JP3572401B2

JP3572401B2 - 燃料電池システムの燃料循環装置

Info

Publication number: JP3572401B2
Application number: JP2001378663A
Authority: JP
Inventors: 努山崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-12-12
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2004-10-06
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: JP2003178779A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両等に好適な広範囲の運転領域で燃料循環性能を向上させた燃料電池システムの燃料循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおいて、特開平９−２１３３５３号公報等に開示されている燃料循環装置が知られている。この従来技術は、燃料ガス流路に排ガスを循環させるエゼクタを備え、新規燃料ガスを駆動源として、新規燃料ガスと燃料電池から排出された未反応燃料ガスを含む排ガスとを混合させて燃料電池に供給する燃料循環装置である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムを車両の動力源に適用する場合、アイドリング状態から高速時のスロットル全開状態まで広範囲に負荷が変動する。このため、車両用燃料電池システムにおいては、単位時間の燃料消費量が大幅に変動することになる。
【０００４】
従って、上記燃料電池システムの燃料循環装置において、アイドリング状態から高負荷までの広い運転範囲に亘って高い発電効率を維持するためには、広範囲の燃料流量において、エゼクタの循環比をなるべく高くしておきたい。しかしエゼクタの特性上、高い効果が得られる流量域は限られてしまう。
【０００５】
例えば、アイドルから高い循環性能を得るには、エゼクタのノズル径を小さくする必要がある。しかし、ノズル径が小さい場合には、圧損が大きく小さい流量でも圧力調整弁の２次圧の最大値に達してしまい、供給量を大きくすることに制限がある。
【０００６】
これに対し供給量を大きくするべく、エゼクタのノズル径を拡大すれば、供給量は増大するものの循環比は低下する。
【０００７】
このように、エゼクタに要求される供給量と循環比は、ノズル径に対して相反する関係にある。
【０００８】
そこで燃料電池システムにおける燃料ガスの循環装置としては、図１０に示すように、大小２つのエゼクタを配置し、各エゼクタにそれぞれ圧力調整弁を設けて燃料の必要量を確保しようとする燃料循環装置が考えられる。
【０００９】
また、図１１に示すように、大小２つのエゼクタの上流に圧力調整弁を並列に配置することで、燃料の必要量を確保し、圧力調整弁と各エゼクタとの間に流量制御弁を設け、燃料電池の負荷に応じてエゼクタへの燃料の供給を切り替える燃料循環装置が考えられる。
【００１０】
しかしながら、このような燃料循環装置においては、アイドルから低負荷をカバーするノズル径が小さい第１エゼクタから、高負荷時に使用するノズル径が大きい第２エゼクタに切り替えた際に、循環比が大きく低下するという問題点があった。
【００１１】
図１０に示すような構成の燃料循環装置においては、その循環比（循環流量／供給流量）は、図１２に示すようになり、また図１１に示すような構成の燃料循環装置においては、循環比は、図１３に示すようになる。
【００１２】
いづれの燃料循環装置においても、大小のノズル径を有するエゼクタへの燃料ガスの供給を単に切替えただけでは、循環特性は、図１２、図１３に示すようにその流路の切替えとともに、大きく変動するという問題点がある。
【００１３】
また、小ノズルの第１エゼクタは圧損が大きく、その上流に位置する圧力調整弁には流量としては供給余力があるにもかかわらず、圧力が上限に達するために流量上限が決まってしまうという問題点がある。
【００１４】
一方、大ノズルの第２エゼクタでは供給できる流量が大きいため、その上流に位置する圧力調整弁は、流量上限値の高い大きな弁が必要になるという問題点がある。
【００１５】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、広範囲の運転領域において、燃料ガスの高い循環比を得ることができる燃料電池システムの燃料循環装置を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明は、燃料電池に新規に供給する燃料ガスを駆動流として、燃料電池から排出されたガスを循環させる燃料電池システムの燃料循環装置において、第１エゼクタと、第１エゼクタの新規ガス供給口に供給する新規燃料ガスの圧力を調整する第１圧力調整弁と、第１エゼクタよりもノズル径の大きな第２エゼクタと、第２エゼクタの新規ガス供給口に供給する新規燃料ガスの圧力を調整する第２圧力調整弁と、第１及び第２圧力調整弁の下流部間の連通または遮断を燃料電池の運転状態によって切り替える流路切替弁と、を備え、第１エゼクタの下流と第２エゼクタの下流とを合流させる合流点を介して燃料ガスを燃料電池に供給する一方、燃料電池から排出されるガスを第１及び第２エゼクタに循環させることを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量より小さい第１運転領域では、前記流路切替弁を遮断させて、第１圧力調整弁を介して第１エゼクタに新規燃料ガスを供給し、燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量より大きい第２運転領域では、前記流路切替弁を連通させて、第１及び第２圧力調整弁を介して第２エゼクタに新規燃料ガスを供給することを要旨とする。
【００１８】
上記目的を達成するため請求項３記載の発明は、請求項２記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、前記第１所定流量は、第１エゼクタの供給流量上限未満に設定したことを要旨とする。
【００１９】
上記目的を達成するため請求項４記載の発明は、請求項２または請求項３記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量を超え第１所定流量より大きい第２所定流量未満の第３運転領域では、前記流路切替弁を遮断させて、第１エゼクタも使用することを要旨とする。
【００２０】
上記目的を達成するため請求項５記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、第２所定流量は、第１エゼクタの供給流量上限値と第２圧力調整弁の流量上限値との合計値未満であることを要旨とする。
【００２１】
上記目的を達成するため請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、前記流路切替弁の下流及び第１圧力調整弁下流で、且つ第１エゼクタの新規ガス供給口上流に、開閉弁を設けたことを要旨とする。
【００２２】
上記目的を達成するため請求項７記載の発明は、請求項６記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、前記流路切替弁の連通時に前記開閉弁を閉じることを要旨とする。
【００２３】
上記目的を達成するため請求項８記載の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、燃料電池の発電を停止する際には、燃料電池上流の全ての弁を上流側から順に閉めることを要旨とする。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、燃料電池に新規に供給する燃料ガスを駆動流として、燃料電池から排出されたガスを循環させる燃料電池システムの燃料循環装置において、第１エゼクタと、第１エゼクタの新規ガス供給口に供給する新規燃料ガスの圧力を調整する第１圧力調整弁と、第１エゼクタよりもノズル径の大きな第２エゼクタと、第２エゼクタの新規ガス供給口に供給する新規燃料ガスの圧力を調整する第２圧力調整弁と、第１及び第２圧力調整弁の下流部間の連通または遮断を燃料電池の運転状態によって切り替える流路切替弁と、を備え、第１エゼクタの下流と第２エゼクタの下流とを合流させる合流点を介して燃料ガスを燃料電池に供給する一方、燃料電池から排出されるガスを第１及び第２エゼクタに循環させるようにしたので、高負荷時に流路切替弁を連通させて第１及び第２圧力調整弁を介して大流量の新規ガスを第２エゼクタに供給できるようになり、広範囲の運転領域で燃料ガスの高い循環比を得ることができる燃料電池システムの燃料循環装置を提供するという効果がある。
【００２５】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量より小さい第１運転領域では、前記流路切替弁を遮断させて、第１圧力調整弁を介して第１エゼクタに新規燃料ガスを供給し、燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量より大きい第２運転領域では、前記流路切替弁を連通させて、第１及び第２圧力調整弁を介して第２エゼクタに新規燃料ガスを供給するようにしたので、請求項１記載の発明の効果に加えて、第１運転領域では第１エゼクタによる高い循環比が得られると共に、第２運転領域では、第２エゼクタに第１圧力調整弁及び第２圧力調整弁を介して大流量の新規燃料ガスを供給することができるという効果がある。
【００２６】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、前記第１所定流量は、第１エゼクタの供給流量上限未満に設定したことにより、請求項２記載の発明の効果に加えて、第１エゼクタの圧損による供給流量上限に達する前に第２エゼクタに切り替えて新規燃料ガスを供給することができるという効果がある。
【００２７】
請求項４記載の発明によれば、請求項２または請求項３記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量を超え第１所定流量より大きい第２所定流量未満の第３運転領域では、前記流路切替弁を遮断させて、第１エゼクタも使用するようにしたので、請求項２または請求項３記載の発明の効果に加えて、第３運転領域における循環比を高めることができるという効果がある。
【００２８】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、第２所定流量は、第１エゼクタの供給流量上限値と第２圧力調整弁の流量上限値との合計値未満であるようにしたので、請求項４記載の発明の効果に加えて、第３運転領域から第２運転領域へ円滑に運転領域の切替を行うことができるという効果がある。
【００２９】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、前記流路切替弁の下流及び第１圧力調整弁下流で、且つ第１エゼクタの新規ガス供給口上流に、開閉弁を設けたことにより、請求項１ないし請求項５記載の発明の効果に加えて、運転領域に応じて第１エゼクタに駆動流が流入することを停止させることができるという効果がある。
【００３０】
請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、前記流路切替弁の連通時に前記開閉弁を閉じるようにしたので、高負荷時に、第１及び第２圧力調整弁からからの新規燃料ガス全てを第２エゼクタに流すことができ、エゼクタの循環性能を向上させることができるという効果がある。
【００３１】
請求項８記載の発明によれば、請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の燃料電池システムの燃料循環装置において、燃料電池の発電を停止する際には、燃料電池上流の全ての弁を上流側から順に閉めるようにしたので、請求項１ないし請求項７記載の発明の効果に加えて、新規燃料ガスの元弁部から下流の容積内を大気で満たす、或いは、燃料ガスの濃度を安全上問題の範囲まで低下させることができるという効果がある。
【００３２】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池システムの燃料循環装置の第１の実施形態の構成を図１の燃料系構成図を参照して説明する。
【００３３】
図１において、燃料電池システムは、燃料ガスである水素を高圧に圧縮した状態で貯蔵する水素ボンベ１と、水素ボンベ１の高圧水素を減圧して第１エゼクタ５に供給する第１圧力調整弁２と、水素ボンベ１の高圧水素を減圧して第２エゼクタ６に供給する第２圧力調整弁３と、水素と図示しない空気供給系から酸化剤ガスとしての空気が供給され、水素と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック４と、燃料電池スタック４からの排出燃料ガスを循環させる並列に接続された第１エゼクタ５及び第２エゼクタ６と、第１及び第２圧力調整弁の下流部間の連通または遮断を燃料電池の運転状態によって切り替える流路切替弁７と、第１エゼクタ５及び第２エゼクタ６のそれぞれの下流を開閉する第１開閉弁８及び第２開閉弁９と、燃料電池スタック４の電圧及び電流を検出することによりスタック出力を検出するスタック出力検出装置１０と、スタック出力検出装置１０が検出したスタック出力に基づいて第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３、流路切替弁７、第１開閉弁８及び第２開閉弁９の開度または開閉を制御する制御装置１１と、排出燃料ガス、或いは、水、水蒸気、空気等を大気へと排出するためのパージ弁１２とを備えている。
【００３４】
第２エゼクタ６のノズル径は、第１エゼクタ５のノズル径より大きく設定されている。
【００３５】
次に、図２のエゼクタ供給流量に対するエゼクタ圧損を示すグラフを参照して、本発明の作用を説明する。図２（ａ）は、アイドル状態から低負荷時までの第１運転領域における第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３、流路切替弁７、第１開閉弁８及び第２開閉弁９の開閉状態と、エゼクタ供給流量に対するエゼクタ圧損を示すグラフである。図２（ｂ）は、中負荷時の第３運転領域における第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３、流路切替弁７、第１開閉弁８及び第２開閉弁９の開閉状態と、エゼクタ供給流量に対するエゼクタ圧損を示すグラフである。図２（ｃ）は、高負荷時の第２運転領域における第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３、流路切替弁７、第１開閉弁８及び第２開閉弁９の開閉状態と、エゼクタ供給流量に対するエゼクタ圧損を示すグラフである。
【００３６】
図２（ａ）に示すように、燃料電池が起動され、燃料電池がアイドルから低負荷の運転となると、ノズル径が小さい第１エゼクタ５の上流に位置する第１圧力調整弁２及び第１開閉弁８が開き、必要な燃料ガスを第１エゼクタ５を介し、燃料電池へと供給する。燃料電池の出力が負荷の増加に伴い増加すると、圧力調整弁２から燃料ガスの供給量が増加していき、いずれは第１圧力調整弁２の２次圧の最大圧に達する。
【００３７】
さらに燃料電池の出力増加が必要となった場合は、第１エゼクタ５の流量はこれ以上増やせないので第１圧力調整弁２及び第１開閉弁８の状態はそのまま開状態を維持し、ノズル径が大きい第２エゼクタ６の上流に位置する第２圧力調整弁３を開くとともに第２開閉弁９を開き、図２（ｂ）に示す第３運転領域へ移って、必要な燃料を燃料電池スタック４へ供給する。この第３運転領域では、スタック出力の増減に応じて第２圧力調整弁３の開度を調整する。
【００３８】
さらに燃料電池の出力増加が必要となって、第２圧力調整弁３に流れる流量の上限に達した場合、即ち、供給流量が第１エゼクタの流量上限＋第２圧力調整弁の供給流量上限に達した場合には、図２（ｃ）に示すように流路切替弁７を開く第２運転領域として、第１圧力調整弁２からの燃料ガス供給を第２エゼクタ６にも流れるようにする。第２運転領域では、スタック出力の増減に応じて第１圧力調整弁２と第２圧力調整弁３を調整する。
【００３９】
このように、出力の増加（つまり負荷の増加、供給流量の増加）とともに、第１エゼクタのみを使用する第１運転領域から、第１エゼクタと第２エゼクタを独立させながら並列に使用する第３運転領域を経て、流路切替弁７を開いて第１圧力調整弁２と第２圧力調整弁３との出力が合流した流量を第１エゼクタ５と第２エゼクタ６とに並列に供給する第２運転領域へと、スタック出力に応じて切替えることで、図３に示すような循環性能が得られる。
【００４０】
本発明によれば、個々の圧力調整弁の流量上限が第２エゼクタ６の上限流量より低い小型の弁を使った場合でも、大流量必要時には第１圧力調整弁２と第２圧力調整弁３の両方から第２エゼクタ６へガスを供給するので、エゼクタ性能を最大限引き出すことができる。
【００４１】
次に、図４のフローチャートを参照して、燃料循環装置の制御装置の動作を説明する。図４においては、第１運転領域を低負荷、第３運転領域を中負荷、第２運転領域を高負荷とし、スタック出力の判別値Ｐ１とＰ２とを用いて、
【数１】
低負荷＜Ｐ１≦中負荷＜Ｐ２≦高負荷 …（１）
式（１）により、各運転領域を判別している。
【００４２】
これらの判別値は、燃料電池スタック４に供給する燃料ガスの流量が第１所定値、即ち第１エゼクタの圧損が第１圧力調整弁の２次圧の上限となる流量（第１エゼクタの供給流量上限）に対応するスタック出力を予め実験により求めた値をＰ１とし、燃料電池スタック４に供給する燃料ガスの流量が第２所定値、即ち第１エゼクタの供給流量上限と第２圧力調整弁の供給流量上限との和の流量に対応するスタック出力を予め実験により求めた値をＰ２としている。
【００４３】
図４において、燃料電池が起動されたのち、燃料循環装置の制御装置がスタートし、まずステップＳ１０で、スタック出力の検出値（或いは、負荷からのスタック出力指令値）と低負荷領域である第１運転領域のスタック出力上限値Ｐ１とを比較する。スタック出力の検出値がＰ１より小さい場合には、ステップＳ１２で流路切替弁７を閉じ、ステップＳ１４でスタック出力に応じた第１圧力調整弁２の２次圧、或いは、燃料ガス流量となるよう第１圧力調整弁２を調整する。
【００４４】
ステップＳ１０の判定で、スタック出力の検出値が出力上限値Ｐ１より大きい場合、ステップＳ１６で中負荷領域のスタック出力上限値Ｐ２と比較する。スタック出力の検出値がＰ２より小さい場合には、ステップＳ１８で流路切替弁７を閉じ、ステップＳ２０でスタック出力に応じた第２圧力調整弁３の２次圧、或いは、燃料ガス流量となるよう第２圧力調整弁３を調整する。この時、第１圧力調整弁２は、低負荷領域のスタック出力上限値Ｐ１の状態を維持したままである。
【００４５】
ステップＳ１６の判定で、スタック出力の検出値が出力上限値Ｐ２より大きい場合、ステップＳ２２で流路切替弁７を開け、ステップＳ２４でスタック出力に応じた第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３の２次圧、或いは、燃料ガス流量となるよう第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３を調整する。
【００４６】
なお、出力上限値Ｐ１は上述したように第１エゼクタへの供給流量の上限となるような出力に、出力上限値Ｐ２は第１エゼクタの供給流量の上限と第２圧力調整弁の流量上限との和となるような出力に設定する。
【００４７】
〔第２実施形態〕
本発明に係る燃料電池システムの燃料循環装置の第１の実施形態の構成を図５の燃料系構成図を参照して説明する。
【００４８】
第２実施形態と第１の実施形態の構成上の相違は、第１圧力調整弁２下流の第２エゼクタ６への接続流路との分岐点２２から第１エゼクタ５の入口間に第３開閉弁１３を設置していることである。これ以外の構成は、図１に示した第１実施形態の構成と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４９】
第１実施形態との作用の違いは、図６（ｃ）に示すように高負荷（第２運転領域）時に、流路切替え弁７を開くとともに第３開閉弁１３を閉じ、第１圧力調整弁２からの燃料ガス供給が全て第２エゼクタ６に流れるようにすることである。アイドルないし中負荷（第１運転領域及び第３運転領域）では、第３開閉弁１３は開いた状態となり、ガス流路の構成は、第１実施形態と同様である。
【００５０】
このように、本実施形態では、燃料電池スタック４の出力の増加（つまり負荷の増加、供給流量の増加）とともに、図６（ａ）に示すように第１圧力調整弁２から第１エゼクタ５へ燃料ガスを供給する第１運転領域、図６（ｂ）に示すように第１圧力調整弁２から第１エゼクタ５への燃料ガス供給を維持したまま、第２圧力調整弁３から第２エゼクタ６へ燃料ガスを供給する第３運転領域、図６（ｃ）に示すように第１圧力調整弁２と第２圧力調整弁３から第２エゼクタ６へ燃料ガスを供給する第２運転領域へと、順次各弁の開閉状態を切り替えていく。
【００５１】
第２実施形態における制御装置のフローチャートを図７に示す。図７において、第１運転領域を低負荷、第３運転領域を中負荷、第２運転領域を高負荷とし、スタック出力の判別値Ｐ１とＰ２とを用いて、上述の式（１）により、各運転領域を判別している。
【００５２】
図７において、燃料電池が起動されたのち、燃料循環装置の制御装置がスタートし、まずステップＳ３０で、スタック出力の検出値（或いは、負荷からのスタック出力指令値）と低負荷領域である第１運転領域のスタック出力上限値Ｐ１とを比較する。スタック出力の検出値がＰ１より小さい場合には、ステップＳ３２で流路切替弁７を閉じ、第３開閉弁１３を開く。ステップＳ３４でスタック出力に応じた第１圧力調整弁２の２次圧、或いは、燃料ガス流量となるよう第１圧力調整弁２を調整する。
【００５３】
ステップＳ３０の判定で、スタック出力の検出値が出力上限値Ｐ１より大きい場合、ステップＳ３６で中負荷領域のスタック出力上限値Ｐ２と比較する。スタック出力の検出値がＰ２より小さい場合には、ステップＳ３８で流路切替弁７を閉じ、第３開閉弁１３を開く。ステップＳ４０でスタック出力に応じた第２圧力調整弁３の２次圧、或いは、燃料ガス流量となるよう第２圧力調整弁３を調整する。この時、第１圧力調整弁２は、低負荷時の状態を維持したままである。
【００５４】
ステップＳ３６の判定で、スタック出力の検出値が出力上限値Ｐ２より大きい場合、ステップＳ４２で流路切替弁７を開け、第３開閉弁１３を閉じる。ステップＳ４４でスタック出力に応じた第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３の２次圧、或いは、燃料ガス流量となるよう第１圧力調整弁２、第２圧力調整弁３を調整する。
【００５５】
第２実施形態の効果としては、第１エゼクタと第２エゼクタの循環路が共通となっているので、第１実施形態のように第１エゼクタと第２エゼクタの両方から燃料ガスが流出するより、本実施形態のようにノズルの大きい第２エゼクタのみから流出する方が、エゼクタの循環性能は向上する場合がある。
【００５６】
〔第３実施形態〕
上記第１実施形態では、第１エゼクタと第２エゼクタが完全に別体のものを示したが、第３実施形態では、図８に示すような、大小異なる径のノズルを内包した一体型のエゼクタ１４を使用する。また第３実施形態では、エゼクタ１４の大小の出口に、２つの出口に対応した２連の逆止弁１５を開閉弁８，９の替わりに用いている。その他の構成は、第１実施形態と同様である。第３実施形態における制御装置１１による制御も第１実施形態と同様である。またエゼクタは２つのみでなくとも更にエゼクタを追加しても良い。
【００５７】
〔第４実施形態〕
本発明に係る燃料電池システムの燃料循環装置の第４の実施形態の構成を図９の燃料系構成図を参照して説明する。図９では、２つのエゼクタ５，６をまとめて簡略化して表記してある。水素ボンベ１から下流に向って、シャット弁２０、圧力調整弁２，３、エゼクタ５，６、開閉弁８，９、燃料電池スタック４が配置され、燃料電池の排ガス出口とエゼクタ循環路入口がつながれ、その間に排出燃料ガス（水、水蒸気、残水素、窒素等を含む）を排出するためパージ弁１２を設置している。
【００５８】
本実施形態は、発電停止時の各バルブを閉じる順序に特徴がある。燃料電池システムを停止する場合、安全上、水素濃度が高い領域は可能な限り少ない方が好ましい。このため、停止時には、上流に位置するバルブから閉じることにより、水素を大気中に放出することができる。このとき、水素を放出する部位から下流は、天地の上側に位置し、下流にいくに従い下には下がらないようにする必要がある。
【００５９】
燃料電池システムを停止する場合、まずシャット弁２０を閉じる。その後、燃料ガスが大気との密度差で排出されるまでの時間が経過したのちに、圧力調整弁２，３、開閉弁８，９、パージ弁１２の順に閉じる。このように、燃料ガスの上流から順に弁を閉じることにより、シャット弁２０から下流の容積内を大気で満たす、或いは、燃料ガス濃度を安全上、問題のないレベルにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの燃料循環装置の第１実施形態の要部構成を示す燃料系構成図（燃料電池への燃料ガス供給部のみ記載）である。
【図２】第１実施形態の各運転領域における圧力調整弁の２次圧特性を示す図である。
【図３】第１実施形態の循環性能を示す図である。
【図４】第１実施形態における制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図５】本発明に係る燃料電池システムの燃料循環装置の第２実施形態の要部構成を示す燃料系構成図（燃料電池への燃料ガス供給部のみ記載）である。
【図６】第２実施形態の各運転領域における圧力調整弁の２次圧特性を示す図である。
【図７】第２実施形態における制御装置の動作を説明するフローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池システムの燃料循環装置の第３実施形態の要部構成を示す燃料系構成図（燃料電池への燃料ガス供給部のみ記載）である。
【図９】本発明に係る燃料電池システムの燃料循環装置の第４実施形態の要部構成を示す燃料系構成図（燃料電池への燃料ガス供給部のみ記載）である。
【図１０】比較例１の構成図（燃料電池への水素供給部のみ記載）である。
【図１１】比較例２の構成図（燃料電池への水素供給部のみ記載）である。
【図１２】比較例１の循環特性を示す図である。
【図１３】比較例２の循環特性を示す図である。
【符号の説明】
１…水素ボンベ
２…第１圧力調整弁
３…第２圧力調整弁
４…燃料電池スタック
５…第１エゼクタ
６…第２エゼクタ
７…流路切替弁
８…第１開閉弁
９…第２開閉弁
１０…スタック出力検出装置
１１…制御装置
１２…パージ弁
１３…第３開閉弁
１４…エゼクタ（ノズル２つを内包）
１５…逆止弁

Claims

燃料電池に新規に供給する燃料ガスを駆動流として、燃料電池から排出されたガスを循環させる燃料電池システムの燃料循環装置において、
第１エゼクタと、
第１エゼクタの新規ガス供給口に供給する新規燃料ガスの圧力を調整する第１圧力調整弁と、
第１エゼクタよりもノズル径の大きな第２エゼクタと、
第２エゼクタの新規ガス供給口に供給する新規燃料ガスの圧力を調整する第２圧力調整弁と、
第１及び第２圧力調整弁の下流部間の連通または遮断を燃料電池の運転状態によって切り替える流路切替弁と、
を備え、
第１エゼクタの下流と第２エゼクタの下流とを合流させる合流点を介して燃料ガスを燃料電池に供給する一方、燃料電池から排出されるガスを第１及び第２エゼクタに循環させることを特徴とする燃料電池システムの燃料循環装置。
燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量より小さい第１運転領域では、前記流路切替弁を遮断させて、第１圧力調整弁を介して第１エゼクタに新規燃料ガスを供給し、
燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量より大きい第２運転領域では、前記流路切替弁を連通させて、第１及び第２圧力調整弁を介して第２エゼクタに新規燃料ガスを供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの燃料循環装置。
前記第１所定流量は、第１エゼクタの供給流量上限未満に設定したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの燃料循環装置。
燃料電池へ供給する燃料ガスの供給流量が第１所定流量を超え第１所定流量より大きい第２所定流量未満の第３運転領域では、
前記流路切替弁を遮断させて、第１エゼクタも使用することを特徴とする請求項２または請求項３記載の燃料電池システムの燃料循環装置。
第２所定流量は、第１エゼクタの供給流量上限値と第２圧力調整弁の流量上限値との合計値未満であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システムの燃料循環装置。
前記流路切替弁の下流及び第１圧力調整弁下流で、且つ第１エゼクタの新規ガス供給口上流に、開閉弁を設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池システムの燃料循環装置。
前記流路切替弁の連通時に前記開閉弁を閉じることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システムの燃料循環装置。
燃料電池の発電を停止する際には、燃料電池上流の全ての弁を上流側から順に閉めることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の燃料電池システムの燃料循環装置。