JP2021099935A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】 燃料電池の暖機運転後にエゼクタ内に残る液水を容易に排出することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】 燃料電池システムは、反応ガスの導入口及び排出口を備える燃料電池と、反応ガスを間欠的に噴射する第１噴射装置と、反応ガスを連続的に噴射する第２及び第３噴射装置と、第１または第２噴射装置及び排出口からの反応ガスの吐出口を備えるエゼクタと、導入口と吐出口を接続する第１流路と、第３噴射装置の反応ガスを、エゼクタを介さずに第１流路に導く第２流路と、第１〜第３噴射装置を制御する制御装置とを有し、エゼクタは、排出口と第１及び第２噴射装置からの反応ガスを吐出口に流す共通の第３流路を備え、制御装置は、第３噴射装置の噴射を実行することにより暖機運転を行い、第２噴射装置の噴射を実行することで第３噴射装置からエゼクタへの反応ガスの逆流を抑制し、暖機運転の完了後、第１噴射装置の噴射を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
例えば氷点下の環境で運転を停止した燃料電池スタックのオフガスの出口付近では、発電で生じた水分が凍結して氷となりオフガスの出口を塞ぐおそれがある。このため、燃料電池システムを再始動するとき、オフガスの出口が塞がれたことによる発電性能の低下を抑制するため、発電で生じた熱により氷を溶かす暖機運転が行われる。
しかし、オフガスの循環路及びエゼクタを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックには、タンクからエゼクタを介して水素ガスが供給されるだけでなく、循環路からエゼクタを介してオフガスも供給されるため（例えば特許文献１を参照）、循環路及びエゼクタ内に残るオフガス中の窒素などの他のガス（以下、「不純物ガス」と表記）が水素ガスに混ざって水素ガスの濃度が低下する。このため、燃料電池スタック内には、オフガスの出口が塞がっていることから不純物ガスが充満して水素ガスの供給量が不足し、氷が十分に溶けるまで発電を継続することができないおそれがある。
特開２０１３−１３４８８２号公報
これに対し、タンクに接続されたリニアソレノイドバルブからエゼクタを迂回して燃料電池に高濃度の水素ガスを連続的に供給すれば、発電を継続することができる。しかし、エゼクタを迂回する経路を介して水素ガスを供給する場合、オフガスの出口からエゼクタに至る循環路の圧力が燃料電池スタック内の圧力より低いため、水素ガスが逆流してエゼクタに流れ込み、水素ガスの供給量が減少するおそれがある。
そこで、上記のエゼクタに対し並列接続される他のエゼクタ（以下、「追加エゼクタ」と表記）と、追加エゼクタに接続される他のリニアソレノイドバルブ（以下、「追加バルブ」と表記）とを追加し、追加バルブから追加エゼクタを介して少量の水素ガスを流すことにより逆流を抑制することが考えられる。しかし、追加バルブから流れる水素ガスはアノード系の圧力を脈動させないため、オフガスとともに追加エゼクタに吸入された液水、または低温の水素ガスによる水蒸気の結露で生じた液水が追加エゼクタから排出されにくく、暖機運転後も追加エゼクタ内に残り、外気温が氷点下となった場合に凍結して水素ガスの噴射に支障が生ずるおそれがある。
そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の暖機運転後にエゼクタ内に残る液水を容易に排出することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の燃料電池システムは、発電に用いる反応ガスの導入口及び排出口を備える燃料電池と、前記反応ガスを間欠的に噴射する第１噴射装置と、前記反応ガスを連続的に噴射する第２噴射装置及び第３噴射装置と、前記第１噴射装置または前記第２噴射装置から噴射された前記反応ガスとともに、前記排出口から排出された前記反応ガスを吐出する吐出口を備えるエゼクタと、前記導入口と前記吐出口を接続する第１流路と、前記第３噴射装置から噴射された前記反応ガスを、前記エゼクタを介さずに前記第１流路に導く第２流路と、前記第１噴射装置、前記第２噴射装置、及び前記第３噴射装置の噴射を制御する制御装置とを有し、前記エゼクタは、前記排出口から排出された前記反応ガス、及び前記第１噴射装置及び前記第２噴射装置から噴射された前記反応ガスを前記吐出口に流す共通の第３流路を備え、前記制御装置は、前記第３噴射装置の噴射を実行することにより前記燃料電池の暖機運転を行い、前記第２噴射装置の噴射を実行することにより前記第３噴射装置から前記第２流路及び前記第１流路を介して前記吐出口から前記第３流路に向かう前記反応ガスの逆流を抑制し、前記燃料電池の暖機運転が完了した後、前記第１噴射装置の噴射を実行する。
上記の構成によると、制御装置は、第３噴射装置の噴射を実行することにより燃料電池の暖機運転を行い、第２噴射装置の噴射を実行することにより第３噴射装置から第２流路及び第１流路を介して吐出口から第３流路に向かう反応ガスの逆流を抑制する。第２噴射装置及び第３噴射装置は反応ガスを連続的に噴射するため、エゼクタへの反応ガスの逆流は抑制され、第３噴射装置から燃料電池に、エゼクタ内の不純物ガスを含まない高濃度の反応ガスを連続的に供給して暖機運転を行うことができる。
また、制御装置は、燃料電池の暖機運転が完了した後、第１噴射装置の噴射を実行する。第１噴射装置は反応ガスを間欠的に噴射し、燃料電池は反応ガスを発電に用いるため、第１噴射装置の間欠的な噴射によりエゼクタ内の圧力が脈動する。
また、エゼクタは、排出口から排出された反応ガス、及び第１噴射装置及び第２噴射装置から噴射された反応ガスを吐出口に流す共通の第３流路を備えている。このため、第２噴射装置の噴射により第３流路に発生した液水が、第１噴射装置の間欠的な噴射による圧力の脈動によって吐出口から排出される。
したがって、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の暖機運転後にエゼクタ内に残る液水を容易に排出することができる。
上記の構成において、前記制御装置は、前記燃料電池の暖機運転が完了した後、前記第２噴射装置及び前記第３噴射装置の噴射を停止してもよい。
上記の構成において、前記制御装置は、前記燃料電池の暖機運転が完了するまで前記第１噴射装置の噴射を停止してもよい。
上記の構成において、前記制御装置は、前記燃料電池の暖機運転の開始時の前記燃料電池の温度に応じた流量で前記第２噴射装置の噴射を実行してもよい。
上記の構成において、前記エゼクタは、前記第１噴射装置から噴射された前記反応ガスを前記第３流路に噴射する第１ノズルと、前記第２噴射装置から噴射された前記反応ガスを前記第３流路に噴射する第２ノズルとを備えてもよい。
上記の構成において、前記エゼクタは、前記第１噴射装置から噴射された前記反応ガス、及び前記第２噴射装置から噴射された前記反応ガスを前記第３流路に噴射する共通の第３ノズルを有してもよい。
上記の構成において、前記制御装置は、前記燃料電池の温度が氷点を超えるまで前記燃料電池の暖機運転を行ってもよい。
上記の構成において、前記第１噴射装置は、インジェクタを含み、前記第２噴射装置及び前記第３噴射装置は、リニアソレノイドバルブを含んでもよい。
本発明によれば、燃料電池の暖機運転後にエゼクタ内に残る液水を容易に排出することができる。
燃料電池システムの一例を示す構成図である。 燃料電池の暖機運転時のアノードガス及びアノードオフガスの流れの一例を示す図である。 燃料電池の通常運転時のアノードガス及びアノードオフガスの流れの一例を示す図である。 バイパスリニアソレノイドバルブ、補助リニアソレノイドバルブ、インジェクタから噴射されたアノードガスの流量の時間変化の一例を示す図である。 インジェクタとリニアソレノイドバルブの性能比較結果を示す図である。 ＥＣＵ（Electronic Control Unit）の処理の一例を示すフローチャートである。 他の燃料電池システムの例を示す構成図である。 比較例の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１００の構成）
図１は、燃料電池システム１００の一例を示す構成図である。燃料電池システム１００は、例えば燃料電池車に搭載され、燃料電池（ＦＣ）１、モータＭ、カソード系２、アノード系３、及び制御系７を有する。なお、ＦＣ１とモータＭを接続する電気的な構成の図示は省略されている。
ＦＣ１は、固体高分子電解質型の複数の単セルの積層体を含む。ＦＣ１は、カソードガスとアノードガスの供給を受けてカソードガス及びアノードガスの化学反応により発電する。本実施例では、カソードガスとして酸素を含む空気が用いられ、アノードガスとして水素ガスが用いられている。なお、アノードガスは、発電に用いられる反応ガスの一例である。ＦＣ１が発電した電力はモータＭに供給される。
また、ＦＣ１は、アノードガスの入口１１及び出口１２と、カソードガスの入口１３及び出口１４とを有する。アノードガスの入口１１及び出口１２はアノードガス流路Ｌ３１を介して接続され、カソードガスの入口１３及び出口１４はカソードガス流路Ｌ２１を介して接続されている。アノードガス流路Ｌ３１及びカソードガス流路Ｌ２１は、単セルの積層体を貫通するマニホルド、及び単セルのセパレータに形成された溝などを含む。なお、アノードガスの入口１１及び出口１２は、それぞれ、反応ガスの導入口及び排出口の一例である。
カソード系２は、カソードガスとして酸素を含む空気をＦＣ１に供給する。例えばカソード系２は、カソード供給管Ｌ２０、カソード排出管Ｌ２２、及びエアコンプレッサ２０を含む。
カソード供給管Ｌ２０の下流側の端部はＦＣ１のカソードガスの入口１３に接続されている。カソード供給管Ｌ２０にはエアコンプレッサ（ＡＣＰ）２０が設けられている。エアコンプレッサ２０はカソードガスを圧縮する。カソードガスは、矢印Ｒ２０で示されるように、カソード供給管Ｌ２０を流れてＦＣ１に供給される。ＦＣ１内のカソードガスは、矢印Ｒ２１で示されるように、入口１３からカソードガス流路Ｌ２１を流れてアノードガスと化学反応することにより発電に用いられる。
カソード排出管Ｌ２２の上流側の端部はＦＣ１のカソードオフガスの出口１４に接続されている。ＦＣ１は、発電に用いたカソードガスをカソードオフガスとして出口１４からカソード排出管Ｌ２２に排出する。カソードオフガスは、矢印Ｒ２２で示されるように、カソード排出管Ｌ２２を流れて外部に排出される。
アノード系３はＦＣ１にアノードガスを供給する。アノード系３は、アノード供給管Ｌ３０、アノード排出管Ｌ３２、戻し管Ｌ３３、バイパス管Ｌ３４、排気排水管Ｌ３５、燃料タンク３０、インジェクタ（ＩＮＪ）３１、補助リニアソレノイドバルブ（ＬＳ）３２、バイパスリニアソレノイドバルブ（バイパスＬＳ）３３、エゼクタ４、気液分離器５、及びアノード排出弁６を含む。
燃料タンク３０内には、それぞれアノードガスが高圧状態で蓄えられている。燃料タンク３０は、ＩＮＪ３１、補助ＬＳ３２、及びバイパスＬＳ３３にアノードガスを供給する。ＩＮＪ３１はアノードガスを間欠的に噴射する。例えばＩＮＪ３１は、一定の時間間隔をおいて所定の流量でアノードガスを噴射する。補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３はアノードガスを連続的に噴射する。また、補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３は任意の流量でアノードガスを噴射することができる。
バイパスＬＳ３３及び補助ＬＳ３２は、ＦＣ１の暖機運転においてアノードガスを噴射し、ＩＮＪ３１は、ＦＣ１の暖機運転後の通常運転においてアノードガスを噴射する。なお、ＩＮＪ３１は第１噴射装置の一例であり、補助ＬＳ３２は第２噴射装置の一例であり、バイパスＬＳ３３は第３噴射装置の一例である。
ＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２はエゼクタ４に接続されている。バイパスＬＳ３３は、バイパス管Ｌ３４を介してアノード供給管Ｌ３０に接続されている。
図１には、アノードガスの流れる方向に沿ったエゼクタ４の断面が示されている。エゼクタ４は、板状の固定部４０、大径ノズル４１、小径ノズル４２、及びディフューザ４３を有する。エゼクタ４の素材としては、例えばＳＵＳ（Steel Use Stainless）が挙げられるが、これに限定されない。
固定部４０は、大径ノズル４１及び小径ノズル４２を固定する。大径ノズル４１の入口４１０はＩＮＪ３１に接続され、小径ノズル４２の入口４２０は補助ＬＳ３２に接続されている。大径ノズル４１及び小径ノズル４２は、ＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２からのアノードガスをそれぞれ噴射口からディフューザ４３へと噴射する。大径ノズル４１の噴射口の径は小径ノズル４２の噴射口の径より大きい。なお、大径ノズル４１は第１ノズルの一例であり、小径ノズル４２は第２ノズルの一例である。
ディフューザ４３は、アノードガスが流れるエゼクタ流路４４と、アノード供給管Ｌ３０に接続される流出口４６とを備える。エゼクタ流路４４には、大径ノズル４１及び小径ノズル４２から噴射されたアノードガスが流れる。アノードガスはエゼクタ流路４４を流れて流出口４６からアノード供給管Ｌ３０に吐出される。
また、ディフューザ４３の側面には、戻し管Ｌ３３に接続される流入口４５が設けられている。戻し管Ｌ３３は流入口４５と気液分離器５を接続する。気液分離器５から戻し管Ｌ３３に流れるアノードオフガスは、大径ノズル４１または小径ノズル４２から噴射されたアノードガスが駆動流体として作用することにより、流入口４５からエゼクタ流路４４に吸入される。流入口４５には気液分離器５からアノードオフガスが流入する。
アノードオフガスは、流入口４５からエゼクタ流路４４を流れて、アノードガスとともに流出口４６からアノード供給管Ｌ３０に吐出される。エゼクタ流路４４は、アノードオフガス、及びＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２から噴射された反応ガスを流出口４６に流す共通の第３流路の一例であり、アノードオフガスは、ＦＣ１から排出された反応ガスの一例である。
アノード供給管Ｌ３０の一端はエゼクタ４の流出口４６に接続され、アノード供給管Ｌ３０の他端はＦＣ１のアノードガスの入口１１に接続されている。アノード供給管Ｌ３０は、入口１１と流入口４５を接続する第１流路の一例である。また、アノード供給管Ｌ３０の途中（符号Ｐ参照）には、バイパスＬＳ３３から延びるバイパス管Ｌ３４の一端が接続されている。バイパス管Ｌ３４は、バイパスＬＳ３３から噴射されたアノードガスを、エゼクタ４を介さずにアノード供給管Ｌ３０に導く第２流路の一例である。
アノード排出管Ｌ３２の一端はＦＣ１のアノードオフガスの出口１２に接続され、アノード排出管Ｌ３２の他端は気液分離器５に接続されている。アノードオフガスは、出口１２からアノード排出管Ｌ３２を流れて気液分離器５に入る。
気液分離器５は、出口１２から排出されたアノードオフガスから液水を分離する。排気排水管Ｌ３５の一端は気液分離器５に接続され、排気排水管Ｌ３５の他端はカソード排出管Ｌ２２に接続されている。排気排水管Ｌ３５にはアノード排出弁６が設けられ、アノード排出弁６が開くと、矢印Ｒ３４で示されるように、気液分離器５から流出した液水及びアノードオフガスの一部が排気排水管Ｌ３５を介してカソード排出管Ｌ２２に流れて、カソードオフガスとともに外部に排出される。
戻し管Ｌ３３の一端は気液分離器５に接続され、戻し管Ｌ３３の他端はエゼクタ４の流入口４５に接続されている。アノードオフガスは、気液分離器５から戻し管Ｌ３３を流れてエゼクタ４の流入口４５に入る。
制御系７は、ＥＣＵ７０、イグニッションスイッチ７１、アクセル開度センサ７２、及び温度センサ７３を含む。イグニッションスイッチ７１は、燃料電池車の始動及び停止の指示をＥＣＵ７０に通知する。アクセル開度センサ７２は、燃料電池車のアクセル（不図示）の開度を検出してＥＣＵ７０に通知する。温度センサ７３は、ＦＣ１の冷却水の温度を検出してＥＣＵ７０に通知する。ＥＣＵ７０は、温度センサ７３が測定した温度をＦＣ１の温度として処理する。
ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ７０には、イグニッションスイッチ７１、アクセル開度センサ７２、温度センサ７３、エアコンプレッサ２０、ＩＮＪ３１、補助ＬＳ３２、バイパスＬＳ３３、及びアノード排出弁６が電気的に接続されている。ＥＣＵ７０は、エアコンプレッサ２０の作動と、ＩＮＪ３１、補助ＬＳ３２、及びバイパスＬＳ３３の噴射を制御する。
ＥＣＵ７０は、イグニッションスイッチ７１がオンになると、ＦＣ１の発電を開始し、イグニッションスイッチ７１がオフになると、ＦＣ１の発電を停止する。ＥＣＵ７０は、イグニッションスイッチ７１がオンになると、エアコンプレッサ２０を作動させる。ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の発電を開始するとき、ＦＣ１の温度が所定の基準温度ＴＨ以下である場合、ＦＣ１の暖機運転を行い、その後、ＦＣ１の温度が所定の基準温度ＴＨを超えるとＦＣ１の通常運転を行う。ＥＣＵ７０は、暖機運転においてカソードガスのストイキ比を通常運転より低下させることによりＦＣ１の発熱及び昇温を促進する。さらにＥＣＵ７０は、暖機運転において不図示の冷却系の動作を停止することにより発熱及び昇温を促進してもよい。なお、以下の説明では、暖機運転及び通常運転におけるアノードガスの供給について述べる。
（ＦＣ１の暖機運転）
図２は、ＦＣ１の暖機運転時のアノードガス及びアノードオフガスの流れの一例を示す図である。図２において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
ＥＣＵ７０は、バイパスＬＳ３３の噴射を実行することによりＦＣ１の暖機運転を行う。バイパスＬＳ３３から噴射されたアノードガスは、矢印Ｒ３で示されるように、エゼクタ４を介さずにアノード供給管Ｌ３０に導入される。このとき、バイパスＬＳ３３から噴射されたアノードガスの一部は、矢印Ｒ３０ｒで示されるようにアノード供給管Ｌ３０を経由してエゼクタ４に逆流する。アノードガスの逆流は、バイパス管Ｌ３４及びアノード供給管Ｌ３０を介して流出口４６からエゼクタ流路４４に向かう。
これに対し、ＥＣＵ７０は、バイパスＬＳ３３からのアノードガスの逆流が抑制されるように補助ＬＳ３２にアノードガスを噴射させる。補助ＬＳ３２から噴射されたアノードガスは、矢印Ｒ２で示されるようにエゼクタ流路４４を流れて流出口４６からアノード供給管Ｌ３０に吐出される。
補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３は反応ガスを連続的に噴射するため、エゼクタ４への反応ガスの逆流は抑制され、矢印Ｒ３０ｆで示されるように、バイパスＬＳ３３からアノード供給管Ｌ３０を介してＦＣ１に、エゼクタ４内の不純物ガスを含まない高濃度の反応ガスを連続的に供給して暖機運転を行うことができる。
ＥＣＵ７０は、例えば温度センサ７３の温度に応じた流量でバイパスＬＳ３３にアノードガスを噴射させる。このため、ＦＣ１の温度に応じた迅速な暖機運転が可能である。
アノードガスは、矢印Ｒ３１で示されるように、入口１１からアノードガス流路Ｌ３１を流れてカソードガスと化学反応することにより発電に用いられる。ＦＣ１は、発電に用いたアノードガスをアノードオフガスとして出口１２からアノード排出管Ｌ３２に排出する。アノードオフガスは、矢印Ｒ３２で示されるように、ＦＣ１の出口１２からアノード排出管Ｌ３２を流れて気液分離器５に入る。
アノードオフガスは、矢印Ｒ３３で示されるように、気液分離器５から戻し管Ｌ３３を流れ、エゼクタ流路４４の流入口４５からエゼクタ流路４４を流れる。つまり、補助ＬＳ３２がアノードガスを噴射すると、気液分離器５から戻し管Ｌ３３を介してエゼクタ４にアノードオフガスが吸入される。ＦＣ１から排出されるアノードオフガスにはＦＣ１内の発電で生じた水分が含まれているため、暖機運転中、エゼクタ流路４４には、気液分離器５で分離できなかった液水ｍや、低温のアノードガスで冷却されることにより水蒸気の結露で液水ｍが発生する。
例えばエゼクタ流路４４に液水ｍが残っていると、氷点下で液水が凍結してエゼクタ流路４４を閉塞し、燃料電池システム１００の再始動時、ＦＣ１に十分な流量のアノードガスを供給できないおそれがある。
このため、ＥＣＵ７０は、暖機運転の完了後の通常運転において、ＩＮＪ３１の噴射を実行することによりエゼクタ流路４４に残る液水を排出する。
（ＦＣ１の通常運転）
図３は、ＦＣ１の通常運転時のアノードガス及びアノードオフガスの流れの一例を示す図である。図３において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の暖機運転が完了した後、ＩＮＪ３１の噴射を実行する。ＩＮＪ３１から噴射されたアノードガスは、矢印Ｒ１で示されるように、エゼクタ流路４４を流れて流出口４６からアノード供給管Ｌ３０に吐出される。また、戻し管Ｌ３３内のアノードオフガスは、流入口４５からエゼクタ流路４４に吸入され、流出口４６からアノード供給管Ｌ３０に吐出される。
アノードガス及びアノードオフガスは、矢印Ｒ３０で示されるように、アノード供給管Ｌ３０から入口１１を介してＦＣ１のアノードガス流路Ｌ３１に入る。アノードガスとアノードオフガスの一部は発電に用いられる。
ＩＮＪ３１はアノードガスを間欠的に噴射し、ＦＣ１はアノードガスを発電に用いるため、ＩＮＪ３１の間欠的な噴射によりエゼクタ４内の圧力が脈動する。エゼクタ流路４４には、流入口４５から吸入されたアノードオフガス、補助ＬＳ３２から噴射されたアノードガス、及びＩＮＪ３１から噴射されたアノードガスが流れる。このため、補助ＬＳ３２の噴射によりエゼクタ流路４４に発生した液水ｍが、ＩＮＪ３１の間欠的な噴射による圧力の脈動によって流出口４６から排出される。
なお、エゼクタ流路４４内の液水ｍは、アノード供給管Ｌ３０、アノードガス流路Ｌ３１、及びアノード排出管Ｌ３２を流れて気液分離器５に貯留される。気液分離器５内の液水は、アノード排出弁６の開放時にカソード排出管Ｌ２２から排出される。
ＦＣ１の通常運転において、ＥＣＵ７０は、例えばアクセル開度センサ７２が検出したアクセル開度に応じて、ＦＣ１に要求される電流値を算出する。ＥＣＵ７０は、エアコンプレッサ２０にカソードガスの流量を指示し、ＩＮＪ３１にアノードガスの流量を指示する。
（アノードガス流量の変化）
図４は、バイパスＬＳ３３、補助ＬＳ３２、ＩＮＪ３１から噴射されたアノードガスの流量の時間変化の一例を示す図である。符号Ｇａは、時刻に対するバイパスＬＳ３３のアノードガス流量の変化例を示し、符号Ｇｂは、時刻に対する補助ＬＳ３２のアノードガス流量の変化例を示し、符号Ｇｃは、時刻に対するＩＮＪ３１のアノードガス流量の変化例を示す。また、符号Ｇｄは、時刻に対するＦＣ１の温度の変化例を示す。
ＥＣＵ７０は、時刻０から時刻Ｔｃまでの期間中、ＦＣ１の暖機運転を行い、時刻Ｔｃ以降、ＦＣ１の通常運転を行う。ＥＣＵ７０は、温度センサ７３が検出した温度に応じてＦＣ１の運転を切り替える。ＦＣ１の温度は、一例として、温度Ｔｍから時間に比例して上昇し、時刻Ｔｃにおいて基準温度ＴＨを超える。
ＥＣＵ７０は、暖機運転中、時刻０におけるＦＣ１の温度Ｔｍに応じた流量ＶｄでバイパスＬＳ３３の噴射を実行する。これにより、適切な流量ＶｄでアノードガスがＦＣ１に供給されるため、ＦＣ１が迅速に昇温する。
また、ＥＣＵ７０は、暖機運転中、バイパスＬＳ３３から噴射されたアノードガスのエゼクタ流路４４への逆流が抑制されるように流量Ｖｒで補助ＬＳ３２の噴射を実行する。ＥＣＵ７０は、バイパスＬＳ３３から噴射されるアノードガスの流量Ｖｄから適切な流量Ｖｒを算出する。なお、ＥＣＵ７０は、補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３の開度の設定によりアノードガス流量を制御する。
また、ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の暖機運転が完了するまでＩＮＪ３１の噴射を停止する。ＩＮＪ３１は間欠的にアノードガスを噴射するため、アノードガスの圧力を脈動させ、戻し管Ｌ３３からエゼクタ流路４４に吸入されるアノードオフガスの循環量を増加させる。アノードオフガスの循環量が増加すると、エゼクタ流路４４に発生する液水の量も増加する。このため、ＥＣＵ７０は、ＩＮＪ３１の噴射を停止するのが好ましいが、これに限定されず、逆流を抑制するためのアノードガスを補う程度の流量でＩＮＪ３１の噴射を実行してもよい。
ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の温度が基準温度ＴＨを超えると、ＩＮＪ３１の噴射を実行することによりＦＣ１の通常運転を行う。ここで、基準温度ＴＨは、氷点である０℃以上である。すなわち、ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の温度が氷点を超えるまで暖機運転を行う。これにより、暖機運転中にエゼクタ流路４４に発生した液水の凍結が抑制されるため、ＩＮＪ３１の噴射によりエゼクタ流路４４から液水を排出することが、氷がある場合より容易となる。
ＥＣＵ７０は、例えば周期ｆでＩＮＪ３１をオンオフすることによりＩＮＪ３１に間欠的にアノードガスを噴射させる。ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の要求電流値に応じてＩＮＪ３１のオン時間Δｔ及び周期ｆを決定する。また、ＩＮＪ３１から噴射されるアノードガスの流量Ｖｎは一定である。
ＩＮＪ３１がアノードガスを噴射すると、アノード系３のアノードガスの量が一時的に上昇することによりアノードガスの圧力は上昇する。しかし、アノードガスはＦＣ１の発電に用いられることで減少するため、アノードガスの圧力は噴射の直後に減少する。したがって、ＩＮＪ３１が間欠的にアノードガスを噴射することにより、アノード系３のアノードガスの圧力が脈動する。このとき、エゼクタ流路４４内の圧力も脈動するため、エゼクタ流路４４内の液水が流出口４６から容易に排出される。
また、ＥＣＵ７０の指示に対する応答性は、補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３よりＩＮＪ３１が良好であるため、ＩＮＪ３１の噴射により液水をより効果的に排出することが可能である。
図５は、インジェクタとリニアソレノイドバルブの性能比較結果を示す図である。実線はインジェクタ（ＩＮＪ３１）の性能を示し、点線はリニアソレノイドバルブ（補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３）の性能を示す。インジェクタは、例えば電磁弁であり、電気的なオンオフ制御により弁が開閉（開度は１００％または０％の何れか）される。リニアソレノイドバルブは、インジェクタとは異なり、流量調整を可能とするため、電気的に任意の開度（０〜１００％）に制御することが可能である。
符号Ｈａは、時刻に対するアノードガス流量の変化例を示す。時刻Ｔｓは、ＥＣＵ７０がインジェクタ及びリニアソレノイドバルブに噴射を指示するタイミングである。指示時刻Ｔｓから最大流量Ｖｐに達するまでの所要時間は、インジェクタの方がリニアソレノイドバルブより短い。つまり、インジェクタの応答性はリニアソレノイドバルブより良好である。
符号Ｈｂは、インジェクタ及びリニアソレノイドバルブが噴射した場合における、流路に詰まった水滴の上流側及び下流側の圧力差Δｐの時刻に対する変化例を示す。上記の応答性の差分のため、圧力差Δｐが最大値ｐ１，ｐ２に達するまでの所要時間は、インジェクタの方がリニアソレノイドバルブより短い。また、インジェクタの噴射時の圧力差Δｐの最大値ｐ１は、リニアソレノイドバルブの噴射時の圧力差Δｐの最大値ｐ２より大きい。このため、ＥＣＵ７０は、ＩＮＪ３１の噴射を実行することにより、補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３の噴射を実行するより効果的に液水が排出される。
再び図４を参照すると、ＥＣＵ７０は、暖機運転の完了後の通常運転において補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３の噴射を停止する。このため、補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３の噴射により生ずるアノードガスの消費が抑制される。なお、ＥＣＵ７０は、例えばＦＣ１の要求電流値が大きく、アノードガスが不足すると予測した場合、通常運転において補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３の噴射を実行してもよい。
（ＥＣＵ７０の処理）
図６は、ＥＣＵ７０の処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、燃料電池システム１００がイグニッションスイッチ７１のオフにより動作を停止した状態で実行される。
ＥＣＵ７０は、イグニッションスイッチ７１がオンになったか否かを判定する（ステップＳｔ１）。イグニッションスイッチ７１がオフである場合（ステップＳｔ１のＮｏ）、再びステップＳｔ１が実行される。イグニッションスイッチ７１がオンになった場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の発電のためにエアコンプレッサ２０を作動させる（ステップＳｔ２）。これにより、エアコンプレッサ２０からＦＣ１にカソードガスが供給され始める。
次にＥＣＵ７０は、温度センサ７３により、ＦＣ１の温度として冷却水の温度を測定する（ステップＳｔ３）。ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の温度が基準温度ＴＨ以下である場合（ステップＳｔ４のＹｅｓ）、ＦＣ１の暖機運転を行い（ステップＳｔ５〜Ｓｔ８）、ＦＣ１の温度が基準温度ＴＨより高い場合（ステップＳｔ４のＮｏ）、ＦＣ１の通常運転を行う（ステップＳｔ１１〜Ｓｔ１３）。
まず、暖機運転について述べる。ＥＣＵ７０はＩＮＪ３１をオフにする（ステップＳｔ５）。このため、ＩＮＪ３１からＦＣ１へのアノードガスの供給は行われない。
次にＥＣＵ７０は、ＦＣ１の温度に基づいてバイパスＬＳ３３の開度を算出する（ステップＳｔ６）。これにより、ＥＣＵ７０は、暖機運転の開始時のＦＣ１の温度に応じてバイパスＬＳ３３から噴射されるアノードガスの流量を決定する。
次にＥＣＵ７０は、バイパスＬＳ３３からエゼクタ流路４４へのアノードガスの逆流が抑制されるようにバイパスＬＳ３３の開度に基づき補助ＬＳ３２の開度を算出する（ステップＳｔ７）。例えばＥＣＵ７０は、アノードガスの逆流を相殺することができる流量でアノードガスが噴射されるように補助ＬＳ３２の開度を算出する。
次にＥＣＵ７０は、バイパスＬＳ３３及び補助ＬＳ３２の開度を設定する（ステップＳｔ８）。これにより、バイパスＬＳ３３及び補助ＬＳ３２は、設定された開度に応じた流量でアノードガスの噴射を開始する（ステップＳｔ８）。このように、ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の暖機運転の開始時のＦＣ１の温度に応じた流量でバイパスＬＳ３３の噴射を実行するため、ＦＣ１を迅速に昇温することができる。
次にＥＣＵ７０は、温度センサ７３によりＦＣ１の温度を測定する（ステップＳｔ９）。ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の温度が基準温度ＴＨ以下である場合（ステップＳｔ１０のＮｏ）、再びＦＣ１の温度を測定する（ステップＳｔ９）。ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の温度が基準温度ＴＨより高い場合（ステップＳｔ１０のＮｏ）、ＦＣ１の通常運転を行う（ステップＳｔ１１〜Ｓｔ１３）。
次に通常運転について述べる。ＥＣＵ７０は、バイパスＬＳ３３及び補助ＬＳ３２を閉塞する（ステップＳｔ１１）。これにより、バイパスＬＳ３３及び補助ＬＳ３２からのアノードガスの噴射が停止する。
次にＥＣＵ７０は、例えばアクセル開度センサ７２の検出値に基づいてＦＣ１の要求電流値を決定し、要求電流値に基づいてＩＮＪ３１のオン時間及びオンオフの周期（図４のΔｔ及びｆ）を算出する（ステップＳｔ１２）。次にＥＣＵ７０は、オン時間及びオンオフの周期に従ってＩＮＪ３１をオンオフ制御する（ステップＳｔ１３）。これにより、ＦＣ１には、要求電流値に応じた流量でアノードガスが供給される。
次にＥＣＵ７０は、イグニッションスイッチ７１がオフになったか否かを判定する（ステップＳｔ１４）。イグニッションスイッチ７１がオンである場合（ステップＳｔ１４のＮｏ）、再びステップＳｔ１２以降の各処理が実行される。イグニッションスイッチ７１がオフになった場合（ステップＳｔ１４のＹｅｓ）、ＩＮＪ３１をオフにし（ステップＳｔ１５）、エアコンプレッサ２０を停止する（ステップＳｔ１６）。これによりＦＣ１の発電が停止する。
（他の燃料電池システム）
上述した燃料電池システム１００において、エゼクタ４は、ＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２に接続される個別の大径ノズル４１及び小径ノズル４２を有している。つまり、エゼクタ４は、ＩＮＪ３１から噴射されたアノードガスをエゼクタ流路４４に噴射する大径ノズル４１と、補助ＬＳ３２から噴射されたアノードガスをエゼクタ流路４４に噴射する小径ノズル４２とを備える。このため、大径ノズル４１及び小径ノズル４２の間でアノードガスの噴射量を適宜に異ならせることができる。しかし、ＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２は、これに限定されず、共通のノズルに接続されてもよい。
図７は、他の燃料電池システム１００ａの例を示す構成図である。図７において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
燃料電池システム１００ａは、上記のエゼクタ４に代えて、単一のノズル４１ａを備えるエゼクタ４ａを有する。ノズル４１ａの入口４１０ａには、２分岐の接続管Ｌ４を介してＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２が接続されている。このため、ＩＮＪ３１または補助ＬＳ３２から噴射されたアノードガスは、矢印Ｒ４で示されるように、ノズル４１ａからエゼクタ流路４４に流れる。なお、ノズル４１ａは第３ノズルの一例である。
このように、エゼクタは、ＩＮＪ３１から噴射されたアノードガス、及び補助ＬＳ３２から噴射されたアノードガスをエゼクタ流路４４に噴射する共通のノズル４１ａを有する。このため、エゼクタ４ａは、大径ノズル４１及び小径ノズル４２を備えるエゼクタ４よりサイズが小さくなる。
（比較例の燃料電池システム）
図８は、比較例の燃料電池システム１００ｘを示す構成図である。図８において、図１と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。
燃料電池システム１００ｘは、エゼクタ４に代えて、ＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２にそれぞれ接続されたエゼクタ４ｊ，４ｋを有する。各エゼクタ４ｊ，４ｋは、図７に示されるエゼクタ４ａと同様の構造を有する。
エゼクタ４ｊ，４ｋの流出口４６は、２分岐のアノード供給管Ｌ３０ｘを介してＦＣ１の入口１１に接続されている。また、エゼクタ４ｊ，４ｋの流入口４５は、２分岐の戻し管Ｌ３３ｘを介して気液分離器５に接続されている。
ＩＮＪ３１がアノードガスを噴射すると、矢印Ｒ３３ｊで示されるように、気液分離器５から戻し管Ｌ３３ｘを介してアノードオフガスが流入口４５からエゼクタ４ｊに吸入される。ＩＮＪ３１から噴射されたアノードガスは、流入口４５から吸入されたアノードオフガスとともにエゼクタ流路４４を流れて流出口４６からアノード供給管Ｌ３０ｘに吐出される。
補助ＬＳ３２及びＩＮＪ３１がアノードガスを噴射すると、矢印Ｒ３３ｋで示されるように、気液分離器５から戻し管Ｌ３３ｘを介してアノードオフガスが流入口４５からエゼクタ４ｋに吸入される。ＩＮＪ３１から噴射されたアノードガスは、流入口４５から吸入されたアノードオフガスとともにエゼクタ流路４４を流れて流出口４６からアノード供給管Ｌ３０ｘに吐出される。
ＥＣＵ７０は、バイパスＬＳ３３及び補助ＬＳ３２の噴射を連続的に実行することによりＦＣ１の暖機運転を行う。このとき、バイパスＬＳ３３から噴射されたアノードガスは、矢印Ｒ３０ｒで示されるように、エゼクタ４ｊ，４ｋに逆流する。
ＥＣＵ７０は、アノードガスの逆流が抑制されるように補助ＬＳ３２の噴射を実行する。このため、バイパスＬＳ３３から噴射されたアノードガスは、矢印Ｒ３０ｆで示されるように、ＦＣ１の入口１１に流れる。
このとき、エゼクタ４ｋには、アノードオフガスが流入口４５から流入する。このため、ＥＣＵ７０が、暖機運転の完了時に補助ＬＳ３２の噴射を停止すると、アノードオフガスに含まれる液水がエゼクタ４ｋのエゼクタ流路４４に残る。
暖機運転の完了後、ＥＣＵ７０は、ＩＮＪ３１の噴射を間欠的に実行することによりＦＣ１の通常運転を行う。このとき、エゼクタ４ｊには、アノードオフガスが流入口４５から流入してエゼクタ流路４４に液水が発生するが、ＩＮＪ３１の噴射は間欠的に実行されるため、アノードガスの圧力は脈動してエゼクタ流路４４内の液水は流出口４６から容易に排出される。
本例では、ＩＮＪ３１に接続されるエゼクタ４ｊと、補助ＬＳ３２に接続されるエゼクタ４ｋとが別々であるため、補助ＬＳ３２の噴射が停止した後、エゼクタ４ｋには液水が残る。仮に通常運転において補助ＬＳ３２の噴射が継続しても、噴射は連続的に行われるため、ＩＮＪ３１とは異なり、アノードガスの圧力の脈動が発生しない。このため、エゼクタ４ｋ内の液水が排出するのは難しい。
これに対し、上述した燃料電池システム１００，１００ａには、ＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２に接続された共通のエゼクタ４，４ａが設けられている。ＥＣＵ７０は、暖機運転中、補助ＬＳ３２の噴射を連続的に実行するが、暖機運転後、ＩＮＪ３１の噴射を間欠的に実行する。このため、比較例とは異なり、エゼクタ４，４ａ内の液水が、ＩＮＪ３１の噴射によるアノードガスの圧力の脈動により容易に排出される。
これまで述べたように、ＥＣＵ７０は、バイパスＬＳ３３の噴射を実行することによりＦＣ１の暖機運転を行い、バイパスＬＳ３３からエゼクタ４，４ａへのアノードガスの逆流を抑制するように補助ＬＳ３２の噴射を実行する。補助ＬＳ３２及びバイパスＬＳ３３はアノードガスを連続的に噴射するため、エゼクタ４，４ａへの反応ガスの逆流は抑制され、バイパスＬＳ３３からＦＣ１に、エゼクタ４，４ａ内の不純物ガスを含まない高濃度のアノードガスを連続的に供給して暖機運転を行うことができる。
また、ＥＣＵ７０は、ＦＣ１の暖機運転が完了した後、ＩＮＪ３１の噴射を実行する。ＩＮＪ３１は反応ガスを間欠的に噴射し、ＦＣ１はアノードガスを発電に用いるため、ＦＣ１の間欠的な噴射によりエゼクタ４，４ａ内の圧力が脈動する。
また、エゼクタ４，４ａは、ＦＣ１の出口１２から排出されたアノードオフガス、及びＩＮＪ３１及び補助ＬＳ３２から噴射されたアノードガスを流出口４６に流す共通のエゼクタ流路４４を備えている。このため、補助ＬＳ３２の噴射によりエゼクタ流路４４に発生した液水が、ＩＮＪ３１の間欠的な噴射による圧力の脈動によって流出口４６から排出される。
したがって、本例の燃料電池システム１００，１００ａは、ＦＣ１の暖機運転後にエゼクタ４，４ａ内に残る液水を容易に排出することができる。
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
１ 燃料電池
４，４ａ，４ｊ，４ｋ エゼクタ
５ 気液分離器
６ アノード排出弁
１１ 入口
１２ 出口
３１ インジェクタ
３２ 補助リニアソレノイドバルブ
３３ バイパスソレノイドバルブ
４１ 大径ノズル
４１ａ ノズル
４２ 小径ノズル
４５ 流入口
４６ 流出口
７０ ＥＣＵ
７３ 温度センサ
１００，１００ａ 燃料電池システム
Ｌ３０，Ｌ３０ｘ アノード供給管
Ｌ３２ アノード排出管
Ｌ３３，Ｌ３３ｘ 戻し管
Ｌ３４ バイパス管

Claims (8)

  1. 発電に用いる反応ガスの導入口及び排出口を備える燃料電池と、
    前記反応ガスを間欠的に噴射する第１噴射装置と、
    前記反応ガスを連続的に噴射する第２噴射装置及び第３噴射装置と、
    前記第１噴射装置または前記第２噴射装置から噴射された前記反応ガスとともに、前記排出口から排出された前記反応ガスを吐出する吐出口を備えるエゼクタと、
    前記導入口と前記吐出口を接続する第１流路と、
    前記第３噴射装置から噴射された前記反応ガスを、前記エゼクタを介さずに前記第１流路に導く第２流路と、
    前記第１噴射装置、前記第２噴射装置、及び前記第３噴射装置の噴射を制御する制御装置とを有し、
    前記エゼクタは、前記排出口から排出された前記反応ガス、及び前記第１噴射装置及び前記第２噴射装置から噴射された前記反応ガスを前記吐出口に流す共通の第３流路を備え、
    前記制御装置は、前記第３噴射装置の噴射を実行することにより前記燃料電池の暖機運転を行い、前記第２噴射装置の噴射を実行することにより前記第３噴射装置から前記第２流路及び前記第１流路を介して前記吐出口から前記第３流路に向かう前記反応ガスの逆流を抑制し、前記燃料電池の暖機運転が完了した後、前記第１噴射装置の噴射を実行することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記燃料電池の暖機運転が完了した後、前記第２噴射装置及び前記第３噴射装置の噴射を停止する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. 前記制御装置は、前記燃料電池の暖機運転が完了するまで前記第１噴射装置の噴射を停止することを特徴とする請求項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、前記燃料電池の暖機運転の開始時の前記燃料電池の温度に応じた流量で前記第２噴射装置の噴射を実行することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記エゼクタは、前記第１噴射装置から噴射された前記反応ガスを前記第３流路に噴射する第１ノズルと、前記第２噴射装置から噴射された前記反応ガスを前記第３流路に噴射する第２ノズルとを備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
  6. 前記エゼクタは、前記第１噴射装置から噴射された前記反応ガス、及び前記第２噴射装置から噴射された前記反応ガスを前記第３流路に噴射する共通の第３ノズルを有することを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御装置は、前記燃料電池の温度が氷点を超えるまで前記燃料電池の暖機運転を行うことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の燃料電池システム。
  8. 前記第１噴射装置は、インジェクタを含み、
    前記第２噴射装置及び前記第３噴射装置は、リニアソレノイドバルブを含むことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の燃料電池システム。
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