JP4761181B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に供給する新たなガスを当該燃料電池から排出されたガスと合流させて供給するエゼクタを備えた燃料電池システムに関するものである。

従来、この種の燃料電池システムとして、燃料電池の負荷に対応してガスを供給できるように、エゼクタを流量可変式で構成したものが知られている。例えば、特許文献１に記載のものは、水素ガスの所定の流量に対応する二つのエゼクタを設けておいて、燃料電池の出力電流に基づいてエゼクタをアクチュエータにより適宜切り替える構成である。また、特許文献２に記載のものは、水素ガス供給系に配設した圧力または流量の複数のセンサによる検出結果に基づいて、エゼクタの燃料供給弁の開度を適宜調整する構成を採用している。
特開２００２−５６８７０号公報（第４頁〜第６頁、第２図） 特開平９−２１３３５３号公報（第３頁および第１図）

しかし、このような従来の燃料電池システムでは、エゼクタで流量を可変するべくアクチュエータやセンサを設けているため、システム全体の制御を複雑化させ易かった。もっとも、この問題に鑑みてアクチュエータ等の制御性（分解能）を高めることもできるが、コストアップとなるおそれがある。

本発明は、簡易な構成により、燃料電池の負荷に応じてガスを適切に供給することができる燃料電池システムを提供することをその目的としている。

本発明の燃料電池システムは、ガス供給系に配設され、燃料電池に供給する新たなガスを燃料電池から排出されたガスと合流させて供給するエゼクタを備えた燃料電池システムにおいて、エゼクタは、新たなガスを噴射し、燃料電池から排出されたガスを吸引するための負圧を発生するノズルと、ノズルを通過する新たなガスの流量を制御する流量制御機構と、を有し、ガス供給系には、燃料電池から排出されエゼクタに合流するまでの間のガスを流量制御機構に導く流通路が設けられ、流量制御機構は、流通路から導かれたガスの圧力に応じて、新たなガスの流量を制御するものである。

この構成によれば、ノズルを通過する新たなガスの流量が流量制御機構により制御されるが、この制御は、燃料電池から排出されたガス（以下、主としてオフガスという。）に応じて行われる。これにより、流量制御機構の制御を機械的に行うことが可能なため、電気的なアクチュエータやセンサ等を設けなく済む。また、オフガスの圧力を有効に利用しているため、燃料電池の負荷に応じて、これに適量のガスを供給することが可能となる。特に、流量制御機構に導くガスをオフガスとすることで、燃料電池でのガスの消費量の変動による圧力変化応答性の高い燃料電池の出口圧力がエゼクタに作用するため、消費量が変動した場合に応答性良く新たなガスを供給することができる。
ここで、「ガス供給系」とは、例えばガスが燃料としての水素ガスである場合には、水素ガスが関与する（流れる）一連のものをいい、「ガス供給系」には、ガスの供給源（例えば水素タンク）や燃料電池内のガス流路も包含される。

この場合、ガス供給系には、新たなガスを流量制御機構に導く第２流通路が設けられ、流量制御機構は、流通路からのガスと第２流通路からのガスとの差圧に応じて、新たなガスの流量を制御することが、好ましい。

同様に、ガス供給系には、燃料電池に供給される合流後のガスを流量制御機構に導く第２流通路が設けられ、流量制御機構は、流通路からのガスと第２流通路からのガスとの差圧に応じて、新たなガスの流量を制御することが、好ましい。

これらの構成によれば、新たなガスとオフガスまたは合流後のガスとの差圧に応じて、流量制御機構の制御を行うことができる。

これらの場合、流量制御機構は、先端側がノズルの開口部に臨むニードルと、ニードルの基端側に接続され、流通路および第２流通路の一方からのガスが表面側に導かれ且つ他方からのガスが裏面側に導かれるピストンと、ピストンの裏面側をニードルの先端側に向かって付勢する付勢部材と、を有し、ニードルは、ピストンにおけるガスの差圧と付勢部材の付勢力とのバランスに基づいて軸線方向に進退し、ノズルの開口面積を可変することが、好ましい。

この構成によれば、例えば、ニードルの軸線方向への退避により、ニードルとノズルの開口部との間の間隙の面積が大きくなり、この間隙から噴出される新たなガスの流量が大きくなる。逆に、ニードルの軸線方向への進出により、この間隙の面積が小さくなり、噴出される新たなガスの流量が小さくなる。このようなノズルの開口面積を可変するニードルの進退は、ピストンに作用する差圧および付勢力のバランスに基づくものである。したがって、簡易な構成によって、ノズルを通過する新たなガスの流量を適切に制御することができる。

これらの場合、ノズルは、新たなガスの流量に対応して複数が設けられており、流量制御機構は、差圧に応じて複数のノズルを切り替えることにより新たなガスの通過を許容する一つまたは複数のノズルを選択して、新たなガスの流量を制御することが、好ましい。

この構成によれば、複数のノズルを新たなガスの各流量域に適したものに設定しているため、適宜、新たなガスを導くノズルを差圧に応じて切り替えるだけで、ノズルを通過する新たなガスの流量を適切に制御することができる。

これらの場合、流通路は、燃料電池から排出されエゼクタに合流するまでの間の循環流路に分岐接続されていると共に、循環流路よりも流路断面積を小さく設定されていることが、好ましい。

この構成によれば、エゼクタの流量制御機構にオフガスを適切に導きつつ、エゼクタのノズルで吸引するオフガスの流量を適切に確保することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、エゼクタによる流量制御が燃料電池から排出されたガスの圧力に応じてなされ、その制御に各種の電気的構成を必ずしも必要としないため、簡易な構成によって、燃料電池の負荷に応じたガスを適切に供給することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。この燃料電池システムは、流量可変式で構成されたエゼクタを備え、このエゼクタによるガスの流量制御を機械構造上（自律的に）行うことで、燃料電池の負荷に対応したガスの供給を行うものである。以下では、先ず、水素ガスの供給系にエゼクタを配設にした例について説明する。また、燃料電池システムとしては、これを搭載した機器として代表される燃料電池車両を例に説明する。

図１に示すように、燃料電池システム１は、酸素ガス（空気）および水素ガスの供給を受けて電力を発生する固体分子電解質型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、多数のセルを積層したスタック構造として構成されている。燃料電池システム１は、燃料電池２に酸素ガスを供給する酸素ガス供給系３と、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給系４と、を具備している。

酸素ガス供給系３は、加湿器１１により加湿された酸素ガスを燃料電池２に供給する供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸素オフガスを加湿器１１に導く循環流路１３と、加湿器１１から燃焼器に酸素オフガスを導くための排気流路１４と、が設けられている。供給流路１２には、大気中の酸素ガスを取り込んで加湿器１１に圧送するコンプレッサ１５が設けられている。

水素ガス供給系４は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源となる水素タンク２１と、水素タンク２１の水素ガスを燃料電池２に供給する供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガスを供給流路２２に戻すための循環流路２３と、循環流路２３の水素オフガスを供給流路２２に還流させるエゼクタ２４と、を具備している。エゼクタ２４によって、水素タンク２１からの新たな水素ガスと水素オフガスとが合流され、この合流後の混合ガスが燃料電池２に供給される。

供給流路２２は、エゼクタ２４の上流側に位置し、新たな水素ガスをエゼクタ２４に導く流路となる主流流路２２ａと、エゼクタ２４の下流側に位置し、混合ガスを加湿器２５を介して燃料電池２に導く流路となる混合流路２２ｂと、で構成されている。主流流路２２ａには、その上流側から順に、これを開閉するシャットバルブ３１と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３２と、が介設されている。

加湿器２５は、混合流路２２ｂと循環流路２３とに跨るようにして介設されており、混合ガスと水素オフガスとの間で水分交換を行う。このため、燃料電池２には、適度に湿潤した混合ガスが供給されるようになっている。循環流路２３には、加湿器２５の下流側に逆止弁３４が介設されていると共に、加湿器２５の下流側において排出流路３５が分岐配管されている。循環流路２３の水素オフガスは、逆止弁３４を通じてエゼクタ２４に吸引される。なお、加湿器２５および逆止弁３４を省略した構造を採用することも可能である。

エゼクタ２４は、燃料電池２へ供給する水素ガス（混合ガス）の流量を可変可能に構成されている。図２に示すように、エゼクタ２４は、その外郭を構成する筐体４１を有している。筐体４１には、主流流路２２ａの下流側に接続された１次側の供給口４２と、混合流路２２ｂの上流側に接続された２次側の排出口４３と、循環流路２３の下流側に接続された負圧作用側（３次側）の吸込み口４４と、が形成されている。

筐体４１の内部には、新たな水素ガスを下流側に向かって噴射するノズル４６と、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量を制御する流量制御機構４７と、ノズル４６の下流側に設けられ、ノズル４６を通過した新たな水素ガスと水素オフガスとを合流させるディフューザ４８と、が構成されている。ノズル４６は、いわゆる先細ノズルからなる。すなわち、ノズル４６は、水素ガスの流れ方向に向かって先細りに形成されており、先端部がディフューザ４８側に開口している。ノズル４６の拡開した基端部は、１次側の供給口４２に連なっている。

ディフューザ４８は、ノズル４６と同軸に形成されており、ノズル４６との間の上流側が３次側の吸込み口４４に連なっている。また、ディフューザ４８の下流側は、２次側の排出口４３に連なっている。ノズル４６からディフューザ４８に向けて新たな水素ガスが噴射されると、水素オフガスを吸引するための負圧が発生し、循環流路２３の水素オフガスがディフューザ４８に吸い込まれる。これにより、ディフューザ４８において新たな水素ガスと水素オフガスとが合流・混合され、この混合ガスが、ディフューザ４８から排出口４３を介して混合流路２２ｂへと排出される。

流量制御機構４７は、先端側がノズル４６の開口部に臨むニードル６１と、ニードル６１の基端側に接続されたピストン６２と、ピストン６２の裏面側６２ｂに配設したバネ６３（付勢部材）と、を有している。これらニードル６１、ピストン６２およびバネ６３は、ノズル４６の軸線方向に配設されている。

ニードル６１は、円錐または角錐の錐体からなり、先端側に向かって先細りに形成されており、例えば先端部が放物面で形成されている。バネ６３は、所定のばね定数を有し、ピストン６２の裏面側６２ｂと筐体４１の内部との間に介設されており、ピストン６２の裏面側６２ｂをニードル６１の先端側に向かって付勢する。

ピストン６２は、その外周部を筐体４１の内部に支持されており、その軸線方向に摺動可能に構成されている。ピストン６２の表面側６２ａは、その中央部にはニードル６１を接続していると共に、これを除く他の周辺部には供給口４２を介して主流流路２２ａからの新たな水素ガスが導かれるようになっている。一方、ピストン６２の裏面側６２ｂは、その中央部にはバネ６３が接続されていると共に、これを除く他の周辺部には筐体４１に形成された圧力導入口７０を介して循環流路２３からの水素オフガスが信号圧として導かれるようになっている。

具体的には、水素ガス供給系４には、ピストン６２の表裏各面に新たな水素ガスおよび水素オフガスをそれぞれ導く二つの流通路が設けられており、一方の流通路は主流流路２２ａ（第２流通路）が兼ねており、他方の流通路は、循環流路２３に分岐接続されて循環流路２３よりも流路断面積の小さい分流流路８１で構成されている。この分流流路８１が、ピストン６２の裏面側６２ｂと筐体４１の内部との間で画成される圧力室７２に圧力導入口７０を介して通じている。なお、分流流路８１は、図に示すようにエゼクタ２４に対して外部配管としてもよいし、エゼクタ２４の筐体４１に作り込んだ内部配管としてもよい。

したがって、ピストン６２の表面側６２ａには、主流流路２２ａの新たな水素ガスの圧力Ｐ１が作用し、ピストン６２の裏面側６２ｂには、分流流路８１の水素オフガスの圧力Ｐ２およびバネ６３の付勢力が作用する。このような構成により、ニードル６１は、ピストン６２における水素ガスの差圧とバネ６３の付勢力とのバランスに基づいて、軸線方向に進退するようになっている。ニードル６１が進退することで、ニードル６１とノズル４６の先端部との間の間隙の開口面積（以下、ノズル４６の開口面積という。）が可変され、その結果、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が制御される。

これを詳述するに、便宜上、ピストン６２の表面側６２ａの水素ガスの圧力をＰ４とし、ピストン６２の裏面側６２ｂにおける圧力室７２の水素ガスの圧力をＰ５として、説明する。Ｐ４が、Ｐ５にバネ６３の付勢力を加算した値よりも大きくなる場合には、ニードル６１が退避してノズル４６の開口面積が大きくなるため、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量は大きくなる。逆に、Ｐ４が、Ｐ５にバネ６３の付勢力を加算した値よりも小さくなる場合には、ニードル６１が進出してノズル４６の開口面積が小さくなるため、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量は小さくなる。

なお、ニードル６１は、その進退の終端位置が所定位置で規制されるようになっており、最も進出した場合には、ニードル６１の外周面がノズル４６の内周面に当接してノズル４６の先端部を閉塞する。また、ニードル６１が最も退避した場合には、圧力室７２に設けた図外のストッパにピストン６２の裏面側６２ｂが当接し、退避するニードル６１の終端位置が規制されるようになっている。なおまた、主として、ピストン６２、バネ６３、および二箇所の水素ガスをピストン６２に導く二つの流通路（２２ａ、８１）により、ニードル６１を軸線方向に進退させるニードル移動手段が構成されている。

本実施例の燃料電池システム１の作用について、燃料電池２の負荷との関係を中心に説明する。一般に、燃料電池車両の加速時等で燃料電池２の発電量が増加すると、燃料電池２で消費される水素ガスの消費量が増加する。この消費が増えて混合流路２２ｂの流量が増加すると、燃料電池２での圧力損失が大きくなり、循環流路２３の水素オフガスの圧力Ｐ２が低下する（混合流路２２ｂの混合ガスの圧力Ｐ３も低下する。）。このとき、分流流路８１を通じて圧力室７２の圧力Ｐ５が低下することになる。すると、ピストン６２およびニードル６１が、Ｐ４、Ｐ５およびバネ６３の付勢力のバランスによって、平衡状態からバネ６３に抗して退避する。

これにより、ノズル４６の開口面積が大きくなるため、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が増加する。したがって、燃料電池２の負荷が大きくなった場合に、エゼクタ２４は自律的に適切に対応することになる。そして、新たな水素ガスの流量の増加によって混合ガスの圧力Ｐ３が上昇するため、燃料電池２に供給される混合ガスの圧力（すなわち、燃料電池入口圧）が適正な値に確保されると共に、水素オフガスの流量が増加し、新たな水素ガスの流量との関係において水素オフガスの流量が適正な値に確保されることになる。

一方、燃料電池車両の起動時、アイドリング時および減速時等で燃料電池２の発電量が減少すると、燃料電池２で消費される水素ガスの消費量が減少する。この消費が減って混合流路２２ｂの流量が減少すると、燃料電池２での圧力損失が小さくなり、循環流路２３の水素オフガスの圧力Ｐ２が上昇する（混合流路２２ｂの混合ガスの圧力Ｐ３も上昇する。）。このとき、分流流路８１を通じて圧力室７２の圧力Ｐ５が上昇することになる。すると、ピストン６２およびニードル６１が、Ｐ４、Ｐ５およびバネ６３の付勢力のバランスによって、平衡状態から進出する。

これにより、ノズル４６の開口面積が小さくなるため、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が減少する。したがって、燃料電池２の負荷が小さくなった場合に、エゼクタ２４は自律的に適切に対応することになる。そして、新たな水素オフガスの流量の減少によって混合ガスの圧力Ｐ３が低下するため、燃料電池２に供給される混合ガスの圧力が適正な値に確保されると共に、水素オフガスの流量が減少し、新たな水素ガスの流量との関係において水素オフガスの流量が適正な値に確保されることになる。

以上のように、本実施例の燃料電池システム１によれば、水素ガス供給系４の差圧に応じてエゼクタ２４による水素ガスの流量制御が行われるため、この流量制御のために従来のような各種の電気的構成をとらずに済み、システムを全体として簡素化することができる。また、燃料電池２の負荷に応じてこれに適量の水素ガスを供給することができる。特に、流量制御機構４７に導圧するガスを水素オフガスとしているため、燃料電池２の負荷に対応して変動する圧力変化応答性の高い圧力（すなわち、燃料電池出口圧）がエゼクタ２４に作用するため、水素ガスの消費量が変動した場合に新たな水素ガスの供給量の応答性を高めることができる。

参考例１

次に、図３を参照して、燃料電池システム１の参考例１について、実施例１との相違点を中心に説明する。本参考例１では、水素オフガスでなく混合ガスを流量制御機構４７に導くようにしている。具体的には、循環流路２３には、これよりも流路断面積の小さい分流流路７１が分岐接続されており、この分流流路７１が圧力導入口７０を介して圧力室７２に通じている。したがって、ピストン６２の裏面側６２ｂには、分流流路７１の混合ガスの圧力Ｐ３およびバネ６３の付勢力が作用する。

上述のように、燃料電池２の発電量が増加して混合ガスの圧力Ｐ３が低下するとき、分流流路７１を通じて圧力室７２の圧力Ｐ５が低下するため、実施例１と同様に、Ｐ４、Ｐ５およびバネ６３の付勢力のバランスによって、ニードル６１を退避させることができる。逆に、燃料電池２の発電量が減少して混合ガスの圧力Ｐ３が上昇するとき、分流流路７１を通じて圧力室７２の圧力Ｐ５が上昇するため、Ｐ４、Ｐ５およびバネ６３の付勢力のバランスによって、ニードル６１を進出させることができる。

このように、混合ガスの圧力に応じて流量制御機構４７を作動させることができるため、本参考例１においても、上記実施例と同様に、燃料電池２の負荷に応じてこれに適量の水素ガスをエゼクタ２４により供給することができる。なお、分流流路７１は、実施例１と同様に、エゼクタ２４に対して外部管路としてもよいし、エゼクタ２４の筐体４１に作り込んだ内部管路としてもよい。

参考例２

次に、図４を参照して、燃料電池システム１の参考例２について、実施例１との相違点を中心に説明する。本参考例２の流量制御機構４７に導く水素ガスの圧力は、ノズル４６の上流直近の新たな水素ガスの圧力と、これとは異なる更に上流位置の新たな水素ガスの圧力と、である。このため、実施例１とは、分流流路の構成はもとより、エゼクタ２４におけるノズル４６やニードル６１の構成が相違している。

ノズル４６は、いわゆる末広ノズルからなり、ニードル６１が進退することで、ノズル４６ののど部９１とニードル６１との間の間隙の開口面積（以下、上記同様に、ノズル４６の開口面積という。）が可変されるように構成されている。ニードル６１の先端部１０１は、先端側に向かってロート状に拡開してなり、ノズル４６の下流側からノズル４６の開口部９２およびのど部９１に臨んでいる。

本参考例２では、ニードル６１が退避することでその先端部１０１がノズル４６ののど部９１に接近するため、ノズル４６の開口面積は小さくなる。一方、ニードル６１が進出することでその先端部１０１がノズル４６ののど部９１から離間するため、ノズル４６の開口面積は大きくなる。ただし、ノズル４６の開口面積の最大値は、のど部９１の断面積からノズル４６の先端部１０１に連なる軸状の本体部１０２の断面積を減算した値となる。

また、主流流路２２ａの下流側には、新たな水素ガスの流量を絞る絞り部１１１がエゼクタ２４の筐体４１の内部に設けられている。絞り部１１１を通過した新たな水素ガスは、ノズル４６およびピストン６２の表面側６２ａに供給される。したがって、ピストン６２の表面側６２ａには、絞り部１１１を通過した新たな水素ガスの圧力Ｐ４が作用する。

絞り部１１１の上流側の主流流路２２ａには、これよりも流路断面積の小さい分流流路１１２が分岐接続されており、この分流流路１１２が圧力導入口７０を介して圧力室７２に通じている。したがって、ピストン６２の裏面側６２ｂには、分流流路１１２の新たな水素ガスの圧力Ｐ１およびバネ６３の付勢力が作用する。絞り部１１１の前後で新たな水素ガスの圧力Ｐ１，Ｐ４に圧力差が生じるが、本参考例２では、この差圧が新たな水素ガスの流量に対応して可変することに着目し、この差圧に応じてピストン６２を介してニードル６１を進退させる。

具体的には、燃料電池２の発電量が増加すると、Ｐ１とＰ４の差圧が大きくなるが、このとき、分流流路１１２を通じて圧力室７２の圧力Ｐ５とＰ４の差圧も大きくなる。Ｐ４の圧力がＰ５にバネ６３の付勢力を加算したものよりも小さくなると、これらのバランスによって、ニードル６１が進出する。これにより、ノズル４６の開口面積が大きくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が増加する。

一方、燃料電池２の発電量が減少すると、Ｐ１とＰ４の差圧が小さくなるが、このとき、分流流路１１２を通じて圧力室７２の圧力Ｐ５とＰ４の差圧も小さくなる。Ｐ４の圧力がＰ５にバネ６３の付勢力を加算したものよりも大きくなると、これらのバランスによって、ニードル６１が退避する。これにより、ノズル４６の開口面積が小さくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が減少する。

このように、本参考例２においても、エゼクタ２４による流量制御を水素ガス供給系４の差圧に応じて自立的に行うことができ、燃料電池２の負荷に応じてこれに適量の水素ガスを適切に供給することができる。なお、分流流路１１２は、実施例１と同様に、エゼクタ２４に対して外部管路としてもよい。

次に、図５を参照して、本発明の燃料電池システム１の実施例２について、実施例１との相違点を中心に説明する。本実施例のエゼクタ２４は、新たな水素ガスの流量域に対応するべく、多段式で構成されている。具体的には、エゼクタ２４は、新たな水素ガスの流量に対応して設けられた３つのノズル４６と、各ノズル４６の下流側に設けられ、各ノズル４６と同軸となる３つのディフューザ４８と、を具備しており、３つのノズル４６および３つのディフューザ４８は、上下に並列に並べられて構成されている。

すなわち、本実施例のエゼクタ２４には、同図の上側に位置するノズル４６およびディフューザ４８により、水素ガスの大流量域に対応する第１エゼクタ部１２１が構成されている。同様に、中間に位置するノズル４６およびディフューザ４８により、水素ガスの中流量域に対応する第２エゼクタ部１２２が構成され、同図の下側に位置するノズル４６およびディフューザ４８により、水素ガスの小流量域に対応する第３エゼクタ部１２３が構成されている。

例えば、第１エゼクタ部１２１のノズル４６およびディフューザ４８は、他のエゼクタ部１２２，１２３のものに比べて、最も大きい内径で形成されており、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が最も大きくなる。

第１、第２および第３エゼクタ部１２１、１２２、１２３は、単一の筐体４１に組み込まれており、３つのノズル４６の上流側が、筐体４１内において１つの主流流路２２ａから３つに分岐された３つの分岐流路１３１にそれぞれ通じている。また、３つのディフューザ４８の下流側は筐体４１内において１つの流路に合流し、その合流部が混合流路２２ｂに通じている。そして、第３エゼクタ部１２３におけるノズル４６とディフューザ４８との間が、３次側の吸込み口４４に連なっている。なお、図に示すように、第３エゼクタ部１２３および第２エゼクタ部１２２におけるノズル４６とディフューザ４８との間は連通していると共に、第２エゼクタ部１２２および第１エゼクタ部１２１におけるノズル４６とディフューザ４８との間は連通している。

流量制御機構４７は、水素ガスの差圧に応じて３つのノズル４６（３つのエゼクタ部１２１，１２２，１２３）を切り替えることにより水素ガスの通過を許容する一つのノズル４６（一つのエゼクタ部）を選択して、新たな水素ガスの流量を制御する。具体的には、流量制御機構４７は、切替え弁１４１およびバネ１４２で構成されており、切替え弁１４１は、分岐流路１３１を閉塞可能な３つの弁本体１５１と、３つの弁本体１５１を上下方向に連結し、各分岐流路１３１を閉塞しない２つの連結部１５２と、を有している。

各弁本体１５１は、筐体４１の内部に摺動可能に設けられている。そして、最も上側の弁本体１５１と筐体４１の内壁とにより画成される主流圧力室１６１に、主流流路２２ａからの新たな水素ガスが流通路１６２（第２流通路）を介して導かれる。一方、最も下側の弁本体１５１と筐体４１の内壁とにより画成される分流圧力室１７１に、循環流路２３からの水素オフガスが流通路１７２（分流流路）を介して導かれる。バネ１４２は、分流圧力室１７１に設けられており、最も下側の弁本体１５１を介して切替え弁１４１を全体として上方向に付勢している。

本実施例の燃料電池システム１の作用について、燃料電池２の負荷との関係を中心に説明する。燃料電池２の発電量が比較的少ないときには、図５に示すように、上側の２つの弁本体１５１が上側の２つの分岐流路１３１を閉塞し、第３エゼクタ部１２３のみが機能するようになっている。この状態から燃料電池２の発電量が増加すると、水素オフガスの圧力Ｐ２が低下するが、このとき、分流流路１７２を通じて分流圧力室１７１の圧力Ｐ５が低下する。

これにより、Ｐ４、Ｐ５およびバネ１４２の付勢力のバランスによって、切替え弁１４１は下方向に移動する。ここで、新たな水素ガスが中流量で足りる場合には、下降した上側の２つの弁本体１５１が上下２つの分岐流路１３１をそれぞれ閉塞し、第２エゼクタ部１２２のみが機能するようになる。また、新たな水素ガスが大流量を必要とする場合には、切替え弁１４１はさらに下降して、上側の２つの弁本体１５１が下側の２つの分岐流路１３１を閉塞し、第１エゼクタ部１２１のみが機能するようになる。

一方、大流量の状態、すなわち第１エゼクタ部１２１のみが機能する状態から燃料電池２の発電量が減少すると、水素オフガスの圧力Ｐ２が上昇するが、このとき、分流流路１７２を通じて分流圧力室１７１の圧力Ｐ５が上昇する。これにより、Ｐ４、Ｐ５およびバネ１４２の付勢力のバランスによって、切替え弁１４１は上方向に移動する。そして同様に、新たな水素ガスが中流量で足りる場合には、第２エゼクタ部１２２のみが機能するようになり、新たな水素ガスが小流量を必要とする場合には、第１エゼクタ部１２１のみが機能するようになる。

このように本実施例によれば、各エゼクタ部１２１、１２２、１２３を新たな水素ガスの各流量域に適したものとしておき、適宜、差圧に応じて所定のエゼクタ部に切り替えることで、新たな水素ガスの流量の制御がなされる。したがって、本実施例においても、エゼクタ２４による流量制御を水素ガス供給系４の差圧に応じて行うことができ、燃料電池２の負荷に応じてこれに適量の水素ガスを適切に供給することができる。

なお、エゼクタ２４の筐体４１に切替え弁１４１を組み入れるようにしているが、もちろん切替え弁１４１の構成をエゼクタ２４の筐体４１外に設けてもよい。また、単一の筐体４１に複数のエゼクタ部１２１、１２２、１２３を設けるようにしているが、各エゼクタ部を独立した構成としてもよい。さらに、本実施例では、水素ガスの流量域に対してエゼクタ部を１つずつ用いる構成であるが、もちろん複数のエゼクタ部を選択的に組み合わせてもよい。すなわち、差圧に応じて複数のノズル４６を選択してもよい。この場合には例えば、複数のエゼクタ部を全く同じ能力（吸引能力）で構成してもよいし、上記のように異なる能力で構成してもよい。

次に、図６を参照して、燃料電池システム１の実施例３について、前記実施例との相違点を中心に説明する。上記各実施例においては、エゼクタ２４は単一の流量制御機構４７を備え、水素ガス供給系４における一つの差圧に基づいて流量を制御する構成であった。本実施例では、エゼクタ２４は、幅広い制御性を達成するべく複数（二つ）の差圧に基づいて流量を制御するものであり、そのために複数の流量制御機構を備えている。

エゼクタ２４は、第１流量制御機構１８１および第２流量制御機構１８２からなる二つの流量制御機構のほか、実施例１と同様に、筐体４１、１次側の供給口４２、２次側の排出口４３、３次側の吸込み口４４、単一の先細ノズル４６、および単一のディフューザ４８を備えている。

第１・第２流量制御機構１８１、１８２は、ニードル６１など各種の部材を一部共用するようにして構成されている。第１流量制御機構１８１は、ニードル６１の基端側に接続された第１ピストン１９１と、第１ピストン１９１の裏面側をニードル６１の先端側に向かって付勢する第１バネ１９２と、を主として有している。第２流量制御機構１８２は、連結部材１８３を介して第１ピストン１９１に連結された第２ピストン２０１と、第２ピストン２０１をニードル６１の先端側に向かって付勢する第２バネ２０２と、を主として有している。第１・第２流量制御機構１８１，１８２を主に構成するこれらの部材（１９１，１９２，１８３，２０１，２０２）は、ノズル４６と同軸に配設されている。

連結部材１８３は、例えば中空の段付き丸棒で構成されている。連結部材１８３は、第１ピストン１９１の周縁部を摺動可能に支持する太径部２１１と、第２ピストン２０１の表面側に一方の端部を固着された細径部２１２と、細径部２１２の他方の端部と太径部２１１とを一体に連ねる環状段部２１３と、で構成されている。なお、第２ピストン２０１の周縁部は筐体４１の内壁に摺動可能に支持されている。

太径部２１１の外周面は、筐体４１の内壁に固定した環状のガイド部２２１に摺動可能に支持されている。太径部２１１の内部は、第１ピストン１９１によって左右に区画されており、図示右側の第１主流ガス室２２２が、主として、第１ピストン１９１の表面側と、これに対向配置されてニードル６１の進退を許容するガス導入開口部２２３を有する隔壁２２４と、太径部２１１の内壁と、により画成されている。また、図示左側の第１分流ガス室２２６が、主として、第１ピストン１９１の裏面側と、これに対向する環状段部２１３と、太径部２１１の内壁と、により画成されている。第１分流ガス室２２６に上記の第１バネ１９２が設けられている。

第１主流ガス室２２２には、主流流路２２ａからの新たな水素ガスがガス導入開口部２２３を介して導入される。第１分流ガス室２２６には、循環流路２３に分岐接続された第１分流流路２２７からの水素オフガスが、細径部２１２により構成される内部流路を介して導入される。より具体的には、第１分流ガス室２２６は、細径部２１２の内部流路に連通しており、細径部２１２の内部流路は、第２ピストン２０１の中央部に形成した貫通孔２３１を介して、流路形成部材２３２により構成される内部流路に連通している。そして、流路形成部材２３２の内部流路が第１分流流路２２７に連通している。

流路形成部材２３２は、可撓性を有する略筒状の部材からなり、一端部を筐体４１の内壁に固定され他端部を第２ピストン２０１の裏面側に固定されている。流路形成部材２３２は、第２ピストン２０１の進退に追従して、その進退方向に伸縮するように構成されている。なお、流路形成部材２３２は第２バネ２０２の内部に挿入されている。

このような構成により、第１流量制御機構１８１は、第１主流ガス室２２２の圧力Ｐ４₁、第１分流ガス室２２６の圧力Ｐ５₁および第１バネ１９２の付勢力のバランスによって、第１ピストン１９１を介してニードル６１を進退させる。すなわち、第１流量制御機構１８１は、新たな水素ガスの圧力と水素オフガスの圧力との差圧に応じて、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量を制御する。

なお、第１流量制御機構１８１（の第１主流ガス室２２２）に新たな水素ガスを導く流通路（第２流通路）は、主として主流流路２２ａにより構成される。また、第１流量制御機構１８１（の第１分流ガス室２２６）に水素オフガスを導く流通路は、主として、第１分流流路２２７、流路形成部材２３２および細径部２１２により構成される。

筐体４１の内部には、第２流量制御機構１８２と関連して、第２主流ガス室２３４と第２分流ガス室２３５とが第２ピストン２０１によって左右に区画されることで、設けられている。第２主流ガス室２３４は、主として、第２ピストン２０１の表面側と、これに対向する環状段部２１３およびガイド部２２１の側面と、筐体４１の内壁と、により画成されている。第１主流ガス室２２２には、主流流路２２ａからの新たな水素ガスが、ガイド部２２１に貫通形成した貫通流路２３６を介して導入される。すなわち、第２主流ガス室２３４に新たな水素ガスを導く流通路は、主として主流流路２２ａおよび貫通流路２３６により構成される。

第２分流ガス室２３５は、主として、第２ピストン２０１の裏面側と、これに対向する壁面を含む筐体４１の内壁と、により画成されている。第２分流ガス室２３５には、上記の第２バネ２０２および流路形成部材２３２が設けられている。第２分流ガス室２３５には、混合流路２２ｂに分岐接続された第２分流流路２３７からの混合ガスが導入される。すなわち、第２分流ガス室２３５に混合ガスを導く流通路は、主として第２分流流路２３７により構成される。

このような構成により、第２流量制御機構１８２は、第２主流ガス室２３４の圧力Ｐ４₂、第２分流ガス室２３５の圧力Ｐ５₂および第２バネ２０２の付勢力のバランスによって、第２ピストン２０１、連結部材１８３および第１ピストン１９１を順に介してニードル６１を進退させる。すなわち、第２流量制御機構１８２は、新たな水素ガスの圧力と混合ガスの圧力との差圧に応じて、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量の制御を行う。

本実施例の燃料電池システム１の作用について、燃料電池２の負荷と第１・第２流量制御機構１８１、１８２との関係を、流量制御機構ごとに分けて説明する。燃料電池２の発電量が増加して、水素オフガスの圧力Ｐ２が低下するとき、第１分流流路２２７等を通じて第１分流ガス室２２６の圧力Ｐ５₁が低下する。これにより、第１流量制御機構１８１は、Ｐ４₁、Ｐ５₁および第１バネ１９２の付勢力のバランスによって、ニードル６１を退避させる。したがって、ノズル４６の開口面積が大きくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が増加する。

また燃料電池２の発電量が増加する場合、上述したように、混合ガスの圧力Ｐ３が低下するが、このとき、第２分流流路２３７を通じて第２分流ガス室２３５の圧力Ｐ５₂が低下する。これにより、第２流量制御機構１８２は、Ｐ４₂、Ｐ５₂および第２バネ２０２の付勢力のバランスによって、ニードル６１を退避させる。したがって、ノズル４６の開口面積が大きくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が増加する。

一方、燃料電池２の発電量が減少して水素オフガスの圧力Ｐ２が上昇するとき、第１分流流路２２７等を通じて第１分流ガス室２２６の圧力Ｐ５₁が上昇する。これにより、第１流量制御機構１８１は、Ｐ４₁、Ｐ５₁および第１バネ１９２の付勢力のバランスによって、ニードル６１を進出させる。したがって、ノズル４６の開口面積が小さくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が減少する。

また同様に、燃料電池２の発電量が減少する場合、混合ガスの圧力Ｐ３が上昇するが、このとき、第２分流流路２３７を通じて第２分流ガス室２３５の圧力Ｐ５₂が上昇する。これにより、第２流量制御機構１８２は、Ｐ４₂、Ｐ５₂および第２バネ２０２の付勢力のバランスによって、ニードル６１を進出させる。したがって、ノズル４６の開口面積が小さくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が減少する。

このように、本実施例においても、エゼクタ２４による流量制御を水素ガス供給系４の差圧に応じて行うことができ、燃料電池２の負荷に応じてこれに適量の水素ガスを適切に供給することができる。特に、二組における差圧に基づいて流量を制御しているため、幅広い制御性を達成することができる。なお、本実施例では、差圧を構成する圧力の組として、新たな水素ガスと水素オフガス、および、新たな水素ガスと混合ガス、としたがこれに限るものでないことやその組数が二つ以上であってもよいことは言うまでもない。例えば、新たな水素ガスと混合ガスの組を、水素オフガスと混合ガスの組としてもよい。

参考例３

次に、図７を参照して、燃料電池システム１の参考例３について、実施例１との相違点を中心に説明する。本参考例３の流量制御機構４７は、実施例１における水素ガスの差圧を利用してニードル６１を進退させる構成に代えて、燃料電池車両のアクセルペダル２４１の開度（踏込み量）を利用してニードル６１を進退させる構成を有するものである。

具体的には、流量制御機構４７は、アクセルペダル２４１およびニードル６１のほか、ニードル６１の基端側を固着したピストン６２と、ピストン６２をアクセルペダル２４１に接続するワイヤ２４２等を含む動力伝達機構と、を具備している。動力伝達機構は、アクセルペダル２４１の踏込み量に基づいて、ピストン６２を介してニードル６１の進退量を可変する。

燃料電池車両の加速時（燃料電池２の発電量増加時）に、アクセルペダル２４１の踏込み量が増すと、動力伝達機構によりピストン６２が後退させられ、ニードル６１が退避する。これにより、ノズル４６の開口面積が大きくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が増加する。

一方、燃料電池車両の減速時（燃料電池２の発電量低下時）に、アクセルペダル２４１の踏込み量が減ると、動力伝達機構によりピストン６２が前進させられ、ニードル６１が進出する。これにより、ノズル４６の開口面積が小さくなり、ノズル４６を通過する新たな水素ガスの流量が減少する。

このように本参考例３では、流量制御機構４７がアクセルペダル２４１の踏込み量に基づいてノズル４６の開口面積を可変するため、電気的なアクチュエータやセンサ等を設けなくとも、燃料電池２の負荷に応じて、これに適量のガスを供給することができる。

次に、図８を参照して、燃料電池システム１の実施例４について説明する。本実施例は、エゼクタ２４を酸素ガス供給系３に配設したものである。同図に示すように、エゼクタ２４は、加湿器１１の上流側の供給流路１２に配設され、１次側がコンプレッサ１５から圧送される主流流路１２ａに接続され、２次側が加湿器１１に通じる混合流路１２ｂに接続され、３次側が循環流路１３に接続されている。

エゼクタ２４によって、コンプレッサ１５からの新たな酸素ガスと酸素オフガスとが合流され、この合流後の混合ガスが加湿器１１を介して燃料電池２に供給される。なお、循環流路１３には、加湿器１１の下流側に逆止弁２５１が介設されており、酸素オフガスは逆止弁２５１を通じてエゼクタ２４に吸引される。なおもちろん、エゼクタ２４の配設箇所はこれに限らず、例えば加湿器１１の下流側であってもよい。

本実施例のエゼクタ２４としては、上記各実施例の構成を用いることができる。また同様に、本実施例の酸素ガス供給系３には、エゼクタ２４の流量制御機構４７に導く二つの流通路（分流流路７１，８１，１１２，２２７，２３７など）を設けることができる。このように、エゼクタ２４を酸素ガス供給系３に配設して、上記各実施例と同様の構成をとることで、燃料電池２の負荷に応じた酸素ガスの供給を適切に行うことができると共に、その際のエゼクタ２４による流量制御を、電気的に行わずとも機械構造上、自律的に行うことができる。

実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。 実施例１に係る燃料電池システムの要部を示す簡略構成図である。 参考例１に係る燃料電池システムの要部を示す簡略構成図である。 参考例２に係る燃料電池システムの要部を示す簡略構成図である。 実施例２に係る燃料電池システムの要部を示す簡略構成図である。 実施例３に係る燃料電池システムの要部を示す簡略構成図である。 参考例３に係る燃料電池システムの要部を示す簡略構成図である。 実施例４に係る燃料電池システムの構成を示す構成図である。

１ 燃料電池システム、２ 燃料電池、３ 酸素ガス供給系、４ 水素ガス供給系、２２ 供給流路、２２ａ 主流流路（第２流通路）、２２ｂ 混合流路、２３ 循環流路、２４ エゼクタ、４２ 供給口、４３ 排出口、４４ 吸込み口、４６ ノズル、４７ 流量制御機構、４８ ディフューザ、６１ ニードル、６２ ピストン、６３ バネ、７１ 分流流路、８１ 分流流路（流通路）、１１２ 分流流路、１８１ 第１流量制御機構、１８２ 第２流量制御機構、２２７ 第１分流流路、２３７ 第２分流流路、

Claims (6)

1. ガス供給系に配設され、燃料電池に供給する新たなガスを当該燃料電池から排出されたガスと合流させて供給するエゼクタを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記エゼクタは、
   前記新たなガスを噴射し、前記燃料電池から排出されたガスを吸引するための負圧を発生するノズルと、
   前記ノズルを通過する前記新たなガスの流量を制御する流量制御機構と、を有し、
   前記ガス供給系には、前記燃料電池から排出され前記エゼクタに合流するまでの間のガスを前記流量制御機構に導く流通路が設けられ、
   前記流量制御機構は、前記流通路から導かれたガスの圧力に応じて、前記新たなガスの流量を制御する燃料電池システム。
2. 前記ガス供給系には、前記新たなガスを前記流量制御機構に導く第２流通路が設けられ、
   前記流量制御機構は、前記流通路からのガスと前記第２流通路からのガスとの差圧に応じて、前記新たなガスの流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ガス供給系には、前記燃料電池に供給される合流後のガスを前記流量制御機構に導く第２流通路が設けられ、
   前記流量制御機構は、前記流通路からのガスと前記第２流通路からのガスとの差圧に応じて、前記新たなガスの流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記流量制御機構は、
   先端側が前記ノズルの開口部に臨むニードルと、
   前記ニードルの基端側に接続され、前記流通路および前記第２流通路の一方からのガスが表面側に導かれ且つ他方からのガスが裏面側に導かれるピストンと、
   前記ピストンの裏面側を前記ニードルの先端側に向かって付勢する付勢部材と、を有し、
   前記ニードルは、前記ピストンにおけるガスの差圧と前記付勢部材の付勢力とのバランスに基づいて軸線方向に進退し、前記ノズルの開口面積を可変する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記ノズルは、前記新たなガスの流量に対応して複数が設けられており、
   前記流量制御機構は、前記差圧に応じて前記複数のノズルを切り替えることにより前記新たなガスの通過を許容する一つまたは複数のノズルを選択して、当該新たなガスの流量を制御する請求項２ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記流通路は、前記燃料電池から排出され前記エゼクタに合流するまでの間の循環流路に分岐接続されていると共に、当該循環流路よりも流路断面積を小さく設定されている請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
   
   

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