JP5459414B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、例えば固体高分子型セルを用いたセルユニットを有する燃料電池システムに関する。
従来、この種の燃料電池システムとして、燃料循環式燃料電池システムとした名称において特許文献１に開示された構成のものがある。
特許文献１に開示された従来の燃料循環式燃料電池システムは、燃料である水素ガスと酸化剤である空気とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記水素ガスを供給するための燃料供給流路と、前記燃料電池から排出された未反応の燃料である排水素ガスを前記燃料供給流路の何れかの位置に合流させ前記水素ガスを循環させるための燃料循環流路と、前記排水素ガスを取り込んで送り出す燃料ポンプと、前記水素ガスが流れる際に発生する負圧を利用して前記排水素ガスを吸入し前記水素ガスに合流させるエゼクタとを備えたものである。
特許文献１に開示された従来の燃料循環式燃料電池システムは、燃料である水素ガスと酸化剤である空気とが供給されて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に前記水素ガスを供給するための燃料供給流路と、前記燃料電池から排出された未反応の燃料である排水素ガスを前記燃料供給流路の何れかの位置に合流させ前記水素ガスを循環させるための燃料循環流路と、前記排水素ガスを取り込んで送り出す燃料ポンプと、前記水素ガスが流れる際に発生する負圧を利用して前記排水素ガスを吸入し前記水素ガスに合流させるエゼクタとを備えたものである。
上記特許文献１に開示された燃料循環式燃料電池システムは、発電に必要な水素ガスの供給量が少ないときには、エゼクタノズル部における流速が減少し、これに伴ってベルヌーイ効果が小さくなって、排水素ガスが十分に循環できないことに着目し、水素ガスの供給が少ない低負荷状態においては、排水素ガスを取り込んで送出するための燃料ポンプを設けたものである。
しかしながら、上記構成においては燃料ポンプを設けることに加えて、その燃料ポンプの制御を行なわなければならず、システムが複雑化するとともに小型化を図ることが難しいという課題がある。
そこで本発明は、水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる燃料電池システムの提供を目的としている。
上記課題を解決するための本発明は、水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるためのエゼクタを配設した送給路と、上記セルユニットに向けて流通する水素含有ガスをエゼクタを迂回させるための迂回路とを有する燃料電池システムであって、上記送給路を流通する水含有ガスが所定の流量よりも多いときには、上記迂回路に水素含有ガスを流通させるとともに、上記送給路を流通する水素含有ガスの圧力を変動させるガス送給圧力変動手段を有することを特徴としている。
上記の構成においては、セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量より少ないときには、エゼクタを配設した上記送給路に水素含有ガスを流通させ、一方、当該水素含有ガスが所定の流量よりも多いときには、上記迂回路に水素含有ガスを流通させている。
本発明によれば、水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる。
以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１（Ａ）は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その起動時における動作を示すフローチャートである。
なお、図１及び以下に示す図２〜４においては、水素含有ガスと酸素含有ガスのうち、水素含有ガスの流通系統についてのみ図示し、酸素含有ガスの流通系統についての図示を省略することにより簡略化している。
なお、図１及び以下に示す図２〜４においては、水素含有ガスと酸素含有ガスのうち、水素含有ガスの流通系統についてのみ図示し、酸素含有ガスの流通系統についての図示を省略することにより簡略化している。
本発明の第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１は、セルスタック１０の他、燃料タンク２０、調圧弁２１、エゼクタ２２、エゼクタ温度センサ２９、圧力センサ２３、逆止弁２６、ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２、セル温度センサ２８、窒素パージ弁２４、セパレートタンク３０、排水弁３１等とともに、コントロールユニットＣを有して構成されている。
セルスタック１０は、複数のセルユニット１１…を互いに間隙をもって重合してなるものであり、それら各セルユニット１１…内外に、水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流通させることによる発電を行えるようにしたものである。
本実施形態においては、「水素含有ガス」として「水素ガス」、また、「酸素含有ガス」として「空気」を例として説明するが、それらに限るものではない。
本実施形態においては、「水素含有ガス」として「水素ガス」、また、「酸素含有ガス」として「空気」を例として説明するが、それらに限るものではない。
セルユニット１１…は、アノードとカソードとを電解質の両側に配設した固体高分子型セルをセパレータ間（いずれも図示しない）に収容したものである。
燃料タンク２０は、セルスタック１０に送給するための所要量の水素ガスを貯蔵するものであり、その燃料タンク２０とセルスタック１０の受入部との間に送給パイプ２０ａが連結されている。
送給パイプ２０ａが、エゼクタ２２を配設した送給路である。
送給パイプ２０ａが、エゼクタ２２を配設した送給路である。
上記した調圧弁２１は、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を無段階に増減調整する機能を有するものであり、送給パイプ２０ａの中間部位に配設されているとともに、詳細を後述するコントロールユニットＣの出力側に接続されて、送給圧力を増減制御するようにしている。
本実施形態においては、調圧弁２１が、水素ガスの供給源である燃料タンク２０からセルスタック１０の受入部、従ってまた、各セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を増減調整するための調圧部である。
送給パイプ２０ａであって、調圧弁２１の下流側の位置とエゼクタ２２の下流側の位置との間には、セルユニットに向けて流通する水素含有ガスをエゼクタを迂回させるための迂回路２０ｂが配設されている。なお、迂回路２０ｂを「バイパスパイプ２０ｂ」という。
上記バイパスパイプ２０ｂにはＯＮ‐ＯＦＦ弁３２が配されており、そのバイパスパイプ２０ｂを流通する水素ガスを許容し遮断するためのものである。このＯＮ‐ＯＦＦ弁３２は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて、適宜開閉駆動されるようになっている。
セルスタック１０の排出部には、排出パイプ１０ａを介して後述するセパレートタンク３０が接続されているとともに、そのセパレートタンク３０とエゼクタ２２との間には還流路である還流パイプ３０ａが接続されている。
すなわち、セルスタック１０のアノードから排出される排水素ガスを、エゼクタ２２を介してセルスタック１０に還流させられるようにしている。
すなわち、セルスタック１０のアノードから排出される排水素ガスを、エゼクタ２２を介してセルスタック１０に還流させられるようにしている。
上記エゼクタ２２は、送給パイプ２０ａであって調圧弁２１の下流側に配置されている。
このエゼクタ２２は、送給パイプ２０ａを流通する水素ガスによる巻き込み作用により、セルスタック１０から排出された排水素ガスを、還流パイプ３０ａを通じてアノードに還流させる機能を有するものであり、本実施形態においては、低流量のみを還流させられるものである。
このエゼクタ２２は、送給パイプ２０ａを流通する水素ガスによる巻き込み作用により、セルスタック１０から排出された排水素ガスを、還流パイプ３０ａを通じてアノードに還流させる機能を有するものであり、本実施形態においては、低流量のみを還流させられるものである。
エゼクタ温度センサ２９は、上記したエゼクタ２２の温度を測定するためのものであり、本実施形態においては、エゼクタ２２自体の温度を測定するように配設されている。
なお、エゼクタ２２を流通する水素ガスの温度を測定するように配設してもよい。具体的には、例えばエゼクタ２２の上流側の送給パイプ２０ａに配設することができる。
また、エゼクタ温度センサ２９は、コントロールユニットＣの入力側に接続されて、エゼクタ２２の温度を測定できるようにしている。上記のエゼクタ温度センサ２９を設けることにより、エゼクタ２２の温度を正確に測定することができる。
なお、エゼクタ２２を流通する水素ガスの温度を測定するように配設してもよい。具体的には、例えばエゼクタ２２の上流側の送給パイプ２０ａに配設することができる。
また、エゼクタ温度センサ２９は、コントロールユニットＣの入力側に接続されて、エゼクタ２２の温度を測定できるようにしている。上記のエゼクタ温度センサ２９を設けることにより、エゼクタ２２の温度を正確に測定することができる。
圧力センサ２３は、エゼクタ２２から排出された水素ガスの圧力を測定するものであり、送給パイプ２０ａであって上記エゼクタ２２の下流側に配置され、また、コントロールユニットＣの入力側に接続されて、圧力を検出するようになっている。
逆止弁２６は、間欠運転の昇圧時に還流パイプ３０ａ側に圧力がかかって、排水素ガスがセルスタック１０に逆流するのを防止するためのものであり、上記還流パイプ３０ａに配設されている。このような逆止弁２６を配設することにより、より安定した発電を行なうことができる。なお、逆止弁２６は必ずしも配設する必要はない。
セル温度センサ２８は、セルスタック１０、従ってまた、セルユニット１１の温度を測定するためのものであり、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。
セパレートタンク３０は、アノードから排出された排水素ガスに含まれる水ｗを分離して貯留するようになっており、セパレートタンク３０内に貯留した水ｗは、排水弁３１を通じて外部に排出されるようにしている。
なお、排水弁３１は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて適宜に開閉制御されるようになっている。
窒素パージ弁２４は、セパレートタンク３０に滞留する窒素ガスを排出するためのものであり、コントロールユニットＣの出力側に接続されて開閉駆動されるようになっている。
なお、排水弁３１は、コントロールユニットＣの出力側に接続されて適宜に開閉制御されるようになっている。
窒素パージ弁２４は、セパレートタンク３０に滞留する窒素ガスを排出するためのものであり、コントロールユニットＣの出力側に接続されて開閉駆動されるようになっている。
コントローラＣは、ＣＰＵ（CentralProcessing Unit）やインターフェース回路等からなるものであり、所要のプログラムの実行により、次の各機能を発揮する。
（１）セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量より少ないか否かを判定する機能。この機能を「ガス流量判定手段Ｃ１」という。
「流量が所定の流量より少ないか否かの判定」は、例えば最高出力の１０％以下の低負荷であるか否かによる。
（１）セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量より少ないか否かを判定する機能。この機能を「ガス流量判定手段Ｃ１」という。
「流量が所定の流量より少ないか否かの判定」は、例えば最高出力の１０％以下の低負荷であるか否かによる。
なお、最高出力の要求値で設計した一般的なエゼクタでは、１０％以下の低負荷（低流量域）では還流できないこと、また、１０％以下の低負荷を還流させるために、設計した一般的なエゼクタでは、それ以上の負荷の時には、圧損が大きすぎて、還流流量が足りないことを実験的に確認している。
すなわち、「所定の流量」は、最高出力の要求値で設計した一般的なエゼクタで排水素含有ガスがセルユニット１１に還流されない流量である。換言すると、最高出力の要求値で設計した一般的なエゼクタでは排水素ガスを還流パイプ３０ａを通じてセルユニット１１に還流させられない水素ガスの流量のことである。
（２）セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量よりも多いと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させる機能。この機能を「ガス送給圧力変動手段Ｃ２」という。
本実施形態においては、上記調圧部である調圧弁２１を介して、セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させている。
なお、水素ガスの流量が所定の流量を少ないときには、その水素ガスの圧力を一定にした送給を行なわせている。
本実施形態においては、上記調圧部である調圧弁２１を介して、セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させている。
なお、水素ガスの流量が所定の流量を少ないときには、その水素ガスの圧力を一定にした送給を行なわせている。
「間欠的に」とは、等間隔の他、不規則な間隔を含むものである。
また、圧力の増減変動の値は、固体高分子型セル中の不純物を排出できるように設定する。具体的には、水を排出させられる比較的高い圧力の値と、窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力の値との二つの値にすることができる。
また、圧力の増減変動の値は、固体高分子型セル中の不純物を排出できるように設定する。具体的には、水を排出させられる比較的高い圧力の値と、窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力の値との二つの値にすることができる。
例えば、通常の圧力変動を窒素ガス等を排出させられる比較的低い圧力値に設定し、その圧力変動を所定数繰り返した後に、水を排出させられる比較的高い圧力の値での圧力変動を行なうようにしてもよい。
すなわち、排水素ガスを還流させられない場合には、アノード圧を間欠的に増減変動させることにより、固体高分子型セル中の不純物（水、窒素等）を排出させている。これにより、その固体高分子型セルのアノード上流から下流までの水素ガス濃度を全体的に向上させることができ、これにより安定した発電を行わせることができる。
（３）セルユニット１１の温度を測定する機能。この機能を「セル温度測定手段Ｃ３」という。
本実施形態においては、上記したセル温度センサ２８に基づいて、セルユニット１１の温度を測定している。
本実施形態においては、上記したセル温度センサ２８に基づいて、セルユニット１１の温度を測定している。
（４）セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量より少ないと判定されたときには、エゼクタ２２を配設した送給路２０ａに、かつ、当該水素含有ガスが所定の流量よりも多いと判定されたときには、エゼクタ２２を迂回させるためのバイパスパイプ２０ｂにそれぞれ流路切替え部であるＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を介して切り替える機能。この機能を「流路切替え手段Ｃ４」という。
（５）エゼクタ温度センサ２９によって測定したエゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内か否かを判定する機能。この機能を「エゼクタ温度判定手段Ｃ５」という。
「氷点温度を含む所定の温度領域」は、カソードからの窒素透過量が増大して、水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させる運転が困難になり、かつ、エゼクタ２２の温度がセンサー類の誤差や、そのエゼクタ２２の熱容量を加味してもアイシングを起こさない上限温度である２０℃程度以下の温度領域である。
「アイシング」とは、セルスタック１０からの還流中の水蒸気が燃料タンク２０からの氷点下の供給水素で冷却され、エゼクタノズル部で凍結、エゼクタを閉塞させることである。
「氷点温度を含む所定の温度領域」は、カソードからの窒素透過量が増大して、水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させる運転が困難になり、かつ、エゼクタ２２の温度がセンサー類の誤差や、そのエゼクタ２２の熱容量を加味してもアイシングを起こさない上限温度である２０℃程度以下の温度領域である。
「アイシング」とは、セルスタック１０からの還流中の水蒸気が燃料タンク２０からの氷点下の供給水素で冷却され、エゼクタノズル部で凍結、エゼクタを閉塞させることである。
本実施形態においては、エゼクタ温度センサ２９を介して測定したエゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内か否かを判定するエゼクタ温度判定手段Ｃ５を設けた例について説明したが、そのエゼクタ温度判定手段Ｃ５に代えて、エゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入るか否かを推定するエゼクタ温度推定手段を設けた構成にしてもよい。
（６）測定したエゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内と判定されたときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させる機能。この機能を「ガス送給圧力変動手段Ｃ６」という。
本実施形態においては、上記調圧部である調圧弁２１を介して、セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させている。
上記エゼクタ温度推定手段を設けた場合、ガス送給圧力変動手段Ｃ６に代えて、エゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内に入ると推定されたときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させるガス送給圧力変動手段を設けた構成にする。
本実施形態においては、上記調圧部である調圧弁２１を介して、セルユニット１１のアノードに送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させている。
上記エゼクタ温度推定手段を設けた場合、ガス送給圧力変動手段Ｃ６に代えて、エゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内に入ると推定されたときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させるガス送給圧力変動手段を設けた構成にする。
（７）測定したエゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内と判定されたときには、圧力を間欠的に増減変動させた水素含有ガスがエゼクタ２２を迂回するように、流路切替え部であるＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を介して切り替える機能。この機能を「流路切替え手段Ｃ７」という。
本実施形態においては、上記エゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内に入ると推定されたときには、圧力を間欠的に増減変動させた水素含有ガスがＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を介してエゼクタ２２を迂回するようにバイパスパイプ２０ｂに切り替えるようにしている。
本実施形態においては、上記エゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内に入ると推定されたときには、圧力を間欠的に増減変動させた水素含有ガスがＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を介してエゼクタ２２を迂回するようにバイパスパイプ２０ｂに切り替えるようにしている。
上記した構成からなる燃料電池システムＡ１の起動時の動作について、図１（Ｂ）を参照して説明する。
ステップ１：図１（Ｂ）においては、「Ｓａ１」と略記する。以下、同様。
ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を閉じるとともに、アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させる。
ステップ１：図１（Ｂ）においては、「Ｓａ１」と略記する。以下、同様。
ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を閉じるとともに、アノードの圧力が一定となるように水素ガスを連続して送給させる。
ステップ２：負荷に対応するために必要な水素ガスの流量が所定の流量よりも多いか否かを判定し、その負荷に対応するために必要な水素ガスの流量が所定の流量よりも多いと判定されればステップ３に進み、そうでなければステップ１に戻る。
ステップ３：ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を開けるとともに、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する。
ステップ３：ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を開けるとともに、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する。
上記した構成からなる燃料電池システムＡ１の起動時における温度検知に基づく動作について、図２を参照して説明する。図２は、燃料電池システムＡ１の起動時における温度検知に基づく動作を示すフローチャートである。
ステップ１：図２においては、「Ｓｂ１」と略記する。以下、同様。
エゼクタ２２の温度を計測する。
ステップ２：エゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内のものか否かを判定し、そのエゼクタ２２の温度が当該所定の温度領域内のものと判定されればステップ６に進み、そうでなければステップ３に進む。
エゼクタ２２の温度を計測する。
ステップ２：エゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内のものか否かを判定し、そのエゼクタ２２の温度が当該所定の温度領域内のものと判定されればステップ６に進み、そうでなければステップ３に進む。
ステップ３：ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を閉駆動させて、エゼクタ２２を介して排水素ガスを還流させる。
ステップ４：負荷に対応するために必要な水素ガスの流量が所定の流量よりも多いか否かを判定し、その負荷に対応するために必要な水素ガスの流量が所定の流量よりも多いと判定されればステップ５に進み、そうでなければステップ３に戻る。
ステップ４：負荷に対応するために必要な水素ガスの流量が所定の流量よりも多いか否かを判定し、その負荷に対応するために必要な水素ガスの流量が所定の流量よりも多いと判定されればステップ５に進み、そうでなければステップ３に戻る。
ステップ５：ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を開駆動させて、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給する。
この場合、エゼクタ２２は圧損が高く、間欠運転時にはほとんど機能しない。
ステップ６：ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を開駆動させて、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給して、ステップ１に戻る。
この場合、エゼクタ２２は圧損が高く、間欠運転時にはほとんど機能しない。
ステップ６：ＯＮ‐ＯＦＦ弁３２を開駆動させて、燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間欠的に増減変動させてアノードに送給して、ステップ１に戻る。
本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる。
・低負荷側の圧力を下げられるので水素透過量を少なくでき、燃費を向上させられる。
・燃費の悪化を回避しつつ、エゼクタのアイシングを防止することができる。
・水素含有ガスの流量の増減に関わらずに、排水素含有ガスを良好に循環させられるとともに、システムを簡素化して小型化を図ることができる。
・低負荷側の圧力を下げられるので水素透過量を少なくでき、燃費を向上させられる。
・燃費の悪化を回避しつつ、エゼクタのアイシングを防止することができる。
次に、発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムについて、図３を参照して説明する。図３は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１において説明したＯＮ‐ＯＦＦ弁３２に代えて、三方弁３４を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１において説明したＯＮ‐ＯＦＦ弁３２に代えて、三方弁３４を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
三方弁３４は、送給パイプ２０ａとバイパスパイプ２０ｂとの間に配設されているとともに、コントロールユニットＣの出力側に接続され、エゼクタ２２を配設した送給パイプ２０ａとバイパスパイプ２０ｂとを適宜切り替え制御するようになっている。
すなわち、本実施形態においてはコントロールユニットＣが、上記（１）〜（６）に記載した各機能とともに、次の機能を有している。
（８）測定したエゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内と判定されたときには、そのエゼクタ２２を迂回するように流路切替え部である三方弁３４を介して切り替える機能。この機能を「流路切替え手段Ｃ８」という。
（８）測定したエゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内と判定されたときには、そのエゼクタ２２を迂回するように流路切替え部である三方弁３４を介して切り替える機能。この機能を「流路切替え手段Ｃ８」という。
これにより、間欠運転の時には、エゼクタ２２をバイパスさせて、そのエゼクタ２２の圧損を回避することができ、より安定した間欠運転を行なうことができるようにしている。
なお、上記した構成からなる燃料電池システムＡ２の動作については、図１（Ｂ）及び図２において説明した内容と同等のものであるので、本実施形態においては、その説明を省略する。
なお、上記した構成からなる燃料電池システムＡ２の動作については、図１（Ｂ）及び図２において説明した内容と同等のものであるので、本実施形態においては、その説明を省略する。
次に、発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムについて、図４（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図４（Ａ）は、本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、リードバルブに作用する圧力と開度との関係を示す図である。
第三の実施形態に係る燃料電池システムＡ３のハードウェアの構成については、上記した第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１において説明したＯＮ‐ＯＦＦ弁３２に代えて、リードバルブ３５を配設したものであるので、本実施形態においては、上述した第一の実施形態において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略し、ここでは相違点について説明する。
リードバルブ３５は、これに作用する水素ガスの圧力に従って開度が変化する機能を有するものである。具体的には、図４（Ｂ）に示すように、水素ガスの圧力が上昇すると、これに従って開度も大きくなる。
すなわち、高負荷側は圧力を上げる（カソードも上げるので差圧はつかない）ので、リードバルブ３５の開度が開き、エゼクタ２２を通らずにバイパス側を通り、間欠運転を行なうことができる。
すなわち、高負荷側は圧力を上げる（カソードも上げるので差圧はつかない）ので、リードバルブ３５の開度が開き、エゼクタ２２を通らずにバイパス側を通り、間欠運転を行なうことができる。
また、上記したリードバルブ３５は、間欠運転の時には、エゼクタ２２をバイパスさせて、そのエゼクタ２２の圧損を回避することができ、より安定した間欠運転を行なうことができるようにしている。
このリードバルブ３５を採用することにより、コントロールユニットＣによって制御する必要がないので、システム構成を簡略化できるので、コストの低減を図ることができる。
このリードバルブ３５を採用することにより、コントロールユニットＣによって制御する必要がないので、システム構成を簡略化できるので、コストの低減を図ることができる。
測定したエゼクタ２２の温度が氷点温度を含む所定の温度領域内と判定されたときには、圧力を上げ、間欠運転をすることにより、リードバルブ３５の開度が開き、エゼクタ２２を迂回させることができる。
なお、上記した構成からなる燃料電池システムＡ３の動作については、図１（Ｂ）及び図２において説明した内容と同等のものであるので、本実施形態においては、その説明を省略する。
なお、上記した構成からなる燃料電池システムＡ３の動作については、図１（Ｂ）及び図２において説明した内容と同等のものであるので、本実施形態においては、その説明を省略する。
なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
上述した実施形態においては、エゼクタの温度を測定するためのエゼクタ温度測定手段を設けた例について説明したが、そのエゼクタ温度測定手段に代えて、エゼクタの温度を予測するエゼクタ温度予測手段を設けた構成にしてもよい。
エゼクタ温度予測手段としては、以下に示す実施例が好ましい。スタックに取り付けられている上記した温度センサ２８や、図示されていないその他のエゼクタ近傍の補機類に取り付けられている温度センサから、その温度センサの指示値とエゼクタ本体との温度差を放熱量，熱容量を加味した実験やシミュレーションなどにより事前にマップ化しておくことにより、エゼクタ温度を予測することができる。
この場合、エゼクタ温度判定手段は、予測したエゼクタの温度が氷点温度を含む所定の温度領域内か否かを判定する。
上述した実施形態においては、エゼクタの温度を測定するためのエゼクタ温度測定手段を設けた例について説明したが、そのエゼクタ温度測定手段に代えて、エゼクタの温度を予測するエゼクタ温度予測手段を設けた構成にしてもよい。
エゼクタ温度予測手段としては、以下に示す実施例が好ましい。スタックに取り付けられている上記した温度センサ２８や、図示されていないその他のエゼクタ近傍の補機類に取り付けられている温度センサから、その温度センサの指示値とエゼクタ本体との温度差を放熱量，熱容量を加味した実験やシミュレーションなどにより事前にマップ化しておくことにより、エゼクタ温度を予測することができる。
この場合、エゼクタ温度判定手段は、予測したエゼクタの温度が氷点温度を含む所定の温度領域内か否かを判定する。
以上詳細に説明したが、いずれにしても、上記各実施形態において説明した構成は、それら各実施形態にのみ適用することに限らず、一の実施形態において説明した構成を、他の実施形態に準用若しくは適用し、さらには、それらを任意に組み合わせることができるものである。
１１ セルユニット
２０ａ 送給路（送給パイプ）
２０ｂ 迂回路（バイパスパイプ）
２２ エゼクタ
２７ 三方弁
２８ セル温度センサ
３０ａ 還流路（還流パイプ）
３３ ストップバルブ
３５ リードバルブ
Ｃ１ ガス流量判定手段
Ｃ２，Ｃ６ ガス送給圧力変動手段
Ｃ３ セル温度検出手段
Ｃ４，Ｃ８ 流路切替え手段
Ｃ５ エゼクタ温度判定手段
２０ａ 送給路（送給パイプ）
２０ｂ 迂回路（バイパスパイプ）
２２ エゼクタ
２７ 三方弁
２８ セル温度センサ
３０ａ 還流路（還流パイプ）
３３ ストップバルブ
３５ リードバルブ
Ｃ１ ガス流量判定手段
Ｃ２，Ｃ６ ガス送給圧力変動手段
Ｃ３ セル温度検出手段
Ｃ４，Ｃ８ 流路切替え手段
Ｃ５ エゼクタ温度判定手段
Claims (11)
- 水素含有ガスと酸素含有ガスとを互いに分離して流接させることによる発電を行うセルユニットと、このセルユニットから排出された排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるためのエゼクタを配設した送給路と、上記セルユニットに向けて流通する水素含有ガスをエゼクタを迂回させるための迂回路とを有する燃料電池システムであって、
上記送給路を流通する水含有ガスが所定の流量よりも多いときには、上記迂回路に水素含有ガスを流通させるとともに、上記送給路を流通する水素含有ガスの圧力を変動させるガス送給圧力変動手段を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記エゼクタは、燃料電池の最高出力の要求値よりも小さな出力時の排水素含有ガス量まで還流可能に設計されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記ユニットに流通させる水素含有ガスが通る経路を切替える流路切替え部を備え、
流路切替え手段は、前記セルユニットに送給される水素含有ガスが所定の流量より少ないときには、エゼクタを配設した上記送給路に水素含有ガスを流通させ、一方、当該水素含有ガスが所定の流量よりも多いときには、上記迂回路に水素含有ガスを流通させることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。 - エゼクタの温度を測定するエゼクタ温度測定手段と、
測定したエゼクタの温度が氷点温度を含む所定の温度領域内か否かを判定するエゼクタ温度判定手段と、
測定したエゼクタの温度が氷点温度を含む所定の温度領域内と判定されたときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させるガス送給圧力変動手段、及び上記迂回路に流路切替え部を介して切り替える流路切替え手段を有することを特徴とする請求項１，２又は４に記載の燃料電池システム。 - エゼクタの温度を予測するエゼクタ温度予測手段と、
予測したエゼクタの温度が氷点温度を含む所定の温度領域内か否かを判定するエゼクタ温度判定手段と、
予測したエゼクタの温度が氷点温度を含む所定の温度領域内と判定されたときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させるガス送給圧力変動手段、及び上記迂回路に流路切替え部を介して切り替える流路切替え手段を設けたことを特徴とする請求項１，２又は４に記載の燃料電池システム。 - エゼクタの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入るか否かを推定するエゼクタ温度推定手段と、
エゼクタの温度が氷点温度を含む所定の温度領域内に入ると推定されたときには、その水素含有ガスの圧力を間欠的に増減変動させるガス送給圧力変動手段、及び上記迂回路に切り替える流路切替え手段を設けたことを特徴とする請求項１，２又は４に記載の燃料電池システム。 - エゼクタの温度を測定するためのエゼクタ温度センサを、エゼクタに向けて流通する水素含有ガスの温度を測定するように配設していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
- エゼクタの温度を測定するためのエゼクタ温度センサを、エゼクタ自体の温度を測定するように配設していることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
- 流路切替え部が、迂回路に配設したストップバルブであり、
流路切替え手段はストップバルブを介して流路を切り替えることを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 流路切替え部が、送給路と迂回路とを切り替えるための三方弁であり、
流路切替え手段は三方弁を介して流路を切り替えることを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。 - 流路切替え部が、迂回路に配設したリードバルブであり、
流路切替え手段はリードバルブを介して流路を切り替えることを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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