JP3622720B2

JP3622720B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP3622720B2
Application number: JP2001369908A
Authority: JP
Inventors: 元治西尾
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-04
Filing date: 2001-12-04
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2021-12-04
Also published as: JP2003168456A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システム、特に燃料極のオフガスの再利用を行うための燃料循環システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料極から排出された余剰燃料を再利用する従来のシステムとして、特開平９−２２７１４号公報のようなものが知られている。これは、燃料電池システムに新たに供給された燃料ガスと余剰燃料（オフガス）が混合するエゼクタを設け、また、このエゼクタと燃料極の排出部との間に、燃料極からのオフガスを選択的に外部へ排出することができるパージラインを設置している。
【０００３】
エゼクタにより余剰のオフガスを循環供給して燃料の無駄を省き、また燃料電池の水詰まり時等のパージ時には、パージラインとシステム外部を流通させて大気中にガスを捨てることにより水詰まりを解消している。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、この燃料循環システムでは、全運転領域においてエゼクタによる高循環率を確保することが難しかった。これは、低出力時に十分な循環率を得ようとしてエゼクタのノズルを小径化すると、この小型のノズルでは高出力時に抵抗が大きくなって大流量を流しにくくなり、一方、高出力時に充分な循環率を得ようとして、エゼクタのノズルを大径化すると、この大型のノズルでは低出力時には循環率が低下してしまうためである。
【０００５】
また、燃料電池スタックのセルの水詰まりが発生してパージが必要になった時、常に余剰の燃料ガスを外部に捨てなければならず、燃費を悪化してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、低出力時でも高出力時でも高循環率を得ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池へと燃料ガスを送り込む通路に介装され、駆動流となる燃料ガスが高流量のときに高循環率となる大エゼクタと、燃料電池からのオフガスを前記大エゼクタの吸込側へと循環させる通路に介装され、駆動流となる燃料ガスが低流量のときに高循環率となる小エゼクタと、エゼクタ循環率が所定の高循環率となるように燃料電池の要求燃料ガス流量に応じて小エゼクタと大エゼクタへの燃料ガスの導入を制御する手段と、を備える。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記大エゼクタの燃料ガス供給部の上流側と前記小エゼクタの燃料ガス供給部の上流側にそれぞれ可変絞り弁を備え、前記要求燃料ガス流量に応じて前記大エゼクタと前記小エゼクタに供給する燃料ガスの流量を制御する。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、前記大エゼクタの燃料ガス供給部の上流側と前記小エゼクタの燃料ガス供給部の上流側に切替弁を設け、前記要求燃料ガス流量に応じて前記大エゼクタと前記小エゼクタに供給する燃料ガスを切り替える。
【００１０】
第４の発明は、第２または第３の発明において、前記要求燃料ガス流量が、前記大エゼクタと前記小エゼクタの循環率が共に所定の高循環率を維持できる領域では、前記大エゼクタに燃料ガスを供給するように制御する。
【００１１】
第５の発明は、第２の発明において、燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうか判断する手段と、を備え、前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を開くと共に、そのときの要求燃料ガス流量に応じて開いている可変絞り弁に加えてもう一方の可変絞り弁も開き、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガス流量を増大させる。
【００１２】
第６の発明は、第２または第３の発明において、燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうかを判断する手段と、を備え、前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を閉じたまま、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガスの循環率が大きくなる方のエゼクタに燃料ガスを供給するように制御する。
【００１３】
第７の発明は第２または第３の発明において、燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、起動直後の燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうか判断する手段と、を備え、前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を開くと共に、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガスの循環率が大きくなる方のエゼクタに燃料ガスを供給するように制御する。
【００１４】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、燃料電池の要求燃料ガス流量に応じて小エゼクタと大エゼクタへの燃料ガスの導入を制御する。小エゼクタと大エゼクタを組み合わせることにより、燃料ガスの供給量が低流量から高流量までの広範囲で高いエゼクタ循環率を実現することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、常に要求される高循環率となるように大エゼクタと小エゼクタのそれぞれに供給する燃料ガスの流量を調整することで、より広範囲の流量に対して高循環率を維持することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、大エゼクタを介して燃料ガスを供給する場合と、小エゼクタを介して燃料ガスを供給する場合とを切り替えることで、小エゼクタと大エゼクタを使い分け、広範囲の流量について高循環率を維持することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、どちらのエゼクタであっても高循環率が可能な領域では、燃料ガスを大エゼクタに供給することで、高循環率を維持しつつ燃料ガス供給系の圧力損失を低減できる。
【００１８】
第５の発明によれば、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、両方の可変絞り弁を開くことにより、外部へオフガスを排出するにもかかわらず、一時的に燃料電池に供給される流量を増加することで、パージ時間を短縮することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、燃料電池に流入する混合ガスの循環率が大きくなるような方のエゼクタへ燃料ガスを供給することで、外部にオフガスを排出することなく、短時間で効率よくパージすることができる。
【００２０】
第７の発明によれば、燃料電池の起動直後のパージ制御を、混合ガスの循環率が大きくなるようにエゼクタに燃料ガスを供給することで、短時間でパージを完了することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態の燃料電池システムに備えた燃料循環システムの構成を図１に示す。
【００２２】
燃料改質システムで生成された水素リッチな燃料ガス、または水素ボンベ等からの燃料ガスは供給部１０１から燃料循環システムに供給される。供給部１０１から供給された燃料ガスは、分岐した二つの管路１０１ａ，１０１ｂにより分流し、一方は可変絞り弁１０２に、他方は可変絞り弁１０３にそれぞれ供給される。そして、可変絞り弁１０２の下流には小エゼクタ１０４が配置され、可変絞り弁１０３の下流には大エゼクタ１０５が配置される。
【００２３】
可変絞り弁１０２からの燃料ガスを駆動流として作動する小エゼクタ１０４の吸込側である還流ガス入口１０４ｃには、燃料電池１０８の燃料極の排出側から分岐する循環路１１５が接続し、燃料電池１０８から排出される余剰のオフガスである還流ガスを吸引し、燃料ガスと混合する。
【００２４】
燃料電池１０８の燃料供給通路１１４に介装される大エゼクタ１０５は可変絞り弁１０３からの燃料ガスを駆動流として作動し、その吸込側である還流ガス入口１０５ｃには小エゼクタ１０４から排出される燃料ガスと還流ガスの混合ガスが導入される。
【００２５】
そして、小エゼクタ１０４は供給される燃料ガスが低流量のときに高循環率を発揮し、これに対して大エゼクタ１０５は小エゼクタ１０４よりも高流量のときに高循環率を発揮するように、燃料ガス供給口１０４ａ、１０５ａと混合ガス排出口１０４ｂ、１０５ｂとの間にあるノズル径がそれぞれ設定される。具体的には、大エゼクタ１０５のノズル径は、小エゼクタ１０４のノズル径よりも大きく設定される。
【００２６】
前記可変絞り弁１０２、１０３を開閉することにより、小または大エゼクタ１０４または１０５の機能が制御される。すなわち、可変絞り弁１０２が開いている場合には、燃料ガスを駆動流として小エゼクタ１０４が循環路１１５の還流ガスを吸引して循環に必要なエネルギを付与し、可変絞り弁１０２が開いていなければ循環ガスは小エゼクタ１０４によって吸引されずに小エゼクタ１０４の還流ガス入口１０４ｃから混合ガス排出口１０４ｂへ通過し、また可変絞り弁１０３が開いていれば大エゼクタ１０５により小エゼクタ１０４からの混合ガスが吸引され、循環に必要なエネルギが付与され、可変絞り弁１０３が開いていない場合には、循環ガスは大エゼクタ１０５によって吸引されずに大エゼクタ１０５の還流ガス入口１０５ｃから混合ガス排出口１０５ｂへ通過する。
【００２７】
なお、可変絞り弁１０２と１０３の開閉については運転条件に応じてエゼクタ循環率が所定の高循環率となるように、後述するコントロールユニット１１２により制御される。
【００２８】
前記燃料供給通路１１４には大エゼクタ１０５からの燃料ガスと還流ガスとの混合燃料ガスが導かれ、この混合ガスは加湿器１０６において電気化学反応に必要な水分を十分に含ませてから燃料電池１０８の燃料極に供給される。燃料電池１０８は燃料ガス中の水素と図示されていない空気極に供給された空気中の酸素を用いた電気化学反応により発電を行う。
【００２９】
燃料電池１０８の燃料極の下流側には、前記循環路１１５が分岐するパージライン１１６が接続され、パージライン１１６にはパージ弁１０９を介装し、燃料電池１０８に水が溜まったりしたときに、これを開くことでシステム外部へオフガスを排出可能とする。
【００３０】
一方、循環路１１５には還流ガス中の水分を除去する凝縮器１１１を設置し、これにより除去された水分は、図示しない水タンクに貯蓄されて再び燃料電池システムで利用される。
【００３１】
次に、燃料循環システムに用いる小エゼクタ１０４と大エゼクタ１０５への燃料ガスの供給量と吸引される還流ガスの流量の比で表される循環率と、燃料ガス供給量との関係を図２に示す。
【００３２】
小エゼクタ１０４には、燃料ガス供給量が少ない領域で高循環率を示すもの、一方、大エゼクタ１０５には、燃料ガス供給量が中流量から高流量までの領域、すなわち、小エゼクタ１０４よりも高流量領域で高循環率を示すものであり、ここでは、大エゼクタ１０５が所定の高循環率に入る燃料ガス流量Ｑａが低流量領域と中流量領域との境界、大エゼクタ１０５の循環率が小エゼクタ１０４の循環率より高くなる燃料ガス流量Ｑｂを中流量領域と高流量領域との境界とする。
【００３３】
コントロールユニット１１２で行われる燃料電池システムにおける通常運転時の可変絞り制御は、まず燃料ガスの供給量が少ないとき、つまり図２における燃料ガス流量がＱａ以下の低流量領域のときには、高循環率を維持するために可変絞り弁１０２を開いて小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給する。
【００３４】
これに対して、燃料ガス流量がＱａ〜Ｑｂで表される中流量のときと、Ｑｂ以上の高流量領域のときには大エゼクタ１０５を用いるように、可変絞り弁１０２を閉じて可変絞り弁１０３を開く。中流量領域や高流量領域の一部では小エゼクタ１０４でも高循環率を維持できるが、大エゼクタ１０５に燃料を供給した方が、例えばエゼクタ内の燃料ガスの供給路であるノズルによる圧力損失が小さいために、燃料ガスを燃料電池１０８に供給するためのエネルギを小さくすることができる。そのため、大エゼクタ１０５で必要循環率が確保できる状態では、燃料ガスの供給先を直ちに大エゼクタ１０５に切り替えることでエネルギ消費を低減する。
【００３５】
また、低流量領域においては、加湿器１０６と燃料電池１０８の間に圧力センサ１０７を設置し、測定した圧力が燃料ガスを燃料電池１０８に供給するのに必要な圧力となるように可変絞り弁１０２を調整して小エゼクタ１０４から燃料ガスを供給することもできる。可変絞り弁１０２の開度は、指令圧力と圧力センサ１０７の測定圧力との差に応じてフィードバック制御をかけてもよい。このとき、循環圧力を得るために必要な小エゼクタ１０４に供給する流量以上に燃料ガスの供給量がある場合には可変絞り弁１０３を開いて、例えば全開にして、大エゼクタ１０５から供給することで、圧力損失を抑制することができ、エネルギ効率を向上することができる。
【００３６】
このように通常運転時には、小エゼクタ１０４と大エゼクタ１０５を組み合わせることにより燃料ガスの供給量が低流量から高流量までの広範囲な領域で高いエゼクタ循環率を実現することが可能となる。
【００３７】
ところで、大エゼクタ１０５の作動時には、小エゼクタ１０４の還流ガス排出口１０４ｃと大エゼクタ１０５の還流ガス入口１０５ｃが連通し、小エゼクタ１０４のノズルを還流ガスが通過するわけではないので、圧力損失は発生せず、循環流量が低下するのを抑制することができる。一方、小エゼクタ１０４を使用しているときには、大エゼクタ１０５の還流ガス入口１０５ｃおよび、混合ガス排出口１０５ｂは小エゼクタ１０４の燃料ガス流量に対しては十分大きくすることができるため、小エゼクタ１０４からの燃料ガスと還流ガスの混合ガスの通過の妨げにはならないので、十分に大きな循環流量を維持できる。
【００３８】
一方、このような燃料電池システムにおいて、例えば燃料電池１０８に充填した触媒に水詰まりが生じたとき等に、コントロールユニット１１２は、これを解消するために燃料電池１０８を流通する燃料ガスの循環率を増加させて水分のパージを行う。
【００３９】
本実施形態では、燃料ガスをシステム外部に排出せずに、燃料電池１０８に供給される混合燃料ガス循環率を増加させて水分のパージを行う内部パージと、燃料ガスをシステム外部に排出する外部パージの２種類のパージを区別して行うことで、システム外部に排出する燃料ガス量を低減する。
【００４０】
まず、燃料供給量が中流量領域のとき、つまり図２においてはＱａからＱｂの供給量のときには、内部パージを行う。この流量領域では通常運転では、可変絞り弁１０２を閉じ、可変絞り弁１０３を開いているので、大エゼクタ１０５にのみ燃料ガスが供給される。触媒の水詰まりにより燃料電池１０８の出力が低下してコントロールユニット１１２から水分のパージ指令がでると、可変絞り弁１０２を開いて可変絞り弁１０３を絞る、もしくは閉じることにより小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給する。このように、大エゼクタ１０５の替わりに小エゼクタ１０４を利用することで、燃料供給系のエネルギ損失は大きくなるものの、循環率が良くなるので、燃料電池１０８に供給する混合燃料ガス流速を増加でき、燃料電池１０８の水分をパージして目詰まりを解消できる。このときパージ弁１０９は閉じたままに保持される。
【００４１】
このような内部パージにおけるタイミングチャートを図３に示す。パージが必要だと判断されると、小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給することで還流ガス量が増加される。ここで、燃料電池１０８から取り出す電力が一定のときには、パージ時に小エゼクタ１０４と大エゼクタ１０５に供給される燃料ガス供給量の総和を、パージ以前に大エゼクタ１０５に供給していた燃料ガス供給量に等しくすることで、安定した運転が実現できる。
【００４２】
次に、低流量領域および高流量領域のとき、つまり燃料ガス供給量が図２におけるＱａ以下とＱｂ以上のときの外部パージを説明する。
【００４３】
この外部パージの領域では、上記した内部パージの領域のように、単に大エゼクタ１０５から小エゼクタ１０４に切り替えることで燃料電池１０８への燃料ガスの供給量を増やすことはできない。
【００４４】
そこで、パージ弁１０９を開く一方で、そのときの燃料ガス供給量を基準にして、そのときに開いている可変絞り弁に加えて他の可変絞り弁も開き、一時的にシステムに供給する燃料ガス流量を増加する。なお、この増加量は開かれたパージ弁１０９から外部へ排出されるオフガス量に対応させることで、燃料電池１０８の出力の低下を防止できる。
【００４５】
例えば、燃料ガス供給量がＱｂ以上の領域では、このとき必要流量を供給するように予め開いている可変絞り弁１０３と共に、もう一方の可変絞り弁１０２を所定開度だけ開き、小エゼクタ１０４、大エゼクタ１０５の両方を使用することにより、燃料電池へ流入する燃料ガス流量を増加すると共に高循環率を維持する。これにより、燃料電池１０８に供給する燃料ガス流量が増大するので、燃料電池１０８に充填した触媒に生じた水詰まりを解消することができる。
【００４６】
ここでは、低・高流量領域のパージ時に可変絞り弁１０２、１０３の両方の開度を増大して供給する流量を増加させたが、燃料ガスの供給流量と還流ガスの循環流量の総和がもっとも多くなるように可変絞り弁１０２、１０３の開度を制御してもよい。
【００４７】
このような燃料電池システムのコントロールユニット１１２で行われる制御を図４のフローチャートに示す。
【００４８】
まず、ステップＳ４０１において、燃料電池１０８に配置した電圧センサよりセル電圧を測定して、セル電圧低下により燃料電池１０８の水詰まりを検出する。ステップＳ４０２において、セル電圧の低下レベルによりパージする必要があるかどうか判断する。どのくらい低下すればパージするかは、要求される取り出し出力の安定性と容認できるパージの頻度とを考慮して適宜決定すればよい。
【００４９】
パージすると判断された場合にはステップＳ４０３に進む。ステップＳ４０３において、燃料ガス供給量が中流量領域か、低・高流量領域かを判断する。中流量領域であるならばステップＳ４０４に進み、内部パージを行う。このステップＳ４０４では可変絞り弁１０２を開いて小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給し、またパージ弁１０９は閉じたままにしておく。このとき、可変絞り弁１０３は全閉とするか、もしくは小エゼクタ１０４によりパージに必要な循環圧力が得られる程度に開いてもよい。このような内部パージにより、パージによる燃料ガスの消費を抑制できるので、燃料の利用効率を向上させることができる。
【００５０】
一方ステップＳ４０３において、低・高流量領域であると判断されたら、ステップＳ４０５に進み、いままで開いているものと共にもう一方の可変絞り弁１０２、１０３を開き一時的に循環率と燃料電池１０８に供給される燃料供給量を増大させ、これと同時にパージ弁１０９を開いて外部パージを行う。このとき供給燃料ガス流量を一時的に増加させることにより燃料電池１０８に供給される混合燃料ガスを増加すると短時間で水分のパージを行うことができる。
【００５１】
また、ステップＳ４０２において、パージをする必要がないと判断されたら、ステップＳ４０６に進み、通常の可変絞り制御を行う。この可変絞り制御を図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【００５２】
ステップＳ５０１において、要求される出力から燃料電池１０８に供給する燃料ガス流量Ｑｓを算出する。次にステップＳ５０２に進み、ステップＳ５０１で算出した燃料ガス流量Ｑｓと大エゼクタが高循環率を発揮する限界燃料ガス流量Ｑａを比較する。その結果、Ｑｓ≧ＱａならばステップＳ５０３に進み、可変絞り弁１０２を閉じて、大エゼクタ１０５に燃料ガスを供給することで、圧力損失を低減する。一方Ｑｓ＜Ｑａのときには、十分な循環率を得るために、ステップＳ５０４に進み小エゼクタ１０４にのみ燃料ガスを供給するため可変絞り弁１０２を開く。
【００５３】
このように制御することで、通常の運転時には常に高循環率を維持することができるとともに、圧力損失を抑制することができる。一方パージ時には、内部パージでは、大エゼクタ１０５と小エゼクタ１０４のうち、現在のシステム運転状態で最も燃料ガス循環率が大きくなる方に切り替えることにより、燃料電池１０８に供給される混合燃料ガスの循環率を増加して目詰まりを解消し、排出するオフガスを無くし、燃料電池システムの燃費を向上させ、また、外部パージでは、大エゼクタ１０５と小エゼクタ１０４の両方を開くことにより、短時間のうちに効率よくパージを行うことができる。
【００５４】
次に第２の実施形態における燃料電池システムの、特に燃料循環システムの構成を図６に示す。
【００５５】
第１の実施形態と同様に供給部２０１から供給される燃料ガスの圧力を調整するために圧力調整弁２０２が設けられる。この圧力調整弁２０２の下流には、小エゼクタ１０４と大エゼクタ１０５に選択的に燃料ガスの供給を切り替える切替弁２０３が設置される。なお、このように切替弁２０３の上流に圧力調整弁２０２を設置することで、燃料電池供給系の基準圧を変化させずに制御できるため、より安定した制御が可能となる。
【００５６】
第２の実施形態に用いるエゼクタの燃料供給量と循環率の関係を図７に示す。大エゼクタ１０５が所定の高循環率を発揮する限界流量を燃料ガス供給量Ｑｃとすると、供給流量Ｑｃ以下の領域では切替弁２０３がＯＮにされて、燃料ガスが小エゼクタ１０４にのみ供給される。一方、供給流量がＱｃ以上の領域では大エゼクタ１０５でも高循環率を得ることができるので、切替弁２０３がＯＦＦにされ、大エゼクタ１０５にのみ燃料ガスが供給される。このように制御することで、燃料電池１０８において低出力から高出力までの運転域で、高循環率を維持することができる。
【００５７】
このようなシステムにおけるコントロールユニット１１２で行われる制御を図８に示すフローチャートにより説明する。なお、ここでは燃料電池システムの起動時に、システム内の燃料ガスが供給される領域に存在する燃料ガス以外の不活性ガスをパージするため、システム外部に管路内のガスを排出する外部パージについても併せて説明する。
【００５８】
ステップＳ８０１において、燃料電池システムが起動直後の状態にあるかどうかを判定する。燃料電池システムが起動直後で起動制御が必要な時は、ステップＳ８０２に進み、不活性ガスを追い出すための水素置換が必要かどうかを判断する。システム内にまだ空気等の不活性ガスが充満しているような場合、起動直後から所定時間が経過するまでの間は水素置換が要求されるので、ステップＳ８０３に進み水素ガスによるパージを行う。ここでは、システム停止中に加湿器１０６、燃料電池１０８および配管内に入っていた空気等をシステム外に排出して水素ガスを充填するために、切替弁２０３をＯＦＦにしてパージ弁１０９を開いて、大エゼクタ１０５から水素ガスを供給する。これにより、大流量の水素ガスを供給することができるので置換時間を短縮することができる。
【００５９】
このような制御を繰り返してステップＳ８０２において所定の置換時間が過ぎて、水素置換が必要なくなったらステップＳ８０４に進み切替弁２０３をＯＮにして、またパージ弁１０９を閉じる。これにより、起動直後の供給燃料が少ない時には燃料ガスが小エゼクタ１０４側に流され、かつ外部への燃料の排出も停止される。
【００６０】
再びステップＳ８０１に戻り、燃料電池システムが起動直後の制御を必要しないと判断されたら、ステップＳ８０５に進み、通常運転時の流路切替弁制御を行う。
【００６１】
通常流路切替弁制御を図９のフローチャートを用いて説明する。
【００６２】
ステップＳ９０１において、燃料電池１０８に要求される出力より燃料電池１０８に供給する燃料ガスの供給流量Ｑｓを算出する。ステップＳ９０２に進み、ステップＳ９０１で求めた供給量Ｑｓが大エゼクタ１０５の循環可能下限流量Ｑｃより大きいかどうかを判断する。供給量Ｑｓが循環可能下限流量Ｑｃ以上ならば、ステップＳ９０３に進み、切替弁２０３をＯＦＦにして大エゼクタ１０５に燃料ガスを供給する。供給量Ｑｓが循環可能下限流量Ｑｃより小さければ、大エゼクタ１０５により循環させるのは無理なので、ステップＳ９０４に進み、切替弁２０３をＯＮにして小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給する。
【００６３】
このように制御することで、燃料供給量にかかわらずオフガスを循環させることができ、また、駆動流とするために燃料ガスに与えるエネルギを低減することができるので、効率のよい発電をすることができる。
【００６４】
なお、第１の実施形態では水分パージの制御を、第２の実施形態では燃料電池システム起動時の不活性ガスパージの制御を説明したが、第１の実施形態に不活性ガスパージの制御を、第２の実施形態に第１実施形態のような水分パージの制御を行ってもよい。但し、第２の実施形態ではどちらか一方のエゼクタしか使用できないため、通常運転の低流量領域では小エゼクタ１０４を、中・高流量領域では大エゼクタ１０５を使用する。またパージ時には、低・高流量領域では大エゼクタ１０５により外部パージを、中流量領域では小エゼクタにより内部パージを行う。
【００６５】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料循環システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いるエゼクタの循環率と供給流量の関係図である。
【図３】第１の実施形態の内部パージ時におけるタイミングチャートである。
【図４】第１の実施形態における制御のフローチャートである。
【図５】第１の実施形態における通常可変絞り制御のフローチャートである。
【図６】第２の実施形態における燃料循環システムの構成図である。
【図７】第２の実施形態に用いるエゼクタの循環率と提供流量の関係図である。
【図８】第２の実施形態における制御のフローチャートである。
【図９】第２の実施形態における通常可変絞り制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１０１燃料供給部
１０２可変絞り弁
１０３可変絞り弁
１０４小エゼクタ
１０５大エゼクタ
１０８燃料電池
１０９パージ弁
１１４燃料供給通路
１１５循環路
２０３切替弁[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel circulation system for reusing off-gas of a fuel electrode.
[0002]
[Prior art]
As a conventional system for reusing excess fuel discharged from the fuel electrode of a fuel cell, a system as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-22714 is known. This is provided with an ejector in which the fuel gas newly supplied to the fuel cell system and surplus fuel (off gas) are mixed, and the off gas from the fuel electrode is selectively placed between the ejector and the discharge part of the fuel electrode. A purge line that can be discharged to the outside is installed.
[0003]
Ejector circulates and supplies excess off-gas to eliminate waste of fuel, and when purging when the fuel cell is clogged, the clogging is eliminated by circulating the purge line and the outside of the system to discard the gas into the atmosphere. ing.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this fuel circulation system, it has been difficult to ensure a high circulation rate by the ejector in the entire operation region. This is because when the diameter of the ejector nozzle is reduced in order to obtain a sufficient circulation rate at low output, the resistance of this small nozzle increases at high output, making it difficult to flow a large flow rate. On the other hand, sufficient circulation at high output This is because when the diameter of the ejector nozzle is increased in order to obtain the rate, the circulation rate of the large nozzle decreases at low output.
[0005]
In addition, when the fuel cell stack is clogged with water and needs to be purged, the surplus fuel gas must always be discarded to the outside, resulting in a deterioration in fuel consumption.
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell system capable of obtaining a high circulation rate at both low output and high output.
[0007]
[Means for solving problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a large ejector interposed in a passage for sending fuel gas to the fuel cell and having a high circulation rate when the fuel gas serving as a driving flow is at a high flow rate, and off-gas from the fuel cell as the large ejector. A small ejector, which is interposed in a passage that circulates to the suction side of the fuel, and has a high circulation rate when the fuel gas serving as the driving flow is at a low flow rate, and a fuel cell so that the ejector circulation rate has a predetermined high circulation rate. Means for controlling the introduction of the fuel gas into the small ejector and the large ejector in accordance with the required fuel gas flow rate.
[0008]
According to a second invention, in the first invention, variable throttle valves are provided on the upstream side of the fuel gas supply part of the large ejector and the upstream side of the fuel gas supply part of the small ejector, respectively, and according to the required fuel gas flow rate. The flow rate of the fuel gas supplied to the large ejector and the small ejector is controlled.
[0009]
According to a third invention, in the first invention, a switching valve is provided on the upstream side of the fuel gas supply unit of the large ejector and the upstream side of the fuel gas supply unit of the small ejector, and according to the required fuel gas flow rate, The fuel gas supplied to the large ejector and the small ejector is switched.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect of the present invention, in the region where the required fuel gas flow rate is such that the circulation rates of the large ejector and the small ejector can maintain a predetermined high circulation rate, fuel is supplied to the large ejector. Control to supply gas.
[0011]
According to a fifth invention, in the second invention, the invention further comprises a purge valve for discharging off-gas from the fuel cell to the outside, and means for determining whether or not purge control of the fuel cell needs to be performed. When it is determined that the purge control needs to be performed, the purge valve is opened, and the other variable throttle valve is opened in addition to the variable throttle valve opened according to the required fuel gas flow rate at that time. The mixed gas flow rate of the fuel gas and off gas flowing into the battery is increased.
[0012]
According to a sixth invention, in the second or third invention, comprising a purge valve for discharging off-gas from the fuel cell to the outside, and means for determining whether or not purge control of the fuel cell needs to be performed, When it is determined that the purge control needs to be performed, the control means supplies the fuel gas to the ejector having a higher circulation rate of the mixed gas of the fuel gas and the off gas flowing into the fuel cell while the purge valve is closed. Control to supply.
[0013]
According to a seventh invention, in the second or third invention, a purge valve for discharging off-gas from the fuel cell to the outside, and means for determining whether or not it is necessary to perform purge control of the fuel cell immediately after startup. When the control means determines that it is necessary to perform purge control, the control means opens the purge valve and supplies the fuel gas to the ejector having the increased circulation rate of the mixed gas of the fuel gas and the off-gas flowing into the fuel cell. Control to supply.
[0014]
[Action and effect]
According to the first invention,The introduction of the fuel gas to the small ejector and the large ejector is controlled according to the required fuel gas flow rate of the fuel cell. By combining a small ejector and a large ejector, a high ejector circulation rate can be realized in a wide range from a low flow rate to a high flow rate of fuel gas.
[0015]
According to the second aspect of the invention, by adjusting the flow rate of the fuel gas supplied to each of the large ejector and the small ejector so as to always have the required high circulation rate, the high circulation rate can be achieved over a wider range of flow rates. Can be maintained.
[0016]
According to the third invention, by switching between the case where the fuel gas is supplied via the large ejector and the case where the fuel gas is supplied via the small ejector, the small ejector and the large ejector are selectively used for a wide range of flow rates. High circulation rate can be maintained.
[0017]
According to the fourth aspect of the invention, in any region where a high circulation rate is possible with either ejector, the fuel gas is supplied to the large ejector to reduce the pressure loss of the fuel gas supply system while maintaining the high circulation rate. Can be reduced.
[0018]
According to the fifth aspect of the present invention, when it is determined that the purge control needs to be performed, both the variable throttle valves are opened to temporarily supply the fuel cell to the fuel cell even though the off-gas is discharged to the outside. The purge time can be shortened by increasing the flow rate.
[0019]
According to the sixth aspect of the present invention, when it is determined that the purge control is necessary, the fuel gas is supplied to the ejector that increases the circulation rate of the mixed gas flowing into the fuel cell. Purge can be efficiently performed in a short time without discharging off-gas.
[0020]
According to the seventh invention, the purge control immediately after the start of the fuel cell can be completed in a short time by supplying the fuel gas to the ejector so that the circulation rate of the mixed gas is increased.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows the configuration of the fuel circulation system provided in the fuel cell system of the first embodiment.
[0022]
Hydrogen-rich fuel gas generated by the fuel reforming system or fuel gas from a hydrogen cylinder or the like is supplied from the supply unit 101 to the fuel circulation system. The fuel gas supplied from the supply unit 101 is divided by two branched pipes 101a and 101b, and one is supplied to the variable throttle valve 102 and the other is supplied to the variable throttle valve 103. A small ejector 104 is disposed downstream of the variable throttle valve 102, and a large ejector 105 is disposed downstream of the variable throttle valve 103.
[0023]
A circulation path 115 that branches from the discharge side of the fuel electrode of the fuel cell 108 is connected to the recirculation gas inlet 104c that is the suction side of the small ejector 104 that operates using the fuel gas from the variable throttle valve 102 as a driving flow. The reflux gas, which is excess off-gas discharged from 108, is sucked and mixed with fuel gas.
[0024]
The large ejector 105 interposed in the fuel supply passage 114 of the fuel cell 108 operates using the fuel gas from the variable throttle valve 103 as a driving flow, and is discharged from the small ejector 104 to the recirculation gas inlet 105c on the suction side. A mixed gas of fuel gas and reflux gas is introduced.
[0025]
The small ejector 104 exhibits a high circulation rate when the supplied fuel gas has a low flow rate, while the large ejector 105 exhibits a high circulation rate when the flow rate is higher than that of the small ejector 104. The nozzle diameters between the fuel gas supply ports 104a and 105a and the mixed gas discharge ports 104b and 105b are set. Specifically, the nozzle diameter of the large ejector 105 is set larger than the nozzle diameter of the small ejector 104.
[0026]
By opening and closing the variable throttle valves 102 and 103, the function of the small or large ejector 104 or 105 is controlled. That is, when the variable throttle valve 102 is open, the small ejector 104 draws the recirculation gas in the circulation path 115 by using the fuel gas as the driving flow and gives the energy necessary for circulation, and the variable throttle valve 102 is open. Otherwise, the circulating gas passes from the recirculation gas inlet 104c of the small ejector 104 to the mixed gas discharge port 104b without being sucked by the small ejector 104, and from the small ejector 104 by the large ejector 105 if the variable throttle valve 103 is open. When the mixed gas is sucked and energy necessary for circulation is applied and the variable throttle valve 103 is not opened, the circulating gas is not sucked by the large ejector 105 and is discharged from the reflux gas inlet 105c of the large ejector 105. Pass to exit 105b.
[0027]
Note that the opening and closing of the variable throttle valves 102 and 103 are controlled by a control unit 112 described later so that the ejector circulation rate becomes a predetermined high circulation rate in accordance with the operating conditions.
[0028]
A mixed fuel gas of a fuel gas and a recirculated gas from the large ejector 105 is introduced into the fuel supply passage 114, and the mixed gas sufficiently contains moisture necessary for an electrochemical reaction in the humidifier 106 before the fuel cell. The fuel electrode 108 is supplied. The fuel cell 108 generates power by an electrochemical reaction using hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air supplied to an air electrode (not shown).
[0029]
A purge line 116 from which the circulation path 115 branches is connected to the downstream side of the fuel electrode of the fuel cell 108. A purge valve 109 is interposed in the purge line 116, and water is collected in the fuel cell 108. By opening this, off gas can be discharged outside the system.
[0030]
On the other hand, a condenser 111 that removes moisture in the reflux gas is installed in the circulation path 115, and the moisture removed thereby is stored in a water tank (not shown) and used again in the fuel cell system.
[0031]
Next, FIG. 2 shows the relationship between the circulation rate represented by the ratio of the amount of fuel gas supplied to the small ejector 104 and the large ejector 105 used in the fuel circulation system and the flow rate of the recirculated gas, and the amount of fuel gas supplied. Shown in
[0032]
The small ejector 104 exhibits a high circulation rate in a region where the fuel gas supply amount is small, while the large ejector 105 has a fuel gas supply amount in a region from a medium flow rate to a high flow rate, ie, smaller than the small ejector 104. A high circulation rate is indicated in the high flow rate region. Here, the fuel gas flow rate Qa at which the large ejector 105 enters a predetermined high circulation rate is the boundary between the low flow rate region and the medium flow rate region, and the circulation rate of the large ejector 105 is The fuel gas flow rate Qb that is higher than the circulation rate of the small ejector 104 is defined as a boundary between the middle flow rate region and the high flow rate region.
[0033]
The variable throttle control during normal operation in the fuel cell system performed by the control unit 112 is such that when the fuel gas supply amount is small, that is, when the fuel gas flow rate in FIG. In order to maintain, the variable throttle valve 102 is opened and fuel gas is supplied to the small ejector 104.
[0034]
On the other hand, the variable throttle valve 102 is closed and the variable throttle valve 103 is used so that the large ejector 105 is used when the fuel gas flow rate is a medium flow rate represented by Qa to Qb and when the fuel gas flow rate is a high flow rate region of Qb or higher. open. In a part of the middle flow rate region and the high flow rate region, a high circulation rate can be maintained even with the small ejector 104. However, when fuel is supplied to the large ejector 105, for example, pressure loss due to a nozzle serving as a fuel gas supply path in the ejector is reduced. Therefore, the energy for supplying the fuel gas to the fuel cell 108 can be reduced. Therefore, in a state where the required circulation rate can be secured by the large ejector 105, energy consumption is reduced by immediately switching the fuel gas supply destination to the large ejector 105.
[0035]
In the low flow rate region, a pressure sensor 107 is installed between the humidifier 106 and the fuel cell 108 so that the measured pressure becomes a pressure necessary for supplying the fuel gas to the fuel cell 108. The fuel gas can also be supplied from the small ejector 104 by adjusting 102. The opening degree of the variable throttle valve 102 may be subjected to feedback control according to the difference between the command pressure and the measured pressure of the pressure sensor 107. At this time, if the fuel gas supply amount exceeds the flow rate supplied to the small ejector 104 necessary for obtaining the circulating pressure, the variable throttle valve 103 is opened, for example, fully opened, and supplied from the large ejector 105. Thus, pressure loss can be suppressed and energy efficiency can be improved.
[0036]
Thus, during normal operation, by combining the small ejector 104 and the large ejector 105, it is possible to achieve a high ejector circulation rate in a wide range of the fuel gas supply amount from a low flow rate to a high flow rate.
[0037]
By the way, when the large ejector 105 is operated, the recirculation gas discharge port 104c of the small ejector 104 and the recirculation gas inlet 105c of the large ejector 105 communicate with each other, and the recirculation gas does not pass through the nozzle of the small ejector 104. It cannot generate | occur | produce and it can suppress that a circulation flow rate falls. On the other hand, when the small ejector 104 is used, the recirculation gas inlet 105c and the mixed gas discharge port 105b of the large ejector 105 can be made sufficiently large with respect to the fuel gas flow rate of the small ejector 104. Therefore, a sufficiently large circulating flow rate can be maintained.
[0038]
On the other hand, in such a fuel cell system, for example, when the catalyst filled in the fuel cell 108 is clogged with water, the control unit 112 causes the circulation rate of the fuel gas flowing through the fuel cell 108 to eliminate this. The water is purged by increasing the amount.
[0039]
In the present embodiment, an internal purge that purges moisture by increasing the circulation rate of the mixed fuel gas supplied to the fuel cell 108 without discharging the fuel gas outside the system, and an external that discharges the fuel gas outside the system. By distinguishing between the two types of purging, the amount of fuel gas discharged outside the system is reduced.
[0040]
First, when the fuel supply amount is in the middle flow rate region, that is, when the supply amount is from Qa to Qb in FIG. 2, internal purge is performed. In this flow rate region, during normal operation, the variable throttle valve 102 is closed and the variable throttle valve 103 is opened, so that fuel gas is supplied only to the large ejector 105. When the output of the fuel cell 108 decreases due to catalyst clogging and a moisture purge command is issued from the control unit 112, the fuel gas is supplied to the small ejector 104 by opening or closing the variable throttle valve 103 and closing or closing the variable throttle valve 103. Supply. As described above, by using the small ejector 104 instead of the large ejector 105, although the energy loss of the fuel supply system is increased, the circulation rate is improved, so that the flow rate of the mixed fuel gas supplied to the fuel cell 108 can be increased. The clogging can be eliminated by purging the water in the fuel cell 108. At this time, the purge valve 109 is held closed.
[0041]
A timing chart in such an internal purge is shown in FIG. When it is determined that purging is necessary, the amount of recirculation gas is increased by supplying fuel gas to the small ejector 104. Here, when the electric power taken out from the fuel cell 108 is constant, the total amount of fuel gas supplied to the small ejector 104 and the large ejector 105 at the time of purging is the amount of fuel gas supplied to the large ejector 105 before the purge. Stable operation can be realized by making the value equal to.
[0042]
Next, external purge will be described in the low flow rate region and the high flow rate region, that is, when the fuel gas supply amount is Qa or less and Qb or more in FIG.
[0043]
In this external purge region, the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 108 cannot be increased simply by switching from the large ejector 105 to the small ejector 104 as in the internal purge region described above.
[0044]
Therefore, while opening the purge valve 109, on the basis of the fuel gas supply amount at that time, in addition to the variable throttle valve opened at that time, another variable throttle valve is also opened, and the fuel supplied to the system temporarily Increase gas flow. The increase amount corresponds to the amount of off gas discharged from the opened purge valve 109 to the outside, so that the output of the fuel cell 108 can be prevented from decreasing.
[0045]
For example, in the region where the fuel gas supply amount is Qb or more, the other variable throttle valve 102 is opened by a predetermined opening together with the variable throttle valve 103 which is opened in advance so as to supply the required flow rate at this time, and the small ejector 104, By using both of the large ejectors 105, the flow rate of the fuel gas flowing into the fuel cell is increased and a high circulation rate is maintained. As a result, the flow rate of the fuel gas supplied to the fuel cell 108 increases, so that the water clogging generated in the catalyst filled in the fuel cell 108 can be eliminated.
[0046]
Here, the flow rate of supply is increased by increasing the opening degree of both the variable throttle valves 102 and 103 when purging in the low / high flow rate region, but the sum of the supply flow rate of the fuel gas and the circulating flow rate of the recirculation gas is the most. You may control the opening degree of the variable throttle valves 102 and 103 so that it may increase.
[0047]
The control performed by the control unit 112 of such a fuel cell system is shown in the flowchart of FIG.
[0048]
First, in step S401, a cell voltage is measured by a voltage sensor arranged in the fuel cell 108, and a water clogging of the fuel cell 108 is detected due to a cell voltage drop. In step S402, it is determined whether purging is necessary based on the cell voltage drop level. How much the purge is to be performed may be appropriately determined in consideration of the required output stability and the acceptable purge frequency.
[0049]
If it is determined to purge, the process proceeds to step S403. In step S403, it is determined whether the fuel gas supply amount is a middle flow rate region or a low / high flow rate region. If it is in the middle flow rate region, the process proceeds to step S404 and internal purge is performed. In step S404, the variable throttle valve 102 is opened to supply fuel gas to the small ejector 104, and the purge valve 109 is kept closed. At this time, the variable throttle valve 103 may be fully closed or may be opened by the small ejector 104 to obtain a circulating pressure necessary for purging. Such internal purge can suppress the consumption of fuel gas due to the purge, thereby improving the fuel utilization efficiency.
[0050]
On the other hand, if it is determined in step S403 that the region is a low / high flow rate region, the process proceeds to step S405, and the other variable throttle valves 102 and 103 are opened together with the one that has been opened so far, and the circulation rate and the fuel cell 108 are temporarily set. The amount of supplied fuel is increased, and at the same time, the purge valve 109 is opened to perform external purge. At this time, if the mixed fuel gas supplied to the fuel cell 108 is increased by temporarily increasing the flow rate of the supplied fuel gas, the moisture can be purged in a short time.
[0051]
If it is determined in step S402 that purging is not necessary, the process proceeds to step S406, and normal variable aperture control is performed. This variable aperture control will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
[0052]
In step S501, the fuel gas flow rate Qs supplied to the fuel cell 108 is calculated from the required output. In step S502, the fuel gas flow rate Qs calculated in step S501 is compared with the limit fuel gas flow rate Qa at which the large ejector exhibits a high circulation rate. As a result, if Qs ≧ Qa, the process proceeds to step S503, the variable throttle valve 102 is closed, and the fuel gas is supplied to the large ejector 105, thereby reducing the pressure loss. On the other hand, when Qs <Qa, in order to obtain a sufficient circulation rate, the routine proceeds to step S504, where the variable throttle valve 102 is opened to supply the fuel gas only to the small ejector 104.
[0053]
By controlling in this way, it is possible to always maintain a high circulation rate during normal operation and to suppress pressure loss. On the other hand, at the time of purging, in the internal purge, the mixed fuel gas supplied to the fuel cell 108 is circulated by switching the large ejector 105 and the small ejector 104 to the one having the largest fuel gas circulation rate in the current system operation state. Increasing the rate to eliminate clogging, eliminating the off-gas to be discharged, improving the fuel consumption of the fuel cell system, and in the external purge, by opening both the large ejector 105 and the small ejector 104 in a short time, Can be efficiently purged.
[0054]
Next, FIG. 6 shows the configuration of the fuel cell system according to the second embodiment, particularly the fuel circulation system.
[0055]
Similar to the first embodiment, a pressure adjustment valve 202 is provided to adjust the pressure of the fuel gas supplied from the supply unit 201. A switching valve 203 that selectively switches the supply of fuel gas to the small ejector 104 and the large ejector 105 is installed downstream of the pressure regulating valve 202. In addition, since the control can be performed without changing the reference pressure of the fuel cell supply system by installing the pressure regulating valve 202 upstream of the switching valve 203 in this way, more stable control is possible.
[0056]
FIG. 7 shows the relationship between the fuel supply amount of the ejector used in the second embodiment and the circulation rate. Assuming that the limit flow rate at which the large ejector 105 exhibits a predetermined high circulation rate is the fuel gas supply amount Qc, the switching valve 203 is turned ON in the region below the supply flow rate Qc, and the fuel gas is supplied only to the small ejector 104. . On the other hand, in a region where the supply flow rate is Qc or higher, a high circulation rate can be obtained even with the large ejector 105, so that the switching valve 203 is turned OFF and fuel gas is supplied only to the large ejector 105. By controlling in this way, a high circulation rate can be maintained in the operating range from low output to high output in the fuel cell 108.
[0057]
Control performed by the control unit 112 in such a system will be described with reference to the flowchart shown in FIG. In this case, when the fuel cell system is started, in order to purge the inert gas other than the fuel gas existing in the region where the fuel gas in the system is supplied, the external purge for discharging the gas in the pipe line outside the system is performed. Also explained.
[0058]
In step S801, it is determined whether the fuel cell system is in a state immediately after startup. If startup control is required immediately after startup of the fuel cell system, the process proceeds to step S802, where it is determined whether hydrogen replacement for expelling the inert gas is necessary. When the system is still filled with an inert gas such as air, hydrogen replacement is required until a predetermined time elapses immediately after the start-up, so that the process proceeds to step S803 and purging with hydrogen gas is performed. Here, the switching valve 203 is turned off and the purge valve 109 is opened in order to discharge the humidifier 106, the fuel cell 108, and the air that has entered the piping during the system stop to fill the hydrogen gas. Then, hydrogen gas is supplied from the large ejector 105. Thereby, since a large flow rate of hydrogen gas can be supplied, the replacement time can be shortened.
[0059]
When such control is repeated and the predetermined replacement time has passed in step S802 and hydrogen replacement is no longer necessary, the flow proceeds to step S804, the switching valve 203 is turned on, and the purge valve 109 is closed. As a result, when the supplied fuel is low immediately after startup, the fuel gas is caused to flow toward the small ejector 104, and the discharge of fuel to the outside is also stopped.
[0060]
Returning to step S801 again, if it is determined that the fuel cell system does not require control immediately after startup, the process proceeds to step S805, where flow path switching valve control during normal operation is performed.
[0061]
The normal flow path switching valve control will be described with reference to the flowchart of FIG.
[0062]
In step S901, the supply flow rate Qs of the fuel gas supplied to the fuel cell 108 is calculated from the output required for the fuel cell 108. Proceeding to step S902, it is determined whether or not the supply amount Qs obtained at step S901 is larger than the circulatory lower limit flow rate Qc of the large ejector 105. If the supply amount Qs is equal to or greater than the circulatory lower limit flow rate Qc, the process proceeds to step S903, where the switching valve 203 is turned OFF and fuel gas is supplied to the large ejector 105. If the supply amount Qs is smaller than the circulatory lower limit flow rate Qc, it is impossible to circulate by the large ejector 105. Therefore, the process proceeds to step S904, and the switching valve 203 is turned on to supply the fuel gas to the small ejector 104.
[0063]
By controlling in this way, it is possible to circulate off-gas regardless of the amount of fuel supply, and to reduce the energy given to the fuel gas for driving flow, so that efficient power generation is possible. Can do.
[0064]
In the first embodiment, the moisture purge control is described. In the second embodiment, the inert gas purge control at the time of starting the fuel cell system is described. However, the inert gas purge control is described in the first embodiment. In the second embodiment, moisture purge control as in the first embodiment may be performed. However, since only one of the ejectors can be used in the second embodiment, the small ejector 104 is used in the low flow region in normal operation, and the large ejector 105 is used in the middle / high flow region. At the time of purging, external purge is performed by the large ejector 105 in the low / high flow rate region, and internal purge is performed by the small ejector in the medium flow rate region.
[0065]
Thus, it goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel circulation system in a first embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the circulation rate of the ejector used in the first embodiment and the supply flow rate.
FIG. 3 is a timing chart at the time of internal purge according to the first embodiment.
FIG. 4 is a flowchart of control in the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart of normal variable aperture control in the first embodiment.
FIG. 6 is a configuration diagram of a fuel circulation system according to a second embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the circulation rate of the ejector used in the second embodiment and the provided flow rate.
FIG. 8 is a flowchart of control in the second embodiment.
FIG. 9 is a flowchart of normal variable aperture control in the second embodiment.
[Explanation of symbols]
101 Fuel supply unit
102 Variable throttle valve
103 Variable throttle valve
104 Small ejector
105 Large ejector
108 Fuel cell
109 Purge valve
114 Fuel supply passage
115 circuit
203 Switching valve

Claims

A large ejector that is interposed in a passage for sending fuel gas to the fuel cell and has a high circulation rate when the fuel gas that is the driving flow has a high flow rate,
A small ejector that is interposed in a passage that circulates the off-gas from the fuel cell to the suction side of the large ejector, and that has a high circulation rate when the fuel gas serving as the driving flow has a low flow rate;
Means for controlling the introduction of the fuel gas into the small ejector and the large ejector according to the required fuel gas flow rate of the fuel cell so that the ejector circulation rate becomes a predetermined high circulation rate;
A fuel cell system comprising:

A variable throttle valve is provided on the upstream side of the fuel gas supply unit of the large ejector and the upstream side of the fuel gas supply unit of the small ejector, and the fuel is supplied to the large ejector and the small ejector according to the required fuel gas flow rate. The fuel cell system according to claim 1, wherein the flow rate of the gas is controlled.

A switching valve is provided upstream of the fuel gas supply unit of the large ejector and upstream of the fuel gas supply unit of the small ejector, and the fuel gas supplied to the large ejector and the small ejector according to the required fuel gas flow rate is provided. The fuel cell system according to claim 1 to be switched.

4. The required fuel gas flow rate is controlled such that fuel gas is supplied to the large ejector in a region where the circulation rates of the large ejector and the small ejector can both maintain a predetermined high circulation rate. Fuel cell system.

A purge valve for discharging off-gas from the fuel cell to the outside;
Means for determining whether it is necessary to perform purge control of the fuel cell, and
When it is determined that the purge control needs to be performed, the control means opens the purge valve and, in addition to the variable throttle valve opened according to the required fuel gas flow rate at that time, the other variable throttle valve 3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the flow rate of the fuel gas and the off-gas mixed gas flowing into the fuel cell is increased.

A purge valve for discharging off-gas from the fuel cell to the outside;
Means for determining whether or not it is necessary to perform purge control of the fuel cell, and when the control means determines that it is necessary to perform purge control, the purge valve is kept closed to the fuel cell. 4. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is controlled so as to supply the fuel gas to an ejector having a larger circulation rate of the mixed gas of the inflowing fuel gas and the off gas.

A purge valve for discharging off-gas from the fuel cell to the outside;
Means for determining whether it is necessary to perform purge control of the fuel cell immediately after startup,
When it is determined that the purge control is required, the control means opens the purge valve and supplies the fuel gas to the ejector having the increased circulation rate of the mixed gas of the fuel gas and the off gas flowing into the fuel cell. The fuel cell system according to claim 2, wherein the fuel cell system is controlled to be supplied.