JP5109242B2 - Apparatus and fuel cell system for supplying fuel gas to a fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に発電のための燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、燃料電池にガス供給を行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 gas supply device that supplies fuel gas for power generation to a fuel cell, and a fuel cell system that generates power by supplying gas to the fuel cell.
燃料電池は、一般に、単セルの積層構造を取り、単セルは、表面に触媒層を形成する電解質層からなるMEA(Membrance Electrode Assembly)を、燃料ガス・酸化ガスのガス流路形成部材で挟持する。こうした単セルの積層構造を有する燃料電池では、燃料ガスと酸化ガスの双方のガスを各単セルに供給するに当たり、ガスごとの供給系を有する。 A fuel cell generally has a single cell stack structure, and a single cell sandwiches a MEA (Membrance Electrode Assembly) composed of an electrolyte layer that forms a catalyst layer on the surface thereof with a gas flow path forming member for fuel gas and oxidizing gas. To do. In a fuel cell having such a single-cell stacked structure, a supply system for each gas is provided to supply both fuel gas and oxidizing gas to each single cell.
ところで、供給した燃料ガスは、その総てが各単セルにおいて水素と酸素の電気化学反応に供せられるわけではなく、燃料ガス中の一部の水素が未反応のまま単セル、延いては燃料電池から排出される。このため、この未反応水素の有効利用を図るため、燃料ガス供給系に、燃料電池から排出された燃料ガスを環流させる循環系を設けることが行われている(例えば、特許文献1)。 By the way, not all of the supplied fuel gas is subjected to an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen in each single cell, and a part of hydrogen in the fuel gas is left unreacted as a single cell. Discharged from the fuel cell. For this reason, in order to use this unreacted hydrogen effectively, a circulation system for circulating the fuel gas discharged from the fuel cell is provided in the fuel gas supply system (for example, Patent Document 1).
この特許文献では、循環系の管路を燃料ガス供給系の経路に設けたエジェクタに接続し、エジェクタによる負圧吸引力を利用して、排出燃料ガスを循環系から供給系に環流させている。こうして環流した排出燃料ガスは、ガス供給源から供給される燃料ガスと混合し、燃料電池に供給される。 In this patent document, a circulation system pipe line is connected to an ejector provided in a fuel gas supply system path, and exhausted fuel gas is circulated from the circulation system to the supply system using a negative pressure suction force by the ejector. . The exhaust fuel gas thus circulated is mixed with the fuel gas supplied from the gas supply source and supplied to the fuel cell.
このようにしてエジェクタを介して環流する排出燃料ガスは、燃料電池を一旦通過したガスであることから、次のような問題点が指摘されるに到った。排出燃料ガスの循環供給が行われているとき、燃料電池は、当然に発電状態にあり、発電に伴い昇温する。よって、排出燃料ガスにあっては、温度が高くなった燃料電池の熱を受けて昇温した状態でエジェクタに達し、燃料ガス供給系に環流する。 The exhausted fuel gas that circulates through the ejector in this way is a gas that has once passed through the fuel cell, and the following problems have been pointed out. When the exhaust fuel gas is circulated and supplied, the fuel cell is naturally in the power generation state, and the temperature rises with the power generation. Therefore, the discharged fuel gas reaches the ejector in a state where the temperature is raised by receiving the heat of the fuel cell whose temperature has been increased, and is circulated to the fuel gas supply system.
燃料電池では、アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに酸素含有ガス(例えば、空気)が供給されると、水素と酸素の電気化学反応により、アノードでは水が生成され、この生成水は、水蒸気として排出燃料ガスに含まれる。よって、この水蒸気は、排出燃料ガスと共にエジェクタを経て燃料ガス供給系に環流し、ガス供給源から供給される燃料ガスと混合することになる。 In a fuel cell, when a hydrogen-containing gas is supplied to the anode and an oxygen-containing gas (for example, air) is supplied to the cathode, water is generated at the anode by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. It is contained in the exhaust fuel gas as water vapor. Therefore, this water vapor flows back to the fuel gas supply system through the ejector together with the discharged fuel gas, and is mixed with the fuel gas supplied from the gas supply source.
そうすると、ガス供給源から供給される燃料ガスの温度が低い場合、排出燃料ガスの環流箇所であるエジェクタでは、排出燃料ガス中の水蒸気の凝縮、延いては凝縮した水の凍結が起き得る。特に、エジェクタは、燃料ガス噴射のためのノズルを有し、小径のノズル孔から高速のガス噴射を行うので、噴射されるガスもより低温となり勝ちである。そして、ノズル先端に排出燃料ガスを導いていることから、このノズル先端周辺や、ノズル下流側のエジェクタ内部流路での凝縮・凍結はより起きやすくなる。こうした内部流路での凝縮・凍結といった事態となると、流路面積の低減によるガス供給不足を招き、燃料電池の安定した発電が阻害される。 In this case, when the temperature of the fuel gas supplied from the gas supply source is low, condensation of water vapor in the exhausted fuel gas and eventually freezing of the condensed water can occur in the ejector that is the circulating point of the exhausted fuel gas. In particular, the ejector has a nozzle for fuel gas injection, and performs high-speed gas injection from a small-diameter nozzle hole, so that the injected gas tends to be at a lower temperature. Further, since the discharged fuel gas is guided to the tip of the nozzle, condensation and freezing in the vicinity of the tip of the nozzle and in the ejector internal flow path on the downstream side of the nozzle are more likely to occur. When such a situation such as condensation or freezing occurs in the internal flow path, a shortage of gas supply is caused due to a reduction in the flow path area, and stable power generation of the fuel cell is hindered.
本発明は、燃料電池からの排出燃料ガスをガス供給系に環流させる循環系にエジェクタを採用するに際しての上記問題点を解決するためになされ、排出燃料ガスの循環供給の信頼性を高めることをその目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems when adopting an ejector in a circulation system for circulating fuel gas discharged from a fuel cell to a gas supply system, and to improve the reliability of circulation supply of exhaust fuel gas. For that purpose.
かかる課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の燃料電池システムでは、燃料電池に発電用の燃料ガスを供給して発電を行うに当たり、燃料ガス供給系にて燃料電池に燃料ガスを供給しつつ、燃料電池からの排出燃料ガスを、燃料ガス供給系経路のエジェクタにより吸引させて燃料電池に環流させる。こうした排出燃料ガスの環流により排出燃料ガスの有効利用を図る。この場合、燃料ガスは、発電単位である単セルが備えた構成によって定まり、例えば、水素イオン透過性の電解質膜を備えた単セルであれば、水素ガスを燃料ガスとして供給することになる。また、水素とその他のガスを含有したガスを燃料ガスとして供給する場合もある。 In order to solve at least a part of such problems, in the fuel cell system of the present invention, when supplying fuel gas for power generation to the fuel cell and generating power, the fuel gas is supplied to the fuel cell by the fuel gas supply system. At the same time, the fuel gas discharged from the fuel cell is sucked by the ejector in the fuel gas supply system path and circulated to the fuel cell. Efficient use of exhausted fuel gas will be achieved through such recirculation of exhausted fuel gas. In this case, the fuel gas is determined by the configuration of the single cell that is a power generation unit. For example, in the case of a single cell including a hydrogen ion permeable electrolyte membrane, hydrogen gas is supplied as the fuel gas. Further, a gas containing hydrogen and other gases may be supplied as a fuel gas.
こうした排出燃料ガスの燃料ガス供給系への環流は、燃料ガス供給系経路のエジェクタによる排出燃料ガスの吸引により、次のようにしてもたらされる。エジェクタは、その有するノズルから燃料ガスを噴出し、当該噴出燃料ガスは、ノズル下流側に位置する噴出ガス流路に達して当該流路を通過し、エジェクタの下流側に流れる。エジェクタは、このノズルからの燃料ガスの噴出により、ノズル先端に負圧を発生させ、この負圧により、周囲のガス(本発明では排出燃料ガス)の吸引作用を起こす。 The recirculation of the exhaust fuel gas to the fuel gas supply system is brought about as follows by suction of the exhaust fuel gas by the ejector of the fuel gas supply system path. The ejector ejects fuel gas from the nozzles that the ejector has, and the ejected fuel gas reaches the ejection gas flow path located on the downstream side of the nozzle, passes through the flow path, and flows downstream of the ejector. The ejector generates a negative pressure at the tip of the nozzle by jetting the fuel gas from the nozzle, and the negative pressure causes a suction action of surrounding gas (exhaust fuel gas in the present invention).
本発明の燃料電池システムで用いるエジェクタでは、循環系からの排出燃料ガスは、エジェクタのガス流入室に流入して当該ガス流入室を通過し、ノズルの先端側で噴出ガス流路に連通する連通部に達して、ノズルから噴出ガス流路に達する噴出ガス流に吸引される。この場合、ガス流入室を、この連通部より下流側で循環系の経路と接続すれば、ガス流入室から連通部までの排出燃料ガスの流れは上流向きとなる。そして、排出燃料ガスは、連通部に達した後にその流れの向きを、ノズルからの燃料ガス噴出ガス流と同じ向きの下流側に転換し、ノズルからの噴出燃料ガスと共に、ノズル下流の噴出ガス流路を経てエジェクタの下流側に流れる。 In the ejector used in the fuel cell system of the present invention, the exhaust fuel gas from the circulation system flows into the gas inflow chamber of the ejector, passes through the gas inflow chamber, and communicates with the ejection gas flow path on the tip end side of the nozzle. It is sucked by the jet gas flow that reaches the nozzle and reaches the jet gas flow path from the nozzle. In this case, if the gas inflow chamber is connected to the circulation path downstream from the communication portion, the flow of the discharged fuel gas from the gas inflow chamber to the communication portion is directed upstream. Then, after the exhaust fuel gas reaches the communicating portion, the direction of the flow is changed to the downstream side in the same direction as the fuel gas jet gas flow from the nozzle, and the jet gas downstream of the nozzle together with the fuel gas jetted from the nozzle It flows downstream of the ejector through the flow path.
上記のエジェクタにおいて、ガス流入室は噴出ガス流路外壁を隔てて当該噴出ガス流路の周囲に形成されていることから、排出燃料ガスがガス流入室への流入を経て上記の環流を起こす際、噴出ガス流路周囲のガス流入室内の排出燃料ガスと、噴出ガス流路を通過するガスとの間では、噴出ガス流路外壁を介して熱交換が可能となる。この場合、排出燃料ガスは、発電状態にある燃料電池から排出されたガスであることからある程度高温となった状態でガス流入室に流入する。その一方、噴出ガス流路を通過するガス、即ち燃料ガスと排出燃料ガスの混合ガスの温度は、燃料ガスの温度が排出燃料ガスよりも低温であれば、排出燃料ガスの温度より低くなる。よって、供給される燃料ガスの温度が低いと、噴出ガス流路を通過する混合ガスは、ガス流入室内の排出燃料ガスの熱により昇温することになる。 In the above ejector, since the gas inflow chamber is formed around the jet gas flow channel with the outer wall of the jet gas flow channel being separated, when the exhaust fuel gas flows into the gas flow chamber and causes the above recirculation flow The heat exchange between the exhaust fuel gas in the gas inflow chamber around the jet gas channel and the gas passing through the jet gas channel can be performed through the outer wall of the jet gas channel. In this case, the discharged fuel gas flows into the gas inflow chamber in a state where the temperature is somewhat high because it is a gas discharged from the fuel cell in the power generation state. On the other hand, the temperature of the gas passing through the ejection gas passage, that is, the mixed gas of the fuel gas and the exhaust fuel gas is lower than the temperature of the exhaust fuel gas if the temperature of the fuel gas is lower than that of the exhaust fuel gas. Therefore, when the temperature of the supplied fuel gas is low, the temperature of the mixed gas passing through the jet gas passage is raised by the heat of the exhaust fuel gas in the gas inflow chamber.
既述したように、燃料電池からの排出燃料ガスには水蒸気が含まれているので、この水蒸気は、エジェクタのノズルから噴出される燃料ガスと共に噴出ガス流路を通過する。このため、この水蒸気は、燃料ガスが低温であると、当該ガスに冷却されて噴出ガス流路において凝縮、或いは凍結することが有りえる。しかしながら、本発明では、上記したように高温の排出燃料ガスによる熱交換を噴出ガス流路において可能とすることから、この噴出ガス流路における水蒸気の凝縮や凍結の回避の実効性が高まる。この結果、噴出ガス流路の流路面積を維持できるので、排出燃料ガスの循環供給の信頼性が高まり、燃料電池でのガス供給不足回避や、燃料電池の発電安定化に有益である。 As described above, since the fuel gas discharged from the fuel cell contains water vapor, the water vapor passes through the ejection gas flow path together with the fuel gas ejected from the nozzle of the ejector. For this reason, when the fuel gas is at a low temperature, the water vapor may be cooled by the gas and condensed or frozen in the ejection gas flow path. However, in the present invention, as described above, heat exchange by the high-temperature exhaust fuel gas is enabled in the ejection gas passage, so that the effectiveness of avoiding condensation and freezing of water vapor in the ejection gas passage is enhanced. As a result, since the flow area of the ejection gas flow path can be maintained, the reliability of the circulation and supply of the exhaust fuel gas is enhanced, which is beneficial for avoiding the shortage of gas supply in the fuel cell and stabilizing the power generation of the fuel cell.
ガス流入室を噴出ガス流路周囲に形成するに当たっては、噴出ガス流路を取り囲むよう中空状の一つの部屋として形成することができるほか、2分割、3分割等された複数の部屋を噴出ガス流路に沿って形成することもできる。 In forming the gas inflow chamber around the ejection gas flow path, it can be formed as a single hollow room surrounding the ejection gas flow path, and a plurality of rooms divided into two, three, etc. It can also be formed along the flow path.
しかも、排出燃料ガスをエジェクタのノズルからの噴出ガスと共にノズル下流に流すに当たっては、ガス流入室と循環系経路の接続箇所を連通部より下流とすることで、排出燃料ガスの流れの向きを上流側から下流側に転換する。よって、次の利点がある。 In addition, when the exhaust fuel gas flows along with the jet gas from the ejector nozzle downstream of the nozzle, the direction of the flow of the exhaust fuel gas is set upstream by connecting the connection portion of the gas inflow chamber and the circulation system path downstream from the communicating portion. From the side to the downstream side. Therefore, there are the following advantages.
排出燃料ガスには、燃料電池での電気化学反応に用いなかった燃料ガスと既述した水蒸気としての水が含まれている。多くの場合、燃料ガスの物質(例えば、水素)は、水よりもその質量が小さい。このため、排出燃料ガスがその流れの向きを連通部にて転換させる場合、水に作用する慣性力が勝ることから、この水(水蒸気)は流れの向きの転換箇所に留まり勝ちとなるので、水蒸気がノズル下流の噴出ガス流路に流れ込むことを抑制できる。この場合、この転換箇所に留まった水蒸気は、ノズルを通過する燃料ガスにより冷却されて凝縮し得る。また、ガス流入室に流入した排出燃料ガスが上記した熱交換を受けて冷やされ、排出燃料ガス中の水蒸気がガス流入室内で凝縮して連通部でのガスの流れの転換箇所に達することも有り得る。しかしながら、こうして凝縮した水は、循環系の経路を鉛直下方側からガス流入室に接続するようにすると、この流れ方向の転換箇所に留まった水を効果的に循環経路に沿って落下させることができる。 The exhausted fuel gas contains the fuel gas not used for the electrochemical reaction in the fuel cell and the water as the water vapor described above. In many cases, the fuel gas material (eg, hydrogen) has a lower mass than water. For this reason, when the exhaust fuel gas changes its flow direction at the communicating portion, the inertial force acting on the water wins, so this water (steam) tends to stay at the change point of the flow direction. It is possible to suppress the water vapor from flowing into the ejection gas flow path downstream of the nozzle. In this case, the water vapor remaining at the conversion point can be cooled and condensed by the fuel gas passing through the nozzle. In addition, the exhaust fuel gas that has flowed into the gas inflow chamber is cooled by the heat exchange described above, and the water vapor in the exhaust fuel gas is condensed in the gas inflow chamber and reaches the point where the gas flow is changed in the communication portion. It is possible. However, the water condensed in this way can effectively drop the water staying at the change point of the flow direction along the circulation path by connecting the circulation path to the gas inflow chamber from the vertically lower side. it can.
以上説明した本発明の燃料電池システムでは、ガス供給経路に設けたエジェクタのガス流入室において、噴出ガス流路外壁が、ガス流入室を通過するガスとの接触面積を増大させる面積増大部を有するようにすることもできる。こうすれば、ガス流入室に流れ込む排出燃料ガスとの接触面積が増すことから、噴出ガス流路外壁を介した熱交換を促進できるので、噴出ガス流路における水蒸気の凝縮や凍結の回避の実効性がより一層高まり、好ましい。この面積増大部は、噴出ガス流路の外壁から突出したフィンとすることが簡便である。 In the fuel cell system of the present invention described above, in the gas inflow chamber of the ejector provided in the gas supply path, the outer wall of the ejection gas flow path has an area increasing portion that increases the contact area with the gas passing through the gas inflow chamber. It can also be done. In this way, the contact area with the exhaust fuel gas flowing into the gas inflow chamber increases, so heat exchange through the outer wall of the jet gas passage can be promoted, so that it is effective for avoiding condensation and freezing of water vapor in the jet gas passage. The property is further enhanced, which is preferable. It is convenient to use a fin protruding from the outer wall of the ejection gas flow path as the area increasing portion.
本発明は、燃料電池に発電のための燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置として適用できる。 The present invention can be applied as a fuel gas supply device that supplies fuel gas for power generation to a fuel cell.
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を説明する。図1は実施例の燃料電池システム100の構成を概略的に示すブロック図である。この燃料電池システム100は、主に燃料電池10と、水素タンク20と、ブロワ30と、制御部200と、加湿器60とを備えている。
Examples of the present invention will be described below. FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a
燃料電池10は、水素分離膜型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。各単セルは、電解質膜を挟んで水素極(以下、アノードと呼ぶ)と酸素極(以下、カソードと呼ぶ)とを配置した構成となっている。各々の単セルのアノード側に水素を含有する燃料ガス(以下、アノードガスと呼ぶ)を供給し、カソード側に酸素を含有する酸化ガスを供給することで、電気化学反応が進行し、燃料電池10は発電する。燃料電池10で生じた電力は、燃料電池10に接続される所定の負荷(図示せず)に供給される。なお、燃料電池10としては、上記した水素分離膜型燃料電池の他、固体高分子型燃料電池や、アルカリ水溶液電解質型や、リン酸電解質型や、あるいは溶融炭酸塩電解質型等、種々のタイプの燃料電池を用いることができる。
The
ブロワ30は、酸化ガスとしての空気を燃料電池10のカソード側に供給するための装置である。ブロワ30は、カソードガス供給流路34を介して燃料電池10のカソード側に接続されている。カソードガス供給流路34には、加湿器60が設けられている。ブロワ30で圧縮された空気は、加湿器60によって加湿された後に燃料電池10に供給される。燃料電池10には、カソード排ガス流路36が配されており、電気化学反応に供された後のカソードからの排ガス(以下、カソード排ガスと呼ぶ)は、カソード排ガス流路36を通じて外部に排出される。
The
水素タンク20は、高圧の水素ガスが貯蔵される貯蔵装置であり、アノードガス供給流路24を介して燃料電池10のアノード側に接続されている。アノードガス供給流路24上において、水素タンク20の近傍にはアノードガス遮断弁230、およびレギュレータ22が設けられている。アノードガス遮断弁230は、レギュレータ22よりも水素ガスの流れ方向に対して上流側に設けられている。このアノードガス遮断弁230が、閉弁状態であると、水素タンク20からの水素ガスの供給が遮断され、開弁状態であると、水素タンク20からの水素ガスが供給される。このアノードガス遮断弁230の開閉は、制御部200により制御される。
The
水素タンク20からアノードガス供給流路24へ供給された高圧の水素ガスは、レギュレータ22によって調圧される。調圧された水素ガスは、アノードガスとして燃料電池10のアノード側へ供給される。調圧後の圧力は、燃料電池10に接続される負荷の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。
The high-pressure hydrogen gas supplied from the
上記した水素タンク20から燃料電池10のアノードに到るアノードガス供給流路24は、本発明における燃料ガス供給系に該当する。
The anode gas
なお、水素タンク20に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードガス遮断弁230、レギュレータ22を介して燃料電池10のアノード側へ供給するものとしてもよい。また、電解質膜の性質によっては、水素とそれ以外のガスを含有する燃料ガスを供給するような構成とすることもできる。
Instead of the
燃料電池10のアノード側は、ガス循環流路28から分岐したアノード排ガス流路26に、パージ弁240が設けられている。このパージ弁240は、電気化学反応に供された後のアノードからの排ガス(以下、アノード排ガスと呼ぶ)を、アノード排ガス流路26を介してガス循環流路28から外部へ排出(パージ)するためのものである。こうしたアノード排ガスパージは、次のような場合に有効である。
On the anode side of the
燃料電池システム100の運転中において、アノード排ガスには、水素以外の不要ガスが含まれる場合がある。不要ガスとしては、例えば、カソード側から電解質膜を透過してきた窒素等がある。この不要ガスは、消費されず燃料電池システム100においてガス循環流路28を循環し、その結果、アノードガス中の不要ガスの濃度が徐々に増加し、燃料電池10の発電効率が低下する。そこで、制御部200は、パージ弁240を制御して、定期的に、不要ガスを含むアノード排ガスを排出するようにしている。
During the operation of the
なお、燃料電池10として水素分離膜型燃料電池以外の種類のものを用いる場合や、燃料電池10を使用する環境によっては、他の成分が不要ガスとしてアノード排ガス中に混入する場合もある。
In addition, when using a type other than the hydrogen separation membrane type fuel cell as the
アノード排ガス流路26において、パージ弁240よりもアノード排ガスを排出する流れ方向に対して上流側の位置から、アノードガス供給流路24へ接続されるガス循環流路28が設けられている。このガス循環流路28は、アノード排ガスを、アノードガス供給流路24に戻すためのものであり、アノードガス供給流路24に設けられたエジェクタ70と、アノード排ガス流路26に設けられた気液分離器250との間を接続し、図中の矢印HJで示すようなアノード排ガスの循環供給を図る。これにより、アノード排ガスに含まれる水素ガスは、循環して、アノードガスとして再び発電に使用される。
In the anode exhaust
気液分離器250は、ガス通過室251とその下方の液貯留部252を組み合わせた構成を備え、アノード排ガス流路26からのアノード排ガスをガス通過室251を通過させた後に、ガス循環流路28に導く。ガス通過室251は、多数の仕切り板により流路を屈曲させ、この屈曲流路をアノード排ガスが通過する間に、ガス中の水蒸気や水分をある程度ガスから分離し、下方の液貯留部252に水を落下させる。液貯留部252は、排水管253を備え、管路中の排水バルブ254の開閉を経て、貯留した水を外部に排出する。
The gas-
この気液分離器250は、アノードガス供給流路24におけるエジェクタ70のほぼ真下に配設されている。よって、ガス循環流路28は、鉛直下方側からエジェクタ70にアノード排ガスを流入させる。
The gas-
制御部200は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するCPU(図示せず)と、CPUで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたROM(図示せず)と、同じくCPUで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるRAM(図示せず)と、各種信号を入出力する入出力ポート(図示せず)等を備える。この制御部200は、負荷要求に関する情報等を取得して、燃料電池システム100を構成する各部、すなわち、ブロワ30および加湿器60等に駆動信号を出力し、燃料電池システム100全体の運転状態を勘案してこれらを制御する。例えば、アノードガス遮断弁230を閉弁してアノードガス供給を停止したり、パージ弁240を開弁して上記した不要ガス排出等を行う。また、気液分離器250における水分貯留の状況に応じて排水バルブ254を開弁し、液貯留部252からの水分排出を行う。
The
次に、アノード排ガスの循環を引き起こすエジェクタ70について説明する。制御について説明する。図2はエジェクタ70をその要部を拡大視しつつ説明する断面図、図3はこのエジェクタ70を図2の3−3線に沿ってハウジングを破断して内部の様子を説明するための説明図である。
Next, the
これら図面に示すように、エジェクタ70は、上流側ハウジング71と下流側ハウジング72を備え、両ハウジングを嵌合・固定して構成される。上流側ハウジング71は、アノードガス供給流路24の経路に繋がる管路73を備え、管路先端をノズル74とする。ノズル74は、管路73の管路径を徐々に絞るよう形成され、アノードガス供給流路24を流れてきたアノードガスを噴出し、図中白抜き矢印で示すように噴出ガス流JFを起こす。
As shown in these drawings, the
下流側ハウジング72は、中空構造とされ、隔壁75により、その内部の噴出ガス流路76とガス流入室77とを形成する。隔壁75は、ノズル74の側を、徐々に広がったテーパ部75aとし、このテーパ部75aがノズル74と間隙78を残して重なるよう、ノズル74の下流側に位置する。よって、噴出ガス流路76は、ノズル74の下流側に位置して、ノズル74が噴出した噴出ガス流JFのアノードガスを下流に通過させる。噴出ガス流路76の下流側は、徐々に管路径が広がる拡径流路79とされ、この拡径流路79がエジェクタ下流のアノードガス供給流路24に繋がるようにされている。
The
エジェクタ70は、ガス流入室77を、隔壁75を隔てて噴出ガス流路76を取り囲むようにして備え、下流側ハウジング72の底面側の開口80を経て、ガス流入室77をガス循環流路28に接続させている。よって、ガス流入室77には、エジェクタ70に対して鉛直下方側に接続されたガス循環流路28からアノード排ガスが流入する。
The
ガス流入室77は、隔壁75のテーパ部75aの側を、ガス流入室77を既述した間隙78、延いては噴出ガス流路76に連通する連通部81とする。この連通部81は、図2の拡大図に示すように、その外壁をテーパ状の案内部82とし、ガス流入室77内のガス(アノード排ガス)がノズル74から噴出ガス流路76に達する噴出ガス流JFに吸引されるよう、ガス流入室77をノズル74先端側で噴出ガス流路76に連通する。この場合、連通部81は、開口80より上流側でガス流入室77を噴出ガス流路76に連通することから、開口80からガス流入室77に流入したアノード排ガスを、上流側に向けて案内しつつ隔壁75のテーパ部75aの側に導き、ガスの流れを下流側に変えた上で、間隙78を経て噴出ガス流JFに吸引させる。
In the
上記した構成のエジェクタ70を有する燃料電池システム100は、次のようにしてアノード排ガスの循環を図る。エジェクタ70は、小径のノズル74からアノードガスを継続して噴出する。アノードガスは、ノズル74が小径であるが故に、高速の噴出ガス流JFとしてノズル下流側に噴出され、ノズル下流の噴出ガス流路76に達して当該流路を通過し、エジェクタ下流側のアノードガス供給流路24に流れる。エジェクタ70は、小径のノズル74からのアノードガスの噴出により、ノズル先端に負圧を発生させ、この負圧により、間隙78や連通部81を経てガス流入室77のアノード排ガスを吸引する。
The
アノード排ガスは、ガス循環流路28からガス流入室77に流入し、ガス流入室77内を図中の矢印Y1で示すようにノズル側の連通部に向けて進み、ノズル74からの噴出ガス流JFに間隙78を経て吸引される。この場合、ガス流入室77は、この連通部81より下流側でガス循環流路28と接続されていることから、ガス流入室77から連通部81までのアノード排ガスの流れは上流向きとなる。そして、このアノード排ガスは、連通部81に達した後にその流れの向きを、ノズル74からの噴出ガス流JFと同じ向きの下流側に転換し、図中の矢印Y2で示すようにノズル74からの噴出アノードガスと共に、ノズル下流の噴出ガス流路76を経てエジェクタ70の下流側に流れる。
The anode exhaust gas flows into the
このようにしてアノード排ガスの循環を行うに当たり、ガス流入室77は噴出ガス流路76を取り囲むようにして形成されていることから、噴出ガス流路76を取り囲むガス流入室77内のアノード排ガスと、噴出ガス流路76を通過するガスとの間では、隔壁75を介して熱交換が可能となる。この場合、アノード排ガスは、発電状態にある燃料電池10から排出されたガスであることからある程度高温となった状態でガス流入室77に流入する。その一方、噴出ガス流路76を通過するガス、即ちノズル74が噴出したアノードガスとアノード排ガスの混合ガスの温度は、アノードガスの温度がアノード排ガスよりも低温であるので、ガス流入室77におけるアノード排ガスの温度より低くなる。よって、噴出ガス流路76を通過する混合ガスは、ガス流入室77内のアノード排ガスの熱により昇温する。
In this way, when the anode exhaust gas is circulated, the
このため、噴出ガス流路76を低温のアノードガスと水蒸気含有のアノード排ガスが混合して通過しても、上記した熱交換により、噴出ガス流路76においては、水蒸気の凝縮や凍結を回避できる。この結果、噴出ガス流路76の流路面積を維持できるので、アノード排ガスの循環供給の信頼性が高まり、燃料電池10でのガス供給不足を回避できると共に、燃料電池10の発電を安定化させることもできる。
For this reason, even if the low-temperature anode gas and the steam-containing anode exhaust gas are mixed and passed through the
本実施例のエジェクタ70は、隔壁75を介した熱交換により噴出ガス流路76での水蒸気凝集や凍結を回避するが、この熱交換によりガス流入室77内で、アノード排ガス内の水蒸気凝集を起こし得る。しかしながら、この凝集した水については、次のようにして噴出ガス流路76に到らないようにしている。つまり、エジェクタ70は、アノード排ガスをエジェクタ70のノズル74からの噴出ガスと共にノズル下流に流すに当たり、アノード排ガスの流れの向きを上流側から下流側に転換するので、その転換箇所である連通部81において、アノード排ガスより重量のある水蒸気や水分を、ガスに働く慣性力より大きな慣性力によって止め置くことができる。そして、止め置いた水分を、テーパ状の案内部82により開口80、延いてはガス循環流路28に導く。このため、アノード排出ガスを噴出ガス流JFの噴出アノードガスと共に下流に流す際に、アノード排出ガス中の水蒸気や水分を予め除去しておくことができるので、噴出ガス流路76での水蒸気凝集や凍結の回避の実効性がより高まる。しかも、ガス循環流路28をエジェクタ70に接続するに当たっては、ガス循環流路28を鉛直下方側からエジェクタ70に接続したので、連通部81に止め置いた水を、効果的にガス循環流路28に沿って落下させ、気液分離器250にて取り除くことができる。
The
この気液分離器250は、ガス通過室251と液貯留部252を接合させただけに過ぎない簡単な構成であり、特別な熱交換構成を有しないが、上記したようなガス循環流路28から水分落下により、効果的に水分をアノード排ガスから除去できる。
The gas-
次に、エジェクタ70の変形例について説明する。図4は図2相当のエジェクタ70Aの断面図、図5は図3相当のエジェクタ70Aの説明図である。このエジェクタ70Aは、ガス流入室77において、隔壁75から放射状に突出した複数のフィン90を備える。フィン90は、ガス流入室77の外側壁面と隙間を残して突出するので、ガス循環流路28からガス流入室77へのアノード排ガスの流入を起こしつつ、当該アノード排ガスと接触してガスを連通部81の側に導く。よって、この変形例のエジェクタ70Aによれば、ガス流入室77でのアノード排ガスの接触面積をフィン90の外表面積の分、増加させるので、隔壁75を介したアノード排ガスとの熱交換を促進する。この結果、噴出ガス流路76における水蒸気の凝縮や凍結の回避の実効性をより一層高めることができ、好ましい。
Next, a modification of the
この変形例において、フィン90をガス流入室77の外側壁面に達する形成することもできる。こうすれば、ガス流入室77を、複数の部屋に分割したものとした状態で、噴出ガス流路76の周囲に形成することになる。この場合、分割された各部屋には、図4におけるフィン90の左端側の間隙から、アノード排ガスが流入することになる。
In this modification, the
図6は図3相当のまた別の変形例のエジェクタ70Bの説明図である。このエジェクタ70Bは、ガス流入室77において、隔壁75から突出した螺旋状のフィン91を備える。フィン91は、ガス流入室77の外側壁面と隙間を残しつつ螺旋状にノズル74の側に延びているので、ガス循環流路28からガス流入室77へのアノード排ガスの流入を起こしつつ、当該アノード排ガスと接触してガスを図中の矢印Y'1のように螺旋状の流れで連通部81の側に導く。よって、この変形例のエジェクタ70Bによれば、ガス流入室77でのアノード排ガスの接触面積をフィン91の外表面積の分、増加させることができると共に、アノード排ガスの流れる経路を長くできるので、隔壁75を介したアノード排ガスとの熱交換をより一層促進する。この結果、噴出ガス流路76における水蒸気の凝縮や凍結の回避の実効性をより一層高めることができ、好ましい。
FIG. 6 is an explanatory view of an
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not restricted to above-described embodiment, In the range which does not deviate from the summary, it is possible to implement in various aspects.
10...燃料電池
20...水素タンク
22...レギュレータ
24...アノードガス供給流路
26...アノード排ガス流路
28...ガス循環流路
30...ブロワ
34...カソードガス供給流路
36...カソード排ガス流路
60...加湿器
70、70A、70B...エジェクタ
71...上流側ハウジング
72...下流側ハウジング
73...管路
74...ノズル
75...隔壁
75a...テーパ部
76...噴出ガス流路
77...ガス流入室
78...間隙
79...拡径流路
80...開口
81...連通部
82...案内部
90...フィン
91...フィン
100...燃料電池システム
200...制御部
230...アノードガス遮断弁
240...パージ弁
250...気液分離器
251...ガス通過室
252...液貯留部
253...排水管
254...排水バルブ
JF...噴出ガス流
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス供給系と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを、前記燃料ガス供給系の経路に設けたエジェクタにより吸引させて前記燃料ガス供給系に環流させ、燃料ガスの循環供給を図る循環系とを備え、
前記エジェクタは、
燃料ガスを噴出するノズルと、
該ノズルの下流側に位置して前記噴出された燃料ガスの通過流路を形成し、該燃料ガスを下流に通過させる噴出ガス流路と、
前記循環系から排出燃料ガスが流入するガス流入室と、
該ガス流入室内のガスが前記ノズルから前記噴出ガス流路に達する噴出ガス流に吸引されるよう、前記ガス流入室を前記ノズルの先端側で前記噴出ガス流路に連通する連通部とを備え、
前記ガス流入室は、前記噴出ガス流路の外壁を隔てて前記噴出ガス流路の周囲に形成されて、前記連通部より下流側で前記循環系の経路と接続され、
前記循環系の経路は、鉛直下方側から前記ガス流入室と接続され、
前記噴出ガス流路は、その外壁に、前記ガス流入室に流入して該ガス流入室を通過するガスとの接触面積を増大させる面積増大部を有する
燃料電池システム。 A fuel cell system comprising a fuel cell, and generating power by supplying fuel gas for power generation to the fuel cell,
A fuel gas supply system for supplying the fuel gas to the fuel cell;
A fuel gas discharged from the fuel cell is sucked by an ejector provided in a route of the fuel gas supply system and circulated to the fuel gas supply system, and a circulation system for circulating fuel gas is provided.
The ejector is
A nozzle for jetting fuel gas;
An ejection gas passage that is located downstream of the nozzle to form a passage passage for the ejected fuel gas and that allows the fuel gas to pass downstream;
A gas inflow chamber into which exhaust fuel gas flows from the circulation system;
A communication portion that communicates the gas inflow chamber with the ejection gas channel on the tip end side of the nozzle so that the gas in the gas inflow chamber is sucked into the ejection gas flow reaching the ejection gas channel from the nozzle. ,
The gas inflow chamber is formed around the ejection gas flow path with an outer wall of the ejection gas flow path interposed therebetween, and is connected to the circulation path downstream from the communication portion.
The path of the circulation system is connected to the gas inflow chamber from the vertically lower side,
The ejection gas flow path has an area increasing portion on its outer wall that increases an area of contact with the gas flowing into the gas inflow chamber and passing through the gas inflow chamber.
前記ガス流入室は、前記噴出ガス流路を取り囲むよう形成されている
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1, wherein
The gas inflow chamber is formed so as to surround the ejection gas flow path.
前記面積増大部は、前記ガス流入室に流入して該ガス流入室を通過するガスの経路を、前記噴出ガス流路の前記外壁から前記ガス流入室に突出した螺旋状のフィンにて螺旋状に形成することで、前記接触面積を増大させる
燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein
The area increasing portion spirals a gas path that flows into the gas inflow chamber and passes through the gas inflow chamber by a spiral fin protruding from the outer wall of the ejection gas flow path to the gas inflow chamber. A fuel cell system that increases the contact area by forming the contact area .
前記燃料電池に到る燃料ガス供給経路と、
前記燃料電池から排出された燃料ガスを、前記燃料ガス供給系の経路に設けたエジェクタにより吸引させて前記燃料ガス供給系に環流させ、燃料ガスの循環供給を図る循環系とを備え、
前記エジェクタは、
前記燃料ガス供給系の経路を通過する燃料ガスを噴出するノズルと、
該ノズルの下流側に位置し、前記噴出された燃料ガスの通過流路を形成する噴出ガス流路と、
前記循環系からの前記排出燃料ガスの流入を受けるガス流入室と、
該ガス流入室内のガスが前記ノズルからの噴出ガス流に吸引されるよう、前記ガス流入室を前記ノズルの先端側で前記噴出ガス流路に連通する連通部とを備え、
前記ガス流入室は、前記噴出ガス流路の外壁を隔てて前記噴出ガス流路の周囲に形成されて、前記連通部より下流側で前記循環系の経路と接続され、
前記循環系の経路は、鉛直下方側から前記ガス流入室と接続され、
前記噴出ガス流路は、その外壁に、前記ガス流入室に流入して該ガス流入室を通過するガスとの接触面積を増大させる面積増大部を有する
燃料電池の燃料ガス供給装置。 A fuel gas supply device for supplying fuel gas for power generation to a fuel cell,
A fuel gas supply path to the fuel cell;
A fuel gas discharged from the fuel cell is sucked by an ejector provided in a route of the fuel gas supply system and circulated to the fuel gas supply system, and a circulation system for circulating fuel gas is provided.
The ejector is
A nozzle for ejecting fuel gas passing through the path of the fuel gas supply system;
An ejection gas passage located downstream of the nozzle and forming a passage for the ejected fuel gas;
A gas inflow chamber for receiving an inflow of the exhaust fuel gas from the circulation system;
A communication portion that communicates the gas inflow chamber with the ejection gas flow path on the tip side of the nozzle so that the gas in the gas inflow chamber is sucked into the ejection gas flow from the nozzle;
The gas inflow chamber is formed around the ejection gas flow path with an outer wall of the ejection gas flow path interposed therebetween, and is connected to the circulation path downstream from the communication portion.
The path of the circulation system is connected to the gas inflow chamber from the vertically lower side,
The fuel gas supply device for a fuel cell, wherein the ejection gas flow path has an area increasing portion on an outer wall thereof for increasing a contact area with the gas flowing into the gas inflow chamber and passing through the gas inflow chamber.
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