JP2007200814A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エゼクターにより燃料ガスを循環させる燃料電池システムにおいて、燃料ガスの還流量を上げる。
【解決手段】燃料ガスタンク１１から燃料電池スタック１００へ燃料ガスを供給する供給路２０１Ａに、燃料ガスタンク１１の元弁Ｖ０、調圧弁Ｖ１、エゼクター８０を順に設け、燃料電池スタック１００のから排出される燃料ガスをエゼクター８０の吸込口８２に接続して、循環路を構成する。そして、エゼクター８０を、元弁Ｖ０、調圧弁Ｖ１と一体に構成することにより、前記弁における高圧ガスの断熱膨張による温度低下で、エゼクター８０を冷やし、エゼクター８０による還流量を向上させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、詳しくは燃料電池から排出される燃料ガスに含まれる水分の影響を受けることなく燃料ガスを循環させることができる燃料電池システムに関する。

従来、高分子電解質膜を使用した燃料電池では、電解質膜を挟んで両側に燃料室及び酸素室が存在し、燃料室における燃料ガスは燃料極を介しイオン化し、電解質膜中を通過して、酸素極において酸素と結合して水を生成する。電力は、燃料極と酸素極における反応エネルギーより得られる。このように水素を燃料とする燃料電池においては、燃料極における不純物排出等の目的で燃料ガス循環路が設けられており、燃料電池から排出された未反応の燃料ガスがこの燃料ガス循環路を介して再び燃料電池に供給されるようになっている。

一般的に、燃料ガスは燃料ガス循環路に設けたポンプにより循環させられるが、高温電解質膜を用いた燃料電池では、排出される燃料ガスの温度が高く、熱の影響を受けやすい電気回路等を有するポンプの使用は忌避される。そこで、他の手段として、燃料ガス供給流路にエゼクターを設け、このエゼクターにより燃料電池から排出される燃料ガスを吸引して再び燃料電池に供給することが行われている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１９２２１号公報

しかしながら、エゼクターにより燃料ガスを循環させる燃料電池システムにおいては、還流させるガス量を十分に得られないといった問題があった。さらに、燃料ガスの還流量を制御することが困難であるという問題もあった。

本発明は、エゼクターにより燃料ガスを循環させる燃料電池システムにおいて、燃料ガスの十分な還流量を得ることができ、また還流量を制御することのできるシステムを提供することを目的とする。

以上のような問題を解決する本発明は、以下のような構成を有する。
（１）燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスが貯蔵され前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクから燃料ガスが駆動ガスとして供給されることで、前記燃料電池から排出される排ガスを吸い込み、燃料ガスと共に前記燃料電池に供給するエゼクターと、
前記エゼクターに供給される燃料ガスと該エゼクターが吸い込む排ガスとの温度差を制御することで前記エゼクターの排ガス吸込量を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。

（２）前記制御手段は、前記燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給ファンと、前記酸化ガス供給ファンによる酸化ガスの供給量を制御する酸化ガス供給量制御装置と、を含むことを特徴とする上記（１）に記載の燃料電池システム。

（３）燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
前記燃料ガスが貯蔵され前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガスタンクと、
前記燃料ガスタンクから燃料ガスが駆動ガスとして供給されることで、前記燃料電池から排出される排ガスを吸い込み、燃料ガスと共に前記燃料電池に供給するエゼクターと、
前記エゼクターを冷却する冷却手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。

（４）前記冷却手段は、前記エゼクターに供給される燃料ガスを断熱膨張させるための弁を含み、前記弁と前記エゼクターは熱伝導性材料により一体化されて形成されていることを特徴とする上記（３）に記載の燃料電池システム。

（５）前記弁は、燃料ガス元弁又は燃料ガス調圧弁であることを特徴とする上記（４）に記載の燃料電池システム。

（６）前記冷却手段は、前記燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給ファンであり、
前記エゼクターは、前記酸化ガス供給ファンにより供給される酸化ガス流の中に配置されていることを特徴とする上記（３）に記載の燃料電池システム。

（７）前記燃料電池の排ガスから水分を回収するための水回収手段を備えていることを特徴とする上記（１）〜（６）のいずれか１に記載の燃料電池システム。

一般的に、エゼクターの駆動ガス流入口から流入する燃料ガスとエゼクターの燃料ガス吸込口から吸い込む燃料ガスとの温度差が変化すると（例えば温度差が大きくなると）、燃料ガスの還流量も変化する（例えば増加する）。
従って、請求項１記載の発明によれば、エゼクターの駆動ガス流入口から流入する燃料ガスとエゼクターの燃料ガス吸込口から吸い込む燃料ガスとの温度差を制御することで、燃料ガスの還流量を制御することが可能となる。

請求項２記載の発明によれば、酸化ガス供給ファンによる酸化ガスの供給量を制御することで、燃料ガスの還流量を制御することが可能となる。すなわち、酸化ガス供給ファンによる酸化ガスの供給量を制御すると、燃料電池の温度を制御することが可能となる。例えば、酸化ガスの供給量を増やすと燃料電池の温度は低下する。そして、燃料電池の温度が低下すると燃料電池から排出される燃料ガスの温度も低くなる。これにより、エゼクターの駆動ガス流入口から流入する燃料ガスと燃料電池から排出されエゼクターの燃料ガス吸込口から吸い込まれる燃料ガスとの温度差が小さくなり、還流量を低下させることができる。従って、酸化ガス供給ファンによる酸化ガスの供給量を制御することで、燃料ガスの還流量を制御することが可能となる。

請求項３記載の発明によれば、エゼクターを冷却することで、燃料ガス吸込口から吸い込まれる燃料ガスを冷却することが可能となる。これにより、エゼクターの駆動ガス流入口から流入する燃料ガスと燃料電池から排出されエゼクターの燃料ガス吸込口から吸い込まれる燃料ガスとの温度差が大きくなる。従って、燃料ガスの還流量を高くすることが可能となる。

請求項４記載の発明によれば、弁は燃料ガスを断熱膨張させることにより冷却され、弁が冷却されると、熱伝導性材料により弁と一体化されているエゼクターも冷却される。エゼクターが冷却されると、エゼクターの燃料ガス吸込口から吸い込まれる燃料ガスと、エゼクターの駆動ガス流入口から流入する燃料ガスとの温度差が大きくなる。従って、燃料ガスの還流量を従来よりも増加させることが可能となる。これは、吸入ガスと駆動ガスとの温度差を増加させるために、駆動ガス側を冷却するものであるが、燃料ガス供給のために設けられている構成を冷却手段として用いた結果、特別の冷却装置を設ける必要がなく、簡易な構成でエネルギー効率の悪化を抑制できる。熱伝導性材料により弁と一体化されているエゼクターは、低温となるため、駆動ガスと吸い込まれる燃料ガスとの温度差が広がる結果、燃料ガス側の温度制御可能な領域が広がり、燃料ガスの温度制御により還流量を制御することが容易となる。

請求項５記載の発明によれば、燃料ガス元弁及び燃料ガス調圧弁は、ガスの断熱膨張により温度が低下する部分であるため、これらの弁を冷却手段として用いることで、部品の共用を図り、構成の簡素化とエネリギー効率の向上を図ることができる。
請求項６記載の発明によれば、エゼクターは酸化ガス供給ファンにより供給される酸化ガスにより冷却される。エゼクターが冷却されると、エゼクターの燃料ガス吸込口から吸い込まれる燃料ガスも冷却されるから、エゼクターの駆動ガス流入口から流入する燃料ガスと燃料電池から排出されエゼクターの燃料ガス吸込口から吸い込まれる燃料ガスとの温度差が大きくなる。また、酸化ガス供給ファンからの送風量を制御することによって、エゼクターの温度調節が可能となり、間接的に、燃料ガスの還流量を制御することが可能となる。
請求項７記載の発明によれば、燃料電池内で水分を含んで排出された燃料ガスは、エゼクターで冷やされるため、水回収手段を設けることで、水分の回収が容易となる。特に、エゼクターの下流側に水回収手段を設けると水の回収効率が向上する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
次にこの発明の好適実施形態について説明する。この実施形態は、電気自動車に搭載される燃料電池システムである。図１は、この発明の燃料電池システム１の構成を示すブロック図である。図１に示されているように、この燃料電池システム１は燃料電池スタック１００と、水素貯蔵タンク１１を含む燃料供給系１０と、空気供給系１２と、負荷系（図示せず）とに大略構成される。

図２は、燃料電池スタック１０の部分断面側面図、図３は、燃料電池スタックの部分断面斜視図である。
燃料電池スタック１００は、単位セル２と、セパレータ３とを備えている。単位セル２は、空気極である酸素極２１と燃料極２２とで固体高分子電解質膜２３を挟持した構成となっている。
固体高分子電解質膜２３は、高温域でプロトン伝導度が十分に得られる高温膜が用いられる。すなわち、この高温膜は、雰囲気が高温・低湿度である場合において、プロトン伝導度が高い固体高分子電解質膜である。具体的に高温膜として用いられる材料としては、含フッ素系膜、炭化水素系膜、またはそれらの合成膜などのカチオン交換膜であり、低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性の構造を持つもので構成される。低湿度で高いプロトン伝導性を示す特性とは、例えば、一般的な固体高分子電解質よりも水が十分に保水される材料か、又は水が無くてもプロトン伝導可能な物質が添加された材料であり、含フッ素系膜のパーフルオロ系膜ではスルホン酸基の濃度が高い（ＥＷ値が低い）ものであれば良く、炭化水素系膜のスルホン酸化ポリイミド膜では分子構造上に水を保持する物質であれば良い。
具体的なプロトン伝導度の一例を挙げると、温度が摂氏50〜140℃の範囲内で、湿度が0〜50％の雰囲気下において、一般的な固体高分子（摂氏50度以下、湿度50％以上の雰囲気下でプロトン伝導度が0.1S/cm以上）よりもプロトン伝導性が良好なものであり、例えば、摂氏120℃、湿度20％の雰囲気下において、プロトン伝導性が0.1S/cm以上であるものが好ましい。
以上のような高温膜を用いることによって、燃料電池の発電反応の温度利用域を摂氏１００度以上とすることができる。これにより反応によって発生する生成水が気化し、燃料ガスや酸化ガスとともに排出されるため、燃料電池スタック内に水が溜まることがなく、水排出のための構造を付加する必要もなくなる。また、生成水が蒸発するため、生成水により電解質成分が希釈されることを抑制できる。

セパレータ３は、酸素極２１と燃料極２２にそれぞれ接触して電流を外部に取り出すための集電部材３１と、集電部材３１と単位セル２との間に介挿され、単位セル２の周端部に重ねられる介挿部材３３とを有している。固体高分子電解質膜２３において、燃料として供給された水素と酸化剤として供給された酸素が反応し、電力が得られるとともに、生成水が発生する。この電解質膜２３の反応効率が良好な温度領域は、１００度以上であるため、この温度領域で発電反応を行うことで、生成水は水蒸気となり、燃料ガスや空気とともに、燃料電池スタック１００の外部に排出される。発電反応が可能となる温度領域が、水の沸点以上である電解室膜を用いることによって、生成水を気化させて排出させることが可能となる。

集電部材３１は、導電性と耐蝕性を備えた材料で構成されている。集電部材３１としては、例えば、カーボンや、金属等の材料で構成されている。金属で構成した場合には、例えば、ステンレス、ニッケル合金、チタン合金等の材料に耐蝕導電処理を施したものを用いることができる。ここで、耐蝕導電処理とは、例えば、金メッキ等が挙げられる。
集電部材３１の、燃料極２２に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３１１が等間隔で複数形成され、該凸部３１１の間には、溝３１２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３１１と溝３１２は、交互に配置された形状となっている。凸部３１１は、最も突出した峰の平面部が燃料極２２に接触する接触部３１３となっており、この接触部３１３を介して燃料極２２と通電可能となる。溝３１２と、燃料極２２の表面とによって、燃料ガスとしての水素ガスが流通する燃料ガス流通路３１５が形成される。

凸部３１１の両端には、凸部３１１に直交する方向に溝３１４、３１４が形成され、この溝３１４と燃料極２２の表面とによって、燃料ガス流路３１６が形成される。複数の燃料ガス流通路３１５は、両端部で燃料ガス流路３１６にそれぞれ連通した構成となっており、複数の燃料ガス流通路３１５と一対の燃料ガス流路３１６とによって、燃料極２２へ水素ガスを供給する燃料ガス保持部３０が構成される。

燃料ガス保持部３０には、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７とが形成され、水素ガスは燃料ガス供給孔３１８から燃料ガス保持部３０内に流入し、燃料極２２に水素を供給しつつ、燃料ガス排出孔３１７から流出する。この実施形態では、集電部材３１は、矩形であり、燃料ガス供給孔３１８と燃料ガス排出孔３１７は、集電部材３１の平面視における図心を中心として点対称の位置に（対角線方向）に、それぞれ配置されている。図２には、燃料ガス供給孔３１８が示されている。以上のように、燃料ガス保持部３０は、各セパレータ３と単位セル２の間にそれぞれ形成されている。

各燃料ガス保持部３０の燃料ガス供給孔３１８は、燃料電池スタック１００内の一方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス供給通路３１９ａにそれぞれ連通しており、燃料ガス排出孔３１７は、燃料電池スタック１００内の他方の端部において、集電部材３１の積層方向に形成されている燃料ガス排出通路３１９ｂにそれぞれ連通している。燃料ガス供給通路３１９ａと各燃料ガス供給孔３１８によって、燃料ガスを各燃料ガス保持部３０に分配する燃料ガスマニホールド３４が構成される。一対の燃料ガス排出通路３１９ａ、３１９ｂの一方は、燃料ガス供給流路２０１Ａに接続され、他方は、ガス循環流路２０２に接続される。

集電部材３１の、酸素極２１に接触する面には、直線状に連続して隆起した凸部３２１が等間隔で複数形成され、該凸部３２１の間には、溝３２２がそれぞれ形成される。つまり、凸部３２１と溝３２２は、交互に配置された形状となっている。凸部３２１は、最も突出した峰の平面部が酸素極２１に接触する接触部３２３となっており、この接触部３２３を介して酸素極２１と通電可能となる。溝３２２と、酸素極２１の表面とによって、酸化ガスとしての空気が流通する空気流通路３２５が形成される。溝３２２は、集電部材３１の両端部に達しており、空気流通路３２５の上下端は、燃料電池スタック１００の外側に連通する開口部と連通している。両端の開口部の一方は、空気が流入する空気流入部３２６を形成し、他方の開口部は、空気が流出する空気流出部３２７を形成している。空気流入部３２６から流入した空気は、空気流通路３２５において、酸素極２２と接触し、酸素極に酸素を供給しつつ、空気流出部３２７へ導かれる。
このように構成された燃料電池スタック１００の鉛直上側には、空気マニホールド５４が設けられている。

次に、図１に示されている燃料電池システムの空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気マニホールド５４と、空気排出路である排気ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、酸化ガス供給ファンである空気ファン１２２、空気マニホールド５４の順で流入方向に沿って設けられている。空気マニホールド５４は、燃料電池スタック１００の空気流入部３２６に空気を分割して流入させる。
排気ダクト１２４は、燃料電池スタック１００の空気流出部３２７に接続され、空気流出部３２７から流出した空気を合流させ、外部環境へ放出する。

燃料供給系１０の構成について説明する。燃料ガスタンクである水素貯蔵タンク１１には、燃料ガス供給流路２０１Ａを介して燃料電池スタック１００のガス取入口２０１ＡＩＮに接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素タンク元弁Ｖ０、水素タンク圧力センサＳ０、調圧弁Ｖ１、水素供給電磁弁Ｖ２、水素供給圧力センサＳ１、供給水素側温度センサＳ２、エゼクター８０、水回収トラップ２６、パージ弁（安全弁）Ｖ３が順に設けられている。
エゼクター８０は、駆動ガス流入口８１、燃料吸込口８２、燃料ガス吐出口８３とを備えている。駆動ガス流入口８１は水素ガスタンク１１に接続されており、この駆動ガス流入口８１を介してエゼクター８０内部に水素ガスタンク１１からの燃料ガスが流入する。

燃料電池スタック１００のガス排出口２０２ＯＵＴには、ガス循環流路２０２の一端が接続され、その他端は、エゼクター８０の燃料吸込口８２に接続されており、駆動ガス流入口８１から流入する燃料ガスによりこの燃料吸込口８２から燃料ガス（ガス排出口２０２ＯＵＴから排出される燃料ガス）をエゼクター８０内部に吸い込む。ガス循環流路２０２には、循環水素側温度センサＳ３が設けられている。また、燃料電池スタック１００には、温度センサＳ４が設けられている。

燃料ガス吐出口８３は、燃料ガス供給流路２０１Ａを介して燃料電池スタック１０エゼクターガス入口であるガス取入口２０１ＡＩＮに接続されており、駆動ガス流入口８１からエゼクター８０内部に流入する燃料ガス及び燃料ガス吸込口８２からエゼクター８０内部に吸い込む燃料ガスを燃料電池スタック１００に供給する。
ガス循環流路２０２、エゼクター８０、燃料ガス供給流路２０１Ａによって、水素ガスの循環路が構成されており、この水素ガスの循環路においては、エゼクター８０の作用により、燃料電池スタック１００から排出された燃料ガスが循環するようになっている。

燃料ガス供給流路２０１Ａにおいて、エゼクター８０の下流（燃料ガス吐出口８３と燃料ガス入口であるガス取入口２０１ＡＩＮとの間）には、本発明の水回収手段に相当する水回収トラップ２６が設けられており、この水回収トラップ２６にはガス排出路２０３の一端が接続されている。ガス排出路２０３の他端は、外部に開放され、或いは、排気ダクト１２４に接続されていてもよい。さらにガス排出路２０３は、水素排気電磁弁Ｖ４を備えている。水回収トラップ２６としては、例えば、ガス流入口とガス流出口を備え、両者間に冷却用フィンを、その下方に水溜め空間を有する容器（図示せず）を燃料ガス供給流路２０１Ａに設けることが考えられる。

燃料電池スタック１００には、負荷系（図示せず）が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系に供給される。燃料電池スタック１００の電極は、配線を介してインバータに接続され、インバータを介してモータ等の負荷に接続されている。また、インバータには、出力制御装置を介して補助電源である蓄電池が接続されている（いずれも図示せず）。

燃料電池システム１の制御装置２００には、各センサＳ０、Ｓ１、ＬＧの検出値が入力され、かつ、各電磁弁Ｖ１〜Ｖ４、ファン１２２、インバータ、出力制御装置等を制御する。この制御装置２００には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、モータの駆動や停止の指示信号が入力される。

なお、従来、燃料電池スタック１００が１００℃以上の温度に達する環境下でポンプにより燃料ガスを循環させると、ポンプ駆動用の電子部品（ＩＣ（ＬＳＩ）、コンデンサー等）の耐熱温度を超え、適切に燃料ガスを循環させることができなかった。しかしながら、本実施形態の燃料電池システム１においては、ポンプを用いずにエゼクター８０により燃料ガスを循環させているため、燃料電池スタック１００が１００℃以上の温度に達する環境下であっても、適切に燃料ガスを循環させることが可能となっている。また、本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料ガスが燃料ガス循環流路２０２中を循環するように構成されているため、燃料極内の不純物を排出することが可能となっている。

次に、燃料電池スタック１００から排出される水素ガスから水分を回収する水分回収システムについて説明する。
燃料ガス供給流路２０１Ａにおいて、
ガス循環流路２０２に排気された燃料ガスは、燃料電池スタック１００内で、高温(摂氏１００度以上)となり、かつ生成水に基づく水蒸気を含んでいる。この状態で燃料ガスはエゼクター８０に吸引される。エゼクター８０に吸引された燃料ガスは、エゼクター８０から駆動ガスと合流して昇圧されつつ吐出ガスとして燃料ガス吐出口８３から吐出される。このとき、駆動ガスとの合流による温度低下によって吸引された燃料ガス中の水蒸気の一部は、水として結露する。この結露した水は、エゼクター８０の下流側に位置する水回収トラップ２６により回収される。

なお、図１に示すように、水回収トラップ２６には、水溜め空間に水位センサＬＧを設け、さらに水溜め空間に水素排気電磁弁Ｖ４（あるいは別の電磁弁）を接続し、水位センサＬＧにより水溜め空間の水量が予め定められた水量に達したことが検知されたときに、その電磁弁を制御して水溜め空間内に溜まった水を外部環境等へ放出するように構成することができる。

次に、上記構成の燃料電池システム１の動作について説明する。
図４は、燃料電池システム１の動作（水素ガスの還流量制御）を説明するためのフローチャートである。
このフローチャートは、ガス循環流路を循環する燃料ガス中の水分が一定量以上になったと判定された場合に開始する（ステップＳ１０１）。この判定は、例えば、燃料電池スタック１００内の特定の単位セルに電圧計（図示せず）を接続し、この電圧計により電圧を測定し、その結果、該特定のセルの電圧低下が検出された場合に、燃料ガス中の水分が一定量以上になったと判定することが考えられる。

ガス循環流路２０２を循環する燃料ガス中の水分が一定量以上になったと判定されると（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、空気ファン１２２の制御量が決定される（ステップＳ１０３）。例えば、予めエゼクター８０の温度、燃料電池スタック１００の温度等を予め設定しておき、ガス循環流路２０２中に流量計を配置し、流量をベンチ評価にて測定し、図４に示すようなマップを作成しておく。そして、供給水素側温度センサＳ２及び循環水素側温度センサＳ３によりそれぞれ供給水素ガス温度及び循環水素温度を検出し、これら検出温度に対応する還流性能量をテーブルから読み取り、必要還流性能（必要還流量）を満たしているか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

そして、必要還流性能を満たしているのであれば（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、本フローチャートの処理を終了する。
一方、必要還流性能を満たしていないのであれば（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、必要還流性能に対応する空気ファン制御量をテーブルから読み取り、その制御量に基づいて空気ファン１２２を制御する（ステップＳ１０７）。ここでは、空気ファン１２２による空気供給量が低下するように空気ファン１２２を制御するものとする。これにより、燃料電池スタック１００に対する、空気の流通による冷却効果が低下し、温度が上昇する。燃料電池スタック１００から排出され循環する水素ガス温度も上昇する。これにより、エゼクター８０の駆動ガス流入口８１から流入する燃料ガスと燃料電池スタック１００から排出されエゼクター８０の燃料ガス吸込口８２から吸い込まれる燃料ガスとの温度差が大きくなる。これにより、ガス循環流路２０２内の燃料ガスの還流量を制御（この場合増加）することが可能となる。すなわち、空気ファン１２２による空気の供給量を制御することで、ガス循環流路２０２内の燃料ガスの還流量を制御（この場合増加）することが可能となっている。

次に、供給水素側温度センサＳ２及び循環水素側温度センサＳ３によりそれぞれ供給水素ガス温度及び循環水素温度を検出し（ステップＳ１０９）、これら検出温度が目標温度（必要還流性能に対応する供給水素ガス温度及び循環水素ガス温度）に達し、かつ、一定時間経過するまで上記ステップＳ１７及びＳ１９の処理を繰り返す（ステップＳ１１１）。そして、目標温度に達し、かつ、一定時間経過すると、本フローチャートの処理を終了する。

次に、エゼクター８０を冷却するための冷却システムについて説明する。
図５は、エゼクター８０の冷却システムを説明するための図である。
エゼクター８０には、弁（図５中水素タンク元弁Ｖ０、調圧弁Ｖ１を例示）が一体的に設けられている。この弁は燃料ガスを放出する際、ガスの断熱膨張により冷却され、弁が冷却されると弁と一体化されているエゼクター８０も冷却される。エゼクター８０が冷却されると、エゼクター８０の燃料ガス吸込口８２から吸い込まれる燃料ガスも冷却されるから、エゼクター８０の駆動ガス流入口８１から流入する燃料ガスと燃料電池スタック１００から排出されエゼクター８０の燃料ガス吸込口８１から吸い込まれる燃料ガスとの温度差が大きくなる。従って、燃料ガスの還流量を制御することが可能となる。また、弁を開閉制御することでも、燃料ガスの還流量を制御することが可能となる。なお、弁とエゼクター８０とは直接一体化されていてもよいし（図５）、熱伝導率が、他の部材(弁やエゼクター８０に接続されている配管や燃料ガス容器、これらを収容するケーシングなど)よりも高い材料(例えば、アルミニウムや銅などの金属)を介して接続されていてもよく、さらに、そのような材料によって一体化されていることが好ましい。

次に、エゼクター８０を冷却するための他の冷却システムについて説明する。
図６は、エゼクター８０の他の冷却システムを説明するための図である。
図６に示すように、この冷却システムは、図１に示す燃料電池システム１とほぼ同様の構成であるが、エゼクター８０は、空気ファン１２２と空気マニホールド５４との間にある空気導入路１２３中に一部が露出するように配置される。これにより、空気ファン１２２により供給される空気が、エゼクター８０を冷却し、燃料ガスの還流量能力を高く維持することができる。他の構成については、図１に示す燃料電池システム１と同様であるので、同一の符号を付して、その説明を省略する。

この発明の燃料電池システム１を示すブロック図である。 燃料電池スタックの部分断面側面図である。 燃料電池スタックの部分斜視図である。 この発明の燃料電池システム１の動作を説明するためのフローチャートである。 エゼクターの冷却システムを説明するための図である。 エゼクターの他の冷却システムを説明するための図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１１ 水素貯蔵タンク
２６ 水回収トラップ
１００ 燃料電池スタック
２０１Ａ 燃料ガス供給流路
２０２ 循環エゼクター
８０ エゼクター

Claims (7)

1. 燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスが貯蔵され前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガスタンクと、
   前記燃料ガスタンクから燃料ガスが駆動ガスとして供給されることで、前記燃料電池から排出される排ガスを吸い込み、燃料ガスと共に前記燃料電池に供給するエゼクターと、
   前記エゼクターに供給される燃料ガスと該エゼクターが吸い込む排ガスとの温度差を制御することで前記エゼクターの排ガス吸込量を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給ファンと、前記酸化ガス供給ファンによる酸化ガスの供給量を制御する酸化ガス供給量制御装置と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 燃料ガス及び酸化ガスが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料ガスが貯蔵され前記燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガスタンクと、
   前記燃料ガスタンクから燃料ガスが駆動ガスとして供給されることで、前記燃料電池から排出される排ガスを吸い込み、燃料ガスと共に前記燃料電池に供給するエゼクターと、
   前記エゼクターを冷却する冷却手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記冷却手段は、前記エゼクターに供給される燃料ガスを断熱膨張させるための弁を含み、前記弁と前記エゼクターは熱伝導性材料により一体化されて形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記弁は、燃料ガス元弁又は燃料ガス調圧弁であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記冷却手段は、前記燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給ファンであり、
   前記エゼクターは、前記酸化ガス供給ファンにより供給される酸化ガス流の中に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の排ガスから水分を回収するための水回収手段を備えていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
   

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