JP5297273B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来から、燃料電池システム用として、アノード電極とカソード電極とで例えば固体高分子電解質膜（以下、電解質膜という）を両側から挟み込んだセルを備え、このセルを複数積層して構成された燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックの単セルである燃料電池は、アノード電極にアノードガス（燃料）として水素が供給され、カソード電極にカソードガス（酸化剤）として空気が供給されることで、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソード電極まで移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応を起こして発電するものである。

特開平８−１９５２０９号公報

ところで、上述した燃料電池では、電解質膜のイオン伝導性を良好に保持するために、電解質膜を湿潤な状態に維持する必要がある。そこで、燃料電池で生成される生成水（凝縮水）を利用して、燃料電池に供給されるカソードガスを予め加湿し、加湿されたカソードガスを電解質膜に供給する構成が知られている。

このような構成としては、カソードガスの供給流路におけるエアポンプよりも上流側に、燃料電池から排出される凝縮水が流通する凝縮水排出流路を接続し、凝縮水排出流路内の圧力と、カソードガスの供給流路内の圧力との圧力差により、カソードガスの供給流路内に凝縮水を供給する構成が考えられる。
しかしながら、上述した構成では、燃料電池が低出力の場合において、凝縮水排出流路内の圧力と、カソードガスの供給流路内の圧力との圧力差を大きく確保することが難しく、カソードガスの供給流路内に効率良く凝縮水を供給することが難しいという問題がある。

また、燃料電池の下流側に第１タンクと第２タンクとをそれぞれバルブを介して接続し、各バルブの開度を調整して各タンク内の圧力差（システム圧）を調整することで、燃料電池から排出された凝縮水を燃料電池の上流側に設けられた加湿装置に供給する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に示される構成では、凝縮水自体が加湿装置に投入されるため、カソードガスの加湿を効率的に行うことができず、また加湿装置内に凝縮水が溜まりやすくなるという問題がある。

そこで本発明は、上述した問題に鑑みてなされたものであって、酸化剤を効率的に加湿し、効率的な発電を行う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。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、酸化剤と燃料とが供給されて発電を行う燃料電池（例えば、実施形態における燃料電池１１）と、前記酸化剤としてのエアを前記燃料電池に送り込むエアポンプ（例えば、実施形態におけるエアポンプ３２）と、前記燃料電池から排出されるオフガスの少なくとも一部が流通するオフガス流路（例えば、実施形態におけるカソードオフガス分岐路４７）と、前記エアポンプから送出され、前記燃料電池に向かうエアの一部を前記エアポンプの上流に還す還流路（例えば、実施形態における還流路４１）と、前記還流路上に配置され、前記還流路のエア流れを主流とし、前記オフガス流路のオフガス流れを副流とするエゼクタ（例えば、実施形態におけるエゼクタ４６）と、を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、還流路にエゼクタを配置しているため、還流路内に流入した酸化剤は、エゼクタのノズル内を流通することで、流速が増加した状態でエゼクタから吐出される。そして、エゼクタのノズル下流側は、ノズルから吐出されるエア流れによって高い負圧空間となるため、副流となるオフガス流路から還流路内に向けて効率的にオフガスを流入させることができる。この場合、還流路とオフガス流路との合流地点でオフガスと酸化剤とが合流すると、オフガスとともに流通する凝縮水が飛散してミスト状になって酸化剤内に混合される。これにより、凝縮水が気化しやすくなるとともに、エゼクタを通過した酸化剤に凝縮水が均一に行渡ることになる。この作用はエゼクタに酸化剤が流入していれば常に起こるため、燃料電池の全出力域で、還流路内を流通する酸化剤を効果的に加湿することができる。そして、加湿されたガス（以下、加湿ガスという）が還流路からエアポンプの上流側に流入することで、エアポンプの上流側を流通する酸化剤に合流して酸化剤が加湿される。
したがって、酸化剤を効率的に加湿し、湿潤な状態で燃料電池に供給することができるため、燃料電池において、効率的な発電を行うことができる。

しかも、凝縮水がミスト状になってエアポンプに供給されるためエアポンプの羽根と筐体とのクリアランスに凝縮水が介在することになり、羽根と筐体との間のクリアランスを縮小することができる。そのため、エアポンプのシール性を向上させ、エア漏れを低減することができるので、エアポンプの効率（消費エネルギーに対する圧縮比）を向上させることができる。
また、凝縮水が気化し易くなることで、凝縮水の気化潜熱によりエアポンプから吐出される酸化剤の温度を低減することができる。これにより、燃料電池内に高温の酸化剤が供給されることを防止できる。

また、前記還流路上における前記エゼクタよりも上流側に配置された第１バルブ（例えば、実施形態における第１バルブ４３）と、前記オフガス流路上に配置された第２バルブ（例えば、実施形態における第２バルブ４８）と、を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、第１バルブと第２バルブとの開度をそれぞれ調整することで、還流路からエアポンプの上流側に供給される加湿ガスの加湿量及び流量を調整することが可能になる。これにより、燃料電池に供給される酸化剤の湿度を調整し易くなる。

また、前記エアポンプから前記燃料電池に至る流路（例えば、実施形態におけるカソードガス供給流路３１）を流れるエアに、前記酸化剤のオフガスから水分を移動させる加湿器（例えば、実施形態における加湿器１４）を備えていることを特徴とする。
この構成によれば、上述した還流路を用いた加湿に加えて、加湿器内において酸化剤を加湿することで、燃料電池に供給される酸化剤をより効率的に加湿することができる。

また、前記エゼクタから吐出されるガスの流速ベクトルと、前記エアポンプに吸入されるガスの流速ベクトルとの内積が正の値となるように、前記エゼクタの吐出口の軸線と前記エアポンプの吸入口の軸線とが交わっていることを特徴とする。
この構成によれば、エアポンプに吸入されるガスと、エゼクタから吐出される加湿ガスとの衝突により発生するエネルギー損失を低減することができるため、エアポンプに至る流路内に向けて加湿ガスを投入し易くなる。その結果、エアポンプに至る流路内に加湿ガスをスムーズに流入させ、酸化剤を効率的に加湿することができるとともに、加湿ガスの逆流も防ぐことができる。

また、前記第１バルブ及び前記第２バルブの開度を調整する制御部（例えば、実施形態における制御部１５）を備え、前記制御部は、前記燃料電池に供給されるエアの加湿量が不足している場合に、前記第２バルブを開弁し、その後前記加湿量が未だ不足している場合に、前記第１バルブを開弁することを特徴とする。
この構成によれば、第２バルブを開弁することで、オフガス流路を流通するオフガスのみがエアポンプの上流側に流入することになる。すなわち、最初は還流路を閉じた状態で加湿を試みることで、エアポンプの運転効率を高く維持することができる。
その後、燃料電池の低出力時等、オフガス流路とエアポンプの上流側との圧力差が小さい場合等において、第１バルブも開弁することで、エアポンプの上流側とオフガス流路との間の圧力差を大きく確保し、副流となるオフガス流路から還流路内に向けて効率的にオフガスを流入させることができる。したがって、燃料電池の全出力域において、酸化剤を効率的に加湿し、燃料電池に供給される酸化剤の要求加湿量を満足させることができる。

また、前記酸化剤の供給源から前記エアポンプに至る流路と、前記還流路との合流地点よりも上流側には、前記エゼクタから前記酸化剤の供給源に向かうガス流れを抑制する逆止弁（例えば、実施形態における逆止弁５２）が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、エアポンプの上流側に流入する加湿ガスの逆流を防ぐことができるため、燃料電池に向けて所望の流量の酸化剤を効率的に供給することができる。

また、前記酸化剤の供給源から前記エアポンプに供給される前記酸化剤の流量を計測するエア流量計測器（例えば、実施形態におけるエアフローメータ５１）を備え、前記制御部は、前記エア流量計測器の計測値が、前記第１バルブの開度と前記燃料電池のエア要求量とに応じた所定値となるように、前記エアポンプの出力を調整することを特徴とする。
第１バルブが開弁している場合、エアポンプから吐出される酸化剤の一部が還流路内に分岐するため、燃料電池に供給される酸化剤の流量は、エア流量計測器で計測される流量（エアポンプにより吸引される流量）に比べて少なくなる。
そこで、本発明の構成によれば、エア流量計測器の計測値が、第１バルブの開度と燃料電池のエア要求量とに応じた所定値となるように、エアポンプの出力を調整することで、燃料電池に向けて所望の流量の酸化剤を供給することができる。したがって、燃料電池で効率的な発電を行うことができる。

また、前記各流路のうち、少なくとも前記還流路には、前記還流路内に滞留する凝縮水を除去するための凝縮水除去手段（例えば、実施形態におけるドレンバルブ４５）が設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、還流路内に滞留する凝縮水を除去することができるため、還流路内に滞留する凝縮水の凍結を防止することができる。

本発明によれば、還流路にエゼクタを配置しているため、還流路内に流入した酸化剤は、エゼクタのノズル内を流通することで、流速が増加した状態でエゼクタから吐出される。そして、エゼクタのノズル下流側は、ノズルから吐出されるエア流れによって高い負圧空間となるため、副流となるオフガス流路から還流路内に向けて効率的にオフガスを流入させることができる。この場合、還流路とオフガス流路との合流地点でオフガスと酸化剤とが合流すると、オフガスとともに流通する凝縮水が飛散してミスト状になって酸化剤内に混合される。これにより、凝縮水が気化しやすくなるとともに、エゼクタを通過した酸化剤に凝縮水が均一に行渡ることになる。この作用はエゼクタに酸化剤が流入していれば常に起こるため、燃料電池の全出力域で、還流路内を流通する酸化剤を効果的に加湿することができる。そして、加湿されたガス（以下、加湿ガスという）が還流路からエアポンプの上流側に流入することで、エアポンプの上流側を流通する酸化剤に合流して酸化剤が加湿される。
したがって、酸化剤を効率的に加湿し、湿潤な状態で燃料電池に供給することができるため、燃料電池において、効率的な発電を行うことができる。

しかも、凝縮水がミスト状になってエアポンプに供給されるためエアポンプの羽根と筐体とのクリアランスに凝縮水が介在することになり、羽根と筐体との間のクリアランスを縮小することができる。そのため、エアポンプのシール性を向上させ、エア漏れを低減することができるので、エアポンプの効率（消費エネルギーに対する圧縮比）を向上させることができる。
また、凝縮水が気化し易くなることで、凝縮水の気化潜熱によりエアポンプから吐出される酸化剤の温度を低減することができる。これにより、燃料電池内に高温の酸化剤が供給されることを防止できる。

第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 図１のＡ部拡大図である。 燃料電池システムの動作方法を示すフローチャートである。 エアポンプの出力を算出するためのフローチャートである。 第２実施形態における図１のＡ部に相当する拡大図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
（燃料電池システム）
図１は第１実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池スタック１１（以下、燃料電池１１という）と、燃料電池１１にカソードガス（酸化剤）であるエアを供給するためのカソードガス供給手段１２と、アノードガス（燃料）である水素を供給するためのアノードガス供給手段１３と、燃料電池１１に供給されるカソードガスを加湿するための加湿器１４と、これら各構成品を統括的に制御する制御部１５とを主に備えている。

燃料電池１１は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備え、この電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルが複数積層されたスタックとして構成されている。そして、アノード電極にはアノードガスが、カソード電極にはカソードガスがそれぞれ供給されることで、アノード電極で触媒反応により発生した水素イオンが電解質を透過してカソード電極に移動し、カソード電極で酸素と電気化学反応して発電するようになっている。

アノードガス供給手段１３は、アノードガスが充填された図示しない水素タンクを備えており、水素タンクはアノードガス供給流路２１を介して燃料電池１１の入口側に接続されている。一方、燃料電池１１におけるアノードガスの排出側には、燃料電池１１で発電に供されたアノードオフガスが流通するアノードガス排出流路２２が接続されている。アノードガス排出流路２２には、燃料電池１１から排出される凝縮水が収容されるキャッチタンク２３（Ｃ／Ｔ）が接続されている。

カソードガス供給手段１２は、カソードガスが流通するカソードガス供給流路３１を備えている（図２中Ｌ参照）。このカソードガス供給流路３１には図示しないカソードガスの供給源から供給される、あるいは大気から吸い込まれてくるカソードガスを、所定圧力に加圧して燃料電池１１に向けて送出するエアポンプ３２（Ａ／Ｐ）が接続されている。そして、カソードガス供給流路３１は、加湿器（ＨＵＭ）１４を介して燃料電池１１の入口に接続されている。一方、燃料電池１１の排出側には、燃料電池１１で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池１１で生成された凝縮水が流通するカソードガス排出流路３４が接続されている。カソードガス排出流路３４を流通するカソードオフガスは、加湿器１４を流通した後に燃料電池システム１の外部に向けて排出される。なお、図示しないが、カソードオフガス排出流路３４には、カソード電極の内圧を調整するための背圧弁が介装されている。

加湿器１４は、内部に中空糸状の水透過膜（中空糸膜）を多数束ねた状態でハウジング（不図示）に収容されて構成されている。そして、中空糸膜の内部と外部とにそれぞれ水分含量の異なるガスが流通すると、水分含量の多いガス中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ないガスへと移動する。すなわち、本実施形態では、中空糸膜の内部にカソードガスが流通し、外部に凝縮水を含んだカソードオフガスが流通することで、燃料電池１１で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池１１に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。なお、カソードガス供給流路３１における加湿器１４の出口側には、加湿器１４により加湿されたカソードガス（燃料電池１１に供給されるカソードガス）の湿度を測定するための湿度センサ２５が接続されている。そして、湿度センサ２５で測定されたカソードガスの湿度情報は制御部１５に向けて出力される。

図２は、本実施形態の要部拡大図であり、図１のＡ部拡大図である。
ここで、図１，２に示すように、カソードガス供給流路３１におけるエアポンプ３２の下流側には、カソードガス供給流路３１から分岐した還流路４１が接続されている。この還流路４１には、エアポンプ３２から送出され、燃料電池１１に向かうカソードガスの一部がオリフィス４２を介して還流路４１に流入するようになっている。そして、還流路４１の下流端は、エアポンプ３２の上流側に接続されている。すなわち、還流路４１は、エアポンプ３２を間に挟んで、エアポンプ３２の下流側から上流側を跨ぐように接続されている。還流路４１を流通するカソードガスは、エアポンプ３２の上流側に還され、再びエアポンプ３２によって燃料電池１１に向けて送出されるようになっている。

還流路４１には、還流路４１を開閉可能とするとともに、還流路４１を流通するカソードガスの流量を調整するための第１バルブ４３が設けられている。すなわち、第１バルブ４３の開弁状態では、還流路４１とカソードガス供給流路３１とが連通する一方、第１バルブ４３の閉弁状態では、還流路４１とカソードガス供給流路３１とが遮断される。
また、第１バルブ４３の上流側には、還流路４１から分岐したドレン管４４が接続されており、還流路４１内に滞留する凝縮水はドレンバルブ４５を介して外部に排出されるようになっている。なお、ドレン管４４は、還流路４１における重力方向最下部に配置されている。これにより、還流路４１内に滞留する凝縮水を除去することができるため、還流路４１内に滞留する凝縮水の凍結等を防止することができる。

一方、カソードガス排出流路３４における燃料電池１１と加湿器１４との間には、カソードガス排出流路３４から分岐したカソードオフガス分岐路（オフガス流路）４７が接続されている。このカソードオフガス分岐路４７には、燃料電池１１から排出されるカソードオフガス（凝縮水）の一部がカソードオフガス排出流路３４から流入するようになっている。そして、カソードオフガス分岐路４７の下流端は、還流路４１の下流側に接続され、カソードオフガス分岐路４７を流通するカソードオフガスが還流路４１内に流入するようになっている。また、カソードオフガス分岐路４７の下流側には、カソードオフガス分岐路４７を開閉可能とするとともに、カソードオフガス分岐路４７から還流路４１内に流入するカソードオフガスの流量を調整する第２バルブ４８が設けられている。すなわち、第２バルブ４８の開弁状態では、カソードオフガス分岐路４７と還流路４１とが連通する一方、第２バルブ４８の閉弁状態では、カソードオフガス分岐路４７と還流路４１とが遮断される。

ここで、図２に示すように、還流路４１における下流側には、カソードガス供給流路３１に合流する前段においてエゼクタ４６が設けられている。エゼクタ４６は、ノズル４６ａと、ノズル４６ａの出口部下流のディフーザ（不図示）とを備えている。なお、エゼクタ４６とは、主流を高速で流通する流体のベンチュリ効果により副流を流通する流体を吸引し、主流を流通する流体と、副流を流通する流体とを混合して吐出するものである。本実施形態では、ノズル４６ａよりも下流側であってディフーザの手前に、上述したカソードオフガス分岐路４７の下流端が接続されている。すなわち、エゼクタ４６は、還流路４１内を流通するカソードガスを主流（図２中Ｌ１参照）とする一方、カソードオフガス分岐路４７を流通するカソードオフガスを副流（図２中Ｌ２参照）として、これらカソードガス及びカソードオフガスが還流路４１内で混合された後に、カソードガス供給流路３１内に還されるようになっている。

カソードガス供給流路３１における還流路４１の合流位置よりも上流側には、カソードガス供給流路３１を流通するカソードガスの流量を測定するエアフローメータ５１が設けられている。すなわち、エアフローメータ５１では、カソードガスの供給源からエアポンプ３２に供給されるカソードガスの流量が測定できるようになっている。また、カソードガス供給流路３１におけるエアフローメータ５１よりも上流側には、カソードガス供給流路３１を流通するカソードガスの逆流を防止するための逆止弁５２が設けられている。これにより、還流路４１からカソードガス供給流路３１内に流入するカソードオフガスの逆流を防ぐことができるため、燃料電池１１に向けて所望の流量のカソードガスを効率的に供給することができる。

また、図１に示すように、制御部１５は、ポンプ出力制御手段と、要求加湿量判定手段と、バルブ制御手段とを備えている。
ポンプ出力制御手段は、燃料電池１１に供給されるカソードガスの要求流量Ｑ_Ｓと、第１バルブ４３の開度（還流路４１内を流れるカソードガスの流量Ｑ_Ｅ）とに対するエアポンプ３２の出力の関係をマップとして有している。そして、ポンプ出力制御手段は、エアフローメータ４１の計測値Ｑ_ＡがＱ_ＳとＱ_Ｅとに応じた所定値になるように、マップに基づいてエアポンプ３２の出力を調整する。

要求加湿量判定手段は、湿度センサ２５により測定されたカソードガスの湿度に基づいて、燃料電池１１に供給されるカソードガスの湿度が所望の湿度（要求加湿量）を満足しているか否かを判定するものである。
バルブ制御手段は、要求加湿量判定手段による判定結果に基づいて第１バルブ４３及び第２バルブ４８の開閉制御を行うものである。

（燃料電池システムの動作方法）
次に、図３のフローチャートに基づいて、上述した燃料電池システム１の動作方法について説明する。以下の説明では、主としてカソードガスの湿度調整方法について説明する。
図３に示すように、まず燃料電池システム１を起動する。なお、燃料電池システム１の起動時における初期状態では、上述した第１バルブ４３及び第２バルブ４８は閉弁された状態にある。
次に、ステップＳ１においてエアポンプ３２を駆動させる。すると、エアポンプ３２により吸引されたカソードガスが、加湿器１４内で加湿された後、カソードガス供給流路３１内を燃料電池１１に向けて送出される（図２中Ｌ参照）。これにより、カソードガスとアノードガス供給流路２１から燃料電池１１に向けて供給されるアノードガスとが、燃料電池１１において電気化学反応により発電が行われる。

次に、ステップＳ２において、燃料電池１１に供給されるカソードガスが要求加湿量を満足しているか否かを判定する。具体的には、制御部１５の要求加湿量判定手段は、湿度センサ２５により測定されたカソードガスの湿度に基づいて、要求加湿量を満足しているか否かを判定する。
ステップＳ２における判定結果が「ＹＥＳ」の場合（カソードガスの湿度が要求加湿量を満足している場合）、バルブ４３，４８を閉弁した状態で、加湿器１４のみでの加湿により燃料電池１１に湿潤なカソードガスが供給され、効率的な発電が行われていると判定してステップＳ３に進む。そして、ステップＳ３において、バルブ４３，４８を閉弁した状態に維持してステップＳ２の判定を繰り返す。

一方、ステップＳ３における判定結果が「ＮＯ」の場合（カソードガスの湿度が要求加湿量に不足している場合）、加湿器１４のみでの加湿ではカソードガスを所望の湿度まで加湿できていないと判定してステップＳ４に進む。

次に、ステップＳ４において、制御部１５のバルブ制御手段は第１バルブ４３を閉弁した状態で、第２バルブ４８のみを開弁する。すなわち、カソードガスの湿度が要求加湿量に不足している場合には、加湿器１４による加湿に加えてカソードガス供給流路３１内にカソードオフガスを供給する。この場合、カソードオフガス分岐路４７の上流端では、燃料電池１１から連続的にカソードオフガスが排出されるため、カソードオフガス分岐路４７内の圧力は比較的高くなっている。

一方、カソードオフガス分岐路４７の下流端は、還流路４１を通ってエアポンプ３２の上流側に接続されているが、エアポンプ３２の上流側はエアポンプ３２による吸引力により大気圧以下の負圧空間となっている。そのため、カソードオフガス分岐路４７を流通するカソードオフガスは、第２バルブ４８を開弁することで、カソードオフガス分岐路４７とカソードガス供給流路３１との圧力差により吸引されてカソードガス供給流路３１内に流入することになる（図２中Ｌ２参照）。これにより、カソードガス供給流路３１内を流通するカソードガスと、カソードオフガス分岐路４７からカソードガス供給流路３１内に流入する凝縮水を含んだカソードオフガスとが混合され、カソードガスを加湿することができる。

そして、ステップＳ５において、ステップＳ３と同様に、燃料電池１１に供給されるカソードガスが要求加湿量を満足しているか否かを判定する。
そして、ステップＳ５における判定結果が「ＹＥＳ」の場合、ステップＳ４における処理を維持する。すなわち、第１バルブ４３を閉弁した状態で、第２バルブ４８のみを開弁した状態に維持する。
一方、ステップＳ５における判定結果が「ＮＯ」の場合、ステップＳ６に進む。

ここで、ステップＳ６において、制御部１５のバルブ制御手段は、第２バルブ４８に加え第１バルブ４３も開弁する。すなわち、燃料電池１１の低出力時等においては、エアポンプ３２の出力（吸引力）が弱く、カソードオフガス分岐路４７内の圧力と、カソードガス供給流路３１内の圧力との圧力差を大きく確保することが難しい。このように、カソードガス供給流路３１内に効率良くカソードオフガスを供給することができていない場合等には、第１バルブ４３を開弁する。すると、エアポンプ３２により送出されたカソードガスの一部（以下、分岐ガスという）は、エアポンプ３２の下流側におけるカソードガス供給流路３１から分岐した還流路４１内に流入する（図２中Ｌ１参照）。この場合、還流路４１の下流端は、エアポンプ３２の上流側に接続されているため、還流路４１内に流入した分岐ガスは、エアポンプ３２の吸引力によりエゼクタ４６を介して吸引される。エゼクタ４６に吸引された分岐ガスは、エゼクタ４６のノズル４６ａ内を流通することで、流速が増加した状態でノズル４６ａから吐出される。さらに、カソードオフガス分岐路４７がエゼクタ４６の下流側であって、ディフーザの手前に接続されているので、カソードオフガス分岐路４７の下流端は第２バルブ４８のみを開弁している状態に比べてより負圧になる。そのため、カソードオフガスには、より強い吸引力が作用した状態でカソードオフガス分岐路４７から還流路４１内に流入する。

還流路４１とカソードオフガス分岐路４７との合流地点で、カソードオフガスと分岐ガスとが合流すると、カソードオフガスとともに流通してきた凝縮水が飛散してミスト状になってカソードガス内に混合される。これにより、エゼクタ４６の下流側において、エゼクタ４６を通過した分岐ガス中に凝縮水が均一に行渡ることになる。この作用はエゼクタ４６に分岐ガスが流入していれば常に起こるため、燃料電池１１の全出力域で、分岐ガスを効果的に加湿することができる。そして、加湿された分岐ガス（以下、加湿ガスという）が還流路４１からカソードガス供給流路３１内に流入することで、カソードガス供給流路３１内を流通するカソードガスに合流してカソードガスが加湿される。

そして、ステップＳ７において、ステップＳ３と同様に、燃料電池１１に供給されるカソードガスが要求加湿量を満足しているか否かを再び判定する。

ステップＳ７における判定結果が「ＹＥＳ」の場合、ステップＳ６における処理を維持する。すなわち、バルブ４３，４８をともに開弁した状態に維持して、本実施形態のフローを終了する。

一方、ステップＳ７における判定結果が「ＮＯ」の場合、バルブ４３，４８をともに開弁しても要求加湿量を満足することができていないと判定して、ステップＳ８に進む。
そして、ステップＳ８において、制御部１５は、エアポンプ３２の出力を上げてエアポンプ３２による吸引力を強くする。これにより、還流路４１内の圧力が増加するとともに、エアポンプ３２よりも上流側におけるカソードガス供給流路３１内の負圧が強くなり、還流路４１からカソードガス供給流路３１内に流入する分岐ガスの流量が増加する。その後、ステップＳ７に戻り、燃料電池１１に供給されるカソードガスが要求加湿量を満足しているか否かを再び判定する。

また、ステップＳ７において、カソードガスが要求加湿量を超えて加湿されてしまった場合（図３中「過加湿」の場合）、ステップＳ４に戻り第２バルブ４８のみを閉弁する。

ところで、上述したステップＳ６において、第１バルブ４３が開弁している場合、エアポンプ３２から吐出されるカソードガスの一部Ｑ_Ｅが分岐ガスとして還流路４１内に流入するため、燃料電池１１に供給されるカソードガスの流量は、エアフローメータ５１で計測される計測値の流量Ｑ_Ａに比べて少なくなる。

そこで、本実施形態の制御部１５は、ポンプ出力制御手段が有するマップに基づいて、エアフローメータ５１の計測値Ｑ_Ａが、第１バルブ４３の開度と燃料電池１１のエア要求量とに応じた所定値となるように、エアポンプ３２の出力を調整する。図４は、エアポンプの出力を算出するためのフローチャートである。
図４に示すように、ステップＳ１１において、第１バルブ４３が閉弁しているか否かを判定する。
ステップＳ１１における判定結果が「ＹＥＳ」の場合、カソードガスが還流路４１へ分岐せずに燃料電池１１に供給されるため、エアフローメータ５１で計測される流量Ｑ_Ａと、燃料電池１１に供給されるカソードガスの流量Ｑ_Ｓとは等しくなる（ステップＳ１２：Ｑ_Ａ＝Ｑ_Ｓ）。そのため、ポンプ出力制御手段は、エアフローメータ５１で計測される流量Ｑ_Ａが、燃料電池１１の要求流量Ｑ_Ｓになるようにエアポンプ３２の出力を調整する。

一方、ステップＳ１１における判定結果が「ＮＯ」の場合、エアフローメータ５１で計測される流量Ｑ_Ａは、燃料電池１１に供給されるカソードガスの流量Ｑ_Ｓと、還流路４１内に流入するカソードガスの流量Ｑ_Ｅとの合計値となる（ステップＳ１３：Ｑ_Ａ＝Ｑ_Ｓ＋Ｑ_Ｅ）。そのため、ポンプ出力制御手段は、第１バルブ４３の開弁量（開弁しているか否か）と、燃料電池１１の要求流量Ｑ_Ｓとのマップに基づいて、エアフローメータ５１で計測される流量Ｑ_Ａが、燃料電池１１の要求流量Ｑ_Ｓと、還流路４１内を流れるカソードガスの流量Ｑ_Ｅとの合計値になるように、エアポンプ３２の出力を調整する。これにより、燃料電池１１に向けて常に所望の流量のカソードガスを供給することができるため、燃料電池１１で効率的な発電を行うことができる。

このように、本実施形態では、エアポンプ３２から送出されるカソードガスの一部をエアポンプ３２の上流に還す還流路４１を設け、還流路４１に還流路４１を流通する分岐ガスを主流とし、カソードオフガス分岐路４７を流通するカソードオフガスを副流とするエゼクタ４６を設ける構成とした。
この構成によれば、還流路４１にエゼクタ４６を配置しているため、還流路４１内に流入した分岐ガスは、エゼクタ４６のノズル４６ａ内を流通することで、流速が増加した状態でエゼクタ４６のノズル４６ａから吐出される。そして、ノズル４６ａ下流側は、ノズル４６ａから吐出される分岐ガスの流れによって高い負圧空間となるため、副流となるカソードオフガス分岐路４７から還流路４１内に向けて効率的にカソードオフガスを流入させることができる。この場合、還流路４１とカソードオフガス分岐路４７との合流地点でカソードオフガスと分岐ガスとが合流すると、カソードオフガスとともに流通する凝縮水が飛散してミスト状になって分岐ガス内に混合される。これにより、凝縮水が気化しやすくなるとともに、エゼクタ４６を通過した分岐ガスに凝縮水が均一に行渡ることになる。この作用はエゼクタ４６に分岐ガスが流入していれば常に起こるため、燃料電池１１の全出力域で、還流路４１内を流通する分岐ガスを効果的に加湿することができる。そして、加湿ガスが還流路４１からエアポンプ３２の上流側に流入することで、エアポンプ３２の上流側を流通するカソードガスに合流してカソードガスが加湿される。
したがって、カソードガスを効率的に加湿し、湿潤な状態で燃料電池１１に供給することができるため、燃料電池１１において、効率的な発電を行うことができる。

しかも、カソードガスに含まれる凝縮水がミスト状になってエアポンプ３２に供給されるため、エアポンプ３２の羽根と筐体とのクリアランスに凝縮水が介在することになり、羽根と筐体との間のクリアランスを縮小することができる。そのため、エアポンプ３２のシール性を向上させ、エア漏れを低減することができるので、エアポンプ３２の効率（消費エネルギーに対する圧縮比）を向上させることができる。
また、凝縮水が気化し易くなることで、凝縮水の気化潜熱によりエアポンプ３２から吐出されるカソードガスの温度を低減することができる。これにより、加湿器１４及び燃料電池１１内に高温のカソードガスが供給されることを防止できる。

さらに、本実施形態では、湿度センサ２５で測定されたカソードガスの湿度と、燃料電池１１の要求加湿量とに基づいて、第１バルブ４３と第２バルブ４８との開度をそれぞれ調整することで、エアポンプ３２の吸入口側に供給されるカソードオフガスの流量及び加湿量を調整することが可能になる。
この場合、最初は第２バルブ４８のみを開弁して還流路４１を閉じた状態で加湿を試みることで、エアポンプ３２の運転効率を高く維持することができる。その後、燃料電池１１の低出力時等、カソードオフガス分岐路４７とエアポンプ３２の上流側との圧力差が小さい場合等において、第１バルブ４３も開弁することで、エアポンプ３２の上流側とカソードオフガス分岐路４７との間の圧力差を大きく確保し、副流となるカソードオフガス分岐路４７から還流路４１内に向けて効率的にカソードガスを流入させることができる。したがって、燃料電池１１の全出力域において、カソードガスを効率的に加湿し、燃料電池１１に供給されるカソードの要求加湿量を満足させることができる。
また、カソードガス供給流路３１におけるエアフローメータ５１よりも上流側に逆止弁５２が設けられているため、還流路４１からカソードガス供給流路３１内に流入するカソードオフガスの逆流を防ぐことができる。したがって、燃料電池１１に向けて所望の流量のカソードガスを効率的に供給することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態における図１のＡ部に相当する拡大図である。なお、以下の説明では、上述した第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施形態の燃料電池システム１００は、図５に示すように、カソードガス供給流路３１の流通方向に対して、還流路１４１が傾斜して接続されている点で上述した第１実施形態と相違している。具体的に、エゼクタ４６のノズル４６ａから吐出される加湿ガスの流速ベクトルと、カソードガス供給流路３１内を流通し、エアポンプ３２に吸入されるカソードガスの流速ベクトルとの内積が正の値となるように、カソードガス供給流路３１の軸線と還流路１４１と軸線とが交わっている。すなわち、カソードガス供給流路３１の軸線と還流路１４１と軸線とのなす角度θは、カソードガス供給流路３１の流通方向に対して９０度以下の範囲で接続されている。

この構成によれば、上述した第１実施形態と同様の効果を奏することに加え、還流路１４１からカソードガス供給流路３１内に流入するカソードオフガスの流入角度（カソードガス供給流路３１と還流路１４１とのなす角θ）が鋭角で流入することになる。そのため、エアポンプ３２に吸入されるカソードガスと、エゼクタ４６のノズル４６ａから吐出される加湿ガスとの衝突により発生するエネルギー損失を低減することができ、エアポンプ３２に向けてカソードオフガスを投入し易くなる。その結果、カソードガス供給流路３１内にカソードオフガスをスムーズに流入させ、カソードガスを効率的に加湿することができる。また、カソードガス供給流路３１内に流入するカソードオフガスの逆流を防ぐことができる。

なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、還流路４１内に還流路４１内を加熱するためのサーモヒータを設置しても構わない。これにより、還流路４１内に滞留した凝縮水や、還流路４１内で凍結した凝縮水を蒸発、溶解してカソードガス供給流路３１内に供給することができる。
また、上述した実施形態では、湿度センサ２５を用いてカソードガスの湿度を直接測定する場合について説明したが、これに限らず燃料電池１１から排出されるカソードオフガスの温度や、燃料電池１１内の圧力に基づいてカソードガスの湿度を算出しても構わない。

また、上述した実施形態では、加湿器１４の上流側にカソードオフガス分岐路４７を接続する構成について説明したが、これに限らず、加湿器１４の下流側やキャッチタンク２３にカソードオフガス分岐路４７を接続しても構わない。
さらに、上述した実施形態では、燃料電池１１から排出されるカソードオフガス中に含まれる凝縮水を利用してカソードガスを加湿する構成について説明したが、これに限らずアノードオフガス中に含まれる凝縮水を利用してカソードガスを加湿する構成にしても構わない。この場合、アノードガス排出流路２２の下流側に接続されたキャッチタンク２３に分岐路を接続させ、凝縮水のみを還流路４１内に供給することが好ましい。

また、上述した実施形態では、エゼクタ４６として、ノズル径の異なる複数のノズル４６ａを切換可能な多連式エゼクタや、ノズル４６ａ内に挿入されたニードル径の異なる複数のニードルを切換可能な多段式エゼクタを採用しても良い。これにより、カソードガス供給流路３１内に流入するカソードオフガスの流量をより微細に調整することが可能になる。
さらに、上述した実施形態ではバルブ制御手段において、各バルブ４３，４８の開閉を切り替えるのみの制御を行った場合について説明したが、各バルブ４３，４８の開弁量を制御しても構わない。これにより、より高精度な制御を行うことができるため、カソードガスの湿度をより高精度に調整することができる。

１…燃料電池システム １１…燃料電池 １４…加湿器 ２５…制御部 ３２…エアポンプ ４１…還流路 ４３…第１バルブ ４４…ドレン管（凝縮水除去手段） ４５…ドレンバルブ（凝縮水除去手段） ４６…還流路 ４７…カソードオフガス分岐路（オフガス流路） ４８…第２バルブ ５１…エアフローメータ（エア流量計測器） ５２…逆支弁

Claims (8)

1. 酸化剤と燃料とが供給されて発電を行う燃料電池と、
   前記酸化剤としてのエアを前記燃料電池に送り込むエアポンプと、
   前記燃料電池から排出されるオフガスの少なくとも一部が流通するオフガス流路と、
   前記エアポンプから送出され、前記燃料電池に向かうエアの一部を前記エアポンプの上流に還す還流路と、
   前記還流路上に配置され、前記還流路のエア流れを主流とし、前記オフガス流路のオフガス流れを副流とするエゼクタと、を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記還流路上における前記エゼクタよりも上流側に配置された第１バルブと、
   前記オフガス流路上に配置された第２バルブと、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. 前記エアポンプから前記燃料電池に至る流路を流れるエアに、前記酸化剤のオフガスから水分を移動させる加湿器を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記エゼクタから吐出されるガスの流速ベクトルと、前記エアポンプに吸入されるガスの流速ベクトルとの内積が正の値となるように、前記エゼクタの吐出口の軸線と前記エアポンプの吸入口の軸線とが交わっていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１バルブ及び前記第２バルブの開度を調整する制御部を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池に供給されるエアの加湿量が不足している場合に、前記第２バルブを開弁し、その後前記加湿量が未だ不足している場合に、前記第１バルブを開弁することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記酸化剤の供給源から前記エアポンプに至る流路と、前記還流路との合流地点よりも上流側には、前記エゼクタから前記酸化剤の供給源に向かうガス流れを抑制する逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記酸化剤の供給源から前記エアポンプに供給される前記酸化剤の流量を計測するエア流量計測器を備え、
   前記制御部は、前記エア流量計測器の計測値が、前記第１バルブの開度と前記燃料電池のエア要求量とに応じた所定値となるように、前記エアポンプの出力を調整することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
8. 前記還流路には、前記還流路内に滞留する凝縮水を除去するための凝縮水除去手段が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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