(57)【要約】【課題】エジェクタの内部の流路の形状が固定されたエジェクタを備える燃料電池システムであって、燃料電池の発電効率を高めることができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、燃料ガス供給装置１４と、燃料ガス供給経路１６と、オフガス供給経路１８と、エジェクタ２０と、空気供給経路２４と、加熱器３０とを備える。エジェクタ２０は、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路１８からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路１６に吐出する。エジェクタ２０は、エジェクタ２０の内部の流路の形状が固定されている。加熱器３０は、燃料ガス供給経路１６のうち燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に設けられ、空気供給経路２４を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１２）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１４）と、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路（１６）と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路（１８）と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記オフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、前記オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに前記燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されている前記エジェクタ（２０）と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（２２）と、
前記酸化剤ガス供給装置から前記燃料電池へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給経路（２４）と、
前記燃料電池から排出された酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出経路（２６）と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記燃料ガス供給装置と前記エジェクタとの間に設けられ、前記酸化剤ガス供給経路または前記酸化剤ガス排出経路を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器（３０、３２）とを備える、燃料電池システム。
【請求項２】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１２）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１４）と、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路（１６）と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路（１８）と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記オフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、前記オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに前記燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されている前記エジェクタ（２０）と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記燃料ガス供給装置と前記エジェクタとの間に設けられ、車両に搭載された前記燃料電池システム以外の装置（５０）の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器（３４）とを備える、燃料電池システム。
【請求項３】
前記車両には、前記燃料電池システム以外の前記装置を冷却する冷却液が循環する冷却液回路（５２）が搭載され、
前記加熱器は、前記冷却液回路の冷却液と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱する、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システム以外の前記装置は、前記燃料電池から発電された電力を変換する電力変換装置（５０）である、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池システム以外の前記装置は、前記燃料電池から発電された電力を蓄積する蓄電池である、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
車両に搭載される燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１２）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１４）と、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路（１６）と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路（１８）と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記オフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、前記オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに前記燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されている前記エジェクタ（２０）と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記燃料ガス供給装置と前記エジェクタとの間に設けられ、前記車両に搭載される空調装置（６０）の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器（３６）とを備える、燃料電池システム。
【請求項７】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１２）と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１４）と、
前記燃料ガス供給装置から前記燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路（１６）と、
前記燃料電池に供給された燃料ガスのうち前記化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで前記燃料電池から排出されたオフガスを、前記燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路（１８）と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記オフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、前記オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに前記燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されている前記エジェクタ（２０）と、
前記燃料ガス供給経路のうち前記燃料ガス供給装置と前記エジェクタとの間に設けられ、燃料ガスの加熱のために発生させた熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器（３８、７０）とを備える、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、エジェクタを備える燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、燃料電池から排出されるオフガスが、エジェクタによって燃料電池に供給される。すなわち、エジェクタによってオフガスが燃料電池の内部と外部とを循環する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１３９８７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のようなエジェクタを備える燃料電池システムにおいて、エジェクタの内部の流路の形状が固定されたエジェクタを用いる場合が考えられる。流路の形状が固定されたエジェクタとは、エジェクタの内部の流路断面積を変更する可変機構を持たないエジェクタである。
【０００５】
この場合、燃料ガス供給装置からの燃料ガスの供給量に応じて、オフガスの循環量が決まる。オフガスの循環量は、燃料電池に向かって流れるオフガスの流量である。このため、燃料電池の発電状態が悪いときでは、オフガスの循環量が不足して、燃料電池の出力が要求出力を満たさないことが想定される。燃料電池の出力が要求出力を満たすためには、燃料ガス供給量を増大させなければならず、燃料電池の効率的な発電が困難となる。
【０００６】
本発明は上記点に鑑みて、エジェクタの内部の流路の形状が固定されたエジェクタを備える燃料電池システムであって、燃料電池の発電効率を高めることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１２）と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１４）と、
燃料ガス供給装置から燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路（１６）と、
燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで燃料電池から排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路（１８）と、
燃料ガス供給経路のうちオフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されているエジェクタ（２０）と、
燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（２２）と、
酸化剤ガス供給装置から燃料電池へ酸化剤ガスを導く酸化剤ガス供給経路（２４）と、
燃料電池から排出された酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス排出経路（２６）と、
燃料ガス供給経路のうち燃料ガス供給装置とエジェクタとの間に設けられ、酸化剤ガス供給経路または酸化剤ガス排出経路を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器（３０、３２）とを備える。
【０００８】
これによれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタに流入する燃料ガスを加熱器によって加熱することで、エジェクタの吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタに供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、
車両に搭載される燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１２）と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１４）と、
燃料ガス供給装置から燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路（１６）と、
燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで燃料電池から排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路（１８）と、
燃料ガス供給経路のうちオフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されているエジェクタ（２０）と、
燃料ガス供給経路のうち燃料ガス供給装置とエジェクタとの間に設けられ、車両に搭載された燃料電池システム以外の装置（５０）の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器（３４）とを備える。
【００１０】
これによれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタに流入する燃料ガスを加熱器によって加熱することで、エジェクタの吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタに供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載のように、加熱器として、燃料電池システム以外の装置を冷却する冷却液回路の冷却液と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱するものを採用することができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明においては、請求項４に記載のように、燃料電池システム以外の装置の排熱として、燃料電池から発電された電力を変換する電力変換装置（５０）の排熱を用いることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明においては、請求項５に記載のように、燃料電池システム以外の装置の排熱として、燃料電池から発電された電力を蓄積する蓄電池の排熱を用いることができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明では、
車両に搭載される燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１２）と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１４）と、
燃料ガス供給装置から燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路（１６）と、
燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで燃料電池から排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路（１８）と、
燃料ガス供給経路のうちオフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されているエジェクタ（２０）と、
燃料ガス供給経路のうち燃料ガス供給装置とエジェクタとの間に設けられ、車両に搭載される空調装置（６０）の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器（３６）とを備える。
【００１５】
これによれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタに流入する燃料ガスを加熱器によって加熱することで、エジェクタの吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタに供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明では、
燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１２）と、
燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置（１４）と、
燃料ガス供給装置から燃料電池へ燃料ガスを導く燃料ガス供給経路（１６）と、
燃料電池に供給された燃料ガスのうち化学反応に用いられなかった未反応ガスを含んで燃料電池から排出されたオフガスを、燃料ガス供給経路に合流させるオフガス供給経路（１８）と、
燃料ガス供給経路のうちオフガス供給経路の合流位置に設けられ、ノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路に吐出し、エジェクタの内部の流路の形状が固定されているエジェクタ（２０）と、
燃料ガス供給経路のうち燃料ガス供給装置とエジェクタとの間に設けられ、燃料ガスの加熱のために発生させた熱を熱源として、燃料ガスを加熱する加熱器（３８、７０）とを備える。
【００１７】
これによれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタに流入する燃料ガスを加熱器によって加熱することで、エジェクタの吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタに供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池の発電効率を高めることができる。
【００１８】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図２】第１実施形態における加熱処理を示すフローチャートである。
【図３】エジェクタに流入する燃料ガスが加熱されることによって、エジェクタに吸引されるオフガスの吸引量が増大することを説明するための図である。
【図４】第２実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図５】第３実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図６】第４実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【図７】第５実施形態における燃料電池システムの全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００２１】
（第１実施形態）
図１に示す本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池を走行用モータの電源として走行する車両に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池（ＦＣ，Fuel Cell）１２と、燃料ガス供給装置１４と、燃料ガス供給経路１６と、オフガス供給経路１８と、エジェクタ２０と、空気供給装置２２と、空気供給経路２４と、空気排出経路２６とを備える。
【００２２】
燃料電池１２は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる。本実施形態では、燃料ガスとして水素（Ｈ２）ガスが用いられ、酸化剤ガスとして空気中の酸素が用いられる。水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギが発生する。燃料電池１２として、電解質が固体高分子で構成された固体高分子型の燃料電池が用いられる。
【００２３】
燃料ガス供給装置１４は、燃料電池１２の燃料極側に燃料ガスを供給する。本実施形態では、燃料ガス供給装置１４は、燃料ガスタンク１４２と、圧力調整弁１４４とによって構成されている。燃料ガスタンク１４２は、燃料ガスとしての水素ガスが充填されている。圧力調整弁１４４は、燃料ガスタンク１４２からの燃料ガスの圧力と流量を調整する。
【００２４】
燃料ガス供給経路１６は、燃料ガス供給装置１４から燃料電池１２へ燃料ガスを導く。オフガス供給経路１８は、燃料電池１２から排出されたオフガスを燃料ガス供給経路１６に合流させる。オフガスには、燃料電池１２に供給された燃料ガスのうち上記化学反応に用いられなかった未反応ガスが含まれる。
【００２５】
エジェクタ２０は、燃料ガス供給経路１６のうちオフガス供給経路１８の合流位置に設けられている。エジェクタ２０は、入口２０２と、吸引口２０４と、吐出口２０６とを有する。入口２０２には、燃料ガス供給経路１６のうちエジェクタ２０よりも上流側が接続されている。吸引口２０４には、オフガス供給経路１８が接続されている。吐出口２０６には、燃料ガス供給経路１６のうちエジェクタ２０よりも下流側が接続されている。
【００２６】
エジェクタ２０は、エジェクタ２０の内部の図示しないノズルから燃料ガスを噴射することで、オフガス供給経路１８からオフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに燃料ガス供給経路１６に吐出する。本実施形態のエジェクタ２０は、エジェクタ２０の内部の流路断面積を変更する可変機構を持っていない。すなわち、エジェクタ２０の内部の流路の形状が固定されている。さらに換言すると、エジェクタ２０の内部のノズル、ディフューザ等を含む流路のそれぞれの部分での流路断面積は変化せず一定である。
【００２７】
空気供給装置２２は、燃料電池１２の酸化剤極側に空気を供給する酸化剤ガス供給装置である。本実施形態では、空気供給装置２２として、空気圧縮機が用いられる。空気圧縮機は、空気を圧縮して吐出する。空気供給経路２４は、空気供給装置２２から燃料電池１２へ空気を導く酸化剤ガス供給経路である。空気排出経路２６は、燃料電池１２から排出された空気が流れる酸化剤ガス排出経路である。燃料電池１２から排出された空気には、上記化学反応に用いられなかった酸素が含まれる。
【００２８】
燃料電池システム１０は、加熱器３０を備える。加熱器３０は、燃料ガス供給経路１６のうち燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に設けられる。加熱器３０は、空気供給経路２４を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガス供給装置１４から供給されてエジェクタ２０に流入する燃料ガスを加熱する。
【００２９】
より詳細に説明すると、燃料ガス供給経路１６は、燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に、加熱器側経路１６２と、バイパス経路１６４とを有する。加熱器側経路１６２は、燃料ガス供給装置１４から供給された燃料ガスを加熱器３０に導き、加熱器３０を通過した燃料ガスをエジェクタ２０の入口２０２側に導く。バイパス経路１６４は、燃料ガス供給装置１４から供給された燃料ガスを、加熱器３０をバイパス（すなわち、迂回）させて、エジェクタ２０の入口２０２側に導く。
【００３０】
加熱器３０は、加熱器側経路１６２を流れる燃料ガスと空気供給経路２４を流れる圧縮空気との熱交換によって、燃料ガスを加熱する熱交換器である。
【００３１】
燃料電池システム１０は、流量調整装置２８を備える。流量調整装置２８は、加熱器側経路１６２を流れる燃料ガスの流量と、バイパス経路１６４を流れる燃料ガスの流量とのそれぞれを調整する。本実施形態では、流量調整装置２８は、三方弁で構成されている。流量調整装置２８は、燃料ガス供給経路１６のうち加熱器側経路１６２とバイパス経路１６４との分岐位置に設けられている。
【００３２】
燃料電池システム１０は、制御装置４０と、出力検出装置４２とを備える。制御装置４０は、圧力調整弁１４４、流量調整装置２８、空気供給装置２２の作動を制御する。出力検出装置４２は、燃料電池１２の出力を検出する。本実施形態では、出力検出装置４２は、燃料電池１２の電圧を検出する。出力検出装置４２は、検出結果に応じた信号を制御装置４０に向けて出力する。
【００３３】
制御装置４０は、燃料電池１２に要求される要求出力に応じて、燃料ガス供給装置１４からの燃料ガスの供給量を決定する。制御装置４０は、決定した供給量にて、燃料ガス供給装置１４から燃料ガスを供給させる。具体的には、制御装置４０は、決定した供給量となるように、圧力調整弁１４４を調整する。圧力調整弁１４４は、燃料ガスタンク１４２から流出の燃料ガスを減圧させる。制御装置４０は、空気供給装置２２から圧縮空気を供給させる。このとき、制御装置４０は、流量調整装置２８の状態を、燃料ガス供給装置１４から供給された燃料ガスの全部がバイパス経路１６４を流れる状態とする。
【００３４】
これにより、燃料電池１２は、供給された燃料ガスと供給された空気との化学反応により発電する。燃料電池１２から排出されたオフガスは、エジェクタ２０によってオフガス供給経路１８を流れて、燃料ガス供給経路１６に合流する。オフガス供給経路１８を流れるオフガスの流量がオフガス循環量である。
【００３５】
また、制御装置４０は、図２に示すように、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタ２０に流入する前の燃料ガスを加熱する加熱処理を行う。この加熱処理は、制御装置４０が決定した供給量にて、燃料ガス供給装置１４から燃料ガスを供給させているときに行われる。図２に示すフローは、繰り返し実行される。図２に示す各ステップは、制御装置４０の各機能を実現する構成部である。
【００３６】
ステップＳ１では、制御装置４０は、出力検出装置４２からの信号を読み込む。すなわち、燃料電池１２の出力電圧Ｖを読み込む。この出力電圧Ｖは、出力検出装置４２の検出値である。
【００３７】
続いて、ステップＳ２では、制御装置４０は、出力検出装置４２が検出した出力電圧Ｖが、所定値Ｖｔｈよりも低いか否かを判定する。所定値Ｖｔｈは、要求出力に応じて設定されたものが用いられる。これにより、制御装置４０は、燃料電池１２の発電状態が悪いか否かを判定する。すなわち、制御装置４０は、オフガスの循環量が不足しているか否かを判定する。
【００３８】
ステップＳ２で、ＮＯ判定の場合、制御装置４０は、図２に示すフローを終了する。ステップＳ２で、ＹＥＳ判定の場合、制御装置４０は、ステップＳ３に進む。
【００３９】
ステップＳ３では、制御装置４０は、エジェクタ２０に流入する前の燃料ガスを、加熱器３０によって加熱する。具体的には、制御装置４０は、流量調整装置２８による燃料ガスの流量の調整前と比較して、加熱器側経路１６２を流れる燃料ガスの流量が増大し、バイパス経路１６４を流れる燃料ガスの流量が減少するように、流量調整装置２８を作動させる。「燃料ガスの流量が減少する」には、燃料ガスの流量が０になる場合も含まれる。
【００４０】
これにより、加熱器３０で、燃料ガスと圧縮空気とが熱交換することで、燃料ガスが加熱される。例えば、加熱器３０での加熱前において、圧力調整弁１４４で減圧された燃料ガスの温度は２０℃である。オフガス供給経路１８を流れるオフガスの温度は７０℃である。空気供給装置２２から供給される圧縮空気の温度は２００℃である。このように、圧縮空気は、加熱器３０で加熱される前の燃料ガスおよびオフガスよりも高温である。このため、加熱器３０で加熱された燃料ガスの温度は２０℃よりも高くなる。加熱器３０で加熱された燃料ガスは、入口２０２からエジェクタ２０に流入する。
【００４１】
ここで、エジェクタ昇圧量ΔＰは、下記の式で示されるように、エジェクタ２０の入口２０２側とエジェクタ２０の吐出口２０６側の燃料ガスのエンタルピ差Δｈに比例する。式中のηはエジェクタ効率である。
【００４２】
ΔＰ∝η・Δｈ
吐出口２０６側の燃料ガスのエンタルピは、燃料電池１２の内部の圧力で決まる。このため、燃料ガスの供給量が一定の条件で、エジェクタ２０の入口２０２側の燃料ガスが加熱されると、エンタルピ差Δｈが増大し、エジェクタ昇圧量ΔＰが増大する。
【００４３】
また、図３に、エジェクタ昇圧量ΔＰとオフガスの循環量Ｆとの関係を表す第１曲線Ｃ１と、システム圧損特性を表す第２曲線Ｃ２とを示す。実線で示す第１曲線Ｃ１は、エジェクタ２０の固有の特性である。第２曲線Ｃ２は、オフガスの循環量と圧力損失の大きさとの関係を示す。圧力損失は、エジェクタ２０と燃料電池１２とを含むオフガスの循環経路を流れることによる圧力損失である。第２曲線Ｃ２はオフガスの循環経路によって決まる。オフガスの循環経路は、エジェクタ２０と燃料電池１２とオフガス供給経路１８と燃料ガス供給経路１６のうちエジェクタ２０と燃料電池１２との間の部分が含まれる。オフガスの循環量Ｆは、第１曲線Ｃ１と第２曲線Ｃ２の交点の横軸での位置で表される。
【００４４】
エジェクタ２０の入口２０２側の燃料ガスが加熱されて、エジェクタ昇圧量ΔＰが増大すると、第１曲線Ｃ１は、図３中の実線の位置から図３中の一点鎖線の位置に上昇する。このため、第１曲線Ｃ１と第２曲線Ｃ２の交点の横軸での位置が、図３中のＦ１からＦ２に移動する。
【００４５】
このように、燃料ガスが加熱されると、エジェクタ２０の昇圧エネルギが増大し、オフガスの循環量が増大する。これによって、燃料電池１２の出力が増大する。
【００４６】
続いて、ステップＳ４では、ステップＳ１と同様に、制御装置４０は、燃料電池１２の出力電圧Ｖを読み込む。
【００４７】
続いて、ステップＳ５では、制御装置４０は、出力検出装置４２が検出した出力電圧Ｖが、所定値Ｖｔｈよりも高いか否かを判定する。これにより、制御装置４０は、燃料電池１２の発電状態が良いか否かを判定する。すなわち、制御装置４０は、オフガスの循環量が充足しているか否かを判定する。
【００４８】
ステップＳ５で、ＮＯ判定の場合、制御装置４０は、ステップＳ３に戻る。ステップＳ３では、制御装置４０は、前回のステップＳ３を実行したときよりも、加熱器側経路１６２を流れる燃料ガスの流量が増大するように、流量調整装置２８を作動させる。これにより、燃料ガスの温度がより上昇する。なお、ステップＳ５とステップＳ３とが繰り返される場合、２回目以降のステップＳ３では、前回のステップＳ３を実行したときの流量調整装置２８の状態を維持させてもよい。また、ステップＳ３で、バイパス経路１６４を流れる燃料ガスの流量が０になるように流量調整装置２８を作動させる場合、この流量調整装置２８の状態が維持される。
【００４９】
ステップＳ５で、ＹＥＳ判定の場合、制御装置４０は、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、制御装置４０は、燃料ガスの加熱を停止させる。具体的には、制御装置４０は、加熱器側経路１６２を流れる燃料ガスの流量を０とするように、流量調整装置２８を作動させる。その後、制御装置４０は、図２に示すフローを終了し、再び、ステップＳ１を行う。
【００５０】
このように、制御装置４０は、燃料電池１２の出力が要求出力を満たすように、流量調整装置２８の作動を制御する。これにより、燃料電池１２は、要求出力を満たす発電量を発電することができる。
【００５１】
以上の説明の通り、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、オフガスの循環量が不足する場合、エジェクタ２０に流入する燃料ガスを加熱器３０によって加熱することで、エジェクタ２０の吸引量を増大させることができる。このため、燃料ガスの供給量を増大させなくても、オフガスの循環量を増大させることで、燃料電池１２の出力を高めることができる。よって、これによれば、エジェクタ２０に供給される燃料ガスを加熱しない場合と比較して、燃料電池１２の発電効率を高めることができる。
【００５２】
（第２実施形態）
本実施形態では、加熱器の熱源が第１実施形態と異なる。燃料電池システム１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。
【００５３】
図４に示すように、燃料電池システム１０は、加熱器３２を備える。加熱器３２は、燃料ガス供給経路１６のうち燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に設けられる。具体的には、燃料ガス供給経路１６は、燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に、加熱器側経路１６２と、バイパス経路１６４とを有する。加熱器３２は、加熱器側経路１６２を流れる燃料ガスと空気排出経路２６を流れる空気との熱交換によって、燃料ガス供給装置１４から供給されてエジェクタ２０に流入する燃料ガスを加熱する熱交換器である。
【００５４】
このように、加熱器３２は、空気排出経路２６を流れる空気の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
（第３実施形態）
本実施形態では、加熱器の熱源が第１実施形態と異なる。燃料電池システム１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。
【００５６】
図５に示すように、車両には、電力変換装置５０を冷却する冷却液回路５２が搭載されている。電力変換装置５０は、車両に搭載された燃料電池システム１０以外の装置である。電力変換装置５０は、燃料電池１２が発電した電力を変換する。電力変換装置５０は、周波数を変換するインバータ、電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータ等である。
【００５７】
冷却液回路５２は、冷却液が循環して流れる冷却液経路５４と、冷却液を循環させるポンプ５６と、冷却液の熱を外部に放出する放熱器５８とを備える。冷却液回路５２では、冷却液経路５４を冷却液が循環することで、冷却液と電力変換装置５０とが熱交換する。これによって、電力変換装置５０が冷却される。電力変換装置５０と熱交換後の冷却液は、放熱器５８で外気との熱交換によって外気へ放熱する。
【００５８】
本実施形態の燃料電池システム１０は、加熱器３４を備える。加熱器３４は、燃料ガス供給経路１６のうち燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に設けられる。加熱器３４は、電力変換装置５０の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する。具体的には、燃料ガス供給経路１６は、燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に、加熱器側経路１６２と、バイパス経路１６４とを有する。加熱器３４は、加熱器側経路１６２を流れる燃料ガスと冷却液回路５２の冷却液との熱交換によって、燃料ガス供給装置１４から供給されてエジェクタ２０に流入する燃料ガスを加熱する熱交換器である。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５９】
（第４実施形態）
本実施形態では、加熱器の熱源が第１実施形態と異なる。燃料電池システム１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。図６では、空気供給装置２２、空気供給経路２４および空気排出経路２６の図示が省略されている。
【００６０】
図６に示すように、車両には、空調装置６０が搭載されている。空調装置６０は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを備える。図示しないが、冷凍サイクルは、冷媒圧縮機と、冷媒放熱器と、膨張弁と、蒸発器とを含む。空調装置６０の冷房運転時および暖房運転時では、冷媒圧縮機は、作動時に発熱する。また、空調装置６０の冷房運転時では、冷媒放熱器は、冷媒の熱を外気へ放出する。冷媒圧縮機から発生する熱および冷房運転時に冷媒放熱器で外気へ放出される熱は、空調装置６０の排熱である。
【００６１】
本実施形態の燃料電池システム１０は、加熱器３６を備える。加熱器３６は、燃料ガス供給経路１６のうち燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に設けられる。加熱器３６は、空調装置６０の排熱を熱源として、燃料ガスを加熱する。具体的には、燃料電池システム１０は、空調装置６０の排熱を受熱する熱媒体が流れる熱媒体回路６２を備える。加熱器３６は、熱媒体回路６２の熱媒体と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱する。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
なお、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に、加熱器側経路１６２と、バイパス経路１６４とを有していてもよい。この場合、加熱器３６は、加熱器側経路１６２に設けられる。
【００６３】
（第５実施形態）
本実施形態では、加熱器の熱源が第１実施形態と異なる。燃料電池システム１０の他の構成は、第１実施形態と同じである。図７では、空気供給装置２２、空気供給経路２４および空気排出経路２６の図示が省略されている。
【００６４】
図７に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、加熱器３８と、ヒータ７０とを備える。加熱器３８は、燃料ガス供給経路１６のうち燃料ガス供給装置１４とエジェクタ２０との間に設けられる。加熱器３８は、ヒータ７０の熱を熱源として、燃料ガスを加熱する熱交換器である。ヒータ７０の熱は、燃料ガスの加熱のために発生させる外部熱である。ヒータ７０としては、電気ヒータ、燃焼式ヒータ等が用いられる。具体的には、燃料電池システム１０は、ヒータ７０の熱を受熱する熱媒体が流れる熱媒体回路７２を備える。加熱器３８は、熱媒体回路７２の熱媒体と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱する。本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６５】
なお、加熱器３８でヒータ７０によって加熱された熱媒体によって燃料ガスを加熱することに替えて、ヒータ７０で燃料ガス供給経路１６を流れる燃料ガスを直接加熱するようにしてもよい。この場合、ヒータ７０が燃料ガスを加熱する加熱器を構成する。
【００６６】
（他の実施形態）
（１）第３実施形態では、加熱器３４は、電力変換装置５０の排熱を熱源とするものであった。しかしながら、加熱器３４は、車両に搭載された図示しない蓄電池の排熱または車両用のトランスミッションの排熱を熱源とするものであってもよい。蓄電池は、燃料電池１２から発電された電力を蓄積する。蓄電池およびトランスミッションは、車両に搭載された燃料電池システム以外の装置である。これらの場合、第３実施形態と同様に、車両には、蓄電池またはトランスミッションを冷却する冷却液が循環する冷却液回路が搭載される。加熱器は、この冷却液回路の冷却液と燃料ガスとの熱交換によって、燃料ガスを加熱する。
【００６７】
（２）第１、第２、第５実施形態では、燃料電池システム１０は車両に搭載されるものであった。しかしながら、燃料電池システム１０は車両に搭載されるものでなくてもよい。すなわち、燃料電池システム１０は定置型であってもよい。
【００６８】
（３）上記した各実施形態では、燃料電池１２は、固体高分子型の燃料電池であった。しかしながら、燃料電池１２は、他の材質の電解質を用いた燃料電池であってもよい。
【００６９】
（４）本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７０】
１０    燃料電池システム
１２    燃料電池
１４    燃料ガス供給装置
１６    燃料ガス供給経路
１８    オフガス供給経路
２０    エジェクタ
２２    空気供給装置
２４    空気供給経路
２６    空気排出経路
３０    加熱器  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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