(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】2019145362
(43)【公開日】20190829
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/04701 20160101AFI20190802BHJP
   H01M 8/00 20160101ALI20190802BHJP
   B60L 50/40 20190101ALI20190802BHJP
   B60L 50/50 20190101ALI20190802BHJP
   B60L 53/00 20190101ALI20190802BHJP
   B60L 55/00 20190101ALI20190802BHJP
   B60L 58/00 20190101ALI20190802BHJP
   H01M 8/10 20160101ALN20190802BHJP
【FI】
   !H01M8/04701
   !H01M8/00 Z
   !B60L11/18 G
   !H01M8/10 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】15
(21)【出願番号】2018029019
(22)【出願日】20180221
(71)【出願人】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【住所又は居所】愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地
(71)【出願人】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町1番地
(74)【代理人】
【識別番号】110001128
【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】石原 孝宏
【住所又は居所】愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会社デンソー内
(72)【発明者】
【氏名】杉浦 崇之
【住所又は居所】愛知県刈谷市昭和町1丁目1番地 株式会社デンソー内
(72)【発明者】
【氏名】松末 真明
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動車株式会社内
【テーマコード(参考)】
5H125
5H126
5H127
【Fターム(参考)】
5H125AA01
5H125AC07
5H125AC12
5H125BD04
5H125BD12
5H125BD14
5H125CD08
5H125CD09
5H125FF09
5H125FF23
5H125FF24
5H125FF27
5H126BB06
5H127AA06
5H127AB04
5H127AB29
5H127AC02
5H127AC15
5H127BA02
5H127BA22
5H127BA28
5H127BA43
5H127BA45
5H127BA48
5H127BA58
5H127BA59
5H127BA60
5H127BB02
5H127BB12
5H127BB37
5H127DC06
5H127FF06
5H127FF07
(57)【要約】
【課題】エジェクタの内部の流路の形状が固定されたエジェクタを備える燃料電池システムであって、燃料電池の発電効率を高めることができ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10は、燃料電池12と、燃料ガス供給装置14と、燃料ガス供給経路16と、オフガス供給経路18と、エジェクタ20と、空気供給経路24と、加熱器30とを備える。エジェクタ20は、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路18からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路16に吐出する。エジェクタ20は、エジェクタ20の内部の流路の形状が固定されている。加熱器30は、燃料ガス供給経路16のうち燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に設けられ、空気供給経路24を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(12)と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(14)と、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路(16)と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路(18)と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記オフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、前記オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに前記燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されている前記エジェクタ(20)と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(22)と、
前記酸化剤ガス供給装置から前記燃料電池へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給経路(24)と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出経路(26)と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記燃料ガス供給装置と前記エジェクタとの間に設けられ、前記酸化剤ガス供給経路または前記酸化剤ガス排出経路を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器(30、32)とを備える、燃料電池システム。
【請求項2】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(12)と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(14)と、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路(16)と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路(18)と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記オフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、前記オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに前記燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されている前記エジェクタ(20)と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記燃料ガス供給装置と前記エジェクタとの間に設けられ、車両に搭載された前記燃料電池システム以外の装置(50)の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器(34)とを備える、燃料電池システム。
【請求項3】
前記車両には、前記燃料電池システム以外の前記装置を冷却する冷却液が循環する冷却液回路(52)が搭載され、
前記加熱器は、前記冷却液回路の冷却液と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱する、請求項2に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記燃料電池システム以外の前記装置は、前記燃料電池から発電された電力を変換する電力変換装置(50)である、請求項2または3に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記燃料電池システム以外の前記装置は、前記燃料電池から発電された電力を蓄積する蓄電池である、請求項2または3に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(12)と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(14)と、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路(16)と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路(18)と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記オフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、前記オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに前記燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されている前記エジェクタ(20)と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記燃料ガス供給装置と前記エジェクタとの間に設けられ、前記車両に搭載される空調装置(60)の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器(36)とを備える、燃料電池システム。
【請求項7】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(12)と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(14)と、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路(16)と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路(18)と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記オフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、前記オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに前記燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されている前記エジェクタ(20)と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記燃料ガス供給装置と前記エジェクタとの間に設けられ、燃料ガスの加熱のために発生させた熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器(38、70)とを備える、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関するものである。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、エジェクタを備える燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池から排出されるオフガスが、エジェクタによって燃料電池に供給される。すなわち、エジェクタによってオフガスが燃料電池の内部と外部とを循環する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2004−139877号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上記のようなエジェクタを備える燃料電池システムにおいて、エジェクタの内部の流路の形状が固定されたエジェクタを用いる場合が考えられる。流路の形状が固定されたエジェクタとは、エジェクタの内部の流路断面積を変更する可変機構を持たないエジェクタである。
【0005】
この場合、燃料ガス供給装置からの燃料ガスの供給量に応じて、オフガスの循環量が決まる。オフガスの循環量は、燃料電池に向かって流れるオフガスの流量である。このため、燃料電池の発電状態が悪いときでは、オフガスの循環量が不足して、燃料電池の出力が要求出力を満たさないことが想定される。燃料電池の出力が要求出力を満たすためには、燃料ガス供給量を増大させなければならず、燃料電池の効率的な発電が困難となる。
【0006】
本発明は上記点に鑑みて、エジェクタの内部の流路の形状が固定されたエジェクタを備える燃料電池システムであって、燃料電池の発電効率を高め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。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、
燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(12)と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(14)と、
燃料ガス供給装置から燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路(16)と、
燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで燃料電池から排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路(18)と、
燃料ガス供給経路のうちオフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されているエジェクタ(20)と、
燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置(22)と、
酸化剤ガス供給装置から燃料電池へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給経路(24)と、
燃料電池から排出された酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出経路(26)と、
燃料ガス供給経路のうち燃料ガス供給装置とエジェクタとの間に設けられ、酸化剤ガス供給経路または酸化剤ガス排出経路を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器(30、32)とを備える。
【0008】
これによれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタに流入する燃料ガスを加熱器によって加熱することで、エジェクタの吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタに供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【0009】
請求項2に記載の発明では、
車両に搭載される燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(12)と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(14)と、
燃料ガス供給装置から燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路(16)と、
燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで燃料電池から排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路(18)と、
燃料ガス供給経路のうちオフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されているエジェクタ(20)と、
燃料ガス供給経路のうち燃料ガス供給装置とエジェクタとの間に設けられ、車両に搭載された燃料電池システム以外の装置(50)の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器(34)とを備える。
【0010】
これによれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタに流入する燃料ガスを加熱器によって加熱することで、エジェクタの吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタに供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【0011】
請求項2に記載の発明においては、請求項3に記載のように、加熱器として、燃料電池システム以外の装置を冷却する冷却液回路の冷却液と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱するものを採用することができる。
【0012】
請求項2に記載の発明においては、請求項4に記載のように、燃料電池システム以外の装置の排熱として、燃料電池から発電された電力を変換する電力変換装置(50)の排熱を用いることができる。
【0013】
請求項2に記載の発明においては、請求項5に記載のように、燃料電池システム以外の装置の排熱として、燃料電池から発電された電力を蓄積する蓄電池の排熱を用いることができる。
【0014】
請求項6に記載の発明では、
車両に搭載される燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(12)と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(14)と、
燃料ガス供給装置から燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路(16)と、
燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで燃料電池から排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路(18)と、
燃料ガス供給経路のうちオフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されているエジェクタ(20)と、
燃料ガス供給経路のうち燃料ガス供給装置とエジェクタとの間に設けられ、車両に搭載される空調装置(60)の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器(36)とを備える。
【0015】
これによれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタに流入する燃料ガスを加熱器によって加熱することで、エジェクタの吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタに供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【0016】
請求項7に記載の発明では、
燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池(12)と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置(14)と、
燃料ガス供給装置から燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路(16)と、
燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで燃料電池から排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路(18)と、
燃料ガス供給経路のうちオフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されているエジェクタ(20)と、
燃料ガス供給経路のうち燃料ガス供給装置とエジェクタとの間に設けられ、燃料ガスの加熱のために発生させた熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器(38、70)とを備える。
【0017】
これによれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタに流入する燃料ガスを加熱器によって加熱することで、エジェクタの吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタに供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【0018】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】第1実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図2】第1実施形態における加熱処理を示すフローチャートである。
【図3】エジェクタに流入する燃料ガスが加熱されることによって、エジェクタに吸引されるオフガスの吸引量が増大することを説明するための図である。
【図4】第2実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図5】第3実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図6】第4実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図7】第5実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【0021】
(第1実施形態)
図1に示す本実施形態の燃料電池システム10は、燃料電池を走行用モータの電源として走行する車両に搭載される。燃料電池システム10は、燃料電池(FC,Fuel Cell)12と、燃料ガス供給装置14と、燃料ガス供給経路16と、オフガス供給経路18と、エジェクタ20と、空気供給装置22と、空気供給経路24と、空気排出経路26とを備える。
【0022】
燃料電池12は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる。本実施形態では、燃料ガスとして水素(H)ガスが用いられ、酸化剤ガスとして空気中の酸素が用いられる。水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギが発生する。燃料電池12として、電解質が固体高分子で構成された固体高分子型の燃料電池が用いられる。
【0023】
燃料ガス供給装置14は、燃料電池12の燃料極側に燃料ガスを供給する。本実施形態では、燃料ガス供給装置14は、燃料ガスタンク142と、圧力調整弁144とによって構成されている。燃料ガスタンク142は、燃料ガスとしての水素ガスが充填されている。圧力調整弁144は、燃料ガスタンク142からの燃料ガスの圧力と流量を調整する。
【0024】
燃料ガス供給経路16は、燃料ガス供給装置14から燃料電池12へ燃料ガスを導く。オフガス供給経路18は、燃料電池12から排出されたオフガスを燃料ガス供給経路16に合流させる。オフガスには、燃料電池12に供給された燃料ガスのうち上記化学反応に用いられなかった未反応ガスが含まれる。
【0025】
エジェクタ20は、燃料ガス供給経路16のうちオフガス供給経路18の合流位置に設けられている。エジェクタ20は、入口202と、吸引口204と、吐出口206とを有する。入口202には、燃料ガス供給経路16のうちエジェクタ20よりも上流側が接続されている。吸引口204には、オフガス供給経路18が接続されている。吐出口206には、燃料ガス供給経路16のうちエジェクタ20よりも下流側が接続されている。
【0026】
エジェクタ20は、エジェクタ20の内部の図示しないノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路18からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路16に吐出する。本実施形態のエジェクタ20は、エジェクタ20の内部の流路断面積を変更する可変機構を持っていない。すなわち、エジェクタ20の内部の流路の形状が固定されている。さらに換言すると、エジェクタ20の内部のノズル、ディフューザ等を含む流路のそれぞれの部分での流路断面積は変化せず一定である。
【0027】
空気供給装置22は、燃料電池12の酸化剤極側に空気を供給する酸化剤ガス供給装置である。本実施形態では、空気供給装置22として、空気圧縮機が用いられる。空気圧縮機は、空気を圧縮して吐出する。空気供給経路24は、空気供給装置22から燃料電池12へ空気を導く酸化剤ガス供給経路である。空気排出経路26は、燃料電池12から排出された空気が流れる酸化剤ガス排出経路である。燃料電池12から排出された空気には、上記化学反応に用いられなかった酸素が含まれる。
【0028】
燃料電池システム10は、加熱器30を備える。加熱器30は、燃料ガス供給経路16のうち燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に設けられる。加熱器30は、空気供給経路24を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガス供給装置14から供給されてエジェクタ20に流入する燃料ガスを加熱する。
【0029】
より詳細に説明すると、燃料ガス供給経路16は、燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に、加熱器側経路162と、バイパス経路164とを有する。加熱器側経路162は、燃料ガス供給装置14から供給された燃料ガスを加熱器30に導き、加熱器30を通過した燃料ガスをエジェクタ20の入口202側に導く。バイパス経路164は、燃料ガス供給装置14から供給された燃料ガスを、加熱器30をバイパス(すなわち、迂回)させて、エジェクタ20の入口202側に導く。
【0030】
加熱器30は、加熱器側経路162を流れる燃料ガスと空気供給経路24を流れる圧縮空気との熱交換によって、燃料ガスを加熱する熱交換器である。
【0031】
燃料電池システム10は、流量調整装置28を備える。流量調整装置28は、加熱器側経路162を流れる燃料ガスの流量と、バイパス経路164を流れる燃料ガスの流量とのそれぞれを調整する。本実施形態では、流量調整装置28は、三方弁で構成されている。流量調整装置28は、燃料ガス供給経路16のうち加熱器側経路162とバイパス経路164との分岐位置に設けられている。
【0032】
燃料電池システム10は、制御装置40と、出力検出装置42とを備える。制御装置40は、圧力調整弁144、流量調整装置28、空気供給装置22の作動を制御する。出力検出装置42は、燃料電池12の出力を検出する。本実施形態では、出力検出装置42は、燃料電池12の電圧を検出する。出力検出装置42は、検出結果に応じた信号を制御装置40に向けて出力する。
【0033】
制御装置40は、燃料電池12に要求される要求出力に応じて、燃料ガス供給装置14からの燃料ガスの供給量を決定する。制御装置40は、決定した供給量にて、燃料ガス供給装置14から燃料ガスを供給させる。具体的には、制御装置40は、決定した供給量となるように、圧力調整弁144を調整する。圧力調整弁144は、燃料ガスタンク142から流出の燃料ガスを減圧させる。制御装置40は、空気供給装置22から圧縮空気を供給させる。このとき、制御装置40は、流量調整装置28の状態を、燃料ガス供給装置14から供給された燃料ガスの全部がバイパス経路164を流れる状態とする。
【0034】
これにより、燃料電池12は、供給された燃料ガスと供給された空気との化学反応により発電する。燃料電池12から排出されたオフガスは、エジェクタ20によってオフガス供給経路18を流れて、燃料ガス供給経路16に合流する。オフガス供給経路18を流れるオフガスの流量がオフガス循環量である。
【0035】
また、制御装置40は、図2に示すように、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタ20に流入する前の燃料ガスを加熱する加熱処理を行う。この加熱処理は、制御装置40が決定した供給量にて、燃料ガス供給装置14から燃料ガスを供給させているときに行われる。図2に示すフローは、繰り返し実行される。図2に示す各ステップは、制御装置40の各機能を実現する構成部である。
【0036】
ステップS1では、制御装置40は、出力検出装置42からの信号を読み込む。すなわち、燃料電池12の出力電圧Vを読み込む。この出力電圧Vは、出力検出装置42の検出値である。
【0037】
続いて、ステップS2では、制御装置40は、出力検出装置42が検出した出力電圧Vが、所定値Vthよりも低いか否かを判定する。所定値Vthは、要求出力に応じて設定されたものが用いられる。これにより、制御装置40は、燃料電池12の発電状態が悪いか否かを判定する。すなわち、制御装置40は、オフガスの循環量が不足しているか否かを判定する。
【0038】
ステップS2で、NO判定の場合、制御装置40は、図2に示すフローを終了する。ステップS2で、YES判定の場合、制御装置40は、ステップS3に進む。
【0039】
ステップS3では、制御装置40は、エジェクタ20に流入する前の燃料ガスを、加熱器30によって加熱する。具体的には、制御装置40は、流量調整装置28による燃料ガスの流量の調整前と比較して、加熱器側経路162を流れる燃料ガスの流量が増大し、バイパス経路164を流れる燃料ガスの流量が減少するように、流量調整装置28を作動させる。「燃料ガスの流量が減少する」には、燃料ガスの流量が0になる場合も含まれる。
【0040】
これにより、加熱器30で、燃料ガスと圧縮空気とが熱交換することで、燃料ガスが加熱される。例えば、加熱器30での加熱前において、圧力調整弁144で減圧された燃料ガスの温度は20℃である。オフガス供給経路18を流れるオフガスの温度は70℃である。空気供給装置22から供給される圧縮空気の温度は200℃である。このように、圧縮空気は、加熱器30で加熱される前の燃料ガスおよびオフガスよりも高温である。このため、加熱器30で加熱された燃料ガスの温度は20℃よりも高くなる。加熱器30で加熱された燃料ガスは、入口202からエジェクタ20に流入する。
【0041】
ここで、エジェクタ昇圧量ΔPは、下記の式で示されるように、エジェクタ20の入口202側とエジェクタ20の吐出口206側の燃料ガスのエンタルピ差Δhに比例する。式中のηはエジェクタ効率である。
【0042】
ΔP∝η・Δh
吐出口206側の燃料ガスのエンタルピは、燃料電池12の内部の圧力で決まる。このため、燃料ガスの供給量が一定の条件で、エジェクタ20の入口202側の燃料ガスが加熱されると、エンタルピ差Δhが増大し、エジェクタ昇圧量ΔPが増大する。
【0043】
また、図3に、エジェクタ昇圧量ΔPとオフガスの循環量Fとの関係を表す第1曲線C1と、システム圧損特性を表す第2曲線C2とを示す。実線で示す第1曲線C1は、エジェクタ20の固有の特性である。第2曲線C2は、オフガスの循環量と圧力損失の大きさとの関係を示す。圧力損失は、エジェクタ20と燃料電池12とを含むオフガスの循環経路を流れることによる圧力損失である。第2曲線C2はオフガスの循環経路によって決まる。オフガスの循環経路は、エジェクタ20と燃料電池12とオフガス供給経路18と燃料ガス供給経路16のうちエジェクタ20と燃料電池12との間の部分が含まれる。オフガスの循環量Fは、第1曲線C1と第2曲線C2の交点の横軸での位置で表される。
【0044】
エジェクタ20の入口202側の燃料ガスが加熱されて、エジェクタ昇圧量ΔPが増大すると、第1曲線C1は、図3中の実線の位置から図3中の一点鎖線の位置に上昇する。このため、第1曲線C1と第2曲線C2の交点の横軸での位置が、図3中のF1からF2に移動する。
【0045】
このように、燃料ガスが加熱されると、エジェクタ20の昇圧エネルギが増大し、オフガスの循環量が増大する。これによって、燃料電池12の出力が増大する。
【0046】
続いて、ステップS4では、ステップS1と同様に、制御装置40は、燃料電池12の出力電圧Vを読み込む。
【0047】
続いて、ステップS5では、制御装置40は、出力検出装置42が検出した出力電圧Vが、所定値Vthよりも高いか否かを判定する。これにより、制御装置40は、燃料電池12の発電状態が良いか否かを判定する。すなわち、制御装置40は、オフガスの循環量が充足しているか否かを判定する。
【0048】
ステップS5で、NO判定の場合、制御装置40は、ステップS3に戻る。ステップS3では、制御装置40は、前回のステップS3を実行したときよりも、加熱器側経路162を流れる燃料ガスの流量が増大するように、流量調整装置28を作動させる。これにより、燃料ガスの温度がより上昇する。なお、ステップS5とステップS3とが繰り返される場合、2回目以降のステップS3では、前回のステップS3を実行したときの流量調整装置28の状態を維持させてもよい。また、ステップS3で、バイパス経路164を流れる燃料ガスの流量が0になるように流量調整装置28を作動させる場合、この流量調整装置28の状態が維持される。
【0049】
ステップS5で、YES判定の場合、制御装置40は、ステップS6に進む。ステップS6では、制御装置40は、燃料ガスの加熱を停止させる。具体的には、制御装置40は、加熱器側経路162を流れる燃料ガスの流量を0とするように、流量調整装置28を作動させる。その後、制御装置40は、図2に示すフローを終了し、再び、ステップS1を行う。
【0050】
このように、制御装置40は、燃料電池12の出力が要求出力を満たすように、流量調整装置28の作動を制御する。これにより、燃料電池12は、要求出力を満たす発電量を発電することができる。
【0051】
以上の説明の通り、本実施形態の燃料電池システム10によれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタ20に流入する燃料ガスを加熱器30によって加熱することで、エジェクタ20の吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池12の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタ20に供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池12の発電効率を高めることができる。
【0052】
(第2実施形態)
本実施形態では、加熱器の熱源が第1実施形態と異なる。燃料電池システム10の他の構成は、第1実施形態と同じである。
【0053】
図4に示すように、燃料電池システム10は、加熱器32を備える。加熱器32は、燃料ガス供給経路16のうち燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に設けられる。具体的には、燃料ガス供給経路16は、燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に、加熱器側経路162と、バイパス経路164とを有する。加熱器32は、加熱器側経路162を流れる燃料ガスと空気排出経路26を流れる空気との熱交換によって、燃料ガス供給装置14から供給されてエジェクタ20に流入する燃料ガスを加熱する熱交換器である。
【0054】
このように、加熱器32は、空気排出経路26を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する。本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
【0055】
(第3実施形態)
本実施形態では、加熱器の熱源が第1実施形態と異なる。燃料電池システム10の他の構成は、第1実施形態と同じである。
【0056】
図5に示すように、車両には、電力変換装置50を冷却する冷却液回路52が搭載されている。電力変換装置50は、車両に搭載された燃料電池システム10以外の装置である。電力変換装置50は、燃料電池12が発電した電力を変換する。電力変換装置50は、周波数を変換するインバータ、電圧を変換するDC−DCコンバータ等である。
【0057】
冷却液回路52は、冷却液が循環して流れる冷却液経路54と、冷却液を循環させるポンプ56と、冷却液の熱を外部に放出する放熱器58とを備える。冷却液回路52では、冷却液経路54を冷却液が循環することで、冷却液と電力変換装置50とが熱交換する。これによって、電力変換装置50が冷却される。電力変換装置50と熱交換後の冷却液は、放熱器58で外気との熱交換によって外気へ放熱する。
【0058】
本実施形態の燃料電池システム10は、加熱器34を備える。加熱器34は、燃料ガス供給経路16のうち燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に設けられる。加熱器34は、電力変換装置50の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する。具体的には、燃料ガス供給経路16は、燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に、加熱器側経路162と、バイパス経路164とを有する。加熱器34は、加熱器側経路162を流れる燃料ガスと冷却液回路52の冷却液との熱交換によって、燃料ガス供給装置14から供給されてエジェクタ20に流入する燃料ガスを加熱する熱交換器である。本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
【0059】
(第4実施形態)
本実施形態では、加熱器の熱源が第1実施形態と異なる。燃料電池システム10の他の構成は、第1実施形態と同じである。図6では、空気供給装置22、空気供給経路24および空気排出経路26の図示が省略されている。
【0060】
図6に示すように、車両には、空調装置60が搭載されている。空調装置60は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを備える。図示しないが、冷凍サイクルは、冷媒圧縮機と、冷媒放熱器と、膨張弁と、蒸発器とを含む。空調装置60の冷房運転時および暖房運転時では、冷媒圧縮機は、作動時に発熱する。また、空調装置60の冷房運転時では、冷媒放熱器は、冷媒の熱を外気へ放出する。冷媒圧縮機から発生する熱および冷房運転時に冷媒放熱器で外気へ放出される熱は、空調装置60の排熱である。
【0061】
本実施形態の燃料電池システム10は、加熱器36を備える。加熱器36は、燃料ガス供給経路16のうち燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に設けられる。加熱器36は、空調装置60の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する。具体的には、燃料電池システム10は、空調装置60の排熱を受熱する熱媒体が流れる熱媒体回路62を備える。加熱器36は、熱媒体回路62の熱媒体と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱する。本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
【0062】
なお、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に、加熱器側経路162と、バイパス経路164とを有していてもよい。この場合、加熱器36は、加熱器側経路162に設けられる。
【0063】
(第5実施形態)
本実施形態では、加熱器の熱源が第1実施形態と異なる。燃料電池システム10の他の構成は、第1実施形態と同じである。図7では、空気供給装置22、空気供給経路24および空気排出経路26の図示が省略されている。
【0064】
図7に示すように、本実施形態の燃料電池システム10は、加熱器38と、ヒータ70とを備える。加熱器38は、燃料ガス供給経路16のうち燃料ガス供給装置14とエジェクタ20との間に設けられる。加熱器38は、ヒータ70の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する熱交換器である。ヒータ70の熱は、燃料ガスの加熱のために発生させる外部熱である。ヒータ70としては、電気ヒータ、燃焼式ヒータ等が用いられる。具体的には、燃料電池システム10は、ヒータ70の熱を受熱する熱媒体が流れる熱媒体回路72を備える。加熱器38は、熱媒体回路72の熱媒体と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱する。本実施形態においても、第1実施形態と同様の効果が得られる。
【0065】
なお、加熱器38でヒータ70によって加熱された熱媒体によって燃料ガスを加熱することに替えて、ヒータ70で燃料ガス供給経路16を流れる燃料ガスを直接加熱するようにしてもよい。この場合、ヒータ70が燃料ガスを加熱する加熱器を構成する。
【0066】
(他の実施形態)
(1)第3実施形態では、加熱器34は、電力変換装置50の排熱を熱源とするものであった。しかしながら、加熱器34は、車両に搭載された図示しない蓄電池の排熱または車両用のトランスミッションの排熱を熱源とするものであってもよい。蓄電池は、燃料電池12から発電された電力を蓄積する。蓄電池およびトランスミッションは、車両に搭載された燃料電池システム以外の装置である。これらの場合、第3実施形態と同様に、車両には、蓄電池またはトランスミッションを冷却する冷却液が循環する冷却液回路が搭載される。加熱器は、この冷却液回路の冷却液と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱する。
【0067】
(2)第1、第2、第5実施形態では、燃料電池システム10は車両に搭載されるものであった。しかしながら、燃料電池システム10は車両に搭載されるものでなくてもよい。すなわち、燃料電池システム10は定置型であってもよい。
【0068】
(3)上記した各実施形態では、燃料電池12は、固体高分子型の燃料電池であった。しかしながら、燃料電池12は、他の材質の電解質を用いた燃料電池であってもよい。
【0069】
(4)本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0070】
10 燃料電池システム
12 燃料電池
14 燃料ガス供給装置
16 燃料ガス供給経路
18 オフガス供給経路
20 エジェクタ
22 空気供給装置
24 空気供給経路
26 空気排出経路
30 加熱器
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】