JP4643128B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、空気極へ供給する空気を加湿するために水蒸気透過型加湿装置を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の場合、カソードとアノードの間に設けられた高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保持しないと、十分な水素イオン導電性を発揮しないため、加湿系を備えている。
【０００４】
このような加湿系を備えた従来の固体高分子型燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１記載の技術がある。この燃料電池システムでは、アノードから排出される排水素ガス中の水蒸気を気液分離器によって回収し、加湿水に再利用することが行われている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３５７５２９号公報（第４ページ、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排水素ガス中の水分を凝縮器を用いて凝縮させる場合、凝縮熱をラジエータ等を用いてシステム系外へ放熱する必要があり、冷却系の放熱性能を高めるため、ラジエータのサイズや冷却水ポンプの大型化等の冷却系機器の重量増加を招くという問題点があった。
【０００７】
また、冷却能力を高めるために、冷却水の流量を増加する必要があるという問題点があった。
【０００８】
また、燃料電池車両に適用した場合、重量増加により燃費性能が低下するという問題点があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料極及び空気極を有する燃料電池本体と、空気極へ空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段と空気極とを接続する空気供給通路と、空気極から空気を排出する空気排気通路と、燃料極へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、該燃料ガス供給手段と燃料極とを接続する燃料ガス供給通路と、燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排気通路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス排気通路と前記空気供給通路との間に、前記燃料ガス排気通路中の水分を前記空気供給通路中の空気へ移動させる第１水蒸気透過型加湿装置を備え、前記空気排気通路と前記空気供給通路との間に、前記空気排気通路中の水分を前記空気供給通路中の空気へ移動させる第２水蒸気透過型加湿装置を備え、第２水蒸気透過型加湿装置は、前記空気供給通路に関して第１水蒸気透過型加湿装置と並列に配置され、かつ第１水蒸気透過型加湿装置と第２水蒸気透過型加湿装置とが同一ハウジングにより一体化された統合水蒸気透過型加湿装置を形成したことを要旨とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ガス排気通路中の水分を空気供給通路中の空気へ加湿する第１水蒸気透過型加湿装置と、空気排気通路中の水分を空気供給通路中の空気へ加湿する第２水蒸気透過型加湿装置とを個別に直列に配置した場合に比べて、空気供給通路に関して第１水蒸気透過型加湿装置と第２水蒸気透過型加湿装置とが並列に配置されているので、供給空気が流れる流路断面積が大きくなり（流速が小さくなり）、供給空気の圧力損失を小さくすることができ、空気供給源、例えばコンプレッサの圧縮比を小さくでき、コンプレッサ駆動用の電力消費を低減することができるという効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
〔第１参考形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００１３】
図１において、燃料電池システムは、燃料極（アノード）１ａ及び空気極（カソード）１ｂを有する燃料電池本体１と、燃料極１ａへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段としての水素供給手段２と、空気極１ｂへ空気を供給するコンプレッサなどの空気供給手段３と、空気供給手段３と空気極１ｂとを接続する空気供給通路２１と、水素供給手段２と燃料極１ａとを接続する水素供給通路２２と、空気極１ｂから空気を排出する空気排気通路２３と、燃料極１ａから水素ガスを排出する水素排気通路２４と、水素排気通路２４の排水素ガスを水素供給通路２２へ戻す水素循環経路２５と、水素供給手段２から供給される新規の水素ガスを駆動源として水素循環経路２５を介して排水素を循環させる循環手段としてのエゼクタ５と、水素排気通路２４と空気供給通路２１との間に、水素排気通路２４中の水分を空気供給通路２１中の空気へ移動させる第１水蒸気透過型加湿装置１１と、を備えている。
【００１４】
図９は、第１水蒸気透過型加湿装置１１に用いる水蒸気透過型加湿装置の構成例を示す概略図である。図９において、水蒸気透過型加湿装置１１は、ハウジング１０１に空気入口配管１０３と、空気出口配管１０５が連通され、空気供給通路２１を介して空気極１ｂへ供給する空気がハウジング１０１内を通過するようになっている。またハウジング１０１を貫通するように、加湿モジュール１０９が設けられている。
【００１５】
加湿モジュール１０９は、排空気または排水素（以下、排空気または排水素を排ガスとも呼ぶ）を導入するための排ガス入口配管１１１と、排ガスを排出するための排ガス出口配管１１３と、排ガス入口配管１１１と排ガス出口配管１１３との間を接続するとともに、ハウジング１０１内に表面を露出した多数の中空糸膜１０７を束にしたものを備えている。中空糸膜１０７は、例えばポリイミド系の中空糸膜である。
【００１６】
中空糸膜１０７の一端部に接続された排ガス入口配管１１１から水蒸気を含む排ガスが加湿モジュール１０９ａの中空糸膜１０７の左端部に導入されると、この排ガスが中空糸膜１０７の内部を図中左から右へ流れるに従って、中空糸膜１０７の表面から水蒸気が拡散して、ハウジング１０１内の供給空気へ移動することによって、加湿が行われるようになっている。
【００１７】
燃料電池システムでは、水素供給手段２から供給された水素と、循環手段であるエゼクタ５によって循環してきた循環水素とが混合した後、燃料電池本体１の燃料極１ａに供給され、電気化学反応による発電に利用される。燃料極１ａの電気化学反応で消費されなかった余分な水素は、水素排気通路２４を通り、第１水蒸気透過型加湿装置１１に導入される。第１水蒸気透過型加湿装置１１へ導入された排水素中の水分は、空気供給手段３によって第１水蒸気加湿装置１１に供給された供給空気側へと移動する。第１水蒸気透過型加湿装置１１で加湿された供給空気は、燃料電池本体１の空気極１ｂに導入され、電気化学反応で酸素が消費された後、空気排気通路２３を通って外部へ排出される。
【００１８】
本参考形態によれば、燃料電池本体１の内部の空気極（カソード）１ｂから燃料極（アノード）１ａへと逆拡散してきた水分量を、第１水蒸気透過型加湿装置１１を用いて、排水素から供給空気へと戻すことができる構成になっている。
【００１９】
このため、本参考形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００２０】
燃料極及び水素循環経路を含む燃料ガス供給の閉ループ内に蓄積する水分量を小さくすることができ、凝縮水量を小さくすることができる。
【００２１】
凝縮器を用いる必要も無く、凝縮熱も発生しないので、燃料電池を冷却する図示しないラジエータのサイズを小型化し、また冷却水の流量を小さくすることができる。凝縮器を用いる場合でも小型のものでよくなる。
【００２２】
燃料電池本体内での水つまりを抑制できる。
【００２３】
空気加湿のために別途純水を保有して加湿器を設けることが考えられるが、本参考形態では、アノード排ガス（排水素）中の水分を有効に利用することで、保有しておく純水量を減らせる、あるいは無くすことができる。
【００２４】
未反応の排燃料ガスを再利用することができるので、燃料ガス利用率を向上させることができる。
【００２５】
燃料ガス供給手段から供給される供給燃料ガスの運動量を循環水素の運動量へと、エゼクタを用いて変換できるので、外部より仕事を与えずに、水素を循環させることができる。
【００２６】
水分の移動により排燃料ガスの質量が軽減されるので、排燃料ガスが循環しやすくなる。
【００２７】
なお、本参考形態の変形例として、図８に示すように、燃料ガスを循環させる循環装置として、エゼクタ５の代わりにポンプ６を用いてもよい。
【００２８】
この場合、水素循環のためにポンプ６を駆動する駆動力として、外部より仕事を与えることになるが、ポンプ６の回転数を調整することで、供給水素量に関係なく、循環水素量を調整することができるので、任意のストイキ比（水素過剰率）を達成することができる。
【００２９】
〔第２参考形態〕
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第２参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００３０】
本参考形態では、第１参考形態における第１水蒸気透過型加湿装置１１の空気供給通路２１に関して上流に、空気排気通路２３と空気供給通路２１との間に空気排気通路２３中の水分を空気供給通路２１中の空気へ移動させる第２水蒸気透過型加湿装置１２を追加した構成となっている。その他の構成は、図１に示した第１参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。尚、第２水蒸気透過型加湿装置１２は、第１水蒸気透過型加湿装置１１と同様に、図９に示した構造である。
【００３１】
本参考形態では、空気排気通路２３と空気供給通路２１との間に設けた第２水蒸気透過型加湿装置１２により、排空気中に含まれる水分を供給空気へと移動させることで供給空気の加湿をおこない、外部への水分の持ち出し量を小さくし水収支がマイナスとなることを防ぐことができる。
【００３２】
また、第２水蒸気透過型加湿装置１２が第１水蒸気透過型加湿装置１１と空気供給手段３との間、すなわち空気供給通路２１に関して、第１水蒸気透過型加湿装置１１よりも上流に設けられている。
【００３３】
第１水蒸気透過型加湿装置１１に導入される供給空気の水分量が、排空気の水分によって、すでに大きくなっているので、加湿側と非加湿側との水蒸気分圧差が小さくなり、アノード側からカソード側へと移動する水分量が小さくなる。そのため、アノードの循環経路内から水分を取りすぎることがなくなり、アノードのドライアウトを防ぐことができる。
【００３４】
なお、循環装置５としては第１参考形態のようなエゼクタ５でも図８に示したようにポンプ６を用いてもよい。
【００３５】
〔第３参考形態〕
図３は、本発明に係る燃料電池システムの第３参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００３６】
本参考形態では、第１参考形態における第１水蒸気透過型加湿装置１１の空気供給通路２１に関して下流に、空気排気通路２３と空気供給通路２１との間に空気排気通路２３中の水分を空気供給通路２１中の空気へ移動させる第２水蒸気透過型加湿装置１２を追加した構成となっている。その他の構成は、図１に示した第１参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３７】
本参考形態では、第２水蒸気透過型加湿装置１２が第１水蒸気透過型加湿装置１１と燃料電池本体１との間、すなわち、空気供給通路２１に関して、第１水蒸気透過型加湿装置１１よりも下流に設けられている。
【００３８】
したがって、第１水蒸気透過型加湿装置１１に導入される供給空気の水分量が小さいので、加湿側と非加湿側との水蒸気分圧差が大きくなり、アノード側からカソード側へと移動する水分量が大きくなる。
【００３９】
そのため、アノードの循環経路内からより多くの水分を取ることができるので、閉ループ内で凝縮する水分量を小さくすることができ、水つまり除去効率がより高まる。
【００４０】
〔第４参考形態〕
図４は、本発明に係る燃料電池システムの第４参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００４１】
本参考形態では、第１参考形態における水素排気通路２４に第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスするバイパス通路２６と、このバイパス通路２６への排水素流量を調整するバルブ７を追加した構成となっている。その他の構成は、図１に示した第１参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４２】
本参考形態では、バルブ７を開くと、バイパス通路２６を介して、水素排気通路２４が第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスできるようになる。その他の作用は、第１参考形態と同様である。
【００４３】
第１水蒸気透過型加湿装置１１によって、排水素から供給空気へと移動する水分量が、逆拡散でカソード側からアノード側へと移動してくる水分以上になった場合、循環経路内に存在する水分量が徐々に減ることになり、アノード側のドライアウトの原因となる。そこで、排水素から供給空気への水分移動量を小さくしたい場合には、バルブ７を開にすることで、水分を含んだ排水素ガスを第１水蒸気透過型加湿装置１１に全量流さないので、排水素ガスから供給空気へ移動する水分量を少なくすることができる。
【００４４】
また、バルブ７は可変式のものを用いても良い。この場合、バルブ７の開度調節により排水素バイパス流量を調整することができ、任意に水素排気通路２４から空気供給通路２１への水分移動量を調整することができる。
【００４５】
〔第５参考形態〕
図５は、本発明に係る燃料電池システムの第５参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００４６】
本参考形態では、第１参考形態における空気供給通路２１に第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスするバイパス通路２７と、このバイパス通路２７への空気流量を調整するバルブ８を追加した構成となっている。その他の構成は、図１に示した第１参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４７】
本参考形態では、バルブ８を開くと、バイパス通路２７を介して、空気供給通路２１が第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスできるようになる。その他の作用は、第１参考形態と同様である。
【００４８】
第１水蒸気透過型加湿装置１１によって排水素から供給空気へ移動する水分量が、逆拡散でカソード側からアノード側へ移動してくる水分以上になった場合、循環経路内に存在する水分量が徐々に減ることになり、アノード側のドライアウトの原因となる。そこで、排水素から供給空気への水分移動量を小さくしたい場合には、バルブ８を開にすることで、加湿度の低い（乾燥した）供給空気が、第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスするので、排水素ガスから供給空気へ移動する水分量を小さくすることができる。
【００４９】
また、バルブ８は可変式のものを用いても良い。この場合、バルブ８の開度調節により排水素バイパス流量を調整することができ、任意に水素排気通路２４から空気供給通路２１への水分移動量を調整することができる。
【００５０】
〔第６参考形態〕
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第６参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００５１】
本参考形態では、第２参考形態における空気供給通路２１に第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスするバイパス通路２８と、このバイパス通路２８への空気流量を調整するバルブ９を追加した構成となっている。その他の構成は、図２に示した第２参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００５２】
本参考形態では、バルブ９を開くと、バイパス通路２８を介して、空気供給通路２１が第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスできるようになる。その他の作用は、第２参考形態と同様である。
【００５３】
燃料電池の空気極１ｂから排出される排空気によって外部へ持ち出された水分量が、化学反応で生成される水分量より小さくなった場合、燃料電池システム内に水分が蓄積していき、水分の凝縮が起こりやすくなる。
【００５４】
そこで、排空気が外部へ持ち出す水分量を大きくしたい場合には、バルブ９を開にすることで、加湿度の低い（乾燥した）供給空気が、第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスするので、排空気から供給空気へ移動する水分を小さくすることができる。
【００５５】
また、バルブ９は可変式のものを用いても良い。この場合、バルブ９の開度調節により供給空気バイパス流量を調整することができ、任意に空気排気通路２３から空気供給通路２１への水分移動量を調整することができる。
【００５６】
〔第７参考形態〕
図７は、本発明に係る燃料電池システムの第７参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００５７】
本参考形態では、第２参考形態における空気排気通路２３に第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスするバイパス通路２９と、このバイパス通路２９への空気流量を調整するバルブ１０を追加した構成となっている。その他の構成は、図２に示した第２参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００５８】
本参考形態では、バルブ１０を開くと、バイパス通路２９を介して、空気排気通路２３が第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスできるようになる。その他の作用は、第２参考形態と同様である。
【００５９】
燃料電池の空気極１ｂから排出される排空気によって外部へ持ち出される水分量が、燃料電池本体１内部の電気化学反応で生成される水分量より小さくなった場合、燃料電池システム内に水分が蓄積していき、水分の凝縮が起こりやすくなる。そこで、排空気が外部へ持ち出す水分量を大きくしたい場合には、バルブ１０を開にすることで、水分を含んだ排空気が第２水蒸気透過型加湿装置１２に全量流れないので、排空気から供給空気へ移動する水分を少なくすることができる。
【００６０】
また、バルブ１０は可変式のものを用いても良い。この場合、バルブ１０の開度調節により排空気バイパス流量を調整することができ、任意に空気排気通路２３から空気供給通路２１への水分移動量を調整することができる。
【００６１】
〔第１実施形態〕
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明する。図１０は、本実施形態のシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００６２】
本実施形態では、水素排気通路２４中の水分を空気供給通路２１中の空気へ加湿する第１水蒸気透過型加湿装置と、空気排気通路２３中の水分を空気供給通路２１中の空気へ加湿する第２水蒸気透過型加湿装置とは、空気供給通路２１に関して並列に配置され、かつ両者を一体化した統合水蒸気透過型加湿装置１３を用いている。その他の構成は、図２または３に示した第２または第３参考形態と同様である。
【００６３】
図１１は、本実施形態で用いる統合水蒸気透過型加湿装置１３の構造例を説明する概略図である。図１１において、統合水蒸気透過型加湿装置１３は、ハウジング１０１に空気入口配管１０３と、空気出口配管１０５が連通され、燃料電池本体へ供給する空気がハウジング１０１内を通過するようになっている。またハウジング１０１を貫通するように、３つの加湿モジュール１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃが設けられている。
【００６４】
各加湿モジュール１０９は、排空気または排水素を導入するための入口配管１１１と、排空気または排水素を排出するための出口配管１１３と、入口配管１１１と出口配管１１３との間を接続するとともに、ハウジング１０１内に表面を露出した多数の中空糸膜１０７を束にしたものを備えている。中空糸膜１０７は、例えばポリイミド系の中空糸膜である。
【００６５】
中空糸膜１０７の一端部に接続された入口配管１１１ａ、１１１ｃから水蒸気を含む排空気が加湿モジュール１０９ａ、１０９ｃの中空糸膜１０７の左端部に導入されると、これらのガスが中空糸膜１０７の内部を図中左から右へ流れるに従って、中空糸膜１０７の表面から水蒸気が拡散して、ハウジング１０１内の供給空気へ移動することにより、加湿が行われるようになっている。
【００６６】
同様に、入口配管１１１ｂから水蒸気を含む排水素が加湿モジュール１０９ｂの中空糸膜１０７の左端部に導入されると、これらのガスが中空糸膜１０７の内部を図中左から右へ流れるに従って、中空糸膜１０７の表面から水蒸気が拡散して、ハウジング１０１内の燃料電池の供給空気へ移動することにより加湿が行われる。
【００６７】
尚、本実施形態では、排空気から供給空気へ加湿するために加湿モジュール１０９ａ、１０９ｃを設け、両者の間に排水素から供給空気へ加湿するための加湿モジュール１０９ｂを並列に配置している。
【００６８】
本実施形態によれば、水素排気通路２４中の水分を空気供給通路２１中の空気へ加湿する第１水蒸気透過型加湿装置と、空気排気通路２３中の水分を空気供給通路２１中の空気へ加湿する第２水蒸気透過型加湿装置とを個別に直列に配置した場合より、供給空気が流れる流路断面積が大きくなり（流速が小さくなり）、供給空気の圧力損失を小さくすることができ、空気供給源３、例えばコンプレッサの圧縮比を小さくでき、コンプレッサ駆動用の電力消費を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る燃料電池システムの第１参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】 本発明に係る燃料電池システムの第２参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】 本発明に係る燃料電池システムの第３参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】 本発明に係る燃料電池システムの第４参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】 本発明に係る燃料電池システムの第５参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図６】 本発明に係る燃料電池システムの第６参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図７】 本発明に係る燃料電池システムの第７参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図８】 本発明に係る燃料電池システムの第１参考形態の変形例を説明するシステム構成図である。
【図９】 本発明の第１乃至第７参考形態で用いる水蒸気透過型加湿装置の構成を説明する概要図である。
【図１０】 本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図１１】 本発明の第１実施形態で用いる統合水蒸気透過型加湿装置の構成を説明する概要図である。
【符号の説明】
１…燃料電池本体
１ａ…燃料極
１ｂ…空気極
２…水素供給手段（燃料供給手段）
３…空気供給手段
５…エゼクタ（循環手段）
６…ポンプ（循環手段）
７〜１０…バルブ
１１…第１水蒸気透過型加湿装置
１２…第２水蒸気透過型加湿装置
２１…空気供給通路
２２…水素供給通路
２３…空気排気通路
２４…水素排気通路
２５…水素循環経路
２６〜２９…バイパス通路
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、空気極へ供給する空気を加湿するために水蒸気透過型加湿装置を備えた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の場合、カソードとアノードの間に設けられた高分子電解質膜を適度な湿潤状態に保持しないと、十分な水素イオン導電性を発揮しないため、加湿系を備えている。
【０００４】
このような加湿系を備えた従来の固体高分子型燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１記載の技術がある。この燃料電池システムでは、アノードから排出される排水素ガス中の水蒸気を気液分離器によって回収し、加湿水に再利用することが行われている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３５７５２９号公報（第４ページ、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、排水素ガス中の水分を凝縮器を用いて凝縮させる場合、凝縮熱をラジエータ等を用いてシステム系外へ放熱する必要があり、冷却系の放熱性能を高めるため、ラジエータのサイズや冷却水ポンプの大型化等の冷却系機器の重量増加を招くという問題点があった。
【０００７】
また、冷却能力を高めるために、冷却水の流量を増加する必要があるという問題点があった。
【０００８】
また、燃料電池車両に適用した場合、重量増加により燃費性能が低下するという問題点があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料極及び空気極を有する燃料電池本体と、空気極へ空気を供給する空気供給手段と、該空気供給手段と空気極とを接続する空気供給通路と、空気極から空気を排出する空気排気通路と、燃料極へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、該燃料ガス供給手段と燃料極とを接続する燃料ガス供給通路と、燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排気通路と、を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料ガス排気通路と前記空気供給通路との間に、前記燃料ガス排気通路中の水分を前記空気供給通路中の空気へ移動させる第１水蒸気透過型加湿装置を備え、前記空気排気通路と前記空気供給通路との間に、前記空気排気通路中の水分を前記空気供給通路中の空気へ移動させる第２水蒸気透過型加湿装置を備え、第２水蒸気透過型加湿装置は、前記空気供給通路に関して第１水蒸気透過型加湿装置と並列に配置され、かつ第１水蒸気透過型加湿装置と第２水蒸気透過型加湿装置とが同一ハウジングにより一体化された統合水蒸気透過型加湿装置を形成したことを要旨とする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ガス排気通路中の水分を空気供給通路中の空気へ加湿する第１水蒸気透過型加湿装置と、空気排気通路中の水分を空気供給通路中の空気へ加湿する第２水蒸気透過型加湿装置とを個別に直列に配置した場合に比べて、空気供給通路に関して第１水蒸気透過型加湿装置と第２水蒸気透過型加湿装置とが並列に配置されているので、供給空気が流れる流路断面積が大きくなり（流速が小さくなり）、供給空気の圧力損失を小さくすることができ、空気供給源、例えばコンプレッサの圧縮比を小さくでき、コンプレッサ駆動用の電力消費を低減することができるという効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
〔第１参考形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００１３】
図１において、燃料電池システムは、燃料極（アノード）１ａ及び空気極（カソード）１ｂを有する燃料電池本体１と、燃料極１ａへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段としての水素供給手段２と、空気極１ｂへ空気を供給するコンプレッサなどの空気供給手段３と、空気供給手段３と空気極１ｂとを接続する空気供給通路２１と、水素供給手段２と燃料極１ａとを接続する水素供給通路２２と、空気極１ｂから空気を排出する空気排気通路２３と、燃料極１ａから水素ガスを排出する水素排気通路２４と、水素排気通路２４の排水素ガスを水素供給通路２２へ戻す水素循環経路２５と、水素供給手段２から供給される新規の水素ガスを駆動源として水素循環経路２５を介して排水素を循環させる循環手段としてのエゼクタ５と、水素排気通路２４と空気供給通路２１との間に、水素排気通路２４中の水分を空気供給通路２１中の空気へ移動させる第１水蒸気透過型加湿装置１１と、を備えている。
【００１４】
図９は、第１水蒸気透過型加湿装置１１に用いる水蒸気透過型加湿装置の構成例を示す概略図である。図９において、水蒸気透過型加湿装置１１は、ハウジング１０１に空気入口配管１０３と、空気出口配管１０５が連通され、空気供給通路２１を介して空気極１ｂへ供給する空気がハウジング１０１内を通過するようになっている。またハウジング１０１を貫通するように、加湿モジュール１０９が設けられている。
【００１５】
加湿モジュール１０９は、排空気または排水素（以下、排空気または排水素を排ガスとも呼ぶ）を導入するための排ガス入口配管１１１と、排ガスを排出するための排ガス出口配管１１３と、排ガス入口配管１１１と排ガス出口配管１１３との間を接続するとともに、ハウジング１０１内に表面を露出した多数の中空糸膜１０７を束にしたものを備えている。中空糸膜１０７は、例えばポリイミド系の中空糸膜である。
【００１６】
中空糸膜１０７の一端部に接続された排ガス入口配管１１１から水蒸気を含む排ガスが加湿モジュール１０９ａの中空糸膜１０７の左端部に導入されると、この排ガスが中空糸膜１０７の内部を図中左から右へ流れるに従って、中空糸膜１０７の表面から水蒸気が拡散して、ハウジング１０１内の供給空気へ移動することによって、加湿が行われるようになっている。
【００１７】
燃料電池システムでは、水素供給手段２から供給された水素と、循環手段であるエゼクタ５によって循環してきた循環水素とが混合した後、燃料電池本体１の燃料極１ａに供給され、電気化学反応による発電に利用される。燃料極１ａの電気化学反応で消費されなかった余分な水素は、水素排気通路２４を通り、第１水蒸気透過型加湿装置１１に導入される。第１水蒸気透過型加湿装置１１へ導入された排水素中の水分は、空気供給手段３によって第１水蒸気加湿装置１１に供給された供給空気側へと移動する。第１水蒸気透過型加湿装置１１で加湿された供給空気は、燃料電池本体１の空気極１ｂに導入され、電気化学反応で酸素が消費された後、空気排気通路２３を通って外部へ排出される。
【００１８】
本参考形態によれば、燃料電池本体１の内部の空気極（カソード）１ｂから燃料極（アノード）１ａへと逆拡散してきた水分量を、第１水蒸気透過型加湿装置１１を用いて、排水素から供給空気へと戻すことができる構成になっている。
【００１９】
このため、本参考形態によれば、以下の効果を得ることができる。
【００２０】
燃料極及び水素循環経路を含む燃料ガス供給の閉ループ内に蓄積する水分量を小さくすることができ、凝縮水量を小さくすることができる。
【００２１】
凝縮器を用いる必要も無く、凝縮熱も発生しないので、燃料電池を冷却する図示しないラジエータのサイズを小型化し、また冷却水の流量を小さくすることができる。凝縮器を用いる場合でも小型のものでよくなる。
【００２２】
燃料電池本体内での水つまりを抑制できる。
【００２３】
空気加湿のために別途純水を保有して加湿器を設けることが考えられるが、本参考形態では、アノード排ガス（排水素）中の水分を有効に利用することで、保有しておく純水量を減らせる、あるいは無くすことができる。
【００２４】
未反応の排燃料ガスを再利用することができるので、燃料ガス利用率を向上させることができる。
【００２５】
燃料ガス供給手段から供給される供給燃料ガスの運動量を循環水素の運動量へと、エゼクタを用いて変換できるので、外部より仕事を与えずに、水素を循環させることができる。
【００２６】
水分の移動により排燃料ガスの質量が軽減されるので、排燃料ガスが循環しやすくなる。
【００２７】
なお、本参考形態の変形例として、図８に示すように、燃料ガスを循環させる循環装置として、エゼクタ５の代わりにポンプ６を用いてもよい。
【００２８】
この場合、水素循環のためにポンプ６を駆動する駆動力として、外部より仕事を与えることになるが、ポンプ６の回転数を調整することで、供給水素量に関係なく、循環水素量を調整することができるので、任意のストイキ比（水素過剰率）を達成することができる。
【００２９】
〔第２参考形態〕
図２は、本発明に係る燃料電池システムの第２参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００３０】
本参考形態では、第１参考形態における第１水蒸気透過型加湿装置１１の空気供給通路２１に関して上流に、空気排気通路２３と空気供給通路２１との間に空気排気通路２３中の水分を空気供給通路２１中の空気へ移動させる第２水蒸気透過型加湿装置１２を追加した構成となっている。その他の構成は、図１に示した第１参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。尚、第２水蒸気透過型加湿装置１２は、第１水蒸気透過型加湿装置１１と同様に、図９に示した構造である。
【００３１】
本参考形態では、空気排気通路２３と空気供給通路２１との間に設けた第２水蒸気透過型加湿装置１２により、排空気中に含まれる水分を供給空気へと移動させることで供給空気の加湿をおこない、外部への水分の持ち出し量を小さくし水収支がマイナスとなることを防ぐことができる。
【００３２】
また、第２水蒸気透過型加湿装置１２が第１水蒸気透過型加湿装置１１と空気供給手段３との間、すなわち空気供給通路２１に関して、第１水蒸気透過型加湿装置１１よりも上流に設けられている。
【００３３】
第１水蒸気透過型加湿装置１１に導入される供給空気の水分量が、排空気の水分によって、すでに大きくなっているので、加湿側と非加湿側との水蒸気分圧差が小さくなり、アノード側からカソード側へと移動する水分量が小さくなる。そのため、アノードの循環経路内から水分を取りすぎることがなくなり、アノードのドライアウトを防ぐことができる。
【００３４】
なお、循環装置５としては第１参考形態のようなエゼクタ５でも図８に示したようにポンプ６を用いてもよい。
【００３５】
〔第３参考形態〕
図３は、本発明に係る燃料電池システムの第３参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００３６】
本参考形態では、第１参考形態における第１水蒸気透過型加湿装置１１の空気供給通路２１に関して下流に、空気排気通路２３と空気供給通路２１との間に空気排気通路２３中の水分を空気供給通路２１中の空気へ移動させる第２水蒸気透過型加湿装置１２を追加した構成となっている。その他の構成は、図１に示した第１参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００３７】
本参考形態では、第２水蒸気透過型加湿装置１２が第１水蒸気透過型加湿装置１１と燃料電池本体１との間、すなわち、空気供給通路２１に関して、第１水蒸気透過型加湿装置１１よりも下流に設けられている。
【００３８】
したがって、第１水蒸気透過型加湿装置１１に導入される供給空気の水分量が小さいので、加湿側と非加湿側との水蒸気分圧差が大きくなり、アノード側からカソード側へと移動する水分量が大きくなる。
【００３９】
そのため、アノードの循環経路内からより多くの水分を取ることができるので、閉ループ内で凝縮する水分量を小さくすることができ、水つまり除去効率がより高まる。
【００４０】
〔第４参考形態〕
図４は、本発明に係る燃料電池システムの第４参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００４１】
本参考形態では、第１参考形態における水素排気通路２４に第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスするバイパス通路２６と、このバイパス通路２６への排水素流量を調整するバルブ７を追加した構成となっている。その他の構成は、図１に示した第１参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４２】
本参考形態では、バルブ７を開くと、バイパス通路２６を介して、水素排気通路２４が第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスできるようになる。その他の作用は、第１参考形態と同様である。
【００４３】
第１水蒸気透過型加湿装置１１によって、排水素から供給空気へと移動する水分量が、逆拡散でカソード側からアノード側へと移動してくる水分以上になった場合、循環経路内に存在する水分量が徐々に減ることになり、アノード側のドライアウトの原因となる。そこで、排水素から供給空気への水分移動量を小さくしたい場合には、バルブ７を開にすることで、水分を含んだ排水素ガスを第１水蒸気透過型加湿装置１１に全量流さないので、排水素ガスから供給空気へ移動する水分量を少なくすることができる。
【００４４】
また、バルブ７は可変式のものを用いても良い。この場合、バルブ７の開度調節により排水素バイパス流量を調整することができ、任意に水素排気通路２４から空気供給通路２１への水分移動量を調整することができる。
【００４５】
〔第５参考形態〕
図５は、本発明に係る燃料電池システムの第５参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００４６】
本参考形態では、第１参考形態における空気供給通路２１に第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスするバイパス通路２７と、このバイパス通路２７への空気流量を調整するバルブ８を追加した構成となっている。その他の構成は、図１に示した第１参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００４７】
本参考形態では、バルブ８を開くと、バイパス通路２７を介して、空気供給通路２１が第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスできるようになる。その他の作用は、第１参考形態と同様である。
【００４８】
第１水蒸気透過型加湿装置１１によって排水素から供給空気へ移動する水分量が、逆拡散でカソード側からアノード側へ移動してくる水分以上になった場合、循環経路内に存在する水分量が徐々に減ることになり、アノード側のドライアウトの原因となる。そこで、排水素から供給空気への水分移動量を小さくしたい場合には、バルブ８を開にすることで、加湿度の低い（乾燥した）供給空気が、第１水蒸気透過型加湿装置１１をバイパスするので、排水素ガスから供給空気へ移動する水分量を小さくすることができる。
【００４９】
また、バルブ８は可変式のものを用いても良い。この場合、バルブ８の開度調節により排水素バイパス流量を調整することができ、任意に水素排気通路２４から空気供給通路２１への水分移動量を調整することができる。
【００５０】
〔第６参考形態〕
図６は、本発明に係る燃料電池システムの第６参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００５１】
本参考形態では、第２参考形態における空気供給通路２１に第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスするバイパス通路２８と、このバイパス通路２８への空気流量を調整するバルブ９を追加した構成となっている。その他の構成は、図２に示した第２参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００５２】
本参考形態では、バルブ９を開くと、バイパス通路２８を介して、空気供給通路２１が第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスできるようになる。その他の作用は、第２参考形態と同様である。
【００５３】
燃料電池の空気極１ｂから排出される排空気によって外部へ持ち出された水分量が、化学反応で生成される水分量より小さくなった場合、燃料電池システム内に水分が蓄積していき、水分の凝縮が起こりやすくなる。
【００５４】
そこで、排空気が外部へ持ち出す水分量を大きくしたい場合には、バルブ９を開にすることで、加湿度の低い（乾燥した）供給空気が、第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスするので、排空気から供給空気へ移動する水分を小さくすることができる。
【００５５】
また、バルブ９は可変式のものを用いても良い。この場合、バルブ９の開度調節により供給空気バイパス流量を調整することができ、任意に空気排気通路２３から空気供給通路２１への水分移動量を調整することができる。
【００５６】
〔第７参考形態〕
図７は、本発明に係る燃料電池システムの第７参考形態の構成を説明するシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００５７】
本参考形態では、第２参考形態における空気排気通路２３に第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスするバイパス通路２９と、このバイパス通路２９への空気流量を調整するバルブ１０を追加した構成となっている。その他の構成は、図２に示した第２参考形態と同様であるので、同一構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。
【００５８】
本参考形態では、バルブ１０を開くと、バイパス通路２９を介して、空気排気通路２３が第２水蒸気透過型加湿装置１２をバイパスできるようになる。その他の作用は、第２参考形態と同様である。
【００５９】
燃料電池の空気極１ｂから排出される排空気によって外部へ持ち出される水分量が、燃料電池本体１内部の電気化学反応で生成される水分量より小さくなった場合、燃料電池システム内に水分が蓄積していき、水分の凝縮が起こりやすくなる。そこで、排空気が外部へ持ち出す水分量を大きくしたい場合には、バルブ１０を開にすることで、水分を含んだ排空気が第２水蒸気透過型加湿装置１２に全量流れないので、排空気から供給空気へ移動する水分を少なくすることができる。
【００６０】
また、バルブ１０は可変式のものを用いても良い。この場合、バルブ１０の開度調節により排空気バイパス流量を調整することができ、任意に空気排気通路２３から空気供給通路２１への水分移動量を調整することができる。
【００６１】
〔第１実施形態〕
次に、図１０及び図１１を参照して、本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態を説明する。図１０は、本実施形態のシステム構成図であり、特に限定されないが、水素ガスを燃料とする燃料電池車両用に好適な燃料電池システムである。
【００６２】
本実施形態では、水素排気通路２４中の水分を空気供給通路２１中の空気へ加湿する第１水蒸気透過型加湿装置と、空気排気通路２３中の水分を空気供給通路２１中の空気へ加湿する第２水蒸気透過型加湿装置とは、空気供給通路２１に関して並列に配置され、かつ両者を一体化した統合水蒸気透過型加湿装置１３を用いている。その他の構成は、図２または３に示した第２または第３参考形態と同様である。
【００６３】
図１１は、本実施形態で用いる統合水蒸気透過型加湿装置１３の構造例を説明する概略図である。図１１において、統合水蒸気透過型加湿装置１３は、ハウジング１０１に空気入口配管１０３と、空気出口配管１０５が連通され、燃料電池本体へ供給する空気がハウジング１０１内を通過するようになっている。またハウジング１０１を貫通するように、３つの加湿モジュール１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃが設けられている。
【００６４】
各加湿モジュール１０９は、排空気または排水素を導入するための入口配管１１１と、排空気または排水素を排出するための出口配管１１３と、入口配管１１１と出口配管１１３との間を接続するとともに、ハウジング１０１内に表面を露出した多数の中空糸膜１０７を束にしたものを備えている。中空糸膜１０７は、例えばポリイミド系の中空糸膜である。
【００６５】
中空糸膜１０７の一端部に接続された入口配管１１１ａ、１１１ｃから水蒸気を含む排空気が加湿モジュール１０９ａ、１０９ｃの中空糸膜１０７の左端部に導入されると、これらのガスが中空糸膜１０７の内部を図中左から右へ流れるに従って、中空糸膜１０７の表面から水蒸気が拡散して、ハウジング１０１内の供給空気へ移動することにより、加湿が行われるようになっている。
【００６６】
同様に、入口配管１１１ｂから水蒸気を含む排水素が加湿モジュール１０９ｂの中空糸膜１０７の左端部に導入されると、これらのガスが中空糸膜１０７の内部を図中左から右へ流れるに従って、中空糸膜１０７の表面から水蒸気が拡散して、ハウジング１０１内の燃料電池の供給空気へ移動することにより加湿が行われる。
【００６７】
尚、本実施形態では、排空気から供給空気へ加湿するために加湿モジュール１０９ａ、１０９ｃを設け、両者の間に排水素から供給空気へ加湿するための加湿モジュール１０９ｂを並列に配置している。
【００６８】
本実施形態によれば、水素排気通路２４中の水分を空気供給通路２１中の空気へ加湿する第１水蒸気透過型加湿装置と、空気排気通路２３中の水分を空気供給通路２１中の空気へ加湿する第２水蒸気透過型加湿装置とを個別に直列に配置した場合より、供給空気が流れる流路断面積が大きくなり（流速が小さくなり）、供給空気の圧力損失を小さくすることができ、空気供給源３、例えばコンプレッサの圧縮比を小さくでき、コンプレッサ駆動用の電力消費を低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る燃料電池システムの第１参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】 本発明に係る燃料電池システムの第２参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図３】 本発明に係る燃料電池システムの第３参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】 本発明に係る燃料電池システムの第４参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図５】 本発明に係る燃料電池システムの第５参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図６】 本発明に係る燃料電池システムの第６参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図７】 本発明に係る燃料電池システムの第７参考形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図８】 本発明に係る燃料電池システムの第１参考形態の変形例を説明するシステム構成図である。
【図９】 本発明の第１乃至第７参考形態で用いる水蒸気透過型加湿装置の構成を説明する概要図である。
【図１０】 本発明に係る燃料電池システムの第１実施形態の構成を説明するシステム構成図である。
【図１１】 本発明の第１実施形態で用いる統合水蒸気透過型加湿装置の構成を説明する概要図である。
【符号の説明】
１…燃料電池本体
１ａ…燃料極
１ｂ…空気極
２…水素供給手段（燃料供給手段）
３…空気供給手段
５…エゼクタ（循環手段）
６…ポンプ（循環手段）
７〜１０…バルブ
１１…第１水蒸気透過型加湿装置
１２…第２水蒸気透過型加湿装置
２１…空気供給通路
２２…水素供給通路
２３…空気排気通路
２４…水素排気通路
２５…水素循環経路
２６〜２９…バイパス通路
Claims (5)
- 燃料極及び空気極を有する燃料電池本体と、
空気極へ空気を供給する空気供給手段と、
該空気供給手段と空気極とを接続する空気供給通路と、
空気極から空気を排出する空気排気通路と、
燃料極へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
該燃料ガス供給手段と燃料極とを接続する燃料ガス供給通路と、
燃料極から燃料ガスを排出する燃料ガス排気通路と、
を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガス排気通路と前記空気供給通路との間に、前記燃料ガス排気通路中の水分を前記空気供給通路中の空気へ移動させる第１水蒸気透過型加湿装置を備え、
前記空気排気通路と前記空気供給通路との間に、前記空気排気通路中の水分を前記空気供給通路中の空気へ移動させる第２水蒸気透過型加湿装置を備え、
第２水蒸気透過型加湿装置は、前記空気供給通路に関して第１水蒸気透過型加湿装置と並列に配置され、かつ第１水蒸気透過型加湿装置と第２水蒸気透過型加湿装置とが同一ハウジングにより一体化された統合水蒸気透過型加湿装置を形成したことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第１または第２水蒸気透過型加湿装置は、複数の中空糸膜を収納した中空糸膜モジュールを少なくとも一つ備え、中空糸膜の内部を通過するガスから中空糸膜の外部を通過する空気に加湿するものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料ガス排気通路の排燃料ガスを前記燃料ガス供給通路へ戻す燃料ガス循環経路と、
該燃料ガス循環経路を介して排燃料ガスを燃料ガス供給通路へ循環させる循環手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。 - 前記循環手段は、ポンプであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
- 前記循環手段は、エゼクタであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
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