JP2006252863A - 燃料電池の反応ガス供給装置およびその反応ガス供給装置を備える燃料電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノズル開口面積の制御により連通流路の開閉を制御し、燃料電池制御システムの複雑化を抑制する。
【解決手段】
エゼクタ３４０は、反応原ガスが供給される供給ポート５３０と、燃料電池から排出される反応排ガスを吸引する吸引ポート５０８と、反応原ガスと反応排ガスとを混合した反応ガスを燃料電池に供給する出口ポート５０６とを備えている。エゼクタ３４０には、反応原ガスを出口ポート５０６側に噴射するノズル５２２と、ノズル５２２を介さずに供給ポート５３０と出口ポート５０６とを連通する連通流路５２８とが設けられている。連通流路５０８を開閉する流路開閉部６２０は、ノズル５２２の開口面積を可変にするニードル６００が、ノズル５２２の開口面積が所定の開口面積となる位置よりもさらに開方向に移動するのに伴って、閉状態から開状態に変化する。
【選択図】 図３

Description

この発明は、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置に関する。

水素ガスを燃料ガスとする燃料電池では、水素の利用率の向上と、アノード側での水の滞留の抑制とのため、循環式の燃料ガス給排装置が用いられる。この燃料ガス給排装置では、燃料電池から排出される燃料ガス（アノードオフガス）をエゼクタにより吸引し、吸引されたアノードオフガスと水素ガスとを混合した燃料ガスを燃料電池に供給する。

このようなエゼクタを用いた循環式の燃料ガス給排装置では、エゼクタのノズル径により水素ガスの最大流量が制限されるため、燃料電池の起動時等に要求される多量の水素ガスを急速に供給することが困難であった。そこで、このように多量の水素を必要とする場合には、エゼクタをバイパスするバイパス弁をエゼクタとは別個に設け、バイパス弁を介して燃料電池に水素ガスを供給することが行われている（特許文献１参照）。

また、燃料電池の通常の運転状態では、燃料電池の出力電力の変動によって消費される水素の量が大きく変動する。そのため、変動する水素消費量に応じて水素ガス供給量を換えた場合、エゼクタのニードル径が一定の場合、燃料ガスの循環量も変動する。そこで、水素ガス供給量が変動する場合に、エゼクタが吸引するアノードオフガス量を調整するため、エゼクタ内に設けられたニードルを移動することによりノズルの開口面積を変えることが行われている（特許文献４参照）。

特開２００２−１５１１１６号公報 特開２００１−２１０３４２号公報 特開２００２−５６８７０号公報 特開２００２−５６８６９号公報 特開２００２−５６８６８号公報 特開２００４−１７８８４３号公報

しかしながら、これらの従来の方法では、ノズルの開口面積の制御と、バイパス弁の制御とは、それぞれ別個に制御されるので、燃料電池制御システムが複雑化するおそれがあった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池制御システムの複雑化を抑制しつつ、燃料電池用の反応ガスの供給量を適切に制御できる技術を提供することを目的とする。

上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の反応ガス供給装置は、燃料電池の反応ガス供給装置であって、ガス供給部からの反応原ガスが供給される供給ポートと、燃料電池から供給される反応排ガスを吸引する吸引ポートと、前記反応原ガスと、前記反応排ガスとを混合した反応ガスを前記燃料電池に供給する出口ポートと、前記供給ポートに供給された前記反応原ガスを前記出口ポート側に噴射するノズルと、前記ノズルによる前記反応原ガスの噴射によって発生する負圧により前記吸引ポート内の前記反応排ガスを前記出口ポートへと吸引するディフューザと、前記ノズル内を移動することにより、前記ノズルの開口面積を可変にするニードルと、前記ノズルを介さずに前記供給ポートと前記出口ポートとを連通する連通流路と、前記連通流路を開閉する流路開閉部と、を備え、前記流路開閉部は、前記ニードルと機械的に係合することにより、前記ニードルが前記ノズルの開口面積が大きくなる開方向に移動して前記ノズルの開口面積が所定の開口面積となる位置よりも前記ニードルがさらに前記開方向に移動するのに伴って、閉状態から開状態に変化することを特徴とする。

この構成によれば、ニードルを移動させることによりニードルに機械的に係合された流路開閉部が開閉するので、連通流路を介して反応原ガスを燃料電池に供給する状態と、ノズルを介して反応原ガスを燃料電池に供給する状態と、をニードルの移動により切り替えることができる。そのため、ニードルの移動によるノズル開口面積の制御により連通流路の開閉を制御することができるので、燃料電池制御システムの複雑化を抑制しつつ、燃料電池用の反応ガスの供給量を適切に制御することができる。

前記流路開閉部は、前記連通流路を閉じる閉止部材と、前記連通流路が閉じる方向に前記閉止部材を付勢する付勢部材と、を備え、前記ニードルは、前記ニードルが前記開方向に移動することにより、前記閉止部材を前記連通流路が開くように移動させる閉止部材押開部を備えるものとしてもよい。

この構成によれば、連通流路を閉じている状態において、付勢部材により付勢された閉止部材により連通流路が閉止されるので、連通流路を介した反応原ガスの漏洩を抑制することができる。

前記所定の開口面積は前記ノズルの最大開口面積であるものとしてもよい。

この構成によれば、ノズルの開口面積が変化するニードルの移動範囲内では連通流路を介して反応原ガスが燃料電池に供給されないので、ノズルを介して反応原ガスを燃料電池に供給する状態での反応原ガスの供給量の可変範囲をより大きくすることができる。

本発明の燃料電池の制御装置は、本発明の反応ガス供給装置を備え、前記ニードルを移動させることにより、前記ノズルの開口面積を制御する第１の制御モードと、前記ニードルを前記ノズルの開口面積が所定の開口面積となる位置よりも開方向に移動させることにより、前記燃料電池に前記反応原ガスを前記第１の制御モードよりも多く供給する第２の制御モードと、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、燃料電池の制御モードを切り替えることにより、連通流路を介して反応原ガスを燃料電池に供給する状態と、開口面積が可変であるノズルを介して反応原ガスを燃料電池に供給する状態とを切り替えることができるので、燃料電池の制御がより容易となる。

前記第２の制御モードは、前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力が予め定められた圧力よりも低い場合に実行されるものとしてもよい。

この構成によれば、燃料電池内の反応ガス圧力が低い場合に、連通流路を介して反応原ガスが燃料電池に供給されるので、燃料電池内の反応ガス圧力を速やかに回復することが容易となる。

前記第２の制御モードは、前記燃料電池の起動時に実行されるものとしてもよい。

この構成によれば、燃料電池の起動時に燃料電池内の反応ガス圧力を速やかに高めることができるので、燃料電池の起動に要する時間をより短くすることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池の反応ガス供給装置とその供給装置の制御装置および制御方法、その供給装置と制御装置および制御方法を利用した燃料電池、また、その燃料電池を利用した発電装置およびその燃料電池を搭載した電気自動車等の態様で実現することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す説明図である。燃料電池システム１００は、複数のセル１１２を積層することにより構成された燃料電池１１０と、酸化剤ガス給排部２００と、燃料ガス給排部３００と、燃料電池制御部４００と、を備えている。

酸化剤ガス給排部２００と燃料電池１１０とは、酸化剤ガス供給配管１２２と酸化剤ガス排出配管１２４との２つの配管で互いに接続されている。同様に、燃料ガス給排部２００と燃料電池１１０とは、燃料ガス供給配管１３２と燃料ガス排出配管１３４との２つの配管で互いに接続されている。

酸化剤ガス給排部２００は、空気ポンプ２０２と、カソードオフガス排出部２０４と、を備えている。空気ポンプ２０２は、外気から圧縮空気を生成する。生成された圧縮空気は、燃料電池１１０で使用される酸素を含む酸化剤ガスとして、酸化剤ガス供給配管１２２を介して燃料電池１１０に供給される。燃料電池１１０に供給された酸化剤ガスは、セル１１２内のカソードに供給される。カソードでは、酸化剤ガス中の酸素が燃料電池反応により消費されるとともに、水分が生成される。酸素の消費により酸素濃度が低下した酸化剤ガス（一般に、「カソードオフガス」と呼ばれる）は、酸化剤ガス排出配管１２４を介してカソードオフガス排出部２０４に排出される。カソードオフガス排出部２０４は、燃料電池１１０から排出されたカソードオフガスを大気中に放出する。

燃料ガス給排部３００は、水素ガスタンク３１０と、高圧遮断弁３２０と、調圧弁３３０と、エゼクタ３４０と、エゼクタ駆動部７００と、気液分離器３５０と、排気・排水弁３６０と、水・アノードオフガス排出部３７０と、を備えている。

高圧の水素ガスが充填された水素ガスタンク３１０は、第１の高圧水素配管３１２を介して高圧遮断弁３２０に接続されている。燃料電池システム１００を運転する際には、高圧遮断弁３２０が開かれる。高圧遮断弁３２０が開くことにより、第１の高圧水素配管３１２と、高圧遮断弁３２０と、第２の高圧水素配管３２２とを介して、水素ガスタンク３１０から調圧弁３３０に水素ガスが供給される。燃料電池システム１００を停止する際には、高圧遮断弁３２０が閉じられて水素ガスの供給が停止される。

調圧弁３３０は、第２の高圧水素配管３２２を通して供給された高圧の水素ガスを適当な圧力にまで減圧する。減圧された水素ガスは、低圧水素配管３３２を介してエゼクタ３４０の供給ポート３４０ａに供給される。エゼクタ３４０の供給ポート３４０ａに供給された水素ガスは、出口ポート３４０ｂに送出される。この際、エゼクタ３４０の吸引ポート３４０ｃには負圧が生じ、エゼクタ３４０は、吸引ポート３４０ｃに接続した還流配管３４２からガスを吸引する。エゼクタ３４０では、供給ポート３４０ａから供給された水素ガスと、吸引ポート３４０ｃから吸引されたガスとが混合される。混合されたガス（燃料ガス）は、エゼクタの出口ポート３４０ｂから燃料ガス供給配管１３２を介して燃料電池１１０に供給される。

燃料電池１１０に供給された燃料ガスは、セル１１２内のアノードに供給される。アノードでは、燃料電池反応により燃料ガス中の水素が消費される。水素の消費により水素濃度が低下した燃料ガス（一般に、「アノードオフガス」と呼ばれる）は、燃料ガス排出配管１３４を介して気液分離器３５０に供給される。気液分離器３５０は、カソードで生成されカソードからアノードに透過してきた水分をアノードオフガスから分離する。水分が分離されたアノードオフガスは、還流配管３４２を介してエゼクタ３４０の吸引ポート３４０ｃに供給される。このように、水素ガスをエゼクタ３４０の供給ポート３４０ａに供給することで、水素ガスとアノードオフガスとが混合された燃料ガスが、エゼクタ３４０と、燃料電池１１０と、気液分離器３５０との間を循環する。

排気・排水弁３６０は、気液分離器３５０中の水の量が所定量以上となった場合や、循環する燃料ガス中の不純物濃度が高くなった場合、また、燃料電池システム１００を停止する場合等、必要に応じて開かれる。排気・排水弁３６０を開くことにより、気液分離器３５０中の水とアノードオフガスとは、配管３５２と、排気・排水弁３６０と、配管３６２とを介して、水・アノードオフガス排出部３７０に排出される。水・アノードオフガス排出部３７０は、排出されたアノードオフガス中に含まれる水素を燃焼させて不活性化した後、不活性化したアノードオフガスを大気中に放出する。

燃料電池制御部４００は、外部制御部からの電力要求や起動・停止の指示などの制御信号と、燃料電池システム１００に設けられた各種センサ（図示しない）の出力信号とに基づいて、燃料電池システム１００の開閉弁３２０，３６０と、調圧弁３３０と、空気ポンプ２０２と、エゼクタ駆動部７００とに制御信号を供給する。なお、後述するように、燃料電池制御部４００は、第１の制御モードと第２制御モードとの２つの制御モードを有している。

図２は、第１実施例におけるエゼクタ３４０を構成する部品を示す部品断面図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、エゼクタ３４０を構成するディフューザブロック５００と、ノズルブロック５２０と、シールブロック５４０と、をそれぞれ示している。これらの３つのブロック５００，５２０，５４０は、エゼクタ３４０の外形部を形成する。図２（ｄ）は、ニードル６００を示し、図２（ｅ）は、バルブ６２０を示している。これらのニードル６００とバルブ６２０とは、エゼクタ３４０内部に組み込まれる。

図２（ａ）に示すディフューザブロック５００は、一点鎖線で示す線Ａ−Ａ’（以下、「中心軸Ａ−Ａ’」とも呼ぶ）を軸としてほぼ軸対称に形成されている。ディフューザブロック５００の内部には、Ａ’側からＡ側に向かって内径が漸減する絞り部５０２と、内径がほぼ一定のスロート５０４と、Ａ’側からＡ側に向かって内径が漸増するディフューザ５０６とが設けられている。また、ディフューザブロック５００には、外周部から絞り部５０２に向かって、中心軸Ａ−Ａ’と直交する方向の円形の貫通孔５０８が設けられている。

図２（ｂ）に示すノズルブロック５２０は、中心軸Ｂ−Ｂ’を軸としてほぼ軸対称に形成されている。ノズルブロック５２０の内部には、Ｂ’側からＢ側に向かって外径および内径が漸減するノズル５２２と、ノズル５２２に連結された円筒部５２４と、円筒部５２４をノズルブロック５２０の外周部に連結する連結部材５２６とが形成されている。この連結部材５２６には、図２（ｂ）の中心軸Ｂ−Ｂ’に対して上方と下方との位置の２カ所に、連結部材５２６のＢ側とＢ’側を連通する円形の連通孔５２８が設けられている。また、ノズルブロック５２０には、外周部から連結部材５２６のＢ’側の領域に向かって、中心軸Ｂ−Ｂ’と直交する方向の円形の貫通孔５３０が設けられている。

図２（ｃ）に示すシールブロック５４０は、中心軸Ｃ−Ｃ’を軸として軸対称に形成されている。シールブロック５４０の内部には、隔壁部５４２が形成されている。この隔壁部５４２は、中心に貫通孔５４４が設けられた円板状の部材である。貫通孔５４４のほぼ中央の位置には、溝５４６が設けられている。

図２（ｄ）に示すニードル６００は、中心軸Ｄ−Ｄ’を軸として軸対称に形成されている。ニードル６００は、Ｄ’側からＤ側に向かって外径が漸減するテーパ部６０４と、テーパ部６０４に連結された円柱状のニードル軸６０２と、ニードル軸６０２に設けられた円環状の突起であるストッパ６０６と、を有している。このニードル軸６０２のＤ’端には、駆動孔６０８が設けられている。

図２（ｅ）に示すバルブ６２０は、中心軸Ｅ−Ｅ’を中心とし貫通孔６３０を有する円板状の連動板６２２と、連動板６２２に連結された円柱状の支持部６２４および桿状部６２８と、支持部６２４に接続された円板状の弁体６２６とで形成されている。弁体６２６は、図２（ｂ）に示す連通孔５２８に対応した位置に設けられている。また、弁体６２６のＥ側に設けられた凹部６３２には、シール部材６４２がはめ込まれている。

図３は、第１実施例におけるエゼクタ３４０の構成を示す組立断面図である。なお、図３では、ニードル６００を駆動するためのエゼクタ駆動部７００がエゼクタ３４０に取り付けられている様子を示している。

エゼクタ３４０は、ディフューザブロック５００と、ノズルブロック５２０と、ニードル６００と、バルブ６２０と、シールブロック５４０と、をこの順に、各部材の中心軸が図３の一点鎖線で示される中心軸Ｘ−Ｘ’に一致するように左側から組み立てることにより構成される。なお、ここでは、図３のＸ側の方向を「左」もしくは「左側」とも呼び、図３のＸ’側の方向を「右」もしくは「右側」とも呼ぶ。

エゼクタ駆動部７００は、ニードル６００の駆動孔６０８に嵌合された駆動桿７０２と、駆動桿７０２をＸ−Ｘ’方向に移動させる駆動モータ７０４と、を備えている。駆動モータ７０４は、回転運動をＸ−Ｘ’方向の並進運動に変換する機構（図示しない）を備えるステッピングモータである。駆動モータ７０４が燃料電池制御部４００（図１）からニードル６００の位置を設定する制御信号を受け取ると、ステッピングモータは回転し、それに伴って駆動桿７０２がＸ−Ｘ’方向に移動する。そして、駆動桿７０２のＸ−Ｘ’方向への移動により、ニードル６００は、軸Ｘ−Ｘ’に沿って移動する。なお、ニードル６００の位置の制御については、後述する。

図３に示すようにエゼクタ３４０を組み立てることにより、ノズル５２２の左端のノズル開口部は、ディフューザブロック５００の絞り部５０２中に位置する。ノズルの開口部の面積は、ノズル５２２と同軸に配置されたニードル６００のテーパ部６０４により縮小される。開口面積の縮小の程度は、ニードル６００の軸Ｘ−Ｘ’に沿った移動によって変更される。

バルブ６２０の桿状部６２８には、バネ６４０が取り付けられている。バルブ６２０は、バネ６４０により付勢されることにより、ノズルブロック５２０の連結部材５２６に押しつけられている。バルブ６２０のシール部材６４２は、バルブ６２０が連結部材５２６に押しつけられることにより、連結部材５２６に設けられた連通孔５２８を閉止する。

ニードル軸６０２の右端は、シールブロック５４０の隔壁部５４２に設けられた貫通孔５４４を通して隔壁部５４２よりも右側に突出している。貫通孔５４４に設けられた溝５４６には、Ｏリング６４４がはめ込まれている。Ｏリング６４４が溝５４６とニードル軸６０２との双方に接触することにより、隔壁部５４２の左側の領域と右側の領域との気密を維持することができる。

図３に示すように、エゼクタ３４０には、ノズルブロック５２０の貫通孔５３０と、ディフューザブロック５００のディフューザ５０６および貫通孔５０８と、の３つの開口部を有している。ノズルブロックの貫通孔５３０は、図１に示すエゼクタ３４０の供給ポート３４０ａに相当する。また、ディフューザ５０６と、ディフューザブロック５００の貫通孔５０８とは、それぞれ、エゼクタ３４０の出口ポート３４０ｂと吸引ポート３４０ｃとに相当する。

上述のように、ノズルブロック５２０の貫通孔５３０（供給ポート３４０ａ）には、調圧弁３３０で減圧された水素ガスが供給される。水素ガスは、貫通孔５３０からノズル５２２を通してディフューザブロック５００の絞り部５０２に噴射される。噴射された水素ガスは、絞り部５０２中のガスとともにスロート５０４を通過し、ディフューザ５０６（出口ポート３４０ｂ）に送出される。ディフューザ５０６に送出されたガスは、燃料ガス供給配管１３２（図１）を介して燃料電池１１０（図１）に供給される。このように、噴射された水素ガスが絞り部５０２中のガスとともにディフューザ５０６に送出されることにより、絞り部５０２は負圧となる。そのため、エゼクタ３４０は、ディフューザブロック５００の貫通孔５０８（吸引ポート３４０ｃ）に接続された還流配管３４２（図１）からアノードオフガスを吸引する。このように、エゼクタ３４０は、供給ポートに供給される水素ガスと、燃料電池から排出されるアノードオフガスとを混合し、燃料ガスとして燃料電池に供給する反応ガス供給装置である。

図４は、ニードル６００の位置の制御の様子を示す説明図である。図５は、ニードル６００の位置に応じてエゼクタ３４０の作動状態が変化する様子を示す説明図である。

図４（ａ）は、調圧弁３３０（図１）からエゼクタ３４０に供給される水素ガスの供給量（以下、単に「水素ガス供給量Ｖ」とも呼ぶ）と、ノズル５２２の開口部の面積（以下、単に「ノズル開口面積Ａ」とも呼ぶ）との関係を示すグラフである。図４（ａ）の横軸は、水素ガス供給量Ｖを表し、縦軸は、ノズル開口面積Ａを示している。図４（ａ）の実線および点線で示すように、水素ガス供給量Ｖとノズル開口面積Ａとの関係は、ほぼ直線で表される。

図４（ｂ）は、ニードル６００の位置とノズル開口面積Ａとの関係を示すグラフである。図４（ｂ）の縦軸は、図４（ａ）と同様にノズル開口面積Ａを示している。図４（ｂ）の横軸は、ニードル６００が原点からＸ’側に移動した距離（以下、「ニードル位置ｘ」とも呼ぶ）を示している。ここで、ニードル位置ｘの原点（ｘ＝０）とは、ニードル６００がその移動範囲のＸ側端の位置、すなわち、ニードル６００のテーパ部６０４がノズル５２２の内面に接触する位置である。

図４（ｂ）の実線に示すように、ノズル開口面積Ａは、ニードル位置ｘの増加に伴って単調に増加する。ノズル開口面積Ａの増加量は、ニードル位置ｘが増加するのに伴って減少する。そして、ニードル位置ｘがニードル６００のテーパ部６０４の長さに相当する位置Ｌ₀（以下、「最大開口位置Ｌ₀」とも呼ぶ）以上では、ニードル６００によりノズル５２２の開口部が狭められていないのでノズル開口面積Ａは一定の値Ａ₀（以下、「最大開口面積Ａ₀」とも呼ぶ）となる。なお、ニードル位置ｘが０〜Ｌ₀間での範囲内では、ニードル６００をＸ’側の方向（ニードル位置ｘの正方向）に移動させることによりノズル開口面積Ａは増加するので、Ｘ’側の方向はニードルの開方向とも呼ぶことができる。

燃料電池１１０（図１）が通常の運転状態である場合には、水素ガス供給量Ｖは図４（ａ）の０からＶ₀（以下、「最大開口時流量Ｖ₀」とも呼ぶ）の範囲内で変化する。そのため、通常の運転状態で必要となるノズル開口面積Ａの可変範囲は、０から最大開口面積Ａ₀の範囲となる。この場合、燃料電池制御部４００（図１）は、第１の制御モードを実行する。第１の制御モードでは、燃料電池制御部４００は、燃料電池１１０（図１）での水素消費量に応じて、水素ガス供給量Ｖを決定する。水素ガス供給量Ｖが決定されると、燃料電池制御部４００は、図４（ａ）のグラフに基づいてノズル開口面積Ａを決定する。ノズル開口面積Ａが決定されると、燃料電池制御部４００は、図４（ｂ）のグラフに基づいてニードル位置ｘを決定する。燃料電池制御部４００は、決定されたニードル位置ｘに基づいてエゼクタ駆動部７００（図３）に制御信号を供給する。制御信号がエゼクタ駆動部７００に供給されることにより、ニードル６００は決定されたニードル位置ｘまで移動される。

水素ガス供給量Ｖが０の場合、燃料電池制御部４００は、図４（ａ）のグラフに基づいてノズル開口面積Ａを０に決定し、図４（ｂ）のグラフに基づいてニードル位置ｘを０に決定する。そして、燃料電池制御部４００は、ニードル位置ｘが０（移動範囲のＸ側端）となるようにエゼクタ駆動部７００に制御信号を供給する。

図５（ａ）は、ニードル位置ｘが０のときのエゼクタ３４０内部の状態を示している。図５（ａ）に示す状態では、ストッパ６０６と連動板６２２とが互いに接触していないので、バルブ６２０は連結部材５２６に押しつけられている。そのため、連結部材５２６に設けられた連通孔５２８はシール部材６４２により閉止される。

また、図５（ａ）に示す状態では、ノズル５２２の開口部は、ニードル６００のテーパ部６０４により閉止される。ノズル５２２の開口部がテーパ部６０４により閉じられることにより、エゼクタ３４０の貫通孔５３０（供給ポート３４０ａ）に供給された水素ガスのディフューザ５０６（出口ポート３４０ｂ）側への供給が止まり、燃料電池１１０（図１）への水素ガスの供給は停止する。このとき、ノズル５２２から絞り部５０２への水素の噴射がないため、ディフューザブロック５００の貫通孔５０８からのガスの吸引が停止する。

水素ガス供給量ＶがＶ_M（０＜Ｖ_M＜Ｖ₀）の場合、燃料電池制御部４００は、図４（ａ）のグラフに基づいてノズル開口面積ＡをＡ_Mに決定し、図４（ｂ）のグラフに基づいてニードル位置ｘをｘ_Mに決定する。そして、燃料電池制御部４００は、ニードル位置ｘがｘ_M（に相当する０と最大開口位置Ｌ₀との中間の位置となるようにエゼクタ駆動部７００に制御信号を供給する。

図５（ｂ）は、ニードル位置ｘがｘ_Mのときのエゼクタ３４０内部の状態を示している。図５（ｂ）に示す状態においても、図５（ａ）とに示す状態と同様に、バルブ６２０は連結部材５２６に押しつけられ、連通孔５２８はシール部材６４２により閉止される。

図５（ｂ）に示す状態では、ノズル５２２の開口部は、ニードル６００のテーパ部６０４によって狭められている。そのため、ノズル５２２の開口部から噴射される水素ガスの量は、ノズル５２２の開口部が狭められていない場合よりも減少する。この場合、ノズル５２２の開口部が狭められているため、水素ガス流量が少ない状態であっても、噴射される水素ガスの流速を高くすることができる。このように、噴射される水素ガスの流速を高めることにより、絞り部５０２を負圧にし、貫通孔５０８から適量のガスを吸引することが可能となる。

水素ガス供給量Ｖが燃料電池１１０の運転状態での最大値Ｖ₀の場合、燃料電池制御部４００は、図４（ａ）のグラフに基づいてノズル開口面積Ａを最大開口面積Ａ₀に決定し、図４（ｂ）のグラフに基づいてニードル位置ｘを最大開口位置Ｌ₀に決定する。そして、燃料電池制御部４００は、ニードル位置ｘが最大開口位置Ｌ₀となるようにエゼクタ駆動部７００に制御信号を供給する。

図５（ｃ）は、ニードル位置ｘが最大開口位置Ｌ₀のときのエゼクタ３４０内部の状態を示している。図５（ｃ）の状態では、ストッパ６０６と連動板６２２とは互いに接触しているが、連動板６２２にはＸ’方向の力は加えられていない。そのため、バルブ６２０は連結部材５２６に押しつけられ、連通孔５２８はシール部材６４２により閉止される。

図５（ｃ）に示す状態では、テーパ部６０４のＸ側端の位置がノズル５２２の開口部の位置となり、ノズル５２２の開口部は、テーパ部６０４によって狭められない。そのため、ノズル５２２の開口部から噴射される水素ガスの量は、ノズル５２２から噴射しうる最大量となる。この場合、ノズル５２２の開口部が狭められていないため、水素ガス流量が多い場合であっても、ノズル５２２の開口部から噴射される水素ガスの流速を抑制することができる。このように、噴射される水素ガスの流速を抑制することにより、貫通孔５０８から適量のガスを吸引することが可能となる。

燃料電池システム１００の起動時など、燃料電池１１０の圧力を急速に高める必要がある場合には、水素ガス供給量Ｖは最大開口時流量Ｖ₀よりも大きいＶ₁に相当する流量になる（図４（ａ））。そのため、ノズル５２２のみから水素ガスを供給する場合には、ノズル開口面積Ａを最大開口面積Ａ₀よりも大きいＡ₁に相当する面積にする必要がある。一方、ノズル開口面積Ａの最大値は、ノズル５２２の機械的な形状で定まるため最大開口面積Ａ₀よりも大きくすることができない。このように、水素ガス供給量ＶがＶ₁（＞Ｖ₀）となる燃料電池システム１００の起動時には、燃料電池制御部４００は、第２の制御モードを実行する。第２の制御モードでは、燃料電池制御部４００は、ニードル位置ｘを最大開口位置Ｌ₀よりも大きいＬ₁に相当する位置（以下、「バイパスモード位置Ｌ₁」とも呼ぶ）に決定する。そして、燃料電池制御部４００は、ニードル位置ｘがバイパスモード位置Ｌ₁となるようにエゼクタ駆動部７００に制御信号を供給する。

図５（ｄ）は、ニードル位置ｘがバイパスモード位置Ｌ₁のときのエゼクタ３４０内部の状態を示している。図５（ｄ）の状態では、連動板６２２がストッパ６０６によりＸ’側に押される。連動板６２２がストッパ６０６により押されることにより、バルブ６２０がＸ’方向に移動する。このようにバルブ６２０が移動することで、シール部材６４２とノズルブロック５２０の連結部材５２６との間に間隙が生じ、連結部材５２６のＸ側とＸ’側とが連通する。

連結部材５２６のＸ側とＸ’側とが連通孔５２８を通して連通すると、貫通孔５３０（図１に示す供給ポート３４０ａに相当する）に供給された水素ガスは、連通孔５２８と、絞り部５０２と、スロート５０４とを介して、ディフューザ５０６（出口ポート３４０ｂに相当する）に供給される。一般に、連通する連通孔５２８での圧損は、ノズル５２２とニードル６００との間の小断面積で長い流路の圧損より小さい。そのため、連通孔５２８を介してディフューザ５０６側に大量の水素ガスを供給することができ、燃料電池１１０の水素ガス圧力を急速に高くすることが可能となる。

このように、第１実施例では、貫通孔５３０（供給ポート３４０ａ）とディフューザ５０６（出口ポート３４０ｂ）とを連通する連通孔５２８（連通流路）を、ニードル６００に機械的に係合するバルブ６２０により開閉する。そのため、燃料電池１１０内の水素ガス圧力を急速に高めるために多量の水素ガスを供給する状態と、燃料電池の通常の運転状態で必要とされる水素ガスを供給する状態との切替をニードル６００の移動で行うことができるので、燃料電池システム１００での制御がより容易となる。

また、第１実施例では、バネ６４０により付勢されることにより、バルブ６２０は連通孔５２８に押しつけられているが、一般には、バルブ６２０に連通孔５２８を閉止するような作用を与えることができればよい。このような作用を与える付勢部材としては、図３に示したバネ６４０のほか、ゴムやプラスチック等の弾性を有する任意のものを使用することができる。

Ｂ．第２実施例：
図６は、第２実施例におけるエゼクタ３４１の構成を示す組立断面図である。なお、図６は、図３と同様にエゼクタ３４１にニードル６００ａを駆動するためのエゼクタ駆動部７００が取り付けられている様子を示している。第２実施例は、図６に示すように、ニードル６００ａとバルブとが一体の部材として形成されている点と、ニードル６００ａの形状の変化に伴ってノズルブロック５２０ａの円筒部５２４ａの長さと連結部材５２６ａの位置とが変更されている点とで、第１実施例と異なっている。他の点は、第１実施例と同様である。

図６に示すように、第２実施例のニードル６００ａは、Ｘ’側からＸ側に向かって外径が漸減するテーパ部６０４と、テーパ部６０４に連結された円柱状のニードル軸６０２と、円柱状の挿入桿６１２と、挿入桿６１２とニードル軸６０２とを結合する結合部６１０と、を有している。ニードル軸６０２のＸ’端には、図３に示す第１実施例と同様に、駆動孔６０８が設けられている。ノズルブロック５２０ａの連結部材５２６ａに設けられた連通孔５２８ａは、ニードル６００ａの挿入桿６１２が連通孔５２８ａに挿入されることにより閉止される。なお、図６に示すように、挿入桿６１２のＸ側端は、挿入桿６１２の連通孔５２８ａへの挿入を容易にするためテーパ状となっている。

図７は、ニードル６００ａの位置に応じてエゼクタ３４１の作動状態が変化する様子を示す説明図である。図７（ａ）〜図７（ｄ）は、図４（ｂ）に示すニードル位置ｘが０，ｘ_M，Ｌ₀，Ｌ₁の各値をとる場合の、エゼクタ３４１内部の状態をそれぞれ示している。なお、ニードル６００ａの移動によるノズル開口面積の変化と、ノズル５２２を介した水素ガスの供給については、第１実施例と同じであるので、ここではその説明を省略する。

図７（ａ）は、ニードル位置ｘが０のときのエゼクタ３４１内部の状態を示している。図７（ａ）に示す状態では、連通孔５２８ａに挿入された挿入桿６１２により閉止される。同様に、図７（ｂ）に示すニードル位置ｘがｘ_Mのときの状態においても、連通孔５２８ａは挿入桿６１２により閉止される。

図７（ｃ）は、ニードル位置ｘが最大開口位置Ｌ₀のときのエゼクタ３４１内部の状態を示している。図７（ｃ）の状態では、挿入桿６１２の円柱部分のＸ側によって連通孔５２８ａのＸ'側の開口部が塞がれるので、連通孔５２８ａは閉止される。

図７（ｄ）は、ニードル位置ｘがバイパスモード位置Ｌ₁のときのエゼクタ３４１内部の状態を示している。図７（ｄ）の状態では、連結部材５２６ａと挿入桿６１２との間に間隙が生じることにより、連結部材５２６ａのＸ側とＸ’側とが連通する。連結部材５２６ａのＸ側とＸ’側とが連通孔５２８ａを通して連通することにより、貫通孔５３０（図１に示す供給ポート３４０ａに相当する）に供給された水素ガスは、連通孔５２８ａと、絞り部５０２と、スロート５０４とを介して、ディフューザ５０６側（出口ポート３４０ｂに相当する）に供給される。そのため、第２実施例においても、第１実施例と同様に、燃料電池１１０（図１）の水素ガス圧力を急速に高くすることが可能となる。

このように、第２実施例では、貫通孔５３０（供給ポート３４０ａ）とディフューザ５０６（出口ポート３４０ｂ）とを連通する連通孔５２８ａ（連通流路）を、ニードル６００ａに機械的に係合する挿入桿６１２により開閉する。そのため、第１実施例と同様に、燃料電池１１０内の水素ガス圧力を急速に高めるために多量の水素ガスを供給する状態と、燃料電池の通常の運転状態で必要とされる水素ガスを供給する状態との切替をニードル６００ａの移動で行うことができるので、燃料電池システム１００での制御がより容易となる。

なお、第２実施例は、エゼクタ３４０の構成がより簡単になる点で第１実施例よりも好ましい。一方、第１実施例は、連通孔５２８がシール部材６４２によって閉止されるので、連通孔５２８を閉止しているときの連通孔５２８を介した水素ガスの漏洩の抑制が容易となる点で第２実施例よりも好ましい。

Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
上記第１実施例では、図２（ｅ）に示すように弁体６２６とシール部材６４２との２個の部材で連通孔５２８を閉止している（図３）。また、第２実施例では、図６に示すように、ニードル６００ａと一体となった挿入桿６１２の１個の部材で連通孔５２８ａを閉止している。このように、連通孔を閉止する閉止部材は、ニードルと機械的に係合した部材であれば、１個の部材から構成してもよく、また、複数の部材で構成してもよい。

Ｃ２．変形例２：
上記各実施例では、ニードルがノズル開口面積が最大になるニードル位置からさらに開方向に移動することによりノズルブロックの連通孔が開くように構成されているが、ニードルがノズル開口面積の最大値でない所定の開口面積になる位置から開方向に移動することで連通孔が開くようにしてもよい。この場合、所定の開口面積は、例えば、ニードルに設けられたストッパの位置を変更することによって調整することができる。

Ｃ３．変形例３：
上記各実施例では、ノズルブロックの貫通孔（供給ポート）とディフューザ（出口ポート）とを連通する連通流路として、連結部材の２カ所に設けられた円形の連通孔を用いているが、異なる形状の連通流路を用いることもできる。一般に、連通流路としては、ノズルを介さずに供給ポートと出口ポートとが連通でき、ニードルの開方向への移動に伴って閉状態から開状態に変化しうるものであればよい。例えば、１以上の任意の数の任意の形状の連通孔を連結部材に設け、バルブの形状を連通孔の形状に応じて適宜変更してもよい。また、ノズルブロックの外形部内側に溝を設け、その溝を開閉するにスライドするバルブを設けるものとしてもよい。

Ｃ４．変形例４：
上記各実施例では、燃料電池制御部４００は、燃料電池システム１００の起動時に第２の制御モードを実行しているが、燃料電池制御部４００は、燃料電池１１０に多量の水素を供給することが好ましい場合に第２の制御モードを実行するものとしてもよい。このような場合としては、例えば、燃料電池１１０内の水素ガス圧力が所定の圧力以下となった場合や、排気・排水弁３６０を開けた場合がある。

Ｃ５．変形例５：
上記各実施例では、エゼクタは、水素ガスタンクから供給される水素ガスと、燃料電池から排出されるアノードオフガスと、を混合した燃料ガスを燃料電池に供給しているが、エゼクタに供給されるガスは、燃料電池の燃料となる成分を含み燃料ガスの供給部から供給される燃料原ガスであればよい。このような燃料原ガスとしては、例えば、炭化水素系の改質原料から改質器を用いて生成された水素を含む改質ガスを用いることもできる。

Ｃ６．変形例６：
上記各実施例では、本発明を燃料ガス給排部に適用することについて説明してきたが、燃料電池システムが酸化剤ガスを循環させる構成となっていれば、酸化剤ガス給排部に本発明を適用することができる。この場合、例えば、空気に酸素富化処理を行った酸素富化ガスを反応原ガスとして用い、カソードオフガスを反応排ガスとして用いることができる。また、燃料電池システムが酸化剤ガスと燃料ガスとのいずれもを循環させる構成となっていれば、酸化剤ガス給排部と燃料ガス給排部との少なくとも一方に本発明を適用してもよい。

本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００の構成を示す説明図。 第１実施例におけるエゼクタ３４０を構成する部品を示す部品断面図。 第１実施例におけるエゼクタ３４０の構成を示す組立断面図。 第１実施例におけるニードル６００の位置の制御の様子を示す説明図である。 第１実施例において、ニードル６００の位置に応じてエゼクタ３４０の作動状態が変化する様子を示す説明図。 第２実施例におけるエゼクタ３４１の構成を示す組立断面図。 第２実施例において、ニードル６００ａの位置に応じてエゼクタ３４１の作動状態が変化する様子を示す説明図。

符号の説明

１００…燃料電池システム
１１０…燃料電池
１１２…セル
１２２…酸化剤ガス供給配管
１２４…酸化剤ガス排出配管
１３２…燃料ガス供給配管
１３４…燃料ガス排出配管
２００…酸化剤ガス給排部
２０２…空気ポンプ
２０４…カソードオフガス排出部
３００…燃料ガス給排部
３１０…水素ガスタンク
３１２，３２２…高圧水素配管
３２０…高圧遮断弁
３３０…調圧弁
３３２…低圧水素配管
３４０，３４１…エゼクタ
３４０ａ…供給ポート
３４０ｂ…出口ポート
３４０ｃ…吸引ポート
３４２…還流配管
３５０…気液分離器
３５２，３６２…排気・排水配管
３６０…排気・排水弁
３７０…水・アノードオフガス排出部
４００…燃料電池制御部
５００…ディフューザブロック
５０２…絞り部
５０４…スロート
５０６…ディフューザ
５０８…貫通孔
５２０，５２０ａ…ノズルブロック
５２２…ノズル
５２４，５２４ａ…円筒部
５２６，５２６ａ…連結部材
５２８，５２８ａ…連通孔
５３０，５３０ａ…貫通孔
５４０…シールブロック
５４２…隔壁部
５４４…貫通孔
５４６…溝
６００，６００ａ…ニードル
６０２…ニードル軸
６０４…テーパ部
６０６…ストッパ
６０８…駆動孔
６１０…結合部
６１２…挿入桿
６２０…バルブ
６２２…連動板
６２４…支持部
６２６…弁体
６２８…桿状部
６３０…貫通孔
６３２…凹部
６４０…バネ
６４２…シール部材
６４４…Ｏリング
７００…エゼクタ駆動部
７０２…駆動桿
７０４…駆動モータ

Claims (6)

1. 燃料電池の反応ガス供給装置であって、
   ガス供給部からの反応原ガスが供給される供給ポートと、
   前記燃料電池から供給される反応排ガスを吸引する吸引ポートと、
   前記反応原ガスと、前記反応排ガスとを混合した反応ガスを前記燃料電池に供給する出口ポートと、
   前記供給ポートに供給された前記反応原ガスを前記出口ポート側に噴射するノズルと、
   前記ノズルによる前記反応原ガスの噴射によって発生する負圧により前記吸引ポート内の前記反応排ガスを前記出口ポートへと吸引するディフューザと、
   前記ノズル内を移動することにより、前記ノズルの開口面積を可変にするニードルと、
   前記ノズルを介さずに前記供給ポートと前記出口ポートとを連通する連通流路と、
   前記連通流路を開閉する流路開閉部と、
   を備え、
   前記流路開閉部は、前記ニードルと機械的に係合することにより、前記ニードルが前記ノズルの開口面積が大きくなる開方向に移動して前記ノズルの開口面積が所定の開口面積となる位置よりも前記ニードルがさらに前記開方向に移動するのに伴って、閉状態から開状態に変化する、反応ガス供給装置。
2. 請求項１記載の反応ガス供給装置であって、
   前記流路開閉部は、前記連通流路を閉じる閉止部材と、前記連通流路が閉じる方向に前記閉止部材を付勢する付勢部材と、を備え、
   前記ニードルは、前記ニードルが前記開方向に移動することにより、前記閉止部材を前記連通流路が開くように移動させる閉止部材押開部を備える、反応ガス供給装置。
3. 請求項１または２記載の反応ガス供給装置であって、
   前記所定の開口面積は前記ノズルの最大開口面積である、反応ガス供給装置。
4. 燃料電池の制御装置であって、
   請求項１ないし３のいずれか記載の反応ガス供給装置を備え、
   前記ニードルを移動させることにより、前記ノズルの開口面積を制御する第１の制御モードと、
   前記ニードルを前記ノズルの開口面積が所定の開口面積となる位置よりも開方向に移動させることにより、前記燃料電池に前記反応原ガスを前記第１の制御モードよりも多く供給する第２の制御モードと、
   を備える、燃料電池の制御装置。
5. 請求項４記載の燃料電池の制御装置であって、
   前記第２の制御モードは、前記燃料電池内の前記反応ガスの圧力が予め定められた圧力よりも低い場合に実行される、燃料電池の制御装置。
6. 請求項４または５記載の燃料電池の制御装置であって、
   前記第２の制御モードは、前記燃料電池の起動時に実行される、燃料電池の制御装置。

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