JP7360288B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、燃料電池を種々の装置の電力源として利用する技術の開発が進められている。燃料電池は、一般に、複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有しており、燃料電池セルには、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む膜電極接合体が設けられている。そして、燃料電池セルにおいて、アノード電極に燃料ガス（具体的には、水素を含むガスである水素ガス）が供給され、カソード電極に酸化ガス（具体的には、酸素を含むガスである空気）が供給されることによって発電が行われる。

燃料電池システムでは、燃料電池から水を排出するための水排出路が、燃料電池から排出される水素ガスが流通する水素ガス排出路と接続されており、当該水排出路を介して水素ガスとともに水の排出が行われる。例えば、燃料電池の発電中には、水素ガスと空気との電気化学反応が行われることによって、空気極（つまり、カソード電極）側に水が生成される。この水は電解質膜を通して水蒸気濃度の低い水素極（つまり、アノード電極）側に移動し、温度と湿度によっては凝縮して液体の水となる。このように生成された水が燃料電池内に残存することに起因して、水素ガスの反応が妨げられ、燃料電池の電圧が低下してしまうことを抑制するために、燃料電池により生成された水を排出することが行われる（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０－１０８７５６号公報

ところで、従来の技術では、燃料電池システムにおいて水素ガスとともに水のすべてを短時間で排出するには水排出路を通る水の流速が不足する場合があった。それにより、例えば、燃料電池内に水が残存してしまい、燃料電池の電圧の低下や残存した水の凍結が生じるおそれがあった。また、水をすべて排出するために、水を長時間に亘って排出すると水の他に水素ガスを多く排出するおそれがあった。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、燃料電池システムにおいて水を排出する際に、水の流速を増大させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出される水素ガスが流通する水素ガス排出路と接続され、当該水素ガスに含まれる水が流通する水排出路と、燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、を備え、水排出路は、空気排出路と合流しており、水排出路と空気排出路とが合流する合流部分には、空気の流れで水を吸引するエジェクタ部が設けられており、エジェクタ部は、空気排出路を流通する空気を加速して噴射するノズル部と、ノズル部から噴射される空気の流れによって水が吸引される吸引部と、ノズル部から噴射された空気と、吸引部において吸引された水とが混合されて流通する混合部と、を有し、燃料電池の起動時に燃料電池を水素ガスにより掃気する際に、燃料電池の電圧に基づいて、吸引部の吸引性能を制御する制御装置をさらに備える。
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池から排出される水素ガスが流通する水素ガス排出路と接続され、当該水素ガスに含まれる水が流通する水排出路と、燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、を備え、水排出路は、空気排出路と合流しており、水排出路と空気排出路とが合流する合流部分には、空気の流れで水を吸引するエジェクタ部が設けられており、エジェクタ部は、空気排出路を流通する空気を加速して噴射するノズル部と、ノズル部から噴射される空気の流れによって水が吸引される吸引部と、ノズル部から噴射された空気と、吸引部において吸引された水とが混合されて流通する混合部と、を有し、水素ガス排出路と水排出路との間には、水を排出する排出弁が設けられており、燃料電池の発電時に排出弁を開放する際に、排出弁より上流側で残存する水の量が多いほど、吸引部の吸引性能が高くなるように、吸引部の吸引性能を制御する制御装置をさらに備える。

制御装置は、ノズル部の流路断面積を制御することによって、吸引部の吸引性能を制御してもよい。

制御装置は、ノズル部より上流側での空気の圧力を制御することによって、吸引部の吸引性能を制御してもよい。

水素ガス排出路と水排出路との間には、水を排出する排出弁が設けられており、燃料電池の発電時に排出弁を開放する際に、制御装置は、燃料電池システムにおける排出弁より上流側で残存する水の量と相関するパラメータに基づいて、吸引部の吸引性能を制御してもよい。

パラメータは、燃料電池の電圧を含んでもよい。

パラメータは、燃料電池の温度を含んでもよい。

パラメータは、燃料電池の内部インピーダンスを含んでもよい。

燃料電池の起動時に燃料電池を水素ガスにより掃気する際に、制御装置は、燃料電池の電圧に基づいて、吸引部の吸引性能を制御してもよい。

吸引部には、外気が供給される外気流路が接続されていてもよい。

本発明によれば、燃料電池システムにおいて水を排出する際に、水の流速を増大させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略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部の概略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部のノズル部に設けられる遮蔽装置の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の発電時の燃料電池システムにおける空気および水素ガスの流れを示す模式図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池の起動時の燃料電池システムにおける空気および水素ガスの流れを示す模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

<燃料電池システムの構成>
まず、図１～図３を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

図１は、燃料電池システム１の概略構成を示す模式図である。

燃料電池システム１は、燃料電池１０を備えるシステムであり、例えば、車両に搭載され、その場合、燃料電池１０は車両の駆動用モータの電力源として利用され得る。燃料電池システム１が車両に搭載される場合、燃料電池１０は、例えば、車両のエンジンルーム内または車室の下方等に配置される。なお、本発明に係る燃料電池システムは、車両以外の他の装置に搭載されてもよく、例えば、船舶等の車両以外の移動体に搭載されてもよく、建物における発電システムとして利用される定置式のものであってもよい。

具体的には、燃料電池システム１は、図１に示されるように、燃料電池１０と、空気供給路２１と、空気排出路２２と、吸入口３１と、エアフィルタ３２と、コンプレッサ３３と、水素ガス供給路４１と、水素ガス排出路４２と、水素ガス還流路４３と、水排出路４４と、水素タンク５１と、開閉弁５２と、排出弁５３と、ポンプ５４と、気液分離器５９と、エジェクタ部６０と、電圧センサ９１と、温度センサ９２と、制御装置１００とを備える。

燃料電池１０は、燃料ガス（具体的には、水素ガス）と酸化ガス（具体的には、空気）とを反応させることにより発電する電池である。具体的には、燃料電池１０は、複数の燃料電池セルが積層されている燃料電池スタックを有しており、各燃料電池セルには、電解質膜、アノード電極およびカソード電極を含む膜電極接合体が設けられている。

燃料電池１０には、ガスが流通するガス流路として、空気が流通する空気流路１２および水素ガスが流通する水素ガス流路１４が形成されている。空気流路１２の一端には空気供給路２１が接続されており、空気流路１２の他端には空気排出路２２が接続されている。なお、燃料電池１０内において、空気流路１２は、各燃料電池セルを通過するように分岐している。また、水素ガス流路１４の一端には水素ガス供給路４１が接続されており、水素ガス流路１４の他端には水素ガス排出路４２が接続されている。なお、燃料電池１０内において、水素ガス流路１４は、各燃料電池セルを通過するように分岐している。

空気供給路２１は、燃料電池１０に供給される空気が流通する流路である。空気供給路２１には、吸入口３１と、エアフィルタ３２と、コンプレッサ３３とが上流側からこの順に設けられている。吸入口３１は、空気（例えば、車外の空気である外気）が吸入される吸入口である。エアフィルタ３２は、空気供給路２１を流通する空気に含まれる異物を除去する。コンプレッサ３３は、当該コンプレッサ３３よりも上流側の空気を圧縮して下流側（つまり、燃料電池１０側）に送る。コンプレッサ３３が駆動されることによって、吸入口３１から空気が吸入され、当該空気が空気供給路２１を介して燃料電池１０内の空気流路１２に供給される。なお、空気供給路２１は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

空気排出路２２は、燃料電池１０から排出される空気が流通する流路である。燃料電池１０内の空気流路１２を通った空気は、空気排出路２２を通って排出される。

詳細には、空気排出路２２は、第１排出路２２ａと、第２排出路２２ｂとを有する。第１排出路２２ａは燃料電池１０内の空気流路１２と接続されており、第２排出路２２ｂはエジェクタ部６０を介して第１排出路２２ａと接続されている。なお、第１排出路２２ａおよび第２排出路２２ｂの各々は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

後述するように、エジェクタ部６０は、空気の流れで水を吸引する機能を有し、当該エジェクタ部６０に水排出路４４が接続されている。このように、水排出路４４は空気排出路２２と合流しており、水排出路４４と空気排出路２２とが合流する合流部分にはエジェクタ部６０が設けられている。

水素ガス供給路４１は、燃料電池１０に供給される水素ガスが流通する流路である。水素ガス供給路４１には、水素供給源としての水素タンク５１と、開閉弁５２とが上流側からこの順に設けられている。水素タンク５１には、水素が貯蔵されている。開閉弁５２が開状態となっているときに、水素ガスが、水素タンク５１から水素ガス供給路４１を介して燃料電池１０内の水素ガス流路１４に供給される。なお、水素ガス供給路４１は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

開閉弁５２は、具体的には、水素ガス供給路４１内の流体の流れを断接する機能を有する。開閉弁５２が開状態のときには、水素ガス供給路４１内で開閉弁５２を介して流体が流通可能な状態となり、開閉弁５２が閉状態のときには、水素ガス供給路４１内で開閉弁５２により流体の流通が遮断された状態となる。ゆえに、開閉弁５２を開放することによって、水素タンク５１から燃料電池１０内の水素ガス流路１４への水素ガスの供給を行うことができる。詳細には、水素ガス供給路４１における開閉弁５２より下流側には、水素ガスの圧力を調整する調圧弁（図示省略）が設けられており、当該調圧弁が制御されることによって、水素ガス流路１４へ供給される水素ガスの圧力が制御されるようになっている。

水素ガス排出路４２は、燃料電池１０から排出される水素ガスが流通する流路である。水素ガス排出路４２は、排出弁５３を介して、水排出路４４と接続されている。水排出路４４は、水素ガスに含まれる水が流通する流路である。また、水排出路４４は、空気排出路２２に設けられるエジェクタ部６０と接続されている。排出弁５３が開状態となっているときに、水素ガス排出路４２と水排出路４４とが連通し、排出弁５３より上流側（つまり、燃料電池１０側）の水素ガスに含まれる水が水排出路４４に送られる。この際、具体的には、水素ガスとともに水が水排出路４４に送られ、これらの流体は、水排出路４４を通ってエジェクタ部６０に送られる。その後、水および水素ガスは、エジェクタ部６０において空気と混合され、第２排出路２２ｂを通って排出される。なお、水素ガス排出路４２は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。また、以下では、水素ガス排出路４２から水排出路４４へ水素ガスとともに水が送られる例を主に説明するが、水素ガス排出路４２から水排出路４４へ水のみが送られてもよい。

排出弁５３は、水を排出する（具体的には、水素ガスとともに排出弁５３より上流側で残存する水やカソード電極から透過した窒素等を排出する）弁である。排出弁５３は、水素ガス排出路４２と水排出路４４との間の流体の流れを断接する機能を有する。排出弁５３が開状態のときには、水素ガス排出路４２と水排出路４４との間で排出弁５３を介して流体が流通可能な状態となり、排出弁５３が閉状態のときには、水素ガス排出路４２と水排出路４４との間で排出弁５３により流体の流通が遮断された状態となる。ゆえに、排出弁５３を開放することによって、燃料電池１０により生成されて燃料電池システム１における排出弁５３より上流側（具体的には、水素ガス排出路４２、燃料電池１０内の水素ガス流路１４、水素ガス供給路４１および水素ガス還流路４３）で残存する水を、排出弁５３を介して排出することができる。排出弁５３は、基本的には閉状態となっており、水の排出を行う時に適宜開状態となる。詳細には、水素ガス排出路４２における排出弁５３より上流側に気液分離器５９が設けられており、気液分離器５９において水素ガスから分離された水が水素ガスとともに排出弁５３を介して排出されるようになっている。

水素ガス還流路４３は、燃料電池１０を迂回して水素ガス排出路４２と水素ガス供給路４１とを接続する水素ガスの流路である。具体的には、水素ガス還流路４３は、水素ガス排出路４２における気液分離器５９よりも上流側と、水素ガス供給路４１における開閉弁５２よりも下流側との間に亘って設けられている。水素ガス還流路４３には、当該水素ガス還流路４３内の水素ガスを水素ガス排出路４２側から水素ガス供給路４１側に送るポンプ５４が設けられている。ポンプ５４が駆動されることによって、燃料電池１０内の水素ガス流路１４を通った水素ガスが、水素ガス還流路４３を通って水素ガス流路１４に戻される。なお、水素ガス還流路４３は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。

エジェクタ部６０は、水排出路４４と空気排出路２２とが合流する合流部分に設けられており、空気の流れで水を吸引する機能を有する。なお、エジェクタ部６０は、水排出路４４および空気排出路２２とは別の部材により形成されていてもよく、水排出路４４または空気排出路２２の少なくとも一方と同一の部材により形成されていてもよい。また、エジェクタ部６０は、１つの部材により形成されていてもよく複数の部材により形成されていてもよい。以下、図２および図３を参照して、エジェクタ部６０の構成について、詳細に説明する。

図２は、エジェクタ部６０の概略構成を示す模式図である。

具体的には、エジェクタ部６０は、図２に示されるように、ノズル部６１と、吸引部６２と、混合部６３とを有する。

なお、図２では、白抜きの矢印Ａ１により空気（具体的には、空気排出路２２の第１排出路２２ａからエジェクタ部６０に送られた空気）の流れが示されており、ハッチングが付された矢印Ａ２により水および水素ガスの流れが示されており、破線矢印Ａ３により外気流路７１を流通する外気が示されている。具体的には、エジェクタ部６０において、矢印Ａ２により示される水および水素ガスの流れは、排出弁５３が開いている際（例えば、後述する燃料電池１０の発電時に水の排出のために排出弁５３を開放する際や燃料電池１０の起動時に燃料電池１０を水素ガスにより掃気する際）には生じるが、排出弁５３が閉じている時には生じない。

エジェクタ部６０において、ノズル部６１、吸引部６２および混合部６３は、この順に一方向に並んで設けられている。ノズル部６１は、空気排出路２２を流通する空気を加速して噴射する。吸引部６２は、ノズル部６１から噴射される空気の流れによって水が吸引される空間である。混合部６３は、ノズル部６１から噴射された空気と、吸引部６２において吸引された水とが混合されて流通する流路である。

ノズル部６１は、具体的には、先細りしている筒状である。ノズル部６１の流路断面積は、ノズル部６１の先端部（つまり、吸引部６２側の端部）に進むにつれて小さくなっている。また、ノズル部６１は、空気排出路２２の第１排出路２２ａと連通しており、ノズル部６１には、第１排出路２２ａを通った空気が送られる。ノズル部６１に送られた空気の流速は、当該空気がノズル部６１の先端側のノズル孔６１ａに近づくにつれて、ノズル部６１の流路断面積の減少とともに増大する。そして、空気がノズル部６１のノズル孔６１ａから吸引部６２に向けて加速して噴射される。なお、ノズル部６１の形状は特に限定されず、例えば、ノズル部６１の肉厚は一定でなくてもよい。

吸引部６２は、具体的には、ノズル部６１のノズル孔６１ａに対して空気の噴射方向側に隣り合う空間である。ノズル部６１から噴射された空気は、吸引部６２を通過する。また、吸引部６２は、水排出路４４と連通している。吸引部６２では、ノズル部６１により加速され高速となった空気が通過するので、周囲と比べて圧力が低くなっている（つまり、負圧が生じている）。ゆえに、水排出路４４を通って吸引部６２に送られた水および水素ガスは、吸引部６２において、ノズル部６１から噴射される空気の流れによって吸引される。

混合部６３は、具体的には、吸引部６２に対して空気の噴射方向側に隣り合う空間である。ノズル部６１から噴射された空気は、吸引部６２を通過した後に、混合部６３を流通する。ここで、吸引部６２において、空気の流れによって吸引された水および水素ガスは、空気とともに混合部６３に送られる。ゆえに、混合部６３には、ノズル部６１から噴射された空気および吸引部６２において吸引された水および水素ガス（つまり、水素ガス排出路４２からの排出物）が送られ、混合部６３において、当該空気と、当該水および水素ガスを含む排出物とが混合されて流通する。なお、図２では、混合部６３の流路断面積が下流側に進むにつれて大きくなっている例が示されているが、混合部６３の形状は特に限定されず、例えば、混合部６３の流路断面積は一定であってもよい。

また、混合部６３は、空気排出路２２の第２排出路２２ｂと連通しており、混合部６３を通った空気は、第２排出路２２ｂを通って排出される。特に、水の排出の際には、吸引部６２において吸引された水は、混合部６３において空気と混合された後、第２排出路２２ｂを通って空気とともに排出される。

ここで、図２に示されるように、燃料電池システム１から排出されるガスにおける水素濃度を効果的に低減する観点では、吸引部６２には、外気が供給される外気流路７１が接続されていることが好ましい。

例えば、燃料電池システム１が車両に搭載される場合、外気は車外の空気に相当する。この場合、外気流路７１は、走行風が送られる位置に設けられる（または、車外の空間に面して設けられる）空気の吸入口と吸引部６２とを連通し、外気流路７１には、当該吸入口から外気が供給されるようになっている。外気流路７１から吸引部６２に送られた外気は、吸引部６２において、ノズル部６１から噴射される空気の流れによって吸引される。ゆえに、水の排出が行われる際に、第２排出路２２ｂを通って排出されるガスにおける空気の割合を増大させることができるので、当該ガスにおける水素濃度を効果的に低減することができる。

エジェクタ部６０では、吸引部６２の吸引性能（つまり、水または水素ガス等の各種流体を空気の流れにより吸引する性能）を調整可能となっていることが好ましい。それにより、吸引部６２の吸引性能を調整することによって、排出される水の流速をより適切に増大させることが可能となる。吸引部６２の吸引性能を調整するための装置として、エジェクタ部６０のノズル部６１には、遮蔽装置８１が設けられている。

図３は、エジェクタ部６０のノズル部６１に設けられる遮蔽装置８１の構成を示す模式図である。

遮蔽装置８１は、ノズル部６１のノズル孔６１ａの流路断面積を調整する機能を有する。具体的には、遮蔽装置８１は、ノズル部６１のノズル孔６１ａを流通する空気を部分的に遮蔽する遮蔽部材８１ａを有する。なお、遮蔽装置８１は、遮蔽部材８１ａを移動させる駆動装置（図示省略）を有しており、遮蔽部材８１ａの位置は、当該駆動装置により調整されるようになっている。

具体的には、図３に示されるように、ノズル部６１の先端部には、当該ノズル部６１の径方向に貫通する貫通孔６１ｂが形成されており、遮蔽部材８１ａは、当該貫通孔６１ｂに挿通されている。遮蔽部材８１ａは、貫通孔６１ｂ内を摺動することによって、ノズル部６１の径方向に移動可能となっている。ゆえに、遮蔽部材８１ａの位置を調整することによって、ノズル部６１のノズル孔６１ａの流路断面積を調整することができる。

例えば、遮蔽部材８１ａの位置が図３で実線により示される位置に調整されている場合、遮蔽部材８１ａの全体がノズル部６１の内周部よりもノズル部６１の径方向外側に位置している。ゆえに、ノズル部６１のノズル孔６１ａを流通する空気が遮蔽部材８１ａにより遮蔽されない状態となる。

一方、遮蔽部材８１ａの位置が図３で二点鎖線により示される位置に調整されている場合、遮蔽部材８１ａの一部がノズル部６１の内周部よりもノズル部６１の径方向内側に位置している。ゆえに、ノズル部６１のノズル孔６１ａを流通する空気の一部が遮蔽部材８１ａにより遮蔽される状態となる。つまり、ノズル部６１のノズル孔６１ａの流路断面積が、遮蔽部材８１ａの位置が図３で実線により示される位置に調整されている場合と比べて小さくなる。このように、ノズル部６１のノズル孔６１ａの流路断面積を小さくすることによって、ノズル部６１から噴射される空気の流速を大きくすることができるので、吸引部６２の吸引性能を高くすることができる。

以下、図１に戻り、燃料電池システム１の構成の説明を続ける。

電圧センサ９１は、燃料電池１０の各燃料電池セルの電圧を検出し、検出結果を制御装置１００に出力する。

温度センサ９２は、燃料電池１０内を流通する冷媒（例えば、冷却水）の温度を検出し、検出結果を制御装置１００に出力する。具体的には、温度センサ９２は、燃料電池１０内の冷媒が流通する冷媒流路（図示省略）の下流側端部（つまり、冷媒流路の出口）の近傍に設けられ、設置箇所における冷媒の温度を検出する。制御装置１００が行う後述する処理では、温度センサ９２により検出される冷媒の温度は、燃料電池１０の温度に相当する値として利用される。

制御装置１００は、燃料電池システム１における各装置の動作を制御する。

例えば、制御装置１００は、演算処理装置であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＣＰＵが使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＣＰＵの実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する記憶素子であるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を含む。

具体的には、制御装置１００は、コンプレッサ３３、開閉弁５２、排出弁５３およびポンプ５４の動作を制御することによって、燃料電池システム１における空気および水素ガスの流れを制御する。

また、制御装置１００は、エジェクタ部６０のノズル部６１に設けられる遮蔽装置８１の動作を制御することにより、ノズル部６１の流路断面積（具体的には、ノズル孔６１ａの流路断面積）を制御することによって、エジェクタ部６０の吸引部６２の吸引性能を制御する。

なお、後述するように、ノズル部６１の流路断面積の制御は、遮蔽装置８１を用いる方法以外の他の方法により実現されてもよい。また、吸引部６２の吸引性能の制御は、ノズル部６１の流路断面積を制御する方法以外の他の方法により実現されてもよい。

また、制御装置１００は、電圧センサ９１および温度センサ９２と通信することによって、電圧センサ９１および温度センサ９２から出力される情報を取得する。

制御装置１００は、上述したように、燃料電池システム１に搭載される各装置と通信を行う。制御装置１００と各装置との通信は、例えば、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信を用いて実現される。

なお、本実施形態に係る制御装置１００が有する機能は複数の制御装置により少なくとも部分的に分割されてもよく、複数の機能が１つの制御装置によって実現されてもよい。制御装置１００が有する機能が複数の制御装置により少なくとも部分的に分割される場合、当該複数の制御装置は、ＣＡＮ等の通信バスを介して、互いに接続されてもよい。

上記のように、燃料電池システム１では、水排出路４４と空気排出路２２とが合流する合流部分には、空気の流れで水を吸引するエジェクタ部６０が設けられている。それにより、水排出路４４を通って排出される水を、エジェクタ部６０において空気の流れにより吸引することができる。ゆえに、燃料電池システム１において水を排出する際に、水の流速を増大させることができる。

<燃料電池システムの動作>
続いて、図４および図５を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の動作について説明する。

上述したように、燃料電池システム１における空気および水素ガスの流れは、制御装置１００により行われる。以下では、燃料電池１０の発電時および起動時の各々での燃料電池システム１における空気および水素ガスの流れを順に説明する。なお、以下で参照する図４および図５では、燃料電池システム１における空気および水素ガスの流れが矢印により示されている。

［発電時］
まず、図４を参照して、燃料電池１０の発電時の燃料電池システム１における空気および水素ガスの流れについて説明する。

制御装置１００は、例えば、要求される発電量（例えば、燃料電池システム１が車両に搭載される場合、要求される駆動力に応じた発電量）で燃料電池１０を発電させる。燃料電池１０の発電時には、要求される発電量に応じた量の空気および水素ガスが燃料電池１０に供給されるように、空気および水素ガスの流れが制御される。

図４は、燃料電池１０の発電時の燃料電池システム１における空気および水素ガスの流れを示す模式図である。

まず、空気の流れについて説明する。燃料電池１０の発電時には、コンプレッサ３３が制御装置１００により駆動される。それにより、図４で矢印Ｆ１０により示されるように、吸入口３１から空気が吸入され、当該空気が空気供給路２１を介して燃料電池１０内の空気流路１２に送られ、空気排出路２２から排出されるように、空気の流れが生じる。ゆえに、燃料電池１０への空気の供給が実現される。

次に、水素ガスの流れについて説明する。燃料電池１０の発電時には、開閉弁５２が制御装置１００により開状態となる。それにより、図４で矢印Ｆ２１により示されるように、水素ガスが、水素タンク５１から水素ガス供給路４１を介して燃料電池１０内の水素ガス流路１４に送られるように、水素ガスの流れが生じる。ゆえに、燃料電池１０への水素ガスの供給が実現される。

ここで、燃料電池１０の発電時には、制御装置１００により、排出弁５３が基本的に閉状態となり、ポンプ５４が駆動される。それにより、図４で矢印Ｆ２２により示されるように、燃料電池１０内の水素ガス流路１４を通った水素ガスが水素ガス還流路４３を通って水素ガス流路１４に戻されるように、水素ガスの流れが生じる。ゆえに、燃料電池１０において空気と反応しきらずに残った水素ガスを燃料電池１０の発電に再利用することができる。

燃料電池１０の発電時に、燃料電池システム１における排出弁５３より上流側（具体的には、水素ガス排出路４２、燃料電池１０内の水素ガス流路１４、水素ガス供給路４１および水素ガス還流路４３）で残存する水を水素ガスとともに排出する際に、排出弁５３が制御装置１００により開放される。例えば、制御装置１００は、燃料電池１０の発電時に、予め設定された設定時間おきに排出弁５３を一時的に開放させる。また、例えば、制御装置１００は、燃料電池システム１における排出弁５３より上流側で残存する水の量が比較的多いと判定される場合に、排出弁５３を一時的に開放させる。当該判定は、例えば、燃料電池１０の電圧に基づいて行われ得る。燃料電池１０の電圧は、各燃料電池セルの発電電圧の合計値に相当し、例えば、電圧センサ９１の検出結果を用いて特定され得る。なお、制御装置１００は、気液分離器５９に貯留されている水の量が基準値を超えたことをもって、排出弁５３より上流側で残存する水の量が比較的多いと判定してもよい。

上記のように燃料電池１０の発電時に排出弁５３が開放された場合、図４で矢印Ｆ２３により示されるように、排出弁５３より上流側の水素ガスが排出弁５３を介して水排出路４４を通ってエジェクタ部６０に送られるように、水素ガスの流れが生じる。それにより、燃料電池システム１における排出弁５３より上流側で残存する水（例えば、気液分離器５９において水素ガスから分離された水）を排出することができる。この際、エジェクタ部６０において空気の流れにより水を吸引することができるので、排出される水の流速を増大させることができる。ゆえに、燃料電池システム１における排出弁５３より上流側で残存する水を十分に排出することができるので、例えば、燃料電池１０内に水が残存することに起因する燃料電池１０の電圧の低下や残存した水の凍結が生じることを抑制することができる。

ここで、燃料電池１０の発電時に排出弁５３を開放する際に、排出される水の流速を燃料電池システム１における排出弁５３より上流側で残存する水の量（以下、残存水量とも呼ぶ）に応じて適切に増大させる観点では、制御装置１００は、残存水量と相関するパラメータに基づいて、エジェクタ部６０の吸引部６２の吸引性能を制御することが好ましい。上記パラメータは、例えば、燃料電池１０の電圧または燃料電池１０の温度を含み得る。

例えば、燃料電池１０の発電時に排出弁５３を開放する際に、制御装置１００は、上記パラメータとしての燃料電池１０の電圧に基づいて、エジェクタ部６０の吸引部６２の吸引性能を制御する。ここで、残存水量が多いほど、燃料電池１０の電圧が低くなる。つまり、燃料電池１０の電圧が低いほど、残存水量が多くなる傾向があるので、排出される水の流速（ひいては、水の吸引力）を大きくする必要がある。ゆえに、制御装置１００は、例えば、燃料電池１０の電圧が低いほど、ノズル部６１のノズル孔６１ａの流路断面積が小さくなるように遮蔽装置８１の動作を制御することにより、エジェクタ部６０の吸引部６２の吸引性能を高くする。それにより、排出される水の流速（ひいては、水の吸引力）を残存水量に応じてより適切に増大させることができる。

また、例えば、燃料電池１０の発電時に排出弁５３を開放する際に、制御装置１００は、上記パラメータとしての燃料電池１０の温度に基づいて、エジェクタ部６０の吸引部６２の吸引性能を制御する。なお、燃料電池１０の温度としては、例えば、温度センサ９２により検出される冷媒の温度を利用することができる。ここで、燃料電池１０の温度が低いほど、燃料電池１０において生成された水が蒸発しにくくなるので、燃料電池１０内に残存している水の量が多くなりやすい。つまり、燃料電池１０の温度が低いほど、残存水量が多くなる傾向があるので、排出される水の流速（ひいては、水の吸引力）を大きくする必要がある。ゆえに、制御装置１００は、例えば、燃料電池１０の温度が低いほど、ノズル部６１のノズル孔６１ａの流路断面積が小さくなるように遮蔽装置８１の動作を制御することにより、エジェクタ部６０の吸引部６２の吸引性能を高くする。それにより、排出される水の流速（ひいては、水の吸引力）を残存水量に応じてより適切に増大させることができる。

なお、上記パラメータは、燃料電池１０の電圧や燃料電池１０の温度以外の他のパラメータであってもよく、例えば、燃料電池１０の内部インピーダンスであってもよい。例えば、制御装置１００は、燃料電池１０の内部インピーダンスに基づいて残存容量を推定し、推定される残存容量に応じて吸引部６２の吸引性能を制御してもよい。また、気液分離器５９に貯留されている水の量を検出するセンサが燃料電池システム１に設けられる場合、当該センサの検出値が上記パラメータとして用いられてもよい。つまり、上記パラメータとして、残存水量の測定値や推定値が用いられてもよい。

［起動時］
次に、図５を参照して、燃料電池１０の起動時の燃料電池システム１における空気および水素ガスの流れについて説明する。

燃料電池１０の起動は、燃料電池１０を発電可能な状態にするための処理であり、例えば、燃料電池１０の暖機や空気流路１２や水素ガス流路１４の水の排出や反応ガスの充填等を含む。つまり、燃料電池１０の起動が完了した後に、上述した燃料電池１０の発電が行われる。

ここで、燃料電池１０の起動には、アノード電極に水素ガスが必要であり、空気等の水素以外のガスがある場合には水素ガスによる掃気が行われる。当該掃気は、開閉弁５２を開き、排出弁５３を一時的に開いて水素ガスを流すことにより、当該水素ガス流路１４内に溜まっている水素以外のガスを排出する処理である。換言すると、当該掃気は、アノード電極にあるガスを水素ガスに置換する処理である。

図５は、燃料電池１０の起動時の燃料電池システム１における空気および水素ガスの流れを示す模式図である。

まず、空気の流れについて説明する。燃料電池１０の起動時には、燃料電池１０の発電時と同様に、コンプレッサ３３が制御装置１００により駆動される。それにより、図５で矢印Ｆ１０により示されるように、吸入口３１から空気が吸入され、当該空気が空気供給路２１を介して燃料電池１０内の空気流路１２に送られ、空気排出路２２から排出されるように、空気の流れが生じる。

次に、水素ガスの流れについて説明する。燃料電池１０の起動時には、開閉弁５２および排出弁５３がともに開状態となるように各弁が制御装置１００により制御される。それにより、図５で矢印Ｆ２４により示されるように、水素ガスが、水素タンク５１から水素ガス供給路４１を介して燃料電池１０内の水素ガス流路１４に送られ、排出弁５３を介して水排出路４４を通り、エジェクタ部６０に送られるように、水素ガスの流れが生じる。ゆえに、燃料電池１０（具体的には、燃料電池１０内の水素ガス流路１４）を水素ガスにより掃気することができる。この際、エジェクタ部６０において空気の流れにより水素ガスを吸引することができるので、排出される水素ガスの流速を増大させることができる。ゆえに、水素ガス流路１４内に溜まっている空気を素早く効率的に除去することができるので、例えば、水素ガス流路１４内に空気が残存することに起因する劣化影響の時間を減らしたり、起動時間を短縮し、より早く発電可能となる。

ここで、燃料電池１０の起動時に燃料電池１０を水素ガスにより掃気する際に、排出される水素ガスの流速を水素ガス流路１４内に溜まっている空気の量に応じて適切に増大させる観点では、制御装置１００は、燃料電池１０の電圧（具体的には、開回路電圧）に基づいて、エジェクタ部６０の吸引部６２の吸引性能を制御することが好ましい。

上述したように、燃料電池１０の起動時には、水素ガス流路１４内に空気が溜まっている場合がある。ここで、燃料電池１０の開回路電圧の上昇速度が遅いほど、水素ガス流路１４内に溜まっている空気の量が多くなる傾向があるので、排出される水素ガスの流速を大きくする必要がある。ゆえに、制御装置１００は、例えば、燃料電池１０の開回路電圧の上昇速度が遅いほど、ノズル部６１のノズル孔６１ａの流路断面積が小さくなるように遮蔽装置８１の動作を制御することにより、エジェクタ部６０の吸引部６２の吸引性能を高くする。それにより、排出される水素ガスの流速を水素ガス流路１４内に溜まっている空気の量に応じて適切に増大させることができる。

なお、上記では、遮蔽装置８１を用いることによってノズル部６１の流路断面積（具体的には、ノズル孔６１ａの流路断面積）が制御される例を説明したが、制御装置１００は、他の方法によってノズル部６１の流路断面積を制御してもよい。例えば、ノズル部６１自体が変形可能となっている場合、制御装置１００は、ノズル部６１を変形させることによって、ノズル部６１の流路断面積を制御してもよい。

また、上記では、ノズル部６１の流路断面積が制御されることによって吸引部６２の吸引性能が制御される例を説明したが、制御装置１００は、他の方法によって吸引部６２の吸引性能を制御してもよい。例えば、制御装置１００は、ノズル部６１より上流側での空気の圧力を制御することによって、吸引部６２の吸引性能を制御してもよい。なお、ノズル部６１より上流側での空気の圧力の制御は、例えば、コンプレッサ３３の動作を制御する、または背圧調整弁を制御することによって実現され得る。

<燃料電池システムの効果>
続いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の効果について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１では、水排出路４４は、空気排出路２２と合流しており、水排出路４４と空気排出路２２とが合流する合流部分には、空気の流れで水を吸引するエジェクタ部６０が設けられている。それにより、水排出路４４を通って排出される水を、エジェクタ部６０において空気の流れにより吸引することができる。ゆえに、燃料電池システム１において水を排出する際に、水の流速を増大させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、エジェクタ部６０は、空気排出路２２（具体的には、第１排出路２２ａ）を流通する空気を加速して噴射するノズル部６１と、ノズル部６１から噴射される空気の流れによって水が吸引される吸引部６２と、ノズル部６１から噴射された空気と、吸引部６２において吸引された水とが混合されて流通する混合部６３とを有することが好ましい。それにより、エジェクタ部６０において空気の流れにより水を吸引することを適切に実現することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、吸引部６２の吸引性能を制御する制御装置１００をさらに備えることが好ましい。それにより、吸引部６２の吸引性能を調整することによって、排出される水および水素ガス等の流体の流速をより適切に増大させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、ノズル部６１の流路断面積を制御することによって、吸引部６２の吸引性能を制御することが好ましい。それにより、吸引部６２の吸引性能を適切に制御することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、制御装置１００は、ノズル部６１より上流側での空気の圧力を制御することによって、吸引部６２の吸引性能を制御することが好ましい。それにより、吸引部６２の吸引性能を適切に制御することができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、水素ガス排出路４２と水排出路４４との間には、水を排出する排出弁５３が設けられており、燃料電池１０の発電時に排出弁５３を開放する際に、制御装置１００は、燃料電池システム１における排出弁５３より上流側で残存する水の量（つまり、残存水量）と相関するパラメータに基づいて、吸引部６２の吸引性能を制御することが好ましい。それにより、排出される水の流速を残存水量に応じて適切に増大させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、上記パラメータは、燃料電池１０の電圧を含むことが好ましい。それにより、排出される水の流速を残存水量に応じてより適切に増大させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、上記パラメータは、燃料電池１０の温度を含むことが好ましい。それにより、排出される水の流速を残存水量に応じてより適切に増大させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、上記パラメータは、燃料電池１０の内部インピーダンスを含むことが好ましい。それにより、排出される水の流速を残存水量に応じてより適切に増大させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池１０の起動時に燃料電池１０を水素ガスにより掃気する際に、制御装置１００は、燃料電池１０の電圧に基づいて、吸引部６２の吸引性能を制御することが好ましい。それにより、排出される水素ガスの流速を水素ガス流路１４内に溜まっている空気の量に応じて適切に増大させることができる。

また、本実施形態に係る燃料電池システム１では、吸引部６２には、外気が供給される外気流路７１が接続されていることが好ましい。それにより、吸引部６２において、外気流路７１から吸引部６２に送られる外気をノズル部６１から噴射される空気の流れによって吸引することができる。ゆえに、水の排出が行われる際に、排出されるガスにおける空気の割合を増大させることができるので、燃料電池システム１から排出されるガスにおける水素濃度を効果的に低減することができる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例または修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、上記では、図１を参照して、燃料電池システム１の構成について説明したが、本発明に係る燃料電池システムの構成は、このような例に限定されず、例えば、図１に示される燃料電池システム１に対して一部の構成要素を削除、追加または変更したものであってもよい。具体的には、本発明に係る燃料電池システムの構成は、図１に示される燃料電池システム１に対して気液分離器５９を省略したものであってもよい。また、本発明に係る燃料電池システムの構成は、図１に示される燃料電池システム１に対して水素ガス還流路４３を省略したものであってもよい。

また、例えば、上記では、温度センサ９２により検出される冷媒の温度が燃料電池１０の温度に相当する値として利用される例について説明したが、温度センサ９２以外の他のセンサ（例えば、燃料電池１０の一部の温度を検出するセンサや燃料電池１０の温度と相関する温度以外の物理量を検出するセンサ等）の検出結果が燃料電池１０の温度に相当する値として利用されてもよい。なお、その場合、燃料電池システム１の構成から温度センサ９２は省略され得る。

本発明は、燃料電池システムに利用できる。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１２ 空気流路
１４ 水素ガス流路
２１ 空気供給路
２２ 空気排出路
２２ａ 第１排出路
２２ｂ 第２排出路
３１ 吸入口
３２ エアフィルタ
３３ コンプレッサ
４１ 水素ガス供給路
４２ 水素ガス排出路
４３ 水素ガス還流路
４４ 水排出路
５１ 水素タンク
５２ 開閉弁
５３ 排出弁
５４ ポンプ
５９ 気液分離器
６０ エジェクタ部
６１ ノズル部
６１ａ ノズル孔
６１ｂ 貫通孔
６２ 吸引部
６３ 混合部
７１ 外気流路
８１ 遮蔽装置
８１ａ 遮蔽部材
９１ 電圧センサ
９２ 温度センサ
１００ 制御装置

Claims (10)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される水素ガスが流通する水素ガス排出路と接続され、当該水素ガスに含まれる水が流通する水排出路と、
   前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、
   を備え、
   前記水排出路は、前記空気排出路と合流しており、
   前記水排出路と前記空気排出路とが合流する合流部分には、空気の流れで水を吸引するエジェクタ部が設けられており、
   前記エジェクタ部は、
   前記空気排出路を流通する空気を加速して噴射するノズル部と、
   前記ノズル部から噴射される空気の流れによって水が吸引される吸引部と、
   前記ノズル部から噴射された空気と、前記吸引部において吸引された水とが混合されて流通する混合部と、
   を有し、
   前記燃料電池の起動時に前記燃料電池を水素ガスにより掃気する際に、前記燃料電池の電圧に基づいて、前記吸引部の吸引性能を制御する制御装置をさらに備える、
   燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される水素ガスが流通する水素ガス排出路と接続され、当該水素ガスに含まれる水が流通する水排出路と、
   前記燃料電池から排出される空気が流通する空気排出路と、
   を備え、
   前記水排出路は、前記空気排出路と合流しており、
   前記水排出路と前記空気排出路とが合流する合流部分には、空気の流れで水を吸引するエジェクタ部が設けられており、
   前記エジェクタ部は、
   前記空気排出路を流通する空気を加速して噴射するノズル部と、
   前記ノズル部から噴射される空気の流れによって水が吸引される吸引部と、
   前記ノズル部から噴射された空気と、前記吸引部において吸引された水とが混合されて流通する混合部と、
   を有し、
   前記水素ガス排出路と前記水排出路との間には、水を排出する排出弁が設けられており、
   前記燃料電池の発電時に前記排出弁を開放する際に、前記排出弁より上流側で残存する水の量が多いほど、前記吸引部の吸引性能が高くなるように、前記吸引部の吸引性能を制御する制御装置をさらに備える、
   燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記ノズル部の流路断面積を制御することによって、前記吸引部の吸引性能を制御する、
   請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記ノズル部より上流側での空気の圧力を制御することによって、前記吸引部の吸引性能を制御する、
   請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記水素ガス排出路と前記水排出路との間には、水を排出する排出弁が設けられており、
   前記燃料電池の発電時に前記排出弁を開放する際に、前記制御装置は、前記燃料電池システムにおける前記排出弁より上流側で残存する水の量と相関するパラメータに基づいて、前記吸引部の吸引性能を制御する、
   請求項１～４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記パラメータは、前記燃料電池の電圧を含む、
   請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記パラメータは、前記燃料電池の温度を含む、
   請求項５または６に記載の燃料電池システム。
8. 前記パラメータは、前記燃料電池の内部インピーダンスを含む、
   請求項５～７のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池の起動時に前記燃料電池を水素ガスにより掃気する際に、前記制御装置は、前記燃料電池の電圧に基づいて、前記吸引部の吸引性能を制御する、
   請求項２に記載の燃料電池システム。
10. 前記吸引部には、外気が供給される外気流路が接続されている、
    請求項１～９のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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