、燃料電池１０から排出されたアノードオフガスに含まれている過剰な水蒸気を除去する。除去された水蒸気は、凝縮されて水となり排出される。循環装置１６は、気体ポンプで構成され、アノードオフガスを吸引し、送り出す。これにより、アノードオフガスは、再び燃料ガスと合流し、燃料電池１０に供給される。アノードオフガスの状態は、使用状況にもよるが、流量が約８０〜１６０Ｌ／ｍｉｎ、温度が約５０〜６０℃である。   The gas-liquid separator 18 removes excess water vapor contained in the anode off gas discharged from the fuel cell 10. The removed water vapor is condensed and discharged as water. The circulation device 16 is constituted by a gas pump, and sucks and sends out the anode off-gas. As a result, the anode off-gas again merges with the fuel gas and is supplied to the fuel cell 10. The state of the anode off-gas is about 80 to 160 L / min and the temperature is about 50 to 60 ° C., although it depends on the usage conditions.

次に燃料電池システム１の各ガスの流れについて説明する。燃料ガスは、水素タンク１２から燃料ガス１次供給管路２２を経て燃料ガス流量制御装置１４に供給される。燃料ガス流量制御装置１４は、燃料電池１０の要求起電力に応じて必要な燃料ガス量を供給するために、弁の開度を調整し、適量の燃料ガスを通過させる。その後、燃料ガスは、燃料ガス１次供給管路２２から燃料ガス２次供給管路２４を経て燃料電池１０へ供給される。燃料電池１０では、各セルのセパレータを通じてアノードに供給され、高分子電解質を介し酸化剤ガスと電気化学反応を起こす。未反応の燃料ガスは、アノードオフガスとして、燃料電池１０より排出される。   Next, the flow of each gas in the fuel cell system 1 will be described. The fuel gas is supplied from the hydrogen tank 12 through the fuel gas primary supply line 22 to the fuel gas flow rate control device 14. The fuel gas flow rate control device 14 adjusts the opening of the valve and allows an appropriate amount of fuel gas to pass therethrough in order to supply the required amount of fuel gas according to the required electromotive force of the fuel cell 10. Thereafter, the fuel gas is supplied from the fuel gas primary supply line 22 to the fuel cell 10 via the fuel gas secondary supply line 24. In the fuel cell 10, it is supplied to the anode through the separator of each cell, and causes an electrochemical reaction with the oxidant gas via the polymer electrolyte. Unreacted fuel gas is discharged from the fuel cell 10 as anode off gas.

燃料電池１０から排出されたアノードオフガスは、循環管路２６を経て気液分離装置１８に供給される。気液分離装置１８は、アノードオフガスに含まれる水蒸気を除去する。そして、アノードオフガスは、気液分離装置１８から循環管路２６を経て循環装置１６に吸引される。循環装置１６に内蔵しているポンプの動作により、燃料ガス２次供給管路２４に送り出される。そして、アノードオフガスは、燃料ガス２次供給管路２４の合流部２０において、水素タンク１２から供給される燃料ガスと合流し、合流した燃料ガスとして再び燃料電池１０へ供給される。   The anode off gas discharged from the fuel cell 10 is supplied to the gas-liquid separator 18 via the circulation line 26. The gas-liquid separator 18 removes water vapor contained in the anode off gas. The anode off-gas is sucked into the circulation device 16 from the gas-liquid separation device 18 via the circulation line 26. The fuel gas is supplied to the fuel gas secondary supply pipe 24 by the operation of the pump built in the circulation device 16. Then, the anode off gas merges with the fuel gas supplied from the hydrogen tank 12 in the merging portion 20 of the fuel gas secondary supply conduit 24 and is supplied again to the fuel cell 10 as the merged fuel gas.

一方、燃料電池１０で燃料ガスとの電気化学反応に必要な酸化剤ガスは、酸素を含んでいる空気である。酸化剤ガスは、燃料電池１０の要求起電力に応じて必要な酸化剤ガス量を供給するために、空気を導入し、コンプレッサ（図示せず）により圧縮して、酸化剤ガス供給管路２８を経て燃料電池１０へ供給される。そして、酸化剤ガスは、燃料電池１０の電気化学反応により生成された水と共に、排出管路３０を経て外部へ排出される。   On the other hand, the oxidant gas necessary for the electrochemical reaction with the fuel gas in the fuel cell 10 is air containing oxygen. In order to supply a necessary amount of oxidant gas according to the required electromotive force of the fuel cell 10, the oxidant gas is introduced with air, compressed by a compressor (not shown), and oxidant gas supply line 28. After that, the fuel cell 10 is supplied. The oxidant gas is discharged to the outside through the discharge pipe 30 together with the water generated by the electrochemical reaction of the fuel cell 10.

本発明の第１の実施形態について図２を用いて説明する。図２は、合流部２０の概略構成を示す断面図である。合流部２０は、燃料電池システム１の小型化に対応するため、燃料ガス２次側供給管路２４の屈曲部にある。   A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the merging portion 20. The merging portion 20 is located at the bent portion of the fuel gas secondary side supply conduit 24 in order to cope with the miniaturization of the fuel cell system 1.

合流部２０は、外側配管と内側配管とからなる二重管構造である。外側配管は、燃料ガス２次供給管路であり、外側配管の上流側には、循環管路２６が接続されている。また、内側配管は、燃料ガス１次供給管路であり、外側配管との接続部２２ａより外側配管の内側に挿入し、端部には噴出口２２ｂが形成されている。   The merging section 20 has a double pipe structure composed of an outer pipe and an inner pipe. The outer pipe is a fuel gas secondary supply pipe, and a circulation pipe 26 is connected to the upstream side of the outer pipe. The inner pipe is a fuel gas primary supply pipe, and is inserted inside the outer pipe from the connecting portion 22a with the outer pipe, and an outlet 22b is formed at the end.

合流部２０は、水分の凍結による配管の閉塞を防止する構造であることが必要である。配管が閉塞する原因は、燃料ガス１次供給管路２２からの低温の燃料ガスが外側配管を冷やし、そこに、循環管路２６からのアノードオフガスの水蒸気が氷となり付着することによる。そこで、内側配管の噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０が、外側配管に到達する前に、アノードオフガス４２と混じり合う構造とする必要がある。そのためには、内側配管の噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０の気流方向において、噴出口２２ｂから外側配管の管壁までの直線距離を長くする必要がある。すなわち、内側配管の噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０の気流方向が、屈曲部の内径側である管壁と噴射口２２ｂとを結ぶ接線方向と、前記合流部の上流側から供給されるアノードオフガス４２の気流方向との間になるようにする。これにより、燃料ガス４０は、屈曲部の内径側と外径側のいずれの管壁まで到達する距離が長くなり、その間にアノードオフガス４２と合流することができる。なお、アノードオフガス４２は、燃料ガス４０に流路を遮られることなく外側配管の管壁を伝うことができ、外気温により冷やされた外側配管を暖める。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。   The junction 20 needs to have a structure that prevents the piping from being blocked due to freezing of moisture. The cause of the blockage is that the low temperature fuel gas from the fuel gas primary supply pipe 22 cools the outer pipe, and the anode off-gas water vapor from the circulation pipe 26 becomes ice and adheres thereto. Therefore, it is necessary to have a structure in which the fuel gas 40 ejected from the jet port 22b of the inner pipe is mixed with the anode off gas 42 before reaching the outer pipe. For that purpose, it is necessary to lengthen the linear distance from the jet port 22b to the pipe wall of the outer pipe in the airflow direction of the fuel gas 40 jetted from the jet pipe 22b of the inner pipe. That is, the flow direction of the fuel gas 40 ejected from the jet port 22b of the inner pipe is supplied from the tangential direction connecting the pipe wall on the inner diameter side of the bent portion and the jet port 22b and the upstream side of the junction. It is set so as to be between the air flow direction of the anode off gas 42. As a result, the fuel gas 40 has a longer distance to reach either the inner diameter side or the outer diameter side of the bent portion, and can merge with the anode off gas 42 during that time. The anode off gas 42 can travel through the wall of the outer pipe without being blocked by the fuel gas 40, and warms the outer pipe cooled by the outside temperature. As a result, it is possible to create a situation in which the piping is not easily blocked by freezing.

本実施形態の合流部２０の構造により、アノードオフガス４２に含まれている水蒸気は、凝縮して水となり、さらに氷粒となっても、内壁に付着しない。合流部２０で合流した燃料ガスは、ガス中に氷粒を含みながら燃料電池１０へ供給される。このとき、電気化学反応を起こしている燃料電池１０は、反応熱により高温である。このため、氷粒は、燃料電池１０内では、水もしくは水蒸気となり、氷粒が燃料電池１０の内壁に付着して流路を閉塞する恐れはない。   Due to the structure of the merging portion 20 of the present embodiment, the water vapor contained in the anode off gas 42 is condensed to become water, and even if it becomes ice particles, it does not adhere to the inner wall. The fuel gas merged in the merge unit 20 is supplied to the fuel cell 10 while containing ice particles in the gas. At this time, the fuel cell 10 causing the electrochemical reaction is at a high temperature due to the reaction heat. For this reason, the ice particles become water or water vapor in the fuel cell 10 and there is no possibility that the ice particles adhere to the inner wall of the fuel cell 10 and block the flow path.

次に、本発明の第２の実施形態について図３を用いて説明する。図３は、別の合流部２０の概略構成を示す断面図である。本発明の第１の実施形態と同様に、合流部２０は、燃料電池システム１の小型化に対応するため、燃料ガス２次供給管路２４の屈曲部にある。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of another merging portion 20. Similar to the first embodiment of the present invention, the merging portion 20 is in the bent portion of the fuel gas secondary supply conduit 24 in order to cope with the downsizing of the fuel cell system 1.

合流部２０は、外側配管と内側配管とからなる二重管構造である。外側配管は、燃料ガス２次供給管路２４であり、外側配管の上流側には、循環管路２６が接続されている。また、内側配管は、燃料ガス１次供給管路２２であり、外側配管との接続部２２ａより外側配管の内側に挿入し、端部には噴出口２２ｂが形成されている。なお、噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０の気流方向は、第１の実施形態と同様である。   The merging section 20 has a double pipe structure composed of an outer pipe and an inner pipe. The outer pipe is a fuel gas secondary supply pipe 24, and a circulation pipe 26 is connected to the upstream side of the outer pipe. The inner pipe is a fuel gas primary supply pipe 22, which is inserted inside the outer pipe from the connecting portion 22a with the outer pipe, and has an outlet 22b formed at the end. In addition, the airflow direction of the fuel gas 40 ejected from the ejection port 22b is the same as that in the first embodiment.

燃料ガス１次供給管路２２から合流部２０へ低温の燃料ガス４０が供給されることにより、接続部２２ａ及び接続部２２ａ周囲の外側配管は、燃料ガスからの熱伝達により冷やされる。また、噴出口２２ｂから噴出される燃料ガス４０が外側配管に直接到達すると、屈曲部の外径側にある管壁が冷やされる。そこで、この外径側にある冷やされる管壁への影響を少なくするため、接続部２２ａを屈曲部の内径側にする。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。   By supplying the low-temperature fuel gas 40 from the fuel gas primary supply line 22 to the merge portion 20, the connection portion 22a and the outer pipe around the connection portion 22a are cooled by heat transfer from the fuel gas. Further, when the fuel gas 40 ejected from the ejection port 22b reaches the outer pipe directly, the tube wall on the outer diameter side of the bent portion is cooled. Therefore, in order to reduce the influence on the cooled tube wall on the outer diameter side, the connecting portion 22a is set on the inner diameter side of the bent portion. As a result, it is possible to create a situation in which the piping is not easily blocked by freezing.

本実施形態においては、噴出口２２ａの形状は、燃料ガスが乱流で噴出すような形状であることが好適である。燃料ガス４０とアノードオフガス４２の合流を促進し、燃料ガス４０が暖められるため、低温のまま燃料ガス４０が合流部２０の外側配管の管壁に到達し難くなる。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。   In the present embodiment, the shape of the ejection port 22a is preferably such that the fuel gas is ejected in a turbulent flow. Since the merging of the fuel gas 40 and the anode off gas 42 is promoted and the fuel gas 40 is warmed, the fuel gas 40 hardly reaches the pipe wall of the outer pipe of the merging portion 20 at a low temperature. As a result, it is possible to create a situation in which the piping is not easily blocked by freezing.

本実施形態においては、合流部２０は、循環管路２６が地面方向より接続され、噴出口２２ｂが合流部２０の天井面方向に向いていることが好適である。合流部２０で生じた氷粒は、重力により循環管路に落下する。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。   In the present embodiment, it is preferable that the merging portion 20 has the circulation pipe 26 connected from the ground direction and the jet outlet 22b facing the ceiling surface direction of the merging portion 20. The ice particles generated at the merging portion 20 fall into the circulation pipeline due to gravity. As a result, it is possible to create a situation in which the piping is not easily blocked by freezing.

本実施形態においては、屈曲部である合流部２０の曲率半径を大きくすることが好適である。噴出口２２ａから噴出した燃料ガス４０は、合流部２０の外側配管の管壁に到達し難くなる。この結果、凍結による配管の閉塞が起きにくい状況を作り出すことができる。   In the present embodiment, it is preferable to increase the radius of curvature of the merging portion 20 that is a bent portion. The fuel gas 40 ejected from the ejection port 22a does not easily reach the tube wall of the outer pipe of the merging portion 20. As a result, it is possible to create a situation in which the piping is not easily blocked by freezing.

本発明に係る燃料電池システムの概略構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the fuel cell system which concerns on this invention. 本発明に係る合流部２０を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the merge part 20 which concerns on this invention. 本発明に係る別の合流部２０を示す断面図である。It is sectional drawing which shows another merge part 20 which concerns on this invention. 従来の合流部２０を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional junction part 20. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池、１２ 水素タンク、１４ 燃料ガス流量制御装置、１６ 循環装置、１８ 気液分離装置、２０ 合流部、２２ 燃料ガス１次供給管路、２２ａ 接続部、２２ｂ 噴出口、２４ 燃料ガス２次供給管路、２６ 循環管路、２８ 酸化剤ガス供給管路、３０ 排出管路、４０ 燃料ガス、４２ アノードオフガス。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system, 10 Fuel cell, 12 Hydrogen tank, 14 Fuel gas flow control apparatus, 16 Circulation apparatus, 18 Gas-liquid separation apparatus, 20 Merge part, 22 Fuel gas primary supply line, 22a Connection part, 22b Spout , 24 Fuel gas secondary supply line, 26 Circulation line, 28 Oxidant gas supply line, 30 Drain line, 40 Fuel gas, 42 Anode off gas.

Claims (2)

燃料電池システムにおいて、
燃料ガスと酸化剤ガスとが供給され電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスを貯蔵タンクから導出する燃料ガス１次供給管路と、前記燃料電池に循環するアノードオフガスを燃料電池から導出する循環管路と、前記燃料ガス１次供給管路からの燃料ガスと、前記循環管路からのアノードオフガスを合流して前記燃料電池に供給する燃料ガス２次供給管路と、を含み、
燃料ガス２次供給管路における、燃料ガス１次供給管路からの燃料ガスと循環管路からのアノードオフガスの合流部は、循環管路に接続された燃料ガス２次供給管路である外側配管と、燃料ガス１次供給管路である内側配管とからなる二重管構造であるとともに、燃料ガス２次供給管路の屈曲部にあり、
前記内側配管の噴出口は、屈曲部の上流側に位置し、内側配管から噴出される燃料ガスの気流方向が、外側配管の軸線より屈曲部の内径側に向かうとともに、屈曲部の内径側である管壁に接触しないように形成されている、
ことを特徴とする燃料電池システム。 In the fuel cell system,
A fuel cell that is supplied with a fuel gas and an oxidant gas and generates power by an electrochemical reaction;
A fuel gas primary supply line for deriving fuel gas supplied to the fuel cell from a storage tank, a circulation line for deriving an anode off-gas circulated to the fuel cell from the fuel cell, and the fuel gas primary supply line And a fuel gas secondary supply line for joining the anode off-gas from the circulation line and supplying the fuel gas to the fuel cell,
In the fuel gas secondary supply line, the joining portion of the fuel gas from the fuel gas primary supply line and the anode off-gas from the circulation line is the outer side of the fuel gas secondary supply line connected to the circulation line A double pipe structure consisting of a pipe and an inner pipe which is a fuel gas primary supply pipe, and a bent part of the fuel gas secondary supply pipe,
The jet outlet of the inner pipe is located on the upstream side of the bent portion, and the flow direction of the fuel gas ejected from the inner pipe is directed to the inner diameter side of the bent portion from the axis of the outer pipe, and on the inner diameter side of the bent portion. It is formed so as not to touch a certain pipe wall,
A fuel cell system. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
燃料ガス１次供給管路は、前記合流部の上流側であって前記屈曲部の内径側である管壁より貫通して、内側配管となる、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 , wherein
The fuel gas primary supply conduit penetrates from the tube wall on the upstream side of the joining portion and on the inner diameter side of the bent portion, and becomes an inner pipe.
A fuel cell system.
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