JP3608541B2

JP3608541B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP3608541B2
Application number: JP2001292134A
Authority: JP
Inventors: 博史宮窪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-09-25
Filing date: 2001-09-25
Publication date: 2005-01-12
Anticipated expiration: 2021-09-25
Also published as: JP2003100334A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料極から排出される排出ガスの再循環特性を改良した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ると共に、環境性に優れている。
【０００３】
また、近年、電解質として固体高分子イオン交換膜を使用することで、酸水溶液を不要とし、小型高出力化が可能な固体高分子型燃料電池が水素ガスを用いた燃料電池の方式として注目されている。
【０００４】
この燃料電池において、原燃料ガスの消費量を低減するとともに、水素ガスの利用率を高めて出力特性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して、外部から新たに供給される水素の濃い原燃料ガスと混合させ、燃料電池の燃料極へと供給する再循環方式のものが多く考案されている。
【０００５】
燃料電池の発電効率は、再循環させる排出ガス量と、新たに外部から供給される原燃料ガス量を、ある一定の比率以上に保つことで良くなることが分かっている。二つガスの流れを混合させる循環装置としてエゼクタが良く知られているが、循環の原動力として原燃料ガスの流速による負圧と引きずり込みを利用しているため、原燃料ガス流量と循環される排出ガス流量との比を広い作動領域で一定以上に保つことが困難となっている。
【０００６】
エゼクタ作動領域を広げるための可変容量エゼクタの例として、スライド機構を用いてエゼクタ全体の流路面積可変とした特開平７−１８５２８４号公報や、ノズルにニードル形状の調整ロッドを挿入し、調整ロッドの位置を変更することでノズル面積を可変とした特開平８−３３８３９８号公報などがあるが、ともにエゼクタ外部から可変機構を制御する構造としているため、摺動部にシール構造を付加する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら燃料電池の作動ガスである水素は分子の大きさが極めて小さいため、上記従来技術のエゼクタ可変機構では、摺動部にて水素ガスをシールしようとすると、シール部に高い加工精度が要求されるだけでなく、シール部の摩擦が増加して、制御性が損なわれるという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、エゼクタ循環装置に可変機構を設けることなく、ガス流量の広い範囲で新たに供給される原燃料ガス流量に対する循環させられる排出ガス流量の比（循環比）を一定以上に保ち、高い水素ガス利用効率が得られる燃料電池システムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記目的を達成するため、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エゼクタと、該エゼクタで混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する流路とを有する燃料電池システムにおいて、前記エゼクタは、原燃料ガスと排出ガスとが混合する１つのスロート部と、該スロート部入口にそれぞれ開口した２つのノズルとを有し、前記２つのノズルの上流には、それぞれのノズル毎に原燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整弁を備えたことを要旨とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記２つのノズル径が異なり、径の小さなノズルの先端は、径の大きなノズルの先端よりも前記スロート部入口に近接して配置されたことを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、前記２つのノズルが、径の大きなノズルが径の小さなノズルを内包するように、同軸状に配置されたことを要旨とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記ノズル上流に配した２つの圧力調整弁における原燃料ガス制御可能流量の比を、前記ノズル部の開口面積の比と略同等としたことを要旨とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力が所定値より低い低負荷時には前記２つのノズルのうち小径のノズルから原燃料ガスを供給し、燃料電池システムの出力が所定値以上の時には前記小径のノズルに加え大径のノズルからも原燃料ガスを供給するように制御することを要旨とする。
【００１５】
請求項６記載の発明は、上記目的を達成するため、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの出力が増加する過渡時には前記２つのノズル両方から原燃料ガスを供給するように制御することを要旨とする。
【００１７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、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エゼクタと、該エゼクタで混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する流路とを有する燃料電池システムにおいて、前記エゼクタは、原燃料ガスと排出ガスとが混合する１つのスロート部と、該スロート部入口にそれぞれ開口した２つのノズルとを有し、前記２つのノズルの上流には、それぞれのノズル毎に原燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整弁を備えたことにより、エゼクタ内部に可動部をもたせることなく実質的なノズル径を可変とすることができるため、水素ガスの漏れを抑制しつつ簡単な構成でエゼクタの作動領域を拡大することができるという効果がある。
【００１８】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記２つのノズル径が異なり、径の小さなノズルの先端は、径の大きなノズルの先端よりも前記スロート部入口に近接して配置したことにより、供給水素量が少ない低負荷時には小径ノズルから噴射された原燃料ガスがスロート内での摩擦による減速が抑えられるため、原燃料ガスのもつ運動エネルギが有効に利用でき、かつ小径ノズルに加えて大径ノズルからも原燃料ガスを噴射する高負荷時には、排出ガスが流入するためのノズルとスロートとの間隔を確保することができ、原燃料ガスと排出ガスの混合距離が確保できるようになり、広い作動領域において一定以上の循環比を得ることができるという効果がある。
【００１９】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の発明の効果に加えて、前記２つのノズルが、径の大きなノズルが径の小さなノズルを内包するように、同軸状に配置したことにより、両ノズルから噴射された原燃料ガスが互いに干渉することなくエネルギを無理なくスロート部に導入することができるという効果がある。
【００２０】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３に記載の発明の効果に加えて、前記ノズル上流に配した２つの圧力調整弁における原燃料ガス制御可能流量の比を、前記ノズル部の開口面積の比と略同等としたことにより、ノズルを通過する原燃料ガスの流量制御性を損なうことがなく、広い運転領域において良好な原燃料ガスの供給量制御が可能となるという効果がある。
【００２１】
請求項５記載の発明によれば、請求項２ないし請求項４に記載の発明の効果に加えて、燃料電池システムの出力が所定値より低い低負荷時には前記２つのノズルのうち小径のノズルから原燃料ガスを供給し、燃料電池システムの出力が所定値以上の時には前記小径のノズルに加え大径のノズルからも原燃料ガスを供給するように制御するようにしたので、広い運転領域において排気ガスの循環量を確保しつつ、供給原燃料ガスの制御性を維持できるという効果がある。
【００２２】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５に記載の発明の効果に加えて、燃料電池システムの出力が増加する過渡時には前記２つのノズル両方から原燃料ガスを供給するように制御するようにしたので、急激な出力要求の増加に応じて燃料極に供給する水素量を増加でき、急激に増加した発電量に見合うまで燃料極の圧力を速やかに増加させることができるという効果がある。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を示すシステム構成図であり、特に、アイドル時から高速走行時まで負荷変動の大きい電動車両用の電源として好適なものである。
【００２５】
図１において、燃料電池本体（以下、スタックと呼ぶ）１は、燃料極２と空気極３を備える。実際には、スタック１に冷却系の配管、電力取出線、各種センサ等が組み込まれるが、本図ではガス系統のみを示す。
【００２６】
燃料極２と空気極３とは、個体高分子による電解質膜を隔ててスタック１の内部で接合されており、燃料極２で水素が電離して水素イオンと電子とに別れる。水素イオンは水分を媒体として電解質膜中を燃料極２側から空気極３側に移動し、電子は燃料極２から外部負荷回路を通って空気極３に戻り、水素イオン、電子、及び酸素が空気極３で結合して水となる電気化学反応により直流発電が行われる。
【００２７】
本実施形態では、燃料として水素を直接保有する方式を示している。水素貯蔵タンク４には、水素ガスが圧縮されて高圧状態で保有されている。水素貯蔵タンク４の充填圧力は、高ければ高いほど、１充填当たりの走行可能距離が伸びたり、タンク容積を小型化できるので、通常数１０ＭＰａ以上にも達する。このような水素貯蔵タンク４の高圧からスタック１への供給圧を一度に制御することは困難なため、水素貯蔵タンク４の下流には減圧弁５を介して下流圧を実質的に制御可能な一定値に低下させた後、並列に配された２つの圧力調整弁６ａおよび６ｂに原燃料ガスである水素ガスを供給する構成としている。
【００２８】
圧力調整弁６ａおよび６ｂは、エゼクタ７に設けられた２つのノズル部にそれぞれ連通する第１供給口９ａおよび第２供給口９ｂにそれぞれ接続され、２つのノズル部に供給する水素ガス圧を個別に制御して、水素ガスをスタック１を含む循環管路に送る。
【００２９】
エゼクタ７では、水素貯蔵タンク４から供給される水素ガスと、スタック１の燃料極２を通過した後の圧力が低く水素割合が低下した排出ガスとを混合した燃料ガスを下流に流し、次いで燃料ガスは加湿器１３を通過する際にスタック１内の電解膜での反応に必要な水蒸気を加湿され、かつ反応に適した温度まで加熱された後、スタック１の燃料極２に流入する。
【００３０】
そしてスタック１の燃料極２で水素を消費し、余った残留水素を含む排出ガスはスタック１から排出され、エゼクタ７の第３供給口１１へ送られ再度循環する。スタック１からエゼクタ７の第３供給口１１までの配管の途中には、分岐部１４があり、パージ弁１５を介して外部へと開放されている。スタックの電力出力要求が急に小さくなったら、循環管路中の水素がスタックで消費しきれなくなるので、そのときはパージ弁１５を開き余剰の水素ガスを外部へ放出する。
【００３１】
一方、図では省略しているが、空気極へは、まず、大気を取り込んで圧縮して空気ラインに送り込む圧縮機がスタック上流に設置される。圧縮機で圧縮された空気についても水素と同様に加湿器を通過し略飽和状態まで加湿された後、スタック１の空気極３に流入する。そして、空気極３で空気中の酸素分を消費して余った空気ガスは、スタック１内で反応して出来た水分とともに、空気ラインの圧力制御バルブを通過して大気へ放出する。空気圧力は要求に応じてあらかじめ定められた圧力となるように圧力制御バルブにより制御される。
【００３２】
空気極で生成した水は、空気ライン途中に設けられた図示しない水回収装置にて回収され、回収された水は加圧ポンプにより加湿器１３に供給されたり、スタック１の冷却水として再利用される。
【００３３】
また、圧力調整弁６ａおよび６ｂは、スタック１への供給水素流量を制御する役目をもち、燃料極２の水素圧力が発電量に適した値となるように、スタック１の上流に配した圧力センサ２０の出力値を測定しながら、要求負荷に応じてあらかじめ定めた所定値となるよう、水素ガス循環系に存在する水素量を調整するとともに、発電により消費した水素量を補充するように圧力調整弁６ａおよび６ｂの下流にそれぞれ設けた圧力センサ１９ａおよび１９ｂの出力値を測定しながら、発電量に応じて予め定めた所定値となるように圧力調整弁６ａおよび６ｂの開制御を行う。
【００３４】
圧力調整弁６ａおよび６ｂにおける制御可能流量の比は、後述する小径ノズル２１と大径ノズル３１との開口面積の比と略同等としている。
【００３５】
図２は、本実施形態におけるエゼクタ７の断面構造を示したものである。同図においてエゼクタ７は、原燃料ガスと排出ガスとが混合する１つのスロート２９と、スロート２９入口にそれぞれ開口したノズル径の異なる２つのノズル２１，３１とを有する。２つのノズル２１，３１のうち、小径ノズル２１の先端は、大径ノズル３１の先端よりもスロート２９の入口に近接して配置されている。さらに、大径ノズル３１が小径ノズル２１を内包するように、同軸状に配置されている。
【００３６】
そして、エゼクタ７は、小径ノズル２１に連通する第１供給口９ａと、大径ノズル３１に連通する第２供給口９ｂと、サクション側接続口である第３供給口１１とを備え、第１供給口９ａ及び第２供給口９ｂからは原燃料ガスである水素ガスが供給され、第３供給口１１からは燃料極２（図１）からの排出循環ガスが吸引されるように配管が接続される。
【００３７】
このエゼクタ７を構成する部品は、小径ノズル２１と原燃料ガスを供給する第１供給口９ａとが連通した第１吸気部２２と、第１吸気部２２をＯリング２３とともに組み付けることで、大径ノズル３１と原燃料ガスを供給する第１供給口９ａとが連通するように構成された第２吸気部２６と、第２吸気部２６をＯリング２７とともに組み付けることで、排気燃料ガスが循環してくる第３供給口１１と排出口１２を連通する空間を形成するボディ部２８からなる。
【００３８】
ボディ部２８には原燃料ガスと排気燃料ガスが混合するスロート２９および混合流の流速を低下させて圧力回復を図るディフューザ３０を持っている。小径ノズル２１、または小径ノズル２１及び大径ノズル３１から注入された原燃料ガス流は、スロート２９の前で絞られることで流速が増し、この流速増加により第３供給口１１に対して負圧を発生するとともに、第１供給口９ａ及び第２供給口９ｂからの流れによって、吸い込み側の第３供給口１１から排出ガスを吸引し、スロート２９の内部で混合流が発生する。
【００３９】
図３は、スロート部及びボディ部の径が同一で、ノズル部の径が大小異なる場合のエゼクタの特性として、（ａ）供給ガス流量Ｑｉｎと供給ガス圧力Ｐｉｎとの関係、（ｂ）供給ガス流量Ｑｉｎに対する循環比Ｒ（循環ガス流量Ｑｓｕと供給ガス流量Ｑｉｎの比）をそれぞれ示す。
【００４０】
図３（ｂ）は、エゼクタにおける供給ガス流量Ｑｉｎに対する循環比Ｒの関係を示した図であるが、小径ノズルの場合を細線で、大径ノズルの場合を太線で示してある。循環が開始する供給ガス流量Ｑｉｎは、ノズル径が細いほど低下し、供給ガス流量Ｑｉｎが増加した場合の循環比Ｒの最大値も高くなる。
【００４１】
しかし、図３（ａ）に示すように、水素ガス供給系の供給圧は減圧弁等のシステムにより規定されており、圧力調整弁でガス流量を確保しつつ、第１、第２供給口に供給できる最大圧力はＰｉｎｍａｘの制限を受けることになる。そのため循環比の観点からはノズル径が小さな方が良い特性を示すものの、供給可能ガス量は低下することとなる。
【００４２】
よって、車両停止時のシステムアイドル状態で必要になる負荷時の水素ガス供給Ｑｍｉｎから高速走行や加速時に必要となるシステムの最大負荷時の供給水素ガス量Ｑｍａｘまでの流量範囲が非常に広いため、スタックの良好な発電状態を維持するために必要な循環比Ｒｍｉｎを維持することは１つのノズルでは困難となっている。
【００４３】
図４には本実施形態で用いたエゼクタを使用した場合の特性を図３と同様に示している。まず、システムの作動最低負荷に当たるガス流量Ｑｍｉｎからエゼクタ上流に付与できる最大圧力Ｐｉｎｍａｘで小径ノズル２１から循環系に供給できるガス流量Ｑ１までの間は、圧力調整弁６ａを開制御して原燃料ガスを供給する。その時は図４の細線で示した循環比Ｒとなり、スタックの最低要求値Ｒｍｉｎ以上の循環比を得ることができる。
【００４４】
発電要求量が増加し、原燃料ガスの必要供給量がＱ１を超えると、小径ノズル２１からの供給量Ｑ１に加え、圧力調整弁６ｂを開制御して第２供給口９ｂのガス圧力を増加させ、不足する原燃料ガスを大径ノズル３１より供給する。このとき、大径ノズル３１は第１供給口９ａおよび第２供給口９ｂの圧力がともにＰｉｎｍａｘとなった場合に、最大発電量の要求時に必要となる原燃料ガス量Ｑｍａｘを供給できる径としている。
【００４５】
圧力調整弁６ｂを開制御したときの循環比Ｒは、細い破線で示された小径ノズル２１から流れによる循環と、太い破線で示した大径ノズル３１から流れによる循環との和である太線となるため、全てのスタック作動領域において必要となる循環比Ｒｍｉｎを確保することができる。
【００４６】
エゼクタ７の上流に配置した圧力調整弁６ａ，６ｂは、圧力制御の精度を向上させるために、全開となるように制御された時に、減圧弁５により一定圧に制御された圧力で必要となる原燃料ガス量となるように設定されていることが望まれる。また、エゼクタのノズル径は、供給ガス量が増加した場合に、ノズル部での流れが音速となるように設定することで、高い循環比を得ることができる。
【００４７】
よって、エゼクタ７上流に配置した２つの圧力調整弁６ａ，６ｂにおける原燃料ガス制御可能流量の比を小径ノズル８ａと大径ノズル８ｂの実開口面積の比と略同等とすることで、原燃料ガスの流量制御性を損なうことなく、高い循環比を得ることができる。
【００４８】
次に、図５、図６を参照して、本実施形態における圧力調整弁６ａ，６ｂの制御内容を説明する。図５は諸々の車両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、どのように圧力調整弁６ａの弁下流圧ｔＰｒｓＨｅＡおよび圧力調整弁６ｂの弁下流値ｔＰｒｓＨｅＢを演算して制御するかを示した制御フローチャートであり、図６は、制御フローチャート中で参照する各種テーブルの例をグラフで示すものである。
【００４９】
まず、ステップＳ１０において、要求負荷に基づいて別途算出された発電電力目標値ｔＰＷＲを読み込み、圧力センサ２０の測定値ｔＰｒｓＨ０，圧力センサ１９ａの測定値ｔＰｒｓＨｅＡ０，圧力センサ１９ｂの測定値ｔＰｒｓＨｅＢ０を読み込む。次いで、ステップＳ１２では、燃料電池の発電電力目標値ｔＰＷＲに基づいて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。この演算は、図６（ａ）に示すような発電電力目標値ｔＰＷＲに対する燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨがテーブルで与えられ、燃料電池の発電目標値すなわ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している。
【００５０】
次いでステップＳ１４では、ステップＳ１２で得られた燃料極２での燃料ガス圧力目標値ｔＰｒｓＨと圧力センサ２０から得られた現在の燃料極２での燃料ガス圧力ｔＰｒｓＨ０のと差圧ｔＰｒｓＨｄ＝ｔＰｒｓＨ−ｔＰｒｓＨ０を算出し、圧力調整弁６ａ，６ｂの制御の基本的なパターンを判定する条件値とする。
【００５１】
ステップＳ１６は、燃料電池に対する負荷要求が急激増えたか否かを判定するステップであり、差圧ｔＰｒｓＨｄが予め定めた値ｔＰｒｓＨｄＨ以上の場合は急加速状態として、ステップＳ１８へ進み、圧力調整弁６ａおよび６ｂの目標開度ｔＡｒＶＡ、ｔＡｒＶＢを、それぞれ設定可能な最大値ｔＡＲＶＡｍａｘ、ｔＡｒＶＢｍａｘに設定する。
【００５２】
ステップＳ１６でｔＰｒｓＨｄ＜ｔＰｒｓＨｄＬと判断された場合は、ステップＳ２０へ進み、ｔＰｒｓＨｄが予め定めた負の値であるｔＰｒｓＨｄＬを超えているか、即ち負荷要求が減少し、パージ弁１５を開制御する必要があるか否かを判定する。ｔＰｒｓＨｄが予め定めた負の値であるｔＰｒｓＨｄＬ以下の場合はステップＳ２２へ進み、圧力調整弁６ａおよび６ｂの目標開度ｔＡｒＶａ、ｔＡｒＶＢを、それぞれ設定可能な最小値ｔＡｒＶａｍｉｎ、ｔＡｒＶＢｍｉｎに設定するとともに、パージ弁１５の制御シーケンスに開制御の情報を発信する。
【００５３】
ステップＳ２０でｔＰｒｓＨｄ＞ｔＰｒｓＨｄＬと判断された場合は、通常制御状態と判断し、ステップＳ２４へ進み、大径ノズル３１から水素ガスを供給するか否かを判定する。ステップＳ２４では、ｔＰｒｓＨが予め定めた切替え圧力ｔＰｒｓＨ１より小さく、かつ圧力センサ３０ａで測定された第１供給口９ａの圧力値ｔＰｒｓＨｅＡ０が供給可能最高圧であるｔＰｒｓＨｅｍａｘより小さな場合は、小径ノズル２１からの水素ガス供給のみの範囲と判定し、ステップＳ２６へ進む。
【００５４】
ステップＳ２６では、発電電力目標値ｔＰＷＲを実現するために必要な燃料極２での圧力目標値ｔＰｒｓＨとなるように、第１供給口９ａでの圧力目標値ｔＰｒｓＨｅＡを演算している。圧力目標値ｔＰｒｓＨｅＡは、圧力調整弁１９ａからスタック１の燃料極２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極２のガス圧力に加えた値として演算する必要があり、図６（ｂ）に示す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のほうが良い。
【００５５】
次いでステップＳ２８にて、燃料負荷に応じた燃料ガス流量が得られるように基本となる圧力調整弁６ａの絞り面積ｔＡｒＶａｍをｔＰｒｓＨｅＡに応じて演算する。実施形態では図６（ｃ）に示すようなテーブルで与えられ、圧力目標値ｔＰｒｓＨｅＡが増えるに従い絞り面積ｔＡｒＶＡｍも増加する。
【００５６】
ステップＳ３０では、圧力センサ１９ａで測定した実際の第１供給口９ａの圧力ｔＰｒｓＨｅＡ０と、燃料極２へ供給される燃料ガス圧力を示す圧力センサ２０の測定値ｔＰｒｓＨ０とステップＳ１２で定めた目標値ｔＰｒｓＨとの乖離から定まる補正項αを加えて、第１供給口９ａの圧力が目標値ｔＰｒｓＨｅＡとなるように最終的な絞り面積ｔＡｒＶＡを算出し、かつ大径ノズル側の第２供給口９ｂの圧力を制御している圧力調整弁６ｂの絞り面積ｔＡｒＶＢを最小値であるｔＡｒＶＢｍｉｎにセットする。
【００５７】
ステップＳ２４で、ｔＰｒｓＨがｔＰｒｓＨ１以上、またはｔＰｒｓＨｅＡ０がｔＰｒｓＨｅｍａｘ以上となっていると判断された場合は、小径ノズル２１に加えて大径ノズル３１からの水素ガス供給が必要と判断し、ステップＳ３２へ進む。
【００５８】
ステップＳ３２，Ｓ３４ではステップＳ２６，Ｓ２８と同様に、それぞれ図６（ｄ）、図６（ｅ）のテーブルを参照しながら、圧力調整弁８ｂの絞り面積ｔＡｒＶＢｍの演算を行う。
【００５９】
次いでステップＳ３６では、圧力センサ１９ｂで測定した実際の第２供給口９ｂの圧力ｔＰｒｓＨｅＢ０と、圧力センサ２０の測定値ｔＰｒｓＨ０とステップＳ１２で定めた目標値ｔＰｒｓＨとの乖離から定まる補正項βを加えて、第２供給口９ｂの圧力が目標値ｔＰｒｓＨｅＢとなるように最終的な絞り面積ｔＡｒＶＢを算出し、かつ小径ノズル側の圧力調整弁６ａの絞り面積ｔＡｒＶＡを最大値であるｔＡＶＡｍａｘにセットする。
【００６０】
以上、ステップＳ１８、ステップＳ２２、ステップＳ３０、ステップＳ３６のいずれかにより、圧力調整弁６ａおよび６ｂの絞り面積が決定され、ステップＳ３８で情報を圧力調整機構制御装置に送信し、制御フローが終了する。
【００６１】
以上説明してきた構成とすることで、広い負荷範囲に対応した供給ガス流量に対し必要な排気ガス循環量が確保でき、安定した燃料電池の運転が可能となる。
【００６２】
尚、本実施形態で用いたエゼクタは、燃料電池システムに限らず、第１の流体（気体または液体）と第２の流体（気体または液体）とを混合するあらゆる用途において、エゼクタに可動部を設けることなく、広い動作範囲で高い混合比（第２の流体の流量／第１の流体の流量）を得ることができることは明らかである。この場合、エゼクタの２つのノズルの上流には、それぞれのノズル毎に第１の流体の圧力または流量を調整する調整弁を設けることになる。
【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実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態におけるエゼクタの内部構造を示す断面図である。
【図３】（ａ）小径ノズルおよび大径ノズルの供給ガス流量に対する供給ガス圧力特性を説明する図である。（ｂ）小径ノズルおよび大径ノズルの供給ガス流量に対する循環比特性を説明する図である。
【図４】（ａ）実施形態のエゼクタにおける供給ガス流量に対する供給ガス圧力特性を説明する図である。（ｂ）実施形態のエゼクタにおける供給ガス流量に対する循環比特性を説明する図である。
【図５】実施形態における圧力調整弁制御を説明する制御フローチャートである。
【図６】図５の制御フローチャート中で参照する各種テーブルの例をグラフで示すものである。
【符号の説明】
１…燃料電池本体（スタック）
２…燃料極
３…空気極
４…水素貯蔵タンク
５…減圧弁
６ａ，６ｂ…圧力調整弁
７…エゼクタ
８…分岐部
９ａ…第１供給口
９ｂ…第２供給口
１１…第３供給口
１２…排出口
１３…加湿器
１４…分岐部
１５…パージ弁
１９ａ，１９ｂ…圧力センサ
２０…圧力センサ

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エゼクタと、該エゼクタで混合された燃料ガスを前記燃料極へ供給する流路とを有する燃料電池システムにおいて、
前記エゼクタは、原燃料ガスと排出ガスとが混合する１つのスロート部と、該スロート部入口にそれぞれ開口した２つのノズルとを有し、
前記２つのノズルの上流には、それぞれのノズル毎に原燃料ガスの供給圧力を調整する圧力調整弁を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記２つのノズル径が異なり、径の小さなノズルの先端は、径の大きなノズルの先端よりも前記スロート部入口に近接して配置されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記２つのノズルが、径の大きなノズルが径の小さなノズルを内包するように、同軸状に配置されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記ノズル上流に配した２つの圧力調整弁における原燃料ガス制御可能流量の比を、前記ノズル部の開口面積の比と略同等としたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
燃料電池システムの出力が所定値より低い低負荷時には前記２つのノズルのうち小径のノズルから原燃料ガスを供給し、燃料電池システムの出力が所定値以上の時には前記小径のノズルに加え大径のノズルからも原燃料ガスを供給するように制御することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
燃料電池システムの出力が増加する過渡時には前記２つのノズル両方から原燃料ガスを供給するように制御する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項に記載の燃料電池システム。