WO2012036143A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2012036143A1
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hydrogen
cell unit
reflux
flow rate
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PCT/JP2011/070790
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Inventor
池添　圭吾
市川　靖
Original Assignee
日産自動車株式会社
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system having a cell unit using, for example, a solid polymer cell.
  • Patent Document 1 Conventionally, as this type of fuel cell system, there is a configuration disclosed in Patent Document 1 under the name of a fuel circulation type fuel cell system.
  • a conventional fuel circulation fuel cell system disclosed in Patent Document 1 is a fuel cell that generates power by supplying hydrogen gas as a fuel and air as an oxidant, and supplies the hydrogen gas to the fuel cell.
  • the present invention has an object to provide a fuel cell system that can circulate the exhausted hydrogen-containing gas satisfactorily regardless of the increase or decrease of the flow rate of the hydrogen-containing gas, and can simplify the system and reduce the size. .
  • the present invention for solving the above problems includes a cell unit for generating power by separating and flowing a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas, and a waste hydrogen-containing gas discharged from the cell unit.
  • the hydrogen-containing gas fed to the cell unit is smaller than a predetermined flow rate.
  • the exhausted hydrogen-containing gas can be circulated satisfactorily regardless of the increase or decrease in the flow rate of the hydrogen-containing gas, and the system can be simplified and downsized.
  • (A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system which concerns on 1st embodiment of this invention
  • (B) is a flowchart which shows the operation
  • (A) is explanatory drawing which shows schematic structure of the fuel cell system which concerns on 3rd embodiment of this invention
  • (B) is a flowchart which shows the operation
  • FIG. 1A is an explanatory diagram showing a schematic configuration of the fuel cell system A1 according to the first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a diagram at the time of startup of the fuel cell system A1 according to the first embodiment. It is a flowchart which shows operation
  • FIGS. 3, 5, and 6 shown below, only the hydrogen-containing gas distribution system is illustrated among the hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas, and the illustration of the oxygen-containing gas distribution system is omitted. It is simplified by.
  • the fuel cell system A1 includes a fuel tank 20, a pressure regulating valve 21, an ejector 22, a pressure sensor 23, a temperature sensor 28, a nitrogen purge valve 24, a separate tank 30, A control unit C is provided together with the drain valve 31 and the like.
  • the cell stack 10 is formed by polymerizing a plurality of cell units 11 with a gap between each other, and generates electric power by allowing a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas to flow separately inside and outside the cell units 11. It is what I do.
  • hydrogen gas as “hydrogen-containing gas” and “air” as “oxygen-containing gas” will be described as examples, but the present invention is not limited thereto.
  • the cell unit 11 is a unit in which a solid polymer cell in which an anode and a cathode are disposed on both sides of an electrolyte is accommodated between separators (none of which is shown).
  • the fuel tank 20 stores a required amount of hydrogen gas to be supplied to the cell stack 10, and a supply pipe 20 a is connected between the fuel tank 20 and the receiving portion of the cell stack 10. .
  • the above-described pressure regulating valve 21 has a function of steplessly increasing / decreasing the pressure of hydrogen gas fed from the fuel tank 20, and is disposed at an intermediate portion of the feed pipe 20a. It is connected to the output side of a control unit C, which will be described later, so that the pressure is controlled to increase or decrease.
  • the pressure regulating valve 21 increases or decreases the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel tank 20 which is a hydrogen gas supply source to the receiving portion of the cell stack 10 and thus to the anode of each cell unit 11. It is the pressure regulation part for doing. By providing such a pressure adjusting unit, the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode can be easily adjusted.
  • a separation tank 30 (to be described later) is connected to the discharge portion of the cell stack 10 via a discharge pipe 10a, and a return pipe 30a as a return path is connected between the separator tank 30 and the ejector 22. Yes.
  • the exhaust hydrogen-containing gas discharged from the anode of the cell stack 10 can be recirculated to the cell stack 10 via the ejector 22.
  • the ejector 22 is a supply pipe 20 a and is disposed on the downstream side of the pressure regulating valve 21.
  • the ejector 22 has a function of returning the exhausted hydrogen-containing gas discharged from the cell stack 10 to the anode through the return pipe 30a by the entrainment action of the hydrogen gas flowing through the supply pipe 20a.
  • an HRB Hydrogen recirculation blower, abbreviated as hydrogen circulation pump, hereinafter referred to as “HRB”
  • HRB Hydrophilic acid
  • the pressure sensor 23 measures the pressure of the hydrogen gas discharged from the ejector 22 and is arranged on the downstream side of the ejector 22 and is connected to the input side of the control unit C.
  • the temperature sensor 28 is for measuring the temperature of the cell stack 10, and hence also the cell unit 11, and is connected to the input side of the control unit C.
  • the separation tank 30 separates and stores the water w contained in the exhausted hydrogen-containing gas discharged from the anode, and the water w stored in the separation tank 30 is discharged to the outside through the drain valve 31. I try to do it.
  • the drain valve 31 is connected to the output side of the control unit C and is appropriately controlled to open and close.
  • the nitrogen purge valve 24 is for discharging the nitrogen gas staying in the separation tank 30 and is connected to the output side of the control unit C so as to be controlled for opening and closing.
  • the controller C includes a CPU (Central Processing Unit), an interface circuit, and the like, and exhibits the following functions by executing a required program.
  • the “predetermined flow rate” is a flow rate at which the exhaust hydrogen-containing gas is not recirculated to the cell unit 11. In other words, this is the flow rate of hydrogen gas at which the exhaust hydrogen-containing gas cannot be recirculated to the cell unit 11 through the recirculation pipe 30a.
  • This function is referred to as “gas supply pressure fluctuation means C2.”
  • the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode of the cell unit 11 is intermittently increased or decreased through the pressure regulating valve 21 that is the pressure regulating unit, but this is not necessarily intermittent. Good.
  • the hydrogen gas is supplied at a constant pressure.
  • the value of the pressure fluctuation is set so that the impurities in the solid polymer cell can be discharged. Specifically, it can be set to two values: a relatively high pressure value at which water is discharged and a relatively low pressure value at which nitrogen gas or the like is discharged.
  • a normal pressure fluctuation is set to a relatively low pressure value at which nitrogen gas or the like can be discharged, and after repeating the pressure fluctuation a predetermined number of times, the pressure fluctuation is performed at a relatively high pressure value at which water can be discharged. You may do it.
  • the startup operation of the fuel cell system A1 having the above-described configuration will be described with reference to FIG. Step 1: In FIG. 1B, abbreviated as “Sa1”. The same applies hereinafter.
  • the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel tank 20 is intermittently increased or decreased and supplied to the anode.
  • Step 2 It is determined whether or not the load is larger than a required value. If it is determined that the load is larger than the predetermined flow rate, the process proceeds to Step 3, and if not, the process returns to Step 1.
  • Step 3 Hydrogen gas is continuously fed so that the anode pressure becomes constant, and the process returns to Step 2.
  • FIG. 2 is a flowchart showing the operation at the start-up of the fuel cell system A2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system A2 is different from the fuel cell system A1 described above in that a recirculation flow rate determination unit C4 is provided together with a recirculation flow rate estimation unit C3 described later instead of the flow rate determination unit. That is, the controller C in this embodiment exhibits the functions of the reflux flow rate estimation means C3 and the reflux flow rate determination means C4 by executing a required program.
  • the “temperature” is measured by a temperature sensor 28 disposed at a required position of the cell stack 10.
  • the nitrogen concentration can be estimated from the nitrogen purge valve 24 having an opening degree corresponding to the temperature, pressure, load, and parameters thereof.
  • the opening degree of the nitrogen purge valve 24 is controlled in order to obtain a certain nitrogen concentration. That is, the control unit C has a function of opening and closing the nitrogen purge valve 24 in accordance with the temperature, pressure, load, and parameters thereof. This function is called “nitrogen concentration adjusting means”.
  • the volume flow rate of the exhaust hydrogen-containing gas can be obtained. If the volume flow rate is obtained, the mass flow rate of the exhausted hydrogen-containing gas recirculated from the nitrogen concentration and water vapor concentration at that time can be calculated. The water vapor concentration can be estimated from the temperature.
  • a function of determining whether or not the estimated recirculation flow rate of the exhaust hydrogen-containing gas is smaller than a predetermined flow rate This function is referred to as “reflux flow rate determination means C4”.
  • the gas supply pressure fluctuation means C2 intermittently increases or decreases the pressure of the hydrogen gas supplied to the anode.
  • the “predetermined flow rate” is as described above.
  • Step 2 It is determined whether or not the recirculation flow rate of the exhaust hydrogen-containing gas is larger than a predetermined flow rate. If it is determined that the recirculation flow rate of the exhaust hydrogen-containing gas is larger than the predetermined flow rate, the process proceeds to Step 3. If not, go to Step 4.
  • Step 3 Hydrogen gas is continuously fed so that the anode pressure becomes constant, and the process returns to Step 2.
  • Step 4 Hydrogen gas fed from the fuel tank 20 is intermittently pumped to the anode, and the process returns to Step 1.
  • the ejector 22 can be used under more preferable conditions than in the case where the determination is made only with the load described in the fuel cell system A1. Further, instead of the ejector 22, when HRB is provided in the reflux pipe 30 a and a three-way pipe is provided instead of the ejector 22 as a reflux means, or when the ejector 22 is provided and the reflux pipe 30 a is provided with HRB as the reflux means The same applies to
  • the pressure acting on the anode becomes higher on average than the pressure acting on the cathode, and the amount of hydrogen permeating to the cathode increases and fuel consumption deteriorates, but the ejector 22 is used more suitably. As a result, it is not necessary to increase the pressure unnecessarily, so that fuel consumption can be improved.
  • FIG. 3A is an explanatory view showing a schematic configuration of a fuel cell system according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 3B shows an operation at the time of startup of the fuel cell system according to the third embodiment. It is a flowchart to show.
  • the shutoff valve 25 is provided.
  • the same components as those described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. Differences will be described here.
  • an HRB may be provided in the return pipe 30 a as a return means, and a three-way pipe may be provided in place of the ejector 22.
  • a reflux means in which the ejector 22 is provided and the reflux pipe 30a is provided with the HRB.
  • the shutoff valve 25 is a so-called on-off valve for shutting off the exhausted hydrogen-containing gas flowing through the reflux pipe 30a, and is disposed on the reflux pipe 30a.
  • the shutoff valve 25 is a flow control unit for preventing the backflow of exhaust hydrogen gas (exhaust hydrogen-containing gas) to the cell unit 11. As will be described later, this flow control unit is for carrying out or stopping the reflux according to the temperature.
  • control unit C has the following functions. (5) A function of shutting off the exhausted hydrogen-containing gas flowing through the reflux path 30a via the shut-off valve 25 when it is determined that the hydrogen-containing gas supplied to the cell unit 11 is less than the predetermined flow rate. This function is referred to as “gas blocking means C5”.
  • cell temperature determination means C6 A function of determining whether or not the temperature of the cell unit measured through the temperature sensor has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature. This function is referred to as “cell temperature determination means C6”.
  • the “predetermined temperature range including the freezing point temperature” increases the amount of nitrogen permeated from the cathode, making it difficult to perform a dead-end operation, and the temperature of the ejector 22 takes into account sensor errors and the heat capacity of the ejector 22.
  • it is a temperature range of about 20 ° C. or less, which is the upper limit temperature that does not cause icing.
  • HRB is provided in the reflux pipe 30a as the reflux means
  • the temperature range is about 20 ° C. or less, which is the upper limit temperature that does not cause icing.
  • “Icing” means that the water vapor being refluxed from the cell stack 10 is cooled by the hydrogen supplied below the freezing point from the fuel tank 20 and frozen and blocked by the ejector nozzle portion.
  • the “predetermined temperature range including the freezing point temperature” is as described above.
  • the flow rate judging means C1 and the gas supply pressure fluctuation means C2 are provided together with the gas cutoff means C5, the cell temperature judging means C6, and the reflux stop means C7.
  • Step 2 It is determined whether or not the load is larger than a predetermined flow rate. If it is determined that the load is larger than the predetermined flow rate, the process proceeds to Step 3, and if not, the process returns to Step 1.
  • Step 3 The shutoff valve 25 is opened, and hydrogen gas is continuously fed so that the anode pressure becomes constant, and the process returns to Step 2.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an operation according to another example when the fuel cell system A3 is started.
  • the operation according to another example in the present embodiment is an operation based on temperature detection. “Temperature detection” is detected by the temperature sensor 28 disposed at a required position of the cell stack 10.
  • Step 1 In FIG. 4, abbreviated as “Sd1”. The same applies hereinafter.
  • the temperature of the cell stack 10 is detected.
  • Step 2 It is determined whether or not the temperature of the cell unit 11 has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature (whether or not it has fallen to a predetermined temperature range including the freezing point temperature), and the temperature includes the freezing point temperature. If it is determined that the temperature has entered the predetermined temperature range (decreased to a predetermined temperature range including the freezing point temperature), the process proceeds to step 4; otherwise, the process proceeds to step 3.
  • Step 3 The shutoff valve 25 is driven to open, and the exhausted hydrogen gas is recirculated through the ejector 22.
  • Step 4 The shut-off valve 25 is driven to close, and the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel tank 20 is intermittently increased and decreased and supplied to the anode (stopping the reflux). Further, it is not necessary to increase or decrease the pressure in a region where the N 2 permeation of the membrane is very low at low temperatures. Note that the “pressure fluctuation” includes a mode in which no pulsation occurs.
  • the following effects can be obtained. -Stops the reflux of water vapor when the temperature is below freezing, and prevents icing in the ejector. -Since the nitrogen permeation amount is low at low temperatures, dead-end operation can be performed more easily. Even if the temperature is not below the freezing point, the ejector may be below the freezing point depending on the arrangement of the temperature sensor. In this case, icing can be effectively prevented.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system A4 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • a check valve 26 is provided.
  • the same components as those described in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences will be described here.
  • the check valve 26 is provided to prevent the exhausted hydrogen-containing gas from flowing back to the cell stack 10 due to pressure applied to the reflux pipe 30a side during the pressure increase in the intermittent operation, and is disposed in the reflux pipe 30a. ing. By providing such a check valve 26, more stable power generation can be performed.
  • the check valve 26 prevents the exhaust hydrogen-containing gas flowing back through the reflux path 30 a, thereby preventing the exhaust hydrogen-containing gas from flowing back to the cell stack 10.
  • FIG. 6A is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system A5 according to the fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is a flowchart showing an operation at the time of startup.
  • the hardware configuration of the fuel cell system A5 according to the fifth embodiment is the same as that described in the fuel cell system A1 according to the first embodiment, except that the bypass 27a and the three-way valve 27 are disposed. Therefore, in the present embodiment, the same components as those described in the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and differences will be described here.
  • the three-way valve 27 is provided on the upstream side of the ejector 22 disposed on the feed pipe 20a, and a bypass pipe 27a serving as a bypass is disposed between the ejector 22 and the feed pipe 20a on the downstream side of the ejector 22. Yes.
  • an HRB may be provided in the reflux pipe 30a and a three-way pipe may be provided as the reflux means.
  • a reflux means in which the ejector 22 is provided and the reflux pipe 30a is provided with the HRB.
  • the three-way valve 27 is connected to the output side of the control unit C and is appropriately controlled to be switched.
  • control unit C has the following functions. (8) When it is determined that the hydrogen-containing gas supplied to the cell unit 11 is less than the predetermined flow rate, the hydrogen-containing gas supplied toward the cell unit 11 via the three-way valve 27 is transferred to the bypass 27a. Function to switch and feed. This function is referred to as “detour feeding means C8”.
  • the detour feeding means C8 is provided together with the flow rate judging means C1 and the gas feeding pressure fluctuation means C2. Thereby, at the time of intermittent operation, the ejector 22 can be bypassed, pressure loss of the ejector 22 can be avoided, and more stable intermittent operation can be performed.
  • the operation of the fuel cell system A5 having the above configuration will be described with reference to FIG. Step 1: In FIG. 6B, abbreviated as “Se1”. The same applies hereinafter.
  • the three-way valve 27 is switched so as to circulate the hydrogen gas through the bypass pipe 27a, and the hydrogen gas is intermittently supplied to the anode.
  • Step 2 It is determined whether or not the load is larger than the required flow rate. If it is determined that the load is larger than the required value, the process proceeds to Step 3, and if not, the process returns to Step 1.
  • Step 3 The three-way valve 27 is switched so that the hydrogen gas flows to the ejector 22, the hydrogen gas is continuously fed so that the anode pressure becomes constant, and the process returns to Step 2.
  • control unit C may exhibit the following functions.
  • (9) A function of determining whether or not the temperature of the cell unit measured through the temperature sensor has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature. This function is referred to as “cell temperature determination means C9”.
  • the definition of “predetermined temperature range including freezing point temperature” and the like are as described above.
  • (10) A function of switching the hydrogen-containing gas supplied to the cell unit via the three-way valve to the detour when it is determined that the temperature of the cell unit has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature. This function is referred to as “detour feeding means C10”. Thereby, at the time of intermittent operation, the ejector 22 can be bypassed, pressure loss of the ejector 22 can be avoided, and more stable intermittent operation can be performed.
  • FIG. 7 is a flowchart showing an operation according to another example when the fuel cell system A5 is started.
  • the operation according to another example in the present embodiment is an operation based on temperature detection. “Temperature detection” is detected by a temperature sensor 28 disposed at a required position of the cell stack 10.
  • Step 1 In FIG. 7, abbreviated as “Sf1”. The same applies hereinafter.
  • the temperature of the cell stack 10 and thus also the cell unit 11 is detected.
  • Step 2 It is determined whether or not the temperature of the cell unit 11 has entered a predetermined temperature range including the freezing point temperature (whether or not the temperature has decreased to a predetermined temperature range including the freezing point temperature). If it is determined that a predetermined temperature range including the temperature has been entered (decreased to a predetermined temperature range including the freezing point temperature), the process proceeds to step 4. Otherwise, the process proceeds to step 3.
  • Step 3 Switch the three-way valve 27 to the ejector 22 side and return to Step 1.
  • Step 4 The three-way valve 27 is switched to the bypass pipe 27a side, and the pressure of the hydrogen gas supplied from the fuel tank 20 is intermittently increased / decreased and supplied to the anode (return is stopped). Further, it is not necessary to increase or decrease the pressure in a region where the N 2 permeation of the membrane is very low at low temperatures. Note that the “pressure fluctuation” includes a mode in which no pulsation occurs. In FIG. 7, “intermittent increase / decrease in the hydrogen gas pressure” is referred to as “non-circulating dead-end operation”.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the following modifications can be made.
  • positioned so that the temperature of a cell unit may be measured it is not restricted to the form, For example, the temperature of an ejector is measured separately from the temperature sensor which measures the temperature of the said cell unit.
  • a temperature sensor for measurement may be provided.
  • the configuration described in each of the above embodiments is not limited to the application to each of the above embodiments, and the configuration described in one embodiment is applied to another embodiment. It can be applied mutatis mutandis or applied, and can be arbitrarily combined.

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Abstract

　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。　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１１と、このセルユニット１１から排出された排水素含有ガスを、そのセルユニット１１に還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、上記セルユニット１１に送給される水素含有ガスが所定の流量より小さいか否かを判定する流量判定手段Ｃ１と、その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も少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段Ｃ２とを有している。

Description

燃料電池システム
　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、この燃料電池に上記水素ガスを供給するための燃料供給流路と、上記燃料電池から排出された未反応の燃料である排水素含有ガスを上記燃料供給流路の何れかの位置に合流させ、上記水素ガスを循環させるための燃料循環流路と、上記排水素含有ガスを取り込んで送り出す燃料ポンプと、上記水素ガスが流れる際に発生する負圧を利用して上記排水素含有ガスを吸入して、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。
特開２００３‐１５１５８８号公報
　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、排水素含有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、排水素含有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。
　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、上記セルユニットに送給される水素含有ガスの巻き込み作用により、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、上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小さいか否かを判定する流量判定手段と、その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も少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有している。
　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。
（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、その起動時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。 （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、その起動時における動作を示すフローチャートである。 本発明の第三の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。 本発明の第四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。 （Ａ）は、本発明の第五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。 同上の第五の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
　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Ａ１の概略構成を示す説明図、（Ｂ）は、その第一の実施形態に係る燃料電池システムＡ１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３，５，６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、圧力センサ２３、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う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。
　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に（いずれも図示しない）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。
　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、圧力を増減制御されるようにしている。
　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。このような調圧部を設けることにより、アノードに送給される水素ガスの圧力を容易に増減調整できる。
　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、そのセパレータタンク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含有ガスを、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含有ガスを、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る。
　なお、還流手段としてのエゼクタ２２の代わりに、還流パイプ３０ａにＨＲＢ（Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｂｌｏｗｅｒ、水素循環ポンプの略称、以下、「ＨＲＢ」とする）を設けて、エゼクタ２２の代わりに三方管を設けて還流手段としてもよい。
　すなわち、エゼクタ２２のみが還流手段となり、また、ＨＲＢと三方管を合わせて還流手段ともなる。さらに、エゼクタ２２を設けるとともに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた構成にした還流手段としてもよい。
　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の下流側に配置しているとともに、コントロールユニットＣの入力側に接続されている。
　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含有ガスに含まれる水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制御されるようになっている。
　コントローラＣは、ＣＰＵ（Central Processing 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小さいか否かを判定する機能。この機能を「流量判定手段Ｃ１」という。
　「流量が所定の流量より小さいか否かの判定」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）であることを実験的に確認している。
　すなわち、「所定の流量」は、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、排水素含有ガスを還流パイプ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少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を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歇的に増減変動させているが、必ずしも間歇的でなくともよい。
　なお、水素ガスの流量が所定の流量を超えるときには、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。
　「間歇的に」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。
　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、排水素含有ガスを還流させられない場合には、アノード圧を間歇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。
　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。
　燃料タンク２０から送給される水素ガスの圧力を間歇的に増減変動させてアノードに送給する。
　ステップ２：負荷が所要値よりも大きいか否かを判定し、負荷が所定の流量よりも大き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：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て、ステップ２に戻る。
　次に、本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１（Ａ）とともに図２を参照して説明する。図２は、本発明の第二の実施形態に係る燃料電池システムＡ２の起動時における動作を示すフローチャートである。
　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において説明したものと同等のものであるので、ここでは、相違点について説明する。
　燃料電池システムＡ２は、上記した流量判定手段に替えて、後述する還流流量推定手段Ｃ３とともに、還流流量判定手段Ｃ４を設けた点が上記した燃料電池システムＡ１と相違している。
　すなわち、本実施形態におけるコントローラＣは、所要のプログラムの実行により、還流流量推定手段Ｃ３と還流流量判定手段Ｃ４の各機能を発揮する。
（３）エゼクタ２２を介してセルユニット１１に還流させる排水素含有ガスの還流流量を推定する機能。この機能を「還流流量推定手段Ｃ３」という。
　「温度」は、セルスタック１０の所要位置に配設した温度センサ２８によって測定している。
　換言すると、窒素濃度は、温度・圧力・負荷とそれらのパラメータに応じた開度の窒素パージ弁２４から推定することができる。本実施形態においては、ある窒素濃度にするために窒素パージ弁２４の開度をコントロールしている。
　すなわち、温度・圧力・負荷とそれらのパラメータに応じて窒素パージ弁２４を開閉する機能をコントロールユニットＣが有している。この機能を「窒素濃度調整手段」という。
　負荷と温度から、一次流（燃料タンク２０からセルスタック１０に供給する水素ガス）の流速が求まるので、排水素含有ガスの体積流量を求めることができる。体積流量が求められれば、そのときの窒素濃度、水蒸気濃度から還流される排水素含有ガスの質量流量を算出することができる。また、水蒸気濃度は温度から推定することができる。
（４）推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいか否かを判定する機能。この機能を「還流流量判定手段Ｃ４」という。
　この場合、推定した還流流量が所定の流量より小さいと判定したとき、ガス送給圧力変動手段Ｃ２は、アノードに送給される水素ガスの圧力を間歇的に増減変動させるようにしている。
　なお、「所定の流量」については上記したとおりである。
　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、図２を参照して説明する。
　ステップ１：図２においては、「Ｓｂ１」と略記する。以下、同様。
　上述したようにして、アノードから排出される排水素含有ガスの還流流量を推定する。
　ステップ２：排水素含有ガスの還流流量が所定の流量よりも大きいか否かを判定し、排水素含有ガスの還流流量が所定の流量よりも大き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４に進む。
　ステップ３：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て、ステップ２に戻る。
　ステップ４：燃料タンク２０から送給される水素ガスを間歇的にアノードに圧送して、ステップ１に戻る。
　上記した実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・燃料電池システムＡ１において説明した負荷のみで判定する場合に比べて、より好ましい条件においてエゼクタ２２を使用することができる。
　また、エゼクタ２２の代わりに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けてエゼクタ２２の代わりに三方管を設けて還流手段とした場合やエゼクタ２２を設けるとともに還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けて還流手段とした場合にも同様である。
・間歇運転時は、アノードに作用する圧力がカソードに作用する圧力より平均的に高くなってしまい、カソードへの水素透過量が多くなり燃費が悪化してしまうが、エゼクタ２２をより好適に使うことにより、圧力を不必要に上げなくてよいので燃費を向上させることができる。
　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３（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図３（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、その第三の実施形態に係る燃料電池システムの起動時における動作を示すフローチャートである。
　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において説明したものに、遮断弁２５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。
　なお、この実施形態においてもエゼクタ２２の代わりに、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けるとともにエゼクタ２２の代わりに三方管を設けてもよい。勿論、エゼクタ２２を設けるとともに還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた構成にした還流手段としてもよい。
　遮断弁２５は還流パイプ３０ａを流通する排水素含有ガスを遮断するための所謂オン‐オフバルブであり、その還流パイプ３０ａに配設されている。
　本実施形態においては、遮断弁２５が、排水素ガス（排水素含有ガス）のセルユニット１１への逆流を防止するための流通制御部である。この流通制御部は後述するように温度に応じて還流を実施、又は停止するためのものである。
　すなわち、間歇運転の昇圧時に還流パイプ３０ａ側に圧力がかかり、排水素含有ガスがセルスタック１０に逆流することを防止するようにしたものであり、このような遮断弁２５を還流パイプ３０ａに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。
　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が次の機能を有している。
（５）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少ないと判定したときには、遮断弁２５を介して還流路３０ａを流通する排水素含有ガスを遮断する機能。この機能を「ガス遮断手段Ｃ５」という。
（６）温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定する機能。この機能を「セル温度判定手段Ｃ６」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、デッドエンド運転が困難になり、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。
　また、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた場合でも、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、閉塞させることである。
　また、還流手段として還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けてエゼクタ２２の代わりに三方管を設けた場合でも、「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、三方管で凍結、閉塞させることである。
（７）検出したセルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定したときには、流通制御部２５を介して水蒸気の還流を停止する機能。この機能を「還流停止手段Ｃ７」という。
　なお、「氷点温度を含む所定の温度領域」は、上記したとおりである。
　すなわち、本実施形態においては、流量判定手段Ｃ１、ガス送給圧力変動手段Ｃ２とともにガス遮断手段Ｃ５、セル温度判定手段Ｃ６、還流停止手段Ｃ７を有しているのである。
　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、図３（Ｂ）をも参照して説明する。
　ステップ１：図３（Ｂ）においては、「Ｓｃ１」と略記する。以下、同様。
　遮断弁２５を閉じ、かつ、燃料タンク２０から送給される水素ガスを間歇的にアノードに圧送する。
　ステップ２：負荷が所定の流量よりも大きいか否かを判定し、負荷が所定の流量よりも大き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：遮断弁２５を開くとともに、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て、ステップ２に戻る。
　上記した構成からなる燃料電池システムＡ３の起動時における温度検知に基づく他例に係る動作について、図４を参照して説明する。図４は、燃料電池システムＡ３の起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
　本実施形態における他例に係る動作は、温度検知に基づく動作である。
　「温度検知」は、セルスタック１０の所要位置に配設した上記温度センサ２８によって検知したものである。
　ステップ１：図４においては、「Ｓｄ１」と略記する。以下、同様。
　セルスタック１０の温度を検知する。
　ステップ２：セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否か）を判定し、当該温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定されればステップ４に進み、そうでなければステップ３に進む。
　ステップ３：遮断弁２５を開駆動させて、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：遮断弁２５を閉駆動させて、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（還流を停止する）。
　また、低温では膜のＮ２透過が非常に少ない領域では圧力の増減変動をさせなくてもよい。なお、「圧力の増減変動」には、脈動しない態様も含む。
　本実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・氷点下時の水蒸気の還流を停止し、エゼクタにおけるアイシングを防ぐことができる。
・低温時は窒素透過量が少ないので、デッドエンド運転をより容易に行なうことができる。また、氷点下でなくても、温度センサの配置によっては、エゼクタが氷点以下の場合があり、この場合にもアイシングを有効に防止することができる。
　次に、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムについて、図５を参照して説明する。図５は、本発明の第四の実施形態に係る燃料電池システムＡ４の概略構成を示す説明図である。
　第四の実施形態に係る燃料電池システムＡ４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において説明したものに、逆止弁２６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。
　逆止弁２６は、間歇運転の昇圧時に還流パイプ３０ａ側に圧力がかかって、排水素含有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。
　すなわち、本実施形態においては、逆止弁２６によって還流路３０ａを流通する排水素含有ガスの逆流を防ぐことによって、排水素含有ガスがセルスタック１０に逆流することを防止している。
　次に、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムについて、図６（Ａ），（Ｂ）を参照して説明する。図６（Ａ）は、本発明の第五の実施形態に係る燃料電池システムＡ５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。
　第五の実施形態に係る燃料電池システムＡ５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において説明したものに、迂回路２７ａと三方弁２７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２７は、送給パイプ２０ａに配設したエゼクタ２２の上流側に設けられており、これとエゼクタ２２の下流側の送給パイプ２０ａ間に迂回路であるパイパスパイプ２７ａが配設されている。
　なお、この実施形態においてもエゼクタ２２の代わりに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けるとともに三方管を還流手段として設けてもよい。勿論、エゼクタ２２を設けるとともに、還流パイプ３０ａにＨＲＢを設けた構成にした還流手段としてもよい。
　この三方弁２７は、コントロールユニットＣの出力側に接続され、適宜切り替え制御され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が次の機能を有している。
（８）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少ないと判定したときには、三方弁２７を介してセルユニット１１に向けて送給される水素含有ガスを迂回路２７ａに切り替え送給する機能。この機能を「迂回送給手段Ｃ８」という。
　すなわち、本実施形態においては、流量判定手段Ｃ１、ガス送給圧力変動手段Ｃ２とともに、迂回送給手段Ｃ８を有しているのである。
　これにより、間歇運転の時には、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、より安定した間歇運転を行なうことができるようにしている。
　上記した構成からなる燃料電池システムＡ５の動作について、図６（Ｂ）をも参照して説明する。
　ステップ１：図６（Ｂ）においては、「Ｓｅ１」と略記する。以下、同様。
　水素ガスをパイパスパイプ２７ａに流通させるように三方弁２７を切り替えるとともに、水素ガスを間歇的にアノードに送給する。
　ステップ２：負荷が所要の流量よりも大きいか否かを判定し、負荷が所要値よりも大き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：水素ガスをエゼクタ２２に流通させるように三方弁２７を切り替えて、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て、ステップ２に戻る。
　本実施形態においては、コントロールユニットＣに次の機能を発揮させるようにしてもよい。
（９）上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定する機能。この機能を「セル温度判定手段Ｃ９」という。
　「氷点温度を含む所定の温度領域」等の定義については、上述したとおりである。
（１０）セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する機能。この機能を「迂回送給手段Ｃ１０」という。
　これにより、間歇運転の時には、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、より安定した間歇運転を行なうことができるようにしている。
　上記した構成からなる燃料電池システムＡ５の起動時における他例に係る動作について、図７を参照して説明する。図７は、燃料電池システムＡ５の起動時における他例に係る動作を示すフローチャートである。
　本実施形態における他例に係る動作は、温度検知に基づく動作である。
　「温度検知」は、セルスタック１０の所要位置に配設した温度センサ２８によって検知したものである。
　ステップ１：図７においては、「Ｓｆ１」と略記する。以下、同様。
　セルスタック１０、従ってまた、セルユニット１１の温度を検知する。
　ステップ２：セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否か（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下したか否か）を判定し、セルユニット１１の温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入った（氷点温度を含む所定の温度領域にまで低下した）と判定されればステップ４に進み、そうでなければステップ３に進む。
　ステップ３：三方弁２７をエゼクタ２２側に切り替えてステップ１に戻る。
　ステップ４：三方弁２７をパイパスパイプ２７ａ側に切り替えるとともに、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（還流を停止する）。
　また、低温では膜のＮ２透過が非常に少ない領域では圧力の増減変動をさせなくてもよい。なお、「圧力の増減変動」には、脈動しない態様も含む。
　なお、図７においては、「水素ガスの圧力を間歇的に増減変動」させることを、「非循環デッドエンド運転」と記している。
　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。
・上記した温度センサは、セルユニットの温度を測定するように配設したものを例示したが、その形態に限らず、上記セルユニットの温度を測定する温度センサとは別に、例えばエゼクタの温度を測定するための温度センサを配設してもよい。
　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
２１　　調圧部（調圧弁）
２２　　エゼクタ
２５　　遮断弁
２６　　逆止弁
２７　　三方弁
３０ａ　還流路（還流パイプ）
Ｃ１　　流量判定手段
Ｃ２　　ガス送給圧力変動手段
Ｃ３　　還流流量推定手段
Ｃ４　　還流流量判定手段
Ｃ５　　ガス遮断手段
Ｃ６　　迂回送給手段
Ｃ７　　還流停止手段
Ｃ８　　迂回送給手段
Ｃ９　　セル温度判定手段
Ｃ１０　迂回送給手段

Claims (10)

  1. 　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還流手段を配した燃料電池システムにおいて、
    　上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小さいか否かを判定する流量判定手段と、
    　その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も少ないと判定したときには、その水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 　所定の流量は、上記排水素含有ガスがセルユニットに還流されない流量であ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。
  3. 　水素含有ガスをセルユニットに送給するための供給源を有するとともに、
    　上記供給源からセルユニットに到る送給路に、送給される水素含有ガスの圧力を増減調整するための調圧部が配設されており、
    　ガス送給圧力変動手段は、セルユニットに送給される水素含有ガスの圧力を上記調圧部を介して増減変動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。
  4. 　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、上記セルユニットに送給される水素含有ガスの巻き込み作用により、そのセルユニットに還流させるための還流手段を配した燃料電池システムにおいて、
    　上記還流手段を介してセルユニットに還流させる排水素含有ガスの還流流量を推定する還流流量推定手段と、
    　推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいか否かを判定する還流流量判定手段と、
    　推定した排水素含有ガスの還流流量が所定の流量より小さいと判定したときには、セルユニットに送給される水素含有ガスの圧力を増減変動させるガス送給圧力変動手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 　還流流量推定手段は、負荷、圧力及び温度に基づいて、還流流量を推定することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
  6. 　セルユニットから排出される排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流路が配設されているとともに、
    　その還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するための遮断弁を設けているとともに、
    　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も少ないと判定したときには、遮断弁を介して還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するガス遮断手段を有することを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  7. 　還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスの逆流を防止するための逆止弁を配設していることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 　送給路に還流手段を迂回させるための迂回路と、セルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁とを有するとともに、
    　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も少ないと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段を設けていることを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 　セルユニットから排出される排水素含有ガスを、そのセルユニットに還流させるための還流路と、この還流路に、この還流路を流通する排水素含有ガスを遮断するための遮断弁を設けているとともに、
    　セルユニットの温度を測定するための温度センサを配設しているとともに、
    　上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
    　セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、遮断弁によって還流を停止する還流停止手段を設けたことを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 　送給路に還流手段を迂回させるための迂回路と、セルユニットに向けて送給される水素含有ガスを、迂回路に切り替えるための三方弁と、セルユニットの温度を測定するための温度センサとを配設しているとともに、
    　上記温度センサを介して測定したセルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったか否かを判定するセル温度判定手段と、
    　セルユニットの温度が氷点温度を含む所定の温度領域に入ったと判定したときには、三方弁を介してセルユニットに向けて送給される水素含有ガスを迂回路に切り替え送給する迂回送給手段とを設けていることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9780395B2 (en) 2012-03-30 2017-10-03 Temasek Polytechnic Fuel cell apparatus and method of operation
JP2020514955A (ja) * 2016-12-21 2020-05-21 プロトン モータ フューエル セル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＰｒｏｔｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｇｍｂｈ 燃料電池システム用燃料供給装置及び燃料電池システム
JP6961194B1 (ja) * 2021-03-18 2021-11-05 アビオスエンジニアリング株式会社 燃料電池及び燃料電池システム
JP7501396B2 (ja) 2021-02-03 2024-06-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2820633C (en) * 2010-11-22 2015-10-06 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system with ejector bypass channel control
JP6102893B2 (ja) 2014-11-14 2017-03-29 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび燃料電池搭載車両
AT521823B1 (de) * 2018-11-12 2021-03-15 Avl List Gmbh Ermittlung des Massenstromes eines Abgasbestandteils einer Brennstoffzelle
JP7207338B2 (ja) * 2020-01-20 2023-01-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムの流路構造
CN113782790B (zh) * 2021-09-09 2022-03-04 金华氢途科技有限公司 一种基于燃料电池阳极压力变频喷射的叠加喷射控制方法
CN113553678B (zh) * 2021-09-18 2022-02-15 北京英博新能源有限公司 防冻引射器及其设计方法和制作方法
DE102021212308A1 (de) * 2021-11-02 2023-05-04 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Vorrichtung und Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002151116A (ja) * 2000-11-09 2002-05-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002216811A (ja) * 2001-01-17 2002-08-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002237322A (ja) * 2001-02-08 2002-08-23 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2003151588A (ja) 2001-11-09 2003-05-23 Honda Motor Co Ltd 燃料循環式燃料電池システム
JP2005150090A (ja) * 2003-10-24 2005-06-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2006134695A (ja) * 2004-11-05 2006-05-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその制御装置、制御方法並びにコンピュータプログラム
JP2006252918A (ja) * 2005-03-10 2006-09-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2006331863A (ja) * 2005-05-26 2006-12-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび制御方法
JP2007149423A (ja) * 2005-11-25 2007-06-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその運転方法
JP2009252654A (ja) * 2008-04-09 2009-10-29 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、循環流量の推定方法及びこれを用いた運転方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3882667B2 (ja) * 2002-04-19 2007-02-21 日産自動車株式会社 燃料電池システム及び制御方法
JP2005044748A (ja) * 2003-07-25 2005-02-17 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005129312A (ja) * 2003-10-22 2005-05-19 Denso Corp 燃料電池の燃料供給装置
US8092943B2 (en) * 2006-04-19 2012-01-10 Daimler Ag Fuel cell system with improved fuel recirculation
JP5103998B2 (ja) * 2007-04-12 2012-12-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002151116A (ja) * 2000-11-09 2002-05-24 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002216811A (ja) * 2001-01-17 2002-08-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2002237322A (ja) * 2001-02-08 2002-08-23 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2003151588A (ja) 2001-11-09 2003-05-23 Honda Motor Co Ltd 燃料循環式燃料電池システム
JP2005150090A (ja) * 2003-10-24 2005-06-09 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP2006134695A (ja) * 2004-11-05 2006-05-25 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその制御装置、制御方法並びにコンピュータプログラム
JP2006252918A (ja) * 2005-03-10 2006-09-21 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置
JP2006331863A (ja) * 2005-05-26 2006-12-07 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよび制御方法
JP2007149423A (ja) * 2005-11-25 2007-06-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システム及びその運転方法
JP2009252654A (ja) * 2008-04-09 2009-10-29 Toyota Motor Corp 燃料電池システム、循環流量の推定方法及びこれを用いた運転方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9780395B2 (en) 2012-03-30 2017-10-03 Temasek Polytechnic Fuel cell apparatus and method of operation
JP2020514955A (ja) * 2016-12-21 2020-05-21 プロトン モータ フューエル セル ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングＰｒｏｔｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｇｍｂｈ 燃料電池システム用燃料供給装置及び燃料電池システム
JP7501396B2 (ja) 2021-02-03 2024-06-18 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP6961194B1 (ja) * 2021-03-18 2021-11-05 アビオスエンジニアリング株式会社 燃料電池及び燃料電池システム
WO2022196045A1 (ja) * 2021-03-18 2022-09-22 アビオスエンジニアリング株式会社 燃料電池及び燃料電池システム

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