JP2022118989A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料成分の濃度の低下を抑制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】燃料ガスに含まれる燃料成分を反応させて発電する燃料電池と、供給路と、制御バルブと、エジェクタと、還流路と、コントローラと、を備える。制御バルブは、供給路に設けられているとともに、その開度を調整可能に構成される。エジェクタは、供給路の制御バルブと燃料電池との間の区間に設けられる。還流路は、燃料電池の排気口とエジェクタとの間に接続されており、排気口から排出されたオフガスをエジェクタが発生する吸引力によって供給路へ還流させる。コントローラは、通常運転と、通常運転よりも燃料成分を高濃度に含む燃料ガスを燃料電池へ供給するための特定運転と、を選択的に実行可能である。特定運転では、燃料電池へ燃料ガスを第１供給量で供給するときに、制御バルブが第１開度よりも小さい第２開度で連続的又は断続的に開弁される。【選択図】図６

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、燃料電池と、エジェクタと、供給装置と、を備える燃料電池システムが開示されている。エジェクタは、燃料電池から排出されたオフガスを吸引し、供給装置から供給された燃料ガスにオフガスを混合させて燃料電池に供給する。これにより、オフガス内に残留する燃料成分を燃料電池に供給することができる。

オフガスでは、燃料成分が部分的に消費された結果、例えば窒素や水蒸気といった不純物の濃度が高まり、燃料成分の濃度が低下する。そのことから、例えば燃料電池の暖機運転を行うときのように、燃料成分を高濃度に含む燃料ガスを燃料電池に供給する必要がある場合は、燃料電池に供給されるオフガスの量を減少させ、主に供給装置から燃料成分を高濃度に含む燃料ガスを燃料電池に供給することが好ましい。

上記に関して、特許文献１の燃料電池システムは、エジェクタを介さずに燃料電池に接続される迂回経路と、その迂回経路に燃料ガスを供給する第３供給装置と、をさらに備えている。このような構成によると、第３供給装置から迂回経路を介して燃料電池に燃料ガスを供給することで、オフガスを含まない燃料ガスを燃料電池に供給することができる。

特開２０２０－１２６７２９号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムは、迂回経路および第３供給装置を設ける必要があることから、燃料電池システムの構造および制御が複雑になるという問題がある。本明細書では、迂回経路および第３供給装置を設けることなく、燃料成分の濃度の低下を抑制することができる技術を提供する。

本明細書が開示する燃料電池ユニットは、燃料ガスに含まれる燃料成分を反応させて発電する燃料電池と、供給路と、制御バルブと、エジェクタと、還流路と、コントローラと、を備える。供給路は、前記燃料電池の供給口に接続されており、前記供給口へ前記燃料ガスを供給する。制御バルブは、前記供給路に設けられているとともに、その開度を調整可能に構成される。エジェクタは、前記供給路の前記制御バルブと前記燃料電池との間の区間に設けられる。還流路は、前記燃料電池の排気口と前記エジェクタとの間に接続されており、前記排気口から排出されたオフガスを前記エジェクタが発生する吸引力によって前記供給路へ還流させる。コントローラは、前記制御バルブを制御する。前記コントローラは、前記燃料ガスの供給量に関する目標値に応じたデューティ比で、少なくとも一つの前記制御バルブを断続的に開弁する通常運転と、前記通常運転よりも前記燃料成分を高濃度に含む燃料ガスを前記燃料電池へ供給するための特定運転と、を選択的に実行可能である。前記通常運転では、前記燃料電池へ前記燃料ガスを第１供給量で供給するときに、前記制御バルブが第１開度で断続的に開弁される。前記特定運転では、前記燃料電池へ前記燃料ガスを前記第１供給量で供給するときに、前記制御バルブが前記第１開度よりも小さい第２開度で連続的又は断続的に開弁される。

上述した燃料電池システムは、通常運転と特定運転とを選択的に実行することができる。通常運転と特定運転とを比較すると、同じ第１供給量の燃料ガスを燃料電池に供給する場合でも、通常運転では制御バルブの開度が第１開度に調整されるのに対して、特定運転では制御バルブが第２の開度に調整される。通常運転のように、制御バルブの開度が第１開度に調整された場合は、エジェクタに十分な流量で燃料ガスが供給されることで、エジェクタがオフガスを吸引する吸引力を発生させる。これにより、通常運転では、オフガスを含んだ燃料ガスが、燃料電池に供給される。一方、特定運転のように、制御バルブの開度が第２開度に調整された場合は、エジェクタに制限された流量の燃料ガスが供給されることで、エジェクタにおける吸引力の発生が禁止又は抑制される。その結果、供給路に還流するオフガスの量が減少し、燃料ガスに含まれる燃料成分の割合が増加する。これにより、特定運転では、通常運転実行時よりも高濃度の燃料ガスを燃料電池に供給することができる。このように、本明細書が開示する燃料電池ユニットは、迂回経路および第３供給装置を設けることなく、オフガスによる燃料ガスの濃度低下を抑制することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の燃料電池システム１００の構成図を示す。 通常運転実行時の第１実施例のエジェクタ１０周辺の拡大図を示す。 通常運転実行時の第１制御バルブ２１の開度の変化と、それに伴う燃料成分ガス供給量Ｓｆおよびオフガス取込量Ｃｆの関係を示す。 通常運転実行時の燃料成分ガス供給量Ｓｆとオフガス取込量Ｃｆとの関係を示す。 特定運転実行時の第１制御バルブ２１の開度を示す。 特定運転実行時の燃料成分ガス供給量Ｓｆとオフガス取込量Ｃｆとの関係を示す。 特定運転実行時の第１実施例のエジェクタ１０周辺の拡大図を示す。 第２実施例のエジェクタ１０ａ周辺の拡大図を示す。

本技術の一実施形態では、燃料電池システムは、第２制御バルブをさらに備えてもよい。この場合、前記エジェクタは、前記制御バルブから前記燃料ガスが供給される第１ノズルと、前記第２制御バルブから前記燃料ガスが供給される第２ノズルと、を備えてもよい。このような構成によると、二つの制御バルブをそれぞれ制御することによって、燃料電池に供給される燃料ガスの供給量や、そこに還流させるオフガスの還流量を適切に調整することができる。

本技術の一実施形態では、前記第２ノズルの径は、前記第１ノズルの径よりも小さくてもよい。このような構成によると、大小の径を有する二つのノズルによって、燃料ガスの供給量とエジェクタの吸引力とのバランスが取りやすくなる。

本技術の一実施形態では、前記通常運転では、前記燃料電池へ前記燃料ガスを前記第１供給量で供給するときに、前記制御バルブに代えて、前記第２制御バルブが断続的に開弁されてもよい。ただし、他の実施形態においては、通常運転で燃料ガスを第１供給量で供給するときに、制御バルブを開弁してもよい。

本技術の一実施形態では、前記第２制御バルブは、前記特定運転においても断続的に開弁されてもよい。特定運転において、エジェクタの吸引力が低下しすぎると、燃料ガスが供給路から還流路側へ逆流することがある。このような場合に、第２制御バルブからエジェクタへ補完的に燃料ガスを供給することで、前記した逆流を相殺するための吸引力をエジェクタに発生させることができる。

本技術の一実施形態では、前記供給路に配置されている第１圧力センサと、前記還流路に配置されている第２圧力センサと、をさらに備えてもよい。このような構成によると、コントローラは、各圧力センサの検出した圧力に応じて、エジェクタの吸引力を制御することができる。

（実施形態）
図１を参照して第１実施形態の燃料電池システム１００について説明する。燃料電池システム１００は、燃料電池２と、気液分離器４と、排気排水バルブ６と、燃料ガスタンク８と、エジェクタ１０と、コントローラ２０と、を備える。燃料電池システム１００は、燃料ガスタンク８内に収容される燃料成分ガス（例えば、水素ガス）と、空気に含まれる酸化剤ガス（例えば、酸素ガス）と、を燃料電池２の内部で反応させて発電するためのシステムである。燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

図示は省略したが、燃料電池２の内部には、固体高分子型の複数のセルを積層した積層体が収容されている。燃料電池２には、燃料ガス供給口２ｓを介して、燃料成分ガスを含む燃料ガスが供給される。燃料電池２には、空気供給口２ｇを介して空気が供給される。供給された燃料ガス中の水素ガス（すなわち、燃料成分ガス）と、空気中の酸素ガスと、が燃料電池２内で化学反応することで、燃料電池２が発電する。燃料電池２は、燃料ガス排気口２ｅと、空気排気口２ｒと、をさらに備える。燃料ガス排気口２ｅを介して、燃料電池２を通過した燃料ガス（以下では、オフガスと称することがある）が燃料電池２から排出される。空気排気口２ｒを介して、燃料電池２を通過した空気が燃料電池２から排出される。なお、図示は省略したが、空気供給口２ｇには、燃料電池２に空気を供給する空気供給路が接続されており、空気排気口２ｒには、空気排出路が接続される。

燃料電池システム１００は、供給路３ｓと、還流路３ｅと、をさらに備える。供給路３ｓは、燃料ガスタンク８と、燃料電池２の燃料ガス供給口２ｓと、を接続するパイプである。供給路３ｓは、燃料ガスタンク８の下流側（すなわち、燃料電池２側）で第１供給路３１と第２供給路３２とに分岐する。第１供給路３１は、第１制御バルブ２１を介してエジェクタ１０に接続される。第２供給路３２は、第２制御バルブ２２を介してエジェクタ１０に接続される。第１供給路３１および第２供給路３２によって、燃料ガスタンク８内の燃料成分ガスがエジェクタ１０に供給される。第１供給路３１および第２供給路３２は、エジェクタ１０で合流する。その結果、エジェクタ１０の下流側では、供給路３ｓは、一本の流路として燃料電池２の燃料ガス供給口２ｓに接続される。このように、供給路３ｓは、燃料ガスタンク８内の燃料成分ガスを、燃料ガス供給口２ｓへ供給する。供給路３ｓには、その内部の圧力を検出する第１圧力センサ５ｓが配置されている。

還流路３ｅは、燃料ガス排気口２ｅと、エジェクタ１０と、を接続するパイプである。還流路３ｅには、燃料ガス排気口２ｅを介して、燃料電池２からオフガスが排出される。還流路３ｅには、気液分離器４が配置されている。気液分離器４は、還流路３ｅ内のオフガス中の水分を分離する。排気排水バルブ６が開くと、オフガスと分離して気液分離器４の底部に溜まった水分が、還流路３ｅから排出される。還流路３ｅには、内部の圧力を検出する第２圧力センサ５ｅが配置されている。

コントローラ２０は、第１制御バルブ２１と、第２制御バルブ２２と、を制御する。燃料ガスタンク８内の圧力は、供給路３ｓ内の圧力よりも高い。第１制御バルブ２１が開弁されると、燃料ガスタンク８内の燃料成分ガスが、第１供給路３１を介してエジェクタ１０に供給される。同様に、第２制御バルブ２２が開弁されると、燃料ガスタンク８内の燃料成分ガスが、第２供給路３２を介してエジェクタ１０に供給される。第１制御バルブ２１は、典型的にはリニアソレノイドバルブであり、その開度を調整可能である。一方、第２制御バルブ２２は、典型的にはオンオフバルブであり、全開状態と全閉状態とに保持可能である。コントローラ２０は、燃料ガスの供給量の目標値に応じて、第１制御バルブ２１、第２制御バルブ２２を開弁する。コントローラ２０は、各圧力センサ５ｓ、５ｅから、検出した圧力を取得する。

図２に示されるように、エジェクタ１０は、第１ノズル１１と、第２ノズル１２と、混合部１８と、を備える。第１ノズル１１は、第１制御バルブ２１に第１供給路３１を介して接続され、第２ノズル１２は、第２制御バルブ２２に第２供給路３２を介して接続される。エジェクタ１０には、還流路３ｅがさらに接続される。各ノズル１１、１２は、ともに中空形状を有しており、図２では断面で示されている。各ノズル１１、１２の径は、ともに下流側（すなわち、燃料電池２側）ほど小さくなるように徐変している。混合部１８は、各ノズル１１、１２と連通している。例えば、燃料成分ガスＧ１が第１ノズル１１を通過すると、小さく徐変した第１ノズル１１の出口では、燃料成分ガスＧ１の流速が速くなる。流速が速い燃料成分ガスＧ１によって、混合部１８の第１ノズル１１の出口周辺の空気が引っ張られる。その結果、第１ノズル１１の出口周辺の圧力が低下する。このため、エジェクタ１０の混合部１８には、還流路３ｅのオフガスＧ２を引き込む吸引力Ｆ１が発生する。エジェクタ１０は、吸引力Ｆ１によって、オフガスＧ２を混合部１８に取り込む。エジェクタ１０は、オフガスＧ２と燃料成分ガスＧ１とを混合した燃料ガスを、供給路３ｓを介して燃料電池２に供給する。このように、エジェクタ１０は、オフガスＧ２を供給路３ｓに還流させる。

先に述べたように、オフガスＧ２は、燃料電池２の燃料ガス排気口２ｅから排出された、発電後（すなわち、水素ガスと酸素ガスとが反応した後）の燃料ガスである。しかしながら、オフガスＧ２には、発電により生じた不純物（例えば、窒素、水蒸気）に加え、未反応のまま燃料電池２を通過した水素ガス（すなわち、燃料成分ガス）が含まれる。エジェクタ１０は、燃料ガスタンク８から供給される燃料成分ガスＧ１に加え、オフガスＧ２を、燃料電池２に供給する。これにより、未反応のまま燃料電池２を通過した燃料成分ガスを、発電に利用することができる。

図２に示されるように、第２ノズル１２の径は、第１ノズル１１の径よりも小さい。第２ノズル１２は、比較的少量の燃料成分ガスを燃料電池２に供給する場合に用いられる。第２ノズル１２を介して燃料成分ガスを供給する場合も、第１ノズル１１を介して燃料成分ガスＧ１を供給する場合と同様に、エジェクタ１０には、オフガスＧ２を引き込む吸引力が発生する。コントローラ２０（図１参照）は、上位コントローラ（図示省略）から、例えば燃料電池車両のアクセルの踏込量に応じた、燃料電池２に供給すべき燃料ガスの供給量の目標値を取得する。コントローラ２０は、取得した目標値に応じて、どちらのノズルを介して燃料ガスを供給するかを判定する。コントローラ２０は、判定済みのノズルに接続される制御バルブに対して、開弁を指示する信号を送信する。これにより、コントローラ２０は、目標値の供給量の燃料ガスを燃料電池２に供給する。

図３を参照して、第１制御バルブ２１の開度と、エジェクタ１０に供給される燃料成分ガスの量である燃料成分ガス供給量Ｓｆと、エジェクタ１０が混合部１８（図２参照）に取り込むオフガスの量であるオフガス取込量Ｃｆと、の関係について説明する。図３では、コントローラ２０が通常運転を実行する場合のそれらの関係について説明する。図３では、第１制御バルブ２１が完全に開弁する開度を第１開度Ａ１で示し、完全に閉弁する開度を全閉開度Ａ０で示している。なお、以下では、主にコントローラ２０が通常運転実行時に第１制御バルブ２１を断続的に開弁した場合について説明するが、第２制御バルブ２２についても、同様である。

通常運転実行時では、コントローラ２０は、取得した目標値Ｓ１に基づいて、第１制御バルブ２１をオンオフするデューティ比を決定する。コントローラ２０は、決定したデューティ比に基づいて、第１制御バルブ２１を第１開度Ａ１で断続的に開弁する。その結果、図３に示されるように、最大供給量Ｓｍの燃料成分ガスＧ１が、エジェクタ１０に断続的に供給される。目標値Ｓ１に対応するデューティ比で、第１制御バルブ２１が断続的に開弁されると、所定時間ｔ１の間に通常時供給量Ｓｎの燃料成分ガスがエジェクタ１０（図２参照）に供給される。

先に述べたように、エジェクタ１０（図２参照）は、燃料成分ガスＧ１がノズルを通過する際に発生する吸引力によって、オフガスＧ２を取り込む。そのため、図３に示されるように、オフガス取込量Ｃｆは、燃料成分ガスＧ１の断続的な供給に同期するように、エジェクタ１０に取り込まれる。第１制御バルブ２１が目標値Ｓ１に応じたデューティ比で断続的に開弁されると、所定時間ｔ１の間に通常時取込量Ｃｎのオフガスがエジェクタ１０内に取り込まれる。

図４の破線矢印に示されるように、コントローラ２０（図１参照）が第１制御バルブ２１をオンオフ制御する場合、燃料成分ガス供給量Ｓｆおよびオフガス取込量Ｃｆは、第１制御バルブ２１の開度が第１開度Ａ１である場合にともに最大となり、全閉開度Ａ０である場合にともにゼロとなる。第１制御バルブ２１が断続的に開弁されると、通常時供給量Ｓｎの燃料成分ガスに加え、通常時取込量Ｃｎのオフガスも燃料電池２に供給される。燃料ガスの供給量の目標値Ｓ１は、通常時供給量Ｓｎと通常時取込量Ｃｎ合計値である。通常運転が実行されている場合、コントローラ２０は、第１制御バルブ２１を第１開度Ａ１で断続的に開弁することで、オフガスＧ２を含んだ目標値Ｓ１の燃料ガスを燃料電池２に供給する。

先に述べたように、オフガスＧ２は、燃料成分ガス（すなわち、水素ガス）に加え、反応後の不純物（例えば、窒素、水蒸気）も含んでいる。このため、燃料ガスタンク８から供給された燃料成分ガスＧ１にオフガスＧ２を加えた場合、燃料電池２に供給される水素ガスの濃度が低下する。すなわち、オフガスＧ２を含む燃料ガスは、その水素ガスの濃度が低い。ここで、例えば外気温が低い条件下では、燃料電池２（図１参照）の内部に凍結が発生することがある。この場合、燃料電池２の発電する熱によって凍結を早期に解消することが求められる。しかしながら、凍結が発生すると、当該部位では、反応後の不純物が還流路３ｅ（図１参照）に適切に排出されず、燃料電池２の内部に残留することがある。その結果、凍結が発生した部位では、水素の濃度が低下する。このような状態で、水素濃度が低い燃料ガスを燃料電池２に供給すると、凍結が発生した部分の水素濃度がさらに低下し、燃料電池２の発電が適切に行われないおそれがある。その結果、燃料電池２の凍結が解消されにくくなる。

ここで、燃料電池２（図１参照）に凍結が発生すると、燃料電池２内に不純物が残留するため、供給路３ｓ（図１参照）内の燃料ガスの量に対する還流路３ｅ内のオフガスの量が低下する。その結果、燃料電池２に供給される供給路３ｓ内の燃料ガスの量に対して、燃料電池２から排出される還流路３ｅ内のオフガスの量が小さくなる。このため、燃料電池２に凍結が発生すると、還流路３ｅ内の圧力が、供給路３ｓ内の圧力に対して小さくなる。コントローラ２０は、第１圧力センサ５ｓから取得した供給路３ｓ内の圧力と、第２圧力センサ５ｅから取得した還流路３ｅ内の圧力とを比較し、その差が所定の閾値を超えて大きくなった場合に、燃料電池２内に凍結が発生していると判定する。コントローラ２０は、この場合、コントローラ２０は、図３で説明した通常運転に代えて、以下に説明する特定運転を実行する。

特定運転実行時に目標値Ｓ１を取得した場合、コントローラ２０は、図５に示されるように、所定時間ｔ１の間、第１制御バルブ２１を第２開度Ａ２に保持する。本実施形態では、第２開度Ａ２は、目標値Ｓ１の燃料成分ガスＧ１（図２参照）を供給するための第１制御バルブ２１の開度であり、第１開度Ａ１よりも小さい。コントローラ２０は、第１制御バルブ２１を、第２開度Ａ２で連続的に開弁する。その結果、目標値Ｓ１の燃料成分ガスＧ１が燃料電池２に供給される。

先に述べたように、エジェクタ１０（図２参照）は、各ノズル１１、１２を通過する燃料成分ガスＧ１の量に応じた吸引力によって、オフガスＧ２を混合部１８に取り込む。そのため、図６に示されるように、燃料成分ガス供給量Ｓｆが小さくなると、エジェクタ１０の吸引力も弱まり、オフガス取込量Ｃｆも小さくなる。燃料成分ガス供給量Ｓｆがさらに小さくなり、第１ノズル１１（図２参照）の出口における圧力の低下がなくなると、オフガス取込量Ｃｆは、ゼロになる。すなわち、この場合、エジェクタ１０は、オフガスＧ２を取り込まない。

実施例のエジェクタ１０では、燃料成分ガス供給量Ｓｆが目標値Ｓ１の場合に、オフガス取込量Ｃｆがゼロとなる。コントローラ２０が目標値Ｓ１に応じた第２開度Ａ２で、第１制御バルブ２１を連続的に開弁すると、エジェクタ１０の第１ノズル１１は吸引力Ｆ１（図２参照）を発生させない。エジェクタ１０は、還流路３ｅ内のオフガスＧ２を取り込まない。このように、コントローラ２０は、第１制御バルブ２１を第２開度Ａ２で連続的に開弁することで、エジェクタ１０のオフガスＧ２を取り込む機能を一時的に停止させる。これにより、オフガスＧ２の供給路３ｓ（図２参照）への還流が停止する。その結果、目標値Ｓ１の燃料成分ガスＧ１のみが、燃料ガスとして燃料電池２に供給される。すなわち、同じ目標値Ｓ１の燃料ガスであっても、特定運転実行時の燃料ガスは、通常運転実行時の燃料ガスよりも、高濃度の水素ガス（すなわち、燃料成分ガス）を含む。

また、オフガス取込量Ｃｆがゼロとなる燃料成分ガス供給量Ｓｆの値（以下、吸引力未発生供給値と称する）は、第１ノズル１１の形状、燃料ガスタンク８（図１参照）内の圧力、第１供給路３１の径等に応じて変わり得る。例えば、特定運転実行時における目標値Ｓ２が、目標値Ｓ１（すなわち、吸引力未発生供給値）よりも小さい場合には、図６に示されるように、オフガス取込量Ｃｆがマイナスとなる。このため、目標値Ｓ２が吸引力未発生供給値よりも小さい場合、エジェクタ１０の混合部１８内の圧力が還流路３ｅに対して正圧となり、図７に示されるように、混合部１８に排出力Ｆ２が生じる。その結果、排出力Ｆ２によって、混合部１８内の燃料成分ガスＧ１が、還流路３ｅに逆流するおそれがある。

目標値Ｓ２が吸引力未発生供給値よりも小さい場合には、コントローラ２０は、目標値Ｓ２に応じる開度であって、第２開度Ａ２よりもさらに小さい開度で、第１制御バルブ２１を連続的に開弁する。さらに、コントローラ２０は、第２制御バルブ２２を、比較的小さいデューティ比で断続的に開弁する。これにより、第２ノズル１２を少量の燃料成分ガスＧ３が通過し、第２ノズル１２の出口周辺が負圧になる。その結果、第２ノズル１２の出口周辺に、吸引力Ｆ３が発生する。この吸引力Ｆ３が、排出力Ｆ２と相殺し、燃料成分ガスＧ１が混合部１８から還流路３ｅに逆流することを防止する。また、先に述べたように、第２ノズル１２の径は、第１ノズル１１の径よりも小さい。このため、第２ノズル１２を燃料成分ガスＧ３が通過する場合、その出口における燃料成分ガスＧ３の流速は、第１ノズル１１を燃料成分ガスＧ１が通過する場合の流速に比して速くなる。その結果、混合部１８に、比較的早いタイミングで吸引力Ｆ３が生じる。径の異なる２つのノズルを用いることで、吸引力を発生させるタイミングを制御することができる。

図８を参照して第２実施例の燃料電池システム１００ａについて説明する。燃料電池システム１００ａは、図１の燃料電池システム１００のエジェクタ１０を、エジェクタ１０ａに変更したものである。図８に示されるように、第２実施例のエジェクタ１０ａは、第１ノズル１１ａのみを備えており、第２ノズル１２（図２参照）を備えていない。そのため、燃料電池システム１００ａは、第２供給路３２（図１参照）および第２制御バルブ２２を備えていない。

燃料電池システム１００ａにおいても、コントローラ２０（図２参照）は、通常運転実行時では、目標値Ｓ１に応じたデューティ比で、第１制御バルブ２１を第１開度Ａ１（図５参照）で断続的に開弁する。これにより、エジェクタ１０ａにオフガスを取り込む吸引力が発生し、オフガスを含んだ燃料ガスを燃料電池２（図１参照）に供給することができる。一方、特定運転実行時では、コントローラ２０は、第１開度Ａ１よりも小さい第２開度Ａ２で連続的に開弁する。また、コントローラ２０は、吸引力未発生供給値よりも小さい目標値Ｓ２を取得した場合、目標値Ｓ２に応じたデューティ比で第１制御バルブ２１を断続的に開弁してもよい。第１制御バルブ２１の開度を第１開度Ａ１よりも小さくすることで、還流路３ｅから取り込むオフガスの量を低減することができる。これにより、燃料ガスの水素濃度を向上させることができる。

以上、実施形態について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。上記の実施形態の変形例を以下に列挙する。

（変形例１）上述した実施形態では、通常運転実行時に目標値Ｓ１に応じた通常時供給量Ｓｎの燃料成分ガスＧ１を燃料電池２に供給するために、第１制御バルブ２１が断続的に開弁される。変形例では、これに代えて、コントローラ２０は、第２制御バルブ２２を断続的に開弁してもよい。

（変形例２）第２ノズル１２の径は、第１ノズル１１の径と同じであってもよい。

（変形例３）コントローラ２０は、特定運転時に、目標値Ｓ１に応じた開度で第２制御バルブ２２を連続的に開弁してもよい。

（変形例４）第２制御バルブ２２は、角度が調整可能なリニアソレノイドバルブであってもよい。

（変形例５）上述した実施形態では、コントローラ２０は、各圧力センサ５ｓ、５ｅの圧力差が閾値を超えた場合に、燃料電池２に凍結が発生していると判定して特定運転を実行した。変形例では、これに代えて、コントローラ２０は、外気温が閾値以下となった場合に、燃料電池２に凍結が発生していると判定して特定運転を実行してもよい。また、コントローラ２０は、燃料電池２の凍結以外であっても、高濃度の燃料成分を含む燃料ガスの供給が必要な場合に、特定運転を実行してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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様々に変形、変更したものが含まれる。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合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合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し得るものであり、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。

２ ：燃料電池
２ｅ ：燃料ガス排気口
２ｇ ：空気供給口
２ｒ ：空気排気口
２ｓ ：燃料ガス供給口
３ｅ ：還流路
３ｓ ：供給路
４ ：気液分離器
５ｓ ：第１圧力センサ
５ｅ ：第２圧力センサ
６ ：排気排水バルブ
８ ：燃料ガスタンク
１０ ：エジェクタ
１０ａ ：エジェクタ
１１、１１ａ ：第１ノズル
１２ ：第２ノズル
１８ ：混合部
２０ ：コントローラ
２１ ：第１制御バルブ
２２ ：第２制御バルブ
３１ ：第１供給路
３２ ：第２供給路
１００ ：燃料電池システム
１００ａ ：燃料電池システム
Ａ０ ：全閉開度
Ａ１ ：第１開度
Ａ２ ：第２開度
Ｃｆ ：オフガス取込量
Ｆ１、Ｆ３ ：吸引力
Ｆ２ ：排出力
Ｇ１、Ｇ３ ：燃料成分ガス
Ｇ２ ：オフガス
Ｓ１、Ｓ２ ：目標値

Claims (6)

1. 燃料ガスに含まれる燃料成分を反応させて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の供給口に接続されており、前記供給口へ前記燃料ガスを供給する供給路と、
   前記供給路に設けられているとともに、その開度を調整可能な制御バルブと、
   前記供給路の前記制御バルブと前記燃料電池との間の区間に設けられたエジェクタと、
   前記燃料電池の排気口と前記エジェクタとの間に接続されており、前記排気口から排出されたオフガスを前記エジェクタが発生する吸引力によって前記供給路へ還流させる還流路と、
   前記制御バルブを制御するコントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、
   前記燃料ガスの供給量に関する目標値に応じたデューティ比で、少なくとも一つの前記制御バルブを断続的に開弁する通常運転と、
   前記通常運転よりも前記燃料成分を高濃度に含む燃料ガスを前記燃料電池へ供給するための特定運転と、を選択的に実行可能であり、
   前記通常運転では、前記燃料電池へ前記燃料ガスを第１供給量で供給するときに、前記制御バルブが第１開度で断続的に開弁され、
   前記特定運転では、前記燃料電池へ前記燃料ガスを前記第１供給量で供給するときに、前記制御バルブが前記第１開度よりも小さい第２開度で連続的又は断続的に開弁される、
   燃料電池システム。
2. 第２制御バルブをさらに備え、
   前記エジェクタは、
   前記制御バルブから前記燃料ガスが供給される第１ノズルと、
   前記第２制御バルブから前記燃料ガスが供給される第２ノズルと、
   を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第２ノズルの径は、前記第１ノズルの径よりも小さい、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記通常運転では、前記燃料電池へ前記燃料ガスを前記第１供給量で供給するときに、前記制御バルブに代えて、前記第２制御バルブが断続的に開弁される、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第２制御バルブは、前記特定運転においても断続的に開弁される、請求項３または４に記載の燃料電池システム。
6. 前記供給路に配置されている第１圧力センサと、
   前記還流路に配置されている第２圧力センサと、をさらに備えている、請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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