JP2009238392A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高温環境下であっても、水の回収性が良く直噴水の不足を防止できる直噴水タイプの燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】本発明によれば、排気量調整手段により系外へ排出される排気の量を調整でき、系外へ排出されなかった排気を循環させて燃料電池への供給空気として再利用する構成により、燃料電池の空気極へ供給する空気量を必要かつ十分な量で供給しつつ、水の回収性を向上させることができるという効果がある。従って、供給空気量の低下に伴って生じる空気極の水による閉塞や空気極における空気流量の分布の偏りを防止しつつ、水の回収性の低さに伴う直噴水の不足を防止することができるので、熱交換器による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、燃料電池の発電効率の低下が有効に防止され、安定した高出力を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を含む直噴水タイプの燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池の単位セルは、燃料極（水素極、アノード極）と空気極（酸素極、カソード極）との間に固体高分子電解質膜を挟持した構成を有し、燃料極へ供給される燃料ガス（例えば、水素）と空気極へ供給される酸化剤ガス（例えば、空気）とを電気化学的に反応させることにより発電を行う。

この発電に伴い発熱した空気極を冷却すると共に固体高分子電解質膜の乾燥を防ぎ発電性能を高める目的で、例えば、特開平１１−２４２９６２号公報（特許文献１）において、空気極に液体水を霧状に噴射する直噴水タイプの燃料電池システム（燃料電池装置）が提案されている。

ここで、図１５を参照して、従来における直噴水タイプの燃料電池システムの概略を説明する。図１５は、従来の直噴水タイプの燃料電池システム５００の構成を示すブロック図である。

図１５に示すように、従来の燃料電池システム５００は、複数の単位セルが積層されて構成される燃料電池スタック５４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック５４０を構成する各単位セルの燃料極へ供給するための水素ガス供給系５５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック５４０を構成する各単位セルの空気極へ常圧で供給するための空気供給系５６０と、燃料電池スタック５４０の空気極へ霧状の液体水を供給して単位セルを冷却し加湿（湿潤）する水供給系５８０と、燃料電池スタック５４０の空気極から排出された排気を排出する排気系５２０とを備えている。

かかる燃料電池システム５００では、水素供給系５５０において水素ボンベ５５１に貯蔵される水素を燃料電池スタック５４０における各単位セルの燃料極へ供給すると共に、空気供給系５６０において送風機５６１により取り入れた外気（空気）を、空気マニホールド５６２を介して各単位セルの空気極へ常圧で供給することによって発電を行う。

その一方で、水供給系５８０において水タンク５８１に貯留されている液体水を給水ポンプ５８０によってノズル５８２へ圧送し、このノズル５８２から、液体水を空気マニホールド５６２に向けて噴射する。このように空気マニホールド５６２へ噴射された液体水は、空気供給系５６２を流通する空気流によって霧状となって燃料電池スタック５４０に送り込まれ、空気極を冷却し、固体高分子電解質膜を加湿する。

排気系５２０における排気経路上には、凝縮器５２１が設けられている。この凝縮器５２１は、燃料電池スタック５４０の空気極から排出された排気を外気温との熱交換によって冷却し、該排気中に含まれる水分を凝縮して分離する。凝縮器５２１によって分離された液体水は、回収ポンプ５８４によって水タンク５８１へと圧送される。

このように、直噴水タイプの燃料電池システム５００の水供給系５８０は、水タンク５８１に貯留される液体水を燃料電池スタック５４０の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック５４０から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器５２１によって凝縮して液体水として回収し、回収した液体水を水タンク５８１に戻す循環系として構成されている。
特開平１１−２４２９６２号公報

しかしながら、かかる循環系として構成される水供給系５８０は、外気温が高い場合には、凝縮器５２１と外気との温度差が小さくなるので、凝縮器５２１による熱交換（即ち、冷却）能力が低くなる。その結果、凝縮器５２１による水の凝縮効率が悪くなるため、排気から十分な液体水を回収することができず、燃料電池スタック５４０へ供給する液体水（直噴水）が不足するという問題があった。直噴水が不足すると、燃料電池スタック５４０の冷却及び加湿が不十分となり、発電効率の低下が生じる。

かかる問題に対し、空気の供給量を低減することにより、水の回収量を増やすことができる。しかし、空気の供給量を低減した場合には、燃料電池スタック５４０の空気極における空気の流路が水（電極反応によって生成した水、ノズル５８２から噴射された水）によって閉塞され易くなったり、空気極を流通する空気流量の分布に偏りが生じ易くなるという別の問題が発生する。

本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、高温環境下であっても、水の回収性が良く直噴水の不足を防止できる直噴水タイプの燃料電池システムを提供することを目的としている。

この目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池システムは、固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び空気極とを含んで構成される燃料電池と、燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、空気を前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、前記酸化剤ガス供給手段に接続され、系外から空気を取り入れる空気取入口を有する空気取入経路と、前記排気経路から分岐して、前記酸化剤ガス供給手段に接続される空気循環経路と、液体水を貯留する貯水手段と、その貯水手段に貯留されている液体水を霧状に噴射して前記空気極へ前記液体水を供給する燃料電池側水供給手段と、前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を系外へ導出する排気経路における前記循環空気経路の分岐位置より該排気経路の出口側に位置し、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する排気経路上熱交換器と、その排気経路上熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、前記排気経路における前記循環空気経路の分岐位置より該排気経路の出口側に位置し、該排気経路の出口から系外へ排出される排気の量を調整する排気量調整手段と、を備えている。

請求項２記載の燃料電池システムは、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、前記排気量調整手段を制御し、前記排気経路の出口から系外へ排出される排気の量を前記燃料電池の出力に応じた量にする排気量制御手段と、を備えている。

請求項３記載の燃料電池システムは、請求項１又は２に記載の燃料電池システムにおいて、前記空気循環経路上に位置し、該空気循環経路に流入された前記排気から熱交換による冷却によって水分を凝縮して液体水として分離する循環経路上熱交換器を備え、前記水回収手段は、前記循環経路上熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す。

請求項４記載の燃料電池システムは、請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記循環経路上熱交換器は、放熱用のファンを有しており、前記空気循環経路を流通する空気の温度を検出する循環空気温度検出手段と、その循環空気温度検出手段により検出された温度に応じて前記ファンの回転数を制御する回転数制御手段と、を備えている。

請求項５記載の燃料電池システムは、請求項１から４のいずれに記載の燃料電池システムにおいて、前記排気経路上熱交換器より前記排気経路の出口側に位置すると共に、前記空気取入経路上に位置し、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する下流側熱交換器と、前記空気取入経路における前記下流側熱交換器より前記空気取入口側に液体水を霧状に噴射する空気取入口側水供給手段と、を備え、前記水回収手段は、前記下流側熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す。

請求項６記載の燃料電池システムは、請求項５記載の燃料電池システムにおいて、前記水回収手段による液体水の回収性を示す指標を取得する水回収性把握手段と、その記水回収性把握手段により取得した指標に応じて、前記空気取入口側水供給手段による水の噴射を制御する噴射制御手段と、を備えている。

請求項１記載の燃料電池システムによれば、固体高分子型燃料電池の燃料極には、燃料ガス供給手段によって燃料ガスが供給される一方で、空気極には、酸化剤ガス供給手段によって空気（供給空気）が供給される。その結果、燃料電池は、燃料ガスと空気との電気化学的反応により発電する。

このとき、燃料電池側水供給手段により、貯留手段に貯留されている液体水が空気極へ霧状に噴射（噴霧）される。即ち、請求項１記載の燃料電池システムは、直噴水タイプの燃料電池システムとして構成されるものであり、かかる霧状の液体水（直噴水）によって空気極が冷却され加湿される。

燃料電池における空気極から排出された排気は、排気経路上に位置する排気経路上熱交換器を通過し、排気経路上熱交換器によって冷却された後、排気経路の出口から系外へ導出される。ここで、排気経路上熱交換器では、熱交換による冷却によって排気中の水分が凝縮して液体水として分離される。

この排気経路上熱交換器において分離された液体水は、水回収手段によって回収され、貯水手段に戻される。それによって、燃料電池側水供給手段によって燃料電池の空気極へ冷却水及び加湿水として供給するための液体水を、水回収手段によって該空気極から排出される排気から回収して循環する系が構成される。

ここで、この請求項１記載の燃料電池システムによれば、排気経路の出口から系外へ排出される排気の量は、排気量調整手段によって調整（増加又は減少）される。この排気量調整手段は、排気経路上熱交換器と同様に、排気経路上における循環空気経路の分岐位置より該排気経路の出口側に位置するので、排気量調整手段によって系外へ排出される排気の量が調整されると、それに伴って、排気経路上熱交換器を流通する排気の量も変化する。

従って、排気量調整手段よる調整によって系外へ排出される排気の量が減少されると、それに伴って、排気経路上熱交換器を流通する排気の量が減少するので、排気経路上熱交換器において凝縮されずに系外へ排出される水分の量を減少させることができる。よって、外気温が高いなどの理由によって排気経路上熱交換器による水の回収性が低下する場合であっても、排気量調整手段よる調整によって系外へ排出される排気の量を調整することにより、系内における水の回収効率を向上させることができる。

また、排気量調整手段は、排気経路上における循環空気経路の分岐位置より該排気経路の出口側に位置するので、かかる排気量調整手段によって系外へ排出する排気の量を調整することにより、循環空気経路へ回送される排気の量もまた調整される。即ち、排気量調整手段による調整により、系外へ排出されない排気を循環空気経路へと回送させることができる。

よって、酸化剤ガス供給手段によって燃料電池の空気極へ供給される供給空気として排気の一部を再利用することができるので、排気中に含まれる水分を系内に残留させることができ、その点においても、系内における水の回収効率を向上させることができる。

また、請求項１記載の燃料電池システムによれば、酸化剤ガス供給手段には、この空気循環経路だけでなく、系外から空気を取り入れる空気取入口を有する空気取入経路に接続されているので、排気経路の出口から系外へ排出された分の空気量を、空気取入口から取り入れられる系外からの空気によって補充することができる。従って、発電に十分な量（ストイキ比）であり、かつ、空気極の閉塞など、発電性能の悪化を招く事象を十分に排除できる量の空気を、燃料電池へ供給することができる。

以上のように、請求項１記載の燃料電池システムによれば、排気量調整手段により系外へ排出される排気の量を調整でき、系外へ排出されなかった排気を循環させて燃料電池への供給空気として再利用する構成により、燃料電池の空気極へ供給する空気量を必要かつ十分な量で供給しつつ、水の回収性を向上させることができるという効果がある。

従って、供給空気量の低下に伴って生じる空気極の水による閉塞や空気極における空気流量の分布の偏りを防止しつつ、水の回収性の低さに伴う直噴水の不足を防止することができるので、熱交換器による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、燃料電池の発電効率の低下が有効に防止され、安定した高出力を得ることができるという効果がある。

請求項２記載の燃料電池システムによれば、請求項１記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。燃料電池の出力が出力検出手段によって検出されると、その検出結果に応じて、排気量調整手段が制御されて、排気経路の出口から系外へ排出される排気の量が燃料電池の出力に応じた量とされる。

よって、燃料電池の出力を担う反応によって生成される水量と、系外へ排出される排気に含まれる水分量（即ち、系外へ排出される水量）とのバランスを、生成水が過剰となるように制御することができるという効果がある。

請求項３記載の燃料電池システムによれば、請求項１又は２に記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。空気循環経路上には、循環経路上熱交換器が設けられており、排気経路から分岐して空気循環経路に流入された排気は、かかる循環経路上熱交換器において、熱交換によって冷却される。

よって、燃料電池における空気極から排出された高温の排気が循環経路上熱交換器にて十分に冷却されるので、供給空気の温度によって燃料電池の温度が過度に上昇することを防止することができるという効果がある。

また、この請求項３記載の燃料電池システムによれば、熱交換による排気の冷却に伴い、循環経路上熱交換器において凝縮されて排気から分離された液体水は、水回収手段によって回収されて貯水手段に戻される。よって、排気中に含まれる水分の回収は、排気経路上熱交換器だけでなく、循環経路上熱交換器においても行われるので、水の回収性をより有効に向上させることができるという効果がある。

請求項４記載の燃料電池システムによれば、請求項３記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。空気循環経路を流通する空気の温度が循環空気温度検出手段によって検出されると、その検出結果に応じて、循環経路上熱交換器における放熱用のファンの回転数が制御される。

よって、循環経路上熱交換器からの放熱量、即ち、循環経路上熱交換器による排気の冷却量を、空気循環経路を流通する空気の温度に応じて制御することができるので、燃料電池へ供給する供給空気の温度が過剰な高温となることを有効に防止することができるという効果がある。

請求項５記載の燃料電池システムによれば、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。排気経路上熱交換器より排気経路の出口側には、下流側熱交換器が配設されており、排気経路上熱交換器から排出された排気は、この下流側熱交換器においてさらなる熱交換によって冷却され、それによって、該排気中に含まれる水分が凝縮させて液体水として分離される。

そして、このように排気から分離された液体水は、水回収手段によって回収されて貯水手段に戻される。よって、請求項１記載の燃料電池システムによれば、排気中に含まれる水分の回収は、排気経路上熱交換器だけでなく、下流側熱交換器においても行われる。

ここで、請求項１記載の燃料電池システムによれば、空気取入経路における下流側熱交換器より空気取入口側の供給空気、即ち、空気取入口から取り入れられ下流側熱交換器に流入される前の外気に対して、空気取入口側水供給手段により液体水を霧状に噴射（噴霧）することができるように構成されている。

かかる構成により、下流側熱交換器に流入される外気（供給空気）の温度を、噴霧された液体水の蒸発潜熱によって下げることができる。よって、液体水の噴霧された外気が冷却媒体として作用し、下流側熱交換器における水の凝縮能力を高めることができる。その結果、かかる下流側熱交換器における液体水の回収性を向上させることができるという効果がある。

請求項６記載の燃料電池システムによれば、請求項５記載の燃料電池システムの奏する効果に加えて、次の効果を奏する。空気取入口側水供給手段は、噴射制御手段により、水回収性把握手段によって取得された水回収手段による液体水の回収性を示す指標に応じて制御されるように構成されている。

このように、空気取入口側水供給手段による液体水の噴射を必要に応じて行わせることにより、下流側熱交換器における液体水の回収性を必要に応じて高めることができるという効果がある。

よって、例えば、水回収性把握手段により取得された指標が水回収性の低さを示す場合に、空気取入口側水供給手段によって液体水の噴射を行わせるよう制御させることにより、下流側熱交換器における液体水の回収性を高めることができ、結果として、燃料電池側水供給手段により燃料電池の空気極へ供給される液体水の量が、燃料電池の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを好適に防止することができる。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池システムである燃料電池システム１００の第１実施形態を示すブロック図である。

この燃料電池システム１００は、燃料電池スタック４０と、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０（図４など参照）の燃料極（水素極、アノード極）１３（図４参照）へ供給するための水素ガス供給系５０と、酸化剤ガスとしての空気を、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極（酸素極、カソード極）１２（図４参照）へ供給するための空気供給系６０と、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０の空気極１２へ霧状の液体水を供給して単位セル１０を冷却し加湿する水供給系８０と、燃料電池スタック４０（各単位セル１０の空気極１２）から排出される排気を系外へ排出する排気系１１０とを備えている。

なお、図１に示す燃料電池システム１００では、空気（供給空気、排気）の流通経路（空気供給路６３、空気取入路１６１、空気循環路１６２、空気排出路１１１など）を最も太い実線により表しており、水素ガスの流通経路（水素ガス供給流路５１）を次に太い実線で表しており、水の流通経路（導水路８１ａや給水路８１ｃなど）を点線で表している。

燃料電池スタック４０は、単位セル１０（図４など参照）と、隣接する単位セル１０の間に介装されて隣接する単位セル１０を電気的に接続するセパレータ２０（図４など参照）とを、単位セル１０及びセパレータ２０の厚み方向に積層した構成とされている。なお、燃料電池スタック４０（各単位セル１０）は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池に該当する。

水素ガス供給系５０は、本発明の燃料電池システムを構成する燃料ガス供給手段に該当し、水素源となる水素ボンベ（図示せず）から供給される水素ガスの流量を調整する電磁弁（図示せず）を含む水素ガス供給流路５１を介して、燃料電池スタック４０のガス取入口４１から図示されない水素ガス流路に接続されて、かかる水素ガス流路に水素ガスを供給する。なお、この水素ガス供給系５０は、燃料電池スタック４０から排出された未反応水素ガスを、水素ガス供給流路に戻して循環できるように構成されている。

空気供給系６０は、給気経路である空気供給路６３と、燃料電池スタック４０における図示されない空気流路の上流側に設けられ、空気供給路６３の出口側の端部が接続される空気マニホールド６２とを含んで構成される。空気供給路６３には、空気の流通する方向に向かって順に、シロッコファンやターボファンなどの空気ファン６１と、空気入口温度センサＳＥ１とが設けられている。

この空気供給系６０には、空気取入路１６１と、空気循環路１６２とが接続されている。空気取入路１６１は、本発明における空気取入経路に該当する経路であり、系外から取り入れた外気を空気供給系６０へ供給するための空気流路である。この空気取入路１６１には、外気の取入口側から空気の流通方向に向かって、外気温センサＳＥ２と、フィルタ１６１ａとが順に設けられている。なお、この空気供給系６０は、本発明の燃料電池システムを構成する酸化剤ガス供給手段に該当する。

空気循環路１６２は、本発明における空気循環経路に該当する経路であり、後述する空気排出路１１１から分岐し、燃料電池スタック４０から排出された排気の一部を循環させるための空気流路である。

よって、空気供給系６０は、空気ファン６１を駆動させることにより、外気の取り入れ口から取り入れられて空気取入路１６１を流通する外気と、空気循環路１６２を流通する燃料電池スタック４０からの排気とを、空気供給路６３及び空気マニホールド６２を介して、燃料電池スタック４０の空気流路へ供給する。

よって、本実施形態の燃料電池システム１００は、常圧の空気（酸化剤ガス）を燃料電池スタック４０に供給するシステムであると共に、燃料電池スタック４０からの排気の一部を供給空気として再利用するシステムである。

排気系１１０は、燃料電池スタック４０における空気流路の下流側に設けられた図示されない排気マニホールドに一端側が接続される排気経路として空気排出路１１１を含んで構成される。

この空気排出路１１１の経路上には、燃料電池スタック４０の側から空気（排気）の流通方向に向かって、燃料電池出口温度センサＳＥ３と、排気経路上熱交換器としての凝縮器１１２と、排気温度センサＳＥ４と、フィルタ１１３と、流量調整電磁弁１１４とが順に設けられ、排気量調整手段としての流量調整電磁弁１１４を通過した排気が系外へと排出される。

凝縮器１１２は、外気温との熱交換によって排気を冷却し、排気中に含まれる水分を凝縮により分離して回収するものである。ここで、図１に示すように、凝縮器１１２は、空気排出路１１１における空気循環路１６２への分岐位置より出口側（下流側）に設けられている。従って、燃料電池スタック４０から排出された排気の一部が、凝縮器１１２へと流入し、該排気中に含まれる水分が液体水として分離され、後述する水供給系８０により回収されて水タンク８２へと戻される。

なお、凝縮器１１２には、放熱ファン１１２ａが設けられている。かかる放熱ファン１１２ａにより凝縮器１１２からの放熱量を調整することができる。詳細は後述するが、本実施形態では、水タンク８２に貯留される液体水の水位を検出する水位センサＳＥ５の検出値に応じて放熱ファン１１２ａのオン／オフを切り換え、凝縮器１１２による水の回収量を調整し、水タンク８２に貯留される液体水の水位を適正に保つことができるように構成されている。

流量調整電磁弁１１４は、その開度を調整（開度増又は開度減）することによって、系外へ排出される排気の量を調整（増加又は減少）するためのものである。

水供給系８０は、水タンク８２と、その水タンク８２に一端側が接続され、水タンク８２に貯留されている水を燃料電池スタック４０へ供給するための給水路８１ｂを含んで構成される。なお、この水供給系８０における給水路８１ｂは、本発明の燃料電池システムを構成する燃料電池側水供給手段に該当する。

水タンク８２は、燃料電池スタック４０へ冷却水及び加湿水となる水を供給するための水を貯留するものであり、この水タンク８２には、水位センサＳＥ５と、水温センサＳＥ６とが設けられている。

給水路８１ｂには、水タンク８２の側から水の流通方向に向かって、フィルタ８４と、給水ポンプ８５と、水供給電磁弁８６と、給水路８１ｂからの水の出口となるノズル８３ａとが順に設けられている。

ノズル８３ａの先端は、空気マニホールド６２に向けられており、給水路８１ｂを介して水タンク８２から導かれた水は、ノズル８３ａの先端から噴射される。ノズル８３ａから空気マニホールド６２へ向けて噴射された水は、空気供給系６０を流通する供給空気の流れによって霧状となって燃料電池スタック４０へ送り込まれる。この霧状に噴射された水は、各単位セル１０（図４など参照）の空気極１２へと流れ込み、燃料電池スタック４０に対する冷却水及び加湿水として作用する。

図１に示すように、水供給系８０はまた、凝縮器１１２により回収された水を水タンク８２へ導く導水路８１ａを含んでいる。導水路８１ａは、その一端側が凝縮器１１２に接続され、他端側が水タンク８２に接続された経路であり、この導水路８１ａには、回収ポンプ８８が設けられている。なお、この水供給系８０における導水路８１ａは、本発明の燃料電池システムを構成する水回収手段に該当する。

このように、水供給系８０は、水タンク８２に貯留される液体水を、給水路８１ｂを介して燃料電池スタック４０の冷却水及び加湿水として供給し、燃料電池スタック４０から排出される排気中に含まれる水分を凝縮器１１２によって凝縮して液体水として分離し、かかる水を、導水路８１ａを介して水タンク８２に戻す循環系として構成されている。

以上のように構成された燃料電池システム１００を運転する場合には、空気ファン６１を駆動させ、外気の取り入れ口から取り入れられて空気取入路１６１を流通する外気と、空気循環路１６２を流通する燃料電池スタック４０からの排気とを燃料電池スタック４０の空気流路内へ供給すると共に、水供給系８０の給水ポンプ８５を駆動させて水を供給する。一方で、水素ガス供給系５０における図示されない各電磁弁を調整し、水素ガスを所定の圧力として燃料電池スタック４０の水素ガス流路内へ供給する。

その結果、燃料電池スタック４０を構成する各単位セル１０にて水素と酸素とによる水生成反応（電極反応）が行われ、生じた電流が燃料電池スタック４０に接続されるモータなどの負荷系（図示せず）へ流れる。かかる燃料電池システム１００の運転中は、霧状となって供給される水によって各単位セル１０が冷却及び加湿される。

ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、空気排出路１１１における凝縮器１１２よりさらに出口側に流量調整電磁弁１１４が設けられているので、この流量調整電磁弁１１４の開度を調整して、系外へ排出される排気の量を調整（増加又は減少）すると、それに伴って、凝縮器１１２を流通する排気の量が変化する。

よって、流量調整電磁弁１１４の開度を減じることにより系外へ排出される排気の量を減少させると、凝縮器１１２を流通する排気の量が減少するので、その結果、凝縮器１１２において凝縮されずに系外へ排出される水分の量を減少させることができる。従って、流量調整電磁弁１１４の開度を必要に応じて減じ、系外へ排出される排気の量を減少させることによって、系内における水の回収効率を向上させることができる。

また、この流量調整電磁弁１１４は、空気排出路１１１における空気循環路１６２への分岐位置より出口側に位置するので、この流量調整電磁弁１１４の開度を調整して、系外へ排出される排気の量を調整することにより、空気循環路１６２へ回送される排気の量もまた調整される。即ち、流量調整電磁弁１１４の開度を調整することにより、系外へ排出されない排気を空気循環路１６２へと回送させることができる。

よって、空気供給系６０によって燃料電池スタック４０の空気極１２（図４参照）へ供給される供給空気として排気の一部を再利用することができるので、排気中に含まれる水分を系内に残留させることができ、その点においても、系内における水の回収効率を向上させることができる。

また、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、空気供給系６０には、排気を循環させる空気循環路１６２だけでなく、空気取入路１６１にも接続されているので、空気排出路１１１の出口から系外へ排出された量に応じた空気量を、空気取入路１６１の空気取入口から取り入れられる外気（系外からの空気）によって補充される。

空気循環路１６２は、空気排出路１１１と空気取入路１６１とに連通する以外は閉じた経路であるので、系外へ排出される排気の量を減少させても、空気取入路１６１の空気取入口から取り入れられる外気により、空気循環路１６２を循環する空気の量を保つことができる。

例えば、流量調整電磁弁１１４の開度を調整して、系外へ排出される排気の量をストイキ比で５（Ｓｔ５）の量とした場合には、空気取入路１６１の空気取入口から排気量に対応する量（即ち、Ｓｔ５）の外気が取り入れられ、空気循環路１６２を循環する空気の量（ストイキ比）は保たれる。

このとき、空気循環路１６２を循環する空気の量を、空気極１２の水による閉塞や空気極１２における空気流量の分布の偏りを防止し得る量（例えば、Ｓｔ２０）とすることにより、空気極１２の水による閉塞や空気極１２における空気流量の分布の偏りを防止することができる。

よって、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、発電に十分な量（ストイキ比）であり、かつ、発電性能の悪化を招く事象（例えば、燃料電池スタック４０における空気極１２の閉塞や、空気極１２における空気流量の分布の偏りなど）を十分に排除できる量の空気を、燃料電池スタック４０へ供給することができる。

また、図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０をさらに有している。この制御装置７０の詳細な構成については、図６を参照して後述するが、この制御装置７０による制御によって、本実施形態の燃料電池システム１００は、流量調整電磁弁１１４の開度を調整し、それによって、燃料電池スタック４０の空気極１２へ供給する空気量を必要かつ十分な量で供給しつつ、水の回収性を向上させることができるように構成されている。

次に、図２〜図４を参照して、燃料電池スタック４０の構成について説明する。図２（ａ）は、本実施形態における燃料電池スタック４０を模式的に示す上面図であり、図２（ｂ）は、燃料電池スタック４０を構成するセルモジュール３０を模式的に示す上面図である。なお、図２（ａ）では、２つのセルモジュール３０を代表として図示し、その他のセルモジュール３０の図示を省略している。また、図２（ｂ）では、理解を容易にする目的で、単位セル１０とセパレータ２０との位置関係のみ図示し、具体的構成は省略している。

また、図３（ａ）は、セルモジュール３０を空気極側から見た正面図であり、図３（ｂ）は、セルモジュール３０を燃料極側から見た正面図である。図４（ａ）は、図３（ａ）のＩＶａ−ＩＶａ矢視要部断面図であり、図４（ｂ）は、図３（ａ）の矢視要部断面図である。

図２（ａ）に示すように、本実施形態における燃料電池スタック４０は、セルモジュール３０を複数積層して構成される。

セルモジュール３０は、図２（ｂ）に示すように、単位セル１０と、隣接する単位セル１０の間に介装されて隣接する単位セル１０を電気的に接続するセパレータ２０とを、単位セル１０及びセパレータ２０を支持するフレーム１７，１８を１セットとして、厚み方向に複数セット積層して構成される。なお、図２（ｂ）に例示されるセルモジュール３０は、単位セル１０及びセパレータ２０などを含む１セットが１０セット積層されたものである。

セルモジュール３０は、隣接する単位セル１０が所定の間隔に離間されて配置されるように、単位セル１０とセパレータ２０とが、２種類のフレーム１７，１８を交互にスペーサとして多段に重ねられて積層されている。

セルモジュール３０における積層方向の一端（図２（ａ）における上端面側）は、図３（ａ）に示すように、セパレータ２０の空気極側コレクタ２２の端面とフレーム１７の端面とで終端している。一方で、セルモジュール３０における積層方向の他端（図２（ａ）における下端面側）は、図３（ｂ）に示すように、セパレータ２０の燃料極側コレクタ２３の端面とフレーム１８の端面とで終端している。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、単位セル１０は、固体高分子電解質膜１１と、その固体高分子電解質膜１１の一方の面に当接する空気極１２と、固体高分子電解質膜１１の他方の面に当接する燃料極１３とから構成されている。

固体高分子電解質膜１１としては、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標：デュポン社製）やＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標：旭化成（株）製）など、固体高分子型燃料電池に適用可能な固体高分子電解質膜を使用することができる。

空気極１２は、空気（酸化剤ガス）を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層（図示せず）と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１に当接される反応層（図示せず）とから構成されている。

燃料極１３は、水素ガス（燃料ガス）を拡散しながら透過する導電性材料からなる拡散層（図示せず）と、その拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１に当接される反応層（図示せず）とから構成されている。

なお、空気極１２及び燃料極１３を構成する拡散層は、ガス拡散が可能なカーボン製の織物やカーボン製の紙等から構成されるものであり、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー、カーボン繊維からなる不織布等を用いることができる。また、空気極１２及び燃料極１３を構成する反応層しては、例えば、白金触媒が担持されたカーボンとＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）とを含んで構成された反応層（触媒層）を採用することができる。

単位セル１０を構成する部材のうち、空気極１２及び燃料極１３は、それらの支持部材とされるフレーム１８開口部の横方向寸法（短手方向寸法）より若干長い横方向寸法と、開口部の縦方向寸法（長手方向寸法）より若干長い縦方向寸法を有するものとされている。また、固体高分子電解質膜１１は、開口部の縦横方向寸法より一回り大きな縦横方向寸法を有するものとされている。

セパレータ２０は、セパレータ本体２１と、そのセパレータ本体２１の一側に設けられ、単位セル１０の空気極１２の拡散層（図示せず）に当接される空気極側コレクタ２２と、セパレータ本体２１の他側に設けられ、単位セル１０の燃料極１３の拡散層（図示せず）に当接される燃料極側コレクタ２３とから構成される。

セパレータ本体２１は、隣接する単位セル１０間のガス遮断部材として機能する板厚の薄い金属薄板である。セパレータ本体２１を構成する金属としては、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものが挙げられる。

空気極側コレクタ２２は、空気極１２と接触して集電すると共に、空気極１２への空気の供給と空気極１２からの生成水の排出とを可能にする多数の孔を有する導電性部材である。また、空気極側コレクタ２２は、放熱板としても機能し、水供給系８０のノズル８３（図１参照）から噴射（噴霧）される水によって冷却される。なお、この空気極側コレクタ２２の詳細構成については、図５などを参照して後述する。

燃料極側コレクタ２３は、燃料極１３と接触して集電すると共に、燃料極１３への水素ガスの供給を可能にする多数の孔を有する導電性部材である。なお、この燃料極側コレクタ２３は、空気極側コレクタ２２と同様に構成できるので、詳細な説明は省略する。

セパレータ２０の外側には、単位セル１０を含めて所定の位置関係に保持できるよう、フレーム１７，１８が配置される。これらのフレーム１７，１８は、絶縁性材料から構成される。

より具体的には、空気極側コレクタ２２の左右両側にフレーム１７が配置され、燃料極側コレクタ２３の周縁部にフレーム１８が設けられている。なお、最も外端に配置されるフレーム１７は、図３に示すように、その上下端が相互にバックアッププレート１７ａ及び１７ｂによって連結されて枠状に構成されている。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、空気極側コレクタ２２側に配置されるフレーム１７は、外端（図４（ａ）における最上端、図４（ｂ）における左端）に配置されるものを除き、空気極側コレクタ２２の短辺に沿う両側に配置される縦枠部１７１から構成されている。このフレーム１７の板厚は、空気極側コレクタ２２の厚みに匹敵する厚さとされている。

縦枠部１７１には、板厚方向に貫通する長孔１７２が水素ガス流路形成のために設けられている。なお、セパレータ本体２１の面における縦横方向寸法は、フレーム１７の面における縦横方向寸法に匹敵する大きさとされ、フレーム１７の長孔１７２に重なる位置に、同様の長孔２１２を備える構成とされている。

かかるフレーム１７の配置により、左右両側の縦枠部１７１の間には、単位セル１０の空気極１２とセパレータ本体２１とで囲まれた空気室が形成される。なお、詳細は後述するが、かかる空気室内には、図４（ａ）における紙面垂直方向に延びる線状のリブ部材２２２（空気極側コレクタ２２の一部）が、複数本、平行に立設されており、かかるリブ部材２２２の設置により、一方向（図４（ａ）における紙面垂直方向）に全通する空気流路が形成される。

一方、図４（ｂ）に示すように、燃料極側コレクタ２３及び単位セル１０を囲むフレーム１８は、左右縦枠部と上下横枠部１８２とを有する枠状部材であり、枠状に構成されたフレーム１７（図３（ａ））と同じ大きさに構成されている。なお、フレーム１８における左右縦枠部は、図４（ａ）の記載範囲よりさらに右側に位置するために図示されていないが、フレーム１７の両縦枠部１７１の左右両側端と同じ位置に両側端を有し、短手方向長さ（幅）が上下横枠部１８２の短手方向長さと略同じに構成されている。

図４（ａ）に示すように、かかるフレーム１８は、外端（図２（ｂ）における最下端、図３（ｂ）示す面）に配置されるものを除き、左右縦枠部と平行に延び、燃料極側コレクタ２３の左右端（図４（ａ）における左右方向の端部）に重なる薄板状のバックアッププレート１８ａと厚板状のバックアッププレート１８ｂとから構成されている。なお、フレーム１８の板厚は、燃料極側コレクタ２３の厚みに匹敵する厚さとされている。

バックアッププレート１８ａと縦枠部１７１とにより囲まれる空間が、上述したフレーム１７を板厚方向に貫通する長孔１７２と共に、水素ガス流路形成のための空間を構成している。また、各フレーム１８の内周側に、単位セル１０の燃料極１３とセパレータ本体２１とで囲まれた燃料室が形成される。

なお、かかる燃料室内には、リブ部材２２２と直交する方向（即ち、図４（ｂ）における紙面垂直方向、図４（ａ）における左右方向）に延びる線状のリブ部材２３２（燃料極側コレクタ２３の一部）が、複数本、平行に立設されている。かかるリブ部材２３２の設置により、上述した空気流路に直交する方向に（図４（ｂ）における紙面垂直方向）に全通する水素ガス流路が形成される。

次に、図５を参照して、空気極側コレクタ２２の詳細構成について説明する。図５（ａ）は、空気極側コレクタ２２をセパレータ本体２１側から見た正面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶｂ方向から見た側面図である。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、ベースコレクタ２２１に開口される孔２２１ａ，２２１ｂの図示を省略している。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、本実施形態の空気極側コレクタ２２は、ベースコレクタ２２１と、複数本のリブ部材２２２とから構成される。

ベースコレクタ２２１は、単位セル１０の空気極１２に当接され、空気極１２から集電する導電性の板状体である。かかるベースコレクタ２２１は、導電性と耐蝕性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金などに金メッキなどの耐蝕導電処理を施したものから作製される。

また、ベースコレクタ２２１は、多数の孔が開口された多孔体、例えば、エキスパンドメタルやパンチングメタルなどから構成される。なお、ベースコレクタ２２１に開口される孔の形状は、本実施形態では図示を省略するが、例えば、菱形や、正方形や、六角形や、円形等の形状を適宜採用することができる。

ベースコレクタ２２１に開口される孔は、その形状が菱形である場合には、例えば、短い方の対角寸法を約０．７ｍｍ〜約１．３ｍｍ程度に、長い方の対角寸法を約０．８ｍｍ〜約２．８ｍｍ程度に設計することができる。また、ベースコレクタ２２１に開口される孔の開口率は、約３０〜約５０％程度であることが好ましい。

一方、複数本のリブ部材２２２は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、各々、矩形状の断面を有する線状体であり、これらのリブ部材２２２は、ベースコレクタ２２１における空気極１２との当接面とは反対側の面に、互いに略平行に配列された状態で立設される。リブ部材２２２は、例えば、拡散接合によってベースコレクタ２２１の表面に接合される。

このように、ベースコレクタ２２１上に立設されたリブ部材２２２は、空気極側コレクタ２２において、ベースコレクタ２２１とセパレータ本体２１との間に介挿されて、空気流路（空気室）となる空間を形成する。

燃料電池における高効率発電を実現すると共に、補機の動力損失を抑えるためには、空気流路の空気流れ抵抗を極力低くすることが好ましい。よって、単位セル１０に空気を供給する流路の高さ、即ち、リブ部材２２２の高さ寸法を適切に確保する必要がある一方で、燃料電池スタック４０の小型化、即ち、セルモジュール３０の小型化を図るためには、リブ部材２２２の高さ寸法は低ければ低いほど好ましい。従って、リブ部材２２２の高さ寸法は、これらの条件を両立する高さに設定され、例えば、約０．５ｍｍ〜約０．９ｍｍ程度に設定される。

このリブ部材２２２は、導電性と耐蝕性とを有する金属から構成されている。なお、リブ部材２２２を構成する材料（材質）は、上述したベースコレクタ２２１と同材料であっても、相違する材料であってもよい。また、リブ部材２２２の断面形状は、図５（ｂ）に示した矩形状に限らず、例えば、三角形や円形など、他の形状であってもよい。

なお、燃料極側コレクタ２３も、空気極側コレクタ２２と同様に構成することができる。即ち、燃料極側コレクタ２３を、ベースコレクタ２２１に相当するベースコレクタ２３１（図４（ｂ）参照）と、リブ部材２２２に相当するリブ部材２３２（図４（ｂ）参照）とから構成すればよい。

次に、図６を参照して、本実施形態の燃料電池システム１００に搭載され、この燃料電池システム１００の運転を制御する制御装置７０について説明する。図６は、制御装置７０の電気的構成を示すブロック図である。

図６に示すように、制御装置７０は、中央演算処理装置であるＣＰＵ７１と、ＣＰＵ７１により実行される制御プログラムや固定値データ等を格納した書き換え不能な不揮発性のメモリであるＲＯＭ７２と、制御プログラムの実行時に各種のデータを書き換え可能に記憶するＲＡＭ７３と、これらのＣＰＵ７１、ＲＯＭ７２、及びＲＡＭ７３とバスライン７４を介して接続される入出力ポート７５とから主に構成される。

図６に示すように、入出力ポート７５には、空気取入路１６１の空気取入口から取り入れられた外気の温度を検出する外気温センサＳＥ２と、系外へ排出される排気の温度を検出する排気温度センサＳＥ４と、水タンク８２の水位を検出する水位センサＳＥ５と、燃料電池スタック４０の出力電圧を検出する電圧センサＳＥ７と、燃料電池スタック４０の出力電流を検出する電流センサＳＥ８とが接続されている。

また、入出力ポート７５には、空気供給路６３を介して空気マニホールド６２へ供給空気を送り込む空気ファン６１と、水タンク８２に貯留される液体水を、給水路８１ｂを介してノズル８３ａへ送り込む給水ポンプ８５と、給水路８１ｂの開度を調整する水供給電磁弁８６と、凝縮器１１２からの放熱量を調整するための放熱ファン１１２ａと、空気排出路１１１の出口から系外へ排出される排気の量を調整する流量調整電磁弁１１４とが接続されている。

制御装置７０のＣＰＵ７１は、入出力ポート７５を介して各センサＳＥ２，ＳＥ４，ＳＥ５，ＳＥ７，ＳＥ８の検出値が入力されると、その検出値に基づく電圧制御値を制御対象（空気ファン６１、給水ポンプ８５、放熱ファン１１２ａ、流量調整電磁弁１１４）へ出力して各制御対象の動作を制御する。

なお、この制御装置７０には、図示されない配線によって、その他のセンサ（空気入口温度センサＳＥ１など図１に図示された各センサ、及び図１において図示されないセンサなど）や、図１において図示されない電磁弁や、その他のポンプ（回収ポンプ８８、及び図１において図示されないセンサなど）や、図示されない負荷系に含まれるインバータなどにも接続されており、ＣＰＵ７１は、各センサからの検出値の入力に基づいて、制御対象（電磁弁やポンプなど）に対し、燃料電池システム１００を運転するための各種制御を行う。

次に、図７を参照して、上記構成を有する燃料電池システム１００対する運転制御について説明する。

図７は、制御装置７０において実行される運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、燃料電池システム１００の運転を制御するための処理であり、制御装置７０の電源が投入されている間、ＣＰＵ７１により定期的に繰り返し実行される。なお、この運転制御処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ７２内に格納されている。

図７に示すように、この運転制御処理では、まず、各センサ（センサＳＥ２，ＳＥ４，ＳＥ５，ＳＥ７，ＳＥ８など）による検出値を取得する（Ｓ１１）。

Ｓ１１の処理後、Ｓ１１により取得された検出値のうち、電流センサＳＥ８による検出値に基づいて燃料電池スタック４０への空気供給量の設定値を取得する（Ｓ１２）。なお、このＳ１２の処理による空気供給量の設置値に関する詳細については、図８（ａ）を参照して後述する。

Ｓ１２の処理後、取得した設定値を得るために必要とされる空気ファン６１の電圧制御値を取得し、その電圧制御値を空気ファン６１へ出力する（Ｓ１３）。Ｓ１３の処理の結果、空気ファン６１による空気供給量（風量）は、電流センサＳＥ８による検出値、即ち、燃料電池スタック４０の出力に応じた空気供給量となるように調節される。

Ｓ１３の処理後、Ｓ１１により取得された検出値のうち、出力検出手段としての電流センサＳＥ８、外気温センサＳＥ２、及び排気温度センサＳＥ４による検出値に基づいて系外への排気量の設定値を取得する（Ｓ１４）。なお、このＳ１４の処理による系外への排気量の設定値に関する詳細については、図８（ｂ）を参照して後述する。

Ｓ１４の処理後、取得した設定値を得るために必要とされる流量調整電磁弁１１４の電圧制御値を取得し、その電圧制御値を流量調整電磁弁１１４へ出力する（Ｓ１５）。Ｓ１５の処理の結果、流量調整電磁弁１１４の開度が、燃料電池スタック４０の出力に応じた量の排気が系外へ排出されるように調整される。なお、このＳ１５の処理は、本発明の燃料電池システムにおける排気量制御手段に該当する。

Ｓ１５の処理後、Ｓ１１により取得された検出値のうち、電圧センサＳＥ７及び電流センサＳＥ８による検出値から燃料電池スタック４０の発熱量を算出し、算出された発熱量に基づき、冷却に必要とされるノズル８３ａからの液体水の噴射量（直噴水量）の設定値を取得する（Ｓ１６）。

Ｓ１６の処理後、取得した設定値を得るために必要とされる給水ポンプ８５及び水供給電磁弁８６の電圧制御値を取得し、その電圧制御値を給水ポンプ８５及び水供給電磁弁８６へ出力する（Ｓ１７，Ｓ１８）。

Ｓ１７及びＳ１８の処理の結果、ノズル８３ａから噴射される直噴水量は、燃料電池スタック４０の発熱量に応じた量となるように調節される。具体的には、燃料電池スタック４０の発熱量が大きいほど、冷却に要する液体水が増加するので、ノズル８３ａから噴射する直噴水量が多くなるように調整される。

Ｓ１８の処理後、Ｓ１１により取得された検出値のうち、水位センサＳＥ５による検出値に基づいて凝縮器１１２から排出される排気の温度である空気排気温度の設定値を取得する（Ｓ１９）。

Ｓ１９の処理後、取得した設定値を得るために必要とされる放熱ファン１１２ａの電圧制御値を取得し、その電圧制御値を放熱ファン１１２ａへ出力する（Ｓ２０）。

Ｓ２０の処理の結果、放熱ファン１１２ａの回転数が調整され、放熱ファン１１２ａの回転数に応じて凝縮器１１２における排気の冷却能力が変更される。それに伴い、排気中に含まれる水分を凝縮する能力も変更される。即ち、放熱ファン１１２ａの回転数の調整に伴い、水の回収性が調整される。

具体的には、水位センサＳＥ５による検出値が、水タンク８２に貯留される液体水の水位が所定レベル以下であることを示す場合、即ち、水の回収性が低いことを示す場合には、放熱ファン１１２ａの回転数を上げて（例えば、放熱ファン１１２ａをオンして作動させる）、凝縮器１１２における排気の冷却能力及び液体水の凝縮能力を上げ、それによって、水の回収性を向上させ、水タンク８２に貯留される液体水の水位を増加させる。

一方で、水位センサＳＥ５による検出値が、水タンク８２に貯留される液体水の水位が所定レベル以上であることを示す場合、即ち、水の回収性が高く（又は過剰）であることを示す場合には、放熱ファン１１２ａの回転数を下げて（例えば、放熱ファン１１２ａをオフして停止させる）、凝縮器１１２における排気の冷却能力及び液体水の凝縮能力を下げ、それによって、水の回収性を抑制して、水タンク８２に貯留される液体水の水位の増加を抑制する。

Ｓ２０の処理後、水素極１３への水素供給量を制御する水素供給量制御処理など、燃料電池システム１００を運転するために行われる各処理を実行し（Ｓ２１）、この運転制御処理を終了する。なお、水素供給量制御処理などの各処理については、本発明の要旨ではないので省略する。

次に、図８を参照して、上述した運転制御処理（図７）において、空気供給量及び系外への排気量の設定について具体的に説明する。

本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池スタック４０への空気供給量を、燃料電池スタック４０の出力に必要な反応空気量以上であり、かつ、空気極１２の液体水による閉塞と空気極１２における空気流量の分布の偏りとを抑制できる量であるように設定する。図８（ａ）は、上記の条件が満足される空気供給量を設定するための一例を示す模式図である。

図８（ａ）に示す図において、横軸は、燃料電池スタック４０の出力（電流センサＳＥ８による検出値）を示す軸であり、向かって右側に向かう程、燃料電池スタック４０の出力が大きいことを示す。一方で、縦軸は、燃料電池スタック４０への空気供給量（即ち、空気ファン６１の回転数）を示す軸であり、上側に向かう程、空気供給量が大きいことを示す。

この図８（ａ）に示す例では、燃料電池スタック４０の出力に対する空気供給量（実線８０１）が、反応空気量（一点鎖線８０２）に対して過剰（ストイキ比：３〜１０程度）とすることにより、空気極１２に対するガスの分配を保証し、空気極１２における空気流量の分布の偏りが抑制されるように設定されている。

また、空気極１２が液体水によって閉塞されることを抑制するべく、低負荷（横軸におけるＸ以下の領域）においても、液体水による空気極１２の閉塞を抑制可能な空気供給量（プラッキング抑制量、点線８０３）を確保するように、空気供給量が設定されている。

さらに、連続最大出力（点線８０４）において、空気供給量（実線８０１）が最大となるようにすることにより、空気ファン６１の大型化を抑制することができ、燃料電池システム１００の小型化に貢献する。

一方、本実施形態の燃料電池システム１００では、空気排出路１１１から系外へ排出する排気の量を、燃料電池スタック４０の出力に必要な反応空気量以上であり、かつ、系外へ排出される排気に含まれる水分量が、発電によって生成された水量以下となるように設定する。図８（ｂ）は、上記の条件が満足される系外への排気量を設定するための一例を示す模式図である。

図８（ｂ）に示す図において、横軸は、外気温度（外気温センサＳＥ２による検出値）を示す軸であり、向かって右側に向かう程、外気温度が高いことを示す。一方で、縦軸は、ストイキ比で表される系外への排気量（即ち、流量調整電磁弁１１４の開度）を示す軸であり、上側に向かう程、系外への排気量が大きいことを示す。

この図８（ｂ）に示す例において、点線８１１は、空気循環路１６２を循環する循環量の上限を示し、一点鎖線８１２は、燃料電池スタック４０の出力に必要な反応空気量を示し、実線８１３は、発電によって生成された水量と系外へ排出される排気中に含まれる水分量（即ち、系外へ排出される水量）とが等しくなる境界を示す。

なお、反応空気量及び発電によって生成された水量は、燃料電池スタック４０の出力（電流センサＳＥ８による検出値）に応じて変動する。また、系外へ排出される排気中に含まれる水分量は、系外へ排出される排気の温度（排気温度センサＳＥ４による検出値）と系外への排気量（即ち、流量調整電磁弁１１４の開度）とに応じて決まる値である。

これらの各線８１１，８１２，８１３により囲まれた領域（斜線によりハッチングされた領域）Ａが、燃料電池スタック４０の出力に必要な反応空気量以上であり、かつ、系外へ排出される排気に含まれる水分量が、発電によって生成された水量以下となる領域である。

ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、系外へ排出されなかった排気を空気循環路１６２によって循環させて燃料電池スタック４０への供給空気として再利用される構成であるので、系外へ排出される排気の量に応じた量の外気が系外から取り入れられる。

よって、系外へ排出される排気のストイキ比が多い程、系外から取り入れられる外気の量が増え、燃料電池スタック４０への供給空気中に含まれる酸素濃度を高めることができる。かかる理由により、領域Ａの中で、最大のストイキ比を系外への排気量とすることが好ましい。

なお、外気温度が低い（例えば、１０℃以下）場合には、排気における飽和水蒸気量が小さく、系外へ排出される排気に含まれる水分量が少なくなるので、排出される排気のストイキ比をかなり大きくしたとしても、水バランスに影響を及ぼさないが、空気循環路１６２を循環する循環量を確保すべく、循環量の上限（点線８１１）が設定されている。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、流量調整電磁弁１１４の開度に応じて系外へ排出される排気の量を調整でき、系外へ排出されなかった排気を空気循環路１６２によって循環させて燃料電池スタック４０への供給空気として再利用する構成により、燃料電池スタック４０の空気極１２へ供給する空気量を必要かつ十分な量で供給しつつ、水の回収性を向上させることができる。

ここで、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、燃料電池スタック４０の出力に応じて、流量調整電磁弁１１４の開度が調整されて系外へ排出される排気の量が調整される。よって、燃料電池スタック４０の出力を担う電極反応によって生成される水量と、系外へ排出される排気に含まれる水分量（即ち、系外へ排出される水量）とのバランスを、生成水が過剰となるように制御することができる。

よって、供給空気量の低下に伴って生じる空気極１２の水による閉塞や空気極１２における空気流量の分布の偏りを防止しつつ、水の回収性の低さに伴う直噴水の不足を防止することができる。従って、本実施形態の燃料電池システム１００によれば、凝縮器（熱交換器）による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、燃料電池スタック４０の発電効率の低下が有効に防止され、安定した高出力を得ることができる。

次に、図９から図１１を参照して、第２実施形態について説明する。図９は、第２実施形態の燃料電池システム２００を示すブロック図である。なお、この第２実施形態の燃料電池システム２００もまた、本発明の燃料電池システムに該当する。

この第２実施形態の燃料電池システム２００は、空気循環路１６２の経路上に、循環経路上熱交換器としての凝縮器１６３を設けた点で上記した第１実施形態の燃料電池システム１００と異なる。なお、上記した第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

凝縮器１６３は、第１実施形態において説明した凝縮器１１２と同様に、外気温との熱交換によって空気循環路１６２を流通する排気を冷却し、排気中に含まれる水分を凝縮して回収するものである。

第２実施形態の燃料電池システム２００によれば、空気循環路１６２の経路上に凝縮器１６３が設けられているので、空気循環路１６２を流通する排気は、凝縮器１６３において十分に冷却された後に、空気供給系６０へと流入し、燃料電池スタック４０に供給される。よって、燃料電池スタック４０に供給される前に、空気循環路１６２を流通する排気が冷却されるので、燃料電池スタック４０の温度が過度に上昇することを防止できる。

また、図９に示すように、凝縮器１６３には、放熱ファン１６３ａが設けられており、このファン１６３ａにより凝縮器１６３からの放熱量を調整することができる。なお、詳細は後述するが、放熱ファン１６３ａは、燃料電池スタック４０へ供給される供給空気の空気供給温度（空気入口温度センサＳＥ１による検出値）に応じて放熱ファン１６３ａの回転数を調整し、縮器１６３における排気の冷却量が調整されるように構成されている。

また、凝縮器１６３には、凝縮器１６３において回収された水を水タンク８２へ導く導水路８１ｃを有している。よって、凝縮器１６３において熱交換による冷却によって凝縮して排気から分離された液体水は、この導水路８１ｃを介して水タンク８２へと戻される。なお、この導水路８１ｃは、水供給系８０の一部であると共に、本発明の燃料電池システムを構成する水回収手段に包含される。

このように、排気中に含まれる水分の回収が、空気排出路１１１上に位置する凝縮器１１２だけでなく、循環経路上熱交換器としての凝縮器１６３においても行われるので、水の回収性をより有効に向上させることができる。

図１０は、第２実施形態の燃料電池システム２００の運転を制御する制御装置７０の電気的構成を示すブロック図である。

図１０に示すように、この第２実施形態では、第１実施形態にて入出力ポート７５に接続された各センサＳＥ２，ＳＥ４，ＳＥ５，ＳＥ７，ＳＥ８に加え、燃料電池スタック４０へ供給される供給空気の温度（空気供給温度）を検出する空気入口温度センサＳＥ１が入出力ポート７５に接続されている。

また、入出力ポート７５には、制御対象として、空気ファン６１と、給水ポンプ８５と、水供給電磁弁８６と、放熱ファン１１２ａと、流量調整電磁弁１１４と、凝縮器１６３からの放熱量を調整するための放熱ファン１６３ａとが接続されている。

次に、図１１を参照して、上記構成を有する第２実施形態の燃料電池システム２００に対する運転制御について説明する。

図１１は、制御装置７０において実行される運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、第１実施形態と同様に、制御装置７０の電源が投入されている間、ＣＰＵ７１により定期的に繰り返し実行される処理である。なお、この運転制御処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ７２内に格納されている。

この第２実施形態において実行される運転制御処理は、第１実施形態の運転制御処理（図７参照）におけるＳ２０の処理とＳ２１の各処理との間に、Ｓ３１及びＳ３２の処理が追加されている。

より具体的には、Ｓ２０の処理後、Ｓ１１により取得された検出値のうち、循環空気検出手段としての空気入口温度センサＳＥ１による検出値に基づいて燃料電池スタック４０への供給される供給空気の空気供給温度の設定値を取得する（Ｓ３１）。

Ｓ３１の処理後、取得した設定値を得るために必要とされる放熱ファン１６３ａの電圧制御値を取得し、その電圧制御値を放熱ファン１６３ａへ出力し（Ｓ３２）、水素極１３への水素供給量を制御する水素供給量制御処理など、第２実施形態の燃料電池システム２００を運転するために行われる各処理を実行し（Ｓ２１）、この運転制御処理を終了する。

Ｓ３２の処理の結果、放熱ファン１６３ａの回転数が調整され、放熱ファン１６３ａの回転数に応じて凝縮器１６３における排気の冷却能力が変更される。それに伴い、燃料電池スタック４０へ供給される供給空気の空気供給温度が調整される。なお、このＳ３２の処理は、本発明の燃料電池システムにおける回転数制御手段に該当する。

具体的には、空気入口温度センサＳＥ１による検出値が、空気供給温度が所定温度以上である場合には、放熱ファン１６３ａの回転数を上げて（例えば、放熱ファン１６３ａをオンして作動させる）、凝縮器１６３における排気の冷却能力を上げ、それによって、空気供給温度を低下させる。

一方で、空気入口温度センサＳＥ１による検出値が、空気供給温度が所定温度以下である場合には、放熱ファン１６３ａの回転数を下げて（例えば、放熱ファン１６３ａをオフして停止させる）、凝縮器１６３における排気の冷却能力を下げ、それによって、空気供給温度を調整する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム２００によれば、空気循環路１６２の経路上に凝縮器１６３が設けられているので、空気循環路１６２を流通する排気を燃料電池スタック４０へ供給する前に十分に冷却できると共に、排気中に含まれる水分を回収することができる。

よって、燃料電池スタック４０が、供給空気に含まれる排気が原因として過度に温度が上昇することを防止できると共に、凝縮器１１２だけでなく、凝縮器１６３においても水が回収されることにより、水の回収性がより有効に向上される。

ここで、本実施形態の燃料電池システム２００によれば、空気入口温度センサＳＥ１による検出値に応じて放熱ファン１６３ａの回転数が調整されるので、燃料電池スタック４０へ供給する供給空気の温度が過剰な高温となることを有効に防止することができる。

次に、図１２から図１４を参照して、第３実施形態について説明する。図１２は、第３実施形態の燃料電池システム３００を示すブロック図である。なお、この第３実施形態の燃料電池システム３００もまた、本発明の燃料電池システムに該当する。

この第３実施形態の燃料電池システム２００は、空気排出路１１１の経路上における凝縮器１１２より出口側（下流側）に、下流側熱交換器としての凝縮器１１５を設ける構成であると共に、空気取入路１６１が凝縮器１１５を経由する構成であり、さらに、凝縮器１１５へ流入される前の外気（系外から取り入れた空気）に対して液体水を噴霧するための空気取入口側水供給手段としての給水路８１ｅを有する構成である点で、上記した第２実施形態の燃料電池システム２００と異なる。なお、上記した第２実施形態と同一の部分には同一の符号を付して、その説明は省略する。

凝縮器１１５は、上述した凝縮器１１２や凝縮器１６３と同様に、外気温との熱交換によって空気排出路１１１を流通する排気を冷却し、排気中に含まれる水分を凝縮して回収するものである。

図１２に示すように、空気排出路１１１における上流側に位置する凝縮器１１２の容量の方が、下流側に位置する凝縮器１１５の容量より大きく、それによって、凝縮器１１２の熱交換容量の方が、凝縮器１１５の熱交換容量より大きくなるように構成されている。よって、燃料電池スタック４０から排出された高温の排気を、まず、凝縮器１１２にて外気温程度に十分に冷却した後、凝縮器１１５へ流入させることができる。

詳細は後述するが、本実施形態の燃料電池システム３００では、凝縮器１１５に流入される前の供給空気（系外から取り入れた空気）に対してノズル８３ｂから液体水を霧状に噴射（噴霧）し、その水の蒸発潜熱を利用して凝縮器１１５に流入される供給空気の温度を外気温以下に下げることによって、凝縮器１１５における水の凝縮能力を高め、水の回収性を向上させるように構成されている。

従って、燃料電池スタック４０から排出された高温の排気が上流側の凝縮器１１２にて十分に冷却されたことによって、下流側の凝縮器１１５の内部の温度を比較的低い温度に抑制することができる。そのため、高温の気体の高い飽和蒸気圧によって水分が系外へ持ち出されることを防ぐことができると共に、液体水の噴霧によって冷却された供給空気による排気からの水の凝縮を高効率に行うことができる。

また、 図１２に示すように、第３実施形態の燃料電池システム３００における水供給系８０は、給水路８１ｂにおける給水ポンプ８５より燃料電池スタック４０側から分岐し、水タンク８２に貯留されている水を、凝縮器１１５へ流入する前の空気へ供給するための給水路８１ｅを含んでいる。

この給水路８１ｅは、上述のように給水路８１ｂにおける給水ポンプ８５より燃料電池スタック４０側から分岐した水の流通経路であり、他端側が、空気取入路１６１における凝縮器１１５とフィルタ１６１ａとの間に接続されている。この給水路８１ｅには、水タンク８２の側から水の流通方向に向かって、水供給電磁弁８９と、給水路８１ｅからの水の出口となるノズル８３ｂとが順に設けられている。

給水路８１ｅを流通してきた水は、ノズル８３ｂの先端から、空気取入路１６１を流通する供給空気（外気）に向けて噴霧される。その結果、噴霧された水の蒸発潜熱によって供給空気が外気温以下に冷却された後、凝縮器１１５に流入される。

よって、凝縮器１１５に流入する供給空気（即ち、系外から取り入れられ、水が噴霧された供給空気）が冷却媒体として作用し、その結果、凝縮器１１５における水の凝縮能力が高まり、凝縮器１１５における水の回収性が向上する。

なお、詳細は後述するが、水位センサＳＥ５によって水タンク８２に貯留される貯留水の水位が所定レベル以下となった場合に、水供給電磁弁８９を開放してノズル８３ｂから水を噴霧させ、それによって、凝縮器１１５における水の回収性を向上させるように構成されている。

図１２に示すように、水供給系８０はまた、凝縮器１１５により回収された水を水タンク８２へ導く導水路８１ｄを含んでいる。なお、この導水路８１ｄもまた、本発明の燃料電池システムを構成する水回収手段に包含される。

図１３は、第３実施形態の燃料電池システム３００の運転を制御する制御装置７０の電気的構成を示すブロック図である。

図１３に示すように、この第３実施形態では、第２実施形態と同様に、各センサＳＥ１，ＳＥ２，ＳＥ４，ＳＥ５，ＳＥ７，ＳＥ８が入出力ポート７５に接続されている。また、入出力ポート７５には、制御対象として、空気ファン６１と、給水ポンプ８５と、水供給電磁弁８６と、放熱ファン１１２ａと、流量調整電磁弁１１４と、放熱ファン１６３ａと、ノズル８３ｂから噴射される液体水の量を調整するための水供給電磁弁８９とが接続されている。

次に、図１４を参照して、上記構成を有する第３実施形態の燃料電池システム３００に対する運転制御について説明する。

図１４は、制御装置７０において実行される運転制御処理を示すフローチャートである。この運転制御処理は、第１及び第２実施形態と同様に、制御装置７０の電源が投入されている間、ＣＰＵ７１により定期的に繰り返し実行される処理である。なお、この運転制御処理を実行する制御プログラムは、ＲＯＭ７２内に格納されている。

この第３実施形態において実行される運転制御処理は、第２実施形態の運転制御処理（図１１参照）におけるＳ３２の処理とＳ２１の各処理との間に、Ｓ４１及びＳ４２の処理が追加されている。

より具体的には、Ｓ３２の処理後、Ｓ１１により取得された検出値のうち、水位センサＳＥ５による検出値に基づいてノズル８３ｂから噴射される液体水の噴射水量の設定値を取得する（Ｓ４１）。

Ｓ４１の処理後、取得した設定値を得るために必要とされる水供給電圧弁８９の電圧制御値を取得し、その電圧制御値を水供給電圧弁８９へ出力し（Ｓ４２）、水素極１３への水素供給量を制御する水素供給量制御処理など、第３実施形態の燃料電池システム３００を運転するために行われる各処理を実行し（Ｓ２１）、この運転制御処理を終了する。

Ｓ４２の処理の結果、水供給電圧弁８９の開度が調整され、それに伴い、ノズル８３ｂから空気取入路１６１へ向けて噴射される液体水の量（噴射水量）が調整される。

具体的には、水位センサＳＥ５による検出値が、水タンク８２に貯留される液体水の水位が所定レベル以下であることを示す場合、即ち、水の回収性が低いことを示す場合には、水供給電圧弁８９を開放し、ノズル８３ｂから水を空気取入路１６１へ向けて霧状に噴射（噴霧）させる。

それによって、水の蒸発潜熱によって冷却された供給空気が凝縮器１１５へ流入されるので、供給空気（即ち、水が噴霧された供給空気）を冷却媒体として作用させることにより、凝縮器１１５における液体水の凝縮能力を上げることができる。その結果、水の回収性が向上し、水タンク８２に貯留される液体水の水位を増加させることができる。

一方で、水位センサＳＥ５による検出値が、水タンク８２に貯留される液体水の水位が所定レベル以上であることを示す場合、即ち、水の回収性が高く（又は過剰）であることを示す場合には、水供給電圧弁８９を閉鎖し、ノズル８３ｂからの液体水の噴射を停止する。すると、供給空気による冷媒効果が小さくなるので、凝縮器１１５における液体水の凝縮能力が下がる。その結果、水の回収性が抑制されるので、水タンク８２に貯留される液体水の水位の増加を抑制することができる。

なお、この第３実施形態の運転制御処理において、Ｓ１１の処理（より具体的には、水位センサＳＥ５による検出値を取得すること）が、本発明の燃料電池システムにおける水回収性把握手段に該当し、Ｓ４２の処理が、本発明の燃料電池システムにおける噴射制御手段に該当する。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システム３００によれば、凝縮器１１５へ流入される前の供給空気に対し、水を霧状に噴射（噴霧）できるように構成されているので、供給空気を水の蒸発潜熱により外気温以下に冷却させてから凝縮器１１５へ流入させることができ、このように冷却された供給空気を冷却媒体として作用させることができる。よって、凝縮器１１５における水の凝縮能力を高めることができ、かかる凝縮器１１５における液体水の回収性を向上させることができる。

従って、凝縮器（熱交換器）による液体水の回収性が低くなる傾向にある高温環境下であっても、凝縮器１１５による水の回収性を向上させることにより、燃料電池スタック４０から排出される排気から水分を十分に回収し、水タンク８２へ戻すことができる。

よって、水タンク８２の水量が過剰に減少し、給水路８１ｂを介してノズル８３ａから燃料電池スタック４０へ供給される液体水の量が、燃料電池スタック４０の冷却や加湿を行うのに不十分な量となることを防止することができる。その結果、冷却及び加湿不足による燃料電池スタック４０の発電効率の低下が防止される。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。

例えば、上記各実施形態では、燃料電池スタック４０の出力を電流センサＳＥ８による検出値としたが、電圧センサＳＥ７による検出値を燃料電池スタック４０の出力として、燃料電池スタック４０の出力に応じた各設定値を取得する構成であってもよい。

また、上記第３実施形態では、凝縮器１１２と凝縮器１１５とを各々別体の凝縮器として構成した。これに換えて、１の凝縮器の内部を２区画に分離し、外気の導入部を２区画のうち、空気排出路１１１の出口側（即ち、排気経路の下流側）に位置する区画から導入するように構成してもよい。

また、上記第３実施形態では、液体水の回収性を示す指標として水位センサＳＥ５の検出値を使用する構成としたが、系内における水分量の収支に基づいて回収量推定手段により液体水の推定回収量を算出し、算出された推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用する構成としてもよい。

例えば、排気温度センサＳＥ４により検出される排気の温度と、系外からの空気の取り入れ量（即ち、空気の供給量）とから水の推定回収量を算出し、その値を液体水の回収性を示す指標として使用することができる。

この場合には、算出された推定回収量が所定量より低い場合に、水供給電磁弁８９を開放するように制御を行うようにすればよい。なお、所定量としては、ノズル８３ａから噴霧する水量（即ち、燃料電池スタック４０への水の供給量）であったり、その水量に所定のオフセットを加えた値などを採用することができる。

このように、系内における水分量の収支に基づいて算出される推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用することにより、液体水の回収性を向上させるための制御を、予測制御（見込み制御）によって行うことができる。

また、水位センサＳＥ５の検出値に換えて、水タンク８２の重量など、水タンク８２内の水量を表す値を、液体水の回収性を示す指標とする構成であってもよい。

なお、上記第１実施形態においても同様に、系内における水分量の収支に基づいて回収量推定手段により液体水の推定回収量を算出し、算出された推定回収量を液体水の回収性を示す指標として使用する構成としてもよい。

また、上記第３実施形態では、流側凝縮器１１３へ流入される前の供給空気に対して噴霧する水（即ち、ノズル８３ｂから噴霧される水）と、燃料電池スタック４０に対して冷却及び加湿のために噴霧する水（即ち、ノズル８３ａから噴霧される水）とが、どちらも同一の水タンク８２から給水されるように構成したが、ノズル８３ｂから噴霧される水と、ノズル８３ａから噴霧される水とが、各々、専用の水タンクから給水される構成としてもよい。なお、上記実施形態のように、水タンク８２を給水源として共用する構成とすることによって、システムの大型化を抑制しつつ、液体水の回収性を向上させることができる。

本発明の燃料電池システムである燃料電池システムの第１実施形態を示すブロック図である。 （ａ）は、燃料電池スタックを模式的に示す上面図であり、（ｂ）は、燃料電池スタックを構成するセルモジュールを模式的に示す上面図である。 （ａ）は、セルモジュールを空気極側から見た正面図であり、（ｂ）は、セルモジュールを燃料極側から見た正面図である。 （ａ）は、図３（ａ）のＩＶａ−ＩＶａ矢視要部断面図であり、（ｂ）は、図３（ａ）の矢視要部断面図である。 （ａ）は、空気極側コレクタをセパレータ本体側から見た正面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＶｂ方向から見た側面図である。 制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 制御装置において実行される運転制御処理のフローチャートである。 （ａ）は、空気供給量を設定するための一例を示す模式図であり、（ｂ）は、系外への排気量を設定するための一例を示す模式図である。 燃料電池システムの第２実施形態を示すブロック図である。 第２実施形態における制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 第２実施形態における運転制御処理のフローチャートである。 燃料電池システムの第３実施形態を示すブロック図である。 第３実施形態における制御装置の電気的構成を示すブロック図である。 第３実施形態における運転制御処理のフローチャートである。 従来の直噴水タイプの燃料電池システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 単位セル（燃料電池）
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 空気極
１３ 燃料極
４０ 燃料電池スタック（燃料電池）
５０ 水素供給系（燃料ガス供給手段）
６０ 空気供給系（酸化剤ガス供給手段）
８０ 水供給系（水供給手段）
８２ 水タンク（貯水手段）
８１ａ 導水路（水回収手段）
８１ｂ 給水路（燃料電池側水供給手段）
８１ｃ 導水路（水回収手段）
８１ｄ 導水路（水回収手段）
８１ｅ 給水路（空気取入口側水供給手段）
１１１ 空気排出路（排気経路）
１１２ 凝縮器（排気経路上熱交換器）
１１４ 流量調整電磁弁（排気量調整手段）
１１５ 凝縮器（下流側熱交換器）
１６１ 空気取入路（空気取入経路）
１６２ 空気循環路（空気循環経路）
１６３ 凝縮器（循環経路上熱交換器）
１００ 燃料電池システム
ＳＥ１ 空気入口温度センサ（循環空気温度検出手段）
ＳＥ８ 電流センサ（出力検出手段）

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜とその固体高分子電解質膜を両側から挟持する燃料極及び空気極とを含んで構成される燃料電池と、
   燃料ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給手段と、
   空気を前記空気極へ常圧で供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記酸化剤ガス供給手段に接続され、系外から空気を取り入れる空気取入口を有する空気取入経路と、
   前記排気経路から分岐して、前記酸化剤ガス供給手段に接続される空気循環経路と、
   液体水を貯留する貯水手段と、
   その貯水手段に貯留されている液体水を霧状に噴射して前記空気極へ前記液体水を供給する燃料電池側水供給手段と、
   前記燃料電池における前記空気極から排出された排気を系外へ導出する排気経路における前記循環空気経路の分岐位置より該排気経路の出口側に位置し、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する排気経路上熱交換器と、
   その排気経路上熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻す水回収手段と、
   前記排気経路における前記循環空気経路の分岐位置より該排気経路の出口側に位置し、該排気経路の出口から系外へ排出される排気の量を調整する排気量調整手段と、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の出力を検出する出力検出手段と、
   前記排気量調整手段を制御し、前記排気経路の出口から系外へ排出される排気の量を前記燃料電池の出力に応じた量にする排気量制御手段と、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。
3. 前記空気循環経路上に位置し、該空気循環経路に流入された前記排気から熱交換による冷却によって水分を凝縮して液体水として分離する循環経路上熱交換器を備え、
   前記水回収手段は、前記循環経路上熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻すことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記循環経路上熱交換器は、放熱用のファンを有しており、
   前記空気循環経路を流通する空気の温度を検出する循環空気温度検出手段と、
   その循環空気温度検出手段により検出された温度に応じて前記ファンの回転数を制御する回転数制御手段と、を備えていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記排気経路上熱交換器より前記排気経路の出口側に位置すると共に、前記空気取入経路上に位置し、熱交換による前記排気の冷却によって該排気から水分を凝縮して液体水として分離する下流側熱交換器と、
   前記空気取入経路における前記下流側熱交換器より前記空気取入口側に液体水を霧状に噴射する空気取入口側水供給手段と、を備え、
   前記水回収手段は、前記下流側熱交換器から液体水を回収して前記貯水手段へ戻すことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記水回収手段による液体水の回収性を示す指標を取得する水回収性把握手段と、
   その記水回収性把握手段により取得した指標に応じて、前記空気取入口側水供給手段による水の噴射を制御する噴射制御手段と、を備えていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
   

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