JP2007048508A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エジェクタに関連するガスの圧力変動を抑制し、燃料電池への供給流量および供給圧力を安定化させることができる燃料電池システムを課題とする。
【解決手段】燃料電池２に供給する新たな反応ガスと燃料電池２から排出された反応ガスのオフガスとを合流して燃料電池２に反応ガスを供給するエジェクタ２４を備える。エジェクタ２４は、例えばオフガスの圧力が導入通路２５を介して信号圧として導かれる圧力室６５を有していて、この信号圧の作用により燃料電池２への反応ガスの供給流量を可変する。導入通路２５にバッファ３５を設け、オフガスを一時的に貯留するようにした。また、エジェクタ２４よりも上流側の供給流路２２ａにバッファ３３を設け、新たな反応ガスを一時的に貯留するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、流量可変式のエジェクタを備えた燃料電池システムに関するものである。

反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出されるオフガス中に、発電に寄与しなかった反応ガスが含まれ得る。従来の燃料電池システムでは、この未反応の反応ガスを再利用すべく、流量可変式のエジェクタにより燃料電池に循環供給させることがある（例えば、特許文献１および２参照。）。

例えば特許文献１に記載の燃料電池システムでは、圧力制御弁で調圧された燃料ガスがエジェクタに供給され、エジェクタは、燃料ガスを噴射することにより燃料オフガスを吸引し、両者を混合して燃料電池に供給する。このエジェクタは、同心配置した二つのノズルの一方をステップモータにより軸線方向に可動することで、そのノズルと他方のノズルとの間隙から噴射する燃料ガスの流量を可変する。
特開２００２−５６８６９号公報 特表２００２−２３１２７８号公報 特表２００３−５０８６６７号公報 特開２００４−７９４９０号公報 特開２００４−１７８８９８号公報 特開２００２−３７３６８２号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、圧力制御弁によって圧力に脈動が生じた燃料ガスがエジェクタに供給されるおそれがあった。このため、エジェクタの流量制御性が低下し、ひいてはエジェクタから燃料電池に供給される燃料ガスに圧力変動が起きて、燃料電池の耐久性や発電性能を低下させるおそれがあった。
また、このエジェクタでは、流量可変の際のステップモータの駆動時に振動が発生するため、この振動が圧力制御弁の調圧時の振動その他の周辺機器の振動と共振した場合には、燃料ガスの圧力変動が大きくなるおそれがあった。

本発明は、以上の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、エジェクタに関連するガスの圧力変動を抑制し、燃料電池への供給流量および供給圧力を安定化させることができる燃料電池システムを提供することである。

上記課題を解決するべく、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給する新たな反応ガスと燃料電池から排出された反応ガスのオフガスとを合流して燃料電池に反応ガスを供給するエジェクタであって、所定のガスの圧力が信号圧として導かれる圧力室を有し且つ信号圧の作用により燃料電池への反応ガスの供給流量を可変するエジェクタと、所定のガスの圧力を圧力室に導く導入通路と、導入通路に設けられ、所定のガスを一時的に貯留するバッファと、を備えたものである。

この構成によれば、導入通路内の所定のガスの圧力変動をバッファによって吸収または低減することができ、安定化された所定のガスの圧力が圧力室に信号圧として導入される。これにより、信号圧の作用による反応ガスの供給流量の可変を安定して行うことができ、燃料電池への供給流量および供給圧力を安定化させることができる。

ここで、「反応ガス」とは、燃料電池での発電反応に供されるガスをいい、具体的には、水素を含む燃料ガスまたは酸素を含む酸化ガスをいう。

ここで、「燃料電池への反応ガスの供給流量を可変する」とは、新たな反応ガスにオフガスを合流させた合流後の反応ガスの流量が、最終的に可変できていれば足りることを意味する。つまり、「燃料電池への反応ガスの供給流量を可変する」には、新たな反応ガスおよびオフガスの一方の流量を制御することのみならず、新たな反応ガスおよびオフガスの両方の流量を制御することが含まれ得る。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、バッファは、可変バッファであることが、好ましい。

この構成によれば、所定のガスの流量に合わせた振動抑制が可能となるため、より一層、安定化された所定のガスの圧力を圧力室に導入することができる。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、導入通路は、燃料電池システムの燃料ガス配管系または酸化ガス配管系に接続され、所定のガスは、燃料ガス配管系または酸化ガス配管系を流れるガスであることが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池システムの燃料ガス配管系または酸化ガス配管系を流れるガスを有効に利用することができる。また、エジェクタにより、燃料電池の負荷に応じた供給流量および供給圧力の反応ガスを燃料電池に供給することが可能となる。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、所定のガスは、エジェクタが供給流量を可変する反応ガスと同種のガスであることが、好ましい。

この場合、所定のガスはオフガスであることが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池での反応ガスの消費量の変動による圧力変化応答性の高い燃料電池の出口圧力がエジェクタの圧力室に作用する。これにより、エジェクタは、消費量が変動した場合に応答性良く反応ガスを供給することができる。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、エジェクタは、燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路とオフガスを供給流路に循環させる循環流路との接続部分に設けられており、エジェクタよりも上流側の供給流路には、新たな反応ガスを一時的に貯留する第２のバッファが設けられていることが、好ましい。

この構成によれば、供給流路からエジェクタに供給される新たな反応ガスの圧力変動を第２のバッファによって吸収または低減することができる。これにより、エジェクタでの流量制御性を損なうことなく、燃料電池への供給流量および供給圧力を安定化し得る。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、第２のバッファの上流側および下流側の少なくとも一方には、調圧弁が設けられていることが、好ましい。

この構成によれば、調圧弁により圧力に脈動が生じても、またエジェクタと調圧弁との間で共振が起きても、これらを第２のバッファで緩和することができる。また、エジェクタに供給する新たな反応ガスを調圧弁によって調圧することができる。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、オフガスを供給流路に循環させる循環流路と、を備え、エジェクタは、供給流路と循環流路との接続部分に設けられ、供給流路および循環流路の少なくとも一方には、調圧弁が設けられていることが、好ましい。

例えば、反応ガスが燃料ガスである場合には、調圧弁を供給流路に設ければよく、一方、反応ガスが酸化ガスである場合には、調圧弁を循環流路に設ければよい。

上記課題を解決する本発明の他の燃料電池システムは、燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された反応ガスのオフガスを供給流路に循環させる循環流路と、供給流路と循環流路との接続部分に設けられ、燃料電池への反応ガスの供給流量を可変可能に構成されたエジェクタと、エジェクタよりも上流側の供給流路に設けられ、新たな反応ガスを一時的に且つその容量を可変可能に貯留する可変バッファと、を備えたものである。

この構成によれば、供給流路を介してエジェクタに供給される新たな反応ガスの圧力変動を可変バッファによって吸収または低減することができる。また、可変バッファを用いているため、新たな反応ガスの流量に合わせた振動抑制が可能となり、燃料電池への供給流量および供給圧力を安定化させることができる。
なお、この場合のエジェクタは、供給流量を可変するための駆動方式が、例えば、上記の圧力室を設けて燃料電池システムの系内のガスの差圧を利用するものであってもよいし、アクチュエータを利用するものであってもよい。

本発明の他の燃料電池システムの一態様によれば、可変バッファは、供給流路に連通して、新たな反応ガスが導入される第１室と、所定のガスが導入される第２室と、第１室と第２室との間を仕切ると共に、新たな反応ガスと所定のガスとの差圧に応じて可動して第１室の容積および第２室の容積を可変可能な仕切り部材と、を備えたことが、好ましい。

この構成によれば、仕切り部材が新たな反応ガスと所定のガスとの差圧に応じて可動し、第２室の容積が可変されると共に、新たな反応ガスが導入される第１室の容積が可変される。

本発明の他の燃料電池システムの一態様によれば、第２室は循環流路に連通しており、所定のガスはオフガスであることが、好ましい。

この構成によれば、燃料電池での反応ガスの消費量の変動による圧力変化応答性の高い燃料電池の出口圧力が可変バッファの第２室に作用する。

本発明の他の燃料電池システムの一態様によれば、可変バッファの上流側および下流側の少なくとも一方の供給流路には、調圧弁が設けられていることが、好ましい。

この構成によれば、調圧弁により圧力に脈動が生じても、またエジェクタと調圧弁との間で共振が起きても、これらを可変バッファで緩和することができる。また、エジェクタに供給する新たな反応ガスを調圧弁によって調圧することができる。

本発明の他の燃料電池システムの一態様によれば、エジェクタは、第２の所定のガスの圧力が信号圧として導かれる圧力室を有し、且つ該信号圧の作用により燃料電池への反応ガスの供給流量を可変可能に構成されていることが、好ましい。

上記課題を解決する本発明の別の燃料電池システムの一態様は、燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、燃料電池から排出された反応ガスのオフガスを供給流路に循環させる循環流路と、供給流路と循環流路との接続部分に設けられ、燃料電池への反応ガスの供給流量を可変可能に構成されたエジェクタと、エジェクタよりも上流側の供給流路に設けられたブリード弁付き調圧弁と、ブリード弁の二次側に設けられたバッファと、を備えものである。

この構成によれば、新たな反応ガスをブリード弁付き調圧弁で調圧してエジェクタに供給することができる。また、ブリード弁を開いた際の圧力変動をバッファで抑制することができる。これにより、ブリード弁付き調圧弁とエジェクタとの共振を低減することが可能となり、流量可変式のエジェクタによる燃料電池への供給流量および供給圧力を安定化させることができる。

本発明の別の燃料電池システムの一態様によれば、ブリード弁の二次側であってバッファの上流側または下流側に設けられた第２の調圧弁を、更に備えたことが、好ましい。

この構成によれば、ブリード弁を開いた際の圧力変動をより一層抑制し得る。

以上説明した本発明の燃料電池システムによれば、エジェクタに関連するガスの圧力変動を抑制し、燃料電池への供給流量および供給圧力を安定化させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、オフガスを循環供給させるエジェクタに関連するガスの圧力変動を抑制して、燃料電池への反応ガスの供給流量および供給圧力を安定化させたものである。以下では、燃料ガスの配管系にエジェクタを配した例について説明する。また、燃料電池システムとしては、これを搭載した機器として代表される燃料電池車両を例に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、燃料電池システムの主要部を示す図である。
燃料電池システム１は、酸化ガス（空気）および燃料ガス（水素）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２を備えている。燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に反応ガスとしての酸化ガスを供給する酸化ガス配管系３と、燃料電池２に反応ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系４（燃料ガス配管系）と、を具備している。

酸化ガス配管系３は、加湿器１１により加湿された酸化ガスを燃料電池２に供給する供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを加湿器１１に導く排出流路１３と、加湿器１１から燃焼器に酸化オフガスを導くための排気流路１４と、が設けられている。供給流路１２には、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器１１に圧送するコンプレッサ１５が設けられている。排出流路１３には、燃料電池２に供給される酸化ガスの圧力（酸化ガス供給圧）を調整する調圧弁１６が設けられている。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源である水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素ガスのオフガス（以下、水素オフガスという。）を供給流路２２に戻すための循環流路２３と、供給流路２２と循環流路２３との接続部分に設けられ、循環流路２３の水素オフガスを供給流路２２に還流させるエジェクタ２４と、エジェクタ２４に水素オフガスの圧力を信号圧として導入する導入通路２５と、を具備している。

エジェクタ２４によって、水素タンク２１からの水素ガス（以下、新たな水素ガスという。）に燃料電池２の水素ガス出口からの水素オフガスが合流され、この合流後の水素ガス（以下、混合水素ガスという場合がある。）が燃料電池２に供給される。なお、燃料電池２のアノードに供給するガスは、水素を含む燃料ガスであればよい。

供給流路２２は、エジェクタ２４の上流側に位置して新たな水素ガスをエジェクタ２４に導く流路である主流流路２２ａと、エジェクタ２４の下流側に位置して混合水素ガスを燃料電池２に導く流路である混合流路２２ｂと、で構成されている。主流流路２２ａには、その上流側から順に、これを開閉するシャットバルブ３１と、水素ガスの圧力を調整する調圧弁３２と、水素ガスを一時的に貯留するバッファ３３と、が介設されている。調圧弁３２は、例えばダイアフラム式の直動式レギュレータからなり、新たな水素ガスを所定の圧力（例えば３００ｋＰａ）に減圧する。

循環流路２３には、逆止弁３４が介設されていると共に、逆止弁３４の上流側において導入通路２５が分岐配管されている。循環流路２３の水素オフガスは、逆止弁３４を通じてエジェクタ２４に吸引される。また、循環流路２３の水素オフガスの圧力は、導入通路２５上のバッファ３５を経てエジェクタ２４に信号圧として導入される。導入通路２５の流路断面積は、信号圧を迅速にエジェクタ２４に伝播できるように、循環流路２３の流路断面積よりも小さく設定されている。

また、循環流路２３には、水素オフガス中に含まれる不純物を水素オフガスと共にシステム外に排気する排気流路２６が分岐配管されている。排気流路２６には、定期的に開弁されるパージバルブ２７が設けられている。パージバルブ２７が開弁されることで、水素オフガスが排気流路２６を通ってガス処理装置２８に導かれ、ガス処理装置２８にて水素オフガスの水素濃度が低減される。

なお、図示省略したが、燃料電池２の水素ガス入口に近い主流流路２２ａには、燃料電池２への水素供給圧（入口圧）を検出する圧力センサが設けられている。燃料電池２の水素ガス出口に近い循環流路２３には、燃料電池２からの水素排出圧（出口圧）を検出する圧力センサが設けられている。

図２は、エジェクタ２４の構成を示す図である。
エジェクタ２４は、燃料電池２へ供給する水素ガス（混合水素ガス）の供給流量を可変可能に構成されている。エジェクタ２４は、その外郭を構成する筐体４１を有している。筐体４１には、主流流路２２ａの下流側に接続された１次側の供給口４２と、混合流路２２ｂの上流側に接続された２次側の排出口４３と、循環流路２３の下流側に接続された負圧作用側の吸込み口４４と、導入通路２５の下流側に接続された圧導入口４５と、が形成されている。

筐体４１の内部には、供給口４２からの新たな水素ガスを下流側に向かって噴射するノズル４６と、ノズル４６の下流側に設けられ、ノズル４６を通過した新たな水素ガスと水素オフガス（副流）とを合流させるディフューザ４７と、ノズル４６の内部を進退移動して燃料電池２への水素ガスの供給流量を調整するニードル４８（流量調整部材）と、ニードル４８をその軸線方向に進退移動させる駆動部４９と、を有している。

ノズル４６は、いわゆる先細ノズルからなり、水素ガスの流れ方向に向かって全体として先細りとなるように形成されている。ノズル４６のその拡開した上流側は供給口４２に連なり、ノズル４６の下流側とディフューザ４７との間は吸込み口４４に連なっている。なお、ノズル４６を筐体４１の構成材と一体に形成したが、もちろんこれらを別体としてもよい。

ディフューザ４７は、ノズル４６と同軸に形成されており、その下流側が排出口４３に連なっている。ノズル４６からディフューザ４７に向けて新たな水素ガスが噴射されると、水素オフガスを吸引するための負圧が発生し、循環流路２３の水素オフガスがディフューザ４７に吸い込まれる。これにより、ディフューザ４７において新たな水素ガスと水素オフガスとが合流・混合され、この混合水素ガスが、排出口４３から混合流路２２ｂへと排出される。

ニードル４８は、円錐または角錐の錐体からなり、先端側に向かって先細りに形成されており、例えば先端部が放物面で形成されている。ニードル４８の軸方向の進退位置に応じて、ニードル４８とノズル４６の内周壁との間の間隙の開口面積（以下、ノズル４６の開口面積という。）が可変される。これにより、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が制御され、燃料電池２への水素ガスの供給流量が制御される。

駆動部４９は、ニードル４８に進退移動用の作動力を印加して、ニードル４８を進退させるものである。駆動部４９は、ニードル４８の基端側を表面６２ａの中央部に接続したピストン６２と、一端がピストン６２の裏面６２ｂに接続されたバネ６３（付勢部材）と、を有している。ニードル４８、ピストン６２およびバネ６３は、ノズル４６と同軸に配設されている。なお、ニードル４８およびピストン６２は、一体に形成されているが、もちろん別体で形成されてもよい。

バネ６３は、所定のばね定数を有し、ピストン６２の裏面６２ｂをニードル４８の先端側に向かって付勢する。バネ６３の他端は、筐体４１の内壁面の底部に接続されている。また、バネ６３は、筐体４１の内壁面とピストン６２の裏面６２ｂとによって構成され圧力室６５の内部に収容されている。圧力室６５には、圧導入口４５が連通しており、循環流路２３の水素オフガスが導入通路２５および圧導入口４５を介して信号圧として導かれる。

ピストン６２は、その外周面を筐体４１の内壁面に沿って摺動可能に構成されており、その軸線方向に摺動する。ピストン６２の表面６２ａには、主流流路２２ａからの新たな水素ガスの圧力Ｐ１が直接作用する。一方、ピストン６２の裏面６２ｂには、バネ６３からの付勢力が作用すると共に、循環流路２３からの水素オフガスの圧力Ｐ２が直接作用する。

このような構成により、ピストン６２は、圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧を進退移動用の作動力としてニードル４８に印加（伝達）する。この水素ガスの差圧とバネ６３の付勢力とのバランスに基づいて、ニードル４８がピストン６２と共に軸線方向に進退する。これにより、ノズル４６の開口面積が可変され、燃料電池２への水素ガスの供給流量が可変される。

なお、ピストン６２に代えて、可動部材としてダイアフラムを用いてもよい。この場合、ダイアフラムの周縁部を筐体４１の内壁に固着させればよい。こうすることで、ダイアフラムの表裏の両面に作用する水素ガスの差圧によって、ダイアフラムが撓むように変位し（振動し）、それによりニードル４８がダイアフラムと共に進退移動するようになる。

ここで、上記したバッファ３３およびバッファ３５について説明する。
バッファ３３（アキュムレータ）は、主流流路２２ａにおいて、エジェクタ２４と調圧弁３２との間に設けられている。バッファ３３は、新たな水素ガスを一時的に貯留可能に、所定の容積からなるタンク形状を有している。バッファ３３によって、調圧弁３２で減圧された水素ガス圧が安定化される。

特に、調圧弁３２の図示省略したダイアフラムによる調圧時に、水素ガス圧に脈動が生じたり、あるいはダイアフラムとエジェクタ２４のバネ６３とが共振したりしても、この圧力変動をバッファ３３によって吸収または低減することができる。これにより、エジェクタ２４には、安定化された供給圧の新たな水素ガスがバッファ３３から供給される。なお、バッファ３３を調圧弁３２の上流側に設けてもよい。

バッファ３５（アキュムレータ）は、導入通路２５に設けられている。バッファ３５の位置は、導入通路２５上であればよく、例えば圧導入口４５の近傍であってもよい。バッファ３５は、バッファ３３と同様に構成され、信号圧として圧力室６５に導かれる水素オフガスを一時的に貯留可能に、所定の容積からなるタンク形状を有している。もっとも、圧力室６５には小量の水素オフガスが導かれれば足りるため、バッファ３５の容積は、バッファ３３の容積よりも小さくすることができる。

バッファ３５によって、圧力室６５に導入される水素オフガスの圧力変動が吸収または低減され、安定化された水素オフガスの圧力が圧力室６５に信号圧として導入される。これにより、ピストン６２の進退移動を安定化することができる。また特に、バッファ３５によって、例えばバネ６３とパージバルブ２７との間の共振を抑制することができる。

ここで、エジェクタ２４の供給流量の制御について、燃料電池２の負荷との関係で説明する。

一般に、燃料電池車両の加速時等で燃料電池２の発電量が増加すると、燃料電池２で消費される水素ガスの消費量が増加する。この消費量が増えて混合流路２２ｂの流量が増加すると、燃料電池２での圧力損失が大きくなり、水素オフガスの圧力Ｐ２が低下する（混合流路２２ｂの混合水素ガスの圧力Ｐ３も低下する。）。

すると、ピストン６２およびニードル４８が、Ｐ１、Ｐ２およびバネ６３の付勢力のバランスによって、平衡状態からバネ６３に抗して退避する。ニードル４８が退避すると、ノズル４６の開口面積が大きくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が増加する。このとき、バッファ３３およびバッファ３５によって、ピストン６２に作用するＰ２およびＰ３は安定している。

したがって、燃料電池２の負荷が大きくなった場合に、エジェクタ２４は自律的に且つ圧力変動を生じさせることなく駆動して、燃料電池２への供給流量を増加方向に可変することができる。そして、新たな水素ガスの流量の増加によって圧力Ｐ３が上昇するため、燃料電池２への水素供給圧が適正な値に確保されると共に、水素オフガスの流量が増加して新たな水素ガスの流量との関係において適正な値に確保されることになる。

一方、燃料電池車両の減速時等で燃料電池２の発電量が減少すると、燃料電池２で消費される水素ガスの消費量が減少する。この消費量が減って混合流路２２ｂの流量が減少すると、燃料電池２での圧力損失が小さくなり、水素オフガスの圧力Ｐ２が上昇する（混合水素ガスの圧力Ｐ３も上昇する。）。

すると、ピストン６２およびニードル４８が、Ｐ１、Ｐ２およびバネ６３の付勢力のバランスによって、平衡状態から進出する。ニードル４８が進出すると、ノズル４６の開口面積が小さくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が減少する。このとき、バッファ３３およびバッファ３５によって、ピストン６２に作用するＰ２およびＰ３は安定している。

したがって、燃料電池２の負荷が小さくなった場合に、エジェクタ２４は自律的に且つ圧力変動を生じさせることなく駆動して、燃料電池２への供給流量を減少方向に可変することができる。そして、新たな水素ガスの流量の減少によって圧力Ｐ３が低下するため、燃料電池２への水素供給圧が適正な値に確保されると共に、水素オフガスの流量が減少して新たな水素ガスの流量との関係において適正な値に確保されることになる。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、エジェクタ２４の流量可変に関連するガス（新たな水素ガスおよび水素オフガス）の圧力変動をバッファ３３およびバッファ３５によって抑制することができる。したがって、エジェクタ２４による燃料電池２への水素ガスの供給流量および供給圧力を安定化させることができ、燃料電池２の耐久性の低下や発電性能の低下を適切に抑制することができる。

なお、バッファ３３およびバッファ３５の一方については、省略してもよい。例えば、エジェクタ２４の流量可変のための駆動方式について差圧を利用するものに代えて、モータなどのアクチュエータを用いた電気的な駆動方式を用いた場合には、エジェクタ２４に水素オフガスの圧力を導圧する必要がなくなる。例えば、駆動部４９が、ピストン６２およびこれを進退移動させるアクチュエータで構成される場合には、導入通路２５およびバッファ３５が省略される。

なお、変形例として、混合水素ガスの圧力Ｐ３を圧力室６５に導入してもよい。また、酸化ガス配管系３の酸化ガスの圧力を圧力室６５に導入してもよく、その場合には供給流路１２内の新たな酸化ガスであってよいし、排出流路１３内や排気流路１４内の酸化オフガスであってもよい。さらに、圧力室６５に導くガスは、燃料電池システム１のガス配管系（３，４）に関与しないガスであってもよく、圧力室６５に導く専用のガスであってもよい。

以下、他の実施形態について説明するが、上記した各種の変形例は本発明を逸脱しない範囲で他の実施形態においても適用することができる。ただし、ここではその詳細な説明を省略する。また、第１実施形態と共通する構成についても、詳細な説明を省略する。

＜第２実施形態＞
次に、図３を参照して、第２実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、バッファ３３を可変バッファ（７１）とし、バッファ３５については省略したことである。

可変バッファ７１は、エジェクタ２４と調圧弁３２との間の主流流路２２ａに設けられている。可変バッファ７１は、タンク形状からなる筐体７２と、筐体７２の内部を二つの空間に仕切る可動可能なピストン７３（仕切り部材）と、ピストン７３を可動方向に付勢するばね７４（付勢部材）と、を有している。二つの空間の一方は、主流流路２２ａに連通した主流室７５（第１室）である。二つの空間の他方は、導入通路２５と循環流路２３との分岐部に接続された導圧路７６に連通した圧力室７７（第２室）である。

主流室７５には、調圧弁３２からの新たな水素ガスが導入されて、一時的に貯留される。一時的に貯留された新たな水素ガスは、主流室７５から導出されてエジェクタ２４へと供給される。一方、圧力室７７には、循環流路２３からの水素オフガスの圧力が導圧路７６を介して導入される。したがって、ピストン７３の表面には、新たな水素ガスの圧力が作用し、ピストン７３の裏面には、水素オフガスの圧力（Ｐ３）が作用する。

ばね７４は、主流室７５に収容され、一端がピストン７３の表面に接続され且つ他端が筐体７２の内壁に接続される。ばね７４は、例えば引張りコイルバネで構成される。もっとも、ばね７４を圧縮コイルバネで構成した場合には、ばね７４を圧力室７７に収容するとよい。

ピストン７３によって、主流室７５と圧力室７７とが例えば上下に区画された場合には、ピストン７３は、筐体７２の内壁に沿って上下方向に可動可能に構成される。ピストン７３に作用する水素ガスの差圧とばね７４の付勢力とのバランスに基づいて、ピストン７３が上下方向に可動して、主流室７５の容積および圧力室７７の容積を同時に可変する。これにより、主流室７５に貯留される新たな水素ガスの容量が可変されるようになっている。

例えば、燃料電池２の発電量が増加した場合には、上記のように、水素オフガスの圧力Ｐ２が低下するが、これに伴ってピストン７３が圧力室７７側に移動して、主流室７５の容積が拡大される。一方、燃料電池２の発電量が減少した場合には、上記のように、水素オフガスの圧力Ｐ２が上昇するが、これに伴ってピストン７３が主流室７５側に移動して、主流室７５の容積が減少される。

本実施形態が上記実施形態と比べて有用となる点は、可変バッファ７１としているため、新たな水素ガスの流量（主流流量）に合わせた振動抑制が可能となることである。これにより、燃料電池への供給流量および供給圧力をより一層安定化させることができる。また、可変バッファ７１によって、循環流路２３や導入通路２５を流れる水素オフガスの圧力の変動も抑制し得る。さらに、ばね７３の定数の調整により主流室７５と圧力室７７との容積のバランスも調整することができる。

なお、変形例として、可変バッファ７１の下流側に調圧弁３２を設けてもよいし、二つの調圧弁の間の主流流路２２ａに可変バッファ７１を設けてもよい。また、可変バッファ７１のピストン７３に代えて、仕切り部材としてダイアフラムを用いてもよい。この場合、ダイアフラムの周縁部を筐体７２の内壁に固着させればよい。

また、圧力室７７に導入する圧力は、水素オフガス以外の他のガスであってもよい。例えば、混合水素ガス、酸化ガス、酸化オフガス、またはガス配管系（３，４）に関与しないガスであってもよい。もっとも、本実施形態のように、燃料電池２での水素ガスの消費量の変動による圧力変化応答性の高い水素排出圧（Ｐ３）を、可変バッファ７１の圧力室７７に作用させることが好ましい。

さらに、可変バッファ７１を差圧によって容積可変する構成としたが、モータなどのアクチュエータを用いて、可変バッファ７１の容積（主流室７５の容積）を可変するようにしてもよい。その場合、ガス配管系（３，４）の図示省略した圧力センサの検出結果や、燃料電池２の発電量などに基づいて、アクチュエータを駆動するフィードバック制御を実行すればよい。

なお、本実施形態においても、エジェクタ２４による流量可変構成を差圧式によるものでなく、アクチュエータを用いた電気式を利用してもよいことは言うまでもない。

＜第３実施形態＞
次に、図４を参照して、第３実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、バッファ３３およびバッファ３５の少なくとも一方の内部にオリフィスを設けたことである。

バッファ３３（３５）は、タンク形状の筐体８１の内部に１以上のオリフィス８２などの圧損部を有している。複数の場合のオリフィス８２は、新たな水素ガス（または水素オフガス）の流れ方向に沿って並置され、新たな水素ガス（または水素オフガス）を絞る。これにより、バッファ３３（３５）は、新たな水素ガス（または水素オフガス）の圧力変動をより一層抑制し得る。

＜第４実施形態＞
次に、図５を参照して、第４実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第２実施形態との相違点は、圧力室７７を循環流路２３の途中に設けたことである。なお、第２位実施形態と同一の構造については、同一の符号を付している。

圧力室７７には、燃料電池２からの水素オフガスが導入されて、一時的に貯留される。一時的に貯留された水素オフガスは、圧力室７７から導出され、主として循環流路２３の下流側を通ってエジェクタ２４へと吸引される。圧力室７７から導出された一部の水素オフガスの圧力が、導入通路２５を通ってエジェクタ２４の上記した圧力室６５に信号圧として導入される。本実施形態の構成によっても、上記同様に、新たな水素ガスの流量（主流流量）に合わせた振動抑制が可能となることである。

なお、変形例として、可変バッファ７１の下流側に調圧弁３２を設けてもよいし、二つの調圧弁の間の主流流路２２ａに可変バッファ７１を設けてもよい。また、可変バッファ７１の仕切り部材としてダイアフラムを用いてもよい。さらに、エジェクタ２４による流量可変構成を差圧式によるものでなく、アクチュエータを用いた電気式によるものとしてもよい。

＜第５実施形態＞
次に、図６及び図７を参照して、第５実施形態に係る燃料電池システム１について相違点を中心に説明する。第１実施形態との相違点は、調圧弁３２をブリード弁１０１付きの構成とし、ブリード弁１０１の二次側にバッファ１０２および調圧弁１０３を設けたことである。なお、供給流路２３上のバッファ３３および導入通路２５上のバッファ３５を省略したが、もちろんこれらを設けてもよい。

ブリード弁１０１の二次側は、下流端が大気開放されたブリード通路１０５に連通している。ブリード弁１０１は、調圧弁３２内の二次側流路の圧力が設定圧以上になった場合に例えば機械的に開作動し、新たな水素ガスをブリード通路１０５から大気中に逃がす。ブリード通路１０５は、ブリード弁１０１側である上流側にバッファ１０２を設け、バッファ１０２の下流側に調圧弁１０３を設けている。バッファ１０２および調圧弁１０３が配されるブリード弁１０１の二次側は、例えば、大気圧（１０１．３ｋＰａ）よりも高い２００ｋＰａに設定される。

バッファ１０２（アキュムレータ）は、ブリード通路１０５からの新たな水素ガスを一時的に貯留可能に、所定の容積からなるタンク形状を有している。バッファ１０２によって、ブリード弁１０１から放出される水素ガスの圧力の脈動が抑制される。

特に、バッファ１０２は、ブリード弁１０１とエジェクタ２４のバネ６３との共振による圧力変動を抑制したり、ブリード弁１０１と調圧弁３２との共振による圧力変動を抑制したりすることができる。これにより、エジェクタ２４には、安定化された供給圧の新たな水素ガスが供給される。なお、ブリード弁１０１からみて、バッファ１０２を調圧弁１０３の下流側に設定してもよい。

調圧弁１０３は、バッファ１０２から導出される水素ガスの圧力を調圧する。調圧弁１０３は、例えばダイアフラム式の直動式レギュレータからなり、水素ガスのブリード量を絞り且つ水素ガスを所定の圧力に減圧する。

図７は、ブリード弁１０１を開いた時のエジェクタ２４の一次圧について、時間との関係を示す図である。同図に示す実線は、バッファ１０２および調圧弁１０３を具備する本実施形態の特性であり、同図に示す二点差線は、調圧弁１０２およびバッファ１０３を具備しない比較例の特性（二点鎖線で示す。）である。

ここでは、上記に例示したように、調圧弁３２の二次側圧力を３００ｋＰａ（エジェクタ２４の一次圧の目標値）に設定し、ブリード弁１０１の二次側圧力を２００ｋＰａに設定した。つまり、ブリード弁１０１の開弁時に、比較例では差圧がほぼ２００ｋＰａ（≒３００ｋＰａ−１０１．３ｋＰａ）で水素ガスを大気に放出する構成であるのに対し、本実施形態では差圧がほぼ１００ｋＰａ（≒２００ｋＰａ−１０１．３ｋＰａ）となる。

図７から理解されるように、本実施形態によれば、エジェクタ２４の一次圧について平均圧力をブリード弁１０１で目標値に維持しながら、エジェクタ２４の一次圧の振動を小さく且つ長周期にすることができる。これにより、ブリード弁１０１が開いた際のエジェクタ２４との共振を抑制することができる。したがって、上記同様に、流量可変式のエジェクタ２４による燃料電池２への供給流量および供給圧力を安定化させることができる。

なお、本実施形態の構成と上記第１〜４実施形態の構成とを組み合わせてもよい。また、本実施形態のブリード弁１０１付き調圧弁３２の構成は、燃料電池２の発電性能を評価する評価装置に設けると好適である。

＜変形例＞
次に、本実施形態の燃料電池システム１の各種の変形例について述べる。
上記では、エジェクタ２４の主流ガス（噴射ガス）を新たな水素ガスとし、副流ガス（吸引ガス）を水素オフガスとしたが、この逆の構成であってもよい。すなわち、エジェクタ２４は、ノズル４６から水素オフガスを噴射する際に、水素タンク２１からの新たな水素ガスを吸引するようにしてもよい。

また、エジェクタ２４を酸化ガス配管系３に配設してもよい。例えば、エジェクタ２４によって、コンプレッサ１５からの新たな酸化ガスに、排出流路１３の酸化オフガスを合流させ、この合流後の混合酸化ガスを燃料電池２に供給してもよい。この場合には、例えば調圧弁１６とエジェクタ２４との間で共振が起きても、適宜設けられるバッファ（３３，３５，７１，１０２などが相当する。）によって振動を抑制することができるため、安定した供給流量及び供給圧力で酸化ガスを燃料電池２に供給することができる。

上記した本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

また、本発明の燃料電池システム１に搭載したエジェクタ２４は、燃料電池システム１のみならず、流体を合流して供給する必要がある他のシステムにも適用することができる。特に、エジェクタ２４による流体の供給先となる供給先装置が、流体を消費する流体消費装置（ガスであればガス消費装置）であり、流体消費装置での流体の消費量が変化するシステムに好適である。さらに好適のシステムは、流体消費装置の排出した流体がエジェクタ２４によって再び流体消費装置に循環させられるシステムである。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 第１実施形態に係るエジェクタを模式的に示す断面図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。 第５実施形態に係る燃料電池システムの主要部を示す構成図である。 ブリード弁付き調圧弁のブリード弁を開いた時のエジェクタの一次圧と時間との関係を示すグラフであり、調圧弁およびバッファがある第５実施形態の特性と、調圧弁およびバッファがない比較例の特性と、を示している。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：酸化ガス配管系、４：水素ガス配管系、２２：供給流路、２２ａ：主流流路、２２ｂ：混合流路、２３：循環流路、２４：エジェクタ、２５：導入通路、３３：バッファ、３５：バッファ、６５：圧力室、７１：可変バッファ、７３：ピストン（仕切り部材）、７５：主流室（第１室）、７７：圧力室（第２室）、１０１：ブリード弁、１０２：バッファ、１０３：調圧弁

Claims (15)

1. 燃料電池に供給する新たな反応ガスと燃料電池から排出された反応ガスのオフガスとを合流して燃料電池に反応ガスを供給するエジェクタであって、所定のガスの圧力が信号圧として導かれる圧力室を有し且つ当該信号圧の作用により燃料電池への反応ガスの供給流量を可変するエジェクタと、
   前記所定のガスの圧力を前記圧力室に導く導入通路と、
   前記導入通路に設けられ、前記所定のガスを一時的に貯留するバッファと、
   を備えた燃料電池システム。
2. 前記バッファは、可変バッファである請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記導入通路は、当該燃料電池システムの燃料ガス配管系または酸化ガス配管系に接続され、
   前記所定のガスは、前記燃料ガス配管系または前記酸化ガス配管系を流れるガスである請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記所定のガスは、前記エジェクタが供給流量を可変する前記反応ガスと同種のガスである請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記所定のガスは、前記オフガスである請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記エジェクタは、前記燃料電池に前記新たな反応ガスを供給する供給流路と前記オフガスを前記供給流路に循環させる循環流路との接続部分に設けられており、
   前記エジェクタよりも上流側の前記供給流路には、前記新たな反応ガスを一時的に貯留する第２のバッファが設けられている請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記第２のバッファの上流側および下流側の少なくとも一方には、調圧弁が設けられている請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池に前記新たな反応ガスを供給する供給流路と、
   前記オフガスを前記供給流路に循環させる循環流路と、を備え、
   前記エジェクタは、前記供給流路と前記循環流路との接続部分に設けられ、
   前記供給流路および前記循環流路の少なくとも一方には、調圧弁が設けられている請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、
   前記燃料電池から排出された反応ガスのオフガスを前記供給流路に循環させる循環流路と、
   前記供給流路と前記循環流路との接続部分に設けられ、前記燃料電池への反応ガスの供給流量を可変可能に構成されたエジェクタと、
   前記エジェクタよりも上流側の前記供給流路に設けられ、前記新たな反応ガスを一時的に且つその容量を可変可能に貯留する可変バッファと、
   を備えた燃料電池システム。
10. 前記可変バッファは、
    前記供給流路に連通して、前記新たな反応ガスが導入される第１室と、
    所定のガスが導入される第２室と、
    前記第１室と前記第２室との間を仕切ると共に、前記新たな反応ガスと前記所定のガスとの差圧に応じて可動して前記第１室の容積および前記第２室の容積を可変可能な仕切り部材と、
    を備えた請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記第２室は、前記循環流路に連通しており、
    前記所定のガスは、前記オフガスである請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記可変バッファの上流側および下流側の少なくとも一方の前記供給流路には、調圧弁が設けられている請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
13. 前記エジェクタは、第２の所定のガスの圧力が信号圧として導かれる圧力室を有し、且つ該信号圧の作用により前記燃料電池への反応ガスの供給流量を可変可能に構成されている請求項９ないし１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
14. 燃料電池に新たな反応ガスを供給する供給流路と、
    前記燃料電池から排出された反応ガスのオフガスを前記供給流路に循環させる循環流路と、
    前記供給流路と前記循環流路との接続部分に設けられ、前記燃料電池への反応ガスの供給流量を可変可能に構成されたエジェクタと、
    前記エジェクタよりも上流側の前記供給流路に設けられたブリード弁付き調圧弁と、
    前記ブリード弁の二次側に設けられたバッファと、
    を備えた燃料電池システム。
15. 前記ブリード弁の二次側であって、前記バッファの上流側または下流側に設けられた第２の調圧弁を、更に備えた請求項１４に記載の燃料電池システム。
    
    

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