JP4661199B2 - Fuel cell system - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池の空気排出流路に設けられ、空気の流量が変動したときに上流側の空気の圧力を調整する燃料電池用空気背圧調整バルブに関するものである。   The present invention relates to an air back pressure adjustment valve for a fuel cell, which is provided in an air discharge passage of a fuel cell and adjusts the pressure of upstream air when the air flow rate fluctuates.

燃料電池システムにおいては、通常、燃料電池の発電効率を確保するため、空気極側の圧力が一定もしくは燃料電池の出力に応じて可変になるように制御する必要がある。このため、モータで駆動する空気背圧調整バルブを用いて、空気極側の圧力を所定圧に調整する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１８５８８０号公報 In a fuel cell system, it is usually necessary to control the pressure on the air electrode side to be constant or variable according to the output of the fuel cell in order to ensure the power generation efficiency of the fuel cell. For this reason, a fuel cell system that adjusts the pressure on the air electrode side to a predetermined pressure using an air back pressure adjustment valve driven by a motor has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
JP 2004-185880 A

しかしながら、上記特許文献１に記載の空気背圧調整バルブを用いた燃料電池システムでは、空気背圧調整バルブをモータで駆動しているため、応答性が遅く、さらに、電力を消費するという問題がある。   However, in the fuel cell system using the air back pressure adjustment valve described in Patent Document 1, since the air back pressure adjustment valve is driven by a motor, there is a problem that response is slow and power is consumed. is there.

本発明は、上記点に鑑み、動力を必要としない、高応答な燃料電池用空気背圧調整バルブおよびそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a highly responsive air back pressure regulating valve for a fuel cell that does not require power and a fuel cell system using the same.

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセルが複数積層された燃料電池（１０）と、燃料ガスとの電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを燃料電池（１０）から排出する酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）に設けられる燃料電池用酸化剤ガス背圧調整バルブとを備え、背圧調整バルブは、燃料電池（１０）に供給される燃料ガスの流れを利用して圧力変動を発生させる圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力が低下するに応じて酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を増加させ、圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力が上昇するに応じて酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を減少させることを特徴としている。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel cell (10) in which a plurality of cells that generate electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas are stacked, and a fuel gas. and a fuel cell oxidant gas back pressure regulator valve provided in the oxidizing gas discharging passage for discharging (20b) from the oxidant gas fuel cell unreacted not used for an electrochemical reaction (10), back The pressure regulating valve uses the flow of the fuel gas supplied to the fuel cell (10) to generate a pressure fluctuation , and the oxidant gas discharge passage is generated as the pressure generated by the pressure fluctuation generating means (33) decreases. increasing the effective area of (20b), it is characterized by reducing the effective cross-sectional area of the oxidizing gas discharge passage (20b) in response to the pressure generated by the pressure fluctuation generating means (33) increases .

これにより、燃料電池（１０）の発電量は燃料ガス流量によって変化するので、燃料電池（１０）の発電量が変化するに伴って、酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を変化させることができる。このため、燃料電池（１０）の酸化剤ガス出口側における酸化剤ガスの圧力を一定に保つことができる。このとき、燃料電池用酸化剤ガス背圧調整バルブを作動させるために、モータ等の別の動力を必要としないので、燃料電池用酸化剤ガス背圧調整バルブの高応答化および省動力化を図ることが可能となる。   As a result, since the power generation amount of the fuel cell (10) changes depending on the fuel gas flow rate, the effective area of the oxidant gas discharge channel (20b) changes as the power generation amount of the fuel cell (10) changes. Can be made. For this reason, the pressure of the oxidant gas at the oxidant gas outlet side of the fuel cell (10) can be kept constant. At this time, in order to operate the oxidant gas back pressure adjustment valve for the fuel cell, a separate power such as a motor is not required. Therefore, the oxidant gas back pressure adjustment valve for the fuel cell is improved in response and power saving. It becomes possible to plan.

また、請求項２に記載の発明のように、背圧調整バルブは、酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を調整する弁体（２３３）と、圧力変動発生手段（３３）と接続され、圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力変動により内部の圧力が変動する圧力参照室（２３０）と、圧力参照室（２３０）内の圧力が低下するに応じて弁体（２３３）を酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を増加させる方向に移動させるとともに、圧力参照室（２３０）内の圧力が上昇するに応じて弁体（２３３）を酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を減少させる方向に移動させるダイヤフラム（２３２）とを備えることができる。 Further, as in the invention described in claim 2, the back pressure adjusting valve includes a valve body (233) for adjusting an effective cross-sectional area of the oxidant gas discharge channel (20b), a pressure fluctuation generating means (33), and A pressure reference chamber (230) in which the internal pressure fluctuates due to the pressure fluctuation generated by the pressure fluctuation generating means (33), and the valve element (233) as the pressure in the pressure reference chamber (230) decreases. Is moved in a direction to increase the effective cross-sectional area of the oxidant gas discharge channel (20b), and the valve body (233) is moved in response to an increase in the pressure in the pressure reference chamber (230). And a diaphragm (232) that moves in a direction to reduce the effective area of (20b) .

また、請求項３に記載の発明のように、圧力変動発生手段は、エジェクタ（３３）にすることができる。   Further, as in the invention described in claim 3, the pressure fluctuation generating means can be an ejector (33).

また、請求項４に記載の発明では、エジェクタ（３３）は、前記燃料ガス供給手段（３１）から供給された燃料ガスが流出するノズル（３３１）と、前記ノズル（３３１）の開口面積を任意に可変制御できるノズル開口面積可変機構（３３５）とを備えていることを特徴としている。   In the invention according to claim 4, the ejector (33) has an arbitrary opening area of the nozzle (331) through which the fuel gas supplied from the fuel gas supply means (31) flows and the nozzle (331). And a nozzle opening area variable mechanism (335) that can be variably controlled.

これにより、燃料電池（１０）に供給される燃料ガスの流量および圧力を調整することができるため、燃料電池（１０）に供給される燃料ガスの流量および圧力を調整するための機構を別に設ける必要がなくなり、シンプルな構成にすることができる。   Accordingly, since the flow rate and pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell (10) can be adjusted, a mechanism for adjusting the flow rate and pressure of the fuel gas supplied to the fuel cell (10) is separately provided. This eliminates the need for a simple configuration.

また、請求項５に記載の発明のように、さらに、酸化剤ガス供給手段（２１）から燃料電池（１０）に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路（２０ａ）と、燃料ガス供給手段（３１）から前記燃料電池（１０）に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（３０ａ）とを備え、圧力変動発生手段（３３）は、燃料ガス供給流路（３０ａ）に配置されていてもよい。 Further, as in the invention described in claim 5, an oxidant gas supply channel (20a) for supplying an oxidant gas from the oxidant gas supply means (21) to the fuel cell (10), and a fuel fee includes the gas supply means (31) to the fuel cell (10) the fuel gas supply channel for supplying a fuel gas and (30a), the pressure fluctuation generating means (33), the fuel gas supply channel (30a it may be arranged on).

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。図１は、本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。 (First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to the first embodiment. This fuel cell system is applied to, for example, an electric vehicle.

図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０（ＦＣスタック）を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当する。   As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to the first embodiment includes a fuel cell 10 (FC stack) that generates electric power by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell 10 supplies electric power to electric devices such as an electric load 11 and a secondary battery (not shown). Incidentally, in the case of an electric vehicle, an electric motor as a vehicle driving source corresponds to an electric load.

本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。   In the first embodiment, a solid polymer electrolyte fuel cell is used as the fuel cell 10, and a plurality of cells serving as basic units are stacked and electrically connected in series. In the fuel cell 10, the following electrochemical reaction between hydrogen and oxygen occurs to generate electric energy.

（負極側）Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
（正極側）２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。 (Negative electrode side) H 2 → 2H + + 2e −
(Positive electrode side) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
The fuel cell system includes an air flow path 20 for supplying air (oxygen) to the air electrode (positive electrode) side of the fuel cell 10 and hydrogen for supplying hydrogen to the hydrogen electrode (negative electrode) side of the fuel cell 10. A flow path 30 is provided. Here, the upstream side of the fuel cell 10 in the air channel 20 is referred to as an air supply channel 20a, and the downstream side is referred to as an air discharge channel 20b. Further, the upstream side of the fuel cell 10 in the hydrogen channel 30 is referred to as a hydrogen supply channel 30a, and the downstream side is referred to as a hydrogen discharge channel 30b. Air corresponds to the oxidant gas of the present invention, and hydrogen corresponds to the fuel gas of the present invention.

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内部を流れる空気の圧力を調整するための空気背圧調整バルブ２３が設けられている。空気背圧調整バルブ２３については後述する。   An air pump 21 for pressure-feeding air sucked from the atmosphere to the fuel cell 10 is provided at the most upstream portion of the air supply channel 20a, and between the air pump 21 and the fuel cell 10 in the air supply channel 20a. Is provided with a humidifier 22 for humidifying the air. An air back pressure adjustment valve 23 for adjusting the pressure of the air flowing through the fuel cell 10 is provided in the air discharge channel 20b. The air back pressure adjustment valve 23 will be described later.

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するためのレギュレータ３２と、燃料電池１０に供給される水素の量に対応して圧力を発生させるエジェクタ３３と、水素への加湿を行う加湿器３４が設けられている。なお、エジェクタ３３が、本発明の圧力変動発生手段に相当している。   A high-pressure hydrogen tank 31 filled with hydrogen is provided at the most upstream portion of the hydrogen supply flow path 30a, and is supplied to the fuel cell 10 between the hydrogen tank 31 and the fuel cell 10 in the hydrogen supply flow path 30a. A regulator 32 for adjusting the pressure of hydrogen, an ejector 33 for generating a pressure corresponding to the amount of hydrogen supplied to the fuel cell 10, and a humidifier 34 for humidifying the hydrogen are provided. The ejector 33 corresponds to the pressure fluctuation generating means of the present invention.

水素排出流路３０ｂは、水素供給流路３０ａにおけるエジェクタ３３の下流側に接続されて閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素排出流路３０ｂには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３５が設けられている。   The hydrogen discharge flow path 30b is connected to the downstream side of the ejector 33 in the hydrogen supply flow path 30a and is configured in a closed loop. Hydrogen is resupplied to the fuel cell 10. The hydrogen discharge channel 30 b is provided with a hydrogen pump 35 for circulating hydrogen in the hydrogen channel 30.

燃料電池制御部４０（ＦＣ−ＥＣＵ）は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、燃料電池制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、３３、レギュレータ３２、水素ポンプ３５に制御信号を出力する。   The fuel cell control unit 40 (FC-ECU) is configured by a known microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like and its peripheral circuits. Then, the fuel cell control unit 40 outputs a control signal to the air pump 21, the humidifiers 22, 33, the regulator 32, and the hydrogen pump 35 based on the calculation result.

図２は本第１実施形態のエジェクタ３３を示す模式図である。図２に示すように、エジェクタ３３は、供給水素ポート３３１、吸引ポート３３２、ノズル３３３、排出口３３４を備えている。   FIG. 2 is a schematic diagram showing the ejector 33 of the first embodiment. As shown in FIG. 2, the ejector 33 includes a supply hydrogen port 331, a suction port 332, a nozzle 333, and a discharge port 334.

供給水素ポート３３１には水素供給流路３０ａが接続されている。吸引ポート３３２には、後述する空気背圧調整バルブ２３に参照圧力を導入する参照圧導入経路５０が接続されている。ノズル３３３は、中空形状となっており、供給水素ポート３３１はノズル３３３の中空部と連通しており、吸引ポート３３２はノズル３３３の外周部と連通している。ノズル３３３の中空部は、先端部に向かって径が小さくなるテーパ部を有している。このため、供給水素はノズル３３３先端から高速のガス流として流出する。供給水素がノズル３３３から高速で流出することで、ノズル３３３外周部には負圧が発生することとなり、吸引ポート３３２の圧力が低下する。   A hydrogen supply flow path 30 a is connected to the supply hydrogen port 331. The suction port 332 is connected to a reference pressure introduction path 50 that introduces a reference pressure to an air back pressure adjustment valve 23 described later. The nozzle 333 has a hollow shape, the supply hydrogen port 331 communicates with the hollow portion of the nozzle 333, and the suction port 332 communicates with the outer peripheral portion of the nozzle 333. The hollow portion of the nozzle 333 has a tapered portion whose diameter decreases toward the tip. For this reason, the supplied hydrogen flows out from the tip of the nozzle 333 as a high-speed gas flow. As the supplied hydrogen flows out from the nozzle 333 at a high speed, a negative pressure is generated in the outer peripheral portion of the nozzle 333, and the pressure of the suction port 332 decreases.

図３は、本第１実施形態における供給水素流量とエジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力の関係を示す特性図である。図３に示すように、エジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力は、供給水素流量の増加に伴って低下する。   FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between the supply hydrogen flow rate and the pressure of the suction port 332 of the ejector 33 in the first embodiment. As shown in FIG. 3, the pressure at the suction port 332 of the ejector 33 decreases as the supply hydrogen flow rate increases.

図４は、本第１実施形態の空気背圧調整バルブ２３を示す模式図である。図４に示すように、空気背圧調整バルブ２３はダイヤフラム式の調圧弁であり、圧力参照室２３０、参照圧ポート２３１、ダイヤフラム２３２、弁体２３３、弁座２３４を備えている。   FIG. 4 is a schematic diagram showing the air back pressure adjustment valve 23 of the first embodiment. As shown in FIG. 4, the air back pressure adjusting valve 23 is a diaphragm type pressure regulating valve, and includes a pressure reference chamber 230, a reference pressure port 231, a diaphragm 232, a valve body 233, and a valve seat 234.

空気背圧調整バルブ２３におけるダイヤフラム２３２の紙面上側は圧力参照室２３０になっており、ダイヤフラム２３２の紙面下側は空気排出流路２０ｂになっている。   The upper side of the diaphragm 232 in the air back pressure adjustment valve 23 is a pressure reference chamber 230, and the lower side of the diaphragm 232 is an air discharge channel 20 b.

圧力参照室２３０は、圧力参照室２３０内に参照圧を導入する参照圧ポート２３１を有している。参照圧ポート２３１は、参照圧導入経路５０を介してエジェクタ３３の吸引ポート３３２と接続されている。エジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力が低下すると、圧力参照室２３０内の圧力が低下し、ダイヤフラム２３２に加わる圧力が低下するため、弁体２３３が紙面上側に上がり、弁体２３３と弁座２３４の隙間が大きくなる。これにより、空気背圧調整バルブ２３内の空気排出流路２０ｂの有効断面積が増加し、空気背圧調整バルブ２３での圧損が低下するため、燃料電池１０内部の空気の圧力が低下する。   The pressure reference chamber 230 has a reference pressure port 231 for introducing a reference pressure into the pressure reference chamber 230. The reference pressure port 231 is connected to the suction port 332 of the ejector 33 via the reference pressure introduction path 50. When the pressure of the suction port 332 of the ejector 33 is decreased, the pressure in the pressure reference chamber 230 is decreased and the pressure applied to the diaphragm 232 is decreased, so that the valve body 233 rises to the upper side in the drawing, The gap becomes larger. As a result, the effective cross-sectional area of the air discharge passage 20b in the air back pressure adjustment valve 23 increases, and the pressure loss in the air back pressure adjustment valve 23 decreases, so the air pressure inside the fuel cell 10 decreases.

また、エジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力が上昇すると、圧力参照室２３０内の圧力が上昇し、ダイヤフラム２３２に加わる圧力が上昇するため、空気背圧調整バルブ２３内の空気排出流路２０ｂの有効断面積が減少し、燃料電池１０内部の空気の圧力が上昇する。   Further, when the pressure of the suction port 332 of the ejector 33 increases, the pressure in the pressure reference chamber 230 increases and the pressure applied to the diaphragm 232 increases. The cross-sectional area decreases, and the air pressure inside the fuel cell 10 increases.

ところで、燃料電池１０に供給される水素は、通常、燃料電池１０の発電量が増加するに伴って比例的に増加する。このため、燃料電池１０の発電量が増加するに伴って、水素供給流路３０ａにおけるエジェクタ３３を通過する水素流量が増加し、エジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力が低下するため、空気背圧調整バルブ２３内の空気の流路の有効断面積が増加し、空気背圧調整バルブ２３での圧力損失が低下することとなる。これにより、燃料電池１０に供給される空気は、供給水素流量が増加するに伴って比例的に増加するが、燃料電池１０の空気出口側における空気の圧力を一定に保つことができる。   By the way, the hydrogen supplied to the fuel cell 10 normally increases proportionally as the power generation amount of the fuel cell 10 increases. For this reason, as the power generation amount of the fuel cell 10 increases, the flow rate of hydrogen passing through the ejector 33 in the hydrogen supply flow path 30a increases and the pressure of the suction port 332 of the ejector 33 decreases. The effective sectional area of the air flow path in the valve 23 increases, and the pressure loss in the air back pressure adjustment valve 23 decreases. Thereby, the air supplied to the fuel cell 10 increases proportionally as the supply hydrogen flow rate increases, but the air pressure on the air outlet side of the fuel cell 10 can be kept constant.

以上説明したように、空気背圧調整バルブ２３を用いることにより、燃料電池１０の発電量が増加するに伴って、空気背圧調整バルブ２３での圧力損失を低下させることができるため、燃料電池１０内部の空気の圧力を常に一定に保つことが可能となる。   As described above, the use of the air back pressure adjustment valve 23 can reduce the pressure loss at the air back pressure adjustment valve 23 as the power generation amount of the fuel cell 10 increases. It becomes possible to always keep the pressure of the air inside 10 constant.

このとき、空気背圧調整バルブ２３を作動させるために、モータ等の別の動力を必要としない。したがって、空気背圧調整バルブ２３の高応答化および省動力化を図ることが可能となる。   At this time, in order to operate the air back pressure adjustment valve 23, another power such as a motor is not required. Accordingly, it is possible to achieve high response and power saving of the air back pressure adjustment valve 23.

なお、燃料電池１０の空気出口側の圧力は、エジェクタ３３のノズル径やスロート径および空気背圧調整バルブ３３の設定によって、任意に設定することができる。   The pressure on the air outlet side of the fuel cell 10 can be arbitrarily set by setting the nozzle diameter and throat diameter of the ejector 33 and the air back pressure adjustment valve 33.

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、エジェクタ３３の形状が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。 (Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in the shape of the ejector 33. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図５は本第２実施形態のエジェクタ３３を示す模式図である。図５に示すように、本第２実施形態のエジェクタ３３は、ノズル３３３の開口面積（開度）を調整するための可動ニードル３３５が、ノズル３３３の内部に同軸的に配置されている。可動ニードル３３５は、ウォームギア３３６を介して電気式駆動手段としてのモータ３３７で駆動され、ノズル３３３の軸方向に移動する。可動ニードル３３５の一端は、先端に向かって断面積が徐々に小さくなるテーパ部を有している。ノズル３３３の先端部で可動ニードル３３５のテーパ部を軸方向に移動させることで、ノズル３３３の開口面積を任意に可変制御できる。具体的には、可動ニードル３３５をノズル３３３内に格納する方向に移動させるとノズル３３３の開口面積が拡大し、可動ニードル３３５をノズル３３３から突き出す方向に移動させるとノズル３３３の開口面積が縮小する。なお、可変ニードル３３５が、本発明のノズル開口面積可変機構に相当している。   FIG. 5 is a schematic view showing the ejector 33 of the second embodiment. As shown in FIG. 5, in the ejector 33 of the second embodiment, a movable needle 335 for adjusting the opening area (opening degree) of the nozzle 333 is coaxially arranged inside the nozzle 333. The movable needle 335 is driven by a motor 337 as an electric drive means via a worm gear 336 and moves in the axial direction of the nozzle 333. One end of the movable needle 335 has a tapered portion whose sectional area gradually decreases toward the tip. By moving the tapered portion of the movable needle 335 in the axial direction at the tip of the nozzle 333, the opening area of the nozzle 333 can be arbitrarily variably controlled. Specifically, when the movable needle 335 is moved in the direction in which it is stored in the nozzle 333, the opening area of the nozzle 333 is enlarged, and when the movable needle 335 is moved in the direction of protruding from the nozzle 333, the opening area of the nozzle 333 is reduced. . The variable needle 335 corresponds to the nozzle opening area variable mechanism of the present invention.

ノズル３３３の開口面積を調整することで、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整することができる。具体的には、ノズル３３３の開口面積を拡大することで供給水素の流速が遅くなり、供給水素圧力が低下する。逆に、ノズル３３３の開口面積を縮小することで供給水素の流速が速くなり、供給水素圧力が上昇する。   By adjusting the opening area of the nozzle 333, the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10 can be adjusted. Specifically, by increasing the opening area of the nozzle 333, the flow rate of the supplied hydrogen is reduced, and the supplied hydrogen pressure is reduced. Conversely, by reducing the opening area of the nozzle 333, the flow rate of the supplied hydrogen is increased, and the supplied hydrogen pressure is increased.

以上説明したように、ノズル３３３の開口面積を可変制御できるエジェクタ３３を用いることで、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するレギュレータ３２を不要にすることができ、シンプルな構成にすることが可能となる。   As described above, the use of the ejector 33 that can variably control the opening area of the nozzle 333 eliminates the need for the regulator 32 that adjusts the pressure of hydrogen supplied to the fuel cell 10, resulting in a simple configuration. It becomes possible.

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６および図７に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に示した燃料電池システムと比較して、空気背圧調整バルブ２３とエジェクタ３３を一体の構造とした点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。 (Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The third embodiment is different from the fuel cell system shown in the first embodiment in that the air back pressure adjusting valve 23 and the ejector 33 are integrated. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

図６は本第３実施形態の燃料電池システムを示す模式図で、図７は本第３実施形態の空気背圧調整バルブ２３を示す模式図である。図６および図７に示すように、空気背圧調整バルブ２３は、空気背圧調整バルブ２３の紙面上側に、エジェクタ３３を一体に設けた構造になっている。そして、空気背圧調整バルブ２３の参照圧ポート２３１に、エジェクタ３３の吸引ポート３３２が直接接続されている。   FIG. 6 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to the third embodiment, and FIG. 7 is a schematic diagram showing an air back pressure adjusting valve 23 according to the third embodiment. As shown in FIGS. 6 and 7, the air back pressure adjustment valve 23 has a structure in which an ejector 33 is integrally provided above the air back pressure adjustment valve 23 in the drawing. The suction port 332 of the ejector 33 is directly connected to the reference pressure port 231 of the air back pressure adjustment valve 23.

このような構成をとることにより、空気背圧調整バルブ２３の参照圧ポート２３１とエジェクタ３３の吸引ポート３３２との距離を短くすることができるため、空気背圧調整バルブ２３の応答性をより高くすることが可能となる。   By adopting such a configuration, the distance between the reference pressure port 231 of the air back pressure adjustment valve 23 and the suction port 332 of the ejector 33 can be shortened, so that the responsiveness of the air back pressure adjustment valve 23 is further increased. It becomes possible to do.

（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、圧力変動発生手段としてエジェクタ３３を適用しているが、燃料電池１０に供給される水素の流れにより圧力を変化させるものであればよく、エジェクタ３３の代わりにベンチュリーポンプを適用してもよい。 (Other embodiments)
In each of the above embodiments, the ejector 33 is applied as the pressure fluctuation generating means. However, it is sufficient that the pressure is changed by the flow of hydrogen supplied to the fuel cell 10, and the venturi pump is used instead of the ejector 33. May be applied.

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a fuel cell system according to a first embodiment. 第１実施形態のエジェクタ３３を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the ejector 33 of 1st Embodiment. 第１実施形態における供給水素流量とエジェクタ３３の吸引ポート３３２の圧力の関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between the supply hydrogen flow rate and the pressure of the suction port 332 of the ejector 33 in 1st Embodiment. 第１実施形態の空気背圧調整バルブ２３を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing air back pressure regulation valve 23 of a 1st embodiment. 第２実施形態のエジェクタ３３を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the ejector 33 of 2nd Embodiment. 第３実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the fuel cell system of 3rd Embodiment. 第３実施形態の空気背圧調整バルブ２３を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing air back pressure regulation valve 23 of a 3rd embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池、２０ａ…空気供給流路、２０ｂ…空気排出流路、２３…空気背圧調整バルブ、３０ａ…水素供給流路、３１…高圧水素タンク（燃料ガス供給手段）、３３…エジェクタ（圧力変動発生手段）、３３３…ノズル、３３５…可変ニードル（ノズル開口面積可変機構）。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 20a ... Air supply flow path, 20b ... Air discharge flow path, 23 ... Air back pressure adjustment valve, 30a ... Hydrogen supply flow path, 31 ... High pressure hydrogen tank (fuel gas supply means), 33 ... Ejector ( Pressure fluctuation generating means), 333... Nozzle, 335... Variable needle (nozzle opening area variable mechanism).

Claims (5)

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセルが複数積層された燃料電池（１０）と、
燃料ガスとの電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを前記燃料電池（１０）から排出する酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）に設けられる燃料電池用酸化剤ガス背圧調整バルブとを備え、
前記背圧調整バルブは、前記燃料電池（１０）に供給される燃料ガスの流れを利用して圧力変動を発生させる圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力が低下するに応じて前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を増加させ、前記圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力が上昇するに応じて前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を減少させることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell (10) in which a plurality of cells for generating electrical energy by an electrochemical reaction between an oxidant gas and a fuel gas are stacked;
Fuel cell oxidizer gas back pressure regulator valve provided in the oxidizing gas discharge passage (20b) for discharging the oxidizing gas unreacted not used for an electrochemical reaction between a fuel gas from the fuel cell (10) And
The oxidizing agent in accordance with the back pressure regulating valve, the pressure generated by the pressure fluctuation generating means (33) for generating a pressure fluctuation by utilizing the flow of the fuel gas supplied to the fuel cell (10) is reduced The effective sectional area of the gas discharge passage (20b) is increased, and the effective sectional area of the oxidant gas discharge passage (20b) is decreased as the pressure generated by the pressure fluctuation generating means (33) increases. A fuel cell system . 前記背圧調整バルブは、
前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を調整する弁体（２３３）と、
前記圧力変動発生手段（３３）と接続され、前記圧力変動発生手段（３３）によって発生した圧力変動により内部の圧力が変動する圧力参照室（２３０）と、
前記圧力参照室（２３０）内の圧力が低下するに応じて前記弁体（２３３）を前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を増加させる方向に移動させるとともに、前記圧力参照室（２３０）内の圧力が上昇するに応じて前記弁体（２３３）を前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）の有効断面積を減少させる方向に移動させるダイヤフラム（２３２）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。 The back pressure adjustment valve is
A valve body (233) for adjusting an effective cross-sectional area of the oxidant gas discharge channel (20b);
A pressure reference chamber (230) connected to the pressure fluctuation generating means (33) and having an internal pressure fluctuating due to a pressure fluctuation generated by the pressure fluctuation generating means (33);
It is moved the valve body (233) in the direction of increasing the effective area of the oxidizing gas discharge passage (20b) in response to the pressure of the pressure reference chamber (230) inside is reduced, the pressure reference chamber A diaphragm (232) that moves the valve body (233) in a direction that reduces the effective cross-sectional area of the oxidant gas discharge channel (20b) as the pressure in the (230) increases. The fuel cell system according to claim 1. 前記圧力変動発生手段は、エジェクタ（３３）であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1 or 2, wherein the pressure fluctuation generating means is an ejector (33). 前記エジェクタ（３３）は、前記燃料ガス供給手段（３１）から供給された燃料ガスが噴出するノズル（３３３）と、
前記ノズル（３３３）の開口面積を任意に可変制御できるノズル開口面積可変機構（３３５）とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。 The ejector (33) includes a nozzle (333) from which the fuel gas supplied from the fuel gas supply means (31) is ejected;
The fuel cell system according to claim 3, further comprising a nozzle opening area variable mechanism (335) capable of arbitrarily variably controlling the opening area of the nozzle (333). さらに、酸化剤ガス供給手段（２１）から前記燃料電池（１０）に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路（２０ａ）と、
燃料ガス供給手段（３１）から前記燃料電池（１０）に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給流路（３０ａ）とを備え、
前記圧力変動発生手段（３３）は、前記燃料ガス供給流路（３０ａ）に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。 Furthermore, an oxidant gas supply channel (20a) for supplying an oxidant gas from the oxidant gas supply means (21) to the fuel cell (10);
With the fuel gas supply means (31) to the fuel cell (10) the fuel gas supply channel for supplying a fuel gas and (30a),
The fuel cell system according to the pressure variation generating means (33), any one of claims 1 to 4, characterized in that disposed in the fuel gas supply passage (30a).
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