JP3601493B2

JP3601493B2 - 燃料電池システム及びエゼクタ循環装置

Info

Publication number: JP3601493B2
Application number: JP2001292175A
Authority: JP
Inventors: 博史宮窪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: JP2003100335A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池に好適なエゼクタ循環装置に係り、特に広い運転範囲に亘って排出燃料ガスの循環性能を高めた燃料電池システム及びエゼクタ循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を燃料ガスとして燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られると共に、環境性に優れている。
【０００３】
また、近年、電解質として固体高分子イオン交換膜を使用することで、小型高出力化が可能であり、酸水溶液が不要な固体高分子型燃料電池が水素ガスを用いた燃料電池の方式として注目されている。
【０００４】
燃料電池において、固体高分子膜を挟んで対向する燃料極と空気極には、水素を含む燃料ガスと酸素を含む空気がそれぞれ供給される。この燃料電池における原燃料ガスの消費量を低減し、並びに水素ガスの利用率を低めて出力特性を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極からの排出ガスを再循環して、外部から新たに供給される水素の濃い燃料ガスと混合させ、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く考案されている。
【０００５】
燃料電池の発電効率は、再循環させる排出燃料ガス量と、新たに外部から供給される燃料ガス量を、ある一定の比率以上に保つことで良くなることが分かっている。二つの流れを混合させる循環装置としてエゼクタが良く知られているが、循環の原動力として供給燃料ガスの流速による負圧と引きずり込みを利用しているため、供給燃料ガス量と循環ガス流量を広い作動領域で一定以上に保つことが困難となっている。
【０００６】
エゼクタ作動領域を広げるための可変容量エゼクタの例として、スライド機構を用いてエゼクタ全体の流路面積可変とした特開平７−１８５２８４号公報や、ノズルにニードル形状の調整ロッドを挿入し、調整ロッドの位置を変更することでのノズル面積可変とした特開平８−３３８３９８号公報などがあるが、ともにエゼクタ外部から可変機構を制御する構造としているため摺動部にシール構造を付加する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら燃料電池の作動ガスである水素は、分子の大きさが極めて小さいため、上記従来の可変機構を備えたエゼクタの摺動部にて水素ガスをシールしようとすると、シール部に高い加工精度が要求されるだけでなく、シール部の摩擦が増加して、制御性が損なわれるという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、エゼクタに可変機構を設けることなく、ガス流量の広い作動領域で原燃料ガスと排出循環ガスとを一定の混合比で混合することができるエゼクタ循環装置及び該エゼクタ循環装置を用いて燃料ガス循環性能を高めた燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出循環ガスと水素濃度の高い原燃料ガスとを混合して燃料ガスとするエゼクタ循環装置と、該エゼクタ循環装置で混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する流路とを有する燃料電池システムにおいて、前記エゼクタ循環装置は、第１供給口、第２供給口、及び第３供給口の少なくとも２つから供給される流体を混合して排出口から排出するものであり、第１供給口に接続した第１ノズルが第１混合室に向かって開口し、第１混合室に第２供給口が開口するとともに、第１ノズルの噴出方向前方に第１混合室から第２混合室に向かって第１ノズルより断面積が大きい第２ノズルが設けられ、第２混合室に第３供給口が開口するとともに、第２混合室がスロート部、ディフューザ部を順次介して前記排出口に連通し、第１供給口に原燃料ガスを供給し、第２供給口には原燃料ガスおよび排出循環ガスのいずれかを切替可能に供給し、第２供給口に原燃料ガス供給時には第３供給口に排出循環ガスを供給するように制御することを要旨とする。
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力が所定値より低い低負荷時には、第１供給口から原燃料ガスを供給し、第２供給口から排出循環ガスを供給し、第３供給口に排出循環ガスを供給する配管を遮断する第１の状態で運転し、燃料電池システムの出力が所定値以上となる高負荷時には、第１供給口、第２供給口の少なくとも一方より原燃料ガスを供給し、第３供給口から排出循環ガスを供給する第２の状態で運転することを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項３記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力が増加する過渡時には第２の状態で運転することを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため、請求項４記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、第１供給口に原燃料ガスを供給する配管に第１の圧力調整弁を設けるとともに、第２供給口に原燃料ガスを供給する配管に第２の圧力調整弁を設け、第１供給口に供給する原燃料ガスの圧力と、第２供給口に供給する原燃料ガスの圧力とを独立に制御可能としたことを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項５記載の発明は、第１供給口、第２供給口、及び第３供給口の少なくとも２つから供給される流体を混合して排出口から排出するエゼクタ循環装置であって、第１供給口に接続した第１ノズルが第１混合室に向かって開口し、該第１混合室に第２供給口が開口するとともに、第１混合室から第２混合室に向かって第１ノズルより断面積が大きい第２ノズルが開口し、第２混合室に第３供給口が開口するとともに、第２混合室がスロート部、ディフューザ部を順次介して前記排出口に接続されたことを要旨とする。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出循環ガスと水素濃度の高い原燃料ガスとを混合して燃料ガスとするエゼクタ循環装置と、該エゼクタ循環装置で混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する流路とを有する燃料電池システムにおいて、前記エゼクタ循環装置は、第１供給口、第２供給口、及び第３供給口の少なくとも２つから供給される流体を混合して排出口から排出するものであり、第１供給口に接続した第１ノズルが第１混合室に向かって開口し、第１混合室に第２供給口が開口するとともに、第１混合室から第２混合室に向かって第１ノズルと略同軸上に第１ノズルより断面積が大きい第２ノズルが設けられ、第２混合室に第３供給口が開口するとともに、第２混合室がスロート部、ディフューザ部を順次介して前記排出口に接続され、第１供給口に原燃料ガスを供給し、第２供給口には原燃料ガスおよび排出循環ガスのいずれかを切替可能に供給し、第２供給口に原燃料ガス供給時には第３供給口に排出循環ガスを供給するように制御するようにしたので、燃料電池の運転状態によってエゼクタ循環装置の第１ノズルまたは第２ノズルの一方を選択的に駆動流源とすることができ、水素ガスの漏れを抑制しつつエゼクタ循環装置の作動領域を拡大することができるという効果がある。
【００１５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、燃料電池システムの出力が所定値より低い低負荷時には、第１供給口から原燃料ガスを供給し、第２供給口から排出循環ガスを供給し、第３供給口に排出循環ガスを供給する配管を遮断する第１の状態で運転し、燃料電池システムの出力が所定値以上となる高負荷時には、第１供給口、第２供給口の少なくとも一方より原燃料ガスを供給し、第３供給口から排出循環ガスを供給する第２の状態で運転するようにしたので、燃料電池システムの負荷に応じてノズル径とスロート径を適切に選択できるため、システム作動領域全体に渡り、高い排気循環ガス量を維持することができるという効果がある。
【００１６】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果に加えて、燃料電池システムの出力が増加する過渡時には第２の状態で運転するようにしたために、スタックに供給する水素量を速やかに増加でき、スタック燃料極の圧力を増加した発電量に見合うまで速やかに増加させることができるという効果がある。
【００１７】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３記載の発明の効果に加えて、第１供給口に原燃料ガスを供給する配管に第１の圧力調整弁を設けるとともに、第２供給口に原燃料ガスを供給する配管に第２の圧力調整弁を設け、第１供給口に供給する原燃料ガスの圧力と、第２供給口に供給する原燃料ガスの圧力とを独立に制御可能としたことにより、原燃料ガスの供給量の制御性を良好に維持したまま、広い運転領域において排出循環ガスの循環量を維持することができるという効果がある。
【００１８】
請求項５記載の発明によれば、第１供給口、第２供給口、及び第３供給口の少なくとも２つから供給される流体を混合して排出口から排出するエゼクタ循環装置であって、第１供給口に接続した第１ノズルが第１混合室に向かって開口し、第１混合室に第２供給口が開口するとともに、第１ノズルの噴出方向前方に第１混合室から第２混合室に向かって第１ノズルより断面積が大きい第２ノズルが設けられ、第２混合室に第３供給口が開口するとともに、第２混合室がスロート部、ディフューザ部を順次介して前記排出口に連通するようにしたので、第１供給口から第１の流体を供給し第２供給口から第２の流体を供給する場合には第１ノズルが作動し、第２供給口から第１の流体を供給し第３供給口から第２の流体を供給する場合には第１ノズルより断面積が大きい第２ノズルが作動するという２つの異なる特性を有するエゼクタ循環装置として作用するので、エゼクタ循環装置の作動流量領域を拡大することができるという効果がある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの要部構成を示すシステム構成図であり、特に、アイドル時から高速走行時まで負荷変動の大きい電動車両用の電源として好適なものである。
【００２０】
図１において、燃料電池本体（以下、スタックと呼ぶ）１は、燃料極２と空気極３を備える。実際には、スタック１に冷却系の配管、電力取出線、各種センサ等が組み込まれるが、本図ではガス系統のみを示す。
【００２１】
燃料極２と空気極３とは、個体高分子による電解質膜を隔ててスタック１の内部で接合されており、燃料極２で水素が電離して水素イオンと電子とに別れる。水素イオンは水分を媒体として電解質膜中を燃料極２側から空気極３側に移動し、電子は燃料極２から外部負荷回路を通って空気極３に戻り、水素イオン、電子、及び酸素が空気極３で結合して水となる電気化学反応により直流発電が行われる。
【００２２】
本実施形態では、燃料として水素を直接保有する方式を示している。水素貯蔵タンク４には、水素ガスが圧縮されて高圧状態で保有されている。水素貯蔵タンク４の充填圧力は、高ければ高いほど、１充填当たりの走行可能距離が伸びたり、タンク容積を小型化できるので、通常数１０ＭＰａ以上にも達する。このような水素貯蔵タンク４の高圧からスタック１への供給圧を一度に制御することは困難なため、水素貯蔵タンク４の下流には減圧弁５を介して下流圧を実質的に制御可能な一定値に低下させた後、さらに下流に配された圧力調整弁６に原燃料ガスである水素ガスを供給する構成としている。圧力調整弁６の下流には、圧力調整後の水素ガス圧力を測定する圧力センサ１９が設けられ、圧力センサ１９の下流に２方向に分岐する分岐部８が設けられている。分岐部８の一方の下流には、エゼクタ循環装置（以下、エゼクタと略す）７に設けられた第１供給口９が接続され、圧力調整弁６で圧力が調整された水素ガスが供給される。
【００２３】
エゼクタ７には、後述するように第１供給口９に接続する第１ノズルに加えて、第２ノズルが設けられており、第１ノズルの下流側且つ第２ノズルの上流側は第２供給口１０に接続され、第２ノズルの下流側は第３供給口１１に接続され、これら供給口９，１０，１１から供給されたガスは混合されて、排出口１２から排出されるようになっている。
【００２４】
エゼクタ７の第２供給口１０には、分岐部８の他方の下流から遮断弁１８を介して接続される水素ガス供給管と、スタック１の燃料極２からの排出循環ガスを３方弁１６を介して供給する排出循環ガス管とが接続されている。この構成により、遮断弁１８と３方弁１６を切り替えることで、第２供給口１０に供給するガスを水素貯蔵タンクから減圧した水素ガスまたは排出循環ガスの切替えを可能としている。
【００２５】
また、エゼクタ７には、３方弁１６のもう１方が接続された第３供給口１１があり、排出循環ガスを供給できるようになっている。
【００２６】
エゼクタ７の排出口１２は、加湿器１３に接続され、エゼクタ７で混合された燃料ガスがほぼ水蒸気飽和状態まで加湿される。加湿された燃料ガスは、スタック１の燃料極２に供給され、発電により水素の一部が消費される。燃料極２の出口からは、発電に使用されなかった水素を含む排出循環ガスが排出されるが、燃料極出口は、２方向に分岐する分岐部１４に接続されている。分岐部１４の一方には、３方弁１６が接続され、分岐部１４の他方にはパージ弁１５を介して外部へと開放されている。スタックの電力出力要求が急に小さくなったら、循環管路中の水素がスタックで消費しきれなくなるので、其のときはパージ弁１５を開き余剰の水素ガスを外部へ放出する。
【００２７】
以上の構成から、エゼクタ７では、水素貯蔵タンク４から来る水素ガスと、スタック１の燃料極２を通過した後の圧力が低い排出循環ガスを混合させて下流に流すようになっており、次いで混合ガスは加湿器１３を通過する際にスタック内の電解膜での反応に必要な水蒸気を加湿され、かつ反応に適した温度まで加熱された後、スタック１の燃料極２に流入する。
【００２８】
そしてスタック１の燃料極２で水素を消費し、余った残留水素ガスはスタック１から排出され、エゼクタ７へ再度送られる。
【００２９】
一方、図では省略しているが、空気極へは、まず、大気を取り込んで圧縮して空気ラインに送り込む圧縮機がスタック上流に設置される。圧縮機で圧縮された空気についても、水素と同様に加湿器を通過し略飽和状態まで加湿された後、スタック１に流入する。そして、スタック１の空気極３で空気中の酸素分を消費して余った空気ガスは、スタック内で反応して出来た水分とともに、空気ラインの圧力制御バルブを通過して大気へ放出する。空気圧力は要求に応じてあらかじめ定められた圧力となるように圧力制御バルブにより制御される。
【００３０】
尚、図１には示されていないが空気極で生成した水は、空気ライン途中に設けられた水回収装置にて回収され、回収された水は加圧ポンプにより加湿器１３に供給されたり、スタック１の冷却水として再利用される。
【００３１】
また、圧力調整弁６はスタックへの供給水素流量を制御する役目をもち、燃料極の水素圧力が発電量に適した値となるように、スタック１の上流に配した圧力センサ２０の出力値を測定しながら、要求負荷に応じてあらかじめ定めた所定値となるよう、水素ガス循環系に存在する水素量を調整するとともに、発電により消費した水素量を補充するように圧力調整弁６の分岐部８に設けた圧力センサ１９の出力値を測定しながら、発電量に応じて予め定めた所定値となるように圧力調整弁６の開度制御を行う。
【００３２】
図２は、本実施形態におけるエゼクタ７の断面構造を示したものである。エゼクタ７は、第１供給口９、第２供給口１０、及び第３供給口１１の少なくとも２つから供給される流体を混合して排出口１２から排出するエゼクタ循環装置であって、第１供給口９に接続した第１ノズル２１が第１混合室３１に向かって開口し、第１混合室３１に第２供給口１０が開口するとともに、第１混合室３１から隔壁２４で隔てられた第２混合室３２に向かって第１ノズル２１より断面積が大きい第２ノズル２５が開口し、第２混合室３２に第３供給口１１が開口するとともに、第２混合室３２がスロート２９、ディフューザ３０を順次介して排出口１２に接続されている。
【００３３】
このエゼクタ７を構成する部品は、第１ノズル２１と原燃料ガスを供給する第１接続口９とが連通した第１吸気部２２と、第１吸気部２２をＯリング２３とともに組み付けることで、隔壁２４に一体に設けられた円筒管状の第２ノズル２５の上流と原燃料ガスまたは排出循環ガスを供給する第２供給口１０とが連通するように構成された第２吸気部２６と、第２吸気部２６をＯリング２７とともに組み付けることで、排出循環ガスが循環してくる第３供給口１１と排出口１２を連通する空間を形成するボディ部２８からなる。
【００３４】
ボディ部２８には原燃料ガスと排出循環ガスが混合するスロート２９および混合流の流速を低下させて圧力回復を図るディフューザ３０を備えている。
【００３５】
第２ノズル２５は遮断弁１８が閉かつ３方弁１６が第２供給口１０に連通されるように制御されている第１の状態の場合は、第１ノズル２１から注入された原燃料ガス流が第２ノズル２５の前で絞られることで流速が増し、第２ノズル２５の円筒形状が第１ノズル２１に対してスロート部となり、この流速増加により第２供給口１０に対して負圧を発生するとともに、第１ノズル２１からの流れによって排出循環ガスを吸引し、第２ノズル２５内部で混合流が発生する。この混合流はそのままスロート２９を通過し、ディフューザ３０で圧力を回復しつつ、排出口１２から排出される。
【００３６】
一方、遮断弁１８が開、かつ３方弁１６が第３供給口１１側に連通されるように制御されている第２の状態の場合では、第２ノズル２５から水素ガスが噴出し、実質的にノズル部として作用し、第３供給口１１から排出循環ガスを吸引し、スロート２９で混合流を発生させて、第一の状態と同様に排出口１２から混合流を排出する。
【００３７】
図３は、スロート部とノズル部の径が違う小型エゼクタと大型エゼクタとのエゼクタ特性の差異を説明するものであり、図３（ａ）に供給ガス流量Ｑｉｎと供給ガス圧力Ｐｉｎの関係、図３（ｂ）に、供給ガス流量Ｑｉｎに対する循環比Ｒ（循環ガス流量Ｑｓｕと供給ガス流量Ｑｉｎの比）を小型エゼクタの特性を細線で、大型エゼクタの特性を太線でそれぞれ示す。
【００３８】
図３（ｂ）は、エゼクタにおける供給ガス流量Ｑｉｎに対する循環比Ｒの関係を示した図であるが、小径ノズル及び小径スロートを有する小型エゼクタの場合を細線で、大径ノズル及び大径スロートを有する大型エゼクタの場合を太線で示してある。循環が開始する供給ガス流量Ｑｉｎは径が細いほど低下するが、供給ガス流量Ｑｉｎが増加した場合の循環率Ｒの最大値は径が大きくなるほど高くなる傾向にある。
【００３９】
また、図３（ａ）に示すように、水素ガス供給系の供給圧はシステムにより規定されており、ガス流量を確保しつつ、供給側接続口に供給できる最大圧力はＰｉｎｍａｘの制限を受けることになる。そのため循環開始の供給流量を低流量側にしたいという観点からは径が小さな方が良い特性を示すものの、供給可能ガス量が充分に確保できないことになる。
【００４０】
よって、車両停止時等のアイドル状態で必要となるシステムの最小負荷時の供給水素ガス流量Ｑｍｉｎから高速走行時や加速時に必要となるシステムの最大負荷時の供給水素ガス流量Ｑｍａｘまでの流量範囲が非常に広いような場合は、スタックの良好な発電状態を維持するために必要な循環比Ｒｍｉｎを維持することは１つのノズルでは困難となっている。
【００４１】
図４には本実施形態で用いたエゼクタの特性を図３と同様に示している。まず、システムの作動最低負荷に当るガス流量Ｑｍｉｎからエゼクタ上流に付与できる最大圧力Ｐｉｎｍａｘで第１ノズル２１から循環系に供給できるガス流量Ｑ１までの間は、第１の状態として、図４の破線で示した循環比Ｒを確保している。
【００４２】
発電要求量が増加し、原燃料ガスの必要供給量がＱ１を超えると、第２の状態として、第２供給口１０に原燃料ガスの供給を行い、第２供給口１０のガス圧力を制御することで、第１ノズル２１では不足する原燃料ガスを大径のノズルとして作用する第２ノズル２５から供給する。このとき、第２ノズル２５は第１供給口９および第２供給口１０の圧力がともにＰｉｎｍａｘとなった場合に、最大発電要求時に必要となる原燃料ガス量Ｑｍａｘを供給できる径としている。
【００４３】
第２の状態の場合の循環比Ｒは一点鎖線で示した値となるため、システムの要求負荷に応じて、第１、第２の状態を切替えることで、全てのスタック作動領域において必要となる循環比Ｒｍｉｎを確保することができる。
【００４４】
次に、図５、図６を参照して、本実施形態における流路切替弁及び圧力調整弁の制御フローを説明する。図５は諸々の車両条件から与えられた燃料電池の発電電力目標値ｔＰＷＲを実現するために、どのように圧力調整弁６の弁下流圧ｔＰｒｓＨｅ、及び流路切替えの状態を制御するかを示した制御フローチャートであり、図６は、制御フロー中で参照する各種テーブルの例をグラフで示すものである。
【００４５】
まず、ステップＳ１０において、要求負荷に基づいて別途算出された発電電力目標値ｔＰＷＲを読み込み、圧力センサ１９の測定値ｔＰｒｓＨＯ，及び圧力センサ２０の測定値ｔＰｒｓＨｅＯを読み込む。次いで、ステップＳ１２では、燃料電池の発電電力目標値ｔＰＷＲに基づいて燃料電池の燃料極における燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨを演算する。この演算は、図６（ａ）に示すような発電電力目標値ｔＰＷＲに対する燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨがテーブルで与えられ、燃料電池の発電目標値すなわち負荷が大きくなればなるほど燃料極での燃料ガス圧力が大きくなるように設定している。
【００４６】
次いでステップＳ１４では、ステップＳ１２で得られた燃料極２での燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨと圧力センサ２０から得られた現在の燃料極２での燃料ガス圧力ｔＰｒｓＨＯのと差圧ｔＰｒｓＨｄ＝ｔＰｒｓＨ−ｔＰｒｓＨＯを算出し、圧力調整弁６の制御の基本的なパターンを判定する条件値とする。
【００４７】
ステップＳ１６は、燃料電池に対する負荷要求が急激増えたか否かを判定するステップであり、差圧ｔＰｒｓＨｄが予め定めた値ｔＰｒｓＨｄＨ以上の場合は急加速状態として、ステップＳ１８へ進み、圧力調整弁６の目標開度ｔＡｒＶを設定可能な最大値ｔＡｒＶｍａｘに設定し、次いでステップＳ２０で遮断弁１８の開閉制御を行う信号ｔＳＶを開指令となる状態値とし、かつ３方弁１６の切替え指令値ｔ３ＷＶをエゼクタ７の第３供給口１１側へ連通する指令となる状態値として、第２の状態となるように流路切替えシーケンスに情報を発信する。
【００４８】
ステップＳ１６でｔＰｒｓＨｄ＜ｔＰｒｓＨｄＨと判断された場合は、ステップＳ２２へ進み、負荷要求が減少し、パージ弁１５を開制御する必要があるか否かを判定する。ｔＰｒｓＨｄが予め定めた負の値であるｔＰｒｓＨｄＬ以下の場合はステップＳ２４へ進み、圧力調整弁６の目標開度ｔＡｒＶを設定可能な最小値ｔＡｒＶｍｉｎに設定するとともに、パージ弁１５の制御シーケンスに開制御の情報を発信し、次いでステップＳ２６で遮断弁１８の開閉制御を行う信号ｔＳＶを閉指令となる状態値とし、かつ３方弁１６の切替え指令値ｔ３ＷＶをエゼクタ７の第２供給口１０側へ連通する指令となる状態値として、第１の状態となるように流路切替えシーケンスに情報を発信する。
【００４９】
ステップＳ２２でｔＰｒｓＨｄ＞ｔＰｒｓＨｄＬと判断された場合は、通常制御状態と判断し、ステップＳ２８へ進み、流路切替え状態が第１の状態とするか否かを判定する。ｔＰｒｓＨが予め定めた切替え圧力ｔＰｒｓＨ１より小さく、かつ圧力センサ１９で測定された第１供給口９における原燃料ガス圧力の値ｔＰｒｓＨｅＯが供給可能最高圧であるｔＰｒｓＨｅｍａｘより小さな場合は、ガス流路を第１の状態にすると判定し、ステップＳ３０へ進む。
【００５０】
ステップＳ３０では発電電力目標値ｔＰＷＲを実現するために必要な燃料極での圧力目標値ｔＰｒｓＨとなるように、第１供給口９での圧力目標値ｔＰｒｓＨｅを演算している。圧力目標値ｔＰｒｓＨｅは、圧力調整弁６からスタック１の燃料極２電池までの燃料ガス流路中の圧力損失を流量に応じてあらかじめ計算しておき、その圧力損失を目標とする燃料電池燃料極ガス圧力に加えた値として演算する必要があり、図６（ｂ）のようにあらかじめ計算してテーブル値として参照する形式の方が良い。
【００５１】
次いでステップＳ３２にて、燃料負荷に応じた燃料ガス流量が得られるように基本となる圧力調整弁６の絞り面積ｔＡｒＶｍをｔＰｒｓＨｅに応じて演算する。この演算は、図６（ｃ）に示すようなテーブルで与えられ、圧力目標値ｔＰｒｓＨｅが増えるに従い絞り面積ｔＡｒＶｍも増加する。
【００５２】
次いでステップＳ３４で、遮断弁１８の開閉制御を行う信号ｔＳＶを閉指令となる状態値とし、かつ３方弁１６の切替え指令値ｔ３ＷＶをエゼクタ７の第２供給口１０側へ連通する指令となる状態値として、第１の状態となるように流路切替えシーケンスに情報を発信して、後述するステップＳ４２へ進む。
【００５３】
一方、ステップＳ２８で、ｔＰｒｓＨがｔＰｒｓＨ１以上、またはｔＰｒｓＨＯがｔＰｒｓＨｅｍａｘとなっていると判断された場合は、流路切替え状態を第２の状態とすると判断し、ステップＳ３６へ進む。
【００５４】
ステップＳ３６ではステップＳ３０と同様に、ｔＰｒｓＨの演算をマップを用いてｔＰｒｓＨｅの演算を行うが、ここで使用するマップは図６（ｃ）に示すように水素ガス供給ノズル径が大きくなったことに対応したものとなっている。次いで、ステップＳ３８ではステップＳ３２と同様に、燃料負荷に応じた燃料ガス流量が得られるように基本となる圧力調整弁６の絞り面積ｔＡｒＶｍをｔＰｒｓＨｅに応じて演算する。ここで参照するテーブルは、ノズル径が大きくなったことに対応した図６（ｅ）のようなテーブルである。
【００５５】
ステップＳ４０では、ステップＳ２０と同様に、遮断弁１８の開閉制御を行う信号ｔＳＶを開指令となる状態値とし、かつ３方弁１６の切替え指令値ｔ３ＷＶをエゼクタ７の第３供給口１１側へ連通する指令となる状態値として、第２の状態となるように流路切替えシーケンスに情報を発信して、ステップＳ４２へ進む。
【００５６】
ステップＳ４２では、ステップＳ３２またはステップＳ３６で演算されたｔＡｒＶｍに対し、圧力センサ１９で測定した実際の第１供給口９の圧力ｔＰｒｓＨｅＯと、圧力センサ２０の測定値とステップＳ１２で定めた目標値ｔＰｒｓＨとの乖離から定まる補正項αを加えて、第１供給口９の圧力が目標値となるように最終的な絞り面積ｔＡｒＶを算出する。
【００５７】
以上、ステップＳ１８、ステップＳ２４、ステップＳ４２のいずれかにより、圧力調整弁６の絞り面積が決定され、ステップＳ４４で圧力調整弁６の制御情報を圧力調整機構制御装置に送信し、制御フローが終了する。
【００５８】
なお、本実施形態では弁１８は遮断弁としていたが、これを圧力調整弁とすると請求項４の第２の圧力調整弁として作用し、第１ノズル部と第２ノズル部の原燃料ガス圧力を個別に制御可能となり、原燃料ガスの供給量の制御性を良好に維持したまま、広い運転領域において排出循環ガス量を維持することが可能となる。
【００５９】
次に、本発明における第２実施形態について、図７を用いて説明する。第１実施形態においては、第２供給口１０へ原燃料ガスと排出循環ガスの供給切替えを遮断弁１８と３方弁１６を用いたものに対し、第２実施形態では、１つの切替え弁３９を用いることで、第１実施形態と同様な流路切替えを可能にしたものであり、流路切替え制御を簡便に行うことが可能となる。
【００６０】
切替え弁３９には、４つの接続口を持つボディ部４０と、内部に２つの流路４２および４３が形成され、ボディ部４０の内部に回転可能に包括されたボール部４１からなる。
【００６１】
ボディ部４０の４つの接続口は、分岐部８と接続された原燃料ガス供給用の接続口４４ａと、燃料極２の下流にある分岐部１４と接続された排出循環ガス供給用の接続口４４ｂと、エゼクタ７の第２供給口１０と接続されたガス排出用の接続口４５ａと、エゼクタ７の第３供給口１１と接続されたガス排出用の接続口４５ｂとが設けられている。
【００６２】
第１の状態では、図７（ａ）に示されているように、ボール部４１の流路４２が接続口４４ｂと接続口４５ａを連通せしめ、エゼクタ７の第２供給口１０に排出循環ガスを供給する。そのとき、流路４３はボディ部４０の残りの接続口４４ａと接続口４５ｂを閉鎖するような位置に配置されている。
【００６３】
一方、第２の状態では、図７（ｂ）に示されているように、ボール部４１が９０°左に回転した状態となるように制御する。この時、流路４２は接続口４４ａと接続口４５ａを連通せしめ、エゼクタ７の第２供給口１０に水素ガスを供給するとともに、流路４３は接続口４４ｂと接続口４５ｂを連通せしめて、エゼクタ７の第３供給口１１に排出循環ガスを供給することが可能となる。
【００６４】
以上の構成で、ボール部４１のボディ部４０に対する回転位置を制御するのみで、第１実施形態と同様な流路切替えを１つの動作で行えるようになる。
【００６５】
以上説明したように本発明によれば、広い負荷範囲に対応した供給ガス流量に対し必要な排気ガス循環量が確保でき、安定した燃料電池の運転が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】本実施形態におけるエゼクタの内部構造を示す断面図である。
【図３】（ａ）小型エゼクタおよび大型エゼクタの供給ガス流量に対する供給ガス圧力特性を説明する図である。（ｂ）小型エゼクタおよび大型エゼクタの供給ガス流量に対する循環比特性を説明する図である。
【図４】（ａ）実施形態のエゼクタにおける供給ガス流量に対する供給ガス圧力特性を説明する図である。（ｂ）実施形態のエゼクタにおける供給ガス流量に対する循環比特性を説明する図である。
【図５】第１の実施形態における圧力調整弁及びガス流路の第１状態、第２状態切替制御を説明するフローチャートである。
【図６】制御フロー中で参照する各種テーブルの例をグラフで示すものである。
【図７】（ａ）第２の実施形態における第１状態の要部を説明する構成図である。（ｂ）第２の実施形態における第２状態の要部を説明する構成図である。
【符号の説明】
１…燃料電池本体（スタック）
２…燃料極
３…空気極
４…水素貯蔵タンク
５…減圧弁
６…圧力調整弁
７…エゼクタ循環装置
９…第１供給口
１０…第２供給口
１１…第３供給口
１２…排出口
１３…加湿器
１４…分岐部
１５…パージ弁
１６…３方弁
１７…分岐部
１８…遮断弁
１９…圧力センサ
２０…圧力センサ

Claims

燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出循環ガスと水素濃度の高い原燃料ガスとを混合して燃料ガスとするエゼクタ循環装置と、該エゼクタ循環装置で混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する流路とを有する燃料電池システムにおいて、
前記エゼクタ循環装置は、第１供給口、第２供給口、及び第３供給口の少なくとも２つから供給される流体を混合して排出口から排出するものであり、
第１供給口に接続した第１ノズルが第１混合室に向かって開口し、
第１混合室に第２供給口が開口するとともに、第１ノズルの噴出方向前方に第１混合室から第２混合室に向かって第１ノズルより断面積が大きい第２ノズルが設けられ、
第２混合室に第３供給口が開口するとともに、第２混合室がスロート部、ディフューザ部を順次介して前記排出口に連通し、
第１供給口に原燃料ガスを供給し、第２供給口には原燃料ガスおよび排出循環ガスのいずれかを切替可能に供給し、第２供給口に原燃料ガス供給時には第３供給口に排出循環ガスを供給するように制御することを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池システムの出力が所定値より低い低負荷時には、第１供給口から原燃料ガスを供給し、第２供給口から排出循環ガスを供給し、第３供給口に排出循環ガスを供給する配管を遮断する第１の状態で運転し、
燃料電池システムの出力が所定値以上となる高負荷時には、第１供給口、第２供給口の少なくとも一方より原燃料ガスを供給し、第３供給口から排出循環ガスを供給する第２の状態で運転することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
燃料電池システムの出力が増加する過渡時には第２の状態で運転することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
第１供給口に原燃料ガスを供給する配管に第１の圧力調整弁を設けるとともに、第２供給口に原燃料ガスを供給する配管に第２の圧力調整弁を設け、第１供給口に供給する原燃料ガスの圧力と、第２供給口に供給する原燃料ガスの圧力とを独立に制御可能としたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
第１供給口、第２供給口、及び第３供給口の少なくとも２つから供給される流体を混合して排出口から排出するエゼクタ循環装置であって、
第１供給口に接続した第１ノズルが第１混合室に向かって開口し、
該第１混合室に第２供給口が開口するとともに、第１混合室から第２混合室に向かって第１ノズルより断面積が大きい第２ノズルが開口し、
第２混合室に第３供給口が開口するとともに、第２混合室がスロート部、ディフューザ部を順次介して前記排出口に接続されたことを特徴とするエゼクタ循環装置。