JP2009151987A - Fluid distribution system and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第１系統の第１流体に第２系統の第２流体を合流させ、その合流後の混合流体を分配する流体分配システムと、この流体分配システムを反応ガスの循環系統に適用した燃料電池システムに関するものである。 The present invention applies a fluid distribution system for merging the second fluid of the second system to the first fluid of the first system and distributing the mixed fluid after the merging, and this fluid distribution system is applied to a reaction gas circulation system. The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池システムは、水素ガス及び酸素ガス（以下、総称して「反応ガス」という。）の供給を受けて発電する燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックから排出される水素オフガス及び酸化オフガス中には、燃料電池スタックの発電に寄与しなかった水素ガス及び酸化ガスが含まれ得る。この未反応の水素ガスを発電に再利用すべく、ポンプやエジェクタを用いて水素オフガスを循環し、水素タンクからの水素ガスに合流させて、その合流後の混合ガスを燃料電池に供給する燃料電池システムがある（例えば特許文献１参照）。
ところで、燃料電池システムとして、二つの燃料電池スタックを備えたものも知られている。このような燃料電子システムで水素オフガスを循環供給する場合、二つの燃料電池スタックに合流後の混合ガスを分配する必要がある。ところが、水素オフガスには、クロスリークにより電解質膜を透過してきた窒素ガス等の不純物が含まれており、水素タンクからの水素ガスよりも水素濃度が低い場合がある。このため、水素オフガス及び水素ガスからなる混合ガスを単純に分配したのでは、水素濃度の分配率に差が生じてしまう。この一例を図３を参照して説明する。 Incidentally, a fuel cell system including two fuel cell stacks is also known. When hydrogen off-gas is circulated and supplied in such a fuel electronic system, it is necessary to distribute the mixed gas after joining the two fuel cell stacks. However, the hydrogen off gas contains impurities such as nitrogen gas that has permeated the electrolyte membrane due to cross leak, and the hydrogen concentration may be lower than the hydrogen gas from the hydrogen tank. For this reason, if the mixed gas composed of the hydrogen off gas and the hydrogen gas is simply distributed, a difference occurs in the distribution ratio of the hydrogen concentration. An example of this will be described with reference to FIG.
図３（ａ）に示すように、水素ガスの供給系２００に水素オフガスの循環系２１０を接続し、この接続位置の下流で混合ガスを二つの分配流路２２０，２３０に分配する場合を想定する。二つの分配流路２２０，２３０は、一方は分岐部から左方向に延在し、他方は分岐部から右方向に延在する。循環系２１０の導入管２４０は、供給系２００の配管内部にその側方から挿入されて配置され、導入管２４０の導入口２５０は、供給系２００の配管内部の中央で下流に向かって開口する。 As shown in FIG. 3A, it is assumed that a hydrogen off-gas circulation system 210 is connected to the hydrogen gas supply system 200 and the mixed gas is distributed to the two distribution channels 220 and 230 downstream of the connection position. To do. One of the two distribution channels 220 and 230 extends leftward from the branch portion, and the other extends rightward from the branch portion. The introduction pipe 240 of the circulation system 210 is inserted into the piping of the supply system 200 from the side thereof, and the introduction port 250 of the introduction pipe 240 opens downstream in the center of the inside of the supply system 200. .
図３（ａ）の矢印２６０の方向から（供給系２００の上流側）から見ると、図３（ｂ）に示すように、供給系２００の配管内の流路断面は、その中央から右側にのみ導入管２４０が配置されているので、左右均等にならない。それゆえ、導入管２４０の位置で水素ガスの流路抵抗が左右で異なるため、水素ガスは左側の分配流路２２０に流れ易い一方、水素オフガスは右側の分配流路２３０に流れ易くなる。その結果、左右の分配流路２２０，２３０間で水素濃度に差が生じる。この水素濃度の差によって、二つの燃料電池スタック間の発電特性に差が生じるおそれがある。 When viewed from the direction of the arrow 260 in FIG. 3A (upstream of the supply system 200), as shown in FIG. 3B, the cross section of the flow path in the piping of the supply system 200 extends from the center to the right side. Since only the introduction pipe 240 is arranged, the left and right are not even. Therefore, since the flow resistance of the hydrogen gas differs between the left and right at the position of the introduction pipe 240, the hydrogen gas easily flows into the left distribution flow path 220, while the hydrogen off-gas easily flows into the right distribution flow path 230. As a result, a difference in hydrogen concentration occurs between the left and right distribution channels 220 and 230. This difference in hydrogen concentration may cause a difference in power generation characteristics between the two fuel cell stacks.
本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、二つの流体を混合してから分配する場合に、濃度などの流体状態量が均等になるように分配することが可能な流体分配システム及び燃料電池システムを提供することをその目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and in the case where two fluids are mixed and then distributed, the fluid that can be distributed so that the fluid state quantity such as the concentration becomes equal. The object is to provide a distribution system and a fuel cell system.
上記目的を達成するための本発明の流体分配システムは、第１系統の第１流体に第２系統の第２流体を合流させ、その合流後の混合流体を分配するものにおいて、第２系統が、第１系統の配管内部を対称的に分断するように配置された導入管を有しており、導入管には、第１系統の配管内部に第２流体を導入するための導入口が当該配管内部で対称的に形成されるものである。 In order to achieve the above object, the fluid distribution system of the present invention is configured to join the second fluid of the second system to the first fluid of the first system and distribute the mixed fluid after the joining. , Having an introduction pipe arranged so as to symmetrically divide the inside of the first system pipe, and the introduction pipe has an introduction port for introducing the second fluid into the first system pipe It is formed symmetrically inside the pipe.
本発明によれば、導入管の配置の仕方を工夫しているので、第１系統の配管内部の流路断面が対称的になり、この配管内部では第１流体が導入管の外側を対称的に流れる。また、この配管内部では導入口が対称的に存在するので、配管内部に導入された第２流体も対称的に流れる。このような流れとなる第１流体と第２流体とが合流・混合するので、混合流体としては第１流体及び第２流体の一方が局部的に多くなることを抑制される。よって、第１流体及び第２流体の一方の流体状態量（濃度、温度又は湿度など）に偏らせることなく、混合流体を均等に分配することができる。 According to the present invention, since the way of arranging the introduction pipe is devised, the cross section of the flow path inside the pipe of the first system becomes symmetric, and the first fluid is symmetric around the outside of the introduction pipe inside this pipe. Flowing into. In addition, since the inlets exist symmetrically inside the pipe, the second fluid introduced into the pipe also flows symmetrically. Since the 1st fluid and 2nd fluid which become such a flow merge and mix, it is suppressed that one of the 1st fluid and the 2nd fluid increases locally as a mixed fluid. Therefore, the mixed fluid can be evenly distributed without being biased toward one of the fluid state quantities (concentration, temperature, humidity, etc.) of the first fluid and the second fluid.
好ましくは、流体分配システムは、混合流体を分岐させる分岐部から左右の方向にそれぞれ延在する二つの分配流路を有しており、導入口は、第１系統の配管内部で左右対称に形成されるとよい。 Preferably, the fluid distribution system has two distribution passages extending in the left and right directions from the branching portion for branching the mixed fluid, and the inlets are formed symmetrically inside the first system pipe. It is good to be done.
こうすることで、第２流体が第１系統の配管内部で左右対称に流れるようになるので、左右の各分配流路に分配される混合流体中の第２流体の割合を均等にできる。 By doing so, the second fluid flows symmetrically inside the first system pipe, so that the ratio of the second fluid in the mixed fluid distributed to the left and right distribution channels can be made uniform.
より好ましくは、導入管は、第１系統の配管内部の流路断面が左右対称になるように、配管内部に配置されるとよい。 More preferably, the introduction pipe may be arranged inside the pipe so that the flow path cross section inside the first system pipe is symmetrical.
こうすることで、第１系統の配管内部を流れる第１流体は導入管の前後で左右対称を維持しながら流れるようになるので、左右の各分配流路に分配される混合流体中の第１流体の割合を均等にできる。 By doing so, the first fluid flowing inside the first system pipe flows while maintaining left-right symmetry before and after the introduction pipe, so the first fluid in the mixed fluid distributed to the left and right distribution flow paths The ratio of fluid can be made uniform.
好ましくは、第１系統の配管の延在方向が前後方向である場合、導入管は、第１系統の配管内部を上下対称に分断するとよい。 Preferably, when the extending direction of the first system pipe is the front-rear direction, the introduction pipe may divide the inside of the first system pipe symmetrically.
好ましくは、第１系統の配管内部の流路及び二つの分配流路は、Ｔ字状又はＹ字状の流路を構成するとよい。 Preferably, the flow path inside the first system pipe and the two distribution flow paths may constitute a T-shaped or Y-shaped flow path.
こうすることで、分岐部に例えばロータリー弁を設けなくとも、構造上、混合流体を均等の流量で二つの分配流路に分配することが可能となる。 By doing so, it is possible to distribute the mixed fluid to the two distribution flow paths at an equal flow rate without providing, for example, a rotary valve at the branch portion.
好ましくは、導入口は、第１系統の配管内部において、第１流体の下流側に向かって開口するとよい。 Preferably, the inlet may be opened toward the downstream side of the first fluid in the first system pipe.
こうすることで、第１流体と第２流体との合流時に、両者が相互に受ける抵抗を低減することができる。これにより、混合流体の圧損を低減することができる。 By carrying out like this, the resistance which both receive mutually at the time of the confluence | merging of a 1st fluid and a 2nd fluid can be reduced. Thereby, the pressure loss of the mixed fluid can be reduced.
上記目的を達成するための本発明の燃料電池システムは、ガス供給源からの反応ガスに、燃料電池の少なくとも二つのモジュールから排出された反応オフガスを合流させ、その合流後の混合ガスを分配して少なくとも二つのモジュールに循環供給するものにおいて、本発明の流体分配システムを備え、前記第１流体として反応ガスを用い、前記第２流体として反応オフガスを用いたものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell system of the present invention combines reaction off-gas discharged from at least two modules of a fuel cell with reaction gas from a gas supply source, and distributes the mixed gas after the merge. And supplying the fluid to at least two modules, the fluid distribution system of the present invention is provided, and a reaction gas is used as the first fluid and a reaction off gas is used as the second fluid.
本発明によれば、燃料電池の各モジュールに同じ流体状態量の混合ガスを供給することができ、モジュール間でのバラツキを抑制できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the mixed gas of the same fluid state quantity can be supplied to each module of a fuel cell, and the dispersion | variation between modules can be suppressed.
好ましくは、ガス供給源は、水素を含む燃料ガスの供給源であるとよい。 Preferably, the gas supply source is a fuel gas supply source containing hydrogen.
この構成によれば、混合流体の水素濃度を均等にして、混合流体を各モジュールに分配供給することができる。 According to this configuration, the mixed fluid can be distributed and supplied to each module with the hydrogen concentration of the mixed fluid made uniform.
以上説明した本発明の流体分配システム及び燃料電池システムによれば、二つの流体を混合してから分配する際に、濃度などの流体状態量を均等にすることができる。 According to the fluid distribution system and the fuel cell system of the present invention described above, when the two fluids are mixed and distributed, the fluid state quantities such as the concentration can be equalized.
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る流体分配システムを燃料電池システムの燃料ガスの循環系統に適用した例について説明する。 Hereinafter, an example in which a fluid distribution system according to a preferred embodiment of the present invention is applied to a fuel gas circulation system of a fuel cell system will be described with reference to the accompanying drawings.
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック１０に供給する酸化ガス配管系２と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック１０に供給する燃料ガス配管系３と、を備える。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能である。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 10, an oxidizing gas piping system 2 that supplies air as an oxidizing gas to the fuel cell stack 10, and hydrogen gas as a fuel gas. And a fuel gas piping system 3 to be supplied. The fuel cell system 1 is used as an in-vehicle power generation system for fuel cell vehicles, a power generation system for any moving body such as a ship, an aircraft, a train, or a walking robot, and also as a power generation facility for buildings (housing, buildings, etc.). It can be applied to stationary power generation systems.
燃料電池スタック１０は、それぞれ単体でも燃料電池として機能する二つの制御対象モジュール１０Ａ，１０Ｂ（以下、モジュールと略記する。）を備える。モジュール１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ、固体高分子型の単セルを複数積層してなる。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟む一対のセパレータを有する。一方のセパレータの酸化ガス流路１１に酸化ガスが供給され、他方のセパレータの燃料ガス流路１２に燃料ガスが供給され、これらの電気化学反応により、モジュール１０Ａ，１０Ｂは電力を発生する。また、単セルでの電気化学反応により、発熱が起きると共に、水が生成される。 The fuel cell stack 10 includes two control target modules 10 </ b> A and 10 </ b> B (hereinafter abbreviated as modules) each functioning alone as a fuel cell. Each of the modules 10A and 10B is formed by stacking a plurality of solid polymer type single cells. The single cell has an air electrode on one surface of an electrolyte membrane made of an ion exchange membrane, a fuel electrode on the other surface, and a pair of separators that sandwich the air electrode and the fuel electrode from both sides. The oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas channel 11 of one separator and the fuel gas is supplied to the fuel gas channel 12 of the other separator, and the modules 10A and 10B generate electric power by these electrochemical reactions. Moreover, due to the electrochemical reaction in a single cell, heat is generated and water is generated.
酸化ガス配管系２は、一系統の供給配管２１と、供給配管２１の下流で分岐した二系統の配管２１Ａ，２１Ｂと、モジュール１０Ａ，１０Ｂから排出される酸化オフガスが流れる二系統の配管２２Ａ、２２Ｂと、配管２２Ａ，２２Ｂの下流に合流した一系統の排出配管２２と、を備えている。コンプレッサ２４により取り込まれた大気中の酸化ガスは、加湿器２０で酸化オフガスとの水交換により加湿されてから、配管２１Ａ，２１Ｂを介して二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂに分配供給される。 The oxidizing gas piping system 2 includes a single supply pipe 21, two piping 21 </ b> A and 21 </ b> B branched downstream from the supply piping 21, and two piping 22 </ b> A through which oxidizing off-gas discharged from the modules 10 </ b> A and 10 </ b> B flows. 22B and one system of discharge pipes 22 joined downstream of the pipes 22A and 22B. The oxidizing gas in the atmosphere taken in by the compressor 24 is humidified by water exchange with the oxidizing off gas in the humidifier 20, and then distributed and supplied to the two modules 10A and 10B through the pipes 21A and 21B.
燃料ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留したガス供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０に接続された一系統の供給配管３１と、供給配管３１の下流の分岐部３１ａで分岐した二系統の配管３１Ａ，３１Ｂと、モジュール１０Ａ，１０Ｂから排出される水素オフガスが流れる二系統の配管３２Ａ，３２Ｂと、配管３２Ａ，３２Ｂの下流に合流した一系統の循環配管３２と、供給配管３１に設けられた遮断弁付レギュレータ３３と、を備えている。 The fuel gas piping system 3 branches at a hydrogen tank 30 as a gas supply source storing high-pressure hydrogen gas, a single supply piping 31 connected to the hydrogen tank 30, and a branching portion 31 a downstream of the supply piping 31. The two pipes 31A and 31B, the two pipes 32A and 32B through which the hydrogen off-gas discharged from the modules 10A and 10B flows, the one circulation pipe 32 joined downstream of the pipes 32A and 32B, and the supply pipe And a regulator 33 with a shut-off valve provided at 31.
気液分離器３４は、循環配管３２に設けられ、水素オフガスを気体分と液体分（生成水）を分離する。排出配管３５上の排出弁３６を開弁することで、気液分離器３４で回収した液体分が、水素オフガスとともに排出配管３５を介して外部に排出される。循環ポンプ３７は、供給配管３１の分岐前の合流部３１ｂに戻すように、循環配管３２内の水素オフガスを圧送する。以上のような構成により、水素タンク３０からの水素ガスは、合流部３１ｂで水素オフガスに混合された後、比較的すぐに分岐部３１ａで配管３１Ａ，３１Ｂへと分配されて、二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂに供給される。なお、分岐部３１ａは、モジュール１０Ａ，１０Ｂよりも合流部３１ｂに近い位置にある。 The gas-liquid separator 34 is provided in the circulation pipe 32 and separates the hydrogen off-gas from a gas component and a liquid component (product water). By opening the discharge valve 36 on the discharge pipe 35, the liquid component recovered by the gas-liquid separator 34 is discharged to the outside through the discharge pipe 35 together with the hydrogen off gas. The circulation pump 37 pressure-feeds the hydrogen off-gas in the circulation pipe 32 so as to return to the junction 31 b before branching of the supply pipe 31. With the configuration as described above, the hydrogen gas from the hydrogen tank 30 is mixed with the hydrogen off-gas at the junction 31b, and then is relatively quickly distributed to the pipes 31A and 31B at the branch portion 31a. , 10B. Note that the branching portion 31a is located closer to the joining portion 31b than the modules 10A and 10B.
水素オフガスには、空気極側から燃料極側へとイオン交換膜を透過してきた窒素ガスなどの不純物が含まれる。このため、水素オフガスは、水素タンク３０からの純粋な水素ガスに比べると、水素濃度が低い。合流部３１ｂで合流・混合した後の水素オフガス及び水素ガス（以下、「混合ガス」という。）は、分岐部３１ａで二方向の配管３１Ａ，３１Ｂへと分配される。本実施形態では、二つのモジュール１０Ａ，１０Ｂへと分配供給される混合ガスについて、水素濃度の分配率が均等になるように分岐部３１ａまわりの構造を工夫している。 The hydrogen off gas contains impurities such as nitrogen gas that has passed through the ion exchange membrane from the air electrode side to the fuel electrode side. For this reason, the hydrogen off-gas has a lower hydrogen concentration than the pure hydrogen gas from the hydrogen tank 30. The hydrogen off-gas and hydrogen gas (hereinafter referred to as “mixed gas”) after being joined and mixed in the joining part 31b are distributed to the two-way pipes 31A and 31B in the branch part 31a. In the present embodiment, the structure around the branch portion 31a is devised so that the distribution ratio of the hydrogen concentration is uniform for the mixed gas distributed and supplied to the two modules 10A and 10B.
図２は、本発明の流体配分システムを分岐部３１ａまわりの構造に適用した図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。なお、ここでは、流体配分システムは、主に、供給配管３１、循環配管３２及び配管３１Ａ，３１Ｂ等により構成される。 2A and 2B are diagrams in which the fluid distribution system of the present invention is applied to the structure around the branch portion 31a, where FIG. 2A is a cross-sectional view, and FIG. 2B is a cross-sectional view cut along the line BB in FIG. It is. Here, the fluid distribution system is mainly configured by a supply pipe 31, a circulation pipe 32, pipes 31A and 31B, and the like.
図２（ａ）に示すように、循環配管３２（第２系統）は、その先端部に、供給配管３１（第１系統）の内部に配置された導入管６０を有している。導入管６０は、上記の合流部３１ｂに位置するものであり、供給配管３１よりも径の小さい円筒形状で構成されている。また、導入管６０は、供給配管３１の延在方向（図２（ａ）の前後方向）に直交する方向（図２（ａ）の左右方向）に延在している。 As shown in FIG. 2 (a), the circulation pipe 32 (second system) has an introduction pipe 60 disposed inside the supply pipe 31 (first system) at the tip thereof. The introduction pipe 60 is located in the above-described merging portion 31 b and has a cylindrical shape having a diameter smaller than that of the supply pipe 31. The introduction pipe 60 extends in a direction (left-right direction in FIG. 2A) orthogonal to the extending direction of the supply pipe 31 (front-rear direction in FIG. 2A).
導入管６０は、図示省略した継手等の手段によって、供給管３１の取付け部７０に固定される。一方、導入管６０の先端面６２は、取付け部７０に対向する供給配管３１の内面に隙間無く接合される。導入管６０の円筒形状の周面の一部には、例えば二つの導入口６４，６６が貫通形成されている。導入口６４，６６は、水素オフガスを供給配管３１の内部に導入するためのものであり、供給配管３１の下流側に向かって開口している。 The introduction pipe 60 is fixed to the attachment portion 70 of the supply pipe 31 by means such as a joint not shown. On the other hand, the distal end surface 62 of the introduction pipe 60 is joined to the inner surface of the supply pipe 31 facing the attachment portion 70 without any gap. For example, two introduction ports 64 and 66 are formed through a part of the cylindrical peripheral surface of the introduction pipe 60. The inlets 64 and 66 are for introducing hydrogen off gas into the supply pipe 31 and open toward the downstream side of the supply pipe 31.
配管３１Ａ，３１Ｂは、混合ガスを分岐させる分岐部３１ａからの分岐直後の位置では、分岐部３１ａから左右の方向にそれぞれ延在している。配管３１Ｂは、循環配管３２と同じく、供給配管３１の右側で延在している。配管３１Ａ，３１Ｂ及び供給配管３１は、全体としてＴ字状の流路を構成しており、Ｔ字の交差部が分岐部３１ａとなっている。なお、配管３１Ａと配管３１Ｂとを連ねる奥側の部位（後側部位）には、供給配管３１の内部に向かって突出する分配促進部７２が形成されている。分配促進部７２は、供給配管３１及び導入管６０からの水素ガス及び水素オフガスを左右に均等に振り分けるように機能する。 The pipes 31 </ b> A and 31 </ b> B extend in the left and right directions from the branch part 31 a at positions immediately after branching from the branch part 31 a that branches the mixed gas. The piping 31 </ b> B extends on the right side of the supply piping 31, like the circulation piping 32. The pipes 31A and 31B and the supply pipe 31 constitute a T-shaped flow path as a whole, and a T-shaped intersection is a branching section 31a. A distribution promoting portion 72 that protrudes toward the inside of the supply pipe 31 is formed in a rear side part (rear side part) connecting the pipe 31A and the pipe 31B. The distribution promoting unit 72 functions to evenly distribute the hydrogen gas and hydrogen off-gas from the supply pipe 31 and the introduction pipe 60 to the left and right.
図２（ｂ）に示すように、導入管６０は、供給配管３１の内部を上下対称に分断する。詳細には、導入管６０の軸線は、供給配管３１の中心を通る左右方向の中心線Ｌ１に合致しており、供給配管３１の流路断面は、中心線Ｌ１に対して上下対称になる。その上下対称の流路断面は、導入管６０の上側及び下側にあり、略扇形を呈する。また、供給配管３１の流路断面は、供給配管３１の中心を通る上下方向の中心線Ｌ２に対して左右対称になる。一方、導入口６４と導入口６６とは、供給配管３１の中央内部で開口し、中心線Ｌ２に対して左右対称に位置する。また、導入口６４，６６は、その開口中心が中心線Ｌ１上に位置する。 As shown in FIG. 2B, the introduction pipe 60 divides the inside of the supply pipe 31 symmetrically. Specifically, the axis of the introduction pipe 60 matches the center line L1 in the left-right direction passing through the center of the supply pipe 31, and the flow path section of the supply pipe 31 is vertically symmetrical with respect to the center line L1. The vertically symmetrical flow path cross sections are on the upper side and the lower side of the introduction pipe 60 and have a substantially fan shape. Further, the flow path cross section of the supply pipe 31 is symmetrical with respect to the vertical center line L2 passing through the center of the supply pipe 31. On the other hand, the introduction port 64 and the introduction port 66 open inside the center of the supply pipe 31, and are positioned symmetrically with respect to the center line L2. The opening centers of the inlets 64 and 66 are located on the center line L1.
ここで、分岐部３１ａ及び合流部３１ｂまわりの水素ガス、水素オフガス及び混合ガスの流れについて説明する。 Here, the flow of the hydrogen gas, the hydrogen off-gas, and the mixed gas around the branch portion 31a and the merge portion 31b will be described.
供給配管３１内の水素ガスは、導入管６０の上側及び下側の空間を、それぞれ同じ流量で通過する。これは、上記のとおり、供給配管３１の流路断面が上下対称及び左右対称になっているために、導入管６０の上側及び下側の空間における流路抵抗が同じになるからである。一方、循環配管３２内の水素オフガスは、左右の導入口６４，６６からそれぞれ同じ流量で供給配管３１の下流側へと導入される。これは、上記のとおり、導入口６４，６６が供給配管３１の内部で左右対称に位置するからである。したがって、導入口６４，６６の下流側で合流した水素ガス及び水素オフガスは、それぞれが少なくとも左右方向において均等に存在する混合ガスとなる。混合ガスは、その後、分配促進部７２で左右への分配を促進されて、配管３１Ａ，３１Ｂに分配される。 The hydrogen gas in the supply pipe 31 passes through the space above and below the introduction pipe 60 at the same flow rate. This is because the flow path resistance in the space above and below the introduction pipe 60 is the same because the cross section of the flow path of the supply pipe 31 is vertically and horizontally symmetrical as described above. On the other hand, the hydrogen off-gas in the circulation pipe 32 is introduced to the downstream side of the supply pipe 31 at the same flow rate from the left and right inlets 64 and 66. This is because the inlets 64 and 66 are positioned symmetrically inside the supply pipe 31 as described above. Therefore, the hydrogen gas and the hydrogen off-gas that have merged on the downstream side of the introduction ports 64 and 66 become mixed gases that exist evenly in at least the left-right direction. Thereafter, the mixed gas is promoted to the left and right by the distribution promoting unit 72 and distributed to the pipes 31A and 31B.
以上説明した本実施形態によれば、分配前の混合ガスでは、水素ガス及び水素オフガスが左右方向（分配方向）において均等に存在するので、分配前から水素濃度を左右で等濃にしておくことができる。これにより、混合ガスの分配後においても水素濃度を左右で等濃に保つことができ、混合ガスを配管３１Ａ，３１Ｂに均等分配することができる。 According to the present embodiment described above, in the mixed gas before distribution, the hydrogen gas and the hydrogen off-gas are equally present in the left-right direction (distribution direction). Can do. Thereby, even after distribution of the mixed gas, the hydrogen concentration can be kept equal on the left and right, and the mixed gas can be evenly distributed to the pipes 31A and 31B.
したがって、燃料電池スタック１０のモジュール１０Ａ，１０Ｂに、同じ水素濃度の混合ガスを供給することができる。このような本実施形態による構造は、特に、水素ガス及び水素オフガスの合流後にすぐに分配させる場合に有効である。また、構造自体が単純であるので、省スペース化を図ることができる。 Therefore, the mixed gas having the same hydrogen concentration can be supplied to the modules 10A and 10B of the fuel cell stack 10. Such a structure according to the present embodiment is particularly effective when the hydrogen gas and the hydrogen off-gas are distributed immediately after joining. Moreover, since the structure itself is simple, space saving can be achieved.
なお、混合ガスは、水素濃度の分配率だけが均等になるのではなく、他の状態量の分配率も均等になる。例えば、水素オフガスは、生成水の気体成分を含むために水素ガスよりも湿度が高いが、この湿度の分配率も配管３１Ａ，３１Ｂ間で均等になる。また、水素オフガスは、燃料電池スタック１の発熱反応のために水素ガスよりも高温となるが、この温度の分配率も配管３１Ａ，３１Ｂ間で均等になる。 Note that not only the distribution ratio of hydrogen concentration is equalized in the mixed gas, but also the distribution ratios of other state quantities are equalized. For example, the hydrogen off-gas has a higher humidity than hydrogen gas because it contains a gaseous component of product water, but the humidity distribution rate is also uniform between the pipes 31A and 31B. Further, the hydrogen off-gas becomes higher than the hydrogen gas due to the exothermic reaction of the fuel cell stack 1, but the distribution ratio of this temperature is also uniform between the pipes 31A and 31B.
＜変形例＞
上記した本実施形態は、本発明の範囲を逸脱しない限り、適宜、設計変更することが可能である。
<Modification>
The above-described embodiment can be appropriately changed in design without departing from the scope of the present invention.
例えば、導入口６４，６６の数は任意であり、例えば一つであってもよい。その場合には、中心線Ｌ１と中心線Ｌ２との交差点に導入口を形成すればよい。また、配管３１Ａ，３１Ｂ及び供給配管３１からなる全体の流路は、Ｔ字状のみならず、その他の好ましい形状としては例えばＹ字状であるが、これらの形状に限られるものではない。さらに、分岐部３１ａにはロータリー弁を配置して、混合ガスを配管３１Ａ，３１Ｂに強制的に且つ流量制御可能に分配してもよい。 For example, the number of introduction ports 64 and 66 is arbitrary, and may be one, for example. In that case, an introduction port may be formed at the intersection of the center line L1 and the center line L2. In addition, the entire flow path including the pipes 31A and 31B and the supply pipe 31 is not only T-shaped but also has other Y-shaped shapes, for example, but is not limited to these shapes. Further, a rotary valve may be arranged in the branch part 31a to distribute the mixed gas to the pipes 31A and 31B compulsorily so that the flow rate can be controlled.
また、流体配分システムを燃料ガスの循環系統に適用した例を説明したが、酸化オフガスも燃料電池スタック１に循環供給する場合には、酸化ガスの循環系統に適用してもよい。さらに、流体配分システムは燃料電池システム１のみならず、流体を扱うシステムであればこれに適用することができ、また、流体の種類も気体及び液体を問わない。加えて、混合ガスを分配する方向を二方向としたが、これに限らず、三以上の複数であってもよい。 Further, although the example in which the fluid distribution system is applied to the fuel gas circulation system has been described, when the oxidizing off-gas is also circulated and supplied to the fuel cell stack 1, it may be applied to the oxidizing gas circulation system. Furthermore, the fluid distribution system can be applied to not only the fuel cell system 1 but also any system that handles fluid, and the type of fluid may be gas or liquid. In addition, although the direction in which the mixed gas is distributed is two directions, the present invention is not limited to this, and there may be three or more.
１…燃料電池システム、３…燃料ガス配管系、３０…水素タンク（ガス供給源）、３１…供給配管（第１系統）、３１Ａ，３１Ｂ…配管（分配流路）、３２…循環配管（第２系統）、６０…導入管、６４，６６…導入口 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell system, 3 ... Fuel gas piping system, 30 ... Hydrogen tank (gas supply source), 31 ... Supply piping (1st system), 31A, 31B ... Pipe (distribution flow path), 32 ... Circulation piping (1st) 2 systems), 60 ... introduction pipe, 64, 66 ... introduction port
Claims (8)
前記第２系統は、前記第１系統の配管内部を対称的に分断する導入管を有し、
前記導入管には、前記第１系統の配管内部に前記第２流体を導入するための導入口が当該配管内部で対称的に形成されている、流体分配システム。 In a fluid distribution system in which the second fluid of the second system is joined to the first fluid of the first system, and the mixed fluid after the joining is distributed,
The second system has an introduction pipe that symmetrically divides the inside of the pipe of the first system,
The fluid distribution system in which the inlet for introducing the second fluid into the pipe of the first system is symmetrically formed in the pipe.
前記導入口は、前記第１系統の配管内部で左右対称に形成されている、請求項１に記載の流体分配システム。 It has two distribution channels extending in the left and right directions from the branching portion that branches the mixed fluid,
2. The fluid distribution system according to claim 1, wherein the introduction port is formed symmetrically within the piping of the first system.
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の流体分配システムを備え、
前記第１流体として前記反応ガスを用い、前記第２流体として前記反応オフガスを用いた、燃料電池システム。 In the fuel cell system, the reaction gas from the gas supply source is combined with the reaction off-gas discharged from at least two modules of the fuel cell, and the mixed gas after the merge is distributed and circulated to the at least two modules.
A fluid distribution system according to any one of claims 1 to 6,
A fuel cell system using the reaction gas as the first fluid and the reaction off gas as the second fluid.
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