(57)【要約】【課題】逆止弁の順方向の圧力損失を最小限に抑えて、燃料電池に供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比を大きくし、燃料電池システムの運転性を向上させる。【解決手段】燃料電池スタック２７には、高圧燃料ガスタンク２１から高圧の燃料ガスを燃料供給管２５を通じて供給する。燃料電池スタック２７から排出される燃料は、燃料排出管２９からガス循環配管３１を経て燃料供給管２５に戻す。ガス循環配管３１は、２本の並列配管３５，３７を有し、この各並列配管３５，３７に、ガス循環ポンプ３９，４１および逆止弁４３，４５をそれぞれ設ける。逆止弁４３，４５は、弁ケース内部に、重力の作用により移動可能な弁体部を有し、燃料ガスの順方向流れの向きが重力の作用の方向とほぼ逆になるように配置する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を燃料極と酸化剤極との間に配置した単電池を有する燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記燃料電池で余った燃料ガスを外部に排出する燃料排出管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、前記燃料電池で余った酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤排出管と、前記燃料排出管あるいは前記酸化剤排出管から前記燃料電池外に排出した余剰の燃料ガスあるいは酸化剤ガスを、再度前記燃料電池の入口側に送り込む互いに並列配置された複数のガス循環ポンプおよびガス循環配管と、前記ガス循環配管の途中または、前記燃料供給管あるいは酸化剤供給管の途中のいずれかに配置されて順方向流れで連通する一方、逆方向流れで遮断する逆止弁と、をそれぞれ備え、前記逆止弁は、弁ケース内部に重力の作用により移動可能な弁体部を有し、この逆止弁を、順方向流れの向きが重力の作用の方向とほぼ逆になるように配置したことを特徴とする燃料電池システムのガス循環装置。
【請求項２】
前記逆止弁は、その内部の中心軸上にてガイド棒を前記弁ケースに固定し、前記弁体部は、前記ガイド棒に沿って移動可能となるガイド棒挿入孔を備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムのガス循環装置。
【請求項３】
前記ガス循環ポンプとしてイジェクタを用い、このイジェクタを、互いに並列配置した複数の前記燃料供給管あるいは互いに並列配置した複数の前記酸化剤供給管と、前記ガス循環配管との合流部にそれぞれ設け、前記イジェクタの上流側の前記燃料供給管あるいは前記酸化剤供給管に遮断弁を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システムのガス循環装置。
【請求項４】
前記複数のイジェクタはノズル径が互いに異なり、ノズル径最小のイジェクタ側については、前記逆止弁および前記遮断弁を設けないことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムのガス循環装置。
【請求項５】
前記複数のイジェクタは、径の異なる複数のノズル部を備えるとともに、前記複数のノズル部のそれぞれに対応する複数のディフューザ部、および複数の排出口をそれぞれ内蔵し、さらに前記ガス循環配管に接続する吸込口を１箇所としたボディ一体型で構成し、前記イジェクタの排出口と前記燃料電池入口との間に、前記逆止弁を設けたことを特徴とする請求項３または４記載の燃料電池システムのガス循環装置。
【請求項６】
前記複数のノズル部のうち最小径のノズル部を、前記ボディ一体型のイジェクタの吸込口に最も近い位置に配置し、ノズル径が大きいノズル部ほど前記吸込口から遠ざかるように配置することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムのガス循環装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料電池システムのガス循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、特許文献１に記載のものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−４２５００号公報
【０００４】
これは、２以上のイジェクタを連設する際に、各イジェクタの吸込口につながるポート内に、吸込口から作動流体が流れ出さないように逆流防止手段を備えている。これにより各イジェクタでの吸込み性能の低下を防ぎ、より多くのガスを排出できるようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来のものでは、作動流体の逆流防止手段として、ばね力によって弁体をシート部に押し付ける一般的な逆止弁を用いた場合、作動流体が順方向に流れる際に、上記のばね力を上回る前後差圧が常に発生することになる。
【０００６】
このような前後差圧による大きな圧力損失は、イジェクタの吸込み性能を大きく低下させてしまう。この結果、イジェクタからの排出流量が低下し、燃料電池に適用した場合には、供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比であるストイキ比が小さくなり、燃料電池システムの運転性が低下する。
【０００７】
そこで、この発明は、逆止弁の順方向流れの圧力損失を最小限に抑えて、燃料電池に供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比を大きくし、燃料電池システムの運転性を向上させることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、電解質膜を燃料極と酸化剤極との間に配置した単電池を有する燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給管と、前記燃料電池で余った燃料ガスを外部に排出する燃料排出管と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給管と、前記燃料電池で余った酸化剤ガスを外部に排出する酸化剤排出管と、前記燃料排出管あるいは前記酸化剤排出管から前記燃料電池外に排出した余剰の燃料ガスあるいは酸化剤ガスを、再度前記燃料電池の入口側に送り込む互いに並列配置された複数のガス循環ポンプおよびガス循環配管と、前記ガス循環配管の途中または、前記燃料供給管あるいは酸化剤供給管の途中のいずれかに配置されて順方向流れで連通する一方、逆方向流れで遮断する逆止弁と、をそれぞれ備え、前記逆止弁は、弁ケース内部に重力の作用により移動可能な弁体部を有し、この逆止弁を、順方向流れの向きが重力の作用の方向とほぼ逆になるように配置した構成としてある。
【０００９】
【発明の効果】
この発明によれば、弁ケース内部に重力の作用により移動可能な弁体部を有する逆止弁を、順方向流れの向きが重力の作用の方向とほぼ逆になるように配置したので、内部にばね要素を持たない逆止弁を用いることができて、逆止弁における順方向流れの圧力損失を最小限に抑えることができ、燃料電池に供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比が大きくなり、燃料電池システムの運転性を向上させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１２は、固体高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）における単電池１の構成を示している。この単電池１の中心に、イオン導電性を有する電解質膜としての固体高分子膜３を配置し、その両側に、燃料極であるアノード電極５と、酸化剤極であるカソード電極７とをそれぞれ配置する。
【００１２】
アノード電極５およびカソード電極７のそれぞれの外側には、アノード電極５に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給溝９およびカソード電極７に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１１を設ける。さらに各供給溝９および１１の外側には、導電性を有するガス不透過性のアノードセパレータ１３およびカソードセパレータ１５をそれぞれ配置し、アノードセパレータ１３のさらに外側には、導電性を有するガスおよび水不透過性の水セパレータ１７を配置する。
【００１３】
そして、上記した水セパレータ１７のさらに外側に、発電に伴って発生する余分の熱を取り除くことにより、燃料電池の温度を適正に保つための冷却水を流す冷却水供給溝１９を設ける。
【００１４】
以上のような固体高分子電解質型の燃料電池においては、アノード電極５に燃料ガスを、カソード電極７に酸化剤ガスをそれぞれ供給すると、単電池１における一対の電極間での電気化学反応により、以下のように起電力が生じる。
【００１５】
アノード反応：　　Ｈ２　→　２Ｈ＋　＋　２ｅ−
カソード反応：　　２Ｈ＋　＋　（１／２）Ｏ２　＋　２ｅ−　→　２Ｈ２Ｏ
すなわち、通常、燃料ガスとしては水素を使用し、酸化剤ガスとしては空気を使用するが、まず、アノード電極５に水素、カソード電極７に空気をそれぞれ供給すると、アノード電極５では、供給された水素は水素イオンと電子に解離する。そして水素イオンは固体高分子膜３を通り、電子は外部回路を通って、それぞれカソード電極７に移動する。
【００１６】
一方、カソード電極７においては、供給された空気中の酸素と上記水素イオンと電子が反応して水を生成する。このとき外部回路を通った電子は電流となり電力を供給することができる。つまり、アノード電極５およびカソード電極７においては、それぞれ上述した化学反応式に示す反応が進行する。なお、生成された水は未反応ガスとともに電池外に排出される。
【００１７】
ところで、単電池１の起電力は１Ｖ以下と低いため、数十〜数百枚の単電池１を積層して燃料電池スタックを構成し、この燃料電池スタックによる発電を行なっている。
【００１８】
固体高分子膜３としては、例えば、プロトン交換膜であるパーフルオロロカーボンスルホン酸膜（Ｎａｆｉｏｎ：米国デュポン社の登録商標）が知られている。この膜は、分子中に水素イオンの交換基をもち、飽和含水することによりイオン導電性電解質として機能するとともに、燃料と酸化剤とを分離する機能も有する。逆に、膜の含水量が少なくなるとイオン抵抗が高くなり、燃料と酸化剤とが混合するクロスオーバが発生し、電池での発電が不可能となる。このため、固体高分子膜３は飽和含水としておくことが望ましい。
【００１９】
発電によりアノード電極５で分離した水素イオンが、固体高分子膜３を通りカソード電極７に移動するときに、水も一緒に移動するために、アノード電極５側では固体高分子膜３は乾燥する傾向にある。また、供給する水素または空気に含まれる水蒸気が少ないと、それぞれの反応ガス入口付近で固体高分子膜３は乾燥する傾向にある。
【００２０】
上記の理由から、予め加湿した燃料と酸化剤を供給すること、もしくは燃料電池内で反応生成された水を使っての固体高分子膜３の湿潤を行う。
【００２１】
また、上記の積層された燃料電池スタックの各単電池１に、反応ガスを不足しないように充分な量を供給してすべての単電池１での高い発電効率を維持するためには、実際に電気化学反応に必要な反応ガス量より多くの反応ガスを、燃料電池スタックに供給する必要がある。
【００２２】
このとき余剰のガスが燃料電池スタックから排出されることになるが、これを未利用のまま無駄に捨てるのではなく、ガス循環経路を設けて再び燃料電池スタック入口側に戻すことで、燃料消費率を悪化させずに燃料電池スタックへの流入反応ガス量を確保する方法をとる。
【００２３】
また、上記の必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量との比のことを、「ストイキ比」と呼んでおり、上記の説明のようにこの「ストイキ比」は、１以上の値をとるのが普通であり、それを確保するために本燃料電池システムでは、ガス循環ポンプを使用する。
【００２４】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【００２５】
高圧燃料ガスタンク２１から高圧の燃料ガスを取り出し、圧力調整弁２３で適正な圧力まで減圧する。この減圧した燃料ガスを、燃料供給管２５を通じて燃料電池スタック２７の燃料極へと供給するとともに、図には示されていないが空気などの酸化剤ガスも酸化剤ガス供給管を通じて燃料電池スタック２７の酸化剤極に送り込む。これにより、電池内部での電気化学的反応により燃料ガスの持つ化学結合のエネルギが電気エネルギに変換される。
【００２６】
電気化学的反応に携わらなかった余剰の燃料ガスおよび酸化剤ガスは燃料電池スタック２７から、燃料排出管２９および図示しない酸化剤排出管からそれぞれ排出される。そして、本実施形態では、上記した燃料排出管２９と燃料供給管２５とを、ガス循環配管３１で接続し、上記した余剰の燃料ガスをこのガス循環配管３１を通して燃料供給配管２５に戻している。
【００２７】
なお、ここでは、燃料ガスを、ガス循環配管３１を通じて燃料供給配管２５を経て燃料電池スタック２７に戻す例を示しているが、酸化剤ガスについても、以下に説明する燃料ガスの場合と同様にして燃料電池スタック２７に戻すことができる。
【００２８】
ガス循環配配管３１は、燃料排出管２９側の共通配管３３と、この共通配管３３と燃料供給配管２５とを並列に接続する２本の並列配管３５，３７とを有する。各並列配管３５，３７には、燃料電池スタック２７から排出した燃料ガスを吸入して燃料供給管２５側に吐出するガス循環ポンプ３９，４１をそれぞれ配置してある。
【００２９】
すなわち、この第１の実施形態は、燃料排出管２９から燃料電池スタック２７外に排出した余剰の燃料ガスを、再び燃料電池スタック２７の入口側に送り込むための複数のガス循環ポンプ３９，４１およびガス循環配管３１を有する。
【００３０】
なお、上記した各ガス循環ポンプ３９，４１は、一方の例えばガス循環ポンプ３９を小流量タイプとし、他方のガス循環ポンプ４１を大流量タイプとする。
【００３１】
さらに、上記した各並列配管３５，３７には逆止弁４３，４５を設置している。この逆止弁４３，４５は、燃料ガスの順方向流れの向き（図１中で矢印ａ，ｂで示す上向き）が、重力が作用する向き（図１中で矢印ｇで示す下向き）とほぼ逆になるように配置してある。
【００３２】
また、共通配管３３と燃料排出管２９との接続部より下流側の燃料排出管２９には、パージ弁４７を設けてある。このパージ弁４７は、燃料電池スタック２７内のガス通路のパージが必要になった場合に開くことによって、燃料電池スタック２７内のガス通路の水閉塞を防ぐ役目を果たす。
【００３３】
図２は、上記した逆止弁４３，４５の内部構造を示す斜視図である。
【００３４】
余剰燃料ガスは流入管４９から弁ケース５１に入り、流出管５３に出ていくことになるが、これが流れの順方向であり、この流れの順方向が、重力の作用の方向とほぼ逆になるように全体を固定してある。
【００３５】
弁ケース５１は、円筒部５１ａと、円筒部５１ａの上下両端に装着してある端板５１ｂ，５１ｃとを備えて全体として円筒形状となっている。そして、各端板５１ｃおよび５１ｂに、前記した流入管４９および流出管５３をそれぞれ接続する。下部の端板５１ｃには、流入管４９に連通する貫通孔５５を形成するとともに、上部の端板５１ｂについても、図示していないが流出管５３に連通する貫通孔を形成してある。
【００３６】
弁ケース５１の内部には、逆方向の流れ（図２中で下方に向く流れ）を防止するための弁体部としての弁本体５７を収容してある。弁本体５７は、図２中で下部側が先細となる円錐弁部５９を備え、この円錐弁部５９の上部には円板部６１を設けてある。
【００３７】
上記した弁本体５７の中心部には、上部の円板部６１側からガイド棒挿入孔６１ａを設けてあり、このガイド棒挿入孔６１ａには、弁ケース５１側に後述する方法で固定してあるガイド棒６３を挿入してあり、弁本体５７は、このガイド棒６３に沿って図２中で上下に移動可能である。ガイド棒６３は、その上端を、弁ケース５１の上部内面に固定してあるガイド棒取付具６５の中心部に固定してある。すなわち、このガイド棒６３は、逆止弁内部の中心軸上にて弁ケース５１に固定してある。
【００３８】
弁本体５７は、重力によってガイド棒６３に沿って下方に移動し、円錐弁部５９の先端側が端板５１ｃに形成してある貫通孔５５に入り込み、その周囲の弁シート６７に密着することで、図２中で下方に向かう逆方向流れが阻止される。この弁シート６７と円錐弁部５９との間のすき間面積が、燃料ガスの順方向の通過流量に応じて弁本体５７が上下にスライドすることで変化することになる。
【００３９】
燃料ガスの順方向流れの流路抵抗をできるだけ少なくするためには、可動部である弁本体５７を、軽金属や樹脂などの比重の小さい材質で成型した部品とすることが望ましい。
【００４０】
図３は、上記した第１の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置におけるガス循環ポンプ３９，４１の動きを制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００４１】
まず、燃料電池スタック２７へ循環する燃料ガスの流量が小さい場合には、小流量タイプのガス循環ポンプ（以下小流量ポンプとする）３９のみを稼動させ、その回転数を制御することで循環流量を調整する（ステップ３０１）。次に、小流量ポンプ３９の安定吐出可能流量の上限に到達、つまりポンプの回転数が許容最大値に到達したかを判定する（ステップ３０３）。
【００４２】
ここで、最大値に達していない場合には、引き続き小流量ポンプ３９のみの流量調整が可能であるとして、上記ステップ３０１に戻って流量調整を継続する。逆に、最大値に達している場合は、小流量ポンプ３９では要求循環流量が確保できないため、小流量ポンプ３９を停止するとともに、その代わりに大流量タイプのガス循環ポンプ（以下大流量ポンプとする）４１の運転を開始する（ステップ３０５）。
【００４３】
そして、大流量ポンプ４１の回転数を制御することで循環流量を調整し（ステップ３０７）、その後大流量ポンプ４１の安定吐出可能流量が下限値に到達、つまりポンプの回転数が許容下限値に到達したかを判定する（ステップ３０９）。ここで、また下限値に達していない場合は、引き続き大流量ポンプ４１での流量制御が可能であるとして上記ステップ３０７に戻って流量調整が継続する。逆に、下限値に達している場合には、大流量ポンプ４１を停止し、前記ステップ３０１に戻って再び小流量ポンプ３９のみでの流量調整に移行する。
【００４４】
そして、各ポンプ９１，４１を駆動して燃料ガスを順方向に流す際には、図２に示してある逆止弁４３，４５において、燃料ガスの圧力により弁本体５７が上昇し、円錐弁部５９が弁シート６７から離れることになる。
【００４５】
上記した第１の実施形態によれば、逆止弁４３，４５は、弁本体５７が、重力によって弁シート６７に密着する状態から、燃料ガス圧によって上昇移動するものであり、内部にばね要素を一切持たない構造であるため、逆止弁４３，４５の順方向の圧力損失は最小限に抑えることができる。
【００４６】
この結果、燃料電池スタック２７に供給する必要反応ガス量に対する実際の流入反応ガス量の比、すなわち「ストイキ比」を大きくして燃料電池システムの運転性を向上させることができる。
【００４７】
また、複数のガス循環ポンプ３９，４１の組み合わせにより、幅広い流量範囲にわたってのガス循環を実現することができる。
【００４８】
さらに、逆止弁４３，４５として、ばね要素を持たずに重力のみでシールするようなボールチェック弁を用いた場合には、圧力損失は最小限に抑えることができるが、逆止弁の設置の向きが多少変化した場合や、移動体適用時などで前後左右の慣性力が作用する環境下に置かれた場合などには、ボールがシール位置に完全に戻ることが難しく、つまり逆方向のシール性能が低下してしまい、ガス循環配管を逆流する流れが発生して、ガス循環ポンプからの排出流量が低下し、ストイキ比を高く維持できることが困難となる。
【００４９】
一方、本実施形態では、逆止弁４３，４５の設置向きが多少変化した場合や、前後左右に慣性力が作用する環境下で使用される場合でも、弁ケース５１内部のガイド棒６３に沿うように弁本体５７の運動の方向を制限できる。このため、逆方向の密閉を確実に行えるようになって並列配管３５または３７中のガスの逆流をほぼ完全に阻止すること、言い換えればポンプから吐出された燃料ガスを、燃料電池スタック２７へ確実に送り込むことができる。
【００５０】
したがって、どのような運転状態、環境条件下においても高いストイキ比を維持することが可能となり、結果的に燃料電池システムの運転性、信頼性の向上が可能となる。
【００５１】
さらに、上述のような逆止弁４３，４５は、電制弁のように外部からの電力供給を必要としないことから、消費電力の低減、装置の簡素化をも可能とする。
【００５２】
なお、上記した実施形態では、ガス循環配管として二つの並列配管３５，３７を設けるとともに、二つのガス循環ポンプ３９，４１を設ける構成としたが、それぞれ三つ以上設ける燃料電池システムにも適用できる。
【００５３】
図４は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【００５４】
本実施形態では、２系統の燃料供給管６９，７１を互いに並列に設け、この燃料供給管６９，７１と、ガス循環配管３１の並列配管３５，３７との各接続部に、イジェクタ７３，７５を、前記図１のガス循環ポンプ３９，４１に代えて設置してある。このイジェクタ７３，７５は、ノズルで高速噴流を作り出してその周囲に発生する負圧を利用してガスを吸引するものであり、各イジェクタ７３，７５へのガス供給口の上流側の燃料供給管６９，７１には、遮断弁７７，７９をそれぞれ取り付けてある。その他の構成は、前述の第１の実施形態と同じである。
【００５５】
なお、上記した各イジェクタ７３，７５は、一方の例えばイジェクタ７３を小流量タイプとし、他方のイジェクタ７５を大流量タイプとする。
【００５６】
図５は、上記した第２の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置における遮断弁７７，７９の動きを制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００５７】
まず、燃料電池スタック２７へ循環する流量が小さい場合には、小流量タイプのイジェクタ（以下小流量イジェクタとする）７３のみを利用するため、遮断弁７７を開、遮断弁７９は閉としてガス循環をさせる（ステップ５０１）。
【００５８】
次に、小流量イジェクタ７３での循環可能負荷の上限値に到達したかを判定し（ステップ５０３）、まだ上限値に達していない場合には、上記ステップ５０１に戻って引き続き小流量イジェクタ７３のみのガス循環を続ける。逆に、上限値に達している場合は、小流量イジェクタ７３では要求循環流量が確保できないため、小流量イジェクタ７３の使用を停止するために、遮断弁７７を閉じるとともに、もう一つの遮断弁７９を開いて大流量タイプのイジェクタ（以下大流量イジェクタとする）７５に切り替える（ステップ５０５）。
【００５９】
そして、大流量イジェクタ７５での循環可能負荷の下限値に到達したかを判定し（ステップ５０７）、まだ下限値に達していない場合は、引き続き大流量イジェクタ７５でのガス循環が可能であるとして、ステップ５０５に戻る。逆に、下限値に達している場合には、最初のステップ５０１に戻って小流量イジェクタ７３のみのガス循環に移行する。
【００６０】
上述のような構成と制御方法であれば、前述の第１の実施形態と同様の効果を奏するほか、第１の実施形態に対して、ガス循環ポンプ３９，４１を駆動する場合と異なり、その駆動に必要な電力、電力を供給する駆動装置、制御機器、供給電力線なども一切不要となるため、燃料電池システム内での消費電力の大幅な低減と、システムのさらなる簡素化が期待できる。
【００６１】
図６は、この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【００６２】
本実施形態では、前記図４に示した第２の実施形態に対し、小流量タイプのイジェクタ７３に代えて大ノズル径のイジェクタ８１を、大流量タイプのイジェクタ７５に代えて小ノズル径のイジェクタ８３を、それぞれ設けるとともに、逆止弁３７および遮断弁７９を廃止している。すなわち、この実施形態では、複数のイジェクタ８１，８３は、ノズル径が互いに異なり、ノズル径最小のイジェクタ８３側については、逆止弁および遮断弁を設けていない。その他の構成は、第２の実施形態と同じである。
【００６３】
以下にノズル径の異なる２本のイジェクタ８１，８３の組み合わせの考え方について、その概略を述べる。
【００６４】
図７は、イジェクタＥを利用した燃料電池システムのガス循環装置におけるガス流量の収支を説明する模式図である。
イジェクタＥに供給する供給ガス量Ｑｓｕｐによって吸込み側から吸込みガス量Ｑｖａｃを吸入し、合わせて流入ガス量Ｑａｌｌとして排出し後、燃料電池スタック相当の流路抵抗を有する圧損要素Ｒを通過するときに圧力の損失が発生する。排出ガス量Ｑｏｕｔとして燃料電池スタックで消費される燃料ガス量に相当するガス量が、系外に持ち出されるとすると、残りの吸込み入ガス量Ｑｖａｃがガス循環配管を通ってイジェクタＥに戻される。
【００６５】
なお、この系が定常状態にあれば、系内への流入総ガス量である供給ガス量Ｑｓｕｐは、系外への流出総ガス量となる排出ガス量Ｑｏｕｔに等しくなるはずである。
【００６６】
図８は、ノズル径の異なる２本のイジェクタを利用した場合の、供給ガス量Ｑｓｕｐと吸込みガス量Ｑｖａｃとの典型的な関係を説明する図である。
【００６７】
ノズル径が小さい場合は、供給ガス量Ｑｓｕｐが小さい領域で吸込み流量Ｑｖａｃが最大となるが、ノズル径を大きくするにつれて、その吸込みガス量Ｑｖａｃのピークが、供給ガス量Ｑｓｕｐの大きい側にシフトしていくという特徴がある。
【００６８】
したがって、本例のような２本の大小ノズル径の組み合わせにあっては、負荷が高くなっていく場合、つまり供給ガス量Ｑｓｕｐが大きくなっていく場合には、使用するイジェクタを単にノズル径小からノズル径大に切り替えるよりも、ノズル径小１本のみから２本同時に流すようにしたほうが、両方のイジェクタの吸入能力を有効に使えるため、トータルの吸込みガス量Ｑｖａｃを大きくすることができる。
【００６９】
よって、図８のようなイジェクタの特性をあらかじめ調べておけば、破線Ｃで示す切替え点を境にして、使用するノズルの本数を変化させればよい。
【００７０】
図９は、上記した第３の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置における遮断弁７７の動きを制御するためのフローチャートであり、以下にそのアルゴリズムを説明する。
【００７１】
まず、燃料電池スタック２７へ循環する流量が小さい場合には、小ノズル径イジェクタ８３のみを利用するため、遮断弁７７を閉としてガス循環をさせる（ステップ８０１）。次に、前記図８に示したイジェクタ１本／２本の切替え負荷に到達したかを判定し（ステップ８０３）、まだ切替え点に達していない場合には、上記ステップ８０１に戻って引き続き小ノズル径イジェクタ８３のみのガス循環を続ける。
【００７２】
逆に、切替え点に達している場合は、小ノズル径イジェクタ８３だけでは要求循環流量が確保できないため、遮断弁７７を開くことで大ノズル径イジェクタ８１にも燃料ガスを供給し、２本のイジェクタ８１，８３での循環運転を開始する（ステップ８０５）。
【００７３】
そして、再びイジェクタ１本／２本の切替え（２本から１本への切替え）負荷に到達したかを判定し（ステップ８０７）、まだ切替え点に到達していない場合は、引き続き２本のイジェクタ８１，８３でのガス循環が必要であるとして前記ステップ８０５に戻る。逆に、切替え点に達している場合には、最初のステップ８０１に戻って小ノズル径イジェクタ８３のみのガス循環に移行する。
【００７４】
上述の構成と制御方法であれば、燃料電池システムが低負荷運転のときには、ノズル径小のイジェクタ８３のみでガス循環させ、負荷が増大していった場合には、前記ノズル径小のイジェクタ８３は稼動させたまま、もう一本のノズル径大のイジェクタ８１を追加で稼動させることができる。このため、対応可能な運転範囲を幅広く維持したまま、遮断弁、逆止弁の設置数を減少させることが可能となり、燃料電池システムの構成をより簡素化することができ、重量面、コスト面、メンテナンスのしやすさの面で有利となる。
【００７５】
図１０は、この本発明の第４の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す構成図である。
【００７６】
本実施形態では、前述の第３の実施形態の２つのイジェクタに相当するものとして、ボディ一体型イジェクタ８５を設けている点が大きく異なる。ボディ一体型イジェクタ８５は、ボディ８７の図中で下部に、互いに平行に並んだ小径ノズル部８９および大径ノズル部９１を有し、これら２つのノズル部８９，９１は、先端（図１０中で上部）のガス吐出部が１つの負圧発生室９３内に位置するよう、ボディ８７に固定してある。
【００７７】
また、２つのノズル部８９，９１それぞれに対応する２つのディフューザ部９５，９７を、負圧発生室９３の上部に連通して設けてある。この負圧発生室９３には、一端をガス排出管２９に接続したガス循環配管９９の他端を接続してある。すなわち、このボディ一体型イジェクタ８５は、ガス循環配管９９に接続する吸込口を１箇所としている。
【００７８】
上記した小径ノズル部８９およびディフューザ部９５は、一方の燃料供給管７１上に配置し、大径ノズル部９１およびディフューザ部９７は、他方の燃料供給管６９上に配置する。そして、ディフューザ部９７の排出側の燃料供給管６９には、前記図６のものと同様な逆止弁４３を指定方向に向けた状態で設けている。また、大径ノズル部９１の上流側の燃料供給管６９には、図６のものと同様に遮断弁７７を設けてある。その他の構成は、前述の第３の実施形態と同じである。
【００７９】
上述の構成であれば、低負荷運転時などで１組のノズル部とディフューザ部を使用している場合にも、使用していない他のディフューザ部からのガスの逆流を防ぐことができる。このため、前述の第３の実施形態と同じく高いストイキ比を維持して燃料電池システムの運転性を向上させることができるのはもちろんのこと、さらにボディ一体型イジェクタ８５とすることで、イジェクタのコンパクト化とガス循環配管９９の１本化によって、システム全体の一層の簡素化が可能となる。
【００８０】
図１１は、この発明の第５の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す構成図である。
【００８１】
本実施形態では前述の第４の実施形態において、１本のガス循環配管９９が負圧発生室９３と接続するイジェクタ吸込み口（図１１中で右側）から見て、小径ノズル部８９およびこれに対応するディフーザ９５を手前側に、大径ノズル部９１およびこれに対応するディフーザ９７を奥側にそれぞれ配置するとともに、大径ノズル部９１およびディフーザ９７に対応する前後の遮断弁７７および逆止弁４３も合わせて、奥側に設置したものである。その他の構成は、前述の第４の実施形態と同じである。
【００８２】
上述の構成であれば、特にガス循環配管９９の圧力損失の大きさに敏感な低負荷運転時に、小径ノズル部８９のみを利用し、このときガス循環配管９９からボディ一体型イジェクタ８５の吸込口から入った循環ガスは、前記吸込口通過後すぐに小径ノズル部８９からの噴流とともにディフューザ９５を通ってイジェクタから排出される。このため、負圧発生室９３内で前記ノズル噴流と合流する地点までのイジェクタ内通路抵抗を小さく抑えることができ、ストイキ比の維持がより一層容易になり、その結果、燃料電池システムの運転性のさらなる向上が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【図２】第１の実施形態に使用する逆止弁の内部構造を示す斜視図である。
【図３】第１の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置におけるガス循環ポンプの動きを制御するためのフローチャートである。
【図４】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【図５】第２の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置における遮断弁の動きを制御するためのフローチャートである。
【図６】この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す全体構成図である。
【図７】イジェクタを利用した燃料電池システムのガス循環装置におけるガス流量の収支を説明する模式図である。
【図８】ノズル径の異なる２本のイジェクタを利用した場合の、供給ガス量と吸込みガス量との典型的な関係を説明する図である。
【図９】第３の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置における遮断弁の動きを制御するためのフローチャートである。
【図１０】この本発明の第４の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す構成図である。
【図１１】この発明の第５の実施形態に係わる燃料電池システムのガス循環装置の概略を示す構成図である。
【図１２】固体高分子電解質型燃料電池における単電池の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１　単電池
３　固体高分子膜（電解質膜）
５　アノード電極（燃料極）
７　カソード電極（酸化剤極）
２７　燃料電池スタック（燃料電池）
２５，６９，７１　燃料供給管
２９　燃料排出管
３１，９９　ガス循環配管
３９，４１　ガス循環ポンプ
４３，４５　逆止弁
５１　弁ケース
５７　弁本体（弁体部）
６３　ガイド棒
６１ａ　ガイド棒挿入孔
７３　小流量タイプのイジェクタ
７５　大流量タイプのイジェクタ
７７，７９　遮断弁
８１　大ノズル径のイジェクタ
８３　小ノズル径のイジェクタ
８５　ボディ一体型イジェクタ
８９　小径のノズル部
９１　大径のノズル部
９５，９７　ディフーザ部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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