JP3593984B2

JP3593984B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP3593984B2
Application number: JP2001008832A
Authority: JP
Inventors: 伸介東倉
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-01-17
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: JP2002216811A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池から排出される排出ガスを、外部より新たに供給される原燃料ガスと混合して燃料電池に再循環させる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素を燃料ガスとして燃料極に供給し、酸素を含んだ空気を空気極に供給することにより、水素と酸素を電気化学的に反応させて直接発電するものであり、小規模でも高い発電効率が得られ、大気汚染物質や地球温暖化ガスのＣＯ２を排出しないので環境的に優れている等のメリットを有する。
【０００３】
この燃料電池における原燃料ガスの消費量を低減すること、並びに、水素の利用率を低めて発電効率を改善することを狙いとして、燃料電池の燃料極からの排出ガスを再循環させ、エゼクタ循環装置で、外部より新たに供給される水素の濃い原燃料ガスと混合させて、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式の燃料電池システムが特開平９−２２７１４号公報等において提案されている。
【０００４】
この種の再循環方式の燃料電池システムにおける発電効率は、再循環させる排出ガス量と、新たに外部から供給する原燃料ガス量とを、ある一定の比率で混合させることで最も良くなることが分かっている。
【０００５】
しかし、排出ガスと原燃料ガスとを混合するエゼクタ循環装置は、入口流量が大きく変わった場合に、入口流量に対する吸引ガス流量の比率を広い範囲で一定に管理することが難しく、従って、この種の燃料電池システムのように、燃料電池の負荷の大小によってエゼクタ循環装置の入ロへの燃料ガス流量が大きく変わるような場合、負荷に対応させるために取り出し電力量を広い幅で取り出そうとすると、全域にわたって排出ガスを一定比率で再循環させるのは難しかった。
【０００６】
そこで、特開平９−２１３３５３号公報に示されるように、再循環ガス回路に備えたガス圧計の信号により、エゼクタ循環装置の原燃料供給弁を調整して原燃料ガス供給量を制御するシステムにおいて、エゼクタ循環装置の吸引口に接続される再循環ガス回路に再循環ガス流量調整弁と再循環ガス流量計とを設けて、燃料電池の負荷に対応して再循環ガスの流量を調整し、更にエゼクタ循環装置の吐出口に圧力計を設け、吐出ガス圧に応じてエゼクタ循環装置に導入する再循環ガスの流量を調整して、エゼクタ循環装置の吐出圧を所定値以上に保持する方式が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術は、流量調整弁や流量計を必要とするためコストアップになる上、最良の状態を保つには、上流の燃料ガス流量調整弁なども同時に制御する必要があるので、制御ロジックが非常に複雑になるという問題点があった。
【０００８】
また、再循環ガス流は、燃料電池本体で生成した水分や燃料電池で燃料ガスを反応させるために加湿した水蒸気を多く含んでいる場合が多い上、エゼクタ循環装置内部での混合流の温度差による凝縮生成水も出来やすいので、これらの水分が原因となるエゼクタ故障が生じた場合に、システムが運転できなくなるという問題点があった。
【０００９】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、原燃料ガスと再循環ガスとを広い運転範囲にわたり一定比率で混合することができる燃料電池システムを提供することである。
【００１０】
また本発明の目的は、制御ロジックの簡略化が図れると共に、エゼクタ循環装置の故障に対してフェイルセーフが図れる燃料電池システムを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出ガスを再循環して、新たに水素濃度の高い原燃料ガスに混合させる少なくとも二つの動作特性が異なるエゼクタ循環装置と、前記燃料極から排出される排出ガスを前記エゼクタ循環装置の各吸引口に分岐して導く排出ガス流路と、前記原燃料ガスを前記エゼクタ循環装置の各入口に分岐して導く原燃料ガス流路と、前記エゼクタ循環装置でそれぞれ混合された燃料ガスを各エゼクタ循環装置の出口から導き出して合流させ前記燃料極へ供給する燃料ガス流路とを備えた燃料電池システムであって、前記少なくとも二つのエゼクタ循環装置の動作特性は、入口流量に対する吸引口流量の比率が同一の目標比率となる流量範囲がそれぞれ異なるものであることを要旨とする燃料電池システムである。
【００１２】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタ循環装置は、互いに大きさが異なる２つのエゼクタ循環装置を備え、小さい方のエゼクタ循環装置における前記目標比率となる流量範囲が、大きい方のエゼクタ循環装置における前記目標比率となる流量範囲より小さいことを要旨とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタ循環装置のうちの大きい方のエゼクタ循環装置が循環機能を発揮し得る最小入口燃料ガス流量値が、小さい方のエゼクタ循環装置の内部流れが亜音速流となる時の入口燃料ガス流量値よりも小さいことを要旨とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、前記大きい方のエゼクタ循環装置の吸引口と出口とに、それぞれガス流を遮断する遮断弁を備えたことを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、前記燃料極から排出される排出ガスを再循環して、新たに水素濃度の高い原燃料ガスに混合させる少なくとも二つの動作特性が異なるエゼクタ循環装置と、前記燃料極から排出される排出ガスを前記エゼクタ循環装置の各吸引口に分岐して導く排出ガス流路と、前記原燃料ガスを前記エゼクタ循環装置の各入口に分岐して導く原燃料ガス流路と、前記エゼクタ循環装置でそれぞれ混合された燃料ガスを各エゼクタ循環装置の出口から導き出して合流させ前記燃料極へ供給する燃料ガス流路とを備えた燃料電池システムであって、前記少なくとも二つのエゼクタ循環装置の動作特性は、入口流量に対する吸引口流量の比率が同一の目標比率となる流量範囲がそれぞれ異なる構成としたので、燃料極からの排出ガスを複数系統に分けて循環させるとともに、それぞれ新たに外部から供給される原燃料ガスと混合して燃料電池本体に送入するので、従来例公報の技術のように面倒な制御を行わないですみ、コスト低減と制御ロジックの簡略化が図れるという効果がある。
【００１６】
また、少なくとも二つのエゼクタ循環装置の動作特性は、入口流量に対する吸引口流量の比率が同一の目標比率となる流量範囲が互いに異なっているので、燃料電池の負荷の変化に応じて燃料ガスの流量が大きく変化した場合にも、広い燃料ガス流量の範囲で、再循環させる排出燃料ガス量と、新たに外部から供給する燃料ガス量とを、ある一定の比率で混合することができ、発電効率の向上を図ることができるという効果がある。
【００１７】
また、エゼクタ循環装置が少なくとも二系統になっているために、仮に一方のエゼクタ循環装置が何らかの故障で使用不可能になっても、他方のエゼクタ循環装置で排出ガスを混合させることができるので、システム運転不能にはならないという、フェイルセーフ効果を発揮できる。
【００１８】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明の効果に加えて、前記エゼクタ循環装置は、互いに大きさが異なる２つのエゼクタ循環装置を備え、小さい方のエゼクタ循環装置における前記目標比率となる流量範囲が、大きい方のエゼクタ循環装置における前記目標比率となる流量範囲より小さくなるようにしたので、燃料電池の負荷が小さいときには、主に小さい方のエゼクタ循環装置により排出ガスと原燃料ガスとを混合させ、逆に、燃料電池の負荷が大きいときには、主に大きい方のエゼクタ循環装置により排出ガスと原燃料ガスとを混合させることができ、その結果、広範囲で燃料電池システムの負荷が変化しても常に排出ガスと原燃料ガスとを発電効率が良くなるような比率で混合するので、燃料電池システムの運転範囲が広がるという効果がある。
【００１９】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明の効果に加えて、前記エゼクタ循環装置のうちの大きい方のエゼクタ循環装置が循環機能を発揮し得る最小入口燃料ガス流量値が、小さい方のエゼクタ循環装置の内部流れが亜音速流となる時の入口燃料ガス流量値よりも小さくなるように設定しているので、小さい方のエゼクタ循環装置の能力限界付近でエゼクタ内部のガスの流速が亜音速に達していわゆるチョーク状態となる前に大きい方のエゼクタ循環装置が循環機能を発し始めることができ、エゼクタ循環装置の入口圧力に非常な高圧力を必要とするチョーク領域を避けて広範囲の燃料ガス流量で燃料電池を運転することができるという効果がある。
【００２０】
請求項４の発明によれば、請求項２または請求項３の発明の効果に加えて、前記大きい方のエゼクタ循環装置の吸引口と出口とに、それぞれガス流を遮断する遮断弁を備えたので、低負荷運転時等の入口からのガス流速が遅い領域で負圧や引き込みが発生しにくいことにより、入口側からエゼクタ循環装置に入った原燃料ガスが、エゼクタ循環装置の吸引口から逆に流出する逆流を防止することができるという効果がある。
【００２１】
特に、大きい方のエゼクタ循環装置は、燃料電池が低負荷運転をする小流量時に内部流速が遅くなるので、このような吸引口や出口での逆流が発生しやすい。吸引口からの逆流が発生すると、燃料ガス配管中の凝縮水を回収できなくなったり、燃料電池にて発生した生成水を燃料電池から取り出せなくなったりすることがあり、結果として、燃料電池の固体高分子膜に水滴を付着させてしまい、発電効率が著しく悪くなることがある。この点、本発明では、大きい方のエゼクタ循環装置の吸引口と出口とに遮断弁を設けて、燃料電池システムが低負荷で運転するときなど、大きい方のエゼクタ循環装置での循環流の逆流を完全に遮断することができるので、凝縮水や生成水の燃料電池本体への流入による発電効率の低下を防ぐことができるという効果がある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
実施形態の説明の前に本発明の基本的な構成について述べる。図１は、エゼクタ循環装置の数を２とした場合の本発明の構成を模式的に表す図である。この発明の燃料電池システムは、燃料極２と空気極１０とを有する燃料電池本体１と、燃料極２から排出される排出ガスを再循環して、新たに水素濃度の高い原燃料ガスに混合させる二つのエゼクタ循環装置６ａ、６ｂと、燃料極２から排出される排出ガスをエゼクタ循環装置６ａ、６ｂへ分岐して再循環させる排出ガス流路１８ｄと、水素濃度の高い原燃料ガスが流れる流路１８ａに配され、燃料極２へ供給する燃料ガスの圧力を調整する圧力制御弁５と、圧力制御弁５を通過した原燃料ガスをエゼクタ循環装置６ａ、６ｂに分岐させて導く原燃料ガス流路１８ｂと、エゼクタ循環装置６ａ、６ｂでそれぞれ混合された燃料ガスを燃料極２へ供給するために合流させる燃料ガス流路１８ｃと、を備えている。
【００２３】
図２は、図１の構成を要部として含む、本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成図である。図２において、燃料電池本体１（燃料電池スタックとも呼ばれる）は、燃料ガスが供給される燃料極２と酸化ガスとして空気が供給される空気極１０とを有する。実際は、これに冷却水の配管が組み込まれるが、本図ではガス系のみを示す。燃料極２と空気極１０とは電解質としての固体高分子膜（図示略）を隔ててスタック中で接合されており、燃料極２で電離した水素イオンが固体高分子膜中を移動して空気極１０で酸素と結合する電気化学反応により発電する。
【００２４】
本実施形態では、燃料の水素ガスを直接保有するダイレクト水素供給方式を示している。燃料の水素ガスは、高圧で水素ガスを貯蔵する水素貯蔵タンク４から、圧力制御弁５を介して減圧された上で、燃料電池本体１を含む循環管路に送られる。本実施形態では、水素貯蔵タンク４と圧力制御弁５とを直接つないであるように示しているが、中間減圧をするための中間減圧弁またはアキューム室などを別途設けてもよい。
【００２５】
エゼクタ循環装置（以下、単にエゼクタと呼ぶ）６ａ及び６ｂは、圧力制御弁５から送られて来る水素ガスと、燃料電池本体１の燃料極２を通過した後の排出ガスとを混合して、再度燃料極２へ供給するものである。
【００２６】
エゼクタ６ａ、６ｂから燃料電池本体１までの配管の放熱冷却などにより、水素ガス中の水蒸気が凝結して水分となることが多いので、燃料電池本体１の入口には、ガスとガス中の水分とを分離する機能を果たす水回収装置３が設けられている。そして、燃料電池本体１の燃料極２で水素を消費した後の未反応水素ガスを含む排出ガスは、再び、水回収装置７で水分を回収された上で、エゼクタ６ａ、６ｂへ送られる。
【００２７】
燃料電池本体１の電力出力要求が急に小さくなった場合、循環管路中の水素が燃料電池本体１で消費しきれなくなるので、そのときは、燃料電池本体１の下流に設けたパージ弁８を開き、外部へ放出する。ただし、水素を直接大気へ放出すると燃焼の恐れがあるので、後に説明する余剰空気と共に反応器１４で反応させて大気に放出するようにしている。
【００２８】
燃料電池本体１の燃料極２への供給水素圧力制御は圧力制御弁５にて行うが、その際、燃料極２付近の圧力を検出する方法を用いることが多いので、本実施形態では圧力センサ１７を燃料電池１の入口に設置している。
【００２９】
一方、燃料電池本体１の空気極１０へ空気を送り込む空気供給ラインには、まず、大気を取り込んで圧縮する圧縮機１１が最上流に設置されている。圧縮機１１で圧縮された空気についても、水素と同様に管路中で凝縮して出来た水分を燃料電池本体１の空気極１０に送り込まないために、水回収装置１２で水分を回収した上で、燃料電池本体１の入口に送り込むようにしている。
【００３０】
また、燃料電池本体１の空気極１０で空気中の酸素分を消費して余った空気ガスは、燃料電池本体１内で反応してできた水分を含んでいるから、水回収装置１５を通過させた上で、圧力制御バルブ１６を介して大気へ放出するようになっている。また、余剰空気の一部は、バルブ１３を介して反応器１４に供給できるようになっている。なお、空気圧力を大きくしたい場合には、この圧力制御バルブ１６を閉じ側へ制御することになる。
【００３１】
このように構成した燃料電池システムでは、燃料極２からの排出ガスを二系統に分けて循環させ、それぞれ新たに外部から供給される原燃料ガスと、各系統に備えたエゼクタ６ａ、６ｂにより混合して燃料電池本体１に送入するので、従来技術のように複雑な制御を行わないですみ、コスト低減と制御ロジックの簡略化が図れる。
【００３２】
また、エゼクタ６ａ、６ｂが二系統備わっているので、仮に一系統が何らかの故障で使用不可能になっても、もう一方のエゼクタで排出ガスを混合させることができるので、システム運転不能にはならずフェイルセーフ効果を発揮できる。特に本発明の燃料電池システムを電源として搭載した燃料電池車両においては、故障により路上に停車することを回避して、自宅または最寄りの修理工場まで自力走行できる。
【００３３】
図３はエゼクタ６ａ、６ｂの構造を示す断面図、図４はその特性を簡単に示したものである。図３に示すように、エゼクタ６ａ、６ｂの入口６１から注入された原燃料ガス流は、吸引口（サクション口）６２との合流部の前で絞られて流速が増す。この後、吸引口６２との合流部６３で一度流路が広くなることにより、吸引口６２に対して負圧を発生する。この負圧と、入口６１からの原燃料ガスの流れによって、吸引口６２から再循環ガスが吸引され、エゼクタ６ａ、６ｂ内部で混合流が発生する。混合されたガス流は、圧力損失を最小限にするために徐々に広がっていき、出口６４から出ていく。
【００３４】
エゼクタ６ａ、６ｂの入口６１のガス圧力をＰ１、入口６１のガス流量をＱ１、吸引口６２から吸引される再循環ガスの流量をＱ２とした場合のこれらの関係を図４に示す。図４（ａ）は、入口ガス流量Ｑ１に対する吸引ガス流量Ｑ２の関係を、大きさの異なる大小のエゼクタ毎に示した図である。
【００３５】
大きいエゼクタも小さいエゼクタも、入口ガス流量Ｑ１に対する吸引口６１からのガス流量Ｑ２の比率はある値（例えば１：０．３）になるように設計するのが良いが、前述のとおり、入口６１からのガス流速に応じて発生する負圧と引きずりによって吸引口６２からのガス吸引が生じる関係上、以下の問題が起こる。
【００３６】
即ち、小さいエゼクタの方が流路面積は小さいので、同じ流量を流しても流速が速くなり、ガス吸引が起きやすく、逆に、大きいエゼクタでは、入口側からのガス流量が低流量時には、ガス吸引が生じにくく、目標とする比率まで到達しないこともあり、流量によっては、吸引口から逆に外向きの流れが発生してしまうこともある。
【００３７】
図４（ｂ）は、エゼクタの入口６１のガス流量Ｑ１と、入口６１のガス圧力Ｐ１との関係を示す図である。図４（ａ）と同じく、横軸を入口ガス流量Ｑ１とし、縦軸は入口のガス圧力Ｐ１として示している。小さい方のエゼクタは流路面積が小さいので、流路の圧力損失が大きく、大きい方のエゼクタと同じ流量を流すためには、入口圧力と出口圧力との間で大きな圧力差を要する。
【００３８】
ところが、通常エゼクタの上流には圧力制御弁があり、さらに上流には高圧水素から減圧するアキューム室などがあり、これら圧力制御弁やアキューム室の圧力限度を超えてまで制御することは不可能である。また、小さいエゼクタは同じ流量でも圧力損失が大きく、エゼクタ入口と出口の圧力比が約２倍以上になるとエゼクタの内部流れが亜音速流になり、圧力比に応じた内部流れではなくなるので、所望の流量比が得られないこともある。従って、小さいエゼクタだけでは、燃料電池の負荷が大きい範囲まで流量圧力を網羅することは困難である。
【００３９】
そのため、これら図４の関係から、要求流量範囲に応じた最適な複数エゼクタの組合せを設計する必要がある。図５は、そのような最適な設計をするための原理説明図である（請求項３に相当）。
【００４０】
図５に示すように、小さいエゼクタは、内部流れが亜音速流となる入口ガス圧力Ｐ１≒２×Ｐ３（但しＰ３＝出口ガス圧力）の点Ｄより低流量側の領域で、また、大きいエゼクタは、吸引口からの吸引が目標通りに可能となる流量の点Ｃより大流量側の領域で、それぞれエゼクタの入口流量Ｑ１に対する吸引口流量Ｑ２の比率が目標とする流量比を満足する。
【００４１】
そのため、図５に示すように、小さいエゼクタがチョークを起こす入口流量（点Ｄ）が、大きいエゼクタが循環可能となる入口流量Ｑ１よりも大きい値になるように設定しておくことで、要求流量範囲全域で、入口流量と吸引流量の比率の目標値を実現することが可能になる。
【００４２】
つまり、一つのエゼクタでは、例えばＡ〜Ｄの範囲、あるいは、Ｃ〜Ｂの範囲という狭い範囲でしか比率一定という混合条件を満たすことができないが、特性の異なる二つのエゼクタをうまく使い分けることで、各エゼクタの特性上の不都合を補うことができて、広い流量範囲をカバーできるようになる。従って、燃料電池本体の負荷の大小による流量変動が大きい場合でも、原燃料ガスと再循環ガスの流量比を一定に保つことができ、燃料電池の発電効率の向上に寄与することができる。
【００４３】
図６は、排出ガスの循環流と新気燃料ガス（原燃料ガス）を混合させる流路を二系統にし、それぞれに大きさを異なるエゼクタ６ａ、６ｂを配置した具体例を示す模式断面図である。符号は図１、図２と対応している。図６における圧力制御弁５は、次のように制御される。
【００４４】
図７は、図６の構成において、燃料電池の運転条件から与えられた燃料電池の発電電力目標値ｔＰＷＲを実現するために、どのように圧力制御弁５の弁下流圧ｔＰｒｓＨｅｊを演算するかを示す演算フローチャートである。
【００４５】
この演算フローでは、まず、ステップ７１（以下、ステップをＳと略す）で、燃料電池の発電電力目標値ｔＰＷＲから燃料電池の燃料極における燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨを演算する。演算内容は、図７の右側に示すようにテーブルで与えられ、燃料電池の発電目標値、即ち負荷が大きくなればなるほど、燃料極での燃料ガス圧力が大きくなるように設定されている。
【００４６】
次に、Ｓ７２では、Ｓ７１で得られた燃料極での燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨを実現するために必要な、圧力制御弁直後の圧力目標値（弁下流圧）ｔＰｒｓＨｅｊを演算する。圧力目標値ｔＰｒｓＨｅｊは、圧力制御弁から燃料電池までの燃料ガス流路中の圧力損失を流量に応じてあらかじめ計算しておき、その圧力損失を目標とする燃料電池の燃料極ガス圧力に加えた値として演算する必要があり、図のように、あらかじめ計算してテーブル値として参照する形式にする方が良い。Ｓ７３では、Ｓ７２で演算した圧力制御弁直後の目標値ｔＰｒｓＨｅｊを圧力制御弁の制御装置に送信して、本フローを終了する。
【００４７】
このように、二つのエゼクタ６ａ、６ｂの大きさを大小異なるように設定し、燃料電池の負荷が小さいとき（入口流量Ｑ１が小のとき）には、主に小さい方のエゼクタ６ｂにより排出ガスと原燃料ガスとを一定比率で混合させ、逆に、燃料電池の負荷が大きいとき（入口流量Ｑ１が大のとき）には、大きい方のエゼクタ６ａにより排出ガスと原燃料ガスとを一定比率で混合させるように制御しているので、広い範囲で、燃料電池システムの負荷を変化させることができ、燃料電池システムの運転範囲が広がる。
【００４８】
また、二つのエゼクタ６ａ、６ｂの流量特性の関係を、大きい方のエゼクタ６ａが循環可能となるための入口燃料ガス流量が、小さい方のエゼクタ６ｂの内部流れが亜音速流となる時の入口燃料ガス流量よりも小さくなるように設定しているので、エゼクタ６ｂのチョーク領域を運転範囲に含まずに、広いレンジでの流量制御ができるようになる。
【００４９】
図８は、図６に対し、大きい方のエゼクタ６ａの吸引側流路と出口側流路に遮断弁６６、６７を設けた第２実施形態の要部構成を示す図である（請求項４に相当）。
【００５０】
図９は、図８の構成において、燃料電池の運転条件から与えられた燃料電池の発電電力目標値ｔＰＷＲを実現するために、どのように圧力制御弁５の弁下流圧ｔＰｒｓＨｅｊを演算するかを示す演算フローチャートである。
【００５１】
Ｓ７１は、図７のＳ７１と同じである。Ｓ８２では、燃料電池の燃料極における燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨを用いて、大きい方のエゼクタを主に使う領域か、あるいは、小さい方のエゼクタを主に使う領域かを判断している。閾値としては、ｔｈ＿ＰｒｓＥＪを用いている。
【００５２】
Ｓ８２で、大きい方のエゼクタを主に使う状態と判断したときには、Ｓ８３に進み、大きい方のエゼクタの吸引口側と出口側に設けられた遮断弁６６、６７を開くように指令する。逆に、Ｓ８２で、小さい方のエゼクタを主に使う低負荷状態と判断したときには、Ｓ８４に進み、二つの遮断弁６６、６７を閉じるように指令する。
【００５３】
次に、Ｓ８５では、図７のＳ７２と同様に、Ｓ７１で得られた燃料極での燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨを実現するために必要な、圧力制御弁直後の圧力目標値ｔＰｒｓＨｅｊを演算する。
【００５４】
しかし、図７のフローの場合と異なり、小さい方のエゼクタを使用する低負荷領域では、大きい方のエゼクタにガス流が発生しないように吸引口側と出口側の遮断弁６６、６７を閉じているので、大きい方のエゼクタヘの新気ガス流の流入については考慮する必要が無く、圧力制御弁直後の燃料ガス圧力も比較的大きな値に設定することができる。
【００５５】
この場合も、燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨと圧力制御弁直後の圧力目標値ｔＰｒｓＨｅｊの関係は図の右側のテーブルで与えられている。
【００５６】
Ｓ８６では、Ｓ８５にて演算した圧力制御弁直後の圧力目標値ｔＰｒｓＨｅｊを圧力制御弁の制御装置へ送信して、演算を終了する。
【００５７】
このように遮断弁６６、６７を制御することにより、低負荷運転による小流量時の、大きい方のエゼクタ６ａの逆流の問題が避けられる。従って、凝縮水や生成水の燃料電池への流入による発電効率の低下を防ぐことができる。
【００５８】
図１０は、本発明に係る燃料電池システムにおいて、エゼクタを３つ備えた第３実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【００５９】
第１実施形態との相違は、３つのエゼクタ６ａ、６ｂ、６ｃと、エゼクタ６ａ、６ｂ、６ｃの出口部にそれぞれ圧力制御弁２０ａ、２０ｂ、２０ｃと、エゼクタ６ａ、６ｂ、６ｃの吸引口部にそれぞれ圧力制御弁２１ａ、２１ｂ、２１ｃとを備えている点である。またこれに対応して管路１８ｂ、１８ｃ、１８ｄも３つに分岐している。エゼクタ６ａ〜６ｃは、それぞれ大きさを変えて、それぞれ異なる流量範囲を担当させることが好ましい。尚符号１９は、圧力制御弁５、１６、２０ａ〜２０ｃ、２１ａ〜２１ｃをそれぞれ制御する制御装置である。その他の構成は第１実施形態と同様である。
【００６０】
上記構成により負荷に応じて各圧力制御弁２０ａ〜２０ｃ、２１ａ〜２１ｃの開度を制御し、エゼクタ６ａ〜６ｃのいずれかを単独、または２つ３つと組み合わせて使うことで、精度の高い混合比の実現と、より大きな負荷範囲への対応が可能になる。さらに、エゼクタ６ａ〜６ｃ中の一つのエゼクタをアイドル時専用に流量特性を最適化することで、燃費の低減を重視した制御を行うことも可能である。
【００６１】
さらに、エゼクタを４つ以上設けることで、より広い出力範囲にも対応することが可能になるため、バスやトラックなどの自動車だけでなく、電気機関車等のの電源として燃料電池の適用も可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の全体構成図である。
【図３】第１実施形態に使用するエゼクタの構成を示す断面図である。
【図４】第１実施形態に使用する大きさの異なるエゼクタの特性図であり、（ａ）入口ガス流量に対する吸引口ガス流量、（ｂ）入口ガス流量に対する入口ガス圧力を示す。
【図５】２つのエゼクタを使い分ける場合の原理説明に用いる特性図である。
【図６】第１実施形態における２つのエゼクタを組み込んだ管路を示す構成図である。
【図７】第１実施形態における演算フローを示すフローチャートである。
【図８】第１実施形態に遮断弁を付加した第２実施形態を示す要部構成図である。
【図９】第２実施形態における演算フローを示すフローチャートである。
【図１０】３つのエゼクタを備えた第３実施形態の全体構成図である。
【符号の説明】
１燃料電池本体
２燃料極
５圧力制御弁
６ａ，６ｂエゼクタ循環装置
１０空気極
１８ａ流路
１８ｂ原燃料ガス流路
１８ｃ燃料ガス流路
１８ｄ排出ガス流路
６１入口
６２吸引口
６４出口
６６，６７遮断弁

Claims

燃料極と空気極とを有する燃料電池本体と、
前記燃料極から排出される排出ガスを再循環して、新たに水素濃度の高い原燃料ガスに混合させる少なくとも二つの動作特性が異なるエゼクタ循環装置と、
前記燃料極から排出される排出ガスを前記エゼクタ循環装置の各吸引口に分岐して導く排出ガス流路と、
前記原燃料ガスを前記エゼクタ循環装置の各入口に分岐して導く原燃料ガス流路と、
前記エゼクタ循環装置でそれぞれ混合された燃料ガスを各エゼクタ循環装置の出口から導き出して合流させ前記燃料極へ供給する燃料ガス流路と、
を備えた燃料電池システムであって、前記少なくとも二つのエゼクタ循環装置の動作特性は、入口流量に対する吸引口流量の比率が同一の目標比率となる流量範囲がそれぞれ異なるものであることを特徴とする燃料電池システム。
前記エゼクタ循環装置は、互いに大きさが異なる２つのエゼクタ循環装置を備え、小さい方のエゼクタ循環装置における前記目標比率となる流量範囲が、大きい方のエゼクタ循環装置における前記目標比率となる流量範囲より小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記エゼクタ循環装置のうちの大きい方のエゼクタ循環装置が循環機能を発揮し得る最小入口燃料ガス流量値が、小さい方のエゼクタ循環装置の内部流れが亜音速流となる時の入口燃料ガス流量値よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記大きい方のエゼクタ循環装置の吸引口と出口とに、ガス流を遮断する遮断弁を備えたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。