JP5023444B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、流量可変式のエジェクタを備えた燃料電池システムに関するものである。

反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、燃料電池から排出されるオフガス中に、発電に寄与しなかった反応ガスが含まれ得る。従来の燃料電池システムでは、この未反応の反応ガスを再利用すべく、流量可変式のエジェクタにより燃料電池に循環供給させることがある（例えば、特許文献１ないし５参照。）。

エジェクタが流量を可変する構成として、アクチュエータの駆動を用いるものや（例えば特許文献３及び４参照。）のほか、ガス圧の差圧を駆動力として用いるもの（特許文献１参照。）が知られている。特許文献１に記載のエジェクタでは、燃料供給圧、燃料オフガス圧および酸化ガス圧の三者の圧力バランス（差圧）により、ニードルをノズルの内部で進退させることで、燃料電池への燃料ガスの供給流量を制御している。
特開２００２−２２７７９９号公報 特開平９−２１３３５３号公報 特開２００２−５６８７０号公報 特開平８−３３８３９８号公報 特開２００３−３１１８７号公報

特許文献１に記載のエジェクタでは、アクチュエータによる駆動力でなく、差圧を駆動力としてニードルの位置を制御しているため、過渡応答性は確保することができる。しかしながら、燃料電システムにおけるガス配管系内の圧力の成り行き制御となるため、任意に供給流量を可変することができなかった。それゆえ、例えば燃料電池の発電量や、燃料電池車両の運転状況などに応じた供給流量の調整が困難で、流量の調整幅が制限されていた。

本発明は、エジェクタによる流量の調整幅を広げることができ、燃料電池への反応ガスの供給流量および圧力を適切に可変制御可能な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。

上記課題を解決するべく、本発明の燃料電池システムは、ガス供給源から供給される供給ガスと燃料電池から排出されたオフガスとを合流して燃料電池に反応ガスとして供給するエジェクタを、備えた燃料電池システムにおいて、エジェクタは、燃料電池への反応ガスの供給流量を可変するための流量調整部を有し、流量調整部は、供給流量を可変するための駆動方式が互いに異なる複数の駆動部を有し、複数の駆動部は、それぞれ独立して前記供給流量を調整するように構成されているものである。また、複数の駆動部は、当該燃料電池システムの系内の少なくとも二箇所のガスの差圧による駆動力によって、供給流量を可変するガス駆動部と、電気制御されるアクチュエータを有し、当該アクチュエータによる駆動力によって、供給流量を可変する電気駆動部と、を備えている。さらに、エジェクタは、供給ガスまたはオフガスの一方を噴射し、他方を吸引するための負圧を発生するノズルを有し、流量調整部は、ノズルに対して進退移動可能に構成され、その進退位置に応じて当該ノズルを通過するガスの流量を調整する流量調整部材を有し、ガス駆動部は、差圧による駆動力によって流量調整部材を進退移動させ、電気駆動部は、アクチュエータによる駆動力によって流量調整部材を進退移動させる。

この構成によれば、エジェクタは異なる駆動方式の駆動部を複数有し、各駆動部はそれぞれ独立して供給流量を可変することが可能となる。これにより、エジェクタによる流量の調整幅を広げることが可能となるため、例えば燃料電池システム内および燃料電池システム外の各種状況に応じて、供給流量および圧力を適切に制御することが可能となる。また、複数の駆動部の一つが故障したとしても、残りの駆動部によって、依然として、供給流量を可変し得る。

ここで、「燃料電池への反応ガスの供給流量を可変する」とは、供給ガスにオフガスを合流させた合流後の反応ガスの流量が、最終的に可変できていれば足りることを意味する。つまり、「燃料電池への反応ガスの供給流量を可変する」には、供給ガスおよびオフガスの一方の流量を制御することのみならず、供給ガスおよびオフガスの両方の流量を制御することが含まれる。

ここで、反応ガスとは、燃料電池での発電反応に供されるガスをいい、具体的には、水素を含む燃料ガスまたは酸素を含む酸化ガスをいう。

また、上記燃料電池システムによれば、ガスの差圧と電気によるハイブリッド制御で、供給流量が可変される。これにより、ガス駆動部によって系内の過渡応答に対応した供給流量の制御が可能となると共に、電気駆動部によって系内の成行きだけでなく任意に供給流量を制御（例えばフィードフォワード制御）し得る。ここで、アクチュエータは、例えばモータ、シリンダ装置、ソレノイドなどである。

さらに、上記燃料電池システムによれば、ガス駆動部および電気駆動部によって、ノズルに対して流量調整部材の進退位置が変更されて、ノズルを通過するガス（供給ガスまたはオフガス）の流量が調整される。

本発明の燃料電池システムの好ましい一態様によれば、ガス駆動部は、燃料電池システムの系内の二箇所のガスの圧力が作用する二つの圧力室と、二つの圧力室を仕切ると共に流量調整部材に接続され、二つの圧力室における差圧を流量調整部材に伝達する駆動力伝達部材と、を有する。

この構成によれば、仕切りである駆動力伝達部材に差圧が作用し、その差圧による駆動力が駆動力伝達部材から流量調整部材に伝達される。これにより、流量調整部材の進退移動が自立的になされる。ここで、駆動力伝達部材は、例えばピストンやダイアフラムなどである。

本発明の燃料電池システムの好ましい一態様によれば、二つの圧力室の少なくとも一方には、流量調整部材をノズルの軸線方向に付勢する付勢部材が設けられている。

本発明の燃料電池システムの好ましい一態様によれば、二つの圧力室に作用するガスは、エジェクタが供給流量を可変する反応ガスと同種のガスである。

この構成によれば、例えば反応ガスが燃料ガス系である場合には、一方の圧力室に作用する燃料ガスを供給燃料ガスとし、他方の圧力室に作用する燃料ガスを燃料オフガスとすることができる。特に燃料オフガスを用いることで、燃料電池での反応ガスの消費量が変動した場合に応答性良く反応ガスを供給することができる。

本発明の燃料電池システムの好ましい一態様によれば、電気駆動部は、燃料電池システムの系内の状況、燃料電池システムの系外からの燃料電池への出力要求、および燃料電池システムの系外の状況の少なくとも一つに応じて、アクチュエータを電気制御する。

この構成によれば、例えば燃料電池システムを搭載した車両の場合には、燃料電池システムの系外の状況である車両の運転状況、アクセル開度または外気温に応じて、アクチュエータを電気制御して、供給流量を可変することができる。

この場合、燃料電池システムの系内の状況には、系内で検出されたガス圧または燃料電池の発電状態が含まれることが、好ましい。

上記課題を解決するべく、本発明を別の観点からみれば、本発明の他の燃料電池システムは、ガス供給源から供給される供給ガスと燃料電池から排出されたオフガスとを合流して燃料電池に反応ガスとして供給するエジェクタを、備えた燃料電池システムである。エジェクタは、供給ガスまたはオフガスの一方を噴射し、他方を吸引するための負圧を発生するノズルと、ノズルに対して進退移動可能に構成され、その進退位置に応じてノズルを通過するガスの流量を調整する流量調整部材と、燃料電池システムの系内の二箇所のガスの圧力が作用される第１受圧部および第２受圧部を有し、第１受圧部および第２受圧部でのガスの差圧を流量調整部材に伝達する駆動力伝達部材と、一端が駆動力伝達部材に接続され、駆動力伝達部材を流量調整部材の進退移動方向に付勢する付勢部材と、付勢部材の他端から付勢部材の付勢力を可変するように力を印加する付勢力変更手段と、を備える。付勢力変更手段は、電気制御により付勢部材の付勢力を可変するアクチュエータを有し、そして、流量調整部材は、駆動力伝達部材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進退移動する。

この構成によれば、流量調整部材の進退位置に応じてノズルを通過するガスの流量が調整されて、燃料電池への反応ガスの供給流量が可変される。この可変制御は、流量調整部材が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進退移動することでなされるものであるため、燃料電池システムの系内の過渡応答に適切に対応することができる。また、付勢力変更手段によって、付勢部材の付勢力を可変することができる。したがって、エジェクタによる流量の調整幅を広げることが可能となるため、燃料電池システムの系内の成行きだけでなく任意に供給流量および圧力を可変することができる。

好ましくは、駆動力伝達部材は、第１受圧部が流量調整部材に接続され、第２受圧部が付勢部材の一端が接続され、流量調整部材は、駆動力伝達部材と共に進退移動する。また、付勢力変更手段は、付勢部材の他端が接続された抑え部材を有し、抑え部材に対し付勢部材の付勢力を可変するように力を印加するとよい。

また、前記電気制御により前記付勢部材の付勢力を可変するアクチュエータは、出力部が前記抑え部材に連結され、電気制御により抑え部材と駆動力伝達部材との間の距離を可変するものであってもよい。

本発明の燃料電池システムの一態様によれば、アクチュエータは、燃料電池システムの系内の状況、燃料電池システムの系外からの燃料電池への出力要求、および燃料電池システムの系外の状況の少なくとも一つに応じて、電気制御されればよい。この場合、燃料電池システムの系内の状況には、系内で検出されたガス圧または燃料電池の発電状態が含まれることが、好ましい。

以上説明した本発明の燃料電池システムによれば、エジェクタによる流量の調整幅を広げることができ、燃料電池への反応ガスの供給流量および圧力を精度良く制御することができる。

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、燃料電池に反応ガスを循環供給させるエジェクタを備えたものであり、そのエジェクタによる反応ガスの供給流量の調整幅を広げたものである。以下では、燃料ガスの配管系にエジェクタを配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は、燃料電池システムの主要部を示す図である。
燃料電池システム１は、酸化ガス（空気）および燃料ガス（水素）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２を備えている。燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型からなり、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に反応ガスとしての酸化ガスを供給する酸化ガス配管系３と、燃料電池２に反応ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御装置（ＥＣＵ）５と、を具備している。

酸化ガス配管系３は、加湿器１１により加湿された酸化ガスを燃料電池２に供給する供給流路１２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを加湿器１１に導く排出流路１３と、加湿器１１から燃焼器に酸化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（ガス供給源）が設けられている。また、燃料電池２の酸化ガス入口に近い供給流路１２には、燃料電池２への酸素供給圧（入口圧）を検出する圧力センサ１６が設けられている。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した水素供給源（ガス供給源）である水素タンク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ガスのオフガス（以下、水素オフガスという。）を供給流路２２に戻すための循環流路２３と、供給流路２２と循環流路２３との接続部分に設けられ、循環流路２３の水素オフガスを供給流路２２に還流させるエジェクタ２４と、エジェクタ２４に水素オフガスの圧力をパイロット圧として導入する導入通路２５と、を具備している。

エジェクタ２４によって、水素タンク２１からの水素ガス（以下、供給水素ガスという。）に燃料電池２の水素ガス出口からの水素オフガスが合流され、この合流後の水素ガス（以下、混合水素ガスという場合がある。）が燃料電池２に供給される。なお、燃料電池２のアノードに供給するガスは、水素を含む燃料ガスであればよい。また、ガス供給源は、高圧水素タンクのほかに、燃料改質器、水素吸蔵タンク等で構成される。

供給流路２２は、エジェクタ２４の上流側に位置し、供給水素ガスをエジェクタ２４に導く流路である主流流路２２ａと、エジェクタ２４の下流側に位置し、混合水素ガスを燃料電池２に導く流路である混合流路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。

循環流路２３には、逆止弁３４が介設されていると共に、逆止弁３４の上流側において導入通路２５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を通じてエジェクタ２４に吸引される。また、循環流路２３の水素オフガスの圧力は、導入通路２５を経てエジェクタ２４にパイロット圧として導入される。

燃料電池２の水素ガス入口に近い主流流路２２ａには、燃料電池２への水素供給圧（入口圧）を検出する圧力センサ２７が設けられている。燃料電池２の水素ガス出口に近い循環流路２３には、燃料電池２からの水素排出圧（出口圧）を検出する圧力センサ２８が設けられている。

制御装置５（ＥＣＵ）は、図示省略したＣＰＵ、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶したＲＯＭ、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭなどを有している。制御装置５は、複数の圧力センサ１６，２７，２８からの検出信号や、燃料電池システム１の系外からの各種の信号（図示省略）を入力する。また、制御装置５は、各種ドライバに制御信号を出力することにより、コンプレッサ１５による酸化ガスの供給流量や、エジェクタ２４による水素ガスの供給流量や水素供給圧を制御したりする。

図２は、エジェクタ２４の構成を示す図である。
エジェクタ２４は、燃料電池２へ反応ガスとして供給する水素ガス（混合水素ガス）の供給流量を可変可能に構成されている。エジェクタ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の吸込み口４４と、導入通路２５の下流側に接続された圧導入口４５と、が形成されている。

筐体４１の内部には、供給口４２からの供給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の下流側に設けられ、ノズル４６を通過した供給水素ガスと水素オフガス（副流）とを合流させるディフューザ４７と、ノズル４６を通過する供給水素ガス（主流）の流量を制御することにより燃料電池２への水素ガスの供給流量を可変する流量調整部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り、供給水素ガスの流れ方向に向かって全体として先細り又は略錘状となるように形成されている。ノズル４６のその拡開した上流側は供給口４２に連なり、ノズル４６の下流側とディフューザ４７との間は吸込み口４４に連なっている。なお、ノズル４６を筐体４１の構成材と一体に形成したが、もちろんこれらを別体としてもよい。

ディフューザ４７は、ノズル４６と同軸に形成されており、その下流側が排出口４３に連なっている。ノズル４６からディフューザ４７に向けて供給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４７に吸い込まれる。これにより、ディフューザ４７において供給水素ガスと水素オフガスとが合流・混合され、この混合水素ガスが、排出口４３から混合流路２２ｂへと排出される。

流量調整部４８は、先端側がノズル４６の開口に臨むニードル６１（流量調整部材）と、ニードル６１の基端側を第１受圧面６２ａの中央部に接続したピストン６２（駆動力伝達部材）と、一端がピストン６２の第２受圧面６２ｂに接続されたバネ６３（付勢部材）と、バネ６３の他端が接続されたバネ抑え６４と、バネ抑え６４に連結されたアクチュエータ６５と、を有している。ニードル６１、ピストン６２およびバネ６３は、ノズル４６と同軸に配設されている。なお、ニードル６１およびピストン６２は、一体に形成されているが、もちろん別体で形成されてもよい。

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。ニードル６１は、差圧による駆動方式および電気的な駆動方式により（詳細は後述する）、ノズル４６の先端に形成された開口に対して当該ノズル４６の軸方向に進退移動する。ニードル６１の軸方向の進退位置に応じて、ニードル６１とノズル４６の内周壁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。）が可変される。これにより、ノズル４６を通過する供給水素ガスの流量が制御され、燃料電池２への水素ガスの供給流量が制御される。

ピストン６２は、表面に第１受圧面６２ａ（第１受圧部）を有し、裏面に第２受圧面６２ｂ（第２受圧部）を有している。ピストン６２は、その外周面を筐体４１の内壁面に沿って摺動可能に構成されており、その軸線方向に摺動する。ピストン６２を挟んでその軸線方向の前後には、二つの圧力室７１，７２が画成されている。すなわち、ピストン６２は、二つの圧力室７１，７２を仕切っており、第１受圧面６２ａおよび第２受圧面６２ｂは、各々、筐体４１内を軸方向に進退移動可能なピストン６２の部分のうち、第１圧力室７２および第２圧力室７１に面した部分である。

一方の圧力室７１は、圧導入口４５に連通しており、その内部にバネ６３（付勢部材）を収容している。圧力室７１は、筐体４１の内壁面、ピストン６２の第２受圧面６２ｂ、およびバネ抑え６４の表面６４ａによって画成されている。圧力室７１には、循環流路２３の水素オフガスが導入通路２５および圧導入口４５を介して信号圧として導かれる。

他方の圧力室７２は、供給口４２に連通しており、その内部にはニードル６１が位置している。圧力室７２は、主として、筐体４１の内壁面およびピストン６２の第１受圧面６２ａによって画成されており、供給水素ガスの流路の一部となっている。

このような二つの圧力室７１，７２の構成により、ピストン６２の第１受圧面６２ａには、主流流路２２ａからの供給水素ガスの圧力Ｐ１が作用する。一方、ピストン６２の第２受圧面６２ｂには、バネ６３からの付勢力が作用すると共に、循環流路２３からの水素オフガスの圧力Ｐ２が作用する。この圧力Ｐ１と圧力Ｐ２との差圧による駆動力がピストン６２を介してニードル６１に伝達される。この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、ニードル６１がピストン６２と共に軸線方向に進退する。

ここで、本発明の請求項に記載の「ガス駆動部」８１は、主として、二箇所の水素ガスの圧力が作用する二つの圧力室７１，７２と、駆動力伝達部材としてのピストン６２と、によって構成されている。そして、ガス駆動部８１は、二箇所の水素ガスの差圧による駆動力をニードル６１に機械的に作用させて、ニードル６１を進退移動させ、それにより燃料電池２への水素ガスの供給流量を可変する。

なお、ピストン６２に代えて、駆動力伝達部材としてダイアフラムを用いてもよい。この場合、ダイアフラムの周縁部を筐体４１の内壁に固着させ、ダイアフラムで二つの圧力室７１，７２を仕切るようにする。こうすることで、ダイアフラムの表裏の両面が第１受圧部及び第２受圧部として機能する。このダイアフラムの両面に作用する水素ガスの差圧によって、ダイアフラムが撓むように変位し（振動し）、それによりニードル６１がダイアフラムと共に進退移動するようになる。

バネ６３は、所定のばね定数を有し、ピストン６２の第２受圧面６２ｂをニードル６１の先端側に向かって付勢する。バネ抑え６４は、例えば円板上からなり、その外周面を筐体４１の内壁面に沿って摺動可能に構成されている。バネ抑え６４は、アクチュエータ６５の駆動により、筐体４１の内壁面に沿ってニードル６１の軸線方向に進退移動する。バネ抑え６４の進退移動位置によって、すなわちバネ抑え６４とピストン６２との間の距離が可変されることによって、バネ６３の付勢力（バネ圧）が可変される。

アクチュエータ６５は、例えばモータ、シリンダ装置またはソレノイドからなり、制御装置５に接続されている。アクチュエータ６５の出力部６５ａは、バネ抑え６４の裏面６４ｂに連結されている。

制御装置５によって電気制御されるアクチュエータ６５の駆動により、バネ６３の付勢力を可変する力をバネ抑え６４を介して間接的にバネ６３の他端に印加する。すなわち、アクチュエータ６５およびバネ抑え６４により付勢力変更手段が構成されており、アクチュエータ６３の駆動により、バネ抑え６４が移動して、バネ６３の付勢力が可変される。

また、このことをニードル６１の観点からみれば、アクチュエータ６５の駆動により、出力部６５ａ、バネ抑え６４、バネ６３およびピストン６２を介してニードル６１が軸線方向に進退し得る。

ここで、本発明の請求項に記載の「電気駆動部」８２は、アクチュエータ６５と、その動力をニードル６１に伝達する伝達手段とによって構成され、伝達手段は、主として、バネ抑え６４、バネ６３およびピストン６２によって構成されている。電気駆動部８２は、アクチュエータ６５による駆動力をニードル６１に作用させて、ニードル６１を進退移動させ、それにより燃料電池２への水素ガスの供給流量を可変する。

ここで、ニードル６１を進退移動させる駆動力を奏するガス駆動部８１と電気駆動部８２とは、互いに異なる駆動方式で且つ独立して、例えば燃料電池２への水素ガスの供給流量を可変する。以下では、先ず、ガス駆動部８１による供給流量の制御について燃料電池２の負荷との関係で説明し、次に、電気駆動部８２による供給流量の制御について説明する。

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。この消費量が増えて混合流路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、水素オフガスの圧力Ｐ２が低下する（混合流路２２ｂの混合水素ガスの圧力Ｐ３も低下する。）。すると、ピストン６２およびニードル６１が、Ｐ１、Ｐ２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。

このガス駆動部８１の作用により、ノズル４６の開口面積が大きくなるため、ノズル４６を通過する供給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、エジェクタ２４は自律的に適切に対応して、燃料電池２への供給流量を増加方向に可変することになる。そして、供給水素ガスの流量の増加によって混合水素ガスの圧力Ｐ３が上昇するため、燃料電池２への水素供給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、供給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。この消費量が減って混合流路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、水素オフガスの圧力Ｐ２が上昇する（混合水素ガスの圧力Ｐ３も上昇する。）。すると、ピストン６２およびニードル６１が、Ｐ１、Ｐ２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。

このガス駆動部８１の作用により、ノズル４６の開口面積が小さくなるため、ノズル４６を通過する供給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、エジェクタ２４は自律的に適切に対応して、燃料電池２への供給流量を減少方向に可変することになる。そして、供給水素ガスの流量の減少によって混合水素ガスの圧力Ｐ３が低下するため、燃料電池２への水素供給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減少し、供給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、アクチュエータ６５を主要な構成要素とする電気駆動部８２は、例えば、燃料電池システム１の系外の状況である燃料電池車両の運転状況、アクセル開度または外気温に応じて、ノズル４６の開口面積を可変することができる。すなわち、電気駆動部８２は、車両の運転状況、アクセル開度または外気温などの車両制御信号を利用して、燃料電池２への水素ガスの供給流量および水素供給圧を積極的に制御することができる。

例えば、燃料電池車両の急加速時にアクセル開度が急激に大きくなった場合に、アクチュエータ６５を駆動してニードル６１を退避させることで、燃料電池２への水素ガスの供給流量および水素ガス配管系４内の圧力を上げることができる。

また、電気駆動部８２は、燃料電池システム１の系内の状況に応じて、ノズル４６の開口面積を可変することができる。ここで、燃料電池システム１の系内の状況には、燃料電池２の発電指令や発電量などの燃料電池２の発電状態、燃料電池２での水素ガスの消費量または酸化ガスの消費量、コンプレッサ１５による酸化ガス供給量、圧力センサ２７の検出結果である水素供給圧（Ｐ３）、圧力センサ２８による水素排出圧（Ｐ２）、圧力センサ１６による酸化ガス供給圧、のいずれか一つの状況が含まれる。アクチュエータ６５は、上記のいずれかの状況に応じて駆動して、燃料電池２への水素ガスの供給流量および水素供給圧を制御する。

例えば、Ｐ２やＰ３の圧力に応じてアクチュエータ６５を駆動すれば、燃料電池２の負荷に対応して簡単に供給流量等を可変し得る。また、酸化ガス供給圧や酸化ガスの供給量に応じてアクチュエータ６５を駆動すれば、極間差圧に対応した供給流量等に設定し得る。

以上のように、本実施形態の燃料電池システム１によれば、エジェクタ２４がガスの差圧と電気によるハイブリッド制御で、供給流量を可変することができる。特に、ガス駆動部８１によって、燃料電池システム１の系（３，４）内の過渡応答に良好に対応することができ、電気駆動部８２によって、燃料電池システム１の系（３，４）内の成行きだけでなく任意に供給流量を制御し得る。この効果は、また燃料電池システム１の効率も高めることができる。

例えば、燃料電池２の低負荷時にアクチュエータ６５を積極的に制御して、水素ガス配管系４内の圧力を下げれば、乱れなしに酸化ガス側の圧力も合わせて低下させることができ、燃料電池システム１を停止または不安定状態にさせることなくシステム効率を向上し得る。

一方、本実施形態の別の観点では、アクチュエータ６５の駆動によりバネ６３の付勢力を可変することができるため、エジェクタ２４をフィードフォーワード制御することができる。したがって、エジェクタ２４による流量の調整幅を広げることが可能となる。

例えば、アクチュエータ６５によりバネ抑え６４とピストン６２との間の距離を長くすると、バネ６３の付勢力が小さくなり、ニードル６１がノズル４６の内部へと進出して、水素ガス配管系４内の圧力を上げることができる。一方、アクチュエータ６５によりバネ抑え６４とピストン６２との間の距離を短くすると、バネ６３の付勢力が大きくなり、ニードル６１がノズル４６の内部へと進出して、水素ガス配管系４内の圧力を下げることができる。これらの応答性は迅速となるが、水素ガス配管系４内圧力を変化させたことによる圧力のオーバーシュートや振動の発生については抑制し得る。

次に、本実施形態の燃料電池システム１の各種の変形例について述べる。

上記では、エジェクタ２４の圧力室７１に信号圧として導くガスを水素オフガスとしたが、もちろんこれに限るものではない。例えば、混合水素ガスの圧力Ｐ３を圧力室７１に導入してもよい。また、酸化ガス配管系３の酸化ガスの圧力を圧力室７１に導入してもよく、その場合には供給流路１２内の新たな酸化ガス（供給酸化ガス）であってよいし、排出流路１３内や排気流路１４内の酸化オフガスであってもよい。さらに、圧力室７１に導くガスは、燃料電池システム１のガス配管系（３，４）に関与しないガスであってもよく、圧力室７１に導く専用のガスであってもよい。

また、上記では、エジェクタ２４の主流ガス（噴射ガス）を供給水素ガスとし、副流ガス（吸引ガス）を水素オフガスとしたが、この逆の構成であってもよい。すなわち、エジェクタ２４は、ノズル４６から水素オフガスを噴射する際に、水素タンク２１からの供給水素ガスを吸引するようにしてもよい。この場合には、エジェクタ２４の圧力室７１には、供給水素ガスの圧力、混合水素ガスの圧力、または酸化ガス配管系３の酸化ガスの圧力などを導入するようにすればよい。

また、エジェクタ２４を酸化ガス配管系３に配設してもよい。例えば、エジェクタ２４によって、コンプレッサ１５からの供給酸化ガスに、排出流路１３の酸化オフガスを合流させ、この合流後の混合酸化ガスを燃料電池２に供給してもよい。この場合、エジェクタ２４の圧力室７１には、酸化ガス配管系３または水素ガス配管系４を流れるガスや、これらのガス配管系（３，４）に関与しない専用のガスを導入すればよい。

さらに、ガス駆動部８１の一方の圧力室７１にバネ６３を設けたが、もう一方の圧力室７２にも同様のバネを設けてもよい。また、二箇所のガスの差圧だけなく、三箇所以上のガスの圧力を用いてもよい。例えば、水素供給圧、水素排出圧、および酸化ガス供給圧の三者のバランスでニードル６１を進退移動させるようにしてもよい。

なお、燃料電池２への供給流量を可変するための駆動方式が互いに異なる二つの駆動部（ガス駆動部８１、電気駆動部８２）の例について説明したが、もちろん、三以上の駆動部を設け、これらの駆動方式を互いに異ならせてもよい。

上記した本発明の燃料電池システム１は、二輪または四輪の自動車以外の電車、航空機、船舶、自走式ロボットその他の移動体に搭載することができる。また、燃料電池システム１は、定置用ともすることができ、コージェネレーションシステムに組み込むことができる。

また、本発明の燃料電池システム１に搭載したエジェクタ２４は、燃料電池システム１のみならず、流体を合流して供給する必要がある他のシステムにも適用することができる。特に、エジェクタ２４による流体の供給先となる供給先装置が、流体を消費する流体消費装置（ガスであればガス消費装置）であり、流体消費装置での流体の消費量が変化するシステムに好適である。さらに好適のシステムは、流体消費装置の排出した流体がエジェクタ２４によって再び流体消費装置に循環させられるシステムである。

実施形態に係る燃料電池システムを示す構成図である。 実施形態に係るエジェクタの断面図である。

符号の説明

１：燃料電池システム、２：燃料電池、３：酸化ガス配管系、４：水素ガス配管系、２１：水素タンク（ガス供給源）、２２：供給流路、２３：循環流路、２４：エジェクタ、２５：導入通路、４６：ノズル、６１：ニードル（流量調整部材）、６２：ピストン（駆動力伝達部材）、６３：バネ（付勢部材）、６４：バネ抑え（抑え部材）、６５：アクチュエータ（付勢力変更手段）、７１：圧力室、７２：圧力室、８１：ガス駆動部、８２：圧力駆動部

Claims (9)

1. ガス供給源から供給される供給ガスと燃料電池から排出されたオフガスとを合流して当該燃料電池に反応ガスとして供給するエジェクタを、備えた燃料電池システムにおいて、
   前記エジェクタは、前記燃料電池への反応ガスの供給流量を可変するための流量調整部を有し、
   前記流量調整部は、前記供給流量を可変するための駆動方式が互いに異なる複数の駆動部を有し、
   前記複数の駆動部は、それぞれ独立して前記供給流量を調整するように構成され、
   前記複数の駆動部は、
   当該燃料電池システムの系内の少なくとも二箇所のガスの差圧による駆動力によって、前記供給流量を可変するガス駆動部と、
   電気制御されるアクチュエータを有し、当該アクチュエータによる駆動力によって、前記供給流量を可変する電気駆動部と、
   を備え、
   前記エジェクタは、
   前記供給ガスまたは前記オフガスの一方を噴射し、他方を吸引するための負圧を発生するノズルを有し、
   前記流量調整部は、
   前記ノズルに対して進退移動可能に構成され、その進退位置に応じて当該ノズルを通過するガスの流量を調整する流量調整部材を有し、
   前記ガス駆動部は、前記差圧による駆動力によって前記流量調整部材を進退移動させ、
   前記電気駆動部は、前記アクチュエータによる駆動力によって前記流量調整部材を進退移動させる、燃料電池システム。
2. 前記ガス駆動部は、
   当該燃料電池システムの系内の二箇所のガスの圧力が作用する二つの圧力室と、
   前記二つの圧力室を仕切ると共に前記流量調整部材に接続され、当該二つの圧力室における差圧を前記流量調整部材に伝達する駆動力伝達部材と、
   を有する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記二つの圧力室の少なくとも一方には、前記流量調整部材を前記ノズルの軸線方向に付勢する付勢部材が設けられている請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記二つの圧力室に作用するガスは、前記エジェクタが前記供給流量を可変する反応ガスと同種のガスである請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記電気駆動部は、当該燃料電池システムの系内の状況、当該燃料電池システムの系外からの前記燃料電池への出力要求、および当該燃料電池システムの系外の状況の少なくとも一つに応じて、前記アクチュエータを電気制御する請求項１ないし４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池システムの系内の状況には、当該系内で検出されたガス圧または前記燃料電池の発電状態が含まれる請求項５に記載の燃料電池システム。
7. ガス供給源から供給される供給ガスと燃料電池から排出されたオフガスとを合流して当該燃料電池に反応ガスとして供給するエジェクタを、備えた燃料電池システムにおいて、
   前記エジェクタは、
   前記供給ガスまたは前記オフガスの一方を噴射し、他方を吸引するための負圧を発生するノズルと、
   前記ノズルに対して進退移動可能に構成され、その進退位置に応じて当該ノズルを通過するガスの流量を調整する流量調整部材と、
   当該燃料電池システムの系内の二箇所のガスの圧力が作用される第１受圧部および第２受圧部を有し、当該第１受圧部および第２受圧部でのガスの差圧を前記流量調整部材に伝達する駆動力伝達部材と、
   一端が前記駆動力伝達部材に接続され、当該駆動力伝達部材を前記流量調整部材の進退移動方向に付勢する付勢部材と、
   前記付勢部材の他端から当該付勢部材の付勢力を可変するように力を印加する付勢力変更手段と、を備え、
   前記付勢力変更手段は、電気制御により前記付勢部材の付勢力を可変するアクチュエータを有し、
   前記流量調整部材は、前記駆動力伝達部材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進退移動する燃料電池システム。
8. 前記アクチュエータは、当該燃料電池システムの系内の状況、当該燃料電池システムの系外からの前記燃料電池への出力要求、および当該燃料電池システムの系外の状況の少なくとも一つに応じて、電気制御される請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池システムの系内の状況には、当該系内で検出されたガス圧または前記燃料電池の発電状態が含まれる請求項８に記載の燃料電池システム。