(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
− 水素ガスおよび酸素ガスから電気エネルギーを発生させるように適応した少なくとも１つの燃料電池と；
− 燃料電池に水素を供給するために設けた燃料供給管（１１）に接続した加圧水素貯蔵容器であって、前記燃料供給管が上流部（１１Ａ）および下流部（１１Ｂ）を有する、加圧水素貯蔵容器（６０）と；
− 燃料電池に酸素を供給するために設けた酸化剤供給管（１２）に接続した加圧酸素貯蔵容器であって、前記酸化剤供給管が上流部（１２Ａ）および下流部（１２Ｂ）を有する、加圧酸素貯蔵容器（６５）と；
− 第１および第２のベンチュリ効果エジェクタであって、前記第１および第２のベンチュリ効果エジェクタはそれぞれ、高圧吸入口（２３３）、低圧吸入口（２３８）および排出口（２３４）を有し、前記燃料供給管の上流部（１１Ａ）は前記水素貯蔵容器（６０）を前記第１のベンチュリ効果エジェクタ（１１３）の高圧吸入口に接続し、前記燃料供給管の前記下流部（１１Ｂ）は、前記第１のベンチュリ効果エジェクタの前記排出口（２３４）と前記燃料電池のアノード側との間に延び、前記酸化剤供給管の前記上流部（１２Ａ）は、前記酸素貯蔵容器（６５）を前記第２のベンチュリ効果エジェクタ（１２３）の前記高圧吸入口（２３３）に接続し、前記酸化剤供給管の前記下流部（１２Ｂ）は、前記第２のベンチュリ効果エジェクタの排出口（２３４）と前記燃料電池のカソード側との間に延びる、第１（１１３）および第２のベンチュリ効果エジェクタ（１２３）と；
− 第１および第２のオフガス再循環管であって、前記第１のオフガス再循環管（１１Ｒ）は、前記燃料電池のアノード側と前記第１のベンチュリ効果エジェクタ（１１３）の前記低圧吸入口（２３８）との間に延び、前記第２のオフガス再循環管（１２Ｒ）は、前記燃料電池のカソード側と前記第２のベンチュリ効果エジェクタ（１２３）の前記低圧吸入口（２３８）との間に延び、それにより、前記燃料供給管の前記上流部（１１Ａ）から来る水素流が前記第１のベンチュリ効果エジェクタ（１１３）を通過するとき、前記第１のベンチュリ効果エジェクタは、前記第１の再循環管（１１Ｒ）からオフガスを引き出し、該オフガスを前記水素流と混合して前記燃料供給管の前記下流部（１１Ｂ）の中に排出するとともに、前記酸化剤供給管の前記上流部（１２Ａ）から来る酸素流が前記第２のベンチュリ効果エジェクタ（１２３）を通過するとき、前記第２のベンチュリ効果エジェクタは、前記第２の再循環管（１２Ｒ）からオフガスを引き出し、該オフガスを前記酸素流と混合して前記酸化剤供給管の前記下流部（１２Ｂ）の中に排出する、第１のオフガス再循環管（１１Ｒ）および第２のオフガス再循環管（１２Ｒ）と；
− 前記燃料供給管および酸化剤供給管の前記上流部（それぞれ１１Ａ、および１２Ａ）に配置された第１のバルブ（１１０）および第２のバルブ（１２０）に連結した制御回路であって、前記第１のバルブおよび前記第２のバルブはそれぞれ、前記制御回路（１５）によって制御されるように構成され、開状態になるように適応し、開状態で、対応する前記上流部からの前記水素流または前記酸素流を前記第１のベンチュリ効果エジェクタ（１１３）および第２のベンチュリ効果エジェクタ（１２３）のうちの一方に通過させるか、あるいは閉状態に適応し、閉状態で、前記燃料供給管または前記酸化剤供給管の上流部からのガス流束は、前記第１および第２のベンチュリ効果エジェクタのうちの前記一方を通過できない、制御回路（１５）と；
を有する燃料電池システムにおいて、
前記制御回路（１５）は、前記第１のバルブ（１１０）を交互に前記開状態および前記閉状態にするように構成され、前記第１のベンチュリ効果エジェクタ（１１３）を通過する前記水素流は、断続的になり、それによって、前記制御回路は、前記第１のバルブが前記開状態にあるときに前記第１のベンチュリ効果エジェクタを通過する前記水素流の強度に影響を及ぼすことなく、前記水素の質量流量を周波数変調および／またはパルス幅変調により調整して前記燃料電池の水素供給口（１５０）と水素排出口（１９０）との間に十分な圧力差を生成し、前記燃料電池を介して水素を流し、よどんだ水を流路から押し出して該流路をきれいにし、さらに該燃料電池内の水素圧力を所望の範囲に維持し、
前記制御回路（１５）は、前記第２のバルブ（１２０）を交互に前記開状態および前記閉状態にするように構成され、前記第２のベンチュリ効果エジェクタ（１２３）を通過する前記酸素流は、断続的になり、それによって、前記制御回路は、前記第２のバルブが前記開状態にあるときに前記第２のベンチュリ効果エジェクタを通過する前記酸素流の強度に影響を及ぼすことなく、前記酸素の質量流量を周波数変調および／またはパルス幅変調により調整して前記燃料電池の酸素供給口（１５５）と酸素排出口（１９５）との間に十分な圧力差を生成し、前記燃料電池を介して酸素を流し、よどんだ水を流路から押し出して該流路をきれいにし、さらに該燃料電池内の酸素圧力を所望の範囲に維持し、さらに、
前記燃料供給管および／または前記酸化剤供給管は、燃料および／または酸化剤の供給を増大させるためのバイパスバルブを有するバイパス回路を有することを特徴とする、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記第１のバルブおよび前記第１のベンチュリ効果エジェクタは、単一部品を形成し、かつ／または前記第２のバルブおよび前記第２のベンチュリ効果エジェクタは、単一部品を形成する、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１のバルブおよび／または前記第２のバルブの開口は、電力が増大する際に前記周波数およびパルス幅が増大し、かつ電力が低減する際に前記周波数およびパルス幅が低減するように制御される、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパスバルブは、前記第１のバルブ（１１０）および／または第２のバルブ（１２０）が恒久的に開くときに開口するように構成され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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックからオフガスを再循環させる少なくとも１つのエジェクタを備える燃料電池システムに関する。さらに詳細には、本発明は、燃料供給手段がエジェクタの動作範囲を拡大するように設計されているこのような燃料電池システムに関する。本発明は、特に、水素を燃料として使用し、純酸素を酸化剤として使用するこのような燃料電池システムであって、未反応の水素を再循環させる少なくとも１つのエジェクタと、未反応の酸素を再循環させる少なくとも１つのエジェクタとを備える、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
上記タイプの電気化学的燃料電池は、燃料ガス流および酸化剤ガス流、例えば水素および酸素含有空気を、電力と水とに変換する。プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、一般に、膜電極接合体（ＭＥＡ）を形成するようにして２つの多孔質の導電性電極層間に配置された固体高分子電解質膜を備えている。所望の電気化学反応を誘導するために、アノード電極およびカソード電極はそれぞれ、１つ以上の触媒を備えている。これらの触媒は、通常、膜／電極層インターフェースに配置される。
【０００３】
アノードでは、水素は、多孔性電極層を貫通し、触媒を介して酸化してプロトンおよび電子を生成する。プロトンは、固体高分子電解質を通ってカソードの方へ移動する。一方酸素は、多孔質のカソードを貫通し、カソード電解触媒の膜を通って来るプロトンと反応する。電子は、外部回路を通ってアノードからカソードへ移動し、電流を生成する。
【０００４】
図１は、先行技術によるプロトン交換膜燃料電池スタック１０を組立分解図で示したものである。スタック１０は、１対の端部プレート接合体１５、２０および複数の燃料電池接合体２５を有する。この特定の例では、電気的に絶縁する結合ロッド３０は、端部プレート接合体１５、２０の間に延びて、スタック接合体１０を組み立てた状態で締付ナット３２とともに保持・固定する。締付ナット３２と端部プレート２０との間に介在する結合ロッド３０に巻き付いたバネ３４は、弾力性のある圧縮力をスタック１０に長手方向に印加する。反応体および冷却液流は、端部プレート１５内の吸気口および排気口（図示せず）を介してスタック１０内の内部マニホールドおよび内部通路へ供給され、そこから排出される。
【０００５】
各々の燃料電池接合体２５は、アノード流れ場プレート３５、カソード流れ場プレート４０、およびプレート３５と４０との間に介在するＭＥＡ４５を有する。アノード流れ場プレートおよびカソード流れ場プレート３５および４０は、導電材料で作製され、集電体として作用する。１つのセルのアノード流れ場プレートは、隣のセルのカソード流れ場プレートと背中合わせになっているため、電流は、１つのセルからもう一方のセルへ流れることができ、よってスタック１０全体に流れることができる。先行技術による他の燃料電池スタックが知られており、その燃料電池スタックでは、個々のセルが別々のアノード流れ場プレートとカソード流れ場プレートとで分離される代わりに、単一の双極性の流れ場プレートで分離されている。
【０００６】
流れ場プレート３５および４０は、さらに、隣接する燃料電池接合体同士の間に流体バリアを備えて、一方のセルのアノードに供給された反応流体がもう一方のセルのカソードに供給された反応流体を汚染しないようにする。ＭＥＡ４５とプレート３５および４０との間のインターフェースでは、流体流れ場５０が反応流体を電極の方へ誘導する。流体流れ場５０は、通常、ＭＥＡ４５に面するプレート３５および４０の主表面に形成された複数の流体流路を備えている。流体流れ場５０の１つの目的は、反応流体をそれぞれの電極、すなわち燃料側のアノードおよび酸化剤側のカソードの表面全体に分散させることである。
【０００７】
燃料ガスおよび酸化剤ガスは、圧力差に応じてそれぞれの流れ場５０の流路に沿って流れる。したがって、ほとんどの場合、スタック１０に入る反応ガスに加圧して、反応体が吸気口から排気口へすべての燃料電池を通って流れるようにする必要がある。さらに、スタックの動作中、燃料電池のカソード側に形成された水は、カソードに隣接する経路で凝縮され、蓄積される可能性がある。このような状況では、水滴は徐々に合体してさらに大きい水滴を形成し、経路を部分的に塞いでしまう。何の対処もしなければ、ＭＥＡの一部には、最終的に反応ガスが供給されなくなり、非アクティブになってしまう。
【０００８】
上記のことから、燃料電池の吸気口と排気口との間の差圧が、反応ガスを流れ場構造中に送るのに十分であるとともに、よどんだ水を流路から押し出してきれいにするのに十分であることが重要であることがわかるであろう。当然、十分な圧力降下を維持するためには、反応ガスの流れが十分大きい必要があるということになる。これが、燃料および酸化剤ガスを通常電気化学反応に必要な量よりも多くの量で燃料電池に供給する主な理由である。
【０００９】
高価な燃料を節約し、それによってシステムの全効率を向上させるために、燃料電池スタックからのオフガスは、通常再循環される。換言すれば、燃料電池のアノード側から放出されるオフガスは、まずガス／水分離器に誘導されたのち、ポンプで送られ、燃料電池に供給される新しい燃料ガスと混合する。エジェクタ真空ポンプ（図２に示したようなエジェクタポンプ）を用いてオフガスをポンプで送ることが知られている。エジェクタポンプを使用する利点は、エジェクタポンプはベンチュリ効果に基づいて動作するため、エジェクタポンプの構造の方が電気機械式のポンプよりも簡易であり、エジェクタポンプは可動部分を備えていないために潤滑油を何ら必要としない点である。エジェクタ真空ポンプの欠点は、動作範囲が狭い点である。これは、自動車に適用する場合は問題となるおそれがあり、この場合、燃料および酸化剤の消費率は著しく変化する可能性がある。
【００１０】
燃料電池システムを所望の狭い動作範囲内に維持している間に負荷に起こる突然の変化に対処するために、燃料電池スタックには、通常、バッテリまたはスーパーキャパシタなどの電気化学エネルギー貯蔵ユニットが連結している。バッテリは、バッファとして働く。つまり、負荷にピークがあるときは電力を供給し、逆に、低負荷状態またはゼロ負荷状態の場合は余剰電力を貯蔵する。原則的に、このような構成にすることで、エジェクタ真空ポンプと両立できる狭い動作範囲で燃料電池を動作させることができる。しかしながら、バッテリが完全に充電されてしまうと、バッテリは、当然ながら、燃料電池から供給された余剰電力を貯蔵するのに利用できなくなる。この最後の問題に対する解決策は、単純に、バッテリの充電レベルが下限閾値に達するまで燃料電池を止めることである。しかしながら、この解決策は、バッテリに対して厳しくなる傾向がある。さらに、起動停止サイクルは、時間が経つにつれて性能が低下する一因となることが知られている。
【００１１】
ＰＣＴ特許出願第２００９／１４４１１８号には、水素ガスおよび酸素ガスを供給する燃料電池システムをどのように動作させて、大幅な負荷の変化に対処する、つまり余剰電力の貯蔵に利用できるバッテリがなくなった際でも対処するのに十分な動作範囲にするのかが開示されている。この方法は、燃料電池スタックにおいて、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、スタックから引き出される電流に正比例して消費されるという概念に立脚している。そのため、この先行技術による燃料電池システムを動作する方法は、
−  実質的に純粋な水素流を燃料電池のアノードに供給するステップと；
−  実質的に純粋な酸素流を燃料電池のカソードに供給するステップと；
−  燃料電池スタックの出力電圧を監視するステップと；
−  出力電圧を０．９０ボルト／セル未満に相当するレベルに持って行って維持するように、水素流および酸素流を継続的に調整するステップと
を含む。
【００１２】
要約すると、この先行技術文献に開示されている方法は、接続している負荷に変化があったときに燃料および酸化剤の質量流量を適応させることで、燃料電池スタックの出力電圧を実質的に一定に維持することが可能になることを教示している。さらに詳細には、この先行技術文献によれば、燃料電池スタックに供給される水素および酸素の質量流量を制限することで、出力電圧を所定の最大限度よりも低い０．９０ボルト以下に保つことが可能になる。
【００１３】
圧力を制御して燃料電池スタックの出力電力を調節するこの方法にまつわる１つの制限は、大気を酸化剤ガスの供給源として使用することは現実的ではないという点である。実際、動作範囲を広くするためには、酸化剤ガスの圧力とともに燃料ガスの圧力も０．７絶対バール未満に減少させる可能性があることが好ましい。これは、純酸素を内蔵するタンクから酸化剤ガスが供給される場合の方が、酸化剤ガスが酸素を約２０％しか含んでいない空気である場合よりも容易に達成される。したがって、純酸素を使用することが好ましい。しかしながら、ボトル入りの酸素は高価である。したがって、国際特許第２００９／１４４１１８号では、燃料電池のアノード側とカソード側との両方から放出されるオフガスを再循環させるようになっている。
【００１４】
すでに説明したように、自動車用途向けの従来の燃料電池システムでさえ、動作範囲が従来のエジェクタポンプには広すぎる傾向にあることが多い。さらに、この問題は、前述の先行技術文献に開示されている方法に従って燃料電池システムを動作させる場合、さらに一層切実であることがわかるであろう。さらに正確に言えば、後者の場合、燃料電池スタックへの反応ガスの流れは、エジェクタ真空ポンプが動作に必要なベンチュリ効果を生み出すのに十分に強いものではないことが多い。このような理由から、前述の先行技術文献は、水素エジェクタポンプを補うために制御可能な補助の水素ポンプを備えることのほか、酸素エジェクタポンプを補うために制御可能な補助の酸素ポンプを備えることを教示している。この構成に伴う問題は、制御可能なポンプはエジェクタポンプよりも遙かに複雑だという点である。さらに、制御可能なポンプは、スタックで生成した電気エネルギーの一部を使用して動作するものである。これによって、システムの総合的な効率は低減する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】国際特許第２００９／１４４１１８号
【発明の概要】
【００１６】
本発明の目的は、アノードのオフガスを再循環させるように構成した少なくとも１つのエジェクタ真空ポンプを備える燃料電池システムを提供することであり、このシステムでは、燃料供給手段は、エジェクタ真空ポンプの動作範囲を広げるように設計されている。このようにするために、付属の請求項１に規定の燃料電池システムを提供する。
【００１７】
本発明によれば、燃料電池に供給される燃料ガスの質量流量は、燃料ガス流の周波数変調および／またはパルス幅変調によって制御されることがわかるであろう。第１の実施形態によれば、制御回路は、パルス幅を変更して質量流量を増減することができ、それによって周波数を一定に維持する。このようにする代わりに、第２の実施形態によれば、制御回路は、周波数を変更して質量流量を増減することができ、それによってパルス幅を一定に維持する。好適な実施形態によれば、制御回路は、周波数とパルス幅とを両方増大させることによって質量流量を増大させ、周波数とパルス幅とを両方低減することによって質量流量を低減させる。いったん制御回路およびバルブが最大動作周波数に達すると、制御回路がバルブを継続的に開状態に維持するようにして質量流量をさらに増大させることも可能である。
【００１８】
本発明の１つの利点は、燃料電池スタックに供給された燃料ガスの質量流量を制限することができ、バルブが開状態のときにエジェクタを通過する燃料ガス流の強度を制限することがないということである。換言すれば、本発明により、エジェクタを通過する燃料ガスの質量流量を制限できると同時に、燃料ガスの流れを、エジェクタ真空ポンプが動作するために必要なベンチュリ効果を起こすのに十分な強さに維持することができる。この利点が、エジェクタの動作範囲を広げることになることがわかるであろう。
【００１９】
本発明の燃料電池システムの有利な実施形態は、従属請求項の主題となっている。これらの実施形態のうちの１つによれば、バルブおよびエジェクタは、一体部品を形成している。この特徴の１つの利点は、システムをさらに複雑にすることなく本発明を実施できるという点である。実際、燃料電池システムは、周波数変調およびパルス幅変調では制御されない排出手段を有するシステムと比較して、それ以上に複雑である必要はない。なぜなら、バルブは、エジェクタに直接組み入れることができるからである。したがって、燃料供給管に変更を加える必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面を参照して非限定的な例のみを目的として挙げた以下の説明文を読むことで明らかになるであろう。
【００２１】
【図１】従来の燃料電池スタック（先行技術）の組立分解図である。
【図２】公知のエジェクタ真空ポンプの概略断面図である。
【図３】燃料電池スタックに入る供給ガスの時間に対する圧力変化（点線）、および燃料電池スタックを出るオフガスの時間に対する圧力変化（実線）の計算シミュレーションを示すグラフである。
【図４】自動車のパワートレーンであって、本発明の第１の実施形態による燃料電池システムを備える電気エネルギー生成システムを備えるパワートレーンを示す概略図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による燃料電池システムの一部を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図４に示した燃料電池システムの燃料電池スタック１は、水素を燃料として使用し、純酸素を酸化剤として使用するように設計されたタイプのものである。燃料電池スタックは、端部プレート１３０、１４０と、端部プレート１３０にある水素吸気口１５０と、端部プレート１４０にある酸素吸気口１５５とを有する。スタック１は、さらに、水素供給マニホールド１６０と、酸素供給マニホールド１６５とを有し、それぞれが水素流および酸素流を複数の個々の燃料電池に供給する。
【００２３】
各燃料電池に連結している水素および酸素の流れ場は、線１７０および１７５で示している。水素排気マニホールド１８０および酸素排気マニホールド１８５は、使用済み反応体および反応生成物を、水素排気口１９０および酸素排気口１９５を通してスタックから除去する。
【００２４】
図示したように、燃料電池システムは、第１のバルブ１１０およびエジェクタポンプ１１３を具備した燃料供給管１１を介してスタックの水素吸気口１５０に接続した加圧水素貯蔵容器６０を備える。水素圧力センサ１１１は、水素吸気口１５０近くの燃料供給管に配置されて、燃料電池スタック１に供給される水素の圧力を測定する。第１のオフガス再循環管１１Ｒは、スタックの排気口１９０を、第１のバルブ１１０の下流で第１のベンチュリ効果エジェクタ１１３に接続する。エジェクタポンプ１１３は、残りの水素を再循環させ、この水素を新しい水素と混合させる。
【００２５】
同じように、燃料電池システムは、第２のバルブ１２０およびエジェクタポンプ１２３を具備した酸化剤供給管１２を介してスタックの酸素吸気口１５５に接続した加圧酸素貯蔵容器６５を備える。酸素圧力センサ１２１は、酸素吸気口１５５近くの酸化剤供給管に配置されて、燃料電池スタック１に供給される酸素の圧力を測定する。第２のオフガス再循環管１２Ｒは、スタックの排気口１９５を、供給バルブ１２０の下流で第２のベンチュリ効果エジェクタ１２３に接続する。エジェクタポンプ１２３は、使用済み酸素を再循環させ、新しい酸素と混合させる。
【００２６】
燃料電池システムは、さらに、水分管理手段（図示せず）を備える。生成水は、水素イオンと酸素イオンとの結合によって燃料電池のカソード側に形成されるため、生成水は、燃料電池のカソード側から得られるはずである。特に、生成水が溢れないようにするために、水分管理手段は通常、第２のオフガス再循環管１２Ｒに配置されたガス−液体分離器を備えている。第１のオフガス再循環管１１Ｒに好ましくは別のガス−液体分離器も配置して、排出された水素から液状の水を分離する。これと同時に、セルのアノード側とカソード側との両方に、膜の乾燥を防ぐ量で水分が生じるはずである。
【００２７】
スタック１は、電力線１００に接続し、生成した電気をこの電力線に送る。電荷１００Ｂは、電力線１００に接続している。スタックからの電流は、電力管理ユニット１４に送られる。ユニット１４は、一方では自動車用の電気駆動モジュールに接続し、このモジュールは、本質的に、ＤＣ／ＡＣ変換器１８と、自動車の１つまたは複数の駆動輪（図示せず）に機械的に連結した電気機械１９とで構成される。ユニット１４は、電気エネルギー貯蔵装置、好ましくはリチウムイオンバッテリパックまたはスーパーキャパシタパック１７にも接続している。図示した例では、電力管理ユニット１４は、スタック１と電気エネルギー貯蔵装置１７との間に配置されている。しかし、このようにする代わりに、スタックを直接エネルギー貯蔵装置に接続してよいことは理解されるであろう。
【００２８】
したがって、スタック１は、電気駆動モジュール１８、１９もしくはバッテリパック１７、またはこの両方に電気を供給できる。バッテリパックは、電気エネルギーを受けて貯蔵するか、あるいは電気エネルギーを電気駆動モジュール１８、１９に送ることができる。後者の場合、電気機械１９は可逆性であるため、車両を推進している間に電気エネルギーを消費できると同時に、車両の電気制動モード中にバッテリパック１７を充電するための電気を発生させることができる。電力管理ユニット１４は、車両のアクセルペダル（図示せず）の位置に応じて、かつ給電システムに見られる状態に応じて、電力の循環を調節する。
【００２９】
燃料電池スタック１は、制御回路１５によって制御される。制御回路１５は、水素圧力センサ１１１および酸素圧力センサ１２１からの情報を受け取るとともに、電力管理ユニット１４を介して電圧測定装置１３からの情報も受け取る。図示した例によれば、電圧測定装置１３は、燃料電池スタック１全体から出力された電圧を測定する。そのため、測定される出力電圧は、スタック内の個々の燃料電池すべてから出力された電圧の合計になる。ただし、個々のセルの出力電圧を別々に測定するか、あるいはその代わりに、スタックの個々のセルを複数の群に分割し、各々の群が出力電圧を有するようにすることも可能である。制御回路１５は、第１のバルブおよび第２のバルブ（１１０、１２０）を断続的に開閉することで、燃料電池スタックに供給される水素と酸素両方の圧力を制御して、第１のエジェクタ（１１３）を通過する燃料ガス流と、第２のエジェクタ（１２３）を通過する酸化剤ガス流との両方を調整する。
【００３０】
次に、制御回路１５が燃料電池内の反応体の圧力を制御できるプロセスについてさらに詳細に説明していく。反応体は、スタック１が接続している負荷に供給する電力量に応じた割合で、燃料電池内で消費される。したがって、負荷に変化がない状態で、制御回路１５が水素の質量流量を増加させれば、燃料電池内で利用可能な水素量は増加し、最終的には燃料電池が消費する水素量を上回ることがわかるであろう。これによって、燃料電池のアノードにおける圧力も増加する。逆に、制御回路１５が水素質量流量を減少させれば、燃料電池内で利用可能な水素量は減少し、燃料電池内で消費される水素量を補償するのに十分ではなくなる。これによって、燃料電池のアノードにおける圧力は減少する。さらに、カソード燃料電池の圧力に対する酸素の質量流量の点で、同種の関係が増加作用または減少作用を支配することがわかるであろう。前述したように、上記の本発明の実施形態によれば、燃料電池に供給される水素および酸素は、それぞれ実質的に純粋な水素および実質的に純粋な酸素である。この特徴によって、燃料電池に存在する水素および酸素をほぼ完全に消費することが可能になる。そのため、燃料電池のカソードおよびアノードにおける圧力を、外の大気圧よりも遙かに低く下げることが可能になる。実際には、蒸気圧まで下げることができる。
【００３１】
図２は、例示的なベンチュリ効果エジェクタの概略図であり、このエジェクタは、例えば図４の真空エジェクタ１１３、１２３のいずれか一方に該当するものであってよい。図２からわかるように、エジェクタは、高圧吸気口２３３、低圧吸気口２３８、および排気口２３４を備えている。ここで、図４および図２を参照すると、エジェクタ１１３の場合、その高圧吸気口２３３は、燃料供給管の上流部１１Ａに接続しているのに対し、その排気口２３４は、燃料供給管の下流部１１Ｂに接続し、エジェクタ排気口から燃料電池スタックのアノード側まで延びていることがわかるであろう。最後に、低圧吸気口２３８は、オフガス再循環管１１Ｒを受け入れて、燃料電池スタックのアノード側からオフガスを収集する。
【００３２】
燃料供給管の上流部から来る燃料ガス流がエジェクタに入ると、燃料ガスは、まず収束ノズル２３６を通過してから混合チャンバ２４０に入る。ノズルの形状は、燃料ガス流の速度を増加させるものである。燃料ガス流の速度が増加するにつれて、燃料ガス流は、徐々に高粘度の噴流に変わって混合チャンバ２４０に入る。チャンバ内部は、ベンチュリ効果により低圧になる。オフガス再循環管１１Ｒは、一方の端部が混合チャンバに接続しているため、チャンバ内が低圧になることで吸引効果が起き、再循環管内に存在するガスを引き出す。すると、この効果によって管内の圧力も低下する。したがって、エジェクタ１１３を通過する上流部１１Ａからの燃料ガス流があると、ベンチュリ効果によってエジェクタの高圧吸気口と低圧吸気口との圧力差が高く維持されることがわかるであろう。この圧力差により、燃料電池の吸気口と排気口との間に圧力降下が生じる。燃料ガスを燃料電池の流れ場構造中に送り込み、よどんだ水を流路から吐き出させるのは、この圧力降下、つまり差圧である。このように、燃料電池スタックのアノード側からのオフガスは、オフガス再循環管１１Ｒを通って流れるようになり、再び混合チャンバ２４０に入る。チャンバ内の高粘度の噴流は、オフガスをディフューザの喉部２４２に噴出し、この喉部でオフガスを新しい燃料ガスと混合させる。ディフューザの喉部の直径が徐々に広くなるにつれて、ディフューザに沿って流れるガスの圧力は、速度が低下するにつれて次第に増加する。混合した燃料ガスの流れは、最終的には排気口２３４を通ってエジェクタ１１３から出て行く。
【００３３】
先に説明したように、生成水は、水素イオンと酸素イオンとの結合によって燃料電池内で形成され、生成水は、主に燃料電池のカソード側から出て行くはずである。このようにするために、本発明の燃料電池システムは、好ましくは、第１および第２のオフガス再循環管１１Ｒ、１２Ｒの各々に沿ってどこかに配置されたガス−液体分離器（図示せず）を備える。このように、液状の水滴は、スタックに再び入らないようになる。蒸気形態の湿気のみが、供給ガスと混合でき、燃料電池の中に再び噴射されるようになる。
【００３４】
先に述べたように、本発明によれば、バルブ１１０および１２０は、パルス的に動作する、換言すれば、両バルブは、制御回路１５によって開状態と閉状態との間を交互に切り替えられる。図３の点線は、圧力センサ１１１または１２１のうちいずれか一方が測定した圧力の時間に対する変化を示している。図３の実線は、対応する再循環管（それぞれ１１Ｒまたは１２Ｒ）内の圧力を示している。図示した例では、供給バルブを調整する時間サイクルは１（任意の単位）である。当然、変調周波数も１ということになる。パルス幅はδであり、供給ガスの各パルスは、サイクルの中間が中心になる（1/2、１1/2、２1/2など）。
【００３５】
バルブが閉状態のとき、供給ガスはエジェクタの高圧吸気口２３３に入ることができない。この場合、エジェクタ内部でベンチュリ効果は起こり得ない。当然、図３に示したように、再循環管内の圧力（実線）は、燃料電池スタックの吸気口の圧力（点線）と実質的に等しいということになる。圧力降下がないため、反応ガスは、燃料電池を流れないことがわかるであろう。しかしながら、図３に曲線の降下面で示したように、燃料電池内部の圧力は、燃料電池内に蓄積した水素および酸素が消費されるにつれて、次第に低下する。
【００３６】
各サイクルの中間近くで、バルブ１１０、１２０は、突如開状態に切り替わり、短い間開状態を維持し、その継続時間はδである。バルブが開状態にある時間にわたって、反応ガス流は、エジェクタの高圧吸気口２３３を流れる。この瞬間、反応ガス流の質量流量は、エジェクタが許容する最大量に等しい。したがって、図３に示したように、燃料電池スタックに入るガス流の圧力（点線）は急速に上昇するのに対し、再循環管内の圧力（実線）は急速に低下する。そのため、燃料電池の吸気口と排気口との圧力差は、その最大値に急速に接近する。圧力差は、反応ガスを燃料電池に送り込むのにも、よどんだ水を流路から押し出してきれいにするのにも十分な大きさになる。
【００３７】
バルブが切り替わって閉状態に戻ると、高圧吸気口２３３および低圧吸気口２３８の圧力は急速に等しくなる。以上のことから、燃料電池スタックに供給された反応ガス流の平均質量流量は、周波数（または換言すればサイクル時間）を変更するか、あるいはパルス幅（δ）を変更するかのいずれかによって調整できることがわかるであろう。もちろん、周波数およびパルス幅は、同時に変更してもよい。
【００３８】
上記の実施形態では、バルブ１１０、１２０は、一定かつ比較的低い周波数で定期的に切り替わる。変調されるのはパルス幅である。周波数の値は、０から２０ヘルツまでの範囲内であることが好ましい。さらに、パルス幅の値は、少なくとも２．５ｍｓである。実際、一方では、燃料電池の吸気口と排気口との間に十分な圧力差を生み出すためには、最小パルス幅が必要である。他方では、パルス幅が低いことで、圧力は確実に所望の範囲内に留まる。なぜなら、バルブが開くとき、圧力が増加する時間はあまりないからである。
【００３９】
バルブ１１０および１２０の周波数およびパルス幅変調によって、エジェクタを燃料電池システムの動作範囲全体にわたって動作させることができる。さらに、この第１の実施形態では、エジェクタのサイズおよびバルブのサイズは、バルブ１１０および１２０が恒久的に開状態のままであるときに最大電力で動作するのに十分な反応体が燃料電池システムに供給されるように決定する。
【００４０】
図５は、本発明による燃料電池システムの第２の実施形態を示している。この第２の実施形態では、燃料供給管１１Ａおよび酸化剤供給管１２Ａはそれぞれ、追加の並列管２７という形態のバイパスラインを備えている。上流側では、各バイパスライン２７は、断続的なバルブ１１０または１２０の上流にある対応する反応体供給管（１１Ａまたは１２Ａ）に接続している。下流側では、各バイパスラインは、エジェクタ１１３または１２３の下流にある対応する反応体供給管に接続している。バイパスラインはそれぞれ、オン／オフタイプの制御バルブ２９を有する。この制御バルブは、制御回路１５（図５には図示せず）が制御できる。しかしながら、周波数を変調したりパルス幅を変調したりするようにはなっていない。
【００４１】
燃料電池スタックが低電力モードで動作しているとき、必要とされる反応体の質量流量は比較的小さい。したがって、並列管２７のバルブ２９は閉鎖し、反応ガス流全体はエジェクタ１１３または１２３を通過する。セルスタックが高電力動作モードに移行すると、必要とされる反応体の質量流量は、まもなくエジェクタの送出可能な量を超過する。この場合、バルブ２９は開き、追加の反応ガス流がそれぞれのバイパスラインを流れ始める。
【００４２】
付属の特許請求の範囲に規定した本発明の範囲を逸脱しないかぎり、上記の様々な本発明の実施形態には、当業者に自明の様々な変更および／または改良および／またはこれらの組み合わせを加えてもよいことは明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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