(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池へと燃料ガスを送り込む通路に介装され、駆動流となる燃料ガスが高流量のときに高循環率となる大エゼクタと、
燃料電池からのオフガスを前記大エゼクタの吸込側へと循環させる通路に介装され、駆動流となる燃料ガスが低流量のときに高循環率となる小エゼクタと、
エゼクタ循環率が所定の高循環率となるように燃料電池の要求燃料ガス流量に応じて小エゼクタと大エゼクタへの燃料ガスの導入を制御する手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記大エゼクタの燃料ガス供給部の上流側と前記小エゼクタの燃料ガス供給部の上流側にそれぞれ可変絞り弁を備え、前記要求燃料ガス流量に応じて前記大エゼクタと前記小エゼクタに供給する燃料ガスの流量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記大エゼクタの燃料ガス供給部の上流側と前記小エゼクタの燃料ガス供給部の上流側に切替弁を設け、前記要求燃料ガス流量に応じて前記大エゼクタと前記小エゼクタに供給する燃料ガスを切り替える請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記要求燃料ガス流量が、前記大エゼクタと前記小エゼクタの循環率が共に所定の高循環率を維持できる領域では、前記大エゼクタに燃料ガスを供給するように制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、
燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうか判断する手段と、を備え、
前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を開くと共に、そのときの要求燃料ガス流量に応じて開いている可変絞り弁に加えてもう一方の可変絞り弁も開き、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガス流量を増大させる請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、
燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうかを判断する手段と、を備え、前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を閉じたまま、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガスの循環率が大きくなる方のエゼクタに燃料ガスを供給するように制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、
起動直後の燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうか判断する手段と、を備え、
前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を開くと共に、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガスの循環率が大きくなる方のエゼクタに燃料ガスを供給するように制御する請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池システム、特に燃料極のオフガスの再利用を行うための燃料循環システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池の燃料極から排出された余剰燃料を再利用する従来のシステムとして、特開平９−２２７１４号公報のようなものが知られている。これは、燃料電池システムに新たに供給された燃料ガスと余剰燃料（オフガス）が混合するエゼクタを設け、また、このエゼクタと燃料極の排出部との間に、燃料極からのオフガスを選択的に外部へ排出することができるパージラインを設置している。
【０００３】
エゼクタにより余剰のオフガスを循環供給して燃料の無駄を省き、また燃料電池の水詰まり時等のパージ時には、パージラインとシステム外部を流通させて大気中にガスを捨てることにより水詰まりを解消している。
【０００４】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、この燃料循環システムでは、全運転領域においてエゼクタによる高循環率を確保することが難しかった。これは、低出力時に十分な循環率を得ようとしてエゼクタのノズルを小径化すると、この小型のノズルでは高出力時に抵抗が大きくなって大流量を流しにくくなり、一方、高出力時に充分な循環率を得ようとして、エゼクタのノズルを大径化すると、この大型のノズルでは低出力時には循環率が低下してしまうためである。
【０００５】
また、燃料電池スタックのセルの水詰まりが発生してパージが必要になった時、常に余剰の燃料ガスを外部に捨てなければならず、燃費を悪化してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで本発明は、低出力時でも高出力時でも高循環率を得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。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池へと燃料ガスを送り込む通路に介装され、駆動流となる燃料ガスが高流量のときに高循環率となる大エゼクタと、燃料電池からのオフガスを前記大エゼクタの吸込側へと循環させる通路に介装され、駆動流となる燃料ガスが低流量のときに高循環率となる小エゼクタと、エゼクタ循環率が所定の高循環率となるように燃料電池の要求燃料ガス流量に応じて小エゼクタと大エゼクタへの燃料ガスの導入を制御する手段と、を備える。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記大エゼクタの燃料ガス供給部の上流側と前記小エゼクタの燃料ガス供給部の上流側にそれぞれ可変絞り弁を備え、前記要求燃料ガス流量に応じて前記大エゼクタと前記小エゼクタに供給する燃料ガスの流量を制御する。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、前記大エゼクタの燃料ガス供給部の上流側と前記小エゼクタの燃料ガス供給部の上流側に切替弁を設け、前記要求燃料ガス流量に応じて前記大エゼクタと前記小エゼクタに供給する燃料ガスを切り替える。
【００１０】
第４の発明は、第２または第３の発明において、前記要求燃料ガス流量が、前記大エゼクタと前記小エゼクタの循環率が共に所定の高循環率を維持できる領域では、前記大エゼクタに燃料ガスを供給するように制御する。
【００１１】
第５の発明は、第２の発明において、燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうか判断する手段と、を備え、前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を開くと共に、そのときの要求燃料ガス流量に応じて開いている可変絞り弁に加えてもう一方の可変絞り弁も開き、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガス流量を増大させる。
【００１２】
第６の発明は、第２または第３の発明において、燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうかを判断する手段と、を備え、前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を閉じたまま、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガスの循環率が大きくなる方のエゼクタに燃料ガスを供給するように制御する。
【００１３】
第７の発明は第２または第３の発明において、燃料電池からのオフガスを外部に排出するパージ弁と、起動直後の燃料電池のパージ制御を行う必要があるかどうか判断する手段と、を備え、前記制御手段は、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、前記パージ弁を開くと共に、燃料電池へ流入する燃料ガスとオフガスの混合ガスの循環率が大きくなる方のエゼクタに燃料ガスを供給するように制御する。
【００１４】
【作用及び効果】
第１の発明によれば、燃料電池の要求燃料ガス流量に応じて小エゼクタと大エゼクタへの燃料ガスの導入を制御する。小エゼクタと大エゼクタを組み合わせることにより、燃料ガスの供給量が低流量から高流量までの広範囲で高いエゼクタ循環率を実現することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、常に要求される高循環率となるように大エゼクタと小エゼクタのそれぞれに供給する燃料ガスの流量を調整することで、より広範囲の流量に対して高循環率を維持することができる。
【００１６】
第３の発明によれば、大エゼクタを介して燃料ガスを供給する場合と、小エゼクタを介して燃料ガスを供給する場合とを切り替えることで、小エゼクタと大エゼクタを使い分け、広範囲の流量について高循環率を維持することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、どちらのエゼクタであっても高循環率が可能な領域では、燃料ガスを大エゼクタに供給することで、高循環率を維持しつつ燃料ガス供給系の圧力損失を低減できる。
【００１８】
第５の発明によれば、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、両方の可変絞り弁を開くことにより、外部へオフガスを排出するにもかかわらず、一時的に燃料電池に供給される流量を増加することで、パージ時間を短縮することができる。
【００１９】
第６の発明によれば、パージ制御を行う必要があると判断されたとき、燃料電池に流入する混合ガスの循環率が大きくなるような方のエゼクタへ燃料ガスを供給することで、外部にオフガスを排出することなく、短時間で効率よくパージすることができる。
【００２０】
第７の発明によれば、燃料電池の起動直後のパージ制御を、混合ガスの循環率が大きくなるようにエゼクタに燃料ガスを供給することで、短時間でパージを完了することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態の燃料電池システムに備えた燃料循環システムの構成を図１に示す。
【００２２】
燃料改質システムで生成された水素リッチな燃料ガス、または水素ボンベ等からの燃料ガスは供給部１０１から燃料循環システムに供給される。供給部１０１から供給された燃料ガスは、分岐した二つの管路１０１ａ，１０１ｂにより分流し、一方は可変絞り弁１０２に、他方は可変絞り弁１０３にそれぞれ供給される。そして、可変絞り弁１０２の下流には小エゼクタ１０４が配置され、可変絞り弁１０３の下流には大エゼクタ１０５が配置される。
【００２３】
可変絞り弁１０２からの燃料ガスを駆動流として作動する小エゼクタ１０４の吸込側である還流ガス入口１０４ｃには、燃料電池１０８の燃料極の排出側から分岐する循環路１１５が接続し、燃料電池１０８から排出される余剰のオフガスである還流ガスを吸引し、燃料ガスと混合する。
【００２４】
燃料電池１０８の燃料供給通路１１４に介装される大エゼクタ１０５は可変絞り弁１０３からの燃料ガスを駆動流として作動し、その吸込側である還流ガス入口１０５ｃには小エゼクタ１０４から排出される燃料ガスと還流ガスの混合ガスが導入される。
【００２５】
そして、小エゼクタ１０４は供給される燃料ガスが低流量のときに高循環率を発揮し、これに対して大エゼクタ１０５は小エゼクタ１０４よりも高流量のときに高循環率を発揮するように、燃料ガス供給口１０４ａ、１０５ａと混合ガス排出口１０４ｂ、１０５ｂとの間にあるノズル径がそれぞれ設定される。具体的には、大エゼクタ１０５のノズル径は、小エゼクタ１０４のノズル径よりも大きく設定される。
【００２６】
前記可変絞り弁１０２、１０３を開閉することにより、小または大エゼクタ１０４または１０５の機能が制御される。すなわち、可変絞り弁１０２が開いている場合には、燃料ガスを駆動流として小エゼクタ１０４が循環路１１５の還流ガスを吸引して循環に必要なエネルギを付与し、可変絞り弁１０２が開いていなければ循環ガスは小エゼクタ１０４によって吸引されずに小エゼクタ１０４の還流ガス入口１０４ｃから混合ガス排出口１０４ｂへ通過し、また可変絞り弁１０３が開いていれば大エゼクタ１０５により小エゼクタ１０４からの混合ガスが吸引され、循環に必要なエネルギが付与され、可変絞り弁１０３が開いていない場合には、循環ガスは大エゼクタ１０５によって吸引されずに大エゼクタ１０５の還流ガス入口１０５ｃから混合ガス排出口１０５ｂへ通過する。
【００２７】
なお、可変絞り弁１０２と１０３の開閉については運転条件に応じてエゼクタ循環率が所定の高循環率となるように、後述するコントロールユニット１１２により制御される。
【００２８】
前記燃料供給通路１１４には大エゼクタ１０５からの燃料ガスと還流ガスとの混合燃料ガスが導かれ、この混合ガスは加湿器１０６において電気化学反応に必要な水分を十分に含ませてから燃料電池１０８の燃料極に供給される。燃料電池１０８は燃料ガス中の水素と図示されていない空気極に供給された空気中の酸素を用いた電気化学反応により発電を行う。
【００２９】
燃料電池１０８の燃料極の下流側には、前記循環路１１５が分岐するパージライン１１６が接続され、パージライン１１６にはパージ弁１０９を介装し、燃料電池１０８に水が溜まったりしたときに、これを開くことでシステム外部へオフガスを排出可能とする。
【００３０】
一方、循環路１１５には還流ガス中の水分を除去する凝縮器１１１を設置し、これにより除去された水分は、図示しない水タンクに貯蓄されて再び燃料電池システムで利用される。
【００３１】
次に、燃料循環システムに用いる小エゼクタ１０４と大エゼクタ１０５への燃料ガスの供給量と吸引される還流ガスの流量の比で表される循環率と、燃料ガス供給量との関係を図２に示す。
【００３２】
小エゼクタ１０４には、燃料ガス供給量が少ない領域で高循環率を示すもの、一方、大エゼクタ１０５には、燃料ガス供給量が中流量から高流量までの領域、すなわち、小エゼクタ１０４よりも高流量領域で高循環率を示すものであり、ここでは、大エゼクタ１０５が所定の高循環率に入る燃料ガス流量Ｑａが低流量領域と中流量領域との境界、大エゼクタ１０５の循環率が小エゼクタ１０４の循環率より高くなる燃料ガス流量Ｑｂを中流量領域と高流量領域との境界とする。
【００３３】
コントロールユニット１１２で行われる燃料電池システムにおける通常運転時の可変絞り制御は、まず燃料ガスの供給量が少ないとき、つまり図２における燃料ガス流量がＱａ以下の低流量領域のときには、高循環率を維持するために可変絞り弁１０２を開いて小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給する。
【００３４】
これに対して、燃料ガス流量がＱａ〜Ｑｂで表される中流量のときと、Ｑｂ以上の高流量領域のときには大エゼクタ１０５を用いるように、可変絞り弁１０２を閉じて可変絞り弁１０３を開く。中流量領域や高流量領域の一部では小エゼクタ１０４でも高循環率を維持できるが、大エゼクタ１０５に燃料を供給した方が、例えばエゼクタ内の燃料ガスの供給路であるノズルによる圧力損失が小さいために、燃料ガスを燃料電池１０８に供給するためのエネルギを小さくすることができる。そのため、大エゼクタ１０５で必要循環率が確保できる状態では、燃料ガスの供給先を直ちに大エゼクタ１０５に切り替えることでエネルギ消費を低減する。
【００３５】
また、低流量領域においては、加湿器１０６と燃料電池１０８の間に圧力センサ１０７を設置し、測定した圧力が燃料ガスを燃料電池１０８に供給するのに必要な圧力となるように可変絞り弁１０２を調整して小エゼクタ１０４から燃料ガスを供給することもできる。可変絞り弁１０２の開度は、指令圧力と圧力センサ１０７の測定圧力との差に応じてフィードバック制御をかけてもよい。このとき、循環圧力を得るために必要な小エゼクタ１０４に供給する流量以上に燃料ガスの供給量がある場合には可変絞り弁１０３を開いて、例えば全開にして、大エゼクタ１０５から供給することで、圧力損失を抑制することができ、エネルギ効率を向上することができる。
【００３６】
このように通常運転時には、小エゼクタ１０４と大エゼクタ１０５を組み合わせることにより燃料ガスの供給量が低流量から高流量までの広範囲な領域で高いエゼクタ循環率を実現することが可能となる。
【００３７】
ところで、大エゼクタ１０５の作動時には、小エゼクタ１０４の還流ガス排出口１０４ｃと大エゼクタ１０５の還流ガス入口１０５ｃが連通し、小エゼクタ１０４のノズルを還流ガスが通過するわけではないので、圧力損失は発生せず、循環流量が低下するのを抑制することができる。一方、小エゼクタ１０４を使用しているときには、大エゼクタ１０５の還流ガス入口１０５ｃおよび、混合ガス排出口１０５ｂは小エゼクタ１０４の燃料ガス流量に対しては十分大きくすることができるため、小エゼクタ１０４からの燃料ガスと還流ガスの混合ガスの通過の妨げにはならないので、十分に大きな循環流量を維持できる。
【００３８】
一方、このような燃料電池システムにおいて、例えば燃料電池１０８に充填した触媒に水詰まりが生じたとき等に、コントロールユニット１１２は、これを解消するために燃料電池１０８を流通する燃料ガスの循環率を増加させて水分のパージを行う。
【００３９】
本実施形態では、燃料ガスをシステム外部に排出せずに、燃料電池１０８に供給される混合燃料ガス循環率を増加させて水分のパージを行う内部パージと、燃料ガスをシステム外部に排出する外部パージの２種類のパージを区別して行うことで、システム外部に排出する燃料ガス量を低減する。
【００４０】
まず、燃料供給量が中流量領域のとき、つまり図２においてはＱａからＱｂの供給量のときには、内部パージを行う。この流量領域では通常運転では、可変絞り弁１０２を閉じ、可変絞り弁１０３を開いているので、大エゼクタ１０５にのみ燃料ガスが供給される。触媒の水詰まりにより燃料電池１０８の出力が低下してコントロールユニット１１２から水分のパージ指令がでると、可変絞り弁１０２を開いて可変絞り弁１０３を絞る、もしくは閉じることにより小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給する。このように、大エゼクタ１０５の替わりに小エゼクタ１０４を利用することで、燃料供給系のエネルギ損失は大きくなるものの、循環率が良くなるので、燃料電池１０８に供給する混合燃料ガス流速を増加でき、燃料電池１０８の水分をパージして目詰まりを解消できる。このときパージ弁１０９は閉じたままに保持される。
【００４１】
このような内部パージにおけるタイミングチャートを図３に示す。パージが必要だと判断されると、小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給することで還流ガス量が増加される。ここで、燃料電池１０８から取り出す電力が一定のときには、パージ時に小エゼクタ１０４と大エゼクタ１０５に供給される燃料ガス供給量の総和を、パージ以前に大エゼクタ１０５に供給していた燃料ガス供給量に等しくすることで、安定した運転が実現できる。
【００４２】
次に、低流量領域および高流量領域のとき、つまり燃料ガス供給量が図２におけるＱａ以下とＱｂ以上のときの外部パージを説明する。
【００４３】
この外部パージの領域では、上記した内部パージの領域のように、単に大エゼクタ１０５から小エゼクタ１０４に切り替えることで燃料電池１０８への燃料ガスの供給量を増やすことはできない。
【００４４】
そこで、パージ弁１０９を開く一方で、そのときの燃料ガス供給量を基準にして、そのときに開いている可変絞り弁に加えて他の可変絞り弁も開き、一時的にシステムに供給する燃料ガス流量を増加する。なお、この増加量は開かれたパージ弁１０９から外部へ排出されるオフガス量に対応させることで、燃料電池１０８の出力の低下を防止できる。
【００４５】
例えば、燃料ガス供給量がＱｂ以上の領域では、このとき必要流量を供給するように予め開いている可変絞り弁１０３と共に、もう一方の可変絞り弁１０２を所定開度だけ開き、小エゼクタ１０４、大エゼクタ１０５の両方を使用することにより、燃料電池へ流入する燃料ガス流量を増加すると共に高循環率を維持する。これにより、燃料電池１０８に供給する燃料ガス流量が増大するので、燃料電池１０８に充填した触媒に生じた水詰まりを解消することができる。
【００４６】
ここでは、低・高流量領域のパージ時に可変絞り弁１０２、１０３の両方の開度を増大して供給する流量を増加させたが、燃料ガスの供給流量と還流ガスの循環流量の総和がもっとも多くなるように可変絞り弁１０２、１０３の開度を制御してもよい。
【００４７】
このような燃料電池システムのコントロールユニット１１２で行われる制御を図４のフローチャートに示す。
【００４８】
まず、ステップＳ４０１において、燃料電池１０８に配置した電圧センサよりセル電圧を測定して、セル電圧低下により燃料電池１０８の水詰まりを検出する。ステップＳ４０２において、セル電圧の低下レベルによりパージする必要があるかどうか判断する。どのくらい低下すればパージするかは、要求される取り出し出力の安定性と容認できるパージの頻度とを考慮して適宜決定すればよい。
【００４９】
パージすると判断された場合にはステップＳ４０３に進む。ステップＳ４０３において、燃料ガス供給量が中流量領域か、低・高流量領域かを判断する。中流量領域であるならばステップＳ４０４に進み、内部パージを行う。このステップＳ４０４では可変絞り弁１０２を開いて小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給し、またパージ弁１０９は閉じたままにしておく。このとき、可変絞り弁１０３は全閉とするか、もしくは小エゼクタ１０４によりパージに必要な循環圧力が得られる程度に開いてもよい。このような内部パージにより、パージによる燃料ガスの消費を抑制できるので、燃料の利用効率を向上させることができる。
【００５０】
一方ステップＳ４０３において、低・高流量領域であると判断されたら、ステップＳ４０５に進み、いままで開いているものと共にもう一方の可変絞り弁１０２、１０３を開き一時的に循環率と燃料電池１０８に供給される燃料供給量を増大させ、これと同時にパージ弁１０９を開いて外部パージを行う。このとき供給燃料ガス流量を一時的に増加させることにより燃料電池１０８に供給される混合燃料ガスを増加すると短時間で水分のパージを行うことができる。
【００５１】
また、ステップＳ４０２において、パージをする必要がないと判断されたら、ステップＳ４０６に進み、通常の可変絞り制御を行う。この可変絞り制御を図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【００５２】
ステップＳ５０１において、要求される出力から燃料電池１０８に供給する燃料ガス流量Ｑｓを算出する。次にステップＳ５０２に進み、ステップＳ５０１で算出した燃料ガス流量Ｑｓと大エゼクタが高循環率を発揮する限界燃料ガス流量Ｑａを比較する。その結果、Ｑｓ≧ＱａならばステップＳ５０３に進み、可変絞り弁１０２を閉じて、大エゼクタ１０５に燃料ガスを供給することで、圧力損失を低減する。一方Ｑｓ＜Ｑａのときには、十分な循環率を得るために、ステップＳ５０４に進み小エゼクタ１０４にのみ燃料ガスを供給するため可変絞り弁１０２を開く。
【００５３】
このように制御することで、通常の運転時には常に高循環率を維持することができるとともに、圧力損失を抑制することができる。一方パージ時には、内部パージでは、大エゼクタ１０５と小エゼクタ１０４のうち、現在のシステム運転状態で最も燃料ガス循環率が大きくなる方に切り替えることにより、燃料電池１０８に供給される混合燃料ガスの循環率を増加して目詰まりを解消し、排出するオフガスを無くし、燃料電池システムの燃費を向上させ、また、外部パージでは、大エゼクタ１０５と小エゼクタ１０４の両方を開くことにより、短時間のうちに効率よくパージを行うことができる。
【００５４】
次に第２の実施形態における燃料電池システムの、特に燃料循環システムの構成を図６に示す。
【００５５】
第１の実施形態と同様に供給部２０１から供給される燃料ガスの圧力を調整するために圧力調整弁２０２が設けられる。この圧力調整弁２０２の下流には、小エゼクタ１０４と大エゼクタ１０５に選択的に燃料ガスの供給を切り替える切替弁２０３が設置される。なお、このように切替弁２０３の上流に圧力調整弁２０２を設置することで、燃料電池供給系の基準圧を変化させずに制御できるため、より安定した制御が可能となる。
【００５６】
第２の実施形態に用いるエゼクタの燃料供給量と循環率の関係を図７に示す。大エゼクタ１０５が所定の高循環率を発揮する限界流量を燃料ガス供給量Ｑｃとすると、供給流量Ｑｃ以下の領域では切替弁２０３がＯＮにされて、燃料ガスが小エゼクタ１０４にのみ供給される。一方、供給流量がＱｃ以上の領域では大エゼクタ１０５でも高循環率を得ることができるので、切替弁２０３がＯＦＦにされ、大エゼクタ１０５にのみ燃料ガスが供給される。このように制御することで、燃料電池１０８において低出力から高出力までの運転域で、高循環率を維持することができる。
【００５７】
このようなシステムにおけるコントロールユニット１１２で行われる制御を図８に示すフローチャートにより説明する。なお、ここでは燃料電池システムの起動時に、システム内の燃料ガスが供給される領域に存在する燃料ガス以外の不活性ガスをパージするため、システム外部に管路内のガスを排出する外部パージについても併せて説明する。
【００５８】
ステップＳ８０１において、燃料電池システムが起動直後の状態にあるかどうかを判定する。燃料電池システムが起動直後で起動制御が必要な時は、ステップＳ８０２に進み、不活性ガスを追い出すための水素置換が必要かどうかを判断する。システム内にまだ空気等の不活性ガスが充満しているような場合、起動直後から所定時間が経過するまでの間は水素置換が要求されるので、ステップＳ８０３に進み水素ガスによるパージを行う。ここでは、システム停止中に加湿器１０６、燃料電池１０８および配管内に入っていた空気等をシステム外に排出して水素ガスを充填するために、切替弁２０３をＯＦＦにしてパージ弁１０９を開いて、大エゼクタ１０５から水素ガスを供給する。これにより、大流量の水素ガスを供給することができるので置換時間を短縮することができる。
【００５９】
このような制御を繰り返してステップＳ８０２において所定の置換時間が過ぎて、水素置換が必要なくなったらステップＳ８０４に進み切替弁２０３をＯＮにして、またパージ弁１０９を閉じる。これにより、起動直後の供給燃料が少ない時には燃料ガスが小エゼクタ１０４側に流され、かつ外部への燃料の排出も停止される。
【００６０】
再びステップＳ８０１に戻り、燃料電池システムが起動直後の制御を必要しないと判断されたら、ステップＳ８０５に進み、通常運転時の流路切替弁制御を行う。
【００６１】
通常流路切替弁制御を図９のフローチャートを用いて説明する。
【００６２】
ステップＳ９０１において、燃料電池１０８に要求される出力より燃料電池１０８に供給する燃料ガスの供給流量Ｑｓを算出する。ステップＳ９０２に進み、ステップＳ９０１で求めた供給量Ｑｓが大エゼクタ１０５の循環可能下限流量Ｑｃより大きいかどうかを判断する。供給量Ｑｓが循環可能下限流量Ｑｃ以上ならば、ステップＳ９０３に進み、切替弁２０３をＯＦＦにして大エゼクタ１０５に燃料ガスを供給する。供給量Ｑｓが循環可能下限流量Ｑｃより小さければ、大エゼクタ１０５により循環させるのは無理なので、ステップＳ９０４に進み、切替弁２０３をＯＮにして小エゼクタ１０４に燃料ガスを供給する。
【００６３】
このように制御することで、燃料供給量にかかわらずオフガスを循環させることができ、また、駆動流とするために燃料ガスに与えるエネルギを低減することができるので、効率のよい発電をすることができる。
【００６４】
なお、第１の実施形態では水分パージの制御を、第２の実施形態では燃料電池システム起動時の不活性ガスパージの制御を説明したが、第１の実施形態に不活性ガスパージの制御を、第２の実施形態に第１実施形態のような水分パージの制御を行ってもよい。但し、第２の実施形態ではどちらか一方のエゼクタしか使用できないため、通常運転の低流量領域では小エゼクタ１０４を、中・高流量領域では大エゼクタ１０５を使用する。またパージ時には、低・高流量領域では大エゼクタ１０５により外部パージを、中流量領域では小エゼクタにより内部パージを行う。
【００６５】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載した技術思想の範囲以内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態における燃料循環システムの構成図である。
【図２】第１の実施形態に用いるエゼクタの循環率と供給流量の関係図である。
【図３】第１の実施形態の内部パージ時におけるタイミングチャートである。
【図４】第１の実施形態における制御のフローチャートである。
【図５】第１の実施形態における通常可変絞り制御のフローチャートである。
【図６】第２の実施形態における燃料循環システムの構成図である。
【図７】第２の実施形態に用いるエゼクタの循環率と提供流量の関係図である。
【図８】第２の実施形態における制御のフローチャートである。
【図９】第２の実施形態における通常可変絞り制御のフローチャートである。
【符号の説明】
１０１  燃料供給部
１０２  可変絞り弁
１０３  可変絞り弁
１０４  小エゼクタ
１０５  大エゼクタ
１０８  燃料電池
１０９  パージ弁
１１４  燃料供給通路
１１５  循環路
２０３  切替弁
【図１】
0003622720.tif 000002
【図２】
0003622720.tif 000003
【図３】
0003622720.tif 000004
【図４】
0003622720.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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