(57)【要約】【課題】複数のエゼクタを有する燃料電池システムにおいて、循環ガス流路の逆流防止弁が凍結するような低温環境下でも迅速な起動が行える燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、例えば固体高分子型の燃料電池１と、直列接続された小エゼクタ６と大エゼクタ５とを備えている。小エゼクタ６の吸込口６ｂは、アノード１ａの出口に接続されている。小エゼクタ６の吐出口６ｃは、大エゼクタ５の吸込口５ｂに接続されている。大エゼクタ５の吐出口５ｃは、アノード１ａの入口に接続されている。これらの接続により、アノード出口から、小エゼクタ６の吸込口６ｂ、小エゼクタ６の吐出口６ｃ、大エゼクタ５の吸込口５ｂ、大エゼクタ５の吐出口５ｃを経て、アノード１ａの入口に至る燃料ガス循環路が形成されている。小エゼクタ６には水素圧力調整弁３から直接水素が供給され、大エゼクタ５には、遮断弁４を介して水素が供給される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード出口から排出されたアノードオフガスに水素供給源から供給される水素を加えて、再びアノード入口へ供給する燃料ガス循環装置を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス循環装置として直列に配置された複数のエゼクタを備え、
各エゼクタの駆動流入口に前記水素供給源を接続し、
前記アノード出口と最上流のエゼクタの吸込口とを接続し、
最下流のエゼクタの吐出口と前記アノード入口とを接続し、
上流側のエゼクタの吐出口を下流側のエゼクタの吸込口に接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
複数のエゼクタは、それぞれ、寸法、又は最大昇圧値が得られる循環流量、又は駆動流量に対する循環流量の倍率が最大となる循環流量が異なるもの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。
【請求項３】
上流側のエゼクタのノズル開口面積が下流側のエゼクタのノズル開口面積より小さい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】
前記水素供給源から最上流のエゼクタの駆動流入口に至る経路には、遮断弁を設けず、前記水素供給源から他のエゼクタの駆動流入口に至る経路には、遮断弁を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池の暖機時を含む発電量の少ない運転領域では、最上流のエゼクタの駆動流入口に水素供給源から駆動流を供給し、他のエゼクタの駆動流入口に至る遮断弁を閉じて他のエゼクタを作動させないことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
最小発電量から連続的に燃料電池の発電量を増加させていく場合に、ノズル開口面積が小さいものから順に作動させるエゼクタの数を増加させてゆくことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
複数のエゼクタのうち圧損となっているエゼクタの昇圧量を負の値とするとき、最上流のエゼクタのスロート径は、燃料電池システムの燃料ガス循環流量の全ての流量領域において、全てのエゼクタの昇圧量の和が目標昇圧量以上となるスロート径の範囲から、その最小値を選択したことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記複数のエゼクタの各ノズル開口面積は、当該エゼクタにより循環させる最小循環流量時に最大水素供給圧にてチョークする開口面積を最小面積とし、当該エゼクタにより循環させる最大循環流量時に最大水素供給圧にてチョークする開口面積を最大面積としたときに、これら最小面積以上最大面積以下の面積に設定するとともに、各エゼクタのスロート径は、ノズル開口面積が最大のエゼクタのスロート径と等しくなるように設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記エゼクタと直列に、非作動時には流路が閉塞しない機械式の燃料ガス循環ポンプを設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
燃料電池アノード出口側から見た際に、前記燃料ガス循環ポンプを最初に配置し、次にノズル開口面積が小さい順に複数のエゼクタを配置したことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
窒素パージ弁を前記燃料ガス循環ポンプと前記エゼクタとの間に設けたことを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
エゼクタのみによって目標循環流量を達成できない場合、前記燃料ガス循環ポンプを作動させることで目標循環流量を達成することを特徴とする請求項９乃至請求項１１の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料ガス循環ポンプ可動部の凍結によって前記燃料ガス循環ポンプが起動できない場合は、エゼクタのみのアノードオフガス循環による発電を行うとともに、前記燃料ガス循環ポンプが解凍されるまで、燃料電池出力をエゼクタによって目標循環流量確保が可能な出力に制限することを特徴とする請求項１２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、燃料電池システムに係り、特に、アノードから排出された余剰燃料ガスを含むアノードオフガスをアノードへ再循環させる燃料ガス循環装置の性能を向上させた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから移動体用の電源として注目されている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、水素イオン伝導性電解質膜の両面にそれぞれ白金等を含有する触媒層を設け、その上に電子伝導性および通気性を有するガス拡散層を設ける。触媒層およびガス拡散層が燃料極（アノードまたは負極）と酸化剤極（カソードまたは正極）となる（例えば、特許文献１）。そして、燃料極、酸化剤極へセパレータに設けたガス供給溝から水素を含む燃料ガス、酸素を含む酸化剤ガスをそれぞれ供給して、以下の電気化学反応により発電を行っている。
【０００４】
［燃料極反応］：    Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋ ２ｅ-           …（化１）
［酸化剤極反応］：  ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-  ＋ 1/2Ｏ2 → Ｈ2Ｏ  …（化２）
また燃料電池システムにおいて、燃料電池本体の電解質端部まで燃料ガスの供給量を確保するために、発電に必要な流量より多くの燃料ガスを供給し、排出された未反応燃料ガス（循環ガス）を再度燃料電池に供給するためにエゼクタ（ジェットポンプ）を備えたものがある。
【０００５】
ところで、電動車両用の燃料電池システムにおいては、暖機時から定格出力時まで広範囲の出力に対応するために、最大流量が異なる２つのエゼクタを並列に配置したものがあった（たとえば、特許文献１、２）。
【特許文献１】特開２００１−２６６９２２号公報（第６頁、図３）
【特許文献２】特開２００３−３３８３０２号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、複数のエゼクタを並列に接続した場合は、作動していないエゼクタがあるときに、作動しているエゼクタによって昇圧されたガスが作動していないエゼクタの吐出口から吸込口を経て燃料電池出口側へ、燃料電池を通過することなく逆流することが避けられない。このため、少なくともエゼクタの数から１を減じた個数の逆止弁もしくは電磁弁を設けて逆流を回避しなければならない。
【０００７】
この逆止弁もしくは電磁弁は、エゼクタの吸込口手前の循環流路中に設ける必要があり、弁による圧損増大によって燃費が悪化することや、弁の数が増えることでのコスト増大・信頼性低下などの問題点があった。そして最大の弊害として、湿潤環境になっているアノード循環路に機械式弁を設けるために、氷点下でアノード循環路に残存する液水が凍結し、弁も凍結固着してしまうことで燃料電池システムが氷点下起動できないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記問題点を解決するために、本発明は、アノード出口から排出されたアノードオフガスに水素供給源から供給される水素を加えて、再びアノード入口へ供給する燃料ガス循環装置を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス循環装置として直列に配置された複数のエゼクタを備え、各エゼクタの駆動流入口に前記水素供給源を接続し、前記アノード出口と最上流のエゼクタの吸込口とを接続し、最下流のエゼクタの吐出口と前記アノード入口とを接続し、上流側のエゼクタの吐出口を下流側のエゼクタの吸込口に接続したことを要旨とする。
【０００９】
本発明においては、燃料ガス循環のための複数のエゼクタを直列に接続したので、燃料ガス循環路に燃料ガスの逆流を防止する弁を設ける必要が無くなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、湿潤環境である燃料ガス循環路中に逆止を防止するバルブを設ける必要がなくなり、氷点下環境下よるバルブの凍結固着を回避することができ、氷点下においても凍結部の解凍時間を設けることなく迅速に起動可能な燃料電池システムを提供することができるという効果がある。
【００１１】
また、バルブ個数の低減によるコスト低減、信頼性の向上、バルブの圧損による燃費悪化を回避することができるという効果がある。
【００１２】
これらすべての効果を、エゼクタを並列接続した場合に得られる効果、すなわち、燃料電池負荷に応じて作動させるエゼクタ本数を制御することで個々のエゼクタを最適作動点に限りなく近い条件（燃料噴射をチョークさせた状態等）で運転を行えるという効果をほとんど悪化させることなく実現できる。ここで、ほとんど悪化させることがない、という意味は、複数エゼクタが作動しているときに上流にて作動しているエゼクタから入れられた供給水素（燃料）が下流側で作動しているエゼクタにとっての負荷増大要因となり、下流側のエゼクタの循環性能が低下するが、負荷増加分（増加流量分）の流体は純水素なので密度が軽く、また、流量的にも中圧（燃料噴射部手前で圧力が高い部分）環境で数百［ＮＬ／ｍｉｎ］オーダーの流入であるため、アノード運転圧力下の体積に換算するとそれほど多い流量にはならないため、ほとんど負荷増大要因にならないという意味である。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、氷点下の戸外に駐車される燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
【実施例１】
【００１４】
本発明に係る燃料電池システムの実施例１として、２個のエゼクタを直列に燃料循環路に設けた燃料電池システムを説明する。エゼクタを２つ直列に設けた燃料電池システムにおいて、２つのエゼクタは寸法や性能に差をつけずに同じものを用いた場合でも１つのエゼクタのシステムよりも幅広い範囲で高い循環性能を確保できるが、本実施例では、本発明の最も特徴的な点である、寸法、又は性能が異なる２つのエゼクタを用いたシステムを説明する。ここで性能が異なるとは、最大昇圧値が得られる循環流量、又は駆動流量に対する循環流量の倍率が最大となる循環流量が異なるという意味である。
【００１５】
図１（ａ）において、実施例１の燃料電池システムは、例えば固体高分子型の燃料電池１と大エゼクタ５と小エゼクタ６とを備えている。小エゼクタ６と大エゼクタ５とは直列接続されている。
【００１６】
次に、燃料ガス経路について説明する。燃料電池１のアノード１ａには、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２に貯蔵された高圧水素ガスは、水素圧力調整弁３により適当な圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、遮断弁４を介して大エゼクタ５の駆動流入口５ａに供給されるとともに、小エゼクタ６の駆動流入口６ａに弁を介さずに直接供給される。小エゼクタ６の吸込口６ｂは、アノード１ａの出口に接続されている。小エゼクタ６の吐出口６ｃは、大エゼクタ５の吸込口５ｂに接続されている。大エゼクタ５の吐出口５ｃは、アノード１ａの入口に接続されている。これらの接続により、アノード出口から、小エゼクタ６の吸込口６ｂ、小エゼクタ６の吐出口６ｃ、大エゼクタ５の吸込口５ｂ、大エゼクタ５の吐出口５ｃを経て、アノード１ａの入口に至る燃料ガス循環路が形成されている。また、アノード１ａの出口から小エゼクタ６の吸込口６ｂに至る経路から分岐する経路にパージ弁（窒素パージ弁）７が設けられている。
【００１７】
次に、酸化剤ガス経路について説明する。コンプレッサ８は、酸化剤ガスとして空気を圧縮してカソード１ｂの入口へ供給する。カソード１ｂの出口には、カソードの酸化剤圧力を調整する空気圧力調整弁９が設けられている。
【００１８】
尚、運転中の燃料電池１の温度を適温に保つ冷却系と、燃料電池１からの電力取出しを制御する電力取出制御部が設けられているが、本発明の本質的な要素ではないので、図示を省略する。
【００１９】
次に図２を参照して、本発明で用いるエゼクタの内部構造と、エゼクタ性能を決定するためのノズル径およびスロート径について説明する。
【００２０】
図２において、エゼクタ２０は、比較的高圧の水素ガスが駆動流として供給される駆動流入口２１を備えている。駆動流入口２１は、供給水素ガスが噴射するノズル２２に連通している。ここでノズル２２の内径をノズル径Ｄｎとする。ノズル２２の周囲には、吸込室２３の空間が設けられ、吸い込み室２３は吸込口２４に連通している。またノズル２２の噴射方向には、ノズル２２と同軸上にスロート２５が設けられている。スロート２５は、ノズル径Ｄｎの数倍の内径であるスロート径Ｄｔを有する。スロート２５は、テーパ状に順次内径が拡大するデフューザ２６に接続し、デフューザ２６は、吐出口２７に接続している。
【００２１】
エゼクタ２０の駆動流入口２１に比較的高圧の水素ガスが供給されると、ノズル２２か高速水素ガス流が噴射される。この高速水素ガス流により発生する負圧で、吸込室２３内の循環ガスが吸引される。そして、水素ガスと吸引された循環ガスとの混合流がスロート２５に流れ込み、デフューザ２６で流速が低下し圧力が上昇する。この結果、吸込口２２の圧力より高い圧力の混合流が吐出口２７から排出される。本発明では、吐出口２７の圧力値から吸込口２４の圧力値を減じた値を昇圧量と呼んでいる。
【００２２】
次に、図３を参照して、小エゼクタのスロート径の選択方法をする。エゼクタ性能を決定するパラメータは、燃料電池が消費する水素流量（定常状態であれば、エゼクタに供給する水素流量に等しい）、そのときに必要な循環流量、循環流のガス密度、エゼクタのノズル径Ｄｎ（ノズル開口面積Ｓｎは、Ｄｎの２乗に比例）、エゼクタのスロート径Ｄｔである。エゼクタ昇圧量がアノード系全体の圧損より大きくなれば、要求される循環流量以上の循環流量が確保されることになる。
【００２３】
氷点下においても解凍待ちを行うことなく迅速に燃料電池システムを起動させて、低負荷の暖機運転を開始するためには、暖機運転時の循環流量がエゼクタのみで確保されればよい。その暖機運転時に、燃料電池出力に対応する水素流量を水素圧力調整弁３から小エゼクタ６のみに供給し、遮断弁４を閉じて大エゼクタ５には水素を供給しないとする。この暖機運転時の出力について小エゼクタ６の最適設計を行った場合、他の条件を固定して小エゼクタ６のスロート径Ｄｔのみを変えていくと、図３の細一点鎖線のグラフ（暖機運転時小エゼクタスロート径感度）となる。この暖機運転時の小エゼクタの昇圧量は、スロート径が約Φ４ｍｍ付近においてピークとなり、図３のΦ３ｍｍ〜Φ１０ｍｍの範囲において、暖機運転時の目標昇圧量以上の値が得られる。これを第１条件とする。しかしながら、スロート径がΦ１０ｍｍを超えると、暖機運転時の目標昇圧量を下回ることになる。
【００２４】
一方、定格運転時には循環流量が多くなるので、図３の太破線グラフ（定格時の小エゼクタ圧損スロート感度）のように、スロート径がΦ８．５ｍｍを超えるときに昇圧量が正（＋）、スロート径がΦ８．５ｍｍのときに昇圧量が０となり、Φ８．５ｍｍ未満では昇圧量が負（−）、即ち圧損となる。
【００２５】
しかし定格運転時には、大エゼクタも作動しているので、定格運転時における［小エゼクタの昇圧量＋大エゼクタの昇圧量］＝合計昇圧量は、図３の太実線となる。この定格運転時の合計昇圧量が定格運転時の目標昇圧量（細実線）以上となるのは、小エゼクタのスロート径がΦ８ｍｍ以上の範囲である。これを第２条件とする。
【００２６】
従って、小エゼクタのスロート径の選び方としては、第１条件と第２条件が共に成立する範囲であるΦ８ｍｍ〜Φ１０ｍｍの中からスロート径を設定すればよい。定格時以外の比較的高負荷点においても循環性能をより高く作動させるためには、上記の範囲の中で最も小さいもの、すなわちΦ８ｍｍを選定すればよい。
【００２７】
ここで、スロート径の成立範囲の中で最小の値（φ８ｍｍ）を選択する理由は、スロート径は小さいほど、低負荷側で最適作動しやすいからである。低負荷では少ない供給水素の駆動流量で少ない吸込流量（循環流量）を引っ張るという状態となり、この状態において高い昇圧量を得るためには、駆動流と吸込流とのミキシング（２流体の合流後の接触状態）をうまく行ってやる必要があります。つまり合流後の径を小さく絞った方がミキシングしやすいので運動量交換が効率よく行えるため、低負荷側で最適作動させたければスロート径は小さいほうが良いという考え方である。しかし、絞りすぎると大流量側で圧損になってしまうため運転領域の広い（循環流量の範囲が広い）燃料電池システムにおいては、低負荷をカバーするためにスロート径を小さくしたいが、大流量の循環流量が流れる運転時には圧損要素にしたくない、というようなトレードオフの考え方が必要となる。
【００２８】
φ８ｍｍを選択する理由は、燃料電池の定格出力時（最大循環流量時）に、他のエゼクタと組み合わせた合計昇圧量が目標昇圧量以上となれば、あとは定格出力未満の運転条件において、できるだけ高い昇圧を小エゼクタで行いたいため、図３の黒両矢印で示されるスロート径範囲の中でも最小のスロート径を小エゼクタのスロート径として選択する。
【００２９】
次に、ノズル径の選定方法を説明する。図４は、エゼクタの各種ノズル径による水素供給圧に対する供給水素流量と、暖機に必要な供給水素流量とを図示したものである。図４に示すように、水素圧力調整弁３から小エゼクタ６の駆動流入口６ａに供給される水素圧力（最大元圧）によって、暖機運転時に必要な供給水素流量を流せるノズル径φ０．８ｍｍよりも大きいものを選定する。さらに図５に示すように、暖機運転時の目標昇圧量を満足する最大ノズル径φ２．０ｍｍよりも小さいものを選定する。
【００３０】
このφ０．８ｍｍ〜φ２．０ｍｍの範囲内で、どのノズル径を選択するかは、図７のように大エゼクタの作動を開始する点Ｐａをどこにもってきたいかで決定すればよい。φ０．８ｍｍ〜φ２．０ｍｍの間でノズル径の小さいものを選ぶと、大エゼクタ作動開始点は低出力側にシフトし、大きいノズル径を選択すれば大エゼクタ作動開始点は高出力側へシフトする。この決定基準は対象としているアノード循環系の圧損特性によるものであり、基本的には全域をエゼクタのみでカバーできるノズル径にしてやればよく、図６のグラフで言えば曲線Ｃ（細一点鎖線）の、大エゼクタノズル径１．５ｍｍ、小エゼクタノズル径１．２ｍｍというノズル径配分にしてやればよい。小エゼクタのノズル径を決定すると、残りの大エゼクタのノズル径は必然的に決定される。
【００３１】
なぜならば、定格出力時に必要な供給水素流量は決まっていて、水素供給源から供給される水素圧力（元圧）が同じであるために、大・小エゼクタノズルへ配分される供給水素流量は管摩擦などによる諸損失を無視すればノズル開口面積比で配分されるため、小エゼクタノズルが決まると大エゼクタのノズル径は必然的に決定される。
【００３２】
次に図１（ａ）の燃料電池システムにおいて、暖機運転時出力（最小出力）から定格出力（最大出力）まで、連続的に燃料電池出力を上げていく様子を説明する。図７は、２つの直列エゼクタを備えた燃料電池システムの全ての負荷領域における、あるノズル径配分によるエゼクタの作動状況を示したものである。図７の横軸は燃料電池出力（負荷）であり、縦軸は各エゼクタの昇圧量（負の値は圧損）及び全エゼクタの合計昇圧量を示す。
【００３３】
まず、水素圧力調整弁３の作動開始によって水素タンク２から水素供給を開始すると、最小出力から１本目のエゼクタである小エゼクタ６が作動する。徐々に出力が上がるにつれて供給水素流量が増加してゆき、それに伴って小エゼクタ６の昇圧性能も上がってゆく。そのとき、大エゼクタ５には全く水素供給されていないため、大エゼクタ５は単なる流路なので圧損要素となっている。小エゼクタ６は、この大エゼクタ５の圧損分も含めて昇圧させる必要がある。
【００３４】
燃料電池出力が増加し、ある出力点Ｐａまで達すると、小エゼクタ６のノズル手前の圧力（水素圧力調整弁３の下流圧）、すなわち水素供給圧力は最大元圧まで達し、小エゼクタ６のノズル径ではこれ以上の供給水素を通過させられないという出力点まで来る。これを小エゼクタノズル手前の圧力値が最大元圧と等しくなったことを検知することによって認識し、大エゼクタ５のノズル手前にある遮断弁４を開き、大エゼクタ５の作動を開始させる。そこから大エゼクタ５も昇圧動作を開始し、小エゼクタ６にも水素供給されているために２つのエゼクタが同時に昇圧を行い、これらの合計昇圧量が目標昇圧量（アノード系圧損特性）を超えるような作動を行う。
【００３５】
こうすることで、１つのエゼクタでは循環させられなかった低負荷領域もカバーしつつ高負荷領域までカバーする。結果としてエゼクタ並列接続と同等の効果を逆止弁なしで実現できるため、逆止弁の凍結固着を回避し迅速な氷点下の燃料電池システム起動が可能となる。エゼクタノズルの凍結については、ノズルを通過する水素ガスがドライであるためにノズル内部は考慮する必要が無い。ノズルの外側については、吸込室等の循環ガス流路に付着するスタック生成水（液水）が凍結することによるノズル開口部閉塞に対しては、運転停止直前にドライ水素によってアノード系内を掃気して除去するなどのオペレーションを入れて回避することができる。ほとんど液水が発生しないシステムであればそのようなオペレーションを入れる必要は無い。また、エゼクタの配置方法やレイアウトによって回避する方法もあり、ノズルが下向きになるようなエゼクタレイアウトではノズルの先端に液水が滴って氷柱状の凍結が起こる可能性があるため、ノズルの向きは下向き以外になるようレイアウトすることも有効な手段である。
【実施例２】
【００３６】
次に、実施例２を説明する。図１（ｂ）は、実施例２の燃料電池システムの構成図である。図１（ａ）に示した実施例１の構成との相違は、機械式の燃料ガス循環ポンプ１０が追加されていることである。その他の構成は、図１（ａ）と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３７】
燃料ガス循環ポンプ１０は、アノード１ａの出口と小エゼクタ６の吸込口６ｂとの間、かつパージ弁７の上流に配置されている。燃料ガス循環ポンプ１０は、凍結して作動できない場合にもガス流路が閉塞しない形式の機械式ポンプである。このタイプのポンプとしては、一般に速度式ポンプと呼ばれ、回転羽根で流体に運動エネルギーを与えて速度を圧力に変化する形式のポンプであり、例えば、渦流式ポンプ、遠心式ポンプなどが相当する。
【００３８】
そして、部分的に昇圧量（循環流量）が不足するような循環ガス流量（或いは発電出力）領域のみ、燃料ガス循環ポンプ１０を作動させる。これにより、燃料ガス循環ポンプ１０の作動頻度を大幅に抑えられるため、耐久性及び信頼性の向上、ポンプ作動音及び振動を低減させる効果などが得られる。また、アノード運転圧力が低い運転領域において、窒素パージが十分に行なえない場合には、一時的に燃料ガス循環ポンプ１０の出力を高めることで燃料ガス循環ポンプ１０と小エゼクタ６との間の空間の圧力を高め、窒素パージ流量を確保することができる。
【００３９】
尚、燃料ガス循環ポンプ１０の可動部の凍結によって燃料ガス循環ポンプ１０が起動できない場合は、エゼクタのみのアノードオフガス循環による発電を行うとともに、燃料ガス循環ポンプ１０が解凍されるまで、燃料電池出力をエゼクタのみによって目標循環流量確保が可能な出力に制限するように、電力取出制御部により燃料電池出力を制限する。この燃料電池出力制限中に、燃料ガス循環ポンプの解凍等の制御を行う。このように、燃料ガス循環ポンプ１０が凍結してもエゼクタのみにより循環可能な燃料電池出力までは発電を行うことができるので、本発明を燃料電池車両に適用した場合、起動後直ちにある程度の速度で車両を走行させることができ、ドライバに不快な解凍待ち時間を与えないという効果がある。
【００４０】
このような燃料ガス循環ポンプを導入することで、氷点下の起動性と、燃料ガス循環制御の自由度向上、及びシステム条件によってはエゼクタだけでは要求循環流量を確保できない燃料電池出力範囲において循環流量を確保することとを両立することができるという効果がある。
【００４１】
また、燃料電池出口側から見た際に、最上流に燃料ガス循環ポンプを設けることで、燃料ガス循環ポンプの循環流量に、エゼクタから供給されてくる供給水素が追加されることがないため、ポンプ負荷を低減させることができ、回転数を下げて運転できることによる音振低下、燃費向上、ポンプ寿命の向上などの効果がある。
【００４２】
さらに、燃料ガス循環ポンプの下流にパージ弁を設けるのは、アノード系内圧力が低いときには、大気圧との差圧がほとんどないために十分な窒素パージが行えない場合があるが、燃料ガス循環ポンプの出力を一時的に高めてポンプ下流圧を高めることで、十分なパージを可能とするというう効果がある。また、エゼクタの手前にパージ弁を設けることで、エゼクタから供給される水素を一緒にアノード系外へ排出することを回避し、パージによる燃費効率の低下を抑制するという効果がある。
【実施例３】
【００４３】
次に、実施例３を説明する。本発明における直列接続された複数のエゼクタは、２つのみに限らず、３つ以上のエゼクタでも適用可能である。エゼクタの数を増やせば増やすほど、各エゼクタの形状を細かくふることができるため、より最適作動点に近い条件で個々のエゼクタをそれぞれ作動させることができ、全体的に高い循環性能を確保できるが、コスト、スペースなどの問題で数が限られてしまう。
【００４４】
図８は、３エゼクタを直列接続した構成の燃料電池システムの構成を説明する構成図である。図８において、実施例３の燃料電池システムは、例えば固体高分子型の燃料電池１と、直列接続された大エゼクタ５と中エゼクタ１２と小エゼクタ６とを備えている。
【００４５】
次に、燃料ガス経路について説明する。燃料電池１のアノード１ａには、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク２に貯蔵された高圧水素ガスは、水素圧力調整弁３により適当な圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、遮断弁４を介して大エゼクタ５の駆動流入口５ａに供給され、遮断弁１１を介して中エゼクタ１２の駆動流入口１２ａに供給され、小エゼクタ６の駆動流入口６ａに弁を介さずに直接供給される。
【００４６】
小エゼクタ６の吸込口６ｂは、アノード１ａの出口に接続されている。小エゼクタ６の吐出口６ｃは、中エゼクタ１２の吸込口１２ｂに接続されている。中エゼクタ１２の吐出口１２ｃは、大エゼクタ５の吸込口５ｂに接続されている。大エゼクタ５の吐出口５ｃは、アノード１ａの入口に接続されている。これらの接続により、アノード１ａの出口から、小エゼクタ６の吸込口６ｂ、小エゼクタ６の吐出口６ｃ、中エゼクタ１２の吸込口１２ｂ、中エゼクタ１２の吐出口１２ｃ、大エゼクタ５の吸込口５ｂ、大エゼクタ５の吐出口５ｃを経て、アノード１ａの入口に至る燃料ガス循環路が形成されている。また、アノード１ａの出口から小エゼクタ６の吸込口６ｂに至る経路から分岐する経路にパージ弁７が設けられている。
【００４７】
次に、酸化剤ガス経路について説明する。コンプレッサ８は、酸化剤ガスとして空気を圧縮してカソード１ｂの入口へ供給する。カソード１ｂの出口には、カソードの酸化剤圧力を調整する空気圧力調整弁９が設けられている。
【００４８】
尚、運転中の燃料電池１の温度を適温に保つ冷却系と、燃料電池１から電力を取り出す電力系が設けられているが、本発明の本質的な要素ではないので、図示を省略する。尚、図１（ｂ）と同様に、アノード１ａの出口と小エゼクタ６の吸込口６ｂとの間、かつパージ弁７の上流に、機械式の燃料ガス循環ポンプ１０を配置してもよい。
【００４９】
ここで、各エゼクタのノズル開口面積は、小エゼクタのノズル開口面積が最小であり、大エゼクタのノズル開口面積が最大となり、中エゼクタのノズル開口面積は、最大と最小の間である。
【００５０】
複数のエゼクタを作動させている場合において、上流側で作動しているエゼクタの燃料噴射部分から流入してくる供給水素が、下流側で作動しているエゼクタの循環流路を通過する（吸い込まれる）必要があるために、下流側で作動しているエゼクタにとっては負荷増大要因となり、昇圧量が減少したり、最悪の場合、下流側のエゼクタは単なる圧損要素としてってしまう。しかしノズル開口面積が小さい順に上流からエゼクタを設けることで、複数が同時に作動している際には常に下流側のエゼクタの方に多い供給水素が流れ込むため、バランス的に下流側のエゼクタが高い循環性能を確保するようになり、上流側から流入した供給水素による負荷の増大の影響をほとんど受けずに作動させることができる。
【００５１】
次に、図９を参照して、実施例３の制御方法を説明する。図９は、３つの直列エゼクタを備えた燃料電池システムにおける燃料電池出力に対する各エゼクタの作動状況を説明する図である。図９の横軸は燃料電池出力（負荷）であり、縦軸は各エゼクタの昇圧量（負の値は圧損）及び全エゼクタの合計昇圧量を示す。
【００５２】
実施例３の制御方法は、ほとんど２つエゼクタの場合と同様である。まず暖機運転時から燃料電池の出力が小さい間は、小エゼクタ６のみを作動させ、遮断弁４，１１は閉じた状態として、中エゼクタ１１及び大エゼクタ５は単に循環流路（圧損要素）となる。燃料電池出力がさらに増加し、小エゼクタ６のノズル手前の圧力が最大元圧まで達したら（このときの燃料電池出力をＰ１とする）、中エゼクタ１２のノズル手前の遮断弁１１を開き、中エゼクタの作動を開始させる。中エゼクタ１２を作動させたことで一旦ノズル手前の圧力は下がる。さらに燃料電池出力が増加して、再び小エゼクタ６のノズル（もしくは中エゼクタ１２のノズル）手前の圧力が最大元圧まで達すると（このときの燃料電池出力をＰ２とする）、遮断弁４も開いて大エゼクタ５への水素供給を開始し、３つ全部のエゼクタを作動させる。
【００５３】
燃料電池システムの運転中は、常にノズル開口面積が最小のエゼクタ（小エゼクタ）を作動させるように、小エゼクタの駆動流入口には、遮断弁を設けない構成とすることにより、それだけで遮断弁を１つ削減できるため、信頼性向上・コスト低減の効果がある。
【００５４】
また、ノズル開口面積が最小のエゼクタをいつも作動させておくことで、高負荷時に多い循環流量が流れたときに、昇圧量が減ることはあっても最小のエゼクタが圧損要素にはならないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（ａ）２つの直列エゼクタを備えた実施例１の燃料電池システムの構成図である。（ｂ）２つの直列エゼクタと機械式燃料ガス循環ポンプを備えた実施例２の燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明で用いるエゼクタの内部構造例を示すエゼクタの模式断面図である。
【図３】実施例１における小エゼクタのスロート径の設計範囲を説明する図である。
【図４】実施例１における暖機時に必要な供給水素量と小エゼクタのノズル径との関係を説明する図である。
【図５】実施例１における暖機時に必要な昇圧量と小エゼクタのノズル径との関係を説明する図である。
【図６】実施例１における燃料電池出力に対する小エゼクタと大エゼクタの各ノズル径による昇圧量とアノード系圧損特性を示す図である。
【図７】実施例１における燃料電池出力に対する小エゼクタと大エゼクタの作動状況を説明する図である。
【図８】３つの直列エゼクタを備えた実施例３の燃料電池システムの構成図である。
【図９】実施例３における燃料電池出力に対する小エゼクタ、中エゼクタ、大エゼクタの各作動状況を説明する図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  燃料電池
１ａ  アノード
１ｂ  カソード
２  水素タンク
３  水素圧力調整弁
４  遮断弁
５  大エゼクタ
６  小エゼクタ
７  パージ弁
８  コンプレッサ
９  空気圧力調整弁
１０  燃料ガス循環ポンプ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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