JP2010159834A - エジェクタ及び燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】運転停止時に氷結した氷によって弁体が本体に対して移動不能となることを防止できるエジェクタを提供する。
【解決手段】本発明のエジェクタ18は、第1ガスの流れによって第2ガスを吸引し、第1ガスと第2ガスを混合して吐出する。エジェクタ18の本体40には、第1ガスと第2ガスの少なくとも一方が流れるガス通過口52が形成されている。ガス通過口52に対して進退動可能に弁体60が配置されており、弁体60はガス通過口52のガス通過面積を変化させる。弁体60を形成する材料の熱容量は、本体40を形成する材料の熱容量よりも大きい。
【選択図】図2
【解決手段】本発明のエジェクタ18は、第1ガスの流れによって第2ガスを吸引し、第1ガスと第2ガスを混合して吐出する。エジェクタ18の本体40には、第1ガスと第2ガスの少なくとも一方が流れるガス通過口52が形成されている。ガス通過口52に対して進退動可能に弁体60が配置されており、弁体60はガス通過口52のガス通過面積を変化させる。弁体60を形成する材料の熱容量は、本体40を形成する材料の熱容量よりも大きい。
【選択図】図2
Description
本発明は、エジェクタに関する。特に、燃料電池システムに好適に用いることができるエジェクタに関する。
燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムが開発されている。燃料電池システムでは、燃料ガス供給源と燃料電池とが燃料ガス供給流路で接続され、酸化ガス供給源と燃料電池とが酸化ガス供給流路で接続される。燃料電池には、燃料ガス供給流路より燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給され、酸化ガス供給流路より酸化ガス(例えば、空気)が供給される。燃料電池に供給された燃料ガスは、燃料電池内で酸化ガスと電気化学反応し、電気を生成すると共に水を生成する。燃料電池に供給された燃料ガスのうち燃料電池で使用されなかった燃料ガス(いわゆる、オフガス)は循環流路に排出される。循環流路に排出されたオフガスは、燃料ガス供給流路上に配置されたエジェクタによって燃料ガス供給源から供給された燃料ガスと混合され、再度、燃料電池に供給される。
この燃料電池システムでは、燃料電池から排出されるオフガスに燃料電池で生成された水分が含まれる。このため、外気温の低下等によってオフガスに含まれる水分が燃料ガス供給流路の壁面に結露し、燃料ガス供給流路の壁面に氷となって付着することがある。燃料ガス供給流路の壁面に氷が付着すると、燃料ガス供給流路が塞がれ、燃料電池に燃料ガスを供給できなくなる。そこで、オフガスに含まれる水分が燃料ガス供給流路の壁面に氷として付着することを防止する技術が開発されている(例えば、特許文献1)。
特許文献1の技術では、エジェクタが燃料電池に隣接して配置され、エジェクタ内で生成する氷がエジェクタ内を流れるガスの流れによってエジェクタ内から排出され、燃料電池の発熱部上に落下するようになっている。これによって、エジェクタ内のガス流路や燃料ガス供給流路の壁面に氷が付着することが防止されている。
特許文献1の技術では、エジェクタが燃料電池に隣接して配置され、エジェクタ内で生成する氷がエジェクタ内を流れるガスの流れによってエジェクタ内から排出され、燃料電池の発熱部上に落下するようになっている。これによって、エジェクタ内のガス流路や燃料ガス供給流路の壁面に氷が付着することが防止されている。
ところで、エジェクタの高機能化の要請から、エジェクタ本体にガス通過口を設け、そのガス通過口に対して弁体を進退動可能とすることによって、エジェクタに燃料電池に供給される燃料ガスの流量を制御する機能を備えることが検討されている。このような機能を備えたエジェクタでは、運転停止時に外気温が低下すると、ガスに含まれる水分がエジェクタ本体の表面や弁体の表面に結露し、その結露した水が氷となる可能性がある。このため、次の起動時にエジェクタが正常に動作しないという潜在的な問題を有している。
なお、特許文献1の技術では、エジェクタ内を流れるガスの流れによってエジェクタ内から氷を排出する。運転停止時にはエジェクタ内を燃料ガスが流れていないため、エジェクタ内から氷を排出することができず、上述した問題を解決することはできない。
なお、特許文献1の技術では、エジェクタ内を流れるガスの流れによってエジェクタ内から氷を排出する。運転停止時にはエジェクタ内を燃料ガスが流れていないため、エジェクタ内から氷を排出することができず、上述した問題を解決することはできない。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、運転停止時に氷結した氷によって弁体が本体に対して移動不能となることを防止し、これによって、次の起動時にエジェクタを正常に機能させることができる技術を提供する。
本発明のエジェクタは、第1ガスの流れによって第2ガスを吸引し、第1ガスと第2ガスを混合して吐出する。このエジェクタは、第1ガスと第2ガスの少なくとも一方が流れるガス通過口が形成されている本体と、ガス通過口に対して進退動可能に配置されており、ガス通過口のガス通過面積を変化させる弁体と、を備えている。そして、弁体を形成する材料の熱容量が本体を形成する材料の熱容量よりも大きいことを特徴とする。
このエジェクタでは、弁体を形成する材料の熱容量が本体を形成する材料の熱容量よりも大きくされている。このため、動作停止時に外気温が低下すると、本体の温度が早く低下し、弁体の温度がゆっくりと低下する。したがって、エジェクタ内のガスに含まれる水分の多くが、本体の内表面に結露することになる。本体の内表面の面積は弁体の表面の面積より大きい。このため、本体の内表面全体にガス中の水分が優先的に結露するようにすることで、弁体と本体との隙間が狭い部位(例えば、ガス通過口と弁体の間)に結露する水分量を少なくすることができる。このため、次の起動時に弁体が本体に対して移動不能となることを抑制することができる。
このエジェクタでは、弁体を形成する材料の熱容量が本体を形成する材料の熱容量よりも大きくされている。このため、動作停止時に外気温が低下すると、本体の温度が早く低下し、弁体の温度がゆっくりと低下する。したがって、エジェクタ内のガスに含まれる水分の多くが、本体の内表面に結露することになる。本体の内表面の面積は弁体の表面の面積より大きい。このため、本体の内表面全体にガス中の水分が優先的に結露するようにすることで、弁体と本体との隙間が狭い部位(例えば、ガス通過口と弁体の間)に結露する水分量を少なくすることができる。このため、次の起動時に弁体が本体に対して移動不能となることを抑制することができる。
上記エジェクタでは、ガス通過口を通過したガスが流れる下流側ガス流路を本体に形成し、その下流側ガス流路を下流側に向かって拡がる円錐形状に形成することができる。また、弁体は、ガス通過口に対して下流側ガス流路側より進退動可能に配置されると共に、下流側ガス流路の形状に倣った外観形状に形成することができる。
このような構成によると、ガス通過口を閉じる位置に弁体が移動すると、弁体の外表面と下流側ガス流路の内壁面とが密着することとなる。このため、弁体と下流側流路の内壁面の間に空間が形成されず、この部位に水(氷)が付着することを防止できる。これにより、次の起動時に弁体が本体に対して移動不能となることをより防止することができる。
このような構成によると、ガス通過口を閉じる位置に弁体が移動すると、弁体の外表面と下流側ガス流路の内壁面とが密着することとなる。このため、弁体と下流側流路の内壁面の間に空間が形成されず、この部位に水(氷)が付着することを防止できる。これにより、次の起動時に弁体が本体に対して移動不能となることをより防止することができる。
上記エジェクタでは、弁体を駆動する駆動装置をさらに備えることができる。この駆動装置は、弁体がガス通過口を閉じる状態と、弁体がガス通過口を開く状態とに切り換えるように構成することができる。
このような構成によると、駆動装置によって弁体が駆動されるため、弁体の動作をより確実に行うことができる。
このような構成によると、駆動装置によって弁体が駆動されるため、弁体の動作をより確実に行うことができる。
また、上記エジェクタでは、弁体の表面のうち少なくとも本体と接触する部位に表面処理が施されていることが好ましい。なお、表面処理とは、表面粗さを小さくするために用いられる表面処理をいう。表面処理によって弁体の表面粗さが小さくされると、弁体の表面に氷が付着しても、付着した氷を容易に剥離することができる。これによって、弁体が移動し易くなり、起動時により確実に弁体を進退動させることができる。
また、上記エジェクタでは、弁体内に発熱体が配置されていてもよい。弁体内に発熱体を配置することで、発熱体により弁体を加熱することができ、弁体や本体に付着した氷を溶かすことができる。これによって、エジェクタの内面に氷が付着してしまった場合でも、速やかにエジェクタを動作可能な状態とすることができる。
また、弁体内に発熱体を配置する場合は、弁体の先端に発熱体が配置されていることが好ましい。弁体の先端に発熱体を配置することで、ガス通過口近傍を効率的に加熱することができる。
さらに、本発明は、起動時にエジェクタを正常に動作させることができる燃料電池システムを提供する。この燃料電池システムは、(a)燃料電池と、(b)燃料電池に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガス供給源と、(c)燃料電池と燃料ガス供給源とを接続し、燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、(d)燃料電池に一端が接続されており、燃料電池で使用されなかったオフガスが流れる循環ガス流路と、(e)燃料ガス供給流路の途中に配置されると共に循環ガス流路の他端が接続されており、燃料ガス供給流路から供給される燃料ガスの流れによって循環ガス流路を流れるオフガスを吸引して混合し、この混合ガスを燃料電池に向かって供給するエジェクタと、(f)循環ガス流路の途中から分岐されている排水流路と、(g)排水流路に設けられている排水弁と、(h)循環ガス流路上であって、排水流路が分岐する位置とエジェクタに接続される位置との間に配置されており、燃料電池から排出されるオフガスをエジェクタに向かって供給するポンプと、(i)エジェクタと排水弁を制御する制御装している。エジェクタは、燃料ガスとオフガスの少なくとも一方が流れるガス通過口が形成されている本体と、ガス通過口を開閉する弁体を備えている。そして、制御装置は、(1)運転状態から運転停止状態に切換わる時においては、排水弁を開くと共にエジェクタの弁体をガス通過口が開放される状態として循環ガス流路内のガスを排水弁より所定時間だけ排出し、排出後にエジェクタの弁体がガス通過口を閉じる状態とし、(2)運転開始時には、エジェクタの弁体がガス通過口を開放する状態として、燃料ガス供給源の燃料ガスを燃料電池に供給することを特徴とする。
この燃料電池システムでは、運転停止状態では弁体がガス通過口を閉じ、運転状態となるときに弁体がガス通過口を開く。運転開始時に弁体が移動することで、弁体の表面及び/又は本体の表面に付着した氷を剥がし取ることができる。これによって、燃料電池システムを速やかに起動することができる。
この燃料電池システムでは、運転停止状態では弁体がガス通過口を閉じ、運転状態となるときに弁体がガス通過口を開く。運転開始時に弁体が移動することで、弁体の表面及び/又は本体の表面に付着した氷を剥がし取ることができる。これによって、燃料電池システムを速やかに起動することができる。
上記燃料電池システムでは、エジェクタの弁体内には発熱体が配置されている。制御装置は、(1)運転停止時においては、ガス通過口が閉じられる位置に弁体を配置し、(2)運転開始時においては、発熱体により弁体を加熱することが好ましい。このような構成によると、運転開始時に発熱体によって弁体が加熱されるため、燃料電池システムを速やかに起動することができる。
なお、発熱体による加熱は所定時間だけ行うことが好ましい。また、制御装置は、運転開始時において、弁体がガス通過口を閉じる状態で発熱体による加熱を行い、発熱体の加熱が終了した後に弁体がガス通過口を開放する状態とすることが好ましい。
なお、発熱体による加熱は所定時間だけ行うことが好ましい。また、制御装置は、運転開始時において、弁体がガス通過口を閉じる状態で発熱体による加熱を行い、発熱体の加熱が終了した後に弁体がガス通過口を開放する状態とすることが好ましい。
また、本発明は、起動時にエジェクタを正常に動作させることができる他の燃料電池システムを提供する。この燃料電池システムは、(a)燃料電池と、(b)燃料電池に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガス供給源と、(c)燃料電池と燃料ガス供給源とを接続し、燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、(d)燃料電池に一端が接続されており、燃料電池で使用されなかったオフガスが流れる循環ガス流路と、(e)燃料ガス供給流路の途中に配置されると共に循環ガス流路の他端が接続されており、燃料ガス供給流路から供給される燃料ガスの流れによって循環ガス流路を流れるオフガスを吸引して混合し、この混合ガスを燃料電池に向かって供給するエジェクタと、(f)循環ガス流路の途中から分岐されている排水流路と、(g)排水流路に設けられている排水弁と、(h)循環ガス流路上であって、排水流路が分岐する位置とエジェクタに接続される位置との間に配置されており、燃料電池から排出されるオフガスをエジェクタに向かって供給するポンプと、(i)一端がエジェクタより上流側の燃料ガス供給流路に接続されており、他端がポンプとエジェクタの間の循環ガス流路に接続されており、燃料ガス供給流路と循環ガス流路を連通するバイパス流路と、(j)バイパス流路上に配置されており、バイパス流路を開閉するバイパス弁を有する。
この燃料電池システムでは、バイパス弁を開くことで、燃料ガス供給流路と循環ガス流路の両方に燃料ガスを同時に供給することができる。このため、運転を停止する際にバイパス弁を開くことで、エジェクタ内や循環ガス流路からオフガスを排出することができる。エジェクタ内や循環ガス流路から水分を含んだオフガスが排出されるため、エジェクタ内や循環ガス流路の内壁面に氷が付着することを防止することができる。
この燃料電池システムでは、バイパス弁を開くことで、燃料ガス供給流路と循環ガス流路の両方に燃料ガスを同時に供給することができる。このため、運転を停止する際にバイパス弁を開くことで、エジェクタ内や循環ガス流路からオフガスを排出することができる。エジェクタ内や循環ガス流路から水分を含んだオフガスが排出されるため、エジェクタ内や循環ガス流路の内壁面に氷が付着することを防止することができる。
上記の他の燃料電池システムでは、ポンプが停止時に逆流可能なポンプであることが好ましい。停止時に逆流可能なポンプを使用することで、ポンプを停止した状態で循環流路内のガスを排水弁より排出することができる。
上記の他の燃料電池システムでは、排水弁の開閉とバイパス弁の開閉を制御する制御装置をさらに備えることができる。この場合、制御装置は、運転状態から運転停止状態に切換わる場合において、循環流路内のガスの温度が所定温度以下のときは、(1)排水弁を開くと共にバイパス弁を開放して、燃料ガス供給流路内の燃料ガスを所定時間だけ循環ガス流路内に供給し、(2)その後、排水弁を閉じると共にバイパス弁を閉じることが好ましい。
このような構成によると、循環流路内のガスが氷結しそうな温度のときに、循環流路内のガス(水分を含んだガス)が排水弁から排出される。このため、エジェクタや循環流路の内壁面に氷が付着することを防止することができる。
このような構成によると、循環流路内のガスが氷結しそうな温度のときに、循環流路内のガス(水分を含んだガス)が排水弁から排出される。このため、エジェクタや循環流路の内壁面に氷が付着することを防止することができる。
(第1実施形態) 本発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池車に搭載される発電システムである。まず、本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成について、図1を参照して説明する。図1に示すように燃料電池システムは、燃料電池22と、水素ガスを貯留する水素ガスタンク10と、水素ガスタンク10内の水素を燃料電池22に供給するための燃料供給流路12,16,20と、燃料電池22から排出されるオフガスを循環させる循環流路24,26,30を備えている。
燃料電池22は、複数の燃料電池セル(単位セル)を積層して構成されている。燃料電池22のアノードには、水素ガスタンク10から水素ガスが供給される。燃料電池22のカソードには、図示しない酸化ガス供給源(コンプレッサ)から酸化ガス(空気)が供給される。燃料電池22では、アノードに供給された水素ガスがカソードに供給された空気と電気化学反応を起こし、これによって発電が行われる。燃料電池22のアノードに供給された水素ガスのうち使用されなかった水素ガス(オフガス)は、循環流路24,26,30に排出される。循環流路24,26,30に排出されるオフガスには、燃料電池22のカソード側で生成された水分が混入している。
水素ガスタンク10は、高圧の水素ガスを貯留している。水素ガスタンク10の水素ガス出口には、遮断弁11を介して燃料供給流路12が接続されている。燃料供給流路12の下流端には調圧弁14が接続されている。調圧弁14は、水素ガスタンク10から供給される水素ガスの圧力を調整する。調圧弁14のガス出口には燃料供給流路16が接続されている。燃料供給流路16には、調圧弁14によって圧力が調整された水素ガスが流れる。燃料供給流路16の下流端にはエジェクタ18が接続されている。エジェクタ18は、燃料供給流路16から供給される水素ガスの流れによって循環流路30から流入するオフガスを吸引し、これらのガスを混合して燃料ガス供給流路20に吐出する。燃料ガス供給流路20の下流端は燃料電池22のアノードに接続されている。燃料ガス供給流路20内を流れる水素ガス(オフガスとの混合ガス)は、燃料電池22のアノードに供給される。
燃料電池22のアノードには、さらに循環流路24,26,30が接続されている。循環流路24,26,30には循環ポンプ28が配設されている。循環ポンプ28を駆動することによって、燃料電池22から循環流路24,26,30に排出されたオフガスがエジェクタ18に供給される。なお、循環流路24と循環流路26の接続部には気液分離器25が接続され、気液分離器25から排水流路27が分岐している。排水流路27には排水弁32が配設されている。排水流路27には、気液分離器25によって分離された液体(水)が流れる。排水弁32を開放することで、排水流路27内の水を外部に排出することができる。
次に、エジェクタ18の構成を、図2,3を参照して説明する。図2,3に示すようにエジェクタ18は、ボディ40と、ボディ40内を進退動するバルブ60と、バルブ60を駆動するモータ66を備えている。
ボディ40は、熱容量が低く、かつ、熱伝導率の高い材料(たとえば、銅、アルミ等)によって形成されている。ボディ40内には、水素ガスが流入する水素ガス流入部44と、オフガスが流入するオフガス流入部50と、水素ガスとオフガスを混合する混合部54が形成されている。
水素ガス流入部44の流入口42には燃料供給流路16が接続されている。このため、燃料供給流路16を流れる水素ガスが水素ガス流入部44に流入する。水素ガス流入部44の流出口46はオフガス流入部50に連通している。流出口46の流路断面積は絞られているため、水素ガス流入部44に流入した水素ガスは高速で流出口46より噴出する。
オフガス流入部50の流入口48には循環流路30が接続されている。このため、循環流路30を流れるオフガスがオフガス流入部50に流入する。オフガス流入部50は、混合部54の上流端に形成された流入口52と連通している。水素ガス流入部44の流出口46と混合部54の流入口52は、同一軸線上に配置されている。このため、水素ガス流入部44の流出口46から高速で噴出する水素ガスは、オフガス流入部50内に拡散することなく混合部54内に流れ込むようになっている。オフガス流入部50内のオフガスは、流出口46から噴出する高速の水素ガスの流れに吸引され、混合部54内に流れ込むようになっている。
混合部54には、流入口52から下流側に向かって拡開するガス流路54aが形成されている。水素ガス流入部44から混合部54に流入する水素ガスと、オフガス流入部50から混合部54に流入するオフガスとは、ガス流路54a内で混合される。ガス流路54aの下流端にはガス出口56が形成されている。ガス出口56には燃料供給流路20が接続されている。ガス流路54aで混合されたガス(水素ガスとオフガス)は、ガス出口56より燃料供給流路20に吐出される。
水素ガス流入部44の流入口42には燃料供給流路16が接続されている。このため、燃料供給流路16を流れる水素ガスが水素ガス流入部44に流入する。水素ガス流入部44の流出口46はオフガス流入部50に連通している。流出口46の流路断面積は絞られているため、水素ガス流入部44に流入した水素ガスは高速で流出口46より噴出する。
オフガス流入部50の流入口48には循環流路30が接続されている。このため、循環流路30を流れるオフガスがオフガス流入部50に流入する。オフガス流入部50は、混合部54の上流端に形成された流入口52と連通している。水素ガス流入部44の流出口46と混合部54の流入口52は、同一軸線上に配置されている。このため、水素ガス流入部44の流出口46から高速で噴出する水素ガスは、オフガス流入部50内に拡散することなく混合部54内に流れ込むようになっている。オフガス流入部50内のオフガスは、流出口46から噴出する高速の水素ガスの流れに吸引され、混合部54内に流れ込むようになっている。
混合部54には、流入口52から下流側に向かって拡開するガス流路54aが形成されている。水素ガス流入部44から混合部54に流入する水素ガスと、オフガス流入部50から混合部54に流入するオフガスとは、ガス流路54a内で混合される。ガス流路54aの下流端にはガス出口56が形成されている。ガス出口56には燃料供給流路20が接続されている。ガス流路54aで混合されたガス(水素ガスとオフガス)は、ガス出口56より燃料供給流路20に吐出される。
バルブ60は、ボディ40に組み付けられ、混合部54のガス流路54a内を進退動可能となっている。バルブ60は、熱容量が高く、かつ、熱伝導率の低い材料(たとえば、SUS、樹脂等)によって形成されている。バルブ60は、弁体62と、その先端が弁体62に取り付けられたロッド64で構成されている。弁体62は、ガス流路54aの内壁面の形状に倣った外観形状に形成されている。ロッド64の基端はモータ66に接続されている。モータ66が回転すると、ロッド64が進退動し、弁体62が流入口52に向かって進退動する。ロッド64が伸長すると、弁体62がガス流路54aの内壁面と接触し、混合部54の流入口52が閉じられる(図2に示す状態)。一方、ロッド64が収縮すると、弁体62がガス流路54aの内壁面から離れ、混合部54の流入口52が開かれる(図3に示す状態)。本実施形態では、混合部54の流入口52が請求項でいうガス通過口に相当する。
上述した燃料電池システムの動作について説明する。まず、燃料電池システムが運転している時の動作について説明する。燃料電池システムの運転時には、水素ガスタンク10から燃料供給流路12に水素ガスが供給される。燃料供給流路12に供給された水素ガスは、調圧弁14で圧力が調整される。圧力が調整された水素ガスは、燃料供給流路16を介してエジェクタ18に流れる。燃料電池システムの運転時には、エジェクタ18は、弁体62がガス流路54aの内壁面から離れ、混合部54の流入口52が開かれた状態とされている(図3に示す状態)。このため、エジェクタ18に流れた水素ガスは、エジェクタ18内でオフガスと混合される。オフガスと混合された水素ガスは、燃料供給流路20を介して燃料電池22に送られ、燃料電池22の発電に使用される。燃料電池22で使用されなかった燃料ガス(オフガス)は、循環流路24に排出される。循環流路24に排出されたオフガスは、循環ポンプ28によってエジェクタ18に送られる。エジェクタ18に送られたオフガスは、燃料供給流路16から供給される水素ガスに混合され、再び燃料電池22に送られる。
次に、燃料電池システムが運転を停止する時の動作について説明する。燃料電池システムのスイッチをオフ(キーオフ)すると、まず、水素ガスタンク10からの水素ガスの供給を継続した状態で、循環ポンプ28を停止し、排水弁32を開放する。これによって、エジェクタ18、燃料供給流路20及び循環流路24内のオフガスが排水流路27に流れ、排水弁32より大気に放出される。排水弁32を開放してから所定時間が経過すると、排水弁32を閉じ、水素ガスタンク10のガス出口を遮断弁11で閉じる。次いで、エジェクタ18のロッド64を伸長し、弁体62をガス流路54aの内壁面と接触させ、混合部54の流入口52が閉じられた状態とする(図2に示す状態)。
上述したように、燃料電池システムの運転停止時には、エジェクタ18、燃料供給流路20及び循環流路24のオフガスが排水弁32より大気に放出されるが、エジェクタ18、燃料供給流路20及び循環流路24内に残留するオフガスには水分が含まれている。このため、外気温が低下すると、これらの流路の壁面にオフガスに含まれる水分が結露し、この結露した水が凍結する可能性が生じる。
本実施形態の燃料電池システムのエジェクタ18では、ボディ40は熱容量が低く、かつ、熱伝導率の高い材料で形成される一方で、バルブ60は熱容量が高く、かつ、熱伝導率の低い材料で形成されている。このため、図4に示すように、ボディ40は短時間で温度が低下し(図中の実線)、バルブ60はゆっくりと温度が低下する。これによって、ボディ40の方が早いタイミングで露点に達し、それから時間Δtだけ遅れてバルブ60が露点に達する。したがって、エジェクタ18内のガスに含まれる水分の多くは、ボディ40の内表面に結露することとなる。ボディ40は内表面の面積が大きいため、ボディ40の内表面に広く結露させることで、ボディ40とバルブ60の接触部位(すなわち、弁体62とガス流路54aの壁面との接触部位)に結露する水分量(凍結した場合には氷の量)が少なくなる。
本実施形態の燃料電池システムのエジェクタ18では、ボディ40は熱容量が低く、かつ、熱伝導率の高い材料で形成される一方で、バルブ60は熱容量が高く、かつ、熱伝導率の低い材料で形成されている。このため、図4に示すように、ボディ40は短時間で温度が低下し(図中の実線)、バルブ60はゆっくりと温度が低下する。これによって、ボディ40の方が早いタイミングで露点に達し、それから時間Δtだけ遅れてバルブ60が露点に達する。したがって、エジェクタ18内のガスに含まれる水分の多くは、ボディ40の内表面に結露することとなる。ボディ40は内表面の面積が大きいため、ボディ40の内表面に広く結露させることで、ボディ40とバルブ60の接触部位(すなわち、弁体62とガス流路54aの壁面との接触部位)に結露する水分量(凍結した場合には氷の量)が少なくなる。
次に、燃料電池システムを再起動する時の動作について説明する。燃料電池システムのスイッチをオン(キーオン)すると、まず、エジェクタ18のロッド64を収縮して弁体62をガス流路54aの内壁面から離間させ、混合部54の流入口52が開かれた状態とする(図3に示す状態)。このとき、ボディ40とバルブ60の接触部位(すなわち、弁体62とガス流路54aとの接触部位)に氷が付着していても、その氷の量は少ないため、バルブ60を容易に移動させることができる。次いで、水素ガスタンク10のガス出口を開き(遮断弁を開き)、また、循環ポンプ28の動作を開始する。これによって、燃料電池22に水素ガスが供給され、燃料電池22にて発電が行われる。
上述した説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システムでは、ボディ40とバルブ60を異なる材料で形成している。これによって、運転停止時であって外気温が低い時は、バルブ60に対してボディ40の方が早く露点に達する。このため、エジェクタ18内のガスに含まれる水分の多くはボディ40の広い範囲に結露することとなるため、ボディ40とバルブ60の接触部位に結露する水分量を少なくすることができる。従って、ボディ40とバルブ60の接触部位に結露した水分が凍結していたとしても、その氷の量は少ない。このため、燃料電池システムの再起動時にバルブ60が容易に移動でき、短時間で燃料電池システムを立ち上げることができる。
また、弁体62の形状がガス流路54aの形状に倣って形成されている。このため、弁体62とガス流路54aが接触した状態では両者が密着し、弁体62とガス流路54aの間に隙間ができることが防止される。このため、この隙間に水分が凍結することが防止され、両者が氷によって相対移動不能となることが防止できる。
また、弁体62の形状がガス流路54aの形状に倣って形成されている。このため、弁体62とガス流路54aが接触した状態では両者が密着し、弁体62とガス流路54aの間に隙間ができることが防止される。このため、この隙間に水分が凍結することが防止され、両者が氷によって相対移動不能となることが防止できる。
なお、上述した実施形態では、燃料電池システムの運転停止時には、バルブ60によってエジェクタ18の流入口52を閉じていた。しかしながら、運転停止中に流入口52を閉じる必要は必ずしもなく、運転停止中もバルブ60が流入口52を開放する状態としてもよい。この場合、燃料電池システムの起動時に、バルブ60を進退動させ、エジェクタ18のガス流路54aに付着した氷を剥離することが好ましい。ガス流路54aに付着した氷を剥離することで、燃料電池22への水素ガスの供給を安定化させることができる。
また、エジェクタ18のバルブ60の表面(少なくとも弁体62の表面)には、その表面粗さを小さくするための表面処理(例えば、フッ素コート)を施すことが好ましい。バルブ60の表面粗さを小さくすることで、バルブ60の表面に氷が付着しても、その氷を簡単に剥離することができる。また、バルブ60の表面に表面処理を施すことで、バルブ60からの放熱量を下げることができる。これによって、バルブ60の温度低下を抑制し、バルブ60の表面への結露を抑制することもできる。さらに、バルブ60がボディ40のガス流路54aと摺動しても、これら摺動面に傷が付き難くなる。これによって、両部材間の隙間をより狭くでき、両部材の隙間に水分が結露することをより防止することができる。
また、エジェクタ18のバルブ60の表面(少なくとも弁体62の表面)には、その表面粗さを小さくするための表面処理(例えば、フッ素コート)を施すことが好ましい。バルブ60の表面粗さを小さくすることで、バルブ60の表面に氷が付着しても、その氷を簡単に剥離することができる。また、バルブ60の表面に表面処理を施すことで、バルブ60からの放熱量を下げることができる。これによって、バルブ60の温度低下を抑制し、バルブ60の表面への結露を抑制することもできる。さらに、バルブ60がボディ40のガス流路54aと摺動しても、これら摺動面に傷が付き難くなる。これによって、両部材間の隙間をより狭くでき、両部材の隙間に水分が結露することをより防止することができる。
(第2実施形態) 次に、本発明の第2実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、第2実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態の燃料電池システムと略同一の構成を備えており、エジェクタの構成のみが相違する。以下では、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
図5に示すように、第2実施形態のエジェクタ70は、ボディ72に対して進退動するバルブが設けられていない。その代わりに、水素ガス流入部80内の突出部94が大きく形成され、この突出部94の内部にヒータ96が設置されている。ヒータ96には電源90から電力が供給されるようになっている。その他の構成は、第1実施形態のエジェクタ18と同一の構成を有している。すなわち、ボディ72には、水素ガス流入部80とオフガス流入部84と混合部88が形成され、水素ガス流入部80には流入口74から水素ガスが供給され、オフガス流入部84には流入口76からオフガスが供給され、混合部80は水素ガスとオフガスを混合し、混合したガスを流出口78より吐出する。
次に、第2実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時の動作について、図7のフローチャートを参照して説明する。図7に示すように、燃料電池システムのスイッチをオフ(キーオフ)すると(S24)、水素ガスタンク10から燃料電池22に水素ガスの供給を継続した状態のまま、まず、循環ポンプ28を停止し、排水弁32を開放する(S26)。これによって、エジェクタ18、燃料供給流路20及び循環流路24内のオフガスが排水流路27に流れ、排水弁32より大気に排出される(S28)。次いで、ヒータ96により突出部94を加熱する(S30)。これによって、水素ガス流入部80の流出口82(オフガス流入部84との連通口)が加熱され、流出口82に水分が付着することが防止される。加熱を開始してからT2秒が経過すると、ヒータ96の加熱を停止し(S32)、全ての動作を停止する(S34)。
次に、上記燃料電池システムの起動時の動作について、図6のフローチャートを参照して説明する。図6に示すように、燃料電池システムのスイッチをオン(キーオン)すると(S10)、まず、外気温が所定の温度(氷点下又は設定温度T℃)以下となっているか否かが判断される(S12)。外気温の測定は、車両に搭載された温度センサによって行うことができる。外気温が所定の温度以下となっていない場合(S12でNO)は、エジェクタ70内の壁面に氷が付着していないため、燃料電池22への水素ガスの供給を開始し(S22)、燃料電池22を起動して発電を開始する(S20)。
一方、外気温が所定の温度以下となっている場合(S12でYES)は、ヒータ96により突出部94の加熱を開始する(S14)。これによって、エジェクタ70内の壁面が温められ、壁面に付着した氷が溶解する。ヒータ96による加熱を開始すると同時に、燃料電池22への水素ガスの供給を開始する(S16)。次いで、ヒータ96の加熱を停止する条件が成立したか否かを判断し、条件が成立している場合にはヒータ96の加熱を停止する(S18)。ヒータ96による加熱を停止する条件は、ヒータ96による加熱を開始してから所定時間(T1)が経過したか否かとすることができる。あるいは、エジェクタ70の下流側のガス圧力を検知し、検知したガス圧力が所定の圧力となったか否かとすることができる。すなわち、エジェクタ70の内壁面に付着した氷が溶け、エジェクタ70の下流側の圧力が安定したら、ヒータ96の加熱を停止する。ヒータ96の加熱を停止すると、燃料電池22を起動して発電を開始する(S20)。
一方、外気温が所定の温度以下となっている場合(S12でYES)は、ヒータ96により突出部94の加熱を開始する(S14)。これによって、エジェクタ70内の壁面が温められ、壁面に付着した氷が溶解する。ヒータ96による加熱を開始すると同時に、燃料電池22への水素ガスの供給を開始する(S16)。次いで、ヒータ96の加熱を停止する条件が成立したか否かを判断し、条件が成立している場合にはヒータ96の加熱を停止する(S18)。ヒータ96による加熱を停止する条件は、ヒータ96による加熱を開始してから所定時間(T1)が経過したか否かとすることができる。あるいは、エジェクタ70の下流側のガス圧力を検知し、検知したガス圧力が所定の圧力となったか否かとすることができる。すなわち、エジェクタ70の内壁面に付着した氷が溶け、エジェクタ70の下流側の圧力が安定したら、ヒータ96の加熱を停止する。ヒータ96の加熱を停止すると、燃料電池22を起動して発電を開始する(S20)。
上述した説明から明らかなように、第2実施形態の燃料電池システムでは、運転停止時においては、ヒータ96の加熱によりエジェクタ70の温度を上昇させ、エジェクタ70の内壁面が結露し難い状態とする。また、運転開始時においては、外気温が所定の温度以下のときは、ヒータ96の加熱によりエジェクタ70の温度を上昇させて、エジェクタ70の内壁面に付着した氷を溶かし、その後に燃料電池22を起動する。このため、燃料電池22を安定して起動することができる。
なお、上述した実施形態では、ヒータ96による加熱を停止するか否かを、加熱時間や燃料電池22に供給される水素ガスの圧力によって決定している。しかしながら、このような形態に限られず、例えば、エジェクタ70や燃料供給流路20に温度センサを配置し、この温度センサにより検出される温度が目標温度に到達したときにヒータ96による加熱を停止するようにしてもよい。
(第3実施形態) 次に、本発明の第3実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、第3実施形態の燃料電池システムは、第2実施形態の燃料電池システムと略同一の構成を備えており、エジェクタの構成のみが相違する。以下では、第2実施形態と異なる点を中心に説明する。
図8,9に示すように、第3実施形態のエジェクタ100は、第2実施形態のエジェクタ70と比較して、水素ガス流入部118内を進退動するバルブ110が設けられている点で異なる。バルブ110内にはヒータ108が設置されており、ヒータ108には電源104から電力が供給されるようになっている。また、バルブ110は、モータ106によって水素ガス流入部118内を進退動し、バルブ110の先端が流出口120(水素ガス流入部118の流出口120)を閉じる状態(図8に示す状態)と、バルブ110の先端が流出口120を開放する状態(図9に示す状態)とに切換えられる。本実施形態では、水素ガス流入部118の流出口120が請求項でいうガス通過口に相当する。なお、その他の構成は、第2実施形態のエジェクタ78と同一構成となっている。
次に、第3実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時の動作について、簡単に説明する。第3実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時の動作は、第2実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時の動作と略同一であり、ヒータ108による加熱を停止した後、バルブ110を流出口120に向かって移動させ、バルブ110の先端で流出口120を閉じる点のみが相違する。
次に、上記燃料電池システムの起動時の動作について、図10のフローチャートを参照して説明する。図10に示すように、燃料電池システムのスイッチをオン(キーオン)すると(S36)、まず、外気温が所定の温度(氷点下又は設定温度T℃)以下となっているか否かを判断する(S38)。外気温が所定の温度以下となっていない場合(S38でNO)は、バルブ110を退動させて流出口120を開く(S50)。次いで、燃料電池22への水素ガスの供給を開始し(S52)、燃料電池22を起動して発電を開始する(S48)。
一方、外気温が所定の温度以下となっている場合(S38でYES)は、ヒータ108によりバルブ110の加熱を開始する(S40)。これによって、エジェクタ100内の壁面が温められ、壁面に付着した氷が溶解する。ヒータ108による加熱開始と同時にバルブ110を退動させて流出口120を開き(S42)、燃料電池22への水素ガスの供給を開始する(S44)。次いで、ヒータ108の加熱を停止する条件が成立したか否かを判断し、条件が成立している場合にはヒータ108の加熱を停止する(S46)。ヒータ108による加熱を停止する条件は、第2実施形態と同様とすることができる。ヒータ108の加熱を停止すると、燃料電池22を起動して発電を開始する(S48)。
一方、外気温が所定の温度以下となっている場合(S38でYES)は、ヒータ108によりバルブ110の加熱を開始する(S40)。これによって、エジェクタ100内の壁面が温められ、壁面に付着した氷が溶解する。ヒータ108による加熱開始と同時にバルブ110を退動させて流出口120を開き(S42)、燃料電池22への水素ガスの供給を開始する(S44)。次いで、ヒータ108の加熱を停止する条件が成立したか否かを判断し、条件が成立している場合にはヒータ108の加熱を停止する(S46)。ヒータ108による加熱を停止する条件は、第2実施形態と同様とすることができる。ヒータ108の加熱を停止すると、燃料電池22を起動して発電を開始する(S48)。
上述した説明から明らかなように、第3実施形態の燃料電池システムでも、第2実施形態の燃料電池システムと同様、運転停止時と起動時にヒータ108によってエジェクタ100を加熱し、エジェクタ100の内壁面に水分が結露し難い状態とする。このため、短時間で燃料電池22を起動することができる。さらに、ヒータ108が進退動するバルブ110の先端に配設されているため、バルブ110を進退動することでエジェクタ100の所望の位置を加熱することができる。
(第4実施形態) 次に、本発明の第4実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。なお、第4実施形態の燃料電池システムは、第1実施形態の燃料電池システムと略同一の構成を備えており、エジェクタ上流の燃料ガス供給流路と循環流路を接続するバイパス流路を備えている点のみで相違する。以下では、第1実施形態と異なる点を中心に説明する。
図11に示すように、第4実施形態に係る燃料電池システムでは、調圧弁14とエジェクタ18を接続する燃料供給流路16と、循環ポンプ28の上流側の循環流路30とが、バイパス流路13a,13bで接続されている。バイパス流路13a,13bにはバイパス弁15が配設されている。バイパス弁15を開くと、燃料供給流路16内の水素ガスが循環流路30に供給することができる。なお、本実施形態では、循環ポンプ28に停止時に逆流可能な容積型ポンプ(例えば、スクリュウポンプ、円周流ポンプ)が用いられている。
次に、第4実施形態に係る燃料電池システムの動作について説明する。なお、本実施形態の燃料電池システムの起動時の動作は、第1実施形態の燃料電池システムと同一であるため、ここでは、運転停止時の動作についてのみ説明する。
図12に示すように、燃料電池システムのスイッチをオフ(キーオフ)すると(S54)、まず、循環ポンプ28を停止し、外気温度が所定外気温度以下となっているか否かを判断する(S56)。所定外気温度以下となっていない場合(S56でNO)は、エンドに進み、そのまま処理を終了する。一方、所定外気温度以下となっている場合(S56でYES)はステップS58に進む。これにより、凍結の可能性のある場合には水分除去のため掃気が行われる。
ステップS58では排水弁32を開き、次いで、バイパス弁15を開く(S60)。これによって、燃料ガス供給流路16内の燃料ガス(水分を含まないガス)が循環流路30にも供給される。エジェクタ18(燃料供給流路20)及び循環流路30に同一のガス圧の水素ガスが供給されるため、循環流路30内のガス(水分を含んだオフガス)は循環ポンプ28を逆流し、排水流路27の排水弁32より外部に排出される。
次いで、バイパス弁15を開いてから所定時間が経過するまで待機し(S62)、所定時間が経過すると排水弁32を閉じ(S64)、バイパス弁15を閉じる(S66)。これによって、燃料電池システムの動作が停止する。
図12に示すように、燃料電池システムのスイッチをオフ(キーオフ)すると(S54)、まず、循環ポンプ28を停止し、外気温度が所定外気温度以下となっているか否かを判断する(S56)。所定外気温度以下となっていない場合(S56でNO)は、エンドに進み、そのまま処理を終了する。一方、所定外気温度以下となっている場合(S56でYES)はステップS58に進む。これにより、凍結の可能性のある場合には水分除去のため掃気が行われる。
ステップS58では排水弁32を開き、次いで、バイパス弁15を開く(S60)。これによって、燃料ガス供給流路16内の燃料ガス(水分を含まないガス)が循環流路30にも供給される。エジェクタ18(燃料供給流路20)及び循環流路30に同一のガス圧の水素ガスが供給されるため、循環流路30内のガス(水分を含んだオフガス)は循環ポンプ28を逆流し、排水流路27の排水弁32より外部に排出される。
次いで、バイパス弁15を開いてから所定時間が経過するまで待機し(S62)、所定時間が経過すると排水弁32を閉じ(S64)、バイパス弁15を閉じる(S66)。これによって、燃料電池システムの動作が停止する。
上述した説明から明らかなように、本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転停止時に、循環流路30と燃料供給流路20に同一圧力の水素ガスが供給されるため、循環流路30,26内のオフガスを排水弁32より排出することができる。このため、循環系の配管内のガスに含まれる水分量を低減でき、これらの配管内に水分が結露して凍結するといった事態を回避することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。なお、上述した各実施形態では、本発明を燃料電池車用の燃料電池システムに適用した例について説明したが、本発明はその他の用途の燃料電池システムにも適用することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
10:水素ガスタンク
12,16,20:燃料ガス供給流路
18:エジェクタ
22:燃料電池
24,26,30:循環流路
40:ボディ
60:バルブ
12,16,20:燃料ガス供給流路
18:エジェクタ
22:燃料電池
24,26,30:循環流路
40:ボディ
60:バルブ
Claims (13)
- 第1ガスの流れによって第2ガスを吸引し、第1ガスと第2ガスを混合して吐出するエジェクタであって、
第1ガスと第2ガスの少なくとも一方が流れるガス通過口が形成されている本体と、
ガス通過口に対して進退動可能に配置されており、ガス通過口のガス通過面積を変化させる弁体と、を備えており、
弁体を形成する材料の熱容量が本体を形成する材料の熱容量よりも大きいことを特徴とするエジェクタ。 - 本体には、ガス通過口を通過したガスが流れる下流側ガス流路が形成されており、その下流側ガス流路が下流側に向かって拡がる円錐形状に形成されており、
弁体は、ガス通過口に対して下流側ガス流路側より進退動可能に配置されると共に、下流側ガス流路の形状に倣った外観形状に形成されていることを特徴とする請求項1に記載のエジェクタ。 - 弁体を駆動する駆動装置をさらに備えており、駆動装置は、弁体がガス通過口を閉じる状態と、弁体がガス通過口を開く状態とに切り換えることを特徴とする請求項1又は2に記載のエジェクタ。
- 弁体の表面のうち少なくとも本体と接触する部位に表面処理が施されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のエジェクタ。
- 弁体内に発熱体が配置されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のエジェクタ。
- 弁体の先端に発熱体が配置されていることを特徴とする請求項5に記載のエジェクタ。
- 燃料電池と、
燃料電池に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガス供給源と、
燃料電池と燃料ガス供給源とを接続し、燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、
燃料電池に一端が接続されており、燃料電池で使用されなかったオフガスが流れる循環ガス流路と、
燃料ガス供給流路の途中に配置されると共に循環ガス流路の他端が接続されており、燃料ガス供給流路から供給される燃料ガスの流れによって循環ガス流路を流れるオフガスを吸引して混合し、この混合ガスを燃料電池に向かって供給するエジェクタと、
循環ガス流路の途中から分岐されている排水流路と、
排水流路に設けられている排水弁と、
循環ガス流路上であって、排水流路が分岐する位置とエジェクタに接続される位置との間に配置されており、燃料電池から排出されるオフガスをエジェクタに向かって供給するポンプと、
エジェクタと排水弁を制御する制御装置を有しており、
エジェクタは、燃料ガスとオフガスの少なくとも一方が流れるガス通過口が形成されている本体と、ガス通過口を開閉する弁体を備えており、
制御装置は、(1)運転状態から運転停止状態に切換わる時においては、排水弁を開くと共にエジェクタの弁体をガス通過口が開放される状態として循環ガス流路内のガスを排水弁より所定時間だけ排出し、排出後にエジェクタの弁体がガス通過口を閉じる状態とし、(2)運転開始時には、エジェクタの弁体がガス通過口を開放する状態として、燃料ガス供給源の燃料ガスを燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システム。 - エジェクタの弁体内には発熱体が配置されており、
制御装置は、(1)運転停止時においては、ガス通過口が閉じられる位置に弁体を配置し、(2)運転開始時においては、発熱体により弁体を加熱することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。 - 制御装置は、運転開始時において、発熱体による加熱を所定時間だけ行うことを特徴とする請求項8に記載の燃料電池システム。
- 制御装置は、運転開始時において、弁体がガス通過口を閉じる状態で発熱体による加熱を行い、発熱体の加熱が終了した後に弁体がガス通過口を開放する状態とすることを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。
- 燃料電池と、
燃料電池に供給される燃料ガスを貯留する燃料ガス供給源と、
燃料電池と燃料ガス供給源とを接続し、燃料ガス供給源からの燃料ガスを燃料電池に供給する燃料ガス供給流路と、
燃料電池に一端が接続されており、燃料電池で使用されなかったオフガスが流れる循環ガス流路と、
燃料ガス供給流路の途中に配置されると共に循環ガス流路の他端が接続されており、燃料ガス供給流路から供給される燃料ガスの流れによって循環ガス流路を流れるオフガスを吸引して混合し、この混合ガスを燃料電池に向かって供給するエジェクタと、
循環ガス流路の途中から分岐されている排水流路と、
排水流路に設けられている排水弁と、
循環ガス流路上であって、排水流路が分岐する位置とエジェクタに接続される位置との間に配置されており、燃料電池から排出されるオフガスをエジェクタに向かって供給するポンプと、
一端がエジェクタより上流側の燃料ガス供給流路に接続されており、他端がポンプとエジェクタの間の循環ガス流路に接続されており、燃料ガス供給流路と循環ガス流路を連通するバイパス流路と、
バイパス流路上に配置されており、バイパス流路を開閉するバイパス弁と、を有する燃料電池システム。 - ポンプが停止時に逆流可能なポンプであることを特徴とする請求項11に記載の燃料電池システム。
- 排水弁の開閉とバイパス弁の開閉を制御する制御装置をさらに備えており、
その制御装置は、運転状態から運転停止状態に切換わる場合において、循環流路内のガスの温度が所定温度以下のときは、(1)排水弁を開くと共にバイパス弁を開放して、燃料ガス供給流路内の燃料ガスを所定時間だけ循環ガス流路内に供給し、(2)その後、排水弁を閉じると共にバイパス弁を閉じることを特徴とする請求項11又は12に記載の燃料電池システム。
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