(57)【要約】【課題】掃気導入弁および掃気排出弁を小型化および軽量化することができる燃料電池の掃気システムを提供すること。【解決手段】掃気システム４は、掃気処理時に、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給手段３からアノード電極１０ａに供給する掃気導入部４０と、掃気導入部４０による酸化剤ガスの導入流量を制御する掃気導入弁４１と、アノード電極１０ａからの掃気排出ガスを排出する掃気排出路１５と、掃気排出路１５の掃気排出ガスの掃気排出流量を制御する掃気排出弁４３と、を備えている。掃気導入部４０は、掃気循環用エゼクタ４２を備え、酸化剤ガスを掃気循環用エゼクタ４２のノズル部４２ａに導入し、掃気排出路１５を掃気循環用エゼクタ４２の吸引部４２ｂに接続して掃気排出ガスを吸引し、掃気循環用エゼクタ４２により合流した酸化剤ガスと掃気排出ガスとをアノード電極１０ａへ導入可能としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極に燃料ガス供給路を通して供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応によって得られた電流を外部負荷回路に供給する燃料電池を有し、前記アノード電極および前記燃料ガス供給路を前記酸化剤ガスによって掃気処理を行う燃料電池の掃気システムであって、
前記掃気処理時に、前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給手段から前記アノード電極に供給する掃気導入部と、
前記掃気導入部による前記酸化剤ガスの導入流量を制御する掃気導入弁と、
前記アノード電極からの掃気排出ガスを排出する掃気排出路と、
前記掃気排出路の掃気排出ガスの掃気排出流量を制御する掃気排出弁と、を備え、
前記掃気導入部は、エゼクタを備え、前記酸化剤ガスを前記エゼクタのノズル部に導入し、前記掃気排出路を前記エゼクタの吸引部に接続して掃気排出ガスを吸引し、前記エゼクタにより合流した前記酸化剤ガスと前記掃気排出ガスとを前記アノード電極へ導入可能としたことを特徴とする燃料電池の掃気システム。
【請求項２】
前記エゼクタの吸引部は、前記掃気排出路に設けられた気液分離器の下流に接続されていることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池の掃気システム。
【請求項３】
前記掃気排出ガスを吸引する掃気排出ガス吸入路に、前記エゼクタ側から前記掃気排出ガス吸入路側へ向かうガス流を防止する逆止弁を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
アノード電極に燃料ガス供給路を通して供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応によって得られた電流を外部負荷回路に供給する燃料電池と、
前記アノード電極から排出される燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、
この燃料ガス循環路に設けられた燃料循環用エゼクタと、を有し、
前記アノード電極および前記燃料ガス供給路を前記酸化剤ガスによって掃気処理を行う燃料電池の掃気システムであって、
前記燃料ガス供給路に設けられ、前記掃気処理時に、前記アノード電極ヘの前記燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、
前記掃気処理時に、前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給手段から前記アノード電極に供給する掃気導入部と、
前記掃気導入部による前記酸化剤ガスの導入流量を制御する掃気導入弁と、
前記アノード電極からの掃気排出ガスを排出する掃気排出路と、
前記掃気排出路の掃気排出ガスの掃気排出流量を制御する掃気排出弁と、を備え、
前記掃気導入部は、前記燃料循環用エゼクタのディフューザ外周部に接続されて、前記酸化剤ガスを前記ディフューザ外周部に導入し、前記掃気排出路を前記燃料循環用エゼクタの吸引部に接続して掃気排出ガスを吸引し、前記燃料循環用エゼクタにより合流した前記酸化剤ガスと前記掃気排出ガスとを前記アノード電極へ導入可能としたことを特徴とする燃料電池の掃気システム。
【請求項５】
前記燃料循環用エゼクタの吸引部は、前記掃気排出路に設けられた気液分離器の下流に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の掃気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のアノード側をカソード側に供給される酸化剤ガスによって掃気する燃料電池の掃気システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両等に搭載される燃料電池システムでは、アノード側に残留する水分を掃気するために、カソード側に供給される酸化剤ガスを用いてアノード側を掃気する燃料電池の掃気システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６は、従来の燃料電池の掃気システムを示すブロック図である。
図６に示すように、従来の燃料電池２００の掃気システム１００は、カソード電極２１０側の酸化剤ガス（エア）をアノード電極２２０側に導入する掃気導入弁３００と、アノード電極２２０側から酸化剤ガスを系外に排出するための掃気排出弁４００と、を備えている。掃気導入弁３００は、酸化剤ガスをカソード電極２１０に送るための酸化剤ガス供給路１１０と、燃料ガスをアノード電極２２０に送るための燃料ガス供給路１２０とを連通する掃気ガス導入路１３０に設置されて、この掃気ガス導入路１３０を開閉制御する。掃気排出弁４００は、キャッチタンク５００が設けられている掃気排出路１４０に設置されて、この掃気排出路１４０を開閉制御する。燃料ガス供給路１２０と循環路１５０とが合流する箇所には、エゼクタ６００が設けられている。そのエゼクタ６００には、水素タンク（図示せず）から遮断弁７００、レギュレータ８００等を介して水素等の燃料ガスが送られて来る。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１４７２１３号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図６に記載されているような従来の燃料電池２００の掃気システム１００では、アノード電極２２０側の掃気の効果を上げるために、酸化剤ガス（エア）の流量を上げることが有効である。しかしながら、それを達成するためには、掃気導入弁３００および掃気排出弁４００のバルブ径を上げることが必要となる。その結果、掃気システム１００では、必然的に掃気導入弁３００および掃気排出弁４００が大型化して重量が重くなるため、コストアップになると共に、車載性および商品性を損なうという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明は、掃気導入弁および掃気排出弁を小型化および軽量化することができる燃料電池の掃気システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための手段として、請求項１に記載の燃料電池の掃気システムの発明は、アノード電極に燃料ガス供給路を通して供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応によって得られた電流を外部負荷回路に供給する燃料電池を有し、前記アノード電極および前記燃料ガス供給路を前記酸化剤ガスによって掃気処理を行う燃料電池の掃気システムであって、前記掃気処理時に、前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給手段から前記アノード電極に供給する掃気導入部と、前記掃気導入部による前記酸化剤ガスの導入流量を制御する掃気導入弁と、前記アノード電極からの掃気排出ガスを排出する掃気排出路と、前記掃気排出路の掃気排出ガスの掃気排出流量を制御する掃気排出弁と、を備え、前記掃気導入部は、エゼクタを備え、前記酸化剤ガスを前記エゼクタのノズル部に導入し、前記掃気排出路を前記エゼクタの吸引部に接続して掃気排出ガスを吸引し、前記エゼクタにより合流した前記酸化剤ガスと前記掃気排出ガスとを前記アノード電極へ導入可能としたことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の燃料電池の掃気システムの発明によれば、掃気導入部が、酸化剤ガスをエゼクタのノズル部によって導入することにより、酸化剤ガスを循環させる循環力を発生できる。そして、掃気排出路をエゼクタの吸引部に接続して掃気排出ガスを吸引し、エゼクタによって合流した酸化剤ガスと掃気排出ガスとを前記循環力によってアノード電極へ戻すことが可能となるので、掃気処理に使用する酸化剤ガスの導入流量を減少させることができる。その結果、掃気導入弁および掃気排出弁は、大型化することなく、アノード系を掃気処理する掃気流量を増大させることができる。このため、バルブ全体の小型化および軽量化ができる。
【０００９】
請求項２に記載の燃料電池の掃気システムの発明は、請求項１に記載された燃料電池の掃気システムであって、前記エゼクタの吸引部は、前記掃気排出路に設けられた気液分離器の下流に接続されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の燃料電池の掃気システムの発明によれば、エゼクタの吸引部が、掃気排出路に設けられた気液分離器の下流に接続されていることにより、燃料電池のアノード電極から排出される排出ガス中の水分を捕捉して、水分を含まないガスにして循環させることができる。このため、エゼクタは、水滴を吸引することを免れるので、掃気ガスを吸引して循環させる循環力が向上されて、掃気流量を増加させることができる。また、燃料電池に水滴が導入されることを防止できるため、掃気効果を向上させることができる。
【００１１】
請求項３に記載の燃料電池の掃気システムの発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記掃気排出ガスを吸引する掃気排出ガス吸入路に、前記エゼクタ側から前記掃気排出ガス吸入路側へ向かうガス流を防止する逆止弁を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の燃料電池の掃気システムの発明によれば、掃気排出ガス吸入路にエゼクタ側から前記掃気排出ガス吸入路側へ向かうガス流を防止する逆止弁を設けたことによって、燃料電池の通常の発電時（掃気処理を行わないとき）に、燃料ガスがアノード電極へ向かう前に、掃気ガス導入路から掃気循環用エゼクタを介して掃気排出ガス吸入路側へ逆流することを防止できる。
【００１３】
請求項４に記載の燃料電池の掃気システムの発明は、アノード電極に燃料ガス供給路を通して供給される燃料ガスとカソード電極に供給される酸化剤ガスとの反応によって得られた電流を外部負荷回路に供給する燃料電池と、前記アノード電極から排出される燃料排ガスを前記燃料ガス供給路に戻す燃料ガス循環路と、この燃料ガス循環路に設けられた燃料循環用エゼクタと、を有し、前記アノード電極および前記燃料ガス供給路を前記酸化剤ガスによって掃気処理を行う燃料電池の掃気システムであって、前記燃料ガス供給路に設けられ、前記掃気処理時に、前記アノード電極ヘの前記燃料ガスの供給を遮断する遮断手段と、前記掃気処理時に、前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給手段から前記アノード電極に供給する掃気導入部と、前記掃気導入部による前記酸化剤ガスの導入流量を制御する掃気導入弁と、前記アノード電極からの掃気排出ガスを排出する掃気排出路と、前記掃気排出路の掃気排出ガスの掃気排出流量を制御する掃気排出弁と、を備え、前記掃気導入部は、前記燃料循環用エゼクタのディフューザ外周部に接続されて、前記酸化剤ガスを前記ディフューザ外周部に導入し、前記掃気排出路を前記燃料循環用エゼクタの吸引部に接続して掃気排出ガスを吸引し、前記燃料循環用エゼクタにより合流した前記酸化剤ガスと前記掃気排出ガスとを前記アノード電極へ導入可能としたことを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の燃料電池の掃気システムの発明によれば、掃気導入部は、燃料循環用エゼクタのディフューザ外周部に接続されて、酸化剤ガスをディフューザ外周部に導入することにより、掃気処理時に、ディフューザ内部に負圧を発生させて、酸化剤ガスを循環させる循環力を発生できる。そして、燃料排ガス路を燃料循環用エゼクタの吸引部に接続して掃気排出ガスを吸引し、燃料循環用エゼクタにより合流した酸化剤ガスと掃気排出ガスとを前記循環力によってアノード電極へ戻すことが可能となるので、掃気処理に使用する酸化剤ガスの導入流量を減少させることができる。その結果、掃気導入弁および掃気排出弁は、大型化することなく、アノード系を掃気処理する掃気流量を増大させることができる。このため、バルブ全体の小型化および軽量化ができる。
【００１５】
請求項５に記載の燃料電池の掃気システムの発明は、請求項４に記載の燃料電池の掃気システムであって、前記燃料循環用エゼクタの吸引部は、前記掃気排出路に設けられた気液分離器の下流に接続されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の燃料電池の掃気システムの発明によれば、燃料循環用エゼクタの吸引部が、掃気排出路に設けられた気液分離器の下流に接続されていることにより、燃料電池のアノード排出口から排出される排出ガス中の水分を捕捉して、水分を含まないガスにして循環させることができる。その結果、エゼクタは、水滴を吸引することを免れるので、掃気ガスを吸引して循環させる循環力が向上されて、掃気流量を増加させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池の掃気システムによれば、掃気導入弁と掃気排出弁とを小型化および軽量化してコストダウンを図ることができる燃料電池の掃気システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１および図２を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムを説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムの構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１０の発電電力によって走行用の電動モータ（走行モータ）を回転させて走行する燃料電池自動車に搭載されるシステムである。燃料電池システム１は、燃料電池自動車の停止時（燃料電池１０の停止時）に、燃料電池１０に掃気ガスを供給して、燃料電池１０の燃料ガス供給路１１および燃料ガス循環路１４を掃気処理する掃気システム４を有する。この燃料電池システム１は、それぞれ後記する燃料電池１０と、燃料ガス供給路１１と、酸化剤ガス供給路１２と、掃気ガス導入路１３と、燃料ガス循環路１４と、掃気排出路１５と、気液分離器５０と、燃料排ガス希釈器（図示せず）と、酸化剤ガス供給手段３と、掃気システム４と、パージ手段（図示せず）と、外部負荷回路６０と、制御装置（図示せず）等から構成されている。
【００２０】
≪燃料電池の構成≫
図１に示す燃料電池１０（燃料電池スタック）は、主として、一価の陽イオン交換型の電解質膜の両面を触媒が担持されたアノード電極（燃料極）１０ａおよびカソード電極（空気極）１０ｂで挟持してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly、膜電極複合体）と、ＭＥＡを挟持するセパレータとからなる単セルが、複数積層された固体高分子電解質型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell、ＰＥＦＣ）からなる。燃料電池１０は、アノード電極１０ａに燃料ガス供給路１１を通して供給される水素等の燃料ガスと、カソード電極１０ｂに供給される加湿空気等の酸化剤ガスとの反応によって得られた電流を外部負荷回路６０に供給するように構成されている。
【００２１】
≪燃料ガス供給路の構成≫
図１に示すように、燃料ガス供給路１１は、燃料電池１０のアノード電極１０ａに燃料ガスタンク（図示せず）内の燃料ガスを供給するアノード系の供給路である。この燃料ガス供給路１１には、例えば、燃料ガスタンク（図示せず）と、遮断弁２１と、レギュレータ２２と、燃料循環用エゼクタ２３等が備えられている。
【００２２】
＜遮断弁（遮断手段）の構成＞
遮断弁２１は、燃料ガス供給路１１に設けられ、掃気処理時に、アノード電極１０ａヘの燃料ガスの供給を遮断して流出を調整する電磁バルブであり、上流側が燃料ガスタンクに接続され、下流側がレギュレータ２２に接続されている。
なお、遮断弁２１は、制御装置（図示せず）と電気的に接続されて、制御装置によって弁体が開閉制御されるようになっている。
【００２３】
＜レギュレータの構成＞
レギュレータ２２は、燃料ガスを所定の圧力に調整するための減圧調整弁からなり、配管２２ａを介して燃料循環用エゼクタ２３に接続されている。
【００２４】
＜燃料循環用エゼクタの構成＞
燃料循環用エゼクタ２３は、燃料電池１０のアノード排出口から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスを燃料ガス循環路１４に循環させるための機器であり、配管２３ａを介して燃料電池１０の燃料ガス導入口に接続されている。この燃料循環用エゼクタ２３の吸引部は、燃料ガス循環路１４を介して、掃気排出路１５に設けられた気液分離器５０の下流に接続されている。
【００２５】
≪酸化剤ガス供給路の構成≫
図１に示すように、酸化剤ガス供給路１２は、燃料電池１０のカソード電極１０ｂに空気等の酸化剤ガスを供給する供給路である。酸化剤ガス供給路１２は、例えば、上流側が酸化剤ガスを送るための酸化剤ガス供給手段３に接続され、下流側がカソード電極１０ｂに接続されている。
【００２６】
＜酸化剤ガス供給手段の構成＞
酸化剤ガス供給手段３は、酸化剤ガス供給路１２によってエア等の酸化剤ガスをカソード電極１０ｂに供給するための装置であり、例えば、不図示のコンプレッサや、酸化剤ガスを加湿させるための加湿器等から構成されている。
【００２７】
≪掃気システムの構成≫
掃気システム４は、燃料電池システム１の停止時に、掃気導入弁４１を開いて掃気ガス導入路１３からアノード電極１０ａ側に掃気ガス（空気等の酸化剤ガス）を導入して、アノード電極１０ａと燃料ガス供給路１１内の残留ガスを、酸化剤ガスを通すことによって掃気処理を行うシステムである。この掃気システム４は、前記遮断弁（遮断手段）２１と、掃気導入部４０と、掃気導入弁４１と、掃気循環用エゼクタ（エゼクタ）４２と、掃気排出路１５と、掃気排出弁４３と、燃料ガス循環路１４と、掃気排出ガス吸入路１６と、逆止弁４４と、燃料循環用エゼクタ２３と、を備えている。
【００２８】
≪掃気導入部の構成≫
図１に示すように、掃気導入部４０は、燃料電池１０の掃気処理時に、掃気ガスをカソード系の酸化剤ガス供給手段３からアノード系の燃料ガス供給路１１に送るための装置である。この掃気導入部４０は、上流側が酸化剤ガス供給手段３からの酸化剤ガスを送る酸化剤ガス供給路１２に接続され、下流側が燃料ガス供給路１１に接続された掃気ガス導入路１３と、この掃気ガス導入路１３に設けられた掃気導入弁４１と、その掃気ガス導入路１３の掃気導入弁４１の下流に設けられ掃気循環用エゼクタ４２と、下流側がその掃気循環用エゼクタ４２に接続され上流側が燃料循環用エゼクタ２３の上流の燃料ガス循環路１４に接続された掃気排出ガス吸入路１６と、を備えて構成されている。
【００２９】
この掃気導入部４０は、酸化剤ガスを掃気循環用エゼクタ４２のノズル部４２ａに導入して、掃気排出路１５を掃気循環用エゼクタ４２の吸引部４２ｂから掃気排出ガスを吸引し、掃気循環用エゼクタ４２により合流した酸化剤ガスと掃気排出ガスとをアノード電極１０ａへ導入可能としている。
【００３０】
＜掃気ガス導入路の構成＞
図１に示すように、掃気ガス導入路１３は、燃料電池１０の掃気処理時に、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給路１２から燃料ガス供給路１１に導くための流路である。この掃気ガス導入路１３には、掃気導入弁４１および掃気循環用エゼクタ４２が設けられている。
【００３１】
＜掃気導入弁の構成＞
掃気導入弁４１は、掃気導入部４０による酸化剤ガスの導入流量を制御する掃気導入流量制御手段であり、掃気ガス導入路１３を開閉制御する電磁バルブからなる。この掃気導入弁４１は、例えば、燃料電池１０の発電時に、酸化剤ガス供給路１２と燃料ガス供給路１１との連通を遮断し、掃気処理時に、弁体を開放して酸化剤ガス供給路１２の酸化剤ガスを燃料ガス供給路（配管２３ａ）１１に導入させるように構成されている。掃気導入弁４１は、制御装置に接続されて、制御装置の駆動信号によって弁体が開閉制御される。
【００３２】
＜掃気循環用エゼクタ（エゼクタ）の構成＞
図１に示す掃気循環用エゼクタ４２は、酸化剤ガス供給路１２から掃気ガス導入路１３を介して導入した掃気ガス（酸化剤ガス）を燃料ガス供給路１１から燃料電池１０のアノード導入口に送り込むと共に、燃料電池１０のアノード排出口から排出された未反応の水素を含むアノードオフガスを燃料ガス供給路１１に循環させるための機器である。
【００３３】
図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムに使用される掃気用エゼクタの構造を示す拡大概略図である。
図２に示すように、掃気循環用エゼクタ４２は、酸化剤ガスが導入されるノズル部４２ａと、アノードオフガスが吸引される吸引部４２ｂと、掃気ガスおよびアノードオフガスを燃料電池１０のアノード導入口に向けて吐出する吐出部４２ｃとを備えている。
【００３４】
図１に示すように、ノズル部４２ａは、掃気ガス導入路１３の配管４１ａを介して掃気導入弁４１に接続されている。吸引部４２ｂは、掃気排出ガス吸入路１６の配管５０ｃと、燃料ガス循環路１４の配管５０ｂと、掃気排出路１５の配管５０ａを介して気液分離器５０の下流側に接続されている。吐出部４２ｃは、掃気ガス導入路１３の配管４２ｄおよび燃料ガス供給路１１の配管２３ａを介して燃料電池１０のアノード導入口に接続されている。
【００３５】
＜掃気排出路の構成＞
掃気排出路１５は、アノード電極１０ａからのアノードオフガスおよび掃気排出ガスを排出するための流路である。この掃気排出路１５は、上流側がアノード電極１０ａに接続され、下流側が気液分離器５０、掃気排出弁４３、希釈器（図示せず）等を介在して大気中に排出されるように接続されると共に、気液分離器５０と掃気排出弁４３との間に燃料ガス循環路１４を接続している。
【００３６】
＜掃気排出弁の構成＞
掃気排出弁４３は、掃気排出路１５の掃気排出ガスおよび燃料排ガスの排出流量を制御するバルブであり、上流側が配管５０ａによって気液分離器５０を介在して燃料電池１０に接続され、下流側が配管４３ａによって希釈器（図示せず）等に接続されている。この掃気排出弁４３は、制御装置（図示せず）と電気的に接続されており、この制御装置の駆動信号によって弁体が開閉制御されるように構成されている。
【００３７】
＜燃料ガス循環路の構成＞
燃料ガス循環路１４は、燃料電池１０のアノード排出口から排出される燃料排ガスを燃料ガス供給路１１に戻すと共に、アノード電極１０ａを通過した掃気排出ガスを掃気排出ガス吸入路１６を介して掃気循環用エゼクタ４２に戻すための流路である。燃料ガス循環路（配管５０ｂ）１４は、上流側が掃気排出路１５の配管５０ａに接続され、下流側が燃料循環用エゼクタ２３に接続されている。
【００３８】
＜掃気排出ガス吸入路の構成＞
掃気排出ガス吸入路１６は、燃料電池１０のアノード排出口から排出されて掃気排出路１５を介して燃料ガス循環路１４に送られた掃気排出ガスを掃気循環用エゼクタ４２に送るための流路である。
【００３９】
＜逆止弁の構成＞
逆止弁４４は、掃気循環用エゼクタ４２側から掃気排出ガス吸入路１６側へ向かうガス流を防止するためのバルブであり、燃料ガス循環路１４の掃気排出ガスを掃気循環用エゼクタ４２の吸引力で吸引する掃気排出ガス吸入路１６に設けられている。
【００４０】
≪酸化剤ガス排出路の構成≫
酸化剤ガス排出路１７は、燃料電池１０のカソード排出口から排出されるカソードオフガスを排出するための流路であり、上流側がカソード電極１０ｂに接続され、下流側が不図示の圧力調整弁および希釈器を介在して大気中に排出されるように接続されている。
【００４１】
≪制御装置の構成≫
不図示の制御装置は、前記掃気導入弁４１と掃気循環用エゼクタ４２と遮断弁２１と燃料循環用エゼクタ２３と掃気排出弁４３とに接続されて制御することにより、掃気システム４による掃気処理時の掃気流量の制御を行う機能を備えている。この制御装置は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路等から構成されている。
【００４２】
≪燃料電池システムおよび掃気システムの動作≫
次に、図１および図２を参照して、燃料電池システム１および掃気システム４の動作について説明する。
まず、燃料電池１０の電力の発生について説明する。
図１に示すように、燃料電池１０は、燃料ガスが燃料ガスタンク（図示せず）から燃料ガス供給路１１、およびこの燃料ガス供給路１１に設置された遮断弁２１、レギュレータ２２、燃料循環用エゼクタ２３を介して供給される燃料ガス（水素）と、酸化剤ガス供給手段３から酸化剤ガス供給路１２によって供給される酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって電力および熱を発生する。
【００４３】
次に、燃料電池システム１の定常運転時の状態を説明する。
燃料電池システム１の定常運転時には、掃気導入弁４１、および掃気排出弁４３が制御装置によって閉められている。このため、燃料循環用エゼクタ２３からアノード電極１０ａに送られた燃料ガスは、燃料ガス循環路１４を通って、再びアノード電極１０ａに戻るように循環される。そして、燃料排ガスは、気液分離器５０を通過する際に、気液分離器５０によって水分が除去された状態で循環される。
【００４４】
掃気処理時の状態について説明する。
そして、燃料電池１０の発電状態を停止して、燃料ガス循環路１４内の燃料ガスの圧力が低下したときに、センサ（図示せず）と制御装置とによって、掃気導入弁４１、および掃気排出弁４３が開かれる。
【００４５】
掃気導入弁４１が制御装置からの駆動信号によってＯＮ状態に切り換わって開弁された際には、酸化剤ガス供給手段３からの酸化剤ガス（掃気ガス）が、掃気ガス導入路１３を通って燃料ガス供給路１１に流れ込み、アノード電極１０ａ、掃気排出路１５、掃気排出弁４３を通って外部に排出されて、燃料ガス循環路１４を循環していた燃料排ガス（残留ガス）が押し出されるようにして掃気される。
【００４６】
掃気導入弁４１が開いた際には、酸化剤ガス供給手段３からの酸化剤ガス（掃気ガス）が掃気ガス導入路１３を介して掃気循環用エゼクタ４２のノズル部４２ａに導入される。さらに、掃気循環用エゼクタ４２には、吸引部４２ｂから気液分離器５０を通過した燃料電池１０の燃料排ガスが導入される。この吸引部４２ｂから燃料排ガスは、ノズル部４２ａから流入した酸化剤ガスに吸引されて、配管４２ｄ，２３ｄを介して燃料電池１０のアノード導入口に導入される。
【００４７】
このとき、掃気排出弁４３が開いているため、この掃気排出弁４３から掃気ガスが排出される分だけ酸化剤ガスが掃気導入弁４１から掃気ガス導入路１３に導入されるので、連続的にアノード系内を酸化剤ガスが循環されることになる。つまり、掃気循環用エゼクタ４２を通過した掃気ガスは、配管４２ｄ，２３ａから燃料電池１０のアノード導入口に入り、燃料電池１０のアノード排出口から配管５０ａ，５０ｂ，５０ｃを通って吸引部４２ｂから掃気循環用エゼクタ４２に戻って来るように循環する。
【００４８】
このように掃気循環用エゼクタ４２によって掃気ガスが、配管４２ｄ，２３ａ，５０ａ，５０ｂ，５０ｃを循環することにより、掃気導入弁４１および掃気排出弁４３を通過する掃気ガスの導入流量を減少させることができる。その結果、掃気導入弁４１および掃気排出弁４３の小型化および軽量化が可能となる。
【００４９】
この場合、掃気循環用エゼクタ４２の吸引部４２ｂで吸引する掃気ガスに水滴が含まれていると、その水滴も吸引しなければならないが、上流側の掃気排出路１５には、水分を除去する気液分離器５０が設置されている。このため、燃料ガス循環路１４内の掃気ガスが、掃気循環用エゼクタ４２によってスムーズに吸引されるようになる。その結果、掃気循環用エゼクタ４２は、小型のものであっても十分に機能を果たすようになる。
【００５０】
次に、掃気処理が完了した場合を説明する。
燃料ガスの掃気処理が完了して、燃料電池１０による発電状態の通常の状態に復帰させる場合、制御装置によって遮断弁２１およびレギュレータ２２が開弁されて燃料ガス供給路１１から燃料循環用エゼクタ２３を介してアノード電極１０ａに燃料ガスが送られると共に、掃気導入弁４１および掃気排出弁４３が遮断される。そして、再び、燃料電池１０のアノード排出口から排出された燃料排ガスが、燃料ガス循環路１４、燃料循環用エゼクタ２３を介してアノード電極１０ａに戻る燃料ガスの循環が行われる。
【００５１】
このとき、掃気導入弁４１および掃気排出弁４３は、制御装置のＯＦＦ信号によって閉弁状態になることにより、掃気排出路１５が遮断されて、酸化剤ガス（掃気ガス）が燃料ガス循環路１４側に流れなくなり、掃気処理が停止される。
【００５２】
以上のように、本実施形態では、掃気ガス導入路１３に、掃気循環用エゼクタ４２を設けると共に、この掃気循環用エゼクタ４２の吸引部４２ｂに、上流側を燃料ガス循環路１４に接続した掃気排出ガス吸入路１６を設けたことにより、掃気ガスをアノード系内に循環させることが可能となる。その結果、掃気導入部４０から導入する酸化剤ガスの流量を抑制することができるため、掃気導入弁４１および掃気排出弁４３を小型化および軽量化することが可能となる。
【００５３】
この場合、掃気排出ガス吸入路１６は、掃気循環用エゼクタ４２側から掃気排出ガス吸入路１６側へ向かうガス流（逆流）を防止する逆止弁４４を設けたことによって、燃料電池１０の通常の発電時（掃気処理を行わないとき）に、燃料ガスがアノード電極１０ａへ向かう前に、掃気ガス導入路１３（配管４２ｄ）から掃気循環用エゼクタ４２を介して掃気排出ガス吸入路１６側へ逆流することを防止できる。
【００５４】
さらに、燃料電池システム１は、掃気システム４による掃気処理時の掃気流量の制御を制御装置の駆動信号で作動する掃気排出弁４３で行うことにより、燃料電池システム１の運転条件に合わせて排出流量を任意に変えることが可能となる。
【００５５】
≪変形例≫
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で種々の改造および変更が可能であり、本発明はこれら改造および変更された発明にも及ぶことは勿論である。
【００５６】
図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムの変形例を示すブロック図である。図４は、本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムの変形例に使用される燃料循環用エゼクタの構造を示す拡大概略図である。図５は、燃料循環用エゼクタにおける内部の圧力分布状況を示す要部拡大概略図である。なお、前記実施形態と同じ部位には、同じ符号を付して、重複する説明は省略する。
【００５７】
前記した実施形態では、図１に示すように、掃気ガス導入路１３に掃気循環用エゼクタ４２を設けると共に、掃気循環用エゼクタ４２の吸引部４２ｂに掃気排出ガス吸入路１６を設けた場合について説明したが、これに限定されない。図３に示すように、本発明の掃気システム４Ａは、掃気導入部４０Ａにおける掃気ガス導入路１３Ａの配管４１ａを燃料循環用エゼクタ２３Ａに接続して、図１に示す前記実施形態の掃気循環用エゼクタ４２および掃気排出ガス吸入路１６を省略してもよい。
【００５８】
この場合、図３に示すように、掃気導入部４０Ａは、燃料循環用エゼクタ２３Ａのディフューザ外周部２３Ａｄに接続されて、酸化剤ガスをディフューザ外周部２３Ａｄに導入し、掃気排出路１５を燃料循環用エゼクタ２３Ａの吸引部２３Ａｂに接続して掃気排出ガスを吸引し、燃料循環用エゼクタ２３Ａによって合流した酸化剤ガスと掃気排出ガスとをアノード電極１０ａへ導入可能にする。
【００５９】
燃料循環用エゼクタ２３Ａは、酸化剤ガス供給路１２から掃気ガス導入路１３Ａを介して導入した掃気ガス（酸化剤ガス）を燃料ガス供給路１１から燃料電池１０のアノード導入口に送り込むと共に、燃料電池１０のアノード排出口から排出された燃料排ガスや、掃気排出ガスを燃料ガス供給路１１に循環させるための機器であり、掃気循環用エゼクタとしての機能も備えている。
【００６０】
図４に示すように、燃料循環用エゼクタ２３Ａは、燃料ガスが導入されるノズル部２３Ａａと、アノードオフガスおよび掃気排出ガスが吸引される吸引部２３Ａｂと、掃気処理用の酸化剤ガスが導入されるディフューザ外周部２３Ａｄと、ノズル部２３Ａａからの燃料ガスとディフューザ外周部２３Ａｄからの掃気排ガスおよびアノードオフガスとを合流させて燃料循環用エゼクタ２３Ａ内に吐出する第１吐出部２３Ａｆと、この第１吐出部２３Ａｆからの燃料ガス、掃気排ガスおよびアノードオフガスとディフューザ外周部２３Ａｄからの酸化剤ガスとを合流させて燃料電池１０のアノード導入口に向けて吐出する第２吐出部２３Ａｃと、を備えている。
【００６１】
図３に示すように、ノズル部２３Ａａは、燃料ガス供給路１１によってレギュレータ２２、遮断弁２１を介在して燃料ガスボンベ（図示せず）に接続されている。吸引部２３Ａｂは、燃料ガス循環路１４、掃気排出路１５の配管５０ａを介して気液分離器５０の下流側に接続されている。ディフューザ外周部２３Ａｄは、掃気ガス導入路１３Ａの配管４１ａを介して掃気導入弁４１に接続されている。第２吐出部２３Ａｃは、燃料ガス供給路１１の配管２３ａを介して燃料電池１０のアノード導入口に接続されている。
【００６２】
このように、掃気システム４Ａの掃気導入部４０Ａは、酸化剤ガスを燃料循環用エゼクタ２３Ａのディフューザ外周部２３Ａｄに導入することにより、掃気処理時に、ディフューザ外周部２３Ａｄの内部２３Ａｅ（図５参照）の第１吐出部２３Ａｆ付近に負圧を発生させて、酸化剤ガスを循環させる循環力を発生させることができる。そして、掃気排出路（燃料排ガス路）１５を燃料循環用エゼクタ２３Ａの吸引部２３Ａｂに接続して掃気排出ガスを吸引し、燃料循環用エゼクタ２３Ａにより合流した酸化剤ガスと掃気排出ガスとを循環力（吸引力）によってアノード電極１０ａへ戻すことが可能となるので、掃気処理に使用する酸化剤ガスの導入流量を減少させることができる。その結果、掃気導入弁４１および掃気排出弁４３は、大型化することなく、アノード系を掃気処理する掃気流量を増大させることができるため、バルブ全体の小型化および軽量化ができ、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムに使用される掃気用エゼクタの構造を示す拡大概略図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムの変形例を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池の掃気システムの変形例に使用される燃料循環用エゼクタの構造を示す拡大概略図である。
【図５】燃料循環用エゼクタにおける内部の圧力分布状況を示す要部拡大概略図である。
【図６】従来の燃料電池の掃気システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１      燃料電池システム
３      酸化剤ガス供給手段
４，４Ａ  掃気システム
１０    燃料電池
１０ａ  アノード電極
１０ｂ  カソード電極
１１    燃料ガス供給路
１２    酸化剤ガス供給路
１３，１３Ａ  掃気ガス導入路
１４    燃料ガス循環路
１５    掃気排出路（燃料排ガス路）
１６    掃気排出ガス吸入路
２１    遮断弁（遮断手段）
２３，２３Ａ  燃料循環用エゼクタ
２３ａ，４２ａ  ノズル部
２３Ａｂ，４２ｂ  吸引部
４０，４０Ａ  掃気導入部
４１    掃気導入弁
４２    掃気循環用エゼクタ（エゼクタ）
４３    掃気排出弁
４４    逆止弁
５０    気液分離器
６０    外部負荷回路
【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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【図６】
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