JP2007123119A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】フラッディングに起因する発電出力の低下を抑制するのに有利な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】システムは、燃料供給路２と、酸化剤供給路３と、燃料供給路２および酸化剤供給路３のうちの少なくとも一方に設けられたエゼクタ手段６と、発電反応後のオフ流体をエゼクタ手段６の吸引口６４に吸引させて帰還させる帰還路７と、エゼクタ手段６の上流の１次圧調整手段８１とをもつ。制御装置９は、エゼクタ手段６の１次圧Ｐ２を調整することにより、フラッディングが発生する頻度が相対的に高い高頻度運転領域において、オフ流体をエゼクタ手段６の吸引口６４から吸引して帰還させる帰還流量ＱＲを増加させる。
【選択図】図２

Description

本発明はエゼクタ手段を備える燃料電池システムに関する。

従来、特許文献１，２は、エゼクタを備える燃料電池システムを開示している。このものによれば、燃料電池と、燃料流体を燃料電池の燃料入口に供給する燃料供給路と、酸化剤流体を燃料電池の酸化剤入口に供給する酸化剤供給路と、燃料供給路に並列に設けられた複数のエゼクタと、燃料電池から排出された発電反応後の燃料オフガスを各エゼクタの吸引口に吸引させて帰還させる複数の帰還路とを備える燃料電池システムが開示されている。発電運転のときには、水素ストイキ比（燃料電池に供給される水素流量／燃料電池で発電反応により消費される水素流量）を１以上に確保することが多い。このため水素利用率の向上のために、燃料電池の燃料出口から排出されたオフガス（発電反応に使用されなかった水素を含む）を、エゼクタによる吸引作用を利用して燃料供給路に帰還させることにしている。特許文献１では、各エゼクタの絞り路の径はそれぞれ異なる値に設定されている。また、供給する水素流量に対する帰還水素流量は３段階に設定されている。そして、並列に接続された３つのエゼクタをそれぞれ段階毎に用いることにしている。これにより燃料電池の発電出力の全域において、エゼクタの吸引作用による水素帰還が得られる。

また特許文献２は、エゼクタの絞り路の径が可変された燃料電池システムを開示している。このものでは、エゼクタの絞り路の径を変化させることにより、燃料電池の発電出力の全域においてエゼクタの吸引作用による水素帰還が得られる。
特開２００４−１４６０９８号公報 特開２００４−９５５２８号公報

上記した燃料電池システムによれば、発電反応により燃料電池の内部に水が生成される。水は過剰になると、燃料電池の内部の流路を塞ぐことがある。これをフラッディングという。フラッディングが発生すると、反応流体が燃料電池の内部の流路に流れにくくなるため、燃料電池の目標とする発電出力が得られにくくなるおそれがある。フラッディングとは、活物質を含む流体が通過する燃料電池の流路を水で狭くする現象をいう。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、フラッディングに起因する発電出力の低下を抑制するのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明に係る燃料電池システムは、
（ａ）燃料入口および酸化剤入口をもつ燃料電池と、
（ｂ）燃料源からの燃料流体を燃料電池の燃料入口に供給する燃料供給路と、
（ｃ）酸化剤流体を燃料電池の酸化剤入口に供給する酸化剤供給路と、
（ｄ）燃料供給路および酸化剤供給路のうちの少なくとも一方に設けられ、当該一方を流れる流体を絞って吸引力を発生させる絞り路と、当該一方に連通する吸引口とを備えるエゼクタ手段と、
（ｅ）燃料電池に供給されて燃料電池から排出された発電反応後のオフ流体をエゼクタ手段の吸引口に吸引させて帰還させる帰還路と、
（ｆ）当該一方においてエゼクタ手段の上流に設けられエゼクタ手段の入口側の１次圧を調整可能な１次圧調整手段とを具備する燃料電池システムにおいて、
（ｇ）制御手段が設けられており、制御手段は、燃料電池においてフラッディングが発生する頻度が相対的に高い高頻度運転領域と、フラッディングが発生する頻度が相対的に低い低頻度運転領域とに対応しており、
１次圧調整手段を制御してエゼクタ手段の入口側の１次圧を調整することにより、高頻度運転領域において、オフ流体をエゼクタ手段の吸引口から吸引して当該一方に帰還させる帰還流量を低頻度運転領域よりも増加させることを特徴とする。

燃料電池の内部では発電反応により水が生成する。発電反応で生成した水は、フラッディングの要因となる。

本発明によれば、エゼクタ制御手段は、エゼクタ手段の上流の１次圧調整手段を制御することにより、エゼクタ手段の１次圧を調整する。これにより、燃料電池においてフラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域において、低頻度運転領域よりも、オフ流体をエゼクタ手段の吸引口から吸引する流量を増加させ、当該一方に帰還させる帰還流量を増加させる。

フラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域において、前記した帰還流量が増加すれば、燃料電池に供給される流体の流量が増加する。このため、燃料電池の内部の流路に存在している生成水等の水等といった発電反応を低下させる要因となり得る物質を、燃料電池の内部の流路から押し出す効果が増加する。これにより燃料電池の内部において反応流体の通過性が向上する。ひいては燃料電池の発電出力が確保される。

ここで、フラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域、フラッディングが発生する頻度が低い低頻度運転領域は、燃料電池の運転条件、種類、用途等に応じて適宜変更される。車両搭載用または定置用等であるときには、燃料電池の定格運転の発電出力の最高値（定格出力）を１００％とするとき、低頻度運転領域は、発電出力が３０％以下あるいは２０％以下である形態が例示される。あるいは２０％以下でも良い。高頻度運転領域は、発電出力が４０％以上、５０％以上、６０％以上である形態が例示される。あるいは７０％以上でも良い。但し、これに限られるものではない。

一般的には、フラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域は、燃料電池の発電出力が高い高出力運転領域に相当する。また、フラッディングが発生する頻度が低い低頻度運転領域は、燃料電池の発電出力が高出力運転領域よりも低い低出力運転領域に相当する。低出力運転領域は、燃料電池の定格運転の発電出力の最高値（定格出力）を１００％とするとき、発電出力が３０％以下あるいは２０％以下である形態が例示される。また、高出力運転領域は、燃料電池の定格運転の最高値（定格出力）を１００％とするとき、発電出力が４０％以上、５０％以上、６０％以上である形態が例示される。但し、これに限られるものではない。

本発明によれば、エゼクタ制御手段は、エゼクタ手段の上流の１次圧調整手段を制御することにより１次圧を調整する。これにより、燃料電池においてフラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域において、フラッディングが発生する頻度が低い低頻度運転領域よりも、当該一方に帰還させる帰還流量を増加させる。このため高頻度運転領域において、燃料電池の内部においてフラッディングを発生させている水を移動させて除去することができる。故に、燃料電池の発電出力を高めることができる。

燃料電池システムは、燃料電池と、燃料供給路と、酸化剤供給路と、エゼクタ手段と、エゼクタ手段の入口側の１次圧を調整する１次圧調整手段とを備えている。燃料電池は、燃料入口および酸化剤入口をもつ。燃料供給路は、燃料源からの燃料流体を燃料電池の燃料入口に供給する。酸化剤供給路は、酸化剤流体を燃料電池の酸化剤入口に供給する。燃料流体としては燃料ガスが例示される。燃料ガスとしては一般的には水素ガス、水素含有ガスが例示される。従って燃料源としては、水素タンク等の燃料タンクが例示される。酸化剤流体としては酸素含有ガスが例示される。

エゼクタ手段は、燃料供給路および酸化剤供給路のうちの少なくとも一方に設けられている。エゼクタ手段とは、流体を絞ることにより流速を高めて吸引力を発生させ、帰還路から流体を吸引させるものを意味する。エゼクタ手段が燃料供給路に設けられているときには、燃料電池から排出された燃料オフ流体を燃料供給路に帰還させる。エゼクタ手段が酸化剤供給路に設けられているときには、燃料電池から排出された酸化剤オフ流体を酸化剤供給路に帰還させる。ここで、エゼクタ手段は燃料供給路に設けられていることが好ましい。この場合、発電反応を経た後の燃料オフ流体に含有されている燃料成分を再利用するのに有利である。ここで、オフ流体は燃料電池から排出された流体を意味する。

エゼクタ手段は、当該一方を流れる流体を絞って吸引力を発生させる絞り路と、絞り路に連通する吸引口とを備えている。そして、燃料電池から排出された発電反応後のオフ流体を、エゼクタ手段は、吸引口から吸引力により吸引し、当該一方に帰還させる。１次圧調整手段は、当該一方においてエゼクタ手段の上流に設けられており、エゼクタ手段の入口側の１次圧を調整できるものであれば良い。１次圧調整手段としては、エゼクタ手段の上流に設けられた制御弁が例示される。

本発明によれば、制御手段が設けられている。制御手段は、エゼクタ手段の上流の１次圧調整手段を制御することによりエゼクタ手段の入口側の１次圧を調整する。これにより、燃料電池１においてフラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域において、フラッディングが発生する頻度が低い低頻度運転領域よりも、オフ流体をエゼクタ手段の吸引口から吸引して当該一方に帰還させる帰還流量を増加させる。

この場合、制御手段は、フラッディングが発生する頻度が低い低出力運転領域においては、燃料電池から排出されたオフ流体をエゼクタ手段の吸引口に帰還させない形態が例示される。ここで、フラッディングが発生する頻度が低い低出力運転領域は、燃料電池の定格運転の発電出力の最高値（定格出力）を１００％とするとき、発電出力が３０％以下である形態が例示される。従って、フラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域は、燃料電池の発電出力が高い高出力運転領域（高負荷運転領域）、または、燃料電池の発電出力が中程度である中出力運転領域である。フラッディングが発生する頻度が低い低頻度運転領域は、燃料電池の発電出力が低い低出力運転領域（低負荷運転領域）である。

本発明によれば、エゼクタの吸引口の圧力（図２におけるＰ４）としては発電出力が変動したとしても、基本的にはほぼ一定領域となる形態が例示される。ここで、燃料電池の定格運転の発電出力の最高値（定格出力）を１００％とするとき、発電出力が０〜１００％の運転領域にわたり、エゼクタ手段の吸引口の圧力としては、基準圧（ａ，絶対圧）に対してプラスマイナス２５％以内に維持される形態が例示される。なお、プラスマイナス２０％以内、１０％以内としても良い。但しこれに限られるものではなく、エゼクタの吸引口の圧力は発電出力に応じて多少変動する形態でも良い。例えば、後述する図４において、発電出力が高くなるにつれて圧力Ｐ４が多少増加する傾向でも良いし、あるいは、発電出力が高くなるにつれて圧力Ｐ４が多少減少する傾向でも良い。

制御手段としては、マップおよび／または演算式を記憶する記憶手段を有する形態が例示される。この場合、マップおよび／または演算式は、燃料電池の発電出力に関する情報と、エゼクタ手段の入口側の１次圧に関する情報との関係を規定する。ここで、発電出力に関する情報としては、燃料電池の発電出力、燃料電池で作動される負荷の大きさ等が例示される。エゼクタ手段の入口側の１次圧に関する情報としては、エゼクタ手段の入口側に設けられる制御弁の開度が例示される。制御手段は、記憶手段のマップおよび／または演算式に基づいて、燃料電池の発電出力に応じて制御弁の開度を制御することができる。

エゼクタ手段の絞り路としては、絞り路の開口面積が固定値である形態が例示される。エゼクタ手段は当該一方において１個設けられている形態が例示される。制御弁は、エゼクタ手段の１次圧を制御するために、当該一方においてエゼクタ手段の上流に設けられている。制御弁としては、流体の圧力を減圧する減圧弁でも良いし、流体の流量を調整する制御弁でも良い。

本発明によれば、燃料電池の発電運転を停止するときには、制御手段は、燃料電池から排出されたオフ流体が当該一方に帰還する流量を抑止するように、エゼクタ手段の１次圧を調整しつつ、当該一方に流体を供給させる形態が例示される。即ち、燃料電池の発電運転を停止するときには、制御手段は、燃料電池から排出されたオフ流体が当該一方に帰還する帰還流量が０（実質的に０を含む）になるようにエゼクタ手段の１次圧を調整しつつ、当該一方に流体を供給させる形態が例示される。この場合、燃料電池の発電運転を停止するとき、帰還流量（水または水蒸気を含むことがある）を０（実質的に０を含む）に維持しつつ、当該一方に流体を供給させる。このため、エゼクタ手段を含む供給路に水が滞留することが抑制される。これにより寒冷地等において、運転停止後における水の凍結が抑制される。

以下、本発明の一実施例について図１〜図７を参照して説明する。図１は燃料電池システムを示す。燃料電池システムは車両搭載用または定置用に使用できる。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料極および酸化剤極をもつ複数のセルを積層した固体高分子形の燃料電池１（スタック）と、燃料源２０（燃料タンク）から吐出された燃料流体である燃料ガス（一般的には水素ガス、水素含有ガス）を燃料電池１の燃料入口１０に供給する燃料供給路２と、酸化剤ガス（一般的には空気等の酸素含有ガス）を燃料電池１の酸化剤入口１３に供給する酸化剤供給路３とをもつ。

更に、燃料電池１の燃料出口１１から排出される燃料オフガスを排出する燃料排出路４が設けられている。燃料排出路４には、燃料排出路４を開閉するパージ弁４２が設けられている。燃料排出路４は気液分離部４０が設けられている。燃料オフガスに含まれている水分は気液分離部４０により除去される。燃料電池１の酸化剤出口１４から排出される酸化剤オフガス（一般的には空気オフガス）を排出する酸化剤排出路５が設けられている。

更に、燃料電池システムは、燃料供給路２に設けられたエゼクタ６（エゼクタ手段）と、燃料電池１の燃料出口１１から排出された燃料オフガスを燃料供給路２に帰還させる帰還路７と、燃料供給路２においてエゼクタ６の上流であり燃料源２０の下流に設けられた制御弁要素８とを備えている。エゼクタ６は燃料供給路２に１個設けられており、制御弁要素８に対して直列とされている。制御弁要素８は、１次圧調整手段として機能する第１制御弁８１と、第１制御弁８１よりも上流に直列に設けられた第２制御弁８２とをもつ。第１制御弁８１は減圧機能をもつ弁とされている。制御弁要素８を制御する制御装置９（制御手段）が設けられている。制御装置９は、入力処理回路９０とＣＰＵ９１とメモリ９２と出力処理回路９３とを有する。燃料電池１の運転温度に関する信号Ｔ１、燃料電池１の発電出力に関する信号Ｗ１、第１制御弁８１の開度に関する信号θ１、第２制御弁８２の開度に関する信号θ２等の信号が、入力処理回路９０を介して制御装置９に入力される。

図２に示すように、エゼクタ６は、燃料源２０側の第１制御弁８１に繋がる入口６０と、燃料電池１の燃料入口１０に連通する出口６２と、入口６０および出口６２の間に形成された絞り能力をもつノズルとしての絞り路６３と、絞り路６３および出口６２の間に形成された吸引口６４とを備えている。エゼクタ６の絞り路６３は、絞り径が固定値とされた固定絞りとされている。エゼクタ６は固定絞り方式であるため、構造の簡素化およびコスト低廉に有利である。絞り路６３は、燃料供給路２を流れる燃料ガスの流量を絞って流速を高め、吸引力を発生させる。吸引口６４は帰還路７の先端部７０に連通する。

燃料源２０（燃料タンク）から吐出された燃料ガスは、第２制御弁８２（高圧減圧弁）で減圧され、更に、第１制御弁８１（低圧減圧弁）で減圧され、その後、エゼクタ６の入口６０に流入し、絞り路６３、出口６２を経て、燃料電池１の燃料入口１０に供給される。

燃料ガスはエゼクタ６の絞り路６３で絞られる。燃料ガスの流速はエゼクタ６の絞り路６３で増加するため、ベルヌーイの定理により燃料ガスの静圧が低下する。ここで、その静圧がエゼクタ６の吸引口６４の静圧よりも高いと、帰還路７のオフガスはエゼクタ６の吸引口６４に吸い込まれない。しかしながらその静圧がエゼクタ６の吸引口６４の静圧より低下すると、帰還路７のオフガスがエゼクタ６の吸引口６４からエゼクタ６内に吸い込まれる。この結果、エゼクタ６の入口６０を経て絞り路６３を流れる燃料ガスと、帰還路７のオフガスとが合流する。合流した燃料ガスがエゼクタ６の出口６２を経て燃料電池１の燃料入口１０に供給される。このようにして燃料電池１の燃料出口１１から排出されたオフガスが帰還路７およびエゼクタ６を介して帰還する。ここで、必要に応じて、パージ弁４２を開放することにより、オフガスを排出路４の排出部４４から排出できる。

図２に示すように、第１制御弁８１の弁口８１ａに供給される燃料ガスの１次圧をＰ１とする。エゼクタ６の入口６０に供給される燃料ガスの１次圧をＰ２とする。燃料電池１の燃料入口１０に供給される燃料ガスの１次圧をＰ３とする。エゼクタ６の吸引口６４の圧力をＰ４とする。

図３は、燃料電池１の燃料極について、燃料電池１の運転温度毎において、フラッディングが発生する頻度の高低を示すマップの一例を示す。ここで、×印は、低頻度運転領域よりも、フラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域を意味する。○印は、フラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域よりも相対的に低い低頻度運転領域を意味する。○印で示される低頻度運転領域においては、燃料オフガスを帰還させないように設定している。これに対して、×印で示される高頻度運転領域においては、燃料オフガスを帰還させるように設定している。図３において、燃料電池１の運転温度は、燃料電池の出口部の冷却水の温度を意味する。発電出力１００％は発電出力の最高値（定格出力）を意味する。

図３に示すように、発電出力が増加するにつれて、フラッディングが発生する頻度が高くなり高頻度運転領域となる。これに対して発電出力が減少するにつれて、フラッディングが発生する頻度が低くなる低頻度運転領域となる。制御装置９のメモリ９２には、図３に示すマップに対応するデータが格納されている。ここで、マップは、燃料電池１の発電出力と燃料電池１の運転温度とをパラメータとするとき、エゼクタ６の１次圧Ｐ２（第１制御弁８１の開度）等を規定している。

燃料電池１の運転温度に関する信号Ｔ１、燃料電池１の発電出力に関する信号Ｔ２、第１制御弁８１の開度に関する信号θ１、第２制御弁８２の開度に関する信号θ２等が制御装置９に入力される。燃料電池１の運転温度および発電出力に応じて、制御装置９は、メモリ９２に格納されているマップを検索し、エゼクタ６の１次圧Ｐ２（第１制御弁８１の開度）に関する情報を求める。それに応じて制御装置９は第１制御弁８１に指令する。このようにして制御装置９は、燃料電池１の発電出力および燃料電池１の運転温度に応じて、第１制御弁８１の開度を制御し、エゼクタ６の１次圧Ｐ２を制御する。これによりフラッディングを抑制するように帰還流量を決定する。

本実施例によれば、フラッディングが発生する頻度が相対的に高い高頻度運転領域とし、フラッディングが発生する頻度が相対的に低い低頻度運転領域とするとき、制御装置９は、エゼクタ６の１次圧Ｐ２を調整することにより、低頻度運転領域においては、オフ流体をエゼクタ６の吸引口６４から吸引しない。即ち、低頻度運転領域においては、燃料供給路２に帰還させる帰還流量ＱＲを０とする。

これに対して、高頻度運転領域においては、低頻度運転領域よりも、燃料オフ流体をエゼクタ６の吸引口６４から吸引して燃料供給路２に帰還させる帰還流量ＱＲを増加させる制御を実行する。フラッディングが発生する頻度が相対的に中程度の中頻度運転領域では、発電出力に応じて帰還流量ＱＲを高頻度運転領域よりも小さくしても良い。あるいは、０としても良い。ここで、燃料オフガスは、燃料電池１の燃料出口１１から排出されるオフガスを意味する。

帰還流量ＱＲについての一例を説明する。ここで、エゼクタ６の絞り路６３を流れるガスの速度は、基本的には、エゼクタ６の入口６０を流れるガス流量と、エゼクタ６の１次圧Ｐ２と、エゼクタ６の２次圧Ｐ３とで決定される。本実施例によれば、図４に示すように、燃料電池１の発電出力に関係なく、燃料電池１の燃料出口１１側の圧力に相当するエゼクタ６の吸引口６４の圧力Ｐ４の変動が抑制され、圧力Ｐ４は基本的にはほぼ一定領域内に納まるような形態とされている（Ｐ４≒ａ）。圧力Ｐ４が基本的にはほぼ一定領域内となるような制御形態とすれば、燃料電池の発電量が増加するにつれて帰還流量が増量させにくくなるという問題を回避し易い。

この場合、燃料源２０から燃料供給路２および制御弁要素８を経てエゼクタ６の入口６０に供給される燃料ガスの流量ＱＡは、基本的には、燃料電池１の発電出力に基づいて決定される。従って、燃料源２０から制御弁要素８を経てエゼクタ６に供給される燃料ガスの流量ＱＡに基づいて、エゼクタ６の入口６０に流入するガスの１次圧Ｐ２が決定される。

図５は、燃料電池１の発電出力とエゼクタ６の入口６０側の１次圧Ｐ２との関係を模式的に示す。本実施例によれば、エゼクタ６の１次圧Ｐ２は、図５の特性線Ｓ２に示す傾向に設定されている。横軸の１００％（max）は定格出力を意味する。図５の特性線Ｓ２に示すように、判定基準点Ｘ１が設けられている。判定基準点Ｘ１は、燃料ガスの成分、圧力、エゼクタ６の構造等に基づいて調整される。判定基準点Ｘ１の最大値は、フラッディングが起きない発電出力として決められている。本実施例では、判定基準点Ｘ１の変動範囲が定格出力（１００％）に対して１５〜２０％になるように設定されている。判定基準点Ｘ１の最大値は、定格出力（１００％）に対して２０％に設定されている。判定基準点Ｘ１未満が低出力運転領域ＭＡ、判定基準点Ｘ１以上が高出力運転領域ＭＢとされている。

図５に示すように、判定基準点Ｘ１においては、エゼクタ６の１次圧Ｐ２は、（１．５〜１．８）×ａで示される圧力に増加されている。判定基準点Ｘ１よりも高出力側の高出力運転領域ＸＢになると、エゼクタ６の１次圧Ｐ２は次第に増加する。そして、燃料電池１の定格出力（max,１００％）のときには、エゼクタ６の１次圧Ｐ２は、（８〜１０）×ａで示される圧力に増加されており、かなり高圧化する。上記したように燃料電池１の発電出力に応じて、制御装置９は第１制御弁８１の開度を制御することにより、エゼクタ６の１次圧Ｐ２を特性線Ｓ２（図５参照）に示すように制御する。

図６は、燃料電池１の発電出力とエゼクタ６の出口６２側の２次圧Ｐ３との関係を示す。エゼクタ６の入口６０の１次圧Ｐ２が上記した特性線Ｓ３に示すように制御されると、エゼクタ６の出口６２側の２次圧Ｐ３は、図６の特性線Ｓ３に示すようになる。即ち、図６の特性線Ｓ３に示すように、エゼクタ６の１次圧Ｐ３は、発電出力が０％から判定基準点Ｘ１までの低出力運転領域ＭＡでは、ａで示される圧力とされる。この低出力運転領域ＭＡ領域では帰還流量ＱＲは０とされている。

これに対して、高出力運転領域ＭＢ（フラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域に相当する）に移行すると、図６の特性線Ｓ３として示すように、エゼクタ６の２次圧Ｐ３は次第に増加する。そして、燃料電池１の定格出力（１００％）のときには、エゼクタ６の２次圧Ｐ３は、ａ＋ｂで示される圧力に増加されている。

計算によれば、燃料ガスが水素を主成分とすると共に窒素および水蒸気を含む混合ガスである場合には、上記した圧力ａは１２０〜３００ｋＰａ（ａｂｓ）程度とすることができる。圧力ｂは１０〜６０ｋＰａ程度とすることができる。ａｂｓは絶対圧を意味する。第１制御弁８１の１次圧Ｐ１は例えば０．６〜４ＭＰａ（ａｂｓ）とすることができる。このように第１制御弁８１の開度を調整すれば、上記したようにエゼクタ６の１次圧Ｐ２を調整することができ、ひいては高出力運転領域ＭＢにおいて帰還ガス量ＱＲを調整することができる。

更に説明を加える。帰還路７を経てエゼクタ６の吸引口６４から吸引する燃料オフガスの流量、つまり、帰還流量ＱＲは、基本的には、燃料電池１の燃料入口１０の圧力Ｐ３（エゼクタ６の吐出圧に相当）と、エゼクタ６の吸引口６４の圧力Ｐ４との比率（＝Ｐ４／Ｐ３）に基づいて決定される。この比率（＝Ｐ４／Ｐ３）が高いと、エゼクタ６の吸引口６４から吸引するガスの流量、つまり、燃料オフガスの帰還流量ＱＲが増加する。これに対して、この比率（＝Ｐ４／Ｐ３）が低いと、エゼクタ６の吸引口６４から吸引するガスの流量、つまり、燃料オフガスの帰還流量ＱＲが減少する。図６において、低出力から判定基準点Ｘ１までの低出力運転領域ＭＡにおいては、帰還流量ＱＲは０とされる。これに対して高出力運転領域ＭＢにおいては、帰還流量ＱＲは次第に増加する。

ここで、エゼクタ６の吸引口６４側の圧力Ｐ４が実質的に一定圧ａ（図４参照）とすると、燃料電池１の燃料入口１０の圧力Ｐ３は、図６の特性線Ｓ３に示すように、低出力運転領域ＭＡでは基本的には圧力ａである。そして圧力Ｐ３は、発電出力が相対的に高い高出力運転領域ＭＢでは、エゼクタ６の吸引口６４から吸引されて帰還する帰還ガス量ＱＲを考慮すると、増加する。定格出力（max，１００％）では、圧力Ｐ３はａ＋ｂの圧力となる。ここで、帰還路７を経てエゼクタ６に帰還する帰還ガス量ＱＲは、ガスの組成に影響される。ガス成分の比重の影響を受けるためである。

制御弁要素８を経て燃料供給路２に供給される供給流量をＱＡとすると、計算によれば、帰還するガスが、モル％で、水素：窒素：水蒸気＝６７：１７：１６の組成をもつ混合ガスである場合には、発電出力が１５〜２０％のとき、供給流量ＱＡに対して帰還ガス量ＱＲはモル％で２０％以上を期待することができる。即ち、供給流量ＱＡを１００％とすると、帰還ガス量ＱＲと供給流量ＱＡとが合流した流量としては、１２０％以上を期待できる。

これに対して帰還ガスが純水素ガスである場合には、計算によれば、発電出力が１５〜２０％のとき、帰還ガス量ＱＲは供給流量ＱＡに対して４０％以上を期待することができる。このように高出力運転領域ＭＢ（フラッディングが発生する頻度が高い高頻度運転領域に相当する）において、帰還流量ＱＲが増加すれば、燃料電池１に供給されるガスの流量が増加する。このため、燃料電池１の内部の流路に存在している生成水等の水等といった発電反応を低下させる要因となり得る物質を、流路から押し出す効果が増加する。これにより燃料電池１の流路の通気性が確保され、フラッディングが抑制され、燃料電池１の発電出力が維持される。なお、過剰な水蒸気、さらには、不純物ガス等といった発電反応を低下させる要因となり得る物質を、流路から押し出す効果も増加する。

図７は、燃料電池１の発電出力と帰還流量ＱＲとの関係を模式的に示す。図７の特性線Ｓ０は、発電出力に応じた帰還流量ＱＲの目標最低値を示す。特性線Ｓ０に示すように、フラッディングを抑制するためには、燃料電池１の発電出力が増加するにつれて、帰還流量ＱＲの目標最低値を次第に増加させる。図７の特性線ＳＡは、上記した混合ガスを用いたときにおける帰還流量ＱＲを示す。図７の特性線ＳＢは、純水素ガスを用いたときにおける帰還流量ＱＲを示す。特性線ＳＡ，ＳＢに示すように、燃料電池１の発電出力が判定基準点Ｘ１以下の低出力運転領域ＭＡでは、実際の帰還流量ＱＡは０とされる。これに対して判定基準点Ｘ１を超える高出力運転領域ＭＢにおいては、特性線ＳＡ，ＳＢに示すように、帰還流量ＱＲの目標最低値（特性線Ｓ０）よりも多く設定する。この点を考慮して、第１制御弁８１の開度を調整してエゼクタ６の１次圧Ｐ２を調整する。

ところで、燃料電池１の燃料出口から排出された燃料オフガスは、水分または水蒸気を含むことが多い。このため、燃料電池の運転終了時に、燃料オフガスを帰還路７０を介してエゼクタ６に帰還させると、寒冷地等では、運転停止後の凍結の要因となるおそれがある。この点について本実施例によれば、前述したように図３に示すフラッディングマップにおいて、○印で示される低頻度運転領域においては、フラッディングが発生しないか低頻度であるため、帰還流量ＱＲが０になるように１次圧Ｐ２を設定している。このように制御装置９は帰還流量ＱＲを０にする領域を設定している。

このため本実施例によれば、燃料電池１の発電運転を停止する終了処理のときには、燃料電池１の燃料出口から排出された燃料オフガスが燃料供給路２に帰還する帰還流量ＱＲが０になるように、エゼクタ６の１次圧Ｐ２を調整しつつ、燃料供給路２に燃料ガスを供給する。このようにすれば、終了処理時において、水分または水蒸気を含む燃料オフガスがエゼクタ６を介して燃料供給路２に吸引されない。従って、エゼクタ６を含む燃料供給路２における滞留水を除去または低減するのに有利となる。これにより寒冷地等において、運転停止後における水の凍結が抑制される。よって、燃料供給路２の凍結閉鎖が抑制される。終了処理では、パージ弁４２を開放させることが好ましい。

図８および図９は一般的なエゼクタの資料を示す。図８は、エゼクタ６の入口６０に供給される主流流量とエゼクタ６の入口６０側の１次圧Ｐ２との関係を示す。図８に示すように、主流流量が増加すると、エゼクタ６の１次圧Ｐ２は増加する。主流流量が増加すると、エゼクタ６の絞り路６３を流れるガスの流速が音速領域となる。主流流量が減少すると、エゼクタ６の絞り路６３を流れるガスの流速が亜音速領域となる。図９は、エゼクタ６の入口６０に供給される主流流量と帰還流量ＱＲとの関係を示す。図９から理解できるように、主流流量が増加すると、エゼクタ６による帰還流量ＱＲは増加する。主流流量が増加すると、エゼクタ６の絞り路６３を流れるガスの流速が音速領域となる。主流流量が減少すると、エゼクタ６の絞り路６３を流れるガスの流速が亜音速領域となる。本実施例によれば、音速領域で用いても良く、あるいは、亜音速領域で用いても良い。

（他の実施例）
上記した各実施例によれば、制御装置９のメモリ９２には、図３に示すマップのデータが格納されている。制御装置９では、図３のマップにおいて×印で示される高頻度運転領域においては帰還流量ＱＲが所定の値として設定されている。また、○印で示される低頻度運転領域においては帰還流量ＱＲが０として設定されている。

しかしながらマップ方式に限らず、演算方式を採用しても良い。即ち、燃料電池１の運転温度に関する信号Ｔ１と、燃料電池１の発電出力に関する信号Ｗ１等とに基づいて、現在の発電運転が高頻度運転領域である否かを求める。そして、現在の発電運転が高頻度運転領域であるときにおいては、制御装置９は、所定の演算式αに基づいて、第１制御弁８１の開度Ｖを所定の値に設定する。現在の発電運転が低頻度運転領域であるときにおいては、制御装置９は、所定の演算式αに基づいて、帰還流量ＱＲが０になるように第１制御弁８１の開度Ｖを設定する。演算式αとしては、前記したＴ１，Ｗ１をパラメータとして、第１制御弁８１の開度Ｖを求める関数式が挙げられる。開度Ｖ＝ｆ（Ｔ１，Ｗ１）が例示される。

上記した実施例によれば、圧力Ｐ４は基本的にはほぼ一定領域内に納まるような形態とされているが、これに限らず、圧力Ｐ４が多少変動する形態でも良い。

その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。

本発明は車載用、定置用等の燃料電池システムに利用することができる。

燃料電池システムを示す構成図である。 燃料電池システムの要部を示す構成図である。 燃料電池の運転温度と発電出力とフラッディング頻度と関係を示すマップである。 燃料電池の発電出力とＰ４との関係を模式的に示すグラフである。 燃料電池の発電出力とＰ２との関係を模式的に示すグラフである。 燃料電池の発電出力とＰ３との関係を模式的に示すグラフである。 燃料電池の発電出力と帰還流量ＱＲとの関係を模式的に示すグラフである。 一般的なエゼクタについて、エゼクタの入口に供給される主流流量とエゼクタの１次圧Ｐ２との関係を示すグラフである。 一般的なエゼクタについて、エゼクタの入口に供給される主流流量と帰還流量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０は燃料入口、１３は酸化剤入口、１は燃料電池、２０は燃料源、２は燃料供給路、３は酸化剤供給路、６はエゼクタ（エゼクタ手段）、６３は絞り路、６４は吸引口、７は帰還路、８は制御弁要素、８１は第１制御弁（１次圧調整手段）を示す。

Claims (6)

1. （ａ）燃料入口および酸化剤入口をもつ燃料電池と、
   （ｂ）燃料源からの燃料流体を前記燃料電池の前記燃料入口に供給する燃料供給路と、
   （ｃ）酸化剤流体を前記燃料電池の前記酸化剤入口に供給する酸化剤供給路と、
   （ｄ）前記燃料供給路および前記酸化剤供給路のうちの少なくとも一方に設けられ、当該一方を流れる流体を絞って吸引力を発生させる絞り路と、当該一方に連通する吸引口とを備えるエゼクタ手段と、
   （ｅ）前記燃料電池に供給されて前記燃料電池から排出された発電反応後のオフ流体を前記エゼクタ手段の前記吸引力により前記吸引口に吸引させて当該一方に帰還させる帰還路と、
   （ｆ）当該一方において前記エゼクタ手段の上流に設けられ前記エゼクタ手段の入口側の１次圧を調整可能な１次圧調整手段とを具備する燃料電池システムにおいて、
   （ｇ）前記制御手段が設けられており、前記制御手段は、
   前記燃料電池においてフラッディングが発生する頻度が相対的に高い高頻度運転領域と、フラッディングが発生する頻度が前記高頻度運転領域よりも相対的に低い低頻度運転領域とに対応しており、
   前記１次圧調整手段を制御して前記エゼクタ手段の入口側の１次圧を調整することにより、前記高頻度運転領域において、前記オフ流体を前記エゼクタ手段の前記吸引口から吸引して当該一方に帰還させる帰還流量を前記低頻度運転領域よりも増加させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記制御手段は、フラッディングが発生する頻度が相対的に低い前記低頻度運転領域においては、前記燃料電池から排出された前記オフ流体を前記エゼクタ手段の前記吸引口に帰還させないことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１また２において、フラッディングが発生する頻度が相対的に低い前記低頻度運転領域は、前記燃料電池の定格運転の発電出力の最高値を１００％とするとき、発電出力が３０％以下であることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のうちのいずれか一項において、前記制御手段はマップおよび／または演算式を記憶する記憶手段を有しており、
   前記マップおよび／または演算式は、前記燃料電池の発電出力に関する情報と前記エゼクタ手段の入口側の１次圧に関する情報との関係を規定しており、
   前記制御手段は、前記記憶手段のマップおよび／または演算式に基づいて前記燃料電池の前記発電出力に応じて前記エゼクタ手段の入口側の１次圧を制御し、前記帰還流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のうちのいずれか一項において、前記エゼクタ手段の前記絞り路は、前記絞り路の開口面積が固定値であることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のうちのいずれか一項において、前記燃料電池の発電運転を停止するときには、前記制御手段は、前記燃料電池から排出されたオフ流体が当該一方に帰還する帰還流量が０になるように前記エゼクタ手段の１次圧を調整しつつ、当該一方に流体を供給させることを特徴とする燃料電池システム。

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