JP7135946B2

JP7135946B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7135946B2
Application number: JP2019043146A
Authority: JP
Inventors: 真明松末
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Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックから再循環されるオフガスとともに、燃料ガスを燃料電池スタックに導入するエゼクタを有する燃料電池システムがある。エゼクタには、燃料ガスを噴射するノズルが設けられている。例えば特許文献１には、２つのノズルのうち、負荷状態に応じたノズルから燃料電池スタックに入口ストリームを供給するマルチジェットエゼクタアセンブリが記載されている。

国際公開２００５／０２９６２７号

オフガスには燃料電池スタック内の発電により生成された水分が含まれているため、例えば氷点下の環境ではエゼクタ内に滞留するオフガス中の水分が凍結して燃料ガス及びオフガスの流れを阻害するおそれがある。例えば特許文献１に記載されているような複数のノズルを備えたエゼクタにおいて、各ノズルの径が相違する場合、とりわけ小さい径のノズルが水分の凍結により閉塞しやすい。

これに対し、水分の凍結を抑制するため、エゼクタに加熱手段を追加することが考えられるが、複数のノズルを備えたエゼクタは、単一のノズルのエゼクタより外形サイズが大きいため、加熱手段が大規模となるおそれがある。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、規模の増加を抑えつつ、エゼクタ内の水分の凍結を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料ガスを噴射する噴射口の径が相違する第１ノズル及び第２ノズルを備え、前記燃料電池から再循環されるオフガスを前記燃料ガスとともに前記燃料電池に導入するエゼクタと、前記エゼクタを加熱する加熱手段とを有し、前記第２ノズルの前記噴射口の径は、前記第１ノズルより小さく、前記加熱手段は、前記第１ノズル及び前記第２ノズルのうち、前記エゼクタの前記第２ノズル側に配置され、前記加熱手段は、前記燃料電池を挟む一対のエンドプレートの一方、または前記燃料電池を冷却する冷却媒体を流す冷却配管を含む。

上記の構成において、前記エゼクタと前記加熱手段の間に挟まれた熱伝導部材をさらに有し、前記熱伝導部材は、前記エゼクタ及び前記加熱手段の形状に従って変形してもよい。

上記の構成において、前記加熱手段は、前記燃料ガスを前記第２ノズルに流すガス配管に沿って設けられてもよい。

上記の構成において、前記ガス配管と前記加熱手段の間に挟まれた熱伝導部材をさらに有し、前記熱伝導部材は、前記ガス配管及び前記加熱手段の形状に従って変形してもよい。

上記の構成において、前記加熱手段は、前記冷却配管を含み、前記ガス配管と前記冷却配管は、前記冷却媒体と前記燃料ガスの間で熱交換を行うための構造を備えてもよい。

上記の構成において、前記加熱手段より低い加熱量で前記エゼクタを加熱する補助加熱手段を有し、前記補助加熱手段は、前記第１ノズル及び前記第２ノズルのうち、前記エゼクタの前記第１ノズル側に配置されてもよい。

本発明によれば、規模の増加を抑えつつ、エゼクタ内の水分の凍結を抑制することができる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。第１実施例の加熱手段を示す図である。第２実施例の加熱手段を示す図である。第３実施例の加熱手段を示す図である。第４実施例の加熱手段を示す図である。第５実施例の加熱手段を示す図である。第６実施例の加熱手段を示す図である。第７実施例の加熱手段を示す図である。第８実施例の加熱手段を示す図である。第９実施例の加熱手段を示す図である。第１０実施例の加熱手段を示す図である。熱交換を行う構造を備えたガス配管と冷却配管の一例を示す図である。熱交換を行う構造を備えたガス配管と冷却配管の他の例を示す図である。

（燃料電池システムの構成）
図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システムは、燃料電池スタック（ＦＣ）１、エゼクタ２、インジェクタ３１，３２、タンク４、気液分離器５、排気弁６、及びＥＣＵ７を有する。

燃料電池スタック１は、固体高分子型の複数の燃料電池（単セル）を積層した積層体を有する。燃料電池スタック１は、燃料ガスの一例の水素ガスと、酸化剤ガスの一例の空気とが供給され、水素ガス及び空気中の酸素の化学反応により発電する。

燃料電池スタック１は、積層体を積層方向に貫通するマニホルド孔１０～１３を有する。マニホルド孔１０は水素ガスの入口であり、マニホルド孔１１は水素ガスの出口である。マニホルド孔１２は空気の入口であり、マニホルド孔１３は空気の出口である。

燃料電池スタック１は、マニホルド孔１２を介して空気が供給され、発電に用いた空気をマニホルド孔１３から排出する（符号Ｒ４参照）。また、燃料電池スタック１は、マニホルド孔１０を介して水素ガスが供給され、発電に用いた水素ガス（オフガス）をマニホルド孔１１から排出する（符号Ｒ３参照）。なお、空気の供給及び排出に関する構成について図示は省略する。

入口側のマニホルド孔１０には供給路Ｌ２を介してエゼクタ２が接続されている。このため、燃料電池スタック１には、エゼクタ２から供給路Ｌ２を介して燃料ガスが供給される。

出口側のマニホルド孔１１には、排出路Ｌ３を介して気液分離器５が接続されている。燃料電池スタック１は、発電に用いた燃料ガスをオフガスとしてマニホルド孔１１から排出路Ｌ３を介して排出する。

また、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が流れる冷却配管Ｌ１ａ，Ｌ１ｂを介してラジエータ１５に接続されている。ラジエータ１５は、燃料電池スタック１の冷却により昇温した冷却水を冷却する。

冷却配管Ｌ１ａには、冷却水を圧送するポンプ１４が設けられている。これにより、冷却水は、符号Ｒ７で示されるように、ラジエータ１５から冷却配管Ｌ１ａを流れて燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１から冷却配管Ｌ１ｂを流れてラジエータ１５に循環する。

気液分離器５は、符号Ｒ５で示されるように、排出路Ｌ３から流れ込んだオフガス中の水分を分離する。水分は、例えば気液分離器５の下部の貯水槽に溜まる。

気液分離器５は、再循環路Ｌ４を介してエゼクタ２に接続され、排気弁６が設けられた排気路Ｌ５と接続されている。排気弁６が開くと、気液分離器５内に溜まった水分がオフガスとともに排気路Ｌ５から排出される。排気弁６が閉じている場合、オフガスは、符号Ｒ６で示されるように、気液分離器５から再循環路Ｌ４を通ってエゼクタ２に流れ込み燃料電池スタック１に再循環される。なお、供給路Ｌ２、排出路Ｌ３、及び再循環路Ｌ４は、燃料ガスが通る配管である。

エゼクタ２は、インジェクタ３１，３２から供給される燃料ガスに、再循環路Ｌ４からのオフガスを混ぜて燃料電池スタック１に供給する。図１には、燃料ガスの流れる方向に沿ったエゼクタ２の断面が示されている。

エゼクタ２は、燃料ガスを噴射する噴射口２１ａ，２２ａの径Ｄａ，Ｄｂが相違する大径ノズル２１及び小径ノズル２２と、大径ノズル２１及び小径ノズル２２を固定する板状の固定部２０と、オフガス及び燃料ガスの混合気体が流れる流路２４を備えたディフューザ２３とを有する。固定部２０は、ディフューザ２３の一端側に設けられている。ディフューザ２３の他端側は供給路Ｌ２を介して入口側のマニホルド孔１０に接続されている。また、ディフューザ２３には、再循環路Ｌ４に接続された開口２５が設けられている。

大径ノズル２１の径Ｄａは、小径ノズル２２の径Ｄｂより大きい。大径ノズル２１及び小径ノズル２２は、後述するように燃料電池システムの運転状態に応じて使い分けられる。なお、大径ノズル２１は第１ノズルの一例であり、小径ノズル２２は第２ノズルの一例である。なお、エゼクタ２の素材としては、例えばＳＵＳ（Steel Use Stainless）が挙げられるが、これに限定されない。

大径ノズル２１はガス配管Ｌ６ａを介して一方のインジェクタ３１に接続されている。小径ノズル２２はガス配管Ｌ６ｂを介して他方のインジェクタ３２に接続されている。インジェクタ３１，３２は、タンク４内に蓄圧された水素ガスを、ガス配管Ｌ６ａ，Ｌ６ｂを介し大径ノズル２１及び小径ノズル２２にそれぞれ供給する。

大径ノズル２１は、インジェクタ３１から供給された燃料ガスを噴射口２１ａから噴射する。小径ノズル２２は、インジェクタ３２から供給された燃料ガスを噴射口２２ａから噴射する。

インジェクタ３１，３２は、点線で示されるように、ＥＣＵ７から個別に入力される電気的な制御信号に従って水素ガスを供給する。インジェクタ３１，３２の水素ガスの供給量は、制御信号のデューティ比に応じて決定される。例えばインジェクタ３１，３２は、制御信号の論理値が「０」である場合、燃料ガスの供給を停止し、制御信号の論理値が「１」である場合、燃料ガスを供給する。

ＥＣＵ７は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、及びＣＰＵを動作させるプログラムを格納するメモリなどを有し、燃料電池システムの動作を制御する。例えばＥＣＵ７は、燃料電池スタック１の運転状態に応じてインジェクタ３１，３２を制御信号により制御する。

ＥＣＵ７は、例えば燃料電池スタック１に要求される電力、つまり燃料電池スタック１の負荷に応じてインジェクタ３１，３２に燃料ガスの供給動作を行わせる。インジェクタ３１，３２のそれぞれ接続された大径ノズル２１及び小径ノズル２２は、噴射口２１ａ，２１ｂの径の相違のため、燃料ガスの供給量に対する循環量が相違する。なお、供給量とは単位時間で燃料電池スタック１に供給される燃料ガスの量を指し、循環量とは単位時間で再循環路Ｌ４に流れる燃料ガスの量を指す。

小径ノズル２２の噴射口２２ａの径Ｄｂは、大径ノズル２１の噴射口２１ａの径Ｄａより小さいため、小径ノズル２２の供給量に対する循環流量の比は、大径ノズル２１より大きい。このため、例えば燃料電池システムの始動時のように燃料電池スタック１の負荷が通常の運転状態より小さく、供給量が少ない場合、小径ノズル２２の噴射により大径ノズル２１の噴射より高い循環流量が得られる。このとき、小径ノズル２２の径は例えば０．２～１．２（mm）とし、大径ノズル２１の径は小径ノズル２２の径の２倍以下とするのが望ましい。

また、小径ノズル２２の噴射による最大の供給量は、小径ノズル２２の噴射口２２ａの径Ｄｂが大径ノズル２１の噴射口２１ａの径Ｄａより小さいため、大径ノズル２１の噴射による最大の供給量より少ない。このため、仮にエゼクタ２に大径ノズル２１が設けられていない場合、通常の運転状態の負荷に対し十分な供給量が得られない。しかし、負荷が大きく、供給量が多い場合、大径ノズル２１が噴射することによって、小径ノズル２２の噴射時より多い供給量が得られるとともに、供給量に応じた十分な循環量も得られる。

したがって、ＥＣＵ７は、例えば低負荷時には一方のインジェクタ３２を動作させ、高負荷時には他方のインジェクタ３１を動作させる。

大径ノズル２１は、符号Ｒ１ａで示されるように、噴射口２１ａから燃料ガスを流路２４に噴射する。流路２４内の燃料ガスはエゼクタ２の駆動流体として作用する。このため、気液分離器５及び再循環路Ｌ４内のオフガスが、符号Ｒ６で示されるように、ディフューザ２３の開口２５から流路２４に吸入される。

小径ノズル２２は、符号Ｒ１ｂで示されるように、噴射口２２ａから燃料ガスを流路２４に噴射する。この場合も、大径ノズル２１の噴射時と同様に、気液分離器５及び再循環路Ｌ４内のオフガスが、符号Ｒ６で示されるように、ディフューザ２３の開口２５から流路２４に吸入される。

大径ノズル２１または小径ノズル２２から噴射された燃料ガスは、開口２５から吸入されたオフガスとディフューザ２３内で混合され、符号Ｒ２で示されるように、供給路Ｌ２を介してマニホルド孔１０に流入する。つまり、エゼクタ２は、燃料ガスとともにオフガスを燃料電池スタック１に導入する。これにより、燃料電池スタック１は、オフガスを発電に再利用することができる。

しかし、オフガスには燃料電池スタック１内の発電により生成された水分が含まれているため、例えば氷点下の環境ではエゼクタ２内に滞留するオフガス中の水分が凍結して燃料ガス及びオフガスの流れを阻害するおそれがある。

このため、燃料電池システムには、水分の凍結が抑制されるように、エゼクタ２を加熱する加熱手段が備えられている。加熱手段は、以下の各実施例のように、大径ノズル２１及び小径ノズル２２のうち、エゼクタ２の小径ノズル２２側に配置されている。

小径ノズル２２の噴射口２２ｂの径Ｄｂは大径ノズル２１の径Ｄａより小さいため、小径ノズル２２は大径ノズル２１と比べると水分の凍結により閉塞しやすい。そこで、エゼクタ２の小径ノズル２２側に加熱手段を配置することにより、小径ノズル２２を大径ノズル２１より優先的に加熱することができるので、水分の凍結が効果的に抑制される。

また、加熱手段は、エゼクタ２の小径ノズル２２側に配置されるため、例えば大径ノズル２１及び小径ノズル２２の両方を含むエゼクタ２全体が平均的に加熱されるようにエゼクタ２の周囲全体に配置された場合より規模が抑制される。以下に加熱手段の実施例を挙げて説明する。

（第１実施例）
図２は、第１実施例の加熱手段を示す図である。図２は、大径ノズル２１及び小径ノズル２２からの燃料ガスの噴射方向に対する正面及び側面を示す。大径ノズル２１及び小径ノズル２２は、一例として円筒状のディフューザ２３の直径方向Ａに沿って並び、円の中心ｐに対して対称な位置に配置されている。

加熱手段は、一例として平板形状を有するヒータ８を含む。ヒータ８は、例えば、燃料電池スタック１の電力を蓄電するバッテリ８０から給電されることにより発熱する。ヒータ８は、ディフューザ２３及び固定部２０の小径ノズル２２側の外周面に直接的に接触している。このため、ヒータ８の熱はディフューザ２３及び固定部２０を介して大径ノズル２１及び小径ノズル２２に伝導する。

このとき、ヒータ８は、ディフューザ２３の中心ｐから見て小径ノズル２２側に位置するため、小径ノズル２２が大径ノズル２１より優先的に加熱される。これにより、エゼクタ２内の水分の凍結が効果的に抑制される。さらに、ヒータ８は、小径ノズル２２側に配置されるため、エゼクタ２の周囲全体に配置する場合より小型化が可能であり、汎用のヒータと同程度の規模のヒータ８が使用可能である。

また、加熱手段としてヒータ８が用いられるため、後述する他の例の加熱手段より加熱量を増加させることが可能である。さらにヒータ８は、バッテリ８０から給電されるため、燃料電池スタック１が発電を停止している場合でもエゼクタ２を加熱することができる。

（第２実施例）
図３は、第２実施例の加熱手段を示す図である。図３は、大径ノズル２１及び小径ノズル２２からの燃料ガスの噴射方向に対する正面及び側面を示す。図３において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

燃料電池スタック１は、燃料電池である複数の単セル１０１と、複数の単セル１０１を挟む一対のエンドプレート１００ａ，１００ｂとを有する。加熱手段は、一方のエンドプレート１００ａを含む。エゼクタ２は、小径ノズル２２側にエンドプレート１００が位置するようにエンドプレート１００ａの板面上に載置されている。

各単セル１０１は、燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電し、発電により生じた熱はエンドプレート１００ａに伝導する。エンドプレート１００ａは、ディフューザ２３及び固定部２０の小径ノズル２２側の外周面に直接的に接触している。このため、エンドプレート１００ａの熱はディフューザ２３及び固定部２０を介して大径ノズル２１及び小径ノズル２２に伝導する。

このとき、エンドプレート１００ａは、ディフューザ２３の中心ｐから見て小径ノズル２２側に位置するため、小径ノズル２２が大径ノズル２１より優先的に加熱される。これにより、エゼクタ２内の水分の凍結が効果的に抑制される。さらにエンドプレート１００ａは、小径ノズル２２側に配置されるため、例えばエゼクタ２の周囲全体を覆うような大型で複雑な形状とする必要がなく、小型で単純な平板形状の通常のエンドプレートが使用可能である。

（第３実施例）
第２実施例において、エンドプレート１００ａは平板形状を有する。また、一例として、ディフューザ２３は円筒形状を有し、固定部２０は円盤形状を有する。このため、エンドプレート１００ａとディフューザ２３及び固定部２０の接触面積が、エゼクタ２の表面の狭い領域に限定される。そこで、エゼクタ２とエンドプレート１００ａの間に、変形可能な熱伝導部材が設けられてもよい。

図４は、第３実施例の加熱手段を示す図である。図４において、図３と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

熱伝導部材９は、例えばシリコンをベースとする放熱シートや放熱グリスなどであり、エゼクタ２とエンドプレート１００ａの間に挟まれている。熱伝導部材９は、エンドプレート１００ａから熱を吸収し、エゼクタ２に伝導する。

熱伝導部材９は、エゼクタ２及びエンドプレート１００ａの形状に従って変形する。このため、エゼクタ２及びエンドプレート１００ａの接触面積が第２実施例の場合より広くなる。したがって、エンドプレート１００ａからエゼクタ２に伝導する熱量が増加することにより、エゼクタ２内のオフガス中の水分の凍結が効果的に抑制される。

（第４実施例）
図５は、第４実施例の加熱手段を示す図である。図５は、大径ノズル２１及び小径ノズル２２からの燃料ガスの噴射方向に対する正面及び側面を示す。図５において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

加熱手段は、一例として円筒形状を有する冷却配管Ｌ１ｂを含む。冷却配管Ｌ１ｂには、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が流れている。なお、正面図には、冷却水の流れに対し直交する方向に沿った冷却配管Ｌ１ｂの断面が示されている。

冷却配管Ｌ１ｂは、ディフューザ２３及び固定部２０の小径ノズル２２側の外周面に直接的に接触している。このため、冷却水の熱はディフューザ２３及び固定部２０を介して大径ノズル２１及び小径ノズル２２に伝導する。

このとき、冷却配管Ｌ１ｂは、ディフューザ２３の中心ｐから見て小径ノズル２２側に位置するため、小径ノズル２２が大径ノズル２１より優先的に加熱される。これにより、エゼクタ２内の水分の凍結が効果的に抑制される。さらに冷却配管Ｌ１ｂは、小径ノズル２２側に配置されるため、例えばエゼクタ２の周囲全体を覆うような大型で複雑な形状とする必要がなく、小型で単純な円筒形状の通常の配管が使用可能である。

なお、本例では、ラジエータ１５により再冷却される前の冷却水の冷却配管Ｌ１ｂが加熱手段として用いられるが、冷却配管Ｌ１ｂに代えて、ラジエータ１５による再冷却後の冷却水の冷却配管Ｌ１ａが用いられてもよい。また、再冷却前の冷却水は、再冷却後の冷却水より温度が高いため、加熱手段として冷却配管Ｌ１ｂを用いた場合、冷却配管Ｌ１ａを用いた場合より高い熱量でエゼクタ２を加熱することができる。

（第５実施例）
第４実施例において、冷却配管Ｌ１ｂは円筒形状を有する。また、一例として、ディフューザ２３は円筒形状を有し、固定部２０は円盤形状を有する。このため、エンドプレート１００とディフューザ２３及び固定部２０の接触面積が、エゼクタ２の表面の狭い領域に限定される。そこで、エゼクタ２と冷却配管Ｌ１ｂの間に、第３実施例と同様に熱伝導部材が設けられてもよい。

図６は、第５実施例の加熱手段を示す図である。図６において、図５と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

熱伝導部材９は、エゼクタ２と冷却配管Ｌ１ｂの間に挟まれている。熱伝導部材９は、冷却配管Ｌ１ｂから熱を吸収し、エゼクタ２に伝導する。

熱伝導部材９は、エゼクタ２及び冷却配管Ｌ１ｂの形状に従って変形する。このため、エゼクタ２及び冷却配管Ｌ１ｂの接触面積が第４実施例の場合より広くなる。したがって冷却配管Ｌ１ｂからエゼクタ２に伝導する熱量が増加することにより、エゼクタ２内のオフガス中の水分の凍結が効果的に抑制される。

（第６実施例）
これまで、エゼクタ２の小径ノズル２２側だけに加熱手段を配置した例を挙げたが、エゼクタ２の大径ノズル２１側に、加熱手段より加熱量でエゼクタ２を加熱する補助加熱手段が追加で配置されてもよい。

図７は、第６実施例の加熱手段を示す図である。図７において、図３及び図５と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

本例では、第４実施例の構成に、エゼクタ２の大径ノズル２１側に補助加熱手段を追加した構成を有する。補助加熱手段は、一例としてエンドプレート１００ａを含む。

エゼクタ２は、大径ノズル２１側にエンドプレート１００ａが位置するようにエンドプレート１００ａの板面上に載置されている。エンドプレート１００ａは、ディフューザ２３及び固定部２０の大径ノズル２１側の外周面に直接的に接触している。このため、エンドプレート１００ａの熱はディフューザ２３及び固定部２０を介して大径ノズル２１及び小径ノズル２２に伝導する。

エンドプレート１００ａは、冷却配管Ｌ１ｂより低い加熱量でエゼクタ２を加熱する。これは、冷却配管Ｌ１ｂ内の冷却水は各単セル１０１から熱を奪うため、残った熱がエンドプレート１００ａに伝導するためである。

エンドプレート１００ａはエゼクタ２の大径ノズル２１側に配置されているため、大径ノズル２１は、小径ノズル２２より低い加熱量で加熱される。このため、エゼクタ２内のオフガス中の水分の凍結が、冷却配管Ｌ１ｂ及びエンドプレート１００ａの熱により効果的に抑制される。また、エンドプレート１００ａは、エゼクタ２全体ではなく、大径ノズル２１側に配置されるため、例えばエゼクタ２の周囲全体を覆うような大型で複雑な形状とする必要がなく、小型で単純な平板形状の通常のエンドプレートが使用可能である。

なお、加熱手段と補助加熱手段の組み合わせは本例に限定されない。例えば、ヒータ８を加熱手段とし、冷却配管Ｌ１ｂを補助加熱手段として用いてもよいし、ヒータ８を加熱手段とし、エンドプレート１００ａを補助加熱手段として用いてもよい。また、本例においても、第３実施例と同様に、エンドプレート１００ａとエゼクタ２の間に熱伝導部材９が挟まれてもよいし、第５実施例と同様に、冷却配管Ｌ１ｂとエゼクタ２の間に熱伝導部材９が挟まれてもよい。

（第７実施例）
上記の各例において、エゼクタ２は、加熱手段であるヒータ８、エンドプレート１００ａ、または冷却配管Ｌ１ｂに載置されているが、これに限定されない。加熱手段は、燃料ガスを小径ノズル２２に流すガス配管Ｌ６ｂに沿って設けられてもよい。

図８は、第７実施例の加熱手段を示す図である。図８は、大径ノズル２１及び小径ノズル２２からの燃料ガスの噴射方向に対する背面及び側面を示す。図８において、図２と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

エゼクタ２の背面には、大径ノズル２１及び小径ノズル２２の噴射方向に沿ってガス配管Ｌ６ａ，Ｌ６ｂが延びる。ガス配管Ｌ６ａ，Ｌ６ｂには、インジェクタ３１，３２からの燃料ガスが流れる。一方のガス配管Ｌ６ａは大径ノズル２１に接続され、他方のガス配管Ｌ６ｂは小径ノズル２２に接続されている。ガス配管Ｌ６ａ，Ｌ６ｂは、一例として円筒形状を有する。

加熱手段はヒータ８を含む。小径ノズル２２に接続されたガス配管Ｌ６ｂはヒータ８の板面上に載置されている。すなわち、ヒータ８は、エゼクタ２の小径ノズル２２側に配置されている。

ヒータ８の熱は、ガス配管Ｌ６ｂを介して小径ノズル２２に伝導する。このため、上述したように、エゼクタ２内のオフガス中の水分の凍結が効果的に抑制される。さらに、ヒータ８は、エゼクタ２より小さいガス配管Ｌ６ｂに沿って設けられるため、小型のヒータ８でも十分に小径ノズル２２を加熱することができる。

（第８実施例）
図９は、第８実施例の加熱手段を示す図である。図９は、大径ノズル２１及び小径ノズル２２からの燃料ガスの噴射方向に対する背面及び側面を示す。図９において、図３と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

加熱手段は、エンドプレート１００ａを含む。小径ノズル２２に接続されたガス配管Ｌ６ｂはエンドプレート１００ａの板面上に載置されている。すなわち、エンドプレート１００ａは、エゼクタ２の小径ノズル２２側に配置されている。

エンドプレート１００ａの熱は、ガス配管Ｌ６ｂを介して小径ノズル２２に伝導する。このため、上述したように、エゼクタ２内のオフガス中の水分の凍結が効果的に抑制される。さらに、エンドプレート１００ａは、エゼクタ２より小さいガス配管Ｌ６ｂに沿って設けられるため、小型のエンドプレート１００ａでも十分に小径ノズル２２を加熱することができる。

（第９実施例）
図１０は、第９実施例の加熱手段を示す図である。図１０は、大径ノズル２１及び小径ノズル２２からの燃料ガスの噴射方向に対する背面及び側面を示す。図１０において、図５と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

加熱手段は、冷却配管Ｌ１ｂを含む。小径ノズル２２に接続されたガス配管Ｌ６ｂは冷却配管Ｌ１ｂに載置されている。冷却配管Ｌ１ｂはガス配管Ｌ６ｂに沿って延びる。すなわち、冷却配管Ｌ１ｂは、エゼクタ２の小径ノズル２２側に配置されている。

冷却配管Ｌ１ｂの熱は、ガス配管Ｌ６ｂを介して小径ノズル２２に伝導する。このため、上述したように、エゼクタ２内のオフガス中の水分の凍結が効果的に抑制される。さらに、冷却配管Ｌ１ｂは、エゼクタ２より小さいガス配管Ｌ６ｂに沿って設けられるため、小型の冷却配管Ｌ１ｂでも十分に小径ノズル２２を加熱することができる。

なお、加熱手段として、冷却配管Ｌ１ｂに代えて冷却配管Ｌ１ａが用いられてもよい。
また、第７～第８実施例において、大径ノズル２１に接続されたガス配管Ｌ６ａに沿って、加熱手段より低い加熱量でエゼクタ２を加熱する補助加熱手段が設けられてもよい。加熱手段と補助加熱手段の組み合わせは、上述したとおりである。

（第１０実施例）
第９実施例において、冷却配管Ｌ１ｂとガス配管Ｌ６ｂの接触面積を増加するため、第５実施例と同様の熱伝導部材が設けられてもよい。

図１１は、第１０実施例の加熱手段を示す図である。図１１は、大径ノズル２１及び小径ノズル２２からの燃料ガスの噴射方向に対する背面及び側面を示す。図１１において、図５と共通する構成には同一の符号を付し、その説明は省略する。

ガス配管Ｌ６ｂと冷却配管Ｌ１ｂの間には、熱伝導部材９ａが挟まれている。熱伝導部材９ａは、第５実施例の熱伝導部材９と同様の部材である。

熱伝導部材９ａは、ガス配管Ｌ６ｂ及び冷却配管Ｌ１ｂの形状に従って変形する。このため、ガス配管Ｌ６ｂ及び冷却配管Ｌ１ｂの接触面積が第９実施例の場合より広くなる。したがって、冷却配管Ｌ１ｂからガス配管Ｌ６ｂを介してエゼクタ２に伝導する熱量が増加することにより、エゼクタ２内のオフガス中の水分の凍結が効果的に抑制される。なお、熱伝導部材９ａは、第７実施例のヒータ８または第８実施例のエンドプレート１００ａとガス配管Ｌ６ｂの間に挟まれてもよい。

また、本例において、ガス配管Ｌ６ｂと冷却配管Ｌ１ｂは、冷却水と燃料ガスの間で熱交換を行うための構造を備えてもよい。

図１２は、熱交換を行う構造を備えたガス配管Ｌ６ｂ’と冷却配管Ｌ１ｂ’の一例を示す図である。図１２には、燃料ガス及び冷却水が流れる方向に直交する断面と、燃料ガス及び冷却水が流れる方向に沿った側面が示されている。

ガス配管Ｌ６ｂ’と冷却配管Ｌ１ｂ’は共通の筐体Ｈ内の貫通孔としてそれぞれ形成されている。冷却配管Ｌ１ｂ’内の冷却水の熱は、筐体Ｈを介してガス配管Ｌ６ｂ’内の燃料ガスに伝導する。このため、小径ノズル２２が効果的に加熱される。

筐体Ｈの素材としては、例えばポリアミドが挙げられるが、これに限定されない。なお、筐体Ｈ、ガス配管Ｌ６ｂ’、及び冷却配管Ｌ１ｂ’の形状には限定はない。

図１３は、熱交換を行う構造を備えたガス配管Ｌ６ｂ’’と冷却配管Ｌ１ｂ’’の他の例を示す図である。図１３には、燃料ガス及び冷却水が流れる方向に直交する断面と、燃料ガス及び冷却水が流れる方向に沿った側面が示されている。

ガス配管Ｌ６ｂ’’と冷却配管Ｌ１ｂ’’は二重配管の構造を有する。冷却配管Ｌ１ｂ’’は、ガス配管Ｌ６ｂ’’より径が大きく、ガス配管Ｌ６ｂ’’を内部に収容する。燃料ガスはガス配管Ｌ６ｂ’’内を流れ、冷却水は、冷却配管Ｌ１b’’内、かつガス配管Ｌ６ｂ’’の外部を流れる。

冷却水の熱はガス配管Ｌ６ｂ’’内の燃料ガスに伝導する。このため、小径ノズル２２が効果的に加熱される。ガス配管Ｌ６ｂ’’及び冷却配管Ｌ１ｂ’’の素材としては、例えばポリアミドが挙げられるが、これに限定されない。なお、ガス配管Ｌ６ｂ’’及び冷却配管Ｌ１ｂ’’の形状には限定はない。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。例えばエゼクタ２は、大径ノズル２１及び小径ノズル２２に加えて他のノズルを備えてもよく、この場合、一例として、噴射口の径が最小のノズル側、または径が２番目に小さいノズル側に加熱手段が設けられる。

１燃料電池スタック
２エゼクタ
８ヒータ（加熱手段）
９，９’ 熱伝導部材
２１大径ノズル（第１ノズル）
２２小径ノズル（第２ノズル）
８０バッテリ（加熱手段）
１００ａ，１００ｂエンドプレート（加熱手段、補助加熱手段）
Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ，Ｌ１ｂ’，Ｌ１ｂ’’ 冷却配管（加熱手段）
Ｌ６ａ，Ｌ６ｂ，Ｌ６ｂ’，Ｌ６ｂ’’ ガス配管
Ｈ筐体

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスの化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料ガスを噴射する噴射口の径が相違する第１ノズル及び第２ノズルを備え、前記燃料電池から再循環されるオフガスを前記燃料ガスとともに前記燃料電池に導入するエゼクタと、
前記エゼクタを加熱する加熱手段とを有し、
前記第２ノズルの前記噴射口の径は、前記第１ノズルより小さく、
前記加熱手段は、前記第１ノズル及び前記第２ノズルのうち、前記エゼクタの前記第２ノズル側に配置され、
前記加熱手段は、前記燃料電池を挟む一対のエンドプレートの一方、または前記燃料電池を冷却する冷却媒体を流す冷却配管を含むことを特徴とする燃料電池システム。
前記エゼクタと前記加熱手段の間に挟まれた熱伝導部材をさらに有し、
前記熱伝導部材は、前記エゼクタ及び前記加熱手段の形状に従って変形す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。
前記加熱手段は、前記燃料ガスを前記第２ノズルに流すガス配管に沿って設けら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。
前記ガス配管と前記加熱手段の間に挟まれた熱伝導部材をさらに有し、
前記熱伝導部材は、前記ガス配管及び前記加熱手段の形状に従って変形することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記加熱手段は、前記冷却配管を含み、
前記冷却配管は、前記燃料ガスを前記第２ノズルに流すガス配管に沿って設けられ、
前記ガス配管と前記冷却配管は、前記冷却媒体と前記燃料ガスの間で熱交換を行うための構造を備え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。
前記加熱手段より低い加熱量で前記エゼクタを加熱する補助加熱手段を有し、
前記補助加熱手段は、前記第１ノズル及び前記第２ノズルのうち、前記エゼクタの前記第１ノズル側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の燃料電池システム。