JP6540231B2 - 燃料電池用ガス循環システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムにおいてアノードガスを循環させるガス循環システムに関する。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に供給される水素を含むアノードガスと、空気極に供給される酸素を含むカソードガスとを用いて、電気化学反応により発電を行う。そのガス循環システムは、燃料電池のアノードガス出口から排出される余剰のアノードガスを、水素タンク等から新たに供給されるガスとジェットポンプで合流させて圧送し、アノードガス入口へ再度導入する。

特許文献１のガス循環システムでは、循環流路にジェットポンプを迂回する迂回路を設け、当該迂回路に水素ポンプを設け、循環流路と迂回路との合流部から水素ポンプ側へ向かう逆流を防止する逆止弁を設けている。

特開２００５−４４７４８号公報

しかしながら、上記ガス循環システムにあっては、逆止弁が圧力損失の原因となり、循環流路内のアノードガスの流れが阻害される。

本発明の目的は、逆止弁を用いずに、循環流路と迂回路との合流部から水素ポンプ側へ向かう逆流を抑制することである。

本発明のガス循環システムは、循環流路と迂回路との合流部において、循環流路上流側から流入するガスを、迂回路への流入を抑制しつつ循環流路下流側へ送給するための逆流防止装置を備える。この逆流防止装置は、循環流路上流側から流入するガスの流れを絞る第１絞り部と、第１絞り部から流出するガスによって迂回路から流入するガスをアノードガス入口に誘導する誘導流路部とを有する。

本発明のガス循環システムによれば、循環流路上流側から流入するガスの流れが、第１絞り部で増速され低圧化され、これにより、迂回路側から逆流防止装置に流入するガスが、誘導流路部に引き込まれて、アノードガス入口へ誘導される。このため、循環流路と迂回路との合流部からポンプ側へ向かうガスの逆流を、逆止弁を用いずに抑制することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第１実施形態における逆流防止装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第２実施形態における逆流防止装置の概略構成図である。 本発明の第３実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の第３実施形態における逆流防止装置の概略構成図である。

（第１実施形態）
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムＳ１の概略構成図である。なお、図１においては、水素含有ガス（以下、水素ガスまたはアノードガスと称する）流通系統と酸素含有ガス流通系統のうち、水素ガス流通系統のみを図示し、酸素含有ガス流通系統の図示を省略している。

燃料電池システムＳ１は、燃料電池スタック１と、高圧水素タンク２と、アノードガス供給流路３と、アノードガス調圧弁４と、アノードガスを循環させるガス循環システムＲＳとを備える。ガス循環システムＲＳは、循環流路５と、ジェットポンプ６と、迂回路７と、水素ポンプ８と、逆流防止装置９と、を備える。なお、燃料電池システムＳ１の各部には、温度センサ、圧力センサ、バルブ、気液分離器などの補器が備えられると共に、制御装置や、冷却系通路などが備えられるが、図１ではこれらの図示を省略している。

燃料電池スタック１は、燃料電池の単位セルを複数積層したものであり、単位セルの燃料極と酸素極とに、アノードガスとしての水素ガスと、カソードガスとしての空気とをそれぞれ供給することにより、発電を行うものである。

単位セルは、電解質の両面にそれぞれカーボンに白金を担持した触媒層を接合して電極を形成して膜電極接合体とし、膜電極接合体の両面にセパレータを配設することで水素ガス流路と酸素ガス流路とを各単位セルの膜電極接合体上に構成する。

高圧水素タンク２は、燃料電池スタック１に供給する高圧のアノードガスとしての水素ガスを貯蔵するものである。アノードガス供給流路３は、一端が高圧水素タンク２に、他端がジェットポンプ６の駆動流体入口６ａに接続される。水素ガスは、高圧水素タンク２からアノードガス供給流路３を通して燃料電池スタック１に供給される。

アノードガス調圧弁４は、アノードガス供給流路３に設けられ、高圧水素タンク２に貯蔵される高圧水素ガスを供給して、燃料電池スタック１の発電状態に適した水素ガス圧力に燃料極を調圧する。アノードガス調圧弁４は、無段階又は段階的に開度の増減が可能である。

循環流路５は、燃料電池のアノードガス出口１ａより排出されたアノードオフガスを、再度、アノードガス入口１ｂに導入する流路である。循環流路５には、ジェットポンプ６が備えられる。ジェットポンプ６は、循環流路５の上流側に接続される吸入口６ｂと、下流側に接続される吐出口６ｃと、アノードガス供給流路３と接続される駆動流体入口６ａとを備える。ジェットポンプ６は、高圧水素タンク２からアノードガス供給流路３を介して供給される水素ガスを駆動流体入口６ａより取り込み、ジェットポンプ６内の絞りにより増速して、低圧化する。そして、増速され、低圧化された水素ガスにより、吸入口６ｂより流入するアノードガスに対して巻き込み作用を生じさせることで、混合ガスを吐出口６ｃからアノードガス入口１ｂへ向けて圧送する。

迂回路７は、ジェットポンプ６の上流で循環流路５から分岐し、ジェットポンプ６の下流で循環流路５に接続された流路であり、アノードガス出口１ａから排出されたアノードオフガスを、ジェットポンプ６を迂回して循環流路５に再度合流させる流路である。迂回路７には、水素ポンプ８が備えられる。本実施形態の水素ポンプ８は、例えば遠心式のブロアである。水素ポンプ８は、迂回路７を流れるアノードガスを、迂回路７と循環流路５との合流部Ｍへ向けて圧送する。
本実施形態では、水素ポンプ８は、ジェットポンプ６と比較して最大吐出流量の小さいものが用いられる。なお、最大吐出流量とは、通常の使用環境下で、ポンプが導入されるガスの圧力を要求された昇圧値で昇圧できる、最大のガス吐出流量である。

なお、循環流路５と迂回路７の少なくとも一方には、図示しない気液分離器や、パージ流路、パージ弁が設けられることが望ましい。特に、気液分離器を設ける場合は、上記各ポンプの上流側に備えられることが望ましい。

循環流路５と迂回路７とが合流される合流部Ｍには、逆流防止装置９が設けられる。図２は、第１実施形態における逆流防止装置９の概略構成図である。図２に示すように、本実施形態の逆流防止装置９は、駆動ガス入口側配管１１と、吸入口側配管１２と、吐出口側配管１３とを有する。

これら３つの配管１１，１２，１３は、一点で接続される。駆動ガス入口側配管１１と吐出口側配管１３は、直線的に接続される。これにより、駆動ガス入口側配管１１内の流路と吐出口側配管１３内の流路とが、同一直線上に位置することとなる。一方、吸入口側配管１２は、上記直線状の流路を形成する駆動ガス入口側配管１１と吐出口側配管１３に対して直角から少し駆動ガス入口側配管１１側に傾いた角度で接続される。つまり、吸入口側配管１２内の流路の中心線と駆動ガス入口側配管１１内の流路の中心線とがなす角は、９０度より小さい。駆動ガス入口１１ａ及び吸入口１２ａは、それぞれ逆流防止装置９の駆動ガス入口側配管１１及び吸入口側配管１２の上流側端である。吐出口１３ａは、逆流防止装置９の吐出口側配管１３の下流側端である。逆流防止装置９は、以下で説明するように、循環流路５上流側から流入するガスを、迂回路７への流入を抑制しつつ循環流路５下流側へ送給する。

駆動ガス入口１１ａと、吐出口１３ａとは、それぞれ循環流路５の上流側と下流側とに接続される。すなわち、合流部Ｍより上流側の循環流路５と合流部Ｍより下流側の循環流路５とは、合流部Ｍにおいて直線的に接続される。一方、迂回路７は、吸入口１２ａと接続される。そのため、迂回路７は、直線状の循環流路５に対して直角から少し循環流路５の上流側に傾いた角度で、逆流防止装置９を介して接続されることになる。

逆流防止装置９は、循環流路５上流側から流入するガスの流れを絞る絞り部Ｔと、当該絞り部Ｔから流出するガスによって迂回路７から流入するガスをアノードガス入口１ｂに誘導する誘導流路部Ｇとを有する。

本実施形態の絞り部Ｔは、逆流防止装置９に備えられるノズル１４である。ノズル１４は、略円筒形の部品であり、下流側端部である先端部１４ａの開口面積が、上流側端部１４ｂの開口面積より小さくなっている。絞り部Ｔであるノズル１４は、駆動ガス入口側配管１１に設けられ、循環流路５上流側から流入するガスの流れは、絞り部Ｔを通過する際に絞られ、増速され、低圧化される。絞り部Ｔの先端部１４ａは、駆動ガス入口側配管１１と吐出口側配管１３との接続部近傍に配置される。より具体的には、先端部１４ａは、吸入口側配管１２内の流路の中心線と駆動ガス入口側配管１１及び吐出口側配管１３内の流路の中心線との交点近傍に配置される。これにより、先端部１４ａから流出したガスが、低圧化された状態にあるうちに（絞り部Ｔで増速され低圧化された後、減速して昇圧する前に）、吸入口側配管１２から流入してきたガスと合流するようになっている。

本実施形態の誘導流路部Ｇは、吸入口側配管１２、吐出口側配管１３、および絞り部Ｔであるノズル１４の先端部１４ａとから構成される流路である。具体的には、誘導流路部Ｇは、吸入口側配管１２及び吐出口側配管１３の流路壁とノズル１４の先端部１４ａの外周面とによって画成された流路である。誘導流路部Ｇの吸入口側配管１２と吐出口側配管１３との接続部には、第２絞り部Ｔ２が形成されている。第２絞り部Ｔ２の流路断面積（有効流路断面積）は、その上流側及び下流側の流路断面積よりも小さくなっている。迂回路７側から逆流防止装置９に流入するガスは、循環流路５上流側から流入するガスが絞り部Ｔで増速され低圧化されることにより、吸入口側配管１２を通して吐出口側配管１３に引き込まれる。引き込まれる際、ガスの流れは、ノズル１４の先端部１４ａと流路壁との間に形成された第２絞り部Ｔ２によって絞られる。
吐出口側配管１３にはディフューザＤが設けられる。このディフューザＤを、低圧化された迂回路７側からのガスと低圧化された循環流路５上流側からのガスとの混合流が通過することで、混合流が昇圧される。昇圧されたガスは、逆流防止装置９下流側の循環流路５を介してアノードガス入口１ｂへ圧送される。以上のようにして、誘導流路部Ｇは、迂回路７から流入するガスをアノードガス入口１ｂへ誘導する。
なお、本実施形態では、吸入口側配管１２が、上記直線状の流路を形成する駆動ガス入口側配管１１と吐出口側配管１３に対して直角から少し駆動ガス入口側配管１１側に傾いた角度で接続されている。そのため、吸入口側配管１２から合流部Ｍに流入するアノードガスが、ノズル１４から流出するガスに対して直角より小さい角度で合流する。具体的には、入口側配管１２から誘導流路部Ｇに流入するガスの主流の速度ベクトルは、誘導流路部Ｇに流入する時点において、ノズル１４の先端部１４ａにおけるガスの主流の速度ベクトルと同じ向きのベクトル成分を有している（両速度ベクトルの内積が正の値をとる）。従って、ノズル１４の先端部１４ａからディフューザＤに至るガスの流れが吸入口側配管１２から流入したガスによって阻害されることが抑制され、また、吸入口側配管１２から流入したガスの流れがノズル１４から流入したガスによって阻害されることも抑制される。これにより、循環流路５及び迂回路７内を流れるガスの圧力損失を低減することができる。
また、本実施形態では、絞り部Ｔの先端部１４ａを、吸入口側配管１２内の流路の中心線と駆動ガス入口側配管１１及び吐出口側配管１３内の流路の中心線との交点近傍に配置して、圧力が最も低くなる先端部１４ａ近傍に吸入口側配管１２からのガスを合流させている。そのため、迂回路７側から逆流防止装置９に流入したガスを吐出口側配管１３に引き込む際の引き込み力をより大きくすることができる。

このような逆流防止装置９により、合流部Ｍから水素ポンプ８が備えられる迂回路７側に流れる逆流が防止される。
以下、燃料電池システムＳ１の各運転時における逆流防止装置９の作用を説明する。燃料電池システムＳ１の運転は、最大出力あるいはそれに近い出力で運転される高負荷時と、高負荷時と比較して発電量が少ない中負荷時と、パージ時や暖機運転時などの低負荷時とに大別される。

高負荷時には、高圧水素タンク２から多量の水素ガスが供給されるため、ジェットポンプ６は高い昇圧性能を発揮する。それと共に、多量の水素ガスを循環させるために、水素ポンプ８も高出力で駆動される。そのため、アノードガスが水素ポンプ８によって迂回路７から合流部Ｍに圧送されるため、合流部Ｍから水素ポンプ８側へ向かう逆流は発生しない。

中負荷時には、燃料電池スタック１の発電量の低下に合わせて、水素ガスの循環流量が少なくなる。そのため、ジェットポンプ６のみによる水素ガスの循環で発電に必要な流量を賄うことができ、水素ポンプ８は停止される。この場合、ジェットポンプ６で圧送されたアノードガスにより、循環流路５と迂回路７との合流部Ｍの圧力が、水素ポンプ８より上流側の分岐部Ｂの圧力よりも高くなる。そして、水素ポンプ８が停止されているため、アノードガスが合流部Ｍから迂回路７に流入し、水素ポンプ８を吐出口８ａ側から吸入口８ｂ側に通過して分岐部Ｂに向かう逆流が発生する虞がある。この逆流が発生すると、ジェットポンプ６から燃料電池スタック１へ圧送されるアノードガスの一部が、燃料電池スタック１内の水素ガス流路を流れることなく、迂回路７及び循環流路５からなるループを循環することとなり、アノードガスの循環効率が低下する。

これに対し、本実施形態の逆流防止装置９は、上述したように、循環流路５上流側から流入するガスの流れを絞り部Ｔで絞って、ガスの圧力を低下させる。そして、水素ポンプ８が停止された状態でも、誘導流路部Ｇで迂回路７側のアノードガスを引き込み、これを循環流路５上流側から流入するガスとともに循環流路５下流側へ圧送することができる。これにより、合流部Ｍから水素ポンプ８を通過して分岐部Ｂへ向かう逆流が抑制される。

このようにして、本実施形態のガス循環システムＲＳは、逆止弁を設けることなく逆流を抑制できる。本実施形態の逆流防止装置９は、絞り部Ｔと誘導流路部Ｇによってガスを誘導することで逆流を防止するため、流路が弁によって閉じられる逆止弁と比較して、圧力損失が低減される。そして、循環流路５を流れるガスの圧力損失が低減されるため、その分、小型のポンプでアノードガスの循環を行うことができ、システムを小型化できる。

一方、低負荷時には、高圧水素タンク２からの水素ガスの供給が減るため、ジェットポンプ６の駆動ガスの流量が減少し、昇圧性能が低くなる。そのため、水素ポンプ８を中心にアノードガスの循環を行う必要がある。この場合、水素ポンプ８で圧送されたガスにより、合流部Ｍの圧力が、分岐部Ｂの圧力よりも高くなる。そのため、アノードガスが合流部Ｍから合流部Ｍ上流側の循環流路５に流入し、ジェットポンプ６を吐出口６ｃ側から吸入口６ｂ側へ通過して分岐部Ｂに向かう逆流が循環流路５に発生する虞がある。

これに対し、本実施形態では、合流部Ｍの第２絞り部Ｔ２で、水素ポンプ８側から流入するガスの流れが絞りによって増速され、静圧が低下する。また、吸入口側配管１２と吐出口側配管１３とがなす角は、吸入口側配管１２と駆動ガス入口側配管１１とがなす角より大きいため、アノードガスは吸入口１２ａから吐出口１３ａへ向かいやすくなる。さらに、絞り部Ｔであるノズル１４の先端部１４ａの開口面積が小さくなっていることにより、吸入口側配管１２から駆動ガス入口側配管１１へ向かうガスの流れが阻害される。これにより、ジェットポンプ６の昇圧性能が小さくなる条件下でも、迂回路７側から流入したガスが、循環流路５上流側へ逆流しにくくなる。
以上のように、本実施形態の逆流防止装置９は、合流部Ｍから水素ポンプ８側への逆流を抑制する効果に加え、合流部Ｍからジェットポンプ６側への逆流を抑制する効果を奏する。

なお、水素ポンプ８と逆流防止装置９との間の迂回路７の配管の流路断面積を小さくし、これと合わせて、吸入口側配管１２の流路断面積や第２絞り部Ｔ２の流路断面積を小さくすることが望ましい。これにより、迂回路７側から流入したガスの流れがさらに増速され、第２絞り部Ｔ２でさらに絞られることで、合流部Ｍの圧力が小さくなり、低負荷時に、循環流路５上流側のガスを引き込む作用がさらに強められる。

また、本実施形態の逆流防止装置９は、逆止弁のように流路が閉じられることがない。これにより、凍結による流路の閉塞の可能性を低減できる。すなわち、逆止弁により逆流を防止する燃料電池システムは、システムが停止している間に氷点下環境下に晒されると、燃料電池スタックで生成され循環流路内に残っていた水によって、逆止弁が閉じた状態で凍結してしまう可能性がある。そして、その場合は、次回起動時にアノードガスの循環ができなくなる。これに対し、本実施形態の逆流防止装置９は、流路が常に開放されているため、逆止弁と比較して、上記水による流路凍結のリスクを低減することができる。

ところで、本実施形態では、水素ポンプ８と比較して最大吐出流量の大きいジェットポンプ６を使用しており、ジェットポンプ６を主たる圧送装置としてアノードガスの循環を行う。その際、合流部Ｍでは、合流部Ｍ上流側の循環流路５と合流部Ｍ下流側の循環流路５とが直線的に接続されるため、ジェットポンプ６から送給されるガスが、合流部Ｍを直線的に通過できる。これにより、循環アノードガスの大部分を占める循環流路５内を流れるガスの流れ方向を大きく変えることなく合流を行えるため、圧力損失を低減でき、より効率的にアノードガスの循環を行うことができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態にかかる燃料電池システムＳ２の概略構成図である。なお、以下の各実施形態において、先の実施形態と同様の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

本実施形態の燃料電池システムＳ２は、図３に示すように、ガス循環システムＲＳにおける逆流防止装置に対するジェットポンプ６と水素ポンプ８の位置関係が第１実施形態における位置関係と逆になっている点において、燃料電池システムＳ１と異なる。また、これに合わせて、逆流防止装置に対する循環流路５と迂回路７の接続方向が第１実施形態における接続方向と逆になっている点においても、燃料電池システムＳ２は、燃料電池システムＳ１と異なる。

図４に、第２実施形態の合流部Ｍに備えられる逆流防止装置９Ａを示す。図４に示すように、本実施形態の逆流防止装置９Ａは、第１実施形態の逆流防止装置９と比較して、駆動ガス入口側配管１１と吸入口側配管１２の位置が入れ替わっている。つまり、吸入口側配管１２と吐出口側配管１３とが直線的に接続されている。具体的には、吸入口側配管１２内の流路と吐出口側配管１３内の流路とが同一直線上に位置する。一方、駆動ガス入口側配管１１は、上記直線状の流路を形成する吸入口側配管１２及び吐出口側配管１３に対して直角から少し吸入口側配管１２側に傾いた角度で接続される。つまり、吸入口側配管１２内の流路の中心線と駆動ガス入口側配管１１内の流路の中心線とがなす角は、９０度より小さい。これにより、迂回路７と合流部Ｍより下流側の循環流路５とが直線的に接続され、合流部Ｍより上流側の循環流路５が、直線状の流路に対して直角から少し迂回路７側に傾いた角度で接続される。

第１実施形態との更なる相違点として、第２実施形態の逆流防止装置９Ａでは、駆動ガス入口１１ａから流入したガスが、ノズル１４の周囲から、ノズル１４の先端部１４ａを包み込むようにして流れ、吐出口１３ａへ向かうことが挙げられる。すなわち、本実施形態の逆流防止装置９Ａは、増幅ノズルの形態をとる。

本実施形態の絞り部Ｔは、迂回路７側配管に設けられるノズル１４の先端部１４ａと、駆動ガス入口側配管１１及び吐出口側配管１３の流路壁との間に構成される流路である。具体的には、絞り部Ｔは、駆動ガス入口側配管１１及び吐出口側配管１３の流路壁とノズル１４の先端部１４ａの外周面とによって画成されている。絞り部Ｔの流路断面積は、その上流側及び下流側の流路断面積よりも小さくなっているので、循環流路５の上流側から流入するガスの流れは、ノズル１４の先端部１４ａの周囲を通過する際に絞られ、増速され、低圧化される。本実施形態では、ノズル１４が第２絞り部Ｔ２となる。

本実施形態の誘導流路部Ｇは、迂回路７側配管に設けられる第２絞り部Ｔ２と、吐出口側配管１３とから構成される。迂回路７から吸入口１２ａを介して流入したガスの流れは、第２絞り部Ｔ２で絞られた後、駆動ガス入口１１ａから流入するガスの流れに包み込まれるように流れ、これに合流される。そして、迂回路７から流入したガスは、誘導流路部Ｇを通って逆流防止装置９Ａ内を直線的に流れ、逆流防止装置９Ａ下流側の循環流路５を介して、アノードガス入口１ｂへ誘導される。

以下に、本実施形態の逆流防止装置９Ａの作用を説明する。
燃料電池システムＳ２の中負荷運転時においては、水素ポンプ８が停止されて迂回路７側のガスの圧送が止まる一方、ジェットポンプ６から圧送されたアノードガスが、逆流防止装置９Ａの駆動ガス入口１１ａから流入する。流入したアノードガスは、絞り部Ｔであるノズル１４の先端部１４ａの周囲を通って、吐出口１３ａ側へ向かう。その際、第２絞り部Ｔ２であるノズル１４内のガスは、ノズル１４の周囲を通過するガスによって吐出口側配管１３へ引き込まれる。そして、合流したガスは、誘導流路部Ｇを介して、アノードガス入口１ｂへ誘導される。このようにして、本実施形態の逆流防止装置９Ａも、水素ポンプ８停止時に、合流部Ｍから水素ポンプ８側へ向かう逆流を抑制することができる。

一方、燃料電池システムＳ２の低負荷運転時に、ジェットポンプ６に殆ど駆動ガスが供給されず、その昇圧性能が小さくなる場合にも、合流部Ｍからジェットポンプ６側へ向かう逆流を抑制できる。この場合、第１実施形態の中負荷時の作用とほぼ同等に、迂回路７から逆流防止装置９Ａに流入したガスの流れは、第２絞り部Ｔ２で絞られて低圧化されることで、循環流路５上流側のガスを巻き込んで吐出口１３ａから流出する。そのため、合流部Ｍからジェットポンプ６側へ向かう逆流を抑制できる。

本実施形態の合流部Ｍでは、迂回路７と合流部Ｍ下流の循環流路５とが直線的に接続される。そのため、ジェットポンプ６と比較して最大吐出流量の大きい水素ポンプ８を用いる場合に有効となる。つまり、ジェットポンプ６と水素ポンプ８の両方でガスを循環させる場合や、水素ポンプ８を主たる圧送装置としてガスの循環を行う際に、迂回路７から合流部Ｍに流入するガスの流れ方向を変えることなく循環を行うことができる。これにより、圧力損失を低減でき、より効率的にアノードガスの循環を行うことができる。

（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態にかかる燃料電池システムＳ３の概略構成図である。図６は、本発明の第３実施形態における逆流防止装置９Ｂの概略構成図である。図５、図６に示すように、第３実施形態の逆流防止装置９Ｂは、吐出口側配管１３の軸を含む平面を対称面とする面対称の形状をしたＹ字型の配管である。駆動ガス入口側配管１１と吸入口側配管１２は、それぞれ吐出口側配管１３と約１３５度の角度をなして接続される。そして、駆動ガス入口側配管１１と吸入口側配管１２は、約９０度の角度をなしている。

本実施形態の絞り部Ｔは、駆動ガス入口側配管１１に設けられたノズル１４Ａである。そして、吸入口側配管１２にも、第２絞り部Ｔ２として、ノズル１４Ｂが設けられる。

本実施形態の誘導流路部Ｇは、吸入口側配管１２、吐出口側配管１３、および絞り部Ｔであるノズル１４Ａの先端部１４Ａａとから構成される流路である。具体的には、誘導流路部Ｇは、吸入口側配管１２及び吐出口側配管１３の流路壁とノズル１４Ａの先端部１４Ａａの外周面とによって画成された流路である。吸入口１２ａから流入し、ノズル１４Ｂに絞られて合流点に到達したガスは、駆動ガス入口１１ａから流入してきたガスに巻き込まれて、吐出口１３ａへ誘導される。

本実施形態のガス循環システムＲＳによれば、逆流防止装置９Ｂが面対称の形状をしているため、中負荷時に合流部Ｍから水素ポンプ８側へ向かう逆流を抑制できると共に、低負荷時には合流部Ｍからジェットポンプ６側へ向かう逆流を抑制できる。

本実施形態の燃料電池システムＳ３が中負荷時であり、迂回路７に備えられる水素ポンプ８が停止される場合の逆流防止装置９Ｂの作用は、第１実施形態の逆流防止装置９の中負荷時の作用とほぼ同等である。すなわち、循環流路５上流側から流入したガスが、駆動ガス入口側配管１１内の絞り部Ｔで低圧化されることで、吸入口側配管１２内のガスを巻き込む。そして、混合されたガスが、吐出口１３ａから圧送され、燃料電池スタック１のアノードガス入口１ｂへ向かう。このようにして、合流部Ｍから水素ポンプ８側へ向かうガスの逆流を抑制する。

また、本実施形態の燃料電池システムＳ３が低負荷時であり、循環流路５に備えられるジェットポンプ６の昇圧性能が小さくなる場合にも、逆流防止装置９Ｂによって合流部Ｍからジェットポンプ６側へ向かうガスの逆流を抑制できる。すなわち、迂回路７から流入したガスが、迂回路７側配管内の第２絞り部Ｔ２で絞られ、循環流路５側配管内のガスを巻き込む。そして、混合されたガスが、吐出口１３ａから圧送され、燃料電池スタック１のアノードガス入口１ｂへ向かう。このようにして、合流部Ｍからジェットポンプ６側へ向かうガスの逆流を抑制する。

本実施形態の構成は、水素ポンプ８の最大吐出流量が、ジェットポンプ６の最大吐出流量と同程度の場合に有効となる構成である。この場合、上流側の循環流路５から合流部Ｍに流入するガスも、迂回路７から合流部Ｍに流入するガスも、合流部Ｍで約１３５度の角度で曲がってアノードガス入口１ｂ側へ流れるため、直角に曲がる場合と比べて、圧力損失が低減される。このため、本実施形態によれば、効率的にアノードガスの循環を行うことができる。

なお、本実施形態の合流部Ｍにおける駆動ガス入口側配管１１、吸入口側配管１２及び吐出口側配管１３の接続角度は一例を表すものであり、これに限定されず、上記の角度に近い角度を有する逆流防止装置９Ｂであれば同等の効果を奏する。他にも、迂回路７側から流入したガスが、循環流路５上流側より循環流路５下流側へ向かいやすくなる配管の配置であれば、同様に採用できる。

（その他の実施形態）
本発明の構成は、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各構成部材の形状、個数および材質等々を適宜変更することが可能である。また、逆流防止装置９，９Ａ，９Ｂの構成も、上記各実施形態の構成を適宜組み合わせて構成することができる。

例えば、第１及び第２実施形態においては、合流部Ｍ上流側の循環流路５と迂回路７とのうち、最大吐出流量がより大きい圧送装置（ジェットポンプ６、水素ポンプ８）を備えた流路が、合流部Ｍにおいて、合流部Ｍ下流側の循環流路５と直線的に接続されている。しかし、圧送装置を比較する際に用いるパラメータは最大吐出流量に限らない。例えば、最大吐出圧力が大きい圧送装置を備えた流路が、合流部Ｍ下流側の循環流路５と直線的に接続されてもよい。

この場合、最大吐出圧力が大きい圧送装置からは、高圧のアノードガスが逆流防止装置９，９Ａ，９Ｂに供給されるため、逆流防止装置９，９Ａ，９Ｂの絞り部Ｔを通過する際の流速が大きくなり、絞りの効果が高まる。これにより、合流部Ｍの圧力低下を大きくし、停止されたポンプへの逆流を抑制することができる。

また、ジェットポンプ６と水素ポンプ８とのうち、最大昇圧値が得られる最適流量が大きい方の昇圧装置を備える流路が合流部Ｍ下流側の循環流路５と直線的に接続されてもよい。他にも、ポンプの性能を表すパラメータであれば、様々なパラメータを用いて両ポンプを比較できる。

さらに、上記各実施形態では、水素ポンプ８として遠心式のブロアを用いたが、他の方式のブロアや圧縮機を水素ポンプ８として採用することも可能である。停止時ガスが逆流しうる方式の水素ポンプ８であれば、上記各実施形態の場合と同様の逆流防止の効果を発揮できる。

ＲＳ ガス循環システム
１ 燃料電池スタック（燃料電池）
１ａ アノードガス出口
１ｂ アノードガス入口
２ 高圧水素タンク（供給源）
５ 循環流路
６ ジェットポンプ
７ 迂回路
８ 水素ポンプ（ポンプ）
９，９Ａ，９Ｂ 逆流防止装置
Ｇ 誘導流路部
Ｍ 合流部
Ｔ 絞り部（第１絞り部）
Ｔ２ 第２絞り部

Claims (6)

1. 燃料電池のアノードガス出口から排出されたガスを、前記燃料電池のアノードガス入口に導入する循環流路と、
   前記循環流路を流れるガスを、供給源から供給されるガスと混合させて圧送するジェットポンプと、
   前記アノードガス出口から排出されたガスを、前記ジェットポンプを迂回して前記循環流路に合流させる迂回路と、
   前記迂回路を流れるガスを圧送するポンプと、
   前記循環流路と前記迂回路との合流部において、前記循環流路上流側から流入するガスを、前記迂回路への流入を抑制しつつ前記循環流路下流側へ送給するための逆流防止装置と、
   を備え、
   前記逆流防止装置は、前記循環流路上流側から流入するガスの流れを絞る第１絞り部と、当該第１絞り部から流出するガスによって、前記迂回路から流入するガスを前記アノードガス入口に誘導する誘導流路部とを有することを特徴とする燃料電池用ガス循環システム。
2. 前記第１絞り部はノズルであり、当該ノズルの先端部の外周面が前記誘導流路部の一部を画成していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス循環システム。
3. 前記逆流防止装置が、前記迂回路から流入するガスの流れを絞る第２絞り部を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用ガス循環システム。
4. 前記誘導流路部は、前記迂回路から流入するガスの流れを絞るノズルを有し、
   前記第１絞り部は、前記ノズルの先端部の外周面と、当該先端部の周囲に位置する流路壁との間に画成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用ガス循環システム。
5. 前記ジェットポンプと前記ポンプのうち最大吐出流量がより大きい圧送装置を備えた、前記合流部より上流側の前記循環流路及び前記迂回路のいずれか一方が、前記合流部において、当該合流部より下流側の前記循環流路と直線的に接続されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス循環システム。
6. 前記ジェットポンプと前記ポンプのうち最大吐出圧力がより大きい圧送装置を備えた、前記合流部より上流側の前記循環流路及び前記迂回路のいずれか一方が、前記合流部において、当該合流部より下流側の前記循環流路と直線的に接続されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用ガス循環システム。

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