JP3832249B2 - 燃料電池装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池における燃料極の燃料出口から排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この混合燃料を燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環手段を備えた燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび酸化剤として例えば空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素が供給されるアノード電極（燃料極）と、酸化剤となる空気が供給されるカソード電極（酸化剤極）との間に配置した構成となっている。燃料極では水素が供給されることで、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。
【０００４】
一方、酸化剤極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【０００５】
このような燃料電池装置において、燃料極で発電に使用されなかった水素を再循環させて、原燃料の水素と混合し、この混合燃料を燃料極に供給するようにしたものがある。例えば、特開平９−２１３３５３号公報では、燃料極から排出された余剰の水素を再循環ガス回路を経てエゼクタポンプに戻し、この戻した余剰の水素と別途エゼクタポンプに導入される水素濃度の高い原燃料とを混合した混合燃料を、燃料極に供給するようにしている。
【０００６】
再循環ガス回路には、燃料極の燃料出口側からエゼクタポンプに向けて、凝縮液化した生成水を貯蔵するタンクを備えた排出ガス冷却用の熱交換器および、燃料電池の負荷に応じて再循環ガスの流量を調整する再循環ガス流量調整弁が、順に設けられている。また、熱交換器と再循環ガス流量調整弁との間には、ガスパージ回路が分岐して設けられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の燃料電池装置においては、燃料電池からの再循環ガス回路に、再循環ガス流量調整弁やガスパージ用配管などが配置されているが、これらの位置関係、特に上下の位置関係については、特に考慮しておらず、このため、上下の配置関係によっては、再循環ガス流量調整弁に凝縮水が溜まり、燃料電池に所定量の水素を供給できず、またガスパージ用配管内にも凝縮水が溜まり、パージ制御時に予定のパージ流量が得られなくなるなど、安定した制御ができなくり、制御性の悪化を招く。
【０００８】
そこでこの発明は、再循環ガス回路における各部の上下位置関係を最適化することで、凝縮水の滞留を防止することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料電池における燃料極の燃料出口から排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この混合燃料を前記燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環手段を備えた燃料電池装置において、前記燃料極の燃料出口と燃料循環手段の排出燃料入口との間の配管に流路遮断弁を設け、この流路遮断弁は、前記燃料循環手段の排出燃料入口より高い位置に配置し、前記燃料電池の燃料入口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に前記燃料循環手段をそれぞれ配置するとともに、前記燃料電池の燃料出口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に前記流路遮断弁をそれぞれ配置した構成としてある。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、複数の燃料循環手段は、互いに循環流量特性が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される各並列配管の流路径も異なる構成としてある。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、燃料電池の燃料入口に接続される複数の並列配管相互の合流部と、前記燃料電池の燃料出口に接続される並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか一方に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の大径とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう配置する構成としてある。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３の発明の構成において、小流量側の小径とした直線状の配管の水平面に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状の配管の同傾斜角度より大きくする構成としてある。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項３の発明の構成において、小流量側の小径とした曲線状の配管の曲率半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率半径より小さくする構成としてある。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項２ないし５のいずれか１項の発明の構成において、並列配管相互の合流部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側の配管に、絞りを設けた構成としてある。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料電池における燃料極の燃料出口と燃料循環手段の排出燃料入口との間の配管に設けた流路遮断弁を、前記燃料循環手段の排出燃料入口より高い位置に配置したので、流路遮断弁における凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
また、複数の燃料循環手段および流路遮断弁を有して複数の燃料循環回路を備えた燃料電池装置においても、各流路遮断弁への凝縮水の滞留を防止でき、各燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２７】
請求項２の発明によれば、複数の燃料循環手段は、互いに循環流量特性が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される各配管の流路径も異なるようにしたものにおいても、各流路遮断弁への凝縮水の滞留を防止でき、各燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２８】
請求項３の発明によれば、燃料電池の燃料入口に接続される複数の並列配管相互の合流部と、燃料電池の燃料出口に接続される並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか一方に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の大径とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう配置したので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２９】
請求項４の発明によれば、小流量側の小径とした直線状の配管の水平面に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状の配管の同傾斜角度より大きくしたので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３０】
請求項５の発明によれば、小流量側の小径とした曲線状の配管の曲率半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率半径より小さくして、より鉛直に近い状態となるようにしたので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３１】
請求項６の発明によれば、並列配管相互の合流部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側の配管に、絞りを設けたので、この絞り部での燃料の流速が高まり、小流量側の小径配管から大流量側の大径配管へ凝縮水が吸い出されることになり、凝縮水が滞留しやすい小径配管内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
【００３４】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。１は、図示しない固体高分子電解質膜を間に挟んで燃料極３と酸化剤極５とを相互に対向して配置した燃料電池構造体を図示しないセパレータで挟持し、これを複数積層して構成した燃料電池スタック（以下単に、燃料電池と呼ぶ）である。７は加湿器であり、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、それぞれ半透膜を介して純水と隣接し、水分子が半透膜を通過することにより燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して加湿を行うものである。
【００３５】
本実施形態では、燃料として水素、酸化剤として空気を用いる。水素タンク９に貯えられた水素は、燃料調圧弁１１により調圧された後、燃料循環手段としてのエゼクタポンプ１３、燃料供給側水分分離手段としての供給側水分離器１５、前記加湿器７を通り、燃料電池１に対し燃料極３の燃料入口３ａから供給される。
【００３６】
燃料極３の燃料出口３ｂから排出される水素と水蒸気との混合ガスは、燃料排出側水分分離手段としての排出側水分離器１７、流路遮断弁１９を通り、前記したエゼクタポンプ１３で原燃料ガスと混合され、この混合ガスは、前記した供給側水分離器１５および加湿器７を経て燃料電池１の燃料極３に循環される。
【００３７】
また、排出側水分離器１７と流路遮断弁１９との間の配管２１には、パージ分岐部２３にて、水素をパージさせるパージ配管２５が分岐接続され、パージ配管２５にはパージガス遮断弁２７およびパージガス触媒２９がそれぞれ設けられている。
【００３８】
酸化剤としての空気は、コンプレッサ３１によって前記した加湿器７を経て燃料電池１の酸化剤極５に、酸化剤入口５ａから供給される。酸化剤極５の酸化剤出口５ｂから排出される排気は、水蒸気と液水を含み、水分離器３３によって液水分が分離される。水分離器３３には、上記した水素パージ時の空気供給用の空気パージ配管３５およびパージガス遮断弁３７が設けてあり、水素パージ時にはパージガス触媒２９に空気が供給されて外部に排出される。また、空気パージ配管３５には、空気排出管３９が分岐接続され、空気排出管３９には空気調圧弁４１が設けられている。
【００３９】
図示しないコントロールユニットは、燃料電池１の発電状態を検知する図示しないセンサの検知信号の入力を受け、発電状態に応じて、水素圧力および空気圧力を、図示しないセンサの検出値に基づき燃料調圧弁１１および空気調圧弁４１で調整するようフィードバック制御するとともに、空気流量を図示しないセンサの検出値に基づいてコンプレッサ３１の回転数により調整するようフィードバック制御する。
【００４０】
図２は、上記した構成の燃料電池装置における、水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す。水素タンク９に貯えられている水素は、前述したように燃料調圧弁１１により所定の圧力に調圧された後、エゼクタポンプ１３により、燃料電池１より排出され循環してきた水素と混合され、供給側水分離器１５に送られる。
【００４１】
このとき、供給側水分離器１５の混合燃料入口１５ａは、エゼクタポンプ１３の混合燃料出口１３ａより低い位置に配置されている。この場合、図２では、エゼクタポンプ１３と供給側水分離器１５とを接続する配管４３は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４３を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４３の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、必ずしもエゼクタポンプ１３から供給側水分離器１５まで一定でなくても構わない。
【００４２】
このように配置することにより、エゼクタポンプ１３から供給側水分離器１５までの間で凝縮された水は、配管４３内に溜まることがなく、これにより、水素の流れが水によって阻害されず、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４３】
供給側水分離器１５を出た水素は加湿器７を通り、燃料電池１の燃料極３に燃料入口３ａから供給される。燃料極３の燃料出口３ｂから出た水素と水蒸気の混合ガスは、排出側水分離器１７を通り流路遮断弁１９へ流れていく。
【００４４】
このとき、排出側水分離器１７の入口１７ａは、水素極３の燃料出口３ｂより低い位置に配置されるとともに、排出側水分離器１７の出口１７ｂは、流路遮断弁１９より低い位置に配置されている。この場合、図２では、燃料電池１と排出側水分離器１７とを接続する配管４５および、排出側水分離器１７と流路遮断弁１９とを接続する配管２１は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４５および２１を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４５および２１の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、燃料電池１から排出側水分離器１７あるいは排出側水分離器１７から流路遮断弁１９まで、それぞれ一定でなくても構わない。
【００４５】
このように配置することにより、配管４５および２１内で凝縮された水が排出側水分離器１７に効率よく流下するため、燃料電池１への水の逆流を防止できるとともに、配管４５および２１内での水の滞留および閉弁状態の流路遮断弁１９における水の滞留を防止できる。これにより、流路遮断弁１９が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４６】
その後水素は、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３へ供給され、エゼクタポンプ１３により、燃料調圧弁１１を経て供給される原燃料ガスと混合され、燃料電池１側に循環される。
【００４７】
このとき、流路遮断弁１９は、エゼクタポンプ１３の排出燃料入口１３ｂより高い位置に配置されている。この場合、図２では、流路遮断弁１９とエゼクタポンプ１３とを接続する配管４９は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４９を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４９の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３まで、一定でなくても構わない。
【００４８】
このように配置することにより、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３までの間で凝縮された水の流路遮断弁１９への逆流が防止され、閉弁状態の流路遮断部１９での水の滞留を防止できるとともに、配管４９内での水の滞留も防止できる。これにより、流路遮断弁１９が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４９】
また、排出側水分離器１７下流の配管２１を流れるガスは、パージ分岐部２３でパージ配管２５に分岐して流れ、パージガス遮断弁２７を経てパージガス触媒２９に供給され外部に排出される。
【００５０】
このとき、パージガス遮断弁２７はパージ分岐部２３より高い位置に配置されている。この場合、図２では、パージガス遮断弁２７とパージ分岐部２３とを接続するパージ配管２５は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。パージ配管２５を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、パージ配管２５の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、パージガス遮断弁２７からパージ分岐部２３まで、一定でなくても構わない。
【００５１】
このように配置することにより、パージ分岐部２３からパージガス遮断弁２７までの間で凝縮された水のパージ分岐部２３側への逆流が防止され、閉弁状態のパージガス遮断弁２７での水の滞留を防止できるとともに、パージ配管２５内での水の滞留も防止できる。これにより、パージガス遮断弁２７が開いたときのパージガスの流れが水によって阻害されず、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５２】
図３は、この発明の第２の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。この実施形態は、第１の実施形態におけるエゼクタポンプ１３に対し、エゼクタポンプ１３０を並列に追加して設け、これに対応して燃料調圧弁１１に対して燃料調圧弁１１０を、また流路遮断弁１９に対して流路遮断弁１９０を、それぞれ並列に追加して設けたものである。その他の構成は、前記図１に示したものと同様であり、図１のものと同一の構成要素には同一の符号を付してある。なお、エゼクタポンプ、燃料調圧弁および流路遮断弁は、いずれも三つ以上並列に設けた構成としてもよい。
【００５３】
図４は、上記図３に示した構成の燃料電池装置における、水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す。エゼクタポンプ１３０と配管４３とは、合流部５１にて、配管４３と並列な配管５３により接続されており、このとき合流部５１は、エゼクタポンプ１３０の混合燃料出口１３０ａより低い位置となるよう配置されている。
【００５４】
この場合、エゼクタポンプ１３０と合流部５１とを接続する配管５３は曲線状でも直線状でもよいが、直線状とした場合の水平面Ｈに対する傾斜角度は、配管４３と同様に、本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、必ずしもエゼクタポンプ１３０から分岐部５１まで一定でなくても構わない。
【００５５】
このように配置することにより、エゼクタポンプ１３０から分岐部５１までの間で凝縮された水は、配管５３内に溜まることがなく、これにより、水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５６】
また、流路遮断弁１９０と配管２１とは、分岐部５５にて、配管２１と並列な配管５７により接続されており、このとき分岐部５５は、流路遮断弁１９０より低い位置に配置されている。この場合、図２では、分岐部５５と流路遮断弁１９０とを接続する配管５７は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管５７を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管５７の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、分岐部５５から流路遮断弁１９０まで一定でなくても構わない。
【００５７】
このように配置することにより、配管５７内で凝縮された水が、分岐部５５に効率よく流下するため、配管５７内での水の滞留および閉弁状態での流路遮断弁１９０における水の滞留を防止できる。これにより、流路遮断弁１９０が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５８】
さらに、流路遮断弁１９０とエゼクタポンプ１３０とは、配管５９で接続され、この配管５９は、流路遮断弁１９０がエゼクタポンプ１３０の排出燃料入口１３０ｂより高い位置に配置されるよう設定されている。この場合、図２では、流路遮断弁１９０とエゼクタポンプ１３０とを接続する配管５９は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管５９を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管５９の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、流路遮断弁１９０からエゼクタポンプ１３０まで、一定でなくても構わない。
【００５９】
このように配置することにより、流路遮断弁１９０からエゼクタポンプ１３０までの間で凝縮された水の流路遮断弁１９０への逆流が防止され、閉弁状態の流路遮断部１９０での水の滞留を防止できるとともに、配管５９内での水の滞留も防止できる。これにより、流路遮断弁１９０が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００６０】
図４における、燃料調圧弁１１，エゼクタポンプ１３および流路遮断弁１９などからなる第１の水素循環系と、燃料調圧弁１１０，エゼクタポンプ１３０および流路遮断弁１９０などからなる第２の水素循環系とは、流量特性としては同じものでも、異なっていても構わない。
【００６１】
流量特性を同じとした場合には、図５の実線ａに示すように、まず第１の水素循環系の燃料調圧弁１１を徐々に開弁していき、要求流量がＬに達した時点で実線ｂで示すように、第２の水素循環系の燃料調圧弁１１０を徐々に開弁していく。これにより、燃料電池１の発電量に応じて低流量時から高流量時まで対応することが可能となる。
【００６２】
一方、流量特性を異なるものとした場合には、図６に示すように、第１の水素循環系の燃料調圧弁１１を徐々に開弁していき、このときの要求流量に対する過不足分は、燃料電池１の発電量などから検出し、これに基づき第２の水素循環系が流量を補正する形で燃料調圧弁１１０の開度を調整する。
【００６３】
流量特性を異なるものとした場合には、第２の水素循環系の水素供給能力を第１の水素循環系より低く設定しており、その各配管については能力小の第２の水素循環系の配管径を小さく設定する。すなわち、図４において、配管径については、配管５３は配管４３より小さく、配管５７は配管２１より小さく、配管５９は配管４９より小さく、それぞれ設定してある。
【００６４】
このように、第１，第２の各水素循環系相互で配管径を異ならせた場合には、合流部５１および分岐部５５のいずれにおいても、図７（ａ），（ｂ）に示すように、直線状とした小径の配管５３，５７の水平面Ｈに対する傾斜角度θ1を、直線状とした大径の配管４３，２１の同傾斜角度θ2より大きくして、より鉛直に近い状態とする。例えば、大径配管４３，２１の傾斜角度θ2を、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の望ましい傾斜角度として５０度に設定すれば、小径配管５３，５７の傾斜角度θ1は、５０度を越える角度となる。
【００６５】
小径側の配管５３，５７の傾斜角度θ1を、大径側の配管４３，２１の傾斜角度θ2より大きくして、より鉛直に近い状態とすることで、凝縮水が滞留しやすい小径配管５３，５７内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができる。
【００６６】
図８（ａ），（ｂ）は、各配管４３，５３および２１，５７を曲線状とした場合であり、この場合には、小径側の配管５３，５７の曲率半径Ｒ1を、大径側の配管４３，２１の曲率半径Ｒ2より小さくしている。これにより、小径側の配管５３，５７が、大径側の配管４３，２１に対して、より鉛直に近い状態となり、凝縮水が滞留しやすい小径配管５３，５７内での凝縮水の滞留を防止することができる。
【００６７】
なお、Ｒ1＜Ｒ2とせずにＲ1＝Ｒ2として小径側の配管５３，５７を、大径側の配管４３，２１対して、より鉛直に近い状態にできれば、Ｒ1＝Ｒ2でも構わない。
【００６８】
要するに、凝縮水が滞留しやすい小径側の配管５３，５７を、より鉛直に近い状態とすることで、小径側の配管５３，５７内の水が大径側の配管４３，２１内に効率よく流下し、小径側の配管５３，５７内での水の滞留を防止できるのである。
【００６９】
図９は、図７（ｂ）における合流部５５の配管２１側に絞り６１を設けたものである。絞り６１を設けることで、絞り６１でのガス流速が高まるので、小径側の配管５７で発生した凝縮水は、この高速のガス流に吸い出されるようにして大径側の配管２１に流下し、配管５７内の水の滞留を防止することができる。
【００７０】
なお。図７（ａ）に示す分岐部５１および図８（ａ），（ｂ）に示す合流部５１，分岐部５５にも、上記した絞り６１と同様にして絞りを設けることで、同様の効果が得られる。
【００７１】
図１０は、エゼクタポンプ１３，１３０の断面図である。同図（ａ）は、排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂを有するサクションポートＳＰ内のガスの流れが、原燃料入口１３ｃ，１３０ｃから混合燃料出口１３ａ，１３０ａへの鉛直方向下方へのガスの流れと直交する場合である。
【００７２】
図１０（ａ）での原燃料入口１３ｃ，１３０ｃは混合燃料出口１３ａ，１３０ａより高い位置であり、原燃料入口１３ｃ，１３０ｃと混合燃料出口１３ａ，１３０ａとを結ぶ直線Ｐと水平面Ｈとのなす角度αは直角となっている。これにより、エゼクタ１３，１３０内での凝縮水の滞留を防止することができる。なお、直線Ｐと水平面Ｈとの角度αは、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度〜９０度の範囲でもよい。
【００７３】
図１０（ｂ）は、同図（ａ）に対し、サクションポートＳＰを、排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂが、この排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂとエゼクタ１３，１３０内の燃料通路６３とのエゼクタ内合流部６５より高い位置となるよう傾斜して形成したものである。このようにすることで、サクションポートＳＰ内を含むエゼクタ１３，１３０内での凝縮水の滞留を確実に防止することができる。なお、図１０（ｂ）において、サクションポートＳＰ内の流れの中心線Ｑと直線Ｐとのなす角度βは、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度程度とすることが望ましい。
【００７４】
なお、以上説明してきた各実施形態では、燃料循環手段としてエゼクタポンプ１３，１３０を使用したが、水素を循環させるものであれば、これに限ることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池装置における水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す説明図である。
【図３】この発明の第２の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図４】図３の燃料電池装置における水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す説明図である。
【図５】二つの水素循環系が同一流量特性の場合の要求流量に対する各燃料調圧弁の開度特性図である。
【図６】二つの水素循環系が異なる流量特性の場合の要求流量に対する主となる側の燃料調圧弁の開度特性図である。
【図７】（ａ）は配管を直線状とした場合の合流部の動作説明図、（ｂ）は配管を直線状とした場合の分岐部の動作説明図である。
【図８】（ａ）は配管を曲線状とした場合の合流部の動作説明図、（ｂ）は配管を曲線状とした場合の分岐部の動作説明図である。
【図９】図７（ｂ）で示す分岐部に絞りを設けた例を示す動作説明図である。
【図１０】エゼクタポンプの断面図で、（ａ）はサクションポートをエゼクタポンプ内の燃料通路と直交するよう配置したもの、（ｂ）はサクションポートをエゼクタポンプ内の燃料通路に対して傾斜するよう配置したものである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 燃料極
３ａ 燃料入口
３ｂ 燃料出口
７ 加湿器
１３，１３０ エゼクタポンプ（燃料循環手段）
１３ａ，１３０ａ 混合燃料出口
１３ｂ，１３０ｂ 排出燃料入口
１３ｃ，１３０ｃ 原燃料入口
１５ 供給側水分離器（燃料供給側水分分離手段）
１５ａ 混合燃料入口
１７ 排出側水分離器（燃料排出側水分分離手段）
１９，１９０ 流路遮断弁
２１，５７ 並列配管
２３ パージ分岐部
２５ パージ配管
２７ パージガス遮断弁
４３，５３ 並列配管
５１ 合流部
５５ 分岐部
６１ 絞り
６３ 燃料通路
６５ エゼクタ内合流部
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池における燃料極の燃料出口から排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この混合燃料を燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環手段を備えた燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガスおよび酸化剤として例えば空気を、高分子膜・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。その中でも特に高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が、自動車などの移動体用電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子膜型燃料電池は、電解質膜を、燃料となる水素が供給されるアノード電極（燃料極）と、酸化剤となる空気が供給されるカソード電極（酸化剤極）との間に配置した構成となっている。燃料極では水素が供給されることで、水素イオンと電子に解離し、水素イオンは電解質膜を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、酸化剤極にそれぞれ移動する。
【０００４】
一方、酸化剤極では、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子とが反応して水が生成され、外部に排出される。
【０００５】
このような燃料電池装置において、燃料極で発電に使用されなかった水素を再循環させて、原燃料の水素と混合し、この混合燃料を燃料極に供給するようにしたものがある。例えば、特開平９−２１３３５３号公報では、燃料極から排出された余剰の水素を再循環ガス回路を経てエゼクタポンプに戻し、この戻した余剰の水素と別途エゼクタポンプに導入される水素濃度の高い原燃料とを混合した混合燃料を、燃料極に供給するようにしている。
【０００６】
再循環ガス回路には、燃料極の燃料出口側からエゼクタポンプに向けて、凝縮液化した生成水を貯蔵するタンクを備えた排出ガス冷却用の熱交換器および、燃料電池の負荷に応じて再循環ガスの流量を調整する再循環ガス流量調整弁が、順に設けられている。また、熱交換器と再循環ガス流量調整弁との間には、ガスパージ回路が分岐して設けられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の燃料電池装置においては、燃料電池からの再循環ガス回路に、再循環ガス流量調整弁やガスパージ用配管などが配置されているが、これらの位置関係、特に上下の位置関係については、特に考慮しておらず、このため、上下の配置関係によっては、再循環ガス流量調整弁に凝縮水が溜まり、燃料電池に所定量の水素を供給できず、またガスパージ用配管内にも凝縮水が溜まり、パージ制御時に予定のパージ流量が得られなくなるなど、安定した制御ができなくり、制御性の悪化を招く。
【０００８】
そこでこの発明は、再循環ガス回路における各部の上下位置関係を最適化することで、凝縮水の滞留を防止することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１の発明は、燃料電池における燃料極の燃料出口から排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この混合燃料を前記燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環手段を備えた燃料電池装置において、前記燃料極の燃料出口と燃料循環手段の排出燃料入口との間の配管に流路遮断弁を設け、この流路遮断弁は、前記燃料循環手段の排出燃料入口より高い位置に配置し、前記燃料電池の燃料入口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に前記燃料循環手段をそれぞれ配置するとともに、前記燃料電池の燃料出口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に前記流路遮断弁をそれぞれ配置した構成としてある。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１の発明の構成において、複数の燃料循環手段は、互いに循環流量特性が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される各並列配管の流路径も異なる構成としてある。
【００１６】
請求項３の発明は、請求項２の発明の構成において、燃料電池の燃料入口に接続される複数の並列配管相互の合流部と、前記燃料電池の燃料出口に接続される並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか一方に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の大径とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう配置する構成としてある。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項３の発明の構成において、小流量側の小径とした直線状の配管の水平面に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状の配管の同傾斜角度より大きくする構成としてある。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項３の発明の構成において、小流量側の小径とした曲線状の配管の曲率半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率半径より小さくする構成としてある。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項２ないし５のいずれか１項の発明の構成において、並列配管相互の合流部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側の配管に、絞りを設けた構成としてある。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料電池における燃料極の燃料出口と燃料循環手段の排出燃料入口との間の配管に設けた流路遮断弁を、前記燃料循環手段の排出燃料入口より高い位置に配置したので、流路遮断弁における凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
また、複数の燃料循環手段および流路遮断弁を有して複数の燃料循環回路を備えた燃料電池装置においても、各流路遮断弁への凝縮水の滞留を防止でき、各燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２７】
請求項２の発明によれば、複数の燃料循環手段は、互いに循環流量特性が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される各配管の流路径も異なるようにしたものにおいても、各流路遮断弁への凝縮水の滞留を防止でき、各燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２８】
請求項３の発明によれば、燃料電池の燃料入口に接続される複数の並列配管相互の合流部と、燃料電池の燃料出口に接続される並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか一方に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の大径とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう配置したので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００２９】
請求項４の発明によれば、小流量側の小径とした直線状の配管の水平面に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状の配管の同傾斜角度より大きくしたので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３０】
請求項５の発明によれば、小流量側の小径とした曲線状の配管の曲率半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率半径より小さくして、より鉛直に近い状態となるようにしたので、凝縮水が滞留しやすい小径の配管内での凝縮水の滞留を防止でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３１】
請求項６の発明によれば、並列配管相互の合流部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側の配管に、絞りを設けたので、この絞り部での燃料の流速が高まり、小流量側の小径配管から大流量側の大径配管へ凝縮水が吸い出されることになり、凝縮水が滞留しやすい小径配管内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料循環手段から燃料極への燃料の供給を適正に行うことができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
【００３４】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。１は、図示しない固体高分子電解質膜を間に挟んで燃料極３と酸化剤極５とを相互に対向して配置した燃料電池構造体を図示しないセパレータで挟持し、これを複数積層して構成した燃料電池スタック（以下単に、燃料電池と呼ぶ）である。７は加湿器であり、燃料ガスおよび酸化剤ガスが、それぞれ半透膜を介して純水と隣接し、水分子が半透膜を通過することにより燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して加湿を行うものである。
【００３５】
本実施形態では、燃料として水素、酸化剤として空気を用いる。水素タンク９に貯えられた水素は、燃料調圧弁１１により調圧された後、燃料循環手段としてのエゼクタポンプ１３、燃料供給側水分分離手段としての供給側水分離器１５、前記加湿器７を通り、燃料電池１に対し燃料極３の燃料入口３ａから供給される。
【００３６】
燃料極３の燃料出口３ｂから排出される水素と水蒸気との混合ガスは、燃料排出側水分分離手段としての排出側水分離器１７、流路遮断弁１９を通り、前記したエゼクタポンプ１３で原燃料ガスと混合され、この混合ガスは、前記した供給側水分離器１５および加湿器７を経て燃料電池１の燃料極３に循環される。
【００３７】
また、排出側水分離器１７と流路遮断弁１９との間の配管２１には、パージ分岐部２３にて、水素をパージさせるパージ配管２５が分岐接続され、パージ配管２５にはパージガス遮断弁２７およびパージガス触媒２９がそれぞれ設けられている。
【００３８】
酸化剤としての空気は、コンプレッサ３１によって前記した加湿器７を経て燃料電池１の酸化剤極５に、酸化剤入口５ａから供給される。酸化剤極５の酸化剤出口５ｂから排出される排気は、水蒸気と液水を含み、水分離器３３によって液水分が分離される。水分離器３３には、上記した水素パージ時の空気供給用の空気パージ配管３５およびパージガス遮断弁３７が設けてあり、水素パージ時にはパージガス触媒２９に空気が供給されて外部に排出される。また、空気パージ配管３５には、空気排出管３９が分岐接続され、空気排出管３９には空気調圧弁４１が設けられている。
【００３９】
図示しないコントロールユニットは、燃料電池１の発電状態を検知する図示しないセンサの検知信号の入力を受け、発電状態に応じて、水素圧力および空気圧力を、図示しないセンサの検出値に基づき燃料調圧弁１１および空気調圧弁４１で調整するようフィードバック制御するとともに、空気流量を図示しないセンサの検出値に基づいてコンプレッサ３１の回転数により調整するようフィードバック制御する。
【００４０】
図２は、上記した構成の燃料電池装置における、水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す。水素タンク９に貯えられている水素は、前述したように燃料調圧弁１１により所定の圧力に調圧された後、エゼクタポンプ１３により、燃料電池１より排出され循環してきた水素と混合され、供給側水分離器１５に送られる。
【００４１】
このとき、供給側水分離器１５の混合燃料入口１５ａは、エゼクタポンプ１３の混合燃料出口１３ａより低い位置に配置されている。この場合、図２では、エゼクタポンプ１３と供給側水分離器１５とを接続する配管４３は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４３を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４３の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、必ずしもエゼクタポンプ１３から供給側水分離器１５まで一定でなくても構わない。
【００４２】
このように配置することにより、エゼクタポンプ１３から供給側水分離器１５までの間で凝縮された水は、配管４３内に溜まることがなく、これにより、水素の流れが水によって阻害されず、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４３】
供給側水分離器１５を出た水素は加湿器７を通り、燃料電池１の燃料極３に燃料入口３ａから供給される。燃料極３の燃料出口３ｂから出た水素と水蒸気の混合ガスは、排出側水分離器１７を通り流路遮断弁１９へ流れていく。
【００４４】
このとき、排出側水分離器１７の入口１７ａは、水素極３の燃料出口３ｂより低い位置に配置されるとともに、排出側水分離器１７の出口１７ｂは、流路遮断弁１９より低い位置に配置されている。この場合、図２では、燃料電池１と排出側水分離器１７とを接続する配管４５および、排出側水分離器１７と流路遮断弁１９とを接続する配管２１は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４５および２１を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４５および２１の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、燃料電池１から排出側水分離器１７あるいは排出側水分離器１７から流路遮断弁１９まで、それぞれ一定でなくても構わない。
【００４５】
このように配置することにより、配管４５および２１内で凝縮された水が排出側水分離器１７に効率よく流下するため、燃料電池１への水の逆流を防止できるとともに、配管４５および２１内での水の滞留および閉弁状態の流路遮断弁１９における水の滞留を防止できる。これにより、流路遮断弁１９が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４６】
その後水素は、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３へ供給され、エゼクタポンプ１３により、燃料調圧弁１１を経て供給される原燃料ガスと混合され、燃料電池１側に循環される。
【００４７】
このとき、流路遮断弁１９は、エゼクタポンプ１３の排出燃料入口１３ｂより高い位置に配置されている。この場合、図２では、流路遮断弁１９とエゼクタポンプ１３とを接続する配管４９は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管４９を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管４９の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３まで、一定でなくても構わない。
【００４８】
このように配置することにより、流路遮断弁１９からエゼクタポンプ１３までの間で凝縮された水の流路遮断弁１９への逆流が防止され、閉弁状態の流路遮断部１９での水の滞留を防止できるとともに、配管４９内での水の滞留も防止できる。これにより、流路遮断弁１９が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００４９】
また、排出側水分離器１７下流の配管２１を流れるガスは、パージ分岐部２３でパージ配管２５に分岐して流れ、パージガス遮断弁２７を経てパージガス触媒２９に供給され外部に排出される。
【００５０】
このとき、パージガス遮断弁２７はパージ分岐部２３より高い位置に配置されている。この場合、図２では、パージガス遮断弁２７とパージ分岐部２３とを接続するパージ配管２５は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。パージ配管２５を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、パージ配管２５の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、パージガス遮断弁２７からパージ分岐部２３まで、一定でなくても構わない。
【００５１】
このように配置することにより、パージ分岐部２３からパージガス遮断弁２７までの間で凝縮された水のパージ分岐部２３側への逆流が防止され、閉弁状態のパージガス遮断弁２７での水の滞留を防止できるとともに、パージ配管２５内での水の滞留も防止できる。これにより、パージガス遮断弁２７が開いたときのパージガスの流れが水によって阻害されず、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５２】
図３は、この発明の第２の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。この実施形態は、第１の実施形態におけるエゼクタポンプ１３に対し、エゼクタポンプ１３０を並列に追加して設け、これに対応して燃料調圧弁１１に対して燃料調圧弁１１０を、また流路遮断弁１９に対して流路遮断弁１９０を、それぞれ並列に追加して設けたものである。その他の構成は、前記図１に示したものと同様であり、図１のものと同一の構成要素には同一の符号を付してある。なお、エゼクタポンプ、燃料調圧弁および流路遮断弁は、いずれも三つ以上並列に設けた構成としてもよい。
【００５３】
図４は、上記図３に示した構成の燃料電池装置における、水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す。エゼクタポンプ１３０と配管４３とは、合流部５１にて、配管４３と並列な配管５３により接続されており、このとき合流部５１は、エゼクタポンプ１３０の混合燃料出口１３０ａより低い位置となるよう配置されている。
【００５４】
この場合、エゼクタポンプ１３０と合流部５１とを接続する配管５３は曲線状でも直線状でもよいが、直線状とした場合の水平面Ｈに対する傾斜角度は、配管４３と同様に、本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、必ずしもエゼクタポンプ１３０から分岐部５１まで一定でなくても構わない。
【００５５】
このように配置することにより、エゼクタポンプ１３０から分岐部５１までの間で凝縮された水は、配管５３内に溜まることがなく、これにより、水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５６】
また、流路遮断弁１９０と配管２１とは、分岐部５５にて、配管２１と並列な配管５７により接続されており、このとき分岐部５５は、流路遮断弁１９０より低い位置に配置されている。この場合、図２では、分岐部５５と流路遮断弁１９０とを接続する配管５７は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管５７を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管５７の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、分岐部５５から流路遮断弁１９０まで一定でなくても構わない。
【００５７】
このように配置することにより、配管５７内で凝縮された水が、分岐部５５に効率よく流下するため、配管５７内での水の滞留および閉弁状態での流路遮断弁１９０における水の滞留を防止できる。これにより、流路遮断弁１９０が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００５８】
さらに、流路遮断弁１９０とエゼクタポンプ１３０とは、配管５９で接続され、この配管５９は、流路遮断弁１９０がエゼクタポンプ１３０の排出燃料入口１３０ｂより高い位置に配置されるよう設定されている。この場合、図２では、流路遮断弁１９０とエゼクタポンプ１３０とを接続する配管５９は、曲線状となっているが、直線状として傾斜して配置するようにしてもよい。配管５９を直線状として本燃料電池装置を車両に搭載する場合には、配管５９の傾斜角度は、車両の傾きや加速時などを考慮して、水平面Ｈに対して５０度〜９０度とすることが望ましい。なお、この傾斜角度は、流路遮断弁１９０からエゼクタポンプ１３０まで、一定でなくても構わない。
【００５９】
このように配置することにより、流路遮断弁１９０からエゼクタポンプ１３０までの間で凝縮された水の流路遮断弁１９０への逆流が防止され、閉弁状態の流路遮断部１９０での水の滞留を防止できるとともに、配管５９内での水の滞留も防止できる。これにより、流路遮断弁１９０が開いたときの水素の流れが水によって阻害されず、水素の供給を適正に行うことができ、コントロールユニットによる制御性の悪化を防止することができる。
【００６０】
図４における、燃料調圧弁１１，エゼクタポンプ１３および流路遮断弁１９などからなる第１の水素循環系と、燃料調圧弁１１０，エゼクタポンプ１３０および流路遮断弁１９０などからなる第２の水素循環系とは、流量特性としては同じものでも、異なっていても構わない。
【００６１】
流量特性を同じとした場合には、図５の実線ａに示すように、まず第１の水素循環系の燃料調圧弁１１を徐々に開弁していき、要求流量がＬに達した時点で実線ｂで示すように、第２の水素循環系の燃料調圧弁１１０を徐々に開弁していく。これにより、燃料電池１の発電量に応じて低流量時から高流量時まで対応することが可能となる。
【００６２】
一方、流量特性を異なるものとした場合には、図６に示すように、第１の水素循環系の燃料調圧弁１１を徐々に開弁していき、このときの要求流量に対する過不足分は、燃料電池１の発電量などから検出し、これに基づき第２の水素循環系が流量を補正する形で燃料調圧弁１１０の開度を調整する。
【００６３】
流量特性を異なるものとした場合には、第２の水素循環系の水素供給能力を第１の水素循環系より低く設定しており、その各配管については能力小の第２の水素循環系の配管径を小さく設定する。すなわち、図４において、配管径については、配管５３は配管４３より小さく、配管５７は配管２１より小さく、配管５９は配管４９より小さく、それぞれ設定してある。
【００６４】
このように、第１，第２の各水素循環系相互で配管径を異ならせた場合には、合流部５１および分岐部５５のいずれにおいても、図７（ａ），（ｂ）に示すように、直線状とした小径の配管５３，５７の水平面Ｈに対する傾斜角度θ1を、直線状とした大径の配管４３，２１の同傾斜角度θ2より大きくして、より鉛直に近い状態とする。例えば、大径配管４３，２１の傾斜角度θ2を、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の望ましい傾斜角度として５０度に設定すれば、小径配管５３，５７の傾斜角度θ1は、５０度を越える角度となる。
【００６５】
小径側の配管５３，５７の傾斜角度θ1を、大径側の配管４３，２１の傾斜角度θ2より大きくして、より鉛直に近い状態とすることで、凝縮水が滞留しやすい小径配管５３，５７内での凝縮水の滞留を抑制でき、燃料電池１への水素の供給を適正に行うことができる。
【００６６】
図８（ａ），（ｂ）は、各配管４３，５３および２１，５７を曲線状とした場合であり、この場合には、小径側の配管５３，５７の曲率半径Ｒ1を、大径側の配管４３，２１の曲率半径Ｒ2より小さくしている。これにより、小径側の配管５３，５７が、大径側の配管４３，２１に対して、より鉛直に近い状態となり、凝縮水が滞留しやすい小径配管５３，５７内での凝縮水の滞留を防止することができる。
【００６７】
なお、Ｒ1＜Ｒ2とせずにＲ1＝Ｒ2として小径側の配管５３，５７を、大径側の配管４３，２１対して、より鉛直に近い状態にできれば、Ｒ1＝Ｒ2でも構わない。
【００６８】
要するに、凝縮水が滞留しやすい小径側の配管５３，５７を、より鉛直に近い状態とすることで、小径側の配管５３，５７内の水が大径側の配管４３，２１内に効率よく流下し、小径側の配管５３，５７内での水の滞留を防止できるのである。
【００６９】
図９は、図７（ｂ）における合流部５５の配管２１側に絞り６１を設けたものである。絞り６１を設けることで、絞り６１でのガス流速が高まるので、小径側の配管５７で発生した凝縮水は、この高速のガス流に吸い出されるようにして大径側の配管２１に流下し、配管５７内の水の滞留を防止することができる。
【００７０】
なお。図７（ａ）に示す分岐部５１および図８（ａ），（ｂ）に示す合流部５１，分岐部５５にも、上記した絞り６１と同様にして絞りを設けることで、同様の効果が得られる。
【００７１】
図１０は、エゼクタポンプ１３，１３０の断面図である。同図（ａ）は、排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂを有するサクションポートＳＰ内のガスの流れが、原燃料入口１３ｃ，１３０ｃから混合燃料出口１３ａ，１３０ａへの鉛直方向下方へのガスの流れと直交する場合である。
【００７２】
図１０（ａ）での原燃料入口１３ｃ，１３０ｃは混合燃料出口１３ａ，１３０ａより高い位置であり、原燃料入口１３ｃ，１３０ｃと混合燃料出口１３ａ，１３０ａとを結ぶ直線Ｐと水平面Ｈとのなす角度αは直角となっている。これにより、エゼクタ１３，１３０内での凝縮水の滞留を防止することができる。なお、直線Ｐと水平面Ｈとの角度αは、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度〜９０度の範囲でもよい。
【００７３】
図１０（ｂ）は、同図（ａ）に対し、サクションポートＳＰを、排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂが、この排出燃料入口１３ｂ，１３０ｂとエゼクタ１３，１３０内の燃料通路６３とのエゼクタ内合流部６５より高い位置となるよう傾斜して形成したものである。このようにすることで、サクションポートＳＰ内を含むエゼクタ１３，１３０内での凝縮水の滞留を確実に防止することができる。なお、図１０（ｂ）において、サクションポートＳＰ内の流れの中心線Ｑと直線Ｐとのなす角度βは、本燃料電池装置を車両に搭載した場合の車両の傾きや加速時などを考慮して、５０度程度とすることが望ましい。
【００７４】
なお、以上説明してきた各実施形態では、燃料循環手段としてエゼクタポンプ１３，１３０を使用したが、水素を循環させるものであれば、これに限ることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図２】図１の燃料電池装置における水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す説明図である。
【図３】この発明の第２の実施形態を示す燃料電池装置の全体構成図である。
【図４】図３の燃料電池装置における水素循環系の構成要素それぞれの上下の位置関係を示す説明図である。
【図５】二つの水素循環系が同一流量特性の場合の要求流量に対する各燃料調圧弁の開度特性図である。
【図６】二つの水素循環系が異なる流量特性の場合の要求流量に対する主となる側の燃料調圧弁の開度特性図である。
【図７】（ａ）は配管を直線状とした場合の合流部の動作説明図、（ｂ）は配管を直線状とした場合の分岐部の動作説明図である。
【図８】（ａ）は配管を曲線状とした場合の合流部の動作説明図、（ｂ）は配管を曲線状とした場合の分岐部の動作説明図である。
【図９】図７（ｂ）で示す分岐部に絞りを設けた例を示す動作説明図である。
【図１０】エゼクタポンプの断面図で、（ａ）はサクションポートをエゼクタポンプ内の燃料通路と直交するよう配置したもの、（ｂ）はサクションポートをエゼクタポンプ内の燃料通路に対して傾斜するよう配置したものである。
【符号の説明】
１ 燃料電池
３ 燃料極
３ａ 燃料入口
３ｂ 燃料出口
７ 加湿器
１３，１３０ エゼクタポンプ（燃料循環手段）
１３ａ，１３０ａ 混合燃料出口
１３ｂ，１３０ｂ 排出燃料入口
１３ｃ，１３０ｃ 原燃料入口
１５ 供給側水分離器（燃料供給側水分分離手段）
１５ａ 混合燃料入口
１７ 排出側水分離器（燃料排出側水分分離手段）
１９，１９０ 流路遮断弁
２１，５７ 並列配管
２３ パージ分岐部
２５ パージ配管
２７ パージガス遮断弁
４３，５３ 並列配管
５１ 合流部
５５ 分岐部
６１ 絞り
６３ 燃料通路
６５ エゼクタ内合流部
Claims (6)
- 燃料電池における燃料極の燃料出口から排出される排出燃料と原燃料とを混合し、この混合燃料を前記燃料極の燃料入口に循環させる燃料循環手段を備えた燃料電池装置において、前記燃料極の燃料出口と燃料循環手段の排出燃料入口との間の配管に流路遮断弁を設け、この流路遮断弁は、前記燃料循環手段の排出燃料入口より高い位置に配置し、前記燃料電池の燃料入口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に前記燃料循環手段をそれぞれ配置するとともに、前記燃料電池の燃料出口に接続される配管を複数並列に設けてこの各並列配管に前記流路遮断弁をそれぞれ配置したことを特徴とする燃料電池装置。
- 複数の燃料循環手段は、互いに循環流量特性が異なり、これに伴い各燃料循環手段に接続される各並列配管の流路径も異なることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
- 燃料電池の燃料入口に接続される複数の並列配管相互の合流部と、前記燃料電池の燃料出口に接続される並列配管相互の分岐部との少なくともいずれか一方に対し、小流量側の小径とした配管を、大流量側の大径とした配管に対し、より鉛直に近い状態となるよう配置したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
- 小流量側の小径とした直線状の配管の水平面に対する傾斜角度を、大流量側の大径とした直線状の配管の同傾斜角度より大きくすることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
- 小流量側の小径とした曲線状の配管の曲率半径を、大流量側の大径とした曲線状の配管の曲率半径より小さくすることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
- 並列配管相互の合流部と分岐部との少なくともいずれか一方の大径側の配管に、絞りを設けたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池装置。
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