燃料循環装置
【課題】燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置の循環能力の向上を図ることを課題とする。
【解決手段】燃料電池システムＳのアノード系において、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置２０であって、第１流体を間欠的に噴射する主供給インジェクタ３と、主供給インジェクタ３の下流に配置され、第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し、第１流体に合流させて送出するディフューザ５ａを有するエジェクタ５と、エジェクタ５の上流に配置され、ディフューザ５ａのスロート部５ｃに吸引される第２流体の流れに沿って第１流体を噴射する１つあるいは複数の補助供給インジェクタ４と、を備えており、主供給インジェクタ３と補助供給インジェクタ４とは、時間的な位相差をもって略交互に第１流体を噴射する。
【解決手段】燃料電池システムＳのアノード系において、燃料電池スタック１０から排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置２０であって、第１流体を間欠的に噴射する主供給インジェクタ３と、主供給インジェクタ３の下流に配置され、第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し、第１流体に合流させて送出するディフューザ５ａを有するエジェクタ５と、エジェクタ５の上流に配置され、ディフューザ５ａのスロート部５ｃに吸引される第２流体の流れに沿って第１流体を噴射する１つあるいは複数の補助供給インジェクタ４と、を備えており、主供給インジェクタ３と補助供給インジェクタ４とは、時間的な位相差をもって略交互に第１流体を噴射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素（燃料ガス、アノードガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、カソードガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。
燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックのアノード側への水素（燃料ガス、アノードガス）供給は、一般的にはレギュレータやインジェクタを用いて圧力制御を行う。また、供給された水素のうち燃料電池スタックで消費されなかった未反応水素（燃料オフガス、アノードオフガス）を、ポンプやエジェクタなどの循環器により回収し、発電のために再利用される。
循環器としてエジェクタを用いる場合、水素供給流量の制御を高精度で行う手法として、インジェクタによる間欠的な水素供給流量制御を行う燃料電池システムが開示されている（特許文献１）。
上記手法によると、レギュレータなどによる圧力制御方式に対し、エジェクタの循環能力が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９０３３６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、燃料電池スタックの発電安定性を確保・向上するためには、発電に必要とされる水素流量に対して、過剰に供給する必要がある。従って、エジェクタなどの循環器には高い循環能力が要求される。
しかしながら、特許文献１に開示された間欠的に動作するインジェクタを備えた燃料電池システムは、インジェクタが噴射を停止するインターバル間において、循環流路に滞留する流体が存在してしまう。
【０００５】
そこで本発明は、燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置の循環能力の向上を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に係る燃料循環装置は、燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置であって、第１流体を間欠的に噴射する第１インジェクタと、前記第１インジェクタの下流に配置され、前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し、前記第１流体に合流させて送出するディフューザを有するエジェクタと、前記エジェクタの上流に配置され、前記ディフューザのスロート部に吸引される前記第２流体の流れに沿って前記第１流体を噴射する１つあるいは複数の第２インジェクタと、を備えており、前記第１インジェクタと前記第２インジェクタとは、時間的な位相差をもって略交互に前記第１流体を噴射することを特徴とする。
【０００７】
このような燃料循環装置によれば、第１インジェクタの間欠供給によるインターバル間では、滞留する流体が存在してしまうが、第２インジェクタを用いて滞留する流体を補助的にディフューザに送り込むことで、連続的に流体を送り込むことができ、循環能を向上することができる。また、ディフューザから燃料電池スタックに供給する流量を多くすることができる。
【０００８】
また、請求項２に係る燃料循環装置は、前記第１インジェクタは、前記ディフューザと略同軸になるよう配置されることを特徴とする。
【０００９】
このような燃料循環装置によれば、第１インジェクタとディフューザを有するエジェクタとの間に滞留する流体を少なくすることができ、いわゆるストイキを高くすることができる。
【００１０】
また、請求項３に係る燃料循環装置は、前記第２インジェクタは、その軸線が、前記ディフューザのスロート部のうち、前記第２流体の流入口湾曲部における接線と略平行になるよう配置されることを特徴とする。
【００１１】
このような燃料循環装置によれば、第２インジェクタの軸線を第２流体の流れに沿わせることで、第２流体をディフューザに送り込む補助的役割が大きくなり、全体の循環能をより高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料循環装置によれば、燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置の循環能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る燃料循環装置を備える燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料循環装置の主要部を説明する模式断面図である。
【図３】比較例に係る燃料循環装置の流体の流れを説明する図であり、（ａ）はインジェクタが噴射している状態を示し、（ｂ）はインジェクタが噴射を停止するインターバル間の状態を示す。
【図４】本実施形態に係る燃料循環装置の流体の流れを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタが噴射する状態を示し、（ｂ）は補助供給インジェクタが噴射する状態を示す。
【図５】ＥＣＵがインジェクタのタイムインターバルを決定する流れを説明する図である。
【図６】本実施形態の燃料循環装置のインジェクタの作動タイミングを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタの作動タイミングを、（ｂ）は、補助供給インジェクタの作動タイミングを、（ｃ）は燃料循環装置のインジェクタ全体としての供給流量を示す図である。
【図７】本実施形態に係る燃料循環装置と比較例に係る燃料循環装置について、燃料電池スタックが要求するＳＴＫ要求電流とインジェクタが供給するアノードガスの流量との関係を示すグラフである。
【図８】比較例に係る燃料循環装置の作動タイミングを説明する図である。
【図９】本実施形態の燃料循環装置の作動タイミングを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタの作動タイミングであり、（ｂ）は補助供給インジェクタの作動タイミングである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００１５】
≪燃料電池システム≫
図１は、本実施形態に係る燃料循環装置２０を備える燃料電池システムＳの構成図である。
燃料電池システムＳは、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に酸化剤ガスとしての酸素を含む空気（カソードガス）を供給するカソード系と、燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素（アノードガス）を供給するアノード系とを備えている。さらに、燃料電池システムＳは、燃料電池スタック１０からどれだけの電流を取り出すか（発電させるか）を決定する電子制御装置（以下「ＥＣＵ」と称する）４０や、燃料電池スタック１０から取り出した電流を負荷に供給するパワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ」と称する）３０などを備えている。なお、ＥＣＵ４０は、例えば、スロットルペダルなどの開度を検出（出力要求を検出）して、検出した値に応じた燃料電池スタック要求電流（以下「ＳＴＫ要求電流」と称する）を生成（設定）し、この生成したＳＴＫ要求電流に基づいて、ＰＤＵ３０（図示しないＶＣＵ（Voltage Control Unit））を制御するものとする。つまり、ＰＤＵ３０が、ＳＴＫ要求電流に応じた電流を燃料電池スタック１０から取り出し、図示しない走行用のモータなどの負荷に供給するものとする。
【００１６】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００１７】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１０Ａとして機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１０Ｃとして機能している。
【００１８】
そして、アノード流路１０Ａを介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１０Ｃを介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生する。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路（図示せず）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電する。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
【００１９】
＜カソード系＞
次に、燃料電池システムＳのカソード系について説明する。カソード系は、コンプレッサ１１と、背圧弁１２とを備えている。
コンプレッサ１１は、配管を介して燃料電池スタック１０のカソード流路１０Ｃの入口に接続されており、ＥＣＵ４０からの指令に従って作動すると、酸素を含む空気（カソードガス）を取り込み、これを燃料電池スタック１０のカソード流路１０Ｃに供給する。
【００２０】
燃料電池スタック１０のカソード流路１０Ｃの出口は配管を介して背圧弁１２と接続されている。背圧弁１２の下流側は配管を介して希釈器１３に接続されている。背圧弁１２は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ４０によって制御されている。
燃料電池スタック１０のカソード流路１０Ｃから排出されたカソードオフガスは、希釈器１３に排出される。希釈器１３では、後述するアノード系のパージ弁８から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスで希釈した後、燃料電池システムＳを装備した車両等から排出される。
【００２１】
＜アノード系＞
次に、燃料電池システムＳのアノード系について説明する。アノード系は、燃料タンク１と、レギュレータ２と、主供給インジェクタ３と、補助供給インジェクタ４と、エジェクタ５と、キャッチタンク６と、逆止弁７と、パージ弁８と、ドレイン弁９とを備えている。
【００２２】
燃料タンク１は、燃料ガスとしての水素（アノードガス）が高圧で封入されたタンクであり、レギュレータ２、燃料循環装置２０および配管２１を介して燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａに水素（アノードガス）を供給する。
レギュレータ２は、燃料タンク１の下流に設けられ、レギュレータ２の下流に設けられた燃料循環装置２０（主供給インジェクタ３、補助供給インジェクタ４）に供給する水素（アノードガス）の圧力をＥＣＵ４０からの指令に従って調整する。なお、レギュレータ２は、ＥＣＵ４０からの電子的な指令により調圧するタイプではなく、カソード側の圧力を信号圧として配管により伝達されて調圧するタイプのものでもよい。また、燃料タンク１から主供給インジェクタ３や補助供給インジェクタ４の間には、図示しない１次減圧弁や２次減圧弁、図示しないレギュレータ２以外のレギュレータが備わっていてもよい。
【００２３】
燃料循環装置２０は、主供給インジェクタ３と、補助供給インジェクタ４と、エジェクタ５と、から構成されている。
燃料循環装置２０は、主供給インジェクタ３または補助供給インジェクタ４から噴射される燃料タンク１からの水素（アノードガス）と共に、後述する水素を含むアノードオフガスをアノードガスの負圧により配管２４から吸い込み、配管２１を介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａに供給する。これにより、水素を含むアノードオフガスが循環するようになっている。
なお、配管２１には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの圧力を検出する圧力センサＰが設けられており、圧力センサＰで検出したアノードガスの供給圧力は、ＥＣＵ４０に送信される。
【００２４】
燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａの出口は、配管２２を介してキャッチタンク６と接続される。キャッチタンク６は配管２３を介して逆止弁７と接続され、逆止弁７の下流側は配管２４を介して燃料循環装置２０（吸込部５ｂ、図２参照）と接続される。
キャッチタンク６は、燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａから排出された未反応の水素を含むアノードオフガスから、燃料電池スタック１０において電気化学反応により生成した水（Ｈ２Ｏ）（式（２）参照）を分離し、これをキャッチタンク６に貯める。
キャッチタンク６で脱水されたアノードオフガスは、配管２３、逆止弁７および配管２４を介して燃料循環装置２０に供給される。
このように、燃料電池システムＳは、燃料循環装置２０により、燃料タンク１のアノードガス（水素）が燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａに供給されると共に、燃料アノード流路１０Ａから排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａに循環供給される構成となっている。
【００２５】
また、キャッチタンク６は、配管を介して常閉型のパージ弁８、ドレイン弁９が接続される。パージ弁８およびドレイン弁９は、ＥＣＵ４０によって開閉が制御される。
ＥＣＵ４０によりパージ弁８は定期的または非定期的に開放され、アノードオフガスは希釈器１３に排出される。これにより、燃料電池スタック１０に循環供給されるアノードガスの水素濃度の低下を抑制できる。
パージ弁８から排出されたアノードオフガスは、希釈器１３でカソードオフガスにより希釈され、低水素濃度となった後に燃料電池システムＳから排出される。
ドレイン弁９は、ＥＣＵ４０によって開閉が制御され、ドレイン弁９を開放することにより、キャッチタンク６に貯まった生成水は燃料電池システムＳから排出される。なお、貯まった生成水の排出先は例えば希釈器１３である。
【００２６】
＜燃料循環装置＞
図１に示すように、本実施形態に係る燃料循環装置２０は、主供給インジェクタ３と、補助供給インジェクタ４と、エジェクタ５とを有している。
燃料循環装置２０について、適宜図１を参照しながら、図２を用いて更に説明する。
図２は、本実施形態に係る燃料循環装置２０の主要部を説明する模式断面図である。
【００２７】
主供給インジェクタ３は、ＥＣＵ４０に制御され、燃料タンク１から供給されたアノードガス（第１流体）を間欠的に噴射する。
主供給インジェクタ３の下流側には、エジェクタ５が配置される。エジェクタ５は、流路の断面積が次第に大きくなるディフューザ５ａと、ディフューザ５ａの上流に配置される吸込部５ｂとを有する。また、ディフューザ５ａは、上流側に流路の断面積が次第に小さくなるスロート部５ｃを有する。吸込部５ｂは、配管２４、逆止弁７、配管２３、キャッチタンク６および配管２２を介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａの出口と接続される。
【００２８】
主供給インジェクタ３が燃料タンク１から供給されたアノードガス（第１流体）をディフューザ５ａのスロート部５ｃに向けて噴射することにより、アノードオフガス（第２流体）を吸引するための負圧が発生し、吸込部５ｂを介してアノードオフガスがスロート部５ｃからディフューザ５ａに吸い込まれる。
ディフューザ５ａの下流側は、配管２１を介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａの入口と接続されており、燃料タンク１からのアノードガスと吸込部５ｂから吸引されたアノードオフガスとがディフューザ５ａで合流し、合流後の混合ガスはアノード流路１０Ａに供給される。
【００２９】
ここで、主供給インジェクタ３とディフューザ５ａは、略同軸（図２に示すａ軸）となるように配置されることが好適である。このような配置とすることにより、主供給インジェクタ３とエジェクタ５（ディフューザ５ａのスロート部５ｃ）との間に滞留する流体を少なくすることができ、いわゆるストイキを高くすることができる。
【００３０】
また、本実施形態に係る燃料循環装置２０は、補助供給インジェクタ４を有している。
補助供給インジェクタ４は、エジェクタ５の上流に配置（主供給インジェクタ３と並列に配置）され、かつ、吸込部５ｂからディフューザ５ａのスロート部５ｂに吸引されるアノードオフガス（第２流体）の流れに沿うように、燃料タンク１から供給されるアノードガス（第１流体）を噴射するように配置される。
【００３１】
ここで、補助供給インジェクタ４の軸線（図２に示すｂ軸）は、ディフューザ５ａのスロート部５ｃのうち、アノードオフガス（第２流体）が流れる吸込部５ｂからディフューザ５ａに接続するように形成された流入口湾曲面５ｄにおける接線（図２に示す接線Ｃ）と略平行になるよう配置されることが好適である。このような配置とすることにより、補助供給インジェクタ４の軸線（ｂ軸）をアノードオフガス（第２流体）の流れに沿わせることで、アノードオフガスをディフューザ５ａに送り込む補助的役割が大きくなり、燃料電池システムＳのアノード系の循環能をより高めることができる。
【００３２】
次に、図３および図４を用いて、比較例に係る燃料循環装置１２０と対比しつつ、本実施形態に係る燃料循環装置２０のアノードオフガスの循環能について説明する。
図３は、比較例に係る燃料循環装置１２０の流体の流れを説明する図であり、（ａ）はインジェクタ１０３が噴射している状態を示し、（ｂ）はインジェクタ１０３が噴射を停止するインターバル間の状態を示す。図４は、本実施形態に係る燃料循環装置２０の流体の流れを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタ３が噴射する状態を示し、（ｂ）は補助供給インジェクタ４が噴射する状態を示す。
【００３３】
まず、図３を用いて、比較例に係る燃料循環装置１２０について説明する。
比較例に係る燃料循環装置１２０を備える燃料電池システムは、特許文献１に記載された燃料電池システムと同様の構成を備えるものである。また、比較例に係る燃料循環装置１２０を備える燃料電池システムと、本実施形態に係る燃料循環装置２０を備える燃料電池システムＳとは、燃料循環装置１２０と、燃料循環装置２０の構成が異なる以外は、同一であり、説明を省略する。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、インジェクタ１０３からアノードガスＧA を噴射させると、アノードオフガスを吸引するための負圧が発生し、アノードオフガスＧoff1 は、エジェクタ１０５の吸込部１０５ｂから吸引され、ディフューザ１０５ａを通過し、燃料電池スタックへと供給される。
しかし、図３（ｂ）に示すように、インジェクタ１０３からのアノードガスＧA の噴射を停止するインターバル間の状態においては、アノードオフガスは吸引されず、吸込部１０５ｂの内部でアノードオフガスＧoff2 が滞留する。
【００３５】
次に、図４を用いて、本実施形態に係る燃料循環装置２０について説明する。
図４（ａ）に示すように、主供給インジェクタ３からアノードガスＧA3 を噴射させると、アノードオフガスを吸引するための負圧が発生し、アノードオフガスＧoff1 は、エジェクタ５の吸込部５ｂから吸引され、ディフューザ５ａを通過して、燃料電池スタック１０（図１参照）へと供給さえる点では比較例に係る燃料循環装置１２０と同じである。
さらに、図４（ｂ）に示すように、本実施形態に係る燃料循環装置２０は、主供給インジェクタ３からのアノードガスＧA3 の噴射を停止するインターバル間の状態であっても、補助供給インジェクタ４からアノードガスＧA4 を噴射することができる。
補助供給インジェクタ４は、アノードオフガスが循環する方向に沿う方向に、アノードガスＧA4 を噴射することで、アノードオフガスＧoff2 の循環をアシストし、燃料電池スタック１０に供給する。
【００３６】
ちなみに、図３の比較例と図４の実施形態例について、単位時間当たり同じ量（例えばＸｃｃ）のアノードガスＧAを間欠的に噴射するとする。そうすると、比較例ではインジェクタ１０３がＸｃｃのアノードガスＧAを全量噴射し、一方、実施形態例では、主供給インジェクタ３がＸｃｃのうちのＸ１ｃｃのアノードガスＧAを噴射し、補助供給インジェクタ４が残りのＸ２ｃｃのアノードガスＧAを噴射する（Ｘ＝Ｘ１＋Ｘ２）。なお、実施形態例では、主供給インジェクタ３の休止期間（ＯＦＦ期間中）に、当該休止期間を埋めるように補助供給インジェクタ４がアノードガスＧAを噴射する。
【００３７】
このように、本実施形態に係る燃料循環装置２０によれば、間欠的にアノードガスを噴射するインジェクタを用いても、主供給インジェクタ３からのアノードガスの噴射を停止するインターバル間の状態であっても、補助供給インジェクタ４がアノードオフガスの循環をアシストするようにアノードガスを噴射することができるので、アノードオフガスの循環能を向上させることができる。
【００３８】
≪ＥＣＵ≫
次に、ＥＣＵ４０が、主供給インジェクタ３および補助供給インジェクタ４を制御する制御方法について説明する。
図５は、ＥＣＵ４０がインジェクタのタイムインターバルを決定する流れを説明する図である。
【００３９】
ＥＣＵ４０は、例えば、図示しないスロットルペダルの開度（出力要求）を検出し、ＳＴＫ要求電流生成器４９が、検出した値に応じてＳＴＫ要求電流を生成（設定）する。次に、積算器４１でＳＴＫ要求電流に定数Ｋを積算して、要求水素流量を算出する。
ここで、定数Ｋは、燃料電池スタック１０が発電するのに必要となる要求水素量を算出するためのものであり、燃料電池スタック１０の性能・構成により一意に定まる定数である。
次に、ＥＣＵ４０は、「要求水素流量−タイムインターバルマップ」４２を用いて、求めた要求水素電流に対応する、水素流量Ｔｉ（タイムインターバル）値を求める。
【００４０】
また、ＥＣＵ４０は、「ＳＴＫ要求電流−目標圧力マップ」４３を用いて、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスの目標圧力を求め、減算器４４へ送る。
ＥＣＵ４０の減産器４４は、目標圧力から圧力センサＰ（図１参照）で検出した燃料電池スタック１０のアノードガスの圧力（検出圧力）を減算する。
ＥＣＵ４０のＰＩＤ制御部４５は、目標圧力と検出圧力との差について、ＰＩＤ制御を行い、要求圧力値を算出する。
さらに、ＥＣＵ４０は、「要求圧力値−タイムインターバルマップ」４６を用いて、圧力Ｔｉ（タイムインターバル）値を求める。
【００４１】
加算器４７は、「要求水素流量−タイムインターバルマップ」４２に基づく水素流量Ｔｉ値と、「要求圧力値−タイムインターバルマップ」４６に基づく圧力Ｔｉ値を加算し、Ｔｉ（タイムインターバル）値を算出する。
インジェクタドライバ４８は、加算器４７で算出されたＴｉ値に基づいて、主供給インジェクタ３および補助供給インジェクタ４へのタイムインターバルを決定し、主供給インジェクタ３および補助供給インジェクタ４を制御する。なお、インジェクタドライバ４８によるタイムインターバルの決定は、主供給インジェクタ３の休止期間を埋めるように補助供給インジェクタ４を作動させるというものである。
【００４２】
＜高負荷時＞
図６は、本実施形態の燃料循環装置２０のインジェクタの作動タイミングを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタ３の作動タイミングを、（ｂ）は、補助供給インジェクタ４の作動タイミングを、（ｃ）は燃料循環装置２０のインジェクタ全体としての供給流量を示す図である。
図６（ａ）に示すように、主供給インジェクタ３は、間欠的に燃料タンク１からの水素（アノードガス）を噴射するため、最大Ｄｕｔｙの状態でも、主供給インジェクタ３が水素の噴射を停止するインターバル間の状態が存在する。そこで、図６（ｂ）に示すように、主供給インジェクタ３が水素の噴射を停止するインターバル間の状態において、補助供給インジェクタ４が燃料タンク１からの水素（アノードガス）を噴射する。
図６（ｃ）に示すように、燃料循環装置２０のインジェクタ全体（主供給インジェクタ３および補助供給インジェクタ４）の供給流量は、時間的に連続して供給される。これにより、アノードオフガスも連続的に循環するため、アノードオフガスの滞留を防ぐことができ、アノードオフガスの循環能を向上することができる。
【００４３】
図７は、本実施形態に係る燃料循環装置２０と比較例に係る燃料循環装置１２０について、燃料電池スタックが要求するＳＴＫ要求電流とインジェクタが供給するアノードガスの流量との関係を示すグラフである。
比較例に係る燃料循環装置１２０（図３参照）を備えた燃料電池システムは、インジェクタが１つであるため、ＳＴＫ要求電流がＩＭの点において、インジェクタ１０３は最大流量値に達し、ＩＭ以上のＳＴＫ要求電流に対して、これ以上流量を大きくすることはできない。
このため、ＳＴＫ要求電流がＩＭを超えた状態が継続すると、燃料電池スタック１０が劣化するおそれがある（いわゆるガス欠による劣化）。
これに対し、本実施形態に係る燃料循環装置２０を備える燃料電池システムＳは、複数のインジェクタ（主供給インジェクタ３、補助供給インジェクタ４）を有するため、燃料循環装置２０が燃料電池スタック１０に供給できる燃料タンク１からの水素（アノードガス）の供給流量の最大値も増加する。
これにより、燃料電池スタック２０が必要とするＳＴＫ要求電流に対応する要求水素流量（図５参照）に対して、過剰に水素（アノードガス）を供給することが可能となり、燃料電池スタック２０の発電の安定性を確保することが気できる。
【００４４】
なお、単なる供給能力不足であれば、比較例のインジェクタ１０３を供給能力に見合う大容量のものにすればよい。しかし、インジェクタ１０３を大容量のものにしたとしても、インジェクタ１０３は間欠作動するものであるから、どうしてもインターバル（休止期間）が生じ、このインターバルが、エジェクタ１０５の効率を低下させる。これに対して、本実施形態では、２つのインジェクタを用い、つまり、主供給インジェクタ３の休止期間を埋めるように補助供給インジェクタ４を作動させるので、エジェクタ５の効率（循環能力）を高めることができる。
【００４５】
＜低・中負荷時＞
次に、燃料電池スタック１０の要求電流が１つのインジェクタで賄える要求水素流量の場合（低・中負荷時）について、比較例に係る燃料循環装置１２０と、本実施形態に係る燃料循環装置２０とを比較する。即ち、燃料電池スタック１０の要求電流がＩＭ（図７参照）以下の場合について説明する。
図８は、比較例に係る燃料循環装置１２０の作動タイミングを説明する図である。図９は、本実施形態の燃料循環装置２０の作動タイミングを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタ３の作動タイミングであり、（ｂ）は補助供給インジェクタ４の作動タイミングである。
特に、低・中負荷帯においては、アノードオフガスの滞留を減らすために、短いタイムインターバル（主供給インターバル）が設定され、図８に示すように、１つのインジェクタの作動回数が多くなる。
【００４６】
これに対し、図９に示すように、本実施形態に係る燃料循環装置２０によれば、主供給インジェクタ３と補助供給インジェクタ４とを有することにより、比較例に係る燃料循環装置１２０と同等のアノードガス供給能・アノードオフガス循環能を有しつつ、各インジェクタの作動回数を大幅に少なくすることができる。
これにより、インジェクタの耐久性の課題を解決することにより、燃料電池システムＳの耐久性も向上する。
【００４７】
＜変形例＞
なお、本実施形態に係る燃料循環装置２０は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施形態の構成においては、一つのディフューザ５ａに対して、１つの主供給インジェクタ３と補助供給インジェクタ４とを備える燃料循環装置２０として説明したが、燃料循環装置２０は補助供給インジェクタ４を複数備えるものとしてもよい。
【００４８】
また、図５では、フィードフォワード制御により水素流量Ｔｉ値を算出するとともに、フィードバック制御により圧力Ｔｉ値を算出し、両者を足し合わせることでタイムインターバル（Ｔｉ値）を算出し、このＴｉ値を用いてインジェクタドライバ４８が両インジェクタ（主供給インジェクタ３と補助供給インジェクタ４）を作動させることとした。この両インジェクタの作動について、インジェクタドライバ４８が、Ｔｉ値により定まる噴射量を両インジェクタに、例えば、主供給インジェクタ３が８割、補助供給インジェクタ４が２割というように割り振り、それぞれ割り振られた量を噴射するように両インジェクタをそれぞれＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動させるようにしてもよい。つまり、インジェクタドライバ４８が、主供給インジェクタ３を介してＴｉ値により定まる８割分をＰＷＭ駆動により噴射させ、残りの２割分を、補助供給インジェクタ４を介して、主供給インジェクタ３の休止期間を埋めるように（時間的な位相差をもって略交互に）、ＰＷＭ駆動により噴射させてもよい。このようにすれば、主供給インジェクタ３が１００％デューティで作動しているときにも生じる休止期間でも、補助供給インジェクタ４により水素（アノードガス）を噴射でき、エジェクタ５の効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 燃料タンク
２ レギュレータ
３ 主供給インジェクタ（第１インジェクタ）
４ 補助供給インジェクタ（第２インジェクタ）
５ エジェクタ
５ａ ディフューザ
５ｂ 吸込部
５ｃ スロート部
５ｄ 流入口湾曲部
６ キャッチタンク
７ 逆止弁
８ パージ弁
９ ドレイン弁
１０ 燃料電池スタック
１０Ａ アノード流路
１０Ｃ カソード流路
１１ コンプレッサ
１２ 背圧弁
１３ 希釈器
２０ 燃料循環装置
２１，２２，２３，２４ 配管
３０ パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
４０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
Ｐ 圧力センサ
Ｓ 燃料電池システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素（燃料ガス、アノードガス）がアノードに、酸素を含む空気（酸化剤ガス、カソードガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池を備える燃料電池システムが知られている。
燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックのアノード側への水素（燃料ガス、アノードガス）供給は、一般的にはレギュレータやインジェクタを用いて圧力制御を行う。また、供給された水素のうち燃料電池スタックで消費されなかった未反応水素（燃料オフガス、アノードオフガス）を、ポンプやエジェクタなどの循環器により回収し、発電のために再利用される。
循環器としてエジェクタを用いる場合、水素供給流量の制御を高精度で行う手法として、インジェクタによる間欠的な水素供給流量制御を行う燃料電池システムが開示されている（特許文献１）。
上記手法によると、レギュレータなどによる圧力制御方式に対し、エジェクタの循環能力が向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１９０３３６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、燃料電池スタックの発電安定性を確保・向上するためには、発電に必要とされる水素流量に対して、過剰に供給する必要がある。従って、エジェクタなどの循環器には高い循環能力が要求される。
しかしながら、特許文献１に開示された間欠的に動作するインジェクタを備えた燃料電池システムは、インジェクタが噴射を停止するインターバル間において、循環流路に滞留する流体が存在してしまう。
【０００５】
そこで本発明は、燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置の循環能力の向上を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような課題を解決するために、請求項１に係る燃料循環装置は、燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置であって、第１流体を間欠的に噴射する第１インジェクタと、前記第１インジェクタの下流に配置され、前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し、前記第１流体に合流させて送出するディフューザを有するエジェクタと、前記エジェクタの上流に配置され、前記ディフューザのスロート部に吸引される前記第２流体の流れに沿って前記第１流体を噴射する１つあるいは複数の第２インジェクタと、を備えており、前記第１インジェクタと前記第２インジェクタとは、時間的な位相差をもって略交互に前記第１流体を噴射することを特徴とする。
【０００７】
このような燃料循環装置によれば、第１インジェクタの間欠供給によるインターバル間では、滞留する流体が存在してしまうが、第２インジェクタを用いて滞留する流体を補助的にディフューザに送り込むことで、連続的に流体を送り込むことができ、循環能を向上することができる。また、ディフューザから燃料電池スタックに供給する流量を多くすることができる。
【０００８】
また、請求項２に係る燃料循環装置は、前記第１インジェクタは、前記ディフューザと略同軸になるよう配置されることを特徴とする。
【０００９】
このような燃料循環装置によれば、第１インジェクタとディフューザを有するエジェクタとの間に滞留する流体を少なくすることができ、いわゆるストイキを高くすることができる。
【００１０】
また、請求項３に係る燃料循環装置は、前記第２インジェクタは、その軸線が、前記ディフューザのスロート部のうち、前記第２流体の流入口湾曲部における接線と略平行になるよう配置されることを特徴とする。
【００１１】
このような燃料循環装置によれば、第２インジェクタの軸線を第２流体の流れに沿わせることで、第２流体をディフューザに送り込む補助的役割が大きくなり、全体の循環能をより高めることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料循環装置によれば、燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置の循環能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る燃料循環装置を備える燃料電池システムの構成図である。
【図２】本実施形態に係る燃料循環装置の主要部を説明する模式断面図である。
【図３】比較例に係る燃料循環装置の流体の流れを説明する図であり、（ａ）はインジェクタが噴射している状態を示し、（ｂ）はインジェクタが噴射を停止するインターバル間の状態を示す。
【図４】本実施形態に係る燃料循環装置の流体の流れを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタが噴射する状態を示し、（ｂ）は補助供給インジェクタが噴射する状態を示す。
【図５】ＥＣＵがインジェクタのタイムインターバルを決定する流れを説明する図である。
【図６】本実施形態の燃料循環装置のインジェクタの作動タイミングを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタの作動タイミングを、（ｂ）は、補助供給インジェクタの作動タイミングを、（ｃ）は燃料循環装置のインジェクタ全体としての供給流量を示す図である。
【図７】本実施形態に係る燃料循環装置と比較例に係る燃料循環装置について、燃料電池スタックが要求するＳＴＫ要求電流とインジェクタが供給するアノードガスの流量との関係を示すグラフである。
【図８】比較例に係る燃料循環装置の作動タイミングを説明する図である。
【図９】本実施形態の燃料循環装置の作動タイミングを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタの作動タイミングであり、（ｂ）は補助供給インジェクタの作動タイミングである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００１５】
≪燃料電池システム≫
図１は、本実施形態に係る燃料循環装置２０を備える燃料電池システムＳの構成図である。
燃料電池システムＳは、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に酸化剤ガスとしての酸素を含む空気（カソードガス）を供給するカソード系と、燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素（アノードガス）を供給するアノード系とを備えている。さらに、燃料電池システムＳは、燃料電池スタック１０からどれだけの電流を取り出すか（発電させるか）を決定する電子制御装置（以下「ＥＣＵ」と称する）４０や、燃料電池スタック１０から取り出した電流を負荷に供給するパワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ」と称する）３０などを備えている。なお、ＥＣＵ４０は、例えば、スロットルペダルなどの開度を検出（出力要求を検出）して、検出した値に応じた燃料電池スタック要求電流（以下「ＳＴＫ要求電流」と称する）を生成（設定）し、この生成したＳＴＫ要求電流に基づいて、ＰＤＵ３０（図示しないＶＣＵ（Voltage Control Unit））を制御するものとする。つまり、ＰＤＵ３０が、ＳＴＫ要求電流に応じた電流を燃料電池スタック１０から取り出し、図示しない走行用のモータなどの負荷に供給するものとする。
【００１６】
＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層されることで構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。
ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜（例えばパーフルオロスルホン酸型）からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。
【００１７】
アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がアノード流路１０Ａとして機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するため単セルの積層方向に延びる貫通孔（内部マニホールドと称される）や、単セルの面方向に延びる溝が形成されており、これら貫通孔及び溝がカソード流路１０Ｃとして機能している。
【００１８】
そして、アノード流路１０Ａを介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１０Ｃを介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生する。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ等の外部回路（図示せず）とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電する。
２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ− …（１）
Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ …（２）
【００１９】
＜カソード系＞
次に、燃料電池システムＳのカソード系について説明する。カソード系は、コンプレッサ１１と、背圧弁１２とを備えている。
コンプレッサ１１は、配管を介して燃料電池スタック１０のカソード流路１０Ｃの入口に接続されており、ＥＣＵ４０からの指令に従って作動すると、酸素を含む空気（カソードガス）を取り込み、これを燃料電池スタック１０のカソード流路１０Ｃに供給する。
【００２０】
燃料電池スタック１０のカソード流路１０Ｃの出口は配管を介して背圧弁１２と接続されている。背圧弁１２の下流側は配管を介して希釈器１３に接続されている。背圧弁１２は、バタフライ弁等から構成された常開型の弁であり、その開度はＥＣＵ４０によって制御されている。
燃料電池スタック１０のカソード流路１０Ｃから排出されたカソードオフガスは、希釈器１３に排出される。希釈器１３では、後述するアノード系のパージ弁８から排出されたアノードオフガスをカソードオフガスで希釈した後、燃料電池システムＳを装備した車両等から排出される。
【００２１】
＜アノード系＞
次に、燃料電池システムＳのアノード系について説明する。アノード系は、燃料タンク１と、レギュレータ２と、主供給インジェクタ３と、補助供給インジェクタ４と、エジェクタ５と、キャッチタンク６と、逆止弁７と、パージ弁８と、ドレイン弁９とを備えている。
【００２２】
燃料タンク１は、燃料ガスとしての水素（アノードガス）が高圧で封入されたタンクであり、レギュレータ２、燃料循環装置２０および配管２１を介して燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａに水素（アノードガス）を供給する。
レギュレータ２は、燃料タンク１の下流に設けられ、レギュレータ２の下流に設けられた燃料循環装置２０（主供給インジェクタ３、補助供給インジェクタ４）に供給する水素（アノードガス）の圧力をＥＣＵ４０からの指令に従って調整する。なお、レギュレータ２は、ＥＣＵ４０からの電子的な指令により調圧するタイプではなく、カソード側の圧力を信号圧として配管により伝達されて調圧するタイプのものでもよい。また、燃料タンク１から主供給インジェクタ３や補助供給インジェクタ４の間には、図示しない１次減圧弁や２次減圧弁、図示しないレギュレータ２以外のレギュレータが備わっていてもよい。
【００２３】
燃料循環装置２０は、主供給インジェクタ３と、補助供給インジェクタ４と、エジェクタ５と、から構成されている。
燃料循環装置２０は、主供給インジェクタ３または補助供給インジェクタ４から噴射される燃料タンク１からの水素（アノードガス）と共に、後述する水素を含むアノードオフガスをアノードガスの負圧により配管２４から吸い込み、配管２１を介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａに供給する。これにより、水素を含むアノードオフガスが循環するようになっている。
なお、配管２１には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの圧力を検出する圧力センサＰが設けられており、圧力センサＰで検出したアノードガスの供給圧力は、ＥＣＵ４０に送信される。
【００２４】
燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａの出口は、配管２２を介してキャッチタンク６と接続される。キャッチタンク６は配管２３を介して逆止弁７と接続され、逆止弁７の下流側は配管２４を介して燃料循環装置２０（吸込部５ｂ、図２参照）と接続される。
キャッチタンク６は、燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａから排出された未反応の水素を含むアノードオフガスから、燃料電池スタック１０において電気化学反応により生成した水（Ｈ２Ｏ）（式（２）参照）を分離し、これをキャッチタンク６に貯める。
キャッチタンク６で脱水されたアノードオフガスは、配管２３、逆止弁７および配管２４を介して燃料循環装置２０に供給される。
このように、燃料電池システムＳは、燃料循環装置２０により、燃料タンク１のアノードガス（水素）が燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａに供給されると共に、燃料アノード流路１０Ａから排出された未反応の水素を含むアノードオフガスが燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａに循環供給される構成となっている。
【００２５】
また、キャッチタンク６は、配管を介して常閉型のパージ弁８、ドレイン弁９が接続される。パージ弁８およびドレイン弁９は、ＥＣＵ４０によって開閉が制御される。
ＥＣＵ４０によりパージ弁８は定期的または非定期的に開放され、アノードオフガスは希釈器１３に排出される。これにより、燃料電池スタック１０に循環供給されるアノードガスの水素濃度の低下を抑制できる。
パージ弁８から排出されたアノードオフガスは、希釈器１３でカソードオフガスにより希釈され、低水素濃度となった後に燃料電池システムＳから排出される。
ドレイン弁９は、ＥＣＵ４０によって開閉が制御され、ドレイン弁９を開放することにより、キャッチタンク６に貯まった生成水は燃料電池システムＳから排出される。なお、貯まった生成水の排出先は例えば希釈器１３である。
【００２６】
＜燃料循環装置＞
図１に示すように、本実施形態に係る燃料循環装置２０は、主供給インジェクタ３と、補助供給インジェクタ４と、エジェクタ５とを有している。
燃料循環装置２０について、適宜図１を参照しながら、図２を用いて更に説明する。
図２は、本実施形態に係る燃料循環装置２０の主要部を説明する模式断面図である。
【００２７】
主供給インジェクタ３は、ＥＣＵ４０に制御され、燃料タンク１から供給されたアノードガス（第１流体）を間欠的に噴射する。
主供給インジェクタ３の下流側には、エジェクタ５が配置される。エジェクタ５は、流路の断面積が次第に大きくなるディフューザ５ａと、ディフューザ５ａの上流に配置される吸込部５ｂとを有する。また、ディフューザ５ａは、上流側に流路の断面積が次第に小さくなるスロート部５ｃを有する。吸込部５ｂは、配管２４、逆止弁７、配管２３、キャッチタンク６および配管２２を介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａの出口と接続される。
【００２８】
主供給インジェクタ３が燃料タンク１から供給されたアノードガス（第１流体）をディフューザ５ａのスロート部５ｃに向けて噴射することにより、アノードオフガス（第２流体）を吸引するための負圧が発生し、吸込部５ｂを介してアノードオフガスがスロート部５ｃからディフューザ５ａに吸い込まれる。
ディフューザ５ａの下流側は、配管２１を介して、燃料電池スタック１０のアノード流路１０Ａの入口と接続されており、燃料タンク１からのアノードガスと吸込部５ｂから吸引されたアノードオフガスとがディフューザ５ａで合流し、合流後の混合ガスはアノード流路１０Ａに供給される。
【００２９】
ここで、主供給インジェクタ３とディフューザ５ａは、略同軸（図２に示すａ軸）となるように配置されることが好適である。このような配置とすることにより、主供給インジェクタ３とエジェクタ５（ディフューザ５ａのスロート部５ｃ）との間に滞留する流体を少なくすることができ、いわゆるストイキを高くすることができる。
【００３０】
また、本実施形態に係る燃料循環装置２０は、補助供給インジェクタ４を有している。
補助供給インジェクタ４は、エジェクタ５の上流に配置（主供給インジェクタ３と並列に配置）され、かつ、吸込部５ｂからディフューザ５ａのスロート部５ｂに吸引されるアノードオフガス（第２流体）の流れに沿うように、燃料タンク１から供給されるアノードガス（第１流体）を噴射するように配置される。
【００３１】
ここで、補助供給インジェクタ４の軸線（図２に示すｂ軸）は、ディフューザ５ａのスロート部５ｃのうち、アノードオフガス（第２流体）が流れる吸込部５ｂからディフューザ５ａに接続するように形成された流入口湾曲面５ｄにおける接線（図２に示す接線Ｃ）と略平行になるよう配置されることが好適である。このような配置とすることにより、補助供給インジェクタ４の軸線（ｂ軸）をアノードオフガス（第２流体）の流れに沿わせることで、アノードオフガスをディフューザ５ａに送り込む補助的役割が大きくなり、燃料電池システムＳのアノード系の循環能をより高めることができる。
【００３２】
次に、図３および図４を用いて、比較例に係る燃料循環装置１２０と対比しつつ、本実施形態に係る燃料循環装置２０のアノードオフガスの循環能について説明する。
図３は、比較例に係る燃料循環装置１２０の流体の流れを説明する図であり、（ａ）はインジェクタ１０３が噴射している状態を示し、（ｂ）はインジェクタ１０３が噴射を停止するインターバル間の状態を示す。図４は、本実施形態に係る燃料循環装置２０の流体の流れを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタ３が噴射する状態を示し、（ｂ）は補助供給インジェクタ４が噴射する状態を示す。
【００３３】
まず、図３を用いて、比較例に係る燃料循環装置１２０について説明する。
比較例に係る燃料循環装置１２０を備える燃料電池システムは、特許文献１に記載された燃料電池システムと同様の構成を備えるものである。また、比較例に係る燃料循環装置１２０を備える燃料電池システムと、本実施形態に係る燃料循環装置２０を備える燃料電池システムＳとは、燃料循環装置１２０と、燃料循環装置２０の構成が異なる以外は、同一であり、説明を省略する。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、インジェクタ１０３からアノードガスＧA を噴射させると、アノードオフガスを吸引するための負圧が発生し、アノードオフガスＧoff1 は、エジェクタ１０５の吸込部１０５ｂから吸引され、ディフューザ１０５ａを通過し、燃料電池スタックへと供給される。
しかし、図３（ｂ）に示すように、インジェクタ１０３からのアノードガスＧA の噴射を停止するインターバル間の状態においては、アノードオフガスは吸引されず、吸込部１０５ｂの内部でアノードオフガスＧoff2 が滞留する。
【００３５】
次に、図４を用いて、本実施形態に係る燃料循環装置２０について説明する。
図４（ａ）に示すように、主供給インジェクタ３からアノードガスＧA3 を噴射させると、アノードオフガスを吸引するための負圧が発生し、アノードオフガスＧoff1 は、エジェクタ５の吸込部５ｂから吸引され、ディフューザ５ａを通過して、燃料電池スタック１０（図１参照）へと供給さえる点では比較例に係る燃料循環装置１２０と同じである。
さらに、図４（ｂ）に示すように、本実施形態に係る燃料循環装置２０は、主供給インジェクタ３からのアノードガスＧA3 の噴射を停止するインターバル間の状態であっても、補助供給インジェクタ４からアノードガスＧA4 を噴射することができる。
補助供給インジェクタ４は、アノードオフガスが循環する方向に沿う方向に、アノードガスＧA4 を噴射することで、アノードオフガスＧoff2 の循環をアシストし、燃料電池スタック１０に供給する。
【００３６】
ちなみに、図３の比較例と図４の実施形態例について、単位時間当たり同じ量（例えばＸｃｃ）のアノードガスＧAを間欠的に噴射するとする。そうすると、比較例ではインジェクタ１０３がＸｃｃのアノードガスＧAを全量噴射し、一方、実施形態例では、主供給インジェクタ３がＸｃｃのうちのＸ１ｃｃのアノードガスＧAを噴射し、補助供給インジェクタ４が残りのＸ２ｃｃのアノードガスＧAを噴射する（Ｘ＝Ｘ１＋Ｘ２）。なお、実施形態例では、主供給インジェクタ３の休止期間（ＯＦＦ期間中）に、当該休止期間を埋めるように補助供給インジェクタ４がアノードガスＧAを噴射する。
【００３７】
このように、本実施形態に係る燃料循環装置２０によれば、間欠的にアノードガスを噴射するインジェクタを用いても、主供給インジェクタ３からのアノードガスの噴射を停止するインターバル間の状態であっても、補助供給インジェクタ４がアノードオフガスの循環をアシストするようにアノードガスを噴射することができるので、アノードオフガスの循環能を向上させることができる。
【００３８】
≪ＥＣＵ≫
次に、ＥＣＵ４０が、主供給インジェクタ３および補助供給インジェクタ４を制御する制御方法について説明する。
図５は、ＥＣＵ４０がインジェクタのタイムインターバルを決定する流れを説明する図である。
【００３９】
ＥＣＵ４０は、例えば、図示しないスロットルペダルの開度（出力要求）を検出し、ＳＴＫ要求電流生成器４９が、検出した値に応じてＳＴＫ要求電流を生成（設定）する。次に、積算器４１でＳＴＫ要求電流に定数Ｋを積算して、要求水素流量を算出する。
ここで、定数Ｋは、燃料電池スタック１０が発電するのに必要となる要求水素量を算出するためのものであり、燃料電池スタック１０の性能・構成により一意に定まる定数である。
次に、ＥＣＵ４０は、「要求水素流量−タイムインターバルマップ」４２を用いて、求めた要求水素電流に対応する、水素流量Ｔｉ（タイムインターバル）値を求める。
【００４０】
また、ＥＣＵ４０は、「ＳＴＫ要求電流−目標圧力マップ」４３を用いて、燃料電池スタック１０に供給するアノードガスの目標圧力を求め、減算器４４へ送る。
ＥＣＵ４０の減産器４４は、目標圧力から圧力センサＰ（図１参照）で検出した燃料電池スタック１０のアノードガスの圧力（検出圧力）を減算する。
ＥＣＵ４０のＰＩＤ制御部４５は、目標圧力と検出圧力との差について、ＰＩＤ制御を行い、要求圧力値を算出する。
さらに、ＥＣＵ４０は、「要求圧力値−タイムインターバルマップ」４６を用いて、圧力Ｔｉ（タイムインターバル）値を求める。
【００４１】
加算器４７は、「要求水素流量−タイムインターバルマップ」４２に基づく水素流量Ｔｉ値と、「要求圧力値−タイムインターバルマップ」４６に基づく圧力Ｔｉ値を加算し、Ｔｉ（タイムインターバル）値を算出する。
インジェクタドライバ４８は、加算器４７で算出されたＴｉ値に基づいて、主供給インジェクタ３および補助供給インジェクタ４へのタイムインターバルを決定し、主供給インジェクタ３および補助供給インジェクタ４を制御する。なお、インジェクタドライバ４８によるタイムインターバルの決定は、主供給インジェクタ３の休止期間を埋めるように補助供給インジェクタ４を作動させるというものである。
【００４２】
＜高負荷時＞
図６は、本実施形態の燃料循環装置２０のインジェクタの作動タイミングを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタ３の作動タイミングを、（ｂ）は、補助供給インジェクタ４の作動タイミングを、（ｃ）は燃料循環装置２０のインジェクタ全体としての供給流量を示す図である。
図６（ａ）に示すように、主供給インジェクタ３は、間欠的に燃料タンク１からの水素（アノードガス）を噴射するため、最大Ｄｕｔｙの状態でも、主供給インジェクタ３が水素の噴射を停止するインターバル間の状態が存在する。そこで、図６（ｂ）に示すように、主供給インジェクタ３が水素の噴射を停止するインターバル間の状態において、補助供給インジェクタ４が燃料タンク１からの水素（アノードガス）を噴射する。
図６（ｃ）に示すように、燃料循環装置２０のインジェクタ全体（主供給インジェクタ３および補助供給インジェクタ４）の供給流量は、時間的に連続して供給される。これにより、アノードオフガスも連続的に循環するため、アノードオフガスの滞留を防ぐことができ、アノードオフガスの循環能を向上することができる。
【００４３】
図７は、本実施形態に係る燃料循環装置２０と比較例に係る燃料循環装置１２０について、燃料電池スタックが要求するＳＴＫ要求電流とインジェクタが供給するアノードガスの流量との関係を示すグラフである。
比較例に係る燃料循環装置１２０（図３参照）を備えた燃料電池システムは、インジェクタが１つであるため、ＳＴＫ要求電流がＩＭの点において、インジェクタ１０３は最大流量値に達し、ＩＭ以上のＳＴＫ要求電流に対して、これ以上流量を大きくすることはできない。
このため、ＳＴＫ要求電流がＩＭを超えた状態が継続すると、燃料電池スタック１０が劣化するおそれがある（いわゆるガス欠による劣化）。
これに対し、本実施形態に係る燃料循環装置２０を備える燃料電池システムＳは、複数のインジェクタ（主供給インジェクタ３、補助供給インジェクタ４）を有するため、燃料循環装置２０が燃料電池スタック１０に供給できる燃料タンク１からの水素（アノードガス）の供給流量の最大値も増加する。
これにより、燃料電池スタック２０が必要とするＳＴＫ要求電流に対応する要求水素流量（図５参照）に対して、過剰に水素（アノードガス）を供給することが可能となり、燃料電池スタック２０の発電の安定性を確保することが気できる。
【００４４】
なお、単なる供給能力不足であれば、比較例のインジェクタ１０３を供給能力に見合う大容量のものにすればよい。しかし、インジェクタ１０３を大容量のものにしたとしても、インジェクタ１０３は間欠作動するものであるから、どうしてもインターバル（休止期間）が生じ、このインターバルが、エジェクタ１０５の効率を低下させる。これに対して、本実施形態では、２つのインジェクタを用い、つまり、主供給インジェクタ３の休止期間を埋めるように補助供給インジェクタ４を作動させるので、エジェクタ５の効率（循環能力）を高めることができる。
【００４５】
＜低・中負荷時＞
次に、燃料電池スタック１０の要求電流が１つのインジェクタで賄える要求水素流量の場合（低・中負荷時）について、比較例に係る燃料循環装置１２０と、本実施形態に係る燃料循環装置２０とを比較する。即ち、燃料電池スタック１０の要求電流がＩＭ（図７参照）以下の場合について説明する。
図８は、比較例に係る燃料循環装置１２０の作動タイミングを説明する図である。図９は、本実施形態の燃料循環装置２０の作動タイミングを説明する図であり、（ａ）は主供給インジェクタ３の作動タイミングであり、（ｂ）は補助供給インジェクタ４の作動タイミングである。
特に、低・中負荷帯においては、アノードオフガスの滞留を減らすために、短いタイムインターバル（主供給インターバル）が設定され、図８に示すように、１つのインジェクタの作動回数が多くなる。
【００４６】
これに対し、図９に示すように、本実施形態に係る燃料循環装置２０によれば、主供給インジェクタ３と補助供給インジェクタ４とを有することにより、比較例に係る燃料循環装置１２０と同等のアノードガス供給能・アノードオフガス循環能を有しつつ、各インジェクタの作動回数を大幅に少なくすることができる。
これにより、インジェクタの耐久性の課題を解決することにより、燃料電池システムＳの耐久性も向上する。
【００４７】
＜変形例＞
なお、本実施形態に係る燃料循環装置２０は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、上記実施形態の構成においては、一つのディフューザ５ａに対して、１つの主供給インジェクタ３と補助供給インジェクタ４とを備える燃料循環装置２０として説明したが、燃料循環装置２０は補助供給インジェクタ４を複数備えるものとしてもよい。
【００４８】
また、図５では、フィードフォワード制御により水素流量Ｔｉ値を算出するとともに、フィードバック制御により圧力Ｔｉ値を算出し、両者を足し合わせることでタイムインターバル（Ｔｉ値）を算出し、このＴｉ値を用いてインジェクタドライバ４８が両インジェクタ（主供給インジェクタ３と補助供給インジェクタ４）を作動させることとした。この両インジェクタの作動について、インジェクタドライバ４８が、Ｔｉ値により定まる噴射量を両インジェクタに、例えば、主供給インジェクタ３が８割、補助供給インジェクタ４が２割というように割り振り、それぞれ割り振られた量を噴射するように両インジェクタをそれぞれＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動させるようにしてもよい。つまり、インジェクタドライバ４８が、主供給インジェクタ３を介してＴｉ値により定まる８割分をＰＷＭ駆動により噴射させ、残りの２割分を、補助供給インジェクタ４を介して、主供給インジェクタ３の休止期間を埋めるように（時間的な位相差をもって略交互に）、ＰＷＭ駆動により噴射させてもよい。このようにすれば、主供給インジェクタ３が１００％デューティで作動しているときにも生じる休止期間でも、補助供給インジェクタ４により水素（アノードガス）を噴射でき、エジェクタ５の効率を向上することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１ 燃料タンク
２ レギュレータ
３ 主供給インジェクタ（第１インジェクタ）
４ 補助供給インジェクタ（第２インジェクタ）
５ エジェクタ
５ａ ディフューザ
５ｂ 吸込部
５ｃ スロート部
５ｄ 流入口湾曲部
６ キャッチタンク
７ 逆止弁
８ パージ弁
９ ドレイン弁
１０ 燃料電池スタック
１０Ａ アノード流路
１０Ｃ カソード流路
１１ コンプレッサ
１２ 背圧弁
１３ 希釈器
２０ 燃料循環装置
２１，２２，２３，２４ 配管
３０ パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
４０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
Ｐ 圧力センサ
Ｓ 燃料電池システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置であって、
第１流体を間欠的に噴射する第１インジェクタと、
前記第１インジェクタの下流に配置され、前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し、前記第１流体に合流させて送出するディフューザを有するエジェクタと、
前記エジェクタの上流に配置され、前記ディフューザのスロート部に吸引される前記第２流体の流れに沿って前記第１流体を噴射する１つあるいは複数の第２インジェクタと、を備えており、
前記第１インジェクタと前記第２インジェクタとは、時間的な位相差をもって略交互に前記第１流体を噴射する
ことを特徴とする燃料循環装置。
【請求項２】
前記第１インジェクタは、
前記ディフューザと略同軸になるよう配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料循環装置。
【請求項３】
前記第２インジェクタは、
その軸線が、前記ディフューザのスロート部のうち、前記第２流体の流入口湾曲部における接線と略平行になるよう配置される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料循環装置。
【請求項４】
前記第１流体は、燃料タンクから供給されたアノードガスであり、
前記第２流体は、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料循環装置。
【請求項１】
燃料電池システムのアノード系において、燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスを循環させる燃料循環装置であって、
第１流体を間欠的に噴射する第１インジェクタと、
前記第１インジェクタの下流に配置され、前記第１流体の噴射により発生する負圧によって第２流体を吸引し、前記第１流体に合流させて送出するディフューザを有するエジェクタと、
前記エジェクタの上流に配置され、前記ディフューザのスロート部に吸引される前記第２流体の流れに沿って前記第１流体を噴射する１つあるいは複数の第２インジェクタと、を備えており、
前記第１インジェクタと前記第２インジェクタとは、時間的な位相差をもって略交互に前記第１流体を噴射する
ことを特徴とする燃料循環装置。
【請求項２】
前記第１インジェクタは、
前記ディフューザと略同軸になるよう配置される
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料循環装置。
【請求項３】
前記第２インジェクタは、
その軸線が、前記ディフューザのスロート部のうち、前記第２流体の流入口湾曲部における接線と略平行になるよう配置される
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料循環装置。
【請求項４】
前記第１流体は、燃料タンクから供給されたアノードガスであり、
前記第２流体は、前記燃料電池スタックから排出されたアノードオフガスである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料循環装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１７９３３３（Ｐ２０１１−１７９３３３Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４１５９３（Ｐ２０１０−４１５９３）
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２６日（２０１０．２．２６）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]