JP2005129312A - 燃料電池の燃料供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】凍結の問題を回避したうえオフガスの循環流量を制御することのできる燃料電池の燃料供給装置を提供する。
【解決手段】制御装置４１は、燃料電池１０の発電状態に応じて、レギュレータ３２による供給圧力とエジェクタポンプ５０のノズル開度とを制御してオフガス循環経路３４を流通するオフガスの循環流量Ｇｅを可変している。これによれば、オフガス循環経路３４に流量調整弁などを設けないため、凍結の問題を回避できるうえ、レギュレータ３２による供給圧力とエジェクタポンプ５０のノズル開度とから決まるオフガス循環経路３４の循環流量Ｇｅの関係を用いることにより、燃料電池１０の負荷に応じてオフガスの循環流量Ｇｅを制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池から排出される排出燃料を、新たに供給される燃料と混合して燃料電池に再循環させる燃料電池の燃料供給装置に関するものである。
燃料電池の燃料利用率と発電効率の低下防止のため、燃料電池の燃料極から排出されるオフガスをポンプ装置により吸引し、供給燃料に混合して燃料電池に再循環させる燃料電池システムが知られている。オフガスを再循環させるためのポンプ装置には、供給燃料の流体エネルギーを利用して省動力化を図ることができるため、エジェクタノズルを備えるエジェクタポンプ（エジェクタ装置）が主に用いられている。
このような、従来の燃料電池システムの燃料供給装置においては、燃料電池への供給圧を供給燃料の流量により制御して所定値に保持する方式を用いて、燃料ガスを再循環させながら燃料極へ供給している。従って、この方式においては、供給燃料の流量が燃料電池への供給圧のみによって制御されるので、燃料供給手段からの主供給燃料の供給圧力と供給燃料の流量によって決定される循環流量は特に制御されず、運転条件に伴って変動してしまうという難点がある。
このような問題に対して特許文献１では、オフガス循環経路に流量調整弁を設け、燃料電池の負荷に応じてオフガスの循環流量を制御している。また、後述する本発明の構成に類似した先願として特許文献２があり、燃料供給側の調圧弁と可変流量のエジェクタポンプとを備えているが、上記のようにオフガスの循環流量を制御するためのものではない。
特開平９−２１３３５３号公報 特開２００１−２６６９２２号公報
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムのオフガス循環経路には、燃料電池内部で発生した水分が入り込むため、上記特許文献１の構成では流量調整弁内で水が凍結することにより作動不良を引き起こすという問題点がある。本発明は、この従来技術の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、凍結の問題を回避したうえオフガスの循環流量を制御することのできる燃料電池の燃料供給装置を提供することにある。
本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項７に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、燃料供給手段（３１）からの主供給燃料を燃料電池（１０）供給する燃料供給経路（３０）と、燃料供給経路（３０）に設けられ主供給燃料の供給圧力を調整する主供給圧力制御手段（３２）と、燃料電池（１０）から排出される燃料を含んだオフガスを主供給燃料に合流させて再使用するためのオフガス循環経路（３４）と、主供給圧力制御手段（３２）下流側の燃料供給経路（３０）とオフガス循環経路（３４）との合流点に設けられ、主供給燃料が噴射するノズル部（５１１３）周囲の圧力低下を利用してオフガスを吸引して循環させると共に、ノズル部（５１１３）のノズル開度を調整することのできるエジェクタ装置（５０）と、主供給圧力制御手段（３２）とエジェクタ装置（５０）とを制御する制御手段（４１）を備える燃料電池の燃料供給装置において、
制御手段（４１）は、燃料電池（１０）の発電状態に応じて、主供給圧力制御手段（３２）による供給圧力とエジェクタ装置（５０）のノズル開度とを制御してオフガス循環経路（３４）を流通するオフガスの循環流量（Ｇｅ）を可変することを特徴としている。
この請求項１に記載の発明によれば、オフガス循環経路（３４）に流量調整弁などを設けないため、凍結の問題を回避できるうえ、図３のグラフに示す主供給圧力制御手段（３２）による供給圧力とエジェクタ装置（５０）のノズル開度とから決まるオフガス循環経路（３４）の循環流量（Ｇｅ）の関係を用いることにより、燃料電池（１０）の負荷に応じてオフガスの循環流量（Ｇｅ）を制御することができる。
また、請求項２に記載の発明では、制御手段（４１）は、燃料電池（１０）の発電電圧（Ｖ）が所定電圧よりも低下した場合、循環流量（Ｇｅ）を増加させることを特徴としている。
この請求項２に記載の発明によれば、燃料電池（１０）の燃料極がフラッティング（ガス流路内に水が滞留し、発電が不安定になる現象）した場合、燃料電池（１０）のセル電圧の低下によって検知が可能であるため、このセル電圧が低下した場合にオフガス循環経路（３４）の循環流量（Ｇｅ）を一時的に増加させ、ガス流路内の燃料ガスの流速を上げることによって、ガス流路内に滞留した水の排出を促進するものである。尚、この循環流量（Ｇｅ）の増加のさせ方は、所定時間だけパルス的に増加させる方法であっても良いし、セル電圧が回復するまで増加させる方法であっても良い。
また、請求項３に記載の発明では、エジェクタ装置（５０）下流側の燃料供給経路（３０）に、流通している混合ガスの湿度（Ｈ）を検出する湿度検出手段（３７）を設けると共に、制御手段（４１）は、湿度検出手段（３７）で検出される湿度（Ｈ）に応じ、燃料電池（１０）で必要とされる必要加湿量（Ｈｎ）となるよう循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴としている。
燃料電池（１０）の必要加湿量（Ｈｎ）は発電状態によって決定されるが、この請求項３に記載の発明によれば、燃料電池（１０）へ供給する混合ガスの湿度（Ｈ）を湿度検出手段（３７）で検出し、必要加湿量（Ｈｎ）に合った湿度（Ｈ）となるよう、水蒸気を含んだオフガスの循環流量（Ｇｅ）の調整を行うものである。
また、請求項４に記載の発明では、オフガス循環経路（３４）に、循環しているオフガスの湿度（Ｈ）を検出する湿度検出手段（３７）を設けると共に、制御手段（４１）は、湿度検出手段（３７）で検出される湿度（Ｈ）に応じ、燃料電池（１０）で必要とされる必要加湿量（Ｈｎ）となるよう循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴としている。
この請求項４に記載の発明によれば、オフガスの湿度（Ｈ）を湿度検出手段（３７）で検出し、主供給燃料とオフガスとの混合比を考え合わせ、それらの混合ガスが必要加湿量（Ｈｎ）に合った湿度（Ｈ）となるよう、水蒸気を含んだオフガスの循環流量（Ｇｅ）の調整を行うものである。
また、請求項５に記載の発明では、オフガス循環経路（３４）に、循環しているオフガスの温度（Ｔ）を検出する温度検出手段（３８）を設けると共に、制御手段（４１）は、温度検出手段（３８）で検出される温度（Ｔ）に応じ、燃料電池（１０）で必要とされる必要加湿量（Ｈｎ）となるよう循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴としている。
この請求項５に記載の発明によれば、オフガスの温度（Ｔ）を温度検出手段（３８）で検出することにより、この温度（Ｔ）をオフガスの露点温度としてオフガスの湿度（Ｈ）を導き出せるため、この導き出したオフガス湿度（Ｈ）と主供給燃料とオフガスとの混合比とを考え合わせ、それらの混合ガスが必要加湿量（Ｈｎ）に合った湿度（Ｈ）となるよう、水蒸気を含んだオフガスの循環流量（Ｇｅ）の調整を行うものである。
また、請求項６に記載の発明では、エジェクタ装置（５０）下流側の燃料供給経路（３０）に、流通している混合ガスの水素濃度（Ｃ）を検出する水素濃度検出手段（３９）を設けると共に、制御手段（４１）は、水素濃度検出手段（３９）で検出される水素濃度（Ｃ）に応じ、燃料電池（１０）で必要とされる必要水素ストイキ（Ｓｎ）となるよう循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴としている。
燃料電池（１０）の発電状態に応じて、燃料電池（１０）の必要水素ストイキ（主供給水素量＋循環水素量／水素消費量）（Ｓｎ）が決定される。この請求項６に記載の発明によれば、燃料電池（１０）へ供給する混合ガスの水素濃度（Ｃ）を水素濃度検出手段（３９）で検出し、必要水素ストイキ（Ｓｎ）に合った水素濃度（Ｃ）の混合ガスとなるよう、オフガスの循環流量（Ｇｅ）の調整を行うものである。
また、請求項７に記載の発明では、オフガス循環経路（３４）に、循環しているオフガスの水素濃度（Ｃ）を検出する水素濃度検出手段（３９）を設けると共に、制御手段（４１）は、水素濃度検出手段（３９）で検出される水素濃度（Ｃ）に応じ、燃料電池（１０）で必要とされる必要水素ストイキ（Ｓｎ）となるよう循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴としている。
この請求項７に記載の発明によれば、オフガスの水素濃度（Ｃ）を水素濃度検出手段（３９）で検出し、主供給水素とオフガスとの混合比を考え合わせ、それらの混合ガスが必要水素ストイキ（Ｓｎ）に合った水素濃度（Ｃ）となるよう、オフガスの循環流量（Ｇｅ）の調整を行うものである。尚、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一例である。
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。本実施形態の燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池１０、空気供給装置２１、燃料（水素）供給装置３１、エジェクタポンプ（エジェクタ装置）５０、制御装置（制御手段）４１などを備えている。
燃料電池（FCスタック）１０は、燃料としての水素と酸化剤としての酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本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（ＰＥＦＣ）を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。そして、燃料電池１０は、図示しない走行用モータや２次電池などの電気機器に電力を供給するように構成されている。また、燃料電池１０には、その発電電圧Ｖを検出するための電圧センサ１１が設けられている。
燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギーが発生する。
（水素極側）H２→２H++２e−+Ｑ（発熱）
（酸素極側）１／２Ｏ２+２H++２e−→H２O＋Ｑ（発熱）
この電気化学反応により生成水が発生する共に、燃料電池１０には加湿された水素と空気が供給され、燃料電池１０内部で凝縮水が発生する。
燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気供給経路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供給経路（燃料供給経路）３０が設けられている。空気供給経路２０の最上流部には空気供給装置２１が設けられ、水素供給経路３０の最上流部には水素供給装置３１が設けられている。本実施形態では、空気供給装置２１としてコンプレッサを用い、水素供給装置３１として水素ガスが充填された高圧水素タンクを用いている。
水素供給経路３０には、水素供給装置３１からの水素供給量、および水素供給圧力を調整するためのレギュレータ（主供給圧力制御手段）３２が設けられている。また、空気供給経路２０における燃料電池１０入口付近には、空気供給圧を検出するための空気供給圧検出センサ２２が設けられ、水素供給経路３０における燃料電池１０入口付近には、水素供給圧を検出するための水素供給圧検出センサ３３が設けられている。尚、燃料電池１０への水素供給圧は、エジェクタポンプ５０の吐出圧（出口圧力）となっている。
燃料電池１０から排出される未反応水素を含んだオフガスを、水素供給装置３１からの主供給水素に合流させて燃料電池１０に再供給するためのオフガス循環経路３４が設けられている。オフガス循環経路３４は、燃料電池１０の水素極出口側と水素供給経路３０におけるレギュレータ３２の下流側とを接続している。
オフガス循環経路３４には、オフガス中に含まれる水分を分離除去するための気液分離器３５、オフガスを外部に排出するための水素排出バルブ３６が設けられている。尚、気液分離器３５にて分離された水は、下方に設けられたバルブを開放することにより排出される。
水素供給経路３０におけるオフガス循環経路３４の合流点には、オフガスを循環させるためのポンプ手段としてエジェクタポンプ５０が設けられている。エジェクタポンプ５０は、高速で噴出する作動流体のエネルギー交換作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであり、具体的には、水素供給装置３１から供給される主供給水素の流体エネルギーを利用してオフガスを吸引して循環させるものである。尚、エジエクタポンプ５０については後述する。
燃料電池システムには、制御装置（ＥＣＵ）４１が設けられており、アクセル開度センサ４３にて検出したアクセル４２の開度などが入力されると共に、アクセル開度などに基づいて燃料電池１０の要求発電量を演算する。また、制御装置４１は、燃料電池１０が要求発電量を発電するために必要な水素供給量、必要なオフガス循環量、必要な水素供給圧力（エジェクタポンプ吐出圧）を演算する。
更に制御装置４１は、燃料電池１０が要求発電量を発電するために必要な空気供給量を演算し、コンプレッサ２１の回転数制御を行う。このとき制御装置４１は、空気供給圧検出センサ２２からのセンサ信号に基づいてコンプレッサ２１の回転数のフィードバック制御を行う。尚、制御装置４１は、電圧センサ１１からのセンサ信号に基づいて燃料電池１０の発電状態を管理する。
また、制御装置４１には、水素供給圧検出センサ３３からのセンサ信号が入力される。制御装置４１は、必要水素供給量に基づいてレギュレータ３２のバルブ開度を演算し、必要オフガス循環量に基づいてエジェクタポンプ５０のノズル開度を演算すると共に、レギュレータ３２およびエジェクタポンプ５０に制御信号を出力する。更に、制御装置４１は、気液分離器３５に設けられたバルブや水素排出バルブ３６に制御信号を出力する。
次に、エジェクタポンプ５０について図２に基づいて説明する。図２は、本発明の実施形態に係るエジェクタポンプ５０の構成を示す断面図である。エジェクタポンプ５０は、ノズルユニット５１、配管ユニット５２、および駆動ユニット５３から構成されており、各ユニット５１・５２・５３は別体に形成された後、適宜の締結手段により結合されている。
ノズルユニット５１は、ノズルボディ（ノズル部本体）５１１と、ニ一ドル５１２とを有する。ノズルボディ５１１およびニ一ドル５１２は、耐食性に富む金属、例えばＳＵＳ３１６ＬまたはＳＵＳ３０４Ｌからなり、さらにニ一ドル５１２は、滑り特性と耐摩耗性を向上させるためにＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理が施されている。
ノズルボディ５１１は、略円筒状であり、ニ一ドル５１２を摺動自在に保持する円柱状のガイド穴５１１１と、ガイド穴５１１１よりも小径で、後述する主流ポートとノズル部との間を連通させる円柱状の主流通路５１１２と、先端部に向かって径が小さくなるテーパ状のノズル部５１１３が、ノズルボディ５１１の軸方向に沿って順に形成されている。
ノズルボディ５１１の軸方向中間部には、主流通路５１１２と連通する主流ポート（主流取り込み流路）５１１４が形成されており、主流ポート５１１４には、水素供給経路３０が接続され、水素供給装置３１からの水素が導入されるようになっている。主流通路５１１２は、段付き形状としてノズルボディ側シール面５１１５が形成されており、このノズルボディ側シール面５１１５は、主流通路５１１２における主流ポート５１１４側の端部に主流通路５１１２を囲むようにして形成されている。ニ一ドル５１２は、段付き円筒形状になっており、その軸方向中問部に形成された大径円柱部５１２１がガイド穴５１１１に摺動自在に保持されている。
大径円柱部５１２１からノズル部５１１３側に内かって、大径円柱部５１２１よりも小径の第１小径円柱部５１２２が延びている。この第１小径円柱部５１２２の端部には、先端部に向かって径が小さくなるテーパ部５１２３が形成されており、このテーパ部５１２３によりノズル部５１１３の開口面積を調整するようになっている。
大径円柱部５１２１から反ノズル部５１１３側に向かって、大径円柱部５１２１よりも小径の第２小径円柱部５１２４が延びている。大径部５１２１におけるノズル部５１１３側の端面には、ノズルボディ側シール面５１１５との当接により主流通路５１１２を閉じるニ一ドル側シール面５１２５が形成されている。ここで、ニ一ドル側シール面５１２５がノズルボディ側シール面５１１５に当接した状態において、ノズル部５１１３とテーパ部５１２３は当たらないように、各部の寸法関係などが設定されている。
配管ユニット５２は、ノズルユニット５１のノズルボディ５１１におけるノズル部５１１３側の端部に配置されている。配管ユニット５２は、略円筒状であり ノズル部５１１３から噴出される水素などを通過させる吐出通路５２１が、軸方向に延びるように形成されている。この吐出通路５２１の一端側にノズル部５１１３が挿入され、吐出通路５２１の他端は水素供給経路３０を介して燃料電池１０に接続されている。配管ユニット５２の軸方向中間部には、吐出通路５２１と連通する吸引ポート５２２が形成されており、吸引ポート５２２にはオフガス循環経路３４が接続されている。
駆動ユニット５３は、ノズルユニット５１のニ一ドル５１２を駆動するもので、ノズルボディ５１１における反ノズル部５１１３側の端部に配置されている。駆動ユニット５３は、具体的にはステップモータであり、ロータ５３１・ステー'タ５３２・シールド５３３およびニ一ドルガイド５３４からなる。
ニ一ドルガイド５３４は、ノズルボディ５１１に固定され、ニ一ドル５１２の第２小径円柱部５１２４を摺動自在に保持する。また、ニ一ドル５１２の第２小径円柱部５１２４は、その先端部にてロータ５３１に固定されている。ロータ５３１に形成した雌ネジ５３２１とニ一ドルガイド５３４に形成した雄ネジ５３４１とが螺合しており、これにより、ロータ５３１が回転されるとロータ５３１およびニ一ドル５１２が軸方向に移動するようになっている。
次に、上記構成の燃料電池システムの作動について説明する。燃料電池１０にて水素が消費されている状況では、水素供給装置３１から水素供給経路３０、およびエジェクタポンプ５０を介して燃料電池１０に水素が供給される。この主供給水素がエジェクタポンプ５０内を通過する際、主供給水素はノズル部５１１３から高速のガス流として流出する。
この時、主供給水素の流体エネルギーがオフガス循環の運動エネルギーとしてエネルギー交換が成される。このため、高速ガス流となった主供給水素は、ノズル部５１１３外周部に存在するオフガスを引き込むようにして吐出通路５２１に流れる。この結果、ノズル部５１１３外周部には負圧が発生することとなり、オフガス循環経路３４を流れるオフガスが吸引ポート５２２から吸引されて吐出通路５２１に導かれる。
このようにエジェクタポンプ５０は、流入する高圧水素の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して主供給水素を等エントロピ的に減圧膨張させるノズル部５１１３と、そのノズル部５１１３から噴射する高い速度の駆動流の巻き込み作用によりオフガス循環経路３４からオフガスを吸引する吸引部５２ａと、ノズル部５１１３から噴射する駆動流とオフガスの吸引流とを混合する混合部５２ｂと、ノズル部５１１３から噴射する主供給水素とオフガス循環経路３４から吸引したオフガスとを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して混合流体の圧力を昇圧させるディフューザ部５２ｃとからなる。
この時、混合部５２ｂにおいては、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部５２ｂにおいても混合流体の圧力（静圧）が上昇する。一方、ディフューザ部５２ｃにおいては、通路断面積を徐々に拡大することにより混合流体の速度エネルギー（動圧）を圧力エネルギー（静圧）に変換するので、エジェクタポンプ５０においては、混合部５２ｂおよびディフューザ部５２ｃの両者にて混合流体圧力を昇圧する。そこで、混合部５２ｂとディフューザ部５２ｃとを総称して昇圧部と呼ぶ。
ちなみに、本実施形態では、先細ノズルを採用しているが、ノズル部５１１３から噴出する主供給水素の速度を音速以上まで加速するために、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有するラハールノズル（流体工学（東京大学出版会）参照）を採用しても良いことは言うまでもない。吐出通路５２１にて混合された主供給水素とオフガスは、水素供給経路３０を介して燃料電池１０に供給される。
駆動ユニット５３にてニ一ドル５１２を軸方向に移動させることにより、ノズル部５１１３の開口面積（開度）を調整して、主流水素量を制御する。燃料電池１０にて水素が消費されない状況になった場合は、ニ一ドル側シール面５１２５がノズルボディ側シール面５１１５に当接する位置まで、駆動ユニット５３にてニ一ドル５１２を軸方向に移動させることにより、主流通路５１１２を閉じる。
次に、本実施形態での特徴を説明する。レギュレータ３２はエジェクタポンプ５０への水素燃料の供給圧力（以下、主供給圧力）を調整することが可能であり、エジェクタポンプ５０はノズル開度により燃料電池１０へ供給する水素燃料流量（以下、主供給水素量）を調整することが可能な燃料供給装置となっており、燃料電池１０の発電状態に応じて、主供給圧力とノズル開度とを調整し、燃料電池１０からのオフガスの循環流量（以下、循環流量）Ｇｅを変化させる燃料電池システムとなっている。
制御装置４１は、燃料電池１０の発電状態に応じて、レギュレータ３２による供給圧力とエジェクタポンプ５０のノズル開度とを制御してオフガス循環経路３４を流通するオフガスの循環流量Ｇｅを可変している。これによれば、オフガス循環経路３４に流量調整弁などを設けないため、凍結の問題を回避できるうえ、図３のグラフに示すレギュレータ３２による供給圧力とエジェクタポンプ５０のノズル開度とから決まるオフガス循環経路３４の循環流量Ｇｅの関係を用いることにより、燃料電池１０の負荷に応じてオフガスの循環流量Ｇｅを制御することができる。
例えば、図３のグラフにおいて、循環流量ＧｅをＧｅ１からＧｅ２に増加させる場合は、ノズル開度をＡ１からＡ２に絞ると同時に、対応する供給圧力をＰ１からＰ２に上げることにより、主供給水素量を変化させることなく循環流量Ｇｅを変化させることができる。
また、この制御を用いて、制御装置４１は、燃料電池１０の発電電圧Ｖが所定電圧よりも低下した場合、循環流量Ｇｅを増加させている。これによれば、燃料電池１０の燃料極がフラッティング（ガス流路内に水が滞留し、発電が不安定になる現象）した場合、燃料電池１０のセル電圧の低下によって検知が可能であるため、このセル電圧が低下した場合にオフガス循環経路３４の循環流量Ｇｅを一時的に増加させ、ガス流路内の燃料ガスの流速を上げることによって、ガス流路内に滞留した水の排出を促進するものである。尚、この循環流量Ｇｅの増加のさせ方は、所定時間だけパルス的に増加させる方法であっても良いし、セル電圧が回復するまで増加させる方法であっても良い。
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図である。上述した第１実施形態と異なる本実施形態での特徴は、エジェクタポンプ５０下流側の水素供給経路３０に、流通している混合ガスの湿度Ｈを検出する湿度センサ（湿度検出手段）３７を設けると共に、制御装置４１は、湿度センサ３７で検出される湿度Ｈに応じ、燃料電池１０で必要とされる必要加湿量Ｈｎとなるよう循環流量Ｇｅを可変させている。
燃料電池１０の必要加湿量Ｈｎは発電状態によって決定されるが、これによれば、燃料電池１０へ供給する混合ガスの湿度Ｈを湿度センサ３７で検出し、必要加湿量Ｈｎに合った湿度Ｈとなるよう、水蒸気を含んだオフガスの循環流量Ｇｅの調整を行うものである。
（第３実施形態）
図５は、本発明の第３実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図である。上述した実施形態と異なる本実施形態での特徴は、オフガス循環経路３４に、循環しているオフガスの湿度Ｈを検出する湿度センサ３７を設けると共に、制御装置４１は、湿度センサ３７で検出される湿度Ｈに応じ、燃料電池１０で必要とされる必要加湿量Ｈｎとなるよう循環流量Ｇｅを可変させている。
これによれば、オフガスの湿度Ｈを湿度センサ３７で検出し、主供給燃料とオフガスとの混合比を考え合わせ、それらの混合ガスが必要加湿量Ｈｎに合った湿度Ｈとなるよう、水蒸気を含んだオフガスの循環流量Ｇｅの調整を行うものである。
（第４実施形態）
図６は、本発明の第４実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図であり、図７は、図６の燃料供給装置における循環流量の可変方法に関するグラフである。上述した実施形態と異なる本実施形態での特徴は、オフガス循環経路３４に、循環しているオフガスの温度Ｔを検出する温度センサ（温度検出手段）３８を設けると共に、制御装置４１は、温度センサ３８で検出される温度Ｔに応じ、燃料電池１０で必要とされる必要加湿量Ｈｎとなるよう循環流量Ｇｅを可変させている。
これによれば、オフガスの温度Ｔを温度センサ３８で検出することにより、この温度Ｔをオフガスの露点温度としてオフガスの湿度Ｈを導き出せるため、この導き出したオフガス湿度Ｈと主供給燃料とオフガスとの混合比とを考え合わせ、それらの混合ガスが必要加湿量Ｈｎに合った湿度Ｈとなるよう、水蒸気を含んだオフガスの循環流量Ｇｅの調整を行うものである。
より具体的には、図７のグラフに示すように、燃料電池１０の発電状態から演算される必要加湿量Ｈｎと、その時のオフガスの温度Ｔとから必要循環流量Ｇｎが求まるため、その必要循環流量Ｇｎとなるよう循環流量Ｇｅの調整を行うものである。
（第５実施形態）
図８は、本発明の第５実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図であり、図９は、図８の燃料供給装置における循環流量の可変方法に関するグラフである。上述した実施形態と異なる本実施形態での特徴は、エジェクタポンプ５０下流側の水素供給経路３０に、流通している混合ガスの水素濃度Ｃを検出する水素濃度センサ（水素濃度検出手段）３９を設けると共に、制御手段４１は、水素濃度センサ３９で検出される水素濃度Ｃに応じ、燃料電池１０で必要とされる必要水素ストイキＳｎとなるよう循環流量Ｇｅを可変させている。
燃料電池１０の発電状態に応じて、燃料電池１０の必要水素ストイキ（主供給水素量＋循環水素量／水素消費量）Ｓｎが決定される。これによれば、燃料電池１０へ供給する混合ガスの水素濃度Ｃを水素濃度センサ３９で検出し、必要水素ストイキＳｎに合った水素濃度Ｃの混合ガスとなるよう、オフガスの循環流量Ｇｅの調整を行うものである。図１０は、図８の燃料供給装置における循環流量の可変に関するフローチャートである。
まずステップＳ１で、燃料電池１０の発電状態から必要水素ストイキＳｎを算出する。次にステップＳ２で、図９のグラフに示す水素濃度Ｃに対する水素ストイキＳの関係を用い、ステップＳ１で算出した必要水素ストイキＳｎから必要水素濃度Ｃｎを求める。次にステップＳ３で、水素濃度センサ３９で燃料電池１０に供給している混合ガスの水素濃度Ｃを検出する。そしてステップＳ４では、ステップＳ３で検出した水素濃度ＣがステップＳ２で算出した必要水素濃度Ｃｎ以上であるか否かの判定を行う。
そのステップＳ４での判定結果がＮＯで、水素濃度Ｃが必要水素濃度Ｃｎに満たない場合はステップＳ５に進み、ステップＳ５では循環流量Ｇｅを調整するためのレギュレータ３２とエジェクタポンプ５０が流量調整できる範囲内であるか（循環流量Ｇｅを増加させる余裕があるか）否かの判定を行う。そのステップＳ５での判定結果がＹＥＳで、レギュレータ３２とエジェクタポンプ５０が流量調整できる範囲内である（循環流量Ｇｅを増加させる余裕がある）場合にはステップＳ６へと進み、前述した循環流量Ｇｅを増加させるための作動を行った後、リターンして上述した処理を繰り返すものである。
また、ステップＳ５での判定結果がＮＯで、レギュレータ３２とエジェクタポンプ５０が流量調整できない範囲である（循環流量Ｇｅを増加させる余裕がない）場合にはステップＳ７へと進み、オフガス循環経路３４にある水素排出バルブ３６を開く作動を行う。この水素排出バルブ３６を所定の短時間だけ開くことによって、オフガス循環経路３４内のオフガスを排出してオフガス循環経路３４内の水素濃度Ｃを上げることができる。
この後はステップＳ３の水素濃度Ｃの検出から繰り返すものである。そして、ステップＳ４での判定結果がＹＥＳとなり、水素濃度Ｃが必要水素濃度Ｃｎ以上となるまで、上記したレギュレータ３２とエジェクタポンプ５０とによる循環流量Ｇｅの増加と、水素排出バルブ３６の開放による水素濃度Ｃの向上とを組み合せて行うこととなる。
（第６実施形態）
図１１は、本発明の第６実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図であり、図１２は、図１１の燃料供給装置における循環流量の可変方法に関するグラフである。上述した実施形態と異なる本実施形態での特徴は、オフガス循環経路３４に、循環しているオフガスの水素濃度Ｃを検出する水素濃度センサ３９を設けると共に、制御装置４１は、水素濃度センサ３９で検出される水素濃度Ｃに応じ、燃料電池１０で必要とされる必要水素ストイキＳｎとなるよう循環流量Ｇｅを可変させている。
これによれば、オフガスの水素濃度Ｃを水素濃度センサ３９で検出し、主供給水素とオフガスとの混合比を考え合わせ、それらの混合ガスが必要水素ストイキＳｎに合った水素濃度Ｃとなるよう、オフガスの循環流量Ｇｅの調整を行うものである。図１３は、図１１の燃料供給装置における循環流量の可変に関するフローチャートである。まずステップＳ１１で、燃料電池１０の発電状態から必要水素ストイキＳｎを算出する。
次にステップＳ１２で、水素濃度センサ３９でオフガス循環経路３４のオフガスの水素濃度Ｃを検出する。そしてステップＳ１３では、図１２のグラフに示すように、ステップＳ１１で算出した必要水素ストイキＳｎと、ステップＳ１２で検出したオフガスの水素濃度Ｃとから必要循環流量Ｇｎが求める。次にステップＳ１４で、ステップＳ１３で求めた必要循環流量Ｇｎとするための主供給圧力Ｐｎとノズル開度Ａとを算出する。
次のステップＳ１５では、ステップＳ１４で求めた主供給圧力Ｐｎとノズル開度Ａとがレギュレータ３２とエジェクタポンプ５０との流量調整できる範囲内であるか否かの判定を行う。このステップＳ１５での判定結果がＹＥＳで、レギュレータ３２とエジェクタポンプ５０が流量調整できる範囲内である場合にはステップＳ１６へと進み、前述した循環流量Ｇｅを増加させるための作動を行った後、リターンして上述した処理を繰り返すものである。
また、ステップＳ１５での判定結果がＮＯで、レギュレータ３２とエジェクタポンプ５０が流量調整できない範囲である場合にはステップＳ１７へと進み、オフガス循環経路３４にある水素排出バルブ３６を開く作動を行う。この水素排出バルブ３６を所定の短時間だけ開くことによって、オフガス循環経路３４内のオフガスを排出してオフガス循環経路３４内の水素濃度Ｃを上げることができる。この後はステップＳ１２の水素濃度Ｃの検出から繰り返すものである。
本発明の第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係るエジェクタポンプ５０の構成を示す断面図である。 本発明の燃料供給装置における循環流量の可変方法を説明するグラフである。 本発明の第２実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図である。 本発明の第３実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図である。 本発明の第４実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図である。 図６の燃料供給装置における循環流量の可変方法に関するグラフである。 本発明の第５実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図である。 図８の燃料供給装置における循環流量の可変方法に関するグラフである。 図８の燃料供給装置における循環流量の可変に関するフローチャートである。 本発明の第６実施形態における燃料供給装置の構成を示す模式図である。 図１１の燃料供給装置における循環流量の可変方法に関するグラフである。 図８の燃料供給装置における循環流量の可変に関するフローチャートである。
符号の説明
１０…ＦＣスタック（燃料電池）
３０…水素供給経路（燃料供給経路）
３１…高圧水素タンク、水素供給装置（燃料供給手段）
３２…レギュレータ（主供給圧力制御手段）
３４…オフガス循環経路
３７…湿度センサ（湿度検出手段）
３８…温度センサ（温度検出手段）
３９…水素濃度センサ（水素濃度検出手段）
４１…制御装置（制御手段）
５０…エジェクタポンプ（エジェクタ装置）
５１１３…ノズル部
Ｃ…ガス水素濃度
Ｇｅ…循環流量
Ｈ…ガス湿度
Ｈｎ…必要加湿量
Ｓｎ…必要水素ストイキ
Ｔ…オフガス温度
Ｖ…発電電圧

Claims (7)

  1. 燃料供給手段（３１）からの主供給燃料を燃料電池（１０）供給する燃料供給経路（３０）と、
    前記燃料供給経路（３０）に設けられ前記主供給燃料の供給圧力を調整する主供給圧力制御手段（３２）と、
    前記燃料電池（１０）から排出される燃料を含んだオフガスを前記主供給燃料に合流させて再使用するためのオフガス循環経路（３４）と、
    前記主供給圧力制御手段（３２）下流側の前記燃料供給経路（３０）と前記オフガス循環経路（３４）との合流点に設けられ、前記主供給燃料が噴射するノズル部（５１１３）周囲の圧力低下を利用して前記オフガスを吸引して循環させると共に、前記ノズル部（５１１３）のノズル開度を調整することのできるエジェクタ装置（５０）と、
    前記主供給圧力制御手段（３２）と前記エジェクタ装置（５０）とを制御する制御手段（４１）を備える燃料電池の燃料供給装置において、
    前記制御手段（４１）は、前記燃料電池（１０）の発電状態に応じて、前記主供給圧力制御手段（３２）による供給圧力と前記エジェクタ装置（５０）のノズル開度とを制御して前記オフガス循環経路（３４）を流通する前記オフガスの循環流量（Ｇｅ）を可変することを特徴とする燃料電池の燃料供給装置。
  2. 前記制御手段（４１）は、前記燃料電池（１０）の発電電圧（Ｖ）が所定電圧よりも低下した場合、前記循環流量（Ｇｅ）を増加させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
  3. 前記エジェクタ装置（５０）下流側の前記燃料供給経路（３０）に、流通している混合ガスの湿度（Ｈ）を検出する湿度検出手段（３７）を設けると共に、前記制御手段（４１）は、前記湿度検出手段（３７）で検出される前記湿度（Ｈ）に応じ、前記燃料電池（１０）で必要とされる必要加湿量（Ｈｎ）となるよう前記循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
  4. 前記オフガス循環経路（３４）に、循環しているオフガスの湿度（Ｈ）を検出する湿度検出手段（３７）を設けると共に、前記制御手段（４１）は、前記湿度検出手段（３７）で検出される前記湿度（Ｈ）に応じ、前記燃料電池（１０）で必要とされる必要加湿量（Ｈｎ）となるよう前記循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
  5. 前記オフガス循環経路（３４）に、循環しているオフガスの温度（Ｔ）を検出する温度検出手段（３８）を設けると共に、前記制御手段（４１）は、前記温度検出手段（３８）で検出される前記温度（Ｔ）に応じ、前記燃料電池（１０）で必要とされる必要加湿量（Ｈｎ）となるよう前記循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
  6. 前記エジェクタ装置（５０）下流側の前記燃料供給経路（３０）に、流通している混合ガスの水素濃度（Ｃ）を検出する水素濃度検出手段（３９）を設けると共に、前記制御手段（４１）は、前記水素濃度検出手段（３９）で検出される前記水素濃度（Ｃ）に応じ、前記燃料電池（１０）で必要とされる必要水素ストイキ（Ｓｎ）となるよう前記循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
  7. 前記オフガス循環経路（３４）に、循環しているオフガスの水素濃度（Ｃ）を検出する水素濃度検出手段（３９）を設けると共に、前記制御手段（４１）は、前記水素濃度検出手段（３９）で検出される前記水素濃度（Ｃ）に応じ、前記燃料電池（１０）で必要とされる必要水素ストイキ（Ｓｎ）となるよう前記循環流量（Ｇｅ）を可変させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の燃料供給装置。
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