JP2010159834A - エジェクタ及び燃料電池システム - Google Patents

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

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。

特開２００７−４２３３９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図。 第１実施形態に係るエジェクタの概略構成図（バルブが閉位置にある状態）。 第１実施形態に係るエジェクタの概略構成図（バルブが開位置にある状態）。 バルブとボディの温度変化を説明するための図。 第２実施形態に係るエジェクタの概略構成図。 第２実施形態に係る燃料電池システムの運転開始時における動作手順を示すフローチャート。 第２実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時における動作手順を示すフローチャート。 第３実施形態に係るエジェクタの概略構成図（バルブが閉位置にある状態）。 第３実施形態に係るエジェクタの概略構成図（バルブが開位置にある状態）。 第３実施形態に係る燃料電池システムの運転開始時における動作手順を示すフローチャート。 第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図。 第４実施形態に係る燃料電池システムの運転停止時における動作手順を示すフローチャート。

（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。

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。

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。

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。

（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Ｔ_２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（Ｔ_１）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）。

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。

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。

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

Claims (13)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。

Images